(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源から射出されたレーザー光を偏向器で偏向して被走査面上を走査するとともに、光路上に配置された走査レンズ群にて該被走査面上に結像させるレーザー走査装置において、前記走査レンズ群の光学面の内少なくとも２つの面が、前記レーザー光が偏向される主走査方向の位置によって、該主走査方向に直交する副走査方向の形状が異なっており、その形状の変化は前記主走査方向の形状と独立に行われていて、前記偏向する各偏向角において、前記２つの面それぞれへの前記レーザー光入射位置における法線と、該レーザー光との成す角度が、互いに逆方向であり、前記少なくとも２つの面は、以下の式によって表される事を特徴とするレーザー走査装置。
【数１】
0004078732.tif 000009
但し、ｃ ：シリンダ面の副走査断面の曲率、ａij：ｙがｉ次でｚがｊ次の係数であり、座標系は、光軸をｘ軸、主走査方向をｙ軸、副走査方向をｚ軸とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザープリンター等に応用されるレーザー走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、このようなレーザー走査装置の分野では、例えば特開平９−３３８５０号公報に記載されている如く、副走査方向の曲率が主走査方向に沿って、その主走査方向の曲率とは独立に変化するような形状の面を、２面用いる事により、副走査方向の光学倍率を有効域内で均一にする技術が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成では、ビーム径を小さくしようとして有効Ｆナンバーを小さくしていっても、溝状収差が大きくなってビームの結像の状態が悪くなり、結局ビーム径が小さくならないという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑み、副走査方向の光学倍率が有効域内でほぼ均一であり、しかもビームを小さく絞る事が可能なレーザー走査装置を提供する事を目的とする。
【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、本発明では、レーザー光源から射出されたレーザー光を偏向器で偏向して被走査面上を走査するとともに、光路上に配置された走査レンズ群にてその被走査面上に結像させる構成において、前記走査レンズ群の光学面の内少なくとも２つの面が、前記レーザー光が偏向される主走査方向の位置によって、その主走査方向に直交する副走査方向の形状が異なっており、その形状の変化は前記主走査方向の形状と独立に行われていて、前記偏向する各偏向角において、前記２つの面それぞれへの前記レーザー光入射位置における法線と、そのレーザー光との成す角度が、互いに逆方向であり、前記少なくとも２つの面は、以下の式によって表される構成とする。
【数１】
0004078732.tif 000002
但し、ｃ ：シリンダ面の副走査断面の曲率、ａij：ｙがｉ次でｚがｊ次の係数であり、座標系は、光軸をｘ軸、主走査方向をｙ軸、副走査方向をｚ軸とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のレーザー走査装置の第１の実施形態の概略構成を示す斜視図である。同図において示すように、レーザー光源１を出たレーザービーム２は、コリメータレンズ３を通過して平行光となった後、シリンダレンズ４を通過してポリゴンミラー５のミラー面近傍で副走査方向のみ集光され、回転するポリゴンミラー５によって偏向され、続いて走査レンズ６によって屈折，反射され、感光体７上に集光し、潜像を形成する。ポリゴンミラー５が回転する事によって各ミラー面が回転し、回転する感光体７上をレーザービーム２が走査して潜像を描いてゆく。
【０００７】
図２は、第１の実施形態の走査系の形状を示す図である。同図においては、五角形のポリゴンミラー５及び走査レンズ６の形状及び配置状態が示されている。尚、８はポリゴンミラーウィンドウである。走査レンズ６の各面の面番号は、ｒを付した数字で示している。また、図３，図４は前記走査レンズ６の性能を示す図である。図３においては、横軸に偏向角、縦軸にデフォーカス量を取り、副走査方向及び主走査方向について像面湾曲を示している。図４においては、横軸に偏向角、縦軸に歪曲率を取り、ディストーションを示している。本実施形態の走査レンズ６のコンストラクションデータについては後述する。
【０００８】
