JP6127238B2 - 走査光学系 - Google Patents

Description

本発明は、可変焦点素子を使用する走査光学系に関する。

レーザープリンタの描画装置や測定装置において、半導体レーザーなどの光源から発光されたビームを、集光レンズを通過させ、ポリゴンミラーや揺動ミラーなどの偏向器によって偏向し、走査像面上に結像させる走査光学系が使用されている。たとえば、レーザープリンタの走査光学系の場合、結像スポット径が走査像面上の走査領域（走査ライン）の全体にわたり均一であることが、高品位な描画を実現するのに重要である。

従来、走査ラインの全体にわたり均一なスポット径を実現するために、偏向器と走査像面との間に長尺の走査結像レンズを配することが一般的であった。しかし、長尺の結像レンズは高価なだけでなく、配置に大きな空間が必要となるので走査光学系を含む装置が大型化する。

そこで、長尺の結像レンズを使用せずに、ビームを走査像面上に結像させるために、走査に同期して焦点位置を変化させることのできる可変焦点素子を使用した走査光学系が提案されている（たとえば、特許文献１）。また、可変焦点素子としては、電気光学結晶に電圧を印加することで屈折率を変化させるようにした可変焦点素子、圧電素子バイモルフの表面を鏡面とした可変焦点ミラー、屈折率の異なる液体の界面の形状を電気的に制御できるようにした可変焦点レンズ、リニアモーターや圧電素子などを用いてレンズの位置を直接移動させるようにしたものなどが公知である（たとえば、特許文献２）。

ここで、走査像面と主光線との交点において主光線に垂直な面でのスポット径ω’は、光源の波長λ及び開口数ＮＡと以下の関係を有する。

可変焦点素子によってビームを走査像面上に結像させた場合に、偏向器から走査ラインの中央の結像点までのビームの経路に沿った距離は、偏向器から走査ラインの端部の結像点までのビームの経路に沿った距離よりも小さい。したがって、走査ラインの中央の結像点における開口数ＮＡは、走査ラインの端部の結像点における開口数ＮＡよりも大きい。この結果、走査ラインの端部の結像点におけるスポット径ω’（端部）は、走査ラインの中央の結像点におけるスポット径ω’（中央）よりも大きくなり、描画品位が低下する。

上述の走査ラインの端部でのスポットの径の肥大化を防止する手段として、可変焦点のレンズ系と固定焦点のレンズ系を固定焦点のレンズ系の焦点距離に相当する距離だけ離して配置する光学系が提案されている（たとえば、特許文献３）。

しかし、この従来技術の光学系では走査結像レンズとは別に多数の固定焦点レンズと可変焦点レンズを組み合わせた焦点位置可変光学系が採用されているので、構成が複雑でコストが高い。また、走査像面への結像レンズを上記の固定焦点レンズと兼用として簡易にする構成も考えられるが、固定焦点レンズの焦点距離が大きくなり、可変焦点レンズと固定焦点レンズの間隔を広げなければならなくなるので、装置が大型化してしまう。

上記の走査光学系では、スポット径ω’は偏向角によらず均一となる。しかし、描画品位に直接影響のある走査像面上でのスポット径ωは、ビームが走査像面に入射角φで斜入射していることを考慮すると、以下の式で表現される。

したがって、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とするには、走査ラインの端部における開口数ＮＡ（端部）を、走査ラインの中央における開口数ＮＡ（中央）よりも大きくする必要がある。

従来技術において、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とすることのできるコンパクトな走査光学系は開発されていない。

特開平２−２９３８０９号公報（特許２７９０８５１号） 特開昭６１−１８５７１６号公報 特開平７−２２５３４９号公報（特許３４４２８４５号）

したがって、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とすることのできるコンパクトな走査光学系に対するニーズがある。本発明の技術的課題は、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とすることのできるコンパクトな走査光学系を提供することである。

本発明による走査光学系は、可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数を最小値１／ｆ_ＭＩＮから最大値１／ｆ_ＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、
１／ｆ＝｛（１／ｆ_ＭＡＸ）＋（１／ｆ_ＭＩＮ）｝／２
のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ_１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ_２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ_３として、

