KR100266095B1 - 주사 광학 장치(Scanning Optical Apparatus) - Google Patents

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KR100266095B1
KR100266095B1 KR1019960005065A KR19960005065A KR100266095B1 KR 100266095 B1 KR100266095 B1 KR 100266095B1 KR 1019960005065 A KR1019960005065 A KR 1019960005065A KR 19960005065 A KR19960005065 A KR 19960005065A KR 100266095 B1 KR100266095 B1 KR 100266095B1
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마나부 가또
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미다라이 후지오
캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 주사 광학 장치는 광원 수단과, 상기 광원 수단으로부터 출사된 광 비임을 평향시키는 편향 소자와, 상기 광원 수단으로부터 출사된 광 비임을 상기 편향 소자의 편향면 상에 주주사 방향으로 길게 선형으로 결상시키는 광학 수단과, 상기 편향 소자에 의해 편향되는 광 비임을 피주사면 상에 스폿 형태로 결상시키는 광소자를 포함하며, 상기 광 소자의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사 방향의 곡률은 렌즈의 유효부에서 축선상으로부터 축선외쪽으로 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
[색인어]
광원, 편향요소, 주 주사방향, 부 주사방향, 비구면.

Description

주사 광학 장치{Scanning Optical Apparatus}
본 발명은 주사 광학 장치 및 다중 비임 주사 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예컨대 광원 수단으로부터 광변조 및 출사된 광 비임을 회전 가능한 다면경 등으로 이루어지는 광 편향기(편향 소자)에 의해 편향 및 반사시킨 후에, fθ특성을 갖는 결상 광학계(fθ렌즈)를 통해 피주사면을 광학적으로 주사해서 화상 정보를 기록하도록 된 전자 사진 공정을 갖는 레이저 비임 프린터(LBP)나 디지털 복사기와 같은 장치에서 사용하기에 적합한 주사 광학 장치 및 다중 비임 주사 광학 장치에 관한 것이다.
종래에는 레이저 비임 프린터 등의 주사 광학 장치에 있어서, 화상 신호에 따라 광원 수단으로부터 광변조 및 출사된 광 비임을 예를 들어 회전 다면경으로 이루어지는 광 편향기에 의해 주기적으로 편향시키고, fθ특성을 갖는 결상 광학계에 의해 감광 기록 매체(감광 드럼)의 표면 상에 스폿 형태로 수렴시키고, 그 표면상을 광주사하여 상 기록을 수행하고 있었다.
첨부 도면 중 도 1은 종래 기술에 따른 주사 광학 장치의 주요부의 개략도이다.
도 1에서, 광원 수단(61)으로부터 출사되는 발산 광 비임은 시준기 렌즈(62)에 의해 사실상 평행한 광 비임으로 되고, 구경 조리개(63)에 의해 광 비임(광량)을 제한하여 부 주사 방향으로만 소정의 굴절력을 갖는 원통형 렌즈(64)내로 입사시키고 있다. 원통형 렌즈(64)내로 입사된 평행한 광 비임 중에서 주 주사 단면내에서의 광 비임은 그대로 평행한 광 비임의 상태로 출사된다. 또한, 부 주사 단면 내의 광 비임은 수렴되어 회전 다면경으로 이루어지는 광 편향기(65)의 편향면(반사면, 65a)상에 사실상 선형 상으로서 결상된다.
여기서, 주 주사 단면이라 함은 광 편향기의 편향면에서 편향 및 반사된 광비임이 시간이 경과하면서 형성되는 비임 단면을 가리킨다. 또한, 부 주사 단면이라 함은 fθ렌즈의 광축을 포함하고 주 주사 단면에 직교한 부분을 가리킨다.
그리고 광 편향기(65)의 편향면(65a)에 의해 편향 및 반사된 광 비임을 fθ특성을 갖는 결상 광학계(fθ 렌즈, 66)를 통해 피주사면으로서의 감광 드럼(68)의 표면 상에 전달하고, 상기 광 편향기(65)를 화살표 A방향으로 회전시킴으로써, 감광 드럼(68)의 면상을 광주사해서 화상 정보의 기록을 행하고 있다.
이러한 종류의 주사 광학 장치에서 상 정보의 고정밀 기록을 수행하기 위해서는, 피주사면 전체 영역에 걸쳐서 화상 만곡이 잘 보정되고, 스폿(spot)의 직경이 균일할 것과, 입사광의 각도 및 상 높이가 비례 관계로 되는 왜곡 수차(fθ 특성)를 갖는 것이 필요하다. 그러한 광학 특성을 만족시키는 주사 광학 장치 혹은 그 보정 광학계(fθ 렌즈)는 종래부터 다양하게 제안되어 왔다.
한편, 레이저 비임 프린터 또는 디지털 복사기 등의 소형화 및 저비용화에 수반하여 주사 광학 장치에 대해서도 이와 같은 소형화 및 저비용화가 요구된다.
이들 요망을 양립시키는 것으로서, fθ렌즈를 단일 렌즈로 구성한 주사 광학 장치가 예컨대 일본 특허 공보 소61-48684호, 일본 특허 공개 공보 소63-157122호, 일본 특허 공개 공보 평4-104213호 및 일본 특허 공개 공보 평4-50908호에서 다양하게 제안되고 있다.
이들 공보 중에서 일본 특허 공보 소61-48684호나 일본 특허 공개 공보 소63-157122호에서는 fθ렌즈로서 광편향기측에 단일 오목 렌즈를 이용하고 시준기 렌즈로부터의 평행 광 비임을 기록 매체의 표면 상에 수렴시킨다. 또한, 일본 특허 공개 공보 평4-104213호에서는 fθ렌즈로서 광편향기측이 오목면이고 화상면측은 원환체면인 단일 오목 렌즈를 이용하여 시준기 렌즈에 의해 수렴 광으로 변환된 광 비임을 fθ렌즈 내로 입사시키고 있다. 또한, 일본 특허 공개 공보 평4-50908호에서는 fθ렌즈로서 렌즈면을 고차 비구면으로 한 단일 렌즈를 이용하여 시준기 렌즈에 의해 수렴 광으로 변환된 광 비임을 fθ렌즈 내로 입사시키고 있다.
그러나, 상술한 종래의 주사 광학 장치에 있어서, 일본 특허 공보 소61-48684호에서는, 부 주사 방향의 상면 만곡이 존재하고 있으며, 또 평행 광 비임을 피주사면에 결상시키고 있기 때문에, fθ렌즈로부터 피주사면까지의 거리인 초점거리(f)가 길고, 주사 광학 장치를 소형으로 구성하기가 곤란하다는 문제점이 있었다. 일본 특허 공개 공보 소 63-157122호에서는 fθ렌즈의 두께가 두껍기 때문에, 몰드 성형에 의한 제작이 곤란하며 비용 상승이 요인이 된다는 문제점이 있었다.
일본 특허 공개 공보 평4-104213호에서는 왜곡 수차가 잔존한다는 문제점이 있었다. 일본 특허 공개 공보 평4-50908호에서는 고차 비구면을 갖는 fθ렌즈를 사용하여 수차는 잘 보정되고 있기는 하지만, 광 편향기인 다면경의 부착 오차로 인해 다각형 면의 개수에 대응하는 주기의 지터(jitter)가 발생한다는 문제가 있었다.
더욱이, 이들 단일 렌즈로 구성되는 상기 fθ렌즈에서 공통되는 문제점은 광편향기와 피주사면 사이에서 부 주사 방향의 횡배율이 불균일하여 상 높이에 따라 부 주사 방향의 스폿 직경이 변한다는 문제점이 있었다.
