光走査装置

【課題】オーバーフィルド光学系を用いて、被走査面での集光位置の安定化と面倒れ補正を両立できる光走査装置を得る。
【解決手段】光源11と、複数の平面の反射面を有する偏光器14と、光源11と偏向器14との間の光路中に配置されたコリメータレンズ12及び自由曲面レンズ13と、偏向器14と感光体10との間の光路中に配置され、画像範囲中の各偏向角において偏向器14の反射面と感光体10とが副走査方向について共役となるように構成された走査レンズ1,2と、を備えた光走査装置。レンズ13から偏向器14に向かう光束は、偏向器14の走査方向に関して、光束幅が偏向器14の反射面より広く、走査幅の端部に相当する偏向角におけるレンズ13の光束通過範囲と、走査幅の中央に相当する偏向角におけるレンズ13の光束通過範囲とでは、偏向器14に向かう光束の波面の光束範囲内での平均的な曲率が、副走査方向zについて、走査幅の端部に相当する偏向角のほうが小さい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置、特に、感光体に光を照射して静電潜像を形成する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光走査装置としては、例えば、特許文献１に記載されているように、走査効率のよいオーバーフィルド光学系を用いて、走査光学系の収差を光源光学系の収差で打ち消すことにより、光走査装置の小型化を達成する技術が提案されている。
【０００３】
しかしながら、オーバーフィルド光学系を用いると、ポリゴンミラーの回転に伴う反射面の移動に基づいて、光源光学系によってポリゴンミラーの近傍で光束が集光する位置が、画角によっては反射面からずれる。それゆえ、反射面と被走査面（感光体面）を共役に保てば集光位置が被走査面からずれ、逆に、被走査面で集光することを優先すると、共役関係が崩れて面倒れ補正が不完全になるという問題点を有していた。特に、装置を小型化した際には、副走査倍率が高くなって面倒れ補正と副走査像面補正とが両立しなくなるという問題点を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０８９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、オーバーフィルド光学系を用いて、被走査面での集光位置の安定化と面倒れ補正を両立できる光走査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態である光走査装置は、
光束を放射する光源と、
複数の平面の反射面を有する偏向器と、
前記光源と前記偏向器との間の光路中に配置された第１の光学系と、
前記偏向器と被走査面との間の光路中に配置され、画像範囲中の各偏向角において前記偏向器の反射面と前記被走査面とが副走査方向について共役となるように構成された第２の光学系と、
を備え、
前記第１の光学系から前記偏向器に向かう光束は、前記偏向器の走査方向に関して、光束幅が前記偏向器の各反射面より広く、
走査幅の端部に相当する偏向角における前記第１の光学系の光束通過範囲と、走査幅の中央に相当する偏向角における前記第１の光学系の光束通過範囲とでは、前記偏向器に向かう光束の波面の光束範囲内での平均的な曲率が、副走査方向について、走査幅の端部に相当する偏向角のほうが小さくなっていること、
を特徴とする光走査装置。
【０００７】
前記光走査装置において、第２の光学系は、偏向器の反射面が移動しても該反射面と被走査面と副走査方向の共役関係を保つ。そして、オーバーフィルド光学系を採用することで、偏向器の回転に伴って第１の光学系上の光束通過範囲が移行するようにし、また、偏向器の反射面近傍での副走査方向のフォーカス位置が変化することで、光束の走査時に発生する副走査方向の像面湾曲を補正する。即ち、各画角での共役関係を維持することによって発生するフォーカスずれを打ち消すように、第１の光学系の副走査方向の集光位置を変化させることにより、面倒れ補正を維持しつつ被走査面上での結像状態の変化を抑制することが可能である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、オーバーフィルド光学系を用いて、被走査面での集光位置の安定化と面倒れ補正を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明が適用される光走査装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】実施例１の光路構成を示し、（Ａ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内の光路図、（Ｂ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー前の光路図、（Ｃ）は画像中央に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー後の光路図、（Ｄ）は副走査断面内の光路図である。
【図３】実施例１においてポリゴンミラーでの反射光束を示し、（Ａ）は画像端部に相当する偏向角においてポリゴンミラーから反射される光束を示す説明図、（Ｂ）は画像中央に相当する偏向角においてポリゴンミラーから反射される光束を示す説明図である。
