JPS6244713A - 解像度可変走査光学系の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はシリンドリカルレンズを用いた面倒れ補正付走
査光学系に係り、特にシリンドリカルレンズの像面わん
曲によるスポット径の変動を最少にしつつ、走査スポッ
ト径を制御することによって良好な解像度可変光学系を
実現するものである。

〔発明の背景〕

本発明の詳細な説明を行う前に、面倒れ補正付走査光学
系の例としてレーザビームプリンターをとりあげ、その
従来技術を説明する。

第１図は従来のレーザビームプリンターの概略構成を示
す斜視図である０図面においてレーザダイオード１は、
レーザ駆動回路２によってパルス変調制御されたレーザ
ビームを発出する。レーザダイオード１から発出したレ
ーザビームはコリメータレンズ３によって平行ビームに
され、回転多面鏡５で偏向走査され、Ｆθレンズ６によ
って絞られて光導電性感光ドラム７の被照射面上に結像
して微小なビームスポットを形成する。電子写真記録方
式のレーザビームプリンターにおいては、感光ドラム７
の周囲に電子写真プロセスに必要な帯電器９．ｑ機器１
０．転写＠１１等が配置される。すなわち、図示せざる
駆動源によって矢印の方向に回転させられる感光゛ドラ
ム７の表面は、帯電器９によって均一に帯電され、次に
前述の走査露光光学系によってレーザビームで走査露光
されて静電潜像が形成される。現像器１０は磁性微粉ト
ナーによる１成分現像剤または磁性キャリアと微粉トナ
ーを混合した２成分現像剤を磁気ロールに吸着した磁気
ブラシにより前記光導電性感光ドラム７を摺擦して静電
潜像を現像し、感光ドラム上にトナー像を形成する。一
方図示せざる給紙機構によって搬送される記録紙１２は
感光ドラム７と接触し、静電転写器１１によって感光ド
ラム表面上のトナー像を転写される。以上のプロセスに
よってレーザービームプリンターは、所定の情報を記録
紙に記録することができる。更にこれらの機能を制御す
るものとして、変調信号の同期をとるための反射鏡１３
．光検出器１４．同期信号発生回路１５．印字信号制御
回路１６１回転回転鏡駆動モータの制御回路１７などが
配置される。

ｉ　　　　　′″″′″４゛７′−″′ｌ？−Ａｆ“）
＞！ｌ　−（Ｄｔ１″！″′光学系（以下走査光学系と
称する）における、回転多面鏡に着目し、その機能を説
明する。回転多面鏡は定速回転しながら各反射面でレー
ザビームを偏向走査するが、その形状２寸法１回転数等
は走査光学系の必要機能によって決定されるものである
。以下第２図においてその関係を述べる。第２図は第１
図に示したレーザビームプリンターの概略構成中、走査
光学系だけを抽出し、第１図で定義したＸ’ｊＺ座標軸
に従って、ＸＺ平面およびｙｚ平面に分割投影したもの
である。第２図において、ドラム周速Ｖは、プリンター
の印字速度感光ドラム７の感度特性、レーザダイオード
１の出）力によって決定される。すなわち高速印字を行
なうには、ドラム周速を速くする必要があり、感光ドラ
ム７が高感度である程、またレーザダイオード１が高出
力である程高速印字が可能となる。一方回転多面鏡５の
面数は走査光学系の走査幅ＷおよびＦθレンズ６の焦点
距離ｆθによって決定される。すなわちＦθレンズ６は
回転多面鏡から偏向されたビームの偏向角度θｍに対し
、感光ドラム７の被照射面上の走査位置ＸがｆθＸθｍ
になるように設計されたものであり、Ｗとｆθが与えら
れると２θｍ＝Ｗ／ｆθなる関係式によって偏向角が決
定され、これによって回転多面鏡の面数ＮｍはＮｍ＝２
π／θｍなる幾可学関係式で決定づけられるものである
。次に回転多面ｆｉ５の回転数Ｎは副走査方向の走査線
密度とドラム周速Ｖおよび多面鏡の面数Ｎｍによって決
定される。すなわち走査線密度を上げて高解像印字を計
ろうとする程、多面鏡の面数が少い程高速回転を要求さ
れる結果になる。近年レーザビームプリンターは市場の
要求から、高速印字、高解像度、装置の小形。

