(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏向器により偏向された光束を所定の走査面上に結像するとともに該走査面上で等速度走査せしめるための光走査装置用集光光学系であって、
前記偏向器側に凹面を有し、プラスチック材料により形成され、両面が光軸について回転対称な非球面である単レンズからなる第１レンズと、
主走査断面形状が前記走査面側に凸面を有するガラス材料により形成された平凸レンズからなる第２レンズとからなり、
全系の焦点距離をｆ[mm]、前記偏向器による偏向点から第１レンズまでの軸上面間隔をｄ0 [mm]、第１レンズから第２レンズまでの軸上面間隔をｄ2 [mm]、前記第１レンズの焦点距離をｆ1 [mm]としたとき、下記式（１）、（２）および（５）を満たし、かつ、前記第１レンズの両面の前記非球面のそれぞれについて、該非球面の形状を表す式（６）における４次非球面係数をａ1 、６次非球面係数をａ2としたとき、該両面の非球面のいずれにおいても、下記式（３）および（４）を満たすことを特徴とする光走査装置用集光光学系。
0.1 ｆ≦ｄ0 ≦0.3 ｆ      （１）
0.02ｆ≦ｄ2 ≦0.2 ｆ      （２）
-1.0×102 ／ｆ3 ≦ａ1 ≦-1.0／ｆ3       （３）
5.0×10／ｆ5 ≦ａ2 ≦ 5.0×103 ／ｆ5       （４）
-0.3／ｆ≦１／ｆ1 ≦ 0.3／ｆ      （５）
ｚ＝ｃｈ2 ／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ2 ｈ2 ｝1/2 ］
＋ａ1 ｈ4 ＋ａ2 ｈ6 ＋ａ3 ｈ8 ＋ａ4 ｈ10      （６）
但し、ｚ；光軸からの高さｈの非球面上の点より、非球面頂点の接平面
（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ
ｈ；光軸からの高さ
ｃ；非球面頂点での曲率
Ｋ；円錐定数
ａ1 〜ａ4 ；第４次、第６次、第８次、第10次の各非球面係数
【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等の光束を偏向して所定の面上に走査せしめる光走査装置に使用される集光光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ポリゴンミラー等の回転多面鏡やガルバノ式スキャナ等の偏向器によって反射偏向される光ビームにより光走査を行う光走査装置がよく知られている。
【０００３】
この種の光走査装置はレーザービームプリンタ等に用いられているが、その主な構成は、レーザービーム等を出射する光源と、この光源から出射された光束を反射偏向する偏向器と、反射偏向された光束を所定の走査面上で結像せしめるとともに偏向器による偏向角と結像された像の像高とが比例するように形成された集光光学系とからなる。
【０００４】
したがって、この集光光学系には優れた収差特性、ｆθ性が求められている。
【０００５】
しかしこの要求性能を単に高くしても、集光光学系のコストが高騰し、また光学系が大きくなるため実用性に欠けたものとなってしまう虞がある。
【０００６】
そこで、この集光光学系のコストの高騰を防止し優れた収差特性を得るものとして、例えば特公平７−６０２２１号ではプラスチックレンズ１枚で走査レンズを構成している。このプラスチックレンズはその両面が非球面形状に形成されている。
【０００７】
そしてこの光学系は、小型でありながら高性能な収差特性を得るものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記のようなプラスチックレンズはガラスレンズと異なり、その材料の種類が少なく、また屈折率もガラスに比べて一般には小さい。このため特公平７−６０２２１号では、より強いパワー（屈折力）を与えるためにレンズの曲率を小さくしている。
【０００９】
しかし、このようにレンズの曲率を小さくするとレンズの中央部と周辺部とでその肉厚の比（偏肉比）の増大を招来し、加工精度の低下、加工時間の増加を引き起こし好ましくない。
【００１０】
またプラスチック材料は一般にガラス材料に比べて環境変化を起こしやすく、特に温度、湿度の影響を受けやすい。そしてこのような性質のプラスチック材料をレンズとして使用した場合には、温湿度の変化によって焦点距離が変化し、屈折力が大きいもの程、影響が大きくなる。
【００１１】
本願発明は上記事情に鑑みなされたものであって、環境変化に対して影響を受けにくく、かつ加工適性に優れた、高性能な収差特性、ｆθ性を有する光走査装置用集光光学系を提供することを目的とするものである。
【００１２】
