(57)【要約】【課題】全像高において温度変動による光学特性変化を抑制し、高い光学性能を有する走査光学系を提供する。【解決手段】走査光学系３０は、光源１０からのレーザ光束６０を偏向させる偏向器３１と、偏向器３１により偏向されたレーザ光束６０を被走査面５０に合焦させるための第２結像光学系３２とを備えている。第２結像光学系３２は、少なくとも一部に複数の凸部３５が配列されてなる断面鋸歯状の光学機能部３４が形成された光学機能面３３ａを有している。光学機能面３３ａは各凸部３５の配列方向の幅Ｗ１が光学機能面３３ａに入射するレーザ光束６０の同幅Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。【選択図】図１
2009192646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を偏向させて被走査面を走査する走査光学系であって、上記光源からの光束を偏向させる偏向器と、上記偏向器により偏向された光束を上記被走査面に合焦させるための結像光学系と、を備え、
上記結像光学系は、少なくとも一部に複数の凸部が配列されてなる断面鋸歯状の光学機能部が形成され、入射した光束を回折させる光学機能面を少なくともひとつ有し、該少なくともひとつの光学機能面は、上記各凸部の配列方向の幅が該光学機能面に入射する光束の同幅より実質的に狭くなるように構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項２】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記光学機能面は上記偏向器により偏向された光束を屈折および回折させるように構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項３】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記光学機能面は上記偏向器により偏向された光束の中に上記各凸部の配列を多数含むことを特徴とする走査光学系。
【請求項４】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記複数の凸部は主走査方向と略平行な方向に配列されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項５】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記少なくともひとつの光学機能面は、隣接する上記凸部から出射された光束相互間の光路差が上記光束の波長の整数倍となるように構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項６】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記各凸部は、各々線状に延びる第１の側面と第２の側面とにより構成された断面略三角形状の線状凸部であることを特徴とする走査光学系。
【請求項７】
請求項６に記載された走査光学系において、
上記第１の側面は、上記偏向器により偏向された光束が入射するように位置しており、該第１の側面の上記配列方向の幅が上記光学機能面に入射する光束の同幅より実質的に狭くなるように構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項８】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記光学機能面は上記結像光学系の光軸に対して主走査方向に非対称であることを特徴とする走査光学系。
【請求項９】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記結像光学系は、上記光学機能面を有する１枚のレンズにより構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項１０】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記結像光学系は複数のレンズにより構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項１１】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記結像光学系は１又は複数のレンズ及び／又は１又は複数のミラーにより構成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項１２】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記結像光学系はプラスチックにより形成されていることを特徴とする走査光学系。
【請求項１３】
請求項１に記載された走査光学系において、
上記光学機能部は上記光束を回折させる面又は反射させる面であることを特徴とする走査光学系。
【請求項１４】
