JPH09146030A

JPH09146030A - 光走査装置

Info

Publication number: JPH09146030A
Application number: JP30172795A
Authority: JP
Inventors: Kiyuu Takada; 球高田; Nozomi Inoue; 望井上; 高志 ▲濱▼; Takashi Hama; Yujiro Nomura; 雄二郎野村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 1997-06-06
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JP3943155B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数のビームで走査する光走査装置におい
て、走査線の位置ずれを補正する。【解決手段】複数のビームを発生する半導体レーザア
レイ１を有し、回転多面鏡５と被走査面９との間に配設
された結像光学系が、第１結像レンズ７と第２結像レン
ズ８とにより構成され、第２結像レンズ８が、長手方向
中心から長手方向端部に向かって、被走査面９から遠ざ
かるように湾曲している。【効果】複数の走査線が直線となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームプリ
ンタ等に用いられ、複数のビームで被走査面を走査する
光走査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザビームプリンタ等に
は、複数のビームで被走査面を走査する光走査装置が用
いられているが、複数のビームのうち、走査中心を走査
するときに、結像光学系の光軸から副走査方向に離れた
位置を通過するビーム、すなわち、結像光学系の光軸か
ら副走査方向にオフセットした球欠面を走査するビーム
が、被走査面上に形成する走査線が湾曲してしまうとい
う問題があった。

【０００３】この問題を解決するために、特開昭６０−
２１０３１号公報のように、レーザ光源と回転多面鏡と
の間に超音波光偏向器を設ければ、ブラグ回折角を調整
することにより走査線湾曲を補正することができる。

【０００４】あるいは、特開平２−５４２１１号公報の
ように、発光部から被走査面までの間の光学系の横倍率
の絶対値を２以下とすることにより、走査線湾曲を少な
くすることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６０−２１０３１号公報の超音波光偏向器は、高価、複
雑かつ大型であり、駆動回路も複雑であるという問題点
を有する。

【０００６】また、特開平２−５４２１１号公報による
と、横倍率が２倍以下と極めて低いため、半導体レーザ
の光出力の大部分は、「けられ」により失われ、被走査
面まで到達するのはごく一部となり、光出力に関する光
学系の効率が非常に低い。そのため、半導体レーザの光
出力では不十分となり、実用的ではないという問題点を
有する。また、横倍率の縮小に比例して、走査線の湾曲
量を少なくするだけであり、走査線湾曲を完全に補正す
ることはできず、根本的に解決するものではない。

【０００７】そこで本発明はこのような問題点を解決す
るもので、走査線湾曲がなく光出力の利用効率が高い実
用的な光走査装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光走査装置は、
複数の発光部から複数の光ビームを発生する光源と、光
ビームを偏向する偏向器と、偏向器により偏向された光
ビームを被走査面上に結像する結像光学系とを有し、結
像光学系は第１結像レンズと第２結像レンズとにより構
成される光走査装置であって、第２結像レンズは、長手
方向中心から長手方向端部に向かって、被走査面から遠
ざかるように湾曲していることを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明の光走査装置は、上記の構
成に加え、以下のいずれかの構成をとることを特徴とす
る。

【００１０】１）第２結像レンズは、偏向器側の面が鞍
形トーリック面である。２）鞍形トーリック面の主走査断面は、非球面形状であ
る。３）第２結像レンズは、被走査面側の面が非円柱面であ
る。４）第２結像レンズは、主走査方向の屈折力が走査中心
で負、走査端で正である。５）第２結像レンズは、樹脂で形成されている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面に基づき本発明を詳細に
説明する。

【００１２】図１は本発明を実施する形態である光走査
装置を示したものである。まず最初に、光学系の光軸上
の任意の点において、その点での光軸と偏向器の回転軸
とに垂直な方向を主走査方向と定義し、また、光軸と主
走査方向とに垂直な方向を副走査方向と定義する。さら
に光軸を含み主走査方向に平行な面を主走査断面、光軸
を含み副走査方向に平行な面を副走査断面と定義する。

