JP2011215286A

JP2011215286A - 走査光学装置

Info

Publication number: JP2011215286A
Application number: JP2010082068A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Fujino; 仁志藤野; Hiroyuki Ominato; 寛之大湊; Yoshifumi Nakamura; 佳史中村; Hiroki Yukawa; 博基湯川
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Also published as: CN102207618B; US20110242634A1; CN102207618A; US8472099B2

Abstract

【課題】レンズの設計自由度を高くしつつ、より確実にジッタを抑制する。
【解決手段】光源１と、光源１から出射した光を光束に変換する第１の光学素子（カップリングレンズ２）と、第１の光学素子を通過した光束を主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子（シリンドリカルレンズ４）と、第２の光学素子を通過した光束を主走査方向に偏向する偏向ミラー（ポリゴンミラー５）と、偏向ミラーで偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子（ｆθレンズ６）とを備える走査光学装置であって、第３の光学素子は対向する一対のレンズ面を有する単レンズよりなり、一対のレンズ面は共に主走査面内で非球面形状を有し、次式を満足する。

【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置などに利用される走査光学装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置においては、レーザ光を画像信号に応じて明滅させて、感光体を露光するための走査光学装置が設けられている。この走査光学装置は、回転多面鏡（ポリゴンミラー）よりなる光偏向器により、レーザ光を周期的に偏向させ、ｆθ特性を有する結像光学系によって、感光体ドラムなどの感光体（被走査面）上にスポット状に結像させるように構成されている。

そして、このような走査光学装置は、コンパクト化および低コスト化の要請から、結像光学系を１つのレンズで構成することが検討されている（特許文献１）。

特許第３３０３５５８号公報

走査光学装置によって、感光体の高精度な露光を行うためには、像面湾曲が被走査面の全体にわたって良好に補正され、スポット径が揃っていることが望まれる。このため、特許文献１に記載の走査光学装置では、主走査方向における横倍率ｍを所定範囲に特定している。

しかし、特許文献１で記載されている条件式は、主走査方向の中心におけるレンズ面の曲率半径を用いているので、レンズ面として主走査断面内の曲率半径が不明確な表現式を用いた場合、ｆθレンズを設計できないという問題がある。

また、特許文献１における主走査断面内の倍率の条件式は、ｆθレンズの主走査断面内の後側主点の位置が考慮されておらず倍率が不正確となるため、実際には、見積もり以上に大きなジッタを発生させるｆθレンズとなってしまうという問題がある。さらに、主走査断面内の倍率の条件式は、偏向ミラーのミラー面の偏心量、偏向ミラーのミラー面への光束の入射角、偏向ミラーのミラー面からの光束の出射角を考慮した条件式になっておらず、これによっても、実際には、見積もり以上に大きなジッタを発生させるｆθレンズとなってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記の問題を解決し、レンズの表現形式によらず、また、ジッタの発生をより確かに抑制することができる走査光学装置を提供することを目的とする。

前記した目的を達成するため、本発明の走査光学装置は、光源と、光源から出射した光を光束に変換する第１の光学素子と、前記第１の光学素子を通過した光束を主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子と、前記第２の光学素子を通過した光束を主走査方向に偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子とを備える走査光学装置を提供する。
この走査光学装置において、前記第３の光学素子は対向する一対のレンズ面を有する単レンズよりなり、前記一対のレンズ面は共に主走査面内で非球面形状を有し、前記第３の光学素子の前記一対のレンズ面のうち走査光の主光線が通過する点の光軸からの主走査方向の高さを入射面と出射面でそれぞれｙ₁，ｙ₂とし、
前記一対のレンズ面の非球面形状をｚ_j＝ｆ（ｙ）、
前記第３の光学素子の材質の屈折率をｎ、
前記第３の光学素子における入射面から出射面までの距離をＤ（ｙ₁，ｙ₂）、

