JP3364525B2 - 走査結像レンズおよび光走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は走査結像レンズおよび
光走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光源装置から放射される実質的な平行光
束を、線像結像光学系により主走査対応方向に長い線像
として結像させ、上記線像の結像位置の近傍に偏向反射
面を有する光偏向器により等角速度的に偏向させ、偏向
光束を結像光学系により被走査面上に光スポットとして
集光させて被走査面の等速的な光走査を行う光走査装置
は、従来から光プリンターやデジタル複写器の光書き込
み装置に関連して、広く知られている。

【０００３】光走査装置において、被走査面上に集光し
た光スポットが、光走査に伴って描く軌跡の方向を「主
走査方向」、被走査面上で主走査方向に直交する方向を
「副走査方向」と称することは周知の通りであるが、光
走査装置における光源から被走査面に到る光路を光学系
の光軸に沿って直線的に展開した仮想的な光路を考え、
この仮想的な光路上において、主走査方向と平行的に対
応する方向を「主走査対応方向」、副走査方向と平行的
に対応する方向を「副走査対応方向」と呼ぶ。

【０００４】上記の如き光走査装置における上記「結像
光学系」として用いられる「走査結像レンズ」は、回転
多面鏡等の光偏向装置により等角速度的に偏向される偏
向光束を被走査面に向かって集束させる「結像機能」と
ともに、被走査面上における光スポットの移動を等速的
にするため「ｆθ機能」を有する必要がある。

【０００５】近来、光走査により解像度の高い高品質の
画像を記録するため、走査結像レンズとして、ｆθ特性
とともに主・副走査方向の像面湾曲が良好に補正された
ものが要請されている。ｆθ特性が悪いと、光走査の等
速性からのずれが大きく、記録画像に歪みが発生し、像
面湾曲が良好に補正されていないと、光スポット径が像
高と共に変動して、記録画像の解像性を低下させる原因
となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述の事情
に鑑みてなされたものであって、ｆθ特性と主・副走査
方向の像面湾曲とを有効走査領域全域にわたって良好に
補正可能な新規な走査結像レンズの提供を目的とする
（請求項１）。

【０００７】この発明の別の目的は、主・副走査方向の
像面湾曲とを有効走査領域全域にわたって良好に補正
し、ｆθ特性の良好な補正が可能である、新規な走査結
像レンズの提供にある（請求項２）。

【０００８】この発明の他の目的は、請求項２記載の走
査結像レンズを用いる新規な光走査装置の提供にある
（請求項３）。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の「走査結像レ
ンズ」は、図１に示すように、主走査対応方向に長い線
像に結像され、上記線像の結像位置近傍に偏向反射面を
有する光偏向器３により等角速度的に偏向される光束
を、被走査面８上に光スポットとして集光し、被走査面
を等速的に光走査するためのレンズであって、「光偏向
器３側から被走査面８側へ向かって、第１群５，第２群
６，第３群７を配してなる３群３枚構成」である。

【００１０】偏向される光束は、偏向反射面の近傍に
「主走査対応方向に長い線像」として結像しており、走
査結像レンズにより被走査面上に光スポットとして集光
されるから、走査結像レンズは、副走査対応方向に関
し、被走査面位置と偏向反射面位置とを「幾何光学的に
略共役な関係」とする機能をもち、等角速度的に偏向さ
れる光束の結像点である光スポットの移動を等速化する
から、主走査方向に関して「ｆθ機能」を持つ。

【００１１】第１群５は、主走査対応方向に負、副走査
対応方向に正の屈折力を有し、上記正の屈折力が上記負
の屈折力よりも強く、光偏向器側レンズ面と被走査面側
レンズ面が共に「アナモフィック非球面」である単レン
ズである。第２群６は、正の屈折力を持つ球面レンズで
ある。第３群７は、主走査対応方向に殆ど屈折力を持た
ず、副走査対応方向の曲率半径が、光軸を主走査対応方
向に離れるに従って小さくなる「樽型トロイダル面」を
凹レンズ面として光偏向器側に有する正レンズであり、
被走査面８の近傍に配備される。

