JP4695901B2 - 走査光学装置及びそれを用いたカラー画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真プロセスを有するレーザービームプリンターやデジタル複写機、マルチファンクションプリンタ、等の画像形成装置に好適な走査光学装置に係り、特に、複数の光束を複数の被走査面に導光しカラー画像を形成するタンデム型カラー画像形成装置に適用される走査光学装置に関するものである。

従来よりレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）等の走査光学装置においては画像信号に応じて光源素子から光変調され出射した光束を、例えば、回転多面鏡（ポリゴンミラー）より成る光偏向器により周期的に偏向させ、ｆθ特性を有する結像光学素子によって感光性の記録媒体（感光ドラム）面上にスポット状に集束させ、その感光ドラム面上を光走査して画像記録を行っている。

図９は従来の走査光学装置の要部概略図である。

図９において光源手段１から出射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、絞り３によって該光束を制限して副走査方向にのみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ４に入射している。

シリンドリカルレンズ４に入射した略平行光束のうち主走査断面内においては略平行光束の状態で射出する。また、副走査断面内においては集束してポリゴンミラーから成る光偏向器５の偏向面（反射面）５ａにほぼ線像として結像している。

そして光偏向器５の偏向面５ａで偏向された光束をｆθ特性を有する結像光学素子６を介して被走査面としての感光ドラム面８上に導光し、光偏向器５を矢印Ａ方向に回転させることによって感光ドラム面８上を矢印Ｂ方向に光走査して画像情報の記録を行なっている。
特開平１１−２２３７８３号公報 特登録２７２５０６７号公報 特開２００１−２８１５７５号公報

近年、オフィスにおけるドキュメントのカラー化が進み、レーザビームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置においてもカラー画像を高速に出力できることが求められている。このような環境の下、カラー画像形成装置はその生産性の高さから走査光学装置や感光体、現像器を色相毎に用意しそれを並列に配置した所謂タンデム型カラー画像形成装置が主流となっている。

このタンデム型画像形成装置に用いる走査光学装置は、従来より様々な形態の装置が知られており、例えば、特許文献１に開示されている複数の走査光学装置を色相分（４個）並列に複数個配置したタイプ、特許文献２に開示されている色相（４色）に対応した複数の光束が光偏向器および光偏向器と感光ドラム面の間の光路に設けられた結像光学素子（ｆθレンズ）を共用したタイプ等が開示されている。

しかしながらこれらの走査光学装置は一部の結像光学素子（ｆθレンズ）を除き、色相の数に応じて結像光学素子（ｆθレンズ）を必要とし、特に、光偏向器と光源手段の間の光路に設けられた入射光学系においては、色相間での共用化が難しい為、同一の入射光学系を複数個用意せざるを得ない状況であった。

このためタンデム型画像形成装置に用いる走査光学装置は、従来例の図９に示した単一の走査光学装置に比べ構成が複雑でかつコストが高いという問題点があった。

また、特許文献３には色相毎の入射光学系を共用させた走査光学装置が開示されている。

しかしながら、特許文献３は、色相に対応した４本の光束の夫々の主光線が副走査断面内で光偏向器の回転軸と垂直な平面（主走査断面）に対して平行となるような光学系を取っているので、光偏向器の偏向面上で４本の光束を空間的に分離するために光偏向器が大型化する問題起こる。

つまり、色相に対応した４本の光束の夫々の主光線が副走査断面内で光偏向器の偏向面に対して垂直に入射するので、偏向面を大型化しないと、偏向面上で４本の光束の夫々の主光線の空間分離ができない問題起こる。

上記の従来例の問題を解決するために、本発明では、複数の発光部を備えたモノリシックマルチ半導体レーザと、前記複数の発光部から発光された複数の発散光束の夫々の光束を集光する第１の光学系と、前記第１の光学系で集光された複数の光束の全ての光束が通過する開口部を有する絞りと、前記絞りの開口部を通過した前記複数の光束の全ての光束を同一偏向面で偏向する光偏向器と、前記絞りと前記光偏向器の間の光路に配置され、前記光偏向器の同一偏向面に入射する複数の光束の全ての光束の主光線を副走査断面内において前記偏向面に対して異なる角度で入射させる第２の光学系と、前記光偏向器の同一偏向面で偏向された複数の光束を異なる感光ドラム面上に分離する分離光学系と、前記光偏向器の同一偏向面で偏向された複数の光束を異なる感光ドラム面上に結像させる結像光学系と、を有する走査光学装置であって、
前記光偏向器の同一の偏向面に入射する複数の光束のうち異なる感光ドラム面に分離される同一偏向面で偏向された隣接する光束の主光線の副走査方向の角度差θｓ（ｒａｄ）は、
θｓ＞（１．６４×λ×｜βｓｏ｜）／ρ
λ：前記光束の波長、βｓｏ：前記結像光学系の副走査方向の横倍率、
ρ：前記感光ドラム面上における副走査方向のスポット径
を満足し、且つ、
前記第２の光学系による前記絞りと前記絞りの共役点間の副走査方向の横倍率βｓｉは、
１／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３
を満たすことを特徴とする構成とした。

以上、本発明によれば、簡易な入射光学系で装置の肥大化、高価格化を招くことなく、同一基板上に位置する複数の発光部からの複数の光束に対し、光偏向器上の同一偏向面上でそれぞれが分離するに必要な副走査方向の角度差を付与した。これにより単一の光源素子からの複数の光束を共通の入射光学系で光偏向器上の同一偏向面上まで導光し、さらに、同一偏向面で偏向された複数の光束を分離光学素子によりそれぞれの色相に対応する感光体ドラムに分離する分離光学系を可能とし、走査光学装置及び画像形成装置の小型、低価格化を実現するものである。

