JP4293952B2

JP4293952B2 - 走査レンズ

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Publication number: JP4293952B2
Application number: JP2004218407A
Authority: JP
Inventors: 豊高窪
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006039175A; US20060023971A1; US7042607B2

Description

この発明は、レーザープリンター等の描画装置に利用される走査光学系に関する。

走査光学系は、半導体レーザー等の光源から発した光束をポリゴンミラー等の偏向器により偏向、走査させつつ、ｆθレンズのような走査レンズ群を介して感光体ドラム等の描画面上にスポットとして結像させる。その結果、描画面上において、スポットが主走査方向に繰り返し走査することによって走査線を繰り返し形成する。従って、この走査光学系を用いるとともに、描画面を主走査方向に直交する副走査方向に一定速度で移動させるのと同期して、レーザー光をオンオフ変調することによって、描画面上に二次元状の静電潜像が形成されるのである。

走査光学系を構成する走査レンズ群は、通常、単波長での使用を前提としているため、色収差は補正されておらず、半導体レーザーの個体差や、温度、出力の変化により発振波長が変化すると、走査レンズの倍率色収差により走査線の長さが変化し、描画精度が悪化する。

このような走査レンズの倍率色収差による影響を補正するため、走査レンズを構成する屈折レンズのレンズ面にフレネルレンズ状の回折段差構造を形成した構成が、特開平１０−１９７８２０号公報（特許文献１），特開平１１−９５１４５号公報（特許文献２），特開２００１−１２５０２５号（特許文献３）に、開示されている。

ところで、特許文献３には、そのような回折段差構造を有する長尺な走査レンズを樹脂の射出成形によって製造する例が、示されている。即ち、この特許文献３に記載された発明によると、金型内に注入される樹脂の流れに対して陰になる部分がなくなるように、主走査方向における中心位置にゲート３１が備えられた金型を用いて、長尺な走査レンズが、樹脂の射出成形によって製造されるのである。
特開平１０−１９７８２０号公報特開平１１−９５１４５号公報特開２００１−１２５０２５号

しかしながら、特許文献３に記載されているように金型の中心位置にゲートを設けたとしても、そのレンズ面に回折段差構造を有する長尺なレンズを樹脂の射出形成により製造する場合には、回折段差構造の形状崩れが生じやすいという問題がある。つまり、金型内で樹脂が冷めるに伴って収縮することにより、回折段差構造のエッジ部分において応力集中が起こり、レンズを金型から外すことに伴って応力が解放されることにより、回折段差構造のエッジ形状が変形してしまうのである。このような応力集中は、収縮に伴って樹脂が金型の中心に向かって移動しようとすることによって生じるので、中心位置（光軸位置）からの距離が長くなればなる程、また体積が大きくなればなる程、応力集中とそれに起因するエッジ形状の変形が大きくなる。

このようなエッジ形状の変形が生じると、金型に形成された回折段差構造が正確にレンズ表面に転写されなくなってしまうので、回折効率の低下を招いてしまう。しかも、レンズの周辺では、回折輪体数が多いので、エッジ形状の変形（回折段差構造転写の不正確さ）が光学性能に与える影響度が大きくなり、周辺光量の低下を更いてしまうことになるのである。

本発明は、従来における以上の問題点に鑑みてなされたものであり、樹脂の射出成形によって回折段差構造を有する回折レンズ面が形成された樹脂成形レンズを用いるにも拘わらず、樹脂の収縮に伴う回折段差構造の形状崩れに起因した回折効率の低下や周辺光量の低下が抑えられる走査光学系の提供を、課題とする。

この発明による走査光学系は、上記課題を解決するために、光束を発する光源と、この光源から発した光束をその偏向面によって動的に偏向する偏向器と、樹脂成形レンズを含み、前記偏向器によって偏向された光束を描画面上に結像させて主走査方向に走査する走査レンズ群とを備え、前記偏向器に近接して配置された前記樹脂成形レンズが、屈折パワーを有するベースカーブ上に回折段差構造が付加されてなる回折レンズ面を有し、前記描画面上における有効走査幅をＷ［mm］，前記偏向面から前記樹脂成形レンズまでの距離をＬ［mm］，前記偏向面から前記描画面までの距離をＰ［mm］とした場合に、式１８＜ＷＬ／Ｐ＜２８を満たすことを、特徴とする。

