自由曲面と回折面を用いたレーザー走査光源光学系の設計
Using Free-form and Diffractive Surfaces in the Light Source Optics of a Laser Scanning System

稲垣Inagaki,

義弘＊Yoshihiro

要旨
レーザー走査光学系で用いる光源光学系を新たに開発した。その光源光学系は樹脂製の単一の光学部品によって構成される。その光学部品は、２面の自由曲面形状反射面と２面の回折面を持つ。自由曲面形状反射面は、コマ収差や溝状収差の低減に寄与している。また、回折面は、温度変化時の性能変化を抑制するように設計されている。

Abstract
We have developed new light source optics for use inlaser scanning systems. The light source optics consist ofa single plastic optical element comprising two free-form
reflective surfaces and two diffractive surfaces. The freeform reflective surfaces contribute to reduced coma andrinnenfehler, while the diffractive surfaces compensate forFig.1 Schematic view of a new laser scanning optics

temperature.

１

はじめに

レーザー走査光学系では、樹脂非球面レンズを用いてレンズ枚数を削減することにより、低コスト化が推し進められている。しかし、樹脂は温度変化に伴う屈折率変化が大きいため、樹脂レンズを使った場合、温度変化に伴う性能変化が課題となる。特に、レーザー走査光学系の光源部に使われるコリメータレンズは、効き率が高
く 、 樹 脂 レ ン ズ を 使 う と 温 度 変 化 に 伴 っ て 大 きなデFig.2 Schematic view of the new light source optics

フォーカスが発生してしまうので、従来は一般にガラス非球面レンズが使用されている。本稿では、自由曲面形

光源光学系と呼び、ポリゴンミラーから感光体までの光状の反射面と回折面を使うことによって温度に伴う性能学系を走査光学系と呼ぶ。今回の報告は光源光学系の光変化を抑制した樹脂製の光源光学系の設計について報告

学設計に関するものである。
Fig.２は、今回設計した光源光学系の概略図である。

する。

Fig.３は、従来の光源光学系の概略図である。従来の光源

２光学系は、レーザーダイオードの発したレーザー光をコレーザー走査光学系リメータレンズによって平行光とした後、シリンダレン

Fig.１に、今回設計したレーザー走査光学系の概略図をズによって、ポリゴンミラーの反射面近傍で副走査方向示す。レーザー走査光学系は、レーザービームをポリゴのみ集光させている。一般にコリメータレンズはガラスンミラーで走査して感光体上に描画を行う。ここでは、レンズであるが、シリンダレンズはガラスのものも樹脂レーザーダイオードからポリゴンミラーまでの光学系をのものもある。一方、今回設計した光源光学系は、単一＊コニカミノルタビジネステクノロジーズ㈱機器開発本部 機器第３開発センター 第 31 開発部の樹脂製の素子で、コリメータレンズとシリンダレンズの役割を兼ねている。

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Fig.3 Conventional light source optics
Fig.4 Parabolic mirror collimator３

温度変化に伴う性能変化

レーザー走査光学系の温度変化に伴う性能変化として射面を使っても形状変化の影響は免れ得ないが、屈折面は、デフォーカス、走査幅変化、走査位置ずれなどがあを使った場合に比べれば温度変化時のデフォーカス量はるが、光源光学系の設計に関わるものはデフォーカスで大幅に減少する。

ある。Table１に、温度を10度上げた時のデフォーカス量を走査レンズ部分も含めてシミュレーションした結果を示す。レーザー走査光学系はアナモフィックな光学系で４ティルトに伴う性能変化あるので、主走査方向と副走査方向でデフォーカス量は上述の、コリメータレンズを樹脂のミラーに置き換え異なる。なお、Table１には波長のみを変化させた場合のた光源光学系では、ミラーの形状は放物面である。このデフォーカス量も併記しているが、波長に関しては後述