光源手段に用いられる半導体レーザの進歩により、３つ以上の複数の発光部を有する光源の実用化が進んでいる。特に、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｃｓｅｌ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は半導体基板と垂直方向に光が出射する構成のため、従来の端面発光型と比較し格段に発光部数の増加、２次元並列集積化、発光部のレイアウトが容易であるという特徴を有している。

このような光源手段を使用する場合、複数の発光部を同一基板に備えた光源手段から色相毎に光束を分離することが有効であり、任意の１つの色相を形成するための感光ドラムに１本のみならず複数本の光束を分離することができるため、所謂マルチビーム走査によるさらなる高速化も可能となる。

本実施例ではこのような環境の下、装置の肥大化や構成の複雑化を招くことなく、複数の発光部を同一基板に備えた光源素子からの複数の光束を、共用化した入射光学系により整形し、光偏向器５の同一の偏向面で偏向された複数の光束をミラー等の分離光学系で色相毎に感光体ドラムに分離することを可能とし、走査光学装置及び画像形成装置の小型、低価格化を実現することを目的とする。

本実施例において、使用される垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｃｓｅｌ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）の発光部数は４個、又は、８個であるが、発光部数は２個以上であれば良い。高速化を考慮すると、使用される垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｃｓｅｌ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）の発光部数は４個以上が好ましい。

図１は本発明の実施例１における走査光学装置の主走査断面図である。但し、図１は後述する分離光学系は不図示である（図３に明示）。

図２、図３は実施例１における走査光学装置の副走査断面図であり、図２は光源素子１から光偏向器５までの光路図を、図３は光偏向器５から被走査面である感光体ドラム８までの光路図を示している。

本発明において、主走査断面とは、光偏向器の回転軸を法線とする平面と定義され、副走査断面とは、結像光学系の光軸を含み主走査断面と直交する平面と定義される。

また、本発明において、主走査方向とは主走査断面内で定義される結像光学系の光軸に垂直方向（光束の走査方向）を示し、副走査方向とは副走査断面内で定義される結像光学系の光軸に垂直方向（像担持体の移動方向）を示す。

光源素子である半導体レーザ１は垂直共振器型面発光レーザであり、４つの発光部を有している。４つの発光部は副走査方向に配列されており、主走査方向には４つの発光部は互いに離間していない。

よって、走査光学装置の主走査断面図を示す図１は、同一点として扱うことが可能であり、４つの発光部から出射した光束は完全に重なるため、図１ではこのうちの１本の光束のみ図示している。このレーザから出射された４本の発散光束（１１ｋ、１１ｃ、１１ｍ、１１ｙ）は共通のコリメータレンズ２により４本の平行光束に変換された後、絞り３により主走査方向の光束幅及び副走査方向の光束幅が制限される。

本実施例１は、偏向面に入射する光束の主走査方向の幅が偏向面の主走査方向の幅より小さいアンダーフィルド光学系である。

その後、４本の光束は副走査方向のみ屈折力を有するシリンドリカルレンズ４に入射し、反射ミラー９で折り返された後、副走査方向は光偏向器であるポリゴンミラー５の偏向面５ａ近傍に一旦結像され、主走査方向は平行光束の状態ままポリゴンミラー５の偏向面５ａに入射する。

本実施例で使用される垂直共振器型面発光半導体レーザの定義を以下に述べる。

本実施例で使用される垂直共振器型面発光半導体レーザ（Ｖｃｓｅｌ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は半導体基板と垂直方向に光束が出射する構成のため、従来の端面発光型半導体レーザと比較し格段に複数の発光部数の増加、２次元並列集積化、発光部のレイアウトが容易であるという特徴を有している。

本実施例で使用される垂直共振器型面発光半導体レーザ（隣接する発光部の間隔は５００μｍ以下）は、モノリシックマルチ半導体レーザである。

モノリシックマルチ半導体レーザとは、同一基板上に複数の発光部を備えたレーザである。

光偏向器であるポリゴンミラー５はモーター等の駆動手段（不図示）により図中矢印Ａ方向に一定速度で回転している。ポリゴンミラー５の同一偏向面５ａにより偏向走査された４本の光束はｆθ特性を有する結像光学素子６に入射する。本実施例において結像光学素子６は単玉レンズでありかつ４本の光束が共に通過しており、結像光学素子６によりｆθ特性、主走査方向及び副走査方向の像面湾曲が補正された４本の光束はそれぞれの光束毎に配置された分離素子７である第１の折り返しミラー（７１ｋ、７１ｃ、７１ｍ、７１ｙ）に入射し、一部の光束はさらに第２の折り返しミラー（７２ｋ、７２ｍ、７２ｙ）を介しそれぞれの被走査面８上に配置された感光体ドラム（８ｋ、８ｃ、８ｍ、８ｙ）に向け導光され、ポリゴンミラー５を矢印Ａ方向に回転させることによって該感光体ドラム８上を矢印Ｂ方向に光走査している。これにより複数の感光体ドラム（８ｋ、８ｃ、８ｍ、８ｙ）上に夫々走査線を形成し、カラー画像記録を行っている。

また、単玉レンズ６は、副走査断面内においてポリゴンミラー５の各偏向面５ａの面倒れを補正する面倒れ補正系を担っている。ポリゴンミラー５の偏向面の偏向点と被走査面８の結像点を共役関係としている。

ここで複数の発光部を同一基板に備えた光源素子（単一基板内に複数の発光部を備えた光源手段）からの近接した複数光束の分離に関し説明する。副走査断面内において複数の光束の分離を行う為には従来の複数の光束の主光線が副走査断面内で光偏向器の回転軸と垂直な平面（主走査断面）に対して平行となるような空間分離タイプ（複数の光束の夫々の主光線が副走査断面内で光偏向器の偏向面に対して垂直に入射する）と、複数の光束間に角度差をつけて光偏向器の偏向面に入射させて複数の光束を副走査断面内で分離する角度分離タイプが考えられる。

