JP3943155B2

JP3943155B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP3943155B2
Application number: JP30172795A
Authority: JP
Inventors: 球高田; 望井上; 高志 ▲濱▼; 雄二郎野村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JPH09146030A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームプリンタ等に用いられ、複数のビームで被走査面を走査する光走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザビームプリンタ等には、複数のビームで被走査面を走査する光走査装置が用いられているが、複数のビームのうち、走査中心を走査するときに、結像光学系の光軸から副走査方向に離れた位置を通過するビーム、すなわち、結像光学系の光軸から副走査方向にオフセットした球欠面を走査するビームが、被走査面上に形成する走査線が湾曲してしまうという問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、特開昭６０−２１０３１号公報のように、レーザ光源と回転多面鏡との間に超音波光偏向器を設ければ、ブラグ回折角を調整することにより走査線湾曲を補正することができる。
【０００４】
あるいは、特開平２−５４２１１号公報のように、発光部から被走査面までの間の光学系の横倍率の絶対値を２以下とすることにより、走査線湾曲を少なくすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−２１０３１号公報の超音波光偏向器は、高価、複雑かつ大型であり、駆動回路も複雑であるという問題点を有する。
【０００６】
また、特開平２−５４２１１号公報によると、横倍率が２倍以下と極めて低いため、半導体レーザの光出力の大部分は、「けられ」により失われ、被走査面まで到達するのはごく一部となり、光出力に関する光学系の効率が非常に低い。そのため、半導体レーザの光出力では不十分となり、実用的ではないという問題点を有する。また、横倍率の縮小に比例して、走査線の湾曲量を少なくするだけであり、走査線湾曲を完全に補正することはできず、根本的に解決するものではない。
【０００７】
そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、走査線湾曲がなく光出力の利用効率が高い実用的な光走査装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光走査装置は、複数の発光部から複数の光ビームを発生する光源と、光ビームを偏向する偏向器と、偏向器により偏向された光ビームを被走査面上に結像する結像光学系とを有し、結像光学系は第１結像レンズと第２結像レンズとにより構成される光走査装置であって、第２結像レンズは、長手方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面から遠ざかるように湾曲していおり、その前記偏向器側の面が回転軸が前記第２結像レンズよりも被走査面側の主走査断面内に位置する鞍形トーリック面であり、その鞍形トーリック面の主走査断面は、非球面形状であることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の光走査装置は、上記の構成に加え、以下のいずれかの構成をとることを特徴とする。
【００１０】
１）第２結像レンズは、被走査面側の面が非円柱面である。
２）第２結像レンズは、主走査方向の屈折力が走査中心で負、走査端で正である。
３）第２結像レンズは、樹脂で形成されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づき本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明を実施する形態である光走査装置を示したものである。まず最初に、光学系の光軸上の任意の点において、その点での光軸と偏向器の回転軸とに垂直な方向を主走査方向と定義し、また、光軸と主走査方向とに垂直な方向を副走査方向と定義する。さらに光軸を含み主走査方向に平行な面を主走査断面、光軸を含み副走査方向に平行な面を副走査断面と定義する。
【００１３】
光源である半導体レーザアレイ１より複数のビームが射出される。射出されたビームは発散しているビームであり、コリメータレンズ２によって平行なビームに変換される。平行なビームはアパーチャ３により絞り込まれる。絞り込まれたビームは、副走査方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズ４により、副走査方向にのみ集束作用を受ける。さらに、ビームは偏向器である回転多面鏡５の反射面６の近傍で、副走査方向において結像し、反射面６で反射され、なおかつ、回転多面鏡５の回転に伴って偏向される。偏向されたビームは第１結像レンズ７、第２結像レンズ８で集束作用を受け、被走査面９上に複数のビームスポットを形成する。