첨부 도면의 도 2a 및 도 2b는 본 발명자가(1994년 9월 6일자로 출원된) 일본 특허 출원 평6-239386호에서 제안한 각각 종래의 단일 비임 주사 광학 장치에 있어서의 주 주사 방향과 부 주사 방향의 주요부 단면도이며, 상 높이에 따른 부 주사 방향의 스폿 직경(F 수)의 변화를 도시하고 있다. 이들 도면에서, 도 1에 도시된 요소와 동일한 요소에 대해서는 동일 도면 부호를 부여하였다.
통상적으로, 평면 기울기 보정 광학계에서는 편향면의 평면 기울기를 광학적으로 보정하기 위해 광 편향기의 편향면과 피주사면을 광학적 공액 관계(conjugate relation)(결상 관계)로 할 필요가 있다. 따라서, 종래예와 같은 주 주사면 내에서 소정의 렌즈 형상을 갖는 fθ 렌즈는 축상(축상 비임(21))에서는 도 2b의 (1)에 도시된 바와 같이 횡배율이 높고, 축선 외측(축선 최외측 비임(22))에서는 도 2b의 (2)로 표시된 바와 같이 횡배율이 낮아진다.(또, 주 주사면 내에서의 렌즈 형상에 따라 반대로 되는 경우도 있다).
이와 같이, fθ렌즈의 주 주사면내에서의 렌즈 형상에 따라 부 주사 방향의 횡배율에 불균일이 발생하고, 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 스폿 직경의 변화가 발생된다.
한편, LBP에 사용되는 주사 광학 장치는 이들 LBP가 고속화, 고정밀화 되어감에 따라 보다 고속 주사가 가능한 것이 요구되고 있으며, 주사 수단인 모터의 회전수 및 편향 수단인 다면경의 면의 개수등에는 한계가 있고 특히 복수개의 광 비임을 동시에 주사할 수 있는 다중 비임 주사 광학 장치의 요구가 높아지고 있다.
상술한 부 주사 방향의 횡배율의 불균일성은 광원(광원 유니트)의 위치가 광축으로부터 도 2a 및 도 2b에 표시된 Z방향으로 어긋나 있는 경우에 주사선의 만곡을 일으키기 때문에, 예를 들면 다중 비임 주사 광학계(다중 비임 주사 광학 장치)와 같이 광축으로부터 벗어난 복수의 광 비임을 이용하여 피주사면을 동시에 주사하는 광학계에서는 상기 피주사면상에서 주사선이 만곡되며, 그 결과 피치 불균일에 기인한 화질 품위의 저하가 발생된다는 문제점이 있었다.
본 발명의 제1 목적은 시준기 렌즈 등에서 변환된 광원으로부터의 광 비임을 광 편향기를 통해 fθ렌즈에 의해 피주사면 상에 결상시킬 때, 그 fθ렌즈의 주 주사면 내에서의 렌즈 형상(주 주사면 형상)을 최적화함으로써 상면 만곡이나 왜곡 수차 등을 보정하고 주 주사면 내에서의 렌즈 형상과는 관계 없이 부 주사면 내에서의 렌즈 형상(부주사면 형상)만으로 광 편향기와 피주사면 사이에서 부 주사 방향의 횡배율의 불균일성을 해소함으로써 상 높이에 따른 부 주사 방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화를 억제할 수 있는, 소형이면서도 고정밀한 인쇄에 적합한 주사 광학 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 시준기 렌즈 등에 의해 변환된 광원으로부터의 복수개의 광 비임을 광 편향기를 통해 fθ렌즈에 의해 편향주사면 상에 결상시킬 때, fθ렌즈의 주 주사면내에서의 렌즈 형상(주 주사면 형상)을 최적화함으로써 상면 만곡이나 왜곡 수차 등을 보정하고, 또 주 주사면 내에서의 렌즈 형상과는 관계 없이 부 주사면 내에서의 렌즈 형상(부 주사면 형상)만으로 광 편향기와 피주사면 사이의 부 주사 방향의 횡배율의 불균일을 해소함으로써 상 높이에 따른 부 주사 방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화를 억제하고, 광축으로부터 부 주사 방향으로 어긋난 광원으로부터의 광 비임에 대해서도 주사선 만곡을 일으키지 않고 고정밀도로 주사할 수 있는, 소형이면서도 고정밀도의 인자에 적합한 다중 비임 광학 장치를 제공하는데 있다.
제1도는 종래 기술에 따른 주사 광학 장치의 광학계의 주요부의 개략도.
제2a도 및 제2b도는 종래 기술의 주사 광학 장치의 주요부를 주 주사 방향 및 부 주사 방향으로 각각 도시한 단면도.
제3도는 편향 소자와 피주사면 사이의 주사 광학 장치의 주요부를 주 주사 방향으로 도시한 단면도.
제4a도 및 제4b도는 본 발명의 제1실시예의 주요부를 주 주사 방향 및 부 주사방향으로 각각 도시한 단면도.
제5도는 본 발명의 제1 실시예의 fθ렌즈의 비구면 형상을 도시한 도면.
제6도는 본 발명의 제1 실시예의 fθ렌즈의 형상을 주 주사 방향으로 도시한 도면.
제7도는 본 발명의 제1 실시예에서 피주사면 상의 부 주사 방향의 스폿 직경의 초점 이탈 특성(defocus characteristic)을 도시한 도면.
제8a도 및 제8b도는 각각 본 발명의 제2 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도.
제9도는 본 발명의 제2 실시예의 fθ렌즈의 비구면 형상을 도시한 도면.
제10도는 본 발명의 제2 실시예에서 피주사면 상의 부 주사 방향의 스폿 직경의 초점 이탈 특성을 도시한 도면.
제11도는 본 발명의 제2 실시예에서 피주사면 상의 부 주사 방향의 스폿 직경의 초점 이탈 특성을 도시한 도면.
제12a도 및 제12b도는 각각 본 발명의 제3 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도.
제13도는 본 발명의 제3 실시예의 fθ렌즈의 비구면 형상을 도시한 도면.
제14도는 본 발명의 제3 실시예의 fθ렌즈의 형상을 주 주사 방향으로 도시한 도면.
제15도는 본 발명의 제3 실시예에서 주사선의 곡률을 도시한 도면.
제16a도 및 제16b도는 각각 본 발명의 제4 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도.
제17도는 본 발명의 제4 실시예에서 상 높이에 대한 피주사면 상의 부 주사 방향의 F 수의 변화를 도시한 도면.
제18도는 본 발명의 제4 실시예에서 상 높이에 대한 fθ렌즈의 경선 방향의 곡률을 도시한 도면.
제19도는 본 발명의 제4 실시예에서 해상도 600dpi(주사선 간격 42.3㎛)로 다중 비임 주사하는 중의 주사선의 곡률을 도시한 도면.
제20a도 및 제20b도는 각각 본 발명의 제5 실시예의 주요부를 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도.
제21도는 본 발명의 제5 실시예에서 상 높이에 대한 피주사면 상의 부 주사 방향의 F수의 변화를 도시한 도면.
제22도는 본 발명의 제5 실시예에서 상 높이에 대한 fθ렌즈의 경선 방향의 곡률을 도시한 도면.
제23도는 본 발명의 제5 실시예에서 해상도 600dpi(주사선 간격 42.3㎛)로 다중 비임 주사하는 중의 주사선의 곡률을 도시한 도면.
제24a도 및 제24b도는 각각 본 발명의 제6 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도.
제25도는 본 발명의 제6 실시예에서 상 높이에 대한 피주사면 상의 부 주사 방향의 F수의 변화를 도시한 도면.
제26도는 본 발명의 제6 실시예에서 상 높이에 대한 fθ렌즈의 경선 방향의 곡률을 도시한 도면.
제27도는 본 발명의 제6 실시예에서 해상도 600dpi(주사선 간격 42.3㎛)로 다중 비임 주사하는 중의 주사선의 곡률을 도시한 도면.
