JP3215764B2 - 反射型走査光学系 - Google Patents

反射型走査光学系

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、走査光学系に関し、特にfθレ
ンズ等の走査レンズに代えて、ミラーを用いた反射型走
査光学系に関する。
【0002】
【従来技術及びその問題点】レーザビームプリンタ、レ
ーザスキャナ、バーコードリーダ等においては、走査光
学系が不可欠であり、光偏向器として偏向器やホログラ
ムディスクが用いられている。半導体レーザから出射し
たレーザ光は、光偏向器に入射して走査され、走査され
た光束は、被走査面、例えば感光体に走査される。
【0003】このような走査光学系においては従来、光
偏向器からの光束をfθレンズ系等の走査レンズ系を透
過させているが、読取系として利用する場合は、色収差
が発生するという問題がある。このため、近時、走査レ
ンズ系に代えて、ミラーを用いた光学系が提案されてい
る。
【0004】本出願人は、このようなミラーを用いた走
査光学系として、走査係数Kに対して、最適な入射光の
焦点位置、ミラーの位置、及びミラーのRを見出して、
特許出願した(特願平5−4957号)。この反射型走
査光学系は、走査線の曲がり(ボウ(BOW))や像面湾曲が
少なく、しかも走査角度範囲が広いという特徴がある。
しかしながら、この反射型走査光学系では、装置の小型
化に視点が向けられておらず、このため、ミラーを小さ
くするべく、走査係数を小さく設定すると、ミラーと感
光体ドラム(被走査面、像面)の間隔(fB )が小さく
なり、熱を発する定着ユニットがミラーに近接して種々
の問題が生じることが明らかになった。
【0005】
【発明の目的】本発明は従って、ミラーを用いた反射型
走査光学系において、ミラーを小型化しても、ミラーか
ら被走査面(像面、ドラム)までの距離を大きく確保す
ることができる走査光学系を得ることを目的とする。
【0006】
【発明の概要】本発明の反射型走査光学系は、光束を偏
向させる偏向器と;この偏向器に対し副走査方向に入射
角を持たせてレーザ光を入射させるレーザ光源と;偏向
器で偏向されたレーザ光を、入射方向に対して分離角を
持たせてさらに反射する、少なくとも主走査方向に曲率
を有する曲面ミラーと;この曲面ミラーと被走査面との
間に配設されたアナモフィックレンズ系と;を基本構成
として備えるものであって、さらに、アナモフィックレ
ンズ系は、少なくとも、主走査断面形状が非球面である
面と;光軸から離れた位置での副走査断面の曲率半径が
主走査断面形状とは無関係に設定されている、回転軸を
持たない非球面を有する面と;を備えていることを特徴
としている。
【0007】以上の構成によると、曲面ミラーを小さく
するべく走査係数を小さく設定した場合においても、ア
ナモフィックレンズ系の主走査断面方向の非球面によ
り、特に主走査方向の像面湾曲を補正することができる
とともに、副走査断面の回転軸を持たない非球面によ
り、特に副走査方向の像面湾曲を補正することができ、
さらに、ミラーと被走査面との間の距離を大きくとるこ
とが可能となる。
【0008】さらに、主走査断面における像面湾曲は、
曲面ミラーを、その主走査断面において、非球面とする
と、さらに効果的に補正できることが分かった。
【0009】偏向器への入射光が副走査方向に角度を持
つことによって発生する波面のねじれは、アナモフィッ
クレンズ系を副走査方向に偏心させて配置することによ
り、補正している。
【0010】
【発明の実施例】以下図示実施例について本発明を説明
する。図1は、本発明の反射型走査光学系の副走査断面
内における配置、図2は同主走査断面における配置を示
している。偏向器として例示するポリゴンミラー11
は、周面に複数の反射面11aを有し、回転軸12を中
心に回転駆動される。反射面11aに直交する平面13
を考えると、半導体レーザ光源14からのレーザ光は、
