(57)【要約】【課題】従来よりも薄く、且つその厚さが均一な光学レンズを備えた光走査装置及びこれを有する画像形成装置を提供する。【解決手段】光束を発する半導体レーザ１と、該光束を被走査面８において走査させるガルバノミラー１１と、光束を被走査面８において結像させる走査レンズ６、７とを含む走査光学系を有する光走査装置であって、第１の走査レンズ６の少なくとも一つの面は、屈折によって光束を屈曲させるフレネル面６１であり、フレネル面６１が少なくとも主走査方向に格子を有する。【選択図】        図１
2005037561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を発する光源と、該光束を所定の面において走査させる偏向手段と、前記光束を前記所定の面において結像させる走査レンズとを含む走査光学系を有する光走査装置であって、
前記走査レンズの少なくとも一つの面は、屈折によって前記光束を屈曲させるフレネル面であり、該フレネル面が少なくとも主走査方向に格子を有することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
複数の光束を発する光源と、該光束を所定の面において走査させる偏向手段と、前記光束を前記所定の面において結像させる走査レンズとを含む走査光学系を有し、前記走査レンズの少なくとも一つの面は、屈折によって前記複数の光束をそれぞれ屈折させるフレネル面であり、該フレネル面が少なくとも主走査方向に格子を有し、かつ、前記複数の光束の前記偏向手段からの出射角度は各光束で異なることを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
前記光束の幅をｗ、前記フレネル面の主走査方向の屈折セグメントの間隔をｐとしたとき、ｐ≦ｗであることを特徴とする請求項１又は２記載の光走査装置。
【請求項４】
前記フレネル面の主走査方向の屈折セグメントの間隔ｐが、概ね光束幅ｗの整数分の１であることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。
【請求項５】
前記フレネル面の主走査方向の屈折セグメントが等間隔に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項６】
前記フレネル面の隣接する屈折セグメントにおいて、前記光束を形成する光線の進行方向の波面がほぼ繋がることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項７】
前記フレネル面は単一の材料からなり、各屈折セグメントの前記光束の進行方向のギャップが前記光線の波長と該フレネル面の材料の屈折率との積の整数倍であることを特徴とする請求項６記載の光走査装置。
【請求項８】
前記フレネル面の各屈折セグメント同士を繋ぐ壁面が、前記フレネル面がレンズの像側の面にある場合には該フレネル面に前記光束が入射する方向に対して概ね平行であり、前記フレネル面がレンズの光源側の面にある場合には該フレネル面から前記光束が出射する方向に対して概ね平行であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項９】
前記フレネル面の各屈折セグメント同士を繋ぐ壁面は、光を散乱させることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記フレネル面の各屈折セグメント同士を繋ぐ壁面は、光を吸収することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１１】
前記フレネル面が、正のパワーを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１２】
光束を発する光源と、該光束を所定の面において走査させる偏向手段と、前記光束を前記所定の面において結像させる走査手段とを含む走査光学系を有する光走査装置であって、
前記走査手段を構成するレンズのうち、少なくともいずれかの少なくとも一つの面に、フレネル構造を設けたことを特徴とする光走査装置。
【請求項１３】
前記走査手段は、二枚のレンズで構成され、前記二枚のレンズのうち、前記偏向手段側のレンズの少なくとも１面にフレネル構造を設けたことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項１４】
前記偏向手段側のレンズの少なくとも像面側の面にフレネル構造を設けたことを特徴とする請求項１３記載の光走査装置。
【請求項１５】
前記偏向手段側のレンズの両面にフレネル構造を設けたことを特徴とする請求項１３又は１４記載の光走査装置。
【請求項１６】
前記フレネル構造は、主走査方向に格子が並んだ構造であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１７】
前記フレネル構造が、主走査方向に軸を有するシリンドリカル面をベースに形成されたことを特徴とする請求項１２から１６のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１８】
前記偏向手段側のレンズの像面側のフレネル構造は、主走査方向に正のパワーを持つことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１９】
前記偏向手段側のレンズの偏向手段側の面が主走査方向に負のパワーを有することを特徴とする請求項１３から１８のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項２０】