請求項１に記載された走査光学系を備えていることを特徴とする画像形成装置。
【請求項１５】
光源からの光束を偏向させて被走査面を走査する走査光学系において光束を被走査面に合焦させるための結像光学系であって、
少なくとも一部に複数の凸部が配列されてなる断面鋸歯状の光学機能部が形成された光学機能面を少なくともひとつ有し、該少なくともひとつの光学機能面は、上記各凸部の配列方向の幅が該光学機能面に入射する光束の同幅より実質的に狭くなるように構成されていることを特徴とする結像光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査光学系、それを備えた画像形成装置、及びその走査光学系に用いられる結像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームプリンタなどの画像形成装置は、一般的に、光源としての半導体レーザと、レーザ光束を偏向させる光偏向器としてのポリゴンミラーと、ポリゴンミラーにより偏向されたレーザ光束を結像するための走査レンズ（結像光学系）とを備えている。従来、走査レンズとしては、特許文献１のように屈折レンズが用いられていたが、近年、より高次元の収差補正を実現する観点等から回折面を有する走査レンズを使用することが提案されている（例えば特許文献２、３等）。
【特許文献１】特許第３４２０９５６号公報
【特許文献２】特開２０００−２８４７号公報
【特許文献３】特開２００５−３７５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、一般的に回折面を有する走査レンズを用いた場合、光軸付近の回折面におけるピッチが粗くなるため、像高中心において光束は回折作用を生じないために、温度変動による光学特性の補正は不十分となる問題点があった。
【０００４】
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、走査レンズの全域に亘って回折作用を生じさせることで、全像高において温度変動による光学特性変化を抑制し、高い光学性能を有する走査光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る走査光学系は、光源からの光束を偏向させる偏向器と、偏向器により偏向された光束を被走査面に合焦させるための結像光学系とを備え、結像光学系は、少なくとも一部に複数の凸部が配列されてなる断面鋸歯状の光学機能部が形成され、入射光束を回折させる光学機能面を少なくともひとつ有し、少なくともひとつの光学機能面は、各凸部の配列方向の幅が光学機能面に入射する光束の同幅より実質的に狭くなるように構成されていることを特徴とする。
【０００６】
尚、本明細書において「各凸部の配列方向の幅が光学機能面に入射する光束の同幅より実質的に狭い」とは、具体的には各凸部の配列方向の幅が光学機能面に入射する光束の同幅の２／３倍よりも小さいことをいう。言い換えれば、光学機能面に入射する光束の配列方向の幅が各凸部の同幅の１．５倍以上であることをいう。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、全像高において温度変動による光学特性変化を抑制し、高い光学性能を有する走査光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本実施形態に係る光走査装置１の主要部の構成を表す主走査方向の断面図である。また、図２は光学機能面３３ａの中心付近の一部を拡大した断面図である。図３は光学機能面３３ａの一部を拡大した平面図である。
【０００９】
本実施形態に係る光走査装置１は、光源１０と、第１結像光学系２０と、光源１０からのレーザ光束６０を偏向させて被走査面５０を走査する走査光学系３０とを備えている。走査光学系３０は、複数の偏光面を有し、光源１０からのレーザ光束６０を偏向させる偏向器（例えば、ポリゴンミラー等）３１と、第２結像光学系３２とを備えている。
【００１０】
光源１０はレーザ光束６０を出射させるものである。光源１０は例えば半導体レーザ素子等により構成することができる。第１結像光学系２０は、光源１０からのレーザ光束６０を偏向器３１の偏光面に対して結像するためのものである。第１結像光学系２０の構成は特に限定されるものではないが、例えば図１に示すように、第１結像光学系２０はコリメータレンズ２１とシリンドリカルレンズ２２とによって構成することができる。本実施形態において、コリメータレンズ２１は光源１０から出射されるレーザ光束６０を略平行光束に変換するためのものである。シリンドリカルレンズ２２は、主走査方向には光学的パワーを有さず、主走査方向に直行する副走査方向にのみ光学的パワーを有するレンズである。そして、シリンドリカルレンズ２２は、コリメータレンズ２１により略平行光束に変換されたレーザ光束６０を主走査断面内においてはそのままの状態で射出する一方、副走査断面内においては収束して偏向器３１の偏向面（偏向反射面）に線像として結像するように構成されている。
【００１１】
