JP3003065B2

JP3003065B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP3003065B2
Application number: JP6096701A
Authority: JP
Inventors: 球高田; 隆史鈴木; 望井上; 雄二郎野村; 高志 ▲浜▼
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-05-10
Filing date: 1994-05-10
Publication date: 2000-01-24
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: JPH07306371A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビームプリンタ等
に用いられる光走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザビームプリンタ等に用いら
れる光走査装置は、半導体レーザ等の光源から射出し、
コリメータレンズによって集束されたビームを回転多面
鏡で偏向走査し、ｆθレンズによって被走査面上にビー
ムスポットを形成していた。回転多面鏡の角速度は一定
なので、被走査面上での走査速度を一定にするために、
ｆθレンズに負の歪曲収差特性を与え、等速走査を実現
していた。

【０００３】ところで、光走査装置の光学系に要求され
る収差特性は以下の２点である。一つは、等速走査性を
得るために、特定の負の歪曲収差を持たせることであ
り、もう一つは、ビームスポット径を回折限界に近くす
るために、像面湾曲を小さくして像面の平坦性を得るこ
とである。負の歪曲収差を発生させるためには、幾何光
学的には入射瞳の後方に正のレンズを配置するか、ある
いは入射瞳の前方に負のレンズを配置すればよい。従来
の光走査装置では、正のパワーを有しているｆθレンズ
を入射瞳、すなわち偏向点から後方に配設し、負の歪曲
収差を発生させていた。よりよいレンズ性能を得るに
は、ｆθレンズの枚数は多い方が望ましいが、枚数が増
加すればコストが高くなり、調整が複雑化し、ビームの
強度が低下するといった問題が生じる。

【０００４】しかしながら、そのような従来の光走査装
置では、ｆθレンズに負の歪曲収差を与えるために、ｆ
θレンズは入射瞳、すなわち偏向点から後方に大きく離
して配設される必要があり、ｆθレンズが大口径となり
高価であり、装置の大型化とコスト高の主要因であっ
た。

【０００５】このため、本発明者らは、特開平６−７５
１６２号において、新規かつ進歩性のある光走査装置を
提案した。この構成によれば、回転多面鏡の代わりに、
ビームの偏向作用とレンズ作用とを合わせ持つ偏向器が
用いられ、偏向器が収差補正の働きをも有し、装置の小
型化に寄与させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平６−
７５１６２号記載の光走査装置では、回転レンズ鏡の主
走査断面の有効部において、主走査方向の局所的な屈折
力は不均一となる。相対的に比較すると、走査中心を走
査するビームが受ける屈折力は大きく、走査端を走査す
るビームが受ける屈折力は小さい。ここで、屈折力と
は、絶対値としての屈折力ではなく、正負を含めた値と
しての屈折力をいう。

【０００７】この偏向手段で代表されるように、偏向さ
れた光ビームが走査中心を走査するときの角速度に対
し、走査端を走査するときの角速度の方が小さいような
偏向手段では、走査中心を走査するビームが受ける主走
査方向の屈折力は、走査端を走査するビームが受ける主
走査方向の屈折力に対して大きい。

【０００８】そこで本発明は、上述したような偏向手段
の屈折力の不均一を補正するべく設定された結像レンズ
を用い、像面湾曲特性が非常に良好で、屈折力の不均一
による焦点位置がずれたり結像特性が悪化したりするこ
とがなく、また、その成型時に内部歪が生じない光走査
装置を提供することを主たる目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の光走査装置は、
光ビームを発生する光源と、前記光ビームを偏向し等角
速度で回転する偏向手段と、前記偏向手段により偏向さ
れた光ビームを被走査面上に結像させるための結像レン
ズとを有する光走査装置において、前記結像レンズの主
走査方向における屈折力について、走査中心を走査する
光ビームが通過する光路における屈折力に対し、走査端
を走査する光ビームが通過する光路における屈折力の方
が大きく、前記結像レンズの副走査断面において、光軸
方向の厚さをｔ、副走査方向の高さをｈとすると、ｈ／ｔ＞２の関係を満たし、かつ、前記結像レンズの主走査断面の
有効部において、光軸方向の厚さの最大値をｔ_max、最
小値をｔ_minとすると、ｔ_max／ｔ_min＜２の関係を満たすことを特徴とする。

【００１０】また、本発明の光走査装置は、上記構成に
加え、以下のいずれかの構成をとることが望ましい。

【００１１】１）偏向手段により偏向された光ビームが
走査中心を走査するときの角速度に対し、走査端を走査
するときの角速度の方が小さいこと。２）結像レンズは、主走査断面で非球面である面を有す
ること。さらに、非球面の主走査断面の有効部におい
て、光軸からの高さをｙ、高さｙでの曲率をｃ（ｙ）と
すると、

【００１２】

【数３】

【００１３】となることが望ましい。３）結像レンズのレンズ面Ｓ_iにおいて、主走査断面の
有効部で、光軸からの高さをｙ、高さｙでのレンズ面の
光軸方向の座標をｚ_i（ｙ）とし、偏向手段の偏向点か
らレンズ面Ｓ_iまでの距離をｂ_i、偏向点から被走査面ま
での距離をａとすると、

【００１４】

【数４】

【００１５】となること。４）結像レンズに入射する光ビームが、主走査断面にお
いて集束光であること。５）結像レンズは、主走査方向と副走査方向とで屈折力
が異なること。さらに、副走査断面において、偏向点と
被走査面とが光学的共役関係にあることや、結像レンズ
の少なくとも１面において、副走査断面に平行な断面の
曲率が、結像レンズの有効部で主走査方向に沿って連統
的に変化していることが望ましい。また、結像レンズの
副走査断面が、平面と凸面とからなることや、結像レン
ズの両面において、副走査断面に平行な断面の曲率が、
結像レンズの有効部で主走査方向に沿って連続的に変化
していることがより望ましい。

