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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 1998年1月9日 (22年10ヶ月経過) 出願番号 1998-015004
公開日 1999年7月30日 (21年3ヶ月経過) 公開番号 1999-202233
状態 特許登録済
技術分野 レーザービームプリンタ 機械的光走査系
主要キーワード 肉厚変化量 成形パラメータ fθレンズ 外接円直径 度直線 肉厚変化 レンズ形 最大走査角
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図面 (8)

課題

成形の安定性を確保し、歩留まりの改善による低コストの達成と応力緩和により複屈折の発生を抑制し、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から出射した光ビーム偏向手段5に導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビームを走査レンズ系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主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定としたこと。

概要

背景

従来より光源手段から光変調され出射した光束を、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5、図6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から光変調され出射した光束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出射する。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

成形の安定性を確保し、歩留まりの改善による低コストの達成と応力緩和により複屈折の発生を抑制し、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から出射した光ビーム偏向手段5に導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビームを走査レンズ系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主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定としたこと。

目的

効果

実績

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請求項1

光源手段から出射した光ビーム偏向手段導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビーム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主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定としたことを特徴とするレーザー走査光学系。

請求項2

光源手段から出射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れた光ビーム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主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定とし、該偏向手段の偏向点から該被走査面までの距離を該走査レンズ系の焦点距離に対して1.34倍以下で、かつ1.2倍以上に設定したことを特徴とするレーザー走査光学系。

請求項3

前記トーリックレンズの主走査断面内における光軸方向の肉厚の変化量は軸上における中心肉厚を基準としたとき、走査領域内において20%以下であることを特徴とする請求項1又は2のレーザー走査光学系。

請求項4

前記球面レンズは正の屈折力を有することを特徴とする請求項1又は2のレーザー走査光学系。

請求項5

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又は2のレーザー走査光学系。

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光変調され出射した光束(光ビーム)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レンズ系)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光変調され出射した光束を、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5図6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から光変調され出射した光束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出射する。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=−135.80 D2=5
R3=−1334.558 D3=7.5
N2=1.52179
R4=−347.830 D4=177.980
偏向点位置から像面までの距離 269.14mm
非球面係数を表−3に示す。

0006

ID=000003HE=075 WI=153 LX=0285 LY=0450
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。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−3において各次数の非球面係数k、Bn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=098 LX=0560 LY=1500
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

ところでこのようなプラスチック材料より成る長尺のトーリックレンズの製造には射出成形を用いるのが一般的である。射出成形する場合の成形条件には大きく分けて温度、圧力、冷却時間等のパラメーターがあり、これらパラメーターを最適化に設定して複屈折が小さく、そして成形再現性が最も安定する成形条件を決定する。

0011

しかしながら射出成形においては、そもそも設定値レンズ形状がその光学性能に大きな影響を及ぼす。即ち、レンズの光軸方向の肉厚が長尺方向(長手方向)で変化する場合、
(1) 長尺方向の端部のゲート(入口)から樹脂注入したときの流れが不安定になり、樹脂が均一な状態にならず、成形パラメーターが一様に作用しない。このためレンズの長手方向においてパラメーターの最適条件が僅かに異なり、一様な光学性能を満足させる各パラメーターの冗長性が減り制御性歩留まりが向上しない。ひいては光学性能を劣化させる原因となる。

0012

(2) また肉厚変化が大きいと冷却過程において応力が一部に集中し、複屈折を発生させる原因になる。

0013

(3) さらに中心肉厚が厚くなると樹脂の配向軸を揃えるのが困難になり複屈折が大きくなる。そのため従来ではゲート部(端部)の肉厚を確保するために中心肉厚を大きくせざるを得なかった。

0014

(4)複屈折の発生したレンズでは被走査面上の結像スポットが大きくなるため、例えばこのような状態で画像形成装置に用いると微細画像形成ができず画質を劣化させる原因となる。

0015

図7(A),(B)は各々図5図6に示した従来のトーリックレンズ107において、レンズ高さyと肉厚との関係を示した説明図である。同図に示したように中心肉厚7.5mmに対して最軸外(レンズ高さ70mm)では肉厚が3.3mmと成っており、約55.6%も厚さが変化している。

0016

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主走査断面内における光軸方向の肉厚(母線間隔)が略一定となるように形成することにより、射出成形に最適なレンズ形状によって成形レンズの光学性能を改善させることができるレーザー走査光学系の提供にある。

0017

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、画質の劣化を改善し、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

0018

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ビームを偏向手段導光し、該偏向手段で偏向反射された光ビーム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主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定としたことを特徴としている。

0019

(2)光源手段から出射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れた光ビーム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主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定とし、該偏向手段の偏向点から該被走査面までの距離を該走査レンズ系の焦点距離に対して1.34倍以下で、かつ1.2倍以上に設定したことを特徴としている。

0020

特に(1-1) 上記(1),(2) において前記トーリックレンズの主走査断面内における光軸方向の肉厚の変化量は軸上における中心肉厚を基準としたとき、走査領域内において20%以下であることや、(1-2) 上記(1),(2) において前記球面レンズは正の屈折力を有することや、(1-3) 上記(1),(2) において前記球面レンズはガラス材料で形成されていること、等を特徴としている。

0021

本発明の画像形成装置は、
(3) 上記(1),(2),(1-1).(1-2).(1-3) のいずれか1項記載のレーザー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

0022

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。

0023

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(光ビーム)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。

0024

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。

0025

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。

0026

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。本実施形態ではトーリックレンズ7の主走査断面内における光軸方向の肉厚が走査領域内で略一定となるように形成している。

