JP2009053379A - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行う。
【解決手段】光源１、偏向器前光学系、ポリゴンミラー５、及び走査光学系を備え、偏向器前光学系は、射出面が位相シフタ面であるカップリングレンズ２、及び射出面が回折面である回折レンズ４を含んでいる。そして、回折レンズ４の焦点距離の絶対値は、カップリングレンズ２の焦点距離の絶対値よりも大きい。この場合には、温度変化及び波長シフトがあっても、回折レンズ４によってピント位置ずれが抑制されるため、位相シフタ面により拡大された深度余裕を維持することができる。従って、部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行うことが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、光束により被走査面を走査する光走査装置及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

近年、光プリンタ装置、デジタル複写機、及び光プロッタ等の画像形成装置には、低価格化とともに、温度変化に対する高い安定性が求められている。また、これらの画像形成装置は、光源からの光束により被走査面を走査する光走査装置を備えている。

高精度加工技術の進歩に伴い、高い安定性、低価格化、部品点数の低減を実現する方法として、微細な形状を有する光学素子（回折レンズ、位相シフタ、サブ波長構造（ＳＷＳ：ＳｕｂＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）素子等）の利用が考えられる。

光走査装置への回折レンズの利用は、少ない部品点数で高機能、多機能を実現できるため、光学特性の高精度化はもとより光走査装置の小型化にも大きな効果をもたらすことが予想される。

例えば、特許文献１には、半導体レーザからなる光源と、該光源からの光束をカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を主走査方向は平行光とし、副走査方向は偏向器に集束させる光束とする第１光学系と、該第１光学系からの光束を主走査方向に偏向させる偏向器と、該偏向器により偏向された光束を集光させる走査光学系と、を備えた光走査装置であって、カップリング光学系を構成する全てのレンズの材質を樹脂とし、該レンズの少なくとも１面に回折光学面を備えた光走査装置が開示されている。

また、特許文献２には、レーザ光を発するレーザ光源と、入射してきたレーザ光を主走査方向に偏向させる偏向器と、レーザ光源から射出されたレーザ光を主走査方向についてはほぼ平行光にし、副走査方向については偏向器の偏向面近傍で集光させる光源光学系と、偏向器により偏向されたレーザ光を再び集光させる走査光学系と、を備えるレーザ走査装置であって、光源光学系が樹脂で構成された１つの光学素子から成り、その光学素子が、回転対称軸を持たない少なくとも１面の反射面と、２面の透過面（２面とも回折面であり、それら２面の回折面において波長変化時の回折角の変化が互いに逆方向となるように構成されている。）と、を有するレーザ走査装置が開示されている。

また、特許文献３には、光源手段と、該光源手段からの光束を光偏向手段に導光する光学手段と、該光偏向手段からの光束を被走査面に導光する結像光学系と、を有し、該光偏向手段の回動動作に基いて該被走査面を光走査する光走査装置において、該光学手段は１以上の面に回折部を有しており、焦点距離、スポット径、発振波長、パワー、及び分散値を含む特定の式が特定の条件を満足する光走査装置が開示されている。

特開２００５−２５８３９２号公報 特開２００２−２８７０６２号公報 特開２００４−１２６１９２号公報

２π以上の位相差に対応した微細な段差を有する回折レンズは、屈折レンズと同様に、光束の屈折、集光等の機能を付与することができる。また、回折レンズの屈折レンズと異なる性質として、強い負分散が挙げられる。この回折レンズの性質と光学系の温度変化に伴う光源の波長変化とを適切に組み合わせることにより、いわゆる温度補償機能が実現できる。

上記温度補償機能は、光学系の温度による光学特性の変化と、光源の波長変化がバランス良く発生することで実現される。そのため、半導体ＬＤに代表されるレーザ光源を用いる際には、光源素子個別の波長差、発光途中の波長遷移（モードホップ）、アレイ素子においては発光部間の波長差等、光源の波長ばらつきによる幾何収差の悪化を考慮しなければならない。これは、光の波動的な特性を幾何収差補正に持ち込んだために生じる必然的な課題とも言える。

位相シフタは、必要な幾何収差補正が成された状態において初めてその機能を発揮するものである。そのため、実際の光走査装置に搭載するに当たり、温度変化、部品誤差、組付誤差等による幾何収差が発生している状態では、その微細な波面制御が機能しないばかりか、光学性能をより劣化させてしまうことすらあり得る。

そこで、位相シフタが用いられる光学系においては、幾何収差補正機能あるいは調整機能の同伴が必須である。そのため、幾何収差補正機能をもつ形状とその他の機能をもたらす形状を組み合わせた集積型回折光学素子は多く提案されているが、（１）各輪帯間の段差の大きさが異なっている上、マルチレベル形状と２レベルの集積形状は極めて複雑になり、加工・成形が困難である、（２）安価な光走査装置を構成するために、素子単独の機能・精度よりも、組み付け時の調整の自由度の方が重要とされる場合には、屈折力と波面制御を兼ねた集積型回折光学素子は独立調整ができず、調整自由度の妨げにもなり得る、という不都合があった。

