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技術 光走査光学系

出願人 キヤノン株式会社
発明者 豊田浩司
出願日 1995年6月2日 (25年5ヶ月経過) 出願番号 1995-160010
公開日 1996年12月17日 (23年11ヶ月経過) 公開番号 1996-334715
状態 特許登録済
技術分野 機械的光走査系 レンズ系
主要キーワード fθレンズ 度直線 レンズ形 コンセントリック 走査直線性 プラスチック化 最大走査角 偏向点
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年12月17日)のものです。
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図面 (8)

目的

画角にわたって像面湾曲等の収差を良好に補正し、高性能光学性能が得られるコンパクト光走査光学系を得ること。

構成

光源手段1から射出した光ビーム偏向手段5に導光し、該偏向手段で偏向反射させた該光ビームを結像手段10により被走査面9上に導光し光走査する光走査光学系において、該結像手段は副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズ6と、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズ7と、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズ8との3枚のレンズで構成され、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成されていること。

概要

背景

従来より回転多面鏡より成る光偏向器の各反射面(偏向面)で偏向反射された光ビームを利用して被走査面上を光走査するようにした光走査光学系が、例えば特公昭62−36210号公報で提案されている。

特公昭62−36210号公報で提案されている光走査光学系は光偏向器と被走査面との間に主走査方向にfθ特性を有する光走査用の結像手段を設け、該結像手段の1つであるトーリックレンズ副走査方向の屈折力を適切に設定することにより、光偏向器の反射面が回転軸に対して平行となっていなく倒れているときの角度誤差、所謂面倒れを補正している。

即ち、トーリックレンズを用いて光偏向器の反射面と被走査面(被照射体面)とを光学的に共役関係にして面倒れによる悪影響を除去している。これにより反射面により反射偏向された光ビームの走査面上の進行方向が補正されて走査線ピッチムラが生じないようにしている。

一方、走査用の結像手段の1つであるトーリックレンズをプラスチック化にし、大幅なコストダウンを図った光走査光学系も提案されている。

一般にトーリックレンズは主走査方向と副走査方向とで互いに曲率が異なる為、例えばガラス材で加工する場合、加工方法が複雑になり、加工時間も非常に長くかかる為、コスト高につながる要因となっていた。

そこでこのトーリックレンズをプラスチック化することにより、加工方法の簡素化及び加工時間の短縮化を可能とし、大幅なコストダウンを図っている。

ただしプラスチック材より成るレンズプラスチックレンズ)は環境変動によって屈折率が変化し、それによってピント移動が生じる為、走査光学系全系でのピント移動を補正する為には更にもう一枚のプラスチックレンズを光学系内に設けなければならなかった。

即ち、プラスチックレンズより成るトーリックレンズのピント移動方向とは逆の方向にピント移動が生じるように屈折力を設定した補正用のプラスチックレンズを光学系内に配置することによって、全系としてピント移動が相殺されるようにしている。

概要

画角にわたって像面湾曲等の収差を良好に補正し、高性能光学性能が得られるコンパクトな光走査光学系を得ること。

光源手段1から射出した光ビームを偏向手段5に導光し、該偏向手段で偏向反射させた該光ビームを結像手段10により被走査面9上に導光し光走査する光走査光学系において、該結像手段は副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズ6と、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズ7と、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズ8との3枚のレンズで構成され、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成されていること。

目的

本発明は結像手段を副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズと、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズと、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズとの3枚のレンズで構成し、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成することにより、全画角にわたって像面湾曲等の収差を良好に補正すると共に収差補正上良好なる光学性能が得られるコンパクトな光走査光学系の提供を目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

光源手段から射出した光ビーム偏向手段導光し、該偏向手段で偏向反射させた該光ビームを結像手段により被走査面上に導光し光走査する光走査光学系において、該結像手段は副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズと、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズと、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズとの3枚のレンズで構成され、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成されていることを特徴とする光走査光学系。

請求項2

前記第1レンズは主走査断面内と副走査断面内の双方において負の屈折力を有するトーリックレンズより成っており、前記第2レンズは主走査断面内と副走査断面内とで互いに異なる正の屈折力を有するアナモフィックレンズより成っており、前記第3レンズは主走査断面内と副走査断面内の双方において正の屈折力を有するトーリックレンズより成っていることを特徴とする請求項1の光走査光学系。

