JP4027630B2 - 反射型走査光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転多面鏡で偏向したレーザー光束を曲面状の反射面を有する光学素子で反射して走査対象面上を走査する反射型走査光学系に、関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、走査光学系は、多角柱状の回転多面鏡をその中心軸周りに回転させ、その回転多面鏡の各側面にてレーザー光束を動的に偏向することによって、走査対象面上でレーザー光束を走査する。また、走査対象面上でレーザー光束が走査される方向（主走査方向）と直交する方向（副走査方向）に、この走査対象面自体が移動されると、走査対象面上には複数の線状の軌跡（走査線）が一定の間隔で形成されるので、レーザー光束が画像情報に従ってオンオフ変調されていれば、走査対象面上には二次元状の画像が形成される。
【０００３】
従来の走査光学系は、等角速度で回転する回転多面鏡にて偏向されたレーザー光束を走査対象面上において等速度で走査させるために、回転多面鏡と走査対象面との間に走査速度補正用のｆθレンズを備えていた。また、回転多面鏡の有するいわゆる面倒れ誤差を補正するために、副走査方向においてレーザー光束を回転多面鏡の反射面上で一旦集束させるシリンドリカルレンズも備えていた。そして、当該反射面と走査対象面とがｆθレンズにより副走査方向において共役関係となるように、ｆθレンズの副走査方向における収束パワーが設定されていた。
【０００４】
最近では、ｆθレンズの代わりに曲面反射鏡を採用することによって色収差の低減や折り返しによる小型化が期待できる反射型走査光学系が、提案されている。その曲面反射鏡は、回転多面鏡により反射されたレーザー光束を走査対象面に向けて更に反射する反射鏡であり、その反射面は、回転多面鏡の中心軸を含む仮想平面を対称面とすると、その対称面を挟む両側が面対称となるアナモフィックな面形状に形成されている。また、この曲面反射鏡は、従来のｆθレンズと同様に、走査対象面上での走査速度の補正機能，主走査方向の像面湾曲補正機能，副走査方向の像面湾曲補正機能，及び、回転多面鏡の面倒れ誤差補正機能を有している。そして、反射型走査光学系では、曲面反射鏡の反射面による収差を防止するために、回転多面鏡に入射するレーザー光束が上記の仮想平面に沿って進行し、且つ、上記の仮想平面と走査対象面とが直交するように、光源と回転多面鏡と曲面反射鏡が、配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したシリンドリカルレンズの内部では、以下に説明するような現象が生じている。即ち、光源側及び回転多面鏡側のレンズ面を夫々第１面及び第２面とすると、光源から発せられて第１面より入射したレーザー光束のうちの大部分は第２面を透過して外部に射出されるとともに、レーザー光束のごく一部分は第２面において反射される。第２面において反射された光のうちの大部分は第１面を透過して外部に射出されるとともに、その光のごく一部分は第１面において更に反射される。そして、第１面において反射された光の大部分は第２面を透過して外部に射出される。
【０００６】
このようにして第２面から射出された光は、主走査方向においては、ほぼ平行光束として回転多面鏡側へ進行するが、副走査方向においては、シリンドリカル面により２度収束されているために、シリンドリカルレンズと回転多面鏡との間で一旦収束した後に、回転多面鏡側に向かって拡散する。
【０００７】
このように副走査方向に拡散する光のうちの一部は、回転多面鏡によって動的に偏向され、シリンドリカルレンズ内を一度に透過した描画用のレーザー光束と同じように、走査対象面上で走査される。このようにして走査対象面に達した光は、走査対象面上の同じ箇所ばかりを露光することもなく、また、元々その強度も極めて小さいので、描画品質に著しい影響を及ぼすこともない。
【０００８】
しかしながら、最近の回転多面鏡は軽量化のために扁平に形成されているので、副走査方向に拡散する光の大部分は、回転多面鏡の周囲を通り抜ける。このとき、回転多面鏡への入射方向が走査対象側に向いている反射型走査光学系であった場合には、回転多面鏡の周囲を通り抜けた光が、走査対象面に達することとなる。このようにして走査対象面に達した光は、その強度は極めて弱いが、回転多面鏡によって偏向されることなく走査対象面上の同じ箇所ばかりを露光し続けるので、走査対象面上の画像内にゴースト像を生じさせ、描画品質を著しく低下させる。
【０００９】
