JP2002243994A

JP2002243994A - 光源装置

Info

Publication number: JP2002243994A
Application number: JP2001045485A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Nanba; 克宏難波
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】発光素子と光ファイバとを集光機能を有する
光学素子により光学的にカップリングしてなる光源装置
において、組立および光学的調整の手間を軽減すると共
に温度変化に影響されない安定したレーザ出力を得る。【解決手段】半導体レーザ１０１〜１０４と光ファイ
バ１２１〜１２４を保持する光学基台１３０の斜面部１
３０Ｂに、半導体レーザ１０１〜１０４から射出された
レーザビームをそれぞれ光ファイバ１２１〜１２４の入
力端面の略一点に集光するように反射する凹面鏡１１１
〜１１４を設ける。当該凹面鏡１１１〜１１４における
凹面は、アルミダイカスト法などにより光学基台１３０
と一体的に形成された後、鏡面仕上げされている。ここ
で、凹面鏡の表面は、半導体レーザから射出されたレー
ザビームが光ファイバの入力端面に略一点に集光するよ
うに、第１と第２の方向においてパワー（倍率）の異な
る非球面形状に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デジタル複写機や
レーザプリンタなどの画像形成装置の光ビーム走査装置
等に用いられる光源装置であって、特に発光素子からの
光を光ファイバを介して出射するように構成された光源
装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、デジタル複写機やレーザプリンタ
などの画像形成装置の分野において、画像形成の高速
化、高解像度化などに対応するため、複数の光ビームを
用いて感光体ドラム上を同時に露光走査するマルチビー
ム走査装置が普及しつつある。このようなマルチビーム
走査装置として、複数の半導体レーザーから射出された
レーザビームを光ファイバーを利用して一定間隔の平行
光にして射出する光源装置が考案されている。

【０００３】すなわち、細い複数本の光ファイバーの一
方の端部（出射側端部）を一定の間隔で平行に配列して
保持すると共に、各光ファイバーの上記出射側端部と反
対側（入射側端部）の端面に、各半導体レーザから射出
されたレーザビームをそれぞれ入射させる。光ファイバ
に入射されたレーザビームは、その出射側端部から平行
光となって射出されるため、簡易な構成により複数本の
平行なレーザビームの出力が容易に得られる。

【０００４】ところで、このような光ファイバーを用い
た光源装置では、光損失をできるだけ少なくするため、
通常は、半導体レーザから射出されたレーザビームを、
集光レンズを介して光ファイバーの入射側コア端面に集
光させる構造（以下、この構造を「カップリング構造」
といい、集光レンズなどの光学素子を「結合素子」とい
う場合がある。）をとっている。

【０００５】図８は、従来の光源装置における、一対の
半導体レーザと光ファイバーの組み合わせからなる構造
を示す概略縦断面図である。同図に示すように光源装置
２００は、半導体レーザ２１０と、カップリングレンズ
（集光レンズ）２２０と、光ファイバ２３０と、円筒状
の本体ホルダー２４０などからなる。このような光源装
置２００は、まず、本体ホルダー２４０内部にカップリ
ングレンズ２２０を挿入して、その内周面に形成された
段部２４１と、カップリングレンズ２２０の周縁部を光
学用の接着剤により固着し、その後、ホルダー２４０の
両開口部に、半導体レーザホルダー２４３および光ファ
イバホルダー２４２を介して、それぞれ半導体レーザ２
１０、光ファイバ２３０を取り付ける。光ファイバ２３
０は、スペーサ２４４を介してファイバホルダー２４２
に保持されるが、光ファイバ２３０は、スペーサ２４４
に対して摺動可能となっており、これにより光ファイバ
２３０の入射側端面とカップリングレンズ２２０との距
離を微調整できるようになっている。