低価格化を進める動向にあるが、これらの要求は、上述
した内容から明白であるように２回転多面鏡が少い面数
すなわち大きな偏向角度で、高速回転することを求める
結果になっている。また、高解像度の画像記録を実現す
るには、レーザビームを正確に偏向走査しなければなら
ないがこれに対して回転多面鏡５は各反射面の法線と回
転軸の角度が一定でない、いねゆる面倒れを有するもの
であり、これがあるとビームスポットの走査位置が感光
ドラム７の回転方向にずれて走査線ピッチむらが生ずる
。第２図（ｂ）はこの関係を示すものであり、例えば回
転多面鏡５が面倒れ角φ／２を有する場合、偏向された
走査ビームは光軸に対して角度φの倒れを生じ、結果的
に感光ドラム７の被走査面上でドラムの回転方向に対し
てδの走査ピッチ線むらを生ずることになる。

この走査線ピッチむらを防止するためには回転多面鏡を
高精度に製作して面倒れを極めて小さくしなければなら
ない。例えば回転多面鏡５と感光ドラム７の被照射面間
の距離が５ｏＯＩＩＩ！１．被照射面上で許容できる走
査線ピッチむらを±０．Ｏ１ｍとすると、Ｆθレンズの
パワーによる補正効果を無視した場合回転多面ｆｉ５の
許容面倒れ角はとなる。Ｆθレンズのパワーを考慮して
もこの値は通常±３秒程度のものであり、この許容角は
回転多面鏡加工精度の限界に近く、得られる回転多面鏡
は極めて高価なものとなる。従って高解像度の走査光学
系を実現するためには回転多面鏡の面倒れを少くするか
、あるいは光学系で補正する必要があり、これら対し従
来幾多の提案がなされている。その−例として特開昭５
２−１５３４５６では、面倒れ補正にシリンドリカルレ
ンズを用いＦθレンズに入射する走査ビームの断面形状
を、走査方向に長い矩形状にすることを提案している。

次にその内容を実施した例を具体的に説明する。

第３図は第１図で示した従来の走査光学系に。

特開昭５２−１５３４５６で提案する面倒れ補正方式を
適用した例を示す斜視図である。第３図ではＦθレンズ
６と感光ドラム７の被照射面間に、シリンドリカルレン
ズ８を配し、コリメータレンズ３と回転多面鏡５の間に
プリズム２ケによるビーム整形器４を配した点で第１図
と構成が異なっている。

すなわちシリンドリカルレンズ８は回転多面鏡５の面倒
れによるレーザビームの偏向走査位置ずれを光学的に補
正するもので、その面倒れ補正機能を第４図を用いて説
明する。

第４図において回転多面鏡５の面倒れ角φｙ／２に対応
する偏向走査位置ずれ量は、シリンドリカルレンズ８を
用いない場合をδ、シリンドリカルレンズ８を用いた場
合をδＣとすると大略但しｆθ：Ｆθレンズ６の焦点距
離 ｆニジリントカルレンズ８ の焦点距離 の関係になる。従ってＦθレンズ６の焦点距離に対して
シリンドリカルレンズ８の焦点距離が充分に短かければ
、相当量の面倒れ補正をなし得るものである。

次に第５図によって上述の面倒れ補正機能付走査光学系
における走査ビームスポットの形成過程および、プリズ
ムを用いたビーム整形器４の機能を説明する。第５図は
、第３図で示した走査光学系のレーザビーム光路のｙｚ
面図、ｘｚ面図、およびＸ’／断面図である。レーザダ
イオード１から出射するレーザビームの放射角度は通常
、Ｘ方向とｙ方向にそれぞれ異なった値を示す、ここで
はＸ方向に広い放射角度をもつ場合について説明する。

