JP4395340B2

JP4395340B2 - 走査光学系

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Publication number: JP4395340B2
Application number: JP2003274753A
Authority: JP
Inventors: 修一竹内; 隆之飯塚
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2023-07-15
Also published as: US7106484B2; US20050024702A1; JP2005037703A

Description

この発明は、複数の発光点から発光した複数の光束を、夫々、第１光学系によって偏向器の反射面の近傍において副走査方向に収束させるとともに、この偏向器によって主走査方向へ動的に偏向し、第２光学系によって走査対象面上に点状に収束させる走査光学系に関する。

この種の走査光学系によると、偏向器の一反射面での走査によって同時に複数本の走査線を走査対象面上に描画することができるので、各光束を夫々変調することによって、高速な印字が可能になる。

このような走査光学系の光源としては、下記特許文献１第１０図に示される様に、複数の発光点を有する単一の素子を用いることも可能であるし、下記特許文献２に示される様に、夫々一個の発光点を有する複数の素子を用いることも可能である。
特開昭５７−５４９１４号公報特開昭６０−１２６６２０号公報

但し、これらの何れの光源を用いる走査光学系によっても、走査対象面上での光束同士の間隔が、正確に（一反射面での走査の間における走査対象面の移動量／光束本数となるように）調整されていなければ、上記特開昭５７−５４９１４号公報の第４図に示されるように、走査対象面上での走査線同士のピッチが不均一となってしまい（即ち、同時に描画された走査線同士の間隔と、別走査によって描画された走査線同士の間隔とがズレてしまう）、印刷される画像の品質を劣化させる。従って、何らかの手段によって、走査対象面上での光束同士の間隔を調整する必要がある。

例えば、上記特許文献２記載の走査光学系のように、複数の素子を用いる場合には、各素子の位置を夫々調整して相対位置を変化させることによって、走査対象面上での光束同士の間隔を調整することができる。しかしながら、素子そのものを移動するとなると、その移動量が光学系全体の横倍率によって拡大されて、走査対象面上での光束の移動量（走査線の方向に直交する副走査方向への移動量）として現れてしまう。そのため、各素子の調整は、シビアにならざるを得ないので、非熟練者が簡単にできるものではない。

一方、上記特許文献１第１０図記載の走査光学系のように、複数の発光点を有する単一の素子を用いる場合には、発光点同士の間隔は設計値に安定するものの、他の光学部品との関係で発生する光学系全体の製造上の倍率誤差に因って光束同士の間隔が設計値からズレてしまった場合には、発光点同士の間隔を調整することはできない。そこで、上記特許文献１第１０図記載の走査光学系では、同第５図に示すような３群構成を有するアフォーカル・アナモフィック・ズームレンズ系を、コリメータレンズとシリンドリカルレンズとの間に配置して、光学系全体の倍率を補正することによって、走査対象面上でのレーザー光束同士の間隔を調整している。しかしながら、このようなアフォーカル・アナモフィック・ズームレンズ系は、本来の走査光学系の機能からは不要な構成であるので、徒にコストを上昇させてしまうものである。

なお、このような複数の発光点を有する単一の素子を用いる場合には、素子自体を、その発光点が存在する面内で回転させることによって、走査対象面上での走査線同士のピッチを調整することも可能である。しかしながら、このようにして素子を回転させると、副走査方向における発光点の間隔調整に伴って、必然的に、主走査方向における発光点の間隔も変化してしまうので、各発光点毎の発光タイミングの再調整等が必要となる。また、素子の回転に伴って、ビームの遠視野像（ファーフィールドパターン）も回転してしまうために、カップリング効率が変化するなどの問題が生じる。

そこで、本発明は、構成レンズ枚数を増やすことなく、また、素子自体を回転させることなく、走査光学系の本来の機能の為に必要な一枚のレンズを移動させることで、走査対象面上での光束同士の間隔を調整することができる走査光学系の提供を、課題とする。