を満足する。

本発明によれば、式（１）を満足することによって、走査ラインの端部における開口数を走査ラインの中央における開口数よりも大きくすることができる。したがって、走査ラインの端部における斜入射によるスポット径の増加を相殺することができる。

本発明の第一の実施形態による走査光学系は、

をさらに満足する。

本実施形態によれば、式（２）及び式（３）を満足することによって、走査光学系のサイズを小さくすることができる。

本発明の第二の実施形態による走査光学系は、

としたときに

をさらに満足する。

本実施形態によれば、式（５）を満足することによって、走査ラインの端部における開口数の、走査ラインの中央における開口数に対する倍率を適切に定めることができる。

本発明の第三の実施形態による走査光学系は、 前記面が平面であり、該平面上の走査線の中央から端までの高さをＨ、前記結像レンズのビームを走査する方向である主走査断面における焦点距離をｆ_２、

としたときに

ただし、

をさらに満足する。

本実施形態によれば、式（６）を満足することによって、走査ラインの端部において、開口数ＮＡを増加させることにより、斜入射角φの増加によるスポット径に増加分を相殺し、走査ラインの全体にわたり、スポット径の変化率を５％より小さくすることができる。

本発明の第四の実施形態による走査光学系は、前記ビームを前記面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを、前記結像レンズの前記光源側にさらに含み、移動範囲の中央に前記集光レンズと仮想可変焦点素子が固定されていると仮定し、前記集光レンズが移動することによる前記集光レンズ後の虚像位置の変化を実現するように、前記仮想可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数の最小値１／ｆ_ＭＩＮ及び最大値１／ｆ_ＭＡＸを定め、前記仮想可変焦点素子を前記可変焦点素子とする走査光学系である。

本実施形態によれば、ビームを受光面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを使用して、走査ラインの端部における斜入射によるスポット径の増加を相殺することができる。

本発明の第四の実施形態による走査光学系は、前記結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離が異なる。

本実施形態によれば、結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離を変えることにより、偏向器の反射面上で線上に結像させて面倒れ補正したり、偏向器のミラーを小型化したりすることができる。

本発明の実施例１の走査光学系の構成を示す図である。 可変焦点素子の機能を説明するための図である。 可変焦点素子による結像面の補正を説明するための図である。 本発明の実施例２の走査光学系の構成を示す図である。 本発明の実施例３の走査光学系の構成を示す図である。 本発明の比較例の走査光学系の構成を示す図である。 ビームによって形成される受光面１０８上のスポットの、位置と径との関係を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態（後で説明する実施例１）の走査光学系１００Ａの構成を示す図である。走査光学系１００Ａは、集光レンズ１０３Ａと、アパーチャ１０４Ａと、可変焦点素子１０５Ａと、結像レンズ１０６Ａと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ａによって、所定の発散ビームとされた後、結像レンズ１０６Ａを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図１の水平方向に走査するように偏向される。可変焦点素子１０５Ａは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図１において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。

図２は、可変焦点素子の機能を説明するための図である。図２において、集光レンズ、アパーチャ及び偏向器は省略されている。図２において、Ｐ１は発散ビームの虚像点、Ｐ２は可変焦点素子１０５の入射側主点、Ｐ３は可変焦点素子１０５の出射側主点、Ｐ４は結像レンズ１０６の入射側主点、Ｐ５は結像レンズ１０６の出射側主点、Ｐ６はビームの結像点を示す。

可変焦点素子１０５の焦点距離ｆの逆数を最小値１／ｆ_ＭＩＮから最大値１／ｆ_ＭＡＸまで変化させて走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御するとして、
１／ｆ＝｛（１／ｆ_ＭＡＸ）＋（１／ｆ_ＭＩＮ）｝／２＝１／ｆ_ＭＥＡＮ
のときに、発散ビームの虚像点Ｐ１から可変焦点素子１０５の入射側主点Ｐ２までの距離をｘ_１、可変焦点素子１０５の射出側主点Ｐ３から結像レンズ１０６の入射側主点Ｐ４までの距離をｘ_２、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ_３とする。

