JP3725182B2 - 光走査装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はレーザープリンタ、ファクシミリなどの画像形成装置およびそれに用いられる光走査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のレーザービームプリンタ等に用いられている回転多面鏡には、通常、多面鏡の製作過程で生じる各面の平行度の誤差および回転軸と多面鏡の取り付け誤差があり、反射された光束の進行方向が偏向面に垂直な面内で変化して、走査ピッチむらが生じる。また回転多面鏡の回転軸に生じる歳差運動等の回転不良も同様な走査ピッチむらの原因となる。回転多面鏡や偏向装置全体の精度をピッチむらが画像上で問題のないレベルにまで高めるには製造に長時間を要して、装置が極めて高価なものになってしまう。また一方、これを補正するための方法、いわゆる面倒れ補正光学系が種々考案されている。
【0003】
特開昭48−49315号、特開昭56−36622号に示されたものは共役型面倒れ補正方式と呼ばれるもので、主走査面と主走査面に垂直で光軸を含む面(以下副走査面と記す)のパワーの異なるアナモルフィックな走査光学系を用い、副走査面では回転多面鏡の反射面に光束を結像させ、反射面と感光体面が光学的に共役となるようにしたものであり、特開昭52−153456号、特開昭58−134618号に示されたものは緩和型面倒れ補正方式と呼ばれるもので、感光体面近傍に長尺のシリンドリカルレンズを配して、面倒れによる副走査面の偏向方向変化を緩和するようにしたものである。
【0004】
回転多面鏡を用いた光学系の場合は図23(a)に示すように光学系の副走査断面を光軸に沿って展開して考えると、回転多面鏡の偏向面7に面倒れがある場合、光源1から出射しコリメートレンズ2により平行にされた光束は偏向面7と光軸との交点Pで図に示す破線のように副走査方向に偏向され、fθレンズ4を通過し、被走査面5上で光軸を含む主走査面から外れ走査ピッチ誤差ΔXが生じる。以下点Pのように偏向面の面倒れによって副走査方向に光束が偏向される点を面倒れ偏向点と呼ぶと、回転多面鏡を用いた光学系の場合は面倒れ偏向点は偏向面上にあるため、図23(b)に示す共役型面倒れ補正方式のように偏向面7とコリメートレンズ2の間に副走査方向だけにパワーを持つシリンドリカルレンズ6を配して光源1、偏向面7、被走査面5を光学的に共役関係とすることで偏向面7に面倒れがあっても、ほぼ完全に面倒れを補正することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらのものは、走査ピッチむらがなく高精度な光走査が可能なものの、これらの装置に用いられている回転多面鏡は光源部から照射される光束を偏向するだけで、光束の収差補正や光束を被走査面に結像させるといった機能を持つことができないため、レンズ枚数が増え装置の大型化、高価格化を招いてしまうといった問題点を有しており、また装置が大型、高価格にならざるを得ず、近年のパソコン等のOA機器のダウンサイジング、パーソナルユースへの流れの妨げとなっていた。
【0006】
一方、本出願人は特願平4−166042号において、回転軸とともに回転する反射面と所定の収差補正を行うごとく形状を定められた入射面と射出面とからなる光学素子(以下回転レンズ鏡と称す)を用いた光走査方式を提案した。この方式では、偏向面を1面とすることで面倒れ補正光学系をなくし、光束を偏向するポリゴンミラーと収差を補正するレンズの2つの部材の機能を回転レンズ鏡だけで済ませることができるため、部品点数が少ない小型低価格な光走査装置を構成することができる利点を有しているが、偏向面が1面の場合には回転レンズ鏡1回転で1回の走査しかできず、走査効率が悪いといった点でさらに改善の余地が残されている。
【0007】
本発明は上述の課題を解決するため特願平4−166042に改良を加え、複数の回転レンズ鏡を用いた走査光学系に面倒れ補正機能を付加することで、小型低価格化と高速高解像度化を同時に実現する光走査装置を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの光走査装置は、入射屈折面と平面反射面と射出屈折面とを有する複数の光学素子を回転させることによって光束を偏向走査する光走査装置において、
