JPH04328516A - レーザビーム走査光学系 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビーム走査光学
系、特に電子写真複写機、レーザプリンタ、ファクシミ
リ等の画像形成装置の画像書き込み用ヘッドとして使用
されるレーザビーム走査光学系に関する。

【０００２】

【発明の背景】従来、電子写真方式によるレーザプリン
タでは、感光体上へ画像を書き込むためのレーザビーム
走査光学系として、レーザダイオードを光源としたもの
が広く使用されている。レーザダイオードから放射され
たレーザビームは偏向器（ポリゴンミラー）で一平面上
に等角速度で偏向走査され、ｆθレンズあるいはｆθミ
ラー等の光学素子で走査速度を補正したうえで走査ライ
ン（感光体）上に結像される。そして、レーザダイオー
ドから放射されるレーザビームは一定の広がり角を有す
る拡散光であるため、レーザダイオードの正面に集光レ
ンズ（コリメータレンズ）を設け、平行光又は収束光に
集光している。

【０００３】近年では、製作の容易性、コスト低減のた
めに光学素子の素材としてガラスに代えて樹脂が用いら
れる傾向にある。しかし、樹脂製の光学素子（レンズ）
では環境温度の変化に応じて形状（厚さ、曲率半径）、
屈折率が変化し、像面上でデフォーカスが発生し、ビー
ムのスポット径が変動する問題点を有している。一方、
ミクロンオーダの周期を持つ格子状同心円パターンの集
合で、その断面が鋸歯状となったフレネルレンズが開発
されている。このフレネルレンズは屈折現象と回折現象
を利用し、平行な光が入射すると格子の各部分で光が曲
がり、入射光を一点に集束する。逆に、焦点から放射さ
れた拡散光を格子の各部分で平行化する。このフレネル
レンズを従来のコリメータレンズに代えてレーザ光源ユ
ニットを構成することが考えられる。しかし、ここでは
レーザダイオードの発振波長の変化に起因するデフォー
カスが最大の問題点となる。即ち、回折現象を利用して
いるフレネルレンズは、波長変化に対して不安定であり
、僅かな波長変化に対して敏感に焦点距離が変動する。 プリンタのレーザビーム走査光学系にあっては、その僅
かな焦点距離の変動が走査光学系を通して数百倍に拡大
され、像面（感光体）上でのデフォーカスを引き起こす
。ちなみに、レーザダイオードから放射されるレーザビ
ームの波長は、発光部の発熱量の増加、環境温度の上昇
により長波長側にシフトする。また、前記フレネルレン
ズの焦点距離はレーザダイオードの発振波長に反比例す
る。

【０００４】そこで、本発明者らは、前記レーザダイオ
ードとフレネルレンズの特性あるいはそれらの保持部材
の熱膨張作用を利用し、光学素子の樹脂化に伴う環境温
度上昇による像面でのデフォーカスを補正することに着
目した。

【０００５】

【発明の目的、構成、作用】即ち、本発明の目的は光学
素子に樹脂製レンズ等を用いた場合であっても環境温度
の上昇による走査光学系のデフォーカスを実用上問題と
ならない程度に小さくできるレーザビーム走査光学系を
提供することにある。以上の目的を達成するため、本発
明に係るレーザビーム走査光学系は、温度上昇によって
発振波長が長波長側へ変化するレーザダイオードと、回
折効果を有し、焦点距離が波長に反比例する集光レンズ
とを一体的にユニット化し、レーザダイオードと集光レ
ンズの温度変化に伴うデフォーカスと、光学素子の温度
変化に伴うデフォーカスとが互いに相殺されるようにし
た。

