JPH0387807A - 走査式光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はレーザプリンタ等の装置に用いられる走査式
光学装置、特に、半導体レーザ素子からの光ビームを、
レンズ群および光偏向器を介して走査対象物へ導く結像
光学装置の改良に関する。

（従来の技術） 一般に、レーザプリンタなどの装置に組込まれる走査式
光学装置においては、光源からの光ビームは第一結像光
学系（レンズ群）によって集束され、その集束された光
ビームは光偏向器にょって反射され、第二結像光学系（
ｆθレンズなど）を介して感光体などの走査対象物に対
して等速度で走査される。

第一結像光学系は、非球面ガラスレンズ、プラスチック
レンズなどの組合わせによって構成され、発散性である
光ビームを平行光或いは集束光に変換する。

光偏向器は、所定の方向に回転する回転多面鏡であって
、前記光ビームを等角速度で走査対象物に向かって反射
して、走査対象物の面上に走査する。

第二結像光学系は、ｆθレンズなどで構成され回転多面
鏡と走査対象物の間に配置され回転多面鏡によって反射
された光ビームを走査対象物の面上に結像させる。

特開昭８２−２３７４１９号に開示されている例では、
結像光学系の中心軸と光ビームの主光線とが主走査方向
にほぼ垂直にシフトされている。即ち、光偏向器で反射
されて結像用レンズ群を介して走査対象物へ向けられる
光ビームが、ゴーストとして（前記レンズ群の表面また
は内部で反射或いは散乱されてもその光ビームが再び光
偏向器に戻されて）走査対象物の面上に再走査されない
ように構成されている。

（発明が解決しようとする課題） 上述特開昭８２−２３７４１９号の発明によれば、レン
ズの光軸と光ビームの主光線とが主走査方向にほぼ乗直
にシフトされているので、レンズの表面で反射された光
ビームは、再び光偏向器に戻ることがなく、その結果、
ゴースト光が発生しないとされているが、ｆθレンズの
周辺部（両端部）においては、光ビームのビームウェス
トがかなり広がってしまい、ｆθレンズのすべての領域
でゴースト光を除去するためには、ｆθレンズのシフト
量をかなり大きくすることが必要である。このことは、
光学装置全体の大きさを大きくするとともに、ｆθレン
ズの光軸から外れた領域を用いるた応に光学的に不安定
なものとなり、レンズの設計も困難になるという問題が
ある。

この発明は、簡単な構成でｆθ特性、像面湾曲及び面倒
れ補正を同時に補正する走査式光学装置を提供すること
を目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、上述問題点に基づきなされたもので、光ビ
ームを平行光或いは集束光にし光偏向器に導く第一結像
光学系と、前記光偏向器で反射された光ビームを走査対
象物の面上に結像させる第二結像光学系と、この光ビー
ムを走査対象物に対して走査する光偏向器を備えた走査
式光学装置において、前記第二結像光学系の光軸を含む
副走査方向面内において前記第一結像光学系と前記第二
結像光学系の光軸とのなす角が０以外であり、前記第二
結像光学系の少なくとも一つのレンズの光軸がそのレン
ズへの入射光の偏光角０″における主光線に対して、前
記第一結像光学系から前記光偏向器へ向かう入射光の側
へシフトされて配置されていることを特徴とする走査式
光学装置、及び、光ビームを平行光或いは集束光にし光
偏向器に導く第−結像光学系と、前記光偏向器で反射さ
れた光ビームを走査対象物の面上に結像させる第二結像
光学系と、この光ビームを走査対象物に対して走査する
光偏向器を備えた走査式光学装置において、前記第二結
像光学系のレンズは、主走査平面と平行な軸を回転対称
軸とするプラスチック製のトーリック面を有することを
特徴とする走査式光学装置が提供される。