本発明は、上述したような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、シリンドリカルレンズの入出射面において反射を繰り返すことにより射出される描画に不要な光を描画用のレーザー光束とは異なる方向に向けさせ得る反射型走査光学系を、提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために構成された反射型走査光学系は、レーザー光束を発する光源、中心軸周りに等角速度に回転することにより光源から発せられるレーザー光束をその外周面に配置された複数の反射面において偏向する回転多面鏡、その回転多面鏡により偏向されたレーザー光束を走査対象面へ向けて反射させるとともにスポット光として集束させて走査対象面上で主走査方向に沿って等速度に走査させる曲面を反射面として有する光学素子、及び、走査対象面上で主走査方向に直交する副走査方向において光源からのレーザー光束を回転多面鏡の反射面近傍に集束させるシリンドリカルレンズを備え、主走査方向と平行な方向に視線を向けて見た場合に、シリンドリカルレンズ内において繰り返し反射されることによりシリンドリカルレンズから回転多面鏡側に射出されてその回転多面鏡の周囲を通り抜けた光が、走査対象面に達することになる反射型走査光学系であって、シリンドリカルレンズが、回転多面鏡に入射するレーザー光束のビーム軸の方向に対して直交する仮想面から副走査方向の軸回りに回転する方向へ傾けられていることによりレーザー光束のビーム軸を前記主走査方向に屈折させる平面と、レーザー光束のビーム軸に対して母線が直交するとともにその母線が平面から副走査方向の軸回りに回転する方向へ傾いているシリンドリカル面とを、その入射面及び射出面として有していることを、特徴としている。
【００１１】
このように、本発明は、シリンドリカルレンズの平面によってレーザー光束を屈折させる構成となっているので、光源から発せられてシリンドリカルレンズ内部においてシリンドリカル面と平面とによって繰り返し反射されて回転多面鏡側に射出された光は、シリンドリカルレンズ内を反射されずに透過して回転多面鏡に向かって進行する描画用のレーザー光束の光路からずれた向きへ偏向される。
【００１２】
従って、シリンドリカルレンズの入出射面で反射を繰り返して射出された光は、回転多面鏡に向かって進行しないので、回転多面鏡の周囲を通り抜けて走査対象面に達することがない。また、描画用のレーザー光束の光路以外の位置に遮蔽部材を配置しておけば、シリンドリカルレンズの入出射面で反射を繰り返して射出される光を遮ることができ、この光に因るゴースト像の発生をより完全に抑制することもできる。
【００１３】
なお、シリンドリカルレンズは、その平面が光源側に向けられていても良いし、その平面が回転多面鏡側に向けられていても良いが、描画用のレーザー光束の断面形状をできるだけ円形に保つことを考慮するならば、平面が光源側に向けられている方が望ましい。
【００１４】
シリンドリカルレンズの平面は、回転多面鏡に入射するレーザー光束のビーム軸に直交する平面から、少なくとも主走査方向へ傾いていれば良く、副走査方向へは傾いていても良いし、傾いていなくても良い。何れの場合も、平面の傾き方向及び傾き量に応じて、回転多面鏡に入射するレーザー光束のビーム軸に対して、光源からのレーザー光束のビーム軸を傾ける必要がある。
【００１５】
さらに、本発明によるシリンドリカルレンズは、シリンドリカル面とシリンドリカル面の母線に平行な平面とからなるシリンドリカルレンズに楔形プリズムを貼り付けることによって構成されていても良いし、これらのように別体ではなく一体形成されたものであっても良い。なお、シリンドリカルレンズと楔形プリズムとを貼り合わせた別体構成の場合、シリンドリカルレンズと楔形プリズムとが同じ材質であれば、界面となる貼り合わせ面での光の反射を殆ど無視することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る反射型走査光学系の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態の反射型走査光学系の光学構成を、図１に示す。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の反射型走査光学系１０は、レーザー光源１，コリメートレンズ２，シリンドリカルレンズ３，レーザー光束を偏向する偏向器としてのポリゴンミラー４，及び、ポリゴンミラー４により偏向された光束を走査対象面上に集束させる結像光学系としてのｆθミラー５を、備える。
【００１８】