【０００６】前記集光レンズは薄い平板状をなし、その
焦点距離は１〜１０ｍｍ程度であり、焦点又はその近傍
にレーザダイオードを設置することで一つのパッケージ
に高密度実装した光源ユニットが得られる。レーザダイ
オードから放射された拡散光は集光レンズの屈折効果、
回折効果によって平行光あるいは収束光に集光される。 光学素子として樹脂レンズが使用されていると、温度上
昇に伴ってその曲率半径及び芯厚は増加傾向にあり、屈
折率は減少傾向にある。従って、走査系の焦点距離が実
質的に長くなり、像面は後方にデフォーカスする。一方
、光源ユニットにおいては、レーザダイオードから放射
されるビームの波長は、発光部の温度上昇で長波長側に
シフトする傾向にあり、これに起因して集光レンズの焦
点距離が短くなる。さらに、必要であればレーザダイオ
ードあるいは集光レンズの保持部材の熱膨張によってレ
ーザダイオードと集光レンズの間隔が短くされる。この
ような光源部でのデフォーカスによって像面がほぼ元の
焦点位置に戻され、最終的に走査光学系のデフォーカス
（ビームのスポット径）が実用上問題とならない程度に
抑えられる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明に係るレーザビーム走査光学系
の実施例につき、添付図面に従って説明する。 ［第１実施例、図１〜図４参照］図１は本発明の第１実
施例であるレーザビーム走査光学系２０を組み込んだレ
ーザプリンタを示す。

【０００８】このレーザプリンタは、本体１の略中央部
分に感光体ドラム２が矢印ａ方向に回転駆動可能に設置
され、その周囲に帯電チャージャ３、現像器４、転写チ
ャージャ５、残留トナーのクリーナ６を配置したもので
ある。レーザビーム走査光学系２０は感光体ドラム２の
上方に設置され、帯電チャージャ３によって所定の電位
に均一に帯電された感光体ドラム２の表面にレーザビー
ムを照射し、所定の画像を潜像として形成する。この潜
像は現像器４で現像され、トナー画像とされる。

【０００９】一方、記録用シートは本体１の下段に設置
した給紙カセット１０から１枚ずつ自動的に給紙され、
タイミングローラ１１を経て転写部へ搬送される。シー
トはここでトナー画像を転写され、定着器１２でトナー
の定着を施された後、排出ローラ１３から本体１の上面
に排出される。図２はレーザビーム走査光学系２０を示
す。

【００１０】この光学系２０は、光源ユニット２１、シ
リンドリカルレンズ３０、ポリゴンミラー３１、ｆθレ
ンズ３２、平面ミラー３３、画像書き込みスタート位置
検出センサ４５（以下、ＳＯＳセンサと称する）このＳ
ＯＳセンサ４５へレーザビームを導くミラー４１，４２
を図示しないハウジングに取り付けたものである。光源
ユニット２１（その構成は後述する）から出射されたレ
ーザビームは、シリンドリカルレンズ３０を透過するこ
とによりポリゴンミラー３１の反射面付近にその偏向面
に一致する直線状に収束される。ポリゴンミラー３１は
矢印ｂ方向に一定速度で回転駆動され、レーザビームを
連続的に等角速度で偏向走査する。走査されたレーザビ
ームはｆθレンズ３２を透過した後、平面ミラー３３で
反射され、図示しないハウジングのスリットを通じて感
光体ドラム２上で結像する。このとき、レーザビームは
感光体ドラム２の軸方向に等速で走査され、これを主走
査と称する。また、感光体ドラム２の矢印ａ方向への回
転に基づく走査を副走査と称する。

【００１１】以上の構成において、光源ユニット２１か
らのレーザビームのオン，オフと、前記主走査、副走査
とによって感光体ドラム２上に画像（静電潜像）が形成
される。ｆθレンズ３２は主走査方向に対するレーザビ
ームの走査速度を走査域の中心部から両端部にわたって
均等となるように（歪曲収差を）補正する。シリンドリ
カルレンズ３０は、ｆθレンズ３２と共働してポリゴン
ミラー３１の面倒れ誤差を補正する。

【００１２】一方、ポリゴンミラー３１で偏向走査され
たレーザビームのうち一部は、ミラー４１，４２からシ
リンドリカルレンズ４６を介してＳＯＳセンサ４５へ入
射し、その検出信号に基づいて１ラインごとの画像書き
込みスタート位置が制御される。ここで、光源ユニット
２１について説明する。

