JP4359138B2

JP4359138B2 - 走査光学装置

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Publication number: JP4359138B2
Application number: JP2003430590A
Authority: JP
Inventors: 隆之飯塚
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: US20050152013A1; US6975441B2; JP2005189500A

Description

本発明は、例えばレーザービームプリンタのレーザー走査ユニットとして用いられる走査光学装置に関し、特に、温度変化によるピント位置のずれを防ぐための技術に関する。

走査光学装置において温度変化によるピント位置のずれを防ぐための技術は、従来から知られている。例えば、特許文献１には、半導体レーザーとコリメートレンズとを固定する固定支持部材を、互いに熱膨張率の異なる２つの部材を用いた二重構造とし、温度変化による一方の部材の熱膨張によるコリメートレンズの変位と、他方の部材の熱膨張によるコリメートレンズの変位とを相殺する技術が開示されている。

走査レンズにガラスレンズを用いる場合には、特許文献１のように、発光点とコリメートレンズとの間隔が一定に保たれるよう制御すればよい。一方、コストダウンのために走査結像レンズとしてプラスチックレンズを用いる場合には、走査結像レンズの温度変化による熱膨張、屈折率変化による影響も無視できず、特許文献１の方法ではピント位置のずれを補正できない。

プラスチックの走査結像レンズは、温度が上昇すると焦点距離が伸び、ピント位置を走査結像レンズから遠ざける方向に作用する。一方、半導体レーザーとコリメートレンズとを固定する固定支持部材は、温度が上昇すると膨張し、発光点とコリメートレンズとの間隔が広くなるため、コリメートレンズから平行光として射出されるべき光束が収束光となり、ピント位置を走査結像レンズに近づける方向に作用する。さらに、光源として用いられる半導体レーザーの発光波長は、温度が上昇すると長波長側にシフトする。

特許文献２には、このようなプラスチック製の走査結像レンズの温度変化による特性変化と、半導体レーザーの温度変化による波長変動とを考慮し、半導体レーザーとコリメートレンズとを固定する固定支持部材の熱膨張を利用して温度変化によるピント位置のずれを抑える技術が開示されている。固定支持部材の材料としてアルミニウム、あるいは亜鉛を用いることにより、温度変化によるピント位置のずれを補正している。

なお、走査光学装置の光学系は、焦点距離の短いコリメートレンズと焦点距離の長い走査結像レンズとの組み合わせから成る拡大光学系を構成しているため、固定支持部材の熱膨張による発光点とコリメートレンズとの間隔の変化は、像面側では拡大されてピント位置のずれとなる。したがって、固定支持部材に対するコリメートレンズの取り付け位置を高い精度で制御しなければならない。このため、特許文献２の構成では、コリメートレンズをレンズ枠に取り付け、このレンズ枠を固定支持部材に取り付けた二重構造となっている。
特開昭５９−１５２０６号公報第３図特許第２７３６９８４号公報第２図

しかしながら、上述した従来の走査光学装置は、いずれも半導体レーザーとコリメートレンズとを固定する固定支持部材が複雑な二重構造となっており、かつ、アルミニウムまたは亜鉛等の金属により形成されているため、光源ユニットの構成が複雑、かつ、コストがかかるという問題がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単でコストのかからない構造を採用しつつ、温度変化によるピント位置のずれを抑えることができる走査光学装置を提供することを課題とする。

本発明にかかる走査光学装置は、上記の課題を解決するため、半導体レーザーと、この半導体レーザーから発する光束を平行光とするコリメートレンズと、半導体レーザーとコリメートレンズとを固定保持する固定保持部材と、コリメートレンズからの光束を主走査方向に動的に偏向する偏向手段と、偏向された光束を被走査面上に結像させるプラスチック製の走査結像レンズとを有し、以下の条件(１)，(２)を満たすことを特徴とする。

ただし、
ｆ：走査結像レンズの主走査方向の焦点距離、
ｆ_c：コリメートレンズの焦点距離、
ｎ_C：コリメートレンズの屈折率
ｔ：コリメートレンズの軸上のレンズ厚である。

また、上記の固定保持部材を、光軸対応方向の線膨張率α>4×10^-5のプラスチック製とした場合には、以下の条件(３)を満足するよう設定することが望ましい。

さらに、コリメートレンズは、半導体レーザー側を平面、偏向器側を球面とした平凸の単レンズとして構成することができる。

本発明の請求項１の構成によれば、条件(１)を満たすような倍率を持つ走査光学装置において、条件(２)を満たすことにより、コリメートレンズの焦点距離に対してバックフォーカスを短くし、半導体レーザーとコリメートレンズとを接続する固定支持部材の実効長を短くすることができる。このため、固定支持部材を線膨張率が高い材料で形成した場合にも、温度変化による発光点とコリメートレンズとの間隔の変化によるピント位置のずれを、プラスチック製の走査結像レンズの温度変化によるピント位置のずれにより相殺することができる。したがって、固定保持部材をプラスチックで形成することも可能となり、装置のコストダウンを図ることができる。

