JP5705151B2 - 光走査装置、画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射面に入射する光を前記反射面の回動により予め定められた走査面上に走査させる偏向器を備えた光走査装置及び画像形成装置に関するものである。

従来から、電子写真方式のプリンター、複写機、ファクシミリ装置、及び複合機などの画像形成装置は、光源から照射された光を感光体上に走査させる光走査装置（ＬＳＵ）を備える。
この種の光走査装置において、偏向器として反射面の等速回転により光を走査させるポリゴンミラーを用いる場合には感光体上における光の走査速度を等速にすることができる。一方、偏向器として反射面の往復揺動により光を走査させるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと称される正弦揺動ミラーを用いる場合には感光体上における主走査方向の光の走査速度が正弦波形を描いて変化することになる。そのため、ＭＥＭＳミラーを用いた光走査装置では、感光体上における光の走査速度を等速に変換するため逆正弦特性を有するアークサインレンズが走査レンズとして用いられる（特許文献１、２参照）。

なお、従来から、ＭＥＭＳミラーを用いる光走査装置では、ＭＥＭＳミラーに対して副走査方向に所定角度だけ傾斜した位置から光を照射させる斜入射方式が採用されることがある（例えば特許文献１参照）。
この斜入射方式が採用された光走査装置では、ＭＥＭＳミラーのミラー面積を小さくすることができるが、感光体ドラムなどの走査面上に走査される光の走査線に湾曲が生じることが問題となる。そのため、例えば特許文献１では、走査レンズを副走査方向に偏心させて、光束をレンズ頂点から大きく離れた位置に通すことにより、走査湾曲を低減することが提案されている。

ところで、アークサインレンズを用いると、感光体上における光の走査範囲の中心（以下「像高中心」という）からその走査範囲の端部（以下「像高端部」という）にかけてビーム径が増大する（特許文献２参照）。
具体的に、像高中心からの距離（像高）をＹ、焦点距離をｆ、偏向角をθとしたとき、像高中心に対するビーム径変化率η（Ｙ）は以下の（１１）式で表される。なお、ｙ＝ｆθ_ｍａｘ・ａｒｃｓｉｎ（θ／θ_ｍａｘ）で表される。

例えば、ｆ＝１８０［ｍｍ］、θｍａｘ＝５０［°］、Ｙ＝１１０［ｍｍ］の場合は、ビーム径変化率η（Ｙ）＝１．３０７８となる（図７に示す比較例）。
これに対し、例えば特許文献２では、透光性液体及び遮光性液体を有する液体レンズに印加する電圧を像高毎に制御してアパーチャー径を変化させることによりビーム径を均一化することが記載されている。

特開２００６−１２６５３４号公報 特開２００９−２５３３９号公報

しかしながら、前記特許文献２に開示された技術では、前記液体レンズを用いることによる大型化やコスト高が問題となる。
従って、本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、走査光学系にアークサインレンズ等を用いる場合に生じるビーム径の像高による差異を極力簡素な構成で緩和することのできる光走査装置及び画像形成装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明は、反射面に入射する光を前記反射面の回動により予め定められた走査面上に走査させる偏向器と、前記偏向器による前記走査面上における光の走査速度を等速に変換する走査光学系と、前記偏向器の反射面に対して副走査方向に予め定められた角度傾斜した位置から光を入射させる入射光学系と、を備えてなる光走査装置である。そして、前記走査光学系は、副走査方向をｘ軸、主走査方向をｙ軸、前記ｘ軸及び前記ｙ軸に垂直な方向をｚ軸としたとき、ｚｘ平面に投影される前記偏向器から前記走査面までの光路長を像高端部から像高中心に向けて長くするものである。
このように構成された前記光走査装置では、前記光路長が像高端部から像高中心に向けて長くなり、前記走査光学系における像高中心の焦点距離が像高端部の焦点距離よりも長くなる。ここで、前記走査光学系では、焦点距離が長いほど収束角が小さくなりビーム径が増大する。従って、本発明によれば、前記走査光学系における像高中心の収束角が像高端部の収束角よりも小さくなって像高中心のビーム径が像高端部のビーム径に近づくため、前記走査光学系を用いた場合に生じる像高によるビーム径の差異を緩和することができる。そして、このような構成は、前記走査光学系のレンズの面形状や配置状態などを調整することにより簡素な構成で実現可能である。

具体的に、前記走査光学系は、子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲した屈折面を有する一又は複数の走査レンズを含むものであることが考えられる。そして、前記走査レンズは、前記屈折面における前記母線と入射光との離間距離が像高端部から像高中心に向けて長くなるように前記ｚｘ平面において前記走査レンズの光軸が前記ｚ軸に対して予め定められた角度傾斜した状態で配置される。
このような構成によれば、前記屈折面における前記母線と入射光との離間距離が像高端部から像高中心に向けて長くなり、前記ｚｘ平面に投影される前記偏向器から前記走査面までの光路長を像高端部から像高中心に向けて長くすることができる。
このとき、前記走査レンズは、前記ｚｘ平面において像高端部における前記母線の接線と入射光とが垂直に交わるものであることが考えられる。これにより、前記屈折面における前記入射光が前記母線に極力近い位置に入射されるため結像性能の低下を抑制することができる。

