JPH0743467B2

JPH0743467B2 - 走査光学系

Info

Publication number: JPH0743467B2
Application number: JP60086705A
Authority: JP
Inventors: 玲森本
Original assignee: 旭光学工業株式会社
Priority date: 1985-04-22
Filing date: 1985-04-22
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPS61245129A

Description

【発明の詳細な説明】 a. 技術分野本発明は、走査のピツチむら等を除去したレーザービー
ムプリンター等の走査光学系に関する。

b. 従来技術とその問題点レーザービームプリンター等のように半導体レーザーを
光源に用いた走査光学系は、第７図に示すように、レー
ザー光を放射する半導体レーザー１と、該半導体レーザ
ー１から放射されたレーザー光を略平行光束にするコリ
メートレンズ２と、該光束を偏向する回転多面鏡等の偏
向器３と、偏向された光束を所定の位置に集光する走査
レンズ系４とから成り、走査面５上にスポツトを形成す
る。

尚、以下、走査面５上における走査方向を主走査方向と
いい、該走査方向と垂直な方向を副走査方向という。

上記スポツト径Ｓは、上記光束の径をＤ、走査レンズ系
４の焦点距離をｆ、波長をλとしたとき、で与えられる。ここで、Ｋは定数で、上記光束の形状に
より決定される量であり、また、光束径で決まるＦナンバーに相当する。

そして、上記走査レンズ系４は、偏向速度と走査速度と
が比例する様、ｆ・θレンズが用いられることが多い。

ｆ・θレンズは、入射ビームのレンズ光軸となす角（入
射角）θと走査面５上でのスポツトの光軸からの距離
（像高）ｙが、焦点距離をｆとして、ｙ＝ｆ・θ となるレンズで、この特性は、走査レンズ系が歪曲収差
Distとして、なる負の値を持つ様設計することで得られる。

また、光源としての半導体レーザーは、その接合面に平
行な方向（以下、単に平行方向という）と垂直な方向
（以下、単に垂直方向という）とで光の放射のされ方が
異なる。即ち、第８図に示すように平行方向の広がり角
をθ_２、垂直方向の広がり角をθ_１としたとき、 θ_２＜θ_１となる。

従つて、上記の如き、半導体レーザー，コリメートレン
ズ，偏向器及び走査レンズ系から成る走査光学系では、
半導体レーザーから放射されるレーザー光の広がり角が
異なるため、コリメートレンズを出たあとの平行方向の
ビーム径D_A及び垂直方向のビーム径D_Bも異なり、 D_A＝２・fc・sin（θ₂/2）＜２・fc・sin（θ₁/2）＝D_B （ここで、fcはコリメートレンズの焦点距離）であるた
め、スポツト径も、（ここで、S₂は平行方向のスポツト径、S₁は垂直方向の
スポツト径）となり円形のスポツトが得られない。

半導体レーザーを光源に用いることによつて生じる上記
の欠点即ち、円形のスポツトが得られないという欠点の
解決方法としては、コリメートレンズ２の口径を小さく
したり又は、スリツトを設けて垂直方向の光をけつてし
まい光ビームの径をそろえるとか、第９図に示すよう
に、コリメートレンズ２と偏向器３との間にアフオーカ
ルアナモフイツク光学系10を配して光ビーム径を調整す
る等のビーム整形手段がとられているが、前者の方法で
は、エネルギー効率が低下し、後者では、光学系が複雑
になる。

更に、偏向器３には、回転多面鏡やホログラムスキヤナ
ー等が用いられるが、加工精度上、回転多面鏡の各面の
倒れ誤差やホログラムスキヤナーの各エレメント間誤差
等による偏向面の副走査方向誤差が生じ、これによつ
て、走査のピツチむらが生じてしまう。

