JP5538452B2 - コリメータレンズ、光走査装置及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度補償機能を備えたコリメータレンズ、該コリメータレンズを用いた光走査装置、及び該光走査装置を用いた画像形成装置に関する。

例えばレーザープリンターや複写機等に用いられる一般的な光走査装置は、レーザー光を発する光源と、前記レーザー光を反射して偏向走査させるポリゴンミラーと、レーザー光をポリゴンミラーに入射させる入射光学系と、偏向走査された前記レーザー光を感光体ドラムの周面（被走査面）上に結像させる走査レンズとを含む光学部品を備える。前記入射光学系は、発散するレーザー光を平行光又は収束光に変換するコリメータレンズと、前記平行光又は収束光を線状光に変換してポリゴンミラーの反射面に結像させるシリンドリカルレンズとを含む。これらの光学部品は、防塵のため樹脂製のハウジング内に収容されるのが一般的である。

ところで、光走査装置が配置されている環境の温度が変化すると、前記光学部品の光学性能に影響が出る。特に、樹脂材料で成形されたレンズ部品を用いられている場合、その影響は大きい。環境温度が変化すると、例えばレンズ部品の屈折率の変動、レーザー光を発するレーザーダイオードの温度特性に基づく発光波長の変動、熱変形によるレンズ形状の変化等が生じる。また、前記ハウジングの熱変形により、感光体ドラムに対する距離、或いは光学部品間の距離が変化する。とりわけ、コリメータレンズは誤差感度が高く、屈折率が温度によって変化し易い樹脂材料で成形されたものを用いると、温度変化によって結像位置が変化し易くなる。従って、何らかの温度補償機能を具備させる必要がある。

特許文献１には、コリメータレンズの片面に回折光学素子を付加することによって、環境温度の変化によって招来される屈折率の変動に伴うパワー変化、レーザーダイオードのモードホッピングによる結像位置の変動を補償する技術が開示されている。この変動補償のため、走査レンズの焦点距離や主走査断面のスポット径等の種々のパラメータを関係式で定義している。

特開２００４−１２６１９２号公報

しかしながら、上記特許文献１の光走査装置のようにピント変動を補償するだけでは、結像性能を十分に補償できない場合がある。すなわち、結像位置を調整したからといって、必ずしも収差等の結像性能も良好に調整されるものではない。また、特許文献１の光走査装置では、ハウジングの熱膨張に対する対策が考慮されていない。従って、線膨張係数が大きい比較的安価な材料を用いて前記ハウジングを作成しようとしても、結像性能が不十分となるため、これを採用できないという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、優れた結像性能を有する温度補償機能を備えたコリメータレンズ、該コリメータレンズを用いた光走査装置、及び該光走査装置を用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係るコリメータレンズは、７８８ｎｍの発光波長帯を持ち、６０℃における発光波長が２０℃における発光波長よりも１０ｎｍ程度長くなる半導体レーザーからなる光源から発せられる発散光の光線を収束光に変換するコリメータレンズであって、光路上で前記光源と対向し前記光線が入射する第１面と、前記第１面と対向する面であって前記光線が出射する第２面と、前記第１面又は前記第２面の少なくとも１面に形成される回折構造と、を備え、温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において、前記第２面より距離Ｓ１の位置Ｐ１から発せられた発散光が前記第２面に入射し、前記第１面より距離Ｓ２の位置Ｐ２で結像するとした場合に、０＜Ｓ１／Ｓ２≦５０の範囲で、位置Ｐ１から発せられた前記発散光が位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ１とし、Ｓ１＝∞となる平行光が前記第２面に入射されたときに位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ２とした場合に、
ＷＦ１＜ＷＦ２
の関係を有する。

この構成によれば、コリメータレンズを用いて発散光を、平行光ではなく収束光のビーム光に整える場合において、０℃〜６０℃の温度範囲おいて、上記のＷＦ１＜ＷＦ２の関係を実現させる回折構造を有するので、コリメータレンズの第２面から結像面までの距離の短縮化を図りつつ、結像性能を良好に維持することができる。

本発明の他の局面に係る光走査装置は、光線を発する光源と、前記光源から発せられる光線を収束光に変換するコリメータレンズと、前記光源から発せられる光線を反射する反射面を備え、前記光線を偏向走査させる偏向体と、前記収束光を線状光に変換して前記偏向体の反射面に結像させるシリンドリカルレンズと、前記偏向体によって前記偏向走査された前記光線を被走査面上に結像させる走査レンズと、を備え、前記光源は、発散光を発し、７８８ｎｍの発光波長帯を持ち、６０℃における発光波長が２０℃における発光波長よりも１０ｎｍ程度長くなる半導体レーザーからなる光源であり、前記コリメータレンズは、光路上で前記光源と対向する第１面と前記偏光体と対向する第２面とを有し、前記第１面又は前記第２面の少なくとも一方の面に回折構造を備え、温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において、当該コリメータレンズ単体で、前記第２面より距離Ｓ１の位置Ｐ１から発せられた発散光が前記第２面に入射し、前記第１面より距離Ｓ２の位置Ｐ２で結像するとした場合に、０＜Ｓ１／Ｓ２≦５０の範囲で、位置Ｐ１から発せられた前記発散光が位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ１とし、Ｓ１＝∞となる平行光が前記第２面に入射されたときに位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ２とした場合に、
ＷＦ１＜ＷＦ２
の関係を有する。

この構成によれば、光源から発せられた光線は、コリメータレンズによって平行光ではなく収束光のビーム光に整えられた上で走査レンズに入射され、被走査面上に結像される。そして、コリメータレンズは、０℃〜６０℃の温度範囲おいて、上記のＷＦ１＜ＷＦ２の関係を実現させる回折構造を有するので、コリメータレンズの第２面から被走査面までの距離の短縮化、つまりは光走査装置のコンパクト化を図りつつ、結像性能を良好に維持することができる。

