JP4297062B2 - レーザー走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー走査装置に関するものである。

従来のレーザー走査装置の分野では、例えば特許文献１に示されるように、半導体レーザーが発したレーザー光をコリメータレンズによって平行光とした後、共振鏡によって偏向し、アークサイン特性を有する走査レンズによって感光体上に集光させ、感光体上を等速走査する技術が提案されている。
特開平９−３３８４３号公報

ところで、偏向器としての共振鏡は、同じく偏向器として用いられるポリゴンミラーに比べて小型であるというメリットがある一方で、共振鏡による偏向角の範囲がポリゴンミラーに比べて小さい。このため、特許文献１のレーザー走査装置では、所望の走査幅を得るためには走査レンズの焦点距離をポリゴンミラーを使用した場合よりも長くせざるを得ず、それに伴って共振鏡から感光体までの光路が長くなって、装置が大型化する。

特に、特許文献１のように共振鏡への入射光が平行光の場合、走査レンズが単レンズであれば、主点の位置を走査レンズの位置から大きくずらすことは困難であるため、所望の走査幅を得るためには共振鏡から感光体までの光路をさらに長くとる必要があり、装置がさらに大型化する。なお、走査レンズを複数のレンズで構成することは、走査レンズのコスト上昇を招くため、好ましくはない。

また、共振鏡への入射光が平行光の場合、光束幅が主走査方向と副走査方向とで同程度となるため、共振鏡において主走査方向と副走査方向とで同程度の幅が必要となる。その結果、大型の共振鏡が必要となってコストが増大する。また、大型の共振鏡は、振動部分が大きいために、高速走査に支障をきたす。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、走査レンズや偏向器のコストを上げることなく装置を小型化することができるとともに、高速走査を実現することができるレーザー走査装置を提供することにある。

本発明のレーザー走査装置は、レーザー光源と、上記レーザー光源が発したレーザー光を主走査断面内で収束光にする集光光学系と、上記集光光学系が射出したレーザー光を偏向する偏向器と、上記偏向器にて偏向されたレーザー光を被走査面上に集光する、レンズ１枚からなる走査光学系とを有し、上記偏向器に入射するレーザー光が、副走査断面内で略平行光であり、上記走査光学系において、レンズの光軸付近でのパワーが、主走査断面内では負であり、副走査断面内では正であることを特徴としている。

上記の構成によれば、レーザー光源から出射されるレーザー光は、集光光学系を介して偏向器（例えば共振鏡）に入射し、偏向器にて主走査方向に偏向される。偏向後のレーザー光は、走査レンズを介して被走査面（例えば感光体）上に集光される。

このとき、走査光学系において、レンズ光軸付近でのパワーが主走査断面内で負であるので、偏向器での偏向角が小さくても、主走査方向に所望の走査幅を得るのに必要な、偏向器から被走査面までの距離を短くすることができる。この結果、装置を小型化することができる。しかも、集光光学系を介して偏向器に入射するレーザー光は、主走査断面内では平行光ではなく収束光であるので、本発明のように走査光学系をレンズ１枚で構成しても、所望の走査幅を得るのに必要な上記距離を短くすることができ、装置を小型化することができる。つまり、本発明によれば、走査光学系のコストを上げることなく装置を小型化することができる。

また、偏向器への入射光は、副走査断面内では略平行光であり、主走査断面内の収束光とは異なっているので、偏向器に入射するレーザー光の副走査方向の光束幅を主走査方向の光束幅よりも狭くすることができる。このとき、走査光学系において、レンズ光軸付近での副走査断面内でのパワーが正となっているので、副走査断面内で略平行光のレーザー光が偏向器に入射しても、そのレーザー光は走査光学系を介して被走査面上に確実に集光する。

このように、偏向器に入射するレーザー光の副走査方向の光束幅を主走査方向の光束幅よりも狭くすることができるので、偏向器の副走査方向の幅を主走査方向の幅よりも狭くして、偏向器の小型化、低コスト化を図ることができる。また、偏向器が共振鏡である場合には、偏向器が小型になることによって、振動する部分も小さくなるので、高速走査も容易に実現することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記偏向器は、反射面を正弦揺動させることによってレーザー光を偏向する共振鏡で構成されており、上記走査光学系は、上記共振鏡にて偏向されたレーザー光を被走査面上で等速走査するように収差補正されていることが望ましい。

このような走査光学系の構成により、偏向器として共振鏡を用いた場合でも、共振鏡にて偏向されたレーザー光を被走査面上で等速走査することができる。

本発明のレーザー走査装置において、レーザー光が上記偏向器に入射する位置から、上記走査光学系が無い場合に主走査断面内で収束する位置までの距離をａとし、上記偏向器から上記被走査面までの距離をｂとしたとき、２ａ＜ｂを満足することが望ましい。

