JP3869704B2 - 走査光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザープリンター等の走査光学装置に用いられる走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザープリンター等に用いられる走査光学系は、半導体レーザー等の光源から発したレーザー光をポリゴンミラーにより偏向、走査させ、ｆθレンズ等の走査レンズを介して感光体ドラム等の被走査面上にスポットとして結像させる。被走査面上のスポットは、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被走査面上に静電潜像を形成する。なお、この明細書では、被走査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、被走査面上での方向を基準に説明することとする。また、ポリゴンミラーの回転軸に対して垂直で、走査レンズの光軸を含む平面を主走査平面と定義する。
【０００３】
カラープリンター等に利用されるタンデム方式の走査光学系は、複数の感光体ドラム上に光束を同時に走査させる。このようなタンデム方式の走査光学系において、複数の光束を単一のポリゴンミラーにより同時に偏向させる場合がある。このように構成することにより、共用化による部品点数の削減が可能となり、かつ、配置スペースを小さくできる。この場合、各光束の副走査方向の断面内でのポリゴンミラーへの入射角度をそれぞれ異ならせることにより、複数の光束をポリゴンミラーの反射面上でほぼ同一の位置に入射させることができるので、ポリゴンミラーを薄くし、そのコストを抑えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにポリゴンミラーに対する副走査方向の入射角度が有限の値を持つ場合には、被走査面上ではビームスポットの軌跡である走査線が湾曲するという問題が生じる。また、この湾曲の発生量がポリゴンミラーに対する入射角度によって異なるため、複数の光束がポリゴンミラーに対して異なる入射角度で入射する場合には、複数の光束により同時に形成される走査線の間隔が主走査方向の位置によって変化するという問題もある。走査線の湾曲はボウ(Bow)、走査線間の間隔の変化はディファレンシャルボウ(Differential Bow)と呼ばれ、共に描画精度を悪化させるため、特に高精細のシステムにおいては両者を低く抑える必要がある。
【０００５】
従来の走査光学系では、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することが困難であった。
【０００６】
この発明は、上記の従来技術の問題点に鑑み、ポリゴンミラーに入射する光束が副走査方向の断面内で有限の入射角度を持つ場合にも、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することができる走査光学系を提供することを目的とする。
【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、結像光学系を構成する走査レンズの一面に、主走査方向の断面形状が走査レンズの光軸からの主走査方向の距離の関数として、副走査方向の曲率が光軸からの主走査方向の距離の関数として、それぞれ独立に定義されるアナモフィック非球面を採用し、走査レンズと共に結像光学系を構成する像面湾曲補正用の補正レンズの一面に、副走査方向の断面の傾き(本明細書では、非球面の面中心に立てた法線と副走査方向とに平行な平面と、非球面との交線の当該平面内での傾きをいうものとする)が主走査方向の位置により変化し、副走査方向に対して垂直で面中心を含む平面に関して、非対称な形状を有する非球面を採用したことを特徴とする。なお、面中心は、面設計時に設定される原点であり、主走査方向については、被走査面上で走査範囲の中心に達する光束が非球面と交差する位置である。
【０００８】
すなわち、この発明の走査光学系は、複数の光束を発生する光源部と、光源部から発する光束を副走査方向に収束させるアナモフィック光学素子と、アナモフィック光学素子により収束された光束を反射、偏向させるポリゴンミラーと、ポリゴンミラーにより反射された光束を被走査面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系とを備え、結像光学系を構成する走査レンズと補正レンズとに上記のような非球面を設けると共に、ポリゴンミラーに近い位置に走査レンズを、複数の光束に対して共通に１つだけ配置し、被走査面に近い位置に補正レンズを、ほぼ同一の角度でポリゴンミラーに入射する光束毎に複数配置したことを特徴とする。
【０００９】
光源部は、光源部から発する複数の光束がポリゴンミラーに対して副走査方向の断面内で絶対値が等しく符号が異なる入射角度で入射するように設定され、複数の補正レンズは、ポリンゴンミラーから各感光体ドラムまでの反射面を展開して考えた場合、走査レンズ系の光軸の延長線に対して対称に配置されている。すなわち、同一設計の補正レンズを、走査レンズ系の光軸の延長線に対して等距離の位置に、１８０°回転させて配置することができる。
【００１０】
また、光源部から発する複数の光束のうち、内側の光束のポリゴンミラーに対する副走査方向の断面内での入射角度を±β _in 、外側の光束のポリゴンミラーに対する副走査方向の断面内での入射角度を±β _out として、β _out ／β _in で定義される副走査入射角度比をΔβ、内側の光束が走査レンズのアナモフィック非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ ₁ 、走査範囲の端部でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ ₂ 、外側の光束が走査レンズのアナモフィック非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ｂ ₁ 、走査範囲の端部での副走査方向の断面内での角度を±ｂ ₂ として、 ( ｂ ₂ −ｂ ₁ ) ／ ( ａ ₂ −ａ ₁ ) で定義される副走査断面傾き変化比をΔ dx/dz として、以下の条件 ( １ ) 、
0.95 ×Δβ≦Δ dx/dz ≦ 1.05 ×Δβ … ( １ )
を満たす。
【００１１】
あるいは、内側の光束が補正レンズの非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ ₁ ’、走査範囲の端部でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ ₂ ’、外側の光束が補正レンズの非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ｂ ₁ ’、走査範囲の端部での副走査方向の断面内での角度を±ｂ ₂ ’として、 ( ｂ ₂ ’−ｂ ₁ ’ ) ／ ( ａ ₂ ’−ａ ₁ ’ ) で定義される副走査断面傾き変化比をΔ dx ’ /dz ’として、以下の条件 ( ２ ) 、
0.9 ×Δβ≦ Δ dx ’ /dz ’ ≦ 1.1 ×Δβ … ( ２ )
を満たす。
【００１２】
走査レンズと補正レンズとに上記のような非球面を設けることにより、結像光学系の副走査方向のパワーを主走査方向のパワー分布とは独立して配分することができるので、副走査方向の収差として現れるボウ、およびディファレンシャルボウを補正することが可能となる。また、走査線の湾曲は２つの非球面により十分に補正されるため、他の面にはトーリック面等を設けることなく回転対称な面のみで構成することができる。
【００１３】
走査レンズのアナモフィック非球面は、副走査方向の断面形状を円弧にすることができる。また、アナモフィック非球面の副走査方向の断面形状の曲率は、光軸からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって減少するように設定することが望ましい。
【００１４】
一方、補正レンズの非球面は、面中心を原点として含んで走査レンズの光軸と直交する基準平面からのサグ量が主走査方向・副走査方向それぞれの面中心からの距離に関する二次元多項式で表現される二次元多項式非球面とすることができる。この二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きは、面中心からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって増加するよう設定することが望ましい。このような二次元多項式非球面を用いることにより、波面のねじれによるビーム径の拡大を防ぐことができる。
【００１５】
また、共通の走査レンズのアナモフィック非球面の形状は、走査レンズの光軸を通る主走査方向の境界線を境に対称であり、独立した補正レンズの非球面の形状は、面中心を通る副走査方向の境界線を境に対称であることが望ましい。
【００１６】
走査レンズは、ポリゴン側から順に配置されたプラスチックレンズとガラスレンズとの２枚のレンズで構成され、あるいは、１枚のプラスチックレンズのみで構成されることが望ましい。像面湾曲補正レンズは、複数の光束のそれぞれに対して１枚のプラスチックレンズのみで構成されることが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる走査光学系の実施形態を説明する。図１は、実施形態にかかる走査光学系を利用したタンデム走査光学系を示す説明図であり、(Ａ)はポリゴンミラーより光源部側の副走査方向の断面内での説明図、(Ｂ)は光源部をポリゴンミラー側から見たときの半導体レーザーの配置を示す説明図、(Ｃ)はポリゴンミラーより被走査面である感光体ドラム側の副走査方向の断面内での説明図である。
【００１９】
