JPH0511212A

JPH0511212A - 光走査装置

Info

Publication number: JPH0511212A
Application number: JP29414391A
Authority: JP
Inventors: Akira Arimoto; 昭有本; Susumu Saito; 進斎藤; Yoshito Tsunoda; 義人角田; Shigeo Moriyama; 茂夫森山; Kenji Mochizuki; 健至望月
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1991-11-11
Filing date: 1991-11-11
Publication date: 1993-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザプリンタ装置において、回転多面鏡に斜
め方向からレーザ光を入射した時の副走査方向で生じる
像面湾曲を除去し、面だおれ補正機能を持ちながら高分
解でかつ広画角の走査を行なうこと。【構成】主走査方向ｘと副主走査方向ｙの曲率半径が異
なり、副走査方向の曲率半径が光軸から離れるにつれて
左右非対称に増加する回転非対称な非球面を有する走査
レンズ１を用い、光ビーム１００の回転多面鏡１０への
斜め入射や回転多面鏡の回転に伴う反射面の移動によっ
て感光ドラム面１５上で副走査方向に生じる像面湾曲を
補正して、結像特性が高分解能に保たれるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光走査装置に係り、特
に、回転非対称非球面を用いた走査光学系であって、計
算機出力装置やオフィス情報処理装置として用いられる
レーザプリンタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザプリンタ装置では、従来からＦθ
レンズ及び回転多面鏡の組み合せにより、レーザ光を感
光ドラム上に偏向走査することが行なわれている。レー
ザ光を走査する上での問題点の一つは、回転多面鏡の反
射面の傾きにより、走査ピッチムラが生じることであ
る。

【０００３】それを解決する方法としては、シリンダレ
ンズとトーリックＦθレンズの組み合わせ（特開昭４８
−９８８４４号）、プリズムとＦθレンズの組み合わせ
（特公昭５９−９８８３号）、トーリックレンズとＦθ
レンズの組み合わせ（特開昭４８−４９３１５）等によ
って、回転多面体鏡の傾き誤差による影響を低減しよう
とするものが知られている。これらには、前述のよう
に、非球面の光学素子と球面レンズからなるＦθレンズ
との２種類の光学部品が使われており、部品点数が多い
という難点があった。

【０００４】この点を改善する為に、Ｆθレンズの中に
面倒れ補正機能をもたせようとする提案もある（特開昭
５７−１４４５１５号）、このＦθレンズは、普通の球
面あるいは平面の他に、シリンダ面あるいはトーリック
面を含んだものとなっている。トーリック面とは、ある
平面とそれに直交するもう一つの平面を考えた時、各々
の平面内における面の曲率半径が異なる面を意味する。
すなわち光軸方向をｚ、光軸を含む互に直交した平面を
ｘｚ面、ｙｚ面とした２次の展開式で表わすと、ｚ＝Ａｘ²＋Ｂｙ² （１）（Ａ，Ｂは係数でＡ≠Ｂかつ、光の光軸に対する画角θ
とは独立）のような面を意味する。

【０００５】このようなトーリック面をつかってレーザ
走査装置を構成すると、光を走査する面をｘｚ面に、面
倒れに影響ある面はｙｚ面とし、主走査方向をｘ軸方
向、副走査方向をｙ軸方向、各々の面内焦点距離を
ｆ_x，ｆ_yとすると、ｆ_x≠ｆ_y（且つ、ｆ_x＞ｆ_y）（２）であり、特に面倒れ方向（副走査方向）の結像特性が劣
化する。これはｆ_y＜ｆ_xのために、ｆ_yがカバーできる
走査範囲が小さく、良好な結像特性を満足できない為で
ある。副走査方向の結像特性が悪くなるのは、面倒れに
関係する面（ｙｚ面）で、像面湾曲が発生するためであ
る。即ち、ある特定の画角θでの波面収差がＷ＝ｃｙ² （３）（ｃ：係数）となる。主走査方向の結像特性は、θ〜４０゜以内で良
好に保つことができる。すなわちＷがｘの関数でなくな
るので、面倒れ補正方向（ｙ軸方向、副走査方向）のみ
の収差が発生する。ｃはレンズ系の曲率半径、レンズ間
隔、屈折率、画角等で決定される係数であって、トーリ
ック面のようなレンズ面形状が（１）式で書けるような
形だと、結像特性の低下をまねき、零にはならない。し
かも、Ｆθレンズ中に非球面を複数用いるため、レンズ
の回転による軸ずれ調整が難かしいという問題もある。

