JP4349500B2 - 光走査光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査光学系に関し、詳しくは、光源から発せられた光束をポリゴンミラー等の偏向手段により反射偏向して被走査面上に走査させる際に、偏向手段の面倒れによるピッチむらを補正する機能を備えた光走査光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レーザビーム等の光ビームを感光材料等の被走査面上において走査し、この面上に画像を形成するレーザプリンタやディジタル複写機等の光走査光学系が知られている。このような光走査光学系は、光源から発せられた光ビームを反射偏向して被走査面上を走査せしめる回転多面鏡等の偏向手段と、光ビームを被走査面上に結像する走査結像光学系とを備えてなるものである。
このような光走査光学系においては、光偏向手段の光偏向反射面の各面に走査面に対する傾きのばらつき（面倒れ）があった場合、被走査面上の主走査方向と略直交する方向（副走査方向）において、走査線ごとに光ビームの結像位置が変化して走査線にピッチむらが生じてしまい、良好な画像を得ることができない。このため、偏向手段の面倒れを補正する機能を備えた光走査光学系が種々知られている。
【０００３】
例えば、第１の光学手段において、コリメーティングレンズにより光源からの光束を略平行にし、シリンドリカルレンズ等により光偏向手段の光偏向反射面近傍に副走査方向に集光して主走査方向に線状に結像させ、光偏向手段の後段に位置する第２の光学手段において、光偏向反射面により偏向反射された光束を被走査面上に結像する、という面倒れ補正機能を有する光走査光学系が知られている。この面倒れ補正機能を有する光走査光学系においては、第２の光学手段にｆθレンズ系が広く使用され、光源からの光束を被走査面上に光スポットとして結像させる機能と、この光スポットを被走査面上で等速で移動させるという機能とを有している。このような第２の光学手段は、光偏向反射面上の偏向点の位置と被走査面上の結像点の位置とが副走査方向においてほぼ共役関係になるように構成されることが多い。
【０００４】
近年では、このような面倒れ補正機能を有する光走査光学系に関し、部品点数を少なくしたり製造を容易にすることが望まれている。
例えば、特開平６−１８８０３号公報記載の光走査装置においては、光偏向手段と被走査面との間に、球面単レンズまたは非球面プラスチックレンズ、主走査方向にのみ正の屈折力を有する平凸シリンドリカルレンズ、副走査方向にのみ負の屈折力を有する凹シリンドリカルミラーを配設することにより、少数の、加工容易な構成部品で面倒れを補正している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の簡易化に加え、近年では、光走査光学系の小型化や、形成画質を高密度化して画像の精度を向上することも望まれている。また、低価格化も重要な要望である。しかしながら、これらの要望を同時に実現することには困難がある。
例えば、光走査光学系の小型化のためには、走査レンズに対し、周辺部まで収差が少なく広い走査角が要求されるため、走査レンズは多数枚構成からなる光学系になりがちである。
【０００６】
また、画質の高密度化とは、具体的には、要望される性能が従来の１インチ当たり６００ドット程度から、最近では、１インチ当たり１０００ドット程度の印字機能となっていることであり、従来の光走査光学系では対応できないものになってきている。画質の高密度化には、被走査面上での光点寸法を小さくすることが肝要であり、その一方法として、大きい開口のレンズを用いることができる。しかしその場合、光学系の小型化に反することになり、また、走査用レンズが複雑になるため低価格化は難しい。
【０００７】
あるいは、一般にレンズ枚数削減や構成簡易化に利用されるように、プラスチック製レンズを用いることも提案されている。この場合、低価格化を図れるという利点もある。しかし、プラスチック製レンズの周辺部では良好な性能が得にくいため、レンズ径に対して開口を広くすることが困難であり、上述のように開口を広くし高密度化を図ると小型化が難しくなる。
【０００８】
また、前述した特開平６−１８８０３号公報記載の光走査装置においては、面倒れ補正のためにシリンドリカルレンズ等のアナモフィックなミラーまたはレンズを利用しているが、これらのミラーまたはレンズは、副走査方向の像面湾曲を良好に保つために、比較的被走査面寄りに配置されている。そのため、主走査方向に長い形状となってしまい、加工の難しいこれらのミラーまたはレンズが大きなものになる分だけ製品が高価となることが多く、光学系のさらなる簡易化と低価格化が望まれている。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、少ないレンズ構成枚数にて面倒れ補正機能を有し、また、画像の高密度化に対応可能な光走査光学系を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、プラスチック製レンズを使用しながらも小型化を図り、また低価格化を図った光走査光学系を提供することをも目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の光走査光学系は、光源と、
該光源からの光ビームを線状に結像させる第１の光学手段と、
該第１の光学手段による結像位置またはその近傍に光偏向面を有し、光ビームを偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、
該光偏向手段により偏向された光ビームを該被走査面に結像させ、該被走査面上に略等速に走査させる第２の光学手段からなる光走査光学系において、
該第２の光学手段が前記光偏向手段側から順に、
主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有し、かつ主走査方向において両凸形状をなす第１のレンズと、
主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面は主走査方向断面が高次関数である非円弧面からなる第２のレンズとにより構成されることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記光源に波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いることが好ましい。
