JP4898203B2 - 光走査装置及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は光走査装置及びそれを用いた画像形成装置に関し、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタやデジタル複写機、マルチファンクションプリンタ（多機能プリンタ）等の画像形成装置に好適なものである。

従来よりレーザービームプリンタ（ＬＢＰ）等の光走査装置においては、画像信号に応じて光源手段から光変調され出射した光束を、例えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成る光偏向器により周期的に偏向させている。そして偏向された光束を後述するｋθ特性を有する結像光学系によって感光性の記録媒体（感光ドラム）面上にスポット状に集束させ、その面上を光走査して画像記録を行っている。

図１６は従来の光走査装置の要部概略図である。

同図において光源手段161から出射した発散光束はコリメータレンズ162により平行光束に変換され、絞り163によって該光束を制限して副走査方向にのみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ164に入射している。シリンドリカルレンズ164に入射した平行光束のうち主走査断面内においてはそのままの状態で射出する。また副走査断面内においては集束して回転多面鏡から成る偏向手段165の偏向面（反射面）165aにほぼ線像として結像している。

そして偏向手段165の偏向面165aで偏向された光束をｋθ特性を有する結像光学系166を介して被走査面としての感光ドラム面168上に導光する。そして偏向手段165を矢印Ａ方向に回転させることによって該感光ドラム面168上を矢印Ｂ方向に光走査して画像情報の記録を行なっている。

この様な光走査装置において、高精度な画像情報の記録を行うためには、被走査面全域に渡って像面湾曲が良好に補正されていること、像面上でのスポット径が各像高において均一であること等が必要である。この様な光学特性を満足する光走査装置、もしくはその補正光学系（結像光学素子）は従来から種々と提案されている。

一方、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おいては、装置全体のコンパクト化や簡素化が要望されてくる。そしてそれに伴い光走査装置に対しても同様の要望がなされている。

この様な要望を満足する構成として、結像光学系を１枚の結像光学素子（結像レンズ）から構成した光走査装置が種々と提案されている（特許文献１、２、３、４参照）。

特許文献１では、結像レンズの材料の屈折率を１．８と高めにすることによって、該結像レンズの肉厚が薄いにもかかわらず良好な光学性能を得ている。

特許文献２では、単玉の結像レンズを光走査用のレンズに用いたにもかかわらず、大きな偏向角で光走査が可能で、尚かつ主走査方向及び副走査方向の像面湾曲を有効に補正している。

特許文献３では、結像レンズの主走査方向のレンズ面に高次の非球面を用いることによって収差特性を比較的良好に補正している。

特許文献４では、結像レンズの複数のレンズ面のうち、少なくとも２つのレンズ面において、副走査方向の曲率を、該結像レンズの有効部で主走査方向に沿って連続的にかつ主走査方向の曲率と独立に変化させている。これによって副走査方向の主平面の位置を２つの面のベンディングによって制御し、各像高における副走査倍率を一定とすることによりスポット径を一定にしている。
特開昭５４−８７５４０号公報 特開平１−３０２２１７号公報 特開平４−５０９０８号公報 特開平９−３３８５０号公報

しかしながら特許文献１では、ガラス等の一般的に高い屈折率の硝材を使用すると製造が難しくなる（コスト高になる）という問題点があった。

特許文献２では、結像レンズの肉厚が厚いため、モールド成形による製作が困難であるという問題点があった。

特許文献３では、光偏向器と被走査面との間の副走査断面内での結像倍率（副走査倍率）が一定となっていないために、副走査方向のスポット径が像高によって変化してしまう傾向があった。

特許文献４では、副走査倍率を一定とするために少なくとも２つのレンズ面をペンディングさせ主平面の位置を倍率が一定となるように制御している。このため主走査断面内と副走査断面内での面形状を完全に独立に設定しなければならなかった。そのためレンズの肉厚を小さく押さえるために主走査方向のレンズ形状が比較的大きな非球面量を有する場合が多かった。このような主走査方向の非球面量の大きなレンズでは、各レンズ面およびレンズの配置誤差により光学的な性能の劣化が大きく発生する。光学的な性能の劣化の中で特に副走査方向の走査線湾曲は走査線高さのずれや走査線の傾き等と異なり、装置本体で配置するミラー等の調整により補正することができないため大きな問題点となる。このため走査線湾曲を微小に抑える為には各レンズ面及びレンズの配置を設計値通りに精度良く配置するか、もしくはレンズに調整機構を設けて設計上の配置になるように調整する必要が生じてくる。

カラー画像形成装置の場合には、４本の感光体（感光ドラム）面上に形成されたＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｂｋ（ブラック）の４色の画像を紙等の転写体上に重ね合わせてカラー画像を形成している。そのため各感光体に対応した光走査装置の走査線に湾曲が発生していると４色間での走査線の形状に誤差を生じ、転写体上での画像において色ずれが生じるため著しい画像性能の劣化を招くという問題点がある。

本発明は結像光学系を構成する単一の結像光学素子の薄肉化を可能とし、簡易な構成で良好なる光学性能が得られる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置の提供を目的とする。