前記フレネル構造を有するレンズの少なくとも一つがプラスチック製であることを特徴とする請求項１２から１９のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか１項記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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の光走査装置、及びこれを用いた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に、従来の光走査装置を示す。図１１に、主走査方向像面湾曲を示す。この光走査装置は、光源（半導体レーザ）１、カップリングレンズ２、アパーチャ３、シリンドリカルレンズ４、ポリゴンミラー５、第１の走査レンズ６、第２の走査レンズ７、被走査面８、防音ガラス９及び防塵ガラス１０を有する。
【０００３】
ここで、第１の走査レンズ６の中心肉厚は３１．４ｍｍ、最大部と最小部とでの肉厚の差（偏肉量）は、１２ｍｍ、第２の走査レンズ７の中心肉厚は３．５ｍｍ、偏肉量は０．６ｍｍである。
【０００４】
表１に光源波長が６５０ｎｍである場合の偏向器後の光学系データを示す。なお、
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
Ｘ  ：光軸方向の距離［ｍｍ］
Ｙ  ：光軸と垂直方向の距離［ｍｍ］
である。
【０００５】
【表１】
2005037561.tif 000003
【０００６】
なお、表１において、ポリゴン中心とは図１０の符号５Ｂで表されるポリゴンミラー５の回転中心である。また、Ａ寸とは、ポリゴン中心５Ｂからポリゴンミラー５のミラー面５Ａまでの距離である。
【０００７】
表１において＊を付して示した面は、共軸非球面であり、次の式（１）で示される。
【０００８】
【数１】
2005037561.tif 000004
【０００９】
面番号１の面は、上記式（１）において、Ｋ＝２．６６７、Ａ＝１．７９×１０−７、Ｂ＝−１．０８×１０−１２  、Ｃ＝−３．１８×１０−１４  、Ｄ＝３．７４×１０−１８  として表される。
面番号２の面は、上記式（１）において、Ｋ＝０．０２、Ａ＝２．５０×１０−７、Ｂ＝９．６１×１０−１２  、Ｃ＝４．５４×１０−１５  、Ｄ＝−３．０３×１０−１８  として表される。
【００１０】
また、表１において＊＊を付して示した面は、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応じて連続的に変化する。
面番号３の面の主走査形状は、式（１）で表され、Ｋ＝−７１．７３、Ａ＝４．３３×１０−８、Ｂ＝−５．９７×１０−１３  、Ｃ＝−１．２８×１０−１６  、Ｄ＝５．７３×１０−２１  である。
【００１１】
さらに、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をＲｓ（Ｙ）とした時、これらＲｓ（Ｙ）は、式（２）に示す多項式で特定される。
Ｒｓ（Ｙ）＝Ｒｓ（０）＋Σｂｊ  ・Ｙｊ    ・・・（２）
ただし、ｊ＝（１，２，３，・・・）
【００１２】
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  ＝１．６０×１０−３、ｂ４  ＝−２．３２×１０−７、ｂ６  ＝１．６０×１０−１１  、ｂ８  ＝−５．６１×１０−１６  、ｂ１０＝２．１８×１０−２０  、ｂ１２＝−１．２５×１０−２４
である。
なお、この光学系においては、厚さ１．９ｍｍの防音ガラス９（屈折率１．５１１）及び厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス１０（屈折率１．５１１）を挿入して計算している。
【００１３】
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は、ガラスよりも低価格なプラスチックレンズが使用されている。このようなプラスチックレンズは、溶融した原料を金型に流し込み、冷却して固化させるという方法が一般的な製造方法である。
【００１４】
このような製造方法においては、レンズの厚さを厚くすると、固化するのに時間がかかって量産性が低下してしまう。また、レンズの場所による厚さの変化（偏肉量）が大きいと、レンズ内部に残留応力による歪みが発生しやすく、光学特性が劣化する原因となる。
【００１５】
このため、特許文献１に開示される「走査結像レンズおよび光走査装置」のように、レンズ面を非球面、さらには自由曲面にしたり、特許文献２に開示される「走査光学装置」のように、回折面を用いることにより光軸方向のレンズ厚さ及び偏肉量を低減することが試みられている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−１４７４０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３１６３３号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レンズ面を非球面又は自由曲面とする場合には、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得ず、レンズ厚さ及び偏肉量の低減には限界がある。
【００１８】
