(57)【要約】【課題】レンズ厚さおよび偏肉量を効果的に低減することができる光走査装置およびこれを用いた画像形成装置を得る。【解決手段】光源１１と、光源からの光束を偏向する偏向手段１５と、偏向された光束を被走査面１８上に光スポットとして収束させ被走査面上を走査させる走査レンズ１６，１７を含む走査光学系を有してなる光走査装置。走査光学系を構成する少なくとも１つの走査レンズの少なくとも１面はフレネル面２０からなり、フレネル面２０は、光軸へ射影した隣接する屈折セグメント間の段差量が場所により異なる。この光走査装置を用いた画像形成装置。【選択図】図１
2005164887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光源からの光束を偏向する偏向手段と、偏向された光束を被走査面上に光スポットとして収束させるとともに被走査面上を走査させる走査レンズを含む走査光学系を有してなる光走査装置であって、
上記走査光学系を構成する少なくとも１つの走査レンズの少なくとも１面はフレネル面からなり、
上記フレネル面は、光軸へ射影した隣接する屈折セグメント間の段差量が場所により異なることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
光線波長［μｍ］をλ、フレネル面を構成する材料の屈折率をｎ、任意の正の整数をｋとしたとき、隣接する屈折セグメント間の入射光線方向の段差量Δ［μｍ］が以下の数式
ｋ・λ／（ｎ−１）−０．２＜Δ＜ｋ・λ／（ｎ−１）＋０．２
を満たすことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】
フレネル面の隣接する屈折セグメント間を繋ぐバック・カット面がフレネル面する光束に対して略平行であ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】
フレネル面は副走査方向に平行な格子が主走査方向に並んでいることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項５】
フレネル面の格子は同心円状に並んでいることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項６】
フレネル面は主走査方向に非円弧なベース面に形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の光走査装置。
【請求項７】
光源と、光源からの光束を偏向する偏向手段と、偏向された光束を被走査面上に光スポットとして収束させるとともに被走査面上を走査させる走査レンズを含む走査光学系を有したなる光走査装置であって、
上記走査光学系を構成する少なくとも１つの走査レンズの少なくとも１面はフレネル面からなり、
上記フレネル面の光線有効範囲内の全域において、隣接する屈折セグメントにより光線に与えられる光路長差が光線波長の略整数倍であることを特徴とする光走査装置。
【請求項８】
フレネル面は、隣接する屈折セグメントにより光束に与えられる光路長差の光線波長λの整数倍からのずれの絶対値δが０．２λ以下であることを特徴とする請求項７記載の光走査装置。
【請求項９】
電子写真プロセスを実行することによって画像を形成する画像形成装置であって、電子写真プロセスの露光プロセスを実行する手段として請求項１乃至８のいずれかに記載の光走査装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル複写機、レーザプリンタ、レーザファクシミリ等に用いることができる光走査装置、および、これを用いた画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光偏向器の例を図１に示す。図１において、光源１から射出される光束は、カップリングレンズ２により略平行光束にカップリングされ、アパーチャ３を通ることにより所定の径に整形されてシリンドリカルレンズ４に入射するように各光学部品が配置されている。上記光束は、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４を透過したあと光偏向器５に入射するとともに、シリンドリカルレンズ４で副走査方向にのみ収束され、光偏向器５の偏向反射面５Ａ近傍で主走査対応方向に長く略線状に集光するようになっている。光偏向器５として、この例では回転多面鏡（ポリゴンミラー）が用いられている。光偏向器５は図示されないポリゴンモータで回転軸５Ｂを中心として回転駆動され、上記光束は、回転駆動されている光偏向器５の偏向反射面５Ａによって主走査方向に等角速度的に偏向されるようになっている。光源１はシングルビームを放射するものもあり、レーザダイオードアレイ（ＬＤＡ）等を用いたマルチビーム放射光源もある。
