(57)【要約】【課題】小型で高性能な走査光学系、これを備えた画像読取装置及び画像形成装置を提供する。【解決手段】光源から出射されるビームを被走査面上にスポットとして結像し走査する走査光学系であって、光源からのビームを反射して偏向することにより主走査する共振型偏向器と、光源からのビームを、共振型偏向器近傍で主走査方向に延びた線状に結像する第１結像光学系と、共振型偏光器近傍に主走査方向に延びた線状に結像されたビームを、被走査面上にスポットとして再び結像させる第２結像光学系とを備え、第２結像光学系は前記反射面の角度に対応させたアークサインレンズ系から構成され、アークサインレンズ系は、共振型偏向器側から順に、正メニスカス形状の第１レンズ素子と、負メニスカス形状の第２レンズ素子とから構成される。【選択図】図１
2010014768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射されるビームを被走査面上にスポットとして結像し走査する走査光学系であって、
前記光源からのビームを、所定の周期で角度変化する反射面により反射及び偏向することで主走査する偏向器と、
前記偏光器からのビームを前記被走査面上にスポットとして再び結像させる第２結像光学系とを備え、
前記第１結像光学系は、前記光源からの発散性のビームをコリメートするコリメート手段を含み、
前記第２結像光学系は、前記反射面の角度変化に対応させたアークサインレンズ系から構成される、走査光学系。
【請求項２】
光源から出射されるビームを被走査面上にスポットとして結像し走査する走査光学系であって、
前記光源からのビームを、所定の周期で角度変化する反射面により反射及び偏向することで主走査する偏向器と、
前記偏光器からのビームを前記被走査面上にスポットとして再び結像させる第２結像光学系とを備え、
前記第１結像光学系は、前記光源からの発散性のビームをコリメートするコリメート手段と、前記コリメート手段からのビームを前記偏向器の前記反射面近傍で主走査方向に延びた線状に結像させる結像手段とを含み、
前記第２結像光学系は、前記反射面の角度変化に対応させたアークサインレンズ系から構成される、走査光学系。
【請求項３】
前記アークサインレンズ系は、反射面側から順に、少なくとも主走査方向に関して正のパワーを有する第１レンズ素子と、少なくとも主走査方向に関して負のパワーを有する第２レンズ素子とから構成される、請求項１から請求項２のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項４】
前記第１レンズ素子は、主走査方向に関して前記被走査面側に凸面を向けた正メニスカス形状である、請求項３に記載の走査光学系。
【請求項５】
前記第２レンズ素子は、主走査方向に関して前記被走査面側に凸面を向けた負メニスカス形状である、請求項３に記載の走査光学系。
【請求項６】
前記反射面は正弦波的に回動することにより角度変化を成すことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項７】
前記反射面は正弦波的に往復回動し、往復回動において書き込みを行うことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項８】
前記反射面の形状を略平面とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項９】
前記反射面の主走査面内における正弦振動の振幅角度をω、前記反射面の有効書き込み幅に対応する回転角度をθとするとき、
０．２９＜  θ／ω  ＜０．７２      （１）
の条件式を満足する、請求項１から請求項８のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項１０】
前記反射面の主走査面内における正弦振動の振幅角度をω、前記反射面の有効書き込み幅に対応する回転角度をθとするとき、
０．３５＜  θ／ω  ＜０．５２      （２）
の条件式を満足する、請求項１から請求項８のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項１１】
前記第２結像光学系における副走査方向の倍率をｍとしたとき、
０．５＜  ｍ  ＜３．５            （３）
の条件式を満足する、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項１２】
前記第２結像光学系における副走査方向の倍率をｍとしたとき、
０．７＜  ｍ  ＜３．０            （４）
の条件式を満足する、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項１３】
画像信号に基づいて画像を形成する画像形成装置であって、
入力される画像信号に基づいて出射すべきビームが制御される光源と、
前記光源から出射されるビームに基づいて静電潜像担持体に静電潜像を形成する露光光学系と、
前記露光光学系により形成された前記静電潜像を、現像する現像手段とを備え、
