JPH06109995A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高解像度の光走査装置を提供する。 【構成】 各条件を満たすようなｆθレンズを備えた結
像光学系とする。 【効果】 ｆθレンズからの光ビームの射出角が小さく
なるため、シリンドリカルレンズで発生する副走査方向
の像面湾曲を抑えることができ、高解像度でしかも広画
角の光走査装置を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザービームプリン
ター等に用いられる光走査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光走査装置とは、半導体レーザー等の光
源で光ビームを発生させ、光ビームを回転多面鏡等の偏
向器で反射、偏向し、結像光学系で走査面上に結像させ
走査を行うものである。この回転多面鏡の角速度は一定
なので、走査面上での走査速度を一定にするためには、
結像光学系にｆθレンズと呼ばれる光学系を備えさせ
る。ｆθレンズとは、レンズへの光ビームの入射角を
θ、レンズの焦点距離をｆ、像高をｙとするとき、 ｙ＝ｆθ なる関係を満足するようなレンズである。

【０００３】ところで、回転多面鏡の製造精度の限界か
ら、各鏡面が回転軸に対して、互いに異なるわずかな傾
きを持っており、走査線のピッチむらが生じる。そこ
で、ｆθレンズと走査面との間に、偏向面に対し垂直な
副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカルレンズ
を設け、結像光学系に関し回転多面鏡の反射面と走査面
とを共役関係にし、いわゆる倒れ補正機能を持たせ、走
査線間隔を均一にすることを行う。

【０００４】結像光学系に要求される収差特性は以下の
２点である。一つは、ｙ＝ｆθなる像高を得るために、
特定の負の歪曲収差を持たせることであり、もう一つ
は、スポット径を回折限界に近くし、像面の平坦性を得
るため、像面湾曲を小さくすることである。

【０００５】前者の特性を実現するためには、ｆθレン
ズの枚数を複数にし、前方に負のレンズを、後方に正の
レンズを配置する。ｆθレンズでは瞳の位置がレンズ前
方にあり、軸外光線は後方のレンズほど光軸から離れた
位置を通る。従って、後方のレンズに正のパワーを持た
せることにより、負の歪曲収差を発生させることができ
る。また、後者の特性を実現するためにも、負、正のレ
ンズを組み合わせてペッツバール和を小さくすることを
行う。

【０００６】よりよいレンズ性能を得るには、ｆθレン
ズの枚数は多い方が望ましい。ただし、枚数が増加すれ
ば、コストアップ、調整の複雑化、光ビームの強度低下
等の問題が生じる。また、非球面レンズを用いれば収差
補正の自由度が大きくなり、レンズ枚数を削減すること
が可能となるが、切削により非球面形状を形成するには
非常に高度な技術を必要とするため高価となり、ガラス
で製造することは実質的に困難である。プラスチックの
非球面レンズも、やはり金型の製作が困難であったり、
屈折率や線膨張率の環境依存性が大きく、高解像度の光
走査装置には不適である。

【０００７】従来の光走査装置に用いられたｆθレンズ
としては、例えば特開５３−１３７６３１号公報に開示
されている２枚構成のｆθレンズがある。また、３枚構
成のｆθレンズとしては、例えば特開昭５９−７９１８
号公報に開示されているものがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来技術の２枚構成のｆθレンズでは残存収差
量は大きく、一般に枚数が２枚では高解像度の光走査装
置に用いるには収差補正が不充分である。

【０００９】また、従来技術の３枚構成のｆθレンズで
は、倒れ補正のためのシリンドリカルレンズを走査面近
傍に配置した場合、シリンドリカルレンズへ入射する最
大画角の光ビームの入射角が大きく、シリンドリカルレ
ンズで生じる副走査方向の像面湾曲が大きいものとな
る。そのため、走査面上でのスポット径を微小にしよう
とすると、走査面上のスポットが回折限界から遠くな
り、走査幅に渡って微小でかつ均一なスポット径を得る
ことができなくなる。従って、高解像度の光走査装置に
は適さないという問題点を有していた。

【００１０】この点につき、一例として、具体的に試算
を行う。従来技術の３枚構成のｆθレンズから射出され
る最大画角の光ビームがｆθレンズの光軸となす角度、
すなわち最大画角の光ビームのシリンドリカルレンズへ
の入射角は２０゜であり、シリンドリカルレンズの焦点
距離を３０ｍｍとすると、像面湾曲量は３．５ｍｍとな
る。走査面上での走査幅に渡るスポット径の変動を１割
以下に抑えるとするならば、解像度の限界は４００ｄｐ
ｉ（ｄｏｔｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ：１インチ当たりの画
素数）となり、それより高解像度の光走査装置には適さ
ないことになる。