【０００３】
光偏向器５で偏向された上記光束は、光偏向器５側に配置された第１走査レンズ６、被走査面８側に配置された第２走査レンズ７を透過することにより、被走査面９上に集光してビームスポットとされ、このビームスポットが被走査面９を等速度的に走査するようになっている。すなわち、走査レンズ６，７は、光偏向器５による偏向角と、被走査面８における主走査方向スポット位置を比例させる特性（ｆθ特性）をもっている。この２つの走査レンズのうち、第１走査レンズ６は主走査に主なパワーを持ち、厚肉で主走査方向の偏肉度も大きい。図５において符号９は防音ガラスを、１０は防塵ガラスを示している。防音ガラス９は、光偏向器５を構成するポリゴンミラーの風切り音やポリゴンモータの騒音を遮断するための防音ケースに形成された光束の入出射窓に嵌められている。防塵ガラス１０は、光走査装置を構成している上記各光学部品を支持するハウジングに取り付けられていて、ハウジングから被走査面８に向かって出射する窓に嵌められている。
【０００４】
以下に、光偏向器５より後に配置されている光学系のデータを示す。
光源波長：６５０ｎｍ
Ｒｍ：主走査方向曲率半径［ｍｍ］
Ｒｓ：副走査方向曲率半径［ｍｍ］
Ｎ  ：使用波長での屈折率［ｍｍ］
Ｘ  ：光軸方向の距離［ｍｍ］
Ｙ  ：光軸と垂直方向の距離［ｍｍ］
としたとき、それぞれの値は次の表１に示すとおりである。面番号は図５に示す第１面、第２面、第３面、第４面を示し、第５面は被走査面のことである。
【０００５】
表１
2005164887.tif 000003
＊で示される面は共軸非球面であり、下式で表される
（Ｙ２）／Ｒ
Ｘ＝――――――――――――――――――＋ＡＹ４＋ＢＹ６＋ＣＹ８＋ＤＹ１０ 
１＋√｛１−（１＋Ｋ）＊（Ｙ／Ｒ）２｝
・・・（２）
【０００６】
・面番号１の面は
Ｋ＝２．６６７、  Ａ＝１．７９Ｅ−０７、  Ｂ＝−１．０８Ｅ−１２、
Ｃ＝−３．１８Ｅ−１４、  Ｄ＝３．７４Ｅ−１８
・面番号２の面は
Ｋ＝０．０２、  Ａ＝２．５０Ｅ−０７、  Ｂ＝９．６１Ｅ−１２、
Ｃ＝４．５４Ｅ−１５、  Ｄ＝−３．０３Ｅ−１８
＊＊で示される面は、主走査方向の形状が非円弧形状であり、副走査方向の曲率半径はレンズ高さにより連続的に変化する。
【０００７】
・面番号３の主走査形状は（２）式で表現され、
Ｋ＝−７１．７３  Ａ＝４．３３Ｅ−０８、  Ｂ＝−５．９７Ｅ−１３、
Ｃ＝−１．２８Ｅ−１６、  Ｄ＝５．７３Ｅ−２１
面番号３の面は、主走査対応方向における光軸からの距離：Ｙを変数とする偏向直交面内の曲率半径：Ｒｓ（Ｙ）とした時、これらＲｓ（Ｙ）を特定するのに、
多項式：Ｒｓ（Ｙ）＝Ｒｓ（０）＋Σｂｊ・Ｙｊ      （ｊ＝１，２，３，・・）
で表すことにする。
面番号３の面は、主走査対応方向において光軸対称で
Ｒｓ（０）＝−４７．７,  ｂ２＝１．６０Ｅ−０３，  ｂ４＝−２．３２Ｅ−０７，
ｂ６＝１．６０Ｅ−１１，  ｂ８＝−５．６１Ｅ−１６，  ｂ１０＝２．１８Ｅ−２０，
ｂ１２＝−１．２５Ｅ−２４
なお、本光学系において、厚さ１．９ｍｍの防音ガラス（屈折率１．５１１）及び厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス（屈折率１．５１１）を挿入し、計算している。
【０００８】
デジタル複写機、レーザプリンタ、レーザファクシミリ等の光走査装置の光学素子として、ガラスよりコストの安いプラスチック製の光学素子、特にプラスチック製のレンズが広く使われている。このプラスチックレンズの製造法は、一般に、原料の溶融工程、金型への流し込み工程、冷却して固化させる工程、という工程を経て製造される。かかる従来の製造方法によれば、厚いレンズの場合は固化するのに時間が掛かり、量産性が悪くなり、コストアップとなる。また、レンズ全体が厚くなると、あるいは、レンズの厚みの場所による変化量（偏肉量）が大きいと、レンズ内部に歪みが残り易く、性能劣化の原因となっていた。
【０００９】
そこで、レンズ面を非球面に、さらには自由曲面にすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。あるいは、回折面を用いることにより、光軸方向のレンズ厚さの低減および偏肉量の低減が試みられている（例えば、特許文献２参照）。
