JPH0387806A - 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］ （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器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走査式
光学装置においては、光源からの光ビームは第一結像光
学系（レンズ群）によって集束され、その集束された光
ビームは光偏向器によって反射され、第二結像光学系（
ｆθレンズなど）を介して感光体などの走査対象物に対
して等速度で走査される。

第一結像光学系は、非球面ガラスレンズ、プラスチック
レンズなどの組合わせによって構成され、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。

光偏向器は、所定の方向に回転する回転多面鏡であって
、前記光ビームを走査対象物に向かって反射し、これに
よって、走査対象物の面上即ち感光体の表面が光ビーム
によって走査される。

第二結像光学系は、ｆθレンズなどで構成され、回転多
面鏡と走査対象物の間に配置されて回転多面鏡によって
反射された光ビームを感光体に結像させている。

特開昭６１−５９３１１号に開示されている例では、第
二結像光学系のｆθレンズの両端をバイメタルによって
支持することによって、温度の変化による焦点距離の変
動を補正している。

（発明が解決しようとする課題） 上述特開昭８１−５９３１１号の発明によれば、温度の
変化に対する焦点距離の変動に関しては補正が可能であ
るが、湿度の変化による焦点距離の変動、プラスチック
自身の変形、屈折率の変化、発振波長の変動などについ
ては無視されているため、補正が十分にされない場合が
ある。また、バイメタルを用いたことによって、その厚
みの影響を受けて補正量がばらついたり、補正時にレン
ズ自身が移動することによって光軸が傾いたり、結像光
学系全体にくろいが生じるという問題がある。

［発明の構成］ （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成されたもので、光ビ
ームを平行光或いは集束光にし光偏向器に導く第一結像
光学系と、前記光偏向器で反ｔ４ｔされた光ビームを走
査対象物の面上に結像させる第二結像光学系と、この光
ビームを走査対象物に対して走査する光偏向器を備えた
走査式光学装置において、 前記第一結像光学系は、その光ビームの入射する側に配
置されガラス製の単レンズまたは複数のレンズによって
構成される有限レンズと、主走査方向に負のパワーを有
する第１のプラスチックレンズと、主走査方向には正の
パワー副走査方向には負のパワーを有する前記第１のプ
ラスチックレンズと同一材料の第２のプラスチックレン
ズで構成され、前記第二結像光学系の少なくとも一つの
レンズもまたプラスチックレンズで且つ前記第１のプラ
スチックレンズと同一材料で製造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、第一結像光学系を構成するレンズの
温度及び湿度の変化による焦点距離の変動、プラスチッ
クレンズ自身の変形成いは屈折率の変化などが、あたか
も色消し条件のように与えられて補正されるので、第−
結像光学系及び第二結像光学系のレンズのほとんどをプ
ラスチック製にでき、しかも、第二結像光学系を構成す
るｆθレンズを機械的に移動することのない安定な光学
系が提供される。

（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１Ａ図及び第１Ｂ図には、この発明の折り返しミラー
、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０″
の状態を示す断面図である。この光学装置は、半導体レ
ーザ素子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からなる第一結像光学系
、第３プラスチツクレンズ１２及び防塵ガラス１４から
なる第二結像光学系、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１
０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１０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１
２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１４を
介して、情報記録媒体即ち感光体１Ｂ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
し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１８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１！１０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、この実施例に用いた各レンズ及び回転
多面鏡の特性を示す。

第２Ａ図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示した走査式光学
装置に用いられる鏡筒部分（図示しない）の側面図、第
２Ｂ図は第２Ａ図の線Ａ−Ａにおける断１面図である。

第２Ａ図及び第２Ｂ図には、ＬＤ２、レンズ４及び絞り
３０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３Ｂ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３図には、絞り３０をレンズ４の後側焦点位置に配置
する理由が示されている。第３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３０
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、Ｌ
Ｄ２の僅かなズレ即ち発光点４８が４８′にズレること
によって、光ビームの光量が大きく変化してしまう。第
３図に示された位置では、光量は、約１７２になる。従
って、絞り３０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４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３
４に固定される。