この条件を満足していれば、装置の小型化の効果を損わない範囲で、走査光学系への入射光の主走査方向の収束度合いを緩くすることができる。これにより、走査光学系の球面収差を抑えることができ、その球面収差を打ち消すような集光光学系の設計も容易となる。

本発明のレーザー走査装置において、上記集光光学系は、主走査断面内での上記走査光学系の球面収差と逆符号の球面収差を有することが望ましい。この場合、走査光学系の主走査断面内での球面収差が集光光学系の主走査断面内での球面収差で打ち消されるので、トータルで球面収差を補正することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記走査光学系のレンズは、樹脂からなり、上記集光光学系は、ガラス（正）レンズと樹脂（負）レンズとの２枚からなる構成であってもよい。この構成によれば、温度変化時のデフォーカスを容易に抑えることができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記ガラスレンズが軸対称形状であり、上記樹脂レンズがアナモフィックであってもよい。この構成によれば、入射光を主走査断面内では収束光にする一方、副走査断面内では略平行光にする集光光学系を容易に実現することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記ガラスレンズの少なくとも１面が軸対称非球面であってもよい。この場合、ガラスレンズで発生する球面収差をほぼゼロにすることができ、集光光学系の２枚のレンズ間の位置誤差について要求される精度を緩和することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記ガラスレンズが平面または球面を有して構成されていてもよい。この場合、ガラスレンズの軸対称形状を容易に実現することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記樹脂レンズが非軸対称面を有していてもよい。この場合、上記樹脂レンズとして、副走査断面内でパワーを持たないアナモフィックレンズを確実に実現することができる。

本発明のレーザー走査装置において、上記集光光学系は、２枚のレンズからなり、上記レーザー光源に近い側のレンズが軸対称レンズであり、上記偏向器に近い側のレンズが副走査断面内でパワーを持たないアナモフィックレンズであってもよい。この構成であっても、入射光を主走査断面内では収束光にする一方、副走査断面内では略平行光にする集光光学系を容易に実現することができる。

本発明によれば、集光光学系を介して偏向器に入射するレーザー光が主走査断面内では収束光であり、しかも、走査光学系のレンズ光軸付近でのパワーが主走査断面内で負であるので、走査光学系のコストを上げることなく装置を小型化することができる。また、偏向器への入射光が副走査断面内で略平行光であるので、偏向器の副走査方向の幅を狭くして、偏向器の小型化、低コスト化を図ることができる。さらに、偏向器の小型化により、高速走査を容易に実現することができる。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図１は、本実施形態に係るレーザー走査装置の概略の構成を示す斜視図である。このレーザー走査装置は、レーザー光源１と、集光レンズ２と、共振鏡３と、走査レンズ４と、感光体５とを有している。

レーザー光源１は、ほぼ直線偏光のレーザー光を出射する光源であり、例えば半導体レーザーで構成されている。集光レンズ２は、レーザー光源１が発したレーザー光を主走査断面内では収束光にする一方、副走査断面内では略平行光にする集光光学系であり、レーザー光源１側に配置されるレンズ２ａと、共振鏡３側に配置されるレンズ２ｂとの２枚のレンズで構成されている。

共振鏡３は、集光レンズ２が射出したレーザー光を主走査方向に偏向する偏向器であり、反射面を正弦揺動させることによってレーザー光を偏向する。走査レンズ４は、共振鏡３にて偏向されたレーザー光を被走査面である感光体５上に集光する走査光学系であり、本実施形態ではレンズ１枚で構成されている。走査レンズ４の光軸付近でのパワーは、主走査断面内では負であり、副走査断面内では正となっている。

上記構成において、レーザー光源１の発したレーザー光は、集光レンズ２によって主走査断面内では収束光とされ、副走査断面内では略平行光とされた後、共振鏡３によって主走査方向に偏向され、走査レンズ４を介して感光体５上に集光する。以下、このようなレーザー走査装置の詳細について詳細に説明する。

図２ないし図４は、本実施形態に係るレーザー走査装置の光路図である。より詳細には、図２は、上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路図であり、図３は、共振鏡３から感光体５までの副走査断面での光路図であり、図４は、レーザー光源１から共振鏡３までの副走査断面での光路図である。なお、これらの図では、集光レンズ２のレンズ２ａ・２ｂおよび走査レンズ４については、その光入射面および光射出面のみを図示している。これらの図に示すように、共振鏡３に入射するときのレーザー光の光束幅は、副走査方向よりも主走査方向で広くなっている。例えば、主光線垂直方向の幅で言えば、主走査方向の光束幅は４．３ｍｍであり、副走査方向の光束幅は２．３ｍｍである。

