JPH03116112A - 走査式光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） この発明はレーザプリンタ等の装置に用いられる走査式
光学装置、特に、半導体レーザ素子からの光ビームを、
レンズ群および光偏向装置を介して走査対象物へ導く結
像光学系の改良に関する。

（従来の技術） 一般に、レーザプリンタなどの装置に組込まれる走査式
光学装置では、先ビームを集束させる第一゛結像光学系
（レンズ群）、第一結像光学系からの光ビームを第二結
像光学系（ｆθレンズなど）に向かって等角速度で反射
させる光偏向装置及び光偏向装置で反射された光ビーム
を感光体などの走査対象物に対して結像させる第二結像
光学系を備えている。光源から発生された光ビームは第
一結像光学系によって集束され、その集束された光ビー
ムは光偏向装置によって第二結像光学系に向かって等角
速度で反射され、第二結像光学系によって感光体などの
走査対象物に対して結（象される。

非球面ガラスレンズ、プラスチックレンズなどが組合わ
せられている前記第一結像光学系は、発散性である光ビ
ームを平行光或いは集束光に変換する。

所定の方向に回転する回転多面鏡（ポリゴンミラー）で
ある前記光偏向装置は、前記集束された光ビームを等角
速度で反射し、第二結像光学系を介して走査対象物の面
上に走査する。

ｆθレンズ等で構成され回転多面鏡と走査対象物の間に
配置され第二結像光学系は、回転多面鏡によ゛って反射
された等角速度で走査されている光ビームを走査対象物
の面上に結像させ、る。

上述第二結像光学系において、ｈを出力ビームの主光線
からレンズの光軸までの距離、ｋをレンズの焦点距離に
ほぼ等しい定数、及び、ｅを入力ビームの主光線とレン
ズの光軸との間の距離としたとき、ｈ−ｋｅが満たされ
るレンズが用いられた例が米国特許第３．９６１．８３
８号に開示されている。

（発明が解決しようとする課題） ポリゴンミラーの反射面の角度誤差によって発生する面
倒れ、像高に対してｆθレンズの曲率が影響し、結像位
置が像面に対して前後することを示すｆθ特性、及び、
像面における走査された像の歪みである像面湾曲などの
すべての特性を一枚のレンズによって改善することは困
難であり、上述した米国特許第３．９６１．８３８号に
開示されている装置、及び、ｆθレンズが用いられてい
る多くの走査式光学装置では、他のレンズを組合わせる
ことによって、或いは、レンズに移動機構を設けてレン
ズを移動させることによって補正がされている。

この発明（メ、反射面を凸状に形成した回転多面鏡及び
−枚のトーリック面を有するレンズを組合せることによ
って、上記ｆθ特性、像面湾曲及び面倒れを同時に補正
できる走査式光学装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 以上説明したようにこの発明によれば、光ビームを走査
対象物に対して走査する光（−向装置と、前記光偏向装
置で反射された光ビームを走査対象物の面上に結像させ
る結像光学系を備えた走査式光学装置において、 θを反射ビームの中心、と結像光学系の光軸の間の角度
、 θＨを光−向装置の回転角、 ｄθ／ｄθＨを前記光偏向装置の偏向角速度、及び、 Ｋを光偏向装置の回転角０＠の時の偏向角速度としたと
き、 １に１　　〉　ｄθ／ｄθＭ　＞　　’　ＩＫＩ　ｃｏ
ｓ２　θ（０くθＨく４５°） が満たされることを特徴とする走査式光学装置が提供さ
れる。

（作用） この発明によれば、反射面が凸状に構成される回転多面
鏡と、トーリック面を有する一種のｆθレンズが組合せ
られて用いられ、ｄθ／ｄθＭで与えられる光偏向装置
の偏向角速度を所定の数値に設定することで、ｆθ特性
、像面湾曲及び而倒れを同時に補正できる。さらに、回
転多面鏡の反射面が円筒形に形成されることで、第二結
像光学系は、−枚のレンズのみによって形成され、複雑
な形状のｆθレンズにおいてもプラスチックレンズの使
用が可能となる。従って、結像光学系全体が小形化され
るとともに、レンズの加工方法が簡素化されコストが低
減される。