また、回折面を利用する場合には、単色について言えば、理論上は偏肉を完全に無くし、構造上の強度を保持できる最低限の厚さまで薄くすることも可能である。しかし、回折面は、大きな色収差を持っており、環境温度の変化などによって光源であるレーザの波長が変化すると、像面位置や倍率が変化してしまい画像が安定しない。また、マルチビームの場合、各光源の発する光の波長に差があると、被走査面上のビームスポットの位置や大きさが光源ごとに異なってしまい、画像にムラが発生してしまう。
【００１９】
よって、回折面を利用する場合には、色収差を相殺するために正のパワーを持つ屈折を生じさせるレンズ面が必要となり、レンズ厚さ及び偏肉量の低減には限界がある。
【００２０】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、従来よりも薄く、且つその厚さが均一な光学レンズを備えた光走査装置及びこれを有する画像形成装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、光束を発する光源と、該光束を所定の面において走査させる偏向手段と、光束を所定の面において結像させる走査レンズとを含む走査光学系を有する光走査装置であって、走査レンズの少なくとも一つの面は、屈折によって光束を屈曲させるフレネル面であり、該フレネル面が少なくとも主走査方向に格子を有することを特徴とする光走査装置を提供するものである。このようにすれば、走査光学系を低コストですることが可能となる。
【００２２】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、複数の光束を発する光源と、該光束を所定の面において走査させる偏向手段と、光束を所定の面において結像させる走査レンズとを含む走査光学系を有し、走査レンズの少なくとも一つの面は、屈折によって複数の光束をそれぞれ屈折させるフレネル面であり、該フレネル面が少なくとも主走査方向に格子を有し、かつ、複数の光束の偏向手段からの出射角度は各光束で異なることを特徴とする光走査装置を提供するものである。このようにすれば、光量むらの少ない走査光学系を低コストで構成できる。
【００２３】
上記本発明の第１の態様又は第２の態様においては、光束の幅をｗ、フレネル面の主走査方向の屈折セグメントの間隔をｐとしたとき、ｐ≦ｗであることが好ましい。このようにすれば、光量むらの少ない走査光学系を低コストで構成することが可能となる。これに加え、フレネル面の主走査方向の屈折セグメントの間隔ｐが、概ね光束幅ｗの整数分の１であることがより好ましい。このようにすれば、光量むらの少ない走査光学系を低コストで構成することが可能となる。
【００２４】
また、上記本発明の第１の態様又は第２の態様のいずれの構成においても、フレネル面の主走査方向の屈折セグメントが等間隔に形成されていることが好ましい。このようにすれば、光量むらの少ない走査光学系を低コストで構成することが可能となる。
【００２５】
また、上記本発明の第１の態様又は第２の態様のいずれの構成においても、フレネル面の隣接する屈折セグメントにおいて、光束を形成する光線の進行方向の波面がほぼ繋がることが好ましい。このようにすれば、良好なビームスポットが得られる走査光学系を低コストで構成できる。これに加えて、フレネル面は単一の材料からなり、各屈折セグメントの光束の進行方向のギャップが光線の波長と該フレネル面の材料の屈折率との積の整数倍であることがより好ましい。このようにすれば、良好なビームスポットが得られる走査光学系を低コストで構成することが可能となる。
【００２６】
また、上記本発明の第１の態様又は第２の態様のいずれの構成においても、フレネル面の各屈折セグメント同士を繋ぐ壁面が、フレネル面がレンズの像側の面にある場合には該フレネル面に前記光束が入射する方向に対して概ね平行であり、フレネル面がレンズの光源側の面にある場合には該フレネル面から光束が出射する方向に対して概ね平行であることが好ましい。このようにすれば、像面にゴーストが発生せず、光源の発する光を有効に利用できる走査光学系を低コストで構成できる。
【００２７】
また、上記本発明の第１の態様又は第２の態様のいずれの構成においても、フレネル面の各屈折セグメント同士を繋ぐ壁面は、光を散乱させるか、又は光を吸収することが好ましい。このようにすれば、像面にゴーストが発生せず、光源の発せする光を有効に利用できる走査光学系を低コストで構成できる。
【００２８】
また、上記本発明の第１の態様又は第２の態様のいずれの構成においても、フレネル面が、正のパワーを有することが好ましい。
【００２９】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、光束を発する光源と、該光束を所定の面において走査させる偏向手段と、光束を所定の面において結像させる走査手段とを有する走査光学系を有する光走査装置であって、走査手段を構成するレンズのうち、少なくともいずれかの少なくとも一つの面に、フレネル構造を設けたことを特徴とする光走査装置を提供するものである。このようにすれば、良好な光学特性を有する走査光学系を備えた光走査装置を低コストで構成できる。
【００３０】
上記本発明の第３の態様においては、走査手段は、二枚のレンズで構成され、二枚のレンズのうち、偏向手段側のレンズの少なくとも１面にフレネル構造を設けられることが好ましく、これに加えて、偏向手段側のレンズの少なくとも像面側の面にフレネル構造を設けることがより好ましい。
これらの構成においては、偏向手段側のレンズの両面にフレネル構造を設けることがより好ましい。
【００３１】
上記本発明の第３の態様のいずれの構成においても、フレネル構造は、主走査方向に格子が並んだ構造であることが好ましい。また、フレネル構造が、主走査方向に軸を有するシリンドリカル面をベースに形成されることが好ましい。このようにすれば、フレネル構造を形成する加工が容易になり、良好な光学特性を有する走査光学系を備えた光走査装置を低コストで構成できる。
