JP4095194B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザービームプリンタ等に用いられる光走査装置に係り、特に、ビーム形状を整形するアパーチャを備えた光走査装置において、回折によるスポットサイズの変動を少なくし安定したスポットサイズが得られる光走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザービームプリンタ等の画像記録装置や、各種画像読込み、測定装置に用いられる光走査装置は、一般的に半導体レーザー等の光源から射出した光ビームを整形光学系を経て偏向手段である回転多面鏡等の偏向器で偏向させ、この偏向された光ビームをｆ・θレンズである結像レンズ系によって被走査面上にビームスポットを形成して走査するように構成している。
【０００３】
これらの装置においては、被走査面上において直線あるいは曲線上に光ビームを繰り返し走査し、被走査面に位置する被走査媒体を前記の走査方向とはおおむね直交方向に相対移動させ２次元の走査を行う。前者の光走査装置による走査方向を主走査方向、後者の被走査媒体の相対移動方向を副走査方向とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような光走査装置であってビーム形状を整形するアパーチャを備えた光走査装置において、アパーチャでの回折の影響により、像面近傍のスポットサイズの変動が大きく安定しないという問題がある。
【０００５】
従来、このような問題を解決するために、特開平６−２６５８０８号においては、光ビームを偏向器に入射させる整形光学系中の走査レンズの前側焦点位置に副走査方向のビーム径を制限するアパーチャを設けた光走査装置が提案されている。
【０００６】
また、特開平７−１２０６９４号には、光ビームを偏向器に入射させる整形光学系中に主走査方向に沿った副走査方向の開口幅が変化する２枚のアパーチャを光軸方向に離間して配置して上記の回折の影響を除いている。
【０００７】
さらに、特公昭６３−１３１６９号には、光源から偏向器の間に主走査方向のビーム径を制限するアパーチャを設け、被走査面の直前に副走査方向のビーム径を制限するスリットを設けて、光源の振動、偏向器の面倒れ補正を行う光走査装置が提案されている。
【０００８】
しかしながら、何れの従来例も、主走査方向、副走査方向の両方向において回折の影響によるスポットサイズ変動がなく安定したビームスポットが得られる光走査装置は提案されていない。特に、本出願人が特開平１０−７３７８１号等において提案した２度入射の光走査装置においては、上記に両方向において回折の影響によるスポットサイズ変動がなく安定したビームスポットが得られるようにすることは、高解像力で高精細な画像を高速度で形成する上で重要な課題である。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ビームを偏向器に入射させる整形光学系中に主走査方向と副走査方向で独立にビーム径を制限する２つのアパーチャを設けて両方向で回折の影響によるスポットサイズ変動がなく安定したビームスポットが得られる光走査装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光走査装置は、光ビームを発生する光源と、前記光源からの光ビームを所定の特性の整形光ビームに変換する第１整形レンズ及び第２整形レンズとを有する整形光学系と、前記整形光ビームを偏向させる偏向器と、前記偏向器により偏向された光ビームを被走査面上にビームスポットを形成させて走査させる走査光学系とを備えた光走査装置において、
前記整形光学系内に２つのアパーチャを備えており、第１のアパーチャは副走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成され、第２のアパーチャは主走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成されており、前記第１のアパーチャは前記光源と前記第１整形レンズとの間の光軸上に位置し、前記第２のアパーチャは前記第２整形レンズと前記偏向器との間の光軸上に位置し、
