JP4445059B2 - 走査結像レンズおよび光走査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査結像レンズおよび光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザからの光束を主走査対応方向に長い線像に結像させ、該線像の結像位置近傍に偏向反射面を持つ光偏向器により等角速度的に偏向させ、偏向光束を走査結像レンズにより被走査面上に光スポットとして集光させ、被走査面の等速的な光走査を行う光走査装置は、レーザプリンタやデジタル複写装置、製版装置等に関連して広く知られている。
主走査対応方向は、光源である半導体レーザから被走査面に至る光路上で被走査面上の主走査方向に対応する方向であり、同様に、副走査対応方向は、半導体レーザから被走査面に至る光路上で被走査面上の副走査方向に対応する方向である。
上記の如き光走査装置における走査結像レンズは、等角速度的に偏向される偏向光束を被走査面上に光スポットとして集光させるとともに、光スポットの光走査速度を等速化するｆθ機能を持ち、光偏向器の偏向反射面位置と被走査面位置とを副走査対応方向において幾何光学的な共役関係とすることにより、光偏向器における偏向反射面の面倒れの影響を補正する面倒れ補正機能を持つ。
上記の如き光走査装置において光源として用いられる半導体レーザには、周知の如く「温度変化により発光波長が変動する」という性質がある。このため、走査結像レンズの色収差が上記波長変動に対して補正されていないと、被走査面上に形成される光スポットのスポット径が変動したり、軸外色収差の影響で光スポットの像高が主走査方向で変動したり、あるいは面倒れ補正機能が十全に機能せず、光スポットの副走査方向の像高が変動したりして、光走査に悪影響を及ぼす虞れがある。
また、近来、光走査装置では走査密度の高密度化が進み、被走査面上に形成される光スポットの小径化が求められているが、小径の良好な光スポットを形成するためには、コマ収差が良好に補正されていることが必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、光源として半導体レーザを用いる光走査装置において、半導体レーザにおける発光波長の変動の影響を有効に軽減することを課題とする。
また、小径の良好な光スポットの形成の実現を課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明の走査結像レンズは「半導体レーザから放射されて主走査対応方向に長い線像に結像され、該線像の結像位置の近傍に偏向反射面を持つ光偏向器により等角速度的に偏向された光束を、被走査面上に光スポットとして集光させ、被走査面の等速的な光走査を行うための結像光学系」であって、主走査対応方向に関してｆθ機能を持つと共に、副走査対応方向に関して上記線像の結像位置と被走査面とを幾何光学的な共役関係とする機能を持つ。
走査結像光学系は、光偏向器側を入射側とし、被走査面側へ向かって順次、第１〜第４群を配してなる。
【０００５】
第１群は「正の屈折力を持つレンズ」であり、第２群は「シリンダ−面を有し、負の屈折力を持つアナモフィックレンズ」、第３群は「入射側に凹面を向けた球面単レンズで正のメニスカスレンズ」、第４群は「正の屈折力のト−リック面を有するアナモフィックなレンズ」である。従って、走査結像レンズは全体として４群４枚構成である。
【０００６】
第２群と第４群のアッべ数をそれぞれν_d2，ν_d4とするとき、これらは条件：
（１） １．０＜ν_d4／ν_d2
を満足する。
条件（１）は、光源の半導体レ−ザの発光波長が温度変化等で変動しても、光スポット位置が変動しないように、色収差を補正する条件であり、下限を越えると、波長変動による光スポット位置の変動を十分に抑制できない。
なお、理想的な光走査で、光スポットの像高が０のときの「走査結像レンズの光軸と偏向反射面との交点」を「偏向の起点」と称する、上記線像は設計上は偏向の起点の近傍に結像される。
【０００７】
上記請求項１記載の走査結像レンズを構成する第１〜第４群のうち、第３群は上記の如く、正のメニスカスレンズであるが、他の第１、第２、第４群は、具体的には以下の如きものである。
即ち、正の屈折力を持つ第１群は「入射側が凸球面、射出側が平面である凸平レンズ」、「シリンダ−面を有し、負の屈折力を持つアナモフィックレンズ」である第２群は、「入射側に凹球面を有し、射出側に副走査対応方向にのみパワ−を持つ凹シリンダ面を有するアナモフィックなレンズ」、「正の屈折力のト−リック面を有するアナモフィックなレンズ」である第４群は「射出側に、副走査対応方向の曲率が主走査対応方向の曲率よりも強い正の屈折力のト−リック面を有し、副走査対応方向により強い正の屈折力を持つアナモフィックなレンズ」である。
偏向の起点から第１群の入射側面までの光軸上の距離をＤ₀、第１群の肉厚および材質の屈折率をそれぞれＤ₁およびＮ₁、第１，第２群の空気間隔をＤ₂ 、第２群の入射側面の曲率半径をＲ₃、第４群の射出側面の主走査対応方向の曲率半径をＲ_8X、偏向の起点から第４群の射出側面までの距離をＤ_A1、第１群の焦点距離をｆ₁とすると、これらは条件：
