JP2012013867A - 走査光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な露光が可能となる走査光学装置を提供する。
【解決手段】独立して変調される複数の光源（半導体レーザ１）と、複数の光源から出射した光を光束に変換する第１の光学素子（コリメートレンズ２）と、第１の光学素子を通過した光束を主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子（シリンドリカルレンズ４）と、第２の光学素子を通過した光束を主走査方向に偏向する偏向ミラー（ポリゴンミラー５）と、偏向ミラーで偏向された光束を被走査面９Ａ上にスポット状に結像させる第３の光学素子（ｆθレンズ６）とを備え、第３の光学素子はレンズ面Ｌ１，Ｌ２を有する単レンズよりなり、被走査面に入射する像の、像高Ｙによる副走査方向のＭＴＦの値が一定に近づくように、レンズ面Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、副走査方向の曲率が、光軸（第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２）の軸上から主走査方向の外側に向かって連続的に変化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置などに用いられる走査光学装置に関する。

独立して変調された複数の光源を有して、複数ラインを同時に走査することができるマルチビーム走査光学装置において、ｆθレンズのレンズ面形状を適切に設定することによって、コンパクトで高精細な印字を可能にしたものが知られている（特許文献１）。この走査光学装置においては、被走査面に入射する光束の副走査方向のＦナンバーの最大値をＦｍａｘ、最小値をＦｍｉｎとしたとき、Ｆｍｉｎ／Ｆｍａｘ＞０．９の条件を満足するようにｆθレンズの形状を構成していた。

特開平８−２９７２５６号公報

しかしながら、前記した特許文献に記載のレンズにおいては、副走査方向に関して収差の影響が考慮されていないため、収差がある光学系では像面湾曲などの歪みが大きくなり、画質が低下するという問題がある。また、Ｆナンバーのバラツキが少なくても、被走査面にできる像の解像度のバラツキが大きい場合には、形成された画像にムラが生じるという問題がある。

以上の背景に鑑み、本発明は均一な露光が可能となる走査光学装置を提供することを目的とする。

前記した目的を達成するため、本発明の走査光学装置は、独立して変調される複数の光源と、前記複数の光源から出射した光を光束に変換する第１の光学素子と、前記第１の光学素子を通過した光束を主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子と、前記第２の光学素子を通過した光束を主走査方向に偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子とを備え、前記第３の光学素子は対向する一対のレンズ面を有する単レンズよりなり、前記被走査面に入射する像の、像高による副走査方向のＭＴＦの値が一定に近づくように、前記一対のレンズ面は、それぞれ、副走査方向の曲率が、光軸の軸上から主走査方向の外側に向かって連続的に変化していることを特徴とする。

このような走査光学装置によれば、像高による副走査方向のＭＴＦの値が一定に近づくように、一対のレンズ面は、それぞれ、副走査方向の曲率が、光軸の軸上から主走査方向の外側に向かって連続的に変化しているため、複数光源の複数の像の解像度（ＭＴＦ）が、主走査方向の全体に渡って均一になり、露光後の画像のムラが目立たなくなる。

本発明の走査光学装置によれば、主走査方向に均一な露光をすることが可能となる。

一実施形態に係る走査光学装置の主走査断面図である。 レンズ面に対する主走査方向と副走査方向を説明する斜視図である。 ポリゴンミラーで反射した光の光路を示す副走査断面図である。 実施形態に係るｆθレンズのレンズ面形状を表す各係数および諸特性の一覧を示す表である。 一実施例に係る光学系での像高ＹとＭＴＦの関係を示すグラフである。

次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、一実施形態に係る走査光学装置１０は、入射光学系１４、偏向ミラーの一例としてのポリゴンミラー５、第３の光学素子の一例としてのｆθレンズ６を有し、これらにより、入射光学系１４から出射されたレーザ光を感光体ドラム９の被走査面９Ａにスポット状に集光し、走査するように構成されている。

