JPWO2014192691A1 - 走査レンズ - Google Patents

Abstract

画像形成光線用部分を備え、該画像形成光線用部分の端部に同期検知光線用部分を備えた走査レンズを提供する。走査レンズは、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含む主走査方向の断面において、該画像形成光線用部分の入射面と該同期検知光線用部分の入射面との境界点を第１の境界点とし、該第１の境界点において該画像形成光線用部分の入射面と、該同期検知光線用部分の入射面と、がなす外側の角度をθ１とし、該画像形成光線用部分の出射面と該同期検知光線用部分の出射面との境界点を第２の境界点とし、該第２の境界点において該画像形成光線用部分の出射面と、該同期検知光線用部分の出射面と、がなす外側の角度をθ２として、θ１＜１８０°、かつθ２＜１８０°を満たす。

Description

本発明は、走査光学系に使用される走査レンズに関する。

偏向光束を走査レンズにより被走査面上に集光させて走査を行う走査光学系において、偏向光束を使用して走査の同期検出信号を発生させることが行われている。同期検出信号を発生させるために、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分とを一体的に成形した走査レンズが開発されている（たとえば、特許文献１）。

しかし、このように画像形成光線用部分と同期検知光線用部分とを備えた走査レンズの入射面及び出射面を、単一の鏡面駒を使用して成形するための金型を製造しようとすると、加工工具の制約から所望の入射面及び出射面を形成することができないという問題点があった。上記の問題点については、後で詳細に説明する。

このように、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分の入射面及び出射面を所定の形状に成形することのできる走査レンズは開発されていない。

特開平５−５３０６７号公報（特許３０７３８０１号公報）

したがって、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分の入射面及び出射面を所定の形状に成形することのできる走査レンズに対するニーズがある。

本発明の走査レンズは、画像形成光線用部分を備え、該画像形成光線用部分の端部に同期検知光線用部分を備えた走査レンズである。該走査レンズは、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含む主走査方向の断面において、該画像形成光線用部分の入射面と該同期検知光線用部分の入射面との境界点を第１の境界点とし、該第１の境界点において該画像形成光線用部分の入射面と、該同期検知光線用部分の入射面と、がなす外側の角度をθ_１とし、該画像形成光線用部分の出射面と該同期検知光線用部分の出射面との境界点を第２の境界点とし、該第２の境界点において該画像形成光線用部分の出射面と、該同期検知光線用部分の出射面と、がなす外側の角度をθ_２として、
θ_１＜１８０°、かつ
θ_２＜１８０°
を満たす。

本発明の走査レンズにおいては、θ_１及びθ_２が１８０°より小さいので、金型の入射面用の鏡面駒、及び出射面用の鏡面駒において、画像形成光線用部分に対応する面と同期検知光線用部分に対応する面とがなす外側の角度が１８０°以上である。この結果、工具の刃先の干渉による欠損部分が生じることはなく、金型の入射面用の鏡面駒、及び出射面用の鏡面駒の所望の形状を加工することができる。したがって、画像形成光線用部分の入射面及び出射面、ならびに同期検知光線用部分の入射面及び出射面が所望の形状の走査レンズが得られる。

本発明の第一の実施形態による走査レンズは、
１３５°≦θ_１＜１８０°、かつ
１３５°≦θ_２＜１８０°
をさらに満たす。

θ_１及びθ_２が鋭角になると金型の突起部の破損が生じやすくなるので好ましくない。また、θ_１の補角をθαとし、θ_２の補角をθβとすると、角度θα及びθβが大きくなることは偏肉比が増加する原因となり、射出成形時の収縮差が大きくなり製品形状を精度良く作製することが困難となるので好ましくない。

本発明の第二の実施形態による走査レンズは、
３００°＜θ_１＋θ_２
をさらに満たす。

上記の条件を満たせば、走査レンズの同期検知光線用部分の出射面における全反射を防止することができる。

本発明による走査レンズを含む走査光学系の構成を示す図である。 本発明の実施形態の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。 本発明の他の実施形態の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。 本発明の他の実施形態の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。 θ_１が１８０°以上である従来技術の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。 θ_１が１８０°以上である従来技術の走査レンズの金型の、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近に対応する部分の、ｙｚ断面に対応する断面を示す図である。 画像形成光線用部分の入射面に対応する面を先に加工した場合の状態を示す図である。 同期検知光線用部分の入射面に対応する面を先に加工した場合の状態を示す図である。 θ_２が１８０°以上である従来技術の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。 θ_２が１８０°以上である従来技術の走査レンズの金型の、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近に対応する部分の、ｙｚ断面に対応する断面を示す図である。 画像形成光線用部分の出射面に対応する面を先に加工した場合の状態を示す図である。 同期検知光線用部分の出射面に対応する面を先に加工した場合の状態を示す図である。 従来技術の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。