このように構成されると、描画面上の有効走査幅の範囲を走査する光束が通過する回折レンズ面の主走査方向における有効径は、１８ｍｍ〜２８ｍｍの範囲になる。このような範囲の上限内であれば、射出成形中に樹脂が熱収縮したとしても、樹脂の移動量は僅かであるので、回折段差構造のエッジに生じる応力集中は小さく、そのために、回折段差構造の形状崩れが起こりにくい。従って、樹脂の収縮に伴う回折段差構造の形状崩れに起因した回折効率の低下や周辺光量の低下が抑えられる。一方、このような範囲の下限を越えなければ、光学性能の劣化や誤差感度上昇の虞もない。

なお、回折レンズ面を有する樹脂成形レンズにおける有効径の外側では、回折段差構造の形状崩れが生じる可能性があるが、有効走査幅の範囲を走査する光束が通過することはないので、カットされていても良いし、そのまま放置されていても良い。

また、走査レンズ群は、回折レンズ面を有する樹脂成形レンズ１枚のみから構成されていても良いし、回折レンズ面を有する樹脂成形レンズを含む複数枚の屈折レンズから構成されても良い。複数枚の屈折レンズから走査レンズ群が構成される場合には、回折レンズ面を有する樹脂成形レンズは、最も偏向面に近接して配置されることが望ましい。

また、回折レンズ面を有する樹脂成形レンズは、走査レンズ群全体の光軸に相当する位置にゲートが設けられた金型を用いた射出成形によって製造されることが望ましい。樹脂の射出に際して樹脂の流れが光軸を中心として対称になるので、通過光量の傾向が光軸を中心として対称になるからである。

以上説明したように、この発明による走査光学系では、樹脂の射出成形によってそのレンズ面上に回折段差構造が形成されている樹脂成形レンズを用いているにも拘わらず、樹脂の収縮に伴う回折段差構造の形状崩れに起因した周辺光量の低下が、抑制される。

以下、この発明にかかる走査光学系の実施の形態を説明する。図１は、本実施形態による走査光学系の平面図である。

この走査光学系は、例えばレーザープリンターの走査ユニットに組み込まれて使用されるものであり、半導体レーザー１，コリメートレンズ２，シリンドリカルレンズ３，半導体レーザー１から発するレーザー光を動的に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描画面５上に結像させる走査レンズ群としてのｆθレンズ２０を、備えている。

この明細書では、描画面５上でスポットが走査する方向を主走査方向ｙ、これに直交する方向を副走査方向ｚと定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、描画面５上での方向を基準に説明する。なお、主走査方向ｙに対して垂直であり、かつ、ｆθレンズ２０の光軸を含む面を「副走査断面」と定義する。また、描画面５上を走査中のレーザー光が通過する平面を「主走査断面」と定義する。

ｆθレンズ２０は、ポリゴンミラー４側から順に、ポリゴンミラー４に凹面を向けた正メニスカスレンズであってその第２面に当該ｆθレンズ２０全体の倍率色収差を補正する回折段差構造が形成されている第１レンズ２１，及び、副走査方向において強い正のパワーを有するアナモフィックレンズである第２レンズ２２から、構成されている。

半導体レーザー１から発してコリメートレンズ２により平行光束とされたレーザー光は、副走査方向に正のパワーを有するシリンドリカルレンズ３を介してポリゴンミラー４のミラー面の近傍で線状に結像される。ポリゴンミラー４は、回転軸４ａ回りに回転駆動され、光束を主走査方向に偏向する。偏向された光束は、ｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第２レンズ２２を介して描画面５上に達し、主走査方向ｙに走査するスポットを形成する。

図６は、このｆθレンズ２０の第１レンズ２１のポリゴンミラー４側から見た拡大斜視図である。この図６に示されるように、第１レンズ２１は、正面から見て主走査方向に長尺な矩形形状となるように、主走査断面と平行な二つの面と副走査断面と平行な二つの面にてカットされたのと等価な立体形状を有している。これら面のうち主走査断面に平行な面２１ｃは、光束が正規に通過する光学面（第１面２１ａ，第２面２１ｂ）とは別の面であり、「コバ面」と呼ばれる。また、第２面２１ｂは、屈折パワーを有するベースカーブ上にフレネルレンズ状の、すなわち、段差をもつ多数の輪帯からなる回折段差構造が付加されて成る回折レンズ面となっている。この回折段差構造は、正の屈折パワーを持つｆθレンズ２０の倍率色収差を補正するため、主走査断面内で正のパワーを生じるように構成されている。

