(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発するレーザー光源と、入射してきたレーザー光を主走査方向に偏向させる偏向器と、前記レーザー光源から射出されたレーザー光を主走査方向についてはほぼ平行光にし副走査方向については前記偏向器の偏向面近傍で集光させる光源光学系と、前記偏向器により偏向されたレーザー光を再び集光させる走査光学系と、を備えたレーザー走査装置であって、
前記光源光学系が樹脂で構成された１つの光学素子から成り、その光学素子が、回転対称軸を持たない２面の反射面と、２面の透過面と、を有し、前記透過面のうちの少なくとも１面が回折面であり、波長が伸びることによって像面が移動する方向と温度上昇によって像面がシフトする方向とが逆方向になるように、前記回折面のパワーが設定されていることを特徴とするレーザー走査装置。
【請求項２】
前記反射面での反射が全反射となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー走査装置。
【請求項３】
前記２面の反射面が回転対称軸を持たない自由曲面から成ることを特徴とする請求項１記載のレーザー走査装置。
【請求項４】
前記透過面が２面とも回折面であり、それら２面の回折面において波長変化時の回折角の変化が互いに逆方向となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー走査装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー走査装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー走査装置に関するものであり、例えば画像形成装置(レーザープリンタ，デジタル複写機等)のプリントヘッドを構成するレーザー走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザー走査装置の分野では、光源光学系に回折素子を用いて、温度変化による性能変化(屈折率変化や形状変化に伴う光学性能の変化)や、レーザーダイオードのモードホップ(つまり発振波長変化)に伴う性能変化を抑制する技術が提案されている(例えば特開平１０−３３３０７０号公報や特開２０００−１７１７４１号公報)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー走査装置に用いられる光源光学系は、軽量・低コスト化のために樹脂で構成されることが望ましいが、上述した従来のレーザー走査装置では、光源光学系を樹脂で構成したときに、温度補償のための条件と軸上色収差補正(発振波長変化に伴う性能変化の補正)のための条件とが大きく異なってしまうため、性能を維持できないという問題があった。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、安価で、かつ、温度変化時にも性能の安定したレーザー走査装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明のレーザー走査装置は、レーザー光を発するレーザー光源と、入射してきたレーザー光を主走査方向に偏向させる偏向器と、前記レーザー光源から射出されたレーザー光を主走査方向についてはほぼ平行光にし副走査方向については前記偏向器の偏向面近傍で集光させる光源光学系と、前記偏向器により偏向されたレーザー光を再び集光させる走査光学系と、を備えたレーザー走査装置であって、前記光源光学系が樹脂で構成された１つの光学素子から成り、その光学素子が、回転対称軸を持たない２面の反射面と、２面の透過面と、を有し、前記透過面のうちの少なくとも１面が回折面であり、波長が伸びることによって像面が移動する方向と温度上昇によって像面がシフトする方向とが逆方向になるように、前記回折面のパワーが設定されていることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明のレーザー走査装置は、上記第１の発明の構成において、前記反射面での反射が全反射となるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明のレーザー走査装置は、上記第１の発明の構成において、前記２面の反射面が回転対称軸を持たない自由曲面から成ることを特徴とする。
【０００８】
第４の発明のレーザー走査装置は、上記第１の発明の構成において、前記透過面が２面とも回折面であり、それら２面の回折面において波長変化時の回折角の変化が互いに逆方向となるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
第５の発明の画像形成装置は、上記第１〜第４のいずれか一つの発明のレーザー走査装置を備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施したレーザー走査装置を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１１】
