JP3748715B2

JP3748715B2 - 走査結像レンズ

Info

Publication number: JP3748715B2
Application number: JP21434698A
Authority: JP
Inventors: 篤川村; 善紀林
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: JP2000047127A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置の書き込み光学系に用いられる走査結像レンズに関するもので、例えば、電子写真プロセスを有するレーザビームプリンタ、デジタル複写機、レーザファクシミリ、レーザ印刷機、レーザプロッタ等に適用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームプリンタ、デジタル複写機等においては、半導体レーザ等の光源から画像信号に応じて光変調され出射された光束を、例えば回転多面鏡からなる光偏向器により周期的に偏向させ、ｆθ特性を有する走査結像レンズによって感光性の記録媒体例えば感光体ドラムからなる被走査面上にスポット状に収束させるとともに被走査面上を走査させることにより、被走査面に画像を記録している。
【０００３】
上記半導体レーザ等の光源から出射された光束は拡散光で、この拡散光はカップリングレンズによって平行光、緩やかな拡散光または収束光に変換され、さらにシリンドリカルレンズによって副走査対応方向にのみ収束され、上記光偏向器の偏向反射面近傍に主走査対応方向に長い線像が結像される。この線像として結ばれた光束は光偏向器の等速回転に伴い等角速度的に偏向される。偏向光束は走査結像レンズを通り、走査結像レンズは光束を被走査面上に光スポットとして集光させる。ｆθ特性を有する上記走査結像レンズは、主として偏向光束を主走査対応方向において被走査面上に結像させる機能と、スポットによる光走査を等速化する機能すなわちｆθ機能を有するとともに、副走査対応方向において上記偏向反射面近傍と被走査面とを幾何光学的な共役関係とすることによって偏向反射面の倒れによる影響を補正する機能すなわち「面倒れ」補正機能を有している。
ここで、上記主走査断面とは、光偏向器によって偏向反射された光束が経時的に形成する光束断面を指す。また、副走査断面とは、走査結像レンズの光軸を含み主走査断面に直交する断面を指す。
【０００４】
この種従来の走査結像レンズの例として特開平８−２９７２５６号公報記載のものがある。この公報の請求項１３以後で、実施の形態６に、走査結像レンズを少なくとも２枚のレンズで構成した例が記載されている。この例は、上記少なくとも２枚のレンズのうち少なくとも２つのレンズ面が、副走査方向における曲率を軸上から軸外に向かい主走査方向形状に依存させて連続的に変化させた、いわゆる湾曲軸トロイダル面であることを特徴とするものである。こうすることによって、被走査面上に入射する光束の像高による副走査方向のＦナンバーの変化を抑えることを狙っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この種の走査結像レンズでは、部品の寸法公差や組付の公差に対する許容量を増大させるために、第１レンズの副走査断面のパワーを大きな正の値にするのを避けることによって副走査方向の横倍率を負で小さな値にするのが望ましく、また、各種部品を配置する関係上、レンズバックは十分に確保できるのが望ましい。しかるに、上記公報に記載されているような従来の走査結像レンズによれば、走査結像レンズの第１レンズが副走査方向にも正で大きなパワーを有しているため、横倍率を負で小さな値にすることとレンズバックを十分に確保することとを両立させるのが困難である。