【００１１】そこで、解像度を高めるために、最大画角
の光ビームのシリンドリカルレンズへの入射角を小さく
することも考えられるが、そのためには画角を小さくし
なければならず、所定の走査幅を持たせるためには光路
長が長くなり、装置が大型化してしまう。

【００１２】以上のような問題点を鑑みて、本発明は、
３枚構成のｆθレンズを倒れ補正用のシリンドリカルレ
ンズと組み合わせて用い、４００ｄｐｉ以上の高解像度
の用途に適し、しかも広画角の光走査装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の光走査装置は、
光ビームを発生する光源、光ビームを偏向する偏向器、
偏向器により偏向された光ビームを走査面上に結像する
ための結像光学系を有する光走査装置において、結像光
学系はｆθレンズを有し、ｆθレンズ全系の焦点距離を
ｆ、偏向点からｆθレンズ全系の像側主点までの距離を
ｅとするとき、 （１） ｅ／ｆ＞０．６０ なる条件を満足することを特徴とする。

【００１４】また、ｆθレンズは、入射側から順に、第
１レンズが負のレンズ、第２レンズが入射側に凹面を向
けた正のメニスカスレンズ、第３レンズが正のレンズな
る３枚のレンズにより構成され、第１レンズ、第２レン
ズ、第３レンズの焦点距離をそれぞれｆ₁、ｆ₂、ｆ₃と
するとき、 （２） ０．３５＜−ｆ₁／ｆ＜０．６０ （３） ０．６０＜ｆ₂／ｆ＜０．９０ （４） ０．７０＜ｆ₃／ｆ＜１．０５ なる条件を満足していてもよい。

【００１５】

【作用】本発明に係る光走査装置が上記の諸条件を必要
とする理由について述べる。

【００１６】条件（１）は、シリンドリカルレンズで発
生する副走査方向の像面湾曲に関する条件である。条件
を越えてｅが小さくなると、ｆθレンズからの光ビーム
の射出角、すなわちシリンドリカルレンズへの入射角が
大きくなり、像面湾曲が大きくなる。

【００１７】条件（２）〜（４）は、いずれも歪曲収
差、偏向面に平行な主走査方向の像面湾曲をバランスよ
く補正するための条件である。

【００１８】条件（２）については、−ｆ₁／ｆが上限
を越えると、ペッツバール和が増大し、像面が走査面よ
り大きく手前側に生じる。下限を越えると、球面収差、
コマ収差が発生し、またペッツバール和を小さくするた
めに正レンズのパワーを大きくせねばならず、負の歪曲
収差の発生量が過剰となる。

【００１９】条件（３）は、正の第２レンズ、第３レン
ズのパワー配分をバランス良く行うための条件であり、
ｆ₂／ｆが上限を越えると、第３レンズのパワーが大き
くなりすぎ、下限を越えると第２レンズのパワーが大き
くなりすぎ、いずれにおいても負の歪曲収差の発生量が
過剰となる。

【００２０】負の歪曲収差を発生させるためには、入射
瞳から最も離れた第３レンズのパワーが重要であるが、
条件（４）においてｆ₃／ｆが上限を越えると、負の歪
曲収差の発生量が不足する。下限を越えると、ペッツバ
ール和が負の大きな量となり、像面が走査面より大きく
手前側に生じる。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例について以下に詳述する。図
１は本発明の光走査装置の一実施例としてのレーザー走
査光学装置の構成図である。半導体レーザー１から射出
されたレーザービームはコリメートレンズ２で平行ビー
ム化される。副走査方向にパワーを有するシリンドリカ
ルレンズ３により平行ビームを副走査方向にのみ収束さ
せ、回転多面鏡４の反射面上に、偏向面に平行で細長い
線像を形成させる。回転多面鏡４の回転に伴って反射ビ
ームが偏向走査され、ｆθレンズ５、シリンドリカルレ
ンズ６を通過して、走査面７に結像される。シリンドリ
カルレンズ６も、副走査方向にのみパワーを有するレン
ズである。

【００２２】以下にｆθレンズの実施例を示す。ｒ_iは
第ｉ面の曲率半径、ｄ_i（ｉ≠０）は第ｉ面から第（ｉ
＋１）面までの軸上間隔、ｎ_iは第ｉ番目のレンズの屈
折率、ｄ₀は入射瞳である反射面から第１面までの間隔
を示す。なお、全ての実施例において、ｆθレンズ全系
の焦点距離ｆは、ｆ＝２００、画角は全幅で６０゜であ
る。