【０００６】そこで、本発明者等は、走査レンズ（Ｆθ
レンズ）内の非球面を１つにし、その非球面の形状を、ｚ＝Ａｘ²＋Ｂ´（θ）・ｙ² （４）（Ｂ´≧Ｂ）として、係数Ｂ´を走査画角θの関数の形にし、Ｆθレ
ンズの面倒れ方向の曲率半径を、偏向方向に応じて変化
させるものを提案した（特開昭６２−２６５６１５。す
なわち、この提案では、図２に破線Ｂで示すように、面
倒れ方向（副走査方向）の曲率半径を光軸（Ｚ軸）から
離れるにつれて大きくすることによって、波面収差Ｗの
ｙ²の項の係数を０に近づけることが可能となる。この
ことは、副走査方向の焦点距離ｆ_yが画角θの関数にな
っており、画角θが変化するごとにｆ_yも変化させるこ
とを意味する。なお、この提案では、副走査方向の曲率
半径の変化は、光軸に対して対称である。図２でｚ軸は
光軸方向、ｙｚ面は面倒れに影響する平面である。図中
の実線Ａは、従来のトーリック面ｚ＝Ｂｙ²＋Ｍ（５）を示す。点線のように光軸から離れるにつれて副走査方
向の曲率半径を大きくし、光軸上（θ＝０）における面
倒れ方向の曲率半径よりも、軸外（θ≠０）における曲
率半径を大きくして非球面Ｂへ移行することで結像位置
をドラム面上にもっていくことができる。しかも、この
曲率半径は画角θと共に左右対称に単調増加させる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、回転多面鏡
の回転に伴う副走査方向の像点移動の影響をなくし、面
だおれ補正機能を持ちながら高分解能でかつ広画角の走
査を行うことができる光走査装置及びそれに用いる回転
非対称な非球面走査レンズを提供するのが本発明の目的
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザプリンタ
装置は、光源と、該光源からの光ビームを偏向して感光
ドラム面上を走査する回転多面鏡と、該回転多面鏡と感
光ドラムとの間に設けられ、上記回転多面鏡によって走
査される主走査方向に垂直な副走査方向に関して上記回
転多面鏡と走査面とを共役な関係に結像しかつ上記回転
多面鏡の反射面で偏向された光ビームをその走査角に比
例した走査面上の位置に結像する走査レンズであって、
主走査方向と副走査方向との曲率半径が異なり、該副走
査方向の曲率半径が光軸から離れるにつれて左右非対称
に増加する非球面を有する走査レンズと、上記光源と回
転多面鏡との間に設けられ、上記光源からの光ビームを
上記副走査方向に関して集光し、上記回転多面鏡の反射
面に対し上記主走査方向に細長い線状に上記走査レンズ
の光軸に関して斜め方向から入射せしめる光学系とを有
することを特徴とする。

