JP3752124B2

JP3752124B2 - 走査光学系

Info

Publication number: JP3752124B2
Application number: JP2000048749A
Authority: JP
Inventors: 隆之飯塚
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001235694A; US6466350B2; US20010022680A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザープリンタ等の光走査ユニットに用いられる走査光学系に関し、特に、結像光学系にアナモフィックレンズを含み、このアナモフィックレンズが走査範囲の中心に到達する基準光線に対して副走査方向に偏心して配置された走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の走査光学系は、例えば、特開平８−１２２６８５号公報に開示されている。この公報に開示される走査光学系は、レーザー光源からの光束をポリゴンミラーにより偏向、走査させ、曲面ミラー、アナモフィックレンズから成る結像光学系を介して感光体ドラム上にスポットとして結像させる。感光体ドラム上のスポットは、ポリゴンミラーの回転に伴って走査し、この際レーザー光をオンオフ変調することにより走査対象面上に静電潜像を形成する。なお、この明細書では、走査対象面上でスポットが走査する方向を主走査方向、これに直交する方向を副走査方向と定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、走査対象面上での方向を基準に説明することとする。また、走査対象面上で走査範囲の中心に到達する光線を基準光線と定義する。
【０００３】
上記の公報に開示される走査光学系は、ポリゴンミラーに対する入射光と反射光とを副走査方向に分離し、かつ、結像光学系に曲面ミラーを用いて光路を折り返すことにより光学系全体を小型化している。また、曲面ミラーと感光体ドラムとの間に配置されたアナモフィックレンズは、レーザー光がポリゴンミラーに対して副走査方向に角度をもって入射することにより発生するスキュー歪みの影響を補正するため、基準光線に対して光軸を副走査方向に偏心させて配置されている。アナモフィック面は、副走査方向の断面形状が円弧であり、副走査方向のパワーが主走査方向の周辺から中心に向かうほど大きくなるよう、すなわち、周辺から中心に向けて曲率半径が小さくなるよう設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公報に開示される走査光学系では、アナモフィックレンズの副走査断面が円弧であってコマ収差が補正されていないため、ポリゴンミラーの面倒れ誤差や、各光学素子の取付位置の誤差等によりレーザー光束がアナモフィック面上の設計上の領域から副走査方向にずれた領域を走査すると、レーザー光束の収束位置が光軸方向に変化し、走査対象面上でのスポット位置、及びスポット径が変化して描画品質を低下させるという問題がある。
【０００５】
図５は、従来の走査光学系のアナモフィック面に対して異なる高さで入射したレーザー光束の収束位置を示す説明図である。設計上の高さで入射したレーザー光束Ｌ0は、走査対象面上に収束する。これに対して、設計上の高さに対して副走査方向に異なる高さでアナモフィック面に入射したレーザー光束Ｌ1，Ｌ2の収束位置は、コマ収差の影響で走査対象面の奥、あるいは手前になる。したがって、例えばレーザー光束をポリゴンミラーの近傍で副走査方向に収束させ、この収束位置と走査対象面側の収束位置とを共役にすることにより面倒れ誤差の影響を補正している場合には、面倒れの影響でレーザー光束がＬ1、Ｌ2の位置にずれたとすると、走査対象面上でのスポット位置が副走査方向に変化すると共に、スポット径も変化する。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、アナモフィック面に対するレーザー光の入射高さが変化した場合にも、走査対象面上でのレーザー光束の収束位置の変化を防ぐことが可能な走査光学系の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる走査光学系は、上記の目的を達成させるため、光源から発する光束を回転駆動される偏向器により偏向させ、結像光学系により走査対象面上に結像させる構成において、光源から発して偏向器に入射する光束と偏向器により偏向された光束とが副走査方向において所定の角度で分離され、結像光学系が、所定のパワーを有する曲面ミラーと、曲面ミラーで反射された光束を透過させるアナモフィックレンズとを含み、アナモフィックレンズは、走査対象面上で走査範囲の中心に到達する基準光線に対して光軸を副走査方向に偏心させたアナモフィック面を有し、副走査方向のコマ収差を補正するように、アナモフィック面の副走査方向の断面形状を非円弧として形成すると共に、当該断面形状における円弧からのズレ量が基準光線を中心として副走査方向において非対称に分布するよう形成したことを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、アナモフィックレンズの副走査方向のコマ収差が補正されるため、アナモフィック面に対するレーザー光の入射高さが変化した場合にも、レーザー光束が走査対象面上の同一位置に収束し、描画品質の劣化を防ぐことができる。
【００１０】
