JP3689290B2

JP3689290B2 - 走査光学系

Info

Publication number: JP3689290B2
Application number: JP30642299A
Authority: JP
Inventors: 修一竹内
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: JP2001125025A; US6404530B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザープリンター等の描画装置に利用される走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査光学系は、レーザー光を発する半導体レーザー等の光源部、このレーザービームを偏向するポリゴンミラー等の偏向器、そして、偏向されたレーザー光を描画面上に収束させてビームスポットを形成するｆθレンズ等の走査レンズを備えている。走査レンズは、通常、単波長での使用を前提としているため、色収差は補正されておらず、半導体レーザーの個体差や、温度、出力の変化により発振波長が変化すると、走査レンズの倍率色収差により走査線の長さが変化し、描画精度が悪化する。
【０００３】
このような走査レンズの倍率色収差による影響を補正するため、走査レンズを構成する屈折レンズの表面にフレネルレンズ状の回折面を形成する技術が特開平１０−６８９０３号公報、特開平１０−１９７８２０号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報に開示されたように屈折レンズの透過面上に回折面を形成する場合には、回折面の位相切換位置に形成された段差は、光が透過する片道の光路上で所定の位相差を与える必要があるため、段差が比較的大きくなる。したがって、段差部分を正確に加工するのが困難となり、段差形状の加工誤差に起因する回折効率の低下が問題となる。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、走査レンズにより発生する倍率色収差を回折面により補正することができ、かつ、加工誤差による回折効率の低下を防ぐことができる走査光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる走査光学系は、上記の目的を達成させるため、光学系中に含まれる光路折り返しミラーの反射面に、回折面を形成したことを特徴とする。すなわち、この発明にかかる走査光学系は、光源部と、光源部から発する光束を動的に偏向する偏向器と、偏向器により偏向された光束を描画面上に結像させて主走査方向に走査するスポットを形成する屈折系のレンズを含む走査レンズと、偏向器と描画面との間に配置され、主走査方向に対して垂直な副走査断面内で光路を折り曲げる光路折り返しミラーとを備え、光路折り返しミラーの反射面が、走査レンズの倍率色収差を補正する回折面として形成され、光路折り返しミラーは表面鏡であり、かつ、射出成形により形成され、成形時のゲート部が主走査方向の中央部に位置することを特徴とする。
【０００７】
上記のように反射面上に回折面を設けた場合には、回折面の位相切換位置に形成された段差は、光が反射する往復の光路上で所定の位相差を与えれば足りるため、透過面上に回折面を形成した場合と比較して、段差を小さくすることができる。
【０００８】
回折面は、フレネルレンズ状に形成された段差をもつ多数の輪帯として形成することができ、表面鏡として形成される。
【０００９】
光路折り返しミラーが表面鏡として形成される場合には、回折面をパワーの弱い凸面のベースカーブ上に形成することが望ましい。ベースカーブが凸面であると、回折面の段差部分の加工を容易にすることができ、しかも、光路折り返しミラーに回折面を形成したことにより発生する描画面上での走査線の湾曲を補正することができる。
【００１０】
