JP3697884B2 - 光走査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置に係り、特に、複数の光ビームによって被走査面上を同時走査する光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、デジタル複写機やレーザプリンタで使用される光走査装置において、画像情報に応じてオンオフされるレーザビームをレーザダイオードから射出し、多角柱形状で、側面を反射面とするポリゴンミラーを回転させることにより等角速度偏向し、さらにｆθレンズにより被走査媒体上を等速度で走査するスポットに結像して画像形成する構成が知られている。
【０００３】
近年、デジタル複写機やレーザプリンタは、高速化、高解像度化の要求が強くなっており、単位時間あたりに書き込めるラインの数を増加させることが望まれている。これを実現するには、ポリゴンミラーの回転速度を上げて書き込み本数を増加させる方法が考えられるが、この方法ではポリゴンミラーを駆動するモータの負荷が増加するので消費電力が増大し、信頼性が低下するという欠点がある。
【０００４】
この問題を解決する方法として、ポリゴンミラーの反射面の主走査方向の面幅以上の幅を持つ光ビームを入射させる所謂オーバーフィルド光学系を用いる技術がある。
【０００５】
従来の所謂アンダーフィルド光学系では、光源から射出された光ビームを、ビーム整形した後にポリゴンミラーに入射させ、この光ビームを偏向方向によらずポリゴンミラーの反射面からはみ出させることなく偏向する構成となっている。このため、ポリゴンミラーが大径となりやすい。例えば、８個の反射面を有するポリゴンミラーを使用して、被走査面上での主走査方向のビーム径を６０μｍにしようとすると、ポリゴンミラーの内接円の直径を約６０ｍｍ程度にしなければならない。これに対し、オーバーフィルド光学系では、ポリゴンミラーの反射面よりも幅広な光ビームのうち、反射面に照射されている部分のみが反射偏向されるので、各反射面の主走査方向の幅をアンダーフィルド光学系と比べて小さくでき、例えば、反射面を１２個とし、ポリゴンミラーの内接円の直径を約２５ｍｍ程度にすることにより、被走査面上での主走査方向のビーム径６０μｍを得ることができる。
【０００６】
このように、オーバーフィルド系を適用した場合、ポリゴンミラー駆動用のモータの負荷を軽減させることができ、モータの消費電力を低減させることができる。
【０００７】
また、高速度化、高解像度化を実現するものとして複数の光ビームを用いて同時に複数ラインを書き込み、単位時間当たりに書き込むラインの本数を増加させる方法がある。
【０００８】
複数の光ビームを用いる場合は、例えば、レーザダイオードアレイのように、光源部から直接複数の光ビームを射出して近接して進行する光ビームを生成し、これをポリゴンミラーの同一反射面で偏向することにより、従来の光走査装置の構成を大きく変更することなく、複数ラインを同時に被走査面上に書き込むことができ、単位時間当たりの書き込みラインの本数を増加させることができる。
【０００９】
さらに、オーバーフィルド光学系と、複数の光ビームによる複数ライン同時走査を組み合わせた光走査装置が特開平９−１９７３１４号公報に開示されている。
【００１０】
この光走査装置は、光ビームを、ポリゴンミラーの回転軸に直交する平面に対して副走査方向に角度を持たせて、走査範囲の中央方向からポリゴンミラーに入射させる、所謂正面入射方式を採用している。この正面入射方式は、走査範囲の斜め方向から光ビームを入射させるサイド入射方式と比べて、被走査面上の主走査方向に沿ったビーム径および光量の変動幅を小さくできるという利点がある。
【００１１】
さらに、この光走査装置では、ｆθレンズを透過した光ビームをポリゴンミラーに入射させ、ポリゴンミラーの反射面で反射偏向された光ビームを再びｆθレンズに入射させる、所謂ダブルパス光学系を採用している。このように、ダブルパス光学系では、光ビームをｆθレンズの上または下を通過させる必要がないため、ポリゴンミラーの反射面に直交する平面に対して光ビームが入射する角度を小さくすることができ、該角度が大きい場合に発生する走査線湾曲や、光ビームの光軸回りの回転を抑制でき、良好な結像特性が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような光走査装置では、光源部から光ビームがポリゴンミラーに入射するまでの光路が複雑になるため、部品取り付けの誤差や、筐体の変形が生じると、光路が変動して光学特性が劣化するという問題がある。これは、オーバーフィルド光学系とレーザダイオードアレイを組み合わせた光走査装置では、光学設計上の制約条件が多く、光源部から光ビームがポリゴンミラーへ入射するまでの光学系のレンズ配置に関して制約が加わり、光路の折り返し回数が多くなるためである。
【００１３】
光走査装置は、光学部品を実装するに当たっては装置の小型化が重要な課題であり、光路の折り返しには、一般に平面ミラーが用いられる。特開平９−１９７３１４号公報に開示された光走査装置では、光ビームの光路上におけるエキスパンダレンズとシリンドリカルレンズの間、及びシリンドリカルレンズとｆθレンズの間の二ヶ所に平面ミラーを配置して、光源からポリゴンミラーに入射するまでの間に、光ビームを２回折り返す構成となっている。
【００１４】
このような光ビームを２回折り返す構成の光走査装置４０の構成の一例を図９に示す。光走査装置４０の光源部４２から射出された光ビームは、コリメータレンズ４４によって平行光束とされて、平凹の球面レンズであるエキスパンダレンズ４６へ入射する。そして、エキスパンダレンズ４６によって再び発散光となった光ビームは、折り返しミラー４８によって所定角度で折り返されてシリンドリカルレンズ５０へ入射し、さらに折り返しミラー５２によって所定角度で折り返されてｆθレンズ５４、５６へ正面入射する。
【００１５】
ｆθレンズ５４、５６を透過した光ビームはポリゴンミラー５８によって所定方向へ偏向されて、再びｆθレンズ５６、５４へ入射し、平面ミラー６０でポリゴンミラー５８の上方側へ折り返される。そして、シリンドリカルミラー６２で反射されて被走査面６４へ到達する。
【００１６】
折り返しミラー４８、５２を光走査装置４０の筐体に取り付ける際には、取り付け誤差の全くない状態で筐体に取り付けることは現実的には不可能に近いため、少なくともどちらかの折り返しミラーに角度調整機構を設ける必要があるが、装置及び調整が複雑になる。
【００１７】
また、図９に示すように、折り返しミラー４８、５２による光ビームの折り返し角度が鈍角折り返しの場合には、折り返しミラー４８、５２に投影される光ビームの幅が鋭角折り返しの場合と比べて大きくなるので、平面度への要求が厳しくなるという欠点がある。
【００１８】
これら欠点を解決するために、図９に示すように、破線で示した光路で入射し、折り返しミラー５２により１回だけ折り返す構成にしようとすると、シリンドリカルレンズ５０の位置が光ビームの走査範囲の中に含まれてしまうという問題がある。 本発明は上記事実を考慮し、オーバーフィルド光学系と、複数の光ビームを射出するレーザダイオードアレイを組み合わせた光走査装置において、光路の折り返し回数を減らすことができ、かつ高速、高解像度を維持することができる光走査装置を得ることが目的である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、副走査方向に離間した複数の光ビームを射出する光源部と、前記光源部から射出された複数の光ビームの各々を主走査対応方向に長い線像として結像させる第１の結像光学系と、前記線像の結像位置近傍に反射面を有する回転多面鏡と、前記主走査対応方向にのみ屈折力を有するｆθレンズを含み、前記回転多面鏡により偏向された複数の光ビームの各々を被走査面上に結像させる第２の結像光学系と、を含んで構成され、前記第１の結像光学系から前記回転多面鏡へ入射される光ビームは、前記第２の結像光学系の光軸を含む副走査断面で、前記回転多面鏡の回転軸と直交する平面に対して角度をなして前記ｆθレンズに正面入射し、前記ｆθレンズを透過した光ビームは、前記反射面の主走査対応方向の面幅よりも幅広の光ビームとして前記回転多面鏡に入射し、かつ前記回転多面鏡により偏向された光ビームが前記ｆθレンズを透過して前記被走査面上に結像される光走査装置において、前記第１の結像光学系は、前記光源部から入射した光ビームを平行光束にするコリメータレンズと、母線が直交する２つの凹シリンドリカル面を備え、主走査方向の屈折力の絶対値よりも副走査方向の屈折力の絶対値が大きい第１の単レンズと、母線が直交する２つの凸シリンドリカル面を備えた第２の単レンズと、前記第２の単レンズから入射した光ビームを、前記ｆθレンズに対して正面入射する方向に折り返す平面ミラーと、がこの順序で配置されて構成されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１に記載の発明では、副走査方向に離間した複数の光ビームを射出する光源部と、複数の反射面を備えた回転多面鏡を備え、回転多面鏡の反射面の面倒れ（各反射面が異なる角度誤差を持つ）により発生するピッチむら（副走査方向の結像位置のばらつき）を補正するために、回転多面鏡の反射面と被走査面を略共役関係とする所謂面倒れ補正光学系を構成し、回転多面鏡の反射面の主走査方向の幅よりも広い幅の光束を入射させるオーバーフィルド光学系として構成された光走査装置において、第１の結像光学系にコリメータレンズと２枚の単レンズを含み、第１の単レンズは、主走査方向及び副走査方向ともに負の屈折力（パワー）を有し、かつ副走査方向の屈折力が、主走査方向の屈折力よりも大きくすることにより、２枚の単レンズを光源部側に近づけて配置できる。この理由について詳細に説明する。
