JP2673591B2 - ｆθレンズ及びそれを用いたレーザー走査光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は走査光学系に用いられるｆθレンズに関し、
特に微小スポットの形成を目的としたｆθレンズ及びそ
れを用いたレーザー走査光学系に関する。

［従来の技術］ 従来のレーザー走査光学系では、レーザー光源を発し
たレーザー光をコリメーターレンズ等で平行光とした
後、ポリゴンミラー等の偏向器で反射させ、結像レンズ
系を用いてレーザービームスポットを像面上に形成し、
走査している。

こうしたレーザー走査光学系において、特にポリゴン
ミラー等の等角速度回転でビーム走査を行う場合、像面
上で主走査方向の等速度性を保つ為に、結像レンズには
ｆθ特性（光学系の焦点距離をｆ、入射角度をθとした
とき、理想像高がｆ・θで与えられる特性）を持つ所謂
ｆθレンズ系が用いられている。

また、一般に、ビーム走査される像面は平面である
為、結像レンズでは像面上の像面湾曲が補正されてい
る。

更に、ポリゴンミラーなどの偏向器の反射面の所定位
置からの面倒れによって像面上の走査線のブレ（ピッチ
ムラ）が生じるのを防ぐ為に、結像レンズ中にトーリッ
クレンズなどのアナモフィックな光学系を用いた例も知
られている。

この様なｆθレンズのうち、特に微小なレーザースポ
ット（波長λ＝780nmのレーザーで50μｍ以下）を目的
として、結像レンズ系を３枚構成としたタイプも提案さ
れている。こうしたｆθレンズは、例えば、第14図に示
す様な構成を有し、偏向器のミラー面Ｍより像面Ｉ側へ
と凹球面レンズ51、凸球面レンズ52、トーリックレンズ
53が順に配された構成となっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし乍ら、上記の３枚構成のｆθレンズ系において
は、ｆθ特性、像面湾曲、倒れ補正という性質を満足し
たものでも、画角（走査角）の大きな像面周辺部でのス
ポット形状は著しく悪化し、形状が３角形などになって
しまう。この為、実質的なスポット径が大きくなってし
まって、従来のレンズ系では像面周辺の画角のところで
は良好な画像を得ることが出来なかった。

例として、第14図に示したｆθレンズの場合の像面湾
曲、ｆθ特性を第15図と第16図に夫々示す。また、画角
37度における像面上のスポット形状を第17図に示す。

これらの図から分かる様に、この例ではｆθ特性と像
面湾曲は良好に補正されているが、1/e²のスポット形状
（ピーク強度からその1/e²の強度のところまでのスポッ
ト形状）は３角形をしており、良好なスポット形状とは
言えない。この為、このｆθレンズ系では像面周辺での
画像の品質は悪化している。

従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、コンパク
トでありながら高解像である走査光学系に用いられるｆ
θレンズを提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成する本発明では、トーリックレンズを
含む３枚構成のｆθレンズであり、光入射側から１枚目
が主走査面内で負のパワーを持つレンズ、２枚目が主走
査面内で正のパワーを持つレンズ、３枚目がトーリック
面を持ち主走査面内で正のパワーを持つ１レンズとな
り、更に１枚目のレンズと２枚目のレンズで構成される
その間の空気レンズに主走査面内で正のパワーを持たせ
ている。これにより、像面周辺部でのスポット形状が良
好に保たれ、従って走査系全体がコンパクトでありなが
ら高解像である走査光学系が実現できる。

上記凹レンズと凸レンズの間の空気レンズの曲率半径
をr₂、r₃として焦点距離をｆとしたとき、 0.48≦r₂/r₃≦1, −2.2≦f/r₃≦1.7 の条件を満たすことで、より一層顕著な効果が得られ
る。

この条件式でr₂/r₃＞１となると空気レンズのパワー
が負となりスポット形状が悪化し、また、r₂/r₃が小さ
くなりすぎても収差が悪化しスポット形状が悪化する。
f/r₃が上記の範囲から外れた場合、主走査側像面湾曲が
悪化して全画面でスポット径を微小に保つことが困難に
なる。

［実施例］ 第１図と第２図は本発明による第１の実施例を示し、
第１図は本発明によりｆθレンズの主走査面（走査され
る光束が経時的に形成する面で光軸を含む）での断面
図、第２図はｆθレンズの副走査面（主走査面と直角な
面で光軸を含む）での断面図である。