また、前記走査レンズは、前記ｚｘ平面に平行な平面による断面形状が楕円の円弧であると共に前記楕円の円弧における前記走査レンズの光軸方向の極値が前記母線上にあり、且つ前記母線を前記走査レンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧状であることが考えられる。これにより、前記走査レンズの面形状が特定されるため、前記走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる。例えば、前記走査レンズ及び前記光走査装置の開発コストを低減させることができる。

具体的に、前記屈折面の光軸が前記ｚ軸上に配置された状態において、前記母線をｙｚ平面に投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記投影母線に垂直な平面による断面形状の円弧曲線をｒ_ｓ、ｚｘ平面による断面形状の楕円曲線をｒ_ｌとしたとき、前記ｚｘ平面による前記屈折面の断面形状ｚは、下記（１）式で表される楕円の円弧であることが望ましい。


ここに、断面形状ｚは前記屈折面の面頂点（ｘ＝０、ｙ＝０）でｚ＝０としたときのｚ軸方向への変位量、Ｋは円錐係数、ｙは光軸からの距離（像高）、Ｒｙは主走査断面における曲率半径、Ｒ_０は副走査断面における曲率半径、Ａ_２ｉは非球面係数、Ｂ_２ｉ、Ｄ_２ｉは光路差関数の係数である。
これにより、前記屈折面の面形状が数式で定義されるため、例えば光学ソフト等を用いて前記屈折面の面形状を自動設計させることができる。

また、前記走査レンズは、前記母線を前記走査レンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧であると共に前記円弧における前記走査レンズの光軸方向の極値が前記母線上にあり、且つ前記ｚｘ平面に平行な平面による断面形状が楕円の円弧状であってもよい。この場合も前記走査レンズの面形状が特定されるため、前記走査レンズの面形状の検証を容易に行うことができる。

さらに、一又は複数の前記走査レンズが有する屈折面のうち少なくとも一つの屈折面は、主走査方向の各位置において、前記母線の傾きと前記屈折面に入射する偏向光のビームの傾きとが一致するものであることが望ましい。これにより、前記偏向光のビームの短軸の方向と前記屈折面の光学的パワーの方向とを一致させることができ、前記走査光学系による結像性能の低下を抑制しつつ走査湾曲を低減することができる。

前記光走査装置の具体的構成として、前記偏向器は、前記反射面の往復揺動により光を非等角速度で前記走査面上に走査させる反射ミラーであって、前記走査レンズは、前記反射面で反射・偏向された光を前記走査面上で等速走査させる特性をもったレンズであることが考えられる。例えば、前記偏向器は、光を正弦波形の走査速度で前記走査面上に走査させる反射ミラーであり、前記走査レンズは、逆正弦特性を有する一又は複数のレンズであることが考えられる。このような構成では、前記偏向器による光の走査速度が前記走査レンズによって正弦波形から等速に変換されるが、像高中心から像高端部にかけてビーム径が増大するため、本発明が好適である。
ここで、前記走査レンズのうち前記偏向器に最も近い位置に配置された走査レンズの前記偏向器側のレンズ面の副走査方向のパワーが負であることが望ましい。これにより、前記走査レンズと前記偏向器との距離を短くすることができ、前記走査レンズ及び前記光走査装置の小型化を図ることができる。
なお、前記入射光学系は、例えば前記偏向器の反射面に対して副走査方向に４°以上傾斜した位置から光を入射するものである。これにより、前記偏向器から前記走査レンズの入射面までの距離を２０ｍｍ、前記走査レンズの厚みを７ｍｍ、副走査方向の高さを５ｍｍとした場合でも、前記偏向器への入射光と前記偏向器からの偏向光との干渉を避けることができる。従って、前記光走査装置の小型化を図ることができる。
また、前記走査レンズ各々は、前記走査面上における副走査方向の走査湾曲の最大幅が０．１ｍｍ以下になるようにレンズ面のパワーが設定されると共に、前記偏向器と前記走査面とが共役関係になるように配置される。さらに、前記走査レンズの少なくとも一つは、主走査位置により副走査方向の曲率半径が変化するものである。そして、前記走査光学系は、前記偏向器と前記走査面とにおける各像高の副走査方向の横倍率と像高中心の横倍率の比が０．９以上１．１以下の範囲である。これにより、副走査方向のビーム径の変動及びマルチビームの副走査方向のビーム間ピッチの変動を共に低減することができる。

ところで、本発明は、前記光走査装置を備えてなる画像形成装置の発明として捉えてもよい。これにより、前記画像形成装置では、前記光走査装置を用いて、像高によるビーム径の変動のない光により感光体上に静電潜像を形成することができ、高画質の画像形成処理（印字処理）を実現することができる。

本発明によれば、アークサインレンズ等を有する走査光学系における像高中心の収束角が像高端部の収束角よりも小さくなり、像高中心のビーム径が像高端部のビーム径に近づくため、前記走査光学系を用いた場合に生じる像高によるビーム径の差異が緩和される。

