JP3414948B2 - 光ビーム走査装置 - Google Patents
光ビーム走査装置Info
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Description
プリンターや製版用出力スキャナ等の2次元画像を形成
する光ビーム走査装置に関する。
で等速走査を行うことを目的として、偏向器に複数の反
射面を有する回転多面鏡を用い、主走査方向にfθ特性
を有する走査レンズを配しているものが多く見られる。
そのような走査装置では走査レンズに対しては、主走査
面内において平行であるような光束を入射するのが一般
的である。
平面図である。同図においては、水平面をX−Y面と
し、鉛直方向をZ軸方向とする3次元座標系X−Y−Z
が定義されている。
ムLBは、コリメートレンズ120に入射して、主走査
面(X−Y面)内において平行であるような光束に整形
され、偏向器130に向けて出射される。そして、この
偏向器と被走査面150の間に配置された走査レンズS
L1を介して、被走査面150上に結像する。
ズ面を球面に加工する際、クセと称する加工誤差が生じ
ることがある。クセとはレンズ面において局部的に理想
曲率からズレている誤差のことを言い、ニュートン原器
あるいは干渉計で、干渉縞のゆがみとして発見される。
レンズ面は、レンズ中心軸を中心に回転運動にて加工す
るので、一般的にクセも中心軸に対し軸対称に現れる。
原因は加工時に「皿」と呼ばれる加工工具が局部的に強
く当たることがあるためである。
図12に示すようにいくつかの種類がある。「皿」がレ
ンズ面の中央部に比べ周辺部にきつく当たっていた場合
には、中央部の加工が少し残った様な形状になり、「縁
ダレ」あるいは「芯立ち」と呼ばれるクセを生じる。ま
た、その逆に、中央部の方が端に比べきつく当たってい
た場合には、レンズ面の中央部付近が少し落ち込んだ様
な形状になり、「芯落ち」と呼ばれるクセを生じる。以
上の3種類のクセのうち、現在レンズ加工においてよく
見られるクセは「芯立ち」である。
かけ上、凸面は中央部分の曲率が大きく(曲率半径の絶
対値が小さく)、逆に、凹面の曲率は小さく(曲率半径
の絶対値が大きく)なる。
内の一部分を使用して走査していくので、「縁ダレ」お
よび「芯立ち」といったクセの存在する走査レンズを用
いた場合、画角中央付近では、焦点距離が周辺部に比べ
て短くなり、全体として結像面がX軸の負側に凸の状態
で湾曲する。以下においてこのような像面湾曲を「像面
がオーバー側に曲がった像面湾曲」と表現する。逆に
「芯落ち」が生じた走査レンズでは結像面がX軸の正側
に凸の状態の湾曲が生じるが、そのような湾曲を「像面
がアンダー側に曲がった像面湾曲」と表現する。
面湾曲を引き起こす、レンズ面の「芯立ち」をなくすに
は、レンズ面全域に渡って波長オーダー以下の加工精度
が必要となり、コストの上昇を招く結果となる。
に要求されるスポットサイズは比較的大きく、それによ
り、図11に示すように焦点深度dのように比較的深い
焦点深度を持っていた。従って、上記のような原因によ
る像面湾曲が多少大きくても、走査幅全域に渡って被走
査面150を焦点深度内に位置させ、良好に描画するこ
とが可能であった。
高まるにつれ、被走査面150上におけるスポットサイ
ズを小さくする必要が生じている。そのためには、走査
レンズのFナンバーを小さくしなければならず、それに
応じて焦点深度も図11の焦点深度dtのように浅くな
る。このとき、前述の原因による像面湾曲が大きいと被
走査面50を走査幅全域にわたり焦点深度dt内に配置
することが困難となり、部分的な描画品質の低下を招い
ていた。
の克服を意図しており、レンズ面の加工精度を上げるこ
となく像面湾曲を補正し、良好な描画品質が得られる光
ビーム走査装置を提供することを目的とする。
め、この発明の請求項1の装置は、光源から発せられた
光束を被走査媒体面に結像させ且つ主走査面内において
走査させる光ビーム走査装置であって、前記光源から入
射した前記光束を屈折させる光学系と、前記光学系を出
射した光束を反射偏向させる偏向器と、前記偏向器で反
射偏向された光束を前記被走査媒体面に結像させる走査