これを補正するための方法としては、従来、第10図に示
すように、コリメートレンズ２と偏向器３との間に、副
走査方向面内に作用する第１のアナモフイツク光学系13
を配して偏向面上に線像を形成すると共に、走査レンズ
系４に第２のアナモフイツク光学系14を付加するか或
は、走査レンズ系４自体をアナモフイツクな構成とし、
偏向面と走査面を副走査方向面内で共役にし、面倒れに
よつて生じる副走査方向像点誤差をなくすやり方等が示
されているが、いずれのやり方も、偏向器の後の光学系
で副走査方向での正の屈折力が増すため走査される像面
の湾曲が大きくなるという欠点を有し、このやり方とし
ては、特公昭52−28666号公報，特開昭57−144515号公
報及び特開昭58−93021号公報等が挙げられる。特に、
特開昭58−93021号公報にあつては、第２のアナモフイ
ツク光学系としてシリンダーレンズを使用しているが、
像面の湾曲を低減させるために、該シリンダーレンズを
走査面近くに配置しなければならず、結果的に長いシリ
ンダーレンズが必要となる。

c.目的本発明は、より確実に偏向器の面倒れ補正を行なうこと
ができる走査光学系を得ることを目的とする。

d.発明の概要本発明は、半導体レーザーと、該半導体レーザーから発
散されるレーザー光を略平行光束にするコリメートレン
ズと、このコリメートレンズを出た光束を偏向する偏向
器と、この偏向器で偏向された光束を走査面に集光する
走査レンズ系とを備えた走査光学系において、コリメー
トレンズと偏向器との間に、該コリメートレンズを出射
した光束を、その副走査断面の径を細く成形して該偏向
器に入射させる凸レンズを配設し、走査レンズ系を、そ
の最も偏向器側の面が主走査方向より副走査方向に強い
負のパワーを有する面からなり、その最も偏向器から離
れた面が主走査方向より副走査方向に強い正のパワーを
有する面からなるアナモフィックレンズ系とし、凸レン
ズの焦点距離をf_p、凸レンズの後側主点と偏向器の偏向
面との距離をｄ、走査レンズ系の主走査方向断面の焦点
距離をf₁として、 0.5＜（f_p−ｄ）/f₁＜2.5 （１）を満足することを特徴としている。

すなわち本発明は、偏向器の偏向面上でのゴミや傷が投
影されないように、敢えて偏向器より光源側の凸レンズ
による結像位置を（f_p−ｄ）だけ偏向器よりずらし、一
方、副走査方向のピント位置を主走査方向のピント位置
に合わせるため、副走査方向の主点位置を主走査像面方
向へずらしたものであって、そのための構成が、走査レ
ンズ系を、その最も偏向器側の面が主走査方向より副走
査方向に強い負のパワーを有する面からなり、その最も
偏向器から離れた面が主走査方向より副走査方向に強い
正のパワーを有する面からなる、レトロフォーカスなア
ナモフィックレンズ系としている。条件式（１）は、凸
レンズの焦点距離と結像位置のずれ量との関係を示して
いる。

e.発明の実施例以下、図面に従つて本発明の一実施例を説明する。第１
図は、本発明に係るレーザービームプリンター等の走査
光学系の基本内容を示す図であり、半導体レーザーの垂
直方向がレーザービームプリンター等の主走査方向に一
致し、半導体レーザーの平行方向がレーザービームプリ
ンター等の副走査方向に一致している。上記走査光学系
は、物点側から半導体レーザー，該半導体レーザーから
発散されるレーザー光を略平行光束にするコリメートレ
ンズ2,副走査方向にパワーを持つ凸のシリンダーレンズ
11,該シリンダーレンズ11を通過し副走査方向が収斂光
となり、前記コリメートレンズ２の出射時よりも副走査
方向で細く整形された断面を持つ光束を偏向する偏向器
3,アナモフイツクな走査レンズ系20の順に構成されてい
るが、半導体レーザー，コリメートレンズ２及び偏向器
３は、公知のものなので説明を簡略して、凸のシリンダ
ーレンズ11及びアナモフイツクな走査レンズ系20を中心
に説明する。

尚、Hf₁,Hb₁は、走査レンズ20の主走査方向断面内の前
側及び後側主点位置、Hf₂,Hb₂は、副走査方向断面内の
前側及び後側主点位置を示す。また、ｄは凸シリンダー
レンズ11の後側主点Hpと偏向面３までの距離、ｅは偏向
面３と走査レンズ20の副走査方向断面内の前側主点Hf₂
までの距離を示す。

