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技術 レーザー走査光学系及びそれを用いた画像形成装置

出願人 キヤノン株式会社
発明者 山脇健
出願日 1997年10月17日 (23年1ヶ月経過) 出願番号 1997-303789
公開日 1999年4月30日 (21年6ヶ月経過) 公開番号 1999-119134
状態 特許登録済
技術分野 機械的光走査系
主要キーワード コーティング無し 全走査角 fθレンズ 外接円直径 度直線 フレネル反射率 レンズ形 全走査範囲
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重要な関連分野

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図面 (5)

課題

走査面上における走査線を略均一な光強度(エネルギー強度)で形成し、良好なる画像を形成することができるレーザー走査光学系及びそれを用いた画像形成装置を得ること。

解決手段

光源手段1から出射した光束を偏向手段5に導光し、該偏向手段で偏向反射された光束を走査レンズ系11により被走査面8上に導光し、該被走査面上を光走査するレーザー走査光学系において、該走査レンズ系は球面レンズ6と、主走査方向及び副走査方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズ7とを有し、該トーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面は主走査断面内で、該球面レンズを透過した光束に対してほぼ垂直な非球面形状より成ること。

概要

背景

従来より光源手段から出射した光束を、例えば回転多面鏡ポリゴンミラー)より成る光偏向器により周期的に偏向させ、走査レンズ系によって感光性の記録媒体感光ドラム)面上にスポット状に収束させ、その面上を光走査して画像記録を行なうレーザー走査光学系が、例えば特開平3-231218号公報で提案されている。図3、図4は各々同公報で提案されているレーザー走査光学系の主走査断面図及び副走査断面図である。

同図において半導体レーザーより成る光源手段101から出射した光束(レーザ光)はコリメーターレンズ102により略平行光束に変換され、絞り103によって該光束(光量)を制限して副走査断面内にのみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ104に入射している。シリンドリカルレンズ104に入射した略平行光束のうち主走査断面内においてはそのまま略平行光束の状態で射出する。また副走査断面内においては集束して回転多面鏡(ポリゴンミラー)から成る光偏向器105の偏向面105aにほぼ線像として結像している。そして光偏向器105の偏向面105aで偏向反射された光束は正の屈折力を有する球面レンズ106と、主走査方向及び副走査方向で共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズプラスチックトーリックレンズ)107とから成る走査レンズ系(fθレンズ系)111を介して被走査面としての感光ドラム面108上に集光され、該光偏向器105を矢印A方向に回転させることによって、該感光ドラム面108上を矢印B方向(主走査方向)に略等速度直線運動で光走査して画像情報の記録を行なっている。

次に上記のレーザー走査光学系の具体的な数値例を示す。

概要

被走査面上における走査線を略均一な光強度(エネルギー強度)で形成し、良好なる画像を形成することができるレーザー走査光学系及びそれを用いた画像形成装置を得ること。

光源手段1から出射した光束を偏向手段5に導光し、該偏向手段で偏向反射された光束を走査レンズ系11により被走査面8上に導光し、該被走査面上を光走査するレーザー走査光学系において、該走査レンズ系は球面レンズ6と、主走査方向及び副走査方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズ7とを有し、該トーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面は主走査断面内で、該球面レンズを透過した光束に対してほぼ垂直な非球面形状より成ること。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

光源手段から出射した光束を偏向手段導光し、該偏向手段で偏向反射された光束を走査レンズ系により被走査面上に導光し、該被走査面上を光走査するレーザー走査光学系において、該走査レンズ系は球面レンズと、主走査方向及び副走査方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズとを有し、該トーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面は主走査断面内で、該球面レンズを透過した光束に対してほぼ垂直な非球面形状より成ることを特徴とするレーザー走査光学系。

