JP3644979B2

JP3644979B2 - ビーム走査装置

Info

Publication number: JP3644979B2
Application number: JP34535693A
Authority: JP
Inventors: 雄二郎野村; 隆史鈴木; 望井上; 球高田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JPH07181375A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はレーザビームプリンタ等に用いられるビーム走査装置、特にビーム走査装置の結像レンズ（ｆθレンズ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームプリンタ等に用いられるビーム走査装置は、半導体レーザ等の光源から射出し、コリメータレンズによって平行ビームとされた光ビームを高速駆動回転する回転多面鏡により偏向走査し、結像レンズによって被走査面上にビームスポットとして照射し露光するように構成されている。このようなビーム走査装置では、結像レンズが高価であり、ビーム走査装置の価格の主要な部分を占めていた。また、結像レンズの直径が通常１００ｍｍと大きく、装置が大型にならざるを得なかった。さらに、回転多面鏡も高価であり、その大きさは内接円半径が通常２０ｍｍ程度であり、装置のコスト高と大型化の主要因であった。
【０００３】
このため、本件発明者らは、ビーム発生装置からのビームに対し連続的に角変位し得るように回転駆動手段に駆動されて回転する回転レンズ鏡を、入射面および射出面のうち少なくとも一つの面が収差補正作用を有するビーム走査装置を提案している。（特願平５−１２１９９５号，特願平５−１４７７８０号および特願平５−２５８７６４号参照）これらの構成によれば、回転多面鏡の代わりにビームを偏向する回転レンズ鏡がビームの偏向とレンズ作用の機能を合わせ持つようになり、ビーム走査装置として十分な収差補正がなされるとともに、装置の小型化に寄与させることができる。この構成を図９の斜視図を参照して説明する。即ち、半導体レーザ１からのビームをコリメートレンズ２により平行ビームとし、これをシリンドリカルレンズ６により回転レンズ鏡３の反射面に線状に結像させる。そして、回転駆動手段に駆動されて回転する回転レンズ鏡３により偏向させ、結像レンズ（ｆθレンズ）４によりビームスポットとして被走査面５に結像させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記回転レンズ鏡を用いたビーム走査装置においても被走査面５に走査直線性の良好なビームの結像を得るには、面倒れ補正光学系を用いた結像レンズ（ｆθレンズ）が必要である。この発明は、上記ビーム走査装置に好適な単玉のトーリック面を有する結像レンズを使用したビーム走査装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願はかかる課題を達成するために、光源からのビームを整形するコリメータレンズ、上記コリメータレンズからのビームを偏向器の反射面に副走査方向の線像として形成させるシリンドリカルレンズ、高速回転駆動されて上記ビームを偏向させる上記偏向器、及び上記偏向器からの主走査方向に収束された収束ビームを被走査面上に面倒れ補正して被走査面上に結像させる結像レンズとからなるビーム走査装置において、上記結像レンズは、高分子材料により構成され、入射面は、上記偏向器の回転軸に平行な軸と上記結像レンズの光軸とのそれぞれに直交する軸の回りに非円弧を回転させて形成される非円弧トーリック面であり、出射面は、副走査断面が円弧で、上記円弧を上記偏向器の回転軸と平行な軸の回りに回転させることにより生成されるトーリック面であり、さらに主走査断面については入射面が凹であり、出射面が凸で、副走査断面については両凸で正の屈折力を有する単レンズとして構成されている。
【０００６】
【作用】
請求項１の発明によれば、結像レンズの副走査断面形状を両凸レンズとしたことにより、パワーをだすのに必要な曲率半径を大きく採ることができて球面収差を小さくすることが可能である。また、曲率半径を大きく採ることができるため、このレンズ成形時に樹脂の流動性がよくなり、成形性を格段に向上させることができ、製造容易で高精度な結像レンズとなり、単純な構成にも拘らずビーム走査装置の小型化、コンパクト化に寄与させることができる。
また、請求項２の発明によれば、入射面側が凹であり、出射面側が凸であるため、副走査断面の肉厚が主走査方向全体でほぼ均一となり、樹脂の成形性が高くなるとともに、温度変化による屈折率変動の影響を小さくすることができる。
【０００７】
また、結像レンズの入射面が回転多面鏡および光軸と直交する軸回りに円弧あるいは非円弧を回転させることにより生成される面を有する結像レンズを使用する場合は、通常のトーリックレンズでは、回転多面鏡の回転軸と平行な軸回りに円弧を回転させることにより生成される面が用いられるが、この面では副走査の曲率を変化させることができない。一方、回転多面鏡の回転軸および光軸と直交する軸の回りに非円弧を回転させることにより形成される面とすることで、主走査断面の形状によって副走査断面の曲率を走査位置により変化させることが可能となり、収差補正の自由度が増加し、副走査の結像性能を向上させる効果がある。更に、回転レンズ鏡を偏向器として用いた場合には、回転レンズ鏡から射出するビームの偏向角が回転レンズ鏡の回転角より小さくなるように歪曲収差（ｆθ特性）を発生することができるため、結像レンズで歪曲収差を発生させる必要がない。このため、結像レンズの設計の自由度が増え、像面湾曲などの結像性能を高めることができる。
【０００８】
【実施例】
まず、ビーム走査装置の光学系諸元について説明する。以下に示す各実施例とも有限系であるので、光源，コリメータレンズ，コリメータレンズと回転レンズ鏡または回転多面鏡の間に設けられるシリンドリカルレンズ，結像レンズを含めたビーム走査装置全系の光学系諸元を示す。即ち、光源の面をＳ₀ 、コリメータレンズの入射面，射出面をそれぞれＳ_a ，Ｓ_b 、シリンドリカルレンズの入射面，射出面をそれぞれＳ_e ，Ｓ_f で表し、コリメータレンズ，シリンドリカルレンズおよび結像レンズの光学材質の屈折率をそれぞれｎ_a ，ｎ_c およびｎ_e で表す。また、回転レンズ鏡の一走査の走査開始から走査終了までの回転角を２ωおよび２θとし、各光学系諸元の記号は、第ｉ面Ｓ_i の曲率半径をｒ_i ，第ｉ面Ｓ_i から次の面までの軸上間隔をｄ_i とする。さらに、当該面がシリンドリカル面で主走査方向にのみパワーを持つ場合は主走査方向の曲率半径をｒ_iy、副走査方向にのみパワーを持つ場合は副走査方向の曲率半径をｒ_ix、トーリック面の場合には主走査方向，副走査方向の曲率半径をそれぞれｒ_iy，ｒ_ixとし、主走査断面が非円弧形状の場合には、次式で表される非球面係数をＫ_iy，Ａ_iy，Ｂ_iy，Ｃ_iy，Ｄ_iyとする。
【０００９】
【数１】