【００１４】
次に、結像光学系の構成と機能について説明する。図２（ａ）は結像光学系の主走査断面図、図２（ｂ）は副走査断面図である。第１結像レンズ７は単レンズであり、主走査方向に正の屈折力を有し、副走査方向には屈折力を有さない。第２結像レンズ８も単レンズで、入射面、射出面ともに主走査断面は非球面形状となっており、主走査方向の屈折力は、走査中心で負、走査端で正となっているが、それらの屈折力はいずれも弱い。副走査方向には正の強い屈折力を有する。
【００１５】
第２結像レンズ８の入射面は、主走査断面の曲線を、回転軸１０を中心に回転させることにより形成される面である。主走査断面は凹であり、回転軸１０は第２結像レンズ８よりも被走査面９側にあるため、副走査断面は凸となる。このような形状の面を、鞍形トーリック面と称する。第２結像レンズ８の射出面は、主走査断面が凸の非球面形状、副走査断面が直線であり、このような形状の面を非円柱面と称する。
【００１６】
ビーム１１は、主走査方向では反射面６上で平行となっており、主に第１結像レンズ７の屈折力により被走査面９に結像する。一方、副走査方向では、ビーム１１は反射面６上に結像しており、第２結像レンズ８の屈折力により被走査面９に結像する。副走査方向においては、反射面６と被走査面９とが光学的に共役関係となっており、回転多面鏡５の反射面６の面倒れを補正する機能を有している。
【００１７】
第２結像レンズ８は、長手方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面９から遠ざかるように湾曲している。そのため、反射面６と被走査面９との間の副走査方向の光学倍率が、有効走査領域において均一となり、複数の走査線が湾曲せずに直線となる。このことについて次に説明する。
【００１８】
まず、比較のために、従来の光走査装置における結像光学系の主走査断面図を図３に示す。従来技術の第２結像レンズ１０８の形状は直線状である。図３には、光軸上を通過するビーム１１２と光軸外を通過するビーム１１３を示している。ビーム１１３は、第１結像レンズ１０７の正の屈折力を受けて屈折されるが、主走査方向の屈折力が小さい第２結像レンズ１０８ではほとんど屈折されない。光軸上のビーム１１２に沿って、反射面１０６から第１結像レンズ１０７までの距離をＤ、第１結像レンズ１０７から第２結像レンズ１０８までの距離をＥ、第２結像レンズ１０８から被走査面１０９までの距離をＦとする。また、ビーム１１３に沿って、反射面１０６から第１結像レンズ１０７までの距離をｄ、第１結像レンズ１０７から第２結像レンズ１０８までの距離をｅ、第２結像レンズ１０８から被走査面１０９までの距離をｆとする。反射面１０６と被走査面１０９との間では、第２結像レンズ１０８のみが副走査方向の屈折力を有しているため、反射面１０６と被走査面１０９との間の副走査方向の光学倍率は、それぞれのビーム上における第２結像レンズ１０８の位置に依存する。すなわち、ビーム１１２に対する副走査方向の光学倍率は、Ｆ／（Ｄ＋Ｅ）であり、ビーム１１３に対する副走査方向の光学倍率は、ｆ／（ｄ＋ｅ）である。
【００１９】
ここで、光軸外のビーム１１３は、第２結像レンズ１０８でほとんど屈折されないため、Ｅとｅとの比と、Ｆとｆとの比はほとんど同じである。ところが、第１結像レンズ１０７では、正の屈折力を受けて屈折されるため、Ｄとｄの比はそれらよりも小さくなり、光軸外での光学倍率ｆ／（ｄ＋ｅ）は、光軸上での光学倍率Ｆ／（Ｄ＋Ｅ）よりも小さくなる。このことから、副走査方向の光学倍率は、走査中心から走査端に向かって小さくなることがわかる。このような副走査方向の光学倍率の変動により、図４に示すように、複数のビームのうち、結像光学系の光軸を含む面を走査するビームにより、被走査面１０９に形成される走査線１２２は、直線となるが、走査中心を走査するときに、結像光学系の光軸から副走査方向に離れた位置を通過するビーム、すなわち、結像光学系の光軸から副走査方向にオフセットした球欠面を走査するビームにより形成される走査線１２３は湾曲してしまう。
【００２０】
図５は本形態の結像光学系の主走査断面を示した図である。第２結像レンズ８は、主走査方向の屈折力が小さいため、主走査方向に屈折力を持たないレンズとして模式的に描いてある。図５には光軸上を通過するビーム１２と、光軸外を通過するビーム１３をも示している。本形態では、第２結像レンズ８が、長手方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面９から遠ざかるように湾曲している。そのため、光軸外のビーム１３において、図３のような、第２結像レンズ１０８が湾曲していない場合に比べて、第１結像レンズ７から第２結像レンズ８までの距離ｅは短く、第２結像レンズ８から被走査面９までの距離ｆは長くなり、副走査方向の光学倍率ｆ／（ｄ＋ｅ）は大きくなる。このことを利用して、第２結像レンズ８の湾曲量を適当な値に設定すれば、反射面６と被走査面９との間の副走査方向の光学倍率を、有効走査領域において均一にすることができ、複数の走査線すべてを直線にすることができる。
【００２１】