前者の空間分離タイプは４つの光束をポリゴンミラーの偏向面に互いに平行となる状態で入射させ、かつ光束が空間的に重複しない程度に離間させて分離する方法である。空間分離タイプの最大の問題はポリゴンミラー、入射光学系（コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ）が副走査方向に大きくなることであり、かつ光偏向器上で光束が大きく離間している為に結像光学素子の共用化も困難となる。その結果、走査光学装置の肥大及び高コスト化につながってしまい、光源手段から入射光学系までを共用化したメリットが薄れてしまう。

一方、後者の角度分離タイプはポリゴンミラー５の偏向面上の近接した点（厳密には離間している）に副走査方向の角度差をもって４本の光束を入射させ、その副走査方向の角度差を利用して結像光学素子６通過後に分離する方法である。この方法はポリゴンミラー５、入射光学系２、３，４の大きさが大きくならずコンパクト、低コストに実現可能であるという特長をもつ一方、光偏向器５に大きな角度を有して光束入射させる為、結像光学素子６による収差補正が難しいという問題がある。

しかしながらこの問題は、結像光学素子６の工夫で克服することが可能であり、後述する。

本実施例１ではコンパクト、低コストというメリットを最大限生かすべく、光偏向器５上で４本の光束に角度を付け角度分離を行っている。光束分離を行う為には、副走査断面内において隣り合う光束が重複してはならないため、隣り合う光束間の主光線の副走査方向の角度差はポリゴンミラー５上における副走査方向のＦナンバーの逆数よりも大きくする必要がある。

よって、異なる被走査面（８ｋ、８ｃ、８ｍ、８ｙ）へ分離される隣り合う光束間の主光線の角度差θｓ（ｒａｄ）は、
θｓ＞１／Ｆｎｏ．Ｐｏｒ
を満たす必要がある。

ポリゴンミラー５上における副走査方向のＦナンバーＦｎｏ．ｐｏｒは、
Ｆｎｏ．ｐｏｒ＝ρ／（１．６４×λ×｜βｓｏ｜）
λ：光源素子から出射される光束の発振波長、
βｓｏ：結像光学素子６の副走査方向の横倍率、
ρ：被走査面８上における副走査方向のスポット径
となるため、異なる被走査面（８ｋ、８ｃ、８ｍ、８ｙ）へ分離される隣り合う光束間の主光線の副走査方向の角度差θｓ（ｒａｄ）は、
θｓ＞（１．６４×λ×｜βｓｏ｜）／ρ・・・（条件式Ａ）
を満足する必要がある。

本発明の条件式Ａの左辺の光学パラメータについて、以下に説明する。

結像光学素子６の副走査方向の横倍率βｓｏの値は、被走査面上の収差（像面湾曲、歪曲収差）を考慮すると、０．５≦｜βｓｏ｜≦３．０が好ましい。

被走査面８上における副走査方向のスポット径ρの値は、レーザビームプリンタ、デジタル複写機の解像度を考慮すると、３０≦ρ≦１００（μｍ）となるように設計することが好ましい。

光源素子１から出射される光束の発振波長λの値は、レーザビームプリンタ、デジタル複写機に適用される光源素子の発振波長を考慮に入れると、赤外光（７８０ｎｍ）、可視光（６７０ｎｍ）、青色光（４０５ｎｍ）、等を含む３８０≦λ≦８２０（ｎｍ）を取り得る。

表１に本実施例１における光学設計パラメータを示す。Ｎｏ．は面番号、Ｒｙは主走査方向の曲率半径（ｍｍ）、Ｒｚは副走査方向の曲率半径（ｍｍ）、Ａｓｐｈ．は非球面係数、Ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｇｌａｓｓは材質、Ｎは屈折率を示す。

絞り３の開口部の形状は楕円形状であり主走査方向の開口部の幅は３．４ｍｍである。絞り３の副走査方向の開口部の幅は０．８ｍｍである。絞り３の開口部の数は１つである。

ガラス製のコリメータレンズ２の入射面は平面で、出射面は回転対称非球面である。

コリメータレンズ２の出射面の形状は、光軸方向をＸ、レンズの径方向をｈとしたとき以下の式で定義される。

ガラス製のシリンドリカルレンズ４の入射面は、主走査方向がノンパワー（平面）で、副走査方向が正のパワーを有する非球面（非円弧）である。（但し、Ｋは非球面係数）なる式で表されるものである。

シリンドリカルレンズ４の出射面の形状は、光軸方向をＸ、副走査方向をＺとしたとき以下の式で定義される。

結像光学素子６の入射面の形状は、光軸方向をＸ、主走査方向をＹとしたとき以下の式で定義される。

（但し、Ｒは光軸上の主走査方向の曲率半径，Ｋ，Ｂ４，Ｂ６，Ｂ８，Ｂ１０は非球面係数）なる式で表されるものである。

結像光学素子６の出射面６ｂの形状は、光軸方向をＸ、主走査方向をＹ、副走査方向をＺとしたとき以下の式で定義される。

（但し、Ｒは光軸上の主走査方向の曲率半径，Ｋ，Ｅｉｊは非球面係数）なる式で表されるものである。

表１に示した通り、プラスチック製の結像光学素子６の入射面６ａは主走査断面形状が非球面形状（非円弧形状）であり、副走査断面形状が平面（直線）である主走査方向のみにパワー（屈折力）を有するシリンドリカル面である。プラスチック製の結像光学素子６の出射面６ｂは主走査断面形状（母線形状）が円弧であり、副走査断面形状（子線形状）は非円弧であり、主走査方向（母線方向）に沿って光軸から離れるに従い曲率半径及び非球面量が連続的に変化する自由曲面で形成されている。

また、プラスチック製の結像光学素子６の主走査断面内における非球面の非球面形状は曲率変化に変曲点を持たない形状で形成されている。

更に、出射面６ｂの形状を詳細に説明する。

出射面６ｂの副走査断面形状（子線形状）は全域において非円弧（非球面）でありその曲率半径の絶対値は光軸から主走査方向に離れるに従い増加しており、非球面量も光軸から主走査方向に離れるに従い増加している。また、結像光学系の光軸を挟んだ主走査方向の左右で非対称に子線曲率半径が変化している。

