JP4851426B2 - 光走査用レンズ、光走査装置、および画像形成装置 - Google Patents
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Description
同図において符号10はレーザ光源、12はビーム径補正レンズ、14はアパーチャ、16はシリンドリカルレンズ、18はミラー、20は光偏向器としてのポリゴンミラー、30は光走査用レンズ、40は被走査面としての感光体面をそれぞれ示す。
ビームウエスト位置の変動が主走査方向に関し一様でないため生ずる、感光体上のスポット径の変化を許容量以下に抑える例は知られている(例えば、特許文献1 参照。)。
しかしながら、中心付近は屈折率分布が必ずしも安定せず、成形品毎のばらつきが大きいことがわかってきた。これは、成形時に加えるわずかな添加剤や不純物が、プラスチックの材質と密度などの特性が異なるために、中央付近に集まる傾向にあり、その結果、屈折率分布のばらつきが発生し、それは成形品毎に若干異なってくる。
一方、プラスチック成形によって発生する屈折率分布は、一般的には2次曲線に近い分布をしていると言われ、後に詳述するように2次式
Δn(x)≒n0+Δn・x2 (Δn>0)
で近似されているが、より厳密には、極小値から離れるに従って、局所的に徐々に2次係数Δnが小さくなる傾向がある。ビームのデフォーカス量は2次係数Δnに比例するため、Δnは少しでも小さいことが望ましい。
また、近年、カラー化に伴い4つの感光体ドラムを用いた画像形成装置が主流となっている。高速、高画質、低コスト化、省スペース化のためのレンズ及び光走査装置を開発する必要がある。このような要求に対して、屈折率分布を低減した光走査用レンズを提供することにある。
同図において横軸は感光体面を基準値0とするデフォーカス量、縦軸は光束の直径、いわゆるビーム径をそれぞれ示す。光学系が設計値どおりできていればビーム径は同図Aで示すように、ビームウエストは感光体面上に位置する。すなわち、感光体面においてビーム径は最小径となり高い解像力の画像が得られる。ところが、前述のように、光走査用レンズ内に屈折率分布があると、デフォーカスが発生する。前記のように中心部が極小値になるような分布の場合、その分布はレンズパワーが小さくなる方向に働き、焦点距離が伸びる結果となる。したがって、ビームウエストは光走査用レンズから遠ざかる方向に移動し、同図Bで示すように、感光体面上のビーム径は太くなる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の光走査用レンズにおいて、前記通過領域は、前記光走査用レンズの副走査方向の外形に対する中心線を含まないことを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の光走査用レンズにおいて、前記プラスチック材料がポリオレフィン系樹脂であることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の光走査装置を用いた画像形成装置を特徴とする。
同図(a)は横断面図、同図(b)は主走査方向の屈折率分布図、同図(c)は縦断面図、同図(e)は副走査方向の屈折率分布図である。
同図におけるレンズ面の曲率は、実際の曲率よりも誇張して描いてある。
本発明でいう屈折率分布Δn(x)は、図15(c)に示すように、光走査用レンズ30を、光軸と副走査方向とに平行な”xy 断面”における”2次元の絶対屈折率”の値を、y軸方向に平均化し、x軸方向に対する1次元の相対屈折率として表現したものと定義する(図15(e)参照)。
通過領域は、厳密に言えば、平行光束がレンズに入射した位置で、入射面の曲率に依存して屈折されるため、そのまま直進するわけではないが、実際の屈折量はかなり小さいので便宜上、通過領域を平行線で示す。
主走査方向の任意の位置でz方向に直交する平面をとり、この平面内における絶対屈折率:nをn(x,y)と表す。絶対屈折率:n(x,y)の光軸に平行なy方向の平均は、x軸方向におけるレンズの肉厚をd(x)として、
