JP3713085B2

JP3713085B2 - 反射型走査光学系

Info

Publication number: JP3713085B2
Application number: JP31472995A
Authority: JP
Inventors: 隆之飯塚
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2015-11-08
Also published as: US5777774A; JPH09133889A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばレーザービームプリンターやレーザーファクシミリ等に利用される走査光学系に関し、特に、走査レンズに代えてミラーを用いた反射型走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の反射型走査光学系は、例えば特開平４−２４５２１４号公報に開示される。この公報に開示される走査光学系は、半導体レーザーから発した光束をポリゴンミラーにより偏向し、凸の第１球面ミラー、凹の第２球面ミラーを介して感光体ドラム上に走査スポットを形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公報に記載された走査光学系は、ポリゴンミラーにより偏向された光束を２枚の球面ミラーのみによって走査対象面上に結像させる構成であるため、走査速度を一定にし、像面を平坦にするために各球面ミラーの曲率半径の自由度が制限される。特に、公報の構成では第１ミラーの曲率半径を変更すると副走査方向の像面湾曲が大きく劣化するため、第１ミラーの曲率半径を調整して光学系の小型化を図ることができないという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる反射型走査光学系は、上記の課題を解決するため、ポリゴンミラーを、ポリゴンミラーに対する入射光路と反射光路とが副走査方向において分離されるよう配置し、このポリゴンミラーにより主走査方向に偏向された光束を主走査方向に負のパワーを持つ第１曲面ミラーで一旦ポリゴンミラー側に折り返した後、主走査方向に正のパワーを持つ第２曲面ミラーにより再度第１曲面ミラー側に折り返し、主として副走査方向のパワーを有するトーリックレンズを介して走査対象面上に結像させるよう構成したことを特徴とする。第１、第２曲面ミラーは、それぞれ入射光路と射出光路とが副走査方向に分離されるよう配置されている。
【０００５】
トーリックレンズを設けることにより、このトーリックレンズに副走査方向の像面湾曲の補正効果を負担させることができ、２つの曲面ミラー、特に第１曲面ミラーの曲率半径の選択の自由度が大きくなる。
【０００６】
なお、この明細書では、「光学系の光軸」は、走査対象面上のスポットが走査中心に達する際の光束の主光線に一致する軸として定義される。また、「主走査方向」は、光学系の光軸に垂直な面内において走査対象面上でのスポットの走査方向に相当する方向、「副走査方向」は光学系の光軸に垂直な面内において主走査方向に直交する方向と定義される。さらに、ポリゴンミラーより走査対象面側の光学系の光軸とポリゴンミラーの回転軸とを含む平面を「副走査平面」と定義する。
【０００７】
また、ポリゴンミラーへの入射光の光路とポリゴンミラーからの反射光の光路とを副走査方向において分離することにより、これらの光路の主走査方向における位置関係は自由になる。ここで、ポリゴンミラーへの入射光の光路が、副走査平面内に位置する場合には、主走査方向における入射光束と反射光束とのなす角度が偏向角の変化に伴って走査中心を境に対称に変化するため、走査対象面上での光束の波面が光軸を境として対称に変化する。
【０００８】
ただし、ポリゴンミラーへの入射光路と反射光路とが副走査方向において分離される構成とすると、副走査方向において入射光束と反射光束とのなす角(以下、「分離角度」という)が偏向角の変化に伴って変化するため、走査対象面上で走査線が弓状に湾曲する。この弓状の走査線の湾曲量を小さく抑えるためには、第１ミラーの副走査方向のパワーをＰ1s、主走査方向のパワーをＰ1mとしたときに、Ｐ1s＞Ｐ1mの関係を満たすよう第１曲面ミラーを構成することが望ましい。第１曲面ミラーは主走査方向に負のパワーを有するため、副走査方向のパワーが主走査方向と同一であると、偏向角の違いにより、すなわち走査対象面上のスポット位置が主走査方向の中央部であるか周辺部であるかの違いにより、副走査方向の分離角度の差が拡大する。第１曲面ミラーの副走査方向のパワーを正の方向に近づけることにより、分離角度の差を縮小することができ、走査線の湾曲量が抑えられる。