請求項１の発明の光走査装置は、光源手段と、前記光源手段から出射された光束を偏向走査する偏向手段と、前記偏向手段で偏向走査された光束を被走査面上に結像する結像光学系と、を有する光走査装置において、
前記結像光学系は、単一の結像光学素子より成り、
前記単一の結像光学素子の入射面の主走査断面内における形状は、非円弧であり、前記単一の結像光学素子の入射面の副走査断面内における形状は、平面であり、
前記単一の結像光学素子の出射面の主走査断面内における形状は、前記被走査面に向って凸形状の円弧であり、前記単一の結像光学素子の出射面は、副走査方向に正のパワーを有し、前記単一の結像光学素子の出射面の副走査方向のパワーは、主走査方向において軸上から軸外に向って減少しており、
前記結像光学素子の光軸上における主走査方向のパワーをφｐ、前記結像光学素子の最軸外における主走査方向のパワーをφｍ、前記結像光学素子の光軸上における厚さをｄｐ、前記結像光学素子の軸上でのｋθ係数をｋｐとするとき、
０．５≦φｍ／φｐ≦０．９
０＜ｄｐ／ｋｐ≦０．０９
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記被走査面上における光軸上での走査速度をＶｐ、前記被走査面上における最軸外での走査速度をＶｍとするとき、
１．１≦Ｖｍ／Ｖｐ≦１．５
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項３の発明は請求項１の発明において、
前記単一の結像光学素子の３次の歪曲収差係数をＶとするとき、
０．１≦Ｖ≦０．５
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか一項の発明において、前記被走査面上の有効走査幅内を走査する際の前記偏向手段の最大偏向角をθｍａｘとするとき、
３０°≦θｍａｘ＜９０°
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれか一項の発明において、前記単一の結像光学素子の、光軸上における副走査断面内の結像倍率をβｓとするとき、
｜βｓ｜≦３．０
なる条件を満足することを特徴としている。

請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか一項の発明において、前記単一の結像光学素子に入射する光束は、主走査断面内において収束光束であることを特徴としている。

請求項７の発明は請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記光源手段は、独立に変調可能な複数の発光部を有することを特徴としている。

請求項８の発明の画像形成装置は、請求項１乃至７の何れか一項に記載の光走査装置と、前記被走査面に配置された感光体と、前記光走査装置で走査された光束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、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を有することを特徴としている。

請求項９の発明の画像形成装置は、請求項１乃至７の何れか一項に記載の光走査装置と、外部機器から入力したコードデータを画像信号に変換して前記光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラとを有していることを特徴としている。

本発明によれば単一の結像光学素子の薄肉化を可能とし、簡易な構成で結像光学素子の光学面の偏心による走査線曲がりを低減することができ、またスポット回転も良好に補償することができる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置を達成することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の光走査装置の実施例１の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）、図２は本発明の光走査装置の実施例１の副走査方向の要部断面図（副走査断面図）である。

尚、以下の説明において、主走査方向とは回転多面鏡の回転軸および結像光学系の光軸に垂直な方向（回転多面鏡で光束が反射偏向（偏向走査）される方向）である。副走査方向とは回転多面鏡の回転軸と平行な方向である。また主走査断面とは主走査方向と結像光学系の光軸を含む平面である。また副走査断面とは主走査断面と垂直な断面である。

図中、１は光源手段であり、例えば半導体レーザー等より成っている。尚、光源手段１の発光部は１個でも複数個でも良い。

２は集光光学系としての集光レンズ(アナモフィックレンズ)であり、光源手段１から出射された発散光束を収束光束に変換している。３は開口絞りであり、通過光束を制限してビーム形状を整形している。４はレンズ系(シリンドリカルレンズ)であり、副走査断面内(副走査方向)にのみ所定のパワーを有しており、集光レンズ３を通過した光束を副走査断面内で後述する光偏向器５の偏向面５ａもしくはその近傍にほぼ線像として結像させている。尚、集光レンズ２とシリンドリカルレンズ４を１つの光学素子より構成しても良い。また集光レンズ２、開口絞り３、そしてシリンドリカルレンズ４等の各要素は入射光学系ＬＡの一要素を構成している。

５は偏向手段としての光偏向器であり、例えば４面構成のポリゴンミラー（回転多面鏡）より成っており、モーター等の駆動手段（不図示）により図中矢印Ａ方向に一定速度（等角速度）で回転している。

ＬＢは集光機能と後述するｋθ特性とを有する結像光学系であり、主走査方向（主走査断面内）と副走査方向（副走査断面内）とで異なるパワーを有する出射面が被走査面側に凸形状の単一の結像レンズ（走査レンズもしくはｋθレンズとも称す。)６より成っている。

結像レンズ６は光偏向器５によって反射偏向された画像情報に基づく光束を被走査面としての感光ドラム面８上に結像させている。かつ副走査断面内において光偏向器５の偏向面５ａまたはその近傍と感光ドラム面８との間を共役関係にすることにより、偏向面の面倒れ補償を行っている。

本実施例における結像レンズ６は、モールドプロセスで成形された屈折率１．５のプラスチィックレンズより成る。本実施例では結像レンズ６に製造が難しいガラス材料を使用していないため生産性の向上を図ることができる。また製造を容易にすることができる。尚、本実施例ではモールドレンズであればガラスモールドレンズにも適用することができる。

８は被走査面としての感光ドラム面である。θは被走査面上の有効走査幅内を走査する際の光偏向器５の偏向角（走査角）である。

本実施例において半導体レーザ１から出射した発散光束は集光レンズ２により収束光束に変換され、開口絞り３によって該光束（光量）が制限され、シリンドリカルレンズ４に入射している。シリンドリカルレンズ４に入射した平行光束のうち主走査断面においてはそのままの状態で射出する。また副走査断面内においては更に収束して光偏向器５の偏向面５ａにほぼ線像（主走査方向に長手の線像）として結像している。そして光偏向器５の偏向面５ａで偏向された光束は結像レンズ６を介して感光ドラム面８上にスポット状に結像する。そして光偏向器５を矢印Ａ方向に回転させることによって、該感光ドラム面８上を矢印Ｂ方向（主走査方向）に光走査している。これにより記録媒体としての感光ドラム面８上に画像記録を行なっている。