【００１３】図３に示すように、光源ユニット２１は、
ホルダ２２にレーザダイオード２３を取り付け、フレネ
ルレンズ２４を固定したホルダ２５をホルダ２２に挿入
したもので、ホルダ２５はホルダ２２の先端で固着され
ている。また、ホルダ２２は光量モニタ用フォトダイオ
ードを備えた図示しないベース上に固定されている。レ
ーザダイオード２３は所定の電流を供給することにより
接合面から拡散光を放射する。フレネルレンズ２４は、
ミクロンオーダの周期を持つ格子状同心円パターンの集
合で、その断面を鋸歯状に成形したものである。このフ
レネルレンズ２４は屈折効果と回折効果を有し、格子の
各部分で光が曲げられる。平行光が入射すると一点（焦
点）に収束され、焦点から放射された拡散光は平行光と
される（図４参照）。

【００１４】従って、レーザダイオード２３の発光部２
３ａをフレネルレンズ２４の焦点に設置することにより
、レーザダイオード２３から放射された拡散光はフレネ
ルレンズ２４で平行光に集光され、光源ユニット２１か
ら前記シリンドリカルレンズ３０へ向かって出射される
。また、レーザダイオード２３の発光部２３ａをフレネ
ルレンズ２４の焦点よりも僅かに遠い位置に設定すると
、光源ユニット２１からは収束光が出射される。本実施
例では後者の設定により得られる収束光を用いている。

【００１５】ここで使用されているフレネルレンズ２４
はポリカーボネイトからなり、波長７８０ｎｍのレーザ
ビームに対応するように設計されている。フレネルレン
ズ２４は極めて小型、軽量で、レーザダイオード２３、
モニタ用フォトダイオード２８等と共に一つのパッケー
ジ内に高密度実装できる。従来はコリメータレンズとし
てガラスモールドの単玉非球面レンズを用いていたので
あるが、これと比較して光源部が小型化し、光学系ハウ
ジングへの組み込みに際してレーザダイオードとフレネ
ルレンズとを互いに位置調整する必要がなくなる。また
、フレネルレンズは成形法で量産でき、研摩工程も不要
であるという利点を有する。

【００１６】さらに、今日では、レーザプリンタの低速
化が進むと共に、感光体の感度が改善され、像面上で必
要な光量は０．２ｍＷ程度で十分な場合がある。この場
合、通常の光学系では光透過率が２５〜３０％程度であ
るため、レーザダイオードの出力は０．８ｍＷ程度とな
る。しかし、これではレーザダイオードはＬＥＤ発光か
らＬＤ発光へ切り替わる領域でのシュレッシュホールド
出力程度となり、応答性が悪くなる。しかし、フレネル
レンズは光透過効率が５０％あるいはそれ以下のものを
製作でき、レーザダイオードをＬＤ発光の領域で駆動さ
せ、応答性を上げることができる。

【００１７】［第２実施例、図５参照］図５において、
レーザビーム走査光学系２０’はポリゴンミラー３１の
後段に設けたトーリックレンズ３５、球面ミラー３６、
平面ミラー３７を通じてポリゴンミラー３１で偏向走査
されたレーザビームを感光体ドラム２上へ結像するよう
に構成されている。ＳＯＳセンサ４５に対しては一つの
ミラー４３でレーザビームを導く。光源ユニット２１は
図３に示したのと同じ構成からなり、収束光を出射する
。

【００１８】ここで、トーリックレンズとは、入射側又
は射出側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面
が球面、平面又はシリンドリカル面であるレンズをいう
。本実施例において、トーリックレンズ３５は入射側の
面がトロイダル面、射出側の面が球面にて構成されてい
る。トロイダル面とは二つの主経線がそれぞれ異なった
曲率中心を有する面をいう。

【００１９】球面ミラー３６はｆθレンズに代わって、
トーリックレンズ３５と共に主走査方向に対する走査速
度を走査域中心からその両端部にわたって均等となるよ
うに（歪曲収差を）補正すると共に、感光体ドラム２上
での主走査方向の像面湾曲を補正する。また、トーリッ
クレンズ３５のトロイダル面は、ポリゴンミラー３１の
面倒れ誤差を補正すると共に、感光体ドラム２上での副
走査方向の像面湾曲を補正する。本実施例ではシリンド
リカルレンズ３０によってビームをポリゴンミラー３１
に集光する一方、トーリックレンズ３５のトロイダル面
によってポリゴンミラー３１の各反射面と集光面とが共
役関係を保持するようにしている。一方、トーリックレ
ンズ３５の球面は、主として主走査方向の像面湾曲を補
正すると共に、歪曲収差の補正を行なう。

