JP3986716B2 - 走査レンズ及びこれを用いた走査光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、屈折レンズと回折面とを組み合わせることにより倍率色収差を補正した走査レンズ、および、この走査レンズを用いた走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の走査光学系は、例えば特開平１０−１９７８２０号公報に開示されている。この公報に開示される走査光学系は、光源から発した光束をポリゴンミラーにより偏向させ、ｆθレンズを介して感光体ドラム等の走査対象面上に結像させることにより、この面上に主走査方向に走査するビームスポットを形成する。ｆθレンズの一面には、ｆθレンズの屈折レンズとしての分散に起因する主走査方向の倍率色収差を補正するため、ｆθレンズの光軸を中心とする回転対称な輪帯状のパターンの一部として回折レンズ構造が形成されている。
【０００３】
この明細書では、上記のように走査対象面上でビームスポットが走査する方向を主走査方向、走査対象面上で主走査方向に直交する方向を副走査方向と定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、走査対象面上での方向を基準に説明することとする。また、ポリゴンミラーにより反射、偏向された光束が含まれる平面を主走査平面と定義する。
【０００４】
上記公報に開示される走査光学系では、光源からポリゴンミラーへの入射光が主走査平面内に含まれ、かつ、ｆθレンズの光軸とは異なる方向からポリゴンミラーに入射するように、光源、ポリゴンミラー、ｆθレンズ等の各光学素子が配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報に記載された構成では、倍率色収差の非対称成分が残存し、これをより小さいレベルに抑えることができないという問題がある。上記公報に開示されるように、光源からポリゴンミラーへの入射光が主走査平面内に含まれ、かつ、ｆθレンズの光軸とは異なる方向からポリゴンミラーに入射する場合には、偏向点(光源からの入射光束の中心軸とポリゴンミラーの反射面との交点)がポリゴンミラーの回転に伴ってｆθレンズの光軸方向、およびこれに直交する主走査方向の両方向に関して変位する。偏向点の変位は、走査対象面上での倍率色収差を変化させるが、上記の構成では偏向点の変位が光軸を境に非対称となるため、走査対象面上では倍率色収差が光軸に対して非対称に現れる。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、屈折レンズと回折レンズ構造とを組み合わせて倍率色収差を補正する構成において、走査対象面上に現れる倍率色収差の非対称成分を低減することができる走査レンズ、及びこの走査レンズを用いた走査光学系の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる書き込み用の走査光学系は、上記の目的を達成させるため、光源から発した光束を偏向器により偏向し、偏向された光束を走査レンズを介して走査対象面上に結像させる書き込み用の走査光学系であって、光源から発して偏向器に入射する光束は、その中心軸が偏向器により偏向される光束を含む主走査平面内にあり、かつ、走査レンズの光軸とは異なる方向から偏向器に入射し、走査レンズは、全体として正のパワーを持つ単一又は複数の屈折レンズと、この屈折レンズの少なくとも一面に形成された回折レンズ構造とを備え、この回折レンズ構造が、屈折レンズのパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有し、かつ、偏光器の回転による偏向点変化に起因する倍率色収差の非対称な変化を補正するように、屈折レンズの光軸に対し、主走査方向について非対称な光路差関数で定義され、回折レンズ構造を定義する光路差関数により求められる光路長付加量は、走査レンズの軸上から軸外に向けて単調に変化し、かつ、走査レンズの光軸を境として、偏向器から受光素子に向かう光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さいことを特徴とする。この光路差関数は、奇数次項を含む多項式で表される。
【０００８】
上記の構成により、偏向点変化による非対称な収差の変化を、回折レンズ構造の非対称性により相殺することができ、走査対象面上に現れる倍率色収差の非対称成分を抑えることが可能となる。
【００１０】
