JP6986312B2 - 走査光学系及び走査レンズ - Google Patents
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Description
本発明は、走査光学系及び走査レンズに関する。
プリンタやMFP(マルチファンクションプリンタ)などに使用される1枚の走査レンズを備えた走査光学系であって、面上の走査経路の長さに比較して偏向器から該面までの距離の小さなコンパクトな走査光学系が開発されている(特許文献1及び特許文献2)。このようなコンパクトな走査光学系においては、走査経路の端部及びその付近において、面への光束の入射角が大きくなり、経路の中央部と比較して深度が顕著に浅くなる。深度とは、光束の径が最大許容値以下となる光軸方向の範囲の大きさを意味する。したがって、たとえば、走査光学系の走査レンズの出射面が光軸から偏芯した場合に、走査経路の端部及びその付近に到達する光束の光軸方向の結像位置が変化し、走査経路の端部及びその付近において該面上の光束の径が最大許容値を超えやすい。結果として、このようなコンパクトな走査光学系は、面上の光束の径を最大許容値以下とするように構成するのが困難であった。
このように、コンパクトな走査光学系であって、面上の光束の径を最大許容値以下とするように構成するのが容易な走査光学系及びそのような走査光学系用の走査レンズは開発されていない。
したがって、コンパクトな走査光学系であって、面上の光束の径を最大許容値以下とするように構成するのが容易な走査光学系及びそのような走査光学系用の走査レンズは開発されていない。本発明の課題は、コンパクトな走査光学系であって、面上の光束の径を最大許容値以下とするように構成するのが容易な走査光学系及びそのような走査光学系用の走査レンズを提供することである。
本発明の第1の態様の走査光学系は、光源と偏向器と単一の走査レンズとを備え、該光源からの光束が該偏向器によって偏向し、該走査レンズを通過し、面を走査するように構成されている。該面上の走査方向をy軸とし、該面に垂直に入射する該光束の主光線をz軸とし、該主光線の該偏向器の反射点を原点とし、原点から該面までの距離をLとし、該面上におけるy軸に沿った走査経路の長さをWとし、主光線が該走査レンズの出射面を通過する点のy座標の最大値及び最小値をそれぞれymax及びyminとし、該点における該出射面の主走査方向の曲率をcとし、該走査レンズの材料の屈折率をnとし、該点における主走査方向のパワー
Φ = (1−n) ・c
を定義し、yminから0.6ymin及び0.6ymaxからymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
とし、0.6yminから0.6ymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy |in
として、
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5 …(2)
を満たす。
Φ = (1−n) ・c
を定義し、yminから0.6ymin及び0.6ymaxからymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
とし、0.6yminから0.6ymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy |in
として、
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5 …(2)
を満たす。
本態様の走査光学系において、式(1)の項を上限値以下とすることでコンパクトな光学系を実現することができる。また、式(2)を満たすことにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合であっても、像高の全範囲の値に対して光束径を満たす許容最大値以下とする走査光学系が得られる。したがって、面上の走査経路の端部及びその周辺で深度が浅い、走査経路の長さに比較して偏向器から該面までの距離の小さなコンパクトな走査光学系であっても、主走査方向の光束径の変化が出射面のy軸方向の偏芯にロバストであり、製造しやすい走査光学系が得られる。
第1の態様の第1の実施形態の走査光学系は、該走査経路のy座標の最大値をYmaxとし、該走査経路のYmaxの位置に到達する主光線が該偏向器を経由した後に進む方向とz軸とのなす角度をθとし、Ymax=f・θによってfを定義して、
0.91 ≦ f/L ≦ 0.96 …(3)
を満たす。
0.91 ≦ f/L ≦ 0.96 …(3)
を満たす。
式(3)の項が上限値を超えると収差補正が困難となる。式(3)の項が下限値を下回ると収差補正には有利であるが、走査レンズの端部の厚さの確保が困難となる。したがって、式(3)を満たすのが望ましい。
第1の態様の第2の実施形態の走査光学系は、z軸に沿った該偏向器から該走査レンズまでの距離をd1として、
0.16 ≦ d1/L ≦ 0.19 …(4)
を満たす。
0.16 ≦ d1/L ≦ 0.19 …(4)
を満たす。
式(4)の項が上限値を超えると走査レンズのサイズが大きくなりコストも高くなる。式(4)の項が下限値を下回ると走査レンズのサイズは小さくなるが収差補正が困難となる。したがって、式(4)を満たすのが望ましい。
第1の態様の第3の実施形態の走査光学系においては、yz断面において、該偏向器に入射する光束は収束光束であり、該走査レンズの入射面はz軸と一致する光軸の近傍で物体側に凸であり、該出射面は該光軸の近傍で像側に凹である。
本発明の第2の態様の走査レンズは、光源と偏向器と該走査レンズとを含む走査光学系を、該光源からの光束が該偏向器によって偏向し、該走査レンズを通過し、面を走査するように構成し、該面上の走査方向をy軸とし、該面に垂直に入射する該光束の主光線をz軸とし、該主光線の該偏向器の反射点を原点とし、原点から該面までの距離をLとし、該面上におけるy軸に沿った走査経路の長さをWとし、主光線が該走査レンズの出射面を通過する点のy座標の最大値及び最小値をそれぞれymax及びyminとし、該点における該出射面の主走査方向の部分曲率をcとし、該走査レンズの材料の屈折率をnとし、該点における主走査方向のパワー