【００２３】（実施例１） ｄ₀＝５０．３１７ ｒ₁＝−４１．２００ ｄ₁＝５．０００ ｎ₁＝１．５１０７８ ｒ₂＝−２１５．０００ ｄ₂＝３．７４０ ｒ₃＝−１４２．０００ ｄ₃＝２１．１７３ ｎ₂＝１．７８４４３ ｒ₄＝−６８．５００ ｄ₄＝０．９３１ ｒ₅＝∞ ｄ₅＝２１．２７６ ｎ₃＝１．７８４４３ ｒ₆＝−１５８．０００ 条件式に関するパラメータは、 ｅ＝０．７９６ −ｆ₁／ｆ＝０．５０４ ｆ₂／ｆ＝０．７４９ ｆ₃／ｆ＝１．００７ である。

【００２４】（実施例２） ｄ₀＝３１．９２７ ｒ₁＝−３６．２０５ ｄ₁＝５．０００ ｎ₁＝１．５１０７８ ｒ₂＝−１２８５．４９６ ｄ₂＝１．６５２ ｒ₃＝−２１８．３７０ ｄ₃＝１５．７７８ ｎ₂＝１．５１０７８ ｒ₄＝−５０．０５４ ｄ₄＝０．１００ ｒ₅＝４０５．６８２ ｄ₅＝２０．３３６ ｎ₃＝１．５１０７８ ｒ₆＝−９２．４０５ 条件式に関するパラメータは、 ｅ＝０．６４０ −ｆ₁／ｆ＝０．３６５ ｆ₂／ｆ＝０．６１６ ｆ₃／ｆ＝０．７４７ である。

【００２５】（実施例３） ｄ₀＝４５．４７７ ｒ₁＝−３６．８８０ ｄ₁＝５．０００ ｎ₁＝１．５１０７８ ｒ₂＝−３７９．８０７ ｄ₂＝３．０７９ ｒ₃＝−１５３．６０５ ｄ₃＝１９．０１５ ｎ₂＝１．６３４７４ ｒ₄＝−５９．５５４ ｄ₄＝０．１００ ｒ₅＝２１６６．０８６ ｄ₅＝２５．１３６ ｎ₃＝１．６３４７４ ｒ₆＝−１０６．６０１ 条件式に関するパラメータは、 ｅ＝０．８１５ −ｆ₁／ｆ＝０．４０２ ｆ₂／ｆ＝０．７１０ ｆ₃／ｆ＝０．８０４ である。

【００２６】（実施例４） ｄ₀＝６５．１０１ ｒ₁＝−４５．７６９ ｄ₁＝５．０００ ｎ₁＝１．５１０７８ ｒ₂＝−３９５．４１８ ｄ₂＝５．１５２ ｒ₃＝−１６７．６５７ ｄ₃＝２１．８５５ ｎ₂＝１．７８４４３ ｒ₄＝−７８．６８０ ｄ₄＝０．１００ ｒ₅＝−４２９３．３３０ ｄ₅＝２９．５６５ ｎ₃＝１．７８４４３ ｒ₆＝−１３７．５６５ 条件式に関するパラメータは、 ｅ＝０．９４５ −ｆ₁／ｆ＝０．５０９ ｆ₂／ｆ＝０．８５３ ｆ₃／ｆ＝０．９０３ である。

【００２７】（実施例５） ｄ₀＝６１．５２９ ｒ₁＝−４６．８１５ ｄ₁＝５．０００ ｎ₁＝１．５１０７８ ｒ₂＝−２８７．１２２ ｄ₂＝２．９２４ ｒ₃＝−１７３．３１８ ｄ₃＝１９．８６６ ｎ₂＝１．７８４４３ ｒ₄＝−７５．８７０ ｄ₄＝０．１００ ｒ₅＝−３１４６．８３８ ｄ₅＝２１．７８１ ｎ₃＝１．７８４４３ ｒ₆＝−１４７．０７０ 条件式に関するパラメータは、 ｅ＝０．７９３ −ｆ₁／ｆ＝０．５５１ ｆ₂／ｆ＝０．７８９ ｆ₃／ｆ＝０．９８０ である。

【００２８】（実施例６） ｄ₀＝５２．６４８ ｒ₁＝−５０．５９１ ｄ₁＝５．０００ ｎ₁＝１．５１０７８ ｒ₂＝−３１３．９０３ ｄ₂＝２．４１２ ｒ₃＝−１７３．５０３ ｄ₃＝１４．７９８ ｎ₂＝１．７８４４３ ｒ₄＝−７８．０７７ ｄ₄＝０．１００ ｒ₅＝−３９３５．４４９ ｄ₅＝１７．５１１ ｎ₃＝１．７８４４３ ｒ₆＝−１３７．６２３ 条件式に関するパラメータは、 ｅ＝０．６４２ −ｆ₁／ｆ＝０．５９４ ｆ₂／ｆ＝０．８４７ ｆ₃／ｆ＝０．９０７ である。

