JP5170171B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置に関し、より特定的には、感光体ドラムに光を照射して静電潜像を形成する光走査装置に関する。

従来の光走査装置としては、例えば、特許文献１に記載のポストオブジェクティブ型光走査光学系（以下、単に光走査光学系と称す）が知られている。該光走査光学系では、ポリゴンミラーが、円筒面又は球面の反射面を有している。これにより、ポリゴンミラーと感光ドラムとの間に設けられるべき走査レンズを省略可能としている。

しかしながら、前記光走査光学系は、ポリゴンミラーの反射面が平面ではないので、製造コストが高くなるという問題を有している。

特開平５−２４１０９４号公報

そこで、本発明の目的は、安価に製造可能な光走査装置を提供することである。

本発明の一形態に係る光走査装置は、被走査面に対してビームを走査する光走査装置であって、ビームを放射する光源と、前記光源が放射したビームを集光する光学系と、複数の反射面からなるポリゴンミラーを有し、かつ、該ポリゴンミラーの回転によって、前記光学系を通過した前記ビームを偏向する偏向手段と、を備えており、前記偏向手段と前記被走査面との間には、前記ビームを集光又は発散させるための光学素子が設けられておらず、前記光学系は、前記被走査面の主走査方向における両端に照射される前記ビームの波面の曲率の平均が、前記被走査面の主走査方向における中央に照射される前記ビームの波面の曲率の平均よりも小さくなる光学特性を有し、該光学系の主走査方向における前記ビームの通過位置によって、異なる球面収差を該ビームに発生させ、前記光学系を通過した前記ビームは、隣り合う３つ以上の前記反射面に対して入射すること、を特徴とする。

本発明によれば、光走査装置を安価に製造できる。

第１の実施形態に係る光走査装置の構成図である。 光走査装置をｙ軸方向から平面視した図である。 光走査装置をｚ軸方向から平面視した図である。 光走査装置をｚ軸方向から平面視した図である。 偏向器及びビームＢを示した図である。 偏向器及びビームＢを示した図である。 偏向器及びビームＢを示した図である。 第１の実施例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の比較例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の比較例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置において、テストパターンを形成したときにおける評価面での光量の分布を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第１の比較例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第１の比較例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の比較例に係る光走査装置おける第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第２の実施例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第２の比較例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第２の比較例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第１の実施例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第２の実施例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第２の実施例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第２の比較例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第２の比較例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第２の実施例に係る光走査装置における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第２の比較例に係る光走査装置おける第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第３の実施例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第３の実施例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第３の実施例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第３の実施例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第３の実施例に係る光走査装置における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第３の実施形態に係る光走査置の構成図である。 第４の実施例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第４の実施例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。 第４の実施例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第４の実施例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。 第４の実施例に係る光走査装置における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。

以下に、本発明の実施形態に係る光走査装置について説明する。

（光走査装置の構成）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る光走査装置について図面を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態に係る光走査装置１０の構成図である。図１において、感光体ドラム２０における主走査方向をｙ軸方向とし、ポリゴンミラーの回転軸が延在する方向をｚ軸方向とし、ｙ軸方向及びｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向とする。図２は、光走査装置１０をｙ軸方向から平面視した図である。

光走査装置１０は、感光体ドラム２０に対してビームＢをｙ軸方向に走査し、図１及び図２に示すように、光源１２、コリメータレンズ１４、自由曲面レンズ１６及び偏向器１８を含んでいる。光源１２は、ビームＢ０を放射し、例えば、レーザダイオードにより構成されている。

コリメータレンズ１４及び自由曲面レンズ１６は、拡散光であるビームＢ０を集光して感光体ドラム２０に結像させる光学系１７を構成している。コリメータレンズ１４は、ガラスの軸対称非球面レンズである。自由曲面レンズ１６は、樹脂の非軸対称レンズである。自由曲面レンズ１６の光源１２側の面は、自由曲面である。自由曲面は、回転対称ではない形状をなしている。より詳細には、自由曲面は、互いの法線が直交している２つの対称面を有している。一方の対称面の法線は、偏向器１８のポリゴンミラーの回転軸と直交している。

偏向器１８は、複数の平面の反射面からなるポリゴンミラーを有し、かつ、ポリゴンミラーの回転によって、コリメータレンズ１４及び自由曲面レンズ１６を通過したビームＢを偏向する。なお、ビームＢとは、ビームＢ０の一部であり、詳細については後述する。

また、偏向器１８と感光体ドラム２０との間には、ビームＢを集光させるレンズやミラー等の光学素子が設けられていない。

感光体ドラム２０は、図示しないモータ等の駆動手段により、所定速度で回転駆動される。そして、ビームＢによる主走査と感光体ドラム２０の回転による副走査にて２次元の静電潜像が形成される。

ところで、光走査装置１０では、以下に説明するように、感光体ドラム２０にビームＢを照射する位置によって、自由曲面レンズ１６を通過してから感光体ドラム２０に入射するまでのビームＢの光路の長さが変化する。図３及び図４は、光走査装置１０をｚ軸方向から平面視した図である。図３では、感光体ドラム２０のｙ軸方向の負方向側の端部にビームＢが照射されている。図４では、感光体ドラム２０のｙ軸方向の中央部にビームＢが照射されている。以下では、ｚ軸方向から平面視したときに、偏向器１８にて偏向されたビームＢとｘ軸とがなす角度を偏向角θと呼ぶ。偏向角θは、反時計回りを正とする。

