(57)【要約】【課題】液体レンズを用いたコリメータレンズユニット及びこれを備えた光走査装置において、サブピークの発生を抑制する。【解決手段】液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２とを含む。導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、液体レンズ１４の焦点距離が変化する。補正レンズ１６は、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓ'に生じる光軸に非対称な歪みによるコマ収差を打ち消す。【選択図】図２
2009003053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液体と第２の液体とを含む光学素子と、
補正光学素子と、
を備え、
前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、
前記補正光学素子は、光軸と鉛直方向とを含む断面において、重力の影響により前記界面が光軸に非対称な形状に変形することにより発生する収差を打ち消すこと、
を特徴とするコリメータレンズユニット。
【請求項２】
前記補正光学素子は、樹脂により作製されたレンズであること、
を特徴とする請求項１に記載のコリメータレンズユニット。
【請求項３】
前記補正光学素子は、前記光軸及び鉛直方向を含む断面において、該光軸に対して非対称な形状のレンズ面を有すること、
を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のコリメータレンズユニット。
【請求項４】
前記補正光学素子は、前記光軸及び鉛直方向を含む断面において、３次の項を含んだ関数により表される形状のレンズ面を有すること、
を特徴とする請求項３に記載のコリメータレンズユニット。
【請求項５】
前記光学素子の光軸は、鉛直方向とは平行でないこと、
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のコリメータレンズユニット。
【請求項６】
前記光学素子及び前記補正光学素子のそれぞれを、前記光軸に対して垂直な面内において位置調整可能な状態で保持する保持部材を、
更に備えること、
を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のコリメータレンズユニット。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のコリメータレンズユニットと、
前記光学素子及び前記補正光学素子を通過してきた光を偏向する偏向手段と、
を備えること、
を特徴とする光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コリメータレンズユニット及びこれを備えた光走査装置に関し、より特定的には、液体レンズを備えたコリメータレンズユニット及びこれを備えた光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートフォーカス機能や光学ズームを備えた光学モジュールに用いられるレンズにおいて、液体レンズと呼ばれるものが存在する。図５は、液体レンズ１０１の光軸及び鉛直方向を含んだ平面における断面構成図である。この液体レンズ１０１は、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３とが混ざり合わない状態で接触するように容器１０４に封入されており、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３とがレンズを構成しているものである。この液体レンズ１０１では、導電性液体１０２に電圧を印加して、エレクトロウェッティング現象により導電性液体１０２と絶縁性液体１０３との界面Ｓの形状を変化させることができる。これにより、液体レンズ１０１の焦点を調整することができる。
【０００３】
前記液体レンズ１０１は、焦点の調整の際にレンズを移動させる機構が不要であるため、近年、様々な用途に利用することが提案されている。例えば、特許文献１ないし特許文献３では、液体レンズ１０１を光走査装置のコリメータレンズに適用することが提案されている。これらの光走査装置は、液体レンズの焦点距離を制御することにより、より高品位な画像形成を実現することを目的としている。
【０００４】
