JP2007114484A - 光走査装置及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

光走査装置及びそれを用いた画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 入射光学系で発生する副走査断面内での球面収差を補償(減少)して被走査面上で良好なるスポットを得ることにより、高精細で高質な画像を容易に形成できる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置を得ること。
【解決手段】 光源手段１から出射した光束を偏向手段６に導光する入射光学系ＬＡと、偏向手段で偏向された光束を被走査面９上に導光する結像光学系ＬＢとを有する光走査装置において、入射光学系は、主走査断面内と副走査断面内において共にパワーを有する第１の光学素子と、副走査断面内においてパワーを有する第２の光学素子を有しており、第１の光学素子の少なくとも一面は、回転非対称形状で、かつ副走査断面内において非円弧形状よりなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は光走査装置及びそれを用いた画像形成装置に関し、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタやデジタル複写機、マルチファンクションプリンタ（多機能プリンタ）等の画像形成装置に好適なものである。
従来より光走査装置においては画像信号に応じて光源手段から光変調され出射した光束（光ビーム）を、例えばポリゴンミラーから成る光偏向器により周期的に偏向させる。そして光偏向器で偏向された光束をｆθ特性を有する結像光学系によって感光性の記録媒体面上にスポット状に集光させている。これによって該光束で記録媒体面上を光走査して画像記録を行っている。
近年、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置では、画像形成が高速化され、また装置全体が小型化されている。それに伴って光走査装置をより高速化、かつコンパクトに構成することが望まれている。
高速化に伴い、光源手段から出力される感光面を感光するための光量も増加する。しかしながら高い光量を出力できるレーザ光源は、出力される光量が低いレーザ光源に比べて構成が複雑である。そのため光量が低いレーザ光源を使用して高速化するためには、光源手段からの光束を光偏向器に導く入射光学系の入射側のＦナンバー（Fno）を明るく（小さく）してカップリング効率を上げる手段が用いられている。
副走査方向のFnoが明るい場合、入射光学系の一要素を構成する副走査断面内(副走査方向)にのみパワー（屈折力）を有するシリンドリカルレンズ（シリンダ）から球面収差が大きく発生する。このため被走査面上における副走査方向のビームスポット径が肥大してしまう。ビームスポット径が肥大すると、被走査面上に書き込まれた画像に対して解像力の低下や細線の太り等の悪影響を及ぼす。
特に近年、画像形成の高速化のために主走査断面内において光偏向器の偏向面の幅よりも広い幅の光束を入射させるオーバーフィルド光学系（OFS（Over Filled Scanner））が多く用いられている。このOFSの場合は、光量分布を抑えるために主走査方向のFnoを大きくする分、カップリング効率を稼ぐ為に副走査方向のFnoを小さくする傾向にある。この結果、副走査断面内の球面収差が大きくなりやすい傾向にある。
このときの球面収差を補正するようにした光走査装置は種々と提案されている（特許文献１参照）。
特開平１１−６９６４号公報
特許文献１は、結像光学系で発生する副走査断面内（副走査方向）の球面収差を補償するためにシリンドリカルレンズの一方のレンズ面を副走査断面内において非円弧形状より形成している。
このような非円弧形状をレンズ面に形成する方法としては、例えばガラス研削研磨加工や、ガラスモールド成型、そしてプラスチックモールド成型が一般的に知られている。
しかしながらガラス研削研磨加工とガラスモールド成型は、円弧形状のガラスレンズやプラスチックレンズに比べて製造が難しく、かつコストが著しく高くなってしまうという問題点がある。
またプラスチックレンズは環境変化(特に温度変化)によって屈折率が変化するため昇温時に被走査面上でのピントずれが生じて良好なるスポットが得られないという問題がある。このピントずれ量は、そのレンズのパワーが大きいほど増加する。このため入射光学系の光路長の短縮などの理由からシリンドリカルレンズのパワーが大きく設定されている場合は、特にそのピントずれ量が大きく、著しいスポットの劣化を招くという問題点がある。
本発明は入射光学系で発生する副走査断面内での球面収差を補償(減少)して被走査面上で良好なるスポットを得ることにより、高精細で高質な画像を容易に形成できる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置の提供を目的とする。
請求項１の発明の光走査装置は、
光源手段と、該光源手段から出射した光束を偏向手段に導光する入射光学系と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する結像光学系と、を有する光走査装置において、
該入射光学系は、主走査断面内と副走査断面内において共にパワーを有する第１の光学素子と、副走査断面内においてパワーを有する第２の光学素子を有しており、
該第１の光学素子の少なくとも一面は、回転非対称形状で、かつ副走査断面内において非円弧形状よりなることを特徴としている。
請求項２の発明は請求項１の発明において、
副走査断面内において、前記第２の光学素子のパワーは前記第１の光学素子のパワーよりも大きいことを特徴としている。
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、
前記第２の光学素子の材料はガラス材、前記第１の光学素子の材料は樹脂材であることを特徴としている。
請求項４の発明は請求項１、２又は３の発明において、
副走査断面内において、前記第１の光学素子は前記第２の光学素子で発生する球面収差を減少させる波面収差を形成していることを特徴としている。
請求項５の発明は請求項１乃至４の何れか１項の発明において、
前記第２の光学素子は、主走査断面内にパワーを有さないことを特徴としている。
請求項６の発明は請求項１乃至５の何れか１項の発明において、
前記入射光学系の入射側の副走査方向のＦナンバーをＦｎｏとするとき、
Ｆｎｏ≦４
