JPS63142317A - 光ビ−ム走査装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ビームによる走査を行う光ビーム走査装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

光ビームを用いた走査装置において、光ビームの偏向装
置として回転多面鏡などのように偏向面が回転軸に対し
て倒れ得るものを用いる場合、上記偏向面の倒れによっ
て、光ビームが走査方向と垂直な方向にずれ、走査線の
ピッチむらを生じる。

これを補正するために、走査方向と垂直な面内では、偏
向面と被走査面（像面）とが共役関係になるような結像
光学系を用いることが、例えば特公昭５２−２８６６６
号によりよく知られている。

一方、上記光学系には、走査方向面内で光ビームが被走
査面上を等速度走査するように適当な歪曲収差を発生さ
せるとともに、上記被走査面上の光ビームの大きさが走
査点によらず均一になるように、像面わん曲を補正する
という機能が要求される。上記のように、走査方向の特
性とこれに垂直な方向の特性とを同時に持たせるには、
両方向でパワーが異なる光学系が必要になり、多くの場
合シリンドリカルレンズ等が用いられる。

一方、光学系をコンパクトにするためには、レンズ枚数
を少なくするとともに、光ビームの偏向角を大きくする
ことが望ましい。レンズ枚数を少なくしシンプルにした
光学系としては、母線が互いに直交する２つのシリンド
リカルレンズで構成したもの（特開昭５５−１５１３１
号）や１球面レンズと長尺シリンドリカルレンズで構成
したもの（特開昭５８−９３０２１号）などが知られて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の光学系は、構成がシンプルであるが
、偏向角が±２０°〜±２５°程度の比較的小さいもの
であった。光学系のコンパクト化のために偏向角の拡大
（±４０°〜±５０°）を実現するには、従来の光学系
ではつぎのような問題があった。

従来、偏向光学系に要求される性能のうち、像面わん曲
と歪曲収差は単レンズまたは１つの組レンズで補正され
、偏向装置の面倒れの補正は長尺のシリンドリカルレン
ズで行われている。

しかし、シリンドリカルレンズは、走査方向に垂直な方
向（以後、副走査方向という）の断面での像点位置が走
査端では感光面からずれる。すなわち、副走査方向像面
わん曲が大きく発生し、偏向角の増大とともに急激に増
大して許容できない量になる。例えば、シリンドリカル
レンズを被走査面から２０１１Ｉ１１程度に配置すると
き、偏向角±２０゜では像面わん曲は約２ｍｍであるが
、±４５’では約１０ｍｍとなる。像面わん曲の許容値
は±２冊程度であるといわれており、１０噛では許容値
をはるかに越えることになる６ 第８図はシリンドリカルレンズの副走査方向像面わん曲
の様子を示す図である。図示のように、走査中央に入射
するビーム９に対し、走査端に入射するビーム１０は角
度θをなしているため、シリンドリカルレンズから被走
査面までの距離が長くなるとともに、ビームがシリンド
リカル面を斜めに通過するとき、見掛けの曲率が強くな
り集束位置がレンズに近づく、そのため、シリンドリカ
ルレンズ１１による集束位置は走査線１２から外れたも
のになる。

また、主走査方向像面わん曲と歪曲収差の補正では、従
来のように、小偏向角では球面単レンズで構成すること
も可能であったが、偏向角が大きくなるにしたがって収
差が増大し、球面単レンズでは補正できなくなる。

上記のように、従来の技術では、レンズ枚数を極力おさ
え、シンプルな構成のまま偏向角を大きくすることは困
難であった。

本発明の目的は、シンプルな構成で広偏向角の光学系を
実現し、小形にまとめられた光ビーム走査装置を得るこ
とにある６ 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、偏向装置と被走査面との間の光学系として
、偏向装置から順に、両面とも球面である第１のレンズ
と、一方はトーリック面で他方が軸対称非球面からなる
第２のレンズとで構成し、上記第２のレンズは例えば射
出成形のような製法が可能なプラスチック材料で形成し
、上記第１のレンズと偏向装置の反射面との距離が、偏
向装置の反射面と被走査面との距離の０．２５倍以上と
なるように構成することにより達成される。