【図４】実施例１における光束内の波面の副走査方向の平均的な曲率を示すグラフである。
【図５】実施例１における像面湾曲を示すグラフである。
【図６】比較例１における像面湾曲を示すグラフである。
【図７】比較例２における像面湾曲を示すグラフである。
【図８】実施例１、比較例１，２におけるワッブル量を示すグラフである。
【図９】実施例１における副走査倍率を示すグラフである。
【図１０】実施例２の光路構成を示し、（Ａ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内の光路図、（Ｂ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー前の光路図、（Ｃ）は画像中央に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー後の光路図、（Ｄ）は副走査断面内の光路図である。
【図１１】実施例２における光束内の波面の副走査方向の平均的な曲率を示すグラフである。
【図１２】実施例２における像面湾曲を示すグラフである。
【図１３】実施例２におけるワッブル量を示すグラフである。
【図１４】実施例２における副走査倍率を示すグラフである。
【図１５】実施例３の光路構成を示し、（Ａ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内の光路図、（Ｂ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー前の光路図、（Ｃ）は画像中央に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー後の光路図、（Ｄ）は副走査断面内の光路図である。
【図１６】実施例３における光束内の波面の副走査方向の平均的な曲率を示すグラフである。
【図１７】実施例３における像面湾曲を示すグラフである。
【図１８】実施例３におけるワッブル量を示すグラフである。
【図１９】実施例３における副走査倍率を示すグラフである。
【図２０】実施例４の光路構成を示し、（Ａ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内の光路図、（Ｂ）は画像端部に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー前の光路図、（Ｃ）は画像中央に相当する偏向角における主走査断面内のポリゴンミラー後の光路図、（Ｄ）は副走査断面内の光路図である。
【図２１】実施例４における光束内の波面の副走査方向の平均的な曲率を示すグラフである。
【図２２】実施例４において光束内全体で計算したデフォーカス量を示すグラフである。
【図２３】実施例４において主光線近傍で計算したデフォーカス量を示すグラフである。
【図２４】実施例４におけるワッブル量を示すグラフである。
【図２５】実施例４における副走査倍率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る光走査装置の実施例について説明する。なお、各図において同じ部材、部分については共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
（光走査装置の基本的構成、図１参照）
まず、本発明が適用される光走査装置の概略構成について図１を参照して説明する。この光走査装置は、概略、光源であるレーザダイオード１１、コリメータレンズ１２、自由曲面レンズ１３、複数の平面の反射面を有するポリゴンミラー１４、走査レンズ１，２とで構成されている。レーザダイオード１１から放射されたレーザ光束は、コリメータレンズ１２によって平行光とされた後、自由曲面レンズ１３を透過することで副走査方向ｚについて収束光とされ、ポリゴンミラー１４の各反射面によって主走査方向ｙに偏向され、走査レンズ１，２を経て感光体１０上に集光する。このように、光束による主走査と感光体１０の回転（副走査）によって感光体１０上に画像を描画する基本的な動作は周知である。
【００１２】
（実施例１、図２〜図９参照）
実施例１である光走査装置は、図２に示すように、レーザダイオード１１、コリメータレンズ１２、自由曲面レンズ１３、ポリゴンミラー１４、走査レンズ１，２が配置されている。ポリゴンミラー１４の反射面に入射する光束Ｂ１は、ポリゴンミラー１４の各反射面１４ａよりも主走査方向ｙの幅が広く（図３参照）、反射面１４ａによって光束規制されているが、図２では、光束規制後の幅で上流側まで描かれている。図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを比較すると分かるように、描画に使用される光束Ｂ２が自由曲面レンズ１３を通過する範囲が偏向角の変化につれて移動している。
【００１３】
図３（Ａ），（Ｂ）では、描画に使用されない光束Ｂ３をも含めて、ポリゴンミラー１４によって反射される光束Ｂ２を示している。ポリゴンミラー１４への入射光束Ｂ１は点線で示している。図３（Ａ）は画像端部に相当する偏向角での描画光束Ｂ２を示し、図３（Ｂ）は画像中央に相当する偏向角での描画光束Ｂ２を示している。描画に使用されない光束Ｂ３は感光体１０に到達しないように図示しない遮光部材によって遮光されている。
【００１４】
以下に示す表１、表２及び表３は、実施例１を数値的に示すコンストラクションデータである。
【００１５】
【表１】

