JP4608430B2 - 走査光学系、それを用いた走査光学装置および画像形成システム - Google Patents

Description

本発明は、走査光学系、それを用いた走査光学装置および画像形成システムに関する。例えば、１つの光偏向器に複数の光ビームを副走査方向から斜入射して走査を行う走査光学系、それを用いた走査光学装置および画像形成システムに関する。

従来、例えばタンデム方式のカラープリンタなどの画像形成システムに用いる走査光学系では、光偏向器に複数の光束を入射して、光偏向器で偏向し、第１レンズ光学系に入射し、第１レンズ光学系から出射した複数の光束をそれぞれ異なる第２レンズ光学系に導き、第１レンズ光学系と第２レンズ光学系とが構成する結像光学系により、異なる結像面上にスポット光を結像し、等速走査を行うようにした走査光学系が用いられている。
そして、例えば、光偏向器が単一で済み、コストが安くなるなどの理由で、光偏向器に入射する複数の光束を光偏向器の回転軸に直交する平面に対して斜め方向から入射させる方式、すなわち副走査方向から斜入射させる斜入射方式が採用される場合がある。
斜入射方式の走査光学系では、光偏向時に、走査線湾曲が発生すること、および、光偏向器付近で線状化されたビームが、回転した状態で、走査レンズに入射することに起因する、感光体上におけるスポット径劣化の問題があり、それらを、解決するために、種々走査光学系案が、提案されている。
例えば、特許文献１には、斜入射方式による２ビーム走査を行う走査光学装置およびレーザビームプリンタ装置（画像形成システム）であって、第１レンズ光学系としてシリンドリカルレンズを用い、第２レンズ光学系として母線を湾曲させた２段トーリックレンズまたは副走査方向のレンズ面が光軸に対して傾斜された２段トーリックレンズを採用した走査光学系が記載されている。このトーリックレンズは、主走査断面、副走査断面がそれぞれ異なる曲率を有する球面からなる回転非対称レンズである。
また、特許文献２には、斜入射して偏向された光の光路上に２つのレンズを配置し、それらのうち、少なくとも２面を、副走査断面形状のチルト量が主走査方向に変化する特殊チルト面がからなる走査結像光学系（走査光学系）、光走査装置（走査光学装置）および画像形成装置（画像形成システム）が記載されている。
また、特許文献３には、走査光学系として、前側レンズ群（第１レンズ光学系）と後側レンズ群（第２レンズ光学系）からなり、前側レンズ群が回転対称な非球面レンズから構成され、後側レンズ群が、光軸からの主走査方向座標をＹ、副走査方向座標をＺとしたときに、Ｙ、Ｚの多項式で表される回転非対称非球面を有し、後側レンズ群が、４つの斜入射ビームに対して偏芯配置されたものが記載されている。
特開平１０−７３７７８号公報（図１、２、５、１１） 特許第３４５３７３７号公報（図１、２） 特開２００３−５１１３号公報（図２、３、１４）

上記のような従来の走査光学系、それを用いた走査光学装置および画像形成システムでは、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、光偏向器で偏向された後、シリンドリカルレンズで副走査方向の集光を行うが、斜入射によるビームの傾斜角が補正されないので、トーリックレンズ上では走査軌跡が大きく湾曲し、それを補正するために、走査軌跡と略同様に母線が湾曲したトーリックレンズを偏芯配置する必要がある。そのため、副走査方向のトーリックレンズの有効レンズ面が大きくなってしまう。また、副走査方向に非対称な曲面となるため、同レンズの主走査方向形状が、中心光軸に対し、非対称である場合、上下２種類のトーリックレンズが必要となり、コスト高につながる。主走査方向の形状を中心光軸に対し対称にすれば、１種類で済むが、設計上の自由度が低くなるため、好ましくない。
特許文献２、３に記載の技術においても、同様な問題があり“特殊チルト面”や、“ＹとＺの多項式を含む非球面”を、タンデム方式光学系の被走査側レンズに適用した場合、同レンズの主走査方向形状を、中心光軸に対し対称にしない限り、２種類のトーリックレンズが必要となり、コスト上昇を招いてしまうという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、光偏向器および第１レンズ光学系への、いわゆる斜入射方式で複数のビーム走査を行う場合に、簡素かつ安価な構成とすることができる走査光学系、それを用いた走査光学装置および画像形成システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の走査光学系は、光源からの複数の光束を、光偏向器の回転軸に直交する面に斜め方向から前記光偏向器に入射して偏向し、前記複数の光束を第１レンズ光学系にそれぞれ副走査方向に斜入射し、該第１レンズ光学系から出射された複数の光束を、それぞれ配置位置が異なる複数の第２レンズ光学系にそれぞれ入射し、それぞれ異なる結像面に結像して複数のビーム走査を行う走査光学系であって、前記第１レンズ光学系が、少なくとも２面の自由曲面を有し、前記第１レンズ光学系と前記第２レンズ光学系との位置関係を、前記第１レンズ光学系から出射された光束が、前記複数の第２レンズ光学系の入射面および出射面においてレンズ面の中心基準位置を通り主走査方向に延びるレンズ中心線に跨る走査軌跡を描く位置関係とし、前記第２レンズ光学系は副走査方向の断面形状がレンズ光軸に対して対称である構成とする。
この発明によれば、主に、第１レンズ光学系における２つの自由曲面により、種々収差を補正しているため、副走査方向において、対称な形状を持つ第２レンズ光学系を用いても、光偏向に伴う走査線曲がりや、線状ビームの回転によるスポット径の劣化等を、十分補正することが可能となる。よって、第２レンズ光学系の主走査側形状を非対称にしたとしても、上下、共通のレンズで済む。また、第２レンズ光学系の入出射面における光線位置を、レンズ中心付近に近接させることができるため、同レンズ光学系の有効面を小さくすることが可能となり、生産性が向上する。