上記構成において、前記光源、前記コリメータレンズ、前記シリンドリカルレンズ、前記偏向体及び前記走査レンズを支持し、熱膨張性の樹脂で成形されたハウジングをさらに備え、温度Ｔにおける、前記光源の発光波長をλ（Ｔ）、前記光源の発光面と前記第１面との距離をＳｏ（Ｔ）、前記光源から発せられた光線が前記コリメータレンズを介して結像する点と前記第２面との距離をＳｉ（Ｔ）、波長λ（Ｔ）における前記コリメータレンズの焦点距離をｆ（λ（Ｔ），Ｔ）として、各々温度の関数として扱う場合に、第１の温度をＴ１、この第１の温度よりも所定温度だけ高い第２の温度をＴ２とするとき、前記回折構造は、温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において、
ｆ（λ（Ｔ１），Ｔ１）＜ｆ（λ（Ｔ２），Ｔ２）、且つ
Ｓｉ（Ｔ１）＞Ｓｉ（Ｔ２）
の関係を満足させることが望ましい。

一般に、温度が上昇すると、レンズの焦点距離は長くなる。また、ハウジングの熱膨張によって、各光学部材間の距離も長くなる。しかし、上記構成によれば、光源の発光波長λと温度Ｔの関数で表されるコリメータレンズの焦点距離ｆが第２の温度Ｔ２（高温）で長くなる一方で、前記第２面から結像点までの距離Ｓｉは第２の温度Ｔ２で短くなる。このような回折構造を有するコリメータレンズを用いることによって、前記光源の発光面と前記第１面との距離Ｓｏがハウジングの熱膨張によって長くなっても、結像位置の温度変化を可及的に抑制することができる。

上記構成において、前記コリメータレンズの前記第１面は、負の光学的パワーを備えることが望ましい。この構成によれば、軸外の光線に対する収差を低減することができる。

上記構成において、温度Ｔにおける、前記光源の発光波長をλ（Ｔ）として温度の関数と扱う場合に、前記被走査面の主走査方向の中心に向かう光路において、温度Ｔ且つ発光波長λ（Ｔ）における、前記走査レンズの前記被走査面の側の共役な点ＰＴと、前記コリメータレンズ単体によって作られる前記収束光が前記被走査面の側において収束する収束点ＱＴとが、温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において同一位置であることが望ましい。

結像されるべき面である被走査面の位置が決まれば、走査レンズの主走査方向における共役な点ＰＴは一意に定まる。環境温度が変化すると、前記被走査面及び共役点ＰＴの位置はそれぞれ変化する。しかし、上記構成では、コリメータレンズによる収束点ＱＴが、０℃〜６０℃の温度範囲おいて共役点ＰＴと同一位置となるような回折構造を、コリメータレンズは備えている。従って、環境温度が変化しても、常に結像位置は被走査面からズレることはない。

上記構成において、前記光源が、レーザーダイオードからなることが望ましい。この構成によれば、光走査装置の小型化に寄与する。

上記構成において、前記走査レンズが、１枚の走査レンズからなることが望ましい。この構成によれば、光走査装置の小型化を図ることができる。

本発明の他の局面に係る画像形成装置は、静電潜像を担持する像担持体と、前記像担持体の周面を前記被走査面として光線を照射する上記の光走査装置とを備える。

本発明によれば、優れた結像性能を有する温度補償機能を備えたコリメータレンズ、該コリメータレンズを用いた光走査装置、及び該光走査装置を用いた画像形成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るプリンターの概略構成を示す断面図である。 上記プリンターに搭載される光走査装置の内部構造を示す斜視図である。 実施形態１の光走査装置の主走査断面の構成を示す光路図である。 コリメータレンズ単体によって形成される収束光を示す光路図である。 図４の要部を示す光路図である。 平行光がコリメータレンズに入射される場合を示す光路図である。 実施例１のコリメータレンズの光学特性（２０℃）を示すグラフである。 実施例１のコリメータレンズの光学特性（６０℃）を示すグラフである。 比較例のコリメータレンズの光学特性（２０℃）を示すグラフである。 比較例のコリメータレンズの光学特性（６０℃）を示すグラフである。 実施例１のコリメータレンズの光学特性（２０℃）を示すグラフである。 実施例１のコリメータレンズの光学特性（６０℃）を示すグラフである。 比較例のコリメータレンズの光学特性（２０℃）を示すグラフである。 比較例のコリメータレンズの光学特性（６０℃）を示すグラフである。 実施例１のコリメータレンズの集光点における光学特性（２０℃）を示すグラフである。 実施例１のコリメータレンズの集光点における光学特性（６０℃）を示すグラフである。 比較例のコリメータレンズの集光点における光学特性（２０℃）を示すグラフである。 比較例のコリメータレンズの集光点における光学特性（６０℃）を示すグラフである。 実施形態２の光走査装置の温度別の光学系を示す図である。 実施形態２の光走査装置の光学特性を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る光走査装置について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプリンター１（画像形成装置の一例）の概略構成を示す断面図である。なお、画像形成装置は、プリンター１に限られず、複写機、ファクシミリ、複合機等であってもよい。プリンター１は、箱状の筐体１０１と、この筐体内に収容された画像形成部１００、光走査装置１０４、及び給紙カセット２１０，２２０とを含む。給紙カセット２１０，２２０は、プリンター１の下部に、着脱自在に装着されている。