請求項2

前記トーリックレンズの非球面形状より成るレンズ面は、全走査範囲にわたって略一定のフレネル反射率特性を有することを特徴とする請求項1のレーザー走査光学系。

請求項3

前記球面レンズは正の屈折力を有していることを特徴とする請求項1のレーザー走査光学系。

請求項4

前記球面レンズはガラス材料で形成されていることを特徴とする請求項1のレーザー光走査光学系。

請求項5

前記トーリックレンズの非球面形状より成るレンズ面の全走査範囲にわたるフレネル反射率の変化量は10%以下であることを特徴とする請求項1又は2のレーザー光走査光学系。

請求項6

請求項1乃至5のいずれか1項記載のレーザー光走査光学系を用いて画像形成を行なうことを特徴とする画像形成装置

技術分野

0001

本発明はレーザー走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関し、特に半導体レーザーより成る光源手段から出射した光束(レーザ光)を回転多面鏡より成る光偏向器で偏向反射させた後、fθ特性を有する走査レンズ系fθレンズ)を介して被走査面上を光走査して画像情報を記録するようにした、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ(LBP)やデジタル複写機等の装置に好適なものである。

背景技術

0002

従来より光源手段から出射した光束を、例えば回転多面鏡(ポリゴンミラー)より成る光偏向器により周期的に偏向させ、走査レンズ系によって感光性の記録媒体感光ドラム)面上にスポット状に収束させ、その面上を光走査して画像記録を行なうレーザー走査光学系が、例えば特開平3-231218号公報で提案されている。図3図4は各々同公報で提案されているレーザー走査光学系の主走査断面図及び副走査断面図である。

0003

同図において半導体レーザーより成る光源手段101から出射した光束(レーザ光)はコリメーターレンズ102により略平行光束に変換され、絞り103によって該光束(光量)を制限して副走査断面内にのみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ104に入射している。シリンドリカルレンズ104に入射した略平行光束のうち主走査断面内においてはそのまま略平行光束の状態で射出する。また副走査断面内においては集束して回転多面鏡(ポリゴンミラー)から成る光偏向器105の偏向面105aにほぼ線像として結像している。そして光偏向器105の偏向面105aで偏向反射された光束は正の屈折力を有する球面レンズ106と、主走査方向及び副走査方向で共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズプラスチックトーリックレンズ)107とから成る走査レンズ系(fθレンズ系)111を介して被走査面としての感光ドラム面108上に集光され、該光偏向器105を矢印A方向に回転させることによって、該感光ドラム面108上を矢印B方向(主走査方向)に略等速度直線運動で光走査して画像情報の記録を行なっている。

0004

次に上記のレーザー走査光学系の具体的な数値例を示す。

0005

走査レンズ系の焦点距離188mm
最大走査角90.8°
ポリゴン中心〜R1面 73.93mm
R1= 988.25 D1=24
N1=1.51329
R2=−135.8 D2=5
R3m=−1334.558 D3=7.5
N2=1.52179
R3s=−42.984
R4m=−347.830 D4=177.980
R4s=−20.740
非球面係数を表−5に示す。

0006

ID=000003HE=205 WI=106 LX=0520 LY=0300
数値例においてRiは光偏向器側より順に第i番目レンズ面の近軸曲率半径、Diは光偏向器側より第i番目のレンズ厚及び空気間隔、Niは光偏向器側より順に第i番目のレンズの材質屈折率である。m、sは各々主走査方向および副走査方向を示す添字である。また光源波長は675nm、ポリゴンミラーは6面体外接円直径50mm、入射偏向角は60°である。

0007

表−5において各次数の非球面係数k、Bn、Dnはx−y平面上でレンズ面の高さyと距離xとの関係式表現される母線の関係式

0008

ID=000004HE=030 WI=088 LX=0610 LY=0300
およびレンズ高さの関数で表現される子線の関係式
子線:ru'=ru(1+D2uY2+D4uY4+D6uY6+D8uY8+D10uY10)
(但し、Y ≧ 0)
ru'=rL(1+D2LY2+D4LY4+D6LY6+D8LY8+D10LY10)
(但し、Y < 0)で表わされる。

