JP2615850B2 - 光ビーム走査光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ビーム走査光学系、特にレーザビーム・
プリンタやファクシミリ等に組み込まれ、画像情報を乗
せた光束を感光体上に集光させる光ビーム走査光学系の
構造に関する。

従来の技術とその課題 一般に、レーザビーム・プリンタやファクシミリで使
用されている光ビーム走査光学系は、基本的には、光源
としての半導体レーザ、ポリゴンミラー、ガルバノミラ
ー等の偏向器、ｆθレンズにより構成されている。偏向
器は半導体レーザから発せられた光束を等角速度で走査
するものであり、そのままでは集光面で主走査方向中心
部から両端部にわたって走査速度に差を生じ、等質な画
像が得られない。ｆθレンズは、この様な走査速度差を
補正するために設置されている。

ところで、ｆθレンズは種々の凹レンズ，凸レンズ等
を組み合わせたものであり、レンズ設計が極めて複雑
で、研摩面数が多くて加工上の精度向上が図り難く、高
価である。しかも、透光性の良好な材質を選択しなけれ
ばならないという材質面からの制約もある。

そのため、従来では、ｆθレンズに代えて、楕円面ミ
ラーを使用すること（特開昭54−123040号公報）、放物
面ミラーを使用すること（特公昭55−36127号公報）、
凹面反射鏡を使用すること（特開昭61−173212号公報）
が提案されている。しかしながら、楕円面ミラーヤ放物
面ミラーでは加工自体及び加工精度を上げることが困難
であるという問題点を有している。

そこで、本発明の課題は、高価で制約の多いｆθレン
ズや従来提案された放物面ミラー等に代えて、より加工
が容易で加工精度を高めることができる走査速度補正手
段を採用し、光学系のコンパクト化を図り、なおかつ集
光点での主走査方向に垂直な像面の湾曲を小さくし、高
画角化、高密度化を可能にすると共に、偏向器の面倒れ
誤差を効果的に補正することにある。即ち、偏向器とし
てポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用する場合、各面
相互の垂直度誤差（面倒れ誤差）が生じていると、感光
体面での走査線が副走査方向にずれを生じることとな
る。本発明はこの様な面倒れ誤差によるピッチむらを是
正しようとするものである。

課題を解決するための手段 以上の課題を解決するため、本発明に係る光ビーム走
査光学系は、光束を放射する光源と、該光源から放射さ
れた光束を直線上に収束させる収束手段と、前記直線の
付近に配置され、該収束手段から放射の光束を前記直線
と同一平面で偏向し、等角速度で走査させる偏向器と、
該偏向器で走査された光束を反射し、被走査面上に集光
させる球面ミラーと、該球面ミラーと前記被走査面との
間に配置されたシリンドリカルレンズとを備え、以下の
条件式を満足することを特徴とする。

|s/R_M|＞0.5 0.15＜d/|R_M|＜0.45 （|d₂|＋|d₃|）/|R_M|＜0.45 ここで、 R_M:前記球面ミラーの曲率半径、 s:前記偏向器による走査域中心方向への光束反射点から
前記被走査面までの距離、 d:前記光束反射点から前記球面ミラーまでの距離、 d₂:前記シリンドリカルレンズの心厚、 d₃:前記シリンドリカルレンズの射出面から前記被走査
面までの距離、 である。

作 用 以上の構成において、光源から放射された光束は偏向
器によって等角速度に走査され、この走査光束は球面ミ
ラーで反射され、シリンドリカルレンズを介して感光体
面上に集光する。前記偏向器による主走査及び感光体面
の移動による副走査で画像が形成される。そして、球面
ミラーによる反射光束は主走査方向に体する受走査速度
を走査域中心からその両端部にわたって均等となる様に
補正され、かつ、集光面においては広画角にわたって良
好な歪曲特性と、良好な像面平坦性が得られる。

また、光源から放射された光束は走査方向（偏向面
内）の直線状に収束されて偏向器に入射される。そし
て、シリンドリカルレンズは球面ミラーで反射された光
束を感光体面上へ集光させ、偏向器の面倒れによる誤差
を補正すると共に、像面湾曲を小さくし、高画角化、高
密度化を可能にする。

実施例 以下、本発明に係る光ビーム走査光学系の実施例につ
き、添付図面を参照して説明する。

［第１実施例］ 第１図において、（１）は半導体レーザ、（６）はコ
リメータレンズ、（７）はシリンドリカルレンズ、（1
0）はポリゴンミラー、（15）はビームスプリッタ、（2
0）は球面ミラー、（25）はシリンドリカルレンズ、（3
0）はドラム状の感光体である。

