JP4913347B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、光走査装置および画像形成装置に関する。

光走査装置は従来から、光プリンタやデジタル複写機、光プロッタ等の画像形成装置に
関連して広く知られているが、近時、低価格化とともに環境変動の影響を受け難く、高精
細な画像を形成できるものが求められている。
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。

即ち、樹脂製レンズの採用は、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。しかし反面、良く知られたように、樹脂製レンズは、環境変化、特に
温度変化に伴って、形状が変化したり、屈折率が変化したりするので、光学特性とくにパ
ワーが設計値から変化し、被走査面上の光スポットの径である「ビームスポット径」が環
境変動により変動する問題がある。

温度変化に伴う樹脂製レンズのパワー変動は、正レンズと負レンズとで互いに逆に発生
するので、光走査装置の光学系内に、正と負の樹脂製レンズを含め、これら正・負樹脂製
レンズにおいて発生する「環境変化に起因する光学特性変化」を互いに相殺させる方法は
良く知られている。

また、光走査装置の光源として一般的な半導体レーザは、温度が上昇すると発光波長が
長波長側へずれるという性質（「温度変化による波長変化」）があり、また「モードホッ
プ」による波長変化もある。光源における波長変化は、光走査装置に用いられる光学系の
色収差による特性変化を惹起し、この特性変化もビームスポット径変動の原因となる。

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。

温度変化に伴う光学特性の変化と、光源における波長変化とを考慮し、パワー回折面を
採用して光学特性を安定させた光走査装置（レーザ走査装置）として、特許文献１に記載
のものが知られている。

特許文献１には、レーザ光源から射出されたレーザ光を主走査方向には平行光とし副走
査方向には光偏向器の偏向反射面近傍に集光させる光源光学系を「回転対称軸を持たない
１面以上の反射面と、２面の透過面とを有し、透過面にパワー回折面を設け、樹脂で構成
された１つの光学素子」とした光走査装置が開示され、また、比較例として「半導体レー
ザからの光ビームをコリメートする樹脂製のコリメータレンズと、コリメートされた光ビ
ームを副走査方向に集束させる樹脂製のシリンダレンズの各々に１面ずつパワー回折面を
設けた光走査装置」が開示されている。「パワー回折面」は、回折によるレンズパワーを
持つ回折面である。

特許文献１に開示された「回転対称軸を持たない１面以上の反射面と、２面の透過面と
を有し、透過面にパワー回折面を設け、樹脂で構成された１つの光学素子」による光源光
学系は、１つの光学素子内に透過面と反射面とを形成しなければならず、曲面形状の反射
面が含まれるため、製造が必ずしも容易ではなく、光走査装置の低コスト化の面からして
なお改善の余地なしとしない。

また、特許文献１に「比較例として開示されているもの」では、コリメータレンズにも
パワー回折面を形成しているが、コリメータレンズは一般に「光走査装置に用いられる光
学素子のうちで最も強いパワーを持つレンズ」であり、コリメータレンズにパワー回折面
を採用する場合には、副作用として「コリメートされた光ビームの波面収差の劣化」が懸
念される。光ビームの波面収差の劣化は、ビームスポット径を増大させる作用を有するた
め、高精細な画像形成を行うために極めて小さいビームスポット径が要求される場合には
重大な問題となる。

特開２００２−２８７０６２

この発明は上述した事情に鑑み、パワー回折面を用いた光走査装置において、温度変動
によるビームスポット径変動のみならず、モードホップによる発振波長の変化によるビー
ムスポット径変動をも低減し、より安定したビームスポット径で光走査を行い得る光走査
装置の実現、さらには、かかる光走査装置を用いる画像形成装置の実現を課題とする。

この発明の光走査装置は「半導体レーザからの光ビームをカップリングレンズにより所
望のビーム形態の光ビームに変換した後、アナモフィック光学素子を介して光偏向器に導
光し、光偏向器により偏向された光ビームを、走査光学系により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光走査装置」であって、以下のごとき特徴を
有する（請求項１）。