図２（ａ）は、ｆ＝ｆ_ＭＥＡＮの状態を示す図である。

図２（ｂ）は、ｆ＝ｆ_ＭＡＸの状態を示す図である。この状態で、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ_３＋とする。ｘ_３＋は、図１において、結像レンズ１０６Ａの射出側主点から受光平面１０８の走査ラインの中央Ｃまでのビームの主光線の経路に沿った距離に相当する。

図２（ｃ）は、ｆ＝ｆ_ＭＩＮの状態を示す図である。この状態で、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ_３−とする。ｘ_３−は、図１において、結像レンズ１０６Ａの射出側主点から受光平面１０８の走査ラインの端部Ｅまでのビームの主光線の経路に沿った距離に相当する。

図２の簡略化された光学系の近軸計算に基づいて、本発明の走査光学系の機能を説明する。可変焦点素子１０５の焦点距離はノンパワー（焦点距離は無限大）を規準として、＋Δｆ（ｆ＝ｆ_ＭＡＸに相当）から−Δｆ（ｆ＝ｆ_ＭＩＮに相当）までの範囲を取るものとする。

虚像側のＮＡをＮＡ_ｏ、結像側のＮＡをＮＡ_ｉ、可変焦点素子での倍率をβ_１、結像レンズでの倍率をβ_２とする。ＮＡ_ｉとＮＡ_ｏの関係は以下の式で表せる。

ここで、Ｍは、虚像側の開口数ＮＡ_ｏを基準とした結像側の開口数ＮＡ_ｉの倍率である。

可変焦点素子の焦点距離をΔｆ、結像レンズの焦点距離をｆ_２とすると、可変焦点素子での倍率をβ_１及び結像レンズでの倍率をβ_２は以下の式で表せる。なお、式（１２）の第２項は、第３項に、後で説明する式（７）を代入して得られる。

可変焦点素子の焦点距離が＋Δｆのときの倍率をＭ_＋、−Δｆのときの倍率をＭ₋とすると、受光平面１０８の走査ラインの中央Ｃにおける倍率Ｍ_＋から端部Ｅにおける倍率Ｍ₋へのＭの変化率Ｋは、以下の式で表せる。

式（１０）乃至（１２）を用いて整理すると、

中央Ｃよりも端部ＥでＮＡ_ｉが大きくなるにはＫが正であれば良い。今、ｘ_１とΔｆもまた正なので、以下の式がＫを正にする条件式となる。

式（１５）を変形して以下の式が得られる。

走査光学系全体の小型化にはレンズ間隔のｘ_２を小さくすることが効果的であるが、可変焦点素子直後のビームが平行光に近いとｘ_１が非常に大きくなり、ｘ_２はｘ_３よりも小さな値を取ることができなくなる。よって、装置の小型化にはｘ_１を小さくして可変焦点素子直後のビームの発散度を上げることが効果的である。ｘ_１の絶対値をｘ_３の３．２倍未満とすることで、ｘ２を効果の見られる程度（ｘ３の０．８倍）まで小さくすることができる。

偏向器の制約などもあり、走査像面への斜入射角φは最大でも６０度程度である。逆に斜入射角φが小さくなり過ぎ１５度を下回ると、光路長や集光レンズサイズが大きくなり、装置全体が大きくなってしまう。このとき、補正に必要なＮＡ_ｉの変化率Ｋの範囲は以下の式（１６）で表される。式（１６）を満たさないｋの範囲では補正が過剰で、周辺のスポット径が小さくなりすぎてしまう。

式（１６）に式（１４）を代入して以下の式が導かれる。

走査像面での結像位置ｘ_３は可変焦点素子の焦点距離の＋Δｆから−Δｆまでの変動に伴い、ｘ_３＋とｘ_３−との間で変化する。

一般的に、レンズの焦点距離ｆと物体からレンズの入射側主点までの距離ｘが決まると、射出側主点から結像面までの距離ｘ’が、以下の式によって定まる。
（ｆ／（ｘ−ｆ）＝−（ｘ’−ｆ）／ｆ）
そこで、図２において、虚像の可変焦点素子１０５による像の位置を求めて、さらに、その像の結像レンズ１０６による像の位置を計算すれば、式（７）及び（８）が導出できる。