この回折段差構造を有するが為に、第１レンズ２１は、プラスチックの射出成形により、製造される。この射出成形に用いられる金型は、コバ面２１ｃにおける中央（即ち、ポリゴンミラー１４によって走査された光束の有効走査幅の中央ｌと主走査方向において同じ位置）に相当する位置に、ゲートが設けられている。よって、この金型を用いて成形された第１レンズ２１のコバ面２１ｃにおける中央（即ち、ポリゴンミラー１４によって走査された光束の有効走査幅の中央ｌと主走査方向において同じ位置）には、ゲートに相当する突出部をカットした跡２１ｄが、遺っているのである。

そして、このような金型を用いた第１レンズ２１の製造過程においては、必然的に、樹脂が冷えるに伴って、熱収縮に因る応力集中が回折段差構造の各エッジに生じる。しかしながら、本実施形態では、この第１レンズ２１は、ｆθレンズ２０中最もポリゴンミラー４に近接して配置されるので、主走査方向のレンズ幅が狭くて済み、その中心（光軸）から周辺までの距離があまり長くならないとともに、体積が小さくて済む。従って、樹脂の熱収縮に因って周辺近傍の回折段差構造のエッジに応力集中が生じたとしても、その応力集中の程度は、当該回折段差構造の形状崩れを生じさせる程にはならない。

以上のようにして回折段差構造の形状崩れを防止するために、本実施形態では、第１レンズ２１の主走査方向におけるレンズ幅を、下記式（１）が満たされるように設定している。

１８＜ＷＬ／Ｐ＜２８ ……（１）
ここで、Ｗは、当該走査光学系による描画面上における有効走査幅［mm］，Ｌは、ポリゴンミラー４の反射面（偏向面）から第１レンズ２１の第１面までの距離［mm］，Ｐは、偏向面から描画面５までの距離［mm］である。この式（１）における中央の項（ＷＬ／Ｐ）は、第１レンズ２１の主走査方向の幅に相当するので、その下限以下となった場合には光学性能が劣化したり誤差感度が上昇してしまうことが避けがたく、他方、その上限以上になった場合には、その中心（光軸）から周辺までの距離が長くなりすぎるので、樹脂の熱収縮に因る回折段差構造の形状崩れがその周辺部近傍に生じてしまい、その結果として、回折効率の低下や周辺光量の低下が生じてしまう。

なお、本実施形態において、金型内に樹脂を射出するためのゲートが金型の中央位置（光軸の位置に相当）に存在するために、このゲートから射出された樹脂は、金型内においてゲート位置（即ち、光軸）を中心として対称に流れていく。その為、樹脂が回折段差構造のエッジ部を乗り越えて行く際にエッジの手前側（ゲートに近い側）と奥側（ゲートから遠い側）との間で生じる圧力差や温度差に起因する金型形状転写の不完全性も、第１レンズ２１の光軸を中心として対称に現れるので、回折効率の劣化の原因とはならない。これに対して、ゲートが非対称位置にあると、形状転写の不完全性が光軸を中心として非対称に生じるので、周辺光量比が光軸に対して非対称となってしまい、印刷濃度の傾斜が生じるおそれがある。

また、ｆθレンズ２０は、副走査方向における上下のコバが平面状にカットされることによって、主走査断面近傍のみが一定幅で残された長尺レンズ（正面から見た形状が矩形であるレンズ）の形状を有している。そのため、副走査方向における回折段差構造の形状崩れは、殆ど問題にならない。

以下、本実施形態の走査光学系の具体的な実施例を、３例説明する。

実施例１の走査光学系は、半導体レーザー１から射出されるレーザー光の波長を780nmとして設計されている。そして、ｆθレンズ２０の主走査方向における焦点距離ｆは150mmであり、その描画面上での有効走査幅Ｗは216mmである。また、ポリゴンミラー４の面数は６面であり、その内接半径は12.1mmである。さらに、ポリゴンミラー４の反射面（偏向面）へのレーザ光束の入射方向は、ｆθレンズ２０の光軸を基準とし、図１における反時計方向を＋，時計方向を−とすると-80.0°である。

表１は、実施例１の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ３より描画面５側の構成を示す。表中の記号Ｒは主走査方向の曲率半径(単位:mm)、Ｒzは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略、単位:mm)、Ｄは光軸上における次の面までの距離(単位:mm)、Ｎは次の面までの媒質の設計波長780nmでの屈折率である。

