JPH03179416A - 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］ （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光学装
置、特に、半導体し〜ザ素子からの光ビームをレンズ群
及び光偏向装置を介して走査対象物へ導く結像光学装置
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光学装
置においては、光ビームを集束させる第−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。

光源からの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反射さ
れ、第二結像光学系を介して感光体などの走査対象物に
対して等速度で結像される。

即ち、コリメータレンズ、及び少なくとも１枚のレンズ
で構成され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。また、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。さらに、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た第二結像光学系は、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。

前記第一結像用光学系では、光源及びコリメートレンズ
が収容された鏡筒、第一結像光学系のコリメートレンズ
以外のレンズ、光偏向装置及び第二結像光学系とは別ユ
ニットとして枠体に配置される。このため、鏡筒及び他
の第一結像光学系を配置する際に求められる位置精度、
他の光学部材、即ち、光偏向装置或いは第二結像光学系
を配置する際に求められる位置精度と比較して、非常に
高い位置精度が必要になる。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、鏡筒及び他の第一結像光学系を配置す
るハウジングとこれらの光学部材以外を配置するハウジ
ングと一体形成すると、光学装置全体に対して高い位置
精度が要求される。このことは、枠体に利用可能な材質
を制限し、且つ、加工方法に対しても制約を与える。ま
た、組立て調整においても熟練を要し或いは作業目間の
増大を招く虞れがある。従って、コストの高い光学系が
提供されるという問題がある。

この発明は、組立て調整が容易で、しかも、コストのか
からない光学装置を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） この発明は、上述問題点に基づきなされたもので、光源
と、この光源からの光ビームを主走査及び副走査方向の
一方の第１面内において平行ビームに変換し、他方の第
２面内において集束ビームに変換する第一光学手段と、
前記第一光学手段からの光ビームを前記第１及び第２面
内において集束する第二光学手段と、前記光源及び前記
第一第二光学手段を一体的に保持する第一保持手段と、
前記第二光学手段からの光ビームを走査対象物に対して
走査する光偏向手段と、この光偏向手段で走査された光
ビームを走査対象物の面上、に結像させる結像手段と、
前記第一保持手段、前記光偏向手段及び前記結像手段を
保持する第二保持手段とを備えることを特徴とする光学
装置を提供するものである。

（作用） この発明によれば、配置に際して高い位置精度が要求さ
れる半導体レーザ素子、非球面有限レンズ及び一対のシ
リンダレンズ或いはトーリックレンズが一つの別ユニッ
トとして形成されることから、配置に際して比較的位置
精度の緩い光偏向装置、第二結像光学系及び他の光学部
材を保持する枠体を形成するに際して、コストのかから
ない材質及び形成方法例えばプラスチックによる成型加
工が可能となる。従って、コストの低い光学装置が提供
される。

（実施例） 以下、図面を用いてこの発明の一実施例を説明する。

第１Ａ図及び第１Ｂ図には、この発明の一実施例である
光学装置が示されている。第１Ａ図は、この光学装置の
副走査方向における偏向角Ｏ″の状態における断面図、
第１Ｂ図は、第１Ａ図に示した装置のカバーを取除いた
状態の底面図である。

この光学装置は、光学装置を形成する光学部材を保持す
る枠体２を備えている。この枠体２は、光源からの光ビ
ームを平行光或いは集束光に変換し光偏向装置へ導く第
一結像光学系４、第一結像光学系からの光ビームを走査
対象物へ走査する光偏向装置３２、及び、光偏向装置に
よって反射された光ビームを走査対象物の面上に集束さ
せる第二結像光学系６を同一平面内に保持している。ま
た、この枠体２即ち光学装置は、主走査方向における水
平同期を検出する光検出器８を備えている。

前記第一結像光学系４は、光源即ち半導体装置ザ素子１
４及び鏡筒部へ組込まれるに際して利用されるフランジ
を有するガラスレンズ１６を保持する鏡筒部１２、鏡筒
部へ取付られる際に用いられる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
中心に形成された一対のトーリックレンズである第１プ
ラスチツクレンズ２４及び第２プラスチツクレンズ２８
を保持するベース部２２を同一部材として有している。