【０００６】このようなカップリング構造を有する光源
装置２００において、半導体レーザ２１０から射出され
たレーザビームが光ファイバ２３０から安定して高効率
で出力されるためには、半導体レーザ２１０とカップリ
ングレンズ２２０と光ファイバ２３０との間に高い位置
精度が求められる。具体的には、レーザビームの光ファ
イバ２３０への入射状態を、光ファイバ２３０の出力側
端部からＣＣＤセンサなどによりモニターしながら、光
ファイバ２３０の挿入位置を数ミクロンオーダーで微調
整し、出射されるレーザビームの出力が最大となる位置
で接着剤などにより固定するようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように組み立て段階で慎重に時間をかけて光学的調整を
行っても、使用中に半導体レーザーの発熱による温度上
昇や装置の環境温度の上昇により、光学用の接着剤が膨
張し、本体ホルダー２４０に固着されていた光学素子が
光軸方向にずれたり、光軸に対して傾くことがあった。
特にカップリングレンズ２２０の位置もしくは傾きが少
しでもずれると、半導体レーザ２１０からカップリング
レンズ２２０までの光路長と、カップリングレンズ２２
０から光ファイバ２３０の端面までの光路長の双方に影
響を与えるので、レーザビームの集光位置が光ファイバ
のコア端面からずれやすく、ビーム出力の安定性を損な
うという問題があった。

【０００８】加えて、上記従来の光源装置２００の構成
では、カップリングレンズ２２０を円筒状の本体ホルダ
ー２４０内に装着するために緻密な組み立て作業が必要
であり、光源装置としてコストも高くなっていた。な
お、接着剤を使用せずに、その他のレンズ取り付け治具
を用いてカップリングレンズ２２０を本体ホルダー２４
０に取り付けることも可能であるが、当該治具も温度変
化に伴なって膨張・収縮することに変わりなく、その
上、部品点数も増えるので組み立ての手間も多くなり、
よりコスト高となる。

【０００９】以上は、一個の半導体レーザと光ファイバ
のカップリング構造における問題点を指摘したが、同種
の問題はマルチビーム光源装置も有していることは言う
までもない。マルチビーム光源装置の場合は、各ビーム
のカップリング構造の問題が、ビーム間相互のばらつき
を伴なう結果となり、さらに影響が大きいといえる。本
発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであっ
て、組み立てが容易で、かつ、温度変化の影響をあまり
受けずに安定した光ビームの出力を得ることができる光
源装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光源装置は、発光素子から射出された
光を、集光機能を有する光学素子を介して光ファイバの
一端に入射させ、当該光ファイバの他端から射出するよ
うに構成された光源装置であって、前記発光素子および
光ファイバを所定の位置関係で保持する基台を備えると
共に、前記集光機能を有する光学素子が、当該基台と一
体的に形成されてなることを特徴とする。

【００１１】ここで、「前記集光機能を有する光学素子
が、当該基台と一体的に形成されて」いるとは、当該光
学素子の全部もしくはその主要部が基台に直接形成され
ていることを意味するものである。また、前記光学素子
は、反射型光学素子であることを特徴とする。ここで、
前記光学素子は、凹面鏡であって、その反射面が、発光
素子から射出された光ビームを略一点に集光するように
第１の方向とこれと直交する第２の方向においてパワー
の異なる非球面形状に形成されているようにしてもよ
い。

【００１２】また、前記光学素子は、集光機能を有する
回折格子であってもよい。ここで、前記回折格子による
光ビームの０次回折光が、前記光ファイバの一端に入射
されると共に、当該０次回折光と異なる一の回折光が進
行する方向に光量検出手段が設けるようにしてもよい。
さらに本発明に係る光源装置は、発光素子と光ファイバ
の対を複数有し、各発光素子から射出された光を、それ
ぞれに対応して設けられた集光機能を有する光学素子を
介して各光ファイバの一端に入射させ、当該光ファイバ
の他端から射出するように構成された光源装置であっ
て、前記複数対の発光素子と光ファイバを、ほぼ同一の
位置関係で保持する１つの基台を備えると共に、前記集
光機能を有する各光学素子が、当該基台と一体的に形成
されてなることを特徴とする。