【００１３】光源である半導体レーザアレイ１より複数
のビームが射出される。射出されたビームは発散してい
るビームであり、コリメータレンズ２によって平行なビ
ームに変換される。平行なビームはアパーチャ３により
絞り込まれる。絞り込まれたビームは、副走査方向にの
み屈折力を有するシリンドリカルレンズ４により、副走
査方向にのみ集束作用を受ける。さらに、ビームは偏向
器である回転多面鏡５の反射面６の近傍で、副走査方向
において結像し、反射面６で反射され、なおかつ、回転
多面鏡５の回転に伴って偏向される。偏向されたビーム
は第１結像レンズ７、第２結像レンズ８で集束作用を受
け、被走査面９上に複数のビームスポットを形成する。

【００１４】次に、結像光学系の構成と機能について説
明する。図２（ａ）は結像光学系の主走査断面図、図２
（ｂ）は副走査断面図である。第１結像レンズ７は単レ
ンズであり、主走査方向に正の屈折力を有し、副走査方
向には屈折力を有さない。第２結像レンズ８も単レンズ
で、入射面、射出面ともに主走査断面は非球面形状とな
っており、主走査方向の屈折力は、走査中心で負、走査
端で正となっているが、それらの屈折力はいずれも弱
い。副走査方向には正の強い屈折力を有する。

【００１５】第２結像レンズ８の入射面は、主走査断面
の曲線を、回転軸１０を中心に回転させることにより形
成される面である。主走査断面は凹であり、回転軸１０
は第２結像レンズ８よりも被走査面９側にあるため、副
走査断面は凸となる。このような形状の面を、鞍形トー
リック面と称する。第２結像レンズ８の射出面は、主走
査断面が凸の非球面形状、副走査断面が直線であり、こ
のような形状の面を非円柱面と称する。

【００１６】ビーム１１は、主走査方向では反射面６上
で平行となっており、主に第１結像レンズ７の屈折力に
より被走査面９に結像する。一方、副走査方向では、ビ
ーム１１は反射面６上に結像しており、第２結像レンズ
８の屈折力により被走査面９に結像する。副走査方向に
おいては、反射面６と被走査面９とが光学的に共役関係
となっており、回転多面鏡５の反射面６の面倒れを補正
する機能を有している。

【００１７】第２結像レンズ８は、長手方向中心から長
手方向端部に向かって、被走査面９から遠ざかるように
湾曲している。そのため、反射面６と被走査面９との間
の副走査方向の光学倍率が、有効走査領域において均一
となり、複数の走査線が湾曲せずに直線となる。このこ
とについて次に説明する。

【００１８】まず、比較のために、従来の光走査装置に
おける結像光学系の主走査断面図を図３に示す。従来技
術の第２結像レンズ１０８の形状は直線状である。図３
には、光軸上を通過するビーム１１２と光軸外を通過す
るビーム１１３を示している。ビーム１１３は、第１結
像レンズ１０７の正の屈折力を受けて屈折されるが、主
走査方向の屈折力が小さい第２結像レンズ１０８ではほ
とんど屈折されない。光軸上のビーム１１２に沿って、
反射面１０６から第１結像レンズ１０７までの距離を
Ｄ、第１結像レンズ１０７から第２結像レンズ１０８ま
での距離をＥ、第２結像レンズ１０８から被走査面１０
９までの距離をＦとする。また、ビーム１１３に沿っ
て、反射面１０６から第１結像レンズ１０７までの距離
をｄ、第１結像レンズ１０７から第２結像レンズ１０８
までの距離をｅ、第２結像レンズ１０８から被走査面１
０９までの距離をｆとする。反射面１０６と被走査面１
０９との間では、第２結像レンズ１０８のみが副走査方
向の屈折力を有しているため、反射面１０６と被走査面
１０９との間の副走査方向の光学倍率は、それぞれのビ
ーム上における第２結像レンズ１０８の位置に依存す
る。すなわち、ビーム１１２に対する副走査方向の光学
倍率は、Ｆ／（Ｄ＋Ｅ）であり、ビーム１１３に対する
副走査方向の光学倍率は、ｆ／（ｄ＋ｅ）である。

