JPH06294935A - 光ビーム走査光学装置 - Google Patents

光ビーム走査光学装置

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JPH06294935A
JPH06294935A JP5082240A JP8224093A JPH06294935A JP H06294935 A JPH06294935 A JP H06294935A JP 5082240 A JP5082240 A JP 5082240A JP 8224093 A JP8224093 A JP 8224093A JP H06294935 A JPH06294935 A JP H06294935A
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JP
Japan
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distance
light beam
reflecting surface
light
image height
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Application number
JP5082240A
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English (en)
Inventor
Etsuko Shibata
悦子 芝田
Hiroshi Nakamura
弘 中村
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Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Publication date
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Priority to US08/224,507 priority patent/US5532866A/en
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/12Scanning systems using multifaceted mirrors
    • G02B26/125Details of the optical system between the polygonal mirror and the image plane
    • G02B26/126Details of the optical system between the polygonal mirror and the image plane including curved mirrors

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポリゴンミラーの反射面の面精度が取れてい
ない場合においても、光学的手段に頼ることなく、受光
面上でのジッタを低減すること。 【構成】 光源から放射された光ビームをポリゴンミラ
ー10で偏向し、fθ光学系を介して感光体面を走査す
る光ビーム走査光学装置。光ビームが収束光のとき、反
射面10aが凹形状であればその軸面間距離をA+Δd
に補正し、反射面10aが凸形状であればA−Δdに補
正する。光ビームが発散光のとき、反射面10aが凹形
状であればその軸面間距離をA−Δdに補正し、反射面
10aが凸形状であればA+Δdに補正する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ビーム走査光学装
置、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込みヘッドあるいは画像
読取りヘッドとして使用される光ビーム走査光学装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来、プリンタやイメージリーダに用い
られている光ビーム走査光学装置としては、ポリゴンス
キャナを備えたものが知られている。ポリゴンスキャナ
は、外周部に複数の反射面を有する多角体であって、モ
ータによって定速で回転駆動され、光源から放射された
光ビームを各反射面で等角速度に偏向走査する。偏向さ