演 算:[∫n(x,y)dy]/d(x)
で演算される。積分は、レンズの肉厚:d(x)にわたって行う。
Δn(x)=n0+n1・x+Δn・x2+δ(x) (Δn>0)
このうち、光学性能に大きく影響を与えるのは2次の係数Δnである。1次の係数は、原点が決まり対称で有れば、取り除くこともできる。δ(x)は、2次近似に伴う残差である。したがって、これを微少量とみなせば
Δn(x)≒n0+Δn・x2
と見なすことができΔnを導くことができる。n0はx=0における屈折率の極小値である。ただし、分布曲線が上に凸であれば、Δn<0となり、n0は極大値になる。
図15(e)に示されているのは、このΔn(x)であり、y軸方向はn0を基準にして示してある。以後の分布図においても同様に表示する。
同図において符号100は光走査用レンズ、101は光束の入射面、101aは光束の通過領域、102は光束の出射面、103、104は副走査方向に面した両側面、105、106はそれぞれの側面に連なるコバ、107は副走査方向における外形に対する中心線、108は屈折率分布Δn(x)の2次近似曲線、109は同曲線の対称軸、110は通過領域の中心をそれぞれ示す。符号101aは入射面101の内、光束が通過する領域を示す。
本実施形態では、光走査用レンズ100の光束通過領域101aに対して、一方のコバ106を他方のコバ105より厚くしている。このため、屈折率分布Δn(x)の2次近似曲線108の対称軸109が、光束通過領域101aの中心110からずれている。
通過領域101aに対して、一方のコバ106をさらに厚くしている。このため、外形に対する中心線107が、通過領域101aから外れている。したがって、通過領域外に屈折率分布の極小値が存在していることになる。これによって、2次係数Δnはさらに小さくなり、成型品の安定化が期待できる。
同図において符号200は光走査用レンズ、201は光束の入射面、202は光束の出射面、203、204は副走査方向に面した両側面、205、206はそれぞれの側面に連なるコバ、207は副走査方向における外形に対する中心線、208は屈折率分布Δn(x)のN次近似曲線、209は同曲線の最小値の位置をそれぞれ示す。符号201aは入射面201の内、光束の通過領域を示す。
コバの厚さ205、206は、ほぼ同じであるため、レンズの外形に対する中心207と、光束の中心は、ほぼ一致しているが、側面203と側面204の金型の冷却速度を変えることによって、屈折率分布を非対称にしている。
同図において符号G1は側面203側の金型温度の推移、G2は側面204側の金型温度の推移をそれぞれ模式的に示す。これらの温度は要求仕様によって適宜制御できる。
冷却速度が速い、すなわち急激に冷やす、と屈折率分布や屈折率勾配は大きくなる傾向にあるため、屈折率分布の極小値は、冷却速度の速い側面204側に偏ることになる。このように成形条件を変えることより、外形形状は同じでも、屈折率分布の形を変えることが可能となる。
なお、光束の通過領域201aは、その中心を上記基準軸から離れた位置に設定されることから、分布曲線が非対称であっても、主として基準軸の片側しか利用しないので2次曲線で近似しても大きな誤差が生じない場合もある。
同図において符号300は光走査用レンズ、301A、301Bは光束の入射面、301Aa、301Baは通過領域、302A、302Bは光束の出射面、303、304は副走査方向に面した両側面、305、306はそれぞれの側面に連なるコバ、307は副走査方向における外形に対する中心線、308は屈折率分布Δn(x)のN次近似曲線、309は同曲線の基準軸をそれぞれ示す。
同図において符号350は光走査用レンズ、351は光束の入射面、351aないし351dは通過領域、352は光束の出射面、353、354は副走査方向に面した両側面、355、356はそれぞれの側面に連なるコバ、358は屈折率分布Δn(x)のN次近似曲線、359は同曲線の最小値の位置をそれぞれ示す。
以下に上に凸になる分布曲線を有する例を2つ示す。