【０００９】

【作用】すなわち、本発明では、走査レンズを介して回
転多面鏡の反射面と感光ドラム面とを副走査方向に関し
て共役な結像関係に配置して、回転多面鏡の面倒れによ
る走査ピッチむらを補正するとともに、上記走査レンズ
に、主走査方向と副走査方向の曲率半径が異なり、かつ
副走査方向の曲率半径が光軸から遠ざかるにつれて非対
称に単調増加する回転非対称な非球面を有するＦθレン
ズを用いて、感光ドラム上で副走査方向に発生する像面
わん曲（光ビームの回転多面鏡への斜め入射や、回転多
面鏡の反射面の移動によって生じる収差を含む）を補正
することを特徴とする。なおＦθレンズとは、回転多面
鏡の反射面によって偏向された光の偏向角（走査画角）
θに比例した走査面上の位置に光束を結像させるレンズ
である。

【００１０】本発明で用いる回転非対称な非球面は、主
軸と副軸の曲率半径が異なると同時に副軸の曲率半径が
軸外（θ≠０）になるにつれて増加し、かつ走査中心
（θ＝０）に対して左右非対称の形状を有する。この非
球面は、Ｆθレンズを構成するレンズのどの面に用いて
もよいが、走査面（感光ドラム面）に最も近い面に設け
るのが好ましい。例えば、本発明の非球面走査レンズを
２枚のレンズで構成し、これらレンズの各面をレーザの
入射側（回転多面鏡側）から第１面〜第４面とすると、
第１面から第３面は平面又は球面からなる回転軸対称な
面とし、第４面を回転軸非対称な非球面とする。

【００１１】本発明の非球面走査レンズは、回転多面鏡
によって走査される主走査方向に垂直な副走査方向に関
して回転多面鏡と走査面とを共役な関係に結像しかつ回
転多面鏡の反射面で偏向された光ビームをその走査角に
比例した走査面上の位置に結像するＦθレンズであっ
て、主走査方向と副走査方向との焦点距離が異なり、副
走査方向の焦点距離が光軸から離れるにつれて左右非対
称に増加するレンズからなる。

【００１２】本発明によれば、光ビームの（例えばレー
ザ光）の回転多面鏡への斜め入射及び回転多面鏡の反射
面の移動によって走査面（感光ドラム）上で副走査方向
に生じる像面わん曲を補正して、結像位置を走査面上に
一致させることができ、高分解能で広画角の走査を行う
ことができる。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例の説明に先立ち、本発明の解
決すべき問題点について説明する。

【００１４】レーザプリンタ装置では、走査手段として
回転多面鏡が用いられており、光源（例えば、ｌａｓｅ
ｒ源）からの光ビーム例えばレーザ光を回転多面鏡に斜
めの方向から入射させる。すなわち、レーザ光は、回転
多面鏡の反射面に対し、走査平面（ｘｚ面）内で光軸
（ｚ軸）に対し斜め方向から入射する。しかし、回転多
面鏡の反射面４０は、図３に示すように回転につれて入
射レーザ光４１に対して前後に動く。このため、入射レ
ーザ光４１の入射点は４２から４３になり、その反射光
も４６から４７へ移る。この反射面の動きは、上記の特
開昭６２−２６５６１５号のように回転多面鏡の反射面
に平行光を入射させる場合は問題とならないが、回転多
面鏡の面倒れ補正のために、副走査方向（ｙ方向）に関
して回転多面鏡の反射面と感光ドラム面を共役な結像関
係に配置し、回転多面鏡の反射面に入射させるレーザ光
４１を副走査方向に関して一点に集光させると、反射面
４０の移動にともなって、感光ドラム上でのスポットは
光軸方向に動くことになる。この像点の動きは、画角θ
のとき、ａθ＋ｂθ²＋ｃθ³＋ ……………… となり、画角θに関して奇関数項が入ってくる。