Φ = (1−n) ・c
を定義し、yminから0.6ymin及び0.6ymaxからymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
とし、0.6yminから0.6ymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy |in
として、
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5…(2)
を満たす。
Φ = (1−n) ・c
を定義し、yminから0.6ymin及び0.6ymaxからymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
とし、0.6yminから0.6ymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy |in
として、
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5…(2)
を満たす。
本態様の走査レンズを含む走査光学系は、式(1)の項を上限値以下とすることでコンパクトになる。また、式(2)を満たすことにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合であっても、像高の全範囲の値に対して光束径を満たす許容最大値以下とする走査レンズが得られる。したがって、面上の走査経路の端部及びその周辺で深度が浅い、走査経路の長さに比較して偏向器から該面までの距離の小さなコンパクトな走査光学系であっても、主走査方向の光束径の変化が出射面のy軸方向の偏芯にロバストであり、製造しやすい走査光学系用の走査レンズが得られる。
第2の態様の第1の実施形態の走査レンズは、yz断面において、該走査レンズの入射面はz軸と一致する光軸の近傍で物体側に凸であり、該出射面は該光軸の近傍で像側に凹である。
図1は、本発明の一実施形態(後で説明する実施例1)の走査光学系を示す図である。半導体レーザー光源200から放出された光束は、入射光学素子300によって収束光束に変換され、アパーチャ400を通過し、ポリゴンミラーなどの偏向器500によって進行方向を変えられ、走査レンズ100を通過した後、面600上に集光される。光源200から偏向器500までの光学系を入射光学系、偏向器500から面600までの光学系を結像光学系と呼称する。
偏向器500の回転軸及び結像光学系の光軸に垂直な方向を主走査方向と呼称する。主走査方向は、上記の収束光束が面600を走査する方向である。面600に垂直に入射する光束の主光線の偏向器500の面上の反射点を原点(0,0)とし、上記の主光線が原点で反射された後に進む方向にz軸を定める。結像光学系及び走査レンズ100の光軸はz軸と一致する。また、主走査方向にy軸を定める。図1は、走査光学系のyz断面を示す。yz断面を主走査断面とも呼称する。yz断面に垂直な方向を副走査方向と呼称する。副走査方向にx軸を定める。xz断面を副走査断面とも呼称する。
z軸に沿った原点から走査レンズ100までの距離をd1で表し、z軸に沿った原点から面600までの距離をLで表す。
上記の収束光束は面600をほぼ一定の速度で走査する。上記の光束の面600上の位置のy座標を像高と呼称する。像高の最大値をYmaxで表し、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度をθとする。Ymax=f・θによって定まるfを走査係数と呼称する。面600上における走査経路の長さ(走査幅)をWで表す。W=2Ymax=2f・θである。
入射光学素子300は、主走査方向の焦点距離と副走査方向の焦点距離が異なるアナモフィック光学素子である。入射光学素子300は、結像光学系における主走査方向においてレーザー光源200から放出された光束を収束光に変換し、副走査方向において偏向器500の面上に集光させる。この結果、偏向器500の面上において、光束は主走査方向に長い扁平な形状となる。入射光学素子300の副走査方向の焦点距離は、入射光学素子300の主走査方向の焦点距離よりも短い。また、入射光学素子300は、温度変動による性能変化を補償するためにレンズ面上に回折格子を備える。
半導体レーザー光源200において、活性領域の断面の厚さ方向の光束の拡がり角は、活性領域の断面の幅方向の光束の拡がり角よりも大きい。上記の厚さ方向及び幅方向をそれぞれ主走査方向及び副走査方向に対応させる。
結像光学系の走査レンズ100は、主走査方向において、偏向器500によって偏向された収束光束を面600上に集光させ、副走査方向において、偏向器500の面上に集光された光束を面600上に集光させる。すなわち、副走査方向において、偏向器500の面上の集光点と面600上の集光点とは共役関係にある。結像光学系の走査レンズは、コストの観点から単一であるのが好ましい。
図2は、本発明の一実施形態(後で説明する実施例1)の走査光学系におけるz座標と主走査方向の光束径(ビーム径)との関係を示す図である。図2の横軸はz座標を表す。z=0は面600のz座標である。図2の縦軸は主走査方向の光束径を表す。図2は、像高Yが108mm、54mm、0、−54mm、−108mmの光束についてz座標と主走査方向の光束径との関係を示す。図2における横軸に平行な破線は光束径の許容最大値を示す。光束径が許容最大値以下となるzの範囲の大きさを深度と呼称する。Y=0の場合の深度は約10mmであるが、Y=108mm(像高の最大値)及びY=−108mm(像高の最小値)の場合の深度は約4.4mmである。一般的に、LとWとの比が相対的に小さなコンパクトな走査光学系においては、像高の最大値または最小値及びそれらの付近、すなわち走査経路の端部及びその付近で面600への光束の入射角が大きくなり、像高が0の場合と比較して深度が顕著に浅くなる。
また、一般的に走査光学系において、軸上光束のF値よりも軸外光束のF値の方が小さいので、走査経路の端部及びその付近の深度は浅くなる。さらに、Lが短くなるにしたがって軸外光束のF値はさらに小さくなる傾向があるので、走査経路の端部及びその付近の深度はより顕著に浅くなる。