なる条件を満足することを特徴としている。
請求項７の発明は請求項１乃至６の何れか１項の発明において、
前記第１の光学素子は、前記入射光学系で発生する球面収差を主走査断面内と副走査断面内において、それぞれ独立して補償していることを特徴としている。
請求項８の発明は請求項１乃至７の何れか１項の発明において、
前記偏向手段の偏向面に入射する光束の主走査方向の幅は、該偏向面の主走査方向の幅より広いことを特徴としている。
請求項９の発明は請求項１乃至８の何れか１項の発明において、
前記光源手段から前記第２の光学素子、そして前記第１の光学素子の順で配置されていることを特徴としている。
請求項１０の発明は請求項１乃至９の何れか１項の発明において、
前記第１の光学素子の少なくとも一面は、主走査断面内において非円弧形状であることを特徴としている。
請求項１１の発明は請求項１乃至１０の何れか１項の発明において、
前記第１の光学素子の一方の面は、回転非対称形状で、かつ副走査断面内において非円弧形状であり、他方の面は回転対称形状であることを特徴としている。
請求項１２の発明は請求項１乃至１１の何れか１項の発明において、
前記第１の光学素子の少なくとも一面は、主走査断面内において平面形状であり、副走査断面内において非円弧形状であることを特徴としている。
請求項１３の発明は請求項１乃至１２の何れか１項の発明において、
前記入射光学系は、レンズとして前記第１、第２の光学素子より成ることを特徴としている。
請求項１４の発明は請求項１乃至１３の何れか１項の発明において、
副走査断面内において、前記第１の光学素子は、光学系全系で発生する球面収差を減少させる波面収差を形成していることを特徴としている。
請求項１５の発明は請求項１乃至１４の何れか１項の発明において、
前記第１の光学素子の少なくとも一面は、主走査断面内における曲率半径と、副走査断面内における曲率半径が等しく、副走査断面内において曲率半径に非球面係数が付加された面であることを特徴としている。
請求項１６の発明は請求項１５の発明において、
前記第１の光学素子において、主走査断面内における曲率半径と、副走査断面内における曲率半径が等しく、主走査断面内、及び副走査断面内において、曲率半径にそれぞれ異なる非球面係数が付加された面であることを特徴としている。
請求項１７の発明は請求項１乃至１６の何れか１項の発明において、
前記入射光学系は、第１の光学素子の副走査断面内における焦点距離ｆcolと、第２の光学素子の副走査断面内における焦点距離をｆcylとするとき、以下の条件式を満たすことを特徴としている。
｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜≧5
請求項１８の発明は請求項１乃至１７の何れか１項の発明において、
前記第１の光学素子の面形状は、以下の条件式を満たすことを特徴としている。
レンズの曲面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査面内において光軸と直交する軸をY軸、副走査面内において光軸と直交する軸をZ軸としたとき、
Ui×A ＜ 0
A＝（S1−S1‘）
Ui：レンズの入射側面の場合はUi＝1、レンズの出射側面の場合はUi＝-1となる関数
A：副走査断面において、マージナル光線が通過するZ座標での非円弧アナモフィック面の円弧面からのサグ量
S1：副走査断面において、マージナル光線と非円弧アナモフィック面との交点のX座標
S1‘：副走査断面において、マージナル光線と非円弧アナモフィック面との交点のZ座標での非円弧アナモフィック面のベースとなっている円弧面とマージナル光線との交点のX座標
請求項１９の発明の画像形成装置は、
請求項１乃至１８の何れか１項に記載の光走査装置と、前記被走査面に配置された感光体と、前記光走査装置で走査された光ビームによって前記感光体上に形成された静電潜像をトナー像として現像する現像器と、現像されたトナー像を被転写材に転写する転写器と、転写されたトナー像を被転写材に定着させる定着器とを有することを特徴としている。
請求項２０の発明の画像形成装置は、
請求項１乃至１８の何れか１項に記載の光走査装置と、外部機器から入力したコードデータを画像信号に変換して前記光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラとを有していることを特徴としている。
請求項２１の発明のカラー画像形成装置は、
各々が請求項１乃至１８の何れか１項に記載の光走査装置の被走査面に配置され、互いに異なった色の画像を形成する複数の像担持体とを有することを特徴としている。
請求項２２の発明は請求項２１の発明において、
外部機器から入力した色信号を異なった色の画像データに変換して各々の光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラを有していることを特徴としている。
本発明によれば入射光学系で発生する球面収差を減少させることにより、被走査面上でのスポットを良好に形成することができる。これにより簡易な構成で、かつ高精細で高質な画像を容易に形成することができる光走査装置及びそれを用いた画像形成装置を達成することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例１の主走査方向の要部断面図(主走査断面図)、図２は図１の副走査方向の要部断面図(副走査断面図)である。
尚、図２においては本実施例を分かりやすく説明するために図１に示した折り返しミラー５は図示せず、該折り返しミラー５によって折り曲げられていない光路で表している。
また以下の説明において、主走査方向とは回転多面鏡の回転軸及び結像光学系の光軸に垂直な方向（回転多面鏡で光束が反射偏向（偏向走査）される方向）である。副走査方向とは回転多面鏡の回転軸と平行な方向である。また主走査断面とは主走査方向と結像光学系の光軸を含む平面である。また副走査断面とは主走査断面と垂直な断面である。
図中、１は光源手段であり、例えば複数の発光部（発光点）を有するモノリシックなマルチビーム半導体レーザより成っている。
２は第２の光学素子としてのレンズ系であり、主に副走査断面内（副走査方向）にのみ所定のパワー(屈折力)を有するアナモフィックレンズ、例えばシリンドリカルレンズより成っている。
本実施例におけるシリンドリカルレンズ２は、その材料がガラス材より成り、光源手段１から出射した発散光束を副走査断面内において平行光束に変換している。
３はアパーチャー(開口絞り)であり、シリンドリカルレンズ２から射出した光束を所望の最適なビーム形状に形成している。