図３での自由曲面レンズ１６を通過してから感光体ドラム２０に入射するまでのビームＢの光路は、図４での自由曲面レンズ１６を通過してから感光体ドラム２０に入射するまでのビームＢの光路よりも長くなっていることがわかる。このように、光走査装置１０では、感光体ドラム２０にビームＢを照射する位置によって、自由曲面レンズ１６を通過してから感光体ドラム２０に入射するまでのビームＢの光路の長さが変化する。そこで、光走査装置１０は、自由曲面レンズ１６を通過してから感光体ドラム２０に入射するまでのビームＢの光路の長さが変化しても、ビームＢが感光体ドラム２０にて結像する構成を有している。以下に、かかる構成について図面を参照しながら説明する。図５ないし図７は、偏向器１８及びビームＢを示した図である。図５及び図７ではそれぞれ、ビームＢは、感光体ドラム２０のｙ軸方向の負方向側の端部及びｙ軸方向の正方向側の端部を照射している。図６では、ビームＢは、感光体ドラム２０のｙ軸方向の中央部を照射している。

まず、図５ないし図７において、自由曲面レンズ１６を通過したビームをビームＢ０と定義する。また、ビームＢ０の内、偏向器１８のポリゴンミラーの所定の反射面ｍに入射し、反射面ｍにて反射するビームをビームＢと定義する。

図５ないし図７に示すように、光学系１７を通過したビームＢ０は、感光体ドラム２０の走査中には、隣り合う３つ以上の反射面に対して常に入射している。本実施形態では、ビームＢ０は、図５ないし図７に示すように、感光体ドラム２０を走査中に、所定の反射面ｍの主走査方向の全体にわたって入射している。そして、反射面ｍにて反射したビームＢは、感光体ドラム２０をｙ軸方向に走査されている。なお、反射面ｍ以外の反射面にて反射したビームは、遮光部材などにより遮られる。

ビームＢ０が複数の反射面に対して入射することにより、ビームＢが自由曲面レンズ１６を通過する位置が変化する。より具体的には、ビームＢが感光体ドラム２０のｙ軸方向の負方向側の端部を照射しているときには、ビームＢは、自由曲面レンズ１６の図５における上下方向の中央よりも下側の部分を通過している。また、図６に示すように、ビームＢが感光体ドラム２０のｙ軸方向の中央の部分を照射しているときには、ビームＢは、自由曲面レンズ１６の図６における上下方向の中央を通過している。また、図７に示すように、ビームＢが感光体ドラム２０のｙ軸方向の正方向側の端部を照射しているときには、ビームＢは、自由曲面レンズ１６の図７における上下方向の中央よりも上側の部分を通過している。

更に、光走査装置１０では、コリメータレンズ１４及び自由曲面レンズ１６からなる光学系１７は、該光学系１７におけるビームＢの通過位置によって、異なる球面収差をビームＢに発生させる。すなわち、光学系１７は、該光学系１７におけるビームＢの通過位置によって、光学系１７とビームＢが結像する位置との距離が変化する光学特性を有している。より詳細には、光学系１７は、感光体ドラム２０のｙ軸方向における両端に照射されるビームＢの波面の曲率の平均が、感光体ドラム２０のｙ軸方向における中央に照射されるビームＢの波面の曲率の平均よりも小さくなる光学特性を有している。これにより、感光体ドラム２０のｙ軸方向における両端に照射されるビームＢは、光学系１７から相対的に近い位置において結像し、感光体ドラム２０のｙ軸方向における中央に照射されるビームＢは、光学系１７から相対的に遠い位置において結像するようになる。

以上のように、光走査装置１０では、ビームＢ０が複数の反射面に対して入射することにより、感光体ドラム２０にビームＢが照射される位置によって、ビームＢが自由曲面レンズ１６を通過する位置が変化する。そして、自由曲面レンズ１６を含む光学系１７は、ビームＢの通過位置によって、異なる球面収差をビームＢに発生させる。そこで、光学系１７に自由曲面レンズ１６を用いて、該光学系１７を適切な光学特性に設定すればよい。これにより、感光体ドラム２０のｙ軸方向における両端に照射されるビームＢを、光学系１７から相対的に近い位置において結像させ、感光体ドラム２０のｙ軸方向における中央に照射されるビームＢを、光学系１７から相対的に遠い位置において結像させることが可能となる。すなわち、感光体ドラム２０全体においてビームＢを結像させることが可能となる。

また、光走査装置１０では、特許文献１に記載の光走査光学系のように曲面の反射面を有するポリゴンミラーを用いる必要がない。よって、光走査装置１０では、製造コストを低減することが可能である。

（第１の実施例）
以下に、第１の実施形態に係る光走査装置１０の実施例である第１の実施例に係る光走査装置について説明する。第１の実施例に係る光走査装置１０では、光源１２が放射するビームＢ０の波長を７８０ｎｍとする。コリメータレンズ１４のガラスの屈折率を１．５６４とし、自由曲面レンズ１６の樹脂の屈折率を１．５２５とする。また、偏向器１８のポリゴンミラーは、直径１０ｍｍの内接円を有する１２角形をなしている。また、偏向角θは、−２５°〜２５°である。まず、コリメータレンズ１４、自由曲面レンズ１６、偏向器１８のポリゴンミラー及び評価面（感光体ドラム２０）の位置関係を表１に示す。