（実施例）′ 図面を用いて以下にこの発明の詳細な説明する。

第ｉＡ図及び第１Ｂ図には、この発明の折返しミラー、
鏡筒及びハウジングを省略したレーザプリンタなどに用
いられる光学装置の展開図が示されている。第１Ａ図は
平面図、第１Ｂ図は、副走査方向における偏向角Ｏ″の
状態を示す断面図である。この走査式光学装置は、半専
体し−サ素子２、有限レンズ４、第１プラスチツクレン
ズ６及び第２プラスチツクレンズ８を有する第一結像光
学系、第３プラスチツクレンズ１２及び防塵ガラスＩ４
を有する第二結像光学系、前記有限レンズ４と前記第１
プラスチツクレンズ６の間に配置される絞り３０、第一
結像光学系と第二結像光学系の間に配置される偏向反射
鏡１０及び水平同期検出用反射ミラー１８を備えている
。

半導体レーザ素子２（以下ＬＤとする）から放射された
光ビームは、１枚の非球面ガラスレンズである有限レン
ズ４によって集束光或い、は平行光にされ、絞り３０に
よって所定のビームスポットに制限されて、主走査方向
へは負のパワーを有し副走査方向へは僅かに正のパワー
を有する第１プラスチ°ツクレンズ６へ導かれる。レン
ズ６を通過した光ビームは、主走査方向へは平行光に副
走査方向へは集束光にされ、主走査方向へは正のパワー
を有し副走査方向へは負のパワーを有する第２プラスチ
ツクレンズ８へ導かれる。レンズ８を通過した光ビーム
は、主走査方向及び副走査方向ともに集束光にされて、
主走査方向の断面が凸で内接円半径Ｒの円筒面の一部を
鏡面として有する回転多面鏡である偏向反射鏡ＩＯへ導
かれる。回転多面鏡１０へ導かれた光ビームは、第２結
像光学系の面倒れを補正する一種のｆθレンズである第
３プラスチツクレンズ１２へ向かって反射される。レン
ズ１２を通過した光ビームは、光学系ハウジング（図示
しない）内のレンズなどを密閉するための防塵ガラス１
４を介して、情報記録媒体即ち感光体１６へ導かれる。

レンズ１２は、主走査方向へは反射面の回転角θに対し
て像高を比例させたｈ−ｆθを満たす形状が、副走査方
向へは主走査方向への偏向角が大きくなるに連れてパワ
ーが小さくなる曲率が与えられた一種のｆθレンズであ
って、主走査方向゛では前記光ビームの像面湾曲の影響
を低減するとともに歪曲収差を適切な値にし、副走査方
向では前記光ビームが感光体１６に照射される際の感光
体のすべての面上における面倒れ補正面を一致させる。

尚、レンズ４は光学ガラスＢＫ７によって製造され、鏡
筒及び押え部材への取付用フランジを備えている。レン
ズ６、８．１２はガラス製ではなく、プラスチック例え
ば、ＰＭＭＡ　（ポリメチルメタクリル）によって製造
され、鏡筒及び押え部材への取付用フランジがその周囲
に形成され、位置決め用の突起又は凹みが主走査方向の
ほぼ中心に形成されている。

回転多面ｔ！ｔ１０は、ダイレクトベアリング２４を備
えたアキシャルギャップ型のスキャナモータ２２のロー
タ上に配置され、止め輪２８によって固定されて所定の
方向に回転される。

感光体１６は図示しない他の駆動源によって駆動され所
定の方向に回転し、その外周面に画像が露光される。こ
の感光体１６に露光された画像は、図示しない顕像手段
によって現像され転写用材料に転写される。また、一種
のｆθレンズ１２を通過した光ビームの一部は、主走査
方向におけるスキャン毎に水平同期検出用反射ミラー１
８へ導かれ、同期信号検出器２０へ向かって反射されて
水平同期が検出される。表１及び表２にこの実施例で用
いた各光学部材の焦点距離、軸上光のレンズへの入射高
、入射角度及び出射角度を示す。

