JPH09243943A

JPH09243943A - レーザビーム走査光学装置

Info

Publication number: JPH09243943A
Application number: JP8056373A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Inagaki; 義弘稲垣; Nobuo Kanai; 伸夫金井; Jun Kosaka; 純向坂; Kenji Takeshita; 健司竹下; Keiji Oe; 啓司小江; Hidenari Tatebe; 秀成立部
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1997-09-19
Also published as: US5808775A

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザビーム走査光学装置において、温度変
化に対して良好な描画性能を維持すること、及び描画性
能を損なうことなくポリゴンミラーの面倒れを補正し、
かつ、小型化を達成すること。【解決手段】レーザ光源ユニット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４、ｆ
θ機能を有する走査レンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３を備えたレ
ーザビーム走査光学装置。コリメータレンズ２は２焦点
レンズであり、レーザビームの一部を感光体面の前方に
集光させ、他の一部を感光体面の後方に集光させる。ま
た、シリンドリカルレンズ３を２焦点レンズとしてもよ
い。この場合は、副走査倍率を小さくしてもシリンドリ
カルレンズの焦点距離を短くできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム走査
光学装置、特に、レーザプリンタやデジタル複写機に感
光体への潜像描画手段として組み込まれるレーザビーム
走査光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザビーム走査光学装置は、
レーザダイオードから発せられたレーザビームを単焦点
コリメータレンズで収束すると共に副走査方向にのみパ
ワーを有するシリンドリカルレンズで偏向器の反射面上
に集光し、さらに偏向器で等角速度に偏向されたレーザ
ビームを走査レンズを介して感光体上に走査するように
構成されている。

【０００３】ところで、この種の光学装置では、温度変
化に伴うレーザ発光波長の変化、レンズ間間隔の変化、
走査レンズの焦点距離の変化等に起因してビームウエス
ト位置が変動し、描画性能が低下するという問題点を生
じている。そこで、従来では、コリメータレンズを光軸
方向に移動させたり、各種の変動要素を互いに相殺させ
たり、感光体上でのビーム径の変動量を抑えていた。

【０００４】一方、偏向器の前段に設けたシリンドリカ
ルレンズは、偏向器の各反射面の面倒れに起因する１走
査ラインごとのピッチむらを補正する機能を有してい
る。従来では正負２枚のシリンドリカルレンズを設け、
シリンドリカルレンズと偏向器との間隔を小さくし、光
学装置の小型化を図っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のレー
ザビーム走査光学装置では、前記種々の対策を講じては
いるが温度変化によるレーザビームのビーム径の変動
（集光位置ずれ）が必ずしも許容値に収まらず、所定の
描画性能を達成できないという問題点が残されている。
特に、近年では、画質向上のために高解像度が要求さ
れ、像面（感光体）上でのビーム径が小さくなり、焦点
深度が浅くなっているため、温度変化によるディフォー
カスは顕著な問題点となっている。

【０００６】また、偏向器の面倒れ補正に関しては、正
負２枚のシリンドリカルレンズを用いると、ビーム径が
細くなり過ぎ、かつ、焦点深度が浅くなり、調整が困難
になる。これを解決するために、シリンドリカルレンズ
の直前にスリットを配置することが考えられるが、レー
ザビームがスリットを通過することで光量を損失し、サ
ブピークが発生する不具合を生じる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、温度変化に伴う
レーザビームのディフォーカスを有効に補正し、良好な
描画性能を維持できるレーザビーム走査光学装置を提供
することにある。さらに、本発明の他の目的は、偏向器
の面倒れを補正して小型化を達成できると同時にビーム
径の細りや光量損失等を解決できるレーザビーム走査光
学装置を提供することにある。

【０００８】

【発明の要旨及び効果】以上の目的を達成するため、本
発明に係るレーザビーム走査光学装置は、レーザ光源
と、このレーザ光源から発せられたレーザビームを偏向
する偏向器と、この偏向器で偏向されたレーザビームを
記録媒体上に走査する走査光学素子と、前記レーザ光源
と前記偏向器との間に設置された多重焦点レンズとを備
え、多重焦点レンズの屈折力は、前記走査光学素子の屈
折力と協働して、レーザビームの一部を前記記録媒体の
前方に集光させ、他の一部を記録媒体の後方に集光させ
るように設定されている。