本明細書では、主走査方向および副走査方向を広義の意味、つまり被走査面上での方向に限らず、光軸に直交する断面の２方向を参照する場合にも用いることにする。すなわち、光路に沿って進んで像面に到達するときに、像面での主走査方向、副走査方向に対応する方向を、光路上のどの位置でもそれぞれ主走査方向、副走査方向と称する。

本発明の走査光学系、それを用いた走査光学装置および画像形成システムによれば、第１レンズ光学系が２面の自由曲面を備えることにより、各第２レンズ光学系上の光束の走査軌跡の位置および湾曲量を適宜設定して第２レンズ光学系のレンズ中心軸を跨る走査軌跡を描くようにするので、光学性能を良好に保ちつつ、各第２レンズ光学系の有効域を狭くすることができ、生産性を向上することができる。また、第２レンズ光学系の副走査側形状を対称にすることができるため、同レンズ光学系の主走査方向形状が非対称であっても、１種のレンズで済み、設計の自由度を向上する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

本発明の実施形態に係る走査光学系について、それを用いた走査光学装置および画像形成システムとともに説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る走査光学装置および画像形成システムの概略構成を模式的に示す通紙方向に沿う断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る走査光学系の光源部の概略構成を模式的に示す平面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る走査光学系の構成を説明するための主走査方向および副走査方向における模式的な概略光路図である。図４は、本発明の実施形態に係る走査光学系の主走査方向の光線図である。
なお、以下では、相対的な方向参照の便宜のために、図面に記載された共通の固定座標系であるξηζ右手直交座標系を用いる場合がある。この座標系は、ζ軸正方向が鉛直上向きで、ξη平面が水平面と一致されている。ここで、η軸負方向が画像形成システムの転写紙搬送方向に一致されている。光走査装置１の主走査方向は被走査面上でξ軸方向、副走査方向はη軸方向に沿っている。

本実施形態の光走査装置１は、図１、２に示すように、４つの光源からの光を１つの光偏向器で偏向して、４つの光ビームによりビーム走査を行うものである。以下では、画像形成装置５０と組み合わせて画像形成システム２００を構成している場合の例で説明する。画像形成システム２００は、例えば、４色フルカラー画像を形成するレーザプリンタ、デジタル複写機などに好適に用いることができるものである。

光走査装置１の概略構成は、図１〜３に示すように、ビーム光源５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、４つのシリンドリカルレンズ６、ポリゴンミラー８、ポリゴンモータ９、２つの第１レンズ１１、各２つの折り返しミラー２０、２１、４つの第２レンズ１２、各２つの折り返しミラー２２、２３、４つの保護ガラス１３およびそれらを一定の位置関係に固定して収める筐体１５とからなる。

ビーム光源５Ａは、適宜の収束性が調整され、主走査方向および副走査方向に適宜径を有するレーザ光３０Ａを発生するもので、一定波長の発散光を放射する半導体レーザ（以下ＬＤ）２Ａ、ＬＤ２Ａからの発散光を集光して一定の収束性を有するビーム光束を形成するコリメートレンズ３、像面上で主走査方向、副走査方向に適宜の結像スポット径を形成できるようにコリメートレンズ３から出射されるビーム光束のビーム形状を整形するアパーチャ４からなる。
レーザ光３０Ａの収束度合いは、走査光学系の設計条件に応じて収束光、平行光、発散光のいずれを採用してもよいが、本実施形態では収束光としており、後段の光学系がないと仮定した場合、シリンドリカルレンズ６の第１面６ａの位置から、収束位置までの距離は、４４８．１ｍｍである。
アパーチャ４は、遮光板上に適宜の大きさを有する楕円状、矩形状、長円状などの開口が形成された部材を採用することができる。開口の大きさは、像面で必要なスポット径の大きさと走査光学系の光学特性とに応じて適宜設定される。

ビーム光源５Ｂ、５Ｃ、５Ｄは、それぞれレーザ光３０Ａと同様なレーザ光３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを発生するもので、ビーム光源５ＡのＬＤ２Ａに代えて、それぞれＬＤ２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを備えるものである。
以下では、簡単のために、符号に添字Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがついた部材を総称する場合には、Ａ〜Ｄと表記する場合がある。例えば、ビーム光源５Ａ〜Ｄは、ビーム光源５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの意味である。

各シリンドリカルレンズ６は、各ビーム光源５Ａ〜Ｄから出射されたレーザ光３０Ａ〜Ｄを副走査方向のみに集光して、ポリゴンミラー８の２つの偏向面８ａ、８ｂ上に、それぞれ副走査方向に延びる線状に結像する光学素子である。
ポリゴンミラー８は、本実施形態では、図１、２に示すように、ζ軸方向に平行な６つの偏向面が正六角形をなし、ζ軸に沿う回転軸を有するポリゴンモータ９により一定方向に定速回転される回転多面鏡である。そのため、ξη平面に平行な面内から入射された光をξη平面に平行な面内で一定方向に偏向することができるようになっている。