【００１６】

【作用】本発明の上記の構成は以下のような作用を有す
るものである。

【００１７】まず、請求項１、２記載の発明において
は、主走査方向において、走査中心で大きく走査端で小
さい屈折力の分布を有する偏向手段の屈折力の不均一性
を、走査中心で小さく走査端で大きい屈折力を有する結
像レンズで打ち消し、像面湾曲を小さくすることができ
る。また、結像レンズの断面を所定の形状とすることに
より、ビームの進行方向と垂直な方向の屈折率分布を抑
制することができる。これにより、焦点位置がずれたり
結像特性が悪化したりすることを防ぐことができる。ま
た、結像レンズの厚さｔの主走査断面の有効部の形状を
特定することにより、成型時の流動状態の不均一性を防
止し、内部歪を生じないように構成することができる。

【００１８】請求項３記載の発明においては、結像レン
ズに非球面を導入することにより、わずか１枚の結像レ
ンズで十分に収差を補正をすることができるのみなら
ず、結像レンズへの入射ビームの画角も大きくとること
ができる。

【００１９】請求項４記載の発明においては、結像レン
ズの曲率変化率を所定の範囲内に設定することにより、
ビームスポット形状の崩れを小さくしたものである。

【００２０】請求項５記載の発明においては、偏向手段
の反射面近傍の結像点と被走査面上の結像点との間の光
学倍率を一定にするように、所定のレンズ形状にするこ
とにより、副走査方向の光学倍率を均一に、そして解像
度を均一にすることができる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】請求項６記載の発明においては、結像レン
ズに入射するビームが、主走査断面において集束光であ
るので、結像レンズの屈折力が小さくて済むようにな
る。この結果、レンズの厚さを均一に近くすることがで
きる。

【００２４】請求項７記載の発明においては、主走査方
向と副走査方向とで屈折力が異なるので、諸収差の補正
を主走査方向と副走査方向とで独立に行うことができ、
光学設計上の自由度が大きくなる。

【００２５】請求項８記載の発明においては、副走査断
面において偏向点と被走査面とが光学的共役関係にある
ため、回転レンズ鏡の反射面に面倒れがあっても、被走
査面上におけるビームスポットの副走査方向の位置は変
化せず、走査線の位置ずれは発生しない。

【００２６】請求項９記載の発明においては、結像レン
ズの射出面は、副走査断面に平行な断面の曲率が、結像
レンズの有効部で主走査方向に沿って連続的に変化して
いるので、結像レンズの有効部のいかなる位置でも、副
走査断面に平行な断面の曲率を任意に設定することがで
きる。このため、副走査方向の像面湾曲を完全に補正す
ることができる。

【００２７】請求項１０記載の発明においては、結像レ
ンズの２つの面のうち、片方の面を副走査断面で直線と
なるようにすれば、結像レンズの製造が容易になりコス
トを低減することができる。さらに、一つのレンズに光
学曲面が２面存在すると、それらの面の光軸の相対的な
位置精度が問題となり、２本の光軸を一致させることが
厳しく要求されるが、副走査断面で平凸レンズとなるよ
うにすれば、副走査断面ではそのような要求は生じな
い。

【００２８】請求項１１記載の発明においては、結像レ
ンズの両面ともを、曲率が連続的に変化している面にす
れば、光学設計の自由度が副走査方向でさらに１自由度
大きくすることができる。この結果、副走査方向のビー
ムスポット径を完全に一定にすることができる。

【００２９】

【実施例】

（実施例１）以下、図面に基づき本発明を詳細に説明す
る。

【００３０】図１は本発明の光走査装置の第１の実施例
としての光走査装置を示したものである。光源としての
半導体レーザ１より射出したビームが、コリメータレン
ズ２によって、わずかに集束するビームに変換され、シ
リンドリカルレンズ３により、副走査方向にのみ集束作
用を受ける。ここで、副走査方向とは、回転レンズ鏡４
の回転軸に平行な方向のことであり、また、副走査方向
と光軸とに垂直な方向を主走査方向という。さらに、ビ
ームは偏向手段としての回転レンズ鏡４の入射面に入射
した後、反射面の近傍で副走査方向でのみ結像し、反射
面で反射され、射出面から射出する。入射面、射出面は
いずれも主走査方向にのみ屈折力を有し、それぞれ凹シ
リンドリカル面、凸シリンドリカル面である。反射面は
平面である。ビームは回転レンズ鏡４の回転に伴って偏
向される。偏向されたビームは結像レンズ５で集束作用
を受け、被走査面６上にビームスポットを形成する。な
お、被走査面６の有効走査領域において、その中心、す
なわち光軸と交わる点を走査中心と呼び、領域の両端で
ある走査開始点および走査終了点を走査端と呼ぶことと
する。

【００３１】図２に回転レンズ鏡４の回転に伴ってビー
ムが偏向される様子を示す。入射面Ｓ_a、射出面Ｓ_cは、
走査中心を走査するビームがそれらの面を垂直に通過す
るように設定され、また反射面Ｓ_bは走査中心を走査す
るビームが４５゜の角度で反射面Ｓ_bに入射するように
設定されている。回転レンズ鏡４の回転軸Ｏは、反射面
Ｓ_bに内包され、走査中心を走査するビームの反射点を
通る。入射面Ｓ_aの光軸および射出面Ｓ_cの光軸は、走査
中心を走査するビームの光路に一致する。回転レンズ鏡
４は回転軸Ｏを中心に回転し、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩのよう
に変位する。入射ビームＬは回転レンズ鏡４の回転に伴
い、入射面Ｓ_aのそれぞれ異なる位置に異なる角度で入
射するため、屈折により偏向される。ビームは反射面Ｓ
_bで反射されて、さらに偏向角を大きくし、射出面Ｓ_cで
屈折して射出ビームＭ₁、Ｍ₂、Ｍ₃のように偏向され
る。

