JPH055848A

JPH055848A - 光ビーム走査光学系

Info

Publication number: JPH055848A
Application number: JP15848991A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakamura; 弘中村
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: JP3132047B2

Abstract

(57)【要約】【目的】球面ミラーを大型化することなく、大サイズ
画面を走査でき、かつ、偏向器の面倒れ誤差、歪曲収
差、像面湾曲を効果的に補正できる光ビーム走査光学系
を提供すること。【構成】半導体レーザ１、コリメータレンズ２、シリ
ンドリカルレンズ３、ポリゴンミラー１０、トーリック
レンズ１５、球面ミラー２０、ビームスプリッタ２５と
からなる。レンズ１５は入射面がトロイダル面、出射面
が球面とされ、主走査方向の形状がメニスカスであって
かつ正のパワーを有するトーリックレンズである。レン
ズ１５は像面湾曲、偏向器の面倒れ誤差を補正し、さら
に球面ミラー２０への入射光束の収束度を強め、コリメ
ータレンズ２で光束を平行光又はそれに近い発散光に修
正することと相まって球面ミラー２０の大型化を防止す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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記録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。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザビーム・プリンタやファ
クシミリ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、
ガルバノミラー等の偏向器、ｆθレンズにより構成され
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、良質な画像が得られない。ｆθレンズは、このよう
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。

【０００３】そのため、本出願人は、高価で制約の多い
ｆθレンズに代えて、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１−２
００２２１号公報、同１−２００２２２号公報等参
照）。

【０００４】しかし、記録サイズが大きくなると、球面
ミラーも大型のものが必要となり、例えばＡ３サイズに
対しては２５０〜２８０ｍｍ程度の長さの球面ミラーが
必要となる。そして、球面ミラーはサイズが大きくなる
と、広範囲にわたって面精度を確保することが困難にな
ると共に、冷却時間の確保のために成形サイクルが長く
なり、結果的にコストが上昇する。

【０００５】

【発明の目的、構成、作用】そこで、本発明の目的は、
球面ミラーをこれ以上大型化することなく大サイズの画
面を走査でき、かつ、偏向器の面倒れ誤差、歪曲収差、
像面湾曲を効果的に補正できる光ビーム走査光学系を提
供することにある。以上の目的を達成するため、本発明
に係る光ビーム走査光学系は、強度変調された光束を発
生する光源と、光源から放射された発散光束を平行光か
それに近い発散光に修正する光学手段と、光学手段から
出射された光束を等角速度で走査する偏向器と、偏向器
で走査された光束を折り返して記録媒体上に集光させる
球面ミラーと、偏向器と球面ミラーとの間に配置され、
主走査方向の形状がメニスカスであってかつ正のパワー
を有するトーリックレンズとを備えたことを特徴とす
る。

【０００６】メニスカスレンズは、例えば、入射面又は
出射面の少なくとも一方がトロイダル面で構成され、他
の面は球面又はシリンドリカル面で構成されたトーリッ
クレンズをいう。トロイダル面とは二つの主経線がそれ
ぞれ異った曲率中心を有する面をいう。以上の構成にお
いて、光源から放射された発散光束は光学手段（例え
ば、コリメータレンズ）によって平行光がそれに近い発
散光に修正され、偏向器によって等角速度に走査され
る。この走査光束はトーリックレンズを透過した後、球
面ミラーで反射され、記録媒体上に集光する。前記偏向
器による主走査及び記録媒体の移動による副走査で画像
が形成される。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ように補正され、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。

【０００７】また、トーリックレンズは、主走査方向及
び副走査方向の像面湾曲を補正し、かつ、偏向器の面倒
れ誤差を補正する機能を有する。即ち、記録サイズが大
きくなると、球面ミラーを大型化せざるを得ないが、球
面ミラーの配置を偏向器側へ寄せれば、球面ミラーを大
きくする必要はない。この場合、負の歪曲収差及び凸の
像面湾曲が増大するが、トーリックレンズが主走査方向
において正のパワーを有することにより、球面ミラーへ
の入射光束の収束度がコントロールされ、前記歪曲収
差、像面湾曲の増大が防止される。

