JP3728256B2

JP3728256B2 - 走査光学装置

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Publication number: JP3728256B2
Application number: JP2002035280A
Authority: JP
Inventors: 加藤　　学
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: JP2002328324A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査光学装置に関し、特に光源手段から光変調され出射した光束を回転多面鏡等より成る光偏向器で偏向反射させた後、ｆθ特性を有する結像光学系（ｆθレンズ）を介して被走査面上を光走査して画像情報を記録するようにした、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ（ＬＢＰ）やデジタル複写機等の装置に好適な走査光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりレーザービームプリンタ等の走査光学装置においては画像信号に応じて光源手段から光変調され出射した光束を、例えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成る光偏向器により周期的に偏向させ、ｆθ特性を有する結像光学系によって感光性の記録媒体（感光体ドラム）面上にスポット状に集束させ、その面上を光走査して画像記録を行なっている。
【０００３】
図１３は従来の走査光学装置の要部概略図である。
【０００４】
同図において光源手段１１から出射した発散光束はコリメーターレンズ１２により略平行光束とされ、絞り１３によって該光束（光量）を制限して副走査方向にのみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ１４に入射している。シリンドリカルレンズ１４に入射した平行光束のうち主走査断面内においてはそのまま平行光束の状態で射出する。又副走査断面内においては集束して回転多面鏡（ポリゴンミラー）から成る光偏向器１５の偏向面（反射面）１５ａにほぼ線像として結像している。
【０００５】
そして光偏向器１５の偏向面１５ａで偏向反射された光束をｆθ特性を有する結像光学系（ｆθレンズ）１６を介して被走査面としての感光体ドラム１８面上に導光し、該光偏向器１５を矢印Ａ方向に回転させることによって該感光体ドラム１８面上を光走査して画像情報の記録を行なっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この種の走査光学装置において高精度な画像情報の記録を行なうには被走査面全域にわたって像面湾曲が良好に補正されスポット径が揃っていること、そして入射光の角度と像高とが比例関係となる歪曲収差（ｆθ特性）を有していることが必要である。このような光学特性を満たす走査光学装置、若しくはその補正光学系（ｆθレンズ）は従来より種々と提案されている。
【０００７】
又一方、レーザービームプリンタやデジタル複写機等のコンパクト化及び低コスト化に伴ない、走査光学装置にも同様のことが求められている。
【０００８】
これらの要望を両立させるものとしてｆθレンズを１枚から構成した走査光学装置が、例えば特公昭６１−４８６８４号公報や特開昭６３−１５７１２２号公報や特開平４−１０４２１３号公報や特開平４−５０９０８号公報等で種々と提案されている。
【０００９】
これらの公報のうち特公昭６１−４８６８４号公報や特開昭６３−１５７１２２号公報等ではｆθレンズとして光偏向器側に凹面の単レンズを用いてコリメーターレンズからの平行光束を記録媒体面上に集束させている。又特開平４−１０４２１３号公報ではｆθレンズとして光偏向器側に凹面、像面側にトロイダル面の単レンズを用いてコリメーターレンズにより収束光に変換された光束を該ｆθレンズに入射させている。又特開平４−５０９０８号公報ではｆθレンズとしてレンズ面に高次非球面を導入した単レンズを用いてコリメーターレンズにより収束光に変換された光束を該ｆθレンズに入射させている。