（２） −１．７＜R₃/[{(D₀・f₁)/(f₁-D₀)｝+(D₁/N₁)+D₂]＜−１．０
（３） −１．５＜Ｒ_8X／Ｄ_A1＜−１．１
を満足する。
条件（２）および（３）は、光スポット径を小さくするため、コマ収差を抑制して結像性能を良くするための条件である。コマ収差は、条件（２），（３）の下限を越えるとアンダ−に発生し、上限を越えるとオ−バ−に発生して、ともに小径の良好な光スポットを形成することが困難になる。
また、後述する実施例のように、この発明の走査結像レンズは「非球面を含まずに構成する」ことができる。
この発明の光走査装置は「半導体レーザからの光束を主走査対応方向に長い線像に結像させ、該線像の結像位置近傍に偏向反射面を持つ光偏向器により等角速度的に偏向させ、偏向光束を走査結像レンズにより被走査面上に光スポットとして集光させ、被走査面の等速的な光走査を行う光走査装置」であって、走査結像レンズとして、請求項１記載の走査結像レンズを用いたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に、この発明の光走査装置の実施の１形態を示す。
光源としての半導体レーザとコリメートレンズとを組合わせてなる光源装置１からは実質的な平行光束が放射され、この平行光束はシリンダレンズ２の作用により、副走査対応方向（図面に直交する方向）にのみ集光され、光偏向器である回転多面鏡３の偏向反射面４の位置近傍に、主走査対応方向に長い「線像」として結像する。偏向反射面４により反射された反射光束は、主走査対応方向に関しては平行光束として、副走査対応方向に関しては発散性の光束として、走査結像レンズに入射する。
走査結像レンズは、図のように、第１群５、第２群６、第３群７、第４群８を、偏向反射面４側から被走査面９側へ上記順序に配してなり、上記反射光束を被走査面９（実体的には、例えば光導電性の感光体の感光面等）上に、光スポットとして集光する。即ち、走査結像レンズは、副走査対応方向に関して、偏向反射面４の近傍位置と被走査面９の位置とを幾何光学的な共役関係に結び付ける。従って、副走査対応方向に関して、光スポットは上記線像を物点として結像されるので、偏向反射面に面倒れがあっても、光スポットは副走査方向へは実質的に変動しない。
回転多面鏡３が等速回転すると、被走査面９上の光スポットは主走査方向に移動して光走査を行う。このとき光スポットの移動速度は、走査結像レンズのｆθ機能により等速度化される。走査結像レンズは、請求項１記載のものが用いられる。
【０００９】
従って、図１に実施の形態を示す光走査装置は、半導体レーザからの光束を主走査対応方向に長い線像に結像させ、該線像の結像位置近傍に偏向反射面４を持つ光偏向器３により等角速度的に偏向させ、偏向光束を走査結像レンズ５，６，７，８により被走査面９上に光スポットとして集光させ、被走査面８の等速的な光走査を行う光走査装置であって、走査結像レンズとして、請求項１記載の走査結像レンズを用いたものである。
【００１０】
【実施例】
以下、具体的な実施例を３例挙げる。
実施例１〜３とも、図１の如き光学配置で設計されている。光源装置１において光源として用いられる半導体レーザは、基準の発光波長（光走査装置の使用波長）：８００ｎｍのものである。
回転多面鏡３は、偏向反射面数：８、内接円半径：３２．３３５ｍｍ、光源装置側１から偏向反射面４への入射する光束の方向と走査結像レンズ光軸との成す角：αは６５度である。又、図１に示す距離：ｈ（回転多面鏡４の回転軸と走査結像レンズ光軸との距離）は、実施例１において１７．５２ｍｍ、実施例２において１７．５３ｍｍ、実施例３において１７．５４ｍｍである。
図１の図の面は、回転多面鏡３により理想的に偏向された偏向光束の主光線が描く面と合致しており、この面を「偏向面」と呼び、走査結像レンズの光軸を含み、上記偏向面に直交する面を「偏向直交面」と呼ぶ。
図１において、Ｒ_xi（ｉ＝１〜８）は偏向反射面４の側から数えて第ｉ番目のレンズ面の偏向面内の曲率半径（上記レンズ面の主走査対応方向の曲率半径）、Ｒ_yi（ｉ＝１〜８）は第ｉ番目のレンズ面の偏向直交面内における曲率半径（上記レンズ面の副走査対応方向の曲率半径）を表す。また、Ｄ_i（ｉ＝０，１〜８）において、Ｄ₀は、光スポットの像高が０のとき、偏向反射面４から第１群５の入射側レンズ面に到る光軸上の距離、Ｄ₁〜Ｄ₇は、偏向反射面４の側から数えて第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面の光軸上面間距離、Ｄ₈は第４群８の射出側レンズ面と被走査面９との間の光軸上の距離を表す。
また、Ｎ_j（ｊ＝１〜４）とν_dj（ｊ＝１〜４）は、偏向反射面４の側から数えて第ｊ番目のレンズの、波長：８００ｎｍの光に対する屈折率とｄ線での分散値（アッべ数）を表している。
また、ｆｍ，ｆｓはそれぞれ、走査結像レンズ全系の主走査対応方向及び副走査対応方向における合成焦点距離を表し、２θは偏向角を表す。
【００１１】
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３はそれぞれ条件式（１），（２），（３）の各パラメータを表すものとする。なお、主走査対応方向の焦点距離：ｆｍを１００に規格化してある。
実施例１