前記第１のアパーチャのアパーチャ以降の光学系による副走査方向の像が被走査面から略無限遠に結像され、かつ、前記第２のアパーチャのアパーチャ以降の光学系による主走査方向の像が被走査面から略無限遠に結像されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、偏向器は回転多面鏡からなり、回転多面鏡の第１反射面により反射偏向された光ビームを回転多面鏡の第２反射面に伝達入射させる伝達光学系を備え、第２反射面により反射偏向された光ビームを走査光学系により被走査面上にビームスポットを形成させて走査させるように構成されて光走査装置に適用することができる。
【００１４】
本発明においては、整形光学系内の異なる位置に２つのアパーチャを備えており、一方のアパーチャは副走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成され、他方のアパーチャは主走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成されているので、主走査方向、副走査方向の両方向で被走査面が前後に変動してもスポットサイズの変動が少なく安定したスポットサイズを得ることができ、高解像力で高精細な画像を高速度で形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の光走査装置について詳細に説明する。
以下の２つの実施例において、光走査装置の光学系の任意の位置において、その位置における光学系の光軸を含み偏向器である回転多面鏡４の回転軸４１に平行な面を副走査面と定義し、光軸を含み副走査面に垂直な面を主走査面と定義する。さらに、主走査面内において、光軸に垂直な方向を主走査方向と定義し、また、副走査面内において、光軸に垂直な方向を副走査方向と定義する。
【００１６】
図１は本発明の１実施例の光走査装置の構成を示す斜視図、図２はその光走査装置の主走査面内の光路展開図（ａ）と副走査面内の光路展開図（ｂ）を示す。この実施例の光走査装置において、半導体レーザー１から射出した光ビームは、第１整形レンズ２、第１アパーチャ１８、第２整形レンズ３、第２アパーチャ１９を透過して整形され、回転多面鏡４の反射面４２に入射して反射偏向がなされる。その反射面４２で反射された光ビームは、第１走査レンズ３１及び第２走査レンズ３２により被走査面１７上に光ビームスポットとして結像されて走査される。
【００１７】
ここで、図２に示すように、半導体レーザー１から広がるように射出された光ビームｂは、非球面コリメータレンズを構成する第１整形レンズ２により平行な光ビームに変換される。第２整形レンズ３は副走査方向にのみ正屈折力を有する正シリンドリカルレンズである。そのため、第２整形レンズ２を透過した光ビームは、主走査面において平行な光ビームとして反射面４２に入射し、副走査面においては反射面４２近傍に結像（収束）する。
【００１８】
また、第１走査レンズ３１は正屈折力を有する軸対称なレンズであり、第２走査レンズ３２は主走査方向に長い長尺レンズであり、その入射面は主走査方向に曲率半径の大きな凹形状となっており、副走査面方向には曲率半径の小さな凸形状となっており、また、その射出面は主走査方向で曲率半径の大きな凸形状の非円弧状であり、副走査方向の断面形状は直線であり、第２走査レンズ３２は副走査面内で正の屈折力を有し、主走査面内では屈折力を有さない。このような構成の第１走査レンズ３１と第２走査レンズ３２からなる走査光学系は、副走査面において、反射面４２と被走査面１７を共役関係にして、反射面４２近傍の収束点を被走査面１７近傍に結像する。また、主走査面においては、反射面４２から反射された平行な光ビームを被走査面１７近傍に結像する。
【００１９】
このような構成において、本発明に基づき、光源１と回転多面鏡４の反射面４２の間の別々の位置に第１アパーチャ１８と第２アパーチャ１９が配置されている。図２から明らかなように、第１アパーチャ１８は副走査方向にのみ光ビームの径を制限する作用をするように構成され、第２アパーチャ１９は主走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成されている。そして、第２アパーチャ１９は第２整形レンズ３と反射面４２の間に配置されており、かつ、主走査面内において、第１走査レンズ３１と第２走査レンズ３２からなる走査光学系の焦点距離をｆ（第２走査レンズ３２は主走査面内では屈折力を有さないので、第１走査レンズ３１の焦点距離に略等しい。）とするとき、走査光学系の略前側焦点位置に配置されている。このような配置においては、被走査面１７に入射する光ビームの主走査面内での瞳位置（第２アパーチャ１９の像位置）は無限遠に位置していることになり、そのため、走査光学系の後側焦点位置に設定されている被走査面１７がその前後に若干変動しても、主走査方向のビーム径（スポットサイズ）変動率は小さく前後で対称に変化しかつ滑らかに変化することになり、主走査面内においてスポットサイズの変動の少ない安定したスポットサイズが得られる。