画像形成部１００は、シートにトナー画像を形成する処理を行うもので、帯電装置１０２、感光体ドラム１０３（像担持体）、現像装置１０５、転写ローラー１０６、クリーニング装置１０７、及び定着ユニット１０８を備えている。

感光体ドラム１０３は、円筒状の部材であり、その周面に静電潜像及びトナー像が形成される。感光体ドラム１０３は、図略のモーターからの駆動力を受けて、図１において矢印Ａで示す時計回りの方向に回転される。帯電装置１０２は、感光体ドラム１０３の表面を略一様に帯電する。

現像装置１０５は、静電潜像が形成された感光体ドラム１０３の周面にトナーを供給してトナー像を形成する。現像装置１０５は、トナーを担持する現像ローラーやトナーを攪拌搬送するスクリューを含む。感光体ドラム１０３に形成されたトナー像は、給紙カセット２１０，２２０から繰り出され搬送路３００を搬送されるシートに転写される。この現像装置１０５には、図略のトナーコンテナからトナーが補給される。

転写ローラー１０６は、感光体ドラム１０３の側方に対向して配設され、両者によって転写ニップ部が形成されている。転写ローラー１０６は、導電性を有するゴム材料等で構成されると共に転写バイアスが与えられ、感光体ドラム１０３に形成されたトナー像を前記シートに転写させる。クリーニング装置１０７は、トナー像が転写された後の感光体ドラム１０３の周面を清掃する。

定着ユニット１０８は、ヒーターを内蔵する定着ローラーと、該定着ローラーと対向する位置に設けられた加圧ローラーとを備える。定着ユニット１０８は、トナー像が形成されたシートを前記ローラーによって加熱しつつ搬送することにより、シートに転写されたトナー像を当該シートへ定着させる。

光走査装置１０４は、帯電装置１０２によって略一様に帯電された感光体ドラム１０３の周面（被走査面）に対して、パーソナルコンピューター等の外部装置から入力される画像データに応じたレーザー光を照射して、静電潜像を形成する。この光走査装置１０４については、後記で詳述する。

給紙カセット２１０，２２０は、画像形成に供される複数枚のシートＰを収容する。給紙カセット２１０，２２０と画像形成部１００との間には、シート搬送用の搬送路３００が配設されている。搬送路３００には、給紙ローラー対２１３，２２３、搬送ローラー対２１４，２２４、及びレジストローラー対２１５が設けられている。また、定着ユニット１０８の下流側には、搬送ローラー対１０９と、排紙トレイ１１９にシートを排出する排出ローラー対１１０とが配置されている。

次に、プリンター１の画像形成動作について簡単に説明する。先ず、帯電装置１０２により感光体ドラム１０３の周面が略均一に帯電される。帯電された感光体ドラム１０３の周面が、光走査装置１０４から発せられるレーザー光により露光され、シートＰに形成する画像の静電潜像が感光体ドラム１０３の周面に形成される。この静電潜像が、現像装置１０５から感光体ドラム１０３の周面にトナーが供給されることにより、トナー像として顕在化される。一方、給紙カセット２１０、２２０からは、ピックアップローラー２１２，２２２によってシートＰが搬送路３００に繰り出され、搬送ローラー対２１４，２２４によって搬送される。その後、シートＰは、レジストローラー対２１５によって一旦停止され、所定のタイミングで転写ローラー１０６と感光体ドラム１０３との間の転写ニップ部へ送られる。前記トナー像は、前記転写ニップ部をシートＰが通過することにより、当該シートＰに転写される。この転写動作が行われた後、シートＰは定着ユニット１０８に搬送され、シートＰにトナー像が固着される。しかる後、シートＰは搬送ローラー対１０９及び排出ローラー対１１０によって、排紙トレイ１１９に排出される。

＜光走査装置の第１実施形態＞
続いて、第１実施形態に係る光走査装置１０４の詳細構造について説明する。図２は、光走査装置１０４の内部構造を示す斜視図、図３は、光走査装置１０４の主走査断面の構成を示す光路図である。光走査装置１０４は、ハウジング１０４Ｈと、このハウジング１０４Ｈ内に収容されたレーザーユニット２０（光源）、コリメータレンズ２３、シリンドリカルレンズ２４、ポリゴンミラー２６（偏向体）、及びｆθレンズ２８（走査レンズ）とを含む。図２に付記している方向表示において、左右方向が主走査方向である。本実施形態の光走査装置１０４は、走査レンズが１枚のレンズ（ｆθレンズ２８）のみで構成される光走査装置である。

ハウジング１０４Ｈは、各種の部材が載置されるベース部材となる底板１４１と、この底板１４１の周縁から略垂直に立設された側板１４２と、側板１４２の上方を塞ぐ蓋体とを含む。なお図２では、前記蓋体が取り外された状態を示しているので、該蓋体は描かれていない。ハウジング１０４Ｈは、上面視で略四角形の形状を有する。側板１４２は、光走査装置１０４がプリンター１に取り付けられた場合に感光体ドラム１０３の周面１０３Ｓと対向する前側板１４２Ｆ、この前側板１４２Ｆと対向する後側板１４２Ｂ、これらの両側部を繋ぐ右側板１４２Ｒ及び左側板１４２Ｌからなる。