제28a도 및 제28b도는 각각 제2a도 및 제2b도에 도시된 종래 기술의 단일 비임 주사 광학 장치의 사용에 의해 다중 비임 주사를 수행될 경우 주요부를 주 주사 방향 및 부 주사 방향 방향의 요부 단면도.
제29도는 제28a도 및 제28b도에 도시된 단일 비임 주사 광학 장치에서 상 높이에 대한 피주사면 상의 부 주사 방향의 F수의 변화를 도시한 도면.
제30도는 제28a도 및 제28b도에 도시된 단일 비임 주사 광학 장치에서 상 높이에 대한 fθ렌즈의 경선 방향의 곡률을 도시한 도면.
제31도는 제28a도 및 제28b도에 도시된 단일 비임 주사 광학 장치에서 해상도 600dpi(주사선 간격 42.3㎛)로 다중 비임 주사하는 중의 주사선의 곡률을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5 : 광 편향기 6,26 : 렌즈
11 : 광원 수단 25 : 광 편향기
본 발명의 주사 광학 장치는 광원 수단과, 상기 광원 수단으로부터 출사된 광 비임을 편향시키는 편향 소자와, 상기 광원 수단으로부터 출사된 광 비임을 상기 편향 소자의 편향면 상에 주 주사 방향으로 길게 선형으로 결상시키는 광학 수단과, 상기 편향 소자에 의해 편향되는 광 비임을 피주사면 상에 스폿 형태로 결상시키는 광 소자를 포함하며, 상기 광 소자의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사 방향의 곡률은 주사할 표면 상에의 투사 광 비임의 상 높이에 따른 부 주사 방향의 F수 변화가 억제되도록 주 평면의 위치를 조절할 수 있게 렌즈의 유효부에서 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 광원 수단은 독립적으로 변조될 수 있는 복수개의 광원 유니트들을 구비한다.
더욱 상세하게는, 광 소자의 부 주사 방향의 주 평면의 궤적의 만곡량 dx(축선 최외측 주 평면 위치와 축선상 주 평면 위치 사이의 광축 방향의 차)는, 부 주사 방향의 전방측 주 평면의 궤적의 만곡량 및 후방측 주 평면의 궤적의 만곡량을 각각 xm 및 xu라 할 때, 다음 조건식,
xmdxxu
가 충족되고, 상기 조건식에서,
여기서 Ipri는 축선상 비임에서의 편향 소자의 편향면으로부터 부 주사 방향의 전방측 주 평면까지의 거리이고, Epri는 축선상 비임에서 부 주사 방향의 후방측 주 평면으로부터 피주사면까지의 거리이고, θpor은 광축에 대해 편향 소자에 의해 편향된 축선 최외측 비임에 의해 주 주사면에 형성된 각도이고, θimg는 광축에 대해 피주사면 상에 입사되는 축선 최외측 비임에 의해 주 주사면에 형성된 각도인 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자는 플라스틱 성형법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자는 유리 성형법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자는 단일 렌즈로 구성되며, 상기 단일 렌즈의 양면은 주 주사면에서 비구면 형태의 원환체 면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면 중 적어도 한 표면의 부 주사면에서의 곡률 부호는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반대로 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 피주사면 상에 입사되는 광 비임의 부 주사 방향의 F 수의 최대치와 최소치가 각각 Fmax과 Fmin일 때, 상기 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면의 부 주사 방향의 곡률은 조건식 Fmix/ Fman0.9를 충족시키도록 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면의 부 주사 방향의 곡률은 광축에 대해 축선상으로부터 축선 외측으로 비대칭적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자는 적어도 2개의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 피주사면 상에 입사되는 광 비임의 부 주사 방향의 F수의 최대치와 최소치가 각각 Fmax과 Fmin일 때, 상기 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사 방향의 곡률은 조건식 Fmix/ Fman0.9를 충족시키도록 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈의 적어도 한 렌즈면의 부 주사 방향의 곡률 부호는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반대로 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사방향의 곡률은 광축에 대해 축선상으로부터 축선 외측으로 비대칭적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 주사 광학 장치의 몇 가지 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단에 대해 우선 설명하기로 한다. 주사 광학 장치에서 상술된 목적을 달성하기 위해서는, fθ렌즈의 렌즈 형상을 최적화하는 동시에 축선상 및 축선외에서 부 주사 방향의 횡배율을 균일화할 필요가 있다. 도 3은 주사 광학 장치의 광 편향기(편향 소자)와 피주사면 사이의 주 주사 방향의 요부 단면도이다.
여기서, 축선상 및 축선 외측에서 부 주사 방향의 횡배율을 균일화시키기 위해서는, 상기 축선상 및 축선 외측의 렌즈의 광 경로의 길이비가 서로 동일해질 수 있도록 주 평면 위치(principal plane position)를 결정할 필요가 있다.
따라서, fθ렌즈의 부 주사 방향의 주 평면 위치는 다음의 조건을 충족시키도록 결정된다 :
여기서, Ipri: 축선상 비임에서 광 편향기의 편향면으로부터 부 주사 방향의 전방측 주 평면까지의 거리; Epri: 축선상 비임에서 부 주사 방향의 후방측 주 평면으로부터 피주사면까지의 거리; Imar축선 최외측 비임에서 광 편향기의 편향면으로부터 부 주사 방향의 전방측 주 평면까지의 거리; Emar: 축선 최외측 비임에서 부 주사 방향의 후방측 주 평면으로부터 피주사면까지의 거리.
일반적으로, 축선 외측 비임은 fθ특성을 만족시키기 위해 주 주사면에서 광축 방향으로 굴절되어 있으므로, 상기 식(a)을 충족시키기 위한 부 주사 방향의 주평면내의 궤적(71)은 도 3에 도시한 바와 같이 축선 외측에서 광 편향기(5)쪽으로 만곡된 면이 된다. 여기서, 축선 최외측에서의 만곡량을 dx라 하면,
Emar= (Epri+dx)/coxθimg
Imar= (Ipri+dx)/coxθimg이고,
따라서,
Ipri(Epri+ dx)/cosθimg= Epri(Ipri-dx)/coxθpor
dx(Ipricosθpor+ Epricosθimg) = IpriEpri(cosθimg-coxθpor)
여기서, θpor는 주 주사면 내에서 광편향기에서 편향하는 축선 최외측 비임이 fθ렌즈의 광축과 이루는 각도이고, θimg는 주 주사면 내에서 피주사면에 입사되는 축선 최외측 비임이 fθ렌즈의 광축과 이루는 각도이다.
따라서, 부 주사 방향의 횡배율을 균일하게 하기 위해서는 부 주사 방향의 주 평면의 궤적의 만곡량 dx를 상기 식(b)로부터 도출된 값으로 설정할 필요가 있다.
즉, 실제의 주사 광학 장치에 있어서 부 주사 방향의 주 평면의 궤적의 만곡량 dx(축선 최외측 주 평면 위치와 축선상 주 평면 위치 사이의 광축 방향의 차)는 fθ렌즈의 부 주사 방향의 전방측 주 평면과 후방축 주 평면의 주 주사면에서의 궤적의 만곡량을 각각 xm, xu라 할 때, 다음 식을 충족시키도록 주 평면 위치를 결정하는 것이 바람직하다.
xmdxxu (1)
상기 조건식(1)을 벗어난 경우, 부 주사 방향의 횡배율이 불균일해지고 상 높이에 기인한 스폿의 직경 변화가 커지게 되어 실용상 문제를 야기하게 된다.
다음에, 부 주사 방향의 주 평면 위치를 변화시키는 방법인데, 이는 전술한 바와 같이 fθ렌즈의 부 주사 방향은 광 평향기의 편향면과 피주사면을 광학적으로 공액 관계로 함으로써 평면 기울기의 보정을 행하고 있기 때문에 상기 fθ렌즈의 굴절력 자체를 변화시키는 것은 불가능하다.