固定保持部材をプラスチックで形成する場合には、請求項２の条件(３)を満たすことにより、温度変化に対するピント位置の変化を小さく抑えることができる。また、請求項３に記載したように、コリメートレンズを平凸レンズとすれば、コリメートレンズの製造コストを低くすることができる。

以下、本発明にかかる走査光学装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施形態の走査光学装置の光学系の構成を示す主走査方向の説明図、図２は、図１に示した光源部の拡大図である。

図１に示すように、走査光学装置の光学系１００は、ほぼ平行なレーザー光を発する光源部１０と、光源部１０から発したレーザー光を副走査方向にのみ収束させるシリンドリカルレンズ２０と、シリンドリカルレンズ２０により収束されたレーザー光を動的に主走査方向に偏向する偏光器としてのポリゴンミラー３０と、偏向されたレーザー光を感光体ドラム等の被走査面４０上に結像させる走査結像レンズ５０とを備える。走査結像レンズ５０は、共にプラスチック製の第１レンズ５１と第２レンズ５２とがポリゴンミラー３０側から順に配列して構成される。

光源部１０は、図２に拡大して示すように、レーザー光を発散光として発する半導体レーザー１１と、この半導体レーザー１１の発光点１１ａを前側焦点位置としてレーザー光をほぼ平行光にするコリメートレンズ１２とを備えている。半導体レーザー１１とコリメートレンズ１２とは、円筒状のプラスチック製の固定保持部材１３により固定、保持されている。コリメートレンズ１２は、半導体レーザー１１側が平面、シリンドリカルレンズ２０側が凸面の平凸レンズである。発光点１１ａから固定保持部材１３がコリメートレンズ１２を保持する部分までの距離を、固定保持部材１３の実効長Ｌと定義する。実効長Ｌは、この例では発光点１１ａからコリメートレンズ１２の平面までの光軸上の距離に一致し、コリメートレンズ１２の焦点が発光点１１ａに一致する場合には、コリメートレンズ１２のバックフォーカスｆｂに等しい。

走査光学装置の光学系１００の基準状態、すなわち設計温度での主走査方向のパワーは、図３(Ａ)に展開して示すように、発光点１１ａからの発散光を焦点距離の短いコリメートレンズ１２で平行光とし、これを走査結像レンズ５０により被走査面４０上に収束させるように設定されている。ピント位置Ｆは、被走査面４０上に位置する。なお、走査結像レンズ５０の第２レンズは、主走査方向にはほぼパワーを持たないため、図３では第１レンズのみを走査結像レンズ５０として示している。

ここで、温度が上昇すると、走査結像レンズ５０の焦点距離が伸びると共に、固定支持部材１３が膨張する。前者は、図３(Ｂ)に示すように、基準状態と比較してピント位置Ｆを走査結像レンズ５０から離す方向に作用する。後者は、図３(Ｃ)に示すように、コリメートレンズ１２を破線で示す位置から実線で示す位置まで移動させ、発光点１１ａとコリメートレンズ１２との距離を増加させるため、基準状態と比較してピント位置Ｆを走査結像レンズ５０に近づける方向に作用する。

走査結像レンズ５０の温度変化ΔＴによる焦点距離の変化ΔＳ(ピント位置のずれに等しい)は、走査結像レンズ５０の焦点距離をｆ、屈折率をｎとして、以下の式(４)で表される。

一方、温度変化ΔＴに対して固定支持部材１３の線膨張によるコリメートレンズ１２の焦点と発光点１１ａとの相対的なズレΔＵは、固定支持部材１３の線膨張率をαとして、以下の式(５)により表される。また、上記のずれΔＵに基づく被走査面４０側でのピント位置のずれΔＶは、発光点１１ａから被走査面４０までの光学系１００の主走査方向の横倍率をＭとして、以下の式(６)の通りとなる。

温度変化によるΔＳとΔＶとの変化は図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように逆方向となるため、これらが相殺されるよう設定することにより、装置全体の温度依存性を低減することができることは従来から知られている。例えば、プラスチック製の走査結像レンズとアルミニウム、亜鉛の固定保持部材とを用いてΔＳとΔＶとを相殺する方法は、前述の特許文献２に開示されている。ただし、特許文献２の構成では、固定支持部材をプラスチックで形成すると、線膨張率αが大きくなるため、ΔＵが大きくなり、ΔＳとΔＶとを相殺することができなくなる。

