JPH0862529A - 走査光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】走査レンズを樹脂化しても温度変化による像面
シフト等の性能変化を小さく抑えることができる高性能
の走査光学系を提供する。 【構成】偏向器５によって等角速度的に偏向された収束
ビームを被走査面８上に結像させ、被走査面８上を実質
的に等速で走査するように作用する走査レンズＳＬを備
える。走査レンズＳＬは、偏向器５側から順に負の第１
レンズＧ１と正の第２レンズＧ２とから成り、第２レン
ズＧ２の被走査面８側の面は主走査方向ｙと副走査方向
ｚとで屈折力が異なるトーリック面であり、条件式：｜
１−β｜＜０．２５(β：走査レンズの主走査方向の倍
率)を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査光学系に関するも
のであり、更に詳しくはポリゴンスキャナのような偏向
器が用いられた光走査式の走査光学系に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、走査光学系において、ある焦点
距離ｆ_Mでの温度変化による主走査方向の像面シフト(以
下「像面シフト」という。)の量ΔＢＦは、次の式(1)で
与えられる。 ΔＢＦ＝(１−β)²・[−{１／(ｎ−１)}・(∂ｎ／∂ｔ)＋α]・ｆ_M・Δｔ …(1) 但し、 β：走査レンズの主走査方向の倍率 ｎ：走査レンズの屈折率 (∂ｎ／∂ｔ)：走査レンズの温度変化による屈折率変動 α：走査レンズの線膨張係数 ｆ_M：走査レンズの主走査方向の焦点距離 Δｔ：走査レンズの温度変化量 である。

【０００３】式(1)中の[−{１／(ｎ−１)}・(∂ｎ／∂
ｔ)＋α]は、走査レンズを構成する材料の種類によって
決まる数値である。この数値は、ガラス材料ではおおよ
そ±０．５×１０^-5程度であるのに対し、樹脂材料では
±３０×１０^-5程度であり、ガラス材料の約５０倍にも
なる。

【０００４】ところで、樹脂製走査レンズは、射出成形
で製造することができるため、非球面加工が容易であ
る。これにより、レンズ性能をアップすることができる
とともに、従来のガラス製走査レンズよりも安価に製造
することができる。従って、樹脂製走査レンズが用いら
れた走査光学系は、ガラス製走査レンズが用いられたも
のと比較して、性能的にもコスト的にも有利である。

【０００５】しかし、温度変化が発生した場合、前述し
たように樹脂製走査レンズはガラス製走査レンズに比べ
て屈折率変動(∂ｎ／∂ｔ)が大であるため、像面シフト
等の性能変化が大きいという問題がある。高性能の小径
ビーム走査レンズになるほどその性能変化の影響は大き
いものとなる。

【０００６】このような点から、特開平４−１５３６１
６号公報，同４−１１０８１７号公報，同４−５０９０
８号公報等では、屈折率ｎが１．６程度以下の樹脂材料
をそのまま走査レンズに用いることができる走査光学系
が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例に
は以下のような問題がある。特開平４−１５３６１６号
公報及び特開平４−１１０８１７号公報に示されている
走査光学系では、走査レンズに入射するビームが平行光
であるため、式(1)においてβ＝０である。従って、像
面シフト量ΔＢＦは、走査レンズの焦点距離ｆ_Mと走査
レンズを構成する材料とで決まってしまうことになる。
このことから、樹脂製の走査レンズで像面シフト量ΔＢ
Ｆを小さくしようとすれば、焦点距離ｆ_Mを小さくする
必要が生じてくる。これを正レンズの組み合わせで行う
方法として、画角を更に拡げる方法，レンズの心厚を厚
くする方法等が挙げられるが、いずれの方法も設計・加
工の面で採用するのは困難である。