本発明の実施の形態に係るプリンター１の概略構成を示す模式図。 ＬＳＵ１０の概略構成を示す模式図。 ＬＳＵ１０の概略構成を示す模式図。 母線と走査線との位置関係を示す図。 ＬＳＵ１０における光路を説明するための図。 母線及びビームの傾きの関係を示す図。 像高及びビーム径比ηの関係を示すグラフ。 屈折面Ｒ１における母線及びビームの傾きの関係を示すグラフ。 屈折面Ｒ２における母線及びビームの傾きの関係を示すグラフ。 ＬＳＵ１０による結像状態を示す図。 ＬＳＵ１０における走査湾曲を示すグラフ。 マルチビームにおける像高及びビームピッチの関係を示すグラフ。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
本発明の実施の形態に係るプリンター１は、外部の情報処理装置（パーソナルコンピューター等）などから入力された画像データに基づいて画像形成処理（印刷処理）を実行する電子写真方式の画像形成装置である。
なお、前記プリンター１は本発明に係る画像形成装置の一例であって、本発明に係る画像形成装置は、複写機、ファクシミリ装置、複合機などの各種の画像形成装置に適用可能である。

図１に示すように、前記プリンター１は、ＬＳＵ（光走査装置）１０、感光体ドラム１１、帯電装置１２、現像装置１３、トナーコンテナ１４、転写ローラー１５、除電装置１６、定着ローラー１７、加圧ローラー１８、給紙カセット１９などを備えている。そして、前記プリンター１では、前記給紙カセット１９から供給される用紙に以下の手順で画像が形成される。
まず、前記帯電装置１２によって前記感光体ドラム１１が所定の電位に一様に帯電される。次に、前記ＬＳＵ１０により前記感光体ドラム１１の表面に画像データに基づく光が照射される。これにより、前記感光体ドラム１１の表面に静電潜像が形成される。そして、前記感光体ドラム１１上の静電潜像は前記現像装置１３によってトナー像として現像（可視像化）される。なお、前記現像装置１３には、前記トナーコンテナ１４からトナーが補給される。続いて、前記感光体ドラム１１に形成されたトナー像は前記転写ローラー１５によって用紙に転写される。その後、用紙に転写されたトナー像は、その用紙が前記定着ローラー１７及び前記加圧ローラー１８の間を通過して排出される際に前記定着ローラー１７で加熱されて溶融定着する。なお、前記感光体ドラム１１の電位は前記除電装置１６で除電される。

前記プリンター１は、前記ＬＳＵ１０の構成に特徴を有しており、以下、前記ＬＳＵ１０について詳説する。なお、本実施の形態では、図２及び図３に示すように、副走査方向をｘ軸、主走査方向をｙ軸、前記ｘ軸及び前記ｙ軸に垂直な方向をｚ軸と定義する。ここに、図２は副走査方向（ｘ軸）に垂直な平面による断面（主走査断面）である。図３は主走査方向（ｙ軸）に垂直な平面による断面（副走査断面）であって、図２におけるＡ−Ａ断面である。

図２及び図３に示すように、前記ＬＳＵ１０は、入射光学系２０、ＭＥＭＳミラー２５（偏向器の一例）、及び走査光学系３０などを備えている。前記入射光学系２０は、光源２１、コリメータレンズ２２、アパーチャー２３、シリンドリカルレンズ２４を有している。また、前記走査光学系３０は、第１走査レンズ２６及び第２走査レンズ２７を有している。

前記光源２１は、所定波長のレーザー光を照射する半導体レーザー光源である。前記コリメータレンズ２２は、前記光源２１から照射されるレーザー光を平行光に変換する。前記アパーチャー２３は、前記コリメータレンズ２２からの平行光の幅を規制する。前記シリンドリカルレンズ２４は、前記アパーチャー２３を通過した光を、主走査方向が長軸であり副走査方向が短軸である楕円形の線状光束として前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１に結像させる。このようにして前記入射光学系２０から前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１に入射される光束を入射光Ｌ０という。

前記ＭＥＭＳミラー２５は、光を反射する反射面２５１を有しており、前記反射面２５１の主走査方向の中心位置において回動軸２５２により回動可能に支持された反射ミラーである。そして、前記ＭＥＭＳミラー２５は、所定の駆動源からの駆動力を受けて前記回動軸２５２を中心に往復揺動する。これにより、前記ＭＥＭＳミラー２５は、前記入射光学系２０から前記反射面２５１に入射する入射光Ｌ０を前記反射面２５１の往復揺動により前記感光体ドラム１１の走査面１１１上に偏向走査させる。以下、前記ＭＥＭＳミラー２５により偏向走査される光束を偏向光Ｌ１という。
ところで、前記反射面２５１の往復揺動により光が走査されると、前記走査光学系３０において速度補正が行われない場合には、前記走査面１１１上における光の走査速度は正弦波形（非等角速度の一例）を描いて変化することになる。具体的に、前記走査面１１１上における光の走査速度は像高端部において０となる正弦波形を描く。そのため、前記ＬＳＵ１０では、前記走査光学系３０において、前記ＭＥＭＳミラー２５による前記走査面１１１上における光の走査速度を等速に変換する。