本実施形態では、図２に示すように、ビーム光源５Ａ、５Ｂ、シリンドリカルレンズ６と、ビーム光源５Ｃ、５Ｄ、シリンドリカルレンズ６とが、ζ軸正方向から見て、それぞれポリゴンモータ９の回転軸に対してξ軸正方向側に配置され、さらにポリゴンモータ９の回転軸を含みζξ平面に平行な平面に関して、それぞれη軸負方向側、η軸正方向側の面対称な位置に配置されている。
そして、一方のシリンドリカルレンズ６から出射されたレーザ光３０Ａ、３０Ｂが、ポリゴンミラー８の偏向面８ａに、他方のシリンドリカルレンズ６から出射されたレーザ光３０Ｃ、３０Ｄが、偏向面８ｂに入射するように配置される。
また、レーザ光３０Ａ、３０Ｄはζ軸正方向側から、レーザ光３０Ｂ、３０Ｃはζ軸負方向側から、それぞれξη平面に対して傾斜角φ_１（図３（ｂ）参照）をなして入射される。すなわち、光軸を含む副走査方向断面において傾斜角φ_１で斜入射している。

各シリンドリカルレンズ６とビーム光源５Ａ〜Ｄとの間の光路上に配置された、ビームスプリッタ７、７は、ビーム光源５Ａ、５Ｂと、ビーム光源５Ｃ、５Ｄとを、傾斜角φ_１の小さい値に対しても干渉することなく配置することができるように、それぞれζ軸方向に重ならない位置に配置するための光路合成手段である。
ビームスプリッタ７は、レーザ光３０Ｂ、３０Ｃを透過し、レーザ光３０Ａ、３０Ｄを反射するビームスプリッタ特性を有している。
ビームスプリッタ７は、例えば、ハーフミラーやビームスプリッタプリズムなどを採用することができる。また、合成するレーザ光の偏光方向を互いに直交する方向に設定する場合には、偏光ビームスプリッタを採用してもよい。

第１レンズ１１は、第２レンズ１２とともに、走査レンズ系１０を構成し、ポリゴンミラー８で偏向されたレーザ光３０Ａ〜Ｄを被走査面１４（図３参照）で主走査方向、副走査方向でそれぞれ略一定のスポット径を有するスポット状に結像し、ポリゴンミラー８の等角速度回転にしたがって主走査方向に等速走査させるｆθ補正特性を分担して備えるものである。
また、走査レンズ系１０は、副走査方向断面で偏向面８ｂと各被走査面１４とを共役な関係としている。そのため、偏向面８ｂの面倒れ補正が行われるようになっている。

レーザ光３０Ａ、３０Ｂの光路は、配置の対称性から容易に理解されるので説明を省略し、以下、光路の折り畳みを展開してビームスプリッタ７、折り返しミラー２０、２１、２２、２３の図示を省略した図３（ａ）、（ｂ）を適宜参照してレーザ光３０Ｃ、３０Ｄの光路に沿って説明する。

第１レンズ１１は、本実施形態では、中心基準位置に対して副走査方向の位置座標の絶対値をＸ＝√（ｘ^２）、主走査方向の位置座標の絶対値をＹ＝√（ｙ^２）としたとき、ＸとＹとの多項式を含む数式で表現される回転非対称な非球面からなる自由曲面、第１面１１ａと第２面１１ｂとからなる単レンズである。中心基準位置は、主走査方向の走査中心である像高０を通りη軸に平行な光軸と一致されている。
例えば、次のような式（１）で表される自由曲面式を採用することができる。

ここで、総和記号のｍ、ｎは、０以上の整数で、Ａ_ｍｎは、非球面係数を示す。
また、レンズ面を表すｘｙｚ座標系は、レンズ面の中心基準位置に原点を有し、第１レンズ１１にあっては、φ_１＝０°でポリゴンミラー８に入射された光束の軸上主光線が進む方向を表す光学基準軸４１ａ（図３（ｂ）参照）上にｚ軸が設けられ、図２のξ軸負方向がｙ軸正方向、ζ軸正方向がｘ軸正方向となっている直交座標系である。
なお、図３（ａ）、（ｂ）は模式図のため、第１レンズ１１、第２レンズ１２の断面形状は、実際の形状とは関係のない形状に描いている。
第１レンズ１１の具体的な主走査方向の断面形状を、図４に示す。

図３（ｂ）に示すように、レーザ光３０Ｄは、第１レンズ１１の光軸から副走査方向にずれた部分を傾斜角φ_１で図示斜め下方向（図１のζ軸負方向）に透過し、集光されつつ光軸側に屈折される。同様に、レーザ光３０Ｃは、特に図示しないが、副走査方向の反対側にずれた部分を傾斜角各φ_１で斜め上方向に透過し、集光されつつ光軸側に屈折される。そのため、本実施形態では、第１面１１ａ、第２面１１ｂの副走査方向の断面形状は、レンズ光軸を通り主走査方向に延びる平面に対して面対称となっている。
ただし、第１面１１ａ、第２面１１ｂは、ＸとＹとの多項式なので、曲面の形状の自由度が向上し、例えば、レーザ光３０Ｃ、３０Ｄが光軸に対して副走査方向に異なる傾斜角で入射する場合、主走査、副走査方向に非対称な断面形状とすることもできる。またＸとＹとの積の項を含む場合、Ｘ、Ｙとの間に相関性を有するレンズ面を創生することができるから、レンズ面上を湾曲走査する光束に対して、効率的な屈折力を付与することができる。

また各主走査方向位置における副走査断面形状は、各光線透過位置において、第２レンズ１２の入射面である第１面１２ａ上での走査軌跡の湾曲量が低減されるように、像高に応じて変化する設定とされる。これは、第１面１１ａ、第２面１１ｂが、Ｘ、Ｙの多項式を含む数式で表現される自由曲面とすることで容易に実現される。

