JP3459766B2 - レーザー走査光学系及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザー走査光学系
及びそれを用いた画像形成装置に関し、特に半導体レー
ザーより成る光源手段から光変調され出射した光束（光
ビーム）を回転多面鏡より成る光偏向器で偏向反射させ
た後、ｆθ特性を有する走査レンズ系（ｆθレンズ系）
を介して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（ＬＢＰ）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】従来より光源手段から光変調され出射し
た光束を、例えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成
る光偏向器により周期的に偏向させ、走査レンズ系によ
って感光性の記録媒体（感光ドラム）面上にスポット状
に収束させ、その面上を光走査して画像記録を行なうレ
ーザー走査光学系が、例えば特開平3-231218号公報で提
案されている。図５、図６は各々同公報で提案されてい
るレーザー走査光学系の主走査断面図及び副走査断面図
である。

【０００３】同公報において半導体レーザーより成る光
源手段１０１から光変調され出射した光束はコリメータ
ーレンズ１０２により略平行光束に変換され、絞り１０
３によって該光束（光量）を制限して副走査断面内にの
み所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ１０４に
入射している。シリンドリカルレンズ１０４に入射した
略平行光束のうち主走査断面内においてはそのまま略平
行光束の状態で出射する。また副走査断面内においては
集束して回転多面鏡（ポリゴンミラー）から成る光偏向
器１０５の偏向面１０５ａにほぼ線像として結像してい
る。そして光偏向器１０５の偏向面１０５ａで偏向反射
された光束は正の屈折力を有する球面レンズ１０６と主
走査方向及び副走査方向で共に正の屈折力を有するプラ
スチック材料で形成されたトーリックレンズ（プラスチ
ックトーリックレンズ）１０７とから成る走査レンズ系
（ｆθレンズ系）１１１を介して被走査面としての感光
ドラム面１０８上に集光され、該光偏向器１０５を矢印
Ａ方向に回転させることによって、該感光ドラム面１０
８上を矢印Ｂ方向（主走査方向）に略等速度直線運動で
光走査して画像情報の記録を行なっている。

【０００４】次に上記のレーザー走査光学系の具体的な
数値例を示す。

【０００５】 走査レンズ系の焦点距離 １８８ｍｍ 最大走査角 ９０．８° ポリゴン中心〜Ｒ１面 ７３．９３ｍｍ Ｒ１＝ ９８８．２５ Ｄ１＝２４ Ｎ１＝１．５１３２９ Ｒ２＝−１３５．８０ Ｄ２＝５ Ｒ３＝−１３３４．５５８ Ｄ３＝７．５ Ｎ２＝１．５２１７９ Ｒ４＝−３４７．８３０ Ｄ４＝１７７．９８０ 偏向点位置から像面までの距離 ２６９．１４ｍｍ 非球面係数を表−３に示す。

【０００６】

【表１】 数値例においてＲｉは光偏向器側より順に第ｉ番目のレ
ンズ面の近軸曲率半径、Ｄｉは光偏向器側より第ｉ番目
のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉは光偏向器側より順に第
ｉ番目のレンズの材質の屈折率である。また光源波長は
６７５ｎｍ、ポリゴンミラーは６面体で外接円直径５０
ｍｍ、入射偏向角は６０°である。

【０００７】表−３において各次数の非球面係数ｋ、Ｂ
ｎはｘ−ｙ平面上でレンズ面の高さｙと距離ｘとの関係
式で表現される母線の関係式

【０００８】

【数１】 で表わされる。

【０００９】このように設定されたレーザー走査光学系
において、主走査断面におけるトーリックレンズ１０７
の焦点距離をｆ２ａ、走査レンズ系（球面レンズ１０６
とトーリックレンズ１０７との合成）１１１の焦点距離
をｆａとしたとき、 ０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３ ‥‥‥‥（１） なる条件式を満たすことが広画角化、高性能化、小型
化、プラスチックレンズの耐環境変動特性、そして価格
の点で優れたレーザー走査光学系を実現することができ
る。上記従来のレーザー走査光学系はｆａ／ｆ２ａ＝
０．２１であり、これは条件式（１）を満足させてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのようなプ
ラスチック材料より成る長尺のトーリックレンズの製造
には射出成形を用いるのが一般的である。射出成形する
場合の成形条件には大きく分けて温度、圧力、冷却時間
等のパラメーターがあり、これらパラメーターを最適化
に設定して複屈折が小さく、そして成形再現性が最も安
定する成形条件を決定する。

