JPH07113981A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビームプリンタ等に用いられる光走査
装置において、小型化、低価格化を同時に実現する光走
査装置を提供するものである。 【構成】 回動レンズ３と偏向鏡４とをモータ５に一体
に取り付け、モータ５に伴って共に回転する。半導体レ
ーザ１から射出されたビームは、回動レンズ３を透過し
た後、偏向鏡４で反射され、結像レンズ６により集束作
用を受けて被走査面７上にビームスポットを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビームプリンタ等
に用いられる光走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来用いられているレーザビームプリン
タ等に用いられる光走査装置は、半導体レーザ等の光源
から射出し、コリメータレンズによって平行化されたビ
ームを回転多面鏡で偏向走査し、ｆθレンズによって被
走査面上にビームスポットを形成していた。回転多面鏡
の角速度は一定なので、被走査面上での走査速度を一定
にするために、ｆθレンズに負の歪曲収差特性を与え、
等速走査を実現していた。

【０００３】ところで、ｆθレンズに要求される収差特
性は以下の２点である。一つは、等速走査性を得るため
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。負の歪曲
収差を発生させるためには、幾何光学的には入射瞳の後
方に正のレンズを配置するか、あるいは入射瞳の前方に
負のレンズを配置すればよい。従来の光走査装置では、
正のパワーを有しているｆθレンズを入射瞳、すなわち
偏向点から後方に配設し、負の歪曲収差を発生させてい
た。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。しかし、枚数が増加すればコスト
が高くなり、調整が複雑化し、ビームの強度が低下する
といった問題が生じる。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、切削によりガラスで作る場合も、
金型を用いて成形によりプラスチックで作る場合も、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
ため高価となりあまり実用的ではない。

【０００４】従来の光走査装置に用いられたｆθレンズ
としては、例えば特開昭５８−５７０６号公報に開示さ
れている単玉ｆθレンズがあった。また、２枚構成のｆ
θレンズとしては、特開昭５３−１３７６３１号公報に
開示されているものがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の光走査装置では、ｆθレンズに負の歪曲収差を
与えるために、ｆθレンズは入射瞳、すなわち偏向点か
ら後方に大きく離して配設される必要があり、ｆθレン
ズが大口径となり高価であった。従って、装置が大型化
し、コストも高くなるという問題を有していた。

【０００６】さらに、特に単玉ｆθレンズでは、収差補
正のためのレンズ面の自由度が小さいために収差特性が
悪く、特に像面湾曲収差を表すペッツバール和が必然的
に正の値となり像面湾曲収差を除去できなかった。その
ため、走査角をあまり大きくはとれず、結果として光路
長が大きくなり装置の大型化を招いてしまうという問題
をも有していた。

【０００７】単玉ｆθレンズに対し、ｆθレンズの構成
枚数が複数の場合には、収差特性は良好となり、特に正
のレンズと負のレンズとを組み合わせることによりペッ
ツバール和を０にし、像面湾曲特性を良好にすることが
できたが、やはり大口径で高価なレンズが複数枚も必要
であるという問題を有していた。

【０００８】本発明は上述した課題を解決するためにな
されたもので、その目的とするところは、小型化、低価
格化を同時に実現する光走査装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【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手段
を有し、偏向手段により偏向された光ビームを被走査面
上に結像させるための結像光学系を有する光走査装置に
おいて、偏向手段と共に回動する光学系を有し、光学系
は少なくとも主走査方向において負のパワーを有し、光
学系は、偏向手段への入射ビームが通過する位置にある
ことを特徴とする。