0009

このように設定されたレーザー走査光学系において、主走査断面におけるトーリックレンズ107の焦点距離をf2a、走査レンズ系(球面レンズ106とトーリックレンズ107との合成)111の焦点距離をfaとしたとき、
0.1<fa/f2a<0.3 ‥‥‥‥(1)
なる条件式を満たすことが広画角化高性能化、小型化、プラスチックレンズの耐環境変動特性、そして価格の点で優れたレーザー走査光学系を実現することができる。上記従来のレーザー走査光学系はfa/f2a=0.21であり、これは上記の条件式(1)を満足させている。

発明が解決しようとする課題

0010

しかしながら上記のようにトーリックレンズのレンズ面に高次非球面を用いた場合、該トーリックレンズは製作上、またコスト的な理由から材質としてプラスチックを用いる必要がある。しかしながらプラスチック材を用いたプラスチックレンズは周知の如く熱(環境温度)に弱い(大きく特性が変化する)ことからコーティングが難しく、またコーティングによるコストアップガラスレンズのコーティングと比較して高いことから、コーティング無しでプラスチックレンズを成形していることが多い。

0011

一般に走査画角によってレンズ面への光束(光線)の入射角が変わるとフレネル反射率が変化し、レンズ透過率に差が生じる。例えば半導体レーザーからの光束(レーザ光)の偏光方向がp偏光、及びs偏光でレンズ(光学素子)に入射する場合の振幅反射率は、該光束が各レンズ面を屈折する前後の角度を各々θi、θoとしたとき次式で求められる。
p成分振幅反射率: Rp= tan(θi−θo)/tan(θi+θo)
‥‥‥(2)
s成分振幅反射率: Rs=−sin(θi−θo)/sin(θi+θo)
‥‥‥(3)
フレネル反射率はこれらの式(2),(3)を各々2乗して求められる。

0012

表−6(A),(B)に従来のコーティング無しのトーリックレンズのフレネル反射率及び軸上の反射率を1に正規化したときの各像高(被走査面108上での走査中心からの距離)、各画角でのフレネル反射率の変化量を示す。

0013

ID=000005HE=105 WI=157 LX=0265 LY=0300
表−6(A),(B)から分かるように画角の増加と共に入射面(第3面)側のフレネル反射率が変化し、従来では全走査範囲での変化量が最大で略15%に達している。これは感光ドラム面を走査するレーザスポットエネルギー強度差が生じ、走査領域の中央部と両端部とで走査線の太さ、濃度が変化して画像を劣化させる原因となる。

0014

このように従来のレーザー走査光学系においては走査画角によってレンズ面への光束(光線)の入射角が変わるとフレネル反射率が大きく変化し、レンズ透過率に差が生じ、この結果、良好なる画像を得ることが難しかった。

0015

本発明の第1の目的はプラスチック材料で形成されたトーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面を主走査断面内で球面レンズを透過した光束に対してほぼ垂直となる非球面形状とすることにより、反射率特性の変化による画像劣化を防止することができると共に被走査面を略均一な光強度(エネルギー強度)で照射することができるレーザー走査光学系の提供にある。

0016

本発明の第2の目的は上記のレーザー走査光学系を用いて画像形成を行なうことにより、走査線の太さ、濃度について良好なる画像を形成することができる画像形成装置の提供にある。

課題を解決するための手段

0017

本発明のレーザー走査光学系は、(1)光源手段から出射した光束を偏向手段導光し、該偏向手段で偏向反射された光束を走査レンズ系により被走査面上に導光し、該被走査面上を光走査するレーザー走査光学系において、該走査レンズ系は球面レンズと、主走査方向及び副走査方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズとを有し、該トーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面は主走査断面内で、該球面レンズを透過した光束に対してほぼ垂直な非球面形状より成ることを特徴としている。