この直交平面13に対して一定の入射角αをなして、反
射面11aに入射する。半導体レーザ光源14からのレ
ーザ光は、レーザ光を平行光束とするコリメートレンズ
15と、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカル
レンズ16と、主副両走査方向にパワーを有する収束レ
ンズ17を介して出射する。
【0011】反射面11aからの反射レーザ光の光路上
には、曲面ミラー20が配設されている。この曲面ミラ
ー20は、少なくとも主走査方向に曲率を有するもの
で、入射方向に対し分離角βをもってレーザ光を反射さ
せるように、設置されている。
【0012】この曲面ミラー20からの反射レーザ光路
上には、本発明の特徴とするアナモフィックレンズ21
が配設されている。レーザ光は、このアナモフィックレ
ンズ21によって主に副走査方向に集光され、ミラー2
2を介して被走査面(例えば感光ドラム)23に走査さ
れる。このアナモフィックレンズ21は、図2に示すよ
うに、主走査方向にはパワーが小さく、一方、副走査面
内では、図1に示すように、副走査方向に正のパワーを
有する形状をなし、かつその光軸が光学系の光軸(レー
ザ光走査面)Oに対して距離eだけ偏心させて配置され
ている。この偏心は、上述のように、偏向器への入射光
が副走査方向に角度を持つことによって発生する波面の
ねじれを補正するために有効である。
【0013】以上の反射型走査光学系は、半導体レーザ
光源14からのレーザ光が、コリメートレンズ15、シ
リンドリカルレンズ16、及び収束レンズ17により、
主走査方向及び副走査方向に収束され、ポリゴンミラー
11の回転中心に向けて照射され、反射面11aで反射
する。特にシリンドリカルレンズ16の作用により、副
走査方向に強く収束し、反射面11aの近傍で一旦主走
査方向に延びる線像を形成する。反射面11aで反射さ
れたレーザ光は、曲面ミラー20で反射した後、アナモ
フィックレンズ21で副走査方向に収束され、さらにミ
ラー22で反射した後、被走査面23上を走査される。
レーザ光は、主走査方向に関しては主として収束レンズ
17と曲面ミラー20により被走査面23上に収束さ
れ、副走査方向に関してはシリンドリカルレンズ16、
収束レンズ17及びアナモフィックレンズ21によって
収束される。
【0014】このように、ポリゴンミラー11の回転中
心に向けてレーザ光を入射させると、ポリゴンミラー1
1の大きさに対して走査可能な角度範囲を大きく設定で
きるため、ポリゴンミラー11の大きさを一定とすれば
広範囲の走査が可能となり、走査範囲を一定とすればポ
リゴンミラー11の径を小さくすることができる。
【0015】本発明は、例えば以上のように構成される
反射型走査光学系において、アナモフィックレンズ21
を、主走査断面に関しては非球面とし、副走査断面に関
しては、回転軸を持たない非球面にした点に第一の特徴
がある。また第二の特徴は、曲面ミラー20を非球面化
した点にある。
【0016】図3及び次式1は、主走査断面における回
転対称非球面の定義である。
【式1】x=ch2/{1+[1-(1+K)c2h2]1/2}+A4h4+A6h6+A8h8+
A10h10 +・・・ 但し、C=1/R
【0017】アナモフィックレンズ21の少なくとも1
面、例えば第1面21aを、主走査断面において非球面
とすることにより、主走査方向の像面湾曲をよく補正す
ることができる。曲面ミラー20の非球面も、この回転
対称非球面であって、アナモフィックレンズ21の第1
面21aと同時に非球面化することにより、より良好に
主走査方向の像面湾曲及びfθ特性を補正できる。
【0018】図4は、光軸Oから離れた位置での副走査
断面の曲率半径が主走査断面形状とは無関係に設定され
ている、回転軸を持たない非球面の概念図であり、その
定義式を次式2に示す。