【００１３】ここで、上記基台は、金属で形成してもよ
い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光源装置の実
施の形態を、レーザビーム走査装置に適用した場合を例
にして説明する。（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態におけるレーザビーム走査装置１の全体構成を説明す
るための概略斜視図である。同図に示すようにレーザビ
ーム走査装置１は、光源装置１００と、偏向部２０と走
査レンズ群３０および折り返しミラー３１などからな
る。光源装置１００は、４本のレーザビームを、光ファ
イバ１２１〜１２４を介して平行に射出するように構成
されている。射出された各レーザビームは、コリメータ
レンズ１１で平行光となり、シリンドリカルレンズ１２
によりいわゆる面倒れ補正のため各レーザビームを副走
査方向に集光する。

【００１５】偏向部２０は、ポリゴンミラー２１と、こ
れを図の矢印方向に等角速度で回転駆動するモータ（不
図示）とからなる。走査レンズ群３０は４枚のレンズか
らなり、偏向部２０により偏向されたレーザビームが当
該走査レンズ群３０と折り返しミラー３１とを介して、
感光体ドラム４０表面を走査する。

【００１６】光源装置１００は、４個の半導体レーザ１
０１〜１０４を有し、それらの半導体レーザ１０１〜１
０４から射出されたレーザビームを光ファイバ１２１〜
１２４の入射側端部に入射し、光ファイバ１２１〜１２
４の射出側端部を一定のピッチで平行に保持し、４本の
レーザビームを平行に射出する光ファイバアレイ部１６
０とからなる。

【００１７】図２は、上記光源装置１００の拡大斜視図
であり、図３は、光源装置１００を、半導体レーザ１０
１から射出されるレーザビームの主光線を含む平面で切
断したときの縦断面図を示す。なお、光ファイバアレイ
部１６０は図示を省略している（以下の図面についても
同様である）。図３に示すように光源装置１００におけ
る光学基台１３０は、手前から見るとほぼ「コ」の字が
左右逆転したような形状をしており、図２に示すように
その上側水平部１３０Ａには、半導体レーザ用の保持穴
１３１〜１３４が等間隔で設けられており、ここに半導
体レーザ１０１〜１０４が嵌挿され、接着剤等により固
定される。

【００１８】光学基台１３０の「コ」の字型の内側に
は、斜面部１３０Ｂが形成され、この斜面部１３０Ｂの
前記各半導体レーザ１０１〜１０４からのレーザビーム
が入射する位置には、凹面鏡１１１〜１１４が形成され
ている。また、下側水平部１３０Ｃには光ファイバ１２
１〜１２４はほぼ平行であって、各凹面鏡１１１〜１１
４で反射されたレーザビームが端面のコア部に入射する
ように位置調整された上で、接着剤により固定されてい
る。

【００１９】なお、半導体レーザ１０１〜１０４と凹面
鏡１１１〜１１４と光ファイバ１２１〜１２４からなる
各カップリング構造が、全て同一の位置関係になるよう
に保持穴１３１〜１３４や、凹面鏡１１１〜１１４など
の位置が決定されている。このような光学基台１３０
は、金型を作成しておいて所定の金属を鋳造することに
より形成できる。これにより、凹面鏡１１１〜１１４の
凹面形状が光学基台１３０と一体的に成形され、当該凹
面に鏡面仕上げを施すか、あるいは金属を蒸着させるこ
とにより凹面鏡１１１〜１１４が形成される。したがっ
て、金型さえ精密に形成しておけば、凹面鏡１１１〜１
１４の精度がばらつくことなく、量産でき、コストを下
げることができる。特に、アルミダイカストによる製造
が精度面において優れているため望ましいが、場合によ
っては、樹脂を射出成形して形成することも可能であ
る。後者の場合には、形成された凹面部に金属を蒸着し
たり、その他の反射コーティング処理を施すことにより
凹面鏡１１１〜１１４が形成される。

