JP4863736B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
光走査装置は各種レンズなどの光学部品を備えている。光走査装置に用いられる各種のレンズを樹脂材料で形成すると、樹脂製レンズは、軽量であり、低コストで形成できるとともに、非球面に代表される特殊な面形状の形成が容易であるため、樹脂製レンズに特殊面を採用することにより、光学的な特性を向上させるとともに、光学系を構成するレンズ枚数を低減させることができる。すなわち、樹脂製レンズを採用することによって、光走査装置のコンパクト化・軽量化・低コスト化に資するところが大きい。
したがって、光学系内に樹脂製レンズを含み、光源に半導体レーザを用いる光走査装置では、温度変化に伴う光学特性の変化とともに、光源における波長変化に伴う光学特性の変化をも考慮した光学設計を行う必要がある。
本発明はまた、これらの装置に搭載される光学素子に採用される回折面の形状に関して高い精度を要求されることがなく、光学素子を安価で成形しやすいものとすることができる光走査装置および画像形成装置提供することを目的とする。
上記第1、第2、第3の光学素子の少なくとも一つは樹脂製レンズを含む。
この樹脂製レンズの少なくとも一つはパワー回折面を有する。
上記パワー回折面は、上記パワー回折面の回折部のパワーと屈折部のパワーの合成により形成されている。
上記パワー回折面の面形状は、上記回折部のパワーと屈折部のパワーが相殺するように設定されており、階段形状となっている。
光走査装置において光源として半導体レーザアレイを用いることにより、複数の半導体レーザを用いるよりも組付け安定性に優れており、またアナモフィック光学素子に対してほぼ同じように光ビームが入射するため、複数の光ビーム間で光学特性のばらつきを低減することができる。
請求項5記載の発明のように、請求項4記載の光走査装置において、第1の光学素子のパワー回折面の反対面は回転対称な非球面であることが好ましい。
また、請求項6記載の発明のように、請求項1乃至3のいずれかに記載の光走査装置において、パワー回折面は、これを第2の光学素子に採用し、線対称な階段構造とすることができる。
請求項7記載の発明のように、請求項6記載の光走査装置において、第2の光学素子は、主走査方向にパワーがなく、副走査方向に正のパワーを有するレンズであることが好ましい。
請求項8記載の発明のように、請求項1乃至7のいずれかに記載の光走査装置において、第1、第2、第3の光学素子の全てを樹脂製レンズとすることができる。
本発明における第1の光学素子は、半導体レーザからの光ビームの断面形態を所望の形態に変換するが、請求項9記載の発明においては、第1の光学素子の作用をコリメート作用とするのが好ましい。さらに、第2の光学素子は、主走査方向にパワーを持たないようにすることが好ましい。第2の光学素子が主走査方向にパワーを持たない構成になっていると、光学系の初期の組付け時における加工誤差や、組み付け誤差などが発生した場合の副走査方向のビームウエスト位置変動を、第2の光学素子を光軸方向へ変位させることにより、主走査方向の光学特性に影響を与えることなく調整することができる。従って、第2の光学素子に採用される回折面の形状精度を高いレベルで要求しなくても、加工誤差で生じるパワーの変動は、この調整で吸収することが可能である。特に、主走査方向の光学特性に影響を与えることなく調整できれば、主走査方向については第1の光学素子で、副走査方向については第2の光学素子で独立に調整することができるので、調整作業は飛躍的に簡便になる。
なお、上記第2の光学素子のパワーは、屈折面によるパワーとパワー回折面によるパワーとを合成したパワーである。
画像形成部の数は任意であるから、画像形成部を1つとしてモノクロームの画像形成を行うようにすることもできるし、2以上の画像形成部にして2色画像や多色画像、さらにはカラー画像を形成するように画像形成装置を構成することもできる。
各画像形成部において光走査を行う光走査装置は、画像形成部ごとに別個のものであってもよいし、例えば、特開2004−280056号公報等により知られているように、光学要素の一部、例えば光偏向器や走査光学系の一部を、複数の走査光学系で共有するようにしてもよい。
