JPH09269451A - 走査光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １枚のｆθレンズのレンズ形状を適切に設定
することによってコンパクトで高精細な印字に適した走
査光学装置を得ること。 【解決手段】 光源手段から出射した光束を第１の光学
素子により収束光束に変換し、変換された光束を第２の
光学素子を介して偏向素子の偏向面において主走査方向
に長手の線状に結像させ、該偏向素子で偏向された光束
を第３の光学素子を介し被走査面上にスポット状に結像
させて、被走査面上を走査する際、第３の光学素子は単
レンズより成り、単レンズは主走査面内において偏向素
子側に凸のメニスカス形状を成し、かつ偏向素子側の第
１レンズ面と被走査面側の第２レンズ面は共に非球面形
状で形成され、第２レンズ面の非球面形状は近軸曲率半
径の接線に対して周辺部で交わり、最外部で偏向素子側
に近接した形状を成すこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査光学装置に関
し、特に光源手段から光変調され出射した光束を回転多
面鏡等より成る光偏向器（偏向素子）で偏向反射させた
後、ｆθ特性を有する結像光学系（ｆθレンズ）を介し
て被走査面上を光走査して画像情報を記録するようにし
た、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプ
リンタ（ＬＢＰ）やデジタル複写機等の装置に好適な走
査光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より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おいては、画
像信号に応じて光源手段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
学系によって感光性の記録媒体（感光体ドラム）面上に
スポット状に集束させ、その面上を光走査して画像記録
を行なっている。

【０００３】図７はこの種の従来の走査光学装置の要部
概略図である。

【０００４】同図において光源手段７１から出射した発
散光束はコリメーターレンズ７２により略平行光束とさ
れ、絞り７３によって該光束（光量）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
７４に入射している。シリンドリカルレンズ７４に入射
した平行光束のうち主走査断面内においてはそのまま平
行光束の状態で射出する。又副走査断面内においては集
束して回転多面鏡（ポリゴンミラー）から成る光偏向器
７５の偏向面（反射面）７５ａにほぼ線像として結像し
ている。

【０００５】そして光偏向器７５の偏向面７５ａで偏向
反射された光束をｆθ特性を有する結像光学系（ｆθレ
ンズ）７６を介して被走査面としての感光体ドラム７７
面上に導光し、該光偏向器７５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７７面上を矢印Ｂ方向に
光走査している。これにより記録媒体である感光ドラム
７７上に画像記録を行なっている。

【０００６】近年、レーザービームプリンタやデジタル
複写機等の小型化、低コスト化に伴ない、走査光学装置
においても同様のことが要求されている。この解決策の
一つとして上記ｆθ特性を有する結像光学系を１枚のレ
ンズから構成した走査光学装置が、例えば特公昭６１−
４８６８４号公報や特開昭６３−１５７１２２号公報や
特開平４−１０４２１３号公報や特開平４−５０９０８
号公報等で種々と提案されている。

【０００７】これらの公報のうち特公昭６１−４８６８
４号公報や特開昭６３−１５７１２２号公報ではｆθレ
ンズとして光偏向器側に凹面の単レンズを用いてコリメ
ーターレンズからの平行光束を記録媒体面上に集束させ
ている。

【０００８】特開平４−１０４２１３号公報ではｆθレ
ンズとして光偏向器側に凹面、像面側にトロイダル面の
単レンズを用いてコリメーターレンズにより収束光に変
換された光束を該ｆθレンズに入射させている。

【０００９】特開平４−５０９０８号公報ではｆθレン
ズとしてレンズ面に高次非球面を導入した単レンズを用
いてコリメーターレンズにより収束光に変換された光束
を該ｆθレンズに入射させている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この種の走査光学装置
において高精度な画像情報の記録を行なうには被走査面
全域にわたって像面湾曲が良好に補正されスポット径が
揃っていること、そして入射光の角度と像高とが比例関
係となる歪曲収差（ｆθ特性）を有していることが必要
である。