0018

特に(1-1) 前記トーリックレンズの非球面形状より成るレンズ面は、全走査範囲にわたって略一定のフレネル反射率特性を有することや、(1-2) 前記球面レンズは正の屈折力を有していることや、(1-3) 前記球面レンズはガラス材料で形成されていることや、(1-4) 前記トーリックレンズの非球面形状より成るレンズ面の全走査範囲にわたるフレネル反射率の変化量は10%以下であること、等を特徴としている。

0019

本発明の画像形成装置は、(2) 上記(1),(1-1),(1-2),(1-3),(1-4) のいずれか1項記載のレーザー光走査光学系を用いて画像形成を行なうことを特徴としている。

発明を実施するための最良の形態

0020

図1は本発明の実施形態1のレーザー走査光学系をレーザービームプリンター(LBP)等の画像形成装置に適用したときの主走査方向の要部断面図(主走査断面図)である。

0021

図中、1は光源手段であり、例えば半導体レーザーより成っている。2はコリメーターレンズであり、光源手段1から出射された光束(レーザ光)を略平行光束に変換している。3は開口絞りアパーチャ)であり、通過光束(光量)を制限している。

0022

4はシリンドリカルレンズ部であり、プラスチックレンズ4aとガラスレンズ4bとの2枚のレンズより成っており、副走査断面内にのみ所定の屈折力を有しており、開口絞り3を通過した光束を副走査断面内で後述する光偏向器5の偏向面にほぼ線像として結像させている。シリンドリカルレンズ部4は後述するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズ7の環境変動によって生ずる副走査方向のピント変動を相殺している。尚、コリメーターレンズ2、開口絞り3、そしてシリンドリカルレンズ部4は各々入射光学手段の一要素を構成している。

0023

5は偏向手段としての光偏向器であり、例えば回転多面鏡(ポリゴンミラー)より成っており、モータ等の駆動手段(不図示)により矢印A方向に一定速度で回転している。

0024

11はfθ特性を有する走査レンズ系(fθレンズ系)であり、正の屈折力を有するガラス材料で形成された球面レンズ6と、該球面レンズ6の被走査面8側に配され主走査方向と副走査方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズ(プラスチックトーリックレンズ)7とを有している。尚、トーリックレンズ7にはコーティング膜が施されていない。

0025

本実施形態では後述する数値例に示すようにトーリックレンズ7の両レンズ面を主走査断面内で、球面レンズ6を透過した光束(光線)に対してほぼ垂直となる非球面形状より形成しており、該トーリックレンズ7を透過する光束が全走査角(全走査範囲)にわたって略一定のフレネル反射率特性を有するように形成している。

0026

尚、本明細書において略一定とは全走査範囲にわたるフレネル反射率の変化量が10%以下のことを意味する。

0027

走査レンズ系11は光偏向器5の偏向面によって偏向反射された画像情報に基づく光束を被走査面としての感光ドラム面8上に結像させ、かつ該光偏向器5の偏向面の面倒れ補正している。

0028

9は窓ガラスであり、高速回転する光偏向器(回転多面鏡)5を汚れから保護している。10は防塵ガラスであり、感光ドラム面8から拡散するトナーの汚れから光学系を保護している。

0029

本実施形態において半導体レーザー1より出射した光束はコリメーターレンズ2により略平行光束に変換され、開口絞り3によって該光束(光量)を制限してシリンドリカルレンズ部4に入射している。シリンドリカルレンズ部4に入射した光束のうち主走査断面内においてはそのまま略平行光束の状態で射出する。また副走査断面内においては収束して光偏向器5の偏向面にほぼ線像(主走査方向に長手の線像)として結像している。そして偏向器5の偏向面で偏向反射された光束は球面レンズ6とトーリックレンズ7とから成る走査レンズ系11を介して感光ドラム面8上に導光される。このとき主走査断面内においては球面レンズ6を透過後の各偏向反射された光束(光線)が、それぞれトーリックレンズ7のレンズ面に対し略垂直に入射し、正の屈折力を受けて感光ドラム面8上に結像している。そして光偏向器5を所定方向に回転させることによって、該感光ドラム面8上を図中矢印B方向(主走査方向)に略等速度直線運動で光走査している。これにより記録媒体としての感光ドラム面8上に画像記録を行なっている。