【００２１】
図８に、従来例に係る光走査装置４０の光学系を展開した図が示されている。図８（Ａ）は光ビームの主走査方向の結像関係を説明するための図であり、図８（Ｂ）は光ビームの副走査方向の結像関係を説明するための図である。ここでは、光源部４２から射出される複数の光ビームにより、被走査面６４上に６００ｄｐｉ（ｄｏｔ／ｉｎｃｈ）で複数ラインを隣接して書き込む場合を考える。このような場合に、被走査面６４上での走査線間隔は、
２５．４（ｍｍ）／６００×１０００＝４２．３（μｍ）
となる。光源部４２の発光点間隔が１４μｍの場合、副走査方向の横倍率をβとすると、
β＝４２．３／１４＝３．０２
となり、この値を満足するように副走査断面の結像関係を構成しなければならない。
【００２２】
また、光源部４２からポリゴンミラー５８までの第１の結像光学系における副走査方向の倍率をβ１、ポリゴンミラー５８から被走査面６４までの第２の結像光学系における副走査方向の倍率をβ２とすると、
β＝β１×β２
の関係がある。この光走査装置４０のように、ポリゴンミラー５８の面倒れ補正にシリンドリカルミラー６２を用いて、正面入射に適した主走査方向にのみパワーを有するｆθレンズ５４、５６を用いる構成とすると、β２の適切な範囲は、
０．２＜β２＜０．４
となる。β２が下限値以下の場合には面倒れ補正能力が不足し、上限値以上の場合には副走査方向の像面湾曲が大きくなる。ここで、β２を０．３に設定したとすると、結局、β１が約９倍となるようにしなければばならない。
【００２３】
図８に示す光走査装置４０では、主走査方向に対しては、コリメータレンズ４４、エキスパンダレンズ４６、ｆθレンズ５４、５６がパワーを有し、光源部４２から射出された発散光束をコリメータレンズ４４で平行光束とした後、エキスパンダレンズ４６で再び発散光束とし、ｆθレンズ５４、５６で再び幅の広い平行光束としてポリゴンミラー５８へ入射させる構成となっている。
【００２４】
エキスパンダレンズ４６に入射する平行光束の幅は、光源部４２から射出される光ビームの広がり角と、コリメータレンズ４４の開口数（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）で概ね決定されるため、エキスパンダレンズ４６及びｆθレンズ５４、５６で構成される合成光学系は、ポリゴンミラー５８の反射面の主走査方向の幅に対して適切な比率の幅を有する平行光束が得られるような角倍率を有するアフォーカル光学系を構成しなければならない。このとき、ｆθレンズ５４、５６の焦点距離は、第２の光学系の光学特性により別途決定されてしまうため、エキスパンダレンズ４６の位置及びパワーは一義的に決定してしまう。
【００２５】
また、副走査方向に対しては、コリメータレンズ４４、エキスパンダレンズ４６、シリンドリカルレンズ５０がパワーを有している。このうち、ともに光軸回りの回転対象面で構成されるコリメータレンズ４４及びエキスパンダレンズ４６の位置とパワーは、前述した主走査方向の幅の広い光ビームを整形する条件によりすでに決定しているため、固定の条件となる。
【００２６】
そして、前述のβ１が約９倍の条件があるため、シリンドリカルレンズ５０の位置とパワーも一義的に決定されてしまう。このような制約により決定される光学系を筐体に実装しようとすると、図９に示したように光路の２回折り返しが必要となる。これを１回の折り返しで、かつ第１の結像光学系と第２の結像光学系の光束が干渉しないようにするためには、第１の結像光学系における副走査方向のパワー配置を変更してレンズを移動させればよい。
【００２７】
図４に、従来における第１の結像光学系におけるパワー配置を示す。図４（Ａ）は、図９に示された従来の光走査装置４０における光源部４２からポリゴンミラー５８までの主走査方向のパワー配置を示し、図４（Ｂ）は、副走査方向のパワー配置を示す。また、図５に後述する本発明に係る光走査装置１０における光源部１２からポリゴンミラー２８までの副走査方向のパワー配置を示す。なお、図中上向きの矢印があるものは正のパワーを表し、下向きの矢印は負のパワーを表し、矢印のないものはパワーを持たないことを表すものとする。
【００２８】
第１の光学系の副走査方向の倍率β１は、光源部４２から図中点線Ｄと点線Ｅとの交点Ｆまでの距離をＳ１とし、交点Ｆからポリゴンミラー５８までの距離をＳ２とすると、
β１＝Ｓ２／Ｓ１
で表される。β１を維持しつつ、図５に示す如く、シリンドリカルレンズ２０の位置を距離Ｌ分だけ光源部１２側へずらすためには、エキスパンダレンズ４６の副走査方向の負のパワーを強くすればよい。しかし、主走査方向の結像関係はそのまま維持しなければならないので、結局、エキスパンダレンズを主走査方向と副走査方向ともに負の屈折力を持ち、かつ副走査方向の屈折力の絶対値が主走査方向の屈折力より大きいアナモフィックレンズ（シリンドリカルレンズ１８）とすることで、シリンドリカルレンズ２０を光源側へずらすことができ、走査ビームとの干渉を回避し、光ビームの折り返し回数を１回にすることができる。
【００３０】
第１の単レンズを、主走査方向と一致する方向に母線を有する凹シリンドリカル面と、副走査方向と一致する方向に母線を有する凹シリンドリカル面との組み合わせでアナモフィックな結像特性を実現することで、他のアナモフィック面形状、例えば非軸対称非球面、トーリック面等と比べて加工コストを抑えることができ、検査を容易にすることができる。
【００３２】
第２の単レンズを、主走査方向及び副走査方向の各方向に正の屈折力を有するものとすることで、第１の結像光学系の光路長を短くすることができる。この理由について詳しく説明する。
【００３３】
図６に、第１の結像光学系における主走査方向のパワー配置を示す。図６（Ａ）は、図９に示された従来の光走査装置４０における光源部４２からポリゴンミラー５８までの主走査方向のパワー配置を示す。図６（Ｂ）は、本発明に係る光走査装置１０における光源部１２からポリゴンミラー２８までの主走査方向のパワー配置を示す。なお、図中上向きの矢印があるものは正のパワーを表し、下向きの矢印は負のパワーを表し、矢印のないものはパワーを持たないことを表すものとする。
【００３４】
図６に示されるように、結像レンズであるｆθレンズ５４、５６に対する物点をＭとすると、ｆθレンズ５４、５６から射出される光ビームの幅を維持したまま光源部１２からポリゴンミラー２８までの光路をＬｓ分短くするには、パワー配置を調整すればよい。すなわち、シリンドリカルレンズ２０の主走査方向に正のパワーを持たせるようにすることで、ポリゴンミラー２８に入射する光束の幅を変えることなく、光源部１２からポリゴンミラー２８までの光路をＬｓ分短くすることができる。このように、第２の単レンズの主走査方向にパワーを持たせることで、第１の結像光学系の光路を短くすることができ、光源部が光走査装置を配設する筐体から突出し過ぎてしまうのを防ぐことができる。
【００３６】
第２の単レンズを、主走査方向と一致する方向に母線を有する凸シリンドリカル面と、副走査方向と一致する方向に母線を有する凸シリンドリカル面との組み合わせでアナモフィックな結像特性を実現することで、他のアナモフィック面形状と比べて加工コストを抑えることができ、検査を容易にすることができる。
【００３８】
第２の単レンズから入射した光ビームを、ｆθレンズに対して正面入射する方向に折り返すための平面ミラーを設ける。そして、この平面ミラーへ入射する光ビームが所定の入射角となるように平面ミラーを配置することにより、光ビームの折り返し精度の低下の影響を抑えることができ、かつ光源部が光走査装置の筐体から突出するのを抑えることができる。なお、入射角は、請求項２に記載したように３０°以下とすることが望ましい。
【００４０】