【００２０】［環境温度の上昇と走査系による像面デフ
ォーカス］ところで、以上の走査光学系２０，２０’に
おいては、シリンドリカルレンズ３０及びトーリックレ
ンズ３５はアクリル樹脂で成形され、球面ミラー３６は
ポリカーボネイト樹脂で成形されている。これらの樹脂
製光学素子は環境温度の上昇の影響を受けやすく、温度
上昇に伴って曲率半径及び芯厚は増加傾向にあり、屈折
率は減少傾向にあり、いずれも正のパワーを弱める。即
ち、温度上昇に伴って走査系の焦点距離が実質的に長く
なり、主として副走査方向に像面が後退するデフォーカ
スが生じる。

【００２１】そこで、光源ユニット２１で前記デフォー
カスの補正を行なわない場合、各実施例の光学系２０，
２０’で一定の温度上昇に対して、光学素子の変形によ
ってどの程度デフォーカスが発生するかを各光学素子ご
とに検討する。図６は光学系２０，２０’における基準
温度（２０℃）での像面湾曲特性を示す。

【００２２】図７はシリンドリカルレンズ３０のみを４
０℃に上げた場合の像面湾曲特性を示す。このシリンド
リカルレンズ３０は副走査方向にのみパワーを持つため
、副走査方向の像面のみが後退し、主走査方向にデフォ
ーカスは生じていない。図８はトーリックレンズ３５の
みを４０℃に上げた場合の像面湾曲特性を示す。このト
ーリックレンズ３５も主走査方向に対するパワーが弱く
、副走査方向に対するパワーが強いため、副走査方向の
像面が大きく後退し、主走査方向の像面は殆ど変わらな
い。

【００２３】図９は球面ミラー３６のみを４０℃に上げ
た場合の像面湾曲特性を示す。球面ミラー３６は焦点距
離に関与するのが曲率の変化のみであるため、その影響
は小さく、主、副走査方向共像面は殆ど変化しない。以
上を総合すると、２０℃の温度上昇に対して像面の形そ
のものは主、副走査方向共に殆ど変化はなく、主走査方
向に０．１４ｍｍ、副走査方向に３．７６ｍｍ、像面が
後退することとなる。デフォーカスが発生するとビーム
径が太り、感光体上でのエネルギ密度の低下を招き、電
子写真プロセスを経た最終画像ではラインの細り、画像
濃度の低下となる。

【００２４】図１０〜図１２は走査光学系でのビームの
収束状態を示し、図１０は基準温度（２０℃）の場合、
図１１は２０℃の温度上昇があった場合（補正なし）、
図１２は以下に示すように光源ユニット２１でデフォー
カスの補正を行なった場合を示す。図１１、図１２にお
いて、２Ｗの範囲が実用上問題とならないデフォーカス
の範囲である。環境温度が上昇した場合（図１１参照）
、主走査方向のデフォーカス量ΔＸＨ’（０．１４ｍｍ
）は許容範囲内であるが、副走査方向のデフォーカス量
ΔＸＶ’（３．７６ｍｍ）は許容範囲を外れている。

【００２５】［デフォーカスの補正Ｉ］レーザダイオー
ドは発光部の発熱量の増加、環境温度の上昇により発振
波長が変化する特性を有している。そして、回折効果を
利用しているフレネルレンズは波長の変化に対して不安
定であり、僅かな波長変化に対して敏感に焦点距離が変
動（デフォーカス）する。また、図３に示した光源ユニ
ット２１においてはホルダ２２，２５は素材自体が所定
の熱膨張係数を持ち、それぞれ熱膨張作用によって光源
部でのデフォーカスを発生させる。走査光学系全体とし
て考慮すると、僅かな焦点距離の変動（デフォーカス）
が前述の光学素子３０，３２，３５，３６を通して数百
倍に拡大され、像面（感光体ドラム表面）上でのデフォ
ーカスを発生させる。本発明はこのような光源部でのデ
フォーカスによって走査系による像面デフォーカスを打
ち消そうとするものである。