即ち、「走査光学系」は１以上の樹脂製レンズを含む。
また、「アナモフィック光学素子は、片面がアナモフィックな屈折面で、他方の面が主
走査方向に軸を持つ楕円形状のパワー回折面を有するアナモフィックな樹脂製レンズ」である。そして、パワー回折面の「主走査方向のパワー」は、アナモフィックな屈折面の「主走査方向のパワー」と相殺される。
そして、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
のパワーとカップリングレンズのパワーが設定される。
「パワー回折面」は前述の如く、レンズ作用と同等な回折機能を有する回折面であり、これが楕円形状であるとは「パワー回折面を構成する格子溝の形状が楕円形である」ことを意味する。上記「モードホップや温度変化に起因する」とは「モードホップおよび／または温度変化に起因する」との意味である。

この楕円形状は「主走査方向に平行な軸」を持つ。このため、パワー回折面の楕円形状
の「他方の軸」は副走査方向に平行である。主（副）走査方向の軸は長（短）軸であるこ
とも短（長）軸であることもできる。

上記の如く「カップリングレンズ」は、半導体レーザからの光ビームを「所望のビーム
形態の光ビーム」に変換するが、ここに言う「所望のビーム形態の光ビーム」は、「略平行ビーム」または「弱い発散性もしくは弱い収束性の光ビーム」である。カップリングレンズにより変換された光ビームがどのようなものであるかに応じて、カップリングレンズよりも像側の光学系の性質が調整されるのである。

光走査装置が被走査面上に形成する光スポットは、光源である半導体レーザの発光部の
像であるが、光源と被走査面との間に配置される光学系のパワーは一般に、主走査方向と
副走査方向とで異なっているので、ビームウエスト位置は、主走査方向と副走査方向とで
別個に考える必要がある。

上記請求項１記載の光走査装置の「アナモフィック光学素子（アナモフィックな樹脂製
レンズ）」は、主走査方向にパワーを持たず、副走査方向に正のパワーを有するものであ
ることができる（請求項２）。この場合、カップリングレンズのカップリング作用を「コ
リメート作用」とするのが好ましい。上記「アナモフィック光学系のパワー」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。また、パワー回折
面は主・副走査方向に軸を持つ楕円形状であるから、パワー回折面によるパワーは、主走
査方向と副走査方向とで異なる。アナモフィック光学素子が「主走査方向にパワーを持た
ない」ようにすると、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、アナモフィック光学素子を光軸
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。

請求項１または２記載の光走査装置におけるアナモフィック光学素子の屈折面は「曲率
半径の絶対値が、主走査方向において副走査方向におけるよりも大きい面」であることが
好ましい（請求項３）。

請求項１〜３の任意の１に記載の光走査装置において「アナモフィック光学素子のパワ
ー回折面」は「平面に形成された楕円形状のパワー回折面」であることができる（請求項
４）。勿論、パワー回折面が平面以外の曲面、例えば、球面やシリンダ面、トーリック面
等に形成されるようにすることも可能であるが、請求項４のごとくに「パワー回折面を平
面に形成する」とパワー回折面の形成が容易である。

請求項１〜４の任意の１に記載の光走査装置におけるカップリングレンズは「ガラス製
レンズ」であることが好ましい（請求項５）。ガラス製レンズは環境変動の影響を受けに
くいので、ガラス製カップリングレンズを用いると、他の光学素子の設計が容易になる。

この発明の光走査装置に関して若干付言すると、光源として用いられる半導体レーザは
通常のものを１つ用いてシングルビーム走査方式を行うように構成することもできるが、
半導体レーザアレイや２以上の半導体レーザを用いることにより周知の「マルチビーム走
査方式」を実行するように構成することもできる。

この発明の画像形成装置は「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１以上有する
画像形成装置」であって、像担持体の光走査を行う光走査手段として請求項１〜５の任意
の１に記載の光走査装置を１以上用いたことを特徴とする（請求項６）。

画像形成部は１以上であるから、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。この場合、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等により知られたように、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
に配列させた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。

ここで、光走査装置の光学系に樹脂製レンズが含まれる場合に、環境変動や波長変化に
対して「被走査面に向かって集光される光ビーム」のビームウエスト位置の変動を簡単に
考察する。

先ず、温度変動によるビームウエスト位置変動の原因となるのは、温度変動に伴う「樹
脂製レンズの屈折率自体の変化」、「樹脂製レンズの形状変化」、「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」は温度上昇に伴う膨張による低密度化により減少する。
「樹脂製レンズの形状」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。
「半導体レーザの発光波長」は、一般に温度上昇とともに長波長側へずれる。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。
即ち、樹脂製レンズは、正レンズであるか負レンズであるかに拘わらず、温度上昇とと
もにその「パワーの絶対値」が減少するように変化する。