【００１０】また、本発明の光走査装置は、上記構成に
加え、以下のいずれかを備えたことを特徴とする。

【００１１】１）光学系は単レンズにより構成される。

【００１２】２）偏向手段は１面もしくは２面の反射面
を有し、反射面と同数の光学系を有する。

【００１３】３）結像光学系は偏向手段と共に回動する
第２光学系を有し、第２光学系は、偏向手段で反射され
たビームが通過する位置にある。

【００１４】４）光学系は主走査方向と副走査方向とで
パワーが異なる。

【００１５】５）光学系は副走査方向にパワーを持たな
い。

【００１６】６）光学系はシリンドリカル面を有する。

【００１７】７）偏向手段は複数の反射面を有し、反射
面と同数の光学系を有し、光学系は偏向手段の回動中心
に関して等角度間隔で配設される。

【００１８】

【実施例】以下、図面に基づき本発明を詳細に説明す
る。

【００１９】図１乃至図４は本発明の光走査装置の代表
的な実施例としての光走査装置を示したものである。図
１および図２において、光源である半導体レーザ１より
射出したビームがコリメータレンズ２によって平行なビ
ームとされる。回動する光学系としての回動レンズ３、
および偏向手段としての偏向鏡４はモータ５の回転部に
配設されており、それらは共にモータ５の回転に伴って
等速回転する。コリメータレンズ２から射出された平行
ビームは負のパワーを有する回動レンズ３で発散ビーム
とされ、偏向鏡４で反射され、偏向鏡４の回転により偏
向される。偏向されたビームは、結像光学系である結像
レンズ６により集束作用を受け、被走査面７上にビーム
スポットを形成する。なお、光軸と直交し偏向鏡４の回
転軸に垂直な方向を主走査方向、光軸と直交し主走査方
向に垂直な方向を副走査方向と称す。

【００２０】図３に回動レンズ３および偏向鏡４の回転
に伴ってビームが偏向される様子を模式的に示す。回動
レンズ３および偏向鏡４は、偏向鏡４の反射面Ｒ内の回
転中心Ｏを中心に回転し、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩのように変
位する。入射ビームＬは回動レンズ３の回転に伴い、回
動レンズ３のそれぞれ異なる位置を透過するため、異な
る屈折力を受けて偏向される。ビームはさらに偏向鏡４
の反射面Ｒで反射されて、さらにその偏向角を大きく
し、射出ビームＭ₁、Ｍ₂、Ｍ₃のように偏向される。偏
向されたビームは、結像レンズ６で集束作用を受ける。

【００２１】図４は本実施例の光学系の主走査断面を、
偏向鏡４の反射面Ｒで展開して示した模式図である。図
４（ａ）は被走査面７をビームスポットが走査を開始す
る時点の図であり、図４（ｂ）はビームスポットが被走
査面７の中心を走査する時点の図である。入射瞳Ｐは反
射面の近傍に存在することとなる。これらの図を用いて
収差補正の原理を説明する。

【００２２】図４からもわかるように、本実施例の光学
系は、従来の光走査装置の光学系とは異なり、入射瞳Ｐ
より手前に光学系（回動レンズ３）が存在し、回動レン
ズ３がビームＢの入射角度に応じて、その角度の１／２
だけ回転しているのと等価となっている。回動レンズ３
が入射瞳Ｐより手前にあるため、回動レンズ３の主走査
方向に負のパワーを持たせることによって、負の歪曲収
差を発生させることができる。また、正のパワーを有す
る結像レンズ６は入射瞳Ｐより後方にあるため、やはり
負の歪曲収差を発生する。このように、回動レンズ３と
結像レンズ６とで負の歪曲収差の発生量を負担し合うの
で、結像レンズ６での負の歪曲収差の発生量は少なくて
よい。そのため、結像レンズ６を入射瞳Ｐに近づけるこ
とができ、小径化が可能となる。なお、結像レンズ６の
負の歪曲収差の発生量を小さくできるということは、結
像レンズ６の低屈折率化にもつながる。

【００２３】また、回動レンズ３と結像レンズ６とは、
それぞれ負、正のパワーを有しているため、これらを組
み合わせることにより像面湾曲特性も良好となる。

【００２４】さらに、回動レンズ３は、偏向鏡４により
偏向されたビームの回転方向と同じ方向に回転するが、
その回転角は、偏向されたビームが光軸となす偏向角の
１／２だけであるため、結果的に入射角が小さく、有効
径が小さくなり、回動レンズ３を極めて小さくすること
ができる。

【００２５】このように、回動レンズ３を用いることに
より、結像レンズ６の口径を小さくすることができ、従
来の光走査装置で用いられていたｆθレンズよりも小口
径となる。また、回動レンズ３と結像レンズ６との２枚
のレンズにより構成される、本実施例の光学系と、従来
技術の２枚構成のｆθレンズとを比較すると、収差特性
はほぼ同等であるが、大口径のレンズを２枚用いる従来
技術に対し、本実施例では回動レンズ３が極めて小さい
口径となる。

【００２６】一般に、レンズの口径が大きくなれば、用
いる硝材の量はその２乗〜３乗に比例して増加し、加工
時間も増加するため、コストは飛躍的に高くなり、ま
た、レンズ面の面精度は悪化する。本発明では上述した
ように用いるレンズを小径化できるため、コストの低減
と面精度の向上が著しい。従って、小型で高精度かつ低
価格の光走査装置が実現される。