レーザー光源１は、レーザー光束を発振する半導体レーザーである。コリメートレンズ２は、レーザー光源１から発散光として発せられるレーザー光束を平行光束に変換するレンズである。シリンドリカルレンズ３は、各レンズ面が夫々平面３ａ及びシリンドリカル面３ｂとして形成されたレンズである。ポリゴンミラー４は、扁平な正六角柱状に形成されており、その各側面は反射面として構成されている。また、ポリゴンミラー４は、その中心軸４ａ周りに等角速度で回転駆動されるようになっている。ｆθミラー５は、ポリゴンミラー４の中心軸４ａを含む仮想平面（図示略）を対称面とすると、その対称面を挟む両側が互いに面対称であるアナモフィックな面形状の曲面反射鏡である。なお、本実施形態の反射型走査光学系１０では、円柱状の感光ドラム１１の外周面が走査対象面となっている。この感光ドラム１１は、その中心軸が上記の仮想平面と直交し且つその仮想平面により等分に分割される位置に、配置されている。
【００１９】
そして、レーザー光源１から発せられるレーザー光束は、コリメートレンズ２により平行光束とされた後、シリンドリカルレンズ３の平面３ａから入射するとともにそのシリンドリカル面３ｂから射出され、そのビーム軸Axが上記の仮想平面に沿うように進行して、ポリゴンミラー４の反射面に入射する。この反射面で反射されたレーザー光束は、ｆθミラー５によって反射されることにより、感光ドラム１１の外周面上を露光するスポット光として集束される。このとき、ポリゴンミラー４に入射するレーザー光束は、ポリゴンミラー４の回転に伴って各反射面で動的に偏向されるので、スポット光は、感光ドラム１１の外周面上を主走査方向に沿って走査する。
【００２０】
なお、この反射型走査光学系１０をポリゴンミラー４の中心軸４ａの延長線上から見ると、ｆθミラー５は、シリンドリカルレンズ３とポリゴンミラー４との間に配置され、感光ドラム１１は、ポリゴンミラー４を挟んでｆθミラー５とは反対側に配置されている。また、上記の仮想平面に直交する方向（即ち、主走査方向）に視線を向けて見ると、ｆθミラー５は、ポリゴンミラー４に入射するレーザー光束のビーム軸Axに対して上方に配置され、感光ドラム１１は、ｆθミラー５で反射されてポリゴンミラー４の近傍を通過するレーザー光束が入射可能な位置に配置されている。そして、ポリゴンミラー４の何れかの反射面が上記の仮想平面と直交する位置にある場合、シリンドリカルレンズ３を透過したレーザー光束のビーム軸Axは、ポリゴンミラー４により上記の仮想平面内で折り曲げられた後、更にｆθミラー５により上記の仮想平面内で折り曲げられ、感光ドラム１１の外周面に達する。従って、主走査方向に視線を向けてこの反射型走査光学系１０を見ると、上記の仮想平面内を進行するビーム軸Axは、略Ｚ字状に進行しているように見える。
【００２１】
ところで、シリンドリカルレンズ３を透過したレーザー光束は、主走査方向においては、平行光束のままポリゴンミラー４で反射され、ｆθミラー５の収束パワーによって走査対象面上にて収束されるが、副走査方向（走査対象面内で主走査方向に直交する方向）においては、ポリゴンミラー４の反射面近傍で一旦収束され、発散光としてｆθミラー５に入射し、ｆθミラー５の収束パワーによって再び走査対象面上に収束される。このとき、ｆθミラー５によってポリゴンミラー４の反射面と感光ドラム１１の外周面（走査対象面）とが共役関係となっているために、ポリゴンミラー４の各反射面の僅かな傾き（いわゆる「面倒れ」）による走査位置の副走査方向へのずれが、補正される。このため、レーザー光束は、ポリゴンミラー４のどの反射面によって反射されても、走査対象面における同一線上を走査する。
【００２２】
なお、スポット光は、走査対象面上に線状の軌跡（走査線）を描くが、感光ドラム１１がその中心軸周りに等速度で回転されるので、感光ドラム１１の外周面（走査対象面）上には、複数の走査線が等間隔に形成される。また、このように走査対象面上で繰り返し走査されるレーザー光束は、画像情報に従ってオンオフ変調されているので、走査対象面上には、画像情報に基づく画像が描画される。
【００２３】
上述した構成を有する本実施形態の反射型走査光学系１０では、シリンドリカルレンズ３は、そのシリンドリカル面３ｂの母線と平行な方向（即ち、主走査方向）に対してその平面３ａが傾いている形状に、形成されている。また、シリンドリカルレンズ３を透過した後のレーザー光束のビーム軸Axが、シリンドリカルレンズ３の平面３ａが傾いていない場合のそれと同軸となるように、平面３ａの傾き角度に合わせて、シリンドリカルレンズ３に入射するレーザー光束のビーム軸Axが傾けられている。本実施形態の反射型走査光学系１０がこのように構成されているのは、以下の理由による。なお、主走査方向に視線を向けて見た場合における光の光路の概略を図２(ａ)に、ポリゴンミラー４の中心軸４ａの延長線上から見た場合におけるその光路の概略を図２(ｂ)に、夫々示す。但し、図２に示す光路は、説明のために、若干誇張されている。
【００２４】