【００１９】ここで、光軸外のビーム１１３は、第２結
像レンズ１０８でほとんど屈折されないため、Ｅとｅと
の比と、Ｆとｆとの比はほとんど同じである。ところ
が、第１結像レンズ１０７では、正の屈折力を受けて屈
折されるため、Ｄとｄの比はそれらよりも小さくなり、
光軸外での光学倍率ｆ／（ｄ＋ｅ）は、光軸上での光学
倍率Ｆ／（Ｄ＋Ｅ）よりも小さくなる。このことから、
副走査方向の光学倍率は、走査中心から走査端に向かっ
て小さくなることがわかる。このような副走査方向の光
学倍率の変動により、図４に示すように、複数のビーム
のうち、結像光学系の光軸を含む面を走査するビームに
より、被走査面１０９に形成される走査線１２２は、直
線となるが、走査中心を走査するときに、結像光学系の
光軸から副走査方向に離れた位置を通過するビーム、す
なわち、結像光学系の光軸から副走査方向にオフセット
した球欠面を走査するビームにより形成される走査線１
２３は湾曲してしまう。

【００２０】図５は本形態の結像光学系の主走査断面を
示した図である。第２結像レンズ８は、主走査方向の屈
折力が小さいため、主走査方向に屈折力を持たないレン
ズとして模式的に描いてある。図５には光軸上を通過す
るビーム１２と、光軸外を通過するビーム１３をも示し
ている。本形態では、第２結像レンズ８が、長手方向中
心から長手方向端部に向かって、被走査面９から遠ざか
るように湾曲している。そのため、光軸外のビーム１３
において、図３のような、第２結像レンズ１０８が湾曲
していない場合に比べて、第１結像レンズ７から第２結
像レンズ８までの距離ｅは短く、第２結像レンズ８から
被走査面９までの距離ｆは長くなり、副走査方向の光学
倍率ｆ／（ｄ＋ｅ）は大きくなる。このことを利用し
て、第２結像レンズ８の湾曲量を適当な値に設定すれ
ば、反射面６と被走査面９との間の副走査方向の光学倍
率を、有効走査領域において均一にすることができ、複
数の走査線すべてを直線にすることができる。

【００２１】結像光学系の収差補正の原理を、図２に基
づいて説明する。主走査方向の像面湾曲は主に第１結像
レンズ７で補正されている。ｆθ特性の補正は、第１結
像レンズ７では不充分である。そこで、第２結像レンズ
８の主走査方向の屈折力を、走査中心において負、走査
端において正とし、走査中心で走査速度を速く、走査端
で走査速度を遅くするようにして、第２結像レンズ８で
もｆθ特性を補正している。

【００２２】副走査方向の像面湾曲は、第２結像レンズ
８の入射面で補正している。先述したように、第２結像
レンズ８の入射面は、主走査断面の曲線を、回転軸１０
を中心に回転させることにより形成される鞍形トーリッ
ク面であり、第２結像レンズ８が湾曲しているため、副
走査方向の曲率半径は走査中心から走査端に向かって大
きくなっており、副走査方向の焦点距離は走査中心から
走査端に向かって長くなっている。一方、走査中心から
走査端に向かうにつれて、第２結像レンズ８に入射する
ビームは斜めに入射することになり、ビームが正面から
入射する場合に比べて、副走査方向の焦点距離は短くな
る。また、走査中心から走査端に向かうにつれて、ビー
ムと光軸とのなす角が大きくなり、ビームに沿った第２
結像レンズ８と被走査面９との距離は長くなる。本形態
では、第２結像レンズ８の入射面を鞍形トーリック面と
することにより、これらの三つの条件を互いに相殺し、
副走査方向の像面湾曲を補正することができる。また、
鞍形トーリック面の副走査方向の曲率半径は、主走査断
面形状に依存するため、本形態のように、鞍形トーリッ
ク面の主走査断面を非球面形状とすることにより、副走
査方向の曲率半径を有効走査領域で任意に設定すること
ができ、副走査方向の像面湾曲を特に良好に補正するこ
とができる。