図５〜図１１は、溝状収差発生の原理について示した図である。まず、図５は、主走査方向については平行光で、副走査方向については発散光であるような光束１０が、シリンダレンズ９に斜めから入射した場合の様子を示したものであり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は正面上方より見た斜視図である。ここで、主走査方向に傾いた薄肉シリンダレンズ（入射面がシリンダ面で、射出面が平面であるもの）に入射したときの副走査方向の結像関係は、次式によって示される。
【０００９】
【数２】
0004078732.tif 000003
【００１０】
但し、
ｃ：シリンダ面の副走査方向断面の曲率
ｎ：屈折率
θ：主走査方向の入射角度
ａ：入射光の副走査方向の集光位置
ｂ：射出光の副走査方向の集光位置
である。
【００１１】
従って、入射光の副走査方向の集光位置と射出光の副走査方向の集光位置の間隔ｂ−ａは、
【数３】
0004078732.tif 000004
のとき最小となり、ａがその値から離れるほど大きくなる。
【００１２】
図５においては、光束１０の入射側の集光位置Ｉが射出側の集光位置Ｏに比べてシリンダレンズ９に近いところにあり、同図（ａ）における光束１０の上側の光線１０ａは下側の光線１０ｂに比べて入射側の集光位置Ｉが更にシリンダレンズ９寄りになっているため、上側では下側に比べて入射側と射出側の集光位置の間隔が大きくなる。即ち、集光位置がずれる。図６は、その主走査方向の位置に対する副走査方向の集光位置のズレの度合いを示している。同図において、横軸は入射光副走査方向集光位置からレンズ面までの距離のズレ量（ｍｍ）、縦軸は副走査方向集光位置のズレ量（ｍｍ）を表している。
【００１３】
次に、図７は、シリンダレンズ９の曲率が、主走査方向の位置によって変化している場合の様子を示したものであり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は正面上方より見た斜視図、（ｃ）はシリンダレンズ９の斜視図である。このとき、曲率が小さい程、射出側の集光点がレンズ寄りになるため、同図（ａ）における光束１０の下側の光線１０ｂは上側の光線１０ａに比べて射出側の集光位置Ｏがシリンダレンズ９寄りになっており、やはり集光位置がずれる。図８は、その主走査方向の位置に対する副走査方向の集光位置のズレの度合いを示している。同図において、横軸は曲率のズレ量、縦軸は副走査方向集光位置のズレ量（ｍｍ）を表している。
【００１４】
また、図９は、入射光の主走査方向の状態が平行光でない場合の様子を示したものであり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は正面上方より見た斜視図である。このとき、同図（ａ）における光束１０の下側の光線１０ｂは上側の光線１０ａに比べてシリンダレンズ９に対する入射角度が傾いており、入射光束内の主走査方向の位置によってシリンダレンズ９の角度が変わっている状態になるため、やはり集光位置がずれる。図１０は、その主走査方向の位置に対する副走査方向の集光位置のズレの度合いを示している。同図において、横軸は入射角度（ｄｅｇ）、縦軸は副走査方向集光位置のズレ量（ｍｍ）を表している。
【００１５】
図１１は、副走査方向の集光位置が光束内の主走査方向について変わった場合の波面収差について示したものである。同図に示すように、波面収差は、プラス側（図の左側）にデフォーカスしたときは、主走査方向（図の奥行き方向）の周辺部分がプラスになるように湾曲する。マイナス側（図の右側）にデフォーカスしたときは、主走査方向（図の奥行き方向）の周辺部分がマイナスになるように湾曲する。上述したように、副走査方向の集光位置が光束内の主走査方向の位置によって変わっている場合、波面収差についても、副走査方向の湾曲度合いが光束内の主走査方向の位置によって変わる事になる。従って、図１１に示したような形状の波面収差となる。
【００１６】
このとき、入射瞳上で、主光線から副走査方向にずれた位置を通過する光線について考えると、波面は、副走査方向には傾いていないが主走査方向には傾きを持っている事になる。光線は波面に垂直な方向に進むから、像面上での前記光線の到達位置は、主光線から主走査方向にずれているが副走査方向にずれていない位置という事になる。これは、軸対称レンズで溝状収差と呼ばれている収差に似ているので、以後この溝状収差という用語を用いる。
【００１７】