【００１６】
【表２】

【００１７】
【表３】

【００１８】
コリメータレンズ１２はガラス製の軸対称非球面レンズである。自由曲面レンズ１３は、樹脂製の非軸対称レンズであり、光源側の面は自由曲面とされている。走査レンズ１，２は、それぞれ、樹脂製レンズであり、自由曲面を有している。光束の波長は７８０ｎｍで、その波長に対するガラス（レンズ１３）の屈折率は１．５６４、樹脂（レンズ１３，１，２）の屈折率は１．５７２である。なお、表１においては、ポリゴンミラー１４の座標は偏向角０°で描画光束Ｂ２を反射する反射面について示している。実施例１でのポリゴンミラー１４は、内接円径２０ｍｍの１２角形である。
【００１９】
ところで、自由曲面の面形状は、次式（１）によって表現される。
【００２０】
【数１】

【００２１】
また、軸対称非球面の面形状は、次式（２）によって表現される。
【数２】

【００２２】
表に示されていない係数は、全て０である。
【００２３】
実施例１における自由曲面は、ｙは偶数の次数しか使用しておらず、ｙ方向について対称な形状となっている。光源側の自由曲面レンズ１３は、ｚ方向について２次しか使用しておらず、ｚ＝０では直線になっている。また、ｘｚ断面内形状は放物線であり、ｙの値によってその放物線の曲がり具合が変化するような面となっている。
【００２４】
自由曲面レンズ１３に入射する光束は平行光であるが、レンズ１３からの射出光は主走査方向ｙについては平行光、副走査方向ｚについては収束光となっている。また、副走査方向ｚの集光位置は光束内の位置によって異なっている。図４は、自由曲面レンズ１３から射出された直後の光束内の波面の平均的な曲率を、副走査方向ｚについて計算した結果である。偏向角が大きくなるに従って曲率が小さくなっている。
【００２５】
図５は、感光体１０上でのデフォーカス量を計算したもので、像面湾曲を示している。
【００２６】
図６は、比較例１についてデフォーカス量を計算したものである。比較例１は、実施例１の自由曲面レンズ１３をシリンドリカルレンズに置き換えたものである。比較例１では、オーバーフィルド光学系で偏向角によって光源側光学系での光束通過範囲が移動しても、ポリゴンミラー１４の近傍での副走査方向ｚの集光位置は一定で変化しない。
【００２７】
図７は、比較例２についてデフォーカス量を計算したものである。比較例２は、比較例１の走査レンズを変更して像面湾曲を補正したものであり、本発明に対しては従来例といえるものである。
【００２８】
図８は、前記実施例１、比較例１，２におけるワッブル量を示している。ここでのワッブル量とは、ポリゴンミラー１４の反射面が僅かに傾いたときに、評価面（被走査面）上で光束がずれる量をいう。ここで与えている反射面の傾きは１分である。
【００２９】
ポリゴンミラー１４は複数の反射面１４ａを有するため、それらが相対的に傾いていると、それぞれの反射面に応じて反射光束の角度が差を持つことになる。ポリゴンミラー１４が回転して繰り返し走査（描画）を行うと、反射面ごとの角度差が画像の周期的なムラになる。それゆえ、通常は、比較例２のように、シリンドリカルレンズを用いて反射面１４ａの近傍で副走査方向ｚのみに集光させ、走査レンズによって感光体１０上で再び集光させるようにして、各反射面１４ａと感光体１０を略共役の関係を保ってワッブル量を小さくしている。
【００３０】
ところが、反射面１４ａはポリゴンミラー１４の回転に伴って移動するが、シリンドリカルレンズによって集光する位置は移動しないので、ある偏向角において共役な関係に設定すると、他の偏向角においては感光体１０上での集光位置にずれを生じることになる。比較例２では、偏向角０°で共役に設定されており、ワッブル量はほぼ０となっている。しかし、偏向角が大きくなるとともにワッブル量が増大し、画像周辺部では約１μｍのワッブルが生じることになる。偏向角が０°以外でも、ある特定の偏向角について共役関係に設定することは可能であるが、それ以外の偏向角ではやはりワッブルが生じることになる。
【００３１】
比較例１は、各偏向角で共役な関係が維持されるように走査レンズを構成しており、ワッブル量は比較例２と比べて小さい状態が維持されている。しかし、比較例１は光源側の光学系が従来技術のままであるため、図６に示したように、副走査方向ｚについてデフォーカスが生じており、結像状態の均一性が低くなっている。このときのデフォーカス量は、副走査方向ｚの集光点と反射面１４ａの主光線上での距離に、副走査倍率の２乗を掛けたものとなる。比較例１では、ポリゴンミラー１４に入射する光束が主走査方向ｙに関して、画像中央の方向であり、偏向角が０°のとき反射面１４ａ上で集光するようになっており、主光線に沿った方向で見た副走査方向ｚのデフォーカス量ｄは、以下の式（３）で表すことができる。
【００３２】
【数３】