さらに、本発明による第２の光走査光学系は、波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いた光源と、
該光源からの光ビームを線状に結像させる第１の光学手段と、
該第１の光学手段による結像位置またはその近傍に光偏向面を有し、光ビームを偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、
該光偏向手段により偏向された光ビームを該被走査面に結像させ、該被走査面上に略等速に走査させるように作用する、少なくとも１枚のプラスチック製レンズを含む第２の光学手段とを備え、
前記第２の光学手段は、前記光偏向手段側から順に、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズと、主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズから構成されてなる、ことを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、上記「主走査方向」とは偏向された光ビームの被走査面上での軌跡に平行な方向を、上記「副走査方向」とは被走査面上で主走査方向と略直交する方向を、上記「主走査方向断面」とは光軸を含む主走査方向の断面を意味する。
また、上記「トーリック面」とは、主走査方向断面と、主走査方向断面に垂直で光軸を含む面（副走査方向断面）において互いに異なる屈折力を有する面を意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る光走査光学系の構成を示すものであり、光軸を含む主走査方向の断面（以下、主走査方向断面と称する）を示す概略図である。
図１に示すように、この光走査光学系は、光源１１から発せられた光ビームを主走査方向に線状に結像させる第１の光学手段１と、第１の光学手段１による結像位置近傍に光偏向反射面１５を有し、光ビームを反射偏向して被走査面１８上に走査する光偏向手段であるポリゴンミラー１４と、ポリゴンミラー１４により反射偏向された光ビームを被走査面１８上に結像させ、この光ビームを略等速に被走査面１８上に走査させるように作用する第２の光学手段２とからなる。
【００１４】
この第１の光学手段１は、光源１１から発せられた光ビームを略平行光とするコリメーティングレンズ１２と、光ビームを線状に結像させる副走査方向に正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ１３とからなる。第２の光学手段２は、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、光偏向反射面１５側と被走査面１８側との両面ともに、主走査方向断面と副走査方向断面において互いに異なる屈折力を有するトーリック面からなる第１のレンズ１６と、小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズ１７との２枚のレンズからなる。
図２に、本発明の実施形態の光偏向反射面１５から被走査面１８までの第２の光学手段２の基本構成を、主走査方向断面に垂直で光軸を含む面（以下、副走査方向断面と称する）において示す。
【００１５】
図１および図２において、光源１１から発せられた光ビームは、被走査面１８上に結像されるとともに、ポリゴンミラー１４が矢印Ａ方向に回転することにより、被走査面１８上において矢印Ｂ方向に主走査される。光ビームは第２の光学手段２を透過することにより被走査面１８上において略等速に主走査される。さらに、被走査面１８を副走査方向に移動して画像を形成する。光偏向反射面１５と被走査面１８は、副走査方向断面において、第２の光学手段２に対して共役な関係にあり、これにより光偏向反射面１５の面倒れに関して光学的に補正機能を得ることができる。
なお、副走査の方向は被走査面１８と走査光ビームとの相対的な移動方向であり、被走査面１８を固定し、走査光ビームを移動させるようにしてもよい。
【００１６】
第２の光学手段２は上述のように、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズ１６と、小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズ１７との２枚のレンズから構成されている。第１のレンズ１６に両面ともにトーリック面を有するレンズを用いることにより、屈折力の方向が異なるシリンドリカルレンズを複数枚用いるに匹敵する効果を１枚のレンズにて得ることができる。また、第２のレンズ１７の、主走査方向における屈折力を小さい負または０とすることにより、第２のレンズ１７から被走査面１８までの距離を十分なものとすることができる。
【００１７】
このような第２の光学手段２の構成により、２枚という少ないレンズ構成枚数にてポリゴンミラー１４の光偏向反射面１５の倒れ角による各走査毎の副走査方向のビームウエストのばらつきを抑え、また、主走査方向、副走査方向の像面湾曲を良好に保つことができるという作用効果を得ることができる。少ない部品点数であっても良好な結像性能を得ることにより、構成の簡易化と大きな走査角を実現し、高密度化にも対応可能な光走査光学系となる。
【００１８】
つぎに、この光走査光学系の光源１１に波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いた場合の作用効果について述べる。
光源１１をこのように短い波長のものとすることにより、開口を広くせずに被走査面１８上の光点寸法を小さくすることができ、形成画像の高密度化が可能になる。
光点寸法をｄ、波長をλ、Ｆ／ＮＯをＦとすれば、ｄ＝ｋ・Ｆ・λ（ｋは定数）という関係がある。このことから、光点寸法を小さくするためには、理論的にはＦまたはλを小さくすれば良いことになる。ここで、Ｆを小さくしようとすると前述したように大きい開口のレンズを用いることになるため、光学系の小型化に反することになり、また、走査用レンズが複雑になるため低価格化は難しい。
