JP4208209B2 - コリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを走査して画像の記録や表示を行うための複写機あるいはレーザプリンタ等の光走査装置に用いられるコリメータレンズに関し、詳しくは半導体レーザ等の光源から射出された発散光束を平行光束に変換するためのコリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、レーザビームを走査して画像の記録や表示を行うための複写機あるいはレーザプリンタ等の光走査装置が種々知られている。
【0003】
このような光走査装置は、半導体レーザから射出されたレーザビームを、コリメータレンズによって平行光束に変換し、回転多面鏡の回転に応じて偏向し、これをfθレンズによって結像面上に結像するように構成されたものである。
【0004】
ここで、コリメータレンズは、例えば特開昭58−14109号公報、特開昭58−38915号公報、特開昭61−279820号公報、特開昭61−273520号公報および特開平2−73324号公報に記載されているように、2群2枚構成のものが知られており、レンズの軽量化、小型化が図られている。
【0005】
一般に、このような光走査装置に使用されるコリメータレンズでは、光源からの光の利用効率を高め、感光ドラム面上の照度を大きくするために、明るいレンズ系とする必要がある。そのため、一般的にfθレンズ系に比べてコリメータレンズではその開口数が大きくなるが、これに伴ない発生する収差が大きくなりやすい。そこで、コリメータレンズでは波面収差をはじめこれらの収差を良好に補正することが必要となっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光走査装置には、複数光源を用いてマルチビーム走査を行うマルチビーム方式があり、走査速度の高速化、あるいは一度の走査で異なる複数情報の同時記録を可能にしている。このマルチビーム方式を採用する場合等においては、半画角ωで2度程度の範囲で良好な収差補正が望まれている。
【0007】
しかしながら、上記公報記載のコリメータレンズにおいては、軸外光に対する性能は設置誤差程度の画角に対してしか考慮されていないなど、画角が狭い例が多く、画角が広い例では収差が大きいため、例えば、光軸と垂直な平面上に複数の光源が配されたマルチビーム走査光学系への適用は困難となっている。
【0008】
さらに、上記公報記載のコリメータレンズでは、バックフォーカスすなわち光源側レンズから光源までの距離が短く、およそ0.4fから0.6fとなっている。
【0009】
しかし、バックフォーカスが短いと、コリメータレンズが光源(半導体レーザ等)の近くに配置されることとなるため、光源からの熱によりコリメータレンズの温度が上昇しやすくなる。そこで、光源からの熱の影響を受けにくくするために、コリメータレンズから光源までの距離を大きくすることが望まれている。
【0010】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、2群2枚という簡易なレンズ構成でありながら、軸外の収差も半画角ωで2度程度まで良好に補正され、必要なバックフォーカスを確保することができるコリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコリメータレンズは、平行光束側から順に、平行光束側に凹面を向けた第1レンズのみからなる第1レンズ群と、正の屈折力を有する第2レンズのみからなる第2レンズ群を配設するとともに、
前記第1レンズの少なくとも一方の面が非球面とされ、
前記第2レンズの光源側の面が凸面とされ、
下記条件式(1)を満足するように構成してなることを特徴とするコリメータレンズ。
−5.90<R 1 /f<−0.33 ・・・・(1)
ここで、
R 1 :第1レンズの平行光束側の面の近軸曲率半径
f :レンズ全系の焦点距離
【0014】
また、本発明に係る光走査装置は、上述したコリメータレンズを用いたことを特徴とするものである。
【0015】
なお、上記「凹面」とは、第1レンズの平行光束側の面が非球面とされている場合は、この非球面の光軸上の点と有効径の端部2点の計3点を結んだ円弧の半径(以下、近似曲率半径と称する)が負となる面のことである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るコリメータレンズおよび光走査装置について説明する。
【0017】