ところで、液体レンズ１０１は、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３とにより構成されている。そのため、光軸の向きが鉛直方向からずれると、導電性液体１０２と絶縁性液体１０３との界面Ｓは、重力の影響により、界面Ｓ'のように光軸に対して非対称に変形してしまうという問題があった。このような変形が発生すると、コマ収差が発生し、図６のビーム形状の図に示すように、サブピークＳＰが出現する。このようなサブピークＳＰが出現すると、光走査装置が適用された画像形成装置において、画像の品位が低下してしまう。
【特許文献１】特開２００６−２５１３４３号公報
【特許文献２】特開２００６−２５１５１３号公報
【特許文献３】特開２０００−１２１９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、液体レンズを用いたコリメータレンズユニット及びこれを備えた光走査装置において、サブピークの発生を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の液体と第２の液体とを含む光学素子と、補正光学素子と、を備え、前記第１の液体と前記第２の液体との界面の形状が、エレクトロウエッティング現象により変形することによって、前記光学素子の焦点距離が変化し、前記補正光学素子は、光軸と鉛直方向とを含む断面において、重力の影響により前記界面が光軸に非対称な形状に変形することにより発生する収差を打ち消すこと、を特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、第１の液体と第２の液体との界面が光軸に非対称な形状に変形したとしても、補正光学素子により、該変形による収差が打ち消される。その結果、液体レンズを用いたコリメータレンズユニットにおいて、サブピークが発生することが抑制される。
【０００８】
本発明において、前記補正光学素子は、樹脂により作製されたレンズであってもよい。これにより、補正光学素子を容易に作製することができるようになる。
【０００９】
本発明において、前記補正光学素子は、前記光軸及び鉛直方向を含む断面において、該光軸に対して非対称な形状のレンズ面を有していてもよい。
【００１０】
本発明において、前記補正光学素子は、前記光軸及び鉛直方向を含む断面において、３次の項を含んだ関数により表される形状のレンズ面を有していてもよい。
【００１１】
コマ収差は、鉛直方向をＸ軸とし光軸方向をＹ軸とし界面の形状を多項式近似したときに現れるＸの３次の項の影響により発生する。そこで、補正光学素子が、光軸及び鉛直方向を含む断面において、３次の項を含んだ関数により表される形状のレンズ面を有することにより、コリメータレンズユニットは、より効果的に、コマ収差を補正することができ、サブピークの発生を抑制できる。
【００１２】
本発明において、前記光学素子の光軸は、鉛直方向とは平行でなくてもよい。
【００１３】
本発明において、前記光学素子及び前記補正光学素子のそれぞれを、前記光軸に対して垂直な面内において位置調整可能な状態で保持する保持部材を、更に備えていてもよい。
【００１４】
本発明は、コリメータレンズユニットを備えた光走査装置に対しても適用可能である。具体的には、本発明には、光走査装置において、前記コリメータレンズユニットと、前記光学素子及び前記補正光学素子を通過してきた光を偏向する偏向手段と、を備えること、を特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の一実施形態に係るコリメータレンズユニット及びこれを備えた光走査装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、該コリメータレンズユニット１３を含んだ光走査装置１０の上視図である。図２は、該コリメータレンズユニット１３の光軸及び鉛直方向を含む平面における断面構造図である。なお、図１及び図２において、ｙ軸は、主走査方向を示し、ｚ軸は副走査方向を示す。なお、ｚ軸は、鉛直方向とも一致する。
【００１６】
光走査装置１０は、図１に示すように、レーザダイオード１２、コリメータレンズユニット１３、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、ミラー２６、受光素子２８、筐体２９及び制御部３０を備える。
【００１７】