４は第１の光学素子としての集光光学系であり、主走査断面内と副走査断面内において共にパワーを有する集束レンズ（コリメータレンズ）より成っている。
本実施例における集束レンズ４は、その材料がプラスチック材（樹脂材）より成り、光源手段１から出射した発散光束を主走査方向にコリメート（主走査断面内において平行光束または収束光束または発散光束に変換）している。さらに集束レンズ４はシリンドリカルレンズ２から射出した光束を後述する光偏向器６の偏向面（反射面）７上で主走査方向に長手の線像として結像させている。
尚、本実施例では光源手段１側からシリンドリカルレンズ２、集束レンズ４の順で配されている。
またシリンドリカルレンズ２と集束レンズ４の各要素は入射光学系ＬＡの一要素を構成している。入射光学系ＬＡはレンズとしてこのシリンドリカルレンズ２と集束レンズ４の２枚で構成されている。尚、入射光学系ＬＡはレンズ以外に平面ミラーや平面ガラス等を有する場合がある。
本実施例では光源手段１から出射した複数の光束を入射光学系ＬＡにより主走査断面内において、光偏向器６の偏向面７の幅よりも広い光束幅で該偏向面７に入射させている（OFS（Over Filled Scanner））。
６は偏向手段としての光偏向器であり、例えばポリゴンミラー(回転多面鏡)より成り、モータなどの駆動手段（不図示）により図中矢印A方向に一定速度で回転している。
ＬＢは集光機能とｆθ特性とを有する結像光学系であり、主走査断面内及び副走査断面内に正のパワー（屈折力）を有する単一の結像レンズ（ｆθレンズ）８より成っている。結像光学系ＬＢは光偏向器６によって反射偏向された画像情報に基づく光束を主走査断面内において被走査面としての感光ドラム面９上にスポットに結像させている。さらに結像光学系ＬＢは副走査断面内において光偏向器６の偏向面７と感光ドラム面９との間を光学的に共役関係にすることにより、偏向面の面倒れ補償を行っている。
９は被走査面としての感光ドラム面（記録媒体面）である。
本実施例において画像情報に応じてマルチビーム半導体レーザ１から光変調され出射した複数の光束はシリンドリカルレンズ２により副走査断面内にのみ所定のパワーが与えられ、主走査断面内においては発散光束、副走査断面内においては平行光束に変換される。シリンドリカルレンズ２から射出した光束は開口絞り３を通過し(一部遮光される)、集束レンズ４に入射する。集束レンズ４を通過した複数の光束は主走査断面内において弱収束光束として光偏向器６の偏向面７の主走査方向の幅よりも広い状態で入射し（オーバーフィルド光学系（OFS））、光偏向器６の偏向面7上で主走査方向に長手の線像として結像する。
さらに集束レンズ４から出射した複数の光束は主走査断面内においては光偏向器６の正面(光偏向器６に対し主走査方向においては正面に沿った走査範囲の中心、すなわち主走査方向に沿った走査範囲の中央)から入射する。また副走査断面内においては所定の角度をもって斜め下方から入射する。
光偏向器６の偏向面７で一部反射偏向された複数の光束は、結像光学系ＬＢにより感光ドラム面９上で導光される。そして光偏向器６を矢印Ａ方向に回転させることによって、該感光ドラム面９上を矢印Ｂ方向(主走査方向)に光走査して画像情報の記録を行っている。
本実施例においては、OFS系特有の光量分布を抑える為に入射光学系ＬＡの入射側の主走査方向のFno(Ｆナンバー)を１４と大きく設定し、その分のカップリング効率を稼ぐために該入射光学系ＬＡの入射側の副走査方向のFnoを４と小さく設定している。
本実施例では入射光学系ＬＡの入射側の副走査方向のＦナンバーをＦｎｏとするとき、
Ｆｎｏ≦４
なる条件を満足させている。
尚、ＦナンバーFnoの下限値は
２≦Ｆｎｏ
程度が良い。
シリンドリカルレンズ２で生じる副走査断面内（副走査方向）における球面収差は、入射光学系ＬＡの入射側の副走査方向のFnoが小さくなるに連れて２次関数的に大きくなる。そのため本実施例のように入射側の副走査方向のFnoが４以下である場合、シリンドリカルレンズ２で生じる副走査断面内における球面収差は著しく大きくなってしまう。このように副走査断面内における大きな球面収差は被走査面９上でのスポットの肥大を招き、画像劣化の原因となる。
そこで本実施例では集束レンズ４の第１面（光入射面）を主走査断面内において平面形状、副走査断面内において回転非対称形状で、かつ非円弧形状となるアナモフィック面より設定している。また集束レンズ４の第２面（光出射面）を主走査断面内及び副走査断面内において球面形状より形成している。
これにより集束レンズ４はシリンドリカルレンズ２で発生する副走査断面内での球面収差を打ち消す波面収差を形成することにより、該シリンドリカルレンズ２で発生する球面収差を補償している。
本実施例の集束レンズ（コリメータレンズ）４の主走査断面図及び副走査断面図をそれぞれ図３(A)、(B)に示す。集束レンズ４の斜視図を図４に示す。
また本実施例においてシリンドリカルレンズ２で生じる球面収差（Ｓ．Ａ）を図５(A)に示し、集束レンズ４の第１面で発生させている球面収差を図５(B)にそれぞれ示す。図５(A)、(B)から分かるように副走査断面内において、集束レンズ４の第１面でオーバー（正方向）の波面収差を発生させることにより、シリンドリカルレンズ２で生じるアンダー（負方向）の球面収差を補償(減少)している。これにより被走査面９上におけるスポットの肥大を抑えて良好なる画像を形成している。
また集束レンズ４の第２面(光出射面)を上述の如く球面形状より形成している。ここで集束レンズ４の第２面で生じている球面収差を図５(C)に示す。入射光学系ＬＡの入射側の主走査方向のFnoは１４と十分大きい為、図５(C)から分かるように集束レンズ４の第２面で生じる球面収差はスポットの肥大に影響が無い程度に十分小さい。
このように集束レンズ４を設定することにより、入射光学系ＬＡで発生する球面収差を主走査断面内及び副走査断面内において、それぞれ独立して良好に補償することができる。
図５(D)に入射光学系ＬＡで生じている球面収差を示す。図５(D)から分かるように入射光学系ＬＡで生じている球面収差はスポットの肥大に影響が無い程度に十分小さく補償されている。この入射光学系ＬＡで残存している球面収差は集束レンズ４の第２面で生じている量に等しい。