一方、パワー回折面によるパワーは、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。

いま少し具体的に説明するために、光学系内に含まれる樹脂製レンズのパワーと、パワ
ー回折面のパワーがともに正である場合に、環境温度が上昇した場合を考える。このとき
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：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：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：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パワー変化によるビームウエス
ト位置変動量：Ｄとすると、Ａ＞０、Ｂ＞０、Ｃ＞０で、Ｄ＜０（光偏向器から離れる向
きの変化を正としている。）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。

ところで、前述したように光源である半導体レーザの発光波長の変化は、温度変化によ
るもののみでなく、モードホップによる波長変化もある。モードホップによる発光波長変
化は微視的な物理現象によって引き起こされるため予測が極めて困難である。
モードホップによる発光波長変化は温度変化とは無関係であり、「基準温度からの温度
変化がない状態」でモードホップによる発光波長変化が起こると、上記ＡとＢは０である
から、ビームウエスト位置変動量は、Ｃ−Ｄ＜０となって補正されず、ビームウエスト位
置は大きく変化する。

このように、光走査装置にパワー回折面を採用した場合、温度変動によるビームウエス
ト位置変動を補正するだけでなく、モードホップによる発光波長変化によるビームウエス
ト位置変動を低減するようにしないと、常に安定したビームスポット径を得ることはでき
ない。

温度変動によるビームウエスト位置変動を補正するだけでなく、モードホップによる発
光波長変化によるビームウエスト位置変動を低減するには、パワー回折面に与えるパワー
を適切に設定する必要がある。パワー回折面に余り大きなパワーを与えてしまうと、モー
ドホップによる発光波長変化によるビームウエスト位置変動を増大させてしまう。

以上を鑑み、この発明の光走査装置では、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、パワー回折面のパワーを設定するのである。

このように設定されるパワー回折面の（主走査方向および／または副走査方向の）パワ
ー：Ｐｍ（主走査方向）、Ｐｓ（副走査方向）は、カップリングレンズのパワー：Ｐｃｍ
（主走査方向）、Ｐｃｓ（副走査方向）に対して、
（１） ４＜Ｐｃｍ／Ｐｍ＜２６
（２） ０．５＜Ｐｃｓ／Ｐｓ＜２６
の範囲であることが好ましい。

条件（１）のパラメータ：Ｐｃｍ／Ｐｍを横軸にとり、モードホップによる発光波長変
化による主走査方向のビームウエスト位置の変動量を縦軸にとり、両者の関係を調べると
、「モードホップによる発光波長変化による主走査方向のビームウエスト位置の変動量」
はパラメータ：Ｐｃｍ／Ｐｍの増加と共に直線的に増大する。

「モードホップによる発光波長変化による主走査方向のビームウエスト位置の変動量」
は０．５ｍｍ以下に抑えることが好ましい。上記直線的な増大の関係において「モードホ
ップによる発光波長変化による主走査方向のビームウエスト位置の変動量：０．５ｍｍ」
に対応するパラメータ：Ｐｃｍ／Ｐｍの値は２６である。従って、条件（１）のパラメー
タの上限値は２６として与えられる。

条件（１）のパラメータ：Ｐｃｍ／Ｐｍを横軸にとり、温度変化による主走査方向のビ
ームウエスト位置の変動量を縦軸にとり、両者の関係を調べると、「温度変動による主走
査方向のビームウエスト位置の変動量」はパラメータ：Ｐｃｍ／Ｐｍの増加と共に直線的
に減少する。

「温度変化による主走査方向のビームウエスト位置の変動量」も０．５ｍｍ以下に抑え
ることが好ましい。上記直線的な減少の関係において「温度変化による主走査方向のビー
ムウエスト位置の変動量：０．５ｍｍ」に対応するパラメータ：Ｐｃｍ／Ｐｍの値は４で
ある。従って、条件（１）のパラメータの下限値は４として与えられる。