上記トーリック面は、主走査方向断面では比較的大きい
曲率半径の円弧であり、副走査方向断面では比較的ホさ
い曲率半径の円弧であるような鞍型の面である。

〔作　　用〕

上記のような構成において、第１のレンズである球面レ
ンズは主走査方向像面わん曲と歪曲収差を大略補正し、
第２のレンズの非球面は主走査方向像面わん曲と歪曲収
差の残留分とを補正する作用を行う。

第２のレンズのトーリック面は、副走査方向断面内にお
いて、偏向装置の反射面と被走査面とを共役関係に保ち
、偏向装置の面倒れを補正する作用を行う。

また、上記トーリック面は、主走査方向断面内において
副走査断面とは逆符号の比較的弱い曲率を有することに
より（鞍形形状になる）、走査端に行くにしたがって副
走査断面での曲率が大きくなり、シリンドリカル面の場
合に比べて集束点がレンズから遠くに行くため、像面わ
ん曲が補正される。上記第２のレンズは、例えば射出成
形のような製法が可能であるプラスチック材料で形成す
ることにより、製作を容易なものとしている。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による光ビーム走査装置の実施例を示す
構成図、第２図はトーリックレンズの像面わん曲を示す
概念図、第３図はトーリックレンズの曲率と像面わん曲
との関係を示す図、第４図は球面レンズ位置に対する像
面わん曲、歪曲収差の変化を示す図、第５図は非球面係
数に対する像面わん曲、歪曲収差の変化を示す図、第６
図（ａ）、（ｂ）は本発明実施例の性能を示す図、第７
図は本発明の他の実施例を示す構成図である。第１図に
おいて本実施例は、光源１．結合レンズ２、シリンドリ
カルレンズ３．偏向装置４、球面レンズである偏向系筒
１のレンズ５、トーリック面と軸対称非球面を有する偏
向系筒２のレンズ６、感光ドラム７により構成されてい
る。

光源１から発散される光ビームは結合レンズ２によりほ
ぼ平行光束となるように形成され、シリンドリカルレン
ズ３により偏向袋＠４の反射面８上に線像を結ぶ。上記
反射面８で反射された光ビームは第１のレンズ５、第２
のレンズ６の順に通過して感光ドラム７に達し、感光ド
ラム７の面上で１点に集束される。

つぎに１本実施例の動作について説明する。光源１は本
実施例では半導体レーザ光源であり、上記光源１からの
ビームは発散されるように放射される。結合レンズ２は
、上記発散される光ビームをコリメートし、はぼ平行光
束にするとともに、その位置の調節によって主走査断面
内で感光ドラム７の面上にビームが集束されるようにピ
ント合わせを行う。シリンドリカルレンズ３は副走査方
向断面内でだけパワーを有し、光ビームを偏向装置４の
反射面８上で１点に集束させる。したがって、光ビーム
は反射面８上で主走査方向に平行な線像になる。

上記偏向装置４は多面鏡であり、図の矢印の方向に回転
し１反射面８の反射角が変ることによって光ビームを偏
向する。１つの反射面に光ビームが照射している間に１
回の走査が行われ、上記偏向装置が１回転する間に反射
面の数だけの走査が行われる。光ビームの偏向角は±４
８″′である。光ビームの偏向走査は偏向装置４の回転
軸にほぼ垂直な平面（主走査面）内でなされ、上記光源
１からシリンドリカルレンズ３までは、その先軸が主走
査面内にあるように配置されている。

球面レンズである偏向系筒１のレンズ５は、その光軸を
主走査面内で走査中央の光ビームにほぼ一致するように
配置され、反射面８で反射された光ビームをほぼ集束さ
せる作用をもつとともに。