図１２は、図１１の波面収差に対応するビーム形状を表す図である。ここでは、ビーム形状は三角形となり、有効Ｆナンバーを明るくしても、ビーム径は小さくならなくなる。従って、ビーム径を小さくするためには、溝状収差を発生させないようにしなくてはならない。そのためには、上記図５〜図１１で述べたような要因を組み合わせて、互いに打ち消し合うように設定する事が不可欠となる。溝状収差は、シリンダ面だけではなく球面や軸対称非球面においても発生するが、主走査方向に比べて副走査方向のパワーが強いアナモフィック面で特に強く発生する。
【００１８】
図１３，図１４は、本実施形態におけるビーム形状を表す図である。それぞれ画像中心及び画像周辺でのビーム形状を表しているが、どちらも良好に集光しているのが分かる。
【００１９】
また、副走査方向の倍率関係が偏向角毎に異なっていると、副走査方向のビーム径が偏向角毎に異なる事となり、画質に悪影響を及ぼす。従って、副走査方向の倍率が偏向角毎に変わる事の無いように、走査レンズを設計する事が望ましい。さらに、溝状収差を補正する際に、主走査方向に比べて副走査方向のパワーが強い面を扱うときには、副走査方向の倍率が偏向角によって大きく異なる事の無いように、注意して行わなければならない。当然、副走査方向の像面湾曲についても補正する必要がある。従って、副走査方向に関するだけで、これら３つの収差補正を同時に行う必要がある。
【００２０】
図１５は、本実施形態における走査レンズ６の副走査方向の倍率について示す図である。本実施形態の走査レンズ６では、ポリゴンミラー５側から見てポリゴンミラーウィンドウ８を含めて数えた第４番目のレンズと第５番目のレンズが、主走査方向に比べて副走査方向のパワーが強い面（それぞれ５面，７面）を有している。この２面は、共に主走査方向の位置によって副走査方向の形状が異なっており、その形状の変化は主走査方向の形状に依存していない。
【００２１】
これらの面は、次式によって表される。
【数４】
0004078732.tif 000005
但し、座標系は、光軸をｘ軸、主走査方向をｙ軸、副走査方向をｚ軸に取っている。
【００２２】
また、この２つの面以外の面は、球面又は平面或いは副走査方向が平らなシリンダ面である。また、これらのレンズは、主走査方向については肉厚の差があまり大きくなる事の無いように、注意して設計を行っている。主走査方向の肉厚の差が大きくないレンズは、設計上、主走査方向の性能に大きなダメージを与えずに、その撓み方を変える事ができる。これにより、アナモフィックな面の形状を比較的自由に変化させる事ができる。
【００２３】
図１６は、本実施形態の走査レンズ６について、上述の、主走査方向の位置によって副走査方向の形状が異なっており、その形状の変化が主走査方向の形状に依存していない２つの面それぞれについて、光線が交わる位置の面の法線と、その光線との成す角度（入射角度）を求めたものである。同図に示すように、２つの面である５面及び７面の入射角度は互いに逆になっている。これにより、各面で発生する溝状収差も符号が逆になり、全体としての溝状収差の補正が可能になる。
【００２４】
また、その上で、副走査方向の像面湾曲を補正し、更に副走査方向の倍率を均一にするためには、上記２つの面共に、主走査方向の位置によって副走査方向の形状が異なっていて、その形状の変化が主走査方向の形状に依存していない面である事が望ましい。尚、上記２つの面の副走査方向の断面形状は、一面は主走査方向の位置によらず放物線であり、主走査方向の位置による形状変化は単にｚ＝０付近の曲率変化にともなう相似変形に過ぎないが、もう一面は４次曲線となっており、しかも相似変形ではない。これは、各偏向角において、それぞれ副走査方向断面内での球面収差に相当する収差を補正するために構成されているものである。
【００２５】
図１７は、本発明のレーザー走査装置の第２の実施形態の概略構成を示す斜視図である。本実施形態においては、走査レンズ６は第１の実施形態と同じである。ここでのレーザー光源１は、複数の発光点を有し、各発光点を独立に変調して、感光体７上に複数のライン（潜像）を同時に描画するものである。本実施形態のレーザー走査装置においては、有効範囲内のどの偏向角においても、各発光点からの光が、感光体上で予め設定した間隔で集光する事が必要である。従って、単数のレーザービームで描画する場合よりも、副走査方向の倍率の一様性に対する要求が厳しいものとなる。上記図１５に示したように、本実施形態においても、走査レンズ６は良好な副走査方向の倍率の一様性を達成している。
【００２６】
図１８は、本発明のレーザー走査装置の第３の実施形態の概略構成を示す斜視図である。本実施形態においては、レーザー光源１と走査レンズ６以外は第２の実施形態と同じである。ここでのレーザー光源１は、複数のレーザーダイオード１ａからの光をビームスプリッタ１ｂで合成する形式のもので、第２の実施形態と同様に、複数のラインを同時に描画する事によって、高速の描画を行おうというものである。本実施形態の場合、レーザーダイオード１ａ間の波長差による主走査方向のレーザービーム２の位置ズレを防ぐために、走査レンズ６は倍率色収差を補正したものとなっている。
