JP4891146B2 - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、光束により被走査面を走査する光走査装置及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

近年、光プリンタ装置、デジタル複写機、及び光プロッタ等の画像形成装置には、高精細化（高画質化）、高速化、低価格化、及び温度変化に対する高安定化、が求められている。また、これらの画像形成装置は、光源からの光束により被走査面を走査する光走査装置を備えている。

画像形成装置の高精細化及び高速化については、複数の光束を用いる方法が実施されている。光束の複数化には主として、（１）複数の端面発光型半導体レーザ素子を組み合わせる方法、（２）複数の発光部が１つの基板上に形成された端面発光型半導体レーザアレイを用いる方法がある。しかしながら、（１）の方法では、素子が複数個搭載されるために、（ａ）光源装置が複雑になる、（ｂ）部品点数が増加する、（ｃ）調整が複雑になるといった不都合があった。また、（２）の方法では、複数の発光部間に波長のばらつきがあり、個別に調整できないという不都合があった。

ところで、最近、面発光型半導体レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、ＶＣＳＥＬ）を用いた光源が提案されている。この光源は、１つの基板上に数１０個の発光部を２次元的に形成することが容易である。なお、以下では、１つの基板上に複数の発光部が形成されている面発光型半導体レーザ素子を、便宜上「ＶＣＳＥＬアレイ」ともいう。

画像形成装置の低価格化の代表的な方法として、光走査装置に用いられる光学素子の樹脂化がある。例えば、各種レンズの素材を樹脂材料にすると、（１）軽量化が可能、（２）低コストな成形が可能、（３）特殊な形状の光学面（以下便宜上、「特殊面」ともいう）の形成が容易、というメリットがある。特に、特殊面を有する樹脂製レンズを採用すると、レンズの光学特性を向上させることができる。このような特殊面の１つとして、屈折面の形状を適切なピッチで折り返した形状を有する回折面がある。この回折面は、レンズに屈折面以上のパワーを付加することができるため、光走査装置の光学系を構成するレンズ枚数を低減させることが可能となる。

また、温度変化に対して高安定な画像形成装置を実現するために、光走査装置において、（Ａ）互いに逆のパワーをもつ複数枚のレンズを組み合わせて、温度変化による光学特性の劣化を補正する方法や、（Ｂ）回折面の負分散を用いて、温度変化による光学特性の劣化を補正する方法などが提案されている。特に、回折面を用いる方式は、樹脂材料の成形技術の高度化に伴い、少ない部品点数で、低価格で、温度変化に対して高安定な光走査装置を実現するのに有効な方式である。

例えば、特許文献１には、光源からの光束をカップリングする第１光学系と、この第１光学系からの光束を、主走査方向に長く略線状に集光する第２光学系と、上記略線状の集光部の近傍に偏向反射面を有し、該偏向反射面により光束を偏向する光偏向器により偏向される偏向光束を、被走査面に向けて集光し、上記被走査面上に光走査のための光スポットを形成する第３光学系とを有し、上記第３光学系は、１枚以上の樹脂製結像素子を有し、上記第２光学系は、１枚以上の樹脂製の結像素子と、１枚以上のガラス製の結像素子を有し、第２光学系の少なくとも１面は、主走査方向と副走査方向とで独立に形状を設定されたアナモフィック面で、且つ、副走査断面内において非円弧形状をなす副非円弧面であり、少なくとも１面の副非円弧面が、第２光学系の結像素子のうち、第１光学系側からの光束が副走査方向に最大の光束径をもって通過する結像素子に形成されていることを特徴とする走査結像光学系が開示されている。この走査結像光学系では、回折面を用いずに、偏向器前の光学系に少なくとも３枚のレンズを組み合わせて温度によるピント位置変動を補正している。

また、特許文献２には、半導体レーザーを含む光源手段と、屈折部と回折部とを含む光学素子と、を有する走査光学装置を複数設け、各走査光学装置から出射された複数の光束を単一の像担持体面上の異なる領域に各々導光し、該複数の光束で該像担持体面上を走査してカラー画像を形成するカラー画像形成装置であって、該複数の走査光学装置は各々該走査光学装置の環境変動による該像担持体面上での主走査方向の収差変化が、該光学素子の屈折部と回折部とのパワー変化と、該半導体レーザーの波長変動により補正されるようにしているカラー画像形成装置が開示されている。

また、特許文献３には、半導体レーザーよりなる光源手段から放射した光束を回折部を有するアナモフィック光学素子を介して偏向素子の偏向面に導光させ、該偏向素子で偏向された光束を屈折部を有する走査光学素子を介し被走査面上に結像させて、該被走査面上を走査する走査光学装置であって、走査光学装置の屈折部の温度変動に伴う主走査方向のピント変化が該温度変動による光源手段の波長変動による回折部のパワー変化で補正されている走査光学装置が開示されている。