図1は本発明の実施形態(実施例1に対応させたものを代表的に示す)に係るコリメータレンズのレンズ基本構成図、図2は図1に示すコリメータレンズを用いた光走査装置の概略構成図である。
【0018】
本発明に係るコリメータレンズ1は、レーザビームを走査して画像の記録や表示を行うためのレーザプリンタ、コピー機等の光走査装置2の光学系に用いられるものである。
【0019】
この光走査装置2は、図2に示すように、半導体レーザ3から射出されたレーザビームをコリメータレンズ1により平行光束に変換するとともに、スリットやシリンドリカルレンズ等からなる補助光学系4を用いてポリゴンミラー5の面倒れを補正し、さらに該レーザビームをポリゴンミラー5により偏向し、fθレンズ6により光導電性感光ドラム7の表面に導かれて形成された微小なビームスポットを記録体上で走査するようになっている。
【0020】
図1に示すように、本実施形態に係るコリメータレンズ1は、平行光束側から順に、平行光束側に凹面を向けた第1レンズL1と、光源側の面が凸面であり正の屈折力を有する第2レンズL2を配設してなる2群2枚構成のレンズである。また、第1レンズL1の少なくとも一方の面が非球面とされてなり、図1においては、第1レンズL1の平行光束側の面が非球面とされている。図1中、Xは光軸を示す。
【0021】
なお、第1レンズL1の非球面形状は下記非球面式により表される。なお、この非球面式は、以下の実施例における非球面形状においても同様である。
【0022】
【数1】
【0023】
また、本実施形態に係るコリメータレンズ1は以下の条件式(1)を満足する。
−5.90 < R1/f < −0.33 ・・・・(1)
ここで、
R1:第1レンズL1の平行光束側の面の近軸曲率半径
f :レンズ全系の焦点距離
【0024】
上記条件式(1)を満足することによりタンジェンシャル像面の倒れを良好に補正することができる。この上限値を超えるとタンジェンシャル像面がオーバーの方へ倒れ、この下限値を超えるとタンジェンシャル像面がアンダーの方へ倒れてしまう。本実施形態による像面の倒れは従来技術と比べて充分小さく、1枚構成のコリメータレンズで1面が非球面のものと比較した場合、像面の倒れは半分以内となる。
【0025】
また、第1レンズL1の平行光束側の面を凹面にすることにより、バックフォーカスを大きくすることができ、第2レンズL2の光源側の面を凸面とすることによりバックフォーカスをより確実にとることができる。
【0026】
以上のように構成されたコリメータレンズ1によれば、2群2枚という簡易なレンズ構成でありながら、開口数をある程度の大きさ(およそNA=0.25〜0.3)に確保しつつ、広画角で軸外の収差も良好に補正されたコリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置を得ることができる。
【0027】
本実施形態のコリメータレンズ1は、光源側の光束をテレセントリックに近くすることもできる。すなわち、軸外性能が良好なため、光源が光軸上から外れていても、また光軸近傍に複数の光源が配置される構成であっても、レンズ性能が劣化しない。
【0028】
この特性を利用して、本実施形態のコリメータレンズ1を、光源である半導体レーザを光軸と垂直な平面上に複数配置したマルチビーム走査光学系にも使用することができる。例えば、カラーコピー機等において、赤色、緑色、青色にそれぞれ対応する3つの半導体レーザ、さらにはモノクロ用を加えて4つの半導体レーザを光軸と垂直な平面上に配置することができる。またモノクロ用の複数の半導体レーザを副走査方向に配置することにより、走査回数が減少され、光走査時間を短縮することができる。
【0029】
また、本実施形態のコリメータレンズ1は、平行光束側に配された物体の像を記録体上に結像せしめ、当該結像位置でレーザビームを集光しかつ走査する目的の対物レンズや、光ディスク用の対物レンズとして使用することもできる。
【0030】
本実施形態のコリメータレンズ1をこれら上記のように用いる場合、レンズ全系の焦点距離は3〜30mmとすることが望ましい。
【0031】
以下、実施例1〜5の各々について具体的数値を用いて説明する。
【0032】
<実施例1>
実施例1に係るコリメータレンズ1は、図1に示すとおり、平行光束側から順に、凸面を光源側に向けた正メニスカスレンズからなる第1レンズL1および第2レンズL2により構成され、第1レンズL1の平行光束側の面を非球面とされたものである。
【0033】