入射光学系１４は、半導体レーザ１、第１の光学素子の一例としてのコリメートレンズ２、開口絞り３、第２の光学素子の一例としてのシリンドリカルレンズ４を備えて構成されている。

半導体レーザ１は、副走査方向（主走査方向に直交する方向。図１では紙面奥行き方向。図２も参照。）に複数の光源、本実施形態では、一例として２つの発光素子が並んで配置されている（図示せず）。これらの２つの発光素子は、２本分の走査線の画像に対応して、独立して変調される。

コリメートレンズ２は、半導体レーザ１から出射したレーザ光を光束に変換するレンズである。この光束は、平行光、収束光および僅かに広がる光のいずれでもよい。

開口絞り３は、コリメートレンズ２で作られた光束の径を規定する開口を有する部材である。

シリンドリカルレンズ４は、コリメートレンズ２および開口絞り３を通過した光束をポリゴンミラー５のミラー面５Ａ上において、主走査方向に長手の線状に結像させるレンズである。

ポリゴンミラー５は、複数のミラー面５Ａが、回転軸５Ｂから等距離に配置された部材であり、図１では、６つミラー面５Ａを有するものを例示している。ポリゴンミラー５は、回転軸５Ｂを中心に一定速度で回転され、シリンドリカルレンズ４を通過した光束を主走査方向に偏向する。なお、この光束が偏向される方向が主走査方向である。

ｆθレンズ６は、走査光学装置１０に１つのみ設けられている。ｆθレンズ６は、ポリゴンミラー５で反射されることで偏向された光束を被走査面９Ａ上にスポット状に結像させ、かつ、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａの面倒れを補正している。ｆθレンズ６は、ポリゴンミラー５で等角速度で偏向された光束を、被走査面９Ａ上に等速で走査するようなｆθ特性を有している。ｆθレンズ６は、対向する一対の入射側（ポリゴンミラー５側）のレンズ面Ｌ１と出射側（被走査面９Ａ側）のレンズ面Ｌ２を有している。これらのレンズ面Ｌ１，Ｌ２は、主走査面内で非球面形状で、共にトーリック面である。そして、レンズ面Ｌ１，Ｌ２の副走査面（主走査方向に直交する断面）内の曲率は、有効部内において第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２の軸上から主走査方向の外側に向って連続的かつ対称に変化している。もっとも、本発明において、レンズ面Ｌ１，Ｌ２が、第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２に関して主走査方向に対称であることは必ずしも必要ではない。

本実施形態において、レンズ面Ｌ１，Ｌ２の表現形式は特に問わない。例えば、ｆθレンズ６のレンズ面Ｌ１と第１光軸Ａ１の交点Ｏ１およびレンズ面Ｌ２と第２光軸Ａの交点Ｏ２を原点とし、光軸方向をｚ軸、主走査面内において光軸Ａ１，Ａ２と直交する軸をｙ軸としたとき、主走査方向と対応する母線方向が、

（Ａ_４、・・・、Ａ_１２、ｃ_ｙ、ｃｃは定数）
なる式で表わすことができる。

また、副走査方向と対応する子線方向が、

なる式で表すことができる。

ここで、レンズ面座標ｙにおける副走査方向の曲率半径r’は光軸上の副走査方向の曲率半径をｒとして、

（Ｂ_２、・・・、Ｂ_１２は定数）
なる式で表わされる。

レンズ面Ｌ１は、光軸（第１光軸Ａ１）を含む副走査面ＰＬ１（図２参照）に関し、対称な形状をしている。また、レンズ面Ｌ２は、光軸（第２光軸Ａ２）を含む副走査面ＰＬ２（図２参照）に関し、対称な形状をしている。これにより、レンズ面Ｌ１，Ｌ２を、容易に製造することができる。レンズ面Ｌ１，Ｌ２は、例えば、これらの表面形状を反転させた金型を用い、プラスチック射出成形やガラスモールドにより製造できるが、レンズ面Ｌ１，Ｌ２が第１光軸Ａ１、第２光軸Ａ２を含む副走査面ＰＬ１，ＰＬ２に関し対称であることで、この金型製作の際に行う補正や、金型および製品の形状検査が容易になる。