底板１４１には、後側板１４２Ｂに隣接する箇所に、高さが周囲よりも低い凹所１４３が備えられている。凹所１４３にポリゴンミラー２６が配置され、底板１４１の凹所１４３以外の領域にレーザーユニット２０、コリメータレンズ２３、シリンドリカルレンズ２４及びｆθレンズ２８が配置されている。前側板１４２Ｆには、当該前側板１４２Ｆを上縁から中間部付近まで切り欠いて形成された窓部１４４が設けられている。図略の前記蓋体が装着された状態においても、当該窓部１４４はハウジング１０４Ｈの開口部となる。また、底板１４１の上面であって左側板１４２Ｌの近傍には、第１保持部材１４５及び第２保持部材１４６が備えられている。左側板１４２Ｌと第１保持部材１４５との間、及び左側板１４２Ｌと第２保持部材１４６との間には、それぞれ微小な隙間が設けられている。なお、ハウジング１０４Ｈは、熱膨張性の樹脂で成形されている。

レーザーユニット２０は、基板２１と、該基板の一方面に搭載された略円筒形状の半導体レーザー２２、及び発光面の前方に配置されるカバーガラス２０Ｇ（図５、図６参照）等を含む。半導体レーザー２２は、所定の波長のレーザー光（光線）を発する光源である。このレーザー光は発散光であって、その波長は環境温度の変動によって変化する。具体的には、温度が上昇すると発光波長が長くなる温度特性を有する。

基板２１には、半導体レーザー２２及び該半導体レーザー２２を駆動する駆動回路部品がマウントされている。レーザーユニット２０は、基板２１が、第１保持部材１４５及び第２保持部材１４６と左側板１４２Ｌとの間に存在する前記隙間に挟み込まれるように、かつ半導体レーザー２２が第１保持部材１４５及び第２保持部材１４６の間に嵌り込むように、底板１４１の上面に取り付けられている。基板２１の前記隙間への嵌り込み位置を調整することで、レーザー光Ｂの照射位置の調整を行うことができる。

コリメータレンズ２３は、樹脂材料で成形され、半導体レーザー２２から発せられ拡散するレーザー光Ｂを収束光に変換する。コリメータレンズ２３に収束光を作る光学的パワーを具備させることで、光路長の短縮化、ひいては光走査装置１０４の小型化を図ることができる。コリメータレンズ２３は、台座部２５を介して、底板１４１に接着剤で固定されている。後記で詳述するが、このコリメータレンズ２３には、光学特性の温度補償のために回折構造が備えられている。

シリンドリカルレンズ２４は、前記平行光を主走査方向に長い線状光に変換してポリゴンミラー２６の反射面に結像させる。コリメータレンズ２３及びシリンドリカルレンズ２４は、ポリゴンミラー２６へレーザー光Ｂを入射させる入射光学系であって、本実施形態では斜入射の光学系の構成とされている。

ポリゴンミラー２６は、正六角形の各辺に沿って反射面が形成された多面鏡である。ポリゴンミラー２６の中心位置には、ポリゴンモーター２７の回転軸が連結されている。ポリゴンミラー２６は、ポリゴンモーター２７が回転駆動されることによって、前記回転軸の軸回りに回転しつつ、半導体レーザー２２から発せられ、コリメータレンズ２３及びシリンドリカルレンズ２４を経て結像されたレーザー光Ｂを偏向走査する。

ｆθレンズ２８は、ｆθ特性を有するレンズであって、主走査方向に長尺のレンズである。ｆθレンズ２８は、窓部１４４とポリゴンミラー２６との間に配設され、ポリゴンミラー２６によって反射されたレーザー光Ｂを集光し、ハウジング１０４Ｈの窓部１４４を通して感光体ドラム１０３の周面１０３Ｓに結像させる。ｆθレンズ２８は、透光性樹脂材料を用いた金型モールド成形にて製造されている。

図４は、コリメータレンズ２３単体によって形成される収束光を示す光路図、図５は、図４の要部を示す光路図である。なお、図５では、レーザーユニット２０のカバーガラス２０Ｇを記載している。コリメータレンズ２３は、レーザー光Ｂの光路上でレーザーユニット２０と対向する第１面２３１と、ポリゴンミラー２６（像側）と対向する第２面２３２とを有する。

本実施形態のコリメータレンズ２３としては、次の（Ａ）〜（Ｃ）の３つの特徴を備えるものが用いられる。
（Ａ）第１面２３１及び第２面２３２の少なくとも一方に、光学特性の温度補償のための回折構造を備える。
（Ｂ）上記回折構造によって、０℃〜６０℃の温度範囲おいて、且つ前記温度範囲内で変化する半導体レーザー２２の発光波長の範囲において、第２面２３２に発散光を入射した場合に当該コリメータレンズ２３が作る像の波面収差が、第２面２３２に平行光を入射した場合の波面収差よりも小さくなる。
（Ｃ）半導体レーザー２２の発光波長λと温度Ｔの関数で表されるコリメータレンズの焦点距離が、環境温度が高くなると長くなる一方で、第２面２３２から結像点（感光体ドラム１０３の周面１０３Ｓ）までの距離Ｓｉは、環境温度が高くなると短くなる。

図５を参照して、一例として示しているコリメータレンズ２３は、像側に凸のメニスカスレンズである。すなわち、第１面２３１は凹面であって負の光学的パワーを備え、第２面２３２は凸面であって、正の光学的パワーを有する。第１面２３１が負の光学的パワーを備えることで、軸外の光線に対する収差を低減することができる。第１面２３１及び第２面２３２は、いずれも非球面である。そして、第２面２３２の有効径ＥＤの範囲内には、回折構造が設けられている。なお、回折構造は、第１面２３１に設けられていても、第１面２３１及び第２面２３２の双方に設けられていても良い。