光ビームを、第２の結像光学系の光軸を含む副走査断面で、回転多面鏡の回転軸と直交する平面に対して角度をなして回転多面鏡に入射させる正面入射方式とする。ここで、走査範囲の外側から光ビームをポリゴンミラーへ入射させる所謂サイド入射方式と比較しながら正面入射方式の利点を説明する。図７にはサイド入射方式を適用したオーバーフィルド光学系における光ビームの偏向状態が示されている。図７に示すごとく、ポリゴンミラーの反射面の幅よりも広い幅Ｈを有する光ビームがポリゴンミラーに入射し、ポリゴンミラー１００が矢印Ｊ方向に回転すると、反射偏向された光ビームは、Ａ→Ｂ→Ｃの順で走査される。このとき、ポリゴンミラー１００へ入射する光ビームと、ポリゴンミラー１００の反射面の法線とのなす角度が小さくなるに従って反射偏向される光ビームの幅が狭くなる。このため、偏向角に依存してビーム径の変動及び光量の変動が発生し、その差は走査範囲の両端で最大になる。
【００４１】
これに対し、正面入射方式では、偏向された光ビームの幅が走査範囲の中心から両端へ向かっていくに従って左右対称に細くなるので、ビーム径の変動及び光量の変動も左右対称となり、被走査面上の主走査方向のビーム径及び光量の変動幅を小さくすることができる。
【００４３】
回転多面鏡と被走査面上との間に設けられたｆθレンズに、回転多面鏡へ向かう光ビームと回転多面鏡で偏向された光ビームとの各々の光ビームを通過させる所謂ダブルパス光学系とすることで、光ビームをｆθレンズの上または下を通過させる必要がないので、偏向手段の反射面へ入射する光ビームの入射角を最小にすることができ、走査線湾曲や、光ビームの光軸回りの回転を抑制することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４５】
図１に、本発明に係る光走査装置の平面図、図２に本発明に係る光走査装置の側面図を示す。なお、以下では、後述するポリゴンミラー２８によって光ビームが偏向される方向を主走査方向、主走査方向と直交する方向を副走査方向と称する。なお、以下に示す数値は一例であり、これに限られるものではない。
【００４６】
光走査装置１０は、光源部１２、コリメータレンズ１４、スリット１６、第１の単レンズとしてのシリンドリカルレンズ１８、第２の単レンズとしてのシリンドリカルレンズ２０、平面ミラー２２、ｆθレンズ２４、２６、ポリゴンミラー２８、平面ミラー３０、シリンドリカルミラー３２、被走査面３４等を備えている。なお、図２に示す如く、ポリゴンミラー２８の回転軸は図中矢印Ｇ方向（重力方向）と平行となっている。
【００４７】
光源部１２は、波長が７８０ｎｍの光ビームを射出する２つの発光点を、副走査方向に１４μｍの間隔で配置したレーザダイオードアレイにより構成されている。コリメータレンズ１４は、焦点距離が１２．５ｍｍであり、入射した光ビームを平行光束にする。
【００４８】
スリット１６は、コリメータレンズ１４の焦点距離付近に配置され、光ビームのビーム幅を整形する。シリンドリカルレンズ１８は、中心部の厚さが３ｍｍであり、光ビームの入射側の面は、母線方向が副走査方向と一致するような凹シリンドリカル面であり、射出側の面は、母線方向が主走査方向と一致するような凹シリンドリカル面になっている。このように、シリンドリカルレンズ１８は、主走査方向、副走査方向ともに負のパワーを有し、それぞれ独立にパワーを設定できるアナモフィックレンズとなっている。シリンドリカルレンズ１８から射出された光ビームは、主走査方向、副走査方向ともに発散した光束となる。
【００４９】
シリンドリカルレンズ２０は、中心部の厚さが５ｍｍであり、光ビームの入射側の面は、母線方向が主走査方向と一致するような凸シリンドリカル面であり、射出側の面は、母線方向が副走査方向と一致するような凸シリンドリカル面になっている。このように、シリンドリカルレンズ２０は、主走査方向、副走査方向ともに正のパワーを有し、それぞれ独立にパワーを設定できるアナモフィックレンズとなっている。シリンドリカルレンズ２０から射出された光ビームは、主走査方向にはゆるやかに発散し、副走査方向には収束する光束となる。なお、シリンドリカルレンズ１８、２０の硝材は、一例としてＢＫ７（硼珪クラウンガラス）である。
【００５０】
平面ミラー２２は、調整機構を備えていない平面ミラーであり、光ビームの入射角が２２．５°になるように、かつ反射光ビームが副走査方向に沿って下向きに１．２°傾いて射出するように配置されている。
【００５１】
ｆθレンズ２４は、光ビームの入射側の面が、母線方向が副走査方向と一致するような凸シリンドリカル面になっている。このため、ｆθレンズ２４は、主走査方向に正のパワーを有し、副走査方向にはパワーを有しない。ｆθレンズ２６は、光ビームの射出側の面が、母線方向が副走査方向と一致するような凹シリンドリカル面になっている。このため、ｆθレンズ２６は、主走査方向に負のパワーを有し、副走査方向にはパワーを有しない。
【００５２】
また、平面ミラー２２からｆθレンズ２４、２６に入射した光ビームの一部が反射することで生じるゴースト光が被走査面３４へ到達するのを防止するために、ｆθレンズ２４、２６は、副走査方向に沿って下向きに２°傾けて配置されている。
【００５３】
ポリゴンミラー２８は、一例として反射面を１２面有する正多角柱形状で、内接円の直径は２５ｍｍである。ポリゴンミラー２８の反射面に入射した光ビームは、ポリゴンミラー２８が図１に示す矢印Ｑ方向に回転することにより偏向され、ポリゴンミラー２８の反射面の主走査方向の幅で、かつ副走査方向に沿って下向きに１．２°の角度で反射し、ｆθレンズ２６、２４へ再び入射する。
【００５４】
平面ミラー３０は、副走査面内で角度調節が可能であり、光ビームの副走査方向のレジストレーションの調整ができるようになっている。
【００５５】
シリンドリカルミラー３２は、母線が主走査方向と一致する凹シリンドリカル面になっている。シリンドリカルミラー３２に入射した光ビームは、被走査面３４の方向に折り返され、被走査面３４上を図１に示す矢印Ｐ方向に主走査する。副走査は被走査面３４が回転することによって成される。ここで、ポリゴンミラー２８の反射面と被走査面３４とは、副走査方向において幾何光学的に略共役となっているので、ポリゴンミラー２８の反射面において面倒れがあったとしても、被走査面３４上のピッチむらが抑制されるようになっている。
【００５６】
次に、シリンドリカルレンズ１８、２０のシリンドリカル面の曲率と位置関係について説明する。
【００５７】
図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、シリンドリカルレンズ１８の光ビーム入射側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ１ｔ、光ビーム射出側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ１ｓ、シリンドリカルレンズ２０の光ビーム射出側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ２ｔ、光ビーム入射側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ２ｓ、シリンドリカルレンズ１８とシリンドリカルレンズ２０との間の距離をＡ、シリンドリカルレンズ２０とｆθレンズ２４との距離をＢしたときの各数値の例を以下に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
例１は、図９に示したような、従来における光軸回転対称レンズとシリンドリカルレンズを組み合わせた例であり、例２〜５は、シリンドリカルレンズ２０を副走査方向のみパワーを持たせたシリンドリカルレンズとし、シリンドリカルレンズ１８及びシリンドリカルレンズ２０の副走査方向の曲率をそれぞれ変えた場合の例である。例６〜９は、シリンドリカルレンズ２０を主走査方向にもパワーを持たせたシリンドリカルレンズとし、シリンドリカルレンズ１８、２０の主走査方向及び副走査方向のそれぞれで曲率を変えた場合の例である。なお、第１の結像光学系の副走査方向結像倍率β１と、主走査方向におけるポリゴンミラーへの入射ビーム幅はすべて同じである。
【００６０】
例１と例２〜例５を比較すると、第１の単レンズの副走査方向の曲率半径Ｒ１ｓを主走査方向の曲率半径Ｒ１ｔと異ならせ、かつ、｜Ｒ１ｓ｜＜｜Ｒ１ｔ｜となすことで、光源からｆθレンズまでの距離Ａ＋Ｂを維持したまま、第２の単レンズからｆθレンズまでの距離Ｂを長くできることがわかる。距離Ｂは、曲率半径の差を大きくする、すなわち、アナモフィック度合いを大きくするほど長くできる。
【００６１】
