JP4652506B2 - 走査光学装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、レーザービームプリンタやデジタル複写機等に用いられる走査光学装置に関し、特に、温度変化に伴うピント変化を低減して、高精細度の画像を出力させる走査光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、レーザービームプリンタやデジタル複写機等に用いられている走査光学装置は、光源から射出された光束を偏向手段で偏向し、前記偏向された光束を走査光学手段により被走査面である感光ドラム面上にスポット状に結像させ、前記被走査面上を光走査する。
【0003】
図17は、従来の走査光学装置の主走査方向断面図である。半導体レーザー等より成る光源手段11から射出した光束は、コリメータレンズ12によって略平行光束に変換される。変換された略平行光束は、開口絞り13によって最適なビーム形状に整形されシリンドリカルレンズ14に入射する。前記シリンドリカルレンズ14は副走査方向にのみパワーを有し、回転多面鏡等より成る偏向手段15の偏向面15a近傍に、主走査方向に長手の線状光束として結像する。ここで主走査方向とは偏向走査方向に平行な方向、副走査方向とは偏向走査方向に垂直な方向である。前記線状光束は偏向手段15により等角速度で反射偏向され、fθ特性を有するfθレンズ系より成る走査光学手段16により、被走査面18である感光ドラム等より成る記録媒体上にスポット形状として、等速度で結像走査される。
【0004】
近年、この種の走査光学装置における走査光学手段は低価格化及びコンパクト化の要求から、プラスチックレンズを使用したものが主流となっている。しかし、プラスチックレンズは温度変化に伴い屈折率が変化するため、プラスチックレンズを用いた走査光学装置では環境変動によるピント変化等が生じる。このようなピント変動を低減することは、たとえば、レンズ面上に回折光学素子を形成し、走査光学装置の温度変動に伴うピント変化を、前記走査光学手段の屈折部と回折部とのパワー変化と、前記光源である半導体レーザーの波長変動により補正することによって可能となる。
【0005】
図18は、従来の屈折部と回折部とを備えた走査光学装置の主走査方向の要部断面図(主走査断面図)である。
【0006】
図19は、この従来の屈折部と回折部とを備えた走査光学装置の副走査方向の要部断面図(副走査断面図)である。
【0007】
図18、図19において、半導体レーザー等より成る光源1から射出した光束は、コリメータレンズ2によって略平行光束に変換される。変換された略平行光束は、開口絞り3によって最適なビーム形状に整形されシリンドリカルレンズ4に入射する。前記シリンドリカルレンズ4は副走査方向にのみパワーを有し、回転多面鏡等より成る偏向手段5の偏向面5a近傍に、主走査方向に長手の線状光束として結像する。前記線状光束は偏向手段5により等角速度で反射偏向され、fθ特性を有する走査光学手段6により、被走査面8である感光ドラム等より成る記録媒体上にスポット形状として等速度で結像走査される。走査光学手段6の第2光学素子の被走査面側には回折光学素子Dが形成されており、走査光学装置の温度変動に伴う副走査方向のピント変化を、前記走査光学手段6の屈折部と回折部とのパワー変化と、前記光源である半導体レーザー1の波長変動により補正されるようにしている。
【0008】
図20は、この従来の屈折部と回折部とを備えた走査光学装置の具体例を示す表である。
【0009】
図21は、この従来の屈折部と回折部とを備えた走査光学装置の走査光学手段の非球面係数及び位相係数を示す表である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の屈折部と回折部とでピント変化等を補正する走査光学装置では、像面湾曲の温度変化が十分小さいとはいえない。
【0011】
図22は、昇温前後における副走査方向像面湾曲を示している。同図において点線は常温での像面湾曲、実線は25℃昇温した時の像面湾曲を表わしている。図に示したグラフから分かる通り、副走査方向像面湾曲が昇温により増加している。
【0012】
又、走査光学手段6の副走査方向における横倍率|β|は約3.7倍の高倍率になっている。このため、走査光学装置を構成する各光学部品の位置精度を厳しく抑える必要があり、コスト高の要因となる。
【0013】