【０００６】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、請求項１および２記載の発明は、２枚のレンズにより構成された走査結像レンズであって、副走査方向の横倍率を負で小さな値にしながら、最終光学素子と被走査面との距離を十分に確保することができ、また、面倒れ補正のための偏向反射面近傍と被走査面との幾何光学的な共役化機能と、等速化機能を良好に保ちつつ、特に副走査方向の部品や組付の公差に対する許容度を有効に緩和させることができる走査結像レンズを提供することを目的とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、走査結像レンズを構成する被走査面側のレンズと光偏向器側のレンズとで屈折力を異符号にし、温度変化に伴う結像位置の移動をキャンセルすることができる走査結像レンズを提供することを目的とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、上記請求項１〜３記載の発明の目的に加えて、低コストで量産可能な走査結像レンズを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源側からの光束を光偏向器により偏向させ偏向光束を走査結像レンズにより被走査面上に光スポットとして集光させて光走査を行う光走査装置において、走査結像レンズを２枚のレンズで構成したことを特徴とする。
そして、請求項１記載の発明は、光偏向器側のレンズは、主走査断面内において光偏向器側に凹面を向けた正メニスカスレンズで光偏向器側レンズ面が回転対称な共軸非球面であり、副走査断面内において被走査面側レンズ面が主走査断面形状と異なる非収束性の面形状であり、被走査面側のレンズは、少なくとも１面が主走査断面内において非円弧形状を有し、かつこのレンズ面における副走査断面内の曲率中心を主走査対応方向に連ねた曲率中心が、主走査断面内において上記非円弧形状とは異なる曲線となるように、上記副走査断面内における曲率半径を主走査対応方向に変化させ、２枚のレンズにより構成される上記走査結像レンズの副走査方向の焦点距離をｆ、偏向反射面と被走査面とを共役としたときの副走査方向の横倍率をｍ、被走査面側のレンズの被走査面側レンズ面と被走査面との光軸上の距離をＬとしたとき、
ｆ（１−ｍ）／Ｌ＜１．０
の関係を有することを特徴とする。
【００１０】
光偏向器側のレンズは、「副走査断面内において少なくとも１面が主走査断面形状と異なる非収束性の面形状」であるため、第１レンズの副走査断面のパワーを大きな正の値にするのを避けることができ、収束作用を主に被走査面側のレンズにもたせることができる。この結果、副走査方向の横倍率が負で小さな値になり、部品や組付の公差に対する許容量を増大させることができる。また、光偏向器側のレンズは「主走査断面内において光偏向器側に凹面を向けた正メニスカスレンズ」であるため、中央部と周辺部、特に主走査対応方向における中央部と周辺部との肉厚差を有効に軽減して均肉化を図ることが可能であり、プラスチック等の樹脂を成形加工することによって作成する場合に、「ヒケ」や「ウネリ」というような変形を有効に防止することができる。
また、光偏向器側のレンズ（第１レンズ）を回転対称な共軸非球面にすることにより、副走査断面内で第１レンズは負のパワー、第２レンズは正のパワーであるいわゆるレトロフォーカスのパワー配置を実現することができ、副走査方向の後ろ側主点位置を被走査面側に設定するのが容易になる。
【００１１】
上記のように、請求項１記載の走査結像レンズは、偏向面内での形状が少なくとも２面が「非円弧形状」であるから、この非円弧形状を最適化することにより、主走査方向の像面湾曲や等速化特性を良好に補正することができる。
また、光軸に平行で偏向面に直交する面内での形状において、被走査面側の第２レンズの少なくとも１面において副走査断面内の曲率半径を主走査対応方向に変化させているので、この曲率半径の変化を最適化することにより、副走査方向の像面湾曲を有効に補正することができる。
「非円弧形状」は、レンズ光軸方向に座標：Ｘをとり、光軸直交方向に座標：Ｙをとるとき、近軸曲率半径をＲ、円錐定数をＫ、高次の係数をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ……として、周知の、
Ｘ＝（Ｙ²／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）²｝］
＋Ａ・Ｙ⁴＋Ｂ・Ｙ⁶＋Ｃ・Ｙ⁸＋Ｄ・Ｙ¹⁰ ・・・・（１）
なる式におけるＲ，Ｋ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，・・・を与えて特定される曲線形状である。