したがってこの場合、コリメータレンズ３から出射する
レーザビームの断面寸法、ｄｘｌ。

ｄｙｌもｄｘｌ＞ｄｙｌとなる。そして感光ドラム７の
表面にｄｘ３．ｄｙ３のレーザビームスポットを形成す
る場合、Ｘ２面においては但し　　ｆθ：Ｆθレンズ６
の焦点距離λ：レーザビームの波長 となり、ｄｘ３＝０．０７　　（ｍｍ）の微小なレーザ
ビームスポットとするためには、λ＝０．７８Ｘ１０−
３（ｎｎ＋）、ｆθ＝２５０（ａｍ）とすると、ｄｘ２
＝３．６　（ｍｍ）となる。さらにｙｚ面においてはｄ
ｙ２はＦθレンズ６を通過しても殆んど平行光束で保持
できる程度の大きさにしておく。すなわちＦθレンズの
光集束性と目新現象による光発散性とがつり合う程度に
しておく。このためには を満足するようにｄｙ２を選ぶ。λ＝０．７８Ｘ１０−
８（＋ｎｍ）　　ｆθ＝２５０（ａｔ）　とすると、ｄ
　ｙ　３＝０．５　（＋ｍ）となる。ｄｙ３＝０．０７
（ＩＩＩＩ＋）とするためには、シリンドリカルレンズ
８の焦点距離ｆは となり、上記寸法の場合にはｆ＝３５．１　　（＋ｍ＋
）となる、このようにして感光ドラム７の表面に、ｄｘ
３＝ｄｙ３＝０．０７　（＋ｎ）の円形のレーザビーム
スポットが得られる。光整形器４は要求されるビーム径
ｄｙ２を得るために用いられるものでありｙｚ面内での
み屈折力を持つようにプリズムを２ヶ組み合わせて構成
される。

以上、特開昭５２−１５３４５６で提案する面倒れ補正
付走査光学系の構成およびその機能を詳細に説明したが
、次にこのような光学系において走査スポット径を安定
させると共に解像度に応じて適切な径を得るための基本
的問題点を列挙する。

レーザビームプリンターの解像度を高めるためには前述
したポリゴンミラーの面倒れ番こよる走査線ピッチむら
を補正するだけでなく、感光ドラム上を走査するスポッ
トの径が一定していることが要求される。しかしながら
、面倒れ補正にシリンドリカルレンズを用いることによ
って必然的に発生する像面わん曲があり、これが走査方
向のスポット径を変動させる要因になる。以下第６図に
よって像面わん曲の影響を説明する。

第６図は面倒れ補正付走査光学系のｘｚ面を示す図であ
る。第６図において、回転多面ｍ５によって角度ｒｘに
偏向されたレーザビームはＦθレンズ６でｘ＝ｆθ・ψ
Ｘなる関係を満足するように歪補正されて角度ψＸでシ
リンドカルレンズ８に入射する。レーザビームが±ｒｘ
の範囲で偏向走査されるとシリンドリカルレンズ８によ
る結像位置が偏向走査の中央部と両端部で前後（Ｚ）方
向にずれる、いわゆる像面わん曲を生ずる。この］　　
　　　　　像Ｗｔ）Ａ″ＩＩＩ＜、１結像位置０ずｔＬ
Ｊｌ　ｄ　ｚ　４ｔ・ここで　ｒｏ＝６ｆ で与えられる量である。ｄｚがシリントリスルレンズ８
の焦点深度に対して充分に小さい値であれば実用上の問
題はないが１面倒れ補正効果を高めるためにシリンドリ
カルレンズ８の焦点距離ｆを短かくすると焦点深度が浅
くなるので、像面わん曲の影響が現われ、感光ドラム７
の被照射面に形成されるビームスポットの形状が偏向走
査位置によって無視できない程に変化する。

像面わん曲の影響を少くする手段としては、図に示すよ
うにシリンドリカルレンズ８によるレーザービームの結
像位置（結像面１８）を感光ドラム７に対する偏向走査
方向の位置Ｂ、Ｄでその被照射面に一致させ、中央部Ｃ
と両端部Ａ、Ｅでのずれ量ｄｚを等しくする方法が一般
的にとられる。

