JPS633290B2 - - Google Patents

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JPS633290B2
JPS633290B2 JP53165871A JP16587178A JPS633290B2 JP S633290 B2 JPS633290 B2 JP S633290B2 JP 53165871 A JP53165871 A JP 53165871A JP 16587178 A JP16587178 A JP 16587178A JP S633290 B2 JPS633290 B2 JP S633290B2
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JP
Japan
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lens
scanning
light source
deflector
single lens
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JP53165871A
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Japanese (ja)
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JPS5498627A (en
Inventor
Kazuo Minora
Setsuo Minami
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
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Publication of JPS5498627A publication Critical patent/JPS5498627A/en
Publication of JPS633290B2 publication Critical patent/JPS633290B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は画像の読取又は記録等の手段として用
いられる光学的走査装置に関するものである。 従来から、光学的な走査装置は多くの分野で幅
広く利用されており、その走査性能も使用上の要
望で種々の向上が計られている。近年、走査装置
は情報処理端末装置等の如くシステム化された装
置の一構成要素として装置の中に組み込まれる事
が多いので、走査装置の小型化が要望されてい
る。 この走査装置の小型化には種々の方法が考えら
れるが、走査用の結像レンズ系を小型化するのも
その一方法である。然しながら、結像レンズ系を
構成するレンズ群の枚数を減らしていくことは、
設計上の自由度が減少し、収差補正等の種々の問
題が生じる。被走査面を等速度で走査することも
その一つの問題である。 従来、被走査面を等速度で走査するものとして
は、USP3687025に4枚の構成より成る走査レン
ズにより被走査面を等速で走査する事が、
USP3946150には3枚構成より成る走査レンズに
より被走査面を等速で走査する事が示されてい
る。又、走査用のレンズを少ない枚数で構成させ
るものとしては、USP4099829には一枚の走査レ
ンズで被走査面を走査する装置が示されている。
しかしながら、USP4099829では被走査面上を等
速で走査する技術は何等示されていない。 本発明の目的は、走査用の結像レンズを単レン
ズで構成する事により小型化した走査装置を提供
する事にある。 本発明の更なる目的は走査用レンズとして単レ
ンズを用いた場合に於いても、被走査面を等速で
走査する事が可能な走査装置を提供する事にあ
る。 本発明の更なる目的は、走査用の結像レンズを
単レンズで構成しても、被走査面特に平担な被走
査面上を良好な結像特性で走査する事が可能な走
査装置を提供する事にある。 本発明に係る走査装置に於いては、偏向器の回
動特性(例えば等角速度偏向或いは正弦振動偏
向)と光源、偏向器、走査用レンズの形状選択に
よつて歪みを補正し、被走査面上での走査速度の
一定化を計つている。 本発明に係る走査装置に於いては、走査レンズ
が球面単レンズの場合には、偏向器の回動特性を
正弦振動回動とし、その正弦振動振幅を選択する
事により、等時間間隔の変調信号に対し、被走査
面上で等距離間隔のスポツト走査を達成する。 本発明に係る走査装置に於いては、走査用のレ
ンズに非球面を導入し、非球面単レンズとするこ
とでも、被走査面上で等距離間隔のスポツト走査
を達成する。この時は、偏向器の回動特性に制約
を加えることなく、又偏向器の任意の振幅に対し
ても等距離間隔のスポツト走査を達成できる。 更に、本発明に係る走査装置に於いては、走査
用のレンズとして単レンズを用いた場合でも、走
査用レンズのペツツヴアール和を積極的に利用す
る事により、平担な被走査面を有効に利用する事
を可能とするものである。 以下、本発明を詳述する。 走査用レンズに要求される収差補正は、レンズ
の焦点距離に比して、入射ビーム径Dが小さい
とき、即ち、Fナンバーが比較的暗いとき球面収
差、及びコマ収差の補正には、あまり注意す
る必要がなく、非点収差、ペツツヴアール和
P、及び歪曲収差Vなど画角に関連する収差補正
を行えばよい。本発明の装置における走査用レン
ズは、比較的Fナンバーが暗く上記のような点に
注意して収差補正を行う。 松居吉哉著「レンズ設計法」(共立出版株式会
社)の記述に従つて、レンズの厚みが小さい(薄
肉系)時の非点収差、ベツツヴアール和P、及
び歪曲収差Vは次の様に書き表わされる。 走査レンズがi=1〜m群の薄肉系から成ると
き、レンズ系全体の非点収差、ベツツヴアール
和P、歪曲収差Vは次のように書かれる。 (1)式におけるa〓、b〓、c〓、av、bv、cvは特性係
数と呼ばれるもので、物点位置、瞳位置、パワー
配置によつて決まる定数であり、本発明の場合、
光源位置、偏向ミラー位置、パワー配置による。
ψはパワーで薄肉系の焦点距離の逆数である。〓
、〓0、P0は固有係数と呼ばれるもので、薄肉系
の形状、屈折率によつて決まるものである。iは
i番目の薄肉系を示すサフイツクスで、P、V
はmケの薄肉系から成るレンズ全体の非点収差、
ベツツヴアール和、歪曲収差係数である。更に、
球欠像湾曲収差は次のように書かれる。 =+P (3) 第1図は本発明に係る走査装置を説明する為の
図で、光源1からの光束を偏向器2で偏向し、走
査用レンズ3により被走査面4′上に結像する様
子を示している。 第1図に示す如く、歪曲収差係数Vを有する走
査用レンズ3で結像した被走査面4′上のスポツ
トPiの位置y′は三次収差の範囲内で偏向角θ(=
2φ;φは偏向ミラーの回転角)を使つて次のよ
うに表わされる。 y′=f〜(θ+U3θ3) (4) 走査位置は、偏向器の回動特性と走査レンズの
歪曲収差係数に関連するので、次にこの点につい
て記述する。 今、偏向器の回動を次式のように表わす。 φ=φ0sinkt (6) ここで、φを回転角、φ0を振幅、kは定数、
tは時間とする。t=0のときの偏向ビームは走
査レンズの光軸と一致するとする。そして(6)式
は、ある一定時間内で偏向器が回動する特性を表
わすものと考える。(6)式は次のような意味をも
つ。ある一定時間内に対して振幅φ0が充分大き
いとすれば、その回動は等角速度偏向とみなし得
る。一方、逆に振幅が一定時間内に対してそれ程
大きくない場合、その回動は正弦振動偏向であ
る。例えば、kの値をφ0に応じて適当にえらぶ
ことによつて第2図のように回動特性が変化す
る。 第2図は、(6)式において例えばkK1/φ0(K1:定 数)としてφ0=K2(定数)、φ0=2K2、φ0=3K2
φ0=∞の各場合について、回転角φの変動を示
したもので、−t0〜t0の範囲内でφ0が大きくなる
に従つてφの変動は時間に比例する直線に近づ
き、ついにはφ=∞になるとφ=φ0sinK1/φ0t K1tなる直線となる。 本発明においては、偏向器の回動特性を等角速
度偏向、正弦振動偏向について考えることにし、
それらの回動特性を表わす一般式として(6)式を用
いることにする。 第1図に示す如く、被走査面上の結像点Piの位
置を走査用レンズの光軸からy′の位置にあるとす
る。偏向器の回動に伴う上記y′の位置変化が時間
変化に対して一定(すなわち等速度走査)にする
ことを条件とする。 光源を点灯する時間間隔τが一定の場合には、
下記のV0値に走査用レンズの歪曲収差係数の値
を近づける事により、走査スポツト間隔を一定に
することができる。 V0=2/3(g+t1/g)2{1−1/2(1/2φ02
}(7) ここで、上記(7)式が等速性を示す有効な式であ
ることを示す。 正弦振動偏向ミラーの振幅φ0をえらんで(7)式
で与えられるV0の値が走査用レンズの歪曲収差
係数Vの値に一致したとすると、(5)、(7)式から U3=1/6(1/2φ02 (8) であり、これを(4)式に代入すると y′=2φ0f〜{(θ/2φ0)+1/6(θ/2φ03
(9) を得る。ここで(4)式は三次収差領域で定義される
走査位置であるから、この範囲内においては(9)式
は y′=2φ0f〜sin-1(θ/2φ0) (10) としても全く等価である。((10)式をθの3次以下
で展開すると(9)式になる) ここでθ=2φ0sinKtであるから(10)式は次のよ
うになる。 y′=2kf〜φ0・t これを微分して dy′=2kf〜φ0・dt であり、今の場合光源の点灯時間間隔は一定であ
るのでdt=一定である。従つてdy′=一定となり、
走査スポツトの間隔も一定となる。 次に偏向器が等角速度偏向の場合U3=0であ
り、これを(4)式に代入すると、 y′=f〜・θ となる。今、θは等角速度偏向であるので θ=k′t(但しk′は一定値) と表わされるので dθ=k′dt であり、従つて dy′=f〜dθ=k′f〜dt となる。今の場合、光源の点灯時間は一定である
