JP6829514B1 - 走査光学系の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、走査レンズを含む結像光学系及び入射光学系を変えることなく、ポリゴンミラーのみを変えることによって有効走査幅の異なる走査光学系が得られる走査光学系の製造方法であって、第１の値の有効走査幅に対応する第１のポリゴンミラー（１１０１）を使用して第１の走査光学系を設計するステップと、偏向角が０である場合の光線の該第１のポリゴンミラー（１１０１）の反射面の反射点である該第１の走査光学系の偏向基準点（Ｏ（０，０））の位置に偏向基準点を定めて該第１の値よりも小さい第２の値の有効走査幅に対応する第２のポリゴンミラー（１１０２）を備える第２の光学系を設計するステップと、副走査方向断面における該結像光学系の横倍率を調整するように該走査レンズの形状及び位置を調整するステップと、を含む。

Description

本発明は、走査光学系の製造方法に関する。

プリンタ及び複合機の小型化及び低コスト化の要請に応えるために１枚の走査レンズを使用する走査光学系が開発されている（たとえば、特許文献１）。さらに、１枚の走査レンズを使用する走査光学系に関し、同一の入射光学系及び結像光学系を使用し、ポリゴンミラーのみを変更することによって有効走査幅の異なる複数の走査光学系を製造ことができれば、有効走査幅の異なる複数の走査光学系に同一の走査レンズを使用することができるので製造コスト的に有利である。したがって、同一の入射光学系及び結像光学系を使用し、ポリゴンミラーのみを変更することによって有効走査幅の異なる複数の走査光学系を製造することのできる走査光学系の製造方法に対するニーズがある。

特開平10-10445号公報

本発明の課題は同一の入射光学系及び結像光学系を使用し、ポリゴンミラーのみを変更することによって有効走査幅の異なる複数の走査光学系を製造することのできる走査光学系の製造方法を提供することである。

本発明の走査光学系の製造方法は、走査レンズを含む結像光学系及び入射光学系を変えることなく、ポリゴンミラーのみを変えることによって有効走査幅の異なる走査光学系が得られる走査光学系の製造方法であって、第１の値の有効走査幅に対応する第１のポリゴンミラーを使用して第１の走査光学系を設計するステップと、偏向角が０である場合の光線の該第１のポリゴンミラーの反射面の反射点である該第１の走査光学系の偏向基準点の位置に偏向基準点を定めて該第１の値よりも小さい第２の値の有効走査幅に対応する第２のポリゴンミラーを備える第２の光学系を設計するステップと、副走査方向断面における該結像光学系の横倍率を調整するように該走査レンズの形状及び位置を調整するステップと、を含む。

本発明の走査光学系の製造方法によれば、同一の入射光学系及び結像光学系を使用し、ポリゴンミラーのみを変更することによって有効走査幅の異なる複数の走査光学系を製造することができる。

本発明の第１の実施形態の走査光学系の製造方法は、該第２の光学系を設計するステップにおいて、偏向角が０である場合の該第１のポリゴンミラーの反射面に垂直で該第１のポリゴンミラーの中心点を通る直線上に該第２のポリゴンミラーの中心点が位置するようにする。

本実施形態によれば、第２のポリゴンミラーの中心点の位置を一意的に定めることができる。

本発明の第２の実施形態の走査光学系の製造方法において、システム焦点距離をｆ、該第１の値をＷ１、該第２の値をＷ２、該第１のポリゴンミラーの内接円の半径をΦ１、第２のポリゴンミラーの内接円の半径をΦ２、副走査方向断面における該結像光学系の横倍率をβとして

0.75 ≦ f/W1 ≦ 0.85 (1)
0.75 ≦ f/W2 ≦ 0.85 (2)
0.7 ≦ Φ2/Φ1≦ 0.8 (3)
2.4 ≦ β≦ 3.2 (4)

を満たす。

式（１）及び式（２）について、システム焦点距離と有効走査幅との比が0.75未満であると高速印字性能が得られない。また、システム焦点距離と有効走査幅との比が0.85を超えると、走査レンズの副走査方向断面の形状に対する結像性能の感度が高くなり安定した製造が期待できない。