この発明にかかる読み取り用の走査光学系は、読み取り対象からの光を走査レンズを介して偏向器に入射させ、この偏向器で反射された光を受光素子により一点で受光する構成において、偏向器により偏向されて受光素子に入射する光束は、その中心軸が主走査平面内にあり、かつ、走査レンズの光軸とは異なる方向に沿って偏向器から受光素子に向かい、走査レンズは、全体として正のパワーを持つ単一又は複数の屈折レンズと、屈折レンズの少なくとも一面に形成された回折レンズ構造とを備え、回折レンズ構造は、屈折レンズのパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有し、かつ、前記偏光器の回転による偏向点変化に起因する倍率色収差の非対称な変化を補正するように、前記屈折レンズの光軸に対し、主走査方向について非対称な光路差関数で定義され、回折レンズ構造を定義する光路差関数により求められる光路長付加量は、前記走査レンズの軸上から軸外に向けて単調に変化し、かつ、走査レンズの光軸を境として、偏向器から受光素子に向かう光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さいことを特徴とする。なお、読み取り用の走査光学系では、主走査面は、偏向器により偏向される読み取り方向(受光素子の中心から偏向器で反射されて走査対象面に向かう直線の方向)を含む平面として定義される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる走査レンズを用いた走査光学系の実施形態を説明する。実施形態の走査光学系は、レーザープリンター等の走査光学装置に適用される書き込み用の走査光学系である。図１は、実施形態にかかる走査光学系の主走査平面内での説明図、図２はその副走査方向の説明図である。
【００１２】
半導体レーザー等の光源１から発してコリメートレンズ２により平行光束とされたレーザー光は、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカルレンズ３を介して回転軸４ａ回りに回転駆動されるポリゴンミラー(偏向器)４に入射し、ポリゴンミラー４で動的に偏向されて走査レンズである３枚構成のｆθレンズ２０を介して走査対象面５上に結像する。
【００１３】
マルチビームの装置として用いる場合には、光源１として多点発光半導体レーザーを用いることができ、あるいは複数の半導体レーザーからの光束をビームスプリッター等の光束合成素子により合成して用いることができる。この場合、複数の発光部、あるいは複数の発光素子は、走査対象面上に形成されるスポットが、副走査方向に所定距離離れるように、すなわち、一回の走査で複数の走査線が形成されるように配置される。
【００１４】
シリンドリカルレンズ３は、光源１から発する光束をポリゴンミラー４のミラー面の近傍で線状に結像させるために副走査方向に正のパワーを有する。ｆθレンズ２０は、副走査方向においてミラー面近傍で線状に結像された光束を像面上にほぼ円形のスポットとして再結像させる。このようにミラー面と像面とを副走査方向においてほぼ共役とすることにより、ポリゴンミラー４の面倒れ誤差による走査線ズレを低減させることができる。
【００１５】
ｆθレンズ２０は、ポリゴンミラー４側から走査対象面５側に向けて順に、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つメニスカス形状の第１レンズ２１と、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つ平凸の第２レンズ２２と、ほぼ副走査方向にのみ正のパワーを有する長尺の第３レンズ２３とが配列して構成される。第１レンズ２１と第２レンズ２２とは、ポリゴンミラー４の近くに配置され、第３レンズ２３は走査対象面５の近くに配置されている。
【００１６】
第１レンズ２１のポリゴンミラー側のレンズ面２１ａは回折面であり、その形状は、屈折レンズ面としての巨視的なベースカーブと、その上に形成された回折レンズ構造が持つべき光路長の連続的な付加量との２つの要素に分けて考えることができる。回折面２１ａのベースカーブは、主走査平面内に位置する非円弧曲線を副走査方向の直線に沿って移動させた軌跡として定義される回転非対称な非球面である。回折レンズ構造は、ｆθレンズ２０の屈折レンズ部分での倍率色収差を補正する作用を有するフレネルレンズ状に形成された複数の段差を有する。
【００１７】
回折面２１ａの回折レンズ構造は、主走査方向について非対称な、奇数次項を含む光路差関数で定義される。また、光路差関数は、ｆθレンズ２０の光軸を境として、光源から偏向器への入射光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さく設定されている。実施形態の走査光学系においては、半導体レーザー１からポリゴンミラー４への入射光が主走査平面内に含まれ、かつ、ｆθレンズ２０の光軸とは異なる方向からポリゴンミラー４に入射する。したがって、偏向点変化が光軸に対して非対称に現れる。そこで、回折レンズ構造に、上記のような非対称性を持たせることにより、この非対称な偏向点変化による非対称な収差の変化を相殺することができ、走査対象面上に現れる倍率色収差の非対称成分を抑えることが可能となる。