（作用） この発明によれば、第３レンズの光軸がそのレンズへの
入射光の主光線に対して回転多面鏡へ向かう入射光の側
へシフトされて配置されるので、ゴースト光が発生する
ことがなくなり、さらにレンズへの入射光とレンズ光軸
の副走査方向（ｙ軸方向）のズレ、即ち、ｆθレンズの
表面で反射した光ビームによるｆθレンズを通過する光
ビームの主光線とレンズの光軸の距離の影響が大きな領
域ではズレの量を小さくシ、ズレの影響が小さい領域で
は、ズレの量を大きくできるので、シフト量が少なくと
もゴースト光と光ビームとを分離できる。また、第３レ
ンズは、トーリック面を有するので像面における歪曲収
差を除去できる。さらに、第一結像光学系と第二結像光
学系が副走査方向を含む面内に角度を有しているにもか
かわらず、光学装置全体が小形化されるとともに、ｆθ
レンズの設計における複雑さが解消される。

（実施例） 図面を用いて以下にこの発明の詳細な説明する。

第１Ａ図及び第１Ｂ図には、この発明の折り返しミラー
、鏡筒及びハウジングを省略したレーザプリンタなどに
用いられる光学装置の展開図が示されている。第１Ａ図
は平面図、第１Ｂ図は、副走査方向における偏向角Ｏ″
の状態を示す断面図である。この光学装置は、半導体レ
ーザ素子２、有限レンズ４、第１プラスチツクレンズ６
及び第２プラスチツクレンズ８からなる第一結像光学系
、第３プラスチツクレンズ１２及び防塵ガラス１４から
なる第二結像光学系、前記有限レンズ４と前記第１プラ
スチツクレンズ６の間に配置される絞り３０、第−結像
光学系と第二結像光学系の間に配置される偏向反射鏡１
０及び水平同期検出用反射ミラー１８を備えている。

半導体レーザ素子２（以下ＬＤとする）から放射さＺれ
た光ビームは、１枚の非球面ガラスレンズである有限レ
ンズ４によって集束光或いは平行光にされ、絞り３０に
よって所定のビームスボ・ソトに制限されて、主走査方
向へは負のパワーを有し副走査方向へは僅かに正のパワ
ーを有する第１プラスチツクレンズ６へ導かれる。レン
ズ６を通過した光ビームは、主走査方向へは平行光に副
走査方向へは集束光にされ、主走査方向へは正のパワー
を有し副走査方向へは負のパワーを有する第２プラスチ
ツクレンズ８へ導かれる。レンズ８を通過した光ビーム
は、主走査方向及び副走査方向ともに集束光にされて、
主走査方向の断面が凸で内接円半径Ｒの円筒面の一部を
鏡面として有する回転多面鏡である偏向反射鏡１０へ導
かれる。回転多面１！ｌＯへ導かれた光ビームは、第２
結像光学系の・面倒れを補正する一種のｆθレンズであ
る第３プラスチツクレンズ１２へ向かって反射される。

レンズ１２を通過した光ビームは、光学系ハウジング（
図示しない）内のレンズなどを密閉するための防塵ガラ
ス１４を介して、情報記録媒体即ち感光体１６へ導かれ
る。レンズ１２は、主走査方向へは反射面の回転角θに
対して像高を比例させたｈ−ｆθを満たす形状が、副走
査方向へは主走査方向への偏向角が大きくなるに連れて
パワーが小さくなる曲率が与えられた一種のｆθレンズ
であって、主走査方向では前記光ビームの像面湾曲の影
響を低減し歪曲収差を適切な値にし、副走査方向では前
記光ビームが感光体１Ｂに照射される際の感光体のすべ
ての面上における面倒れ補正面を一致させる。尚、レン
ズ４は光学ガラスＢＫ７によって製造され、鏡筒及び押
え部材への取付用フランジを備えている。レンズ６．８
．１２はガラス製ではなく、プラスチック例えば、ＰＭ
ＭＡ　（ポリメチルメタクリル）によって製造され、鏡
筒及び押え部材への取付用フランジがその周囲に形成さ
れ、位置決め用の突起又は凹みが主走査方向のほぼ中心
に形成されている。

回転多面鏡１０は、ダイレクトベアリング２４を備えた
アキシャルギャップ型のスキャナモータ２２のロータ上
に配置され、止め輪２８によって固定されて所定の方向
に回転される。

感光体１Ｂは図示しない他の駆動源によって駆動され所
定の方向に回転し、その外周面に画像が露光される。こ
の感光体１Ｂに露光された画像は、図示しない顕像手段
によって現像され転写用材料に転写される。また、一種
のｆθレンズ１２を通過した光ビームの一部は、主走査
方向におけるスキャン毎に水平同期検出用反射ミラー１
８へ導かれ、同期信号検出器２０へ向かって反射されて
水平同期が検出される。