位相シフタのように波面を緻密に制御する素子においては、「ピントが合っている」ことをまず前提としなければならない。しかしピントの高安定性を回折レンズに担わせようとした場合、上記波長ばらつきに関する課題をクリアすることが必須となる。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行うことができる光走査装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高品質の画像を形成することができる画像形成装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、光束により被走査面を走査する光走査装置であって、光源と；前記光源からの光束の光路上に配置され、少なくとも１つの面に回折面を有する少なくとも１つの回折レンズ、及び少なくとも１つの面に位相シフタ面を有する少なくとも１つの位相シフタを含む偏向器前光学系と；前記偏向器前光学系を介した光束を偏向する偏向器と；前記偏向器で偏向された光束を前記被走査面上に集光する走査光学系と；を備える光走査装置である。

本発明は、第２の観点からすると、光束により被走査面を走査する光走査装置であって、光源と；前記光源からの光束の光路上に配置され、少なくとも１つの面が１段以上の段差を有する微細構造面である複数の微細構造素子を含む偏向器前光学系と；前記偏向器前光学系を介した光束を偏向する偏向器と；前記偏向器で偏向された光束を前記被走査面上に集光する走査光学系と；を備え、前記複数の微細構造素子は、その掘り込み量が大きいほど前記偏向器に近い位置に配置されていることを特徴とする光走査装置である。

本発明は、第３の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と；前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの本発明の光走査装置と；を備える画像形成装置である。

これによれば、少なくとも１つの本発明の光走査装置を備えているため、結果として、高品質の画像を形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１３に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ５００は、感光体ドラム５１１、帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４、クリーニング装置５１５、定着装置５１６、光走査装置９００、カセット５１８、レジストローラ対５１９、給紙コロ５２０、排紙ローラ対５２２、及びトレイ５２３などを備えている。

感光体ドラム５１１は、像担持体であり、その表面には光導電性を有する感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム５１１の表面が被走査面である。

帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４及びクリーニング装置５１５は、それぞれ感光体ドラム５１１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム５１１の回転方向（図１における矢印方向）に沿って、帯電ローラ５１２→現像装置５１３→転写ローラ５１４→クリーニング装置５１５の順に配置されている。

帯電ローラ５１２は、感光体ドラム５１１の表面を均一に帯電させる帯電手段である。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。

光走査装置９００は、帯電ローラ５１２で帯電された感光体ドラム５１１の表面を、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光（走査光）ＬＢで走査する。この光走査装置９００による光走査により、感光体ドラム５１１の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像（静電潜像）が形成される。この潜像は、いわゆるネガ潜像であり、感光体ドラム５１１の回転に伴って現像装置５１３の方向に移動する。なお、光走査装置９００の構成については後述する。

現像装置５１３は、トナーが格納されているトナーカートリッジを有しており、感光体ドラム５１１の表面における光が照射された部分にだけトナーを付着させる。すなわち、現像装置５１３は、感光体ドラム５１１の表面に形成された潜像にトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像（以下、便宜上「トナー画像」ともいう）は、感光体ドラム５１１の回転に伴って転写ローラ５１４の方向に移動する。

カセット５１８は、レーザプリンタ５００の本体に着脱可能であり、その中には転写対象物としての転写紙Ｐが収納されている。このカセット５１８の近傍には給紙コロ５２０が配置されており、該給紙コロ５２０は、カセット５１８に収納されている転写紙Ｐの最上位の１枚を取り出す。

レジストローラ対５１９は、転写ローラ５１４の近傍に配置され、給紙コロ５２０により取り出された転写紙の先端部を捕捉する。そして、レジストローラ対５１９は、感光体ドラム５１１上のトナー画像が転写位置へ移動するタイミングに合わせて、転写紙を転写ローラ５１４と感光体ドラム５１１との間隙へ送り込む。送り込まれた転写紙は、転写ローラ５１４によりトナー画像と重ね合わされ、トナー画像が静電転写される。

トナー画像が転写された転写紙は、定着装置５１６へ送られ、定着装置５１６にてトナー画像が定着され、搬送路５２１を通り、排紙ローラ対５２２によりトレイ５２３上に排出される。

トナー画像が転写された後の感光体ドラム５１１の表面は、クリーニング装置５１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

次に、前記光走査装置９００の構成について説明する。

この光走査装置９００は、一例として図２に示されるように、光源１、カップリングレンズ２、開口板３、回折レンズ４、ポリゴンミラー５、走査レンズ６、折り曲げミラー７、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１などを備えている。