条件（２）についても同様であり、条件（２）のパラメータ：Ｐｃｓ／Ｐｓを横軸にと
り、モードホップによる発光波長変化による副走査方向のビームウエスト位置の変動量を
縦軸にとり、両者の関係を調べると、「モードホップによる発光波長変化による副走査方
向のビームウエスト位置の変動量」はパラメータ：Ｐｃｓ／Ｐｓの増加と共に直線的に増
大する。

「モードホップによる発光波長変化による副走査方向のビームウエスト位置の変動量」
も０．５ｍｍ以下に抑えることが好ましく、上記直線的な増大の関係において「モードホ
ップによる発光波長変化による副走査方向のビームウエスト位置の変動量：０．５ｍｍ」
に対応するパラメータ：Ｐｃｓ／Ｐｓの値は２６である。従って、条件（２）のパラメー
タの上限値は２６として与えられる。

条件（２）のパラメータ：Ｐｃｓ／Ｐｓを横軸にとり、温度変化による副走査方向のビ
ームウエスト位置の変動量を縦軸にとり、両者の関係を調べると、「温度変動による副走
査方向のビームウエスト位置の変動量」はパラメータ：Ｐｃｓ／Ｐｓの増加と共に直線的
に減少する。

「温度変化による副走査方向のビームウエスト位置の変動量」も０．５ｍｍ以下に抑え
ることが好ましい。上記直線的な減少の関係において「温度変化による副走査方向のビー
ムウエスト位置の変動量：０．５ｍｍ」に対応するパラメータ：Ｐｃｓ／Ｐｓの値は０．
５である。従って、条件（２）のパラメータの下限値は０．５として与えられる。

上記の如く、この発明の光走査装置では、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、パワー回折面のパワーを設定するので、温度変動のみならずモードホ
ップによる発光波長変動に対してもビームウエスト位置変動が有効に補正され、常に安定
したビームスポット径で光走査を行うことができ、この光走査装置を用いることによりこ
の発明の画像形成装置は安定した画像形成が可能である。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は、光走査装置の実施の１形態の光学配置を示している。
符号１は光源である半導体レーザ、符号２はカップリングレンズ、符号３はアパーチュ
ア、符号４はアナモフィック光学素子、符号５は光偏向器である回転多面鏡のポリゴンミ
ラー、符号６は走査光学系、符号８は被走査面をそれぞれ示す。また、符号Ｇ１はポリゴ
ンミラー５を収納する防音ハウジング（図示されず）の窓を塞ぐ防音ガラスを示し、符号
Ｇ２は図１の光学系を収納するハウジングの偏向光ビームの射出部に設けられた防塵ガラ
スを示している。

半導体レーザ１から放射された発散性の光ビームは、カップリングレンズ２により実質
的な平行光ビームに変換され、アパーチュア３によりビーム整形されてアナモフィック光
学素子４に入射する。アナモフィック光学素子４を透過した光ビームは、副走査方向に集
束しつつ防音ガラスＧ１を透過してポリゴンミラー５の偏向反射面近傍に「主走査方向に
長い線像」として結像し、偏向反射面に反射されると、防塵ガラスＧ１を透過して走査光
学系６に入射する。

走査光学系６は２枚のレンズ６−１、６−２により構成され、これらレンズ６−１、６
−２を透過した光ビームは防塵ガラスＧ２を介して被走査面８に入射し、走査光学系６の
作用により被走査面８上に光スポットを形成する。

ポリゴンミラー５が等速回転すると、偏向反射面により反射された光ビームは等角速度
的に偏向する。走査光学系６は等角速度的に偏向しつつ入射してくる光ビームによる光ス
ポットが、被走査面上において主走査方向（図の上下方向）へ等速的に移動するようにす
るｆθ特性を有しており、光スポットは、被走査面８を等速的に光走査する。

走査光学系６もアナモフィックな光学素子であり、副走査方向においてはポリゴンミラ
ー５の偏向反射面位置と被走査面位置とを幾何光学的な共役関係としており、これにより
ポリゴンミラーの面倒れを補正している。被走査面８は、実体的には「感光性媒体の感光
面」である。

アナモフィック光学素子４は「片面がアナモフィックな屈折面で、他方の面が主走査方
向の軸を持つ楕円形状のパワー回折面を有するアナモフィックな樹脂製レンズ」である。

図２はアナモフィック光学素子４を説明図的に示しており、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において符号４によりアナモフィック光学素子を示
す部分は光軸方向から見た状態であり、片側の面には図示の如く「楕円状の溝の集合」に
よる「楕円形状のパワー回折面」が形成されている。