【００２６】まず、フレネルレンズの焦点距離の変動に
ついて解析する。回折効果を利用しているフレネルレン
ズは、レーザダイオードの発振波長に対して以下の式に
示す関係で焦点距離が変動する。 　　　　ｆλ＝ｆ’λ’　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
…（１）　　　　ｆ’＝（λ／λ’）ｆ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
……（１ａ）λ：レーザダイオード発振波長 λ’：変化後のレーザダイオード発振波長ｆ：フレネル
レンズ焦点距離 ｆ’：変動後のフレネルレンズ焦点距離以上の焦点距離
の変動による像面上でのデフォーカスは、コリメータレ
ンズの出射光が平行光となる場合、以下の式（２），（
３）に示す関係で拡大される。

【００２７】主走査方向： 　　　　ΔＸＨ＝（ｆＨ／ｆＣＯ）２Δｆ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（
２）ΔＸＨ：主走査方向像面デフォーカス量Δｆ：フレ
ネルレンズ焦点距離変動量 ｆＨ：走査光学系主走査方向焦点距離 ｆＣＯ：フレネルレンズ焦点距離 副走査方向 　　　　ΔＸＶ＝β２（ｆＣＹ／ｆＣＯ）２Δｆ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……
（３）ΔＸＶ：副主走査方向像面デフォーカス量β：走
査光学系副走査方向横倍率 ｆＣＹ：シリンドリカルレンズ焦点距離さらに、デフォ
ーカス量とビーム径との関係は以下の式（４）で示され
る。

【００２８】

【数１】

【００２９】ＤＯ：λの波長による像面上のビーム径（
１／ｅ２値） Ｄ：ΔＸＨだけデフォーカスしたときの像面上のビーム
径（１／ｅ２値） そこで、前記式（４）において、実用上許容できるビー
ム径の上限をＤ１とすると、波長変化したときにもＤ＜
Ｄ１が満たされればよい。即ち、

【００３０】

【数２】

【００３１】一方、レーザダイオードの発振波長がλか
らλ’に変化したときフレネルレンズの焦点距離の変動
量Δｆは、以下の式（５）で表わされる。 　　　　Δｆ＝（λ’−λ）／λ’・ｆＣＯ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（５
）前記実施例１，２では光源ユニット２１から収束光が
出射されるように構成しているため、収束光での像面デ
フォーカスを以下に解析する。

【００３２】主走査方向については、図１０において、
ａ１：フレネルレンズからその物点までの距離ｂ１：フ
レネルレンズからその像点までの距離Ｌ１：フレネルレ
ンズから走査レンズまでの距離ｂ２：走査レンズからそ
の像面までの距離と設定すると、デフォーカス量ΔＸＨ
は以下の式（２ｂ）で表わされる。

【００３３】

【数３】

【００３４】一方、副走査方向については、図１０にお
いて、さらに追加して、 Ｌ２：フレネルレンズからシリンドリカルレンズまでの
距離 ｂ３：シリンドリカルレンズからその像点までの距離β
：走査光学系副走査方向横倍率 と設定すると、デフォーカス量ΔＸＶは以下の式（３ｂ
）で表わされる。

【００３５】

【数４】

【００３６】第１実施例の光学系２０についてデフォー
カス量ΔＸＨを計算すると、例えば、ａ１＝６．０６ｍ
ｍ、ｂ１＝６００ｍｍ、Ｌ１＝２００ｍｍ、ｂ２＝１５
０ｍｍとすると、ΔＸＨは１３５１Δｆとなる。また、
デフォーカス量ΔＸＶを計算すると、例えば、ａ１＝６
．０６ｍｍ、ｂ１＝６００ｍｍ、Ｌ２＝５０ｍｍ、ｂ３
＝５０ｍｍ、β＝２とすると、ΔＸＶは３１８Δｆとな
る。即ち、主走査方向のデフォーカスは副走査方向のそ
れに対して４倍強の感度を持つ。

