JPH10197820A

JPH10197820A - 回折型色収差補正走査光学系

Info

Publication number: JPH10197820A
Application number: JP8357490A
Authority: JP
Inventors: Junji Kamikubo; 淳二上窪
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-31
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: US6259547B1; US6124962A; JP3435303B2

Abstract

(57)【要約】【課題】分散の異なるレンズ材料の組み合わせにより
ｆθレンズの色収差を補正するためには、色収差を補正
しない場合と比較してレンズ枚数が増加する。光源を発
光波長の違いにより選別して用いる場合には、選別作業
自体に手間がかかるのに加え、光源の経時変化のバラツ
キにより発光波長に差が生じた場合には対処できない。【解決手段】半導体レーザー等の光源１から発してコ
リメートレンズ２により平行光束とされたレーザー光
は、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカルレン
ズ３を介して回転軸４ａ回りに回転駆動されるポリゴン
ミラー(偏向器)４に入射し、ポリゴンミラー４で走査、
偏向されて走査レンズである３枚構成のｆθレンズ２０
を介して走査対象面５上に結像する。ｆθレンズ２０の
第１レンズ２１のポリゴンミラー側のレンズ面２１ａ
は、回折レンズ面であり、ベースカーブとなる回転対称
な非球面上に屈折レンズ部分での倍率色収差を補正する
作用を有するフレネルレンズ状の回折レンズ構造が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザープリン
ター等の走査光学装置の光学系として利用される走査光
学系に関し、特に、色収差が補正された走査光学系に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザープリンター等の走査光学装置で
は、半導体レーザー等の光源から発した光束をポリゴン
ミラーにより偏向させ、ｆθレンズ(走査レンズ)を介し
て感光体ドラム等の走査対象面上に結像させることによ
り、この面上に主走査方向に走査するスポットを形成す
る。

【０００３】ｆθレンズは、単一、または複数枚のレン
ズから構成され、ポリゴンミラーの回転に伴って走査対
象面上のスポットが等速で直線的に走査するよう諸収差
が補正されている。また、複数の光源からの光束により
同時に複数の走査線を形成するマルチビーム用装置に適
用される走査光学系では、分散の異なる正レンズと負レ
ンズとを組み合わせることによりｆθレンズの色収差を
補正し、あるいは、光源を選別して発光波長の近い組み
合わせを用いることにより各光源間の発光波長のバラツ
キが描画に与える影響を低減するようにしている。

【０００４】光源間の波長誤差は、半導体レーザーを例
にとると、仕様上の誤差(カタログスペック)として標準
値±１５ｎｍが一般であり、２以上の半導体レーザーを
光源として用いるマルチビーム装置では、最大で３０ｎ
ｍの波長誤差が生じる可能性がある。ここで、ｆθレン
ズが倍率色収差を持つと、書き出し位置、書き終わり位
置が走査線によって異なることとなり、描画パターンに
許容範囲を越える影響が発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例のように分散の異なるレンズ材料(硝材)の組み
合わせによりｆθレンズの色収差を補正するためには、
色収差を補正しない場合と比較してレンズ枚数が増加
し、また、レンズ材料の選択が屈折率のみで決定できな
くなるため、使用できるレンズ材料の種類が限定されて
設計の自由度が減少する。他方、光源を発光波長の違い
により選別して用いる場合には、選別作業自体に手間が
かかるのに加え、光源の経時変化のバラツキにより発光
波長に差が生じた場合には対処できないという問題があ
る。

【０００６】この発明は、上述した従来技術の課題に鑑
みてなされたものであり、既存の単一ビーム用の走査レ
ンズの枚数を増やすことなく、倍率色収差を補正して光
源の発光波長のバラツキによる描画性能の劣化を避ける
ことができる走査光学系を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる走査光
学系は、上記の目的を達成させるため、走査レンズを構
成するレンズの少なくとも一面に、走査レンズの屈折レ
ンズとしてのパワーにより生じる倍率色収差を補正する
作用を有する回折レンズ構造を付加したことを特徴とす
る。すなわち、この発明の走査光学系は、光源と、光源
から発した光束を偏向する偏向器と、偏向器により偏向
された光束を走査対象面上に結像させる走査レンズとを
備え、走査レンズは、屈折レンズとして正のパワーを有
すると共に、少なくともー面に回折レンズ構造を有し、
この回折レンズ構造が、走査レンズの屈折レンズとして
のパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有
することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる回折型色
収差補正走査光学系の実施形態を説明する。図１は、実
施形態にかかる回折型色収差補正走査光学系の主走査方
向の説明図、図２はその副走査方向の説明図である。半
導体レーザー等の光源１から発してコリメートレンズ２
により平行光束とされたレーザー光は、副走査方向にの
みパワーを持つシリンドリカルレンズ３を介して回転軸
４ａ回りに回転駆動されるポリゴンミラー(偏向器)４に
入射し、ポリゴンミラー４で走査、偏向されて走査レン
ズである３枚構成のｆθレンズ２０を介して走査対象面
５上に結像する。