入射光学系ＬＡにおいて主走査方向及び副走査方向の入射側のFnoが明るいほど、集束レンズ４、シリンドリカルレンズ２などの光学素子のパワーを大きく設定する傾向がある。本実施例においては入射側の主走査方向のFnoより副走査方向のFnoの方が非常に明るい。この関係から、集束レンズ４の副走査断面内における焦点距離をｆcol＝71.12（mm）に対して、シリンドリカルレンズ２の副走査断面内における焦点距離をｆcyl＝9.17（mm）と非常に短く設定しており、｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜比を7.8倍と大きくしている。すなわちシリンドリカルレンズ２の副走査断面内のパワーを集束レンズ４の副走査断面内のパワーに比べて非常に大きく設定している。
このようにシリンドリカルレンズ２のパワーは非常に大きいため、該シリンドリカルレンズ２をプラスチックレンズで構成すると、昇温時に被走査面９上でのピントずれ量が大きくなる場合がある。
一方、集束レンズ４のパワーは十分小さいため、該集束レンズ４をプラスチックレンズで構成しても、昇温時に被走査面９上でのピントずれ量は小さく、スポットへの影響も問題無い。
そこで本実施例においてはシリンドリカルレンズ２をガラスレンズより構成し、また集束レンズ４をプラスチックレンズで構成している。これにより、昇温時の被走査面９上でのピントずれ量をスポットに影響の問題無いレベルに抑え、昇温による画像の劣化を抑えている。
また前述した如くガラス製のシリンドリカルレンズ２を平面と円弧形状面のみで構成し、プラスチック製の集束レンズ４を非円弧形状面で構成している。これにより、シリンドリカルレンズ２を非円弧形状面のガラスレンズで構成するよりも簡易に入射光学系ＬＡを構成できる。
本実施例においては、プラスチックレンズで構成した集束レンズ４の副走査断面内における焦点距離ｆcolと、ガラスレンズで構成したシリンドリカルレンズ２の副走査断面内における焦点距離ｆcylとの｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜比を7.8倍に設定しているが、以下の条件式を満たしていれば、発明の効果が十分に得られる。
集束レンズ４の副走査断面内における焦点距離ｆcolと、副走査にパワーを有するレンズの副走査断面内における焦点距離をｆcylとするとき
｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜≧5
このように｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜比を5倍以上に設定していれば、OFS系特有の被走査面上での光量分布を抑え、かつ、昇温によるピントずれを低減する効果が十分得られる。
本実施例においては、シリンドリカルレンズ２と集束レンズ４の焦点距離は、主走査断面内においてはそれぞれ焦点距離が∞ｍｍ、71.12ｍｍ、副走査断面内においてはそれぞれ焦点距離が9.17ｍｍ、71.12ｍｍである。すなわち、シリンドリカルレンズ２においては、主走査断面内におけるパワーよりも副走査断面内におけるパワーの方が大きく、集束レンズ４においては、主走査断面、副走査断面内ともに同等のパワーである。主走査断面内のパワーと、副走査断面内のパワーの内、パワーの大きい方の走査断面が、球面収差とピント変動への影響が大きい。このため、本実施例においては、副走査断面内におけるシリンドリカルレンズ２の焦点距離をｆcol、副走査断面内における集束レンズ４の焦点距離をｆcyl（集束レンズの場合は、主走査断面内の焦点距離でも同じ）とし、条件式 ｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜≧5 （倍）を満たすように設定して、発明の効果を得た。
つまりは、各レンズ毎に、そのレンズの主走査断面内におけるパワーと副走査断面内におけるパワーを比較して、パワーの大きい方の走査断面内におけるレンズの焦点距離を、各レンズのｆcol、あるいはｆcylとし、条件式 ｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜≧5 （倍）を満たすようにパワー比を設定すれば、発明の効果が十分得られる。
図６(A)、(B)は各々本発明の実施例２の集束レンズ（コリメータレンズ）６４の主走査断面図及び副走査断面図である。
本実施例において前述の実施例１と異なる点は集束レンズ６４の第２面（光射出面）の面形状を異ならせて形成したことである。その他の構成及び光学的作用は実施例１と同様であり、これにより同様な効果を得ている。
即ち、前述の実施例1では集束レンズの第２面を球面形状で形成したのに対して、本実施例では入射光学系ＬＡで生じる球面収差を完全に補償するために第２面を主走査断面内及び副走査断面内において回転対称な非円弧形状より形成している。これにより集束レンズ６４の第２面自体で発生する球面収差を補償することにより、被走査面上においてより良好なるスポットを得ている。
尚、第２面を主走査断面内と副走査断面内の少なくとも一方を回転対称な非円弧形状としても良い。
図７(A)はシリンドリカルレンズ２で発生する球面収差（Ｓ．Ａ）、図７(B)は集束レンズ６４の第１面で発生する球面収差を示した収差図である。
図７(C)は本実施例の集束レンズ６４の第２面で生じる球面収差、図７(D)は入射光学系ＬＡで生じる球面収差を示した収差図である。図７(C)から分かるように集束レンズ６４の第２面で球面収差は殆ど発生していない。このため、図７(D)から分かるように入射光学系ＬＡで発生する球面収差は良好に補償されており、これにより良好なるスポットを得ることができる。
図８(A)、(B)は各々本発明の実施例３の集束レンズ（コリメータレンズ）８４の主走査断面図及び副走査断面図である。
本実施例において前述の実施例１と異なる点は集束レンズ８４の第１面と第２面の面形状を異ならせて形成したことである。その他の構成及び光学的作用は実施例１と同様であり、これにより同様な効果を得ている。
即ち、本実施例では集束レンズ８４の第１面を主走査断面内及び副走査断面内において平面形状より形成し、第２面を回転非対称形状で、かつ主走査断面内及び副走査断面内において非円弧形状より形成している。尚、第１面を回転対称形状の曲面より形成しても良い。
これにより副走査断面内においてはシリンドリカルレンズ２で発生する球面収差を打ち消す収差を第２面で発生させ、主走査断面内においては集束レンズ８４の第２面自体で発生する球面収差を補償している。
図９(A)〜(D)は各々本実施例の入射光学系ＬＡ及びそれを構成する各レンズで発生している球面収差を示している。図９(A)はシリンドリカルレンズ２で発生している球面収差、図９(B)は集束レンズ８４の第１面で発生している球面収差、図９(C)は集束レンズ８４の第２面で発生している球面収差、図９(D)は入射光学系ＬＡで発生している球面収差を示している。