【００１０】
しかしながら上記に示した従来の走査光学装置において特公昭６１−４８６８４号公報では副走査方向の像面湾曲が残存しており、かつ平行光束を被走査面に結像させている為、ｆθレンズから被走査面までの距離が焦点距離ｆとなり長く、コンパクトな走査光学装置を構成することが難しいという問題点があった。
【００１１】
特開昭６３−１５７１２２号公報ではｆθレンズの肉厚が厚い為、モールド成型による製作が困難でありコストアップの要因となるという問題点があった。
【００１２】
特開平４−１０４２１３号公報では歪曲収差が残存しており、かつ光偏向器であるポリゴンミラーの取付誤差によりポリゴン面数周期のジッターが発生するという問題点があった。
【００１３】
特開平４−５０９０８号公報では高次非球面のｆθレンズを用い収差は良好に補正されているものの光偏向器と被走査面間における副走査方向の倍率の不均一性により像高により副走査方向のスポット径が変化するという傾向があった。
【００１４】
本発明はコリメーターレンズからの収束光を光偏向器を介してｆθレンズにより被走査面上に結像させる際、該ｆθレンズのレンズ形状を適切に構成することにより、像高による副走査方向のスポット径の変化等を防止すると共にコンパクトでしかも高精細な印字に適した走査光学装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の操作光学装置は、光源手段から出射した光束を収束光に変換する第１の光学素子と、該光束を偏向素子の偏向面上において主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子と、該偏向素子で偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子と、を具備する走査光学装置において、
該第３の光学素子は単レンズより成り、該単レンズの両レンズ面は共に主走査面内で非球面形状のトーリック面より成り、近軸曲率半径をそれぞれ該偏向素子側から順にＲ_１，Ｒ_２、主走査面内における最大有効径をＹmax 、該最大有効径Ｙmax における近軸レンズ面からの非球面量を各々Ｓ_１，Ｓ_２としたとき
０＜Ｒ_１＜Ｒ_２
（Ｒ_１ ^２−Ｙ_ＭＡＸ ^２）^１／２−Ｒ_１＜Ｓ_１＜０
Ｓ_２＜（Ｒ_２ ^２−Ｙ_ＭＡＸ ^２）^１／２−Ｒ_２
なる条件を満足し、かつ第３の光学素子の主走査方向の対称軸が前記被走査面の法線に対して主走査断面内で傾いていることを特徴としている。
【００１６】
請求項２の発明のレーザービームプリンタは、請求項１記載の走査光学装置と、前記被走査面として感光ドラム面とを有することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例１の主走査方向の要部断面図、図２は図１に示したｆθレンズの拡大説明図である。
【００２１】
図中、１は光源手段であり、例えば半導体レーザより成っている。
【００２２】
２は第１の光学素子としてのコリメーターレンズであり、光源手段１から出射された光束（光ビーム）を収束光に変換している。３は開口絞りであり、通過光束径を整えている。
【００２３】
４は第２の光学素子としてのシリンドリカルレンズであり、副走査方向にのみ所定の屈折力を有しており、絞り３を通過した光束を副走査断面内で後述する光偏向器５の偏向面５ａにほぼ線像として結像させている。
【００２４】
５は偏向素子としての例えばポリゴンミラー（回転多面鏡）より成る光偏向器であり、モータ等の駆動手段（不図示）により図中矢印Ａ方向に一定速度で回転している。
【００２５】
６は第３の光学素子としてのｆθ特性を有する１枚のレンズより成るｆθレンズ（結像光学系）である。ｆθレンズ６は後述するように光偏向器５側のレンズ面Ｒａと被走査面側のレンズ面Ｒｂを共に主走査面内で非球面形状のトーリック面より構成しており、光偏向器５によって偏向反射された画像情報に基づく光束を被走査面としての感光体ドラム８面上に結像させ、かつ該光偏向器５の偏向面の面倒れを補正している。
