JP3920487B2

JP3920487B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP3920487B2
Application number: JP04882499A
Authority: JP
Inventors: 清三鈴木
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000249950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザープリンタ、デジタル複写機、ファクシミリ等の電子写真方式を利用したデジタル画像形成装置の光書き込み装置として応用される光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光源からの放射光束をカップリングレンズで集光して平行光束もしくは集束光束あるいは発散光束とした後、該カップリングレンズからの光を偏向反射面を持つ光偏向器により等角速度的に偏向させ、該光偏向器からの偏向光束を走査結像光学系により感光体等の被走査面上に光スポットとして集光して、上記被走査面上を光走査する光走査装置が知られており、レーザープリンタ、デジタル複写機、ファクシミリ等の電子写真方式を利用したデジタル画像形成装置の光書き込み装置として用いられている。
【０００３】
このような光走査装置において、近年実用化されつつある高密度書き込み（例えば１２００ｄｐｉ（dots per inch）以上）を実施するためには、十分に小さいスポット径を有する光スポット（ビームスポット）を形成する必要が有る。
小径のビームスポットを得るためには、光走査装置の光学系の高ＮＡ化が必要であり、更に安定化した小径のビームスポット径を得るためには、光走査装置を構成する光学素子の部品公差（曲率半径、肉厚、屈折率）ずれや取り付け誤差、または環境変動（温度、湿度）が生じても、それを許容する焦点深度の深い光学系を実現する必要がある。
一方、光学系の射出瞳上の強度分布をガウス分布とすると、深度余裕：２ｄは下式のようにビームスポット径：ｗの二乗に比例して小さくなってしまう（使用波長：λ）。
２ｄ〜ｗ²／λ ・・・(1)
このため、ビームスポット径を小さくしようとすると深度余裕も狭くなり、上記の部品公差または環境変動が生じた場合に、良好なビームスポットが得られなくなる。
【０００４】
そこで、第１種の０次ベッセルビームを発生し、深度余裕の深いビームスポットを得ることが提案されている。
例えば、特開平９−３０４７１４号公報には、光源と光偏向器の間の光路中にレーザー光束の一部を遮光する遮光部を有する遮光部材を設ける方式により、深度余裕の広い光学系を得ることが記載されている。
また、特開平１０−２２７９９２号公報には、円錐プリズムとほぼ等価な光学性能を有するバイナリー光学素子より成る回折光学素子にレーザービームを入射させる方式により、第１種の０次ベッセル関数の２乗に略比例する強度分布を有するベッセルビームを発生させることが記載されている。
しかし、これらの方式は円形対称であるため、光走査装置の光学系に用いる場合、主走査方向（ビームの走査方向）と副走査方向（主走査方向に直交する方向）でそれぞれ独立なビームスポットの設定が難しい。
【０００５】
上記の方式は、下記の(2) 式における振幅項のｕ₁（ｙ₁，ｚ₁）の分布を任意の振幅分布に変換することによってベッセルビームを得ており、その強度分布は振幅分布の二乗で表される。尚、下記の(2) 式では、光軸方向をｘ方向として、光軸に直交する２方向のうち、ｙ方向を主走査方向、ｚ方向を副走査方向としている。
【０００６】
【数１】

【０００７】
上記(2) 式は、像面上のビームスポットの強度分布：ｕ₂(ｙ₂,ｚ₂)が、概略フランホファー回折に従うものとして表されている。
ここで、ｕ₂(ｙ₂,ｚ₂)：像面上のビームスポットの振幅分布、
ｕ₁(ｙ₁,ｚ₁)：瞳上の振幅分布、
-ik(y₁y₂+z₁z₂)/2x：瞳上の位相差（ｋは波数）、
ｊ/λ：フレネルの傾斜係数（λは使用波長）。
【０００８】
尚、上記(2) 式のフランホーファー回折の式はフーリエ変換式と同じ意味を持ち、像面上の振幅分布：ｕ₂(ｙ₂,ｚ₂)は瞳上の振幅分布：ｕ₁(ｙ₁,ｚ₁)をフーリエ変換したものに等しいため、通常、フーリエ変換像とも呼ばれている。
