(57)【要約】【課題】簡素な構成で、温度変化に関わらず良好な結像性能を備えた光学走査装置を提供すること。【解決手段】光源からコリメータを構成する最初の光学素子までの距離の変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面と、コリメータと走査レンズとの光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面が同一である用に構成する。【選択図】図１
2004252471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から射出される光束を所要の特性に変換する第１の光学系と、前記第１の光学系より射出された光束を偏向する偏向器と、前記偏向器によって偏向された光束を所定の被走査面上に結像させる第２の光学系を有する光走査装置において、
前記偏向器により偏向された光束が掃引してできる面を主走査断面とし、前記主走査断面と直交し前記第１、第２の光学系の光軸を含む面を副走査断面とし、
さらに、前記第１、第２の光学系の光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動量を前記第１、第２の光学系を構成する全ての光学素子の分散と波長変動による屈折率変化、材料の屈折率変化、光学素子自身の体積変化による像面の移動量の合計として定義するときに、
前記主走査断面と副走査断面について、前記光源から前記第１の光学系を構成する最初の光学素子までの距離の変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面と、前記第１、第２の光学系の光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面が同一であることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記第２の光学系を構成する光学素子の少なくとも一つはプラスチックよりな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】
前記第１の光学系を構成する光学素子の少なくとも一つはガラスモールドレンズよりなることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項４】
光源と、前記光源から射出される光束を所要の特性に変換する第１の光学系と、前記第１の光学系より射出された光束を偏向する偏向器と、前記偏向器によって偏向された光束を所定の被走査面上に結像させる第２の光学系を有する光走査装置において、
前記偏向器により偏向された光束が掃引してできる面を主走査断面とし、前記主走査断面と直交し前記第１、第２の光学系の光軸を含む面を副走査断面とし、
さらに、前記主走査断面と副走査断面について、前記第１、第２の光学系を構成する全ての光学素子の分散と波長変動による屈折率変化、材料の屈折率変化、光学素子白身の体積変化による像面の移動量の合計として定義される前記第１、第２の光学系の光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動を、前記光源から前記第１の光学系を構成する最初の光学素子までの距離の変化による像面の光軸方向の移動によって補正したときに、
前記主走査断面と副走査断面について、前記補正後の温度変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面と、前記第２の光学系の像面湾曲量の大きい方の断面が互いに異なることを特徴とする光走査装置。
【請求項５】
前記第２の光学系を構成する光学素子の少なくとも―つはプラスチックよりなることを特徴とする請求項４記載の光走査装置。
【請求項６】
前記第１の光学系を構成する光学素子の少なくとも―つはガラスモールドレンズよりなることを特徴とする請求項４記載の光走査装置。
【請求項７】
前記第２の光学系の主走査断面の像面湾曲の光軸方向の中心位置と副走査断面の像面湾曲の光軸方向の中心位置がほぼ一致することを特徴とする請求項４記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はレーザビームプリンタ等に用いられる光走査装置に関するもので、特に温度変動による光学特性の劣化を補償する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光走査装置の一例を図１０に示す。半導体レーザー２１１から射出されたレーザービーム（光束）はコリメータレンズ２２１によって平行光にコリメートされ、さらにシリンドリカルレンズ２２２により一方向に集束するビームに整形される。整形されたビームは回転多面鏡走査器２３０により回転偏向される。偏向されたビームは走査レンズ２５１を経由し、被走査面２４０上にスポットとして結像する。この結像点は、ガウシアンビームのビームウエストにほぼ一致している。走査レンズ２５１は被走査面２５０上にビームを平面結像させるために非点収差、像面湾曲を一定量に抑えてあり、かつ、負の歪曲収差を持たせることにより回転多面鏡走査器２３０で等角速度で偏向されたビームを被走査面上で等線速走査を行わせる。
【０００３】
このように画角θで入射する光線に対して像高ｙが比例するように変換するとき、走査レンズ２５１の焦点距離をｆとするとｙ＝ｆ、θなる関係が成り立つ。一般にこのようなレンズをｆθレンズという。
【０００４】
また、シリンドリカルレンズ２２２で集束されるビームは、回転多面鏡走査器２３０の偏向面上に走査方向に平行な線像を結ぶ。この線像は被走査面２４０上で一定のスポットに結像するので、この光学系を副走査断面でみると回転多面鏡走査器２３０の偏向面と被走査面２４０とは光学的に共役関係になる。従って、回転多面鏡走査器２３０の各偏向面の回転軸に対する平行度が不同であって、偏向されたビームの副走査方向の角度が偏向面によってばらつくときも共役関係に従って被走査面２４０上では副走査方向には同じ位置に結像する。このような光学系を回転多面鏡２３０の偏向面の倒れを補正する働きにより「面倒れ補正光学系」と称されている。
【０００５】
このように、偏向面上の線像を被走査面２４０では所定の円形あるいは楕円形のスポットとして被走査面２４０に結像させるためには、走査レンズ２５１は主走査方向と副走査方向で異なる光学特性を有することになる。このような光学系を「アナモフイック光学系」と称されている。
【０００６】
一方、走査レンズ２５１は、以前は精度の点から全てガラスレンズで構成されるものが多かった。しかし近年では、成形による形状の自由度とコストの面からプラスチックの射出成形品が用いられつつある。特に、上記のようなアナモフイック光学系を構成するためにトーリック面を用いたり、さらにその断面が円弧でなく非球面（あるいは非円弧）状の形状を使用しようとする場合、ガラスを加工して現実的なコストでこのようなレンズを得ることは難しく、プラスチックを用いることで初めて実用できるようになった。
【０００７】
また、光走査装置の主要な用途の一つであるレーザービームプリンタでは、解像度の向上が図られている。そのためには、被走査面２４０上に結像されるスポットの大きさもそれに応じて小さくする必要が生じる。従って、結像性能の高い光学系を設計することは勿論のこと、光走査装置の組立時には主走査および副走査の両断面において、被走査面上に光束を結像させるように各レンズの位置などを精密に調整する必要がある。
【０００８】
