JP2005308807A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、レーザビームプリンタ、レーザファクシミリ、デジタル複写機などの画像形成装置等において画像の書き込み等に用いられる光走査装置に関する。 The present invention relates to an optical scanning device used for image writing or the like in an image forming apparatus such as a laser beam printer, a laser facsimile, or a digital copying machine.
レーザビームプリンタなどに用いられている多くの光走査装置は、光源としての半導体レーザと、回転多面鏡(光偏向器)としてのポリゴンミラーと、前記半導体レーザと前記ポリゴンミラーとの間に配置され、前記半導体レーザからのレーザ光のビーム径、発散角等の調整を行う調整光学系と、前記ポリゴンミラーからの光束を被走査面に導き、前記被走査面上に等速度で均一なスポットを結像する結像光学系とにより構成されている。 Many optical scanning devices used in laser beam printers are arranged between a semiconductor laser as a light source, a polygon mirror as a rotary polygon mirror (optical deflector), and between the semiconductor laser and the polygon mirror. An adjustment optical system that adjusts the beam diameter, divergence angle, and the like of the laser light from the semiconductor laser, and guides the light flux from the polygon mirror to the surface to be scanned, thereby forming a uniform spot on the surface to be scanned at a constant speed. And an imaging optical system that forms an image.
従来の多くの光走査装置は、主走査方向の実効的な開口をポリゴンミラーの手前に配置し、ポリゴンミラーの偏向反射面の一部を照明するようにしたアンダーフィルドタイプのものであった。しかし、アンダーフィルドタイプの光走査装置では、走査の高速化のためにポリゴンミラーの偏向反射面の数を増やそうとすると、ポリゴンミラーの内接円の径を大きくする必要があった。そして、ポリゴンミラーの内接円の径を大きくすると、ポリゴンミラーの大型化を招き、ポリゴンミラーの回転駆動に大きな力が必要となるため、ポリゴンミラーの内接円の径を大きくすることには一定の限界があった。従って、アンダーフィルドタイプの光走査装置では、走査の高速化を図ることが困難であるという問題があった。そこで、近年、ポリゴンミラーの偏向反射面を完全に照明し、ポリゴンミラーの偏向反射面を主走査方向の実効的な開口とするオーバフィルドタイプの光走査装置が提案されている。 Many conventional optical scanning apparatuses are of the underfill type in which an effective aperture in the main scanning direction is arranged in front of the polygon mirror so as to illuminate a part of the deflecting reflection surface of the polygon mirror. However, in the underfill type optical scanning device, in order to increase the number of deflecting and reflecting surfaces of the polygon mirror in order to increase the scanning speed, it is necessary to increase the diameter of the inscribed circle of the polygon mirror. If the diameter of the inscribed circle of the polygon mirror is increased, the size of the polygon mirror is increased, and a large force is required for rotational driving of the polygon mirror. There was a certain limit. Therefore, the underfilled type optical scanning device has a problem that it is difficult to increase the scanning speed. Therefore, in recent years, an overfilled type optical scanning device has been proposed in which the deflection reflection surface of the polygon mirror is completely illuminated and the deflection reflection surface of the polygon mirror is an effective aperture in the main scanning direction.
このオーバフィルドタイプの光走査装置においては、前記被走査面上に所望のサイズのスポットを生じさせるのに必要なポリゴンミラーの偏向反射面の大きさが非常に小さく、アンダーフィルドタイプの光走査装置に用いられるポリゴンミラーと同一の内接円を有するポリゴンミラーを用いて、より多くの偏向反射面を設けることが可能である。そのため、オーバフィルドタイプの光走査装置においては、ポリゴンミラーを比較的低い回転速度で動作させることが可能であり、より小さいパワーのモータ駆動装置を用いることできる。しかし、オーバフィルドタイプの光走査装置においては、一般的に、ポリゴンミラーの偏向反射面を照射するレーザ光の強度分布がガウス分布となるため、被走査面の位置によって当該被走査面上に形成されるスポットの光量が変化する、すなわち、周辺光量比が悪いという問題がある。そこで、オーバフィルドタイプの光走査装置に関し、周辺光量比を改善するための提案がなされている(例えば、特許文献1参照)。 In this overfilled type optical scanning device, the size of the deflecting / reflecting surface of the polygon mirror required to generate a spot of a desired size on the surface to be scanned is very small, and the underfilled type optical scanning device. It is possible to provide more deflecting reflection surfaces by using a polygon mirror having the same inscribed circle as the polygon mirror used in the above. Therefore, in the overfilled type optical scanning device, the polygon mirror can be operated at a relatively low rotational speed, and a motor drive device with smaller power can be used. However, in an overfilled type optical scanning device, generally, the intensity distribution of the laser light that irradiates the deflecting / reflecting surface of the polygon mirror is a Gaussian distribution, so that it is formed on the surface to be scanned depending on the position of the surface to be scanned. There is a problem that the light amount of the spot to be changed changes, that is, the peripheral light amount ratio is bad. Therefore, a proposal for improving the peripheral light amount ratio has been made with respect to the overfilled type optical scanning device (see, for example, Patent Document 1).
以下、従来(特許文献1)のオーバフィルドタイプの光走査装置における周辺光量比を改善するための技術について、図10を参照しながら説明する。図10は従来技術(特許文献1)における光走査装置を示す要部構成図である。図10に示すように、レーザダイオード101は、平行化されたレーザ光102を出射する。平行化されたレーザ光102は、2個のレンズ103、104からなるビーム拡大器によって拡大される。拡大されたレーザ光102は、ガウス強度分布を有し、直線状開口、すなわち、スリット105に入射し、シート状となって出射される。次に、レーザ光102は、2枚の非球面レンズ106、107からなる非球面レンズ系108を通過する。非球面レンズ系108は、平行化されたシート状のレーザ光102の、ポリゴンミラー109の偏向反射面上での主走査方向の強度分布を、均一な強度分布に変換する。ここで、非球面レンズ106、107の非球面のサグ量sagは、下記(数1)によって与えられる。
Hereinafter, a technique for improving the peripheral light amount ratio in the conventional overfilled type optical scanning device will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a main part configuration diagram showing an optical scanning device in the prior art (Patent Document 1). As shown in FIG. 10, the
[数1]
sag=y2 /2r+ay4 +by6 +cy8 +dy10
[Equation 1]
sag = y 2 / 2r + ay 4 + by 6 + cy 8 + dy 10
ここで、rは非球面の頂点における曲率半径、yは光軸からの距離、a、b、c、dはそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数を表わしている。 Here, r is the radius of curvature at the apex of the aspheric surface, y is the distance from the optical axis, and a, b, c, and d are the 4th, 6th, 8th and 10th aspherical coefficients, respectively.