【００１２】
請求項１記載の発明はまた、前述のように
ｆ（１−ｍ）／Ｌ＜１．０
の関係を有することを特徴とする。
レーザプリンタや複写機などの画像形成システムでは、トナーカートリッジや電子写真プロセスを実行するための部品をレイアウトするため、最終光学素子と被走査面との光軸上の距離Ｌは一定以上に大きいことが望まれるが、そうすると副走査方向の横倍率を負で小さな値にすることが困難になりがちである。上記不等式は、２つのレンズからなる走査結像レンズの副走査方向の後ろ側主点位置を極力被走査面側に設定して上記の困難を回避するために必要な条件を示している。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の走査結像レンズにおいて、被走査面側のレンズの被走査面側レンズ面は、副走査断面内における曲率半径が主走査対応方向で同一であることを特徴とする。
被走査面側のレンズの「主走査断面内において非円弧形状を有し、かつこのレンズ面における副走査断面内の曲率中心を主走査対応方向に連ねた曲率中心が、主走査断面内において上記非円弧形状とは異なる曲線となるように、上記副走査断面内における曲率半径を主走査対応方向に変化している」１面は、これを「偏向面側のレンズ面」とすることができる。この場合、請求項４記載の発明のように、被走査面側レンズ面の副走査断面内における曲率半径を、主走査対応方向で同一にすることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１、２または３記載の走査結像レンズにおいて、被走査面側のレンズの、偏向面内における屈折力を負としたことを特徴とする。
被走査面側のレンズは光偏向器側のレンズと屈折力が異符号であるため、温度変化に伴う結像位置の移動をキャンセルする作用がある。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１、２、３または４記載の発明において、走査結像レンズを、光学樹脂を材料とした成形品としたことを特徴とする。
光学樹脂の成形品からなる走査結像レンズは、寸歩のばらつきが少なく、高品位であり、低コストで大量生産をすることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる走査結像レンズの実施の形態を説明する。
図１は、後で説明する二つの実施例を適用可能な光走査装置の光学配置例を示している。図１において、光源である半導体レーザ１１から放射されたレーザ光束は、カッブリングレンズ１２によりカップリングされ、シリンダレンズ１３により副走査対応方向（図１の紙面に直交する方向）にのみ集光されつつミラー１４により反射され、光偏向器３の偏向反射面４の近傍に主走査対応方向（図の紙面に平行な方向）に長い線像が結像される。この実施の形態においては、カップリングレンズ１２によりカップリングされたレーザ光束は平行光束となる。ミラー１４は、半導体レーザ１１から偏向反射面４に至る光学系のレイアウト次第では省略してもよい。シリンダレンズ１３はこれを凹シリンダミラーで代替してもよい。
この実施の形態では、光偏向器３は回転多面鏡で、その回転軸は偏向反射面４から離れており、従って、この形態においては偏向反射面４の回転に伴う偏向反射面４と線像の結像位置のズレ、いわゆる「サグ」が発生する。
【００１８】
偏向反射面４による反射光束は偏向反射面４の等速的な回転に伴い、等角速度的に偏向され、偏向光束となってレンズ１、２を透過する。レンズ１、２は走査結像レンズを構成する。
走査結像レンズを透過した偏向光束は被走査面５に向かって集光し、被走査面５上に形成される光スポットにより、被走査面５が等速的に走査される。通常、被走査面５の位置には光導電性の感光体が配置されていて、光スポットは実体的には感光体を光走査することになる。
【００１９】