따라서, fθ렌즈의 부 주사 방향의 제1렌즈면(R1면)과 제2 렌즈면(R2)면을 만곡시킴으로써 주 평면 위치의 이동을 행한다. 이 만곡에 의해서, 렌즈의 주 평면은 렌즈 자체의 굴절력을 변화시키지 않고도 이동될 수 있으므로, 축선상으로부터 축선 외측으로 경선(r)을 연속적으로 변화시키고 장소에 따라 가장 적합한 렌즈형상으로 함으로써 부 주사 방향의 횡배율이 균일해질 수 있다.
이러한 방식으로 fθ렌즈의 렌즈 형상을 최적화함으로써 피주사면 상에 입사되는 광 비임의 부 주사 방향의 F수(F No.)를 균일화할 수 있고, 종래에 단일 렌즈형 fθ렌즈의 고유한 문제였던 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 스폿 직경의 변화를 작게 억제할 수 있다.
또, 광축으로부터 벗어난 광원(광원 유니트)으로부터 출사된 광 비임에 있어서, 주사선 만곡을 야기시키지 않고 피주사면상을 고정밀도로 주사할 수 있고, 이로써 다중 비임 주사용으로도 적합한 주사 광학 장치를 얻을 수 있다.
이하에는 본 발명의 몇 가지 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제1 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도이다.
이들 도면에서 도면 부호 1은 예를 들어 반도체 레이저를 포함하는 광원 수단(광원 유니트)을 가리킨다.
도면 부호 2는 광원 수단(1)으로부터 출사된 발산 광 비임을 수렴 광 비임으로 변환시키는 시준기 렌즈(collimator lens)를 나타낸다. 도면 부호 3은 통과하는 광 비임의 직경을 조절하는 구경 조리개를 나타낸다.
도면 부호 4는 원통형 렌즈로서, 부 주사 방향으로만 소정의 굴절력을 가지며, 구경 조리개(3)를 통과한 광 비임이 부 주사 단면 내에서 후술하는 광 편향기(편향 소자)(5)의 편향면(5a)에 사실상 선형인 상으로 결상시키고 있다
도면 부호 5는 소자로서의 , 예를 들어 다면경(회전 가능한 다면경)으로 이루어지는 광 편향기이며, 모터 등의 구동 수단(도시 않음)에 의해 화살표 A 방향으로 일정 속도로 회전하고 있다.
도면 부호 6은 광학 소자로서의 fθ특성을 갖는 렌즈로 이루어지는 fθ렌즈(결상 광학계)이며, 광 편향기(5)와 피주사면인 감광 드럼면(8) 사이의 중간으로부터 광 편향기(5)쪽으로 배치되어 있다. 본 실시예에서, fθ렌즈(6)의 렌즈 양면은 모두 주 주사면내에서 비구면 형상인 원환체 면으로 이루어지며, 부 주사면(광소자의 광축을 포함하고 주 주사면에 직교하는 면)내의 곡률을 렌즈의 유효부에서 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화시키고 있다. 이에 의해, 제1 실시예에서는 피주사면(8)에 입사하는 광 비임의 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 F수의 변화 즉, 스폿 직경의 변화를 작게 억제하고 있다. fθ렌즈(6)는 광 편향기(5)에 의해 편향 및 반사된 화상 정보에 기초한 광 비임을 감광 드럼면(8)상에 결상시키고 또 광 편향기(5)의 편향면의 평면 기울기를 보정하고 있다.
또 이 제1 실시예에서는 fθ렌즈(6)를 플라스틱 성형에 의해 제조해도 좋고, 혹은 유리 성형(유리 몰드)에 의해 제조해도 좋다.
이 제1 실시예에서, 반도체 레이저(1)로부터 출사된 발산 광 비임은 시준기 렌즈(2)에 의해 수렴 광 비임으로 변환되고, 구경 조리개(3)에 의해 제한되어 원통형 렌즈(4)로 입사된다. 원통형 렌즈(4)에 입사된 광 비임 중에서 주 주사 단면에 있어서는 그 상태 그대로 출사된다. 또 부 주사 단면에 있어서는 수렴되어 광 편향기(5)의 편향면(5a)에 거의 선형 상(주 주사 방향으로 긴 선형 상)으로서 결상하고 있다. 그리고 광 편향기(5)의 편향면(5a)에서 편향 및 반사된 광 비임은 주 주사 방향과 부 주사 방향이 서로 다른 굴절력을 갖는 fθ렌즈(6)를 거쳐 감광 드럼면(8)상으로 유도되고, 광 편향기(5)를 화살표 A방향으로 회전시킴으로써 상기 감광 드럼(8)면상을 화살표 B방향으로 주사하고 있다. 이에 의해, 기록 매체인 감광 드럼(8)상에 화상 기록을 행하고 있다.
이 제1 실시예에서는, fθ렌즈(6)의 렌즈 형상을 주 주사 방향으로는 10차까지의 함수로 표현될 수 있는 비구면 형상으로 하고, 부 주사 방향으로는 연속적으로 변화하는 구면으로 구성하고 있다. 그 렌즈 형상은 예를 들어 fθ렌즈(6)와 광축의 교점을 원점으로 하고 광축 방향을 X축, 주 주사면에서 광축에 직교하는 축을 Y축, 부 주사면에서 광축에 직교하는 축을 Z축이라 할 때, 주 주사 방향에 대응하는 모선(generating-line)방향이,
(단, R은 곡률 반경이고, K, B4, B6, B8, B10은 비구면 계수)인 식으로 표현되며, 또 부 주사 방향(광축을 포함한 주 주사 방향에 직교하는 방향)과 대응하는 경선 방향이,
(여기서, r'=r(1+D2Y2+D4Y4+D6Y6+D8Y8+D10Y10)인 식으로 표현된다.
이하의 표 1은 제1 실시예의 광학 장치와 fθ 렌즈(6)의 비구면 계수를 나타내고 있다.
[표 1(제1 실시예)]
도 5는 fθ 렌즈(6)의 길이 방향의 위치에 대한 부 주사 방향의 곡률 변화를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 메니스커스 형상의 곡률은 축선상에서 뾰족하고, 축선상으로부터 축선 외측으로 평볼록형(plano-convex)이 됨을 알 수 있다. 도 6은 fθ 렌즈(6)의 비구면 형상을 도시한 도면이다. 도 6에서, 굵은 실선은 주 주사 방향의 렌즈면 형상을 가리키며, 가는 실선은 부 주사 방향의 주 평면의 궤적이며, 전방측 주 평면 및 후방측 주 평면을 가리킨다.
제1 실시예에서, 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 횡배율의 변화를 억제하기 위한 주 평면의 궤적의 만곡량(dx)은, Ipri= 48.73, Epri= 108.77, θpor= 44.4°, θimg= 29.10°로부터 dx = 6.50이 된다. 또한, fθ렌즈(6)의 부 주사 방향의 전방측 주 평면의 궤적의 만곡량(xm) 및 후방측 주 평면의 궤적의 만곡량(xu)은 각각 xm=3.24, xu=7.48이고, 이들 값들은 전술한 조건식(1)[(xmdxxu)]을 만족시킨다.
