JPS6299718A - ビ−ム走査系 - 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】 ム走査系に関するものである。

〔従来技術〕

レーザビームプリンタ等の電子ビーム走査装置において
は、ポリゴンミラー等の偏向器の偏向面のビラミダルエ
ラー及びスキャナ駆動機構に於ける回転軸の軸プレ誤差
（所謂“スキャナ動作時に於ける面倒れ誤差゛）による
走査面上の副走査方向におけるスポット位置形成誤差が
生ずる。そのためにポリゴンミラー等の面精度或はスキ
ャナ枢軸 動機構の回覧動作精度（傾き）を極めて良好なものにす
る必要がある。したがってポリゴンスキャナの製造は容
易でなく高価になり勝ちである。

一方上記スポット位置形成誤差を除去して低精度、安価
なスキャナ装置でも使用し得るようにしたものが知られ
ている。その手段として数多くの先行技術が知られてい
るが、その代表的なものとして特公昭５２−２８６６６
と特開昭５６−３６６２２が挙げられる。

前者は第５図のように光源１１よりのコヒーレントな光
ビームを変調装置１３にて変調し、ビームエキスパンダ
１４により最適なビーム径にした後に円筒形レンズ１５
により軸１２金中心に回転する回転鏡（回転多角体）１
６上に主走査方向に平行に直線状に結像する。更に円筒
しｙズ１７を通り結像レンズ１８により像面１９上にス
ポット像を形成するようにしたものである。このように
円筒レンズを用いることによって副走査方向結像位置エ
ラーを補正している。

又後者は第６図に示すように円筒レンズ１７の代りにト
ーリック面しンズ頷が用いられこのトーリック面レンズ
によりエラーを補正している。

このように従来例は、両者共にビーム偏向器の前後にシ
リンドリカル面をもつレンズ又はトーリック面をもつレ
ンズを配置して一旦ビーム偏向器の偏向面上又はその近
傍にレーザビームを主走査方向に平行な直線状の光源像
を結ばせてビーム偏向器と結像面とをほぼ光学的共軛関
係に配置することにより偏向面ビラミツダルエラーの影
響を除いている。

シリンドリカル面レンズ、トーリック面レンズは、その
性質上基本的に非点収差を生起させる。

特にレーザビームプリンタに用いられるｆ−θ光学系で
は、光軸を２軸にとるとＸ　−Ｚ載面或はＹ−２截面の
どちらか一方の載面内では上述したように一旦中間実像
を結ばせる必要があるためにその載面は他の載面に比べ
格段に強い屈折力を有する屈折面が存在することになる
。通常のｆ−θレンズではＸ−Ｚ、Ｙ−Ｚ両載面の屈折
力の比は１：３〜４に達する。

このことは、ｆ−θレンズ系では過大な非点収差が生起
し勝ちであることを意味している。

よく知られているようにレーザビームプリンタ光学系は
全走査範囲に亘って回折限界に近いはソ円形のスポット
像を結像すべき性能を要求する光学系であり、通常の球
面レンズ系をもってしても斯様な広範囲に亘る良質の結
像性能を得ることはレンズ設計上も製造上も決して容易
ではない。

このように、光学系に７リンドリカル系又はトーリック
系を用いた場合、過大な非点収差が導入付加されるので
あるから設計段階において既にレンズ構成枚数が増加し
コストアップ要因を抱えている。又仮台枚数の増加つま
構成る程度のコストアップが許容できるとしても尚上述
のような良質の結像性能を得ることは設計技術上困難で
ある。

更に製造段階においてもシリンドリカル面又はトーリッ
ク面は、球面におけるような研磨皿とワークとの間の共
磨りの原理が適用できない為に長波長に達するような面
形状精度を得ることが出来得る。この為シリンドリカル
面、トーリック面は製造品質にバラツキが出易く大幅な
製造コストの上昇を余儀なくされることが多い。即ち通
常、レーザビームプリンタに用いられるレンズでは、球
面レンズに比べ大略ソリンドリカルレンズは２倍〜４倍
又トーリックレンズは４倍〜６倍だけコスト高になると
されている。