図１(Ａ)に示すタンデム走査光学系の光源部１０は、８個の半導体レーザー１１、１１…と、これらの半導体レーザーから発する発散光を平行光にする８個のコリメートレンズ１２、１２…とを備えている。半導体レーザー１１は、図１(Ｂ)に示すように、図中の横方向となる主走査方向に２列、縦方向となる副走査方向に４段並んで配置されている。レーザー光Ｌ１とＬ5、Ｌ2とＬ6、Ｌ3とＬ7、Ｌ4とＬ8は、それぞれ同一の感光体ドラム６１〜６４に入射するものであり、ポリゴンミラー２０に対する入射角度がそれぞれ互いに僅かに異なるように設定されている。なお、同一の感光体ドラムに向かう２本のレーザー光の角度差は僅かであるため、以下の説明ではこれらの角度差を無視することとする。
【００２０】
コリメートレンズ１２により平行光とされた８本のレーザー光Ｌ1〜Ｌ8は、図示せぬプリズムによりその中心軸が副走査方向に一列に並ぶよう配列され、副走査方向にのみパワーを持つ単一のシリンドリカルレンズ１３により副走査方向に関して収束光となり、かつ、シリンドリカルレンズ１３が持つプリズム作用により偏向されてポリゴンミラー２０の近傍でほぼ同一位置に線像を形成する。すなわち、光源部１０から発する８本の光束は、副走査方向の断面内での入射角度がそれぞれ異なり、ポリゴンミラー２０の反射面上で交差する。これにより、ポリゴンミラー２０の副走査方向の高さを小さく抑えることができる。内側の４本の光束L2,L6,L3,L7のポリゴンミラーに対する入射角度は±β_in、外側の４本の光束L1,L5,L4,L8の入射角度は±β_outである。すなわち、対をなす２本ずつの光束が、ポリゴンミラー２０に対して副走査方向の断面内で絶対値が等しく符号が異なる入射角度で入射するように設定されている。
【００２１】
光源部１０から発した８本の光束Ｌ1〜Ｌ8は、回転軸２０ａ回りに回転するポリゴンミラー２０により同時に偏向される。偏向された８本の光束Ｌ1〜Ｌ8は、副走査方向に関しては所定の角度で異なる方向に進み、第１レンズ３１と第２レンズ３２とから構成される走査レンズ３０に入射する。走査レンズ３０から射出した光束は、２本ずつそれぞれ一対のミラー４０，４１により反射され、各光束毎の光路に配置された補正レンズ５１〜５４を介して、それぞれ異なる感光体ドラム６１〜６４上に収束して各ドラム上に２つのビームスポットを形成する。ポリゴンミラー２０を回転軸２０ａ回りに回転させることにより、４本の感光体ドラム６１〜６４上にそれぞれ２本の走査線を同時に形成することができる。
【００２２】
なお、シリンドリカルレンズ１３は、光源部から発する光束を副走査方向に収束させるアナモフィック光学素子としての機能を有しており、走査レンズ３０及び補正レンズ５１〜５４は、ポリゴンミラー２０により反射された光束を被走査面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系としての機能を有している。
【００２３】
結像光学系を構成する走査レンズ３０の一面(第１レンズ３１の被走査面側の面、あるいは、第２レンズ３２の被走査面側の面)には、主走査方向の断面形状が走査レンズ３０の光軸Ａｘからの主走査方向の距離の関数として、副走査方向の断面形状の曲率が光軸Ａｘからの主走査方向の距離の関数として、それぞれ独立に定義されるアナモフィック非球面が採用されている。このアナモフィック非球面は、副走査方向の断面形状が円弧であり、その副走査方向の断面形状の曲率は、光軸からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって減少するように設定されている。アナモフィック非球面の形状は、光軸を通る主走査方向の境界線を境に対称である。
【００２４】
また、補正レンズ５１〜５４の一面には、副走査方向の断面の傾きが主走査方向の位置により変化し、副走査方向に対して垂直で面中心を含む平面に関して非対称な形状を有する非球面が採用されている。補正レンズ５１〜５４に採用される非球面は、面中心を原点として含んで走査レンズの光軸と直交する基準平面からのサグ量が主走査方向・副走査方向それぞれの面中心からの距離に関する二次元多項式で表現される二次元多項式非球面であり、その形状は、面中心を通る副走査方向の境界線を境に対称である。二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きは、面中心からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって増加するよう設定されている。
【００２５】
外側の光束L1,L5,L4,L8が入射する補正レンズ５１，５４は、同一設計のレンズであり、これを光軸(反射面を展開して考えたときの走査レンズ３０の光軸)を中心に１８０°回転させて配置している。また、内側の光束L2,L6,L3,L7が入射する補正レンズ５２，５３も、同一設計のレンズであり、これを光軸を中心に１８０°回転させて配置している。ただし、外側の光束と内側の光束とでは光軸に対する角度が異なるため、補正レンズ５１，５４と補正レンズ５２，５３とは異なる設計である。すなわち、補正レンズとしては、２種類のレンズを２個ずつ用意すればよい。なお、補正レンズの設計が異なるのは二次元多項式非球面のみであり、他方の面は４つの補正レンズでいずれも共通である。
【００２６】
上記の実施形態のように光源部が８本の光束を発する場合、内側の光束L2,L6,,L3,L7のポリゴンミラー２０に対する副走査方向の断面内で入射角度を±β_in、外側の光束L1,L5,L4,L8のポリゴンミラー２０に対する副走査方向の断面内での入射角度を±β_outとして、β_out／β_inで定義される副走査入射角度比をΔβ、内側の光束L2,L6,L3,L7が走査レンズ３０のアナモフィック非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₁、走査範囲の端部でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₂、外側の光束L1,L5,L4,L8が走査レンズ３０のアナモフィック非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ｂ₁、走査範囲の端部での副走査方向の断面内での角度を±ｂ₂として、(ｂ₂−ｂ₁)／(ａ₂−ａ₁)で定義される副走査断面傾き変化比をΔdx/dzとして、以下の条件(１) を満たす。
0.95×Δβ≦Δdx/dz ≦ 1.05×Δβ …(１)
【００２７】
副走査入射角度比Δβは、図２(A)に示すように、内側光束L2のポリゴンミラーに対する入射角度βinに対する外側光束L1の入射角度βoutの比率として定義される。また、副走査断面傾き変化比Δdx/dzは、図２(Ｂ)に示すように、破線で示す外側光束L1がアナモフィック非球面の中心および周辺でなす副走査方向の断面内での角度をそれぞれb₁,b₂、同様に実線で示す内側光束L2が中心および周辺でなす角度をそれぞれa₁,a₂として、(ｂ₂−ｂ₁)／(ａ₂−ａ₁)で定義される。
【００２８】
また、内側の光束L2,L6,L3,L7が補正レンズ５２，５３の二次元多項式非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₁'、走査範囲の端部でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₂'、外側の光束L1,L5,L4,L8が補正レンズ５１，５４の二次元多項式非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ｂ₁'、走査範囲の端部での副走査方向の断面内での角度を±ｂ₂'として、(ｂ₂'−ｂ₁')／(ａ₂'−ａ₁')で定義される副走査断面傾き変化比をΔdx'/dz'として、以下の条件(２) を満たす。
0.9×Δβ≦ Δdx'/dz' ≦ 1.1×Δβ …(２)
【００２９】
走査線の湾曲量(ボウの発生量)は、ポリゴンミラー２０に対する副走査方向の入射角度に比例するため、これを補正するための２つの非球面の副走査断面傾き変化比も入射角度比と同様に入射角度に比例して定めるのが効果的である。条件(1),(2)を満たすように各非球面の傾き変化比を設定することにより、ポリゴンミラー２０への入射角度に応じて発生する走査線の湾曲を良好に補正することができる。
なお、上記の実施形態では、描画の高速化のため１本の感光体ドラムに対して２本のビームを入射させる構成について説明したが、１本の感光体ドラムに１本のビームを入射させるよう構成することもできる。
【００３０】
次に、図１に示したタンデム走査光学系の具体的な実施例を４例説明する。なお、以下の実施例では、ミラー４０，４１を省略し、光路を展開して説明する。
【００３１】
【実施例１】
図３〜図５は、実施例１の走査光学系を示し、図３は主走査方向の説明図、図４は外側の光束L1の光路を示す副走査方向の説明図、図５は内側の光束L2の光路を示す副走査方向の説明図である。実施例１の走査光学系は、走査レンズ３０が第１レンズ３１と第２レンズ３２との２枚構成であり、第１レンズ３１がプラスチック、第２レンズ３２がガラス、そして、補正レンズ５１−５４がプラスチックにより形成されている。
【００３２】
表１は、実施例１の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ１３より感光体ドラム６１〜６４側の構成を示す。表中の記号ｒ_yは主走査方向の曲率半径(単位:mm)、ｒ_zは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略、単位:mm)、ｄは面間の光軸上の距離(単位:mm)、ｎは設計波長780nmでの屈折率、DECZは反射面を展開して考えたときの走査レンズ３０の光軸を基準にした各面の副走査方向への偏心(単位：mm)である。入射角度は、各光束の中心軸がポリゴンミラー２０に入射する際に反射面の法線に対してなす副走査方向の角度(主走査方向に対して垂直な平面に投影した際の角度)である。
【００３３】
【表１】