【００３７】第２実施例の光学系２０’についてデフォ
ーカス量ΔＸＨを計算すると、例えば、ａ１＝４．６４
ｍｍ、ｂ１＝５３４ｍｍ、Ｌ１＝２３２．３ｍｍ、ｂ２
＝１４７．７ｍｍとすると、ΔＸＨは３１１９Δｆとな
る。 また、デフォーカス量ΔＸＶを計算すると、例えば、ａ
１＝４．６４ｍｍ、ｂ１＝５３４ｍｍ、Ｌ２＝４０ｍｍ
、ｂ３＝３３．５ｍｍ、β＝４．８５とすると、ΔＸＶ
は１４０８Δｆとなる。即ち、主走査方向のデフォーカ
スは副走査方向のそれに対して２倍強の感度を持つ。

【００３８】前述の考察で明らかなように、第１実施例
の場合は、走査系によるデフォーカスのうち、大きい副
走査方向のΔＸＶを手前側に戻そうとすると、主走査方
向のΔＸＨが４倍強の量で発生する。両者をバランスよ
く補正するためには、図１１で説明したように、ΔＸＨ
’が０．１４ｍｍ、ΔＸＶ’が３．７６ｍｍとすると、
ΔＸＨ＝１３５１Δｆ、ΔＸＶ＝３１８Δｆであるため
、Δｆを−０．００２２８に設定するとΔＸＨとΔＸＶ
を共に±３．０２ｍｍにバランスよく補正できる（図１
２参照）。

【００３９】また、第２実施例の場合、主走査方向のΔ
ＸＨが副走査方向のΔＸＶの２倍強の量で発生するに止
まる。従って、ΔＸＨ’が０．１４ｍｍ、ΔＸＶ’が３
７６ｍｍとすると、ΔＸＨ＝３１１９Δｆ、ΔＸＶ＝１
４０８Δｆであるため、Δｆを−０．０００８５９に設
定するとΔＸＨとΔＸＶを共に±２．５５ｍｍにバラン
スよく補正できる（図１２参照）。

【００４０】ところで、前記フレネルレンズ焦点距離の
変動量Δｆは光源ユニット２１としてはホルダ２２，２
５の熱膨張を考慮した光源部デフォーカス量Δｘとして
像面デフォーカスの補正を検討しなければならない。 ［デフォーカスの補正ＩＩ］図３を参照して、光源ユニ
ット２１の構成部材（ホルダ２２，２５、レンズ基材）
の熱膨張によるレーザダイオード２３の発光部２３ａと
フレネルレンズ２４との距離変動について考察する。

【００４１】各構成部材が発光部２３ａとフレネルレン
ズ２４の距離に関わる有効長をそれぞれＤ１，Ｄ２，Ｄ
３とし、熱膨張係数をホルダ２２がα１、レンズ２４の
基材がα２、ホルダ２５がα３とすると、温度変化ΔＴ
を与えた場合、距離変化量ΔＤ（Ｄ’−Ｄ）は、　　　
　Ｄ＝Ｄ１−Ｄ２−Ｄ３　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
…（６ａ）　　　　Ｄ’＝Ｄ１’−Ｄ２’−Ｄ３’　　
　　　　　　＝Ｄ１（１＋α１ΔＴ）−Ｄ２（１＋α２
ΔＴ）−Ｄ３（１＋α３ΔＴ）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（
６ｂ）　　従って、 　　　　ΔＤ＝Ｄ’−Ｄ 　　　　　　　　＝（Ｄ１α１−Ｄ２α２−Ｄ３α３）
ΔＴ　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（７）
ΔＴの温度変化により、発振波長がΔλ（λ’−λ）だ
け変化し、それに応じてフレネルレンズ２４の焦点距離
がΔｆ（ｆ’−ｆ）だけ変動すると、Δｆは以下の式（
８），（９）から式（１０）として表わされる。

【００４２】 　　　　λ’＝λ＋（ｄλ／ｄＴ）ΔＴ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（８）　
　　　ｆ’＝（λ／λ’）ｆ 　　　　　　　　＝｛λ／［λ＋（ｄλ／ｄＴ）ΔＴ］
｝ｆ　　　　　　　　　　　　……（９）

