JP3586394B2

JP3586394B2 - 回折面を用いた走査光学系

Info

Publication number: JP3586394B2
Application number: JP24846499A
Authority: JP
Inventors: 隆之飯塚
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: US6400486B1; JP2001075035A

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走査光学装置の光学系として利用される走査光学系に関し、特に、屈折レンズの特性による収差を回折面を用いて補正した走査光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の走査光学系は、例えば特開平１０−１９７８２０号公報、あるいは特開平１０−６８９０３号公報に記載されている。これらの公報に開示された走査光学系は、レーザー光源、このレーザー光源から発したレーザー光を偏向するポリゴンミラー、偏向された光束を感光体ドラム等の描画面上にスポットとして収束させるｆθレンズを備えている。ｆθレンズの一面には、回折レンズ構造が形成されている。
【０００３】
特開平１０−１９７８２０号公報の光学系は、ｆθレンズの屈折レンズとしての分散に起因する主走査方向の倍率色収差を補正するため、回転対称な輪帯状のパターンの一部として形成された回折レンズ構造を備えている。特開平１０−６８９０３号公報の光学系は、プラスチックレンズの温度変化による倍率変化やピント位置の変化を補正するため、同様の回折レンズ構造を備えている。以下の説明において、「主走査方向」は、ポリゴンミラーの回転に伴う描画面上でのスポットの移動方向に相当する方向、「副走査方向」は描画面上でのスポットの移動方向に直交する方向に相当する方向をいう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の回折面を用いた走査光学系は、回折レンズ構造の前側焦点と後側焦点とを結ぶ軸がｆθレンズの屈折レンズとしての光軸にほぼ一致しているため、回折面で不要次数の回折光が発生した場合、不要次数の回折光が必要次数の回折光に対して主走査方向に角度をもって分布し、不要次数の回折光により形成されるスポットが必要次数の回折光によるスポットと同一の走査線上に形成され、描画品質を劣化させるという問題がある。
【０００５】
例えば、１次の回折光を描画光として利用するよう回折面を設計し、２次回折光、０次回折光（非回折光）が不要次数の回折光として存在する場合、１次回折光によるスポットに対して主走査方向に離れた位置に、２次回折光、０次回折光によるスポットが形成される。これらの不要次数の回折光によるスポットは、主走査方向に関してはピントがずれるが、副走査方向に関しては描画面にピントが合うため、描画面の単位面積あたりに与えるエネルギーは小さくない。また、光源のオンオフは１次回折光の位置を基準に制御され、かつ、光源のオンオフに伴って０次、２次の回折光も１次回折光と同時にオンオフされるため、０次、または２次回折光が非露光範囲にあるときに１次回折光が露光範囲にあると、０次、または２次回折光により非露光範囲が露光され、例えばプリントアウトされた用紙上では本来白地であるべき範囲に黒いドットが形成される。
また、従来の構成では、必要次数の回折光と不要次数の回折光とは時間的にはずれるものの、空間的にはほぼ同一の光路を通って描画面に達するため、必要次数の回折光のみを透過させ、不要次数の回折光のみを遮光するのは困難である。
【０００６】
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、走査レンズの屈折レンズとしての特性に起因する主走査方向の収差を回折面を用いて補正する構成を前提としつつ、不要次数の回折光を空間的に分離して容易に遮光できる走査光学系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】