なお、上記の走査線の湾曲は、光源部から発した光束が偏向器に対して副走査断面内で角度を有するように配置することによっても補正することができる。このとき、偏向器の反射面の倒れによる影響を防ぐために、光源部と偏向器との間に偏向器の近傍に主走査方向に延びる線像を形成するシリンドリカルレンズを配置し、比較的描画面の近傍となる位置に副走査断面内で強い正のパワーを持つアナモフィックレンズを配置する場合がある。このような場合には、光源部からの光束が偏向器に入射するときに副走査断面内で角度を持つと、波面収差が劣化するため、アナモフィックレンズを、走査レンズを構成する他のレンズの光軸に対して副走査方向に偏心させて配置することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる走査光学系の実施形態を説明する。図１は、実施形態の走査光学系を示す斜視図である。
この走査光学系は、レーザープリンターの走査ユニットに適用されるもので、光源部を構成する半導体レーザー１、コリメートレンズ２、シリンドリカルレンズ３、半導体レーザー１から発する光束を動的に偏向する偏向器としてのポリゴンミラー４、ポリゴンミラー４により偏向された光束を描画面５上に結像させる走査レンズとしてのｆθレンズ２０、そして、ポリゴンミラー４と描画面５との間に配置された光路折り返しミラー３０を備えている。
【００１２】
この明細書では、描画面５上でスポットが走査する方向を主走査方向ｙ、これに直交する方向を副走査方向ｚと定義し、各光学素子の形状、パワーの方向性は、描画面５上での方向を基準に説明する。なお、主走査方向ｙに対して垂直であり、かつ、ｆθレンズ２０の光軸を含む面を「副走査断面」と定義する。
【００１３】
ｆθレンズ２０は、ポリゴンミラー４側から順に、平凸の第１レンズ２１、正メニスカスの第２レンズ２２、副走査方向において強い正のパワーを有するアナモフィックレンズである第３レンズ２３の３枚の屈折レンズから構成されている。光路折り返しミラー３０は、第２レンズ２２と第３レンズ２３との間に、副走査断面内で光路を折り曲げるよう配置されている。光路折り返しミラー３０は、この例では表面反射鏡であり、その反射面は、ｆθレンズ２０の倍率色収差を補正する回折面として形成されている。
【００１４】
半導体レーザー１から発してコリメートレンズ２により平行光束とされたレーザー光は、副走査方向に正のパワーを有するシリンドリカルレンズ３を介してポリゴンミラー４のミラー面の近傍で線状に結像される。ポリゴンミラー４は、回転軸４ａ回りに回転駆動され、光束を主走査方向に偏向する。偏向された光束は、ｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第２レンズ２２、光路折り返しミラー３０、第３レンズ２３を介して描画面５上に達し、主走査方向ｙに走査するスポットを形成する。
【００１５】
次に、光路折り返しミラー３０に形成された回折面について説明する。図２(A)は光路折り返しミラー３０の主走査方向に沿った断面形状を示す説明図、図２(B)は成形時の樹脂の流れを示す図２(A)の一部拡大図、図３は光路折り返しミラー３０の平面図である。なお、図２及び図３は、いずれも説明のため実際よりも輪帯数を大幅に少なく示した概念図である。
【００１６】
光路折り返しミラー３０に形成された回折面は、図２(A)に示すように、フレネルレンズ状に、すなわち、段差をもつ多数の輪帯として形成されている。ただし、光路折り返しミラー３０は、主走査方向に長く、副走査方向の幅は小さいため、回折面は、図３に示すように、同心円状に配列した多数の輪帯の各一部を、同心円の中心を通る長方形で切り出したパターンとなる。光路折り返しミラー３０は、樹脂製のブロックにアルミコートを施して形成されており、ブロックは、回折面のパターンを有する型を用いて射出成形により成形される。成形時に樹脂が注入されるゲート部３１は、反射面とは反対側の面の主走査方向の中心部に位置している。
【００１７】
正のパワーを持つｆθレンズ２０の倍率色収差を補正するため、回折面は弱い正のパワーを有する。表面鏡に正のパワーを持つ回折面を形成する場合には、回折面は、図２(A)に示すように、主走査方向の中心側になだらかな傾斜面、周辺側に切り立った段差を有する。このため、ゲート部３１を主走査方向の中心部に位置させれば、図２(B)に示すように、樹脂注入時に樹脂の流れに対して陰になる部分がなく、転写性を高めることができる。
