JP3420439B2 - 光走査光学系及びそれを備えるレーザービームプリンタ - Google Patents

光走査光学系及びそれを備えるレーザービームプリンタ

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JP3420439B2
JP3420439B2 JP21946496A JP21946496A JP3420439B2 JP 3420439 B2 JP3420439 B2 JP 3420439B2 JP 21946496 A JP21946496 A JP 21946496A JP 21946496 A JP21946496 A JP 21946496A JP 3420439 B2 JP3420439 B2 JP 3420439B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光走査光学系及びそ
れを備えるレーザービームプリンタに関し、特に光源手
段から光変調され出射した光束を回転多面鏡等より成る
光偏向器で偏向させた後、fθ特性を有する光学素子
(fθレンズ)を介して記録媒体面である被走査面上を
光走査して画像情報を記録するようにした、例えば電子
写真プロセスを有するレーザービームプリンタ(LB
P)やデジタル複写機等の装置に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】従来より回転多面鏡より成る光偏向器の
各偏向面(反射面)で偏向(反射)された光束(光ビー
ム)を利用して被走査面上を光走査するようにした光走
査光学系が、例えば特公昭62−36210号公報で提
案されている。
【0003】同公報で提案されている光走査光学系は光
偏向器と被走査面との間にf−θ特性を有する光走査用
の結像光学系を設け、該結像光学系の1つであるトーリ
ックレンズの屈折力を適切に設定することにより光偏向
器の偏向面が回転軸に対して平行となっていなく倒れて
いるときの角度誤差、所謂面倒れを補正している。
【0004】即ち、トーリックレンズを用いて光偏向器
の偏向面と被走査面とを光学的に共役関係にして面倒れ
による悪影響を除去している。これにより偏向面により
偏向された光束の走査面上の進行方向が補正されて走査
線のピッチにムラが生じないようにしている。
【0005】このように偏向面の面倒れを補正する光走
査光学系は従来より種々と提案されており、特にレンズ
枚数が2枚以上で構成された結像光学系ついては種々と
提案され実用化されている。
【0006】これに対して、より簡素な光走査光学系と
して、結像光学系を1枚のレンズ(fθレンズ)より構
成した光走査光学系が、例えば特開平1−224721
号公報や特開昭62−138823号公報や特開昭63
−157122号公報そして特開平2−87109号公
報等で種々と提案されている。
【0007】これらの公報のうち特開平1−22472
1号公報では結像光学系を1枚のトーリックレンズで構
成し、集束光学系としての集光レンズからの集束光束を
該トーリックレンズに入射させている。
【0008】特開昭62−138823号公報や特開昭
63−157122号公報そして特開平2−87109
号公報等では結像光学系としてレンズ面に高次非球面を
導入した走査レンズ(非球面レンズ)を用い、コリメー
ターレンズからの平行光束を該走査レンズに入射させて
いる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例の特開平1
−224721号公報では結像光学系にトーリックレン
ズを用い、更に集光レンズ(コリメーターレンズ)で変
換された集束光束を該トーリックレンズに入射させるよ
うに構成して収差補正を行なっているが、像面湾曲と等
速度性を両立させるのは難しいという問題点がある。又
同公報では等速度性を電気的に補正できる程度の補正に
留めることで像面湾曲を重点的に補正している。その
為、画像書込み時に画像情報のタイミングを連続的に変
化させることで書込み画像が歪むことを補正してやる必
要が生じてくる。しかしながらこの場合、等速度性につ
いては補正不足の為、被走査面上でのスポットの速度は
常に変化することになり、該被走査面が受ける単位時
間、単位面積当たりの光量が変化してしまうという問題
点があった。
【0010】この問題点を更にレーザ光量を連続的に変
化させて補正することは可能であるが、補正回路が多く
なりすぎて単一のレンズで構成したメリットが得られな
くなってくるという問題点がある。
【0011】特開昭62−138823号公報や特開昭
63−157122号公報そして特開平2−87109
号公報等で開示されている結像光学系としての非球面レ
ンズは、そのレンズの厚さが被走査面の幅に対して厚く
なって形成されている。このような非球面レンズは通常
の球面レンズに比べて加工成形が難しい為、プラスチッ