また、表１は、本実施形態の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものである。この座標データは、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点およびベクトルで各光学面（面頂点基準）の配置を表しており、その評価面が感光体５の表面に相当している。

なお、表１中の面番号１〜８は、それぞれ、集光レンズ２のレンズ２ａの光入射側および光射出側の面、レンズ２ｂの光入射側および光射出側の面、共振鏡３の光反射面、走査レンズ４の光入射側および光射出側の面、感光体５の表面を指している。また、Ｚ軸は、副走査方向の軸であり、Ｙ軸は、主走査方向の軸であり、Ｘ軸は、ＹＺ平面に垂直な軸である。また、表１中の共振鏡３の座標は、偏向角０度の場合について示している。

また、表２ないし表６は、光学面の面構成（面形状）を示している。ただし、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

ここで、非軸対称面の面形状は、次の数１式によって表現される。ただし、ａ_ijは、非軸対称面の係数とする。

また、軸対称非球面の面形状は、次の数２式によって表現される。ただし、ａ_iは、非球面係数とする。

なお、表に示されていない係数は、全て０である。

本実施形態においては、集光レンズ２のレンズ２ａは、ガラスの軸対称非球面レンズであり、光入射側の面が球面、光射出側の面が軸対称非球面となっている。なお、レンズ２ａの光入射側の面が軸対称非球面であってもよく、また、レンズ２ａの両面が軸対称非球面であってもよい。集光レンズ２のレンズ２ｂは、ガラスシリンダレンズであり、その光入射側の面がシリンダ面となっている。レンズ２ｂは、主走査断面内のみパワーを持ち、副走査断面内ではパワーを持たないアナモフィックレンズである。走査レンズ４は、樹脂で構成されており、その光入射側および光射出側の面が非軸対称面となっている。また、使用波長４０５ｎｍにおける上記ガラスの屈折率は、１．５３０であり、上記樹脂の屈折率は、１．５４７である。

表７は、走査レンズ４の光軸付近でのパワー（単位；１／ｍｍ）を示している。走査レンズ４の上記パワーは、主走査断面内と副走査断面内とで異なっており、主走査断面内では負である。また、共振鏡３には、レーザー光が副走査方向に略平行光の状態で入射するので、感光体５上にレーザー光を集光させるために、走査レンズ４の副走査断面内のパワーは、光入射側の面および光射出側の面のトータルで正となっている。

本実施形態においては、走査レンズ４について、光入射側の面および光射出側の面の両面が非軸対称面となっている。非軸対称面を用いることにより、軸近傍でのパワーを主走査方向と副走査方向とで個別に設定することができる。また、非軸対称面は、その周辺部において副走査断面内の曲率が変化していることから、副走査像面湾曲補正および溝状収差補正に寄与している。

図５は、本実施形態の光学系の副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示している。なお、同図では、副走査断面内での像面湾曲を副像面と称し、主走査断面内での像面湾曲を主像面と称している。本実施形態では、走査レンズ４の軸近傍でのパワーを主走査方向と副走査方向とで個別に設定したことで、主走査方向および副走査方向ともに像面湾曲が抑えられている。

また、図６および図７は、本実施形態において、集光レンズ２および走査レンズ４の球面収差を波面収差（波長に対する相対値）で示したものである。ただし、図６は、主走査断面内における波面収差を示し、図７は、副走査断面内における波面収差を示している。

主走査断面内については、集光レンズ２の球面収差と走査レンズ４の球面収差とは正負が逆であり、トータルで補正されている。これは、走査レンズ４を設計した後に、走査レンズ４にて発生する主走査断面内の球面収差を打ち消すように集光レンズ２を設計したためである。集光レンズ２単独で球面収差が発生しないように設計した場合には、球面収差に付随するデフォーカスが発生する。

なお、集光レンズ２が、軸対称非球面レンズであるレンズ２ａと、シリンダレンズであるレンズ２ｂとで構成されているので、主走査断面内では球面収差が補正されているが、副走査断面内では球面収差は特に補正されていない。ただし、主走査断面内よりも副走査断面内のほうが光束幅が狭いために、走査レンズ４についても、集光レンズ２についても、球面収差の発生量そのものが主走査断面内に比較すると副走査断面内では小さくなっている。

