JP5332087B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
そこで、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ことが行われているが、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。
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ており、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面ずつ回折面を設けた光走査装置」が開示されている。ここで、上記の「回折面」とは、回折によるレンズパワーを持つ回折面である。
本発明の第1の手段は、複数の発光部からの光ビームを光偏向器に導光する第1の光学素子と、前記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、前記被走査面を光走査する第2の光学素子と、を備えた光走査装置において、前記第1、第2の光学素子の1以上は樹脂製レンズを含み、該樹脂製レンズの少なくとも1つは回折面を有しており、前記回折面の面形状は、階段構造でかつほぼノンパワーとなっていることを特徴とする。
また、本発明の第3の手段は、第1または第2の手段の光走査装置において、前記回折面は、発光部における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ていることを特徴とする。
また、本発明の第5の手段は、第4の手段の光走査装置において、前記第1の光学素子は、主走査方向にノンパワーであり、副走査方向に正のパワーを有するレンズであることを特徴とする。
さらに本発明の第6の手段は、第4または第5の手段の光走査装置において、前記第1の光学素子は、射出面側に回折面を有していることを特徴とする。
また、本発明の第8の手段は、第1乃至第7のいずれか1つの手段の光走査装置において、前記複数の発光部は、1つの半導体レーザに複数の発光部を有する半導体レーザアレイであり、該半導体レーザアレイに対応して設けられたカップリング用光学素子としてのガラス製のカップリングレンズを有していることを特徴とする。
また、本発明の第10の手段は、第9の手段の光走査装置において、前記カップリングレンズの回折面は、回転対称な階段構造であることを特徴とする。
また、本発明の第12の手段は、第10または第11の手段の光走査装置において、前記カップリング用光学素子の回折面と反対側の面は、回転対称な非球面であることを特徴とする。
本発明の光走査装置は「複数の発光部からの光ビームを光偏向器に導光する第1の光学素子と、該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、前記被走査面を光走査する第2の光学素子と、を備えた光走査装置」であり、以下のごとき特徴を有する。
即ち、第1、第2の光学素子の1以上は樹脂製レンズを含む。また、「該樹脂製レンズの少なくとも1つは回折面を有しており、前記回折面の面形状は、階段構造でかつほぼノンパワーとなって」いる。
そして、この回折面は、半導体レーザにおける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。ここで、「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る。
また、この光走査装置において「第1の光学素子は、主走査方向にノンパワーであり、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。
さらに、この光走査装置において、「第1の光学素子は、射出面側に回折面を有して」いることが好ましい。
尚、上記「第1の光学素子のパワー」は、屈折面によるパワーと回折面によるパワーとを合成したパワーである。
もし、発光部に半導体レーザアレイを使用する場合には、「半導体レーザアレイに対応して設けられたカップリング用光学素子としてのカップリングレンズ」はガラス製であることが好ましい。
このとき、「上記カップリング用光学素子は、入射面側に回折面を有して」いることが好ましい。
さらに上記の構成の光走査装置において、「上記カップリング用光学素子の回折面と反対側の面は回転対称な非球面」であることが好ましい。
また、本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」であり、像担持体の光走査を行う光走査手段として、上述の構成の光走査装置を1以上用いたことを特徴としている。
「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。
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、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、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、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、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: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: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。
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することができる。
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。
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、回折面の「回折部」に与えるパワーを適切に設定する必要がある。回折面の「回折部」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。
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、散乱光の発生やビームスポット径太りの発生も殆どない。
図1は、本発明の一実施例を示す図であって、光走査装置の光学系の配置例を示している。符号1は光源部、符号2は光源部1に一体に組み込まれたカップリング光学素子(例えばカップリングレンズ)、符号3はアパーチュア、符号4は第1の光学素子としてのアナモフィック光学素子、符号5は光偏向器であるポリゴンスキャナのポリゴンミラー(回転多面鏡)、符号6は第2の光学素子としての走査レンズ、符号7は被走査面をそれぞれ示している。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。