【００１８】
上記のように、光路折り返しミラー３０の反射面上に倍率色収差補正用の回折面を設けた場合には、透過面上に回折面を形成した場合と比較して回折面の位相切換位置に形成される段差を小さくすることができる。この効果を、以下、数量的に説明する。回折面の位相切換位置での段差量Δｘは、基準波長をλ、入射側の媒質の基準波長における屈折率をｎ_i、射出側の媒質の基準波長における屈折率をｎ_oとして、以下の式で表される。
Δｘ＝λ／(ｎ_o−ｎ_i)
【００１９】
従来のように透過面上に回折面を形成する場合には、例えばλ＝０．７８μm、ｎ_i＝１．０、ｎ_o＝１．５とすると、Δｘ＝１．５６μmとなる。これに対して実施形態のように表面鏡の反射面に回折面を形成した場合には、ｎ_i＝１．０、ｎ_o＝−１．０となるため、基準波長が同一であると、Δｘ＝−０．３９μmとなり、段差量は透過面上に形成する場合の１／４となる。また、図４に示すように、光路折り返しミラーを裏面鏡として構成し、その反射面に回折面を形成した場合には、媒質の屈折率を１．５とすると、ｎ_i＝１．５、ｎ_o＝−１．５となるため、Δｘ＝−０．２６μmとなり、段差量は透過面上に形成する場合の１／６となる。
【００２０】
位相切換部分の段差が小さくなると、型の加工が容易になるため、形状の誤差が発生しにくい。このため、形状誤差に起因する回折効率の低下を防ぐことができ、光量損失、あるいは非回折光や不要次数の回折光によるゴーストを低減することが可能となる。ここで、段差量と加工誤差との関係を図５により説明する。図５(A)は段差が大きい場合、図５(B)は段差が小さい場合の段差部分の加工誤差をそれぞれ示している。
【００２１】
回折面を転写するための型は、加工バイトで切削することにより製作される。加工バイトの先端は、微視的に見ると図５に示すように丸くなっている。ミリオーダーの加工をする際には、先端形状はさほど問題とならないが、回折面のようにサブミクロンオーダーの精度が要求される場合には、先端形状による加工誤差が問題となる。
【００２２】
回折面の段差部分は、理想的には平坦部と段差の立ち上がり部分とがほぼ直角となるよう形成されることが望ましい。ただし、上記のように加工バイトの先端が丸いことから、このような直角の立ち上がりを作ることは不可能である。このため、図５(A)に示すように段差が大きい場合には、加工誤差が生じる部分(斜線部分)は幅ｗで示すように比較的大きくなる。これに対して、図５(B)で示すように段差が小さければ、加工誤差が生じる部分(斜線部分)を幅ｗ'で示すように比較的小さくすることができる。
【００２３】
光路折り返しミラー３０が表面鏡として形成される場合、図６(A)に示すように、そのベースカーブ(破線で示す)が平面であると、段差部分が鋭角的になり、型の加工性、成形時の転写性が悪くなる。そこで、図６(B)に示すように、ベースカーブ(破線で示す)をパワーの弱い凸面となるよう設定することが望ましい。ベースカーブが凸面であると、回折面の段差部分が鈍角的となり、型の加工が容易となり、成形時の転写性を良好にすることができる。
【００２４】
しかも、回折面のベースカーブを凸面にすると、描画面５上での走査線の湾曲を補正することができる。すなわち、実施形態におけるように、正の回折パワーを持つ光路折り返しミラー３０を副走査断面内で光路を偏向するよう配置した場合、その回折パワーに起因して描画面５上で走査線が副走査方向に湾曲する。反射面をごくパワーの弱い凸面として負のパワーを付加すると、この負のパワーにより発生する走査線の湾曲が、正の回折パワーにより生じる走査線の湾曲と打ち消し合い、走査線の湾曲を防ぐことができる。
【００２５】
なお、ベースカーブを平面にした場合には、光源部から発した光束がポリゴンミラー４に対して副走査方向に角度を有するよう配置することによって走査線の湾曲を補正することができる。ただし、このような配置では、特に像高の高い部分(主走査方向の周辺部)において波面収差が著しく劣化する。そこで、波面収差の劣化を防ぐため、ｆθレンズ２０の第３レンズ２３を、第１，第２レンズ２１，２２の光軸に対して副走査方向に偏心させて配置することが望ましい。