また近年高速化の要求から複数の光束を用いて走査する光学装置が考えられている。しかし副走査方向の倍率が像高ごとにばらついていると、被走査面上における複数の走査線の間隔にも誤差が生じ、良好な画像を得ることが出来なくなる。 図23は、各像高の副走査方向倍率比を表したグラフである。横軸に像高、縦軸に軸上の倍率に対する各像高の倍率比誤差を示す。同図より最軸外の倍率は、軸上に対し5%近く誤差が生じていることが分かる。
【0014】
そこで、本発明は、従来に比べて更に、走査光学手段の副走査方向倍率の低減を図り、高精細な印字、及び環境変動(温度変化)に強く、また複数光束の走査にも対応可能であるコンパクトな走査光学装置を提供することを課題としている。
【0015】
【課題を解決するための手段および作用】
上記課題を解決するために、半導体レーザと、前記半導体レーザより射出された光束を偏向走査する偏向手段と、前記偏向手段の偏向面にて偏向走査された光束を被走査面上に結像させる結像光学手段と、を有する走査光学装置であって、
前記結像光学手段は、前記半導体レーザ側から順に、主走査方向及び副走査方向ともに凸の屈折パワーからなるプラスチック製の第1の結像光学素子と、プラスチック製の第2の結像光学素子とから成り、
前記第2の結像光学素子は、入射面が副走査方向に凸の屈折パワーを備え、出射面が主走査方向及び副走査方向ともに凸の回折パワーを備えた光学素子であり、
前記第1の結像光学素子の出射面及び前記第2の結像光学素子の入射面の副走査方向の曲率半径を主走査方向において前記結像光学手段の光軸から離れるに従い連続的に変化させ、かつ、前記第2の結像光学素子の出射面の副走査方向の回折パワーを主走査方向において前記結像光学手段の光軸から離れるに従い連続的に変化させることで、前記結像光学手段の軸上の副走査方向の横倍率βに対する各像高の副走査方向の横倍率誤差が全像高にわたり1%以下となっており、かつ、
前記結像光学手段の軸上の副走査方向の横倍率βは、
1<|β|<3
を満足することを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0017】
[実施形態1]
図1は本発明の実施形態1の主走査方向の要部断面図(主走査断面図)である。
【0018】
図2は副走査方向の要部断面図(副走査断面図)である。
【0019】
図1、図2において、1は例えば半導体レーザーより成る光源である。2はコリメータレンズであり、光源1から射出した発散光束を略平行光束に変換している。3は開口絞りであり、コリメータレンズ2から射出した光束を所望の最適なビーム形状に整形している。4はシリンドリカルレンズであり、副走査方向にのみ所定のパワーを有し、開口絞り3から射出した光束を後述する偏向手段5の偏向面5a上付近に副走査断面内において結像(主走査断面においては長手の線像)する。5は例えば回転多面鏡より成る偏向手段であり、図示しないモーター等の駆動手段により図中矢印A方向に一定速度で回転している。
【0020】
6はfθ特性を有するfθレンズ系6a,6bより成る走査光学手段である。第1光学素子6aは、主走査方向、副走査方向ともに凸の異なるパワーを有するアナモフィックレンズであり、第1面、第2面ともにトーリック面で構成されている。主走査方向は第2面が非球面形状である。第2光学素子6bは、第1面が副走査方向に凸のパワーを有するシリンドリカル面、第2面は平面C上に主走査方向、副走査方向ともに凸のパワーを有するように回折光学素子が形成されている。これらのfθレンズ系6a,6bは、ともにプラスチック材料で成形される。さらに本走査光学手段は、副走査方向において偏向面5aと被走査面7との間を共役関係にすることにより、倒れ補正機能を有している。
【0021】
半導体レーザー1より射出した発散光束は、コリメータレンズ2により略平行光束に変換され、開口絞り3によって所望のビーム形状に整形される。そして、前記光束はシリンドリカルレンズ4により偏向手段5の偏向面5a付近に、副走査方向に関して結像される。その後偏向面5aにより反射偏向された光束は、走査光学手段6により被走査面7(感光ドラム面)上にスポット形状に結像され、前記偏向手段5を矢印A方向に回転させることによって前記感光ドラム面7上を矢印B方向に等速度で光走査される。
【0022】
図3は、第1光学素子6aの形状を表す式である。
【0023】
図4は、第2光学素子6bの形状を表す式である。
【0024】