同図において、ｆθレンズ10は、偏向器のミラー面相
当位置Ｍより像面Ｉ側にかけて順に、凹球面レンズL₁、
凸球面レンズL₂、トーリックレンズL₃より構成されてい
る。符号ｃはレーザーなどの光源とミラー面相当位置Ｍ
との間に配設されたシリンダーレンズであり、副走査方
向にのみパワーを有する。

図中、r₁、r₂は凹球面レンズL₁の第１面と第２面（Ｍ
側より順に番号を附す）の曲率半径、r₃、r₄は凸球面レ
ンズL₂の第３面と第４面の曲率半径、r₅₁、r₆₁はトーリ
ックレンズL₃の第５面と第６面の主走査断面における曲
率半径、r₅₂、r₆₂は同じく第５面と第６面の副走査断面
における曲率半径を示す。

上記構成のｆθレンズ10により、レーザー光は光源か
ら発した後、コリメータレンズ等で一度平行光となった
後にシリンダーレンズｃを経てミラー面Ｍに近傍に線状
に入射し、ここで偏向され、そして像面Ｉに結像され
る。この様に、レーザー光は、副走査断面では、シリン
ダーレンズｃでミラー面Ｍ上に一度結像した後、再びｆ
θレンズ10によって像面Ｉ上に結像する。

このｆθレンズ10の具体例を次の表１に示す。ここに
おいて、r₁等は上記の如きものであり、d₀はミラー面Ｍ
と第１面間の距離、d_i（ｉ＝１〜５）は第ｉ面と第ｉ＋
１面間の間隔、d₆は第６面と像面Ｉ間の距離、n₀、n₂、
n₄、n₆は空気の屈折率、n₁、n₃、n₅は夫々レンズL₁、
L₂、L₃の屈折率である。

第１表 d₀＝17,61 n₀＝１ r₁＝−53.00 d₁＝4.05 n₁＝1.51 r₂＝−186.30 d₂＝0.28 n₂＝１ r₃＝−319.60 d₃＝8,00 n₃＝1.62 r₄＝−49.19 d₄＝12.34 n₄＝１ r₅₁＝０ r₅₂＝−36.05 d₅＝14.18 n₅＝1.62 r₆₁＝−112.31 r₆₂＝−15.89 d₆＝97.31 n₆＝１ ｆ＝99.40 r₂/r₃＝0.58 f/r₃＝−0.31 表１から分かる様に、レンズL₁とL₂の間は第２面（曲
率半径r₂）と第３面（曲率半径r₃）によって構成される
空気レンズとなっているが、ここでr₃＜r₂＜０（すなわ
ちr₂/r₃≦１）となっている為にこの空気レンズは正の
パワーを持っている。

更に詳しく言えば、空気レンズが正であるということ
は、r₂とr₃よりなる面の合成のパワーが正であることを
意味する。

r₂の面のパワーは、 φ_Ａ＝（１−n₁）/r₂ r₃の面のパワーは、 φ_Ｂ＝（n₃−１）/r₃、 そして合成のパワーは、 φ＝φ_Ａ＋φ_Ｂ−ｅφ_Ａφ_Ｂ …（１） （ここで、ｅ＝d₂である）で表される。

すなわち、上記（１）式が正となることが、空気レン
ズが正であることを意味する。

上記第１表に示される実施例ではφ＝0.0008、 下記第２表に示される実施例ではφ＝0.00295、 下記第３表に示される実施例ではφ＝0.00058、 であり、いずれも空気レンズのパワーは正である。

このｆθレンズ10の像面湾曲とｆθ特性が第３図、第
４図に夫々示されている。主走査側、副走査側の像面湾
曲及びｆθ特性が共に良好であることが分かる。

第５図は、ｆθレンズ10を用いて画角37度のところの
スポット形状を計算した結果を示す。スポットは1/e²の
所の等高線で見て楕円形（副走査面に少し長い）をして
おり、良好な形状を保っていると言える。

第６図は本発明による第２の実施例の主走査面での断
面図である。同図において、ｆθレンズ20はミラー面Ｍ
側から順に凹球面レンズL₁、凸球面レンズL₂、トーリッ
クレンズL₃より構成されている。