次に、レーザ光102は、矢印で示した方向に回転するポリゴンミラー109の各偏向反射面で反射され、第2結像光学系(ここでは図示していないが、少なくとも1枚の曲面レンズ又は曲面ミラーにより構成される)によって被走査面上に結像される。この場合、レーザ光102は走査の中央ではポリゴンミラー109の偏向反射面に真正面から当たり走査の端では或る角度をもって当たるので、ポリゴンミラー109の偏向反射面の有効面積の変化に起因する照明の減少を除けば、レーザ光102は一様な強度で被走査面に照射される。
しかし、特許文献1に開示された光走査装置は、レーザ光のエネルギーの一部がスリットによって遮断される構成であるため、エネルギー利用率が悪いという問題点を有していた。また、特許文献1に開示された光走査装置は、副走査方向においてポリゴンミラーの偏向反射面上にレーザ光を収束させるような機能を有していないため、ポリゴンミラーの各偏向反射面の副方向の傾き角にバラツキがあると、被走査面における副走査方向の走査位置がばらついてしまうという問題点も有していた。さらに、特許文献1に開示された光走査装置は、ビーム拡大器と非球面レンズ系が個別に配置される構成であるため、低コスト化を図ることが困難であるという問題点も有していた。
However, since the optical scanning device disclosed in
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、オーバフィルドタイプの光走査装置であって、エネルギー利用率を向上させることができ、各偏向反射面の副方向の傾き角のバラツキに対する被走査面における副走査方向の走査位置のバラツキを低減することができ、低コスト化を図ることができる光走査装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems in the prior art, and is an overfilled type optical scanning device that can improve the energy utilization rate and tilt the deflecting reflecting surfaces in the sub-direction. An object of the present invention is to provide an optical scanning device that can reduce the variation in the scanning position in the sub-scanning direction on the surface to be scanned with respect to the variation in corners, and can reduce the cost.
前記目的を達成するため、本発明に係る光走査装置の第1の構成は、光束を出射する光源部と、
複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上に、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有する線像として結像する第1結像光学系と、
前記回転多面鏡と被走査面との間に配置され、前記回転多面鏡からの前記光束を前記被走査面上に結像する第2結像光学系とを備えた光走査装置であって、
前記第1結像光学系は、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記光束を副走査方向に関して収束する第一の光学系と、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上での前記光束の主走査方向の強度分布を、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有するほぼ均一な強度分布に変換する機能を有する第二の光学系と、
前記第二の光学系と前記回転多面鏡との間に配置され、前記第二の光学系によって乱れた前記光束の位相を揃える機能を有する第三の光学系とを備えていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first configuration of an optical scanning device according to the present invention includes a light source unit that emits a light beam,
A rotary polygon mirror that has a plurality of deflection reflection surfaces and scans the light beam from the light source unit in the main scanning direction;
Main scanning of one of the deflecting and reflecting surfaces of the rotating polygon mirror is arranged between the light source unit and the rotating polygon mirror, and the light beam from the light source unit is projected onto the deflecting and reflecting surface of the rotating polygon mirror. A first imaging optical system that forms a line image having a width larger than the width in the direction;
An optical scanning device including a second imaging optical system that is disposed between the rotary polygon mirror and the surface to be scanned and forms an image of the light beam from the rotary polygon mirror on the surface to be scanned;
The first imaging optical system includes:
A collimating lens that is disposed between the light source unit and the rotating polygon mirror and converts the light beam from the light source unit into a parallel light beam;
A first optical system that is disposed between the collimating lens and the rotary polygon mirror and converges the light beam with respect to a sub-scanning direction;
The intensity distribution in the main scanning direction of the light beam on the deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is arranged between the collimating lens and the rotation polygon mirror, and the intensity distribution of one deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is determined. A second optical system having a function of converting into a substantially uniform intensity distribution having a width larger than the width in the main scanning direction;
A third optical system disposed between the second optical system and the rotary polygon mirror and having a function of aligning the phases of the light beams disturbed by the second optical system; To do.
前記本発明の光走査装置の第1の構成によれば、副走査方向に像を結びながら、回転多面鏡の偏向反射面上での光束の強度分布をほぼ均一な強度分布に変換することができるので、周辺光量比を良好にすることができ、しかも、エネルギー利用率を向上させることができると共に、回転多面鏡の各偏向反射面の副方向の傾き角のバラツキに対する被走査面における副走査方向の走査位置のバラツキを低減することができる。また、第二の光学系がビーム拡大機能を有するため、ビーム拡大器を別途設ける必要がないので、光走査装置の低コスト化を図ることができる。 According to the first configuration of the optical scanning device of the present invention, the intensity distribution of the light beam on the deflecting reflection surface of the rotary polygon mirror can be converted into a substantially uniform intensity distribution while forming an image in the sub-scanning direction. As a result, the peripheral light quantity ratio can be improved, the energy utilization rate can be improved, and the sub-scanning on the surface to be scanned with respect to the variation in the tilt angle in the sub-direction of each deflection reflection surface of the rotary polygon mirror Variation in the scanning position in the direction can be reduced. In addition, since the second optical system has a beam expanding function, it is not necessary to provide a separate beam expander, so that the cost of the optical scanning device can be reduced.
また、本発明に係る光走査装置の第2の構成は、光束を出射する光源部と、
複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの前記光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上に、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有する線像として結像する第1結像光学系と、
前記回転多面鏡と被走査面との間に配置され、前記回転多面鏡からの前記光束を前記被走査面上に結像する第2結像光学系とを備えた光走査装置であって、
前記第1結像光学系は、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記光束を副走査方向に関して収束する第一の光学系と、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上での前記光束の主走査方向の強度分布を、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有し、かつ、中心部から端部にいくにしたがって徐々に増大し、端部にピークを有する強度分布に変換する機能を有する第二の光学系と、
前記第二の光学系と前記回転多面鏡との間に配置され、前記第二の光学系によって乱れた前記光束の位相を揃える機能を有する第三の光学系とを備えていることを特徴とする。
In addition, a second configuration of the optical scanning device according to the present invention includes a light source unit that emits a light beam,
A rotary polygon mirror that has a plurality of deflection reflection surfaces and scans the light flux from the light source unit in a main scanning direction;
Main scanning of one of the deflecting and reflecting surfaces of the rotating polygon mirror is arranged between the light source unit and the rotating polygon mirror, and the light beam from the light source unit is projected onto the deflecting and reflecting surface of the rotating polygon mirror. A first imaging optical system that forms a line image having a width larger than the width in the direction;
An optical scanning device including a second imaging optical system that is disposed between the rotary polygon mirror and the surface to be scanned and forms an image of the light beam from the rotary polygon mirror on the surface to be scanned;
The first imaging optical system includes:
A collimating lens that is disposed between the light source unit and the rotating polygon mirror and converts the light beam from the light source unit into a parallel light beam;
A first optical system that is disposed between the collimating lens and the rotary polygon mirror and converges the light beam with respect to a sub-scanning direction;
The intensity distribution in the main scanning direction of the light beam on the deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is arranged between the collimating lens and the rotation polygon mirror, and the intensity distribution of one deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is determined. A second optical system having a width larger than the width in the main scanning direction, gradually increasing from the center to the end, and having a function of converting to an intensity distribution having a peak at the end;
A third optical system disposed between the second optical system and the rotary polygon mirror and having a function of aligning the phases of the light beams disturbed by the second optical system; To do.