レーザダイオード１２は、ビームを出射する光源としての役割を果たす。レーザダイオード１２から出射されたビームは、拡散光である。
【００１８】
コリメータレンズユニット１３は、レーザダイオード１２から出射されたビームを平行光に変換する役割を果たし、図２に示すように、液体レンズ１４、補正レンズ１６及び保持部材１７を含む。液体レンズ１４及び補正レンズ１６は、コリメータレンズとしての役割を果たす。液体レンズ１４は、ビームの焦点距離を変化させる機能を有する。補正レンズ１６は、液体レンズ１４において発生するコマ収差を補正する役割を果たす。保持部材１７は、液体レンズ１４及び補正レンズ１６のそれぞれを、光軸に対して垂直な面内において位置調整可能な状態で保持する。なお、液体レンズ１４、補正レンズ１６及び保持部材１７の詳細については後述する。
【００１９】
シリンドリカルレンズ１８は、コリメータレンズユニット１３を通過してきたビームを、ポリゴンミラー２０のミラー面近傍においてｚ軸方向に集光する。
【００２０】
ポリゴンミラー２０は、図示しないモーターにより矢印の方向に回転され、シリンドリカルレンズ１８を通過してきたビームをｙ軸方向に等角速度に偏向する偏向手段としての役割を果たす。走査レンズ２２，２４は、ポリゴンミラー２０により偏向されたビームを等速走査して、該ビームを感光体ドラム３２上に結像させる。感光体ドラム３２は、所定速度で回転駆動される。これにより、ビームによる主走査と感光体ドラム３２の回転による副走査によって２次元の静電潜像が形成される。
【００２１】
また、ミラー２６は、ポリゴンミラー２０により偏向され、走査レンズ２２，２４を通過したビームを受光素子２８側へと反射する役割を果たす。受光素子２８は、ミラー２６により反射されたビームを受光し、ビーム径を示す電気信号を生成する。制御部３０は、受光素子２８が生成した電気信号に基づいて、受光素子２８が受光しているビームのビーム径が一定となるように、液体レンズ１４の焦点距離を制御する制御手段としての役割を果たす。これにより、制御部３０は、走査レンズ２２，２４等が熱の影響により歪んだとしても、感光体ドラム３２に照射されるビームのビーム径が変化することを抑制している。
【００２２】
筐体２９は、図１に示すように、レーザダイオード１２、コリメータレンズユニット１３、シリンドリカルレンズ１８、ポリゴンミラー２０、走査レンズ２２，２４、ミラー２６及び受光素子２８を収納する。
【００２３】
次に、図３を参照しながら、液体レンズ１４の構成について説明する。図３は、液体レンズ１４の光軸を含む面における断面構造図である。なお、図３（ａ）は、電圧を印加した状態における液体レンズ１４の断面構造図であり、図３（ｂ）は、電圧を印加していない状態における液体レンズ１４の断面構造図である。
【００２４】
図３に示すように、液体レンズ１４は、導電性液体４０、絶縁性液体４２、透明板４４，４６、第１の電極４８、絶縁膜５０及び第２の電極５２を含む。該液体レンズ１４は、導電性液体４０と絶縁性液体４２との界面Ｓの形状を、エレクトロウェッティング現象により変形させることによって、該液体レンズ１４の焦点距離を変化させることができるものである。具体的には、電圧が印加されると、界面Ｓは、図３（ｂ）に示す状態から図３（ａ）に示す状態に変化する。
【００２５】
透明板４４，４６は、透明な樹脂又はガラスにより構成され、互いに平行に所定の隙間を残して配置される。この隙間には、導電性液体４０と絶縁性液体４２とが封入される。
【００２６】
導電性液体４０は、無機塩の水溶液や、有機液体など、それ自身が導電性を有するもの、或いはイオン性成分を付加することによって導電性とされた液体である。絶縁性液体４２は、導電性液体４０とは異なる屈折率を有し、シリコーンオイルやパラフィンオイルなどのような導電性液体４０と混合しない液体である。そのため、導電性液体４０と絶縁性液体４２とは、互いに分離した状態となっており、界面Ｓを形成している。これにより、導電性液体４０と絶縁性液体４２とはレンズを構成している。なお、導電性液体４０の屈折率の方が、絶縁性液体４２の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００２７】
第１の電極４８は、導電性液体４０と接触するように、透明板４４上に設けられる。第２の電極５２は、透明板４６と第１の電極４８との間に設けられる。絶縁膜５０は、第２の電極５２を覆うように形成される。具体的には、絶縁膜５０は、第１の電極４８と第２の電極５２との間に形成されて該第１の電極４８と第２の電極５２とを絶縁すると共に、第２の電極５２の内周面に形成されて第２の電極５２と導電性液体４０及び絶縁性液体４２とが接触しないようにしている。第１の電極４８と第２の電極５２との間には、液体レンズ１４の駆動時において、電圧が印加される。