【００３２】ところで、一般に、光学曲面に入射するビ
ームの入射角が増加すれば、ビームが光学曲面で受ける
屈折力の絶対値も増加する。図２において、入射ビーム
Ｌは入射面Ｓ_aで負の屈折力を受けるが、回転レンズ鏡
４の位置がＩＩのときには、入射面Ｓ_aに入射角０゜で
入射し、Ｉ、ＩＩＩのときにはある入射角を持って入射
する。そのため、負の屈折力の絶対値はＩＩのときに対
して、Ｉ、ＩＩＩのときの方が大きくなる。一方、射出
面Ｓ_cではビームは正の屈折力を受けるが、屈折力の絶
対値はやはりＩＩのときに比べてＩ、ＩＩＩのときの方
が大きい。ただし、ビームの入射角の変化は入射面Ｓ_a
での方が大きく、射出面Ｓ_cではビームが偏向されても
入射角はあまり変化しないため、屈折力の変化は入射面
Ｓ_aで生じる変化の方が支配的である。従って、回転レ
ンズ鏡４の屈折力を絶対値ではなく、正負を含めた値と
して相対的にみると、回転レンズ鏡４がＩＩに位置する
とき、すなわち走査中心を走査するビームの光路では大
きく、ＩあるいはＩＩＩに移動するにつれて、すなわち
ビームが走査中心から走査端へ移動するにつれて小さく
なる。

【００３３】回転レンズ鏡４で偏向されたビームの焦点
の軌跡を示すと図３のようになる。ビームが集束ビーム
である場合の軌跡はＦ₁、発散ビームの場合の軌跡はＦ₂
である。比較のために、偏向手段として従来技術の回転
多面鏡を用いた場合の軌跡を示すと、破線Ｆ₃、Ｆ₄のよ
うに偏向手段の回転軸Ｏを中心とする円弧を描く。それ
に対し、回転レンズ鏡４で偏向されたビームの場合は、
ビームが走査端へ移動すると、回転レンズ鏡４の屈折力
が小さくなるため、ビームの焦点位置がビームの進行方
向へ移動し、焦点の軌跡は円弧から離れてビームの進行
方向側へ沿った曲線となる。Ｆ₁やＦ₂なる軌跡を描くビ
ームを、結像レンズ５で被走査面６の直線上に結像させ
るためには、結像レンズ５の屈折力を端部に行くほど大
きくすればよい。

【００３４】次に本実施例における結像レンズ５の構成
について詳細に説明する。結像レンズ５の主走査方向の
屈折力は、走査中心を走査するビームの光路において最
も小さく、走査端にビームが近づくにつれて大きくなる
ようになっている。従って、先述したような回転レンズ
鏡４の屈折力の不均一性、すなわち走査中心で大きく走
査端に行くに従って小さくなる屈折力を、結像レンズ５
で打ち消し合うことができ、主走査方向の像面を平坦化
し、像面湾曲を小さくすることができる。

【００３５】本実施例における結像レンズ５の入射面、
射出面の主走査断面（光軸を含み主走査方向に平行な
面）の形状は非球面である。結像レンズに非球面を導入
することで、わずか１枚の結像レンズで十分に収差を補
正することができるのみならず、結像レンズへの入射ビ
ームの画角も大きくとることができるため、例えば光走
査装置の有効走査幅が２１６ｍｍであれば、回転レンズ
鏡の回転中心と被走査面との間隔を１５０ｍｍ以下にま
で短くすることができ、光走査装置を小型化することが
できる。

【００３６】非球面は曲率が局所的に変化している面で
あるが、その変化が大きくて、ビームの直径の範囲内で
も局所的に曲率が大きく変化するような場合には、非球
面により変換を受けたビームの波面は球面ではなくな
り、結像特性が悪化してしまう。そこで、本実施例にお
ける結像レンズは、非球面の主走査断面において、光軸
からの高さをｙ、ｙの高さでの曲率をｃ（ｙ）としたと
き、有効部で常に、

【００３７】

【数５】

【００３８】を満足させている。このようにすれば、ビ
ームスポット形状の崩れは小さく、実用上問題ない程度
となる。上式のｄｃ（ｙ）／ｄｃを曲率変化率ρと呼ぶ
こととする。すなわち、

【００３９】

【数６】

【００４０】である。ただし、この場合は非球面の曲面
であるのでρ＞０である。

【００４１】一例を挙げて具体的に計算を行う。図４の
ように、簡単のために結像レンズ５の入射面Ｓ_dは平面
とし、射出面Ｓ_eは近軸的には平面であり、それに非球
面変位が付加されているものとする。半径ｗの平行ビー
ムが結像レンズ５を透過する。光軸方向をｚ軸、光軸に
垂直な方向をｙ軸とし、射出面Ｓ_eと光軸とが交わる点
を原点とする。曲率が変化するような面は３次曲線で代
表される。そこで射出面Ｓ_eを、ｚ＝ｋｙ³ と与えると、曲率変化率ρは近軸的にはｙによるｚの３
次微分、すなわち、 ρ＝６ｋとなる。次に、ビームが半径ｗの太さを持っていること
を考慮し、ビームを光線束であると考え、光軸から距離
ｗだけ離れた位置を通る光線Ｎを追跡する。光軸からの
高さｗにおける射出面Ｓ_eの傾きは３ｋｗ²であり、平行
平板の屈折率をｎとすると、射出面Ｓ_eから射出された
光線が光軸となす角αは近似的に、 α＝３ｋｗ²（ｎ−１）となる。従って、曲率変化率ρと角αとの関係は、 α＝ρｗ²（ｎ−１）／２となる。光線Ｎが被走査面６と交わる位置と、射出面Ｓ
に非球面変位がない場合に交わる位置とのずれｍは、射
出面Ｓから被走査面６までの距離をｅとすると、ｍ＝ρｅｗ²（ｎ−１）／２となる。以上の計算により、半径ｗのビームを光線束と
考えると、光線は曲率変化率ρを有する面により、被走
査面６において最大でｍのずれを生じる。そのため、焦
点を被走査面６上に設定しても、各々の光線は一点には
集束せず、ビームスポットは大きくなり、結像特性を悪
化させることとなる。

【００４２】ここで、一般的な値として、仮にρ＝０．
００５、ｅ＝１００ｍｍ、ｗ＝１ｍｍ、ｎ＝１．５とす
ると、ｍ＝０．１２５ｍｍとなる。光走査装置の走査密
度が、例えば３００ｄｐｉであれば、ビームスポットの
半径は０．０６ｍｍ程度に設定される。ここで、ビーム
スポット半径とは、ビームスポットの最大強度に対して
１／ｅ²の強度となる点を連ねた形状の半径のことであ
る。先のずれ量ｍはビームスポット半径の約２倍である
が、最大強度に対して１／ｅ²の位置ではビーム強度は
あまり大きくないので、この程度であればビームスポッ
ト形状はあまり崩れず、問題とはならない。以上の議論
は、光軸上のビームに対してであるが、光軸外の斜めの
ビームに対しても同様のこととなる。