【００３４】
第１面はシリンドリカル面、第２面、第３面は平面、第４面は回転対称非球面、第５面はアナモフィック非球面、第６面は平面、第７面は球面、第８面、第１１面は二次元多項式非球面、第９面、第１２面は球面である。
【００３５】
回転対称非球面は、光軸からの距離がhとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をκ、４次、６次の非球面係数をＡ₄，Ａ₆として、以下の式で表される。表１における回転対称非球面の曲率半径は、光軸上の曲率半径であり、円錐係数、非球面係数は表２に示される。
【００３６】
【数１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
アナモフィック非球面は、面上で光軸を通る主走査方向の曲線を想定した際に、光軸からの主走査方向の距離がyとなる上記曲線上の座標点での光軸上の接線からの距離(サグ量)をＸ(y)、当該座標点でこの曲線に接する副走査方向の円弧の曲率をCz(y)として、以下の式で定義される。
【００３９】
【数２】

【００４０】
式中、Ｃは主走査方向の曲率、κは円錐係数、AMmは主走査方向の曲率を定義するn次の非球面係数、Cz₀は光軸上での副走査方向の曲率（=1/r_z）、ASnは副走査方向の曲率を定義するn次の非球面係数である。第５面を定義する各係数の値は、表３に示されている。
【００４１】
【表３】