第２図には、この発明の一実施例である第３レンズの光
軸がそのレンズへの入射光の主光線に対して回転多面鏡
へ向かう入射光の側へシフトされた配置を示す第１Ａ図
に示した光学装置の副走査方向における偏向角０″の状
態が示されている。

第３Ａ図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示した走査式光学
装置に用いられる鏡筒部分（図示しない）の側面図、第
３Ｂ図は第３Ａ図の線Ａ−Ａにおける断面図である。第
３Ａ図及び第３Ｂ図には、ＬＤ２、レンズ４及び絞り３
０を固定する構造が示されている。

ＬＤ２は、ねじ４０によってＬＤホルダ３２に固定され
ている。レンズ４は、ウェーブワッシャ３６を介して押
え部材３８によって鏡筒３４へ固定されている。このレ
ンズ４は、押え部材３８が回転されることで矢印Ｂの方
向の所定の位置に配置される。また、レンズ４は凸状の
フランジを有し押え部材３８とは線接触するので、押え
部材３８を回転するためのトルクは小さくできる。押え
部材３８は、その長さ方向に円筒部とねじ部を有し、円
筒部によって光軸に対して押え部材自身が傾くことを防
止するとともに、レンズ４が傾くことを防止している。

この押え部材３８は、専用工具のための穴４６を有し、
この穴４Ｂに工具が挿入されて回転されることでレンズ
４が締付られる。また、この押え部材のねじ部は、弾性
体（ウェーブワッシャ）３Ｂによって常ニレンズと反対
の方向へ力を受けるので、ねじ部のねじ山の隙間によっ
てガタが生じることが防止できる。絞り３０は、鏡筒３
４におけるレンズ４の後側焦点の位置に接着によって固
定されている。ＬＤホルダ３２は、鏡筒３４に対して矢
印Ｃ或いはＤの方向に任意に調整可能で、ＬＤ２から放
射される光ビームの光軸調整を可能にしている。

第４図には、絞り３０をレンズ４の後側焦点位置に配置
する理由が示されている。第４図には、ＬＤ２の発光点
が仮想的に符合４８．４８’で示されている。絞り３０
がレンズ４の後側焦点位置よりも離れた位置、例えば、
−点鎖線３０−で示される位置に配置されたならば、Ｌ
Ｄ２の僅かなズレ即ち発光点４８が４８′にズレること
によって、光ビームの光量が大きく変化してしまう。第
３図に示された位置では、光量は、約１７２になる。従
って、絞り３０をレンズ４の後側焦点位置に配置するこ
とで、ＬＤ２から放射される光ビームの光軸調整時に、
光量がばらつくことを防ぐことができる。上述のように
、レンズ４は簡単な構造の押付は部材によって所定の位
置に配置されるとともに、確実にしかも精度よく鏡筒３
４に固定される。

第５図〜第７図には、この発明による一種のｆθレンズ
と偏向回転多面鏡を組合わせて用いて像面湾曲或いはｆ
θ特性を補正する原理が示されている。一般に、回転多
面ｍ１０のみを用いて像面湾曲を補正するには、回転多
面鏡の回転角が０のときの偏向点から情報記録媒体面ま
での距離ｚＯと上記回転角θの間に、Ｒを回転多面鏡の
反射面の内接円の半径とし、上記回転角θの際の偏向点
から情報記録媒体面までの距離２θが２０−Ｚθで示さ
れるとき、 Ｒ／　　Ｚ　　−１１／ｅｏｓθ＋ｃｏｓθバｌ＋ｃｏ
ｓθ）−１）の関係が成立つ必要がある。この場合、右
辺は、すべてのθに対して０．５以上になってしまう。

その結果、 ｆθ特性−（ｈ−ｆθ）／ｆθＸ１００で示されるｆθ
特性は、偏向角θの絶対値が大きくなるにつれて、「−
」から「＋」側へ大きくずれてしまう。これを補正する
には、中心部よりも端部で屈折率の大きな一種のｆθレ
ンズが必要になり、このようなレンズを挿入すると、偏
向角が大きくなるにつれて像面湾曲が回転多面鏡側へ移
動するという問題が生じる。