【００１２】上記のアナモフィック非球面は、光軸との
交点を原点とし、光軸に合致してＺ軸を被走査面８側に
向けて正にとり、主走査対応方向における光軸からの距
離をｈ、ｒ、Ｋ，Ａ，Ｂを定数として、 Ｚ＝（１／ｒ）²・ｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）（１／ｒ）²・ｈ²｝］ ＋Ａ・ｈ⁴＋Ｂ・ｈ⁶ （３） で表される「光軸対称な高次曲線」を、「主走査対応方
向に平行で光軸と交わる軸」の回りに回転して得られる
曲面である。

【００１３】図１２を参照すると、この図は、第１群４
の「光偏向器側のアナモフィック非球面」を説明するた
めの図である。図のように、光軸とアナモフィック非球
面との交点に原点；０を取り、光軸に合致させてＺ軸を
取る。ｈを原点；０から主走査対応方向への距離とする
と、「光軸対称な高次曲線：Ｚ（ｈ）」は上記式（３）
で与えられる。Ｚ（ｈ）が「正」のところは原点；０よ
りも被走査面側にあり、Ｚ（ｈ）が「負」の所は、原
点；０よりも光偏向器側にある。式（３）における定
数：ｒは、光軸対称な高次曲線：Ｚ（ｈ）の光軸上に於
ける曲率半径で、図に「Ｒ_1X」で示したものである。

【００１４】上記曲線：Ｚ（ｈ）を、光軸に交わり主走
査対応方向に平行な回転軸の回りに回転して得られるの
が「アナモフィック非球面」である。このとき、原点；
０と回転軸との距離：Ｒ_1Yは、アナモフィック非球面
の、光軸上における「副走査対応方向の曲率半径」を与
える。従って、主走査対応方向において、原点；０から
距離：ｈだけ離れた位置におけるアナモフィック非球面
の、副走査対応方向における曲率半径「Ｒ_1Y（ｈ）」は
「Ｒ_1Y＋Ｚ（ｈ）」で与えられる。

【００１５】図１３を参照すると、この図は、第３群に
凹レンズ面として採用された「樽型トロイダル面」を説
明するための図である。樽型トロイダル面は、光軸と主
走査対応方向に平行な直線とで形成される平面内におけ
る「曲率半径：Ｒ_5Xの曲線」を、この曲線と光軸との交
点から光軸上で距離：Ｒ_5Yだけ離れ、主走査対応方向に
平行な回転軸の回りに回転して得られる面であり、主走
査対応方向において、光軸から距離：ｈだけ離れた位置
における樽型トロイダル面の、副走査対応方向における
曲率半径「Ｒ_5Y（ｈ）」は「Ｒ_5Y−Ｒ_5X＋√｛Ｒ_5X ²−
ｈ²｝」で与えられる。

【００１６】請求項２記載の走査結像レンズは、上記レ
ンズ構成において、主走査対応方向における全系の合成
焦点距離を「ｆ_M」、副走査対応方向における第１群の
焦点距離を「ｆ_S1」、第２の焦点距離を「ｆ₂」とする
とき、これらが、条件 （１） ０．６ ＜ｆ₂／ｆ_M ＜１．１ （２） ０．１８＜ｆ_S1／ｆ_M＜０．３３ を満足することを特徴とする。

【００１７】この発明の「光走査装置」は、図１に示す
ように「光源装置１から放射される実質的な平行光束
を、線像結像光学系２により主走査対応方向に長い線像
として結像させ、上記線像の結像位置の近傍に偏向反射
面４を有する光偏向器５により等角速度的に偏向させ、
偏向光束を結像光学系により被走査面８上に光スポット
として集光させて、被走査面８の等速的な光走査を行う
装置」であって、結像光学系として、請求項２記載の走
査結像レンズを用いることを特徴とする（請求項３）。

【００１８】線像結像光学系２としては、シリンダレン
ズや凹シリンダミラー等を用いることができ、光偏向器
としては、図示の回転多面鏡や回転２面鏡、回転単面鏡
等を用いることができる。