【００４２】
二次元多項式非球面は、面中心で接する平面上での主走査方向の距離y、副走査方向の距離zの点(y,z)におけるサグ量X(y,z)として、以下の二次元多項式により表される。ここで、Ｃは面中心における主走査方向の曲率(1/r_y)、κは円錐係数、ｈは面中心からの距離(=(y²+z²)^1/2）、Ｂ_mnは係数(mは主走査方向，nは副走査方向に関する次数)である。この二次元多項式は、回転非対称な光学曲面を表す一般式である。Ｂ_mnのｎが奇数の場合の値を０以外の値にすると、面形状は副走査方向に対して垂直で面中心を含む平面に関して非対称となる。
【００４３】
【数３】

【００４４】
外側光束用の補正レンズ５１に形成された二次元多項式非球面を定義する係数の値を表４、内側光束用の補正レンズ５２に形成された二次元多項式非球面を定義する係数の値を表５に示す。
【００４５】
【表４】

【００４６】
【表５】

【００４７】
図６〜図１０は、実施例１の走査光学系の収差を示す。図６(A)は外側の光学系の光束L1に対する走査線湾曲(ボウ)、図６(B)は内側の光学系の光束L2に対するボウ、図６(C)は同一の感光体ドラム６１に入射する外側の２本ずつの光束Ｌ1とＬ5のボウの差(ディファレンシャルボウ)、図６(Ｄ)は同一の感光体ドラム６２に入射する内側の２本ずつの光束Ｌ2とＬ6のボウの差(ディファレンシャルボウ)を示す。図７はｆθ特性、図８は像面湾曲(M:主走査方向、S:副走査方向)、図９はFナンバーの変化(M:主走査方向、S:副走査方向)、図１０は波面収差を示し、各図とも(A)は外側の光束L1が通る光学系の収差、(B)は内側の光束L2が通る光学系の収差を示す。各グラフとも縦軸は主走査方向の走査位置(単位:mm)、横軸は収差量を示し、図６〜図８の横軸の単位はｍｍ、図９の横軸の単位は％、図１０の横軸の単位は波長である。
【００４８】
図１１、図１２は、実施例１の走査光学系の波面収差図であり、図１１は外側の光束L1、図１２は内側の光束L2が通る光学系の収差を示している。各図とも、(A)は感光体ドラム６１，６２上での主走査方向の座標y=108mm、(B)はy=0mm、(C)はy=-108mmにおける収差を示している。各図とも、収差量を示す縦軸の端点は原点から±0.2λの距離に位置する。
【００４９】
図６〜図１０に示されるように、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することができ、かつ、図１１、図１２に示されるように波面のねじれを小さく抑えることができる。
【００５０】
【実施例２】
図１３〜図１５は、実施例２の走査光学系を示し、図１３は主走査方向の説明図、図１４は外側の光束L1の光路を示す副走査方向の説明図、図１５は内側の光束L2の光路を示す副走査方向の説明図である。実施例２の走査光学系は、走査レンズ３０が第１レンズ３１と第２レンズ３２との２枚構成であり、第１レンズ３１、第２レンズ３２、そして、補正レンズ５１−５４の全てがプラスチックにより形成されている。表６は、実施例２の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ１３より感光体ドラム６１〜６４側の構成を示す。
【００５１】
【表６】