図3は走査レンズ100の特徴を説明するための図である。図3は走査レンズ100のyz断面を示す。面600上において、最大値の像高に到達する光束の主光線が走査レンズ100の出射面103を通過する点のy座標をymaxとし、最小値の像高に到達する光束の主光線が走査レンズ100の出射面103を通過する点のy座標をyminとする。y座標が0.6yminから0.6ymaxまでの領域を走査レンズ100の出射面103の内側の領域と呼称し、yminから0.6yminまでの領域及び0.6ymaxからymaxまでの領域を走査レンズ100の出射面103の外側の領域と呼称する。
主走査断面において出射面103上のある点PのパワーΦを以下の式で表す。
Φ = (1−n) ・c …(5)
nは走査レンズ100の材料の屈折率を表し、cは上記の点における出射面103の主走査方向の部分曲率を表す。
Φ = (1−n) ・c …(5)
nは走査レンズ100の材料の屈折率を表し、cは上記の点における出射面103の主走査方向の部分曲率を表す。
以下において本発明の実施例及び従来例について説明する。
実施例の走査レンズの入射面及び出射面の形状は以下の式で表せる。ただし、本発明の走査レンズの入射面及び出射面の形状は以下の式で表せるものに限定されない。
ただし
式(6)の座標について、z軸上のレンズ頂点の位置を原点とし、副走査方向にx軸を定め、主走査方向にy軸を定めている。式(6)の変数、定数及び係数を表す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
k:コーニック係数
Ry:主走査断面のレンズ頂点の曲率半径
rx(y):副走査断面の主走査方向座標yにおける曲率半径
rx(0):副走査断面の光軸上の曲率半径
Ai:主走査断面の非球面係数(i = 1、2、3、4・・・)
Bi:副走査断面の曲率半径を決定する係数(i = 1、2、3、4・・・)
N : 自然数
式(6)の座標について、z軸上のレンズ頂点の位置を原点とし、副走査方向にx軸を定め、主走査方向にy軸を定めている。式(6)の変数、定数及び係数を表す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
k:コーニック係数
Ry:主走査断面のレンズ頂点の曲率半径
rx(y):副走査断面の主走査方向座標yにおける曲率半径
rx(0):副走査断面の光軸上の曲率半径
Ai:主走査断面の非球面係数(i = 1、2、3、4・・・)
Bi:副走査断面の曲率半径を決定する係数(i = 1、2、3、4・・・)
N : 自然数
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データを示す表である。走査レンズの材料は、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。一般的に走査レンズの材料の屈折率は1.47から1.54の範囲である。W=2Ymax=2f・θであるので、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度はθ = 0.946rad = 54.2degである。
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データを示す表である。走査レンズの材料は、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。一般的に走査レンズの材料の屈折率は1.47から1.54の範囲である。W=2Ymax=2f・θであるので、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度はθ = 0.946rad = 54.2degである。
図4Aは、実施例1の走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合の像面湾曲の変化量を示す図である。図4Aの横軸は像高を示す。0の像高はz軸、すなわち走査レンズ300の光軸と面600との交点の位置に対応する。図4Aの縦軸は像面湾曲の変化量を示す。像面湾曲の変化量とは偏芯した状態の像面湾曲の値から偏芯のない状態の像面湾曲の値を差し引いた値である。
図4Aによれば、±30ミリメータ付近の像高で像面湾曲の変化量の絶対値は相対的に大きく、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値は相対的に小さい。図2を使用して説明したように、コンパクトな走査光学系においては、像高の最大値または最小値及びその付近で面600への光束の入射角が大きくなり、像高が0の場合と比較して深度が顕著に浅くなるが、本実施例においては像高の最大値、最小値及びその付近、すなわち走査経路の端部及びその付近で出射面の偏芯による像面湾曲の変化量の絶対値は相対的に小さいので主走査方向の光束径は許容最大値以下となる。本実施例において±30ミリメータ付近の像高で像面湾曲の変化量の絶対値は相対的に大きくなるが、図2によれば±30ミリメータ付近の像高の場合の深度は深いので出射面の偏芯によって像面湾曲が大きく変化しても主走査方向の光束径は許容最大値以下となる。このように本実施例の走査光学系は、走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合であっても、像高の全範囲の値に対して主走査方向の光束径は許容最大値以下とすることができる。
主走査断面における結像位置は、走査レンズの出射面の主走査方向のパワーΦに影響されると考えられる。そこで、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の像面湾曲の変化量の大きさは、出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値と密接に関連すると考えられる。
図4Bは、実施例1の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値との関係を示す図である。図4Bの横軸は出射面のy座標を示し、図4Bの縦軸は出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値を示す。