이에 의해, 제1 실시예에서, 광 편향기(5)와 피주사면(8)사이의 부 주사 방향의 횡배율을 축선상 및 축선 외측에서 실용상 문제가 없는 수준으로 균일화할 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 스폿 직경의 변화를 작게 억제할 수 있다. 이에 의해, 저렴하고 고정밀 인쇄에 적합한 주사 광학 장치가 얻어진다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 제2 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도이다. 도 8a 및 도 8b에서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 요소들과 동일한 요소에는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
제2 실시예의 전술한 제1 실시예와의 차이점은, 반도체 레이저(광원 유니트)로부터 출사된 발산 광 비임이 시준기 렌즈에 의해 구렴 광 비임이 아니라 평행 광비임으로 변환되어 있는 점과, 이에 수반하여 fθ렌즈의 렌즈 형상을 다르게 한 점이다. 그 밖의 구성 및 광학적 작용은 전술한 제1 실시예의 구성 및 광학 작용과 유사하므로, 유사한 효과가 얻어진다.
이하의 표 2는 제2 실시예에서의 광학 장치와 fθ렌즈(26)의 비구면 계수를 나타내고 있다.
[표 2(제2 실시예)]
도 9는 fθ렌즈(26)의 길이 방향의 위치에 대한 부 주사 방향의 곡률 변화를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 메니스커스 형상의 곡률은 축선상으로 부터 축선 외측으로 뾰족하게 되어 있음을 알 수 있다. 도 10은 fθ 렌즈(26)의 비구면 형상을 도시한 도면이다. 도 10에서, 굵은 실선은 주 주사 방향의 렌즈면 형상을 가리키며, 가는 실선은 부 주사 방향의 주 평면 궤적이며, 전방측 주 평면 및 후방측 주 평면을 도시하고 있다.
제2 실시예에서, 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 횡배율의 변화를 억제하기 위한 주 평면의 궤적의 만곡량(dx)은, Ipri= 53.94, Epri= 147.51, θpor= 42.0°, θimg= 24.57°로부터 dx = 7.60이 된다. 또한, fθ렌즈(6)의 부 주사 방향의 전방측 주 평면의 궤적의 만곡량(xm) 및 후방측 주 평면의 궤적의 만곡량(xu)은, xm=7.34, xu=12.31이고, 이들 값들은 전술한 조건식(1)[(xmdxxu)]을 만족시킨다.
이에 의해, 제2 실시예에서, 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 광 편향기(25)와 피주사면(8) 사이의 부 주사 방향의 횡배율을 축선상 및 축선 외측에서 실용상 문제가 없는 수준으로 균일화할 수 있고, 도 11에 도시된 바와 같이 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 스폿 직경의 변화를 작게 억제할 수 있다. 이에 의해, 저렴하고 고정밀 인쇄에 적합한 주사 광학 장치가 얻어진다.
이 제2 실시예에서는 전술한 바와 같이 반도체 레이저(1)로부터 출사된 발산 광 비임을 시준기 렌즈(2)에 의해 평행 광 비임으로 변환하고 있으므로 광 편향기에 의한 지터가 존재하지 않으며, 부 주사 방향의 파워를 중점적으로 발생하는 렌즈면(R2)의 주 주사 방향의 렌즈 형상은 횡배율을 균일화하는 주 평면의 궤적의 형상과 유사하기 때문에 상 높이에 기인한 경선 방향의 곡률 변화가 작더라도 횡배율은 균일화될 수 있으며, 이에 의해 더욱더 초고정밀 인쇄에 적합한 주사 광학 장치가 얻어질 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본 발명의 제3 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도이다. 이들 도면에서, 도 4에 도시된 요소들과 동일한 요소에는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
제3 실시예의 전술한 제1 실시예와의 차이점은, 독립적으로 변조 가능한 복수의 (이 실시예에서는 두 개)의 광원 유니트를 갖는 광원 수단(11)으로부터 출사된 복수개의 광 비임을 피주사면상에 일정 간격이 되도록 동시에 주사하는 다중 비임 주사 광학계로 구성한 점과, 이에 수반하여 경선 방향(부 주사 방향)의 fθ 렌즈의 렌즈 형상을 다르게 한 점이다. 그 밖의 구성 및 광학적 작용은 제1 실시예의 구성 및 광학적 작용과 유사하므로 유사한 효과가 얻어진다. 상술한 복수개의 광학 유니트는 부 주사 방향으로 소정 간격으로 배치되어 있다.
이하의 표 3은 제3 실시예에서의 광학 장치와 fθ 렌즈(36)의 비구면 계수를 나타낸 다.
[표 3(제3 실시예)]
제3 실시예에서, fθ 렌즈(36)의 렌즈면들 중 적어도 하나의 렌즈면의 경선 방향의 렌즈 형상은 곡률 부호가 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반전되도록 설정되어 있다. 따라서, fθ 렌즈(36)의 부 주사 방향과 대응하는 경선 방향은,
(여기서, r'=r(1+d2Y2+d4Y4+d6Y6+d8Y8+d10Y10)인 식으로 표시된다.
또, 주 주사 방향에 대응하는 모선 방향은 전술한 제1 실시예의 식(c)로 표현된다.
도 13은 제3 실시예의 fθ 렌즈(36)의 길이 방향의 위치에 대한 부 주사 방향의 곡률 변화를 도시한 도면이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 렌즈면 R1에서는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 부 주사 방향의 곡률 부호가 반전하고, 축선상의 메니스커스 형상은 축선 외측에서 양볼록형으로 변화되어 있음을 알 수 있다. 도 14는 fθ 렌즈(36)의 비구면 형상을 도시한 도면이다. 도 14에서, 굵은 실선은 주 주사 방향의 렌즈면 형상을 가리키고, 가는 실선은 부 주사 방향의 주 평면, 즉 전방측 주 평면 및 후방측 주 평면의 궤적을 가리킨다.
제3 실시예에서, 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 횡배율 변화를 억제하기 위한 주 평면의 궤적의 만곡량 dx는, Ppri= 48.73, Epri= 108.77, θpor= 44.4°, θimg= 29.10°로부터 dx = 6.50이 된다. 또한, fθ렌즈(36)의 부 주사 방향의 전방측 주 평면의 궤적의 만곡량 xm과 후방측 주 평면의 궤적의 만곡량 xu는, xm=4.93, xu=9.10이며, 이들 값은 상기 조건식(1)[(xmdxxu)]을 만족시킨다.
따라서, 제3 실시예에서는 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예와 광 편향기(5)와 피주사면(8) 사이에서 부 주사 방향의 횡배율은 축선상 및 축선 외측에서 실용상 문제가 없는 수준까지 균일화될 수 있으며, 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 스폿 직경의 변화가 최소화될 수 있다. 이에 의해, 저렴하고 고정밀 인쇄에 적합한 주사 광학 장치를 달성하고 있다.
또한, 제3 실시예는 복수개의 광 비임을 이용하여 피주사면 상을 동시에 주사하는 다중 비임 주사 광학 장치이므로, 상기 피주사면에 있어서의 주사선의 만곡이 화상에 피치 불균일을 제공하며 이는 바람직하지 못하다.
그래서, 제3 실시예에서, 부 주사 방향의 곡률 반경을 상 높이에 의해 렌즈의 유효부 내에서 연속적으로 변화시킴으로써 피주사면 상의 주사선의 만곡이 도 15에 도시된 바와 같이 제거될 수 있으므로 피치 불균일이 없는 고화질의 주사 광학 장치(다중 비임 주사 광학 장치)를 달성할 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 각각 본 발명의 제4 실시예의 주 주사 방향과 부 주사 방향의 요부 단면도이다. 이들 도면에서, 도 12a 및 도 12b에 도시된 것과 동일한 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
도 16a 및 도 16b에서, 도면 부호 46은 fθ특성을 갖는 렌즈를 포함하는 fθ 렌즈(결상 광학계)를 가리키며, 이 fθ 렌즈(46)는 광 편향기(5)와 피주사면인 감광드럼면(8) 사이의 중간부로부터 광 편향기(5)쪽으로 더 가깝게 배치된다.