また、特許文献４には、光源手段と、該光源手段からの光束を光偏向手段に導光する光学手段と、該光偏向手段からの光束を被走査面に導光する結像光学系と、を有し、該光偏向手段の回動動作に基いて該被走査面を光走査する光走査装置において、該光学手段は１以上の面に回折部を有し、所定の条件を満足する光走査装置が開示されている。

また、特許文献５には、半導体レーザから出射されたレーザ光束を偏向器によって偏向し、屈折素子と回折素子によって光束を像担持体上に走査し画像を形成する走査光学装置において、該走査光学装置の環境変動による像担持体面上での主走査方向の結像位置変化が、該走査光学装置内の屈折素子と回折素子とのパワー変化と、半導体レーザの波長変動により補正され、且つ、光束の光源として面発光半導体レーザを用いる走査光学装置が開示されている。

特許第３４８３１４１号公報 特開平１１−２２３７８３号公報 特開２００３−３３７２９５号公報 特開２００４−１２６１９２号公報 特開２００５−２１５１８８号公報

ところで、ＶＣＳＥＬは、単一縦モード発振というその特質から、温度変動による波長の遷移量が通常の端面発光型半導体レーザ素子に比べて著しく小さい。また、ＶＣＳＥＬアレイの複数の発光部は、同時に形成されるため、各発光部における発振波長のばらつきも極めて小さい。

しかしながら、ロット間における製造工程での各種条件の変動により、ＶＣＳＥＬアレイ間の発振波長のばらつきは必ずしも小さくはない。すなわち、ＶＣＳＥＬアレイの発振波長は、必ずしも設計波長と同じではない。温度変化に対する安定性を確保するために設けられている回折面は、入射光束の波長に対して非常に敏感である。特に、光源にＶＣＳＥＬアレイが用いられる場合には、温度補償に必要な回折面のパワーが大きくなるため、発振波長の設計波長からのずれが光学系の倍率に影響することがある。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高コスト化を招くことなく、所望の走査特性を安定して確保することができる光走査装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することができる画像形成装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、光源から射出され偏向器前光学系を介して偏向器で偏向された光束により被走査面を走査する光走査装置において、前記光源は、複数の発光部が２次元配列された面発光レーザアレイを有し、前記偏向器前光学系は、少なくとも１つの面に回折面を有し、前記面発光レーザアレイの発振波長の設計波長からのずれΔλ_ｄに起因する副走査方向に関する前記光束の合焦位置のずれΔＳ（Δλ_ｄ）と、環境温度の変化ΔＴに起因する副走査方向に関する前記光束の合焦位置のずれΔＳ（ΔＴ）とを用いて、ΔＳ（Δλ_ｄ）×ΔＳ（ΔＴ）＜０、が満足されるように、前記回折面が形成され、前記偏向器前光学系は、前記光源から射出された光束をカップリングする第１光学系と、該第１の光学系を介した光束を前記偏向器に導く第２光学系とを有し、前記回折面は、前記第２光学系に設けられ、同心楕円形状の溝が形成され、前記複数の発光部のうちの中央の発光部からの光束は、前記回折面における中心に最も近い段差に囲まれた領域に、該領域の径よりも小さい光束径で入射する光走査装置である。

これによれば、高コスト化を招くことなく、所望の走査特性を安定して確保することが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と；前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの本発明の光走査装置と；を備える画像形成装置である。

これによれば、少なくとも１つの本発明の光走査装置を備えているために、結果として、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１２に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ５００は、感光体ドラム５１１、帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４、クリーニング装置５１５、定着装置５１６、光走査装置９００、カセット５１８、レジストローラ対５１９、給紙コロ５２０、排紙ローラ対５２２、及びトレイ５２３などを備えている。

感光体ドラム５１１は、像担持体であり、その表面には光導電性を有する感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム５１１の表面が被走査面である。

帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４及びクリーニング装置５１５は、それぞれ感光体ドラム５１１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム５１１の回転方向（図１における矢印方向）に沿って、帯電ローラ５１２→現像装置５１３→転写ローラ５１４→クリーニング装置５１５の順に配置されている。

帯電ローラ５１２は、感光体ドラム５１１の表面を均一に帯電させる帯電手段である。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。

光走査装置９００は、帯電ローラ５１２で帯電された感光体ドラム５１１の表面を、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光（走査光）ＬＢで走査する。この光走査装置９００による光走査により、感光体ドラム５１１の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像（静電潜像）が形成される。この潜像は、いわゆるネガ潜像であり、感光体ドラム５１１の回転に伴って現像装置５１３の方向に移動する。なお、光走査装置９００の構成については後述する。

現像装置５１３は、トナーが格納されているトナーカートリッジを有しており、感光体ドラム５１１の表面における光が照射された部分にだけトナーを付着させる。すなわち、現像装置５１３は、感光体ドラム５１１の表面に形成された潜像にトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像（以下、便宜上「トナー画像」ともいう）は、感光体ドラム５１１の回転に伴って転写ローラ５１４の方向に移動する。

