JP4541523B2 - マルチビーム光走査光学系及びマルチビーム光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents
マルチビーム光走査光学系及びマルチビーム光走査装置及び画像形成装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関し、レーザービームプリンタやデジタル複写機等に使用される光走査光学系及び光走査装置に関するものであり、特に、高速・高記録密度を達成する為に光源として複数光源を使用したマルチビーム光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来の複数光源を使用したマルチビーム光走査光学系の主走査方向の断面を示す。２１は複数の発光点から構成される半導体レーザー等から成る複数光源であり、複数の光源から射出したそれぞれの光ビームはコリメータレンズ２２で略平行光若しくは収束光とされ、開口絞り２３でその光ビームの断面形状を整形しシリンドリカルレンズ２４によって副走査方向にのみ収束されて、光偏向器であるポリゴンミラー２５の偏向反射面２５ａ近傍において主走査方向に長く伸びた焦線状に結像される。さらに図中矢印Ａ方向に一定角速度で回転しているポリゴンミラー２５によって反射され偏向走査されたそれぞれの光ビームは、ｆθレンズ２６によって感光ドラム等から成る被走査面２７上にスポット状に集光され図中矢印Ｂ方向に一定速度で走査される。２８は、書き出し位置検知の為のＢＤ光学系である。２８ａは、ＢＤスリットで、２８ｂは、ＢＤレンズで、２８ｃは、ＢＤセンサ（同期位置検出素子）である。
【０００３】
この様なマルチビーム走査光学系においては、図１０の様に複数の光源を副走査方向に縦に並べて配置してしまうと、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔が記録密度よりも大幅に間隔が開いてしまう為、通常は図１１に示す様に複数の光源を斜めに配置してその斜めの角度δを調整することにより、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔を記録密度に合わせて正確に調整している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の様な構成の光走査光学系においては、複数の光源を斜めに配置している為に図１２に示す様に複数の光源から出射した光ビームはポリゴンの反射面上で主走査方向に離れた位置に到達し且つポリゴンから反射される光ビームの角度もそれぞれ異なる為、被走査面上においてお互いに主走査方向に離れた位置にスポットが結像されることになる（光線Ａと光線Ｂ）。
【０００５】
よって、この様な構成のマルチビーム光走査光学系においては、ある１つの基準の光源が被走査面上に結像する位置に他の光源からの光束の結像位置を合わせる様に所定時間δΤだけタイミングをずらして画像データを送っている。
【０００６】
δΤだけ時間がずれたときのポリゴン面は同図の２５ａ′の角度に設定され、この時に反射される光線はＢ′の方向、即ちＡと同じ方向に反射されることによってお互いのスポットの結像位置が一致することになる。
【０００７】
このとき、何らかの原因（例えば光学系を保持する光学ユニットと被走査面との位置誤差、光学ユニットに光学部品を組み付けるときの組つけ誤差、等）で主走査方向のピントずれが発生した場合、ここでは被走査面２７が２７′の位置にずれてしまったと仮定すると、同図から明らかなようにそれぞれの光線の結像位置が主走査方向にδＹだけずれてしまう。
【０００８】
従来、この様に複数光源からの光ビームの結像位置にずれが発生することによって、印字精度の低下・画質の劣化を招いてしまうという問題が存在していた。
【０００９】
主走査方向にピントがずれる要因はさまざまであり、それら全てをゼロにすることは不可能である。それを仮に調整するにしても調整工程にコストがかかってしまう。さらに、最近においてはコストの観点からｆθレンズにプラスチック材料を用いた光学系を使用することが多い。プラスチックレンズは射出成形で製造されるが、その面精度は光学ガラスを研磨することによって得られる精度に比べて劣っている。特にレンズのある部分では設計値に対して凸に誤差が生じるが他の部分では凹に誤差が生じるということが起こりやすい。この様な面精度の誤差によるピントずれに対しては被走査面全域に亙ってピントずれを補正することは不可能である。
【００１０】
よって、複数光源からの光ビームの結像位置ずれによる画質の劣化を補正することは非常に困難なことであった。
【００１１】
ここでは、簡単の為、発光点の数を２として図示し説明しているが、発光点の数が３、４、５、６と増加すればするほど、両端の光源間において発生する上記δＹの値が比例的に増大してくることが容易に理解出来る。即ち、上記従来のマルチビーム光走査光学系においては、高速化を達成する為に発光点の数を増加させようとしても、前述の複数光源からの光ビームの結像位置のずれが増大することにより印字精度の低下・画質の劣化を招いてしまい、高速化が非常に難しいという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決する為になされたものであり、複数の光源と集光レンズとの間にリレー光学系を配置することによって、複雑な調整を必要とせず、効果的に複数光源からの光束の結像位置ずれを防止することによって、高速でしかも高画質に最適なマルチビーム光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルチビーム光走査光学系は、少なくとも主走査方向にずらして配置された複数の発光点と、前記複数の発光点から出射した複数の光ビームを光偏向器の偏向面に入射させる集光レンズを有する入射光学系と、前記光偏向器の偏向面にて偏向走査された複数の光ビームを被走査面に結像させる走査光学系と、を有するマルチビーム光走査光学系であって、
前記入射光学系は、前記複数の発光点と前記集光レンズの間にリレー光学系が配置され、かつ、前記入射光学系は、主走査断面内において、前記リレー光学系により前記複数の発光点から出射された複数の光ビームのそれぞれの結像点よりも前記発光点側に前記複数の発光点から出射した複数の光ビームのそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞りが配置されており、
主走査断面内において、前記集光レンズにより、前記開口絞りと前記光偏向器の偏向面は、共役な関係とされていることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系をレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に適用したときの主走査方向要部断面図である。
【００２８】
同図において、１は複数の発光点を有する半導体レーザー等から成る光源であり、図１１に示す様に複数の光源を斜めに配置してその斜めの角度δを調整することにより、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔を記録密度に合わせて正確に調整している。また、本実施形態１においては理解を簡単にする為発光点の数を２としているが、発光点が増えても同様に考えることが出来る。
【００２９】
それぞれの発光点から射出したそれぞれの光ビームはリレー光学系であるリレーレンズ２によってＰ点の位置に結像される。Ｐ点の位置に結像されたそれぞれの光ビームは、集光レンズ３によって略平行光または収束光または発散光とされ、シリンドリカルレンズ４によって副走査方向にのみ収束されて、光偏向器であるポリゴンミラー５の偏向反射面５ａ近傍において主走査方向に長く伸びた焦線状に結像される。シリンドリカルレンズ４はガラス材料から成る凸のパワーの第１シリンドリカルレンズと、プラスチック材料から成る凹のパワーの第２シリンドリカルレンズから構成されており、走査光学系であるプラスチック材料から成るｆθレンズ７の環境変動による副走査方向のピント移動を補正している。
【００３０】
また、６はリレーレンズ２を通過した後で収束光とされたそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞りである。
【００３１】
開口絞り６は、リレーレンズ２による前記複数の発光点の結像位置であるＰ点よりも、前記複数の発光点を有する光源１側に配置されている。
【００３２】
また、集光レンズ３は、前記開口絞り６と前記偏向反射面５ａとを略共役な関係とするように配置されている。上記、光源１、リレーレンズ２、集光レンズ３、シリンドリカルレンズ４、開口絞り６、により、光ビーム入射光学系が構成されている。
【００３３】
さらに図中矢印Ａ方向に一定角速度で回転しているポリゴンミラー５によって反射され偏向走査されたそれぞれの光ビームは、走査光学系であるｆθレンズ７によって感光ドラム等から成る被走査面８上にスポット状に集光され図中矢印Ｂ方向に一定速度で走査される。
【００３４】
以下図２に従って、マルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系を詳説する。
【００３５】
図２（ａ）は、本発明の実施形態１の効果を説明する為の、マルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系の主走査方向断面図、図２（ｂ）は、同様副走査方向断面図を示している。但し、ここでは、前記開口絞り６が存在しない場合を説明する為、開口絞り６を配置していない構成となっている。