第２結像光学系３２は、偏向器３１により偏向されたレーザ光束６０を被走査面５０に結像させるためのものである。本実施形態において、第２結像光学系３２は、光学機能面３３ａを備え、図２に示すように、少なくとも一部に複数の凸部３５が配列されてなる断面鋸歯状の光学機能部３４が形成されている。具体的に、本実施形態では、光学機能面３３ａのレーザ光束６０が入射する領域全域にわたって光学機能部３４が形成されている。
【００１２】
光学機能部３４の形状は、ベースとなる球面、非球面、自由曲面形状に所望の光路差を発生させる光路差関数を付加したかたちで表される。より具体的に、本実施形態では、各凸部３５は、各々線状に延びる、光路差関数に対応した第１の側面３５ａと、第２の側面３５ｂとにより構成された横断面略三角形状の線状凸部であり、主走査方向と略平行な方向に配列されている。ここでは、図３に示すように、凸部３５は副走査方向に真っ直ぐに伸びているが、例えば、図４に示すように、複数の凸部３５を輪帯状に各々湾曲させて形成してもよい。
【００１３】
尚、本明細書において「断面略三角形状」とは、断面が三角形状、頂部が面取り又はＲ面取りされた三角形状、一辺又は二辺が曲線により構成された三角形状を含むものであり、頂部の角度は９０度以上であってもよく、９０度以下であってもよい。
【００１４】
ここで、光学機能面３３ａは、各凸部３５の配列方向の幅Ｗ１が光学機能面３３ａに入射するレーザ光束６０の同幅（配列方向の幅）Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。このため、光学機能面３３ａはレーザ光束６０を回折させる効果を有する。以上より、全像高において温度変動による光学特性変化を抑制し、高い光学性能を有する走査光学系３０、ひいては光走査装置１を実現することができる。
【００１５】
また、高い光学性能を実現する観点から、光学機能面３３ａを隣接する凸部３５から出射するレーザ光束６０相互間の光路差がレーザ光束６０の波長のｍ倍（但し、ｍは整数）となるように構成することが好ましい。具体的には、隣接する凸部３５の第１の側面３５ａから入射して凸部３５から出射するレーザ光束６０相互間の光路差がレーザ光束６０の波長のｍ倍となるように光学機能面３３ａを構成することが好ましい。そうすることによって隣接する凸部３５の第１の側面３５ａを透過したレーザ光束６０相互間の位相を揃えることができる。従って、良好な集光特性を実現することができる。
【００１６】
尚、本実施形態では、光学機能面を１面のみ有する第２結像光学系３２を備えた光走査装置１を例に挙げて説明するが、第２結像光学系３２は２面以上の光学機能面を有するものであってもよい。
【００１７】
本実施形態において、第２結像光学系３２の構成は少なくともひとつの光学機能面を有する構成である限りにおいて特に限定されるものではないが、例えば図１に示すように、偏向器３１側の光学機能面３３ａが構成されている一方、被走査面５０側の光学機能面３３ｂが曲面状の屈折面により構成された１枚のｆθ特性を有する走査レンズ３３により構成してもよい。このように第２結像光学系３２を一枚の走査レンズ３３のみによって構成することによって、コンパクト且つ安価な光走査装置１を実現することができる。
【００１８】
より具体的に、走査レンズ３３は、光学機能面３３ｂがトーリック面であり、主走査方向と副走査方向で異なるパワーを有するアナモフィックレンズであってもよい。特に、光学機能面３３ａの光学的パワーが主走査方向のみとなるように構成することが、周期構造が直線状になり製作が容易となるので好ましい。さらに、第２結像光学系３２（本実施形態の場合は具体的に走査レンズ３３）は、低コストの観点から、実質的にプラスチックからなるものであることが好ましい。尚、第２結像光学系３２を主走査方向に非対称とすることが良好な収差特性が得られるので好ましい。
【００１９】
また、本実施形態では、第２結像光学系３２が１枚の走査レンズ３３により構成されている例について説明したが、第２結像光学系３２は複数のレンズにより構成してもよい。また、１又は複数のミラーにより構成してもよく、１又は複数のレンズ及び１又は複数のミラーにより構成してもよい。
【００２０】
また、ここでは回折機能を有する光学機能面３３ａが偏向器３１側にある例について説明したが、光学機能面３３ａが曲面状の屈折面であり、回折機能を有する光学機能面３３ｂが被走査面５０側にあってもよい。また、回折機能を有する光学機能面３３ａ及び３３ｂの両方があってもよい。
【００２１】
ここで、光学機能面の形状は、ベースとなる非球面形状に所望の光路差を発生させる光路差関数を付加した形で表現される。ベースとなる非球面形状は、光軸と光学機能面が交わる点を原点とし光軸方向をＺ軸、主走査断面内において光軸に垂直な方向をＹ軸、副走査断面内において光軸に垂直な方向をＸ軸とし、頂点すなわち原点からのサグ量をＺ１とすると下記数式１乃至３で与えられる。
【００２２】
【数１】
2009192646.tif 000003
【００２３】
【数２】
2009192646.tif 000004
【００２４】
【数３】
2009192646.tif 000005