第２レンズ１２は、第１レンズ１１から出射したレーザ光３０Ｃを被走査面１４の側で集光する長尺の単レンズであり、第１面１２ａ、第２面１２ｂとも、副走査方向の断面形状がレンズ光軸に対して対称とされた、球面または曲率半径が主走査方向に連続的に変化する球面からなり、主走査方向には非球面が形成された、副走査方向に球面を含む非球面で構成される。
例えば、次のような式（２）で表される非球面式を採用することができる。

ここで、ｘ、ｙは、レンズ面の中心基準位置に対する副走査方向、主走査方向の位置座標であり、Ｘ＝√（ｘ^２）、Ｙ＝√（ｙ^２）である。総和記号のｍは、０以上の整数で、Ａ_ｍ、Ｂ_ｍは、非球面係数を示す。また、ＣＵＹ、ＣＵＸは、それぞれ主走査方向断面の、副走査方向断面の近軸曲率半径の逆数である。
また、レンズ面を表すｘｙｚ座標系は、レンズ面の中心基準位置に原点を有し、第２レンズ１２にあっては、第１レンズ１１の出射面である第２面１１ｂの中心基準位置からｚ軸正方向にｄ_５だけ移動し、ｘ軸負方向にＨだけ移動し、ｘ軸正方向からｚ軸正方向に向かって角度φ_２だけ回転した座標系として設定される。
第２レンズ１２の具体的な主走査方向の断面形状を、図４に示す。

折り返しミラー２０は、図１に示すように、第１レンズ１１を透過してζ軸正方向側に斜めに出射されるレーザ光３０Ｃをζ軸負方向かつη軸負方向側に偏向して、ηζ平面内で所定角度に光軸を傾斜させた第２レンズ１２に入射させる光路を形成するものである。
折り返しミラー２２は、第２レンズ１２を透過したレーザ光３０Ｃをζ軸正方向に偏向するものである。
折り返しミラー２１は、第１レンズ１１を透過してζ軸負方向側に斜めに出射されるレーザ光３０Ｄをζ軸負方向かつη軸負方向側に偏向して、ηζ平面内で所定角度に光軸を傾斜させた他の第２レンズ１２に入射させる光路を形成するものである。
折り返しミラー２３は、第２レンズ１２を透過したレーザ光３０Ｄをζ軸正方向に偏向するものである。

保護ガラス１３は、折り返しミラー２２、２３で偏向されたレーザ光３０Ｃ、３０Ｄを光走査装置１の外部に出射するために、筐体１５の開口部に設けられた防塵のための平板ガラスである。

なお、特に図示しないが、光走査装置１には、レーザ光３０Ａ〜Ｄの書き出し位置の同期信号を取得するための同期検知手段が設けられている。同期検知手段の構成および配置は、特に制限されず、必要に応じて周知の構成、配置を適宜採用することができる。また、ポリゴンモータ９の回転駆動制御、ＬＤ２Ａ〜Ｄの点灯制御を行う適宜の制御手段を備えている。

次に、画像形成装置５０の概略構成について説明する。
画像形成装置５０は、図１にその概略構成を示すように、光走査装置１の上方（ζ軸正方向側）に配置され、光走査装置１によりξ軸に略平行な線上に主走査されるレーザ光３０Ａ〜Ｄを、それぞれ露光に用いる電子写真方式のタンデム型の装置である。
すなわち、駆動ローラ５３で図示左右方向に駆動され、テンションローラ５４で張力を与えられた、転写紙（不図示）を搬送するための転写搬送ベルト５２上に、所定間隔をおいて軸方向を平行に揃えられた感光体ドラム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄが配置されている。そして、レーザ光３０Ａ〜Ｄの像面が被走査面である感光体ドラム５１Ａ〜Ｄの表面に設定されている。
特に図示しないが、各感光体ドラムの円周方向には、それぞれ、感光体ドラムを一様帯電させるための帯電器、露光後に形成される静電潜像の電位に応じて帯電トナーを付着させて静電潜像を可視化する現像器、可視化されたトナー像を転写搬送ベルト５２により搬送された転写紙上に転写する転写器、感光体ドラムを再使用するために残留トナーを除去するクリーナなど、電子写真に係る周知の構成要素がこの順に配置されている。
現像器は、例えば、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナーを含むものが、それぞれ感光体ドラム５１Ａ〜Ｄに対応して配置されている。現像方式は、特に限定されないが、例えば露光部分が現像される反転現像方式を採用することができる。
また、特に図示しないが、転写搬送ベルト５２の上下流には転写紙を給紙する給紙手段および転写紙に転写されたトナー像を転写紙上に熱定着する定着器が設けられている。

次に画像形成システム２００の動作について、本実施形態の走査光学系の作用を中心に説明する。画像形成装置５０の動作については、周知なので詳しい説明を省略する。
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る走査光学系の作用について説明するための第２レンズ光学系における光束の透過位置を表す模式図である。図６は、本発明の実施形態に係る走査光学系の走査線曲がりの一例を示すグラフである。横軸は走査角（単位は、度）、縦軸は湾曲量（単位は、ｍｍ）を示す。図７は、本発明の実施形態に係る走査光学系の像面のスポット径の一例を示すグラフである。横軸は走査角（単位は、度）、縦軸はスポット径（単位は、μｍ）を示す。