で算出される曲率半径を、入射面においてＲ₁（ｙ₁）、出射面においてＲ₂（ｙ₂）、
主走査面内における焦点距離ｆ_t（ｙ₁，ｙ₂）を、

前記第３の光学素子の後側主点から被走査面までの距離をＳ_k（ｙ₁，ｙ₂）、
前記偏向ミラーのミラー面への光束の入射角をθ_i、
前記偏向ミラーのミラー面からの光束の出射角をθ_e（ｙ₁，ｙ₂）、
偏向ミラーのミラー面の偏心量をｄ（ｙ₁，ｙ₂）、
偏向ミラーの偏心によって生じるミラー面の出入りによる光束のずれ量ｈ（ｙ₁、ｙ₂）を、

被走査面上の主走査方向における１／ｅ²のビーム半径の最小値をｒ_eｍｉｎとするとき、前記第３の光学素子の主走査面内における非球面形状が

を満たすことを特徴とする。

このような走査光学装置は、レンズ面ｚの表現形式に球面項を含まなくても、上記の（１）式により、曲率半径が定まり、これを倍率に考慮することができるので、高い自由度でジッタの少ない走査光学装置を設計することが可能である。そして、（４）式で、ｆθレンズの主走査断面内の後側主点の位置、偏向ミラーの偏心量、偏向ミラーのミラー面への光束の入射角θ_i、偏向ミラーのミラー面からの光束の出射角θｅ（ｙ₁，ｙ₂）、を考慮しているので、実際的なジッタを見積もることができ、走査光学装置のジッタの発生をより確かに抑制することができる。

本発明の走査光学装置によれば、ジッタの発生をより確かに抑制することができる。

一実施形態に係る走査光学装置の主走査断面図である。ポリゴンミラーのミラー面の偏心量を説明する拡大図である。実施例におけるｆθレンズのシフトおよびチルトを説明する図である。実施例１のレンズ面形状を表す各係数および諸特性の一覧を示す表である。実施例１のレンズ面の曲率分布を示すグラフである。実施例１のジッタの量をｒ_eｍｉｎの１／２と重ねて示すグラフである。実施例１の像面湾曲を示すグラフである。実施例１のｆθ誤差を示すグラフである。実施例２のレンズ面形状を表す各係数および諸特性の一覧を示す表である。実施例２のレンズ面の曲率分布を示すグラフである。実施例２のジッタの量をｒ_eｍｉｎの１／２と重ねて示すグラフである。実施例２の像面湾曲を示すグラフである。実施例２のｆθ誤差を示すグラフである。

次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、一実施形態に係る走査光学装置１０は、光源１、第１の光学素子の一例としてのカップリングレンズ２、開口絞り３、第２の光学素子の一例としてのシリンドリカルレンズ４、偏向ミラーの一例としてのポリゴンミラー５、第３の光学素子の一例としてのｆθレンズ６を有し、これらにより、光源１から出射されたレーザ光を感光体ドラム９の被走査面９Ａにスポット状に集光し、走査するように構成されている。

光源１は、例えば、半導体レーザである。

カップリングレンズ２は、光源１から出射したレーザ光を収束光に変換するレンズである。

開口絞り３は、カップリングレンズ２で作られた光束の径を規定する開口を有する部材である。

シリンドリカルレンズ４は、カップリングレンズ２および開口絞り３を通過した光束をポリゴンミラー５のミラー面５Ａ上において、主走査方向に長手の線状に結像させるレンズである。

ポリゴンミラー５は、複数のミラー面５Ａが、回転軸５Ｂから等距離に配置された部材であり、図１では、６つミラー面５Ａを有するものを例示している。ポリゴンミラー５は、回転軸５Ｂを中心に一定速度で回転され、シリンドリカルレンズ４を通過した光束を主走査方向に偏向する。