【００５２】
第１面はシリンドリカル面、第２面、第３面は平面、第４面は回転対称非球面、第５面は球面、第６面は平面、第７面はアナモフィック非球面、第８面、第１１面は二次元多項式非球面、第９面、第１２面は球面である。第４面の係数は表７、第７面の係数は表８、第８面の係数は表９、第１１面の係数は表１０にそれぞれ示される。
【００５３】
【表７】

【００５４】
【表８】

【００５５】
【表９】

【００５６】
【表１０】

【００５７】
図１６〜図２０は、実施例２の走査光学系の収差を示す。図１６(A)は外側の光学系の光束L1に対するボウ、図１６(B)は内側の光学系の光束L2に対するボウ、図１６(C)はディファレンシャルボウを示す。図１７はｆθ特性、図１８は像面湾曲、図１９はFナンバーの変化、図２０は波面収差を示し、各図とも(A)は外側の光束L1が通る光学系の収差、(B)は内側の光束L2が通る光学系の収差を示す。
【００５８】
図２１、図２２は、実施例２の走査光学系の波面収差図であり、図２１は外側の光束L1、図２２は内側の光束L2が通る光学系の収差を示している。各図とも、(A)は感光体ドラム６１，６２上での主走査方向の座標y=108mm、(B)はy=0mm、(C)はy=-108mmにおける収差を示している。
【００５９】
図１６〜図２０に示されるように、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することができ、かつ、図２１、図２２に示されるように波面のねじれを小さく抑えることができる。
【００６０】
【実施例３】
図２３〜図２５は、実施例３の走査光学系を示し、図２３は主走査方向の説明図、図２４は外側の光束L1の光路を示す副走査方向の説明図、図２５は内側の光束L2の光路を示す副走査方向の説明図である。実施例３の走査光学系は、走査レンズ３０が１枚構成であり、この走査レンズと補正レンズ５１−５４とが共にプラスチックにより形成されている。表１１は、実施例３の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ１３より感光体ドラム６１〜６４側の構成を示す。
【００６１】
【表１１】

【００６２】
第１面はシリンドリカル面、第２面、第３面は平面、第４面は球面、第５面はアナモフィック非球面、第６面、第９面は二次元多項式非球面、第７面、第１０面は球面である。第５面の係数は表１２、第６面の係数は表１３、第９面の係数は表１４にそれぞれ示される。
【００６３】
【表１２】

【００６４】
【表１３】

【００６５】
【表１４】

【００６６】
図２６〜図３０は、実施例３の走査光学系の収差を示す。図２６(A)は外側の光学系の光束L1に対するボウ、図２６(B)は内側の光学系の光束L2に対するボウ、図２６(C)はディファレンシャルボウを示す。図２７はｆθ特性、図２８は像面湾曲、図２９はFナンバーの変化、図３０は波面収差を示し、各図とも(A)は外側の光束L1が通る光学系の収差、(B)は内側の光束L2が通る光学系の収差を示す。
【００６７】
図３１、図３２は、実施例３の走査光学系の波面収差図であり、図３１は外側の光束L1、図３２は内側の光束L2が通る光学系の収差を示している。各図とも、(A)は感光体ドラム６１，６２上での主走査方向の座標y=108mm、(B)はy=0mm、(C)はy=-108mmにおける収差を示している。
【００６８】
図２６〜図３０に示されるように、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することができ、かつ、図３１、図３２に示されるように波面のねじれを小さく抑えることができる。
【００６９】
【実施例４】
図３３〜図３５は、実施例４の走査光学系を示し、図３３は主走査方向の説明図、図３４は外側の光束L1の光路を示す副走査方向の説明図、図３５は内側の光束L2の光路を示す副走査方向の説明図である。実施例４の走査光学系は、走査レンズ３０が第１レンズ３１と第２レンズ３２との２枚構成であり、第１レンズ３１がプラスチック、第２レンズ３２がガラス、そして、補正レンズ５１−５４がプラスチックにより形成されている。表１５は、実施例４の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ１３より感光体ドラム６１〜６４側の構成を示す。
【００７０】
【表１５】

【００７１】
第１面はシリンドリカル面、第２面、第３面は平面、第４面は回転対称非球面、第５面はアナモフィック非球面、第６面は平面、第７面、第８面、第１１面は球面、、第９面、第１２面は二次元多項式非球面である。第４面の係数は表１６、第５面の係数は表１７、第９面の係数は表１８、第１２面の係数は表１９にそれぞれ示される。
【００７２】
【表１６】