図９(B)、(C)から分かるように集束レンズ８４はシリンドリカルレンズ２で生じる球面収差を打ち消す(減少する)為の逆方向の球面収差のみを発生させている。このため図９(D)から分かるように入射光学系ＬＡで発生する球面収差は良好に補償されており、被走査面上で良好なるスポットを得ることができる。
上記の各実施例１〜３では、被走査面上の照度分布の不均一さを低減するように入射光学系ＬＡの主走査方向の入射側のFnoを副走査方向の入射側のFnoよりも大きくなるように設定している。しかしながら、これに限らず、例えば主走査方向の入射側のFnoが副走査方向の入射側のFnoよりも小さく設定しても、副走査方向の入射側のFnoが小さければ（Ｆｎｏ≦４）本発明の効果は十分期待できる。
また上記の各実施例１〜３においては、入射光学系ＬＡの入射側の主走査方向のFnoを１４、入射側の副走査方向のFnoを４と、主走査方向のFnoより副走査方向のFnoの方が明るくなるように設定している。このような関係から光路長を短くするために光源手段１側からシリンドリカルレンズ、集束レンズの順で配置したが、本実施例ではこれに限らず光源手段１側から集束レンズ、シリンドリカルレンズの順で配置してもよい。
また上記の各実施例１〜３では、入射光学系ＬＡをOFS系で構成したが、これに限らず、アンダーフィルド光学系（UFS系）で構成しても、該入射光学系ＬＡの入射側の副走査方向のFnoが小さければ（Ｆｎｏ≦４）本発明の効果は十分期待できる。
また上記の各実施例１〜３では、光源手段１をモノリシックなマルチビーム半導体レーザより構成したが、これに限らず、シングルビーム半導体レーザより構成しても良い。
また上記の各実施例１〜３では、光偏向器６にて偏向される前の光束が結像レンズ８を通過しないシングルパス構成にしたが、これに限らず、光偏向器６にて偏向される前の光束が結像レンズ８を通過するダブルパス構成にしてもよい。
また上記の各実施例１〜３では、結像光学系ＬＢを一枚の結像レンズ８より構成したが、これに限らず、複数枚のレンズで構成してもよい。また結像光学系ＬＢを回折光学素子を含ませて構成しても良い。
また上記の各実施例１〜３では、光偏向器６の偏向面７から被走査面９までの光路長を短くする為に、集束レンズからの出射光束を弱収束光束となるように設定したが、これに限らず、該集束レンズからの出射光束を平行光束または弱発散光束としてもよい。
本発明の各実施例１〜３における構成を表１に示す。また本発明の各実施例１〜３における入射光学系の各パラメータｒ、ｄ、ｎを表２に示す。
Figure 2007114484
Figure 2007114484
本発明の実施例１における非球面形状を表３に示す。また本発明の実施例２における非球面形状を表４に示す。また本発明の実施例３における非球面形状を表５に示す。
Figure 2007114484
Figure 2007114484
Figure 2007114484
但し、球面及び回転対称非円弧面の面形状は以下の表現式(1),(2)で表す。
レンズの曲面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査面内において光軸と直交する軸をY軸、副走査面内において光軸と直交する軸をｚ軸としたとき、
Figure 2007114484
Figure 2007114484
（但し、Rは曲率半径、Kは離心率、B4、B6、B8、B10 は非球面係数）
また、アナモフィック面及び非円弧アナモフィック面の面形状は以下の式で表現する。
レンズの曲面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査面内において光軸と直交する軸をY軸、副走査面内において光軸と直交する軸をｚ軸としたときの、X-Y平面と曲面の切断線を母線、それに直交する方向のX-Y平面と曲面の切断面を子線としたとき、母線の形状は表現式(3)で表す。
Figure 2007114484
（但し、Rは母線方向の曲率半径、Kは母線方向の曲率半径、B4、B6、B8、B10 は母線の非球面係数）
子線の形状は表現式(4)で表す。
Figure 2007114484
（但し、ｒは子線方向の曲率半径、Ksは子線方向の曲率半径、D4、D6、D8、D10 は子線の非球面係数）
実施例１、２においては、非円弧アナモフィック面が集束レンズの入射面に形成されており、副走査断面において非円弧アナモフィック面は光軸から離れるに従って、ベースとなる平面よりも光源側に近づくように非球面係数が付加されている。
実施例１、２においては、このように非円弧アナモフィック面形状を設定する事により、球面収差を打ち消す波面収差を形成し、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を良好に補正している。
また、実施例３においては、非円弧アナモフィック面が集束レンズの出射面に形成されており、副走査断面において非円弧アナモフィック面は光軸から離れるに従って、ベースとなる円弧面（ｒ＝-36.32）よりも光偏向器側に近づくように非球面係数が付加されている。
実施例３においては、このように非円弧アナモフィック面形状を設定する事により、球面収差を打ち消す波面収差を形成し、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を良好に補正している。
尚、集束レンズの少なくとも１面は副走査断面内に限らず、主走査断面内、及び副走査断面内において、曲率半径にそれぞれ異なる非球面係数が付加された面であっても良い。
実施例１〜３においては、集束レンズの非円弧アナモフィック面の副走査断面における非円弧形状を以下の条件式を満たすように設定することで、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を補正している。
レンズの曲面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査面内において光軸と直交する軸をY軸、副走査面内において光軸と直交する軸をZ軸としたとき、
Ui×A ＜ 0 ・・・（5）
A＝（S1−S1‘） ・・・（6）
Ui：レンズの入射側面の場合はUi＝1、レンズの出射側面の場合はUi＝-1となる関数
A：副走査断面において、マージナル光線が通過するZ座標での非円弧アナモフィック面の円弧面からのサグ量
S1：副走査断面において、マージナル光線と非円弧アナモフィック面との交点のX座標