レンズと、を備え、前記走査レンズのレンズ面は、結像
面をオーバー側に湾曲させる加工精度を有し、前記光学
系は、前記光源から入射した前記光束を前記加工精度を
補正するように前記主走査面内において発散させる特性
を備えることを特徴とする。また、この発明の請求項2
の装置は、請求項1記載の光ビーム走査装置において、
前記光学系が、前記偏向器の反射面に入射する光束が前
記主走査面内において当該反射面から逆にさかのぼって
一点に収束する位置までの距離で規定される発散度を当
該光束に与えるという前記特性を備えることを特徴とす
る。 また、この発明の請求項3の装置は、請求項2記載
の光ビーム走査装置において、前記発散度を規定する前
記距離が、3000ミリメートル、4000ミリメート
ルまたは10000ミリメートルの何れかの程度である
ことを特徴とする。
項1ないし請求項3のいずれかに記載の光ビーム走査装
置において、前記偏向器が複数の反射面を有する回転多
面鏡であることを特徴とする。
項4記載の光ビーム走査装置において、前記光源からの
光束を副走査方向にのみ集光するとともに前記回転多面
鏡の前記反射面近傍に線像を形成する結像光学系と、前
記走査レンズと協働することにより、前記回転多面鏡と
前記被走査媒体面とを光学的にほぼ共役とする面倒れ補
正手段と、をさらに備える。
求項1ないし請求項5のいずれかに記載の光ビーム走査
装置であって、前記走査レンズが主走査面内においてf
θ特性を有することを特徴とする。
第1の実施の形態の光ビーム走査装置の構成を示す図で
ある。図3、図6、図9以外の各図においては、水平面
をX−Y面とし、鉛直方向をZ軸方向とする3次元座標
系X−Y−Zが定義されている。以下、図1を用いてこ
の発明の第1の実施の形態の光ビーム走査装置の構成お
よび機能を説明していく。
査装置は図示のように半導体レーザ10、コリメートレ
ンズ20、ガルバノメータ30、走査レンズ群40、被
走査面50等の構成部材から構成されている。
査レンズSL1、SL2、SL3からなっており、それら
が一体となって光ビームLBを被走査面50に集光す
る。
は以下のようになっている。まず、光源である半導体レ
ーザ10は図示しない制御部からの制御信号で直接変調
駆動され、その制御信号に基づいて光ビームLBを発す
る。その発せられた光ビームLBはコリメートレンズ2
0に入射した後、平行光ではなく発散光となって出射す
る。そしてコリメートレンズ20を出射した光ビームL
Bは、ガルバノメータ30のミラー面に入射する。そし
てそのミラー面によって反射された光ビームLBはガル
バノメータ30のミラー面のZ軸方向を中心軸とした振
動によりX−Y面内で振られながら走査レンズSL1の
所定の画角範囲内に入射する。その後走査レンズSL
1、SL2、SL3を通過する際に集光され、その光ビー
ムLBは被走査面50において結像する。このようにし
て被走査面50に結像する光ビームLBの結像点はガル
バノメータ30のミラー面の振動によって主走査を行う
とともに、被走査面50の副走査方向(Z軸方向)の移
動によって副走査を行っていく。
ていく。
いて、走査レンズ群40の走査レンズSL1〜SL3は前
述のようにその加工精度があまり高くなく、芯立ちの状
態のクセを生じやすい。図1にも芯立ちの生じた走査レ
ンズSL1〜SL3を示している。
ビーム走査装置によって描画を行う場合には結像面IS
に湾曲が生じる。そのため、第1の実施の形態の光ビー
ム走査装置では各走査レンズに芯立ちが生じていること
を前提として、走査レンズ群40に主走査面(X−Y
面)内において発散光である光ビームLBを入射させる
構成となっている。
および発散光を入射した場合の像面湾曲の状況を示した
図である。そして、図2(a)は主走査面内における発
散光を走査レンズに入射し、像面湾曲がほぼフラットに
なる所まで調整した状態を示した図であり、これに対し
て、図2(b)は第1の実施の形態の装置に対比すべき
技術として、平行光を走査レンズ群40に入射している
ため像面湾曲を生じている状態を表した図である。図2
(b)に示すように走査レンズ群40の第1面R1、第
3面R3、第4面R4、第6面R6にそれぞれ芯立ちr