前記本発明の光走査装置の第2の構成によれば、上記第1の構成と同様の作用効果が得られると共に、第二の光学系が、回転多面鏡の偏向反射面上での光束の主走査方向の強度分布を、中心部から端部にいくにしたがって徐々に増大し、端部にピークを有する強度分布に変換する機能をも有するため、走査に伴う回転多面鏡の偏向反射面の有効面積の変化に起因する光量の減少を補正することができるので、光束を完全に一様な強度で被走査面に照射することができる。 According to the second configuration of the optical scanning device of the present invention, the same operational effect as the first configuration can be obtained, and the second optical system can transmit the light beam on the deflecting reflection surface of the rotary polygon mirror. The intensity distribution in the main scanning direction gradually increases from the center to the end and also has a function of converting to an intensity distribution having a peak at the end. Since the decrease in the amount of light due to the change in the effective area can be corrected, the light beam can be irradiated onto the surface to be scanned with a completely uniform intensity.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第二及び第三の光学系のそれぞれの光学系は、主走査方向に非円弧な形状を有する少なくとも1枚のレンズからなるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, each of the second and third optical systems includes at least one lens having a non-arc shape in the main scanning direction. Preferably it is.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第二及び第三の光学系のそれぞれの光学系は、一方の面が主走査方向に非円弧な形状を有し、他方の面が平面である1枚のレンズからなるのが好ましい。また、この場合には、前記一方の面は、副走査方向に屈折力を有しないのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, each of the optical systems of the second and third optical systems has a shape in which one surface is non-circular in the main scanning direction, Preferably, the other surface is a single lens. In this case, it is preferable that the one surface has no refractive power in the sub-scanning direction.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第二の光学系は、主走査方向に非円弧な形状を有する少なくとも1枚のレンズからなり、前記第三の光学系は、主走査方向に円弧な形状を有する少なくとも1枚のレンズからなるのが好ましい。この場合には、前記第三の光学系がシリンドリカルレンズからなるのが好ましい。これらの好ましい例によれば、第三の光学系を安価かつ容易に作製することができ、また、第三の光学系を計測が容易な形状とすることができる。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, the second optical system includes at least one lens having a non-arc shape in the main scanning direction, and the third optical system. Is preferably composed of at least one lens having an arc shape in the main scanning direction. In this case, it is preferable that the third optical system is composed of a cylindrical lens. According to these preferable examples, the third optical system can be manufactured inexpensively and easily, and the third optical system can be formed into a shape that can be easily measured.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第二の光学系は、一方の面が主走査方向に非円弧な形状を有し、他方の面が平面である1枚のレンズからなり、前記第三の光学系は、一方の面が主走査方向に円弧な形状を有し、他方の面が平面である1枚のレンズからなるのが好ましい。また、この場合には、前記第三の光学系がシリンドリカルレンズからなるのが好ましい。また、この場合には、前記第二及び第三の光学系のそれぞれの前記一方の面は、副走査方向に屈折力を有しないのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, the second optical system has one surface having a non-arc shape in the main scanning direction and the other surface being a flat surface. It is preferable that the third optical system includes a single lens having one surface having an arc shape in the main scanning direction and the other surface being a flat surface. In this case, it is preferable that the third optical system is a cylindrical lens. In this case, it is preferable that the one surface of each of the second and third optical systems has no refractive power in the sub-scanning direction.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第二の光学系の材料が樹脂であり、前記第三の光学系の材料がガラスであるのが好ましい。この好ましい例によれば、温度変化による性能の劣化を防止することができる。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the material of the second optical system is a resin and the material of the third optical system is glass. According to this preferable example, it is possible to prevent deterioration of performance due to temperature change.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第一の光学系が前記コリメートレンズと前記第二の光学系との間に配置されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the first optical system is disposed between the collimating lens and the second optical system.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第二の光学系が前記コリメートレンズと前記第一の光学系との間に配置されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the second optical system is disposed between the collimating lens and the first optical system.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記コリメートレンズと前記第一の光学系が一体に形成されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the collimating lens and the first optical system are integrally formed.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記コリメートレンズと前記第二の光学系が一体に形成されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the collimating lens and the second optical system are integrally formed.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第一の光学系と前記第二の光学系が一体に形成されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the first optical system and the second optical system are integrally formed.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記コリメートレンズと前記第一の光学系と前記第二の光学系が一体に形成されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the collimating lens, the first optical system, and the second optical system are integrally formed.
前記本発明の光走査装置の第1又は第2の構成においては、前記第一の光学系と前記第三の光学系が一体に形成されるのが好ましい。 In the first or second configuration of the optical scanning device of the present invention, it is preferable that the first optical system and the third optical system are integrally formed.
これらの一体形成するという好ましい例によれば、光走査装置の低コスト化を図ることが可能となる。 According to the preferable example in which these are integrally formed, the cost of the optical scanning device can be reduced.
本発明によれば、オーバフィルドタイプの光走査装置において、副走査方向に像を結びながら、回転多面鏡の偏向反射面上での光束の強度分布をほぼ均一な強度分布に変換する第1結像系を用いることにより、周辺光量比を良好にすることができ、しかも、エネルギー利用率を向上させることができると共に、回転多面鏡の各偏向反射面の副方向の傾き角のバラツキに対する被走査面における副走査方向の走査位置のバラツキを低減することができる。また、ビーム拡大機能と強度分布変換機能を兼ねる第二の光学系を用いることにより、光学系の数を削減することができるので、光走査装置の低コスト化を図ることが可能となる。また、第三の光学系として、主走査方向に円弧な形状を有するガラス材料のレンズを用いることにより、安価でかつ温度変化に対する性能劣化の小さい光走査装置を実現することができる。 According to the present invention, in the overfilled type optical scanning device, the first result of converting the intensity distribution of the light beam on the deflecting reflecting surface of the rotary polygon mirror into a substantially uniform intensity distribution while forming an image in the sub-scanning direction. By using the image system, the peripheral light quantity ratio can be improved, the energy utilization rate can be improved, and scanning with respect to the variation in the tilt angle in the sub-direction of each deflection reflection surface of the rotary polygon mirror can be performed. Variations in the scanning position in the sub-scanning direction on the surface can be reduced. In addition, by using the second optical system having both the beam expansion function and the intensity distribution conversion function, the number of optical systems can be reduced, so that the cost of the optical scanning device can be reduced. Further, by using a glass material lens having an arc shape in the main scanning direction as the third optical system, it is possible to realize an optical scanning device that is inexpensive and has little performance deterioration with respect to temperature change.
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically using embodiments.