【００２０】半導体レーザ１０１〜１０４から射出され
るレーザビームは、通常その主光線と直交する平面内に
おける相互に直交する第１と第２の方向において拡散角
が異なるので、凹面鏡１１１〜１１４の反射面は、その
非点収差を解消して、レーザビームを１点に集光させる
ため、第１と第２の方向にパワーの異なる非球面形状と
なっており、その光軸と直交する面で切断したときの反
射面の断面形状は楕円となる。

【００２１】そして、各半導体レーザ１０１〜１０４
は、発光された各ビームの上記第１の方向が、形成され
た凹面鏡１１１〜１１４の第１の方向と一致するように
調整された後、上側水平部１３０Ａの保持穴１３１〜１
３４に取着される。このように、凹面鏡１１１〜１１４
を光学基台１３０の表面に形成することにより部品点数
が減少し、従来要していたカップリングレンズの装着と
微調整の手間が一切不要となり組立コストを低減するこ
とができる。また、金型さえ精密に設計しておけば複数
のビーム間での出力のばらつきもなくなり、各カップリ
ング構造ごとに調整する手間が省ける。

【００２２】しかも、結合素子としての凹面鏡１１１〜
１１４は、光学基台１３０に直接形成されるため、従来
のカップリングレンズのような別部材の光学的結合素子
を接着剤で取り付ける必要がないので、温度変化に伴な
って当該接合部が膨張・収縮して光学的位置ずれが発生
するようなことがなくなり、複数のレーザビームの集光
状態を安定させることができる。

【００２３】また、このように結合素子を反射型の光学
素子とすることにより、レーザビームの波長による集光
位置の相違が生じにくいという利点がある。すなわち、
同じ規格の半導体レーザを光源として使用しても、製品
ごとのばらつきにより波長が若干異なることもあり、そ
の場合、カップリングレンズなどの透過型の結合素子を
使用した場合、波長の大小により屈折率が若干異なり、
集光状態にも微妙なばらつきが生じるという問題があっ
たが、本実施の形態のように反射型のものを使用するこ
とにより、そのような不都合も生じなくなる。

【００２４】なお、図２、図３に示した例では、半導体
レーザ１０１〜１０４や光ファイバ１２１〜１２４を光
学基台１３０に直接取り付けたが、図４に示すように、
半導体レーザ１０１と光ファイバ１２１を、それぞれ半
導体レーザホルダー１０１１と光ファイバホルダー１２
１１を介して光学基台に固定することにより、それらの
位置調整を容易に行えるようにしてもよい。このよう
に、ホルダーを介して固定する構造とすることで図３に
示したものに比べて部品点数が増えるが、凹面鏡が光学
基台に直接成形されていることによる、熱膨張などの影
響を受けずにレーザビームの出力状態を安定に維持でき
るという効果は、確保できる。（第２の実施の形態）第２の実施の形態は、上記光源装
置１００における結合素子として凹面鏡ではなく、反射
型回折格子を設けた点が異なる。

【００２５】図５は、本第２の実施の形態における光源
装置１００の形状を示す拡大斜視図である。同図におい
て図２と番号が同じものは、同じ構成部材を示している
ので説明は省略する。斜面部１３０Ｂには、凹面鏡１１
１〜１１４の代わりに反射型回折格子１４１〜１４４が
設けられており、半導体レーザ１０１〜１０４から射出
されたレーザビームは、反射型の回折格子１４１〜１４
４に入射して、その０次回折光を光ファイバ１２１〜１
２４方向に反射する。当該反射型回折格子１４１〜１４
４は、入射したビームの０次回折光を、各光ファイバ１
２１〜１２４の入射端面上の１点に集光させるように上
記第１と第２の方向にパワーが異なるレンズ機能を有す
るようにその溝形状とピッチが形成されている。これ
は、金属製の光学基台１３０をアルミダイカストにより
鋳造する場合において、金型にその溝形状を形成するこ
とにより光学基台１３０に一体的に形成される。また、
エッチングや蒸着などの公知の手法によっても形成可能
である。