【００２０】
また、第１アパーチャ１８は、第１整形レンズ２と第２整形レンズ３の間に配置されており、副走査面内において、第１アパーチャ１８の第２整形レンズ３による像は第２整形レンズ３の光源１側に虚像として結像し、その虚像の像（副走査面内での瞳）は、第１走査レンズ３１と第２走査レンズ３２からなる走査光学系の正屈折力により、第２走査レンズ３２と被走査面１７の間の被走査面１７から比較的離れた位置に結像する。この場合は、副走査方向の瞳位置は無限遠ではないが、被走査面１７から比較的離れて位置にあることになり、被走査面１７が設定位置の前後に若干変動しても、副走査方向のスポットサイズ変動率は小さくかつ比較的滑らかに変化することになり、副走査面内においても同様にスポットサイズの変動の少ない安定したスポットサイズが得られる。
【００２１】
なお、副走査面内においても、第１アパーチャ１８の像位置（瞳位置）を被走査面１７から略無限遠に結像させるためには、第１アパーチャ１８を光源１と第１整形レンズ２の間に配置するようにすればよい。もちろん、配置上の制約から第２整形レンズ３の直後（光源１と反対側）に配置しても、上記の作用を得ることができる。
【００２２】
もう１つの実施例は、本出願人が特開平１０−７３７８１号等において提案した２度入射の光走査装置の整形光学系中の別々の位置に第１アパーチャ１８と第２アパーチャ１９を配置した実施例である。図３はこの実施例の光走査装置の構成を示す主要部の斜視図、図４はその光走査装置の整形光学系の主走査面内の光路図（ａ）と副走査面内の光路図（ｂ）、図５は本実施例の光走査装置の主走査面内の光路展開図（ａ）と副走査面内の光路展開図（ｂ）である。
【００２３】
この実施例の光走査装置は、偏向器としての回転多面鏡４、光源の半導体レーザー１から回転多面鏡４の第１反射面５までの間の整形光学系２１、回転多面鏡４の第１反射面５から第２反射面６の間の伝達光学系２２、回転多面鏡４の第２反射面６から被走査面１７までの間の走査光学系２３とからなっている。
【００２４】
まず、光走査装置の概略を説明する。半導体レーザー１から射出した光ビームは、整形光学系２１の第１整形レンズ２、第１アパーチャ１８、第２整形レンズ３、第２アパーチャ１９を透過して整形され、回転多面鏡４の第１反射面５に入射し、１度目の偏向がなされる。このとき、光ビームは、回転多面鏡４の回転軸４１に垂直な面に対して角度を持って第１反射面５に入射するため、入射する光ビームと反射された光ビームは干渉しない。第１反射面５で反射された光ビームは、伝達光学系２２の第１伝達レンズ７、第２伝達レンズ８、第３伝達レンズ９を透過して第１伝達ミラー１０で反射され、第４伝達レンズ１１、第５伝達レンズ１２を透過して第２伝達ミラー１３で反射され、再び回転多面鏡４の第２反射面６に入射し、２度目の偏向がなされる。このときも、光ビームは、回転多面鏡４の回転軸４１に垂直な面に対して角度を持って第２反射面６に入射するため、入射する光ビームと反射された光ビームは干渉しない。
【００２５】
第２反射面６で反射された光ビームは、走査光学系２３の第１走査レンズ１４、第２走査レンズ１５及び第３走査レンズ１６により被走査面１７上に光ビームスポットとして結像されて走査される。回転多面鏡４の面数は１２面（偶数）である。第３走査レンズ１６は、副走査方向に偏心しており、その方向は図５（ｂ）中の矢印の方向である。
【００２６】
ここで、整形光学系２１において、図４に示すように、半導体レーザー１から広がるように射出された光ビームｂは、非球面コリメータレンズを構成する第１整形レンズ２により平行な光ビームに変換される。第２整形レンズ３は副走査方向にのみ正屈折力を有する正シリンドリカルレンズである。そのため、第２整形レンズ２を透過した光ビームは、主走査面において平行な光ビームとして第１反射面５に入射し、副走査面においては第１反射面５近傍に結像（収束）する。
【００２７】