前記露光光学系は、前記走査光学系からなることを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項１４】
２次元画像を読取り、電気的な画像信号を形成する画像読取装置であって、
入力される画像信号に基づいて出射すべきビームが制御される光源と、
前記光源から出射されるビームにより読取るべき２次元画像を照明する読取り光学系と、
読取り光学系により照明された前記２次元画像からの戻りビームを検出する検出器とを備え、
前記読取り光学系は、前記走査光学系からなることを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の画像読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームを走査する走査光学系に関し、特定的には、レーザープリンタ、レーザーファクシミリ、デジタル複写機等の画像形成装置の露光光学系やスキャナ等の読取光学系に用いられる走査光学系に関する。また、本発明は、走査光学系を備える画像形成装置及び画像読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査光学系は、主として光束を走査することにより画像の読み込みや書込みを行う装置に組み込まれている。走査光学系は、特にレーザープリンタ、レーザーファクシミリ、デジタル複写機等の画像形成装置において、画像を形成するための露光光学系に用いられている。また、走査光学系は、スキャナ等の画像読取装置の読取光学系としても使用される。
【０００３】
上記のような画像形成装置に用いられる従来の走査光学系は、半導体レーザーと、ポリゴンミラーと、走査レンズとを含んでいる。近年、画像形成装置や画像読取装置の高解像化、高速化が進展してきたため、一走査毎のスポット径ばらつきを小さく、かつ走査レンズによりアークサイン特性とし、かつ走査速度の速い光学系が要求されている。このため走査光学系において、光学性能確保と高速化の両立が大きな課題となってきているが、一般的にはポリゴンミラーを用いた走査光学系では両者の両立に限界がある。したがって、高いレベルで両者の両立を目的とした技術として、高速化に対応した共振型偏向器とアークサインレンズを組み合わせた走査光学系が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１は、走査レンズが２枚から構成されるレーザー走査装置を開示している。特許文献１に記載されたレーザー走査装置では、入射光を主走査断面内で収束光にし、走査レンズのコストを上げることなく、装置を小型化する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−２２７０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されたレーザー走査装置は、走査レンズが強い負パワーのレンズからなるため、レンズの偏肉度合いが大きく成形が困難となる要因となっていた。
【０００６】
本発明の目的は、２枚の走査レンズにより、走査毎のスポット径ばらつきを抑え、かつアークサイン特性を保ち、走査レンズの偏肉度合いを極力抑えた走査光学系を提供することである。
【０００７】
また、本発明の別の目的は、これらの走査光学系を備える画像読取装置及び画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、以下の走査光学系により達成される。光源から出射されるビームを被走査面上にスポットとして結像し走査する走査光学系であって、光源からのビームを反射面により反射して偏向することにより主走査する共振型偏向器と、光源からのビームを、前記反射面近傍で主走査方向に延びた線状に結像する第１結像光学系と、前記反射面近傍に主走査方向に延びた線状に結像されたビームを、被走査面上にスポットとして再び結像させる第２結像光学系とを備え、前記第１結像光学系は、前記光源からの発散性のビームをコリメートするコリメート手段と、前記コリメート手段からのビームを前記反射面近傍で主走査方向に延びた線状に結像させる結像手段とを含むとき、前記第２結像光学系は前記反射面の角度に対応させたアークサインレンズ系から構成され、前記アークサインレンズ系は、前記反射面側から順に、少なくとも主走査方向に関して正のパワーを有する第１レンズ素子と、少なくとも主走査方向に関して負のパワーを有する第２レンズ素子とから構成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高い光学性能を確保しつつ、偏肉度合いが小さく成形し易い走査レンズとなるので、高品質で安価な走査光学系を提供することができる。また、本発明によれば、高い光学性能を確保しつつ、高品質で安価な走査光学系を備える画像読取装置及び画像形成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る走査光学系の構成図である。走査光学系は、コリメートレンズ２と、シリンドリカルレンズ３と、共振型偏向ミラー４と、走査レンズ６（第１走査レンズを６ａ、第２走査レンズを６ｂとする）とを備える。走査光学系は、コリメートレンズ２とシリンドリカルレンズ３とにより第１結像光学系を構成し、走査レンズ６により第２結像光学系を構成する。第１結像光学系及び第２結像光学系は、いずれも主走査方向及び主走査方向に直交する副走査方向にそれぞれ異なる光学的パワーを持つアナモフィック光学系である。なお、図１は、共振型偏向ミラー４による主走査を行う主走査面及び走査光学系の光軸を含む平面と紙面とが平行になるように記載されている。