出射面６ｂの形状を上記の構成とすることで、光偏向器で偏向された光束が結像光学素子６の入射面６ａならびに出射面６ｂに到達する副走査方向の位置より各被走査面８ｃ、８ｍ、８ｙ、８ｋ上の照射位置を光軸に近づけることができたので、各像高における照射位置を揃えて走査線湾曲の問題を飛躍的に改善させることができた。

なお、本実施例において、上記の如くレンズ形状表現式を定義したが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１１に本実施例における走査光学装置の光学特性（主走査方向像面湾曲、副走査方向像面湾曲、歪曲収差、照射位置）を示す。同図において全ての光束において実用上問題無いレベルの光学特性が確保されていることが示されている。

本実施例１では、光源素子の４つの発光部から出射される光束の発振波長λ＝０．７８μｍ（赤外光）、結像光学素子６の副走査方向の横倍率βｓ＝−２．３６、被走査面８上における副走査方向のスポット径ρ＝７０μｍであるため、
θｓ＞０．０４３（ｒａｄ）
となるが、ｒａｄ単位をｄｅｇ単位（角度）に直すと、
θｓ＞２．４７（ｄｅｇ）
を満足する必要がある。本実施例１における４本の光束のポリゴンミラー５の回転軸に垂直な面に対する角度は表１に示すとおり、±８．２５°、±２．６８°であり、同一偏向面で偏向された隣り合う光束間（１１ｙと１１ｍ、１１ｍと１１ｃ、１１ｃと１１ｋ）の副走査方向の角度差θｓは５．３６°〜５．５７°であり、角度分離するに充分な角度が与えられている。

次に、本実施例１における分離光学系に関し説明を行う。図３に示すとおり本実施例１においては分離光学系を構成する分離光学素子として折り返しミラー７１ｋ、７１ｙ、７１ｍ、７１ｃ、７２ｋ、７２ｙ、７２ｍを用い、結像光学素子６で屈折された後の複数の光束をそれぞれ異なる位置において折り返しミラー７１ｋ、７１ｙ、７１ｍ、７１ｃ、７２ｋ、７２ｙ、７２ｍにより偏向している。この折り返しミラー７１ｋ、７１ｙ、７１ｍ、７１ｃ、７２ｋ、７２ｙ、７２ｍによる光束分離は最も簡易で低コストな手法であるが、複数の光束の主光線間の角度を小さくすることができる反射型プリズムを用いる手法もあり、この手法を選択しても折り返しミラーと同様の効果を得ることが可能である。

本実施例１で用いられる折り返しミラー７１ｋ、７１ｙ、７１ｍ、７１ｃ、７２ｋ、７２ｙ、７２ｍは、平面ミラーである。

本実施例１における分離光学系は、光束毎に１枚の折り返しミラー７１ｃ、又は、光束毎に２枚の折り返しミラー（７１ｋ、７２ｋ）、（７１ｙ、７２ｙ）、（７１ｍ、７２ｍ）から構成されるようにしたが、分離光学系はその構成に限定されない。

例えば、分離光学系は、全ての光束毎に１枚の折り返しミラーとする構成や全ての光束毎に２枚以上の折り返しミラーとする構成でも良い。

次に、本実施例１における結像光学素子６に関し説明を行う。本実施例では角度分離により光束を分離している為、光偏向器５から出射する光束は副走査方向にそれぞれ異なる大きな角度をもって結像光学素子６に入射することになり、このような異なる角度を有した複数の光束を同時に収差補正する必要がある。

図４は、本実施例１における走査光学装置の光偏向器５から被走査面８までの副走査断面を模式的に表したものであり、図３から分離光学系を取り去って表記したものに相当する。図４に示したとおり、本実施例１は角度分離で複数の光線を分離しているため、ポリゴンミラー５の偏向面上での４本の光束（５１ｋ、５１ｃ、５１ｍ、５１ｙ）および被走査面８上での４本の光束（８１ｋ、８１ｃ、８１ｍ、８１ｙ）はそれぞれ近接している。これらの両点における離間量は、副走査断面内において１００μｍ以下と結像光学素子６の焦点距離と比較して非常に小さい為、光学的には一点として扱っても差し支えない。

この場合、近似的に一点から出射した光束が一点に結像する問題に置き換えられるため、互いに異なる角度を有した複数の光束を同時に収差補正するためには、主走査方向の各位置においてそれぞれ４本の光束が通る範囲で結像光学素子６の副走査方向の球面収差を補正すれば良いことが分かる。

そのため、本実施例１では、単玉レンズ６の副走査方向の出射面形状を非円弧とし、かつ、その副走査方向の非円弧量が主走査方向の軸上から軸外に行くに従い変化する面を用いることにより、全走査位置（全像高）において副走査方向の球面収差を補正することを可能とした。これにより、副走査方向の入射角が大きい場合においても複数の光束夫々の副走査方向の像面湾曲、複数の光束夫々の走査線湾曲を良好に補正することが可能となり、単玉レンズ６という容易な構成においても前述した角度分離におけるデメリットを克服可能である。

なお、本実施例１では結像光学系を単玉レンズ６で構成したが、結像光学系を複数枚の結像光学素子で構成しても、副走査方向の入射角が大きい場合においても複数の光束夫々の主走査方向及び副走査方向の像面湾曲、複数の光束夫々の走査線湾曲を良好に補正することが可能である。

例えば、光偏向器５側の第１の結像レンズのみ４本の光束が通過する共用レンズとし、被走査面側の第２の結像レンズを４本の光束毎に配置する構成（第２の結像レンズは４枚）を取っても良い。

次に、本実施例１における光源素子１に関し説明する。前述のとおり、本実施例の光源素子１は、４つの近接した発光部を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ（Ｖｃｓｅｌ）である。