【００１９】

【作用】この発明の「走査結像レンズ（請求項１，
２）」は、光走査装置に用いられるときは、副走査対応
方向に関して、被走査面位置と偏向反射面位置とを「幾
何光学的に略共役な関係」としており、従って請求項３
記載の光走査装置は、光偏向器における「面倒れ」を補
正する機能を持つ。

【００２０】請求項１記載の「走査結像レンズ」は、そ
のレンズ構成により、ｆθ特性、主・副走査方向の像面
湾曲を良好に補正することが可能となる。

【００２１】ｆθ特性は本来、主走査方向における「負
の歪曲収差」により実現されるものであり、走査結像レ
ンズの主走査対応方向に於ける屈折力により決定され
る。請求項１記載の走査結像レンズにおける「主走査対
応方向の屈折力」は、第１群が「負」、第２群が「正」
で、第３群は主走査対応方向に殆ど屈折力を持たないの
で、ｆθ特性は、主として第１，第２群により定まる。
第１群は、光偏向器側、被走査面側とも「アナモフィッ
ク非球面」であり、主走査対応方向と副走査対応方向の
屈折力を、各面とも独立に設定できるので、ｆθ特性の
補正が容易である。

【００２２】また、第１群が、光偏向器側、被走査面側
とも「アナモフィック非球面」であるので、この非球面
形状を定める前記「光軸対称な高次曲線」の調整によ
り、主走査方向の像面湾曲の補正が容易に可能になる。

【００２３】また、副走査対応方向については、第１〜
第３群が何れも「正の屈折力」を持ち、第１群の両レン
ズ面の屈折力を主走査対応方向の屈折力と独立して調整
できることと、第３群に樽型トロイダル面が凹レンズ面
として採用されていることにより、副走査方向の像面湾
曲を良好に補正することが可能になる。

【００２４】また、主走査対応方向に殆ど屈折力をもた
ず、副走査対応方向に正の屈折力を持つ第３群を被走査
面近傍に配備することにより、主走査対応方向に影響を
及ぼすことなく、副走査対応方向の集光性を高めてい
る。

【００２５】請求項２記載の発明の走査結像レンズにお
ける条件（１），（２）は、像面湾曲補正のための条件
であり、請求項１記載の構成に加えて、条件（１），
（２）を満足することにより、像面湾曲を良好に補正し
た走査結像レンズを実現する。

【００２６】条件（１）は、主走査方向の像面湾曲を補
正するための条件である。主走査対応方向において、正
の屈折力を持つ第２群のパワーが、条件（１）の範囲を
超えると、主走査方向の像面湾曲が悪化し、他の面で補
正できなくなる。

【００２７】条件（２）は、副走査方向の像面湾曲を補
正するための条件である。副走査対応方向において正の
屈折力を持つ第１群のパワーが、条件（２）の範囲を超
えると、主・副走査対応方向の正のパワーのバランスが
崩れ、副走査方向の像面湾曲が悪化し、他の面で補正で
きなくなる。

【００２８】

【実施例】以下、具体的な実施例を５例挙げる。実施例
１〜５は、何れも、請求項１，２記載の走査結像レンズ
の実施例である。

【００２９】図１に示すように、光偏向器３の側から数
えて第ｉ番目のレンズ面の曲率半径を主走査対応方向に
就きＲ_ix（アナモフィック非球面に関しては、前記式
（３）における定数：ｒに相当）、副走査対応方向に就
きＲ_iy(ｉ＝１〜６)、第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ
面の光軸上の面間隔をＤ_i(ｉ＝１〜５)とし、光偏向器
３の偏向の起点（偏向反射面４による偏向光束の主光線
が走査結像レンズの光軸と一致するときの、上記光軸と
偏向反射面４との交点で、線像は設計上はこの位置に結
像する）から第１番目のレンズ面までの光軸上の距離を
Ｄ₀(ｉ＝０)、第６番目のレンズ面から被走査面８に到
る光軸上の距離をＤ₆(ｉ＝６)とする。