また、鏡筒部Ｉ２は、ガラスレンズ１６の後方、即ち、
半導体レーザ素子１４の直後に配置されるレンズ１６の
後側焦点位置に絞り１Ｂ（第２Ａ図乃至第３Ｂ図参照）
を備えている。さらに、ベース部２２は、第１プラスチ
ツクレンズ２４と第２プラスチツクレンズ２８の間に装
置を小形化させるための折返しミラー２６を有している
。

ところで、この鏡筒部１２及びベース部２２即ちユニッ
ト４は、熱膨張係数がガラスレンズ１６の温度変化に対
する影響を少なくする所定の数値を有し、しかも、加工
精度が高い十分な剛性を有する例えば亜鉛ダイカスト等
の材料で一体形成される。従って、例えば、温度変化に
よる半導体レーザ素子１４の発振波長の変動、ガラスレ
ンズの屈折率の変動、或いは、温度変化による鏡筒部及
びベース部の伸縮の影響によるレンズ間距離の変動等が
生じる場合には、温度の変化による光学特性の変動が補
正される必要がある。第１Ａ図及び第１Ｂ図に示したこ
の発明の実施例によれば、後述する方法によって温度或
いは湿度の変化による光学特性の変動が補正されている
。

前記光偏向装置３２は、回転多面鏡３６を有するモタで
あって、この多１Ｉｊ１１２３　Ｂは、アキシャルギャ
ップ型のスキャナモータ３４のロータに配置される。

この多面鏡３Ｂは、弾性部材６６によって所定の圧力で
ロータに押付けられるとともに止め輪３８によって固定
され、所定の方向に回転される。この光偏向装置３２は
、レーザ１４から発生され、ガラスレンズ１６、第１プ
ラスチツクレンズ２４、第２プラスチツクレンズ２Ｂに
よって、平行光或いは集束光に変換された光ビームを所
定の速度で走査する。

前記第２結像光学系６は、一種のｆθレンズである第３
プラスチツクレンズ４２、折返しミラー４４及び防塵ガ
ラス４６を有し、多面鏡３６によって走査対象物に走査
された光ビームをその面上に集束させる。　以下に、ユ
ニット４内の光学系の特性が温度或いは湿度の変化の影
響を受けないための条件に関して説明する。

温度変化による焦点距離の変動量Δｆｔは、ｎｔを比温
度係数（１℃に対する）、 ａｔを線膨脹係数（１℃に対する）、 ｆ　をｆθレンズの焦点距離、及び、 ａｔを温度変化（’Ｃ）とするとき、 Δｆｔ−（−ｎｔ　＋ａｔ　）　ｆ　・ａｔ　　　−（
１）で近似できる。

また、湿度変化による焦点距離の変動量Δｆｓは、 ｌ α　− ６ｍ Δ　ｆｍ を比吸水係数（１％に対する）、 を吸水による膨脂係数（１％に対する）をｆθレンズの
焦点距離、及び、 を吸水率変化（％）とするとき、 −（−ｎｇ＋α−）ｆ・６厘　　・・・（２）で近似で
きる。

よって、プラスチック材料として、代表的なＰＭＭＡ　
（ポリメチルメタクリル）を用いて、ｆ　−４５ｍ■、
Δｔ　−３０℃の条件で近似すると、温度変化による焦
点距離の変動量は、 ｎｔ　−−２，０９Ｘ１Ｏ＝／’Ｃ，ａｔ　−７Ｘ１０
−５／”Ｃの条件のもとて Δｆｔ−０．３７６６５ｍ１１ となる。

また、６ｍ　−１％の条件で近似すると湿度変化による
焦点距離の変動量は、 ｎｓ　＝８．４５ｘｌＯ−４／％、　ａｍ−２，１１３
Ｘ１０−３／％の条件のもとて Δｆｓ−０．０５９１７５ｍ１１ となる。

したがって、温度、湿度の両方の変化による焦点距離の
変動量Δｆは、 Δｆ−Δｆｔ十Δｆｍ−０．４３５８３ｍａ＋となる。

よって、レンズの焦点路、ｌｌｌｆ−４５ｍｍは、ｆ十
Δｆ−ｆ＋Δｆｔ＋Δｆ国 −４５，４３５８３ｍａ＋ となる。

ゆえに、物体面即ち感光体とｆθレンズ前側主点の間の
距離ＺＯを ＺＯ−９０煩簡とすると、 レンズ後側主点と走査対象物の面上の間の距離Ｚ１は、 Ｚｌ−９０ｍｍとなるべきであるが、レンズ後側主点と
走査対象物の面上の間の距１ｌＺ１は、Ｚ１＋ΔＺ−９
１，７４３３２国− （ΔＺ−４Δｆ） となる。