れた光ビームはfθ光学系を介して受光面上に結像す
る。
【0003】ところで、ポリゴンミラーの各反射面に要
求される性能としては、(1)面精度(平面度)、
(2)分割精度、(3)面倒れ精度、がある。分割精度
は印字開始位置の精度に影響するが、偏向された光ビー
ムをセンサで検出していわゆるSOS信号を取ることに
よって、補正をすることが可能である。面倒れ精度はバ
ンディング(1行ごとの印字ピッチ)の精度に影響する
が、光学素子に面倒れ補正機能を持たせることにより、
補正することが可能である。面精度はジッタとして現
れ、従来この面精度を補正する光学的手段は存在しなか
った。従って、ポリゴンミラーの各反射面においては高
い平面度が要求されている。特に、近年、軽量化や量産
性、コストダウンを図るため樹脂材でポリゴンミラーを
製作することが行われているが、樹脂成形によって各反
射面を高精度の平面に仕上げるのは非常に困難であり、
生産性の低下、即ち、歩留まりの低下、成形時間の長大
化を招いている。
【0004】
【発明の目的、構成、作用、効果】そこで、本発明の目
的は、ポリゴンミラーの反射面の面精度が取れていない
場合においても、光学的手段に頼ることなく、ジッタを
低減できる光ビーム走査光学装置を提供することにあ
る。ポリゴンミラーの反射面の面精度が取れていないと
は、反射面が凹形状か凸形状の傾向を有していることを
いう。そこで、本発明は、fθ光学系に入射する光ビー
ムと、ポリゴンミラーの各反射面形状と各反射面の軸面
間距離との関係が、平面反射面の軸面間距離Aに対し
て、以下の条件を満足するようにした。なお、軸面間距
離とはポリゴンミラーの回転軸心から反射面までの距離
をいう。また、平面反射面とは、面精度が許容値以下の
高精度に仕上げられている反射面をいう。
【0005】前記条件とは、(a)光ビームが収束光の
とき、反射面形状が凹形状であれば、その軸面間距離は
前記距離Aよりも僅かに大きい、(b)光ビームが収束
光のとき、反射面形状が凸形状であれば、その軸面間距
離は前記距離Aよりも僅かに小さい、(c)光ビームが
発散光のとき、反射面形状が凹形状であれば、その軸面
間距離は前記距離Aよりも僅かに小さい、(d)光ビー
ムが発散光のとき、反射面形状が凸形状であれば、その
軸面間距離は前記距離Aよりも僅かに大きいことをい
う。
【0006】ポリゴンミラーの各反射面の軸面間距離と
受光面上での像高との関係を考察すると、光ビームが平
行光である場合には軸面間距離の変化に拘らず像高は一
定であるのに対して、収束光及び発散光である場合には
軸面間距離の変化に応じて像高は主走査方向の内側又は
外側にシフトする。本発明では、このような現象を利用
して、ポリゴンミラーの各反射面が面精度誤差(凹又は
凸の曲率)を有する場合、この曲率によって生じる像高
のシフトを各反射面の軸面間距離の大小によって生じる
像高のシフトで相殺するようにし、ジッタの低減を図
る。
【0007】例えば、fθ光学系に入射する光ビームが
収束光であり、反射面が凹形状であれば、像高はその反
射面が平面であるときよりも主走査方向の外側にシフト
することとなる。この場合には、反射面の軸面間距離を
該反射面が平面であるときよりも大きく設定し、像高を
内側にシフトさせる。これによって、結果的に反射面が
平面であるときと同じ像高となり、ジッタが解消され
る。
【0008】
【実施例】以下、本発明に係る光ビーム走査光学装置の
実施例について添付図面を参照して説明する。図1は本
発明が適用される光ビーム走査光学装置を示し、1は半
導体レーザ、2はコリメータレンズ、3はシリンドリカ
ルレンズ、10はポリゴンミラー、15はトーリックレ
ンズ、20は球面ミラー、25は平面ミラー、30はド
ラム状の感光体である。
【0009】半導体レーザ1は図示しない制御回路によ
って強度変調(オン、オフ)され、画像情報を乗せた発
散光ビームを放射する。この発散光ビームはコリメータ
レンズ2を透過することにより所定の発散光又は収束光
又は平行光に修正される。さらに、この光ビームはシリ
ンドリカルレンズ3を透過することにより走査方向に、
即ち、以下のポリゴンミラー10の反射面付近に(偏向
面内の)直線状に収束される。ポリゴンミラー10は図
示しないモータにて支軸11を中心に矢印a方向に一定
速度で回転駆動される。従って、シリンドリカルレンズ
3から射出された光ビームは、ポリゴンミラー10の反