【００４３】

【数５】

【００４４】次に、レンズ基材の熱膨張による焦点距離
の変動を考察する。焦点距離ｆのｎ番目の格子の半径Ｒ
ｎは、以下の式（１１）で表わされる。

【００４５】

【数６】

【００４６】従って、焦点距離ｆは、以下の式（１２）
で表わすことができる。 　　　　ｆ＝２Ｒｎ２／λ（２ｎ−１）　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１２）
線膨張係数α３を持つレンズ基材の温度変化量ΔＴに対
する格子径の変化量Ｒｎ’は、以下の式（１３）で表わ
される。 　　　　Ｒｎ’＝Ｒｎ（１＋α３ΔＴ）　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１３）
この場合、焦点距離ｆ’とその変動量Δｆは以下の式（
１４），（１５）で表わされる。

【００４７】 　　　　ｆ’＝２Ｒｎ２（１＋α３ΔＴ）２／λ（２ｎ
−１）　　　　　　　　＝（１＋α３ΔＴ）２ｆ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　……（１４）　　　　Δｆ＝ｆ’−ｆ 　　　　　　　　＝［（１＋α３ΔＴ）２−１］ｆ　　
　　　　　　＝α３ΔＴ（α３ΔＴ＋２）ｆ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（１５）
前記式（７），（１０），（１５）を総合すると、ΔＤ
だけ物点（レーザダイオード２３）が後退することは、
レーザダイオード２３とフレネルレンズ２４間の距離が
固定され、フレネルレンズ２４の焦点距離がΔｆ＝−Δ
Ｄだけ変動したことに実質的に等しい。従って、式（７
），（１０），（１５）のそれぞれにおける焦点距離変
動量をΔｆ１，Δｆ２，Δｆ３とすると、Δｆ及びそれ
らの変動量は以下の式（１６）〜（１９）で表わされる
。

【００４８】

【数７】

【００４９】［光源ユニットの設計例］以下、光源ユニ
ット２１の具体的な設計例について説明する。まず、第
１実施例の光学系２０について、必要条件は前述の如く
Δｆ＝−０．００２２８である。従って、λ＝７８０ｎ
ｍ、ｄλ／ｄＴ＝０．２２５ｍｍ／℃、ΔＴ＝２０℃、
ｆ＝６ｍｍとし、フレネルレンズ２４の材質をポリカー
ボネイト（α３＝８×１０−５）、その厚みＤ３を１．
２ｍｍとした場合、Δｆ２、Δｆ３の値は自動的に決ま
り、前記必要条件を満足するため、Ｄ１，Ｄ２を最適化
してΔｆ１の値を目標値に合わせればよい。

【００５０】即ち、前式（１８），（１９）に基づき、
以上の条件でΔｆ２は−０．０３４４１７、Δｆ３は０
．０１９２１５となる。これらの値を前式（１６）に代
入すると、Δｆ１を求めることができる。 　　　　−０．００２２８＝Δｆ１−０．０３４４１７
＋０．０１９２１５　　　　Δｆ１＝０．０１２９２２ ホルダ２２の材質を液晶ポリマ（α１＝１×１０−５）
、ホルダ２５の材質をポリアセタール（α２＝１３×１
０−５）とすると、前式（１７）に基づいてＤ１の計算
式が以下の式（２０）として表わされる。

【００５１】 　　　　０．０１２９２２＝−（Ｄ１×１×１０−５−
Ｄ２×１３×１０−５−１．２×８　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　×１０−５）×２０　　　
　Ｄ１＝１３Ｄ２−５５．０１　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　……（２０）一方
、光学系２０の場合、発光部２３ａからフレネルレンズ
２４までの距離ａ１は６．０６ｍｍであり、レーザダイ
オード２３の位置決め面から発光部２３ａまでの距離は
１．２７ｍｍとなるため、これらの値を前式（６ａ）に
代入すると、以下の式（２１）が得られる。

【００５２】 　　　　Ｄ１＝１．２７＋６．０６＋１．２＋Ｄ２　　
　　　　　　＝Ｄ２＋８．５３　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（２
１）前式（２０），（２１）を解くと、Ｄ１＝１３．８
３ｍｍ、Ｄ２＝５．３０ｍｍとなる。また、第２実施例
の光学系２０’については、必要条件は前述の如くΔｆ
＝−０．０００８５９である。ｆ＝４．６ｍｍ、ａ１＝
４．６４ｍｍとし、他の条件を前記第１実施例及びそこ
でΔｆを求めた場合と同じとすると、 　　　　Δｆ２＝−０．０２６３８６ 　　　　Δｆ３＝０．０１４７３２ 　　　　Δｆ１＝０．０１０７９５ 　　　　Ｄ１＝１３Ｄ２−４４．３７５　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　……（２０ａ）　
　　　Ｄ１＝Ｄ２＋７．１１　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（２１
ａ）前記式（２０ａ），（２１ａ）と解くと、Ｄ１＝１
１．４０ｍｍ、Ｄ２＝４．２９ｍｍとなる。