前記光学素子の副走査方向のパワーが負で、
前記射出屈折面の副走査方向の面形状が凹であり、
前記入射屈折面の主走査方向の面形状が凹あるいは平面であり、
前記光学素子と被走査面の間に結像レンズが配置されていることを特徴とするものである。
本発明のもう1つの光走査装置は、入射屈折面と平面反射面と射出屈折面とを有する複数の光学素子を回転させることによって光束を偏向走査する光走査装置において、
前記光学素子の副走査方向のパワーが正で、
前記入射屈折面の副走査方向の面形状が凸で、前記射出屈折面の副走査方向の面形状が凹であり、
前記入射屈折面の主走査方向の面形状が凹あるいは平面であり、
前記光学素子と被走査面の間に配置される結像レンズが2枚で構成されていることを特徴とするものである。
【0009】
【実施例】
本発明の光走査装置の基本構成は、複数の回転レンズ鏡をモータ等の駆動装置によって1つの回転軸のまわりを一体で回転させることにより、複数の回転レンズ鏡のそれぞれを光束が通過することによって回転軸1回転で複数本の走査を行うことができるようにしたもので、このように回転レンズ鏡を複数配置するとき、それぞれの回転レンズ鏡の取り付け誤差(面倒れ)により走査ピッチむらを生じるが、本発明は複数の回転レンズ鏡を用いた光走査装置において光学的に走査ピッチむらを補正するようにしたものである。図1は本発明の光学系を用いたレーザ走査装置についての代表的な実施例を示したものである。この装置は光源である半導体レーザ1より出射した光束がコリメータレンズ2によって平行な光束とされ、光束は回転レンズ鏡3の入射面S1に入射した後、反射面S2で反射され、射出面S3から出射する。入射面S1、射出面S3は、走査中心を走査する光束がそれらの面を垂直に通過するように、また反射面S2は走査中心を走査する光束が90°以下の角度で反射面S2に入射するように設定されている。回転レンズ鏡3は同形状なものが2枚用いられていて、回転軸Oに対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせで接触するように配置されて一体的に回転し1回転当たり2回の光走査を行う。回転レンズ鏡3の回転軸Oは、反射面S2に内包され、走査中心を走査するビームが反射する点を通る。光束は回転レンズ鏡3の回転に伴って偏向され、偏向された光束は結像レンズ4を通過し被走査面5上にスポットを形成する。
【0010】
ここで、回転レンズ鏡を用いた走査光学系の面倒れについて説明すると、回転レンズ鏡を用いた走査光学系の回転レンズ鏡の面倒れを考えた場合、反射面の面倒れだけでなく入射面と射出面の面倒れも考慮しなければならない。回転レンズ鏡の面倒れを検討するため図2に示すように回転レンズ鏡3に固定した座標系X、Y、Zを定義し、X軸は主走査面に垂直で反射面S2に含まれる直線、Y軸は主走査面と平行で反射面S2に含まれる直線、Z軸は反射面S2の垂線とし、X軸は回転軸に一致し、X軸回りの回転レンズ鏡3の回転角度をωとし、Y軸まわりの回転レンズ鏡3の回転角度をφとすると、図から解るように回転レンズ鏡3の面倒れはY軸回りの回転とZ軸回りの回転の2軸存在する。Y軸回りの回転では入射面S1、反射面S2、射出面S3が面倒れし、Z軸回りの回転では反射面S2は面倒れせず、入射面S1と射出面S3のみ面倒れする。入射面S1、射出面S3の面倒れによる光束の副走査方向の偏向作用は、反射面S2の面倒れによるそれよりもわずかであるので、回転レンズ鏡3の面倒れは面倒れ角がある程度小さければY軸回りの倒れのみ考慮すれば良い。そこで以下では回転レンズ鏡の面倒れはY軸回りの倒れのみ考え、Y軸回りの回転を回転レンズ鏡の面倒れ、その回転角を面倒れ角φとする。
【0011】