【０００９】マルチビームの装置として用いる場合に
は、光源１として多点発光半導体レーザーを用いること
ができ、あるいは複数の半導体レーザーからの光束をビ
ームスプリッター等の光束合成素子により合成して用い
ることができる。この場合、複数の発光部、あるいは複
数の発光素子は、走査対象面上に形成されるスポット
が、副走査方向に所定距離離れるように、すなわち、一
回の走査で複数の走査線が形成されるように配置され
る。

【００１０】シリンドリカルレンズ３は、光源１から発
する光束をポリゴンミラー４のミラー面の近傍で線状に
結像させるために副走査方向に正のパワーを有する。ｆ
θレンズ２０は、副走査方向においてミラー面近傍で線
状に結像された光束を像面上にほぼ円形のスポットとし
て再結像させる。このようにミラー面と像面とを副走査
方向においてほぼ共役とすることにより、ポリゴンミラ
ー４の面倒れ誤差による走査線ズレを低減させることが
できる。

【００１１】ｆθレンズ２０は、ポリゴンミラー４側か
ら走査対象面５側に向けて順に、主走査、副走査の両方
向に正のパワーを持つメニスカス形状の第１レンズ２１
と、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つ平凸の
第２レンズ２２と、ほぼ副走査方向にのみ正のパワーを
有する長尺の第３レンズ２３とが配列して構成される。
第１レンズ２１と第２レンズ２２とは、ポリゴンミラー
４の近くに配置され、第３レンズ２３は走査対象面５の
近くに配置されている。

【００１２】第１レンズ２１のポリゴンミラー側のレン
ズ面２１ａは、回折レンズ面であり、ベースカーブとな
る回転対称な非球面上に屈折レンズ部分での倍率色収差
を補正する作用を有するフレネルレンズ状の回折レンズ
構造が形成されている。回折レンズ構造を付加するレン
ズ面は、できるだけポリゴンミラー４に近く、かつ、回
転対称な面であることが望ましい。走査対象面５に近い
レンズ面では透過する光束径が絞られるため、光束がフ
レネル状の段差部分を通過する際に光束の状態が大きく
変化する。また、金型加工の容易さからは、回転対称な
ベースカーブ上に回折レンズ構造を付加することが有利
である。

【００１３】第１レンズ２１の走査対象面側のレンズ面
２１ｂは、回転対称な非球面である。第２レンズ２２
は、ポリゴンミラー側のレンズ面２２ａが平面、走査対
象面側のレンズ面２２ｂが凸の球面である。第３レンズ
２３は、ポリゴンミラー側のレンズ面２３ａが、主走査
平面内の非円弧曲線を光軸と直交し主走査平面内に位置
する回転軸を中心に回転させた軌跡として定義される変
形トーリック面であり、走査対象面側の面２３ｂが凸の
球面である。

【００１４】以下の表１は、実施形態の回折型色収差補
正走査光学系のシリンドリカルレンズ３より走査対象面
５側の構成を示す。表中の記号Ｒｙは主走査方向の曲率
半径、Ｒｚは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合
には省略)、ｄは面間の光軸上の距離、ｎは設計波長780
nmでの屈折率である。

【００１５】表中、第１、第２面がシリンドリカルレン
ズ３、第３面がポリゴンミラー４のミラー面、第４面、
第５面がｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第６面、第
７面が第２レンズ２２、第８面、第９面が第３レンズ２
３を示す。

【００１６】

【表１】 f=200.0 mm 走査幅 300 mm 画角 43.0゜設計波長780nm 面番号ｒy ｒz ｄｎ 1 ∞ 50.000 4.000 1.51072 2 ∞ - 94.500 3 ∞ - 50.000 4 -111.618 - 7.000 1.48617 5 -97.061 - 2.000 6 ∞ - 15.000 1.76591 7 -193.160 - 110.000 8 -663.528 32.298 5.000 1.48617 9 -672.444 - 88.120