【００２７】また、回動レンズ３は小口径でありレンズ
厚さも薄いので、回動レンズ３の慣性モーメントは小さ
く、モータ５の負担も小さい。なお、回動レンズ３は高
速で回転されるので、風切り音の低減、風損の低減のた
め、稜線を円弧状にしたり面取りをしたりするのが望ま
しい。

【００２８】本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以
下に示す。ただし、一走査の走査開始から走査終了まで
の偏向鏡の回転角を２ωとする。回動レンズの入射面、
射出面をそれぞれＳ₁、Ｓ₂、偏向鏡の反射面をＳ₃、結
像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₄、Ｓ₅とする。
各光学諸元の記号については、第ｉ面Ｓ_iの曲率半径を
ｒ_i、第ｉ面から次の面までの軸上間隔をｄ_iとし、回動
レンズ、結像レンズの屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂とす
る。

【００２９】

【表１】

【００３０】図５はこの設計例についての主走査断面
図、図６はこの設計例の収差図である。なお、収差図に
ついては、像面湾曲は破線が主走査方向、実線が副走査
方向の収差を示している。走査直線性は、ｆθレンズの
通例では理想像高ｙ＝ｆθからの像高のずれを％で表す
が、本発明では回動レンズが回転するため理想像高がｆ
θとならない。従って、等価な表示方法として、光軸近
傍の光線について、偏向鏡の回転角に対する像高の変化
率をζとして、理想像高Ｙ＝ζθからのずれを％で表示
している。ωはビームスポットが被走査面上で走査中心
から走査端まで走査する間の、偏向鏡の回転角である。
図６を見ると像面湾曲が最大で２．５ｍｍ、走査直線性
が最大で１．１％と良好に補正されている。

【００３１】本設計例では各光学面は球面としている
が、非球面あるいはトーリック面等にすれば収差補正の
自由度はさらに大きくなり、光学特性はさらに向上す
る。

【００３２】本実施例では偏向鏡４は単面鏡として説明
してきたが、多面鏡であっても同等の効果が得られる。
この場合、例えば図７に示すようにモータ５の回転部
に、偏向鏡４の反射面Ｒと同数の回動レンズ３を配置す
れば良い。偏向鏡を多面鏡とすれば、モータが１回転す
る毎に複数回の走査が行われるため、単位時間当たりの
走査回数としての走査速度がさらに高くなる。また、反
射面Ｒと回動レンズ３を複数にすれば、回転中心Ｏを中
心にそれらを等しい角度で配置させるだけで、偏向鏡４
と複数の回動レンズの重心を回転中心Ｏに一致させるこ
とができ、バランス取りが容易となり、アンバランスも
低減され、モータの寿命が伸び、信頼性も向上する。

【００３３】また、モータの負荷を小さくするために
は、偏向鏡は単面鏡か２面鏡であることが望ましい。単
面鏡か２面鏡であれば偏向鏡を平板状にすることがで
き、しかも偏向鏡が回転してもビームが反射する点はほ
とんど変位しないので、反射面の面積も狭くすることが
できるため、偏向鏡の慣性モーメントは極めて小さくな
る。先述したように、回動レンズの慣性モーメントも小
さいが、この長所を生かすために、単面鏡あるいは２面
鏡の偏向鏡を用いることは特に有効である。

【００３４】次に、結像光学系が複数枚のレンズで構成
されている場合について説明する。図８では、結像光学
系は回動する第２光学系としての第２回動レンズ８と、
結像レンズ９の２枚のレンズにより構成されている。第
２回動レンズ８はモータ５の回転部に配設されており、
モータ５の回転に伴って、回動レンズ３、偏向鏡４と共
に等速回転する。コリメータレンズ２により平行化され
たビームは、負のパワーを有する回動レンズ３で発散作
用を受け、偏向鏡４で反射され、正のパワーを有する２
枚のレンズ、すなわち第２回動レンズ８、結像レンズ９
で集束作用を受け、被走査面７上にビームスポットを形
成する。

【００３５】このように結像光学系を複数枚のレンズで
構成すれば、収差補正の自由度はさらに大きくなり、さ
らに光学特性が良好な光走査装置が得られる。特に、図
８のように、偏向鏡４により偏向されたビームが通過す
る側にも、回転するレンズ（第２回動レンズ８）を設け
れば、第２回動レンズ８の口径も回動レンズ３と同様に
極めて小さいため、あまりコストを高めることなく、ま
たモータの負荷を増加させることなく、光学特性を高め
ることができる。

