JP3680896B2

JP3680896B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP3680896B2
Application number: JP24097597A
Authority: JP
Inventors: 球高田; 望井上; 高志 ▲濱▼
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: JPH1184304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザービームプリンタ等に用いられる光走査装置に係り、特に、特に回転多面鏡等の複数の反射面を有する偏向器に光ビームを順に２度入射させる光走査装置において、第１反射面から第２反射面に伝達入射させる伝達光学系の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザービームプリンタ等の画像記録装置や、各種画像読込み、測定装置に用いられる光走査装置においては、光ビームを偏向走査する偏向器として回転多面鏡が多く用いられてきた。
【０００３】
これらの装置においては、被走査面上において直線あるいは曲線上に光ビームを繰り返し走査し、被走査面に位置する被走査媒体を前記の走査方向とはおおむね直交方向に相対移動させ２次元の走査を行う。前者の光走査装置による走査方向を主走査方向、後者の被走査媒体の相対移動方向を副走査方向とする。
【０００４】
近年、上記の装置においては、解像度や処理速度の向上のため、より高速の光走査装置が求められるようになってきている。光ビームの偏向に回転多面鏡を用いた光走査装置では、走査速度（走査周波数）を上げるためには、
（１）回転多面鏡の回転数を上げる。
（２）回転多面鏡の面数を増加させる。
の２つの方法が考えられる。
【０００５】
回転多面鏡の回転数を上げるためには、高速回転可能な軸受が必要になるが、現在最も多く用いられているボールベアリングでは、毎分２００００回転程度が上限となる。エアベアリングを用いれば、毎分３００００回転以上の回転数で使用可能であるが、軸受が高価なため使用できる装置が限られる。特に、一般消費者向けの安価なレーザービームプリンタ等には使えない。
【０００６】
一方、回転多面鏡の面数を増加させると、１つの反射面当りの回転角度が小さくなってしまう。また、個々の反射面の大きさを一定以上確保しようとすると、回転多面鏡の直径が大きくなってしまう。
【０００７】
光走査装置では、被走査面上に光ビームを結像させて用いることが多いが、レーザービームを走査する場合、小さなスポットに結像させるには、光ビームの拡がり角に応じて回転多面鏡の反射面は主走査方向にある一定の大きさが必要である。ところが、回転多面鏡の面数を増加させた場合、１つの反射面での回転角度が小さいため光ビームの走査角も小さくなる。光ビームの走査角が小さいと、所定の走査幅を得るためには走査光学系の焦点距離が長くなり、回転多面鏡から被走査面までの光路長も伸びる。このため、回転多面鏡の反射面上での光ビームの主走査方向の直径も大きくなり、面数が少ない場合に比べてより反射面が大きくなり、さらに一層回転多面鏡の大きさが増加する。
【０００８】
すなわち、回転多面鏡の面数が増加するに従って必要な反射面の大きさは面数の少ない場合に比べてより大きくなるという矛盾した特性を持つため、回転多面鏡の大きさ（内接円筒の大きさ）が決まれば、面数の上限が決まる。例えば、レーザービームプリンタに用いる光走査装置において、所要走査幅３５０ｍｍ、波長７８０ｎｍ、回転多面鏡の内接円筒の半径を２５ｍｍ、被走査面での主走査方向のスポット直径を５０μｍ以下にする場合、面数はおおむね７面が上限となる。
【０００９】
そこで、面数を多く取るために、回転多面鏡の直径を大きくすると、回転多面鏡の重量や慣性２次モーメントが増加し、回転に伴う空気抵抗（風損）も増加するので、回転数が低く制限される。
【００１０】
このように、回転多面鏡の面数、回転数共上限があるので、それを越える走査速度を得るために様々な光走査装置が考案されてきた。
【００１１】
例えば、特開昭５１−１００７４２号に記載された技術では、光源に半導体レーザーアレーを用い、同時に複数のレーザービームで被走査面を走査することで走査速度を向上させている。この方法によれば、回転多面鏡の回転数を上げることなく、素子に集積されたレーザーの個数だけ走査速度を早めることができる。
【００１２】
一方、特開昭５１−３２３４０号のものでは、光源から射出された光ビームを主走査方向に非常に直径の小さい状態で回転多面鏡に入射させ、偏向された光ビームを伝達光学系を介して再び回転多面鏡に入射させる方法が開示されている。すなわち、回転多面鏡に光ビームを２度入射させている。
【００１３】
後者の方法においては、光ビームが最初に回転多面鏡に入射するときの主走査方向の光ビームの直径を２回目に入射する場合に比べて極めて小さくし、かつ、２回目に回転多面鏡に入射する光ビームが回転する反射面の主走査方向の中心点を追従するように伝達光学系を構成している。
【００１４】
このように構成することで、光ビームが最初に回転多面鏡に入射する際には、光ビームの直径を極端に小さくできるので、回転多面鏡の分割角度一杯まで走査可能となる。第１の反射面で偏向された光ビームが伝達光学系を経由して２回目に回転多面鏡に入射する際には、光ビームの直径は被走査面上で所定のスポットを得るのに必要な大きさに拡大されるものの、反射面の回転に追従するため、回転多面鏡の回転角度とは無関係に光ビームの大きさを設定できる。