さらに、このような高解像度の光学系では、初期的には所期の結像性能を有していても、温度変化などの環境変動によって光束の結像位置が光軸方向にずれる、即ちデフォーカスにより結像性能が劣化することがあり、そのため補正や補償を行うようなさまざまな機構がこれまで提案されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来の技術によれば、この環境変動、特に温度変動による結像性能の劣化を防止する方法はいずれも不十分なものであった。以下、公表されている特許公開公報に基づき各々の技術が抱えている課題を説明する。
【００１０】
まず、特許文献１の発明では、コリメータレンズの周辺の部材の線膨張率を適切に選び、コリメータレンズと半導体レーザーの距離の温度による変動量をコリメータレンズの焦点深度内に収め、コリメータレンズから射出されるビームの特性が温度により変動しないようにしたものである。この技術では、コリメータレンズ周辺を構成する部材の熱膨張のみを考慮しており、光源の波長変動と各レンズの分散による屈折率の変化や、各レンズ材質による屈折率の変動、レンズ自身の熱膨張などが考慮されておらず、実際の光学系ではこれらの温度変動によって被走査面から結像点が離れてしまう場合もあるという問題点を有していた。
【特許文献１】特開昭５５−４３５７７号公報
【００１１】
また、コリメータレンズの開口数が小さい場合には、焦点深度はコリメータレンズ周辺の部材の線膨張率を特に注意して選択しなくとも十分に問題がないほど大きな値（例えば数１０μｍ）になる。しかし実際には、光源とコリメータレンズの距離の変動が光源から被走査面に至る全光学系の縦倍率によって拡大され、像面に対して結像位置が大きく前後に変動してしまうという課題を有していた。さらに、この技術では交換可能なレーザーユニットを出る光束の特性を一定に保持することを課題としており、後で説明するようにコリメータレンズより射出される光束の性質を温度によって積極的に変化させて走査光学系の温度による結像性能の変化を補償しようとするものではない。
【００１２】
次に、特許文献２の発明では、上記の発明で開示されてない温度による半導体レーザーの波長変動に対してコリメータレンズにガラスの分散を用いて所定の色収差を持たせ、それによる屈折率の変動の伴うコリメータレンズの焦点距離の変動をレンズと半導体レーザーを結合する部材の熱膨張によって相殺する方法が開示されている。しかし、この技術においても依然としてレンズの温度による屈折率の変動や膨張は考慮されていないという問題点が存在する。
【特許文献２】特開昭６３−７５３０号公報
【００１３】
この発明で開示されている技術も、先に述べた特開昭５５−４３５５７号公報記載の発明のものと同様にコリメータレンズから射出される光束が温度によらず一定の状態（例えば平行光束）を保つように構成されている。ところが、コリメータレンズ以外のレンズの温度による特性変動を補償するためには、温度に応じてコリメータレンズを射出する光束の状態（特に拡がり角）を変化させる方が望ましい。特に、走査レンズにプラスチックを用いた場合、プラスチック材料の温度による屈折率変動はガラスに比べて約１桁大きく、コリメータレンズを射出する光束を温度によらず一定の状態に保った場合、他のレンズで補償を行うことが難しいという問題点を有していた。
【００１４】
このように、プラスチックレンズの温度による屈折率の変動をコリメータレンズと半導体レーザーの距離の変化その他を用いて補正する方法は、特開平３−３４１１号公報で開示されている。この方法によれば走査レンズにプラスチックを用い、その温度による屈折率の変動やレンズ自身の熱膨張による焦点距離の変動を半導体レーザーとコリメータレンズの距離や半導体レーザーの波長変動を考慮して最適な補正を行うことができる。
【００１５】
ところが、この方法においてもコリメータレンズの温度による屈折率の変動や熱膨張は考慮されておらず、温度変化に対して十分な補正が達成できるとは言い難い。また、既に述べたような面倒れ補正光学系を備えた走査光学系のように、主走査方向と副走査方向とで温度による結像特性の変化の割合が異なる光学系に対する補正方法に対しては、上記三つの公報に記載された発明のどれをとっても何一つ解決策を与えないという問題点を有していた。また、像面湾曲や非点収差による被走査面からの像面のずれと、上記の温度による像面のずれの両方を同時に考慮したものはなかった。
【００１６】
この発明はこのような点に鑑みてなされたもので、次に列挙するような様々な要因を全て考慮し、それら要因による像面の移動量を相互に相殺するか、あるいは各要因による移動量の総和を加算して最小値となすか、または実用上問題のない範囲まで小さくなるように光学系を最適化することで、環境温度の変動によらず一定の結像性能を発揮する光走査装置を提供することを目的とする。
ａ．各レンズの温度による膨張（あるいは収縮）に伴うレンズの形状変化。
ｂ．各レンズの温度による位置の変動、特にコリメータレンズと光源の距離の変動。
ｃ．光軸に関して、主走査方向と副走査方向で光学特性が異なる場合の各方向における温度に対する上記の特性。
ｄ．走査光学系の特性である非点収差と像面湾曲に伴う偏向角による像面の移動。
なお、これらの要因は必ずしも全てを計算する必要はないが、影響度の評価により適宜考慮に入れるものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、この発明の第一発明の光走査装置は、光源と、前記光源から射出される光束を所要の特性に変換する第１の光学系と、前記第１の光学系より射出された光束を偏向する偏向器と、前記偏向器によって偏向された光束を所定の被走査面上に結像させる第２の光学系を有する光走査装置において、前記偏向器により偏向された光束が掃引してできる面を主走査断面とし、前記主走査断面と直交し前記第１、第２の光学系の光軸を含む面を副走査断面とし、さらに、前記第１、第２の光学系の光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動量を前記第１、第２の光学系を構成する全ての光学素子の分散と波長変動による屈折率変化、材料の屈折率変化、光学素子自身の体積変化による像面の移動量の合計として定義するときに、前記主走査断面と副走査断面について、前記光源から前記第１の光学系を構成する最初の光学素子までの距離の変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面と、前記第１、第２の光学系の光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面が同一であることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明の第二発明の光走査装置は、光源と、前記光源から射出される光束を所要の特性に変換する第１の光学系と、前記第１の光学系より射出された光束を偏向する偏向器と、前記偏向器によって偏向された光束を所定の被走査面上に結像させる第２の光学系を有する光走査装置において、前記偏向器により偏向された光束が掃引してできる面を主走査断面とし、前記主走査断面と直交し前記第１、第２の光学系の光軸を含む面を副走査断面とし、さらに、前記主走査断面と副走査断面について、前記第１、第２の光学系を構成する全ての光学素子の分散と波長変動による屈折率変化、材料の屈折率変化、光学素子白身の体積変化による像面の移動量の合計として定義される前記第１、第２の光学系の光学特性の温度変化による像面の光軸方向の移動を、前記光源から前記第１の光学系を構成する最初の光学素子までの距離の変化による像面の光軸方向の移動によって補正したときに、前記主走査断面と副走査断面について、前記補正後の温度変化による像面の光軸方向の移動量の絶対値が大きい方の断面と、前記第２の光学系の像面湾曲量の大きい方の断面が互いに異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の第一発明においては、偏向器に入射するレーザービーム、あるいはコリメータレンズから射出されるレーザービームの特性（拡がり角）を温度により変化させることで最終的な像面の移動を小さく抑え、また、半導体レーザーの波長変動による屈折率の変化、レンズ材料の屈折率変化、レンズの膨張、レンズあるいは光源の間隔の温度による変化を全て考慮に入れた補正を行うことができる。