請求項3

前記結像手段は主走査断面内における少なくとも1つのレンズ面が非球面形状より形成されていることを特徴とする請求項1の光走査光学系。

請求項4

前記第1レンズと前記第2レンズとは貼り合わせれて形成されていることを特徴とする請求項1又は2の光走査光学系。

技術分野

0001

本発明は光走査光学系に関し、特に光源手段から射出された光ビーム回転多面鏡等の光偏向器を介して記録媒体面である被走査面上に導光光走査することにより、文字や情報等を記録するようにした、例えばレーザービームプリンタ(LBP)やディジタル複写機等の装置に好適な光走査光学系に関するものである。

背景技術

0002

従来より回転多面鏡より成る光偏向器の各反射面(偏向面)で偏向反射された光ビームを利用して被走査面上を光走査するようにした光走査光学系が、例えば特公昭62−36210号公報で提案されている。

0003

特公昭62−36210号公報で提案されている光走査光学系は光偏向器と被走査面との間に主走査方向にfθ特性を有する光走査用の結像手段を設け、該結像手段の1つであるトーリックレンズ副走査方向の屈折力を適切に設定することにより、光偏向器の反射面が回転軸に対して平行となっていなく倒れているときの角度誤差、所謂面倒れを補正している。

0004

即ち、トーリックレンズを用いて光偏向器の反射面と被走査面(被照射体面)とを光学的に共役関係にして面倒れによる悪影響を除去している。これにより反射面により反射偏向された光ビームの走査面上の進行方向が補正されて走査線ピッチムラが生じないようにしている。

0005

一方、走査用の結像手段の1つであるトーリックレンズをプラスチック化にし、大幅なコストダウンを図った光走査光学系も提案されている。

0006

一般にトーリックレンズは主走査方向と副走査方向とで互いに曲率が異なる為、例えばガラス材で加工する場合、加工方法が複雑になり、加工時間も非常に長くかかる為、コスト高につながる要因となっていた。

0007

そこでこのトーリックレンズをプラスチック化することにより、加工方法の簡素化及び加工時間の短縮化を可能とし、大幅なコストダウンを図っている。

0008

ただしプラスチック材より成るレンズプラスチックレンズ)は環境変動によって屈折率が変化し、それによってピント移動が生じる為、走査光学系全系でのピント移動を補正する為には更にもう一枚のプラスチックレンズを光学系内に設けなければならなかった。

0009

即ち、プラスチックレンズより成るトーリックレンズのピント移動方向とは逆の方向にピント移動が生じるように屈折力を設定した補正用のプラスチックレンズを光学系内に配置することによって、全系としてピント移動が相殺されるようにしている。

発明が解決しようとする課題

0010

特公昭62−36210号公報の光走査光学系におけるfθ特性を有した光走査用の結像手段は光偏向器側より順に球面より成る単レンズとトーリックレンズとより成っている。

0011

このようなレンズ構成の走査光学系は走査画角がさほど大きくない場合、収差補正が良好に行なわれ、所望の光学性能が容易に得られる。しかしながらトーリックレンズは主走査方向と副走査方向とで互いに異なる曲率を有する特殊レンズである為、前述した如くその加工方法は複雑であり、又非常に長い加工時間を要する為に大きなコストアップの要因となり、又走査画角が大きくなると収差が著しく悪化する傾向にあった。

0012

そこで従来ではこのような問題点を解決する為にトーリックレンズのプラスチック化が図られている。このとき環境変動に対するプラスチックレンズのピント移動を微小に抑える為にピント補正用のプラスチックレンズを光学系内に配置することによって、fθレンズ系(結像手段)を3枚のレンズ構成として、低画角域において所望の光学性能を得ている。特に主走査方向においてはトーリックレンズを非球面化にすることにより、全画角にわたり良好に収差を補正している。

0013

しかしながら副走査方向においては主走査方向で非球面を用いている為に画角によって横倍率が異なってしまうという問題点があった。又副走査方向は主走査方向に比べて強い屈折力を必要とする為、各レンズ面の曲率も大きなものにしなければならなかった。しかしながらプラスチック低屈折率の為、曲率を更にきつくすることは収差の出易いレンズ形状になるという問題点があった。