第２図には、この発明の一実施例である第３レンズの光
軸がそのレンズへの入射光の主光線に対して回転多面鏡
へ向かう入射光の側へシフトされた配置を示す第１Ａ図
に示した光学装置の副走査方向における偏向角０″の状
態が示されている。

第３Ａ図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示した走査式光学
装置に用いられる、半導体レーザ２、有限レンズ４及び
絞り３０を一つのユニットとする鏡筒部分の側面図、第
３Ｂ図は第３Ａ図の線Ａ−Ａにおける断面図である。第
３Ａ図及び第３Ｂ図には、ＬＤ２、レンズ４及び絞り３
０を固定する構造が示されている。

ＬＤ２は、ねじ４０によってＬＤホルダ３２に固定され
ている。レンズ４は、ウェーブワッシャ３６を介して押
え部材３８によって鏡筒３４へ固定されている。このレ
ンズ４は、押え部材３８が回転されることで矢印Ｂの方
向の所定の位置に配置される。また、レンズ４は凸状の
フランジを有し押え部材３８とは線接触するので、押え
部材３８を回転するためのトルクは小さくできる。押え
部材３８は、その長さ方向に円筒部とねじ部を有し、円
筒部によって光軸に対して押え部材自身が傾くことを防
止するとともに、レンズ４が傾くことを防止している。

この押え部材３８は、専用工具のための穴４６を有しこ
の穴４６に工具が挿入されて回転されることでレンズ４
が締付られる。また、この押え部材のねじ部は、弾性体
（ウェーブワッシャ）３６によって常にレンズと反対の
方向へ力を受けるので、ねじ部のねじ山の隙間によって
ガタが生じることが防止できる。絞り３０は、鏡筒３４
におけるレンズ４の後側焦゛点の位置に接着によって固
定されている。ＬＤホルダ３２は、鏡筒３４に対して矢
印Ｃ或いはＤの方向に任意に調整可能で、ＬＤ２から放
射される光ビームの光軸調整を可能にしている。

第４図には、絞り３０の位置によるレンズ４を通過する
光量の関係が示されている。第４図には、ＬＤ２の発光
点が仮想的に符合４８．４８−で示されている。絞り３
０がレンズ４の後側焦点位置よりも離れた位置、例えば
、−点鎖線３０′で示される位置に配置されたならば、
ＬＤ２の仁かなズレ即ち発光点４８が４８′に移動する
ことによって、光ビームの光量が大きく変化してしまう
。絞り３０が第４図の３０′で示された位置に配置され
た場合には、光量は、約１／２になる。従って、絞り３
０をレンズ４の後側焦点位置に配置することで、ＬＤ２
から放射される光ビームの光軸調整時に、光量かばらつ
くことを防ぐことができる。上述のように、レンズ４は
簡単な構造の押え部材によって所定の位置に配置される
とともに、確実にしかも精度よく鏡筒３４に固定される
。

第゛５図乃至第７図には、この発明による一種のｆθレ
ンズと偏向回転多面鏡を組合わせて用いた像面湾曲或い
はｆθ特性を補正する原理が示されている。一般に、回
転多面鏡１０のみを用いて像面湾曲を補正するには、回
転多面鏡の回転角が０のときの偏向点から情報記録媒体
面までの距ｉ４Ｚ　Ｏと上記回転角θの間に、Ｒを回転
多面鏡の反射面の内接円の半径とし、上記回転角θの際
の偏向点から情報記録媒体面までの距離Ｚθが２０−２
０で示されるとき、 Ｒ／　Ｚ　−１１／　　ｃｏｓθ＋　ｅＯ８θ／（１＋
ｃｏｓθ）−１）の関係が成立つ必要がある。この場合
、右辺は、すべてのθに対して０．５以上になってしま
う。