【０００９】
また、第１ミラーの主走査方向の曲率半径をＲ1m、第２ミラーの主走査方向の曲率半径をＲ2mとしたときに、｜Ｒ1m｜＜｜Ｒ2m｜の関係が成り立つよう構成することが望ましい。第１曲面ミラーが主走査方向に負のパワーを持つことにより、第１曲面ミラーで反射された光束の偏向角は、ポリゴンミラーによる偏向角に対して見掛け上拡大される。この偏向角の見かけの拡大率ｍは、ポリゴンミラーの反射面から第１曲面ミラーまでの間隔をａとすると、ｍ＝(Ｒ1m＋２ａ)／Ｒ1mで表される。したがって、拡大率ｍを高めるためには、第１曲面ミラーの曲率半径の絶対値｜Ｒ1m｜は小さく負のパワーが強い方が望ましい。一方、第２曲面ミラーは、主走査方向で正のパワーが過大となると走査幅が縮小するため、曲率半径の絶対値｜Ｒ2m｜はある程度大きい方が望ましい。｜Ｒ1m｜＜｜Ｒ2m｜の関係が成り立つよう構成することにより、拡大率ｍを保ちつつ、走査幅を大きく確保することができる。
【００１０】
【発明の実施態様】
以下、この発明にかかる反射型走査光学系の実施態様を説明する。実施態様の走査光学系は、副走査方向の説明図である図１、および主走査方向の説明図である図２に示されるように、半導体レーザー１ａとコリメートレンズ１ｂとから成る光源部１から発したレーザー光をオブジェクティブレンズ２、シリンドリカルレンズ３を介してポリゴンミラー４に入射させる。
【００１１】
ポリゴンミラー４で反射、偏向されて走査対象面であるドラム８側に折り返されたレーザー光は、第１曲面ミラー５によりポリゴンミラー４側に折り返された後、第２曲面ミラー６により再度ドラム８側に折り返される。第２曲面ミラー６からの反射光は、トーリックレンズ７を介してドラム８上に主走査方向に走査するスポットを形成する。
【００１２】
図２に示されるように、光源部１から発してポリゴンミラー４に入射する光束の中心軸と、ポリゴンミラー４よりドラム８側の光学系の光軸とは、共にポリゴンミラー４の回転軸４ａを含む副走査平面に位置している。
【００１３】
オブジェクティブレンズ２は、主、副両走査方向について正のパワーを持つ回転対称なレンズであり、光源部１からのレーザー光を収束させる。シリンドリカルレンズ３は、副走査方向にのみ正のパワーを有し、レーザー光をポリゴンミラー４の反射面の近傍で副走査方向において一旦結像させる。
【００１４】
光源部１側からの光束は、図１に示されるように、副走査方向においてポリゴンミラー４の法線に対して所定の入射角で入射するため、この入射光の光路とポリゴンミラー４からの反射光の光路とは副走査方向において図中上下方向に分離される。
【００１５】
第１曲面ミラー５は、主走査方向に負のパワーを有すると共に、副走査方向に弱い正のパワーを有し、ポリゴンミラー４側から入射する光束を再びポリゴンミラー側に折り返す。第２曲面ミラー６は、主走査方向に正のパワーを有すると共に、副走査方向に弱い負のパワーを有し、第１曲面ミラー５側から入射する光束をドラム８側に折り返す。第１、第２曲面ミラー５，６は、それぞれ入射光の光路と反射光の光路とを副走査方向に分離するよう配置されており、この例では、ポリゴンミラー４、第１曲面ミラー５、第２曲面ミラー６の順に光束が次第に図１中の上側に、すなわち光源部１から離れる方向に向けて反射される。
【００１６】
第１曲面ミラー５は、副走査方向のパワーをＰ1s、主走査方向のパワーをＰ1mとしたときに、Ｐ1s＞Ｐ1mの関係を満たすよう構成されている。第１曲面ミラー５は、主走査方向には負のパワーを持つため、上記の関係を満たす場合、副走査方向の形状は主走査方向より弱い負のパワーを持つ凸面、パワーのない平面、あるいは、正のパワーを持つ凹面のいずれかとなる。これにより、ポリゴンミラー４による偏向角の変化に伴う分離角度の変化幅を小さく抑えることができ、走査線湾曲を低減することができる。なお、この実施態様では、第１曲面ミラー５の副走査方向の形状は凹面である。
【００１７】
図３は、第１曲面ミラー５の副走査方向における形状と偏向角に応じた分離角度の変化との関係を示す説明図であり、図３(Ａ)が凸面５ａである場合、(Ｂ)が平面５ｂである場合、そして(Ｃ)が凹面５ｃである場合をそれぞれ示す。
【００１８】