【００１８】
第１レンズ２１の走査対象面側のレンズ面２１ｂは、回転対称な非球面である。第２レンズ２２は、ポリゴンミラー側のレンズ面２２ａが平面、走査対象面側のレンズ面２２ｂが凸の球面である。第３レンズ２３のポリゴンミラー側のレンズ面２３ａは、主走査方向の断面が非円弧曲線であり、副走査方向の曲率が主走査方向の形状とは独立して与えられる変形トーリック面である。また、第３レンズ２３の走査対象面側の面２３ｂは、凸の球面である。
【００１９】
以下の表１は、実施形態の走査光学系のシリンドリカルレンズ３より走査対象面５側の具体的な数値構成を示す。表中の記号ｒyは主走査方向の曲率半径、ｒzは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略)、ｄは面間の光軸上の距離、ｎは設計波長780nmでの各レンズの屈折率である。表中、第１、第２面がシリンドリカルレンズ３、第３面がポリゴンミラー４のミラー面、第４面、第５面がｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第６面、第７面が第２レンズ２２、第８面、第９面が第３レンズ２３を示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
第１レンズ２１のポリゴンミラー側の回折面２１ａ(面番号４) のベースカーブを規定する主走査平面内の非円弧曲線は、光軸からの主走査方向の距離がＹとなる非円弧曲線上の座標点における非円弧曲線の光軸上での接線からの距離(サグ量)をＸ(Y)、非円弧曲線の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次の非球面係数をＡm4，Ａm6，Ａm8，Ａm10として、以下の式(1)で表される。
Ｘ(Y)＝ＣＹ2/(１+√(１-(１+Ｋ)Ｃ2Ｙ2))+Ａm4Ｙ4+Ａm6Ｙ6+Ａm8Ｙ8+Ａm10Ｙ10…(1)
【００２２】
また、第１レンズ２１の走査対象面側の回転対称非球面２１ｂ(面番号５)は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次の非球面係数をＡ4，Ａ6，Ａ8，Ａ10として、以下の式(2)で表される。
【００２３】
Ｘ(h)＝Ｃｈ2/(１+√(１-(１+Ｋ)Ｃ2ｈ2))+Ａ4ｈ4+Ａ6ｈ6+Ａ8ｈ8+Ａ10ｈ10…(2)
【００２４】
さらに、第３レンズ２３のポリゴンミラー側の変形トーリック面２３ａ(面番号８)は、主走査平面内の形状が上記の式(1)で定義されると共に、副走査方向の形状は、光軸からの主走査方向の距離がＹとなる位置での曲率をCz(Y)、光軸上での副走査方向の曲率をCz0、１次〜６次の曲率係数をAS1〜AS6として、以下の式(3)により定義される。
Cz(Y)＝Cz0＋AS1 y＋AS2y2＋AS3 y3＋AS4 y4＋AS5 y5＋AS6 y6…(3)
【００２５】
なお、表１における各非球面、変形トーリック面の曲率半径は、それぞれの光学素子の光軸上の曲率半径であり、各面の円錐係数、非球面係数、曲率係数は表２に示される。
【００２６】
【表２】
【００２７】
第１レンズ２１の回折面２１ａに形成された回折レンズ構造は、光軸からの主走査方向の距離Ｙの座標点における回折レンズ構造が持つべき光路長付加量をΔφ(h)、ｎ次の光路差関数係数をPnとして、以下の光路差関数(4)により定義される。
Δφ(Y)＝P2Y2＋P3Y3＋P4Y4＋P5Y5＋P6Y6＋P7Y7＋P8Y8＋P9Y9＋P10Y10…(4)
【００２８】
光軸に対して非対称な成分を持たせるため、奇数次項を含む多項式により定義される。実施形態における光路差関数係数の数値は以下の表３に示されるとおりである。
【００２９】
【表３】
【００３０】
表４は、上記の光路差関数係数により与えられる回折面２１ａ上での光軸からの主走査方向の距離Ｙの座標点における光路長付加量Δφ(Y)と、光路長付加量に含まれる対象成分、非対称成分とを示す。主走査方向の距離Ｙの符号は、マイナス側がｆθレンズ２０の光軸を境としてポリゴンミラー４への光束が入射する側、プラスがその反対側を示している。表４に示されるように、マイナス側における光路長付加量の絶対値が、プラス側の絶対値より小さくなるよう設定されている。図３は、表３に示された主走査方向の距離Ｙと光路長付加量Δφ(Y)との関係を示すグラフである。
【００３１】
【表４】
【００３２】
実際の回折レンズ構造は、光路長付加量の変化が波長の整数倍となる位置で付加量を所定の初期値にするように定められ、したがって、実際の回折面は、フレネルレンズのように境界毎に光軸方向の段差を持つ多数の帯状構造を備えることとなる。この段差の高さは、利用する回折光の次数と波長とに応じて決定される。
【００３３】