【００４３】ところで、非球面レンズをガラスで製造す
るとコスト高となるため、プラスチックで成型により製
造することがよく行われている。ただし、プラスチック
でレンズを成型する場合、冷却速度の不均一によりレン
ズ内部に歪が生じ、屈折率が不均一となることがある。
そこで、屈折率の分布が問題とならないような条件につ
いて調べた。図５に示すように、単純化するために結像
レンズ５の副走査断面（光軸を含み副走査方向に平行な
面）を矩形とし、光軸方向の厚さをｔ、副走査方向の高
さをｈとする。座標はレンズ断面の中心を原点とし、光
軸方向にｚ軸を、副走査方向にｘ軸をとる。

【００４４】断面形状が長方形の場合、冷却時の等温度
曲線は長手方向に沿ってほぼ平行となるため、屈折率は
長手方向にはほぼ均一となるが、それと垂直な方向に分
布を生じることとなる。また、ビームの進行方向に沿っ
た屈折率分布は結像特性に影響を及ぼさないが、それと
垂直な方向に屈折率分布があると、焦点位置がずれたり
結像特性が悪化したりする。従って、厚さｔは小さいほ
ど、また高さｈは大きいほど屈折率分布の影響は小さく
なる。

【００４５】ここで、厚さｔと高さｈとの比によって、
レンズ内部の冷却速度がどのように変化するかを数値計
算により調べた。初期温度Ｔ₁で一様なレンズを温度Ｔ₂
の環境で冷却する場合について考える。ｘ軸上の各点の
温度Ｔ₃がＴ₁とＴ₂との中間温度、すなわち、Ｔ₃＝（Ｔ₁＋Ｔ₂）／２に達するまでの時間を図６に示す。横軸はｈ／２で規格
化したｘ座標であり、縦軸は、レンズ断面の中心点（原
点）の値で規格化した冷却時間である。同図はビームの
進行方向に垂直な方向での冷却時間の分布を示すもので
あるが、ｈ／ｔが大きくなるほど、レンズ中心付近の分
布が均一になる傾向を示している。

【００４６】さらに、射出成型により製造したプラスチ
ックレンズについて実測した屈折率分布を図７に示す。
ｈ／ｔとしては０．５３と１．８８の２種類のものを用
いた。横軸はｈ／２で規格化したｘ座標であり、縦軸は
光軸での屈折率を基準とした屈折率の変動量である。ｈ
／ｔ＝０．５３の場合には、光軸付近で屈折率が変動し
ており、実際にビームを通してみると、屈折率分布型レ
ンズのように屈折率分布が凹レンズとして作用し、焦点
位置がずれ、結像特性も悪化した。一方、ｈ／ｔ＝１．
８８の場合には、光軸付近では屈折率がほぼ一定であ
り、ビームを通しても結像特性の悪化や焦点位置のずれ
は見られなかった。

【００４７】以上のことから、（１）ｈ／ｔが大きくな
るほどレンズ中心付近の分布が均一になること、（２）
ｈ／ｔ＝１．８８の場合には良好な結果が得られたこ
と、を考慮するとｈ／ｔ≧１．８８であることが望まし
い。さらに、測定誤差や、特性のばらつきなどを考慮す
ると、図５に示す結像レンズ５の副走査断面において、
光軸方向の厚さｔ、副走査方向の高さｈとの比を、ｈ／ｔ＞２なるように設定することがより望ましい。このようにす
れば、結像特性の悪化や焦点位置のずれを実用的に問題
のない程度に抑えることができる。

【００４８】一方、ｈ／ｔの上限値であるが、これは製
作上の能力・製造性・コストなどによって決まる。一般
的には、ｈ／ｔ＜５０程度の範囲内に設定するのが好ま
しい。

【００４９】ところで、プラスチックレンズでは、レン
ズの強度や成型性を高めるためにレンズ有効部の周囲に
リブを設けることが一般的である。そこで、図８のよう
にリブを含めた高さｈを用いて上式を満足させても、同
様の効果が得られる。

【００５０】また、プラスチックレンズでは厚さの不均
一も内部歪を生じる原因となるため、なるべく厚さを均
一にする必要がある。結像レンズをプラスチックで成型
するときには、レンズの厚さｔが主走査断面の有効部に
おいて大きく変化していると、成型時の流動状態が不均
一になり、内部歪を生じてしまう。そこで、本実施例に
おいては、結像レンズの有効部において、光軸方向の厚
さの最大値ｔ_maxと最小値ｔ_minとの比を、ｔ_max／ｔ_min＜２となるようにしている。このようにすれば、内部歪を実
用的に問題のない程度に抑えることができる。なお、理
想的にはｔ_max／ｔ_min＝１なので、１≦ｔ_max／ｔ_min＜
２の範囲内に納まるようにするのが望ましい。

【００５１】しかも、本実施例においては、結像レンズ
に入射するビームは、主走査断面において集束光であ
る。結像レンズへの入射ビームが、主走査断面で平行光
や発散光となっていると、ビームを被走査面に結像させ
るために、結像レンズは屈折力の大きな正レンズとせね
ばならず、結像レンズの主走査断面の厚さが極めて不均
一となってしまう。そこで、結像レンズへの入射ビーム
を主走査断面で集束光とし、結像レンズの屈折力が小さ
くて済むようにし、レンズの厚さを極力均一になるよう
にしている。

【００５２】本実施例における結像レンズは光軸上での
屈折力が主走査方向と副走査方向とで異なるアナモフィ
ックレンズである。そのため、諸収差の補正を主走査方
向と副走査方向とで独立に行え、光学設計上の自由度が
大きく、主走査方向、副走査方向ともに像面湾曲を小さ
く抑えることができ、等速走査性も良好にすることがで
きる。