走査結像レンズを構成する２枚のレンズ１、２のうち、光偏向器３側のレンズ１は、主走査断面内において光偏向器３側に凹面を向けた正メニスカスレンズである。また、上記レンズ１は、少なくとも１面が非球面形状であり、副走査断面内において少なくとも１面が主走査断面形状と異なる非収束性の面形状である。被走査面５側に配置されたレンズ２は、少なくとも１面が主走査断面内において非円弧形状を有し、かつこのレンズ面における副走査断面内の曲率中心を主走査対応方向に連ねた曲率中心が、主走査断面内において上記非円弧形状とは異なる曲線となるように、上記副走査断面内における曲率半径が主走査対応方向に変化している（請求項１）。
【００２０】
レンズ２の光偏向器側の面の形状を図２を用いて説明する。主走査対応方向及び副走査対応方向は何れもレンズの光軸に直交する。図２において、Ｙ軸を主走査対応方向にとる。Ｘ軸はレンズ２の光軸方向であり、Ｘ軸の正の方向（図で右の方向）は光偏向器側である。ＸＹ面が偏向面である。
図２において、Ｘ（Ｙ）は、偏向面内におけるレンズ２のレンズ面の形状であり、非円弧形状である。図２において、ｒ（η）は、主走査対応方向（Ｙ方向）における位置座標ηにおける副走査断面内の曲率半径を表している。曲率半径ｒ（η）は、位置座標ηに応じて変化し、位置ηにおける副走査断面内の曲率中心を主走査対応方向へ連ねた曲率中心線Ｌは、偏向面内において非円弧形状Ｘ（Ｙ）とは異なる曲線である。
レンズ２の被走査面５側の面は偏向面内において円弧形状であり、レンズ２は偏向面内における屈折力が負である。
【００２１】
従って、図１に示す実施の形態は、主走査対応方向に長い線像に結像された光束を、線像の結像位置近傍に偏向反射面４をもつ光偏向器３により等角速度的に偏向させ、偏向光束を結像走査レンズ１、２により被走査面５上に光スポットとして集光せしめて被走査面５の等速的な光走査を行う光走査装置である。そして、走査結像レンズは上記光走査装置における走査結像レンズであって、２枚のレンズ１、２によって構成され、光偏向器３側のレンズ１は、光偏向器３側に凹部を向けた正メニスカスレンズで、少なくとも１面が非球面形状であり、副走査断面内において少なくとも１面が主走査断面形状と異なる非収束性の面形状であり、被走査面５側のレンズ２は、少なくとも１面が主走査断面内において非円弧形状（図２のＸ（Ｙ））を有し、かつ、このレンズ面における副走査断面内の曲率中心を主走査対応方向に連ねた曲率中心が、主走査断面内において上記非円弧形状とは異なる曲線となるように、上記副走査断面内における曲率半径が主走査対応方向に変化している。
【００２２】
また、２枚のレンズ１、２により構成される走査結像レンズの副走査方向の焦点距離をｆ、偏向反射面と被走査面とを共役としたときの副走査方向の横倍率をｍ、被走査面側のレンズの被走査面側レンズ面と被走査面との光軸上の距離をＬとしたとき、
ｆ（１−ｍ）／Ｌ＜１．０
の関係になっている。
そして、光偏向器３側のレンズ１の被走査面５側レンズ面が、副走査断面内において主走査断面形状と異なる非収束性の面形状であり、被走査５面側のレンズ２の被走査面側レンズ面は、副走査断面内における曲率半径が主走査対応方向で同一であり、被走査面５側のレンズ２は、偏向面内における屈折力が負となっている。
走査結像レンズを構成する２枚のレンズ１、２は、光学樹脂を材料としてこれを成形した成形品であってもよい。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明にかかる走査結像レンズの実施例を示す。光源１１として半導体レーザを用い、光偏向器３として、偏向反射面４の数が６で、偏向反射面４の内接円半径が１８ｍｍの回転多面鏡を用いた。光路折り曲げようミラー１４の側から光偏向器３に入射する光束の入射方向と走査結像光学系のレンズ１、２の光軸とがなす角度は６０度である。カップリングレンズ１２はその焦点距離ｆ＝１２．５ｍｍとし、シリンダレンズ１３としては、副走査対応方向の焦点距離ｆｚ＝６６．５ｍｍの平凸レンズを用いた。カップリングレンズ１２を透過した光束は１ｍ先に集光する収束光である。偏向反射面４の光束は、副走査対応方向に集光され、全体としてはＹ軸方向に長い線像になっている。以下、実施例を示す。表１は実施例１を、表２は実施例２をそれぞれ示している。
表１

表２

【００２４】