【００３２】
上記本発明の第３の態様の走査手段が二枚のレンズからなる構成においては、偏向手段側のレンズの像面側のフレネル構造は、主走査方向に正のパワーを持つことが好ましい。また、偏向手段側のレンズの偏向手段側の面が主走査方向に負のパワーを有することが好ましい。
【００３３】
上記本発明の第３の態様のいずれの構成においても、フレネル構造を有するレンズの少なくとも一つがプラスチック製であることが好ましい。このようにすれば、フレネル構造を備えたレンズを容易に形成できるため、良好な光学特性を有する走査光学系を備えた光走査装置を低コストで構成できる。
【００３４】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第４の態様として、上記本発明の第１〜第３の態様のいずれかの構成の光走査装置を用いた画像形成装置を提供するものである。このようにすれば、良好な光学特性を有する走査光学系を備えた画像形成装置を低コストで構成できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
〔発明の原理〕
本発明は、フレネル面を用いることによりレンズ厚さ及び偏肉量を低減する。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、図１２（ａ）に示すように、各屈折セグメントから射出した光が干渉を起こすことで光線の射出方向が定まるのに対し、本明細書におけるフレネル面はあくまでも図１２（ｂ）に示すように各セグメントにおいて光線が屈折し、その角度で光線の射出方向が定まるものを指す。
【００３６】
構造としては、回折面では各屈折セグメントのピッチは通過する光束幅の１／２０以下とされており、光束中に少なくとも２０のセグメントが含まれ干渉によって光線の射出方向が定まるように構成されている。これに対し、本明細書でいうフレネル面は、各屈折セグメントのピッチは通過する光束幅の１／２０よりも大きくなっている（光束幅以上であっても良い）。このような構造とすることにより、回折及び干渉の影響は殆ど無くなり、屈折によって光線の射出方向が定まることとなる。
【００３７】
また、フレネル面の格子方向をレンズ厚さ及び偏肉量に大きく寄与する主走査方向に限定すれば、加工が容易になるため、光学素子の製造コストを低減できる。
【００３８】
〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。図１に、本実施形態に係る光走査装置における光路を示す。また、図２に、主走査方向の像面湾曲を示す。
光源である半導体レーザ１を出射した光束は、カップリングレンズ２で平行光となり、アパーチャ３において光束径が決定される。アパーチャ３を通過した光束は、シリンドリカルレンズ４及び反射ミラー１４によって偏向器であるガルバノミラー１１の近傍に主走査方向に平行な線像として結像される。ガルバノミラー１１によって偏向された光束は、第１の走査レンズ６と第２の走査レンズ７とによって被走査面８上にビームスポットとして結像される。
【００３９】
このように、主走査断面に関しては、偏向器前では平行又は弱い発散光を第１の走査レンズ６で集光するため、第１の走査レンズ６は周辺肉厚に対して中心肉厚が厚くなる傾向にある。
【００４０】
そこでフレネル面６１に正のパワーを与え、フレネル以外の面のパワーを減らすことによって、レンズ肉厚及び偏肉量の低減を図る。ここでは、第１の走査レンズの入射面と第２の走査レンズの入出射両面は非円弧形状をなすように形成し、第１の走査レンズの出射面は円弧形状の上にフレネル構造を形成している。
【００４１】
ここで、第１の走査レンズ６の出射面に形成するフレネル構造を決定する方法について説明する。
フレネル構造によって付加される光路長をレンズ高さの関数で表した光路長付加関数をφ（ｙ）とする。図３に示すように、レンズ高さが高くなるにつれて（換言すると、レンズの周縁に近づくにつれて）光路長が減少しており、正のパワーをもつ。これを適当なレンズ高さにおいて折り返すことによりフレネル構造が形成される。本明細書においては、折り返しによって生じるギャップを「壁面（又は、壁ともいう）」、折り返し位置と次の折り返し位置との間を「屈折セグメント」と定義する。
【００４２】
ここで、折り返し位置を跨ぐ光束のビーム径スポット径を良好に保つためには、折り返し位置においてフレネル構造を出射した光線の波面が連続に繋がることが好ましい。このためには、折り返しによるギャップを光線波長とレンズ材質の屈折率の積のほぼ整数倍とすればよい。
【００４３】
また、屈折セグメントを繋ぐ壁面では光が散乱し被走査面に到達する光量が減少するため、像高によって、壁面を跨ぐ光束と跨がない光束とがあると光量むらが発生する。そこで、折り返しの間隔を光束幅よりも狭くすることにより、壁面を跨ぐ光束と跨がない光束とが混在しないようにして、光量むらが発生しないようにすることが好ましい。
【００４４】
さらに、屈折セグメントの間隔を、光束幅の略整数分の一としたり、等間隔にしたりすることにより、光束が跨ぐ壁面の数が一定となって光量むらがさらに生じにくくなる。
この光路長で表されたフレネル構造をレンズ材質の屈折率で除算すると、実長さ単位となり、これをベース面形状に加えることにより図４に示すような面形状となる。
【００４５】
以上の説明は、壁を光軸に対して平行としているが、図５の波線のように壁を入射光線に対して平行にした場合には、壁面による迷光が抑えられ、迷光した光線が被走査面に届くことによって起こるゴーストの発生を抑制でき、光を有効利用することが可能となる。