【００１９】
そこで、λを小さくする、すなわち波長の短い光源を使用する光走査光学系が有効となる。波長の短いレーザとしては、従来からＡｒ+ レーザやＨｅ−Ｃｄレーザなどがあり、これらを使用した光学系が存在している。しかしながら、これらＡｒ+ レーザやＨｅ−Ｃｄレーザは高価で寸法も大きく、小型化や低価格化には不適であった。これに対し、最近では波長の短い半導体レーザが開発されたことにより、その波長の短い半導体レーザを使用することで、低価格で高密度な光学系を提供することができる。
【００２０】
例えば、従来、光源に波長７８０ｎｍの半導体レーザを用いて１インチ６００ドット程度の印字密度であった光走査光学系であっても、波長４８０ｎｍの半導体レーザを用いた場合、光点寸法はｄ（４８０ｎｍ）＝ｄ（７８０ｎｍ）×４８０／７８０となり、印字密度は６００×７８０／４８０＝９８０となる。したがって、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくせずに１インチ当たり約１０００ドットの高密度の印字が可能となる。
【００２１】
このように、光源１１の波長を５００ｎｍ以下とすれば、Ｆを小さくすることなく画像の高密度化が可能となる。したがって、このような光源１１を備えた本発明の光走査光学系にはプラスチック製のレンズを使用することができる。プラスチック製のレンズは、前述したように周辺部では良好な性能が得にくいため、レンズ径に対して開口を広くすることが困難であり、高密度化のためにＦ／ＮＯの小さいレンズが必要な光学系には不向きであった。
ガラス製では加工が難しく高価になりがちなレンズであっても、プラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。プラスチック製のレンズが１枚であっても小型化や低価格化は可能である。
【００２２】
以下、本発明の光走査光学系の実施例について具体的数値を用いて説明する。
〈実施例１〉
本実施例１に係る光走査光学系は、図１に示すとおりである。その構成は実施形態にて上述したとおりであるが、光源１１からの射出光は波長７８０ｎｍであり、第１のレンズ１６および第２のレンズ１７はともにプラスチック製であり、第２のレンズ１７は小さい負の屈折力を有し、両面が光軸を回転軸として回転対称な非球面からなるものである。第２レンズ１７の非球面形状は、下記非球面方程式により表される。なお、この非球面方程式は、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。
【００２３】
【数１】
【００２４】
本実施例１における各レンズ面の曲率半径ＲH、ＲV、Ｒ（ＲHはトーリック面の主走査方向断面における曲率半径、ＲVはトーリック面の副走査方向断面における曲率半径であり、曲率半径の単位はｍｍである。以下の実施例においても同様とする。）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線（λ＝５４６．１ｎｍ）における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表１に示す。ただし、この表１および後述する表３、表５、表７において、各記号Ｒ、Ｄ、Ｎe、νeに対応させた数字は光源側から順次増加するようになっている。
【００２５】
表１の下段に、本実施例１の光走査光学系の光源１１の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
なお、表１および以下の表において面番号の右側に＊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。
表２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。
【００２８】
【表２】
【００２９】
図３に本実施例１に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。なお、図３〜図６の球面収差図においてはＦ／ＮＯ＝４２を１として規格化しており、非点収差図には、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。
表１および図３から明らかなように、実施例１によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成し、それにより高密度化にも対応可能な光走査光学系となっている。
【００３０】
〈実施例２〉
本実施例２に係る光走査光学系の構成は、実施例１と略同様とされているが、その光源１１に波長４８０ｎｍの半導体レーザを用いている点が異なっている。本実施例２における各レンズ面の曲率半径ＲH（ｍｍ）、ＲV（ｍｍ）、Ｒ（ｍｍ）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表３に示す。表３の下段に、本実施例２の光走査光学系の光源の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００３１】
【表３】
【００３２】
表４に、この実施例２における非球面の各定数Ｋ、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10の値を示す。
【００３３】
【表４】
【００３４】
図４に本実施例２に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。
表３および図４から明らかなように、実施例２によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成している。さらに、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【００３５】
〈実施例３〉
本実施例３に係る光走査光学系の構成は、実施例２と略同様とされているが、光源１１の波長は４５０ｎｍであり、第２のレンズ１７の屈折力が上述の実施例１および２に比べ、より弱いものとなっている。
