JPH04194814A - 光ビーム走査光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ビーム走査光学系、特にレーザビーム・プ
リンタやファクシミリ等に組み込まれ、画像情報を乗せ
た光束を走査媒体上に集光させる光ビーム走査光学系の
構造に関する。

従来の技術と課題 一般に、レーザビーム・プリンタやファクシミリで使用
きれている光ビーム走査光学系は、基本的には、光源と
しての半導体レーザ、ポリゴンミラー、ガルバノミラ−
等の偏向器、ｆθレンズにより構成きれている。偏向器
は半導体レーザから発せられた光束を等角速度で走査す
るものであり、そのままでは集光面で主走査方向中心部
から両端部にわたって走査速度に差を生じ、等質な画像
が得られない。ｆθレンズは、この様な走査速度差を補
正するために設置きれている。しかし、ｆθレンズは種
々の凹レンズ、凸レンズ等を組み合わせたものであり、
レンズ設計が極めて複雑で、研摩面数が多くて加工上の
精度向上が図り難く、高価でもある。しかも、透光性の
良好な材質を選択しなければならないという材質面から
の制約もある。

そこで、高価で制約の多いｆθレンズに代えて、より加
工が容易で加工精度を高めることができる球面ミラーを
採用し、光学系のコンパクト化を図った光学系が提案き
れている（特開平１−２００２１９号公報参照）。きら
に、この光学系に偏向器の面倒れ誤差を補正するために
トロイダルレンズを加えた光学系（特開平１−２００２
２１号公報参照）、あるいは単レンズ（トーリックレン
ズ）でｆθにシダ機能及び面倒れ補正機能を持たせた光
学系（特開昭５７−１４４５１８号公報参照）が提案さ
れている。

しかしながら、前記面倒れ補正機能を有する光学系では
、面倒れ補正用のレンズが追加きれるために部品配置上
の自由度が減少し、特に小型のプリンタではその影響が
大きい。しかも、レンズであるために前述のｒθレンズ
と同様に材料的な制約もある。例えば、加工が容易で量
産性に優れたプラスチックを用いると、屈折率が温度に
よって変化し、プラスチック自体の吸湿性のためにレン
ズの屈折率が周辺部から中央部に向かって分布状に変化
し、またポリカーボネイト等の吸湿性の少ない材料を用
いると複屈折が問題となるなど、実用上問題が大きい。

一方、ガラスを用いると、安定した特性を得られるが、
レンズが非球面であるために加工が難しく、量産に適せ
ず、コストアップとなる。

発明の目的、構成、作用 そこで、本発明の課題は、材料面から制約のないミラー
を用いて、１０機能（像面湾曲、歪曲収差補正機能）、
面倒れ補正機能を有する光ビーム走査光学系を提供する
ことにある。

以上の目的を達成するため、本発明に係る光ビーム走査
光学系は、画像情報に基づいて変調された光束を発生す
る光源と、前記光源から放射された光束を走査方向と同
一平面の直線状に収束させる手段と、前記収束手段の集
光線付近に置かれ、収束光束を等角速度で走査する偏向
器と、前記偏向器で走査された光束を折り返して走査媒
体上に集光させるトロイダルミラーとを備えたことを特
徴とする。ここで、トロイダルミラーとは、反射面がト
ロイダル面、即ち、二つの主経線がそれぞれ異なった曲
率中心を有する面とされているミラーをいう。

以上の構成において、光源から放射された光束は偏向器
によって等角速度に走査され、この走査光束はトロイダ
ルミラーで反射され、走査媒体上に集光する。前記偏向
器による主走査及び走査媒体の移動による副走査で画像
が形成きれる。そして、トロイダルミラーによる反射光
束は主走査方向に対する走査速度を走査域中心からその
両端部にわたって均等となるように補正される（１０機
能）。さらに、光源から放射された光束は走査方向（偏
向面内）に直線状に収束きれて偏向器に入射される。そ
して、トロイダルミラーは偏向器で走査された光束を感
光体面上へ集光させ、偏向器の面倒れによる誤差を補正
する。

また、本発明に係る光ビーム走査光学系において、前記
トロイダルミラーは反射面の副走査方向（偏向面と垂直
な面内）の曲率半径が画角の増大に伴ってノ」＼さくな
るように構成されていることが好ましい。このような構
成によって集光面での副走査方向の像面湾曲が補正され
る。

さらに、本発明に係る光ビーム走査光学系において、前
記トロイダルミラーは反射面の母線の高きが画角の増大
に従って光束の入射向きとは逆方向に変位していること
が好ましい。このような構成によって、集光面での走査
線の曲がりが補正される。