[第1の実施の形態]
図1は本発明の第1の実施の形態における光走査装置を示す要部構成図である。図1に示すように、本実施の形態の光走査装置は、波長780nmのレーザ光2を出射する光源部としての半導体レーザ1と、複数の偏向反射面を有し、矢印の方向に回転しながら、半導体レーザ1から出射されたレーザ光2を主走査方向に走査する回転多面鏡としてのポリゴンミラー7と、半導体レーザ1とポリゴンミラー7との間に配置され、半導体レーザ1から出射されたレーザ光2を、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面上に、ポリゴンミラー7の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有する線像として結像する第1結像光学系と、ポリゴンミラー7と被走査面9との間に配置され、ポリゴンミラー7からのレーザ光2を被走査面9上に結像する第2結像光学系としての曲面ミラー8とを具備している。ここで、半導体レーザ1から出射されるレーザ光2は、その強度分布がガウス分布であり、水平方向、垂直方向に異なる発散角を有している。また、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面の主走査方向の幅は、6.70mmに設定されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a main part configuration diagram showing an optical scanning device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical scanning device of the present embodiment has a
図1において、x-y-z直交座標系の軸を定義する。半導体レーザ1から出射されたレーザ光2の進行方向をz軸、図1の紙面に含まれz軸に垂直な方向をy軸とする。このようにx-y-z直交座標系の軸を定義した場合、y軸方向は主走査方向と一致し、x軸方向は副走査方向と一致する。
In FIG. 1, the axes of the xyz orthogonal coordinate system are defined. The traveling direction of the
前記第1結像光学系は、半導体レーザ1側からポリゴンミラー7側に向かって順に配置された、半導体レーザ1から出射されたレーザ光2を平行光束に変換するコリメートレンズ3と、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面上でのレーザ光2の主走査方向の強度分布を、ポリゴンミラー7の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有するほぼ均一な強度分布に変換する機能を有する第二の光学系5と、レーザ光2を副走査方向に関して収束する第一の光学系4と、第二の光学系5によって乱れたレーザ光2の位相を揃える機能を有する第三の光学系6とにより構成されている。
The first imaging optical system includes a
第一の光学系4は、副走査方向にのみ正の屈折力を有する1枚のレンズからなっている。さらに具体的には、第一の光学系4は、1枚のレンズからなり、入射面がx-z平面に円弧の輪郭を有する円筒面、出射面が平面となっている。また、第二の光学系5は、主走査方向にのみ屈折力を有する(副走査方向に屈折力を有しない)1枚のレンズからなっている。さらに具体的には、第二の光学系5は、1枚のレンズからなり、入射面5aが平面、出射面5bがy-z平面に非円弧の輪郭を有する(すなわち、主走査方向に非円弧な形状を有する)トロイダル面となっている。第二の光学系5の材料は、PMMA(アクリル)であり、屈折率は波長780nmの光に対して1.486169である。上記のように定義したx-y-z直交座標系において光軸と第二の光学系5の出射面5bとの交点を原点とすると、出射面5bのサグ量sag(mm)は、下記(数2)によって与えられる。
The first optical system 4 is composed of a single lens having a positive refractive power only in the sub-scanning direction. More specifically, the first optical system 4 is composed of a single lens, the incident surface is a cylindrical surface having an arc outline on the xz plane, and the output surface is a flat surface. The second
[数2]
sag=(CUy2 /(1+sqrt(1−(1+k)CU2 y2 )))
+Ay4 +By6 +Cy8 +Dy10
[Equation 2]
sag = (CUy 2 / (1 + sqrt (1- (1 + k) CU 2 y 2 )))
+ Ay 4 + By 6 + Cy 8 + Dy 10
ここで、“sqrt”は平方根をとることを意味している。また、CU(mm-1)は頂点における曲率、kは円錐定数、A、B、C、Dはそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数を表わしており、出射面5bでの各値は以下のとおりである。
Here, “sqrt” means taking a square root. Further, CU (mm −1 ) represents the curvature at the apex, k represents the conic constant, A, B, C, and D represent the fourth, sixth, eighth, and tenth aspheric coefficients, respectively, and the
CU= 0.0753691
k=−49.204918
A= −0.11678e-02
B= 0.100975e-03
C= −0.466279e-05
D= 0.895117e-07
尚、本発明の全ての実施の形態における曲率及び曲率半径の符号は、曲面に対し曲率中心が光の進行方向にある場合を正としている。
CU = 0.0753691
k = −49.204918
A = -0.11678e-02
B = 0.100975e-03
C = -0.466279e-05
D = 0.895117e-07
In all the embodiments of the present invention, the signs of the curvature and the radius of curvature are positive when the center of curvature is in the light traveling direction with respect to the curved surface.
第三の光学系6は、主走査方向にのみ屈折力を有する(副走査方向に屈折力を有しない)1枚のレンズからなっている。さらに具体的には、第三の光学系6は、1枚のレンズからなり、入射面6aがy-z平面に非円弧の輪郭を有するトロイダル面、出射面6bが平面となっている。第三の光学系6の材料は、PMMA(アクリル)であり、屈折率は波長780nmの光に対して1.486169である。上記のように定義したx-y-z直交座標系において光軸と第三の光学系6の入射面6aとの交点を原点とすると、入射面6aのサグ量sag(mm)は、上記(数2)によって与えられ、入射面6aでの各値は以下のとおりである。
The third
CU= 6.55781e-3
k=−3.978513
A=−0.141439e-6
B=−0.624058e-9
C= 0.274282e-11
D=−0.24706e-13
以下、上記のように構成された光走査装置の動作について、図1〜図4を参照しながら説明する。図2は本発明の第1の実施の形態における第三の光学系の入射面でのレーザ光の強度分布を示す図、図3は本発明の第1の実施の形態における光走査装置を示す副走査方向断面での要部構成図、図4は本発明の第1の実施の形態におけるポリゴンミラー(回転多面鏡)に入射するレーザ光の強度分布を示す図である。
CU = 6.55781e-3
k = -3.978513
A = -0.141439e-6
B = −0.624058e-9
C = 0.274282e-11
D = −0.24706e-13
Hereinafter, the operation of the optical scanning apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing the intensity distribution of the laser beam on the incident surface of the third optical system in the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the optical scanning device in the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing an intensity distribution of laser light incident on a polygon mirror (rotating polygonal mirror) in the first embodiment of the present invention.
まず、半導体レーザ1から出射された波長780nmのレーザ光2は、コリメートレンズ3に入射し、当該コリメートレンズ3によって平行光束に変換される。次に、平行光束に変換されたレーザ光2は、第二の光学系5に入射する。第二の光学系5の位置におけるレーザ光2のビーム幅(レーザ光2の強度分布において光軸から強度がピーク値の1/e2 倍になる位置までの距離の2倍)は、主走査方向で3.88mm、副走査方向で13.67mmである。第二の光学系5により、レーザ光2の主走査方向の強度分布は、第三の光学系6の位置で均一な強度分布に変換される。
First, the
図2に、第三の光学系6の位置でのレーザ光2の主走査方向の強度分布を示す。強度分布の計算には、キルヒホッフの自乗近似式にレンズによる位相シフトの影響を加えた下記(数3)を用いた。
FIG. 2 shows the intensity distribution in the main scanning direction of the
ここでは、第二の光学系5の出射面5bの座標を(x1,y1)、第三の光学系6の入射面6aの座標を(x2,y2)としている。また、上記(数3)中、I2(x2,y2)は第三の光学系6の入射面6aでのレーザ光2の光強度、U1(x1,y1)は第二の光学系5の出射面5bでのレーザ光2の振幅、kは波数、zは第二の光学系5の出射面5bから第三の光学系6の入射面6aまでの距離、nは第二の光学系5の材料であるPMMA(アクリル)の屈折率を表わしている。尚、本実施の形態において、第二の光学系5の出射面5bから第三の光学系6の入射面6aまでの距離は、287.71mmに設定されている。また、第三の光学系6とポリゴンミラー7との間の距離は、100mm程度に設定されている。
Here, the coordinates of the