【００３６】
上述の如く、２つの発光点１Ａ・１Ｂを有する半導体レーザーから成る光源１は、図１１に示す様に複数の光源を斜めに配置してその斜めの角度δを調整することにより、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔を記録密度に合わせて正確に調整している。ここにおいて、発光点の数は２としているが本発明はこれに限定されるものではなく、むしろ発光点の数が３以上と数が増えたときに、より一層の効果を得ることが出来る。また、光源として半導体レーザーを仮定して以後の説明を進めるが本発明はこれに限定されるものではなく、他の光源、例えばＬＥＤ等を光源として用いることも可能である。
【００３７】
上記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームは、リレー光学系であるリレーレンズ２によってＰ点の位置にそれぞれ結像される。Ｐ点の位置に結像されたそれぞれの光ビームは、集光レンズ３によって略平行光または収束光または発散光とされ、シリンドリカルレンズ４によって副走査方向にのみ収束されて、光偏向器であるポリゴンミラー５の偏向反射面５ａ近傍において主走査方向に長く伸びた焦線状に結像される。
【００３８】
ここで、上記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢを考える。これら２本の主光線が共に光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行に出射した場合、前記２本のそれぞれの主光線ＰＡ・ＰＢは、前記リレー光学系の後側焦点位置Ｑ点において交差する。
【００３９】
一方、前記集光レンズ３は、主走査方向において前記リレー光学系の後側焦点位置Ｑ点と前記偏向反射面５ａとを略共役な関係とするように配置されている。
その様に集光レンズを配置した場合、Ｑ点において交差したそれぞれの２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、集光レンズ３によって主走査方向において前記偏向反射面５ａ上の点Ｒにおいて再度交差する。
【００４０】
この様に光ビーム入射光学系を構成した場合、図１２にて説明した従来の如き主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生をゼロとすることが可能となる。この、主走査方向の結像位置ずれδＹは、図１２における光線Ａと光線Ｂ′とがお互いに主走査方向に離れていることが原因であることが容易に理解出来よう。
【００４１】
本発明の実施形態１においては、２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、主走査方向において偏向反斜面５ａ上の同一の点Ｒに到達するように構成されている為、図１２における光線Ａに相当する光線ＰＡと、図１２における光線Ｂに相当する光線ＰＢ′とが完全に同一経路をたどることになり、その結果として、従来の如き主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹが原理的に発生しないことになる。
【００４２】
次に、前記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢが、光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合を考えてみる。半導体レーザーから出射される光ビームは理想的には光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行であるが、通常はある程度の角度誤差を有するのが普通である。この角度誤差は、電界振動面に平行な方向と垂直な方向とで若干の差はあるが、±２〜３の誤差は考慮する必要がある。
【００４３】
ここでは、前記２本の主光線ＰＡ・ＰＢのうち、ＰＡのみが光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合を考える。図２（ｃ）は、前記２本の主光線ＰＡ・ＰＢのうち、ＰＡのみが光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合のマルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系の主走査方向断面図である。図２（ｃ）を参照すると、発光点１Ａから主走査方向に角度αを成して出射した主光線ＰＡは、Ｑ点において光ビーム入射光学系の光軸ＡＸとは交差せず、Δ１＝ｆ2 ×ｔａｎαだけ主走査方向に離れた位置を通過することになる。さらに、偏向反射面５ａ上においては、集光レンズ３により前記Δ１が集光レンズ３の結像倍率β1 倍に拡大された量Δ２＝Δ１×β1 だけ光ビーム入射光学系の光軸ＡＸから主走査方向に離れた位置に到達してしまうことになる。この場合、２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、偏向反射面５ａ上の同一の点Ｒに到達しない為、前述した如く主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹが発生してしまうことになる。前述したとおり、この様な角度誤差は必ず存在するものであり、即ち、本発明の実施形態１の如くリレーレンズ２・集光レンズ３を構成したとしても、上記主走査方向の結像位置ずれδＹをゼロにすることは殆ど不可能となる。
【００４４】
そこで、本発明の実施形態１においては、前記リレー光学系による前記複数光源のそれぞれの結像点Ｐの位置よりも光源側に、前記複数光源から出射したそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞り６を配置する構成をとる。
【００４５】
図３は、開口絞り６を前記光ビーム入射光学系の光軸ＡＸ上の点Ｑの位置に配置した本発明の実施形態１の光ビーム入射光学系の主走査方向断面図である。図３においては、図２（ｃ）で説明したときと同じく、前記２本の主光線ＰＡ・ＰＢのうち、ＰＡのみが光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合の図である。
【００４６】
図３を参照すると、発光点１Ａから主走査方向に角度αを成して出射した主光線ＰＡは、開口絞り６によってそのビーム幅を制限されることにより、発光点１Ｂから出射した主光線ＰＢと同じくＱ点において光ビーム入射光学系の光軸ＡＸと交差することになる。よって、Ｑ点において交差したそれぞれの２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、集光レンズ３によって前記偏向反射面５ａ上の点Ｒにおいて再度交差することになる。
【００４７】
即ち、本発明の実施形態１においては、リレー光学系であるリレーレンズ２による前記複数光源のそれぞれの結像点Ｐの位置よりも光源側であるＱ点に、前記複数光源から出射したそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞り６を配置する構成をとったことによって、前記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢが、光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合であっても、集光レンズ３によって前記偏向反射面５ａ上の点Ｒにおいて再度交差することになる。従って、前述した如く主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生をゼロとすることが可能となる訳である。
【００４８】
この様な構成をとることによって、各光源から出射される光ビームの角度誤差が存在したとしても、常に主走査方向の結像位置ずれδＹをゼロとすることによって、効果的に印字精度の低下・画質の劣化を防止することが可能となり、さらには、走査光学系であるｆθレンズに安価なプラスチックレンズを使用したとしても、ｆθレンズに起因するピントずれによる主走査方向の結像位置ずれδＹの発生をゼロとすることが可能となる為、低コストな構成でありながら印字精度の低下・画質の劣化の無い、高画質な画像出力の可能なマルチビーム光走査光学系、及び画像形成装置を達成することが可能となる。
【００４９】
一方、本発明の実施形態１の様に、リレー光学系であるリレーレンズ２・集光レンズ３・開口絞り６とから光ビーム入射光学系を構成すると、前記従来構成の入射光学系に比較して大型化してしまいがちである。従って、本発明の実施形態１においては、前記リレー光学系であるリレーレンズ２の焦点距離ｆ2 、リレーレンズ２の結像倍率β2 、前記集光レンズ３の焦点距離ｆ1 、前記リレー光学系の後側主点から前記開口絞りまでの距離ｄ、等を適切な関係に設定することにより、効果的にコンパクトな構成とすることを可能としている。
【００５０】
以下、図４を用いて詳説する。図４は図３同様、開口絞り６を前記光ビーム入射光学系の光軸ＡＸ上の点Ｑの位置に配置した本発明の実施形態１の光ビーム入射光学系の主走査方向断面図である。１Ａ・１Ｂは半導体レーザー等からなる複数光源の各発光点であり、リレーレンズ２の焦点距離をｆ2 、リレーレンズ２の結像倍率をβ2 、集光レンズ３の焦点距離をｆ1 、リレー光学系であるリレーレンズ２の後側主点から開口絞り６までの距離をｄ、集光レンズ３の後側主点から偏向反射面５ａまでの距離をＳ1 、開口絞り６から集光レンズ３の前側主点までの距離をＳk、開口絞り６からリレーレンズ３による複数光源のそれぞれの結像点位置Ｐまでの距離をΔ、開口絞り６の絞り径をφ1 、集光レンズ３から出射する各光ビームのビーム系をφ0 、開口絞り６によって決定される各光ビームのリレーレンズ２による像側ＦナンバーをＦｎ１、複数光源の各発光点１Ａ・１Ｂから偏向反射面５ａまでの距離をＬ、とし、集光レンズ３から出射する各光ビームを略平行光とする場合を考える。