カセット５１８は、レーザプリンタ５００の本体に着脱可能であり、その中には転写対象物としての転写紙Ｐが収納されている。このカセット５１８の近傍には給紙コロ５２０が配置されており、該給紙コロ５２０は、カセット５１８に収納されている転写紙Ｐの最上位の１枚を取り出す。

レジストローラ対５１９は、転写ローラ５１４の近傍に配置され、給紙コロ５２０により取り出された転写紙の先端部を捕捉する。そして、レジストローラ対５１９は、感光体ドラム５１１上のトナー画像が転写位置へ移動するタイミングに合わせて、転写紙を転写ローラ５１４と感光体ドラム５１１との間隙へ送り込む。送り込まれた転写紙は、転写ローラ５１４によりトナー画像と重ね合わされ、トナー画像が静電転写される。

トナー画像が転写された転写紙は、定着装置５１６へ送られ、定着装置５１６にてトナー画像が定着され、搬送路５２１を通り、排紙ローラ対５２２によりトレイ５２３上に排出される。

トナー画像が転写された後の感光体ドラム５１１の表面は、クリーニング装置５１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

次に、前記光走査装置９００の構成について説明する。

この光走査装置９００は、図２に示されるように、光源１、カップリングレンズ２、開口板３、線像形成レンズ４、ポリゴンミラー５、２つの走査レンズ（６ａ、６ｂ）、折り曲げミラー７、同期ミラー９、同期レンズ１０、及び同期検知センサ１１などを備えている。

光源１は、一例として図３に示されるように、４０個の発光部が１つの基板上に形成されたＶＣＳＥＬアレイ１００を有している。

このＶＣＳＥＬアレイ１００は、主走査方向に対応する方向（以下では、便宜上「Ｍ方向」ともいう）から副走査方向に対応する方向（以下では、便宜上「Ｓ方向」ともいう）に向かって傾斜角αをなす方向（以下では、便宜上「Ｔ方向」という）に沿って１０個の発光部が等間隔に配置された発光部列を４列有している。そして、これら４列の発光部列は、Ｓ方向に等間隔に配置されている。すなわち、４０個の発光部は、Ｔ方向とＳ方向とに沿って２次元的に配列されている。なお、本明細書では、「発光部の間隔」とは２つの発光部の中心間距離をいうものとする。また、Ｍ方向及びＳ方向のいずれにも直交し、光源１からポリゴンミラー５に向かう光束の進行方向を、以下では、便宜上「Ｗ方向」とする。

ここでは、一例として、発光部列における、Ｔ方向に関する発光部の間隔ｄ１は２４．０μｍ、Ｓ方向に関する発光部列の間隔ｄｓ２は２４．０μｍであり、傾斜角αは５．７４°である。そこで、４０個の発光部をＳ方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部の間隔は等間隔となり、その値ｄｓ１は２．４μｍである。そして、Ｍ方向に関する発光部の間隔ｄｍは２３．９μｍである。

各発光部は、一例として、発振波長が７９０ｎｍであり、設計上の発振波長（ここでは、λ_０＝７８０ｎｍ）よりも１０ｎｍ大きく、基準温度（Ｔ_０＝２５℃）に対して温度が１℃上昇すると、発振波長が０．０６２ｎｍだけ長波長側へずれるという特性を有している。

また、便宜上、最も−Ｓ側にある発光部を発光部ｖ１、最も＋Ｓ側にある発光部を発光部ｖ４０とする。

カップリングレンズ２は、焦点距離が約４５ｍｍであり、光源１から射出された光束を略平行光とする。

カップリングレンズ２は、一例として、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が９８．９７ｍｍ、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が９８．９７ｍｍの入射面と、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が−３１．０７ｍｍ、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が−３１．０７ｍｍの射出面を有するガラス製のレンズである。このガラスは、一例として、７８０ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５１１９１３であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５１１９３４であり、線膨張係数が７．５×１０^−６／Ｋの物性を有するガラスである。

カップリングレンズ２は、入射面及び射出面のいずれも非球面であり、カップリングされた光束の波面収差を十分に補正している。

なお、光源１とカップリングレンズ２は、線膨張係数が２．３×１０^−５／Ｋの材料を用いた保持部材（図示省略）によって保持されている。

開口板３は、一例として主走査方向に対応する方向の幅が６．４ｍｍ、副走査方向に対応する方向の幅が１．１８ｍｍの長方形状の開口部を有し、カップリングレンズ２を介した光束を整形し、感光体ドラム５１１上におけるビームスポット径を決定する。

なお、本明細書では、「ビームスポット径」は、ビームスポットの光強度分布におけるラインスプレッド関数を用いて定義される。ビームスポットの中心を基準とし、主走査方向に対応する方向の座標Ｙ、副走査方向に対応する方向の座標Ｚにおけるビームスポットの光強度分布をｆ（Ｙ、Ｚ）とすると、副走査方向に対応する方向のラインスプレッド関数ＬＳＺ（Ｚ）は、次の（１）式で示される。なお、積分は主走査方向に対応する方向におけるビームスポットの全幅について行われる。