S1‘：副走査断面において、マージナル光線と非円弧アナモフィック面との交点のZ座標での 非円弧アナモフィック面のベースとなっている円弧面とマージナル光線との交点のX座標
Aは、副走査断面において、マージナル光線が通過するZ座標での、非円弧アナモフィック面と非円弧面のベースとなっている円弧面とのサグ量に相当する。
条件式（5）を満たしていれば、非円弧アナモフィック面がレンズの入射面である場合、副走査断面において非円弧アナモフィック面は、光軸から離れるに従って、ベースとなっている円弧面よりも光源側に近づく面形状となっている。また、非円弧アナモフィック面がレンズの出射面である場合、副走査断面において非円弧アナモフィック面は、光軸から離れるに従って、ベースとなっている円弧面よりも偏向器側に近づく面形状となっている。このような形状の非円弧面を光束が通過したとき、球面収差を打ち消す波面収差が形成される。よって、副走査断面において、このような面形状の非円弧面を集束レンズに形成すれば、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を補正することができる。
実施例１においては、非円弧アナモフィック面は集束レンズの入射面であるためUi＝1、副走査断面において非円弧アナモフィック面上での光束径は2.29ｍｍである。ここで、レンズの曲面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査面内において光軸と直交する軸をY軸、副走査面内において光軸と直交する軸をZ軸としたとき、マージナル光線と非円弧アナモフィック面が交わる交点のZ座標は1.15ｍｍ、X座標は-6.63×10-4ｍｍ、すなわちS1=-6.63×10-4ｍｍとなる。
また、Z座標1.15ｍｍでの非円弧アナモフィック面をベースとなっている円弧面（曲率半径ｒ＝∞なので、円弧面は平面である）のX座標は0ｍｍ、すなわちS1‘=0ｍｍとなる。
よって、実施例１は、 Ui×A＝-6.63×10-4＜0 となり、条件式（５）を満たす。
実施例１においては、集束レンズの非円弧アナモフィック面を前述のように設定する事によりシリンドリカルレンズで発生する球面収差を補正している。
また、実施例２においては、集束レンズの出射面形状以外の諸元値は同一であるため、Ui=1、S1=-6.63×10-4ｍｍ、S1‘=0ｍｍ、 Ui×A＝-6.63×10-4＜0 となり、条件式（５）を満たす。
実施例１、２においては、副走査断面において、このように非円弧アナモフィック面形状を設定する事により、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を補正している。
実施例３においては、非円弧アナモフィック面は集束レンズの入射面であるためUi＝-1、副走査断面において非円弧アナモフィック面上での光束径は2.29ｍｍである。
ここで、マージナル光線と非円弧アナモフィック面が交わる交点のZ座標は1.15ｍｍ、X座標は-1.75×10-2ｍｍ、すなわちS1=-1.75×10-2ｍｍとなる。
また、Z座標1.15ｍｍでの非円弧アナモフィック面のベースとなっている円弧面（曲率半径ｒ＝-36.32ｍｍの円弧面）のX座標は-1.81×10-2ｍｍ、すなわちS1‘=-1.81×10-2ｍｍとなる。
よって、実施例３は、 Ui×A＝-6.79×10-4＜0 となり、条件式（５）を満たす。特に、実施例３では、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を補正するため必要な非円弧アナモフィック面の円弧面からのサグ量 Ui×A＝-6.63×10-4 に加えて、集束レンズ自体で発生する球面収差を補正するために必要なサグ量Ui×A＝-0.16×10-4 分大きく設定している。
実施例３においては、副走査断面において、このように非円弧アナモフィック面形状を設定する事により、シリンドリカルレンズで発生する球面収差を補正し、かつ、集束レンズ自体で球面収差が発生しないように補正している。
実施例１、２においては、副走査断面において集束レンズの非円弧アナモフィック面の４次〜10次項の非球面係数の値を全て正、または、全て負に設定しているが、４次〜10次項の非球面係数の値を全て正、または、全て負でなくとも、条件式（5）を満たすように非球面係数が設定されていれば、球面収差が最も大きくなる光束端部位置での球面収差を補正できるため、十分に発明の効果が得られる。
実施例１〜３においては、集束レンズに非円弧アナモフィック面を形成する事により、シリンドリカルレンズで発生する球面収差、あるいは、集束レンズ自身で発生する球面収差を補正しているが、その他の光学素子で生じる球面収差も補正するように非円弧アナモフィック面の非球面形状を設定してもよい。
たとえば、入射系光学系にシリンドリカルレンズや集束レンズ以外の光学素子がある場合は、それらの光学素子で生じる球面収差も補正するように非円弧アナモフィック面の非球面形状を設定すれば、発明の効果が十分に得られる。また、走査光学系で生じる球面収差についても同様にして非円弧アナモフィック面の非球面形状を設定すれば、全系で生じている球面収差が良好に補正され、良好なスポット形状を得ることができる。
［画像形成装置］
図１０は、本発明の画像形成装置の実施例を示す副走査方向の要部断面図である。図において、符号１０４は画像形成装置を示す。この画像形成装置１０４には、パーソナルコンピュータ等の外部機器１１７からコードデータDｃが入力する。このコードデータDｃは、装置内のプリンタコントローラ１１１によって、画像データ（ドットデータ）Dｉに変換される。この画像データDｉは、実施例１〜３のいずれかに示した構成を有する光走査ユニット１００に入力される。そして、この光走査ユニット１００からは、画像データDｉに応じて変調された光ビーム１０３が出射され、この光ビーム１０３によって感光ドラム１０１の感光面が主走査方向に走査される。
静電潜像担持体（感光体）たる感光ドラム１０１は、モータ１１５によって時計廻りに回転させられる。そして、この回転に伴って、感光ドラム１０１の感光面が光ビーム１０３に対して、主走査方向と直交する副走査方向に移動する。感光ドラム１０１の上方には、感光ドラム１０１の表面を一様に帯電せしめる帯電ローラ１０２が表面に当接するように設けられている。そして、帯電ローラ１０２によって帯電された感光ドラム１０１の表面に、前記光走査ユニット１００によって走査される光ビーム１０３が照射されるようになっている。