【００１７】光軸回りに回転対称な非球面である第１レ
ンズ２３の第１面２３ａのベースカーブと、第２面２３
ｂとは、光軸からの高さがＹとなる非球面上の座標点の
非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ、非
球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４
次、６次、８次の非球面係数をＡ4，Ａ6，Ａ8として、
以下の式で表される。

【００１８】

【数１】Ｘ＝ＣＹ²/(１+√(１-(１+Ｋ)Ｃ²Ｙ²))+Ａ4Ｙ⁴
+Ａ6Ｙ⁶+Ａ8Ｙ⁸

【００１９】また、光軸回りに回転非対称な変形トーリ
ック面である第３レンズ２３のポリゴンミラー側のレン
ズ面２３ａは、その軌跡を形成する主走査面内の非円弧
曲線を上記の式で定義することにより定義される。すな
わち、非円弧曲線は、光軸からの主走査方向の高さがＹ
となる非円弧曲線上の座標点の非円弧曲線の光軸上での
接線からの距離(サグ量)をＸ、非円弧曲線の光軸上での
曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次の非
円弧係数をＡ4，Ａ6，Ａ8として上記の式で表される。
変形トーリック面であるレンズ面２３ａは、上記の式に
より定義される非円弧曲線を、この曲線と光軸との交点
から３２．２９８ｍｍ走査対象面５側で光軸と垂直に交
差する主走査面内の回転軸を中心に回転させた軌跡とし
て規定される。

【００２０】なお、表１における各非球面、変形トーリ
ック面の曲率半径は、それぞれの光学素子の光軸上の曲
率半径であり、円錐係数、非球面係数、非円弧係数は表
２に示される。

【００２１】

【表２】面番号ＫＡ4 Ａ6 Ａ8 4 2.80 -1.304×10^-6 3.390×10^-10 1.732×10^-14 5 0.80 -9.924×10^-7 1.078×10^-10 3.297×10^-14 8 0.00 8.526×10^-9 3.920×10^-13 -2.517×10^-17

【００２２】第１レンズ２１の回折レンズ面２１ａ(面
番号４)の形状は、屈折レンズ面としての巨視的なベー
ス形状(上記の回転対称非球面)と、回折レンズ構造が持
つべき光路長の連続的な付加量Δφ(ｈ)との２つの要素
に分けて考えることができる。回折レンズは、色収差補
正効果に着目すると、負のアッベ数を持つ屈折レンズと
等価に考えることができ、屈折レンズと組み合わせるこ
とにより色収差を補正することができる。回折レンズの
分散は、屈折レンズ用のレンズ材料が持ち得る範囲外の
値をとるため、レンズとしてのパワーが極めて低い場合
にも十分な色収差補正効果を持たせることができる。実
施形態の回折レンズ構造の光路長の連続的な付加量Δφ
(ｈ)は、光軸からの高さｈに対して以下の表３に示され
るように定められる。回折レンズ構造単独での設計波長
７８０ｎｍにおる焦点距離は２６６２．２ｍｍである。

【００２３】

【表３】ｈ Δφ(ｈ) ｈ Δφ(ｈ) ｈ Δφ(ｈ) 1.000 -0.171 15.000 -40.506 29.000 -173.952 2.000 -0.685 16.000 -46.405 30.000 -188.814 3.000 -1.544 17.000 -52.771 31.000 -204.653 4.000 -2.749 18.000 -59.622 32.000 -221.554 5.000 -4.304 19.000 -66.977 33.000 -239.613 6.000 -6.213 20.000 -74.856 34.000 -258.944 7.000 -8.481 21.000 -83.281 35.000 -279.678 8.000 -11.114 22.000 -92.277 36.000 -301.971 9.000 -14.121 23.000 -101.872 37.000 -326.005 10.000 -17.507 24.000 -112.094 38.000 -351.995 11.000 -21.284 25.000 -122.978 39.000 -380.196 12.000 -25.460 26.000 -134.561 40.000 -410.912 13.000 -30.047 27.000 -146.884 41.000 -444.504 14.000 -35.058 28.000 -159.997 42.000 -481.407