【００１２】
実施例２

【００１３】
実施例３

【００１４】
図２〜図４に順次、実施例１〜３に関する像面湾曲（実線は副走査方向、点線は主走査方向）と、ｆθ特性と、主走査方向のコマ収差図および球面収差の図を示す。コマ収差と球面収差の図において、ＷＬ１＝８００ｎｍ，ＷＬ２＝７９０ｎｍ，ＷＬ３＝８１０ｎｍをＷＬ１に対して表記し、倍率および軸上色収差を表している。各実施例において、１００に規格化されたｆｍの具体的な値は、全実施例において３９９．３ｍｍである。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、色収差あるいは色収差とコマ収差とを良好に補正した新規な走査結像レンズと、これを用いた光走査装置を提供できる。この走査結像レンズは、各実施例に示したように高画角であるにもかかわらず、像面湾曲、ｆθ特性ともに良好で、光スポット径の変動が極めて少ない。従って、この走査結像レンズを用いる光走査装置は高密度光走査を実現出来る。また、走査結像レンズは、全系内に複雑な「非球面」を含まないので、製造が容易で安価に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の光走査装置の実施の１例を説明するための図である。
【図２】実施例１に関する収差とｆθ特性を示す図である。
【図３】実施例２に関する収差とｆθ特性を示す図である。
【図４】実施例３に関する収差とｆθ特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源装置
２ シリンダレンズ
３ 光偏向器
４ 偏向反射面
５ 第１群
６ 第２群
７ 第３群
８ 第４群
９ 被走査面

Claims (2)

1. 半導体レーザから放射されて主走査対応方向に長い線像に結像され、上記線像の結像位置の近傍に偏向反射面を持つ光偏向器により等角速度的に偏向された光束を、被走査面上に光スポットとして集光させ、被走査面の等速的な光走査を行うための結像光学系であって、
   主走査対応方向に関してｆθ機能を持つと共に、副走査対応方向に関して上記線像の結像位置と被走査面とを幾何光学的な共役関係とする機能を持ち、
   上記光偏向器側を入射側とし、被走査面側へ向かって順次、第１〜第４群を配してなり、
   第１群は、入射側が凸球面、射出側が平面である凸平レンズ、
   第２群は、入射側に凹球面を有し、射出側には副走査対応方向に負のシリンダ−面を有し、負の屈折力を持つアナモフィックレンズ、
   第３群は、入射側に凹面を向けた球面単レンズで、正のメニスカスレンズ、
   第４群は、副走査対応方向の曲率が主走査対応方向の曲率よりも強い、正の屈折力のト−リック面を射出側に有するアナモフィックなレンズである４群４枚構成であり、
   第２群と第４群のアッべ数をそれぞれν_d2，ν_d4とするとき、これらが条件：
   （１） １．０＜ν_d4／ν_d2
   を満足し、
   偏向の起点から第１群の入射側面までの光軸上の距離をＤ₀ 、第１群の肉厚および材質の屈折率をそれぞれＤ₁およびＮ₁、第１，第２群の空気間隔をＤ₂ 、第２群の入射側面の曲率半径をＲ₃ 、第４群の射出側面の主走査対応方向の曲率半径をＲ_8X、偏向の起点から第４群の射出側面までの距離をＤ_A1、第１群の焦点距離をｆ₁とするとき、これらが条件：
   （２） −１．７＜R₃/[{(D₀・f₁)/(f₁-D₀)｝+(D₁/N₁)+D₂]＜−１．０
   （３） −１．５＜Ｒ_8X／Ｄ_A1＜−１．１
   を満足することを特徴とする走査結像レンズ。
2. 半導体レーザからの光束を主走査対応方向に長い線像に結像させ、上記線像の結像位置近傍に偏向反射面を持つ光偏向器により等角速度的に偏向させ、偏向光束を走査結像レンズにより被走査面上に光スポットとして集光させ、上記被走査面の等速的な光走査を行う光走査装置であって、
   走査結像レンズとして、請求項１記載の走査結像レンズを用いたことを特徴とする光走査装置。

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