また、何れもベッセルビームを発生したときに、サイドローブが立ち上がるといった問題を抱えており、被走査面である感光体の感度が高い場合、解像度の劣化や地汚れといった画像不良を招きやすい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、光学素子の部品公差（曲率半径、肉厚、屈折率）ずれや取り付け誤差、または環境変動（温度、湿度）等が生じても良好な小径ビームスポットを得るために、大きな深度余裕を有する光学系を備えた光走査装置を実現することを第１の課題とする。
また本発明は上記課題に加え、ベッセルビームのサイドローブを低減した光学系を備えた光走査装置を実現することを第２の課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、光源からの放射光束を集光して平行光束もしくは集束光束あるいは発散光束とするカップリングレンズと、該カップリングレンズからの光を偏向反射面で反射し等角速度的に偏向させる光偏向器と、該光偏向器からの偏向光束を被走査面上に光スポットとして集光する走査結像光学系とを備え、上記被走査面上を等速的に光走査する光走査装置において、上記光源と上記偏向反射面の間の光路中に、光学系の焦点深度を深くするための深度拡大素子を付加する構成とし、かつ上記深度拡大素子は、強度分布を調整可能な格子ピッチ又は傾斜角を少なくとも一つ用いて設計される階段状でバイナリー型の格子構造を持つ回折結像光学素子からなる強度分布変換面と、射出瞳上の光束の位相分布を変換する位相分布変換面を有し、該位相分布変換面は、階段状のバイナリー型または０／１の２値型のいずれか一方を用いて平板に凹凸を刻む形状を決定し、該平板に凹凸を刻む形状により像面上のビームスポットのサイドローブを低減するように設計される構成としたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作及び作用について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す光走査装置の概略構成図であり、光源、光偏向器及び光学系の配置構成を主走査面（光軸を含み、主走査方向に平行な平面）に展開して示した図である。
図１において、光源としての半導体レーザー１からの放射光束は、カップリングレンズ２により集光されて、平行光束もしくは集束光束あるいは発散光束として以後の光学系にカップリングされる。そしてカップリングされた光束は、アパーチャー３を通過する際に光束周辺部を遮断されてビーム整形され、線像結像光学系であるシリンドリカルレンズ４により副走査方向（図面に直交する方向）に収束され、ミラー５により光路を屈曲された後、光偏向器であるポリゴンミラー６の偏向反射面６ａの近傍に主走査方向に長い線像として結像する。そして偏向反射面６ａによる反射光速は、モーターの回転軸６ｂを中心に等速回転するポリゴンミラー６の回転に伴い、等角速度的に偏向する偏向光束となってレンズ７，８を透過する。この２枚のレンズ７，８は走査結像レンズを構成し、偏向光束を被走査面（例えば光導電性の感光体）１０上に光スポット（ビームスポット）として集光し、被走査面１０を主走査方向に等速的に光走査する。尚、走査結像レンズとしては、例えば本出願人の先願である特願平１０−３２２１１６号の明細書に記載された走査結像レンズ等を用いると良く、主・副走査方向の像面湾曲や、ｆθ特性等の等速化特性を良好に補正することが可能となる。
【００１２】
以上のような構成の光走査装置において、本発明では、光学素子の部品公差（曲率半径、肉厚、屈折率）ずれや取り付け誤差、または環境変動（温度、湿度）等が生じても良好な小径ビームスポットを得るために、大きな深度余裕を有する光学系を実現しようとするものであり、光源である半導体レーザー１と偏向反射面６ａの間の光路中に、光学系の焦点深度を深くするための深度拡大素子１１を付加する構成としたものである。
より具体的には、深度拡大素子１１として、半導体レーザー１と偏向反射面６ａの間の光路中に、射出瞳９上の強度分布を中央部分よりも周辺の４角が高くなるように変換する強度分布変換素子を付加する、あるいは、深度拡大素子１１として、半導体レーザー１と偏向反射面６ａの間の光路中に、射出瞳９上の光束の位相分布を任意に変換する位相分布変換素子を付加する、あるいは、深度拡大素子１１として、半導体レーザー１と偏向反射面６ａの間の光路中に、射出瞳９上の位相分布を変換させる位相分布変換素子と強度分布を変換する強度分布変換素子を付加する、あるいは、深度拡大素子１１として、位相分布変換素子と強度分布変換素子とを一体化した光学素子を付加する等の構成としたものである。以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００１３】