実施例 以下、本発明に係る光ビーム走査光学系の実施例につき
、添付図面を参照して説明する。

［第１実施例、第１図〜第３図］ 第１図において、（１）は半導体レーザ、（６〉はコリ
メータレンズ゛、（７）はシリンドリカルレンズ、（１
０）はポリゴンミラー、（１５）はハーフミラ−３（２
０）はトロイダルミラー、（３０）はドラム状の感光体
である。

半導体レーザ（１）は図示しない制御回路によって強度
変調（オン、才））きれ画像情報を乗せた発散光束を放
射する。この発散光束はコリメータレンズ（６）を通過
することにより収束光束に修正される。さらに、この収
束光束はシリンドリカルレンズ（７）を通過することに
より走査方向に、即ち、ポリゴンミラー＜１０）の反射
面付近に直線状に収束される。ポリコンミラー＜１０）
は図示しないモータにて支軸（１１）を中心に矢印（ａ
）方向に一定速度で回転駆動される。従って、シリンド
リカルレンズク７）から射出された収束光束は、ポリゴ
ンミラー（１０〉の各反射面で連続的に反射きれ、等角
速度で走査きれる。この走査光束は／１−フミラー（１
５）を透過した後、トロイダルミラー（２０）にて反射
され、さらに、ハーフミラ−（１５）で反射された後感
光体く３０）上に集光きれる。このときの集光光束は感
光体（３０）の軸方向に等速で走査され、これを主走査
と称する。また、感光体り３０）は矢印（ｂ）方向に一
定速度で回転駆動きれ、この回転による走査を副走査と
称する。

ここで、トロイダルミラーとは、二つの主経線がそれぞ
れ異なった曲率中心を有する反射面（トロイダル面）と
して構成きれているミラーをいう。

なお、具体的な構成については実験例として後に詳述す
る。

以上の構成からなる光ビーム走査光学系においては、半
導体レーザ（１）の強度変調と前記主走査、副走査とに
よって感光体く３０）上に画像（外電潜像）が形成され
る。そして、トロイダルミラー（２０）が従来のｒθレ
ンズに代わって、主走査方向に対する走査速度を走査域
中心からその両端部にわたって均等となるように（歪曲
収差を）補正すると共に、感光体（３０）上での主走査
方向の像面湾曲を補正する。さらに、トロイダルミラー
（２０）は、ポリゴンミラー（１０）の面倒れ誤差を補
正すると共に、感光体く３０）上での副走査方向の像面
湾曲を補正する。即ち、ポリゴンミラー（１０）の各反
射面相互に垂直度の誤差が生じていると、感光体（３０
）上での走査線が副走査方向にずれを生じ、画像にピッ
チむらが発生する。この面倒れ誤差はポリゴンミラー（
１０）による偏向面に垂直な断面においてポリコンミラ
ー（１０）の各反射面と感光体（３０）の集光面とを共
役関係に設定すれば補正することができる。

本実施例ではシリンドリカルレンズ（７）によって光束
をポリコンミラーク１０）に集光する一方、トロイダル
ミラー（２０）によってポリゴンミラー（１０）の各反
射面と集光面とが共役関係を保持するようにしている。

また、本実施例ではコリメータレンズ（６）にて発散光
束を収束光束に修正している。これは収束光束とするこ
とによって感光体（３０）上での集光点（結像面）での
湾曲を補正するためである。即ち、ポリゴンミラー（１
０〉へ平行光束あるいは発散光束を入射させると（他の
回転偏向器でも同じであるが）、ポリゴンミラー（１０
）での反射後の集光点は、ポリゴンミラー（１０）の後
には光学部品がないとすると、その反射点を中心として
略円弧状となり、これを直線で受けると像面湾曲を生じ
ることになる。ポリコンミラー（１０）へ収束光束を入
射させると、光線入射方向に凹の像面湾曲を生じる。ま
た、入射光の収束具合によって、トロイダルミラー（２
０）と像面との距離も変わる。この距離の変化によって
像面湾曲も変化する。即ち、収束光束による像面湾曲に
より、トロイダルミラー（２０）の反射面による湾曲を
補正し、結果的に集光面での像面湾曲を小さくし、像面
の平坦性を良好なものとする。

像面湾曲が小きくなると、走査位置（像高）の相違によ
る集光光束径の変動がノＪ＼さくなり、光学系を広画角
で使用することができ、また集光光束径を小きくできる
ので画像の高密度化が可能となる利点を有する。