【００２４】実際の回折レンズの付加量は、高さｈの増
加に伴う連続的な付加量Δφ(ｈ)の変化が波長の整数倍
となる位置で付加量を所定の初期値(後述の定数Ｃの値)
にするように定められ、したがって、実際の回折レンズ
面は、フレネルレンズのように境界毎に光軸方向の段差
を持つ光軸を中心とした多数の輪帯を備えることとな
る。この段差の高さは、利用する回折光の次数と波長と
に応じて決定される。

【００２５】回折レンズの実際の微視的な形状を示す光
路長の断続的な付加量Δφ'(ｈ)は、連続的な付加量Δ
φ(ｈ)から波長の整数倍の成分を差し引いて以下の式の
ように表される。付加量Δφ'(ｈ)、Δφ(ｈ)の単位は
波長λである。 Δφ'(ｈ)＝(ＭＯＤ(Δφ(ｈ)＋Ｃ，±１)−Ｃ) ここで、関数ＭＯＤ(ｘ，ｙ)はｘをｙで割った余りを表
し、Ｃは輪帯の境界位置の位相を設定するための定数
(０≦Ｃ＜１)、λは使用波長である。なお、関数ＭＯＤ
の除数±１の符号は、被除数Δφ(ｈ)＋Ｃと同符号とな
る。(ＭＯＤ(Δφ(ｈ)＋Ｃ，±１)＝０となるｈの点が
輪帯の境となる。回折レンズ面の各輪帯の勾配や境界の
段差は、ベース形状の上に上記の光路長の断続的な付加
量Δφ'(ｈ)を付加した形状となるように決定される。

【００２６】図３は、回折レンズ面の微視的形状を示す
断面の説明図であり、破線で示される屈折レンズとして
のベースカーブを表す巨視的形状に対して断続的な付加
量が実線で示すように付加される。光軸からの高さｈの
位置でのベースカーブと微視形状との段差量Ｓは、光路
長付加量Δφ'(ｈ)をレンズと空気との屈折率差で割る
ことにより求められる。例えば、ｈ＝17.000の位置で
は、表３からΔφ(17.000)＝-52.771である。Ｃ＝0の場
合、微視形状Δφ'(17.000)は、上記の式から以下のよ
うに求められる。 Δφ'(ｈ)＝(ＭＯＤ(-52.771＋0，-１)−０) ＝-0.771

【００２７】したがって、この位置での段差量Ｓは、以
下のように求められる。Ｓ＝|Δφ'(ｈ)／(ｎ−１)|＝
0.771×0.00078／(1.48617-1)＝0.00124 (mm)なお、上
記の表３では、高さｈが整数となる位置での付加量Δφ
(ｈ)のみを示したが、高さに対して付加量は連続的に変
化するものであり、回折レンズ構造が付される全範囲の
各高さｈに対して付加量Δφ(ｈ)は一義的に決定され
る。

【００２８】図４は、上述した実施形態の構成による走
査光学系の(Ａ)直線性誤差、(Ｂ)像面湾曲(破線：主走
査方向、実線：副走査方向)、そして(Ｃ)走査線の副走
査方向の湾曲をそれぞれ示す。走査線の副走査方向の湾
曲は、光軸から副走査方向に上下に離れた位置を走査す
る２本の走査線の位置を光軸を通る走査線からの差とし
て示している。各グラフの縦軸は像高(走査対象面上で
の走査スポットの光軸との交点からの高さ)、横軸は各
収差の発生量であり、単位は縦軸、横軸いずれもｍｍで
ある。

【００２９】また、図５は、回折レンズ構造を付加した
走査レンズを利用した実施形態の走査光学系と、同様の
構成を有して回折レンズ構造を付加しない走査レンズを
備えた比較例の走査光学系との性能を比較したグラフで
ある。両光学系は、設計波長を７８０ｎｍとして設計さ
れており、設計波長通りの光源を利用する場合には性能
に差はない。グラフは、設計波長７８０ｎｍ±１５ｎｍ
の誤差があった場合の主走査方向のスポット位置のずれ
を示している。すなわち、７９５ｎｍの光源を利用した
場合のスポット位置を基準位置として縦軸の像高とし、
同一の入射角度で７６５ｎｍの光源からの光束を入射さ
せた場合のスポット位置の基準位置からの差を横軸のス
ポット位置のずれとして示している。