【００１１】しかしながら上記に示した従来の走査光学
装置において特公昭６１−４８６８４号公報では副走査
方向の像面湾曲が残存しており、かつ平行光束を被走査
面に結像させている為、ｆθレンズから被走査面までの
距離が焦点距離に等しくなり、コンパクトな走査光学装
置を構成することが難しいという問題点があった。

【００１２】特開昭６３−１５７１２２号公報ではｆθ
レンズの肉厚が厚い為、モールド成型による製作が困難
であり、コストアップの要因になるという問題点があっ
た。

【００１３】特開平４−１０４２１３号公報では歪曲収
差が残存しており、かつ光偏向器であるポリゴンミラー
の取付誤差によりポリゴン面数周期のジッターが発生す
るという問題点があった。

【００１４】特開平４−５０９０８号公報では高次非球
面のｆθレンズを用い収差は良好に補正されているもの
の、光偏向器と被走査面間における副走査方向の倍率の
不均一性のため像高により副走査方向のスポット径が変
化するという傾向があった。

【００１５】本発明はコリメーターレンズからの収束光
を光偏向器を介して１枚のｆθレンズにより被走査面上
に結像させる際、該ｆθレンズのレンズ形状を適切に構
成することにより、像面湾曲や歪曲収差を補正し、かつ
光偏光器の取付誤差によるジッターや像高による副走査
方向のスポット径の変化等を防止すると共にコンパクト
でしかも高精細な印字に適した走査光学装置の提供を目
的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の走査光学装置
は、(1) 光源手段から出射した光束を第１の光学素子に
より収束光束に変換し、該変換された光束を第２の光学
素子を介して偏向素子の偏向面において主走査方向に長
手の線状に結像させ、該偏向素子で偏向された光束を第
３の光学素子を介し被走査面上にスポット状に結像させ
て、該被走査面上を走査する走査光学装置において、該
第３の光学素子は単レンズより成り、該単レンズは主走
査面内において該偏向素子側に凸のメニスカス形状を成
し、かつ該偏向素子側の第１レンズ面と該被走査面側の
第２レンズ面は共に非球面形状で形成され、該第２レン
ズ面の非球面形状は近軸曲率半径の接線に対して周辺部
で交わり、最外部で該偏向素子側に近接した形状を成す
ことを特徴としている。

【００１７】特に(1-1) 前記第３の光学素子を構成する
単レンズは、主走査面内において該単レンズの最大有効
径における前記第１、第２のレンズ面の近軸曲率半径の
接線から該第１、第２のレンズ面までの光軸方向の距離
を各々ｄ１，ｄ２、該単レンズの中心厚をＳとしたと
き、 ０．４６≦｜ｄ１／Ｓ｜≦０．５４ ０．１２≦｜ｄ２／Ｓ｜≦０．２４ なる条件を満足することや、(1-2) 前記第３の光学素子
を構成する単レンズの主走査面内における第２レンズ面
の非球面形状は、近軸曲率半径の接線に平行になるよう
な接線を有する局部点が存在し、該局部点は光軸からの
距離をＸ、該単レンズの最大有効径をＹとしたとき、 ０．４８≦Ｘ／Ｙ≦０．５６ なる条件を満足することや、(1-3) 前記第３の光学素子
を構成する単レンズの両レンズ面のうち、少なくとも一
方のレンズ面の副走査面内の曲率が該単レンズの有効部
内において連続的に変化していることや、(1-4) 前記第
３の光学素子を構成する単レンズはプラスチック成型に
より製作されていること、等を特徴としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例１の主走査
方向の要部断面図（主走査断面図）である。

【００１９】同図において１は光源手段であり、例えば
半導体レーザより成っている。２は第１の光学素子とし
てのコリメーターレンズであり、光源手段１から出射さ
れた発散光束（光ビーム）を収束光束に変換している。
３は開口絞りであり、通過光束径を整えている。４は第
２の光学素子としてのシリンドリカルレンズであり、副
走査方向にのみ所定の屈折力を有しており、開口絞り３
を通過した光束を副走査断面内で後述する光偏向器５の
偏向面５ａにほぼ線像として結像させている。５は偏向
素子としての例えばポリゴンミラー（回転多面鏡）より
成る光偏向器であり、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。