なお、後述の本発明に用いるフレネル面の加工に関連のある先行技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２０００−１４７４０７号公報
【特許文献２】特開２０００−１３１６３３号公報
【特許文献３】特開２００１−１２９７１４号公報
【００１０】
しかし、特許文献１記載の発明のように、レンズ面が非球面また自由曲面になっていると、光線を結像させるために正のパワーを持つレンズを持たざるをえず、レンズ厚さの低減効果および偏肉量低減効果は限定的である。
特許文献２記載の発明のように、回折面を用いる場合は、理論上、単色では偏肉量を全く無くし、厚さも構造上強度の保てる限界まで薄くすることができる。しかし、回折面は大きな色収差を持っており、環境温度の変化等で光源であるレーザの波長が変わると、像面位置や倍率が変化し、画像が安定しない。また、マルチビームの場合、各光源間に波長差があると、光源によって被走査面上のビームスポットが異なり、画像むらとなる。そのため、回折面を持つ代わりに、その色収差を相殺するために正のパワーを持つ屈折によるレンズ面を有している必要があり、やはりレンズ厚さの低減効果および偏肉量低減効果に限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、レンズ厚さおよび偏肉量を効果的に低減することができる光走査装置およびこれを用いた画像形成装置を提供することである。各請求項記載の発明の目的は以下のとおりである。
請求項１〜３、６〜８記載の発明の目的は、低コストで良好な光学特性が得られる光走査装置を得ることにある。
請求項４〜５記載の発明の目的は、作製が容易でコストの安い光走査装置を得ることにある。
請求項９記載の発明の目的は、低コストで良好な画像を出力可能な画像形成装置を得る
ことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、光源と、光源からの光束を偏向する偏向手段と、偏向された光束を被走査面上に光スポットとして収束させるとともに被走査面上を走査させる走査レンズを含む走査光学系を有してなる光走査装置であって、走査光学系を構成する少なくとも１つの走査レンズの少なくとも１面はフレネル面からなり、フレネル面は、光軸へ射影した隣接する屈折セグメント間の段差量が場所により異なることを最も主要な特徴とする。
【００１３】
このように、フレネル面を用いることを主な構成上の特徴とする。フレネル面は大きな湾曲面を持たなくても正のパワーを持つことが可能であり、レンズ厚さおよび偏肉量を効果的に低減することが可能である。
回折面の一部を広義のフレネル面に含める場合もあるが、回折面が回折効果を積極的に用い、各屈折セグメントから射出した光が干渉を起こし、光線の射出方向が決まるのに対し、ここで言うフレネル面とは、図２、図３に示すように、あくまでも各屈折セグメントで屈折し、屈折した角度で光線の射出方向が決まるものをいう。
【００１４】
構造としては、回折面は、各屈折セグメントのピッチを、通過する光束幅の少なくとも１／２０以下として、光束中にセグメントが２０個以上含まれ、干渉により光線の射出方向が決まるようにしている。
これに対しフレネル面は、各屈折セグメントのピッチが、通過する光束幅の少なくとも１／２０より大きい。さらには上記ピッチを光束幅以上としてもよい。こうすることにより回折および干渉の効果はほとんど無くなり、屈折により光線の射出方向が決まる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、薄肉で偏肉度が低く、波面の乱れの生じることが少ないレンズを得ることができるので、低コストで良好な性能を持つ、光走査装置を得ることができる。また、低コストで良好な光学性能を持った光走査装置を用いてデジタル複写機、レーザプリンタ、レーザファクシミリ等の画像形成装置を構成することにより、低コストで良好な画像の得られる画像形成装置を提供することができる。
また、これらの装置が廃棄される場合、レンズ由来のプラスチックゴミ量を低減する効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明にかかる光走査装置および画像形成装置の実施例について図を参照しながら説明する。図２は、本発明にかかる光走査装置の実施例の光路図を示す。図２において、半導体レーザからなる光源１１を出射した光束はカップリングレンズ１２でほぼ平行光となり、アパーチャ１４で整形されて光束径が決められるようになっている。アパーチャ１３を通った光束は、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１４を透過することによって、ポリゴンミラーからなる光偏向器１５の偏向反射面近傍に、主走査方向に平行な線像として結像される。
