JPH07174999A - 光ビーム走査用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高画角化、小型化、耐環境変動特性、などの
点で優れた構成を取りえる光ビーム走査用光学系を提供
する。 【構成】 光ビーム走査装置の偏向手段５と被走査面８
の間に配される走査用光学系が、正のパワーを有する球
面レンズ６と、主、副走査断面とも正のパワーを有する
トーリックレンズの２枚より構成され、このトーリック
レンズ７の少なくとも１面が非球面化されている。そし
て、球面レンズ６は、偏向手段側の面が偏向手段側に凸
面を向け、被走査面側の面が被走査面側に凸面を向けた
形状であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザービームプリンタ
やデジタル複写機等に用いられる光ビーム走査用光学系
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光ビーム走査用光学系に
おいては、特公昭６２−３６２１０号公報に記載されて
いているように、回転多面鏡を用いて光ビームを偏向走
査するのが一般的である。そして同特公昭に記載されて
いる如く、回転多面鏡が、回転軸に対して、各反射面の
倒れ方向の角度誤差（面倒れ）を持つと、走査される光
ビームの走査位置の変化をもたらし最終的な画像出力に
悪影響与えることに鑑み、この面倒れによる影響除去す
る為に、球面レンズとトーリックレンズを用いて回転多
面鏡と被走査面（被照射体面）とを光学的な共役関係に
置くことも既に提案されている。また、米国特許第４６
３９０７２号に記述されている如く、走査ビームの被走
査面近傍にシリンドリカルレンズを配置することで面倒
れの影響を緩和することも提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、球面レンズと
トーリックレンズを用いた上記従来例では、光学性能を
維持する上での収差補正の為に、トーリックレンズの主
走査断面における形状が平凸レンズに近いものとなり、
更にはトーリックレンズと回転多面鏡との間に配置され
る球面凹レンズの形状が平凹又は両凹に近いものとな
り、従って広画角化には自ずと限界がある。このこと
は、逆に言えば、光学性能を維持しつつ広画角化を達成
しようとすると、必然的にレンズが厚くなり装置が大型
化するということを意味する。

【０００４】また、トーリックレンズは加工が困難であ
り、コストアップの要因となっている。

【０００５】このような問題点を解決するために、トー
リックレンズのプラスチック化等が考えられているが。
上記従来例のように回転多面鏡側より順に凹、凸のレン
ズを配置する構成においては、全系のパワーに対するト
ーリックレンズのパワーが強くなる為、環境変動による
プラスチックのレンズのパワー変化の影響が無視できず
被走査面上でのピントずれ等の問題が生ずる。

【０００６】他方、被走査面近傍にシリンドリカルレン
ズを配置する従来例においては、前述の環境変動の影響
による問題は少ないものの、例えば電子写真方式を用い
るレーザービームプリンタ等では、現像器、クリーナ等
のプロセス的装置が感光体ドラムに密着して配置されて
いる為に、こうした感光体ドラム近傍にシリンドリカル
レンズなどの光学素子を配置するのは好ましくない。ま
た、感光体ドラム近傍にこうしたシリンドリカルレンズ
を配置すれば、トナーによる汚れ、熱、オゾン等による
悪影響を受けやすい。

【０００７】従って、本発明の目的は、上記課題に鑑
み、高性能化、高画角化、小型化、耐環境変動特性、価
格の点などで優れた構成をとりえる光ビーム走査用光学
系を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為の
本発明では、光ビームを偏向する偏向手段（回転多面
鏡）により偏向させて被走査面（感光ドラムなど）を走
査する光ビーム走査装置の偏向手段と被走査面間に配置
される光ビーム走査用光学系において、正のパワーを有
する球面レンズ及び、球面レンズの被走査面側近傍に配
置された主、副走査断面との正のパワーを有するトーリ
ックレンズの２枚より構成され、このトーリックレンズ
の主走査断面における少なくとも１面が非球面化されて
いる。