【０００８】特開平４−５０９０８号公報に示されてい
る走査光学系では、走査レンズに入射するビームが収束
光であるため、式(1)において(１−β)が１より小さく
なっている。そのため、像面シフト量ΔＢＦは前述の従
来例(特開平４−１５３６１６号及び特開平４−１１０
８１７号)よりも小さいものとなっている。しかしなが
ら、像面性とリニアリティを確保するためには、コマ収
差の補正をある程度犠牲にせざるをえないので、高性能
化には不利である。また、コマ収差等の影響で像面での
ビーム径が比較的大きくなるため、(１−β)が小さいこ
とは１枚構成の走査レンズで走査光学系を小型化するこ
とには貢献しても、温度変化による像面シフトの影響は
それほど大きくは表れない。また、走査レンズが１枚構
成であるため、面形状は変曲点等を有する複雑なものと
なっているが、これは走査レンズの加工を困難なものと
している。

【０００９】本発明はこれらの点に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、走査レンズを樹脂化しても温度
変化による像面シフト等の性能変化を小さく抑えること
ができる高性能の走査光学系を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る走査光学系は、偏向器を備え、この偏
向器によって等角速度的に偏向された収束ビームを被走
査面上に結像させ、被走査面上を実質的に等速で走査す
るように作用する走査レンズを備えた走査光学系であっ
て、前記走査レンズは前記偏向器側から順に負の第１レ
ンズと正の第２レンズとから成り、その第２レンズの少
なくとも１面は主走査方向と副走査方向とで屈折力が異
なるトーリック面であり、更に以下の条件式(2)を満た
すことを特徴とする。 ｜１−β｜＜０．２５ …(2) 但し、 β：走査レンズの主走査方向の倍率 である。

【００１１】条件式(2)は、前述の式(1)で表される像面
シフト量ΔＢＦを小さくするための条件である。条件式
(2)の範囲を外れた場合、温度変化による像面シフト量
ΔＢＦは大きくなり、たとえ走査レンズを収差的に高性
能化することができたとしても、温度変化により性能が
極端に悪くなってしまうという問題が発生する。

【００１２】走査レンズは、次の条件式(3)を満たすの
が望ましい。 −０．５＞ｆ_1M／ｆ_2M＞−３３ …(3) 但し、 ｆ_1M：第１レンズの主走査方向の焦点距離 ｆ_2M：第２レンズの主走査方向の焦点距離 である。

【００１３】条件式(3)は、条件式(2)を満たす範囲で主
走査方向の像面湾曲を補正するための条件である。第１
レンズは負のパワーを有するため、その焦点距離ｆ_1Mは
負である。ここで、焦点距離ｆ_1Mが正の場合、条件式
(2)を満たそうとすれば、第２レンズの主走査方向の焦
点距離ｆ_2Mを正の大きな値又は負の小さな値にしなけれ
ばならない。しかし、そうすると主走査方向の像面湾曲
を補正することが困難になる。焦点距離ｆ_1Mが負であっ
ても、条件式(3)の範囲を外れた場合には、焦点距離ｆ
_2Mが正の大きな値をとることになるため、上記と同様に
主走査方向の像面湾曲を補正することが困難になる。

【００１４】走査レンズは、次の条件式(4)を満たすの
が望ましい。 ｆ_1M＝ｆ_1S …(4) 但し、 ｆ_1S：第１レンズの副走査方向の焦点距離 である。

【００１５】条件式(4)は、第１レンズが回転対称面か
ら成ることを表している。射出成形レンズの金型加工を
考えた場合、加工が容易で、かつ、測定も容易な回転対
称面が好ましいからである。

【００１６】走査レンズは、次の条件式(5)を満たすの
が望ましい。 −４＞ｆ_1S／ｆ_2S＞−３５０ …(5) 但し、 ｆ_2S：第２レンズの副走査方向の焦点距離 である。

【００１７】条件式(5)は、回転対称面から成る第１レ
ンズの副走査方向の焦点距離ｆ_1Sと、第２レンズの副走
査方向の焦点距離ｆ_2Sとの比を規定しており、副走査方
向の像面湾曲を良好に保つための条件である。条件式
(5)の範囲を外れた場合は、主走査像面と副走査像面と
の非点隔差を補正することが困難になる。