【００５１】
その場合、複数光源の各発光点１Ａ・１Ｂから偏向反射面５ａまでの距離をＬは、
【外１１】
【００５２】
であらわされる。ここにおいてＬの値を小さく、即ち、入射光学系をコンパクトに構成する為には、ｆ2 ・ｆ1 の値をそれぞれ小さく、且つ、β2 の値は１のときが一番Ｌの値を小さく出来ることが理解出来る。前記リレーレンズの焦点距離ｆ2 と集光レンズの焦点距離ｆ1 のＬに対する寄与率は、上記式からｆ2 ：ｆ1 は４：１であることが解る。即ち、
【外１２】
【００５３】
以下に設定し且つβ2 ＝１とすればＬの値を効果的に小さくすることが出来る。
【００５４】
しかし、ｆ1 の値に比してｆ2 の値を余りに小さく設定してしまうと、リレー光学系であるリレーレンズ２によって発生する球面収差、及び像面湾曲収差が大となってしまう。また、前記各収差を良好に補正する為には、ｆ1 の値に比してｆ2 の値を大きく設定すれば良いが、ｆ2 の値を余り大きく設定してしまうと上記Ｌの値を小さく設定することが出来ない為、入射光学系をコンパクトに構成することが不可能となってしまう。従って、本発明の実施形態１においては、上記ｆ2 ・ｆ1 の値を以下の条件式
【外１３】
【００５５】
を満足する様に設定している。
【００５６】
また、開口絞り６の絞り径φ1 は、
【外１４】
【００５７】
であらわされる。即ち、開口絞り６の絞り径φ1 は、上記Δ・Ｆｎ１によって決定されることが解るが、上記Δの値は、前記Ｓ1 ・Ｓk・ｆ1 の値によって決定される。通常の位置に集光レンズを配置した場合はΔの値は比較的小さな値をとることが普通である。その場合、Ｆｎ１の値が大きいと、前記開口絞り６の絞り径φ1 が小さくなってしまい、例えば、前記開口絞り６の絞り径φ1 に内径公差が存在した場合、内径公差に起因して被走査面におけるスポット径の変動が大きくなってきてしまい、安定したスポット径を得ることが困難となってきてしまう。よって上記内径公差の影響を低減する為には、Ｆｎ１の値を小さく設定することが好ましい。このことは、前記リレー光学系であるリレーレンズ２によって前記複数の光源を等倍以下に結像させることによって達成出来る。しかし、この結像倍率をあまり下げてしまうと、リレーレンズ２による光源からの光ビームのカップリング効率が劣化してしまうので好ましくない。よって、本発明の実施形態１においては、リレーレンズ２の結像倍率β2 を以下の条件式
【外１５】
【００５８】
を満足する様に設定している。
【００５９】
また、前記開口絞り６は理想的にはリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置に配置することが好ましい。しかし、入射光学系の全体構成及びメカ的な配置上の制限等から、上記位置に配置出来ない場合もある。その様な場合においては、前記それぞれのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生量が許容出来る範囲内において、前記開口絞り６の配置位置を適宜変更しても構わない。よって、本発明の実施形態１においては、前記リレー光学系の焦点距離をｆ2 、前記リレー光学系の後側主点から前記開口絞りまでの距離をｄ、としたとき、以下の条件式
【外１６】
【００６０】
を満足する様に設定している。上記（１）式の下限を超えて開口絞り６を配置してしまうと、開口絞り６が集光レンズ３側に近づいてしまうことにより、絞り径φ1 を小さく設定しなければならず、前述した通り、前記開口絞り６の絞り径φ1 に内径公差が存在した場合、被走査面におけるスポット径の変動が大きくなってきてしまい、安定したスポット径を得ることが困難となってきてしまう。また上記（１）式の上限を超えて開口絞り６を配置してしまうと、前記それぞれのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生量が許容出来なくなってくると共に、各光ビーム内部の光強度分布に非対称性が生じることによる結像性能の劣化、および、各光ビームの被走査面上における光量差が大きくなってしまうので好ましくない。
【００６１】
さらに、本発明の実施形態１においては、入射光学系をコンパクトに構成する為、リレー光学系を１群構成とし、前記リレー光学系によって発生する球面収差、及び像面湾曲収差を集光レンズ３によって相殺することを特徴としている。
【００６２】
前記（２）・（３）式で説明した如く、リレー光学系であるリレーレンズの焦点距離ｆ2 はある程度小さい必要があり、且つリレーレンズ２の結像倍率も縮小側に設定するのが好ましい。また、リレーレンズ２、集光レンズ３も成るべく構成枚数を少なく、且つ小型に設計することが好ましい。しかし、特にリレーレンズ２において発生する球面収差と像面湾曲収差を補正することが非常に困難であり、例えば、少ない構成枚数である２枚構成などで設計することは事実上不可能である。
【００６３】
そこで、本発明の実施形態１においては、リレーレンズ２を２枚のレンズで構成し、且つ、前記２枚のレンズは同一形状で構成することとし、それによって発生する球面収差と像面湾曲収差を、前記集光レンズ３で相殺する構成としている。
【００６４】
前記リレーレンズ２によって発生する球面収差及び像面湾曲収差は共にアンダーであり、このアンダーな球面収差と像面湾曲収差を集光レンズ３を最適なレンズ構成をとることによって相殺している。具体的には、前記集光レンズ３は、光源側より順に凹レンズ・凸レンズの２枚構成としている。この様なレンズ構成とすることにより、集光レンズ３としてオーバーな球面収差と像面湾曲収差を発生させ、リレーレンズ２のアンダーな球面収差と像面湾曲収差を相殺させている。
【００６５】
本発明の実施形態１においては、この様な構成をとることによって、リレーレンズ２及び集光レンズ３を少ない構成枚数で構成することを可能とし、入射光学系をコンパクトに構成することが出来ると共に、入射系全体としての球面収差、及び像面湾曲収差を非常に良好に補正することを可能としている。それによって、被走査面におけるスポット形状を良好に補正し、且つ複数光源に対応するそれぞれの結像スポット性能の相対的な差も十分に小さく補正することが出来、その結果、低コスト・コンパクトな構成でありながら印字精度の低下・画質の劣化の無い、高画質な画像出力の可能なマルチビーム光走査光学系、及び画像形成装置を達成することが可能となる。
【００６６】
なお、ここでは、複数の光源を図１１に示すように配置した場合について述べたが、リレーレンズ２と集光レンズ３の合成焦点距離を図９に示す従来の構成のコリメーターレンズ２２の焦点距離よりも長く設定してやれば、複数の光源を図１０に示すように配置した場合の被走査面上に置ける各光ビームが走査する副走査方向の線の間隔を小さくすることが可能となる。即ち、複数の光源から出射した各光ビームを副走査断面内において、光走査光学系を構成する各光学系の光軸に近いところを使用することが可能となる為、各光源に対応した光ビームの結像性能の相対差を少なくすることができ、高画質な画像出力を得ることが可能となる。
【００６７】
第１表に本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の諸特性を示す。
【００６８】
走査レンズであるｆθレンズの主走査断面の非球面形状は、各レンズ面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸、主走査断面内において光軸と直交する軸をＹ軸、副走査断面内において光軸と直交する軸をＺ軸としたときに、
【外１７】
【００６９】
なる式で表わされる。
【００７０】
なお、Ｒは曲率半径、ｋ、Ｂ4〜Ｂ10は非球面係数である。
【００７１】
ここで各係数がｙの値の正負によって異なる場合は、ｙの値が正のときは係数として添字ｕのついたｋｕ、Ｂ4u〜Ｂ10uを、ｙの値が負のときは係数として添字ｌのついたｋｌ、Ｂ4l〜Ｂ10lを使用する。
【００７２】
一方副走査断面の形状は主走査方向のレンズ面座標がｙであるところの曲率半径ｒ′が、
ｒ′＝ｒ（１＋Ｄ2 ｙ2＋Ｄ4ｙ4＋Ｄ6ｙ6＋Ｄ8ｙ8＋Ｄ10ｙ10）
なる式で表わされる形状をしている。
【００７３】
なお、ｒは光軸上における曲率半径、Ｄ2 〜Ｄ10は各係数である。
【００７４】
ここで各係数がｙの値の正負によって異なる場合は、ｙの値が正のときは係数として添字ｕのついたＤ2u〜Ｄ10uを用いて計算された曲率半径ｒ′となっており、ｙの値が負のときは係数として添字ｌのついたＤ2l〜Ｄ10lを用いて計算された曲率半径ｒ′となっている。
【００７５】
また第２表に、ｆ1 、ｆ2 、β2 、ｄの各値と前記各条件式（１）〜（３）に対応する各特性値を示す。各値とも前記各条件式を満足していることが解る。
【００７６】
【表１】
【００７７】
【表２】
【００７８】
【表３】
【００７９】
【表４】
【００８０】
また、図５にリレー光学系であるリレーレンズ２で発生する球面収差と像面湾曲収差をそれぞれ示し、図６に集光レンズ３によって発生する球面収差と像面湾曲収差をそれぞれ示す。また、図７にリレーレンズ２と集光レンズ３による入射光学系トータルの球面収差と像面湾曲収差をそれぞれ示す。但し、ここにおける各収差図は、偏向反射面５ａ側から光線を入射させた状態で計算している。図から解る様に、リレーレンズ２で発生する球面収差と像面湾曲収差とを集光レンズ３で発生する球面収差と像面湾曲収差とで相殺している。ΔＭは主走査断面内、ΔＳは副走査断面内での像面湾曲である。