【００２９】実施例１〜６のｆθレンズ断面図を、それ
ぞれ図２、４、６、８、１０、１２に示す。さらに、実
施例１〜６のｆθレンズにシリンドリカルレンズを加え
たレンズ系の収差図を、それぞれ図３、５、７、９、１
１、１３に示す。ここで付加するシリンドリカルレンズ
は、入射側が副走査方向にのみパワーを有する凸シリン
ドリカル面で、曲率半径ｒ_cはｒ_c＝１６．３、射出側は
平面、軸上レンズ厚ｄ_cはｄ_c＝５．０００、屈折率ｎ_c
はｎ_c＝１．５１０７８である。

【００３０】収差図によると、いずれの実施例について
も、像面湾曲量の幅（最大値と最小値との差）は２．０
ｍｍ以下であり、走査面上での走査幅に渡るスポット径
の変動を１割以下に抑えるとするならば、６００ｄｐｉ
以上の解像度を有する光走査装置が実現される。ｙ＝ｆ
θを基準とした歪曲収差も０．１％以内と、等速走査性
が極めて優れた光走査装置であり、図面出力用に好適な
レーザービームプリンターを提供することも可能とな
る。

【００３１】さらに、 ０．５５＜−ｆ₁／ｆ₂＜０．７５ ０．７０＜ｆ₂／ｆ₃＜０．９５ なる条件に限定すれば、歪曲収差、像面湾曲の補正がい
っそう良好となる。

【００３２】以上で述べた本発明の光走査装置は、解像
度等の特性が優れているため、レーザービームプリンタ
ー等のプリンターの他、ファクシミリ、レーザー走査デ
ィスプレイ、表面検査用レーザー走査装置、光学マーク
読み取り用レーザー走査装置等に用いても効果を発揮す
ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光走査装
置によれば、結像光学系にｆθレンズを備え、条件
（１）を満足することにより、ｆθレンズからの光ビー
ムの射出角が小さくなり、シリンドリカルレンズで発生
する副走査方向の像面湾曲を抑えることができ、高解像
度でしかも広画角の光走査装置を提供することができ
る。

【００３４】また、ｆθレンズを３枚構成とし、条件
（２）〜（４）を満足させることにより、歪曲収差、像
面湾曲共に極めて良好に補正された光走査装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す光走査装置の構成図。

【図２】 実施例１のｆθレンズ断面図。

【図３】 実施例１のｆθレンズにシリンドリカルレン
ズを加えたレンズ系の収差図。

【図４】 実施例２のｆθレンズ断面図。

【図５】 実施例２のｆθレンズにシリンドリカルレン
ズを加えたレンズ系の収差図。

【図６】 実施例３のｆθレンズ断面図。

【図７】 実施例３のｆθレンズにシリンドリカルレン
ズを加えたレンズ系の収差図。

【図８】 実施例４のｆθレンズ断面図。

【図９】 実施例４のｆθレンズにシリンドリカルレン
ズを加えたレンズ系の収差図。

【図１０】 実施例５のｆθレンズ断面図。

【図１１】 実施例５のｆθレンズにシリンドリカルレ
ンズを加えたレンズ系の収差図。

【図１２】 実施例６のｆθレンズ断面図。

【図１３】 実施例６のｆθレンズにシリンドリカルレ
ンズを加えたレンズ系の収差図。

【符号の説明】

１ 半導体レーザー ２ コリメートレンズ ３ シリンドリカルレンズ ４ 回転多面鏡 ５ ｆθレンズ ６ シリンドリカルレンズ ７ 走査面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを発生する光源、前記光ビーム
   を偏向する偏向器、前記偏向器により偏向された光ビー
   ムを走査面上に結像するための結像光学系を有する光走
   査装置において、 前記結像光学系はｆθレンズを有し、前記ｆθレンズ全
   系の焦点距離をｆ、偏向点から前記ｆθレンズ全系の像
   側主点までの距離をｅとするとき、 （１） ｅ／ｆ＞０．６０ なる条件を満足することを特徴とする光走査装置。
2. 【請求項２】 前記ｆθレンズは、入射側から順に、第
   １レンズが負のレンズ、第２レンズが入射側に凹面を向
   けた正のメニスカスレンズ、第３レンズが正のレンズな
   る３枚のレンズにより構成され、前記第１レンズ、前記
   第２レンズ、前記第３レンズの焦点距離をそれぞれ
   ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃とするとき、 （２） ０．３５＜−ｆ₁／ｆ＜０．６０ （３） ０．６０＜ｆ₂／ｆ＜０．９０ （４） ０．７０＜ｆ₃／ｆ＜１．０５ なる条件を満足することを特徴とする、請求項１記載の
   光走査装置。