図８は、本実施形態において、偏向角に対する像高を計算した結果を示している。図８では、グラフは直線から外れており、画像周辺ほど、少ない偏向角変化で像高が大きく変化していることがわかる。これは、偏向器として、光反射面が正弦的に揺動する共振器３を使ったときに、共振器３にて偏向されたレーザー光を感光体５上で等速走査するようにするためである。本実施形態では、そのような等速走査を実現できるように、走査レンズ４が収差補正されている。

図９は、本実施形態において、時間に対する偏向角変化を示している。共振器３での最大の偏向角は３０度であるが、描画に使用しているのは±２１．２度の範囲である。図１０は、本実施形態において、時間に対する像高変化を示している。図１０では、グラフは直線になっており、前述のように感光体５上ではほぼ等速走査していることがわかる。

図１１は、本実施形態での歪曲を示している。このときの理想像高は、以下の数３式によって表現される。

ただし、
ｋ ：理想像高算出係数
θ ：偏向角（度）
ωmax：描画に使用しない範囲まで含めた最大の偏向角（度）
である。

本実施形態においては、ωmaxは上述のように３０度で、ｋは、偏向角０度近傍で偏向角を微少量変化させたときの像高変化から算出した結果、約１８９である。

なお、偏向器への入射光が平行光のとき、ｋは走査光学系の主走査断面内の焦点距離とωmaxをラジアンで表わした数値とを掛け合わせた値となる。また、偏向器への入射光が平行光で本実施形態と同じｋの値となるような走査光学系の主走査断面焦点距離は約３６０ｍｍとなる。このとき、単レンズで走査光学系を構成すれば、主点の位置を走査レンズの位置から大きくずらすことは困難なので、偏向器から感光体までの距離は３６０ｍｍよりも大きな値となる。

これに対して、本実施形態では、偏向器としての共振鏡３に入射させる光を平行光でなく、主走査断面内で収束光としているために、偏向角０度において、共振鏡３から感光体５までの距離ｂは２８７ｍｍ程度まで短縮できており、共振鏡３への入射位置から、共振鏡３での偏向後走査レンズ４が無い場合に主走査断面内で光が収束する位置までの距離ａは、約９０ｍｍとなっている。（ｂ／ａ）の値が大きいほど、すなわち、ａが小さいほど、角度拡大比が大きく、全長短縮につながる。

図１２ないし図１５は、本実施形態でのビーム形状を示している。これらの図では、それぞれのピーク強度に対して、１０％刻みで等高線を描画している。図１２および図１３は、ある瞬間のビーム形状であり、図１４および図１５は、１ドットに相当する時間だけ走査したときのビーム形状（光エネルギーの積算結果）である。また、図１２および図１４は、画像中央でのビーム形状であり、図１３および図１５は、画像端部でのビーム形状である。

このように、ある瞬間のビーム形状で見ると、ビームは縦長であり、また、画像上の位置によってビーム径の差が大きいが、１ドット分走査したときのビーム形状は、ほぼ円形であり、画像上の位置によるビーム径の差も瞬間で見たときよりは小さくなっている。図１６は、ピークレベルの１３．５％の光強度で見たビームの径を示している。

ある瞬間のビーム径の差が画像上の位置によって大きい理由は、画像上の位置によって有効Ｆナンバーが変化しているためであり、特に、主走査断面内の有効Ｆナンバーが大きく変化しているためである。主走査断面内の有効Ｆナンバーは、走査光学系の射影特性と感光体５への入射角とに依存する。

ここで、走査光学系の射影特性が、偏向角変化に対して像高変化が比例するような関係であるとき、感光体５の面内で見た主走査方向のビーム径は、画像上の位置に関わらず一定となる。偏向角変化に対して像高変化が比例するような関係は、ポリゴンミラーを用いた走査光学系で使われているもので、ポリゴンミラーへの入射光が主走査断面内で平行光のとき、比例定数が走査光学系の主走査断面内の焦点距離と等しくなることから、ｆθ特性と呼ばれる。

これに対して、本実施形態においては、比例関係から外れて、上述の理想像高式（数３式）で表現されるような射影特性になっているので、主走査断面内のビーム径も一定にはならず、収差が全く無ければ次の数４式で表わされるような値となる。

ただし、
ｄ₀ ：偏向角０度での主走査断面ビーム径（μｍ）
θ ：偏向角（度）
ωmax ：描画に使用しない範囲まで含めた最大の偏向角（度）

ここで、θ＝０のとき、分母は１であり、θの絶対値が大きくなると、分母は小さくなるので、無収差時の主走査断面ビーム径は、偏向角０度で最小であり、端部に向かって単調に増大する。なお、θの絶対値がωmaxよりも大きくなることはないので、分母が０になることはない。