上記非球面は、次式（１）で、回折分布の位相分布は次式（２）で定義される。

本実施形態のコリメータレンズ２３は、点光源であるレーザーユニット２０の発光面２０Ｓから発せられる発散光の光線を収束光に整形する。つまり、発光面２０Ｓから距離Ｓｏを置いてコリメータレンズ２３の第１面２３１に入射した発散光は、第２面２３２から距離Ｓｉの位置にある集光点（実際は、ｆθレンズ２８との組み合わせによって周面１０３Ｓが集光点となる）に結像する。このように、コリメータレンズ２３に収束光を作る役目を担わせることで、走査光学系をコンパクトにすることができ、ひいては光走査装置１０４の小型化を図ることができる。

一般的なコリメータレンズ２３は、図６に示すように、発光面２０Ｓから発せられる発散光を平行光に整形するために用いられる。つまり、上記の第２面２３２と集光点との距離Ｓｉ＝∞である。従って、当該コリメータレンズ２３に、第２面２３２の側から理想的な平行光を入射させた場合に、第１面２３１から距離Ｓｏだけ離間した結像位置Ｐ２（発光面２０Ｓに相当する位置）に作る像の波面収差が小さくなるように、コリメータレンズ２３は設計されている。

このような一般的なコリメータレンズ２３に、平行光ではなく発散光を入射させた場合、結像性能が悪くなる。すなわち、第２面２３２から距離Ｓｉだけ離間した位置から発せられた発散光を第２面２３２へ入射させた場合に、第１面２３１から距離Ｓｏだけ離間した結像位置Ｐ２に作る像の波面収差は、平行光入射の場合に比べて悪化する。このため、走査光学系のコンパクト化を図るべく、コリメータレンズ２３に収束光を作らせるようにすると、良好な結造性能が得られないという問題が生じる。

上記の問題を、本実施形態では、第２面２３２に回折構造を配置することによって解決する。ここで、コリメータレンズ２３の第２面２３２より距離Ｓ１（上記距離Ｓｉに対応）の位置Ｐ１から発せられた発散光が第２面２３２に入射し、第１面２３１より距離Ｓ２（上記距離Ｓｏに対応）の位置Ｐ２で結像するとした場合に、０＜Ｓ１／Ｓ２≦５０の範囲で、位置Ｐ１から発せられた前記発散光が位置Ｐ２に作る像を、像Ｉｍ−１とする。また、平行光（Ｓ１＝∞）が第２面２３２に入射されたときに、第１面２３１から出射した光線が位置Ｐ２に作る像を像Ｉｍ−２とする。前記回折構造は、像Ｉｍ−１の波面収差の最小値をＷＦ１とし、像Ｉｍ−２の波面収差の最小値をＷＦ２とした場合に、
ＷＦ１＜ＷＦ２ ・・・（３）
の関係を成立させる機能を有する。

なお、上記の関係は半導体レーザー２２の温度特性を加味した上で成立する関係である。一般に半導体レーザーは、温度が変化すると発光波長が変化する。通常、温度が上昇すると発光波長が長くなる。発光波長が変化すると、レンズによる屈折度合いが変化して結像点がシフトすることになる。また、コリメータレンズ２３及び他のレンズの熱膨張によっても結像位置がシフトする。そこで本実施形態の回折構造は、０℃〜６０℃の温度範囲おいて、且つ前記温度範囲内で変化する半導体レーザー２２の発光波長の範囲において、上記の（３）式の関係を成立させる機能を有する。

さらに、本実施形態の回折構造は、光走査装置１０４のハウジング１０４Ｈの熱変形の影響も補償する。既述の通り、ハウジング１０４Ｈは熱膨張性の樹脂で成形されている。コストダウンの観点より、ハウジング１０４Ｈの形成材料として熱膨張性の樹脂を用いることは避けられない。ハウジング１０４Ｈは、環境温度が高くなると熱膨張し、これに従って、ハウジング１０４Ｈで保持されている光学部品の間の距離も長くなる。具体的には、レーザーユニット２０とコリメータレンズ２３及びシリンドリカルレンズ２４との間の距離、或いはこれらとポリゴンミラー２６やｆθレンズ２８との距離などである。

そこで、半導体レーザー２２の特性、コリメータレンズ２３及びハウジング１０４Ｈの材料、さらにハウジング１０４Ｈ内におけるレーザーユニット２０及びコリメータレンズ２３の配置が、次の条件に基づいて決定される。すなわち、温度Ｔにおける、半導体レーザー２２の発光波長をλ（Ｔ）、レーザーユニット２０の発光面２０Ｓとコリメータレンズ２３の第１面２３１との距離をＳｏ（Ｔ）、レーザーユニット２０から発せられた光線がコリメータレンズ２３を介して結像する点Ｐ１と第２面２３２との距離をＳｉ（Ｔ）、波長λ（Ｔ）におけるコリメータレンズ２３の焦点距離をｆ（λ（Ｔ），Ｔ）として、各々温度の関数として扱う場合に、第１の温度をＴ１、この第１の温度よりも所定温度だけ高い第２の温度をＴ２とするとき、０℃〜６０℃の温度範囲おいて、次の（４）式を満たし、且つ、（５）式を満たすものとされる。
ｆ（λ（Ｔ１），Ｔ１）＜ｆ（λ（Ｔ２），Ｔ２） ・・・（４）
Ｓｉ（Ｔ１）＞Ｓｉ（Ｔ２） ・・・（５）

上記の（４）式及び（５）式を満たすことで、光源の発光波長λと温度Ｔの関数で表されるコリメータレンズの焦点距離ｆが第２の温度Ｔ２（高温）で長くなる一方で、前記第２面から結像点までの距離Ｓｉは第２の温度Ｔ２で短くなる。このような回折構造を有するコリメータレンズ２３を用いることによって、発光面２０Ｓとコリメータレンズ２３の第１面２３１との距離Ｓｏがハウジング１０４Ｈの熱膨張によって長くなっても、結像位置の温度変化を可及的に抑制することができる。