図3、図4に示す式においては、各光学素子面と光軸との交点を原点とし、光軸方向をX軸、主走査断面内において光軸に垂直な方向をY軸、副走査断面内において光軸に垂直な方向をZ軸としている。
【0025】
図5は、実施形態1における光学配置の具体例を示す表である。
【0026】
図6は、実施形態1の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表である。
【0027】
実施形態1では、第2光学素子の第1面を副走査方向に凸のパワーを有するシリンドリカル面にすることにより、副走査方向における第2光学素子の凸パワーを強め、走査光学手段6全系の副走査方向倍率の低減を図っている。走査光学手段6の副走査方向横倍率βについては、|β|=2.84であるので、
1<|β|<3 (1)
を満たしており、公差を緩和することが可能となる。
【0028】
条件式(1)の下限を越えると走査光学手段6の光学素子が被走査面側に近づき、光学素子及び走査光学装置全体が大型化して良くない。また、条件式(1)の上限を越えると走査光学手段6の副走査方向倍率が高くなり、公差が厳しくなるので良くない。
【0029】
実施形態1では回折系のパワーを、副走査方向に所望の凸パワーに設定している。回折系のパワーを所望の凸に設定することにより、走査光学手段6の環境変動によるレンズ材質の屈折率変化で生じるピント移動を、光源の波長変動に起因する回折パワーの変化によって補正することが可能となる。
【0030】
図7は、実施形態1における昇温前後の副走査方向の像面湾曲を示している。同図において、点線は常温での像面湾曲、実線は25℃昇温した時の像面湾曲を表している。ここで、25℃昇温した時の光学素子6a,6bの屈折率n* 、及び光源手段1の波長λ* はそれぞれ、
* =1.5221
λ* =786.4nm
とする。同図よりピント移動が良好に補正されていることが解る。
【0031】
実施形態1における回折格子形状は、鋸歯状のブレーズド格子であるが、階段状の回折格子から成るバイナリー回折格子でも良い。
【0032】
以上のことにより、本実施形態1において、走査光学手段の副走査方向倍率の低減による公差の緩和を可能とし、高精細な印字、及び環境変動(温度変化)に強いコンパクトな走査光学装置の提供が可能になる。
【0033】
[実施形態2]
図8は、実施形態2の副走査方向の要部断面図(副走査断面図)である。主走査方向に関しては本実施形態1と同一形状である。
【0034】
6はfθ特性を有するfθレンズ系6a,6bより成る走査光学手段である。第1光学素子6aは、主走査方向、副走査方向ともに凸の異なるパワーを有するアナモフィックレンズであり、第1面、第2面ともにトーリック面で構成されている。主走査方向は第2面が非球面形状である。第2光学素子6bは、第1面が平面であり、第2面は副走査方向に凸のパワーを有するシリンドリカル面で構成され、且つ前記シリンドリカル面C上に主走査方向、副走査方向ともに凸のパワーを有するように回折光学素子が形成されている。これらのfθレンズ系6a,6bは、ともにプラスチック材料で成形される。さらに本走査光学手段は、副走査方向において偏向面5aと被走査面7との間を共役関係にすることにより、倒れ補正機能を有している。
【0035】
図9は、実施形態2の光学配置の具体例を示す表である。
【0036】
図10は、実施形態2の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表である。
【0037】
実施形態2では、第2光学素子の第2面を副走査方向に凸のパワーを有するシリンドリカル面にすることにより、副走査方向における第2光学素子の凸パワーを強め、走査光学手段6全系の副走査方向倍率の低減を図っている。走査光学手段6の副走査方向横倍率βについては、|β|=2.78であるので、条件式(1)を満たしている。条件式(1)の下限を越えると走査光学手段6の光学素子が被走査面側に近づき、光学素子及び走査光学装置全体が大型化して良くない。また、条件式(1)の上限を越えると走査光学手段6の副走査方向倍率が高くなり、公差が厳しくなるので良くない。
【0038】
実施形態2では回折系のパワーを、副走査方向に所望の凸パワーに設定し、走査光学装置全系において温度補償効果を有している。
【0039】
図11は、実施形態2における昇温前後の副走査方向の像面湾曲を示している。同図において、点線は常温での像面湾曲、実線は25℃昇温した時の像面湾曲を表している。ここで、25℃昇温した時の光学素子26a,26bの屈折率n* 、及び光源手段1の波長λ* はそれぞれ、