図３、図４は、それぞれ実施例１、実施例２における主走査方向と副走査方向の像面湾曲、等速特性としてのｆθ特性とリニアリティを示す。図３、図４から明らかなように、主走査方向と副走査方向の像面湾曲は０．５ｍｍ以下であり、極めて良好である。図１に示す実施の形態では前述のようにサグが発生し、副走査方向の像面湾曲は光軸に対して非対称となる。しかし、上記何れの実施例においても、副走査方向の像面湾曲も良好に補正されている。もし、さらに改善する必要があれば、走査結像レンズを偏向面内で「チルト」することも有効である。各実施例によれば、等速性（ｆθ特性）が０．６％以内であって良好であり、主走査方向、副走査方向ともに像面湾曲が良好に補正されているので、光スポット系の像高による変動が小さく、良好な光走査が可能である。
【００２５】
以上の実施例で、走査結像レンズ面を生産上の課題の少ない比較的簡単な特殊面を組み合わせることで目的を達成できることを示したが、さらに複雑な特殊面を組み合わせることにより、例えば光偏向器３側のレンズ１の被走査面側の面を凹面とすることによっても目的を達成することができる。被走査面５側のレンズ２の被走査面側の面を特殊なトーリック面にすることによっても目的を達成することができる。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１および２記載の発明によれば、副走査方向の横倍率を負で小さな値にしながら、最終光学素子と被走査面との距離を一定の距離以上に確保することができるため、システムのレイアウトが容易になり、各種部品を配置するための空間的余裕が生じるとともに、前記共役化機能と等速化機能を良好に保ちつつ、特に副走査方向の部品精度や組付の公差に対する許容度を有効に緩和させることができる。
【００２７】
請求項３記載の発明によれば、被走査面側のレンズは光偏向器側のレンズと屈折力が異符号であるため、温度変化に伴う結像位置の移動をキャンセルさせる効果がある。
【００２８】
請求項４記載の発明によれば、走査結像レンズは、これをブラスチック等の樹脂の成形加工により容易に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる走査結像レンズを用いた光走査装置の例を示す平面図である。
【図２】走査結像レンズのレンズ面形状を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例１に関する像面湾曲及び等速化特性を示す特性線図である。
【図４】本発明の実施例２に関する像面湾曲及び等速化特性を示す特性線図である。
【符号の説明】
１光偏向器側のレンズ
２被走査面側のレンズ
３光偏向器
４偏向反射面
５被走査面
１１光源
１２カップリングレンズ
１３シリンダレンズ

Claims

主走査対応方向に長い線像に結像された光束を、上記線像の結像位置近傍に偏向反射面をもつ光偏向器により等角速度的に偏向させ、偏向光束を走査結像レンズにより被走査面上に光スポットとして集光せしめて被走査面の等速度的な光走査を行う光走査装置における走査結像レンズであって、
上記走査結像レンズは２枚のレンズにより構成され、
光偏向器側のレンズは、主走査断面内において光偏向器側に凹面を向けた正メニスカスレンズで光偏向器側レンズ面が回転対称な共軸非球面であり、副走査断面内において被走査面側レンズ面が主走査断面形状と異なる非収束性の面形状であり、
被走査面側のレンズは、少なくとも１面が主走査断面内において非円弧形状を有し、かつこのレンズ面における副走査断面内の曲率中心を主走査対応方向に連ねた曲率中心が、主走査断面内において上記非円弧形状とは異なる曲線となるように、上記副走査断面内における曲率半径が主走査対応方向に変化しており、
２枚のレンズにより構成される上記走査結像レンズの副走査方向の焦点距離をｆ、偏向反射面と被走査面とを共役としたときの副走査方向の横倍率をｍ、被走査面側のレンズの被走査面側レンズ面と被走査面との光軸上の距離をＬとしたとき、
ｆ（１−ｍ）／Ｌ＜１．０
の関係を有することを特徴とする走査結像レンズ。
被走査面側のレンズの被走査面側レンズ面は、副走査断面内における曲率半径が主走査対応方向で同一であることを特徴とする請求項１記載の走査結像レンズ。
被走査面側のレンズは、偏向面内における屈折力が負であることを特徴とする請求項１または２記載の走査結像レンズ。
光学樹脂を材料とした成形品からなる請求項１、２または３記載の走査結像レンズ。