上記課題を達成するために案出された本発明による走査光学系は、光源から発した複数の光束を走査対象面上で主走査方向に走査する走査光学系であって、夫々光束を発する複数の発光点を有する光源と、この光源の各発光点から発した光束を、前記主走査方向においては平行光とするとともに、前記主走査方向に直交する副走査方向においては収束させる第１光学系と、この第１光学系によって前記各光束が前記副走査方向において収束される位置近傍において、これら各光束を同時に前記主走査方向へ動的に偏向する偏向器と、この偏向器によって同時に偏向された前記各光束を前記主走査方向及び前記副走査方向において前記走査対象面近傍に収束させるために複数の光学素子から構成される第２光学系とを備え、前記第２光学系を構成する複数の光学素子には、第１レンズ群び倍率調整素子が含まれ、当該倍率調整素子は、その主走査断面における光軸での第１レンズ群が形成する像に対する設計基準位置での倍率ｍＳがほぼ＋１倍でありその副走査断面における光軸での第１レンズ群が形成する像に対する設計基準位置での倍率ｍＰがほぼ−１倍であって、その光軸方向にその設計基準位置から移動調整可能に配置されていることを、特徴とする。

このように構成されると、偏向器と走査対象面との間において第２光学系中の倍率調整光学素子をその光軸方向に移動させることによって走査光学系全体の副走査断面における倍率（即ち、偏向器近傍にて副走査方向に収束された光束の線像に対する第２光学系全体による走査対象面での倍率）を変化させても、その副走査断面における焦点位置（即ち、偏向器近傍にて副走査方向に収束された光束の線像に対する第２光学系の副走査断面における焦点位置）が光軸方向にあまりずれないばかりか、その主走査断面における焦点位置（即ち、発光点に対する走査光学系全体の主走査断面における焦点位置）も光軸方向にあまりずれず、さらに、走査光学系全体の主走査断面における倍率もあまり変化しない。従って、走査対象面上に形成される画像の画質を劣化させることなく、第２光学系全体の副走査断面における倍率を変化させることによって、走査対象面上における各光束の間隔（即ち、走査線同士の間隔）を調整することができる。

本発明における倍率調整素子の主走査断面での倍率ｍＳについての「ほぼ＋１倍」とは、0.80倍乃至1.15倍の意である。この範囲内であれば、倍率調整素子を設計基準位置から光軸方向に前後に移動させても、主走査断面における焦点位置及び倍率があまり変化しない一方、その下限又は上限を超えると焦点位置が大きく変化することが、シミュレーションによって確認されたからである。

また、本発明における倍率調整素子の副走査断面での倍率ｍＰについての「ほぼ−１倍」とは、-1.15倍乃至-0.80倍の意である。この範囲内であれば、倍率調整素子を設計基準位置から光軸方向に前後に移動させても、副走査断面における焦点位置があまり変化しない一方、その下限又は上限を超えると焦点位置が大きく変化することが、シミュレーションによって確認されたからである。

本発明による走査光学系が組み込まれるユニットは、倍率調整素子を光軸方向へ任意に移動できるように構成されていても良いし、製造工程中では倍率調整素子を光軸方向に移動できるが調整完了時点では固定されるように構成されていても良い。また、調整を容易にするための調整機構を有していても良い。

以上説明したように、本発明によれば、構成レンズ枚数を増やすことなく、また、素子自体を回転させることなく、走査光学系の本来の機能の為に必要な一枚のレンズを移動させることで、走査対象面上での光束同士の間隔を調整することが、可能となる。

以下、この発明にかかる走査光学系を実施するための形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態による走査光学系の構成を模式的に示す光学構成図である。この図１に示すように、この走査光学系１は、複数のレーザー光束を発するレーザー光源１０，このレーザー光源１０から夫々発したレーザー光束を平行光にするコリメータレンズ１１，コリメータレンズ１１からの各レーザー光束を後述する副走査方向にのみ線状に収束するシリンドリカルレンズ１２，その各側面がレーザー光を反射する反射面として形成された正多角柱形状を有するともにその中心軸を中心に回転する偏向器であるポリゴンミラー１３，回転するポリゴンミラー１３の各反射面にて反射されることによって動的に偏向された各レーザー光束を夫々収束させる第２光学系２０，及び、その外周面が走査対象面Ｓとして機能する感光ドラムから、構成されている。なお、以下の説明の理解を容易にするために、走査対象面上でポリゴンミラー１３の中心軸１３ａに直交する面と平行な方向を「主走査方向」と定義し、中心軸１３ａと平行な方向を「副走査方向」と定義する。