この発明にかかる回折面を用いた走査光学系は、上記の目的を達成させるため、回折レンズ構造の前側焦点と後側焦点とを結ぶ軸を、走査レンズの屈折レンズとしての光軸に対して副走査方向に偏心させると共に、この回折レンズ構造とは別に、回折レンズ構造の波長依存性により発生する副走査方向の走査線のズレを補正するプリズム効果を有するプリズム状回折レンズ構造を設けたことを特徴とする。これにより、不要次数の回折光を必要次数の回折光に対して副走査方向に空間的に分離することができ、遮光板等を設けることにより、不要次数の回折光が描画面に達するのを防ぐことができる。また、副走査方向の走査線のズレを補正することができる。
【０００８】
すなわち、この発明の走査光学系は、光束を発する光源と、光源からの光束を偏向する偏向器と、偏向器により偏向された光束を描画面上に収束させる走査レンズとを備え、走査レンズは、屈折レンズとして正のパワーを有すると共に、少なくとも一面に回折レンズ構造を有し、回折レンズ構造は、走査レンズの屈折レンズとしての特性により発生する主走査方向の収差を補正する作用を有し、回折レンズ構造の前側焦点と後側焦点とを結ぶ軸が、走査レンズの光軸に対して副走査方向に偏心しており、前記回折レンズ構造とは別に、該回折レンズ構造の波長依存性により発生する副走査方向の走査線のズレを補正するプリズム効果を有するプリズム状回折レンズ構造を備えることを特徴とする。
【０００９】
回折レンズ構造は、回転対称な輪帯状のパターンの一部として形成することができる。また、回折レンズ構造は、加工の容易さからは、走査レンズの平面状の屈折面上に形成することが望ましい。空間的に分離された不要次数の回折光を遮光するためには、回折レンズ構造が設けられたレンズ面と描画面との間に遮光板を設ければよい。
【００１０】
上記のプリズム状回折レンズ構造は、光源と偏向器との間に配置してもよいし、偏向器と描画面との間に配置してもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる回折面を用いた走査光学系の実施形態を説明する。
【第１の実施形態】
図１〜図５は、第１の実施形態にかかる走査光学系を示し、図１は主走査方向の説明図、図２は副走査方向の説明図、図３は回折レンズ構造が形成されたレンズを模式的に示す斜視図、図４は回折レンズ構造が形成されたレンズ面を光軸方向から見た様子を模式的に示す説明図、図５は各回折次数の回折光の光路を示す副走査方向の説明図である。
【００１２】
半導体レーザー等の光源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、副走査方向にのみパワーを持つシリンドリカルレンズ３を介して回転軸４ａ回りに回転駆動されるポリゴンミラー（偏向器）４に入射し、ポリゴンミラー４で走査、偏向されて走査レンズである３枚構成のｆθレンズ２０を介して描画面５上に収束されて主走査方向に走査するスポットを形成する。
【００１３】
シリンドリカルレンズ３は、光源１から発する光束をポリゴンミラー４のミラー面の近傍で線状に結像させるために副走査方向に正のパワーを有する。ｆθレンズ２０は、副走査方向においてミラー面近傍で線状に結像された光束を像面上にほぼ円形のスポットとして再結像させる。このようにミラー面と像面とを副走査方向においてほぼ共役とすることにより、ポリゴンミラー４の面倒れ誤差による走査線ズレを低減させることができる。
【００１４】
ｆθレンズ２０は、ポリゴンミラー４側から描画面５側に向けて順に、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つ両凸の第１レンズ２１と、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つ平凸の第２レンズ２２と、ほぼ副走査方向にのみ正のパワーを有する長尺の第３レンズ２３とが配列して構成される。第１レンズ２１と第２レンズ２２とは、比較的ポリゴンミラー４の近くに配置され、第３レンズ２３は、比較的描画面５の近くに配置されている。