【００２６】
次に、上述した実施形態の走査光学系の具体的な実施例を１例説明する。実施例では、光路折り返しミラー３０は表面鏡であり、凸面状のベースカーブ上に回折面が形成されている。表１は、実施例の走査光学系におけるシリンドリカルレンズ３より描画面５側の構成を示す。表中の記号ｒyは主走査方向の曲率半径(単位:mm)、ｒzは副走査方向の曲率半径(回転対称面の場合には省略、単位:mm)、ｄは面間の光軸上の距離(単位:mm)、ｎは設計波長780nmでの屈折率である。
【００２７】
表中、第１面及び第２面がシリンドリカルレンズ３、第３面がポリゴンミラー４のミラー面、第４面及び第５面がｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第６面及び第７面が第２レンズ２２、第８面が光路折り返しミラー３０、第９面及び第１０面がｆθレンズの第３レンズ２３を示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
光路折返しミラー３０の傾斜角(ミラーの中心における法線が副走査断面内で第１，第２レンズ２１，２２の光軸となす角度)は２５゜である。第１面はシリンドリカル面、第２面、第３面及び第４面は平面、第５面は凸の球面、第６面は凹の球面、第７面は凸の回転対称非球面、第８面はベースカーブが凸の球面である回折面、第９面は光軸から離れた位置での副走査方向の曲率半径が主走査方向の断面形状とは無関係に設定された回転軸を持たない非球面(以下、「累進トーリック非球面」という)、第１０面は凸の球面である。
【００３０】
回転対称非球面は、光軸からの高さがhとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をκ、４次、６次の非球面係数をＡ₄，Ａ₆として、以下の式で表される。
Ｘ(h)＝Ｃh²/(１+√(１-(１+κ)Ｃ²h²))+Ａ₄h⁴+Ａ₆h⁶
表１における第７面の曲率半径は、光軸上の曲率半径であり、円錐係数、非球面係数は表２に示される。
【００３１】
【表２】
第７面
κ＝ 0.000 A₄ ＝ 3.100×10^-7 A₆ ＝−2.330×10^-11
【００３２】
回折面は、光軸からの高さhの位置における光路長付加量Δφ(h)により定義される。Δφ(h)は、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数をPnとして、以下の式により求められる。
Δφ(h)＝P₂h²＋P₄h⁴＋P₆h⁶＋P₈h⁸＋P₁₀h¹⁰
第８面に形成された回折面の光路差関数係数は、以下の表３に示される。
【００３３】
【表３】
第８面
P₂＝−1.5159×10^-1 P₄＝ 1.0869×10^-6 P₆＝−4.3265×10^-14
P₈＝ 3.2563×10^-19 P₁₀＝ 5.7530×10^-24
【００３４】
累進トーリック非球面は、面上で光軸を通る主走査方向の曲線を想定した際に、光軸からの主走査方向の距離がYとなる上記曲線上の座標点での光軸上の接線からの距離(サグ量)をＸ(Y)、当該座標点でこの曲線に接する副走査方向の円弧の曲率半径をｒｚ(Y)として、以下の式で定義される。
Ｘ(Y)＝ＣY²/(１+√(１-(１+κ)Ｃ²Y²))+Ａ₄Y⁴+Ａ₆Y⁶
1／rz(Y)＝(1／rz₀)＋AS1・Y¹＋AS2・Y²＋AS3・Y³＋AS4・Y⁴
式中、Ｃ、κ、Ａ₄、Ａ₆の定義は回転対称非球面と同様であり、rz₀は光軸上での副走査方向の曲率半径(表１のrz)、AS1、AS2、AS3、AS4はそれぞれ副走査方向の曲率半径を決定する係数である。第９面における各数値は、表４に示されている。
【００３５】
【表４】
第９面
κ＝ 0.000 A4 ＝ 1.640×10^-7 A6 ＝−7.200×10^-12
AS1＝−2.800×10^-6 AS2＝−2.460×10^-6
AS3＝ 0.000 AS4＝ 1.200×10^-10
【００３６】