画像形成部が2以上ある場合、2以上の画像形成部を同一の像担持体に対して異なる位置に設定することもできるし、所謂タンデム式のカラー画像形成装置のように、前後方向に配列した複数の像担持体の個々に対して個別の画像形成部を設定することもできる。
1.温度変動に伴う樹脂製レンズの屈折率自体の変化、
2.樹脂製レンズの形状変化、
3.半導体レーザの波長変化による樹脂製レンズの屈折率変化(色収差)
が考えられる。
樹脂製レンズの屈折率自体の変化は、温度上昇に伴う膨張による低密度化により屈折率が減少する現象として現れる。
樹脂製レンズの形状変化は、温度上昇に伴う膨張によりレンズ面の曲率が減少する現象として現れる。
半導体レーザの発光波長変化は、一般に温度上昇とともに長波長側へずれる現象として現れる。波長が長波長側へずれると、樹脂製レンズの屈折率は、一般に、減少する側へずれる。
一方、パワー回折面の「回折部」によるパワーは、回折角が波長に比例するところから、パワー回折面の「回折部」のパワーは、それが正であっても負であっても、パワーの絶対値は、波長が長くなると大きくなる傾向を持つ。
従って、例えば、光走査装置の光学系における樹脂製レンズの合成パワーが正(または負)である場合には、パワー回折面の「回折部」のパワーを正(または負)とすることにより、樹脂製レンズにおける温度変動に伴うパワー変化を、パワー回折面の「回折部」における温度変動に伴うパワー変化で相殺することが可能になる。
樹脂製レンズの屈折率の変化によるビームウエスト位置変動量をA、
樹脂製レンズの形状変化によるビームウエスト位置変動量をB、
半導体レーザの発光波長変化に起因する樹脂製レンズの屈折率変化によるビームウエスト位置変動量をC、
半導体レーザの発光波長変化に起因するパワー回折面の「回折部」のパワー変化によるビームウエスト位置変動量をD、
とし、光偏向器から離れる向きの変化を正とすると、
A>0、B>0、C>0で、D<0
である。
そして、この温度変化に伴うトータルのビームウエスト位置変動量は、A+B+C−Dである。A〜Cは、樹脂製レンズを含む光学系が定まれば定まるので、ビームウエスト位置変動量が0となる条件:A+B+C−D=0を満たすように、パワー回折面の「回折部」のパワーを設定することにより、温度変化に伴うビームウエスト位置変動を良好に補正できる。
以上の技術的な事情に鑑み、この発明にかかる光走査装置では、半導体レーザにおけるモードホップや温度変化に起因する、主走査方向および/または副走査方向のビームウエスト位置の変動を略0とするように、パワー回折面の「回折部」のパワーを設定する。
また、レンズそのもののパワーは入射面と射出面のパワーの合成として与えられるが、一方の面がノンパワーでも反対側のパワーを適切に設定することで、所望のレンズパワーを得ることができる。従って、このような階段構造のパワー回折面は、いかなるパワーのレンズにも採用することができる。
もちろん、回折面の面精度も局所的に非平面であるところがないため、非常に滑らかに仕上げることができるので、散乱光やビームスポット径太りの発生もほとんどない。
このような光走査装置を用いた本発明にかかる画像形成装置によれば、安定した画像形成が可能である。
主走査断面内の近軸曲率半径:Rm、光軸からの主走査方向の距離:Y、円錐定数:K、高次の係数:A1、A2、A3、A4、A5、…、光軸方向のデプス:Xとして次の式1で表現される。
式1
副走査断面内の曲率:Cs(Y)(Y:光軸位置を原点とする主走査方向の座標)が主走査方向に変化する状態を表現する式は、光軸を含む副走査断面内の曲率半径:Rs(0)、B1、B2、B3、…を係数として次の式2の通りである。
式2
図2はカップリングレンズ2の正面図と光軸を含む面に沿った断面図で、図の左右方向が主走査方向、上下方向が副走査方向である。図2(a)は、カップリングレンズ2のパワー回折面を光軸方向から見た図である。図2(b)は、カップリングレンズ2の、副走査方向と光軸方向とに平行な仮想的切断端面における端面図である。カップリングレンズ2の一方の面には、図(b)にも示すように、階段形状に構成された同心円状の溝の集合による、同心円状のパワー回折面が形成されている。カップリングレンズ2の他方の面(図(b)の右側面)には、回転対称非球面形状の屈折面が形成されている。
「光源」
光源である半導体レーザ1は、設計上の発光波長:785nmで、標準温度:25℃に対して温度が1℃上昇すると、発光波長が0.25nm、長波長側へずれる。モードホップは上記の如く0.8nmの波長変化を想定している。