そして、本明細書では、図３に示されるように、ＸＹＺ３次元直交座標系において、感光体ドラム５１１の長手方向に沿った方向をＹ軸方向、走査レンズ６の光軸に沿った方向をＸ軸方向として説明する。従って、Ｙ軸方向が主走査方向である。なお、図３では、便宜上、折り曲げミラー７、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１は、図示を省略している。

光源１は、一例として、設計上の発振波長が６５５ｎｍの垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）を有している。この面発光レーザは、基準温度（Ｔ_０＝２５℃）に対して温度が１℃上昇すると、発振波長が０．２ｎｍだけ長波長側へずれるという特性を有している。なお、光源１からポリゴンミラー５に向かう光束の進行方向を、以下では、便宜上「Ｗ方向」とする。

カップリングレンズ２は、一例として、焦点距離が約１５ｍｍのガラス製のレンズであり、光源１から射出された光束を略平行光とする。

このガラスは、一例として、６５５ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５１５１４１であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５１５０６２であり、線膨張係数が７．５×１０^−６／Ｋの物性を有するガラスである。

カップリングレンズ２の入射面は非球面２ａであり、射出面は位相シフタ面２ｂである(図４参照)。

位相シフタ面２ａは、入射光束に関して位相差πを与える領域がパターンで形成されている。ここでは、一例として図５に示されるように、位相差πをもたらす領域が楕円のドーナツ状になっている。位相差πをもたらす領域の寸法は、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向及びＷ方向のいずれにも直交する方向）に関して、内径Ｄｍ１＝４２０μｍ、外径Ｄｍ２＝９００μｍ、副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して、内径Ｄｓ１＝３２０μｍ、外径Ｄｓ２＝６８０μｍである。この位相差πをもたらす領域は、周辺よりも微小に盛り上がっており、光軸と平行な断面から観察すると、１段のステップが分布した形状として観察される。

すなわち、カップリングレンズ２は、位相シフタである。

なお、光源１とカップリングレンズ２は、線膨張係数が２．４×１０^−５／Ｋの材料を用いた保持部材（図示省略）によって保持されている。

開口板３は、一例として、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｗ方向及びＺ軸方向のいずれにも直交する方向）の幅（長軸）が３．３４ｍｍ、副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）の幅（短軸）が２．７６ｍｍの楕円形状の開口部を有し、カップリングレンズ２を介した光束を整形し、感光体ドラム５１１上におけるビームスポット径を決定する。

開口板３は、楕円形状の開口部を有することによって、サイドローブが主走査方向に対応する方向及び副走査方向に対応する方向の２方向に局在するのを抑え、結果的に深度余裕の拡大機能の発現に寄与している。なお、開口板３の開口部の形状は位相シフタ面２ｂの機能等に応じて円形、矩形等様々な形状をとりうる。また、ここでは、「深度余裕」とは、感光体ドラム５１１の表面におけるビームスポット径が許容できるビームスポット径（しきい値）以下となるデフォーカス量をいう。

回折レンズ４は、一例として、肉厚が２ｍｍの樹脂製のレンズであり、開口板３の開口部を通過した光束をポリゴンミラー５の偏向反射面近傍に副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して結像する。

この樹脂は、一例として、６５５ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５２７２５７であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５２５３６８であり、線膨張係数が７．０×１０^−５／Ｋの物性を有する樹脂である。

また、この回折レンズ４の副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関する焦点距離は約４８ｍｍである。この焦点距離は、一般的な半導体レーザの光束発散角（０〜３０°程度）に対し、感光体ドラム５１１の表面上で副走査方向に関して１００μｍ以下のビームスポット径を実現するのに必要なものである。

回折レンズ４の入射面は、一例として図６（Ａ）に示されるように、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が∞、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が２４．７８ｍｍのシリンドリカル面である。

回折レンズ４の射出面は、一例として図６（Ｂ）に示されるように、段差により分割された光軸に垂直な複数の平面領域を有する回折面である。ここでは、回折レンズ４の射出面は、１段の段差が約１．２μｍで、４４段の階段形状を有している。すなわち、回折レンズ４の射出面は、マルチステップ形状を有している。１段の段差は、光束に関して２πの位相差を与える段差であり、位相シフタ面２ｂにおける１段の段差よりも大きい。また、回折面は、多段であるため、掘り込み量は位相シフタ面２ｂよりも深い。

すなわち、回折レンズ４は、回折面を有するいわゆる線像形成レンズである。

上記回折面は、一例として図７に示されるように、回折効果を有する面（以下、便宜上「第１の面」ともいう）と屈折効果を有する面（以下、便宜上「第２の面」ともいう）とが合成された面形状を有している。