【００４６】
また、壁面の表面粗さを粗くすることで光を散乱させたり、壁面に吸光性のある膜を形成する（例えば塗膜を形成する）ことによって、壁面において迷光が発生しないようにすることが好ましい。
【００４７】
なお、ここでは光源として半導体レーザを単独で用いた構成を例として示しているが、２以上の発光源を有する半導体レーザアレイや、２以上の半導体レーザを適宜組み合わせたものや、図６に示すように、二個の半導体レーザ１ａ、１ｂとビーム合成プリズム１２とを組み合わせたものを用いる構成であっても良い。
このような構成とした場合には、各光束の偏向手段（偏光分離膜１３ａ）における射出角を互いに異ならせることにより、壁の影響を受けて光量の低下する像高も各光束によって異なり、画像の副走査方向に光量の低下する位置が途切れなく連なって目立つことが抑制される。
【００４８】
また、偏向器としてガルバノミラー１１を用いた構成を示したが、ポリゴンミラーを用いた構成であっても本質的には変わりはない。以下に偏向器後の光学系の光軸を含む主走査断面について説明する。なお、副走査断面については従来同様に非円弧面としてもよいし、フレネル面を適用しても構わない。
【００４９】
表２に、本実施形態における偏向器後の光学系のデータを示す。なお、光源波長は７８０ｎｍである。
ここで、
Ｒｍ：主走査曲率半径［ｍｍ］
Ｎ  ：使用波長での屈折率
Ｘ  ：光軸方向の距離［ｍｍ］
Ｙ  ：光軸と垂直方向の距離［ｍｍ］
である。
【００５０】
【表２】
2005037561.tif 000005
【００５１】
表２において＊を付して示した面の主走査断面は非円弧であり、次の式（３）で表される。
【００５２】
【数２】
2005037561.tif 000006
【００５３】
面番号１の面は、上記の式（３）において、Ｋ＝−８．２８×１０１０、Ａ＝−７．３１×１０−８、Ｂ＝１．３９×１０−１１  、Ｃ＝−２．２２×１０−１５  、Ｄ＝１．５７×１０−１９  、Ｅ＝−６．５６×１０−２４  として表される。
面番号３の面は、上記の式（３）において、Ｋ＝−１５４７０、Ａ＝−４．６３×１０−８、Ｂ＝−９．３５×１０−１３  、Ｃ＝２．７０×１０−１７  、Ｄ＝−３．７８×１０−２１  、Ｅ＝−４．７０×１０−２５  として表される。
面番号４の面は、上記の式（３）において、Ｋ＝−３９．０４、Ａ＝−６．４２×１０−８、Ｂ＝２．５４×１０−１２  、Ｃ＝−１．１７×１０−１６  、Ｄ＝３．９９×１０−２１  、Ｅ＝１．０６×１０−２５  として表される。
【００５４】
表２において＊＊を付して示した面は、主走査方向の形状は円弧形状でありその上にフレネル構造が形成されている。このフレネル構造は、次に示す式（４）で表される。
Ｘ＝ＦＹ２  ＋ＧＹ４  ＋ＨＹ６  ＋ＩＹ８  ＋ＪＹ１２・・・（４）
Ｆ＝−１．０３×１０−３、Ｇ＝−１．９１×１０−８、Ｈ＝−１．２４×１０−１３  、Ｉ＝７．６８×１０−１８  、Ｊ＝−１．９９×１０−２０
となる。
【００５５】
本実施形態に係る光走査装置は、被走査面８に従来の光走査装置と同様の光ビームスポットを形成できることに加え、フレネル面を用いた第１の走査レンズ６では、中心肉厚は１８．０ｍｍ、偏肉量は１０．８ｍｍであり、従来の構成と比較すると中心肉厚及び偏肉量がいずれも低減されている。
よって、従来よりも少ない材料量で同様の光学特性が得られるため、省資源化及び生産コストの低減を図ることができる。
また、溶融した原料を金型に流し込み、冷却して固化させる方法で製造するのであれば、製造に要する時間が短縮され生産性が高まる。さらに、偏肉量が小さいため、レンズ内部に残留応力による歪みが発生しにくく、良好な光学特性が得られる。
【００５６】
〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。図７に、本実施形態に係る光走査装置における光路を示す。
光源である半導体レーザ１を出射した光束は、カップリングレンズ２において平行光となり、アパーチャ３において光束径が決められる。アパーチャ３からの出射光は、シリンドリカルレンズ４によって偏向器であるガルバノミラー１１の近傍に主走査方向に平行な線像として結像される。ガルバノミラー１１によって偏向された光束は、偏向器側に置かれた第１の走査レンズ６と被走査面側に置かれた第２の走査レンズ７とによって被走査面８上にビームを集光させ、偏向角と主走査方向スポット位置とを比例させる（ｆθ特性）。
【００５７】
また、ここでは偏向器としてガルバノミラー１１を用いた構成を例にして説明しているが、ポリゴンミラーを用いた構成であっても構わない。
【００５８】
ところで、通常のレンズ面ではパワーが強いほど曲率が大きくなるため光軸方向に厚肉となり、光軸上と周縁部とで厚さが異なって偏肉が生じる。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、その分厚さ及び偏肉量が副走査方向よりも大きくなりがちである。
【００５９】
従って、肉厚及び偏肉量を効果的に低減するためには、フレネル面のパワーを主走査方向に用いることが好ましい。主走査方向にパワーを持つフレネル面は、フレネル面の格子を主走査方向に並べることによって実現できる。
【００６０】
フレネル面の製造方法としては、レンズ材質がプラスチックであれば、フレネル格子を刻んだ金型を作成し、従来と同様に溶融した原料を金型に流し込み、冷却して固化させるという方法が適用可能である。このような製造方法は、フレネル面を備えた光学素子を容易に大量生産できるため好ましい。
【００６１】