なお、特開昭５１−３２３４０号には、伝達光学系を主走査方向においてアフォーカル光学系にすることが記載されている。
【００１５】
一方、光走査装置において、回転多面鏡の回転軸に垂直な走査面に対し角度を持って光ビームを入射させ偏向を行うものが、例えば特開平１−１６９４２２号等において知られている。
【００１６】
上記のように回転多面鏡の異なる反射面に順に２度入射させることを、本明細書においては「２度入射」と呼ぶことにする。また、回転多面鏡の走査面に角度を有して光ビームを入射させることを、「斜め入射」と呼ぶことにする。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の２度入射の光走査装置において、伝達光学系をアフォーカル光学系にすると、アフォーカル光学系を構成する前群と後群が必要になる。また、伝達光学系の副走査方向に面倒れ補正機能を持たせると、副走査方向にパワーを有するレンズも必要になる。
【００１８】
このようなことから、伝達光学系を構成する伝達レンズは枚数が多く複雑な系になってしまう。また、伝達光学系の折り曲げ光路を形成する第１伝達ミラーと第２伝達ミラーの間にレンズを配置するためには、伝達光学系の前群、回転多面鏡、第１伝達ミラー、第２伝達ミラーと伝達光学系中の光ビームとの干渉を避けなければならず、配置が困難であったり、配置位置に制約があり、最も光学特性が良い構成をとるこが困難であった。
【００１９】
本発明は従来技術のこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、２度入射の光走査装置において、伝達光学系のアフォーカル光学系の後群の機能と面倒れ補正のためのレンズの機能とを折り曲げ光路を形成するミラーに持たせてレンズの枚数を削減して簡素な伝達光学系とすることである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光走査装置は、光ビームを発生する光源と、前記光源からの光ビームを反射偏向させる複数の反射面を有する偏向器と、前記偏向器の第１反射面により反射偏向された光ビームを前記偏向器の第２反射面の回転に追従するように前記第２反射面に伝達入射させる伝達光学系と、前記偏向器の前記第２反射面により反射偏向された光ビームを被走査面上にビームスポットを形成させて走査させる走査光学系とを備えた光走査装置において、
前記伝達光学系中に２面の反射鏡を有し、その中の少なくとも１面の反射鏡が、主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径とが異なるトーリック面又は副走査方向において凹のシリンドリカル面からなることを特徴とするものである。
【００２１】
この場合、伝達光学系は、主走査方向において正屈折力を有する前群と正屈折力を有する後群からなるアフォーカル光学系を構成しており、副走査方向において正屈折力を有していて第１反射面と第２反射面とを共役にしており、その後群がその２面の反射鏡を有し、その中、主走査方向において少なくとも一方の反射鏡が凹面で、それらの合成屈折力は正であり、副走査方向において少なくとも一方の反射鏡が凹面で、それらの合成屈折力は正であることが望ましい。
【００２２】
また、偏向器は回転軸を挟んで互いに平行で互いに１８０°の角度をなして対向する対をなした複数組の反射面を有する回転多面鏡からなり、光源からの光ビームは第１反射面に副走査方向に角度を持って入射し、伝達光学系により伝達された光ビームは第２反射面に副走査方向に角度を持って入射する配置になっており、第１反射面と第２反射面は前記回転多面鏡の回転軸を挟んで互いに平行で互いに１８０°の角度をなして対向する反射面に設定されているようにすることができる。
【００２３】
その場合には、光源からの光ビームを第１反射面へ入射させる光学系の光軸、伝達光学系の光軸、走査光学系の光軸が、回転多面鏡の回転軸を含む共通の副走査面内に配置されているようにすることが望ましい。
【００２４】
本発明においては、伝達光学系中に２面の反射鏡を有し、その中の少なくとも１面の反射鏡が、主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径とが異なるトーリック面又は副走査方向において凹のシリンドリカル面からなるので、伝達光学系のアフォーカル光学系の後群の機能、面倒れ補正のためのレンズの機能等をこの２面の反射鏡に持たせることができ、レンズの構成枚数を削減して簡素な伝達光学系とすることができ、高速で良好な画像再現が可能な光走査装置を軽量で部品点数を少なく構成することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の光走査装置について詳細に説明する。
まず、本発明の光走査装置の実施例について説明する。図１は本実施例の光走査装置の構成を示す平面図、図２はその側面図、図３はその主要部の斜視図、図４はその主要部の側面図である。以下、本発明では、光学系の任意の位置において、その位置における光学系の光軸を含み偏向器である回転多面鏡４の回転軸４１に平行な面を副走査面と定義し、光軸を含み副走査面に垂直な面を主走査面と定義する。さらに、主走査面内において、光軸に垂直な方向を主走査方向と定義し、また、副走査面内において、光軸に垂直な方向を副走査方向と定義する。
【００２６】