【００１１】しかしながら射出成形においては、そもそ
も設定値のレンズ形状がその光学性能に大きな影響を及
ぼす。即ち、レンズの光軸方向の肉厚が長尺方向（長手
方向）で変化する場合、 (1) 長尺方向の端部のゲート（入口）から樹脂を注入し
たときの流れが不安定になり、樹脂が均一な状態になら
ず、成形パラメーターが一様に作用しない。このためレ
ンズの長手方向においてパラメーターの最適条件が僅か
に異なり、一様な光学性能を満足させる各パラメーター
の冗長性が減り制御性、歩留まりが向上しない。ひいて
は光学性能を劣化させる原因となる。

【００１２】(2) また肉厚変化が大きいと冷却過程にお
いて応力が一部に集中し、複屈折を発生させる原因にな
る。

【００１３】(3) さらに中心肉厚が厚くなると樹脂の配
向軸を揃えるのが困難になり複屈折が大きくなる。その
ため従来ではゲート部（端部）の肉厚を確保するために
中心肉厚を大きくせざるを得なかった。

【００１４】(4) 複屈折の発生したレンズでは被走査面
上の結像スポットが大きくなるため、例えばこのような
状態で画像形成装置に用いると微細な画像形成ができず
画質を劣化させる原因となる。

【００１５】図７（Ａ），（Ｂ）は各々図５、図６に示
した従来のトーリックレンズ１０７において、レンズ高
さｙと肉厚との関係を示した説明図である。同図に示し
たように中心肉厚７．５ｍｍに対して最軸外（レンズ高
さ７０ｍｍ）では肉厚が３．３ｍｍと成っており、約５
５．６％も厚さが変化している。

【００１６】本発明の第１の目的はプラスチック材料で
形成されたトーリックレンズの主走査断面内における光
軸方向の肉厚（母線間隔）が略一定となるように形成す
ることにより、射出成形に最適なレンズ形状によって成
形レンズの光学性能を改善させることができるレーザー
走査光学系の提供にある。

【００１７】本発明の第２の目的は上記のレーザー走査
光学系を用いて画像形成を行なうことにより、画質の劣
化を改善し、走査線の太さ、濃度について良好なる画像
を形成することができる画像形成装置の提供にある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザー走査光
学系は、 (1) 光源手段から出射した光ビームを偏向手段に導光
し、該偏向手段で偏向反射された光ビームを走査レンズ
系により被走査面上に導光し、該被走査面上を光走査す
るレーザー走査光学系において、該走査レンズ系は球面
レンズと、主走査方向及び副走査方向で共に正の屈折力
を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレン
ズとを有し、該トーリックレンズの主走査断面内におけ
る光軸方向の肉厚を略一定としたことを特徴としてい
る。

【００１９】(2) 光源手段から出射した光ビームを偏向
手段に導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビームを
走査レンズ系により被走査面上に導光し、該被走査面上
を光走査するレーザー走査光学系において、該走査レン
ズ系は球面レンズと、主走査方向及び副走査方向で共に
正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトー
リックレンズとを有し、該トーリックレンズの主走査断
面内における光軸方向の肉厚を略一定とし、該偏向手段
の偏向点から該被走査面までの距離を該走査レンズ系の
焦点距離に対して１．３４倍以下で、かつ１．２倍以上
に設定したことを特徴としている。

【００２０】特に(1-1) 上記(1),(2) において前記トー
リックレンズの主走査断面内における光軸方向の肉厚の
変化量は軸上における中心肉厚を基準としたとき、走査
領域内において２０％以下であることや、(1-2) 上記
(1),(2) において前記球面レンズは正の屈折力を有する
ことや、(1-3) 上記(1),(2) において前記球面レンズは
ガラス材料で形成されていること、等を特徴としてい
る。

【００２１】本発明の画像形成装置は、 (3) 上記(1),(2),(1-1).(1-2).(1-3) のいずれか１項記
載のレーザー走査光学系を用いて画像形成を行なうこと
を特徴としている。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１のレー
ザー走査光学系をレーザビームプリンター（ＬＢＰ）等
の画像形成装置に適用したときの主走査方向の要部断面
図（主走査断面図）である。

【００２３】図中、１は光源手段であり、例えば半導体
レーザーより成っている。２はコリメーターレンズであ
り、光源手段１から出射された光束（光ビーム）を略平
行光束に変換している。３は開口絞り（アパーチャ）で
あり、通過光束（光量）を制限している。