ここで、黒点距離の変動が光ビームのビーム径に及ぼす
影響を考察する。焦点距離の変動によるビーム径の変化
は、 Ｗ　を黒点距離がΔＺシフトした場合のビーム径の半径
（μ）、 Ｗｏをビーム径の半径（μｍ）、 λ　を波長（μ）としたとき、 Ｗ−Ｗｏ　　１＋　（ΔＺλ／　ｙｒ　Ｗｏ　　）　　
２−（３）で求めることができる。

例えば、 λ−７８５ｎａ、　Ｗｏ　−２５ｎ とした場合、焦点距離の補正を行わないとすれば、Ｗ−
３０，７８μｓ となりビーム径の変化は、およそ２３％になる。

ところで、薄肉レンズの色消しにおいて、像面が色消し
であるための条件は、 ｈｌを像高Ｏから出射する軸上光の１番めのレンズにお
ける入射高、 ｆｌを１番めのレンズにおける焦点距離、νｌを１番め
のレンズにおける分散率、及び、ｍ　を第一、第二結像
光学系のレンズ枚数としたとき、 となる。

この式は、各レンズに入射する光線の波長或いは像高の
差によって屈折率が異なる場合に用いられるが、温度及
び湿度の変化による屈折率の変化或いは形状の変化に関
して 一Δｆｌ　／ｆＩ−１／νＦ と置換えて、νＦを温度及び湿度による屈折率或いは形
状変化による定数と仮定した場合、（１）、（２）式よ
り ΔＮ ｔ　ｒ−（−ｎｔｌ＋αｔ＋）Δｔ＋（−ｎｍ）＋ａ　
ｍＪ）Δ磨ν１゜ ・・・（５） と表すことができる。

ここで、（４）式において分散率ν１を波長変化に対し
て Δｆｊ／ｆｉ　−１／ν１ としであるので、（４）式のνｌを温度及び温度の変化
に対するνＩ゛と置換えると、温度及び湿度による像点
の移動を無くすことができ、結局のところ、 を満たすことにより像面における色消しが可能になる。

しかしながら、νｉ°は温度及び湿度の変化に対する関
数であり、レンズの材質が同一種類のものでなければ広
い範囲の温度及び湿度の変化に対して（６）式を常に満
たすことが困難になる。

一般に、第一結像光学系はガラスレンズとプラスチック
製レンズが組合わせられることから（６）式を満たすた
めにガラスレンズとプラスチックレンズを独立して補正
することを考慮すると、ガラスレンズに関しては、湿度
の変化による吸湿の影響は無視でき、温度変化による焦
点距離の変動のみを考慮するとその固定部材の材質と形
状を適切に選ぶことにより固定部材の熱膨張率と相殺す
ることができる。

プラスチックレンズにおいては、材質が同一であるばあ
いにはすべての温度及び湿度に対してνＩ゛が等しい値
をとるため、（６）式は、と書き直せる。

即ち、 ｈｉ２／ｆｉ−０・・・（８） が温度及び湿度或いは波長変化のすべてに対して像面に
おける焦点距離の変動量を補正する条件となる。

このとき、回転多面鏡の反射面の１／νＩ°に関しては
温度及び湿度或いは波長変化などに比べて影響が極めて
小さいので無視できるものとする。

最終的にレンズを厚肉化すると（８）式はｈ　ｉ　２／
　ｆ　ｉキＯ・・・（９）となるが、（１）式を満たす
ことにより光学装置全体の焦点距離の補正がなされる。

一方、はとんど吸水しないガラスレンズについては、温
度による焦点距離の変動を、その固定部材の材質と形状
を最適に組み合わせることにより固定部材の熱膨脹と相
殺させて独立して温度補正を行う。

これにより、ガラスレンズに対しては、Δｆｌ−０とし
、νｌ゛−の とすることができる。

また、（４）式から明らかなようにプラスチックレンズ
には正のパワーを有するレンズと負のパワーを有するレ
ンズの双方を組合わせる必要がある。このとき、第二結
像光学系の主走査方向におけるパワーが小さいことから
、好ましくは、第二結像光学系には黒点距離の絶対値の
ほぼ等しい正及び負のパワーを有するプラスチックレン
ズを、第一結像光学系にはガラス有限レンズを用いる。