また、主走査方向に対応する方向のラインスプレッド関数ＬＳＹ（Ｙ）は、次の（２）式で示される。なお、積分は副走査方向に対応する方向におけるビームスポットの全幅について行われる。

ラインスプレッド関数ＬＳＺ（Ｚ）及びラインスプレッド関数ＬＳＹ（Ｙ）は、通常、略ガウス分布型の形状であり、主走査方向に対応する方向及び副走査方向に対応する方向のビームスポット径は、これらのラインスプレッド関数が、その最大値の１／ｅ^２以上となる領域の主走査方向に対応する方向及び副走査方向に対応する方向の幅で与えられる。

ラインスプレッド関数により上記の如く定義されるビームスポット径は、ビームスポットをスリットで等速光走査し、スリットを通った光を光検出器で受光し、その受光量を積分することにより容易に測定可能であり、このような測定を行う装置も市販されている。

線像形成レンズ４は、開口板３の開口部を通過した光束をポリゴンミラー５の偏向反射面近傍に副走査方向に関して結像する。

線像形成レンズ４は、樹脂製のレンズである。この樹脂は、一例として、７８０ｎｍの光に対する基準温度での屈折率が１．５２３９６１であり、温度が基準温度から２０℃上昇したときの屈折率が１．５２２１８８であり、線膨張係数が７．０×１０^−５／Ｋの物性を有する樹脂である。

線像形成レンズ４の入射面は、主走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が∞、副走査方向に対応する方向の近軸曲率半径が１１８．５ｍｍのシリンドリカル面である。

線像形成レンズ４の射出面は、一例として図４に示されるように、主走査方向に対応する方向に短軸、副走査方向に対応する方向に長軸を持つ同心楕円状の溝が形成された回折面である。なお、上記長軸の方向は、搭載される光走査装置の特性に応じて自由に選択することができる。

この回折面の位相関数φ（Ｙ，Ｚ）は、次の（３）式で示される。

φ（Ｙ，Ｚ）＝Ｃ１・Ｙ^２＋Ｃ２・Ｚ^２ ……（３）

ここでは、Ｃ１＝−０．００１９９９８５１、Ｃ２＝−０．００２１８３１７１、である。

回折面は、回折効果を有する面（以下、便宜上「第１の面」ともいう）と屈折効果を有する面（以下、便宜上「第２の面」ともいう）とが合成された面形状を有している。

一例として図５に示されるように、第１の面の形状１３は、所定の屈折面の形状１２を適切な段差及びピッチで折り返した形状である。従って、第１の面はパワーを有する。

第２の面の形状は、第１の面のパワーを相殺するような面形状である。ここでは、第２の面の形状は、主走査に対応する方向の曲率半径が１３１ｍｍ、副走査に対応する方向の曲率半径が１２０ｍｍのトーリック面の形状である。これにより、線像形成レンズ４の回折面は、主走査方向に対応する方向及び副走査方向に対応する方向ともにノンパワーとなる。

なお、ここでは、第１の面のパワーと第２の面のパワーは絶対値が等しいので、第１の面のパワーの指標としてトーリック面の曲率半径（以下では、「基板曲率半径」ともいう）の値を用いることができる。

これにより、回折面における複数の回折溝はマルチステップ状になる。

ところで、回折面を、屈折面の面形状を適切な段差及びピッチで折り返した形状とすると、レンズの周辺部に向かってピッチが徐々に小さくなるため、回折面を成形するための金型の製作が難しい。しかしながら、互いに反対のパワーを有する第１の面と第２の面とを合成して回折面を作成すると、回折面における折返し部分が鈍角となり、金型製作に有利となる。特に、本実施形態のように、回折面の面形状をマルチステップ状にすると、一例として図６に示されるように、折返し部分の角度が直角となり、光軸に対称な階段状の形状となり、金型製作上の簡便性が更に向上する。

また、回折面は、次の（４）式が満足されるように設計されている。ここで、ΔＳ（Δλ_ｄ）は、ＶＣＳＥＬアレイの発振波長λの設計波長λ_０からのずれΔλ_ｄに起因する副走査方向に関する走査光の合焦位置と感光体ドラム５１１との距離（以下では、便宜上「副走査ピント位置ずれ」ともいう）であり、ΔＳ（ΔＴ）は、基準温度Ｔ_０に対する環境温度Ｔの変化ΔＴに起因する副走査ピント位置ずれである。