光源としての半導体レーザー１から射出した光ビームは、アパーチャ６１（図５）、第１整形レンズ２、第２整形レンズ３を透過して整形され、偏向器としての回転多面鏡４の第１反射面５に入射し、１度目の偏向がなされる。このとき、光ビームは、回転多面鏡４の回転軸４１に垂直な面に対して角度を持って第１反射面５に入射するため、入射する光ビームと反射された光ビームは干渉しない。第１反射面５で反射された光ビームは、第１伝達レンズ７、第２伝達レンズ８、第３伝達レンズ９を透過して第１伝達ミラー１０で反射され、次いで第２伝達ミラー１３で反射され、再び回転多面鏡４の第２反射面６に入射し、２度目の偏向がなされる。このときも、光ビームは、回転多面鏡４の回転軸４１に垂直な面に対して角度を持って第２反射面６に入射するため、入射する光ビームと反射された光ビームは干渉しない。
【００２７】
第２反射面６で反射された光ビームは、第１走査レンズ１４、第２走査レンズ１５及び第３走査レンズ１６により被走査面１７上に光ビームスポットとして結像されて走査される。回転多面鏡４の面数は１２面（偶数）である。第３走査レンズ１６は、副走査方向に偏心しており、その方向は図２中の矢印の方向である。第３走査レンズ１６をこのように偏心させる理由は、回転多面鏡４の第２反射面６で反射され偏向される光ビームは円錐状の軌跡を描き、その光ビームの断面の座標系が偏向角に依存して回転してしまい、被走査面１７上の結像スポットの形状が崩れてしまうが、第３走査レンズ１６をこのように偏心させることにより、その崩れが防止できるからである。
【００２８】
ところで、半導体レーザー１から第１反射面５までの間の光学系を整形光学系２１、第１反射面５から第２反射面６の間の光学系を伝達光学系２２、第２反射面６から被走査面１７までの間の光学系を走査光学系２３と称するとすると、回転多面鏡４の第１反射面５と第２反射面６は回転軸４１を挟んで対向する相互に平行な反射面であり、かつ、整形光学系２１、伝達光学系２２、走査光学系２３の光軸は回転軸４１を含む共通の副走査面内に配置されている。したがって、この光走査装置は、２度入射で斜め入射でありながら、この副走査面に関して対称な構成になっている。このような配置にすると、整形光学系２１、伝達光学系２２、走査光学系２３の光軸が主走査面で見て一直線上に配置されるので、構造上の主走査方向の基準面が１面に集約され、光学系を構成する各要素を高精度に配置することができる。また、主走査面で見て、伝達光学系２２の光軸が整形光学系２１及び走査光学系２３の光軸と一部重なるため、少ないスペースで配置でき、光走査装置の設置面積の減少、装置の小型化が図れる。そして、このような配置により、回転多面鏡４の回転軸４１の偏心に基づく走査線の副走査方向での位置変動を防止することができる。
【００２９】
図５に、整形光学系２１の主走査方向の光路図（ａ）と副走査方向の光路図（ｂ）を示す。主走査面に垂直で副走査面に平行な接合面を備えカバーガラスを有する半導体レーザー１から副走査方向に比べて主走査方向により広がるように射出された光ビームｂは、第１整形レンズ２の入射面位置に配置された矩形開口のアパーチャ６１によって周辺部が遮蔽され、非球面コリメータレンズを構成する第１整形レンズ２により平行な光ビームに変換される。第２整形レンズ２は副走査方向にのみ正屈折力を有する正シリンドリカルレンズである。そのため、第２整形レンズ２を透過した光ビームは、主走査面において平行な光ビームとして第１反射面５に入射し、副走査面においては第１反射面５近傍に結像（収束）する。
【００３０】
図６に、伝達光学系２２の主走査方向の光路図（ａ）と副走査方向の光路図（ｂ）を示す。第１伝達レンズ７、第２伝達レンズ８、第３伝達レンズ９は何れも主走査方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズであり、第１伝達レンズ７と第２伝達レンズ８は正シリンドリカルレンズ、第３伝達レンズ９は負シリンドリカルレンズであり、これら３枚で主走査方向正屈折力伝達レンズ群２４を構成している。また、第１伝達ミラー１０は凹の球面鏡であり、第２伝達ミラー１３は主走査断面、副走査断面共凹のトーリック反射面であり、副走査断面を副走査方向に平行な軸の周りに回転させて形成される面である。そして、これらの作用は、第１伝達ミラー１０と第２伝達ミラー１３は主走査方向において合成で正屈折力（屈折系でないので、パワーと呼ぶ方がより正しい。）の合成系を形成しており、第１反射面５で反射された光ビームは、主走査面において、主走査方向正屈折力伝達レンズ群２４により一旦結像する。伝達レンズ群２４の像側焦点と、第１伝達ミラー１０と第２伝達ミラー１３からなる合成系の物体側焦点とは一致していて、主走査面においてアフォーカル光学系を構成している。したがって、主走査面において、主走査方向正屈折力伝達レンズ群２４がアフォーカル光学系の前群を構成し、第１伝達ミラー１０と第２伝達ミラー１３からなる合成系がアフォーカル光学系の後群を構成している。そのため、光ビームは、第２伝達ミラー１３で主走査面内で再び平行な光ビームに変換され、第２反射面６に入射する。副走査面においては、第１伝達ミラー１０と第２伝達ミラー１３の合成正屈折力により、第１反射面５と第２反射面６とは共役関係になっており、第１反射面５近傍の収束点を第２反射面６近傍に再び結像する。
【００３１】