ク等の加工性に富んだ材料を用いて加工成形を行ない製
作することで、製作上の問題点を解決している。
【0012】しかしながら一般にプラスチック材より成
るレンズは環境変動の影響を受けやすく、特に温度や湿
度等によって屈折率の変化を受けやすく、例えばレンズ
の厚さが厚い場合、該レンズを通過する光束は屈折率の
変化を大きく受けることになる為、結像位置が大きく変
化してしまうという問題点があった。又レンズの厚さが
厚いことは加工成形を行なう上でレンズ内部の均質性や
歪み、そして成形時間等の加工条件を悪化させる原因に
もなっていた。
【0013】本発明はコリメーターレンズからの集束光
束を光偏向器を介してプラスチック材より成る1枚の走
査レンズ(fθレンズ)により被走査面上に結像させる
際、該走査レンズのレンズ形状や配置等を適切に構成す
ることにより、レンズの厚みを薄く抑え、プラスチック
化に適した光走査光学系の提供を目的とする。更に本発
明は有効走査幅A3サイズ以上にわたり高精細な画像出
力に対応した十分小さなスポット形状を得ることのでき
る光走査光学系の提供を目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の光走査光学系
は、 (1) 光源手段から射出した光束を光学手段を介して偏向
手段に導光し、該偏向手段で偏向された該光束を光学素
子により被走査面上に導光し、光走査する光走査光学系
において、該光学素子に入射する光束を概ね集束光束と
し、該光学素子の両面のうち少なくとも1つの面を主走
査断面内で非球面とし、かつ該光学素子の光軸中心に対
して主走査方向の形状を非対称とし、該光学素子の副走
査方向の焦点距離をfb、該偏向手段で該集束光束が偏
向される偏向点から該被走査面までの距離をLa、該偏
向手段で偏向される偏向点から該集束光束が該光学素子
の無い場合の仮想集束点までの距離をLbとしたとき 0.13<fb/La<0.25 ‥‥‥‥(1) Lb/La<10 ‥‥‥‥(2) なる条件を満足することを特徴としている。
【0015】特に(1-1) 前記光学素子の材質はプラスチ
ック材料より成ることや、(1-2) 前記光学素子は単レン
ズより成ること、等を特徴としている。本発明のレーザ
ービームプリンタは前述の構成(1)の光走査光学系と
被走査面としての感光ドラムを備えていることを特徴と
している。本発明のデジタル複写機は、前述の構成
(1)の光走査光学系と被走査面としての感光ドラムを
備えていることを特徴としている。
【0016】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施形態1の主走
査方向の要部断面図(主走査断面図)である。同図にお
いて1は光源手段であり、例えば半導体レーザより成っ
ている。2はコリメーターレンズであり、光源手段1か
ら射出された発散光束を概ね集束光束に変換している。
3は開口絞りであり、通過光束径を整えている。4はシ
リンドリカルレンズであり、副走査方向にのみ所定の屈
折力を有しており、開口絞り3を通過した光束(光ビー
ム)を副走査断面内で後述する偏向手段としての光偏向
器5の偏向面(反射面)5aにほぼ線像として結像させ
ている。光偏向器5は例えばポリゴンミラー(回転多面
鏡)等より成っており、モータ等の駆動手段(不図示)
により図中矢印A方向に一定速度で回転している。尚、
コリメーターレンズ2、開口絞り3、そしてシリンドリ
カルレンズ4等の各要素は光学手段の一要素を構成して
いる。
【0017】6は光学素子としてのfθ特性を有する1
枚のレンズより成る走査レンズ(fθレンズ)であり、
プラスチック材料より成り、該走査レンズ6の両レンズ
面のうち少なくとも1つのレンズ面を主走査断面内で非
球面より形成し、かつ該走査レンズ6の光軸中心に対し
て主走査方向のレンズ形状を非対称に形成している。走
査レンズ6は光偏向器5によって偏向された画像情報に
基づく光束を被走査面としての感光ドラム7面上に結像
させ、かつ光偏向器5の偏向面の面倒れを補正してい
る。
【0018】本実施形態において半導体レーザ1より射
出した発散光束(光ビーム)はコリメーターレズ2によ
り集束光束に変換され、開口絞り3によって該光束(光
量)を制限してシリンドリカルレンズ4に入射してい
る。シリンドリカルレンズ4に入射した光束のうち主走
査断面内においてはそのままの状態で射出する。又副走
査断面内においては集束して光偏向器5の偏向面5aに
ほぼ線像(主走査方向に長手の線像)として結像してい
る。そして光偏向器5の偏向面5aで偏向された光束は
走査レンズ6を介して感光ドラム7面上に導光され、該
光偏向器5を矢印A方向に回転させることによって、該
感光ドラム7面上を矢印B方向に略等速度直線運動で走
査している。これにより画像記録を行なっている。
【0019】図2は図1の主走査断面内において垂直な