図2から分かるように、第二の光学系5により、主走査方向に関し、ビーム幅3.88mmのガウス分布が、幅26.0mm(ポリゴンミラー7の前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅)の均一な強度分布に拡大されている。従来技術においては、ビーム拡大器と非球面レンズ系とを用いて、レーザ光を拡大し、その強度分布を変換しているのに対し、本実施の形態においては、1枚のレンズ、つまり、第二の光学系5のみを用いて、レーザ光2を拡大し、その強度分布を変換している。このように、本実施の形態によれば、第二の光学系5にビーム拡大機能を持たせているため、ビーム拡大器を別途設ける必要がないので、光走査装置の低コスト化を図ることができる。
As can be seen from FIG. 2, the second
第二の光学系5を通過したレーザ光2は、第一の光学系4に入射する。そして、第一の光学系4は、当該第一の光学系4に入射したレーザ光2を、副走査方向にのみ収束させてポリゴンミラー7の前記偏向反射面上に結像する。これにより、ポリゴンミラー7の各偏向反射面の副方向の傾き角のバラツキに対する被走査面における副走査方向の走査位置のバラツキを低減することができる。
The
第一の光学系4を通過したレーザ光2は、第三の光学系6に入射する。第三の光学系6に入射するレーザ光2の波面は、第二の光学系5を通過したために主走査方向に歪み(すなわち、位相の乱れ)を持っている。第三の光学系6の入射面6aは、この波面の歪みを除去し、入射面6aを通過したレーザ光2の波面を二次曲面又は平面にする。本実施の形態においては、第三の光学系6を通過したレーザ光2の波面は平面となる。これは、第三の光学系6の入射面6aをy-z平面に非円弧の輪郭を有するトロイダル面としたことによるものである。
The
第一の光学系6は、当該第三の光学系6を通過したレーザ光2を、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面上に主走査方向に延伸した線像として結像する。このとき、主走査方向におけるレーザ光2の幅は、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きくなる。すなわち、図4に示すように、レーザ光2は、ポリゴンミラー7の偏向反射面7aに、いわゆるオーバフィルド状態で入射する。一方、スリット等を用いることなく、第一の光学系4を用いて副走査方向にのみ収束し、副走査方向におけるレーザ光2の幅を、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面の副走査方向の幅よりも小さくしているので、従来技術に比べて、エネルギー利用率を向上させることができる。また、本実施の形態においては、第三の光学系6とポリゴンミラー7との間の距離を100mm程度に設定しているので、第三の光学系6の位置で均一な強度分布に変換されたレーザ光2は、回折の僅かな影響を除いて、ほぼそのままの強度分布を保ったまま、ポリゴンミラー7まで伝播する。
The first
図3に示すように、第1結像光学系(コリメートレンズ3〜第三の光学系6)からのレーザ光2は、ポリゴンミラー7に対して、副走査方向断面内で斜めに入射する。ポリゴンミラー7の前記偏向反射面で偏向反射されたレーザ光2は、曲面ミラー8に対して斜めに入射する。ポリゴンミラー7の前記偏向反射面で偏向反射されたレーザ光2は、曲面ミラー8で結像作用を受け、被走査面9上に全走査幅を横切って結像する。この場合、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面での偏向角度による、レーザ光2に対する前記偏向反射面の有効面積の変化に起因する光量の減少を除けば、レーザ光2は一様な強度で被走査面9に照射される。
As shown in FIG. 3, the
以上のように、オーバフィルドタイプの光走査装置において、副走査方向に像を結びながら、ポリゴンミラー(回転多面鏡)7の偏向反射面上でのレーザ光2の強度分布をほぼ均一な強度分布に変換する第1結像光学系を用いることにより、周辺光量比を良好にすることができ、しかも、エネルギー利用率を向上させることができると共に、ポリゴンミラー(回転多面鏡)7の各偏向反射面の副方向の傾き角のバラツキに対する被走査面9における副走査方向の走査位置のバラツキを低減することができる。また、ビーム拡大機能と強度分布変換機能を兼ねる第二の光学系5を用いることにより、光学系の数を削減することができるので、光走査装置の低コスト化を図ることが可能となる。
As described above, in the overfilled type optical scanning device, the intensity distribution of the
尚、本実施の形態における第二及び第三の光学系5、6を若干修正することにより、図5に示すような、ポリゴンミラー7の偏向反射面7a上でのレーザ光2の強度分布を、中心部から端部にいくにしたがって徐々に増大し、端部にピークを有する強度分布に変換することができる。第二の光学系5の修正とは、具体的には、以下のような設計修正を施すということである。すなわち、本実施の形態の第二の光学系5が、主走査方向に関し、ビーム幅3.88mmのガウス分布を有するレーザ光2を、第三の光学系の位置で幅26.0mmの均一な強度分布を有するレーザ光2に変換するように設計されているのに対し、第二の光学系に入射するレーザ光2を3.88mmよりも小さいビーム幅のガウス分布と想定し、当該レーザ光2を第三の光学系の位置で幅26.0mmの均一な強度分布を有するレーザ光2に変換するように第二の光学系に設計修正を施すということである。そして、実際に用いる場合には、ビーム幅3.88mmのガウス分布を有するレーザ光2を第二の光学系に入射させる。第二の光学系に入射させるレーザ光2のビーム幅を小さく想定して設計修正を施すほど、ビーム幅3.88mmのレーザ光2を第二の光学系に入射させた場合の、第三の光学系の位置で変換される強度分布を、中心部の強度と端部の強度のピークの差が大きい強度分布とすることができる。一方、第三の光学系6に関しては、設計修正された第二の光学系5によって乱れたレーザ光2の波面を整えるように設計修正を施せばよい。これにより、走査に伴うポリゴンミラー7の偏向反射面7aの有効面積の変化に起因する光量の減少を補正することができるので、レーザ光2を完全に一様な強度で被走査面9に照射することが可能となる。
Incidentally, by slightly modifying the second and third
また、本実施の形態においては、第二の光学系5を、1枚のレンズにより構成し、その入射面5aを平面、出射面5bをy-z平面に非円弧の輪郭を有するトロイダル面としているが、第二の光学系5は、コリメートレンズ3とポリゴンミラー(回転多面鏡)7との間に配置され、ポリゴンミラー7の偏向反射面上でのレーザ光2の主走査方向の強度分布を、ポリゴンミラー7の1つの偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有するほぼ均一な強度分布に変換する機能を有するものであれば、それを構成するレンズの形状、枚数は限定されない。
Further, in the present embodiment, the second
また、本実施の形態においては、第三の光学系6を、1枚のレンズにより構成し、その入射面6aをy-z平面に非円弧の輪郭を有するトロイダル面、出射面6bを平面としているが、第三の光学系6は、第二の光学系5とポリゴンミラー(回転多面鏡)7との間に配置され、第二の光学系5によって乱れたレーザ光2の位相を揃える機能を有するものであれば、それを構成するレンズの形状、枚数は限定されない。
Further, in the present embodiment, the third
また、本実施の形態においては、第二の光学系5を、コリメートレンズ3と第一の光学系4との間に配置しているが、第一の光学系4を、コリメートレンズ3と第二の光学系5との間に配置してもよい。
In the present embodiment, the second
また、本実施の形態においては、コリメートレンズ3、第一の光学系4、第二の光学系5、第三の光学系6を別々に設けているが、例えば、コリメートレンズ3と第一の光学系4を一体成型により1枚のレンズにしたり、コリメートレンズ3と第二の光学系5を一体成型により1枚のレンズにしたり、第一の光学系4と第二の光学系5を一体成型により1枚のレンズにしたり、コリメートレンズ3と第一の光学系4と第二の光学系5を一体成型により1枚のレンズにしたり、第一の光学系4と第三の光学系6を一体成型により1枚のレンズにしたりしてもよい。以上のような構成とすることにより、光走査装置の低コスト化を図ることが可能となる。
In the present embodiment, the
[第2の実施の形態]
図6は本発明の第2の実施の形態における光走査装置を示す要部構成図である。尚、本実施の形態においては、上記第1の実施の形態と同様の構成部材については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a main part configuration diagram showing an optical scanning device according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施の形態の光走査装置の構成が上記第1の実施の形態の光走査装置の構成と異なる点は、アパーチャ10を設け、かつ、上記第1の実施の形態の第三の光学系6とは異なる形状及び材料の第三の光学系66を用いた点にある。
The configuration of the optical scanning device of the present embodiment is different from the configuration of the optical scanning device of the first embodiment in that an
図6に示すように、コリメートレンズ3と第二の光学系5との間には、円形の開口を有するアパーチャ10が設けられており、当該アパーチャ10の円形開口の直径は7.8mmである。第二の光学系5によって乱れたレーザ光2の位相を揃える機能を有する第三の光学系66は、主走査方向にのみ屈折力を有する(副走査方向に屈折力を有しない)1枚のレンズからなっている。さらに具体的には、第三の光学系66は、1枚のレンズからなり、入射面66aがy-z平面に円弧の輪郭を有する円筒面、出射面66bが平面となっている。つまり、第三の光学系66は、シリンドリカルレンズからなっている。第三の光学系66の材料は、ガラス(BK7)であり、屈折率は波長780nmの光に対して1.511183である。
As shown in FIG. 6, an
以下、上記のように構成された光走査装置の動作について、図6、図7を参照しながら説明する。図7は本発明の第2の実施の形態における光走査装置を示す副走査方向断面での要部構成図である。 Hereinafter, the operation of the optical scanning apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a main part configuration diagram in the sub-scanning direction cross section showing the optical scanning device according to the second embodiment of the present invention.