表１において、面番号１乃至８によって示される面は、夫々、シリンドリカルレンズ３の第１面（シリンドリカル面），同第２面（平面），ポリゴンミラー４の反射面（偏向面），第１レンズ２１の第１面（球凹面），同第２面（凸の回転対称非球面のベースカーブ上に回折段差構造が付加されてなる回折レンズ面），第２レンズ２２の第１面（球凹面），同第２面（主走査断面は光軸からの主走査方向の距離の関数，副走査断面は曲率が光軸からの主走査方向の距離の関数として独立に定義される非球面，以下、「アナモフィック非球面」という），描画面を示す。

回転対称非球面は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の、光軸上での当該非球面の接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、当該非球面の光軸上での曲率(1/R)をＣ、円錐係数をκ、４次，６次，８次の非球面係数をA₄，A₆，A₈として、以下の式（２）で表される。

Ｘ(h)＝Ｃh²/(１+√(１-(１+κ)Ｃ²h²))+A₄h⁴+A₆h⁶+A₈h⁸ ……（２）
また、回折段差構造は、光軸からの高さｈの位置におけるベースカーブに対する光路長付加量Δφ(h)により定義される。Δφ(h)は、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数をPnとして、以下の式により求められる。

Δφ(h)＝P₂h²＋P₄h⁴＋P₆h⁶＋P₈h⁸ ……（３）
表１における面番号５の面（第１レンズ２１の第２面）のベースカーブの形状を表すために上記式（２）に代入される円錐係数κ，各非球面係数A₄，A₆，A₈，並びに、回折段差構造を示すために上記式（３）に代入される光路差関数係数P₂，P₄，P₆，P₈の具体値を、表２に示す。

アナモフィック非球面の主走査断面形状は、主走査方向における光軸からの距離がｙとなる非球面上の座標点の、光軸上での当該非球面の接平面からの距離(サグ量)をＸ(y)、当該非球面の光軸上での主走査方向の曲率(1/R)をＣ、円錐係数をκ、主走査方向における曲率を定義するｎ次の非球面係数をAM_nとして、以下の式（４）で表される。またアナモフィック非球面の副走査断面形状は、主走査方向における光軸からの距離がｙとなる点での副走査方向の曲率Ｃz(y)、当該非球面の光軸上での副走査方向の曲率(1/Rz)をＣz、複走査方向における曲率を定義するｎ次の非球面係数をAS_nとして、以下の式（５）で表される。

Ｘ(y)＝Ｃy²/(１+√(１-(１+κ)Ｃ²y²))+ΣAM_nyⁿ ……（４）
Ｃz(y)＝Ｃz＋ΣAS_nyⁿ ……（５）
表１における面番号７の面（第２レンズ２２の第２面）の形状を表すために上記式（４）及び（５）に代入される円錐係数κ，各非球面係数AM_n，AS_nの具体値を、表３に示す。

以上のように具体的に構成された実施例１の走査光学系の性能を、図２乃至図４のグラフに示す。この図２は、fθ誤差(スポット位置の理想位置からのズレ)を示している。また、図３は、像面湾曲(焦点位置の近軸像面からの光軸方向のズレ)を示し、破線が主走査方向、実線が副走査方向の像面湾曲を示している。また、図４は、倍率色収差(基準波長から30nm波長がずれたときのスポット位置の基準波長におけるスポット位置からのズレ)を示している。いずれのグラフも、縦軸は像高、すなわち光軸と交差する位置を基準にした主走査方向の距離、横軸は各収差の発生量を示し、単位はいずれもｍｍである。

なお、上記式（１）の中央項に上記した各数値から求められるＷ＝216，Ｌ＝18，Ｐ＝180を代入すると、ＷＬ／Ｐ＝21.6となり、実施例１の走査光学系は上記式（１）の範囲内に収まっていることが判る。そのため、本実施例の走査光学系によると、図５の実線に示すように、上記式（１）の条件を満たさない走査光学系の場合（破線）と比較して、主走査像高周辺部での光量落ちがほぼ等しくなる。

実施例２の走査光学系は、半導体レーザー１から射出されるレーザー光の波長を780nmとして設計されている。そして、ｆθレンズ２０の主走査方向における焦点距離ｆは150mmであり、その業画面上での有効走査幅Ｗは216mmである。また、ポリゴンミラー４の面数は６面であり、その内接半径は12.1mmである。さらに、ポリゴンミラー４の反射面（偏向面）へのレーザ光束の入射方向は、ｆθレンズ２０の光軸を基準とし、図１における反時計方向を＋，時計方向を−とすると-80.0°である。