【００１５】このように回転多面鏡の反射面に斜め方向
から入射させて走査されるレーザ光を、副走査方向の曲
率半径が光軸に対し左右対称な非球面を用いた走査レン
ズで結像すると、図４に点線で示すように副走査方向の
結像位置が光軸から離れるにつれて走査面上（感光ドラ
ム面上）からずれてしまう。すなわち、ガルバノミラー
のように回転軸と反射面とが一致する走査手段を用いた
レーザ走査系では、反射面に斜め方向からレーザ光を入
射させ、左右対称な非球面走査レンズを用いて結像して
も、画像が傾くことはないが、回転中心が反射面上にな
い回転多面鏡を用いると、上述したように反射面の移動
に応じて、走査面上でのスポットが光軸方向に動いてし
まい、図４に点線で示したように副走査方向の結像位置
が走査面上から大きくずれてしまう。図４において、−
方向に結像位置がずれていることは、副走査方向の曲率
半径Ｒ−ｘを光軸から離れるにつれて更に大きくし、結
像点を走査面である感光ドラム面上（ｚ´＝０の位置）
に移動させる必要があるということであり、＋方向に結
像位置がずれていることは、副走査方向の曲率半径Ｒｘ
を逆に小さくする必要があることを示す。そこで、本発
明では、主軸と副軸の曲率半径が異なると同時に副軸の
曲率半径が軸外になるにつれて増加し、かつ走査中心に
対して左右非対称な形状を有する回転非対称な非球面を
用いることにより、レーザ光の回転多面鏡への斜め入射
や回転多面鏡の回転に伴う反射面の移動によって走査面
上で副走査方向に生じる像面湾曲を補正して結像位置を
走査面上に一致させ、結像特性が高分解能に保たれるよ
うにしたものである。

【００１６】本発明の非球面走査レンズは、回転多面鏡
によって走査される主走査方向に垂直な副走査方向に関
して回転多面鏡と走査面とを共役な関係に結像しかつ回
転多面鏡の反射面で偏向された光ビームをその走査角に
比例した走査面上の位置に結像するＦθレンズであっ
て、主走査方向と副走査方向との焦点距離が異なり、副
走査方向の焦点距離が光軸から離れるにつれて左右非対
称に増加するレンズからなる。

【００１７】なお、本発明による走査レンズの横倍率は
３以上５以下が好適である。すなわち、回転多面鏡の反
射面の動きは回転多面鏡の半径を３０〜５０mmφとする
と、約１mmとなる。この動きによる像面わく曲は、上述
したように左右非対称な曲率半径をもつ非球面を用いる
ことにより除去できる。回転多面鏡と走査レンズの配置
精度を考えると、反射面４０が設計位置４０₁から例え
ば０．３mmずれた４０₂の位置にあるとすると、図６に
点線で示すように、反射像の位置Ｐ₀はその２倍の約
０．６mm動いた位置Ｐ₀´になる。感光ドラム面上での
結像位置Ｐの移動は、走査レンズ１の横倍率の自乗で生
じ、Ｐ´の位置になる。横倍率を３〜５とすると、感光
ドラム上での像の移動ＰＰ´は５．４〜１５mm生じるこ
とになる。レーザプリンタ装置などの光走査装置におけ
る走査レンズのＦ数は約１００前後である。焦点深度は
ＰＰ値４Ｆ²・λ で与えられる。これを±に振りわけると２Ｆ²λとな
り、使用する光の波長をλ＝０．７８μｍとすると、焦
点深度は約１５mmとなる。従って走査レンズの横倍率を
３〜５とすることにより、回転多面鏡と走査レンズの配
置精度が０．３mm以内で焦点深度内に入れることがで
き、量産上好ましい。横倍率を５より大きくすると、回
転多面鏡と走査レンズ配置精度が厳しくなり、組立てが
困難となる。一方、３より小さいと、走査レンズを感光
ドラム側に近づける必要があり、このため、レンズ径が
大きくなってしまい好ましくない。

【００１８】図１は、本発明による光走査装置の一実施
例であるレーザプリンタ装置の構成図である。図におい
て、１は本発明による走査レンズである回転非対称な非
球面Ｆθレンズ、２はレーザ光源、２０はコリメータレ
ンズ、３はシリンダレンズ、１０は回転多面鏡、１５は
感光ドラム面である。