제4 실시예에서, fθ 렌즈(46)의 렌즈 양면은 부 주사 방향의 곡률을 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화시키고 있다. 이에 의해, 제4 실시예에서는 피주사면 상으로 입사하는 광 비임의 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화가 작게 억제되고 있다. 또한, fθ 렌즈(46)의 렌즈 양면 중 적어도 한 면(제1면, R1)의 부 주사 방향의 곡률의 부호는 축선상으로 부터 축선 외측으로 가면서 반전되어 있다. 또한, fθ 렌즈의 렌즈 양면의 부 주사 방향의 곡률은 축선상으로부터 축선 외측으로 감에 따라 광축에 대하여 비대칭으로 되도록 변화시키고 있다. fθ 렌즈(46)는 광 편향기(5)에 의해 편향 및 반사된 상정보에 기초한 복수개의 광 비임을 감광 드럼면(8)상에 결상시키고 광 편향기(5)의 편향면의 평면 기울기를 보정하고 있다.
제4 실시예에서, fθ렌즈(46)는 플라스틱 성형에 의해 제조되거나 유리 성형(유리 몰드)에 의해 제조될 수 있다.
제4 실시예에서, 반도체 레이저(11)로부터 축사된 2개의 독립적으로 변조된 발산 광 비임은 시준기 렌즈(2)에 의해 수렴 광 비임으로 변환되며, 이들 광 비임(광량)은 구경 조리개(3)에 의해 광량이 제한되어 원통형 렌즈(4)에 입사된다. 원통형 렌즈(4)로 입사된 광 비임은 주 주사 단면에서는 그 상태 그대로 출사된다.
또한, 부 주사 단면에서는 수렴하여 광 편향기(5)의 편향면(5a)상에 사실상 선형인 상(주 주사 방향으로 긴 선형 상)으로서 결상된다. 광 편향기(5)의 편향면(5a)에 의해 편향 및 반사된 2개의 광 비임은 주 주사 방향과 부 주사 방향이 서로 다른 굴절률을 갖는 fθ 렌즈(46)를 통해서 감광 드럼면(8)상에 두 개의 스폿을 형성하고, 광 편향기(5)를 화살표 A 방향으로 회전시킴으로써 감광 드럼(8) 면상을 화살표 B 방향으로 주사한다. 이에 의해, 화상 기록이 수행된다.
제4 실시예에서는 fθ 렌즈(46)의 렌즈 형상을 주 주사 방향은 10차까지의 함수로 표현될 수 있는 비구면 형상으로 하고, 부 주사 방향은 상 높이 방향으로 연속적으로 변화하는 구면으로 구성하고 있다. 이 렌즈 형상은 주 주사 방향에 대응하는 모선 방향이 상기 식(c)로 표현되는 것이며, 부 주사 방향(fθ 렌즈의 광축을 포함한 주 주사 방향에 대해 직교하는 방향)과 대응하는 경선 방향이,
(여기서, 1/r' = 1/r+D2Y2+D4Y4+D6Y6+D8Y8+D10Y10)의 식으로 표현되는 것이다.
일반적으로, 다중 비임 주사 광학 장치에 있어서 시각적으로 피치 불균일을 눈에 띄지 않게 하기 위해서는 주사선의 만곡에 기인한 피치 불균일을 부 주사 방향의 비임 피치의 1/10이하로 되게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 부 주사 방향의 해상도가 600dpi인 주사 광학 장치의 경우에, 부 주사 방향의 비임 피치는 42㎛가 되므로, 허용 가능한 피치 불균일은 약 4㎛이하로 된다.
그래서, 제4 실시예에서는 피주사면 상에 입사하는 광 비임의 부 주사 방향의 F 수의 최대치 및 최소치를 각각 Fmax 및 Fmin이라 할 때 fθ 렌즈(46)의 렌즈양면의 부 주사 방향의 곡률을,
Fmin/Fmax0.9 ... (2)
가 되는 조건을 만족하도록 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화시킴으로써 피주사면 상에 있어서의 주사선의 만곡을 제거할 수 있고 피치 불균일이 적은, 고화질이고 소형인 다중 비임 주사 광학 장치가 얻어질 수 있다.
상술한 (2)의 조건으로부터 벗어나면 주사선의 만곡으로 인해 피치 불균일이 시각적으로 눈에 띄고, 실용상 문제가 되므로 좋지 않다.
이하의 표 4는 제4 실시예에서의 광학 장치 및 fθ 렌즈(46)의 비구면 계수를 도시하고 있다.
[표 4(제4 실시예)]
도 17은 제4 실시예에서 피주사면 상의 부 주사 방향의 F수의 변화를 도시한 도면이다. 제4 실시예에서, fθ 렌즈(46)의 부 주사 방향의 곡률을 렌즈 양면에 있어서 도18에 도시된 바와 같이, 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화시킴으로써 상 높이에 기인한 F수의 변화율을 Fmin/Fmax = 64.52/66.31 = 0.973, 즉 0.9이상이 되도록 억제한다.
도 19는 제4 실시예의 다중 비임 주사 광학 장치가 600dpi의 해상도로 사용될 때(주사선 간격 42.3㎛), 주사선의 만곡을 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 상 높이에 기인한 F수의 변화를 억제함으로써 주사선의 만곡은 0.2㎛정도(피치불균일은 0.4㎛ 정도)로, 실용상 문제가 전혀 없는 수준으로 할 수 있다.
따라서, 제4 실시예에서는 상술한 바와 같이 조건식 (2)가 충족되면서도, 부 주사 방향(경선 방향)으로의 fθ 렌즈(46)의 곡률은 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화됨으로써 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화를 소정량 이하(장치의 허용치 내)로 억제하고, 다중 비임 주사 광학 장치에서 문제를 제기하는 주사선의 만곡에 기인한 피치 불균일을 제거한다.
또한, 제4 실시예에서, fθ 렌즈(46)는 단일 렌즈로 구성되므로, 소형의 저렴한 다중 비임 주사 광학 장치가 얻어질 수 있다.
도 20a 및 도 20b는 각각 본 발명의 제5 실시예의 주 주사 방향 및 부 주사 방향의 요부 단면도이다. 이들 도면에서, 도 12a 및 도 12b에 도시된 요소들과 동일한 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
제5 실시예의 전술한 제4 실시예와의 차이점은 더욱 고정밀한 인쇄에 대응할 수 있도록 주 주사 방향의 상면 만곡을 작게 하기 위해 fθ 렌즈(56)의 렌즈 양면의 모선 방향의 곡률이 광축과 비대칭이 되도록 설정한 점과, 다면경(15)의 다각형면의 개수는 4개에서 6개로 변경하여 고속 인쇄에 대처하고 있다는 점이다. 그 밖의 제5 실시예의 구성 및 광학 작용은 제4 실시예와 사실상 동일하므로 유사한 효과가 얻어진다.
이하의 표 5는 제5 실시예의 광학 장치와 fθ 렌즈(56)의 비구면 계수를 보여주고 있다.
[표 5(제5 실시예)]
도 21은 제5 실시예에서 피주사면 상의 부 주사 방향의 F수의 변화를 도시한 도면이다. 제5 실시예에서 fθ 렌즈(56)의 부 주사 방향의 곡률은 도 22에 도시된 바와 같이 렌즈 양면 상에서 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화됨으로써, 상 높이에 기인한 F수의 변화율을 Fmin/Fmax=49.75/53.08=0.937, 즉 0.9이상이 되도록 억제하고 있다.
도 23은 제5 실시예의 다중 비임 주사 광학 장치가 600dpi의 해상도로 사용될 때(주사선 간격 42.3㎛), 주사선의 변화를 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이 상 높이에 기인한 F수의 변화를 억제함으로써 주사선의 만곡은 실용상 문제가 없는 1.2㎛정도(피치 불균일은 2.4㎛ 정도) 수준으로 될 수 있다.