【００２０】
また、この発明の第二発明においては、半導体レーザーの波長変動による屈折率の変化、レンズ材料の屈折率の変化、レンズの熱膨張、レンズあるいは光源の間隔の温度による変化を全て考慮にいれた補正を行うことができる。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は第一発明の第１実施例の光走査装置の構成を示す斜視図、図２はその光学系の主走査断面図、図３は光軸を含み主走査断面に直交する副走査断面図を示している。即ち、半導体レーザー１１より射出されたレーザービームはコリメータレンズ２１により略平行なビーム断面形状に整形される。この整形されたビームはシリンドリカルレンズ２２によって回転多面鏡３１の偏向面３２上に走査方向に平行な線像を結ぶように結像する。回転多面鏡３１により偏向された光束は走査レンズ５１によって集束ビームとなる。この偏向された集束ビームは折り返しミラー６１で反射され、方向を変えて被走査面８１上に所定のスポット形状に結像する。この走査レンズ５１は従来技術で述べたようにｆθ特性を有している。
【００２２】
また、偏向されたビームは被走査面の走査に先立ち、同期検出用ミラー７２で反射され、同期検出器７１に入射して走査毎の信号処理に必要な同期信号を発生する。これらの構成要素は光学ベース９１に固定されている。この光学ベース９１はプラスチックで一体に成形されている。上記走査レンズ５１は２枚のレンズ５１ａ、５１ｂで構成されており、レンズ５１ａは光学ガラス、レンズ５１ｂはプラスチックを材料として形成されている。これはレンズ５１ｂの光束を射出する面にトーリック面Ｓ９を有しており、プラスチックを用いて成形した方が製作が容易であるからである。
【００２３】
次に、表１に各レンズの各面Ｓ１〜Ｓ９の軸上面間隔ｄ、近軸半径Ｒ、屈折率ｎとしたときの具体的な光学系の構成を示す。なお、（ｘ）は副走査断面内での近軸半径を示し、（ｙ）は主走査断面内での近軸半径を示す。
【００２４】
【表１】
2004252471.tif 000003
【００２５】
半導体レーザー１１から放射されるレーザービームの拡がり角は、半導体素子の接合面に平行な面内で１０°前後、同じく垂直な面内で３０°〜４０°もあるため、このビームを有効径の小さなレンズで効率よく取り込むためにはコリメータレンズ２１の焦点距離が数ｍｍから２０ｍｍ程度までのものが一般的である。なお、上記レーザービームの拡がり角の表示は半値全角である。このようにコリメータレンズ２１は光走査装置に用いられるレンズの中では光学パワーが一番大きくなっている。従って、レンズの曲率半径をあまり小さくしないために屈折率の大きな光学材料を選んで形成されている。
【００２６】
また、半導体レーザー１１との結合効率を高めるためにコリメータレンズ２１の開口数を大きくする場合には、コリメータレンズ２１の球面収差が結像性能に影響を及ぼすことになる。そこで、面形状を単純な球面でなく非球面形状とすることがある。非球面形状をガラス材料を研磨することで製作することはコスト的に不利であるので、ガラスモールドレンズがよく用いられる。その場合も屈折率とモールドでの成形性（軟らかさ）のため高屈折率のガラス材料が用いられる。この実施例では硝種としてＳＦ８（以下、ガラスの材料名はドイツＳＨＯＴＴ社の商標による）を用いている。非球面形状を与える非球面係数の定義を下記数１に示す。ただし、光学特性の温度による変化を検討するためには近軸半径を用いて計算すればよい。
【００２７】
【数１】
2004252471.tif 000004
【００２８】
シリンドリカルレンズ２２は通常の光学ガラスで十分特性を満足することができるので、最も一般的な光学ガラスであるＢＫ７を用いる。走査レンズ５１ａもＢＫ７を用いる。走査レンズ５１ｂは先に説明したように、プラスチック製レンズであり、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）で形成されている。
【００２９】
次に、上記で説明した半導体レーザーや各レンズへの温度の影響について説明する。まず最初に、半導体レーザーの温度による発振波長の変化について説明する。半導体レーザー１１は温度によって共振器の長さが変化するため発振波長が変化する。一般的なＧａＡｌＡｓの半導体レーザーでは温度が１℃上昇すると波長は０．２３ｎｍ〜０．２６ｎｍ増加する。この数値を「ｄλ／ｄＴ」と表す。本実施例では代表的な値としてｄλ／ｄＴ＝０．２５（ｎｍ／℃）を採用して以下の計算を行う。
【００３０】
一方、レンズに用いられる材質の屈折率は波長に依存する。上記の半導体レーザーの発振波長の中心値として７８０ｎｍを用いる。波長による屈折率の変化（分散）はアッベ数νで表されるが、波長７８０ｎｍ付近を表示するには適当でない。従って正確には多項式で表される分散式に波長を代入して屈折率および波長による屈折率変動（以下、「ｄｎ／ｄλ」と表示する）を求める。一般には波長が長くなるに従い屈折率は低下する。
【００３１】
従って、半導体レーザーの波長変動の影響は、
【数２】
2004252471.tif 000005
と表され、温度１℃当りの屈折率の変化で表すことができる。この値を下記に説明する材料自身の温度による屈折率変動と区別するため、「ｄｎ´／ｄＴ」と表示する。
【００３２】
次に、レンズ材料の屈折率と温度の関係について説明する。一般に光学材料の屈折率は温度によって変動する。レンズ材料の屈折率も変化するが、周囲の空気自身の屈折率も変化する。従って、屈折率の温度による変動率（以下、「ｄｎ／ｄＴ」と表示する）は同じ温度の空気を基準にした値を用いる。また、レンズ材料が温度上昇により膨張し密度が変化することによる屈折率の変動を含んで表示されている。
【００３３】
屈折率が温度の上昇に伴って上昇するか低下するかはレンズ材料によって異なる。例えば、ＳＦＬ６のガラスでは他のガラス材料（例えばＢＫ７）に比べて温度による屈折率変動は１桁小さい。逆に走査レンズ５１ｂに用いているアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）ではＢＫ７等に比べて１桁以上も大きい。これらのガラス材料は温度が上昇すれば屈折率が大きくなる。これに対して、一般にプラスチック材料では温度が上がれば屈折率が低下する方向にある。
【００３４】
最後に、レンズ材料の温度による体積の変化について説明する。レンズ材料も通常の工業材料と同様に温度によって体積が膨張する。この比率を１次元の量とし、温度１℃当りの寸法の変動率として表したものが線膨張率βである。本発明では、レンズ以外の例えば光学ベース等の部材の熱膨張も考慮している。線膨張率はガラスでは大差はないが、プラスチック材料はガラスに比べて１桁近く大きい。これらの波長による屈折率変化ｄｎ´／ｄλ、材料の屈折率変動ｄｎ／ｄＴ、線膨張率βの値を代表的な材料について表２に纏めて示す。
【００３５】
【表２】
2004252471.tif 000006
【００３６】
さて、ここで、図２、図３に示したこの第一発明の第１実施例で、全体の温度が１℃上昇したときの像面の移動量を検討してみる。各レンズ材料の屈折率変動（ｄｎ／ｄＴ）、分散と波長変動から生じる屈折率変動（ｄｎ´／ｄＴ）、レンズの膨張（β）による像面の移動量への寄与の割合と、それら全てを加えたときの像面の移動量を主走査断面および副走査断面の各々において計算すると、次の表３のようになる。
【００３７】
【表３】