面番号１とは、コリメータレンズ１４の光源１２側の面である。面番号２とは、コリメータレンズ１４の自由曲面レンズ１６側の面である。面番号３とは、自由曲面レンズ１６のコリメータレンズ１４側の面である。面番号４とは、自由曲面レンズ１６の偏向器１８側の面である。面番号５とは、偏向角θ＝０°でビームＢ０を反射するポリゴンミラーの反射面である。面番号６とは、評価面（感光体ドラム２０）である。ローカル座標原点とは、各面毎の個別の座標系である。

面番号１は球面であり、その曲率は４．３３１２６×１０^-3である。

また、面番号２は軸対称非球面であり、その曲率は−６．６８８６０×１０^-2である。面番号２の形状は以下の式（１）に表され、各係数は表２に示すとおりである。

また、面番号３は自由曲面であり、その形状は以下の式（２）に表され、各係数は表３に示すとおりである。

なお、表１ないし表３に示した係数以外の係数は、全て０である。

面番号３の自由曲面は、ｙ及びｚが偶数の次数である。よって、面番号３の自由曲面は、ｙ軸方向及びｚ軸方向について対称な形状を有している。

以下に、第１の実施例に係る光走査装置１０を用いて行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。なお、第１の比較例に係る光走査装置として、第１の実施例に係る光走査装置１０の光学系１７を軸対称で軸上無収差の集光光学系に置き換えたものを用いた。また、第１の比較例に係る光走査装置では、集光光学系を通過したビームＢは、ポリゴンミラーから２６０ｍｍ離れた位置において結像する。

まず、第１のコンピュータシミュレーションとして、偏向角θと評価面（感光体ドラム２０）でのピーク光量との関係（ビームプロファイル）を第１の実施例に係る光走査装置１０及び第１の比較例に係る光走査装置を用いて計算した。なお、温度変化などによってフォーカスズレが発生したことを想定して、評価面（感光体ドラム２０）をｘ軸方向に−３ｍｍ〜３ｍｍの範囲で１ｍｍずつずらしてシミュレーションを行った。図８は、第１の実施例に係る光走査装置１０における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図９は、第１の比較例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。ピーク光量とは、無収差のときのビームスポットの光量を１としたときのビームスポットの光量である。なお、図８及び図９において、偏向角θが０°〜２５°であるときのピーク光量を計算した。これは、偏向角θが−２５°〜０°であるときのピーク光量は、０°〜２５°であるときのピーク光量と同じであるからである。

図９によれば、第１の比較例に係る光走査装置では、偏向角θが変化すると、ピーク光量が大きく変化していることがわかる。すなわち、軸対称で軸上無収差の集光光学系を用いた場合には、ビームＢの集光状態が大きく悪化する偏向角θが存在していることがわかる。一方、図８によれば、第１の実施例に係る光走査装置１０では、偏向角θが変化してもピーク光量が大きく変化しないことがわかる。すなわち、自由曲面レンズ１６を含む光学系１７を用いることにより、ビームＢの集光状態が大きく悪化する偏向角θがあらわれにくくなることがわかる。

次に、第２のコンピュータシミュレーションとして、偏向角θと評価面（感光体ドラム２０）のデフォーカス量との関係（像面湾曲）を第１の実施例に係る光走査装置１０及び第１の比較例に係る光走査装置を用いて計算した。デフォーカス量とは、ビームＢが評価面（感光体ドラム２０）に結像するようにｘ軸方向に評価面（感光体ドラム２０）を移動させた量である。なお、第１の実施例に係る光走査装置１０を用いて、主光線近傍の像面湾曲及びビームＢ全体の像面湾曲の平均を計算した。主光線とは、ポリゴンミラー１８によって反射されたビームＢの内、描画に用いられる光束の中央付近の光線である。図１０は、第１の比較例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図１１及び図１２は、第１の実施例に係る光走査装置１０における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図１１は、主光線近傍の像面湾曲を示しており、図１２は、ビームＢ全体の像面湾曲の平均を示している。

図１０に示すように、第１の比較例に係る光走査装置では、偏向角θが大きくなるにしたがって、デフォーカス量が大きく減少していることがわかる。すなわち、第１の比較例に係る光走査装置では、ビームＢの照射位置が感光体ドラム２０のｙ軸方向の端部に近づくにしたがって、感光体ドラム２０をｘ軸方向の負方向側に移動させなければ、感光体ドラム２０にビームＢが結像しないことがわかる。

ここで、図１１に示すように、第１の実施例に係る光走査装置１０でも、主光線近傍の像面湾曲では、第１の比較例に係る光走査装置と同様に、偏向角θが大きくなるにしたがって、デフォーカス量が大きく減少していることがわかる。このように、ビームＢの特定の部分（主光線近傍）に着目した場合には、第１の光走査装置１０であっても、感光体ドラム２０のｙ軸方向の端部に近づくにしたがって、感光体ドラム２０をｘ軸方向の負方向側に移動させなければ、感光体ドラム２０にビームＢが結像しないことがわかる。