射面で連続的に反射され、等角速度で走査される。この
光ビームはトーリックレンズ15を透過した後、球面ミ
ラー20の凹面側にて反射され、さらに、平面ミラー2
5で反射された後感光体ドラム30上に結像される。こ
のときの光ビームは感光体ドラム30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
30は矢印b方向に一定速度で回転駆動され、この回転
による走査を副走査と称する。
【0010】一方、ポリゴンミラー10で偏向走査され
た光ビームのうち主走査方向先端部分の光ビームは、ト
ーリックレンズ15を透過した後、ミラー26で反射さ
れ、集光レンズ27を介してセンサ28へ入射する。こ
のセンサ28での光ビーム検出信号に基づいて感光体ド
ラム30上への1走査ラインごとの印字開始位置が決め
られる(分割精度誤差の補正)。
【0011】ここで、トーリックレンズ15は、主走査
方向の形状がメニスカスであってかつ正のパワーを有す
るトーリックレンズであり、具体的には、入射側又は出
射側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面が球
面又はシリンドリカル面であるレンズをいう。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。
【0012】以上の構成からなる光ビーム走査光学装置
においては、半導体レーザ1の強度変調と前記主走査、
副走査とによって感光体ドラム30上に画像(静電潜
像)が形成される。そして、球面ミラー20がトーリッ
クレンズ15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30上での主
走査方向の像面歪曲を補正する。
【0013】また、ポリゴンミラー10からの反射光路
中に設置したトーリックレンズ15のトロイダル面は、
ポリゴンミラー10の面倒れ誤差を補正すると共に、感
光体ドラム30上での副走査方向の像面歪曲を補正す
る。即ち、ポリゴンミラー10の各反射面相互に垂直度
の誤差が生じていると、感光体ドラム30上での走査線
が副走査方向にずれを生じ、画像にピッチむらが発生す
る。この面倒れ誤差はポリゴンミラー10による偏向面
に垂直な断面においてポリゴンミラー10の各反射面と
感光体ドラム30の集光面とを共役関係に設定すれば補
正することができる。本光学装置ではシリンドリカルレ
ンズ3によって光ビームをポリゴンミラー10に集光す
る一方、トーリックレンズ15のトロイダル面によって
ポリゴンミラー10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15
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う。
【0014】ところで、前記ポリゴンミラー10に関し
て、各反射面10a,10b,10c,10dの面精度
(平面度)は絶対値でλ/4(λ:光ビームの波長、6
30×10-6mm)といったオーダーで抑える必要があ
る。面精度誤差がλ/4以上ずれると主走査方向の像高
の主走査方向へのずれ量が大きくなって感光体ドラム3
0上でのジッタが大きくなり、画像品質が劣化するため
である。面精度誤差とは、図2に示すように、任意の反
射面10aが曲率を有する場合に、曲面の頂点と端部と
の反射面法線方向の距離を意味する。反射面が精度よく
平面に仕上げられている場合(例えば、反射面10
d)、その面精度誤差は零である。
【0015】一方、ポリゴンミラー10の回転中心Oか
ら各反射面までの軸面間距離は、絶対値で1/100m
mオーダーのずれが生じていても問題とはならない。軸
面間距離がこのオーダーで設計値からずれてビームウエ
スト位置がシフトしたとしても(像面がシフトしたとし
ても)、このシフトはfθ光学系の焦点深度内であるた
め、ピントずれが生じることはなく、画像への影響は少
ない。
【0016】ここで、面精度誤差がfθ光学系に与える
影響について考察する(図4参照)。平行光が平面(面
精度誤差が零)である反射面に入射するとき、光ビーム
がfθ光学系に入射する角度をθ1、fθ光学系の焦点
距離をfとすると、その像高y1’はfθ1となる。平行
光が凹面である反射面に入射するとき、反射面での光ビ
ーム入射位置における反射面の法線c2は平面であると