【００２６】図６は、図５の光源装置１００の半導体レ
ーザ１０１における縦断面図である。同図に示すよう
に、光学基台１３０に半導体レーザ１０１と光ファイバ
１２１が固定されており、半導体レーザ１０１から射出
されたレーザビームが反射型回折格子１４１に入射し、
０次反射光が光ファイバ１２１に集光する。また、図７
は図６に示した光源装置１００の変形例を示す縦断面図
である。同図に示すように半導体レーザ１０１と光ファ
イバ１２１は、それぞれ半導体レーザホルダー１０１１
と光ファイバホルダー１２１１を介して光学基台１３０
に保持され、その位置調整が容易なように構成されてい
る。この変形例での特徴は、半導体レーザホルダー１０
１１の各反射型回折格子１４１〜１４４からの＋１次も
しくは−１次回折光（以下、単に「１次回折光」とい
う。）の集光点に光量検出器としてフォトダイオード１
５０を設置した点にある。このフォトダイオード１５０
の検出結果をそれぞれのＬＤ駆動装置（不図示）にフィ
ードバックさせて、各半導体レーザ１０１〜１０４の光
量を一定の値に制御することにより、各レーザビームの
光量のばらつきがなくなり、優れた再現画像を得ること
ができる。

【００２７】以上述べてきたように、半導体レーザと光
ファイバの対を同一の光学基台１３０に取着すると共
に、当該光学基台１３０と一体的に、結合素子である凹
面鏡もしくは反射型回折格子を設けることにより、部品
点数が減少して従来技術より組立ておよび調整の手間が
削減され、コスト低減につながると共に、従来のように
結合素子を接着剤やその他の治具で取り付ける必要がな
く、温度変化や、接着剤の経時変化に伴う移動や傾きが
ないため各レーザビームの出力変動やそれらの間におけ
る出力のばらつきの発生を抑えることができる。（変形例）以上、本発明に係る光源装置を実施の形態に
基づいて説明してきたが、本発明の内容が、上述の実施
の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変
形例を実施することもできる。

【００２８】（１）上記実施の形態においては、凹面鏡
や反射型回折格子などの反射型の結合素子を光学基台に
形成したが、光学基台を透明樹脂で形成するような場合
には、集光レンズや透過型回折格子などの透過型の結合
素子を光学基台と一体成形することも可能である。（２）上記第２の実施の形態において、凹面鏡が反射型
回折格子の場合に光量検出器を設けたが、凹面鏡を結合
素子として使用する場合においても、光学基台１３０を
透明樹脂で形成すると共に、凹面鏡の表面をハーフミラ
ーにし、それを透過したレーザビームの光量をフォトダ
イオードにより検出するようにしてもよい。

【００２９】（３）また、上記実施の形態においては、
効率よくレーザビームを集光するため、凹面鏡の正面か
ら見た形状をレーザビームのスポット形状に合わせて、
楕円形状としているが、特に限定されるものではない。（４）また、上記実施の形態においては、半導体レーザ
のレーザビーム射出方向と光ファイバの向きとを直交さ
せ、当該半導体レーザからのレーザビームを結合素子に
より９０°だけ進路変更して光ファイバに入射させるよ
うに光学基台１３０を形成したが、例えば、半導体レー
ザの出射方向と光ファイバの向きのなす角度を異ならせ
てもよく、その角度が鈍角であれば光学基台が形成し易
く、鋭角であれば結合素子での反射率が高くなり光効率
がよくなる。それらの角度は、使用目的やビーム走査装
置本体の設計仕様などに応じて適宜決定される。

【００３０】(５）上記実施の形態においては、半導体
レーザが４個の場合について説明したが、その数が多け
れば多いほど、結合素子の位置調整の手間の削減、レー
ザビームの状態のばらつきの防止およびコストダウンの
効果が大きく、またコンパクト化も可能となるが、半導
体レーザが１個の場合であっても、結合素子の位置調整
が不要で、温度変化の影響を受けにくいという効果は得
られる。