【００１８】走査レンズは、次の条件式(6)を満たすの
が望ましい。 ５＜ｆ_2M／ｆ_2S＜１５ …(6)

【００１９】条件式(6)は、第２レンズの肉厚の変化を
緩やかにし、さらに主走査方向及び副走査方向の像面を
良好にするための条件である。条件式(6)の範囲を外れ
ると、成形金型の加工が難しくなる。

【００２０】先に述べたように、第２レンズの少なくと
も１面は、主走査方向と副走査方向とで屈折力が異なる
トーリック面であるが、ここで拡張ｙトーリック面を例
に挙げて、この第２レンズのトーリック面を説明する。
この面は、図２３に示すように主走査断面が非球面であ
り、主走査断面に沿って副走査方向曲率が連続して変化
するようなトーリック面である。この面は、ｙとｚの関
数として次の式(A)で定義される。

【００２１】 ｘ＝[κ・ｚ²／{１＋(１−μ・κ²・ｚ²)^1/2}]＋ρ＋Ａ …(A) ここで、 κ＝Κ／(１−Κ・ρ) …(B) ρ＝ｃ・ζ²／{１＋(１−ε・ｃ²・ζ²)^1/2} …(C) ζ＝ｙ−Ｓ …(D) である。

【００２２】すなわち、拡張ｙトーリック面は、基準ｙ
トーリック面に２次元的な付加項Ａ(ｙ，ｚ)を加えたも
のとして得られる。ここで、主走査断面における曲線を
主曲線Ｃ_m、副走査断面における曲線をプロファイル曲
線Ｃ_pとすると(つまり、ｘ：光軸方向，ｙ：主走査方
向，ｚ：副走査方向である。)、Κ，ｃはそれぞれ面頂
点での主曲線方向，プロファイル曲線方向の曲率(正確
にはそれぞれΚ＋２ａ_0,2，ｃ＋２ａ_2,0)を表し{つま
り、１／Κ：主曲線Ｃ_mの面頂点曲率半径，１／ｃ：プ
ロファイル曲線Ｃ_pの曲率半径(主曲線Ｃ_mの面頂点での
副走査方向曲率半径)である。}、μ，εはそれぞれ主曲
線方向，プロファイル曲線方向の２次曲線パラメータ
(負のときは双曲線、ゼロのときは放物線、正のときは
楕円を、特に１のときには円)を表す。

【００２３】例えば、μ＝１，Ｓ＝０，Ａ＝０のとき、
式(A)は従来のトーリック面(２次のプロファイル曲線ρ
を半径１／Κでｙ軸平行な軸回りに回転したもの)を表
す。また、式(A)中のＳ，Ａはそれぞれ以下の数１，数
２の式で表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】

【数２】

【００２６】但し、数２の式中、 ａ_0,0≡０ ａ_i,1≡０ ａ_1,j≡０ である。

【００２７】

【作用】このような構成によると、前記式(1)における
[−{１／(ｎ−１)}・(∂ｎ／∂ｔ)＋α]がガラス材料に
比べてはるかに大きい樹脂材料を走査レンズに用いた場
合でも、走査レンズが前記条件式(2)を満たすことによ
って(１−β)²が小さくなるため、像面シフトが小さく
抑えられる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明に係る走査光学系の実施例を示
す。但し、各実施例中、r₀は偏向器の偏向面の曲率半径
(=∞)、r_iM(i=1,2,3,4)は偏向器側から数えて第i番目の
面の主走査方向の曲率半径、r_iS(i=1,2,3,4)は偏向器側
から数えて第i番目の面の副走査方向の曲率半径、d₀は
偏向器の偏向面上の偏向点から第１番目のレンズ面まで
の光軸上の距離、di(i=1,2,3)は偏向器側から数えて第i
番目の面と第i+1番目の面と間の軸上面間隔、LBはレン
ズバック(一番像側のレンズの像側の面と被走査面(像
面)との軸上面間隔)、N_i(i=1,2)は偏向器側から数えて
第i番目のレンズの波長780nmの光に対する屈折率であ
る。