図１に、本発明を実施したレーザー走査装置の概略構成を示す。このレーザー走査装置は、レーザー光源(1)，光学素子(3)，ポリゴンミラー(4)及び走査光学系(5)を備えており、画像形成装置(レーザープリンタ，デジタル複写機等)において感光体(6)に対する露光走査をレーザー光(2)で行う構成になっている。まず、レーザー光源(1)から発せられたレーザー光(2)が光学素子(3)に入射する。光学素子(3)は、レーザー光(2)を反射・屈折によりビーム整形する光源光学系であり、レーザー光源(1)から射出されたレーザー光(2)を、主走査方向についてはほぼ平行光にし、副走査方向についてはポリゴンミラー(4)の偏向面(4a)近傍で集光させる。光学素子(3)でビーム整形されたレーザー光(2)は、ポリゴンミラー(4)に入射する。ポリゴンミラー(4)は、入射してきたレーザー光(2)を偏向面(4a)で反射させることにより主走査方向に偏向させる。ポリゴンミラー(4)により偏向されたレーザー光(2)は、走査光学系(5)によって反射・屈折され、感光体(6)上でスポット状に集光する。なお、主走査方向はレーザー光(2)が感光体(6)を走査する方向であり、副走査方向は主走査方向に対して垂直な方向である。
【００１２】
本発明に係るレーザー走査装置は、１つの光学素子(3)で構成された光源光学系に特徴があり、他の光学要素の基本的な構成(図１)は同じになっている。図２，図３；図８，図９；図１２，図１３；図１８，図１９に、第１〜第４の実施の形態を構成している光学素子(3)の概略光学構成をそれぞれ示す。図２，図８，図１２，図１８は斜め方向から見た光学素子(3)及び光路を示しており、図３，図９，図１３，図１９中、(A)は主走査断面、(B)は副走査断面における各光学面及び光路をそれぞれ示している。各光学構成図中、Si(i=1,2,…)が付された面はレーザー光源(1)側から光路順に数えて数えてi番目の面であり、Siに$印が付された面は自由曲面、Siに#印が付された面は回折面である。
【００１３】
各実施の形態において光学素子(3)は樹脂で構成されており、第１〜第３の実施の形態では光学面を４面、第４の実施の形態では光学面を３面有している。そのうち、少なくとも１面は回転対称軸を持たない反射面であり、２面は透過面である。一方の透過面は光入射側{すなわちレーザー光源(1)側}の透過面(S1)であり、他方の透過面は光射出側の透過面(S4又はS3)である。いずれの実施の形態においても、光学素子(3)が樹脂で構成されているため軽量・低コスト化が達成され、また光学素子(3)の反射面での反射が全反射となるように構成されているので、反射コーティングを施す必要がなく、それによる低コスト化も達成される。
【００１４】
第１の実施の形態では、光入射側の透過面(S1)と２つの反射面(S2,S3)が、回転対称軸を持たない面で構成されており、光射出側の透過面(S4)が、平面上に微細な溝が形成された構造の回折面で構成されている。その溝は楕円状に形成されており、その楕円中心を軸上主光線が通過するように配置されている。回折面の溝を楕円状に形成することにより、主走査方向と副走査方向とで異なった強さに最適化された回折力が得られる。第２の実施の形態では、２つの反射面(S2,S3)が回転対称軸を持たない面で構成されており、透過面(S1,S4)が２面とも平面(回折面ではない)で構成されている。なお、第２の実施の形態には回折面が無いため、この点で第２の実施の形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００１５】
第３の実施の形態では、２つの反射面(S2,S3)が回転対称軸を持たない面で構成されており、透過面(S1,S4)が２面とも回折面で構成されている。光入射側の透過面(S1)を構成している回折面は、円錐面上に溝が形成された構造の軸対称回折面になっており、その軸対称回折面の回転対称軸は光学面範囲から外れた所にある。また、光射出側の透過面(S4)を構成している回折面は、平面上に溝が形成された構造を有している。第４の実施の形態では、光入射側の透過面(S1)と１つの反射面(S2)が、回転対称軸を持たない面で構成されており、光射出側の透過面(S3)が、平面上に微細な溝が形成された構造の軸対称回折面で構成されている。その溝は同心円状に形成されており、その同心円中心を軸上主光線が通過するように配置されている。反射面数が少なく、かつ、回折面構造が簡略化されているため、他の実施の形態よりも低いコストで実現可能である。なお、第４の実施の形態では反射面の数が１面であるため、この点で第４の実施の形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００１６】
光学素子(3)を樹脂で構成した場合、ガラスで構成した場合と比較して、温度変化による像面のシフトが大きめに起こる。これは、温度変化に伴う形状変化(膨張，収縮等)や屈折率変化が、樹脂ではガラスよりも大きいためである。各実施の形態のレーザー走査装置では、樹脂から成る１つの光学素子(3)で光源光学系を構成した上に、その光学素子(3)に１つ以上の平面でない反射面を設けることにより、所定のビーム整形機能(コリメータレンズ機能，シリンダレンズ機能等)を与えている。反射面では形状変化による性能変化は起こるものの、性能に影響を及ぼす屈折率変化は生じない。したがって、光源光学系を樹脂で構成しても、温度変化時の性能変化を低減することが可能である。さらに、第２の実施の形態のように回折面を使用しないか、あるいは第１，第３，第４の実施の形態のように回折面を使用したとしても弱いパワーに設定することができ、以下に説明するように、波長変化時に大きな性能変化を起こさないようにすることができる。