結像光学系の収差補正の原理を、図２に基づいて説明する。主走査方向の像面湾曲は主に第１結像レンズ７で補正されている。ｆθ特性の補正は、第１結像レンズ７では不充分である。そこで、第２結像レンズ８の主走査方向の屈折力を、走査中心において負、走査端において正とし、走査中心で走査速度を速く、走査端で走査速度を遅くするようにして、第２結像レンズ８でもｆθ特性を補正している。
【００２２】
副走査方向の像面湾曲は、第２結像レンズ８の入射面で補正している。先述したように、第２結像レンズ８の入射面は、主走査断面の曲線を、回転軸１０を中心に回転させることにより形成される鞍形トーリック面であり、第２結像レンズ８が湾曲しているため、副走査方向の曲率半径は走査中心から走査端に向かって大きくなっており、副走査方向の焦点距離は走査中心から走査端に向かって長くなっている。一方、走査中心から走査端に向かうにつれて、第２結像レンズ８に入射するビームは斜めに入射することになり、ビームが正面から入射する場合に比べて、副走査方向の焦点距離は短くなる。また、走査中心から走査端に向かうにつれて、ビームと光軸とのなす角が大きくなり、ビームに沿った第２結像レンズ８と被走査面９との距離は長くなる。本形態では、第２結像レンズ８の入射面を鞍形トーリック面とすることにより、これらの三つの条件を互いに相殺し、副走査方向の像面湾曲を補正することができる。また、鞍形トーリック面の副走査方向の曲率半径は、主走査断面形状に依存するため、本形態のように、鞍形トーリック面の主走査断面を非球面形状とすることにより、副走査方向の曲率半径を有効走査領域で任意に設定することができ、副走査方向の像面湾曲を特に良好に補正することができる。
【００２３】
第２結像レンズ８の入射面で副走査方向の像面湾曲が補正されるので、射出面の副走査方向の屈折力は無くても構わない。そのため、本形態では、射出面の副走査断面を直線としている。ただし、主走査方向では、ｆθ特性を補正するため、主走査断面形状は非球面形状である。従って、射出面は非円柱面となっている。ｆθ特性を補正するためには、面の屈折力によって走査速度を変化させねばならず、本形態では、球面からの変位を示す非球面変位量を、鞍形トーリック面に比べて非円柱面でより大きくすることにより、良好なｆθ特性を実現している。
【００２４】
鞍形トーリック面は、曲線を回転軸１０を中心に回転することにより形成される面であり、加工する際には、回転運動だけで加工することができるため、製造が容易である。また、非円柱面は、副走査断面が直線であるため、やはり加工および製造が容易である。
【００２５】
ただし、第２結像レンズ８の面の構成は、この限りではない。入射面や射出面を、球面、シリンドリカル面、トーリック面で構成しても構わなく、また、主走査方向と副走査方向の曲率半径がレンズの有効領域で任意に変化するような非球面でも構わない。各収差が補正されるようにそれらを組み合わせればよい。いずれにしても、第２結像レンズ８が、長手方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面９から遠ざかるように湾曲していれば、副走査方向の光学倍率が有効走査領域において均一となり、複数の走査線が直線となる効果を有する。
【００２６】
本形態において、第２結像レンズ８は樹脂で形成されている。非球面を有するレンズをガラスで製造すると、コストが高くつくため実用的ではないが、樹脂で成型すると容易に大量生産をすることができ、コストも低くすることができる。
【００２７】
本形態では、第２結像レンズ８を湾曲させることにより、副走査方向の光学倍率を均一にすることと、副走査方向の像面湾曲を補正することとを行なっている。ただし、副走査方向の光学倍率を完全に均一にするための、第２結像レンズ８の湾曲量と、副走査方向の像面湾曲を完全に補正するための、第２結像レンズ８の湾曲量とは、必ずしも一致しない。それらが一致しない場合には、走査線の位置ずれを重視するならば、光学倍率を均一にするように湾曲量を決めればよく、また、ビームスポットの形状や大きさの均一性を重視するならば、像面湾曲を補正するように湾曲量を決めればよい。なお、副走査方向の光学倍率を完全に均一にするため、あるいは、副走査方向の像面湾曲を完全に補正するための、第２結像レンズ８の湾曲量は、第１結像レンズ７や第２結像レンズ８の位置に依存する。
【００２８】
なお、本形態では、偏向器が回転多面鏡である場合について説明を行なってきたが、その他に、回転単面鏡、回転２面鏡、あるいは、回転軸を中心に正弦振動を行なうガルバノミラー等についても容易に実現可能であり、同様の効果が得られる。
【００２９】
また、本形態では、第１結像レンズが単レンズである場合について記したが、複数枚のレンズで構成しても、本発明の効果は同様に得られる。そのようにすれば、収差補正はさらに良好となる。
【００３０】
以上述べたように、本発明はレーザビームプリンタに用いると特に有効であるが、デジタル複写機、ファクシミリ、レーザ走査ディスプレイ等の画像形成装置や、スキャナ等の画像入力装置、あるいは光学マーク読み取り用レーザ走査装置、表面検査用レーザ走査装置等にも適用することができる。
【００３１】
【実施例】