【００２０】６は第３の光学素子としてのｆθ特性を有
する１枚のレンズより成るｆθレンズ（結像光学系）で
ある。ｆθレンズ６は後述するように主走査面内におい
て光偏向器５側に凸のメニスカス形状を成し、かつ該光
偏向器５側の第１レンズ面Ｒａと被走査面としての感光
ドラム７面側の第２レンズ面Ｒｂとを共に非球面形状の
トーリック面より構成しており、該第２レンズ面Ｒｂの
非球面形状は近軸曲率半径の接線に対して周辺部で交わ
り、最外部で該光偏向器５側に近接した形状を成してお
り、該光偏向器５によって偏向反射された画像情報に基
づく光束を感光ドラム７面上に結像させ、かつ該光偏向
器５の偏向面の面倒れを補正している。

【００２１】又、本実施形態におけるｆθレンズ６は、
該ｆθレンズの両レンズ面Ｒａ，Ｒｂのうち少なくとも
一方のレンズ面の副走査方向の曲率を、該ｆθレンズ６
の有効部内において連続的に変化させており、又プラス
チック成型により製作している。

【００２２】本実施例において半導体レーザ１より出射
した光束はコリメータレンズ２により収束光束に変換さ
れ、開口絞り３によって該光束（光量）を制限してシリ
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に入射した光束のうち主走査断面においてはその
ままの状態で射出する。又副走査断面においては集束し
て光偏向器５の偏向面５ａにほぼ線像（主走査方向に長
手の線像）として結像している。そして光偏向器５の偏
向面５ａで偏向反射された光束は主走査方向と副走査方
向とで互いに異なる屈折力を有するｆθレンズ６を介し
て感光ドラム７面上に導光され、該光偏向器５を矢印Ａ
方向に回転させることによって該感光ドラム７面上を矢
印Ｂ方向に走査している。これにより記録媒体である感
光ドラム７上に画像記録を行なっている。

【００２３】次に本実施形態において歪曲収差（ｆθ特
性）及び像面湾曲を補正する手段について説明する。本
装置の歪曲収差及び像面湾曲を満足させる為には、ｆθ
レンズ６の主走査面内において、該ｆθレンズ６の最大
有効径における第１、第２のレンズ面の近軸曲率半径の
接線から該第１、第２のレンズ面Ｒａ，Ｒｂまでの光軸
方向の距離を各々ｄ１，ｄ２、該ｆθレンズ６の中心厚
をＳとしたとき、 ０．４６≦｜ｄ１／Ｓ｜≦０．５４ ‥‥（１） ０．１２≦｜ｄ２／Ｓ｜≦０．２４ ‥‥（２） なる条件を満足させるようにレンズ形状を設定してい
る。尚、ｄ１，ｄ２は各々光線の進行方向を測ったとき
を正としている。

【００２４】上記の条件式（１），（２）は共にｆθレ
ンズ６の最大有効径における近軸曲率半径の接線から第
１、第２のレンズ面Ｒａ，Ｒｂまでの光軸方向の距離
と、該ｆθレンズ６の中心厚との比に関するものであ
り、条件式（１）を外れると主走査方向の像面湾曲や歪
曲収差等を良好に補正することが困難になってくるので
良くない。又条件式（２）を外れると主走査方向の像面
湾曲、歪曲収差及び副走査方向のスポット径の均一化を
良好に補正することが困難になってくるので良くない。

【００２５】更にｆθレンズ６の主走査面内における第
２レンズ面Ｒｂの非球面形状は、近軸曲率半径の接線に
平行になるような接線を有する局部点が存在し、該局部
点は光軸からの距離をＸ、該ｆθレンズ６の最大有効径
をＹとしたとき、 ０．４８≦Ｘ／Ｙ≦０．５６ ‥‥（３） なる条件を満足させるようにレンズ形状を設定してい
る。