図１は、本発明による走査レンズを含む走査光学系の構成を示す図である。走査光学系は、レーザダイオードなどの光源１０、コリメータレンズ２０、アパーチャ３０、シリンドリカルレンズ４０、ポリゴンミラー（回転多面鏡）５０、走査レンズ１００、及び同期検知用センサ７０を含む。

光源１０から放射された光は、コリメータレンズ２０によって平行光束とされ、アパーチャ３０を経てシリンドリカルレンズ４０に至る。光束は、シリンドリカルレンズ４０によって、副走査方向（図１の紙面に垂直な方向）にのみ収束性を与えられる。光束は、さらに、ポリゴンミラー５０により偏向光束となって走査レンズ１００に至り、走査レンズ１００によって被走査面６０上に収束させられる。ポリゴンミラー５０が回転するにしたがって、偏向光束Ａ１、Ａ２、Ａ３などによって光走査領域ＡＡが走査される。被走査面６０上には、ドラム状の光電性感光体が配置されており、回転することにより、感光体周面を副走査方向へ移動させる。

走査レンズ１００は、画像形成光線用部分１０１と同期検知光線用部分１０３とを含む。画像形成光線用部分１０１は、上述のように、画像形成光線用部分１０１を被走査面６０上に収束させる。同期検知光線用部分１０３は、偏向光束による光走査領域ＡＡの走査の開始前に、偏向光束を同期検知用センサ７０に収束させる。このように、同期検知用センサ７０によって光束Ｂを検知することにより、光走査の同期信号を得ることができる。

なお、図１は、光束の主光線の経路を含む主走査方向の断面である。ポリゴンミラー５０の反射面は、上記断面と垂直に配置されている。上記断面において、主光線の反射点を原点とし、原点で反射された主光線のうち、被走査面６０に垂直に入射する光束Ａ２の主光線の方向にｚ軸を定め、上記断面内でｚ軸と垂直な方向にｙ軸を定める。また、ｙ軸及びｚ軸に垂直な方向にｘ軸を定める。ｙ軸は、主走査方向に平行であり、ｘ軸は副走査方向に平行である。ここで、ｚ軸を走査レンズ１００の光軸とする。

図２は、本発明の実施形態の走査レンズの、画像形成光線用部分１０１と同期検知光線用部分１０３との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。

図２のｙｚ断面において、画像形成光線用部分１０１の入射面１０１１と同期検知光線用部分１０３の入射面１０３１との交点は、境界点１０５１である。境界点１０５１において、入射面１０１１と、入射面１０３１と、がなす外側の角度をθ_１で表す。また、同様に、図２のｙｚ断面において、画像形成光線用部分１０１の出射面１０１３と同期検知光線用部分１０３の出射面１０３３との交点は、境界点１０５３である。境界点１０５３において、出射面１０１３と、出射面１０３３と、がなす外側の角度をθ_２で表す。

本実施形態においては、以下の関係が満たされる。
θ_１＜１８０° （１）
θ_２＜１８０° （２）
不等式（１）及び（２）を満たす走査レンズの形状が好ましい理由については後で説明する。

図１３は、従来技術の走査レンズの、画像形成光線用部分１０１Ｃと同期検知光線用部分１０３Ｃとの境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。同期検知光線用部分１０３Ｃは、光束Ｂを同期検知用センサ７０に収束させる。この際に、収差（特に、コマ収差）を小さくするには、光束Ｂの進行方向に対して、できるだけ垂直な方向に光学面を定めるのが好ましい。したがって、従来技術の走査レンズの同期検知光線用部分１０３Ｃの入射面１０３１Ｃと１０３３Ｃとは、ほぼ平行となるように定められていた。このため、従来技術の走査レンズにおいて、θ_１及びθ_２が上記の不等式（１）及び（２）を満足することはなかった。

図３は、本発明の他の実施形態の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。

θ_１及びθ_２の和が小さすぎると、光束Ｂが同期検知光線用部分１０３の出射面１０３３で全反射されてしまう。したがって、出射面１０３３における全反射を防止するために、θ_１及びθ_２が以下の関係を満たすのが好ましい。
３００°＜θ_１＋θ_２ （３）