【実施例】
（実施例１）
従来の射出瞳上の振幅を変化させる手段は、アキシコンプリズムなどを用いた１次元的な強度分布を持たせる素子、あるいは、円錐プリズムや濃度フィルタ（中心に対して周辺の透過率を大きくする）回転対称な２次元的な素子を用いていた。しかしながら、本発明者らの考察の結果、特に光走査装置の光学系に用いる場合、主走査方向及び副走査方向の強度分布は焦点深度の拡大には殆ど寄与せず、対角方向の強度分布が焦点深度の拡大に大きく寄与することが明かになった。さらに上記の従来の方式は円形対称であるため、走査光学系に用いる場合、主走査方向と副走査方向でそれぞれ独立なビームスポットの設定が難しい。
【００１４】
そこで本実施例では、深度拡大素子１１として、半導体レーザー１と偏向反射面６ａの間の光路中に、射出瞳９上の強度分布を中央部分よりも周辺の４角が高くなるように変換する強度分布変換素子を付加し、図６、図７に示すように、主走査方向（図中のｙ方向）及び副走査方向（図中のｚ方向）に対して斜め方向（対角方向）の強度を中心強度よりも高く設定することにより像面上での焦点深度の深いビームスポットを得ることに特徴がある。尚、図６と図７は深度の拡大率が異なる例を示しており、各図の（ａ）は射出瞳上の強度分布を３次元表示した例、（ｂ）は像面（被走査面）上のビームスポットの強度分布を３次元表示した例、（ｃ）は像面（被走査面）上のビームスポットの主走査方向（図中の実線）と副走査方向（図中の破線）のＬＳＦ（Line Spread Function）の例である。
【００１５】
本方式によれば、対角方向の強度を上げることにより光エネルギーを効率的に深度拡大に寄与させることができ、且つ円形対称でないため主走査方向、副走査方向のビームスポットの形状及びビーム径を独立に設定することができる。
ここで、強度分布を変換する強度分布変換素子の具体例としては、図２に示すような階段状でバイナリー型の格子構造を持つ回折結像光学素子１１Ａを用いることができ、格子ピッチＰや傾斜角θを適宜調節することにより所望の強度分布が得られる。
また、強度分布変換素子としては、図３に示すような対角方向のみの透過率を上げた濃度フィルター１１Ｂでも良く、対角方向以外の斜線を施した部分の濃度や面積を適宜調節することにより、所望の強度分布が得られる。
さらにまた、強度分布変換素子としては、図４に示すような４角錐プリズム１１Ｃを主・副走査方向に対して約４５°傾けて用いる方式でも良く、傾斜面の角度を適宜調節することにより所望の強度分布が得られる。
そして、これらの強度分布変換素子を用いることにより、図６や図７に示すような対角方向の強度を上げた強度分布を実現することができ、深度余裕の深い光学系を実現することができる。但し、対角方向の強度を上げ過ぎると大きなサイドローブが発生する恐れがあるので、射出瞳上の強度分布は図６と図７の間の強度分布となるように設定することが望ましい。
【００１６】
（実施例２）
従来、焦点深度の深度余裕を拡大させるために、射出瞳上の強度分布（振幅分布を二乗した分布）を円錐プリズムや濃度フィルターなどの光学素子により任意の強度分布に変換し、ベッセルビームを発生させる方式が知られている。
ところが濃度フィルターでは光量ロスが大きく光走査装置の光学系に展開したときに高速化の妨げとなってしまう。また、円錐プリズムなどの場合は、加工が難しくコスト高になるという問題があり、さらに、瞳上で任意の強度分布を得るために屈折を利用しているため、光学素子の設置位置が限定されるといった問題があった。
一方、位相分布を発生させることは、平板に凹凸が刻まれた通常の位相シフター（階段状のバイナリー型でも０／１の２値型でも可）で容易に実現することができる。さらに、プラスチック成形により大量に且つ安価に位相シフターを作成することも可能である。さらに、位相シフターは屈折力を持たないため、原理的には光路中のどこに設置しても構わないといったメリットがある。
【００１７】