図７に、走査光学系２３の主走査方向の光路図（ａ）と副走査方向の光路図（ｂ）を示す。第１走査レンズ１４は正屈折力を有する球面レンズである。第２走査レンズ１５は副走査方向にのみ屈折作用を有するプリズムであり、第３走査レンズ１６は樹脂製の主走査方向に長い長尺レンズである。第３走査レンズ１６の入射面は、主走査方向に曲率半径の大きな凹形状となっており、副走査面方向には曲率半径の小さな凸形状となっており、主走査方向の断面曲線をその入射面よりも被走査面１７側に位置する主走査方向に平行な軸の回りに回転させることにより形成される面である。このような面は鞍型トーリック面とも呼ばれる。また、第３走査レンズ１６の射出面は、主走査方向で曲率半径の大きな凸形状の非円弧状であり、副走査方向の断面形状は直線であり屈折力を有さない。このような構成の走査光学系２３は、副走査面において、第２反射面６と被走査面１７を共役関係にして、第２反射面６近傍の収束点を被走査面１７近傍に結像する。また、主走査面においては、第２反射面６から反射された平行な光ビームを被走査面１７近傍に結像する。
【００３２】
次に、伝達光学系２２の作用について説明する。図８は伝達光学系２２の主走査面の断面展開図である。第１伝達レンズ７、第２伝達レンズ８、第３伝達レンズ９により構成される主走査方向正屈折力伝達レンズ群２４を、簡素化して単レンズとして示してある。また、第１伝達ミラー１０と第２伝達ミラー１３からなる合成系も、簡素化して正屈折力の単レンズ１２として示してある。図８（ａ）と（ｂ）に回転多面鏡４が回転するときの光ビームの状態を示す。ところで、図１〜図４等に示すように、伝達光学系２２の光路は、伝達ミラー１０、１３により２回反射される。すなわち、偶数回反射される。図８では、これらの偶数回の反射について展開しているので、図８（ｂ）のように、第１反射面５と第２反射面６の回転方向は同じである。
【００３３】
第１反射面５に入射する平行な光ビームの直径はｗ_iである。伝達光学系２２は主走査面内ではアフォーカル光学系を構成しているので、第２反射面６に入射する光ビームも平行であり、光ビームの直径はｗ_oである。伝達レンズ群２４の焦点距離をｆ₁、第１伝達ミラー１０と第２伝達ミラー１３からなる合成系１２の焦点距離をｆ₂とすると、ｗ_oをｗ_iで除した光ビームの直径の比の値は、ｆ₂をｆ₁で除した値に等しい。
【００３４】
図８（ｂ）に示すように、回転多面鏡４が角度θ₁だけ回転すると、第１反射面５で光ビームは角度２θ₁だけ偏向される。偏向された光ビームは伝達レンズ群２４、合成系１２を透過して、角度θ₂だけ偏向される。この光ビームは点Ｑで光軸と交差する。第２反射面６上において、偏向された光ビームと光軸との距離はｄであるが、回転多面鏡４が角度θ₁だけ回転すると、第２反射面６も同じ距離ｄだけ移動するような位置関係に設定される。したがって、光ビームの移動量と第２反射面６の移動量が一致し、第２反射面６から光ビームがはみ出すことはない。
【００３５】
このとき、偏向された光ビームは、第２反射面６に対して角度θ₂だけ入射角が増大する側に偏向されるので、第２反射面６で反射された光ビームの走査角θ_sは、θ_s＝２θ₁＋θ₂と表わされる。
【００３６】
本実施例の伝達光学系２２は主走査面においてアフォーカル光学系であるので、その光学倍率βは焦点距離ｆ₂を焦点距離ｆ₁で除した値であり、上記のように、光ビームの直径の比ｗ_o／ｗ_iにも等しい。また、伝達光学系２２を透過する光ビームは角度２θ₁から角度θ₂に偏向角が変化するので、光学倍率βは２θ₁／θ₂と表すこともできる。したがって、光学倍率βは次式で表される。
【００３７】
β＝ｗ_o／ｗ_i＝ｆ₂／ｆ₁＝２θ₁／θ₂
本実施例では光学倍率βを、１＜β＜２０としている。
【００３８】
本実施例のような回転多面鏡４で光ビームが２度の偏向をされる光走査装置は、従来の１度しか偏向されない光走査装置に比べて、走査速度を速くすることができる。このことについて次に説明する。
【００３９】
従来の１度しか偏向しない光走査装置では、回転多面鏡が回転すると反射面が移動するため、１回の走査において常に光ビーム全体を同一反射面に入れるために、回転多面鏡に入射する光ビームの主走査方向の大きさよりも、反射面の大きさを大きくしなければならない。したがって、回転多面鏡の反射面の面数をあまり多くすることができない。
【００４０】
本実施例では、主走査面において、第１反射面５に平行な光ビームが入射する。また、β＞１であるため、第１反射面５上における光ビームの主走査方向の直径ｗ_iは、第２反射面６上における光ビームの主走査方向の直径ｗ_oよりも小さい。そのため、従来の光走査装置に対して第１反射面５の大きさが小さくても、１回の走査において常に光ビーム全体を同一反射面に入れることができる。ｗ_iを小さくすればする程、さらに第１反射面５の大きさを小さくすることができる。また、２度目の偏向では、回転多面鏡４が回転したときの光ビームの移動量と第２反射面６の移動量が一致するため、第２反射面６の主走査方向の大きさは、少なくとも入射する光ビームの大きさと同じ大きさだけあればよい。
【００４１】
したがって、従来の１度しか偏向しない光走査装置に比べて、本実施例の２度の偏向をする光走査装置では、第２反射面６上における光ビームの主走査方向の直径ｗ_oに対して、第１反射面５上における光ビームの主走査方向の直径ｗ_iを小さくすることにより、回転多面鏡４の反射面を小さくすることができるため、反射面の面数を多くすることができ、それだけ走査速度を上げることができる。
【００４２】
このように構成された光走査装置の具体的な第１実施例の数値例を表−１に示す。この表−１では、シリンドリカル面、トーリック面は副走査方向、主走査方向の曲率半径をｒ_ix、ｒ_iyとしている（ｉは光源１から被走査面１７までの面番号を示す。）。また、非球面である面については、曲率半径は光軸上の値を示している。なお、長さの単位はｍｍである。
【００４３】

【００４４】
第２整形レンズ２及び第３走査レンズ１６の非球面を表す式は、