【０００９】より具体的には、球面レンズは、偏向手段
側の面が偏向手段側に凸面を向け、被走査面側の面が被
走査面側に凸面を向けた形状となっている。また、トー
リックレンズは、偏向手段側に曲率半径中心が存在する
コンセントリックな形状を有する。更に、トーリックレ
ンズの主走査断面における焦点距離ｆ２ａ、その副走査
断面の焦点距離をｆ２ｂ、球面及びトーリックレンズの
主走査断面の合成焦点距離をｆａ、トーリックレンズと
被走査面との距離をＬ、トーリックレンズの光軸方向の
最大肉厚をｄｍａｘとしたとき、 ０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３ ０．２５＜ｆ２ｂ／ｆａ＜０．５ ０．６＜Ｌ／ｆａ＜１ ｄｍａｘ／ｆ２ｂ＜０．１５ のうち少なくとも一つの条件を満たす構成となってい
る。

【００１０】球面レンズは安価な低屈折率の硝財から成
る。

【００１１】トーリックレンズはプラスチック材料など
から成り、特に上記４つの条件式のうち後の２つの条件
式はプラスチック材料でトーリックレンズを形成すると
きに重要である。

【００１２】上記具体的な構成の意義などについては、
以下の実測例の説明のところに記載されている。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の光ビーム走査用光学系の実施
例を図面を用いて、説明する。

【００１４】図１と図２は本発明の第１実施例を示し、
図１は主走査断面における様子を図示し、図２は主走査
面と垂直で光軸を含む副走査断面における様子を図示す
る。主走査面とは、回転多面鏡５で偏向走査された光ビ
ームが経時的に形成する光線束面を指す。

【００１５】図１において、１は光源である半導体レー
ザであり、半導体レーザ１から射出された光ビームはコ
リメータレンズ２により略平行光とされ、開口絞り３に
よってその断面の大きさが整えられてシリンドリカルレ
ンズ４に入射する。シリンドリカルレンズ４は、副走査
断面に関しては、パワーを持つが、主走査断面に関して
はパワーを持たないので、光ビームは主走査断面では平
行光で副走査断面ではほぼ線状に結像されて回転多面鏡
５に入射する。回転多面鏡５は矢印の方向に等速で高速
回転しており、ここに入射した光ビームはここで反射さ
れて高速度で主走査断面において偏向走査される。

【００１６】こうして、等角度運動で偏向走査された光
ビームは、正のパワーを有する球面レンズ６、及び主、
副走査断面ともにおいて正のパワーを有するトーリック
レンズ７を通過して、感光ドラム８上に結像されて略等
速度直線運動で走査される。

【００１７】図２において、Ｐは回転多面鏡５の反射面
位置を示しており、副走査断面では上述した様にほぼこ
の位置Ｐに光ビームが集光される。ここで、反射面Ｐと
感光ドラム８は球面レンズ６とトーリックレンズ７を介
して光学的にほぼ共役な関係に設定されているので、た
とえ反射面Ｐが副走査面断面において倒れても（すなわ
ち面倒れがあっても）光ビームは感光ドラム８上の同一
走査線上に結像される。こうして、いわゆる回転多面鏡
５の面倒れ補正系が構成されている。

【００１８】ここにおいて、走査用レンズ６、７は、主
走査面内の広い画角に亙り良好な像面湾曲とｆθ特性を
得るように以下の如き構成となっている。

【００１９】まず、正のパワーを有する球面レンズ６
は、安価な低屈折率な硝財を用いていて、回転多面鏡５
側の面が、良好なｆθ特性を得るために負の歪曲を生じ
させる効果を持つように回転多面鏡５側にゆるい凸面を
向けた形状になっている。そして、感光ドラム８側の面
が、像面湾曲を良好に補正する様に感光ドラム８側に凸
面を向けた形状となっている。

【００２０】次に、トーリックレンズ７は球面レンズ６
の後方近傍に配置され、広い画角に亙って像面湾曲を補
正するようにコンセントリックな形状である（トーリッ
クレンズ７の両面の曲率半径の中心が回転多面鏡５側に
あって近くにある）とともに、少なくとも１面が非球面
となっている。更に、トーリックレンズ７の主走査断面
に関するパワーを強くしすぎると、ｆθ特性と走査方向
すなわちメリディオナル方向の像面湾曲をバランスさせ
ながら補正できなくなるので、トーリックレンズ７の主
走査断面における焦点距離をｆ２ａ、球面レンズ６及び
トーリックレンズ７の主走査断面における合成焦点距離
をｆａとするとき、０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３の関
係を満たすように主走査断面におけるトーリックレンズ
７のパワーを弱くするのがよい。つまり、下限を越える
と（すなわちｆ２ａ＞１０ｆａとなる）ｆ２ａが大きく
なって収差補正上有利となるが、トーリックレンズ７が
被走査面（感光ドラム８面）側に近付き大型化してしま
う。また、上限を越えると、（すなわちｆ２ａ＜３．３
ｆａとなる）ｆ２ａが小さくなって、逆に装置のコンパ
クト化には有利であるが、ｆθ特性と像面湾曲をバラン
ス良く補正するのが困難となる。