【０００８】また、光源から放射された発散光束を光学
手段で平行光かそれに近い発散光に修正するのは、球面
ミラーから記録媒体までの距離を大きくとるためであ
る。

【０００９】

【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。図１は第１
実施例を示し、１は半導体レーザ、２はコリメータレン
ズ、３はシリンドリカルレンズ、１０はポリゴンミラ
ー、１５はトーリックレンズ、２５はビームスプリッ
タ、２０は球面ミラー、３０はドラム状の感光体であ
る。

【００１０】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
を透過することにより所定の発散光に修正される。さら
に、この発散光束はシリンドリカルレンズ３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１
０の反射面付近に（偏向面内の）直線状に収束される。
ポリゴンミラー１０は図示しないモータにて支軸１１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３から射出された発散光束
は、ポリゴンミラー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１
５、ビームスプリッタ２５を透過した後、球面ミラー２
０の凹面側にて反射され、さらに、ビームスプリッタ２
５で反射された後感光体ドラム３０上に集光される。こ
のときの集光光束は感光体ドラム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、感光体ドラム
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。

【００１１】ここで、トーリックレンズ１５は、主走査
方向の形状がメニスカスであってかつ正のパワーを有す
るトーリックレンズであり、具体的には、入射側又は出
射側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面が球
面又はシリンドリカル面であるレンズをいう。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。図１は入射面をトロイダル面、出射面を
球面としたトーリックレンズ１５を組み込んだ光学系を
示す。

【００１２】一方、図２は第２実施例を示し、主走査方
向の形状がメニスカスであってかつ正のパワーを有する
トーリックレンズとして偏心トーリックレンズ１５’を
使用し、球面ミラー２０で反射された光束を平面ミラー
２６で折り返して感光体ドラム３０上に結像する。他の
構成は図１と同様であり、同じ符号が付されている。偏
心トーリックレンズ１５’は、入射面をトロイダル面と
し、出射面である球面を副走査方向に一定量偏心させた
ものである。球面を副走査方向に偏心させたのは、球面
ミラー２０での入射光と反射光を分離させ、図１に示し
たビームスプリッタ２５を用いなくても、直接あるいは
平面ミラー２６を介して感光体ドラム３０上に集光させ
るためである。

【００１３】以上の構成からなる第１実施例及び第２実
施例においては、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ドラム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１５，１５’
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、感光体ドラム３０上での主走査方向の像
面湾曲を補正する。

【００１４】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１５，１５’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、感光体ドラム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、感光体ドラム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
射面と感光体ドラム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３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１５，１５’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１５，１５’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う。

【００１５】さらに、トーリックレンズ１５，１５’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Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄参照）、か
つ、入射面と出射面とを主走査方向に偏心（図３中Ｙ方
向へのＹ₁，Ｙ₂の偏心）さ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
から左右に対象でない場合、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（図３中
Ｙ_Mの偏心）させることによっても達成される。偏心量
Ｙ₁，Ｙ₂，Ｙ_Mの具体例は、以下の実施例１ないし５に
示す。

【００１６】また、第１実施例、第２実施例では、コリ
メータレンズ２によって半導体レーザ１から放射された
発散光束を平行光かそれに近い発散光に修正している。
これは、後述するように、ポリゴンミラー１０の偏向点
１０ａから球面ミラー２０までの距離ｄと球面ミラー２
０から感光体までの距離ｄ’との比ｄ／ｄ’を小さくし
て主走査方向の画角を大きくとるため、即ち記録サイズ
を大きくとるためである。

【００１７】ところで、図２に示されている第２実施例
において、球面ミラー２０は副走査方向にＺ_Mだけ偏心
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ドラム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、設計、加工共に困難であり、光量の
減衰も大きい。そこで、第２実施例では、球面ミラー２
０を副走査方向にＺ_Mだけ偏心させて出射光路を入射光
路とは異なった方向に折り返し、半透光手段を省略する
こととした。