また、伝達光学系２２を構成する第１伝達レンズ７、第２伝達レンズ８、第３伝達レンズ９は何れも主走査方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズであり、第１伝達レンズ７と第２伝達レンズ８は正シリンドリカルレンズ、第３伝達レンズ９は負シリンドリカルレンズであり、これら３枚で主走査方向に正屈折力のレンズ群を構成している。また、第４伝達レンズ１１は副走査方向にのみ正屈折力を有する正シリンドリカルレンズであり、第５伝達レンズ１２は正屈折力を有する球面レンズである。そして、これらの作用は、第１反射面５で反射された光ビームは、主走査面において、第１伝達レンズ７から第３伝達レンズ９でなるレンズ群により一旦結像する。そのレンズ群の像側焦点と第５伝達レンズ１２の物体側焦点は一致し、主走査面においてアフォーカル光学系を構成している。そのため、光ビームは、第５伝達レンズ１２で再び平行な光ビームに変換され、第２反射面６に入射する。副走査面においては、第４伝達レンズ１１と第５伝達レンズ１２の合成正屈折力により、第１反射面５と第２反射面６とは共役関係になっており、第１反射面５近傍の収束点を第２反射面６近傍に再び結像する。このような構成の伝達光学系２２により、第１反射面５で偏光された光ビームを第２反射面６にはみ出すことなく確実に入射させて、第２反射面６から反射される光ビームの偏光角を増大させることができる（詳細は、特開平１０−７３７８１号参照）。
【００２８】
また、走査光学系２３を構成する第１走査レンズ１４は正屈折力を有する球面レンズであり、第２走査レンズ１５は副走査方向にのみ屈折作用を有するプリズムであり、第３走査レンズ１６は樹脂製の主走査方向に長い長尺レンズである。第３走査レンズ１６の入射面は、主走査方向に曲率半径の大きな凹形状となっており、副走査面方向には曲率半径の小さな凸形状となっており、主走査方向の断面曲線をその入射面よりも被走査面１７側に位置する主走査方向に平行な軸の回りに回転させることにより形成される面である。また、第３走査レンズ１６の射出面は、主走査方向で曲率半径の大きな凸形状の非円弧状であり、副走査方向の断面形状は直線であり屈折力を有さない。このような構成の走査光学系２３は、副走査面において、第２反射面６と被走査面１７を共役関係にして、第２反射面６近傍の収束点を被走査面１７近傍に結像する。また、主走査面においては、第２反射面６から反射された平行な光ビームを被走査面１７近傍に結像する。
【００２９】
このような構成において、前の実施例と同様に、光源１と回転多面鏡４の第１反射面５の間の別々の位置に第１アパーチャ１８と第２アパーチャ１９が配置されている。図４から明らかなように、第１アパーチャ１８は副走査方向にのみ光ビームの径を制限する作用をするように構成され、第２アパーチャ１９は主走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成されている。そして、第２アパーチャ１９は第２整形レンズ３と第１反射面５の間に配置されており、かつ、主走査面内において、伝達光学系２２による第２アパーチャ１９の像が走査光学系２３の略前側焦点位置に結像するように配置されている。このように配置すると、被走査面１７に入射する光ビームの主走査面内での瞳位置（第２アパーチャ１９の像位置）は無限遠にあることになり、そのため、走査光学系２３の後側焦点位置に設定されている被走査面１７がその前後に若干変動しても、主走査方向のビーム径（スポットサイズ）変動率は小さく前後で対称に変化しかつ滑らかに変化することになり、主走査面内においてスポットサイズの変動の少ない安定したスポットサイズが得られる。
【００３０】
また、第１アパーチャ１８は、第１整形レンズ２と第２整形レンズ３の間に配置されており、副走査面内において、第１アパーチャ１８の第２整形レンズ３による像は第２整形レンズ３の光源１側に虚像として結像し、その虚像の像は、伝達光学系２２により（屈折力を有するのは第４伝達レンズ１１と第５伝達レンズ１２のみであるので、第４伝達レンズ１１と第５伝達レンズ１２により）、一旦第５伝達レンズ１２と第２反射面６間に結像し、さらに走査光学系２３の正屈折力により、第３走査レンズ１６と被走査面１７の間の被走査面１７から比較的離れた位置に結像する。この実施例の場合も、副走査方向の瞳位置は無限遠ではないが、被走査面１７から比較的離れて位置にあることになり、被走査面１７が設定位置の前後に若干変動しても、副走査方向のスポットサイズ変動率は小さくかつ比較的滑らかに変化することになり、副走査面内においても同様にスポットサイズの変動の少ない安定したスポットサイズが得られる。
