JPH07174997A

JPH07174997A - 光走査装置

Info

Publication number: JPH07174997A
Application number: JP5318639A
Authority: JP
Inventors: Akira Ota; 明太田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-07-14
Also published as: DE69427449T2; EP0658790A3; EP0658790B1; DE69427449D1; US5477372A; EP0658790A2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡素で安価なコリメートレンズを利用するこ
とにより安価な光走査装置を提供する。【構成】半導体レーザ１０のレーザービーム射出側に
アパーチャ１２及び射出ビームをコリメートするための
１枚の球面平凸単レンズであるコリメータ１４が順に配
置されている。コリメータの平面側は半導体レーザ１０
側に向けられている。コリメートされたビームはシリン
ドリカルレンズ１６により主走査方向（矢印Ａ）に長い
線像として結像され、線像の結像位置または近傍に、主
走査方向に略角速度で偏向させるポリゴンミラー１８の
反射面２０が位置する。ポリゴンミラー１８の反射ビー
ムは、ｆθレンズ２２により感光ドラム２６表面に光ス
ポットが略等速度で走査されるように収束される。ま
た、ｆθレンズ２２と感光ドラム２６との間には、実装
上の理由により反射鏡２４も配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザプリンタ等に用い
られる光走査装置に係り、特に発光源からの光を平行光
にするレンズ系を用いた光走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光走査装置は、光プリンタやデジタル式
の複写機等に広く使用されている。このような光走査装
置には、半導体レーザ等の発光源と、半導体レーザから
射出されたレーザビームを平行光束にコリメートするコ
リメートレンズ系と、サジタル方向及びメリジオナル方
向が異なるレンズパワーのかまぼこ型または円柱状のレ
ンズを含むシリンドリカルレンズ系と、入射された光束
を主走査方向と対応する方向に偏向させるポリゴンミラ
ー等の偏向器と、走査レンズとしてのｆθレンズとが使
用されている。ｆθレンズは、偏向器で偏向されたレー
ザビームを、感光体ドラムや感光体ベルト等の被走査面
上に光スポットして集光させると共に、この光スポット
を被走査面上で略等速度で移動させる、という２つの機
能を持っている。

【０００３】周知のように、半導体レーザは出射光束が
発散光束となるので、扱いを簡単にするために、半導体
レーザから射出されたレーザビームをコリメートレンズ
系によりコリメートし平行光束に変換して利用すること
が多い。

【０００４】このようなコリメートレンズについては２
枚以上の球面組みレンズを用いてコリメートする光源装
置（特開昭５８−１４０７１３号参照）、１枚の非球面
単レンズのみによりコリメートする光源装置（特開平３
−２４９７２０号参照）がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２枚以
上の球面レンズ等を用いてコリメートレンズ系を構成す
ると、部品点数が増加する。このため、組立て調整等が
複雑になると共にコスト高になる。また、１枚の非球面
単レンズによってコリメートレンズ系を構成したとき
は、組立て調整等を容易にすることはできるが、非球面
レンズは球面レンズの研磨等のように容易に精度良く製
造できるものではなく、主にガラスをモールドして製造
するため、精度が良い非球面レンズを安定して得ようと
すると安価に製造することが難しい。従って、最終的に
は光走査装置がコスト高になる。

【０００６】本発明は上記事実を鑑み、簡素で安価なコ
リメートレンズを利用することにより安価な光走査装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本請求項１に記載の発明
の光走査装置は、光源からの光束を略平行光束にコリメ
ートするレンズ系と、該平行光束を主走査方向と対応す
る方向に長い線像として結像させるシリンドリカルレン
ズ系と、該シリンドリカルレンズ系から射出された光束
を所定方向に略等角速度で偏向させる偏向手段と、偏向
された偏向光束を光スポットが略等速度で走査されるよ
うに被走査面上に収束させる走査レンズ系と、を備えた
光走査装置において、前記コリメートするレンズ系は、
開口数が零を越え０．０７以下の球面平凸単レンズのみ
で構成され、前記光源側に該球面平凸単レンズの平面部
を向けて配置したことを特徴としている。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１記載
の光走査装置において、前記平凸単レンズの屈折率を
ｎ、該平凸単レンズの焦点距離をｆ１、前記シリンドリ
カルレンズ系の主走査方向に交差する副走査方向の焦点
距離をｆ２、前記光走査用レンズの主走査方向の焦点距
離をｆ３としたときに、ｎ≧１．６０＜ｆ３／ｆ１≦９０＜ｆ２／ｆ１≦４の条件を満たすことを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の光走査装置は、光源からの光束を略平
行光束にコリメートするレンズ系と、該平行光束を主走
査方向と対応する方向に長い線像として結像させるシリ
ンドリカルレンズ系と、該シリンドリカルレンズ系から
射出された光束を所定方向に略等角速度で偏向させる偏
向手段と、偏向された偏向光束を光スポットが略等速度
で走査されるように被走査面上に収束させる走査レンズ
と、を備えている。