図4Aのグラフの形状と図4Bのグラフの形状とは類似している。したがって、出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値との関係から走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の像面湾曲の変化量の大きさを予測できると考えられる。
図4Cは、実施例1の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値との関係を示す図である。図4Cの横軸は出射面のy座標を示す。図4Cの縦軸は、出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。ymax及びyminの値は以下の通りである。
ymin = -36.698
ymax = 38.541
出射面の外側の領域と内側の領域との境界値は以下のとおりである。
0.6ymin = -22.02
0.6ymax = 23.12
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。ymax及びyminの値は以下の通りである。
ymin = -36.698
ymax = 38.541
出射面の外側の領域と内側の領域との境界値は以下のとおりである。
0.6ymin = -22.02
0.6ymax = 23.12
また、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
で表す。
|dΦ/dy|out
で表す。
図4B及び図4Cから以下の数値が得られる。
|dΦ/dy|in = 0.001799
|dΦ/dy|out = 0.000430
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 0.24
|dΦ/dy|in = 0.001799
|dΦ/dy|out = 0.000430
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 0.24
図4Cにおいて、内側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値のレベルを点線で示し、外側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値の0.5倍の値のレベルを点線で示している。外側の領域においてグラフが点線のレベル以下であるので
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5
が成立し、後で説明する式(2)が満たされる。
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5
が成立し、後で説明する式(2)が満たされる。
このように、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値と内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値との比を小さくすることにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の、走査経路の端部及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値を相対的に小さくすることができる。
実施例2
表3は、実施例2の走査光学系の光学配置及び光学素子のデータを示す表である。走査レンズの材料は、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。W=2Ymax=2f・θであるので、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度はθ = 0.907rad = 52.0degである。
表3は、実施例2の走査光学系の光学配置及び光学素子のデータを示す表である。走査レンズの材料は、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。W=2Ymax=2f・θであるので、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度はθ = 0.907rad = 52.0degである。
図5Aは、実施例2の走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合の像面湾曲の変化量を示す図である。図5Aの横軸は像高を示す。0の像高はz軸、すなわち走査レンズ300の光軸と面600との交点の位置に対応する。図5Aの縦軸は像面湾曲の変化量を示す。像面湾曲の変化量とは偏芯した状態の像面湾曲の値から偏芯のない状態の像面湾曲の値を差し引いた値である。
図5Aによれば、±30ミリメータ付近の像高で像面湾曲の変化量の絶対値は大きく、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値は小さい。本実施例の走査光学系におけるz座標と主走査方向の光束径との関係は図2に示したものと同様である。したがって、実施例1の場合と同様に、本実施例の走査光学系においても、走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合であっても、像高の全範囲の値に対して主走査方向の光束径は許容最大値以下とすることができる。
図5Bは、実施例2の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値との関係を示す図である。図5Bの横軸は出射面のy座標を示し、図5Bの縦軸は出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値を示す。
図5Cは、実施例2の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値との関係を示す図である。図5Cの横軸は出射面のy座標を示す。図5Cの縦軸は、出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。ymax及びyminの値は以下の通りである。
ymin = -36.743
ymax = 38.466
出射面の外側の領域と内側の領域との境界値は以下のとおりである。