即ち、コリメートレンズ２を透過することによって平行光束とされたレーザー光束は、シリンドリカルレンズ３の平面３ａから内部に入射すると、そのうちの大部分は、シリンドリカルレンズ３のシリンドリカル面３ｂを透過して描画用のレーザー光束としてポリゴンミラー４に入射するが、残りの部分は、シリンドリカル面３ｂにおいて反射される。また、シリンドリカル面３ｂにおいて反射された光のうち、大部分は、平面３ａを透過してコリメートレンズ２へ向かうが、残りの部分は、平面３ａにおいて再度反射される。そして、平面３ａにおいて反射された光のうちの大部分は、シリンドリカル面３ｂを透過して、ポリゴンミラー４側へ進行する。
【００２５】
このようにしてポリゴンミラー４へ進行する迷光Ｇは、シリンドリカル面３ｂにより２度収束されているために、図２(ａ)に示すように、シリンドリカルレンズ３とポリゴンミラー４との間で一旦収束した後、ポリゴンミラー４及び感光ドラム１１に向かって拡散する。
【００２６】
しかし、図２(ｂ)に示すように、平面３ａは、ビーム軸Axに直交する方向から主走査方向に傾いているために、平面３ａにおいて反射された迷光Ｇは、描画用のレーザー光束の光路から主走査方向にずれた方向へ向かって進行する。なお、この迷光Ｇが描画用のレーザー光束の光路からずれる向きは、平面３ａがビーム軸Axに直交する方向から傾くのと同じ向きであり、このずれ量は、平面３ａのビーム軸Axに直交する方向からの傾き角度に依存する。従って、平面３ａの傾き方向及び傾き量を適宜設定すれば、この迷光Ｇを描画用のレーザー光束から分離できる。
【００２７】
また、描画用のレーザー光束の光路を遮らないでこの迷光Ｇのみを遮蔽する遮蔽部材１２をこの迷光Ｇの光路上に配置すれば、走査対象面上に描画された画像内でのこの迷光Ｇに因るゴースト像の発生を、ほぼ完全に防止できる。
【００２８】
ところで、図２に示したｆθミラー５は、前面から入射したレーザー光束を後面で反射して前面から射出する裏面反射タイプの光学素子として示されているが、前面で直接反射する表面反射タイプの光学素子であっても良い。何れの場合でも、ビーム軸Axに直交する方向から平面３ａが傾いていれば、迷光Ｇが描画用のレーザー光束から分離され得ることにかわりはない。なお、前者のような裏面反射タイプの光学素子の具体例は、本出願人が先にした特許出願（特開平11-242178号）において開示されている。また、後者のような表面反射タイプの光学素子の具体例は、本出願人が先にした特許出願（特開平11-30710号）において開示されている。
【００２９】
以下、実施例を示す。次に示す表１は、本実施形態の反射型走査光学系１０におけるシリンドリカルレンズ３よりポリゴンミラー４の反射面に至るまでの近軸における具体的な数値構成を示したものである。この表１において、記号NOは、シリンドリカルレンズ３の入射側のレンズ面（平面３ａ）を１番としてこのレンズ面より射出側に向かって昇順に各レンズ面に付された面番号である。また、記号Ryは、レンズ面の主走査方向の曲率半径（単位は[mm]）であり、記号Rzは、副走査方向の曲率半径（単位は[mm]）であり、記号dは、次の面までの光軸上での距離（単位は[mm]）であり、記号nは、設計波長780nmでの各レンズの屈折率である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
また、ポリゴンミラー４の中心軸４ａの延長線上から見たときのシリンドリカルレンズ３からポリゴンミラー４までの具体的な光の進行状態を、図３に示す。なお、図３に示す光束の進行方向は、図２のそれとは逆である。図３に示すように、シリンドリカルレンズ３の平面３ａは、描画用のレーザー光束のビーム軸Axに直交する方向から、ビーム軸Ax方向へ4.0°（プリズム量）だけ傾けられている。また、シリンドリカルレンズ３に入射するレーザー光束の光束径は、4.0mmである。さらに、シリンドリカルレンズ３に入射するレーザー光束のビーム軸Ax’は、当該レンズ３を透過した後の描画用のレーザー光束のビーム軸Ax方向から、ビーム軸Axに直交する方向へ2.0°(=sin^-1[1.48617×sin4°]-4°)だけ傾けられている。なお、ビーム軸Ax方向からビーム軸Ax’が傾けられる方向は、ビーム軸Axに直交する方向から平面３ａが傾けられる方向とは、逆方向である。
【００３２】
このように構成されていると、第１面（平面３ａ）で反射した迷光Ｇのビーム軸Axに対する分解角（偏向角）は、『２×プリズム量×屈折率＝分解角』から求められるように、11.9°となる。そして、迷光Ｇは、第２面（シリンドリカル面３ｂ）からビーム軸Ax方向へ向かって57.0mmの位置においては、ビーム軸Axからこの軸Axに直交する方向へ10.6mm離れた地点から14.6mm離れた地点までの間を、通過する。
【００３３】