レーザー光源１０は、副走査方向（図１の上下方向）に並ぶように形成された各発光点から夫々レーザー光束を発散光として射出する単一素子からなるモノリシックマルチビームレーザーダイオードである。

コリメータレンズ１１は、その前側焦点が、レーザー光源１０における各発光点同士を結ぶ線の中心に合致するように、配置されている。従って、各発光点から発散光として発した各レーザー光束は、コリメータレンズ１１を透過することによって平行光になるとともに、その後側焦点にて互いに交差するように進行する。

平行光としてシリンドリカルレンズ１２に入射した各レーザー光束は、このシリンドリカルレンズ１２を透過することにより、副走査方向において、シリンドリカルレンズ１２の焦点面（シリンドリカルレンズ１２の後側焦線を含みコリメータレンズ１１の光軸に直交する面）にて収束する。これらコリメータレンズ１１及びシリンドリカルレンズ１２が、第１光学系に相当する。

ポリゴンミラー１３は、シリンドリカルレンズ１２から射出された各レーザー光束が、何れかの反射面に対して、主走査方向において斜めに常時入射するとともに、その反射面の近傍にて副走査方向に収束するように、配置されている。このポリゴンミラー１３は、その中心軸１３ａ（図２，図５参照）を中心として回転するので、ある反射面に入射した各レーザー光束は、ポリゴンミラー１３の回転に伴ってその反射面に対する主走査方向の入射角が変化することによって、主走査方向へ動的に偏向される。

ポリゴンミラー１３によって動的に偏向された各レーザー光束は、主走査方向においては平行光束のまま、副走査方向においては収束点から発散しつつ、第２光学系２０に入射する。この第２光学系２０は、主走査方向においては、入射した各レーザー光束を、走査対象面Ｓ上における光軸からｙ＝ｋ・θ（ｋ：走査係数，θ：光軸を基準としたレーザー光束の傾斜角）離れた位置に収束させ、副走査方向においては、入射した各レーザー光束を、光軸に対して反転させて走査対象面Ｓ上に収束させる。従って、各レーザー光束によって走査対象面Ｓ上に形成されたスポットは、この走査対象面Ｓ上を、主走査方向に等速度に走査する。また、副走査方向において、第２光学系２０によってポリゴンミラー１３の各反射面と走査対象面Ｓとがほぼ共役関係となっているために、各レーザー光束は、ポリゴンミラー１３のどの反射面によって反射されても、各反射面の僅かな傾き（いわゆる「面倒れ」）の有無に拘わらず、走査対象面Ｓにおける同一線上を走査する。

第２光学系２０は、より詳細には、第１レンズ２１とこの第１レンズ２１よりも走査対象面Ｓ側に配置される第２レンズ２２とから、構成される。このうち、第１レンズ２１は、主に主走査方向にレーザー光束を収束させるパワーを有する（主走査方向の結像作用を担う）レンズであり、第２レンズ２２は、主に副走査方向にレーザー光束を収束させるパワーを有する（副走査方向の結像作用を担う）レンズである。第２光学系２０の光軸は、主走査方向においては、各反射面の中央にて反射されたレーザー光束のビーム軸と重なり、副走査方向においては、ポリゴンミラー１３の中心軸１３ａの中央に直交している。

なお、第２光学系２０を構成する各レンズ２１，２２のレンズ面は、回転非対称非球面である場合もあるが、そのような形状を持つレンズ面には本来の意味での光軸を、定義することができない。そのため、以下、「光軸」との文言は、各レンズ面の面形状を式によって表現する時に設定される原点を通る軸（光学面基準軸）との意味で、用いられるものとする。そして、光軸を含んで主走査方向を向いた面を「主走査断面」と称し、光軸を含んで副走査方向に向いた面を「副走査断面」と称するものとする。