第２実施例でも、レンズL₁、L₂間の空気レンズが主走
査面内で正のパワーを持っている。

表２にｆθレンズ20の具体例を示す。符号の約束は表
１と同じである。

第２表 d₀＝18.09 n₀＝１ r₁＝−43.26 d₁＝3.00 n₁＝1.51 r₂＝−72.12 d₂＝0.30 n₂＝１ r₃＝−149.50 d₃＝8.49 n₃＝1.62 r₄＝−47.52 d₄＝1499 n₄＝１ r₅₁＝０ r₅₂＝−35.46 d₅＝16.12 n₅＝1.62 r₆₁＝−119.78 r₆₂＝−16.30 d₆＝94.27 n₆＝１ ｆ＝99.54 r₂/r₃＝0.48 f/r₃＝−0.67 第２実施例による像面湾曲、ｆθ特性、画角37度の所
のスポット形状を、夫々、第７図、第８図、第９図に示
す。第２実施例でも第１実施例と同様な効果が得られる
ことが分かる。

次に、本発明による第３の実施例を第10図に示す。同
図において、ｆθレンズ30は、ミラー面Ｍ側から順に凹
球面レンズL₁、凸球面レンズL₂、トーリックレンズL₃よ
り構成されている。

表３にこのｆθレンズ30の具体例を示す。同じく符号
の約束は表１におけるそれと同じである。

第３表 d₀＝15.62 n₀＝１ r₁＝−62.45 d₁＝4.31 n₁＝1.51 r₂＝192.01 d₂＝0.11 n₂＝１ r₃＝192.01 d₃＝9.16 n₃＝1.62 r₄＝−51.56 d₄＝15.19 n₄＝１ r₅₁＝０ r₅₂＝−33.86 d₅＝14.08 n₅＝1.62 r₆₁＝−120.89 r₆₂＝−15.51 d₆＝94.44 n₆＝１ ｆ＝99.13 r₂/r₃＝1.00 f/r₃＝0.52 第３実施例でも、r₂＝r₃＞０（すなわちr₂/r₃≦１を
満たす）となっていて、レンズL₁、L₂間の空気レンズが
主走査面内で正のパワーを持つ様になっている。

このｆθレンズ30による像面湾曲、ｆθ特性、画角37
度の所のスポット形状を、夫々、第11図、第12図、第13
図に示す。これから第３実施例でも第１実施例と同様な
効果が得られることが分かる。

［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明のｆθレンズでは画角が大
きい所でもスポット形状が良好に保たれているので、コ
ンパクトでありながら高解像の走査光学系が実現出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の主走査断面図、第２図は第１実施
例の副走査断面図、第３図は第１実施例の像面湾曲を示
す図、第４図は第１実施例のｆθ特性を示す図、第５図
は第１実施例における画角37度のスポット形状を示す
図、第６図は第２実施例の主走査断面図、第７図は第２
実施例の像面湾曲を示す図、第８図は第２実施例のｆθ
特性を示す図、第９図は第２実施例における画角37度の
スポット形状を示す図、第10図は第３実施例の主走査断
面図、第11図は第３実施例の像面湾曲を示す図、第12図
は第３実施例のｆθ特性を示す図、第13図は第３実施例
における画角37度のスポット形状を示す図、第14図は従
来例の主走査断面図、第15図は従来例の像面湾曲を示す
図、第16図は従来例のｆθ特性を示す図、第17図は従来
例における画角37度のスポット形状を示す図である。 10、20、30……ｆθレンズ、L₁……凹球面レンズ、L₂…
…凸球面レンズ、L₃……トーリックレンズ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】走査光学系に用いられ、面倒れ補正機能を
   持つｆθレンズにおいて、偏向面より第１レンズ、第２
   レンズ、第３レンズが順に配設され、第１レンズが主走
   査面内で負のパワーを持ち、第２レンズが主走査面内で
   正のパワーを持ち、第３レンズがトーリック面を持ち主
   走査面内で正のパワーを持ち、更に第１レンズと第２レ
   ンズの間の空気レンズが主走査面内で正のパワーを持
   ち、前記第１レンズが凹球面レンズであり、第２レンズ
   が凹球面レンズであり、第３レンズがトーリックレンズ
   であり、前記凹球面レンズと凸球面レンズの間の曲率半
   径をr₂、r₃とし、焦点距離をｆとしたとき、 0.48≦r₂/r₃≦１、 −2.2≦f/r₃≦1.7 を満たすことを特徴とするｆθレンズ。
2. 【請求項２】請求項１記載のｆθレンズを用いて、レー
   ザー光源からの光束を偏向器、ｆθレンズを介して像面
   上に走査するレーザー走査光学系。