アナモフィック光学素子４の上方の図は、アナモフィック光学素子４の「主走査方向と
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り、左側側の図は、アナモフィ
ック光学素子４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。これら端面図に示されたように、パワー回折面が形成されたのとは反対側の面は、
アナモフィックな屈折面になっている。

パワー回折面の主走査方向の断面形状（図２の上側図）４ＢＭと副走査方向の断面形状
（図２の左側図）４ＢＳとは、溝による格子の幅が異なり、このため、パワー回折面自体
が主走査方向と副走査方向とでパワーの異なるアナモフィックなレンズ作用を有する。

また、アナモフィック光学素子４のアナモフィックな屈折面は、図２に示すように、主
走査方向の端面形状４ＡＭの曲率半径と、副走査方向の端面形状４ＡＳの曲率半径が異な
る。説明中の実施の形態においては、アナモフィック光学素子４の「アナモフィックな屈
折面のパワー」は負であり、「パワー回折面のパワー」は正である。

光源側からアナモフィック光学系４に入射する光ビーム（平行光ビーム）は、アナモフ
ィックな屈折面の負のパワーにより、主・副走査方向ともに発散傾向を与えられ、次いで
パワー回折面のパワーの作用を受ける。パワー回折面の楕円形状は主走査方向を長軸方向
としているので、パワー回折面の正のパワーは、副走査方向のパワーが主走査方向のパワ
ーに比して大きい。

パワー回折面の主走査方向の正のパワーは、アナモフィックな屈折面により主走査方向
に与えられた発散性を相殺して、透過光ビームを「主走査方向に平行化」する。パワー回
折面の副走査方向の正のパワーは、アナモフィックな屈折面により副走査方向に与えられ
た発散性を凌駕し、透過光ビームを「副走査方向に集束性の光ビーム」とする。

このようにして、アナモフィック光学素子４を透過した光ビームは、主走査方向には平
行で、副走査方向には集束するビーム形態となる。

パワー回折面の主・副走査方向のパワーは、半導体レーザ１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とするように設定される。

以下、上記実施の形態に関する具体的な実施例を挙げる。
実施例および後述する比較例において用いるガラス材料（ガラス１およびガラス２と称
する。）および樹脂材料（樹脂と称する。）のデータを表１に挙げる。

表１において「中央値」とあるのは、基準温度：２５℃における使用波長に対する屈折
率、「波長飛び」とあるのは、モードホップにより波長飛びを生じたときの屈折率、「温
度変動」とあるのは、温度が基準温度から２０度上昇したときの屈折率である。モードホ
ップによる「波長飛び」は、余裕を見て０．８ｎｍの波長変化を想定している。
光学系の各要素は以下の如くである。

「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」
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２７
ｍｍはなれた位置に位置するように配置される。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」
アパーチュア３は、主走査方向の開口径：８．１ｍｍ、副走査方向の開口径：２．９２
ｍｍ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」
アナモフィック光学素子４は、入射側面がアナモフィックな屈折面で、主走査方向・副
走査方向ともに円弧形状の「ノーマルトロイダル面」であり、射出側面は「平面に楕円形
状のパワー回折面」を形成したものである。

パワー回折面は、主走査方向・副走査方向ともに、以下の２次の位相関数：Ｗ
Ｗ＝Ｃｙ・Ｙ^２＋Ｃｚ・Ｚ^２
で表されるものである。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：Ｃｙ、Ｃｚは、Ｃｙ＝−１．０６５０６×１０^−３、Ｃｚ＝
−９．０２６６４×１０^−３である。

「光偏向器」
光偏向器のポリゴンミラー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（パワー回折面の形成されている面）と、ポリゴン
ミラー５の回転軸との距離は、図１の配置で「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。

防音ガラスＧ１はガラス１を材質とし、厚さ：１．９ｍｍで、上記ｙ方向（図の上下方
向）からの傾き角：αは１６度である。
また、光源側から入射する光ビームの進行方向と、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」のなす角：θは５８度であ
る。表２に、上に述べたところを示す。