式（３）について、第２のポリゴンミラーの内接円と第１のポリゴンミラーの内接円との比が0.7未満であると、第２のポリゴンミラーの反射点の第１のポリゴンミラーの反射点に対する位置ずれが大きくなり像面湾曲の変化を抑えることが困難となる。

式（４）について、副走査方向断面における結像光学系の横倍率が2.4未満であると、入射光学系の集光点から走査までの距離を大きくする必要があり、走査レンズのサイズが大きくなるので製造コストが増加する。副走査方向断面における結像光学系の横倍率が3.2を超えると、第１の走査光学系の像面湾曲と第２の走査光学系の像面湾曲との差が大きくなり、第２の走査光学系の像面湾曲量を抑えることができない。

本発明の第３の実施形態の走査光学系の製造方法において、副走査方向断面における該結像光学系の横倍率を調整するステップにおいて、該第１の走査光学系の副走査方向断面における像面湾曲量と該第２の走査光学系の副走査方向断面における像面湾曲量との差の絶対値の最大値をΔＤとして

0 ≦ |ΔD| ≦ 4.35 mm (5)

を満たすように該横倍率を調整する。

本実施形態によれば、第２の走査光学系の像面湾曲量を実用上満足できる範囲に抑えることができる。

本発明の第３の実施形態の走査光学系の製造方法において、

300 mm≦ W2 (6)

を満たす。

本実施形態によれば、Ａ３サイズ用の走査光学系を製造することができる。

本発明の一実施形態の製造方法に係る走査光学系を示す図である。 本発明の一実施形態による走査光学系の製造方法を説明するための流れ図である。 第１のポリゴンミラー及び第２のポリゴンミラーの位置関係を説明するための図である。 偏向角が０ではないθである場合の、第１のポリゴンミラー及び第２のポリゴンミラーの反射面及び反射点の位置を示す図である。 第１及び第２の走査光学系の結像光学系の副走査方向断面を示す図である。 実施例１‐３について像高と副走査方向断面の像面湾曲変化量との関係を示す図である。 実施例１‐３について副走査方向断面の像面湾曲変化量の絶対値の最大値と走査レンズの主走査方向の長さを示す図である。

図１は、本発明の一実施形態の製造方法に係る走査光学系１００を示す図である。図１において主走査方向のｙ軸、副走査方向のｘ軸及び主走査方向及び副走査方向に垂直なｚ軸を定める。図１はｙ軸及びｚ軸が形成する平面に平行な断面を示す。図示しないｘ軸は紙面に垂直な方向である。ｘｙｚ座標系は後で説明する偏向基準点を原点とする。走査光学系１００は入射光学系と、偏向器と、結像光学系とから構成される。入射光学系は、光源１０１と、コリメータ１０３と、アパーチャ１０５と、シリンダーレンズ１０７とを含む。偏向器はポリゴンミラー１１０である。結像光学系は１枚の走査レンズ１２０からなる。本実施形態において光源１０１は半導体レーザである。光源１０１から放出された光束はコリメータ１０３によって平行光束とされ、アパーチャ１０５を通過することにより光束径が制御される。その後、光束はｘ軸方向にのみパワーを有するシリンダーレンズ１０７を通過することにより、ポリゴンミラー１１０の反射面の近傍にｙ軸及びｚ軸が形成する平面に平行な平面内に直線状に集光される。さらに光束はポリゴンミラー１１０の反射面によって偏向され、走査レンズ１２０によって走査面１３０上に集光される。ポリゴンミラー１１０が回転すると走査面１３０上でｙ軸方向の主走査が実施される。図１においてＷは有効走査幅を表し、点Ｏは偏向基準点を表す。偏向基準点とは、ポリゴンミラー１１０で偏向された光束が走査面１３０に垂直に入射する場合のポリゴンミラー１１０の反射面における反射点の位置である。この場合ポリゴンミラー１１０で偏向された光束はｚ軸方向に進む。一般的に、ポリゴンミラー１１０で偏向された後の光束の方向とｚ軸とがなす角度（鋭角）を偏向角と呼称する。偏向角の符号は、ポリゴンミラー１１０で偏向された後の光束が走査面１３０のｙ座標が正の領域に到達する場合に正とし、ｙ座標が負の領域に到達する場合に負とする。ポリゴンミラー１１０で偏向された光束が走査面１３０に垂直に入射する場合の偏向角は０である。偏向角をθ、走査面１３上の集光位置のｙ座標をＹで表すとＹ＝ｆθの関係が成立する。ここで、ｆは定数である。この定数ｆをシステム焦点距離と呼称する。