ｆθレンズ６は、走査光学装置１０に１つのみ設けられている。ポリゴンミラー５で反射されることで偏向された光束を被走査面９Ａ上にスポット状に結像させ、かつ、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａの面倒れを補正している。ｆθレンズ６は、ポリゴンミラー５で等角速度で偏向された光束を、被走査面９Ａ上に等速で走査するようなｆθ特性を有している。ｆθレンズ６は、対向する一対の入射面側（ポリゴンミラー５側）のレンズ面Ｌ１と出射面側（被走査面９Ａ側）のレンズ面Ｌ２を有し、これらのレンズ面Ｌ１，Ｌ２は、主走査面内で非球面形状で、共にトーリック面である。そして、レンズ面Ｌ１，Ｌ２の主走査面内の曲率および副走査面（主走査方向に直交する断面）内の曲率は、有効部内において連続的に変化している。
本実施形態において、レンズ面Ｌ１，Ｌ２の表現形式は特に問わない。特許文献１においては、球面項を持った形式のレンズ面の式が例示されているが、本実施形態においては、例えば、主走査方向について、

Ａ_i：係数
のレンズ面とし、副走査面内の曲率を有効部内において連続的に変化させたものとすることができる。

また、主走査方向ｙおよび副走査方向ｘについて２変数多項式で表し、

ａ_m,n：係数
と表現することもできる。このように、本実施形態では、レンズの設計式を自由に選択できるため、設計の自由度が広がり、また、成形レンズのレンズ面を補正する場合に、補正量を容易に付加することができ、容易に高精度なレンズを製造することができる。

ｆθレンズ６の形状は、後述する条件を満たす限り、限定されるものではないが、レンズ面Ｌ１およびレンズ面Ｌ２の一方または双方を、光軸に対して主走査方向に対称であるのが望ましい。これにより、レンズの製造・検査を容易にすることができる。

そして、レンズ面Ｌ１およびレンズ面Ｌ２の一方または双方を、被走査面の走査中心（ｆθレンズ６から被走査面９Ａに垂直に光束が入射するときの被走査面９Ａ上の結像位置）からの法線Ｐ１に対し主走査面内で傾かせるのが望ましい。これにより、光軸に対して主走査方向に対称なレンズ面Ｌ１，Ｌ２を用いても、後述する条件を満足しやすくなる。

また、レンズ面Ｌ１およびレンズ面Ｌ２の一方または双方の、光軸がレンズ面Ｌ１，Ｌ２を通る点が、法線Ｐ１に対し主走査方向にシフトしているのが望ましい。これによっても、主走査方向に対称なレンズ面Ｌ１，Ｌ２を用いた場合に、後述する条件を満足しやすくなる。

なお、ｆθレンズ６は、プラスチック成形により製作してもよいし、ガラスモールドにより製作してもよい。

ポリゴンミラー５は、回転軸５Ｂとの嵌合誤差や、回転中心と各ミラー面５Ａまでの距離のばらつきなどにより、図２に示すようにミラー面５Ａの出入り（反射するミラー面の違いによる位置ずれ）があり、反射するミラー面５Ａの違いによって、反射点が前後に変化する。この反射点の変化によって、結像点は僅かにずれ、感光体ドラム９の露光パターンは、ミラー面５Ａの周期でジッタが発生する。

本実施形態の走査光学装置１０においては、ポリゴンミラー５によるジッタを抑制するため、以下のような条件を満足するように構成する。
ｆθレンズ６の一対のレンズ面Ｌ１，Ｌ２のうち走査光の主光線が通過する点の光軸からの主走査方向の高さｙを入射面と出射面でそれぞれｙ₁，ｙ₂とし、レンズ面Ｌ１，Ｌ２の非球面形状をｚ_j＝ｆ（ｙ）、ｆθレンズ６の材質の屈折率をｎ、ｆθレンズ６における入射面から出射面までの距離をＤ（ｙ₁，ｙ₂）とすると、入射面の各点における主走査面内の曲率半径Ｒ₁（ｙ₁）および出射面の各点における主走査面内の曲率半径Ｒ₂（ｙ₂）は、