この実施例では、回転多面鏡のみを用いたばあいには回
転角が大きくなるにつれて像面湾曲が回転多面鏡と反対
の側へ移動するようにＲが設定され、その後で一種のｆ
θレンズによってｆθ特性及び像面湾曲が補正されてい
る。このばあい、回転多面鏡は、 Ｒｈｏ、５Ｚ の条件をみたすことによって定義され、Ｒ■７９．６５
．Ｚ−１８７，１２ が与えられている。

第５図を用いて、副走査方向における偏向反射面の法線
と入射光のなす角がγであるときの光線の特性を説明す
る。

偏向点ｃ　（０、Ｏ＊　　Ｏ）における偏向面の法線ヲ
ヘクトルＣＤ、入射光をベクトルＡＣ，ベクトルＣＤと
ベクトルＣＥのなす角がθのときの反射光をベクトルＣ
Ｂ（ベクトルＣＥの長さ−ベクトルＣＦの長さ−１とす
る）とするとき、ベクトルＣＢのｘｙ平面への投影像は
、（−ｔａｎγ、０゜−ｃｏｓ２θ）となる。従って、
ｆθレンズが座標ｚ３にあるとき、第３レンズとの交点
ｘ３は、ｘ３−−ｚ３　ｔａｎγ／ｃｏｓ２θ で現される。即ち、θが大きくなるにつれて（θくπ／
２では）ｘ３が小さくなる。（絶対値としては大きくな
る。）この結果、主走査平面（ｙｚ平面）と平行な軸を
回転対象軸としたトーリック面を持つレンズにより面倒
れを補正するレンズ（ｆθレンズ）が用いられる場合に
は、ｆθレンズをＸ３の「＋」側即ち副走査方向に対し
て偏向反射面の入射光側へｆθレンズの光軸をシフトし
て配置することにより偏向角の絶対値が小さな領域即ち
レンズの主走査方向における中心付近ではレンズへの入
射光とレンズ光軸の副走査方向（ｙ軸方向）のズレ、即
ち、ｆθレンズを通過する光ビームの主光線とレンズの
光軸の距離の絶対値が小さく（ｘ３が大きく）、偏向角
の絶対値が大きな領域即ちレンズの主走査方向における
両端部分ではズレの絶対値が大きく　（ｘ３が小さく）
なり、像面湾曲が回転多面鏡と反対の側（像面側）へ移
動される。

第６図には、第３レンズの光軸に対しである距離分シフ
トされて入射された光ビームの特性が示されている。こ
こで、半径ｒで示される屈折面の焦点距ｉＩ！ｉｆは、 ｆ　ｍ　ｒ　／　ｚ で表される。第３レンズへ入射する光ビームの副走査方
向に対する入射角は、全域で概ね０″であると近似でき
るので、第３レンズの像面側の副走査方向の断面形状は
、概ね平面に近似できる。従って、レンズの光軸に対し
て同じズレを有する光ビームが入射された場合、５２面
で反射された光ビームはｓ１面で再び反射されてゴース
ト光のように現れる。このとき、偏向角の小さい領域に
対応するゴースト光ｇζ、偏向角の大きい領域に対応す
るゴースト光ＩＬの光ビームの主光線に対する傾きは、
それぞれ、２ｘ３／ｒζ、２ｘ３／ｒＬで与えられる。

第６図に示されているように、ゴースト光の傾きはｒに
反比例するのでｒが小さい領域ではゴースト光りこの傾
きが大きく、ｒが大きい領域ではゴースト光ＩＬの傾き
が小さくなる。また、傾きは、第３レンズと光ビームの
交点ｘ３に比例する。このｆθレンズでは、偏向角によ
りＸ３が変化するため、「の小さい部分ではＸ３が小さ
く、ｒの大きい部分ではｘ３が大きくなる。