ただし、ｚ_i は光軸からの高さｈにおける非球面上の点の、非球面頂点の接平面からの距離である。Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ はそれぞれ回転レンズ鏡またはポリゴンミラーの入射面，反射面，射出面である。ｎ₁ ，ｎ₂ はいずれも回転レンズ鏡の光学材料の屈折率である。
【００１０】
次に、具体的な実施例について説明する。図１（ａ）は第１実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の展開した側面図である。この例の場合、光路長は回転レンズ鏡３の回転中心から像面までの距離で２２０ｍｍである。
【００１１】
半導体レーザ１より射出したビームはコリメータレンズ２によって収束ビームに変換される。このビームはシリンドリカルレンズ６により副走査方向では回転レンズ鏡３の反射面Ｓ2に線像を結像するように収束される。回転レンズ鏡３は光学特性の安定した光学ガラスのシリンドリカルレンズが用いられる。そして、回転レンズ鏡３の入射面Ｓ1に入射した後、反射面Ｓ2で反射され、射出面Ｓ3から射出する。入射面Ｓ1，射出面Ｓ3は、走査中心を走査するビームがそれらの面を垂直に通過するように設定され、また、反射面Ｓ2は走査中心を走査するビームが４５°の角度で反射面Ｓ2に入射するように設定されている。この場合、入射面Ｓ1は主走査方向（被走査面をビームが走査する方向）にのみパワーを持ち主走査断面で凹となるシリンドリカル面であり、反射面Ｓ2，射出面Ｓ3は平面である。回転レンズ鏡３の回転軸は反射面Ｓ2内に内包され、走査中心を走査するビームの反射点を通る。そして、ビームは回転レンズ鏡３の回転に伴って偏向され、偏向されたビームは結像レンズ４を通過し、被走査面上にビームスポットを形成する。
【００１２】
上記結像レンズ４は単玉で面の自由度の高いプラスチックレンズであって、このレンズの副走査断面が図１（ｂ）に示されるように断面形状が両凸レンズ形状のトーリックレンズである。このトーリックレンズの断面形状を両凸レンズとすることにより光学特性は向上し、肉厚が一定で成形性の良いレンズとなる。即ち、レンズ面の曲率半径を大きく採ることが可能となり、球面収差を小さくすることができる。以下、表１に第１実施例の具体的な光学系諸元を示す。この例は、主走査方向では回転レンズ鏡３に収束ビームが入射する有限系であり、副走査方向では回転レンズ鏡３の反射面Ｓ2上に線像を形成する共役型の面倒れ補正光学系を構成しているので、コリメータレンズのパラメータを含むビーム走査装置全系の諸元を示している。
【００１３】
【表１】