ポリゴンミラー４への入射光Ｌiに対して走査域の中心に向かう反射光Ｌc(実線)と周辺に向かう反射光Ｌp(破線)との角度差は、(Ａ)凸面の場合が最も大きく、(Ｃ)凹面の場合が最も小さくなる。この角度差はドラム８上での走査線の湾曲量に対応するため、湾曲を小さくするためには(Ｃ)の構成が最も望ましい。
【００１９】
また、第１、第２曲面ミラー５，６は、第１ミラーの主走査方向の曲率半径をＲ1m、第２ミラーの主走査方向の曲率半径をＲ2mとしたときに、｜Ｒ1m｜＜｜Ｒ2m｜の関係が成り立つよう構成されている。これにより、第１曲面ミラー５によるみかけの拡大率ｍを保ちつつ、走査幅を大きく確保することができる。効果的な拡大率を得るためには、｜Ｒ1m｜は全系の焦点距離(走査係数Ｋとほぼ等しい値)の２／３倍〜１倍程度に設定することが望ましい。また、第２曲面ミラー６に入射する光束は、オブジェクティブレンズ２により収束された後に第１曲面ミラー５により発散されて主走査方向においてはほぼ平行光束となるため、｜Ｒ2m｜は焦点距離の１〜２倍程度に設定することが望ましい。
【００２０】
なお、ポリゴンミラー４、第１曲面ミラー５、第２曲面ミラー６による副走査方向の分離角度は偏向角に応じて変化するが、以下の説明では、光源部１から発したレーザー光がドラム８上で主走査方向の中心に結像する際のポリゴンミラーによる副走査方向の分離角度をθ0、第１曲面ミラーによる副走査方向の分離角度をθ1、第２曲面ミラーによる副走査方向の分離角度をθ2と定義する。
【００２１】
これらの分離角度θ0、θ1、θ2は、それぞれの反射光路が折り返しつつ入射光路に対して図１中の上方向、すなわち光源部１から副走査方向に離れる方向に離れるよう定められている。
【００２２】
トーリックレンズ７は、主走査方向においてはほぼパワーを持たないメニスカス形状であり、副走査方向に正のパワーを有する。トーリックレンズ７の第２曲面ミラー６側のレンズ面は副走査方向の曲率半径が小さいトーリック面であり、副走査方向の曲率半径は光軸から離れるにしたがって大きくなる。一方、トーリックレンズ７のドラム８側のレンズ面は、球面である。図１に示されるように、トーリックレンズ７は、その副走査方向の光学的な中心軸が光学系の光軸に対して図中下側にｅだけオフセットするように配置されている。
【００２３】
上記のように、副走査面内でポリゴンミラー４に向けてレーザー光を入射させると、ポリゴンミラー４の大きさに対して光束の振れ角を大きく設定できるため、ポリゴンミラー４の大きさを一定とすれば広範囲の走査が可能となり、走査範囲を一定とすればポリゴンミラー４の径を小さくすることができる。また、像面湾曲が光軸に対して対称となるため、その補正も容易となる。
【００２４】
なお、光源部１側からの光束が副走査方向においてポリゴンミラー４の法線に対して所定の入射角で入射する場合、偏向角の変化に伴って光束の断面形状の方向が変化する。例えば、実施態様においては、シリンドリカルレンズ３の作用によってポリゴンミラー４の近傍で光束は線状に結像しているため、この線像の方向が偏向角によって変化する。この方向の変化により、ドラム上に形成されるスポットにスキュー歪みと呼ばれる収差が発生する。この例では、トーリックレンズ７を副走査方向にオフセットさせることにより、スキュー歪みを相殺している。トーリックレンズ７を偏心させると、トーリックレンズ７の母線方向に対して、入射光束の断面形状の方向を自由に変化させることができるため、光束断面のスキュー方向の収差をコントロールすることができる。この作用を利用することにより、レーザー光のスキュー歪みを補正することができる。
【００２５】
【実施例】
次に、この発明にかかる反射型走査光学系の具体的な数値構成例を４例説明する。
【００２６】
【実施例１】
図４および図５は、実施例１にかかる走査光学系を示し、図４はポリゴンミラー４よりドラム８側の構成を示す主走査方向の説明図、図５は光源部１を除いた構成を示す副走査方向の説明図である。実施例１の具体的な数値構成は表１に示される。表中、Ｋは走査係数、θ0〜θ2は各分離角度、ｅはトーリックレンズの光軸の光学系の光軸に対するオフセット量(符号は光源側がマイナス)、ｒyは主走査方向の曲率半径、ｒzは副走査方向の曲率半径(回転対象面の場合は省略)、ｄは光軸上のレンズ厚若しくは空気間隔、ｎ780は波長780nmでの屈折率である。
【００２７】
面番号１，２はオブジェクティブレンズ２、面番号３，４はシリンドリカルレンズ３、面番号５はポリゴンミラー４、面番号６は第１曲面ミラ−５、面番号７は第２曲面ミラー６、面番号８，９はトーリックレンズを示している。
【００２８】
【表１】