【００１０】従来の技術で述べたように光源としての半
導体レーザ等は出射光束が発散光束となり扱いを簡単に
するため射出されたレーザビームをレンズ系によりコリ
メートし平行光束に変換する必要があるが、本発明で
は、１枚の球面平凸単レンズのみで構成している。この
１枚の球面平凸単レンズは、開口数ＮＡが零を越え０．
０７以下に形成されている。このように、開口数ＮＡを
零を越え０．０７以下にして入射光束を制限することに
より透過波面収差をλ／１０程度に抑えることができ
る。従って、前記シリンドリカルレンズ系及び走査レン
ズを用いて結像させときに、収差によるスポット径の増
加（太り）を防ぐことができる。

【００１１】また、曲面の屈折作用は、曲率半径が小さ
くなる程大きくなることは周知である。従って、レンズ
等の略平面形状の部分では、光は略直進する。従って、
１枚の球面平凸単レンズを用いて光源からの発散光を略
平行光束にコリメートする場合、コリメート光の射出側
にレンズ等の略平面形状の部分を配置すると、この略平
面形状の部分における屈折作用を有効に利用できない。
本発明では、球面平凸単レンズの入射側に平面部を配置
することにより、入射側の平面部と射出側の曲面部とに
おける両方の面で屈折作用を生起し、レンズを有効に利
用することができる。このため、射出側に球面平凸単レ
ンズの平面部を配置するときより透過波面収差を抑える
ことができる。

【００１２】上記１枚の球面平凸単レンズを光走査装置
におけるコリメートレンズとして用いるとき、以下の３
条件を満たすことが好ましい。

【００１３】条件１は、ｎ≧１．６であり、１枚の球面
平凸単レンズの屈折率ｎを１．６以上に設定することを
示している。すなわち、１枚の球面平凸単レンズの屈折
率ｎは１．６未満になると透過波面収差が増大するた
め、屈折率１．６以上に設定することでさらに波面収差
を抑えることができる。

【００１４】条件２は、０＜ｆ３／ｆ１≦９であり、平
凸単レンズの焦点距離ｆ１と光走査用レンズの主走査方
向の焦点距離ｆ３との比の値が、０を越え、９以下であ
ることを示している。すなわち、シリンドリカルレンズ
系は、該平行光束を主走査方向と該主走査方向と交差す
る副走査方向とで異なるレンズパワーにより集光してい
るが、主走査方向のレンズパワーを有せずに設定される
ことが多い。従って、シリンドリカルレンズ系がレンズ
パワーを有していない主走査方向に沿う方向についての
関係、すなわち、平凸単レンズの焦点距離ｆ１と光走査
用レンズの主走査方向の焦点距離ｆ３との関係である比
を考えれば少なくとも、光走査装置の性能を評価するこ
とができる。この比は、明るさにも相当するが、比の値
が９を越えるとコリメートするためのレンズ系により発
生する波面収差も増加し、結像スポットに太りが発生す
る。従って、焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ３との比を考慮
することで、明るさを含んだスポットサイズを考慮する
ことができ、上記の条件２を満たすことにより感光体等
の被走査面上で適切なスポットサイズを得ることができ
る。

【００１５】条件３は、０＜ｆ２／ｆ１≦４であり、平
凸単レンズの焦点距離ｆ１とシリンドリカルレンズ系の
副走査方向の焦点距離ｆ２との比の値が、０を越え、４
以下であることを示している。すなわち、シリンドリカ
ルレンズ系がレンズパワーを有する方向について、すな
わち、平凸単レンズの焦点距離ｆ１とシリンドリカルレ
ンズ系の副走査方向の焦点距離ｆ２との関係を考えれば
さらに、光走査装置の性能を評価について精度を向上さ
せることができる。この比についても、比の値が４を越
えるとコリメートするためのレンズ系により発生する波
面収差も増加し、結像スポットに太りが発生する。従っ
て、上記の条件３を満たすことにより感光体等の被走査
面上で適切なスポットサイズを得ることができる。