実施形態の光学系１００は、コリメートレンズ１２のレンズ厚を大きくすることにより、すなわち、焦点距離に対してバックフォーカスを小さくすることにより、固定支持部材１３の実効長Ｌを短くし、線膨張率αが大きいプラスチック製の固定支持部材１３を用いた場合にもΔＵを抑え、ΔＳとΔＶとを相殺できるように構成されている。

すなわち、実施形態の走査光学装置の光学系１００は、コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ_Cと走査結像レンズ５０の主走査方向の焦点距離ｆとの比率が以下の条件(１)を満たす拡大光学系であり、上記のΔＳとΔＶとを相殺させるため、コリメートレンズ１２の屈折率をｎ_Cとして、その厚さｔが条件(２)を満たすよう構成されている。

条件(２)を満たすことにより、コリメートレンズ１２の焦点距離ｆ_Cに対してバックフォーカスｆｂを短くすることができ、固定支持部材１３の実効長Ｌを短縮しており、これにより線膨張率αが大きくなっても、ΔＵの値を適正な範囲に収めることができる。したがって、固定支持部材１３の材料としてコストが安いプラスチックを利用しても、温度変化による発光点１１ａとコリメートレンズ１２との間隔の変化によるピント位置のずれΔＶを、プラスチック製の走査結像レンズ５０の温度変化によるピント位置のずれΔＳにより相殺することができる。

条件(２)の下限を下回ると、コリメートレンズ１２のバックフォーカスｆｂが長くなり、コリメートレンズ１２と半導体レーザー１１の発光点１１ａとの間隔が長くなるため、固定保持部材１３の実効長Ｌが大きくなり、長い固定部が必要になる。よって、安価な線膨張の大きいプラスチック製の固定部材が利用できなくなる。条件(２)の上限を越えると、コリメートレンズ１２のｆｂが短くなり過ぎ、ワーキングディスタンスが確保できず、コリメートレンズ１２から平行光を射出させることができなくなる。

また、固定支持部材１３は、光軸対応方向の線膨張率α>4×10^-5のプラスチックにより形成されており、光学系１００は、以下の条件(３)を満たすよう設計されている。

この条件(３)を満たすことにより、プラスチック製の走査結像レンズ５０の温度変化によるピント位置のずれΔＳを、固定支持部材１３の熱膨張による発光点１１ａとコリメートレンズ１２との間隔の変化ΔＵによって精度よく補正することができる。条件(３)の下限を下回ると、光源部１０の温度変化の影響が小さいにも拘らず、走査結像レンズ５０の温度変化の影響が残存し補正不足となる。上限を越えると、固定支持部材１３の線膨張に伴うピント位置のずれΔＶが、走査結像レンズ５０の温度変化によるピント位置のずれΔＳに対して補正過剰となる。

次に、上記の条件を満たす実施例を５例説明する。なお、各実施例では、コリメートレンズ１２の構成については具体的な曲率半径、面間隔、屈折率を特定するが、走査結像レンズ５０については、焦点距離と温度変化によるピント位置のずれΔＳとを示す。なお、ピント位置のずれは、被走査面を基準にして走査結像レンズ５０から遠ざかる方向をプラス、近付く方向をマイナスとして符号をつける。

図２は、実施例１にかかる光源部の構成を示す。コリメートレンズ１２の構成は表１に示すとおりであり、焦点距離ｆ_Cは13.5ｍｍとなる。

また、固定保持部材１３の線膨張率αは4.50×10^-5、固定保持部材１３の実効長Ｌは6.9mm、走査結像レンズ５０の焦点距離ｆは145.0mmである。この構成によると、温度変化ΔＴが＋１０℃の場合の走査結像レンズ５０の屈折率変化・線膨張によるピント位置のずれΔＳは＋0.40mm、固定保持部材１３の線膨張によるピント位置のずれΔＶは−0.36mmとなり、結果としてピント位置のずれを＋0.04mmに抑えることができる。

実施例２にかかる光源部のコリメートレンズ１２の構成は、表２に示すとおりであり、焦点距離ｆ_Cは12.0ｍｍとなる。

また、固定保持部材１３の線膨張率αは4.50×10^-5、固定保持部材１３の実効長Ｌは6.5mm、走査結像レンズ５０の焦点距離ｆは135.5mmである。この構成によると、温度変化ΔＴが＋１０℃の場合の走査結像レンズ５０の屈折率変化・線膨張によるピント位置のずれΔＳは＋0.37mm、固定保持部材１３の線膨張によるピント位置のずれΔＶは−0.37mmとなり、結果としてピント位置のずれを＋0.00mmにすることができる。