のでdtはconstantである。 従つてdy′は一定となり、走査スポツトの間隔
も一定となる。 本発明のような装置においては、光源を点滅
(例えば変調器を使用)して、被走査面上をスポ
ツト走査するのが一般的であり、前記のy′の位置
変化が時間変化に対して一定にするということ
は、一定時間間隔で被走査面上でのスポツト間距
離を一定にすることと同じである。第3図の如
く、被走査面上でのスポツト間距離をlとして、
これに対応する時間間隔をτとする。走査用のレ
ンズが球面単レンズの場合、非点収差()が無
く、すなわちStigmaticな結像を実現するそのレ
ンズ形状は次の手順で決定する。 (1)式において =a〓〓0+b〓〓0+c〓=0とする。 且つ、単レンズの場合、〓0と〓0の間に 〓0=Amn〓0 2+Bmn〓0+Cmn (11) なる関係があるから 但し、 の如く〓0が決定する。 さらに、レンズの第1面、第2面の曲率半径
R1,R2,〓0の関係は次式で与えられる。 R1={n2/(〓0−n1)}・f R2={R1(1−N)/(R1−N+1)}・f(14) 従つて、〓0が求まつているのでR1,R2を決定
できる。この時、歪曲収差係数Vの値は V=av0+bv0+cv =avAmn〓0 2+(avBmn+bv)〓0+avCmn+cv
(15) に従つて決定する。 ここで、(7)式を使つて V=V0 とすれば として、回動特性の振巾が定まる。 以上のように球面単レンズを用いたとき振巾が となる回動特性を有する偏向器を使用すれば良
い。 次に上記走査用の単レンズに非球面を導入した
非球面単レンズの場合について記述する。一般に
非球面単レンズのとVの値は =a〓〓0+b〓〓0+c〓+a〓ψe V=av0+bv0+cv+avψe (17) となる。 ここでψeは単レンズの両側の面の非球面係数
の合計で、 で与えられる。ここでNν、N′νはそれぞれ、ν
面の前後の媒質の屈折率、bνは非球面の球面か
らのずれ量△X〜νと次式で関係づけられ、図示す
ると第4図のようである。 △X〜ν≡bν/8H4〓 (19) ここで導入する非球面数は1面でも2面でもよ
く、独立量は(18)式で与えられるψlである。そし
て、(17)式中の〓0、〓0はレンズの各面を、近軸
の曲率半径による球面と見做したときの固有係数
で、前述の(11)式のように〓0の値が定まれば決ま
るものである。 ここで、、Vの所望の値を0、V0とし、こ
れを実現する非球面レンズの形状は 0≡(av 0−a〓・V0)−avC〓−a〓cv/avb〓−a
〓bv(21) ψl=0−(a〓〓0+b〓〓0+c〓)/a〓(22) で与えられる。 上記記述において、所望の0、V0とは、それ
ぞれ、 である。 この場合の独立量は〓0、ψl及びφ0であり、そ
のうちの一ケを決めれば残りの二ケは従属して決
定する。 たとえば回動振巾φ0を決めれば、〓0及びψeが
決まる。 あるいは〓0を決めればψl及びφ0が決定する。 次に、本発明に使用する走査用レンズが単レン
ズで平担な被走査面を走査する場合を考える。こ
の場合、一般式(2)は(1)式に帰着し、このときの球
欠像面積曲収差は、 =+P と表わされる。 ここで光源位置が偏向器から無限遠方にあると
き、走査レンズの結像面である被走査平面を像面
彎曲なく走査する為には、(1)式、(24)式におい
て、=0、=0でなければならない。しか
し、走査用レンズが屈折率Nなる硝材の単レンズ
であるとき、レンズの焦点距離f=1としてP=
1/Nであるので、前述の=0、=0の両方
を満足することは不可能である。即ち、単レンズ
のときは、ペツツヴアール和が残存するので、非
点収差あるいは球欠像面彎曲のいずれか一方
しか補正できない。従つて、結像位置Piは被走査
平面上からずれる結果となる。 これに対して、光源位置を有限距離に配置する
と、ペツツヴアール和が残存していても非点収差
及び球欠像面彎曲の両方を補正でき被走査平面上
に結像位置を一致させることが可能である。本発
明は、これを実現したものであり、この点につい
て上記第1図を参照し更に詳しく述べる。第1図
において、有限距離にある光源1から出射した光
束は偏向ミラー2によつて偏向され走査レンズ3
を通過後点Piに結像する。このとき1′は偏向ミ
ラーによる光源1の虚像で、これは偏向ミラーの
回転軸5を中心とする円弧4上にある。本発明に
おいては、 を満足させるようなレンズ形状を採用することに
よつて、第1図の円弧4上の虚光源を、被走査面
4′上に結像させることが可能となる。gは偏向
ミラーから測つて光源迄の距離である。尚本願で
は、距離は光束の進行方向に向つて測つた場合は
正、光束の進行方向と逆方向に測つた場合は負で
ある。従つて前記gはg<0である。(24)式と(2
5)式より、 P=−1/g (26) を得る。 一方、(1)式より、 P=ψP0=1/Nf (27) であり、(26)、(27)式より g=−Nf (28) を得る。ここでNは単レンズの硝子の屈折率、f
は該レンズの焦点距離である。即ち、(28)式を満
足するように偏向器と光源間の距離gを設定すれ
ば前記円孤4上の虚光源を被走査面4′上に結像
させることが可能となる。 単レンズの場合は、前記の(25)式を満足させる
ように、非点収差及び球欠像面彎曲を補正するた
めの形状は、偏向器側の面の曲率半径をR1、被
走査面側のそれをR2として、レンズの厚みが小
さいとき、 とすればよい。 ここで、Nはレンズの屈折率、fは焦点距離で
あり、 〓0≡(−B〓±√〓2−4〓〓)/2A〓(30) である。 このとき〓0は次式で定まる。(松居著:「レン
ズ設計法」より) 〓0=Amn〓0 2+Bmn〓0+Cmn (33) 従つて、(1)式のVの値は、(29)〜(34)式を使つ
て決定する。即ち、単レンズの場合は、非点収差
と像面彎曲を前記(25)式のように補正するような
レンズ形状を定めると、その歪曲収差係数は、必
然的に決まる。非球面を導入した単レンズの場合
には、非点収差、像面彎曲を補正した上で所望の
歪曲収差係数Vをレンズに持たせることができ
る。非球面を導入した単レンズの場合の歪処理法
においては、偏向ミラーの回動振幅をえらぶ必要
はなく、(7)式から任意の回動振幅φ0に対応して
決まるV0の値をレンズの所望の歪曲収差係数と
して(20)〜(22)式から求められる形状によつて等
ピツチ走査が実現できる。又、非球面シングルレ
ンズを導入した場合偏向器の回動特性は(7)式に示
される以外の如何なる偏向特性の偏向器であつて
も良い。 尚、被走査面上で、光束を等速で走査させる技
術に関しては、球面単レンズの場合も、非球面単
レンズの場合も、光源の位置は制限されない。従
つて、偏向器に対して、光源は有限の位置に存し
ても、又無限の位置に存しても問題はない。 以上のように、走査レンズが球面単レンズ、非
球面単レンズの各場合について、光源位置、偏向
ミラー位置、レンズ形状などの設定によつて、第
1図の円孤4上の虚光源を被走査平面上に結像さ
せることができ、また、等ピツチ走査を実現させ
ることができるということについて述べてきた。 実際上の光源位置、偏向ミラー位置、レンズ形
状の決定は、本発明の原理に基づいて充分実施す
ることが可能である。本原理においてレンズ形状
の決定は三次収差の範囲内で行つたが、これは説
明の簡単化の為で、高次収差を含めた実際的設計
は、本原理を基礎として通常の設計技術により容
易に実施し得る。 また本原理で、非点収差係数、ベツツヴアー
ル和P、の値をそれぞれ0、−1/gと厳定したが実 際の装置においては、それらの値には許容範囲が
ある。 例えば偏向器が反射面上に回転中心がない回転
多面鏡を使用する場合には、非点収差係数ペツ
ツヴアール和Pを前記の値に補正しても結像面上
で像面彎曲が残存する。 子午断面内、球欠断面内のそれぞれの像面彎曲
量△M、△Sは によつて与えられる(松居:「レンズ設計法」)こ
こで△、△はそれぞれ非点収差係数、球欠像
面彎曲係数の許容値とし、 のように、それぞれ像面彎曲量を回折限界で決ま
る焦点深度以内とする。ここでFeはレンズの有
効Fナンバー、λは光源の波長とする。またこの
場合、第1図より tanω≡gsinθ/(g+t1) (37) であり(35)、(36)、(37)式より△、△は を満足すれば子午断面、球欠断面内のそれぞれの
像面彎曲は、回折限界の焦点深度に入る。 歪曲収差の許容値△Vに関しては次のように決
める。前述の(4)式から歪曲収差係数値の微少不満
足量を△V、それに伴つて生じる走査位置のずれ
を△y′として △y′=f〜θ2・△U3 △U3≡−1/2(g/g+t12・△V ∴△y′=−g^′/2(g/g+t13・θ3・△V を得る。偏向角θのときのスポツトの理想位置か
らのずれの許容値を△Y′とすれば |△V|≦2/|g^′(g+t1/gθ)3・△Y′ を満足する範囲内に(7)式で与えられる所望の値
V0を基準として歪曲収差係数値が入れば良い。 以上述べた如く本発明に係る走査装置は、有限
位置にある光源を偏向ミラーで被走査平面上を走
査する場合、ミラー回転によつてできる虚光源が
円弧上にあることを利用して、走査レンズの構成
を簡易化ならしめているところにある。そして、
走査レンズが球面単レンズの場合には、偏向器の
回動特性において、その正弦振動振幅を選択する
ことにより、等時間間隔の光源の点滅(変調)に
対し、被走査平面上で等距離間隔のスポツト走査
を達成できる。 又、走査レンズが非球面単レンズであれば、円
弧上の虚光源を被走査平面上に結像させることが
可能な上に、偏向器の回動特性に制約を加えるこ
となく、任意の振幅φ0に対しても等距離間隔の
スポツト走査を達成できる。 上述した記載に於いては、走査用の単レンズの
歪曲収差Vを設定する事により等距離間隔スポツ
ト走査を達成したものであるが、光源の点滅時間
間隔を変化させることによつて等距離間隔スポツ
ト走査を達成出来る。即ち、偏向器の正弦振動振
幅φ0を任意に設定し、その時の走査レンズの歪
曲収差係数Vに応じて、光源の点滅時間τを、 τ=l/2kfφ0coskt(1+12φ0 2U3sin2kt) (39) とすれば良いのである。 以下実施例を示す。 球面単レンズの場合 本発明に基づいて、光源、偏向ミラーレンズの