【００１７】
第１，第３，第４の実施の形態では、透過面のうちの少なくとも１面が回折面であり、回折面を設けることによって温度変化に伴う像面のシフトを抑制している。これは、温度が上昇したときにはレーザーダイオードの発振波長が伸びることを利用するものである。レーザー光源(1)として使用されるレーザーダイオードは、温度の上昇に伴って発振波長が伸びるという特性がある。また、回折面は波長変化に対して敏感であり、温度変化により波長が変化すれば回折面の作用も変化することになる。第１，第３，第４の実施の形態では、波長が伸びることによって像面が移動する方向と温度上昇によって像面がシフトする方向とが逆方向になるように、回折面のパワー等が設定されている。これにより、温度変化時の像面変化をトータルで(つまり形状変化によるものも含めて)抑制することが可能になる。
【００１８】
第３の実施の形態では、透過面(S1,S4)が２面とも回折面であり、それら２面の回折面(S1,S4)において波長変化時の回折角の変化が互いに逆方向となるように構成されている。図１３(B)に示すように、透過面(S1,S4)は２面とも概略形状としては副走査方向に対して傾きをもっているが、レーザー光(2)の主光線は回折によってほぼ直進するように設計されている。つまり、各透過面(S1,S4)での屈折力が回折面のパワーで打ち消される結果、透過面(S1,S4)に対して斜めに入射した主光線が向きを変えることなく透過面(S1,S4)を真っ直ぐ透過することになる。このように斜めの回折面を主光線が直進するように設計した場合、波長が変化すると回折の方向も変化してしまい、結果的にビーム集光位置がずれることになる。しかし、第３の実施の形態のように波長変化時の回折角の変化が互いに逆方向となるように設計すれば、波長が変化しても回折作用の変化が相殺されて、光学素子(3)全体としてはビーム集光位置のズレが生じなくなる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施したレーザー走査装置を、それを構成している光学素子(3)のコンストラクションデータ等を挙げて、更に具体的に説明する。なお、以下に挙げる実施例１〜４は前述した第１〜第４の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第４の実施の形態における光学素子(3)の光学構成図(図２，図３；図８，図９；図１２，図１３；図１８，図１９)は、対応する実施例１〜４における光学素子(3)の光学構成をそれぞれ示している。したがって、第２，第４の実施の形態に対応する実施例２，４は本発明の単なる参考例であり、本発明に属さないものである。
【００２０】
表１，表６，表９，表１６に、実施例１〜４を構成している光学素子(3)の光学面の座標データをそれぞれ示す。これらの座標データは、グローバル座標系(Ｘ，Ｙ，Ｚ)におけるローカル座標系(ｘ，ｙ，ｚ)の原点及びベクトルで各光学面の配置を表している。また、表２〜表４；表７，表８；表１０〜表１３；表１７，表１８に、実施例１〜４を構成している光学素子(3)の光学面の形状データをそれぞれ示す。自由曲面の面形状は以下の式($1)によって表現され、軸対称回折面の面形状は以下の式($2)によって表現される。表５；表１４，表１５；表１９に、実施例１，３，４の光学素子(3)に用いられている回折面の位相関数ｐの係数を示す。回折面の位相関数ｐは以下の式(#1)によって表現され、軸対称回折面の位相関数ｐは以下の式(#2)によって表現される。
【００２１】
【数１】
0004395691.tif 000002
【００２２】
図４に、実施例１を構成している光学素子(3)の回折面の溝形状を示す。見やすくするために、溝を５本に１本の割合で表示している。溝は楕円状に形成されており、主走査方向と副走査方向とで異なった強さの回折力を持っている。図５に、実施例１を構成している光学素子(3)の回折面の断面形状(面法線を含む断面)を示す。見やすくするために、図５の縦方向(面法線方向)を縦／横のサイズ比で１００倍にして表示している。図５に示すように、面は曲面の集合によって構成されており、それぞれの曲面は回転対称軸を持たない面になっている。
【００２３】
図１４に、実施例３を構成している光学素子(3)の回折面の溝形状を示す。図１４(A)が透過面(S1)に形成されている軸対称回折面の溝形状を示しており、図１４(B)が透過面(S4)に形成されている回折面の溝形状を示している。見やすくするために、溝を１０本に１本の割合で表示している。透過面(S1)において円錐面上に形成されている溝はその円錐の回転対称軸と中心を同じくする円弧であり、透過面(S4)において平面上に形成されている溝は平行な直線である。どちらの回折面(S1,S4)も溝の間隔は一定ではない。図１５に、実施例３を構成している光学素子(3)の回折面の断面形状(面法線を含む断面)を示す。図１５(A)が透過面(S1)に形成されている軸対称回折面の溝形状を示しており、図１５(B)が透過面(S4)に形成されている回折面の溝形状を示している。図１５に示すように、面は平面の集合により形成されている。ただし、円錐面上に形成した回折面(S1)では、光が通る面は平面になっているが、立ち壁の部分は円筒面になっている。