【００２６】上記の条件式（３）はｆθレンズ６の第２
レンズ面Ｒｂにおける光軸から局部点までの距離と、該
ｆθレンズ６の最大有効径との比に関するものであり、
条件式（３）を外れると主走査方向の像面湾曲や歪曲収
差等を良好に補正することが困難になってくるので良く
ない。

【００２７】本実施形態ではこのように各条件式
（１），（２），（３）のうち少なくとも１つの条件式
を満足するようにｆθレンズ６のレンズ形状を適切に設
定することにより、像面湾曲や歪曲収差等を良好に保ち
つつ、副走査方向のスポット径の均一性を向上させてい
る。

【００２８】本実施形態ではｆθレンズ６のレンズ形状
を主走査方向は１０次までの関数で表わせる非球面形状
とし、副走査方向は像高方向に連続的に変化する球面よ
り構成している。そのレンズ形状は、例えばｆθレンズ
６と光軸との交点を原点とし、光軸方向をＸ軸、主走査
面内において光軸と直交する軸をＹ軸、副走査面内にお
いて光軸と直交する軸をＺ軸としたとき、主走査方向と
対応する母線方向が Ｘ＝（Ｙ／Ｒ）／（１＋（１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）
² ）^1/2 ＋Ｂ₄ Ｙ⁴＋Ｂ₆ Ｙ⁶ ＋Ｂ₈ Ｙ⁸ ＋Ｂ₁₀Ｙ¹⁰ （但し、Ｒは曲率半径、Ｋ，Ｂ₄ ，Ｂ₆ ，Ｂ₈ ，Ｂ₁₀は
非球面係数）なる式で表わせるものであり、又副走査方
向（光軸を含む主走査方向に対して直交する方向）と対
応する子線方向が Ｓ＝（Ｚ² ／ｒ’）／（１＋（１−（Ｚ／ｒ’）² ）
^1/2 （ここでｒ’＝ｒ（１＋Ｄ₂ Ｙ² ＋Ｄ₄ Ｙ⁴ ＋Ｄ₆ Ｙ⁶
＋Ｄ₈ Ｙ⁸＋Ｄ₁₀Ｙ¹⁰））なる式で表わせるものであ
る。

【００２９】表−１に本実施形態におけるｆθレンズ６
の非球面係数を示す。図２はｆθレンズ６の非球面形状
を示す説明図であり、Ｘ１は第１レンズ面、Ｘ２は第２
レンズ面の形状を表わしている。

【００３０】

【表１】 本実施形態におけるｆθレンズ６は主走査面内において
該ｆθレンズ６の最大有効径における近軸曲率半径の接
線から第１、第２のレンズ面Ｒａ，Ｒｂまでの光軸方向
の距離を各々ｄ１，ｄ２、該ｆθレンズ６の中心厚を
Ｓ、第２レンズ面Ｒｂにおける光軸から局部点までの距
離をＸ、該ｆθレンズ６の最大有効径をＹとしたとき、
各値は、 ｜ｄ１｜＝５．１５ｍｍ ，｜ｄ２｜＝１．９７ｍｍ Ｓ＝１０ｍｍ Ｘ＝２２ｍｍ ，Ｙ＝４２ｍｍ であり、これらの値より、 ｜ｄ１／Ｓ｜＝０．５１５ ｜ｄ２／Ｓ｜＝０．１９７ Ｘ／Ｙ＝０．５２４ となり、これらの値は前述した各条件式（１）〜（３）
を満足している。

【００３１】図３は本実施形態における像面湾曲と歪曲
収差（ｆθ特性）を示す諸収差図である。同図より各収
差とも実用上問題のないレベルまで補正されていること
が解る。

【００３２】図４は本発明の実施形態２の主走査方向の
要部断面図（主走査断面図）である。同図において図１
に示した要素と同一要素には同符番を付している。

【００３３】本実施形態において前述の実施形態１と異
なる点は光偏向器の偏向面に入射する光束の入射角を異
ならせた点と、これに伴なってｆθレンズのレンズ形状
を異ならせたことである。その他の構成及び光学的作用
は前述の実施形態１と略同様であり、これにより同様な
効果を得ている。