配置を決定するパラメータg、t1と偏向ミラーの
回動特性を決定する振巾φ0を設定したとき、被
走査面上に結像スポツトを形成する球面単レンズ
の形状(両面の曲率半径)、そして、その系の非
点収差係数、球欠像面彎曲係数の理想値0
その系の球欠像面彎曲係数、等ピツチ走査を実
現する為の歪曲収差係数の理想値V0、その系の
歪曲収差係数V、そして−0、V−V0の諸値
を表1に掲げる。表1は、光源と偏向ミラー及び
レンズ位置を一定配置(g+t1=−2、t1=−
0.2)に定め、正弦振動する偏向ミラーの振巾を
φ0=5〜∞迄変えた場合、それぞれの場合の等
ピツチ走査に対する歪曲収差不満足量(V−V0
を示したものである。この表1をみて、上記(V
−V0)の値が小さいところ、すなわち電気信号
の時間間隔を一定にした等ピツチ走査を実現でき
る偏向ミラーの振巾φ0が、25゜〜30゜付近であるこ
とが分る。 すなわち、球面単レンズである走査レンズを用
いた場合、正弦振動をする偏向ミラーの振巾をえ
らぶことによつて、電気信号の時間間隔を一定に
した等ピツチ走査を実現することが可能である。
もう少し厳密なその振巾の値は、横軸にφ0、た
て軸にV−V0をとつた表1の図示化した第5図
からφ0≒27.5゜であることが分る。 この場合のレンズ形状は、R1=−0.55718、R2
=−0.32843である薄肉レンズである。(R1は光源
側、R2は被走査面側の面) 他の振巾に対して等ピツチ走査を得るために
は、前述の原理で述べた様に、電気信号の時間間
隔τを(39)式に従つて設定すればよい。 表1及び以下の表2〜表9の各実施例の構成
(g、t1、g^″、R1、R2)データは、レンズの焦点
距離fをf=1と正規化したものである。これら
のレンズの屈折率NはN=1.8である。 表2〜表4は、同じく球面単レンズの場合の実
施例で、電気信号の時間間隔を一定にした等ピツ
チ走査(V−V0=0)を行うという条件のもと
で、偏向角θに対応する光源の結像位置が被走査
面から△M(子午断面内の結像位置ずれ)△S(球
欠断面内における結像位置ずれ)離れ、それぞれ
の量が(36)式を満足するものである。(36)式の右
辺は前述のように、有効FナンバーFeと波長λ
によつて回折限界で決まる焦点深度を表わす。 そして、|θ|≦15゜、Fe=60、 λ=6328Å、と定めた場合の上記焦点深度内に結
像位置ずれが入るものである。(この焦点深度は
±5.6mmである) また、(36)式は(38)式と等価であり、表2〜表
4の各実施例の非点収差不満足量(=△)及
び球欠像面彎曲収差不満足量−0(=△)が
(38)式を満足するものである。但し、(38)式にお
いてはg^′はg^′=300mmとして計算し、表2〜表4
のデータにおいてはレンズの焦点距離をf=1mm
と正規化した場合のものである。すなわち、表2
〜表4の各構成中、例えば実施例No.20のものにつ
いて、レンズと被走査面の距離g^′をg^′=300mmと
して実際に使用するとして、そのとき、レンズか
ら光源迄の距離(g+t1)は−300mm、偏向ミラ
ーから光源迄の距離(g)は−277.5mm、レンズから
偏向ミラー迄の距離t1は−22.5mmであり、レンズ
の光源側の曲率半径(R1)は−53.673mm、被走査
面側の曲率半径(R2)は−37.086mmであり、この
レンズの焦点距離(f)は150mmである。このように
実際使用される構成において、前記焦点深度(±
5.6mm)内に結像位置ずれが入る。 表2〜表4の他の実施例も同様にg^′=300mmと
して構成データを比例変換した場合、前記焦点深
度(±5.6mm)内に結像位置ずれが入るものであ
る。 そして表2は偏向ミラーの振巾φ0が25゜、表3
はφ0が30゜、表4はφ0が35゜である場合のもので、
それぞれの場合、レンズから光源迄の距離g+
t1、レンズから偏向ミラー迄の距離t1を種々変え
たものである。これら表2〜表4の非点収差不満
足量及び球欠像面彎曲収差不満足量−0
みると、いずれかの振巾においてもレンズから光
源迄の距離g+t1の値が−2のときが、良好であ
ることが分る。すなわち、g+t1の値が−2付近
のとき、被走査面からの結像位置ずれが最も少く
なることが分る。 以上の薄肉レンズを厚肉化した場合、そのレン
ズ厚をdとして、焦点距離fで割つた値d/fの値
が小さければ、厚肉化に伴う収差変動は小さい。
厚肉化を行うことは、これら表1〜表4の薄肉デ
ータがあれば容易に行い得る。これを実施したの
が第6図に示すような構成でその構成データを表
10に収差係数値を表11に、そしてその被走査面
4′からの結像位置ずれを第7図に示す。そして
第8図は等ピツチ走査を達成するための(9)式で表
わされる理想像高y′から、該構成における実際の
像高Y′のずれの割合Y′−y′/y′×100(%)を横軸
に とり、たて軸に偏向角θをとつたものである。 非球面単レンズの場合 非球面を導入した実施例を表5〜表9に掲げ
る。 表5は、電気信号時間間隔を一定にした等ピツ
チ走査を達成し、被走査平面上に光源を結像させ
ることを満足する実施例で、振動ミラーの振巾を
種々変化させても、それぞれ上記の二条件を完全
に満足するものである。表5〜表9においてψl以
外の構成パラメータ(φ0、g+t1、t1、g′、R1
R2)は、前述の球面単レンズの場合と同じ意味
をもちψlは原理で述べた(18)、(19)式で定義され
る非球面係数である。また、収差係数、−
、V−V00、V0も球面単レンズの実施例で
述べたものと同じ意味である。球面単レンズの場
合、振動ミラーの特定の振巾に対してしか、等ピ
ツチ走査の達成と、被走査平面上に光源を結像さ
せることを満足し得なかつたが、表5をみて分る
ように、非球面を導入することによつて、種々の
振巾に対しても上記二条件を満足し得る構成があ
る。その構成は原理で述べたように、偏向ミラー
から光源迄の距離gがレンズの屈折率Nと焦点距
離fと(28)式の関係にある場合である。 表6〜表9の実施例は、球面単レンズで述べた
と同様に焦点深度内に、被走査平面からの結像位
置ずれが入り、電気信号の時間間隔を一定にした
等ピツチ走査を達成し得るものである。これらの
表をみて、種々の振巾、レンズから光源迄の種々
の距離、レンズから偏向ミラー迄の種々の距離に
対して、上記二条件を満足し得ることが分り、こ
れら非球面を導入した場合、球面単レンズの場合
と異なる点は、非点収差を完全に補正できる点
である。すなわち、球面単レンズの場合には、原
理で述べたように電気信号の時間間隔を一定にし
た等ピツチ走査を行う条件だけでレンズ形状が決
まり、その形状に従つて、非点収差、球欠像面
彎曲収差は従属決定となる。これに対し非球面
を導入した場合には、前述の(28)式を完全に満足
しない場合でも、電気信号の時間間隔を一定にし
た等ピツチ走査を行うことと、非点収差を補正
することを同時に満足し得る。但し△=−
は残存する。 表6〜表9の非球面単レンズの場合の被走査平
面からの結像位置ずれ△M、△Sは、前記球面単
レンズの場合と同様g^′=300mm、|θ|≦15゜、Fe
=60、λ=6328Åの条件で決まる焦点深度(±
5.6mm)内に入るもので、構成データはf=1に
正規化したものである。 表5〜表9の各実施例は、球面単レンズの場合
と同様、薄肉レンズデータであるが、厚肉化して
もそのレンズ厚dが焦点距離に比して小さい、す
なわちd/fの値が小さければ収差変動は少ない。
従つて、この変動分の収差を補正することは通常
の技術で容易に行い得る。これを実施したのが、
第9図に示すような構成で、その構成データを表
12に、収差係数値を表13にそしてその被走査平面
4′からの結像位置ずれを第10図に示す。そし
て第11図は等ピツチ走査を達成する為の(9)式で
表わされる理想像高(y′)から、該構成における
実際の像高(Y′)のずれの割合Y′−y′/y′×100 (%)を横軸にとり、たて軸に偏向角θをとつた
ものである。 本発明の走査装置を適用した実施例を第12
図、第13図に示す。いずれも光源として半導体
レーザーを用いたもので、第12図は等角速度回
転の回転多面鏡、第13図は正弦振動をするガル
バノミラーを用いた例である。 6は半導体レーザー、7はその発光部分、8は
回転多面鏡、9は回転軸、10は駆動系、8′は
ミラー面、11は走査用レンズ、12は感光記録
媒体、13は走査線、14はガルバノミラー、1
4′はそのミラー面、15はその駆動系である。
このような装置において、光源位置、偏向器位
置、走査用レンズの位置、偏向器の回動特性、そ
して、走査用レンズの構成の間に、上述したよう
な有機的関係をもたせることによつて、記録走査
線13の記録走査スピードを一定にすることがで
き変調系16によつて半導体レーザー6に与える
変調電気信号のコントロールと記録媒体12を走
査線13と直交方向に移動させることによつて、
第14図の如きスポツト記録ができる。
The present invention relates to an optical scanning device used as a means for reading or recording images. 2. Description of the Related Art Optical scanning devices have been widely used in many fields, and their scanning performance has been improved in various ways to meet the demands of use. In recent years, scanning devices are often incorporated into systemized devices such as information processing terminal devices as a component thereof, and therefore there is a demand for miniaturization of scanning devices. Various methods can be considered to reduce the size of this scanning device, and one method is to reduce the size of the scanning imaging lens system. However, reducing the number of lens groups that make up the imaging lens system