【００２４】４はシリンドリカルレンズ部であり、プラ
スチックレンズ４ａとガラスレンズ４ｂとの２枚のレン
ズより成っており、副走査断面内にのみ所定の屈折力を
有しており、開口絞り３を通過した光束を副走査断面内
で後述する光偏向器５の偏向面にほぼ線像として結像さ
せている。シリンドリカルレンズ部４は後述するプラス
チック材料で形成されたトーリックレンズ７の環境変動
によって生ずる副走査方向のピント変動を相殺してい
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部４は各々入射光学手段の一要素を
構成している。

【００２５】５は偏向手段としての光偏向器であり、例
えば回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成っており、モ
ータ等の駆動手段（不図示）により所定方向に一定速度
で回転している。

【００２６】１１はｆθ特性を有する走査レンズ系（ｆ
θレンズ系）であり、正の屈折力を有するガラス材料で
形成された球面レンズ６と、該球面レンズ６の被走査面
８側に配され主走査方向と副走査方向とで共に正の屈折
力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレ
ンズ（プラスチックトーリックレンズ）７とを有してい
る。本実施形態ではトーリックレンズ７の主走査断面内
における光軸方向の肉厚が走査領域内で略一定となるよ
うに形成している。

【００２７】尚、本明細書において略一定とはトーリッ
クレンズ７の主走査断面内における光軸方向の肉厚の変
化量が軸上（レンズ高さ0mm ）における中心肉厚を基準
としたとき、走査領域内において２０％以下のことを意
味し、また光軸方向の肉厚とは光軸方向の母線間隔のこ
とを意味する。

【００２８】走査レンズ系１１は光偏向器５の偏向面に
よって偏向反射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面８上に結像させ、かつ該光偏向器
５の偏向面の面倒れを補正している。

【００２９】９は窓ガラスであり、高速回転する光偏向
器（回転多面鏡）を汚れから保護している。１０は防塵
ガラスであり、感光ドラム面８から拡散するトナーの汚
れから光学系を保護している。

【００３０】本実施形態において半導体レーザー１より
出射した光束はコリメーターレンズ２により略平行光束
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部４に入射している。シリン
ドリカルレンズ部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略平行光束の状態で出射する。また
副走査断面内においては収束して光偏向器５の偏向面に
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の偏向面で偏向反射された光束は
球面レンズ６とトーリックレンズ７とから成る走査レン
ズ系１１を介して感光ドラム面８上に導光され、該光偏
向器５を所定方向に回転させることによって、該感光ド
ラム面８上を図中矢印Ｂ方向（主走査方向）に略等速度
直線運動で光走査している。これにより記録媒体として
の感光ドラム面８上に画像記録を行なっている。

【００３１】次に本実施形態の具体的な数値例１を以下
に示す。

【００３２】 走査レンズ系の焦点距離 ２７０ｍｍ 最大走査角 ６４．３° ポリゴン中心〜Ｒ１面 ９３．０８ｍｍ Ｒ１＝９９９．７３ Ｄ１＝２０ Ｎ１＝１．５１３２９（ＢＳＬ７） Ｒ２＝−２０１．１２ Ｄ２＝８ Ｒ３＝−１３７３．３９ Ｄ３＝９．４ Ｎ２＝１．５２６８７８ Ｒ４＝−５２３．２５５ Ｄ４＝２５７．４５ 偏向点位置から像面までの距離 ３６０．７８５ｍｍ 非球面係数を表−１に示す。

【００３３】

【表２】 数値例１においてＲｉは光偏向器側より順に第ｉ番目の
レンズ面の近軸曲率半径、Ｄｉは光偏向器側より第ｉ番
目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉは光偏向器側より順に
第ｉ番目のレンズの材質の屈折率である。また光源波長
は６７５ｎｍ、ポリゴンミラーは８面体で外接円直径６
５ｍｍ、入射偏向角は５３°である。

【００３４】表−１において各次数の非球面係数ｋ、Ｂ
ｎはｘ−ｙ平面上でレンズ面の高さｙと距離ｘとの関係
式で表現される母線の関係式

【００３５】

【数２】 で表わされる。

【００３６】このように設定されたレーザー走査光学系
において、前述の如く主走査断面内におけるトーリック
レンズ７の焦点距離をｆ２ａ、走査レンズ系（球面レン
ズ６とトーリックレンズ７との合成）１１の焦点距離を
ｆａとしたとき、 ０．１＜ｆａ／ｆ２ａ＜０．３ ‥‥‥‥（１） なる条件式を満たすことが広画角化、高性能化、小型
化、プラスチックレンズの耐環境変動特性、そして価格
の点で優れたレーザー走査光学系を実現することができ
る。本実施形態のレーザー走査光学系はｆａ／ｆ２ａ＝
０．１８であり、これは上記の条件式（１）を満足させ
ている。