【００２８】
以上のように構成された液体レンズ１４について、以下に、その動作原理について図４を参照しながら説明する。図４は、図３の液体レンズ１４のＣの部分の拡大図である。図４（ａ）は、電圧が印加されていない状態での液体レンズ１４（図３（ｂ）に対応）のＣの部分の拡大図であり、図４（ｂ）は、電圧が印加された状態での液体レンズ１４（図３（ａ）に対応）のＣの部分の拡大図である。
【００２９】
まず、導電性液体４０と絶縁性液体４２との間の界面張力を界面張力γ１２とし、絶縁膜５０と導電性液体４０との間の界面張力を界面張力γ３１とし、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間の界面張力を界面張力γ２３と定義する。図４（ａ）に示すように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に電圧が印加されていない場合には、界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１とは、互いに釣り合っており、界面Ｓと絶縁膜５０とが角θ１の角度をなしている。このとき、角θ１と界面張力γ１２と界面張力γ２３と界面張力γ３１との間には、ヤングの方程式により、式（１）の関係が成立する。
【００３０】
【数１】
2009003053.tif 000003
【００３１】
ここで、第１の電極４８及び第２の電極５２に電圧を印加すると、例えば、図４（ｂ）に示すように、絶縁膜５０と導電性液体４０との境界には、プラスの電荷が現れる。一方、絶縁膜５０と第２の電極５２との境界には、マイナスの電荷が現れる。これにより、電荷による圧力Πが、絶縁性液体４２と絶縁膜５０との間に、界面張力γ２３と同じ方向に発生する。この圧力Πは、式（２）のように示される。
【００３２】
【数２】
2009003053.tif 000004
【００３３】
なお、εは絶縁膜５０の誘電率であり、ε０は真空の誘電率であり、ｅは絶縁膜５０の厚さであり、Ｖは第１の電極４８と第２の電極５２との間の電圧である。
【００３４】
圧力Πが発生することにより、界面Ｓと絶縁膜５０とは、角θ１よりも大きな角θ２の角度をなすようになる。このとき、液体レンズ１４の界面Ｓは、図３（ａ）に示すように、湾曲する。この角θ２は、式（３）のように示される。
【００３５】
【数３】
2009003053.tif 000005
【００３６】
以上のように、第１の電極４８と第２の電極５２との間に印加する電圧を変化させることにより、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することがわかる。そして、界面Ｓと絶縁膜５０とのなす角度が変化することにより、電圧が印加された状態では、図３（ａ）に示すように、界面Ｓが湾曲して、焦点距離が相対的に短くなる。また、電圧が印加されていない状態では、図３（ｂ）に示すように、界面Ｓが平坦状になり、焦点距離が相対的に長くなる。図１に示す制御部３０は、この電圧の大きさを制御して、液体レンズ１４の焦点距離を制御する。
【００３７】
ところで、液体レンズ１４は、相対的に比重が大きい導電性液体４０と相対的に比重が小さい絶縁性液体４２とにより構成される。そのため、図２に示すように、液体レンズ１４の光軸が鉛直方向と平行ではない場合には、重力の影響により、界面Ｓ'は、光軸と鉛直方向を含む平面における断面において、光軸に非対称な形状を取ってしまう。より詳細には、導電性液体４０が絶縁性液体４２の下側に潜り込んでしまい、界面Ｓ'がＳ字状に変形してしまう。界面Ｓ'が光軸に対して非対称な形状を取ると、液体レンズ１４を通過したビームにコマ収差が発生してしまう。そこで、コリメータレンズユニット１３では、界面Ｓ'に生じる光軸に非対称な歪みの影響によるコマ収差を打ち消すための補正レンズ１６が設けられている。以下に、補正レンズ１６について説明する。
【００３８】
補正レンズ１６は、アクリルや、シクロポリオレフィンや、ポリカーボネード等の光学用樹脂により作製される。該補正レンズ１６は、光軸及び鉛直方向を含む断面において、該光軸に対して非対称な形状のレンズ面を有する。より詳細には、補正レンズ１６は、光軸及び鉛直方向を含む断面において、３次の項を含んだ関数により表される形状のレンズ面を有する。