2004252471.tif 000007
【００３８】
この表において、温度が変化しても各レンズおよび光源（半導体レーザー）、被走査面の位置は変化しないものとして計算してある。符号は像面が光源から遠ざかる方向を正としている。表３に示されるように走査レンズ５１ｂの光学材料の屈折率変動による像面の移動量が他の要因によるものと比べて大きくなっている。また、他の要因もおおむね像面を遠ざける方向に向かっていることが分かる。
【００３９】
さらに詳細に見ると、コリメータレンズ２１において、波長変動と分散による屈折率の変動に伴う像面の移動量に比べて、レンズ自身の温度による屈折率の変動による像面の移動量は約半分で移動方向は逆である。
【００４０】
また、コリメータレンズ２１はガラス製であるが、レンズ自身の膨張による像面の移動はプラスチック製である走査レンズ５１ｂのレンズ自身の膨張による像面の移動量とほぼ同等であり、ガラスレンズの場合でも光学パワーが大きい場合には温度による膨張も考慮しなければいけないことが分かる。
【００４１】
これら温度による波長変動、材料の屈折率変動、レンズ自身の熱膨張による像面の移動を総称して「光学特性の温度変化による像面の移動」と呼ぶ。上述した従来の技術で説明したように、いままでガラスレンズの熱膨張までを考慮に入れて補正した光走査装置はなかったが、この発明ではこのように像面の移動に影響を及ぼす各要因を正当に評価した上で補正の方法を提案している。
【００４２】
表３に見るように、このまま何らかの補正手段を設けない場合、像面は副走査断面内では温度１℃当たり約０．５６ｍｍ移動する。また、光走査装置の使用温度範囲１５℃での温度差では約８．５ｍｍ移動してしまう。波面の揃ったレーザービームはガウシアンビームとしての特性を有しており、ビームの直径が一番小さくなるビームウエストから光軸方向に沿った距離ｚにおけるビーム直径ｄは以下の式で表される。また、ビーム直径はビームの断面の強度がピーク強度の１／ｅ2 となるような直径と定義している。
【００４３】
【数３】
2004252471.tif 000008
【００４４】
ここで、λは波長、ｄ0 はビームウエストでのビーム直径である。この第１実施例のような光学系ではビームウエストの位置はほぼ幾何学上の結像点に一致する。
【００４５】
上記式によれば、レーザービームのスポットサイズがビームウエストで１００μｍのとき、温度変動による像面が８．５ｍｍ移動すればビーム直径は１３１μｍまで大きくなってしまうことになる。例えば、スポットサイズの変動を＋２０％、即ち１２０μｍまで抑えようとすれば、像面の移動の許容量は６．７ｍｍとなる。
【００４６】
同様に主走査断面内でも、１５℃の温度差のとき像面は約３．２ｍｍだけ移動するが、この量は副走査断面に比べて小さい。これは先に述べたように、本実施例の光学系において、温度変動に対して支配的な走査レンズ５１ｂが主走査断面内より副走査断面内においてパワーが強いためである。このように一般にアナモフィックな光学系では、温度変動に対する光学特性の変化も光軸を含む直交する断面内で異なる場合が多い。言い換えれば、非点収差量が温度によって変化することになる。
【００４７】
このように、光学特性の温度変動によって生じる像面の移動を補正するためには、像面の位置を何らかの方法で検出し、レンズの位置などを微小に変化させて制御する方法も考えられる。このような制御を行えば、非常に精密に像面の位置を望ましい被走査面に一致させることが可能となるが、その構造が複雑で高価なものとならざるを得ない。
【００４８】
そこで、光源やレンズの保持部材の熱膨張を利用してレンズ間隔を変化させ、前記の光学特性の温度変化による像面の移動量を相殺するように像面を移動させればよい。ところが、温度による部材の線膨張率は、通常の機械材料では大まかに言って１×１０-4程度の数値であるので、像面の移動量そのものに相当する大きな変位だけ走査レンズを動かすような部材の膨張を得ることは難しい。勿論、機械的な拡大機構を設ければ可能であるが、コストが増大するとともに摩擦や変形による変位量の誤差などで信頼性も低下してしまう。そこで、レンズの僅かな移動が大きな像面の移動を生じさせるような位置にあるレンズを選んで温度による移動量を設定することが望ましいことになる。
【００４９】
この第１実施例に挙げた光学系では、他の部分に比べて光源（半導体レーザー１１）とコリメータレンズ２１の間隔の変化が最も像面の移動に影響を与えている。よって、この二つを結合している部分の材質を適切に選択するだけで特別な機構あるいは制御装置を設けなくとも光学特性の温度変化による像面の移動を許容値以下に収めることができる。
【００５０】
なお、この半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の間隔の変化を除いた他のレンズの光学ベースの熱膨張による温度１℃当りの像面の移動量は、主走査断面内で約０．００１ｍｍ、副走査断面内で０．０１５ｍｍとなる。これは前記の表３に記載された各要因による移動量の和に比べて遥かに小さく、実質的には考慮しなくてもよい。
【００５１】
上記の温度変化によるレンズの移動の計算においては、各レンズは入射側の面で光学ベース９１に取り付けられているとし、半導体レーザー１１は発光点位置で光学ベース９１に固定されているとした。
【００５２】
この第１実施例のコリメータレンズ周辺の構成の詳細を図４に示す。即ち、半導体レーザー１１はＬＤホルダ１２に挿入されており、コリメータレンズ２１はコリメータ鏡筒２３に取り付けられている。光学ベース９１に対してＬＤホルダ１２はねじ止めで、コリメータ鏡筒２３は接着剤で固定されている。
【００５３】
前記の温度の変化による各断面内での像面の移動の第１の補正の例として、副走査断面内での像面の移動量がほぼ相殺されるような半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の距離の変化量を求めると、温度１℃当り約０．３５μｍとなる。なお、符号は半導体レーザー１１がコリメータレンズ２１から遠ざかる方向を正としている。このとき主走査断面内では像面は−０．１５ｍｍだけ移動する。即ち、この０．３５μｍの移動量に対しては、主走査断面内では０．３６ｍｍ、副走査断面内では０．５６ｍｍ像面が移動している。この光学系では、光学特性の温度変化による像面の移動量が副走査断面の方が主走査断面より大きく、半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の距離の変化による像面の移動も副走査断面の方が大きい。
【００５４】
つまり、各レンズの光学特性の温度変化による像面の移動量の大きい方の断面が、光源（半導体レーザー１１）とコリメータレンズ２１の相対距離変動による補正効果も高い。このように温度によって半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の距離が所定の変化をするように機構部の構造、材質を選定することで光走査装置としての温度による像面の移動を最小限に留めることができる。
【００５５】
上記第１の補正の例では、副走査断面内において温度による像面の移動がほぼ相殺されるように半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の距離を変化させたが、第２の補正の例として、主走査断面で像面の移動が相殺されるようにすることも可能である。その場合、半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の温度１℃当りの膨張量を０．２１μｍとすると、主走査断面では温度変動による像面の移動がほぼ相殺され、逆に副走査断面内では０．２２ｍｍの像面移動が補正されずに残る。
【００５６】