一方、図１２に示すように、第１の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均は、偏向角θが大きくなっても、デフォーカス量が大きく減少していない。ここで、第１の実施例に係る光走査装置１０では、感光体ドラム２０を走査されるビームＢは、主走査近傍のビームだけではなく、ビームＢ全体である。そして、偏向角θが変化すると、ビームＢが光学系１７を通過する位置も変化する。更に、自由曲面レンズ１６が光学系１７に用いられているので、ビームＢが光学系１７を通過する位置が変化すると、ビームＢに発生する収差も変化する。その結果、図１２に示すように、第１の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均では、偏向角θが大きくなっても、デフォーカス量が大きく減少していない。すなわち、第１の実施例に係る光走査装置１０では、感光体ドラム２０全体において、感光体ドラム２０をｘ軸方向に移動させなくても、感光体ドラム２０にビームＢが結像していることがわかる。

また、図８、図１２、図９及び図１０によれば、第１の実施例に係る光走査装置１０では、第１の比較例に係る光走査装置とは異なり、デフォーカス量の変化とピーク光量の変化とが連動していない。これは、第１の実施例に係る光走査装置１０では、収差量が偏向角θによって異なっていることに起因している。図１２でのデフォーカス量が小さくなるほどにピーク光量が大きくなる傾向と、収差量が大きくなるとピーク光量が下がる傾向とが組み合わさった結果として、図８のようなピーク光量が得られている。

次に、第３のコンピュータシミュレーションとして、偏向角θと縦線コントラスト及び横線コントラストとの関係を第１の実施例に係る光走査装置１０及び第１の比較例に係る光走査装置を用いて計算した。具体的には、第３のコンピュータシミュレーションとして、第１の実施例に係る光走査装置１０及び第１の比較例に係る光走査装置において、偏向角θを変化させながら、６００ｄｐｉで２ドット幅の縦線と２ドット幅の空白とが交互に繰り返されるテストパターンと、６００ｄｐｉで２ドット幅の横線と２ドット幅の空白とが交互に繰り返されるテストパターンとを形成した。そして、偏向角θ毎に縦線コントラスト及び横線コントラストを計算した。

図１３は、第１の実施例に係る光走査装置１０において、テストパターンを形成したときにおける評価面（感光体ドラム２０）での光量の分布を示したグラフである。縦軸は光量を示し、横軸は評価面（感光体ドラム２０）での位置を示している。図１３では、偏向角θを２５°とした。

図１３のグラフにおいて、ベタ画像が形成されるときの光量を１と定義した。図１３に示すように、光量は、０．５を中心として正弦波状に変化している。そして、第３のコンピュータシミュレーションにおいて、図１３の極大値と極小値のとの差をコントラストとして算出した。偏向角θが２５°であるときの縦線コントラスト及び横線コントラストは、それぞれ、０．４２と０．４７である。

図示しないが、偏向角θが２５°以外であるときについても、図１３と同様のグラフを作成した。そして、偏向角θが２５°であるときの縦線コントラスト及び横線コントラストと同様に、他の偏向角θの縦線コントラスト及び横線コントラストを計算した。また、第１の実施例に係る光走査装置１０と同様に、第１の比較例に係る光走査装置においても同様の計算を行った。更に、温度変化などによってフォーカスズレが発生したことを想定して、評価面（感光体ドラム２０）をｘ軸方向に−３ｍｍ〜３ｍｍの範囲で１ｍｍずつずらしてシミュレーションを行った。

図１４は、第１の実施例に係る光走査装置１０の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図１５は、第１の実施例に係る光走査装置１０の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図１６は、第１の比較例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図１７は、第１の比較例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。

図１４ないし図１７によれば、第１の実施例に係る光走査装置１０の方が、第１の比較例に係る光走査装置よりも、偏向角θが変化しても、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくいことがわかる。更に、第１の実施例に係る光走査装置１０の方が、第１の比較例に係る光走査装置よりも、評価面（感光体ドラム２０）を移動させても、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくいことがわかる。このように、第１の実施例に係る光走査装置１０では、図８に示したように、偏向角θが変化しても、ピーク光量が変化しにくいことに加え、図１４及び図１５に示すように、偏向角θが変化しても、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくいことがわかる。このように、第１の実施例に係る光走査装置１０では、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくくなることにより、縦線及び横線の両方を良好な画質で描画できるようになる。

次に、第４のコンピュータシミュレーションとして、偏向角θとビームＢの波面の曲率の平均との関係を第１の実施例に係る光走査装置１０及び第１の比較例に係る光走査装置を用いて計算した。具体的には、第４のコンピュータシミュレーションとして、第１の実施例に係る光走査装置１０及び第１の比較例に係る光走査装置において、偏向器１８のポリゴンミラーの反射面ｍに入射するビームＢの波面の曲率の平均を、偏向角θ毎に計算した。図１８は、第１の実施例に係る光走査装置１０における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図１９は、第１の比較例に係る光走査装置おける第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。縦軸は曲率を示し、横軸は偏向角θを示している。

図１９に示すように、第１の比較例に係る光走査装置では、ビームＢの波面の曲率の平均は、一定である。ビームＢの波面の曲率の平均は、光学系からビームＢが結像する位置までの距離の逆数に相当する。そのため、第１の比較例に係る光走査装置では、評価面（感光体ドラム２０）全体においてビームＢが結像することが困難であることがわかる。

一方、図１８に示すように、第１の実施例に係る光走査装置１０では、ビームＢの波面の曲率の平均は、偏向角θが大きくなるにしたがって減少している。これは、偏向角θが大きくなるにしたがって、光学系１７から遠くの位置においてビームＢが結像することを意味している。そして、光学系１７と評価面（感光体ドラム２０）との距離は、偏向角θが大きくなるにしたがって大きくなる。すなわち、第１の実施例に係る光走査装置１０では、評価面（感光体ドラム２０）の全体においてビームＢを結像させることが可能であることがわかる。よって、第１の実施例に係る光走査装置１０を用いることにより、第１の比較例に係る光走査装置に比べて優れた描画性能を得ることができる。