【０００９】多重焦点レンズを主走査方向及び副走査方
向共に屈折力を有するように設定することにより、温度
変化に伴って記録媒体上での集光位置が変動した場合、
一方の集光位置が記録媒体から遠ざかっても他方の集光
位置が近づくことになる。これによって記録媒体上での
ビーム径が略同一に維持され、描画性能が低下すること
はない。

【００１０】また、多重焦点レンズを副走査方向にのみ
屈折力を有するように設定することにより、副走査倍率
を小さくしても該多重焦点レンズの焦点距離を短くで
き、しかもビーム径は細くならない。従って、該多重焦
点レンズによって偏向器の面倒れを効果的に補正すると
共に光学装置の小型化が達成でき、かつ、ビーム径の細
りが解消する。そして、ビーム径の細りがないため、ス
リットを配置する必要がなく、スリットによる光量損失
やサブピークの発生もなくなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザビーム
走査光学装置の実施形態について添付図面を参照して説
明する。

【００１２】［第１実施形態］図１において、第１実施
形態としてのレーザビーム走査光学装置は、レーザダイ
オードを内蔵した光源ユニット１と、コリメータレンズ
２と、シリンドリカルレンズ３と、ポリゴンミラー４
と、走査レンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３と、平面ミラー８とで
構成されている。

【００１３】レーザダイオードは図示しないドライバ回
路によって印字データに基づいて変調制御され、所定波
長のレーザビームを放射する。コリメータレンズ２はレ
ーザダイオードから放射された発散レーザビームを略平
行光に収束するもので、その詳細は後述する。シリンド
リカルレンズ３は副走査方向にのみパワーを有し、レー
ザビームをポリゴンミラー４の反射面上に主走査方向と
平行な線状に集光する。

【００１４】ポリゴンミラー４は、周囲に複数の反射面
を有し、回転軸４ａを中心として矢印ａ方向に一定速度
で回転駆動される。レーザビームはポリゴンミラー４の
回転に基づいて各反射面で等角速度に偏向され、走査レ
ンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３を透過し、かつ、ミラー８で反射
されて感光体ドラム９上に集光され、感光体ドラム９上
を矢印ｂ方向に走査する。走査レンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３
は、基本的には、ポリゴンミラー４で等角速度で偏向さ
れたレーザビームの主走査速度を等速に補正する機能、
即ち、歪曲収差を補正する機能を有している。

【００１５】感光体ドラム９は矢印ｃ方向に一定速度で
回転駆動され、ポリゴンミラー４及び走査レンズＧ１，
Ｇ２，Ｇ３による矢印ｂ方向への主走査とドラム９の矢
印ｃ方向への副走査によってドラム９上に画像（静電潜
像）が形成される。

【００１６】図２は光源ユニット１とコリメータレンズ
２を示す。コリメータレンズ２は中央部分と周辺部分と
で異なる焦点距離を有する２焦点レンズである。光源ユ
ニット１から放射されたレーザビームのうち、コリメー
タレンズ２の中央部分に入射したレーザビームは若干広
がった発散光Ｌａとされ、周辺部分に入射したレーザビ
ームは若干狭くなった収束光Ｌｂとされる。

【００１７】なお、コリメータレンズとは、光線を平行
にすることが本来の意味である。本第１実施形態で使用
しているコリメータレンズ２はレーザビームを平行にし
ているものではないが、従来例との対比において便宜上
コリメータレンズの語を当てている。以下に説明する第
２実施形態で使用しているコリメータレンズ２は本来の
機能を有している。

【００１８】図３は感光体ドラム９上でのレーザビーム
の集光状態を示す。前記発散光Ｌａは感光体面の後方に
集光し、前記収束光Ｌｂは感光体面の前方に集光する。
この種の光学系では温度変化に伴って集光位置（系全体
の焦点距離）が変動することが知られている。図４は焦
点距離が長くなった場合の集光状態を示し、発散光Ｌａ
は感光体面上でビームウエストが大径化しているが、収
束光Ｌｂはビームウエストがより小径化している。ま
た、図５は焦点距離が短くなった場合の集光状態を示
し、収束光Ｌｂは感光体面上でビームウエストが大径化
してるが、発散光Ｌａはビームウエストがより小型化し
ている。