【００２１】一方、トーリックレンズ７の副走査断面に
おける焦点距離ｆ２ｂはサジタル方向（副走査断面内に
あって光軸に直角な方向）の像面湾曲が十分に補正され
るように、０．２５＜ｆ２ｂ／ｆａ＜０．５の関係を満
たすようにするのが良い。

【００２２】つまり、上限を越えると（すなわちｆ２ｂ
／０．５ｆａとなる）ｆ２ｂが大きくなって収差補正上
は有利であるが、トーリックレンズ７が被走査面（感光
ドラム８面）側に近付き前述の従来例の如く好ましくな
い。また、下限を越えると（すなわちｆｂ＜０．２５ｆ
ａとなる）ｆ２ｂが小さくなってメリディオナル方向と
サジタル方向の像面湾曲をバランス良く補正するのが困
難となる。

【００２３】更に、トーリックレンズ７はトーリックレ
ンズ７と被走査面との距離をＬとしたときに、０．６＜
Ｌ／ｆａ＜１の関係を満たす位置に配置するのが好まし
い。つまり、下限を越えると（すなわちＬ＜０．６ｆａ
となる）装置が大型化すると共に面倒れ補正効果が少な
くなる。また、上限を越えると（すなわちＬ＞ｆａとな
る）トーリックレンズ７のパワーが強くなり、特に、ト
ーリックレンズ７をコスト面の利点を生かして、プラス
チック材料で形成した場合、環境変動等の影響による被
走査面でのピントズレなどが許容できなくなる。

【００２４】また、トーリックレンズ７の光軸方向の最
大肉厚をｄｍａｘ／ｆ２ｂ＜０．１５の関係を満たす様
にトーリックレンズを７を薄くするのが好ましい。これ
により、環境変動、特にトーリックレンズ７の吸湿によ
る被走査面上でのピントズレを少なくすることが出来、
且つプラスチックによるトーリックレンズ７の成形が容
易になる。

【００２５】以上の如く、比較的パワーの弱い薄形の非
球面トーリックレンズを用いる構成にすれば、広い画角
に亙って高性能で、しかもトーリックレンズをプラスチ
ック等で形成しても環境変動による影響の少ない安価な
光ビーム走査用光学系が実現できる。

【００２６】第１実施例における像面湾曲を表わす収差
図が図３に示され、ｆθ特性を表わす図が図４に示され
ている。

【００２７】第１実施例の具体的な数値例を次に示す。

【００２８】

【外１】

【００２９】ここで、上記数値例において、図１と図２
に示す様に、各面の主走査面における曲率半径は回転多
面鏡５側より、Ｒ１〜Ｒ４、副走査面における曲率半径
はＲ３′、Ｒ４′、各面間の距離はＤ１〜Ｄ４で示され
る。また、各レンズの波長７８０ｎｍでの屈折率は回転
多面鏡５側より、Ｎ１、Ｎ２で表わされている。また、
Ｂ〜Ｄは、以下に示すｘ−ｙ平面上でのレンズ面の高さ
ｙと距離ｘとの関係式

【００３０】

【外２】 の各次数の非球面係数を示す。

【００３１】次に図５に示す第２実施例の数値例を次に
示す。

【００３２】第２実施例ではトーリックレンズ１７の球
面レンズ１６側の面の副走査面における曲率半径が光軸
に対して対称にレンズ位置によって異なる形状となって
いる。符号の約束は非球面係数を除き、上記数値例を同
じである。

【００３３】

【外３】

【００３４】ここで、Ｋ〜Ｄは、以下に示す、ｘ−ｙ平
面上でのレンズ面の高さｙと距離ｘとの関係式

【００３５】

【外４】 の各次数の非球面係数を示す。

【００３６】また、トーリックレンズ１７の球面レンズ
１６側の副走査面断面形状は、図６に示す様に主走査断
面内に立てた法線を含み、主走査面と直交する断面内で
測った曲率半径ｒ′をもつ円弧。