（１）偏向面の副走査方向誤差について従来の走査レンズ系４に例えばｆ・θレンズを用いた場
合、先にも述べたようにｙ＝ｆ・θ であるので、その焦点距離ｆは、レーザービームプリン
ター等の走査幅と走査角によりある値に決定される。

しかしながら、球面レンズ系で構成されるｆ・θ走査レ
ンズ系においては、副走査方向も主走査方向と同じ焦点
距離をもつているので、偏向面３の面倒れ誤差等により
副走査方向に光束がΔθｓだけ振わると、スポツトも副
走査方向に基準位置よりｆ・Δθｓだけずれた位置で走
査され、ピツチむらを生じてしまう。

本発明においては、コリメートレンズ２と偏向器３の間
に凸のシリンダーレンズ11があり、また、走査レンズ系
20がアナモフイツクな構成であるので、主走査方向の焦
点距離をf₁、副走査方向の焦点距離をf₂、シリンダーレ
ンズ11の焦点距離をfpとすると、 f₁＞f₂ とすることができ、且つ副走査方向の像点誤差は、であるので、副走査方向の偏向面誤差に対する感度は、
走査レンズが焦点距離f₁の球面レンズ系から成る場合に
比し、に軽減される。

この方式では、偏向面に線像を形成する方式の様に、完
全な補正は行なわれないが、光束が偏向面に面で当つて
反射するため偏向面のキズ，ゴミ等のノイズに対して強
いという長所をもつ。

（２）ビーム整形効果について本発明においては、半導体レーザー１の広がり角の広い
垂直方向と走査レンズ系20の焦点距離の長い主走査方
向、広がり角の狭い平行方向と焦点距離の短い副走査方
向とが組み合わされるので実質的なビーム整形効果を有
する。即ち、半導体レーザーの広がり角は、先にも述べ
た如く θ_１＞θ_２であるので、コリメートレンズ２を通過した後のビーム
径は、主走査方向におけるビーム径をD₁、副走査方向に
おけるビーム径をD₂とすると、 D₁＝２・fc_sin（θ₁/2）＞２・fc_sin（θ₂/2）＝D₂ となり、ここでシリンダーレンズ11を含めた副走査方向
の焦点距離f₂′は、であり、主走査方向，副走査方向のスポツト径S₁,S
₂は、なので、主走査方向，副走査方向のスポツト径の比は、となる。即ち、の割合だけビーム整形効果を生じる。

従つて、とすれば、ほぼ円形のスポツトを得ることができる。ち
なみに、凸シリンダーレンズ11がない場合、即ちfp＝∞
のときには、ｆ′_２＝f₂ であり、偏向面の副走査方向誤差補正効果の割合も、ビ
ーム整形効果の割合もf₂/f₁となつてしまうが、本発明
においては、偏向面の副走査方向誤差補正効果の割合
と、ビーム整形効果の割合は上記の式及び式で与え
られるので、fp,d,eを適当に定めることで両者の効果の
割合に自由度がでてくる。

即ち、本発明においては、凸シリンダーレンズ11の存在
により、偏向面の副走査方向誤差補正の割合とビーム整
形効果の割合とを調整することができ、上記式を満す
ことによつてほぼ円形のスポツトを得ることができると
共に、偏向面の副走査方向誤差補正効果をさらに大きく
とることができる。

また、製造上の問題等からコリメートレンズ２のNAが十
分大きくとれず垂直方向の光をけつてしまう場合には、
上記式を満しても S₁＞S₂ となつてしまうので、平行方向にさらにスリツトを入れ
て光束を制限し、スポツト径をそろえることもできる
が、本発明においては、コリメートレンズ２と走査レン
ズ系20との間に副走査方向にパワーを持つ凸のシリンダ
ーレンズ11を入れることにより、該シリンダーレンズ11
を通過した光束は副走査方向が収斂光となり、走査レン
ズ系20に入射する光束をコリメートレンズ２の出射時よ
りも副走査方向で細く整形された断面をもつ光束とする
効果があるため、スリツトを入れても光束の制限をゆる
くすることができ、光量の損失が少なくて済む。また、
本発明においては、凸シリンダーレンズ11によつて走査
レンズ20を通過する光束が副走査方向で細くなつている
ので、収差補正上や加工の難しいトーリツク面の面精度
公差に於て有利である。

