JPH04110819A - 光ビーム走査光学系 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、光ビーム走査光学系、特にレーザビーム・プ
リンタやファクシミリ等に組み込まれ、画像情報を乗せ
た光束を走査媒体上に集光させる光ビーム走査光学系の
構造に関する。

従来の技術と課題 一般に、レーザビーム・プリンタやファクシミ〕で使用
されている光ビーム走査光学系は、基本的には、光源と
しての半導体レーザ、ポリゴンミラー、ガルバノミラ−
等の偏向器、ｆθレレンニより構成されている。偏向器
は半導体レーザから発せられた光束を等角速度で走査す
るものであり、そのままでは集光面で主走査方向中心部
から両端部にわたって走査速度に差を生じ、等質な画像
が得られない。ｆθレンズは、この様な走査速度差を補
正するために設置されている。しかし、ｆθレンズは種
々の凹レンズ、凸レンズ等を組み合わせたものであり、
レンズ設計が極めて複雑で、研摩面数が多くて加工上の
精度向上が図り難く、高価でもある。しかも、透光性の
良好な材質を選択しなければならないという材質面から
の制約もある。

そのため、最近では、ｆθレンズに代えて、楕円面ミラ
ー、放物面ミラー、凹面反射鏡を使用することが提案さ
れている。しかしながら、この種のミラーでは加工自体
及び加工精度を上げることが困難であるという問題点を
有している。

以上の点に鑑み、本出願人は、高価で制約の多いｆθレ
ンズや従来提案された放物面ミラー等に代えて、より加
工が容易で加工精度を高めることができる球面ミラーを
採用し、光学系のコンパクト化を図り、なおかつ集光点
での光束の主走査方向に垂直な像面の湾曲を小さくする
と共に、偏向器の面倒れ誤差を補正することのできる光
学系を提案した（特開平１−２００２１９号公報、同１
−２００２２１号公報等参照）。さらに、特開平１−２
００２２２号公報では、光学系からビームスプリッタ等
の半透光手段を省略するため、球面ミラーを偏向面に垂
直な面内で傾斜させ、それに合わせてトロイダルレンズ
も傾斜させる配置を提案した。この構成によれば、ビー
ム走査の全域にわたって光量を均一に保つためのビーム
スプリッタの設計の複雑性、加工の困難性あるいはビー
ムスプリッタを使用すること自体による光量損失、ゴー
スト光の発生が解消される。しかし、トロイダルレンズ
を傾けることにより、トロイダルレンズの母線がポリゴ
ンミラーの前段に設置されたシリンドリカルレンズの母
線に対して傾きを生じ、主走査方向全域にわたって良好
なビームスポット形状を得ることができないという問題
点を有している。

課題を解決するための手段 以上の課題を解決するため、本発明に係る光ビーム走査
光学系は、 （ａ）強度変調された光束を発生する光源と、（ｂ）前
記光源から放射された光束を走査方向と同一平面の直線
状に収束させる手段と、（ｃ）集光線付近に置かれ、前
記収束光束を等角速度で走査する偏向器と、 （ｄ）前記偏向器で走査された光束を折り返して走査媒
体上に集光させる球面ミラーと、（ｅ）　　前記偏向器
と球面ミラーとの間に配置され、入射側の面がトロイダ
ル面、射出側の面が球面として構成されたレンズとを備
え、 （ｆ）前記球面ミラーが副走査方向に偏心して配置きれ
、 （ｇ）前記レンズの球面がトロイダル面に対して少なく
とも副走査方向に偏心していること、を特徴とする。

ここで、トロイダル面とは、二つの主経線がそれぞれ異
なった曲率中心を有する面をいう。

作−月 以上の構成において、光源から放射された光束は偏向器
によって等角速度に走査され、この走査光束はレンズを
通過した後、球面ミラーで反射され、走査媒体上に集光
する。前記偏向器による主走査及び走査媒体の移動によ
る副走査で画像が形成きれる。そして、球面ミラーによ
る反射光束は主走査方向に対する走査速度を走査域中心
からその両端部にわたって均等となる様に補正され、か
つ、集光面においては広画角にわたって良好な歪曲特性
と、良好な像面平坦性が得られる。

また、光源から放射された光束は走査方向（偏向面内）
に直線状に収束されて偏向器に入射される。そして、レ
ンズのトロイダル面は偏向器で走査された光束を感光体
面上へ集光させ、偏向器の面倒れによる誤差を補正する
と共に、副走査方向の像面湾曲を補正する。レンズの球
面は主に主走査方向の像面湾曲を補正すると共に、歪曲
収差の補正も行なう。

