JP5115351B2 - タンデム型走査光学系 - Google Patents

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本発明は、複数の光源から射出された各光線を光路合成し、偏向走査した後に光路分離して各感光体等の被走査面に導くタンデム型走査光学系に関する。
従来、タンデム型走査光学系の光源光学系は、大別して3種類が知られている。タイプAは、コリメータレンズ毎にシリンドリカルレンズを配置し、シリンドリカルレンズと偏向器との間で光路合成を行うものである。タイプBは、シリンドリカルレンズが1個で、シリンドリカルレンズとコリメータレンズとの間で光路合成を行うものである。タイプCは、シリンドリカルレンズと光路合成手段の両方の機能を有する階段状シリンダミラーを使用するものである。これらの構成において、シリンドリカルレンズと光路合成手段とによって発生するゴースト光(他の光源の光路に入り込む光)について考えると、タイプCでは、透過面がないためゴースト光は発生しない。また、タイプAはシリンドリカルレンズの内面で反射した光束が元の光源に戻った後、被走査面に向かう可能性はあるが、本来の光路から外れないのでゴースト光にはなりにくい。但し、タイプAにおいて、光路合成手段として、ビームスプリッタを使用した場合には、入射面と射出面のどちらでもない面からもビームの一部が射出し、ゴースト光となる場合があり、これを防ぐ手段として、特許文献1のように、ゴースト光が射出される面の近傍に余剰光処理部材を配置することが提案されている。
また、タイプBの場合、複数のビームはシリンドリカルレンズの光軸に対して、異なる高さ(副走査方向)を持って入射するため、シリンドリカルレンズの内面で反射したビームは、副走査方向に角度を持つ。その結果、元の光源とは別の光源に向かった後、その別光源で反射され、その別光源に対応した被走査面に導かれてゴースト光となる可能性がある。また、特許文献2には、タイプBにおいて、シリンドリカルレンズの後ろの凸面で反射し、さらに前の平面で再反射して偏向器に向かう迷光を、シリンドリカルレンズの前の平面を傾斜面とすることで光路から分離するものが提案されている。
特開2005−301252号公報 特許第4027630号公報
これらのタンデム型走査光学系では、偏向器と被走査面との間で光路を分離することが必要である。光路分離位置を調整するために、タイプBの構成では、光路合成手段とシリンドリカルレンズとの間に折り返しミラーを配置し、折り返しミラーを副走査方向に直交する主走査方向の軸(Y軸)周りに回転するものがある。このような場合、折り返しミラーのY軸周りの回転によってシリンドリカルレンズへの入射角度が変わるため、内面反射するゴースト光の反射角度も変わってくる。その結果、本来、ゴースト光が他色の被走査面上に混入しないように設計しても、製造誤差が大きく、また折り返しミラーの回転調整量が大きい場合には、他色の被走査面上にゴースト光が発生することがある。また、複数の光源のうち、シリンドリカルレンズの光軸からの光路高さが大きいもの、すなわち外側の光源は偏向器への副走査方向の斜入射角が大きいので、内面反射後のゴースト光も斜入射角度がより大きくなって光学素子の有効域外に外れやすく、被走査面に届かない。逆に、複数の光源のうち、シリンドリカルレンズの光軸からの光路高さが小さいもの、すなわち内側の光源は偏向器への副走査方向の斜入射角度が小さいので、内面反射後のゴースト光も角度も小さいため他の光源に向かいやすく、他色の被走査面上でゴースト光になりやすい。
また、特許文献2は、シリンドリカルレンズの内面で反射し、光源側に戻るゴースト光への対策ではない。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、シリンドリカルレンズの内面で生じる反射光を効果的に光路外へ導出することで、ゴースト光の他色の被走査面への混入を防止するタンデム型走査光学系を提供することを目的とするものである。