きの法線c1に対して内側に向き、入射ビームと出射ビ
ームとで形成される角度は増大する。このとき、光ビー
ムがfθ光学系に入射する角度をθ2とすると、その像
高y2’はfθ2となる。平行光が凸面である反射面に入
射するとき、反射面での光ビーム入射位置における反射
面の法線c3は前記法線c1に対して外側に向き、入射ビ
ームと出射ビームとで形成される角度は減少する。この
とき、光ビームがfθ光学系に入射する角度をθ3とす
ると、その像高y3’はfθ3となる。
【0017】収束光が反射面に入射するとき、像面はそ
れぞれy4’,y5’,y6’へとマイナス方向にシフト
する。また、発散光が反射面に入射するとき、像面はそ
れぞれy7’,y8’,y9’へとプラス方向にシフトす
る。収束光及び発散光のいずれにおいても、反射面の面
精度誤差(曲率が凹形状であるか凸形状であるか)に対
する像高のシフトは平行光と同じ方向である。
【0018】以下の第1表は、図4に示されている像高
を反射面形状と光ビーム形状に分類して示したものであ
る。
【0019】
【表1】
【0020】次に、軸面間距離がfθ光学系に与える影
響を考察する(図5参照)。まず、平行光が平面である
反射面に入射する場合について考察する。反射面の設計
上の軸面間距離をAとし、その像高をy11’とする。軸
面間距離がΔdだけ小さくなると、反射点の移動によっ
てfθ光学系には光ビームが外側から入射することとな
る。しかし、入射角θ1は変らず、像高はy11’で変化
はない。一方、軸面間距離がΔdだけ大きくなると、反
射点の移動によってfθ光学系には光ビームが内側から
入射することとなる。しかし、この場合にも入射角θ1
は変わらず、像高はy11’で変化はない。
【0021】ところが、収束光又は発散光がfθ光学系
に入射する場合、反射面の軸面間距離が変化すると像高
が内側又は外側にシフトする。収束光が平面である反射
面に入射する場合について考察すると、軸面間距離がA
であると、その像高はy12’である。軸面間距離がΔd
だけ小さくなると、反射点の移動によってfθ光学系に
は光ビームが外側から入射し、入射角θ1は変らずとも
その像高はy14’となり、y12’よりも外側にシフトす
る。一方、軸面間距離がΔdだけ大きくなると、反射点
の移動によってfθ光学系には光ビームが内側から入射
し、入射角θ1は変らずともその像高はy13’となり、
12’よりも内側にシフトする。
【0022】さらに、発散光が平面である反射面に入射
する場合について考察すると、軸面間距離がAである
と、その像高はy15’である。軸面間距離がΔdだけ小
さくなると、反射点の移動によってfθ光学系には光ビ
ームが外側から入射し、入射角θ1は変らずともその像
高はy16’となり、y15’よりも内側にシフトする。一
方、軸面間距離がΔdだけ大きくなると、反射点の移動
によってfθ光学系には光ビームが内側から入射し、入
射角θ1は変らずともその像高はy17’となり、y15
よりも外側にシフトする。
【0023】以下の第2表は、図5に示されている像高
を軸面間距離と光ビーム形状に分類して示したものであ
る。
【0024】
【表2】
【0025】以上の考察で明らかなように、平行光がf
θ光学系に入射されるときは、軸面間距離の変化に拘ら
ず像高は一定である。これに対して、収束光及び発散光
がfθ光学系に入射されるときには、軸面間距離の変化
により像高は主走査方向に内側又は外側にシフトする。
本実施例ではこのような現象を利用して、ポリゴンミラ
ーが面精度誤差(曲率)を有する場合には、この曲率に
よって生じる像高のシフトを軸面間距離の大小によって
生じる像高のシフトで相殺する。
【0026】即ち、図3(a)に示すように、反射面1
0aが凹面であり、光ビームが収束光であるときは、像
高が平面である反射面10dによる像高よりも外側にシ
フトするため、軸面間距離を反射面10dの軸面間距離
AよりもΔdだけ大きく補正する。この補正によって反
射面10aによる像高が内側にシフトし、結果的に反射
面10dとほぼ同じ像高となる。
【0027】図3(b)に示すように、反射面10aが
凸面であり、光ビームが収束光であるときは、像高が平
面である反射面10dによる像高よりも内側にシフトす
るため、軸面間距離を反射面10dの軸面間距離Aより
もΔdだけ小さく補正する。この補正によって反射面1
0aによる像高が外側にシフトし、結果的に反射面10