【００５３】従来の光走査装置では、偏向器として回転
多面鏡を用いる場合には、各反射面の面倒れに起因する
走査線の位置ずれを除去するために、光学系に倒れ補正
機能を持たせることがよく行われている。本発明の光走
査装置においてもこのような倒れ補正機能を有してい
る。本発明では、先述したように副走査断面においてビ
ームは回転レンズ鏡の反射面に結像する。そして、副走
査断面において偏向点と被走査面とが光学的共役関係に
あるため、回転レンズ鏡の反射面に面倒れがあっても、
被走査面上におけるビームスポットの副走査方向の位置
は変化せず、走査線の位置ずれは発生しない。

【００５４】さらに、本実施例における結像レンズの射
出面は、副走査断面に平行な断面の曲率が、結像レンズ
の有効部で主走査方向に沿って連続的に変化している。
このようにすれば、結像レンズの有効部のいかなる位置
でも、副走査断面に平行な断面の曲率を任意に設定でき
るため、副走査方向の像面湾曲を完全に補正することが
できる。

【００５５】ところで、副走査方向の曲率が変化する面
を射出面に限る必要はなく、入射面の副走査方向の曲率
を変化させてもよい。つまり、副走査方向の像面湾曲を
補正するためには、一つの自由度さえ持っていればよ
く、入射面、射出面の少なくとも一方の面を、副走査方
向の曲率が変化するようにすればよい。そうすれば、他
方の面の副走査方向の曲率は任意に設定できる。そこで
本実施例においては、結像レンズの入射面の副走査断面
を直線とし、副走査断面で見ると平凸レンズとしてもよ
い。このように、結像レンズの２つの面のうち、片方の
面を副走査断面で直線となるようにすれば、結像レンズ
の製造が容易になりコストも低減する。さらに、一つの
レンズに光学曲面が２面存在すると、それらの面の光軸
の相対的な位置精度が問題となり、２本の光軸を一致さ
せることが厳しく要求されるが、副走査断面で平凸レン
ズとなるようにすれば、副走査断面ではそのような要求
は生じない。

【００５６】先述したように、光走査装置の光学系に要
求される主な特性は、等速走査性と像面の平坦性とであ
るが、さらに付け加えるならば、ビームスポット径の均
一性が要求される。最近では走査密度が高く、解像度も
高い光走査装置が求められているため、有効走査領域に
おいてビームスポット径が一定であることが強く要求さ
れるようになってきた。ビームスポット径を一定にする
ためには、光学系の光学倍率を一定にすればよい。

【００５７】ここで、特に副走査方向の光学倍率を一定
にすることを考える。本実施例では、副走査断面で回転
レンズ鏡の反射面近傍にビームが結像するため、反射面
近傍の結像点と被走査面上の結像点との間の光学倍率を
一定にすればよい。

【００５８】単純化して考えるため、図９に示すよう
に、結像レンズ５を薄肉レンズとし、回転レンズ鏡は副
走査方向に屈折力を持たないので省略する。ビームの偏
向点Ｐから被走査面６までの距離をａ、偏向点Ｐから結
像レンズ５までの距離をｂ、結像レンズ５の主走査断面
の有効部で、光軸からの高さをｙとする。結像レンズ５
と光軸とが交わる点を基準とした、ｙの高さでの結像レ
ンズ５の光軸方向のずれをΔｚ（ｙ）とする。回転レン
ズ鏡の反射面とビームの偏向点Ｐとはほぼ一致するた
め、偏向点Ｐを結像点と考える。光軸からの高さｙの位
置を透過するビームの副走査方向の光学倍率β（ｙ）
は、

【００５９】

【数７】

【００６０】である。ところで、本件発明者の実験によ
れば、ビーム径が±２０％以上変動すると、光走査装置
としての解像度が不均一となり、レーザプリンタでの印
字でも、特に細かい網点のようなパターンでは、濃度む
らを生じて印字品質が悪化する。そこで、任意の光軸高
さｙでの光学倍率β（ｙ）を、光軸上の光学倍率β
（０）を基準として、次式で規定する。

【００６１】

【数８】

【００６２】この式を計算し近似を施すと、次式のよう
になる。

【００６３】

【数９】

【００６４】従って、結像レンズのレンズ面Ｓ_iにおい
て、主走査断面の有効部で、ｙの高さでのレンズ面の光
軸方向の変位量をΔｚ_i（ｙ）とし、偏向点からレンズ
面Ｓ_iまでの距離をｂ_iとすると、

【００６５】

【数１０】

【００６６】となる。ただし、レンズ面は曲面であるの
で、Δｚ_i（ｙ）＞０である。このようにすれば、副走
査方向の光学倍率が均一で、解像度が均一な光走査装置
が実現できる。また、このような光走査装置をレーザプ
リンタに利用すると、濃度むらがなく良好な印字品質が
得られる。

【００６７】本実施例の代表的な設計例の光学諸元を表
１、表２に示す。ただし、１走査の走査開始から走査終
了までの回転レンズ鏡の回転角を２ωとする。半導体レ
ーザの発光点をＳ₁、コリメータレンズの入射面、射出
面をそれぞれＳ₂、Ｓ₃、シリンドリカルレンズの入射
面、射出面をそれぞれＳ₄、Ｓ₅、回転レンズ鏡の入射
面、反射面、射出面をそれぞれＳ₆、Ｓ₇、Ｓ₈、結像レ
ンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₉、Ｓ₁₀とする。各
光学諸元の記号については、第ｉ面Ｓ_iの曲率半径を
ｒ_i、第ｉ面から次の面までの軸上間隔をｄ_iとし、コリ
メータレンズ、シリンドリカルレンズ、回転レンズ鏡、
結像レンズの屈折率をそれぞれｎ₂、ｎ₄、ｎ₆、ｎ₉とす
る。また、アナモフィックなレンズ面では、副走査方
向、主走査方向の曲率半径をそれぞれｒ_ix、ｒ_iyとし、
非球面の曲率半径については、光軸上の値を示す。結像
レンズの主走査断面形状は非球面形状であり、