まず、半導体レーザ1から出射された波長780nmのレーザ光2は、コリメートレンズ3に入射し、当該コリメートレンズ3によって平行光束に変換される。次に、平行光束に変換されたレーザ光2は、アパーチャ10を透過する。次に、アパーチャ10を透過したレーザ光2は、第二の光学系5に入射する。第二の光学系5の位置におけるレーザ光2のビーム幅(レーザ光2の強度分布において光軸から強度がピーク値の1/e2 倍になる位置までの距離の2倍)は、主走査方向が3.88mm、副走査方向が13.67mmである。但し、アパーチャ10によって開口が制限されている。第二の光学系5により、レーザ光2の主走査方向の強度分布は、第三の光学系66の位置で均一な強度分布に変換される。本実施の形態において、第二の光学系5の出射面5bから第三の光学系66の入射面66aまでの距離は、287.71mmに設定されている。また、第三の光学系66とポリゴンミラー7との間の距離は、100mm程度に設定されている。本実施の形態の光走査装置において、アパーチャ10及び第三の光学系66以外の構成は上記第1の実施の形態の光走査装置と同様であるため、第三の光学系66の位置でのレーザ光2の主走査方向の強度分布は、図2に示すものと同じになる。第二の光学系5を通過したレーザ光2は、第一の光学系4に入射する。そして、第一の光学系4は、当該第一の光学系4に入射したレーザ光2を、副走査方向にのみ収束させてポリゴンミラー7の前記偏向反射面上に結像する。第一の光学系4を通過したレーザ光2は、第三の光学系66に入射する。第三の光学系66に入射するレーザ光2の波面は、第二の光学系5を通過したために主走査方向に歪みを持っている。第三の光学系66は、上記第1の実施の形態の第三の光学系6とは異なり、入射面66aがy-z平面に円弧の輪郭を有するシリンドリカルレンズからなるため、レーザ光2の主走査方向の波面の歪みを完全に除去することはできないが、その一方で、入射面6aがy-z平面に非円弧の輪郭を有するトロイダルレンズである上記第1の実施の形態の第三の光学系6に比べ、安価かつ容易に作製することができるという利点を有する。また、本実施の形態においては、第二の光学系5の材料が樹脂(PMMA(アクリル))であり、第三の光学系66の材料がガラス(BK7)であるため、温度変化による第二の光学系5と第三の光学系66との合成屈折力の変化が小さく、その結果、温度変化による被走査面9に形成されるレーザ光2のスポットの幅の増大を抑えることができる。レーザ光2が第三の光学系66を通過した後の動作は、上記第1の実施の形態の場合と同様である。第三の光学系66を通過したレーザ光2は、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面上に、主走査方向に延伸した線像として結像する。このとき、主走査方向におけるレーザ光2の幅は、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きくなる。すなわち、図4に示すように、レーザ光2は、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面に、いわゆるオーバフィルド状態で入射する。一方、スリット等を用いることなく、第一の光学系4を用いて副走査方向にのみ収束し、副走査方向におけるレーザ光2の幅を、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面の副走査方向の幅よりも小さくしているので、従来技術に比べて、エネルギー利用率を向上させることができる。また、本実施の形態においては、第三の光学系66とポリゴンミラー7との間の距離を100mm程度に設定しているので、第三の光学系66の位置で均一な強度分布に変換されたレーザ光2は、回折の僅かな影響を除いて、ほぼそのままの強度分布を保ったまま、ポリゴンミラー7まで伝播する。
First, the
図7に示すように、第1結像光学系(コリメートレンズ3〜第三の光学系66)からのレーザ光2は、ポリゴンミラー7に対して、副走査方向断面内で斜めに入射する。ポリゴンミラー7の前記偏向反射面で偏向反射されたレーザ光2は、曲面ミラー8に対して斜めに入射する。曲面ミラー8に入射したレーザ光2は、曲面ミラー8の光学パワーによって収束作用を受け、被走査面9上を結像走査する(すなわち、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面で偏向反射されたレーザ光2は、曲面ミラー8で結像作用を受け、被走査面9上に全走査幅を横切って結像する)。この場合、ポリゴンミラー7の前記偏向反射面での偏向角度によるレーザ光2に対する前記偏向反射面の有効面積の変化に起因する光量の減少を除けば、レーザ光2は一様な強度で被走査面9に照射される。図7中、T1、T2、T3は、第二の光学系5の中心肉厚、第一の光学系4の中心肉厚、第三の光学系66の中心肉厚をそれぞれ表わし、D1、D2、D3は、第二の光学系5と第一の光学系4との間隔、第一の光学系4と第三の光学系66との間隔、第三の光学系66とポリゴンミラー7との間隔をそれぞれ表わしている。また、D4はポリゴンミラー7の偏向反射面と曲面ミラー8との間隔を表わし、D5は曲面ミラー8と被走査面9との間隔を表わしている。また、θPは第1結像光学系からのレーザ光2の光軸とポリゴンミラー7の偏向反射面の法線とのなす角(ポリゴンミラー7の偏向反射面に入射するレーザ光2の光軸(入射光軸)とポリゴンミラー7の偏向反射面で反射するレーザ光2の光軸(反射光軸)とのなす角は2・θp)を表わし、θMはポリゴンミラー7の偏向反射面からのレーザ光2の光軸と曲面ミラー8の頂点における法線とのなす角(曲面ミラー8に入射するレーザ光2の光軸(入射光軸)と曲面ミラー8で反射するレーザ光2の光軸(反射光軸)とのなす角は2・θM)を表わしている。
As shown in FIG. 7, the
ここで、第三の光学系66を、材料がガラス(BK7)のシリンドリカルレンズとしたことによる効果について説明するために、本実施の形態の光走査装置の波面収差及びスポットサイズを計算する。また、比較のために、第三の光学系として主走査方向に非円弧な形状を有するトロイダルレンズを用いた光走査装置の波面収差及びスポットサイズについても計算する。尚、このトロイダルレンズは、材料がPMMA(アクリル)で、入射面の形状が上記第1の実施の形態の第三の光学系6と等しいトロイダル面、出射面の形状が主走査方向に正の屈折力を有する曲率半径が−586.058mmの円筒面となっている。曲面ミラー8の面形状は、面の頂点を原点とする副走査方向座標、主走査方向座標がx(mm)、y(mm)の位置における頂点からのサグ量をZ(mm)(但し、入射光束の向かう方向を正とする)として、下記(数4)〜(数7)によって規定される。
Here, in order to explain the effect of the third
[数6]
g(y)=RDx(1+BCy2 +BDy4 +BEy6 +BFy8 +BGy10)
[Equation 6]
g (y) = RDx (1 + BCy 2 + BDy 4 + BEy 6 + BFy 8 + BGy 10 )
[数7]
θ(y)=ECy2 +EDy4 +EEy6
[Equation 7]
θ (y) = ECy 2 + EDy 4 + EEy 6
ここで、上記(数5)は母線上の形状である非円弧を示す式、上記(数6)はy位置における副走査方向(x方向)の曲率半径を示す式、上記(数7)はy位置におけるねじり量を示す式である。尚、RDy(mm)は頂点における主走査方向の曲率半径、RDx(mm)は副走査方向の曲率半径、Kは母線形状を示す円錐定数、AD、AE、AF、AGは母線形状を示す高次定数、BC、BD、BE、BF、BGはy位置における副走査方向の曲率半径を決める定数、EC、ED、EEはy位置におけるねじり量を決めるねじり定数である。そして、曲面ミラー8の面形状は、上記(数4)〜(数7)を満足させることにより、主像面湾曲、副像面湾曲及びfθ誤差を補正することができるように設計されている。すなわち、曲面ミラー8の、主走査方向断面の非円弧形状や各像高に対応した副走査方向の曲率半径は、主像面湾曲、副像面湾曲及びfθ誤差を補正することができるように決められ、走査線湾曲を補正するために、曲面ミラー8の各像高に対応した位置での面のねじり量が決められている。
Here, the above (Equation 5) is an equation indicating a non-circular arc that is a shape on the generatrix, the above (Equation 6) is an equation indicating the radius of curvature in the sub-scanning direction (x direction) at the y position, and the above (Equation 7) is It is a formula which shows the amount of twist in y position. Note that RDy (mm) is a radius of curvature in the main scanning direction at the apex, RDx (mm) is a radius of curvature in the sub-scanning direction, K is a conic constant indicating a busbar shape, and AD, AE, AF, and AG are high values indicating a busbar shape. The next constants BC, BD, BE, BF, and BG are constants that determine the radius of curvature in the sub-scanning direction at the y position, and EC, ED, and EE are twist constants that determine the amount of twist at the y position. The surface shape of the
下記(表1)に、曲面ミラー8の具体的数値例を示す。尚、ポリゴンミラー7の偏向反射面の数をNp、ポリゴンミラー7に内接する円の半径をrp、最大像高をYmax 、それに対応するポリゴンミラー7の回転角をαmax とした。
The following (Table 1) shows specific numerical examples of the
下記(表2)に、上記第2結像光学系に適応する第1結像光学系の具体的数値例を示す。尚、コリメートレンズ3の焦点距離をfc、シリンドリカルレンズからなる第一の光学系4の入射面(円筒面)の曲率半径をRx4、第三の光学系66の出射面66bの曲率半径をRy66とした。
The following (Table 2) shows specific numerical examples of the first imaging optical system adapted to the second imaging optical system. The focal length of the