0.6ymin = -22.05
0.6ymax = 23.08
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。ymax及びyminの値は以下の通りである。
ymin = -36.743
ymax = 38.466
出射面の外側の領域と内側の領域との境界値は以下のとおりである。
0.6ymin = -22.05
0.6ymax = 23.08
また、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
で表す。
|dΦ/dy|out
で表す。
図5B及び図5Cから以下の数値が得られる。
|dΦ/dy|in = 0.001476
|dΦ/dy|out = 0.000392
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 0.27
|dΦ/dy|in = 0.001476
|dΦ/dy|out = 0.000392
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 0.27
図5Cにおいて、内側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値のレベルを点線で示し、外側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値の0.5倍の値のレベルを点線で示している。外側の領域においてグラフが点線のレベル以下であるので
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5
が成立し、後で説明する式(2)が満たされる。
このように、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値と内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値との比を小さくすることにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値を相対的に小さくすることができる。
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5
が成立し、後で説明する式(2)が満たされる。
このように、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値と内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値との比を小さくすることにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値を相対的に小さくすることができる。
実施例3
表5は、実施例3の走査光学系の光学配置及び光学素子のデータを示す表である。走査レンズの材料は、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。W=2Ymax=2f・θであるので、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度はθ = 0.870rad = 49.8degである。
表5は、実施例3の走査光学系の光学配置及び光学素子のデータを示す表である。走査レンズの材料は、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。W=2Ymax=2f・θであるので、像高の最大値に対応する収束光束の主光線が偏向器500の面で反射された後に進む方向とz軸とがなす角度はθ = 0.870rad = 49.8degである。
図6Aは、実施例3の走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合の像面湾曲の変化量を示す図である。図6Aの横軸は像高を示す。0の像高はz軸、すなわち走査レンズ300の光軸と面600との交点の位置に対応する。図6Aの縦軸は像面湾曲の変化量を示す。像面湾曲の変化量とは偏芯した状態の像面湾曲の値から偏芯のない状態の像面湾曲の値を差し引いた値である。
図6Aによれば、±40ミリメータ付近の像高で像面湾曲の変化量の絶対値は大きく、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値は小さい。本実施例の走査光学系におけるz座標と主走査方向の光束径との関係は図2に示したものと同様である。したがって、実施例1の場合と同様に、本実施例の走査光学系においても、走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合であっても、像高の全範囲の値に対して主走査方向の光束径は許容最大値以下とすることができる。
図6Bは、実施例3の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値との関係を示す図である。図6Bの横軸は出射面のy座標を示し、図6Bの縦軸は出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値を示す。
図6Cは、実施例3の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値との関係を示す図である。図6Cの横軸は出射面のy座標を示す。図6Cの縦軸は、出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。ymax及びyminの値は以下の通りである。
ymin = -36.745
ymax = 38.307
出射面の外側の領域と内側の領域との境界値は以下のとおりである。
0.6ymin = -22.05
0.6ymax = 22.98
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。ymax及びyminの値は以下の通りである。
ymin = -36.745
ymax = 38.307
出射面の外側の領域と内側の領域との境界値は以下のとおりである。
0.6ymin = -22.05
0.6ymax = 22.98