回折レンズは、色収差補正効果に着目すると、負のアッベ数を持つ屈折レンズと等価に考えることができ、屈折レンズと組み合わせることにより色収差を補正することができる。回折レンズは、屈折レンズ用のレンズ材料が持ち得る範囲外の大きな分散を持つため、レンズとしてのパワーが極めて低い場合にも十分な色収差補正効果を持たせることができる。また、光路差関数が主走査方向について光軸に対して非対称であるため、偏向点の非対称な変化による走査対象面５上での倍率色収差の非対称性を低減することができる。
【００３４】
図４(Ａ)は、回折面に表４の対称成分のみが与えられた走査光学系の倍率色収差を示し、図４(Ｂ)は、回折面に非対称成分が与えられた実施形態の走査光学系の倍率色収差を示す。ここでは、基準波長である７８０ｎｍのレーザー光による走査位置に対する７６５ｎｍのレーザー光の走査位置の差を示している。横軸は収差量を示し、縦軸は像高、すなわち光軸と交差する位置を基準にした主走査方向の距離を示し、単位はいずれもmmである。図４(Ａ)と図４(Ｂ)とを比較すると、主走査方向について非対称な光路差を与えることにより、偏向点変化による非対称成分を相殺して、倍率色収差の発生が極めて低いレベルに抑えられることがわかる。
【００３５】
なお、倍率色収差は上記の実施形態で示したような書き込み用の光学系のみでなく、白色光を照明光として用いるような読み取り用の走査光学系でも問題となる。実施形態のｆθレンズは、このような読み取り用の走査光学系にも適用することができる。読み取り光学系に適用する場合には、読み取り対象物からの光を走査レンズを介してポリゴンミラー等の偏光器に入射させ、この偏光器で反射された光をフォトダイオード等の受光素子により一点で受光するよう構成する。この構成において、走査レンズとして上述した実施形態と同様の回折レンズ構造を少なくとも一面に有するレンズを利用することにより、走査レンズの屈折レンズとしてのパワーにより発生する倍率色収差を補正することができる。
【００３６】
この場合、回折レンズ構造を定義する光路差関数は、走査レンズの光軸を境として、ポリゴンミラーから受光素子に向かう光束が通る側の光路長付加量の絶対値を、他方側の光路長付加量の絶対値より小さくすることにより、偏向点の非対称な変化による倍率色収差の非対称成分を低減することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、回折レンズ構造を定義する光路差関数を走査レンズの光軸に対して主走査方向について非対称にすることにより、偏向点変化が走査レンズの光軸を境に非対称となるような走査光学系においても、倍率色収差の非対称成分の発生を抑え、その値を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態にかかる走査光学系の主走査方向の説明図。
【図２】 図１の走査光学系の副走査方向の説明図。
【図３】 図１の走査レンズに形成された回折レンズ構造の光路差付加量と光軸からの距離との関係を示すグラフ。
【図４】 (Ａ)は回折面に対称成分のみが与えられた場合の倍率色収差を示すグラフ、(Ｂ)は回折レンズ構造に非対称成分が与えられた場合の倍率色収差を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 半導体レーザー
２ コリメートレンズ
３ シリンドリカルレンズ
４ ポリゴンミラー
２０ ｆθレレンズ
２１ａ レンズ面(回折面)
５ 走査対象面
【発明の属する技術分野】
この発明は、屈折レンズと回折面とを組み合わせることにより倍率色収差を補正した走査レンズ、および、この走査レンズを用いた走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の走査光学系は、例えば特開平１０−１９７８２０号公報に開示されている。この公報に開示される走査光学系は、光源から発した光束をポリゴンミラーにより偏向させ、ｆθレンズを介して感光体ドラム等の走査対象面上に結像させることにより、この面上に主走査方向に走査するビームスポットを形成する。ｆθレンズの一面には、ｆθレンズの屈折レンズとしての分散に起因する主走査方向の倍率色収差を補正するため、ｆθレンズの光軸を中心とする回転対称な輪帯状のパターンの一部として回折レンズ構造が形成されている。
【０００３】
この明細書では、上記のように走査対象面上でビームスポットが走査する方向を主走査方向、走査対象面上で主走査方向に直交する方向を副走査方向と定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、走査対象面上での方向を基準に説明することとする。また、ポリゴンミラーにより反射、偏向された光束が含まれる平面を主走査平面と定義する。
【０００４】
