JP4573941B2

JP4573941B2 - コリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置

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Publication number: JP4573941B2
Application number: JP2000093867A
Authority: JP
Inventors: 涼子大友
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: US6396640B2; JP2001281604A; US20010043409A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを走査して画像の記録や表示を行うための複写機あるいはレーザプリンタ等の光走査装置に用いられるコリメータレンズに関し、詳しくは半導体レーザ等の光源から射出された発散光束を平行光束に変換するためのコリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザビームを走査して画像の記録や表示を行うための複写機あるいはレーザプリンタ等の光走査装置が種々知られている。
このような光走査装置は、半導体レーザから射出されたレーザビームを、コリメータレンズによって平行光束に変換し、回転多面鏡の回転に応じて偏向し、これをｆθレンズによって結像面上に結像するように構成されたものである。
【０００３】
ところで、一般に用いられるコリメータレンズは、主に軸上性能を満足させることが要求されるため、例えば特開昭６１−１７３２１４号公報や特開昭６１−１４７２２５号公報に記載されているように、２枚ないし３枚のレンズで構成されたものが多く知られている。
【０００４】
また、マルチビーム走査用として像面湾曲量を小さく抑えたコリメータレンズとして、特開平１１−２７１６０６号公報に開示された５枚構成のコリメータレンズが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開昭６１−１７３２１４号公報や特開昭６１−１４７２２５号公報に記載されている２枚ないし３枚のレンズで構成されたコリメータレンズにおける軸外性能は、正弦条件が満足される極めて狭い範囲においてのみ適応しうるものであり、特に、走査速度の高速化、あるいは一度の走査で異なる複数情報の同時記録を目的としてなされるマルチビーム方式を採用する場合等においては、半画角ωが２度程度となる範囲で像面湾曲を十数ミクロン以内に収めなければならないことから、上記公報記載のコリメータレンズの適用は困難である。
【０００６】
また、特開平１１−２７１６０６号公報に開示されたコリメータレンズでは、コリメータレンズが光源（レーザダイオード等）の近くに配置されることとなるため、光源からの熱によりコリメータレンズの温度が上昇し、波面収差が大きくなる等の問題点があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、マルチビーム走査を行う場合に、複数の光源からの各光ビームに対して諸収差、特に像面湾曲量を極めて小さくすることができ、かつ光源からの熱の影響を小さくするために十分なバックフォーカスの確保を可能とした、光走査装置に用いられるコリメータレンズを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコリメータレンズは、上述した目的を達成するため、平行光束側から順に、正の屈折力を有する第１レンズと、いずれか一方が負の屈折力を有し、他方が正の屈折力を有するレンズからなり、合成で負の屈折力を有する第２レンズおよび第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する第５レンズを配設するとともに、前記第２レンズおよび前記第３レンズを接合してなり、
前記第１レンズは、平行光束側に凸面を向けた正レンズであり、前記第５レンズは、光源側に凹面を向けた正のメニスカスレンズであり、かつ下記条件式（１）〜（４）を満足するように構成してなることを特徴とするものである。
Ｂｆ／ｆ＞０．６・・・（１）
−０．５４＜ｆ _１／ｆ _２３＜−０．３６・・・（２）
０．９＜ｆ _４５／ｆ＜１．４・・・（３）
０．９＜ｆ _４／ｆ _５＜１．４・・・（４）
ここで、
Ｂｆ：レンズ全系のバックフォーカス
ｆ：レンズ全系の焦点距離
ｆ _１：第１レンズの焦点距離
ｆ _４：第４レンズの焦点距離
ｆ _５：第５レンズの焦点距離
ｆ _２３：第２レンズと第３レンズの合成焦点距離