その結果、 ｆθ特性−（ｈ−ｆθ）／ｆθ×１００で示されるｆθ
特性は、偏向角θの絶対値が大きくなるにつれて、「−
１から「＋」側へ大きくずれてしまう。これを補正する
には、中心部よりも端部で屈折率の大きな一種のｆθレ
ンズが必要になり、このようなレンズを挿入すると、偏
向角が大き′くなるにつれて像面湾曲が回転多面鏡側へ
移動するという問題が生じる。

この実施例では、回転多面鏡のみを用いたばあいには回
転角が大きくなるにつれて像面湾曲が回転多面鏡と反対
の側へ移動するようにＲが設定され、その後で一種のｆ
θレンズによってｆθ特性及び像面湾曲が補正されてい
る。このばあい、回転多面鏡は、 Ｒ＜０，５Ｚ の条件をみたすことによって定義され、Ｒ−７９，６５
，Ｚ−１８７，１２ が与えられている。

第５図を用いて、副走査方向における偏向反射面の法線
と入射光のなす角がγであるときの光線の特性を説明す
る。

偏向点ｃ　（０，Ｏ，Ｏ）における偏向面の法線をベク
トルＣＤ、入射光をベクトルＡＣ，ベクトルＣＤとベク
トルＣＥのなす角がθのときの反射光をベクトルＣＢ（
ベクトルＣＥの長さ−ベクトルＣＦの長さ−１とする）
とするとき、ベクトルＣＢ−のｘｙ平面への投影像は、
　　（−ｔａｎγ、　　０　。

−ｃｏｓ　２θ）となる。　従って、ｆθレンズが座標
ｚ３にあるとき、第３レンズとの交点ｘ３は、Ｘ３−−
　Ｚ３　ｔａｎ　７／　ｔａｎ２θで現される。　即ち
、θが大きくなるにつれて（θくπ／２では）Ｘ３が小
さくなる。（絶対値としては大きくなる。）この結果、
主走査平面（ｙｚ平面）と平行な軸を回転対象軸とした
トーリック面を持つレンズにより面倒れを補正するレン
ズ（ｆθレンズ）が用いられる場合には、ｆθレンズを
ｘ３の「＋」側即ち副走査方向に対して偏向反射面の入
射光側へｆθレンズの光軸をシフトして配置することに
より偏向角の絶対値が小さな領域即ちレンズの主走査方
向における中心付近ではレンズへの入射光とレンズ光軸
の副走査方向（ｙ軸方向）のズレ、即ち、ｆθレンズを
通過する光ビームの主光線とレンズの光軸の距離の絶対
値が小さく（Ｘ３が大きく）、偏向角の絶対値が大きな
領域即ちレンズの主走査方向における両端部分ではズレ
の絶対値が大きく　（Ｘ３が小さく）なり、像面湾曲が
回転多面鏡と反対の側（像面側）へ移動される。

第６図には、第３レンズの光軸に対しである距離だけシ
フトされて入射された光ビームの特性が示されている。

ここで、半径「で示される屈折面の焦点距離ｆは、 ｆ　−ｒ　／　ｚ で表される。

第３レンズへ入射する光ビームの副走査方向に対する入
射角は、全域で概ね０°であると近似できるので、第３
レンズの像面側の副走査方向のｌｔＩ′ｒ面形状は、概
ね平面に近似できる。従って、レンズの光軸に対して同
じズレを有する光ビームが入射された場合、８２面で反
射された光ビームは５１面で再び反射されてゴースト光
のように現れる。このとき、偏向角の小さい領域に対応
するゴースト光ｇζ、偏向角の大きい領域に対応するコ
ースト光ＮＬの光ビームの主光線に対する傾きは、それ
ぞれ、２　ｘ　３　／　ｒζ、２ｘ３／ｒＬで与えられ
る。

第６図に示されているように、ゴースト光の傾きはｒに
反比例するのでｒが小さい領域ではゴースト光Ωこの傾
きが大きく、ｒが大きい領域ではゴースト光ΩＬの傾き
が小さくなる。また、傾きは、第３レンズと光ビームの
交点Ｘ３に比例する。