이와 같이, 제5 실시예에서도, 제4 실시예에서와 같이, 조건식(2)가 충족되면서도, fθ 렌즈(56)의 렌즈 양면의 부 주사 방향(경선 방향)으로의 곡률은 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화됨으로써 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화를 소정량 이하로 억제하며, 다중 비임 주사 광학 장치에서 문제가 되는 주사선의 만곡에 기인한 피치 불균일을 제거하고 있다. 또한, 제5 실시예에서, fθ 렌즈(56)의 렌즈 양면의 모선 방향의 곡률이 광축에 대해 비대칭이 되도록 설정됨으로써 주 주사 방향의 상면 만곡을 억제하고, 더욱 고정밀한 인쇄에 적합한 다중 비임 주사 광학 장치가 얻어질 수 있다.
도 24a 및 도 24b는 각각 본 발명의 제6 실시예의 주 주사 방향 부 주사 방향의 요부 단면도이다. 이들 도면에서, 도 12a 및 도 12b에 도시된 요소들과 동일한 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였다.
제6 실시예의 전술한 제4 실시예와의 차이점은 fθ 렌즈(76)가 2개의 렌즈로 구성되고, 주사선의 만곡에 기인한 피치 불균일이 고정밀도로 감소되고, 독립적으로 변조될 수 있는 복수개의 발광부를 갖는 반도체 레이저(11)로부터의 광 비임이 시준기 렌즈(2)에 의해 사실상 평행한 광 비임으로 변환되고, 다면경(15)의 다각형면의 개수가 4개에서 6개로 변경됨으로써 고속 인쇄에 대처하고 있다는 점이다.
기타 사항에 있어서, 제6 실시예의 구성 및 광학적 작용은 전술한 제4 실시예와 사실상 동일하므로 유사한 효과가 얻어진다.
즉, 도 24a 및 도 24b에서, 도면 부호 76은 fθ 렌즈를 가리키며, 이 fθ 렌즈는 2개의 렌즈, 즉 유리 재료로 형성된 제1 fθ 렌즈인 구면 렌즈(유리 구면 렌즈; 76a)와, 플라스틱 재료로 형성된 비구면 형상의 제2 fθ 렌즈인 원환체 렌즈(비구면 플라스틱 원환체 렌즈; 76b)로 구성된다. 유리 구면 렌즈(76a)는 광 편향기(15)와 감광 드럼면(8) 사이의 중간부로부터 광 편향기(15)쪽으로 더 가깝게 배치되고 주로 fθ 특성을 보정하는 기능을 갖는다. 비구면 플라스틱 원환체 렌즈(76b)는 주로상면 만곡의 보정과 부 주사 방향의 횡배율의 보정을 행하고 있다.
제6 실시예에서, 부 주사 방향의 굴절력의 대부분을 차지하고 있는 비구면 플라스틱 원환체 렌즈(76b)의 렌즈 양면의 경선 방향(부 주사 방향)의 곡률을 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화시킴으로써, 피주사면상의 부 주사방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화를 억제한다.
이하의 표 6은 제6 실시예의 광학 장치와 fθ 렌즈(76)[구면 렌즈(76a) 및 원환체 렌즈(76b)]의 비구면 계수를 보여주고 있다.
[표 6(제6 실시예)]
도 25는 제6 실시예에서 피주사면 상의 부 주사 방향의 F 수의 변화를 도시한 도면이다. 제6 실시예에서 원환체 렌즈(76b)의 부 주사 방향의 곡률은 도 26에 도시된 바와 같이 렌즈 양면 상에서 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화됨으로써 상 높이에 기인한 F수의 변화율을 Fmin/Fmax= 72.67/73.75=0.985, 즉, 0.9이상이 되도록 억제한다.
도 27은 제6 실시예의 다중 비임 주사 광학 장치가 600dpi의 해상도로 사용될 때(주사선 간격 42.3㎛), 주사선의 만곡을 도시한 도면이다. 상 높이에 기인한 F수의 변화를 억제함으로써 주사선의 만곡은 0.1㎛정도(피치 불균일은 0.2㎛ 정도)로서, 실용상 문제가 없는 수준으로 할 수 있다.
따라서, 제6 실시예에서도, 전술된 제4 실시예에서와 같이 조건식(2)가 충족되면서도, 부 주사 방향(경선 방향)으로의 fθ 렌즈(76)를 구성하는 원환체 렌즈(76b)의 렌즈 양면의 곡률은 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화됨으로써 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 F수의 변화, 즉 스폿 직경의 변화를 소정량 이하로 억제하고, 다중 비임 주사 광학 장치에서 문제를 제기하는 주사선의 만곡에 기인한 피치 불균일을 제거한다. 제6 실시예에서도, 2개의 렌즈로 구성된 fθ 렌즈(76)에 의해 주사선의 만곡은 보다 고정밀하게 보정될 수 있고, 보다 고정밀한 인쇄에 적합한 다중 비임 주사 광학 장치가 얻어진다.
fθ 렌즈를 구성하는 2개의 렌즈들 중 적어도 한 렌즈의 부 주사 방향의 곡률의 부호는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반대로 될 수 있고, 2개의 렌즈들 중 적어도 한 렌즈의 부 주사 방향의 곡률은 광축에 대해 축선상으로부터 축선 외측으로 비대칭적으로 변화될 수 있다. 이에 의해, 더욱 고정밀한 인쇄에 적합한 다중 비임 광학 장치가 얻어질 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 주사 광학 장치와의 비교를 위해서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 종래 기술의 비임 주사 광학 장치에서 다중 비임 주사를 수행하는 방식에 대해 설명하기로 한다.
도 28a 및 도 28b는 각각 및 도 2b에 도시된 종래 기술의 단일 비임 주사 광학 장치를 사용해서 다중 비임 주사를 수향할 경우의 주사 방향 및 부 주사 방향으로 각각 도시한 요부 단면도로서, 상 높이에 기인한 피주사면 상의 부 주사 방향의 스폿 직경(F 수)과 부 주사 방향의 각도 배율의 변화를 도시하고 있다.
이하의 표 7은 도 28a 및 도 28b에 도시된 광학 장치와 fθ 렌즈(86)의 비구면 계수를 보여주고 있다.
[표 7(제7 실시예)]
도 28a 및 도 28b에서, 광원 수단(81)으로부터 출사된 2개의 독립적으로 변조된 발산 광 비임은 시준기 렌즈(82)에 의해 수렴 광 비임으로 변환되고, 이들 광비임은 조리개(83)에 의해 제한되어 소정의 굴절력을 갖는 원통형 렌즈(84)로 입사된다. 원통형 렌즈(84)로 입사된 광 비임 중 주 주사면에서는 그 상태로 그대로 출사된다. 또한, 부 주사 단면에서는 수렴되어 회전 다면경으로 이루어지는 광 편향기(85)의 편향면(반사면; 85a)상에 사실상 선형인 상으로 결상된다. 그리고, 광 편향기(85)의 편향면(85a)에서 편향 및 반사된 2개의 광 비임은 fθ특성을 갖는 결상 광학계(fθ렌즈; 86)를 통해서 피주사면(88)으로서의 감광 드럼면 상으로 유도되고, 광 편향기(85)를 화살표 A 방향으로 회전시킴으로써, 감광 드럼면(88)을 광 주사하여 화상 정보의 기록을 수행한다.
통상적으로, 평면 기울기 보정 광학계에 있어서는, 전술한 바와 같이 광 편향기의 편향면의 평면 기울기를 광학적으로 보정하기 위해서 광 편향기의 편향면과 피주사면을 서로 광학적 공액 관계(결상 관계)로 하는 것이 필요하다. 도 28a 및 도 28b에 도시된 비교예에서는, fθ렌즈(86)의 광 편향기(85)측 렌즈면(제1면)(R1)의 부 주사 방향의 곡률(경선 곡률)을 일정하게 하고, 피주사면측 렌즈면(제2면)(R2)의 부 주사 방향의 곡률(경선 곡률)은 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화됨으로써, 어떠한 상 높이에서도 공액 관계가 되도록 설정하고 있다.