図３は可変焦点素子による結像面の補正を説明するための図である。図３において、ｌは、ビームの主光線が走査ラインの中央Ｃに到達するときの、偏向器の反射点から走査ラインの中央Ｃまでの距離を表す。また、Ｈは走査ラインの中央Ｃから端部Ｅまでの距離を表す。今、可変焦点素子により結像面の湾曲が補正されていると仮定すると、以下の式が成立する。

よって、ビームの走査像面（受光面）に対する入射角がφである場合のスポットサイズの変動を表すｃｏｓφは、式（１７）を使用して以下の式で表される。

走査ライン中央から端部にかけての斜入射の影響の変化率Ｊは、式（１８）を使用して以下の式で表される。

式Ｂによると、走査ライン上でのスポットサイズが均一となるのは、Ｍ、すなわちＮＡの増加率（Ｋの正の値）と斜入射角φの増加によるｃｏｓφの減少率（Ｊの負の値）とが打ち消しあう場合、すなわち、以下の式が成立する場合である。

スポットサイズの変動を±５％まで許容するとすれば、以下の式を満たせば良い。

式（２１）に式（１９）及び式（１４）を代入すると以下の式が得られる。

本発明の実施例及び比較例について以下に説明する。

実施例１
図１は、実施例１の走査光学系１００Ａの構成を示す図である。走査光学系１００Ａは、集光レンズ１０３Ａと、アパーチャ１０４Ａと、可変焦点素子１０５Ａと、結像レンズ１０６Ａと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ａによって、所定の発散ビームとされた後、可変焦点素子１０５Ａ及び結像レンズ１０６Ａを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図１の水平方向に走査するように偏向される。可変焦点素子１０５Ａは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図１において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。

表１は、実施例１の走査光学系１００Ａの数値データを示す表である。表１及び以下の表の間隔・厚みについて、たとえば、光源原点の間隔・厚みは、光源原点から隣接する集光レンズ入射面までの間隔を示し、集光レンズ入射面の間隔・厚みは、集光レンズの厚みを示す。また、間隔・厚みは、光源原点から受光面上の走査ラインの中央の点Ｃに到達する点に到達する光の経路に沿った間隔・厚みである。

可変焦点素子は、厚みが０である仮想的なものを想定している。ただし、図１における可変焦点素子１０５Ａはわかりやすくする目的で所定の厚みで記載している。

集光レンズ１０３Ａ及び結像レンズ１０６Ａの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。

集光レンズ１０３Ａの入射面、結像レンズ１０６Ａの入射面及び射出面は、球面または平面である。集光レンズ１０３Ａの射出面は、以下の式で定義される。

ここで、ｒは光軸からの距離を表し、ｚは、光軸と集光レンズ１０３Ａの射出面との交点を基準とした、光軸方向の距離である。ｃは中心曲率、Ｒは中心曲率半径を表す。また、ａは非球面係数を表し、ｎは整数を表す。

ここで、実施例及び比較例において、光軸は各光学素子の光学中心を結んだ線であり、走査ラインの中央Ｃに至るビームの主光線の経路と一致する。

表２は、実施例１の集光レンズ１０３Ａの射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。集光レンズ１０３Ａの焦点距離は６．１ミリメータである。

実施例２
図４は、本発明の実施例２の走査光学系１００Ｂの構成を示す図である。走査光学系１００Ｂは、集光レンズ１０３Ｂと、アパーチャ１０４Ｂと、結像レンズ１０６Ｂと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ｂによって、所定の発散ビームとされた後、結像レンズ１０６Ｂを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図４の水平方向に走査するように偏向される。ここで、集光レンズ１０３Ｂは、偏向器１０７による走査と同期して、光軸方向に所定の範囲で移動させられる。集光レンズ１０３Ｂが光軸方向に移動することにより、ビームの光軸上における結像位置は変化する。集光レンズ１０３Ｂの位置は、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。集光レンズ１０３Ｂの光軸方向の移動距離は２２９マイクロメータである。図４において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。