そこで本実施例では、深度拡大素子１１として、射出瞳上の位相分布を任意に変換する上記位相シフター等の位相変換素子を用いることにより、強度分布を変換するのと同様に、焦点深度の深いビームスポットを形成することに特徴がある。ここで、像面上（被走査面上）において焦点深度の深いビームスポット（例えばベッセルビームスポット）の振幅分布（二乗すれば強度分布）を逆フーリエ変換することによって射出瞳上の位相分布を算出することができる。
具体的にはGerchberg-Saxtonのアルゴリズム(R.W.Gerchberg and W.O.Saxton,Optik 35,237-246(1972))などの方式により位相分布を求める。その位相分布を２値レベルまたはバイナリー型に量子化することにより位相シフターを作成するのに必要なデータが得られる。尚、一般にこのようにして求められた位相分布は複雑になるため、ここでは数値例は省略する。
【００１８】
（実施例３）
従来、焦点深度の深度余裕を拡大させるために、ベッセルビームを発生させる方式が知られている。ベッセルビームを発生させる手段として、円錐プリズムや、円錐プリズムと等価な光学性能を有するバイナリーレンズを用いる方式が提案されている。しかし、上記方式はビームスポットのサイドローブが立ち上がるという問題があった。
この方式は下記の(2) 式の振幅分布ｕ₁(ｙ₁,ｚ₁)のみを強度変換素子を用いて任意の振幅分布に変換させてベッセルビームを得るものであるが、通常ビームスポットは焦点深度が深くなるものの、大きなサイドローブを発生してしまう。ここで従来例として、射出瞳上の強度分布を、中心に対して周辺の強度を円筒状に大きくした場合の、像面上のビームスポットの強度分布を図８に示す。図８（ｂ），（ｃ）の例では、サイドローブが大きく立ち上がり、被走査面である感光体の感度が高い場合には、小径ドットを形成することが難しくなる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
尚、上記(2) 式は、像面上のビームスポットの強度分布：ｕ₂(ｙ₂,ｚ₂)が、概略フランホファー回折に従うものとして表されている。
ここで、ｕ₂(ｙ₂,ｚ₂)：像面上のビームスポットの振幅分布、
ｕ₁(ｙ₁,ｚ₁)：瞳上の振幅分布、
-ik(y₁y₂+z₁z₂)/2x：瞳上の位相差（ｋは波数）、
ｊ/λ：フレネルの傾斜係数（λは使用波長）。
【００２１】
ここで本発明者らは上記(2) 式の位相項の「-ik(y₁y₂+z₁z₂)/2x 」に着目して考察したところ、位相分布変換素子により像面上（被走査面上）のビームスポットのサイドローブを低減するべく２次元状に位相を与えることにより、良好なビームスポットを得ることが可能となることが明かとなった。
サイドローブを低減する位相パターンは、瞳上の振幅分布：ｕ₁(ｙ₁,ｚ₁)を任意としたとき、ｕ₂(ｙ₂,ｚ₂)をサイドローブを小さくしたビームスポット強度とし、逆フーリエ変換して、適切な位相分布「-ik(y₁y₂+z₁z₂)/2x 」を求めることができる。
そしてこの位相差を用いて、位相分布変換素子としてバイナリー素子などからなる位相シフターを作成すれば、サイドローブを低減したビームスポットが得られるが、一般に複雑なパターンとなるためここでは図示を省略する。
【００２２】
（実施例４）
実施例３における位相シフターと、実施例１における強度分布変換素子を組み合わせる、あるいは一体的に構成することにより、焦点深度の深度余裕が向上し、且つサイドローブを低減した光学系を安価に実現することができる。
ここで、図５はその一実施例を示す深度拡大素子の部分断面図であり、この深度拡大素子１１Ｄは、位相分布変換素子と強度分布変換素子とを一体化した光学素子であり、一方の面が強度分布変換面１１Ｄ-a、他方の面が位相分布変換面（例えば位相シフト面）１１Ｄ-bとなっている。そしてこのような構成の深度拡大素子１１Ｄを光源１と偏向反射面６ａの間の光路中に付加することにより、焦点深度が深く、サイドローブも低減されたビームスポットを得ることが可能と成る。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源からの放射光束を集光して平行光束もしくは集束光束あるいは発散光束とするカップリングレンズと、該カップリングレンズからの光を偏向反射面で反射し等角速度的に偏向させる光偏向器と、該光偏向器からの偏向光束を被走査面上に光スポットとして集光する走査結像光学系とを備え、上記被走査面上を等速的に光走査する光走査装置において、光源と偏向反射面の間の光路中に、光学系の焦点深度を深くするための深度拡大素子を付加する構成としたことにより、焦点深度の深度余裕の深い光学系を実現することができる。