請求項1記載の発明は、一方向に離間した位置関係を有して配置され、光線を射出する複数の光源、前記光源から射出されたそれぞれの光線を平行に変換する光源毎のコリメータレンズ、前記各コリメータレンズを通過した光線を合成する光路合成手段、及び合成された光線を集光させる所定の焦点距離を有するシリンドリカルレンズからなる光源光学系と、前記焦点距離に対応する位置の近傍に反射面を有し、入射される各光線を前記一方向と直交する方向に偏向する偏向器と、偏向された各光線を分離する光路分離手段とを備え、分離された各光線を被走査面に導くタンデム型走査光学系において、前記シリンドリカルレンズは、前記光源側に凸面を有する平凸レンズであり、その光軸は、前記光路合成手段からの入射光線に対して所定角度だけ傾斜されてなることを特徴とするものである。
請求項2記載の発明は、請求項1記載のタンデム型走査光学系において、シリンドリカルレンズは、1個であることを特徴とする。
これらの構成によれば、複数の光源から射出された各光線は、光路合成手段で合成された後、シリンドリカルレンズを経て偏向器に向かわされる。一方、シリンドリカルレンズに入射した光の一部は前面である凸面や後面である平面で内面反射され、光源側に向かう。このとき、前面である凸面で反射した光は、そのまま光路外へ向かうので、無視できる。また、後面である平面で内面反射した光は、シリンドリカルレンズの光軸が光路合成手段からの入射光線に対して所定角度だけ傾斜されているため、アパーチャーの外側に向けられ、すなわち光路外に向けられるため、ゴースト光となることが防止される。反射光の向きとしては、前記した一方向、又はこの一方向に直交する方向、あるいは双方が可能である。
請求項3記載の発明は、請求項1記載のタンデム型走査光学系において、光源光学系は、2組に分割されてなり、各組は少なくとも複数の光源を有し、各組のシリンドリカルレンズの光軸は、対応する組における光路合成手段からの入射光線に対して所定角度だけ傾斜されてなることを特徴とする。この構成によれば、いわゆる両側偏向タイプにも同様に適用可能となる。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載のタンデム型走査光学系において、傾斜角度θzは、θz>α、L>F/2を満たすものであることを特徴する。但し、 θz:前記一方向と直交する方向の軸周りにおける回転角度、α:前記一方向に配置された複数の光源のうち、外側に配置された光源の一方から射出され、前記シリンドリカルレンズを通過した光線の前記一方向に対する出射角度、L:光源及びコリメータレンズの一方の近傍に配置されたアパーチャーからシリンドリカルレンズまでの光軸方向距離、F:シリンドリカルレンズの焦点距離である。この構成によれば、反射光を一方向の光路外に確実に向けることができる。
請求項5記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載のタンデム型走査光学系において、傾斜角度θyは、tan(2・θy)>D/Lを満たすものであることを特徴する。但し、θy:前記一方向の軸周りにおける回転角度、L:光源及びコリメータレンズの一方の近傍に配置された、所定形状の開口を有するアパーチャーからシリンドリカルレンズまでの光軸方向距離、D:アパーチャーの前記一方向に直交する方向の開口寸法。この構成によれば、この構成によれば、反射光を、一方向と直交する方向の光路外に確実に向けることができる。
本発明によれば、シリンドリカルレンズの光軸を光路合成手段からの入射光線に対して所定角度だけ傾斜させたため、反射光をアパーチャーの外側に、すなわち光路外に向け得て、ゴースト光となることを防止できる。また、反射光を光路外へ導く向きとしては、シリンドリカルレンズの光軸に所要の傾斜を設定することで、前記した一方向、又はこの一方向に直交する方向、あるいは双方が可能となる。
図1は、本発明に係るタンデム型走査光学系の第1の実施形態を示す部分斜視図であり、図2は、図1の光学要素を抽出した斜視図であり、図3は、偏向器から下流側の光学系の側面図である。