＜実施例１＞
次に、上記で説明した第１実施形態に係るコリメータレンズ２３を実現するコンストラクションデータの一例を、実施例１として表１に示す。この実施例１のコリメータレンズ２３は、ポリゴンミラー２６側に凸のメニスカス形状を備え、第１面２３１及び第２面２３２の双方が非球面であり、第２面２３２に回折構造が設けられている。表中、Ｃは非球面係数、Ｄは回折係数を示す。実施例１の光学系は、表１に示すコリメータレンズ２３及びカバーガラス２０Ｇからなる、図４及び図５に示す如き光学系である。

上記実施例１との比較のため、図６に示すように、第２面２３２から平行光を入射した場合に波面収差が最も小さくなるように設計されたコリメータレンズのコンストラクションデータを、比較例として表２に示す。比較例の光学系は、表２に示すコリメータレンズ２３及びカバーガラス２０Ｇからなる、図６に示す如き光学系である。

図７及び図８は、実施例１のコリメータレンズ２３の第２面２３２の側から平行光を入射した場合において、発光面２０Ｓの位置である位置Ｐ２に作られる像のスポットダイアグラム及び波面収差を示す。図７は環境温度が２０℃の場合、図８は環境温度が６０℃の場合をそれぞれ示している。一方、図９及び図１０は、比較例のコリメータレンズ２３の第２面２３２の側から平行光を入射した場合において、発光面２０Ｓの位置に作られる像のスポットダイアグラム及び波面収差を示す。図９は環境温度が２０℃の場合、図１０は環境温度が６０℃の場合をそれぞれ示している。

次に、図１１及び図１２は、実施例１のコリメータレンズ２３の第２面２３２の側から発散光を入射した場合において、発光面２０Ｓの位置に作られる像のスポットダイアグラム及び波面収差を示す。図１１は環境温度が２０℃の場合、図１２は環境温度が６０℃の場合をそれぞれ示している。また、図１３及び図１４は、比較例のコリメータレンズ２３の第２面２３２の側から発散光を入射した場合において、発光面２０Ｓの位置に作られる像のスポットダイアグラム及び波面収差を示す。図１３は環境温度が２０℃の場合、図１４は環境温度が６０℃の場合をそれぞれ示している。

なお、図７〜図１４の各々において、上段、中段及び下段の３段でスポットダイアグラム及び波面収差を示している。上段は、軸外０．２ｍｍの位置に、中段は軸外０．１ｍｍの位置に、下段は軸上に集光させたときのスポットダイアグラム及び波面収差である（後述する図１５〜図１８でも同じ）。

実施例１について、平行光入射の場合と発散光入射の場合について比較する。すなわち、図７及び図８と図１１及び図１２のデータを比較して、例えば軸上の波面収差１００％の値を見ると、平行光の図７及び図８では、０．００４０５１（２０℃）及び０．００４３０２（６０℃）となっているのに対し、発散光の図１１及び図１２では、０．００１５４０（２０℃）及び０．００１４９２（６０℃）となっている。この比較から明らかな通り、いずれも発散光入射の方が、波面収差が小さくなっている。

これに対し比較例では、図９及び図１０と図１３及び図１４のデータを比較して、例えば軸上の波面収差１００％の値を見ると、平行光の図９及び図１０では、０．０００４２４（２０℃）及び０．０００６８７（６０℃）となっているのに対し、発散光の図１３及び図１４では、０．００５４５３（２０℃）及び０．００５１２６（６０℃）となっている。このように比較例では、発散光入射の方が、波面収差が大きくなっている。

次に、図１５及び図１６は、上記実施例１のコリメータレンズ２３を用い、図４に示すように、位置Ｐ２にあるレーザーユニット２０を発光させて発散光を（カバーガラス２０Ｇを通して）コリメータレンズ２３に入射させ、位置Ｐ１を集光点として結像させた場合における、その像のスポットダイアグラム及び波面収差を示す図である。図１５は環境温度が２０℃の場合、図１６は環境温度が６０℃の場合をそれぞれ示している。

一方、図１７及び図１８は、上記比較例のコリメータレンズ２３を用い、同様にレーザーユニット２０を発光させて発散光を（カバーガラス２０Ｇを通して）コリメータレンズ２３に入射させ、位置Ｐ１を集光点として結像させた場合における、その像のスポットダイアグラム及び波面収差を示す図である。図１７は環境温度が２０℃の場合、図１８は環境温度が６０℃の場合をそれぞれ示している。

図１５〜図１８において実施例１と比較例とを対比して明らかな通り、ビームの集光状態及び波面収差の双方において、いずれの状態でも実施例１の方が優れていることが判る。

表３に、上記実施例１及び比較例で用いた半導体レーザー２２の発光波長、コリメータレンズ２３及びカバーガラス２０Ｇの屈折率の温度特性を示す。また、表４に、実施例１の光学系における各面間の温度特性を示す。

表４に示すように、実施例１のコリメータレンズ２３は、その焦点距離は２０℃に比べて６０℃の方が長くなっている（１５．０００ｍｍ→１５．０１９ｍｍ）。しかし、回折構造の機能により、コリメータレンズ２３の第２面２３２から集光点の位置Ｐ２までの距離は高温の方が短くなっている。このことに利点については、次述の第２実施形態において説明する。なお、温度変化によるコリメータレンズ２３の形状変化や回折効率の変化は、表４のレンズ厚で示される変化率に則って計算に盛り込まれている。