先に説明したように、光ビーム１０３は、画像データDｉに基づいて変調されており、この光ビーム１０３を照射することによって感光ドラム１０１の表面に静電潜像を形成せしめる。この静電潜像は、上記光ビーム１０３の照射位置よりもさらに感光ドラム１０１の回転方向の下流側で感光ドラム１０１に当接するように配設された現像器１０７によってトナー像として現像される。
現像器１０７によって現像されたトナー像は、感光ドラム１０１の下方で、感光ドラム１０１に対向するように配設された転写ローラ１０８によって被転写材たる用紙１１２上に転写される。用紙１１２は感光ドラム１０１の前方（図１０において右側）の用紙カセット１０９内に収納されているが、手差しでも給紙が可能である。用紙カセット１０９端部には、給紙ローラ１１０が配設されており、用紙カセット１０９内の用紙１１２を搬送路へ送り込む。
以上のようにして、未定着トナー像を転写された用紙１１２はさらに感光ドラム１０１後方（図１０において左側）の定着器へと搬送される。定着器は内部に定着ヒータ（図示せず）を有する定着ローラ１１３とこの定着ローラ１１３に圧接するように配設された加圧ローラ１１４とで構成されている。そして転写部から搬送されてきた用紙１１２を定着ローラ１１３と加圧ローラ１１４の圧接部にて加圧しながら加熱することにより用紙１１２上の未定着トナー像を定着せしめる。更に定着ローラ１１３の後方には排紙ローラ１１６が配設されており、定着された用紙１１２を画像形成装置の外に排出せしめる。
図１０においては図示していないが、プリントコントローラ１１１は、先に説明したデータの変換だけでなく、モータ１１５を始め画像形成装置内の各部や、後述する光走査ユニット内のポリゴンモータなどの制御を行う。
本発明で使用される画像形成装置の記録密度は、特に限定されない。しかし、記録密度が高くなればなるほど、高画質が求められることを考えると、１２００ｄｐｉ以上の画像形成装置において本発明の実施例１〜３の構成はより効果を発揮する。
［カラー画像形成装置］
図１１は本発明の実施例のカラー画像形成装置の要部概略図である。本実施例は、光走査装置を４個並べ各々並行して像担持体である感光ドラム面上に画像情報を記録するタンデムタイプのカラー画像形成装置である。図１１において、６０はカラー画像形成装置、１１，１２，１３，１４は各々実施例１〜３に示したいずれかの構成を有する光走査装置、２１，２２，２３，２４は各々像担持体としての感光ドラム、３１，３２，３３，３４は各々現像器、５１は搬送ベルトである。
図１１において、カラー画像形成装置６０には、パーソナルコンピュータ等の外部機器５２からＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色信号が入力する。これらの色信号は、装置内のプリンタコントローラ５３によって、Ｃ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各画像データ（ドットデータ）に変換される。これらの画像データは、それぞれ光走査装置１１，１２，１３，１４に入力される。そして、これらの光走査装置からは、各画像データに応じて変調された光ビーム４１，４２，４３，４４が出射され、これらの光ビームによって感光ドラム２１，２２，２３，２４の感光面が主走査方向に走査される。
本実施例におけるカラー画像形成装置は光走査装置（１１，１２，１３，１４）を４個並べ、各々がＣ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各色に対応する。そして各々平行して感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に画像信号（画像情報）を記録し、カラー画像を高速に印字するものである。
本実施例におけるカラー画像形成装置は上述の如く４つの光走査装置１１，１２，１３，１４により各々の画像データに基づいた光ビームを用いて各色の潜像を各々対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成している。その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。
前記外部機器５２としては、例えばＣＣＤセンサを備えたカラー画像読取装置が用いられても良い。この場合には、このカラー画像読取装置と、カラー画像形成装置６０とで、カラーデジタル複写機が構成される。
本発明の実施例１〜３の光走査装置の主走査断面図 本発明の実施例１〜３の光走査装置の副走査断面図 本発明の実施例１の集束レンズの主／副走査断面図 本発明の実施例１の集束レンズの斜視図 本発明の実施例１の入射光学系で発生している球面収差. 本発明の実施例２の集束レンズの主／副走査断面図 本発明の実施例２の入射光学系で発生している球面収差. 本発明の実施例３の集束レンズの主／副走査断面図 本発明の実施例３の入射光学系で発生している球面収差. 本発明の画像形成装置の実施例を示す副走査断面図 本発明の実施例のカラー画像形成装置の要部概略図
符号の説明
１ 光源手段
２ レンズ系(シリンドリカルレンズ)
３ アパーチャー(開口絞り)
４，６４，８４ 集束レンズ（コリメータレンズ）
５ 折り返しミラー
６ 偏向手段（ポリゴンミラー）
７ 偏向面
ＬＢ 結像光学系
８ 結像レンズ
９ 被走査面（感光体ドラム）
ＬＡ 入射光学系
１１、１２、１３、１４ 光走査装置
２１、２２、２３、２４ 像担持体（感光ドラム）
３１、３２、３３、３４ 現像器
４１、４２、４３、４４ 光ビーム
５１ 搬送ベルト
５２ 外部機器
５３ プリンタコントローラ
６０ カラー画像形成装置
１００ 光走査装置
１０１ 感光ドラム
１０２ 帯電ローラ
１０３ 光ビーム
１０４ 画像形成装置
１０７ 現像装置
１０８ 転写ローラ
１０９ 用紙カセット
１１０ 給紙ローラ
１１１ プリンタコントローラ
１１２ 転写材（用紙）
１１３ 定着ローラ
１１４ 加圧ローラ
１１５ モータ
１１６ 排紙ローラ
１１７ 外部機器

Claims (22)

  1. 光源手段と、該光源手段から出射した光束を偏向手段に導光する入射光学系と、該偏向手段で偏向された光束を被走査面上に導光する結像光学系と、を有する光走査装置において、
    該入射光学系は、主走査断面内と副走査断面内において共にパワーを有する第１の光学素子と、副走査断面内においてパワーを有する第２の光学素子を有しており、
    該第１の光学素子の少なくとも一面は、回転非対称形状で、かつ副走査断面内において非円弧形状よりなることを特徴とする光走査装置。