上の表記に於いて、Ｒｍは主走査方向の曲率半径、Ｒｓは副走査方向の曲率半径、Ｄは
面間隔で、単位はｍｍである。

表３に、光偏向器以降の光学系データを与える。

上の表記においてＲｍは「主走査方向の近軸曲率」、Ｒｓは「副走査方向の近軸曲率」
であり、Ｄｘ、Ｄｙは「各光学素子の原点から次の光学素子の原点までの相対距離」を表
している。単位はｍｍである。
例えば、光偏向器に対するＤｘ、Ｄｙについてみると、光偏向器（ポリゴンミラー５）
の回転軸から見て、走査光学系６のレンズ６−１の入射面の原点（入射側面の光軸位置）
は、光軸方向（ｘ方向、図１の左右方向）に７９．７５ｍｍ離れ、主走査方向（ｙ方向、
図１の上下方向）に８．８ｍｍ離れている。

また、レンズ６−１の光軸上の肉厚は２２．６ｍｍ、レンズ６−１と６−２の間の面間
隔は７５．８５ｍｍ、レンズ６−２の光軸上の肉厚は４．９ｍｍ、レンズ６−２から被走
査面までの距離は１５８．７１ｍｍである。なお、走査光学系６のレンズ６−２と被走査
面の間には、図１に示すようにガラス１を材質とする厚さ：１．９ｍｍの防塵ガラスＧ２
が配置される。

走査光学系６のレンズ６−１、６−２の各面は非球面である。
レンズ６−１の入射側面とレンズ６−２の入射側面および射出側面は、主走査方向には
「式１で与えられる非円弧形状」で、副走査断面（光軸と副走査方向とに平行な仮想的断
面）内の曲率が主走査方向に「式２に従って変化」する特殊面である。

また、レンズ６−１の射出側面は「式３により表現される共軸非球面」である。

「非円弧形状」
主走査方向の近軸曲率半径：Ｒｍ、光軸からの主走査方向の距離：Ｙ、円錐定数：Ｋｍ
、高次の係数：Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、…、光軸方向のデプス：Ｘとして次式で
表現される。

X＝（Y²/Rm）／［1＋√｛1-(1＋Km)(Y/Rm)²｝］+A₁Y+A₂Y²+A₃Y³+A₄Y⁴+A₅Y⁵+・・(式１)
「副走査断面における曲率の変化」
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)、
Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、・・を係数として次の通りである。
Cs(Ｙ)＝｛1/Rs(0)｝+B₁Y+B₂Y²+B₃Y³+B₄Y⁴+・・ （式２）
「共軸非球面」
近軸曲率半径：Ｒ、光軸からの距離：Ｈ、円錐定数：Ｋ、高次の係数をＡ_１、Ａ_２、Ａ
_３、Ａ_４、Ａ_５、・・、光軸方向のデプス：Ｘとして次式で表される。
X＝（H²/R）／［1＋√｛1-(1＋K)(H/R)²｝］+A₁Y+A₂Y²+A₃Y³+A₄Y⁴+A₅Y⁵+・・（式３）
レンズ６−１の入射側面（特殊面）の係数を表４に挙げる。

レンズ６−１の射出側面（共軸非球面）の係数を表５に挙げる。

レンズ６−２の入射側面（特殊面）の係数を表６に挙げる。

レンズ６−２の射出側面（特殊面）の係数を表７に挙げる。

実施例１における、主走査方向及び副走査方向のビームスポット径と「ビームウエスト
位置が被走査面に対してデフォーカスした」ときの関係を、図３（ａ）、（ｂ）に示す。
これらの図には、基準温度：２５℃のときの関係（「常温」）と、常温に対して２０℃の
温度上昇があるときの関係（「温度変動」）と、モードホップにより発光波長が０．８ｎ
ｍ変化した場合の関係（「波長飛び」）を示している。

図３（ａ）は主走査方向のビームスポット径、（ｂ）は副走査方向のビームスポット径
に関するものであり、何れも「光スポットの像高：０」のときのものである。図３から明
らかなように、実施例１の光走査装置では、ビームスポット径とデフォーカス量との関係
は、主・副走査方向とも「常温状態でも温度変動状態でも波長飛び状態でも」実質的に変
化しない。このことは、主走査方向・副走査方向のビームウエスト位置が、温度変動やモ
ードホップに拘わらず実質的に変化しないことを意味している。