【００２６】
本実施例におけるｆθレンズ６の両レンズ面Ｒａ，Ｒｂのうち少なくとも一方のレンズ面の副走査面（光軸を含み主走査面と直交する面）内の曲率を、該レンズの有効部内において連続的に変化させており、又ｆθレンズ６の主走査方向の対称軸を被走査面（感光体ドラム面）８の法線に対して主走査面内で傾けて構成している。
【００２７】
尚、本実施例においてはｆθレンズ６をプラスチック成型により製作しても良く、あるいはガラス成型（ガラスモールド）により製作しても良い。
【００２８】
本実施例において半導体レーザ１より出射した光束はコリメータレンズ２により収束光に変換され開口絞り３によって該光束（光量）を制限してシリンドリカルレンズ４に入射している。シリンドリカルレンズ４に入射した光束のうち主走査断面においてはそのままの状態で射出する。又副走査断面においては集束して光偏向器５の偏向面５ａにほぼ線像（主走査方向に長手の線像）として結像している。そして光偏向器５の偏向面５ａで偏向反射された光束はｆθレンズ６を介して感光体ドラム８面上に導光され、光偏向器５を矢印Ａ方向に回転させることによって該感光体ドラム８面上を矢印Ｂ方向に光走査している。これにより画像記録を行なっている。
【００２９】
次に本実施例において歪曲収差（ｆθ特性）及び像面湾曲を補正する手段について説明する。コリメーターレンズ２から光偏向器５を介してｆθレンズ６に入射する光束は収束光である為、本装置のｆθ特性を満足させる為にはｆθレンズ６の主走査面内における近軸曲率半径を該光偏向器５側から順に各々Ｒ１，Ｒ２としたとき、
０＜Ｒ₁＜Ｒ₂ ・・・（１）
なる条件を満足させるように設定する。
【００３０】
即ち、ｆθレンズ６の光偏向器５側のレンズ面Ｒａを光軸近傍で凸のメニスカス形状にし、該レンズ面Ｒａと被走査面側のレンズ面Ｒｂとを共に非球面形状にしている。その非球面形状は像高による副走査方向のスポット径を揃える為、主走査面内における最大有効径をＹ_max、該最大有効径Ｙ_maxにおける近軸レンズ面Ｒからの非球面量を各々Ｓ₁，Ｓ₂としたとき
（Ｒ₁ ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒ₁＜Ｓ₁＜０・・・（２）
Ｓ₂＜（Ｒ₂ ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒ₂ ・・・・（３）
なる条件を満足するようにレンズ形状を決定している。
【００３１】
これは一般的に副走査方向のスポット径ρ_Sが
ρ_S＝ｃλＦ_S
Ｆ_S：副走査方向のＦNo
λ ：使用波長
ｃ：定数
と表わされることにより、像高による副走査方向のスポット径を揃える為には像高による副走査方向のＦナンバー（ＦNo）のバラツキ、即ち副走査方向の主平面位置のバラツキを抑えることが必要であるからである。
【００３２】
上記の条件式（１）を外れると像面湾曲や歪曲収差等を良好に補正するのが難しくなってくるので良くない。又条件式（２），（３）のいずれか１つでも外れると副走査方向のスポット径の均一性を図るのが難しくなってくるので良くない。
【００３３】
本実施例においてはこのように各条件式（１），（２），（３）を満足するようにｆθレンズ６のレンズ形状を設定することにより、像面湾曲や歪曲収差等を良好に保ちつつ、副走査方向のスポット径の均一性を向上させている。
【００３４】
次に光偏向器（ポリゴンミラー）により生じるジッターを緩和させる手段について図３〜図５を用いて説明する。
【００３５】
一般にポリゴンミラーはモータ回転軸との嵌合誤差や回転中心からポリゴン面（偏向面）までの距離のバラツキ等により、図３に示すように光束を同一偏向角に偏向する場合でも使用するポリゴン面によって、その偏向点が前後に変化する。このときポリゴンミラー５のポリゴン面５ａで偏向されｆθレンズ６に入射する光束が平行光である場合は、該光束は像面である感光体ドラム面上の同一点に結像される。