図1は、タンデム型走査光学系100を収納した筐体100aの内部を示すもので、上部の蓋が省略されている。筐体100a内には、本実施形態では4個の発光ダイオードからなる光源1が配設されている。光源1は、トナー色に対応したイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)及びブラック(K)用の静電潜像を対応する感光体14(図3参照)上に描画するために用いられる。
タンデム型走査光学系100は、主にカラー画像形成装置の露光部として適用される。タンデム型のカラー画像形成装置は公知であり、カラーを表現する、主に4色分の感光体14を備えている。タンデム型走査光学系の4個の光源1は各色の画像データで変調され、変調された光線が走査されつつ、対応する感光体14の表面(被走査面13)に導かれ、かつ感光体14が定速回転されていることで、各色の静電潜像が形成される。そして、各色の静電潜像に、対応する色のトナーが付着され、さらに1枚の記録紙に重ね合わせて転写されることで、カラー画像としてプリントアウトされる。
なお、便宜上、感光体14への光線の走査方向を主走査方向といい、感光体14の回転方向を副走査方向という。図において、X軸は光源の光路方向を示し、Y軸は主走査方向を示し、Z軸は副走査方向を示している。また、各部材の説明において、特に4個のいずれかを特定する必要がある場合には、y、m、c、kの文字を添える。
コリメータレンズ2は、各光源1の射出面に対向して配置され、光源1からの発散光を集光してほぼ平行に変換するレンズである。アパーチャー3は、コリメータレンズ2の近傍、ここでは射出面に配置されている。アパーチャー3は、所定形状、例えば楕円形状の開口(絞り)を有する。光源1からの光線はコリメータレンズ2を経て、アパーチャー3の開口を通過する。
光源1及びコリメータレンズ2は、この実施形態では略環状に配置され、その中央に光路合成手段4が配置されている。各コリメータレンズ2の光軸は、本実施例では、1つを除いて光路合成手段4に向けられている。光路合成手段4は、Z軸方向に3個のミラーを有する。光路合成手段4を構成する3個のミラーは、前記1つを除いたコリメータレンズ2からの3つ光線を、この1つを除いた光線と平行になるように反射させるべく、コリメータレンズ2の各光軸の方向との関係で向きが設定されている。
なお、光源1y、1m、1c、1kは、Z軸方向に対して順次異なる高さ位置に配置されている。ここでは、4個の光源1は、Z軸方向、すなわち図2の高さ方向の上から、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)及びブラック(K)に対応する順で、所定の微少間隔を置いて配列されている。従って、光路合成手段4で合成された4本の光線は、主走査(Y軸)方向では一致している一方、副走査(Z軸)方向には所定の微少ピッチずつ異なっている。
シリンドリカルレンズ5は、光路合成手段4で反射された各光線を、後述する偏向器7の反射面の位置(乃至はその近傍)で結像させるものである。折り返しミラー6は、シリンドリカルレンズ5の光軸方向下流に配置されており、シリンドリカルレンズ5を透過した各光線を偏向器7の反射面に入射するように向けられている。光源1から折り返しミラー6までで光源光学系が構成されている。
偏向器7は、円筒状を有し、その周囲に複数個の反射面が形成された、代表的にはポリゴンミラーである。偏向器7は、図略のモータ等で軸中心に定速回転させられ、反射面に入射された各光線を所定の角速度で主走査(Y軸)方向に偏向するものである。入射光線に対する偏向は、偏向器7の回転に伴い、各反射面で順次繰り返し行われる。走査レンズ8,11は、いわゆるfθレンズとして機能するもので、偏向器7で偏向された光線を平面である被走査面13上で一定速度で走査させるためのものである。光路分離ミラー9は、4本の光線を各光線に分離するもので、分離された各光線は、対応する折り返しミラー10、走査レンズ11、防塵用ガラス12を経て、予め設定されている位置の被走査面13に導かれる。各光線は副走査方向に微少寸法だけ離間しているので、光路分離ミラー9y、9m、9cによる光線分離は、この離間寸法を利用して行われている。なお、ブラック(K)については、前の3色から光路分離されているので、光路分離ミラーは不要である。