「カップリングレンズ」
カップリングレンズ2は、上述したようなパワー回折面を有する樹脂製レンズであり、焦点距離:13.952mmで、弱い発散性の光ビームに変換する機能を有するように配置されている。カップリングレンズ2の片側の面は非球面になっていて、カップリングされた光ビームの波面収差を非球面により十分に補正している。
win=C0・r2
で表されるものであり、rは
r2=Y2+Z2
であり、Yは光軸を原点とする主走査方向の座標、Zは光軸を原点とする副走査方向の座標で、係数:C0は、C0=5.693×10−2である。この回折部は、曲率半径−8.783mmの球面を構成している屈折部に形成される。そのため、出来上がったパワー回折面は階段形状となる。
式3
アパーチュア3は、主走査方向の開口径:2.76mm、副走査方向の開口径:2.36mmの「長方形形状の開口」を有し、カップリングレンズ2によりカップリングされた光ビームの断面形状を所定の形状に整形する。
アナモフィック光学素子4は、第1の光学素子である上記カップリングレンズ2を透過した光ビームを光偏向器に導光する第2の光学素子であって、入射側面が平面に形成された直線状のパワー回折面で、射出側面に平面を形成したものである。
入射面のパワー回折面は、位相関数:winとして、
win=Cz・Z2
で表されるものである。係数:Czは、Cz=−2.5359×10−2である。
光偏向器としてのポリゴンミラー5は、反射面数:6面で内接円半径:13mmのものである。
防音ガラスG1は、前記ガラス1を材質とし、厚さ:1.9mmで、上記Y方向(図の上下方向)の傾き角:αは12度である。
また、光源側から入射する光ビームの進行方向に対して、ポリゴンミラー5の偏向反射面により被走査面8における像高:0の位置へ向けて反射される光ビームの進行方向がなす角:θは68度である。
表8
「光源」
光源である半導体レーザ1は設計上の発光波長:655nmで、標準温度:25℃に対して温度が1℃上昇すると、発光波長が0.2nm、長波長側へずれる。モードホップは上記の如く0.8nmの波長変化を想定している。
カップリングレンズ2は、上記ガラス1を材料とするガラスレンズであり、焦点距離:27mmでコリメート作用を有するように、前側主点が半導体レーザ1の発光部から27mm離れた位置に配置される。カップリングレンズ2には非球面が用いられ、コリメートされた光ビームの波面収差を非球面により十分に補正している。半導体レーザ1とカップリングレンズ2とは、線膨張係数:7.0×10−5の材質による保持部材に固定的に保持されている。
アパーチュア3は、主走査方向の開口径:8.14mm、副走査方向の開口径:2.96mmの「長方形形状の開口」を有し、カップリングレンズ2によりコリメートされた光ビームをビーム整形する。
アナモフィック光学素子4は、入射側面が、球面に形成された同心円状のパワー回折面で、射出側面は、シリンドリカル面に形成された直線状のパワー回折面を形成したものである。入射面のパワー回折面は、位相関数:win
win=C0・r2
で表されるものであり、入射面のパワー回折面は、位相関数:wout
wout=Cz・Z2
で表されるものである。なお、rは
r2=Y2+Z2
であり、Yは光軸を原点とする主走査方向の座標、Zは光軸を原点とする副走査方向の座標で、係数:C0、Czは、C0=−2.0373×10−3、Cz=−1.5004×10−2である。入射側面の回折部は、曲率半径−246.5mmの球面を構成している屈折部に形成される。そのため、出来上がったパワー回折面は階段形状となる。射出側面の回折部は、曲率半径69.16mmのシリンダ面を構成している屈折部に形成される。
光偏向器としてのポリゴンミラー5は、反射面数:5面で、内接円半径:18mmのものである。アナモフィック光学素子4の射出側面と、ポリゴンミラー5の回転軸との距離は、図3に示す配置で、左右方向の距離:x、上下方向の距離:yが、x=82.97mm、y=112.77mmに設定されている。