本実施例では主走査断面内において集光レンズ２により変換された収束光束を光偏向器５を介して結像レンズ６に入射させている。これにより結像レンズ６のパワーが弱くても光路長を長くすることなく(装置全体を大型化することなく)被走査面８上に光束を結像させることができる。尚、結像レンズ６に入射する光束は収束光束に限らず、平行光束であっても良い。

本実施例における結像レンズの屈折面の面形状は以下の形状表現式により表されている。

光軸との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸、主走査面内において光軸と直交する軸をＹ軸、副走査面内において光軸と直交する軸をＺ軸としたとき、主走査方向と対応する母線方向が、

（但し、Ｒは光軸上の母線曲率半径、Ｋ、Ｂ_４、Ｂ_６、Ｂ_８、Ｂ_１０は非球面係数）
副走査方向（光軸を含み主走査方向に対して直交する方向）と対応する子線方向が、

ここでｒ’＝ｒ_０（１＋Ｄ_２Ｙ^２＋Ｄ_４Ｙ^４＋Ｄ_６Ｙ^６＋Ｄ_８Ｙ^８＋Ｄ_１０Ｙ^１０）
（但し、ｒ_０は光軸上の子線曲率半径、Ｄ_２、Ｄ_４、Ｄ_６、Ｄ_８、Ｄ_１０は係数）
なお光軸外の子線曲率半径ｒ’は各々の位置における母線の法線を含み主走査面と垂直な面内に定義されている。また形状表現式における多項式は１０次までの関数で表現しているが、次数はこれ以上でも以下でも差し支えない。また面形状表現式自体も同等の面表現自由度を有した表現式であれば、問題無く本発明の効果を得ることが可能である。

表１に本実施例における数値実施例１の光学素子の光学配置及び結像光学素子の面形状を示す。

ここで非球面係数Ｄ２ｕ〜Ｄ１０ｕはレンズ面の光軸を挟んで一方向（主走査方向のうちの一方）の形状を特定する係数、非球面係数Ｄ２ｌ〜Ｄ１０ｌはレンズ面の光軸を挟んで他方向（主走査方向のうちの他方）の形状を特定する係数である。

表１に示すように非球面係数Ｄ２ｕ〜Ｄ１０ｕと非球面係数Ｄ２ｌ〜Ｄ１０ｌは異なっており、副走査面内の曲率がレンズ面の有効径内において軸上から軸外に向かい光軸を中心として非対称に変化していることがわかる。

本実施例においては結像レンズ６の入射面６ａ及び出射面６ｂを、ともに凸形状より形成している。

入射面（一面）６ａは主走査断面内（主走査方向）が６次までの関数で表現される非球面形状（非円弧形状）で形成されており、副走査断面内が平面形状（非円弧形状）で形成されている。尚、入射面６ａの副走査断面内の形状は平面に限らず、例えば非球面や楕円面等であってもよい。

出射面６ｂは主走査断面内が円弧形状で形成されており、副走査断面内（副走査方向）が４次までの関数で表現され、主走査方向に対応して曲率が変化する円弧形状で形成されている。

本実施例の結像レンズ６の入射面６ａは主走査断面内において非球面形状であることにより、主走査方向の像面湾曲を良好に補正している。また出射面６ｂは副走査断面内において主走査方向に対応して曲率が変化する円弧形状であり、副走査方向の正のパワーが主走査方向で軸上から軸外に向かって減少していることにより、副走査方向の像面湾曲を良好に補正している。

本実施例では結像レンズ６の材料の屈折率をＮとするとき、
Ｎ≦１．６ ‥‥(5)
なる条件を満足させている。

本実施例では前述の如く結像レンズ６の材料の屈折率Ｎは
Ｎ＝１．５
であり、これは条件式(5)を満足している。

更に好ましくは上記の条件式(5)を次の如く設定するのが良い。

Ｎ≦１．５５ ‥‥(5ａ)
本実施例では被走査面８上の有効走査幅内を走査する際の光偏向器５の最大偏向角をθｍａｘとするとき、
３０°≦θｍａｘ＜９０° ‥‥(6)
なる条件を満足させている。

本実施例では
θ＝４０°
であり、条件式(6)を満足させている。これにより本実施例では広画角に対応可能としている。

更に好ましくは上記の条件式(6)を次の如く設定するのが良い。

３５°≦θ ‥‥(6ａ)
また本実施例では結像レンズ６の、光軸上における副走査断面内の結像倍率（副走査倍率）をβｓとするとき、
｜βｓ｜≦３．０ ‥‥(7)
なる条件を満足させている。

本実施例では
βｓ＝−２．８
であり、条件式(7)を満足させている。これにより本実施例では出射面の主走査段面内の形状を画像有効域内で副走査倍率が一定となるよう決定している。

本実施例では条件式(7)を満足させることにより、結像レンズ６の副走査方向のパワーを出射面に集中させ、且つ主走査方向に光軸から離れるに従って子線曲率半径を連続的に変化させている。これにより副走査方向の像面湾曲及び副走査倍率と被走査面８上の走査有効全域における均一性（副走査倍率の一定）の両方を同時に、且つ良好に補正している。

更に好ましくは上記の条件式(7)を次の如く設定するのが良い。

｜βｓ｜≦２．９ ‥‥(7ａ)
また
２．０≦｜β｜ ‥‥(7ｂ)
とすると結像レンズの有効径が大きくならず、レンズ材料のコスト低減になるため良い。

上記の如く本実施例は結像レンズとしての光学性能を十分に満たしている。しかしながら光学性能を満たし、かつレンズ肉厚は薄くしないとレンズの成形が難しくなり、簡易な結像レンズ及び光走査装置を提供できない。