【００３０】光偏向器３側から数えて第ｊ番目のレンズ
の、波長７８０ｎｍの光に対する屈折率をＮ_j（ｊ＝１
〜３）とする。ｆ_M，ｆ_Sは、主・副走査対応方向におけ
る全系の焦点距離であり、ｆ_M（全実施例を通じて１３
７．０ｍｍ）を１００に規格化する。２θは有効偏向角
（単位：度）を表す。

【００３１】アナモフィック非球面に関しては、主・副
走査対応方向に於ける光軸上の曲率半径のほか、前記式
（３）における定数：Ｋ，Ａ，Ｂを与えて形状を特定す
る。

【００３２】全実施例を通じ、光偏向器は図１に示し
た、偏向反射面を６面持つ回転多面鏡３であり、内接円
半径は１８ｍｍ、偏向反射面４への入射光束と走査結像
レンズ光軸とのなす角は８０度、光源装置１における光
源である半導体レーザーの発信波長は７８０ｎｍであ
る。

【００３３】実施例１ ｆ_M＝１００，ｆ_S＝−１６．８０９，２θ＝９０．３ ｉ Ｒ_ix Ｒ_iy Ｄ_i ｊ Ｎ_j ０ １３．１３９ １ −２９．９０４ １３．１３９ ７．２９９ １ １．４８５７８ ２ −３４．１３９ −２９．９２７ ４．０１５ ３ ∞ ∞ １０．９４９ ２ １．５７２１１ ４ −５７．２１０ −５７．２１０ ７１．４６０ ５ −５１０．９４９ −２０．９４９ ２．１９０ ３ １．５７２１１ ６ −５１０．９４９ −１０．２１９ ３６．０４３ 。

【００３４】アナモフィック非球面：第１面 Ｋ＝０．８５４，Ａ＝−０．３４３×１０~⁵，Ｂ＝０．
１２３×１０~⁷ アナモフィック非球面：第２面 Ｋ＝−１．４５５，Ａ＝−０．７０４×１０~⁵，Ｂ＝−
０．８４７×１０~⁹ 条件式のパラメータの値 ｆ₂／ｆ_M＝１．００，ｆ_S1／ｆ_M＝０．２０
。

【００３５】実施例２ ｆ_M＝１００，ｆ_S＝−２５．７７２，２θ＝９０．３ ｉ Ｒ_ix Ｒ_iy Ｄ_i ｊ Ｎ_j ０ １３．１３９ １ −２８．０４９ １３．１３９ ７．２９９ １ １．４８５７８ ２ −４５．０７６ ２１８．９７８ １．４６０ ３ ∞ ∞ １３．５０４ ２ １．５７２１１ ４ −４１．７６０ −４１．７６０ ７１．４６０ ５ −５１０．９４９ −２０．９４９ ２．１９０ ３ １．５７２１１ ６ −５１０．９４９ −１０．２１９ ４１．２６６ 。

【００３６】アナモフィック非球面：第１面 Ｋ＝−０．８０１，Ａ＝−１．０１２×１０~⁵，Ｂ＝
０．２５２×１０~⁷ アナモフィック非球面：第２面 Ｋ＝ ０．１４０，Ａ＝−０．２２０×１０~⁶，Ｂ＝
０．８８３×１０~⁸ 条件式のパラメータの値 ｆ₂／ｆ_M＝０．７３，ｆ_S1／ｆ_M＝０．２８
。

【００３７】実施例３ ｆ_M＝１００，ｆ_S＝−３４．２４６，２θ＝９０．３ ｉ Ｒ_ix Ｒ_iy Ｄ_i ｊ Ｎ_j ０ １３．１３９ １ −２９．９０４ １３．１３９ ７．２９９ １ １．４８５７８ ２ −３４．１３９ ２１８．９７８ ４．０１５ ３ ∞ ∞ １０．９４９ ２ １．５７２１１ ４ −５７．２１０ −５７．２１０ ６４．８９１ ５ −５１０．９４９ −２０．９４９ ２．１９０ ３ １．５７２１１ ６ −５１０．９４９ −１０．２１９ ４２．６１２ 。