方向(副走査方向)の主要部分の要部断面図(副走査断
面図)である。
【0020】同図においてPは光偏向器5の反射面(偏
向面)位置を示しており、副走査断面内では上述したよ
うに略この反射面位置Pに光束(光ビーム)が集光する
ようにしている。ここで反射面位置Pと感光ドラム7面
とは走査レンズ6に関してそれぞれ光学的に略共役な位
置関係になっている。これにより反射面が副走査断面内
において傾いても、所謂面倒れがあっても光束が感光ド
ラム7面上の同一走査線上に結像するようにしている。
このようにして本実施形態では光偏向器5の面倒れの補
正を行なっている。
【0021】一般に走査レンズ(fθレンズ)に入射す
る光束は、その主走査断面内において略平行光束に設定
されているのが普通である。本実施形態では上述したよ
うに概ね集束光束の状態で走査レンズ6に入射させてい
る。この走査レンズ6はその主走査断面内での焦点距離
fと走査角θ及び像高yとの間にy=fθの関係が成り
立つように設定されているが、上述の如く集束光束を走
査レンズ6に入射させると、該集束光束自体がパワーを
有している為に、該走査レンズ6の焦点距離をy=fθ
から定まる焦点距離fよりも長く設定することができ
る。
【0022】その結果、走査レンズ6の肉厚を薄く(小
さく)抑えることができ、かつ光軸近傍の厚さとレンズ
有効端部での厚さとを大きく異ならせないようなレンズ
形状にすることができるのでレンズの材質をプラスチッ
ク材料で成形した場合の均質性、歪み、そして加工時間
等の加工条件を大幅に向上させることができる。
【0023】又、本実施形態では前述の如く主走査断面
内における走査レンズ6の両レンズ面のうち少なくとも
1つのレンズ面を非球面より形成したことにより、広画
角にわたって像面湾曲を良好に補正している。
【0024】一般に偏向手段として回転多面鏡を用いた
場合、図1に示した偏向角θがプラスのときとマイナス
のときとで走査レンズ6によって発生する像面湾曲量が
同一とはならないのが普通である。図3にこの様子を例
えばメリディオナル方向の像面湾曲を例にして図示す
る。同図に示したような像面湾曲の非対称成分は走査レ
ンズの主走査断面内におけるレンズ形状が光軸中心に対
して対称な形状としている限り、少なからず残存してし
まう。
【0025】本実施形態のように集束光束を走査レンズ
6に入射させる構成は、前述した如くレンズの加工成型
等の条件を大幅に向上させることができるメリットがあ
るものの走査レンズ6の焦点距離fを長く設定している
為に、それに伴なって像面湾曲の非対称成分の量が若干
大きくなる傾向にある。
【0026】しかしながら有効走査幅がA4サイズ程度
までであれば上記非対称成分も十分許容できる量であ
り、有効走査幅全域において高精細な画像出力に対応し
た十分小さなスポット形状を得ることができる。ところ
が有効走査幅がA3サイズ以上になると所望のスポット
形状を得ることが難しくなる傾向にある。
【0027】そこで本実施形態では前述の如く走査レン
ズ6の両レンズ面のうち少なくとも1つのレンズ面の非
球面形状を光軸中心に対して非対称な形状とすることに
より、有効走査幅A3サイズ以上にわたって十分小さな
スポット形状を得ることができ、これにより前述した像
面湾曲の非対称成分をA3サイズ以上の有効走査幅全域
にわたって殆ど無視できる程度にまで補正している。
【0028】更に本実施形態では走査レンズ6の副走査
方向の焦点距離をfb、光偏向器5で集束光束が偏向さ
れる偏向点Pから被走査面7までの距離をLa、又図4
に示すように偏向点Pから集束光束が走査レンズ6が無
い場合の仮想集束点P´までの距離をLbとしたとき 0.13<fb/La<0.25 ‥‥‥‥(1) Lb/La<10 ‥‥‥‥(2) なる条件のうち少なくとも1つの条件を満足させてい
る。これによりプラスチック化及び高精細な印字に適し
た光走査光学系を得ている。
【0029】条件式(1)は走査レンズ6の副走査方向
の焦点距離fbと偏向点Pから被走査面7までの距離L
aとの比に関するものであり、条件式(1)の下限値を
越えるとメリディオナル方向とサジタル方向の像面湾曲
をバランス良く補正するのが困難になると共に、特に走
査レンズ6の材質をプラスチック材料で成形した場合、
環境変動等の影響による被走査面7でのピント移動等が
許容できなくなってくるので良くない。又条件式(1)
の上限値を越えると収差補正上は有利となるが、走査レ
ンズ6が被走査面7に近づき装置全体が大型化してしま
うので良くない。
【0030】条件式(2)は偏向点Pから仮想集束点P
´までの距離Lbと偏向点Pから被走査面7までの距離
Laとの比に関し、特に集束光束を効率良く走査レンズ
6に入射させる為のものであり、条件式(2)を外れる
と走査レンズ6の主走査方向の屈折力(パワー)を強く
設定しなければならず、レンズの肉厚が厚くなってしま
うと共に、光軸近傍の肉厚とレンズ端部での肉厚とが大