により表される。また、このＲ_j（ｙ）を用い、主走査面内における各ｙ位置における焦点距離ｆ_t（ｙ₁，ｙ₂）は、

により表される。

そして、ポリゴンミラー５の偏心によって生じるミラー面５Ａの出入り（偏心）による光束のずれ量ｈ（ｙ₁、ｙ₂）は、ｆθレンズ６の後側主点Ｈ（ｙ₁，ｙ₂）から被走査面９Ａまでの距離をＳ_k（ｙ₁，ｙ₂）、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａへの光束の入射角をθ_i、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａからの光束の出射角をθ_e（ｙ₁，ｙ₂）、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａの偏心量をｄ（ｙ₁，ｙ₂）とすると、

と表される。

主走査方向の横倍率ｍは、
ｍ＝１−Ｓ_k（ｙ₁，ｙ₂）／ｆ_t（ｙ₁，ｙ₂）
であるので、ジッタ量Ｊは、ずれ量ｈに横倍率ｍを乗じて、
Ｊ＝（１−Ｓ_k（ｙ₁，ｙ₂）／ｆ_t（ｙ₁，ｙ₂））・ｈ（ｙ₁，ｙ₂）
により表される。

一般的に、露光後の画像において、各ドットのピッチが、１ドットの半分以上ずれると、視覚的にジッタが目立つようになるため、ジッタ量Ｊは、この範囲に収まる必要がある。一方で、主走査方向におけるビーム径は印字の要求仕様に応じて設定される。主走査方向におけるビーム径はドットピッチの２倍前後に設定されることが一般的である。例えば、解像度６００ｄｐｉのレーザービームプリンタの場合、ドットのピッチは２５．４／６００＝０．０４２３ｍｍとなるが、主走査方向におけるビーム径はドットピッチの２倍程度に設定され８４．６μｍ程度となる。したがって、ビーム半径の半分以下にジッタを抑えれば視覚的にジッタが目立つことはない。
そこで、被走査面９Ａ上の主走査方向における１／ｅ²のビーム半径の最小値をｒ_eｍｉｎとして、

を満足することで、良好な画像を得ることができる。そして、この条件式においては、ｆθレンズ６の主走査断面内の後側主点の位置Ｈ（ｙ₁，ｙ₂）、ポリゴンミラー５の偏心量ｄ（ｙ₁，ｙ₂）、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａへの光束の入射角θ_i、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａからの光束の出射角θ_e（ｙ₁，ｙ₂）が考慮されているので、実際に発生するジッタとの差異が小さく、従来技術と比較して、より確実にジッタを抑制することができる。

本実施形態の（４）式の条件を満たす走査光学装置１０としては、例えば、次のようなものを例示することができる。なお、（４）式を満たし易くするため、図３に示すように、レンズ面Ｌ１は、以下の実施例に係る走査光学装置１０は、レンズ面Ｌ１の光軸である第１光軸Ａ１は、被走査面９Ａの走査中心（ｆθレンズ６から被走査面９Ａに垂直に光束が入射するときの被走査面９Ａ上の結像位置）から延びる法線Ｐ１に対して角度（チルト量）β１だけ傾いているともに、レンズ面Ｌ１の中心（第１光軸Ａ１とレンズ面Ｌ１の交点Ｏ１）は、法線Ｐ１からシフト量Ｄ１だけシフトしている。また、レンズ面Ｌ２の光軸である第２光軸Ａ２は、第１光軸Ａ１に対して角度（チルト量）β２だけ傾いているともに、レンズ面Ｌ２の中心（第２光軸Ａ２とレンズ面Ｌ２の交点Ｏ２）は、第１光軸Ａ１からシフト量Ｄ２だけシフトしている。これにより、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａからレンズ面Ｌ１間での距離、レンズ面Ｌ１からレンズ面Ｌ２までの距離、レンズ面Ｌ２から被走査面９Ａまでの距離が調整可能になるので、仮に、レンズ面Ｌ１が、第１光軸Ａ１を含む副走査面ＰＬ１に関し対称であるとともに、レンズ面Ｌ２が、第２光軸Ａ２を含む副走査面ＰＬ２に関し対称であったとしても、（４）式を満たすことが容易となる。すなわち、ｆθレンズ６の製作が容易でありながら、高精細な画像を露光することが可能である。