【００１６】光走査装置は、シリンドリカルレンズ系の
副走査方向の焦点距離ｆ２及び光走査用レンズの主走査
方向の焦点距離ｆ３の何れも０になることはないので、
上記の条件２及び条件３における各々の比の値が０にな
ることはない。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１８】本実施例の光走査装置は、図１に示すよう
に、光源としての半導体レーザ１０（波長λ＝７８５n
m）を備えており、半導体レーザ１０のレーザビーム射
出側には、アパーチャ１２及び半導体レーザ１０から射
出されたレーザビームを平行レーザビームに整形するた
めのコリメータ１４が順に配置されている。コリメート
レンズ１４の仕様を決める開口数ＮＡはアパーチャ１２
のサイズにより決定している。コリメータ１４のレーザ
ビーム射出側には、副走査方向と対応する方向にレンズ
パワー（焦点距離ｆ２＝６５mm）を有し、平行レーザビ
ームを主走査方向（矢印Ａで示す方向）と対応する方向
に長い線像として結像させるシリンドリカルレンズ１６
が配置されている。この線像の結像位置または結像位置
の近傍に反射面２０が位置するように、入射されたレー
ザビームを反射して主走査方向と対応する方向に略等角
速度で偏向させるポリゴンミラー１８が配置されてい
る。

【００１９】ポリゴンミラー１８のレーザビーム反射側
には、被走査面である感光ドラム２６表面に約８０μｍ
の略円形の光スポットが略等速度で走査されるように収
束させる、プラスチックやガラスで形成された１枚の走
査レンズであるｆθレンズ２２（焦点距離ｆ３＝１４
３．２４mm）が配置されている。これらｆθレンズ２２
と感光ドラム２６との間には、実装上の理由によりｆθ
レンズ２２から射出されたレーザビームを感光ドラム２
６方向に反射するための反射鏡２４が配置されている。

【００２０】本実施例によれば、半導体レーザ１０から
射出されたレーザビームは、ポリゴンミラー１８の入射
側に配置されるＰＲＥ−ＰＯＬＹＧＯＮ光学系であるシ
リンドリカルレンズ１６により反射面２０上に主走査方
向に対応する方向に長い線像として結像される。このレ
ーザビームは、ポリゴンミラー１８により主走査方向と
対応する方向に略等角速度で偏向され、ｆθレンズ２２
により感光ドラム２６上に主走査方向に略等速度で走査
される。また、ｆθレンズ２２の作用で面倒れ補正が行
われて副走査方向のピッチむらが補正され、またシリン
ドリカルレンズ１６の作用で感光ドラム２６上のビーム
スポットは略円形になる。

【００２１】図２は図１の主要部分を展開した説明図で
あり、図２（ａ）はｆθレンズ２２の偏向面（ポリゴン
ミラー１８により偏向されたレーザビームの主光線が形
成する平面、主走査方向断面にも相当する）内における
各レンズ形状を示し、図２（ｂ）は偏向直交面（レンズ
の光軸を含みかつ偏向面に直交する平面、副走査方向断
面にも相当する）内における各レンズ形状を示してい
る。

【００２２】本実施例における焦点距離ｆ２＝６５mmの
シリンドリカルレンズ１６は、コリメートレンズ１４側
に平面Ｃ１を形成した平凸レンズで、曲面Ｃ２は副走査
方向に曲率３３．２２mmを有して、屈折率ｎ＝１．５１
１０８３、中心厚５mmの設計値のレンズを用いている。

【００２３】また、焦点距離ｆ３＝１４３．２４mmのｆ
θレンズ２２は屈折率ｎ＝１．５１０１３９であり、ポ
リゴンミラー１８側、すなわち偏向器側のレンズ面Ｓ１
は非球面で形成され、感光ドラム２６側、すなわち被走
査面側のレンズ面Ｓ２はトーリック面で形成されたトー
リックレンズであり、光軸上の曲率半径は副走査断面内
では偏向器側から順に６６．８８mm、−１７．９mmのメ
ニスカス形状をしているレンズを用いている。この非球
面であるレンズ面Ｓ１の形状は主走査断面内の偏向器側
に光軸曲率半径４１０．６５mmである。このレンズ面Ｓ
１に非球面係数を付与して非球面を形成している。レン
ズ面Ｓ２の主走査断面内の曲率半径は−８８．７５mmで
あり、中心厚は２２．６mmである。シリンドリカルレン
ズ１６の偏向器側の曲面Ｃ２と偏向面２０の距離は６
２．０４mm、偏向面２０とｆθレンズ２２の偏向器側の
レンズ面Ｓ１との距離は３９．６４mm、ｆθレンズ２２
の被走査面側のレンズ面Ｓ２と感光ドラム２６との距離
は１３９．４mmである。