前記走査光学系３０を構成する前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７は、例えばｆθ特性を有する特殊トーリック面（回転非対称の屈折面）を備えている。そして、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７は、前記ＭＥＭＳミラー２５による前記走査面１１１上における光の走査速度を等速に変換すると共に、その光を前記走査面１１１上に結像させる。
また、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７の光学的パワーは、前記ＭＥＭＳミラー２５と前記走査面１１１とにおける各像高の副走査方向の横倍率と像高中心の横倍率の比は０．９以上１．１以下の範囲となるように設定されている。これにより各像高における副走査方向のビーム径を均一化し、かつマルチビームの副走査方向のビーム間ピッチの変動を共に低減することができる。さらに、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７の少なくとも一方は主走査位置により副走査方向の曲率半径が変化するものである。なお、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７は、前記ＭＥＭＳミラー２５と前記走査面１１１とが共役関係になるように配置されている。これにより、前記ＭＥＭＳミラー２５の面倒れによる副走査方向の走査位置ズレを低減すると共に、前記ＭＥＭＳミラー２５の副走査方向のサイズを小さくすることができる。

具体的に、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７は、前記ＭＥＭＳミラー２５で走査される光の走査速度を正弦波形から等速に変換するための逆正弦特性を有するアークサインレンズ（逆正弦特性レンズ）である。即ち、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７は、前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１で反射・偏向された光を前記走査面１１１上で等速走査させる特性をもったレンズである。
また、前記走査光学系３０のうち前記ＭＥＭＳミラー２５に最も近い位置に配置された前記第１走査レンズ２６は、前記ＭＥＭＳミラー２５側の屈折面（入射面）の副走査方向のパワーが負である。これにより、前記第１走査レンズ２６及び前記ＭＥＭＳミラー２５の距離を短くすることができ、前記第１走査レンズ２６のサイズを小型化することができる。
なお、本発明に係る走査光学系は、前記走査光学系３０のように二枚の走査レンズ（第１走査レンズ２６及び第２走査レンズ２７）を含むものに限らず、一枚又は三枚以上の走査レンズを含むものであってもよい。また、前記走査光学系に含まれる走査レンズは逆正弦特性を有するものに限らず、偏向器による走査面上における光の走査速度の変化態様に対応して、その光の走査速度を等速に変換する特性を有するものであればよい。

また、図３に示すように、前記入射光学系２０には、前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１に対して副走査方向に予め定められた角度傾斜した位置から光を入射する斜入射方式が採用されている。
具体的に、前記入射光学系２０は、図３に示す副走査断面において、前記ＭＥＭＳミラー２５から前記走査面１１１上に走査される偏向光Ｌ１の光路よりも下方に配置されている。そして、前記入射光学系２０は、前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１に対して副走査方向に予め設定された所定角度αだけ傾斜した位置から前記入射光Ｌ０を入射させる。本実施形態では、前記所定角度αが５°であり、前記入射光Ｌ０と前記偏向光Ｌ１との開き角度（２α）が１０°である。なお、前記ＭＥＭＳミラー２５への入射光と前記ＭＥＭＳミラー２５からの偏向光との干渉を避けるため前記所定角度αは４°以上であればよい。この場合、前記ＭＥＭＳミラー２５から前記第１走査レンズ２６の入射面までの距離が２０ｍｍと近く、前記第１走査レンズ２６の厚みを７ｍｍ、副走査方向の高さを５ｍｍとした場合でも、前記ＭＥＭＳミラー２５への入射光Ｌ０と前記ＭＥＭＳミラー２５からの偏向光Ｌ１との干渉を避けることができる。これにより、前記ＬＳＵ１０の小型化を図ることもできる。

さらに、図２及び図３に示すように、前記入射光学系２０には、前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１に対して主走査方向に傾斜しない位置から光を入射するセンター入射方式が採用されている。
具体的に、前記入射光学系２０では、前記光源２１、前記コリメータレンズ２２、前記アパーチャー２３、及び前記シリンドリカルレンズ２４における光軸が、図３に示す副走査断面上に位置するように配置されている。即ち、前記反射面２５１が往復揺動の回転中心に位置する場合（反射面２５１及び走査面１１１が平行な場合）、図２に示す主走査断面において前記入射光Ｌ０は前記反射面２５１に対して垂直（主走査方向の傾斜角０°）に入射する。従って、前記ＬＳＵ１０では、前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１のミラー径を極力小さくすることができる。

但し、前記斜入射方式が採用された前記ＬＳＵ１０では、前記ＭＥＭＳミラー２５からの前記偏向光Ｌ１が副走査方向に湾曲することが知られている。ここに、図４は、前記ＭＥＭＳミラー２５からの偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１をｙｘ平面に投影した図を示している。なお、前記走査線Ｌ１１は、前記偏向光Ｌ１の中心である主光線の走査軌道を示している。
図４に示すように、前記センター入射方式が採用された前記ＬＳＵ１０では、前記ＭＥＭＳミラー２５からの偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１が、ｙｘ平面において像高端部から像高中心に向けて上方に湾曲する。

これに対し、前記ＬＳＵ１０において、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７が有する４つの屈折面のうち少なくとも１つの屈折面Ｒは、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の条件を満たす回転非対称のトーリック面である。
（Ａ）子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲している。
（Ｂ）ｚｘ平面に平行な平面による断面形状が楕円の円弧である。
（Ｃ）前記楕円の円弧におけるレンズの光軸方向の極値が前記母線上にある。
（Ｄ）母線をレンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧状である。