〔発明が解決すべき問題点〕

本発明は、レーザビームプリンタなどの電子ビーム走査
装置に於て、ビーム偏向器の偏向面のビラミダルエラー
及びスキャナ駆動機構に於ける回転軸の軸プレ誤差によ
る走査面上の副走査方向におけるスポット位咥形成誤差
を非点収差を生起し製造の容易でないシリンドリカル面
やトーリック面等や高精度・高価なスキャナ駆動機構を
用いることなしに除去するようにした結像性能の優れた
製造コストの廉価なビーム走査系を供給することを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記問題点を解決するために、走査面上のビ
ームスポット位置を検出する光電変換素子からの出力情
報に従い光源を含めて光源からビーム偏向器に至る光学
系中に、ビーム偏向器の偏向面に関する製造誤差を相殺
するようにビーム偏内器に対するビームの入射方向を制
御するための制御手段を設けて走査面上のビームスポッ
ト位置誤差を除去するようにしたものである。

尚上記走査面上のビームスポット位置誤差には後述する
ように単に副走査方向（後述のＹ方向）に表われる位置
誤差だけでなく走査方向（Ｘ方向）又は任意の主副合成
方向の位置誤差も含まれる。

以後の説明を判り易くする為に座標系を所謂右手系によ
りＺ軸のプラス方向を走査光学系の光軸。

ビームの進行方向と一致させるものとする。

今ビーム偏向器の一例としてアルミニウム素材をシング
ルポイントダイアモンド旋盤所謂５ＰＤＴで高精度に切
削加工した多面（ポリゴン）境（ポリ、ボン角錐説を含
む）を装着したスキャナにとると、通常のコンピュータ
出力プリンタ或はワードプロセッサなど比較的大きな活
字を印字する程度の低速低精度のプリンタにおいても所
謂白抜けの目立たない等の満足すべき良好な印字品質を
得るにはスキャナ動作時のスキャナ駆動モータ回転軸の
首振り誤差も含む総合面倒れ精度θ、−１゜を大略知−
１≦１０“程度にしなければならない。

尚ｐ−ｐは上限ピークから下限ピークまでの角度誤差を
意味する。

更にコンピュータグラフィックビームプリンタの出力装
置に用いられるような高精度のプリンタは少くなくとも
θｐ−ｐ＜３“にしなければならないことが多く、３“
→０．５“に達するものもある。

以上はシリンドリカル系やトーリック系などの而倒れ補
正機能をもたない走査系での試算である。

日量数千〜数万個の量産規模で上記条件を満足し、経済
的生産を実現する為にはコスト上非常に難しく現在の技
術ではθ、−１ｏ≧加〃が限度とされている。

このθ　１ｏをθ　　；１′に緩和することが可能ｐ−
ｐ〜ｐ であれば上記コストの難点はほぼ完全に解消する。

本発明においては、光学系の主要部を球面系のみで構成
し次に示すような偏向器へのビームの入射方向を制御す
る制御手段を設けることによって上記難点を解消した。

この制御手段の一つは、走査面上のビームスポット位置
を検出する光電変換素子からの出力情報に従い光源を含
め光源から偏向器までに配置された各光学要素の相対的
位置関係を変えることである。例えば上記光電変換素子
からの出力情報つまり偏向器の偏向面の倒れの度合い（
ε）に応じて、コリメータレンズ又は光源を光軸に直角
な面内にてずらしくずらし量をΔ、光源コリメータの焦
点距離をｆ。とするとΔ−ｆ。ｔａｎ　２ε）又は傾斜
させることにより偏向器への入射方向を制御する。これ
によりビームスポット位置のずれを補正して正しい位置
にビームスポットを形成する。是様なコリメータ又は光
源の相対運動が例えば後述するように本発明の実施例の
場合のようなはソ３μ程度の微少な追随で済む場合、市
販の廉価な６００ヘルツ程度の追随応答性をもつ圧電ア
クチェータを動作部に用いて十分にその目的を達するこ
とが出来る。

他の制御手段は、走査面上のビームスポット位置を検出
する光電変換素子からの出力情報に従い、光源から偏向
器までの光学系中に光偏向手段を設置しこれによってビ
ームを偏向させて偏向器への入射方向を制御する。この
光偏向手段としては、ガルバノミラ−の偏向、音響光学
（Ａ１０　）素子による偏向、ピエゾスキャナーによる
偏向、成気光学効果１　ｖｏ偏向器）による偏向、熱光
学効果（Ｔ１０　）光偏向器による偏向等が考えられる
。