表４は、実施例２の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ３より描画面５側の構成を示す。表中の各記号の意味は表１と同じである。

表４における面番号５の面（第１レンズ２１の第２面）のベースカーブの形状を表すために上記式（２）に代入される円錐係数κ，各非球面係数A₄，A₆，A₈，並びに、回折段差構造を示すために上記式（３）に代入される光路差関数係数P₂，P₄，P₆，P₈の具体値は、表５に示される通りである。

表４における面番号７の面（第２レンズ２２の第２面）の形状を表すために上記式（４）及び（５）に代入される円錐係数κ，各非球面係数AM_n，AS_nの具体値は、表６に示されている通りである。

なお、上記式（１）の中央項に上記した各数値から求められるＷ＝216，Ｌ＝15.5，Ｐ＝180を代入すると、ＷＬ／Ｐ＝18.6となり、実施例２の走査光学系は上記式（１）の範囲内に収まっていることが判る。

実施例３の走査光学系は、半導体レーザー１から射出されるレーザー光の波長を780nmとして設計されている。そして、ｆθレンズ２０の主走査方向における焦点距離ｆは150mmであり、その走査幅Ｗは216mmである。また、ポリゴンミラー４の面数は６面であり、その内接半径は12.1mmである。さらに、ポリゴンミラー４の反射面（偏向面）へのレーザ光束の入射方向は、ｆθレンズ２０の光軸を基準とし、図１における反時計方向を＋，時計方向を−とすると-80.0°である。

表７は、実施例３の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ３より描画面５側の構成を示す。表中の各記号の意味は表１と同じである。

表７における面番号５の面（第１レンズ２１の第２面）のベースカーブの形状を表すために上記式（２）に代入される円錐係数κ，各非球面係数A₄，A₆，A₈，並びに、回折段差構造を示すために上記式（３）に代入される光路差関数係数をP₂，P₄，P₆，P₈の具体値は、表８に示される通りである。

表７における面番号７の面（第２レンズ２２の第２面）の形状を表すために上記式（４）及び（５）に代入される円錐係数κ，各非球面係数AM_n，AS_nの具体値は、表９に示されている通りである。

なお、上記式（１）の中央項に上記した各数値から求められるＷ＝216，Ｌ＝23，Ｐ＝180を代入すると、ＷＬ／Ｐ＝27.6となり、実施例３の走査光学系は上記式（１）の範囲内に収まっていることが判る。

実施形態の走査光学系を示す平面図実施例１の走査光学系のｆθ誤差を示すグラフ実施例１の走査光学系の像面湾曲を示すグラフ実施例１の走査光学系の倍率色収差を示すグラフ実施例１の走査光学系による主走査方向における光量変化を示すグラフ第１レンズの拡大斜視図

符号の説明

１半導体レーザー
３シリンドリカルレンズ
４ポリゴンミラー
５描画面
２０ｆθレンズ
２１第１レンズ

Claims

光束を発する光源と、
この光源から発した光束をその偏向面によって動的に偏向する偏向器と、
樹脂成形レンズを含み、前記偏向器によって偏向された光束を描画面上に結像させて主走査方向に走査する走査レンズ群とを備え、
前記偏向器に近接して配置された前記樹脂成形レンズが、屈折パワーを有するベースカーブ上に回折段差構造が付加されてなる回折レンズ面を有し、
前記描画面上における有効走査幅をＷ［mm］，前記偏向面から前記樹脂成形レンズまでの距離をＬ［mm］，前記偏向面から前記描画面までの距離をＰ［mm］とした場合に、式
１８＜ＷＬ／Ｐ＜２８
を満たすことを特徴とする走査光学系。
前記走査レンズ群は、複数の屈折レンズから構成され、
これら複数の屈折レンズのうち最も前記偏向器に近接して配置された屈折レンズが前記樹脂成形レンズである
ことを特徴とする請求項１記載の走査光学系。
前記樹脂成形レンズは、前記光束が正規に通過する光学面とは別の面上の前記有効走査幅の中央に相当する位置にゲートが設けられた金型を用いて、射出成形されたものである
ことを特徴とする請求項１記載の走査光学系。
前記回折段差構造は、前記光源が発する複数の光束の波長差に依って生じる倍率色収差を補正する特性を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の走査光学系。