JP2678495B2 - レーザープリンター等の走査光学系 - Google Patents

レーザープリンター等の走査光学系

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JP2678495B2 JP1063389A JP1063389A JP2678495B2 JP 2678495 B2 JP2678495 B2 JP 2678495B2 JP 1063389 A JP1063389 A JP 1063389A JP 1063389 A JP1063389 A JP 1063389A JP 2678495 B2 JP2678495 B2 JP 2678495B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体レーザーを光源に用いたレーザービ
ームプリンター等の小型で、低コストな走査光学系の改
良に関するものである。
[従来の技術] レーザービームプリンター等の走査光学系は、基本的
には、光ビームを発する光源部と、光ビームを偏向する
偏向器と、偏向された光束を偏向角に応じた位置に集光
させる走査レンズ系とから成り、前記光源部には、小型
で直接変調可能な半導体レーザーが用いられることが多
い。なお、半導体レーザーからの光は発散されるため、
通常、これを平行光束とするコリメートレンズと共に用
いられる。
ここで前記半導体レーザーから発するレーザー光の発
散角は、半導体レーザーの接合面に平行な方向(以下、
平行方向という)と垂直な方向(以下、垂直方向とい
う)とでは異なり、垂直方向の方が発散角が大きいた
め、コリメートレンズ通過後の光束径は、垂直方向の方
が平行方向より大きくなり、これによって前記走査レン
ズ系によって最終的に走査面上に集光される光束のFナ
ンバーは、垂直方向の方が小さくなり、また、該光束の
Fナンバーに比例するスポット径は、平行方向の方が大
きくなる。
従前にあっては、これを改善するために、コリメート
レンズの口径を小さくして垂直方向の光束をけり、エネ
ルギー効率を犠牲にして光束径を揃えたり、プリズム等
のアナモフィックな光学系を用いてビーム整形を行う等
の手段をとっていた。
また、回転多面鏡等の偏向器は、光が走査される方向
(以下、主走査方向という)と該走査方向に対して垂直
な方向(以下、副走査方向という)への誤差、いわゆる
面倒れと呼ばれる誤差を持つため、走査線のピッチムラ
を生じてしまう。
これを補正するため、偏向器の手前にアナモフィック
光学系を置き、走査光学系を副走査方向で切った断面内
で偏向面上にレーザー光を結像させると共に、アナモフ
ィックな構成の走査レンズ系を介して走査面と偏向面と
を共役にし、偏向面上で結像したレーザー光を走査面上
に再結像させることによって面倒れの影響を除去する方
法や、アナモフィックな光学系と走査レンズ系とを用
い、副走査方向の焦点距離や倍率を小さくして面倒れの
影響を少なくする方法が知られている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、前者では、レーザー光を偏向面に線状
に結像させるため、偏向面の像やゴミに弱い上、回転多
面鏡の偏向点変化の影響を強く受けてしまい、走査幅全
域に性能を維持するのが難しい。また、後者では、ビー
ム整形のための光学系が複雑になったり、面倒り補正効
果が不足するため、回転多面鏡に高い精度が要求され、
コストアップにつながったりした。
更に、偏向された光束を走査面上で偏向角に応じた位
置に集光させる走査レンズ系には、一般に、入射角と像
高とが比例するいわゆるf・θレンズが用いられるが、
該f・θレンズは、入射角と像高との比例関係(以下、
直線性という)を得るために強い負の歪曲収差を持ち、
入射角と像高との比例関係の誤差が非常に小さなもので
なければならない。
[発明の目的] 本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、
大きな辺倒れ補正効果、ビーム整形効果を有し、かつ性
能良好ながら低コストなレーザービームプリンター等の
走査光学系を提供せんとするものである。
[課題を解決するための手段] 請求項1に係る走査光学系は、レーザー光を偏向器の
手前で副走査断面内で結像させるシリンダーレンズと、
偏向器によって偏向された光束を走査面上に集光するア
ナモフィックな走査レンズ系とを備え、走査レンズ系
は、副走査断面内により強い曲率を持つ凹のトーリック
を有する負レンズである第1群レンズと、副走査断面内
により強い曲率を持つ凸のトーリック面を有する正レン
ズである第2群レンズとが偏向器側から順に配列して構
成され、走査レンズ系の主走査断面内での焦点距離を
f、シリンダーレンズによりレーザー光の結像位置から
偏向器によるレーザー光の偏向点までの距離をlとした
とき、 0.015f<l<0.160f …… の条件を満たすことを特徴とする。
式は、シリンダーレンズによる結像位置から偏向面
までの距離に関する条件であり、lが下限より小さい
と、偏向面上でのレーザー光の断面積が小さくなり、傷
やゴミに弱くなると共に、偏向点変化の影響が大きくな
り、全走査角にわたり良好な性能を保証できなくなる虞
がある。逆に、lが上限より大きくなると、面倒れ補正