【００３６】図８に示した構成における代表的な設計例
の光学諸元を以下に示す。ただし、回動レンズの入射
面、射出面をそれぞれＳ₁、Ｓ₂、偏向鏡の反射面を
Ｓ₃、第２回動レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₄、
Ｓ₅、結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₆、Ｓ₇
とし、回動レンズ、第２回動レンズ、結像レンズの屈折
率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とする。

【００３７】

【表２】

【００３８】図９はこの設計例についての主走査断面
図、図１０はこの設計例の収差図である。

【００３９】従来の光走査装置では、偏向鏡として多面
鏡を用いる場合には、各反射面の面倒れに起因する走査
線のピッチむらを除去するために、光学系に倒れ補正機
能を持たせることがよく行われてきた。本発明の光走査
装置の光学系においても、倒れ補正機能を持たせること
ができる。

【００４０】図１１を用いて、倒れ補正機能を有する構
成について説明する。コリメータレンズ２により平行化
されたビームは、シリンドリカルレンズ１０により副走
査方向のみに集束作用を受け、回動レンズ３を透過して
偏向鏡４の反射面に、主走査方向に長い線状の像を形成
する。偏向鏡４は２面鏡であり、回動レンズ３もモータ
５の回転中心に関して対称に２個配設されている。結像
レンズ６は両面ともトーリック面であり、偏向鏡４の反
射面と被走査面７とが副走査方向に関して光学的に共役
関係にある。従って、偏向鏡４の各反射面に面倒れがあ
っても、被走査面７上におけるビームスポットの副走査
方向の位置は変化せず、走査線のピッチむらは発生しな
い。

【００４１】図１１に示した構成における代表的な設計
例の光学諸元を以下に示す。ただし、シリンドリカルレ
ンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₁、Ｓ₂、回動レンズ
の入射面、射出面をそれぞれＳ₃、Ｓ₄、偏向鏡の反射面
をＳ₅、結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₆、Ｓ
₇とし、シリンドリカルレンズ、回動レンズ、結像レン
ズの屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とする。また、ア
ナモフィックな光学面では、副走査方向、主走査方向の
曲率半径をそれぞれｒ_ix、ｒ_iyとする。

【００４２】

【表３】

【００４３】図１２はこの設計例について示した図であ
り、同図（ａ）は主走査断面図、同図（ｂ）は反射面Ｓ
₅に関して展開した副走査断面図である。また、図１３
はこの設計例の収差図である。

【００４４】本設計例では回動レンズの入射面、射出面
は球面としているが、アナモフィックな光学面としても
よい。回動レンズを主走査方向と副走査方向とでパワー
の異なるレンズとすれば、図１１のシリンドリカルレン
ズ１０と組み合わせて考えて、これら２枚のレンズによ
る副走査方向の焦点位置さえ変わらなければ、常に反射
面に線像を形成することができ、２枚のレンズのパワー
配分は任意に設定できる。回動レンズの副走査方向のパ
ワーを任意に設定できれば、副走査方向の収差補正の自
由度が拡大され、副走査方向の像面湾曲収差特性が向上
する。ところで、前出した図１３の像面湾曲収差図を見
ればわかるように、本設計例の光学系は副走査方向の特
性の方が、光走査装置としての特性の限界を与えてい
る。従って、回動レンズを主走査方向と副走査方向とで
パワーの異なるレンズとすれば、さらに光学特性が良好
な光走査装置を得ることができる。

【００４５】また、複数の回動レンズを用いる場合に
は、反射面のみならず回動レンズも倒れを生じることが
考えられるが、回動レンズを副走査方向にパワーを持た
ないレンズとすれば、２個の回動レンズに相対的な倒れ
を生じても、ビームは副走査方向に偏向されないので、
回動レンズの倒れによる走査線のピッチむらは全く生じ
ない。従って、高精度な面倒れ補正光学系を構成するこ
とができる。この場合、回動レンズを副走査断面が直線
であるシリンドリカルレンズとすれば、その製造も容易
となる。

【００４６】本実施例では、偏向手段である偏向鏡と回
動する光学系である回動レンズとが別体である場合につ
いてのみ説明を行ってきたが、偏向手段と回動する光学
系とが一部材で構成されているような場合、すなわち、
例えば図１４に示すように、回動レンズ３に反射面Ｒが
設けられており、ビームＬは入射面Ｉへ入射し、反射面
Ｒで内面反射され、射出面Ｊから射出されるような場合
でも同様の効果がある。

【００４７】また、本実施例は偏向鏡が等速回転する場
合について記したが、例えば回転軸を中心に正弦振動を
行うガルバノミラー等についても容易に実現可能であ
り、同様の効果が得られる。