半導体レーザ（１）は図示しない制御回路によって強
度変調され画像情報を乗せた発散光束を放射する。この
発散光束はコリメータレンズ（６）を通過することによ
り収束光束に修正される。さらに、この収束光束はシリ
ンドリカルレンズ（７）を通過することにより走査方向
に、即ち、以下のポリゴンミラー（10）の反射面付近に
（偏向面内の）直線状に収束される。ポリゴンミラー
（10）は図示しないモータにて支軸（11）を中心に矢印
（ａ）方向に一定速度で回転駆動される。従って、シリ
ンドリカルレンズ（７）から射出された収束光束は、ポ
リゴンミラー（10）の面で連続的に反射され、等角速度
で走査される。この走査光束はビームスプリッタ（15）
を透過した後、球面ミラー（20）の凹面側にて反射さ
れ、さらに、ビームスプリッタ（15）で反射された後シ
リンドリカルレンズ（25）を介して感光体（30）上に集
光される。このときの集光光束は感光体（30）の軸方向
に等速で走査され、これを主走査と称する。また、感光
体（30）は矢印ｂ方向に一定速度で回転駆動され、この
回転による走査を副走査と称する。

即ち、以上の光ビーム走査光学系においては、半導体
レーザ（１）の強度変調と前記主走査，副走査によって
感光体（30）上に画像（静電潜像）が形成される。そし
て、第２図に示す如く、球面ミラー（20）のシリンドリ
カルレンズ（25）とが従来のｆθレンズに代わって、主
走査方向に対する走査速度を走査域中心からその両端部
にわたって均等となる様に補正する。

また、球面ミラー（20）と感光体（30）との間の光路
中に設置したシリンドリカルレンズ（25）は、ポリゴン
ミラー（10）の面倒れ誤差を補正すると共に、像面湾曲
を小さくする。換言すれば、主走査方向に垂直な方向に
光束を補正して、集光点付近での像面を平坦時すること
を目的とする。即ち、ポリゴンミラー（10）の各反射面
相互に垂直度の誤差が生じていると、感光体（30）上で
の走査線が副走査方向にずれを生じ、画像にピッチむら
が発生する。この面倒れ誤差はポリゴンミラー（10）に
よる偏向面に垂直な断面においてポリゴンミラー（10）
の各反射面と感光体（30）の集光面とを共役関係に設定
すれば補正することができる。本発明ではシリンドリカ
ルレンズ（７）によって光束をポリゴンミラー（10）に
集光する一方、シリンドリカルレンズ（25）によってポ
リゴンミラー（10）の各反射面と集光面とが共役関係を
保持する様にしている。

さらに、本実施例ではコリメータレンズ（６）にて発
散光束を収束光束に修正している。これは収束光束とす
ることによって感光体（30）付近での像面の湾曲を補正
するためである。即ち、ポリゴンミラー（10）へ収束光
束あるいは発散光束を入射させると（他の回転偏向器で
も同じであるが）、ポリゴンミラー（10）での反射後の
集光点は、ポリゴンミラー（10）の後には光学部品がな
いとすると、その反射点を中心として略円弧状となり、
これを直線で受けると像面湾曲を生じることになる。ポ
リゴンミラー（10）へ収束光束を入射させると、光線入
射方向に凹の像面湾曲を生じる。また、入射光の収束具
合によって、球面ミラー（20）と像面との距離も変わ
る。この距離の変化によって像面湾曲も変化する。即
ち、収束光束による像面湾曲により、球面ミラー（20）
の凹面による湾曲を補正し、結果的に集光面での像面湾
曲を小さくし、像面の平坦性を良好なものとする。

この点はシリンドリカルレンズ（25）も同様に像面湾
曲を小さくする作用を有し、像面湾曲が小さくなると、
走査位置（像高）の相違による集光光束径の変動が小さ
くなり、光学系を広画角で使用することができ、また集
光光束径を小さくできるので画像の高密度化が可能とな
る利点を有する。

詳しくは、第２図に示す様に、ポリゴンミラー（10）
の偏向点（10a）から球面ミラー（20）の頂点（20a）ま
での距離（ｄ）と、球面ミラー（20）の曲率半径（R_M）
との関係、及びこの曲率半径（R_M）と偏向点（10a）か
らポリゴンミラー（10）での反射後の集光点までの距離
（ｓ）（図示せず）との関係、さらに曲率半径（R_M）と
シリンドリカルレンズ（25）の心厚（d₂）及びシリンド
リカルレンズ（25）の射出面から感光体（30）までの距
離（d₃）の関係については、 |s/R_M|＞0.5 …… 0.15＜d/|R_M|＜0.45 …… （|d₂|＋|d₃|）/|R_M|＜0.45 …… なる式を満足するのが望ましい。