さらに、球面ミラーが副走査方向（偏向面に垂直な面内
）に偏心して配置されることにより、光束は球面ミラー
にて入射とは異なった方向へ反射され、ビームスプリッ
タ等の半透光手段を必要とすることなく直接あるいは折
返しミラーを介することにより走査媒体上に集光する。

球面ミラーを副走査方向に偏心させることによる走査媒
体上での走査線の湾曲はレンズの球面をトロイダル面に
対して副走査方向に偏心させることにより、打ち消きれ
る。トロイダル面はその母線が偏向器の前段に配置され
たシリンドリカルレンズの母線と−致するように配置さ
れ、主走査方向全域にわたって良好なビームスポット形
状が得られる。

実施例 以下、本発明に係る光ビーム走査光学系の実施例につき
、添付図面を参照して説明する。

第１図において、（１）は半導体レーザ、（６）はコリ
メータレンズ、（７）はシリンドリカルレンズ、（１０
）はポリコンミラー、（１５）はトーリックレンズ、（
２０）は球面ミラー、（２５）は平板状の折返しミラー
（３０）はドラム状の感光体である。

半導体レーザ（１）は図示しない制御回路によって強度
変調（オン、オフ）され画像情報を乗せた発散光束を放
射する。この発散光束はコリメータレンズ（６）を通過
することにより収束光束に修正される。さらに、この収
束光束はシリンドリカルレンズ（７）を通過することに
より走査方向に、即ち、以下のポリゴンミラー（１０）
の反射面付近に（偏向面内の）直線状に収束きれる。ポ
リゴンミラー（１０）は図示しないモータにて支軸（１
１）を中心に矢印（ａ）方向に一定速度で回転駆動され
る。従って、シリンドリカルレンズ（７）から射出され
た収束光束は、ポリコンミラー（１０）の面で連続的に
反射され、等角速度で走査される。この走査光束はトー
リックレンズ（１５）を透過した後、球面ミラー（２０
）の凹面側にて反射され、さらに、折返しミラー（２５
）で反射された後感光体く３０）上に集光きれる。この
ときの集光光束は感光体く３０）の軸方向に等速で走査
され、これを主走査と称する。また、感光体（３０）は
矢印（ｂ）方向に一定速度で回転駆動され、この回転に
よる走査を副走査と称する。

ここで、トーリックレンズとは、入射側又は射出側のい
ずれか一方の面がトロイダル面で他方の面が球面、平面
又はシリンドリカル面であるレンズをいう。本実施例に
おいて、トーリックレンズ（１５）は入射側の面がトロ
イダル面、射出側の面が球面にて構成きれている。トロ
イダル面とは二つの主経線がそれぞれ異なった曲率中心
を有する面をいう。

以上の構成からなる光ビーム走査光学系においては、半
導体レーザ（１）の強度変調と前記主走査、副走査とに
よって感光体（３０）上に画像（静電潜像）が形成され
る。そして、球面ミラー（２０）が従来のｆθレンズに
代わって、トーリックレンズ（１５）と共に主走査方向
に対する走査速度を走査域中心からその両端部にわたっ
て均等となるように（歪曲収差を）補正すると共に、感
光体く３０）上での主走査方向の像面湾曲を補正する。

また、ポリゴンミラー（１０）からの反射光路中に設置
したトーリックレンズ（１５）のトロイダル面は、ポリ
ゴンミラー（１０）の面倒れ誤差を補正すると共に、感
光体（３０）上での副走査方向の像面湾曲を補正する。

即ち、ポリゴンミラー（１０）の各反射面相互に垂直度
の誤差が生じていると、感光体く３０）上での走査線が
副走査方向にずれを生じ、画像にピッチむらが発生する
。この面倒れ誤差はポリゴンミラー（１０）による偏向
面に垂直な断面においてポリゴンミラー（１０）の各反
射面と感光体（３０）の集光面とを共役関係に設定すれ
ば補正することができる。本実施例ではシリンドリカル
レンズ（７）によって光束をポリゴンミラー（１０）に
集光する一方、トーリックレンズ（１５〉のトロイダル
面によってポリゴンミラー（１０）の各反射面と集光面
とが共役関係を保持するようにしている。一方、トーリ
ックレンズ（１５）の球面は、主として主走査方向の像
面湾曲を補正すると共に、歪曲収差の補正を行なう。

きらに、トーリックレンズ（１５）はポリゴンミラー（
１０）による偏向面に垂直な断面の光束による像面を平
坦にする（副走査方向の像面湾曲を補正する）ため、偏
向面内における曲率半径を適切な値とし［以下の実験例
における（Ｒｌａ）、　（Ｒｌｂ）、　（Ｒ２ａ）。