0014

又、上記の従来例においてはプラスチックレンズより成るトーリックレンズの副走査方向の曲率がいずれの画角においても同じである為に、全画角にわたり良好に収差を補正することが難かしいという問題点もあった。

0015

本発明は結像手段を副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズと、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズと、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズとの3枚のレンズで構成し、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成することにより、全画角にわたって像面湾曲等の収差を良好に補正すると共に収差補正上良好なる光学性能が得られるコンパクトな光走査光学系の提供を目的とする。

課題を解決するための手段

0016

本発明の光走査光学系は、光源手段から射出した光ビームを偏向手段に導光し、該偏向手段で偏向反射させた該光ビームを結像手段により被走査面上に導光し光走査する光走査光学系において、該結像手段は副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズと、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズと、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズとの3枚のレンズで構成され、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成されていることを特徴としている。

0017

特に前記第1レンズは主走査断面内と副走査断面内の双方において負の屈折力を有するトーリックレンズより成っており、前記第2レンズは主走査断面内と副走査断面内とで互いに異なる正の屈折力を有するアナモフィックレンズより成っており、前記第3レンズは主走査断面内と副走査断面内の双方において正の屈折力を有するトーリックレンズより成っていることや、前記結像手段は主走査断面内における少なくとも1つのレンズ面が非球面形状より形成されていることや、前記第1レンズと前記第2レンズとは貼り合わせれて形成されていること等を特徴としている。

0018

図1は本発明の実施例1の光学系の要部平面図(主走査断面図)、図2図1の主走査断面において垂直な要部断面図(副走査断面図)である。

0019

図中、1は光源手段としての例えば半導体レーザである。2はコリメーターレンズであり、光源手段1から射出された光ビームを平行光束としている。3は開口絞りであり、通過光束径を整えている。4はシリンドリカルレンズであり、主走査断面に関しては屈折力は有しておらず副走査断面に関して所定の屈折力を有している。5は偏向手段としての例えば回転多面鏡より成る光偏向器であり、矢印A方向に一定速度で回転している。

0020

10は本発明に係る結像手段(fθレンズ系)であり、光偏向器5側から順に主走査断面と副走査断面の双方において負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズとしてのトーリックレンズ6と、該トーリックレンズ6の被走査面側近傍に配置され、主走査断面と副走査断面とで互いに異なる正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズとしてのアナモフィックレンズ7と、該アナモフィックレンズ7の被走査面側近傍に配置され、主走査断面と副走査断面の双方において正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズとしてのトーリックレンズ8との3枚のレンズより構成している。

0021

シリンドリカルレンズ4とアナモフィックレンズ7はfθ特性と像面湾曲を良好に補正する為のレンズ形状より形成しており、トーリックレンズ8は広画角にわたって像面湾曲を良好に補正する為にコンセントリックな形状(トーリックレンズ8の両レンズ面の曲率半径の中心が光偏向器5の反射面近傍にある)で形成すると共にその両レンズ面を非球面形状より形成している。

0022

更に本実施例においてはトーリックレンズ8の両レンズ面とも副走査断面において長手方向の位置によって曲率の異なる非球面形状より形成しており、これにより像面湾曲を良好に補正している。

0023

又、トーリックレンズ6は温度変化が生じた場合のトーリックレンズ8のピント移動を補正する為のレンズ形状より形成しており、該トーリックレンズ6とトーリックレンズ8とのピント移動が全系として相殺されるような最適な屈折力に設定している。9は被走査面としての感光ドラムである。

0024

本実施例において光源手段1より射出された光ビームはコリメータレンズ2により略平行光束とされ、該平行光束は開口絞り3によってその光束断面の大きさが制限されてシリンドリカルレンズ4に入射する。

0025

シリンドリカルレンズ4は入射した平行光束のうち主走査断面においてはそのまま平行光束の状態で射出させ、副走査断面においては集束して光偏向器5の反射面5aにほぼ線像光束として結像させている。そして光偏向器5の反射面5aで高速に反射偏向している。光偏向器5で反射偏向された光ビームはトーリックレンズ6とアナモフィックレンズ7そしてトーリックレンズ8を通過することによってその走査直線性が補正され感光ドラム9面上に結像されて略等速度直線運動で該感光ドラム9面上を光走査する。