【００７３】
【表１７】

【００７４】
【表１８】

【００７５】
【表１９】

【００７６】
図３６〜図４０は、実施例４の走査光学系の収差を示す。図３６(A)は外側の光学系の光束L1に対するボウ、図３６(B)は内側の光学系の光束L2に対するボウ、図３６(C)はディファレンシャルボウを示す。図３７はｆθ特性、図３８は像面湾曲、図３９はFナンバーの変化、図４０は波面収差を示し、各図とも(A)は外側の光束L1が通る光学系の収差、(B)は内側の光束L2が通る光学系の収差を示す。
【００７７】
図４１、図４２は、実施例４の走査光学系の波面収差図であり、図４１は外側の光束L1、図４２は内側の光束L2が通る光学系の収差を示している。各図とも、(A)は感光体ドラム６１，６２上での主走査方向の座標y=108mm、(B)はy=0mm、(C)はy=-108mmにおける収差を示している。
【００７８】
図３６〜図４０に示されるように、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することができ、かつ、図４１、図４２に示されるように波面のねじれを小さく抑えることができる。
【００７９】
図４３は、実施例１の構成で、補正レンズ５１〜５４の二次元多項式非球面をトーリック面で置き換えた場合の波面収差を示すグラフであり、(A)は外側光束L1が到達する感光体ドラム６１上での主走査方向の座標Y=108mmにおける収差、(B)は外側光束L1が到達する感光体ドラム６１上での主走査方向の座標Y=-108mmにおける収差を示す。
【００８０】
二次元多項式非球面を利用しない場合には、図４３に示すように波面のねじれが大きくなり、結果的にレーザー光束を所定の径に絞ることができずに印刷品質が低下する。各実施例の構成では、図４３と比較すると波面のねじれが小さく抑えられており、良好な印刷品質を保つことができる。
【００８１】
次に、走査レンズ３０のアナモフィック非球面の副走査方向の断面形状の曲率と、補正レンズ５１〜５４の二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きが各実施例でどのようになっているかについて図面に基づいて説明する。
【００８２】
図４４は、走査レンズ３０のアナモフィック非球面の副走査方向の断面形状の曲率を、横軸に面上の主走査方向の座標をとって示したグラフであり、(A)〜(D)が実施例１〜４に該当する。各グラフに示されるように、アナモフィック非球面の副走査方向の断面形状の曲率は、いずれの実施例においても、光軸からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって減少している。
【００８３】
図４５は、補正レンズ５１〜５４の二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きを、横軸に面上の主走査方向の座標をとって示したグラフであり、(A)〜(D)が実施例１〜４に該当する。グラフ中の実線は外側光束L1,L4が透過する補正レンズ５１，５４の値、破線は内側光束L2,L3が透過する補正レンズ５２，５３の値を示している。各グラフに示されるように、二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きは、いずれの実施例においても、面中心からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって増加している。
【００８４】
次に、前述した条件(1),(2)と上記の各実施例との関係について説明する。いずれの実施例においても、内側の光束L2のポリゴンミラー２０に対する副走査方向の断面内での入射角度βin=0.923°，外側の光束L1の入射角度βout=2.759°であり、副走査入射角度比Δβ=2.99となる。一方、走査レンズ３０のアナモフィック非球面に対する入射光束の副走査断面傾き変化比Δdx/dzは、表２０に示すように求められる。条件(1)の上限1.05×Δβの値は3.140であり、いずれの実施例も条件(1)を満たしている。
【００８５】
【表２０】

【００８６】
また、補正レンズ５１〜５４の二次元多項式非球面に対する入射光束の副走査断面傾き変化比Δdx'/dz'は、表２１に示すように求められる。条件(2)の下限0.9×Δβは2.691、上限1.1×Δβは3.289であり、いずれの実施例も条件(2)を満たしている。
【００８７】
【表２１】