1,r3,r4,r6が生じている。そのため、走査レ
ンズ群40の画角中央の焦点距離はクセが無い時に比べ
て短くなり、また、走査レンズ群40の画角両端はクセ
が無く、設計値通り結像するため、全体として湾曲幅w
だけ結像面ISがオーバー側に曲がった像面湾曲を示す
ことになる。
40に主走査面内において発散光である光ビームLBが
入射している。これにより平行光が入射する場合に比べ
て結像位置がプラス側(X軸の正側)にずれるが、画角
中央の芯立ち部分と画角両端における設計値通りの部分
とでは、結像位置のプラス側への移動量が画角中央の方
が大きいため、像面湾曲はアンダー側へ曲がる傾向を示
すことになる。したがって走査レンズへの主走査面内に
おいて発散光である光ビームLBの入射は像面湾曲を補
正する効果がある。なお、平行光を入射させた場合と発
散光を入射させた場合とでは、X軸方向に関する結像位
置はδだけ異っている。図2(a)、図2(b)に示す
各例ではこのことを考慮して被走査面50を設定してい
る。
施の形態の装置の構成で、以下の表1に示すような諸元
の数値特性を備える第1実施例を示す。
r:芯立ち部分の曲率半径、d:面間隔、nd:d線に
対する各レンズの屈折率、νd:d線に対する各レンズ
のアッベ数を表わしている。なお、走査レンズ群40全
体の特性はFナンバー:31.5、焦点距離:100m
m、最大画角:24゜である。また、光ビームLBの波
長は633nmである。
て実際に入射させるのに適した光ビームLBの主走査面
内における発散度は、ガルバノメータ30の反射面から
逆にさかのぼって一点に収束する位置までの距離が40
00mmとなる程度である。以下、このような発散度を
「R4000」のように表わす。
い場合における平行光および主走査面内における発散光
を入射した場合の0〜24゜の画角位置での焦点位置の
ズレを表わした図である。そのうち、図3(a)は走査
レンズにクセがない場合、図3(b)は走査レンズに芯
立ちのある場合に対するものである。
(a)に示すように平行光に比べて主走査面内における
発散光を入射すると像面湾曲はアンダー側に倒れる効果
が得られる。走査レンズに芯立ちがある場合には図3
(b)から明らかなように、R4000の発散光を入射
することによって像面が同様に0.50mmアンダー側
へ倒れ、0〜24゜に渡って焦点位置が画角中央のそれ
に近く、フラットに近い結像面ISを得ている。
上、説明したように、第1の実施の形態の光ビーム走査
装置では走査レンズに入射する光束が主走査面内におい
て発散光であるため、芯立ちのある走査レンズに対して
レンズ面の加工精度を上げることなく容易に像面湾曲の
補正を行うことができ、良好な描画品質が得られる。
第2の実施の形態の光ビーム走査装置の構成を示す図で
ある。
の形態の光ビーム走査装置の構成および機能を説明して
いく。
査装置は走査レンズ群40以外は第1の実施の形態の装
置と同様の構成であり、走査レンズ群40が走査レンズ
SL1、SL2、SL3、SL4の3群4枚のレンズからな
っていることのみ異なっている。そして、走査レンズS
L2とSL3は第4面R4で接しており、それ以外の各走
査レンズは互いの間に空気間隙を保って設けられてい
る。
機能は第1の実施の形態の装置とほぼ同様であり、各走
査レンズに芯立ちを生じていることを前提として、走査
レンズ群40に主走査面内において発散光である光ビー
ムLBを入射していることも同様である。なお、図4お
よび以下に示す図5においては、走査レンズ群40の第
1面R1、第2面R2、第3面R3、第5面R5、第7
面R7にそれぞれ芯立ちr1,r2,r3,r5,r7
を生じている。
および主走査面内において発散光である光ビームLBを
入射した場合の像面湾曲の状況を示した図である。そし
て、図5(a)は主走査面内において発散光である光ビ
ームLBを走査レンズに入射し、像面湾曲がほぼフラッ
トになる所まで調整した状態を示した図であり、これに
対して、図5(b)は第2の実施の形態の装置に対比す
べき技術として、平行光を走査レンズ群40に入射して
いるため像面湾曲を生じている状態を表した図である。
図5(b)に示すように走査レンズ群40の上述の各面
