JP5874150B2 - レーザー走査光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー走査光学装置、特に、画像データに基づいて変調される光源手段から発せられるレーザー光束で被走査面上を走査するレーザー走査光学装置に関する。

従来、この種のレーザー走査光学装置においては、レンズの光弾性係数が小さいために複屈折も小さく、各光学素子を通過するレーザー光束の偏光状態がほとんど変化しないため、光学素子におけるコーティングに最適設計を施すことで被走査面上での光量むらを制御していた。また、複屈折の影響を受けてレーザー光束の偏光状態が画角ごとに変わったとしても各光学素子単体での透過反射率特性を改善することで前記光量むらを抑えてきた（特許文献１，２参照）。

しかし、特許文献１，２に記載されているように、光量むらに影響する全ての素子に対策を施すと、大きなコストアップにつながるという問題点を有していた。

特開２００２−１８２１４３号公報 特開２００１−３３７２８５号公報

本発明の目的は、簡単な構成で、かつ、低コストで光学素子に起因する被走査面上での光量むらを抑えることのできるレーザー走査光学装置を提供することにある。

そこで、本発明の一形態であるレーザー走査光学装置は、
レーザー光束を射出する光源手段と、
前記光源手段から発せられた光束を偏向走査する偏向手段と、
前記偏向手段により偏向された光束を被走査面上に結像させる走査光学系と、
を備えたレーザー走査光学装置において、
前記走査光学系のうち光路上で前記偏向手段に最も近く配置されている第１走査レンズの光弾性係数が４０×１０^-12［Ｐａ^-1］以上であり、
前記第１走査レンズ以降の光路上では、反射部材と光弾性係数が４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満の第２走査レンズとの順で対になって配置されており、又は、光弾性係数が４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満の第２走査レンズと反射部材との順で対になって配置されており、
前記第２走査レンズは反射防止コートがされておらず、
前記反射部材における使用入射角度の最大値をθmax、最小値をθminとし、θmaxとθminにおけるｓ偏光反射率をそれぞれＲｓ（θmax）、Ｒｓ（θmin）、ｐ偏光反射率をそれぞれＲｐ（θmax）、Ｒｐ（θmin）としたとき、以下の条件式を満たすこと、
Ｒｐ（θmax）＜Ｒｐ（θmin）＜Ｒｓ（θmin）＜Ｒｓ（θmax）
を特徴とする。

反射部材へレーザー光束が入射する場合、被走査面上の有効走査域の中心像高へ向かう光束と有効走査域の最大像高へ向かう光束とでは、反射部材への入射角が異なる。ここで、入射角は反射部材の法線ベクトルと光線ベクトルとのなす角度と定義する。そのため、反射部材の角度特性（入射角に対する反射率特性）に従って、反射部材において反射率むらが発生する。反射率むらとは、被走査面上に向かう光束ごとの反射率の差である。また、一般的に、反射率はＰ偏光反射率とＳ偏光反射率とに分けられ、反射率むらは入射光束の偏光比率（Ｐ偏光とＳ偏光との比率）が変わっても変化する。同様に、走査レンズも角度特性（入射角に対する透過率特性）と入射光束の偏光比率に従って透過率むらが発生する。

光源手段から射出された直線偏光の光束は、光学的異方性を有する物質からなる走査光学素子に入射すると、振動方向が互いに直交する二つの平面偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）に分かれ、走査光学素子は光束の振動方向によって屈折率が異なる（複屈折を生じる）。その結果、光束内で位相差が発生し、直線偏光の光束は偏光方向が変化したり、楕円偏光に変化する。複屈折のレベルは光学素子の場所によって異なるので、光束が通過する場所が異なると、透過後の偏光状態も異なることになる。

従来では、反射部材へ入射する光束の偏光状態を想定して、反射部材の反射率むらを最適化していたが、光学異方性を有する物質からなる走査光学素子を透過した後の偏光状態を予測するのは困難である。仮に、予測できたとしても、組立て誤差などにより、光束の透過位置がずれると、偏光状態も変わってしまうので、ある偏光状態を仮定して最適化した場合、被走査面上の光量むらがばらついてしまう。

前記レーザー走査光学装置においては、ポリカーボネートのような光弾性係数の大きい（４０×１０^-12［Ｐａ^-1］以上）第１走査レンズを透過したレーザー光束の偏光状態は、第１走査レンズの複屈折分布によって走査角度ごとに異なってくる。また、光弾性係数の小さい（４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満）第２走査レンズと反射部材との対のうち、第２走査レンズの透過率特性は反射防止コートがなされていないため、所定の透過率特性（図７参照）になり、レンズの複屈折率自体が小さいために透過したレーザー光束の偏光状態は変化しない。つまり、第２走査レンズと反射部材の対のそれぞれには同じ偏光状態のレーザー光束が入射することになる。このとき、前記条件式を満足することで、第２走査レンズと反射部材との合計反射透過率は該レンズと反射部材の対に最初に入射してくる偏光状態に拘わらずいずれの走査角においても略一様になる（図８参照）。つまり、光弾性係数の大きい第１走査レンズによって走査角ごとに偏光状態がばらついたとしても、光弾性係数の小さい第２走査レンズと反射部材との合計透過反射率が走査角ごとに略一様になることで、被走査面上での光量むらの発生が抑制される。