【００８８】
さらに、図４６は、この発明の他の実施形態を示す走査光学系の副走査方向の説明図である。この走査光学系は、ポリゴンミラー２０の異なる反射面を用いて双方向に走査する対向入射(双方向走査)タイプである。図示せぬ光源部は、ポリゴンミラー２０の異なる反射面にそれぞれ複数の光束を入射させるようにを２組設けられる。各光源部から発したそれぞれ２本の光束は、ポリゴンミラー２０に対して副走査方向の断面内で絶対値が等しく符号が異なる入射角度で入射する。走査レンズ３０ａ，３０ｂは、各反射面により反射された２本の光束についてそれぞれ１組ずつ、合計２組設けられ、補正レンズ５１〜５４は、ほぼ同一の角度でポリゴンミラー２０に入射する光束毎に、すなわち、この例では光束１本毎に配置されている。
【００８９】
ポリゴンミラー２０の一方の反射面により反射、偏向された光束Ｌ1，Ｌ2は、走査レンズ３０ａを透過し、Ｌ1はミラー４２ａで反射されて補正レンズ５１を介して感光体ドラム６１に入射し、Ｌ2は一対のミラー４３ａ，４４ａで反射され、補正レンズ５２を介して感光体ドラム６２に入射する。
他方、ポリゴンミラー２０の他の面で反射される光束Ｌ3，Ｌ4は、走査レンズ３０ｂを透過し、Ｌ3は一対のミラー４３ｂ，４４ｂで反射され、補正レンズ５３を介して感光体ドラム６３に入射し、Ｌ4はミラー４２ｂで反射されて補正レンズ５４を介して感光体ドラム６４に入射する。
【００９０】
図４６のような配置では、ポリゴンミラー２０に対する入射角度の絶対値が全ての光束で同一となるため、補正レンズ５１−５４として全て同一形状のレンズを用いることができる。このため、補正レンズを成形する場合には、その金型数を前記の実施形態より削減することができる。また、製造時に発生する形状誤差も同一であることが期待できるため、各感光体ドラム上に形成される走査線のボウの相対差を前期の実施形態より小さくすることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、走査レンズにアナモフィック非球面、補正レンズに二次元多項式非球面を採用することにより、ｆθ特性、像面湾曲等の走査光学系に要求される基本的な性能を満たしつつ、ボウ、ディファレンシャルボウを同時に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態の走査光学系の概要を示す副走査方向の断面内の説明図である。
【図２】 この発明の走査光学系の特性を規定するための条件の説明図である。
【図３】 実施例１の走査光学系の主走査方向の説明図である。
【図４】 実施例１の走査光学系の外側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図５】 実施例１の走査光学系の内側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図６】 実施例１の走査光学系のボウ、ディファレンシャルボウを示すグラフである。
【図７】 実施例１の走査光学系のｆθ特性を示すグラフである。
【図８】 実施例１の走査光学系の像面湾曲を示すグラフである。
【図９】 実施例１の走査光学系のFナンバーの変化を示すグラフである。
【図１０】 実施例１の走査光学系の波面収差を示すグラフである。
【図１１】 実施例１の走査光学系の外側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図１２】 実施例１の走査光学系の内側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図１３】 実施例２の走査光学系の主走査方向の説明図である。
【図１４】 実施例２の走査光学系の外側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図１５】 実施例２の走査光学系の内側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図１６】 実施例２の走査光学系のボウ、ディファレンシャルボウを示すグラフである。
【図１７】 実施例２の走査光学系のｆθ特性を示すグラフである。
【図１８】 実施例２の走査光学系の像面湾曲を示すグラフである。
【図１９】 実施例２の走査光学系のFナンバーの変化を示すグラフである。
【図２０】 実施例２の走査光学系の波面収差を示すグラフである。
【図２１】 実施例２の走査光学系の外側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図２２】 実施例２の走査光学系の内側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図２３】 実施例３の走査光学系の主走査方向の説明図である。
【図２４】 実施例３の走査光学系の外側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図２５】 実施例３の走査光学系の内側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図２６】 実施例３の走査光学系のボウ、ディファレンシャルボウを示すグラフである。
【図２７】 実施例３の走査光学系のｆθ特性を示すグラフである。
【図２８】 実施例３の走査光学系の像面湾曲を示すグラフである。
【図２９】 実施例３の走査光学系のFナンバーの変化を示すグラフである。
【図３０】 実施例３の走査光学系の波面収差を示すグラフである。
【図３１】 実施例３の走査光学系の外側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図３２】 実施例３の走査光学系の内側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図３３】 実施例４の走査光学系の主走査方向の説明図である。
【図３４】 実施例４の走査光学系の外側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図３５】 実施例４の走査光学系の内側の光束の光路を示す副走査方向の説明図である。
【図３６】 実施例４の走査光学系のボウ、ディファレンシャルボウを示すグラフである。
【図３７】 実施例４の走査光学系のｆθ特性を示すグラフである。
【図３８】 実施例４の走査光学系の像面湾曲を示すグラフである。
【図３９】 実施例４の走査光学系のFナンバーの変化を示すグラフである。
【図４０】 実施例４の走査光学系の波面収差を示すグラフである。
【図４１】 実施例４の走査光学系の外側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図４２】 実施例４の走査光学系の内側の光束の波面収差を示すグラフである。
【図４３】 実施例１の二次元多項式非球面をトーリック面に置き換えた場合の波面収差を示すグラフである。
【図４４】 各実施例のアナモフィック非球面の副走査方向の断面形状の曲率を、横軸に面上の主走査方向の座標をとって示したグラフである。
【図４５】 各実施例の二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きを、横軸に面上の主走査方向の座標をとって示したグラフである。
【図４６】 この発明の他の実施形態の走査光学系の概要を示す副走査方向の断面内の説明図である。
【符号の説明】
１０ 光源部
１１ 半導体レーザー
１２ コリメートレンズ
１３ シリンドリカルレンズ
２０ ポリゴンミラー
３０ 走査レンズ
５１〜５４ 補正レンズ
６１〜６４ 感光体ドラム

Claims (10)