ΔＳ（Δλ_ｄ）×ΔＳ（ΔＴ）＜０ ……（４）

ここで、ΔＳ（ΔＴ）及びΔＳ（Δλ_ｄ）について、図７（Ａ）〜図８（Ｂ）を用いて説明する。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、Δλ_ｄ＝０、Ｔ＝Ｔ_０＋ΔＴの場合の副走査ピント位置ずれが示されている。図７（Ａ）における符号１´は発振波長がλ_０のＶＣＳＥＬアレイを有している光源であり、符号４´は回折面が形成されていない線像形成レンズであり、符号６は走査レンズである。環境温度が変化すると、光源１´から射出される光束の波長λは変化する。ここでは、この環境温度の変化による波長変化をΔλ_ｔとする。なお、ＶＣＳＥＬアレイの自己発熱による波長変化もΔλ_ｔに含まれるものとする。また、環境温度が変化すると、光学系全体のパワーも変化する。この環境温度の変化によるパワー変化をΔｘとする。すなわち、環境温度が変化すると、発振波長及び光学系全体のパワーが同時に変化するため、波長変化Δλ_ｔによる副走査ピント位置ずれをΔＳ（Δλ_ｔ）、パワー変化Δｘによる副走査ピント位置ずれをΔＳ（Δｘ）とすると、ΔＳ（ΔＴ）＝ΔＳ（Δλ_ｔ）＋ΔＳ（Δｘ）と書くことができる（図７（Ｂ）参照）。なお、光学系全体のパワー変化は、（１）光学素子の形状及び光学素子間隔の熱膨張、（２）光学素子の分散、（３）温度変化に起因する光学素子の屈折率変化、によるものである。そこで、例えば、環境温度の変化を補償するために回折面を設ける場合に、ΔＳ（Δλ_ｔ）＝−ΔＳ（Δｘ）となるように回折面形状を設計すると、ΔＳ（ΔＴ）＝０となり温度補償が実現されることになる。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、λ＝λ_０＋Δλ_ｄ、Ｔ＝Ｔ_０の場合の副走査ピント位置ずれが示されている。図８（Ａ）における符号１´´は発振波長λが設計波長λ_０よりもΔλ_ｄ大きいＶＣＳＥＬアレイを有している光源である。発振波長の変化は、回折面を持たない光学素子に対してほとんど影響しないため、この場合のパワー変化Δｘ´は、ほぼ０である。従って、この場合の副走査ピント位置ずれは、ΔＳ（Δλ_ｄ）が支配的である（図８（Ｂ）参照）。

実際では、ΔＳ（Δλ_ｄ）は、ΔＳ（Δλ_ｔ）よりも圧倒的に大きい。そのため、ΔＳ（Δλ_ｄ）は、環境温度の変化を考慮する以前に光学性能を劣化させる。組付け時にピント調整を行ったとしても、ピントと倍率は両立できないので、高精度な倍率安定性が求められるＶＣＳＥＬ搭載光走査装置にとっては致命的とも言える。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）には、上記（４）式が満足されていない場合の例が示されている。図９（Ａ）の場合は、発振波長の設計波長からのずれを考慮するまでもなく、環境温度の変化による光学性能の劣化が増強される。図９（Ｂ）の場合は、発振波長の設計波長からのずれによって著しい光学性能の劣化が起こる。

そこで、上記（４）式が満足されるような回折面とすることにより、温度補償と発振波長のずれ補償とをバランスさせることが可能である。

本実施形態では、基板曲率半径が１２０ｍｍであり、図１０に示されるように、上記（４）式が満足されている。そして、感光体ドラム５１１の表面における複数の光スポットのうち最も外側の光スポット（ここでは、発光部ｖ１あるいは発光部ｖ４０からの光束による光スポット）の副走査方向に関する位置ずれ（便宜上、「最外ビーム副走査位置ずれ」ともいう）は、温度変化及び発振波長のずれ双方に対して２μｍ以下を達成している。すなわち、本実施形態では、上記（４）式が満足されているため、環境温度の変化による副走査ピント位置ずれ、及び発振波長のずれによる副走査方向に関する倍率変化を、いずれも抑制することが可能となる。そして、上記（４）式が満足されない場合は、温度変化及び発振波長のずれ双方に対して光学性能が劣化している。なお、基板曲率半径が１８．６ｍｍのときは、ΔＳ（ΔＴ）がほぼ０となるため、温度補償解と呼ばれている。

光源１とポリゴンミラー５との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本実施形態では、偏向器前光学系は、カップリングレンズ２と開口板３と線像形成レンズ４とから構成されている。

図２に戻り、ポリゴンミラー５は、一例として内接円の半径が７ｍｍの４面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面である。なお、このポリゴンミラー５は、厚さ１．９ｍｍの防音ガラス（不図示）で囲まれている。この防音ガラスの素材のガラスは、カップリングレンズ２の素材のガラスと同じである。

走査レンズ６ａは、主走査方向の近軸曲率半径が−１１０．１４２ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−４７２．７８８ｍｍの入射面と、主走査方向の近軸曲率半径が−５７．９３９ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−５００ｍｍの射出面を有している。

走査レンズ６ｂは、主走査方向の近軸曲率半径が−５０００ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が９３．８ｍｍの入射面と、主走査方向の近軸曲率半径が７２４．１６ｍｍ、副走査方向の近軸曲率半径が−６０．７１ｍｍの射出面を有している。