例２〜例５のそれぞれに対して例６〜例９のそれぞれを比較すると、第１の単レンズの曲率半径を｜Ｒ１ｓ｜＜｜Ｒ１ｔ｜となし、かつ、第２の単レンズの主走査方向の曲率半径Ｒ２ｔに凸の曲率を与えることにより、第２の単レンズからｆθレンズまでの距離Ｂを維持したまま、光源からｆθレンズまでの距離Ａ＋Ｂを短くできることがわかる。
【００６２】
本実施の形態で適用している例９の数値による結果と、従来例における例１を比較すると、第２の単レンズからｆθレンズまでの距離Ｂを長くでき、かつ光源の位置を筐体から突出した位置にレイアウトできることがわかる。
【００６３】
次に、本実施の形態の作用について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１、図２に示すように、光源部１２から射出したレーザビームは、コリメータレンズ１４により平行光束とされ、スリット１６によりビーム幅が整形されてシリンドリカルレンズ１８へ入射する。
【００６４】
シリンドリカルレンズ１８から射出された光ビームは、主走査方向、副走査方向ともに発散した光束となって、シリンドリカルレンズ２０へ入射する。シリンドリカルレンズ２０から射出された光ビームは、主走査方向にはゆるやかに発散し、副走査方向には収束する光束となって、平面ミラー２２に入射角２２．５度で入射する。
【００６５】
平面ミラー２２に入射した光ビームは、副走査方向で下向きに１．２°の方向に折り返され、被走査面３４の主走査範囲の中央に相当する方向からｆθレンズ２４、２６に正面入射する。このように、光ビームを正面入射させることで、被走査面３４上の主走査方向のビーム径及び光量の変動量を小さくすることができる。
【００６６】
ｆθレンズ２４、２６を透過した光ビームは、主走査方向に対しては、ポリゴンミラー２８の反射面の主走査方向の幅よりも広い幅の平行光束となり、副走査方向に対しては、ポリゴンミラー２８の反射面近傍に収束してポリゴンミラー２８の反射面に入射する。
【００６７】
ポリゴンミラー２８の反射面に入射した光ビームは、ポリゴンミラー２８が図１に示す矢印Ｑ方向に回転することにより偏向され、ポリゴンミラー２８の反射面の主走査方向の幅で、かつ副走査方向に沿って下向きに１．２°の角度で反射し、ｆθレンズ２６、２４へ再び入射する。このように、ｆθレンズ２４、２６を２回通過させるダブルパス光学系としているので、光ビームをｆθレンズ２４、２６の上または下を通過させる必要がないので、ポリゴンミラー２８の反射面へ入射する光ビームの入射角を最小にすることができ、走査線湾曲や、光ビームの光軸回りの回転を抑制することができる。
【００６８】
ｆθレンズ２６、２４を透過した光ビームは、平面ミラー３０により、ｆθレンズ２４、２６の上部を越える方向に折り返される。平面ミラー３０によって折り返された光ビームは、シリンドリカルミラー３２に入射する。シリンドリカルミラー３２に入射した光ビームは、被走査面３４の方向に折り返され、被走査面３４上を走査する。
【００６９】
このように、シリンドリカルレンズ１８、シリンドリカルレンズ２０ともに副走査方向にパワーを有するので、パワー配置を適宜選択することでシリンドリカルレンズ２０を平面ミラー２２から離すことができ、かつシリンドリカルレンズ１８とシリンドリカルレンズ２０はともに主走査方向にパワーを有するので、パワー配置を適宜設定することでシリンドリカルレンズ１８とシリンドリカルレンズ２０との距離を短くすることができる。
【００７０】
しかも、シリンドリカルレンズ１８、シリンドリカルレンズ２０はともにアナモフィックレンズとなっているので、主走査方向、副走査方向のパワー配置設定を独立に行えるので、それぞれ適切な位置に配置することができる。
【００７１】
このため、光源部１２からポリゴンミラー２８までの光路を短くすることができ、かつ光路の折り返しを１回にすることができる。また、平面ミラー２２への光ビームの入射角を３０度以下としているので、平面ミラー２２の面精度劣化の影響を抑えることができ、かつ光源部１２が光走査装置１０の筐体から突出することがない。
【００７２】
なお、本実施の形態では、シリンドリカルレンズ１８の光ビーム入射側の面は、母線方向が副走査方向と一致するような凹シリンドリカル面であり、射出側の面は、母線方向が主走査方向と一致するような凹シリンドリカル面になっているとしているが、入射側、射出側で母線の方向が逆になるようなシリンドリカル面にするようにしてもよい。シリンドリカルレンズ２０においても同様に、入射側、射出側で母線の方向が逆になるようなシリンドリカル面にするようにしてもよい。また、各アナモフィックレンズが、ガラスプレス成形による非球面レンズであってもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の発明によれば、第１の結像光学系において、主走査方向及び副走査方向ともに負の屈折力（パワー）を有し、かつ副走査方向の屈折力が、主走査方向の屈折力よりも大きいシリンドリカルレンズを用いるようにすることで、第１の結像光学系における光路の折り返しを１回にすることができる。
【００７４】
また、第１の結像光学系における第１の単レンズ及び第２の単レンズを母線の直交する両面シリンドリカルレンズとすることで、他のアナモフィック面形状、例えば非軸対象非球面、トーリック面等と比べて加工コストを抑えることができ、検査を容易にすることができる。
【００７５】
また、第１の結像光学系を、２枚のアナモフィックレンズで構成することで、第１の結像光学系の光路長を短くすることができる。
【００７６】
また、第１の結像光学系の第２の単レンズと回転多面鏡の間の光路上にのみ平面ミラーを配置することで、第１の結像光学系を簡素な構成として調整の容易化や維持性を向上させることができる。
【００７７】
また、ポリゴンミラーへ光ビームを入射させる方式を正面入射方式とすることで、被走査面上のビーム径および光量の変動幅を小さくできる。
【００７８】
また、ポリゴンミラーに入射する光ビーム及びポリゴンミラーにより偏向された光ビームともにｆθレンズを通過させるダブルパス光学系とすることで、光ビームをｆθレンズの上または下を通過させる必要がないので、ポリゴンミラーの反射面へ入射する光ビームの入射角を最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光走査装置を示す平面図である。
【図２】本発明に係る光走査装置を示す側面図である。
【図３】（Ａ）は、シリンドリカルレンズ１８、２０の主走査方向の曲率を説明するための平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の側面図である。
【図４】（Ａ）は従来例に係る第１の光学系の主走査方向のパワー配置を説明するためのイメージ図である。（Ｂ）は従来例に係る第１の光学系の副主走査方向のパワー配置を説明するためのイメージ図である。
【図５】本発明に係る第１の光学系の副走査方向のパワー配置を説明するためのイメージ図である。
【図６】本発明に係る第１の光学系のパワー配置を説明するためのイメージ図である。
【図７】サイド入射式オーバフィルド光学系における光ビームの偏向を説明するための平面図である。
【図８】（Ａ）は従来例に係る光走査装置の光学系を展開した平面図である。（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図９】第１の光学系において、光路を２回折り返す構成の光走査装置を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 光走査装置
１２ 光源部
１４ コリメータレンズ
１６ スリット
１８ シリンドリカルレンズ
２０ シリンドリカルレンズ
２２ 平面ミラー
２４ ｆθレンズ
２６ ｆθレンズ
２８ ポリゴンミラー
３０ 平面ミラー
３２ シリンドリカルミラー
３４ 被走査面
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置に係り、特に、複数の光ビームによって被走査面上を同時走査する光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、デジタル複写機やレーザプリンタで使用される光走査装置において、画像情報に応じてオンオフされるレーザビームをレーザダイオードから射出し、多角柱形状で、側面を反射面とするポリゴンミラーを回転させることにより等角速度偏向し、さらにｆθレンズにより被走査媒体上を等速度で走査するスポットに結像して画像形成する構成が知られている。
【０００３】
近年、デジタル複写機やレーザプリンタは、高速化、高解像度化の要求が強くなっており、単位時間あたりに書き込めるラインの数を増加させることが望まれている。これを実現するには、ポリゴンミラーの回転速度を上げて書き込み本数を増加させる方法が考えられるが、この方法ではポリゴンミラーを駆動するモータの負荷が増加するので消費電力が増大し、信頼性が低下するという欠点がある。