次に、回転レンズ鏡に面倒れがある場合の光束の様子を回転レンズ鏡を用いた走査光学系の副走査断面を光軸に沿って展開した図3を用いて説明する。図3(a)は光学系全体を図3(b)は回転レンズ鏡だけを拡大して示している。回転レンズ鏡3が反射面S2と光軸との交点Pを中心にY軸回りに角度φ回転すると入射面S1と射出面S3も点Pを中心に回転し、角度φが微小であれば近似的に入射面S1と射出面S3の光軸は、副走査断面で見ると主走査面に対してそれぞれφsinβ、−φsinβ回転する。ここで角度βは図2に示すように入射面S1、射出面S3の光軸が反射面S2となす角度を示す。この面倒れがある回転レンズ鏡3に入射する光束は副走査方向に図中破線で示すように、まず入射面S1で入射面S1の倒れによりに偏向され、反射面S2で反射面S2の倒れによって角度2φ偏向され、そして射出面S3でも射出面S3の倒れにより偏向され回転レンズ鏡3から光軸とφ’の角度をなして出射する。回転レンズ鏡3から出射した光束は入射面S1、射出面S3での偏向作用のため見かけ上、反射面S2上の点Pではなく光束の主光線と光軸との交点P’で偏向された如く振る舞い、点P’が回転レンズ鏡3の見かけ上の面倒れ偏向点となる。
【0012】
次に面倒れがある回転レンズ鏡がX軸回りに回転して光束を偏向走査した場合を考える。図4(a)は光束が被走査面の走査中心を走査する時の回転レンズ鏡のX軸まわりの回転角度を0として回転レンズ鏡がX軸まわりに角度−ω、0、ω回転した時の光束の主光線を回転レンズ鏡を固定して示した回転レンズ鏡の主走査断面図である。回転レンズ鏡3に入射する主光線は回転レンズ鏡3の回転に伴い入射面S1から入射面S1の光軸に対しそれぞれ−ω、0、ωの角度をなして入射し、それぞれ反射面S2上の点P1、P0、P2で偏向され射出面S3から出射する。図4(a)を図4(b)に示すように副走査断面で光軸に沿って展開してみると偏向点Pは回転レンズ鏡の回転角により点P1、P0、P2と光軸上を移動する。回転レンズ鏡3に倒れがあると図3(b)で説明したように回転レンズ鏡3に入射する光束は入射面S1で偏向され、次に回転角に対応したそれぞれの反射面S2上の点P1、P0、P2で角度2φ偏向され、そして射出面S3でも偏向され出射する。射出面S3から出射したそれぞれの光束は、出射光束の主光線と光軸とのそれぞれの交点P1'、P0'、P2'を面倒れ偏向点として偏向されたように振る舞う。このように回転レンズ鏡では回転レンズ鏡の回転に伴い面倒れ偏向点が移動し、回転レンズ鏡からの出射光束の見かけ上の面倒れ偏向点も、回転レンズ鏡の回転により大きく移動してしまう。以下このような面倒れ偏向点の移動を面倒れ偏向点変位と呼び、その移動量を面倒れ偏向点変位量Δdとし、また回転レンズ鏡から出射した光束の見かけ上の面倒れ偏向点の移動量を見かけ上の面倒れ偏向点変位量Δd’とする。
【0013】
以上のような面倒れ偏向点変位がある走査光学系では、前に図23を用いて述べた回転多面鏡を用いた走査光学系とは異なり、光源、偏向面、被走査面が共役関係となる光学系を構成しても、偏向面が変位し共役点からずれてしまうため面倒れを完全に補正することはできず、被走査面上の走査ピッチ誤差ΔXは、次のような式で表される。
【0014】
ΔX=m・Δd’・φ’ (1)
ここで、φ’は回転レンズ鏡から出射する光束の主光線が主走査面と直交する面内において光軸となす角を、mは結像レンズの副走査方向の光学倍率を、Δd’は回転レンズ鏡から出射する光束の見かけ上の面倒れ偏向点変位量を示す。上式でφ’は主に回転レンズ鏡の面倒れ角φに依存し、面倒れ角φは回転レンズ鏡取り付けの機械的精度で決められてしまう。このため光学的に走査ピッチ誤差ΔXを小さくするためには、面倒れ偏向点変位量Δd’を小さくするか、あるいは結像レンズの副走査方向の光学倍率mを小さくする必要がある。このように回転レンズ鏡を用いた走査光学系で走査ピッチ誤差ΔXを小さくする構成としては、主に面倒れ偏向点変位量Δdを小さくする方式と、主に結像レンズの光学倍率mを小さくする方式に分類される。以下にそれぞれの方式について説明する。
【0015】
図5は、面倒れ偏向点変位を小さくする方式についての本発明の説明図で、図5(a)は回転レンズ鏡を用いた走査光学系の副走査断面図であり、回転レンズ鏡は光軸に沿って展開して示してある。回転レンズ鏡3は副走査方向の入射面S1が凸面、射出面S3が凹面であり、全体として副走査方向に負のパワーを持っている。図に示すようにこの回転レンズ鏡3に入射する平行光束は入射面S1で正のパワーにより集束光束となり、射出面S3で負のパワーにより発散光束となって結像レンズを通って被走査面にスポットを形成する。この場合、光束はコリメータレンズから被走査面までの間では結像せず被走査面との共役点を持たないものの回転レンズ鏡3から出射した光束は、出射光束を回転レンズ鏡3側に延長して光軸と交わる点Qで見かけ上結像したように振る舞い、点Qが見かけ上の被走査面との共役点となっている。