ここで結像レンズのレンズ肉厚の構成を図１４に示し、薄肉へのアプローチを行う。

一般的にレンズの中心肉厚はコバ厚とサグ量で決まる。コバ厚はレンズの最軸外における入射面から出射面までの距離であり、プラスチィック等を材料とした射出成形を行う場合、金型に材料のプラスチィックを流し入れるためにある程度のコバ厚が必要となってくる。

一方、サグ量は近軸レンズ面と最軸外レンズ面の光軸方向の距離のことであり、レンズが強いパワーを有している場合はこの量は大きくなり、レンズは厚肉になってくる。

上述した如くレンズ成形のためには、ある程度のコバ厚が不可欠となるため、レンズの肉厚を薄くするには入射面、出射面、両面のサグ量を小さく抑える必要がある。

サグ量を小さく抑えるということは、レンズの主走査方向の曲率を緩くする、つまりは主走査方向のパワーを小さく抑えることと等価であり、中でも軸外の主走査方向のパワーを小さく抑えることが出来ればより薄肉にすることが可能となる。

そこで本実施例では軸外における主走査方向のパワーを弱く設定することにより入射面、出射面、両面のサグ量を小さく抑え、コバ厚とサグ量から構成されるレンズ肉厚を薄くしている。

即ち、本実施例では結像レンズの光軸上における主走査方向のパワーをφｐ、最軸外における主走査方向のパワーをφｍとするとき、
０．５≦φｍ／φｐ≦０．９ ‥‥(1)
なる条件を満足させている。

ここで結像レンズの光軸上における主走査方向のパワーφｐを、該結像レンズの材料の屈折率をＮ、主走査方向における光軸上の入射面の曲率半径をＲ_ｐ１、出射面の曲率半径をＲ_ｐ２、結像レンズの光軸上における肉厚をｄｐとするとき、

と定義する。

図１５は結像レンズの軸外での主走査方向のパワーφｍを求めるための説明図である。

図１５に示すように主走査方向の入射面の最大有効径Ｙ_ｍ１における曲率半径をＲ_ｍ１、出射面の最大有効径における曲率半径をＲ_ｍ２とする。さらに入射面の最大有効径における入射面へ入射する光束の主光線と入射面の法線とのなす角をθ_ｏ１、入射面を通過した光束の主光線と入射面の法線とのなす角をθ_ｉ１とする。さらに出射面の最大有効径における出射面へ出射する光束の主光線と出射面の法線とのなす角をθ_ｏ２、出射面を通過した光束の主光線と出射面の法線とのなす角をθ_ｉ２、最軸外における入射面から出射面までの光路長をｄｍとする。このときの結像レンズの最軸外における主走査方向のパワーφｍを

と定義する。

ここでいう最大有効径とは、有効走査域内の最軸外を走査する時の光束の主光線の主走査方向のレンズ通過位置のことである。

上記条件式(1)は結像レンズの光軸上における主走査方向のパワーφｐと最軸外における主走査方向のパワーφｍとの比に関するものである。条件式(1)の下限値を超えると、最軸外での主走査方向のパワーが光軸上での主走査方向パワーに比べて弱くなりすぎてしまい、被走査面上における主走査方向のスポットが肥大し良好なる画像の形成が行なえなくなるので良くない。

また条件式(1)の上限値を超えると、最軸外での主走査方向のパワーが光軸上での主走査方向パワーと同程度になる。この結果、入射面及び出射面のレンズサグ量が大きくなってしまい、その結果レンズ肉厚も厚くなってしまいレンズ成形が困難となるので良くない。加えて成形タクトが長くなることでコストアップの要因となってしまうので良くない。

本実施例における結像レンズ６の光軸上における主走査方向のパワーφpと最軸外における主走査方向のパワーφmとの比は、
φｍ／φｐ＝０．８１
であり、これは条件式(1)を満足している。

本実施例では条件式(1)を満たすことにより、最軸外での主走査方向のパワーが光軸上での主走査方向のパワーに比べて弱くしている。これにより入射面、出射面、両面のサグ量を小さく抑えることができ、レンズの薄肉化を可能としている。

更に好ましくは条件式(1)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．５５≦φｍ／φｐ≦０．８５ ‥‥(1a)
本実施例における結像レンズの中心肉厚は９．１ｍｍであり、従来の結像レンズに比して薄肉である。これにより本実施例ではプラスチック成形による複屈折、ＧＩ等の影響を低減させると共にスポット径の縮小化を図り、更にはレンズの成形時間の短縮化を図ることができ、高精細な印字に適した光走査装置を達成することができる。

一方、軸外での主走査方向のパワーを弱めることによりｋθ特性がアンダーとなる。ｋθ特性とは画角（走査角）θで入射する光束を、像面上（被走査面８上）で、光軸からの高さをＹ、定数をｋｐとするとき、Ｙ＝ｋｐ×θの位置に結像する関係を有していることである。つまりは単位画角あたりに走査される走査幅（走査速度）が走査面上全域にあたって等しくなるような特性である。そして定数ｋｐをｋθ係数と呼ぶ。またレンズへの入射光束が平行光束である場合、定数ｋｐは近軸焦点距離ｆｐと同じ値となり、ｆθ特性を有することとなる。このｆｐはｆθ係数とも呼ばれる。

本実施例においてｋθ特性はアンダーとなっていて、つまりは定数ｋｐが像高によって変化している。

結像レンズがこのｋθ特性を有するためには、軸外での単位画角あたりの走査幅が軸上での単位画角あたりの走査幅と等しくならなくてはいけない。このため、軸上の主走査方向のパワーに比べて軸外での主走査方向のパワーがある程度強くならなければならない。

本実施例では軸外での主走査方向のパワーが弱いため、結像レンズのｋθ特性がアンダーと成っているが、これは電気的な信号処理で補正可能なレベルであるので問題にならない。