【００２９】各符号に関しては先に説明した通りであ
り、条件式(3)，(5)，(6)と対応する値等のデータを併
せて示す。また、θ_maxは偏向されたビームと走査レン
ズ光軸とのなす画角(偏向角)が最大のときの画角(最大
偏向角)、Ｓ１は偏向面から収束ビームの自然収束点(走
査レンズがない場合の収束ビームの収束点、即ち物点の
こと)までの距離、ｙ_maxは被走査面上で最大となる像高
である。

【００３０】全実施例において第４面(r_4M,r_4S)は拡張
ｙトーリック面である。また、各実施例中、曲率半径に
*印を付した面は回転対称非球面で構成された面である
ことを示し、非球面の面形状を表わす次の数３の式で定
義するものとする。

【００３１】

【数３】

【００３２】但し、数３の式中、 X :光軸方向の基準面からの変位量 Y :光軸と垂直な方向の高さ C :近軸曲率 ε:２次曲線パラメータ Ai:i次の非球面係数(i=4,6,8,12) である。

【００３３】＜実施例１＞ β=0.92 θ_max=32゜ Ｓ１=210mm y_max=108.5mm ｆ_M=828.46mm ｆ_1M=ｆ_1S=-1666.7mm ｆ_2M=604.68mm ｆ_2S=50.33mm ｆ_1M/ｆ_2M=-2.76 ｆ_1S/ｆ_2S=-33.12 ｆ_2M/ｆ_2S=12.01

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】＜実施例２＞ β=0.94 θ_max=28゜ Ｓ１=240mm ｙ_max=110mm ｆ_M=1105.2mm ｆ_1M=ｆ_1S=-1428.6mm ｆ_2M=677.37mm ｆ_2S=59.276mm ｆ_1M/ｆ_2M=-2.11 ｆ_1S/ｆ_2S=-24.1 f_2M/ｆ_2S=11.43

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】＜実施例３＞ β=1.18 θ_max=26゜ Ｓ１=205mm ｙ_max=110mm ｆ_M=-1803.6mm ｆ_1M=ｆ_1S=-317.28mm ｆ_2M=417.36mm ｆ_2S=52.217mm ｆ_1M/ｆ_2M=-0.76 ｆ_1S/ｆ_2S=-6.08 f_2M/ｆ_2S=7.99

【００４０】

【表５】

【００４１】

【表６】

【００４２】＜実施例４＞ β=0.77 θ_max=30゜ Ｓ１=364mm ｙ_max=145mm ｆ_M=761.61mm ｆ_2M=771.15mm ｆ_1M=ｆ_1S=-23410.7mm ｆ_2S=73.173mm ｆ_1M/ｆ_2M=-30.36 f_1S/ｆ_2S=-319.9 ｆ_2M/ｆ_2S=10.539

【００４３】

【表７】

【００４４】

【表８】

【００４５】＜実施例５＞ β=0.85 θ_max=30゜ Ｓ１=326mm ｙ_max=145mm ｆ_M=979.71mm ｆ_1M=ｆ_1S=-3840.7mm ｆ_2M=826.65mm ｆ_2S=70.817mm ｆ_1M/ｆ_2M=-4.64 ｆ_1S/ｆ_2S=-54.23 ｆ_2M/ｆ_2S=11.67

【００４６】

【表９】

【００４７】

【表１０】

【００４８】図１及び図２は、本発明を実施した走査光
学系(走査レンズＳＬは実施例１のものを示す。)の全体
構成を、それぞれ主走査断面(図１)及び副走査断面(図
２)について示している。この走査光学系は、偏向器５
を備え、更に偏向器５によって等角速度的に偏向された
収束ビームを被走査面８上に結像させ、被走査面８上を
実質的に等速で走査するように作用する走査レンズＳＬ
を備えている。