この垂直共振器型面発光半導体レーザは半導体基板と垂直方向に光が出射する構成のため、従来の端面発光型半導体レーザと比較し格段に複数の発光部数の増加、２次元並列集積化、発光部のレイアウトが容易である。

したがって、従来の端面発光型半導体レーザと比較し単一の光源素子からの光束分離に適しており、さらに８つの発光部からの光束を４つの被走査面８ｃ、８ｍ、８ｙ、８ｋに２本ずつ、１６個の発光部からの光束を４つの被走査面８ｃ、８ｍ、８ｙ、８ｋに４本ずつ、あるいは２４個の発光部からの光束を６つの被走査面に４本ずつ分離すると言った構成も可能である。

したがって、光源素子１の発光部数は被走査面数の整数倍であることが望ましい。

次に、本実施例１における入射光学系（光源素子１から光偏向器５までの光学系）に関し説明する。図５は本実施例における走査光学装置の光源素子１から光偏向器５までの副走査断面を模式的に表したものであり、（ａ）は４本の光束の主光線のみを表示した図、（ｂ）はそのうちの１本の主光線と瞳端光線を表示した図である。単一の光源素子１から出射した４本の光束はコリメータレンズ２により平行光化された後、直後に配置された絞り３に入射し、このとき４本の光束の主光線は絞り３の開口部の同位置において交差する。

複数の光束の主光線の出射角は発光部の光軸からの離間量と絞り３の位置で決まるため、光源素子１からの副走査方向の出射角を大きくするためには光源素子１から光偏向器５間の中点より光源素子１側に配置することが望ましい。

絞り３からの複数の光束は、シリンドリカルレンズ４によりポリゴンミラー５の後に位置する絞り３の共役点に向け屈折される。このときポリゴンミラー５の同一の偏向面に入射する複数の光束の夫々の主光線の副走査方向の入射角（光偏向器５の回転軸に垂直な面に対する角度）を大きくするためには、副走査断面内においてシリンドリカルレンズ４による絞り３とその共役点間の結像を縮小結像（｜βｓｉ｜≦１）とすればよい。

よって、シリンドリカルレンズ４による絞り３とその共役点間の副走査方向の横倍率の絶対値｜βｓｉ｜≦１とすれば、副走査断面内において光源素子１からの複数の光束の主光線の出射角を拡大することが可能となる。

言い方を換えると、偏向面に入射する光束の主光線の副走査方向の入射角とは、副走査断面内において光偏向器５の偏向面の法線と光束の主光線が成す角度と定義される。

このときシリンドリカルレンズ４による絞り３とその共役点間の副走査方向の横倍率βｓｉは、
１／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３
を満たすことが望ましい。

これは絞り３から出射する光束の主光線のシリンドリカルレンズ４の光軸に対する副走査方向の傾角をθａ、光偏向器５（回転多面鏡）に入射する光束の主光線の副走査方向の傾角をθｐとするとき、３＜θｐ／θａ＜２０であることと等価である。

この条件式において上限を超えると絞り３からシリンドリカルレンズ４までの距離が長く、シリンドリカルレンズ４から光偏向器５の偏向面までの距離が短くなるため入射光学系の配置が難しくなり、下限を超えると複数の光束を分離するに必要な分離角度が得られなくなる。

更に好ましくは、１／１５＜｜βｓｉ｜＜１／８を満たすことが望ましい。

本実施例１では表１に示すように光源素子１の最も下部にある発光部からの光束の主光線のシリンドリカルレンズ４の光軸に対する副走査方向の傾角θａを０．７７°、光偏向器５に入射する光束の主光線の副走査方向の傾角θｐを−８．２５°とすることで｜θｐ／θａ｜＝１０．７とし、入射光学系２、３、４の配置を可能にすると共に光偏向器５以降での複数光束の分離を可能としている。なお他の３本の光束もそれぞれの副走査方向の傾角は異なるものの｜θｐ／θａ｜の値はほぼ同じであることは言うまでも無い。

次に、本実施例１における入射光学系のサイズであるが、シリンドリカルレンズ４上での複数の光束の主光線の離間量が５．６ｍｍでありシリンドリカルレンズ４の外径を同量だけ大きくする必要がある。しかしながら、従来の複数の光束の主光線が副走査断面内で光偏向器の回転軸と垂直な平面（主走査断面）に対して平行となるような光学系（複数の光束の夫々の主光線が副走査断面内で光偏向器の偏向面に対して垂直に入射する）の場合と比較するとこの量は小さくかつシリンドリカルレンズ４はプラスチック化が可能なため対応も容易である。

一方、ガラス製であることが好ましいコリメータレンズ２及び金属製であるポリゴンミラー５上では光束は空間的にほぼ重複している（厳密には離間している）ので従来のサイズと同等の大きさのコリメータレンズ２やポリゴンミラー５で差し支えない。

したがって相対的に加工コストの高い光学素子により大きいサイズを必要とする従来の複数の光束の主光線が副走査断面内で光偏向器の回転軸と垂直な平面（主走査断面）に対して平行となるような光学系（複数の光束の夫々の主光線が副走査断面内で光偏向器の偏向面に対して垂直に入射する）と比較しそのメリットは大きい。

以上、本実施例１においては、副走査断面内においてシリンドリカルレンズ４による絞り３とその共役点（偏向面の後ろに位置する）間の結像を縮小結像（１／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３）とすることで、簡易な入射光学系で装置の肥大化、高価格化を招くことなく、近接した複数の発光部からの複数の光束に対しポリゴンミラー５上でそれぞれが分離するに必要な副走査方向の角度差を付与できる効果得られる。

（変形例１）
本実施例１では、結像光学系を構成する結像光学素子は１枚のｆθレンズとしたが、それに限定されない。結像光学系を構成する結像光学素子は、２枚以上のｆθレンズでも良い。また、結像光学素子はレンズ以外に回折光学素子、曲面ミラーでも良い。