ｚ_i＝（ｙ²／ｒ_i）／［１＋｛１−（Ｋ_i＋１）（ｙ／ｒ_i）²｝^1/2］＋Ａ_iｙ⁴＋Ｂ_iｙ⁶＋Ｃ_iｙ⁸
であり、その非球面係数を次の表−２に示す。
【００４５】

【００４６】
この具体例において、第３走査レンズ１６の入射面Ｓ₂₁は、ｒ_21y＝−１４７５．３９３７８の円弧をｒ_21x＝３７．９５６７５で回転させて形成されるトーリック面である。なお、第２走査レンズ１５、第３走査レンズ１６を通過するときのように、光路が屈折されるときは、光軸は主光線と同じように屈折されるものとし、表−１、表−２のパラメータの基準となる光軸は、常に走査中心を走査するビームの主光線に一致するものとする。
【００４７】
また、回転多面鏡４の面数は１２、その内接円直径は３８．６４ｍｍであり、回転多面鏡４の第１反射面５、第２反射面６への光ビームの副走査方向の入射角は何れも６°であり、第１伝達ミラー１０、第２伝達ミラー１３への光ビームの副走査方向の入射角は何れも３°である。また、第２走査レンズ１５の射出面Ｓ₂₀は副走査断面において１３°傾いており、第３走査レンズ１６の入射面Ｓ₂₁は副走査断面において８．７５０３８７°傾いており、第３走査レンズ１６の射出面Ｓ₂₂は副走査断面において２．８７５３７４°傾いている。これらの傾き角の向きについては、図２、図４参照。
【００４８】
また、第１整形レンズ入射面Ｓ₃に一致して、主走査方向０．７１５４ｍｍ、副走査方向１．０５２６ｍｍの矩形のアパーチャ６１が配置されている。そして、副走査方向において、発光点１と回転多面鏡４の第１反射面５は幾何光学的共役関係から外れている。ただし、回転多面鏡４の第１反射面５、第２反射面６、被走査面１７の３面は、何れも互いに共役関係にあるため、回転多面鏡４の面倒れ補正が行われている。したがって、発光点１と被走査面１７は共役関係から外れている。しかしながら、回折の影響により、光ビームが最小となる位置（ビームウエスト）は幾何光学的結像点からずれた位置にあり、光ビームが略最小となる位置（ビームウエスト）に被走査面１７が配置されている。
【００４９】
なお、上記具体例の伝達光学系２２の主走査方向の光学倍率βは８．０５、副走査方向の光学倍率β_tは０．５７９、走査光学系２３の副走査方向の光学倍率β_sは０．４０６である。
【００５０】
ここで、第２走査レンズ１５は、前記したように、副走査方向にのみ屈折作用を有するプリズムである。このプリズムの作用について説明する。回転多面鏡４の反射面６で反射され偏向された光ビームは円錐状の軌跡を描き、第２走査レンズ１５のプリズムを配置しない場合、第３走査レンズ１６の長尺レンズ上で湾曲したビーム軌跡となってしまう。このプリズム１６は、図９に模式的に示すように、円錐状の光ビームａの軌跡を第３走査レンズ１６の入射面上で直線状のビーム軌跡Ａに変換する作用を有している。
【００５１】
図１０は、上記の具体例の第３走査レンズ１６の入射面におけるビーム軌跡を示した図であり、そのビーム軌跡を実線で示す。なお、図のＹ方向が主走査方向、Ｘ方向が副走査方向を示す。比較のために、上記具体例の光学系の回転多面鏡４の第２反射面６から第３走査レンズ１６までの距離は変えずに、第２走査レンズ１５のみを取り除いた場合の、第３走査レンズ１６の入射面におけるビームの軌跡を破線で示す。図１０より、第２走査レンズ１５のプリズム作用によりビームの軌跡を直線状に補正する作用があることが分かる。
【００５２】
図１１は、第３走査レンズ１６の副走査断面を主走査方向の数か所（５か所）の位置で示したもので、断面形状の設計値に対する測定値の誤差を示したものである。図中、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ副走査方向、主走査方向、光軸方向とする。図１１のように、第３走査レンズ１６のような鞍型トーリック面を持つレンズの形状誤差は、主走査方向の位置によらず略同じ様子を示すが、副走査方向に周期的に変化する特徴がある。上記のように、第２走査レンズ１５のプリズム作用により、第３走査レンズ１６上のビーム軌跡は直線Ａとなり、ビームは主走査方向の位置に係わらず点Ｂ₁〜Ｂ₅の常に形状誤差が凸の部分に入射する。主走査方向の何れの位置においても、第３走査レンズ１６の形状誤差が凸の部分に光ビームが入射すると、副走査方向の結像位置は設計された位置より手前にずれるが、走査領域全体にわたって常に同一量だけ手前にずれるため、第３走査レンズ１６の位置を調整する等、光学系の調整をすれば補正することが可能であり、このような調整により像面湾曲は生じない。
【００５３】
さて、ここで、伝達光学系２２に要求される特性について説明すると、主走査方向では面追従特性と平行性の２つ、副走査方向では像面湾曲特性の１つである。
【００５４】
主走査方向の面追従特性とは、図８を用いて説明したように、回転多面鏡４が回転したときに第２反射面６の移動量と第２反射面６に入射する光ビームの移動量とが一致することである。また、主走査方向の平行性とは、伝達光学系２２から射出される光ビームの平行性が走査している間常に維持されることである。副走査方向の像面湾曲特性とは、第２反射面６での像面湾曲、すなわち、副走査方向における第２反射面６近傍の結像点による像面湾曲のことである。
【００５５】
主走査方向の特性を満足させる構成について、面追従特性が悪いと、第２反射面６に入射する光ビームが第２反射面６からはみ出し、ビームスポットの拡大や光パワーの損失を引き起こす。第２反射面６からはみ出さなくても、第２反射面６の面精度が良好な領域からはみ出せば、ビームスポットの形状の崩れを引き起こす。第２反射面６の移動量と第２反射面６に入射する光ビームの移動量との差は、実際には０．１ｍｍ程度以内であることが望ましい。