ここで、第１のプラスチックレンズに負のパワーを与え
、軸上光を平行にすることにより、第２のプラスチック
レンズの配置される位置の許容幅を広くすることが可能
になる。また、副走査方向には、プラスチックレンズを
含む第二結像光学系が面倒れ補正機構を備えていること
から第一結像光学系内で、ｇを第一結像光学系のレンズ
枚数＋１とするとき、 を満たす必要がある。

この結果、第一結像光学系の第ルンズのパワーを小さく
し、第２レンズに負のパワーの大部分を与えることによ
って結像光学系の大きさの小型化がなされる。

以上説明したようにこの発明の実施例である光学装置で
は、レーザ１４、ガラスレンズ１６、第１プラスチツク
レンズ２４及び第２プラスチツクレンズ２８（以上即ち
第−結像光学系４）は、温度或いは湿度の影響を受けな
い一つのユニットとして一体化されている。また、光学
装置の枠体２に対して他の光学部材とは独立に調整可能
なように配置されている。従って、高い組立て精度が必
要とされる第一結像光学系は、上述した光偏向装置及び
第３プラスチツクレンズ４２を保持する枠体２と分離可
能となり、枠体２に関しては、コストの低い材質及び形
成方法例えばプラスチックによる成型加工が可能となる
。

以下に、第２Ａ図及び第２Ｂ図を用いて光ビームの動作
を説明する。第２Ａ図及び第２Ｂ図には、第１Ａ図及び
第１Ｂ図に示した光学装置の折返しミラー、鏡筒及び枠
体を省略した光ビームの動作を説明するための展開図が
示されている。この第２Ａ図は副走査面を含む平面図、
第２Ｂ図は、副走査方向における偏向角Ｏ０の状態を示
す断面図である。

半導体レーザ素子１４から発生された光ビームは、例え
ば５ＫＩＯ等の光学ガラスで形成されるレンズ１Ｂによ
って集束光或いは平行光に変換され、絞り１８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負のパワーを有す
る例えばＰＭＭＡ　（ポリメタルメタクリル）等の材料
で形成される第１プラスチツクレンズ２４へ導かれる。

レンズ２４を通過した光ビームは、折返しミラー２６で
反射され、主走査方向においては平行光に、また、副走
査方向では集束光に変換され、主走査方向に関しては正
のパワーを有し副走査方向に対しては負のパワーを有す
る例えばＰＭＭＡ等の材料で形成される第２プラスチツ
クレンズ２８へ導かれる。

レンズ２８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変換され、主走査方向の断面が凸
で半径Ｒの円筒面の一部を反射面としてＨする４面の回
転多面鏡である偏向反射鏡３６へ導かれる。回転多面ｆ
ｉ３Ｂ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レンズである例えばＰＭＭＡ等の
材料で形成される第３プラスチツクレンズ４２へ向かっ
て反射される。

このレンズ４２は、主走査方向へは多面鏡の回転角θに
対して像高を比例させたｈ−ｆθを満たす形状で、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レンズであって、
主走査方向においては前記光ビームの像面湾曲の影響を
低減し、且つ、歪曲収差を適切な値にするとともに、副
走査方向では前記光ビームが感光体１０に照射される際
の感光体のすべての面上における而倒れ補正面を像面に
直線上に一致させる。

レンズ４２を通過した光ビームは、この光学装置内のレ
ンズなどを密閉するための防塵ガラス４Ｂを介して、情
報記録媒体即ち感光体ｌＯへ導かれる。

感光体１０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５０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４２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折返しミラー４４
の一部で反射され、同期信号検出器８へ導かれ水平同期
が検出される。

表１及び表２に、この実施例に用いた各レンズ及び回転
多面鏡の特性を示す。

第３Ａ図及び第３Ｂ図には、半導体レーザ、ガラスレン
ズ及び絞りを固定する構造が示されている。第３Ａ図は
、第２Ａ図及び第２Ｂ図に示した光学装置に用いられる
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。