ここでは、上記第２の面は、曲率半径１７．６ｍｍの凹シリンドリカル面である。また、上記第１の面は、第２の面と同じ曲率半径の凸フレネル面の形状を適切な段差及びピッチで折り返した形状である。これにより、第１の面のパワーは、第２の面のパワーにより相殺され、回折レンズ４の射出面は、主走査方向に対応する方向及び副走査方向に対応する方向ともにノンパワーとなる。なお、第１の面のパワーが、波長シフト時の負分散によるパワー変化の大きさに相当し、マルチステップ形状における段数によって決定される。

なお、上記位相シフタ面や回折面は、ＳＷＳを有していてもよい。樹脂製の光学素子や、回折現象を応用した光学素子を用いる場合、材質や回折効率が関連して光量ロスが生じる。この光量ロスが無視できない場合には、光学素子にＡＲコーティング等を施しても良いが、位相シフタ面や回折面にＳＷＳを付加しても良い。光学素子を射出成形やガラスモールドで製造する場合、ＳＷＳを金型に作り込んでおけば、コーティング工程が不要となるため、効率化が望める。

光源１とポリゴンミラー５との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本実施形態では、偏向器前光学系は、カップリングレンズ２と開口板３と回折レンズ４とから構成されている。

この偏向器前光学系では、回折レンズ４の回折面における掘り込み量は、位相シフタ面２ｂにおける掘り込み量よりも大きく、掘り込み量が大きいほどポリゴンミラー５に近い位置に配置されている。

ポリゴンミラー５は、一例として、内接円の半径が１８ｍｍの６面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面である。なお、このポリゴンミラー５は、厚さ１．９ｍｍの防音ガラス１２で囲まれている。この防音ガラス１２の素材のガラスは、カップリングレンズ２の素材のガラスと同じである。

走査レンズ６は、ポリゴンミラー５によって偏向された光束を、感光体ドラム５１１の表面に対して略等速運動となるよう変換し、且つ常に感光体ドラム５１１の表面に集光するように設計されている。

ここでは、走査レンズ６は、一例として、肉厚が１８ｍｍの樹脂製のレンズである。この樹脂は回折レンズ４の素材と同じ物性を有する樹脂である。

この走査レンズ６は、一例として、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｙ軸方向）の近軸曲率半径Ｒｍが２００ｍｍ、副走査方向に対応する方向（ここでは、Ｚ軸方向）の近軸曲率半径Ｒｓが１３０ｍｍの入射面と、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径Ｒｍが−１９６．８８１ｍｍ、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径Ｒｓが−２４．９５５ｍｍの射出面を有している。そして、副走査方向に対応する方向の横倍率は約−４．５倍である。

また、走査レンズ６の各面（入射面及び射出面）は、いずれも非球面であり、主走査方向に対応する方向には非円弧形状で、いわゆる副走査断面内の曲率が主走査方向に対応する方向に従って変化する特殊面である。

折り曲げミラー７は、走査レンズ６を介した光束の光路を感光体ドラム５１１の表面に向けて折り曲げる。これにより、感光体ドラム５１１の表面にビームスポットが形成される。このビームスポットは、ポリゴンミラー５の回転に伴って感光体ドラム５１１の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム５１１上を走査する。

ポリゴンミラー５と感光体ドラム５１１との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本実施形態では、走査光学系は、走査レンズ６と折り曲げミラー７とから構成されている。なお、折り曲げミラー７と感光体ドラム５１１の間には、厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス（不図示）が配置されている。この防塵ガラスは、前記防音ガラスと同じ物性を有するガラスでできている。

なお、ポリゴンミラー５の回転中心と走査レンズ６の入射面の原点（入射面の光軸位置）は、光軸方向（ここでは、Ｘ軸方向）に５７．１ｍｍ離れ、主走査方向に対応する方向（ここでは、Ｙ軸方向）に８．７ｍｍ離れている。

そして、走査レンズ６の射出面の原点（射出面の光軸位置）と感光体ドラム５１１の表面は、光軸方向（ここでは、Ｘ軸方向）に２００．９ｍｍ離れている。

また、Ｗ方向と、ポリゴンミラー５の偏向反射面により感光体ドラム５１１の表面における像高０の位置（図３における符号ｐ０の位置）へ向けて反射される光束の進行方向とのなす角（図３におけるθ）は６０度である。

本実施形態では、光走査装置９００は、一例として図８に示されるように、２つの筐体（第１筐体１４、第２筐体１５）を有している。第１筐体１４には、光源１、カップリングレンズ２、開口板３、回折レンズ４、ポリゴンミラー５、走査レンズ６、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１が収容されている。なお、開口板３は、第１筐体１４と一体化されていても良いし、素子として組みつけられていても良い。また、光源１は、第１筐体１４の壁面に形成された孔に圧入されている。そして、第２筐体１５には、第１筐体１４及び折り曲げミラー７が収容されている。