同図において符号360は光走査用レンズ、361は光束の入射面、361Aa、361Baは通過領域、362A、362Bは光束の出射面、363、364は副走査方向に面した両側面、365、366はそれぞれの側面に連なるコバ、368は屈折率分布Δn(x)のN次近似曲線、369は同曲線の最大値の位置をそれぞれ示す。
この例の場合、最大値の位置369が基準軸の位置となる。この曲線を2次で近似した場合の2次の係数Δnは符号が負になる。
同図において符号370は光走査用レンズ、371は光束の入射面、371Aa、371Baは通過領域、372A、372Bは光束の出射面、373、374は副走査方向に面した両側面、375、376はそれぞれの側面に連なるコバ、378は屈折率分布Δn(x)のN次近似曲線、379は同曲線の極大値の位置、380A、380Bは最小値の位置をそれぞれ示す。
この例の場合基準軸は3本有ることになり、曲線全体を近似するためには最低4次の近似式が必要になる。3本の基準軸はいずれも、通過領域371A、371Bの中心からずれた位置にある。両通過領域に含まれる曲線部分は共に下に凸の曲線部分になっているので、これをそれぞれ独立に2次で近似した場合、2次の係数Δnの符号は正になる。
両図において、符号400は光走査用レンズ、401は偏向器、402は光源、403はカプリングレンズ、404はシリンドリカルレンズ、405は光源用ミラー、406は同期用受光素子、407は被走査面としての感光体、408、409、410はそれぞれ第1、第2、第3ミラーをそれぞれ示す。符号Y、M、C、BKは色を表す。
光走査用レンズ400としては図1ないし3に示す構成の光走査用レンズを4個用いても良いし、図5、図7、図8に示す構成の光走査用レンズを2個用いても良い。また、マルチビーム走査方式の場合であれば図6に示す構成の光走査用レンズ350を複数個用いることもできる。
光走査用レンズ30はポリオレフィン系樹脂を用いる。光学に関する一般的な説明、すなわち、LD波長、レンズの焦点距離、レンズ形状などについては特許文献1と同一であるためここでは省略する。
|Δn(x)− Δn_min|<34×10−5 (a)
の条件式を満たすことを特徴とする。
Δn(x)≒n0+Δn・x2 …(1)
ここで、xは光軸に直交する方向の距離を表している。xの2次係数Δnはレンズパワーとして働く。レンズ上のビーム光束は、一般的に1mm程度であるため、Δnを算出する際のxの範囲は、ここでは、±1mmとする。
f’≒−1/(2・Δn・t) …(2)
ただし、tはレンズが複数の場合も含む。Δnに正負の符号が含まれているので、焦点距離f’も正負の符号を含むことになる。Δnとf’は異符号になる。
Δf≒−f2/f’ …(3)
で表すことができる。
同図において、符号Eはレンズの前側主点、Fは後側主点、Lはレンズ、Pは物点、Qは像点、Sは物体距離、S’は像面距離、ΔS’はデフォーカス量をそれぞれ示す。S’、ΔS’は右方向を正の方向とする。
屈折率分布によるデフォーカス量ΔS’は、薄肉レンズの近軸結像公式
(1/S’=1/S+1/f)を用いて次式のように表すことができる。
ΔS’≒{S/(S―f)}2・Δf=−{f・S/(S+f)}2/f’
=(S’)2・(2・Δn・t) …(4)
ここで、偏向面から感光体までの距離をl、光走査用レンズの横倍率をβとした時(4)式は近似的に次のように表すことができる、
ΔS’≒{β/(β+1)・l }2・(2・Δn・t) …(5)
w≒1.487×d2/λ …(6)
w≧|ΔS’| …(7)
(7)式を用いれば、ビーム径の変動が許容値内にあるためには、レンズの屈折率分布Δn(x)がどれくらいの大きさであることが必要かを判断することが出来る。以上のことから、屈折率分布Δn(x)を一定の範囲内に抑えることにより、良好なビームスポット径を得ることができる。
光走査用レンズを光路長l=200mm、横倍率β=1.0、レンズ厚t=10mm、ビームの通過領域の有効径4mm(x=±2mm)の条件で使用した場合、屈折率分布によって生じる等価的な2次係数|Δn|は(5)式から逆算すれば、9.1×10−5以下になることが望まれる。