【００１９】レーザ光源２からでたレーザ光１００はコ
リメータレンズ２０を通り平行光束になる。シリンダレ
ンズ３は副走査方向（ｙ方向）にのみ作用するように配
置され、回転多面鏡１０の反射面４０上で副走査方向
（ｙ方向）にコリメータレンズ２０からのレーザ光が集
光されるようになっており、反射面４０には副走査方向
に集光され、主走査方向には平行な光ビームが入射さ
れ、主走査方向に細長い線状のスポットが照射される。

【００２０】副走査方向（ｙ方向）に関して該反射面４
０と感光ドラムが配置される走査面１５は幾何光学的な
共役関係にある。レーザ光走査のための走査レンズ（Ｆ
θレンズ）１は、球面あるいは平面からなる回転対称軸
を有するレンズ面１１，１２をもつ第１のレンズと、平
面、あるいは球面からなるレンズ面１３と回転軸非対称
な非球面であるレンズ面１４とをもつ第２のレンズによ
って構成されている。

【００２１】この走査レンズ１は、主走査方向（ｘ方
向）の結像に関しては、回転多面鏡で偏向された平行光
束を、走査面（感光ドラム面）１５上に絞り込む機能を
もっている。

【００２２】走査レンズ１の諸元を表１に示す。表１に
おいて、は回転多面鏡１０の反射面４０、〜は走
査レンズ１の各レンズ面で、は回転対称軸を有する球
面からなるレンズ面１１、，は平面からなるレンズ
面１２，１３，は回転軸非対称な非球面からなるレン
ズ面１４である。は感光ドラム面を意味する。ｒは曲
率半径、ｄは面間隔、ｎは屈折率である。表１でのｒは
面の向きによって±の付号をつけてあるが、−の場合は
光線がＺの−から＋に向う時曲率中心が面の負側にある
ことに対応する。

【００２３】

【表１】

【００２４】ここで、この走査レンズ１の特徴は、の
非球面１４にある。図５に本発明で用いる非球面１４の
一形状を示す。図５において、Ｒ0は走査中心（θ＝
０）での副走査方向の曲率半径、Ｒｘ，Ｒ−ｘはｘ及び
−ｘ座標での副走査曲率半径であり、Ｒｘ≠Ｒ−ｘとな
っている。より具体的に示すと、本実施例の非球面１４
は、主走査方向の曲率半径の絶対値Ｒｙが１５５．７m
m、副走査曲率半径の絶対値Ｒｏが４９．２２mmである
トーリック面ｆ（ｘ，ｙ）（実線Ａで示す）に、３×１
０~⁷（ｘｙ）²の値を各（ｘ，ｙ）座標で加え（点線Ｂ
で示す）、更にΔなる量を各（ｘ，ｙ）座標で加えたも
ので、一点鎖線Ｃで示される非球面である。ここで、Δ
は、例えば、表２に示すような値であり、各（ｘ，ｙ）
座標で各Δを付加するものであり、各（ｘ，ｙ）位置
で、各Δで与えられる距離だけ、レンズ面がｚ方向（光
軸方向）に移動することを示す。なお、表２に示されて
いない（ｘ，ｙ）座標での値は、表２に示したサンプル
点を用いた多項式近似でもって与えられる。この走査レ
ンズ１の副走査方向の横倍率は約４．５である。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２から明らかなように、Δの値は、ｘの
正負に対して逆の符号の値をもっているので、図５にＣ
で示す非球面がｘ座標に対して非対称な形状を有するこ
とは明らかであり、副走査方向の曲率半径Ｒｘは図７の
ように走査中心（θ＝０）に対し左右非対称となる。図
７の例では、副走査方向の曲率半径は中心でＲ₀＝４
９．２２mm、各々の端ではＲ−ｘ＝５３．７mm，Ｒ＋ｘ
＝５４．７mmと非対称に大きくなっている。なお、この
ような非球面は、数値制御（ＮＣ）による研削機械で直
接加工することにより得られる。