【００５６】
平行性については、ディオプターの変動幅とディオプターの絶対値の２つの観点がある。ここで、ディオプターとは、第２反射面６から第２反射面６に入射する光ビームの主走査方向の結像点までの距離をｍ単位で表したものの逆数である。ディオプターの変動幅については、例えば走査角により収束する光ビームが発散する光ビームへ変化するように、走査角による平行性の変動が大きいと、その変動を走査光学系２３で補正しきれなくなり、被走査面１７の主走査方向の像面湾曲が悪化するため、変動幅は０．０２ディオプター以下であることが望ましい。
【００５７】
ディオプターの変動幅がレンジで０．０２ディオプターである場合について考える。走査中心で０ディオプターであり、走査領域の端で＋０．０２ディオプターである場合、焦点距離３００ｍｍの走査光学系２３で、走査光学系２３の主面から３００ｍｍ離れた被走査面１７にビームスポットを結像させると、走査中心では被走査面１７上に焦点を結び像面湾曲は０となる。しかしながら、走査領域の端では、走査光学系２３に入射する光ビームは、回転多面鏡４の第２反射面６から５００００ｍｍの位置に結像する収束する光ビームであるため、走査光学系２３により結像する位置は、結像公式より上記主面から２９８．２１ｍｍの位置となり、像面湾曲は約１．８ｍｍ生じることとなる。被走査面１７上のビームスポットのサイズの変動を１０％以下に抑えるためには、通常は像面湾曲はレンジで２ｍｍ以下にする必要がある。したがって、ディオプターの変動幅がレンジで０．０２ディオプター以下にすれば、ビームスポットのサイズの変動が小さな光走査装置が得られる。
【００５８】
ディオプターの絶対値については、走査角による平行性の変化が小さくても、平行からのずれが大きく、収束する光ビームあるいは発散する光ビームとなっていると、回転多面鏡４の各反射面の面毎の位置誤差により、被走査面１７上のビームスポットの主走査方向の位置ずれ（ジッタ）を生じるため、絶対値は±１ディオプター以内であることが望ましい。
【００５９】
ここで、回転多面鏡４の回転軸４１から各反射面までの距離のばらつきを５０μｍ、走査光学系２３の焦点距離を３００ｍｍ、回転多面鏡４に入射する光ビームの入射角の最大値を１５°とすると、ディオプターの絶対値が１の発散する光ビームが走査光学系２３に入射するとき、ジッタは１１．５μｍとなる。ジッタはドットピッチのおよそ４分の１であることが望ましく、例えば６００ｄｐｉの場合、ドットピッチは４２μｍであるため、ジッタはおよそ１１μｍ以下であることが望ましい。したがって、ディオプターの絶対値が１ディオプター以下であると、ジッタはほとんど目立たなくすることができる。
【００６０】
以上から、ディオプターの絶対値は１ディオプターまで許容されるものの、ディオプターの変動幅は０．０２ディオプター以下に抑えなければならない。
【００６１】
ところで、以上のような特性を持つ伝達光学系２２のレンズ構成について検討する。伝達光学系２２は主走査面においてアフォーカル光学系であり、途中で一旦結像する。何れも主走査面において正の屈折力を有する前群２４と後群１２で構成される。図１２に示すように、回転多面鏡４の第１反射面５で偏向された光の主光線の集まりｃを１つの主光線束とみなすと、伝達光学系２２の前群２４の入射側の開口数が大きいため、前群２４は少なくとも３枚のレンズで構成しなければ以上のような必要な特性が得られない。一方、後群１２は入射側の開口数も射出側の開口数も何れも小さいため、正の屈折力を有する２枚の凹面鏡の組み合わせで必要な特性が得られる（図１２中では、後群１２は単レンズとして示してある。）。
【００６２】
上記のように、主走査方向で面追従特性と平行性の２つの特性を満足するために、伝達光学系２２の前群２４は少なくとも３枚のレンズで構成する必要がある。前記の実施例では、前群２４は第１反射面５側から順に、正・正・負の屈折力を有する第１伝達レンズ７、第２伝達レンズ８、第３伝達レンズ９で構成されており、正屈折力と負屈折力を組み合わせることでペッツバール和を小さく抑えている。前群２４全体としては正の屈折力を有するので、正屈折力のレンズを２枚、負屈折力のレンズを１枚とすることにより、１枚のレンズの屈折力が極端に大きくならず、良好な面追従特性と平行性を得ている。正屈折力のレンズ２枚、負屈折力のレンズ１枚の組み合わせとしては、図１３に示すように、第１反射面５側から順に、正・正・負（図（ａ））、正・負・正（図（ｂ））、負・正・正（図（ｃ））の３通り存在するが、主面Ｈに対する位置は、正・正・負の場合は主面Ｈの後方、正・負・正の場合は主面Ｈと略同じ位置、負・正・正の場合は主面Ｈの前方である。その前群２４は回転多面鏡４の第１反射面５に入射する光ビームとの干渉を避ける必要があり、前群２４の構成としては、主面Ｈの最も後方に配置できる図１３（ａ）の正・正・負の屈折力配置が望ましい。
【００６３】
また、その場合、最も第１反射面５側の正レンズは、射出側の面が凸であることが望ましい。回転多面鏡４の第１反射面５で偏向された光の主光線の集まりｃを１つの主光線束とみなすと、伝達光学系２２の前群２４は発散する主光線束を平行に近い状態に変換する機能を有するが、最も第１反射面５側の正レンズには発散する主光線束が入射するため、入射側に凸のメニスカス形状であると、球面収差の発生が大きくなり、面追従特性が悪くなる。そこで、最も第１反射面５側の正レンズは、入射側に凹のメニスカス形状、平凸形状、あるいは両凸形状、すなわち、射出側の面が凸であることが望ましい。
【００６４】