カップリングレンズ２、回折レンズ４、走査レンズ６のいずれかは、ＵＶ硬化樹脂に代表される接着剤を必要箇所に塗布され、冶具等で位置決めされた後、ＵＶ照射等の方法で固定され、組付けられる。この組付けを実施する際、第１筐体１４から発せられる光束をモニタリングし、それをフィードバックすることで接着剤硬化前に誤差を調整し、吸収することができる。

ところで、本実施形態のように、偏向器前光学系が、副走査断面（ここでは、光軸と副走査方向に対応する方向とに平行な仮想的断面）内では、「（光源からの発散光） → 短焦点距離のカップリングレンズ → （平行光） → 長焦点距離の線像形成レンズ → （集束光） → ポリゴンミラー近傍に結像」という光学系であるときには、次の（１）式の関係が成り立つ。ここで、β_ｉは偏向器前光学系の倍率、ｆ_Ｌは線像形成レンズの焦点距離、ｆ_ｃはカップリングレンズの焦点距離である。

β_ｉ＝ｆ_Ｌ／ｆ_ｃ ……（１）

上記（１）式を、ｆ_Ｌ及びｆ_ｃで微分すると、次の（２）式及び（３）式が得られる。

ｄβ_ｉ／ｄｆ_Ｌ＝１／ｆ_ｃ ……（２）
ｄβ_ｉ／ｄｆ_ｃ＝−ｆ_Ｌ／ｆ_ｃ ^２ ……（３）

上記（３）式は、次の（４）式と書くことができる。

ｄβ_ｉ／ｄｆ_ｃ＝−（ｆ_Ｌ／ｆ_ｃ）（ｄβ_ｉ／ｄｆ_Ｌ） ……（４）

そして、次の（５）式が得られる。

|ｄβ_ｉ／ｄｆ_ｃ|^２＝（ｆ_Ｌ ^２／ｆ_ｃ ^２）（|ｄβ_ｉ／ｄｆ_Ｌ|^２） ……（５）

そこで、|ｆ_Ｌ|＞|ｆ_ｃ|が成立する場合には、常に「カップリングレンズにおける焦点距離の変化の方が、線像形成レンズにおける焦点距離の変化よりも、偏向器前光学系の倍率に対する影響が大きい」ということができる。これは、線像形成レンズに回折面が設けられているほうが、波長シフトによって回折面の負分散特性で焦点距離が大きく変化したときに、光学性能の劣化を小さくすることができることを意味している。

図９には、カップリングレンズの焦点距離が線像形成レンズの焦点距離よりも短い場合での、回折面の効果の一例が示されている。この図９におけるピント位置ずれ量は、副走査方向に関するピント位置ずれ量である。なお、回折面の効果に関する議論は、主走査方向で行っても本質的な相違はない。

（１）ＣＡＳＥ１
カップリングレンズ及び線像形成レンズが、いずれもガラス製であり、かつ、いずれも回折面を有していない場合であり、回折面による温度補償効果が得られないため、温度変化による光学系の熱膨張等に起因して、ピント位置が５ｍｍ近くずれる。

（２）ＣＡＳＥ２
カップリングレンズが樹脂製で、線像形成レンズがガラス製であり、カップリングレンズが回折面を有する場合であり、焦点距離が短いほうのレンズに回折面が形成されているため、温度補償を成立させる回折面を設計すると、波長シフトの影響が強く発生する。

（３）ＣＡＳＥ３
カップリングレンズがガラス製で、線像形成レンズが樹脂製であり、線像形成レンズが回折面を有する場合であり、焦点距離が長いほうのレンズに回折面が形成されているため、温度補償が成立するとともに、波長シフトによる影響も低減されている。

本実施形態では、偏向器前光学系において、焦点距離が長いほうのレンズを回折レンズとしているため、波長シフトに対するロバスト性を得ることができる。

図１０に、位相シフタ面の効果の一例が示されている。この図１０には、像高０におけるデフォーカス量と副走査方向に関するビームスポット径との関係が、位相シフタ面が有る場合とない場合とについてそれぞれ示されている。ビームスポット径が所定のビームスポット径の閾値（例えば、８５μｍ）以下となるデフォーカス範囲（深度余裕）が、位相シフタ面が有る場合は、位相シフタ面がない場合よりも拡大している（Ｄｐ２＞Ｄｐ１）ことがわかる。但し、この結果は、温度変化や波長シフト等の外乱がない理想的な状態における比較例である。

図１１に、位相シフタ面は有るが、回折面がない場合に、２５℃から４５℃の温度変化、及び２ｎｍの波長シフトが発生したときの、すなわち、ピント位置ずれがあるときの、像高０におけるデフォーカス量と副走査方向に関するビームスポット径との関係がそれぞれ示されている。