に芯立ちが生じていることにより、湾曲幅wだけ結像面
ISがオーバー側に曲がった像面湾曲を示している。
40に主走査面内において発散光である光ビームLBが
入射しており、これにより第1の実施の形態と同様に平
行光が入射する場合に比べて像面湾曲を補正してフラッ
トな結像面ISを得ている。
入射させた場合とでは結像位置はX軸方向にδだけ異っ
ている。図5(a)、図5(b)に示す各例ではこのこ
とを考慮して被走査面50を設定している。
施の形態の装置の構成で、以下の表2に示すような諸元
の数値特性を備える第2実施例を示す。
ンバー:20、焦点距離:100mm、最大画角:25
゜である。また、光ビームLBの波長は780nmであ
り、表2中の各記号は表1と同様である。
て実際に入射させるのに適した主走査面内における発散
光の発散度は第1実施例と同様の方法で表わすとき、R
10000である。
場合の主走査面内における平行光および発散光(R10
000)を入射した場合の0〜24゜の画角位置での焦
点位置のズレを表わした図である。そのうち、図6
(a)は走査レンズにクセがない場合、図6(b)は走
査レンズに芯立ちのある場合に対するものである。
(a)に示すように平行光に比べて主走査面内における
発散光を入射すると像面湾曲はアンダー側に倒れる効果
が得られる。走査レンズに芯立ちがある場合には図6
(b)から明らかなように、R10000の発散光を入
射することによって像面が同様に0.18mmマイナス
側へ倒れ、0〜24゜に渡って焦点位置が画角中央の焦
点位置に近く、フラットに近い像面を得ている。
の形態の光ビーム走査装置でも第1の実施の形態と同様
の効果を有している。
第3の実施の形態の光ビーム走査装置の構成を示す図で
ある。
の形態の光ビーム走査装置の構成および機能を説明して
いく。
査装置は走査レンズ群40以外は第1の実施の形態の装
置と同様の構成であり、走査レンズ群40が4群4枚の
走査レンズSL1、SL2、SL3、SL4からなっている
ことのみ異なっている。また、各走査レンズは互いの間
に空気間隙を保って設けられている。
機能は第1の実施の形態の装置とほぼ同様であり、各走
査レンズに芯立ちを生じていることを前提として、走査
レンズ群40に主走査面内において発散光である光ビー
ムLBを入射していることも同様である。なお、図7お
よび以下に示す図8においては、走査レンズ群40の第
1面R1、第2面R2、第3面R3、第4面R4、第6
面R6、第8面R8にそれぞれ芯立ちr1,r2,r
3,r4,r6,r8を生じている。
および主走査面内において発散光である光ビームLBを
入射した場合の像面湾曲の状況を示した図である。そし
て、図8(a)は主走査面内において発散光である光ビ
ームLBを走査レンズに入射し、像面湾曲がほぼフラッ
トになる所まで調整した状態を示した図であり、これに
対して、図8(b)は第3の実施の形態の装置に対比す
べき技術として、平行光を走査レンズ群40に入射して
いるため像面湾曲を生じている状態を表した図である。
図8(b)に示すように走査レンズ群40の上述の各面
に芯立ちが生じていることにより、湾曲幅wだけ結像面
ISがオーバー側に曲がった像面湾曲を示している。
40に主走査面内において発散光である光ビームLBが
入射しており、これにより第1の実施の形態と同様に平
行光が入射する場合に比べて像面湾曲を補正してフラッ
トな結像面ISを得ている。
入射させた場合とでは結像位置はX軸方向にδだけ異っ
ている。図8(a)、図8(b)に示す各例ではこのこ
とを考慮して被走査面を設定している。
施の形態の装置の構成で、以下の表3に示すような諸元
の数値特性を備える第3実施例を示す。
ンバー:25、焦点距離:100mm、最大画角:21
゜である。また、光ビームLBの波長は780nmであ
り、表3中の各記号は表1と同様である。
て実際に入射させるのに適した主走査面内における発散
光の発散度は第1実施例と同様の方法で表わすとき、R
3000である。
の主走査面内における平行光および主走査面内における
発散光を入射した場合のそれぞれの0〜24゜の画角に
対する焦点位置のズレを表わした図である。また、図9