従って本発明によれば、光学素子の部品公差（曲率半径、肉厚、屈折率）ずれや取り付け誤差、または環境変動（温度、湿度）等が生じても良好な小径ビームスポットを得るための、大きな深度余裕を有する光学系を備えた光走査装置を実現することができる。
【００２４】
ここで、上記深度拡大素子として、射出瞳上の強度分布を中央部分よりも周辺の４角が高くなるように変換する強度分布変換素子を付加する構成とすることにより、焦点深度の深度余裕の深い光学系を実現することができる。
また上記深度拡大素子として、光源と偏向反射面の間の光路中に、射出瞳上の光束の位相分布を変換する位相分布変換面を有し、像面上のビームスポットのサイドローブを低減するように上記位相分布を設定する位相分布変換素子を付加する構成としても、焦点深度の深度余裕の深い光学系を実現することができる。
さらに上記深度拡大素子として、光源と偏向反射面の間の光路中に、射出瞳上の光束の位相分布を変換する位相分布変換面を有し像面上のビームスポットのサイドローブを低減するように上記位相分布を設定した位相分布変換素子と、像面上のビームスポット径を小径化する強度分布変換面を有する強度分布変換素子とを付加する構成とすることにより、焦点深度の深度余裕が深く、且つサイドローブの小さい光学系を実現することができる。
さらにまた上記深度拡大素子として、上記位相分布変換素子と上記強度分布変換素子とを一体化した光学素子を付加する構成とすることにより、焦点深度の深度余裕が深く、且つサイドローブの小さい光学系をコンパクトに実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す光走査装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施例を示す図であって、強度分布変換素子として用いる回折結像光学素子の構成説明図である。
【図３】本発明の別の実施例を示す図であって、強度分布変換素子として用いる濃度フィルターの平面図である。
【図４】本発明のさらに別の実施例を示す図であって、強度分布変換素子として用いる４角錐プリズムの構成説明図である。
【図５】本発明のさらに別の実施例を示す図であって、強度分布変換素子と位相分布変換素子を一体化してなる深度拡大素子の部分断面図である。
【図６】本発明に係る深度拡大素子を用いた光学系の射出瞳上強度分布と像面上ビームスポット強度分布の一例を示す図である。
【図７】本発明に係る深度拡大素子を用いた光学系の射出瞳上強度分布と像面上ビームスポット強度分布の別の例を示す図である。
【図８】従来の円錐プリズム等の光学素子を用いた光学系の射出瞳上強度分布と像面上ビームスポット強度分布の例を示す図である。
【符号の説明】
１：半導体レーザー（光源）
２：カップリングレンズ
３：アパーチャー
４：シリンドリカルレンズ
５：ミラー
６：ポリゴンミラー（光偏向器）
６ａ：偏向反射面
７，８：走査結像レンズ
９：射出瞳
１０：被走査面（像面）
１１：深度拡大素子
１１Ａ：回折結像光学素子（強度分布変換素子）
１１Ｂ：濃度フィルター（強度分布変換素子）
１１Ｃ：４角錐プリズム（強度分布変換素子）
１１Ｄ：深度拡大素子
１１Ｄ-a：強度分布変換面
１１Ｄ-b：位相分布変換面

Claims

光源からの放射光束を集光して平行光束もしくは集束光束あるいは発散光束とするカップリングレンズと、該カップリングレンズからの光を偏向反射面で反射し等角速度的に偏向させる光偏向器と、該光偏向器からの偏向光束を被走査面上に光スポットとして集光する走査結像光学系とを備え、上記被走査面上を等速的に光走査する光走査装置において、
上記光源と上記偏向反射面の間の光路中に、光学系の焦点深度を深くするための深度拡大素子を付加する構成とし、かつ上記深度拡大素子は、強度分布を調整可能な格子ピッチ又は傾斜角を少なくとも一つ用いて設計される階段状でバイナリー型の格子構造を持つ回折結像光学素子からなる強度分布変換面と、射出瞳上の光束の位相分布を変換する位相分布変換面を有し、該位相分布変換面は、階段状のバイナリー型または０／１の２値型のいずれか一方を用いて平板に凹凸を刻む形状を決定し、該平板に凹凸を刻む形状により像面上のビームスポットのサイドローブを低減するように設計されることを特徴とする光走査装置。