本発明の光走査装置用集光光学系は、ポリゴンミラー等の偏向器により偏向されたレーザービーム等の光束を所定の走査面上に結像するとともにこの走査面上で等速度走査せしめるための光走査装置用集光光学系であって、偏向器側に凹面を有する、プラスチック材料により形成された両面非球面単レンズからなる第１レンズと、その主走査断面形状が走査面側に凸面を有するガラス材料により形成された平凸レンズからなる第２レンズとからなり、全系の焦点距離をｆ[mm]、前記偏向器による偏向点から第１レンズまでの軸上面間隔をｄ0 [mm]、第１レンズから第２レンズまでの軸上面間隔をｄ2 [mm]、前記第１レンズの焦点距離をｆ1 [mm]としたとき、下記式（１）、（２）および（５）を満たし、かつ、前記第１レンズの両面の非球面のそれぞれについて、該非球面の形状を表す式（６）における４次非球面係数をａ1 、６次非球面係数をａ2としたとき、該両面の非球面のいずれにおいても、下記式（３）および（４）を満たすことを特徴とするものである。
【００１３】
0003585636.tif 000002
但し、ｚ；光軸からの高さｈの非球面上の点より、非球面頂点の接平面  （光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ
ｈ；光軸からの高さ
ｃ；非球面頂点での曲率（光軸上における曲率半径Ｒの逆数）
Ｋ；円錐定数
ａ１  〜ａ４  ；第４次、第６次、第８次、第１０次の各非球面係数
ここで主走査断面とは、偏向された光の軌跡によって形成される面による断面をいう。
【００１４】
なお第１レンズは、加工の容易性を確保するために、その光軸について回転対称であることが望ましい。
【００１５】
ここで、上記指標値ｄ０  が式（１）の下限値を下回ると像面湾曲が負の方向に大きくなり（補正不足）、上限値を上回ると正の方向に大きくなる（補正過剰）とともに光軸方向の装置の長さが増大して光走査装置の大型化を招来し好ましくない。
【００１６】
式（２）において指標値ｄ２  が下限値を下回ると式（１）において指標値ｄ０  が下限値を下回る場合と同様の効果となり、また式（２）において指標値ｄ２  が上限値を上回ると式（１）において指標値ｄ０  が上限値を上回る場合と同様の効果となる。
【００１７】
式（３）において指標値ａ１  が下限値を下回ると像面湾曲、ｆθ性ともに正の方向への発生が大きくなり補正困難となる。また式（３）において指標値ａ１  が上限値を上回ると像面湾曲、ｆθ性ともに負の方向への発生が大きくなり補正困難となる。
【００１８】
式（４）において指標値ａ２  が下限値を下回ると式（３）において指標値ａ１  が下限値を下回る場合と同様の効果となり、また式（４）において指標値ａ２  が上限値を上回ると式（３）において指標値ａ１  が上限値を上回る場合と同様の効果となる。
【００１９】
式（５）はプラスチックレンズの温度変化による性能劣化を抑止する条件であり、指標値（１／ｆ１  ）が上限値、下限値のいずれかを超えると走査面上での焦点の位置ずれが大きくなって好ましくない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の光走査装置用集光光学系は、プラスチックレンズ（第１レンズ）とガラスレンズ（第２レンズ）とを組み合わせた構成としたことにより、プラスチックレンズのパワー（屈折力）を小さくすることができ、その結果、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズの加工適性を向上させることができる。
【００２１】
さらにこのプラスチックレンズのパワーを抑制したことは、プラスチックレンズで特に問題となる環境変化の影響を受けにくくなり、したがって例えば周囲の温度変化や湿度変化によって焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００２２】
また、偏向点から第１レンズまでの軸上面間隔、および第１レンズと第２レンズとの間の軸上面間隔を一定の範囲に制限したことにより本発明の光学系のサイズをコンパクトに維持するとともに、非球面係数の範囲を限定し、プラスチックレンズのパワーを抑制したことと相俟って、高性能な収差特性、ｆθ性を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光走査装置用の集光光学系の具体的な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の集光光学系の第１の実施の形態を使用した光走査装置の概略構成を示す主走査断面図である。
【００２５】
図示の光走査装置は、レーザビームを出射するレーザ光源１１と、このレーザビームを光偏向器であるポリゴンミラー１３の反射面上に線像として結像せしめる、入射面が凸のシリンドリカルレンズ１２と、図示しないモータにより軸回りに回転せしめられて反射面に入射したレーザビームを本実施形態の集光光学系の方向に偏向せしめるポリゴンミラー１３と、この偏向されたレーザビームを所定の走査面上に結像するとともにこの走査面上で等速度走査せしめる集光光学系とからなる構成である。