【００３９】
以上のように、コリメータレンズユニット１３では、補正レンズ１６が設けられることにより、液体レンズ１４によって生じるコマ収差を補正することができ、サブピークの発生を抑制することが可能となる。コマ収差は、図２において、鉛直方向をＸ軸とし光軸方向をＹ軸とし界面Ｓ'の形状を多項式近似したときに現れるＸの３次の項の影響により発生する。そこで、補正レンズ１６が、光軸及び鉛直方向を含む断面において、３次の項を含んだ関数により表される形状のレンズ面を有することにより、コリメータレンズユニット１３は、より効果的に、コマ収差を補正することができ、サブピークの発生を抑制できる。
【００４０】
また、コリメータレンズユニット１３では、保持部材１７が、液体レンズ１４及び補正レンズ１６のそれぞれを、光軸に対して垂直な面内において位置調整可能な状態で保持している。そのため、コリメータレンズユニット１３の組立時に、液体レンズ１４及び補正レンズ１６に対してビームを照射して、液体レンズ１４と補正レンズ１６との位置合わせを行うことができる。液体レンズ１４及び補正レンズ１６の保持部材１７への固定方法には、接着剤が用いられてもよいし、螺子が用いられてもよい。
【００４１】
また、コリメータレンズユニット１３では、焦点距離を変化させることができる液体レンズ１４が用いられているので、補正レンズ１６やその他のレンズにガラスレンズの代わりに、加工性に優れた樹脂レンズを用いることが可能となる。その結果、補正レンズ１６やその他のレンズを容易に作製することができ、コリメータレンズユニット１３を容易に作製することが可能となる。以下に説明する。
【００４２】
樹脂レンズは、ガラスレンズに比べて熱による歪みが大きいため、光走査装置１０等には用いられることは少ない。しかしながら、コリメータレンズユニット１３では、液体レンズ１４が用いられているので、該液体レンズ１４の焦点距離を調整することにより、樹脂レンズの熱膨張によるフォーカスずれを補正することができる。そのため、熱による歪みが相対的に大きな樹脂レンズを、補正レンズ１６やその他のレンズに適用することができる。そして、樹脂レンズは、ガラスレンズに比べて加工性に優れるので、樹脂レンズを補正レンズ１６やその他のレンズに適用することにより、コリメータレンズユニット１３を容易に作製することが可能となる。
【００４３】
ここで、液体レンズ１４の焦点距離の調整時に、界面Ｓ'の形状が変化し、補正レンズ１６によって補正ができなくなるおそれがある。しかしながら、光走査装置１０では、カメラ等に比べて焦点距離の調整幅が数十μｍ程度であるため、前記界面Ｓ'の形状の変化量は非常に小さい。そのため、コリメータレンズユニット１３を光走査装置１０に適用した場合には、焦点距離の調整に伴う界面Ｓ'の形状の変化量については十分に無視することができる。
【００４４】
なお、コリメータレンズユニット１３は、光走査装置１０に用いられるものとして説明を行ったが、光走査装置１０以外の装置に適用されてもよい。例えば、コリメータレンズユニット１３は、光ピックアップ装置に適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】光走査装置の上視図である。
【図２】コリメータレンズユニットの側面図である。
【図３】液体レンズの光軸を含む面における断面構造図である。
【図４】図３の液体レンズのＣの部分の拡大図である。
【図５】液体レンズの構成図である。
【図６】ビーム形状を示した図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  光走査装置
１２  レーザダイオード
１３  コリメータレンズユニット
１４  液体レンズ
１７  保持部材
１８  シリンドリカルレンズ
２０  ポリゴンミラー
２２，２４  走査レンズ
２６  ミラー
２８  受光素子
２９  筐体
３０  制御部
３２  感光体ドラム
４０  導電性液体
４２  絶縁性液体
４４，４６  透明板
４８  第１の電極
５０  絶縁膜
５２  第２の電極
Ｓ，Ｓ’  界面
【図１】
2009003053.tif 000006
【図２】
2009003053.tif 000007
【図３】
2009003053.tif 000008
【図４】
2009003053.tif 000009
【図５】
2009003053.tif 000010
【図６】
2009003053.tif 000011