場合、軸上では無収差にすることができるが、軸外ではする。

性能が維持できない。コリメータレンズは設計上は軸上Table１の比較例は、走査レンズ部分は同じで、光源光だけを使用するが、保持部材の製造誤差や組立時の設置学系部分をコリメータレンズとシリンダレンズに変更し誤差などによってわずかながら素子が傾き、軸外を使用た場合である。コリメータレンズとシリンダレンズの両する場合があるので、想定される誤差の範囲内で欲しい方にガラスを使用した場合に比べて、シリンダレンズを性能が得られているか確認しなければならない。

樹脂にした時、温度変化に伴う副走査のデフォーカス量Fig.５は、放物面ミラーの像面湾曲を計算した結果であが大きくなっている。また、コリメータレンズを樹脂にる。評価は、素子を主走査副走査それぞれに±0.5度の範置き換えた場合、温度変化に伴うデフォーカス量は主走囲で傾けてレーザーダイオード側で行っている。この例

査副走査ともはるかに大きくなっており、このままではでは光路は副走査方向に折り曲げられているが、その方使用不可能である。

向に傾けた時、主走査副走査の像面が乖離していること

コリメータレンズを樹脂化した際に、温度変化時のデが判る。また、Fig.６は、ビーム形状をシミュレーションフォーカス量が大きくなる原因は、樹脂の温度変化に伴した結果である。素子を主走査副走査それぞれに±0.5度

う屈折率変化が、ガラスに比べて２桁ほども大きいことずつ傾けた後、通常の光源光学系と同等の調整を行ったにある。屈折率変化の影響を受けないようにするために上で、レーザーダイオード側で評価を行っている。通常は、屈折面のかわりに反射面を使うことが考えられる。の光源光学系における調整とは、コリメータレンズに対Fig.４に、コリメータレンズを樹脂のミラーに置き換えたするレーザーダイオードの３軸の位置調整と、シリンダ光源光学系部分の概略図を示す。樹脂は、線膨張係数もレンズの光軸周り回転調整および光軸方向位置調整であガラスに比べると１桁ほど大きく、屈折面の替わりに反る。これらの調整によって、光源光学系から射出される
光束について、位置や角度と、主走査及び副走査のフォーカス状態が調整されるが、コマ収差や溝状収差がTable 1 Defocus due to temperature and wavelength

発生している場合は調整で吸収されずに残存する。９つあるビームのうち、中央は軸上であり、横が主走査の軸外、縦が副走査の軸外である。軸上では前述のように無収差であるから、ビーム形状シミュレーション結果はきれいな楕円形であるが、軸外ではコマ収差及び溝状収差が発生して、ビームが三角形に崩れ、また、サブピークが大きくなっている。
ティルト時のコマ収差及び溝状収差の対策としては、

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量が画像に悪影響を及ぼさない程度に収まるかどうか、光学設計時に注意しなければならない。また、レーザーダイオードの放熱が不十分な場合、レーザーダイオードの温度が想定よりも上がりすぎて、波長変化が大きく起きることがある。これらのレーザーダイオードの波長に関わる問題は、回折を使っていない場合でも無論起こり
Fig.5 Field curvature of the parabolic mirror collimator

うるが、回折を使った場合にはより大きな量で発生する可能性がある。前述のTable１に波長だけ変化させた場合の結果を載せているが、今回の設計例は比較例と比べると波長変化に伴うデフォーカス量が大きくなっている。

６設計例

今回の設計例について、Fig.７に光路図を示す。入射面と射出面は回折面であり、その間の光路中の２つの反射面はいずれも自由曲面である。反射面は、全反射するように設計されており、金属コーティングは不要である。
２つの回折面のうち、ポリゴンミラー側の回折面（以下、射出側回折面と表記する）は平面の上に平行な溝を設けた形状である。溝は、主走査方向に平行であり、射出側回折面は副走査方向のみに回折力を持つ。Fig.８に回折面の微細形状のイメージを示す。主光線通過位置付近
Fig.6 Calculated beam spot of the parabolic mirror collimator