走査レンズ6は、1枚のレンズにより構成され、この走査レンズ6を透過した光ビームは防塵ガラスG2を介して被走査面7に入射し、走査レンズ6の作用により被走査面7上に光スポットを形成する。
走査レンズ6は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5の面倒れを補正している。被走査面7は、実体的には「感光性媒体からなる像担持体の感光面」である。
また、上記の組み付けの際に、カップリングレンズ2−1、2−2の光軸に対する光源1−1、1−2の発光部の位置関係の調整により、ビーム合成された2ビームは互いに副走査方向に微小角をなしている。
また、図5において、半導体レーザアレイではなくVCSELを用いた場合は、各発光点から放射される光ビームの波長ばらつきは殆どないため、カップリングレンズを樹脂製回折光学素子にすることが可能である。
以下、上記の構成例に関するより具体的な実施例を挙げる。
尚、以下に示す実施例の効果そのものは、図2〜図5で説明した光源部の構成によらないので、議論を簡単にするためにシングルビームの光源として説明する。
この実施例において用いるガラス材料(ガラス1と称する)および樹脂材料(樹脂1と称する)のデータを下記の表1に示す。
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、走査レンズ6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42.99mm離れ、主走査方向(y方向、図1の上下方向)に6.91mm離れている。
走査レンズ6の各面は非球面であり、各面ともに主走査方向には「下記の式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「下記の式2に従って変化」する特殊面である。
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。
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。
カップリングレンズ1は「片面が階段形状の同心円状の回折面、他方の面は回転対称非球面を有する樹脂製レンズ」である。
図6はカップリングレンズ2の形状を説明図的に示しており、図6(a)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6(a)において符号2によりカップリングレンズを示す部分は光軸方向から見た状態であり、図6(b)はカップリングレンズの断面を示している。このカップリングレンズ2の片側の面には図示の如く「階段形状に構成された同心円状の溝の集合」による「同心円状の回折面」が形成されており、他方の面には図示の如く「回転対称非球面形状の屈折面」が形成されている。
回折面のパワーは、光源部(発光部:半導体レーザ)1における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。
「光源」
光源部1に用いる半導体レーザ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2は、上述したような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る。カップリングレンズ2の片側の面には非球面が用いられ、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、出来上がった回折面は階段形状となる。
また、カップリングレンズ2の射出面の屈折面は、回転対称非球面であり、「下記の式3で与えられる非円弧形状」である。
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A1、A2、A3、A4、A5、・・・、光軸方向のデプス:Xとして、次の式3で表される。
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をビーム整形する。
第1の光学素子であるアナモフィック光学素子4は、入射側面が「平面に形成された直線状の回折面」で、射出側面は「平面」を形成したものである。
アナモフィック光学素子4の入射面の回折面は、位相関数:win
win=Cz・Z2
で表されるものである。係数:Czは、
Cz=−1.3287×10−2
である。
光偏向器のポリゴンミラー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はガラス1を材質とし、厚さ:1.9mmで、上記y方向(図1の上下方向)からの傾き角: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と、偏向反射面により「被走査面7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68度である。
例えば、実施例1のアナモフィック光学素子4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の加工誤差を有したとする。この加工誤差はアナモフィック光学素子4のパワーを大きく変動させ、そのまま光走査装置に搭載させると光ビームの集光点は被走査面7から大きくずれてしまい、ビームスポット径が大きくなってしまう(図9にデフォーカスとビームスポット径との関係を示す)。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4を光軸方向に変移させれば吸収することができる。
尚、この方式の前提として、アナモフィック光学素子4に加工誤差があっても、所望の回折効果が得られなければならない。しかし、溝間隔に2μm、4μm、6μmの加工誤差があったとしても、設計中央値と全くかわらない回折効果が期待できる。
次に別の実施例について示す。光学系の各要素は以下の如くである。
「光源」
光源部1に用いる半導体レーザ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2は、実施例1で述べたような回折面を有する樹脂製レンズであり、焦点距離:12.5mm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る。カップリングレンズ2の片側の面には非球面が用いられ、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=5.415×10−2
である。この回折部は、曲率半径−9.2342mmの球面を構成している屈折部に形成される。そのため、出来上がった回折面は階段形状となる。
カップリングレンズ2の射出側面の係数を下記の表8に示す。
アパーチュア3は、主走査方向の開口径:2.78mm、副走査方向の開口径:2.4mm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「階段形状の直線状の回折面」で、射出側面は「シリンダー面」を形成したものである。