走査レンズ６ａ及び走査レンズ６ｂは、いずれも樹脂製のレンズである。この樹脂は線像形成レンズ４の素材と同じ物性を有する樹脂である。

また、走査レンズ６ａ及び走査レンズ６ｂの各面は非球面形状の面であり、いずれの面も、主走査方向に次の（５）式で示される非円弧形状を有し、光軸及び副走査方向を含む仮想的な平面に平行な断面（以下、「副走査断面」という）の曲率が次の（６）式に従って主走査方向に変化する面である。

ここで、Ｘは光軸方向のデプス、Ｒ_ｍは主走査方向の近軸曲率半径、Ｙは光軸からの主走査方向の距離、Ｋは円錐定数、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４、Ａ_５、…は係数、Ｒ_ｓ０はＹ＝０での副走査方向の近軸曲率半径、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、…は係数である。

走査レンズ６ａの入射面の円錐定数及び各係数が表１に示されている。

走査レンズ６ａの射出面の円錐定数及び係数が表２に示されている。

走査レンズ６ｂの入射面の円錐定数及び各係数が表３に示されている。

走査レンズ６ｂの射出面の円錐定数及び係数が表４に示されている。

折り曲げミラー７は、走査レンズ６ｂを介した光束の光路を感光体ドラム５１１の表面に向けて折り曲げる。これにより、感光体ドラム５１１の表面にビームスポットが形成される。このビームスポットは、ポリゴンミラー５の回転に伴って感光体ドラム５１１の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム５１１上を走査する。

ポリゴンミラー５と感光体ドラム５１１との間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。本実施形態では、走査光学系は、走査レンズ６ａと走査レンズ６ｂと折り曲げミラー７とから構成されている。なお、折り曲げミラー７と感光体ドラム５１１の間には、厚さ１．９ｍｍの防塵ガラス（不図示）が配置されている。この防塵ガラスは、前記防音ガラスと同じ物性を有するガラスでできている。

ところで、上記各光学素子の位置関係が図１１に示されている。そして、図１１における符号ｄ１〜ｄ１１の具体的な値（単位ｍｍ）の一例が表５に示されている。

また、前記Ｗ方向と、ポリゴンミラー５の偏向反射面により感光体ドラム５１１の表面における像高０の位置（図１１における符号ｐ０の位置）へ向けて反射される光束の進行方向とのなす角（図１１におけるθ）は５９度である。

図２に戻り、ポリゴンミラー５で偏向され、有効走査領域外に向かう光束の一部は、同期ミラー９及び同期レンズ１０を介して同期検知センサ１１で受光される。同期検知センサ１１は、受光量に応じた信号（光電変換信号）を出力する。この同期検知センサ１１の出力信号に基づいて、走査開始のタイミングが決定される。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置９００によると、光源１、カップリングレンズ２、線像形成レンズ４、ポリゴンミラー５、及び走査光学系を備え、線像形成レンズ４の射出面は、上記（４）式が満足されるように設計されている回折面である。これにより、環境温度の変化による副走査ピント位置ずれ、及び発振波長のずれによる副走査方向に関する倍率変化を、いずれも抑制することができる。従って、結果として、高コスト化を招くことなく、所望の走査特性を安定して確保することが可能となる。

ところで、回折面が樹脂で成形される場合には、回折面の形状と凹凸が逆の形状が切削により形成された成形用の金型（あるいは金駒）が用いられる。本実施形態によると、線像形成レンズ４の回折面における複数の回折溝はマルチステップ状である。これにより、回折面を成形するための金型（あるいは金駒）の製作が容易となる（図１２参照）。

また、本実施形態によると、線像形成レンズ４の回折面は、主走査方向に対応する方向に短軸、副走査方向に対応する方向に長軸を持つ同心楕円状の溝が形成された回折面である。これにより、長軸方向及び短軸方向に対して互いに独立に回折面の効果を発現することができる。

また、本実施形態によると、線像形成レンズ４は、屈折面と回折面とを有し、光源１側の面が屈折面であり、ポリゴンミラー５側の面が回折面である。これにより、散乱光・反射光・不要次数の回折光が光源に戻るのを抑制している。仮に、回折面が光源１側に設けられていると、入射光束の光軸に対して垂直な入射面を有することになるので、入射光束が入射面で強い反射を起こし、それが光源に戻り、干渉を誘発するおそれがある。

また、本実施形態によると、光源１が複数の発光部を有しているため、同時に複数の走査が可能となる。従って、高速及び高密度の光走査が可能となる。

また、本実施形態によると、部品点数を増加させることなく高安定な光走査装置を実現することができる。そのため、光走査装置の生産に関わる材料の使用量を増やす必要がなく、その結果として資源採掘量及びプラスチックゴミ排出量に関して環境負荷の増大を抑制することが可能となる。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ５００によると、高コスト化を招くことなく、所望の走査特性を安定して確保することができる光走査装置９００を備えているため、結果として高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