次に、図4〜図6を用いて、本発明の特徴部分について説明する。図4、図5は対比用であり、図4は従来の光源光学系のXZ平面上の展開図、図5は従来の他の光源光学系のXZ平面上の展開図である。図6は、本発明に係る光源光学系のXZ平面上の展開図である。
まず、図4において、便宜上、4個の光源1のうち、Z軸(副走査)方向で内側にある2個の光源1m、1cについて示している。シリンドリカルレンズ5と折り返しミラー6は、図1〜図3に示す構成と逆に配置されている。また、折り返しミラー6は、図4中、矢印で示すようにY軸周りに回転可能にされており、光路分離ミラー9への光線入射位置を調整可能にして、各光線の分離を容易にしている。折り返しミラー6のY軸周りでの回転量を調整すると、シリンドリカルレンズ5への入射角度が変わる。そのため、折り返しミラー6の回転量によっては、シリンドリカルレンズ5の内面で反射した後のシアン(C)の光線が、図4中、破線で示すようにコリメータレンズ2mに入射し、さらに、光源1mの光線射出部のガラス表面で反射して、ほぼマゼンタ(M)の光路をたどる可能性がある。その結果、シアン(C)の光の一部は、被走査面13mに混入してゴースト光となる。
次に、図5には、コリメータレンズ2から偏向器7までの光線の光路と、シリンドリカルレンズ5の内面で反射したゴースト光の光路とが、それぞれ矢印を用いて示されている。Z軸方向における外側の光源1y、1kは、それぞれシリンドリカルレンズ5の偏向器7近傍の焦点P1から、Z軸方向に対して、距離Haだけ離間している。光源1y、1kからの各光線は、シリンドリカルレンズ5を通過した後、偏向器7に、その縦断面から見た斜入射角がαとなるように射出され、焦点P1に集光する。なお、斜入射角αは、シリンドリカルレンズ5の焦点距離Fと距離Haとを用いて、Ha=F・tanαとして表される。
一方、シリンドリカルレンズ5の平面側で反射、すなわち内面反射した光線は、シリンドリカルレンズ5の凸面を2度通過することになるため、Z軸方向には焦点P1と同一高さ位置で、光路方向にはシリンドリカルレンズ5から光源1側に、距離F/2となる位置P2(焦点)を通る。そうすると、図5に示すように、反射光は、焦点位置P2を通過して集光された後に発散することで、他の光源1のアパーチャー3内にゴースト光として到達することがある。
図6は、図5に対して、シリンドリカルレンズ5をY軸周りにθzだけ回転させたものである。すなわち、回転角度θzによって、Z軸方向で外側になる2個の光源1y、1kの一方、ここではイエロー(Y)のゴースト光が、光源1yに対応するアパーチャー3yよりも、図6に示すように、外側(高い側)に戻るようにしている。この構成では、ゴースト光の焦点の位置P2’は、光路方向の位置P2とほぼ同じであるが、Z軸方向の位置は、位置P2から距離Ha以上外側に離れた位置に変更されている。従って、イエロー(Y)以外の光源1m、1c、1kからのゴースト光は、位置P2’より、光路方向の光源側において、さらにZ軸方向の外側(高い方向)に向かうこととなる。
そこで、ゴースト光が、上記のように距離Ha以上外側となるZ軸方向に戻るためのシリンドリカルレンズ5の回転角度θzを求める。図5において、ゴースト光のZ軸に対する角度α’は、Ha=(F/2)・tanα’を満たす。従って、2・tanα=tanα’となるが、角度αの値は、数度程度と小さいので、α’=2αと近似できる。そして、角度α’でゴースト光を元の光源1側より外側に帰来させるためには、シリンドリカルレンズ5をY軸周りに回転させたことによるゴースト光の角度変化量をβとするとき、β>α’を満足すればよい。シリンドリカルレンズ5のY軸周りの回転量θzは、β=2・θzであるので、結局、2θz>2α、すなわち、θz>αとなる。具体例として例えば、F=100mm、Ha=6mmの場合、α=3.43°となり、θz>3.43°であればよい。