すなわち、感光ドラム７とシリンドリカルレンズ８の相
対位置関係を、像面わん曲による結像位置ずれ量が、偏
向走査方向で平均化するように配置すれば良いわけであ
る。

次に解像度を高めるためには、印字信号の印字ドツト密
度、すなわち走査線ピッチに対応した適切な大きさのビ
ームスポットで走査することが必要とされる。一方、印
字ドツト密度はレーザビームプリンターを使用するホス
ト側、例えばワードプロセッサ、パーソナルコンピュー
タ等の機樹によって異なっており、８ｄｏｔ／ａｍから
２０ｄａｔ／ｗ程度まで多種類の用途があり、レーザビ
ームプリンターは、これらのいずれにも対応可能である
ことが望まれる。

解像度を可変とするには、回転多面鏡５の回転数を変え
る手段と、印字信号制御装置１６の信号処理タイミング
を変える手段とビームスポットの大きさを変える手段が
あれば良い。

・また、ビームスポットの大きさを変えるにあたっては
、第５図に示したビームスポット径ｄｘ３゜ｄｙ３のう
ち、走査方向と直角な方向のスポット径ｄｙ３だけに着
目して考えれば良い、すなわち。

走査方向のスポット径ｄｘ３は、レーザ駆動回路２の変
調デユーティ、つまりレーザビームの発光時間を制御す
ることによって実効的に変化するものであり、発光時間
を長くすれば実効的にビームスポット径ｄｘ３は大きく
なる。

従って、解像度可変な走査光学系を構成するには次の３
点が要求課題となる。

（１）　走査線ピッチむらが少いこと。

（２）走査幅内でビームスポット径が変化しないこと。

（３）走査と直角な方向のスポット径が可変であること
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は前述した要求課題を満たして。

解像度可変な走査光学系を実現することにある。

〔発明の概要〕

要求課題を満たすために１本発明においては次のような
方法を用いる。

（１）走査線ピッチむらを少くする方法として先に説明
したようにシリンドリカルレンズによる面倒れ補正付走
査光学系とする。

（２）走査幅内でのスポット径変動は、シリンドリカル
レンズの像面わん曲が原因である。

従って前述したように、シリンダレンズの焦点位置をド
ラムに対して適切な位置に配して、像面わん曲による結
像位置ずれ量を平均化する。

（３）走査方向と直角な方向のビームスポット径ｄｙ３
は（４）式に示すようにシリンドリカルレンズへ入射す
るビーム径ｄｙ２を変えることによって可変となる。い
ずれにしても、ｙｚ面内のビーム径を、光路途上で開口
絞りを用いて可変にすれば良い。

しかしながら、前述したように本走査光学系においては
、ｙｚ面内のプリズム出射ビーム径ｄｙ２を０．５　ｍ
程度としたが、この程度の大きさのビームは回折によっ
て拡がるものであり、上記（３）項に述べたように開口
絞りでｄｙ２を変えた時、回折で拡がったビームは、シ
リンドリカルレンズへ入射する時、必ずしも平行になら
ないと考える必要がある。このことは、シリンドリカル
レンズの結像位置が変わることを意味しており、上記（
２）項の内容と併せて最適化を計る工夫が必要になる。

レーザビームの回折による拡がりは、次の式で与えられ
る。

ここで　Ｗ０＝ビームウェスト径 Ｗ：ビームウェストから距離Ｘ離れ た位置でのビーム径 λ：波長 Ｘ：ビームウェストからの距離 これをＸ＝１ｍとして計算した例を第７図に示す、すな
わち０．５１のレーザビームは出射後１ｍで、約４倍に
拡がって２■になることがわかる。

またビーム径が１１以上になると、拡がりの影響は殆ん
どなくなる。

以上のことを総合的に考えると次の結論が出る。

（１）　プリズム４を出射したビーム径ｄｙ２が１１以
上の場合、回折による拡がりは殆どなく、Ｆθレンズで
中ば絞られた形でシリンドリカルレンズに入射するため
、走査ビーム径ｄｙ３は小さく、結像位置はシリンドカ
ルレンズの焦点距離より手前になる。