また、走査レンズが二枚の光学系では、偏向器側のレンズに主走査方向の主なパワーを持たせることが望ましい。これは、偏向器側のレンズでは無く像側のレンズに主走査方向の主なパワーを持たせると、より広い走査幅をカバーしなければならなくなり、収差が発生しやすくなるためである。
【００６２】
また、主走査方向では平行光を集束させる必要があるため、正のパワーが優勢である。よって、主走査方向の主なパワーを持つ偏向器側のレンズにフレネル面を設け、フレネル面に正のパワーを負担させれば、レンズの薄肉化及び偏肉量低減に対して効果的である。
【００６３】
さらに、主走査方向の主なパワーを持つ偏向器側のレンズ面は、両面共に偏向器側を凹にすると、レンズ面に対する光線の角度が大きくならず、収差が発生しにくくなるため好ましい。これは、偏向器側の面は負のパワー、像面側の面は正のパワーと言うことと同義である。
よって、フレネル面を像面側に設け、フレネル面で正のパワーを発生させることが好ましい。
【００６４】
ところで、フレネル面は、光線を屈折させる屈折セグメントと各屈折セグメントを繋ぐバックカットとからなる。バックカットは、光線がバックカットで反射されないように光線と平行にすることが好ましいが、レンズの取付姿勢が理想からずれると、バックカット面において反射が起こり、光線が一旦偏向器に戻ったのちに再度反射されて像面に到達し、ゴーストを発生させることがある。
【００６５】
ここで、偏向器側（ガルバノミラー１１側）のレンズ（第１の走査レンズ６）の偏向器側（ガルバノミラー１１側）で発生したゴーストは、偏向器側のレンズの被走査面８側（第１の走査レンズの被走査面８側）で発生したゴーストよりも像面（被走査面８）に到達するまでに通過するレンズ面数が多いため、減衰が大きく、さほど問題とならない。よって、バックカットにおいて反射が起こる可能性のあるフレネル面は、像側の面に設けることが望ましい。
【００６６】
フレネル面のベースとなる形状は、主走査方向に関してはフレネル構造が光線を屈折させるため平面で構わない。また、副走査の収差を補正するために副走査方向には曲率を持つことが好ましい。従って、フレネル面のベースとなる形状は、主走査方向に軸を持つシリンドリカル面であることが好ましい。これにより第１の走査レンズの中心肉厚は５ｍｍ、偏肉量は８．８ｍｍに低減される。
【００６７】
以下に光源波長が６５０ｎｍである場合の偏向器後の光学系のデータを表３に示す。なお、偏向器出射時の主走査方向光束径は４．５ｍｍ、副走査方向ＮＡは０．０１１４である。
ここで、
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
Ｘ  ：光軸方向の距離［ｍｍ］
Ｙ  ：光軸と垂直方向の距離［ｍｍ］
である。
【００６８】
【表３】
2005037561.tif 000007
【００６９】
表３において＊を付して示した面は、共軸非球面であり、上記の式（１）で表される。
【００７０】
面番号１の面は、上記の式（１）において、Ｋ＝４．２０６、Ａ＝１．９５×１０−７、Ｂ＝４．７９×１０−１２  、Ｃ＝−１．１９×１０−１５  、Ｄ＝２．２８×１０−１９  として表される。
【００７１】
また、表３において＊＊を付して示した面は、主走査方向に軸を持つシリンドリカル面をベースとし、主走査方向に格子が並んだフレネル面であり、正のパワーを持つ。
【００７２】
また、表３において＊＊＊を付して示した面は、主走査方向の形状が非円弧形状であり、副走査方向の曲率はレンズ高さによって連続的に変化する。
【００７３】
面番号３の主走査形状は、上記の式（１）で表され、Ｋ＝２１５．４、Ａ＝−６．４２×１０−９、Ｂ＝−１．６１×１０−１２  、Ｃ＝−１．２０×１０−１６  、Ｄ＝１．０２×１０−２０  である。
【００７４】
副走査形状は、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＝Ｃｓ（Ｙ）としたとき、Ｃｓ（Ｙ）を特定するのに、下記の多項式（５）で表すこととする。
Ｃｓ（Ｙ）＝１／Ｒｓ（０）＋Σｂｊ  ＋Ｙｊ    ・・・（５）
ただし（ｊ＝１，２，３，・・・）
面番号３では、ｂ２  ＝−７．６７×１０−７、ｂ４  ＝４．９２×１０−１１  、ｂ６  ＝−２．６５×１０−１５  である。
【００７５】
表３において＊＊＊＊を付して示した面は、Ｘトロイダル面であり、面番号４の副走査形状は式（１）において、Ｋ＝−６．５２９、Ａ＝−１．３９×１０−５、Ｂ＝８．７２×１０−１４  、Ｃ＝５．８５×１０−２０  、Ｄ＝３．８６×１０−３０で表される形状を、この非円弧の頂点から光軸方向にＲｍ離れた副走査方向に平行な軸を回転させた形状である。
なお、ここでは、光学系に厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス１０（屈折率１．５１１）を挿入し、計算している。
【００７６】
この構成により、像高±１５０ｍｍの範囲において、主走査ビームスポット径：４５．４〜４６．１μｍ、副走査ビームスポット径：４８．９〜４９．３μｍが得られる。
【００７７】
本実施形態に係る光走査装置は、被走査面８に、主走査ビームスポット径：４５．４〜４６．１μｍ、副走査ビームスポット径：４８．９〜４９．３μｍという従来と同様の光ビームスポットを形成できることに加え、フレネル面を用いた第１の走査レンズ６では、中心肉厚は５ｍｍ、偏肉量は８．８ｍｍとなり、従来の構成と比較すると中心肉厚及び偏肉量がいずれも低減されている。
よって、従来よりも少ない材料量で同様の光学特性が得られるため、省資源化及び生産コストの低減を図ることができる。
また、溶融した原料を金型に流し込み、冷却して固化させる方法で製造するのであれば、製造に要する時間が短縮され生産性が高まる。さらに、偏肉量が小さいため、レンズ内部に残留応力による歪みが発生しにくく、良好な光学特性が得られる。