後に述べるような収差補正作用を有する。

偏向系筒２のレンズ６は、最終的に光ビームを感光ドラ
ム７上の１点に集束させる作用を行うとともに、トーリ
ック面の副走査方向曲率により反射面８と感光ドラム７
の面とを共役関係にして、反射面８の倒れによる光ビー
ムの副走査方向への振れを防止している。また、偏向系
筒２のレンズ６の非球面は、後述するように残留収差を
補正する作用を行う。本実施例では、上記第２のレンズ
６の感光ドラム側の面を軸対称非球面とし、反対側の面
をトーリック面とした。逆にトーリック面を感光ドラム
７側とし、非球面をその反対側としても同様の効果が得
られる。上記トーリック面の形状は、副走査断面内では
偏向装置４側に凸、主走査断面内では偏向装置４側に凹
の鞍型形状で。

その曲率半径は、副走査断面内では比較的小さく、主走
査断面では比較的大きなものとなっている。

感光ドラム７は、その回転軸を主走査面と平行に配置し
た円柱状で、該円柱の軸を中心に回転し。

光ビームの信号によって帯電された状態を維持し。

つぎのトナー付着、転写のプロセスに搬送するものであ
る。

つぎに、収差の補正作用について説明する。まず、副走
査方向像面わん曲の補正について述べる・第２図はトー
リックレンズの像面わん曲の様子を示す。走査中央の光
ビーム１３に対し走査端の光線１４は角度θをなして第
２のレンズ６を通過するが、トーリック面の定義から、
トーリック面１５の副走査断面の曲率半径は走査中央１
７の場合Ｒｓより走査端１８の場合Ｒ５′の方が大きく
なる。走査端ビーム１４は斜めに通過するためビーム１
４に作用する見掛けの曲率はＲ５′より強くなるが、Ｒ
５′がＲ３に比べ十分大きければ走査端ビーム１４の集
束位置を走査線１６上にくるようにすることができる。

Ｒ＄とＲ５′との差は主走査断面の曲率ＲＩ４で決まる
。

したがって、ＲＭの値を最適に決めることにより、副走
査方向像面わん曲を許容値以下にすることが可能である
。第３図は主走査断面の曲率半径ＲＭに対する副走査方
向像面わん曲の程度を示す図である。横軸はＲＭ、縦軸
は副走査方向像面わん曲を示している。曲線１９．２０
．２１はそれぞれトーリックレンズ位置が感光ドラム７
の面から６０．５０゜４０ｍｍの場合を示している。許
容範囲は斜線で示す領域である。上記のようにして、ト
ーリックレンズ位置により全面わん曲を補正できるＲＭ
の値が決まる。上記像面わん曲は第１のレンズ５のパラ
メータではほとんど変化しない。以上のことは、第２の
レンズ６のどちら側をトーリック面にした場合にもあて
はまる。第３図に示す曲線も曲線の傾きが若干変化する
だけである。本実施例では、感光ドラム７と反対の側の
面をトーリック面としており、上記第３図もこの場合の
曲線を示している。

つぎに、主走査方向像面わん曲および歪曲収差の補正に
ついて説明する。球面レンズ５だけの場合、その位置に
対する主走査方向像面わん曲を実線２２、歪曲収差を破
線２３で第４図に示す。主走査方向像面わん曲の許容値
を実線の範囲２４で示し。

歪曲収差の許容範囲を破線で囲む領域２５に示す。

横軸は球面レンズ５の位置、縦軸は主走査方向像面わん
曲および歪曲収差である。第４図に示すように、主走査
方向像面わん曲は、球面レンズ５の位置によっては許容
値内とすることができないことがわかる。球面レンズ５
の形状を変えても上記の傾向は同じであり、像面わん曲
が最小にまでなる最良形状について図示した。図におけ
る球面レンズの位置は、反射面８と球面レンズ５の反射
面側の面との距離を、反射面８と感光ドラム７の面との
距離に対する比で示した。