（２）　プリズム４を出射したビーム径ｄｙ２が０．５
ｍｓ以下の場合、回折による拡がりが大きく、Ｆθレン
ズでは殆んど絞られずにシリンドリカルレンズへ入射す
るため、走査ビーム径ｃｔｙａは小さく、結像位置はシ
リンドリカルレンズの焦点距離より後方に　。

なる。

（３）　プリズム４を出射したビーム径ｄｙ２が。

０．５ｍｍ　から１ｍの間で、回折による拡がりとＦθ
レンズの集束力がバランスしてシリンドリカルレンズへ
平行に入射する条件が成立し、走査ビーム径ｄｙ３は上
記２例の中間となり、結像位置はシリンドリカルレンズ
の焦点距離と一致する。

このような傾向は面倒れ補正にシリンドリカルレンズを
用いた光学系においては普遍的に生ずるものであり、特
にビーム径ｄｙ２を変えてビームスポット径ｄｙ３を可
変にする場合、回避できない問題点である。

従って本発明においてはシリンドリカルレンズの結像位
置の変化に対応して、シリンドリカルレンズを光軸方向
（２方向）に移動可能な構造を採用する。すなわち、ビ
ームスポットを大きくしたい場合にはプリズム出射ビー
ム径ｄ７２を大きくすると共に、シリンドリカルレンズ
の焦点位置をドラムに対して近ずれることによって、像
面わん曲による結像位置ずれを平均化する。逆にビーム
スポットを小さくしたい場合には、プリズム出射ビーム
径ｄｙ２を小さくすると共に、シリンドリカルレンズの
焦点位置をドラムに対して遠ざけることによって像面わ
ん曲による結像位置ずれを平均化する。

以上の操作によって、解像度に応じてビームスポット径
を可変すると同時に、シリンドリカルレンズの像面わん
曲による、ビームスポット径の走査方向における変動を
防止することができ、良好な解像度可変走査光学系を実
現するものである。

〔発明の実施例〕

以下第８図に従って本発明の詳細な説明する。

第８図は本発明になる解像度可変走査光学系の一実施例
を示すものであり、前述したように、解像度を可変にす
るにはビームスポット径のうちｙｚ面内にだけ着目すれ
ば良いので、第８図も光学系のｙｚ断面のみを示した。

第８図において従来例と異なる点は、コリメータレンズ
３とビーム整形器４との間に可変開口絞り１９を配した
点および焦点距離の異なる数種のシリンドリカルレンズ
を用いることにした点である。

第８図（ａ）において可変開口絞り１９は開口幅が最大
になる位置にあり、この時ビーム整形器４から出射する
ビームも最大径となる。例えばこの時のビーム径を１＋
＋ｍ程度とすると、この場合は回折による拡がりを殆ん
ど持たず、Ｆθレンズ６である程度絞られた形でシリン
ドリカルレンズ８に細いビームとして入射する。従って
感光ドラム）　　　　　　７の被照射面上では最も大き
なビームスポットが得られ、平行ビームが入射した時よ
り、結像位置はドラムの手前側にくる。従ってシリンド
リカルレンズ８ａの焦点距離ｆａはやや長めのものを用
い、なおかつ像面わん曲による結像位置ずれｄｚが走査
幅全域にわたって平均化するように（例えば第６図に示
す位置関係）配置する６ 第８図（ｂ）では可変開口絞り１９をθ□だけ傾斜させ
てビームを若干絞り、例えばビーム整形器４からの出射
ビーム径を０．６ｍ程度とすると、この場合ビームは回
折によって若干波がるがＦθレンズ６のパワーとバラン
スを保って、シリンドリカルレンズ８へは第８図（ａ）
よりは若干太くて平行なビームとして入射する。従って
感光ドラム７の被照射面上では第８図（ａ）よりもやや
細いビームスポットが得られ、この時シリンドリカルレ
ンズ８と感光ドラム７との間隔は、はぼシリンドリカル
レンズ８の焦点距離ｆと同じであり、なおかつ像面わん
曲の影響を平均化する位置関係に配置する。この結果シ
リンドリカルレンズ８ｂは第８図（ａ）よりもやや短か
い焦点距離ｆｂのものを用いることになる。