(b)は走査レンズに芯立ちのある場合の平行光および
主走査面内における発散光(R3000)を入射した場
合のそれぞれの0〜24゜の画角に対する焦点位置のズ
レを表わした図である。
(a)に示すように平行光に比べて主走査面内における
発散光を入射すると像面湾曲はアンダー側に倒れる効果
は得られる。走査レンズに芯立ちがある場合には図9
(b)から明らかなように、R3000の発散光を入射
することによって像面が同様に0.50mmアンダー側
へ倒れ、0〜24゜に渡って焦点位置が画角中央の焦点
位置に近く、フラットに近い像面を得ている。
の形態の光ビーム走査装置でも第1の実施の形態と同様
の効果を有している。
は第4の実施の形態の光ビーム走査装置の構成を示す図
であり、図10(a)、図10(b)は光ビームLBの
側面図であり、図10(c)は光ビーム走査装置の平面
図である。以下、図10を用いてこの発明の第4の実施
の形態の光ビーム走査装置の構成および機能を説明して
いく。
図示するように、半導体レーザ10、コリメートレンズ
20、シリンドリカルレンズ60、ポリゴンミラー3
1、走査レンズ群SL1、シリンドリカルレンズ70、
被走査面50等から構成されている。
ルレンズ60からなる第1結像光学系ではコリメートレ
ンズ20によって発散度を調整された光ビームLBをシ
リンドリカルレンズ60によって副走査方向(Z軸方
向)にのみ集光させて、ポリゴンミラー31のミラー面
近傍に主走査面(X−Y面)内でのみ発散するとともに
副走査面(X−Z面)内では半導体レーザ10と共役に
なるように入射する。
ら、各ミラー面で反射して光ビームLBを主走査方向
(Y軸方向)に振る。
い場合に各ミラー面が鉛直に対してわずかに倒れている
状態である「面倒れ」を生じていることがある。このよ
うな面倒れが生じたミラー面に光ビームLBが入射し、
それを反射するとポリゴンミラーのミラー面およびその
ミラー面と被走査面50が副走査面内において共役でな
くなる場合がある。これに対して第4の実施の形態の光
ビーム走査装置では、走査レンズと被走査面50との間
にシリンドリカルレンズ70を副走査方向(Z軸方向)
にのみパワーを持つ状態で備えている。これらによって
ポリゴンミラー31のミラー面の面倒れによるポリゴン
ミラー31のミラー面と被走査面50とを共役関係にし
て、各面の走査線のズレを補正している。
実施の形態と異なり、ポリゴンミラー31を用いること
によって発生する面倒れを防止するためのシリンドリカ
ルレンズ60が用いられている。しかし、第4の実施の
形態の走査レンズ群SL1として、第1〜第3の実施の
形態で用いた走査レンズ群のいずれを用いても第1〜第
3の各実施の形態で得られたのと同じ効果が得られる。
ビームLBの発散度は主走査方向に関するものである
が、第4の実施の形態で用いているシリンドリカルレン
ズは副走査方向に関してのみパワーを有し主走査方向に
関してはパワーを有していないので、走査レンズ群SL
1に対しては第1〜第3の各実施の形態と同じ程度に発
散した光ビームLBが入射するからである。
ー(屈折力)がないので、結局は主走査面のみを考える
と第1〜第3の実施の形態と同じように像面湾曲を補正
ができるとともに、ポリゴンミラー31のミラー面の面
倒れによる走査線のピッチムラがミラー面と被走査面と
の副走査面内における光学的に共役な関係をシリンドリ
カルレンズ70によって保つことにより補正する構成と
したので、ポリゴンミラー31のミラー面の面倒れの影
響を抑えることによって、さらに良好な描画品質が得ら
れる。
走査面内において発散光である光ビームLBを入力して
芯立ちに対する補正を行う構成としたが、「縁ダレ」に
対しても同様の構成で補正を行うこともでき、さらに、
走査レンズに収束光を入射することによって「芯落ち」
に対する補正を行う構成とすることもできる。
レンズ群40をそれぞれ3群3枚、3群4枚、4群4枚
からなる構成としたが、その他の枚数、例えば走査レン
ズ群40が5枚のレンズからなる構成としてもよい。
がガルバノメータ30であり、第4の実施の形態では偏
向器がポリゴンミラー31である構成としたが、偏向器
はこれらに限定されるものではなく、レゾナントスキャ