上記公報に開示される走査光学系では、光源からポリゴンミラーへの入射光が主走査平面内に含まれ、かつ、ｆθレンズの光軸とは異なる方向からポリゴンミラーに入射するように、光源、ポリゴンミラー、ｆθレンズ等の各光学素子が配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報に記載された構成では、倍率色収差の非対称成分が残存し、これをより小さいレベルに抑えることができないという問題がある。上記公報に開示されるように、光源からポリゴンミラーへの入射光が主走査平面内に含まれ、かつ、ｆθレンズの光軸とは異なる方向からポリゴンミラーに入射する場合には、偏向点(光源からの入射光束の中心軸とポリゴンミラーの反射面との交点)がポリゴンミラーの回転に伴ってｆθレンズの光軸方向、およびこれに直交する主走査方向の両方向に関して変位する。偏向点の変位は、走査対象面上での倍率色収差を変化させるが、上記の構成では偏向点の変位が光軸を境に非対称となるため、走査対象面上では倍率色収差が光軸に対して非対称に現れる。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、屈折レンズと回折レンズ構造とを組み合わせて倍率色収差を補正する構成において、走査対象面上に現れる倍率色収差の非対称成分を低減することができる走査レンズ、及びこの走査レンズを用いた走査光学系の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる書き込み用の走査光学系は、上記の目的を達成させるため、光源から発した光束を偏向器により偏向し、偏向された光束を走査レンズを介して走査対象面上に結像させる書き込み用の走査光学系であって、光源から発して偏向器に入射する光束は、その中心軸が偏向器により偏向される光束を含む主走査平面内にあり、かつ、走査レンズの光軸とは異なる方向から偏向器に入射し、走査レンズは、全体として正のパワーを持つ単一又は複数の屈折レンズと、この屈折レンズの少なくとも一面に形成された回折レンズ構造とを備え、この回折レンズ構造が、屈折レンズのパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有し、かつ、偏光器の回転による偏向点変化に起因する倍率色収差の非対称な変化を補正するように、屈折レンズの光軸に対し、主走査方向について非対称な光路差関数で定義され、回折レンズ構造を定義する光路差関数により求められる光路長付加量は、走査レンズの軸上から軸外に向けて単調に変化し、かつ、走査レンズの光軸を境として、偏向器から受光素子に向かう光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さいことを特徴とする。この光路差関数は、奇数次項を含む多項式で表される。
【０００８】
上記の構成により、偏向点変化による非対称な収差の変化を、回折レンズ構造の非対称性により相殺することができ、走査対象面上に現れる倍率色収差の非対称成分を抑えることが可能となる。
【００１０】
この発明にかかる読み取り用の走査光学系は、読み取り対象からの光を走査レンズを介して偏向器に入射させ、この偏向器で反射された光を受光素子により一点で受光する構成において、偏向器により偏向されて受光素子に入射する光束は、その中心軸が主走査平面内にあり、かつ、走査レンズの光軸とは異なる方向に沿って偏向器から受光素子に向かい、走査レンズは、全体として正のパワーを持つ単一又は複数の屈折レンズと、屈折レンズの少なくとも一面に形成された回折レンズ構造とを備え、回折レンズ構造は、屈折レンズのパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有し、かつ、前記偏光器の回転による偏向点変化に起因する倍率色収差の非対称な変化を補正するように、前記屈折レンズの光軸に対し、主走査方向について非対称な光路差関数で定義され、回折レンズ構造を定義する光路差関数により求められる光路長付加量は、前記走査レンズの軸上から軸外に向けて単調に変化し、かつ、走査レンズの光軸を境として、偏向器から受光素子に向かう光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さいことを特徴とする。なお、読み取り用の走査光学系では、主走査面は、偏向器により偏向される読み取り方向(受光素子の中心から偏向器で反射されて走査対象面に向かう直線の方向)を含む平面として定義される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる走査レンズを用いた走査光学系の実施形態を説明する。実施形態の走査光学系は、レーザープリンター等の走査光学装置に適用される書き込み用の走査光学系である。図１は、実施形態にかかる走査光学系の主走査平面内での説明図、図２はその副走査方向の説明図である。
【００１２】