また、本実施例１では、アンダーフィルド光学系を採用したが、偏向面に入射する光束の主走査方向の幅が偏向面の主走査方向の幅より大きいオーバーフィルド光学系を本実施例に適用しても良い。

また、本実施例１では、分離光学系を構成する分離光学素子を折り返しミラーは平面ミラーとしたが、分離光学素子を曲面ミラーとし、分離光学素子に結像性能を付与しても良い。

本実施例１では、光源素子として単一基板に複数の発光部を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ（モノリシックマルチ半導体レーザ）を使用したが、本発明では複数の発光部を有する端面発光型半導体レーザを微小間隔（５００μｍ以下）離して複数個設けた光源手段でも良い。

例えば、２つの発光部を有する端面発光型半導体レーザを微小間隔（５００μｍ以下）離して２個設けた光源手段を実施例１の垂直共振器型面発光半導体レーザに適用しても良い。

図７は、本発明の実施例２における走査光学装置の主走査断面図である。図８は、実施例２における走査光学装置の光源素子１から光偏向器５までの副走査断面図である。本実施例２において実施例１と異なる点は光源素子１の発光部配列を２次元化した点、入射光学系に凹レンズを付加した点であり、他は実施例１と同様である。

光源素子１は垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｃｓｅｌ）であり、本実施例２においては図１０に示すとおりその発光部が２列（主走査対応方向）×４行（副走査対応方向）の２次元配列を持つ８個の発光部（１ｋ−１、１ｋ−２、１ｍ−１、１ｍ−２、１ｃ−１、１ｃ−２、１ｙ−１、１ｙ−２）よりなっている。

本実施例で使用される垂直共振器型面発光半導体レーザ（隣接する発光部の間隔は５００μｍ以下）は、モノリシックマルチ半導体レーザである。

モノリシックマルチ半導体レーザとは、同一基板上に複数の発光部を備えたレーザである。

なお、本実施例における発光部配列は図１０に示すように、行方向（副走査方向に対応）の発光部を繋ぐ線分と列方向（主走査方向に対応）の発光部を繋ぐ線分が直交しない２次元配列としているが、両者を直交させた発光部配列を有する光源素子１を、発光部の基板の法線に対して回転させて使用しても良い。

光源素子１から出射した８本の光束はコリメータレンズ２により平行光に変換された後、直後に配置された絞り３に入射し、絞り３の開口部の位置において８本の光束の主光線が交差する。なお、図７は簡単のため１本の光束のみ図示しており他の光束は不図示である。

図８は、副走査断面図であり、副走査方向に分離された４本の光束（１２ｋ−１、１２ｍ−１、１２ｃ−１、１２ｙ−１）のみ図示しており、他の４本（１２ｋ−２、１２ｍ−２、１２ｃ−２、１２ｙ−２）は図示した４本の光束に重なっているため不図示である。

絞り３からの複数の光束は、副走査方向にのみ負のパワーを有するシリンドリカルレンズ４１により屈折された後、副走査方向にのみ正のパワーを有するシリンドリカルレンズ４２によりポリゴンミラー５の後に位置する絞り３の共役点に向け屈折される。実施例１と同様、ポリゴンミラー５の同一の偏向面に入射する複数の光束の夫々の主光線の副走査方向の入射角（光偏向器５の回転軸に垂直な面に対する角度）を大きくするためには、副走査断面内において、シリンドリカルレンズ４１、４２による絞り３とそのポリゴンミラー５の後に位置する共役点間の結像を縮小結像とすればよい。

よって、シリンドリカルレンズ４１、４２による絞り３とその共役点間の副走査方向の横倍率の絶対値｜βｓｉ｜≦１とすれば、副走査断面内において光源素子１からの複数の光束の主光線の出射角を拡大することが可能となる。

特に本実施例１おいては、副走査方向にのみ正のパワーを有するシリンドリカルレンズ４２の前方に副走査方向にのみ負のパワーを有するシリンドリカルレンズ４１を導入し、シリンドリカルレンズを負レンズ＋正レンズの２枚系としたことにより、シリンドリカルレンズ２枚で定義される副走査方向の主平面位置をポリゴンミラー５側に移動させることが可能となる。これにより絞り３からシリンドリカルレンズ４２までの距離を大きくとらなくても、より小さな副走査方向の横倍率となり、つまりポリゴンミラー５上の同一の偏向面に入射する複数の光束の夫々の主光線の副走査方向の入射角を大きくすることができる。

言い方を換えると、偏向面に入射する光束の主光線の副走査方向の入射角とは、副走査断面内において光偏向器５の偏向面の法線と光束の主光線が成す角度と定義される。

表２に本実施例における設計パラメータを示す。

表２に本実施例２における光学設計パラメータを示す。Ｎｏ．は面番号、Ｒｙは主走査方向の曲率半径（ｍｍ）、Ｒｚは副走査方向の曲率半径（ｍｍ）、Ａｓｐｈ．は非球面係数、Ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｇｌａｓｓは材質、Ｎは屈折率を示す。

ガラス製のコリメータレンズ２の入射面は平面で、出射面は回転対称非球面である。
絞りの形状は楕円形状であり主走査方向の開口部の幅は３．４ｍｍである。絞りの副走査方向の開口部の幅は０．８ｍｍである。

ガラス製のシリンドリカルレンズ４１の入射面は、主走査方向がノンパワー（平面）で、副走査方向が負のパワーを有する非球面（非円弧）である。

ガラス製のシリンドリカルレンズ４２の入射面は、主走査方向がノンパワー（平面）で、副走査方向が正のパワーを有する非球面（非円弧）である。

なおコリメータレンズ２及びシリンドリカルレンズ４１、４２の形状の定義式は実施例１と同じである。

光偏向器５以降の結像光学系６、分離光学系７１、７２の構成、配置は実施例１と同様であり、その結果得られる光学特性も同様である。

実施例１と同様、このときシリンドリカルレンズ４１、シリンドリカルレンズ４２による絞り３とその共役点間の副走査方向の横倍率βｓｉは、
１／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３
を満たすことが望ましい。