また、本実施形態によると、光源１が複数の発光部を有しているため、同時に複数の走査が可能となり、画像形成の高速化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、線像形成レンズ４が、回折面を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。偏向器前光学系が、回折面を有していれば良い。なお、一般的に、偏向器前光学系に含まれるカップリング光学系の誤差は、被走査面上のビームスポットに最も大きく影響する。そこで、カップリング光学系の誤差が大きいときには、カップリングされた後の光束が回折面に入射するのが好ましい。

また、上記実施形態では、走査光学系の走査レンズが２つの場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、走査光学系の走査レンズが１つであっても良いし、走査レンズが３つ以上であっても良い。

なお、上記実施形態では、回折面における中心に最も近い段差に囲まれた領域である第０輪帯に入射する光束の径が第０輪帯の径よりも大きい場合について説明したが、一例として図１３に示されるように、第０輪帯に入射する光束の径が第０輪帯の径よりも小さくても良い。例えば、前記基板曲率半径が１５０ｍｍのときには、第０輪帯に入射する光束の径は第０輪帯の径よりも小さい。この場合には、４ａの光束径は第０輪帯の径よりも小さいため、屈折レンズと等価な作用しか受けないが、４ｂの光束は回折面の作用を受けることができる。すなわち、ＶＣＳＥＬアレイ１００から射出される多数の光束のうち外側にあるものに対して、回折の効果を選択的に付与することが可能である。

また、上記実施形態では、感光体ドラム５１１から転写紙へのトナー画像の転写が、感光体ドラム５１１から転写紙へ直接的に行われる直接転写方式の場合について説明したが、感光体ドラム５１１から一旦中間転写ベルト等の中間転写媒体に転写した後、この中間転写媒体から転写紙へ転写する中間転写方式であっても良い。

また、上記実施形態では、像担持体がドラム状の場合について説明したが、これに限らず、シート状やベルト状であっても良い。例えば、シート状の光導電性の感光体として酸化亜鉛紙を用いても良い。

なお、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ５００の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、光プロッタやデジタル複写装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で転写対象物としての印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

また、像担持体としてビームスポットの熱エネルギにより発色する発色媒体（ポジの印画紙）を用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により可視画像を直接、像担持体に形成することができる。

要するに、上記光走査装置９００を備えた画像形成装置であれば、結果として高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

また、カラー画像を形成する画像形成装置であっても、カラー画像に対応した光走査装置を用いることにより、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成することが可能となる。

一例として、カラー画像を形成することができるタンデムカラー機が図１４に示されている。このタンデムカラー機は、ブラック用の感光体ドラムＫ１、帯電器Ｋ２、現像器Ｋ４、クリーニング手段Ｋ５、及び転写用帯電手段Ｋ６と、シアン用の感光体ドラムＣ１、帯電器Ｃ２、現像器Ｃ４、クリーニング手段Ｃ５、及び転写用帯電手段Ｃ６と、マゼンタ用の感光体ドラムＭ１、帯電器Ｍ２、現像器Ｍ４、クリーニング手段Ｍ５、及び転写用帯電手段Ｍ６と、イエロー用の感光体ドラムＹ１、帯電器Ｙ２、現像器Ｙ４、クリーニング手段Ｙ５、及び転写用帯電手段Ｙ６と、光走査装置９００Ａと、転写ベルト８０と、定着手段３０などを備えている。

光走査装置９００Ａは、前記光走査装置９００の偏向器前光学系と同様の偏向器前光学系を有している。

各感光体ドラムの周囲に、感光体ドラムの回転方向（図１４中の矢印の方向）に沿って、対応する帯電器、現像器、転写用帯電手段、及びクリーニング手段がそれぞれ配置されている。各帯電器は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。この帯電器によって帯電された感光体ドラム表面に光走査装置９００Ａにより光束が照射され、感光体ドラムに静電潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像器により感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写用帯電手段により、記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着手段３０により記録紙に画像が定着される。すなわち、各色のトナー画像を同一のシート状記録媒体に転写・定着して合成的にカラー画像や多色画像を得ることができる。

例えば、光走査装置９００Ａが、ブラック用の光源（光源Ｋ）とシアン用の光源（光源Ｃ）とマゼンタ用の光源（光源Ｍ）とイエロー用の光源（光源Ｙ）を有する場合に、ポリゴンミラーを各色で共通としても良い。これにより、比較的高価なポリゴンミラーの数が減少し、低コスト化を促進することができる。また、ポリゴンミラーは光走査装置における最大の発熱源であるため、ポリゴンミラーの数の減少により光走査装置の温度上昇を抑制することができる。そして、光走査装置の温度上昇が抑制されることにより、面発光レーザにおける望まないモードホップを低減することができる。この場合に、光走査装置の構成としては、各色の光束がポリゴンミラーの回転軸を含む副走査断面に対して略対称に入射する方式（いわゆる「対向走査方式」）や、各色の光束がポリゴンミラーの同一反射面によって偏向される方式（いわゆる「片側走査方式」）などがある。