本実施例３における各レンズ面の曲率半径ＲH（ｍｍ）、ＲV（ｍｍ）、Ｒ（ｍｍ）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表５に示す。表５の下段に、本実施例３の光走査光学系の光源１１の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００３６】
【表５】
【００３７】
表６に、この実施例３における非球面の各定数Ｋ、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10の値を示す。
【００３８】
【表６】
【００３９】
図５に本実施例３に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。
表５および図５から明らかなように、実施例３によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成している。さらに、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【００４０】
〈実施例４〉
本実施例４に係る光走査光学系の構成は、実施例２と略同様とされているが、光源１１の波長は４００ｎｍであり、実施例３と同様、第２のレンズ１７の屈折力が上述の実施例１および２に比べ、より弱いものとなっている。
本実施例４における各レンズ面の曲率半径ＲH（ｍｍ）、ＲV（ｍｍ）、Ｒ（ｍｍ）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表７に示す。表７の下段に、本実施例４の光走査光学系の光源１１の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００４１】
【表７】
【００４２】
表８に、この実施例４における非球面の各定数Ｋ、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10の値を示す。
【００４３】
【表８】
【００４４】
図６に本実施例４に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。
表７および図６から明らかなように、実施例４によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成している。さらに、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【００４５】
図７に、実施例１〜４におけるスポット形状を示す。各図は各々実施例１〜４の中心画角における光強度を示しており、各図の単位は任意単位である。各図中の数字は、上段が副走査方向におけるスポット径（ｍｍ）、下段が主走査方向におけるスポット径（ｍｍ）を示す。図７に示すとおり、光源波長が７８０ｎｍである実施例１に対し、光源波長が５００ｎｍ以下である実施例２〜４の方がスポット径を小さくでき、画像を高密度化し性能向上を図ることができる。
【００４６】
なお、本発明の光走査光学系を構成するレンズ系としては、上記実施形態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ＲH、ＲV、Ｒおよびレンズの間隔（もしくはレンズ厚）Ｄを適宜変更することが可能である。また、例えば上記第２の光学手段２における第２のレンズ１７は、少なくとも一面が回転対称な非球面となるレンズとされているが、これに代えて少なくとも一方の面が、主走査方向断面のみが所望の高次関数である非円弧面となるレンズとしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光走査光学系によれば、光偏向反射面と被走査面の間に配した第２の光学手段の構成を、被走査面側から順に、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズと、主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面は主走査方向断面が高次関数である非円弧面からなる第２のレンズとすることにより、２枚という少ない構成枚数で大きな走査角を達成し、それにより高密度化にも対応可能な光走査光学系とすることができる。さらに、光源に波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光走査光学系の構成を示す主走査方向断面図
【図２】本発明の実施形態に係る光走査光学系の構成を示す副走査方向断面図
【図３】実施例１に係る光走査光学系の収差曲線図
【図４】実施例２に係る光走査光学系の収差曲線図
【図５】実施例３に係る光走査光学系の収差曲線図
【図６】実施例４に係る光走査光学系の収差曲線図
【図７】実施例１から４に係る光走査光学系のスポット形状断面図
【符号の説明】
ＲH1〜ＲH2 トーリック面の主走査方向曲率半径
ＲV1〜ＲV2 トーリック面の副走査方向曲率半径
Ｒ3 〜Ｒ4 レンズ面の曲率半径
Ｄ1 〜Ｄ3 レンズ面間隔（レンズ厚）
１ 第１の光学手段
２ 第２の光学手段
１１ 光源
１２ コリメーティングレンズ
１３ シリンドリカルレンズ
１４ ポリゴンミラー
１５ 光偏向反射面
１６ 第１のレンズ
１７ 第２のレンズ
１８ 被走査面
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査光学系に関し、詳しくは、光源から発せられた光束をポリゴンミラー等の偏向手段により反射偏向して被走査面上に走査させる際に、偏向手段の面倒れによるピッチむらを補正する機能を備えた光走査光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レーザビーム等の光ビームを感光材料等の被走査面上において走査し、この面上に画像を形成するレーザプリンタやディジタル複写機等の光走査光学系が知られている。このような光走査光学系は、光源から発せられた光ビームを反射偏向して被走査面上を走査せしめる回転多面鏡等の偏向手段と、光ビームを被走査面上に結像する走査結像光学系とを備えてなるものである。
このような光走査光学系においては、光偏向手段の光偏向反射面の各面に走査面に対する傾きのばらつき（面倒れ）があった場合、被走査面上の主走査方向と略直交する方向（副走査方向）において、走査線ごとに光ビームの結像位置が変化して走査線にピッチむらが生じてしまい、良好な画像を得ることができない。このため、偏向手段の面倒れを補正する機能を備えた光走査光学系が種々知られている。