【０００４】
この問題を解決する方法として、ポリゴンミラーの反射面の主走査方向の面幅以上の幅を持つ光ビームを入射させる所謂オーバーフィルド光学系を用いる技術がある。
【０００５】
従来の所謂アンダーフィルド光学系では、光源から射出された光ビームを、ビーム整形した後にポリゴンミラーに入射させ、この光ビームを偏向方向によらずポリゴンミラーの反射面からはみ出させることなく偏向する構成となっている。このため、ポリゴンミラーが大径となりやすい。例えば、８個の反射面を有するポリゴンミラーを使用して、被走査面上での主走査方向のビーム径を６０μｍにしようとすると、ポリゴンミラーの内接円の直径を約６０ｍｍ程度にしなければならない。これに対し、オーバーフィルド光学系では、ポリゴンミラーの反射面よりも幅広な光ビームのうち、反射面に照射されている部分のみが反射偏向されるので、各反射面の主走査方向の幅をアンダーフィルド光学系と比べて小さくでき、例えば、反射面を１２個とし、ポリゴンミラーの内接円の直径を約２５ｍｍ程度にすることにより、被走査面上での主走査方向のビーム径６０μｍを得ることができる。
【０００６】
このように、オーバーフィルド系を適用した場合、ポリゴンミラー駆動用のモータの負荷を軽減させることができ、モータの消費電力を低減させることができる。
【０００７】
また、高速度化、高解像度化を実現するものとして複数の光ビームを用いて同時に複数ラインを書き込み、単位時間当たりに書き込むラインの本数を増加させる方法がある。
【０００８】
複数の光ビームを用いる場合は、例えば、レーザダイオードアレイのように、光源部から直接複数の光ビームを射出して近接して進行する光ビームを生成し、これをポリゴンミラーの同一反射面で偏向することにより、従来の光走査装置の構成を大きく変更することなく、複数ラインを同時に被走査面上に書き込むことができ、単位時間当たりの書き込みラインの本数を増加させることができる。
【０００９】
さらに、オーバーフィルド光学系と、複数の光ビームによる複数ライン同時走査を組み合わせた光走査装置が特開平９−１９７３１４号公報に開示されている。
【００１０】
この光走査装置は、光ビームを、ポリゴンミラーの回転軸に直交する平面に対して副走査方向に角度を持たせて、走査範囲の中央方向からポリゴンミラーに入射させる、所謂正面入射方式を採用している。この正面入射方式は、走査範囲の斜め方向から光ビームを入射させるサイド入射方式と比べて、被走査面上の主走査方向に沿ったビーム径および光量の変動幅を小さくできるという利点がある。
【００１１】
さらに、この光走査装置では、ｆθレンズを透過した光ビームをポリゴンミラーに入射させ、ポリゴンミラーの反射面で反射偏向された光ビームを再びｆθレンズに入射させる、所謂ダブルパス光学系を採用している。このように、ダブルパス光学系では、光ビームをｆθレンズの上または下を通過させる必要がないため、ポリゴンミラーの反射面に直交する平面に対して光ビームが入射する角度を小さくすることができ、該角度が大きい場合に発生する走査線湾曲や、光ビームの光軸回りの回転を抑制でき、良好な結像特性が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような光走査装置では、光源部から光ビームがポリゴンミラーに入射するまでの光路が複雑になるため、部品取り付けの誤差や、筐体の変形が生じると、光路が変動して光学特性が劣化するという問題がある。これは、オーバーフィルド光学系とレーザダイオードアレイを組み合わせた光走査装置では、光学設計上の制約条件が多く、光源部から光ビームがポリゴンミラーへ入射するまでの光学系のレンズ配置に関して制約が加わり、光路の折り返し回数が多くなるためである。
【００１３】
光走査装置は、光学部品を実装するに当たっては装置の小型化が重要な課題であり、光路の折り返しには、一般に平面ミラーが用いられる。特開平９−１９７３１４号公報に開示された光走査装置では、光ビームの光路上におけるエキスパンダレンズとシリンドリカルレンズの間、及びシリンドリカルレンズとｆθレンズの間の二ヶ所に平面ミラーを配置して、光源からポリゴンミラーに入射するまでの間に、光ビームを２回折り返す構成となっている。
【００１４】
このような光ビームを２回折り返す構成の光走査装置４０の構成の一例を図９に示す。光走査装置４０の光源部４２から射出された光ビームは、コリメータレンズ４４によって平行光束とされて、平凹の球面レンズであるエキスパンダレンズ４６へ入射する。そして、エキスパンダレンズ４６によって再び発散光となった光ビームは、折り返しミラー４８によって所定角度で折り返されてシリンドリカルレンズ５０へ入射し、さらに折り返しミラー５２によって所定角度で折り返されてｆθレンズ５４、５６へ正面入射する。
【００１５】
ｆθレンズ５４、５６を透過した光ビームはポリゴンミラー５８によって所定方向へ偏向されて、再びｆθレンズ５６、５４へ入射し、平面ミラー６０でポリゴンミラー５８の上方側へ折り返される。そして、シリンドリカルミラー６２で反射されて被走査面６４へ到達する。
【００１６】
折り返しミラー４８、５２を光走査装置４０の筐体に取り付ける際には、取り付け誤差の全くない状態で筐体に取り付けることは現実的には不可能に近いため、少なくともどちらかの折り返しミラーに角度調整機構を設ける必要があるが、装置及び調整が複雑になる。
【００１７】
また、図９に示すように、折り返しミラー４８、５２による光ビームの折り返し角度が鈍角折り返しの場合には、折り返しミラー４８、５２に投影される光ビームの幅が鋭角折り返しの場合と比べて大きくなるので、平面度への要求が厳しくなるという欠点がある。
【００１８】
これら欠点を解決するために、図９に示すように、破線で示した光路で入射し、折り返しミラー５２により１回だけ折り返す構成にしようとすると、シリンドリカルレンズ５０の位置が光ビームの走査範囲の中に含まれてしまうという問題がある。 本発明は上記事実を考慮し、オーバーフィルド光学系と、複数の光ビームを射出するレーザダイオードアレイを組み合わせた光走査装置において、光路の折り返し回数を減らすことができ、かつ高速、高解像度を維持することができる光走査装置を得ることが目的である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、副走査方向に離間した複数の光ビームを射出する光源部と、前記光源部から射出された複数の光ビームの各々を主走査対応方向に長い線像として結像させる第１の結像光学系と、前記線像の結像位置近傍に反射面を有する回転多面鏡と、前記主走査対応方向にのみ屈折力を有するｆθレンズを含み、前記回転多面鏡により偏向された複数の光ビームの各々を被走査面上に結像させる第２の結像光学系と、を含んで構成され、前記第１の結像光学系から前記回転多面鏡へ入射される光ビームは、前記第２の結像光学系の光軸を含む副走査断面で、前記回転多面鏡の回転軸と直交する平面に対して角度をなして前記ｆθレンズに正面入射し、前記ｆθレンズを透過した光ビームは、前記反射面の主走査対応方向の面幅よりも幅広の光ビームとして前記回転多面鏡に入射し、かつ前記回転多面鏡により偏向された光ビームが前記ｆθレンズを透過して前記被走査面上に結像される光走査装置において、前記第１の結像光学系は、前記光源部から入射した光ビームを平行光束にするコリメータレンズと、母線が直交する２つの凹シリンドリカル面を備え、主走査方向の屈折力の絶対値よりも副走査方向の屈折力の絶対値が大きい第１の単レンズと、母線が直交する２つの凸シリンドリカル面を備えた第２の単レンズと、前記第２の単レンズから入射した光ビームを、前記ｆθレンズに対して正面入射する方向に折り返す平面ミラーと、がこの順序で配置されて構成されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１に記載の発明では、副走査方向に離間した複数の光ビームを射出する光源部と、複数の反射面を備えた回転多面鏡を備え、回転多面鏡の反射面の面倒れ（各反射面が異なる角度誤差を持つ）により発生するピッチむら（副走査方向の結像位置のばらつき）を補正するために、回転多面鏡の反射面と被走査面を略共役関係とする所謂面倒れ補正光学系を構成し、回転多面鏡の反射面の主走査方向の幅よりも広い幅の光束を入射させるオーバーフィルド光学系として構成された光走査装置において、第１の結像光学系にコリメータレンズと２枚の単レンズを含み、第１の単レンズは、主走査方向及び副走査方向ともに負の屈折力（パワー）を有し、かつ副走査方向の屈折力が、主走査方向の屈折力よりも大きくすることにより、２枚の単レンズを光源部側に近づけて配置できる。この理由について詳細に説明する。