アナモフィック光学素子4の入射面の回折面は、位相関数:win
win=CZ・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:Czは、
Cz=2.829×10−2
である。この回折部は、曲率半径17.675mmのシリンダー面を構成している屈折部に形成される。そのため、出来上がった回折面は階段形状となる。また、射出面の屈折面は、曲率半径19.723mmのシリンダー面である。
光偏向器のポリゴンミラー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68度である。
図10は、画像形成装置の一実施例を示す概略構成図である。この画像形成装置は「タンデム型のフルカラー光プリンタ」である。
図10において、装置下部側には、水平方向に配設された給紙カセット60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41が設けられている。この搬送ベルト41は複数のローラ42,43に張架されており、搬送ベルト41の上部には、像担持体であるイエロー(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が搬送方向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。
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20Y、20M、20C、20Kが1対1の対応関係で設けられている。
1−1,1−2:光源(半導体レーザ)
2,2−1,2−2:カップリングレンズ(カップリング光学素子)
3,3−1,3−2:アパーチュア
4:アナモフィック光学素子(第1の光学素子)
5:ポリゴンミラー(光偏向器)
6:走査レンズ(第2の光学素子)
7:被走査面
7Y,7M,7C,7K:感光体(像担持体)
10Y,10M,10C,10K:帯電チャージャ
20Y,20M,20C,20K:光走査装置
30Y,30M,30C,30K:現像装置
40Y,40M,40C,40K:転写チャージャ
41:搬送ベルト
42,43:ローラ
44:ベルト帯電チャージャ
45:ベルト分離チャージャ
46:除電チャージャ
47:ベルトクリーニング装置
50Y,50M,50C,50K:クリーニング装置
60:給紙カセット
61:給紙ローラ
62:レジストローラ
63:定着装置
64:排紙ローラ
65:排紙トレイ
101−1,101−2:LDベース(保持部材)
102:フランジ
103:ビーム合成プリズム
103a:偏光分離膜
103b:1/2波長板
104:ホルダ
201:LDベース
202:ホルダ
203:ネジ
204:ハウジングのフレーム
G1:防音ガラス
G2:防塵ガラス
Claims (14)
- 複数の発光部からの光ビームを光偏向器に導光する第1の光学素子と、
前記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、前記被走査面を光走査する第2の光学素子と、
を備えた光走査装置において、
前記第1、第2の光学素子の1以上は樹脂製レンズを含み、
該樹脂製レンズの少なくとも1つは回折面を有しており、
前記回折面の面形状は、階段構造でかつほぼノンパワー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、
前記回折面を備える樹脂レンズでは、前記回折面を有する面において回折部と屈折部のパワーは絶対値が等しく、異符号であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1または2記載の光走査装置において、
前記回折面は、発光部における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ていることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光走査装置において、
前記回折面は前記第1の光学素子に採用されており、線対称な階段構造であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項4記載の光走査装置において、
前記第1の光学素子は、主走査方向にノンパワーであり、副走査方向に正のパワーを有するレンズであることを特徴とする光走査装置。 - 請求項4または5記載の光走査装置において、
前記第1の光学素子は、射出面側に回折面を有していることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光走査装置において、
前記第1の光学素子は、光軸方向に沿って調整可能であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光走査装置において、
前記複数の発光部は、1つの半導体レーザに複数の発光部を有する半導体レーザアレイであり、該半導体レーザアレイに対応して設けられたカップリング用光学素子としてのガラス製のカップリングレンズを有していることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光走査装置において、
前記複数の発光部は、複数の半導体レーザを組み合わせて構成されており、該半導体レーザの各々に対応して設けられたカップリング用光学素子としての樹脂製カップリングレンズを有しており、更に該カップリングレンズの少なくとも1面は回折面を有していることを特徴とする光走査装置。 - 請求項9記載の光走査装置において、
前記カップリングレンズの回折面は、回転対称な階段構造であることを特徴とする光走査装置。 - 請求項10記載の光走査装置において、
前記カップリング用光学素子は、入射面側に回折面を有していることを特徴とする光走査装置。 - 請求項10または11記載の光走査装置において、
前記カップリング用光学素子の回折面と反対側の面は、回転対称な非球面であることを特徴とする光走査装置。 - 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、該潜像を現像手段で可視像化して画像を得る画像形成装置において、
前記像担持体の光走査を行う光走査手段として、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。 - 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、該潜像を現像手段で可視像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、
前記像担持体の光走査を行う光走査手段として、請求項1乃至12のいずれか1項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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