【００３６】
しかしながらコリメーターレンズからの光束が収束光である場合には、該光束は感光体ドラム面上の同一点に結像されずポリゴン面周期のジッターとなり画像を劣化させるという問題点がある。
【００３７】
ここで図４に示すように、このときのジッター量Ｊは偏向後の２光束のズレ量をｈ、主走査方向の横倍率をｍとしたとき
Ｊ＝ｍｈ
と表わされ、横倍率ｍは更に図５に示すようにｆθレンズ６の主走査方向（主走査面内）の焦点距離をｆｔ、該ｆθレンズ６から被走査面（感光体ドラム面）８までの距離をＳｋとしたとき
ｍ＝１−Ｓｋ／ｆｔ
となる。従ってジッター量Ｊは
Ｊ＝（１−Ｓｋ／ｆｔ）ｈ
と表わすことができる。
【００３８】
又、図３に示すように２光束のズレ量ｈはポリゴン面の光束の入射角θｉ、該ポリゴン面からの光束の出射角θｅ、そしてポリゴン面の偏心量ｄをパラメーターとして決定される量であり、
【００３９】
【数１】

【００４０】
と表わすことができるが、各パラメーターとも取り得る値が限られている為、ズレ量ｈは略０．０２〜０．０４の範囲内となる。
【００４１】
一般的に画像の２ドット（ｄｏｔ）間の間隔が１ドットの半分以上ズレると視覚的にジッターが目立つようになる。例えば６００ｄｐｉの解像力をもつプリンターの走査光学装置の場合、ジッター量Ｊが
Ｊ＝２５．４／６００／２＝０．０２ｍｍ
以上になると視覚的にジッターが目立つようになる為、高品位な画像形成を行なう為には主走査方向の横倍率ｍを
Ｊ＝ｍｈ
０．０２≧ｍ×０．０４
ｍ≦０．５
０．５以下に抑える必要がある。
【００４２】
しかしながら主走査方向の横倍率ｍが小さすぎるとｆθレンズ６と被走査面８との間の距離Ｓｋが長くなる為、装置のコンパクト化に反する。この為両者を両立させる為には主走査方向の横倍率ｍを
０．２≦ｍ≦０．５
即ち、
０．２≦１−Ｓｋ／ｆｔ≦０．５・・・（４）
なる条件を満たすようにｆθレンズ６とコリメーターレンズ２とのパワー配置を行なうことによってポリゴンミラー（光偏向器）５の取付誤差によるジッターを緩和させたコンパクトな走査光学装置を得ることができる。
【００４３】
上記の条件式（４）の上限値を越えるとジッターが視覚的に目立つようになり良くない。又下限値を越えるとｆθレンズ６と被走査面８との間の距離が長くなり装置全体が大型化になってくるので良くない。
【００４４】
本実施例ではｆθレンズ６のレンズ形状を主走査方向は１０次までの関数で表わせる非球面形状とし、副走査方向は像高方向に連続的に変化する球面より構成している。そのレンズ形状は例えばｆθレンズ６と光軸との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸、主走査面内において光軸と直交する軸をＹ軸、副走査面内において光軸と直交する軸をＺ軸としたとき、主走査方向と対応する母線方向が
【００４５】
【数２】

【００４６】
（但し、Ｒは曲率半径、Ｋ，Ｂ₄，Ｂ₆，Ｂ₈，Ｂ₁₀は非球面係数）
なる式で表わせるものであり、又副走査方向（光軸を含む主走査方向に対して直交する方向）と対応する子線方向が、
【００４７】
【数３】

【００４８】
ここでｒは曲率半径、Ｄ₂〜Ｄ₁₀は非球面係数とし、
ｒ´＝ｒ（１＋Ｄ₂Ｙ²＋Ｄ₄Ｙ⁴＋Ｄ₆Ｙ⁶＋Ｄ⁸Ｙ⁸＋Ｄ₁₀Ｙ¹⁰）なる式で表わせるものである。
【００４９】
図７に本実施例における光学配置とｆθレンズ６の非球面係数を示す。図７において、Ｂ４〜Ｂ１０は主走査面内の非球面係数、Ｄ２Ｅ〜Ｄ１０Ｅ，Ｄ２Ｓ〜Ｄ１０Ｓは副走査面内の非球面係数を示す。
【００５０】
ここで非球面係数Ｄ２Ｅ〜Ｄ１０Ｅはレンズ面の光軸を挟んで一方向（主走査方向のうちの一方）の形状を特定する係数、非球面係数Ｄ２Ｓ〜Ｄ１０Ｓはレンズ面の光軸を挟んで他方向（主走査方向のうちの他方）の形状を特定する係数である。
【００５１】
図７に示すように非球面係数Ｄ２Ｅ〜Ｄ１０Ｅと非球面係数Ｄ２Ｓ〜Ｄ１０Ｓは異なっており、副走査面内の曲率がレンズ面の有効径内において軸上から軸外に向かい光軸を中心として非対称に変化していることがわかる。
【００５２】