例えば、実施例2のアナモフィック光学素子の入射面側に採用されている、球面に形成された同心円状のパワー回折面の溝間隔は、光軸から離れるに従い徐々に短くなるが、この溝間隔は本実施例においては最小値としても100μm程度である。これに対して2μm、4μm、6μmの加工誤差を有しているとする。この加工誤差はアナモフィック光学素子のパワーを大きく変動させ、そのまま光走査装置に搭載すると、光ビームの集光点は被走査面8から大きくずれてしまい、ビームスポットが大きくなってしまう。このような光走査装置を特にカラー光プリンタなどに展開すると、色再現性が劣化し階調性が失われてしまう。しかし、この光ビームの集光点のずれは、全像高に亘ってほぼ同量であるから、このアナモフィック光学素子を光軸方向に変移させれば吸収することができる。
もちろん、このようなメカニカルな機構を採用することを必須の要件とするものではなく、アナモフィック光学素子を光走査装置に固定する際に位置を調整し、接着剤で固定するという方式もある。このようにすると調整機構がなくなり、調整後は不要となる部品を光走査装置内に残さない点で有利である。
第1、第2、第3の光学素子の少なくとも一つを樹脂製レンズとし、この樹脂製レンズの少なくとも一つにパワー回折面を形成すればよい。
2 第1の光学素子であるカップリングレンズ
3 アパーチュア
4 第2の光学素子であるアナモフィック光学素子
5 光偏向器としてのポリゴンミラー
6 第3の光学素子
7Y 像担持体としての感光体
7M 像担持体としての感光体
7CY 像担持体としての感光体
7K 像担持体としての感光体
8 被走査面
Claims (10)
- 複数の発光部を有する半導体レーザアレイからの光ビームの断面形態を所望の形態に変換する第1の光学素子、第1の光学素子を透過した光ビームを光偏向器に導光する第2の光学素子、光偏向器により偏向された光ビームを被走査面上に集光させて光スポットを形成し、被走査面を光走査する第3の光学素子を備えている光走査装置であって、
上記第1、第2、第3の光学素子の少なくとも一つは樹脂製レンズを含み、
この樹脂製レンズの少なくとも一つはパワー回折面を有し、
上記パワー回折面は、上記パワー回折面の回折部のパワーと屈折部のパワーの合成により形成されており、
上記パワー回折面の面形状は、上記回折部のパワーと屈折部のパワーが相殺するように設定されており、階段形状となっていることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1記載の光走査装置において、パワー回折面の面形状は、階段構造でかつパワーがない光走査装置。
- 請求項1または2記載の光走査装置において、パワー回折面は第1の光学素子に採用されており、回転対称な階段構造である光走査装置。
- 請求項3記載の光走査装置において、第1の光学素子のパワー回折面の反対面は回転対称な非球面である光走査装置。
- 請求項1または2記載の光走査装置において、パワー回折面は第2の光学素子に採用されており、線対称な階段構造である光走査装置。
- 請求項5記載の光走査装置において、第2の光学素子は、主走査方向にパワーがなく、副走査方向に正のパワーを有するレンズである光走査装置。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の光走査装置において、第1、第2、第3の光学素子の全てが樹脂製レンズである光走査装置。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載の光走査装置において、第2の光学素子は、光軸方向に沿って調整可能である光走査装置。
- 感光性の像担持体に対して光走査手段による光走査を行って潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化して画像を得る画像形成部を有する画像形成装置であって、
光走査手段は、請求項1乃至8のいずれかに記載の光走査装置である画像形成装置。 - 感光性の像担持体に対して光走査手段による光走査を行って潜像を形成し、この潜像を現像手段で可視化して画像を得る画像形成部を有する画像形成装置であって、
像担持体は複数配置され、
光走査手段は請求項1乃至8のいずれかに記載の光走査装置であって各像担持体に対応した光ビームで走査することができ、
各光ビームは色成分に対応した画像信号で変調されることにより各像担持体にその色成分に対応した潜像が形成され、
現像手段は各潜像をそれに対応した色のトナーで可視化する、カラー対応の画像形成装置。
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