この回転レンズ鏡3が面倒れ角φで面倒れすると回転レンズ鏡3に入射した光束の主光線は図に点線で示すように反射面S2で角度2φ偏向され、射出面S3で光軸となす角度が大きくなるように偏向され出射する。この出射した光束の主光線を延長し光軸と交わる点P’が回転レンズ鏡3の見かけ上の面倒れ偏向点となり、前述の見かけ上の共役点Qの近傍に位置する。さらに、図5(b)に示すように回転レンズ鏡3のX軸回りの回転により面倒れ偏向点がP1、P2のように変位する場合においては、回転レンズ鏡3から出射した光束の見かけ上の面倒れ偏向点は図に示すようにそれぞれの光束の主光線と光軸との交点P1’、P2’となる。この図から射出面S3のパワーが負であるため実際の面倒れ偏向点変位量Δdよりも見かけ上の面倒れ偏向点変位量Δd’の方が小さくなっていることが解る。このように回転レンズ鏡3の副走査方向のパワーが負で出射面S3の副走査断面を凹の構成とすることで共役点からの面倒れ偏向点のずれ量Δdを小さくすることができ前述の式(1)から走査ピッチ誤差ΔXを低減させることができる。
【0016】
次に結像レンズの副走査方向の光学倍率mを小さくする方式を図6を用いて説明する。図6は回転レンズ鏡を用いた走査光学系を主走査方向から見た図であり、回転レンズ鏡3は光軸に沿って展開して示してある。回転レンズ鏡3は副走査方向の入射面S1が凸面、射出面S3が凹面であり副走査方向は全体として正のパワーを持っている。結像レンズは、回転レンズ鏡3の近くに配置された第1の結像レンズ41と被走査面付近に配置された第2の結像レンズ42の2枚で構成されている。図に示すようにこの回転レンズ鏡3に平行光束が入射すると回転レンズ鏡3の正のパワーにより光束は第1の結像レンズ41の手前点Qで結像し、第1の結像レンズ41および第2の結像レンズ42により被走査面5上にスポットを形成する。このように結像レンズを2枚で構成することにより、結像レンズの光学倍率mを小さく設定することができ前述の式(1)から走査ピッチ誤差ΔXを低減させることができる。
【0017】
ところで、このように面倒れによる走査ピッチ誤差を完全に補正できない光学系においては面倒れの補正効果を定量化しその値が一定以上あるいは以下となるよう光学設計をする必要がある。そこで、光学系の面倒れ補正効果を定量化した面倒れ補正率Hを以下のように定義する。
【0018】
H=ΔX(φ)/ΔX0(φ)
=ΔX(φ)/2L/φ (2)
ここでφは回転レンズ鏡の面倒れ角を、ΔX(φ)は回転レンズ鏡を用いた光学系において回転レンズ鏡が角度φ面倒れしたとき生じる副走査方向の最大のピッチ誤差を、Lは回転レンズ鏡の回転中心から被走査面までの距離を、ΔX0(φ)は偏向面と被走査面の間にレンズ等の光学素子が存在しない場合に偏向面の倒れφによって生じる副走査方向のピッチ誤差すなわち2L・φを示す。面倒れ角度φがある程度小さい場合ΔX(φ)とφの関係は式(1)に示したような線形となり、面倒れ補正率Hは面倒れ角度φに依存しない回転レンズ鏡を含む光学系の関数となる。
【0019】
さて、本発明人は面倒れ補正率Hの許容量を見積もるため面倒れ補正率が異なる走査光学系での印字シミュレーションを行った。シミュレーション条件を以下に示す。
【0020】
面倒れ補正率:0、 0.25、 0.50、 0.75
面倒れ角φ :10秒
解像度 :300dpi
スポット径 :100μm
光路長 :200mm
印字パターン:黒べた
偏向面面数 :2
実際の面倒れ角φは、偏向モータの回転レンズ鏡取付面の回転軸に対する角度誤差で決まり、偏向モータでの取付面精度の限界値は通常±10秒程度であるため、シミュレーションでの面倒れ角φは10秒とした。図7は、上記の条件でのシミュレーションの印字結果を拡大して示したものである。この図から面倒れ補正率Hが0.5以上になると2走査おきに副走査方向のスポットとスポットの間に露光されない領域ができ、この領域は画像に主走査方向の白線として現れていることが解る。このような白線は、画像濃度を低下させ画質を著しく劣化させてしまう。さらに、本出願人は上記のシミュレーション結果に基づき、上記シミュレーションの条件で面倒れ補正率が約0.5、走査ピッチ誤差ΔXに換算して約10μmの場合で印字実験を行った。その結果、主走査方向の白線さえ現れなければ、著しい画質の低下は認められないことが解った。これは10μm程度の走査ピッチ誤差は、通常の人間の目の分解能以下であるため肉眼では判別できないためと考えられる。以上から補正率Hは0.5以下であるならば実用上問題の無い画像を得ることができ、面倒れ補正率Hの許容量は0.5以下と設定した。