【００１４】
上記結像レンズ４の収差曲線図を図２に示す。像面湾曲は破線が主走査方向、実線が副走査方向を示している。走査直線性は、ｆθレンズの通例では理想像高ｙ＝ｆθからの像高のずれを％で表すことが一般的であるが、この発明では回転レンズ鏡３の入射面Ｓ₁ と射出面Ｓ₃ とが回転するために、理想像高ｙがｆθとはならない。従って、等価な表示方法として、光軸近傍の光線について回転レンズ鏡３の回転角に対する像高の変化率をζとして、理想像高Ｙ＝ζθからのずれを％で表示している。半画角ωは結像スポットが走査中心から走査端まで走査する間の回転レンズ鏡３の回転角である。なお、ビームの設計波長は７８０ｎｍとした。図２に示すとおり像面湾曲，走査直線性ともに極めて優れた収差補正を行うことができ、小型化，コンパクト化した高精度なビーム走査装置となる。
【００１５】
図３（ａ），（ｂ）は、この発明の第２実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図および展開した側面図である。光路長は回転レンズ鏡３の回転中心から像面までの距離で２０５ｍｍである。この例の場合、結像レンズ４を像面に近づけるように配置することで、結像レンズに要求される面精度、形状精度などを緩くし、また、結像レンズ４の副走査方向のパワーを小さくすることができるので、温度の変化による屈折率変動があっても、像面湾曲の変動を小さく抑えることができる。
【００１６】
図３（ａ）、（ｂ）において、半導体レーザ１より射出したビームはコリメータレンズ２によって収束ビームに変換され、このビームはシリンドリカルレンズ６により副走査方向では回転レンズ鏡３の反射面Ｓ2に線像を結像するように収束される。回転レンズ鏡３は上記第１実施例と同様に光学特性の安定した光学ガラスのシリンドリカルレンズが用いられる。そして、回転レンズ鏡３の入射面Ｓ1に入射した後、反射面Ｓ2で反射され、射出面Ｓ3から射出する。入射面Ｓ1，射出面Ｓ3は、走査中心を走査するビームがそれらの面を垂直に通過するように設定され、また、反射面Ｓ2は走査中心を走査するビームが４５°の角度で反射面Ｓ2に入射するように設定されている。この場合、入射面Ｓ1は主走査方向（被走査面をビームが走査する方向）にのみパワーを持ち主走査断面で凹となるシリンドリカル面であり、反射面Ｓ2，射出面Ｓ3は平面である。回転レンズ鏡３の回転軸は反射面Ｓ2内に内包され、走査中心を走査するビームの反射点を通る。そして、ビームは回転レンズ鏡３の回転に伴って偏向され、偏向されたビームは結像レンズ４を通過し、被走査面上にビームスポットを形成する。
【００１７】
上記結像レンズ４は単玉で面の自由度の高いプラスチックレンズであって、このレンズの副走査断面が図３（ｂ）に示されるように断面形状が両凸レンズ形状のトーリックレンズである。このトーリックレンズの断面形状を両凸レンズとすることにより光学特性は向上し、肉厚が一定で成形性の良いレンズとなる。即ち、レンズ面の曲率半径を大きく採ることが可能となり、球面収差を小さくすることができる。以下、表２に第２実施例の具体的な光学系諸元を示す。この例は、主走査方向では回転レンズ鏡３に収束光が入射する有限系であり、副走査方向では回転レンズ鏡３の反射面Ｓ₂ 上に線像を形成する共役型の面倒れ補正光学系を構成している。
【００１８】
【表２】

【００１９】
上記結像レンズ４の収差曲線図を図４に示す。上記図２と同様に像面湾曲は破線が主走査方向、実線が副走査方向を示している。また、走査直線性は光軸近傍の光線について回転レンズ鏡３の回転角に対する像高の変化率をζとして、理想像高Ｙ＝ζθからのずれを％で表示している。半画角ωは結像スポットが走査中心から走査端まで走査する間の回転レンズ鏡３の回転角である。なお、ビームの設計波長は７８０ｎｍとした。図４に示すとおり像面湾曲，走査直線性ともに極めて優れたビーム走査装置となる。
【００２０】
次に、図５（ａ），（ｂ）は、この発明の第３実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図および展開した側面図である。光路長は回転レンズ鏡３の回転中心から像面までの距離で１４０ｍｍである。この例の場合、光路長を短くすることで、ビーム走査装置の小型化が更に可能となり、結像レンズ４と像面の距離も第１、第２実施例のものよりさらに短くなるので、結像レンズ４に要求される面精度、形状精度などを更に緩くすることができ、光学特性を良好にすることが可能となる。具体的な光学系諸元を下記表３に示す。
【００２１】
【表３】