さらに、アナモフィック面は、光軸上の曲率半径をｒ、円錐係数をκ、係数をＢ_mnとし、光軸上を原点として、主走査方向の高さY、副走査方向の高さZの点(Y,Z)における光軸方向のサグ量が以下の二次元多項式、
X(Y,Z)= (Y²+Z²)/［r[1＋√(1−(κ＋1)(Y²+Z²)／r²)]］+ΣB_mnY^mZⁿ
で表される回転非対称なアナモフィック面であることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる反射型走査光学装置の実施例を説明する。実施例の装置は、レーザープリンターに使用される露光ユニットであり、入力される描画信号にしたがってON/OFF変調されたレーザー光を走査対象面である感光体ドラム上で走査させ、静電潜像を形成する。
【００１２】
図１は、実施形態にかかる走査光学装置の光学系の構成を示す斜視図である。半導体レーザー１０から発した発散光であるレーザー光は、コリメートレンズ１１により平行光とされ、シリンドリカルレンズ１２により副走査方向にのみ収束される。シリンドリカルレンズ１２を介したレーザー光は、平面ミラー１３により反射されて副走査方向に角度を持ってポリゴンミラー１４に入射する。
【００１３】
ポリゴンミラー１４の反射面１４ａで副走査方向に第１の分離角度θ1をもって反射、偏向されたレーザー光は、曲面ミラー１５により副走査方向に第２の分離角度θ2をもって再びポリゴンミラー１４側に反射され、ポリゴンミラー１４の図中上側に配置されたアナモフィックレンズ１６を透過する。曲面ミラー１５は主として主走査方向の収束パワー、アナモフィックレンズ１６は主として副走査方向の収束パワーを有し、これら２つの素子で結像光学系を構成している。
【００１４】
アナモフィックレンズ１６を透過したレーザー光は、光路偏向ミラー１７により反射され、二点鎖線で示した感光体ドラム１８上にドラムの母線方向である主走査方向に走査するスポットを形成する。
【００１５】
レーザー光は、副走査方向においては、シリンドリカルレンズ１２によりポリゴンミラー１４の反射面１４ａの近傍で一旦結像し、主としてアナモフィックレンズ１６のパワーにより感光体ドラム１８上に再結像する。この構成により、反射面１４ａの面倒れ誤差による感光体ドラム１８上での走査線のずれを防止することができる。
【００１６】
アナモフィックレンズ１６の入射側のレンズ面は、入射側に凸となるほぼパワーを持たない光軸回りに回転対称な非球面であり、射出側のレンズ面は、サグ量が二次元多項式で表される回転非対称な曲面であり、副走査方向のコマ収差を補正するように副走査方向の断面が非円弧とされている。
【００１７】
アナモフィックレンズ１６のアナモフィック面により副走査方向のコマ収差を補正することにより、アナモフィック面への入射高さの変化にかかわらず、レーザー光束を感光体ドラム１８上の一定位置に収束させることができる。図２は、アナモフィック面に対して異なる高さで入射したレーザー光束の収束位置を示す説明図である。設計上の高さで入射したレーザー光束Ｌ0、及び設計上の高さに対して副走査方向に異なる高さでアナモフィック面に入射したレーザー光束Ｌ1，Ｌ2が、いずれも感光体ドラム１８上で一定の位置に収束する。したがって、ポリゴンミラー１４の面倒れ誤差や、他の光学素子の配置誤差によりアナモフィック面への入射高さが設計上の入射領域から外れた場合にも、スポット位置のずれやスポット径の変化がなく、描画品質の劣化を防ぐことができる。
【００１８】
また、アナモフィックレンズ１６は、副走査方向において、その光軸が基準光線に対してポリゴンミラー１４側に偏心するよう配置されている。このように、アナモフィックレンズ１６を副走査方向に偏心させることにより、レーザー光がポリゴンミラー１４の反射面に対して副走査方向に角度をもって入射することによって生じるスキュー歪みを相殺することができる。すなわち、レーザー光はアナモフィックレンズ１６の入射側の回転対称非球面の回転軸を通る主走査方向の直線とは異なる軌跡で走査するため、アナモフィックレンズ１６はレーザー光に対して副走査方向に関しては光軸非対称に屈折作用を与える。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。
【００１９】
曲面ミラー１５で反射されたレーザー光が走査範囲外の所定位置に達すると、レーザー光は曲面ミラー１５に対向してアナモフィックレンズの手前側に設けられた平面ミラー４０により反射され、副走査方向にのみ正のパワーを持つシリンドリカルレンズ４１を介して同期信号検出用の受光素子４２に達する。受光素子４２の出力信号は、一走査毎の書き込み開始タイミングを得るために利用される。
【００２０】
次に、実施形態の走査光学系の具体的な設計例について説明する。表１は、実施形態の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ１２より感光体ドラム１８側の構成を示す。表中の記号Kは走査係数、ｒyは各光学素子の主走査方向の曲率半径、ｒzは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略)、ｄは面間の光軸上の距離、ｎは波長780nmでの屈折率である。
【００２１】
表中、第１面及び第２面がシリンドリカルレンズ１２、第３面がポリゴンミラー１４のミラー面、第４面が曲面ミラー１５、第５面及び第６面がアナモフィックレンズ１６を示す。アナモフィックレンズ１６は、その光軸が基準光線に対して2.1mmポリゴンミラー１４側にシフトするように配置されている。
【００２２】
【表１】