走査光学系の作用は、レーザ光３０Ａ〜Ｄのいずれの光路でも同様なので、以下では、レーザ光３０Ｄの位置関係にしたがって説明する。
まず、ＬＤ２Ｄが点灯されると、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、コリメートレンズ３により、収束性を調整され、例えば収束光として出射され、アパーチャ４により光学基準軸４０ａに直交する方向の断面形状が整形されたレーザ光３０Ｄが出射される。
レーザ光３０Ｄは、シリンドリカルレンズ６に入射して副走査方向に集光され、主走査方向には、コリメートレンズ３の集光作用に応じてわずかに集光される。そして、ビームスプリッタ７で反射されることで、光学基準軸４１ａに角度θ_１だけ傾斜するとともに、ξη平面に対してξ軸負方向にφ_１だけ傾斜した方向の軸上主光線４０ａに沿う方向から、偏向面８ｂに入射される。
偏向面８ｂ上では、シリンドリカルレンズ６の作用により副走査方向に延びる線状に結像され、ポリゴンミラー８の回転に応じて、主走査方向に等角速度で偏向されるとともに、副走査方向には斜入射の傾斜角φ_１に応じて斜め下方向（図１のζ軸負方向）に偏向走査される。

偏向面８ｂで偏向されたレーザ光３０Ｄは、副走査方向に斜め下方向に傾斜した光路に沿って進み、副走査方向に発散し、主走査方向に収束しつつ、第１レンズ１１の第１面１１ａに入射する。このとき、斜入射方式では、ポリゴンミラー８の回転に伴って、走査線湾曲が発生するため、第１レンズ１１および第２レンズ１２に対し、湾曲した状態の光線が、入射する。
本実施形態では、第１面１１ａ、第２面１１ｂの形状を式（１）の自由曲面により形成するので、レーザ光３０Ｄの入射位置に応じて屈折力を可変することにより、第２レンズ１２の第１面１２ａへの入射位置が、レンズ面の中心基準位置を通り主走査方向に延びるレンズ中心線４２（図５参照）を跨る走査軌跡を描くようにしている。
例えば、有効走査領域において正の最大像高、像高０、負の最大像高に向かう光線の走査位置を示すと、第１面１２ａでは、図５（ａ）のスポット４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、第２面１２ｂでは、図５（ｂ）のスポット４６ａ、４６ｂ、４６ｃのようになっている。スポット４５ｂは、レンズ中心線４２からｘ軸正方向にｈ_１の領域を透過し、スポット４５ａ、４５ｃは、レンズ中心線４２からｘ軸負方向に最大ｈ_２の領域を透過する。
また、同様に、スポット４６ｂは、レンズ中心線４２からｘ軸正方向にｈ_３の領域を透過し、スポット４６ａ、４６ｃは、レンズ中心線４２からｘ軸負方向に最大ｈ_４の領域を透過する。
そして、第２レンズ１２の集光作用を受けて、保護ガラス１３を透過して被走査面１４上に結像される。

このように、第２レンズ１２を透過するレーザ光３０Ｄが、第２レンズ１２にレンズ中心線４２を副走査方向に跨る走査軌跡を描くことで、軌跡全体が、レンズ中心に寄り、副走査方向における有効域を、小さくすることができる。ここで、ｈ_１とｈ_２と、およびｈ_３とｈ_４とは、それぞれ略同寸法とすることが好ましい。それにより、有効域を狭めることができる。
例えば、後述する数値実施例の条件では、ｈ_１＝ｈ_２＝１．５ｍｍ、ｈ_３＝１．６ｍｍ、ｈ_４＝１．４ｍｍに設定されている。そして、斜入射方式にもかかわらず、図６に示すように、走査線湾曲量が、±０．００１ｍｍ以下という、きわめて良好な性能を達成することができる。
また、図７の曲線３０１、３０２に示すように、主走査方向の像面スポット径、および副走査方向の像面スポット径も、例えば、約６３μｍ〜６６μｍと、各像高（走査角）にわたってバラツキの少ない状態で結像することができる。

一方、後述する従来技術の条件を用いた比較例の数値計算例では、図９に示すように、ｈ_１、ｈ_２、ｈ_３、ｈ_４にそれぞれ相当するｈ_１０、ｈ_２０、ｈ_３０、ｈ_４０が_、ｈ_１０＝０．１ｍｍ、ｈ_２０＝３．２ｍｍ、ｈ_３０＝０．１ｍｍ、ｈ_４０＝３．２ｍｍというように、レンズ中心面４２に対して偏芯しており、広い有効域が必要となる。また、図１０に示すように、走査線湾曲量も、は約−０．００９ｍｍ〜＋０．０１５ｍｍと、本実施形態と比べて、大きい。
主走査方向の像面スポット径、および副走査方向の像面スポット径は、図１１の曲線４０１、４０２に示すように、略同等性能である。

このように、本実施形態では、ポリゴンミラー８に副走査方向に斜入射することにより第１レンズ１１の軸外光として集光されるレーザ光３０Ａ〜Ｄを、位置座標の絶対値Ｘ、Ｙの多項式を含む自由曲面で屈折し、それぞれ第２レンズ１２にそのレンズ中心線４２を跨るように入射する光学系となっているので、走査線曲がりやスポット径性能を、十分補正しつつ、第１レンズ１１に比べて長尺となり、生産に高度な技術が必要とされる、第２レンズ１２の副走査方向有効域を小さく抑えることができる。また、各レーザ光３０Ａ〜Ｄに応じて４個必要となる第２レンズ１２の、主走査方向における非球面形状を非対称にしながらも、１種類のレンズで、構成可能となり、安価なタンデム走査光学系が、実現できる。

また、このような光走査装置１を用いた画像形成システム２００では、同様の作用効果を有するとともに、各レーザ光３０Ａ〜Ｄによる露光画像を重ね合わせたときに副走査方向のずれを低減できるので、例えばタンデム方式のカラー画像を形成する場合に色ずれなどの少ない良好な画質を得ることができるという利点がある。