また、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
で表す。
|dΦ/dy|out
で表す。
図6B及び図6Cから以下の数値が得られる。
|dΦ/dy|in = 0.001192
|dΦ/dy|out = 0.000445
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 0.37
|dΦ/dy|in = 0.001192
|dΦ/dy|out = 0.000445
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 0.37
図6Cにおいて、内側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値のレベルを点線で示し、外側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値の0.5倍の値のレベルを点線で示している。外側の領域においてグラフが点線のレベル以下であるので
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5
が成立し、後で説明する式(2)が満たされる。
このように、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値と内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値との比を小さくすることにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値を相対的に小さくすることができる。
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5
が成立し、後で説明する式(2)が満たされる。
このように、外側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値と内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値との比を小さくすることにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合の、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値を相対的に小さくすることができる。
従来例1
特許3303558号(特開平08-76011号)の実施例1を従来例1とする。
特許3303558号(特開平08-76011号)の実施例1を従来例1とする。
図7Aは、従来例1の走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合の像面湾曲の変化量を示す図である。図7Aの横軸は像高を示す。0の像高はz軸、すなわち走査レンズ300の光軸と面600との交点の位置に対応する。図7Aの縦軸は像面湾曲の変化量を示す。像面湾曲の変化量とは偏芯した状態の像面湾曲の値から偏芯のない状態の像面湾曲の値を差し引いた値である。
図7Aによれば、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値は相対的に大きい。
図7Bは、従来例1の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値との関係を示す図である。図7Bの横軸は出射面のy座標を示し、図7Bの縦軸は出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値を示す。
図7Aのグラフの形状と図7Bのグラフの形状とは類似している。
図7Cは、従来例1の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値との関係を示す図である。図7Cの横軸は出射面のy座標を示す。図7Cの縦軸は、出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。
図7B及び図7Cから以下の数値が得られる。
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 5.08
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 5.08
図7Cにおいて、内側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値のレベルを点線で示し、外側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値の0.5倍の値のレベルを点線で示している。図7Cによれば、後で説明する式(2)は満たされない。
従来例2
特開2016-194675号の実施例1を従来例2とする。
特開2016-194675号の実施例1を従来例2とする。
図8Aは、従来例2の走査レンズの出射面がy軸方向に+50マイクロメータ偏芯した場合の像面湾曲の変化量を示す図である。図8Aの横軸は像高を示す。0の像高はz軸、すなわち走査レンズ300の光軸と面600との交点の位置に対応する。図8Aの縦軸は像面湾曲の変化量を示す。像面湾曲の変化量とは偏芯した状態の像面湾曲の値から偏芯のない状態の像面湾曲の値を差し引いた値である。
図8Aによれば、像高の最大値、最小値及びその付近で像面湾曲の変化量の絶対値は相対的に大きい。
図8Bは、従来例2の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値との関係を示す図である。図8Bの横軸は出射面のy座標を示し、図8Bの縦軸は出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値を示す。
図8Aのグラフの形状と図8Bのグラフの形状とは類似している。
図8Cは、従来例2の走査レンズの出射面のy座標と出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値との関係を示す図である。図8Cの横軸は出射面のy座標を示す。図8Cの縦軸は、出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。