さらに、本実施例につき、詳述すると、第２図に示すよ
うに、トロイダルミラー（２０）の主走査方向曲率半径
〈Ｒ９）と、ポリゴンミラー（１０〉の偏向点（１０ａ
）からトロイダルミラー（２０）までの距離（ｄ）との
関係、及び前記距離（ｄ）と、トロイダルミラー（２０
）から感光体（３０）までの距離（ｄ゛）との関係につ
いては、それぞれ、 ０．１＜　（ｄ／　Ｉ　ＲヨＩ）＜０．７　　　　　　
　　・・・■０．５＜（ｌ　ｄ’／ｄ　ｌ　）＜　２　
　　　　　　　　　・・・■０．５＜（ｌ　ｄ／Ｒｙ　
ｌ　）＜　２　　　　　　　　　　・・・■なる式を満
足するのが望ましい。

なお、第２図において、（Ｓｌ）はトロイダルミラー（
２０）がないと仮定したときのポリゴンミラー（１０）
の反射面（１０ａ）から集光点までの距離（物点）を示
す。

前記０式、■式、■式を満足すると、広画角にわたって
良好な歪曲特性と、良好な像面平坦性が得られる。各式
での下限及び上限は、感光体（３０〉上での画像歪みの
程度により経験上許容できる範囲として設定した値であ
る。

前記０式の下限を越えると（トロイダルミラーの主走査
方向曲率半径（Ｒｌｆ）を大きくすると）、走査角の増
大に従って正の歪曲が増大すると共に、凸の像面湾曲が
増大する。また、前記０式の上限を越えると（トロイダ
ルミラーの主走査方向曲率半径（Ｒｇ）を小さくすると
）、走査角の増大に従って負の歪曲が増大すると共に、
凹の像面湾曲が増大する。

前記■式の下限を越えると（物点（ｓｌ）を／ＪＸキく
すると）、走査角の増大に従って正の歪曲が増大すると
共に、凸の像面湾曲が増大する。また、■式の上限を越
えると（物点（ｓｌ）を大きくすると）、走査角の増大
に従っ１負の歪曲が増大すると共に、凹の像面湾曲が増
大する。

前記■式の下限を越えると（トロイダルミラーの副走査
方向曲率半径を大きくすると）、副走査方向の像面位置
がプラス側にシフトする。また、■式の上限を越えると
（トロイダルミラーの副走査方向曲率半径を／ＪＸｅく
すると）、副走査方向の像面位置がマイナス側にシフト
する。

ここで、第１実施例における実験例（Ｉ）、（ＩＩ）。

（ＩＩＩ）での構成データを第１表に、及び特性データ
を第３図、第４図、第５図に示す。

［以下余白コ 以上の各実験例（Ｉ　）、（ＩＩ　）、（Ｉ［Ｉ＞にお
ける感光体集光面での収差をそれぞれ第３図、第４図、
第５図に示す。各図中（ａ）は、横軸を走査角度、縦軸
を歪曲度（歪曲収差）としたグラフである。各図中（ｂ
）は、横軸を走査角度、縦軸を湾曲度としたグラフで、
点線は偏向面内の光束による像面湾曲（主走査方向の像
面湾曲）を示し、実線は偏向面に対する垂直面内の光束
による像面湾曲（副走査方向の像面湾曲）を示す。

［第２実施例、第６図〜第１２図］ 本第２実施例は、第６図、第７図、第８図に示すように
、トロイダルミラー（２０）を主走査方向に垂直な平面
で角度（θｙ）を付け、前記第１実施例に示したハーフ
ミラ−（１５）を省略したものである。

ハーフミラ−（１５）を省略すれば、光量の減衰量が大
幅に減少する利点を生じる。第６図はポリゴンミラー（
１０）で偏向走査された光束を直接トロイダルミラー（
２０）へ入射させる形態を示す。第７図はポリゴンミラ
ー（１０）で偏向走査された光束を平面ミラー（１６）
を介して（光路を折り曲げて）トロイダルミラー（２０
）へ入射させる形態を示す。第８図において、偏向面（
１０ａ）は第６図に示す光学系に用いられた場合、偏向
面（１０ａ’）及び平面ミラ−（１６）は第７図に示す
光学系に用いられた場合を示す。

但し、トロイダルミラー（２０）を傾斜させると走査線
の曲がりが発生する。そこで、このような不具合を解消
するには、トロイダルミラー（２０）を傾斜させた状態
で副走査方向に（△２）だけビームが入射する向きに（
第８図では下方になる）平行移動させればよい。以下の
第２表に実験例（■）として具体的な構成データを示し
、第９図に特性データを示す。