0026

図2においてPは光偏向器5の反射面位置を示しており、副走査断面では前述した様にほぼこの反射面位置Pに光ビームが集光するようにしている。

0027

ここで反射面位置Pと感光ドラム9とは結像手段10に関してそれぞれ光学的に略共役な位置関係になっている。これにより反射面が副走査断面において傾いても、所謂面倒れがあっても光ビームが感光ドラム9面上の同一走査線上に結像するようにしている。この様にして本実施例では光偏向器5の面倒れの補正を行っている。

0028

次に結像手段10を構成するトーリックレンズ6とアナモフィックレンズ7とトーリックレンズ8のレンズ構成の特徴について説明する。

0029

本実施例におけるトーリックレンズ6、アナモフィックレンズ7そしてトーリックレンズ8の3つのレンズは副走査断面においてそれぞれ順に負、正、正の屈折力を有しており、又トーリックレンズ6とトーリックレンズ8とはプラスチック材で形成され、アナモフィックレンズ7はガラス材で形成されている。

0030

このようなレンズ構成をとることによって本実施例では温度変動等によるプラスチック材の屈折率変化によって発生する正の屈折力を有するトーリックレンズ8のピント移動を負の屈折力を有するトーリックレンズ6のピント移動によって全系としてピント移動をキャンセルし微小化させている。

0031

本実施例では上記のピント移動を補正するピント移動補正光学系が結像手段10の内部で構成されているので、倒れ補正光学系を構成する共役結像関係には何も影響を与えることなく、ピント移動を補正することができる。

0032

このように本実施例ではプラスチックレンズを用いた場合の所定のピント移動補正光学系を可能とし、面倒れ補正についても副走査方向に結像関係を持たせることによって良好なる補正機能を得た上で、従来の技術的な問題点である副走査方向における像面湾曲を良好に補正している。

0033

図2においてトーリックレンズ8は前述の如く副走査断面の曲率が両レンズ面とも長手方向の位置によって異なる非球面形状より形成している。このようなレンズ構成をとることによって温度変動等によるプラスチック材の屈折率変化によって生じるピント移動を全画角において良好に補正することができ、更には副走査方向の像面湾曲も全画角において良好に補正することができる。

0034

図3図4図5は本発明の実施例1による光走査範囲における被走査面上での像面湾曲(母線方向子線方向)とfθ特性を示す説明図である。図3図4図5に示すように全画角範囲にわたり像面湾曲とfθ特性とが良好に補正されていることが分かる。

0035

図6は本発明の実施例2の光学系の要部平面図(主走査断面図)、図7図6の主走査断面において垂直な要部断面図(副走査断面図)である。図6図7において図1図2に示した要素と同一要素には同符番を付している。

0036

本実施例において前述の実施例1と異なる点はプラスチック材より成る第1レンズとしてのトーリックレンズ16とガラス材より成る第2レンズとしてのアナモフィックレンズ17とを貼り合わせて結像手段(fθレンズ系)20を構成したことである。その他の構成及び光学的作用は前述の実施例1と略同様であり、これにより同様な効果を得ている。

0037

次に本発明に係る結像手段の数値実施例を示す。数値実施例1,2は順に本発明の実施例1,2の光偏向器5以降の数値例である。

0038

各数値実施例においてトーリックレンズ6(16)の主走査断面における曲率半径をR1 ,R2 、副走査断面における曲率半径をR1 ´,R2 ´、アナモフィックレンズ7(17)の主走査断面における曲率半径をR3 ,R4 、副走査断面における曲率半径をR3 ´,R4 ´、トーリックレンズ8(18)の主走査断面にあける曲率半径をR5 ,R6 、副走査断面における曲率半径をR5 ´,R6 ´、各レンズ面間の距離をD1 〜D6 で示している。

0039

又、トーリックレンズ6(16)、アナモフィックレンズ7(17)そしてトーリックレンズ8(18)の波長675nmでの屈折率はそれぞれ順にN1 ,N2 ,N3 で表わしている。又B〜E´は以下に示す主走査断面(x−y平面)上でのレンズ面の高さyと距離xとの関係式
x=y2 /R・[1+{1−(1+A)(y/R)2 }1/2 ]
+By4 +Cy6 +Dy8 +Ey10
但し、y≧0
x=y2 /R・[1+{1−(1+A´)(y/R)2 }1/2 ]
+B´y4 +C´y6 +D´y8 +E´y10
但し、y<0
の各次数非球面係数を示す。