［実施例１］
前記した（５）式の形式のｆθレンズ６とする場合の一例を説明する。実施例１の走査光学装置に係るｆθレンズ６のレンズ面Ｌ１（入射面）およびレンズ面Ｌ２（出射面）は、ｆθレンズ６のレンズ面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をｚ軸、主走査面内において光軸と直交する軸をｙ軸としたとき、主走査方向と対応する母線方向が、
ｚ＝Ａ₂ｙ²＋Ａ₄ｙ⁴＋Ａ₆ｙ⁶＋Ａ₈ｙ⁸＋Ａ₁₀ｙ¹⁰＋Ａ₁₂ｙ¹² ・・・（７）
なる式で表わされる。ここで、Ａ₂、・・・、Ａ₁₂は定数であり、入射面および出射面についての各値は、図４に示す通りである。なお、この式による主走査方向の曲率分布は、図５に示す通りである。

また、ｆθレンズ６のレンズ面Ｌ１（入射面）およびレンズ面Ｌ２（出射面）は、副走査方向と対応する子線方向が、

なる式で表わされるものである。

ここで、レンズ面の座標ｙにおける副走査方向の曲率半径ｒ′は、光軸上の副走査方向の曲率半径をｒとして
ｒ′＝ｒ（１＋Ｂ₂ｙ²＋Ｂ₄ｙ⁴＋Ｂ₆ｙ⁶＋Ｂ₈ｙ⁸＋Ｂ₁₀ｙ¹⁰＋Ｂ₁₂ｙ¹²）・・・（９）
なる式で表わされる。ｒ，Ｂ₂、・・・、Ｂ₁₂は定数であり、入射面および出射面についての各値は、図４に示す通りである。

そして、このｆθレンズ６は、入射面に対し、出射面が図４に示すシフト量Ｄ２でシフトするとともに、チルト量β２で傾き、入射面が法線Ｐ１に対し図４に示すシフト量Ｄ１でシフトするとともにチルト量β１で傾いている。また、その他の配置や特性は、図４に示す通りである。

このような実施例１の走査光学装置によると、図６に示すようにジッタが被走査面９Ａ上のすべての位置で１５μｍ以下となり、被走査面９Ａ上の主走査方向における１／ｅ²のビーム半径の最小値であるｒ_eｍｉｎの１／２よりも小さくなっている。すなわち、（４）式の条件を満たし、良好な画像を露光することができることが分かる。なお、この実施例１の走査光学装置における像面湾曲を示すと、図７に示すように、主像面湾曲および副像面湾曲とも±１ｍｍ未満に収まり、ｆθ誤差（ｙ＝ｋθから求まる理想像高からの誤差）も、図８に示すように５０μｍ未満に収まっており、画像の歪みが少なく、高精細な画像を露光できることが分かる。

［実施例２］
前記した（６）式の形式のｆθレンズ６とする場合の一例を説明する。実施例２の走査光学装置に係るｆθレンズ６のレンズ面Ｌ１（入射面）およびレンズ面Ｌ２（出射面）は、ｆθレンズ６のレンズ面と光軸との交点を原点とし、副走査面内において光軸と直交する軸をｘ軸、主走査面内において光軸と直交する軸をｙ軸、光軸方向をｚ軸としたとき、

なる式で表わされる。ここで、（ａ_2,0）、・・・、（ａ_2,12）は定数であり、入射面および出射面についての各値は、図９に示す通りである。
上式（１０）において下記の項が主走査方向のレンズ面形状を表わす。