この結果、第５図に示されている回転多面鏡と第６図に
示されている第３レンズを組み合わせ、第３レンズが光
ビームの主光線とレンズの光軸が距離を持つように配置
（シフト）されることによって、ズレの大きさが小さく
ともゴースト光と光ビームを分離できる。ところで、光
ビームの主光線に対して第３レンズの光軸をシフトする
方法として、第一結像光学系から回転多面鏡へ向かう入
射光の側へシフトする方法と、この第−結像光学系から
回転多面鏡へ向かう入射光と反対の側へシフトする方法
が考えられる。しかしながら、この発明の光学装置にお
いては、副走査方向を含む面内において第−結像光学系
の光軸と第二結像光学系の光軸とがある角度を有してい
るため、第３レンズの光軸が前述の入射光の側と反対の
側へシフトされたならば、第３レンズを通過した光ビー
ムが像面で結像するに際して誤差を生じやすく、場合に
よっては像面位置の補正が必要になることも考えられる
ので、第３レンズは第一結像光学系から回転多面鏡へ向
かう入射光の側へシフトされることが望ましい。

上述したように、光軸をシフトすることによるゴースト
光と光ビームの分離角は、ズレの絶対値が大きいほど大
きく曲率半径の絶対値が小さいほど小さくなるので、像
面において同じＸ座標へ結像させるに際して偏向角の大
きな領域、即ち、像高りが大きな領域では、第３レンズ
を通過する光ビームの主光線とレンズの光軸の距離を大
きくすることができ、レンズのシフト量が少ないにも拘
らずゴース・ト光をレンズの周辺部まで除去できる。

また、像面湾曲を像面側に移動させるように回転多面鏡
のＲが設定され、この像面湾曲を打消す方向の歪曲収差
が与えられた一種のｆθレンズが組合わせられるため一
種のｆθレンズの光軸がシフトされているにも拘らず歪
曲収差も低減される。

第７図は、主走査方向の光学装置に関して薄肉光学系を
考えたものである。ここにＣは第５図のおける偏向点と
同じ点を表し、第３レンズが１２で像面が１６で示され
ている。（Ｕは傾きを表す。また、ｚ軸方向は、第５図
と反対方向に示されている。）ここで、薄肉レンズの高
さｙ３の位置での等価パワーψ（ｙ３）を考えると、薄
肉レンズの式より、 ｕ−（ｙ３）　　ｕ　（ｙ３）−ｙ３　ψ（ｙ３）・・
・（１）即ち、 ｕ　　−（ｙ３）＝ｕ　　（ｙ３）＋ｙ３　　ψ　（ｙ
３）・・・　（２）が得られる。これをｙ３に対して微
分すると、となる。また、第３レンズがない場合の結像
位置から第３レンズの位置までの距離をζ（ｙ３）、第
３レンズがある場合の結像位置から第３レンズの位置ま
での距離をζ”（ｙ３）とすると、ζ′（ｙ３）は、ｙ
３の大きさに関係なく第３レンズと像面間距離となるこ
とが望ましく、式（１）２（２） ％式％（４） （５） と変形される。

ところで、第３レンズにｈ−ｆθの特性を与えるために
は、ｕ　　（ｙ３）−ｕ　（ｙ３）が、ｙ３の増加に対
して単調増加する必要があり、式（１）は、０より大き
くなければならない。即ち、が満たされる必要がある。

ここで、第３レンズの環境依存性を考慮すると、式（４
）、（５）において、ψ（ｙ３）−０のときにその変動
量が最小になる。従って、第３レンズのパワーψ（ｙ３
）を、ψ（ｙ　３）＋　Ｏとすると、式（６）は、と表
すことができる。

式（５）において、ｙ８−０のとき、ψ（０）÷０とす
ると、 １／ζ−（ｙ３）−１／ζ（ｙ３〉−φ　（ｙ３）＞０
が得られ、この結果、 １／ζ″（ｙ３）　　＞　　１／ζ（ｙ３〉ゆえに、 ζ　＝（ｙ３）＜　　　　ζ　　（ｙ　３）となる。こ
の条件は、式（２）においてすべてのθに対し、結像位
置と像面が一致しないことを示すものである。従って、 Ｒ／Ｚ　　　　＜　　　　０．５ の条件を満たすものである。

第８図には、第７図に示した第３レンズ及び像面の配置
がより具体的に示されている。第８図において、Ｌ＋ａ
／Ｒａ＋を変化するとＵが変化することは、第７図及び
式（１）、（２）から容易に理解できる。第９図には、
第８図におけるＬａ＋／Ｒ■の変化に対するＵの変化の
一例が示されている。