（第２の実施例）
以下に、第１の実施形態に係る光走査装置１０の実施例である第２の実施例に係る光走査装置１０について説明する。第２の実施例に係る光走査装置１０では、光源１２が放射するビームＢ０の波長を７８０ｎｍとする。コリメータレンズ１４のガラスの屈折率を１．５６４とし、自由曲面レンズ１６の樹脂の屈折率を１．５２５とする。また、偏向器１８のポリゴンミラーは、直径３０ｍｍの内接円を有する２０角形をなしている。また、偏向角θは、−１５°〜１５°である。まず、コリメータレンズ１４、自由曲面レンズ１６、偏向器１８のポリゴンミラー及び評価面（感光体ドラム２０）の位置関係を表４に示す。

面番号１とは、コリメータレンズ１４の光源１２側の面である。面番号２とは、コリメータレンズ１４の自由曲面レンズ１６側の面である。面番号３とは、自由曲面レンズ１６のコリメータレンズ１４側の面である。面番号４とは、自由曲面レンズ１６の偏向器１８側の面である。面番号５とは、偏向角θ＝０°でビームＢ０を反射するポリゴンミラーの反射面である。面番号６とは、評価面（感光体ドラム２０）である。

面番号１は球面であり、その曲率は４．３３１２６×１０^-3である。

また、面番号２は軸対称非球面であり、その曲率は−６．６８８６０×１０^-2である。面番号２の形状は前記式（１）に表され、各係数は前記表２に示すとおりである。

また、面番号３は自由曲面であり、その形状は前記式（２）に表され、各係数は表５に示すとおりである。

なお、表２、表４及び表５に示した係数以外の係数は、全て０である。

以下に、第２の実施例に係る光走査装置１０を用いて行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。なお、第２の比較例に係る光走査装置として、第２の実施例に係る光走査装置１０の光学系１７を軸対称で軸上無収差の集光光学系に置き換えたものを用いた。また、第２の比較例に係る光走査装置では、集光光学系を通過したビームＢは、ポリゴンミラーから４２４ｍｍ離れた位置において結像する。

まず、第１のコンピュータシミュレーションを行った。第１のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図２０は、第２の実施例に係る光走査装置１０における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図２１は、第２の比較例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。なお、図２０及び図２１において、偏向角θが０°〜１５°であるときのピーク光量を計算した。これは、偏向角θが−１５°〜０°であるときのピーク光量は、０°〜１５°であるときのピーク光量と同じであるからである。

図２１によれば、第２の比較例に係る光走査装置では、偏向角θが変化すると、ピーク光量が大きく変化していることがわかる。すなわち、軸対称で軸上無収差の集光光学系を用いた場合には、ビームＢの集光状態が大きく悪化する偏向角θが存在していることがわかる。一方、図２０によれば、第２の実施例に係る光走査装置１０では、偏向角θが変化してもピーク光量が大きく変化しないことがわかる。すなわち、自由曲面レンズ１６を含む光学系１７を用いることにより、ビームＢの集光状態が大きく悪化する偏向角θがあらわれにくくなることがわかる。

次に、第２のコンピュータシミュレーションを行った。第２のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図２２は、第２の比較例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図２３は、第１の実施例に係る光走査装置１０における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図２３は、ビームＢ全体の像面湾曲の平均を示している。

図２２に示すように、第２の比較例に係る光走査装置では、偏向角θが大きくなるにしたがって、デフォーカス量が大きく減少していることがわかる。すなわち、第１の比較例に係る光走査装置では、ビームＢの照射位置が感光体ドラム２０のｙ軸方向の端部に近づくにしたがって、感光体ドラム２０をｘ軸方向の負方向側に移動させなければ、感光体ドラム２０にビームＢが結像しないことがわかる。

一方、図２３に示すように、第２の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均は、偏向角θが大きくなっても、デフォーカス量が大きく減少していない。ここで、偏向角θが変化すると、ビームＢが光学系１７を通過する位置も変化する。更に、自由曲面レンズ１６が光学系１７に用いられているので、ビームＢが光学系１７を通過する位置が変化すると、ビームＢに発生する収差も変化する。その結果、図２３に示すように、第２の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均は、偏向角θが大きくなっても、デフォーカス量が大きく減少していない。すなわち、第２の実施例に係る光走査装置１０では、感光体ドラム２０全体において、感光体ドラム２０をｘ軸方向に移動させなくても、感光体ドラム２０にビームＢが結像していることがわかる。

次に、第３のコンピュータシミュレーションを行った。第３のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図２４は、第２の実施例に係る光走査装置１０の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図２５は、第２の実施例に係る光走査装置１０の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図２６は、第２の比較例に係る光走査装置の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図２７は、第２の比較例に係る光走査装置の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。