【0021】
回転レンズ鏡3、結像レンズ4の材質については、光学ガラス、光学プラスチックのいずれでも良いが、レンズの入射面あるいは射出面が非球面形状を有する場合は光学プラスチックの方が低価格で製造が可能なため望ましい。
【0022】
次に、本発明の具体的な幾つかの実施例について、これらの構成を光学諸元、諸収差を含めて説明する。いずれの実施例においても、一走査の走査開始から走査終了までの回転レンズ鏡の回転角を2ωとし、各光学諸元の記号は、第i面Siの曲率半径をri、第i面から次の面までの軸上間隔をdiとする。さらに、当該面がトーリック面の場合には、副走査断面、主走査断面の曲率半径をそれぞれrxi、ryiとし、トーリック面の主走査断面あるいは副走査断面が非円弧形状の場合には、次式で表される非球面係数を主走査断面ではKyi、Ayi、Byi、副走査断面ではKxi、Axi、Bxiとする。
【0023】
【数1】
【0024】
ただし、ziは光軸からの非円弧断面内の高さhにおける非円弧断面上の点の、非円弧頂点の接平面からの距離であり、n1、n2はいずれも回転レンズ鏡の屈折率である。結像レンズの入射面、射出面をそれぞれSc、Sdで、屈折率をncで表す。この他コリメートレンズと回転レンズ鏡の間に設けられるシリンドリカルレンズ、第2の結像レンズ、トーリック反射ミラーに関する光学諸元をも示す実施例では、シリンドリカルレンズ入射面、射出面、第2の結像レンズ入射面、射出面、トーリック反射面をそれぞれSa、Sb、Se、Sf、Sgで表し、シリンドリカルレンズ、第2の結像レンズの屈折率をそれぞれna、neで表す。なお、回転レンズ鏡の反射面は平面である。Hは各実施例の面倒れ補正率を表す。
【0025】
収差図については、像面湾曲は破線が主走査方向、実線が副走査方向の収差を表している。走査直線性は、fθレンズの通例では理想像高y=fθからの像高のずれを%で表すが、本発明では回転レンズ鏡の入射面と射出面とが回転するため理想像高がfθとならない。従って、等価な表示方法として、光軸近傍の光線について、回転レンズ鏡の回転角に対する像高の変化率をζとして、理想像高Y=ζθからのずれを%で表示している。なお設計波長は780nmとしている。
【0026】
(実施例1)
次に本発明の第1の実施例について以下に詳述する。
【0027】
図8は本実施例の断面の模式図を示し、(a)が主走査断面を(b)が光軸に沿っ展開した副走査断面を示す。図9に本実施例の光走査装置の斜視図を示す。本実施例では同形状の2枚の回転レンズ鏡3が回転軸に対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせに接触するように配置されており、回転レンズ鏡3は入射面S1、射出面S3ともトーリック面であって副走査方向に負のパワーを持つ。回転レンズ鏡3の他、結像レンズ4を1枚有する構成である。本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以下に示す。
【0028】
図10はこの設計例の収差図である。
【0029】
本実施例で示すように、回転レンズ鏡3の副走査方向のパワーを負とすることにより射出面S3から出射した光線は、見かけ上回転レンズ鏡3の内部に共役点が有るように振る舞い、また射出面S3の副走査断面は凹面であるため、回転レンズ鏡3の見かけの面倒れ偏向点は見かけの共役点付近となり、回転レンズ鏡3が回転しても偏向点変位量を小さくする効果がある。このため、面倒れ補正率Hを0.21と小さくすることができる。さらに、図10の収差図から解るように像面湾曲量は±1.0mm以内に抑えられており、スポット径で40〜50μm、解像度で600〜800dpi程度の高精度な光走査が可能であり、走査直線性も0.5%以下と良好である。図9に示すように本実施例の光走査装置では2種類のしかも小型の光学素子のみで、歪曲特性、収差補正、面倒れ補正の機能をはたしており、極めて小型の面倒れによる走査ピッチ誤差の小さい高画質な光走査装置を構成することができる。