【００３１】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る光
源装置によれば、前記発光素子および光ファイバを所定
の位置関係で保持する基台を備えると共に、集光機能を
有する光学素子を、当該基台と一体的に形成するように
したので、当該集光機能を有する光学素子を基台に接着
剤や取り付け治具で固定する必要がなくなり、温度変化
に伴なって接着剤もしくは取り付け治具が膨張・縮小し
て当該光学素子の位置ずれが発生してレーザビームの出
力が不安定になるようなことがなくなる。また、部品点
数も少なくなり、組み立てコストを低減することができ
る。

【００３２】また、本発明に係る光源装置によれば、複
数の半導体レーザと光ファイバを１つの光学基台に保持
し、各集光機能を有する光学素子を、当該光学基台に直
接成形し一体化することで、組み立てるまでの調整の手
間や部品点数が削減されコスト削減につながると共に、
各レーザビーム出力のばらつきも抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザビー
ム走査装置の全体構成を示す概略斜視図である。

【図２】上記レーザビーム走査装置における光源装置の
拡大斜視図である。

【図３】上記光源装置の、一の半導体レーザの位置にお
ける縦断面図である。

【図４】上記光源装置において半導体レーザと光ファイ
バーをそれぞれ半導体レーザホルダーおよび光ファイバ
ーホルダーを介して光学基台に取り付けた場合の例を示
す縦断面図である。

【図５】第２の実施の形態に係る光源装置の構成を示す
拡大斜視図である。

【図６】図５の光源装置の、一の半導体レーザの位置に
おける縦断面図である。

【図７】第２の実施の形態において、レーザビームの光
量検出器を設けた変形例の構成を示す光源装置の縦断面
図である。

【図８】従来の光源装置の構成を示す概略縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１レーザビーム走査装置１００光源装置１０１〜１０４半導体レーザ１１１〜１１４凹面鏡１２１〜１２４光ファイバ１３０光学基台１４１〜１４４反射型回折格子１５０フォトダイオード１０１１半導体レーザホルダー１２１１光ファイバホルダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 1/036 Ｈ０４Ｎ 1/036 Ａ 1/113 1/04 １０４ＡＦターム(参考） 2H037 AA04 BA03 CA37 DA03 DA04 DA05 DA06 2H045 AA01 BA22 BA32 DA02 5C051 AA02 CA07 DA02 DB02 DB22 DB24 DB25 DB30 DC04 DC07 FA01 5C072 AA03 BA02 BA12 DA04 DA07 DA20 DA21 HA06 HA09 HA13 XA01 XA05 5F073 AB04 AB21 AB25 AB27 AB28 AB29 BA07 FA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子から射出された光を、集光機能
を有する光学素子を介して光ファイバの一端に入射さ
せ、当該光ファイバの他端から射出するように構成され
た光源装置であって、前記発光素子および光ファイバを所定の位置関係で保持
する基台を備えると共に、前記集光機能を有する光学素
子が、当該基台と一体的に形成されてなることを特徴と
する光源装置。
【請求項２】前記光学素子は、反射型光学素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】前記光学素子は、凹面鏡であって、その
反射面が、発光素子から射出された光ビームを略一点に
集光するように第１の方向とこれと直交する第２の方向
においてパワーの異なる非球面形状に形成されているこ
とを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】前記光学素子は、集光機能を有する回折
格子であることを特徴とする請求項１または２に記載の
光源装置。
【請求項５】前記回折格子による光ビームの０次回折
光が、前記光ファイバの一端に入射されると共に、当該
０次回折光と異なる一の回折光が進行する方向に光量検
出手段が設けられてなることを特徴とする請求項４記載
の光源装置。
【請求項６】発光素子と光ファイバの対を複数有し、
各発光素子から射出された光を、それぞれに対応して設
けられた集光機能を有する光学素子を介して各光ファイ
バの一端に入射させ、当該光ファイバの他端から射出す
るように構成された光源装置であって、前記複数対の発光素子と光ファイバを、ほぼ同一の位置
関係で保持する１つの基台を備えると共に、前記集光機
能を有する各光学素子が、当該基台と一体的に形成され
てなることを特徴とする光源装置。
【請求項７】前記基台は、金属で形成されてなること
を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光源装
置。