【００２５】
ここで、
ｆ（ｙ）：ｘ＝０における主走査方向の非円弧を表す式、
ｇ（ｙ）：ｙ位置における副走査方向の曲率半径を示す式、
ＲＤｙ：頂点における主走査方向の曲率半径、
ＲＤｘ：ｙ＝０における副走査方向の曲率半径、
ＡＣ，ＡＤ，ＡＥ，ＡＦ，ＡＧ，ＡＨ，ＡＩ，ＡＪ，ＡＫ，ＡＬ：主走査方向の非円弧を決める高次係数、
ＢＡ，ＢＢ，ＢＣ，ＢＤ，ＢＥ，ＢＦ，ＢＧ，ＢＨ：ｙ位置における副走査方向の曲率半径を決める係数、
である。
【００２６】
次に光路差関数について説明する。光路差関数をＯＰＤとすると、光路差関数は下記数式４のような形で与えられる。
【００２７】
【数４】
2009192646.tif 000006
【００２８】
ここで、ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ，ＨＤ，ＨＥ，ＨＦは光路差関数を決める高次係数である。そして光路差関数から決定される頂点からのサグ量をＺ２とするとＺ２は下記数式５で表される。
【００２９】
【数５】
2009192646.tif 000007
【００３０】
ここで、
λ：レーザ光束７０の波長、
ｎ：光学機能面を有する素子の屈折率、
ｊ：整数でＯＰＤをλで割ったものに対し、小数点以下を切り捨てたもの、
ｍ：１以上の整数、
である。
【００３１】
上記数式５によりＺ２を決定することで、隣接する凸部から出射するレーザ光束相互間の光路差がλのｍ倍となる。ただし、数式５によりＺ２を決定した場合、光軸に対し角度をもった光線に対しては光路差の誤差が生じる。この誤差を少なくするために、実際上は光線の角度の影響を考慮した式を用いることが好ましい。しかし、本原理説明では、説明の便宜上、簡易な数式５を用いることとする。
【００３２】
続いて、下記の如く数式６を定義する。数式６は数式５の分子部分を波長で規格化したものである。また、図５、図６に数式６をグラフにしたものを示す。尚、図５がｍ＝１の場合、図６がｍ＝２の場合を示している。
【００３３】
【数６】
2009192646.tif 000008
【００３４】
図５、図６において一点鎖線で示した曲線が−ＯＰＤ（ｙ）に相当し、実線部がＲ（ｙ）に相当する。図５、図６において、ｍ＝１の場合、隣接する凸部から出射するレーザ光束相互間の光路差が１波長分となる。一方、ｍ＝２の場合、隣接する凸部から出射するレーザ光束相互間の光路差が２波長分となる。また、ｍの値を大きくとることにより、Ｒ（ｙ）の周期が広くなることが分かる。ここでは、Ｒ（ｙ）の周期、すなわち凸部の周期ｄが面７１でのレーザ光束７０の主走査方向の幅より狭くなるように、ｍの値を決定している。
【００３５】
次に面７１におけるレーザ光束７０の中に含まれる凸部の数（以下、「レーザ光束の中に含まれる凸部の数」を周期数と称呼する。）に対する回折効果の変化について解析する。図７は面７１に平行な単色のレーザ光束７０が入射し、回折される様子を表す図である。レーザ光束７０の波長をλ、凸部の周期をｄ、回折次数をｍとすると、ｄ＞＞ｍλの時、回折角は下記数式７で与えられる。また凸部の頂角をε、凸部の高さをｈ、面７１を有する素子の材質の屈折率をｎ（λ）とすると凸部による屈折角はεが微小なときは下記数式８で与えられる。
【００３６】
【数７】
2009192646.tif 000009
【００３７】
【数８】
2009192646.tif 000010
【００３８】
ここで、凸部の高さｈによる隣接する凸部から出射するレーザ光相互間の光路差が波長の整数倍（例えば、１倍又は２倍等）すなわち下記数式９を満たすとき、回折角θｄと屈折角θｒは一致し、この時回折効率は最大となる。
【００３９】
【数９】
2009192646.tif 000011
【００４０】
ここで、
ｍ：回折次数、
λｂ：ブレーズ波長、
ｎ（λｂ）：λｂにおける面７１を有する素子の材質の屈折率、
である。
【００４１】
また凸部の高さｈが上記数式９を満たさないとき、回折角θｄと屈折角θｒは一致しなくなる。例えば凸部の高さｈによる隣接する凸部から出射するレーザ光相互間の光路差が波長の１／２倍すなわち下記数式１０を満たすとき、レーザ光束７０は０次回折光と１次回折光にそのほとんどが回折される。
【００４２】
【数１０】
2009192646.tif 000012
【００４３】
面７１はそのピッチや回折次数にかかわらず周期数が多い場合は回折面として機能し、数式７で示される回折角の方向に回折される。一方、周期数が減るにつれ数式７には従わなくなり、１周期でほぼ完全に数式８に示される屈折の原理に従うこととなる。
【００４４】
次に、本実施形態で説明した光走査装置１の応用例について説明する。具体的に、ここでは、光走査装置１を用いた画像形成装置２について説明する。図８は画像形成装置２の構成を示す図である。画像形成装置２は、上述の光走査装置１と、一次帯電器１５０と、現像器１５２と、転写帯電器１５３と、クリーナー１５４と、定着装置１５５と、給紙カセット１５６と、感光ドラム１５７とを備えている。
【００４５】