【００２７】また、本実施例では、回転多面鏡１０の半
径は３２mm，面数は８であり、入射レーザ光４１の入射
角度βは６６゜で光軸（Ｚ軸）に対する配置は図８に示
すようになっている。この回転多面鏡１０で走査された
レーザ光を上述の走査レンズ１で結像したときの結像特
性は、図９に実線で示したように、走査画角θが±２９
゜の範囲で像面わん曲を２mm以内におさえることがで
き、６０×１００μｍの均一な絞り込みスポットが得ら
れた。図９の破線は、非対称の面形状を加えない時（Δ
分がない時）の副走査方向の像面位置を示す。この破線
と実線との差が、Δによって補正されたことになる。

【００２８】

【発明の効果】このように、走査レンズのレンズ面を走
査光軸に対して非対称化することで、回転多面鏡に斜め
方向からレーザ光を入射した時の副走査方向で生じる像
面湾曲を除去することができ、面だおれ補正機能を持ち
ながら高分解でかつ広画角の走査を行なうことができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光走査装置の一実施例を示す図

【図２】従来の非球面の一例を示す図

【図３】回転多面鏡の反射面の移動を示す図

【図４】像面湾曲の説明図

【図５】本発明による走査レンズで用いる非球面の一例
を示す図

【図６】回転多面鏡と走査レンズの配置精度による像の
移動を示す図

【図７】本発明で用いる非球面の副走査方向の曲率半径
の変化を示す図

【図８】回転多面鏡と入射光との関係を示す図

【図９】本発明と従来例の結像特性を示す図である

【符号の説明】

１…走査レンズ、２…レーザ光源、３…シリンダレン
ズ、１０…回転多面鏡、１５…感光ドラム面、ｘ…主走
査方向、ｙ…副走査方向、ｚ…光軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者角田義人東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者森山茂夫東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者望月健至東京都千代田区大手町二丁目６番２号日立工機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源と、該光源からのレーザビーム
を偏向して感光ドラム面上を走査する回転多面鏡と、該
回転多面鏡と感光ドラム面との間に設けられ、上記回転
多面鏡によって走査される主走査方向に垂直な副走査方
向に関して上記回転多面鏡と走査面とを共役な関係に結
像しかつ上記回転多面鏡の反射面で偏向された光ビーム
をその走査角に比例した走査面上の位置に結像する走査
レンズであって、主走査方向と副走査方向との焦点距離
が異なり、該副走査方向の焦点距離が光軸から離れるに
つれて左右非対称に増加する走査レンズと、上記光源と
回転多面鏡との間に設けられ、上記光源からの光ビーム
を上記副走査方向に関して集光し、上記回転多面鏡の反
射面に対し上記主走査方向に細長い線状に上記走査レン
ズの光軸に関して斜め方向から入射せしめる光学系であ
って、上記光源からのレーザビームを平行化するコリメ
ータレンズと、該コリメータレンズからのレーザビーム
を上記副走査方向に関して集光するシリンダレンズとか
ら構成された光学系とを有することを特徴とするレーザ
プリンタ装置。
【請求項２】請求項１において、上記走査レンズの横倍
率を３以上５以下としたことを特徴とするレーザプリン
タ装置。
【請求項３】請求項１において、上記走査レンズが、主
走査方向と副走査方向との曲率半径が異なり、該副走査
方向の曲率半径が光軸から離れるにつれて左右非対称に
単調増加する非球面を有するレンズを含むことを特徴と
するレーザプリンタ装置。
【請求項４】請求項３において、上記走査レンズが、回
転軸対称な面を両面にもつ第１のレンズと、回転軸対称
な面と上記非球面とをもつ第２のレンズとから構成され
ていることを特徴とするレーザプリンタ装置。