0040

又、F〜J´は以下に示す副走査断面(z−x平面)上でのレンズ面の高さzと距離xとの関係式
x=z2 /r´・[1+{1−(z/r´)2 }1/2 ]
但し、r´=r(1+Fy2 +Gy4 +Hy6 +Iy8 +Jy10)
y≧0
x=z2 /r″・[1+{1−(z/r″)2 }1/2 ]
但し、r″=r(1+Ky2 +Ly4 +My6 +Ny8 +Oy10)
y<0
x=z2 /r´・[1+{1−(z/r´)2 }1/2 ]
但し、r´=r(1+F´y2 +G´y4 +H´y6 +I´y8
+J´y10)
y<0
の各次数の非球面係数を示す。
(数値実施例1)
ID=000003HE=180 WI=080 LX=0200 LY=0900
(数値実施例2)
全系焦点距離289.95863mm
最大走査角58.7 °
偏向点〜R1面 114.11643m
R1 =-4758.52177 D1 = 5.02325
R1′= 325.712 N1 = 1.521794
R2 = ∞ D2 = 0
R2′= 78.9682
R3 = ∞ D3 = 13.0
R3′= 78.9682 N2 = 1.794120
R4 = -231.48811 D4 = 15.44653
R4′= -231.48811
R5 = -379.28217 D5 = 7.35477
N3 = 1.521794
A = -4.91482 A′= -4.9147
B = -1.8787 ×10-7 B′= -2.09636×10-7
C = -1.6126 ×10-12 C′= -1.51178×10-12
D = 2.50334×10-16 D′= 2.62072×10-16
E = -1.42657×10-20 E′= -1.42324×10-20
R5′= -35.1505
F = -1.61081×10-4 F′= -1.61081×10-4
G = 2.36121×10-9 G′= 2.36121×10-9
H = 4.33629×10-12 H′= 4.33629×10-12
I = -5.68848×10-16 I′= -5.68848×10-16
J = 1.77513×10-20 J′= 1.77513×10-20
R6 = -342.86243 D6 =273.25286
A = 1.43683×10-2 A′= -1.76643×10-1
B = -1.63874×10-7 B′= -1.84448×10-7
C = -1.12888×10-13 C′= -1.03790×10-12
D = 1.70574×10-16 D′= 1.75243×10-16
E = -9.15291×10-21 E′= -8.99533×10-21
R6′= -29.8111
F = -9.95777×10-5 F′= -9.70374×10-5
G = -7.08586×10-9 G′= -9.04536×10-9
H = 4.38120×10-12 H′= 5.01149×10-12
I = -4.92627×10-16 I′= -5.90680×10-16
J = 1.66051×10-20 J′= 2.26248×10-20

発明の効果

0041

本発明によれば前述の如く結像手段を副走査断面における屈折力がそれぞれ負の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第1レンズと、正の屈折力を有するガラス材料で形成された第2レンズと、正の屈折力を有するプラスチック材料で形成された第3レンズとの3枚のレンズで構成し、かつ副走査断面における少なくとも1つのレンズ面が長手方向の位置によって曲率が異なる非球面形状より形成することにより、全画角にわたって像面湾曲等の収差を良好に補正することができ、更に収差補正上良好なる光学性能が得られるコンパクトな光走査光学系を達成することができる。

0042

又本発明によれば結像手段を構成する3つのレンズのうち2つのレンズをプラスチック材料で形成することにより低価格化も同時に達成することができる。

図面の簡単な説明

0043

図1本発明の実施例1の要部平面図(主走査断面図)
図2図1の主走査断面に垂直な要部断面図(副走査断面図)
図3本発明の実施例1の像面湾曲(母線)を説明する収差図
図4本発明の実施例1の像面湾曲(子線)を説明する収差図
図5本発明の実施例1のf−θ特性を説明する収差図
図6本発明の実施例2の要部平面図(主走査断面図)
図7図6の主走査断面に垂直な要部断面図(副走査断面図)

--

0044

1光源手段
2コリメータレンズ
3開口絞り
4シリンドリカルレンズ
5偏向手段
6,16 第1プラスチックレンズ
7,17ガラスレンズ
8,18 第2プラスチックレンズ
9 被走査面(感光ドラム)
10,20結像手段

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