【００３１】
この例の場合も、副走査面内においても、第１アパーチャ１８の像位置（瞳位置）を被走査面１７から略無限遠に結像させるためには、第１アパーチャ１８を光源１と第１整形レンズ２の間に配置するようにすればよい。もちろん、配置上の制約から第２整形レンズ３の直後（光源１と反対側）に配置しても、上記の作用を得ることができる。
【００３２】
以上、本発明の光走査装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず、種々の変形が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光走査装置によれば、整形光学系内の異なる位置に２つのアパーチャを備えており、一方のアパーチャは副走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成され、他方のアパーチャは主走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成されているので、主走査方向、副走査方向の両方向で被走査面が前後に変動してもスポットサイズの変動が少なく安定したスポットサイズを得ることができ、高解像力で高精細な画像を高速度で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の光走査装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の光走査装置の主走査面内の光路展開図（ａ）と副走査面内の光路展開図（ｂ）である。
【図３】別の実施例の光走査装置の構成を示す主要部の斜視図である。
【図４】図３の光走査装置の整形光学系の主走査面内の光路図（ａ）と副走査面内の光路図（ｂ）である。
【図５】図３の光走査装置の光走査装置の主走査面内の光路展開図（ａ）と副走査面内の光路展開図（ｂ）である。
【符号の説明】
１…半導体レーザー（光源）
２…第１整形レンズ
３…第２整形レンズ
４…回転多面鏡
５…第１反射面
６…第２反射面
７…第１伝達レンズ
８…第２伝達レンズ
９…第３伝達レンズ
１０…第１伝達ミラー
１１…第４伝達レンズ
１２…第５伝達レンズ
１３…第２伝達ミラー
１４…第１走査レンズ
１５…第２走査レンズ
１６…第３走査レンズ
１７…被走査面
１８…第１アパーチャ
１９…第２アパーチャ
２１…整形光学系
２２…伝達光学系
２３…走査光学系
３１…第１走査レンズ
３２…第２走査レンズ
４１…回転多面鏡の回転軸
４２…回転多面鏡の反射面
ｂ…光ビーム

Claims (2)

1. 光ビームを発生する光源と、前記光源からの光ビームを所定の特性の整形光ビームに変換する第１整形レンズ及び第２整形レンズとを有する整形光学系と、前記整形光ビームを偏向させる偏向器と、前記偏向器により偏向された光ビームを被走査面上にビームスポットを形成させて走査させる走査光学系とを備えた光走査装置において、
   前記整形光学系内に２つのアパーチャを備えており、第１のアパーチャは副走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成され、第２のアパーチャは主走査方向にのみ光ビームの径を制限するように構成されており、前記第１のアパーチャは前記光源と前記第１整形レンズとの間の光軸上に位置し、前記第２のアパーチャは前記第２整形レンズと前記偏向器との間の光軸上に位置し、
   前記第１のアパーチャのアパーチャ以降の光学系による副走査方向の像が被走査面から略無限遠に結像され、かつ、前記第２のアパーチャのアパーチャ以降の光学系による主走査方向の像が被走査面から略無限遠に結像されるように構成されていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記偏向器は回転多面鏡からなり、前記回転多面鏡の第１反射面により反射偏向された光ビームを前記回転多面鏡の第２反射面に伝達入射させる伝達光学系を備え、前記第２反射面により反射偏向された光ビームを前記走査光学系により前記被走査面上にビームスポットを形成させて走査させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。

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