【００２６】
ここでこの光走査装置に使用される集光光学系は、ポリゴンミラー１３側に凹面を有するプラスチック材料により形成された両面が共に非球面の単レンズである第１レンズＬ１と、図示する主走査断面形状が走査面側に凸面を有するガラス材料により形成された平凸レンズである第２レンズＬ２とからなる構成である。
【００２７】
そしてこの集光光学系は、その全系の焦点距離をｆ[mm]、ポリゴンミラー13による偏向点から第１レンズＬ１までの軸上面間隔をｄ0 [mm]、第１レンズＬ１から第２レンズＬ２までの軸上面間隔をｄ2 [mm]、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ1 [mm]としたとき、下記式（１）、（２）および（５）を満たし、かつ、第１レンズＬ１の両面の非球面のそれぞれについて、その非球面の形状を表す式（６）における４次非球面係数をａ1 、６次非球面係数をａ2としたとき、それら両面の非球面のいずれにおいても、下記式（３）および（４）を満たすものとなっている。
【００２８】
0003585636.tif 000003
但し、ｚ；光軸からの高さｈの非球面上の点より、非球面頂点の接平面  （光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ
ｈ；光軸からの高さ
ｃ；非球面頂点での曲率
Ｋ；円錐定数
ａ１  〜ａ４  ；第４次、第６次、第８次、第１０次の各非球面係数
なお、式（３），（４）で規定する４次非球面係数ａ１  、６次非球面係数ａ２  はいずれも、第１レンズＬ１のポリゴンミラー１３側の面（入射面）と第２レンズＬ２側の面（出射面）とで同一である必要はなく、それぞれ互いに異なる値に設定することができる。
【００２９】
ここで、本実施形態の集光光学系の具体的な、第１レンズＬ１の各レンズ面および第２レンズＬ２の各レンズ面の曲率半径Ｒ［ｍｍ］と、偏向点から第１レンズＬ１までの光軸上における空気間隔、第１レンズＬ１の中心厚、第１レンズＬ１から第２レンズＬ２までの光軸上における空気間隔、第２レンズＬ２の中心厚および第２レンズＬ２から走査面までの光軸上の空気間隔（これら総称して軸上面間隔という；以下、同じ）ｄ［ｍｍ］と、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２の屈折率（ｄ線；以下、同じ）とを表１に示す。
【００３０】
なお、表中の曲率半径Ｒ、軸上面間隔ｄにそれぞれ付された添字は偏向点側から順次増加するように設定され、図１に記載されたものに対応している。
【００３１】
また曲率半径Ｒの数値の符号は偏向点側に凸の場合を正、走査面側に凸の場合を負とする。
【００３２】
さらにまた、曲率半径Ｒの数値の後に「＊」印の付されたものは、その面が非球面（前述の式（６）で示す）であることを意味するとともに、その数値は光軸上（非球面の頂点）での曲率半径を示している。
【００３３】
一方、屈折率は、軸上面間隔ｄ１に対応する欄に記載されたｎ１  が第１レンズＬ１の屈折率、軸上面間隔ｄ３に対応する欄に記載されたｎ２  が第２レンズＬ２の屈折率を示す。
【００３４】
【表１】
0003585636.tif 000004
【００３５】
なお、上記表１および図１に示した第１の実施形態の集光光学系は式（５）の指標値（１／ｆ１  ）の値が上限値に近い形態のものである。
【００３６】
次に本実施形態の集光光学系の作用について説明する。
【００３７】
レーザ光源１１からレーザビームが出射され、このレーザビームはシリンドリカルレンズ１２によりポリゴンミラー１３の反射面上に線像として結像せしめられる。
【００３８】
ポリゴンミラー１３の反射面により反射せしめられたレーザビームは、第１レンズＬ１および第２レンズＬ２を通過して屈折により走査面上に集光されてこの走査面上で走査スポットを形成する。ポリゴンミラー１３は軸回りに矢印Ｒ方向に高速回転されるため、この走査スポットは走査面上を矢印Ｘ方向に繰り返し主走査する。
【００３９】
なお、この間に走査面上に感材等を配置して図１の紙面に垂直な方向にこの感材を等速度で副走査すれば、走査スポットがその感材等を２次元的に走査することができる。
【００４０】
図２（Ａ）・（Ｂ）に本実施形態の集光光学系による像面湾曲図およびｆθ特性図をそれぞれ示す。
【００４１】
図示のグラフによれば本実施形態の光学系は良好に収差補正がなされており、またｆθ性も良好であることが認められる。
【００４２】
このように本実施形態の集光光学系は、プラスチックレンズとガラスレンズとを組み合わせた構成とし、プラスチックレンズのパワーを式（５）に示す一定の範囲に抑制したため、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズ自体の加工適性も従来のものに比べて向上させることができるとともに、周囲の温度変化等の環境変化でレーザービームの焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００４３】