効果が小さくなり、ピッチむらを生じてしまう虞がでて
くる。
請求項2は、第1群レンズの走査面側の面を凹トーリ
ック面としたことを特徴とする。
請求項3は、第1群レンズの偏向器側の面を凹トーリ
ック面としたことを特徴とする。
請求項4は、第1群レンズの両面を凹トーリック面と
したことを特徴とする。
請求項5は、第1群レンズの偏向器側の面を凸トーリ
ック面としたことを特徴とする。
請求項6は、第2群レンズの偏向器側の面を平面とし
たことを特徴とする。
請求項7は、第2群レンズの屈折率n2が、 n2<1.6 …… を満たすことを特徴とする。
[実施例] 以下、図面に従って本発明の実施例を説明する。
第1図は、本発明の一実施例に係るレーザービームプ
リンター等の走査光学系の全系であり、第1図(a)
は、該走査光学系を主走査方向で切った断面(以下、単
に主走査断面という)の図であり、第1図(b)は、該
走査光学系を副走査方向で切った断面(以下、単に副走
査断面という)の図である。
かかる走査光学系は、半導体レーザー1と、該半導体
レーザー1から発散されるレーザー光を略平行光束にす
るコリメートレンズ2と、副走査断面内に曲率を持ち同
断面内でレーザー光を一度結像させるシリンダーレンズ
3と、該シリンダーレンズ3により副走査断面内でレー
ザー光を結像させた結像位置F1より後方に配置された偏
向器4と、該偏向器4によって偏向された光束を走査面
6上に集光するアナモフィックな走査レンズ系5とから
構成されている。
なお、図中、Hf,Hbは、主走査断面内の前側主点、後
側主点を示し、H′f,H′bは、副走査断面内の前側主
点、後側主点を示している。
上述の走査光学系において、第2図に示すように、前
記偏向器4としてポリゴンミラーPを用いる場合は、当
然のことであるが、光軸Oを偏向点Mで折り返した配置
となり、ポリゴンミラーPはその内接円P1と外接円P2
の間に光軸上の偏向点が位置するように配置される。
また、本発明で用いられる前記走査レンズ系5は、第
3図に示すように、走査断面内により強い曲率を持つ凹
のトーリック面を有する負レンズの第1群レンズL1と、
副走査断面内により強い曲率を持つ凸のトーリック面を
有する第2群レンズL2とを偏向器4側から順に配列した
2群2枚構成である。
この走査レンザ系5は、副走査断面内において、主走
査方向より短い焦点距離を持ち、かつシリンダーレンズ
3による結像位置F1を物点とする有限結像であるので、
前記結像位置F1と走査レンズ系5の間にある偏向器4の
面倒れの影響を大きく緩和できる。
また、シリンダーレンズ3により副走査断面内で結像
される結像位置F1を一定に保ちながら、シリンダーレン
ズ3の焦点距離を変えることにより、副走査方向の全系
の焦点距離を変化させることができ、ビーム整形の割合
を調整することができる。従って、半導体レーザーの楕
円比やコリメートレンズのNAにより様々に変化する入射
ビーム形状に対しても、最適なビーム整形を施し、希望
する形状の結像スポットを得ることができる。
結像位置F1と偏向器4とを一致させた場合は、いわゆ
る共役型となり無限大の補正倍率となるが、ポリゴンミ
ラーを用いた場合の偏向点変化や、加工の難しいトーリ
ックレンズの加工誤差により、像面の共役点がずれ、面
倒れ補正率が大きく変化してしまう。
従って本発明においては、加工誤差による像面の共役
点ずれが影響しないよう、結像位置F1と偏向点とをずら
している。
このため、光ビームは偏向面に線像ではなく面積を持
って入射し、偏向面の傷やゴミの影響を受けにくいとい
う利点も有する。
また、走査レンズ系5の第1群レンズL1は主走査断面
内において負のパワーを持つため、正レンズである第2
群レンズL2で発生する球面収差、コマ収差の補正を行う
と共に、第2群レンズL2に入射する光束を光軸から離れ
た位置で入射させて、強い負の歪曲収差を発生させf・
θレンズの入射角と像高との直線性を良好にするもので
ある。
更に、第2群レンズL2は、偏向器側で強い負の歪曲収
差を発生させ、f・θレンズの直線性を得ると共に、走
査面側の正のパワーに割り光束を走査面6上に結像する
機能を有する。
一方、副走査断面内においては、走査レンズ系5への
入射光束は発散光であり、主走査断面より強いパワーが
必要であるが、第2群レンズL2の走査面6側の面が副走
査断面において主走査断面より曲率が強いトーリック面
であるため、大きな正のパワーを得ることができる。ま
た、この面が正のトーリック面であり第1群レンズL1
負のトーリック面を有するため、これらの面のパワー配
分により、副走査方向の像面湾曲を良好に補正できる。
更に、本発明においては、凹のトーリック面と凸のト
ーリック面とが組み合わされているので、像面湾曲を良
好に補正できると共に、軸外での波面収差の劣化も小さ
く抑えることができる。従って、入射光が副走査方向に
ずれて入ってきた場合でも、凹のトーリック面と凸のト
ーリック面との作用により、収差が打ち消し合うので性
能を良好に保つことができる。
第2群レンズL2に屈折率の高い硝材を使用した場合に
は、凹トーリックによる作用と相まって像面湾曲を良好
に補正できると共に、球面収差を小さく抑え、走査角±
48゜という広角化も可能であり、更に、第2群レンズL2