【００２３】
第４面及び第５面は、光軸からの高さｈの点での接平面からの光軸方向のサグ量X(h)が以下の式(１)で表される回転対称な非球面である。
X(h)＝h²／［r[1＋√(1−(κ＋1)h²／r²)]］＋A₄h⁴＋A₆h⁶＋A₈h⁸…(１)
上式中、ｒは光軸上の曲率半径、κは円錐係数、A₄,A₆,A₈はそれぞれ４次、６次、８次の非球面係数である。第４面及び第５面の非球面の円錐係数κ、非球面係数A₄,A₆,A₈は表２に示される。
【００２４】
【表２】

【００２５】
第６面は、光軸上を原点として、主走査方向の高さY、副走査方向の高さZの点(Y,Z)における光軸方向のサグ量が以下の二次元多項式(２)で表される回転非対称なアナモフィック面である。ｒは光軸上の曲率半径、κは円錐係数である。第６面の円錐係数κ=０．０であり、係数Ｂ_mnは表３に示されている。
X(Y,Z)= (Y²+Z²)/［r[1＋√(1−(κ＋1)(Y²+Z²)／r²)]］+ΣB_mnY^mZⁿ …(２)
【００２６】
【表３】

【００２７】
図３は、上記の二次元多項式により定義されるアナモフィック面(第６面)の副走査方向の断面形状を示すグラフである。ここでは、光軸を含む断面を例として、rz=-19.76となる球面に対するサグ量、すなわち非球面量を示している。縦軸は光軸からの副走査方向の高さＺ(単位：mm)、横軸はサグ量Ｘ(単位：mm)を示す。基準光線は、図中に破線で示したＺ＝２．１の位置を通る。このように、副走査方向の断面を非円弧とすることにより、副走査方向のコマ収差の発生を抑えることができる。
【００２８】
アナモフィックレンズ１６は、副走査方向のパワーを主走査方向の位置に応じて変化させることにより副走査方向の像面湾曲を補正する作用を有している。このため、回転非対称な、すなわち旋盤での加工が困難な面を必要とする。さらに、アナモフィック面は、副走査断面を非円弧とすることによりコマ収差を補正している。これら、像面湾曲補正作用とコマ収差補正作用とを別個の面に負担させると、アナモフィックレンズ１６は両面が回転非対称な面となり、加工上の負担が大きくなる。上記のようにアナモフィック面を二次元多項式で表される面とすることで、２つの収差補正作用を１つの面に負担させることができ、他方の面を旋盤での加工が可能な回転対称な面とすることができ、加工上の負担を軽くすることができる。
【００２９】
続いて、アナモフィック面によりコマ収差を補正した場合の効果について、図４を参照して説明する。図４は、アナモフィック面へのレーザー光束の入射高さの変化による特性の変化を、アナモフィック面の副走査方向の断面が従来のように円弧である場合と、実施形態のように非円弧である場合とについて比較して示すグラフである。
【００３０】
図４では、入射高さの変化による感光体ドラム１８側での共役位置、すなわちレーザー光束の収束位置の光軸方向の変化を実線で示し、各入射高さでのポリゴンミラー１４の面倒れ誤差(0.1度)によるスポットの副走査方向の変位を破線で示す。横軸は基準光線を０とする入射高さの変化(単位：mm)を示し、共役位置の変化は左縦軸(単位：mm)、面倒れによるスポットの変位は右縦軸(単位：μm/0.1deg.)により表される。