0027

尚、本明細書において略一定とはトーリックレンズ7の主走査断面内における光軸方向の肉厚の変化量が軸上(レンズ高さ0mm )における中心肉厚を基準としたとき、走査領域内において20%以下のことを意味し、また光軸方向の肉厚とは光軸方向の母線間隔のことを意味する。

0028

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。

0029

9は窓ガラスであり、高速回転する光偏向器(回転多面鏡)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。

0030

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出射する。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。そして光偏向器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、該光偏向器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。

0031

次に本実施形態の具体的な数値例1を以下に示す。

0032

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(BSL7)
R2=−201.12 D2=8
R3=−1373.39 D3=9.4
N2=1.526878
R4=−523.255 D4=257.45
偏向点位置から像面までの距離 360.785mm
非球面係数を表−1に示す。

0033

ID=000005HE=085 WI=155 LX=0275 LY=1400
数値例1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。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。

0034

表−1において各次数の非球面係数k、Bn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

0035

ID=000006HE=030 WI=098 LX=0560 LY=0300
で表わされる。

0036

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内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。

0037

本実施形態では光偏向器5の偏向点位置から被走査面8までの距離Lを走査レンズ系11の近軸焦点距離faに対して1.34倍(L/fa=360.785mm/270mm)に設定しており、これは従来1.43倍(L/fa=269.14mm/188mm )に比して小さな比率にしている。本実施形態ではこの比率(L/fa)を適切に設定し、またトーリックレンズ7の主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定とすることにより、球面レンズ6とトーリックレンズ7との近軸合成焦点距離規格化したときに走査レンズ系11のレンズ全長を短くして装置全体の小型化を図っている。

0038

尚、本実施形態においては上記の比率(L/fa)=1.34に設定したが、これに限定されることはなく、例えば該比率を1.34以下で、かつ1.2以上であれば本発明は前述の実施形態1と同様に適用することができる。

0039

図2(A),(B)は各々本実施形態のトーリックレンズ7において、レンズ高さyと肉厚との関係を示した説明図である。本実施形態では同図に示したように中心肉厚9.4mmに対し最軸外(レンズ高さ60mm)でも8.12mmあるので、その変化量は高々1.3mm、中心肉厚の13.8%に過ぎない。

0040

このように本実施形態では上述の如くトーリックレンズ7の光軸方向の肉厚を略一定となるように形成することにより、成形の安定性を確保し、歩留まりの改善による低コストの達成と応力緩和により複屈折の発生を抑制している。

0041

また本実施形態では上述の如くこのレーザー走査光学系をLBP等の画像形成装置に適用することによって画質の劣化を改善することができ、これ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。

0042

図3は本発明の実施形態2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。

0043

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より更に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。

0044

即ち、同図において31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36と、該球面レンズ36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37とを有している。

0045

本実施形態ではこの球面レンズ36とトーリックレンズ37の主走査断面内における光軸方向の肉厚(母線間隔)を前述の実施形態1より更に薄型化にすると共に、該トーリックレンズ37の主走査断面内における光軸方向の肉厚を実施形態1と同様に走査領域内で略一定となるように形成している。

0046

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ーを用いて以下に示す。尚、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°であり、前述の数値例1と同様である。

0047

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(BSL7)
R2=−201.12 D2=8
R3=−1373.39 D3=9.4
N2=1.526878
R4=−523.255 D4=257.45
偏向点位置から像面までの距離 360.785mm
非球面係数を表−2に示す。

0048

ID=000007HE=090 WI=153 LX=0285 LY=0550
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。

0049

本実施形態では光偏向器5の偏向点位置から被走査面8までの距離Lを走査レンズ系11の近軸焦点距離faに対して前述の実施形態1と同様に1.34倍(L/fa=360.785mm/270mm)に設定しており、これは従来1.43倍(L/fa=269.14mm/188mm )に比して小さな比率にしている。本実施形態ではこの比率(L/fa)を適切に設定し、またトーリックレンズ37の主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定とすることにより、球面レンズ36とトーリックレンズ37との近軸合成焦点距離で規格化したときに走査レンズ系31のレンズ全長を短くして装置全体の小型化を図っている。

0050

図4(A),(B)は各々本実施形態のトーリックレンズ37において、レンズ高さyと肉厚との関係を示した説明図である。本実施形態では同図に示したように中心肉厚7.5mmに対しレンズ高さ60mmでも6.8mmあるので、その変化量は高々0.7mm、中心肉厚の9.3%に過ぎない。

0051

特に本実施形態では肉厚変化量が実施形態1に比して更に小さいために中心肉厚を薄くしてもコバ厚を十分確保することができ、これにより複屈折対策に有効なレンズ形状を得ることができる。

0052

このように本実施形態では上述の如くトーリックレンズ37の主走査断面内における光軸方向の肉厚を略一定となるように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37の更なる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

0053

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主走査断面内における光軸方向の肉厚(母線間隔)を略一定となるように形成することにより、成形の安定性を確保し、歩留まりの改善による低コストの達成と応力緩和により複屈折の発生を抑制し、良好なる結像スポットで被走査面上を走査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。

0054

第2の発明によれば前述の如く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、画質の劣化を改善し、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

0055

図1本発明の実施形態1の走査光学系の主走査断面図
図2本発明の実施形態1のレンズ高さと肉厚との関係を示す説明図
図3本発明の実施形態2の走査光学系の主走査断面図
図4本発明の実施形態2のレンズ高さと肉厚との関係を示す説明図
図5従来の走査光学系の主走査断面図
図6従来の走査光学系の副走査断面図
図7従来の走査光学系のレンズ高さと肉厚との関係を示す説明図

--

0056

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
4aプラスチックレンズ
4bガラスレンズ
5偏向手段(光偏光器
6,36球面レンズ
7,37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
11,31 走査レンズ系

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