なお、第２図において、（d₁）は球面ミラー（20）の
頂点（20a）からシリンドリカルレンズ（25）の入射面
までの距離である。

前記式、式、式を満足すると、広画角にわたっ
て良好な歪曲特性と、良好な像面平坦性が得られる。各
式での下限及び上限は、感光体（30）上での画像歪みの
程度により経験上許容できる範囲として設定した値であ
る。前記式の下限を越えると、像面が球面ミラー（2
0）に近付き配置が困難となり、歪曲特性も悪くなる。

一方、前記式の下限を越えると、走査角の増大に従
って正の歪曲が増大し、主走査方向の両端（走査開始付
近及び走査終了付近）で画像が伸びることとなる。ま
た、前記上限を越えると、走査角の増大に従って負の歪
曲が増大し、主走査方向の両端で画像が縮むこととな
り、さらに像面湾曲が大きくなるか、歪曲特性が悪化す
る。

また、前記式の上限を越えると、像面湾曲が大きく
なる。

ここで、第１実施例における実験例（Ｉ），（II），
（III），（IV），（Ｖ）での構成データを表１に示
す。なお、ポリゴンミラー（10）の対面距離は23.5mmと
した。

以上の各実験例（Ｉ），（II），（III），（IV），
（Ｖ）における感光体集光面での収差をそれぞれ第４
図，第５図、第６図、第７図、第８図に示す。各図中
（ａ）は、横軸を走査角度、縦軸を歪曲度としたグラフ
である。各図中（ｂ）は、横軸を走査角度、縦軸を湾曲
度としたグラフで、点線は偏向面内の光束による像面湾
曲を示し、実線は偏向面に対する垂直面内の光束による
像面湾曲を示す。

［第２実施例］ 本第２実施例は、第９図、第11図で明らかな様に、球
面ミラー（20）の偏向面に垂直な面内で角度（θ_１）傾
斜させて配置した点で、前記第１実施例と相違する。そ
して、球面ミラー（20）をこの様に傾斜させることによ
り、ポリゴンミラー（10）からの光束は球面ミラー（2
0）にて入射とは異なった方向［角度（θ_２）、傾斜角
度（θ_１）の２倍］へ反射され、前記第１実施例の如く
ビームスプリッタ（15）等の半透光手段を必要とするこ
となく直接あるいは折り返しミラー（21）を介在させる
ことにより、シリンドリカルレンズ（25）を介して感光
体面に集光させることができる。

なお、球面ミラー（20）を傾斜させると走査線の曲が
りが発生する。この発生原因について第15図を参照して
説明する。第15図は偏向面に垂直な面内での光軸を示
し、点（Ｐ）は偏向角が（０゜）のときの主光線反射点
であり、点（Ｑ）は偏向角（θ）のときの主光線反射点
である。

球面ミラー（20）は曲率（ここでは偏向面内での曲率
を問題とする）を持っているため、偏向角が（０゜）と
（θ）とで反射点がＸ軸方向にずれる。さらに、入射光
（n1）に対して偏向角（θ）の反射光（n3）は偏向角
（０゜）の反射光（n2）に対してＺ軸方向にずれる。こ
のずれは偏向角（θ）に応じて変化し、反射光（n2），
（n3）は同一平面内には含まれない。そのため、走査線
も光軸と垂直な面内でＺ軸方向に曲がることになる。し
かし、この種の走査線の曲がりは、シリンドリカルレン
ズ（25）にて補正できる。即ち、副走査方向において、
シリンドリカルレンズ（25）による結像関係を縮小結像
になる様に設定すれば、ここでの走査線の曲がりも副走
査方向について縮小されることとなる。さらに、走査線
の曲がりを補正するには、第11図に示す様にシリンドリ
カルレンズ（25）を光路に垂直な方向へシフト［シフト
量は（Zc）で示す］させることも考えられる。

他の構成については前記第１実施例と同様である。

また、本第２実施例においても前記式、式、式
の関係が妥当する。特に、式において上限を越える
と、像面湾曲ばかりか走査線の曲がりも大きくなる。

ここで、第２実施例における実験例（VI），（VI
I），（VIII）での構成データを表２に示す。ポリゴン
ミラー（10）の対面距離は第１実施例と同様に23.5mmで
ある。