【０００３】
例えば、第１の光学手段において、コリメーティングレンズにより光源からの光束を略平行にし、シリンドリカルレンズ等により光偏向手段の光偏向反射面近傍に副走査方向に集光して主走査方向に線状に結像させ、光偏向手段の後段に位置する第２の光学手段において、光偏向反射面により偏向反射された光束を被走査面上に結像する、という面倒れ補正機能を有する光走査光学系が知られている。この面倒れ補正機能を有する光走査光学系においては、第２の光学手段にｆθレンズ系が広く使用され、光源からの光束を被走査面上に光スポットとして結像させる機能と、この光スポットを被走査面上で等速で移動させるという機能とを有している。このような第２の光学手段は、光偏向反射面上の偏向点の位置と被走査面上の結像点の位置とが副走査方向においてほぼ共役関係になるように構成されることが多い。
【０００４】
近年では、このような面倒れ補正機能を有する光走査光学系に関し、部品点数を少なくしたり製造を容易にすることが望まれている。
例えば、特開平６−１８８０３号公報記載の光走査装置においては、光偏向手段と被走査面との間に、球面単レンズまたは非球面プラスチックレンズ、主走査方向にのみ正の屈折力を有する平凸シリンドリカルレンズ、副走査方向にのみ負の屈折力を有する凹シリンドリカルミラーを配設することにより、少数の、加工容易な構成部品で面倒れを補正している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の簡易化に加え、近年では、光走査光学系の小型化や、形成画質を高密度化して画像の精度を向上することも望まれている。また、低価格化も重要な要望である。しかしながら、これらの要望を同時に実現することには困難がある。
例えば、光走査光学系の小型化のためには、走査レンズに対し、周辺部まで収差が少なく広い走査角が要求されるため、走査レンズは多数枚構成からなる光学系になりがちである。
【０００６】
また、画質の高密度化とは、具体的には、要望される性能が従来の１インチ当たり６００ドット程度から、最近では、１インチ当たり１０００ドット程度の印字機能となっていることであり、従来の光走査光学系では対応できないものになってきている。画質の高密度化には、被走査面上での光点寸法を小さくすることが肝要であり、その一方法として、大きい開口のレンズを用いることができる。しかしその場合、光学系の小型化に反することになり、また、走査用レンズが複雑になるため低価格化は難しい。
【０００７】
あるいは、一般にレンズ枚数削減や構成簡易化に利用されるように、プラスチック製レンズを用いることも提案されている。この場合、低価格化を図れるという利点もある。しかし、プラスチック製レンズの周辺部では良好な性能が得にくいため、レンズ径に対して開口を広くすることが困難であり、上述のように開口を広くし高密度化を図ると小型化が難しくなる。
【０００８】
また、前述した特開平６−１８８０３号公報記載の光走査装置においては、面倒れ補正のためにシリンドリカルレンズ等のアナモフィックなミラーまたはレンズを利用しているが、これらのミラーまたはレンズは、副走査方向の像面湾曲を良好に保つために、比較的被走査面寄りに配置されている。そのため、主走査方向に長い形状となってしまい、加工の難しいこれらのミラーまたはレンズが大きなものになる分だけ製品が高価となることが多く、光学系のさらなる簡易化と低価格化が望まれている。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、少ないレンズ構成枚数にて面倒れ補正機能を有し、また、画像の高密度化に対応可能な光走査光学系を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、プラスチック製レンズを使用しながらも小型化を図り、また低価格化を図った光走査光学系を提供することをも目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の光走査光学系は、光源と、
該光源からの光ビームを線状に結像させる第１の光学手段と、
該第１の光学手段による結像位置またはその近傍に光偏向面を有し、光ビームを偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、
該光偏向手段により偏向された光ビームを該被走査面に結像させ、該被走査面上に略等速に走査させる第２の光学手段からなる光走査光学系において、
該第２の光学手段が前記光偏向手段側から順に、
主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有し、かつ主走査方向において両凸形状をなす第１のレンズと、
主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面は主走査方向断面が高次関数である非円弧面からなる第２のレンズとにより構成されることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記光源に波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いることが好ましい。
さらに、本発明による第２の光走査光学系は、波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いた光源と、
該光源からの光ビームを線状に結像させる第１の光学手段と、
該第１の光学手段による結像位置またはその近傍に光偏向面を有し、光ビームを偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、
該光偏向手段により偏向された光ビームを該被走査面に結像させ、該被走査面上に略等速に走査させるように作用する、少なくとも１枚のプラスチック製レンズを含む第２の光学手段とを備え、