【００８１】
次に、本発明の実施形態２について説明する。図８は本発明の実施形態２のマルチビーム光走査光学系をレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に適用したときの主走査方向要部断面図である。
【００８２】
本実施形態２においては、前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置ｄｆ2 よりも光源側に配置している。その他の諸特性値は実施形態１と同様である。本実施形態２におけるｆ1 、ｆ2 、β2 、ｄの各値と前記各条件式（１）〜（３）に対応する各特性値を第３表に示す。
【００８３】
本実施形態２においては、前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置ｄｆ2 よりも光源側に配置している為、前記開口絞り６の絞り径φ1 を実施形態１よりも大きく設定することが可能となり、絞り径φ1 の内径公差に対する被走査面上でのスポット径に与える影響を緩和している。それによって、開口絞りの内径公差の許容度を実施形態１に比べて２．０２倍にすることが出来、部品精度を緩和することを可能にしている。
【００８４】
一方、前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置からずらして配置している為、前記主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの量はゼロとはなっていない。
【００８５】
本実施形態２においては、前記偏向反射面５ａ上における各発光点から出射した光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢの離れ量Δ２は０．１６６ｍｍとなる。ここで、走査レンズであるｆθレンズの焦点距離は２１２ｍｍであるから、例えば、主走査方向のピントずれが１ｍｍ発生したときのそれぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれΔＹは、
【外１８】
【００８６】
であらわされる。
【００８７】
通常の走査光学系においては、主走査方向のピントずれが２ｍｍを超えてくると主走査方向のスポット径が肥大してしまう為、主走査方向のピントずれは２ｍｍ以下になる様に組み立て調整が成されるのが普通である。
【００８８】
主走査方向のピントずれが２ｍｍであった場合の前記それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹは上式で計算された値の２倍の１．６μｍである。通常、この主走査方向の結像位置ずれ量は７μｍを超えてくると画像として目立ち始めることが本発明人らの実験によって確認されている。それに対して、本実施形態２における２つのビームの主走査方向の結像位置ずれ１．６μｍは十分に許容範囲内であることが解る。
【００８９】
本実施形態２においては、上記前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置よりも２．０２倍に設定し、部品精度を緩和することを可能とし、且つ、それぞれのビームの主走査方向の結像位置ずれを十分許容範囲に収める設定とすることを可能としている。
【００９０】
図１３は、本発明の画像形成装置の実施形態を示す副走査方向の要部断面図である。図１３において、符号１０４は本発明の画像形成装置を示す。この画像形成装置１０４には、パーソナルコンピュータ等の外部機器１１７からコードデータＤｃが入力する。このコードデータＤｃは、装置内のプリンタコントローラ１１１によって、画像データ（ドットデータ）Ｄｉに変換される。この画像データＤｉは、実施形態１〜２に示した構成を有するマルチビーム光走査光学系を使用したマルチビーム光走査装置１００に入力される。そして、このマルチビーム光走査装置１００からは、画像データＤｉに応じて変調された複数の光ビーム１０３が出射され、この複数の光ビーム１０３によって感光ドラム１０１の感光面が主走査方向に走査される。
【００９１】
静電潜像担持体（感光体）たる感光ドラム１０１は、モータ１１５によって時計廻り或いは反時計周りに回転させられる。そして、この回転に伴って、感光ドラム１０１の感光面が光ビーム１０３に対して、主走査方向と直交する副走査方向に移動する。感光ドラム１０１の上方には、感光ドラム１０１の表面を一様に帯電せしめる帯電ローラ１０２が表面に当接するように設けられている。そして、帯電ローラ１０２によって帯電された感光ドラム１０１の表面に、前記マルチビーム光走査装置１００によって走査される光ビーム１０３が照射されるようになっている。
【００９２】
先に説明したように、複数の光ビーム１０３は、画像データＤｉに基づいて変調されており、この複数の光ビーム１０３を照射することによって感光ドラム１０１の表面に静電潜像を形成せしめる。この静電潜像は、上記複数の光ビーム１０３の照射位置よりもさらに感光ドラム１０１の回転方向の下流側で感光ドラム１０１に当接するように配設された現像器１０７によってトナー像として現像される。
【００９３】
現像器１０７によって現像されたトナー像は、感光ドラム１０１の下方で、感光ドラム１０１に対向するように配設された回転ローラ１０８によって被転写材たる用紙１１２上に転写される。用紙１１２は感光ドラム１０１の前方（図１３において右側）の用紙カセット１０９内に収納されているが、手差しでも給紙が可能である。用紙カセット１０９端部には、給紙ローラ１１０が配設されており、用紙カセット１０９内の用紙１１２を搬送路へ送り込む。
【００９４】
以上のようにして、未定着トナー像を転写された用紙１１２はさらに感光ドラム１０１後方（図１３において左側）の定着器へと搬送される。定着器は内部に定着ヒータ（図示せず）を有する定着ローラ１１３とこの定着ローラ１１３に圧接するように配設された加圧ローラ１１４とで構成されており、転写部から搬送されてきた用紙１１２を定着ローラ１１３と加圧ローラ１１４の圧接部にて加圧しながら加熱することにより用紙１１２上の未定着トナー像を定着せしめる。更に定着ローラ１１３の後方には排紙ローラ１１６が配設されており、定着された用紙１１２を画像形成装置の外に排出せしめる。
【００９５】
図１３においては図示していないが、プリントコントローラ１１１は、先に説明データの変換だけでなく、モータ１１５を始め画像形成装置内の各部や、マルチビーム光走査装置内のポリゴンモータなどの制御をも行う。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によるマルチビーム光走査光学系においては、入射光学系をリレー光学系と集光レンズとを最適な構成とすることによって、複雑な調整を必要とせず、効果的に複数光源からの光束の結像位置ずれを防止することによって、高速でしかも高画質に最適なマルチビーム光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の主走査方向の要部断面図。
【図２】本発明の実施形態１効果を説明する為のマルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系の図。
【図３】本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の主走査方向の断面図。
【図４】本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の主走査方向断面の構成を説明する図。
【図５】リレーレンズ２で発生する球面収差と像面湾曲収差を示す図。
【図６】集光レンズ３によって発生する球面収差と像面湾曲収差を示す図。
【図７】リレーレンズ２と集光レンズ３による入射光学系トータルの球面収差と像面湾曲収差を示す図。
【図８】本発明の実施形態２のマルチビーム光走査光学系の主走査方向の要部断面図。
【図９】従来のマルチビーム光走査光学系を説明する図。
【図１０】従来のマルチビーム光走査光学系の発光点の配置のしかたを示す図。
【図１１】従来のマルチビーム光走査光学系の発光点の配置のしかたを示す図。
【図１２】従来のマルチビーム光走査光学系においてピントずれが発生した場合の説明図。
【図１３】本発明の画像形成装置の実施形態を示す副走査方向の要部断面図。
【符号の説明】
１ 複数光源（半導体レーザー）
２ リレーレンズ
３ 集光レンズ
４ シリンドリカルレンズ
５ 光偏向手段（ポリゴンミラー）
６ 開口絞り
７ 走査レンズ（ｆθレンズ）
８ 被走査面（感光ドラム）
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関し、レーザービームプリンタやデジタル複写機等に使用される光走査光学系及び光走査装置に関するものであり、特に、高速・高記録密度を達成する為に光源として複数光源を使用したマルチビーム光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来の複数光源を使用したマルチビーム光走査光学系の主走査方向の断面を示す。２１は複数の発光点から構成される半導体レーザー等から成る複数光源であり、複数の光源から射出したそれぞれの光ビームはコリメータレンズ２２で略平行光若しくは収束光とされ、開口絞り２３でその光ビームの断面形状を整形しシリンドリカルレンズ２４によって副走査方向にのみ収束されて、光偏向器であるポリゴンミラー２５の偏向反射面２５ａ近傍において主走査方向に長く伸びた焦線状に結像される。さらに図中矢印Ａ方向に一定角速度で回転しているポリゴンミラー２５によって反射され偏向走査されたそれぞれの光ビームは、ｆθレンズ２６によって感光ドラム等から成る被走査面２７上にスポット状に集光され図中矢印Ｂ方向に一定速度で走査される。２８は、書き出し位置検知の為のＢＤ光学系である。２８ａは、ＢＤスリットで、２８ｂは、ＢＤレンズで、２８ｃは、ＢＤセンサ（同期位置検出素子）である。