同様に、真中の正レンズは、平行に近い状態の主光線束が入射し、収束する主光線束を射出する。そのため、入射側に凹のメニスカス形状であると、球面収差の発生が大きくなり、面追従特性が悪くなる。そこで、真中の正レンズは、入射側に凸のメニスカス形状、凸平形状、あるいは両凸形状、すなわち、入射側の面が凸であることが望ましい。
【００６５】
なお、第３レンズの負レンズは、入射側の面が凹であることが望ましい。前記の表−１及び表−２に示した第１実施例の光走査装置の伝達光学系２２の前群２４は、主走査断面内で、第１伝達レンズ７は平凸レンズ形状（副走査断面内では両面共平面）、第２伝達レンズ８は凸平レンズ形状（副走査断面内では両面共平面）、第３伝達レンズ９は凹平レンズ形状（副走査断面内では両面共平面）をしている。
【００６６】
また、第１伝達ミラー１０及び第２伝達ミラー１３に関しては、実施例からも明らかなように、主走査方向において少なくとも一方は凹面であり、それらの合成屈折力は正であることを要し、副走査方向において少なくとも一方は凹面であり、それらの合成屈折力は正であって面倒れ補正作用を有する（第１反射面５と第２反射面６とを共役関係にする）ことを要する。
【００６７】
なお、図１４にこの第１実施例の平行性を示すグラフ（縦軸は走査角、横軸はディオプター）を、図１５にこの第１実施例の面追従特性を示すグラフ（縦軸は走査角、横軸は面追従特性）を、さらに、図１６に伝達光学系の副走査方向の像面湾曲を示すグラフ（縦軸は像高、横軸は像面湾曲）をそれぞれ示す。
【００６８】
次の表−３に、第２実施例の具体的な数値例を示す。ただし、面番号Ｓ₇〜Ｓ₁₅のみを示し、それ以外は表−１及び表−２の第１実施例と同じであり省く。
【００６９】

【００７０】
伝達光学系２２の主走査方向の光学倍率βは８．０５、副走査方向の光学倍率β_tは３．０４である。
【００７１】
この第２実施例においては、第１伝達ミラー１０は主走査断面、副走査断面共凹のトーリック反射面であり、副走査断面を副走査方向に平行な軸の周りに回転させて形成される面である。第２伝達ミラー１３は凹の球面鏡である。これらの作用は第１実施例と同様である。図１７にこの実施例の副走査方向の像面湾曲を示すグラフを示す。この実施例の平行性を示すグラフは図１４と、面追従特性を示すグラフは図１５と同じなので省く。
【００７２】
次の表−４に、第３実施例の具体的な数値例を示す。ただし、面番号Ｓ₇〜Ｓ₁₅のみを示し、それ以外は表−１及び表−２の第１実施例と同じであり省く。
【００７３】

【００７４】
伝達光学系２２の主走査方向の光学倍率βは８．０５、副走査方向の光学倍率β_tは１．０１である。
【００７５】
この第３実施例においては、第１伝達ミラー１０は主走査断面、副走査断面共凹のトーリック反射面であり、副走査断面を副走査方向に平行な軸の周りに回転させて形成される面である。第２伝達ミラー１３も主走査断面、副走査断面共凹のトーリック反射面であり、副走査断面を副走査方向に平行な軸の周りに回転させて形成される面である。これらの作用は第１実施例と同様である。図１８にこの実施例の副走査方向の像面湾曲を示すグラフを示す。この実施例の平行性を示すグラフは図１４と、面追従特性を示すグラフは図１５と同じなので省く。
【００７６】
次の表−５に、第４実施例の具体的な数値例を示す。ただし、面番号Ｓ₇〜Ｓ₁₅のみを示し、それ以外は表−１及び表−２の第１実施例と同じであり省く。
【００７７】

【００７８】
伝達光学系２２の主走査方向の光学倍率βは８．１６、副走査方向の光学倍率β_tは２．９３である。
【００７９】
この第４実施例においては、第１伝達ミラー１０は副走査断面が凹のシリンドリカル反射面であり、第２伝達ミラー１３は凹の球面鏡である。これらの作用は第１実施例と同様である。図１９にこの実施例の平行性を示すグラフを、図２０に面追従特性を示すグラフを、さらに、図２１に副走査方向の像面湾曲を示すグラフをそれぞれ示す。
【００８０】
次の表−６に、第５実施例の具体的な数値例を示す。ただし、面番号Ｓ₇〜Ｓ₁₅のみを示し、それ以外は表−１及び表−２の第１実施例と同じであり省く。
【００８１】

【００８２】
伝達光学系２２の主走査方向の光学倍率βは８．１６、副走査方向の光学倍率β_tは０．２８８である。
【００８３】
この第５実施例においては、第１伝達ミラー１０は平面鏡であり、第２伝達ミラー１３は主走査断面、副走査断面共凹のトーリック反射面であり、副走査断面を副走査方向に平行な軸の周りに回転させて形成される面である。図２２にこの実施例の副走査方向の像面湾曲を示すグラフを示す。この実施例の平行性を示すグラフは図１９と、面追従特性を示すグラフは図２０と同じなので省く。
【００８４】
次の表−７に、第６実施例の具体的な数値例を示す。ただし、面番号Ｓ₇〜Ｓ₁₅のみを示し、それ以外は表−１及び表−２の第１実施例と同じであり省く。
【００８５】

【００８６】
伝達光学系２２の主走査方向の光学倍率βは８．１６、副走査方向の光学倍率β_tは１．００である。
【００８７】
この第６実施例においては、第１伝達ミラー１０は副走査断面が凹のシリンドリカル反射面である。第２伝達ミラー１３は主走査断面、副走査断面共凹のトーリック反射面であり、副走査断面を副走査方向に平行な軸の周りに回転させて形成される面である。図２３にこの実施例の副走査方向の像面湾曲を示すグラフを示す。この実施例の平行性を示すグラフは図１９と、面追従特性を示すグラフは図２０と同じなので省く。
【００８８】
なお、以上の実施例では、偏向器として回転多面鏡を使用するものについて説明したが、偏向器として回転多面鏡の他に、回転２面鏡の場合にも同様の効果を達成することができる。