なお、上記の実施形態では、第１レンズ光学系、第２レンズ光学系がそれぞれ単レンズの場合で説明したが、第１レンズ光学系の自由曲面が２面以上あれば、それぞれ複数のレンズからなるレンズ群により構成してもよい。

また、上記の第１レンズ光学系、第２光学レンズ光学系の自由曲面を表す式は、一例であって、第２レンズ光学系のレンズ中心線を跨る配置として、良好な収差補正を行うことができる自由曲面であれば、異なる表現の自由曲面式を採用してもよい。
また、上記の説明では、自由曲面式が、それぞれ、Ｘ＝√（ｘ^２）、Ｙ＝√（ｙ^２）の多項式からなる例で説明したが、必要に応じて、ｘ、ｙ、Ｘ、Ｙの少なくともいずれかの組み合わせの多項式を含む数式で表されていてもよい。
すなわち、前記少なくとも２面の自由曲面が、中心基準位置に対して副走査方向の位置座標をｘ、主走査方向の位置座標をｙとし、Ｘ＝√（ｘ^２）、Ｙ＝√（ｙ^２）とするとき、ｘ、ｙ、Ｘ、Ｙの少なくともいずれかの多項式を含む数式で表現される回転非対称な非球面からなる構成でもよい。

また、上記の説明では、走査光学系として、第１レンズ光学系に２つの光束を斜入射させた２ビーム走査を光偏向器の異なる２面で行うことで、４ビーム走査を行うようにした例で説明したが、第１レンズ光学系に２つ以上、例えば４つの光束を斜入射させて４ビーム走査を行うようにしてもよい。その場合、４つのビームの少なくとも２つの斜入射の傾斜角は異なるものとなるが、本発明によれば、第２レンズ光学系は、すべて共通のレンズ構成とすることができる。

ここで、上記実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
光走査装置１は走査光学装置の一実施形態である。ビーム光源５Ａ〜Ｄは、光源の一実施形態である。ポリゴンミラー８は、光偏向器の一実施形態である。第１レンズ１１、第２レンズ１２は、それぞれ第１レンズ光学系、第２レンズ光学系の一実施形態である。

次に、上記の実施形態の走査光学系（図４参照）の実施例である数値実施例について説明する。下記にこの光学系の光学条件を示す。

本実施例の座標系は、上記に説明したｘｙｚ座標系である。その座標系を用いて、第１レンズ１１の第１面１１ａ（ｓ４）、第２面１１ｂ（ｓ５）の回転非対称な非球面からなる自由曲面が式（１）で、第２レンズ１２の第１面１２ａ（ｓ６）、第２面１２ｂ（ｓ７）の回転非対称な非球面が式（２）で、それぞれ表される。
下表の面ｓ、間隔ｄ、屈折率ｎ（ｄ線における値）の番号は、図３、４にｓ_ｉ、ｄ_ｉ、ｎ_ｉ（ｉは、１以上の整数）で示されるものと対応する。記載なき屈折率は、ｎ＝１である。また添字ｘ、ｙは、ｘ軸方向（副走査方向）、ｙ軸方向（主走査方向）を意味する。
偏芯量、傾斜角は図３（ｂ）にそれぞれ、Ｈ、φ_２と記載したものである。また、図３（ｂ）に示すように、間隔ｄ_５は、光学基準軸４１ａ上の寸法を表している。
また、以下の単位は、特に記載がない場合、長さは（ｍｍ）、角度は（°）である。また、記載なき非球面係数の値は０である。

アパーチャ４の形状は、長径が主走査方向、短径が副走査方向に延ばされた楕円形状であり、長径×短径が５．３ｍｍ×１．３ｍｍである。
ポリゴンミラー８への入射角θ_１は、６０°、走査角θ_２は、７２．８°、ＬＤ２Ａ〜Ｄの波長は、７８８ｎｍ、感光体書き込み幅は、３０４ｍｍとした。
光束の収束性は、上記実施形態に記載した値に設定している。

面ｓ 曲率半径(x) 曲率半径(y) 間隔 屈折率 偏芯量 傾斜角
1 r_1x = 41.9 r_1y = ∞ d₁ = 3.00 n₁=1.511 0 0
2 r_2x = ∞ r_2y = ∞ d₂ = 67.86 0 0
3 r_3x = ∞ r_3y = ∞ d₃ = 49.68 0 0
4 自由曲面[1] d₄ = 10.00 n₂=1.525 0 0
5 自由曲面[2] d₅ = 71.00 0 0
6 非球面[1] d₆ = 10.00 n₃=1.525 2.7 2
7 非球面[2] d₇ = 17.00 0 0
8 r_8x = ∞ r_8y = ∞ d₈ = 1.90 n₄=1.511 0 0
9 r_9x = ∞ r_9y = ∞ d₉ =100.50 0 0
像面 ∞ ∞