半導体レーザー等の光源１から発してコリメートレンズ２により平行光束とされたレーザー光は、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカルレンズ３を介して回転軸４ａ回りに回転駆動されるポリゴンミラー(偏向器)４に入射し、ポリゴンミラー４で動的に偏向されて走査レンズである３枚構成のｆθレンズ２０を介して走査対象面５上に結像する。
【００１３】
マルチビームの装置として用いる場合には、光源１として多点発光半導体レーザーを用いることができ、あるいは複数の半導体レーザーからの光束をビームスプリッター等の光束合成素子により合成して用いることができる。この場合、複数の発光部、あるいは複数の発光素子は、走査対象面上に形成されるスポットが、副走査方向に所定距離離れるように、すなわち、一回の走査で複数の走査線が形成されるように配置される。
【００１４】
シリンドリカルレンズ３は、光源１から発する光束をポリゴンミラー４のミラー面の近傍で線状に結像させるために副走査方向に正のパワーを有する。ｆθレンズ２０は、副走査方向においてミラー面近傍で線状に結像された光束を像面上にほぼ円形のスポットとして再結像させる。このようにミラー面と像面とを副走査方向においてほぼ共役とすることにより、ポリゴンミラー４の面倒れ誤差による走査線ズレを低減させることができる。
【００１５】
ｆθレンズ２０は、ポリゴンミラー４側から走査対象面５側に向けて順に、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つメニスカス形状の第１レンズ２１と、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つ平凸の第２レンズ２２と、ほぼ副走査方向にのみ正のパワーを有する長尺の第３レンズ２３とが配列して構成される。第１レンズ２１と第２レンズ２２とは、ポリゴンミラー４の近くに配置され、第３レンズ２３は走査対象面５の近くに配置されている。
【００１６】
第１レンズ２１のポリゴンミラー側のレンズ面２１ａは回折面であり、その形状は、屈折レンズ面としての巨視的なベースカーブと、その上に形成された回折レンズ構造が持つべき光路長の連続的な付加量との２つの要素に分けて考えることができる。回折面２１ａのベースカーブは、主走査平面内に位置する非円弧曲線を副走査方向の直線に沿って移動させた軌跡として定義される回転非対称な非球面である。回折レンズ構造は、ｆθレンズ２０の屈折レンズ部分での倍率色収差を補正する作用を有するフレネルレンズ状に形成された複数の段差を有する。
【００１７】
回折面２１ａの回折レンズ構造は、主走査方向について非対称な、奇数次項を含む光路差関数で定義される。また、光路差関数は、ｆθレンズ２０の光軸を境として、光源から偏向器への入射光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さく設定されている。実施形態の走査光学系においては、半導体レーザー１からポリゴンミラー４への入射光が主走査平面内に含まれ、かつ、ｆθレンズ２０の光軸とは異なる方向からポリゴンミラー４に入射する。したがって、偏向点変化が光軸に対して非対称に現れる。そこで、回折レンズ構造に、上記のような非対称性を持たせることにより、この非対称な偏向点変化による非対称な収差の変化を相殺することができ、走査対象面上に現れる倍率色収差の非対称成分を抑えることが可能となる。
【００１８】
第１レンズ２１の走査対象面側のレンズ面２１ｂは、回転対称な非球面である。第２レンズ２２は、ポリゴンミラー側のレンズ面２２ａが平面、走査対象面側のレンズ面２２ｂが凸の球面である。第３レンズ２３のポリゴンミラー側のレンズ面２３ａは、主走査方向の断面が非円弧曲線であり、副走査方向の曲率が主走査方向の形状とは独立して与えられる変形トーリック面である。また、第３レンズ２３の走査対象面側の面２３ｂは、凸の球面である。
【００１９】
以下の表１は、実施形態の走査光学系のシリンドリカルレンズ３より走査対象面５側の具体的な数値構成を示す。表中の記号ｒyは主走査方向の曲率半径、ｒzは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略)、ｄは面間の光軸上の距離、ｎは設計波長780nmでの各レンズの屈折率である。表中、第１、第２面がシリンドリカルレンズ３、第３面がポリゴンミラー４のミラー面、第４面、第５面がｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第６面、第７面が第２レンズ２２、第８面、第９面が第３レンズ２３を示す。
【００２０】
【表１】
第１レンズ２１のポリゴンミラー側の回折面２１ａ(面番号４) のベースカーブを規定する主走査平面内の非円弧曲線は、光軸からの主走査方向の距離がＹとなる非円弧曲線上の座標点における非円弧曲線の光軸上での接線からの距離(サグ量)をＸ(Y)、非円弧曲線の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次の非球面係数をＡm4，Ａm6，Ａm8，Ａm10として、以下の式(1)で表される。