前記第２の光学手段は、前記光偏向手段側から順に、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズと、主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズから構成されてなる、ことを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、上記「主走査方向」とは偏向された光ビームの被走査面上での軌跡に平行な方向を、上記「副走査方向」とは被走査面上で主走査方向と略直交する方向を、上記「主走査方向断面」とは光軸を含む主走査方向の断面を意味する。
また、上記「トーリック面」とは、主走査方向断面と、主走査方向断面に垂直で光軸を含む面（副走査方向断面）において互いに異なる屈折力を有する面を意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る光走査光学系の構成を示すものであり、光軸を含む主走査方向の断面（以下、主走査方向断面と称する）を示す概略図である。
図１に示すように、この光走査光学系は、光源１１から発せられた光ビームを主走査方向に線状に結像させる第１の光学手段１と、第１の光学手段１による結像位置近傍に光偏向反射面１５を有し、光ビームを反射偏向して被走査面１８上に走査する光偏向手段であるポリゴンミラー１４と、ポリゴンミラー１４により反射偏向された光ビームを被走査面１８上に結像させ、この光ビームを略等速に被走査面１８上に走査させるように作用する第２の光学手段２とからなる。
【００１４】
この第１の光学手段１は、光源１１から発せられた光ビームを略平行光とするコリメーティングレンズ１２と、光ビームを線状に結像させる副走査方向に正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ１３とからなる。第２の光学手段２は、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、光偏向反射面１５側と被走査面１８側との両面ともに、主走査方向断面と副走査方向断面において互いに異なる屈折力を有するトーリック面からなる第１のレンズ１６と、小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズ１７との２枚のレンズからなる。
図２に、本発明の実施形態の光偏向反射面１５から被走査面１８までの第２の光学手段２の基本構成を、主走査方向断面に垂直で光軸を含む面（以下、副走査方向断面と称する）において示す。
【００１５】
図１および図２において、光源１１から発せられた光ビームは、被走査面１８上に結像されるとともに、ポリゴンミラー１４が矢印Ａ方向に回転することにより、被走査面１８上において矢印Ｂ方向に主走査される。光ビームは第２の光学手段２を透過することにより被走査面１８上において略等速に主走査される。さらに、被走査面１８を副走査方向に移動して画像を形成する。光偏向反射面１５と被走査面１８は、副走査方向断面において、第２の光学手段２に対して共役な関係にあり、これにより光偏向反射面１５の面倒れに関して光学的に補正機能を得ることができる。
なお、副走査の方向は被走査面１８と走査光ビームとの相対的な移動方向であり、被走査面１８を固定し、走査光ビームを移動させるようにしてもよい。
【００１６】
第２の光学手段２は上述のように、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズ１６と、小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズ１７との２枚のレンズから構成されている。第１のレンズ１６に両面ともにトーリック面を有するレンズを用いることにより、屈折力の方向が異なるシリンドリカルレンズを複数枚用いるに匹敵する効果を１枚のレンズにて得ることができる。また、第２のレンズ１７の、主走査方向における屈折力を小さい負または０とすることにより、第２のレンズ１７から被走査面１８までの距離を十分なものとすることができる。
【００１７】
このような第２の光学手段２の構成により、２枚という少ないレンズ構成枚数にてポリゴンミラー１４の光偏向反射面１５の倒れ角による各走査毎の副走査方向のビームウエストのばらつきを抑え、また、主走査方向、副走査方向の像面湾曲を良好に保つことができるという作用効果を得ることができる。少ない部品点数であっても良好な結像性能を得ることにより、構成の簡易化と大きな走査角を実現し、高密度化にも対応可能な光走査光学系となる。
【００１８】
つぎに、この光走査光学系の光源１１に波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いた場合の作用効果について述べる。
光源１１をこのように短い波長のものとすることにより、開口を広くせずに被走査面１８上の光点寸法を小さくすることができ、形成画像の高密度化が可能になる。
光点寸法をｄ、波長をλ、Ｆ／ＮＯをＦとすれば、ｄ＝ｋ・Ｆ・λ（ｋは定数）という関係がある。このことから、光点寸法を小さくするためには、理論的にはＦまたはλを小さくすれば良いことになる。ここで、Ｆを小さくしようとすると前述したように大きい開口のレンズを用いることになるため、光学系の小型化に反することになり、また、走査用レンズが複雑になるため低価格化は難しい。
【００１９】
そこで、λを小さくする、すなわち波長の短い光源を使用する光走査光学系が有効となる。波長の短いレーザとしては、従来からＡｒ+ レーザやＨｅ−Ｃｄレーザなどがあり、これらを使用した光学系が存在している。しかしながら、これらＡｒ+ レーザやＨｅ−Ｃｄレーザは高価で寸法も大きく、小型化や低価格化には不適であった。これに対し、最近では波長の短い半導体レーザが開発されたことにより、その波長の短い半導体レーザを使用することで、低価格で高密度な光学系を提供することができる。
【００２０】
例えば、従来、光源に波長７８０ｎｍの半導体レーザを用いて１インチ６００ドット程度の印字密度であった光走査光学系であっても、波長４８０ｎｍの半導体レーザを用いた場合、光点寸法はｄ（４８０ｎｍ）＝ｄ（７８０ｎｍ）×４８０／７８０となり、印字密度は６００×７８０／４８０＝９８０となる。したがって、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくせずに１インチ当たり約１０００ドットの高密度の印字が可能となる。