【０００３】
この様なマルチビーム走査光学系においては、図１０の様に複数の光源を副走査方向に縦に並べて配置してしまうと、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔が記録密度よりも大幅に間隔が開いてしまう為、通常は図１１に示す様に複数の光源を斜めに配置してその斜めの角度δを調整することにより、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔を記録密度に合わせて正確に調整している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の様な構成の光走査光学系においては、複数の光源を斜めに配置している為に図１２に示す様に複数の光源から出射した光ビームはポリゴンの反射面上で主走査方向に離れた位置に到達し且つポリゴンから反射される光ビームの角度もそれぞれ異なる為、被走査面上においてお互いに主走査方向に離れた位置にスポットが結像されることになる（光線Ａと光線Ｂ）。
【０００５】
よって、この様な構成のマルチビーム光走査光学系においては、ある１つの基準の光源が被走査面上に結像する位置に他の光源からの光束の結像位置を合わせる様に所定時間δΤだけタイミングをずらして画像データを送っている。
【０００６】
δΤだけ時間がずれたときのポリゴン面は同図の２５ａ′の角度に設定され、この時に反射される光線はＢ′の方向、即ちＡと同じ方向に反射されることによってお互いのスポットの結像位置が一致することになる。
【０００７】
このとき、何らかの原因（例えば光学系を保持する光学ユニットと被走査面との位置誤差、光学ユニットに光学部品を組み付けるときの組つけ誤差、等）で主走査方向のピントずれが発生した場合、ここでは被走査面２７が２７′の位置にずれてしまったと仮定すると、同図から明らかなようにそれぞれの光線の結像位置が主走査方向にδＹだけずれてしまう。
【０００８】
従来、この様に複数光源からの光ビームの結像位置にずれが発生することによって、印字精度の低下・画質の劣化を招いてしまうという問題が存在していた。
【０００９】
主走査方向にピントがずれる要因はさまざまであり、それら全てをゼロにすることは不可能である。それを仮に調整するにしても調整工程にコストがかかってしまう。さらに、最近においてはコストの観点からｆθレンズにプラスチック材料を用いた光学系を使用することが多い。プラスチックレンズは射出成形で製造されるが、その面精度は光学ガラスを研磨することによって得られる精度に比べて劣っている。特にレンズのある部分では設計値に対して凸に誤差が生じるが他の部分では凹に誤差が生じるということが起こりやすい。この様な面精度の誤差によるピントずれに対しては被走査面全域に亙ってピントずれを補正することは不可能である。
【００１０】
よって、複数光源からの光ビームの結像位置ずれによる画質の劣化を補正することは非常に困難なことであった。
【００１１】
ここでは、簡単の為、発光点の数を２として図示し説明しているが、発光点の数が３、４、５、６と増加すればするほど、両端の光源間において発生する上記δＹの値が比例的に増大してくることが容易に理解出来る。即ち、上記従来のマルチビーム光走査光学系においては、高速化を達成する為に発光点の数を増加させようとしても、前述の複数光源からの光ビームの結像位置のずれが増大することにより印字精度の低下・画質の劣化を招いてしまい、高速化が非常に難しいという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決する為になされたものであり、複数の光源と集光レンズとの間にリレー光学系を配置することによって、複雑な調整を必要とせず、効果的に複数光源からの光束の結像位置ずれを防止することによって、高速でしかも高画質に最適なマルチビーム光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のマルチビーム光走査光学系は、少なくとも主走査方向にずらして配置された複数の発光点と、前記複数の発光点から出射した複数の光ビームを光偏向器の偏向面に入射させる集光レンズを有する入射光学系と、前記光偏向器の偏向面にて偏向走査された複数の光ビームを被走査面に結像させる走査光学系と、を有するマルチビーム光走査光学系であって、
前記入射光学系は、前記複数の発光点と前記集光レンズの間にリレー光学系が配置され、かつ、前記入射光学系は、主走査断面内において、前記リレー光学系により前記複数の発光点から出射された複数の光ビームのそれぞれの結像点よりも前記発光点側に前記複数の発光点から出射した複数の光ビームのそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞りが配置されており、
主走査断面内において、前記集光レンズにより、前記開口絞りと前記光偏向器の偏向面は、共役な関係とされていることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系をレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に適用したときの主走査方向要部断面図である。
【００２８】
同図において、１は複数の発光点を有する半導体レーザー等から成る光源であり、図１１に示す様に複数の光源を斜めに配置してその斜めの角度δを調整することにより、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔を記録密度に合わせて正確に調整している。また、本実施形態１においては理解を簡単にする為発光点の数を２としているが、発光点が増えても同様に考えることが出来る。
【００２９】
それぞれの発光点から射出したそれぞれの光ビームはリレー光学系であるリレーレンズ２によってＰ点の位置に結像される。Ｐ点の位置に結像されたそれぞれの光ビームは、集光レンズ３によって略平行光または収束光または発散光とされ、シリンドリカルレンズ４によって副走査方向にのみ収束されて、光偏向器であるポリゴンミラー５の偏向反射面５ａ近傍において主走査方向に長く伸びた焦線状に結像される。シリンドリカルレンズ４はガラス材料から成る凸のパワーの第１シリンドリカルレンズと、プラスチック材料から成る凹のパワーの第２シリンドリカルレンズから構成されており、走査光学系であるプラスチック材料から成るｆθレンズ７の環境変動による副走査方向のピント移動を補正している。
【００３０】
また、６はリレーレンズ２を通過した後で収束光とされたそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞りである。
【００３１】
開口絞り６は、リレーレンズ２による前記複数の発光点の結像位置であるＰ点よりも、前記複数の発光点を有する光源１側に配置されている。
【００３２】
また、集光レンズ３は、前記開口絞り６と前記偏向反射面５ａとを略共役な関係とするように配置されている。上記、光源１、リレーレンズ２、集光レンズ３、シリンドリカルレンズ４、開口絞り６、により、光ビーム入射光学系が構成されている。
【００３３】
さらに図中矢印Ａ方向に一定角速度で回転しているポリゴンミラー５によって反射され偏向走査されたそれぞれの光ビームは、走査光学系であるｆθレンズ７によって感光ドラム等から成る被走査面８上にスポット状に集光され図中矢印Ｂ方向に一定速度で走査される。
【００３４】
以下図２に従って、マルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系を詳説する。
【００３５】
図２（ａ）は、本発明の実施形態１の効果を説明する為の、マルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系の主走査方向断面図、図２（ｂ）は、同様副走査方向断面図を示している。但し、ここでは、前記開口絞り６が存在しない場合を説明する為、開口絞り６を配置していない構成となっている。
【００３６】
上述の如く、２つの発光点１Ａ・１Ｂを有する半導体レーザーから成る光源１は、図１１に示す様に複数の光源を斜めに配置してその斜めの角度δを調整することにより、被走査面上における副走査方向のそれぞれの線の間隔を記録密度に合わせて正確に調整している。ここにおいて、発光点の数は２としているが本発明はこれに限定されるものではなく、むしろ発光点の数が３以上と数が増えたときに、より一層の効果を得ることが出来る。また、光源として半導体レーザーを仮定して以後の説明を進めるが本発明はこれに限定されるものではなく、他の光源、例えばＬＥＤ等を光源として用いることも可能である。
【００３７】
上記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームは、リレー光学系であるリレーレンズ２によってＰ点の位置にそれぞれ結像される。Ｐ点の位置に結像されたそれぞれの光ビームは、集光レンズ３によって略平行光または収束光または発散光とされ、シリンドリカルレンズ４によって副走査方向にのみ収束されて、光偏向器であるポリゴンミラー５の偏向反射面５ａ近傍において主走査方向に長く伸びた焦線状に結像される。