図２は本発明の一実施形態による走査光学系の製造方法を説明するための流れ図である。

図２のステップＳ１０１０において、第１の値の有効走査幅に対応する第１のポリゴンミラーを使用して第１の走査光学系を設計する。ここで、第１の走査光学系において、有効走査幅の範囲内の偏向角ではスポット径が最小となる点の走査面からの距離が０．５ミリメータ以下になるようにする。すなわち、第１の走査光学系において、像面湾曲が実質上無視し得るようにする。

図２のステップＳ１０２０において、第１の走査光学系の偏向基準点の位置に偏向基準点を定めて該第１の値よりも小さい第２の値の有効走査幅に対応する第２のポリゴンミラーを備える第２の光学系を設計する。

図３は、第１のポリゴンミラー及び第２のポリゴンミラーの位置関係を説明するための図である。図３には第１の値の有効走査幅に対応する第１のポリゴンミラー１１０１と第１の値よりも小さい第２の値の有効走査に対応する第２のポリゴンミラー１１０２が示されている。第１及び第２の走査光学系の偏向基準点の位置は同じであり、第１のポリゴンミラー１１０１の回転中心Ｏ１及び第２のポリゴンミラー１１０２の回転中心Ｏ２は、偏向角が０である場合のポリゴンミラーの反射面に垂直で変更基準点Ｏからの距離がＥである直線Ｓ上に位置する。

図４は、偏向角が０ではないθである場合の、第１のポリゴンミラー１１０１及び第２のポリゴンミラー１１０２の反射面及び反射点の位置を示す図である。偏向角が０である場合の反射面の位置をＲＳ０で表し、偏向基準点をＯで表す。偏向角が０ではないθである場合の、第１のポリゴンミラー１１０１及び第２のポリゴンミラー１１０２の反射面をそれぞれＲＳ１及びＲＳ２で表し、ＲＳ１及びＲＳ２上の反射点をそれぞれＲ１及びＲ２で表し、点Ｒ１及び点Ｒ２間の距離をΔＬで表す。本明細書においてΔＬを経路長差と呼称する。偏向角が０ではないθである場合に、シリンダーレンズ１０７から反射点までの光線の経路長について、第１の走査光学系の経路長は第２の走査光学系の経路長よりもΔＬ短い。また、偏向角が０ではないθである場合に、第１及び第２の走査光学系のシリンダーレンズ１０７から反射点までの光線の経路長はシリンダーレンズ１０７から偏向基準点Ｏまでの光線の経路長よりも短い。シリンダーレンズ１０７は偏向角が０の場合に光束を偏向準点において副走査方向に集光させるように設計されているので、偏向角が０ではないθである場合に、第１及び第２の走査光学系の光線経路において入射光学系の集光点は反射面よりも走査面１３０の近くに位置し、第１の走査光学系の入射光学系の集光点は第２の走査光学系の入射光学系の集光点よりも走査面１３０の近くに位置する。

図５は、第１及び第２の走査光学系の結像光学系の副走査方向断面を示す図である。図５において第１及び第２の走査光学系の入射光学系の集光点をそれぞれＣ１’及びＣ２’で表し、第１及び第２の走査光学系の結像光学系の集光点をそれぞれＣ１及びＣ２で表す。集光点Ｃ１’と集光点Ｃ１及び集光点Ｃ２’と集光点Ｃ２はそれぞれ共役関係にある。上述のように、第１の走査光学系は、有効走査幅の範囲内の偏向角では像面湾曲を無視し得るように設計されている。したがって、図５において、第１の走査光学系の結像光学系の集光点Ｃ１はほぼ走査面１３０上に位置する。上述のように、第１の走査光学系の入射光学系の集光点Ｃ１’は第２の走査光学系の入射光学系の集光点Ｃ２’よりも走査面１３０の近くに位置するので、第２の走査光学系の結像光学系の集光点Ｃ２は第１の走査光学系の結像光学系の集光点Ｃ１よりも入射光学系側に位置する。