【００２１】
このように、光源１１の波長を５００ｎｍ以下とすれば、Ｆを小さくすることなく画像の高密度化が可能となる。したがって、このような光源１１を備えた本発明の光走査光学系にはプラスチック製のレンズを使用することができる。プラスチック製のレンズは、前述したように周辺部では良好な性能が得にくいため、レンズ径に対して開口を広くすることが困難であり、高密度化のためにＦ／ＮＯの小さいレンズが必要な光学系には不向きであった。
ガラス製では加工が難しく高価になりがちなレンズであっても、プラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。プラスチック製のレンズが１枚であっても小型化や低価格化は可能である。
【００２２】
以下、本発明の光走査光学系の実施例について具体的数値を用いて説明する。
〈実施例１〉
本実施例１に係る光走査光学系は、図１に示すとおりである。その構成は実施形態にて上述したとおりであるが、光源１１からの射出光は波長７８０ｎｍであり、第１のレンズ１６および第２のレンズ１７はともにプラスチック製であり、第２のレンズ１７は小さい負の屈折力を有し、両面が光軸を回転軸として回転対称な非球面からなるものである。第２レンズ１７の非球面形状は、下記非球面方程式により表される。なお、この非球面方程式は、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。
【００２３】
【数１】
本実施例１における各レンズ面の曲率半径ＲH、ＲV、Ｒ（ＲHはトーリック面の主走査方向断面における曲率半径、ＲVはトーリック面の副走査方向断面における曲率半径であり、曲率半径の単位はｍｍである。以下の実施例においても同様とする。）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線（λ＝５４６．１ｎｍ）における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表１に示す。ただし、この表１および後述する表３、表５、表７において、各記号Ｒ、Ｄ、Ｎe、νeに対応させた数字は光源側から順次増加するようになっている。
【００２５】
表１の下段に、本実施例１の光走査光学系の光源１１の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００２６】
【表１】
なお、表１および以下の表において面番号の右側に＊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。
表２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。
【００２８】
【表２】
図３に本実施例１に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。なお、図３〜図６の球面収差図においてはＦ／ＮＯ＝４２を１として規格化しており、非点収差図には、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。
表１および図３から明らかなように、実施例１によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成し、それにより高密度化にも対応可能な光走査光学系となっている。
【００３０】
〈実施例２〉
本実施例２に係る光走査光学系の構成は、実施例１と略同様とされているが、その光源１１に波長４８０ｎｍの半導体レーザを用いている点が異なっている。本実施例２における各レンズ面の曲率半径ＲH（ｍｍ）、ＲV（ｍｍ）、Ｒ（ｍｍ）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表３に示す。表３の下段に、本実施例２の光走査光学系の光源の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００３１】
【表３】
表４に、この実施例２における非球面の各定数Ｋ、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10の値を示す。
【００３３】
【表４】
図４に本実施例２に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。
表３および図４から明らかなように、実施例２によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成している。さらに、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【００３５】
〈実施例３〉
本実施例３に係る光走査光学系の構成は、実施例２と略同様とされているが、光源１１の波長は４５０ｎｍであり、第２のレンズ１７の屈折力が上述の実施例１および２に比べ、より弱いものとなっている。
本実施例３における各レンズ面の曲率半径ＲH（ｍｍ）、ＲV（ｍｍ）、Ｒ（ｍｍ）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表５に示す。表５の下段に、本実施例３の光走査光学系の光源１１の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００３６】
【表５】
表６に、この実施例３における非球面の各定数Ｋ、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10の値を示す。
【００３８】
【表６】
図５に本実施例３に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。
表５および図５から明らかなように、実施例３によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成している。さらに、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【００４０】
〈実施例４〉
本実施例４に係る光走査光学系の構成は、実施例２と略同様とされているが、光源１１の波長は４００ｎｍであり、実施例３と同様、第２のレンズ１７の屈折力が上述の実施例１および２に比べ、より弱いものとなっている。