本実施例においては結像レンズの光軸上における肉厚をｄｐ、軸上でのｋθ係数をｋｐとするとき、
０＜ｄｐ／ｋｐ≦０．０９ ‥‥(2)
なる条件を満足させている。

条件式(2)は結像レンズの光軸上における肉厚ｄｐと軸上でのｋθ係数ｋｐとの比に関するものである。条件式(2)を逸脱するとレンズ肉厚が厚くなり、成型するのが難しく成ってくるので良くない。

本実施例におけるは結像レンズの光軸上における肉厚ｄｐと軸上でのｋθ係数ｋｐとの比は、
ｄｐ／ｋｐ＝０．０６
であり、これは条件式(2)を満足している。

更に好ましくは上記の条件式(2)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．０２＜ｄｐ／ｋｐ≦０．０７ ‥‥(2ａ)
また上述したように軸外での主走査方向のパワーを軸上の主走査方向のパワーに比べて弱くすると、軸外での走査速度が軸上の走査速度に比べて速くなる。そこで本実施例では被走査面上における光軸上での走査速度をＶｐ、最軸外での走査速度をＶｍとするとき、
１．１≦Ｖｍ／Ｖｐ≦１．５ ‥‥(3)
なる条件を満足させている。

尚、最軸外での走査速度Ｖｍが光軸上での走査速度Ｖｐよりも速いということは、換言すると次のように成る。即ち、光軸上のｋθ係数をｋｐ、最軸外のｋθ係数をｋｍとするとき
ｋｐ＜ｋｍ
を意味する。

条件式(3)は被走査面上における光軸上での走査速度Ｖｐと最軸外での走査速度Ｖｍとの比に関するものである。条件式(3)の下限値を超えると、軸外における主走査方向の走査速度が光軸上における主走査方向の走査速度と同程度となり、レンズ肉厚が厚くなってしまいレンズ成形が困難となるので良くない。または成形タクトが長くなることでコストアップの要因となってしまうので良くない。

条件式(3)の上限値を超えると、軸外における主走査方向の走査速度が光軸上における主走査方向の走査速度に比べて早くなりすぎてしまい、被走査面上における主走査方向のスポットが肥大し良好な画像の形成が行えないので良くない。

本実施例では条件式(3)を満たすことにより、軸外における主走査方向の走査速度が光軸上における主走査方向の走査速度に比べて早くなり、ｋθ特性がアンダーとなる。これにより結像レンズのサグ量を小さく抑えることができ、レンズの薄肉化を可能としている。

本実施例における光軸上での走査速度Ｖｐと最軸外での走査速度Ｖｍとの比は、
Ｖｍ／Ｖｐ＝１．１６
であり、これは条件式(3)を満足している。

更に好ましくは上記の条件式(3)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１．１５≦Ｖｍ／Ｖｐ≦１．４５ ‥‥(3ａ)
また本実施例では上記の如くｋθ特性がアンダーになると、３次の歪曲収差係数Ｖはｋθ特性を有している場合の値Ｖ＝２／３からずれることになる。そこで結像レンズの３次の歪曲収差係数をＶとするとき、
０．１≦Ｖ≦０．５ ‥‥(4)
なる条件を満足させている。

上記３次の歪曲収差係数Ｖは、以下の式で表される。即ち、光偏向器に入射する光束の、該光偏向器の偏向面から自然収束点までの距離をｒo、偏向面から被走査面までの光軸上の距離をＬ、偏向面から結像レンズの入射面までの光軸上の距離をＳ_１とする。さらに結像レンズの材料の屈折率をＮ、結像レンズの入射面の曲率半径をＲ_１、結像レンズの光軸上の主走査方向のパワーをφとするとき、

尚、上記３次の歪曲収差係数Ｖは、前述した表１に示すパラメータの値から算出している。

条件式(4)は結像レンズの３次の歪曲収差係数Ｖを規定するものである。条件式(4)の下限値を超えると、被走査面上における主走査方向のスポットが肥大し良好な画像の形成が行えなくなり、更にＶ＝０となると結像レンズがｆ・ｔａｎθ特性を持つことになるので良くない。また条件式(4)の上限値を超えると、レンズ肉厚が厚くなってしまいレンズ成形が困難となるので良くない。または成形タクトが長くなることでコストアップの要因となってしまうので良くない。更にＶ＝２／３となると結像レンズがｆθ特性を有することとなり、更にレンズ肉厚が厚くなってしまうので良くない。

本実施例では条件式(4)を満たすことにより、軸外における主走査方向の走査速度が光軸上における主走査方向の走査速度に比べて早くなる。これにより結像レンズのサグ量を小さく抑えることができ、レンズの薄肉化を可能としている。

本実施例における３次の歪曲収差係数Ｖは、
Ｖ＝０.３３
であり、これは条件式(4)を満足している。

更に好ましくは上記の条件式(4)の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．１５≦Ｖ≦０．４５ ‥‥(4a)
図３は本実施例における幾何収差及び結像光学素子(結像レンズ)の副走査倍率の像高による一様性を示した図である。図３より各収差とも実用上問題のないレベルまで補正されていることが分かる。また像高による副走査倍率の変化も２％以下に抑えられていることが分かる。尚、像高による副走査倍率の変化は１０％以下なら良い。さらに望ましくは５％以下なら良い。

図４は本実施例における結像レンズの各光学面をＺ方向に偏心（偏心量５０μｍ）させたときの被走査面上における走査線の移動量（Ｚ方向）を示す図である。図４より走査線湾曲（曲がり）の発生は微量であることが分かる。

つまり図４の結果から光学箱（筐体）へのレンズ組み付け誤差やレンズ自体の製造誤差により、結像レンズ全体が被走査面と垂直な方向（Ｚ方向）へ偏心した場合でも、結像レンズを変曲点を持たないような素直な形状にし、尚かつ、結像レンズの副走査倍率を一定とすることで偏心による走査線曲がりを無くすことが可能であることが分かる。