The degree of freedom in design is reduced, and various problems such as aberration correction arise. One of the problems is to scan the surface to be scanned at a constant speed. Conventionally, the scanning surface is scanned at a constant speed using a scanning lens consisting of four lenses, as shown in USP3687025.
USP3946150 discloses that a scanning lens consisting of three lenses scans a surface to be scanned at a constant speed. Further, as an apparatus that uses a small number of scanning lenses, US Pat. No. 4,099,829 discloses an apparatus that scans a surface to be scanned with a single scanning lens.
However, US Pat. No. 4,099,829 does not disclose any technique for scanning a surface to be scanned at a constant speed. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a scanning device that is downsized by configuring a scanning imaging lens with a single lens. A further object of the present invention is to provide a scanning device capable of scanning a surface to be scanned at a constant speed even when a single lens is used as a scanning lens. A further object of the present invention is to provide a scanning device that is capable of scanning a surface to be scanned, particularly a flat surface to be scanned, with good imaging characteristics even if the imaging lens for scanning is composed of a single lens. It is about providing. In the scanning device according to the present invention, the distortion is corrected by the rotational characteristics of the deflector (for example, constant angular velocity deflection or sinusoidal oscillation deflection) and the shape selection of the light source, deflector, and scanning lens. We are trying to keep the scanning speed constant at the top. In the scanning device according to the present invention, when the scanning lens is a spherical single lens, the rotation characteristic of the deflector is sinusoidal vibration rotation, and by selecting the sinusoidal vibration amplitude, modulation is performed at equal time intervals. The signal is scanned at equidistantly spaced spots on the scanned surface. In the scanning device according to the present invention, spot scanning at equidistant intervals on the surface to be scanned can be achieved by introducing an aspherical surface into the scanning lens and making it a single aspherical lens. At this time, spot scanning at equidistant intervals can be achieved for any amplitude of the deflector without imposing restrictions on the rotational characteristics of the deflector. Furthermore, in the scanning device according to the present invention, even when a single lens is used as a scanning lens, by actively utilizing the Petzvaar sum of the scanning lens, a flat scanned surface can be effectively used. It is possible to use it. The present invention will be explained in detail below. When the incident beam diameter D is small compared to the focal length of the lens, that is, when the F number is relatively dark, it is important to pay less attention to the correction of spherical aberration and coma aberration required for a scanning lens. There is no need to correct the aberrations related to the angle of view, such as astigmatism, Petzvaar's sum P, and distortion V. The scanning lens in the apparatus of the present invention has a relatively dark F number and aberrations are corrected while paying attention to the above points. According to the description in "Lens Design Method" by Yoshiya Matsui (Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.), the astigmatism, Betsuvial sum P, and distortion V when the lens thickness is small (thin-wall system) are expressed as follows. It can be done. When the scanning lens is composed of a thin-walled system with i=1 to m groups, the astigmatism, Betsuvial sum P, and distortion V of the entire lens system are written as follows. In equation (1), a〓, b〓, c〓, av , bv , and cv are called characteristic coefficients, which are constants determined by the object point position, pupil position, and power arrangement. case,
Depends on light source position, deflection mirror position, and power arrangement.