では、１次回折光が直進するように設計されており、溝の微細形状は光線進行方向に垂直な透過面と光線進行方自由曲面を複数用いることが有効である。ただし、２つ向に平行な壁面で構成された階段状である。主光線通過の自由曲面の間で偏心が起きた場合にコマ収差及び溝状位置から上下にずれた位置では、溝のピッチや透過面の収差が発生するため、設計の際にはブロック偏心と面別傾斜が変化しており、回折面は正のパワーを持ってい偏心のバランスをとることが必要になる。

る。なお、透過面の傾斜は位置によって変わっているが、段差の向きが反転することはない。これは、面を全５体として副走査方向について傾斜させていることの効果回折面の作用である。仮に面を傾斜させていないと、面の上側と下側

前述のように、ミラーを使っても、温度変化に伴うデで段差の方向が逆になってしまい、金型加工時に切削工フォーカスは残存している。これをさらに抑制する方法

具を反転させることが必要になり、精度について不利にとしては、回折を利用する方法が考えられる。レーザーなる。

ダイオードは、温度が上昇すれば発振波長が長くなるので、回折面の波長に対する性能変化を利用して逆符号のデフォーカスを発生させ、トータルとして温度変化に伴うデフォーカスを抑制することができる。
ここで課題となるのが、回折を使わない時に発生している主走査副走査のデフォーカス量が異なることである。従って、回折も主走査副走査それぞれに最適となるように設計する必要がある。また、温度変化に伴う波長変化を利用してトータルでデフォーカスを抑制する場
合、温度が変化せずに波長だけが変わると、デフォーカ
スが発生することになる。レーザーダイオードの波長変化については、モードホップと呼ばれる、１nm程度の不連続的な波長変化が起こることが知られている。波長がFig.7 Optical path chart of the new light source optics

急激に変化すればその分デフォーカス量が急激に変化することになるので、モードホップに伴うデフォーカスのKONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.1（2004）85

また、レーザーダイオード側の回折面（以下、入射側回折面と表記する）は、軸対称非球面の上に同じ軸を回転対称軸とする溝を設けたものである。ただし、回転対称軸を外した領域で使用している。入射側回折面でも、主光線通過位置付近では、１次回折光が直進するように設計されている。軸対称形状であれば、軸を含んだ領域で使用するように設計しても加工上は問題ないのだが、それにもかかわらず軸を外した領域で使用しているのは、射出側回折面での、波長変化に伴う位置変化を補償するためである。射出側回折面では、面を傾斜させたことによって、波長変化時に回折光の角度が副走査方向に変化してしまう。前述のレーザーダイオードのモードホップの影響で波長が急激に変化した場合、感光体上でのレーザー照射位置がずれてしまってはいけないので、入射側回折面で逆方向に角度変化を起こすことによって、トータルで感光体上レーザー照射位置の変動が起こらないようにしている。
また、主光線と回転対称軸の間隔を自由度として使用することで、主走査方向の回折のパワーを設計時にコントロールすることができる、という利点もある。副走査断面内での形状を変えずに回転対称軸を主光線に近づけ
Fig.8 Schematic drawing of diffractive surface

ると、主走査断面内で見た溝の間隔が狭くなり、回折パワーを主走査断面内だけ増やすことができる。
今回の設計例について、Fig.９に像面湾曲を、Fig.10にビーム形状をそれぞれ示す。評価条件はFig.５及びFig.６に示した放物面ミラーと同等である。像面は放物面ミラーと基本的に似た挙動を示しているが、２面の自由曲面の作用によって、ティルト時の溝状収差やコマ収差が抑制されていることがわかる。

Fig.9 Field curvature of the new light source optics

７

おわりに

本稿で紹介した樹脂製の光源光学系は、コニカミノル
タオプト(株)光学技術センターによって、金型加工及び成形に関して技術開発され、既に実用化されている。
Fig.11に作成された素子を示す。

Fig.10 Calculated beam spot of the new light source optics

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Fig.11 The new light source optics

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