〔実施例〕

以下本発明の詳細な説明する。第１図はコリメータレン
ズを偏心させて制御する方式の光学系を示す図で、光源
１．コリメータレンズ２．ポリゴンミラー３．ｆ−〇レ
ンズ４．感光而５より構成される走査系である。ここで
ｆ−θレンズ４゜感光面５は発光部１．コリメータレン
ズ２．ポリゴンミラー３と同一面上に示しであるが実際
には紙面上にはない。この走査系において、周知の如く
光源１よりのビームはコリメータ２を通り偏向器３の偏
向面で反射されｆ−θレンズで感光面５の上に光源のス
ポット像を形成する。ここで偏向器３を回転させれば光
源スポット像は走査される。

今偏向面３ａにεだけ倒れがあると感光面上のスポット
位置がΔ’（ｆθレンズの焦点距離をｆとした時Δ’＝
　ｆｔａｎ２ε）だけずれるので、これを感光面上のト
リガー面での光電変換素子によるスポット位置信号によ
り検知しそれに応じてコリメータレンズ２を偏心（光軸
に直角な面内での移動）させ偏向器３への入射方向を制
御することによシスポット位置のずれを補正する。

第２図は、コリメータレンズに代えて光源を偏心させて
制御する方式の実施例である。即ち光源１を光軸に直角
な面内で移動させて補正する。尚この図に示す光学系で
は、リレー系Ｌ１．Ｌ２を配置し、偏向器３の偏向面３
ａの実像■１を一旦中間位置に形成し、その位置にコリ
メータレンズ２の偏向器側焦点位置Ｆがほぼ一致するよ
うにしてテレセンドリンク系にした構成であるが、リレ
ー系のない第１図の光学系にも適用できる。またリレー
系り、、Ｌ２を用いた光学系に第１図の実施例の方式を
採用してもよい。

第３図は、制御手段として光学系中に音響偏向素子６を
配置した実施例で、感光面上の光源のスポット位置の検
出信号に従ってこの音響偏向素子によりビームを偏向し
て補正を行なう。ここで音響偏向素子の代わりに眠気光
学効果を利用した偏向素子等を用いてもよい。

第４図は光学系中のコリメータレンズ２とリレー系３の
間にガルバノミラ−７を配置しこのガルバノミラ−７の
回動により補正する。

以上の実逓例のうち、第１図および第２図に関して具体
的計算例をもとに更に詳細に説明する。

光源１として発振波長が７８０ｎｍ、光源の非点隔差２
〜３μｍ、ピーク強度の５０％における全角放射特性が
θ工＝２９°、θ、、−１１°の諸元を有する半導体レ
ーザを用い、コリメータレンズとして不遊的条件がよく
満足された焦点距離ｆ　＝　７．１９６　ｔｒａｍ　、
　Ｆ／１．２の （波長７８０ｎｍの場合の値）の小型軽量し゛ンズを用
△ い、コリメータレンズより偏向器偏向反射面迄の距ｄ　
ｓ中２００ｍ、偏向器として相対する面間距離中６５．
０ＩＥ１ｍの８面ポリゴン境を用い、ｆ−θレンズは焦
点距離ｆ’＝　３６４．６　ｗ　、　Ｆ／６０．３（波
長７８０　ｎｍの場合）で、ビーム走査角ω１＝±２７
．８°の場合である。

第１図又は第２図に示す光学系で、各光学要素等が上記
の諸元を有する走査系に於てポリゴン反射面が副走査方
向で下向きに１′（従ってビーム偏向角は下向きに２′
）の動作時総合面倒れエラーをもつ場合を考える。光線
追跡計算により厳密にビーム光線の行動を算出すると、
走査角００の時の走査面上に形成されるスポットの副走
査方向位置誤差ΔＹ′はΔＹ’　＝　＋　０．１８４■
に達するがこの時の波面収差（オプティカルパスディフ
ァレンス）の悪化は、高々０．５％以内に納まっている
。

これをコリメータレンズ（又は光源）のＹ方向の偏心（
／フト偏心）ΔＹで修正する場合ΔＹ＝＋　０．００３
６ｍつまり光軸に対しコリメータレンズを上向きに３．
６μｍ偏心させればよい。そしてこの場合の波面収差の
悪化は、面倒れエラーが全くない場合、つまりＯ′の場
合に比べ高々５％を越えない。