このｆθレンズでは、偏向角によりｘ３が変化するため
、「の小さい部分ではｘ３が小さく、ｒの大きい部分で
はｘ３が大きくなる。

この結果、第５図に示されている回転多面鏡と第６図に
示されている第３レンズを組み合わせ、第３レンズを光
ビームの主光線とレンズの光軸が距離を持つように配置
（シフト）することによって、ズレの大きさが小さくと
もゴースト光と光ビームを分離できる。

ところで、光ビームの主光線に対して第３レンズの光軸
をシフトする方法として、第−紡１象光学系から回転多
面鏡へ向かう入射光の側へシフトする方法と、この第一
結像光学系から回転多面鏡へ向かう入射光と反対の側へ
シフトする方法が考えられる。しかしながら、この発明
の光学装置におい・て゛は、副走査方向を含む面内にお
いて第一結像光学系の光軸と第二結像光学系の光軸とが
ある角度を有しているため、第３レンズの光軸が前述の
入射光の側と反対の側ヘシフトされたならば、第３レン
ズを通過した光ビームが像面で結像するに際して誤差を
生じやすく、場合によっては像面位置の補正が必要にな
ることも考えられるので、第３レンズは第一結像光学系
から回転多面鏡へ向かう入射光の側へシフトされること
が望ましい。

上述したように、光軸をシフトすることによるゴースト
光と光ビームの分離角は、ズレの絶対値が大きいほど大
きく曲率半径の絶対値が小さいほど小さくなるので、像
面において同じＸ座標へ結像させるに際して偏向角の大
きな領域、即ち、像高りが大きな領域では、第３レンズ
を通過する光ビームの主光線とレンズの光軸の距離を大
きくすることができ、レン、ズのシフト量が少ないにも
拘らずゴースト光をレンズの周辺部まで除去できる。

また、像面湾曲を像面側に移動させるように回転多面鏡
のＲが設定され、この像面湾曲を打消す方向の”歪曲収
差が与えられた一種のｆθレンズが組合わせられるため
一種のｆθレンズの光軸かシフトされているにも拘らず
歪曲収差も低減される。

第７図は、反射ビームの主光線とレンズの光軸の間の角
度θと、光嬬向装置の回転角θＨによって規定される偏
向角速度ｄθ／ｄθＨによって像面湾曲、ｆθ特性及び
面倒れが補正できることを示す特性図である。この実施
例では、走査面に関して ｈ（ｔ）−ｆｔａｎθ　（１） の関係が成立し、（ｄｈ／ｌ）−一定としたとき、ｈ　
（ｔ）　−ｆ　　ｔａｎα、α−θ（１）とすれば、ｄ
ｈ／ｄｔ■ｄｈ／ｄα・ｄα／ｄｔ が得られる。従って、 ｄｈ／ｄｔ−ｆ　　５ｅｅ２ａ・ｄθ／ｄｔ−ｈ”が満
たされれば良く、（ｄｈ／ｄｔ）−一定が満たされるに
は、上記より、 ｄθ／　ｄ　ｔ　＝　Ｋ　’Ｃ０８２θ（ｔ　）　　　
　　　−Ａが成立すればてば良いことになる。

ここで、ｔをモータの回転角θＭ１回転多面鏡の角゛速
度を０Ｍ　　（ｔには無関係）とするとき、を−（１／
ωＭ）φθ間で表すことができ、ｔαθＭとなるのでＡ
式は、 ｄθ／ｄθＭ　＝Ｋ　ｃｏｓ２θ（θＭ）（０’　＜θ
Ｍく４５°）・・・Ｂ と変更できる。