非球面[1] (s6)
近軸曲率半径 1/CUX= 150.54 1/CUY= -152.63
k= 0.00
非球面係数（ｙ＞０）
Ａ₃ 1.48877x10^-4 Ａ₄ -2.24865x10^-6 Ａ₅ -1.19869x10^-9
Ａ₆ 4.01631x10^-10 Ａ₇ -4.11297x10^-12 Ａ₈ 1.39095x10^-14
非球面係数（ｙ≦０）
Ａ₃ 1.22529x10^-4 Ａ₄ -1.46136x10^-6 Ａ₅ -4.23228x10^-9
Ａ₆ 2.63752x10^-10 Ａ₇ -2.27234x10^-12 Ａ₈ 7.14276x10^-15
非球面[2] (s7)
近軸曲率半径 1/CUX= -42.33 1/CUY= -275.38
k= 0.00
非球面係数（ｙ＞０）
Ａ₃ 1.33436x10^-4 Ａ₄ -2.17572x10^-6 Ａ₅ -6.45045x10^-9
Ａ₆ 4.85544x10^-10 Ａ₇ -4.81268x10^-12 Ａ₈ 1.63420x10^-14
Ｂ₃ 6.23116x10^-7 Ｂ₄ -4.55498x10^-8 Ｂ₅ 7.40463x10^-10
Ｂ₆ -3.80739x10^-12
非球面係数（ｙ≦０）
Ａ₃ 1.04392x10^-4 Ａ₄ -1.39194x10^-6 Ａ₅ -1.04078x10^-8
Ａ₆ 4.00591x10^-10 Ａ₇ -3.69756x10^-12 Ａ₈ 1.26912x10^-14
Ｂ₃ 1.19352
x10^-6 Ｂ₄ -6.43712x10^-8 Ｂ₅ 9.73294x10^-10
Ｂ₆ -4.84314x10^-12

以上の光学条件によれば、上記実施形態に説明したように、走査線曲がり、像面スポット径が、それぞれ図６、７のようになる。

次に、比較例として、従来技術による走査光学系の数値計算例を示す。
図８は、従来技術に係る走査光学系の比較例における主走査方向の光線図である。図９（ａ）、（ｂ）は、従来技術に係る走査光学系の比較例の第２レンズ光学系における光束の透過位置を表す模式図である。図１０は、従来技術に係る走査光学系の比較例の走査線曲がりを示すグラフである。横軸は走査角（単位は、度）、縦軸は湾曲量（単位は、ｍｍ）を示す。図１１は、従来技術に係る走査光学系の比較例の像面のスポット径を示すグラフである。横軸は走査角（単位は、度）、縦軸はスポット径（単位は、μｍ）を示す。

比較例の走査光学系は、上記実施例のシリンドリカルレンズ６、第１レンズ１１、第２レンズ１２、保護ガラス１３に代えて、それぞれシリンドリカルレンズ６０、第１レンズ１１０、第２レンズ１２０、保護ガラス１３０を備える。第１レンズ１１０、第２レンズ１２０は、走査レンズ系１００を構成している。
第１レンズ１１０の第１面ｓ４、第２面ｓ５、第２レンズ１２の第１面ｓ６、第２面ｓ７は、それぞれ、式（２）で表される非球面を採用している。
下記に、本比較例の光学条件を示す。なお、各面ｓの位置関係は、図３（ａ）、（ｂ）の位置関係と同様である。また、特に断らない限り、各表の意味や単位は、上記実施例の場合と同様である。

アパーチャ４の形状、ポリゴンミラー８への入射角θ１、６０°、ＬＤ２Ａ〜Ｄの波長、感光体書き込み幅は、それぞれ上記実施例と同様である。ただし、走査角θ２は、７６°になっている。
光束の収束性は、上記数値実施例と同様に、収束光とし、後段の光学系がないと仮定した場合、シリンドリカルレンズ６０の第１面ｓ１から、収束位置までの距離は、４１５．６ｍｍである。

面ｓ 曲率半径(x) 曲率半径(y) 間隔 屈折率 偏芯量 傾斜角
1 r_1x = 42.5 r_1y = ∞ d₁ = 3.00 n₁=1.511 0 0
2 r_2x = ∞ r_2y = ∞ d₂ = 67.98 0 0
3 r_3x = ∞ r_3y = ∞ d₃ = 49.68 0 0
4 非球面[1] d₄ = 10.00 n₂=1.527 0 0
5 非球面[2] d₅ = 71.00 0 0
6 非球面[3] d₆ = 10.00 n₃=1.527 1.8 1
7 非球面[4] d₇ = 17.00 0 0
8 r_8x = ∞ r_8y = ∞ d₈ = 3.00 n₄=1.511 0 14
9 r_9x = ∞ r_9y = ∞ d₉ = 89.50 0 0
像面 ∞ ∞

非球面[1] (s4)
近軸曲率半径 1/CUX= 164.26 1/CUY= -140.13
k= 0.00
非球面係数（ｙ＞０）
Ａ₃ 4.73755x10^-5 Ａ₄ -2.40200x10^-7 Ａ₅ 4.66318x10^-8
Ａ₆ -5.21870x10^-10 Ａ₇ -4.05845x10^-13 Ａ₈ 6.01082x10^-15
非球面係数（ｙ≦０）
Ａ₃ 1.37707x10^-5 Ａ₄ 7.78383x10^-7 Ａ₅ 1.41738x10^-8
Ａ₆ -3.61476x10^-10 Ａ₇ -2.07187x10^-13 Ａ₈ 1.36999x10^-14
非球面[2] (s5)
近軸曲率半径 1/CUX=-738.40 1/CUY= -83.46
k= 0.00
非球面係数（ｙ＞０）
Ａ₃ 5.27362x10^-5 Ａ₄ -4.40245x10^-8 Ａ₅ 4.11717x10^-8
Ａ₆ -2.43258x10^-10 Ａ₇ -1.80503x10^-12 Ａ₈ -4.44786x10^-15
非球面係数（ｙ≦０）
Ａ₃ 2.05332x10^-5 Ａ₄ 9.74466x10^-7 Ａ₅ 1.26069x10^-8
Ａ₆ 9.74466x10^-7 Ａ₇ 8.75623x10^-13 Ａ₈ -1.86863x10^-14