【００４９】この走査光学系において、まず半導体レー
ザ等から成る光源１から発せられた発散ビームは、集光
レンズ２によって主走査方向に収束ビームとされる。こ
の収束ビームは、走査レンズＳＬがない場合、自然収束
点位置１０で集光するような収束ビームである。収束ビ
ームは、要求されるビーム径となるように、絞り３によ
ってビーム幅が規制され、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４に入射する。そして、シリ
ンドリカルレンズ４を出たビームは、偏向器(ポリゴン
ミラー)５に入射するが、図２に示すように副走査方向
についてのみポリゴン反射面９位置で集光される。高速
で回転(副走査方向に対して平行な軸を中心とした回転)
する偏向器５によって、等角速度的に偏向走査された収
束ビームは、走査レンズＳＬに入射する。走査レンズＳ
Ｌにより、ビームは像面８(つまり被走査面である感光
体８の表面)上で均一ビームとなって、被走査面８を実
質的に等速で走査する。

【００５０】図２に示す副走査断面図から分かるよう
に、ビームはポリゴン反射面９の位置で集光されるた
め、第２レンズＧ２に設けられている拡張ｙトーリック
面(曲率半径r_4M,r_4Sの第４面)によって、ポリゴン反射
面９は感光体８上の被走査面とほぼ共役の関係を成す。
これは、ポリゴンミラー５に微小な面の倒れが発生した
とき、感光体８上での集光位置が副走査方向にシフトす
るのを補正するためである。

【００５１】次に、走査レンズＳＬの特徴を説明する。
実施例１〜５の走査光学系に組み込まれている走査レン
ズＳＬは、上述の光学構成から明らかなように、偏向器
５側から順に負の第１レンズＧ１と正の第２レンズＧ２
とから成っており、いずれも樹脂製レンズである。第１
レンズＧ１が軸対称に構成されているのに対し、第２レ
ンズＧ２は第４面(曲率半径：r_4M,r_4S)が主走査方向と
副走査方向とで屈折力が異なる(つまり、曲率半径が異
なる)拡張ｙトーリック面を有している。

【００５２】前記式(1)における[−{１／(ｎ−１)}・(∂
ｎ／∂ｔ)＋α]がガラス材料に比べてはるかに大きい樹
脂材料を第１，第２レンズＧ１，Ｇ２に用いているにも
かかわらず、走査レンズＳＬが前記条件式(2)を満たす
ことによって(１−β)²を小さくしているため、温度変
化による像面シフト等の性能変化が小さく抑えられる。
また、走査レンズＳＬは、偏向器５側から順に負の第１
レンズＧ１と正の第２レンズＧ２とから成り、第２レン
ズＧ２が主走査方向と副走査方向とで屈折力の異なるト
ーリック面を有しているため、上記のように温度変化に
よる性能変化を小さく抑えた場合でも光学性能を高く保
持して、高性能の走査光学系を実現することができる。
このように、走査レンズＳＬの樹脂化に適した走査光学
系によれば、樹脂材料を走査レンズＳＬに用いた場合
に、高性能化等に有利な軸対称非球面や拡張トーリック
面のような複雑な面形状を低コストで形成することがで
きるため、安価で高性能の走査光学系の実現が可能であ
る。なお、実施例１〜５の走査光学系は、前記条件式
(2)〜(6)を満たした構成となっているため、それぞれ前
述した効果が得られる。