【００２１】
図８に、従来例に係る光走査装置４０の光学系を展開した図が示されている。図８（Ａ）は光ビームの主走査方向の結像関係を説明するための図であり、図８（Ｂ）は光ビームの副走査方向の結像関係を説明するための図である。ここでは、光源部４２から射出される複数の光ビームにより、被走査面６４上に６００ｄｐｉ（ｄｏｔ／ｉｎｃｈ）で複数ラインを隣接して書き込む場合を考える。このような場合に、被走査面６４上での走査線間隔は、
２５．４（ｍｍ）／６００×１０００＝４２．３（μｍ）
となる。光源部４２の発光点間隔が１４μｍの場合、副走査方向の横倍率をβとすると、
β＝４２．３／１４＝３．０２
となり、この値を満足するように副走査断面の結像関係を構成しなければならない。
【００２２】
また、光源部４２からポリゴンミラー５８までの第１の結像光学系における副走査方向の倍率をβ１、ポリゴンミラー５８から被走査面６４までの第２の結像光学系における副走査方向の倍率をβ２とすると、
β＝β１×β２
の関係がある。この光走査装置４０のように、ポリゴンミラー５８の面倒れ補正にシリンドリカルミラー６２を用いて、正面入射に適した主走査方向にのみパワーを有するｆθレンズ５４、５６を用いる構成とすると、β２の適切な範囲は、
０．２＜β２＜０．４
となる。β２が下限値以下の場合には面倒れ補正能力が不足し、上限値以上の場合には副走査方向の像面湾曲が大きくなる。ここで、β２を０．３に設定したとすると、結局、β１が約９倍となるようにしなければばならない。
【００２３】
図８に示す光走査装置４０では、主走査方向に対しては、コリメータレンズ４４、エキスパンダレンズ４６、ｆθレンズ５４、５６がパワーを有し、光源部４２から射出された発散光束をコリメータレンズ４４で平行光束とした後、エキスパンダレンズ４６で再び発散光束とし、ｆθレンズ５４、５６で再び幅の広い平行光束としてポリゴンミラー５８へ入射させる構成となっている。
【００２４】
エキスパンダレンズ４６に入射する平行光束の幅は、光源部４２から射出される光ビームの広がり角と、コリメータレンズ４４の開口数（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）で概ね決定されるため、エキスパンダレンズ４６及びｆθレンズ５４、５６で構成される合成光学系は、ポリゴンミラー５８の反射面の主走査方向の幅に対して適切な比率の幅を有する平行光束が得られるような角倍率を有するアフォーカル光学系を構成しなければならない。このとき、ｆθレンズ５４、５６の焦点距離は、第２の光学系の光学特性により別途決定されてしまうため、エキスパンダレンズ４６の位置及びパワーは一義的に決定してしまう。
【００２５】
また、副走査方向に対しては、コリメータレンズ４４、エキスパンダレンズ４６、シリンドリカルレンズ５０がパワーを有している。このうち、ともに光軸回りの回転対象面で構成されるコリメータレンズ４４及びエキスパンダレンズ４６の位置とパワーは、前述した主走査方向の幅の広い光ビームを整形する条件によりすでに決定しているため、固定の条件となる。
【００２６】
そして、前述のβ１が約９倍の条件があるため、シリンドリカルレンズ５０の位置とパワーも一義的に決定されてしまう。このような制約により決定される光学系を筐体に実装しようとすると、図９に示したように光路の２回折り返しが必要となる。これを１回の折り返しで、かつ第１の結像光学系と第２の結像光学系の光束が干渉しないようにするためには、第１の結像光学系における副走査方向のパワー配置を変更してレンズを移動させればよい。
【００２７】
図４に、従来における第１の結像光学系におけるパワー配置を示す。図４（Ａ）は、図９に示された従来の光走査装置４０における光源部４２からポリゴンミラー５８までの主走査方向のパワー配置を示し、図４（Ｂ）は、副走査方向のパワー配置を示す。また、図５に後述する本発明に係る光走査装置１０における光源部１２からポリゴンミラー２８までの副走査方向のパワー配置を示す。なお、図中上向きの矢印があるものは正のパワーを表し、下向きの矢印は負のパワーを表し、矢印のないものはパワーを持たないことを表すものとする。
【００２８】
第１の光学系の副走査方向の倍率β１は、光源部４２から図中点線Ｄと点線Ｅとの交点Ｆまでの距離をＳ１とし、交点Ｆからポリゴンミラー５８までの距離をＳ２とすると、
β１＝Ｓ２／Ｓ１
で表される。β１を維持しつつ、図５に示す如く、シリンドリカルレンズ２０の位置を距離Ｌ分だけ光源部１２側へずらすためには、エキスパンダレンズ４６の副走査方向の負のパワーを強くすればよい。しかし、主走査方向の結像関係はそのまま維持しなければならないので、結局、エキスパンダレンズを主走査方向と副走査方向ともに負の屈折力を持ち、かつ副走査方向の屈折力の絶対値が主走査方向の屈折力より大きいアナモフィックレンズ（シリンドリカルレンズ１８）とすることで、シリンドリカルレンズ２０を光源側へずらすことができ、走査ビームとの干渉を回避し、光ビームの折り返し回数を１回にすることができる。
【００３０】
第１の単レンズを、主走査方向と一致する方向に母線を有する凹シリンドリカル面と、副走査方向と一致する方向に母線を有する凹シリンドリカル面との組み合わせでアナモフィックな結像特性を実現することで、他のアナモフィック面形状、例えば非軸対称非球面、トーリック面等と比べて加工コストを抑えることができ、検査を容易にすることができる。
【００３２】
第２の単レンズを、主走査方向及び副走査方向の各方向に正の屈折力を有するものとすることで、第１の結像光学系の光路長を短くすることができる。この理由について詳しく説明する。
【００３３】
図６に、第１の結像光学系における主走査方向のパワー配置を示す。図６（Ａ）は、図９に示された従来の光走査装置４０における光源部４２からポリゴンミラー５８までの主走査方向のパワー配置を示す。図６（Ｂ）は、本発明に係る光走査装置１０における光源部１２からポリゴンミラー２８までの主走査方向のパワー配置を示す。なお、図中上向きの矢印があるものは正のパワーを表し、下向きの矢印は負のパワーを表し、矢印のないものはパワーを持たないことを表すものとする。
【００３４】
図６に示されるように、結像レンズであるｆθレンズ５４、５６に対する物点をＭとすると、ｆθレンズ５４、５６から射出される光ビームの幅を維持したまま光源部１２からポリゴンミラー２８までの光路をＬｓ分短くするには、パワー配置を調整すればよい。すなわち、シリンドリカルレンズ２０の主走査方向に正のパワーを持たせるようにすることで、ポリゴンミラー２８に入射する光束の幅を変えることなく、光源部１２からポリゴンミラー２８までの光路をＬｓ分短くすることができる。このように、第２の単レンズの主走査方向にパワーを持たせることで、第１の結像光学系の光路を短くすることができ、光源部が光走査装置を配設する筐体から突出し過ぎてしまうのを防ぐことができる。
【００３６】
第２の単レンズを、主走査方向と一致する方向に母線を有する凸シリンドリカル面と、副走査方向と一致する方向に母線を有する凸シリンドリカル面との組み合わせでアナモフィックな結像特性を実現することで、他のアナモフィック面形状と比べて加工コストを抑えることができ、検査を容易にすることができる。
【００３８】
第２の単レンズから入射した光ビームを、ｆθレンズに対して正面入射する方向に折り返すための平面ミラーを設ける。そして、この平面ミラーへ入射する光ビームが所定の入射角となるように平面ミラーを配置することにより、光ビームの折り返し精度の低下の影響を抑えることができ、かつ光源部が光走査装置の筐体から突出するのを抑えることができる。なお、入射角は、請求項２に記載したように３０°以下とすることが望ましい。
【００４０】
光ビームを、第２の結像光学系の光軸を含む副走査断面で、回転多面鏡の回転軸と直交する平面に対して角度をなして回転多面鏡に入射させる正面入射方式とする。ここで、走査範囲の外側から光ビームをポリゴンミラーへ入射させる所謂サイド入射方式と比較しながら正面入射方式の利点を説明する。図７にはサイド入射方式を適用したオーバーフィルド光学系における光ビームの偏向状態が示されている。図７に示すごとく、ポリゴンミラーの反射面の幅よりも広い幅Ｈを有する光ビームがポリゴンミラーに入射し、ポリゴンミラー１００が矢印Ｊ方向に回転すると、反射偏向された光ビームは、Ａ→Ｂ→Ｃの順で走査される。このとき、ポリゴンミラー１００へ入射する光ビームと、ポリゴンミラー１００の反射面の法線とのなす角度が小さくなるに従って反射偏向される光ビームの幅が狭くなる。このため、偏向角に依存してビーム径の変動及び光量の変動が発生し、その差は走査範囲の両端で最大になる。
【００４１】