ここで、温度変化による焦点距離の変動量に対して、温
度、湿度の両方が変化した場合の焦点距離の変動量を比
較する。

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）、 αｔを線膨脹係数（１℃に対する）、 ｆ　をｆθレンズの焦点距離、及び、 Δｔを温度変化（”Ｃ）とするとき、 Δｆｔ　−（−ｎｔ　＋ｃｒｔ　）　ｆ−Δｔ　　・　
（１）で近似できる。

また、湿度変化１こよる焦点距離の変動量Δｆｍは、 ｎｌｌを比吸水係数（１％に対する二 α厘を吸水による膨脂係数（１％に対する）、ｆ　をｆ
θレンズの焦点距離、及び、 Δ−を吸水率変化（％）とするとき、 ６１ｍ　−（−ｎｍ　＋αｏ＋　）　ｆ　・６ｍ　　・
　（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、ｆｍ４５ｍｎ＋、
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　−−２，０９Ｘｌ０−’／’Ｃ，αｔ　−７Ｘｌ
０−５／’Ｃの条件下において Δｆｔ−０．３７６６５ｍ１１ となる。また、Δｍ＝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、 ｎ　ｔａ　−８，４５Ｘ　１０−４／％、　　ａｍ　＝
２．１８Ｘ１０−３／％の条件下において Δｆｔｇ−０．０５９１７５ｍｍ 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＋Δｆｌ −０，４３５８３ｍｍ となる。よって、レンズの焦点距離ｆ−４５ｍ＊は、ｆ
＋Δｆ−ｆ＋Δｆｔ　＋Δｆ− −４５，４３５８３Ｉ１ｍ 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＠２０を ２０−９０５ｍ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Ｚｉは Ｚｌ−９０ｍ−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離Ｚ１は、Ｚｌ　＋ΔＺ−９
１．７４３３２ｓ１１（ΔＺ−４Δｆ） となる。

ここで、焦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　を焦点距離が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（ｔｒｔａ　）、λ　を波長（ｔ
ｒｔｓ　）としたとき、Ｗ−Ｗｏ　　１＋（Δ２λ／　
πｏｏ　）　　・”　（３）で求めることができる。例
えば、 λ　−７８５ｎｏ＋、　　Ｗｏ　　−２５ｇとした場合
、焦点距離の補正を行わないとすれば、Ｗ−３０，７８
μ 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０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、νＩ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時、 である。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Δｆｉ／ｆｉ−１／シｌ゛と書換えて、
νｌ°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 ΔＩｌ／ｆ’１＝　（−ｎｔ１＋ｇｔ１）Δｆ＋（−ｎ
ｍｉ＋ａ＋ｓｌ）６ｍ−１ハｉ°　　　　　　　　　　
　・・・（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Δｆｔ／ｆｉ−１／シｌとしであるので、（４）式の
ν１を温度及び湿度の変化に対するν１°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、ν１゛は温度及び温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
製レンズが組み合わせられているので（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
正することを考えると、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るので、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νｌ°が等しい値をとるため、（６）式は、 と書き直せる。すなわち、 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／ν１゜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、Δｆｔ−０とし、シ１゛−■とする
ことができる。

ところで、（４）式から明らかなようにプラスチックレ
ンズは正のパワーを有するレンズと負のパワーを有する
レンズの双方を組み合わせる必要がある。このとき、主
走査方向としては、第二結像光学系のパワーが小さいた
めに第一結像光学系にガラス有限レンズを用い、焦点距
離の絶対値のほぼ等しい正、負のパワーを有するプラス
チックレンズを用いる。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できる。また、副走査方向にとして
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ため、第一結像光学系内で ｇ：第一結像光学系のレンズ枚数＋１ を満たす必要がある。さらに、第一結像光学系の第１の
レンズのパワーを小さくシ、第２の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系の大きさの小形化
がなされる。

この結果、少なくともｆθレンズ単体による副走査方向
の像点移動よりも光学装置全体（第一結像光学系）とし
ての像点移動を小さくすることが可能になる。

ここに、Δｔ−３０℃、Δｍ−１とすると（１）、（２
）式よりプラスチックレンズでは、ｎｔ、ｎｍ、　αｔ
、αｍのそれぞれを従来例の値と同一としたとき１／ν
″は、 １／ν”　−（−ｎｔ＋ａｔ）ΔＤ（−ｎｍ＋ａｍ）Δ
腸−９．６８５Ｘ１０−３ と示される。