【００３８】アナモフィック非球面：第１面 Ｋ＝ ０．８５４，Ａ＝−０．３４３×１０~⁵，Ｂ＝
０．１２３×１０~⁷ アナモフィック非球面：第２面 Ｋ＝−１．４５５，Ａ＝−０．７０４×１０~⁵，Ｂ＝−
０．８４７×１０~⁹ 条件式のパラメータの値 ｆ₂／ｆ_M＝１．０２，ｆ_S1／ｆ_M＝０．２８
。

【００３９】実施例４ ｆ_M＝１００，ｆ_S＝−１６．３７４，２θ＝９０．３ ｉ Ｒ_ix Ｒ_iy Ｄ_i ｊ Ｎ_j ０ １３．１３９ １ −２８．０４９ １１．６７９ ７．２９９ １ １．４８５７８ ２ −４５．０７６ −７６．６４２ １．４６０ ３ ∞ ∞ １３．５０４ ２ １．５７２１１ ４ −４１．７６０ −４１．７６０ ７５．１０９ ５ −５１０．９４９ −２０．９４９ ２．１９０ ３ １．５７２１１ ６ −５１０．９４９ −１０．２１９ ３７．６１７ 。

【００４０】アナモフィック非球面：第１面 Ｋ＝−０．８０１，Ａ＝−１．０１２×１０~⁵，Ｂ＝
０．２５２×１０~⁷ アナモフィック非球面：第２面 Ｋ＝ ０．１４０，Ａ＝−０．２２０×１０~⁶，Ｂ＝
０．８８３×１０~⁸ 条件式のパラメータの値 ｆ₂／ｆ_M＝１．０２，ｆ_S1／ｆ_M＝０．２１
。

【００４１】実施例５ ｆ_M＝１００，ｆ_S＝−２１．３０８，２θ＝９０．３ ｉ Ｒ_ix Ｒ_iy Ｄ_i ｊ Ｎ_j ０ １３．１２０ １ −２７．６９７ １５．３０６ ７．２８９ １ １．４８５７８ ２ −３６．１８５ −４０．０８７ １．４５８ ３ ∞ ∞ １３．４８４ ２ １．５７２１１ ４ −４９．２００ −４９．２００ ７１．３５６ ５ −５１０．２０４ −２０．９１８ ２．１８６ ３ １．５７２１１ ６ −５１０．２０４ −１０．２０４ ３８．７８４ 。

【００４２】アナモフィック非球面：第１面 Ｋ＝ １．０６５，Ａ＝−０．２８２×１０~⁵，Ｂ＝
０．４１３×１０~⁷ アナモフィック非球面：第２面 Ｋ＝−０．５０１，Ａ＝−０．３８２×１０~⁵，Ｂ＝
０．６３０×１０~⁸ 条件式のパラメータの値 ｆ₂／ｆ_M＝０．８６，ｆ_S1／ｆ_M＝０．２４
。

【００４３】図２〜図６に、実施例１〜５に関する像面
湾曲とｆθ特性の図、図７〜図１１に、実施例１〜５に
関する光スポット径（１/ｅ²）の変動特性を有効走査領
域全域に対して示す。これらの図において、実線は副走
査方向、破線は主走査方向を表す。実施例１〜５は全
て、像面湾曲・ｆθ特性とも良好で、光スポット径の変
動が少ない。図１において、走査結像レンズとしてこれ
ら実施例１〜５の各々を用いたものは、請求項３記載の
光走査装置の実施例である。

【００４４】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば新規な走査結像レンズおよび光走査装置を提供でき
る。請求項１記載の走査結像レンズは、主・副走査方向
の像面湾曲とｆθ特性とが良好に補正可能である。請求
項２記載の走査結像レンズは、主・副走査方向の像面湾
曲が良好に補正され、ｆθ特性が良好に補正可能で、被
走査面上における光スポット径の変動が小さい。従って
請求項２記載の走査結像レンズを用いる請求項３記載の
光走査装置は極めて良好な光走査を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の走査結像レンズのレンズ構成と、こ
の走査結像レンズを用いた光走査装置の光学配置を示す
図である。