【００２３】第２結像レンズ８の入射面で副走査方向の
像面湾曲が補正されるので、射出面の副走査方向の屈折
力は無くても構わない。そのため、本形態では、射出面
の副走査断面を直線としている。ただし、主走査方向で
は、ｆθ特性を補正するため、主走査断面形状は非球面
形状である。従って、射出面は非円柱面となっている。
ｆθ特性を補正するためには、面の屈折力によって走査
速度を変化させねばならず、本形態では、球面からの変
位を示す非球面変位量を、鞍形トーリック面に比べて非
円柱面でより大きくすることにより、良好なｆθ特性を
実現している。

【００２４】鞍形トーリック面は、曲線を回転軸１０を
中心に回転することにより形成される面であり、加工す
る際には、回転運動だけで加工することができるため、
製造が容易である。また、非円柱面は、副走査断面が直
線であるため、やはり加工および製造が容易である。

【００２５】ただし、第２結像レンズ８の面の構成は、
この限りではない。入射面や射出面を、球面、シリンド
リカル面、トーリック面で構成しても構わなく、また、
主走査方向と副走査方向の曲率半径がレンズの有効領域
で任意に変化するような非球面でも構わない。各収差が
補正されるようにそれらを組み合わせればよい。いずれ
にしても、第２結像レンズ８が、長手方向中心から長手
方向端部に向かって、被走査面９から遠ざかるように湾
曲していれば、副走査方向の光学倍率が有効走査領域に
おいて均一となり、複数の走査線が直線となる効果を有
する。

【００２６】本形態において、第２結像レンズ８は樹脂
で形成されている。非球面を有するレンズをガラスで製
造すると、コストが高くつくため実用的ではないが、樹
脂で成型すると容易に大量生産をすることができ、コス
トも低くすることができる。

【００２７】本形態では、第２結像レンズ８を湾曲させ
ることにより、副走査方向の光学倍率を均一にすること
と、副走査方向の像面湾曲を補正することとを行なって
いる。ただし、副走査方向の光学倍率を完全に均一にす
るための、第２結像レンズ８の湾曲量と、副走査方向の
像面湾曲を完全に補正するための、第２結像レンズ８の
湾曲量とは、必ずしも一致しない。それらが一致しない
場合には、走査線の位置ずれを重視するならば、光学倍
率を均一にするように湾曲量を決めればよく、また、ビ
ームスポットの形状や大きさの均一性を重視するなら
ば、像面湾曲を補正するように湾曲量を決めればよい。
なお、副走査方向の光学倍率を完全に均一にするため、
あるいは、副走査方向の像面湾曲を完全に補正するため
の、第２結像レンズ８の湾曲量は、第１結像レンズ７や
第２結像レンズ８の位置に依存する。

【００２８】なお、本形態では、偏向器が回転多面鏡で
ある場合について説明を行なってきたが、その他に、回
転単面鏡、回転２面鏡、あるいは、回転軸を中心に正弦
振動を行なうガルバノミラー等についても容易に実現可
能であり、同様の効果が得られる。

【００２９】また、本形態では、第１結像レンズが単レ
ンズである場合について記したが、複数枚のレンズで構
成しても、本発明の効果は同様に得られる。そのように
すれば、収差補正はさらに良好となる。

【００３０】以上述べたように、本発明はレーザビーム
プリンタに用いると特に有効であるが、デジタル複写
機、ファクシミリ、レーザ走査ディスプレイ等の画像形
成装置や、スキャナ等の画像入力装置、あるいは光学マ
ーク読み取り用レーザ走査装置、表面検査用レーザ走査
装置等にも適用することができる。

【００３１】

【実施例】本形態の代表的な実施例の光学諸元を表１に
示す。ただし、１走査の走査開始から走査終了までの回
転多面鏡の回転角を２ωとする。半導体レーザアレイの
発光点をＳ₁、コリメータレンズの入射面、射出面をそ
れぞれＳ₂、Ｓ₃、シリンドリカルレンズの入射面、射出
面をそれぞれＳ₄、Ｓ₅、回転多面鏡の反射面をＳ₆、第
１結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₇、Ｓ₈、第
２結像レンズの入射面、射出面をそれぞれＳ₉、Ｓ₁₀と
する。各光学諸元の記号については、第ｉ面Ｓ_iの曲率
半径をｒ_i、第ｉ面から次の面までの軸上面間隔をｄ_iと
し、コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ、第１結
像レンズ、第２結像レンズの屈折率をそれぞれｎ₂、
ｎ₄、ｎ₇、ｎ₉とする。また、アナモフィックなレンズ
面では、副走査方向、主走査方向の曲率半径をそれぞれ
ｒ_ix、ｒ_iyとし、非球面の曲率半径については、光軸上
の値を示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】第２結像レンズの主走査断面は非球面形状
であり、