* =1.5221
λ* =786.4nm
とする。同図よりピント移動が良好に補正されていることが解る。
【0040】
本実施形態2における回折格子形状は、鋸歯状のブレーズド格子であるが、階段状の回折格子から成るバイナリー回折格子でも良い。
【0041】
以上のことにより、実施形態2において、走査光学手段の副走査方向倍率の低減による公差の緩和を可能とし、高精細な印字、及び環境変動(温度変化)に強いコンパクトな走査光学装置の提供が可能になる。
【0042】
[実施形態3]
図12は、実施形態3の副走査方向の要部断面図(副走査断面図)である。主走査方向に関しては本実施形態1と同一形状である。
【0043】
6はfθ特性を有するfθレンズ系6a,6bより成る走査光学手段である。第1光学素子6aは、主走査方向、副走査方向ともに凸の異なるパワーを有するアナモフィックレンズであり、第1面、第2面ともにトーリック面で構成されている。また、第2面は主走査方向が非球面形状であり、副走査方向は曲率半径が光軸から離れるに従い連続的に変化している。第2光学素子6bは、第1面が副走査方向に凸のパワーを有するシリンドリカル面であり、曲率半径が光軸から離れるに従い連続的に変化している。第2面は平面C上に主走査方向、副走査方向ともに凸のパワーを有するように回折光学素子が形成されている。これらのfθレンズ系6a,6bは、ともにプラスチック材料で成形される。さらに本走査光学手段は、副走査方向において偏向面5aと被走査面7との間を共役関係にすることにより、倒れ補正機能を有している。
【0044】
図13は、実施形態3の光学配置の具体例を示す表である。
【0045】
図14は、実施形態3の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表である。
【0046】
実施形態3では、第2光学素子の第1面を副走査方向に凸のパワーを有するシリンドリカル面にすることにより、副走査方向における第2光学素子の凸パワーを強め、走査光学手段6全系の副走査方向倍率の低減を図っている。走査光学手段6の副走査方向横倍率βについては、|β|=2.54であるので、条件式(1)を満たしている。条件式(1)の下限を越えると走査光学手段6の光学素子が被走査面側に近づき、光学素子及び走査光学装置全体が大型化して良くない。また、条件式(1)の上限を越えると走査光学手段6の副走査方向倍率が高くなり、公差が厳しくなるので良くない。
【0047】
実施形態3では回折系のパワーを、副走査方向に所望の凸パワーに設定し、走査光学装置全系において温度補償効果を有している。
【0048】
図15は、実施形態3における昇温前後の副走査方向の像面湾曲を示している。同図において、点線は常温での像面湾曲、実線は25℃昇温した時の像面湾曲を表している。ここで、25℃昇温した時の光学素子6a,6bの屈折率n* 、及び光源手段1の波長λ* はそれぞれ、
* =1.5221
λ* =786.4nm
とする。同図よりピント移動が良好に補正されていることが解る。
【0049】
又、実施形態3では、第1光学素子第2面と第2光学素子第1面の副走査方向曲率半径を光軸から離れるに従い連続的に変化させている。このことにより、全像高において副走査方向の倍率をほぼ一定に補正し、複数の光束を走査する場合に生じる走査線間隔の誤差を良好なレベルに抑えることが可能になる。
【0050】
図16は、実施形態3における各像高の副走査方向倍率比を表したグラフである。横軸に像高、縦軸に軸上の倍率に対する各像高の倍率比誤差を示す。同図より、副走査方向倍率比誤差が全像高にわたり1%以下に補正されていることが分かる。
【0051】
実施形態3における回折格子形状は、鋸歯状のブレーズド格子であるが、階段状の回折格子から成るバイナリー回折格子でも良い。
【0052】
以上のことにより、本実施形態3において、走査光学手段の副走査方向倍率の低減を図っている。又、回折面を有する前記第2光学素子において、第1面をトーリック面等にすることにより主走査方向コマ収差を低減させたり、第2面を球面、トーリック面等にすることにより回折パワーを副走査方向に所望の凸パワーに設定している。