【００２４】
実施例３では、前述したように２つの回折面(S1,S4)がいずれも概略形状としては傾きをもっているが、主光線は回折によってほぼ直進するように設計されている。このとき、波長が変化すると各回折の方向も変化するが、その変化を２つの回折面(S1,S4)で相殺することにより、光学素子(3)全体としては波長変化に伴う集光位置のズレが起きないように設計されている。
【００２５】
図２０に、実施例４を構成している光学素子(3)の回折面の溝形状を示す。見やすくするために、溝を５本に１本の割合で表示している。溝は同心円状に形成されているので、主走査方向と副走査方向とで同じ強さの回折力を持っている。図２１に、実施例４を構成している光学素子(3)の回折面の断面形状(面法線を含む断面)を示す。見やすくするために、図２１の縦方向(面法線方向)を縦／横のサイズ比で１００倍にして表示している。図２１に示すように、面は曲面の集合により形成されている。
【００２６】
図６，図７；図１０，図１１；図１６，図１７；図２２，図２３；図２４，図２５；図２６，図２７；図２８，図２９に、実施例１〜４，比較例１〜３において温度変化や波長変化が生じたときの像面変化(ｍｍ)のシミュレーション結果をそれぞれ示す{横軸：主走査方向の像高(ｍｍ)}。図６，図１０，図１６，図２２，図２４，図２６，図２８は、実施例１〜４，比較例１〜３における主走査像面の変化をそれぞれ示しており、図７，図１１，図１７，図２３，図２５，図２７，図２９は、実施例１〜４，比較例１〜３における副走査像面の変化をそれぞれ示している。◆でプロットされたラインは温度が１０度上昇したときの像面変化
【外１】
0004395691.tif 000003
変化を示している。また△でプロットされたラインは、温度が１０度上昇して波長が変化しなかった場合の像面変化を比較のために示している。
【００２７】
波長が変化したときの像面変化は、ほとんどすべて回折面の作用によるものであるから、△でプロットされたラインは、回折面を使用しなかった場合とほぼ等しいと考えることができる。また、温度が１０度上昇したときのレーザーダイオードの発振波長の変化は２ｎｍ程度である。このため、温度が１０度上昇して波長が変化しなかった場合の像面変化(△)と、波長が２ｎｍ長くなったときの像面
【外２】
0004395691.tif 000004
とほぼ等しくなっている。
【００２８】
比較例１〜３は、各実施例と同様のスペックにおいて、光学素子(3)の代わりに軸対称なコリメータレンズとシリンダレンズを用いた構成になっている。ただし、比較例１ではコリメータレンズとシリンダレンズの両方をガラスで構成しており、比較例２，３ではコリメータレンズとシリンダレンズの両方を樹脂で構成している。また、比較例２では回折面を用いていないが、比較例３ではコリメータレンズとシリンダレンズに各々１面ずつ回折面を用いて、温度変化時の性能変化を抑制している。比較例１は、性能が良好であるが、ガラスであるために各実施例と比較してコストがかかる。比較例２は、樹脂であるため安価であるが、反射面を使用していないので、各実施例と比較して性能が劣る。比較例３は、樹脂であるため安価であり温度変化時の性能変化も十分抑制されているが、波長変化時の性能変化が大きくなっている。
【００２９】
【表１】
0004395691.tif 000005
【００３０】
【表２】
0004395691.tif 000006
【００３１】
【表３】
0004395691.tif 000007
【００３２】
【表４】
0004395691.tif 000008
【００３３】
【表５】
0004395691.tif 000009
【００３４】
【表６】
0004395691.tif 000010
【００３５】
【表７】
0004395691.tif 000011
【００３６】
【表８】
0004395691.tif 000012
【００３７】
【表９】
0004395691.tif 000013
【００３８】
【表１０】
0004395691.tif 000014
【００３９】
【表１１】
0004395691.tif 000015
【００４０】
【表１２】
0004395691.tif 000016
【００４１】
【表１３】
0004395691.tif 000017
【００４２】
【表１４】
0004395691.tif 000018
【００４３】
【表１５】
0004395691.tif 000019
【００４４】
【表１６】
0004395691.tif 000020
【００４５】
【表１７】
0004395691.tif 000021
【００４６】
【表１８】
0004395691.tif 000022
【００４７】
【表１９】
0004395691.tif 000023
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光源光学系が樹脂で構成された１つの光学素子から成る上に、その光学素子に回転対称軸を持たない反射面を１面以上設けた構成としているので、レーザー走査装置の低コスト化とともに、温度変化や波長変化に伴う性能変化を小さくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザー走査装置を示す斜視図。
【図２】第１の実施の形態(実施例１)を構成している光学素子を示す斜視図。