1. 複数の光束を発生する光源部と、
   前記光源部から発する光束を副走査方向に収束させるアナモフィック光学素子と、
   該アナモフィック光学素子により収束された光束を反射、偏向させるポリゴンミラーと、
   該ポリゴンミラーにより反射された光束を被走査面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系とを備え、
   前記結像光学系は、単数または複数の単レンズから構成される走査レンズと、該走査レンズより前記被走査面側に配置された像面湾曲補正用の補正レンズとを備え、
   前記走査レンズの１つのレンズ面は、主走査方向の断面形状が当該走査レンズの光軸からの主走査方向の距離の関数として、副走査方向の曲率が前記光軸からの主走査方向の距離の関数として、それぞれ独立に定義されるアナモフィック非球面であり、前記補正レンズの１つの面は、副走査方向の断面の傾きが主走査方向の位置により変化し、副走査方向に対して垂直で面中心を含む平面に関して非対称な形状を有する非球面であり、
   前記光源部は、該光源部から発する複数の光束が前記ポリゴンミラーに対して副走査方向の断面内で絶対値が等しく符号が異なる入射角度で入射するよう設定され、前記走査レンズは、前記複数の光束に対して共通に単数配置され、前記補正レンズは、ほぼ同一の角度で前記ポリゴンミラーに入射する光束毎に複数配置され、該複数の補正レンズは、前記走査レンズの光軸の延長線に対して対称に配置されており、
   前記光源部から発する複数の光束のうち、内側の光束の前記ポリゴンミラーに対する副走査方向の断面内での入射角度を±β_in、外側の光束の前記ポリゴンミラーに対する副走査方向の断面内での入射角度を±β_outとして、β_out／β_inで定義される副走査入射角度比をΔβ、内側の光束が前記走査レンズのアナモフィック非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₁、走査範囲の端部でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₂、外側の光束が前記走査レンズのアナモフィック非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ｂ₁、走査範囲の端部での副走査方向の断面内での角度を±ｂ₂として、(ｂ₂−ｂ₁)／(ａ₂−ａ₁)で定義される副走査断面傾き変化比をΔdx/dzとして、以下の条件(１)、
   0.95×Δβ≦Δdx/dz ≦ 1.05×Δβ …(１)
   を満たすことを特徴とする走査光学系。
2. 複数の光束を発生する光源部と、
   前記光源部から発する光束を副走査方向に収束させるアナモフィック光学素子と、
   該アナモフィック光学素子により収束された光束を反射、偏向させるポリゴンミラーと、
   該ポリゴンミラーにより反射された光束を被走査面上で主走査方向に走査するスポットとして収束させる結像光学系とを備え、
   前記結像光学系は、単数または複数の単レンズから構成される走査レンズと、該走査レンズより前記被走査面側に配置された像面湾曲補正用の補正レンズとを備え、
   前記走査レンズの１つのレンズ面は、主走査方向の断面形状が当該走査レンズの光軸からの主走査方向の距離の関数として、副走査方向の曲率が前記光軸からの主走査方向の距離の関数として、それぞれ独立に定義されるアナモフィック非球面であり、前記補正レンズの１つの面は、副走査方向の断面の傾きが主走査方向の位置により変化し、副走査方向に対して垂直で面中心を含む平面に関して非対称な形状を有する非球面であり、
   前記光源部は、該光源部から発する複数の光束が前記ポリゴンミラーに対して副走査方向の断面内で絶対値が等しく符号が異なる入射角度で入射するよう設定され、前記走査レンズは、前記複数の光束に対して共通に単数配置され、前記補正レンズは、ほぼ同一の角度で前記ポリゴンミラーに入射する光束毎に複数配置され、該複数の補正レンズは、前記走査レンズの光軸の延長線に対して対称に配置されており、
   前記光源部から発する複数の光束のうち、内側の光束の前記ポリゴンミラーに対する副走査方向の断面内での入射角度を±β_in、外側の光束の前記ポリゴンミラーに対する副走査方向の断面内での入射角度を±β_outとして、β_out／β_inで定義される副走査入射角度比をΔβ、内側の光束が前記補正レンズの非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₁’、走査範囲の端部でなす副走査方向の断面内での角度を±ａ₂’、外側の光束が前記補正レンズの非球面に対して走査範囲の中心でなす副走査方向の断面内での角度を±ｂ₁’、走査範囲の端部での副走査方向の断面内での角度を±ｂ₂’として、(ｂ₂’−ｂ₁’)／(ａ₂’−ａ₁’)で定義される副走査断面傾き変化比をΔdx’/dz’として、以下の条件(２)、
   0.9×Δβ≦ Δdx’/dz’ ≦ 1.1×Δβ…(２)
   を満たすことを特徴とする走査光学系。
3. 前記走査レンズのアナモフィック非球面は、副走査方向の断面形状が円弧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査光学系。
4. 前記アナモフィック非球面の副走査方向の断面形状の曲率は、光軸からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって減少することを特徴とする請求項３に記載の走査光学系。
5. 前記補正レンズの非球面は、前記面中心を原点として含んで走査レンズの光軸と直交する基準平面からのサグ量が主走査方向・副走査方向それぞれの前記面中心からの距離に関する二次元多項式で表現される二次元多項式非球面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の走査光学系。
6. 前記二次元多項式非球面の副走査方向の断面の傾きは、前記面中心からの主走査方向の距離が大きくなるにしたがって増加することを特徴とする請求項５に記載の走査光学系。
7. 前記走査レンズのアナモフィック非球面の形状は、光軸を通る主走査方向の境界線を境に対称であり、前記補正レンズの非球面の形状は、前記面中心を通る副走査方向の境界線を境に対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査光学系。
8. 前記走査レンズは、ポリゴン側から順に配置されたプラスチックレンズとガラスレンズとの２枚のレンズで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の走査光学系。
9. 前記走査レンズは、１枚のプラスチックレンズのみで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の走査光学系。
10. 前記像面湾曲補正レンズは、複数の光束のそれぞれに対して１枚のプラスチックレンズのみで構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の走査光学系。

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