【0030】
(実施例2)
図11は本実施例の断面の模式図を示し、(a)が主走査断面を(b)が光軸に沿って展開した副走査断面を示す。図12に本実施例の光走査装置の斜視図を示す。本実施例では同形状の2枚の回転レンズ鏡3が回転軸に対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせに接触するように配置されており、回転レンズ鏡3は入射面S1、射出面S3ともトーリック面であって副走査方向に負のパワーを持つ。回転レンズ鏡3の他、ミラーレンズ4を1枚有する構成である。本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以下に示す。ただし、Xdiは面Siの副走査方向への偏心量を、Bdiは面Siと光軸との交点を中心として主走査面内の光軸と直交する方向を軸に面Siが回転した回転角を示す。
【0031】
図13はこの設計例の収差図である。
【0032】
通常実施例1に示した結像レンズのようにトーリック面を有するレンズでは材質に樹脂を用い成形で製作するのが一般である。しかし、樹脂には環境温度による屈折率の変動がガラスに比べ大きいという欠点があり、装置の使用環境の変動により結像性能が劣化してしまう。本実施例では光束の結像作用を凹面のトーリック反射鏡4に持たせることにより、トーリック反射鏡4を樹脂で成形したとしても環境温度の変動による結像性能の劣化がない高精度な光走査装置を構成することができる。また、図13の収差図から解るように像面湾曲量は±1.5mm以内に抑えられてられており、600dpi程度の高精度な光走査が可能であり、走査直線性も0.5%以下と良好である。さらに小型な光走査装置には通常小型化のため光束の光路の途中に折り返しミラーが設けられるが、本実施例の構成とすることでトーリック反射ミラーが折り返しミラーの役割を兼ねるため、装置の部品点数を削減し、低価格な光走査装置を構成することができる。
【0033】
(実施例3)
図14は本実施例の断面の模式図を示し、(a)が主走査断面を(b)が光軸に沿って展開した副走査断面を示す。本実施例では同形状の2枚の回転レンズ鏡3が回転軸に対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせに接触するように配置されており、回転レンズ鏡3は入射面S1、射出面S3ともにトーリック面である。回転レンズ鏡3の他、回転レンズ鏡3手前に副走査方向のみパワーを有するシリンドリカルレンズ6と、結像レンズ4を1枚有する構成である。本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以下に示す。
【0034】
図15は本実施例の設計例の収差図を示す。
【0035】
本実施例では、回転レンズ鏡3の手前にシリンドリカルレンズ6を設け、光束を副走査方向にのみ集束させながら回転レンズ鏡3に入射させている。回転レンズ鏡を用いた光学系では、偏向点が回転レンズ鏡内部に存在するため共役点を回転レンズ鏡内部に設けることにより偏向点と共役点との距離である面倒れ偏向点変位を小さくすることができ、面倒れ補正効果を向上させることができる。回転レンズ鏡の手前にシリンドリカルレンズを設けずに回転レンズ鏡内部に共役点を持たせようとすると回転レンズ鏡入射面の副走査方向の曲率半径をかなり小さくする必要がある。しかし入射面の副走査方向の曲率半径が極端に小さいと回転レンズ鏡が回転したときに光束の入射面への入射角の違いによる共役点の変動が大きくなってしまい、かえって面倒れ偏向点変位が大きくなってしまう。また、曲率半径が他の面よりも極端に小さいと、収差が悪化したりその面の面精度が厳しくなってしまう。本実施例では、回転レンズ鏡3の手前にシリンドリカルレンズ6を設けることにより、回転レンズ鏡3の入射面S1の曲率半径をそれほど小さくせずに回転レンズ鏡3内部に共役点を持たせることができため、面倒れ補正率Hを実施例1の半分程度にすることができ面倒れ補正効果を向上させることができる。さらに、回転レンズ鏡3に入射する光束は副走査方向に細いため、回転レンズ鏡3を副走査方向に薄くでき、回転レンズ鏡3の製造コストを下げることができる。