また図４の結果から、特にモールドレンズにおいて型内の組み付け精度不足により入射面に対する出射面のＺ方向の偏心が生じた場合でも、結像レンズを変曲点を持たないような素直な形状にし、尚かつ、結像レンズの各面における副走査倍率を一定とすることで、同様に被走査面における副走査方向への偏心による走査線曲がりを無くすことが可能であることが分かる。

このように本実施例では上記の如く結像光学系ＬＢを単一の結像レンズ６より構成し、軸外における主走査方向のパワーを光軸上における主走査方向のパワーに比べて弱くなるようにパワー配置を適切に設定している。また軸外における主走査方向の走査速度を光軸上における主走査方向の走査速度に比べて早くし、ｋθ特性をアンダーとすることにより、軸外での結像レンズのサグ量を小さく抑えている。これにより本実施例では結像レンズ６の光軸方向の中心肉厚を薄くして、簡易な構成で、尚且つ、結像レンズのレンズ面の偏心による走査線曲がりを低減している。

図５は本発明の光走査装置の実施例２の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）、図６は本発明の光走査装置の実施例２の副走査方向の要部断面図（副走査断面図）である。図５、図６において前記図１、図２に示した要素と同一要素には同符番を付している。

本実施例において前述の実施例１と異なる点は、結像レンズ１６の入射面１６ａ及び出射面１６ｂの形状を異ならせて形成したことである。その他の構成及び光学的作用は実施例１と同様であり、これにより同様な効果を得ている。

即ち、同図においてＬＢは集光機能とｋθ特性とを有する結像光学系(走査光学系)であり、単一の結像レンズ（ｋθレンズ)１６より成っている。本実施例における結像レンズ１６の入射面１６ａ及び出射面１６ｂはともに凸形状より形成されている。

入射面１６ａは主走査断面内が６次までの関数で表現される非球面形状で形成されており、副走査断面内が平面形状で形成されている。出射面１６ｂは主走査断面内が円弧形状で形成されており、副走査断面内が４次までの関数で表現され、主走査方向に対応して曲率が変化する円弧形状で形成されている。

本実施例においては結像レンズ１６の入射面１６ａ及び出射面１６ｂの形状を軸外における主走査方向のパワーが光軸上における主走査方向のパワーに比べて前述の実施例１より更に弱くなるように設定している。これにより本実施例では実施例１と比べて結像レンズ１６の光軸方向の中心肉厚を更に薄く形成している。

表２に本実施例における数値実施例２の光学素子の光学配置及び結像光学素子の面形状を示す。

本実施例における結像レンズ１６の光軸上の副走査倍率は、
βｓ＝−２．８
であり、これは条件式(7)を満足している。本実施例では条件式(7)を満足させることにより、出射面の主走査断面内の形状を画像有効域内で副走査倍率が一定となるよう決定している。

また本実施例における結像レンズ１６の光軸上における主走査方向のパワーφpと最軸外における主走査方向のパワーφmとの比は、
φｍ／φｐ＝０．５８
であり、これは条件式(1)を満足している。これにより結像レンズ１６のサグ量を小さく抑えることができ、該結像レンズ１６の中心肉厚を７ｍｍと薄肉にしている。

また本実施例においても前述の施例１と同様に軸外での主走査方向のパワーが弱いため、結像レンズのｋθ特性がアンダーと成っているが、これは電気的な信号処理で補正可能なレベルであるので問題にならない。

本実施例における結像レンズ１６の光軸上における肉厚ｄｐと軸上でのｋθ係数ｋｐとの比は、
ｄｐ／ｋｐ＝０．０５
であり、これは条件式(2)を満足している。

本実施例におけるは光軸上での走査速度Ｖｐと最軸外での走査速度Ｖｍとの比は、
Ｖｍ／Ｖｐ＝１．２９
であり、これは条件式(3)を満足している。

本実施例における３次の歪曲収差係数Ｖは、
Ｖ＝０.２２
であり、これは条件式(4)を満足している。

図７は本実施例における幾何収差及び結像光学素子の副走査倍率の像高による一様性を示した図である。図７より各収差とも実用上問題のないレベルまで補正されていることが分かる。また像高による副走査倍率の変化も５％以下に抑えられていることが分かる。尚、像高による副走査倍率の変化は１０％以下なら良い。さらに望ましくは５％以下なら良い。

このように本実施例においては上記の如く各要素を設定することにより、前述の実施例１に比して、更に薄型で、簡易な構成の結像レンズ及び光走査装置を提供することができる。

図８は本発明の光走査装置の実施例３の主走査方向の要部断面図（主走査断面図）、図９は本発明の光走査装置の実施例３の副走査方向の要部断面図（副走査断面図）である。図８、図９において前記図１、図２に示した要素と同一要素には同符番を付している。

本実施例において前述の実施例１と異なる点は、光源手段８１をマルチビームレーザより構成したこと、副走査断面内において光源手段８１から出射した光束を光偏向器５の偏向面５aに対して斜め方向から入射させたことである。更に結像レンズ２６の入射面及び出射面の形状を異ならせて形成したこと、本装置をカラー画像形成装置に搭載したことである。その他の構成及び光学的作用は実施例１と同様であり、これにより同様な効果を得ている。

即ち、同図において８１は光源手段であり、独立に変調可能な複数の発光部(発光点)を有するマルチビームレーザーより成っている。本実施例におけるマルチビームレーザー８１は独立に光変調された複数(本実施例では４本)の光束を同時に出射している（図中では１本の光束のみ記載）。