【００３１】
図４に示されるように、アナモフィック面の副走査方向の断面を円弧から非円弧にしてコマ収差を補正することにより、入射高さの変化による光軸方向の共役位置の変化や、面倒れによるスポットの副走査方向の変位を極めて小さく抑えることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、結像光学系に含まれるアナモフィック面の副走査方向の断面形状を非円弧にしてコマ収差を補正することにより、アナモフィック面に対するレーザー光の入射高さが変化した場合にも、走査対象面上でのレーザー光束の収束位置の変化を防ぐことができる。したがって、ポリゴンミラーの面倒れ誤差や、他の光学素子の配置誤差によりアナモフィック面への入射高さが設計上の入射領域から外れた場合にも、スポット位置のずれやスポット径の変化がなく、描画品質の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる走査光学系を示す斜視図。
【図２】図１の走査光学系のアナモフィック面に対して異なる高さで入射したレーザー光の収束位置を示す説明図。
【図３】図１の走査光学系のアナモフィック面の副走査方向の断面形状を示すグラフ。
【図４】アナモフィック面へのレーザー光束の入射高さの変化による特性の変化を示すグラフ。
【図５】従来の走査光学系のアナモフィック面に対して異なる高さで入射したレーザー光の収束位置を示す説明図。
【符号の説明】
１０半導体レーザー
１４ポリゴンミラー
１５曲面ミラー
１６アナモフィックレンズ
１８感光体ドラム

Claims

光源から発する光束を回転駆動される偏向器により偏向させ、結像光学系により走査対象面上に結像させる走査光学系において、
前記光源から発して前記偏向器に入射する光束と、前記偏向器により偏向された光束とは、副走査方向において所定の角度で分離されており、
前記結像光学系は、所定のパワーを有する曲面ミラーと、該曲面ミラーで反射された光束を透過させるアナモフィックレンズとを含み、該アナモフィックレンズは、前記走査対象面上で走査範囲の中心に到達する基準光線に対して光軸を副走査方向に偏心させたアナモフィック面を有し、該アナモフィック面は、副走査方向のコマ収差を補正するように、副走査方向の断面形状が非円弧として形成されると共に、当該断面形状における円弧からのズレ量が前記基準光線を中心として副走査方向において非対称に分布していることを特徴とする走査光学系。
前記アナモフィック面は、光軸上の曲率半径をｒ、円錐係数をκ、係数をＢmnとし、光軸上を原点として、主走査方向の高さY、副走査方向の高さZの点(Y,Z)における光軸方向のサグ量が以下の二次元多項式、
X(Y,Z)= (Y²+Z²)/［r{1＋√(1−(κ＋1)(Y²+Z²)／r²)}］+ΣB_mnY^mZⁿ
で表される回転非対称なアナモフィック面であることを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。