図２４ないし図２７によれば、第２の実施例に係る光走査装置１０の方が、第２の比較例に係る光走査装置よりも、偏向角θが変化しても、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくいことがわかる。更に、第２の実施例に係る光走査装置１０の方が、第２の比較例に係る光走査装置よりも、評価面（感光体ドラム２０）を移動させても、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくいことがわかる。このように、第２の実施例に係る光走査装置１０では、図２０に示したように、偏向角θが変化しても、ピーク光量が変化しにくいことに加え、図２４及び図２５に示すように、偏向角θが変化しても、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくいことがわかる。このように、第２の実施例に係る光走査装置１０では、縦線コントラスト及び横線コントラストが変化しにくくなることにより、縦線及び横線の両方を良好な画質で描画できるようになる。

なお、図１４及び図１５と図２４及び図２５とを比較すると、第２の実施例に係る光走査装置１０の方が、第１の実施例に係る光走査装置１０よりも、縦線コントラスト及び横線コントラストの変化が小さい。これは、第１の実施例に係る光走査装置１０の偏向角θが−２５°〜２５°であるのに対して、第２の実施例に係る光走査装置１０の偏向角θが−１５°〜１５°であるからである。

次に、第４のコンピュータシミュレーションを行った。第４のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図２８は、第２の実施例に係る光走査装置１０における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図２９は、第２の比較例に係る光走査装置おける第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。縦軸は曲率を示し、横軸は偏向角θを示している。

図２９に示すように、第２の比較例に係る光走査装置では、ビームＢの波面の曲率の平均は、一定である。ビームＢの波面の曲率の平均は、光学系からビームＢが結像する位置までの距離の逆数に相当する。そのため、第２の比較例に係る光走査装置では、評価面（感光体ドラム２０）全体においてビームＢが結像することが困難であることがわかる。

一方、図２８に示すように、第２の実施例に係る光走査装置１０では、ビームＢの波面の曲率の平均は、偏向角θが大きくなるにしたがって減少している。これは、偏向角θが大きくなるにしたがって、光学系１７から遠くの位置においてビームＢが結像することを意味している。そして、光学系１７と評価面（感光体ドラム２０）との距離は、偏向角θが大きくなるにしたがって大きくなる。すなわち、第２の実施例に係る光走査装置１０では、評価面（感光体ドラム２０）の全体においてビームＢを結像させることが可能であることがわかる。よって、第２の実施例に係る光走査装置１０を用いることにより、第２の比較例に係る光走査装置に比べて優れた描画性能を得ることができる。

（第２の実施形態）
（光走査装置の構成）
以下に、第２の実施形態に係る光走査装置１０の構成について説明する。第２の実施形態に係る光走査装置１０の構成は、第１の実施形態に係る光走査装置１０と同様に、図１に示される。第１の実施形態に係る光走査装置１０と第２の実施形態に係る光走査装置との相違点は、第１の実施形態に係る光走査装置１０では自由曲面レンズ１６が用いられているのに対して、第２の実施形態に係る光走査装置１０では軸対称非球面レンズ１６'が用いられている点である。第２の実施形態に係る光走査装置１０のその他の構成は、第１の実施形態に係る光走査装置１０と同じであるので説明を省略する。

（第３の実施例）
以下に、第２の実施形態に係る光走査装置１０の実施例である第３の実施例に係る光走査装置について説明する。第３の実施例に係る光走査装置１０では、光源１２が放射するビームＢ０の波長を７８０ｎｍとする。コリメータレンズ１４のガラスの屈折率を１．５６４とし、軸対称非球面レンズ１６'の樹脂の屈折率を１．５２５とする。また、偏向器１８のポリゴンミラーは、直径３０ｍｍの内接円を有する２０角形をなしている。また、偏向角θは、−１５°〜１５°である。まず、コリメータレンズ１４、軸対称非球面レンズ１６'、偏向器１８のポリゴンミラー及び評価面（感光体ドラム２０）の位置関係を表６に示す。

面番号１とは、コリメータレンズ１４の光源１２側の面である。面番号２とは、コリメータレンズ１４の軸対称非球面レンズ１６'側の面である。面番号３とは、軸対称非球面レンズ１６'のコリメータレンズ１４側の面である。面番号４とは、軸対称非球面レンズ１６'の偏向器１８側の面である。面番号５とは、偏向角θ＝０°でビームＢ０を反射するポリゴンミラーの反射面である。面番号６とは、評価面（感光体ドラム２０）である。

面番号１は球面であり、その曲率は４．３３１２６×１０^-3である。

また、面番号２は軸対称非球面であり、その曲率は−６．６８８６０×１０^-2である。面番号２の形状は前記式（１）に表され、各係数は前記表２に示すとおりである。

また、面番号３は軸対称非球面であり、その曲率は３．６６９３７×１０^-3である。面番号３の形状は前記式（１）に表され、各係数は表７に示すとおりである。

なお、表６及び表７に示した係数以外の係数は、全て０である。

以下に、第３の実施例に係る光走査装置１０を用いて行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。なお、比較例に係る光走査装置として、第２の比較例に係る光走査装置を用いた。第２の比較例に係る光走査装置については既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。

まず、第１のコンピュータシミュレーションを行った。第１のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図３０は、第３の実施例に係る光走査装置１０における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。第２の比較例に係る光走査装置における第１のコンピュータシミュレーションの結果については、図２１を援用する。なお、図３０において、偏向角θが０°〜１５°であるときのピーク光量を計算した。これは、偏向角θが−１５°〜０°であるときのピーク光量は、０°〜１５°であるときのピーク光量と同じであるからである。