なお、第１走査レンズ以降の光路上において、反射部材と光弾性係数が小さい第２走査レンズとの順で対になって配置されている場合と、光弾性係数が小さい第２走査レンズと反射部材との順で対になって配置されている場合とで、光量むらを抑制する効果は同等である。

本発明によれば、光弾性係数の大きい第１走査レンズによって走査角ごとに偏光状態がばらついたとしても、前記条件式を満たすことによって、被走査面上での光量むらの発生を抑制することができる。

第１実施例であるレーザー走査光学装置の概略構成を示す斜視図である。 第２実施例であるレーザー走査光学装置の概略構成を示す斜視図である。 （Ａ）は第１実施例での光学素子の配置関係を示す側面図、（Ｂ）は第２実施例での光学素子の配置関係を示す側面図である。 入射角の説明図である。 第１及び第２実施例におけるミラーの反射率入射角度特性を示すグラフである。 比較例におけるミラーの反射率入射角度特性を示すグラフである。 第２走査レンズの透過率入射角度特性を示すグラフである。 第１及び第２実施例における各種ｐ偏光比率での第２走査レンズとミラーの透過反射率を示すグラフである。 比較例における各種ｐ偏光比率での第２走査レンズとミラーの透過反射率を示すグラフである。 第１及び第２実施例における被走査面上での光量むらを示すグラフである。 比較例における被走査面上での光量むらを示すグラフである。

以下、本発明に係るレーザー走査光学装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において同じ部材には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。

（レーザー走査光学装置の概略構成、図１〜図４参照）
第１実施例であるレーザー走査光学装置１Ａは、図１に示すように、感光体ドラム４０上に画像を形成するように構成されている。

具体的には、光源光学系１０は、レーザダイオードからなる光源１１と、コリメータレンズ１２と、開口部（絞り）１３と、シリンダレンズ１４とで構成されている。光源１１から放射されたレーザー光束（拡散光）はコリメータレンズ１２により平行光とされ、開口部１３を通過し、シリンダレンズ１４を透過してポリゴンミラー１７の偏向面の近傍で副走査方向ｚに集光される。ポリゴンミラー１７は所定の速度で回転駆動され、光束は主走査方向ｙに偏向走査される。

ポリゴンミラー１７から光束の進行方向ｘに関しては、走査光学系２０として、第１走査レンズ２１、第２走査レンズ２２、ミラー２３が配置されている。ポリゴンミラー１７の偏向面で偏向された光束は、第１走査レンズ２１及び第２走査レンズ２２を透過し、ミラー２３で反射され、感光体ドラム４０上で結像し、主走査方向ｙに走査する。

第２実施例であるレーザー走査光学装置１Ｂは、図２に示すように、走査光学系２０において、第１走査レンズ２１を透過した光束はミラー２３で反射された後、第２走査レンズ２２を透過し、感光体ドラム４０上で結像し、主走査方向に走査する。他の構成は前記第１実施例と同様である。即ち、第１実施例では第２走査レンズ２２とミラー２３との順で対になって配置されており、第２実施例ではミラー２３と第２走査レンズ２２との順で対になって配置されている。

（感光体上における光量むらの低減、図５〜図１１参照）
ところで、前記レーザー走査光学装置１Ａ，１Ｂにおいて、走査レンズ２１，２２はともに光学的異方性を有する熱可塑性樹脂にて形成されており、該樹脂の光弾性係数は第１走査レンズ２１にあっては大きく（４０×１０^-12［Ｐａ^-1］以上）、第２走査レンズ２２にあっては小さい（４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満）。

また、第２走査レンズ２２は反射防止コートがされていない。ミラー２３には以下の表１に示す３層のコーティング層が形成されており、中央の第２層の屈折率が最も高く、３層合計の膜厚がレーザー光束の波長（７８０ｎｍ）以下とされている。屈折率１．４６に相当する材料としては例えば二酸化珪素（ＳｉＯ₂）、屈折率２．３５に相当する材料としては例えば二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、屈折率１．３８に相当する材料としては例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を挙げることができる。また、以下に説明する比較例に用いられているミラー２３に形成した５層のコーティング層を表２に示す。