因みに、実施例１において、パワー回折面の主・副走査方向のパワー：Ｐｍ（主走査方
向）、Ｐｓ（副走査方向）と、カップリングレンズの（主走査方向および／または副走査
方向の）パワー：Ｐｃｍ（主走査方向）、Ｐｃｓ（副走査方向）に対する比：Ｐｃｍ／Ｐ
ｍ、Ｐｃｓ／Ｐｓの値はそれぞれ、
Ｐｃｍ／Ｐｍ＝９．２、Ｐｃｓ／Ｐｓ＝１．１
であって、前述の条件（１）、（２）を満足する。

即ち、上記実施例１の光走査装置は、半導体レーザ１からの光ビームをカップリングレ
ンズ２により所望のビーム形態の光ビームに変換した後、アナモフィック光学素子４を介
して光偏向器５に導光し、光偏向器により偏向された光ビームを、走査光学系６により被
走査面８上に集光させて光スポットを形成し、被走査面８を光走査する光走査装置であっ
て、走査光学系６は１以上の樹脂製レンズ６−１、６−２を含み、アナモフィック光学素
子４は、片面がアナモフィックな屈折面で、他方の面が主走査方向の軸を持つ楕円形状の
パワー回折面を有するアナモフィックな樹脂製レンズであり、半導体レーザ１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、パワー回折面のパワーを設定したものである。

また、アナモフィック光学素子４は、主走査方向にパワーを持たず、副走査方向に正の
パワーを有するものであり（請求項２）、屈折面は、曲率半径の絶対値が、主走査方向に
おいて副走査方向におけるよりも大きい面である（請求項３）。また、アナモフィック光
学素子４のパワー回折面は「平面に形成された楕円形状のパワー回折面」であり（請求項
４）、カップリングレンズ２はガラス製レンズである（請求項５）。

以下に、比較例を挙げる。
「比較例」
比較例では、上記実施例１において、アパーチュア３の開口の開口径を主走査方向につ
き７．８５ｍｍ、副走査方向につき３ｍｍに変え、アナモフィック光学素子４として、ガ
ラス２を材質とするシリンダレンズを用いた。また、光偏向器以降の光学配置に対して、
実施例１と条件を同じにするため、シリンダレンズと光偏向器との位置関係を変更した。
他は実施例１と同一である。

比較例の光源側のデータを表２に倣って表８に示す。

図４は、比較例の光走査装置における、主走査方向及び副走査方向のビームスポット径
とビームウエスト位置が被走査面に対してデフォーカスしたときの関係を、図３（ａ）、
（ｂ）に倣って示している。これらの図には基準温度：２５℃のときの関係（「常温」）
と、常温に対して２０℃の温度上昇があるときの関係（「温度変動」）とを示している。

図４から明らかなように、比較例ではパワー回折面が用いられていないので、温度が上
昇すると主走査方向（図４上図）・副走査方向（図４下図）ともにビームウエスト位置変
動が大きく、高精細な画像書き込み行うためには、環境変動によるビームウエスト位置変
動を極力抑える措置が必要となることが分かる。

図５は、画像形成装置の実施の１形態を略示している。
この画像形成装置は「タンデム型フルカラー光プリンタ」である。
装置下部側には、水平方向に配設された給紙カセット３０から給紙される転写紙（図示
されず）を搬送する搬送ベルト３２が設けられている。搬送ベルト３２の上部には、イエ
ローＹ用の感光体７Ｙ、マゼンタＭ用の感光体７Ｍ、シアンＣ用の感光体７Ｃ、及びブラ
ックＫ用の感光体７Ｋが上流側から順に等間隔で配設されている。なお、以下において、
符号中のＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋでイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックを区別する。

感光体７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋは全て同一径に形成され、その周囲に、電子写真プロセ
スに従いプロセス部材が順に配設されている。感光体３Ｙを例に採れば、帯電チャージャ
４０Ｙ、光走査装置５０Ｙ、現像装置６０Ｙ、転写チャージャ３０Ｙ、クリーニング装置
８０Ｙ等が順に配設されている。他の感光体３Ｍ、３Ｃ、３Ｋについても同様である。