【0036】
(実施例4)
図16は本実施例の断面の模式図を示し、(a)が主走査断面を(b)が光軸に沿って展開した副走査断面を示す。本実施例では同形状の2枚の回転レンズ鏡3が回転軸に対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせに接触するように配置されており、回転レンズ鏡3は入射面S1が平面、射出面S3がトーリック面である。回転レンズ鏡3の他、回転レンズ鏡3手前に副走査方向のみパワーを有するシリンドリカルレンズ6と第1の結像レンズを41と第2の結像レンズ42を有する構成である。本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以下に示す。
【0037】
図17はこの設計例の収差図である。
【0038】
本実施例では、回転レンズ鏡3の手前にシリンドリカルレンズ6と第1の結像レンズ41と第2の結像レンズ42を設けている。このように回転レンズ鏡3の手前にシリンドリカルレンズ6を設けることにより、回転レンズ鏡の内部に共役点を持たせることができ、さらに回転レンズ鏡3の入射面S1を平面とすることで回転レンズ鏡3が回転しても偏向点変位量をほぼ0とすることができる。このため本実施例では、光源1、偏向面S2、被走査面5を常に光学的に共役関係とすることができ、通常の多面鏡に用いられる面倒れ補正光学系と同様、走査ピッチ誤差をほぼ完全に補正することがきる。さらに、結像レンズを2枚設けることで光学設計の自由度が増し、図16の収差図から解るように像面湾曲量を±0.7mm以内とすることができ、800dpi以上の解像度にも対応可能であり、直線走査性も0.8%以下と良好である。このように本実施例では高精度、高解像度な走査光学系を構成することができる。
【0039】
(実施例5)
図18は本実施例の断面の模式図を示し、(a)が主走査断面を(b)が光軸に沿って展開した副走査断面を示す。本実施例では同形状の2枚の回転レンズ鏡3が回転軸に対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせに接触するように配置されており、回転レンズ鏡3は入射面S1、射出面S3ともにトーリック面である。回転レンズ鏡3の他、第1の結像レンズ41と像面付近に副走査方向にのみパワーを有する第2の結像レンズであるシリンドリカルレンズ42を設けた構成である。本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以下に示す。
【0040】
図19は本実施例の設計例の収差図である。
【0041】
本実施例では、像面付近にシリンドリカルレンズ42を設けることで、結像レンズが1枚だけの場合と比較して、第1と第2の結像レンズを合成した光学倍率を小さくすることができ、式(1)から面倒れ補正効果を高めることができる。また、第1の結像レンズ41の手前に副走査方向の共役点があるため第1の結像レンズ42を通過する光束は副走査方向に細くなっており、第2の結像レンズ42が被走査付近に配置されているため第2の結像レンズを通過する光束も細い。このため2つの結像レンズ41、42の厚さを薄くすることができ、結像レンズ41、42の製造コストを下げることができる。
【0042】
(実施例6)
図20は本実施例の断面の模式図を示し、(a)が主走査断面を(b)が光軸に沿って展開した副走査断面を示す。本実施例では同形状の2枚の回転レンズ鏡3が回転軸に対して回転対称で反射面S2どうしが背中合わせに接触するように配置されており、回転レンズ鏡3は入射面S1、射出面S3ともにトーリック面である。回転レンズ鏡3の他、第1の結像レンズ41と像面付近に第2の結像レンズ42を設けた構成である。本実施例の代表的な設計例の光学諸元を以下に示す。
【0043】
図21はこの設計例の収差図である。
【0044】
本実施例では、像面付近に第2の結像レンズ42を設けることで、結像レンズが1枚だけの場合と比較して、第1と第2の結像レンズを合成した光学倍率を小さくすることができ、式(1)から面倒れ補正効果を高めることができる。さらに第2の結像レンズ42をトーリックレンズにすることで図21に示すように像面湾曲量を±1.4mm以内に、直線走査性を0.7%以下と小さくすることができ高精度な光走査装置を構成することができる。