0030

次に本実施形態の具体的な数値例1を以下に示す。

0031

走査レンズ系の焦点距離270mm
最大走査角64.3°
ポリゴン中心〜R1面 93.08mm
R1= 999.73 D1=20
N1=1.51329
R2=−201.12 D2=8
R3m=−1673.39 D3=9.4
N2=1.526878
R3s=−66.472
R4m=−523.255 D4=257.45
R4s=−27.45
非球面係数を表−1に示す。

0032

ID=000006HE=205 WI=124 LX=0430 LY=0300
数値例においてRiは光偏向器側より順に第i番目のレンズ面の近軸曲率半径、Diは光偏向器側より第i番目のレンズ厚及び空気間隔、Niは光偏向器側より順に第i番目のレンズの材質の屈折率である。m、sは各々主走査方向および副走査方向を示す添字である。また光源波長は675nm、ポリゴンミラーは8面体で外接円直径65mm、入射偏向角は53°である。

0033

表−1において各次数の非球面係数k、Bn、Dnはx−y平面上でレンズ面の高さyと距離xとの関係式で表現される母線の関係式

0034

ID=000007HE=030 WI=088 LX=0610 LY=0300
およびレンズ高さの関数で表現される子線の関係式
子線:ru'=ru(1+D2uY2+D4uY4+D6uY6+D8uY8+D10uY10)
(但し、Y ≧ 0)
ru'=rL(1+D2LY2+D4LY4+D6LY6+D8LY8+D10LY10)
(但し、Y < 0)で表わされる。

0035

このように設定されたレーザー走査光学系において、前述の如く主走査断面におけるトーリックレンズ7の焦点距離をf2a、走査レンズ系(球面レンズ6とトーリックレンズ7との合成)11の焦点距離をfaとしたとき、
0.1<fa/f2a<0.3 ‥‥‥‥(1)
なる条件式を満たすことが広画角化、高性能化、小型化、プラスチックレンズの耐環境変動特性、そして価格の点で優れたレーザー走査光学系を実現することができる。本実施形態のレーザー走査光学系はfa/f2a=0.18であり、これは上記の条件式(1)を満足させている。

0036

表−2(A),(B)にトーリックレンズ7を透過する光束(光線)の角度、フレネル反射率、及び軸上の反射率を1に正規化したときの各像高(被走査面8上での走査中心からの距離)、各画角でのフレネル反射率の変化量を示す。

0037

ID=000008HE=105 WI=145 LX=0325 LY=1200
表−2(A),(B)から分かるように本実施形態のトーリックレンズ7の各レンズ面のフレネル反射率の変化量は全走査範囲において4%以下であり、これは前述した従来の反射率の変化量が14%を越える値に対して略1/3にまでに改善させている。

0038

このように本実施形態においては上述の如くプラスチックレンズより成るトーリックレンズ7を透過する光束が全走査角(全走査範囲)にわたって略一定のフレネル反射率特性をもつように、該トーリックレンズ7の両レンズ面のレンズ形状を適切に形成することにより、該トーリックレンズ7の透過率は走査角に依存せず、被走査面上を略均一な光強度で照射することができ、これにより良好なる画像を形成している。

0039

図2は本発明の実施形態2のレーザー走査光学系をレーザービームプリンタ(LBP)等の画像形成装置に適用したときの主走査方向の要部断面図(主走査断面図)である。同図において図1に示した要素と同一要素には同符番を付している。

0040

本実施形態において前述の実施形態1と異なる点は球面レンズ及びトーリックレンズの各々のレンズ形状を異ならせて形成し、特に球面レンズ及びトーリックレンズのレンズ厚さ(肉厚)を実施形態1より薄型化にして形成したことである。その他の構成及び光学的作用は前述の実施形態1と略同様であり、これにより同様な効果を得ている。