レーザ１４は、ねじ６０によってレーザホルダ５２に固
定されている。レンズ１６は、ウェーブワッシャ５６を
介して押え部材５８によって鏡筒５４へ固定されている
。このレンズＩ６は、押え部材５８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１８は凸状のフランジを有し、押え部材５
８とは線接触することから、押え部材５８を回転するた
めのトルクは小さくできる。押え部材５８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ことにより；レ
ンズ１Ｂが傾くことを防止している。この押え部材５８
は、専用工具のための穴６２を有し、この六６２に工具
が挿入されて回転されることでレンズ１６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）５６によって常にレンズと反対の方向へ力を受
けることから、ねじ部のねじ山の隙間によって生じるガ
タを防止できる。絞り１８は、鏡筒５４におけるレンズ
１６の後側焦点の位置に接着によって固定されている。

また、レーザホルダ５２は、ばね座金７１及び平座金７
２を介してねじ７０により鏡筒５４に所定の圧力で押え
付けられるとともに鏡筒５４に対して矢印Ｃ或いはＤの
方向に任意に調整可能で、レーザ１４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１８の位置によるレンズ１４を通過す
る光量の関係が示されている。第４図では、レーザ１４
の仮想的発光点が符号６４．６５で示されている。絞り
１８がレンズ１Ｂの後側焦点位置よりも離れた位置、例
えば、点線１９で示される位置に配置されたならば、レ
ーザ１４の僅かなズレ即ち発光点６４が６５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
。ここで、絞り１８が第４図の１９に示された位置に配
置された場合を想定すると、光量は、約１７２になる。

従って、絞り１８をレンズ１Ｂの後側焦点位置に配置す
ることで、レーザ１４から放射される光ビームの光軸調
整時に、光量がばらつくことを防ぐことができる。上述
のように、レンズ１Ｂは簡単な構造の押付は部材によっ
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５４に固定される。

（発明の効果） この発明によれば、光学装置を形成する光学部材を配置
するに際して、高い位置精度が要求される光源、非球面
ガラスレンズ及び一対のトーリックレンズが一つのユニ
ットとして形成されることから、光学装置の枠体に対し
て他の光学部材とは独立に調整可能なように配置される
。従って、比較的位置精度の緩い第二結像光学系及び光
偏向装置等の光学装置全体を保持する枠体は、コストの
かからない材質及び形成方法例えばプラスチックによる
成型加工が可能となる。また、光学装置の組立て調整が
容易となることから光学装置全体のコストがさらに低減
される。加えて、高い位置精度が要求される光学系に関
しては、温度或いは湿度の影響が除去されることから、
常に高い精度を維持することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、この発明の一実施例である光学装置におけ
る偏向角０″の状態を示す断面図、第１Ｂ図は、第１Ａ
図に示した装置のカバーを取除いた状態の底面図、第２
Ａ図は、第１図に示した光学装置の折返しミラー、鏡筒
及び枠体を省略した副走査面を含む平面展開図、第２Ｂ
図は、第２Ａ図に示した光学装置の副走査方向における
偏向角Ｏ＠の状態を示す断面図、第３Ａ図は、レーザ、
ガラスレンズ及び絞りを固定する構造を示す側面図、第
３Ｂ図は、第３Ａ図に示したｖＬ筒の線Ａ−Ａにおける
断面図、第４図は、絞りをガラスレンズの後側焦点位置
に配置する詳細を示す概略図である。 ４・・・一体化ユニット（第一結像光学系）、１４・・
・半導体レーザ素子、１Ｂ・・・ガラスレンズ、２４・
・・第１プラスチツクレンズ、２８・・・第２プラスチ
ツクレンズ、３Ｂ・・・回転多面鏡４２、・・・第３プ
ラスチックレンズ、 ４６・・・防塵ガラス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源と、この光源からの光ビームを主走査及び副走査方
   向の一方の第１面内において平行ビームに変換し、他方
   の第２面内において集束ビームに変換する第一光学手段
   と、前記第一光学手段からの光ビームを前記第１及び第
   ２面内において集束する第二光学手段と、前記光源及び
   前記第一、第二光学手段を一体的に保持する第一保持手
   段と、前記第二光学手段からの光ビームを走査対象物に
   対して走査する光偏向手段と、この光偏向手段で走査さ
   れた光ビームを走査対象物の面上に結像させる結像手段
   と、前記第一保持手段、前記光偏向手段及び前記結像手
   段を保持する第二保持手段とを備えることを特徴とする
   光学装置。