【0045】
以上の実施例は、回転レンズ鏡が2枚の構成で説明したが、図22に示すように回転レンズ鏡3を3枚以上用いて回転軸Oに対して回転対称な位置に配置し、走査効率をさらに高めることも可能である。また、回転レンズ鏡1枚でも構成することができ、回転レンズ鏡の駆動モータに回転不良がある場合等、走査ピッチむらを低減させる効果がある。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば複数の回転レンズ鏡を用いた光走査装置において、光学素子の副走査方向のパワーが負で、射出屈折面の副走査方向の面形状が凹であり、入射屈折面の主走査方向の面形状が凹あるいは平面であり、その光学素子と被走査面の間に結像レンズが配置されているようにするか、光学素子の副走査方向のパワーが正で、入射屈折面の副走査方向の面形状が凸で、射出屈折面の副走査方向の面形状が凹であり、入射屈折面の主走査方向の面形状が凹あるいは平面であり、回転レンズ鏡と被走査面の間に配置される結像レンズを2枚で構成することで、走査効率を高め走査ピッチむらを低減した小型低価格で高精度な光走差装置を構成することができるという効果を有する。さらに、本発明の光走査装置を用いたレーザプリンタ、デジタル複写機、ファクシミリ、レーザ走査ディスプレイ等の画像形成装置に対しても装置の小型低価格化に大きく寄与することは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の走査光学系の構成を示す主走査断面図。
【図2】 回転レンズ鏡の座標系を示す斜視図。
【図3】 回転レンズ鏡の面倒れを示す副走査断面図。
【図4】 回転レンズ鏡が回転した場合の面倒れを示す主走査および副走査断面図。
【図5】 本発明の第1の面倒れ補正方法を示す回転レンズ鏡の副走査断面図。
【図6】 本発明の第2の面倒れ補正方法を示す回転レンズ鏡の副走査断面図。
【図7】 面倒れ補正率が変化した場合の印字シミュレーション結果を示す図。
【図8】 本発明の第1の実施例を示す主走査および副走査断面の模式図。
【図9】 本発明の第1の実施例の光走査装置の斜視図。
【図10】 本発明の第1の実施例の収差図。
【図11】 本発明の第2の実施例を示す主走査および副走査断面の模式図。
【図12】 本発明の第2の実施例の光走査装置の斜視図。
【図13】 本発明の第2の実施例の収差図。
【図14】 本発明の第3の実施例を示す主走査および副走査断面の模式図。
【図15】 本発明の第3の実施例の収差図。
【図16】 本発明の第4の実施例を示す主走査および副走査断面の模式図。
【図17】 本発明の第4の実施例の収差図。
【図18】 本発明の第5の実施例を示す主走査および副走査断面の模式図。
【図19】 本発明の第5の実施例の収差図。
【図20】 本発明の第6の実施例を示す主走査および副走査断面の模式図。
【図21】 本発明の第6の実施例の収差図。
【図22】 回転レンズ鏡を複数用いた場合の主走査断面図。
【図23】 従来の回転多面鏡を用いた光走査装置の面倒れ補正を示す副走査断面図。
【符号の説明】
1 光源
2 コリメータレンズ
3 回転レンズ鏡
4 結像レンズ
5 被走査面
S1 入射面
S2 反射面
S3 射出面
Claims (2)
- 入射屈折面と平面反射面と射出屈折面とを有する複数の光学素子を回転させることによって光束を偏向走査する光走査装置において、
前記光学素子の副走査方向のパワーが負で、
前記射出屈折面の副走査方向の面形状が凹であり、
前記入射屈折面の主走査方向の面形状が凹あるいは平面であり、
前記光学素子と被走査面の間に結像レンズが配置されていることを特徴とする光走査装置。 - 入射屈折面と平面反射面と射出屈折面とを有する複数の光学素子を回転させることによって光束を偏向走査する光走査装置において、
前記光学素子の副走査方向のパワーが正で、
前記入射屈折面の副走査方向の面形状が凸で、前記射出屈折面の副走査方向の面形状が凹であり、
前記入射屈折面の主走査方向の面形状が凹あるいは平面であり、
前記光学素子と被走査面の間に配置される結像レンズが2枚で構成されていることを特徴とする光走査装置。
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