ところで、副走査方向において、各光学部材の形状や組み付けに誤差が生じると、走査光学系１全体としての倍率が変化してしまう。例えば、第１光学系を構成するシリンドリカルレンズ１２が設計値に対して焦点距離誤差を持つと、第１光学系の倍率が変化するので、走査光学系１全体としての倍率が変化してしまう。同様に、第２光学系２０を構成する各レンズ２１，２２の位置が設計位置から光軸方向にずれると、第２光学系の倍率が変化するので、走査光学系１全体としての倍率が変化してしまう。そのようにして走査光学系１全体としての倍率が設計値から変化する結果、走査対象面Ｓ上での各レーザー光束の副走査方向における間隔が、設計値からずれてしまうのである。また、光源としての発光点間隔誤差もスポット間の間隔に影響を与える。

そこで、本実施形態では、第２光学系２０中の第２レンズ２２を、その副走査断面における設計倍率（即ち、第１レンズ２２が形成する像に対する当該第２レンズ２２の設計基準位置での倍率）ｍＰがほぼ−１倍（-1.15＜ｍＰ＜-0.80）であるとともに主走査断面における設計倍率がほぼ＋１倍（0.80＜ｍＳ＜1.15）である単レンズとし、この第２レンズ２２を設計基準位置から光軸方向に微少量移動することにより、その副走査断面における倍率を変化させ、もって、上述したような走査光学系１全体としての倍率誤差や発光点間隔誤差に因る走査対象面Ｓ上での各レーザー光束の副走査方向における間隔誤差を、修正するようにしているのである。このように、第２レンズ２２を移動させることによって走査光学系１全体の副走査方向における倍率を調整することができるという意味で、この第２レンズ２２は、倍率調整素子に相当する。

この第２レンズ２２の副走査断面における設計倍率がほぼ−１倍（-1.15＜ｍＰ＜-0.80）であるために、この第２レンズ２２を光軸方向へ移動してその副走査断面における倍率を変化させても、それに因る副走査断面における焦点位置移動量は、ほぼ０となる。それに加えて、第２レンズ２２の主走査断面における設計倍率がほぼ＋１倍（0.80＜ｍＳ＜1.15）であるために、この第２レンズ２２を光軸方向へ移動することによって走査光学系１全体の副走査断面における倍率を変化させても、主走査断面における焦点位置が移動せず、走査光学系１全体の主走査断面における倍率は変化しない。従って、一つのレンズ（第２レンズ２２）のみを光軸方向に移動させるという単純な構成でありながら、焦点位置の再調整などの必要がない。なお、第２レンズ２２の副走査断面における設計倍率が（-1.15＜ｍＰ＜-0.80）の範囲を外れると、第２レンズ２２の光軸方向への移動に伴う副走査断面における焦点位置変化が大きくなりすぎてしまう。同様に、第２レンズ２２の主走査断面における設計倍率が（0.80＜ｍＳ＜1.15）の範囲を外れると、第２レンズ２２の光軸方向への移動に伴う主走査断面における焦点位置変化が大きくなりすぎてしまう。

以下、本実施形態による走査光学系１の具体的な実施例を２例挙げ、上記第２レンズ２２の副走査断面における設計倍率条件（-1.15＜ｍＰ＜-0.80）及び主走査断面における設計倍率条件（0.80＜ｍＳ＜1.15）が満たされれば、第２レンズ２２が光軸方向へ移動しても主走査断面及び副走査断面における焦点位置があまり変化しないことを、実証する。

図２は、実施例１の走査光学系１の主走査方向における光学構成図である。

実施例１では、第２光学系２０全体としての主走査断面における焦点距離は219.885mmである。

実施例１におけるシリンドリカルレンズ１２から走査対象面Ｓに至る光路上の各面の具体的数値構成を、表１に示す。

表１において、「面番号」の数字は、第２光学系２０の面番号を示し、０が偏向面（ポリゴンミラー１３の各反射面）、１及び２が、第１レンズ２１の各レンズ面に対応し、３及び４が、第２レンズ２２の各レンズ面に対応し、５が走査対象面Ｓに対応する。また、表３において、「ｒ」は、近軸曲率半径（単位 [mm]）であり、「ｄ」は、光軸上における次の面までの距離（単位 [mm]）であり、「ｎ」は、次の面までの間の媒質の設計波長：780nmに対する屈折率（空気については省略）であり、「νｄ」はそのアッベ数である。