より具体的に、前記屈折面Ｒの副走査断面（図３参照）における形状ｚは、前記屈折面Ｒの光軸が前記ｚ軸上に配置されたと仮定した場合に、以下の（２）式によって表される。ここに、前記母線をｙｚ平面に投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記投影母線に垂直な平面による断面形状の円弧曲線をｒ_ｓ、ｚｘ平面による断面形状の楕円曲線をｒ_ｌとする。


ここに、断面形状ｚは前記屈折面Ｒの面頂点（ｘ＝０、ｙ＝０）でｚ＝０としたときのｚ軸方向への変位量、Ｋは円錐係数、ｙは光軸からの距離（像高）、Ｒ_ｙは主走査断面における曲率半径、Ｒ_０は副走査断面における曲率半径、Ａ_２ｉは非球面係数、Ｂ_２ｉ、Ｄ_２ｉは光路差関数の係数である。

そして、前記条件（Ｄ）が満たされると、前記投影母線に垂直な平面による断面形状が曲率半径ｒ_ｓの円弧とほぼ等しくなる。従って、前記屈折面Ｒに入射する楕円の偏向光束の短軸と前記屈折面Ｒの光学的パワーの方向とが一致することになり、像高端部における結像性能を良好なものとすることができる。なお、上記（Ｄ）において「円弧状」と表しているのは、走査方向によって曲率半径が変化して完全な円弧にならないためであり、トーリック面の光学性能としては円弧として扱うことができる。
また、前記条件（Ｂ）、（Ｃ）が満たされると、前記屈折面Ｒの副走査断面における楕円の円弧形状がその副走査断面におけるｚ軸方向の極値を頂点として対象となり、前記楕円の円弧の極値が母線上に位置する。従って、前記屈折面Ｒの副走査断面における形状が特定されるため、前記屈折面Ｒの面形状の検証を容易に行うことができる。特に、前記屈折面Ｒの面形状が前記（２）式に示す数式で定義されるため、例えば光学ソフト等を用いて前記屈折面Ｒの面形状を自動設計させることが可能となる。

なお、前記ＬＳＵ１０において、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７が有する４つの屈折面の少なくとも１つが、以下の（Ｅ）〜（Ｈ）の条件を満たす回転非対称の屈折面Ｒ（トーリック面）として構成されてもよい。
（Ｅ）子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲している。
（Ｆ）母線をレンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧である。
（Ｇ）前記円弧におけるレンズの光軸方向の極値が前記母線上にある。
（Ｈ）ｚｘ平面に平行な平面による断面形状が楕円の円弧状である。
この場合にも前記屈折面Ｒの副走査断面における形状が特定されるため、前記屈折面Ｒの面形状の検証を容易に行うことができる。

ところで、前記ＬＳＵ１０のように前記ＭＥＭＳミラー２５による光の走査速度を前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７によって等速変換する構成では、像高中心から像高端部に向けてビーム径が増大する。即ち、像高中心のビーム径は像高端部のビーム径に比べて小さい。
一方、光束の直径（アパーチャー２３の開口径）をＤ_ＡＰ、焦点距離をｆ、収束角をβ、ビーム径をＤ_ｒとしたとき、（Ｄ_ＡＰ／２）／ｆ＝ｔａｎ（β／２）、Ｄ_ｒ＝ｋ（λｆ／Ｄ_ＡＰ）の関係が成立する。即ち、光束の直径Ｄ_ＡＰが同じであるとすれば、焦点距離ｆ（光路長）が長くなるほど、収束角βは小さくなりビーム径Ｄ_ｒは大きくなる。
そこで、前記ＬＳＵ１０において、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７は、ｚｘ平面に投影される光路長を像高端部から像高中心に向けて長くするように構成されている。これにより、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７における像高中心の収束角が像高端部の収束角よりも小さくなって像高中心のビーム径が像高端部のビーム径に近づく。そのため、前記ＬＳＵ１０では、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７としてアークサインレンズ等を用いた場合に生じる像高によるビーム径の差異が緩和される。そして、このような構成は、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７のレンズの面形状や配置状態などを調整することにより簡素な構成で実現可能である。

具体的には、図４に示すように前記屈折面Ｒにおける前記母線Ｌ１２と入射光である偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１との離間距離が像高端部から像高中心に向けて長くなるように、前記ｚｘ平面（図３参照）においてレンズの光軸が前記ｚ軸に対して予め定められた角度傾斜した状態で前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７を配置することが考えられる。図４に示す例では、前記屈折面Ｒにおいて、前記走査線Ｌ１１と前記母線Ｌ１２との離間距離は、像高端部が最短、像高中心が最長であって、像高端部から像高中心に向けて長くなっている。即ち、前記屈折面Ｒにおいて、前記母線Ｌ１２の傾きと前記走査線Ｌ１１の傾きとには差異が生じている。特に、前記屈折面Ｒでは、像高端部において副走査断面では前記母線Ｌ１２の接線と前記偏向光Ｌ１１とが垂直に交わるように配置されている。即ち、前記偏向光Ｌ１は、前記屈折面Ｒの像高端部において前記母線Ｌ１２上に入射されるが、像高中心においては前記母線Ｌ１２から離間した位置に入射される。