これは絞り３から出射する光束の主光線のシリンドリカルレンズ４２の光軸に対する副走査方向の傾角をθａ、光偏向器５に入射する光束の主光線の副走査方向の傾角をθｐとするとき、３＜θｐ／θａ＜２０であることと等価である。

この条件式において上限を超えると絞り３からシリンドリカルレンズ４２までの距離が長く、シリンドリカルレンズ４２から偏向面５ａまでの距離が短くなるため入射光学系の配置が難しくなり、下限を超えると複数の光束を分離するに必要な分離角度が得られなくなる。

更に好ましくは、１／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３を満たすことが望ましい。

本実施例１では表２に示すように光源素子１の最も下部にある発光部からの光束の主光線のシリンドリカルレンズ４２の光軸に対する副走査方向の傾角θａを０．８１°、光偏向器５に入射する光束の主光線の副走査方向の傾角θｐを−８．６５°とすることで｜θｐ／θａ｜＝１０．６とし、入射光学系の配置を可能にすると共に光偏向器５以降のｆθレンズ６と被走査面８の間の光路中で複数の光束の空間分離を可能としている。

また、表２に示すように、副走査断面内において異なる被走査面に分離される同一の偏向面で偏向された隣接する光束間の主光線のなす角度θｓは隣り合う光束間で空間的な重複が無いように、
θｓ＞（１．６４×λ×｜βｓ０｜）／ρ
θｓ＞２．４７（ｄｅｇ）
を満足する必要がある。本実施例２においても実施例１と同様、同一の偏向面で偏向された隣接する光束間の副走査方向の角度差θｓを５．１５〜５．６４°と設定しており、副走査断面内において複数の光束を角度分離するに充分な角度が与えられている。

光偏向器５の偏向面５ａは平面なので、θｓ＝θｐである。
本実施例２の結像光学系６は、図７の如く一枚の結像光学素子（ｆθレンズ）６から構成されている。

また、単玉レンズ６は、副走査断面内においてポリゴンミラー５の各偏向面５ａの面倒れを補正する面倒れ補正系を担っている。ポリゴンミラー５の偏向面の偏向点と被走査面８の結像点を共役関係としている。

ポリゴンミラー５から出射した８本の光束は結像光学素子（ｆθレンズ）６という共通のレンズを介して２本ずつ７つの分離光学素子である折り返しミラー（７１ｋ、７１ｙ、７１ｍ、７１ｃ、７２ｋ、７２ｙ、７２ｍ）に入射し、４つの被走査面である感光体ドラム面（８ｋ、８ｃ、８ｍ、８ｙ）上をそれぞれ２本の光束により１つの感光体ドラム面をマルチビーム走査する。

本実施例２における分離光学系は、７つの分離光学素子である折り返しミラー７１ｋ、７１ｙ、７１ｍ、７１ｃ、７２ｋ、７２ｙ、７２ｍで構成される。

本実施例１で使用された図３の結像光学系を本実施例２でも使用している。

以上、本実施例２においても実施例１と同様、簡易な入射光学系で装置の肥大化、高価格化を招くことなく、近接した複数の発光部からの複数の光束に対しポリゴンミラー５上でそれぞれが分離するに必要な副走査方向の角度差を付与できる効果得られる。

これにより、単一光源素子１からの複数の光束を共通の入射光学系でポリゴンミラー５まで導光し、さらに、ポリゴンミラー５の同一の偏向面５ａで偏向走査された複数の光束を分離光学素子によりそれぞれの色相に対応する感光体ドラムに分離する分離光学系を可能とし、走査光学装置及び画像形成装置の小型、低価格化を実現するものである。

さらに、本実施例２の固有の特徴として光源素子であるＶｃｓｅｌの２次元発光部配列により、各被走査面（８ｋ、８ｃ、８ｍ、８ｙ）に複数の光束を同時に分離することが可能となること、副走査方向のパワーが負であるシリンドリカルレンズ４１の導入によりさらに入射光学系が小型化することから、走査光学装置及び画像形成装置の一層の小型化と高速走査化を実現するものである。

以上、本実施例２においては、副走査断面内においてシリンドリカルレンズ４１、４２による絞り３とその共役点（偏向面の後ろに位置する）間の結像を縮小結像（１／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３）とすることで、簡易な入射光学系で装置の肥大化、高価格化を招くことなく、近接した複数の発光部からの複数の光束に対しポリゴンミラー５上でそれぞれが分離するに必要な副走査方向の角度差を付与できる効果得られる。

（変形例２）
本実施例２では、結像光学系を構成する結像光学素子は１枚のｆθレンズとしたが、それに限定されない。結像光学系を構成する結像光学素子は、２枚以上のｆθレンズでも良い。また、結像光学素子はレンズ以外に回折光学素子、曲面ミラーでも良い。

また、本実施例２では、アンダーフィルド光学系を採用したが、偏向面に入射する光束の主走査方向の幅が偏向面の主走査方向の幅より大きいオーバーフィルド光学系を本実施例に適用しても良い。

また、本実施例２では、分離光学系を構成する分離光学素子を折り返しミラーは平面ミラーとしたが、分離光学素子を曲面ミラーとし、分離光学素子に結像性能を付与しても良い。

本実施例２では、光源素子として単一基板に複数の発光部を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ（モノリシックマルチ半導体レーザ）を使用したが、本発明では複数の発光部を有する端面発光型半導体レーザを微小間隔（５００μｍ以下）離して複数個設けた光源手段でも良い。

例えば、４つの発光部を有する端面発光型半導体レーザを微小間隔（５００μｍ以下）離して２個設けた光源手段を実施例２の垂直共振器型面発光半導体レーザに適用しても良い。