第１レンズ２１を構成する面番号１及び２のレンズ面，並びに、第２レンズ２２を構成する面番号３のレンズ面は、夫々、回転対称非球面である。従って、その断面形状は、光軸からの半径(h)の点における光軸での接平面からのサグ量Ｘ(h)として、下記式（１）により表される。

X(h)=1/r・h²/{1+√[1-(κ+1)²h²/r²]}+A₄h⁴+A₆h⁶+A₈h⁸ …（１）
式（１）において、ｒは表１に挙げられた近軸曲率半径、κは円錐係数、A₄，A₆，A₈は、夫々、４次，６次，８次の非球面係数である。実施例１において面番号１のレンズ面の具体的形状を特定するために式（１）に適用される各係数を、表２に示す。

同様に、面番号２のレンズ面の具体的形状を特定するために式（１）に適用される各係数を、表３に示す。

同様に、面番号３のレンズ面の具体的形状を特定するために式（１）に適用される各係数を、表４に示す。

第２レンズ２２を構成する面番号４のレンズ面は、アナモフィック非球面（即ち、主走査断面は光軸からの主走査方向の関数，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）である。従って、その主走査断面における形状は、光軸からの高さ(y)の点における光軸での接平面からのサグ量Ｘ(y)として、下記式（２）により表され、主走査方向の各高さ(y)での副走査方向における形状は、円弧の曲率1/[Rz(y)]として、下記式（３）により表される。

X(y)=1/r・y²/{1+√[1-(κ+1)²y²/r²]}
+AM₄y⁴+AM₆y⁶+AM₈y⁸ …（２）
1/[Rz(y)]=1/Rz
+AS₁y+AS₂y²+AS₄y⁴+AS₆y⁶ … (３)
これら式（２），（３）において、ｒは表１に挙げられた近軸曲率半径であり、Ｒｚは副走査方向における近軸曲率半径であり、κは円錐係数であり、AM₄，AM₆，AM₈は夫々主走査方向に関する４次，６次，８次の非球面係数であり、AS₁，AS₂，AS₄，AS₆は夫々副走査方向に関する１次，２次，４次，６次の非球面係数である。実施例１において面番号４のレンズ面の具体的形状を特定するためにこれら各式（２），（３）に適用される各係数を、表５に示す。

以上に列挙した各数値から算出された第１実施例による第２レンズ２２の主走査断面での設計倍率はｍＳ＝+1.103倍であり、副走査断面での設計倍率はｍＰ＝-0.942倍である。

図３は、設計位置から第２レンズ２２を光軸に沿って前方（符号は負）及び後方（符号は正）に移動させた場合に、第２レンズ２２の移動量を横軸にとるとともに、主走査方向における像面移動量ＤＭ及び倍率変化量ΔｍＳを夫々縦軸にとってプロットしたグラフである。同様に、図４は、第２レンズ２２の移動量を横軸にとるとともに、副走査断面における像面移動量ＤＳ及び倍率変化量ΔｍＰを夫々縦軸にとってプロットしたグラフである。

これら図３，４から明らかなように、実施例１によると、第２レンズ２２を前後に+/-5.0mmの範囲で移動することによって、走査光学系１全体の副走査断面における倍率ΔｍＰを約±7％の幅で調整したとしても、同走査光学系１全体の主走査断面における倍率ΔｍＳは最大0.5％しか変化せず、主走査断面における像面移動量ＤＭ，副走査断面における像面移動量ＤＳは最大でも約1mmしか変化しない。

図５は、実施例２の走査光学系１の主走査方向における光学構成図である。

実施例２では、第２光学系２０全体としての主走査断面における焦点距離は199.914mmである。

実施例２におけるシリンドリカルレンズ１２から走査対象面Ｓに至る光路上の各面の具体的数値構成を、表６に示す。

表６において、各数値の意味は表1と同様である。第１レンズ２１を構成する面番号１のレンズ面は、回転対称非球面である。実施例２において面番号１のレンズ面の具体的形状を特定するために上記式（１）に適用される各係数を、表７に示す。