また、図１２に、位相シフタ面及び回折面がない場合に、２５℃から４５℃の温度変化、及び２ｎｍの波長シフトが発生したときの、すなわち、ピント位置ずれがあるときの、像高０におけるデフォーカス量と副走査方向に関するビームスポット径との関係がそれぞれ示されている。

これらの図から、ピントが合っている（幾何収差補正がある程度なされている）状態でないと、位相シフタ面の効果がないだけでなく、場合によっては、位相シフタ面がある場合のほうが、位相シフタ面がない場合よりも狭い深度余裕となることもある。

本実施形態では、上記ＣＡＳＥ３と同様に、焦点距離が長いほうのレンズに回折面が形成されているため、温度変化及び波長シフトがあっても、ピント位置ずれ量は小さい。従って、本実施形態では、温度変化及び波長シフトがあっても、拡大された深度余裕を維持することができる。

また、本実施形態では、主走査方向と副走査方向のプロファイル間でパワーのやりとりを行うことで深度余裕の拡大を行っているので、主走査方向に関するピント位置ずれ量と副走査方向に関するピント位置ずれ量との差（以下では、便宜上「主副のピント位置ずれ較差」と略述する）は、位相シフタ面の深度余裕の拡大機能に影響を与える。

図１２には、温度が２５℃から４５℃に変化したときにおける、光源と反対側（−Ｙ側）の最外像高（図３ではｐ１）におけるデフォーカス量と副走査方向に関するビームスポット径との関係が、回折レンズが有る場合とない場合とについてそれぞれ示されている。この像高では、回折レンズが無いと、温度変化によって大きな「主副のピント位置ずれ較差」が発生する。そして、この「主副のピント位置ずれ較差」によって、例えば、ビームスポット径の閾値を８５μｍとすると、回折レンズ有りにおいて１５ｍｍあった深度余裕が、回折レンズを設けない場合には８ｍｍにまで縮小する。また、回折レンズを設けないと、デフォーカス量と副走査方向に関するビームスポット径との関係を示す曲線の傾斜が大きくなっている。

このことから、回折レンズによる温度変化に対する幾何収差補正機能を設けないと、位相シフタによる深度拡大はできても温度変化によって深度拡大が阻害され、光学性能のロバスト性向上という観点において本末転倒の結果となってしまうことがわかる。以上の内容を踏まえても、位相シフタの導入による深度拡大には幾何収差補正を行う回折レンズが不可欠であることが言える。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置９００によると、光源１、偏向器前光学系、ポリゴンミラー５、及び走査光学系を備え、偏向器前光学系は、射出面が位相シフタ面であるカップリングレンズ２、及び射出面が回折面である回折レンズ４を含んでいる。そして、回折レンズ４の焦点距離の絶対値は、カップリングレンズ２の焦点距離の絶対値よりも大きい。この場合には、温度変化及び波長シフトがあっても、回折レンズ４によってピント位置ずれが抑制されるため、位相シフタ面により拡大された深度余裕を維持することができる。従って、部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行うことが可能となる。

また、本実施形態によると、回折レンズ４の回折面の形状は、マルチステップ状であるため、回折面の転写形状を成形用の金型（あるいは金駒）に容易に精度良く形成することができる。

また、本実施形態によると、回折レンズ４の回折面は、光学的にはノンパワーの面と等価であるため、偏心に対して光学性能が劣化しにくくなり、部品のばらつき、組付誤差に対してもロバストな光走査装置を実現できる。

また、本実施形態によると、回折レンズ４は樹脂製であるため、低コストで高い精度の回折面を得ることができる。

また、本実施形態によると、光源、偏向器前光学系、偏向器、及び走査光学系は、同一の筐体内に収容されているため、光走査装置の光学特性を随時フィードバックしながら光学素子の位置に関する微妙な調整を行い、部品・光学素子のもつ誤差を最低限に抑えて組付けることが可能となる。特に部品・光学素子が樹脂製の場合には、形状精度がガラスや金属に比べて劣っているので、上記調整は有効である。すなわち、光学特性に現れる誤差の影響を最低限に抑えて光走査装置を製造することができる。

また、第１筐体１４と第２筐体１５とに分けた構成とすることで、第１筐体１４を光学特性を司るユニットとして共通化し、第２筐体１５は感光体ドラムのレイアウトに応じて選択する、といったユニット共通化が図れ、様々な光走査装置が構成可能となる。さらに、第１筐体１４の共通化は、多種の光走査装置を展開する際に低価格化の効果がある。

また、本実施形態によると、部品点数を増加させることなく高安定な光走査装置を実現することができる。そのため、光走査装置の生産に関わる材料の使用量を増やす必要がなく、その結果として資源採掘量及びプラスチックゴミ排出量に関して環境負荷の増大を抑制することが可能となる。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ５００によると、部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行うことができる光走査装置９００を備えているため、結果として高コスト化を招くことなく、高品質の画像を形成することが可能となる。