偏向反射面を２段有するポリゴンミラー５を用いた対向走査方式の構成例が図１５に示されている。ここでは、光源Ｋからの光束及び光源Ｙからの光束は、それぞれ上段の偏向反射面で偏向され、光源Ｃからの光束及び光源Ｍからの光束は、それぞれ下段の偏向反射面で偏向されている。なお、図１５における符号６Ｋはブラック用の走査レンズであり、符号６Ｃはシアン用の走査レンズであり、符号６Ｍはマゼンタ用の走査レンズであり、符号６Ｙはイエロー用の走査レンズである。

また、上記走査方式は、光源からの光束がポリゴンミラーの偏向反射面の法線に平行に入射する形態に限られない。ポリゴンミラーの偏向反射面の法線に対し角度を持って光源からの光束が入射しても良い。本明細書ではこの方式を「斜入射方式」と呼ぶこととする。図１６には、対向走査方式で斜入射方式の構成例が示されている。ここでは、光源Ｋからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ１と６ｂＫを介して感光体ドラムＫ１上に集光される。光源Ｃからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ１と６ｂＣを介して感光体ドラムＣ１上に集光される。光源Ｍからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ２と６ｂＭを介して感光体ドラムＭ１上に集光される。光源Ｙからの光束はポリゴンミラー５で偏向され、走査レンズ６ａ２と６ｂＹを介して感光体ドラムＹ１上に集光される。斜入射方式の利点は、偏向反射面が１段のポリゴンミラーで４つの光源からの光束の偏向が可能であるため、更に低コスト化を図ることができる。但し、斜入射方式を適用する場合には、走査線の曲がりと波面収差の劣化が生じるため、斜入射方式に対応した走査レンズを用いる必要がある。

以上説明したように、本発明の光走査装置によれば、高コスト化を招くことなく、所望の走査特性を安定して確保するのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高コスト化を招くことなく、高品質の画像を安定して形成するのに適している。

本発明の一実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置の概略構成を示す斜視図である。 図２における光源のＶＣＳＥＬアレイを説明するための図である。 図２における線像形成レンズの回折面を説明するための図である。 回折面を説明するための図（その１）である。 回折面を説明するための図（その２）である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ環境温度の変化による副走査ピント位置ずれを説明するための図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ発振波長のずれによる副走査ピント位置ずれを説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ上記（４）式が満足されない例を説明するための図である。 基板曲率半径と、副走査ピント位置ずれ及び最外ビーム副走査位置ずれとの関係を説明するための図である。 図２の光走査装置における主要部の位置関係を説明するための図である。 回折面を成形するための金型（あるいは金駒）の製作方法を説明するための図である。 回折面に入射する光束を説明するための図である。 タンデムカラー機の概略構成を説明するための図である。 図１４における光走査装置の構成例１を説明するための図である。 図１４における光走査装置の構成例２を説明するための図である。

符号の説明

１…光源、２…カップリングレンズ（第１光学系）、３…開口板、４…線像形成レンズ（第２光学系）、５…ポリゴンミラー（偏向器）、６ａ…走査レンズ（走査光学系の一部）、６ｂ…走査レンズ（走査光学系の一部）、１００…ＶＣＳＥＬアレイ（面発光レーザアレイ）、５００…レーザプリンタ（画像形成装置）、５１１…感光体ドラム（像担持体）、９００…光走査装置、９００Ａ…光走査装置、Ｋ１，Ｃ１，Ｍ１，Ｙ１…感光体ドラム（像担持体）。

Claims (4)

1. 光源から射出され偏向器前光学系を介して偏向器で偏向された光束により被走査面を走査する光走査装置において、
   前記光源は、複数の発光部が２次元配列された面発光レーザアレイを有し、
   前記偏向器前光学系は、少なくとも１つの面に回折面を有し、
   前記面発光レーザアレイの発振波長の設計波長からのずれΔλ_ｄに起因する副走査方向に関する前記光束の合焦位置のずれΔＳ（Δλ_ｄ）と、環境温度の変化ΔＴに起因する副走査方向に関する前記光束の合焦位置のずれΔＳ（ΔＴ）とを用いて、ΔＳ（Δλ_ｄ）×ΔＳ（ΔＴ）＜０、が満足されるように、前記回折面が形成され、
   前記偏向器前光学系は、前記光源から射出された光束をカップリングする第１光学系と、該第１の光学系を介した光束を前記偏向器に導く第２光学系とを有し、前記回折面は、前記第２光学系に設けられ、同心楕円形状の溝が形成され、
   前記複数の発光部のうちの中央の発光部からの光束は、前記回折面における中心に最も近い段差に囲まれた領域に、該領域の径よりも小さい光束径で入射する光走査装置。
2. 前記回折面の形状は、マルチステップ状であることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 少なくとも１つの像担持体と；
   前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも１つの請求項１又は２に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
4. 前記画像情報は、カラー画像情報であることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。