|dΦ/dy|
を内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値
|dΦ/dy|in
で規格化した値である。
図8B及び図8Cから以下の数値が得られる。
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 3.03
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in = 3.03
図8Cにおいて、内側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値のレベルを点線で示し、外側の領域において内側の領域における出射面の主走査方向のパワーΦのy方向の微分値の絶対値の最大値の0.5倍の値のレベルを点線で示している。図8Cによれば、後で説明する式(2)は満たされない。
表7によれば、実施例1−3は以下の式を満たす。
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5 …(2)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.35 …(2)'
0.91 ≦ f/L ≦ 0.96 …(3)
0.16 ≦ d1/L ≦ 0.19 …(4)
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5 …(2)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.35 …(2)'
0.91 ≦ f/L ≦ 0.96 …(3)
0.16 ≦ d1/L ≦ 0.19 …(4)
式(1)の項を上限値以下とすることでコンパクトな光学系を実現することができる。式(1)の項が下限値を下回ると、像面湾曲や走査特性の補正が難しく、像面端部の深度もさらに短くなるため安定した生産が望めない。
式(2)より好ましくは式(2)’を満たすことにより、走査レンズの出射面がy軸方向に偏芯した場合であっても、像高の全範囲の値に対して光束径を満たす許容最大値以下とする走査光学系が得られる。したがって、面上の走査経路の端部及びその周辺で深度が浅い、走査経路の長さに比較して偏向器から該面までの距離の小さなコンパクトな走査光学系であっても、主走査方向の光束径の変化が出射面のy軸方向の偏芯にロバストであり、製造しやすい走査光学系および走査レンズが得られる。
式(3)の項が上限値を超えると収差補正が困難となる。式(3)の項が下限値を下回ると収差補正には有利であるが、走査レンズの端部の厚さの確保が困難となる。
式(4)の項が上限値を超えると走査レンズのサイズが大きくなりコストも高くなる。式(4)の項が下限値を下回ると走査レンズのサイズは小さくなるが収差補正が困難となる。
Claims (6)
- 光源と偏向器と単一の走査レンズとを備え、該光源からの光束が該偏向器によって偏向し、該走査レンズを通過し、面を走査するように構成された走査光学系であって、該面上の走査方向をy軸とし、該面に垂直に入射する該光束の主光線をz軸とし、該主光線の該偏向器の反射点を原点とし、原点から該面までの距離をLとし、該面上におけるy軸に沿った走査経路の長さをWとし、主光線が該走査レンズの出射面を通過する点のy座標の最大値及び最小値をそれぞれymax及びyminとし、該点における該出射面の主走査方向の曲率をcとし、該走査レンズの材料の屈折率をnとし、該点における主走査方向のパワー
Φ = (1−n) ・c
を定義し、yminから0.6ymin及び0.6ymaxからymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
とし、0.6yminから0.6ymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy |in
として、
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5…(2)
を満たす走査光学系。 - 該走査経路のy座標の最大値をYmaxとし、該走査経路のYmaxの位置に到達する主光線が該偏向器を経由した後に進む方向とz軸とのなす角度をθとし、Ymax=f・θによってfを定義して、
0.91 ≦ f/L ≦ 0.96 …(3)
を満たす請求項1に記載の走査光学系。 - z軸に沿った該偏向器から該走査レンズまでの距離をd1として、
0.16 ≦ d1/L ≦ 0.19 …(4)
を満たす請求項1または2に記載の走査光学系。 - yz断面において、該偏向器に入射する光束は収束光束であり、該走査レンズの入射面はz軸と一致する光軸の近傍で物体側に凸であり、該出射面は該光軸の近傍で像側に凹である請求項1から3のいずれかに記載の走査光学系。
- 走査レンズであって、光源と偏向器と該走査レンズとを含む走査光学系を、該光源からの光束が該偏向器によって偏向し、該走査レンズを通過し、面を走査するように構成し、該面上の走査方向をy軸とし、該面に垂直に入射する、該光束の主光線をz軸とし、z軸に沿った該偏向器から該面までの距離をLとし、該面上におけるy軸に沿った走査経路の長さをWとし、主光線が該走査レンズの出射面を通過する点のy座標の最大値及び最小値をそれぞれymax及びyminとし、該点における該出射面の主走査方向の部分曲率をcとし、該走査レンズの材料の屈折率をnとし、該点における主走査方向のパワー
Φ = (1−n) ・c
を定義し、yminから0.6ymin及び0.6ymaxからymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy|out
とし、0.6yminから0.6ymaxの範囲における
dΦ/dy
の絶対値の最大値を
|dΦ/dy |in
として、
0.54 ≦ L/W ≦ 0.64 …(1)
|dΦ/dy|out/|dΦ/dy |in ≦ 0.5…(2)
を満たす走査レンズ。 - yz断面において、該走査レンズの入射面はz軸と一致する光軸の近傍で物体側に凸であり、該出射面は該光軸の近傍で像側に凹である請求項5に記載の走査レンズ。
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