dとほぼ同じ像高となる。
【0028】図3(c)に示すように、反射面10aが
凹面であり、光ビームが発散光であるときは、像高が平
面である反射面10dによる像高よりも外側にシフトす
るため、軸面間距離を反射面10dの軸面間距離Aより
もΔdだけ小さく補正する。この補正によって反射面1
0aによる像高が内側にシフトし、結果的に反射面10
dとほぼ同じ像高となる。
【0029】図3(d)に示すように、反射面10aが
凸面であり、光ビームが発散光であるときは、像高が平
面である反射面10dによる像高よりも内側にシフトす
るため、軸面間距離を反射面10dの軸面間距離Aより
もΔdだけ大きく補正する。この補正によって反射面1
0aによる像高が外側にシフトし、結果的に反射面10
dとほぼ同じ像高となる。
【0030】以下の第3表は、図3に示されている軸面
間距離の補正を光ビーム形状と反射面形状に分類して示
したものである。
【0031】
【表3】
【0032】ところで、軸面間距離の補正値Δdは反射
面の曲率の程度に応じて変化させる。例えば、反射面が
凹面であり、光ビームが収束光であるときには、曲率が
大きくなる程(曲率半径が小さくなる程)、補正値Δd
を大きくする。本実施例において、ポリゴンミラー10
は四つの反射面を有し、樹脂材によって射出成形法で製
造される。そこで、まず、金型を製作して軸面間距離A
でポリゴンミラー10を成形し、各反射面の面精度誤差
を測定する。次に、各反射面の面精度誤差(曲率)と光
ビーム形状(収束光又は発散光)とに基づいて補正値Δ
dを決定し、金型の各面の位置を調整する。
【0033】次に、図1に示した光ビーム走査光学装置
における各光学素子の具体的構成例を数値を用いて説明
する。 (第1構成例)以下に示す第4表は図1に示した光ビー
ム走査光学装置における各光学素子の第1構成例を示
す。
【0034】
【表4】
【0035】この第1構成例において、ポリゴンミラー
の反射面の面精度誤差による像高の値を、平行光と収束
光に分けて、以下の第5表に示す。第5表では、反射面
の曲率半径Rをそれぞれ±10000mm、±2000
0mmに設定し、画角30゜での像高を示す。なお、括
弧内の数値は面精度誤差が零(平面)である場合の像高
との差である。
【0036】
【表5】
【0037】次に、軸面間距離の変化による像高の値
を、平行光と収束光に分けて、以下の第6表に示す。第
6表では、内接円形30mm(軸面間距離:15mm)
のポリゴンミラーに、設計値である軸面間距離Aに誤差
Δdとして±0.1mmを与えたときの画角30゜での
像高を示す。平行光使用時には軸面間距離の変化によっ
ても像高は変化しない(図5参照)。ここで使用された
収束光は像点までの距離がポリゴンミラー反射面を基準
として+601.92mmのものであり、軸面間距離A
の誤差Δdが±0.1mmに対して、それぞれ−0.0
52mm、+0.051mmだけ像高が変化している。
【0038】
【表6】
【0039】以下に示す第7表は、反射面の面精度誤差
(内接円径:24mm、軸面間距離:12mm)及び軸
面間距離誤差に対する特定の画角での設計値に対するジ
ッタ値ppm(parts per million)である。光ビーム
としては前述の収束光を使用し、SOS信号を取ること
により反射面の分割誤差を補正している。
【0040】
【表7】
【0041】なお、第7表中のジッタ値は以下のように
して算出した。SOS信号発生時点から所定の画角まで
の走査時間を、面精度誤差及び軸面間距離誤差が零の場
合をt、面精度又は軸面間距離の少なくともいずれかに
誤差を持つ場合をt’とする。そして、{(t’−t)
/t}×106をジッタ値とした。この数値が大きい程
ジッタが多くなる。
【0042】例えば、四つの反射面からなるポリゴンミ
ラーにおいて、第1面ないし第4面の面精度誤差及び軸
面間距離誤差が以下の第8表に示す数値を持つ場合、以
下の第9表に示すように、第1面と第4面の軸面間距離
をそれぞれ−0.04mmと+0.03mmに補正す
る。この補正によって、77ppmのジッタ値が4pp
mまで減少した。なお、第8表、第9表でのジッタとは
面別ジッタの最大値から最小値を差し引いた値をいう。
【0043】
【表8】
【0044】
【表9】
【0045】(第2構成例)以下に示す第10表は図1
に示した光ビーム走査光学装置における各光学素子の第
2構成例を示す。