以上、本発明の光走査装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず、種々の変形が可能である。
【００８９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光走査装置によれば、伝達光学系中に２面の反射鏡を有し、その中の少なくとも１面の反射鏡が、主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径とが異なるトーリック面又は副走査方向において凹のシリンドリカル面からなるので、伝達光学系のアフォーカル光学系の後群の機能、面倒れ補正のためのレンズの機能等をこの２面の反射鏡に持たせることができ、レンズの構成枚数を削減して簡素な伝達光学系とすることができ、高速で良好な画像再現が可能な光走査装置を軽量で部品点数を少なく構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光走査装置の１実施例の構成を示す平面図である。
【図２】図１の光走査装置の側面図である。
【図３】図１の光走査装置の主要部の斜視図である。
【図４】図１の光走査装置の主要部の側面図である。
【図５】図１の光走査装置の整形光学系の主走査方向と副走査方向の光路図である。
【図６】図１の光走査装置の伝達光学系の主走査方向と副走査方向の光路図である。
【図７】図１の光走査装置の走査光学系の主走査方向と副走査方向の光路図である。
【図８】伝達光学系の作用を説明するための主走査面の断面展開図である。
【図９】屈折プリズムの補正作用を説明するための図である。
【図１０】本発明の１つの具体例の第３走査レンズの入射面におけるビーム軌跡を示した図である。
【図１１】本発明の１つの具体例において像面湾曲が発生しない理由を説明するための図である。
【図１２】伝達光学系の構成を説明するための主走査面の断面展開図である。
【図１３】伝達光学系の前群のレンズ構成を検討するための図である。
【図１４】第１実施例の平行性を示すグラフである。
【図１５】第１実施例の面追従特性を示すグラフである。
【図１６】第１実施例の像面湾曲を示すグラフである。
【図１７】第２実施例の像面湾曲を示すグラフである。
【図１８】第３実施例の像面湾曲を示すグラフである。
【図１９】第４実施例の平行性を示すグラフである。
【図２０】第４実施例の面追従特性を示すグラフである。
【図２１】第４実施例の像面湾曲を示すグラフである。
【図２２】第５実施例の像面湾曲を示すグラフである。
【図２３】第６実施例の像面湾曲を示すグラフである。
【符号の説明】
１…半導体レーザー（光源）
２…第１整形レンズ
３…第２整形レンズ
４…回転多面鏡
５…回転多面鏡の第１反射面
６…回転多面鏡の第２反射面
７…第１伝達レンズ
８…第２伝達レンズ
９…第３伝達レンズ
１０…第１伝達ミラー
１２…第１伝達ミラーと第２伝達ミラーからなる合成系（伝達光学系の後群）
１３…第２伝達ミラー
１４…第１走査レンズ
１５…第２走査レンズ（プリズム）
１６…第３走査レンズ（長尺レンズ）
１７…被走査面
２１…整形光学系
２２…伝達光学系
２３…走査光学系
２４…主走査方向正屈折力伝達レンズ群（伝達光学系の前群）
４１…回転多面鏡の回転軸
６１…アパーチャ

Claims

光ビームを発生する光源と、前記光源からの光ビームを反射偏向させる複数の反射面を有する偏向器と、前記偏向器の第１反射面により反射偏向された光ビームを前記偏向器の第２反射面の回転に追従するように前記第２反射面に伝達入射させる伝達光学系と、前記偏向器の前記第２反射面により反射偏向された光ビームを被走査面上にビームスポットを形成させて走査させる走査光学系とを備えた光走査装置において、
前記伝達光学系中に２面の反射鏡を有し、その中の少なくとも１面の反射鏡が、主走査方向の曲率半径と副走査方向の曲率半径とが異なるトーリック面又は副走査方向において凹のシリンドリカル面からなることを特徴とする光走査装置。
前記伝達光学系は、主走査方向において正屈折力を有する前群と正屈折力を有する後群からなるアフォーカル光学系を構成しており、副走査方向において正屈折力を有していて前記第１反射面と前記第２反射面とを共役にしており、前記後群が前記の２面の反射鏡を有し、その中、主走査方向において少なくとも一方の反射鏡が凹面で、それらの合成屈折力は正であり、副走査方向において少なくとも一方の反射鏡が凹面で、それらの合成屈折力は正であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
前記偏向器は回転軸を挟んで互いに平行で互いに１８０°の角度をなして対向する対をなした複数組の反射面を有する回転多面鏡からなり、前記光源からの光ビームは前記第１反射面に副走査方向に角度を持って入射し、前記伝達光学系により伝達された光ビームは前記第２反射面に副走査方向に角度を持って入射する配置になっており、前記第１反射面と前記第２反射面は前記回転多面鏡の回転軸を挟んで互いに平行で互いに１８０°の角度をなして対向する反射面に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光走査装置。
前記光源からの光ビームを前記第１反射面へ入射させる光学系の光軸、前記伝達光学系の光軸、前記走査光学系の光軸が、前記回転多面鏡の回転軸を含む共通の副走査面内に配置されていることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。