【００３７】本実施形態では光偏向器５の偏向点位置か
ら被走査面８までの距離Ｌを走査レンズ系１１の近軸焦
点距離ｆａに対して１．３４倍（L/fa=360.785mm/270m
m）に設定しており、これは従来１．４３倍（L/fa=269.
14mm/188mm ）に比して小さな比率にしている。本実施
形態ではこの比率（L/fa）を適切に設定し、またトーリ
ックレンズ７の主走査断面内における光軸方向の肉厚を
略一定とすることにより、球面レンズ６とトーリックレ
ンズ７との近軸合成焦点距離で規格化したときに走査レ
ンズ系１１のレンズ全長を短くして装置全体の小型化を
図っている。

【００３８】尚、本実施形態においては上記の比率（L/
fa）＝１．３４に設定したが、これに限定されることは
なく、例えば該比率を１．３４以下で、かつ１．２以上
であれば本発明は前述の実施形態１と同様に適用するこ
とができる。

【００３９】図２（Ａ），（Ｂ）は各々本実施形態のト
ーリックレンズ７において、レンズ高さｙと肉厚との関
係を示した説明図である。本実施形態では同図に示した
ように中心肉厚９．４ｍｍに対し最軸外（レンズ高さ６
０ｍｍ）でも８．１２ｍｍあるので、その変化量は高々
１．３ｍｍ、中心肉厚の１３．８％に過ぎない。

【００４０】このように本実施形態では上述の如くトー
リックレンズ７の光軸方向の肉厚を略一定となるように
形成することにより、成形の安定性を確保し、歩留まり
の改善による低コストの達成と応力緩和により複屈折の
発生を抑制している。

【００４１】また本実施形態では上述の如くこのレーザ
ー走査光学系をＬＢＰ等の画像形成装置に適用すること
によって画質の劣化を改善することができ、これにより
走査線の太さ、濃度について良好なる画像を形成するこ
とができる。

【００４２】図３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。

【００４３】本実施形態において前述の実施形態１と異
なる点は球面レンズ及びトーリックレンズの各々のレン
ズ形状を異ならせて形成し、特に球面レンズ及びトーリ
ックレンズのレンズ厚さ（肉厚）を実施形態１より更に
薄型化にして形成したことである。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。

【００４４】即ち、同図において３１はｆθ特性を有す
る走査レンズ系であり、正の屈折力を有するガラス材料
で形成された球面レンズ３６と、該球面レンズ３６の被
走査面８側に配され主走査方向と副走査方向とで共に正
の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリ
ックレンズ３７とを有している。

【００４５】本実施形態ではこの球面レンズ３６とトー
リックレンズ３７の主走査断面内における光軸方向の肉
厚（母線間隔）を前述の実施形態１より更に薄型化にす
ると共に、該トーリックレンズ３７の主走査断面内にお
ける光軸方向の肉厚を実施形態１と同様に走査領域内で
略一定となるように形成している。

【００４６】次に本実施形態の具体的な数値例２を前述
したパラメーターを用いて以下に示す。尚、光源波長は
６７５ｎｍ、ポリゴンミラーは８面体で外接円直径６５
ｍｍ、入射偏向角は５３°であり、前述の数値例１と同
様である。

【００４７】 走査レンズ系の焦点距離 ２７０ｍｍ 最大走査角 ６４．３° ポリゴン中心〜Ｒ１面 ９３．０８ｍｍ Ｒ１＝９９９．７３ Ｄ１＝２０ Ｎ１＝１．５１３２９（ＢＳＬ７） Ｒ２＝−２０１．１２ Ｄ２＝８ Ｒ３＝−１３７３．３９ Ｄ３＝９．４ Ｎ２＝１．５２６８７８ Ｒ４＝−５２３．２５５ Ｄ４＝２５７．４５ 偏向点位置から像面までの距離 ３６０．７８５ｍｍ 非球面係数を表−２に示す。

【００４８】

【表３】 本実施形態のレーザー走査光学系はｆａ／ｆ２ａ＝０．
１８であり、これは上記の条件式（１）を満足させてい
る。

【００４９】本実施形態では光偏向器５の偏向点位置か
ら被走査面８までの距離Ｌを走査レンズ系１１の近軸焦
点距離ｆａに対して前述の実施形態１と同様に１．３４
倍（L/fa=360.785mm/270mm）に設定しており、これは従
来１．４３倍（L/fa=269.14mm/188mm ）に比して小さな
比率にしている。本実施形態ではこの比率（L/fa）を適
切に設定し、またトーリックレンズ３７の主走査断面内
における光軸方向の肉厚を略一定とすることにより、球
面レンズ３６とトーリックレンズ３７との近軸合成焦点
距離で規格化したときに走査レンズ系３１のレンズ全長
を短くして装置全体の小型化を図っている。