ＬＢは集光機能とｋθ特性とを有する結像光学系(走査光学系)であり、単一の結像レンズ（ｋθレンズ)２６より成っている。本実施例における結像レンズ２６の入射面２６ａ及び出射面２６ｂはともに凸形状より形成されている。

入射面２６ａは主走査断面内が１０次までの関数で表現される非球面形状で形成されており、副走査断面内が１０次までの関数で表現され、主走査方向に対応して曲率が変化する円弧形状で形成されている。出射面２６ｂは主走査断面内が円弧形状で形成されており、副走査断面内が１０次までの関数で表現され、主走査方向に対応して曲率が変化し、４次の関数で表現される非球面形状で形成されている。

本実施例においては光源手段８１から出射した４本の光束を入射光学系ＬＡにより副走査断面内において光偏向器５の偏向面５aに対して斜め方向から入射させている。

そして光偏向器５の偏向面５aで偏向された４本の光束を結像レンズ２６により対応する感光ドラム面８上（図中では１本の感光ドラム面のみ記載）に導光し、異なった色光の画像信号（画像情報）を記録し、カラー画像を高速に印字している。

本実施例では結像レンズ２６の出射面２６ｂを副走査断面内において非球面形状としている。これにより副走査断面内において光源手段８１から出射した４本の光束を光偏向器５の偏向面５aに対して斜入射させた際に発生する被走査面８上でのスポットの回転を補正している。

表３に本実施例における数値実施例３の光学素子の光学配置及び結像光学素子の面形状を示す。

本実施例における副走査方向の非球面成分としては

なる値を上記関係式（b）に付加している。

この非球面成分をレンズ面に付加することにより、副走査断面内において光源手段８１から出射した４本の光束を光偏向器５の偏向面５aに対して斜入射させた際に発生する被走査面８上でのスポットの回転を補正している。

本実施例における結像レンズ２６の光軸上における副走査倍率は、
β＝−２．５
であり、これは条件式(7)を満足している。本実施例では条件式(7)を満足させることにより、出射面の主走査断面内の形状を画像有効域内で副走査倍率が一定となるよう決定している。

また本実施例における結像レンズ２６の光軸上における主走査方向のパワーφpと最軸外における主走査方向のパワーφmとの比は、
φｍ／φｐ＝０．８２
であり、これは条件式(1)を満足している。これにより結像レンズ２６のサグ量を小さく抑えることができ、該結像レンズ２６の中心肉厚を９．１ｍｍと薄肉にしている。

また本実施例においても前述の施例１と同様に軸外での主走査方向のパワーが弱いため、結像レンズのｋθ特性がアンダーと成っているが、これは電気的な信号処理で補正可能なレベルであるので問題にならない。

本実施例におけるは結像レンズの光軸上における肉厚ｄｐと軸上でのｋθ係数ｋｐとの比は、
ｄｐ／ｋｐ＝０．０６
であり、これは条件式(2)を満足している。

本実施例におけるは光軸上での走査速度Ｖｐと最軸外での走査速度Ｖｍとの比は、
Ｖｍ／Ｖｐ＝１．１８
であり、これは条件式(3)を満足している。

本実施例における３次の歪曲収差係数Ｖは、
Ｖ＝０.３３
であり、これは条件式(4)を満足している。

図１０は本実施例における幾何収差及び結像光学素子の副走査倍率の像高による一様性を示した図である。図１０より各収差とも実用上問題のないレベルまで補正されていることが分かる。また像高による副走査倍率の変化も５％以下に抑えられていることが分かる。尚、像高による副走査倍率の変化は１０％以下なら良い。さらに望ましくは５％以下なら良い。

図１１は本実施例における被走査面上でのスポット形状を示した説明図である。同図に示すように副走査断面内において光源手段から出射した複数の光束を光偏向器５の偏向面５aに斜入射させた際に発生する被走査面上でのスポットの回転が良好に補正されていることが分かる。

このように本実施例においては上記の如く前述の実施例１より、更に薄型で、簡易な構成の結像レンズ及び光走査装置を提供することができる。

更に本実施例の光走査装置は、上記の如く光源手段にマルチビームレーザーを用い、副走査断面内において光源手段から出射した複数の光束を光偏向器の偏向面に斜入射させている。この光走査装置をカラー画像形成装置に搭載することにより、高速でかつ高品質なカラー画像形成装置を提供することができる。またその際、問題となる被走査面上でのスポット回転も副走査断面内において結像レンズの出射面を非円弧形状（非球面形状）とすることによって良好に補正している。

［画像形成装置］
図１２は本発明の画像形成装置の実施例を示す副走査方向の要部断面図である。図において、符号１０４は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、実施例１又は２のいずれかに示した構成を有する光走査ユニット１００に入力される。そして、この光走査ユニット１００からは、画像データDｉに応じて変調された光ビーム１０３が出射され、この光ビーム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。

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、前記光走査ユニット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。

先に説明したように、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。

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転写ローラ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１２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。

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１２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とで構成されている。そして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。

図１２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、先に説明した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、後述する光走査ユニット内のポリゴンモータなどの制御を行う。

本発明で使用される画像形成装置の記録密度は、特に限定されない。しかし、記録密度が高くなればなるほど、高画質が求められることを考えると、１２００ｄｐｉ以上の画像形成装置において本発明の実施例１〜３の構成はより効果を発揮する。

［カラー画像形成装置］
図１３は本発明の実施例のカラー画像形成装置の要部概略図である。本実施例は、光走査装置を４個並べ各々並行して像担持体である感光ドラム面上に画像情報を記録するタンデムタイプのカラー画像形成装置である。図１３において、６０はカラー画像形成装置、６１，６２，６３，６４は各々実施例１又は２に示したいずれかの構成を有する光走査装置である。２１，２２，２３，２４は各々像担持体としての感光ドラム、３１，３２，３３，３４は各々現像器、５１は搬送ベルトである。