【００５３】図３，図７，図１１，図１５，図１９は、
実施例１〜実施例５に対応する走査レンズＳＬのレンズ
構成を、主走査方向について断面的に示している。図
４，図８，図１２，図１６，図２０は、それぞれ実施例
１〜実施例５に対応する像面湾曲(波長：780nm)を示し
ており、実線(ＤＴ)は主走査方向の像面湾曲量、破線
(ＤＳ)は副走査方向の像面湾曲量を表わしている。図
５，図９，図１３，図１７，図２１は、それぞれ実施例
１〜実施例５に対応する歪曲収差(即ちｆθ性能，波
長：780nm)を示している。また、図６，図１０，図１
４，図１８，図２２は、それぞれ実施例１〜実施例５に
対応する横収差曲線を示している。横収差図に付したＫ
は、式：Ｓ１×sinθ＝Ｋで表されるある画角(偏向角
θ)のビームについて、そのビームの像面での収差量を
示している。例えば、実施例１についてのコマ収差量を
示す図６は、Ｋ＝0.0，29.226，57.884，85.415，111.2
83となる画角のビームの像面でのコマ収差の発生を示し
ている。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の走査光学系
によれば、走査レンズが条件式(2)を満たすので、走査
レンズを樹脂化しても温度変化による像面シフト等の性
能変化を小さく抑えることができる。また、走査レンズ
は、偏向器側から順に負の第１レンズと正の第２レンズ
とから成り、その第２レンズの少なくとも１面が主走査
方向と副走査方向とで屈折力の異なるトーリック面であ
るため、上記のように温度変化による性能変化を小さく
抑えた場合でも光学性能を高く保持して、高性能の走査
光学系を実現することができる。

【００５５】このように走査レンズの樹脂化に適した走
査光学系によれば、樹脂材料を走査レンズに用いた場合
に、高性能化等に有利な軸対称非球面や拡張トーリック
面のような複雑な面形状を低コストで形成することがで
きるため、安価で高性能の走査光学系の実現が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査光学系の主走査断面図。

【図２】本発明に係る走査光学系の副走査断面図。

【図３】本発明に係る実施例１のレンズ形状を示す主走
査断面図。

【図４】本発明に係る実施例１の像面湾曲を示す収差
図。

【図５】本発明に係る実施例１のｆθ性能を示す収差
図。

【図６】本発明に係る実施例１の横収差を示す収差図。

【図７】本発明に係る実施例２のレンズ形状を示す主走
査断面図。

【図８】本発明に係る実施例２の像面湾曲を示す収差
図。

【図９】本発明に係る実施例２のｆθ性能を示す収差
図。

【図１０】本発明に係る実施例２の横収差を示す収差
図。

【図１１】本発明に係る実施例３のレンズ形状を示す主
走査断面図。

【図１２】本発明に係る実施例３の像面湾曲を示す収差
図。

【図１３】本発明に係る実施例３のｆθ性能を示す収差
図。

【図１４】本発明に係る実施例３の横収差を示す収差
図。

【図１５】本発明に係る実施例４のレンズ形状を示す主
走査断面図。

【図１６】本発明に係る実施例４の像面湾曲を示す収差
図。

【図１７】本発明に係る実施例４のｆθ性能を示す収差
図。

【図１８】本発明に係る実施例４の横収差を示す収差
図。

【図１９】本発明に係る実施例５のレンズ形状を示す主
走査断面図。

【図２０】本発明に係る実施例５の像面湾曲を示す収差
図。

【図２１】本発明に係る実施例５のｆθ性能を示す収差
図。

【図２２】本発明に係る実施例５の横収差を示す収差
図。

【図２３】本発明を構成する走査レンズの変形トーリッ
ク面を説明するための図。

【符号の説明】

Ｇ１ …第１レンズ Ｇ２ …第２レンズ ＳＬ …走査レンズ １ …光源 ２ …集光レンズ ３ …絞り ４ …シリンドリカルレンズ ５ …偏向器(ポリゴンミラー) ８ …像面(感光体上の被走査面) ９ …ポリゴン反射面 １０ …自然収束点

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】偏向器を備え、この偏向器によって等角速
   度的に偏向された収束ビームを被走査面上に結像させ、
   被走査面上を実質的に等速で走査するように作用する走
   査レンズを備えた走査光学系であって、 前記走査レンズは前記偏向器側から順に負の第１レンズ
   と正の第２レンズとから成り、その第２レンズの少なく
   とも１面は主走査方向と副走査方向とで屈折力が異なる
   トーリック面であり、更に以下の条件を満たすことを特
   徴とする走査光学系； ｜１−β｜＜０．２５ 但し、 β：走査レンズの主走査方向の倍率 である。