ここで、ミラー２３は以下の式（１），（２），（３）を満たしている。即ち、
Ｒｐ（θmax）＜Ｒｐ（θmin）＜Ｒｓ（θmin）＜Ｒｓ（θmax） （１）
１０＜θmax−θmin （２）
０．０１＜Ｒｓ（θmax）−Ｒｐ（θmin）＜０．０３ （３）

θmax：ミラー２３における使用入射角度の最大値
θmin：ミラー２３における使用入射角度の最小値
Ｒｓ（θmax）：θmaxにおけるｓ偏光反射率
Ｒｓ（θmin）：θminにおけるｓ偏光反射率
Ｒｐ（θmax）：θmaxにおけるｐ偏光反射率
Ｒｐ（θmin）：θminにおけるｐ偏光反射率

例えば、図４において、ミラー２３へレーザー光束が入射する場合、感光体ドラム４０上の有効走査域の中心像高へ向かう光束と有効走査域の最大像高へ向かう光束とでは、ミラー２３への入射角が異なる。なお、図４では、装置の筺体に取り付けたウインドウガラス２４をも図示している。

ここで、入射角はミラー２３の法線ベクトルと光線ベクトルとのなす角度と定義する。そのため、ミラー２３の角度特性（入射角に対する反射率特性）に従って、ミラー２３において反射率むらが発生する。反射率むらとは、感光体ドラム４０上に向かう光束ごとの反射率の差である。また、一般的に、反射率はＰ偏光反射率とＳ偏光反射率とに分けられ、反射率むらは入射光束の偏光比率（Ｐ偏光とＳ偏光との比率）が変わっても変化する。同様に、走査レンズ２１，２２も角度特性（入射角に対する透過率特性）と入射光束の偏光比率に従って透過率むらが発生する。

光源１１から射出された直線偏光の光束は、光学的異方性を有する物質からなる走査レンズ２１，２２に入射すると、振動方向が互いに直交する二つの平面偏光（ｐ偏光とｓ偏光）に分かれ、走査レンズ２１，２２は光束の振動方向によって屈折率が異なる（複屈折を生じる）。その結果、光束内で位相差が発生し、直線偏光の光束は偏光方向が変化したり、楕円偏光に変化する。複屈折のレベルは走査レンズ２１，２２の場所によって異なるので、光束が通過する場所が異なると、透過後の偏光状態も異なることになる。

前記レーザー走査光学装置１Ａ，１Ｂにおいては、ポリカーボネートのような光弾性係数の大きい（４０×１０^-12［Ｐａ^-1］以上）第１走査レンズ２１を透過したレーザー光束の偏光状態は、第１走査レンズ２１の複屈折分布によって走査角度ごとに異なってくる。また、光弾性係数の小さい（４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満）第２走査レンズ２２とミラー２３との対のうち、第２走査レンズ２２の透過率特性は反射防止コートがなされていないため、所定の透過率特性（図７参照）になり、レンズ２２の複屈折率自体が小さいために透過したレーザー光束の偏光状態は変化しない。つまり、第２走査レンズ２２とミラー２３の対のそれぞれには同じ偏光状態のレーザー光束が入射することになる。このとき、前記条件式（１）を満足することで、第２走査レンズ２２とミラー２３との合計反射透過率は該レンズ２２とミラー２３の対に最初に入射してくる偏光状態に拘わらずいずれの走査角においても略一様になる（図８参照）。つまり、光弾性係数の大きい第１走査レンズ２１によって走査角ごとに偏光状態がばらついたとしても、光弾性係数の小さい第２走査レンズ２２とミラー２３との合計透過反射率が走査角ごとに略一様になることで、感光体ドラム４０上での光量むらの発生が抑制される。

また、ミラー２３のコーティング層が３層であり、中央の層の屈折率が最も高く、３層合計の膜厚がレーザー光束の波長以下であることにより、極めて簡素な膜構成で第２走査レンズ２２とミラー２３との合計反射透過率傾斜の抑制効果を大きくすることができる。

さらに、ミラー２３における反射率特性の入射角度範囲が３０°〜５０°であることにより、ミラー２３の反射率入射角度特性の偏光状態に対する感度が第２走査レンズ２２の透過率入射角度特性に近くなる。つまり、光弾性係数の小さい第２走査レンズ２２とミラー２３との合計反射透過率が一様になりやすく、感光体ドラム４０上での光量むらの抑制効果がより大きくなる。

さらに、前記条件式（２），（３）を満足することにより、ミラー２３と光弾性係数の小さい第２走査レンズ２２の偏光状態に対する透過反射率の感度がより近くなる。つまり、ミラー２３における反射率特性の入射角度範囲を３０°〜５０°に設定する効果をさらに大きくすることができる。