レンズ２の材質は光学ガラスＢＫ７であり、吸水による
影響は無視できるので、ｎｔ　−−３ＸｌＯ−６αｔ−
９Ｘ１０＝の条件下において、１／ν　閣（−ｎｔ＋α
ｔ）Δｔ −３，６Ｘ１０−４ となり、また、回転多面ｌｌ！５の材質もアルミニュウ
ムであって、吸水による影響は無視できるので、αｔ−
−２，３６Ｘ１０＝の条件下において、１／ν　−Δｆ
／ｆ −（Ｒ＋ＲａｌΔｔ／２−Ｒ／２　＞　／　（Ｒ／２　
）曙αｔΔｔ −７，０８Ｘ１０−’ と示される。

この発明の実施例では、Ｎ−４，ｍ−５である。

レンズ２の１／ν″は、実際には上記の値３゜６　Ｘ　
ｔｏ−’であるが、波長変化による影響を除去するため
には式（４）、（６）を０にする必要がある。ここで、 νｇを光学ガラスＢＫ７に対する分散率、νｇ°を温度
及び湿度の変化に対する光学ガラスＢＫ７の疑似分散率
、 νｐをＰＭＭＡに対する分散率、 νｐ°を温度及び湿度の変化に対するＰＭＭＡの疑似分
散率、 νａをポリゴンミラーの分散率、及び、νａ°を温度及
び湿度の変化に対するポリゴンミラーの疑似分散率とす
るとき、式（４）、（６）と書直される。ここで、シｇ
゛、シａ°は温度のみに影響され、νｐ°は温湿度の影
響を受ける。したがって、すべての環境において式（１
１）　、　　（１２）を％式％ となることが必要である。

（効果） この発明によれば、温度、湿度或いは光源の発振波長の
変化のすべてに対して焦点距離の補正がなされるので像
面上における焦点の変動を光学装置全体で低減すること
が可能になる。また、第−結像光学系及び第二結像光学
系のほとんどのレンズにプラスチック製レンズを用いる
ことが可能になるためコストの安い走査式光学装置が提
供される。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、この発明の折り返しミラー、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Ｏ″の状態を示す断面図、
第２Ａ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２Ｂ図は、第２Ａ図に示した鏡筒
の線Ａ−Ａにおける断面図、第３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、ＩＯ・・・回転多面鏡、１２・・・第３プ
ラスチツクレンズ、 １４・・・防塵ガラス、 １６・・・感光体、 ３０・・・絞 り、 ３２・・・ＬＤホルダ、 ３４・・・鏡筒、 ３６・・・ウェーブワ ラシャ、 ３８・・・押え部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームを平行光或いは集束光にし光偏向器に導
   く第一結像光学系と、前記光偏向器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第二結像光学系と、
   この光ビームを走査対象物に対して走査する光偏向器を
   備えた走査式光学装置において、 前記第一結像光学系は、その光ビームの入射する側に配
   置されガラス製の単レンズまたは複数のレンズによって
   構成される有限レンズと、主走査方向に負のパワーを有
   する第１のプラスチックレンズと、主走査方向には正の
   パワー副走査方向には負のパワーを有する前記第１のプ
   ラスチックレンズと同一材料の第２のプラスチックレン
   ズで構成され、前記第二結像光学系の少なくとも一つの
   レンズもまたプラスチックレンズで且つ前記第１のプラ
   スチックレンズと同一材料で製造されることを特徴とす
   る走査式光学装置。
2. （２）前記第１のプラスチックレンズを通過した光ビー
   ムは主走査方向においてほぼ平行光となるとともに、前
   記第二結像光学系のプラスチックレンズを通過した光ビ
   ームは主走査方向における軸上光の集光角度がほぼ前記
   ガラス製有限レンズから出射する軸上光の集光角に等し
   くなることを特徴とする請求項１に記載の走査式光学装
   置。