図２１によれば、第２の比較例に係る光走査装置では、偏向角θが変化すると、ピーク光量が大きく変化していることがわかる。すなわち、軸対称で軸上無収差の集光光学系を用いた場合には、ビームＢの集光状態が大きく悪化する偏向角θが存在していることがわかる。一方、図３０によれば、第３の実施例に係る光走査装置１０では、偏向角θが変化しても大きくピーク光量が変化しないことがわかる。すなわち、軸対称非球面レンズ１６'を含む光学系１７を用いても、ビームＢの集光状態が大きく悪化する偏向角θがあらわれにくくなることがわかる。

次に、第２のコンピュータシミュレーションを行った。第２のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図３１は、第３の実施例に係る光走査装置１０における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図３１は、ビームＢ全体の像面湾曲の平均を示している。第２の比較例に係る光走査装置における第２のコンピュータシミュレーションの結果については、図２２を援用する。

図２２に示すように、第２の比較例に係る光走査装置では、偏向角θが大きくなるにしたがって、デフォーカス量が大きく減少していることがわかる。すなわち、第１の比較例に係る光走査装置では、ビームＢの照射位置が感光体ドラム２０のｙ軸方向の端部に近づくにしたがって、感光体ドラム２０をｘ軸方向の負方向側に移動させなければ、感光体ドラム２０にビームＢが結像しないことがわかる。

一方、図３１に示すように、第３の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均は、主像面では、偏向角θが大きくなっても、デフォーカス量が大きく減少していない。ここで、偏向角θが変化すると、ビームＢが光学系１７を通過する位置も変化する。更に、軸対称非球面レンズ１６'が光学系１７に用いられているので、ビームＢが光学系１７を通過する位置が変化すると、ビームＢに発生する収差も変化する。その結果、図３１に示すように、第３の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均は、主像面では、偏向角θが大きくなっても、デフォーカス量が大きく減少していない。すなわち、第３の実施例に係る光走査装置１０では、感光体ドラム２０全体において、感光体ドラム２０をｘ軸方向に移動させなくても、主像面において、感光体ドラム２０にビームＢが結像していることがわかる。

ただし、軸対称非球面レンズ１６'では、面番号３が軸対称な構造を有している。そのため、軸対称非球面レンズ１６'をビームＢが通過する位置が主走査方向において変化した場合にビームＢに発生する収差の変化は、軸対称非球面レンズ１６'をビームＢが通過する位置が副走査方向において変化した場合にビームＢに発生する収差の変化と同じになる。すなわち、軸対称非球面レンズ１６'では、主像面における像面湾曲と副像面における像面湾曲とを独立して制御することができない。そのため、図３１に示すように、第３の実施例に係る光走査装置１０において、ビームＢ全体の像面湾曲の平均は、副像面では、偏向角θが大きくなると、デフォーカス量が大きく減少する。すなわち、第３の実施例に係る光走査装置１０では、感光体ドラム２０全体において、感光体ドラム２０をｘ軸方向に移動させなければ、副像面において、感光体ドラム２０にビームＢが結像しにくいことがわかる。以上より、第３の実施例に係る光走査装置１０は、第２の比較例に係る光走査装置１０に比べて、感光体ドラム２０の全体においてビームＢを良好に集光させることができる。しかしながら、第３の実施例に係る光走査装置１０は、第１の実施例に係る光走査装置１０及び第２の実施例に係る光走査装置１０に比べて、感光体ドラム２０の全体においてビームＢを良好に集光させることができない。ただし、軸対称非球面レンズ１６'は、自由曲面レンズ１６に比べて安価に製造できる。そのため、第３の実施例に係る光走査装置１０は、第１の実施例に係る光走査装置１０及び第２の実施例に係る光走査装置１０に比べて、安価に製造可能である。

次に、第３のコンピュータシミュレーションを行った。第３のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図３２は、第３の実施例に係る光走査装置１０の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図３３は、第３の実施例に係る光走査装置１０の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。

図３２によれば、第３の実施例に係る光走査装置１０では、第２の比較例に係る光走査装置に比べて、偏向角θが変化しても、縦線コントラストが変化しにくいことがわかる。しかしながら、第３の実施例に係る光走査装置１０では、第２の比較例に係る光走査装置と同様に、偏向角θが変化すると、横線コントラストが変化している。これは、第３の実施例に係る光走査装置１０では、軸対称非球面レンズ１６'が用いられているためである。このように、第３の実施例に係る光走査装置１０では、縦線コントラストが変化しにくくなることにより、縦線を良好な画質で描画できるようになる。

次に、第４のコンピュータシミュレーションを行った。第４のコンピュータシミュレーションについては既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。図３４は、第３の実施例に係る光走査装置１０における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。縦軸は曲率を示し、横軸は偏向角θを示している。

図３４に示すように、第３の実施例に係る光走査装置１０では、主走査方向におけるビームＢの波面の曲率の平均は、偏向角θが大きくなるにしたがって減少している。これは、偏向角θが大きくなるにしたがって、光学系１７から遠くの位置においてビームＢが主走査方向に結像することを意味している。そして、光学系１７と評価面（感光体ドラム２０）との距離は、偏向角θが大きくなるにしたがって大きくなる。すなわち、第３の実施例に係る光走査装置１０では、評価面（感光体ドラム２０）の全体においてビームＢを主走査方向に結像させることが可能であることがわかる。よって、第３の実施例に係る光走査装置１０を用いることにより、第２の比較例に係る光走査装置に比べて優れた描画性能を得ることができる。