【００３３】
前記式（３）において、βは副走査倍率、ｒはポリゴンミラーの内接円半径、θは偏向角、αはポリゴンミラーへの入射光束の副走査方向ｚの傾きである。なお、比較例１においてαは５°である。
【００３４】
通常は、比較例２のように、共役関係のほうを外してデフォーカスを抑える。その場合は、前記式におけるデフォーカス量は反射面１４ａと共役な点の感光体からのずれ量に相当する。
【００３５】
走査レンズ１，２をポリゴンミラー１４に近付けた場合、レンズ１，２が短くなり、また、光走査装置が全体的にコンパクトにできる一方で、副走査倍率の絶対値が大きくなる。従来技術では、副走査倍率の絶対値を大きくすると、共役関係のずれが大きくなってワッブルが大きくなり、画質が悪化するというトレードオフが生じていた。しかし、実施例１では副走査倍率の絶対値を大きくしてもワッブルが悪化しないようにできるため、副走査倍率の絶対値が大きいときに、より効果的である。実施例１での副走査倍率の絶対値を図９に示している。
【００３６】
（実施例２、図１０〜図１４参照）
実施例２である光走査装置は、図１０に示すように、基本的には前記実施例１と同様に、概略、光源であるレーザダイオード１１、コリメータレンズ１２、自由曲面レンズ１３、複数の平面の反射面を有するポリゴンミラー１４、走査レンズ１，２とで構成されている。実施例２において、実施例１と異なるのは、走査レンズ１，２がポリゴンミラー１４から若干離れている点である。そして、本実施例２での作用効果は実施例１と基本的に同様である。
【００３７】
以下に示す表４、表５及び表６は、実施例２を数値的に示すコンストラクションデータである。位置関係は実施例１と異なるが、面の種類、配置順序、使用波長、ガラス及び樹脂の種類、ポリゴンミラー１４の面数及びサイズは、いずれも実施例１と同じである。
【００３８】
【表４】

【００３９】
【表５】

【００４０】
【表６】

【００４１】
図１１は、実施例２において、自由曲面レンズ１３から射出された直後の光束内の波面の平均的な曲率を、副走査方向ｚについて計算した結果である。偏向角が大きくなるに従って曲率が小さくなっている。
【００４２】
図１２は、実施例２において、感光体１０上でのデフォーカス量を計算したもので、像面湾曲を示している。図１３は、実施例２におけるワッブル量を示している。そして、実施例２での副走査倍率の絶対値を図１４に示している。実施例２では、実施例１よりも走査レンズ１，２がポリゴンミラー１４から離れているので、その分、副走査倍率の絶対値は小さめになっている。
【００４３】
（実施例３、図１５〜図１９参照）
実施例３である光走査装置は、図１５に示すように、基本的には前記実施例１と同様に、概略、光源であるレーザダイオード１１、コリメータレンズ１２、自由曲面レンズ１３、複数の平面の反射面を有するポリゴンミラー１４、走査レンズ１，２とで構成されている。実施例３において、実施例１と異なるのは、走査レンズ１，２がポリゴンミラー１４に若干近付いている点である。そして、本実施例３での作用効果は実施例１と基本的に同様である。
【００４４】
以下に示す表７、表８及び表９は、実施例３を数値的に示すコンストラクションデータである。位置関係は実施例１と異なるが、面の種類、配置順序、使用波長、ガラス及び樹脂の種類、ポリゴンミラー１４の面数及びサイズは、いずれも実施例１と同じである。
【００４５】
【表７】