図６は本実施例のカラー画像形成装置の要部概略図である。図６において、１６０はカラー画像形成装置、１１０は各々実施例１、実施例２に示した構成を有する走査光学装置、１２１，１２２，１２３，１２４は各々像担持体としての感光ドラム、１３１，１３２，１３３，１３４は各々現像器、１５１は搬送ベルトである。

図６において、カラー画像形成装置１６０には、パーソナルコンピュータ等の外部機器１５２からＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色信号が入力する。これらの色信号は、装置内のプリンタコントローラ１５３によって、Ｃ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各画像データ（ドットデータ）に変換される。これらの画像データは、それぞれ走査光学装置１１０に入力される。そして、これらの走査光学装置からは、各画像データに応じて変調された光ビーム１４１，１４２，１４３，１４４が出射され、これらの光ビームによって感光ドラム１２１，１２２，１２３，１２４の感光面が主走査方向に走査される。

本実施例のカラー画像形成装置は上述の如く走査光学装置１１０からの各々の画像データに基づいた４本の光ビームを用いて各色の潜像を各々対応する感光ドラム１２１，１２２，１２３，１２４面上に形成している。その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。

前記外部機器１５２としては、例えばＣＣＤセンサを備えたカラー画像読取装置が用いられても良い。この場合には、このカラー画像読取装置と、カラー画像形成装置１６０とで、カラーデジタル複写機が構成される。

以上、本実施例では、コリメータレンズ２、絞り３、シリンドリカルレンズ４といった従来の入射光学系の構成要素のみで、かつ装置の肥大化、高価格化を招くことなく、近接した発光部からの光束に対しポリゴンミラー５上でそれぞれが分離するに必要な角度差を付与した。これにより単一の光源素子１からの複数の光束を共通の入射光学系でポリゴンミラー５まで導光し、さらに、光偏向器５で偏向走査された複数の光束をミラー等の分離光学系７１、７２によりそれぞれの色相に対応する感光体ドラムに分離する光学系を可能とし、走査光学装置及び画像形成装置の小型、低価格化を実現するものである。

本発明の実施例１における走査光学装置の主走査断面図 本発明の実施例１における走査光学装置の光源素子から光偏向器までの副走査断面図 本発明の実施例１における走査光学装置の光偏向器から被走査面までの副走査断面図 本発明の実施例１における走査光学装置の光偏向器から被走査面までの副走査断面の模式図 本発明の実施例１における走査光学装置の光源素子から光偏向器までの副走査断面の模式図。（ａ）は４本の光束の主光線のみを表示、（ｂ）は１本の光束の主光線と瞳端光線を表示 本発明の実施例１における画像形成装置 本発明の実施例２における走査光学装置の主走査断面図 本発明の実施例２における走査光学装置の光源素子１から光偏向器５までの副走査断面図 従来の走査光学装置における斜視図 本発明の実施例２における走査光学装置の光源素子１の発光部配列を示す図 本発明の実施例１における収差図

符号の説明

１ 光源素子（垂直共振器型面発光レーザ）
１１ レーザ出射光束
２ コリメーターレンズ
３ 開口絞り
４ シリンドリカルレンズ
４１ シリンドリカルレンズ
４２ シリンドリカルレンズ、
５ 光偏向器（ポリゴンミラー）
６ 結像光学素子（ｆθレンズ）
７ 分離光学素子（折り返しミラー）
７１、７２ 折り返しミラー
８ 被走査面（感光体ドラム）
ｋ ブラック
ｃ シアン
ｍ マゼンタ
ｙ イエロー

Claims (6)

1. 複数の発光部を備えたモノリシックマルチ半導体レーザと、前記複数の発光部から発光された複数の発散光束の夫々の光束を集光する第１の光学系と、前記第１の光学系で集光された複数の光束の全ての光束が通過する開口部を有する絞りと、前記絞りの開口部を通過した前記複数の光束の全ての光束を同一偏向面で偏向する光偏向器と、前記絞りと前記光偏向器の間の光路に配置され、前記光偏向器の同一偏向面に入射する複数の光束の全ての光束の主光線を副走査断面内において前記偏向面に対して異なる角度で入射させる第２の光学系と、前記光偏向器の同一偏向面で偏向された複数の光束を異なる感光ドラム面上に分離する分離光学系と、前記光偏向器の同一偏向面で偏向された複数の光束を異なる感光ドラム面上に結像させる結像光学系と、を有する走査光学装置であって、
   前記第２の光学系による前記絞りと前記絞りの共役点間の副走査方向の横倍率βｓｉは、
   １／２０＜｜βｓｉ｜＜１／３
   を満たすことを特徴とする走査光学装置。
2. 前記第２の光学系による前記絞りと前記絞りの共役点間の副走査方向の横倍率βｓｉは、
   １／１５＜｜βｓｉ｜＜１／８
   を満たす請求項１に記載の走査光学装置。
3. 前記光偏向器の同一の偏向面に入射する複数の光束のうち異なる感光ドラム面に分離される同一偏向面で偏向された隣接する光束の主光線の副走査方向の角度差θｓ（ｒａｄ）は、
   θｓ＞（１．６４×λ×｜βｓｏ｜）／ρ
   λ：前記光束の波長、βｓｏ：前記結像光学系の副走査方向の横倍率、
   ρ：前記感光ドラム面上における副走査方向のスポット径
   を満足する請求項１又は２に記載の走査光学装置。
4. ０．５≦｜βｓｏ｜≦３．０、３０≦ρ≦１００（μｍ）、３８０≦λ≦８２０（ｎｍ）を満足する請求項３に記載の走査光学装置。
5. 請求項１乃至４に記載の走査光学装置と、前記複数の感光ドラムと、を有するカラー画像形成装置。
6. 更に、外部機器から入力したデータを画像信号に変換して前記走査光学装置に入力せしめるプリンタコントローラと有する請求項５に記載のカラー画像形成装置。

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