【００３８】
ここで、上記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢを考える。これら２本の主光線が共に光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行に出射した場合、前記２本のそれぞれの主光線ＰＡ・ＰＢは、前記リレー光学系の後側焦点位置Ｑ点において交差する。
【００３９】
一方、前記集光レンズ３は、主走査方向において前記リレー光学系の後側焦点位置Ｑ点と前記偏向反射面５ａとを略共役な関係とするように配置されている。
その様に集光レンズを配置した場合、Ｑ点において交差したそれぞれの２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、集光レンズ３によって主走査方向において前記偏向反射面５ａ上の点Ｒにおいて再度交差する。
【００４０】
この様に光ビーム入射光学系を構成した場合、図１２にて説明した従来の如き主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生をゼロとすることが可能となる。この、主走査方向の結像位置ずれδＹは、図１２における光線Ａと光線Ｂ′とがお互いに主走査方向に離れていることが原因であることが容易に理解出来よう。
【００４１】
本発明の実施形態１においては、２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、主走査方向において偏向反斜面５ａ上の同一の点Ｒに到達するように構成されている為、図１２における光線Ａに相当する光線ＰＡと、図１２における光線Ｂに相当する光線ＰＢ′とが完全に同一経路をたどることになり、その結果として、従来の如き主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹが原理的に発生しないことになる。
【００４２】
次に、前記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢが、光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合を考えてみる。半導体レーザーから出射される光ビームは理想的には光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行であるが、通常はある程度の角度誤差を有するのが普通である。この角度誤差は、電界振動面に平行な方向と垂直な方向とで若干の差はあるが、±２〜３の誤差は考慮する必要がある。
【００４３】
ここでは、前記２本の主光線ＰＡ・ＰＢのうち、ＰＡのみが光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合を考える。図２（ｃ）は、前記２本の主光線ＰＡ・ＰＢのうち、ＰＡのみが光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合のマルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系の主走査方向断面図である。図２（ｃ）を参照すると、発光点１Ａから主走査方向に角度αを成して出射した主光線ＰＡは、Ｑ点において光ビーム入射光学系の光軸ＡＸとは交差せず、Δ１＝ｆ2 ×ｔａｎαだけ主走査方向に離れた位置を通過することになる。さらに、偏向反射面５ａ上においては、集光レンズ３により前記Δ１が集光レンズ３の結像倍率β1 倍に拡大された量Δ２＝Δ１×β1 だけ光ビーム入射光学系の光軸ＡＸから主走査方向に離れた位置に到達してしまうことになる。この場合、２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、偏向反射面５ａ上の同一の点Ｒに到達しない為、前述した如く主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹが発生してしまうことになる。前述したとおり、この様な角度誤差は必ず存在するものであり、即ち、本発明の実施形態１の如くリレーレンズ２・集光レンズ３を構成したとしても、上記主走査方向の結像位置ずれδＹをゼロにすることは殆ど不可能となる。
【００４４】
そこで、本発明の実施形態１においては、前記リレー光学系による前記複数光源のそれぞれの結像点Ｐの位置よりも光源側に、前記複数光源から出射したそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞り６を配置する構成をとる。
【００４５】
図３は、開口絞り６を前記光ビーム入射光学系の光軸ＡＸ上の点Ｑの位置に配置した本発明の実施形態１の光ビーム入射光学系の主走査方向断面図である。図３においては、図２（ｃ）で説明したときと同じく、前記２本の主光線ＰＡ・ＰＢのうち、ＰＡのみが光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合の図である。
【００４６】
図３を参照すると、発光点１Ａから主走査方向に角度αを成して出射した主光線ＰＡは、開口絞り６によってそのビーム幅を制限されることにより、発光点１Ｂから出射した主光線ＰＢと同じくＱ点において光ビーム入射光学系の光軸ＡＸと交差することになる。よって、Ｑ点において交差したそれぞれの２本の主光線ＰＡ・ＰＢは、集光レンズ３によって前記偏向反射面５ａ上の点Ｒにおいて再度交差することになる。
【００４７】
即ち、本発明の実施形態１においては、リレー光学系であるリレーレンズ２による前記複数光源のそれぞれの結像点Ｐの位置よりも光源側であるＱ点に、前記複数光源から出射したそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞り６を配置する構成をとったことによって、前記２つの発光点１Ａ・１Ｂから出射したそれぞれの光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢが、光ビーム入射光学系の光軸ＡＸに平行でない場合であっても、集光レンズ３によって前記偏向反射面５ａ上の点Ｒにおいて再度交差することになる。従って、前述した如く主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生をゼロとすることが可能となる訳である。
【００４８】
この様な構成をとることによって、各光源から出射される光ビームの角度誤差が存在したとしても、常に主走査方向の結像位置ずれδＹをゼロとすることによって、効果的に印字精度の低下・画質の劣化を防止することが可能となり、さらには、走査光学系であるｆθレンズに安価なプラスチックレンズを使用したとしても、ｆθレンズに起因するピントずれによる主走査方向の結像位置ずれδＹの発生をゼロとすることが可能となる為、低コストな構成でありながら印字精度の低下・画質の劣化の無い、高画質な画像出力の可能なマルチビーム光走査光学系、及び画像形成装置を達成することが可能となる。
【００４９】
一方、本発明の実施形態１の様に、リレー光学系であるリレーレンズ２・集光レンズ３・開口絞り６とから光ビーム入射光学系を構成すると、前記従来構成の入射光学系に比較して大型化してしまいがちである。従って、本発明の実施形態１においては、前記リレー光学系であるリレーレンズ２の焦点距離ｆ2 、リレーレンズ２の結像倍率β2 、前記集光レンズ３の焦点距離ｆ1 、前記リレー光学系の後側主点から前記開口絞りまでの距離ｄ、等を適切な関係に設定することにより、効果的にコンパクトな構成とすることを可能としている。
【００５０】
以下、図４を用いて詳説する。図４は図３同様、開口絞り６を前記光ビーム入射光学系の光軸ＡＸ上の点Ｑの位置に配置した本発明の実施形態１の光ビーム入射光学系の主走査方向断面図である。１Ａ・１Ｂは半導体レーザー等からなる複数光源の各発光点であり、リレーレンズ２の焦点距離をｆ2 、リレーレンズ２の結像倍率をβ2 、集光レンズ３の焦点距離をｆ1 、リレー光学系であるリレーレンズ２の後側主点から開口絞り６までの距離をｄ、集光レンズ３の後側主点から偏向反射面５ａまでの距離をＳ1 、開口絞り６から集光レンズ３の前側主点までの距離をＳk、開口絞り６からリレーレンズ３による複数光源のそれぞれの結像点位置Ｐまでの距離をΔ、開口絞り６の絞り径をφ1 、集光レンズ３から出射する各光ビームのビーム系をφ0 、開口絞り６によって決定される各光ビームのリレーレンズ２による像側ＦナンバーをＦｎ１、複数光源の各発光点１Ａ・１Ｂから偏向反射面５ａまでの距離をＬ、とし、集光レンズ３から出射する各光ビームを略平行光とする場合を考える。
【００５１】
その場合、複数光源の各発光点１Ａ・１Ｂから偏向反射面５ａまでの距離をＬは、
【外１１】
であらわされる。ここにおいてＬの値を小さく、即ち、入射光学系をコンパクトに構成する為には、ｆ2 ・ｆ1 の値をそれぞれ小さく、且つ、β2 の値は１のときが一番Ｌの値を小さく出来ることが理解出来る。前記リレーレンズの焦点距離ｆ2 と集光レンズの焦点距離ｆ1 のＬに対する寄与率は、上記式からｆ2 ：ｆ1 は４：１であることが解る。即ち、
【外１２】
以下に設定し且つβ2 ＝１とすればＬの値を効果的に小さくすることが出来る。
【００５４】
しかし、ｆ1 の値に比してｆ2 の値を余りに小さく設定してしまうと、リレー光学系であるリレーレンズ２によって発生する球面収差、及び像面湾曲収差が大となってしまう。また、前記各収差を良好に補正する為には、ｆ1 の値に比してｆ2 の値を大きく設定すれば良いが、ｆ2 の値を余り大きく設定してしまうと上記Ｌの値を小さく設定することが出来ない為、入射光学系をコンパクトに構成することが不可能となってしまう。従って、本発明の実施形態１においては、上記ｆ2 ・ｆ1 の値を以下の条件式