Ｘ(Y)＝ＣＹ2/(１+√(１-(１+Ｋ)Ｃ2Ｙ2))+Ａm4Ｙ4+Ａm6Ｙ6+Ａm8Ｙ8+Ａm10Ｙ10…(1)
【００２２】
また、第１レンズ２１の走査対象面側の回転対称非球面２１ｂ(面番号５)は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次の非球面係数をＡ4，Ａ6，Ａ8，Ａ10として、以下の式(2)で表される。
【００２３】
Ｘ(h)＝Ｃｈ2/(１+√(１-(１+Ｋ)Ｃ2ｈ2))+Ａ4ｈ4+Ａ6ｈ6+Ａ8ｈ8+Ａ10ｈ10…(2)
【００２４】
さらに、第３レンズ２３のポリゴンミラー側の変形トーリック面２３ａ(面番号８)は、主走査平面内の形状が上記の式(1)で定義されると共に、副走査方向の形状は、光軸からの主走査方向の距離がＹとなる位置での曲率をCz(Y)、光軸上での副走査方向の曲率をCz0、１次〜６次の曲率係数をAS1〜AS6として、以下の式(3)により定義される。
Cz(Y)＝Cz0＋AS1 y＋AS2y2＋AS3 y3＋AS4 y4＋AS5 y5＋AS6 y6…(3)
【００２５】
なお、表１における各非球面、変形トーリック面の曲率半径は、それぞれの光学素子の光軸上の曲率半径であり、各面の円錐係数、非球面係数、曲率係数は表２に示される。
【００２６】
【表２】
第１レンズ２１の回折面２１ａに形成された回折レンズ構造は、光軸からの主走査方向の距離Ｙの座標点における回折レンズ構造が持つべき光路長付加量をΔφ(h)、ｎ次の光路差関数係数をPnとして、以下の光路差関数(4)により定義される。
Δφ(Y)＝P2Y2＋P3Y3＋P4Y4＋P5Y5＋P6Y6＋P7Y7＋P8Y8＋P9Y9＋P10Y10…(4)
【００２８】
光軸に対して非対称な成分を持たせるため、奇数次項を含む多項式により定義される。実施形態における光路差関数係数の数値は以下の表３に示されるとおりである。
【００２９】
【表３】
表４は、上記の光路差関数係数により与えられる回折面２１ａ上での光軸からの主走査方向の距離Ｙの座標点における光路長付加量Δφ(Y)と、光路長付加量に含まれる対象成分、非対称成分とを示す。主走査方向の距離Ｙの符号は、マイナス側がｆθレンズ２０の光軸を境としてポリゴンミラー４への光束が入射する側、プラスがその反対側を示している。表４に示されるように、マイナス側における光路長付加量の絶対値が、プラス側の絶対値より小さくなるよう設定されている。図３は、表３に示された主走査方向の距離Ｙと光路長付加量Δφ(Y)との関係を示すグラフである。
【００３１】
【表４】
実際の回折レンズ構造は、光路長付加量の変化が波長の整数倍となる位置で付加量を所定の初期値にするように定められ、したがって、実際の回折面は、フレネルレンズのように境界毎に光軸方向の段差を持つ多数の帯状構造を備えることとなる。この段差の高さは、利用する回折光の次数と波長とに応じて決定される。
【００３３】
回折レンズは、色収差補正効果に着目すると、負のアッベ数を持つ屈折レンズと等価に考えることができ、屈折レンズと組み合わせることにより色収差を補正することができる。回折レンズは、屈折レンズ用のレンズ材料が持ち得る範囲外の大きな分散を持つため、レンズとしてのパワーが極めて低い場合にも十分な色収差補正効果を持たせることができる。また、光路差関数が主走査方向について光軸に対して非対称であるため、偏向点の非対称な変化による走査対象面５上での倍率色収差の非対称性を低減することができる。
【００３４】
図４(Ａ)は、回折面に表４の対称成分のみが与えられた走査光学系の倍率色収差を示し、図４(Ｂ)は、回折面に非対称成分が与えられた実施形態の走査光学系の倍率色収差を示す。ここでは、基準波長である７８０ｎｍのレーザー光による走査位置に対する７６５ｎｍのレーザー光の走査位置の差を示している。横軸は収差量を示し、縦軸は像高、すなわち光軸と交差する位置を基準にした主走査方向の距離を示し、単位はいずれもmmである。図４(Ａ)と図４(Ｂ)とを比較すると、主走査方向について非対称な光路差を与えることにより、偏向点変化による非対称成分を相殺して、倍率色収差の発生が極めて低いレベルに抑えられることがわかる。
【００３５】
なお、倍率色収差は上記の実施形態で示したような書き込み用の光学系のみでなく、白色光を照明光として用いるような読み取り用の走査光学系でも問題となる。実施形態のｆθレンズは、このような読み取り用の走査光学系にも適用することができる。読み取り光学系に適用する場合には、読み取り対象物からの光を走査レンズを介してポリゴンミラー等の偏光器に入射させ、この偏光器で反射された光をフォトダイオード等の受光素子により一点で受光するよう構成する。この構成において、走査レンズとして上述した実施形態と同様の回折レンズ構造を少なくとも一面に有するレンズを利用することにより、走査レンズの屈折レンズとしてのパワーにより発生する倍率色収差を補正することができる。