【００２２】
上記結像レンズ４の収差曲線図を図６に示す。先の例と同様に像面湾曲は破線が主走査方向、実線が副走査方向を示している。走査直線性は、光軸近傍の光線について回転レンズ鏡３の回転角に対する像高の変化率をζとして、理想像高Ｙ＝ζθからのずれを％で表示している。半画角ωは結像スポットが走査中心から走査端まで走査する間の回転レンズ鏡３の回転角である。なお、ビームの設計波長は７８０ｎｍとした。図６に示すとおり像面湾曲，走査直線性ともに極めて優れたビーム走査装置となり、小型化，コンパクト化したビーム走査装置となる。
【００２３】
次に、この発明の第４実施例について説明する。上記三例は偏向光学素子として回転レンズ鏡を使用したものであるが、この例はポリゴンミラーを使用した点において相違している。図７（ａ）は光軸上を断面で示した構成図、図７（ｂ）にその展開した側面図を示す。即ち、半導体レーザ１から射出したビームはコリメータレンズ２によって収束ビームに変換され、シリンドリカルレンズ６によりポリゴンミラーの反射面Ｓ2上に副走査方向にのみ結像させて線像を形成する。そして、この反射面Ｓ2と被走査面を共役とさせる。この反射面Ｓ2で偏向されたビームは、結像レンズ４により被走査面上にビームスポットを形成する。上記結像レンズ４は、入射面Ｓeは主走査断面が非円弧でポリゴンミラーの回転軸および光軸と直交する軸回りに回転させることにより生成される非円弧トーリック面、射出面Ｓfは副走査断面が円弧でこれをボリゴンミラーの回転軸および光軸と直交する方向の軸回りに回転させることにより生成されるトーリック面を有する結像レンズである。このとき、結像レンズ４に入射するビームは収束光であるので、コリメータ部は有限系となっている。この例の具体的な光学系諸元を表４に示す。
【００２４】
【表４】

【００２５】
上記第４実施例の結像レンズ４の収差曲線図を図８に示す。この例の場合、走査角２θは通常のｆθレンズと同様に画角で表示している。このポリゴンミラーを使用したビーム走査装置においても、被走査面上においてビーム速度が一定となる良好なビーム走査装置となっている。本実施例では、結像レンズの入射面の副走査断面が光軸付近で曲率半径が小さく、結像レンズの端に行くに従って曲率半径が大きくなる形状であるため、副走査の像面湾曲を直線に近づける作用を持っている。また、通常のトーリックレンズでは、主走査断面を非円弧形状とすると、回転軸（偏向器の回転軸に平行な軸）に対して非対称となってしまうため、通常の加工方法では製作が不可能となるが、トーリックの回転軸を変えることにより主走査断面を非円弧としても軸対称形状であることは変わらないため通常の加工方法により加工することが可能となり、製造コストを上げなくて、しかもレンズの精度も落とすことなく主走査断面を非円弧にすることができる。このため、主走査方向に関しても収差補正の自由度を大幅に増やすことが容易にでき、主走査方向についての結像性能や走査直線性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図、（ｂ）は展開して示した側面図、
【図２】図１のビーム走査装置の結像レンズの収差曲線図、
【図３】（ａ）は第２実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図、（ｂ）は展開して示した側面図、
【図４】図３のビーム走査装置の収差曲線図、
【図５】（ａ）は第３実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図、（ｂ）は展開して示した側面図、
【図６】図５のビーム走査装置の結像レンズの収差曲線図、
【図７】（ａ）は第４実施例の構成を示す光軸上を断面で示した構成図、（ｂ）は展開して示した側面図、
【図８】図７のビーム走査装置の結像レンズの収差曲線図、
【図９】先願のビーム走査装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１半導体レーザ
２コリメータレンズ
３偏向器（回転レンズ鏡、ポリゴンミラー）
４結像レンズ
６シリンドリカルレンズ

Claims

光源からのビームを整形するコリメータレンズ、上記コリメータレンズからのビームを偏向器の反射面に副走査方向の線像として形成させるシリンドリカルレンズ、高速回転駆動されて上記ビームを偏向させる上記偏向器、及び上記偏向器からの主走査方向に収束された収束ビームを被走査面上に面倒れ補正して被走査面上に結像させる結像レンズとからなるビーム走査装置において、
上記結像レンズは、高分子材料により構成され、入射面は、上記偏向器の回転軸に平行な軸と上記結像レンズの光軸とのそれぞれに直交する軸の回りに非円弧を回転させて形成される非円弧トーリック面であり、出射面は、副走査断面が円弧で、上記円弧を上記偏向器の回転軸と平行な軸の回りに回転させることにより生成されるトーリック面であり、さらに主走査断面については入射面が凹であり、出射面が凸で、副走査断面については両凸で正の屈折力を有する単レンズとして構成されていることを特徴とするビーム走査装置。