きく異なってしまいレンズの材質をプラスチック材料で
成形した場合の均質性、歪み、加工時間等の加工条件が
大幅に悪くなってしまうので良くない。
【0031】図5、図6は各々本発明の実施形態1にお
ける像面湾曲と歪曲収差(fθ特性)等を示す諸収差図
である。これら収差図から明らかなように本実施形態で
は各収差が良好に補正されていることが解る。
【0032】図7は本発明の実施形態2の主走査方向の
要部断面図(主走査断面図)である。同図において図1
に示した要素と同一要素には同符番を付している。
【0033】本実施形態において前述の実施形態1と異
なる点は走査レンズ(fθレンズ)16のレンズ形状が
異なっている点であり、その他の構成及び光学的作用は
前述の実施形態1と略同様であり、これにより同様な効
果を得ている。
【0034】図8、図9は各々本発明の実施形態2にお
ける像面湾曲と歪曲収差(fθ特性)等を示す諸収差図
である。これら収差図から明らかなように本実施形態で
は各収差が良好に補正されていることが解る。
【0035】次に本発明に関わる走査レンズ(fθレン
ズ)の数値実施例1,2を示す。数値実施例1,2は各
々順に本発明の実施形態1,2の光偏向器5以降の数値
例である。数値実施例1,2においては各レンズ面の主
走査断面内における曲率半径を光偏向器5側より各々順
にR1,R2、副走査断面内における曲率半径を各々順
にr1,r2、各面間の距離を各々順にD1,D2で示
す。又レンズの波長780nmでの屈折率をN1で表わ
す。
【0036】又、KU 〜DU 、KL 〜DL は第1レンズ
面で示すように光軸をX軸、それに直交し主走査断面内
に存在する軸をY軸としたときにX−Y平面上でのレン
ズ面の高さyとレンズ面頂点からの距離xとの関係式
【0037】
【数1】 の各次数の非球面係数で表わされる。
【0038】又、aU 〜eU 、aL 〜eL はX−Y平面
上でのレンズ面の高さyと、そこにおける副走査断面内
における曲率半径r´との関係式 y≧0のとき r´=r(1+aU2 +bU4 +cU6 +dU
8 +eU10) y<0のとき r´=r(1+aL2 +bL4 +cL6 +dL
8 +eL10) の各次数の係数で表わされる。又数値実施例1,2と前
述の各条件式(1),(2)との関係を表−1に示す。
【0039】[数値実施例1] 全系の焦点距離 212.2mm 最大走査角 82.7° 偏向点〜R1面 56.1mm R1=111.77 D1=16.0 N1=1.5242 KU =-15.3092 KL =-14.7594 AU = -3.74175 ×10-7L = -4.05918 ×10-7U = 4.72734 ×10-11L = 1.39652 ×10-11U = -1.79928 ×10-15L = -8.16509 ×10-15U = 2.16557 ×10-19L = 1.40250 ×10-18 r1=-29.7564 aU = 9.34082 ×10-4L = 8.43382 ×10-4U = 2.10889 ×10-8L = -3.1011 ×10-7U = -2.38825 ×10-10L = -2.99730 ×10-11U = 1.20716 ×10-13L = 8.14391 ×10-14U = -1.57294 ×10-17L = -1.24936 ×10-17 R2=294.01 D2=174.07 KU =-110.227 KL =-104.3 AU = -6.56411 ×10-7L = -6.6408 ×10-7U = 8.70817 ×10-11L = 6.54217 ×10-11U = -1.27139 ×10-14L = -1.9152 ×10-14U = 1.38190 ×10-18L = 1.45205 ×10-18 r2=-16.775 aU = 2.91036 ×10-4L = 2.75506 ×10-4U = -8.98738 ×10-8L = -1.23201 ×10-7U = 2.13687 ×10-12L = 1.45427 ×10-11U = 6.74772 ×10-15L = 7.76902 ×10-15U = -1.01846 ×10-18L = -1.45361 ×10-18 La=246.17mm Lb=495mm fb=51.5mm [数値実施例2] 全系の焦点距離 212.4mm 最大走査角 82.7° 偏向点〜R1面 56.7mm R1=110.49 D1=15.4 N1=1.5242 KU =-17.0315 KL = -8.27899 AU = -3.53181 ×10-7L = -4.47142 ×10-7U = 2.61693 ×10-11L = -1.32162 ×10-11U = 3.13471 ×10-15L = 1.83137 ×10-14U = 3.88356 ×10-20L = -1.18971 ×10-18 r1=-29.3783 