このように前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７が配置された場合における光路を図５に示している。ここに、図５は主走査方向（ｙ軸）に垂直なｚｘ平面に投影される光路を示す要部拡大図であって、実線が像高端部における光路、破線が像高中心における光路を示している。
図５に示されているように、像高中心に入射する偏向光Ｌ１が像高端部に入射する偏向光Ｌ１に比べて前記母線Ｌ１２からずれた位置を通過すると、副走査断面における光路長は像高端部よりも像高中心の方が長くなる。そのため、前記走査光学系３０における像高中心の焦点距離が像高端部の焦点距離よりも長くなり、前記走査光学系３０における像高中心の収束角が像高端部の収束角よりも小さくなって像高中心のビーム径が像高端部のビーム径に近づく。従って、前記ＬＳＵ１０では、前記走査光学系３０のレンズの面形状や配置状態などを調整することにより簡素な構成で、前記走査光学系３０を用いた場合に生じる像高によるビーム径の差異を緩和することができる。
また、前記走査面１１１における像高中心の副走査方向の結像位置のシフト量を像高端部の副走査方向の結像位置のシフト量よりも大きくすることができるため前記走査面１１１上における走査湾曲を低減することができる。従って、前記プリンター１では、前記ＬＳＵ１０によって前記感光体ドラム１１上に形成される静電潜像に歪みが生じず、高画質の画像形成を実現することができる。

一方、前記ＬＳＵ１０のように、前記屈折面Ｒにおける前記母線Ｌ１２の傾きと前記偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１の傾きとが一致しない場合（図４参照）には結像性能の劣化が懸念される。そこで、前記ＬＳＵ１０では、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７が有する前記屈折面Ｒのうち少なくとも一つの屈折面は、前記母線Ｌ１２の傾きと前記偏向光Ｌ１のビームの傾きとが一致するように構成されている。即ち、この屈折面では、主走査方向の各位置において、前記母線Ｌ１２の傾きと前記偏向光Ｌ１のビームの傾きとが一致し、前記母線Ｌ１２の傾きと前記偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１の傾きとに差異があることになる。
ここに、図６は、前記屈折面Ｒにおける前記偏向光Ｌ１のビームの傾きａ１と前記母線Ｌ１２の傾きｂ１との関係を示す図である。図６において、前記偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１は、前記偏向光Ｌ１の中心を表す主光線ｒ１（ｘ１，ｙ１）の軌道を示している。なお、前記偏向光Ｌ１のビームの傾きａ１は、前記偏向光Ｌ１の長軸端部を表す周辺光線をｒ２（ｘ２，ｙ２）、ｒ３（ｘ３，ｙ３）としたとき、（ｘ２−ｘ３）／（ｙ２−ｙ３）で求められる。
具体的に、前記ＬＳＵ１０では、前記屈折面Ｒにおける母線の傾きと前記偏向光Ｌ１のビームの傾きとが一致するように前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７の面形状及び配置状態を所定のパラメータに従って定めればよい。これにより、前記屈折面Ｒにおける主走査方向の各位置において前記母線Ｌ１２の傾きと前記偏向光Ｌ１のビームの傾きとが一致すれば、楕円形の線上光束である前記偏向光Ｌ１のビームの短軸の向きと前記屈折面Ｒの光学的パワーの向きとが一致する。従って、前記ＬＳＵ１０において、前記屈折面Ｒにおける母線の傾きと前記偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１の傾きとが一致しない場合であっても、前記走査面１１１上における結像性能の低下を抑制することができる。
即ち、このような構成によれば、前記走査面１１１上における結像性能の低下を抑制しつつ、前記走査面１１１上における走査湾曲を防止し、且つ像高によるビーム径の差異を緩和することができる。

本実施例１において、前記ＬＳＵ１０を以下のように構成した。
具体的に、前記アパーチャー２３は、主走査方向の半径が１．９８ｍｍ（長軸）、副走査方向の半径が０．９５ｍｍ（短軸）の楕円形状である。前記第１走査レンズ２６の入射面と前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１との距離は−２０ｍｍである。なお、面間距離は次の面の中心までのｚ軸方向の距離で、都合により負の数を用いている。
また、前記第１走査レンズ２６について、レンズの光軸をｚｘ平面において主走査方向（ｙ軸）を軸に−７．２７２１°回転させると共に、副走査方向（ｘ軸）において０．００４３ｍｍシフト（オフセット）させた。前記第２走査レンズ２７については、レンズの光軸をｚｘ平面において主走査方向（ｙ軸）を軸に−５２．７４４６°回転させると共に、副走査方向（ｘ軸）において−２．３６ｍｍシフト（オフセット）させた。なお、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７の回転角度（傾き）やシフト量の値は下記表１のパラメータに対応して定めた一例に過ぎない。例えば、前記入射光学系２０が、前記ＭＥＭＳミラー２５の反射面２５１に対して副走査方向に５°傾斜した位置から光を入射した場合、前記第１走査レンズ２６の回転角度が−８°〜−４°、前記第２走査レンズ２７の回転角度が−５５°〜−２０°であり、前記第１走査レンズ２６のシフト量は０．００３〜０．６ｍｍ、前記第２走査レンズ２７のシフト量は−２．５〜１ｍｍであることが考えられる。これにより、像高端部では前記屈折面Ｒの母線に極力近い位置に光が入射され、像高中心では前記屈折面Ｒの母線から離れた位置に光が入射されるため、像高端部よりも像高中心の光路長が長くなる。
さらに、前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７について、前記（２）式における各パラメータを下記表１のように設定した。ここに、前記第１走査レンズ２６の入射面を屈折面Ｒ１、出射面を屈折面Ｒ２、前記第２走査レンズ２７の入射面を屈折面Ｒ３、出射面を屈折面Ｒ４とする。下記表１のパラメータは、前記母線Ｌ１２の傾きと前記偏向光Ｌ１のビームの傾きとを概ね一致させることのできる前記第１走査レンズ２６の屈折面Ｒ１及び屈折面Ｒ２の形状を特定するものである。