【0046】
【表10】
【0047】この第2構成例において、ポリゴンミラー
の反射面の面精度誤差による像高の値を、平行光と発散
光に分けて、以下の第11表に示す。第11表では、反
射面の曲率半径Rをそれぞれ±10000mm、±20
000mmに設定し、画角30゜での像高を示す。な
お、括弧内の数値は面精度誤差が零(平面)である場合
の像高との差である。
【0048】
【表11】
【0049】次に、軸面間距離の変化による像高の値
を、平行光と発散光に分けて、以下の第12表に示す。
第12表では、内接円形30mm(軸面間距離:15m
m)のポリゴンミラーに、設計値である軸面間距離Aに
誤差Δdとして±0.1mmを与えたときの画角30゜
での像高を示す。平行光使用時には軸面間距離の変化に
よっても像高は変化しない(図5参照)。ここで使用さ
れた発散光は物点までの距離がポリゴンミラー反射面を
基準として−1392.74mmのものであり、軸面間
距離Aの誤差Δdが±0.1mmに対して、それぞれ±
0.026mmだけ像高が変化している。
【0050】
【表12】
【0051】以下に示す第13表は、反射面の面精度誤
差(内接円形:24mm、軸面間距離:12mm)及び
軸面間距離誤差に対する特定の画角での設計値に対する
ジッタ値ppm(parts per million)である。光ビー
ムとしては前述の発散光を使用し、SOS信号を取るこ
とにより反射面の分割誤差を補正している。
【0052】
【表13】
【0053】なお、第13表中のジッタ値は前記第7表
で説明したのと同様の方法で算出した。例えば、四つの
反射面からなるポリゴンミラーにおいて、第1面ないし
第4面の面精度誤差及び軸面間距離誤差が以下の第14
表に示す数値を持つ場合、以下の第15表に示すよう
に、第1面、第2面、第4面の軸面間距離をそれぞれ+
0.05mmと0.02mmと−0.05mmに補正す
る。この補正によって、66ppmのジッタ値が11p
pmまで減少した。なお、ここでのジッタとは前記第8
表、第9表と同様に、面別ジッタの最大値から最小値を
差し引いた値をいう。
【0054】
【表14】
【0055】
【表15】
【0056】なお、本発明に係る光ビーム走査光学装置
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。特に、fθ光学系の構
成は任意であり、トーリックレンズ、球面ミラー以外の
光学素子によって構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光ビーム走査光学装置の一実施例
を示す斜視図。
【図2】ポリゴンミラーの反射面における面精度誤差と
軸面間距離の説明図。
【図3】ポリゴンミラーの反射面の補正態様の説明図。
【図4】ポリゴンミラーの反射面形状の差異に基づくf
θ光学系での像高位置を示すチャート図。
【図5】ポリゴンミラーの軸面間距離の変化に基づくf
θ光学系での像高位置を示すチャート図。
【符号の説明】
1…半導体レーザ 10…ポリゴンミラー 10a,10b,10c,10d…反射面 15…トーリックレンズ 20…球面ミラー 30…感光体ドラム

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源から放射された光ビームをポリゴン
    ミラーで偏向し、fθ光学系を介して受光面を走査する
    光ビーム走査光学装置において、 前記fθ光学系に入射する光ビームと、ポリゴンミラー
    の各反射面形状と各反射面の軸面間距離との関係が、平
    面反射面の軸面間距離Aに対して、以下の条件を満足す
    る、 (a)光ビームが収束光のとき、反射面形状が凹形状で
    あれば、その軸面間距離は前記距離Aより僅かに大き
    い、 (b)光ビームが収束光のとき、反射面形状が凸形状で
    あれば、その軸面間距離は前記距離Aより僅かに小さ
    い。 (c)光ビームが発散光のとき、反射面形状が凹形状で
    あれば、その軸面間距離は前記距離Aより僅かに小さ
    い、 (d)光ビームが発散光のとき、反射面形状が凸形状で
    あれば、その軸面間距離は前記距離Aより僅かに大き
    い、 ことを特徴とする光ビーム走査光学装置。
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