【００３６】
この場合、回折レンズ構造を定義する光路差関数は、走査レンズの光軸を境として、ポリゴンミラーから受光素子に向かう光束が通る側の光路長付加量の絶対値を、他方側の光路長付加量の絶対値より小さくすることにより、偏向点の非対称な変化による倍率色収差の非対称成分を低減することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、回折レンズ構造を定義する光路差関数を走査レンズの光軸に対して主走査方向について非対称にすることにより、偏向点変化が走査レンズの光軸を境に非対称となるような走査光学系においても、倍率色収差の非対称成分の発生を抑え、その値を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態にかかる走査光学系の主走査方向の説明図。
【図２】 図１の走査光学系の副走査方向の説明図。
【図３】 図１の走査レンズに形成された回折レンズ構造の光路差付加量と光軸からの距離との関係を示すグラフ。
【図４】 (Ａ)は回折面に対称成分のみが与えられた場合の倍率色収差を示すグラフ、(Ｂ)は回折レンズ構造に非対称成分が与えられた場合の倍率色収差を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 半導体レーザー
２ コリメートレンズ
３ シリンドリカルレンズ
４ ポリゴンミラー
２０ ｆθレレンズ
２１ａ レンズ面(回折面)
５ 走査対象面
Claims (5)
- 光源から発した光束を偏向器により偏向し、偏向された光束を走査レンズを介して走査対象面上に結像させる書き込み用の走査光学系であって、
前記光源から発して前記偏向器に入射する光束は、その中心軸が前記偏向器により偏向される光束を含む主走査平面内にあり、かつ、前記走査レンズの光軸とは異なる方向から前記偏向器に入射し、
前記走査レンズは、全体として正のパワーを持つ単一又は複数の屈折レンズと、該屈折レンズの少なくとも一面に形成された回折レンズ構造とを備え、
前記回折レンズ構造は、前記屈折レンズのパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有し、かつ、前記偏光器の回転による偏向点変化に起因する倍率色収差の非対称な変化を補正するように、前記屈折レンズの光軸に対し、主走査方向について非対称な光路差関数で定義され、前記回折レンズ構造を定義する光路差関数により求められる光路長付加量は、前記走査レンズの軸上から軸外に向けて単調に変化し、かつ、前記走査レンズの光軸を境として、前記光源から前記偏向器への入射光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さいことを特徴とする走査光学系。 - 前記光路差関数は、奇数次項を含む多項式で表されることを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。
- 読み取り対象からの光を走査レンズを介して偏向器に入射させ、該偏向器で反射された光を受光素子により一点で受光する読み取り用の走査光学系であって、
前記偏向器により偏向されて前記受光素子に入射する光束は、その中心軸が前記偏向器により偏向される読み取り方向を含む主走査平面内にあり、かつ、前記走査レンズの光軸とは異なる方向に沿って前記偏向器から前記受光素子に向かい、
前記走査レンズは、全体として正のパワーを持つ単一又は複数の屈折レンズと、該屈折レンズの少なくとも一面に形成された回折レンズ構造とを備え、
前記回折レンズ構造は、前記屈折レンズのパワーにより発生する倍率色収差を補正する作用を有し、かつ、前記偏光器の回転による偏向点変化に起因する倍率色収差の非対称な変化を補正するように、前記屈折レンズの光軸に対し、主走査方向について非対称な光路差関数で定義され、前記回折レンズ構造を定義する光路差関数により求められる光路長付加量は、前記走査レンズの軸上から軸外に向けて単調に変化し、かつ、前記走査レンズの光軸を境として、前記偏向器から前記受光素子に向かう反射光束が通る側の光路長付加量の絶対値が、他方側の光路長付加量の絶対値より小さいことを特徴とする走査光学系。 - 前記光路差関数は、奇数次項を含む多項式で表されることを特徴とする請求項３に記載の走査光学系。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の走査光学系に用いられることを特徴とする走査レンズ。
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