表３は、実施例２の走査光学系１００Ｂの数値データを示す表である。

集光レンズ１０３Ｂ及び結像レンズ１０６Ｂの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。

集光レンズ１０３Ｂの入射面、結像レンズ１０６Ｂの入射面及び射出面は、球面または平面である。集光レンズ１０３Ｂの射出面は、以下の式で定義される。

表４は、実施例２の集光レンズ１０３Ｂの射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。集光レンズ１０３Ｂの焦点距離は６．１ミリメータである。

実施例３
図５は、本発明の実施例３の走査光学系１００Ｃの構成を示す図である。走査光学系１００Ｃは、集光レンズ１０３Ｃと、アパーチャ１０４Ｃと、可変焦点素子１０５Ｃと、結像レンズ１０６Ｃと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ｃによって、所定の発散ビームとされ、可変焦点素子１０５Ｃを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図５の水平方向に走査するように偏向される。その後、結像レンズ１０６Ｃを通過する。可変焦点素子１０５Ｃは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図５において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。

表５は、実施例３の走査光学系１００Ｃの数値データを示す表である。

可変焦点素子は、厚みが０である仮想的なものを想定している。ただし、図５における可変焦点素子１０５Ｃはわかりやすくする目的で所定の厚みで記載している。

集光レンズ１０３Ｃの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。結像レンズ１０６Ｃの材料は、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５２５である。

集光レンズ１０３Ｃの入射面は球面である。集光レンズ１０３Ｃの射出面は、以下の式で定義される。

表６は、実施例３の集光レンズ１０３Ｃの射出面の数値データを示す表である。集光レンズ１０３Ｃの焦点距離は６．１ミリメータである。

結像レンズ１０６Ｃの入射面及び射出面は、以下の定義式の母線形状を半径Ｒｒで回転させたトロイダル面である。

表７は、実施例３の結像レンズ１０６Ｃの入射面及び射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。

比較例
図６は、本発明の比較例の走査光学系１００Ｘの構成を示す図である。走査光学系１００Ｘは、集光レンズ１０３Ｘと、アパーチャ１０４Ｘと、可変焦点素子１０５Ｘと、結像レンズ１０６Ｘと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ｘによって、所定の発散ビームとされ、可変焦点素子１０５Ｘ及び結像レンズ１０６Ｘを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図６の水平方向に走査するように偏向される。可変焦点素子１０５Ｘは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図６において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。

表８は、比較例の走査光学系１００Ｘの数値データを示す表である。

可変焦点素子は、厚みが０である仮想的なものを想定している。ただし、図６における可変焦点素子１０５Ｘはわかりやすくする目的で所定の厚みで記載している。

集光レンズ１０３Ｘ及び結像レンズ１０６Ｘの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。

集光レンズ１０３Ｘの入射面及び射出面、結像レンズ１０６Ｘの入射面及び射出面は球面または平面である。集光レンズ１０３Ｘの焦点距離は１１．６ミリメータである。

実施例と比較例との対比
表９は、実施例１乃至実施例３及び比較例の主要なパラメータを示す表である。

図２に関連して説明したように、可変焦点素子１０５の焦点距離ｆの逆数を最小値１／ｆ_ＭＩＮから最大値１／ｆ_ＭＡＸまで変化させて走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御するとして、
１／ｆ＝｛（１／ｆ_ＭＡＸ）＋（１／ｆ_ＭＩＮ）｝／２＝１／ｆ_ＭＥＡＮ
のときに、発散ビームの虚像点Ｐ１から可変焦点素子１０５の入射側主点Ｐ２までの距離をｘ_１、可変焦点素子１０５の射出側主点Ｐ３から結像レンズ１０６の入射側主点Ｐ４までの距離をｘ_２、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ_３とする。また、
ｆ_ＭＡＸ＝Δｆ
ｆ_ＭＩＮ＝−Δｆ
とする。