【００１１】
コリメートレンズ２は、光源である半導体レーザー１から出射された発散性のレーザービームを略平行性のレーザービームに変換する。
【００１２】
シリンドリカルレンズ３は、副走査方向にのみ光学的パワーを備え光源側に形成されたシリンドリカル面と、共振型偏向ミラー側の平面とを持つ。シリンドリカルレンズ３は、コリメートレンズ２から出射された略平行性のレーザービームの副走査方向にのみ作用し、共振型偏向ミラー４の反射面（平面形状）の近傍で主走査方向に延びた線状に集光する。
【００１３】
共振型偏向ミラー４は、回転軸５を中心に正弦振動することにより入射したレーザービームを偏向する。さらに、共振型偏向ミラー４は、共振型偏向ミラー４へ入射するレーザービームの光軸と、反射面により反射されたレーザービームの主走査方向の走査中心とが所定の有限角度をなすように配置される。
【００１４】
走査レンズ６は、共振型偏向ミラー４の反射面で反射することにより偏向走査されたレーザービームを被走査面７上に結像する。走査レンズ６は、被走査面７上でのレーザービームの像面湾曲及びリニアリティを補正する。
【００１５】
また、第１走査レンズ６ａは、主走査方向に関して正のパワーを有しており、主走査方向にのみ光学的パワーを備えたシリンドリカル面を共振型偏向ミラー側及び被走査面側の両側に持つ。さらに、第１走査レンズ６ａは、主走査方向に関して被走査面側に凸面を向けた正メニスカス形状である。
【００１６】
また、第２走査レンズ６ｂは、主走査方向及び副走査方向に互いに異なる光学的パワーを備えたアナモフィック面を共振型偏向ミラー側及び被走査面側の両方に持つ。さらに、第２走査レンズ６ｂは、主走査方向に関して被走査面側に凸面を向けた負メニスカス形状である。
【００１７】
図２は、実施の形態１に係る走査光学系の第２結像光学系の副走査方向の断面図である。走査光学系の第２結像光学系は、図２に示すように、副走査断面において、共振型偏向ミラー４の反射面と被走査面７とが光学的に共役な関係にある。この共役関係により、共振型偏向ミラー４の反射面が回転軸５に対してティルトしていても、走査レンズ６が形成する被走査面上での副走査方向の結像位置が変化しない。さらに、共振型偏向ミラー４の反射面における必要な面積を小さくすることができる。
【００１８】
以上の構成において、半導体レーザー１から出射された発散性のレーザービームは、コリメートレンズ２に入射し、略平行性のレーザービームに変換される。レーザービームは、その後、シリンドリカルレンズ３により共振型偏向ミラー４の反射面近傍において、主走査方向に延びた線状に結像される。その後、レーザービームは、副走査方向については発散性のレーザービームとして走査レンズ６に入射し、主走査方向については走査レンズ６により走査され、スポットとして結像される。
【００１９】
また、実施の形態１において、走査レンズ６ｂのアナモフィック面は、自由曲面であることが望ましく、特に、副走査方向の曲率中心を結んだ線が湾曲した非円弧になるような自由曲面であることが望ましい。走査レンズをこのように構成することにより、アークサイン特性と像面湾曲とを良好に補正することが可能である。
【００２０】
また、実施の形態１において、走査レンズ６のアナモフィック面は、面形状に奇数次項を導入することが望ましい。奇数次項を導入することにより、副走査面内の曲率中心を結んだ曲線が光軸に関して非対称であり、非対称に生じる副走査方向像面湾曲を高度に補正することができる。
【００２１】
次に、実施の形態１に係る走査光学系が満足すべき数値的な条件を説明する。以下の説明する各条件は、すべてを同時に満足することが望ましいが、これに限られない。各条件式は、個々の条件のみを満足することによって対応する効果を得ることが可能である。
【００２２】
実施の形態１に係る走査光学系は、反射面の主走査面内における正弦振動の振幅角度をω、反射面の有効書き込み幅に対応する回転角度をθとするとき、
０．２９＜  θ／ω  ＜０．７２      （１）
の条件式を満足することが好ましい。
【００２３】
条件式（１）を満足することにより、被走査面上での光学特性をバランス良く保った構成とすることができる。すなわち、条件式（１）の下限を超えると、反射面における正弦振動の振幅角度に対する使用割合が小さくなり、走査レンズの焦点距離が長くなるので、被走査面上においてスポット径を小さくするのが困難となり高画質な出力画像が得られない。また、条件式（１）の上限を超えると、共振型偏向ミラーにおける正弦振動の影響が大きくなり、被走査面上においてリニアリティを補正するのが困難となる。