一方、第２のレンズ６のトーリック面と反対側の面を非
球面化した場合に、上記非球面の係数に対する主走査方
向像面わん曲と歪曲収差との変化を第５図に示す。図に
おいて、横軸は非球面係数を相対値で示し、縦軸に主走
査方向像面わん曲および歪曲収差を示す。第５図に示す
ように、第２レンズ６の非球面化により主走査方向像面
わん曲と歪曲収差は、互いに逆符号の変化を示すことが
判る。したがって、第２のレンズ６の非球面化により両
収差を補正し得るためには、球面レンズ５による収差と
して、主走査方向像面わん曲と歪曲収差が少なくとも逆
符号に発生している必要がある。このことから第４図を
見ると、第２のレンズ６の非球面化により両収差を補正
し得るためには球面レンズ５の位置として図に示す直線
２６より大きくする。すなわち、０．２５以上にする必
要があることが判る。両収差が逆符号になるのは０．２
以上であるが、第５図に示す両収差の非球面係数による
変化率から０．２５以上は必要である。

上記のように、第１のレンズ５である球面レンズを、反
射面８と感光ドラム７の面との距離の０．２５倍以上の
距離だけ、反射面８から離して配置するとともに、第２
のレンズ６の一方の面を非球面化することにより、収差
を補正できることを見出した。

本実施例における偏向系レンズ形状を以下に示す。

（１）球面レンズ５ ■偏向装置４側曲率半径　　　　　３１０．（１８ｎｗ
ｎ（■感光ドラム側曲率半径　　　　　１８６．２２ｎ
ａ■レンズ厚さ　　　　　　　　　　　２９．６　ｒｍ
ｈ■反射面８と偏向装置側面の距Ｍ５７．２３ｎｎ■硝
材　　　　　　　　　　　　　　ＢＫ７（２）第２のレ
ンズ６ ■偏向装置側トーリック面 主走査方向曲率半径　　　　　　４８２．２７ｍｍ副走
査方向曲率半径　　　　　　１７．６６１ｎｎ（シ感光
ドラム側非球面 中心曲率半径　　　　　　　　　２４１．１７圃非球面
係数　　　　ＣＣ＝　１．５２９０１５５Ａ　Ｅ　＝−
１，１０５５５４Ｘ　１０−”Ａ　Ｆ　＝　２．６０４
１３６　Ｘ　１０’″１２Ａ　Ｇ　＝　１．０８７３７
２　Ｘ　１０−”Ａ　Ｈ＝　−９，０２１３０３Ｘ　１
Ｏ−２１ｑ）レンズ厚さ　　　　　　　　　　　　９．
９３＋ｎｎ＋；α感光ドラム面からの距離　　　　　３
８．６８ｍ＋ｎ■硝材　　　　　　　　　　　　　Ｐ　
Ｍ　Ｍ　Ａ（３）反射面８と感光ドラム面 との距離　　　　　　　　　　　１６５ｍｍ第６図に本
実施例の収差性能を示し、（ａ）は像面わん曲、（ｂ）
は歪曲収差である。像面わん曲は、実線が主走査方向、
破線が副走査方向である。縦軸走査位置は相対値で示し
、最大走査位置１．０では偏向角±４８＠、走査幅は±
１０５＋＋Ｉ＋＋である。

第６図（ａ）、（ｂ）に示すように、像面わん曲、歪曲
収差とも許容値内にあり、良好に収差が補正されている
。

また、本発明は偏向系第２のレンズ６をプラスチックで
作成するものとした。上記第２のレンズ６は一方がトー
リック面で他方は軸対称非球面であり、従来ガラスのよ
うに一品ごとの研磨で作成する場合は製作が困難になる
と考えられる。射出成形のような製法で形成できるプラ
スチック材料を用いることにより、製作が容易になる。

ただし。

この場合、形成されたレンズの面精度が問題であり、上
記面精度の劣化によって、感光ドラム７上のビームスポ
ット径が十分集束されなくなる１面精度劣化の影響は、
上記第２のレンズ６と感光ドラム７との距離が小さいほ
ど小さくなる。したがって、上記第２のレンズ６は、極
力感光ドラム７に近く配置することが望ましいが、近付
きすぎた場合には、トナーの付着等実装上の問題が逆に
生しることになる。本実施例の場合は、上記データに示
したように、第２のレンズ６の感光ドラム側の面と感光
ドラム７の面との距離は約４０膿とした。