【００２９】
図６は、実施例１の光学系の収差を示し、(Ａ)はＫθで求められる偏向角θに対する理想像高と実際の像点との誤差である直線性誤差、(Ｂ)は主走査面内の像面湾曲(ピントズレ)でＭがメリディオナル、Ｓがサジタル、(Ｃ)は走査線湾曲を示す。各図の縦軸は像高、横軸は収差量を示す。単位はいずれもｍｍである。
【００３０】
【実施例２】
図７および図８は、実施例２にかかる走査光学系の主走査方向、副走査方向の説明図である。実施例２の具体的な数値構成は表２に示される。面番号と光学要素との関係は実施例１と同一である。
【００３１】
なお、実施例２では、第１曲面ミラーの主走査方向のカーブが非円弧であり、第２曲面ミラーの回転対称非球面である。非円弧、あるいは非球面は、光軸からの高さがＹとなる非球面上の座標点の非球面頂点の接平面からの距離をＸ、非球面頂点の曲率(1／r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次の非球面係数をＡ4,Ａ6,Ａ8として、以下の式で表される。これらの非球面係数は、表３に示される。表２中の非球面の曲率半径は、非球面頂点の曲率半径である。
【００３２】
Ｘ=(ＣＹ²／(１+√(１-(１+Ｋ)Ｃ²Ｙ²)))+Ａ4Ｙ⁴+Ａ6Ｙ⁶+Ａ8Ｙ⁸
【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
図９は、実施例２の光学系の収差を示し、(Ａ)は直線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲、(Ｃ)は走査線湾曲を示す。
【００３６】
【実施例３】
図１０および図１１は、実施例３にかかる走査光学系の主走査方向、副走査方向の説明図である。実施例３の具体的な数値構成は表４に示される。この例では、面番号１，２がシリンドリカルレンズ３、面番号３，４がオブジェクティブレンズ２を示す。他の光学要素と面番号との関係は実施例１と同一である。
【００３７】
実施例３でも、第１曲面ミラーの主走査方向のカーブが非円弧であり、第２曲面ミラーは回転対称非球面である。これらの面の非球面係数は表５に示される。
【００３８】
【表４】