さらに、軸上面間隔を式（３），（４）の範囲に抑制したことにより光軸方向の大きさをコンパクトに維持し、光走査装置が大型化するのを防止することができる。
【００４４】
以下表２〜表８および図３〜９に、本発明の集光光学系の第２から第８の実施の形態をそれぞれ示す。図３〜９の各（Ａ）図は各実施形態の集光光学系の主走査断面による構成図、各（Ｂ）図は像面湾曲、各（Ｃ）図はｆθ特性をそれぞれ示す。
【００４５】
これらの集光光学系の基本的な構成は前述の第１の実施の形態と同様に、ポリゴンミラー１３側に凹面を有するプラスチック材料により形成された両面が非球面の単レンズである第１レンズＬ１と、主走査断面形状が走査面側に凸面を有するガラス材料により形成された平凸レンズである第２レンズＬ２とからなる構成であって、前述の式（１）から（５）の全ての条件を満たすものである。
【００４６】
表２から表４および図３（Ａ）から図５（Ａ）に示した第２から第４の実施形態の集光光学系は、ガラスレンズである第２レンズＬ２の屈折率を種々変化させた態様のものである。
【００４７】
【表２】
0003585636.tif 000005
【００４８】
【表３】
0003585636.tif 000006
【００４９】
【表４】
0003585636.tif 000007
【００５０】
各図（Ｂ）、（Ｃ）のグラフによれば各実施形態の光学系は良好に収差補正がなされており、またｆθ性も良好であることが認められる。
【００５１】
そしてこれら第２から第４の実施形態の集光光学系は、プラスチックレンズとガラスレンズとを組み合わせた構成とし、プラスチックレンズのパワーを式（５）に示す一定の範囲に抑制したため、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズ自体の加工適性も従来のものに比べて向上させることができるとともに、周囲の温度変化等の環境変化でレーザービームの焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００５２】
さらに、軸上面間隔を式（３），（４）の範囲に抑制したことにより光軸方向の大きさをコンパクトに維持し、光走査装置が大型化するのを防止することができる。
【００５３】
表５および図６（Ａ）に示す第５の実施形態の集光光学系は、指標値ｄ０  を式（１）の略下限、指標値ａ１  を式（３）の略下限、指標値ａ２  を式（４）の略上限とした態様のものである。
【００５４】
【表５】
0003585636.tif 000008
【００５５】
図６（Ｂ）、（Ｃ）のグラフによれば本実施形態の光学系は良好に収差補正がなされており、またｆθ性も良好であることが認められる。
【００５６】
そしてこの第５の実施形態の集光光学系は、プラスチックレンズとガラスレンズとを組み合わせた構成とし、プラスチックレンズのパワーを式（５）に示す一定の範囲に抑制したため、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズ自体の加工適性も従来のものに比べて向上させることができるとともに、周囲の温度変化等の環境変化でレーザービームの焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００５７】
さらに、軸上面間隔を式（３），（４）の範囲に抑制したことにより光軸方向の大きさをコンパクトに維持し、光走査装置が大型化するのを防止することができる。
【００５８】
表６および図７（Ａ）に示す第６の実施形態の集光光学系は、指標値ｄ０  を式（１）の略上限、指標値ｄ２  を式（２）の略下限、指標値ａ２  を式（４）の略下限とした態様のものである。
【００５９】
【表６】
0003585636.tif 000009
【００６０】
図７（Ｂ）、（Ｃ）のグラフによれば本実施形態の光学系は良好に収差補正がなされており、またｆθ性も良好であることが認められる。
【００６１】
そしてこの第６の実施形態の集光光学系は、プラスチックレンズとガラスレンズとを組み合わせた構成とし、プラスチックレンズのパワーを式（５）に示す一定の範囲に抑制したため、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズ自体の加工適性も従来のものに比べて向上させることができるとともに、周囲の温度変化等の環境変化でレーザービームの焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００６２】