なお、上記実施形態において、光源１の面発光レーザが、複数の発光部を有していても良い。この場合には、同時に複数の走査が可能となり、画像形成の高速化を図ることができる。

また、上記実施形態では、位相シフタ面２ａが楕円のドーナツ状の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、入射光束に関して位相差πを与える領域が、図１４（Ａ）〜図１４（Ｅ）に示されるパターンで形成されていても良い。

また、上記実施形態では、走査光学系におけるレンズ系が単一の走査レンズからなる場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、光軸方向に沿って回折面を見たとき、段差により描かれる図形が主走査方向に平行な直線状の場合について説明したが、これに限らず、段差により描かれる図形が同心円状であっても、あるいは楕円状であっても良い。直線状の回折面は副走査方向にのみ独立に回折面の効果をもたらす１つの形態である。

また、上記実施形態では、回折レンズ４の焦点距離の絶対値が、カップリングレンズ２の焦点距離の絶対値よりも大きい場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、予想される温度変化、及び波長シフトが小さい場合には、必ずしも回折レンズ４の焦点距離の絶対値が、カップリングレンズ２の焦点距離の絶対値よりも大きくなくても良い。

また、上記実施形態では、偏向器前光学系が１つの位相シフタ面及び１つの回折面を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、偏向器前光学系が位相シフタ面及び回折面の少なくとも一方を複数有していても良い。そして、この場合に、その掘り込み量が大きいほどポリゴンミラー５に近い位置に配置されていることが、光学性能の劣化を抑制するのに好ましい。

また、上記実施形態では、感光体ドラム５１１から転写紙へのトナー画像の転写が、感光体ドラム５１１から転写紙へ直接的に行われる直接転写方式の場合について説明したが、感光体ドラム５１１から一旦中間転写ベルト等の中間転写媒体に転写した後、この中間転写媒体から転写紙へ転写する中間転写方式であっても良い。

また、上記実施形態では、像担持体がドラム状の場合について説明したが、これに限らず、シート状やベルト状であっても良い。例えば、シート状の光導電性の感光体として酸化亜鉛紙を用いても良い。

なお、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ５００の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、光プロッタやデジタル複写装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で転写対象物としての印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

また、像担持体としてビームスポットの熱エネルギにより発色する発色媒体（ポジの印画紙）を用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により可視画像を直接、像担持体に形成することができる。

要するに、上記光走査装置９００を備えた画像形成装置であれば、結果として高コスト化を招くことなく、高品質の画像を形成することが可能となる。

また、カラー画像を形成する画像形成装置であっても、カラー画像に対応した光走査装置を用いることにより、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を形成することが可能となる。

一例として、多色のカラー画像を形成することができるタンデムカラー機１５００が図１５に示されている。このタンデムカラー機１５００は、ブラック用の感光体ドラムＫ１、帯電器Ｋ２、現像器Ｋ４、クリーニング手段Ｋ５、及び転写用帯電手段Ｋ６と、シアン用の感光体ドラムＣ１、帯電器Ｃ２、現像器Ｃ４、クリーニング手段Ｃ５、及び転写用帯電手段Ｃ６と、マゼンタ用の感光体ドラムＭ１、帯電器Ｍ２、現像器Ｍ４、クリーニング手段Ｍ５、及び転写用帯電手段Ｍ６と、イエロー用の感光体ドラムＹ１、帯電器Ｙ２、現像器Ｙ４、クリーニング手段Ｙ５、及び転写用帯電手段Ｙ６と、光走査装置９００Ａと、転写ベルト１５８０と、定着手段１５３０などを備えている。

光走査装置９００Ａは、ポリゴンミラーと、ブラック用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、シアン用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、マゼンタ用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、イエロー用の光源、偏向器前光学系及び走査光学系と、を備えている。各偏向器前光学系は、前記光走査装置９００の偏向器前光学系と同様の偏向器前光学系である。

各感光体ドラムの周囲に、感光体ドラムの回転方向（図１５中の矢印の方向）に沿って、対応する帯電器、現像器、転写用帯電手段、及びクリーニング手段がそれぞれ配置されている。各帯電器は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。この帯電器によって帯電された感光体ドラム表面に光走査装置９００Ａにより光束が照射され、感光体ドラムに静電潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像器により感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写用帯電手段により、記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着手段１５３０により記録紙に画像が定着される。すなわち、各色のトナー画像を同一のシート状記録媒体に転写・定着して合成的にカラー画像や多色画像を得ることができる。

光走査装置９００Ａの各偏向器前光学系は、いずれも上記実施形態と同様な位相シフタ面及び回折レンズを含んでいる。これにより、部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行うことができる。