図４は、本発明の他の実施形態の走査レンズの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。

図４において、θ_１及びθ_２は、走査レンズを製造するための金型の突起部の角度に対応する。θ_１及びθ_２が鋭角になると金型の突起部の破損が生じやすくなるので好ましくない。また、図４において、θ_１の補角をθαとし、θ_２の補角をθβとする。角度θα及びθβが大きくなることは偏肉比が増加する原因となり、射出成形時の収縮差が大きくなり製品形状を精度良く作製することが困難となるので好ましくない。したがって、θ_１及びθ_２が以下の関係を満たすのが好ましい。
１３５°≦θ_１＜１８０°（４）
１３５°≦θ_２＜１８０°（５）

つぎに、従来技術の走査レンズが不当式（１）または（２）を満たさない場合にどのような問題が生じるかについて説明する。

走査レンズは、金型に溶融した樹脂を注入し、一体的に成形することによって製造する。一例として、樹脂は、ポリメチルメタクリレート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂などである。ここで、走査レンズの入射面及び出射斜面のそれぞれに対応する金型の鏡面駒は一体型であるとする。入射面及び出射斜面のそれぞれに対応する金型の鏡面駒を、たとえば、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分など、複数の部分から構成すると、バリを発生させる原因となるので好ましくない。

図５は、θ_１が１８０°以上である従来技術の走査レンズ１００Ａの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。

図６は、θ_１が１８０°以上である従来技術の走査レンズ１００Ａの金型の、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近に対応する部分の、ｙｚ断面に対応する断面を示す図である。図６において金型を斜線で示す。ｙｚ断面において、θ_１が１８０°より大きいと、金型の境界点に隣接する画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａと、金型の境界点に隣接する同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａとがなす外側の角度は、１８０度より小さくなる。金型を製造する場合には、加工工具２００の刃先２０１によって画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａ及び同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａを所望の形状に加工する。ここで、加工工具２００の刃先２０１の曲率半径は、一例として５ミリメータである。

図７は、画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａを先に加工した場合の状態を示す図である。画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａを所望の形状に加工すると、境界点に対応する部分付近で加工工具２００の刃先２０１が、同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａと干渉する。このため、同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａに、図７のＤで示す欠損部分が生じ、所望の形状が形成されない。

図８は、同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａを先に加工した場合の状態を示す図である。同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａを所望の形状に加工すると、境界点に対応する部分付近で加工工具２００の刃先２０１が、画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａと干渉する。このため、画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａに、図８のＥで示す欠損部分が生じ、所望の形状が形成されない。

このように、θ_１が１８０°より大きいと、金型の入射面用の鏡面駒の画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａに対応する面２０１１Ａまたは同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａに対応する面２０３１Ａのいずれかを所望の形状に加工することができない。したがって、画像形成光線用部分の入射面１０１１Ａ及び同期検知光線用部分の入射面１０３１Ａが所望の形状の走査レンズが得られない。

図９は、θ_２が１８０°以上である従来技術の走査レンズ１００Ｂの、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近の、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含むｙｚ断面を示す図である。

図１０は、θ_２が１８０°以上である従来技術の走査レンズ１００Ｂの金型の、画像形成光線用部分と同期検知光線用部分との境界点付近に対応する部分の、ｙｚ断面に対応する断面を示す図である。図１０において金型を斜線で示す。ｙｚ断面において、θ_２が１８０°より大きいと、金型の境界点に隣接する画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂと、金型の境界点に隣接する同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂとがなす角度は、１８０度より小さくなる。金型を製造する場合には、加工工具２００の刃先２０１によって画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂ及び同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂを所望の形状に加工する。

図１１は、画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂを先に加工した場合の状態を示す図である。画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂを所望の形状に加工すると、境界点に対応する部分付近で加工工具２００の刃先２０１が、同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂと干渉する。このため、同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂに、図１１のＦで示す欠損部分が生じ、所望の形状が形成されない。

図１２は、同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂを先に加工した場合の状態を示す図である。同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂを所望の形状に加工すると、境界点に対応する部分付近で加工工具２００の刃先２０１が、画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂと干渉する。このため、画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂに、図１２のＧで示す欠損部分が生じ、所望の形状が形成されない。

このように、θ_２が１８０°より大きいと、金型の出射面用の鏡面駒の画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂに対応する面２０１３Ｂまたは同期検知光線用部分の出射面１０３３Ｂに対応する面２０３３Ｂのいずれかを所望の形状に加工することができない。したがって、画像形成光線用部分の出射面１０１３Ｂ及び同期検知光線用部分の出射面１０３
３Ｂが所望の形状の走査レンズが得られない。