【００５０】図４（Ａ），（Ｂ）は各々本実施形態のト
ーリックレンズ３７において、レンズ高さｙと肉厚との
関係を示した説明図である。本実施形態では同図に示し
たように中心肉厚７．５ｍｍに対しレンズ高さ６０ｍｍ
でも６．８ｍｍあるので、その変化量は高々０．７ｍ
ｍ、中心肉厚の９．３％に過ぎない。

【００５１】特に本実施形態では肉厚変化量が実施形態
１に比して更に小さいために中心肉厚を薄くしてもコバ
厚を十分確保することができ、これにより複屈折対策に
有効なレンズ形状を得ることができる。

【００５２】このように本実施形態では上述の如くトー
リックレンズ３７の主走査断面内における光軸方向の肉
厚を略一定となるように適切に形成することにより、小
型化、価格、耐環境変動特性で更に優れたものになると
共に、該トーリックレンズ３７の更なる薄型化により複
屈折の発生を抑制し、副走査方向の結像性能の改善を図
っている。

【００５３】

【発明の効果】第１の発明によれば前述の如くプラスチ
ック材料で形成されたトーリックレンズの主走査断面内
における光軸方向の肉厚（母線間隔）を略一定となるよ
うに形成することにより、成形の安定性を確保し、歩留
まりの改善による低コストの達成と応力緩和により複屈
折の発生を抑制し、良好なる結像スポットで被走査面上
を走査することができるレーザー走査光学系を達成する
ことができる。

【００５４】第２の発明によれば前述の如く上記のレー
ザー走査光学系を用いて画像形成を行なうことにより、
画質の劣化を改善し、走査線の太さ、濃度について良好
なる画像を形成することができる画像形成装置を達成す
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の走査光学系の主走査断
面図

【図２】 本発明の実施形態１のレンズ高さと肉厚との
関係を示す説明図

【図３】 本発明の実施形態２の走査光学系の主走査断
面図

【図４】 本発明の実施形態２のレンズ高さと肉厚との
関係を示す説明図

【図５】 従来の走査光学系の主走査断面図

【図６】 従来の走査光学系の副走査断面図

【図７】 従来の走査光学系のレンズ高さと肉厚との関
係を示す説明図

【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 ４ａ プラスチックレンズ ４ｂ ガラスレンズ ５ 偏向手段（光偏光器） ６，３６ 球面レンズ ７，３７ トーリックレンズ ８ 被走査面（感光ドラム面） ９ 窓ガラス １０ 防塵ガラス １１，３１ 走査レンズ系

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段から出射した光ビームを偏向手
   段に導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビームを走
   査レンズ系により被走査面上に導光し、該被走査面上を
   光走査するレーザー走査光学系において、 該走査レンズ系は球面レンズと、主走査方向及び副走査
   方向で共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成
   されたトーリックレンズとを有し、 該トーリックレンズの主走査断面内における光軸方向の
   肉厚を略一定としたことを特徴とするレーザー走査光学
   系。
2. 【請求項２】 光源手段から出射した光ビームを偏向手
   段に導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビームを走
   査レンズ系により被走査面上に導光し、該被走査面上を
   光走査するレーザー走査光学系において、 該走査レンズ系は球面レンズと、主走査方向及び副走査
   方向で共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成
   されたトーリックレンズとを有し、 該トーリックレンズの主走査断面内における光軸方向の
   肉厚を略一定とし、 該偏向手段の偏向点から該被走査面までの距離を該走査
   レンズ系の焦点距離に対して１．３４倍以下で、かつ
   １．２倍以上に設定したことを特徴とするレーザー走査
   光学系。
3. 【請求項３】 前記トーリックレンズの主走査断面内に
   おける光軸方向の肉厚の変化量は軸上における中心肉厚
   を基準としたとき、走査領域内において２０％以下であ
   ることを特徴とする請求項１又は２のレーザー走査光学
   系。
4. 【請求項４】 前記球面レンズは正の屈折力を有するこ
   とを特徴とする請求項１又は２のレーザー走査光学系。
5. 【請求項５】 前記球面レンズはガラス材料で形成され
   ていることを特徴とする請求項１又は２のレーザー走査
   光学系。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項記載のレ
   ーザー走査光学系を用いて画像形成を行なうことを特徴
   とする画像形成装置。