【0053】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、光源から射出された少なくとも1つの光束を偏向手段により偏向し、前記偏向手段により偏向された光束を走査光学手段により被走査面上にスポット状に結像させ、前記被走査面上を光走査する走査光学装置において、前記走査光学手段が主走査方向、副走査方向ともに異なるパワーを有するアナモフィックレンズより成る第1光学素子と、回折面を有する第2光学素子の2枚より構成され、前記第2光学素子は少なくとも1面副走査方向に屈折によるパワーを有することにより、走査光学手段の副走査方向倍率の低減を図り、高精細な印字、及び環境変動(温度変化)に強く、また複数光束の走査にも対応可能であるコンパクトな走査光学装置の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の走査光学装置の主走査方向断面図
【図2】実施形態1の走査光学装置の副走査方向断面図
【図3】実施形態1の走査光学装置の第1光学素子の形状を表す式
【図4】実施形態1の走査光学装置の第2光学素子の形状を表す式
【図5】実施形態1の走査光学装置の具体例を示す表
【図6】実施形態1の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表
【図7】実施形態1の走査光学装置の昇温前後の像面湾曲を示すグラフ
【図8】実施形態2の走査光学装置の副走査方向断面図
【図9】実施形態2の走査光学装置の具体例を示す表
【図10】実施形態2の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表
【図11】実施形態2の走査光学装置の昇温前後の像面湾曲を示すグラフ
【図12】実施形態3の走査光学装置の副走査方向断面図
【図13】実施形態3の走査光学装置の具体例を示す表
【図14】実施形態3の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表
【図15】実施形態3の走査光学装置の昇温前後の像面湾曲を示すグラフ
【図16】実施形態3の走査光学装置の各像高における副走査方向倍率比を示すグラフ
【図17】従来の走査光学装置の主走査方向断面図
【図18】屈折部と回折部とを備えた従来の走査光学装置の主走査方向断面図
【図19】屈折部と回折部とを備えた従来の走査光学装置の副走査方向断面図
【図20】屈折部と回折部とを備えた従来の走査光学装置の具体例を示す表
【図21】屈折部と回折部とを備えた従来の走査光学装置の屈折系の非球面係数及び回折系の位相係数を示す表
【図22】屈折部と回折部とを備えた従来の走査光学装置の昇温前後の像面湾曲を示すグラフ
【図23】屈折部と回折部とを備えた従来の走査光学装置の各像高における副走査方向倍率比を示すグラフ
【符号の説明】
1,11 光源手段(半導体レーザー)
2,12 コリメータレンズ
3,13 開口絞り
4,14 シリンドリカルレンズ
5,15 偏向手段(回転多面鏡)
5a,15a 偏向面
6,16 走査光学手段
6a 第1光学素子
6b 第2光学素子
C,D 回折格子面
7,18 被走査面(感光ドラム面)

Claims (2)

  1. 半導体レーザと、前記半導体レーザより射出された光束を偏向走査する偏向手段と、前記偏向手段の偏向面にて偏向走査された光束を被走査面上に結像させる結像光学手段と、を有する走査光学装置であって、
    前記結像光学手段は、前記半導体レーザ側から順に、主走査方向及び副走査方向ともに凸の屈折パワーからなるプラスチック製の第1の結像光学素子と、プラスチック製の第2の結像光学素子とから成り、
    前記第2の結像光学素子は、入射面が副走査方向に凸の屈折パワーを備え、出射面が主走査方向及び副走査方向ともに凸の回折パワーを備えた光学素子であり、
    前記第1の結像光学素子の出射面及び前記第2の結像光学素子の入射面の副走査方向の曲率半径主走査方向において前記結像光学手段の光軸から離れるに従い連続的に変化させ、かつ、前記第2の結像光学素子の出射面の副走査方向の回折パワー主走査方向において前記結像光学手段の光軸から離れるに従い連続的に変化させることで、前記結像光学手段の軸上の副走査方向の横倍率βに対する各像高の副走査方向の横倍率誤差が全像高にわたり1%以下となっており、かつ、
    前記結像光学手段の軸上の副走査方向の横倍率βは、
    1<|β|<3
    を満足することを特徴とする走査光学装置。
  2. 請求項1に記載の走査光学装置を有することを特徴とするレーザビームプリンタ。
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