次に、本発明に係る走査光学系の具体的構成について説
明する。

第２図は、本発明に係る走査光学系の全体を示す構成図
であり、１は半導体レーザー、２はコリメートレンズ、
11は副走査方向に曲率をもつ凸のシリンダーレンズ、３
は偏向器、20は２群構成からなるアナモフイツクな走査
レンズ系である。本発明においては、上記走査レンズ系
20がアナモフイツクであるため、f₂をf₁より小さくとる
ことができるので、偏向面の副走査方向誤差の補正効果
や凸シリンダーレンズ11によつて調整されたビーム整形
効果が得られる。また、上記走査レンズ系20が、副走査
方向断面内で、偏向器側に負の屈折力をもつ凹のシリン
ダー面、走査面側に正の屈折力をもつ凸のトーリツク面
を含み、いわゆるレトロフオーカスの構成をとることが
できるので、副走査方向の像側主点位置を走査面側に大
きくずらし、凸シリンダーレンズ11を含めた光学系で主
走査方向と副走査方向の像点を一致させることができ
る。但し、像面の湾曲や最良像面のずれを考慮して軸上
の像点は、若干ずらす場合もある。

尚、半導体レーザーの構造上平行方向において、発振の
横モード等の関係から、光源が理想的でなく、結果とし
てスポツトが太つてしまう事がある。この様な場合で
も、本発明においては、走査レンズの副走査方向の焦点
距離が短かく、光源の投影倍率が小さくなつている構成
であるので有利である。

さらに、上記走査レンズ系20は偏向面より後で、副走査
方向面内において負の屈折力をもつ面と正の屈折力をも
つ面があり、かつそれらの面は走査方向断面内よりも強
い屈折力をもつため、これらを適宜調整することによ
り、コンパクトな構成で像面の湾曲を良好に補正でき
る。

ここで、上記走査レンズ系20をｆ・θレンズで構成する
と、該ｆ・θレンズは、偏向器３側より第１面イが副走
査方向断面に曲率をもつ凹のシリンダー面に形成され第
２面ロが凹の球面に形成された第１群レンズ21と第３面
ハが平面に形成され第４面ニが走査方向断面よりも副走
査方向断面で強い曲率をもつトーリツク面に形成された
第２群レンズ22とから成る２群レンズ構成にすることが
でき、最低限の構成枚数で性能良好な本発明に係る走査
レンズ系20を構成できる。

即ち、上記ｆ・θレンズによれば、走査方向断面では、
入射側より第１群レンズ21が平凹レンズ、第２群レンズ
22が平凸であり、第１群レンズが負の屈折力をもつた
め、球面収差，コマ収差の補正に有利である。

また、第２面ロが凹面であり軸外光束に対して屈折力が
強く働くので、第３面ハへの入射高さが増し、この面で
発生する負の歪曲収差が大きくでき良好なｆ・θ特性を
得られる。

更に、副走査方向断面では、第１群レンズ21が両凹レン
ズ、第２群レンズ22が平凸レンズとなつており、第１面
イが強い曲をもつ凹面で強い負の屈折力をもち、第４面
ニが強い曲率をもつ凸面で強い正の屈折力をもつので、
いわゆるレトロフオーカスの構成になつており、副走査
方向における焦点距離を短かくし像側主点位置を像面に
近づけることができる。

また、本ｆ・θレンズでは、第１面イがシリンダー面、
第４面ニがトーリツク面であり、また、偏向面３の前に
もシリンダーレンズ11を含んでいるので、走査方向とは
独立のパラメーターをもち副走査方向断面での像面湾曲
を補正する上で有利である。