これは後述する図８に示す実施例２においても同様である。図９はｆθレンズ６の非球面形状を示す説明図であり、実線は近軸曲率半径からの非球面量Ｓ、破線は（Ｒ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒの値を示したものである。
【００５３】
本実施例においてｆθレンズ６の近軸曲率半径Ｒ、非球面量Ｓ及び（Ｒ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒのそれぞれの値は
Ｒ₁＝６５．２２Ｒ₂＝１５０．０３
Ｓ₁＝−９．４４Ｓ₂＝ −７．９７
（Ｒ₁ ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒ₁＝−１４．５０
（Ｒ₂ ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒ₂＝−６．００
であり、これらの値は前述した各条件式（１）〜（３）を満足させている。
【００５４】
図１１は本実施例における像面湾曲と歪曲収差等を示す収差図である。同図より各収差とも実用上問題のないレベルまで補正されていることが分かる。又像高による副走査方向のスポット径の変化も１０μｍ以内に抑えることができる。
【００５５】
次にポリゴンミラー（光偏向器）の取付誤差によって生じるジッターであるが、本実施例ではｆθレンズ６の主走査方向における焦点距離ｆｔを２１３．７ｍｍ、該ｆθレンズ６から被走査面（感光体ドラム面）８までの距離Ｓｋを１１１．５ｍｍとし、主走査方向における横倍率ｍを

と設定することによって条件式（４）を満足させ、これによりポリゴンミラー５の取付誤差によるジッターを緩和させている。
【００５６】
又、本実施例における２光束のズレ量ｈはポリゴン面５ａへの光束の入射角θ_i＝−９０°、光束の出射角θ_e＝４５°、そしてポリゴン面５ａの偏心量ｄを１５μｍとしたとき
【００５７】
【数４】

【００５８】
となる為、ジッター量Ｊは

となり、視覚的にジッターが目立たないレベルまでに抑えることができる。
【００５９】
このように本実施例においてはｆθレンズのレンズ形状及び光学配置を適切に設定することによってコリメーターレンズからの収束光を光偏向器を介して１枚のｆθレンズにより被走査面上に結像させる際、像面湾曲や歪曲収差等を良好に補正し、かつ光偏向器の取付誤差によるジッターや、像高による副走査方向のスポット径の変化等の問題点を解決している。
【００６０】
図６は本発明の実施例２の光学系の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）である。同図において図１に示した要素と同一要素には同符番を付している。
【００６１】
本実施例において前述の実施例１と異なる点はｆθレンズの光軸方向の中心厚を薄くしてｆθレンズ２６を構成したことであり、その他の構成及び光学的作用は実施例１と略同様である。
【００６２】
図８に実施例２における光学配置とｆθレンズ２６の非球面係数を示す。図１０はｆθレンズ２６の非球面量を示す説明図であり、実線は近軸曲率半径からの非球面量Ｓ、破線は（Ｒ²−Ｙｍａｘ²）^1/2−Ｒの値を示したものである。
【００６３】
本実施例においてｆθレンズ２６の近軸曲率半径Ｒ、該近軸曲率半径Ｒからの非球面量Ｓ及び（Ｒ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒのそれぞれの値は
Ｒ₁＝４５．１６Ｒ₂＝６８．９６
Ｓ₁＝−２０．２４Ｓ₂＝−１４．６１
（Ｒ₁ ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒ₁＝−２６．２３
（Ｒ₂ ²−Ｙ_max ²）^1/2−Ｒ₂＝−１４．２７
となり、これらの値は前述の実施例１と同様に各条件式（１）〜（３）を満足させている。
【００６４】
図１２は本実施例における像面湾曲と歪曲収差等を示す収差図である。同図より各収差とも実用上問題のないレベルまで補正されていることが分かる。又像高による副走査方向のスポット径の変化も１０μｍ以内に抑えることができる。