画像形成装置２では、まず、光走査装置１によって、静電潜像が形成され印字情報が静電潜像として感光ドラム１５７上に書き込まれる。感光ドラム１５７の表面は、光が照射されると電荷が変化する感光体により覆われている。一次帯電器１５０によって、感光ドラム１５７の表面に静電気イオンが付着し帯電する。帯電した感光ドラム１５７は、現像器１５２によって、印字部に帯電トナーが付着して現像される。感光ドラム１５７に付着したトナーは、転写帯電器１５３によって、給紙カセット１５６から供給された用紙に転写される。転写されたトナーは、定着装置１５５によって、用紙に定着される。残ったトナーは、クリーナー１５４によって除去される。画像形成装置２は、上述の光走査装置１を用いているので、小型、低コスト、高解像度である。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明を実施した走査光学系について、コンストラクションデータ及び各種収差図等を挙げてさらに具体的に説明する。ここで、説明する数値実施例は上記実施形態に対応するものである。下記表１に本実施例の光学的仕様を示す。また、下記表２に本実施例における光学機能面３３ａの形状を表すパラメータを示す。下記表３に本実施例における光学機能面３３ｂの形状を表すパラメータを示す。
【００４７】
【表１】
2009192646.tif 000013
【００４８】
【表２】
2009192646.tif 000014
【００４９】
【表３】
2009192646.tif 000015
【００５０】
ここで、
設計波長：λ（ｎｍ）、
有効走査幅：Ｙｏ（ｎｍ）、
有効走査幅に対応した偏向角：θｏ（ｄｅｇ．）、
偏向器３１の内接円半径：ｒｐ（ｍｍ）、
走査中心におけるレーザ光束７０の偏向器３１の偏向面での反射角：α（ｄｅｇ．）、
偏向器３１の偏向面と被走査面５０との距離：Ｌ１（ｍｍ）、
走査レンズ３３の光学機能面３３ｂの頂点と被走査面５０との距離：Ｌ２（ｍｍ）、
走査レンズ３３の中心厚：ＴＨ（ｍｍ）、
とした。
【００５１】
尚、ｆｍ（ｍｍ）は下記数式１１で与えられる。
【００５２】
【数１１】
2009192646.tif 000016
【００５３】
また本数値実施例では、偏向器３１は、走査中心における反射点が偏向面の中心から離れ、かつ光源１０から離れる方向にΔｘ（ｍｍ）だけシフトするように配置されている。図９に光学機能面３３ａのＹ軸方向の位置に対する凸部３５の幅及び光学機能面３３ａに入射するレーザ光束７０の主走査方向の幅を示す。図９より、光学機能面３３ａの有効範囲全域において、レーザ光束７０の主走査方向の幅に対し、凸部３５の幅が狭くなるよう設計されていることが分かる。
【００５４】
図１０に実施例における走査光学系の像面湾曲量を示す。また、図１１に実施例における走査光学系のｆθ特性を示す。図１０、図１１から、像面湾曲及びｆθ特性が良好に補正されていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る走査光学系は、全像高において温度変動による光学特性変化を抑制し、高い光学性能を有するため、レーザプリンタ、レーザファクシミリ、デジタル複合機等の光学装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】光走査装置１の主要部の構成を表す主走査方向の断面図
【図２】偏向器側面３３ａの一部を拡大した断面図
【図３】偏向器側面３３ａの一部を拡大した平面図
【図４】変形例における光学機能面３３ａの一部を拡大した平面図
【図５】ｍ＝１の場合の数式６を表すグラフ
【図６】ｍ＝２の場合の数式６を表すグラフ
【図７】面７１に平行な単色のレーザ光束７０が入射し、回折される様子を表す模式図
【図８】画像形成装置２の構成図
【図９】光学機能面３３ａのＹ軸方向の位置に対する凸部３５の幅及び光学機能面３３ａに入射するレーザ光束７０の主走査方向の幅を示すグラフ
【図１０】実施例における走査光学系の像面湾曲量を示す収差図
【図１１】実施例における走査光学系のｆθ特性を示す収差図
【符号の説明】
【００５７】
１  光走査装置
２  画像形成装置
１０  光源
２０  第１結像光学系
２１  コリメータレンズ
２２  シリンドリカルレンズ
３０  走査光学系
３１  偏向器
３２  第２結像光学系
３３  走査レンズ
３３ａ  光学機能面
３４  光学機能部
３５  凸部
３５ａ  第１の側面
３５ｂ  第２の側面
５０  被走査面
６０、７０  レーザ光束
【図１】
2009192646.tif 000017
【図２】
2009192646.tif 000018
【図３】
2009192646.tif 000019
【図４】
2009192646.tif 000020
【図５】
2009192646.tif 000021
【図６】
2009192646.tif 000022
【図７】
2009192646.tif 000023
【図８】
2009192646.tif 000024
【図９】
2009192646.tif 000025
【図１０】
2009192646.tif 000026
【図１１】
2009192646.tif 000027