なお、アパーチャー3yの光路方向の位置は、位置P2より光源1側になるように配置されており、他の光源1m、1c、1kからのゴースト光がアパーチャー3y内に入る可能性をなくしている。但し、他の光源1m、1c、1kのアパーチャー3m、3c、3kの位置は、位置P2よりシリンドリカルレンズ5側にあっても、アパーチャー3m、3c、3k内にゴースト光が入る可能性は低く、また、仮に一部が入ったとしても、ゴースト光のZ軸方向の角度が大きいため、被走査面13上に到達するまでに光路から外れ、ゴースト光になる可能性は低い。
次に、図7は、本発明に係るタンデム型走査光学系の第2の実施形態を示す平面図である。第2の実施形態では、第1の実施形態と異なり、光路合成手段4が光線毎に離間して配置されている。このような構成でも、第1の実施形態と同様、シリンドリカルレンズ5をY軸周りに回転させて、ゴースト光をアパーチャー3内に戻らないようにすることができる。
この第2の実施形態では、シリンドリカルレンズ5をZ軸周りに回転させる構造が設けられている。Z軸周りにシリンドリカルレンズ5を回転させて、ゴースト光をアパーチャー3の主走査方向外側にずらすことで、光源からのゴースト光が、他の光源に入った後、その光源に対応する被走査面13上でゴースト光になるのを防いでいる。
図8は、この第2の実施形態のXY平面での展開図である。4個の光源からの光線は、Z軸方向に離間しているが、一点鎖線で示す(図7も同じ)ように、Y軸方向には全て重なっている。また、シリンドリカルレンズ5は、図7,図8に見られるように、Y軸方向にはパワー(屈折力)を持たない形状を有するものであるため、ゴースト光の光束幅は、アパーチャー3の開口のY軸方向の寸法と同一である。図8において、シリンドリカルレンズ5からコリメータレンズ2側に反射した矢印で示す反射光のように、シリンドリカルレンズ5に最も近いアパーチャー3kにゴースト光が入らないように、シリンドリカルレンズ5の回転量を設定すれば、他の光源1y、1m、1cのアパーチャー3y、3m、3cにも、ゴースト光が入ることはない。シリンドリカルレンズ5のZ軸周りの回転量θyに対して、ゴースト光の射出角は2・θyとなる。従って、複数の光源1のうち、アパーチャー3とシリンドリカルレンズ5の光路方向の距離の最小値L(図7、図8では、アパーチャー3kからシリンドリカルレンズ5までの距離)とすると、tan(2・θy)>D/Fであればよい。
なお、第1、第2の実施形態において、θz、θyが大きくなると、θz=θy=0の場合の偏向器7近傍の焦点P1と、θz、θyが大きい場合の偏向器7近傍の焦点P1との間にずれを発生し、そのままでは、被走査面13上での結像性能に差が生じるという問題がある。このような場合は、偏向器7近傍の焦点P1がずれないように、シリンドリカルレンズ5より光源1側にある任意の部材の配置を光路方向に適宜シフトさせるなどすればよい。
図9は、本発明に係るタンデム型走査光学系の第3の実施形態を示す平面図である。図10は、図9の側面図である。第3の実施形態に示すタンデム型走査光学系は、両側偏向タイプである。すなわち、光源光学系が2組に分割されて左右に配置され、それぞれは、ほぼ同一構成を有している。各組は、2個の光源1と、各光源1に対応するコリメータレンズ2及びアパーチャー3とを有し、その下流側に光路合成手段4、シリンドリカルレンズ5を有する構成である。この実施形態では、折り返しミラー6は必須とはされていない。
各組のシリンドリカルレンズ5を通過した光線は、偏向器7の異なる2つの反射面に対称的に入射されている。偏向器7で偏向された光線は、各組の光線を偏向する反射面に対向して設けられた、走査レンズ8、光路分離ミラー9、折り返しミラー10、走査レンズ11からなる各組の光学部材を経て、予め設定されている被走査面13に導かれる。