【００２４】図３はコリメートレンズ１４付近の拡大図
である。このコリメートレンズ１４は、屈折率ｎ＝１．
７１２０１８の光学ガラス（ＳＦ１０）を用いて、平面
Ｒ１及び曲面Ｒ２により形成される球面単レンズであ
り、曲面Ｒ２の曲率半径を１４．２４mm、及び中心厚を
３mmに設定し、焦点距離ｆ１＝２０mmのレンズを形成し
ている。このコリメートレンズ１４の平面側の平面Ｒ１
を半導体レーザ１０に向けて配置する。また、半導体レ
ーザ１０とコリメートレンズ１４の間には薄板ガラス３
０が設けられている。この薄板ガラス３０は半導体レー
ザ１０のパッケージに含まれて供給されるものである
が、本発明のように開口数ＮＡを小さく設定したコリメ
ートレンズに用いた場合には収差にほとんど影響は無
い。コリメートレンズ１４を出た平行光束のサイズは直
径Ｄ＝２．４mmとなるようにアパーチャ１２が定められ
ており、以下の式（１）によりコリメートレンズ１４の
開口数ＮＡが定まる。従って、本実施例の光走査装置で
はＮＡ＝０．０６となる。図３ではＮＡ＝ｓｉｎθでも
ある。

【００２５】ＮＡ＝Ｄ／ｆ１／２＝Ｄ／（２ｆ１） −−−（１）

【００２６】図４（ｃ）にはコリメータレンズ１４がＮ
Ａ＝０．０６のときの本光走査装置の透過波面収差を示
し、図４（ｄ）にはＮＡ＝０．０５のときの本光走査装
置の透過波面収差を示した。ＮＡ＝０．０５のときに
は、波面収差が小さく良好なコリメータレンズ１４を得
ることができるが、ＮＡ＝０．０６の場合にλ／１０程
度の収差があるが結像スポットサイズへの影響は少な
く、実用上問題ない。一方、図４（ａ）、（ｂ）の各々
は、コリメータレンズ１４をＮＡ＝０．０８、ＮＡ＝
０．０７に設定して本光走査装置に配置したときの透過
波面収差を示した。図からも理解されるように、ＮＡ＝
０．０７を越えると透過波面収差が著しく大きくなり、
結像スポット径の増加（太り）が生じて好ましくない。

【００２７】図５にはＮＡ＝０．０６と一定のコリメー
タレンズ１４の屈折率ｎを変化させたときの本光走査装
置の透過波面収差を示した。図５（ａ）は屈折率ｎ＝
１．５１１０８３のときの透過波面収差を示し、図５
（ｂ）は屈折率ｎ＝１．６０８９３１ときの透過波面収
差を示し、図５（ｃ）は上記実施例の屈折率ｎ＝１．７
１２０１８ときの透過波面収差を示している。この図か
らも理解されるように、屈折率がｎ＝１．６未満の値に
なると透過波面収差がλ／５に近づくので、結像スポッ
ト径の増加（太り）が発生し好ましくない。従って、コ
リメータレンズ１４の屈折率ｎは１．６以上の値が適当
であることが理解される。

【００２８】ここで、コリメートレンズ１４とｆθレン
ズ２２の関係に着目すると上記実施例ではコリメートレ
ンズ１４の焦点距離ｆ１とｆθレンズ２２の焦点距離ｆ
３の比γ１（ｆ３／ｆ１）の値は７．１６となってい
る。このとき、上記のｆθレンズ２２を用いてコリメー
トレンズ１４の焦点距離ｆ１を変化させた場合、この比
γ１の値が９を越えるとコリメートレンズ１４の焦点距
離ｆ１＜１６mmとなる。このため、上記と同様のスポッ
ト径を得ようとするとコリメートレンズの開口数ＮＡを
０．７５を越えて設定しなければならない。従って、焦
点距離が多少短くなるが、波面収差が増大するので、結
像スポット径の増加（太り）が発生する。これにより、
比γ１（ｆ３／ｆ１）の値の上限値は９であることが理
解される。また、この比γ１の値４では、開口数ＮＡが
０．０３３に相当し、この比γ１の値が値４より低いと
きは得られる光量が低下するために、好ましくない。