ｆ _４５：第４レンズと第５レンズの合成焦点距離
【００１０】
また、本発明に係る光走査装置は、上述したコリメータレンズを用いたことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るコリメータレンズおよび光走査装置を実施例１、２を用いて説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施形態（実施例１に対応させたものを代表的に示す）に係るコリメータレンズのレンズ基本構成図、図６は図１に示すコリメータレンズを用いた光走査装置の概略構成図である。
【００１３】
本発明に係るコリメータレンズは、光源から射出されたレーザビームを走査して画像の記録や表示を行うためのレーザプリンタ、コピー機等の光走査装置の光学系に用いられるものである。
【００１４】
この光走査装置は、図６に示すように、２光源搭載型のワンチップ半導体レーザ等からなる光源１から射出されたレーザビームを平行光束に変換するためのコリメータレンズ２と、内面に感材６を配置するとともにコリメータレンズ２の光軸を回転軸として回転する円筒５を備えており、円筒５内には、コリメータレンズ２により変換された光束を反射するためのミラー３と、ミラー３により反射された光束を円筒５の内面に向かって導くための集光レンズ４とを配設している。なお、図６において、円筒５は、コリメータレンズ２の光軸を含む面における切断面を示している。
【００１５】
この光走査装置では、光源１から射出されたレーザビームは、コリメータレンズ２により平行光束に変換されて円筒５内に導かれ、ミラー３により反射された後、集光レンズ４により微少なビームスポットとなり、円筒５の内面に配置された感材６上を走査するようになっている。
【００１６】
本実施形態に係るコリメータレンズ２は、図１に示すように、平行光束側から順に、両凸レンズからなる第１レンズＬ_１（実施例２では、平行光束側に凸面を向けた平凸レンズ）、両凹レンズからなる第２レンズＬ_２、両凸レンズからなる第３レンズＬ_３、両凸レンズからなる第４レンズＬ_４、光源側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第５レンズＬ_５を配設してなる。また、上記第２レンズＬ_２および上記第３レンズＬ_３は接合レンズとして構成されている。さらに、第１レンズＬ_１の平行光束側には、絞り７が配設されている。なお、図１中、１は光源、Ｘは光軸を示す。
また、これらのレンズは以下の条件式（１）〜（４）を満足する。
Ｂｆ／ｆ＞０．６・・・（１）
−０．５４＜ｆ_１／ｆ_２３＜−０．３６・・・（２）
０．９＜ｆ_４５／ｆ＜１．４・・・（３）
０．９＜ｆ_４／ｆ_５＜１．４・・・（４）
ここで、
Ｂｆ：レンズ全系のバックフォーカス
ｆ：レンズ全系の焦点距離
ｆ_１：第１レンズの焦点距離
ｆ_４：第４レンズの焦点距離
ｆ_５：第５レンズの焦点距離
ｆ_２３：第２レンズと第３レンズの合成焦点距離
ｆ_４５：第４レンズと第５レンズの合成焦点距離
【００１７】
また、これらのレンズは以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
ν_ｄ＋−ν_ｄ− ＞２０．０・・・（５）
ここで、
ν_ｄ＋：全正レンズのｄ線におけるアッベ数ν_ｄの平均値
ν_ｄ−：全負レンズのｄ線におけるアッベ数ν_ｄの平均値
【００１８】
次に、上記各条件式の意義について説明する。
上記条件式（１）は、レンズ全系の合成焦点距離ｆに対する全系のバックフォーカスＢｆの比Ｂｆ／ｆの値を規定したものである。この条件式（１）において、Ｂｆ／ｆの値が下限を超えると、光源１からの距離を十分確保することができなくなる。このため、光源１が発する熱の影響を受けて部品の線膨張および屈折率の変化により諸収差を良好に補正することができなくなるとともに、円筒５の内面上における結像位置が変化してしまう。
【００１９】
上記条件式（２）は、第１レンズＬ_１の焦点距離ｆ_１に対する第２レンズＬ_２と第３レンズＬ_３との合成焦点距離ｆ_２３の比ｆ_１／ｆ_２３を規定したものである。この条件式（２）において、ｆ_１／ｆ_２３の値が上限を超えると、諸収差の補正には有利であるものの、バックフォーカスが小さくなり過ぎる。一方、ｆ_１／ｆ_２３の値が下限を超えると、十分なバックフォーカスを得ることができるものの、像面湾曲が増大し、使用に耐えうる性能を満足することができなくなる。
したがって、条件式（２）を満足することにより、光源１からの熱の影響を受け難い所定のバックフォーカスを確保することができるとともに、像面湾曲を良好に補正することができる。
【００２０】