さらに、第３の補正の例として、主走査断面、副走査断面とも像面の移動を若干量残し、その絶対量を小さくするように設定することが可能である。例えば、上記の実施例において、半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の温度による距離の変化（膨張）を温度１℃当り０．２９μｍとすると、主走査断面内では０．０９ｍｍ光源側に移動し、副走査断面では０．１０ｍｍ遠ざかる方に移動する。
【００５７】
このように、上記第１〜第３の補正の例のいずれの補正方法を採っても、補正を行わない場合に比べて主走査断面、副走査断面とも温度１℃当りの像面の移動量は小さくなっている。上述のように、主走査断面、副走査断面いずれの断面で像面の移動量を幾つ以下にするかは、主走査断面、副走査断面のいずれの方向の解像度が要求されるかによって決まる。
【００５８】
次に、この第１実施例に対して具体的に補正方法を検討してみると、光源（半導体レーザー１１）からコリメータレンズ２１までの距離は約４．７６ｍｍであるので、例えば上記の第３の補正方法の条件を満たすためには０．０００２９／４．７６で約６１×１０-6となる。従って、光源からコリメータレンズ２１までが全て同一の線膨張係数の部材で構成される場合、この値の材料を用いればよい。この線膨張率の値は金属材料では困難であるが、プラスチック材料で補強材を用いないか、ガラス入りのプラスチック材料で繊維の流れ方向と直角に用いれば実現可能な値である。あるいはまた、コリメータ鏡筒２３の線膨張率をＬＤホルダ１２、光学ベース９１に比べて小さくしてもよい。さらに、コリメータ鏡筒２３の長さを大きくとったり、他の部材を介在させることでも上記のような半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１との距離の変動を得ることができる。
【００５９】
いままで説明した第１実施例とは逆に、もし光源とコリメータレンズの距離の変化による像面の移動が副走査断面より主走査断面の方が大きい場合に、光学特性の温度変化による副走査断面での像面の移動が生じないように前記の構造、材料を選択しても、今度は逆に主走査断面の像面位置が大きくずれて、そのずれ量は補正を行わない場合の副走査断面の像面の移動量より大きくなってしまう。
【００６０】
この発明ではこのような問題点を解決するために、光源とコリメータレンズの距離の変動により主走査断面より副走査断面においてより大きく像面が移動するように光学系を設定することで、温度による像面の移動に対する補正効果を高めている。そしてこのことは、光軸を含んだ直交断面内での光源から結像点（被走査面）までの縦倍率の比が、温度によるレンズ特性（波長変動を含む）の変化による像面の移動量の比により近い方が補正効果が高くなることを意味している。
【００６１】
また、光学系の構成においては、光源の像の結像点が被走査面にはないがビームウエストが被走査面に一致するような場合もある。このような場合には、必ずしも光源とコリメータレンズの距離の変化に縦倍率を掛けた値だけ像面が移動するわけではない。この場合には、ガウシアンビームの性質を考慮して光源とコリメータレンズの距離の変化に対する像面の移動量を主走査断面および副走査断面の両方について求める必要がある。
【００６２】
この第１実施例では、コリメータレンズ２１の後にシリンドリカルレンズ２２が配置されている。このシリンドリカルレンズ２２を光軸方向に微小移動させても主走査断面内では像面の移動は殆どないが、副走査断面内では像面の位置を移動させることができる。従って、このシリンドリカルレンズ２２を単独で温度によって光軸方向に移動させるようにしても、主走査断面について補償を行えば主走査断面および副走査断面いずれについても温度による像面の移動をほぼ完全に相殺することができる。
【００６３】
例えば、この第１実施例では、上記第２の補正の例のように半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１との温度１℃当り相対移動量を０．２１μｍとし、シリンドリカルレンズ２２を温度１℃当り２７μｍ光源側に移動する機構にすれば上記の条件に合致し、主走査断面および副走査断面とも常に被走査面に像面を一致させることができる。
【００６４】
このような機構は非常に精度の高い光走査装置には必要であるが、主として個人ユーザー用のレーザービームプリンターなどさほど解像度が要求されない装置に用いるには構造が複雑で高価である。この発明では既に述べたように光源とコリメータレンズの距離の変化のみを管理するという低価格で簡素な構造にもかかわらず、温度変動が生じても比較的に良好な結像性能を得ることを目標としている。
【００６５】
図４に示した半導体レーザー１１およびコリメータレンズ２１周辺の構成は、この発明を説明するための一例であって、上記のように半導体レーザー１１およびコリメータレンズ２１との距離が温度変動によって所要の変化をするものであればどのような構成のものであっても適用することが可能である。
【００６６】
また、この第１実施例では、温度変動による像面の移動が主走査断面内より副走査断面内の方が大きい場合であったが、光学系の構成によっては主走査断面の方が副走査断面より像面の移動が大きい場合もあり得る。そのような場合には、光源とコリメータレンズの距離の変化により副走査断面内より主走査断面内の方が像面の移動が大きくなるようにすればよい。また、第１実施例では、主走査断面および副走査断面とも温度による波長の変動、屈折率の変動、レンズ膨張による像面の移動方向は同じであったが、これは異なる方向であっても同様の観点から補正をすることが可能である。
【００６７】
以上で述べたように、この発明の第一発明によれば、光源とコリメータレンズ間に介在する機構部品の線膨張率を適切に選ぶことのみで、温度による像面の移動量を主走査方向および副走査方向の両断面において実用上十分な範囲に納めることができる。この「実用上十分な範囲」とは、製品の使用される温度範囲や製品の解像度にもよるよるが、この第１実施例で既に述べたとおり約６．７ｍｍとしている。
【００６８】
次に、この第一発明の第２実施例を図面に基づいて説明する。図５は光走査装置の構成を示す斜視図、図６はその光学系の主走査断面図、図７は光軸を含み主走査断面に直交する副走査断面図である。即ち、光源である半導体レーザー１１より射出されたレーザービームはコリメータレンズ１２によりやや集束光となるようなビーム形状に整形される。この整形されたビームはシリンドリカルレンズ２２によってレンズミラー４１の反射面Ｓ６上に走査方向に平行な線像を結ぶように結像する。
【００６９】
この第２実施例では、コリメータレンズ１２の開口数を比較的小さく設定することが可能のためコリメータレンズ１２を光学ガラスであるＳＦＬ６を用いた球面の平凸レンズである。また、シリンドリカルレンズ２２にはＢＫ７を用いている。偏向ユニットには、本件特許出願人の先に出願した特開平６−７５１６２号で提案したレンズミラースキャナを用いている。図５に示したスキャナモータ３５の回転部に取り付けられたレンズミラー４１は、図６に示すように入射面Ｓ５、反射面Ｓ６、射出面Ｓ７の三つの光学面を有し、内面反射で偏向を行う。この入射面Ｓ５、射出面Ｓ７は後で述べる結像レンズ８１と共に被走査面でのスポットの等線速走査機能、平面結像（光学特性では像面湾曲、非点収差の補正）機能を担っている。
【００７０】
レンズミラースキャナは反射面内に回転軸Ｏを位置させたとき、最も良い光学特性を得ることができる場合が多い。従って、スキャナモータ３５にはレンズミラー４１を反射面Ｓ６で背中合わせに二つ取り付けることができる。このようなレンズミラー４１は通常の回転多面鏡に比べれば外形を小さくすることが可能となるので慣性モーメントも小さく、回転による空気抵抗（風損）の影響も受けにくい。また、慣性２次モーメントが小さいため短い時間に高速な回転数まで達することができ、スキャナモータ３５が回転を始めてから走査が可能になるまでの時間が短くてすむことになる。