上述した実施例の走査光学系の性能は、図７及び図８のグラフに示される。図７(A)は、fθ誤差(スポット位置の理想位置からのズレ)を示し、図７(B)は、像面湾曲(焦点位置の近軸像面からの光軸方向のズレ)を示し、破線が主走査方向、実線が副走査方向の像面湾曲を示す。また、図８(A)は、走査線湾曲(スポット位置の副走査方向へのズレ)を示し、図８(B)は、倍率の色収差(基準波長から10nm波長がずれたときのスポット位置の基準波長におけるスポット位置からのズレ)を示す。いずれのグラフも、縦軸は像高、すなわち光軸と交差する位置を基準にした主走査方向の距離、横軸は各収差の発生量を示し、単位はいずれもｍｍである。
【００３７】
光路折り返しミラー３０の反射面を回折面として形成することにより、図８(B)に示すように、倍率の色収差を小さく抑えることができる。また、回折面のベースカーブを弱い凸面とすることにより、図８(A)に示すように、走査線の湾曲をも小さく抑えることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、偏向器と描画面との間に配置された光路折り返しミラーの反射面に倍率色収差補正用の回折面を形成することにより、回折面の段差を従来より小さくすることができる。このため、回折面を転写するための型の加工性、射出成形の場合の転写性を良好にすることができ、加工誤差による回折効率の低下を防ぎ、描画性能を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の走査光学系を示す斜視図。
【図２】 (A)は光路折り返しミラーの主走査方向に沿った断面形状を示す説明図、(B)は成形時の樹脂の流れを示す図２(A)の一部拡大図。
【図３】光路折り返しミラーの平面図。
【図４】光路折り返しミラーを裏面鏡として構成した場合の主走査方向に沿った断面形状を示す説明図。
【図５】回折面の段差量と加工誤差との関係を示す説明図。
【図６】 (A)は光路折り返しミラーのベースカーブが平面である場合の段差部分の説明図、(B)はベースカーブが凸面である場合の段差部分の説明図。
【図７】 (A)は実施例の走査光学系のｆθ誤差、(B)は像面湾曲を示すグラフ。
【図８】 (A)は実施例の走査光学系の走査線湾曲、(B)は倍率の色収差を示すグラフ。
【符号の説明】
１半導体レーザー
３シリンドリカルレンズ
４ポリゴンミラー
５描画面
２０ｆθレンズ
３０光路折り返しミラー

Claims

光源部と、
前記光源部から発する光束を動的に偏向する偏向器と、
前記偏向器により偏向された光束を描画面上に結像させて主走査方向に走査するスポットを形成する屈折系のレンズを含む走査レンズと、
前記偏向器と前記描画面との間に配置され、前記主走査方向に対して垂直な副走査断面内で光路を折り曲げる光路折り返しミラーとを備え、
前記光路折り返しミラーの反射面は、前記走査レンズの倍率色収差を補正する回折面として形成され、前記光路折り返しミラーは表面鏡であり、かつ、射出成形により形成され、成形時のゲート部が主走査方向の中央部に位置することを特徴とする走査光学系。
前記回折面は、主走査方向において僅かに凸となるベースカーブ上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査光学系。
前記回折面は、フレネルレンズ状に形成された段差をもつ多数の輪帯を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の走査光学系。
前記光源部から発した光束が、前記偏向器に対して副走査断面内で角度を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の走査光学系。
前記光源部と前記偏向器との間に、前記偏向器の近傍に主走査方向に延びる線像を形成するシリンドリカルレンズが配置され、前記走査レンズは、比較的前記描画面の近傍となる位置に副走査断面内で強い正のパワーを持つアナモフィックレンズを含み、該アナモフィックレンズは、前記走査レンズを構成する他のレンズの光軸に対して副走査方向に偏心していることを特徴とする請求項４に記載の走査光学系。