（Ｒ２ｂ）参照コ、かつ、入射側の面と射出側の面とを
主走査方向に偏心［第２図中（Ｙ）方向への（Ｙｌ）。

（Ｙ、）の偏心１ｇせることが好ましい。この偏心によ
って、像面湾曲、歪曲収差が主走査方向の中心点から左
右に対称でない場合、左右のバランスを是正する。その
結果、全体的な湾曲、収差が低減する。同様の効果は、
球面ミラー（２０）をも主走査方向に偏心［第２図中（
ＹＭ）の偏心コさせることによっても達成きれる。偏心
量（ｙ＋　）、　（Ｙｌ　）、　（ＹＭ）の具体例は、
以下の実験例（Ｉ　）、　（ＩＩ）、　（ＩＩＩ）に示
す。

また、球面ミラー＜２０）は第３図に示すように、副走
査方向に偏心［第３図中矢印２方向への（ＺＭ）の偏心
コして配置されている。これは、光束を入射とは異なっ
た方向へ反射させるためである。光束が入射と同じ方向
へ反射されると、この反射光を感光体（３０）へ導くに
はビームスプリッタ等の半透光手段を必要とする。しか
し、半透光手段は、従来の技術として説明したように、
設計、加工共に困難であり、光量の減衰も大きい。そこ
で、本実施例では、球面ミラーを副走査方向に（ＺＭ）
だけ偏心させて射出光路を入射光路とは異なった方向に
折り返し、かつ、ミラー（２５）を介して感光体（３０
）上へ集光し、半透光手段を省略することとした。

但し、球面ミラー（２０）のみを２方向に偏心させると
、集光面での走査線が湾曲する。これを打ち消して走査
線を直線とするため、トーリックレンズ（１５）の射出
面（球面）を入射面（トロイダル面）に対してＺ方向に
（ｚ２）だけ偏心量せた。この場合、トロイダル面はそ
の母線がシリンドリカルレンズ（７）の母線と一致し、
集光面において主走査方向全域にわたって良好なビーム
スポット形状が保障される。偏心量（ＹＭ）、　（ｚハ
の具体例は、以下の実験例（Ｉ　）、　（ＩＩ　）、　
（Ｉ［Ｉ）に示す。

また、本実施例ではコリメータレンズ（６）にて発散光
束を収束光束に修正している。これは収束光束とするこ
とによって感光体（３０）上での集光点（結像面）での
湾曲を補正するためである。即ち、ポリゴンミラー（１
０）へ収束光束あるいは発散光束を入射させると（他の
回転偏向器でも同じであるが）、ポリゴンミラー（１０
）での反射後の集光点は、ポリゴンミラー（１０）の後
には光学部品がないとすると、その反射点を中心として
略円弧状となり、これを直線で受けると像面湾曲を生じ
ることになる。ポリゴンミラー（１０）へ収束光束を入
射させると、光線入射方向に凹の像面湾曲を生じる。ま
た、入射光の収束具合によって、球面ミラー（２０）と
像面との距離も変わる。この距離の変化によって像面湾
曲も変化する。即ち、収束光束による像面湾曲により、
球面ミラー（２０）の凹面による湾曲を補正し、結果的
に集光面での像面湾曲を小さくし、像面の平坦性を良好
なものとする。

像面湾曲が小さくなると、走査位置（像高）の相違によ
る集光光束径の変動が小さくなり、光学系を広画角で使
用することができ、また集光光束径をノ」＼さくできる
ので画像の高密度化が可能となる利点を有する。

きらに、本実施例につき、詳述すると、第２図に示すよ
うに、トーリックレンズ（１５）と球面ミラー（２０）
とがないときに偏向点（１０ａ）からコリメータレンズ
（６）がビームを集光させる位置までの距離（物点）（
Ｓ）（図示せず）と球面ミラー（２０）の曲率半径（Ｒ
Ｍ）との関係、ポリゴンミラー（１０）の偏向点（１０
ａ）から球面ミラー（２０）までの距離（ｄ）と前記曲
率半径（ＲＭ）との関係、及びトーリックレンズ（１５
）の芯厚（ｄｌ）とレンズ入射面主走査方向曲率半径（
Ｒｌａ）とレンズ射出面主走査方向曲率半径（Ｒ２ａ）
との関係については、それぞれ、（ｌ　ｓ／ＲＭｌ　）
＞０．４　　　　　　・・・・・・■０．１＜　（ｄ／
　ｌ　ＲＭ　ｌ　）＜０．７　　　　　　・・・・・・
■０．６＜　（ｌ　Ｒｌａ　ｌ　＋ａ、）／　ｌ　Ｒ２
ａ　ｌ　＜１．３　−■なる式を満足するのが望ましい
。