図１７は、本実施形態において、上記の無収差時のビーム径の式（数４式）に、ｄ₀として、図１２に示したビームの光強度１３．５％でのビーム径を代入したものである。比較のために、図１６に示した主走査方向のビーム径を併せて図１７に載せているが、これら両者は、ほぼ一致している。また、端部では、無収差時よりも本実施形態のほうが、ビーム径が細くなっているが、これは、図１１に示した歪曲が、画像周辺部に向かうにつれて理想値から少しずつ外れていき、最終端で戻っていることの影響によるものである。

以上、本実施形態では、走査レンズ４の光軸付近でのパワーが主走査断面内では負であるため、共振鏡３から感光体５表面までの距離を短くしても、共振鏡３を介して走査レンズ４に入射する光を、主走査方向に所望の走査幅まで広げることができる。したがって、共振鏡３での偏向角が小さい場合でも、小型のレーザー走査装置を容易に実現することができる。

また、共振鏡３に入射するレーザー光は、主走査断面内では収束光であるので、本実施形態のように走査レンズ４を１枚のレンズで構成しても、所望の走査幅を得るのに必要な上記距離を短くすることができ、装置を小型化することができる。つまり、本実施形態の構成によれば、走査レンズ４のコストを上げることなく装置を小型化することができる。

また、先に述べたように、本実施形態では、共振鏡３に入射するときのレーザー光の光束幅は、主走査方向で４．３ｍｍ、副走査方向で２．３ｍｍとなっている。もし、光学系が軸対称であるならば、上記レーザー光の主走査方向の光束幅と副走査方向の光束幅との比は、ほぼビーム径の逆数の比となるため、主走査方向が上記の光束幅なら、副走査方向の光束幅は３ｍｍでなければならない。しかし、本実施形態では、上記レーザー光の副走査方向の光束幅は、それよりも狭い２．３ｍｍとなっている。

このように、共振鏡３に入射するときのレーザー光の副走査方向の光束幅を狭くできるのは、副走査方向について、略平行光の状態でレーザー光を共振鏡３に入射させているためである。共振鏡３に入射するレーザー光の副走査方向の光束幅が狭くなれば、共振鏡３の副走査方向の幅を小さくして、共振鏡３を小型化することができるので、安価な共振鏡３を用いてレーザー走査装置を安価に実現することができる。また、これに加えて、共振鏡３が小型になれば、共振鏡３で振動する部分も小さくなるので、高速走査を容易に実現することができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図１８ないし図２０は、本実施形態に係るレーザー走査装置の光路図である。より詳細には、図１８は、上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路図であり、図１９は、共振鏡３から感光体５までの副走査断面での光路図であり、図２０は、レーザー光源１から共振鏡３までの副走査断面での光路図である。なお、これらの図では、集光レンズ２のレンズ２ａ・２ｂおよび走査レンズ４については、その光入射面および光射出面のみを図示している。

また、表８は、本実施形態の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものであり、表９ないし表１２は、本実施形態での光学面の面構成（面形状）を示している。なお、これらの表の表し方については、第１実施形態の場合と全く同様である。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、集光レンズ２を構成する２枚のレンズ２ａ・２ｂのうち、レーザー光源１側のレンズ２ａは、樹脂レンズとなっており、共振鏡３側のレンズ２ｂは、ガラスレンズとなっている。なお、走査レンズ４については、第１実施形態と同様である。

レンズ２ａは、例えば光入射側に非軸対称面を有するアナモフィックレンズであり、主走査断面内と副走査断面内とでパワーが異なっている。なお、レンズ２ａは、光入射側の面と光射出側の面とのうち少なくとも一方に非軸対称面を有していればよい。レンズ２ａは、主走査断面内でも副走査断面内でも負のパワーを持っている。

レンズ２ｂは、光入射側および光射出側に平面または球面を有しており、本実施形態では、光入射側の面が平面、光射出側の面が球面となっている。このレンズ２ｂは、正のパワーを持っている。

図２１および図２２は、本実施形態において、集光レンズ２および走査レンズ４の球面収差を波面収差で示したものである。ただし、図２１は、主走査断面内における波面収差を示し、図２２は、副走査断面内における波面収差を示している。

主走査断面内については、集光レンズ２の球面収差と走査レンズ４の球面収差とは正負が逆であり、トータルでほぼ補正されていると言える。これは、第１実施形態と同様に、走査レンズ４を設計した後に、走査レンズ４にて発生する主走査断面内の球面収差を打ち消すように集光レンズ２を設計したためである。また、本実施形態でも、共振鏡３に入射するレーザー光の光束幅は、主走査断面内よりも副走査断面内のほうが狭いので、走査レンズ４および集光レンズ２について、球面収差の発生量そのものが主走査断面内に比較すると副走査断面内では小さくなっている。