ナ(共振型ガルバノメータ)、ペンタプリズム、モノゴ
ンミラー等でもよい。
として半導体レーザ10を用いたが、これに限られるも
のではなく、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンレーザな
どの直接変調できない光源を用いて、その場合にその光
源からの光ビームLBを変調する変調器を備える構成と
してもよく、さらに、光源としてLED(Light Emitti
ng Diode)等を用いる構成としてもよい。
Bの発散度を調節するレンズとしてコリメートレンズ2
0を用いたが、その他のメニスカスレンズ等を用いても
よい。
6の発明では走査レンズに入射する光束が主走査面内に
おいて発散光であるため、「芯立ち」のレンズに対して
レンズ面の加工精度を上げることなく像面湾曲の補正を
行うことができ、良好な描画品質が得られる光ビーム走
査装置を提供することができる。
よって光源からの光束を副走査方向にのみ集光するとと
もに、面倒れ補正レンズでは、その結像光学系が走査レ
ンズと協働することにより回転多面鏡の反射面の面倒れ
を補償して、前記回転多面鏡と前記被走査媒体面とを光
学的にほぼ共役とする構成としたので、回転多面鏡の面
倒れの影響を抑えることによって、さらに良好な描画品
質が得られる。
示す図である。
曲の補正の状況を示した図である。
ない場合の焦点位置のズレを表わした図である。
示す図である。
曲の補正の状況を示した図である。
とない場合の焦点位置のズレを表わした図である。
示す図である。
曲の補正の状況を示した図である。
とない場合の焦点位置のズレを表わした図である。
を示す図である。
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 光源から発せられた光束を被走査媒体面
に結像させ且つ主走査面内において走査させる光ビーム
走査装置であって、 前記光源から入射した前記光束を屈折させる光学系と、 前記光学系を出射した光束を反射偏向させる偏向器と、 前記偏向器で反射偏向された光束を前記被走査媒体面に
結像させる走査レンズと、 を備え、 前記走査レンズのレンズ面は、結像面をオーバー側に湾
曲させる加工精度を有し、 前記光学系は、前記光源から入射した前記光束を前記加
工精度を補正するように前記主走査面内において発散さ
せる特性を備える、 ことを特徴とする光ビーム走査装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の光ビーム走査装置におい
て、 前記光学系は、前記偏向器の反射面に入射する光束が前
記主走査面内において当該反射面から逆にさかのぼって
一点に収束する位置までの距離で規定される発散度を当
該光束に与えるという前記特性を備えることを特徴とす
る光ビーム走査装置。 - 【請求項3】 請求項2記載の光ビーム走査装置におい
て、 前記発散度を規定する前記距離が、3000ミリメート
ル、4000ミリメートルまたは10000ミリメート
ルの何れかの程度であることを特徴とする光ビーム走査
装置。 - 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれかに記
載の光ビーム走査装置において、 前記偏向器が複数の反射面を有する回転多面鏡であるこ
とを特徴とする光ビーム走査装置。 - 【請求項5】 請求項4記載の光ビーム走査装置におい
て、 前記光源からの光束を副走査方向にのみ集光するととも
に前記回転多面鏡の前記反射面近傍に線像を形成する結
像光学系と、 前記走査レンズと協働することにより、前記回転多面鏡
と前記被走査媒体面とを光学的にほぼ共役とする面倒れ
補正手段と、 をさらに備えることを特徴とする光ビーム走査装置。 - 【請求項6】 請求項1ないし請求項5のいずれかに記
載の光ビーム走査装置であって、 前記走査レンズが主走査面内においてfθ特性を有する
ことを特徴とする光ビーム走査装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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