以上の各実験例（VI），（VII），（VIII）における
感光体集光面での収差をそれぞれ第12図、第13図、第14
図に示す。各図中（ａ）は、横軸を走査角度、縦軸を歪
曲度としたグラフである。各図中（ｂ）は、横軸を走査
角度、縦軸を湾曲度としたグラフで、点線は偏向面内の
光束による像面湾曲を示し、実線は偏向面に対する垂直
面内の光束による像面湾曲を示す。各図中（ｃ）は、横
軸を走査角度、縦軸を走査線歪曲度としたグラフで、走
査線の偏向面に垂直な方向への位置ずれ、即ち、走査線
の曲がりを示す。

なお、本発明に係る光ビーム走査光学系は以上の実施
例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に
変形することができる。

例えば、偏向器としては前記のポリゴンミラー（10）
以外に、光束を一平面に等角速度で走査可能なものであ
れば、種々のものを用いることができる。また、光源と
しては半導体レーザ以外に、他のレーザ発生手段や点光
源を用いても良い。

一方、前記各実施例では球面ミラーの主走査方向への
シフト［第２図、第10図中（Ｙ）方向］については言及
していない。しかし、収差補正や配置の容易性を考慮す
れば、球面ミラーを前記方向へシフトさせることが考え
られる。例えば、第１実施例での実験例（Ｉ）（第４図
参照）、第２実施例での実験例（VI）（第12図参照）等
の様に歪曲収差が左右対称でない場合、この様な球面ミ
ラーのシフトによって歪曲収差をさらに小さくすること
ができる。

また、前記実施例ではコリメータレンズにより半導体
レーザから放射された発散光束を収束光束に修正してい
るが、単に略平行光束に修正する様にしても良い。

発明の効果 以上の説明で明らかな様に、本発明によれば、偏向器
から感光体面への光路中に前記式、式、式を満足
する様に球面ミラー及びシリンドリカルレンズを介在さ
せたため、主走査方向での走査速度を均等に補正できる
ことは勿論、偏向器の各反斜面の面倒れによる誤差を補
正し、画像の副走査方向のピッチむらを補正すると共
に、集光面において広画角にわたって良好な歪曲特性及
び良好な像面平坦性を得ることができる。さらに、球面
ミラーは従来のｆθレンズに比べて加工が容易で加工精
度も向上し、透明である必要はないことから材質も広く
選択でき、全体として安価かつ高性能な走査光学系とす
ることができる。しかも、球面ミラー自体によって光路
が折り返され、光学系全体がコンパクトになる。また、
放物面ミラーや楕円面ミラーに比べても加工上，精度上
有利であり、従来の凹面反射鏡に比べて小型化すること
も可能である。

しかも、第２実施例において説明した様に、球面ミラ
ーを偏向面に垂直な面内で傾斜させれば、半透光手段を
介することなく感光体上に集光させることができ、光学
部材の配置の任意性が向上し、光量の減衰も少なくな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の第１実施例を示し、第１図は
概略構成を示す斜視図、第２図、第３図は光路を模式的
に説明するための図、第４図〜第８図は集光面での像歪
を示すグラフである。第９図〜第15図は本発明の第２実
施例を示し、第９図は概略構成を示す斜視図、第10図、
第11図は光路を模式的に説明するための図、第12図〜第
14図は集光面での像歪を示すグラフ、第15図は球面ミラ
ーを傾斜させることによる走査線の曲がりを説明するた
めの図である。 （１）……半導体レーザ、（６）……コリメータレン
ズ、（７）……シリンドリカルレンズ、（10）……ポリ
ゴンミラー、（15）……ビームスプリッタ、（20）……
球面ミラー、（25）……シリンドリカルレンズ、（30）
……感光体。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光束を放射する光源と、 該光源から放射された光束を直線上に収束させる収束手
   段と、 前記直線の付近に配置され、該収束手段から放射の光束
   を前記直線と同一平面で偏向し、等角速度で走査させる
   偏向器と、 該偏向器で走査された光束を反射し、被走査面上に集光
   させる球面ミラーと、 該球面ミラーと前記被走査面との間に配置されたシリン
   ドリカルレンズとを備え、 以下の条件式を満足することを特徴とする光ビーム走査
   光学系， |s/R_M|＞0.5 0.15＜d/|R_M|＜0.45 （|d₂|＋|d₃|）/|R_M|＜0.45 ここで、 R_M:前記球面ミラーの曲率半径、 s:前記偏向器による走査域中心方向への光束反射点から
   前記被走査面までの距離、 d:前記光束反射点から前記球面ミラーまでの距離、 d₂:前記シリンドリカルレンズの心厚、 d₃:前記シリンドリカルレンズの射出面から前記被走査
   面までの距離、 である。