図２３は、本実施形態の光学系の副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示しており、図２４は、温度を１０度上昇させたときの副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示している。本実施形態では、集光レンズ２を、ガラス正レンズであるレンズ２ｂと、樹脂負レンズであるレンズ２ａとで構成したことで、温度変化時のデフォーカスが抑えられている。走査レンズ４は、主走査断面内では負のパワーを、副走査断面内では正のパワーを持っており、温度変化時の挙動も主走査方向と副走査方向とでは異なるが、両方向でほぼ実用上問題のないレベルまで温度変化時のデフォーカスを抑えることができている。

〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、第１および第２実施形態と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図２５ないし図２７は、本実施形態に係るレーザー走査装置の光路図である。より詳細には、図２５は、上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路図であり、図２６は、共振鏡３から感光体５までの副走査断面での光路図であり、図２７は、レーザー光源１から共振鏡３までの副走査断面での光路図である。なお、これらの図では、集光レンズ２のレンズ２ａ・２ｂおよび走査レンズ４については、その光入射面および光射出面のみを図示している。

また、表１３は、本実施形態の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものであり、表１４ないし表１７は、本実施形態での光学面の面構成（面形状）を示している。なお、これらの表の表し方については、第１実施形態の場合と全く同様である。

本実施形態では、第２実施形態と同様に、集光レンズ２のレンズ２ｂがガラスレンズとなっているが、このレンズが球面ではなく軸対称非球面を有している点で第２実施形態と異なっている。本実施形態では、レンズ２ｂの光射出面が軸対称非球面となっているが、光入射面と光射出面とのうちの少なくとも一方が軸対称非球面であればよい。なお、走査レンズ４については、第２実施形態と同様である。

図２８および図２９は、本実施形態において、集光レンズ２および走査レンズ４の球面収差を波面収差で示したものである。ただし、図２８は、主走査断面内における波面収差を示し、図２９は、副走査断面内における波面収差を示している。

主走査断面内については、集光レンズ２の球面収差と走査レンズ４の球面収差とは正負が逆であり、トータルで補正されている。これは、第１および第２実施形態と同様に、走査レンズ４を設計した後に、走査レンズ４にて発生する主走査断面内の球面収差を打ち消すように集光レンズ２を設計したためである。また、本実施形態でも、共振鏡３に入射するレーザー光の光束幅は、主走査断面内よりも副走査断面内のほうが狭いので、走査レンズ４および集光レンズ２について、球面収差の発生量そのものが主走査断面内に比較すると副走査断面内では小さくなっている。

また、第２実施形態では、ガラス球面レンズの発生する球面収差は、走査レンズ４の発生する球面収差とともに、集光レンズ２の樹脂レンズの球面収差によってトータルで補正されている。つまり、ガラス球面レンズの発生する球面収差は、走査レンズ４の発生する球面収差に比べて圧倒的に大きいため、第２実施形態では、集光レンズ２の２枚のレンズ間で逆符号の球面収差を発生させてこれらの球面収差をほぼ打ち消すようにしている。したがって、この構成では、集光レンズ２の２枚のレンズ間の相対的な位置誤差について要求される精度が厳しくなる。

これに対して、本実施形態では、集光レンズ２のガラスレンズであるレンズ２ｂの片面を軸対称非球面としている。ガラス軸対称非球面レンズは、ガラス球面レンズに比べて製造しにくいが、ガラス軸対称非球面レンズを用いることで、ガラスレンズの発生する球面収差をほぼゼロにすることができる。したがって、本実施形態では、集光レンズ２の２枚のレンズ間の相対的な位置誤差について要求される精度を緩和することができる。

図３０は、本実施形態の光学系の副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示しており、図３１は、温度を１０度上昇させたときの副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示している。本実施形態においても、第２実施形態と同様に、集光レンズ２を、ガラス正レンズであるレンズ２ｂと、樹脂負レンズであるレンズ２ａとで構成していることで、主走査方向および副走査方向の両方向でほぼ実用上問題のないレベルまで温度変化時のデフォーカスを抑えることができている。

〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、第１ないし第３実施形態と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。

図３２ないし図３４は、本実施形態に係るレーザー走査装置の光路図である。より詳細には、図３２は、上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路図であり、図３３は、共振鏡３から感光体５までの副走査断面での光路図であり、図３４は、レーザー光源１から共振鏡３までの副走査断面での光路図である。なお、これらの図では、集光レンズ２のレンズ２ａ・２ｂおよび走査レンズ４については、その光入射面および光射出面のみを図示している。