ψ is the power and is the reciprocal of the focal length of the thin system. 〓
0 , 〓 0 , and P 0 are called eigenvalues and are determined by the shape and refractive index of the thin-walled system. i is the saphix indicating the i-th thin-walled system, P, V
is the astigmatism of the entire lens consisting of m thin-walled systems,
It is the Betsuvial sum and the distortion aberration coefficient. Furthermore,
The spherical curvature aberration is written as: =+P (3) Fig. 1 is a diagram for explaining the scanning device according to the present invention, in which a light beam from a light source 1 is deflected by a deflector 2, and an image is formed on a scanned surface 4' by a scanning lens 3. It shows how to do it. As shown in FIG. 1, the position y' of the spot Pi on the scanned surface 4' formed by the scanning lens 3 having the distortion aberration coefficient V is within the range of the third-order aberration, and the deflection angle θ (=
It is expressed as follows using 2φ; φ is the rotation angle of the deflection mirror. y'=f~(θ+U 3 θ 3 ) (4) Since the scanning position is related to the rotational characteristics of the deflector and the distortion aberration coefficient of the scanning lens, this point will be described next. Now, the rotation of the deflector is expressed as follows. φ=φ 0 sinkt (6) Here, φ is the rotation angle, φ 0 is the amplitude, k is a constant,
Let t be time. It is assumed that the deflected beam when t=0 coincides with the optical axis of the scanning lens. Equation (6) is considered to represent the characteristic of the deflector rotating within a certain fixed period of time. Equation (6) has the following meaning. If the amplitude φ 0 is sufficiently large within a certain period of time, the rotation can be regarded as a constant angular velocity deflection. On the other hand, if the amplitude is not so large within a certain period of time, the rotation is a sinusoidal vibration deflection. For example, by appropriately selecting the value of k according to φ 0 , the rotational characteristics can be changed as shown in FIG. 2. Figure 2 shows that in equation (6), for example, kK 10 (K 1 : constant), φ 0 =K 2 (constant), φ 0 =2K 2 , φ 0 =3K 2 ,
This shows the fluctuation of the rotation angle φ for each case of φ 0 = ∞. As φ 0 increases within the range of -t 0 to t 0 , the fluctuation of φ approaches a straight line proportional to time. Finally, when φ=∞, a straight line becomes φ=φ 0 sinK 10 t K 1 t. In the present invention, the rotational characteristics of the deflector are considered in terms of constant angular velocity deflection and sinusoidal vibration deflection,
Equation (6) will be used as a general equation expressing these rotational characteristics. As shown in FIG. 1, it is assumed that the position of the imaging point Pi on the surface to be scanned is at a position y' from the optical axis of the scanning lens. The condition is that the change in the position of y' caused by the rotation of the deflector is kept constant over time (that is, uniform speed scanning). If the time interval τ for lighting the light source is constant,
By bringing the value of the distortion aberration coefficient of the scanning lens close to the V 0 value shown below, the scanning spot spacing can be made constant. V 0 = 2/3 (g + t 1 /g) 2 {1-1/2 (1/2φ 0 ) 2
}(7) Here, we show that the above equation (7) is an effective equation that indicates uniform velocity. If the amplitude φ 0 of the sinusoidal oscillating deflection mirror is selected and the value of V 0 given by equation (7) matches the value of the distortion aberration coefficient V of the scanning lens, then from equations (5) and (7), U 3 = 1/6 (1/2φ 0 ) 2 (8), and substituting this into equation (4) yields y'=2φ 0 f ~ {(θ/2φ 0 ) + 1/6 (θ/2φ 0 ) 3 }
(9) is obtained. Here, equation (4) is the scanning position defined in the third-order aberration region, so within this range, equation (9) can be expressed as y'=2φ 0 f~sin -1 (θ/2φ 0 ) (10) are also completely equivalent. (When formula (10) is expanded to the third degree or less of θ, formula (9) is obtained.) Here, since θ=2φ 0 sinKt, formula (10) becomes as follows. y′=2kf˜φ 0 ·t This is differentiated to give dy′=2kf˜φ 0 ·dt, and in this case, since the lighting time interval of the light source is constant, dt=constant. Therefore, dy′=constant,
The spacing between the scanning spots is also constant. Next, when the deflector is a constant angular velocity deflector, U 3 =0, and substituting this into equation (4) yields y'=f~·θ. Now, since θ is a constant angular velocity deflection, it can be expressed as θ=k′t (k′ is a constant value), so dθ=k′dt, and therefore dy′=f~dθ=k′f~dt. Become. In this case, the lighting time of the light source is constant, so dt is constant. Therefore, dy' is constant and the interval between scanning spots is also constant. In a device such as the present invention, it is common to perform spot scanning on the surface to be scanned by blinking the light source (using a modulator, for example), and the above-mentioned change in the position of y' is Making it constant is the same as making the distance between spots on the surface to be scanned constant at constant time intervals. As shown in Fig. 3, the distance between the spots on the scanned surface is l,
Let the time interval corresponding to this be τ. When the scanning lens is a single spherical lens, the lens shape that has no astigmatism (), that is, realizes stigmatic imaging, is determined by the following procedure. In equation (1), =a〓〓 0 +b〓〓 0 +c〓=0. In addition, in the case of a single lens, between 〓 0 and 〓 00 =Amn〓 0 2 +Bmn〓 0 +Cmn (11) Because there is a relationship however, As in 〓 0 is determined. Furthermore, the radius of curvature of the first and second surfaces of the lens
The relationship among R 1 , R 2 , 〓 0 is given by the following equation. R 1 = {n 2 / (〓 0 − n 1 )}・f R 2 = {R 1 (1−N) / (R 1 − N+1)}・f(14) Therefore, 〓 0 is found. Therefore, R 1 and R 2 can be determined. At this time, the value of the distortion aberration coefficient V is V=a v0 +b v0 +c v =a v Amn〓 0 2 +(a v Bmn+b v )〓 0 +a v Cmn+c v
(15). Here, using equation (7) and setting V=V 0 , The amplitude of the rotational characteristic is determined as follows. As mentioned above, when using a spherical single lens, the amplitude is It is sufficient to use a deflector having rotational characteristics as follows. Next, the case of an aspherical single lens in which an aspherical surface is introduced into the above scanning single lens will be described. In general, the values of and V for an aspherical single lens are =a〓〓 0 +b〓〓 0 +c〓+a〓ψe V=a v0 +b v0 +c v +a v ψe (17). Here, ψe is the sum of the aspheric coefficients of both sides of the single lens, is given by Here, Nν and N′ν are respectively ν
The refractive index bν of the medium before and after the surface is related to the amount of deviation ΔX~ν of the aspherical surface from the spherical surface by the following formula, as shown in FIG. 4. ΔX~ν≡bν/8H 4 〓 (19) The number of aspheric surfaces introduced here may be one or two, and the independent quantity is ψl given by equation (18). In equation (17), 〓 0 and 〓 0 are the characteristic coefficients when each surface of the lens is regarded as a spherical surface with a paraxial radius of curvature, and as in equation (11) above, the value of 〓 0 It will be determined once it is determined. Here, the desired value of V is 0 , V 0 , and the shape of the aspherical lens that realizes this is0 ≡ (a v 0 −a〓・V 0 )−a v C〓−a〓c v /a v b〓−a
〓b v (21) ψl= 0 − (a〓〓 0 +b〓〓 0 +c〓)/a〓(22). In the above description, the desired 0 and V 0 are, respectively, It is. The independent quantities in this case are 〓 0 , ψl, and φ 0 , and if one of them is determined, the remaining two are determined dependently. For example, if the rotation amplitude φ 0 is determined, 〓 0 and ψe are determined. Alternatively, if 〓 0 is determined, ψl and φ 0 are determined. Next, consider the case where the scanning lens used in the present invention is a single lens and scans a flat surface to be scanned. In this case, the general formula (2) reduces to the formula (1), and the spherical field curvature aberration at this time is expressed as =+P. Here, when the light source position is at an infinite distance from the deflector, in order to scan the scanned plane, which is the imaging surface of the scanning lens, without curvature of field, in equations (1) and (24), = 0, =0. However, when the scanning lens is a single lens made of a glass material with a refractive index of N, and the focal length of the lens is f=1, P=
Since it is 1/N, it is impossible to satisfy both of the above-mentioned =0 and =0. That is, in the case of a single lens, since the Petzvaar sum remains, only either astigmatism or spherical field curvature can be corrected. Therefore, the imaging position Pi deviates from the scanned plane. On the other hand, if the light source position is placed at a finite distance, both astigmatism and spherical field curvature can be corrected even if the Petzvaar sum remains, and the imaging position can be aligned on the scanned plane. It is. The present invention realizes this, and this point will be described in more detail with reference to FIG. 1 above. In FIG. 1, a light beam emitted from a light source 1 located at a finite distance is deflected by a deflection mirror 2, and is deflected by a scanning lens 3.