本形態の代表的な実施例の光学諸元を表１に示す。ただし、１走査の走査開始から走査終了までの回転多面鏡の回転角を２ωとする。半導体レーザアレイの発光点をＳ₁、コリメータレンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₂、Ｓ₃、シリンドリカルレンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₄、Ｓ₅、回転多面鏡の反射面をＳ₆、第１結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₇、Ｓ₈、第２結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₉、Ｓ₁₀とする。各光学諸元の記号については、第ｉ面Ｓ_iの曲率半径をｒ_i、第ｉ面から次の面までの軸上面間隔をｄ_iとし、コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ、第１結像レンズ、第２結像レンズの屈折率をそれぞれｎ₂、ｎ₄、ｎ₇、ｎ₉とする。また、アナモフィックなレンズ面では、副走査方向、主走査方向の曲率半径をそれぞれｒ_ix、ｒ_iyとし、非球面の曲率半径については、光軸上の値を示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
第２結像レンズの主走査断面は非球面形状であり、
【００３４】
【数１】

【００３５】
で表わす。ただし、座標は、レンズ面が光軸と交わる点を原点とし、光軸方向にｚ軸、主走査方向にｙ軸をとっている。Ｋ_i、Ａ_iは非球面係数である。これらの係数の値を表２に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下のような効果を有する。
【００３８】
まず、請求項１記載の発明によれば、第２結像レンズを、長手方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面から遠ざかるように湾曲させることにより、実用的な構成で、副走査方向の光学倍率が有効走査領域において均一となり、複数の走査線が全て直線となり、走査線の位置ずれが生じないという効果を有する。
【００３９】
請求項２記載の発明によれば、第２結像レンズの偏向器側の面を、鞍形トーリック面とすることにより、副走査方向の像面湾曲が良好に補正されるという効果を有する。また、回転運動のみでの加工が可能となるため、レンズの製造が容易となるという効果をも有する。
【００４０】
請求項３記載の発明によれば、鞍形トーリック面の主走査断面を、非球面形状とすることにより、副走査方向の曲率半径を有効走査領域で任意に設定することができ、副走査方向の像面湾曲がさらに良好に補正されるという効果を有する。
【００４１】
請求項４記載の発明によれば、第２結像レンズの被走査面側の面を、非円柱面とすることにより、ｆθ特性が良好に補正されるという効果を有する。また、副走査断面が直線であるため、レンズの製造が容易となるという効果をも有する。
【００４２】
請求項５記載の発明によれば、第２結像レンズの主走査方向の屈折力を、走査中心で負、走査端で正とすることにより、ｆθ特性がさらに良好に補正されるという効果を有する。
【００４３】
請求項６記載の発明によれば、第２結像レンズを、樹脂で形成することにより、加工が容易で大量生産をすることができ、コストが低くなるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の斜視図。
【図２】本発明の実施の形態の結像光学系の断面図。
【図３】従来の光走査装置の結像光学系の主走査断面図。
【図４】従来の光走査装置の走査線の湾曲を示す図。
【図５】本発明の実施の形態の結像光学系の主走査断面図。
【符号の説明】
１半導体レーザアレイ
２コリメータレンズ
３アパーチャ
４シリンドリカルレンズ
５回転多面鏡
６反射面
７第１結像レンズ
８第２結像レンズ
９被走査面

Claims

複数の発光部から複数の光ビームを発生する光源と、前記光ビームを偏向する偏向器と、前記偏向器により偏向された前記光ビームを被走査面上に結像する結像光学系とを有し、前記結像光学系は第１結像レンズと第２結像レンズとにより構成される光走査装置であって、
前記第２結像レンズは、長手方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面から遠ざかるように湾曲しており、その前記偏向器側の面が回転軸が前記第２結像レンズよりも被走査面側の主走査断面内に位置する鞍形トーリック面であり、その鞍形トーリック面の主走査断面は、非球面形状であることを特徴とする光走査装置。
前記第２結像レンズは、前記被走査面側の面が非円柱面であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
前記第２結像レンズは、主走査方向の屈折力が走査中心で負、走査端で正であることを特徴とする請求項１又は２記載の光走査装置。
前記第２結像レンズは、樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３記載の光走査装置。