【００２４】
なお、条件式（１）は、以下の範囲を設定することにより、上記の効果をより顕著に奏功させることが可能である。
【００２５】
０．３５＜  θ／ω  ＜０．５２      （２）
実施の形態１に係る走査光学系は、第２結像光学系における副走査方向の倍率をｍとしたとき、
０．５＜  ｍ  ＜３．５      （３）
の条件式を満足することが好ましい。
【００２６】
条件式（３）を満足することにより、走査レンズや共振型偏向ミラーの振動により、被走査面上で発生するジッター量をバランス良く抑えた構成とすることができる。すなわち、条件式（３）の下限を超えると、共振型偏向ミラーに起因するジッター発生量が大きくなるため、被走査面上において副走査方向における走査線間のピッチムラが発生し、均質な画像が得られない。また、条件式（３）の上限を超えると、レンズの振動に起因するジッター発生量が大きくなるため、被走査面上において副走査方向における走査線間のピッチムラが発生し、均質な画像が得られない。
【００２７】
なお、条件式（３）は、以下の範囲を設定することにより、上記の効果をより顕著に奏功させることが可能である。
【００２８】
０．７＜  ｍ  ＜３．０      （４）
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る画像読取装置に適用された走査光学系の光学構成図である。実施の形態２に係る画像読取装置は、実施の形態１で説明した走査光学系を画像読取光学系として搭載している。なお、図３において、実施の形態２に係る画像読取装置の走査光学系は、実施の形態１に係る走査光学系と概略構成が等しいので、相違点のみを説明する。なお、図３において、同じ符号が付された構成は、実施の形態１で説明した構成と同一であることを示している。
【００２９】
実施の形態２に係る画像読取装置に適用された走査光学系は、実施の形態１に係る走査光学系に加えて、ハーフミラー１１と、検出器１２と、検出光学系１３とを備えている。ハーフミラー１１は、半導体レーザー１からのレーザービームを透過させ、読取るべき２次元画像である読取り面１０を照明するとともに、読取り面１０からの戻り光を検出光学系１３に向けて反射する。検出光学系１３は、ハーフミラーで反射された検出器１２に戻り光を導く。実施の形態２の画像読取装置は、実施の形態１に係る走査光学系を用いているので、高品位の画像を読み取ることができる。
【００３０】
（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る画像形成装置の構成を示す断面図である。この画像形成装置は、外部から入力されるデータ信号に基づいて、モノクロ画像を形成するプリンター装置である。実施の形態３に係る画像形成装置は、実施の形態１に係る走査光学系を露光光学系２１として搭載している。
【００３１】
実施の形態３に係る画像形成装置は、公知の電子写真プリンターであり、一次帯電器２０と、露光光学系２１と、現像器２２と、転写帯電器２３と、クリーナー２４と、定着装置２５と、給紙カセット２６と、感光ドラム２７（静電潜像担持体）とを含む。露光光学系２１によって、静電潜像が形成され印字情報が静電潜像として感光ドラム２７上に書き込まれる。感光ドラム２７は、光が照射されると電荷が変化する感光体が表面を覆っている。一次帯電器２０によって、感光ドラム２７の表面に静電気イオンが付着し帯電する。帯電した感光ドラム２７は、現像器２２によって、印字部に帯電トナーが付着して現像される。感光ドラム２７に付着したトナーは、転写帯電器２３によって、給紙カセット２６から供給された用紙に転写される。転写されたトナーは、定着装置２５によって、用紙に定着される。残ったトナーは、クリーナー２４によって除去される。
【００３２】
実施の形態３の画像形成装置は、実施の形態１に係る走査光学系を用いているので、高品位の画像を形成することができる。
【００３３】
なお、上記各実施の形態において、レーザービームの偏向は共振型偏向ミラーにより行われていたが、これに限られず例えば、ガルバノミラーやＭＥＭＳ等でもよい。すなわち、共振型偏向ミラーの換わりに、入射するビームを偏向する反射面を持つ偏向器として機能する構成を用いることができる。
【００３４】
なお、レーザービームの波長は、特に限定されるものではなく、赤外域、可視の赤色域、可視の青色域などあらゆる波長のビームを用いてよい。
【実施例】
【００３５】
以下、上述した実施の形態１に係る走査光学系について、具体的な数値実施例を示す。実施例１は、図１乃至図２に示した実施の形態１を具体化した数値例である。
【００３６】
走査レンズのレンズ面の形状に関して、面の頂点を原点とする副走査方向座標をｘ（ｍｍ）、主走査方向座標をｙ（ｍｍ）とし、頂点からのサグ量ｚ（ｍｍ）を入射ビームの向かう方向を正として、以下の式により定義する。
【００３７】
【数１】
2010014768.tif 000003
【００３８】
【数２】