After passing through, the image is formed at point Pi. In this case, 1' is a virtual image of the light source 1 by the deflection mirror, which is located on a circular arc 4 centered on the rotation axis 5 of the deflection mirror. In the present invention, By adopting a lens shape that satisfies the following, it becomes possible to form an image of the imaginary light source on the circular arc 4 in FIG. 1 onto the surface to be scanned 4'. g is the distance from the deflection mirror to the light source. In this application, the distance is positive when measured in the direction in which the luminous flux travels, and negative when measured in the opposite direction to the traveling direction of the luminous flux. Therefore, the above g is g<0. Equation (24) and (2
From equation 5), we obtain P=-1/g (26). On the other hand, from equation (1), P=ψP 0 =1/Nf (27), and g=-Nf (28) from equations (26) and (27). Here, N is the refractive index of the glass of the single lens, f
is the focal length of the lens. That is, by setting the distance g between the deflector and the light source so as to satisfy equation (28), it becomes possible to form an image of the virtual light source on the arc 4 on the surface to be scanned 4'. In the case of a single lens, the shape for correcting astigmatism and spherical field curvature is such that the radius of curvature of the surface on the deflector side is R 1 and the scanned surface is Assuming that of the side as R 2 , when the lens thickness is small, And it is sufficient. Here, N is the refractive index of the lens, f is the focal length, and 〓 0 ≡ (−B〓±√〓 2 −4〓〓)/2A〓(30) It is. At this time, 〓 0 is determined by the following formula. (From Matsui's "Lens Design Method") 〓 0 =Amn〓 0 2 +Bmn〓 0 +Cmn (33) Therefore, the value of V in equation (1) is determined using equations (29) to (34). That is, in the case of a single lens, when a lens shape is determined to correct astigmatism and field curvature as shown in equation (25) above, its distortion aberration coefficient is inevitably determined. In the case of a single lens incorporating an aspherical surface, the lens can be provided with a desired distortion aberration coefficient V after astigmatism and field curvature are corrected. In the distortion processing method for a single lens with an aspherical surface, there is no need to select the rotation amplitude of the deflection mirror, and the value of V 0 determined corresponding to an arbitrary rotation amplitude φ 0 from equation (7) can be calculated. Equipitch scanning can be realized by the shape determined from equations (20) to (22) as the desired distortion aberration coefficient of the lens. Furthermore, when an aspherical single lens is introduced, the deflector may have any rotational characteristic other than that shown in equation (7). Regarding the technique of scanning a light beam at a constant speed on the surface to be scanned, the position of the light source is not limited in both the case of a spherical single lens and the case of an aspheric single lens. Therefore, with respect to the deflector, there is no problem whether the light source is located at a finite position or at an infinite position. As described above, for each case where the scanning lens is a spherical single lens or an aspherical single lens, the imaginary light source on the arc 4 in Fig. 1 can be affected by setting the light source position, deflection mirror position, lens shape, etc. It has been mentioned that an image can be formed on a scanning plane and that equipitch scanning can be realized. The actual position of the light source, the position of the deflection mirror, and the shape of the lens can be determined satisfactorily based on the principles of the present invention. In this principle, the lens shape was determined within the range of third-order aberrations, but this is for the sake of simplifying the explanation; practical design that includes higher-order aberrations is easy using ordinary design techniques based on this principle. It can be carried out. Further, in this principle, the values of the astigmatism coefficient and Betsuvial sum P are strictly set to 0 and -1/g, respectively, but in an actual device, there is a permissible range for these values. For example, when the deflector uses a rotating polygon mirror whose rotation center does not lie on the reflecting surface, field curvature remains on the imaging plane even if the astigmatism coefficient Petzval sum P is corrected to the above value. The respective field curvatures △M and △S in the meridional section and the spherical section are (Matsui: "Lens Design Method") where △ and △ are the allowable values of the astigmatism coefficient and the spherical field curvature coefficient, respectively, In each case, the amount of field curvature is set within the depth of focus determined by the diffraction limit. Here, Fe is the effective F number of the lens, and λ is the wavelength of the light source. In this case, from Figure 1, tanω≡gsinθ/(g+t 1 ) (37), and from equations (35), (36), and (37), △ and △ are If the following is satisfied, each field curvature in the meridional section and the spherical section falls within the depth of focus of the diffraction limit. The allowable value ΔV of distortion aberration is determined as follows. From the above equation (4), let △V be the slight unsatisfactory amount of the distortion aberration coefficient value, and △y′ be the shift in the scanning position caused by it, △y′=f〜θ 2・△U 3 △U 3 ≡−1 /2(g/g+t 1 ) 2・△V ∴△y′=−g^′/2(g/g+t 1 ) 3・θ 3・△V is obtained. If the allowable value of the deviation from the ideal position of the spot when the deflection angle θ is △Y′, then it is within the range that satisfies |△V|≦2/|g^′ (g+t 1 /gθ) 3・△Y′ The desired value given by equation (7) is
It is sufficient to enter the distortion aberration coefficient value based on V 0 . As described above, when a scanning device according to the present invention scans a scanned plane with a deflection mirror using a light source located at a finite position, the scanning device utilizes the fact that the virtual light source created by mirror rotation is on an arc. This is due to the simplified structure of the lens. and,
When the scanning lens is a spherical single lens, by selecting the sinusoidal vibration amplitude of the deflector's rotational characteristics, the scanning lens can be set at equal distance intervals on the scanned plane in response to blinking (modulation) of the light source at equal time intervals. spot scanning can be achieved. In addition, if the scanning lens is an aspherical single lens, it is possible to image an imaginary light source on an arc onto the scanned plane, and it can also be used with arbitrary amplitude Equidistantly spaced spot scanning can also be achieved with respect to φ 0 . In the above description, spot scanning at equidistant intervals is achieved by setting the distortion V of the single lens for scanning, but it is possible to achieve equidistant interval spot scanning by changing the flashing time interval of the light source. Spot scanning can be achieved. That is, the sinusoidal vibration amplitude φ 0 of the deflector is arbitrarily set, and the blinking time τ of the light source is determined as follows according to the distortion aberration coefficient V of the scanning lens at that time : 2 kt) (39). Examples are shown below. In the case of a spherical single lens Based on the present invention, when the parameters g and t 1 that determine the arrangement of the light source and the deflection mirror lens and the amplitude φ 0 that determines the rotational characteristics of the deflection mirror are set, The shape of the spherical single lens that forms the imaging spot (the radius of curvature on both sides), and the ideal values of the astigmatism coefficient and curvature coefficient of the truncated field surface of the system, 0 ,
Table 1 shows the spherical curvature coefficient of the system, the ideal value of the distortion aberration coefficient V 0 to realize equal pitch scanning, the distortion aberration coefficient V of the system, and the values of − 0 and V−V 0 . Raise it. Table 1 shows that the light source, deflection mirror, and lens positions are arranged at fixed positions (g+t 1 =-2, t 1 =-
0.2), and when the amplitude of the deflection mirror that vibrates sinusoidally is changed from φ 0 = 5 to ∞, the unsatisfactory amount of distortion aberration (V-V 0 ) for equal pitch scanning in each case.