【００１７】
光偏向器１５はモータによって回転駆動されることにより、上記光束を等角速度的に偏向する。光偏向器１５によって偏向された光束は、光偏向器１５側に配置された第１走査レンズ１６と、被走査面１８側に配置された第２走査レンズ１７を透過することによって、被走査面１８上にビームスポットとして集光されるようになっている。また、第１走査レンズ１６と第２走査レンズ１７は、光偏向器１５による上記光束の偏向角と被走査面１８におけるビームスポットの主走査方向位置を比例させる特性、すなわちｆθ特性を有している。この実施例では、光偏向器１５としてポリゴンミラーを用いているが、ガルバノミラーを用いても構わない。
【００１８】
ところで通常のレンズ面では、パワーが強いほど、曲率を持つために光軸方向に厚肉で、光軸上での厚みと光軸から離れた周辺部での厚みが異なり、偏肉が生じる。特に主走査方向は広い像高幅を持つためにレンズ幅が大きくなり、その分、副走査方向よりも、肉厚も偏肉量も大きくなりがちである。従って、レンズの肉厚と偏肉量を低減することが望ましく、そのためには、フレネル面のパワーを主走査方向に用いることが望ましい。図１に示す実施例では、第１走査レンズ１６の、被走査面側の面をフレネル面２０としている。フレネル面２０を形成する位置は、上記のように第１走査レンズ１６の被走査面側の面に限られるものではなく、走査光学系を構成する少なくとも１つの走査レンズの少なくとも１面がフレネル面２０となっていればよい。フレネル面２０を形成するためには、フレネル面の格子の並び方向が主走査方向射影成分を持てばよい。しかしながら特許文献３に示されているような加工方法をとると、楕円等の格子では複雑な制御をしなければならず、製造誤差が起こりやすく、性能が安定しない。
【００１９】
そこで、図２（ａ）に示すように、副走査方向に平行な格子を主走査方向に並べた形のフレネル面にするとよい。こうすれば、フレネル面を作るための金型自体または金型を削るバイトを主走査方向と深さ方向に位置決めし、これを副走査方向に往復運動させるだけで、上記フレネル面の加工が可能になり、加工コストが安く、低コストのフレネル面を得ることができる。
あるいは、図２（ｂ）に示すように、同心円上に並ぶ格子を主走査方向に並べた形のフレネル面にすれば、金型自体または金型を削るバイトを主走査方向と深さ方向に位置決めし、回転させるだけで、上記フレネル面の加工が可能になり、加工コストが安く、低コストのフレネル面を得ることができる。
もちろん、金型を作ることなく、直接バイトによりレンズを削る場合にも同様の効果が得られる。
【００２０】
図３に示すように、フレネル面２０は、ベース面２１すなわち本発明の実施例では第１走査レンズ１６の面上に、屈折セグメント２５とバック・カット面２３とを繰り返し形成したものである。ちなみに、バック・カット面２３を無くして屈折セグメント２５を直接接合すれば、一般のレンズ面となる。任意の像高へ向かう光線束が複数の屈折セグメント２５に跨る場合、像面上に良好なビームスポットを形成するためには、光束が跨る屈折セグメント２５で位相差が生じないことが必要である。なぜなら、この位相差があると波面の乱れとなってビームスポットを崩し、ビームスポット径太りやビームスポットの分裂の原因となるからである。上記位相差を発生させないためには、隣接する屈折セグメント２５により光線に与えられる光路長差が光線波長の略整数倍であることが望ましい。
【００２１】
さらに、ビームスポット径太りを１μｍ以下に抑えるためには、隣接する屈折セグメント２５により光線に与えられる光路長差の光線波長λの整数倍からのずれの絶対値δが０．２λ以下であることが望ましい。
【００２２】
走査光学系では、光偏向器により偏向される光線の角度によって、フレネル面２０を通過するレンズ高さと光線の進行方向が異なる。どの光線においても位相差を発生させないようにするためには、隣接する屈折セグメント２５間の段差の光軸への射影が場所により異なることが望ましい。
【００２３】
さらには、ビームスポット径太りを１μｍ以下に抑える為には、隣接する屈折セグメント２５間の入射光方向の段差Δ［μｍ］が以下の数式を満たすことが望ましい。
ｋ・λ／（ｎ−１）−０．２＜Δ＜ｋλ／（ｎ−１）＋０．２