【式2】 x=cy2/{1+[1-(1+K)c2y2]1/2}+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10 +・・・(イ) 1/RZ=(1/RZ0)+B1y+B2y2+B3y3+B4y4+・・・ (ロ) 実施例では、B1、B3は0のため、実質上、 1/RZ=(1/RZ0)+B2y2+B4y42+B6y6+・・・ (イ)’ である。回転軸を持たない非球面は、(イ)式(または
(イ)’式)で定義される主走査断面に(ロ)式で定義
される円弧が連続した形状となる。
【0019】アナモフィックレンズ21のいずれか1
面、例えば第2面21bをこのような回転軸を持たない
非球面とすることにより、副走査断面における像面湾曲
を効果的に補正することができる。具体的な非球面量
は、レンズ系に応じて決定される。
【0020】次に具体的な数値実施例について本発明を
説明する。 [実施例1]図5は、図1、図2に基本構成を示した反
射型走査光学系について、表1に示す具体的な数値デー
タの光学系につき、fθ特性を計算したグラフである。
図6は同じく、メリディオナル(主走査方向)Mとサジ
タル(副走査方向)Sの像面湾曲を計算したグラフであ
る。図7は同じく、走査線湾曲(ボウ、BOW )を計算し
たグラフである。図5ないし図7の縦軸は主走査方向の
位置を示しており、図5及び図7の横軸は理想位置から
の偏差(mm)、図6の横軸は相対的な焦点位置(m
m)を示している。
【0021】表中、K は走査係数、W は走査幅、αは偏
向器への入射角、βは曲面ミラーでの分離角、eはアナ
モフィックレンズの偏心量、R はレンズ各面の主走査平
面における曲率半径、D はレンズ厚もしくはレンズ間
隔、N は波長780nmに対する屈折率を示す。この実
施例は、ポリゴンミラー11への入射光が主走査断面で
平行光であり、図1中の収束レンズ17を必要としな
い。
【0022】
【表1】K=170.0 W=216 α=4゜ β=6゜ e=-2.60 y=0 における走査位置ずれ;-3.24 * は回転対称非球面、 **は回転軸を持たない非球面。 非球面データ; 1面;K=-2.50、 A4=4.55×10-8、A6=-5.80×10-12 、A8
=-3.22×10-17 、A10=0 2面;K=2.90、 A4=-8.80×10-8、A6=1.53 ×10-11 、A8
=-5.22×10-16 、A10=0 3面 K=2.58、 A4=-2.22×10-7、A6=1.80 ×10-11 、A8=-3.47
×10-16 、A10=0 RZ=-23.36、 B2=4.43×10-7、B4=1.75 ×10-11 、B6=1.9
8 ×10-15
【0023】[実施例2]図8は、図1、図2に基本構
成を示した反射型走査光学系について、表2に示す具体
的な数値データの光学系につき、fθ特性を計算したグ
ラフである。図9は同じく、メリディオナル(主走査方
向)Mとサジタル(副走査方向)Sの像面湾曲を計算し
たグラフである。図10は同じく、走査線湾曲(ボウ、
BOW )を計算したグラフである。図8ないし図10の縦
軸と横軸は、図5ないし図7と同じである。この実施例
も、ポリゴンミラー11への入射光が主走査断面で平行
光であり、図1中の収束レンズ17を必要としない。
【0024】
【表2】K=191.0 W=216 α=4゜ β=6゜ e=-2.80 y=0 における走査位置ずれ;-3.37 * は回転対称非球面、 **は回転軸を持たない非球面。 非球面データ; 1面;K=0.63、 A4=1.95 ×10-8、A6=3.89 ×10-12 、 A
8=-1.12 ×10-15 、A10=0 2面;K=0、 A4=-1.16 ×10-7、A6=2.95 ×10-11 、 A8=
-1.84 ×10-15 、A10=0 3面 K=0、 A4=-1.13 ×10-7、A6=1.80 ×10-11 、A8=-1.04×
10-15 、A10=0 RZ=-24.00、 B2=4.97×10-7、B4=8.48 ×10-11 、B6=-8.