【００６８】

【数１１】

【００６９】で表す。座標は、レンズ面が光軸と交わる
点を原点とし、光軸方向にｚ軸、光軸に垂直で主走査方
向にｙ軸をとっている。Ｋ_i、Ａ_i、Ｂ_i、Ｃ_i、Ｄ_i、Ｅ_i
は非球面係数である。また、結像レンズの射出面は、副
走査断面に平行な断面の曲率が、結像レンズの有効部で
主走査方向に沿って連続的に変化しており、曲率半径Ｒ
_iを、Ｒ_i＝ｒ_ix＋Ａ_ixｙ²＋Ｂ_ixｙ⁴＋Ｃ_ixｙ⁶＋Ｄ_ixｙ⁸＋Ｅ
_ixｙ¹⁰ で表す。Ａ_ix、Ｂ_ix、Ｃ_ix、Ｄ_ix、Ｅ_ixは係数である。

【００７０】

【表１】

【００７１】

【表２】

【００７２】図１０はこの設計例についての主走査断面
図、図１１はこの設計例の収差図である。なお、収差図
については、像面湾曲は破線が主走査方向、実線が副走
査方向の収差を示している。走査直線性は、ｆθレンズ
の通例では理想像高ｙ＝ｆθからの像高のずれを％で表
すが、本実施例におけるでは回転レンズ鏡が回転するた
め理想像高がｆθとならない。従って、等価な表示方法
として、光軸近傍の光線について、回転レンズ鏡の回転
角に対する像高の変化率をζとして、理想像高Ｙ＝ζθ
からのずれを％で表示している。ωはビームスポットが
被走査面上で走査中心から走査端まで走査する間の、回
転レンズ鏡の回転角である。

【００７３】結像レンズの主走査方向における屈折力の
変化を図１２に示す。横軸は入射面でのビームの光軸か
らの高さであり、屈折力はレンズの有効部について示し
ている。屈折力は、ビームが走査中心から走査端に行く
に従って大きくなっており、回転レンズ鏡の主走査方向
の屈折力の変化を打ち消し、図１１に示すように主走査
方向の像面湾曲は±２．０ｍｍ以内と、良好に補正され
ている。１〜２ｍｍ程度の振幅で振動している像面湾曲
は、結像レンズの主走査断面形状の非球面係数を、１２
次までの非球面係数しか用いていないことにより生じる
ものである。より高次の非球面係数を用いれば、像面湾
曲はさらに小さくなる。

【００７４】結像レンズの射出面は、副走査断面に平行
な断面の曲率が、結像レンズの有効部で主走査方向に沿
って連続的に変化しているため、図１１に示すように副
走査方向の像面湾曲が±０．２ｍｍ以内と、極めて良好
に補正されている。

【００７５】結像レンズの主走査断面における曲率変化
率ρは、図１３のように有効部の範囲内で０．００５以
下となっており、走査端でのビームスポットの断面強度
分布は、主走査方向で図１４に示すように、裾部がやや
広がっていたり、側部に小さなピークがあるもの、実用
上問題ない程度となっている。

【００７６】結像レンズの有効部における、光軸方向の
厚さの最大値ｔ_maxは５．５ｍｍ、最小値はｔ_minは３．
９０ｍｍであり、それらの比は、ｔ_max／ｔ_min＝１．４１となり、厚さが均一となっているため、結像レンズをプ
ラスチックで成型するときに、スムーズで均一な流動が
なされ、内部歪の発生はほとんどない。

【００７７】結像レンズへの入射ビームは集束光であ
り、その焦点は結像レンズ入射面から被走査面側へ２１
３．８６ｍｍに位置する。従って、結像レンズの主走査
方向の屈折力は小さくて済み、そのために結像レンズの
厚さを均一にすることが可能となっている。

【００７８】結像レンズのレンズ面の形状変化に基づく
変化量、

【００７９】

【数１２】

【００８０】は、図１５のように入射面、射出面のいず
れも、有効部で常に０．２より小さくなっており、副走
査方向のビームスポット直径の変動は、図１６のように
２０％以内に抑えられ、解像度は均一となっている。

【００８１】次に、解像度の均一性をさらに良好にする
ことを考える。本実施例の結像レンズでは、副走査断面
に平行な断面の曲率が主走査方向に沿って連続的に変化
している面は、射出面のみである。ところが、結像レン
ズの両面ともを、そのような面とすれば、光学設計の自
由度が副走査方向でさらに１自由度大きくなり、副走査
方向のビームスポット径を完全に一定にすることができ
る。

【００８２】このことを図を用いて説明する。上記した
設計例では、結像レンズは図１０のように屈曲してお
り、副走査断面に平行な断面の主点もその形状にほぼ沿
って屈曲しているため、実用的には問題のない範囲内で
はあるが、結像レンズの副走査方向の倍率は多少変化し
ている。しかしながら、副走査断面に平行な任意の断面
で、両面の曲率半径を任意に設定できれば、図１７
（ａ）〜（ｅ）のようにベンディングにより主点Ｈの位
置も任意に設定できる。そこで、副走査断面に平行な任
意の断面の主点を連ねた線が、光軸に対して垂直な直線
となるように、副走査方向の曲率半径を設定すれば、結
像レンズの副走査方向の光学倍率を、有効走査領域に渡
って完全に一定にすることができ、ビームスポット径も
一定となる。

【００８３】（実施例２）図１８は本発明の光走査装置
の第２の実施例としての光走査装置を示したものであ
る。半導体レーザ１より射出したビームがコリメータレ
ンズ２によって平行なビームとされ、回転レンズ鏡４の
入射面に入射した後、反射面で反射され、射出面から射
出する。入射面は凹面、反射面は平面、射出面は凸面で
ある。ビームは回転レンズ鏡４の回転に伴って偏向さ
れ、結像レンズ５で集束作用を受け、被走査面６上にビ
ームスポットを形成する。結像レンズ５は球面レンズで
ある。

【００８４】本実施例の回転レンズ鏡は、入射面と射出
面とが球面であり実施例１とは異なるが、主走査断面に
関しては、実施例１と同様、それらの面はそれぞれ負、
正の屈折力を持つ。従って、本実施例でも、回転レンズ
鏡の屈折力は、走査中心を走査するビームの光路では大
きく、ビームが走査端へ移動するにつれて小さくなる。
一方、結像レンズの主走査方向の屈折力は、走査中心を
走査するビームの光路において最も小さく、走査端にビ
ームが近づくにつれて大きくなり、回転レンズ鏡の屈折
力の不均一を打ち消し、主走査方向の像面湾曲を小さく
抑えている。