本実施例４における各レンズ面の曲率半径ＲH（ｍｍ）、ＲV（ｍｍ）、Ｒ（ｍｍ）、各レンズの空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズのｅ線における屈折率Ｎeおよびアッベ数νeを表７に示す。表７の下段に、本実施例４の光走査光学系の光源１１の波長λ、第２の光学手段２のＦ／ＮＯ、半画角ω、および焦点距離ｆの各値を示す。
【００４１】
【表７】
表８に、この実施例４における非球面の各定数Ｋ、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10の値を示す。
【００４３】
【表８】
図６に本実施例４に係る光走査光学系の各収差図（球面収差、歪曲収差、および像面湾曲の図）を示す。
表７および図６から明らかなように、実施例４によれば、像面湾曲をはじめ各収差を良好にし、２枚という少ない構成枚数で良好な結像性能を得ることにより、大きな走査角を達成している。さらに、波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【００４５】
図７に、実施例１〜４におけるスポット形状を示す。各図は各々実施例１〜４の中心画角における光強度を示しており、各図の単位は任意単位である。各図中の数字は、上段が副走査方向におけるスポット径（ｍｍ）、下段が主走査方向におけるスポット径（ｍｍ）を示す。図７に示すとおり、光源波長が７８０ｎｍである実施例１に対し、光源波長が５００ｎｍ以下である実施例２〜４の方がスポット径を小さくでき、画像を高密度化し性能向上を図ることができる。
【００４６】
なお、本発明の光走査光学系を構成するレンズ系としては、上記実施形態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ＲH、ＲV、Ｒおよびレンズの間隔（もしくはレンズ厚）Ｄを適宜変更することが可能である。また、例えば上記第２の光学手段２における第２のレンズ１７は、少なくとも一面が回転対称な非球面となるレンズとされているが、これに代えて少なくとも一方の面が、主走査方向断面のみが所望の高次関数である非円弧面となるレンズとしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光走査光学系によれば、光偏向反射面と被走査面の間に配した第２の光学手段の構成を、被走査面側から順に、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズと、主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面は主走査方向断面が高次関数である非円弧面からなる第２のレンズとすることにより、２枚という少ない構成枚数で大きな走査角を達成し、それにより高密度化にも対応可能な光走査光学系とすることができる。さらに、光源に波長の短い半導体レーザを用いることにより、Ｆ／ＮＯを小さくしなくとも高密度の印字が可能となり、また、レンズをプラスチック製とすることで、さらに光学系の小型化と低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光走査光学系の構成を示す主走査方向断面図
【図２】本発明の実施形態に係る光走査光学系の構成を示す副走査方向断面図
【図３】実施例１に係る光走査光学系の収差曲線図
【図４】実施例２に係る光走査光学系の収差曲線図
【図５】実施例３に係る光走査光学系の収差曲線図
【図６】実施例４に係る光走査光学系の収差曲線図
【図７】実施例１から４に係る光走査光学系のスポット形状断面図
【符号の説明】
ＲH1〜ＲH2 トーリック面の主走査方向曲率半径
ＲV1〜ＲV2 トーリック面の副走査方向曲率半径
Ｒ3 〜Ｒ4 レンズ面の曲率半径
Ｄ1 〜Ｄ3 レンズ面間隔（レンズ厚）
１ 第１の光学手段
２ 第２の光学手段
１１ 光源
１２ コリメーティングレンズ
１３ シリンドリカルレンズ
１４ ポリゴンミラー
１５ 光偏向反射面
１６ 第１のレンズ
１７ 第２のレンズ
１８ 被走査面
Claims (3)
- 光源と、
該光源からの光ビームを線状に結像させる第１の光学手段と、
該第１の光学手段による結像位置またはその近傍に光偏向面を有し、光ビームを偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、
該光偏向手段により偏向された光ビームを該被走査面に結像させ、該被走査面上に略等速に走査させる第２の光学手段からなる光走査光学系において、
該第２の光学手段が前記光偏向手段側から順に、
主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有し、かつ主走査方向において両凸形状をなす第１のレンズと、
主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面は主走査方向断面が高次関数である非円弧面からなる第２のレンズとにより構成されることを特徴とする光走査光学系。 - 前記光源に波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いたことを特徴とする請求項１記載の光走査光学系。
- 波長５００ｎｍ以下の半導体レーザを用いた光源と、
該光源からの光ビームを線状に結像させる第１の光学手段と、
該第１の光学手段による結像位置またはその近傍に光偏向面を有し、光ビームを偏向して被走査面上で走査する光偏向手段と、
該光偏向手段により偏向された光ビームを該被走査面に結像させ、該被走査面上に略等速に走査させるように作用する、少なくとも１枚のプラスチック製レンズを含む第２の光学手段とを備え、
前記第２の光学手段は、前記光偏向手段側から順に、主走査方向、副走査方向においてともに正の屈折力を有し、両面ともにトーリック面を有する第１のレンズと、主走査方向において小さい負の屈折力を有するかまたは屈折力を有さず、少なくとも一方の面が光軸を回転軸として回転対称な非球面レンズからなる第２のレンズから構成されてなる、ことを特徴とする光走査光学系。
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