ここに、図７は、本実施例１に係る前記ＬＳＵ１０で得られた像高ｙ及びビーム径比ηの関係を示すグラフである。なお、ビーム径比ηは、像高中心のビーム径を「１」としたときのビーム径の比率を示している。
図７から、本実施例１に係る前記ＬＳＵ１０では、像高端部（ｙ＝１１０）でもビーム径比ηは１．２以下であり、前述した（１１）式で求められるビーム径比ηの理論値（比較例）よりもビーム径の差異が小さくなっていることがわかる。

また、図８及び図９は、本実施例１における前記第１走査レンズ２６の屈折面Ｒ１及び屈折面Ｒ２における像高とビームの傾き及び母線の傾きとの関係を示す図である。図８及び図９から、前記表１のパラメータで設計された前記第１走査レンズ２６の屈折面Ｒ１、Ｒ２各々では、主走査方向（ｙ軸方向）の各位置において前記偏向光Ｌ１のビームの傾きａ１と前記母線Ｌ１２の傾きｂ１が概ね一致していることがわかる。なお、前記第１走査レンズ２６の光学的パワーの方向は前記母線Ｌ１２に垂直及び水平な方向である。従って、前記ＬＳＵ１０では、前記第１走査レンズ２６において前記偏向光Ｌ１の短軸と前記第１走査レンズ２６の光学的パワーの方向とが一致することにより、結像性能を良好に保つことができる。

具体的に、図１０は、本実施例１に係る前記ＬＳＵ１０による前記走査面１１１上への光の結像状態を示す図である。ここに、図１０（Ａ）は走査面１１１の主走査方向の中心（像高中心）から−１１０ｍｍの箇所における偏向光束のスポット像を示している。また、図１０（Ｂ）は走査面１１１の主走査方向の中心（像高中心）の箇所における偏向光束のスポット像を示している。さらに、図１０（Ｃ）は走査面１１１の主走査方向の中心（像高中心）から＋１１０ｍｍの箇所における偏向光束のスポット像を示している。なお、図１０（Ａ）〜（Ｃ）各々について、結像位置をｚ軸方向に２ｍｍずつ変化させて（中央の図が０ｍｍ、左側の図が−２ｍｍだけデフォーカス、右側の図が＋２ｍｍだけデフォーカス）、スポット像を取得している。図１０（Ａ）〜（Ｃ）から、像高中心だけでなく像高端部においても良好な結像状態が得られていることがわかる。

また、図１１は本実施例１の前記ＬＳＵ１０により前記走査面１１１上に走査された光の走査湾曲を示すグラフである。図１１に示すように、走査湾曲は若干発生しているものの、主走査方向（像高）全体において副走査位置のズレ量の最大値が６０μｍ以下と良好であり、実用上は問題ないことが確認された。なお、前記副走査方向の走査湾曲の最大幅は、０．１ｍｍ以下であれば走査湾曲による画像の歪みへの影響が小さい。そのため、前記走査光学系３０における前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７の前記屈折面Ｒ１〜Ｒ４のパワーは、前記走査湾曲の最大幅が０．１ｍｍ以下となるように設定しておくことが望ましい。
さらに、図１２は前記ＬＳＵ１０において前記光源２１が複数設けられた場合の前記走査面１１１上におけるビームピッチを示すグラフである。図１２から、複数の前記光源２１から照射された光の前記走査面１１１上におけるビームピッチの変動は０．１μｍ以下となっており、マルチビームに十分対応可能であることがわかる。

なお、像高によるビーム径の変動の緩和を目的とする場合、前記実施例１で用いた前記表１に示すパラメータに代えて下記表２に示すパラメータを用いて設計された前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７を用いることも考えられる。このとき、前記第１走査レンズ２６について、レンズの光軸をｚｘ平面において主走査方向（ｙ軸）を軸に−５．２°回転させると共に、副走査方向（ｘ軸）において０．５ｍｍシフト（オフセット）させた。前記第２走査レンズ２７については、レンズの光軸をｚｘ平面において主走査方向（ｙ軸）を軸に−２２．４３°回転させると共に、副走査方向（ｘ軸）において−０．８ｍｍシフト（オフセット）させた。

前記表２に示すパラメータに従って設計された前記第１走査レンズ２６及び前記第２走査レンズ２７を用いた場合にも、前記屈折面Ｒ１及び前記屈折面Ｒ２における前記母線Ｌ１２と前記偏向光Ｌ１の走査線Ｌ１１との離間距離が像高端部から像高中心に向けて長くなる。従って、本実施例２に係る前記ＬＳＵ１０でも、ｚｘ平面に投影される光路長が像高端部から像高中心に向けて長くなり、像高中心のビーム径が増大するため、像高中心におけるビーム径と像高端部におけるビーム径との差異が緩和される。