This is what is shown. Looking at this Table 1, the above (V
It can be seen that the amplitude φ 0 of the deflection mirror where the value of -V 0 ) is small, that is, the amplitude φ 0 of the deflection mirror that can realize equal pitch scanning with a constant time interval of electric signals, is around 25° to 30°. In other words, when using a scanning lens that is a single spherical lens, by selecting the amplitude of the deflection mirror that vibrates sinusoidally, it is possible to realize equipitch scanning with a constant time interval of electrical signals. .
A more precise value of the amplitude is found to be φ 0 ≈27.5° from FIG. 5, which is an illustration of Table 1, with φ 0 on the horizontal axis and V−V 0 on the vertical axis. The lens shape in this case is R 1 = −0.55718, R 2
= -0.32843, which is a thin lens. (R 1 is the surface on the light source side, R 2 is the surface on the scanned surface side) In order to obtain equal pitch scanning for other amplitudes, as described in the above principle, the time interval τ of the electric signal is 39) can be set according to formula. The configuration (g, t 1 , g^'', R 1 , R 2 ) data of each example in Table 1 and Tables 2 to 9 below are obtained by normalizing the focal length f of the lens to f = 1. The refractive index N of these lenses is N = 1.8. Tables 2 to 4 show examples for the case of a spherical single lens, and are equivalent pitch scans (V-V 0 = 0), the imaging position of the light source corresponding to the deflection angle θ is ΔM (imaging position deviation in the meridional section) and ΔS (imaging position deviation in the spherical section) from the scanned surface. image position shift), and each amount satisfies equation (36).As mentioned above, the right side of equation (36) is the effective F number Fe and wavelength λ
represents the depth of focus determined by the diffraction limit. Then, the imaging position deviation falls within the above depth of focus when |θ|≦15°, Fe=60, and λ=6328 Å. (This depth of focus is ±5.6 mm) In addition, equation (36) is equivalent to equation (38), and the astigmatism unsatisfactory amount (=△) and spherical defect for each example in Tables 2 to 4 The surface curvature aberration unsatisfactory amount - 0 (=Δ) satisfies equation (38). However, in equation (38), g^' is calculated as g^' = 300 mm, and Tables 2 to 4
In the data, the focal length of the lens is f = 1mm.
This is the case when normalized. That is, Table 2
~ Among the configurations in Table 4, for example, for Example No. 20, if the distance g^' between the lens and the scanned surface is set to g^' = 300 mm, then the distance from the lens to the light source is (g+t 1 ) is -300 mm, the distance (g) from the deflection mirror to the light source is -277.5 mm, the distance t 1 from the lens to the deflection mirror is -22.5 mm, and the radius of curvature on the light source side of the lens (R 1 ) is −53.673 mm, the radius of curvature (R 2 ) on the scanned surface side is −37.086 mm, and the focal length (f) of this lens is 150 mm. In the configuration actually used in this way, the depth of focus (±
5.6mm). Similarly, in the other examples shown in Tables 2 to 4, when the configuration data is proportionally converted with g^' = 300 mm, the image formation position shift falls within the focal depth (±5.6 mm). Table 2 shows that the amplitude φ 0 of the deflection mirror is 25°, and Table 3
Table 4 is for the case where φ 0 is 30°, and Table 4 is for the case where φ 0 is 35°.
In each case, the distance g+ from the lens to the light source
t 1 and the distance t 1 from the lens to the deflection mirror are varied. Looking at the unsatisfactory amount of astigmatism and unsatisfactory amount of spherical curvature aberration in Tables 2 to 4, it can be seen that for any amplitude, when the value of the distance g + t 1 from the lens to the light source is -2. , it turns out to be good. That is, it can be seen that when the value of g+t 1 is around -2, the deviation of the imaging position from the scanned surface is the smallest. When the thin lens described above is made thicker, if the value of d/f, which is obtained by dividing the lens thickness by the focal length f, is small, the aberration fluctuation due to the thickening is small.
Thickening can be easily achieved if the thinning data in Tables 1 to 4 are available. This was implemented using the configuration shown in Figure 6 to display the configuration data.
Table 11 shows the aberration coefficient values in Table 10, and FIG. 7 shows the deviation of the imaging position from the scanned surface 4'. FIG. 8 shows the ratio of deviation of the actual image height Y' in this configuration from the ideal image height y' expressed by equation (9) to achieve equal pitch scanning, Y'-y'/y' x 100. (%) is plotted on the horizontal axis and the deflection angle θ is plotted on the vertical axis. In the case of an aspherical single lens Examples in which an aspherical surface is introduced are listed in Tables 5 to 9. Table 5 shows examples that achieve uniform pitch scanning with a constant electric signal time interval and form an image of the light source on the scanned plane. This completely satisfies the above two conditions. In Tables 5 to 9, configuration parameters other than ψl (φ 0 , g+t 1 , t 1 , g′, R 1 ,
R 2 ) has the same meaning as in the case of the spherical single lens described above, and ψl is the aspherical coefficient defined by equations (18) and (19) described in the principle. Also, the aberration coefficient, −
0 , V- V0 , 0 , and V0 have the same meanings as described in the embodiment of the spherical single lens. In the case of a spherical single lens, it was only possible to achieve equal pitch scanning and to form an image of the light source on the scanned plane for a specific amplitude of the vibrating mirror, but it can be seen from Table 5. By introducing an aspherical surface, there is a configuration that can satisfy the above two conditions for various amplitudes. As described in the principle, the configuration is such that the distance g from the deflection mirror to the light source has a relationship with the refractive index N of the lens and the focal length f as shown in equation (28). In the examples shown in Tables 6 to 9, as described for the spherical single lens, there is a deviation in the imaging position from the scanned plane within the depth of focus, and uniform pitch scanning with a constant time interval of electrical signals is achieved. It's something you get. Looking at these tables, we found that the above two conditions could be satisfied for various amplitudes, various distances from the lens to the light source, and various distances from the lens to the deflection mirror, so we introduced these aspheric surfaces. In this case, the difference from the case of a single spherical lens is that astigmatism can be completely corrected. In other words, in the case of a spherical single lens, the lens shape is determined only by the conditions of evenly pitched scanning with a constant time interval of electrical signals, as described in the principle, and astigmatism and spherical defects are determined according to the shape. The field curvature aberration is a dependent decision. On the other hand, when an aspheric surface is introduced, even if the above equation (28) is not completely satisfied, it is necessary to perform equal pitch scanning with a constant time interval of electrical signals and to correct astigmatism. can be satisfied at the same time. However, △=-
0 remains. In the case of the aspherical single lens in Tables 6 to 9, the imaging position deviations △M and △S from the scanned plane are the same as in the case of the spherical single lens, g^' = 300 mm, |θ|≦15°, Fe
Depth of focus (±
5.6mm), and the configuration data is normalized to f=1. Each of the examples in Tables 5 to 9 is thin lens data as in the case of a spherical single lens, but even if the lens thickness is increased, the lens thickness d is smaller than the focal length, that is, the value of d/f. If is small, aberration fluctuations will be small.