【００３４】即ち、同図において１６はｆθレンズであ
り、該ｆθレンズ１６の第１レンズ面Ｒａのレンズ形状
は、例えば該ｆθレンズ１６と光軸との交点を原点と
し、光軸方向をＸ軸、主走査面内において光軸と直交す
る軸をＹ軸、副走査面内において光軸と直交する軸をＺ
軸としたとき、主走査方向と対応する母線方向が Ｘ＝（Ｙ² ／Ｒｕ）／（１＋（１−（１＋Ｋｙｕ）（Ｙ
／Ｒｕ）² ）^1/2 ）＋Ｂ₂ ｕＹ² ＋Ｂ₄ ｕＹ⁴ ＋Ｂ₆ ｕ
Ｙ⁶ ＋Ｂ₈ ｕＹ⁸ ＋Ｂ₁₀ｕＹ¹⁰ （但し、Ｙ≧０、Ｒは曲率半径、Ｋｙｕ，Ｂ₂ ｕ，Ｂ₄
ｕ，Ｂ₆ ｕ，Ｂ₈ ｕ，Ｂ₁₀ｕは非球面係数） Ｘ＝（Ｙ² ／Ｒｌ）／（１＋（１−（１＋Ｋｙｌ）（Ｙ
／Ｒｌ）² ）^1/2 ）＋Ｂ₂ ｌＹ² ＋Ｂ₄ ｌＹ⁴ ＋Ｂ₆ ｌ
Ｙ⁶ ＋Ｂ₈ ｌＹ⁸ ＋Ｂ₁₀ｌＹ¹⁰ （但し、Ｙ≧０、Ｒは曲率半径、Ｋｙｌ，Ｂ₂ ｌ，Ｂ₄
ｌ，Ｂ₆ ｌ，Ｂ₈ ｌ，Ｂ₁₀ｌは非球面係数）なる式で表
わせるものであり、又副走査方向（光軸を含む主走査方
向に対して直交する方向）と対応する子線方向が Ｓ＝（Ｚ² ／ｒｕ’）／（１＋（１−（Ｚ＋ｒｕ’）
² ）^1/2 （但し、Ｙ≧０、１／ｒｕ’＝１／ｒｕ＋Ｄ₂ ｕＹ² ＋
Ｄ₄ ｕＹ⁴＋Ｄ₆ ｕＹ⁶ ＋Ｄ₈ ｕＹ⁸ ＋Ｄ₁₀ｕＹ¹⁰） Ｓ＝（Ｚ² ／ｒｌ’）／（１＋（１−（Ｚ＋ｒｌ’）
² ）^1/2 （但し、Ｙ＜０、１／ｒｌ’＝１／ｒｌ＋Ｄ₂ ｌＹ² ＋
Ｄ₄ ｌＹ⁴＋Ｄ₆ ｌＹ⁶ ＋Ｄ₈ ｌＹ⁸ ＋Ｄ₁₀ｌＹ¹⁰）な
る式で表わせるものである。

【００３５】表−２に本実施形態におけるｆθレンズ１
６の非球面係数を示す。図５はｆθレンズ１６の非球面
形状を示す説明図であり、Ｘ１は第１レンズ面、Ｘ２は
第２レンズ面の形状を表わしている。

【００３６】

【表２】 本実施形態におけるｆθレンズ１６は主走査方向におい
て該ｆθレンズ１６の最大有効径における近軸曲率半径
の接線から第１、第２のレンズ面Ｒａ，Ｒｂまでの光軸
方向の距離を各々ｄ１，ｄ２、該ｆθレンズ１６の中心
厚をＳ、第２レンズ面Ｒｂにおける光軸から局部点まで
の距離をＸ、該ｆθレンズ１６の最大有効径をＹとした
とき、各値は、 ｜ｄ１｜＝５．７７ｍｍ 、｜ｄ２｜＝１．８４ｍｍ Ｓ＝１２ｍｍ Ｘ＝２４ｍｍ 、Ｙ＝４６ｍｍ であり、これらの値より、 ｜ｄ１／Ｓ｜＝０．４８１ ｜ｄ２／Ｓ｜＝０．１５３ Ｘ／Ｙ＝０．５２２ となり、これらの値は前述した各条件式（１）〜（３）
を満足している。