１ ：プリンター
１０：ＬＳＵ（光走査装置）
１１：感光体ドラム
１１１：走査面
１２：帯電装置
１３：現像装置
１４：トナーコンテナ
１５：転写ローラー
１６：除伝装置
１７：定着ローラー
１８：加圧ローラー
１９：給紙カセット
２０：入射光学系
２１：光源
２２：コリメータレンズ
２３：アパーチャー
２４：シリンドリカルレンズ
２５：ＭＥＭＳミラー
２５１：反射面
２５２：回動軸
２６：第１走査レンズ
２７：第２走査レンズ
３０：走査光学系

Claims (12)

1. 反射面に入射する光を前記反射面の回動により予め定められた走査面上に走査させる偏向器と、前記偏向器による前記走査面上における光の走査速度を等速に変換する走査光学系と、前記偏向器の反射面に対して副走査方向に予め定められた角度傾斜した位置から光を入射させる入射光学系と、を備えてなる光走査装置であって、
   前記走査光学系は、副走査方向をｘ軸、主走査方向をｙ軸、前記ｘ軸及び前記ｙ軸に垂直な方向をｚ軸としたとき、ｚｘ平面に投影される前記偏向器から前記走査面までの光路長を像高端部から像高中心に向けて長くするものであることを特徴とする光走査装置。
2. 前記走査光学系は、子線頂点を結ぶ母線が副走査方向に湾曲した屈折面を有する一又は複数の走査レンズを含んでなり、
   前記走査レンズは、前記屈折面における前記母線と入射光との離間距離が像高端部から像高中心に向けて長くなるように前記ｚｘ平面において前記走査レンズの光軸が前記ｚ軸に対して予め定められた角度傾斜した状態で配置されてなる請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記走査レンズは、前記ｚｘ平面において像高端部における前記母線の接線と入射光とが垂直に交わるものである請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記走査レンズは、凹凸レンズ又は両凸レンズであって、前記ｚｘ平面に平行な平面による断面形状が楕円の円弧であると共に前記楕円の円弧における前記走査レンズの光軸方向の極値が前記母線上にあり、且つ前記母線を前記走査レンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧状である請求項２又は３のいずれかに記載の光走査装置。
5. 前記屈折面の光軸が前記ｚ軸上に配置された状態において、前記母線をｙｚ平面に投影した形状をｆ（ｙ）、前記母線をｙｘ平面に投影した形状をｇ（ｙ）、前記投影母線に垂直な平面による断面形状の円弧曲線をｒ_ｓ、ｚｘ平面による断面形状の楕円曲線をｒ_ｌとしたとき、前記ｚｘ平面による前記屈折面の断面形状ｚは、下記（１）式で表される楕円の円弧である請求項４に記載の光走査装置。
   
   
   ここに、断面形状ｚは前記屈折面の面頂点（ｘ＝０、ｙ＝０）でｚ＝０としたときのｚ軸方向への変位量、Ｋは円錐係数、ｙは光軸からの距離（像高）、Ｒｙは主走査断面における曲率半径、Ｒ_０は副走査断面における曲率半径、Ａ_２ｉは非球面係数、Ｂ_２ｉ、Ｄ_２ｉは光路差関数の係数である。
6. 前記走査レンズは、前記母線を前記走査レンズの光軸に垂直な平面に投影した投影母線に垂直な平面による断面形状が円弧であると共に前記円弧における前記走査レンズの光軸方向の極値が前記母線上にあり、且つ前記ｚｘ平面に平行な平面による断面形状が楕円の円弧状である請求項２又は３のいずれかに記載の光走査装置。
7. 一又は複数の前記走査レンズが有する屈折面のうち少なくとも一つの屈折面は、主走査方向の各位置において、前記母線の傾きと前記屈折面に入射する偏向光のビームの傾きとが一致するものである請求項２〜６のいずれかに記載の光走査装置。
8. 前記偏向器は、前記反射面の往復揺動により光を非等角速度で前記走査面上に走査させる反射ミラーであって、
   前記走査レンズは、前記反射面で反射・偏向された光を前記走査面上で等速走査させる特性をもったレンズである請求項２〜７のいずれかに記載の光走査装置。
9. 前記走査レンズのうち前記偏向器に最も近い位置に配置された走査レンズの前記偏向器側のレンズ面の副走査方向のパワーが負である請求項２〜８のいずれかに記載の光走査装置。
10. 前記入射光学系は、前記偏向器の反射面に対して副走査方向に４°以上傾斜した位置から光を入射するものである請求項２〜９のいずれかに記載の光走査装置。
11. 前記走査レンズ各々は、前記走査面上における副走査方向の走査湾曲の最大幅が０．１ｍｍ以下になるようにレンズ面のパワーが設定されると共に、前記偏向器と前記走査面とが共役関係になるように配置されており、
    前記走査レンズの少なくとも一つは、主走査位置により副走査方向の曲率半径が変化するものであって、
    前記走査光学系は、前記偏向器と前記走査面とにおける各像高の副走査方向の横倍率と像高中心の横倍率の比が０．９以上１．１以下の範囲である請求項２〜１０のいずれかに記載の光走査装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の光走査装置を備えてなる画像形成装置。