各組のシリンドリカルレンズ5は、第2の実施形態と同様、Z軸周りに所定角度だけ回転させられており、これによって対応する組で発生する反射光(図9において、各組のシリンドリカルレンズ5から、同組の光路合成手段4側へ向けて反射した矢印で示す反射光)が、同組の自己及び他のアパーチャー3内に入らないようにされて、ゴースト光とならないようにされている。また、第3の実施形態では、第1、第2の実施形態の片側偏向タイプに比して、1個のシリンドリカルレンズ5に入射する光線の数が少ないので、Z軸方向に配置される光源1の間隔を狭くすることができる。従って、シリンドリカルレンズ5をY軸周りに回転させる角度も、片側偏向タイプより小さい角度で済み、シリンドリカルレンズ5の回転構成も簡易、容易となる。
なお、本発明は、シリンドリカルレンズ5を回転させる機構を採用してもよく、あるいは、角度調整された状態で固定部材を介して筐体等に固定配置される態様であってもよい。前者の場合、後の再調整が容易となる利点がある。
本発明に係るタンデム型走査光学系の第1の実施形態を示す部分斜視図である。 図1の光学要素を抽出した斜視図である。 偏向器から下流側の光学系の側面図である。 従来の光源光学系のXZ平面上の展開図である。 従来の他の光源光学系のXZ平面上の展開図である。 本発明に係る光源光学系のXZ平面上の展開図である。 本発明に係るタンデム型走査光学系の第2の実施形態を示す平面図である。 第2の実施形態のXY平面での展開図である。 本発明に係るタンデム型走査光学系の第3の実施形態を示す平面図である。 図9の側面図である。
符号の説明
1 光源
2 コリメータレンズ
3 アパーチャー
4 光路合成手段
5 シリンドリカルレンズ
7 偏向器
13 被走査面

Claims (5)

  1. 一方向に離間した位置関係を有して配置され、光線を射出する複数の光源、前記光源から射出されたそれぞれの光線を平行に変換する光源毎のコリメータレンズ、前記各コリメータレンズを通過した光線を合成する光路合成手段、及び合成された光線を集光させる所定の焦点距離を有するシリンドリカルレンズからなる光源光学系と、前記焦点距離に対応する位置の近傍に反射面を有し、入射される各光線を前記一方向と直交する方向に偏向する偏向器と、偏向された各光線を分離する光路分離手段とを備え、分離された各光線を被走査面に導くタンデム型走査光学系において、
    前記シリンドリカルレンズは、前記光源側に凸面を有する平凸レンズであり、その光軸は、前記光路合成手段からの入射光線に対して所定角度だけ傾斜されてなることを特徴とするタンデム型走査光学系。
  2. シリンドリカルレンズは、1個であることを特徴とする請求項1記載のタンデム型走査光学系。
  3. 光源光学系は、2組に分割されてなり、各組は少なくとも複数の光源を有し、各組のシリンドリカルレンズの光軸は、対応する組における光路合成手段からの入射光線に対して所定角度だけ傾斜されてなることを特徴とする請求項1記載のタンデム型走査光学系。
  4. 傾斜角度θzは、θz>α、L>F/2を満たすものであることを特徴する請求項1〜3のいずれかに記載のタンデム型走査光学系。
    但し、
    θz:前記一方向と直交する方向の軸周りにおける回転角度
    α:前記一方向に配置された複数の光源のうち、外側に配置された光源の一方から射出され、前記シリンドリカルレンズを通過した光線の前記一方向に対する出射角度
    L:光源及びコリメータレンズの一方の近傍に配置されたアパーチャーからシリンドリカルレンズまでの光軸方向距離
    F:シリンドリカルレンズの焦点距離
  5. 傾斜角度θyは、tan(2・θy)>D/Lを満たすものであることを特徴する請求項1〜3のいずれかに記載のタンデム型走査光学系。
    但し、
    θy:前記一方向の軸周りにおける回転角度
    L:光源及びコリメータレンズの一方の近傍に配置された、所定形状の開口を有するアパーチャーからシリンドリカルレンズまでの光軸方向距離
    D:アパーチャーの前記一方向に直交する方向の開口寸法
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