ここで、偏向角が０ではないθである場合の第２の結像光学系の光線経路に沿った集光位置Ｃ２から走査面１３０までの距離をΔＬｓとする。ΔＬｓは副走査方向断面における第２の走査光学系の像面湾曲量と第１の走査光学系の無視しうる像面湾曲量との差に相当する。本明細書においてΔＬｓを像面湾曲変化量と呼称する。図４によると偏向角が０ではないθである場合の光線の経路に沿った、入射光学系の集光点Ｃ１’及びＣ２’間の距離は、偏向角θが正の場合は（ΔＬ×２）であり、偏向角θが負の場合はΔＬである。したがって、以下の関係が成立する。
偏向角θが正の場合

偏向角θが負の場合

ここで、βは副走査方向断面における走査レンズ１２０の横倍率である。

式（７）及び式（８）によると、像面湾曲変化量ΔＬｓは経路長差ΔＬ及び横倍率βの二乗に比例する。

上記の実施形態において、第１及び第２の走査光学系の偏向基準点の位置は同じであり、第１のポリゴンミラー１１０１の回転中心Ｏ１及び第２のポリゴンミラー１１０２の回転中心Ｏ２は、偏向角が０である場合の第１のポリゴンミラー１１０１の反射面に垂直で変更基準点Ｏからの距離がＥである直線Ｓ上に位置する。一般的に、第１及び第２の走査光学系の偏向基準点の位置は同じであれば、第１のポリゴンミラー１１０１の回転中心Ｏ１及び第２のポリゴンミラー１１０２の回転中心Ｏ２は、直線Ｓ上に位置しなくとも式（７）及び式（８）の関係は成立する。

主走査方向断面においては、光源１０１の発光点と結像光学系の集光位置とが共役関係にある。したがって、主走査方向断面における第１の走査光学系の光線経路長と第２の走査光学系の光線経路長の差による結像光学系の集光位置の変化量は、副走査方向断面の場合と比較して無視することができる。

図２のステップＳ１０３０において、副走査方向断面における結像光学系の横倍率βを調整するように走査レンズ１２０の形状及び位置を調整する。上述のように、副走査方向断面の像面湾曲変化量ΔＬｓは第１の走査光学系と第２の走査光学系との経路長差ΔＬ及び副走査方向断面における結像光学系の横倍率βに依存する。また、第１の走査光学系は、像面湾曲が無視し得るように設計されている。したがって、副走査方向断面における結像光学系の横倍率βを小さくして像面湾曲変化量ΔＬｓを所定値以下にすることによって、第２の走査光学系の副走査方向断面の像面湾曲を所定値以下とすることができる。副走査方向断面における結像光学系の横倍率βを調整するには走査レンズ１２０の形状および位置を調整する。副走査方向断面における結像光学系の横倍率βを小さくする場合には、走査レンズ１２０を入射光学系の集光点から遠ざける必要がある。このため、走査レンズのｙ軸方向（主走査方向）の長さを大きくする必要がある。

以下に本発明の走査光学系の実施例について説明する。実施例の走査レンズ１２０の入射面及び出射面の形状は以下の式で表せる。

ただし、

式の変数及び定数の符号は以下のとおりである。
y：主走査方向座標
x：副走査方向座標
z：サグ（原点はレンズ面の頂点）
k：コーニック係数
Ry：主走査方向断面曲率半径
rx(y)：副走査方向断面の主走査方向座標yにおける曲率半径
rx(0)：副走査方向断面の光軸上の曲率半径
Ai：主走査方向断面の非球面係数（i = １、２、３、４・・・）
Bi：副走査方向断面曲率半径を決定する係数（i = １、２、３、４・・・）

光源１０１は半導体レーザである。以下の表においてθ⊥及びθ//はそれぞれ半導体レーザの接合に垂直及び平行な方向の放射角度を表す。走査レンズ１２０の材料は、ポリシクロオレフィン系樹脂であり、屈折率は1.503である。

実施例１
表１は、実施例１の走査光学系の光学配置及び光学素子の諸元、走査レンズの面形状を示す表である。第１の走査光学系と第２の走査光学系とは有効走査幅及びポリゴンミラーのサイズと配置のみが異なる。

実施例２
表２は、実施例２の走査光学系の光学配置及び光学素子の諸元、走査レンズの面形状を示す表である。第１の走査光学系と第２の走査光学系とは有効走査幅及びポリゴンミラーのサイズと配置のみが異なる。