【００３７】主走査断面に垂直にＺ軸をとると、この断
面内で面形状Ｓは下記の式で表わされる。

【００３８】

【外５】 ｒ′は以下の式で表わされる。

【００３９】 ｒ′＝Ｒ′（１＋ｂｙ² ＋ｃｙ⁴ ＋ｄｙ⁶ ＋…）

【００４０】次に図７に示す第３実施例の数値例を示
す。

【００４１】第３実施例ではトーリックレンズ２７の球
面レンズ２６側の面の副走査面における曲率半径が光軸
に対して非対称にレンズ位置によって異なる形状となっ
ている。

【００４２】

【外６】

【００４３】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、光
ビームを偏向手段により偏向させて被走査面を走査する
光ビーム走査装置の偏向手段と被走査面間に配置される
光ビーム走査用光学系において、正のパワーを有する両
凸の球面レンズ及び、球面レンズの被走査面側近傍に配
置された主、副走査断面との正のパワーを有するトーリ
ックレンズの２枚より構成し、このトーリックレンズの
少なくとも１面が非球面化したことにより、面倒れを補
正しつつ高性能な走査用光学系が達成可能である。ま
た、球面レンズを安価な低屈折率の硝材で形成し、トー
リックレンズをプラスチック材料で形成することによ
り、走査用光学系が安価になり得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の走査面における様子を示
す図である。

【図２】第１実施例の副走査面における様子を示す図で
ある。

【図３】第１実施例の像面湾曲を説明する収差図であ
る。

【図４】第１実施例のｆθ特性を説明する収差図であ
る。

【図５】第２実施例を説明する為の図である。

【図６】第２実施例の非球面式を説明する為の図であ
る。

【図７】第３実施例を説明する為の図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザー ２ コリメーターレンズ ３ 開口絞り ４ シリンドリカルレンズ ５ 回転多面鏡 ６、１６、２６ 球面レンズ ７、１７、２７ トーリックレンズ ８ 感光ドラム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを偏向手段により偏向させて被
   走査面を走査する光ビーム走査装置の該偏向手段と被走
   査面の間に配置される光ビーム走査用光学系において、
   前記光学系は、正のパワーを有する球面レンズ及び、該
   球面レンズの被走査面側近傍に配置され主、副走査断面
   とも正のパワーを有するトーリックレンズの２枚より構
   成され、該トーリックレンズの主走査断面の少なくとも
   １面が非球面化されていること、及び前記球面レンズ
   は、偏向手段側の面が偏向手段側に凸面を向け、被走査
   面側の面が被走査面側に凸面を向けた形状となっている
   ことを特徴とする光ビーム走査用光学系。
2. 【請求項２】 前記トーリックレンズは、偏向手段側に
   曲率半径中心が存在するコンセントリックな形状を有す
   る請求項１に記載の光ビーム走査用光学系。
3. 【請求項３】 前記トーリックレンズの主走査断面にお
   ける焦点距離をｆ２ａ、前記球面及びトーリックレンズ
   の主走査断面の合成焦点距離をｆａとしたとき、 ０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３ を満たす請求項１に記載の光ビーム走査用光学系。
4. 【請求項４】 前記トーリックレンズの副走査面におけ
   る焦点距離をｆ２ｂ、前記球面及びトーリックレンズの
   主走査断面の合成焦点距離をｆａとしたとき、 ０．２５＜ｆ２ｂ／ｆａ＜０．５ を満たす請求項１に記載の光ビーム走査用光学系。
5. 【請求項５】 前記球面及びトーリックレンズの主走査
   断面の合成焦点距離をｆａ、前記トーリックレンズと被
   走査面との距離をＬとしたとき、 ０．６＜Ｌ／ｆａ＜１ を満たす請求項１に記載の光ビーム走査用光学系。
6. 【請求項６】 前記トーリックレンズの副走査断面の焦
   点距離をｆ２ｂ、トーリックレンズの光軸方向の最大肉
   厚をｄｍａｘとしたとき、 ｄｍａｘ／ｆ２ｂ＜０．１５ を満たす請求項１に記載の光ビーム走査用光学系。
7. 【請求項７】 前記トーリックレンズはプラスチックか
   ら成る請求項１に記載の光ビーム走査用光学系。