図３に示すように、ポリゴンミラー５のミラー面５Ａに主走査方向に長手の線状に入射した２つの光束Ｂ１，Ｂ２は、ｆθレンズ６により集光されて、被走査面９Ａ上で、スポット状の像Ｍ１，Ｍ２を形成する。これにより、走査光学装置１０は、主走査方向に２つのスポット状の像Ｍ１，Ｍ２を走査させることで、主走査方向への一度の走査で、２つの走査線を描くことができる。

ところで、像Ｍ１，Ｍ２は、コリメートレンズ２、シリンドリカルレンズ４、ｆθレンズ６の収差や、Ｆナンバーの誤差により、完全な点に結像することはできず、ボケが生じ、ある大きさで強度分布を有したドットとして結像される。このときの像Ｍ１，Ｍ２は、一般的にシャープで高解像である方が良いのは確かであるが、画像形成装置において全体の画像が良好に見えるためには、単に高解像であることよりも、解像度が揃っていることが望ましい。

解像度を表す指標としては、ＭＴＦ（Modulated Transfer Function）が用いられる。本実施形態のｆθレンズ６においては、被走査面９Ａに入射する像Ｍ１，Ｍ２の、像高Ｙによる副走査方向のＭＴＦの値が一定に近づくように、一対のレンズ面Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、副走査方向の曲率が、光軸の軸上から主走査方向の外側に向かって連続的に変化している。

像高ｙの位置により副走査方向のＭＴＦの値の変化が許容される程度は、被走査面９Ａ上のドットピッチから定まる空間周波数をｕ、ｆθレンズ６の副走査方向開口数をＮＡ、半導体レーザ１から出射される光の波長をλとして、
βｍａｘ＝ｃｏｓ^−１（０．５＊λ＊ｕ／ＮＡ）
βｍｉｎ＝ｃｏｓ^−１（０．５５＊λ＊ｕ／ＮＡ）
とすると、ＭＴＦの最大値ＭＴＦｍａｘおよび最小値ＭＴＦｍｉｎが、
(MTFmax-MTFmin)/MTFmin≦(2βmax-2βmin-sinβmax+sinβmin)/(2βmin-sinβmin)
・・・（４）
を満たす範囲である。

前記（４）式を満たすことを容易にするため、本実施形態の走査光学装置１０は、入射光学系１４、ポリゴンミラー５、被走査面９Ａの配置と、これらに対するｆθレンズ６の配置およびｆθレンズ６の形状が調整されている。本実施形態では、図１に示すように、レンズ面Ｌ１の光軸である第１光軸Ａ１は、被走査面９Ａの走査中心から延びる法線Ｐ１に対して角度β１だけ傾いているともに、レンズ面Ｌ１の中心（第１光軸Ａ１とレンズ面Ｌ１の交点Ｏ１）は、法線Ｐ１からシフト量Ｄ１だけシフトしている。また、レンズ面Ｌ２の光軸である第２光軸Ａ２は、第１光軸Ａ１に対して角度β２だけ傾いているともに、レンズ面Ｌ２の中心（第２光軸Ａ２とレンズ面Ｌ２の交点Ｏ２）は、第１光軸Ａ１からシフト量Ｄ２だけシフトしている。

一実施形態において、前記した（１）〜（３）式に示す式でレンズ面Ｌ１，Ｌ２を表す場合、レンズ面Ｌ１，Ｌ２の形状を特定する各係数と、レンズ面のシフト量Ｄ１，Ｄ２と傾きβ１，β２などの諸特性は図４に示す通りである。この図４の特性の光学系による像高ＹとＭＴＦの関係をグラフで示すと、図５のようになる。