그러나, 상술된 비교예에서의 fθ 렌즈는 도 30에 도시된 바와 같이 렌즈의 한면(표면 R1)의 경선 곡률이 일정하므로, 도 29에 도시된 바와 같이 모선(bus line) 형상에 의해 상 높이에 따라 F수가 변동된다. 즉, 축선상(축선상 비임)에서는 도 28b의 (1)에 도시된 바와 같이 피주사면상의 부 주사 방향의 F 수가 크고, 부 주사 방향의 각도 배율은 적어지며, 축선 외측(축선 외측 비임)에서는, 도 28b의 (2)에 도시된 바와 같이 주 주사 방향의 F 수가 작기 때문에 각도 배율이 크다(주 주사면 형상에 따라 반대의 경우도 있을 수 있다).
일반적으로, 각도 배율(γ)과 횡배율(β)은, βγ=-1의 관계가 성립되고, 상술한 비교예에 있어서, 축선상의 횡배율이 크고 축선 외측의 횡배율이 작아진다.
따라서, 상 높이로 인해 주 주사 방향의 횡배율에 있어서 불균일이 발생하며, 다중 비임 주사 광학 장치와 같이 광축으로부터 벗어난 복수개의 레이저 비임을 이용하여 주사하는 광학계에서는 피주사면 상에서 주사선이 만곡을 일으킨다.
도 31은 비교예의 다중 비임 주사 광학 장치를 해상도 600dpi(주사선 간격 42.3㎛)로 사용한 경우의 주사선 만곡을 도시한 도면이다. 도 31에서, 주변부 주사선은 중심부에 대해 2.4㎛만큼 만곡되어 있기 때문에 4.8㎛의 피치 불균일이 초래되어 화질을 열화시킨다는 문제점이 있다.
본 발명의 주사 광학 장치에서는 상술한 바와 같은 문제점을 일으키지 않고, 제1 발명에 따르면, 전술함 바와 같이 시준기 렌즈 등에 의해 변환된 광원으로부터의 광 비임을 광 편향기를 거쳐 fθ 렌즈에 의해 피주사면에 결상시킬 때, 상기 fθ 렌즈의 렌즈 형상을 최적화함으로써 상면 만곡이나 왜곡 수차 등을 양호하게 보정하고, 또 광 편향기와 피주사면 사이에서의 부 주사 방향의 횡배율의 불균일성을 해소함으로써 상 높이에 기인한 부 주사 방향의 F 수의 변화 즉, 스폿 직경의 변화를 억제할 수 있는 소형이면서 고정밀 인쇄에 적합한 주사 광학 장치를 얻을 수 있다.
또한, 제2 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 시준기 렌즈 등에 의해 변환된 광원으로부터의 복수개의 광 비임을 광 편향기를 거쳐 fθ 렌즈에 의해 피주사면 상에 결상시킬 때, 상기 fθ 렌즈의 렌즈 형상을 최적화함으로써 상면 만곡이나 왜곡 수차 등을 양호하게 보정하고, 또 광 편향기와 피주사면 사이에서 부 주사 방향의 횡배율의 불균일성을 해소함으로써 상 높이에 의한 부 주사 방향의 F수의 변화 즉, 스폿 직경의 변화를 억제할 수 있고, 주사선의 만곡으로 인한 피치 불균일을 저감시킬 수 있는 다중 비임 주사 광학 장치를 얻을 수 있다.
또한, 전술한 조건식(2)을 충족시키도록 fθ 렌즈의 부 주사 방향의 곡률을 결정함으로써 피치 불균일이 시각적으로 문제가 없는 수준으로 감소될 수 있는 다중 비임 주사 광학 장치를 얻을 수 있다.

Claims (19)

  1. 광원 수단과, 상기 광원 수단으로부터 출사된 광 비임을 평향시키는 편향 소자와, 상기 광원 수단으로부터 출사된 광 비임을 상기 편향 소자의 편향면 상에 주주사 방향으로 길게 선형으로 결상시키는 광학 수단과, 상기 편향 소자에 의해 편향되는 광 비임을 피주사면 상에 스폿 형태로 결상시키는 광소자를 포함하며, 상기 광 소자의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사 방향의 곡률은 주사할 표면 상에의 투사 광 비임의 상 높이에 따른 부 주사 방향의 F수 변화가 억제되도록 주 평면 위치를 조절할 수 있게 렌즈의 유효부에서 축선상으로부터 축선외측을 향해 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원 수단은 독립적으로 변조될 수 있는 복수개의 광원 유니트들을 갖는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 소자의 부 주사 방향의 주 평면의 궤적의 만곡량 dx(축선 최외측 주 평면 위치와 축선상 주 평면 위치 사이의 광축 방향의 차)는, 부 주사 방향의 전방측 주 평면의 궤적의 만곡량 및 후방측 주 평면의 궤적의 만곡량을 각각 xm 및 xu라 할 때,
    xmdxxu
    가 충족되고, 상기 조건식에서,
    Ipri는 축선상 비임에서의 편향 소자의 편향면으로부터 부 주사 방향의 전방측 주 평면까지의 거리, Epri는 축선상 비임에서 부 주사 방향의 후방측 주 평면으로부터 피주사면까지의 거리, θpor은 광축에 대해 편향 소자에 의해 편향된 축선 최외측 비임에 의해 주 주사면에 형성된 각도, θimg는 광축에 대해 피주사면 상에 입사되는 축선 최외측 비임에 의해 주 주사면에 형성된 각도인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광 소자는 플라스틱 성형법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광 소자는 유리 성형법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 광 소자는 플라스틱 성형법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 광 소자는 유리 성형법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광 소자는 단일 렌즈로 구성되며, 상기 단일 렌즈의 양면은 주 주사면이 비구면 형태의 원환체 면으로 된 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면 중 적어도 한면의 부 주사면에서의 곡률의 부호는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반전되는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  10. 제2항에 있어서, 상기 광 소자는 단일 렌즈로 구성되며, 상기 단일 렌즈의 양면은 주 주사면이 비구면 형태의 원환체 면으로 된 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 피주사면 상에 입사되는 광 비임의 부 주사 방향의 F수의 최대치와 최소치를 각각 Fmax과 Fmin이라 할 때, 상기 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면의 부 주사 방향의 곡률은 조건식 Fmin/Fmax0.9를 충족시키도록 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면 중 적어도 한면의 부 주사 방향의 곡률 부호는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반전되는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 단일 렌즈의 렌즈 양면의 부 주사 방향의 곡률은 광축에 대해 축선상으로부터 축선 외측으로 비대칭적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  14. 제2항에 있어서, 상기 광 소자는 적어도 2개의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 피주사면 상에 입사되는 광 비임의 부 주사 방향의 F수의 최대치와 최소치가 각각 Fmax과 Fmin라 할 때, 상기 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사 방향의 곡률은 조건식 Fmin/Fmax0.9를 충족시키도록 축선상으로부터 축선 외측을 향해 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈의 적어도 한 렌즈면의 부 주사 방향의 곡률 부호는 축선상으로부터 축선 외측으로 가면서 반전되는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈의 적어도 2개의 렌즈면들의 부 주사 방향의 곡률은 광축에 대해 축선상으로부터 축선 외측으로 비대칭적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈들 중 적어도 한 렌즈는 플라스틱 성형법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 광 소자를 구성하는 2개의 렌즈들 중 적어도 한 렌즈는 유리 성형법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 장치.
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