【００７１】
レンズミラー４１のような形状の光学素子はプラスチックで一体成形することが可能でありコスト的にも好ましい。また、プラスチックの密度は小さいためレンズミラー４１の質量は小さくなり、レンズミラーの取り付け位置誤差などによるアンバランスを受けにくくなる。さらに、慣性２次モーメントも少なくてすむ。その上、プラスチックの射出成形で製作する場合、入射面Ｓ５、射出面Ｓ７の形状は球面や円筒面以外に複雑な形状を安価に形成することができるため容易に結像性能を改善することが可能になる。あるいはレンズミラー４１の入射面Ｓ５、射出面Ｓ７をシリンドリカル面で構成することにより、通常のシリンドリカルレンズと同様な方法で加工が可能となり、ガラスを材料として用いる場合でも比較的に安価に製作することができ、かつ、高度の表面精度を得ることが容易である。さらに、光学ガラスはプラスチックに比べて屈折率の高い材料を得ることができる。このため、これらの円筒面の曲率半径を大きくすることが可能となり、一度の工程でより多くのレンズミラーを研磨することで一層のコストダウンが可能である。また、射出面Ｓ７を平面としたり、入射面Ｓ５を凸面とすることも可能である。この場合には一層製作が容易となり、さらに部品単価を削減することができる。この第２実施例においても、レンズミラー４１にはＳＦＬ６を円筒面に研磨したものを用いている。
【００７２】
一般の回転多面鏡では１回転に反射面の面数（通常２〜６面）分だけ走査が可能であるに比べて、既に述べたようにレンズミラースキャナではレンズミラーを二つきり使用しないため１回転の走査数が少ない。そのため、その分だけスキャナーモータ３５を高速に回転させる必要がある。しかし、レンズミラースキャナでは、上記のように慣性モーメントが小さく、風損、アンバランスも少ないのでこのような走査数の少ない欠点を十分に補うことができる。このレンズミラー４１は反射面Ｓ６の手前に負の光学パワーの要素を持つため、射出面Ｓ７より射出される光束の偏向角速度は走査中央付近では速く、周辺では遅い特性を持っている。これに対して、回転多面鏡では偏向される光束の偏向角速度は一定である。従って、最終的に被走査面上において結像したスポットが等線速で移動するためには好ましいものとなる。
【００７３】
レンズミラー４１で偏向されたビームは、次に図６に示す結像レンズ８１に入射する。上記のようにレンズミラー４１で偏向される光束の角速度は、等角速度ではなく走査両端に行くにしたがって角速度が小さくなる特性を有している。従って、結像レンズ８１の特性も通常の回転多面鏡を偏向器として用いた走査装置と異なり、いわゆるｆθ作用は持たない。このため、従来の走査レンズのようにｆθ特性と平面結像特性の両方を満たす必要がなくなり、それだけレンズ設計の自由度が向上したものとなる。
【００７４】
一般に複数の偏向面を回転させて光束を走査する場合には、各偏向面の回転軸に対する傾きが加工誤差などにより相互に僅かづつ異なる。従って、偏向された光束が被走査面上に描く走査線も使用される偏向面によって副走査方向に変位を生じる。この状態で画像の記録、読取りを行うと、走査線ピッチの誤差を生じ画像の記録、読取りに好ましくない。そこで、副走査断面で光学系を見たときに、偏向面と被走査面が光学的共役関係かあるいはそれに近い状態となるように設計することで、偏向面の面倒れ誤差による光束の副走査方向の角度変位を補正することができる。
【００７５】
この第２実施例においては、結像レンズ８１の入射面Ｓ８は主走査断面内では高次の非球面係数をもつ非球面（非円弧）であり、副走査断面内では直線となる。また、射出面Ｓ９も主走査断面内では高次の非球面係数をもつ非球面（非円弧）であり、副走査断面内では光軸からの距離により曲率が連続的に変化する凸円弧である。この副走査断面の曲率の定義式は下記の数４に示してある。即ち、副走査断面内では像面側に凸面を向けた平凸断面になっている。
【数４】
2004252471.tif 000009
【００７６】
先に説明したとおり、このような形状の結像レンズ８１をガラスで作ることは困難であるのでプラスチックを用いて製作される。この例では、例えば日本ゼオン社の商標である「ＺＥＯＮＥＸ」などのアモルファス、ポリオレフィン樹脂を用いている。この樹脂は先の第１実施例に用いたアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）に比較して湿度（吸湿）による屈折率あるいは形状の変動を殆ど生じないため、高精度な光学系に適している。また、次の表４に各レンズの軸上面間隔ｄ、近軸半径Ｒ、屈折率ｎの値を示す。なお、（ｘ）は副走査断面内での近軸半径を示し、（ｙ）は主走査断面内での近軸半径を示している。結像レンズ８１の射出面の副走査断面での曲率の変化式は上記数４で示す式で与えられる。
【００７７】
【表４】
2004252471.tif 000010
【００７８】
ここで、図６、図７に示したこの第一発明の第２実施例において、全体の温度が１℃上昇したときの像面の移動量を検討してみる。まず、各レンズの材料の屈折率変化（ｄｎ／ｄＴ）、分散と波長変動から生じる屈折率変動（ｄｎ´／ｄＴ）、レンズでの膨張（β）による像面の移動量への寄与の割合と、それらを全てを加えたときの像面の移動量を主走査断面および副走査断面の各々において計算すると、次の表５に示すようになる。
【００７９】
【表５】
2004252471.tif 000011
【００８０】
この表において、温度が変化しても各レンズおよび光源、被走査面の位置は変化しないものとして計算してある。符号は像面が光源から遠ざかる方向を正としている。この表に示されるように、副走査断面内では結像レンズ８１の材料の屈折率変動による像面の移動量が他の要因によるものに比べて大きい。また、他の要因もおおむね像面を遠ざける方向に向かっている。
【００８１】
さらにこれを詳細に見ると、コリメータレンズ２１においてガラスＳＦＬ６を用いているため波長変動と分散による屈折率の変動に伴う像面の移動量に比べて、レンズ自身の温度による屈折率の変動による像面の移動量は非常に小さい。また、レンズの膨張による像面の移動も、波長変動による移動量に比べて約半分程で移動方向は同じである。このまま何らかの補正手段を設けない場合、像面は副走査断面内では温度１℃当たり約０．２２ｍｍ移動する。また、光走査装置の使用温度範囲１５℃の温度差では約３．３ｍｍ移動することになる。
【００８２】
同様に主走査断面内でも、温度差１５℃のとき像面は約０．８ｍｍ移動するが、この量は副走査断面に比べて小さい。これは先に説明したように、この第２実施例の光学系において温度変動に対して支配的な結像レンズ８１が主走査断面内より副走査断面内においてパワーが強いためである。
【００８３】
この第２実施例に挙げた光学系でも、他の部分に比べて光源（半導体レーザー１１）とコリメータレンズ２１の間隔の変化が最も像面の移動に影響を与えている。従って、この二つを結合している部材の材質を適切に選択するだけで特別な機構あるいは制御装置を設けなくとも光学特性の温度変化による像面の移動を許容値以下に収めることができる。なお、この半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の間隔の変化を除いた他のレンズの光学ベースの熱膨張による温度１℃当たりの像面の移動量は、前記の表５に記載された各要因による移動量の和に比べて遥かに小さく、実質的には考慮しなくてよい。
【００８４】