即ち、この画像形成装置は、感光体７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋを各色毎に設定された被走
査面とするものであり、各々に対して光走査装置５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｋが１対
１の対応関係で設けられている。

これら光走査装置は、それぞれが図１に示したような光学配置を有するものを独立に用
いることもできるし、例えば、特開２００４−２８００５６号公報等により、従来から知
られたもののように、光偏向器（回転多面鏡）を共用し、各光走査装置における走査光学
系のレンズ６−１を、感光体７Ｍと７Ｙの光走査に共用するとともに、感光体７Ｋ、７Ｃ
の光走査に共有するものとすることもできる。

搬送ベルト３２の周囲には、感光体７Ｙよりも上流側に位置させてレジストローラ９と
、ベルト帯電チャージャ１０が設けられ、感光体７Ｋよりも下流側に位置させてベルト分
離チャージャ１１、除電チャージャ１２、クリーニング装置１３等が設けられている。ベ
ルト分離チャージャ１１よりも搬送方向下流側には定着装置１４が設けられ、排紙トレイ
１５に向けて排紙ローラ１６で結ばれている。

このような構成において、例えば、フルカラーモード時であれば、各感光体７Ｙ、７Ｍ
、７Ｃ、７Ｋに対し、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ各色の画像信号に基づき各光走査装置５０Ｙ、５０
Ｍ、５０Ｃ、５０Ｋによる光走査で静電潜像が形成される。これら静電潜像は対応する色
トナーで現像されてトナー画像となり、搬送ベルト３２上に静電的に吸着されて搬送され
る転写紙上に順次転写されることにより重ね合わせられ、定着装置１４によりフルカラー
画像として定着された後、排紙トレイ１５上に排紙される。

かかる画像形成装置に、実施例で説明した光走査装置を用いることにより、常に安定し
たビームスポット径を得ることができ、高精細な印字に適した画像形成装置をコンパクト
で且つ安価に実現できる。

光走査装置の実施の１形態を説明すための図である。 アナモフィック光学素子を説明するための図である。 実施例の特性を説明するための図である。 パワー回折面を用いない比較例の特性を説明するための図である。 画像形成装置の実施の１形態を説明するための図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ カップリングレンズ
３ アパーチュア
４ アナモフィック光学素子
５ 光偏向器
６ 走査光学系
８ 被走査面

Claims (6)

1. 半導体レーザからの光ビームをカップリングレンズにより、略平行ビームまたは弱い発散性もしくは弱い収束性の光ビームに変換した後、アナモフィック光学素子を介して光偏向器の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像させ、上記光偏向器により偏向された光ビームを、走査光学系により被走査面上に集光させて光スポットを形成し、上記被走査面を光走査する光走査装置であって、
   上記走査光学系は１以上の樹脂製レンズを含み、
   上記アナモフィック光学素子は、片面がアナモフィックな屈折面で、他方の面が主走査方向の軸を持つ楕円形状のパワー回折面を有するアナモフィックな樹脂製レンズであり、
   上記パワー回折面の主走査方向のパワーはアナモフィックな屈折面の主走査方向のパワーと相殺され、
   上記パワー回折面の主走査方向のパワーをＰｍ、カップリングレンズの主走査方向のパワーをＰｃｍとし、上記パワー回折面の副走査方向のパワーをＰｓ、カップリングレンズの副走査方向のパワーをＰｃｓとするとき、上記パワー回折面とカップリングレンズのパワーの比：Ｐｃｍ／Ｐｍ、Ｐｃｓ／Ｐｓが、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とするように設定されたことを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１記載の光走査装置において、
   アナモフィック光学素子は、主走査方向にパワーを持たず、副走査方向に正のパワーを有することを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１または２記載の光走査装置において、
   アナモフィック光学素子の屈折面は、曲率半径の絶対値が、主走査方向において副走査方向におけるよりも大きい面であることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の光走査装置において、
   アナモフィック光学素子のパワー回折面は、平面に形成された楕円形状のパワー回折面であることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の光走査装置において、
   カップリングレンズがガラス製レンズであることを特徴とする光走査装置。
6. 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１以上有する画像形成装置において、
   像担持体の光走査を行う光走査手段として、請求項１〜５の任意の１に記載の光走査装置を１以上用いたことを特徴とする画像形成装置。

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