【００８５】本実施例の代表的な設計例の光学諸元を表
３に示す。半導体レーザの発光点をＳ₁、コリメータレ
ンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₂、Ｓ₃、回転レンズ
鏡の入射面、反射面、射出面をそれぞれＳ₄、Ｓ₅、
Ｓ₆、結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₇、Ｓ₈
とする。各光学諸元の記号については、第ｉ面Ｓ_iの曲
率半径をｒ_i、第ｉ面から次の面までの軸上間隔をｄ_iと
し、コリメータレンズ、回転レンズ鏡、結像レンズの屈
折率をそれぞれｎ₂、ｎ₄、ｎ₇とする。

【００８６】

【表３】

【００８７】図１９はこの設計例についての主走査断面
図、図２０はこの設計例の収差図である。

【００８８】結像レンズの主走査方向における屈折力の
変化を図２１に示す。実施例１と同様に、屈折力はビー
ムが走査中心から走査端に行くに従って大きくなってお
り、回転レンズ鏡の主走査方向の屈折力変化を打ち消
し、図２０のように主走査方向の像面湾曲は±１．０ｍ
ｍ以内と、良好に補正されている。

【００８９】（実施例３）図２２は本発明の光走査装置
の第３の実施例としての光走査装置を示したものであ
る。半導体レーザ１より射出したビームがコリメータレ
ンズ２によって平行なビームとされる。偏向手段として
の回動レンズ７および偏向鏡８は共に回転する。コリメ
ータレンズ２から射出された平行ビームは負のパワーを
有する回動レンズ７で発散ビームとされ、偏向鏡８で反
射され、偏向鏡８の回転により偏向される。偏向された
ビームは、結像光学系である結像レンズ５により集束作
用を受け、被走査面６上にビームスポットを形成する。
結像レンズ５は球面レンズである。

【００９０】図２３に回動レンズ７および偏向鏡８の回
転に伴ってビームが偏向される様子を模式的に示す。回
動レンズ７および偏向鏡８は、偏向鏡８の反射面Ｓ_f内
の回転軸Ｏを中心に回転し、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩのように
変位する。入射ビームＬは回動レンズ７の回転に伴い、
回動レンズ７のそれぞれ異なる位置を透過するため、屈
折により偏向される。ビームはさらに偏向鏡８の反射面
Ｓ_fで反射されて、さらにその偏向角を大きくし、射出
ビームＭ₁、Ｍ₂、Ｍ₃のように偏向される。

【００９１】入射ビームＬは回動レンズ７で負の屈折力
を受けるが、回動レンズ７の位置がＩＩのときには入射
角０゜で入射し、Ｉ、ＩＩＩのときにはある入射角を持
って入射するため、負の屈折力の絶対値はＩＩのときに
対して、Ｉ、ＩＩＩのときの方が大きくなる。従って、
回動レンズ７の屈折力を絶対値ではなく、正負を含めた
値として相対的にみると、本実施例でも実施例１と同様
に、走査中心を走査するビームの光路では屈折力は大き
く、ビームが走査中心から走査端へ移動するにつれて小
さくなる。

【００９２】本実施例でも、結像レンズの主走査方向の
屈折力は、走査中心を走査するビームの光路において最
も小さく、走査端にビームが近づくにつれて大きくな
り、回転レンズ鏡の屈折力の不均一を打ち消し、主走査
方向の像面湾曲を小さく抑えている。

【００９３】本実施例の代表的な設計例の光学諸元を表
４に示す。半導体レーザの発光点をＳ₁、コリメータレ
ンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₂、Ｓ₃、回動レンズ
の入射面、射出面をそれぞれＳ₄、Ｓ₅、反射鏡の反射面
をＳ₆、結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₇、Ｓ
₈とする。各光学諸元の記号については、第ｉ面Ｓ_iの曲
率半径をｒ_i、第ｉ面から次の面までの軸上間隔をｄ_iと
し、コリメータレンズ、回動レンズ、結像レンズの屈折
率をそれぞれｎ₂、ｎ₄、ｎ₇とする。

【００９４】

【表４】

【００９５】図２４はこの設計例についての主走査断面
図、図２５はこの設計例の収差図である。

【００９６】結像レンズの主走査方向における屈折力の
変化を図２６に示す。やはり、屈折力はビームが走査中
心から走査端に行くに従って大きくなっており、回転レ
ンズ鏡の主走査方向の屈折力変化を打ち消し、図２５の
ように主走査方向の像面湾曲は±１．０ｍｍ以内と、良
好に補正されている。

【００９７】本発明はレーザビームプリンタのみなら
ず、デジタル複写機、ファクシミリ、レーザ走査ディス
プレイ等の画像形成装置やスキャナ等の画像入力装置、
あるいは光学マーク読み取り用レーザ走査装置、表面検
査用レーザ走査装置等にも適用することができ、上述し
たような効果が得られる。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下のような効果を有する。

【００９９】まず、請求項１、２記載の発明によれば、
主走査方向において、走査中心で大きく走査端で小さい
屈折力の分布を有する偏向手段の屈折力の不均一性を、
走査中心で小さく走査端で大きい屈折力を有する結像レ
ンズで打ち消し、像面湾曲を非常に小さくすることがで
きる。また、ビームの進行方向と垂直な方向の屈折率分
布を抑制することができる。これにより、焦点位置がず
れたり結像特性が悪化したりすることを防ぐことができ
る。また、レンズ成型時の流動状態の不均一性を防止
し、内部歪を生じないような特性の優れたレンズを製造
することができる。

【０１００】請求項３記載の発明によれば、結像レンズ
に非球面を導入することにより、わずか１枚の結像レン
ズで十分に収差を補正をすることができる。さらに、結
像レンズへの入射ビームの画角も大きくとることができ
る。この結果、光走査装置を一層小型化することができ
る。

【０１０１】請求項４記載の発明によれば、ビームスポ
ット形状の崩れを実用上問題のない範囲内に抑えること
ができる。

【０１０２】請求項５記載の発明によれば、ビームスポ
ット径を一定にすることができる。この結果光走査装置
としての解像度を均一にすることができる。

【０１０３】

【０１０４】

【０１０５】請求項６記載の発明によれば、結像レンズ
の屈折力が小さくて済むようにすることができる。この
結果、レンズの厚さを均一に近づけることができ、製造
性・コストの点できわめて有効である。