【００１５】
第１レンズ２１のポリゴンミラー４側のレンズ面２１ａは回転対称な非球面、描画面側のレンズ面２１ｂは球面である。第２レンズ２２のポリゴンミラー４側のレンズ面２２ａは、回折レンズ面であり、図３に示すようにベースカーブとなる平面上に屈折レンズ部分での倍率色収差を補正する作用を有するフレネルレンズ状の回折レンズ構造が形成されている。第２レンズ２２の描画面側のレンズ面２２ｂは凸の球面である。第３レンズ２３は、ポリゴンミラー側のレンズ面２３ａが、トーリック面であり、描画面側の面２３ｂが凸の球面である。
【００１６】
第２レンズ２２のレンズ面２２ａに形成された回折レンズ構造は、ｆθレンズ２０の屈折レンズとしての特性により発生する主走査方向の収差、この例では倍率色収差を補正する作用を有する。回折レンズ構造を付加するレンズ面は、できるだけポリゴンミラー４に近く、かつ、回転対称な面であることが望ましい。ポリゴンミラー４に近いレンズ面では透過する光束径が比較的大きいため、光束がフレネル状の段差部分を通過する際にも段差部分の影響を受けにくい。また、各レンズをモールド成型する場合、金型加工の容易さからは、回転対称なベースカーブ上に回折レンズ構造を付加することが有利である。特に、ベースカーブが平面であれば、金型加工は容易である。
【００１７】
回折レンズ構造は、図４に示されるように、回転対称な輪帯状のパターンの一部として形成され、回折レンズ構造の前側焦点と後側焦点とを結ぶ軸Ａｘ１が、ｆθレンズ２０の屈折レンズ部分の光軸Ａｘ２に対して副走査方向Ｚに偏心している。これにより、各回折光が図５に示すように副走査方向に異なる角度で射出し、不要次数の回折光（０次回折光、２次回折光）を必要次数の回折光（１次回折光）に対して副走査方向に空間的に分離することができる。
【００１８】
第３レンズ２３のポリゴンミラー側には、回折レンズ構造により空間的に分離された不要次数の回折光を遮光するため、主走査方向に延びる遮光板３０が図２に示すように設けられている。１次回折光は、図５に示すように遮光板３０が設けられていない領域を通過し、０次回折光は遮光板３０の図中下側の部分により遮光され、２次回折光は遮光板３０の図中上側の部分により遮光される。
【００１９】
以下の表１は、第１の実施形態の走査光学系の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Ｋは走査係数、ｒｙは主走査方向の曲率半径、ｒｚは副走査方向の曲率半径（回転対称面の場合には省略）、ｄは面間の光軸上の距離、ｎ_７７０、ｎ_７８０、ｎ_７９０はそれぞれ波長７７０ｎｍ，７８０ｎｍ，７９０ｎｍでの屈折率である。
【００２０】
表中、第１、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、第５面がｆθレンズ２０の第１レンズ２１、第６面、第７面が第２レンズ２２、第８面、第９面が第３レンズ２３を示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
光軸回りに回転対称な非球面である第１レンズ２１の第１面２１ａは、光軸からの高さがＹ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、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、８次の非球面係数をＡ_４，Ａ_６，Ａ_８として、以下の式で表される。なお、表１における非球面の曲率半径は、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。
Ｘ＝ＣＹ^２／（１＋√（１−（１＋κ）Ｃ^２Ｙ^２））＋Ａ_４Ｙ^４＋Ａ_６Ｙ^６＋Ａ_８Ｙ^８
【００２３】
【表２】