【００７８】
〔第３の実施形態〕
本発明を好適に実施した第３の実施形態について説明する。図８に、本実施形態に係る光学装置の光路を示す。
【００７９】
光源である半導体レーザ１を出射した光束は、カップリングレンズ２において平行光となり、アパーチャ３において光束径が決められる。アパーチャ３からの出射光は、シリンドリカルレンズ４によって偏向器であるガルバノミラー１１の近傍に主走査方向に平行な線像として結像される。ガルバノミラー１１によって偏向された光束は、偏向器側に置かれた第１の走査レンズ６と被走査面側に置かれた第２の走査レンズ７とによって被走査面８上にビームを集光させ、偏向角と主走査方向スポット位置とを比例させる（ｆθ特性）。
【００８０】
また、ここでは偏向器としてガルバノミラー１１を用いた構成を例にして説明しているが、ポリゴンミラーを用いた構成であっても構わない。
【００８１】
通常のレンズ面ではパワーが強いほど曲率が大きくなるため光軸方向に厚肉となり、光軸上と周縁部とで厚さが異なって偏肉が生じる。これは、広い像高幅を持つ主走査方向の屈折に関して特に問題となるため、フレネル面のパワーを主走査方向に用いることが好ましい。
【００８２】
本実施形態においては、負のパワーを持つ偏向器側もフレネル面としているが、これにより、レンズの偏肉量低減及び薄肉化をさらに図ることができる。
偏向器側の面は、巨視的には走査方向については平面であるが、負のパワーを持つことにより、微視的には屈折セグメントは偏向器に対して凹となっており、収差が発生しやすいことには変わりはない。
【００８３】
フレネル面のベースとなる形状は、主走査方向に関してはフレネル構造が光線を屈折させるため、平面で構わない。また、副走査の収差を補正するため、副走査方向には曲率を持つことが好ましい。従って、フレネル面のベースとなる形状は主走査方向に軸を持つシリンドリカル面であることが好ましい。
【００８４】
これにより、第１の走査レンズの中心肉厚は５．２ｍｍ、偏肉量は０ｍｍに低減される。
【００８５】
以下の表４に、光源波長が６５０ｎｍである場合の偏向器後の光学系のデータを示す。なお、偏向器出射時の主走査方向光束径ｈは、４．５ｍｍ、副走査方向ＮＡは、０．０１１４である。
ここで、
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
Ｘ  ：光軸方向の距離［ｍｍ］
Ｙ  ：光軸と垂直方向の距離［ｍｍ］
である。
【００８６】
【表４】
2005037561.tif 000008
【００８７】
表４において、＊＊を付して示した面は、主走査方向に軸を持つシリンドリカル面をベースとし、主走査方向に格子が並んだフレネル面である。第１面は正のパワーを持ち。第２面は負のパワーを持つ。
【００８８】
また、表４において＊＊＊を付して示した面は、主走査方向の形状が非円弧形状であり、副走査方向の曲率はレンズ高さに応じて連続的に変化する。
面番号３の主走査形状は、上記の式（１）で表され、
Ｋ＝１４３１、Ａ＝−９．９８×１０−８、Ｂ＝１．００×１０−１４  、Ｃ＝−２．４１×１０−１６  、Ｄ＝２．６２×１０−２０
副走査形状は、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：Ｃｓ（Ｙ）とした時、このＣｓ（Ｙ）を特定するのに、上記の式（５）で表す。
面番号３では、ｂ２  −４．６３×１０−７、ｂ４  ２．６５×１０−１１  ｂ６  ５．５２×１０−１５
【００８９】
また、表４において＊＊＊＊を付して示した面は、Ｘトロイダル面であり、面番号４の副走査形状は上記の式（１）において、
Ｋ＝４．４２２、Ａ＝２．２８×１０−５、Ｂ＝１．０５×１０−７，Ｃ＝−４．４７×１０−２２  、Ｄ＝２．５５×１０−２８  で表現される形状を、この非円弧の頂点から光軸方向にＲｍ離れた副走査方向に平行な軸を中心に回転させた形状である。
なお、ここでは、光学系において厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス１０（屈折率１．５１１）を挿入して計算している。
【００９０】
この構成により、像高：±１５０ｍｍの範囲において、主走査ビームスポット径：４５．４〜４５．６μｍ、副走査ビームスポット径４８．９〜４９．５μｍが得られ、レンズ厚さ及び偏肉量を低減したレンズを用いてビーム径が得られた。
【００９１】
本実施形態に係る光走査装置は、被走査面８に、主走査ビームスポット径：４５．４〜４５．６μｍ、副走査ビームスポット径４８．９〜４９．５μｍという従来と同様の光ビームスポットを形成できることに加え、フレネル面を用いた第１の走査レンズ６では、中心肉厚は５．２ｍｍ、偏肉量は０ｍｍとなり、従来の構成と比較すると中心肉厚及び偏肉量がいずれも低減されている。
よって、従来よりも少ない材料量で同様の光学特性が得られるため、省資源化及び生産コストの低減を図ることができる。
また、溶融した原料を金型に流し込み、冷却して固化させる方法で製造するのであれば、製造に要する時間が短縮され生産性が高まる。さらに、偏肉量が小さいため、レンズ内部に残留応力による歪みが発生しにくく、良好な光学特性が得られる。
【００９２】
〔第４の実施形態〕
本発明を好適に実施した第４の実施形態について説明する。
図９に、本実施形態に係る画像形成装置を示す。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、その周辺に帯電ユニット１１２、現像ユニット１１３、転写ユニット１１４、クリーニングユニット１１５、定着ユニット１１６及び光書き込み装置１１７を備えた走査光学系を有する。