ただし、第３の実施例に係る光走査装置１０では、副走査方向におけるビームＢの波面の曲率の平均は、偏向角θが大きくなっても減少していない。これは、第３の実施例に係る光走査装置１０では、軸対称非球面レンズ１６'が用いられているためである。

（第３の実施形態）
（光走査装置の構成）
以下に、第３の実施形態に係る光走査装置１０の構成について説明する。図３５は、第３の実施形態に係る光走査装置１０の構成図である。

第２の実施形態に係る光走査装置１０と第３の実施形態に係る光走査装置１０との相違点は、第２の実施形態に係る光走査装置１０ではコリメータレンズ１４及び軸対称非球面レンズ１６'が設けられているのに対して、第２の実施形態に係る光走査装置１０では軸対称非球面レンズ１５のみが用いられている点である。すなわち、第３の実施形態に係る光走査装置１０の軸対称非球面レンズ１５は、第２の実施形態に係る光走査装置のコリメータレンズ１４及び軸対称非球面レンズ１６'として機能する。第３の実施形態に係る光走査装置１０のその他の構成は、第２の実施形態に係る光走査装置１０と同じであるので説明を省略する。以下に、第３の実施形態に係る光走査装置１０の実施例である第４の実施例に係る光走査装置について説明する。

（第４の実施例）
以下に、第３の実施形態に係る光走査装置１０の実施例である第４の実施例に係る光走査装置について説明する。第４の実施例に係る光走査装置１０では、光源１２が放射するビームＢ０の波長を７８０ｎｍとする。軸対称非球面レンズ１５のガラスの屈折率を１．５６４とする。また、偏向器１８のポリゴンミラーは、直径３０ｍｍの内接円を有する２０角形をなしている。また、偏向角θは、−１５°〜１５°である。まず、軸対称非球面レンズ１５、偏向器１８のポリゴンミラー及び評価面（感光体ドラム２０）の位置関係を表８に示す。

面番号１とは、軸対称非球面レンズ１５の光源１２側の面である。面番号２とは、軸対称非球面レンズ１５の偏向器１８側の面である。面番号３とは、偏向角θ＝０°でビームＢ０を反射するポリゴンミラーの反射面である。面番号４とは、評価面（感光体ドラム２０）である。

面番号１は球面であり、その曲率は４．３３１２６×１０^-3である。

また、面番号２は軸対称非球面であり、その曲率は−７．０１８３４×１０^-2である。面番号２の形状は前記式（１）に表され、各係数は表９に示すとおりである。

なお、表８及び表９に示した係数以外の係数は、全て０である。

以下に、第４の実施例に係る光走査装置１０を用いて行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。なお、比較例に係る光走査装置として、第２の比較例に係る光走査装置を用いた。第２の比較例に係る光走査装置については既に説明を行ったので詳細な説明を省略する。

第４の実施例に係る光走査装置１０を用いて、第１のコンピュータシミュレーションないし第４のコンピュータシミュレーションを行った。図３６は、第４の実施例に係る光走査装置１０における第１のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図３７は、第４の実施例に係る光走査装置１０における第２のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。図３８は、第４の実施例に係る光走査装置１０の縦線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図３９は、第４の実施例に係る光走査装置１０の横線コントラストと偏向角θとの関係を示したグラフである。図４０は、第４の実施例に係る光走査装置１０における第４のコンピュータシミュレーションの結果を示したグラフである。

図３６ないし図４０によれば、第４の実施例に係る光走査装置１０では、第１のコンピュータシミュレーションないし第４のコンピュータシミュレーションにおいて、第３の実施例に係る光走査装置１０と同様の結果が得られていることがわかる。

本発明は、光走査装置に有用であり、特に、安価に製造できる点において優れている。

１０ 光走査装置
１２ 光源
１４ コリメータレンズ
１５，１６’ 軸対称非球面レンズ
１６ 自由曲面レンズ
１７ 光学系
１８ 偏向器
２０ 感光体ドラム

Claims (5)

1. 被走査面に対してビームを走査する光走査装置であって、
   ビームを放射する光源と、
   前記光源が放射したビームを集光する光学系と、
   複数の反射面からなるポリゴンミラーを有し、かつ、該ポリゴンミラーの回転によって、前記光学系を通過した前記ビームを偏向する偏向手段と、
   を備えており、
   前記偏向手段と前記被走査面との間には、前記ビームを集光又は発散させるための光学素子が設けられておらず、
   前記光学系は、前記被走査面の主走査方向における両端に照射される前記ビームの波面の曲率の平均が、前記被走査面の主走査方向における中央に照射される前記ビームの波面の曲率の平均よりも小さくなる光学特性を有し、該光学系の主走査方向における前記ビームの通過位置によって、異なる球面収差を該ビームに発生させ、
   前記光学系を通過した前記ビームは、隣り合う３つ以上の前記反射面に対して入射すること、
   を特徴とする光走査装置。
2. 前記ビームは、前記被走査面を走査中に、少なくとも１つの前記反射面の主走査方向の全体にわたって入射していること、
   を特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記反射面は、平面であること、
   を特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記光学系は、回転対称でない形状を有する光学素子を含んでいること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
5. 前記光学素子は、互いの法線が直交している２つの対称面を有しており、
   一方の前記対称面の法線は、前記ポリゴンミラーの回転軸と直交していること、
   を特徴とする請求項４に記載の光走査装置。

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