ここで、実施例２についてさらに説明する。実施例２の走査光学系１００Ｂは、可変焦点素子を含まない。実施例２の走査光学系１００Ｂにおいては、集光レンズ１０３Ｂを光軸方向に移動させることにより、走査中にビームが常に受光面上に結像するようにビームの光軸上における結像位置を変化させている。そこで、集光レンズ１０３Ｂの光軸方向の移動範囲の中央位置に、集光レンズ１０３Ｂ及び仮想可変焦点素子１０５’を固定し、仮想可変焦点素子１０５’の焦点距離の最小値ｆ_ＭＩＮ及び最大値ｆ_ＭＡＸは、集光レンズ１０３Ｂの光軸方向の移動による結像位置の変化を再現するように定める。表９において、焦点距離の最小値ｆ_ＭＩＮ（−Δｆ）及び焦点距離の最大値ｆ_ＭＡＸ（Δｆ）は、上記のようにして定めた値である。

図３に関連して説明したように、ｌは、ビームの主光線が走査ラインの中央Ｃに到達するときの、偏向器の反射点から走査ラインの中央Ｃまでの距離を表す。また、Ｈは走査ラインの中央Ｃから端部Ｅまでの距離を表す。ただし、実施例３の場合において、Ｌは、受光面上の走査ライン、走査ラインの中央Ｃに向かうビームの主光線、及び走査ラインの端部Ｅに向かうビームの主光線のなす三角形の、走査ラインの中央Ｃに向かうビームの主光線に沿った辺の長さである。

Ａ乃至Ｅは、以下のように定義され、それぞれ式（１）乃至（３）、式（５）及び式（６）に対応する。

表９によると、実施例１乃至３は、式（１）乃至（３）、式（５）及び式（６）をすべて満たす。これに対して、比較例は、式（１）乃至（３）、式（５）及び式（６）のいずれの式も満たさない。

図７は、ビームによって形成される受光面１０８上のスポットの、位置と径との関係を示す図である。図７の横軸は、受光面上の走査ラインの中央Ｃから走査ライン上の任意の点までの距離、すなわち、像高を表す。単位は、ミリメータである。走査ラインの２個の端部のうち、一方の方向を正とし、他方の方向を負とする。図７の縦軸はスポット径を表す。単位はマイクロメータである。

実施例１乃至３の場合に、横軸の全範囲にわたるスポット径の変動は、２マイクロメータよりも小さい。比較例（従来例）の場合に、横軸の全範囲にわたるスポット径の変動は７マイクロメータよりも大きい。このように、実施例１乃至３のスポット径の変動は、比較例のスポット径の変動より顕著に減少している。

なお、他の好ましい実施形態において、結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離を変えることにより、偏向器の反射面上で線上に結像させて面倒れ補正したり、偏向器のミラーを小型化したりすることができる。

Claims (6)

1. 可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、
   該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数を最小値１／ｆ_ＭＩＮから最大値１／ｆ_ＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、
   １／ｆ＝｛（１／ｆ_ＭＡＸ）＋（１／ｆ_ＭＩＮ）｝／２
   のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ_１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ_２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ_３として、
   

   

   を満足する走査光学系。
2. 

   

   をさらに満足する請求項１に記載の走査光学系。
3. 

   としたときに
   

   

   をさらに満足する請求項１または２に記載の走査光学系。
4. 前記面が平面であり、該平面上の走査線の中央から端までの高さをＨ、前記結像レンズのビームを走査する方向である主走査断面における焦点距離をｆ_２、
   

   

   としたときに
   

   

   ただし、
   

   

   

   をさらに満足する請求項１から３のいずれかに記載の走査光学系。
5. 前記ビームを前記面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを、前記結像レンズの前記光源側にさらに含み、移動範囲の中央に前記集光レンズと仮想可変焦点素子が固定されていると仮定し、前記集光レンズが移動することによる前記集光レンズ後の虚像位置の変化を実現するように、前記仮想可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数の最小値１／ｆ_ＭＩＮ及び最大値１／ｆ_ＭＡＸを定め、前記仮想可変焦点素子を前記可変焦点素子とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の走査光学系。
6. 前記結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離が異なる、請求項１乃至５のいずれかに記載の走査光学系。

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