従って、シリンドリカルレンズ３とポリゴンミラー４との中間位置（第１面から57.0mm離れた位置）では、描画用のレーザー光束と迷光Ｇとが互いに8.6mm(=10.6mm-4.0mm/2)も離れているので、遮蔽部材１２を配置することが十分可能である。
【００３４】
なお、遮蔽部材１２は、レーザー光束を透過させない材質から製造されていれば何でも良い。また、遮蔽部材１２は、反射型走査光学系１０を内蔵する走査ユニットの筐体と別体であっても良いし、その筐体の一部として一体に形成されたものであっても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の反射型走査光学系によれば、シリンドリカルレンズの入出射面において反射を繰り返すことにより射出される描画に不要な光を、描画用のレーザー光束とは異なる方向に向けさせることができる。これにより、不要な光が走査対象面に到達しないので、画像内にゴースト像を生じさせることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による実施の形態である反射型走査光学系の光学構成図
【図２】 反射型走査光学系のシリンドリカルレンズの入出射面で反射した光の光路を示し、（ａ）主走査方向に視線を向けて見た状態、及び（ｂ）ポリゴンミラーの中心軸の延長線上から見た状態の説明図
【図３】 シリンドリカルレンズからポリゴンミラーまでの光の進行状態を示す光路図
【符号の説明】
１ レーザー光源
２ コリメートレンズ
３ シリンドリカルレンズ
３ａ 平面
３ｂ シリンドリカル面
４ ポリゴンミラー
５ ｆθミラー
１０ 反射型走査光学系
１１ 感光ドラム
１２ 遮蔽部材

Claims (6)

1. レーザー光束を発する光源、
   中心軸周りに等角速度に回転することにより前記光源から発せられるレーザー光束をその外周面に配置された複数の反射面において偏向する回転多面鏡、
   前記回転多面鏡により偏向されたレーザー光束を走査対象面へ向けて反射させるとともにスポット光として集束させて前記走査対象面上で主走査方向に沿って等速度に走査させる曲面を反射面として有する光学素子、及び、
   前記走査対象面上で前記主走査方向に直交する副走査方向において前記光源からのレーザー光束を前記回転多面鏡の反射面近傍に集束させるシリンドリカルレンズ
   を備え、
   前記主走査方向と平行な方向に視線を向けて見た場合に、前記シリンドリカルレンズ内において繰り返し反射されることにより前記シリンドリカルレンズから前記回転多面鏡側に射出されてその回転多面鏡の周囲を通り抜けた光が、前記走査対象面に達することになる反射型走査光学系であって、
   前記シリンドリカルレンズが、前記回転多面鏡に入射するレーザー光束のビーム軸の方向に対して直交する仮想面から副走査方向の軸回りに回転する方向へ傾けられていることによりレーザー光束のビーム軸を前記主走査方向に屈折させる平面と、レーザー光束のビーム軸に対して母線が直交するとともにその母線が前記平面から副走査方向の軸回りに回転する方向へ傾いているシリンドリカル面とを、その入射面及び射出面として有していることを特徴とする反射型走査光学系。
2. 前記回転多面鏡に入射するレーザー光束のビーム軸は、前記回転多面鏡の前記中心軸を含む仮想平面内にあり、前記中心軸に対して傾いている
   ことを特徴とする請求項１記載の反射型走査光学系。
3. 前記光学素子において前記回転多面鏡に対向する面の反対側にある面が、前記反射面として作用する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の反射型走査光学系。
4. 前記シリンドリカルレンズの前記平面は、前記回転多面鏡の中心軸を含む仮想平面に直交するとともに前記回転多面鏡に入射するレーザー光束のビーム軸を含む第２の仮想平面内においてのみ、前記レーザー光束のビーム軸を屈折させる
   ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の反射型走査光学系。
5. 前記シリンドリカルレンズは、前記シリンドリカル面が射出面となるよう前記回転多面鏡側に向けられた状態で、配置されている
   ことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の反射型走査光学系。
6. 前記シリンドリカルレンズの入射面と射出面とにおいて繰り返し反射されて前記回転多面鏡側に射出される光の光路上に、この光を遮蔽するための遮蔽部材を、更に備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の反射型走査光学系。

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