これに対し、正面入射方式では、偏向された光ビームの幅が走査範囲の中心から両端へ向かっていくに従って左右対称に細くなるので、ビーム径の変動及び光量の変動も左右対称となり、被走査面上の主走査方向のビーム径及び光量の変動幅を小さくすることができる。
【００４３】
回転多面鏡と被走査面上との間に設けられたｆθレンズに、回転多面鏡へ向かう光ビームと回転多面鏡で偏向された光ビームとの各々の光ビームを通過させる所謂ダブルパス光学系とすることで、光ビームをｆθレンズの上または下を通過させる必要がないので、偏向手段の反射面へ入射する光ビームの入射角を最小にすることができ、走査線湾曲や、光ビームの光軸回りの回転を抑制することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４５】
図１に、本発明に係る光走査装置の平面図、図２に本発明に係る光走査装置の側面図を示す。なお、以下では、後述するポリゴンミラー２８によって光ビームが偏向される方向を主走査方向、主走査方向と直交する方向を副走査方向と称する。なお、以下に示す数値は一例であり、これに限られるものではない。
【００４６】
光走査装置１０は、光源部１２、コリメータレンズ１４、スリット１６、第１の単レンズとしてのシリンドリカルレンズ１８、第２の単レンズとしてのシリンドリカルレンズ２０、平面ミラー２２、ｆθレンズ２４、２６、ポリゴンミラー２８、平面ミラー３０、シリンドリカルミラー３２、被走査面３４等を備えている。なお、図２に示す如く、ポリゴンミラー２８の回転軸は図中矢印Ｇ方向（重力方向）と平行となっている。
【００４７】
光源部１２は、波長が７８０ｎｍの光ビームを射出する２つの発光点を、副走査方向に１４μｍの間隔で配置したレーザダイオードアレイにより構成されている。コリメータレンズ１４は、焦点距離が１２．５ｍｍであり、入射した光ビームを平行光束にする。
【００４８】
スリット１６は、コリメータレンズ１４の焦点距離付近に配置され、光ビームのビーム幅を整形する。シリンドリカルレンズ１８は、中心部の厚さが３ｍｍであり、光ビームの入射側の面は、母線方向が副走査方向と一致するような凹シリンドリカル面であり、射出側の面は、母線方向が主走査方向と一致するような凹シリンドリカル面になっている。このように、シリンドリカルレンズ１８は、主走査方向、副走査方向ともに負のパワーを有し、それぞれ独立にパワーを設定できるアナモフィックレンズとなっている。シリンドリカルレンズ１８から射出された光ビームは、主走査方向、副走査方向ともに発散した光束となる。
【００４９】
シリンドリカルレンズ２０は、中心部の厚さが５ｍｍであり、光ビームの入射側の面は、母線方向が主走査方向と一致するような凸シリンドリカル面であり、射出側の面は、母線方向が副走査方向と一致するような凸シリンドリカル面になっている。このように、シリンドリカルレンズ２０は、主走査方向、副走査方向ともに正のパワーを有し、それぞれ独立にパワーを設定できるアナモフィックレンズとなっている。シリンドリカルレンズ２０から射出された光ビームは、主走査方向にはゆるやかに発散し、副走査方向には収束する光束となる。なお、シリンドリカルレンズ１８、２０の硝材は、一例としてＢＫ７（硼珪クラウンガラス）である。
【００５０】
平面ミラー２２は、調整機構を備えていない平面ミラーであり、光ビームの入射角が２２．５°になるように、かつ反射光ビームが副走査方向に沿って下向きに１．２°傾いて射出するように配置されている。
【００５１】
ｆθレンズ２４は、光ビームの入射側の面が、母線方向が副走査方向と一致するような凸シリンドリカル面になっている。このため、ｆθレンズ２４は、主走査方向に正のパワーを有し、副走査方向にはパワーを有しない。ｆθレンズ２６は、光ビームの射出側の面が、母線方向が副走査方向と一致するような凹シリンドリカル面になっている。このため、ｆθレンズ２６は、主走査方向に負のパワーを有し、副走査方向にはパワーを有しない。
【００５２】
また、平面ミラー２２からｆθレンズ２４、２６に入射した光ビームの一部が反射することで生じるゴースト光が被走査面３４へ到達するのを防止するために、ｆθレンズ２４、２６は、副走査方向に沿って下向きに２°傾けて配置されている。
【００５３】
ポリゴンミラー２８は、一例として反射面を１２面有する正多角柱形状で、内接円の直径は２５ｍｍである。ポリゴンミラー２８の反射面に入射した光ビームは、ポリゴンミラー２８が図１に示す矢印Ｑ方向に回転することにより偏向され、ポリゴンミラー２８の反射面の主走査方向の幅で、かつ副走査方向に沿って下向きに１．２°の角度で反射し、ｆθレンズ２６、２４へ再び入射する。
【００５４】
平面ミラー３０は、副走査面内で角度調節が可能であり、光ビームの副走査方向のレジストレーションの調整ができるようになっている。
【００５５】
シリンドリカルミラー３２は、母線が主走査方向と一致する凹シリンドリカル面になっている。シリンドリカルミラー３２に入射した光ビームは、被走査面３４の方向に折り返され、被走査面３４上を図１に示す矢印Ｐ方向に主走査する。副走査は被走査面３４が回転することによって成される。ここで、ポリゴンミラー２８の反射面と被走査面３４とは、副走査方向において幾何光学的に略共役となっているので、ポリゴンミラー２８の反射面において面倒れがあったとしても、被走査面３４上のピッチむらが抑制されるようになっている。
【００５６】
次に、シリンドリカルレンズ１８、２０のシリンドリカル面の曲率と位置関係について説明する。
【００５７】
図３（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、シリンドリカルレンズ１８の光ビーム入射側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ１ｔ、光ビーム射出側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ１ｓ、シリンドリカルレンズ２０の光ビーム射出側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ２ｔ、光ビーム入射側のシリンドリカル面の曲率半径をＲ２ｓ、シリンドリカルレンズ１８とシリンドリカルレンズ２０との間の距離をＡ、シリンドリカルレンズ２０とｆθレンズ２４との距離をＢしたときの各数値の例を以下に示す。
【００５８】
【表１】
例１は、図９に示したような、従来における光軸回転対称レンズとシリンドリカルレンズを組み合わせた例であり、例２〜５は、シリンドリカルレンズ２０を副走査方向のみパワーを持たせたシリンドリカルレンズとし、シリンドリカルレンズ１８及びシリンドリカルレンズ２０の副走査方向の曲率をそれぞれ変えた場合の例である。例６〜９は、シリンドリカルレンズ２０を主走査方向にもパワーを持たせたシリンドリカルレンズとし、シリンドリカルレンズ１８、２０の主走査方向及び副走査方向のそれぞれで曲率を変えた場合の例である。なお、第１の結像光学系の副走査方向結像倍率β１と、主走査方向におけるポリゴンミラーへの入射ビーム幅はすべて同じである。
【００６０】
例１と例２〜例５を比較すると、第１の単レンズの副走査方向の曲率半径Ｒ１ｓを主走査方向の曲率半径Ｒ１ｔと異ならせ、かつ、｜Ｒ１ｓ｜＜｜Ｒ１ｔ｜となすことで、光源からｆθレンズまでの距離Ａ＋Ｂを維持したまま、第２の単レンズからｆθレンズまでの距離Ｂを長くできることがわかる。距離Ｂは、曲率半径の差を大きくする、すなわち、アナモフィック度合いを大きくするほど長くできる。
【００６１】
例２〜例５のそれぞれに対して例６〜例９のそれぞれを比較すると、第１の単レンズの曲率半径を｜Ｒ１ｓ｜＜｜Ｒ１ｔ｜となし、かつ、第２の単レンズの主走査方向の曲率半径Ｒ２ｔに凸の曲率を与えることにより、第２の単レンズからｆθレンズまでの距離Ｂを維持したまま、光源からｆθレンズまでの距離Ａ＋Ｂを短くできることがわかる。
【００６２】
本実施の形態で適用している例９の数値による結果と、従来例における例１を比較すると、第２の単レンズからｆθレンズまでの距離Ｂを長くでき、かつ光源の位置を筐体から突出した位置にレイアウトできることがわかる。
【００６３】
次に、本実施の形態の作用について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１、図２に示すように、光源部１２から射出したレーザビームは、コリメータレンズ１４により平行光束とされ、スリット１６によりビーム幅が整形されてシリンドリカルレンズ１８へ入射する。
【００６４】
シリンドリカルレンズ１８から射出された光ビームは、主走査方向、副走査方向ともに発散した光束となって、シリンドリカルレンズ２０へ入射する。シリンドリカルレンズ２０から射出された光ビームは、主走査方向にはゆるやかに発散し、副走査方向には収束する光束となって、平面ミラー２２に入射角２２．５度で入射する。