【００４８】本発明はレーザビームプリンタのみなら
ず、デジタル複写機、ファクシミリ、レーザ走査ディス
プレイ等の画像形成装置やスキャナ等の画像入力装置、
あるいは光学マーク読み取り用レーザ走査装置、表面検
査用レーザ走査装置等にも適用することができ、上述し
たような効果が得られる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
極めて口径の小さい回動レンズで収差を補正することが
可能となり、また結像レンズの口径をも小さくすること
ができるため、光学系の面精度が向上するのみならず、
小型化、低コスト化も可能となる。そのため、高精度で
光学特性の良好な光走査装置が小型低価格で実現され
る。

【００５０】また、偏向鏡を多面鏡とし反射面と同数の
回動レンズを設ければ、走査の高速化が可能となるばか
りでなく、バランス取りが容易となって組立性が向上
し、モータの寿命が伸び、信頼性も向上する。あるい
は、単面鏡または２面鏡による走査としても、モータの
負荷が小さくなり、やはりモータの寿命が伸び、信頼性
が向上する。

【００５１】第２の回動レンズを、偏向鏡で偏向された
ビームが通過する位置に設ければ、第２回動レンズは回
動レンズと同様に極めて小口径であるため、あまりコス
トを高めることなく、またモータの負荷を増加させるこ
ともなく、光学特性を高めることができる。

【００５２】回動レンズを、主走査方向と副走査方向と
でパワーが異なるアナモフィックレンズとすれば、副走
査方向の収差特性がさらに良好となる。回動レンズを、
副走査方向にパワーを持たないレンズとすれば、倒れ補
正機能の効果が大きくなる。その際、回動レンズをシリ
ンドリカルレンズとすれば、製造は容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の代表的な実施例１の光走査装置の斜
視図。

【図２】 本発明の代表的な実施例１の光走査装置の光
学系の概念図。

【図３】 本発明において、回動レンズと偏向鏡との回
転に伴いビームが偏向される様子を示す図。

【図４】 本発明の代表的な実施例１の光走査装置の光
学系の光路図。

【図５】 本発明の代表的な実施例１の光学系の断面
図。

【図６】 本発明の代表的な実施例１の光学系の収差
図。

【図７】 本発明において、回動レンズを多数個配置し
た断面図。

【図８】 本発明の実施例２の光走査装置の斜視図。

【図９】 本発明の実施例２の光学系の断面図。

【図１０】 本発明の実施例２の光学系の収差図。

【図１１】 本発明の実施例３の光走査装置の斜視図。

【図１２】 本発明の実施例３の光学系の断面図。

【図１３】 本発明の実施例３の光学系の収差図。

【図１４】 本発明において、回動レンズと偏向鏡とを
一部材で構成した断面図。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ コリメータレンズ ３ 回動レンズ ４ 偏向鏡 ５ モータ ６ 結像レンズ ７ 被走査面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 望 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (8)

【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
   を偏向する偏向手段を有し、前記偏向手段により偏向さ
   れた光ビームを被走査面上に結像させるための結像光学
   系を有する光走査装置において、 前記偏向手段と共に回動する光学系を有し、前記光学系
   は少なくとも主走査方向において負のパワーを有し、前
   記光学系は、前記偏向手段への入射ビームが通過する位
   置にあることを特徴とする光走査装置。
2. 【請求項２】 前記光学系は単レンズにより構成される
   ことを特徴とする、請求項１記載の光走査装置。
3. 【請求項３】 前記偏向手段は１面もしくは２面の反射
   面を有し、前記反射面と同数の前記光学系を有すること
   を特徴とする、請求項１記載の光走査装置。
4. 【請求項４】 前記結像光学系は前記偏向手段と共に回
   動する第２光学系を有し、前記第２光学系は、前記偏向
   手段で反射されたビームが通過する位置にあることを特
   徴とする、請求項１記載の光走査装置。
5. 【請求項５】 前記光学系は主走査方向と副走査方向と
   でパワーが異なることを特徴とする、請求項１記載の光
   走査装置。
6. 【請求項６】 前記光学系は副走査方向にパワーを持た
   ないことを特徴とする、請求項５記載の光走査装置。
7. 【請求項７】 前記光学系はシリンドリカル面を有する
   ことを特徴とする、請求項６記載の光走査装置。
8. 【請求項８】 前記偏向手段は複数の反射面を有し、前
   記反射面と同数の前記光学系を有し、前記光学系は前記
   偏向手段の回動中心に関して等角度間隔で配設されるこ
   とを特徴とする、請求項１記載の光走査装置。