0041

即ち、同図において21はfθ特性を有する走査レンズ系であり、正の屈折力を有するガラス材料で形成された球面レンズ26と、該球面レンズ26の被走査面8側に配され主走査方向と副走査方向とで共に正の屈折力を有するプラスチック材料で形成されたトーリックレンズ27とを有している。

0042

本実施形態においては後述する数値例に示すように前述の実施形態1と同様にトーリックレンズ27の両レンズ面を主走査断面内で、球面レンズ26を透過した光束に対してほぼ垂直となる非球面形状より形成しており、該トーリックレンズ27を透過する光束が全走査角(全走査範囲)にわたって略一定のフレネル反射率特性を有するように形成している。

0043

本実施形態のトーリックレンズ27のレンズ形状によれば前述の実施形態1と同様に主走査断面において球面レンズ26を透過後の各偏向反射された光束(光線)が、それぞれ該トーリックレンズ27のレンズ面に対しほぼ垂直に入射し、正の屈折力を受けて感光ドラム面8上に結像する。

0044

次に本実施形態の具体的な数値例2を前述したパラメータを用いて以下に示す。

0045

走査レンズ系の焦点距離270mm
最大走査角64.3°
ポリゴン中心〜R1面 100.7mm
R1=1010.10 D1=13
N1=1.51329
R2=−188.84 D2=11.6
R3m=−1642.002 D3=7.5
N2=1.526878
R3s=−67.505
R4m=−623.068 D4=255.276
R4s=−28.151
非球面係数を表−3に示す。

0046

ID=000009HE=205 WI=108 LX=0510 LY=0300
本実施形態のレーザー走査光学系はfa/f2a=0.14であり、これは前述した条件式(1)を満足させている。

0047

表−4(A),(B)に本実施形態のトーリックレンズ27を透過する光束(光線)の角度、フレネル反射率、及び軸上の反射率を1に正規化したときの各像高(被走査面8上での走査中心からの距離)、各画角でのフレネル反射率の変化量を示す。

0048

ID=000010HE=105 WI=151 LX=0295 LY=0300
表−4(A),(B)から分かるように本実施形態のトーリックレンズ27の各レンズ面のフレネル反射率の変化量は全走査範囲において8%以下であり、これは前述した従来の反射率の変化量が14%を越える値に対して略1/2にまでに改善させている。

0049

このように本実施形態においては上述の如くプラスチックレンズより成るトーリックレンズ27を透過する光束が全走査角(全走査範囲)にわたって略一定のフレネル反射率特性をもつように、該トーリックレンズ27の両レンズ面のレンズ形状を適切に形成することにより、小型化、価格、耐環境変動特性で更に優れたものになると共に、該トーリックレンズ27の薄型化により複屈折の発生を抑制し、副走査方向の結像性能の改善を図っている。

発明の効果

0050

第1の発明によれば前述の如くプラスチック材料で形成されたトーリックレンズの少なくとも一方のレンズ面を主走査断面内で球面レンズを透過した光束に対してほぼ垂直となる非球面形状とすることにより、反射率特性の変化による画像劣化を防止することができると共に被走査面を略均一な光強度(エネルギー強度)で照射することができるレーザー走査光学系を達成することができる。

0051

第2の発明によれば前述の如く上記レーザー走査光学系を用いて画像形成を行なうことにより、走査線の太さ、濃度について良好なる画像を形成することができる画像形成装置を達成することができる。

図面の簡単な説明

0052

図1本発明の実施形態1の主走査断面図
図2本発明の実施形態2の主走査断面図
図3従来の走査光学系の主走査断面図
図4従来の走査光学系の副走査断面図

--

0053

1光源手段
2コリメーターレンズ
3開口絞り
4シリンドリカルレンズ部
4aプラスチックレンズ
4bガラスレンズ
5偏向手段(光偏向器)
6,26球面レンズ
7,27トーリックレンズ
8 被走査面(感光ドラム面)
9窓ガラス
10防塵ガラス
11,21走査レンズ系

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