本実施の形態においては、設計温度25℃と設計温度25℃よりも30℃高い温度55℃での波面収差及びスポットサイズを計算した。尚、温度が55℃になると、光走査装置とそれを構成する部品が、設計形状から一様に熱膨張し、また、透過系に対しては屈折率変化を起こすと想定して計算を行った。 In the present embodiment, the wavefront aberration and the spot size were calculated at a design temperature of 25 ° C. and a temperature of 55 ° C., which is 30 ° C. higher than the design temperature of 25 ° C. Note that when the temperature reaches 55 ° C., the calculation is performed assuming that the optical scanning device and the components constituting it will thermally expand uniformly from the design shape and that the refractive index will change for the transmission system. It was.
また、温度によるレーザ光2の波長シフトも考慮した。ここでは、コリメートレンズ3を構成する材料の線膨張係数を8.6e-6(/℃)、温度による屈折率変化を5.3e-6(/℃)、第一の光学系4を構成する材料の線膨張係数を7.0e-6(/℃)、温度による屈折率変化を2.4e-6(/℃)、第二の光学系5を構成する材料の線膨張係数を8.0e-5(/℃)、温度による屈折率変化を−1.0e-4(/℃)、第三の光学系66を構成する材料の線膨張係数を7.0e-6(/℃)、温度による屈折率変化を2.4e-6(/℃)、曲面ミラー8を構成する材料の線膨張係数を7.0e-5(/℃)、上記光学系が配置されるステージ(図示せず)を構成する材料の線膨張係数を2.6e-5(/℃)とした。尚、比較のために第三の光学系をPMMA(アクリル)で構成した場合の、その線膨張係数を8.0e-5(/℃)、温度による屈折率変化を−1.0e-4(/℃)とした。また、温度55℃においてレーザ光2の波長は788nmに変動するとした。
Further, the wavelength shift of the
図8(a)に、本実施の形態の光走査装置における設計温度25℃と設計温度25℃よりも30℃高い温度55℃での走査位置ごとの波面収差のRMS(root mean square)値のグラフを示す。また、比較のために、図8(b)に、上述した第三の光学系として主走査方向に非円弧な形状を有する材料がPMMA(アクリル)のトロイダルレンズを用いた光走査装置における設計温度25℃と設計温度25℃よりも30℃高い温度55℃での走査位置ごとの波面収差のRMS値のグラフを示す。図8(a)、(b)とも、設計温度25℃の場合を実線、温度55℃の場合を破線で示している。図8(a)、(b)から分かるように、本実施の形態の光走査装置は、第三の光学系66としてシリンドリカルレンズを用いているために、設計温度25℃での波面収差が走査位置の端近傍で40mλ程度と悪いが、第三の光学系66の材料としてガラス(BK7)を用いているために、温度変化による第二の光学系5と第三の光学系66との合成屈折力の変化が小さく、その結果、温度55℃での波面収差の劣化が非常に小さい。
FIG. 8A shows the RMS (root mean square) value of wavefront aberration for each scanning position at a design temperature of 25 ° C. and a temperature of 30 ° C. higher than the design temperature of 25 ° C. in the optical scanning apparatus of the present embodiment. A graph is shown. For comparison, FIG. 8B shows a design temperature in an optical scanning apparatus using a toroidal lens in which the material having a non-arc shape in the main scanning direction is PMMA (acrylic) as the third optical system described above. The graph of the RMS value of the wavefront aberration for every scanning position in 25 degreeC and the temperature 55
次に、図9(a)に、本実施の形態の光走査装置における設計温度25℃と設計温度25℃よりも30℃高い温度55℃での走査位置ごとの主走査方向と副走査方向のスポットサイズ(強度分布の強度のピーク値の1/e2 倍になる点を結んだ長さ)のグラフを示す。また、比較のために、図9(b)に、上述した第三の光学系として主走査方向に非円弧な形状を有する材料がPMMA(アクリル)のトロイダルレンズを用いた光走査装置における設計温度25℃と設計温度25℃よりも30℃高い温度55℃での走査位置ごとの主走査方向と副走査方向のスポットサイズのグラフを示す。図9(a)、(b)とも、設計温度25℃の場合の主走査方向のスポットサイズを実線、温度55℃の場合の主走査方向のスポットサイズを一点鎖線、設計温度25℃の場合の副走査方向のスポットサイズを細かい破線、温度55℃の場合の副走査方向のスポットサイズを粗い破線で示している。図9(a)、(b)から分かるように、本実施の形態の光走査装置は、第三の光学系66の材料としてガラス(BK7)を用いているため、温度変化による第二の光学系5と第三の光学系66との合成屈折力の変化が小さく、その結果、主走査方向のスポットサイズがほとんど劣化(増大)していない。また、本実施の形態の光走査装置は、第三の光学系66としてシリンドリカルレンズを用いているために、設計温度25℃での波面収差が走査位置の端近傍で40mλ程度と悪いが、スポットサイズは主走査方向、副走査方向ともほとんど劣化(増大)していない。従って、本実施の形態によれば、第三の光学系66として安価なシリンドリカルレンズを用いることにより、第三の光学系として非球面トロイダルレンズを用いる場合とほぼ同等の結像性能を有し、しかも、第三の光学系として非球面トロイダルレンズを用いる場合よりも低コストの光走査装置を実現することができる。
Next, FIG. 9A shows the main scanning direction and the sub-scanning direction for each scanning position at a design temperature of 25 ° C. and a temperature of 55 ° C. that is 30 ° C. higher than the design temperature of 25 ° C. shows a graph of spot size (intensity of 1 / e length connecting to become a point twice the peak value of the intensity distribution). For comparison, FIG. 9B shows a design temperature in an optical scanning apparatus using a toroidal lens in which the material having a non-arc shape in the main scanning direction is PMMA (acrylic) as the third optical system described above. A graph of the spot size in the main scanning direction and the sub-scanning direction for each scanning position at 25 ° C. and a temperature of 55 ° C. which is 30 ° C. higher than the design temperature 25 ° C. is shown. 9A and 9B, the spot size in the main scanning direction when the design temperature is 25 ° C. is the solid line, the spot size in the main scanning direction when the temperature is 55 ° C. is the one-dot chain line, and the design temperature is 25 ° C. The spot size in the sub-scanning direction is indicated by a fine broken line, and the spot size in the sub-scanning direction at a temperature of 55 ° C. is indicated by a rough broken line. As can be seen from FIGS. 9A and 9B, since the optical scanning device of the present embodiment uses glass (BK7) as the material of the third
以上のように、第三の光学系66として、ガラス(BK7)からなるシリンドリカルレンズを用いることにより、安価でかつ温度変化に対する性能劣化の小さい光走査装置を実現することが可能となる。
As described above, by using a cylindrical lens made of glass (BK7) as the third
1 半導体レーザ
2 レーザ光
3 コリメートレンズ
4 第一の光学系
5 第二の光学系
5a 第二の光学系の入射面
5b 第二の光学系の出射面
6 第三の光学系
6a 第三の光学系の入射面
6b 第三の光学系の出射面
7 ポリゴンミラー(回転多面鏡)
7a 偏向反射面
8 曲面ミラー
9 被走査面
10 アパーチャ
66 第三の光学系
66a 第三の光学系の入射面
66b 第三の光学系の出射面
DESCRIPTION OF
7a Deflection /
Claims (17)
複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上に、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有する線像として結像する第1結像光学系と、
前記回転多面鏡と被走査面との間に配置され、前記回転多面鏡からの前記光束を前記被走査面上に結像する第2結像光学系とを備えた光走査装置であって、