【００１９】即ち、コリメータレンズ２を２焦点レンズ
とすることによって温度変化に伴って光学系全体の焦点
距離が変動したとしても、いずれかの光束の集光性が強
まり、感光体面上でのビームウエストの大径化を抑える
ことができる。

【００２０】なお、前述の説明では、コリメータレンズ
２の中央部分を周辺部分よりも屈折率が大きいものとし
て説明したが、逆の設定でも同様の効果を得ることがで
きる。あるいは、異方性結晶を用いて偏向方向によって
屈折率を異なるようにしてもよい。また、２焦点以上の
多重焦点としてもよい。

【００２１】以下、本第１実施形態におけるコンストラ
クションについて具体的数値を挙げて説明する。以下の
表１、表２は基本的なコンストラクションデータをポリ
ゴンミラーの前後に分けて示す。表３はポリゴンミラー
データ、表４はシリンドリカルレンズのシリンダ面のデ
ータ、式１は走査レンズＧ３の拡張トーリック面の定義
式である。さらに、表５は拡張トーリック面の非球面係
数のデータを示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】

【数１】

【００２７】

【表５】

【００２８】コリメータレンズの第２面の複合非球面
は、以下のように定義される。ｘ＝ｍａｘ｛（非球面１），（非球面２＋ｂ）｝……実
施例１，２の場合ｘ＝ｍｉｎ｛（非球面１），（非球面２＋ｂ）｝……実
施例３の場合但し、非球面１，２は次式２で表される軸対称非球面で
ある。式２において、第２項はデビエーションを定義し
ている。

【００２９】

【数２】

【００３０】次に、前記複合非球面の形状、即ち、オフ
セット値ｂの値を異ならせた実施例１，２，３について
表６，７，８に示す。

【００３１】

【表６】

【００３２】

【表７】

【００３３】

【表８】

【００３４】次に、以下のコンストラクションデータに
基づいてコンピュータによってシミュレートした結果を
説明する。図６、図９、図１２はそれぞれ実施例１，
２，３においてディフォーカスによるビーム径の変化を
示す。これらの図で明らかなように、実施例１，２，３
では従来例よりも焦点深度が深くなっている。なお、ビ
ーム径とは、１ドット分のビームの主走査方向の半値幅
を意味する。

【００３５】図７、図１０、図１３はそれぞれ実施例
１，２，３におけるコリメータレンズの複合非球面の形
状、即ち、基準球面からのデビエーション量を示してい
る。これらの複合非球面は光軸に近い領域では非球面１
に近似し、光軸から離れた領域では非球面２に近似して
いる。

【００３６】図８、図１１、図１４はそれぞれ実施例
１，２，３において、ＣＯＩ（主走査方向中央点）での
球面収差を示す。レーザ光が非球面１又は非球面２のい
ずれを透過するかで球面収差が大きく異なるため、収差
特性は不連続である。また、特性を示す各断片は略直線
になっている。また、非球面１及び非球面２の区間は、
一方が正の範囲、他方が負の範囲に位置している。但
し、光軸を含む区間の方が“０”に近くなっている。

【００３７】図１５〜図１８は前記複合非球面のオフセ
ット値ｂを変化させることによって非球面１，２の境界
位置を変化させ、ディフォーカスによるビーム径の変化
を示す。凡例中の数値が光軸からの境界位置距離を示し
ている。“３．７５”は全域が非球面１であり、“０”
は全域が非球面２である。これらの中間値が複合非球面
となっている。

【００３８】図１５、図１６は非球面１，２の焦点間隔
が約１５ｍｍであるときの特性を示す。実施例２，３が
これに該当する（図１１、図１４参照）。特に、図１５
は、光軸付近でマイナス側に、周辺部分でプラス側に集
光する複合球面の場合である。実施例２がこれに該当す
る（図１０、図１１参照）。境界位置が“２．８０”の
場合について、発光点と第１面の間隔を微調整したもの
が実施例２である。図１５のグラフでは、発光点と第１
面の間隔を固定しているため、境界位置を変化させたと
きにビームウエストがどのように変化するかを判別でき
る。ビーム径がある値以下にある領域の中心を「深度中
心」と称すると、複合非球面での深度中心は、非球面１
及び非球面２のみのそれぞれの深度中心の間に存在す
る。そして、境界位置がプラス側に移動すると、深度中
心はマイナス側に移動する。また、境界位置がレンズの
周辺よりも光軸に近いとき（ここでは０〜１．８７５の
とき）、焦点深度の改善効果があまり期待できない。