上記条件式（３）は、レンズ全系の合成焦点距離ｆに対する第４レンズＬ_４と第５レンズＬ_５の合成焦点距離ｆ_４５の比ｆ_４５／ｆの値を規定したものである。この条件式（３）において、ｆ_４５／ｆの値が上限を超えると、第４レンズＬ_４もしくは第５レンズＬ_５における球面収差の発生量が大きくなり過ぎ、その補正が困難になる。一方、ｆ_４５／ｆの値が下限を超えると、バックフォーカスが小さくなり過ぎる。したがって、条件式（３）を満足することにより、光源１からの熱の影響を受け難い所定のバックフォーカスを確保することができるとともに、球面収差を良好に補正することができる。
【００２１】
上記条件式（４）は、第４レンズＬ_４の焦点距離ｆ_４に対する第５レンズＬ_５の焦点距離ｆ_５の比ｆ_４／ｆ_５を規定したもので、特に軸外コマ収差を良好にするための条件式である。この条件式（４）において、ｆ_４／ｆ_５の値が上限を超えると、軸外コマ収差が劣化して、像面湾曲が補正されても使用に耐えうる性能を満足できなくなる。一方、ｆ_４／ｆ_５の値が下限を超えると、像面湾曲の補正が不十分となり、画角の大きい半導体レーザには適用することが困難となる。
【００２２】
上記条件式（５）は、ｄ線におけるアッベ数ν_ｄに対する全正レンズの平均値と全負レンズの平均値との差ν_ｄ＋−ν_ｄ−を規定したものである。この条件式（５）において、ν_ｄ＋−ν_ｄ−の値が下限を超えると、色収差が大きくなる。
したがって、条件式（５）を満足することにより、光源１の波長がばらついても諸収差を良好に補正することができ、常に安定した画質を確保することができる
以下、実施例１、２の各々について具体的数値を用いて説明する。
【００２３】
＜実施例１＞
図１は、実施例１に係るコリメータレンズのレンズ基本構成を示す概略図である。
実施例１における各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズの波長８３０ｎｍにおける屈折率Ｎおよびｄ線におけるアッベ数ν_ｄを下記表１に示す。
【００２４】
ただし、この表１および後述する表２において、各記号Ｒ，Ｄ，Ｎ，ν_ｄに対応させた数字は平行光束側から順次増加するようになっている。
また、表１の下段に、この実施例１におけるレンズ系全体の合成焦点距離ｆ、およびＢｆ／ｆ、ｆ_１／ｆ_２３、ｆ_４５／ｆ、ｆ_４／ｆ_５、ν_ｄ＋−ν_ｄ−の値を示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
上記表１から明らかなように、実施例１では条件式（１）〜（５）の全てが満足されている。
【００２７】
＜実施例２＞
図７は、実施例２に係るコリメータレンズのレンズ基本構成を示す概略図である。
実施例２における各レンズ面の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ（ｍｍ）、各レンズの波長４０５ｎｍにおける屈折率Ｎおよびｄ線におけるアッベ数ν_ｄを下記表２に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
また、表２の下段に、この実施例２におけるレンズ系全体の合成焦点距離ｆ、およびＢｆ／ｆ、ｆ_１／ｆ_２３、ｆ_４５／ｆ、ｆ_４／ｆ_５、ν_ｄ＋−ν_ｄ−の値を示す。
上記表２から明らかなように、実施例２では条件式（１）〜（５）の全てが満足されている。
【００３０】
また、実施例１、２における各収差図（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差の収差図）を各々図２、４に、実施例１、２におけるコマ収差の収差図を各々図３、５に示す。なお、これらの収差図においてωは半画角を示す。また、実施例１において、球面収差図には、波長８１５ｎｍ、８３０ｎｍ、８４５ｎｍに対する収差が示されており、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されており、倍率色収差図には、波長８１５ｎｍ、８４５ｎｍに対する収差が示されている。また、実施例２において、球面収差図には、波長３９５ｎｍ、４０５ｎｍ、４１５ｎｍに対する収差が示されており、非点収差図には、サジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されており、倍率色収差図には、波長３９５ｎｍ、４１５ｎｍに対する収差が示されている。
これら図２〜５から明らかなように、上述した各実施例によれば、諸収差を全て良好なものとすることができる。
【００３１】