この数値を前提に、第１の補正例として、副走査断面内での像面の移動量がほぼ相殺されるような半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の距離の変化量を求めると、温度１℃当たり約１．５３μｍとなる。なお、符号は半導体レーザー１１がコリメータレンズ２１から遠ざかる方向を正としている。このとき主走査断面内では像面は−０．１ｍｍだけ移動する。即ち、この１．５３μｍの移動量に対しては主走査断面内では０．１５ｍｍ、副走査断面内では０．２２ｍｍ像面が移動している。この光学系では、光学特性の温度変化による像面の移動量が副走査断面より大きく、光源とコリメータレンズの距離の変化による像面の移動も副走査断面の方が大きい。つまり、各レンズの光学特性の温度変化による像面の移動量の大きい方の断面が、光源とコリメータレンズの相対距離変動による像面の補正効果も高い。このように、温度によって光源とコリメータレンズの距離が所定の変化をするように機構部、材質を選定することで光走査装置としての温度による像面の移動を最小限に留めることができる。
【００８５】
上記第１の補正の例では、副走査断面内において温度による像面の移動がほぼ相殺されるように光源とコリメータレンズの距離を変化させたが、第２の補正の例として主走査断面で像面の移動が相殺されるようにすることもできる。その場合、光源とコリメータレンズの温度１℃当たりの膨張量を０．５６μｍとすると、主走査断面では温度変動による像面の移動がほぼ相殺され、逆に副走査断面内では０．１４ｍｍの像面移動が補正されずに残る。
【００８６】
さらに、第３の補正の例として、主走査断面、副走査断面とも像面の移動を若干量残し、その絶対量を小さくするように設定することも可能である。例えば、上記第２実施例において、光源とコリメータレンズの温度による距離の変化（膨張）を温度１℃当たり１．１３μｍとすると、主走査断面内では像面は０．０５７ｍｍ光源側に移動し、副走査断面では０．０５７ｍｍ遠ざかる方に移動する。この第２実施例においては、半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の間に介在する部材が全て前記のガラス５０％入りポリカーボネイド樹脂であり、その線膨張率を約１．６５×１０-5とすると、その距離は温度１℃当たり約０．１９μｍ変化する。これは前記の第１〜第３のいずれの補正の例よりも小さい値である。この場合、温度変化１℃当たりの像面の移動は主走査断面では０．０３７ｍｍ、副走査断面では０．１９３ｍｍとなり、光走査装置の使用温度範囲±１５℃では各々約０．６ｍｍと約２．９ｍｍとなる。
【００８７】
一方、この第２実施例においては、レーザービームのスポットサイズが主走査断面においてビームウエストで７０μｍのとき、温度変動による像面の移動によるビーム径の拡大を＋３０％までを許容するとすれば、像面の移動の許容量は４．１ｍｍとなる。従って、いずれの断面でも許容値内であるので、先の第１から第３の補正の例のように大きな補正を加える必要がなく、コリメータレンズ２１の周辺の構造が大変簡素になる。また、全て同一の材料で構成することができるため、部品相互の結合において線膨張率の差による歪みや結合部のずれが生じることがなく、信頼性の高い光走査装置を得ることができる。その上、上記に示した１．６５×１０-5という線膨張率は金属の線膨張率とも比較的に近い値にあるので、半導体レーザー１１あるいはコリメータレンズ２１を保持する部材に金属を用いることもできる。これは、放熱や加工精度の点でも有利なものとなる。
【００８８】
このように、この発明の第一発明によれば温度による主走査、副走査両断面の像面の移動量を最少にすることも可能であるし、像面の許容の移動量が比較的に大きい場合には補正量を小さめにして機構部の構造を簡素化することも可能である。即ち、どのように補正を行うかは、光走査装置の応用分野や要求される解像度によって変わってくる。しかし、既に説明したとおり、この発明の第一発明によれば温度変化による像面の移動の補正を任意に設定することができ、かつ、この発明の第一発明によらない場合に比べれば、主走査断面および副走査断面の補正を高い次元で両立させることができる。
【００８９】
さらに付け加えるならば、この実施例の実際の結像特性においては、主走査断面内では走査両端（周辺部）では光軸付近より許容の像面の移動量が小さくなる傾向にあり、上記のように許容値に対して主走査断面の余裕を副走査断面の余裕より大きくする方が好ましい。
【００９０】
以上説明した第１、第２の二つの実施例では、走査光学系に温度による屈折率の変化や大気の変化での大きいプラスチックレンズを含んでいたが、ガラスレンズのみで構成されている場合においてもプラスチックレンズを用いた場合に比べれば影響は少ないものの温度変化により光学特性が変化するので、特に高解像度が要求される光走査装置には同様の方法により温度変化に対する像面の移動を少なくすることができる。
【００９１】
以上説明したとおり、この発明の第一発明によれば、偏向器に入射するレーザービーム、あるいはコリメータレンズから射出されるレーザービームの特性（拡がり角）を温度により変化させることで最終的な像面の移動を小さく抑えるものであり、従来技術に示されたコリメータレンズ（あるいはレーザーユニット）から射出されるレーザービームの特性を温度変化によらず一定に保つことを目的とする技術とは根本的に異なるものである。また、半導体レーザーの波長変動による屈折率の変化、レンズ材料の屈折率変化、レンズの膨張、レンズあるいは光源の間隔の温度による変化を全て考慮に入れた補正を行っているこの第一発明は、従来のもののようにこれらの特性のうちある部分にのみ着目した技術とも相違している。なお、この発明の第一発明の光走査装置は、小型のレーザービームプリンターに好適であるが、それに限らず画像読取り用、あるいは物体の検出センサー、バーコードスキャナなどにも応用することが可能であることは勿論である。
【００９２】
次に、この発明の第二発明の第３実施例を説明する。先の第一発明の第１実施例の光学系の主走査断面図である図２および光軸を含み主走査断面に直交する副走査断面図である図３において、像面湾曲量と温度による像面移動の関係を説明する。一般に光走査装置では、その走査幅の全てに亘って像面を被走査面８１に一致させることは難しい。いわゆるザイデルの５収差のうち、像面湾曲と非点収差が像面の移動を表し、歪曲収差が線速誤差（ｆθ誤差）となるからである。
【００９３】
これらを完全に両立させて補正することは難しく、設計上なにがしかの像面湾曲あるいは非点収差が残存することになる。また、設計上において完全に取り除けたとしても、レンズ製造上の誤差や光学系の組立誤差によって像面湾曲あるいは非点収差が生じてしまう。従って、被走査面と像面のずれは前記第一発明の温度変動による像面の移動に、上記の像面湾曲あるいは非点収差を加えたものになる。先に説明したとおり、この発明の第一発明による温度による像面の移動の補正方法では、必ずしも主走査断面および副走査断面の像面の移動を同時に完全には補正することができるようにはなっていない。そこで、各断面における像面移動の許容量を温度変動によるものと像面湾曲あるいは非点収差によるものに配分しなければならない。
【００９４】
前記の第１実施例における光学系全体の像面湾曲と非点収差の収差曲線図を図８に示す。この図から明らかなように、像面湾曲量は破線で示す主走査断面の方が実線で示す副走査断面より大きくなっている。また、走査中心（光軸付近）では主走査断面と副走査断面の像面は一致していない。これは先に説明したとおりシリンドリカルレンズ２２の位置を調整することで一致させることもできるが、装置が使用される中心的な温度において、主走査断面の像面湾曲範囲のほぼ中心に副走査断面の像面湾曲範囲の中心をもってくることで平均的な像面の誤差を小さくするためにこのような設定になっている。
【００９５】