【００６５】
平面ミラー２２に入射した光ビームは、副走査方向で下向きに１．２°の方向に折り返され、被走査面３４の主走査範囲の中央に相当する方向からｆθレンズ２４、２６に正面入射する。このように、光ビームを正面入射させることで、被走査面３４上の主走査方向のビーム径及び光量の変動量を小さくすることができる。
【００６６】
ｆθレンズ２４、２６を透過した光ビームは、主走査方向に対しては、ポリゴンミラー２８の反射面の主走査方向の幅よりも広い幅の平行光束となり、副走査方向に対しては、ポリゴンミラー２８の反射面近傍に収束してポリゴンミラー２８の反射面に入射する。
【００６７】
ポリゴンミラー２８の反射面に入射した光ビームは、ポリゴンミラー２８が図１に示す矢印Ｑ方向に回転することにより偏向され、ポリゴンミラー２８の反射面の主走査方向の幅で、かつ副走査方向に沿って下向きに１．２°の角度で反射し、ｆθレンズ２６、２４へ再び入射する。このように、ｆθレンズ２４、２６を２回通過させるダブルパス光学系としているので、光ビームをｆθレンズ２４、２６の上または下を通過させる必要がないので、ポリゴンミラー２８の反射面へ入射する光ビームの入射角を最小にすることができ、走査線湾曲や、光ビームの光軸回りの回転を抑制することができる。
【００６８】
ｆθレンズ２６、２４を透過した光ビームは、平面ミラー３０により、ｆθレンズ２４、２６の上部を越える方向に折り返される。平面ミラー３０によって折り返された光ビームは、シリンドリカルミラー３２に入射する。シリンドリカルミラー３２に入射した光ビームは、被走査面３４の方向に折り返され、被走査面３４上を走査する。
【００６９】
このように、シリンドリカルレンズ１８、シリンドリカルレンズ２０ともに副走査方向にパワーを有するので、パワー配置を適宜選択することでシリンドリカルレンズ２０を平面ミラー２２から離すことができ、かつシリンドリカルレンズ１８とシリンドリカルレンズ２０はともに主走査方向にパワーを有するので、パワー配置を適宜設定することでシリンドリカルレンズ１８とシリンドリカルレンズ２０との距離を短くすることができる。
【００７０】
しかも、シリンドリカルレンズ１８、シリンドリカルレンズ２０はともにアナモフィックレンズとなっているので、主走査方向、副走査方向のパワー配置設定を独立に行えるので、それぞれ適切な位置に配置することができる。
【００７１】
このため、光源部１２からポリゴンミラー２８までの光路を短くすることができ、かつ光路の折り返しを１回にすることができる。また、平面ミラー２２への光ビームの入射角を３０度以下としているので、平面ミラー２２の面精度劣化の影響を抑えることができ、かつ光源部１２が光走査装置１０の筐体から突出することがない。
【００７２】
なお、本実施の形態では、シリンドリカルレンズ１８の光ビーム入射側の面は、母線方向が副走査方向と一致するような凹シリンドリカル面であり、射出側の面は、母線方向が主走査方向と一致するような凹シリンドリカル面になっているとしているが、入射側、射出側で母線の方向が逆になるようなシリンドリカル面にするようにしてもよい。シリンドリカルレンズ２０においても同様に、入射側、射出側で母線の方向が逆になるようなシリンドリカル面にするようにしてもよい。また、各アナモフィックレンズが、ガラスプレス成形による非球面レンズであってもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の発明によれば、第１の結像光学系において、主走査方向及び副走査方向ともに負の屈折力（パワー）を有し、かつ副走査方向の屈折力が、主走査方向の屈折力よりも大きいシリンドリカルレンズを用いるようにすることで、第１の結像光学系における光路の折り返しを１回にすることができる。
【００７４】
また、第１の結像光学系における第１の単レンズ及び第２の単レンズを母線の直交する両面シリンドリカルレンズとすることで、他のアナモフィック面形状、例えば非軸対象非球面、トーリック面等と比べて加工コストを抑えることができ、検査を容易にすることができる。
【００７５】
また、第１の結像光学系を、２枚のアナモフィックレンズで構成することで、第１の結像光学系の光路長を短くすることができる。
【００７６】
また、第１の結像光学系の第２の単レンズと回転多面鏡の間の光路上にのみ平面ミラーを配置することで、第１の結像光学系を簡素な構成として調整の容易化や維持性を向上させることができる。
【００７７】
また、ポリゴンミラーへ光ビームを入射させる方式を正面入射方式とすることで、被走査面上のビーム径および光量の変動幅を小さくできる。
【００７８】
また、ポリゴンミラーに入射する光ビーム及びポリゴンミラーにより偏向された光ビームともにｆθレンズを通過させるダブルパス光学系とすることで、光ビームをｆθレンズの上または下を通過させる必要がないので、ポリゴンミラーの反射面へ入射する光ビームの入射角を最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光走査装置を示す平面図である。
【図２】本発明に係る光走査装置を示す側面図である。
【図３】（Ａ）は、シリンドリカルレンズ１８、２０の主走査方向の曲率を説明するための平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の側面図である。
【図４】（Ａ）は従来例に係る第１の光学系の主走査方向のパワー配置を説明するためのイメージ図である。（Ｂ）は従来例に係る第１の光学系の副主走査方向のパワー配置を説明するためのイメージ図である。
【図５】本発明に係る第１の光学系の副走査方向のパワー配置を説明するためのイメージ図である。
【図６】本発明に係る第１の光学系のパワー配置を説明するためのイメージ図である。
【図７】サイド入射式オーバフィルド光学系における光ビームの偏向を説明するための平面図である。
【図８】（Ａ）は従来例に係る光走査装置の光学系を展開した平面図である。（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図９】第１の光学系において、光路を２回折り返す構成の光走査装置を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 光走査装置
１２ 光源部
１４ コリメータレンズ
１６ スリット
１８ シリンドリカルレンズ
２０ シリンドリカルレンズ
２２ 平面ミラー
２４ ｆθレンズ
２６ ｆθレンズ
２８ ポリゴンミラー
３０ 平面ミラー
３２ シリンドリカルミラー
３４ 被走査面
Claims (3)
- 副走査方向に離間した複数の光ビームを射出する光源部と、前記光源部から射出された複数の光ビームの各々を主走査対応方向に長い線像として結像させる第１の結像光学系と、
前記線像の結像位置近傍に反射面を有する回転多面鏡と、
前記主走査対応方向にのみ屈折力を有するｆθレンズを含み、前記回転多面鏡により偏向された複数の光ビームの各々を被走査面上に結像させる第２の結像光学系と、
を含んで構成され、
前記第１の結像光学系から前記回転多面鏡へ入射される光ビームは、前記第２の結像光学系の光軸を含む副走査断面で、前記回転多面鏡の回転軸と直交する平面に対して角度をなして前記ｆθレンズに正面入射し、前記ｆθレンズを透過した光ビームは、前記反射面の主走査対応方向の面幅よりも幅広の光ビームとして前記回転多面鏡に入射し、かつ前記回転多面鏡により偏向された光ビームが前記ｆθレンズを透過して前記被走査面上に結像される光走査装置において、
前記第１の結像光学系は、前記光源部から入射した光ビームを平行光束にするコリメータレンズと、母線が直交する２つの凹シリンドリカル面を備え、主走査方向の屈折力の絶対値よりも副走査方向の屈折力の絶対値が大きい第１の単レンズと、母線が直交する２つの凸シリンドリカル面を備えた第２の単レンズと、前記第２の単レンズから入射した光ビームを、前記ｆθレンズに対して正面入射する方向に折り返す平面ミラーと、がこの順序で配置されて構成されたことを特徴とする光走査装置。 - 前記平面ミラーに入射される光ビームの前記回転多面鏡の回転軸と直交する平面内における入射角が３０度以下であり、かつ前記光源部から前記第２の単レンズまでの光路が、前記回転多面鏡による光ビームの走査範囲外に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
- 前記第２の結像光学系における副走査方向の倍率をβ２として、当該β２が、０．２＜β２＜０．４の条件を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査装置。
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