図１３において、カラー画像形成装置６０には、パーソナルコンピュータ等の外部機器５２からＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色信号が入力する。これらの色信号は、装置内のプリンタコントローラ５３によって、Ｃ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各画像データ（ドットデータ）に変換される。これらの画像データは、それぞれ光走査装置６１，６２，６３，６４に入力される。そして、これらの光走査装置からは、各画像データに応じて変調された光ビーム４１，４２，４３，４４が出射され、これらの光ビームによって感光ドラム２１，２２，２３，２４の感光面が主走査方向に走査される。

本実施例におけるカラー画像形成装置は光走査装置（６１，６２，６３，６４）を４個並べ、各々がＣ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各色に対応している。そして各々平行して感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に画像信号（画像情報）を記録し、カラー画像を高速に印字するものである。

本実施例におけるカラー画像形成装置は上述の如く４つの光走査装置６１，６２，６３，６４により各々の画像データに基づいた光ビームを用いて各色の潜像を各々対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成している。その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。

前記外部機器５２としては、例えばＣＣＤセンサを備えたカラー画像読取装置が用いられても良い。この場合には、このカラー画像読取装置と、カラー画像形成装置６０とで、カラーデジタル複写機が構成される。

本発明の実施例１の光走査装置の主走査断面図 本発明の実施例１の光走査装置の副走査断面図 本発明の実施例１の幾何収差及び副走査倍率差を示す図 本発明の実施例１の結像光学素子の偏心時の走査線移動量を示す図 本発明の実施例２の光走査装置の主走査断面図 本発明の実施例２の光走査装置の副走査断面図 本発明の実施例２の幾何収差及び副走査倍率差を示す図 本発明の実施例３の光走査装置の主走査断面図 本発明の実施例３の光走査装置の副走査断面図 本発明の実施例３の幾何収差及び副走査倍率差を示す図 本発明の実施例３のスポット径を示す図 本発明の画像形成装置の実施例を示す副走査断面図 本発明の実施例のカラー画像形成装置の要部概略図 レンズ肉厚の構成図 軸外での主走査方向パワーを求めるための説明図 従来の光走査装置の要部概略図

符号の説明

１、８１ 光源手段
２ 集束レンズ(コリメータレンズ)
３ 開口絞り
４ レンズ系(シリンドリカルレンズ)
５ 偏向手段（ポリゴンミラー）
６、１６、２６ 結像レンズ
８ 被走査面（感光体ドラム）
ＬＡ 入射光学系
ＬＢ 結像光学系
１１、１２、１３、１４ 光走査装置
７１、７２、７３、７４ 像担持体（感光ドラム）
３１、３２、３３、３４ 現像器
４１、４２、４３、４４ 光束
５１ 搬送ベルト
５２ 外部機器
５３ プリンタコントローラ
６０ カラー画像形成装置
１００ 光走査装置
１０１ 感光ドラム
１０２ 帯電ローラ
１０３ 光ビーム
１０４ 画像形成装置
１０７ 現像装置
１０８ 転写ローラ
１０９ 用紙カセット
１１０ 給紙ローラ
１１１ プリンタコントローラ
１１２ 転写材（用紙）
１１３ 定着ローラ
１１４ 加圧ローラ
１１５ モータ
１１６ 排紙ローラ
１１７ 外部機器

Claims (9)

1. 光源手段と、前記光源手段から出射された光束を偏向走査する偏向手段と、前記偏向手段で偏向走査された光束を被走査面上に結像する結像光学系と、を有する光走査装置において、
   前記結像光学系は、単一の結像光学素子より成り、
   前記単一の結像光学素子の入射面の主走査断面内における形状は、非円弧であり、前記単一の結像光学素子の入射面の副走査断面内における形状は、平面であり、
   前記単一の結像光学素子の出射面の主走査断面内における形状は、前記被走査面に向って凸形状の円弧であり、前記単一の結像光学素子の出射面は、副走査方向に正のパワーを有し、前記単一の結像光学素子の出射面の副走査方向のパワーは、主走査方向において軸上から軸外に向って減少しており、
   前記結像光学素子の光軸上における主走査方向のパワーをφｐ、前記結像光学素子の最軸外における主走査方向のパワーをφｍ、前記結像光学素子の光軸上における厚さをｄｐ、前記結像光学素子の軸上でのｋθ係数をｋｐとするとき、
   ０．５≦φｍ／φｐ≦０．９
   ０＜ｄｐ／ｋｐ≦０．０９
   なる条件を満足することを特徴とする光走査装置。
2. 前記被走査面上における光軸上での走査速度をＶｐ、前記被走査面上における最軸外での走査速度をＶｍとするとき、
   １．１≦Ｖｍ／Ｖｐ≦１．５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記単一の結像光学素子の３次の歪曲収差係数をＶとするとき、
   ０．１≦Ｖ≦０．５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記被走査面上の有効走査幅内を走査する際の前記偏向手段の最大偏向角をθｍａｘとするとき、
   ３０°≦θｍａｘ＜９０°
   なる条件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光走査装置。
5. 前記単一の結像光学素子の、光軸上における副走査断面内の結像倍率をβｓとするとき、
   ｜βｓ｜≦３．０
   なる条件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光走査装置。
6. 前記単一の結像光学素子に入射する光束は、主走査断面内において収束光束であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光走査装置。
7. 前記光源手段は、独立に変調可能な複数の発光部を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光走査装置。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の光走査装置と、前記被走査面に配置された感光体と、前記光走査装置で走査された光束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、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を有することを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の光走査装置と、外部機器から入力したコードデータを画像信号に変換して前記光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラとを有していることを特徴とする画像形成装置。

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