主走査断面の像面湾曲量は約８．１ｍｍ、副走査断面の像面湾曲量は約２ｍｍあるので、副走査断面の像面湾曲量が約６．１ｍｍ少ないことになる。つまり、その分を余分に副走査断面内で温度による像面の移動に振り向けることができる。
【００９６】
この第３実施例では、主走査断面と副走査断面の像面の許容ずれ量がほぼ同じとすれば、半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の距離の温度による変化を温度１℃当たり０．２３μｍとすると、温度変化による像面の移動は主走査断面では０．０５ｍｍ、副走査断面では０．１９ｍｍとなり、光走査装置の使用温度範囲±１５℃での像面の移動量を上記の像面湾曲量と足し合わせると像面の位置は主走査断面、副走査断面ともほぼ同じ範囲に入ることになる。
【００９７】
次に、この発明の第二発明の第４実施例を説明する。先の第一発明の第２実施例の光学系の主走査断面図である図６および光軸を含み主走査断面に直交する副走査断面図である図７において、像面湾曲量と温度による像面移動の関係を説明する。
【００９８】
前記の第２実施例における光学系全体の像面湾曲と非点収差の収差曲線図を図９に示す。即ち、破線で示される主走査断面の像面湾曲量は約３．８ｍｍ、実線で示される副走査断面の像面湾曲量は約０．２ｍｍである。この図から明らかなように、上記第３実施例と同じく像面湾曲量は主走査断面の方が副走査断面より大きくなっている。また、上記第３実施例と同様な理由で走査中心（光軸付近）では主走査断面と副走査断面の像面は一致していない。
【００９９】
この第４実施例では、半導体レーザー１１とコリメータレンズ２１の間に介在する部材が全て前記のガラス５０％入りポリカーボネイト樹脂であり、その線膨張率を約１．６５×１０-5とすると、その距離は温度１℃当たり約０．１９μｍ変化する。これは前記の第２実施例における第１〜第３のいずれの補正の例よりも小さい値である。この場合、温度変化１℃当たりの像面の移動は主走査断面では０．０３７ｍｍ、副走査断面では０．１９３ｍｍとなり、光走査装置の使用温度範囲±１５℃では各々約０．６ｍｍと約２．９ｍｍとなる。
【０１００】
この像面の移動量を上記の像面湾曲量と足し合わせると、主走査断面では３．８／２＋０．６で約２．５ｍｍ、副走査断面では０．２／２＋２．９で約３ｍｍとなる。一方、この第４実施例においては、レーザービームのスポットサイズが主走査断面においてビームウエストで７０μｍのとき、温度変動による像面の移動によるビーム径の拡大を＋３０％まで許容するとすれば、像面の移動の許容量は４．１ｍｍとなる。従って、いずれの断面においても許容値内であるので、先の第２実施例の第１〜第３の補正の例のように大きな補正を加える必要がなく、コリメータレンズ周辺の構造が大変簡素になる。また、全て同一の材料で構成することができるため、部品相互の結合において線膨張率の差による歪みや結合部のずれが生じることがなく、信頼性の高い光走査装置を得ることができる。
【０１０１】
その上、上記に示した１．６５×１０-5という線膨張率は金属の線膨張率とも比較的近い値にあるので、半導体レーザー１１あるいはコリメータレンズ２１を保持する部材に金属を用いることができ、放熱や加工精度の点でさらに有利なものとなる。
【０１０２】
このようにこの発明の第二発明によれば、温度による主走査断面および副走査断面の像面の移動量を最少にすることも可能であるし、像面の許容の移動量が比較的大きい場合には補正量を小さめにして機構部の構造を簡素化することも可能である。即ち、どちらの補正を行うのかは、光走査装置の応用分野や要求される解像度によって変わってくることになる。しかし、既に説明したようにこの発明の第二発明によれば、温度変化による像面の移動の補正を任意に設定でき、かつ、この発明によらない場合に比べれば、主走査断面、副走査断面両断面の補正を高い次元で両立させることができる。さらに、この第４実施例の実際の結像特性においては、主走査断面内では走査両端（周辺部）では光軸付近より許容の像面の移動量が小さくなる傾向にあり、上記のように許容値に対して主走査断面の余裕を副走査断面の余裕がより大きくする方が好ましい。
【０１０３】
以上説明した第３実施例および第４実施例の二つは、走査光学系の温度による屈折率の変化や大気での変化の大きいプラスチックレンズを含んでいたが、ガラスレンズのみで構成される場合においてもプラスチックレンズを用いた場合に比べれば影響は少ないものの、温度変化による光学特性が変化するので、特に高い解像度が要求される光走査装置には同様の手法により温度変化に対する像面の移動を少なくすることが可能となる。
【０１０４】
このように、この発明の第二発明では、主走査断面および副走査断面の各々の断面において、光走査装置の光学系の設計による、あるいは組立、加工誤差に起因する像面湾曲、非点収差による像面の誤差の小さい方の断面について、温度変動による像面の移動量を多く許容することが出来る。言い換えれば、温度変動による像面の移動量の小さい方の断面については、走査光学系の許容の像面湾曲量を大きくでき、より廉価で生産性の高い方法でレンズを製作することができる。このように、両断面について、像面と被走査面のずれの量の許容値を有効に活用することで、いたずらに各光学部品の精度を上げたり、高精度な組立、調整を行うことなく、走査範囲の全ての幅にわたって、かつ、全ての温度領域で良好な結像特性を得ることができる。
【０１０５】
さらに、この発明の第二発明の方法は、偏向器に入射するレーザービーム、あるいはコリメータレンズから射出されるレーザービームの特性（拡がり角）を温度により変化させることで、最終的な像面の移動を小さく抑えるものであり、従来技術に示されたコリメータレンズ（あるいはレーザーユニット）から射出されるレーザービームの特性を温度変化によらず一定に保つことを目的とする技術とは、根本的に異なるものである。
【０１０６】
また、この発明の第二発明では、半導体レーザーの波長変動による屈折率の変化、レンズ材料の屈折率の変化、レンズの熱膨張、レンズあるいは光源の間隔の温度による変化を全て考慮にいれた補正を行っており、従来もののようにこれらの特性のうちのある部分にのみ着目した技術とも相違している。なお、この発明の光走査装置は小型のレーザービームプリンターに好適であるが、画像読み取り用、あるいは物体の検出センサ、バーコードスキャナ等にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明による光走査装置の構成を示す第１実施例、第３実施例の斜視図、
【図２】第１実施例、第３実施例の光学系の主走査断面図、
【図３】第１実施例、第３実施例の光学系の副走査断面図、
【図４】第１実施例、第３実施例のコリメータレンズ部分の詳細図、
【図５】本発明による光走査装置の構成を示す第２実施例、第４実施例の斜視図、
【図６】第２実施例、第４実施例の光学系の主走査断面図、
【図７】第２実施例、第４実施例の光学系の副走査断面図、
【図８】第３実施例の収差曲線図
【図９】第４実施例の収差曲線図
【図１０】従来の光走査装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１  半導体レーザー  １２  ＬＤホルダー  ２１  コリメータレンズ  ２２  シリンドリカルレンズ  ２３  コリメータ鏡筒  ３１  回転多面鏡  ３２  反射面  ３５  スキャナモータ  ４１  レンズミラー  ５１  走査レンズ  ６１  折り返しミラー  ７１  同期検出器  ７２  同期検出ミラー  ８１  被走査面  ９１  光学ベース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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