63×10-15
【0025】[実施例3]図11は、図1、図2に基本
構成を示した反射型走査光学系について、表3に示す具
体的な数値データの光学系につき、fθ特性を計算した
グラフである。図12は同じく、メリディオナル(主走
査方向)Mとサジタル(副走査方向)Sの像面湾曲を計
算したグラフである。図13は同じく、走査線湾曲(ボ
ウ、BOW )を計算したグラフである。図11ないし図1
3の縦軸と横軸は、図5ないし図7と同じである。この
実施例は、ポリゴンミラー11への入射光が主走査断面
で収束する収束光であり、収束光の位置は、曲面ミラー
20から524.89である。
【0026】
【表3】K=191.0 W=216 α=4゜ β=6゜ e=-2.60 y=0 における走査位置ずれ;-3.28 * は回転対称非球面、 **は回転軸を持たない非球面。 非球面データ; 1面;K=-2.42、 A4=5.17×10-8、A6=1.58 ×10-12 、A8
=-3.07×10-15 、A10=0 2面;K=2.93、 A4=-9.67×10-8、A6=3.12 ×10-11 、A8
=-1.55×10-15 、A10=0 3面 K=0、 A4=-2.06 ×10-7、A6=2.69 ×10-11 、A8=-9.62×
10-16 、A10=0 RZ=-22.06、 B2=7.59×10-7、B4=1.18 ×10-10 、B6=-8.
00×10-15
【0027】以上の各実施例から明らかなように、本発
明の走査光学系によれば、主走査方向及び副走査方向の
像面湾曲をよく補正することができる。またfθ特性に
優れ、ボウの発生も少ない。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、ミラーを小型化して
も、ミラーから被走査面までの距離を大きく確保するこ
とができ、反射型走査光学系を小型化することができ
る。よって例えば被走査面が感光体ドラムであるレーザ
ビームプリンタにおいては、ミラーと発熱する現像系と
離して設置することができ、ミラーが熱の影響を受ける
ことが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による反射型走査光学系の実施例を示す
副走査断面の断面図である。
【図2】図1の反射型走査光学系の主走査断面の断面図
である。
【図3】本発明の反射型走査光学系に用いる、回転対称
非球面の一般的概念図である。
【図4】本発明の反射型走査光学系に用いる、回転軸を
持たない非球面の一般的概念図である。
【図5】本発明の反射型走査光学系の第1の実施例のf
θ特性を示すグラフである。
【図6】同像面湾曲を示すグラフである。
【図7】同走査線の曲がり(ボウ)を示すグラフであ
る。
【図8】本発明の反射型走査光学系の第2の実施例のf
θ特性を示すグラフである。
【図9】同像面湾曲を示すグラフである。
【図10】同走査線の曲がり(ボウ)を示すグラフであ
る。
【図11】本発明の反射型走査光学系の第3の実施例の
fθ特性を示すグラフである。
【図12】同像面湾曲を示すグラフである。
【図13】同走査線の曲がり(ボウ)を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
11 ポリゴンミラー(偏向器) 11a 反射面 12 回転軸 13 反射面との直交平面 14 半導体レーザ光源 15 コリメートレンズ 16 シリンドリカルレンズ 17 収束レンズ 20 曲面ミラー 21 アナモフィックレンズ 22 ミラー 23 被走査面

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光束を偏向させる偏向器と;この偏向器
    に対し副走査方向に入射角を持たせてレーザ光を入射さ
    せるレーザ光源と;上記偏向器で偏向されたレーザ光
    を、入射方向に対して分離角を持たせてさらに反射す
    る、少なくとも主走査方向に曲率を有する曲面ミラー
    と;この曲面ミラーと被走査面との間に配設されたアナ
    モフィックレンズ系と;を備え、 上記アナモフィックレンズ系は、少なくとも、主走査断
    面形状が非球面である面と;光軸から離れた位置での副
    走査断面の曲率半径が主走査断面形状とは無関係に設定
    されている、回転軸を持たない非球面を有する面と;を
    備えていることを特徴とする反射型走査光学系。
  2. 【請求項2】 請求項1において、さらに、上記曲面ミ
    ラーは、その主走査断面において、非球面である反射型
    走査光学系。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、上記アナモ
    フィックレンズは、その光軸がレーザ光偏向面に対して
    副走査方向に偏心して配置されている反射型走査光学
    系。
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