【図３】第１の実施の形態(実施例１)を構成している光学素子の主走査断面及び副走査断面を示す光学構成図。
【図４】実施例１を構成している光学素子の回折面の溝形状を示す平面図。
【図５】実施例１を構成している光学素子の回折面の溝形状を示す断面図。
【図６】実施例１における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図７】実施例１における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図８】第２の実施の形態(実施例２)を構成している光学素子を示す斜視図。
【図９】第２の実施の形態(実施例２)を構成している光学素子の主走査断面及び副走査断面を示す光学構成図。
【図１０】実施例２における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１１】実施例２における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１２】第３の実施の形態(実施例３)を構成している光学素子を示す斜視図。
【図１３】第３の実施の形態(実施例３)を構成している光学素子の主走査断面及び副走査断面を示す光学構成図。
【図１４】実施例３を構成している光学素子の回折面の溝形状を示す平面図。
【図１５】実施例３を構成している光学素子の回折面の溝形状を示す断面図。
【図１６】実施例３における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１７】実施例３における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図１８】第４の実施の形態(実施例４)を構成している光学素子を示す斜視図。
【図１９】第４の実施の形態(実施例４)を構成している光学素子の主走査断面及び副走査断面を示す光学構成図。
【図２０】実施例４を構成している光学素子の回折面の溝形状を示す平面図。
【図２１】実施例４を構成している光学素子の回折面の溝形状を示す断面図。
【図２２】実施例４における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２３】実施例４における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２４】比較例１における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２５】比較例１における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２６】比較例２における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２７】比較例２における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２８】比較例３における主走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図２９】比較例３における副走査像面変化のシミュレーション結果を示すグラフ。
【符号の説明】
1  …レーザー光源
2  …レーザー光
3  …光学素子(光源光学系)
4  …ポリゴンミラー(偏向器)
4a  …偏向面
5  …走査光学系
6  …感光体
【図１】
0004395691.tif 000024
【図２】
0004395691.tif 000025
【図３】
0004395691.tif 000026
【図４】
0004395691.tif 000027
【図５】
0004395691.tif 000028
【図６】
0004395691.tif 000029
【図７】
0004395691.tif 000030
【図８】
0004395691.tif 000031
【図９】
0004395691.tif 000032
【図１０】
0004395691.tif 000033
【図１１】
0004395691.tif 000034
【図１２】
0004395691.tif 000035
【図１３】
0004395691.tif 000036
【図１４】
0004395691.tif 000037
【図１５】
0004395691.tif 000038
【図１６】
0004395691.tif 000039
【図１７】
0004395691.tif 000040
【図１８】
0004395691.tif 000041
【図１９】
0004395691.tif 000042
【図２０】
0004395691.tif 000043
【図２１】
0004395691.tif 000044
【図２２】
0004395691.tif 000045
【図２３】
0004395691.tif 000046
【図２４】
0004395691.tif 000047
【図２５】
0004395691.tif 000048
【図２６】
0004395691.tif 000049
【図２７】
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【図２８】
0004395691.tif 000051
【図２９】
0004395691.tif 000052