タンデムカラー機１５００は、光走査装置９００Ａを備えているため、各感光体ドラム表面でのビームスポット径の変動を抑えることができる。従って、出力画像のドット径の変動を抑えることができ、ドット径の揃った高画質な画像を提供することが可能となる。また、感光体ドラム表面上におけるビームスポット径が安定化するということは、複数あるプロセス制御条件のうちの１つが安定化するということを意味する。従って、プロセス制御の実施頻度を低減することができ、省エネ等の環境不可低減が可能となる。

以上説明したように、本発明の光走査装置によれば、部品点数の増加を招くことなく、精度良く波面制御を行うのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像を形成するのに適している。

本発明の一実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置の概略構成を示す斜視図である。 図１における光走査装置の概略構成を示す平面図である。 図２におけるカップリングレンズを説明するための図である。 図４における位相シフタ面のパターンを説明するための図である。 図６（Ａ）は、図２における回折レンズの入射面を説明するための図であり、図６（Ｂ）は、図２における回折レンズの射出面を説明するための図である。 図２における回折レンズの回折面を説明するための図である。 筐体１と筐体２を説明するための図である。 回折面の効果を説明するための図である。 位相シフタ面の効果を説明するための図である。 位相シフタ面が有るときの、温度変化及び波長シフトの影響を説明するための図である。 位相シフタ面が無いときの、温度変化及び波長シフトの影響を説明するための図である。 位相シフタ面と回折面の相互効果を説明するための図である。 図１４（Ａ）〜図１４（Ｅ）は、それぞれ位相シフタ面のパターンの変形例を説明するための図である。 タンデムカラー機の概略構成を説明するための図である。

符号の説明

１…光源、２…カップリングレンズ（偏向器前光学系の一部、位相シフタ、微細構造素子）、２ｂ…位相シフタ面（微細構造面）、３…開口板（偏向器前光学系の一部）、４…回折レンズ（偏向器前光学系の一部、微細構造素子）、５…ポリゴンミラー（偏向器）、６…走査レンズ（走査光学系の一部）、５００…レーザプリンタ（画像形成装置）、５１１…感光体ドラム（像担持体）、９００…光走査装置、９００Ａ…光走査装置、１５００…タンデムカラー機（画像形成装置）、Ｋ１，Ｃ１，Ｍ１，Ｙ１…感光体ドラム（像担持体）。

Claims (12)

1. 光束により被走査面を走査する光走査装置であって、
   光源と；
   前記光源からの光束の光路上に配置され、少なくとも１つの面に回折面を有する少なくとも１つの回折レンズ、及び少なくとも１つの面に位相シフタ面を有する少なくとも１つの位相シフタを含む偏向器前光学系と；
   前記偏向器前光学系を介した光束を偏向する偏向器と；
   前記偏向器で偏向された光束を前記被走査面上に集光する走査光学系と；を備える光走査装置。
2. 前記位相シフタは有限の焦点距離を有し、
   前記回折レンズの焦点距離の絶対値は、前記位相シフタの焦点距離の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記偏向器前光学系は、前記光源からの光束を後続の光学系にカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を前記偏向器に導く線像形成光学系とを有し、
   前記線像形成光学系が前記回折レンズを含み、前記カップリング光学系が前記位相シフタを含むことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記回折面の形状は、マルチステップ状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 光束により被走査面を走査する光走査装置であって、
   光源と；
   前記光源からの光束の光路上に配置され、少なくとも１つの面が１段以上の段差を有する微細構造面である複数の微細構造素子を含む偏向器前光学系と；
   前記偏向器前光学系を介した光束を偏向する偏向器と；
   前記偏向器で偏向された光束を前記被走査面上に集光する走査光学系と；を備え、
   前記複数の微細構造素子は、その掘り込み量が大きいほど前記偏向器に近い位置に配置されていることを特徴とする光走査装置。
6. 前記複数の微細構造素子のうちの少なくとも１つの微細構造素子は、サブ波長構造素子であることを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
7. 前記複数の微細構造素子のうちの少なくとも１つの微細構造素子は、樹脂製であることを特徴とする請求項５又は６に記載の光走査装置。
8. 前記複数の微細構造素子のうちの少なくとも１つの微細構造素子は、ガラス製であることを特徴とする請求項５又は６に記載の光走査装置。
9. 前記偏向器前光学系は、組み付け時にその位置が調整された光学素子を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光走査装置。
10. 前記走査光学系は、前記偏向器で偏向された光束が入射するレンズ系と、該レンズ系を介した光束を前記被走査面に導くミラー系とを有し、
    前記光源、前記偏向器前光学系、前記偏向器、及び前記レンズ系は、第１の筐体内に収容され、前記ミラー系は、第２の筐体内に収容されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光走査装置。
11. 少なくとも１つの像担持体と；
    前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
12. 前記画像情報は、カラー画像情報であることを特徴とする請求項１１に記載の画像形成装置。