［以　下余白］ 第２表 この実験例（ＩＶ）の形態においても、好ましい条件式
は前記第１実施例に示した０式、■式、■式が妥当する
。また、実験例（ＩＶ）における感光体集光面での収差
は第９図に示す通りであり、図中（ａ）、　（ｂ）は前
記第１実施例の実験例における収差図である第３図、第
４図、第５図と同様のグラフである。第９図中（ｃ）は
横軸を走査角度、縦軸を副走査方向の集光位置としたグ
ラフで、走査線の偏向面に垂直な方向（副走査方向）へ
の位置ずれ、即ち、走査線の曲がりを示す。

ところで、反射系として通常のトロイダルミラーを用い
、トロイダル面主走査方向の曲率半径を歪曲収差の補正
及び主走査方向の像面湾曲の補正が適切になるように設
定すると、走査角度（画角）の増大に伴って副走査方向
に正の像面湾曲が増大する。これを補正するためには、
画角の増大に従ってトロイダル面副走査方向の曲率半径
を小びくすればよい。

一方、第８図に示したようにトロイダルミラー（２０）
に対して角度を付けてビームを入射させた場合、画角の
増大に従−・）てトロイダル面上での反射点が手前に変
位才乙だめ、像面上では上に凹の走査線の曲がりをｔし
、る。これを補正するためには、トロイダル面の母線の
高さを画角の増大に従−）で光束入射方向４とは逆方向
に元のトロイダル面の母線に対して変位させればよい。

但し、このとき元のトロイダル面の母線を含む平面に対
し、垂直に変ｉｔせればビーム形状が崩れないので好都
合である。

以上の点に鑑みて、像面湾曲及び歪曲収差の補正を行な
った具体的な構成データを実験例（Ｖ）。

（ＶＩ）、（■）として以下の第３表に示す。

［以下余白］ 以上の実験例（Ｖ）、　（Ｖｌ）、　（■）においても
、０．１＜（ｄ／　Ｉ　ＲＨＩ　）＜０．７　　　　　
　　・・・■ｏ、ｓ＜　（ｌ　ｄ’／ｄ　ｌ　）＜　２
　　　　　　　　　　・・・■０．５＜　（Ｉ　ｄ／Ｒ
ｖ　Ｉ　）＜　２　　　　　　　　　−■の条件式を満
足することが好ましい。

前記０式、■式、■式に関しては前記第１実施例で示し
た０式、■式、■式と同様であり、そこでの説明が妥当
する。

ここで、トロイダルミラーを使用することによる像面湾
曲の補正に関して、以下の第４表に実験例（Ｖ）、第５
表に実験例（ＶＩ）におけるトロイダル面副走査方向の
曲率半径の変化を示す。さらに、歪曲収差の補正に関し
て、第５表に実験例（ＶＩ）におけるトロイダル面の母
線の高さの変化を示す。

［以　下余白］ トロイダル面副走査方向の曲率半径の変化は、実験例（
Ｖ）においては、以下の■式で示すことができる。なお
、単位は全てｍｍである。

Ｒｖ（α＞＝−ｆＦ４ｒ”ａ’−（Ｒｒ−Ｒｖｏ）　　
　　−■Ｒｒ：定数（１０６，２５） ＲＶＯ：画角０のときの曲率半径（１００）α　：画角 同様に実験例（ＶＩ）においては、以下の０式又は０式
で示すことができる。

Ｒｖ（Ｙ）＝力Ｆ：〒（Ｒｒ　］Ｒｖｏ　）　　　　”
’■Ｒｒ：８０２ Ｒｖａ　：　１５７ Ｒｖ（Ｙ）　＝　ａＹ’　＋　ｂＹ２＋　ｃ　　　　　
　　　　−■ａ：Ｏ ｂ　、　−６，２５Ｘ１０” ｃ：１４７ また、トロイダル面の母線の高さは、実験例（Ｖｌ）に
おいては以下の０式又は０式で表わすことができる。

Ｚ（Ｙ）＝ｆｆ了Ｙ”　−Ｒ２，、、■Ｒｚ　：　１３
６８゜６９ Ｚ＜Ｙ）＝ａＹ’＋ｂｙ２＋ｃ　　　　　　　　　　−
、■ａ　：　６．５１０Ｘ１０−　” ｂ　：　−３，６９８Ｘ１０−’ Ｃ：０ なお、前述した各式において、第１３図（ａ）、　（ｂ
）。