＜光走査装置の第２実施形態＞
続いて、第２実施形態に係る光走査装置について説明する。第２実施形態の光走査装置の内部構造及び光学配置は、第１実施形態において説明した光走査装置１０４と同じである。この第２実施形態では、光走査装置１０４のハウジング１０４Ｈの熱膨張による各光学部材間の配置間隔に変化が生じても、結像位置のズレが生じないようにすることができる実施形態を説明する。

光走査装置１０４が配置されている環境の温度が上昇すると、コリメータレンズ２３、シリンドリカルレンズ２４及びｆθレンズ２８の屈折率が上昇すると共に、これらレンズが樹脂材料で成形されている場合、熱膨張によりレンズ形状が変化する。また、半導体レーザー２２の発光波長が長くなる。これらの現象は、焦点距離を長くする方向に作用する。図１９（Ａ）は、被走査面の主走査方向の中心に向かう光路において、比較的低温の温度Ｔ１の状態における光路の状態を、図１９（Ｂ）は温度Ｔ１よりもΔＴだけ上昇した比較的高温の状態における光路の状態をそれぞれ示している。これらの図に示すように、光走査装置１０４が備える結像光学系によるレーザー光Ｂの結像点ＦＴは長くなる。

熱膨張性の樹脂で成形されたハウジング１０４Ｈは、光走査装置１０４が配置されている環境の温度が上昇すると、当然膨張する。コリメータレンズ２３をはじめ、光走査装置１０４を構成する光学部材はハウジング１０４Ｈで支持されている。従って、環境温度の上昇によって各光学部材間の配置間隔が拡張する。例えば、図１９（Ａ）に符号Ｒ１で示す被走査面（感光体ドラム１０３の周面１０３Ｓ）の位置が、熱上昇によって図１９（Ｂ）で符号Ｒ２に示す位置までΔＲだけ延び、ｆθレンズ２８から被走査面が遠ざかることになる。

図１９（Ａ）において、符号ＰＴ１は、ｆθレンズ２８の被走査面側の共役な点を示している。この共役点ＰＴ１は、上述の結像光学系の焦点距離が長くなること、及び、ｆθレンズ２８から被走査面が遠ざかることによって、図１９（Ｂ）に符号ＰＴ２で示すように、ΔＰＴだけｆθレンズ２８に近づくことになる。このような熱の影響を考慮しないと、レーザー光Ｂのピントを被走査面に合わせることができない。

第２実施形態では、コリメータレンズ２３が備える回折構造によって、熱の影響を補償する。図１９（Ａ）において、符号ＱＴ１は、コリメータレンズ２３単体によって作られる収束光が被走査面の側において収束する収束点を示している。回折構造を備えないコリメータレンズでは、この収束点ＱＴ１までの距離（コリメータレンズの焦点距離）は温度上昇によって長くなる。しかし、本実施形態では、図１９（Ｂ）に符号ＱＴ２で示すように、回折構造によって収束点がｆθレンズ２８に近づくように設定されている。

しかも、前記回折構造によって、図１９（Ａ）の温度Ｔ１における収束点ＱＴ１と共役点ＰＴ１が一致し、図１９（Ｂ）の温度Ｔ２における収束点ＱＴ２と共役点ＰＴ２も一致するように設定されている。ここに、Ｔ１及びＴ２は、例えば光走査装置１０４の実用的な使用温度の上限と下限である０℃、６０℃である。すなわち、０℃〜６０℃の温度範囲おいて、ｆθレンズ２８の主走査方向の共役点ＰＴとコリメータレンズ２３単体の収束点ＱＴとを常に一致させることができように、コリメータレンズ２３の回折構造が設定されている。

結像されるべき面である被走査面の位置が決まれば、ｆθレンズ２８の主走査方向における共役な点ＰＴは一意に定まる。温度上昇によって被走査面は、位置Ｒ１から位置Ｒ２へ変化する。この位置Ｒ２に結像点ＦＴを合わせるには、ｆθレンズ２８の主走査方向の共役点ＰＴの変化ΔＰＴと、コリメータレンズ２３単体の収束点ＱＴ１からＱＴ２への位置変化量とを一致させれば良い。具体的には、半導体レーザー２２の発光波長λ（Ｔ）において所定の特性を有するコリメータレンズ２３の回折構造が予め設定されているならば、収束点ＱＴの温度変化ＱＴ（Ｔ）にマッチして共役点ＰＴの位置が変化するよう、ｆθレンズ２８のレンズ面を設計すれば良い。

＜実施例２＞
次に、上記で説明した第２実施形態に係る光学系を実現するコンストラクションデータの一例を、実施例２として表５に示す。表５では、ｆθレンズ２８（走査レンズ）のコンストラクションデータのみを示している。コリメータレンズ２３は、実施例１と同じものを用いた（コンストラクションデータは表１参照）。表６に、シリンドリカルレンズ２４及びｆθレンズ２８の屈折率の温度特性を示す。また、表７に、実施例２の光学系における各面間の温度特性を示す。なお、コリメータレンズ２３及びカバーガラス２０Ｇの屈折率の温度特性は表３と同じであり、また、表７に表示されていない面間の温度特性は表４の通りである。

図１１は、実施例２の光学系の、主走査方向ビーム径の深度特性を、環境温度＝２０℃、６０℃の温度別に示したグラフである。図１１において、深度＝０ｍｍのポイントが感光体ドラム１０３の周面１０３Ｓ（被走査面）である。図１１から明らかな通り、実施例２の光学系によれば、２０℃の場合と６０℃の場合とでピント位置にほとんど相違がないことが判る。すなわち、コリメータレンズ２３の回折構造によって、温度補償が良好に行われていることが判る。