【００３９】
【表５】

【００４０】
図１２は、実施例２の光学系の収差を示し、(Ａ)は直線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲、(Ｃ)は走査線湾曲を示す。
【００４１】
【実施例４】
図１３および図１４は、実施例４にかかる走査光学系の主走査方向、副走査方向の説明図である。実施例４の具体的な数値構成は表６に示される。面番号と光学要素との関係は実施例１と同一である。
【００４２】
実施例４でも、第１曲面ミラーの主走査方向のカーブが非円弧、第２曲面ミラーは回転対称非球面である。これらの面の非球面係数は表７に示される。
【００４３】
【表６】

【００４４】
【表７】

【００４５】
以下の表８は、各実施例における第１曲面ミラー５の副走査方向のパワーＰ1sと、主走査方向のパワーＰ1mとの関係を示す。反射面のパワーは、発散作用を負、収束作用を正として規定されている。いずれの実施例においても、Ｐ1s＞Ｐ1mの関係が成立しており、偏向角度の違いによる分離角度の差を小さく抑えることができる。
【００４６】
【表８】

【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第２曲面ミラーと走査対象面との間にトーリックレンズを設けることにより、このトーリックレンズに副走査方向の像面湾曲補正効果を負担させることができるため、２枚の曲面ミラーのパワーを自由に設定することにより光学系の小型化を図ることができる。
【００４８】
また、第１曲面ミラーの副走査方向のパワーを主走査方向のパワーより正の方向にシフトさせて設定した場合には、ポリゴンミラーにより光束を副走査方向に分離することにより発生する偏向角の変化に伴う分離角の変化を抑えることができ、走査線湾曲を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる反射型走査光学系の実施態様を示す副走査方向の説明図である。
【図２】図１の光学系の主走査方向の説明図である。
【図３】第１曲面ミラー５の副走査方向における形状と偏向角に応じた分離角度の変化との関係を示す説明図である。
【図４】この発明の実施例１にかかる反射型走査光学系を示す主走査方向の説明図である。
【図５】実施例１にかかる反射型走査光学系の副走査方向の説明図である。
【図６】実施例１の性能を示すグラフであり、(Ａ)は直線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲、(Ｃ)は走査線湾曲をそれぞれ示す。
【図７】この発明の実施例２にかかる反射型走査光学系を示す主走査方向の説明図である。
【図８】実施例２にかかる反射型走査光学系の副走査方向の説明図である。
【図９】実施例２の性能を示すグラフであり、(Ａ)は直線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲、(Ｃ)は走査線湾曲をそれぞれ示す。
【図１０】この発明の実施例３にかかる反射型走査光学系を示す主走査方向の説明図である。
【図１１】実施例３にかかる反射型走査光学系の副走査方向の説明図である。
【図１２】実施例３の性能を示すグラフであり、(Ａ)は直線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲、(Ｃ)は走査線湾曲をそれぞれ示す。
【図１３】この発明の実施例４にかかる反射型走査光学系を示す主走査方向の説明図である。
【図１４】実施例４にかかる反射型走査光学系の副走査方向の説明図である。
【図１５】実施例４の性能を示すグラフであり、(Ａ)は直線性誤差、(Ｂ)は像面湾曲、(Ｃ)は走査線湾曲をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１光源部
１ａ半導体レーザー
１ｂコリメートレンズ
２オブジェクティブレンズ
３シリンドリカルレンズ
４ポリゴンミラー
５第１曲面ミラー
６第２曲面ミラー
７トーリックレンズ
８ドラム

Claims

光源部と、
前記光源部から照射される光束を収束させるオブジェクティブレンズと、
前記オブジェクティブレンズにより収束しつつ入射する光束を反射させて主走査方向に偏向するポリゴンミラーと、
副走査方向のパワーをＰ１ｓ、主走査方向のパワーをＰ１ｍすると、Ｐ１ｓ＞Ｐ１ｍの関係が成立するように、主走査方向に負のパワーを有し、かつ副走査方向に正のパワーを持つ凹面を有し、前記ポリゴンミラーにより偏向された光束を前記ポリゴンミラー側に向けて反射させる第１曲面ミラーと、
主走査方向に正のパワーを有し、前記第１曲面ミラーで反射された光束を走査対象面側に向けて反射させる第２曲面ミラーと、
主として副走査方向にパワーを有し、前記第２曲面ミラーで反射された光束を前記走査対象面上に結像させるトーリックレンズとを備え、
前記ポリゴンミラー、前記第１、第２曲面ミラーは、いずれも当該素子に入射する光束の光路と、当該素子により反射される光束の光路とを副走査方向において分離するよう配置されており、
主として前記第１曲面ミラーによって走査線の湾曲量が抑えられることを特徴とする請求項１に記載の反射型走査光学系。
前記光源部から発して前記ポリゴンミラーに入射する光束の中心軸と、前記ポリゴンミラーより前記走査対象面側の光学系の光軸とが、共に前記ポリゴンミラーの回転軸を含む副走査平面内に位置することを特徴とする請求項１に記載の反射型走査光学系。
前記レーザー光が走査対象面上で主走査方向の中心に結像する際の前記ポリゴンミラーによる副走査方向の分離角度をθ０、前記第１曲面ミラーによる副走査方向の分離角度をθ１、前記第２曲面ミラーによる副走査方向の分離角度をθ２としたときに、これらの分離角度θ０、θ１、θ２は、それぞれの反射光路が入射光路に対して前記光源部から離れる方向に分離されるよう定められていることを特徴とする請求項１に記載の反射型走査光学系。
前記第１ミラーの主走査方向の曲率半径をＲ１ｍ、第２ミラーの主走査方向の曲率半径をＲ２ｍとしたときに、｜Ｒ１ｍ｜＜｜Ｒ２ｍ｜の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の反射型走査光学系。
前記トーリックレンズは、その中心軸が光学系の光軸に対して副走査方向にオフセットしていることを特徴とする請求項１に記載の反射型走査光学系。