そして、本ｆ・θレンズにおいては、第１群レンズ21に
シリンダー面を、第２群レンズ22にトーリツク面を含む
が、シリンダー面は比較的加工が容易であり、またトー
リツク面を含む第２群レンズ22も、片面が平面であるた
め製作上有利である。更に、第１群レンズ21と第２群レ
ンズ22は、夫々、シリンダー面，トーリツク面を有して
いるが、それらの面が加工上の誤差を生じた場合にも、
第１群レンズ21と第２群レンズ22との間隔により主走査
方向及び副走査方向の焦点位置の調整が可能である。

これは、第１群レンズ21と第２群レンズ22の屈折力が副
走査方向の方で強くなつており、間隔変化に対する焦点
位置変化の感度も異なることを利用したものである。

特に、半導体レーザーが光源として非点隔差もつ場合、
主走査方向と副走査方向で光軸方向に像点がずれてしま
うが、この方法により補正が可能である。また、主走査
方向と副走査方向の焦点位置の調整は、凸のシリンダー
レンズ11の曲率や位置を変えることによつてもでき、こ
の場合には、主走査方向の像点は動かず走査性も変わら
ないという利点がある。

更に、前記走査光学系において、副走査方向に曲率をも
つ凸シリンダーレンズ11の焦点距離をfp、凸シリンダー
レンズの後側主点と偏向面３との距離をｄ、走査レンズ
系20の主走査方向断面の焦点距離をf₁、副走査方向断面
の焦点距離をf₂、走査レンズ系20の第１面イの副走査方
向断面の曲率半径をr₁′、第４面ニの副走査方向断面の
曲率半径をr₄′として、を満たすと性能良好な走査光学系が構成される。

条件（１）は、凸シリンダーレンズ11の焦点距離に関す
る条件であり、が左辺より小さいと、光束を副走査方向断面内で狭い光
束として入射する効果は大きくなるが、副走査方向の焦
点を主走査方向と一致させるために、第１面イのシリン
ダー面の曲率半径が小さくなり過ぎて加工上の困難を生
ずる。

また、右辺を超えると、上記の効果が小さくなるととも
に、凸シリンダーの曲率半径が大きくなり、やはり加工
が難しくなる。

条件（２）は、走査レンズ系20の副走査方向と主走査方
向の焦点距離の比に関する条件であり、偏向面の副走査
方向誤差の補正効果と、ビーム整形効果をバランスする
ものである。

が左辺より小さいと副走査方向誤差の補正効果は大きく
なるが、ビーム整形効果が過剰になつてしまう。また、が右辺を超えると偏向面の副走査方向誤差の補正効果も
ビーム整形効果も不足する。

条件（３）は、シリンダー面の曲率半径に対する条件で
あり、|r₁′|/f₂が左辺より小さいと、第１面における
副走査方向面内の光束の発散のされ方が大きくなりす
ぎ、うまくr₄′とバランスさせて像面湾曲の補正を行う
ことが難しくなる。又、|r₁′|/f₂が右辺を超えると、
副走査方向面内の主点間隔を大きくする作用が弱まり、
像側主点位置を像側に近づけるためには、レンズ系全体
が大きくなつてしまい、トーリツク面で発生するアンダ
ーの像面湾曲の補正も不足する。

条件（４）は、トーリツク面の副走査方向面内の曲率半
径に対する条件であり、|r₄′|/f₁が左辺より小さい
と、像側主点が像面に近づかず、又、アンダーの像面湾
曲の発生が大きくなる。

|r₄′|/f₁が右辺を超えると副走査方向の焦点距離を走
査方向よりも十分短かくとれず、倒れ補正効果ビーム整
形効果が薄くなる。

尚、ペツツバールの和を小さく保ち、良好な収差補正を
行うために、第１群レンズの屈折率をn₁、第２群レンズ
の屈折率をn₂としたとき、 n₁＜n₂ である事が望ましい。