この式による主走査方向の曲率分布は、図１０に示す通りである。

そして、このｆθレンズ６は、入射面に対し、出射面が図９に示すシフト量Ｄ２でシフトするとともに、チルト量β２で傾き、入射面が法線Ｐ１に対し図９に示すシフト量Ｄ１でシフトするとともにチルト量β１で傾いている。また、その他の配置や特性は、図９に示す通りである。

このような実施例２の走査光学装置によると、図１１に示すようにジッタが被走査面９Ａ上のすべての位置で１５μｍ以下となり、被走査面９Ａ上の主走査方向における１／ｅ²のビーム半径の最小値であるｒ_eｍｉｎの１／２よりも小さくなっている。すなわち、（４）式の条件を満たし、良好な画像を露光することができることが分かる。なお、この実施例２の走査光学装置における像面湾曲を示すと、図１２に示すように、主像面湾曲および副像面湾曲とも±１ｍｍ未満に収まり、ｆθ誤差（ｙ＝ｋθから求まる理想像高からの誤差）も、図１３に示すように５０μｍ未満に収まっており、画像の歪みが少なく、高精細な画像を露光できることが分かる。

１光源
２カップリングレンズ
４シリンドリカルレンズ
５ポリゴンミラー
５Ａミラー面
５Ｂ回転軸
６ｆθレンズ
９感光体ドラム
９Ａ被走査面
１０走査光学装置

Claims

光源と、光源から出射した光を光束に変換する第１の光学素子と、前記第１の光学素子を通過した光束を主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子と、前記第２の光学素子を通過した光束を主走査方向に偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子とを備える走査光学装置であって、
前記第３の光学素子は対向する一対のレンズ面を有する単レンズよりなり、前記一対のレンズ面は共に主走査面内で非球面形状を有し、
前記第３の光学素子の前記一対のレンズ面のうち走査光の主光線が通過する点の光軸からの主走査方向の高さを入射面と出射面でそれぞれｙ₁，ｙ₂とし、
前記一対のレンズ面の非球面形状をｚ_j＝ｆ（ｙ）、
前記第３の光学素子の材質の屈折率をｎ、
前記第３の光学素子における入射面から出射面までの距離をＤ（ｙ₁，ｙ₂）、

で算出される曲率半径を、入射面においてＲ₁（ｙ₁）、出射面においてＲ₂（ｙ₂）、
主走査面内における焦点距離ｆ_t（ｙ₁，ｙ₂）を、

前記第３の光学素子の後側主点から被走査面までの距離をＳ_k（ｙ₁，ｙ₂）、
前記偏向ミラーのミラー面への光束の入射角をθ_i、
前記偏向ミラーのミラー面からの光束の出射角をθ_e（ｙ₁，ｙ₂）、
偏向ミラーのミラー面の偏心量をｄ（ｙ₁，ｙ₂）、

偏向ミラーの偏心によって生じるミラー面の出入りによる光束のずれ量ｈ（ｙ₁、ｙ₂）を、

被走査面上の主走査方向における１／ｅ²のビーム半径の最小値をｒ_eｍｉｎとするとき、前記第３の光学素子の主走査面内における非球面形状が

を満たすことを特徴とする走査光学装置。
前記一対のレンズ面は、共に、トーリック面よりなることを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。
前記一対のレンズ面の非球面形状は、共に、

Ａ_i：係数
で表され、レンズ面の副走査面内の曲率が、レンズ面の有効部内において連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。
前記一対のレンズ面の非球面形状は、共に、

ａ_m,n：係数
で表されることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の走査光学装置。
前記一対のレンズ面のうち少なくとも１つのレンズ面は、光軸に対して主走査方向に対称であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査光学装置。
前記一対のレンズ面のうち少なくとも１つのレンズ面の光軸が被走査面の走査中心からの法線に対して主走査面内で傾き、および/または、当該光軸がレンズ面を通る点が前記法線に対して主走査方向にシフトしていることを特徴とする請求項５に記載の走査光学装置。