ｊＣ）に示されるような座標軸を設けている。即ち、原
点をポリコンミラー（１０）の偏向点（１０ａ）とし、
画角（α）が０度の方向をＸ軸方向、ポリコンミラー（
１０）による走査面をＸ−Ｙ平面にとり、Ｘ−Ｙ平面に
垂直方向に２軸を設ける。このとき、元のトロイダル面
の母線（第１３図（ａ）、　（ｂ）で点線で示されてい
る空間内の円）の中心（Ｐ）はＸ−Ｚ平面内にあり、ト
ロイダル面の母線の変位方向を第１３図（ａ）、（Ｃ）
に矢印で示した。母線を変位きせた曲線は第１３図（ａ
）、　（ｂ）、　（ｃ）では実線で示されており、その
２座標は前述の０式、０式のとおりである。

以上説明した自由トロイダル面は、副走査方向の円（曲
率半径を定義する面）の法線、母線及び副走査方向の円
の中心を通る曲線の三つの条件から算出された数値デー
タに基づいて三次元加工機で加工することができる。

第１０図、第１１図、第１２図はそれぞれ前記実験例（
Ｖ）、（ＶＩ）、（■）における感光体集光面での収差
を示す。各図中（ａ）は歪曲度（歪曲収差）、（ｂ）は
湾曲度、（ｃ）は副走査方向の集光位置を示し、点線は
主走査方向の像面湾曲を示し、実線は副走査方向の像面
湾曲を示す。

なお、本発明に係る光ビーム走査光学系は以上の実施例
に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変
形することができる。

例えば、偏向器としては前記のポリゴンミラー（１０）
以外に、光束を一平面に等角速度で走査可能なものであ
れば、種々のものを用いることができる。また、光源と
しては半導体レーザ以外に、他のレーザ発生手段や点光
源を用いてもよい。

また、前記実施例ではコリメータレンズにより半導体レ
ーザから放射された発散光束を収束光束に修正し工いる
が、車に略平行光束に修正するだけでもよい。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、偏向器
から感光体面への光路中にトロイダルミラーを介在許せ
たため、光路をトロイダルミラー単独の反射系のみで構
成することができ、ｆθ機能のみでなく、偏向器の面倒
れによる誤差を補正することができる。しかも、反射系
は加工が容易なプラスチックを用いても、プラスチＺり
を用いたレンズ系よりも、温度、湿度の変化に対する性
能変化の影響を受けることが少なく、材料面からの制約
がなくなる。

また、トロイダルミラーの反射面を、副走査方向の曲率
半径が画角の増大に従って小さくなるように構成すれば
、像面湾曲補正に関１．て良好な効果を得ることができ
る。あるいは、トロイダルミラーの反射面を、母線の高
さが画像の増大に従って光束の入射方向とは逆方向に変
位するように構成すれば、走査線の曲がりの補正に関し
て良好な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示し、第１
図は光学系の概略構成を示す斜視図、第２図は光学系の
偏向面上での光路図、第３図、第４図、第５図は感光体
面上での収差図である。第６図ないし第１２図は本発明
の第２実施例を示し、第６図は光学系（平面ミラーを用
いた場合）の概略構成を示す斜視図、第７図は光学系（
平面ミラーを省略した場合）の概略構成を示す斜視図、
第８図は光学系の偏向面と直交する面上での光路図、第
９図、第１０図、第１１図、第１２図は感光体面上での
収差図、第１３図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）はトロイ
ダル面及びその変位を示す説明図である。 （１）・・・半導体レーザ、＜６〉・・・コリメータレ
ンズ、（７）・・・シリンドリカルレンズ、（１０）・
・・ポリコンミラー、（２０）・・・トロイダルミラー
、（３０）・・・感光体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、画像情報に基づいて変調された光束を発生する光源
   と、 前記光源から放射された光束を走査方向と同一平面の直
   線状に収束させる手段と、 前記収束手段の集光線付近に置かれ、収束光束を等角速
   度で走査する偏向器と、 前記偏向器で走査された光束を折り返して走査媒体上に
   集光させるトロイダルミラーと、を備えたことを特徴と
   する光ビーム走査光学系。 ２、前記トロイダルミラーは、反射面の副走査方向の曲
   率半径が画角の増大に従って小さくなることを特徴とす
   る請求項１記載の光ビーム走査光学系。 ３、前記トロイダルミラーは、反射面の母線高さが画角
   の増大に従って光束の入射方向とは逆方向に変位してい
   ることを特徴とする請求項１記載の光ビーム走査光学系
   。