前記ミラー２３の入射角度に対する反射率の特性を図５に示し、横軸は入射角度、縦軸は反射率を示している。比較例として用いたミラー２３（光学薄膜は５層）の入射角度に対する反射率の特性を図６に示す。また、コーティングが施されていない光弾性係数の小さい第２走査レンズ２２の入射角度に対する透過率の特性を図７に示す。

前記条件式（１），（２），（３）におけるパラメータの値は以下の表３に示すとおりであり、表３には比較例でのパラメータの値を併せて示している。

表３に示すパラメータ値において、ｐ偏光比率を以下の表４に示す（Ａ）〜（Ｆ）に変化させたときの第２走査レンズ２２の透過率と、ミラー２３の反射率と、両者を合計した透過反射率を図８に示す。図８の（Ａ）〜（Ｆ）は表４の（Ａ）〜（Ｆ）のｐ偏光比率に対応する。参考のために、比較例における第２走査レンズ２２の透過率と、ミラー２３の反射率と、両者を合計した透過反射率を図９に示す。図９の（Ａ）〜（Ｆ）は表４の（Ａ）〜（Ｆ）のｐ偏光比率に対応する。

表４に示す入射位置は、ミラー２３に入射する光束の入射位置を示し、ＣＯＩが有効走査域の中心に向かう光束の入射位置であり、ＳＯＩ及びＥＯＩが有効走査域の最大像高へ向かう光束の入射位置である。第１及び第２実施例における（Ａ）〜（Ｆ）のｐ偏光比率に応じた感光体ドラム４０上の光量むらを図１０に示す。光弾性係数の大きい第１走査レンズ２１を透過したレーザー光束が複屈折によって走査角度ごとに偏光状態が変化しても、図１０から感光体ドラム４０上での光量むらのばらつきが抑えられていることが分かる。参考のために、比較例における（Ａ）〜（Ｆ）のｐ偏光比率に応じた感光体ドラム４０上の光量むらを図１１に示す。光弾性係数の大きい第１走査レンズ２１を透過したレーザー光束が複屈折によって走査角度ごとに偏光状態が変化すると、図１１から感光体ドラム４０上での光量むらのばらつきが大きくなることが分かる。

なお、本発明に係るレーザー走査光学装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、レーザー走査光学装置において光路を構成する各種光学素子の種類、形状、配置関係は任意である。

以上のように、本発明は、レーザー走査光学装置に有用であり、特に、被走査面上での光量むらの発生を抑制できる点で優れている。

１Ａ，１Ｂ…レーザー走査光学装置
１０…光源光学系
１１…光源
１７…ポリゴンミラー
２１，２２…走査レンズ
２３…ミラー
４０…感光体ドラム

Claims (3)

1. レーザー光束を射出する光源手段と、
   前記光源手段から発せられた光束を偏向走査する偏向手段と、
   前記偏向手段により偏向された光束を被走査面上に結像させる走査光学系と、
   を備えたレーザー走査光学装置において、
   前記走査光学系のうち光路上で前記偏向手段に最も近く配置されている第１走査レンズの光弾性係数が４０×１０^-12［Ｐａ^-1］以上であり、
   前記第１走査レンズ以降の光路上では、反射部材と光弾性係数が４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満の第２走査レンズとの順で対になって配置されており、又は、光弾性係数が４０×１０^-12［Ｐａ^-1］未満の第２走査レンズと反射部材との順で対になって配置されており、
   前記第２走査レンズは反射防止コートがされておらず、
   前記反射部材における使用入射角度の最大値をθmax、最小値をθminとし、θmaxとθminにおけるｓ偏光反射率をそれぞれＲｓ（θmax）、Ｒｓ（θmin）、ｐ偏光反射率をそれぞれＲｐ（θmax）、Ｒｐ（θmin）としたとき、以下の条件式を満たすこと、
   Ｒｐ（θmax）＜Ｒｐ（θmin）＜Ｒｓ（θmin）＜Ｒｓ（θmax）
   を特徴とするレーザー走査光学装置。
2. 前記反射部材のコーティング層が３層であり、中央の層の屈折率が最も高く、３層合計の膜厚がレーザー光束の波長以下であること、を特徴とする請求項１に記載のレーザー走査光学装置。
3. 前記反射部材における使用入射角度の最大値をθmax、最小値をθminとし、θmaxとθminにおけるｓ偏光反射率をそれぞれＲｓ（θmax）、Ｒｓ（θmin）、ｐ偏光反射率をそれぞれＲｐ（θmax）、Ｒｐ（θmin）としたとき、以下の条件式を満たすこと、
   １０＜θmax−θmin
   ０．０１＜Ｒｓ（θmax）−Ｒｐ（θmin）＜０．０３
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザー走査光学装置。

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