【００２７】
図１９は、第３の実施形態の走査系の形状を示す図である。同図においては、上記図２と同様にして、五角形のポリゴンミラー５及び走査レンズ６の形状及び配置状態が示されている。走査レンズ６の各面の面番号は、ｒを付した数字で示している。また、図２０，図２１は前記走査レンズ６の性能を示す図である。図２０においては、横軸に偏向角、縦軸にデフォーカス量を取り、副走査方向及び主走査方向について像面湾曲を示している。図２１においては、横軸に偏向角、縦軸に歪曲率を取り、ディストーションを示している。本実施形態の走査レンズ６のコンストラクションデータについては後述する。
【００２８】
また、図２２は、本実施形態における走査レンズ６の副走査方向の倍率について示す図である。同図に示すように、本実施形態においても、走査レンズ６は良好な副走査方向の倍率の一様性を達成している。さらに、図２３は、本実施形態の走査レンズ６について、上述の、主走査方向の位置によって副走査方向の形状が異なっており、その形状の変化が主走査方向の形状に依存していない２つの面それぞれについて、光線が交わる位置の面の法線と、その光線との成す角度（入射角度）を求めたものである。
【００２９】
同図に示すように、２つの面である７面及び９面の入射角度は互いに逆になっている。これにより、各面で発生する溝状収差も符号が逆になり、全体としての溝状収差の補正が可能になる。図２４，図２５は、本実施形態におけるビーム形状を表す図である。それぞれ画像中心及び画像周辺でのビーム形状を表しているが、どちらも良好に集光しているのが分かる。
【００３０】
図２６は、本発明のレーザー走査装置の第４の実施形態の概略構成を示す斜視図である。本実施形態においては、走査レンズ６以外は第２の実施形態と同じである。図２７は、第４の実施形態の走査系の形状を示す図である。同図においては、上記図２と同様にして、五角形のポリゴンミラー５及び走査レンズ６の形状及び配置状態が示されている。走査レンズ６の各面の面番号は、ｒを付した数字で示している。
【００３１】
また、図２８，図２９は前記走査レンズ６の性能を示す図である。図２８においては、横軸に偏向角、縦軸にデフォーカス量を取り、副走査方向及び主走査方向について像面湾曲を示している。図２９においては、横軸に偏向角、縦軸に歪曲率を取り、ディストーションを示している。本実施形態の走査レンズ６のコンストラクションデータについては後述する。
【００３２】
また、図３０は、本実施形態における走査レンズ６の副走査方向の倍率について示す図である。同図に示すように、本実施形態においても、走査レンズ６は良好な副走査方向の倍率の一様性を達成している。さらに、図３１は、本実施形態の走査レンズ６について、上述の、主走査方向の位置によって副走査方向の形状が異なっており、その形状の変化が主走査方向の形状に依存していない２つの面それぞれについて、光線が交わる位置の面の法線と、その光線との成す角度（入射角度）を求めたものである。
【００３３】
同図に示すように、２つの面である４面及び５面の入射角度は互いに逆になっている。これにより、各面で発生する溝状収差も符号が逆になり、全体としての溝状収差の補正が可能になる。図３２，図３３は、本実施形態におけるビーム形状を表す図である。それぞれ画像中心及び画像周辺でのビーム形状を表しているが、どちらも良好に集光しているのが分かる。
【００３４】
以下に示す表１は、本発明の第１及び第２の実施形態における走査レンズ６を数値的に表したコンストラクションデータである。また、表２，表３は、同様にして、それぞれ本発明の第３，第４の実施形態におけるコンストラクションデータである。これらの表には、各面番号に関する主走査方向及び副走査方向の曲率半径，面間隔，及び屈折率が示されている。長さに関する数値の単位はｍｍである。また、上記数４で示した面の式におけるｙがｉ次でｚがｊ次の係数ａijの値がｉ行ｊ列の行列で示されている。
【００３５】
【表１】
0004078732.tif 000006
【００３６】
【表２】
0004078732.tif 000007
【００３７】
【表３】
0004078732.tif 000008
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、副走査方向の光学倍率が有効域内でほぼ均一であり、しかもビームを小さく絞る事が可能なレーザー走査装置を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の概略構成を示す斜視図。