実施例３にかかる光源部のコリメートレンズ１２の構成は、表３に示すとおりであり、焦点距離ｆ_Cは15.0ｍｍとなる。

また、固定保持部材１３の線膨張率αは4.50×10^-5、固定保持部材１３の実効長Ｌは8.7mm、走査結像レンズ５０の焦点距離ｆは180.0mmである。この構成によると、温度変化ΔＴが＋１０℃の場合の走査結像レンズ５０の屈折率変化・線膨張によるピント位置のずれΔＳは＋0.50mm、固定保持部材１３の線膨張によるピント位置のずれΔＶは−0.56mmとなり、結果としてピント位置のずれを−0.06mmに抑えることができる。

実施例４にかかる光源部のコリメートレンズ１２の構成は、表４に示すとおりであり、焦点距離ｆ_Cは8.0ｍｍとなる。

また、固定保持部材１３の線膨張率αは7.00×10^-5、固定保持部材１３の実効長Ｌは2.0mm、走査結像レンズ５０の焦点距離ｆは145.0mmである。この構成によると、温度変化ΔＴが＋１０℃の場合の走査結像レンズ５０の屈折率変化・線膨張によるピント位置のずれΔＳは＋0.40mm、固定保持部材１３の線膨張によるピント位置のずれΔＶは−0.46mmとなり、結果としてピント位置のずれを−0.06mmに抑えることができる。

実施例５にかかる光源部のコリメートレンズ１２の構成は、表５に示すとおりであり、焦点距離ｆ_Cは10.0ｍｍとなる。

また、固定保持部材１３の線膨張率αは7.00×10^-5、固定保持部材１３の実効長Ｌは2.0mm、走査結像レンズ５０の焦点距離ｆは125.0mmである。この構成によると、温度変化ΔＴが＋１０℃の場合の走査結像レンズ５０の屈折率変化・線膨張によるピント位置のずれΔＳは＋0.34mm、固定保持部材１３の線膨張によるピント位置のずれΔＶは−0.22mmとなり、結果としてピント位置のずれを＋0.12mmに抑えることができる。

上記の各実施例の条件式(１)，(２)，(３)に対応する値は、以下の表６に示すとおりである。いずれの実施例も、条件式(１)を満たす拡大光学系であり、条件(２)，(３)を全て満たすことにより、固定支持部材１３の実効長Ｌを短くすることができる。このため、固定支持部材１３を線膨張率が高い材料で形成した場合にも、温度変化による発光点とコリメートレンズとの間隔の変化によるピント位置のずれを、プラスチック製の走査結像レンズ５０の温度変化によるピント位置のずれにより相殺することができる。

本発明の実施形態にかかる走査光学装置の光学系の主走査方向の説明図である。図１に示す光源部の拡大図である。温度変化によるピント位置のずれを示す説明図であり、(Ａ)は設計温度でピント位置のずれがない基準状態、(Ｂ)は温度上昇時の走査結像レンズの焦点距離変化によるピント位置のずれ、(Ｃ)は温度上昇時の固定支持部材の熱膨張によるピント位置のずれをそれぞれ示す。

符号の説明

１００走査光学装置の光学系
１０光源部
１１半導体レーザー
１１ａ発光点
１２コリメートレンズ
１３固定支持部材
２０シリンドリカルレンズ
３０ポリゴンミラー
４０被走査面
５０走査結像レンズ
５１第１レンズ
５２第２レンズ

Claims

半導体レーザーと、該半導体レーザーから発する光束を平行光とするコリメートレンズと、前記半導体レーザーと前記コリメートレンズとを固定保持する固定保持部材と、前記コリメートレンズからの光束を主走査方向に動的に偏向する偏向手段と、偏向された光束を被走査面上に結像させるプラスチック製の走査結像レンズとを有し、以下の条件(１)，(２)を満たすことを特徴とする走査光学装置。

ただし、
ｆ：前記走査結像レンズの主走査方向の焦点距離、
ｆ_C：前記コリメートレンズの焦点距離、
ｎ_C：前記コリメートレンズの屈折率
ｔ：前記コリメートレンズの軸上のレンズ厚である。
前記固定保持部材は、光軸対応方向の線膨張率α>4×10^-5のプラスチック製であって、以下の条件(３)を満足することを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。
前記コリメートレンズは、前記半導体レーザー側を平面、前記偏向器側を球面とした平凸の単レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の走査光学装置。