【００２４】
回折レンズの分散は、屈折レンズのアッベ数に相当する値が−３．４５３となることが知られている。負の値は屈折レンズのアッベ数とは符号が逆であることを意味し、絶対値が小さいことは大きな分散を有していることを意味している。したがって、パワーの小さい回折レンズを正の屈折レンズと組み合わせることにより、色収差を補正することができる。第１の実施形態の回折レンズ構造は、波長７８０ｎｍにおいて６０８９．７５ｍｍの焦点距離を持つように定められる。また、回折レンズ構造の軸のｆθレンズの光軸からの偏心量は、４００ｍｍである。
【００２５】
図６（Ａ）は、第１の実施形態の構成において回折レンズ構造が設けられていない場合の倍率色収差（７８０ｎｍの光束による主走査方向の走査位置を基準とした７７０ｎｍ，７９０ｎｍの光束による主走査方向の走査位置のズレ）を示し、図６（Ｂ）は、回折レンズ構造が設けられている場合の倍率色収差を示す。回折レンズ構造を設けることにより、倍率色収差が補正されることがわかる。したがって、使用される光源の発光波長にバラツキがある場合にも、描画性能の変化を抑えることができる。
【００２６】
なお、第１の実施形態のように回転対称な輪帯状の回折レンズ構造をｆθレンズ２０の光軸に対して偏心させて配置すると、描画面に形成される走査線の副走査方向の位置も、波長の変化によってシフトすることとなる。そこで、このような走査線の副走査方向のシフトを補正するため、プリズム効果を有するプリズム状回折レンズ構造を設ける。このプリズム状回折レンズ構造は、主走査方向と平行に直線状に延びるパターンを備えており、第１の実施形態では光源１とポリゴンミラー４との間に配置されたシリンドリカルレンズ３のポリゴンミラー側のレンズ面上に形成されている。図７は、プリズム状回折レンズ構造が形成された凸平のシリンドリカルレンズ３の斜視図である。第１の実施形態では、プリズム状回折レンズ構造は、パターンのピッチが０．０１９７６ｍｍとなるよう設計される。これにより、第２レンズ２２のレンズ面２２ａに設けられた倍率色収差補正用の回折レンズ構造により発生する副走査方向の走査線のズレを補正することができる。
【００２７】
【第２の実施形態】
図８〜図１０は、第２の実施形態にかかる走査光学系を示し、図８は主走査方向の説明図、図９は副走査方向の説明図、図１０は各回折次数の回折光の光路を示す副走査方向の説明図である。光源１からポリゴンミラー４までの構成は第１の実施形態と同様である。
【００２８】
第２の実施形態のｆθレンズ４０は、ポリゴンミラー４側から描画面５側に向けて順に、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つメニスカスの第１レンズ４１と、主走査、副走査の両方向に正のパワーを持つ平凸の第２レンズ４２と、ほぼ副走査方向にのみ正のパワーを有する長尺の第３レンズ４３とが配列して構成される。
【００２９】
第１レンズ４１のポリゴンミラー４側のレンズ面４１ａは回転対称な非球面、描画面側のレンズ面４１ｂは球面である。第２レンズ４２のポリゴンミラー４側のレンズ面４２ａは、回折レンズ面であり、ベースカーブとなる平面上に屈折レンズ部分での倍率色収差を補正する作用を有するフレネルレンズ状の回折レンズ構造が形成されている。第２レンズ４２の描画面側のレンズ面４２ｂは凸の球面である。第３レンズ４３は、ポリゴンミラー側のレンズ面４３ａがトーリック面であり、描画面側の面４３ｂが凸の球面である。
【００３０】
回折レンズ構造は、第１の実施形態と同様に回転対称な輪帯状のパターンの一部として形成され、回折レンズ構造の前側焦点と後側焦点とを結ぶ軸が、ｆθレンズ４０の屈折レンズ部分の光軸に対して副走査方向に偏心している。これにより、各回折光が図１０に示すように副走査方向に異なる角度で射出し、不要次数の回折光（０次回折光、２次回折光）を必要次数の回折光（１次回折光）に対して副走査方向に空間的に分離することができる。
【００３１】
以下の表３は、第２の実施形態の走査光学系の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、面番号の意味は第１の実施形態と同一である。光軸回りに回転対称な非球面である第１レンズ４１の第１面４１ａの円錐係数、非球面係数は表４に示される。
【００３２】
【表３】