上記の特性のｆθレンズ６およびその他の光学系を有する走査光学装置１０によれば、
λ＝７８８ｎｍ
ＮＡ＝７．３８０Ｅ−０３
ｕ＝１１．８
βｍａｘ＝ｃｏｓ^−１（０．５＊λ＊ｕ／ＮＡ）＝８．８９３−０１
βｍｉｎ＝ｃｏｓ^−１（０．５５＊λ＊ｕ／ＮＡ）＝８．０５２Ｅ−０１
として、
(2βmax-2βmin-sinβmax+sinβmin)/(2βmin-sinβmin)＝２．３６１Ｅ−０１
となり、一方、
（ＭＴＦｍａｘ−ＭＴＦｍｉｎ）／ＭＴＦｍｉｎ＝５．２９６Ｅ−０２
となるので、前記（４）式を十分満たす。なお、ＭＴＦは、ｃｏｄｅＶやＺＥＭＡＸなどの計算ソフトを用いて算出することができる。

以上に説明したように、本実施形態の走査光学装置１０によれば、前記（４）式を満たすように、一対のレンズ面Ｌ１，Ｌ２の副走査方向の曲率を、光軸の軸上から主走査方向の外側に向かって連続的に変化させたため、主走査方向の位置（像高Ｙの位置）による解像度ＭＴＦの変化が小さく、露光された画像の画面全体の均一性が向上する。すなわち、良好な画像を形成することができる。

以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は、適宜変形して実施することが可能である。例えば、前記実施形態においては、（４）式を満足させるため、角度β１，β２、シフト量Ｄ１，Ｄ２のいずれをも０とせずにｆθレンズ６を配置したが、これらの一部を０としても（４）式を満たすように構成することができる。また、副走査面ＰＬ１に関し非対称なレンズ面を用いることで、角度β１，β２、シフト量Ｄ１，Ｄ２の全てを０にした場合でも（４）式を満たすことは可能である。

さらに、偏向ミラーの一例としてポリゴンミラー５を示したが、偏向ミラーとしてはガルバノミラーを用いることもできる。この場合には、第３の光学素子は、ｆθレンズではなく、アークサインレンズを用いることになる。

前記実施形態においては、光源が副走査方向に２つ並んでいる場合について説明したが、光源は副走査方向に３つ以上並んでいてもよい。

１ 半導体レーザ
２ コリメートレンズ
４ シリンドリカルレンズ
５ ポリゴンミラー
５Ａ ミラー面
６ ｆθレンズ
９ 感光体ドラム
９Ａ 被走査面
１０ 走査光学装置
１４ 入射光学系

Claims (2)

1. 独立して変調される複数の光源と、前記複数の光源から出射した光を光束に変換する第１の光学素子と、前記第１の光学素子を通過した光束を主走査方向に長手の線状に結像させる第２の光学素子と、前記第２の光学素子を通過した光束を主走査方向に偏向する偏向ミラーと、前記偏向ミラーで偏向された光束を被走査面上にスポット状に結像させる第３の光学素子とを備える走査光学装置であって、
   前記第３の光学素子は対向する一対のレンズ面を有する単レンズよりなり、
   前記被走査面に入射する像の、像高による副走査方向のＭＴＦの値が一定に近づくように、前記一対のレンズ面は、それぞれ、副走査方向の曲率が、光軸の軸上から主走査方向の外側に向かって連続的に変化していることを特徴とする走査光学装置。
2. 前記第３の光学素子の副走査方向の曲率は、
   前記被走査面上のドットピッチから定まる空間周波数をｕ、前記第３の光学素子の副走査方向開口数をＮＡ、前記光源から出射される光の波長をλとして、
   βｍａｘ＝ｃｏｓ^−１（０．５＊λ＊ｕ／ＮＡ）
   βｍｉｎ＝ｃｏｓ^−１（０．５５＊λ＊ｕ／ＮＡ）
   とすると、ＭＴＦの最大値ＭＴＦｍａｘおよび最小値ＭＴＦｍｉｎが、
   (MTFmax-MTFmin)/MTFmin≦(2βmax-2βmin-sinβmax+sinβmin)/(2βmin-sinβmin)
   を満足するように変化していることを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。

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