なお、第２図において、（ｄ′）は球面ミラー（２０）
から感光体（３０）までの距離、（ｄ、）は偏向点（１
０ａ）からトーリックレンズ（１５）の入射面までの距
離、（ｄ２）はトーリックレンズ（１５）の射出面から
球面ミラー（２０）までの距離である。

前記０式、０式、０式を満足すると、広画角にわたって
良好な歪曲特性と、良好な像面平坦性が得られる。各式
での下限及び上限は、感光体（３０）上での画像歪みの
程度により経験上許容できる範囲として設定した値であ
る。

前記０式の下限を越えると、像面が球面ミラー（２０）
に近付き配置が困難となり、歪曲特性も悪くな−る。

前記０式の下限を越えると、走査角の増大に従って正の
歪曲が増大し、主走査方向の両端（走査開始付近及び走
査終了付近）で画像が伸びることとなる。また、前記０
式の上限を越えると、走査角の増大に従って負の歪曲が
増大し、主走査方向の両端で画像が縮むこととなり、さ
らに像面湾曲が大きくなる。

前記０式の下限及び上限を越えると、像面湾曲が大きく
なる。

ここで、本実施例における実験例（Ｉ）、（ＩＩ＞。

（Ｉ［［）での構成データ及び特性データを示す。

［以下余　白］ 以上の各実験例（Ｉ　）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）におけ
る感光体集光面での収差をそれぞれ第４図、第５図、第
６図に示す。各図中（８）は、横軸を走査角度、縦軸を
歪曲度（歪曲収差）としたグラフである。各図中（ｂ）
は、横軸を走査角度、縦軸を湾曲度としたグラフで、点
線は偏向面内の光束による像面湾曲（主走査方向の像面
湾曲）を示し、実線は偏向面に対する垂直面内の光束に
よる像面湾曲（副走査方向の像面湾曲）を示す。各図中
（ｃ）は、横軸を走査角度、縦軸を走査線歪曲度（副走
査方向の集光位置）としたグラフで、走査線の偏向面に
垂直な方向（副走査方向）への位置ずれ、即ち、走査線
の曲がりを示す。

なお、本発明に係る光ビーム走査光学系は以上の実施例
に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変
形することができる。

例えば、折返しミラー（２５）は１枚ではなく複数枚設
けてもよく、あるいは省略して球面ミラーからの反射光
を直接感光体（３０）へ集光許せてもよい。

偏向器としては前記のポリゴンミラー（１０）以外に、
光束を一平面に等角速度で走査可能なものであれば、種
々のものを用いることができる。また、光源としては半
導体レーザ以外に、他のレーザ発生手段や点光源を用い
てもよい。

また、前記実施例ではコリメータレンズにより半導体レ
ーザから放射された発散光束を収束光束に修正している
が、単に略平行光束に修正するだけでもよい。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によれば、偏向器
から感光体面への光路中にトロイダル面と球面とで構成
されたレンズと球面ミラーを介在させたため、偏向器の
各反射面の面倒れによる誤差を補正し、画像の副走査方
向のピッチむら、あるいは主走査方向での走査速度を均
等に補正できることは勿論、さらに球面レンズを副走査
方向に偏心して配置すると共に、前記レンズの球面がト
ロイダル面に対して少なくとも副走査方向に偏心して配
置したため、球面ミラーでの反射光に適当な角度を付け
て走査線の曲がりを補正したうえて半透光手段を介する
ことなく走査媒体上に集光させることができ、かつ、主
走査方向全域にわたって良好なビームスポット形状を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学系の一実施例の概略構成を示
す斜視図、第２図は第１図に示した光学系の偏向面上で
の光路を模式的に説明するための図、第３図は第１図に
示した光学系の偏向面と直交する面上での光路を示すた
めの図、第４図、第５図、第６図は感光体上での像歪を
示すグラフである。 （１）・・・半導体レーザ、（６）・・・コリメータレ
ンズ、（７）・・・シリンドリカルレンズ、（１０）・
・・ポリゴンミラー、（１５）・・・トーリックレンズ
、（２０）・・・球面ミラ、（２５）・・・折返しミラ
ー、（３０）・・・感光体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強度変調された光束を発生する光源と、前記光源か
   ら放射された光束を走査方向と同一平面の直線状に収束
   させる手段と、 集光線付近に置かれ、前記収束光束を等角速度で走査す
   る偏向器と、 前記偏向器で走査された光束を折り返して走査媒体上に
   集光させる球面ミラーと、 前記偏向器と球面ミラーとの間に配置され、入射側の面
   がトロイダル面、射出側の面が球面として構成されたレ
   ンズとを備え、 前記球面ミラーが副走査方向に偏心して配置され、 前記レンズの球面がトロイダル面に対して少なくとも副
   走査方向に偏心していること、 を特徴とする光ビーム走査光学系。