この実施例1における各レンズ面の曲率半径R、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔D、ならびに各レンズの波長780nmにおける屈折率Nを下記表1の上段に示す。ただし、この表1および後述する表2〜5おいて、各数値はレンズ全系の焦点距離を1として規格化したものであり、各記号R、D、Nに対応させた数字は平行光束側から順次増加するようになっている。また、表1および後述する表2〜5において面番号の左側に*が付された面は非球面とされており、非球面の曲率半径Rは、光軸近傍の曲率半径の数値である。
【0034】
また、表1の中段に、この実施例1における上記非球面式に示される非球面の各定数k、a4、a6、a8、a10の値を示す。
【0035】
また、表1の下段に、この実施例1のコリメータレンズ1における第2レンズL2の焦点距離f2/f、開口数NA、半画角ω、バックフォーカスBf、第1レンズL1の平行光束側の面の有効径φ1、第1レンズL1の平行光束側の面の近似曲率半径r1、および条件式(1)のR1/fの値を示す。
【0036】
【表1】
【0037】
上記表1から明らかなように、実施例1では条件式(1)が満足されている。
【0038】
<実施例2>
実施例2に係るコリメータレンズ1は、図3に示すとおり、平行光束側から順に、凸面を光源側に向けた負メニスカスレンズからなる第1レンズL1および曲率の大きい面を光源側に向けた両凸レンズからなる第2レンズL2により構成され、第1レンズL1の光源側の面を非球面とされたものである。
【0039】
この実施例2における各レンズ面の曲率半径R、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔D、ならびに各レンズの波長780nmにおける屈折率Nを下記表2の上段に示す。
【0040】
また、表2の中段に、この実施例2における上記非球面式に示される非球面の各定数k、a4、a6、a8、a10の値を示す。
【0041】
また、表2の下段に、この実施例2のコリメータレンズ1における第2レンズL2の焦点距離f2/f、開口数NA、半画角ω、バックフォーカスBf、および条件式(1)のR1/fの値を示す。
【0042】
【表2】
【0043】
上記表2から明らかなように、実施例2では条件式(1)が満足されている。
【0044】
<実施例3>
実施例3に係るコリメータレンズ1は、実施例2と略同様の構成とされているが、第1レンズL1の両面を非球面とされたものである。
【0045】
この実施例3における各レンズ面の曲率半径R、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔D、ならびに各レンズの波長780nmにおける屈折率Nを下記表3の上段に示す。
【0046】
また、表3の中段に、この実施例3における上記非球面式に示される非球面の各定数k、a4、a6、a8、a10の値を示す。
【0047】
また、表3の下段に、この実施例3のコリメータレンズ1における第2レンズL2の焦点距離f2/f、開口数NA、半画角ω、バックフォーカスBf、第1レンズL1の平行光束側の面の有効径φ1、第1レンズL1の平行光束側の面の近似曲率半径r1、および条件式(1)のR1/fの値を示す。
【0048】
【表3】
【0049】
上記表3から明らかなように、実施例3では条件式(1)が満足されている。
【0050】
<実施例4>
実施例4に係るコリメータレンズ1は、実施例1と略同様の構成とされているが、第1レンズL1の平行光束側の面を非球面とされたものである。また、本実施例4においては、光源側がテレセントリックに構成されている。
【0051】
この実施例4における各レンズ面の曲率半径R、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔D、ならびに各レンズの波長780nmにおける屈折率Nを下記表4の上段に示す。
【0052】
また、表4の中段に、この実施例4における上記非球面式に示される非球面の各定数k、a4、a6、a8、a10の値を示す。
【0053】
また、表4の下段に、この実施例4のコリメータレンズ1における第2レンズL2の焦点距離f2/f、開口数NA、半画角ω、バックフォーカスBf、第1レンズL1の平行光束側の面の有効径φ1、第1レンズL1の平行光束側の面の近似曲率半径r1、および条件式(1)のR1/fの値を示す。
【0054】
【表4】
【0055】
上記表4から明らかなように、実施例4は条件式(1)が満足されている。
【0056】
<実施例5>
