JP4058596B2 - 透過型光学素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置の走査レンズ等に使われる短冊形状の樹脂製透過型光学素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、レンズ等の透過型光学素子として樹脂成形により製作されたものが広く用いられている。その理由としては、量産性が高く低コスト化に有効であること、複雑な非球面形状の製作も可能であることが挙げられる。しかしながら、この種の樹脂成形により製作された透過型光学素子においては、光学素子の厚さが一様でないなどの理由により、熱溶融した樹脂材料の金型内部での冷却速度に差が生じ、屈折率分布が発生することが既に知られている。
【0003】
光走査装置に用いられる走査レンズに入射する偏向光束は、一般に単一の平面内またはその近傍を通るため、走査レンズは不要部分を除いた「短冊形状」とされることが多い。このような短冊形状のレンズを樹脂成形で製作すると、特に短冊形状の短手方向(走査平面に垂直な方向)において屈折率分布が発生しやすい。この現象については特開平9−49976号公報および特開平11−2768号公報に開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この屈折率分布を緩和する手段として、熱溶融した樹脂材料を長時間かけて冷却することが考えられるが、量産性が低下してしまい樹脂成形の特長を活かせない。また、屈折率分布が発生する原因は冷却時の条件だけでなく、射出時の条件でも起こり得る。長手方向の一方の端部付近に設けたゲートから樹脂材料を射出する場合、ゲートに近い側(ゲート側)とゲートから遠い側(反ゲート側)で充填に時間差が生じる。このような場合には充填直後すでに金型内部のゲート側と反ゲート側で温度分布が非対称になっている。そのため屈折率分布も非対称になり、光束を透過させた際の屈折作用も非対称となって、結像特性に影響を与える。この影響を緩和する手段としては、樹脂材料の射出速度を上げて時間差を小さくすることが考えられるが、フローマーク、ジェッティング、シルバー、バリなどが発生しやすくなり、また残留歪みが大きくなるなどの問題が生じる。他にも緩和手段として、レンズ形状を薄肉化するなど形状を工夫することが考えられる。しかし薄肉では長手方向端部の肉厚を確保するために曲率半径の下限が厳しくなりパワーが十分取れなくなるため、少ないレンズ枚数で光学系の基本仕様を満たすことが困難となる。
【0005】
本発明の目的は、量産性が高く低コストな、樹脂成形による透過型光学素子を実現することである。すなわち、樹脂材料の射出速度および冷却速度など諸条件を量産性が高くなるように設定できる屈折率分布を透過型光学素子に持たせることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、短冊形状であり、樹脂成形されており、長手方向の一方の端部付近にゲートを有している透過型光学素子において、長手方向に前記ゲートを有する端部側ともう一方の端部側とで屈折率が異なり、長手方向に平行でかつ光軸を含む平面からの距離が大きくなるに従って屈折率が単調増加しており、前記ゲートを有する端部側の短手方向の屈折率の変化は、もう一方の端部側の短手方向の屈折率の変化より大きいことを特徴とする。
また、ゲートを有する端部側の短手方向の曲率半径は、もう一方の端部側の短手方向の曲率半径より小さいことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
図2に金型の構造を示す。図において2はゲート側、3は反ゲート側、20は金型内部、21および22は入れ子、23は樹脂材料流路、24はゲート、25は樹脂材料射出口、26は型分割面である。
【0008】
図3に金型内にゲートから樹脂材料が射出される様子の一例を示す。図において、31は樹脂材料である。このように、ゲート側2と反ゲート側3では充填に時間差が生じる。図4に充填直後の温度分布の一例を示す。図において、高濃度部ほど高温であることを示す。ゲート側2においてY方向の温度分布がより大きくなっている。
【0009】
図1に光走査装置の走査レンズ用として成形されたレンズを示す。図において、1は成形レンズ、2はゲート側、3は反ゲート側、5は回転対称軸、6は光軸、41はゲート側短手方向曲率半径、42は中央部短手方向曲率半径、43は反ゲート側短手方向曲率半径である。また、長手方向すなわち走査方向にX軸、短手方向すなわち走査垂直方向にY軸、光軸方向にZ軸をとる。各レンズ面の形状は(1)式で与えられる。
【0010】
【数1】
【0011】
ここでf0(X,Y)は基本的なトーリック形状を表し、f2(X,Y)は回転非対称な追加関数を表す。各面と光軸6の交点を原点としたローカル座標系のXZ平面における断面が(2)式で表され、XZ平面にあり、X軸に平行で、Z軸に沿って原点からrの距離にある軸5について回転対称である。
【0012】
【数2】
【0013】
ここで、Kは円錐定数である。YZ平面における断面は曲率半径rの円である。f2(X,Y)は(3)式で表される。
【0014】