【０１０６】請求項７記載の発明によれば、諸収差の補
正を主走査方向と副走査方向とで独立に行うことがで
き、光学設計上の自由度が大きくなる。このことによ
り、主走査方向、副走査方向共に像面湾曲を小さく抑え
ることができ、等速走査性も良好にすることができる。

【０１０７】請求項８記載の発明によれば、回転レンズ
鏡の反射面に面倒れがあっても、被走査面上におけるビ
ームスポットの副走査方向の位置は変化せず、走査線の
位置ずれを防止することができる。

【０１０８】請求項９記載の発明によれば、結像レンズ
の有効部のいかなる位置でも、副走査断面に平行な断面
の曲率を任意に設定することができる。このため、副走
査方向の像面湾曲を完全に補正することができる。

【０１０９】請求項１０記載の発明によれば、結像レン
ズの製造が容易になりコストを低減することができる。
さらに、レンズ両面の光軸の相対的な位置精度や、２本
の光軸を一致させることが要求されないので、組み立て
性・レンズ精度の点で非常に有効である。

【０１１０】請求項１１記載の発明によれば、光学設計
の自由度が副走査方向でさらに１自由度大きくすること
ができる。この結果、副走査方向のビームスポット径を
完全に一定にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光走査装置の斜視図。

【図２】本発明の実施例１において、回転レンズ鏡の
回転に伴いビームが偏向される様子を示す図。

【図３】本発明の実施例１において、回転レンズ鏡に
より偏向されるビームの焦点の軌跡を示す図。

【図４】非球面レンズを透過するビームの光路図。

【図５】結像レンズの副走査断面図。

【図６】結像レンズの冷却速度を示す図。

【図７】プラスチックレンズの屈折率の分布図。

【図８】リブ付きの結像レンズの副走査断面図。

【図９】本発明の実施例１の光学系の概念図。

【図１０】本発明の実施例１の光学系の断面図。

【図１１】本発明の実施例１の光学系の収差図。

【図１２】本発明の実施例１の結像レンズの屈折力変
化を示す図。

【図１３】本発明の実施例１の結像レンズの曲率変化
率を示す図。

【図１４】本発明の実施例１のビームスポットの断面
強度分布図。

【図１５】本発明の実施例１の結像レンズの形状変化
に基づく変化量を示す図。

【図１６】本発明の実施例１のビームスポット直径を
示す図。

【図１７】結像レンズのベンディングを示す図。

【図１８】本発明の実施例２の光走査装置の斜視図。

【図１９】本発明の実施例２の光学系の断面図。

【図２０】本発明の実施例２の光学系の収差図。

【図２１】本発明の実施例２の結像レンズの屈折力変
化を示す図。

【図２２】本発明の実施例３の光走査装置の斜視図。

【図２３】本発明の実施例３において、回動レンズと
偏向鏡との回転に伴いビームが偏向される様子を示す
図。

【図２４】本発明の実施例３の光学系の断面図。

【図２５】本発明の実施例３の光学系の収差図。

【図２６】本発明の実施例３の結像レンズの屈折力変
化を示す図。

【符号の説明】

１半導体レーザ２コリメータレンズ３シリンドリカルレンズ４回転レンズ鏡５結像レンズ６被走査面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野村雄二郎長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内 (72)発明者 ▲浜▼ 高志長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内 (56)参考文献特開平３−198016（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 26/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを発生する光源と、前記光ビー
ムを偏向し等角速度で回転する偏向手段と、前記偏向手
段により偏向された光ビームを被走査面上に結像させる
ための結像レンズとを有する光走査装置において、前記結像レンズの主走査方向における屈折力について、
走査中心を走査する光ビームが通過する光路における屈
折力に対し、走査端を走査する光ビームが通過する光路
における屈折力の方が大きく、前記結像レンズの副走査断面において、光軸方向の厚さ
をｔ、副走査方向の高さをｈとすると、ｈ／ｔ＞２の関係を満たし、かつ、前記結像レンズの主走査断面の有効部において、光軸方
向の厚さの最大値をｔ _max 、最小値をｔ _min とすると、ｔ _max ／ｔ _min ＜２の関係を満たすことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】前記偏向手段により偏向された前記光ビ
ームが走査中心を走査するときの角速度に対し、走査端
を走査するときの角速度の方が小さいことを特徴とする
請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】前記結像レンズは、主走査断面で非球面
である面を有することを特徴とする請求項１記載の光走
査装置。
【請求項４】前記非球面の主走査断面の有効部におい
て、光軸からの高さをｙ、前記高さｙでの曲率をｃ
（ｙ）とすると、【数１】となることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。
【請求項５】前記結像レンズのレンズ面Ｓ_iにおい
て、主走査断面の有効部で、光軸からの高さをｙ、前記
高さｙでのレンズ面の光軸方向の変位量をΔｚ_i（ｙ）
とし、前記偏向手段の偏向点から前記レンズ面Ｓ_iまで
の距離をｂ_i、前記偏向点から前記被走査面までの距離
をａとすると、【数２】となることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項６】前記結像レンズに入射する光ビームが、
主走査断面において集束光であることを特徴とする請求
項１記載の光走査装置。
【請求項７】前記結像レンズは、主走査方向と副走査
方向とで屈折力が異なることを特徴とする請求項１記載
の光走査装置。
【請求項８】副走査断面において、前記偏向点と前記
被走査面とが光学的共役関係にあることを特徴とする請
求項７記載の光走査装置。
【請求項９】前記結像レンズの少なくとも１面におい
て、副走査断面に平行な断面の曲率が、前記結像レンズ
の有効部で主走査方向に沿って連続的に変化しているこ
とを特徴とする請求項７記載の光走査装置。
【請求項１０】前記結像レンズの副走査断面が、平面
と凸面とからなることを特徴とする請求項９記載の光走
査装置。
【請求項１１】前記結像レンズの両面において、副走
査断面に平行な断面の曲率が、前記結像レンズの有効部
で主走査方向に沿って連続的に変化していることを特徴
とする請求項９記載の光走査装置。