【外１３】
を満足する様に設定している。
【００５６】
また、開口絞り６の絞り径φ1 は、
【外１４】
であらわされる。即ち、開口絞り６の絞り径φ1 は、上記Δ・Ｆｎ１によって決定されることが解るが、上記Δの値は、前記Ｓ1 ・Ｓk・ｆ1 の値によって決定される。通常の位置に集光レンズを配置した場合はΔの値は比較的小さな値をとることが普通である。その場合、Ｆｎ１の値が大きいと、前記開口絞り６の絞り径φ1 が小さくなってしまい、例えば、前記開口絞り６の絞り径φ1 に内径公差が存在した場合、内径公差に起因して被走査面におけるスポット径の変動が大きくなってきてしまい、安定したスポット径を得ることが困難となってきてしまう。よって上記内径公差の影響を低減する為には、Ｆｎ１の値を小さく設定することが好ましい。このことは、前記リレー光学系であるリレーレンズ２によって前記複数の光源を等倍以下に結像させることによって達成出来る。しかし、この結像倍率をあまり下げてしまうと、リレーレンズ２による光源からの光ビームのカップリング効率が劣化してしまうので好ましくない。よって、本発明の実施形態１においては、リレーレンズ２の結像倍率β2 を以下の条件式
【外１５】
を満足する様に設定している。
【００５９】
また、前記開口絞り６は理想的にはリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置に配置することが好ましい。しかし、入射光学系の全体構成及びメカ的な配置上の制限等から、上記位置に配置出来ない場合もある。その様な場合においては、前記それぞれのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生量が許容出来る範囲内において、前記開口絞り６の配置位置を適宜変更しても構わない。よって、本発明の実施形態１においては、前記リレー光学系の焦点距離をｆ2 、前記リレー光学系の後側主点から前記開口絞りまでの距離をｄ、としたとき、以下の条件式
【外１６】
を満足する様に設定している。上記（１）式の下限を超えて開口絞り６を配置してしまうと、開口絞り６が集光レンズ３側に近づいてしまうことにより、絞り径φ1 を小さく設定しなければならず、前述した通り、前記開口絞り６の絞り径φ1 に内径公差が存在した場合、被走査面におけるスポット径の変動が大きくなってきてしまい、安定したスポット径を得ることが困難となってきてしまう。また上記（１）式の上限を超えて開口絞り６を配置してしまうと、前記それぞれのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの発生量が許容出来なくなってくると共に、各光ビーム内部の光強度分布に非対称性が生じることによる結像性能の劣化、および、各光ビームの被走査面上における光量差が大きくなってしまうので好ましくない。
【００６１】
さらに、本発明の実施形態１においては、入射光学系をコンパクトに構成する為、リレー光学系を１群構成とし、前記リレー光学系によって発生する球面収差、及び像面湾曲収差を集光レンズ３によって相殺することを特徴としている。
【００６２】
前記（２）・（３）式で説明した如く、リレー光学系であるリレーレンズの焦点距離ｆ2 はある程度小さい必要があり、且つリレーレンズ２の結像倍率も縮小側に設定するのが好ましい。また、リレーレンズ２、集光レンズ３も成るべく構成枚数を少なく、且つ小型に設計することが好ましい。しかし、特にリレーレンズ２において発生する球面収差と像面湾曲収差を補正することが非常に困難であり、例えば、少ない構成枚数である２枚構成などで設計することは事実上不可能である。
【００６３】
そこで、本発明の実施形態１においては、リレーレンズ２を２枚のレンズで構成し、且つ、前記２枚のレンズは同一形状で構成することとし、それによって発生する球面収差と像面湾曲収差を、前記集光レンズ３で相殺する構成としている。
【００６４】
前記リレーレンズ２によって発生する球面収差及び像面湾曲収差は共にアンダーであり、このアンダーな球面収差と像面湾曲収差を集光レンズ３を最適なレンズ構成をとることによって相殺している。具体的には、前記集光レンズ３は、光源側より順に凹レンズ・凸レンズの２枚構成としている。この様なレンズ構成とすることにより、集光レンズ３としてオーバーな球面収差と像面湾曲収差を発生させ、リレーレンズ２のアンダーな球面収差と像面湾曲収差を相殺させている。
【００６５】
本発明の実施形態１においては、この様な構成をとることによって、リレーレンズ２及び集光レンズ３を少ない構成枚数で構成することを可能とし、入射光学系をコンパクトに構成することが出来ると共に、入射系全体としての球面収差、及び像面湾曲収差を非常に良好に補正することを可能としている。それによって、被走査面におけるスポット形状を良好に補正し、且つ複数光源に対応するそれぞれの結像スポット性能の相対的な差も十分に小さく補正することが出来、その結果、低コスト・コンパクトな構成でありながら印字精度の低下・画質の劣化の無い、高画質な画像出力の可能なマルチビーム光走査光学系、及び画像形成装置を達成することが可能となる。
【００６６】
なお、ここでは、複数の光源を図１１に示すように配置した場合について述べたが、リレーレンズ２と集光レンズ３の合成焦点距離を図９に示す従来の構成のコリメーターレンズ２２の焦点距離よりも長く設定してやれば、複数の光源を図１０に示すように配置した場合の被走査面上に置ける各光ビームが走査する副走査方向の線の間隔を小さくすることが可能となる。即ち、複数の光源から出射した各光ビームを副走査断面内において、光走査光学系を構成する各光学系の光軸に近いところを使用することが可能となる為、各光源に対応した光ビームの結像性能の相対差を少なくすることができ、高画質な画像出力を得ることが可能となる。
【００６７】
第１表に本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の諸特性を示す。
【００６８】
走査レンズであるｆθレンズの主走査断面の非球面形状は、各レンズ面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸、主走査断面内において光軸と直交する軸をＹ軸、副走査断面内において光軸と直交する軸をＺ軸としたときに、
【外１７】
なる式で表わされる。
【００７０】
なお、Ｒは曲率半径、ｋ、Ｂ4〜Ｂ10は非球面係数である。
【００７１】
ここで各係数がｙの値の正負によって異なる場合は、ｙの値が正のときは係数として添字ｕのついたｋｕ、Ｂ4u〜Ｂ10uを、ｙの値が負のときは係数として添字ｌのついたｋｌ、Ｂ4l〜Ｂ10lを使用する。
【００７２】
一方副走査断面の形状は主走査方向のレンズ面座標がｙであるところの曲率半径ｒ′が、
ｒ′＝ｒ（１＋Ｄ2 ｙ2＋Ｄ4ｙ4＋Ｄ6ｙ6＋Ｄ8ｙ8＋Ｄ10ｙ10）
なる式で表わされる形状をしている。
【００７３】
なお、ｒは光軸上における曲率半径、Ｄ2 〜Ｄ10は各係数である。
【００７４】
ここで各係数がｙの値の正負によって異なる場合は、ｙの値が正のときは係数として添字ｕのついたＤ2u〜Ｄ10uを用いて計算された曲率半径ｒ′となっており、ｙの値が負のときは係数として添字ｌのついたＤ2l〜Ｄ10lを用いて計算された曲率半径ｒ′となっている。
【００７５】
また第２表に、ｆ1 、ｆ2 、β2 、ｄの各値と前記各条件式（１）〜（３）に対応する各特性値を示す。各値とも前記各条件式を満足していることが解る。
【００７６】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
また、図５にリレー光学系であるリレーレンズ２で発生する球面収差と像面湾曲収差をそれぞれ示し、図６に集光レンズ３によって発生する球面収差と像面湾曲収差をそれぞれ示す。また、図７にリレーレンズ２と集光レンズ３による入射光学系トータルの球面収差と像面湾曲収差をそれぞれ示す。但し、ここにおける各収差図は、偏向反射面５ａ側から光線を入射させた状態で計算している。図から解る様に、リレーレンズ２で発生する球面収差と像面湾曲収差とを集光レンズ３で発生する球面収差と像面湾曲収差とで相殺している。ΔＭは主走査断面内、ΔＳは副走査断面内での像面湾曲である。
【００８１】
次に、本発明の実施形態２について説明する。図８は本発明の実施形態２のマルチビーム光走査光学系をレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に適用したときの主走査方向要部断面図である。
【００８２】
本実施形態２においては、前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置ｄｆ2 よりも光源側に配置している。その他の諸特性値は実施形態１と同様である。本実施形態２におけるｆ1 、ｆ2 、β2 、ｄの各値と前記各条件式（１）〜（３）に対応する各特性値を第３表に示す。
【００８３】
本実施形態２においては、前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置ｄｆ2 よりも光源側に配置している為、前記開口絞り６の絞り径φ1 を実施形態１よりも大きく設定することが可能となり、絞り径φ1 の内径公差に対する被走査面上でのスポット径に与える影響を緩和している。それによって、開口絞りの内径公差の許容度を実施形態１に比べて２．０２倍にすることが出来、部品精度を緩和することを可能にしている。
【００８４】