【図２】実施例１に関する像面湾曲とｆθ特性の図であ
る。

【図３】実施例２に関する像面湾曲とｆθ特性の図であ
る。

【図４】実施例３に関する像面湾曲とｆθ特性の図であ
る。

【図５】実施例４に関する像面湾曲とｆθ特性の図であ
る。

【図６】実施例５に関する像面湾曲とｆθ特性の図であ
る。

【図７】実施例１に関する光スポット径の変動特性の図
である。

【図８】実施例２に関する光スポット径の変動特性の図
である。

【図９】実施例３に関する光スポット径の変動特性の図
である。

【図１０】実施例４に関する光スポット径の変動特性の
図である。

【図１１】実施例５に関する光スポット径の変動特性の
図である。

【図１２】アナモフィック非球面を説明するための図で
ある。

【図１３】樽型トロイダル面を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１ 光源装置 ２ 線像結像光学系 ３ 光偏向器 ５ 第１群 ６ 第２群 ７ 第３群 ８ 被走査面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−23219（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−50122（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−242218（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−175616（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−167329（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−216018（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−177808（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−168094（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−308382（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−289288（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 13/00 G02B 26/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主走査対応方向に長い線像に結像され、上
   記線像の結像位置近傍に偏向反射面を有する光偏向器に
   より等角速度的に偏向される光束を、被走査面上に光ス
   ポットとして集光し、上記被走査面を等速的に光走査す
   るための走査結像レンズであって、 光偏向器側から被走査面側へ向かって順次、第１〜第３
   群を配してなり、主走査対応方向に関してｆθ機能を持
   ち、 第１群は、主走査対応方向に負、副走査対応方向に正の
   屈折力を有し、上記正の屈折力が上記負の屈折力よりも
   強く、光偏向器側レンズ面と被走査面側レンズ面が共
   に、アナモフィック非球面である単レンズであり、 第２群は、正の屈折力を持つ球面レンズであり、 第３群は、主走査対応方向に殆ど屈折力を持たず、副走
   査対応方向の曲率半径が、光軸を主走査対応方向に離れ
   るに従って小さくなる樽型トロイダル面を凹レンズ面と
   して光偏向器側に有する正レンズである、３群３枚構成
   であって、 上記第３群は、被走査面の近傍に配備され、 上記アナモフィック非球面は、光軸との交点を原点と
   し、光軸に合致してＺ軸を被走査面側に向けて正にと
   り、主走査対応方向における光軸からの距離をｈ、ｒ、
   Ｋ，Ａ，Ｂを定数として、 Ｚ＝（１／ｒ）²・ｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）（１
   ／ｒ）²・ｈ²｝］＋Ａ・ｈ⁴＋Ｂ・ｈ⁶ で表される光軸対称な高次曲線を、主走査対応方向に平
   行で光軸と交わる軸の回りに回転して得られる曲面であ
   ることを特徴とする走査結像レンズ。
2. 【請求項２】請求項１記載の走査結像レンズにおいて、 主走査対応方向における全系の合成焦点距離をｆ_M、副
   走査対応方向における第１群の焦点距離をｆ_S1、第２の
   焦点距離をｆ₂とするとき、これらが、条件 （１） ０．６ ＜ｆ₂／ｆ_M ＜１．１ （２） ０．１８＜ｆ_S1／ｆ_M＜０．３３ を満足することを特徴とする走査結像レンズ。
3. 【請求項３】光源装置から放射される実質的な平行光束
   を、線像結像光学系により主走査対応方向に長い線像と
   して結像させ、上記線像の結像位置の近傍に偏向反射面
   を有する光偏向器により等角速度的に偏向させ、偏向光
   束を結像光学系により被走査面上に光スポットとして集
   光させて上記被走査面の等速的な光走査を行う光走査装
   置であって、 結像光学系として、請求項２記載の走査結像レンズを用
   いることを特徴とする光走査装置。