【図２】第１の実施形態の走査系の形状を示す図。
【図３】走査レンズの像面湾曲を示す図。
【図４】走査レンズのディストーションを示す図。
【図５】シリンダレンズに斜入射した場合の溝状収差発生の原理を示す図。
【図６】主走査方向の位置に対する副走査方向の集光位置のズレの度合いを示す図。
【図７】副走査方向の曲率が主走査方向の位置に伴って変化する場合の溝状収差発生の原理を示す図。
【図８】主走査方向の位置に対する副走査方向の集光位置のズレの度合いを示す図。
【図９】主走査方向について平行光でないビームが入射した場合の溝状収差発生の原理を示す図。
【図１０】主走査方向の位置に対する副走査方向の集光位置のズレの度合いを示す図。
【図１１】副走査方向の集光位置が光束内の主走査方向について変わった場合の波面収差について示す図。
【図１２】波面収差に対応するビーム形状を表す図。
【図１３】実施形態の画像中心でのビーム形状を表す図。
【図１４】実施形態の画像周辺でのビーム形状を表す図。
【図１５】走査レンズの副走査方向の倍率について示す図。
【図１６】走査レンズの２つの面における光線の入射角を示す図。
【図１７】第２の実施形態の概略構成を示す斜視図。
【図１８】第３の実施形態の概略構成を示す斜視図。
【図１９】第３の実施形態の走査系の形状を示す図。
【図２０】走査レンズの像面湾曲を示す図。
【図２１】走査レンズのディストーションを示す図。
【図２２】走査レンズの副走査方向の倍率について示す図。
【図２３】走査レンズの２つの面における光線の入射角を示す図。
【図２４】実施形態の画像中心でのビーム形状を表す図。
【図２５】実施形態の画像周辺でのビーム形状を表す図。
【図２６】第４の実施形態の概略構成を示す斜視図。
【図２７】第４の実施形態の走査系の形状を示す図。
【図２８】走査レンズの像面湾曲を示す図。
【図２９】走査レンズのディストーションを示す図。
【図３０】走査レンズの副走査方向の倍率について示す図。
【図３１】走査レンズの２つの面における光線の入射角を示す図。
【図３２】実施形態の画像中心でのビーム形状を表す図。
【図３３】実施形態の画像周辺でのビーム形状を表す図。
【符号の説明】
１    レーザー光源
２    レーザービーム
３    コリメータレンズ
４    シリンダレンズ
５    ポリゴンミラー
６    走査レンズ
７    感光体
９    シリンダレンズ
１０    光束
【図１】
0004078732.tif 000010
【図２】
0004078732.tif 000011
【図３】
0004078732.tif 000012
【図４】
0004078732.tif 000013
【図５】
0004078732.tif 000014
【図６】
0004078732.tif 000015
【図７】
0004078732.tif 000016
【図８】
0004078732.tif 000017
【図９】
0004078732.tif 000018
【図１０】
0004078732.tif 000019
【図１１】
0004078732.tif 000020
【図１２】
0004078732.tif 000021
【図１３】
0004078732.tif 000022
【図１４】
0004078732.tif 000023
【図１５】
0004078732.tif 000024
【図１６】
0004078732.tif 000025
【図１７】
0004078732.tif 000026
【図１８】
0004078732.tif 000027
【図１９】
0004078732.tif 000028
【図２０】
0004078732.tif 000029
【図２１】
0004078732.tif 000030
【図２２】
0004078732.tif 000031
【図２３】
0004078732.tif 000032
【図２４】
0004078732.tif 000033
【図２５】
0004078732.tif 000034
【図２６】
0004078732.tif 000035
【図２７】
0004078732.tif 000036
【図２８】
0004078732.tif 000037
【図２９】
0004078732.tif 000038
【図３０】
0004078732.tif 000039
【図３１】
0004078732.tif 000040
【図３２】
0004078732.tif 000041
【図３３】
0004078732.tif 000042