実施例5に係るコリメータレンズ1は、実施例3と略同様の構成とされているが、第2レンズL2が曲率の大きい面を平行光束側に向けた両凸レンズからなるものである。
【0057】
この実施例5おける各レンズ面の曲率半径R、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔D、ならびに各レンズの波長780nmにおける屈折率Nを下記表5の上段に示す。
【0058】
また、表5の中段に、この実施例5における上記非球面式に示される非球面の各定数k、a4、a6、a8、a10の値を示す。
【0059】
また、表5の下段に、この実施例5のコリメータレンズ1における第2レンズL2の焦点距離f2/f、開口数NA、半画角ω、バックフォーカスBf、第1レンズL1の平行光束側の面の有効径φ1、第1レンズL1の平行光束側の面の近似曲率半径r1、および条件式(1)のR1/fの値を示す。
【0060】
【表5】
【0061】
上記表5から明らかなように、実施例5では条件式(1)が満足されている。
【0062】
図4〜8に本実施例1〜5に係るコリメータレンズの各収差図(球面収差、非点収差、および波面収差の図)を示す。各実施例の収差図はいずれも、光源側に厚さ0.417のガラス板(屈折率1.51)を含んだ状態のものである。なお、これらの収差図においてωは半画角を示す。また、非点収差の各収差図には、サジタル(S)像面およびタンジェンシャル(T)像面に対する収差が示されている。
【0063】
これら図4〜8から明らかなように、上述した各実施例によれば、諸収差を全て良好なものとすることができる。
【0064】
なお、本発明のコリメータレンズとしては、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えば各レンズの曲率半径Rおよびレンズ間隔(もしくはレンズ厚)Dの値を適宜変更することが可能である。
【0065】
【発明の効果】
本発明に係るコリメータレンズは、平行光束側から順に、平行光束側に凹面を向けた第1レンズと、正の屈折力を有する第2レンズを配設し、第1レンズの少なくとも一方の面が非球面とされている。したがって、本発明に係るコリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置によれば、2群2枚という簡易なレンズ構成でありながら、開口数をある程度の大きさ(およそNA=0.25〜0.3)に確保しつつ、軸外の収差も半画角で2度程度まで良好に補正され、かつ、必要なバックフォーカスを確保することができる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係るコリメータレンズのレンズ基本構成図
【図2】図1に示すコリメータレンズを用いた光走査装置の概略構成図
【図3】本発明の実施例2に係るコリメータレンズのレンズ基本構成図
【図4】本発明の実施例1に係るコリメータレンズの各収差図(球面収差、非点収差、および波面収差の収差図)
【図5】本発明の実施例2に係るコリメータレンズの各収差図(球面収差、非点収差、および波面収差の収差図)
【図6】本発明の実施例3に係るコリメータレンズの各収差図(球面収差、非点収差、および波面収差の収差図)
【図7】本発明の実施例4に係るコリメータレンズの各収差図(球面収差、非点収差、および波面収差の収差図)
【図8】本発明の実施例5に係るコリメータレンズの各収差図(球面収差、非点収差、および波面収差の収差図)
【符号の説明】
L1 〜L2 レンズ
R1 〜R4 レンズ面の曲率半径
D1 〜D3 レンズ面間隔(レンズ厚)
X 光軸
1 コリメータレンズ
2 光走査装置
3 半導体レーザ(光源)
4 補助光学系
5 ポリゴンミラー
6 fθレンズ
7 光導電性感光ドラム
Claims (2)
- 平行光束側から順に、平行光束側に凹面を向けた第1レンズのみからなる第1レンズ群と、正の屈折力を有する第2レンズのみからなる第2レンズ群を配設するとともに、
前記第1レンズの少なくとも一方の面が非球面とされ、
前記第2レンズの光源側の面が凸面とされ、
下記条件式(1)を満足するように構成してなることを特徴とするコリメータレンズ。
−5.90<R 1 /f<−0.33 ・・・・(1)
ここで、
R 1 :第1レンズの平行光束側の面の近軸曲率半径
f :レンズ全系の焦点距離 - 請求項1記載のコリメータレンズを用いたことを特徴とする光走査装置。
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