2010014768.tif 000004
【００３９】
【数３】
2010014768.tif 000005
【００４０】
ただし、Ｐ（ｙ）は光軸を含む主走査面内の形状、ＲＤｙ（ｍｍ）は主走査面内の曲率半径、Ｋは主走査方向に寄与する円錐定数、ＡＤ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧは主走査方向に寄与する偶数次定数、ＡＯＤ、ＡＯＥ、ＡＯＦ、ＡＯＧは奇数次定数、ＲＤｘは各ｙ座標における副走査面内の曲率半径を表す関数であり、ＲＤｓ（ｍｍ）は中心の副走査面内の曲率半径、ＢＣ、ＢＤ、ＢＥ、ＢＦ、及びＢＧは偶数次定数で、ＢＯＣ、ＢＯＤ、ＢＯＥ、ＢＯＦ、及びＢＯＧは奇数次定数である。
【００４１】
また、実施例１において、反射鏡の形状は平面である。さらに、各表において、Ｓｉは面番号、ＲＤｙｉは主走査面内の曲率半径、ＲＤｓｉは副走査方向断面の曲率半径、ｄｉは軸上面間隔、ｎｉは光学材料の屈折率をそれぞれ表している。設計波長は、７８０ｎｍであり、ＲＤｙｉ、ＲＤｓｉ、ｄｉの単位は（ｍｍ）で、ω、θの単位は（ｄｅｇ）である。なお、Ｓ０は共振型偏向ミラーの反射面に対応する。また、表３中、ωは共振型偏向ミラーの振幅角、θは共振型偏向ミラーの有効書き込み幅に対応する回転角、ｍは第２結像光学系における副走査方向の倍率、をそれぞれ表している。
【００４２】
（実施例１）
実施例１の具体的数値について、第２結像光学系に関するパラメータを表１、走査レンズの形状に関するパラメータを表２に示す。
【００４３】
【表１】
2010014768.tif 000006
【００４４】
【表２】
2010014768.tif 000007
【００４５】
図５、図６は、実施例１の被走査面における収差図である。各図において、縦軸は被走査面における偏向角度に対応する走査幅を表す。図５は、被走査面におけるアークサイン特性を表し、アークサイン特性が圧縮されている側を負とし、伸張されている側を正としている。図６は、被走査面における主走査方向の像面湾曲を表し、理想像面位置より前側に結像位置がある場合を正とし、理想像面位置より後側に結像位置がある場合を負としている。
【００４６】
なお、実施例において用いたレンズ形状を表す式の表現形式は一例であり、同様の形状を表すことができれば他の式の表現形式を用いてもよい。
【００４７】
（実施例２）
実施例２は、図７乃至図８に示した実施の形態１を具体化した数値例である。
【００４８】
実施例２の具体的数値について、第２結像光学系に関するパラメータを表３、走査レンズの形状に関するパラメータを表４に示す。
【００４９】
【表３】
2010014768.tif 000008
【００５０】
【表４】
2010014768.tif 000009
【００５１】
図９、図１０は、実施例２の被走査面における収差図である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、レーザープリンタ、レーザーファクシミリ、デジタル複写機等の画像形成装置や、画像スキャナや複写機等の画像読取装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施の形態１に係る走査光学系の構成図
【図２】実施の形態１に係る走査光学系の第２結像光学系の副走査方向の断面図
【図３】実施の形態２に係る画像読取装置に適用された走査光学系の光学構成図
【図４】実施の形態３に係る画像形成装置の構成を示す断面図
【図５】実施例１の被走査面におけるリニアリティ特性を表す収差図
【図６】実施例１の被走査面における像面湾曲を表す収差図
【図７】実施の形態１の別の例に係る走査光学系の構成図
【図８】実施の形態１の別の例に係る走査光学系の第２結像光学系の副走査方向の断面図
【図９】実施例２の被走査面におけるリニアリティ特性を表す収差図
【図１０】実施例２の被走査面における像面湾曲を表す収差図
【符号の説明】
【００５４】
１  半導体レーザー
２  コリメートレンズ
３  シリンドリカルレンズ
４  共振型偏向ミラー
５  回転軸
６  走査レンズ
６ａ  第１走査レンズ
６ｂ  第２走査レンズ
７  被走査面
１０  読取り面
１１  ハーフミラー
１２  検出器
１３  検出光学系
２０  一次帯電器
２１  露光光学系  
２２  現像器
２３  転写帯電器
２４  クリーナー
２５  定着装置
２６  給紙カセット
２７  感光ドラム
【図１】
2010014768.tif 000010
【図２】
2010014768.tif 000011
【図３】
2010014768.tif 000012
【図４】
2010014768.tif 000013
【図５】
2010014768.tif 000014
【図６】
2010014768.tif 000015
【図７】
2010014768.tif 000016
【図８】
2010014768.tif 000017
【図９】
2010014768.tif 000018
【図１０】
2010014768.tif 000019