なお、第２のレンズ６のトーリック面は必ずしも上記実
施例のように感光ドラム７と反対側に設定する必要はな
く、感光ドラム面側に設定しても同様の効果が得られる
。第２のレンズ６の感光ドラム７側の面をトーリック面
にした場合は、像面わん曲補正のために、上記トーリッ
ク面の形状をやはり鞍型にする必要がある。したがって
、トーリック面の主走査断面での曲率は感光ドラム側に
凹の形状となる。これにつれて、歪曲収差等の補正のた
めには、第２レンズ６の反対側の面も軸対称ながら感光
ドラム７側に凹の形状になる。他の実施例を示す第７図
は、第２のレンズ３０の感光ドラム７側の面をトーリッ
ク面にした場合の構成図である。上記のように、偏向系
第２のレンズ３０は。

感光ドラム７側に凹の形状となり、これに合わせて収差
補正上、第１のレンズ２９も前記実施例とは若干具った
形状になる。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による光ビーム走査装置は、光ビー
ム発生装置と、光ビームの走査を行う偏向装置と、屈折
率が異なる主軸と副軸とを有し、上記発生装置から出射
する光ビームを上記偏向装置による走査平面と平行な線
像として上記偏向装置上に集束するレンズと、上記偏向
装置からの光ビームを集束させる屈折率を有する球面で
構成した偏向系第１のレンズと、光ビームの走査平面内
とこれに垂直な断面内とで異なる曲率を有する曲面、お
よび軸対称な非球面により形成された偏向系第２のレン
ズと、上記光ビームが走査される被走査面とを備え、上
記偏向系第１のレンズの偏向装置側の面と上記偏向装置
の反射面との距離を、上記偏向装置の反射面と上記被走
査面との距離の０．２５倍以上としたことにより、２枚
レンズというシンプルな構成にかかわらず、偏向角を±
４８６　と大きくでき、偏向装置と像面との光路長を従
来の１／２とすることが可能で、小形にまとまった光ビ
ーム走査装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ビーム走査装置の実施例を示す
構成図、第２図はトーリックレンズの像面わん曲を示す
概念図、第３図はトーリックレンズの曲率と像面わん曲
との関係を示す図、第４図は球面レンズ位置に対する像
面わん曲、歪曲収差の変化を示す図、第５図は非球面係
数に対する像面わん曲、歪曲収差の変化を示す図５第６
図は本発明実施例の性能を示す図で、（ａ）は像面わん
曲、（ｂ）は歪曲収差をそれぞれ示す図、第７図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第８図はシリンドリカル
レンズの像面わん曲を示す概念図である。 １・・・光ビーム発生装置 ３・・・シリンドリカルレンズ ４・・・偏向装置 ５・・・偏向系第１のレンズ ６・・・偏向系第２のレンズ ７・・・感光ドラム 代理人゛弁理士　　中村　純之助 矛ｌ　　’９５ 才４　図 才５図 １’６図 （Ｑ） 像面わん＊（慴ｍ） （ｂ） １１　曲　Ｍ又％　　　　　　（ｆＦ１７Ｆりオフ図 ！８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光ビーム発生装置と、光ビームの走査を行う偏向装
   置と、屈折率が異なる主軸と副軸とを有し、上記発生装
   置から出射する光ビームを上記偏向装置による走査平面
   と平行な線像として上記偏向装置上に集束するレンズと
   、上記偏向装置からの光ビームを集束させる屈折率を有
   する球面で構成した偏向系第１のレンズと、光ビームの
   走査平面内とこれに垂直な断面内とで異なる曲率を有す
   る曲面、および軸対称な非球面により形成された偏向系
   第２のレンズと、上記光ビームが走査される被走査面と
   を備え、上記偏向系第１のレンズの偏向装置側の面と上
   記偏向装置の反射面との距離を、上記偏向装置の反射面
   と上記被走査面との距離の０．２５倍以上としたことを
   特徴とする光ビーム走査装置。 ２、上記偏向系第２のレンズは、プラスチックで形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   した光ビーム走査装置。