なお、ここでは帯電ローラによる接触式の帯電ユニットを示しているが、コロナチャージャや帯電ブラシを用いるものであってもよい。また、転写ユニット１１４は、転写ローラを用いるものに限定されることはなく、コロナチャージャを用いるものであっても良い。
【００９３】
光走査装置１１７は、帯電ユニット１１２と現像ユニット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としては、上記各実施形態において説明したものを適用できる。
【００９４】
画像を形成する際には、感光体１１１が所定の方向（図中矢印に示す方向）に等速回転し、その表面が帯電ユニット１１２によって均一に帯電させられる。次いで、光走査装置１１７による光走査によって帯電した感光体１１１の表面に画像が書き込まれ、書き込まれた画像に対応する静電潜像が形成される。感光体１１の表面に形成された静電潜像は、いわゆる「ネガ潜像」であり、露光されていない部分が黒地となり、露光された部分が画像となる。
【００９５】
この静電潜像は、現像ユニット１１３によって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、転写ユニット１１４によって転写紙やＯＨＰシートといったシート状記録媒体Ｓ上に転写される。記録媒体Ｓに転写されたトナー像は、定着ユニット１１６によってシート状記録媒体Ｓに定着させられる。トナー画像が定着させられたシート状記録媒体Ｓは、装置外へ排出される。
【００９６】
トナー画像が転写された後の感光体１１１は、クリーニングユニット１１５によってクリーニングされ、残留トナーや紙粉が感光体１１１の表面から除去される。
【００９７】
本実施形態に係る画像形成装置は、上記第１〜第３のいずれかの実施形態に係る光走査装置を備えているため、従来よりも偏肉が少なく薄いレンズで、従来の画像形成装置と同様の画像品質を得られる。よって、装置を廃棄した場合に生じるレンズに由来する廃棄物の量を従来の画像形成装置よりも低減できる。
【００９８】
なお、上記各実施形態は、本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態においては、走査光学系を一つ備える光プリンタを例に説明したが、本発明に係る光走査装置は、複数の色それぞれについて走査光学系を備え、各色の画像を重ね合わせてカラー画像を形成する画像形成装置に適用することも可能である。
このように、本発明は様々な変形が可能である。
【００９９】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、従来よりも薄く、且つその厚さが均一な光学レンズを備えた光走査装置及びこれを有する画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を好適に実施した第１の実施形態に係る光走査装置の光路を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光走査装置の主走査方向の像面湾曲を示す図である。
【図３】レンズ高さと光路長との関係を示す図である。
【図４】レンズ高さと主走査面断面形状を示す図である。
【図５】入射光線方向と光軸との関係を示す図である。
【図６】二個の半導体レーザとビーム合成プリズムとを備えた光源の一例を示す図である。
【図７】本発明を好適に実施した第２の実施形態に係る光走査装置の光路を示す図である。
【図８】本発明を好適に実施した第３の実施形態に係る光走査装置の光路を示す図である。
【図９】本発明を好適に実施した第４の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す図である。
【図１０】従来の光走査装置の光路を示す図である。
【図１１】従来の光走査装置の主走査方向の像面湾曲を示す図である。
【図１２】回折面及びフレネル面において光が屈折する仕組みを示す図であり、（ａ）は回折面、（ｂ）はフレネル面において光が屈折する仕組みを示す。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ  光源（半導体レーザ）
２、２ａ、２ｂ  カップリングレンズ
３  アパーチャ
４  シリンドリカルレンズ
５  ポリゴンミラー
５ａ  ミラー面
５ｂ  ポリゴン中心
６  第１の走査レンズ
７  第２の走査レンズ
８  被走査面（像面）
９  防音ガラス
１０  防塵ガラス
１１  ガルバノミラー
１２  ビーム合成プリズム
１３ａ、１３ｂ  偏光分離膜
１４  反射ミラー
６１  フレネル面
１１１  感光体
１１２  帯電ユニット
１１３  現像ユニット
１１４  転写ユニット
１１５  クリーニングユニット
１１６  定着ユニット
１１７  光書き込み装置
Ｓ  シート状記録媒体
【図１】
2005037561.tif 000009
【図２】
2005037561.tif 000010
【図３】
2005037561.tif 000011
【図４】
2005037561.tif 000012
【図５】
2005037561.tif 000013
【図６】
2005037561.tif 000014
【図７】
2005037561.tif 000015
【図８】
2005037561.tif 000016
【図９】
2005037561.tif 000017
【図１０】
2005037561.tif 000018
【図１１】
2005037561.tif 000019
【図１２】
2005037561.tif 000020