第８図（ｃ）では可変開口絞り１９を更にθ２まで傾斜
させてビームを最も細く絞り、例えばビーム整形器４か
らの出射ビーム径を０．５ｍｎ以下とすると、この場合
ビームは回折によって大きく拡がり、Ｆθレンズ６を通
過してもまだ拡がり傾向のままでなおかつ最も太いビー
ムとしてシリンドリカルレンズ８ｃへ入射する。従って
感光ドラム７の被照射面上では、最も細いビームスポッ
トが得られ、この時シリンドリカルレンズ８ｃの結像位
置はドラムの後方にくる。従ってシリンドリカルレンズ
８ｃの焦点距離ｆｃは最も短かいものを用い、なおかつ
像面わん曲の影響を平均化する位置関係に配置する。

以上の結果シリンドリカルレンズの焦点距離はそれぞれ
の解像度に応じて、ｆｂを標準値としてｆ　ａ＞　ｆ　
ｂ＞　ｆ　ｃなる関係をもつ。

以上説明したように本発明になる走査光学系においては
可変開口絞りの調整、シリンダレンズの交換２回転多面
鏡の回転数変更、印字信号処理のタイミング変更を組み
合わせることによって、回転多面鏡の面倒れを補正しつ
つ、走査ビームスポット径を可変にし、あわせてシリン
ドリカルレンズの像面わん曲の影響を排除した、良好な
性能を持つ解像度可変走査光学系を実現することができ
る。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明になる解像度可変走査光学系
は次に示すような効果を有するものである。

（１）　回転多面鏡の面倒れを補正し、走査線ピッチむ
らを少くして良好な画像を得ることができる。このこと
は反面回転多面鏡の製作精度をゆるめて、回転多面鏡の
製作コストを下げる効果にもなる。

（２）　走査ビームスポット径の大きさを変えることが
できるので、多様な解像度に対応して最適なビームスポ
ット径を設定できる。

（３）走査ビームスポット径が走査幅全域にわたって最
も安定する条件を選択できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザビームプリンターの概略構成を示
す斜視図、第２図はそのｘｚ、ｙｚ面投影図、第３図は
面倒れ補正光学系付レーザビームプリンターの概略構成
を示す斜視図、第４図はそのｙｚ面投影図、第５図はｙ
ｚ面、１２面、１７面の展開図、第６図はＸＺ面投影図
、第７図はレーザビームの目新による拡がりを示すグラ
フ、第８図は本発明になる解像度可変走査光学系のｙｚ
面構成図である。 １・・・レーザダイオード、２・・・レーザ駆動回路、
３・・・コリメータレンズ、４・・・プリズムによるビ
ーム整形器、５・・・回転多面鏡、６・・・Ｆθレンズ
、７・・・感光ドラム、８・・・シリコントリカルレン
ズ、９・・・帯電器、１０・・・現像器、１１・・・転
写器、１２・・・記録紙、１３・・・反射鏡、１４・・
・光検出器、１５・・・同期信号発生回路、１６・・・
印字信号制御回路、１７・・・回転多面鏡駆動モータの
制御回路、１８・・・シリンドリカルレンズの結像面、
１９・・・可変開口絞り。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、レーザ光源と、光源から出射したビームを整形する
   手段と、整形されたビーム偏向走査する手段と、偏向ビ
   ームを走査面上に結像させる結像レンズと、前記偏向手
   段の偏向方向と直角な方向の倒れによる走査線ピッチむ
   らを補正するためのシリンドリカルレンズからなる走査
   光学系において、結像レンズへ入射するビームの、走査
   と直角な方向の径を可変にする手段および、焦点距離の
   異なるシリンドリカルレンズとの組み合わせによつて走
   査スポット径を変化させることを特徴とする解像度可変
   走査光学系の製造方法。