の偏向器側の面を平面として凸トーリンクレンズの加工
性を向上させることもできる。
また、第1群レンズL1の凹のトーリックの作用によ
り、第2群レンズL2は上記のように必ずしも高い屈折率
である必要がないため、式を満たすような低屈折率の
硝材またはプラスチックを使用することもでき、この場
合には硝材料の低減が可能である。
次に、本発明の走査光学系の一部を構成する走査レン
ズ系5の好ましい実施例を7例説明する。
各表中の符号は、偏向器側から第i面の主走査断面の
曲率半径をri、副走査断面の曲率半径をr′i、第i面
と第i+1面との間のレンズ厚若しくは空気間隔をdi、
第i面と第i+1面との間のレンズの使用波長における
屈折率をni、また、偏向点Mと第1面との間隔をe、副
走査断面内での結像位置F1と偏向点Mとの間隔をl、走
査レンズ系と走査面との間隔をfb、主走査方向の焦点距
離をfとする。
なお、第4図は第1表の構成による走査光学系の収差
を示しており、以下第5図〜第10図は第2表〜第7表の
構成による収差を示している。
各実施例は、請求項2〜7の条件に対して以下のよう
な関係にある。
すなわち、請求項2の条件を満たすのは第1,2,3,4,5
表の例、請求項3の条件を満たすのは第6,7表の例、請
求項4の条件を満たすのは第7表の例、請求項5の条件
を満たすのは第2,4表の例、請求項6の条件を満たすの
は第5,6,7表の例、そして、請求項7の条件を満たすの
は第1,2,3,4表の例である。
[効果] 以上説明したように、本発明の走査レンズ系は副走査
断面内において主走査方向より短い焦点距離を持ち、か
つシリンダーレンズによる結像位置を物点とする有限結
像であるので、結像位置と走査レンズ系の間にある偏向
器の面倒れの影響を大きく緩和できる。従って、大きな
面倒れ補正効果、ビーム整形効果を発揮すると共に、偏
向面の傷やゴミの影響を受けにくい走査光学系が得られ
る。
また、本発明の走査レンズ系にあっては、凹のトーリ
ック面と凸のトーリック面とが組み合わされているの
で、像面湾曲を良好に補正できると共に、軸外での波面
収差の劣化も小さく抑えることができる。
更に、第2群レンズに屈折率の高い硝材を使用する場
合には、第2群レンズの偏向器側の面を平面として凸ト
ーリックレンズの加工性を向上させることができる。
なお、第1群レンズの凹のトーリックの作用によって
第2群レンズであるトーリックレンズが必ずしも高い屈
折率である必要がないため、安価な硝材またはプラスチ
ックを使用でき、コストダウンの効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の走査光学系の全系を示した構成図で
あり、(a)は主走査断面、(b)は副走査断面を示
す。 第2図は、偏向器としてポリゴンミラーを用いた場合の
説明図である。 第3図は、走査レンズ系を示す構成図である。 第4図〜第10図は実施例に示した走査レンズ系の収差図
である。 1……半導体レーザー 2……コリメートレンズ 3……シリンダーレンズ 4……偏向器 5……走査レンズ系 6……走査面

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザー光を偏向器の手前で副走査断面内
    で結像させるシリンダーレンズと、 該偏向器によって偏向された光束を走査面上に集光する
    アナモフィックな走査レンズ系とを備え、 該走査レンズ系は、副走査断面内により強い曲率を持つ
    凹のトーリック面を有する負レンズである第1群レンズ
    と、副走査断面内により強い曲率をもつ凸のトーリック
    面を有する正レンズである第2群レンズとが前記偏向器
    側から順に配列して構成され、 該走査レンズ系の主走査断面内での焦点距離をf、前記
    シリンダーレンズによるレーザー光の結像位置から前記
    偏向器によるレーザー光の偏向点までの距離をlとした
    とき、 0.015f<l<0.160f の条件を満たすことを特徴とするレーザービームプリン
    ター等の走査光学系。
  2. 【請求項2】前記第1群レンズの走査面側の面が凹トー
    リック面であることを特徴とする請求項1記載のレーザ
    ービームプリンター等の走査光学系。
  3. 【請求項3】前記第1群レンズの偏向器側の面が凹トー
    リック面であることを特徴とする請求項1記載のレーザ
    ービームプリンター等の走査光学系。
  4. 【請求項4】前記第1群レンズの両面が凹トーリック面
    であることを特徴とする請求項1記載のレーザービーム
    プリンター等の走査光学系。
  5. 【請求項5】前記第1群レンズの偏向器側の面が凸トー
    リック面であることを特徴とする請求項1記載のレーザ
    ービームプリンター等の走査光学系。
  6. 【請求項6】前記第2群レンズの偏向器側の面が平面で
    あることを特徴とする請求項1記載のレーザービームプ
    リンター等の走査光学系。
  7. 【請求項7】前記第2群レンズの屈折率n2が、 n2<1.6 を満たすことを特徴とする請求項1記載のレーザービー
    ムプリンター等の走査光学系。
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