【００３４】

【数１】

【００３５】で表わす。ただし、座標は、レンズ面が光
軸と交わる点を原点とし、光軸方向にｚ軸、主走査方向
にｙ軸をとっている。Ｋ_i、Ａ_iは非球面係数である。こ
れらの係数の値を表２に示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下のような効果を有する。

【００３８】まず、請求項１記載の発明によれば、第２
結像レンズを、長手方向中心から長手方向端部に向かっ
て、被走査面から遠ざかるように湾曲させることによ
り、実用的な構成で、副走査方向の光学倍率が有効走査
領域において均一となり、複数の走査線が全て直線とな
り、走査線の位置ずれが生じないという効果を有する。

【００３９】請求項２記載の発明によれば、第２結像レ
ンズの偏向器側の面を、鞍形トーリック面とすることに
より、副走査方向の像面湾曲が良好に補正されるという
効果を有する。また、回転運動のみでの加工が可能とな
るため、レンズの製造が容易となるという効果をも有す
る。

【００４０】請求項３記載の発明によれば、鞍形トーリ
ック面の主走査断面を、非球面形状とすることにより、
副走査方向の曲率半径を有効走査領域で任意に設定する
ことができ、副走査方向の像面湾曲がさらに良好に補正
されるという効果を有する。

【００４１】請求項４記載の発明によれば、第２結像レ
ンズの被走査面側の面を、非円柱面とすることにより、
ｆθ特性が良好に補正されるという効果を有する。ま
た、副走査断面が直線であるため、レンズの製造が容易
となるという効果をも有する。

【００４２】請求項５記載の発明によれば、第２結像レ
ンズの主走査方向の屈折力を、走査中心で負、走査端で
正とすることにより、ｆθ特性がさらに良好に補正され
るという効果を有する。

【００４３】請求項６記載の発明によれば、第２結像レ
ンズを、樹脂で形成することにより、加工が容易で大量
生産をすることができ、コストが低くなるという効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の斜視図。

【図２】本発明の実施の形態の結像光学系の断面図。

【図３】従来の光走査装置の結像光学系の主走査断面
図。

【図４】従来の光走査装置の走査線の湾曲を示す図。

【図５】本発明の実施の形態の結像光学系の主走査断面
図。

【符号の説明】

１半導体レーザアレイ２コリメータレンズ３アパーチャ４シリンドリカルレンズ５回転多面鏡６反射面７第１結像レンズ８第２結像レンズ９被走査面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 13/18 Ｂ４１Ｊ 3/00 Ｄ (72)発明者野村雄二郎長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の発光部から複数の光ビームを発生
する光源と、前記光ビームを偏向する偏向器と、前記偏
向器により偏向された前記光ビームを被走査面上に結像
する結像光学系とを有し、前記結像光学系は第１結像レ
ンズと第２結像レンズとにより構成される光走査装置で
あって、前記第２結像レンズは、長手方向中心から長手方向端部
に向かって、被走査面から遠ざかるように湾曲している
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】前記第２結像レンズは、前記偏向器側の
面が鞍形トーリック面であることを特徴とする請求項１
記載の光走査装置。
【請求項３】前記鞍形トーリック面の主走査断面は、
非球面形状であることを特徴とする請求項２記載の光走
査装置。
【請求項４】前記第２結像レンズは、前記被走査面側
の面が非円柱面であることを特徴とする請求項１乃至３
記載の光走査装置。
【請求項５】前記第２結像レンズは、主走査方向の屈
折力が走査中心で負、走査端で正であることを特徴とす
る請求項１乃至４記載の光走査装置。
【請求項６】前記第２結像レンズは、樹脂で形成され
ていることを特徴とする請求項１乃至５記載の光走査装
置。