このとき、ｄθ／ｄθＭで示される偏向角速度は、第７
図に示す曲線になる。

第７図における曲線■は、回転多面鏡の反射面が平面で
ある場合を示し、曲線■は、回転多面鏡が凸状の反射面
であるこの発明の回転多面鏡を用いた場合を示している
。

この発明の実施例では、一種のｆθレンズが組合わせら
れるので、凸状の反射面を有する回転多面鏡による像面
歪曲が補正される。従って、反射面が凸状に形成される
回転多面鏡を用いる場合には、組合わせられる一種のｆ
θレンズの特性に合わせて、その回転多面鏡の偏向角速
度を第７図に示されている■と■の間に設定すれば良い
ことが認められる。また、回転多面鏡の偏向角速度がこ
の曲線■と曲線■の間に設定されるばあいには、一種の
ｆθレンズの補正特性を最適に組合わせることによって
像面湾曲が補正されることはいうまでもない。

第８Ａ図及び第８Ｂ図には、この発明による第３レンズ
と偏向回転多面鏡を組合わせて用いて像面湾曲或いは歪
曲収差を補正した例の一例が示されている。曲線ａは、
回転多面鏡ＩＯのみによる像面湾曲及びＣ４特性の補正
による効果を、曲線すは、回転多面ｍＬＯとｆθレンズ
１２を用いた場合ノ像面湾曲及びｆθ特性の補正による
効果をそれぞれ示している。

（効果） 以上説明したようにこの発明によれば、反射面が凸面状
に形成された回転多面鏡と一枚のトーリックレンズのみ
が組合わせられることによって、ｆθ特性及び像面湾曲
が同時に補正できる。また、第二結像光学系のレンズが
一枚ですみ、しかも、このレンズはプラスチックであっ
て、成形加工によって精度良く製造できるので大幅なコ
ストの低減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、この発明の折返しミラー、鏡筒及びハウジ
ングを省略したレーザプリンタなどに用いられる光学装
置の平面図、第１Ｂ図は、第１Ａ図に示した光学装置の
副走査方向における偏向角０°の状態を示す断面図、第
２図は、第３レンズの光軸がそのレンズへの入射光の主
光線に対して回転多面鏡へ向かう入射光の側へシフトさ
れた配置を示す第１Ａ図に示した光学装置の副走査方向
における偏向角０°の状態における断面図、第３Ａ図は
、ＬＤ２、レンズ４及び絞り３０を固定する構造を示す
側面図、第３Ｂ図は、第３Ａ図に示した鏡筒の線Ａ−Ａ
における断面図、第４図は、絞り３０をレンズ４の後側
焦点位置に配置する理由を示す概略図、第５図は、回転
多面鏡における副走査方向における偏向反射面の法線と
入射光のなす角がγであるときの光線の特性をしめずベ
クトル図、第６図は、第３レンズの光軸に対しである距
離分ズして入射された光ビームの特性を示す概略図゛、
第７図は、最適偏向角速度の存在領域を示すグラフ、第
８Ａ図及び第８Ｂ図は、回転多面鏡１０及び第３レンズ
■２による像面湾曲及び〔θ特性の補正による効果をし
めずグラフである。 ２・・・半導体レーザ素子、４・・・ガラスレンズ、６
・・第１プラスチツクレンズ、８・・・第２プラスチツ
クレンズ、１０・・・回転多面鏡、１２・・・ｆθレン
ズ、１４・・・防塵ガラス、１６・・・感光体、３０・
・・絞り、３２・・・ＬＤホルダ、３４・・・鏡筒、３
６・・・ウェーブワッシャ、３８・・・押え部材 第 ２ 図 第３Ａ図 第 Ｂ 図 第 ４ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　光ビームを走査対象物に対して走査する光偏向装置と
   、前記光偏向装置で反射された光ビームを走査対象物の
   面上に結像させる結像光学系を備えた走査式光学装置に
   おいて、 θを反射ビームの中心と結像光学系の光軸の間の角度、 θＭを光偏向装置の回転角、 ｄθ／ｄθＭを前記光偏向装置の偏向角速度、及び、 Ｋを光偏向装置の回転角０゜の時の偏向角速度としたと
   き、 ｜Ｋ｜＞ｄθ／ｄθＭ＞｜Ｋ｜ｃｏｓ＾２θ（０＜θＭ
   ＜４５゜） が満たされることを特徴とする走査式光学装置。