【００６５】
又、本実施例ではｆθレンズ２６の主走査方向における焦点距離ｆｔを２２６．０ｍｍ、該ｆθレンズ２６から被走査面（感光体ドラム面）８までの距離Ｓｋを１１１．５ｍｍとしたとき、主走査方向における横倍率ｍは
ｍ＝１−Ｓｋ／ｆｔ
＝１−１１１．５／２２６．０
＝０．４９３
となり、この値は前述の実施例１と同様に条件式（４）を満足させており、これにより光偏向器（ポリゴンミラー）５の取付誤差によるジッターを視覚的に目立たないレベルまでに抑えている。
【００６６】
このように本実施例においては上述の如くｆθレンズ２６のレンズ形状及び光学配置を適切に設定することによって前述の実施例１と同様に像面湾曲や歪曲収差等を良好に補正し、かつ光偏向器の取付誤差によるジッターや像高による副走査方向のスポット径の変化等の問題点を解決している。
【００６７】
又、本実施例においてはｆθレンズの光軸方向の中心肉厚を薄くして構成したことにより、該ｆθレンズの成型タクトタイムを短縮することができ、より低コストの走査光学装置を実現している。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば前述の如くコリメーターレンズからの収束光を光偏向器を介してｆθレンズにより被走査面上に結像させる際、該ｆθレンズの形状を適切に設定することにより、像高による副走査方向のスポット径の変化等の影響を小さく抑えることができ、これによりコンパクトで高精細な印字に適した走査光学装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の主走査方向の要部断面図
【図２】図１に示したｆθレンズの拡大説明図
【図３】図１に示した光偏向器の一部分の拡大説明図
【図４】本発明の実施例１における２光束ズレとジッター量の相関を示す説明図
【図５】本発明の実施例１における光偏向器から被走査面までの位置関係を示す説明図
【図６】本発明の実施例２の主走査方向の要部断面図
【図７】本発明の実施例１における光学配置及びｆθレンズの非球面係数を示す説明図
【図８】本発明の実施例２における光学配置及びｆθレンズの非球面係数を示す説明図
【図９】本発明の実施例１におけるｆθレンズの非球面形状を示す説明図
【図１０】本発明の実施例２におけるｆθレンズの非球面形状を示す説明図
【図１１】本発明の実施例１における像面湾曲及び歪曲収差を示す収差図
【図１２】本発明の実施例２における像面湾曲及び歪曲収差を示す収差図
【図１３】従来の走査光学装置の光学系の要部概略図
【符号の説明】
１光源手段
２第１の光学素子（コリメーターレンズ）
３絞り
４第２の光学素子（シリンドリカルレンズ）
５偏向素子（光偏向器）
６，２６第３の光学素子（ｆθレンズ）
８被走査面（感光体ドラム）

Claims

光源手段から出射した光束を収束光に変換する第１の光学素子と、該光束を偏向素子の偏向面上において主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子と、該偏向素子で偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子と、を具備する走査光学装置において、
該第３の光学素子は単レンズより成り、該単レンズの両レンズ面は共に主走査面内で非球面形状のトーリック面より成り、近軸曲率半径をそれぞれ該偏向素子側から順にＲ_１，Ｒ_２、主走査面内における最大有効径をＹmax 、該最大有効径Ｙmax における近軸レンズ面からの非球面量を各々Ｓ_１，Ｓ_２としたとき
０＜Ｒ_１＜Ｒ_２
（Ｒ_１ ^２−Ｙ_ＭＡＸ ^２）^１／２−Ｒ_１＜Ｓ_１＜０
Ｓ_２＜（Ｒ_２ ^２−Ｙ_ＭＡＸ ^２）^１／２−Ｒ_２
なる条件を満足し、かつ第３の光学素子の主走査方向の対称軸が前記被走査面の法線に対して主走査断面内で傾いていることを特徴とする走査光学装置。
請求項１記載の走査光学装置と、前記被走査面として感光ドラム面とを有することを特徴とするレーザービームプリンタ。