aU = 1.05556 ×10-3L = 1.04329 ×10-3U = 4.48777 ×10-7L = -2.08003 ×10-7U = -2.81497 ×10-10L = -6.58331 ×10-11U = 9.79329 ×10-14L = 1.00037 ×10-13U = -1.43003 ×10-17L = -2.00591 ×10-17 R2=290.48 D2=174.07 KU = -99.642 KL = -67.6373 AU = -7.28050 ×10-7L = -4.99539 ×10-7U = 1.08505 ×10-10L = -9.24564 ×10-12U = -1.93659 ×10-14L = 1.3113 ×10-15U = 2.38781 ×10-18L = 1.42004 ×10-18 r2=-16.52 aU = 3.40524 ×10-4L = 3.15986 ×10-4U = -5.78602 ×10-8L = -1.20982 ×10-7U = -1.02494 ×10-11L = 2.31786 ×10-11U = 7.18632 ×10-15L = 3.0093 ×10-15U = -9.78821 ×10-19L = -1.04963 ×10-18 La=246.17mm Lb=495.3mm fb=51.6mm
【0040】
【表1】
【0041】
【発明の効果】本発明によれば前述の如くコリメーター
レンズからの集束光束を光偏向器を介してプラスチック
材より成る1枚の走査レンズ(fθレンズ)により被走
査面上に結像させる際、該走査レンズの両レンズ面のう
ち少なくとも1つのレンズ面を主走査断面内で非球面と
し、かつ該走査レンズの光軸中心に対して主走査方向の
レンズ形状を非対称とし、更に前述の各条件式を満足さ
せることにより、プラスチック化に適した光走査光学系
を達成することができる。更に本発明によれば前述の如
く有効走査幅A3サイズ以上にわたり高精細な画像出力
に適した十分小さなスポット形状を得ることができる光
走査光学系及びそれを備えるレーザービームプリンタを
達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態1の主走査方向の要部断面
【図2】 本発明の実施形態1の副走査方向の要部断面
【図3】 従来の像面湾曲を説明する収差図
【図4】 本発明の実施形態1において集束光束が走査
レンズに入射する様子を示した説明図
【図5】 本発明の実施形態1の像面湾曲を説明する収
差図
【図6】 本発明の実施形態1のfθ特性を説明する収
差図
【図7】 本発明の実施形態2の主走査方向の主要部分
の要部断面図
【図8】 本発明の実施形態2の像面湾曲を説明する収
差図
【図9】 本発明の実施形態2のfθ特性を説明する収
差図
【符号の説明】
1 光源手段 2 コリメーターレンズ 3 開口絞り 4 シリンドリカルレンズ 5 偏向手段 6,16 光学素子 7 被走査面(感光ドラム)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源手段から射出した光束を光学手段を
    介して偏向手段に導光し、該偏向手段で偏向された該光
    束を光学素子により被走査面上に導光し、光走査する光
    走査光学系において、 該光学素子に入射する光束を概ね集束光束とし、該光学
    素子の両面のうち少なくとも1つの面を主走査断面内で
    非球面とし、かつ該光学素子の光軸中心に対して主走査
    方向の形状を非対称とし、該光学素子の副走査方向の焦
    点距離をfb、該偏向手段で該集束光束が偏向される偏
    向点から該被走査面までの距離をLa、該偏向手段で偏
    向される偏向点から該集束光束が該光学素子の無い場合
    の仮想集束点までの距離をLbとしたとき 0.13<fb/La<0.25 Lb/La<10 なる条件を満足することを特徴とする光走査光学系。
  2. 【請求項2】 前記光学素子の材質はプラスチック材料
    より成ることを特徴とする請求項1の光走査光学系。
  3. 【請求項3】 前記光学素子は単レンズより成ることを
    特徴とする請求項1又は2の光走査光学系。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光
    走査光学系と、被走査面としての感光ドラムと、を備え
    たことを特徴とするレーザービームプリンタ。
  5. 【請求項5】 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光
    走査光学系と、被走査面としての感光ドラムと、を備え
    たことを特徴とするデジタル複写機。
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