【数3】
【0015】
ここで、aijは定数である。
【0016】
表1および表2に走査レンズの諸元を示す。表において、面番号(1)は瞳面、(2)および(3)はレンズ面、(4)は像面である。Rは主走査方向の光軸上の曲率半径、rは走査垂直方向の光軸上の曲率半径、thは面間距離、n0は光軸上の屈折率である。面(1),(2),(4)の追加関数は0である。また、表記しない係数はすべて0である。いずれの面もXに関して奇数次の項の係数は0であるので、ゲート側と反ゲート側の形状は同一である。以下、R,r,th,X,Yの単位はmmである。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
図5に短手方向の曲率半径を示す。符号の(−)は面の向きを示すものなので、ここでは無視している。前記したように、ゲート側と反ゲート側は同一である。屈折率をn(X,Y)とおいて、(4)式で表す。ここではZ方向の分布は十分小さいとする。
【0020】
【数4】
【0021】
n0は光軸上(X,Y=0)の屈折率、A〜Dは定数である。図6および図7に、n0およびA〜Dを(5)式とした場合の屈折率分布を示す。
【0022】
【数5】
【0023】
図6のE,F,G,Hは異なる短手方向位置を表し、EはY=±6、FはY=±4、GはY=±2、HはY=0である。図6からわかるように、X=0付近において屈折率は極小値をとり、またゲート側は反ゲート側に比べてYの変化に対する屈折率の変化が大きい。図7のL,M,N,P,Qは異なる長手方向の位置を表し、LはX=−60、MはX=−30、NはX=0、PはX=+30、QはX=+60である。図7からわかるように、各XにおいてYの絶対値が大きくなるに従って、屈折率が単調増加している。これらは表1および表2で表されるレンズ形状において、樹脂材料の射出速度および冷却速度などの諸条件を量産性が高くなるように設定した場合の屈折率分布である。
【0024】
図8に副走査方向像面湾曲を示す。横軸は走査角度である。図中Sはレンズに屈折率分布が無くすなわち(4)式においてn0=1.5,A,B,C,D=0の場合であり、Tは(5)式で表される屈折率分布を有する場合である。ゲート側と反ゲート側で屈折率が異なっている場合には、Tのように像面湾曲もゲート側と反ゲート側で異なっている。
【0025】
表3および表4に面(3)の短手方向の形状が前記走査レンズと若干異なる走査レンズの諸元を示す。面(1),(2),(4)の追加関数は0である。また、表記しない係数はすべて0である。面(3)はXに関して0でない奇数次の項の係数があるので、ゲート側と反ゲート側の形状は同一ではない。
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
図9に短手方向の曲率半径を示す。ゲート側は、反ゲート側より小さくなっている。符号の(−)は面の向きを示すものなので、図5同様無視している。図10に(5)式で表される屈折率分布を有し、かつ図9に示される短手方向曲率半径を有する場合の副走査方向像面湾曲を示す。±0.05mm程度であり、十分小さい。
【0029】
なお、前記した走査レンズの2個の例においては短手方向の形状が若干異なるだけであるので、量産性が高くなるように設定した場合の樹脂材料の射出速度および冷却速度など諸条件はほぼ同一と見なせる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、短冊形状の樹脂成形による透過型光学素子において、ゲートを有する端部側の短手方向の屈折率の変化を、もう一方の端部側の短手方向の屈折率の変化より大きくすることにより、量産性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】成形レンズの外観図。
【図2】金型の構造図。
【図3】樹脂材料の射出を示す説明図。
【図4】充填直後の温度分布を示す説明図。
【図5】従来例の短手方向の曲率半径を示す説明図。
【図6】屈折率の分布図。
【図7】屈折率の分布図。
【図8】従来例の像面湾曲を示す説明図。
【図9】本発明実施例の短手方向の曲率半径を示す説明図。
【図10】本発明実施例の像面湾曲を示す説明図。
【符号の説明】
1…成形レンズ、2…ゲート側、3…反ゲート側、5…回転対称軸、6…光軸、41…ゲート側短手方向曲率半径、42…中央部短手方向曲率半径、43…反ゲート側短手方向曲率半径。
Claims (2)
- 短冊形状であり、樹脂成形されており、長手方向の一方の端部付近にゲートを有している透過型光学素子において、
長手方向に前記ゲートを有する端部側ともう一方の端部側とで屈折率が異なり、
長手方向に平行でかつ光軸を含む平面からの距離が大きくなるに従って屈折率が単調増加しており、
前記ゲートを有する端部側の短手方向の屈折率の変化は、もう一方の端部側の短手方向の屈折率の変化より大きいことを特徴とする透過型光学素子。 - ゲートを有する端部側の短手方向の曲率半径は、もう一方の端部側の短手方向の曲率半径より小さいことを特徴とする請求項1記載の透過型光学素子。
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