第１０Ａ図及び第１０Ｂ図には、この発明による第３レ
ンズと偏向回転多面鏡を組合わせて用いて像面湾曲或い
は歪曲収差を補正した例の一例が示されている。曲線ａ
は、回転多面ｙｉＩＯのみによる像面湾曲及びｆθ特性
の補正による効果を、曲線すは、回転多面鏡１０とｆθ
レンズ１２を用いた場合の像面湾曲及びｆθ特性の補正
による効果をそれぞれ示している。

（効果） 以上説明したようにこの発明によれば、結像光学系の中
心軸と光ビームの主光線のシフト量の絶対値が小さく、
しかも、前記光ビームの主光線と結像用レンズ群の表面
または内部で反射或いは散乱された光線との分離角の偏
向角度によるむらが最小になるとともにゴーストのない
走査式光学装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

ＴＳＩ　Ａ図は、この発明の折り返しミラー、鏡筒及び
ハウジングを省略したレーザプリンタなどに用いられる
光学装置の平面図、第１Ｂ図は、第１Ａ図に示した光学
装置の副走査方向における偏向角０＠の状態を示す断面
図、第２図は、第３レンズの光軸がそのレンズへの入射
光の主光線に対して回転多面鏡へ向かう入射光の側へシ
フトされた配置を示す第１Ａ図に示した光学装置の副走
査方向における偏向角Ｏ＠の状態における断面図、第３
Ａ図は、ＬＤ２、レンズ４及び絞り３０を固定する構造
を示す側面図、第３Ｂ図は、第３Ａ図に示した鏡筒の線
Ａ−Ａにおける断面図、第４図は、絞り３０をレンズ４
の後側焦点位置に配置する理由を示す概略図、第５図は
、副走査方向における偏向反射面の法線と入射光のなす
角がγであるときの光線の特性をしめずベクトル図、第
６図は、第３レンズの光軸に対しである距離分ズして入
射された光ビームの挙動を示す概略図、第７図は、この
発明による像面湾曲の補正原理を示す概略図、第８図は
、第７図に示した第３レンズ及び像面の配置をより具体
的に示す概略図、第９図は、第８図におけるＬｍ／Ｒｍ
の変化に対するＵの変化の一例を示すグラフ、第１０Ａ
図及び第１０Ｂ図は、回転多面ｙｉｉｏ及び第３レンズ
１２による像面湾曲及びｆθ特性の補正による効果をし
めずグラフである。 ２・・・半導体レーザ素子、４・・・ガラスレンズ、６
・・・第１プラスチツクレンズ、８・・・第２プラスチ
ツクレンズ、ＩＯ・・・回転多面鏡、１２・・・ｆθレ
ンズ、１４・・・防塵ガラス、１６・・・感光体、３０
・・・絞り、３２・・・ＬＤホルダ、３４・・・鏡筒、
３Ｂ・・・ウェーブワッシャ、３８・・・押え部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームを平行光或いは集束光にし光偏向器に導
   く第一結像光学系と、前記光偏向器で反射された光ビー
   ムを走査対象物の面上に結像させる第二結像光学系と、
   この光ビームを走査対象物に対して走査する光偏向器を
   備えた走査式光学装置において、 前記第二結像光学系の光軸を含む副走査方向面内におい
   て前記第一結像光学系と前記第二結像光学系の光軸との
   なす角が０以外であり、前記第二結像光学系の少なくと
   も一つのレンズの光軸がそのレンズへの入射光の主光線
   に対して、前記第一結像光学系から前記光偏向器へ向か
   う入射光の側へシフトされて配置されていることを特徴
   とする走査式光学装置。
2. （２）光ビームを平行光或いは集束光にし光偏向器に導
   く第一結像光学系と、前記光偏向器で反射された光ビー
   ムを走査対象物の面上に結像させる第二結像光学系と、
   この光ビームを走査対象物に対して走査する光偏向器を
   備えた走査式光学装置において、 前記第二結像光学系のレンズは、主走査平面と平行な軸
   を回転対称軸とするプラスチック製のトーリック面を有
   することを特徴とする走査式光学装置。