【００３９】図１６は前記図１５とは逆の場合で、光軸
付近でプラス側に、周辺部分でマイナス側に集光する複
合非球面の場合である。実施例３がこれに該当する（図
１３、図１４参照）。境界位置が“２．１５”の場合に
ついて、発光点と第１面の間隔を微調整したものが実施
例３である。図１６においても前記図１５の場合と、Ｘ
軸の正負が逆であることを除いて、同様の特性を備えて
いる。

【００４０】図１７，図１８は非球面１，２の焦点間隔
が約１０ｍｍであるときの特性を示す。この場合には、
焦点深度の改善効果がほとんど期待できない。その理由
は、焦点間隔が小さすぎると考えられる。以上の考察に
より、複合非球面を用いて焦点深度を深くするための条
件式は以下のとおりである。

【００４１】１／２≦Ｃ／Ｒ＜１ｄ＞２ｅＣ：非球面１，２の境界位置Ｒ：光線通過範囲の半径ｄ：非球面１，２の焦点間隔ｅ：複合非球面でないとき、光ビームがウエスト径×
１．１以下である範囲の幅（図１９参照）

【００４２】［第２実施形態］次に、第２実施形態とし
てのレーザビーム走査光学装置について説明する。この
第２実施形態は図１に示した第１実施形態と基本的には
同じ構成を有する。異なる点は、コリメータレンズ２に
代えてシリンドリカルレンズ３を２焦点レンズとした点
にある。シリンドリカルレンズ３は副走査方向にのみパ
ワーを有するレンズであり、副走査方向中央部と周辺部
分で異なる焦点距離を有している。

【００４３】ここで、シリンドリカルレンズを単焦点と
してディフォーカスとビーム径との関係について考察す
る。両者の関係は次式（３）で与えられる。

【００４４】

【数３】

【００４５】ビームウエスト径Ｄ₀を１／ｅ²で５５μｍ
と設定したとき、１０％の焦点深度は±１．１５ｍｍと
なる。像面上のビーム径は次式で与えられる。Ｗ＝β・４λｆ_cy／πｄＷ：像面上のビーム径 β：副走査倍率ｆ_cy：シリンドリカルレンズの焦点距離ｄ：シリンドリカルレンズへの入射幅

【００４６】前記式から明らかなように、ビーム径Ｗを
一定とし、副走査倍率βを小さくすると、シリンドリカ
ルレンズの焦点距離ｆ_cyは副走査倍率βに反比例して長
くなる。具体的には、ｆ_cy＝１０１．２ｍｍ、β＝２、
ｄ＝３．６５ｍｍ、λ＝７８０ｎｍとすると、像面上で
のビーム径Ｗは約５５μｍになる。ここで、ポリゴンミ
ラーの面倒れ補正を効果的に行うため、副走査倍率βを
半分にすると、ビーム径Ｗが２７．５μｍに絞られる。
しかし、ビーム径Ｗが２７．５μｍにおける１０％の焦
点深度は約±０．３５ｍｍとなり、実用化は非常に困難
になる。

【００４７】従って、従来ではシリンドリカルレンズの
焦点距離ｆ_cyを長く設定する方法を採用していた。即
ち、副走査倍率βを半分にすればシリンドリカルレンズ
の焦点距離ｆ_cyを２倍に設定していた。しかし、焦点距
離ｆ_cyを長くすると、光学装置自体が大型化し、シリン
ドリカルレンズや走査レンズの微小な誤差が拡大され、
調整が極めて困難である。

【００４８】そこで、本第２実施形態では、シリンドリ
カルレンズ３を２焦点レンズとした。このシリンドリカ
ルレンズ３は、図２０に示すように、入射幅ｄを境とし
て、曲率半径ＣＲ₁の中央部分３ａと曲率半径ＣＲ₂の周
辺部分３ｂとで構成した。ｄ及びＣＲ₁，ＣＲ₂は任意に
設定可能であり、凸レンズではなく、凹レンズあるいは
凸凹の組み合わせであってもよい。また、前記コリメー
タレンズ２で説明したように、異方性結晶を用いたり、
２以上の多重焦点としてもよい。