さらに、軸上面間隔を式（３），（４）の範囲に抑制したことにより光軸方向の大きさをコンパクトに維持し、光走査装置が大型化するのを防止することができる。
【００６３】
表７および図８（Ａ）に示す第７の実施形態の集光光学系は、指標値ｄ２  を式（２）の略上限、指標値ａ１  を式（３）の略上限とした態様のものである。
【００６４】
【表７】
0003585636.tif 000010
【００６５】
図８（Ｂ）、（Ｃ）のグラフによれば本実施形態の光学系は良好に収差補正がなされており、またｆθ性も良好であることが認められる。
【００６６】
そしてこの第７の実施形態の集光光学系は、プラスチックレンズとガラスレンズとを組み合わせた構成とし、プラスチックレンズのパワーを式（５）に示す一定の範囲に抑制したため、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズ自体の加工適性も従来のものに比べて向上させることができるとともに、周囲の温度変化等の環境変化でレーザービームの焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００６７】
さらに、軸上面間隔を式（３），（４）の範囲に抑制したことにより光軸方向の大きさをコンパクトに維持し、光走査装置が大型化するのを防止することができる。
【００６８】
表８および図９（Ａ）に示す第８の実施形態の集光光学系は、指標値（１／ｆ１  ）を式（５）の略下限とした態様のものである。
【００６９】
【表８】
0003585636.tif 000011
【００７０】
図９（Ｂ）、（Ｃ）のグラフによれば本実施形態の光学系は良好に収差補正がなされており、またｆθ性も良好であることが認められる。
【００７１】
そしてこの第８の実施形態の集光光学系は、プラスチックレンズとガラスレンズとを組み合わせた構成とし、プラスチックレンズのパワーを式（５）に示す一定の範囲に抑制したため、偏肉比の増大を抑止してプラスチックレンズ自体の加工適性も従来のものに比べて向上させることができるとともに、周囲の温度変化等の環境変化でレーザービームの焦点位置が変動するのを軽減することができる。
【００７２】
さらに、軸上面間隔を式（３），（４）の範囲に抑制したことにより光軸方向の大きさをコンパクトに維持し、光走査装置が大型化するのを防止することができる。
【００７３】
なお、第１から第８の実施形態の集光光学系にそれぞれ対応した収差図（図２〜図９の各（Ｂ）図）は、簡便のため、ポリゴンミラー１３の反射面の出入りを考慮しないものとして得た結果であり、したがって走査角が負の範囲についての収差は図示した各グラフの０度線に対して対称であり、図示を省略した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の集光光学系の第１の実施形態を用いた光走査装置を示す主走査断面図
【図２】図１に示した光走査装置の集光光学系の、（Ａ）は像面湾曲図、（Ｂ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図３】本発明の第２の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図４】本発明の第３の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図５】本発明の第４の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図６】本発明の第５の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図７】本発明の第６の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図８】本発明の第７の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【図９】本発明の第８の実施形態の集光光学系の、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）は像面湾曲図、（Ｃ）はｆθ特性図をそれぞれ示す
【符号の説明】
１１    レーザ光源
１２    シリンドリカルレンズ
１３    ポリゴンミラー
Ｌ１    第１レンズ
Ｌ２    第２レンズ
Ｋ    光軸
【図１】
0003585636.tif 000012
【図２】
0003585636.tif 000013
【図３】
0003585636.tif 000014
【図４】
0003585636.tif 000015
【図５】
0003585636.tif 000016
【図６】
0003585636.tif 000017
【図７】
0003585636.tif 000018
【図８】
0003585636.tif 000019
【図９】
0003585636.tif 000020