  2. 副走査断面内において、前記第２の光学素子のパワーは前記第１の光学素子のパワーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
  3. 前記第２の光学素子の材料はガラス材、前記第１の光学素子の材料は樹脂材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
  4. 副走査断面内において、前記第１の光学素子は前記第２の光学素子で発生する球面収差を減少させる波面収差を形成していることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の光走査装置。
  5. 前記第２の光学素子は、主走査断面内にパワーを有さないことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光走査装置。
  6. 前記入射光学系の入射側の副走査方向のＦナンバーをＦｎｏとするとき、
    Ｆｎｏ≦４
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光走査装置。
  7. 前記第１の光学素子は、前記入射光学系で発生する球面収差を主走査断面内と副走査断面内において、それぞれ独立して補償していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光走査装置。
  8. 前記偏向手段の偏向面に入射する光束の主走査方向の幅は、該偏向面の主走査方向の幅より広いことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の光走査装置。
  9. 前記光源手段から前記第２の光学素子、そして前記第１の光学素子の順で配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の光走査装置。
  10. 前記第１の光学素子の少なくとも一面は、主走査断面内において非円弧形状であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の光走査装置。
  11. 前記第１の光学素子の一方の面は、回転非対称形状で、かつ副走査断面内において非円弧形状であり、他方の面は回転対称形状であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光走査装置。
  12. 前記第１の光学素子の少なくとも一面は、主走査断面内において平面形状であり、副走査断面内において非円弧形状であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の光走査装置。
  13. 前記入射光学系は、レンズとして前記第１、第２の光学素子より成ることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の光走査装置。
  14. 副走査断面内において、前記第１の光学素子は、光学系全系で発生する球面収差を減少させる波面収差を形成していることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項記載の光走査装置。
  15. 前記第１の光学素子の少なくとも一面は、主走査断面内における曲率半径と、副走査断面内における曲率半径が等しく、副走査断面内において曲率半径に非球面係数が付加された面であることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の光走査装置。
  16. 前記第１の光学素子において、主走査断面内における曲率半径と、副走査断面内における曲率半径が等しく、主走査断面内、及び副走査断面内において、曲率半径にそれぞれ異なる非球面係数が付加された面であることを特徴とする請求項１５に記載の光走査装置。
  17. 前記入射光学系は、第１の光学素子の副走査断面内における焦点距離ｆcolと、第２の光学素子の副走査断面内における焦点距離をｆcylとするとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の光走査装置。
    ｜ｆcol｜/｜ｆcyl｜≧5
  18. 前記第１の光学素子の面形状は、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１7の何れか１項に記載の光走査装置。
    レンズの曲面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査面内において光軸と直交する軸をY軸、副走査面内において光軸と直交する軸をZ軸としたとき、
    Ui×A ＜ 0
    A＝（S1−S1‘）
    Ui：レンズの入射側面の場合はUi＝1、レンズの出射側面の場合はUi＝-1となる関数
    A：副走査断面において、マージナル光線が通過するZ座標での非円弧アナモフィック面の円弧面からのサグ量
    S1：副走査断面において、マージナル光線と非円弧アナモフィック面との交点のX座標
    S1‘：副走査断面において、マージナル光線と非円弧アナモフィック面との交点のZ座標での非円弧アナモフィック面のベースとなっている円弧面とマージナル光線との交点のX座標
  19. 請求項１乃至１８の何れか１項に記載の光走査装置と、前記被走査面に配置された感光体と、前記光走査装置で走査された光ビームによって前記感光体上に形成された静電潜像をトナー像として現像する現像器と、現像されたトナー像を被転写材に転写する転写器と、転写されたトナー像を被転写材に定着させる定着器とを有することを特徴とする画像形成装置。
  20. 請求項１乃至１８の何れか１項に記載の光走査装置と、外部機器から入力したコードデータを画像信号に変換して前記光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラとを有していることを特徴とする画像形成装置。
  21. 各々が請求項１乃至１８の何れか１項に記載の光走査装置の被走査面に配置され、互いに異なった色の画像を形成する複数の像担持体とを有することを特徴とするカラー画像形成装置。
  22. 外部機器から入力した色信号を異なった色の画像データに変換して各々の光走査装置に入力せしめるプリンタコントローラを有していることを特徴とする請求項２１に記載のカラー画像形成装置。
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