【００３３】
【表４】

【００３４】
第２の実施形態の回折レンズ構造は、波長７８０ｎｍにおいて３０１２．８２５ｍｍの焦点距離を持つように定められる。また、回折レンズ構造の軸のｆθレンズの光軸からの偏心量は、１５０ｍｍである。
【００３５】
図１１（Ａ）は、第２の実施形態の構成において回折レンズ構造が設けられていない場合の倍率色収差を示し、図１１（Ｂ）は、回折レンズ構造が設けられている場合の倍率色収差を示す。回折レンズ構造を設けることにより、倍率色収差が補正されることがわかる。
【００３６】
第２の実施形態では、走査線の副走査方向のシフトを補正するプリズム状回折レンズ構造が、ポリゴンミラー４と描画面５との間に配置されたｆθレンズ４０の第３レンズ４３の描画面側のレンズ面４３ｂに形成されている。図１２は、プリズム状回折レンズ構造が形成された第３レンズ４３の斜視図である。第２の実施形態では、プリズム状回折レンズ構造は、パターンのピッチが０．０３１８３ｍｍとなるよう設計される。これにより、第２レンズ４２のレンズ面４２ａに設けられた倍率色収差補正用の回折レンズ構造により発生する副走査方向の走査線のズレを補正することができる。
【００３７】
なお、上記の実施形態では、回折レンズ構造に倍率色収差補正の機能を持たせているが、これのみでなく、温度変化による屈折率の変化に基づく収差を光源１である半導体レーザーの波長変動を利用して補正する機能を持たせてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、回折レンズ構造の軸を走査レンズの光軸に対して副走査方向に偏心させることにより、不要次数の回折光が、必要次数の回折光に対して副走査方向に異なる角度をもって空間的に分離されるため、遮光板等を用いて不要次数の回折光が描画面に達するのを容易に防ぐことができる。また、プリズム状回折レンズ構造を設けたことにより、回折レンズ構造の波長依存性により発生する副走査方向の走査線のズレを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態にかかる走査光学系を示す主走査方向の説明図。
【図２】図１の走査光学系を示す副走査方向の説明図。
【図３】図１の走査光学系の回折レンズ構造が形成されたレンズを模式的に示す斜視図。
【図４】図１の走査光学系の回折レンズ構造が形成されたレンズ面を光軸方向から見た様子を模式的に示す説明図。
【図５】図１の走査光学系における各回折次数の回折光の光路を示す副走査方向の説明図。
【図６】図１の走査光学系において、（Ａ）回折レンズ構造が設けられていない場合の倍率色収差、（Ｂ）回折レンズ構造が設けられている場合の倍率色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図７】プリズム状回折レンズ構造が形成されたシリンドリカルレンズの斜視図。
【図８】第２の実施形態にかかる走査光学系を示す主走査方向の説明図。
【図９】図８の走査光学系を示す副走査方向の説明図。
【図１０】図８の走査光学系における各回折次数の回折光の光路を示す副走査方向の説明図。
【図１１】図８の走査光学系において、（Ａ）回折レンズ構造が設けられていない場合の倍率色収差、（Ｂ）回折レンズ構造が設けられている場合の倍率色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１２】プリズム状回折レンズ構造が形成されたｆθレンズの第３レンズの斜視図。
【符号の説明】
１光源
３シリンドリカルレンズ
４ポリゴンミラー
５描画面
２０，４０ｆθレンズ
２２ａ，４２ａ回折レンズ面

Claims

光束を発する光源と、該光源からの光束を偏向する偏向器と、該偏向器により偏向された光束を描画面上に収束させる走査レンズとを備え、前記走査レンズは、屈折レンズとして正のパワーを有すると共に、少なくとも一面に回折レンズ構造を有し、該回折レンズ構造は、前記走査レンズの屈折レンズとしての特性により発生する主走査方向の収差を補正する作用を有し、前記回折レンズ構造の前側焦点と後側焦点とを結ぶ軸が、前記走査レンズ中の屈折レンズの光軸に対して副走査方向に偏心しており、前記回折レンズ構造とは別に、該回折レンズ構造の波長依存性により発生する副走査方向の走査線のズレを補正するプリズム効果を有するプリズム状回折レンズ構造を備えることを特徴とする回折面を用いた走査光学系。
前記回折レンズ構造は、回転対称な輪帯状のパターンの一部として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折面を用いた走査光学系。
前記回折レンズ構造は、前記走査レンズの平面状の屈折面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折面を用いた走査光学系。
前記回折レンズ構造が設けられたレンズ面と前記描画面との間に、不要次数の回折光を遮光する遮光板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回折面を用いた走査光学系。
前記プリズム状回折レンズ構造は、前記光源と前記偏向器との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回折面を用いた走査光学系。
前記プリズム状回折レンズ構造は、前記偏向器と前記描画面との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回折面を用いた走査光学系。