光走査用レンズを光路長l=200mm、横倍率β=0.5、レンズ厚t=20mm、ビームの通過領域の有効径4mm(x=±2mm)の条件で使用した場合、屈折率分布によって生じる等価的な2次係数|Δn|は(5)式から逆算すれば、10.4×10−5以下になることが望まれる。
0<|Δn|<8.5×10−5 (a)
にする必要がある。
0<|Δn(x)− Δn_min|<34×10−5 (b)
の条件を満足する必要がある。|Δn(x)−Δn_min|が34×10−5より大きくなるとレンズの大きさに関わらず、光学性能は低下する。
0.1×10−5<|Δn|<4.0×10−5 (c)
0.4×10−5<|Δn(x)−Δn_min|<16×10−5 (d)
|Δn|が上限値4.0×10−5を越えると、使用波長を限定したり、光学倍率βを小さくする必要性があり、光学設計上の制約を受ける。また、|Δn|が下限0.1×10−5を下回ると測定による誤差が無視できなくなるだけでなく、成形に要する時間、冷却時間が長くなり、コストアップの要因となりうる。
このような条件に合致した光走査用レンズを作製することにより、屈折率分布によるデフォーカス量を抑制した光学系を構成することができる。
このように、ポリオレフィン系樹脂を用いたレンズを製作する際にその屈折率分布を非破壊で測定する事が可能になれば、実際に光学的な特性の測定を行わなくてもレンズの光学的特性の良、不良を判断することが可能となる。
同図において符号601はレーザ光源、602はビームスプリッタ、603、604はミラー、605は被検セル、606はビームスプリッタ、607はモニタ、608は記録装置、Aは被検レンズ、Bは試液をそれぞれ示す。
他方の光束aはミラー604で曲げられビームスプリッタ606に入射する。
101 入射面
102 出射面
103、104 側面
105、106 コバ
107 副走査方向外形中心線
108 N次近似曲線
109 基準軸
110 通過領域の中心
Claims (7)
- 光偏向器により偏向される光束を被走査面近傍に集光させる走査結像光学系に用いられる光走査用レンズであって、プラスチック成形により形成され、前記光走査用レンズ内部に存在する屈折率分布をΔn(x) とするとき、該Δn(x)のN次近似曲線の基準軸と、前記光束が前記光走査用レンズ内を通過する通過領域の中心軸とが互いに平行であり、前記基準軸は前記N次近似曲線の極値の位置における光軸方向の軸であり、前記基準軸が複数存在し、かつ、前記通過領域が副走査方向に2個以上存在し、前記通過領域の各々は前記基準軸を1つずつ含み、前記基準軸が、該基準軸が含まれる前記通過領域の中心軸から該通過領域の幅の10%以上離れていることを特徴とする光走査用レンズ。
- 請求項1に記載の光走査用レンズにおいて、前記基準軸は、前記通過領域より外にあることを特徴とする光走査用レンズ。
- 請求項1または2記載の光走査用レンズにおいて、前記通過領域は、前記光走査用レンズの副走査方向の外形に対する中心線を含まないことを特徴とする光走査用レンズ。
- 請求項1ないし3のいずれか1つに記載の光走査用レンズにおいて、副走査方向に連ねた2つのレンズが一体となった形に成形されていることを特徴とする光走査用レンズ。
- 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の光走査用レンズにおいて、前記プラスチック材料がポリオレフィン系樹脂であることを特徴とする光走査用レンズ。
- 請求項1ないし5のいずれか1つに記載の光走査用レンズを有し、光源からの前記光束を偏向反射面を持つ前記光偏向器により等角速度的に偏向させ、該偏向光束を前記光走査用レンズにより被走査面上に光スポットとして集光して、該被走査面の等速的な光走査を行なうことを特徴とする光走査装置。
- 請求項6に記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
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