また、表１８は、本実施形態の光学系を光学面の座標データで数値的に示したものであり、表１９ないし表２３は、本実施形態での光学面の面構成（面形状）を示している。なお、これらの表の表し方については、第１実施形態の場合と全く同様である。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、集光レンズ２のレンズ２ａは、ガラスの軸対称非球面レンズであり、光入射側の面が球面、光射出側の面が軸対称非球面となっている。また、集光レンズ２のレンズ２ｂは、ガラスシリンダレンズであり、その光入射側の面がシリンダ面となっている。

一方、走査レンズ４は、入射光の収束度合いが緩くなるように構成されている点で、第１実施形態とは異なっている。なお、偏向角は、第１実施形態と同じである。走査レンズ４において入射光の収束度合いを緩くしたことで、走査レンズ４は共振鏡３から遠ざかり、それとともに主走査方向の長さが長くなり、共振鏡３から感光体５までの距離も長くなっている。表２４は、本実施形態の走査レンズ４の光軸付近でのパワーを示しているが、第１実施形態と同様に、主走査断面内では負、副走査断面内では正のパワーとなっている。

図３５は、本実施形態の光学系の副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示している。本実施形態では、走査レンズ４の軸近傍でのパワーが主走査方向と副走査方向とで個別に設定されているので、主走査方向および副走査方向ともに像面湾曲が抑えられている。

また、図３６は、本実施形態での歪曲を示し、図３７および図３８は、本実施形態において、集光レンズ２および走査レンズ４の球面収差を波面収差で示したものである。ただし、図３７は、主走査断面内における波面収差を示し、図３８は、副走査断面内における波面収差を示している。本実施形態では、走査レンズ４における入射光の収束度合いを緩くしたことにより、走査レンズ４で発生する球面収差が第１実施形態よりも小さくなっており、集光レンズ２はそれに合わせて設計されている。

また、本実施形態でも、共振鏡３に入射するレーザー光の光束幅は、主走査断面内よりも副走査断面内のほうが狭いので、走査レンズ４および集光レンズ２について、球面収差の発生量そのものが主走査断面内に比較すると副走査断面内では小さくなっている。

図３９ないし図４２は、本実施形態でのビーム形状を示している。これらの図では、それぞれのピーク強度に対して、１０％刻みで等高線を描画している。図３９および図４０は、ある瞬間のビーム形状であり、図４１および図４２は、１ドットに相当する時間だけ走査したときのビーム形状（光エネルギーの積算結果）である。また、図３９および図４１は、画像中央でのビーム形状であり、図４０および図４２は、画像端部でのビーム形状である。

このように、ある瞬間のビーム形状で見ると、ビームは縦長であり、また、画像上の位置によってビーム径の差が大きいが、１ドット分走査したときのビーム形状は、ほぼ円形であり、画像上の位置によるビーム径の差も瞬間で見たときよりは小さくなっている。図４３は、ピークレベルの１３．５％の光強度で見たビームの径を示している。

以上、本実施形態では、第１実施形態よりも入射光の収束度合いを緩くした走査レンズ４を用いた結果、偏向角０度において、レーザー光が共振鏡３に入射する位置から、走査レンズ４が無い場合に主走査断面内で収束する位置までの距離ａは、約１４９ｍｍ程度となっており、共振鏡３から感光体５までの距離ｂは、約２９８ｍｍ程度となっている。

このように、本実施形態では、距離ａと距離ｂとの関係は、２ａ＜ｂとなっているが、走査レンズ４において入射光の収束度合いをさらに緩めると、２ａ≧ｂとなって装置が大型化することが容易に予測される。したがって、装置の小型化を損なわない範囲で、走査レンズ４の球面収差を抑えるためには、２ａ＜ｂを満足することが必要であると言える。