【００５３】以上を整理すると、以下の表１に示す通り
である。

【００５４】

【表１】

【００５５】［他の実施例］なお、本発明に係るレーザ
ビーム走査光学系は前記実施例に限定するものではなく
、その要旨の範囲で種々に変更することができる。例え
ば、光源ユニットにあっては、レーザダイオード２３の
発光部２３ａをフレネルレンズ２４の焦点位置に設定し
、平行光を出射するものとしてもよい。

【００５６】また、偏向器としてはポリゴンミラー以外
にガルバノミラーを用いてもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、回折効果を有する集光レンズをレーザダイオー
ドと組み合わせて用いたため、小型、軽量の光源ユニッ
トを得ることができ、無調整で走査光学系に組み込むこ
とができる。しかも、レーザダイオードと集光レンズの
特性を利用することにより、走査光学素子に製作が容易
で安価な樹脂製レンズを用いたとしても、それらの温度
上昇による像面上でのデフォーカスを光源ユニットでの
デフォーカス（出射ビームの収束度合の変化）で相殺し
合うようにしたため、最終的には走査光学系の像面上で
のデフォーカスを実用上問題とならない程度に抑えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザビーム走査光学系を備えた
プリンタの概略構成図。

【図２】本発明に係るレーザビーム走査光学系の第１実
施例を示す斜視図。

【図３】レーザ光源ユニットの断面図。

【図４】図３に示されているフレネルレンズの集光作用
を示す斜視図。

【図５】本発明に係るレーザビーム走査光学系の第２実
施例を示す斜視図。

【図６】基準温度（２０℃）における光学系の像面湾曲
特性を示すグラフ。

【図７】シリンドリカルレンズのみを４０℃に上げたと
きの光学系の像面湾曲特性を示すグラフ。

【図８】トーリックレンズのみを４０℃に上げたときの
光学系の像面湾曲特性を示すグラフ。

【図９】球面ミラーのみを４０℃に上げたときの光学系
の像面湾曲特性を示すグラフ。

【図１０】基準温度（２０℃）における光学系でのビー
ムの収束状態を示す説明図、（Ａ）は主走査方向、（Ｂ
）は副走査方向を示す。

【図１１】温度上昇時に補正が行われなかった場合、光
学系でのビームの収束状態を示す説明図、（Ａ）は主走
査方向、（Ｂ）は副走査方向を示す。

【図１２】温度上昇時に補正が行われた場合、光学系で
のビームの収束状態を示す説明図、（Ａ）は主走査方向
、（Ｂ）は副走査方向を示す。

【符号の説明】

２０，２０’…レーザビーム走査光学系２１…レーザ光
源ユニット ２２…ホルダ（補正部材） ２３…レーザダイオード ２４…フレネルレンズ ２６…ホルダ（補正部材）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　画像情報に基づいてレーザ光源から放
   射されたレーザビームで偏向器、光学素子を介して記録
   媒体上を走査するレーザビーム走査光学系において、温
   度上昇によって発振波長が長波長側へ変化するレーザダ
   イオードと、回折効果を有し、焦点距離が波長に反比例
   する集光レンズとを一体的にユニット化した光源ユニッ
   トを備え、前記レーザダイオードと集光レンズの温度変
   化に伴うデフォーカスと、光学素子の温度変化に伴うデ
   フォーカスとが互いに相殺されること、を特徴とするレ
   ーザビーム走査光学系。
2. 【請求項２】　　前記光源ユニットは、温度上昇による
   熱膨張作用でレーザダイオードと集光レンズの間隔を短
   くする保持部材を備えていることを特徴とする請求項１
   記載のレーザビーム走査光学系。