前記第1結像光学系は、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記光束を副走査方向に関して収束する第一の光学系と、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上での前記光束の主走査方向の強度分布を、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有するほぼ均一な強度分布に変換する機能を有する第二の光学系と、
前記第二の光学系と前記回転多面鏡との間に配置され、前記第二の光学系によって乱れた前記光束の位相を揃える機能を有する第三の光学系とを備えていることを特徴とする光走査装置。 A light source that emits a luminous flux;
A rotary polygon mirror that has a plurality of deflection reflection surfaces and scans the light beam from the light source unit in the main scanning direction;
Main scanning of one of the deflecting and reflecting surfaces of the rotating polygon mirror is arranged between the light source unit and the rotating polygon mirror, and the light beam from the light source unit is projected onto the deflecting and reflecting surface of the rotating polygon mirror. A first imaging optical system that forms a line image having a width larger than the width in the direction;
An optical scanning device including a second imaging optical system that is disposed between the rotary polygon mirror and the surface to be scanned and forms an image of the light beam from the rotary polygon mirror on the surface to be scanned;
The first imaging optical system includes:
A collimating lens that is disposed between the light source unit and the rotating polygon mirror and converts the light beam from the light source unit into a parallel light beam;
A first optical system that is disposed between the collimating lens and the rotary polygon mirror and converges the light beam with respect to a sub-scanning direction;
The intensity distribution in the main scanning direction of the light beam on the deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is arranged between the collimating lens and the rotation polygon mirror, and the intensity distribution of one deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is determined. A second optical system having a function of converting into a substantially uniform intensity distribution having a width larger than the width in the main scanning direction;
A third optical system disposed between the second optical system and the rotary polygon mirror and having a function of aligning the phases of the light beams disturbed by the second optical system; Optical scanning device.
複数の偏向反射面を有し、前記光源部からの前記光束を主走査方向に走査する回転多面鏡と、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上に、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有する線像として結像する第1結像光学系と、
前記回転多面鏡と被走査面との間に配置され、前記回転多面鏡からの前記光束を前記被走査面上に結像する第2結像光学系とを備えた光走査装置であって、
前記第1結像光学系は、
前記光源部と前記回転多面鏡との間に配置され、前記光源部からの前記光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記光束を副走査方向に関して収束する第一の光学系と、
前記コリメートレンズと前記回転多面鏡との間に配置され、前記回転多面鏡の前記偏向反射面上での前記光束の主走査方向の強度分布を、前記回転多面鏡の1つの前記偏向反射面の主走査方向の幅よりも大きな幅を有し、かつ、中心部から端部にいくにしたがって徐々に増大し、端部にピークを有する強度分布に変換する機能を有する第二の光学系と、
前記第二の光学系と前記回転多面鏡との間に配置され、前記第二の光学系によって乱れた前記光束の位相を揃える機能を有する第三の光学系とを備えていることを特徴とする光走査装置。 A light source that emits a luminous flux;
A rotary polygon mirror that has a plurality of deflection reflection surfaces and scans the light flux from the light source unit in a main scanning direction;
Main scanning of one of the deflecting and reflecting surfaces of the rotating polygon mirror is arranged between the light source unit and the rotating polygon mirror, and the light beam from the light source unit is projected onto the deflecting and reflecting surface of the rotating polygon mirror. A first imaging optical system that forms a line image having a width larger than the width in the direction;
An optical scanning device including a second imaging optical system that is disposed between the rotary polygon mirror and the surface to be scanned and forms an image of the light beam from the rotary polygon mirror on the surface to be scanned;
The first imaging optical system includes:
A collimating lens that is disposed between the light source unit and the rotating polygon mirror and converts the light beam from the light source unit into a parallel light beam;
A first optical system that is disposed between the collimating lens and the rotary polygon mirror and converges the light beam with respect to a sub-scanning direction;
The intensity distribution in the main scanning direction of the light beam on the deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is arranged between the collimating lens and the rotation polygon mirror, and the intensity distribution of one deflection reflection surface of the rotation polygon mirror is determined. A second optical system having a width larger than the width in the main scanning direction, gradually increasing from the center to the end, and having a function of converting to an intensity distribution having a peak at the end;
A third optical system disposed between the second optical system and the rotary polygon mirror and having a function of aligning the phases of the light beams disturbed by the second optical system; Optical scanning device.
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- 2004-04-16 JP JP2004121909A patent/JP2005308807A/en active Pending
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