【００３７】図６は本実施形態における像面湾曲と歪曲
収差（ｆθ特性）を示す諸収差図である。同図より各収
差とも実用上問題のないレベルまで補正されていること
が解る。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、前述の如くコリメータ
レンズからの収束光を光偏向器を介して１枚のｆθレン
ズにより被走査面上に結像させる際、該ｆθレンズの形
状を適切に設定することにより、像面湾曲や歪曲収差
（ｆθ特性）等を良好に補正すると共に光偏向器の取付
誤差によるジッターや像高による副走査方向のスポット
径の変化等の影響を小さく抑えることができ、これによ
りコンパクトで高精細な印字に適した走査光学装置を達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の主走査方向の要部断面
図

【図２】 本発明の実施形態１におけるｆθレンズの非
球面形状を示す説明図

【図３】 本発明の実施形態１における像面湾曲と歪曲
収差を示す説明図

【図４】 本発明の実施形態２の主走査方向の要部断面
図

【図５】 本発明の実施形態２におけるｆθレンズの非
球面形状を示す説明図

【図６】 本発明の実施形態２における像面湾曲と歪曲
収差を示す収差図

【図７】 従来の走査光学装置の主走査方向の要部断面
図

【符号の説明】

１ 光源手段 ２ 第１の光学素子（コリメータレンズ） ３ 開口絞り ４ 第２の光学素子（シリンドリカルレンズ） ５ 偏向素子（光偏向器） ６，１６ 第３の光学素子（ｆθレンズ） ７ 被走査面（感光ドラム面）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段から出射した光束を第１の光学
   素子により収束光束に変換し、該変換された光束を第２
   の光学素子を介して偏向素子の偏向面において主走査方
   向に長手の線状に結像させ、該偏向素子で偏向された光
   束を第３の光学素子を介し被走査面上にスポット状に結
   像させて、該被走査面上を走査する走査光学装置におい
   て、 該第３の光学素子は単レンズより成り、該単レンズは主
   走査面内において該偏向素子側に凸のメニスカス形状を
   成し、かつ該偏向素子側の第１レンズ面と該被走査面側
   の第２レンズ面は共に非球面形状で形成され、該第２レ
   ンズ面の非球面形状は近軸曲率半径の接線に対して周辺
   部で交わり、最外部で該偏向素子側に近接した形状を成
   すことを特徴とする走査光学装置。
2. 【請求項２】 前記第３の光学素子を構成する単レンズ
   は、主走査面内において該単レンズの最大有効径におけ
   る前記第１、第２のレンズ面の近軸曲率半径の接線から
   該第１、第２のレンズ面までの光軸方向の距離を各々ｄ
   １，ｄ２、該単レンズの中心厚をＳとしたとき、 ０．４６≦｜ｄ１／Ｓ｜≦０．５４ ０．１２≦｜ｄ２／Ｓ｜≦０．２４ なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載の走
   査光学装置。
3. 【請求項３】 前記第３の光学素子を構成する単レンズ
   の主走査面内における第２レンズ面の非球面形状は、近
   軸曲率半径の接線に平行になるような接線を有する局部
   点が存在し、該局部点は光軸からの距離をＸ、該単レン
   ズの最大有効径をＹとしたとき、 ０．４８≦Ｘ／Ｙ≦０．５６ なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載の走
   査光学装置。
4. 【請求項４】 前記第３の光学素子を構成する単レンズ
   の両レンズ面のうち、少なくとも一方のレンズ面の副走
   査面内の曲率が該単レンズの有効部内において連続的に
   変化していることを特徴とする請求項１記載の走査光学
   装置。
5. 【請求項５】 前記第３の光学素子を構成する単レンズ
   はプラスチック成型により製作されていることを特徴と
   する請求項１記載の走査光学装置。