以下、本発明に係る走査光学系の具体的な実施例を第３
図乃至第６図を用いて示す。尚、第３図，第４図までが
実施例１を示し、第５図，第６図までが実施例２を示
す。

ここでは、コリメートレンズ２の焦点距離をfc、コリメ
ートレンズ２を射出した光束の直径を主走査方向では
D₁、副走査方向ではD₂、凸シリンダーレンズ11の焦点距
離をfp、凸シリンダーレンズ11の後側主点と偏向面３と
の距離をｄ、偏向面３と走査レンズ系20の前側主点との
距離をｅ、走査レンズ系20の焦点距離を走査方向では
f₁、副走査方向ではf₂、凸シリンダーレンズ11を含む副
走査方向の焦点距離をf₂′とする。

また、本走査レンズ系20は、走査方向にｆ・θ特性を有
する２群構成であり、偏向器側より、第１面が副走査方
向に曲率をもつシリンダー面、第２面が凹面、第３面が
平面、第４面が副走査方向に強い曲率をもつ凸面であ
る。

第ｉ面の走査方向断面の曲率半径をr_i、副走査方向断面
の曲率半径をr_i′、第１群レンズの中心厚をd₁、レンズ
間隔をd₂、第２群レンズの中心厚をd₃とし、使用波長78
0mmにおける第１群レンズの屈折率をn₁、第２群レンズ
の屈折率をn₂とする。また、走査角度は±ω゜とする。
また、この走査レンズ系20は、その入射瞳位置EnP.が偏
向面と一致するように配置される。

実施例１全体の構成走査レンズ系の構成２ω＝96.5゜入射瞳位置１面より前方 15.17 実施例２全体の構成走査レンズ系の構成２ω＝96.5゜入射瞳位置１面より前方 16.0 f.発明の効果本発明の走査光学系は、偏向器の偏向面上でのゴミや傷
が投影されないように、偏向器より光源側の凸レンズに
よる結像位置を（f_p−ｄ）だけ偏向器よりずらし、一
方、副走査方向のピント位置を主走査方向のピント位置
に合わせるため、走査レンズ系を、その最も偏向器側の
面が主走査方向より副走査方向に強い負のパワーを有す
る面からなり、その最も偏向器から離れた面が主走査方
向より副走査方向に強い正のパワーを有する面からな
る、レトロフォーカスなアナモフィックレンズ系とし、
さらに凸レンズの焦点距離と結像位置のずれ量との関係
を条件式（１）によって規定している。このため、より
確実に偏向器の面倒れ補正を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る走査光学系の基本内容を示す
図、第２図は、本発明に係る走査光学係の全体を示す構
成図、第３図は、実施例１の走査レンズ系の構成を示す
図、第４図は、実施例１の全系の収差図、第５図は、実
施例２の走査レンズ系の構成を示す図、第６図は実施例
２の全系の収差図、第７図は従来のレーザービームプリ
ンター等の走査光学系を示す全体図、第８図は半導体レ
ーザーがその接合面に平行な方向と垂直な方向とで光の
放射のされ方が異なることを示す図、第９図及び第10図
は従来の走査光学系を示す図である。１……半導体レーザー、２……コリメートレンズ、３…
…偏向器、４……走査レンズ系、５……走査面、11……
凸シリンダーレンズ、20……走査レンズ系、21……第１
群レンズ、22……第２群レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザーと、該半導体レーザーから発散されるレーザー光を略平行光
束にするコリメートレンズと、このコリメートレンズを出た光束を偏向する偏向器と、この偏向器で偏向された光束を走査面に集光する走査レ
ンズ系と、を備えた走査光学系において、上記コリメートレンズと上記偏向器との間に、該コリメ
ートレンズを出射した光束を、その副走査断面の径を細
く成形して該偏向器に入射させる凸レンズを配設し、上記走査レンズ系を、その最も偏向器側の面が主走査方
向より副走査方向に強い負のパワーを有する面からな
り、その最も偏向器から離れた面が主走査方向より副走
査方向に強い正のパワーを有する面からなるアナモフィ
ックレンズ系とし、上記凸レンズの焦点距離をf_p、凸レンズの後側主点と偏
向器の偏向面との距離をｄ、走査レンズ系の主走査方向
断面の焦点距離をf₁として、 0.5＜（f_p−ｄ）/f₁＜2.5 （１）を満足することを特徴とする走査光学系。