【００３０】倍率色収差が補正されていない比較例の光
学系では、破線で示されるように誤差が大きくなるにし
たがって走査位置の変化が大きくなるが、実施形態の光
学系は倍率色収差が補正されているため、光源の発光波
長の設計波長からの誤差が大きくなっても図中実線で示
されるようにスポット位置の変化を小さく抑えることが
できる。

【００３１】なお、上記の実施例では、回折レンズ構造
を凹面である第１レンズの第１面に付加する例について
のみ説明したが、第２レンズの第１面のような平面に付
加することも可能であるし、平板状の素子に回折レンズ
構造を付加して色収差の補正されていない走査光学系に
追加して設けることもできる。

【００３２】また、色収差は上記のような書き込み用の
光学系のみでなく、白色光を照明光として用いるような
走査型の読み取り光学系でも問題となるため、実施形態
の走査レンズはこのような読み取り光学系にも適用する
ことができる。読み取り光学系に適用する場合には、読
み取り対象物からの光を走査レンズを介してポリゴンミ
ラー等の偏光器に入射させ、この偏光器で反射された光
をフォトダイオード等の受光素子により一点で受光する
よう構成する。この構成において、走査レンズとして上
述した実施形態と同様の回折レンズ構造を少なくとも一
面に有するレンズを利用することにより、走査レンズの
屈折レンズとしてのパワーにより発生する倍率色収差を
補正することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、走査光学系を構成する走査レンズの少なくとも一面
に回折レンズを設けて屈折レンズ部分の倍率色収差を補
正する構成としたため、既存の単一ビーム用の走査レン
ズの枚数を増やすことなく、光源の発光波長のバラツキ
による描画性能の劣化を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる回折型色収差補正走査光学
系の実施形態を示す主走査方向の説明図である。

【図２】図１の光学系の副走査方向の説明図である。

【図３】回折レンズ面の微視的な断面形状を示す説明
図である。

【図４】実施形態の光学系の収差図であり、(Ａ)が直
線性誤差、(Ｂ)が像面湾曲、(Ｃ)が走査線の湾曲を示
す。

【図５】実施形態の光学系と回折レンズ構造を持たな
い比較例の光学系との波長の違いによるスポット位置の
ずれを示すグラフである。

【符号の説明】

１半導体レーザー４ポリゴンミラー２０ｆθレンズ２１第１レンズ２１ａ回折レンズ面２２第２レンズ２３第３レンズ５走査対象面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源から発した光束を偏向す
る偏向器と、該偏向器により偏向された光束を走査対象
面上に結像させる走査レンズとを備え、前記走査レンズ
は、屈折レンズとして正のパワーを有すると共に、少な
くともー面に回折レンズ構造を有し、該回折レンズ構造
は、前記走査レンズの屈折レンズとしてのパワーにより
発生する倍率色収差を補正する作用を有することを特徴
とする回折型色収差補正走査光学系。
【請求項２】前記光源は、前記走査対象面上で互いに
異なる位置に結像する複数の光束を発することを特徴と
する請求項１に記載の回折型色収差補正走査光学系。
【請求項３】前記回折レンズ構造は、光軸を中心とす
る回転対称な輪帯状のパターンを有することを特徴とす
る請求項１に記載の回折型色収差補正走査光学系。
【請求項４】前記回折レンズ構造は、前記走査レンズ
の回転対称なレンズ面に形成されていることを特徴とす
る請求項１に記載の回折型色収差補正走査光学系。
【請求項５】前記回折レンズ構造は、前記走査レンズ
の最も前記偏光器側のレンズ面に形成されていることを
特徴とする請求項１に記載の回折型色収差補正走査光学
系。
【請求項６】読み取り対象物からの光を走査レンズを
介して偏光器に入射させ、該偏光器で反射された光を受
光素子により一点で受光する読み取り用走査光学系にお
いて、前記走査レンズは、屈折レンズとして正のパワーを有す
ると共に、少なくともー面に回折レンズ構造を有し、該
回折レンズ構造は、前記走査レンズの屈折レンズとして
のパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有
することを特徴とする回折型色収差補正走査光学系。
【請求項７】屈折レンズとして正のパワーを有すると
共に、少なくともー面に回折レンズ構造を有し、該回折
レンズ構造は、前記走査レンズの屈折レンズとしてのパ
ワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有する
ことを特徴とする回折型走査レンズ。