以上説明した本実施形態に係る光走査装置１０４によれば、コリメータレンズ２３が収束光を作る一方で上記（３）式を満たす回折構造を備えているので、光走査装置１０４のコンパクト化を図りつつ、環境温度が変化しても結像性能を良好に維持することができる。また、上記（３）式に加え、上記（４）式及び（５）式を満たすことで、ハウジングの熱膨張の影響を加味して、結像性能を良好に補償することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、コリメータレンズ２３をプリンター１の光走査装置１０４に備えられている走査光学系に適用する例を示した。この用途に限定されず、例えばコリメータレンズ２３をＣＤプレイヤーやＤＶＤプレイヤー等の光ピックアップ光学系、パワーポインターが備える光学系等に適用しても良い。

１ プリンター（画像形成装置）
１０３ 感光体ドラム（像担持体）
１０３ｓ 周面（被走査面）
１０４ 光走査装置
１０４Ｈ ハウジング
２０ レーザーユニット（光源）
２２ 半導体レーザー
２３ コリメータレンズ
２４ シリンドリカルレンズ
２６ ポリゴンミラー（偏向体）
２８ ｆθレンズ（走査レンズ）
２８１ 第１面
２８２ 第２面

Claims (7)

1. ７８８ｎｍの発光波長帯を持ち、６０℃における発光波長が２０℃における発光波長よりも１０ｎｍ程度長くなる半導体レーザーからなる光源から発せられる発散光の光線を収束光に変換するコリメータレンズであって、
   光路上で前記光源と対向し前記光線が入射する第１面と、
   前記第１面と対向する面であって前記光線が出射する第２面と、
   前記第１面又は前記第２面の少なくとも１面に形成される回折構造と、を備え、
   温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において、
   前記第２面より距離Ｓ１の位置Ｐ１から発せられた発散光が前記第２面に入射し、前記第１面より距離Ｓ２の位置Ｐ２で結像するとした場合に、０＜Ｓ１／Ｓ２≦５０の範囲で、位置Ｐ１から発せられた前記発散光が位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ１とし、
   Ｓ１＝∞となる平行光が前記第２面に入射されたときに位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ２とした場合に、
   ＷＦ１＜ＷＦ２
   の関係を有するコリメータレンズ。
2. 光線を発する光源と、
   前記光源から発せられる光線を収束光に変換するコリメータレンズと、
   前記光源から発せられる光線を反射する反射面を備え、前記光線を偏向走査させる偏向体と、
   前記収束光を線状光に変換して前記偏向体の反射面に結像させるシリンドリカルレンズと、
   前記偏向体によって前記偏向走査された前記光線を被走査面上に結像させる走査レンズと、を備え、
   前記光源は、発散光を発し、７８８ｎｍの発光波長帯を持ち、６０℃における発光波長が２０℃における発光波長よりも１０ｎｍ程度長くなる半導体レーザーからなる光源であり、
   前記コリメータレンズは、
   光路上で前記光源と対向する第１面と前記偏光体と対向する第２面とを有し、前記第１面又は前記第２面の少なくとも一方の面に回折構造を備え、
   温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において、
   当該コリメータレンズ単体で、前記第２面より距離Ｓ１の位置Ｐ１から発せられた発散光が前記第２面に入射し、前記第１面より距離Ｓ２の位置Ｐ２で結像するとした場合に、０＜Ｓ１／Ｓ２≦５０の範囲で、位置Ｐ１から発せられた前記発散光が位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ１とし、
   Ｓ１＝∞となる平行光が前記第２面に入射されたときに位置Ｐ２に作る像の波面収差の最小値をＷＦ２とした場合に、
   ＷＦ１＜ＷＦ２
   の関係を有する光走査装置。
3. 請求項２に記載の光走査装置において、
   前記光源、前記コリメータレンズ、前記シリンドリカルレンズ、前記偏向体及び前記走査レンズを支持し、熱膨張性の樹脂で成形されたハウジングをさらに備え、
   温度Ｔにおける、前記光源の発光波長をλ（Ｔ）、前記光源の発光面と前記第１面との距離をＳｏ（Ｔ）、前記光源から発せられた光線が前記コリメータレンズを介して結像する点と前記第２面との距離をＳｉ（Ｔ）、波長λ（Ｔ）における前記コリメータレンズの焦点距離をｆ（λ（Ｔ），Ｔ）として、各々温度の関数として扱う場合に、
   第１の温度をＴ１、この第１の温度よりも所定温度だけ高い第２の温度をＴ２とするとき、
   前記回折構造は、温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において、
   ｆ（λ（Ｔ１），Ｔ１）＜ｆ（λ（Ｔ２），Ｔ２）、且つ
   Ｓｉ（Ｔ１）＞Ｓｉ（Ｔ２）
   の関係を満足させる、光走査装置。
4. 請求項２又は３に記載の光走査装置において、
   前記コリメータレンズの前記第１面は、負の光学的パワーを備える、光走査装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の光走査装置において、
   温度Ｔにおける、前記光源の発光波長をλ（Ｔ）として温度の関数と扱う場合に、
   前記被走査面の主走査方向の中心に向かう光路において、
   温度Ｔ且つ発光波長λ（Ｔ）における、前記走査レンズの前記被走査面の側の共役な点ＰＴと、前記コリメータレンズ単体によって作られる前記収束光が前記被走査面の側において収束する収束点ＱＴとが、温度が２０℃の場合及び６０℃の場合において同一位置である、光走査装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の光走査装置において、
   前記走査レンズが、１枚の走査レンズからなる光走査装置。
7. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記像担持体の周面を前記被走査面として光線を照射する、請求項２〜６のいずれか１項に記載の光走査装置と、
   を備える画像形成装置。
   

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