Therefore, the aberration due to this variation can be easily corrected using ordinary techniques. This was carried out by
Display the configuration data with the configuration shown in Figure 9.
Table 12 shows the aberration coefficient values, and FIG. 10 shows the deviation of the imaging position from the scanned plane 4'. FIG. 11 shows the ratio of deviation of the actual image height (Y') in the configuration from the ideal image height (y') expressed by equation (9) to achieve equal pitch scanning, Y'-y'/ The horizontal axis is y′×100 (%), and the vertical axis is the deflection angle θ. A twelfth embodiment in which the scanning device of the present invention is applied is shown in the twelfth embodiment.
As shown in FIG. All of them use a semiconductor laser as a light source; FIG. 12 shows an example using a rotating polygon mirror that rotates at a constant angular velocity, and FIG. 13 shows an example using a galvanometer mirror that vibrates sinusoidally. 6 is a semiconductor laser, 7 is its light emitting part, 8 is a rotating polygon mirror, 9 is a rotation axis, 10 is a drive system, 8' is a mirror surface, 11 is a scanning lens, 12 is a photosensitive recording medium, 13 is a scanning line, 14 is a galvanometer mirror, 1
4' is its mirror surface, and 15 is its drive system.
In such a device, by creating the above-mentioned organic relationship among the light source position, the deflector position, the scanning lens position, the rotational characteristics of the deflector, and the configuration of the scanning lens. The recording scanning speed of the recording scanning line 13 can be kept constant by controlling the modulated electric signal given to the semiconductor laser 6 by the modulation system 16 and by moving the recording medium 12 in a direction orthogonal to the scanning line 13. ,
Spot recording as shown in FIG. 14 can be performed.

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】 【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の走査装置を説明する為の図、
第2図はφ=φ0sinktの振動特性を有する偏向器
のφ0の値を変化させた場合のφとtとの間の関
係を示す図、第3図は被走査面上での等ピツチ走
査の様子を示す図、第4図は非球面と球面のずれ
量△X〜νを示す図、第5図は本発明に係る走査装
置の一実施例に於いて、光源に与える時間間隔を
一定にした時の等ピツチ走査を達成する為の振幅
φ0の最適値を示す図、第6図は走査用レンズを
球面単レンズとしたときの構成の一実施例を示す
図、第7図は、第6図の実施例に対応する被走査
平面4′からの結像位置ずれ(像面彎曲)を示す
図、第8図は、第6図の実施例に対応する等速性
を示す図、第9図は、走査用レンズとして非球面
単レンズを用いた一実施例の構成を示す図、第1
0図は、第9図のレンズの像面彎曲を示す図、第
11図は、第9図のレンズの等速性を示す図、第
12図・第13図は、本発明の走査装置の応用例
で第12図は、偏向ミラーとして等角速度回転多
面鏡を使用した例を示す図、第13図は偏向器と
して正弦振動ミラーを用いた例を示す図、第14
図は、第12図あるいは第13図の走査記録装置
で記録した画像の一例を示す図である。 1……光源、2……偏向器、3……走査用レン
ズ、4′……被走査面。
FIG. 1 is a diagram for explaining the scanning device of the present invention,
Figure 2 shows the relationship between φ and t when the value of φ 0 of a deflector with vibration characteristics of φ = φ 0 sinkt is changed, and Figure 3 shows the relationship between FIG. 4 is a diagram showing the amount of deviation △X~ν between the aspherical surface and the spherical surface, and FIG. 5 is a diagram showing the time interval given to the light source in an embodiment of the scanning device according to the present invention. Fig. 6 shows an example of the configuration when the scanning lens is a spherical single lens; Fig. 7 The figure shows the image formation position deviation (field curvature) from the scanned plane 4' corresponding to the embodiment of FIG. 6, and FIG. 8 shows the uniform velocity characteristic corresponding to the embodiment of FIG. Figure 9 is a diagram showing the configuration of an embodiment using an aspherical single lens as a scanning lens.
Figure 0 is a diagram showing the field curvature of the lens in Figure 9, Figure 11 is a diagram showing the uniform velocity of the lens in Figure 9, and Figures 12 and 13 are diagrams showing the field curvature of the lens in Figure 9. As an application example, Fig. 12 shows an example in which a constant angular velocity rotating polygon mirror is used as a deflection mirror, Fig. 13 shows an example in which a sine oscillation mirror is used as a deflector, and Fig. 14 shows an example in which a sine oscillation mirror is used as a deflector.
The figure shows an example of an image recorded by the scanning recording apparatus of FIG. 12 or 13. 1...Light source, 2...Deflector, 3...Scanning lens, 4'...Scanned surface.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 光源部、該光源部からの光束を所定方向に偏
向する偏向器、該偏向器で偏向された光束を被走
査面上に集光する走査用レンズを備えた光学的走
査装置に於いて、 前記偏向器に対して前記光源部の光源の位置は
有限距離に配されており、前記走査用レンズは単
レンズで構成されており、該単レンズは非点収差
がほぼ零で且つ該単レンズは前記偏向器の回動に
伴なつて形成される円弧上の光源の虚像を平坦な
前記被走査面上に結像する為のペツツヴアール和
を有しており、前記偏向器の回転角をφ、振幅を
φ0、tを時間、kを定数とすると、前記偏向器
の回動は φ=φ0sinkt であり、t1を前記単レンズと偏向器の間隔で単レ
ンズから偏向器に向つて計つた値、gを前記偏向
器と光源の間隔で偏向器から光源に向つて計つた
値、Vを前記単レンズの歪曲収差とすると、 なる関係をほぼ満足する事を特徴とする光学的走
査装置。 2 前記走査用単レンズの有効FナンバーをFe、
光源部からの光束の波長をλ、メリデイオナル像
面内の像面湾曲の量を△M、サジタル像面内の像
面湾曲の量を△Sとすると、 |△M|≦2.44Fe2λ |△S|≦2.44Fe2λ なる関係を満足する特許請求の範囲第1項記載の
光学的走査装置。
[Scope of Claims] 1. An optical system comprising a light source section, a deflector that deflects the light beam from the light source section in a predetermined direction, and a scanning lens that focuses the light beam deflected by the deflector onto a surface to be scanned. In the scanning device, the light source of the light source section is arranged at a finite distance from the deflector, and the scanning lens is composed of a single lens, and the single lens has almost no astigmatism. 0, and the single lens has a Petzvaer sum for forming a virtual image of the light source on an arc formed as the deflector rotates on the flat surface to be scanned, and the deflection When the rotation angle of the deflector is φ, the amplitude is φ 0 , t is time, and k is a constant, the rotation of the deflector is φ = φ 0 sinkt , and t 1 is the distance between the single lens and the deflector. If g is the value measured from the lens toward the deflector, g is the value measured from the deflector toward the light source at the distance between the deflector and the light source, and V is the distortion of the single lens, An optical scanning device characterized by substantially satisfying the following relationship. 2. The effective F number of the scanning single lens is Fe,
If the wavelength of the light flux from the light source is λ, the amount of field curvature in the meridional image plane is △M, and the amount of field curvature in the sagittal image plane is △S, then |△M|≦2.44Fe 2 λ | The optical scanning device according to claim 1, which satisfies the relationship ΔS|≦2.44Fe 2 λ.
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