本発明の第１実施形態に係るレーザー走査装置の概略の構成を示す斜視図である。 上記レーザー走査装置全体の主走査断面での光路を示す説明図である。 第１実施形態において、共振鏡から感光体までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第１実施形態において、レーザー光源から共振鏡までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第１実施形態において、副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示す説明図である。 第１実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの主走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第１実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの副走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第１実施形態において、偏向角に対する像高を計算した結果を示す説明図である。 第１実施形態において、時間に対する偏向角変化を示す説明図である。 第１実施形態において、時間に対する像高変化を示す説明図である。 第１実施形態における歪曲を示す説明図である。 第１実施形態において、画像中央での、ある瞬間でのビーム形状を示す説明図である。 第１実施形態において、画像端部での、ある瞬間でのビーム形状を示す説明図である。 第１実施形態において、画像中央での、１ドットに相当する時間だけ走査したときのビーム形状を示す説明図である。 第１実施形態において、画像端部での、１ドットに相当する時間だけ走査したときのビーム形状を示す説明図である。 第１実施形態において、ピークレベルの１３．５％の光強度で見たビームの径を示す説明図である。 第１実施形態において、無収差時のビーム径を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザー走査装置の全体の主走査断面での光路を示す説明図である。 第２実施形態において、共振鏡から感光体までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第２実施形態において、レーザー光源から共振鏡までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第２実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの主走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第２実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの副走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第２実施形態において、副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示す説明図である。 第２実施形態において、温度を１０度上昇させたときの副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザー走査装置の全体の主走査断面での光路を示す説明図である。 第３実施形態において、共振鏡から感光体までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第３実施形態において、レーザー光源から共振鏡までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第３実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの主走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第３実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの副走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第３実施形態において、副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示す説明図である。 第３実施形態において、温度を１０度上昇させたときの副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係るレーザー走査装置の全体の主走査断面での光路を示す説明図である。 第４実施形態において、共振鏡から感光体までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第４実施形態において、レーザー光源から共振鏡までの副走査断面での光路を示す説明図である。 第４実施形態において、副走査断面内および主走査断面内での像面湾曲を示す説明図である。 第４実施形態における歪曲を示す説明図である。 第４実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの主走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第４実施形態において、集光レンズおよび走査レンズの副走査断面内での球面収差を波面収差で示す説明図である。 第４実施形態において、画像中央での、ある瞬間でのビーム形状を示す説明図である。 第４実施形態において、画像端部での、ある瞬間でのビーム形状を示す説明図である。 第４実施形態において、画像中央での、１ドットに相当する時間だけ走査したときのビーム形状を示す説明図である。 第４実施形態において、画像端部での、１ドットに相当する時間だけ走査したときのビーム形状を示す説明図である。 第４実施形態において、ピークレベルの１３．５％の光強度で見たビームの径を示す説明図である。

符号の説明

１ レーザー光源
２ 集光レンズ（集光光学系）
２ａ レンズ（集光光学系）
２ｂ レンズ（集光光学系）
３ 共振鏡（偏向器）
４ 走査レンズ（走査光学系）
５ 感光体（被走査面）

Claims (10)

1. レーザー光源と、
   上記レーザー光源が発したレーザー光を主走査断面内で収束光にする集光光学系と、
   上記集光光学系が射出したレーザー光を偏向する偏向器と、
   上記偏向器にて偏向されたレーザー光を被走査面上に集光する、レンズ１枚からなる走査光学系とを有し、
   上記偏向器に入射するレーザー光が、副走査断面内で略平行光であり、
   上記走査光学系において、レンズの光軸付近でのパワーが、主走査断面内では負であり、副走査断面内では正であることを特徴とするレーザー走査装置。
2. 上記偏向器は、反射面を正弦揺動させることによってレーザー光を偏向する共振鏡で構成されており、
   上記走査光学系は、上記共振鏡にて偏向されたレーザー光を被走査面上で等速走査するように収差補正されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー走査装置。
3. レーザー光が上記偏向器に入射する位置から、上記走査光学系が無い場合に主走査断面内で収束する位置までの距離をａとし、上記偏向器から上記被走査面までの距離をｂとしたとき、
   ２ａ＜ｂ
   を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー走査装置。
4. 上記集光光学系は、主走査断面内での上記走査光学系の球面収差と逆符号の球面収差を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザー走査装置。
5. 上記走査光学系のレンズは、樹脂からなり、
   上記集光光学系は、ガラスレンズと樹脂レンズとの２枚からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー走査装置。
6. 上記ガラスレンズが軸対称形状であり、
   上記樹脂レンズがアナモフィックであることを特徴とする請求項５に記載のレーザー走査装置。
7. 上記ガラスレンズの少なくとも１面が軸対称非球面であることを特徴とする請求項６に記載のレーザー走査装置。
8. 上記ガラスレンズが平面または球面を有していることを特徴とする請求項６に記載のレーザー走査装置。
9. 上記樹脂レンズが非軸対称面を有していることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のレーザー走査装置。
10. 上記集光光学系は、２枚のレンズからなり、上記レーザー光源に近い側のレンズが軸対称レンズであり、上記偏向器に近い側のレンズが副走査断面内でパワーを持たないアナモフィックレンズであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー走査装置。

Images