実施例３
表３は、実施例３の走査光学系の光学配置及び光学素子の諸元、走査レンズの面形状を示す表である。第１の走査光学系と第２の走査光学系とは有効走査幅及びポリゴンミラーのサイズと配置のみが異なる。

実施例のまとめ
表４は実施例１‐３の特徴を示す表である。表４においてｆはシステム焦点距離、Ｗ１及びＷ２はそれぞれ第１及び第２の走査光学系の有効走査幅、Φ１及びΦ２は第１及び第２のポリゴンミラーの内接円の直径、βは副走査方向断面における結像光学系の横倍率、ΔＤは像面湾曲変化量の絶対値の最大値を表す。なお、表１‐３におけるポリゴンミラーの直径３０ミリメータの外接円は直径２５．９８ミリメータの内接円に相当する。

表４によれば、実施例１‐３において式（１）−（６）は満たされる。

図６は実施例１‐３について像高と副走査方向断面の像面湾曲変化量との関係を示す図である。図６の横軸は像高を示し、図６の縦軸は副走査方向断面の像面湾曲変化量を示す。横軸及び縦軸の単位はミリメータである。図５に示すように、集光点Ｃ２は集光点Ｃ１よりも入射光学系の近くに位置するので、図６において像弁湾曲変化量を負の値で表している。

図７は実施例１‐３について副走査方向断面の像面湾曲変化量の絶対値の有効走査幅３１０ミリメータの範囲における最大値と走査レンズの主走査方向の長さを示す図である。上述のように、副走査方向断面における結像光学系の横倍率βを小さくすると副走査方向断面の像面湾曲変化量の絶対値の最大値は小さくすることができるが、ポリゴンミラーから走査レンズまでの距離を小さくする必要があるので走査レンズの主走査方向の長さは大きくなる。したがって、横倍率βを小さくすることによる像面湾曲変化量の絶対値の減少と、走査レンズのサイズが大きくなることによる製造コストの増加とを比較考量して横倍率βを決定する。

Claims (5)

1. 走査レンズを含む結像光学系及び入射光学系を変えることなく、ポリゴンミラーのみを変えることによって有効走査幅の異なる走査光学系が得られる走査光学系の製造方法であって、
   第１の値の有効走査幅に対応する第１のポリゴンミラーを使用して第１の走査光学系を設計するステップと、
   偏向角が０である場合の光線の該第１のポリゴンミラーの反射面の反射点である該第１の走査光学系の偏向基準点の位置に偏向基準点を定めて該第１の値よりも小さい第２の値の有効走査幅に対応する第２のポリゴンミラーを備える第２の光学系を設計するステップと、
   副走査方向断面における該結像光学系の横倍率を調整するように該走査レンズの形状及び位置を調整するステップと、を含む走査光学系の製造方法。
2. 該第２の光学系を設計するステップにおいて、偏向角が０である場合の該第１のポリゴンミラーの反射面に垂直で該第１のポリゴンミラーの中心点を通る直線上に該第２のポリゴンミラーの中心点が位置するようにする請求項１に記載の走査光学系の製造方法。
3. システム焦点距離をｆ、該第１の値をＷ１、該第２の値をＷ２、該第１のポリゴンミラーの内接円の半径をΦ１、第２のポリゴンミラーの内接円の半径をΦ２、副走査方向断面における該結像光学系の横倍率をβとして
   
   0.75 ≦ f/W1 ≦ 0.85 (1)
   0.75 ≦ f/W2 ≦ 0.85 (2)
   0.7 ≦ Φ2/Φ1≦ 0.8 (3)
   2.4 ≦ β≦ 3.2 (4)
   
   を満たす請求項１または２に記載の走査光学系の製造方法。
4. 副走査方向断面における該結像光学系の横倍率を調整するステップにおいて、該第１の走査光学系の副走査方向断面における像面湾曲量と該第２の走査光学系の副走査方向断面における像面湾曲量との差の絶対値の最大値をΔＤとして
   
   0 ≦ |ΔD| ≦ 4.35 mm (5)
   
   を満たすように該横倍率を調整する請求項１から３のいずれかに記載の走査光学系の製造方法。
5. 300 mm≦ W2 (6)
   
   を満たす請求項１から４のいずれかに記載の走査光学系の製造方法。

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