なお、本発明に係るコリメータレンズとしては、上記実施例のものに限られず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Ｒおよびレンズ間隔（もしくはレンズ厚）Ｄあるいは絞りと第１面の距離を適宜変更することが可能である。
【００３２】
また、本発明に係るコリメータレンズを用いた光走査装置としては、図６に示すものに限られるものではなく、例えば回転多面鏡の回転に応じて偏向し、これをｆθレンズによって結像面上に結像するように構成されたもの等が考えられる。
【００３３】
また、コリメータレンズの焦点位置近傍に絞りを配置し、光源側の光束を略テレセントリックとしている。これにより、光源またはコリメータレンズの偏芯や光軸方向のズレによる波面収差の劣化を小さくすることが可能となる。
【００３４】
また、本発明に係るコリメータレンズは、平行光束側に配された物体の像を記録体上に結像せしめ、当該結像位置でレーザビームを集光しかつ走査する目的の対物レンズとしても使用することもできる。対物レンズとして使用する場合には、レンズと感材の間に所定の距離を必要とするため、十分なバックフォーカスを有することが条件となる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係るコリメータレンズは、平行光束側から順に、正の屈折力を有する第１レンズと、いずれか一方が負の屈折力を有し、他方が正の屈折力を有するレンズからなり、合成で負の屈折力を有する第２レンズおよび第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する第５レンズを配設するとともに、第２レンズおよび第３レンズを接合してなり、かつ所定の条件式を満足するようにしている。
【００３６】
したがって、本発明に係るコリメータレンズおよびこれを用いた光走査装置によれば、２光源搭載型のワンチップ半導体レーザ等を用いてマルチビーム走査を行う場合に、各光源からの光ビームに対して諸収差、特に像面湾曲量を極めて小さくすることが可能となり、マルチビーム方式を用いた場合において走査により形成された画像の画質を向上させることができる。
【００３７】
また、第１レンズを平行光束側に凸面を向けた正のレンズとすることにより、像面湾曲を良好に補正することができ、第５レンズを光源側に凹面を向けた正のメニスカスレンズとすることにより、光源からの熱の影響を小さくするために十分なバックフォーカスを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るコリメータレンズのレンズ基本構成を示す概略図
【図２】実施例１に係るコリメータレンズの各収差図（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差の収差図）
【図３】実施例１に係るコリメータレンズのコマ収差を示す収差図
【図４】実施例２に係るコリメータレンズの各収差図（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差の収差図）
【図５】実施例２に係るコリメータレンズのコマ収差を示す収差図
【図６】本発明の実施例に係るコリメータレンズを用いた光走査装置の概略構成図
【図７】本発明の実施例２に係るコリメータレンズのレンズ基本構成を示す概略図
【符号の説明】
Ｌ_１〜Ｌ_５レンズ
Ｒ_１〜Ｒ_９レンズ面の曲率半径
Ｄ_１〜Ｄ_８レンズ面間隔（レンズ厚）
Ｘ光軸
１光源
２コリメータレンズ
３ミラー
４集光レンズ
５円筒
６感材
７絞り

Claims

平行光束側から順に、正の屈折力を有する第１レンズと、いずれか一方が負の屈折力を有し、他方が正の屈折力を有するレンズからなり、合成で負の屈折力を有する第２レンズおよび第３レンズと、正の屈折力を有する第４レンズと、正の屈折力を有する第５レンズを配設するとともに、前記第２レンズおよび前記第３レンズを接合してなり、
前記第１レンズは、平行光束側に凸面を向けた正レンズであり、前記第５レンズは、光源側に凹面を向けた正のメニスカスレンズであり、かつ下記条件式（１）〜（４）を満足するように構成してなることを特徴とするコリメータレンズ。
Ｂｆ／ｆ＞０．６・・・（１）
−０．５４＜ｆ _１／ｆ _２３＜−０．３６・・・（２）
０．９＜ｆ _４５／ｆ＜１．４・・・（３）
０．９＜ｆ _４／ｆ _５＜１．４・・・（４）
ここで、
Ｂｆ：レンズ全系のバックフォーカス
ｆ：レンズ全系の焦点距離
ｆ _１：第１レンズの焦点距離
ｆ _４：第４レンズの焦点距離
ｆ _５：第５レンズの焦点距離
ｆ _２３：第２レンズと第３レンズの合成焦点距離
ｆ _４５：第４レンズと第５レンズの合成焦点距離
請求項１記載のコリメータレンズを用いたことを特徴とする光走査装置。