【００１８】但し、球面ミラー２０のみをＺ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、図４に示すようにトーリ
ックレンズ１５の出射面（球面）を入射面（トロイダル
面）に対してＺ方向に角度θｙ１だけ偏心させた。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
３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
Ｚ_M，θｙ１の具体例は、以下の実験例５に示す。

【００１９】さらに、第１実施例及び第２実施例につ
き、詳述すると、図３に示すように、ポリゴンミラー１
０の偏向点１０ａから球面ミラー２０までの距離ｄと球
面ミラー２０から感光体までの距離ｄ’との関係、距離
ｄと球面ミラー２０の曲率半径Ｒ_Mとの関係について
は、それぞれ、以下の式（１），（２）を満足すること
が好ましい。

【００２０】｜ｄ／ｄ’｜＜０．７ …（１）０．１５＜｜ｄ／Ｒ_M｜＜０．４５ …（２）なお、図３において、ｄ₀は偏向点１０ａからトーリッ
クレンズ１５，１５’の入射面までの距離、ｄ₁はトー
リックレンズ１５，１５’の芯厚、ｄ₂はトーリックレ
ンズ１５，１５’の出射面から球面ミラー２０までの距
離である。また、ｓは物点、即ち、偏向点１０ａからコ
リメータレンズ２によって光束が集光する位置（背後に
光学素子が存在しないと仮定した場合）までの距離であ
る。

【００２１】前記の式（１），（２）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、感光体ドラム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。前記式（１）の上限を越えると、
球面ミラー２０が大型化し、球面精度等を確保すること
が困難となる。

【００２２】前記式（２）の下限を越えると（物点を小
さくすると）、走査角の増大に従って正の歪曲が増大す
ると共に、凸の像面湾曲が増大する。また、前記式
（２）の上限を越えると（物点を大きくすると）、走査
角の増大に従って負の歪曲が増大すると共に、凹の像面
湾曲が増大する。ここで、表１，２に実験例１ないし５
での構成データ及び特性データを示す。実験例１，２，
３，４は第１実施例に対応し、実験例５は第２実施例に
対応する。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】以上の各実験例１，２，３，４，５におけ
る感光体（集光）面での収差をそれぞれ図５、図６、図
７、図８、図９に示す。各図中（ａ）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（ｂ）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。実験例５（第２実施例）を示す図９において、
（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。

【００２６】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
内で種々に変更することができる。例えば、折り返しミ
ラー２６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２０からの反射光を直接感光体ドラ
ム３０へ集光させてもよい。

【００２７】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。

【００２８】

【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、偏向器から記録媒体上への光路中に、主走査方
向の形状がメニスカスであってかつ正のパワーを有する
トーリックレンズと球面ミラーを介在させ、かつ、光源
と偏向器との間に光源から放射された発光光束を平行光
かそれに近い発散光に修正する光学手段を設けたため、
偏向器の面倒れ誤差、歪曲収差、像面湾曲を効果的に補
正することができると共に、記録サイズ（走査画像）が
大きくなっても球面ミラーをそれ程大型にする必要がな
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学系の第１実施例の概略構成を
示す斜視図。

【図２】本発明に係る光学系の第２実施例の概略構成を
示す斜視図。

【図３】図１、図２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。

【図４】図２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。

【図５】実験例１における感光体上での像歪を示すグラ
フ。

【図６】実験例２における感光体上での像歪を示すグラ
フ。

【図７】実験例３における感光体上での像歪を示すグラ
フ。

【図８】実験例４における感光体上での像歪を示すグラ
フ。

【図９】実験例５における感光体上での像歪を示すグラ
フ。

【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１０…ポリゴンミラー１５，１５’…トーリックレンズ２０…球面ミラー２５…ビームスプリッタ２６…平面ミラー３０…感光体ドラム

Claims

【特許請求の範囲】【請求項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発散光束を平行光かそれに近い
発散光に修正する光学手段と、前記光学手段から出射さ
れた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記録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、主走査方向の形状がメニスカスであってかつ正のパ
ワーを有するトーリックレンズと、を備えたことを特徴
とする光ビーム走査光学系。