【００２９】従って、図６（ａ）に示したように、焦点
距離ｆ１及び焦点距離ｆ３を軸とする座標平面上で、比
γ１の値が９となる特性直線７０と比γ１の値が４とな
る特性直線７２とで挟まれた領域範囲（図６（ａ）で
は、斜線領域内）を実用範囲として設定できる。

【００３０】また、コリメートレンズ１４とシリンドリ
カルレンズ１６の関係では、コリメートレンズ１４焦点
距離ｆ１とシリンドリカルレンズ１６の焦点距離ｆ２の
比γ２（ｆ２／ｆ１）の値が３．２５となっている。こ
のとき、上記のシリンドリカルレンズ１６を用いてコリ
メートレンズ１４の焦点距離ｆ１を変化させた場合、こ
の比γ２の値が４を越えるとｆ１＜１６．５となり上記
と同様のスポット径を得ようとするとコリメートレンズ
１４の開口数ＮＡを０．０７３以上にしなければならず
上記と同様に波面収差が増大しスポット径の太りが発生
する。また、得られる光量が低下すると考えられる開口
数ＮＡは０．０３３に相当し、このときの比γ２の値は
１．５と求められる。

【００３１】従って、図６（ｂ）に示したように、焦点
距離ｆ１及び焦点距離ｆ２を軸とする座標平面上で、比
γ２の値が値４となる特性直線７６と比γ２の値が値
１．５となる特性直線７８とで挟まれた領域範囲（図６
（ｂ）では、斜線領域内）を実用範囲として設定でき
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
源からの光束を略平行光束にコリメートするレンズ系に
安価な球面平凸単レンズ１枚のみのレンズをコリメート
レンズとして用いているため、小型化、低コスト化を図
ることができる光走査装置を実現できる、という効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用可能な光走査装置の一例を示す概
略構成図である。

【図２】（ａ）は本実施例の光走査装置の主走査方向の
光束の軌跡を説明するための説明図である。（ｂ）は本
実施例の光走査装置の副走査方向の光束の軌跡を説明す
るための説明図である。

【図３】本発明の一実施例にかかる光走査装置のコリメ
ートレンズ部の周辺を示す線図である。

【図４】本実施例の光走査装置の透過波面収差とコリメ
ートレンズの開口数との関係を示す線図である。

【図５】本実施例の光走査装置の透過波面収差とコリメ
ートレンズの屈折率との関係を示す線図である。

【図６】（ａ）は本実施例の光走査装置におけるコリメ
ータレンズの焦点距離と走査レンズの焦点距離との関係
を示す特性図である。（ｂ）は本実施例の光走査装置に
おけるコリメータレンズの焦点距離とシリンドリカルレ
ンズの焦点距離との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１０半導体レーザ１２アパーチャ１４コリメートレンズ１６シリンドリカルレンズ１８偏向器２０偏向反射面２２ｆθレンズ２４反射鏡２６感光体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光束を略平行光束にコリメー
トするレンズ系と、該平行光束を主走査方向と対応する
方向に長い線像として結像させるシリンドリカルレンズ
系と、該シリンドリカルレンズ系から射出された光束を
所定方向に略等角速度で偏向させる偏向手段と、偏向さ
れた偏向光束を光スポットが略等速度で走査されるよう
に被走査面上に収束させる走査レンズ系と、を備えた光
走査装置において、前記コリメートするレンズ系は、開口数が零を越え０．
０７以下の球面平凸単レンズのみで構成され、前記光源
側に該球面平凸単レンズの平面部を向けて配置したこと
を特徴とする光走査装置。
【請求項２】前記平凸単レンズの屈折率をｎ、該平凸
単レンズの焦点距離をｆ１、前記シリンドリカルレンズ
系の主走査方向に交差する副走査方向の焦点距離をｆ
２、前記光走査用レンズの主走査方向の焦点距離をｆ３
としたときに、ｎ≧１．６０＜ｆ３／ｆ１≦９０＜ｆ２／ｆ１≦４の条件を満たすことを特徴とする請求項１記載の光走査
装置。