このように偏向器の偏向面の倒れが１′程度あってもス
ポット位置のずれは補正し得る。

この第１図又は第２図における具体的計算例はコリメー
タレンズ又は光源を光軸に直角な面上でのシフト（ΔＸ
、ΔＹ　）によって行なったが、ティルト（Δα、Δβ
）によっても可能であることは勿論である。

又第３図、第４図の実施例のように音響光学素子等によ
るビームの偏向やガルバノミラ−によるビームの偏向に
よっても同様の効果が得られることは容易に類推し得る
。

又、ビーム走査装置には、ｆ−θレンズ等のレーザービ
ームプリンタ本体光学系に対するビーム偏向器のセツテ
ィング誤差、ｆ−θ光学系の像面彎曲等が存在し得る。

本発明の走査系で用いられている補正手段を適用した場
合、−走査線の描き始めと描き終りでｆ−θレンズの焦
点距離に比例する大きさをもつ面倒れに起因する副走査
方向への極く僅かなスポット像位置形成誤差を生ずる。

これは例えば前述の数値例の場合には、補正量が最も大
きい時で走査の始めが約−２０μ、終シが逆方向に約＋
３０μの倒れとなる。したがってこの数値例の場合の様
な、スポットサイズ約９０μφ以下の性能をもつ高性能
且変速なレーザビームプリンタに適用した時には、画面
周辺部分にて描画品質が僅かに低下することが考えられ
る。しかし一方例えばファクシミリやワードプロセッサ
等の中級機等で用いられる比較的低速の普及型レーザビ
ームプリンタに適用する場合はｆ−θレンズの焦点距離
も中１３０　ｍ〜１６０■であり、従って、上記−走萱
線の描き始めと描き終りにおける副走査方向へのスポッ
ト像位置形成誤差は、上記例よりはソ半減し、一方印字
許容スポットサイズは中１２０μφ　位まで緩和される
のが、′　普通であるから十分な印字品質が得られる。

本発明のビーム走査系で走査面上のスポット位置検出装
置においてピント誤差も構出出来るようにしておけば上
記の偏向器のセツティング誤差等の誤差も補正出来る。

即ち第１図又は第２図の実施例における光源又はコリメ
ータレンズを光軸（２軸）方向の運動制御を可能ならし
める機構を設ければよい。

〔発明の効果〕

本発明のビーム走査系は、走査面上のビームスポット位
置を検出する検出器の出力信号に従って偏向器へ入射す
るビームの方向を偏向器の偏向面に関する装置誤差を相
殺するように制御するための制御することによって、製
作が難かしく非点収差の発生をまねくシリンドリカル面
レンズ、トーリック面レンズを使用せずにビームスポッ
ト位置誤差を補正し得る。したがって比較的安いコスト
の偏向器の使用が可能でビーム走査装置のコストを大幅
に減少し得る。又制御手段としては光源から偏向器まで
の光学系中の光学要素を偏心させるか他の偏向器による
ビームの偏向によるので非常に簡単な構成でよい。更に
偏向器のセツティング誤差の補正、ｆ−θ光学系の像面
彎曲による影響の補正等も本発明の制御手段に他の機能
を付加するだけで可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明各実施例の構成を示す図、第
５図、第６図は夫々従来のビーム走査系の構成を示す図
である。 １・・・光源、２・・・コリメータレンズ、３・・・偏
向器、４・・・ｆ−θレンズ、５・・・感光面。 ６・・・音響光学素子、７・・・カルバノミラー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源よりの光を光偏向器を用い走査面上を走査す
   るビーム走査装置に於て、走査面上のビームスポット位
   置を検出する検出器の出力信号に従い前記偏向器へ入射
   するビームの方向を偏向器の偏向面に関する装置誤差を
   相殺するように制御するための制御手段を光源より偏向
   器までの光学系中に備えたもので、前記制御手段が前記
   光学系中の光源を含んだ光学要素の位置関係を変化させ
   ることによるものであるビーム走査系。
2. （２）光源よりの光を光偏向器を用い走査面上を走査す
   るビーム走査装置に於て、走査面上のビームスポット位
   置を検出する検出器の出力信号に従い前記偏向器へ入射
   するビームの方向を偏向器の偏向面に関する装置誤差を
   相殺するように制御するための制御手段を光源より偏向
   器までの光学系中に備えたもので、前記制御手段が前記
   光学系中に配置された他の光偏向器であるビーム走査系
   。