一方、前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置からずらして配置している為、前記主走査方向のピントずれに起因する、それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹの量はゼロとはなっていない。
【００８５】
本実施形態２においては、前記偏向反射面５ａ上における各発光点から出射した光ビームの主光線ＰＡ・ＰＢの離れ量Δ２は０．１６６ｍｍとなる。ここで、走査レンズであるｆθレンズの焦点距離は２１２ｍｍであるから、例えば、主走査方向のピントずれが１ｍｍ発生したときのそれぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれΔＹは、
【外１８】
であらわされる。
【００８７】
通常の走査光学系においては、主走査方向のピントずれが２ｍｍを超えてくると主走査方向のスポット径が肥大してしまう為、主走査方向のピントずれは２ｍｍ以下になる様に組み立て調整が成されるのが普通である。
【００８８】
主走査方向のピントずれが２ｍｍであった場合の前記それぞれの２つのビームの主走査方向の結像位置ずれδＹは上式で計算された値の２倍の１．６μｍである。通常、この主走査方向の結像位置ずれ量は７μｍを超えてくると画像として目立ち始めることが本発明人らの実験によって確認されている。それに対して、本実施形態２における２つのビームの主走査方向の結像位置ずれ１．６μｍは十分に許容範囲内であることが解る。
【００８９】
本実施形態２においては、上記前記開口絞り６をリレー光学系であるリレーレンズ２の後側焦点位置よりも２．０２倍に設定し、部品精度を緩和することを可能とし、且つ、それぞれのビームの主走査方向の結像位置ずれを十分許容範囲に収める設定とすることを可能としている。
【００９０】
図１３は、本発明の画像形成装置の実施形態を示す副走査方向の要部断面図である。図１３において、符号１０４は本発明の画像形成装置を示す。この画像形成装置１０４には、パーソナルコンピュータ等の外部機器１１７からコードデータＤｃが入力する。このコードデータＤｃは、装置内のプリンタコントローラ１１１によって、画像データ（ドットデータ）Ｄｉに変換される。この画像データＤｉは、実施形態１〜２に示した構成を有するマルチビーム光走査光学系を使用したマルチビーム光走査装置１００に入力される。そして、このマルチビーム光走査装置１００からは、画像データＤｉに応じて変調された複数の光ビーム１０３が出射され、この複数の光ビーム１０３によって感光ドラム１０１の感光面が主走査方向に走査される。
【００９１】
静電潜像担持体（感光体）たる感光ドラム１０１は、モータ１１５によって時計廻り或いは反時計周りに回転させられる。そして、この回転に伴って、感光ドラム１０１の感光面が光ビーム１０３に対して、主走査方向と直交する副走査方向に移動する。感光ドラム１０１の上方には、感光ドラム１０１の表面を一様に帯電せしめる帯電ローラ１０２が表面に当接するように設けられている。そして、帯電ローラ１０２によって帯電された感光ドラム１０１の表面に、前記マルチビーム光走査装置１００によって走査される光ビーム１０３が照射されるようになっている。
【００９２】
先に説明したように、複数の光ビーム１０３は、画像データＤｉに基づいて変調されており、この複数の光ビーム１０３を照射することによって感光ドラム１０１の表面に静電潜像を形成せしめる。この静電潜像は、上記複数の光ビーム１０３の照射位置よりもさらに感光ドラム１０１の回転方向の下流側で感光ドラム１０１に当接するように配設された現像器１０７によってトナー像として現像される。
【００９３】
現像器１０７によって現像されたトナー像は、感光ドラム１０１の下方で、感光ドラム１０１に対向するように配設された回転ローラ１０８によって被転写材たる用紙１１２上に転写される。用紙１１２は感光ドラム１０１の前方（図１３において右側）の用紙カセット１０９内に収納されているが、手差しでも給紙が可能である。用紙カセット１０９端部には、給紙ローラ１１０が配設されており、用紙カセット１０９内の用紙１１２を搬送路へ送り込む。
【００９４】
以上のようにして、未定着トナー像を転写された用紙１１２はさらに感光ドラム１０１後方（図１３において左側）の定着器へと搬送される。定着器は内部に定着ヒータ（図示せず）を有する定着ローラ１１３とこの定着ローラ１１３に圧接するように配設された加圧ローラ１１４とで構成されており、転写部から搬送されてきた用紙１１２を定着ローラ１１３と加圧ローラ１１４の圧接部にて加圧しながら加熱することにより用紙１１２上の未定着トナー像を定着せしめる。更に定着ローラ１１３の後方には排紙ローラ１１６が配設されており、定着された用紙１１２を画像形成装置の外に排出せしめる。
【００９５】
図１３においては図示していないが、プリントコントローラ１１１は、先に説明データの変換だけでなく、モータ１１５を始め画像形成装置内の各部や、マルチビーム光走査装置内のポリゴンモータなどの制御をも行う。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によるマルチビーム光走査光学系においては、入射光学系をリレー光学系と集光レンズとを最適な構成とすることによって、複雑な調整を必要とせず、効果的に複数光源からの光束の結像位置ずれを防止することによって、高速でしかも高画質に最適なマルチビーム光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の主走査方向の要部断面図。
【図２】本発明の実施形態１効果を説明する為のマルチビーム光走査光学系における光ビーム入射光学系の図。
【図３】本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の主走査方向の断面図。
【図４】本発明の実施形態１のマルチビーム光走査光学系の主走査方向断面の構成を説明する図。
【図５】リレーレンズ２で発生する球面収差と像面湾曲収差を示す図。
【図６】集光レンズ３によって発生する球面収差と像面湾曲収差を示す図。
【図７】リレーレンズ２と集光レンズ３による入射光学系トータルの球面収差と像面湾曲収差を示す図。
【図８】本発明の実施形態２のマルチビーム光走査光学系の主走査方向の要部断面図。
【図９】従来のマルチビーム光走査光学系を説明する図。
【図１０】従来のマルチビーム光走査光学系の発光点の配置のしかたを示す図。
【図１１】従来のマルチビーム光走査光学系の発光点の配置のしかたを示す図。
【図１２】従来のマルチビーム光走査光学系においてピントずれが発生した場合の説明図。
【図１３】本発明の画像形成装置の実施形態を示す副走査方向の要部断面図。
【符号の説明】
１ 複数光源（半導体レーザー）
２ リレーレンズ
３ 集光レンズ
４ シリンドリカルレンズ
５ 光偏向手段（ポリゴンミラー）
６ 開口絞り
７ 走査レンズ（ｆθレンズ）
８ 被走査面（感光ドラム）
Claims (7)
- 少なくとも主走査方向にずらして配置された複数の発光点と、前記複数の発光点から出射した複数の光ビームを光偏向器の偏向面に入射させる集光レンズを有する入射光学系と、前記光偏向器の偏向面にて偏向走査された複数の光ビームを被走査面に結像させる走査光学系と、を有するマルチビーム光走査光学系であって、
前記入射光学系は、前記複数の発光点と前記集光レンズの間にリレー光学系が配置され、かつ、前記入射光学系は、主走査断面内において、前記リレー光学系により前記複数の発光点から出射された複数の光ビームのそれぞれの結像点よりも前記発光点側に前記複数の発光点から出射した複数の光ビームのそれぞれの光ビームのビーム幅を制限する開口絞りが配置されており、
主走査断面内において、前記集光レンズにより、前記開口絞りと前記光偏向器の偏向面は、共役な関係とされていることを特徴とするマルチビーム光走査光学系。 - 前記開口絞りは、主走査断面内において、前記リレー光学系の後側焦点位置に配置されている請求項１に記載のマルチビーム光走査光学系。
- 前記リレー光学系の主走査断面内における焦点距離をｆ ２ 、前記リレー光学系の後側主点から前記開口絞りまでの距離をｄ、としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光走査光学系。
【外１】
- 前記集光レンズの主走査断面内における焦点距離をｆ １ 、前記リレー光学系の主走査断面内における焦点距離をｆ ２ 、としたとき、
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のマルチビーム光走査光学系。
【外２】
- 前記リレー光学系の主走査断面内における結像倍率をβ ２ としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のマルチビーム光走査光学系。
【外３】
- 請求項１乃至５の何れか一項に記載のマルチビーム光走査光学系と、前記被走査面に配置された感光体と、前記マルチビーム光走査光学系で走査されたそれぞれの光ビームによって前記感光体の上に形成された静電潜像をトナー像として現像する現像器と、前記現像されたトナー像を被転写材に転写する転写手段と、転写されたトナー像を被転写材に定着させる定着器とから成る画像形成装置。
- 請求項１乃至５の何れか一項に記載のマルチビーム光走査光学系と、外部機器から入力されたコードデータを画像信号に変換して前記マルチビーム光走査光学系に出力せしめるプリンタコントローラとから成ることを特徴とする画像形成装置。
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