第１レンズ２１を構成する面番号２のレンズ面は、主走査方向にパワーを持つシリンダー面であり、その副走査断面の曲率半径Rzは∞である。

第２レンズ２２を構成する面番号３のレンズ面は、アナモフィック非球面である。実施例２において面番号３のレンズ面の具体的形状を特定するために上記各式（２），（３）に適用される各係数を、表８に示す。

第２レンズ２２を構成する面番号４のレンズ面は、回転対称非球面である。実施例２において面番号４のレンズ面の具体的形状を特定するために上記式（１）に適用される各係数を、表９に示す。

以上に列挙した各数値から算出された第２実施例による第２レンズ２２の主走査断面での設計倍率はｍＳ＝+1.047倍であり、副走査断面での設計倍率はｍＰ＝-1.058倍である。

図６は、第２レンズ２２の移動量を横軸にとるとともに、主走査方向における像面移動量ＤＭ及び倍率変化量ΔｍＳを夫々縦軸にとってプロットしたグラフである。同様に、図７は、第２レンズ２２の移動量を横軸にとるとともに、副走査断面における像面移動量ＤＳ及び倍率変化量ΔｍＰを夫々縦軸にとってプロットしたグラフである。

これら図６，７から明らかなように、実施例２によると、第２レンズ２２を前後に+/-5.0mmの範囲で移動することによって、走査光学系１全体の副走査断面における倍率ΔｍＰを約-8％〜+9％の幅で調整したとしても、同走査光学系１全体の主走査断面における倍率ΔｍＳは最大0.3％しか変化せず、主走査断面における像面移動量ＤＭ，副走査断面における像面移動量ＤＳは最大でも約1mmしか変化しない。

本発明の一実施形態である走査光学系の副走査方向における光学構成を示す光学構成図実施例１の光学構成を示す主走査方向における光学構成図実施例１の倍率調整素子を移動した場合における主走査方向の像面移動量及び倍率変化量の変化を示すグラフ実施例１の倍率調整素子を移動した場合における副走査方向の像面移動量及び倍率変化量の変化を示すグラフ実施例２の光学構成を示す主走査方向における光学構成図実施例２の倍率調整素子を移動した場合における主走査方向の像面移動量及び倍率変化量の変化を示すグラフ実施例２の倍率調整素子を移動した場合における副走査方向の像面移動量及び倍率変化量の変化を示すグラフ

符号の説明

１走査光学系
１０レーザー光源
１２シリンドリカルレンズ
１３ポリゴンミラー
２０第２光学系
２１第１レンズ
２２第２レンズ
Ｓ走査対象面

Claims

光源から発した複数の光束を走査対象面上で主走査方向に走査する走査光学系であって、
夫々光束を発する複数の発光点を有する光源と、
この光源の各発光点から発した光束を、前記主走査方向においては平行光とするとともに、前記主走査方向に直交する副走査方向においては収束させる第１光学系と、
この第１光学系によって前記各光束が前記副走査方向において収束される位置近傍において、これら各光束を同時に前記主走査方向へ動的に偏向する偏向器と、
この偏向器によって同時に偏向された前記各光束を前記主走査方向及び前記副走査方向において前記走査対象面近傍に収束させるために複数の光学素子から構成される第２光学系と
を備え、
前記第２光学系を構成する複数の光学素子には、第１レンズ群び倍率調整素子が含まれ、当該倍率調整素子は、その主走査断面における光軸での第１レンズ群が形成する像に対する設計基準位置での倍率ｍＳがほぼ＋１倍でありその副走査断面における光軸での第１レンズ群が形成する像に対する設計基準位置での倍率ｍＰがほぼ−１倍であって、その光軸方向にその設計基準位置から移動調整可能に配置されている
ことを特徴とする走査光学系。
前記光学素子の主走査断面における光軸上での倍率ｍＳが条件
0.80＜ｍＳ＜1.15
を満足する
ことを特徴とする請求項１記載の走査光学系。
前記光学素子の副走査断面における光軸上での倍率ｍＰが条件
-1.15＜ｍＰ＜-0.80
を満足する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の走査光学系。
前記倍率調整素子は、前記第２光学系を構成する複数の光学素子のうち、最も走査対象面に近い位置に配置されたものである
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。