（λ：光線波長［μｍ］，ｎ：フレネル面を構成する材料の屈折率，
ｋ：任意の正の整数）
【００２４】
さらに、図３に示すように、上記隣接する屈折セグメント２５間を繋ぐバック・カット面２３が、光線方向２７に対して略平行になるようにして、バック・カット面２３により光線が不要な方向に屈折されることを防ぐことが望ましい。
【００２５】
また、任意の像高へ向かう光線束が複数の屈折セグメントに跨る場合、平面のベース２１にフレネル面２０を構成しただけでは、高像高へ向かう光線束の場合、光線の収束度が不足することがある。そこで、光線の収束度合いを向上させるために、図３に示すように、上記フレネル面２０は主走査方向に非円弧なベース面２１の上に構成することが望ましい。
【００２６】
図４は、以上説明した光走査装置を用いた画像形成装置の実施例を示している。この画像形成装置は光プリンタであり、感光媒体として円筒状に形成された光導電性の感光体１１１を有し、その周辺に帯電手段１１２、現像装置１１３、転写手段１１４、クリーニング装置１１５を有している。符号１１６は定着装置を示す。帯電手段１１２として、帯電ローラによる接触式のものを示しているが、コロナチャージャや帯電ブラシを用いることもできる。転写手段１１４として、転写ローラを示しているが、コロナチャージャを用いるものであってもよい。
【００２７】
また、光走査装置１１７を有し、帯電手段１１２と現像装置１１３との間で光走査による画像書き込みを行うようになっている。光走査装置１１７として、前述の実施例にかかる光走査装置を用いることができる。この画像形成装置は、帯電、露光、現像、転写、定着、クリーニングのプロセスからなる電子写真プロセスを実行することにより、転写紙などの記録媒体に画像を形成するもので、光走査装置１１７は露光プロセスを受け持つ。
【００２８】
画像形成を行うには、感光体１１１が矢印方向へ等速回転され、その表面が帯電手段１１２により均一帯電され、次いで、光走査装置１１７による光走査により画像が書き込まれ、書き込まれた画像に対応する静電潜像が感光体１１１の表面に形成される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」で画像部が露光されている。この静電潜像は現像装置１１３により反転現像されてトナー画像として可視化される。トナー画像は、転写紙やＯＨＰシート等のシート状記録媒体Ｓ上に転写手段１１４により転写され、定着装置１１６により定着される。トナー画像が定着されたシート状記録媒体Ｓは装置外へ排出され、トナー画像転写後の感光体１１１はクリーニング装置１１５によりクリーニングされて残留トナーや紙粉が除去される。
複数の光走査装置と感光体を用いて複数の色の異なるトナー画像を作り、それを重ね合わせてカラー画像をつくるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明にかかる光走査装置は、デジタル複写機、レーザプリンタ、レーザファクシミリ等の画像形成装置に用いることができる。本発明にかかる光走査装置は、薄肉で偏肉度が低く、波面の乱れの生じることが少ないレンズを使用しているため、低コストで良好な性能を持つ光走査装置を得ることができる。また、低コストで良好な光学性能を持った光走査装置を用いることにより、低コストで良好な画像の得られる画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかる光走査装置の実施例を主走査対応方向から示す光学配置図である。
【図２】本発明にかかる光走査装置に用いられるフレネル面の各種の例を示す正面図である。
【図３】上記フレネル面の一部を拡大して示す側面図である。
【図４】本発明にかかる画像形成装置の実施例を主走査対応方向から示す光学配置図である。
【図５】従来の光走査装置を主走査対応方向から示す光学配置図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１    光源
１２    カップリングレンズ
１３    アパーチャ
１４    シリンドリカルレンズ
１５    光偏向器
１６    走査レンズ
１７    走査レンズ
１８    被走査面
２０    フレネル面
【図１】
2005164887.tif 000004
【図２】
2005164887.tif 000005
【図３】
2005164887.tif 000006
【図４】
2005164887.tif 000007
【図５】
2005164887.tif 000008