【００４６】
【表８】

【００４７】
【表９】

【００４８】
図１６は、実施例３において、自由曲面レンズ１３から射出された直後の光束内の波面の平均的な曲率を、副走査方向ｚについて計算した結果である。偏向角が大きくなるに従って曲率が小さくなっている。
【００４９】
図１７は、実施例３において、感光体１０上でのデフォーカス量を計算したもので、像面湾曲を示している。図１８は、実施例３におけるワッブル量を示している。そして、実施例３での副走査倍率の絶対値を図１９に示している。実施例３では、実施例１よりも走査レンズ１，２がポリゴンミラー１４に近づいているので、その分、副走査倍率の絶対値は大きめになっている。
【００５０】
（実施例４、図２０〜図２５参照）
実施例４である光走査装置は、図２０に示すように、基本的には前記実施例１と同様に、概略、光源であるレーザダイオード１１、コリメータレンズ１２、自由曲面レンズ１３、複数の平面の反射面を有するポリゴンミラー１４、走査レンズ２とで構成されている。実施例４において、実施例１と異なるのは、一つの走査レンズ２のみを配置した点である。そして、本実施例４での作用効果は実施例１と基本的に同様である。
【００５１】
以下に示す表１０、表１１及び表１２は、実施例４を数値的に示すコンストラクションデータである。実施例４において、光源側の自由曲面レンズ１３はＺ０次の項が０ではなく、主走査方向ｙに曲率を持っている。その一方で、ポリゴンミラー１４後の自由曲面レンズ（走査レンズ２）はＺ０次の項が０であり、ｚ＝０の断面内では主走査方向ｙに曲率を持たない。即ち、実施例４では、主走査方向ｙについて、光源側の自由曲面レンズ１３で光束を収束光とし、感光体１０上で集光するようにしており、ポリゴンミラー１４後の自由曲面レンズ（走査レンズ２）は主走査方向ｙについて集光する作用を持っていない。また、使用波長、ガラスの種類は実施例１と同じである。樹脂は使用波長における屈折率が１．５２５であり、ポリゴンミラー１４は内接円径１０ｍｍの１２角形である。
【００５２】
【表１０】

【００５３】
【表１１】

【００５４】
【表１２】

【００５５】
図２１は、実施例４において、自由曲面レンズ１３から射出された直後の光束内の波面の平均的な曲率を、副走査方向ｚについて計算した結果である。偏向角が大きくなるに従って曲率が小さくなっている。
【００５６】
図２２は、実施例４において、感光体１０上でのデフォーカス量を計算したもので、像面湾曲を示している。前記実施例１〜３では、十分に収差補正されているので、主光線近傍で見た集光位置と光束内全体でみた集光位置に差が生じていない。しかし、実施例４では、光源側の自由曲面レンズ１３で発生する収差によって集光位置をコントロールしている関係上、残存収差が大きめになっており、両者に差が生じている。そこで、実施例４について、主光線近傍で計算したデフォーカス量を図２３に示す。
【００５７】
図２４は、実施例４におけるワッブル量を示している。そして、実施例４での副走査倍率の絶対値を図２５に示している。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、画像形成装置に搭載される光走査装置に有用であり、特に、被走査面での集光位置の安定化と面倒れ補正を両立できる点で優れている。
【符号の説明】
【００５９】
１，２…走査レンズ
１０…感光体
１１…レーザダイオード（光源）
１２…コリメータレンズ
１３…自由曲面レンズ
１４…ポリゴンミラー
１４ａ…反射面

【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束を放射する光源と、
複数の平面の反射面を有する偏向器と、
前記光源と前記偏向器との間の光路中に配置された第１の光学系と、
前記偏向器と被走査面との間の光路中に配置され、画像範囲中の各偏向角において前記偏向器の反射面と前記被走査面とが副走査方向について共役となるように構成された第２の光学系と、
を備え、
前記第１の光学系から前記偏向器に向かう光束は、前記偏向器の走査方向に関して、光束幅が前記偏向器の各反射面より広く、
走査幅の端部に相当する偏向角における前記第１の光学系の光束通過範囲と、走査幅の中央に相当する偏向角における前記第１の光学系の光束通過範囲とでは、前記偏向器に向かう光束の波面の光束範囲内での平均的な曲率が、副走査方向について、走査幅の端部に相当する偏向角のほうが小さくなっていること、
を特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記第２の光学系は主走査方向について屈折力を有していないこと、を特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第２の光学系は、主走査方向について、前記偏向器によって等角速度で偏向された光束を、被走査面上で等速に走査するように屈折させる特性を有していること、を特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第２の光学系は、副走査方向について、前記偏向器の各反射面と被走査面との間の、副走査方向に関する結像倍率の絶対値が２．５倍以上であること、を特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の光走査装置。

【図１】