【００４９】以下、具体的数値を挙げて説明すると、当
初、単焦点のシリンドリカルレンズの焦点距離ｆ_cyが２
５２ｍｍで、副走査倍率βが０．７５、入射幅ｄが３．
６５のとき、像面上でのビーム径Ｗは約５０μｍで、焦
点深度は約±１．１５ｍｍとなる。これに対して、中央
部分３ａの曲率半径ＣＲ₁を６０ｍｍ（その焦点距離は
１１７．３）とすると、周辺部分３ｂの曲率半径ＣＲ₂
は以下の表９に示すように設定すればよい。表９では入
射幅ｄ、焦点深度も示す。

【００５０】

【表９】

【００５１】曲率半径ＣＲ₁，ＣＲ₂の関係は、１．０３＜ＣＲ₂／ＣＲ₁＜１．２の範囲が好ましい。

【００５２】［他の実施形態］なお、本発明に係るレー
ザビーム走査光学装置は前記実施形態に限定するもので
はなく、その要旨の範囲内で種々に変更可能である。例
えば、ｆθ光学レンズの構成は任意であり、ｆθミラー
を組み込んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態であるレーザビーム走査
光学装置を示す斜視図。

【図２】光源ユニットとコリメータレンズを示す拡大立
面図。

【図３】感光体面上でのレーザビームの集光状態を示す
説明図。

【図４】図３において、集光位置が後方に変動した状態
を示す説明図。

【図５】図３において、集光位置が前方に変動した状態
を示す説明図。

【図６】実施例１におけるディフォーカス量とビーム径
の関係を示すグラフ。

【図７】実施例１における複合非球面の形状を示すグラ
フ。

【図８】実施例１における球面収差を示すグラフ。

【図９】実施例２におけるディフォーカス量とビーム径
の関係を示すグラフ。

【図１０】実施例２における複合非球面の形状を示すグ
ラフ。

【図１１】実施例２における球面収差を示すグラフ。

【図１２】実施例３におけるディフォーカス量とビーム
径の関係を示すグラフ。

【図１３】実施例３における複合非球面の形状を示すグ
ラフ。

【図１４】実施例３における球面収差を示すグラフ。

【図１５】ディフォーカス量とビーム径との関係を非球
面１，２の境界位置に対応して示すグラフ、焦点間隔が
１５ｍｍ（中が凸）の場合である。

【図１６】ディフォーカス量とビーム径との関係を非球
面１，２の境界位置に対応して示すグラフ、焦点間隔が
１５ｍｍ（中が凹）の場合である。

【図１７】ディフォーカス量とビーム径との関係を非球
面１，２の境界位置に対応して示すグラフ、焦点間隔が
１０ｍｍ（中が凸）の場合である。

【図１８】ディフォーカス量とビーム径との関係を非球
面１，２の境界位置に対応して示すグラフ、焦点間隔が
１０ｍｍ（中が凹）の場合である。

【図１９】ビームウエスト径の説明図。

【図２０】本発明の第２実施形態におけるシリンドリカ
ルレンズを示す立面図。

【符号の説明】

１…光源ユニット２…コリメータレンズ３…シリンドリカルレンズ４…ポリゴンミラーＧ１，Ｇ２，Ｇ３…走査レンズ８…ミラー９…感光体ドラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者向坂純大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者竹下健司大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者小江啓司大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者立部秀成大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源と、前記レーザ光源から発せられたレーザビームを偏向する
偏向器と、前記偏向器で偏向されたレーザビームを記録媒体上に走
査する走査光学素子と、前記レーザ光源と前記偏向器との間に設置された多重焦
点レンズと、を備え、前記多重焦点レンズの屈折力は、前記走査光学素子の屈
折力と協働して、レーザビームの一部を前記記録媒体の
前方に集光させ、他の一部を記録媒体の後方に集光させ
るように設定されていること、を特徴とするレーザビーム走査光学装置。
【請求項２】前記多重焦点レンズは、主走査方向及び
副走査方向共に屈折力を有することを特徴とする請求項
１記載のレーザビーム走査光学装置。
【請求項３】前記多重焦点レンズは、副走査方向にの
み屈折力を有することを特徴とする請求項１記載のレー
ザビーム走査光学装置。
【請求項４】前記多重焦点レンズから射出されるレー
ザビームは、一部が発散光であり、他の一部が収束光で
あることを特徴とする請求項１記載のレーザビーム走査
光学装置。