非球面[3] (s6)
近軸曲率半径 1/CUX= 63.08 1/CUY= -166.24
k= 0.00
非球面係数（ｙ＞０）
Ａ₃ 9.88676x10^-5 Ａ₄ -8.25880x10^-7 Ａ₅ -3.27257x10^-9
Ａ₆ 2.47857x10^-11 Ａ₇ 7.15600x10^-13 Ａ₈ -2.30731x10^-15
Ａ₉ -1.16031x10^-17 Ａ₁₀ -1.30269x10^-19
非球面係数（ｙ≦０）
Ａ₃ 5.86214x10^-5 Ａ₄ 7.04998x10^-7 Ａ₅ -1.56633x10^-8
Ａ₆ -4.25811x10^-11 Ａ₇ 5.75476x10^-13 Ａ₈ 1.36618x10^-14
Ａ₉ -1.55905x10^-17 Ａ₁₀ -7.82859x10^-19
非球面[4] (s7)
近軸曲率半径 1/CUX= -66.56 1/CUY=-294.76
k= 0.00
非球面係数（ｙ＞０）
Ａ₃ 8.23503x10^-5 Ａ₄ -4.88945x10^-7 Ａ₅ -2.09299x10^-8
Ａ₆ 3.79620x10^-10 Ａ₇ -2.08587x10^-12 Ａ₈ -1.05333x10^-14
Ａ₉ 2.38604x10^-16 Ａ₁₀ -1.14234x10^-18
Ｂ₃ -2.67291x10^-6 Ｂ₄ -1.34418x10^-7 Ｂ₅ 6.40862x10^-9
Ｂ₆ -7.44915x10^-11 Ｂ₈ 3.60934x10^-15 Ｂ₁₀ -1.00153x10^-19
非球面係数（ｙ≦０）
Ａ₃ 5.36763x10^-5 Ａ₄ 1.22824x10^-7 Ａ₅ -7.64750x10^-9
Ａ₆ 2.29306x10^-12 Ａ₇ -1.17409x10^-12 Ａ₈ 2.01992x10^-14
Ａ₉ 4.33428x10^-17 Ａ₁₀ -1.06020x10^-18
Ｂ₃ -3.18931x10^-6 Ｂ₄ -1.83997x10^-8 Ｂ₅ 2.00116x10^-11
Ｂ₆ 6.72583x10^-11 Ｂ₇ -1.25700x10^-12 Ｂ₈ 4.20945x10^-15
Ｂ₉ 5.01618x10^-17 Ｂ₁₀ -2.92028x10^-19

以上の比較例の光学条件によれば、上記実施形態に説明したように、走査線曲がり、像面スポット径が、それぞれ図１０、１１のようになる。

本発明の実施形態に係る走査光学装置および画像形成システムの概略構成を模式的に示す通紙方向に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る走査光学系の光源部の概略構成を模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態に係る走査光学系の構成を説明するための主走査方向および副走査方向における模式的な概略光路図である。 本発明の実施形態に係る走査光学系の主走査方向の光線図である。 本発明の実施形態に係る走査光学系の作用について説明するための第２レンズ光学系における光束の透過位置を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る走査光学系の走査線曲がりの一例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る走査光学系の像面のスポット径の一例を示すグラフである。 従来技術に係る走査光学系の比較例における主走査方向の光線図である。 従来技術に係る走査光学系の比較例の第２レンズ光学系における光束の透過位置を表す模式図である。 従来技術に係る走査光学系の比較例の走査線曲がりを示すグラフである。 従来技術に係る走査光学系の比較例の像面のスポット径を示すグラフである。

符号の説明

１ 光走査装置
３ コリメートレンズ
４ アパーチャ
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ ビーム光源（光源）
６ シリンドリカルレンズ
８ ポリゴンミラー（光偏向器）
８ａ、８ｂ 偏向面
１０ 走査レンズ系
１１ 第１レンズ（第１レンズ光学系）
１１ａ、１２ａ 第１面
１１ｂ、１２ｂ 第２面
１２ 第２レンズ（第２レンズ光学系）
１４ 被走査面
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ レーザ光（光束）
５０ 画像形成装置
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ 感光体ドラム
２００ 画像形成システム

Claims (4)

1. 光源からの複数の光束を、光偏向器の回転軸に直交する面に斜め方向から前記光偏向器に入射して偏向し、前記複数の光束を第１レンズ光学系にそれぞれ副走査方向に斜入射し、該第１レンズ光学系から出射された複数の光束を、それぞれ配置位置が異なる複数の第２レンズ光学系にそれぞれ入射し、それぞれ異なる結像面に結像して複数のビーム走査を行う走査光学系であって、
   前記第１レンズ光学系が、少なくとも２面の自由曲面を有し、
   前記第１レンズ光学系と前記第２レンズ光学系との位置関係を、
   前記第１レンズ光学系から出射された光束が、前記複数の第２レンズ光学系の入射面および出射面においてレンズ面の中心基準位置を通り主走査方向に延びるレンズ中心線に跨る走査軌跡を描く位置関係とし、
   前記第２レンズ光学系は副走査方向の断面形状がレンズ光軸に対して対称であることを特徴とする走査光学系。
   
2. 前記少なくとも２面の自由曲面が、中心基準位置に対して副走査方向の位置座標をｘ、主走査方向の位置座標をｙとし、Ｘ＝√（ｘ^２）、Ｙ＝√（ｙ^２）とするとき、ｘ、ｙ、Ｘ、Ｙの少なくともいずれかの多項式を含む数式で表現される回転非対称な非球面からなることを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。
3. 請求項１または２に記載の走査光学系を備えることにより、複数のビーム走査を行う走査光学装置。
4. 請求項１または２に記載の走査光学系を備えることにより、複数のビーム走査を行うことで画像形成を行う画像形成システム。

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