これに対して、図２に示すように、θ_１及びθ_２が１８０°より小さければ、金型の入射面用の鏡面駒、及び出射面用の鏡面駒において、画像形成光線用部分に対応する面と同期検知光線用部分に対応する面とがなす外側の角度が１８０°より大きいので、工具の刃先の干渉による欠損部分が生じることはなく、金型の入射面用の鏡面駒、及び出射面用の鏡面駒の所望の形状を加工することができる。したがって、画像形成光線用部分の入射面及び出射面、ならびに同期検知光線用部分の入射面及び出射面が所望の形状の走査レンズが得られる。

θ_１またはθ_２が１８０°である場合には、刃先と加工対象ではない面との干渉はほとんど生じない。したがって、走査レンズの入射面及び出射面の形状を、
θ_１≦１８０°、かつ
θ_２≦１８０°
とすることもできる。

しかし、刃先と加工対象ではない面との干渉を完全に除去するには、走査レンズの入射面及び出射面の形状を、
θ_１＜１８０°、かつ
θ_２＜１８０°
とするのがより好ましい。

つぎに、走査光学系及び走査レンズの実施例について説明する。

表１は、走査光学系の諸元を示す表である。表１において、有効走査幅は、図１のＡＡの長さに対応する。入射角は、主光線が被走査面に垂直に入射する際に主光線がポリゴンミラー５０の反射面に入射する角度である。「入射角」の下に記載された「焦点距離」とは、光軸と偏光光束の主光線とがなす角度である走査角をθ、走査面上での光軸からの高さＹとして、
Ｙ = ｆ θ
の関係を満たす係数ｆである。である。偏向基準点とは、主光線のポリゴンミラー５０の反射面における反射点、すなわち、上述の座標系の原点である。

表２は、ポリゴンミラー５０の回転中心及び走査レンズ１００の各面の面定義中心の座標を示す表である。走査レンズ１００の画像形成光線用部分１０１の入射面及び出射面の面定義中心は、各面とｚ軸との交点である。表２における長さの単位はミリメータである。

また、画像形成光線用部分１０１と同期検知光線用部分１０３との境界部の座標は、以下のとおりである。長さの単位はミリメータである。
入射面の境界部の座標：（y, z）= (-45.5, 47.382)
出射面の境界部の座標：（y, z）= (-47, 51.211)

実施例の光学面に使用した面定義式は以下のとおりである。

ただし、

式中の変数及び係数の定義は以下のとおりである。
y：主走査方向座標
x：副走査方向座標
z：サグ
k：コーニック係数
Ry：主走査断面曲率半径
rx(y)：副走査方向断面の主走査方向座標yにおける曲率半径
rx(0)：副走査方向断面の光軸上の曲率半径
Ai：主走査方向断面の非球面係数（i = １、２、３、４・・・）
Bi：副走査断面曲率半径を決定する係数（i = １、２、３、４・・・）

表３は、上記の式の係数の値を示す表である。表３における長さの単位はミリメータである。

実施例の走査レンズのθ_１及びθ_２の値は以下のとおりである。
θ_１＝１６８．６°
θ_２＝１７２．５
したがって、θ_１及びθ_２のは不等式（１）、（２）、（４）及び（５）を満たす。また、
θ_１＋θ_２＝３４１．１°
であるので、不等式（３）を満たす。

本実施例の走査レンズ１００の同期検知光線用部分１０３のコマ収差は、λを光線の波長として、７．１ｍλである。このコマ収差の値は、従来技術の走査レンズの同期検知光線用部分のコマ収差の値より大きいが、同期検知用センサ７０による光束の検出には全く問題がない。

Claims (3)

1. 画像形成光線用部分を備え、該画像形成光線用部分の端部に同期検知光線用部分を備えた走査レンズであって、走査光学系に配置された状態で主光線の経路を含む主走査方向の断面において、該画像形成光線用部分の入射面と該同期検知光線用部分の入射面との境界点を第１の境界点とし、該第１の境界点において該画像形成光線用部分の入射面と、該同期検知光線用部分の入射面と、がなす外側の角度をθ_１とし、該画像形成光線用部分の出射面と該同期検知光線用部分の出射面との境界点を第２の境界点とし、該第２の境界点において該画像形成光線用部分の出射面と、該同期検知光線用部分の出射面と、がなす外側の角度をθ_２として、
   θ_１＜１８０°、かつ
   θ_２＜１８０°
   を満たす走査レンズ。
2. １３５°≦θ_１＜１８０°、かつ
   １３５°≦θ_２＜１８０°
   をさらに満たす請求項１に記載の走査レンズ。
3. ３００°＜θ_１＋θ_２
   をさらに満たす請求項１または２に記載の走査レンズ。

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