JP2007334300A

JP2007334300A - 光記録装置

Info

Publication number: JP2007334300A
Application number: JP2007076183A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Shibayama; 恭之柴山
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2007-12-27
Also published as: US7439998B2; US20070274639A1

Abstract

【課題】本発明の課題は、被走査面上の結像スポット列傾き角度の誤差に対応する、走査線間隔の誤差感度を緩和した光走査装置を提供することである。
【解決手段】レーザ光を、複数本の光ファイバに入射し、該複数本の光ファイバを等間隔に配列した光ファイバアレイ部３４から出射した光ビームを、感光体ドラム４表面上で走査する光記録装置において、光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバを用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームプリンタ等のようにレーザ光を偏向、走査することにより光記録を行う光記録装置に関するものである。

レーザビームプリンタ等の光記録装置は、特許文献１に開示されているように、レーザ光を複数本の光ファイバを配列した光ファイバアレイ部に導き、該光ファイバアレイ部を出射した光ビームを被走査面上に結像、走査するように構成されている。このような装置においては、光ファイバアレイ部の光出射端面と被走査面は、光学系により、光学的共役関係に配置されており、光ファイバアレイ部を形成する各々の光ファイバの光伝搬領域（以下コア部という）の大きさは、クラッド部に比べて一般に小さいので、被走査面上の結像スポット間隔は、隣接する走査線間隔よりも大きくなる。このため、被走査面上に光スポット列を斜めに傾けて結像させ、これを走査することにより、隣接する走査線を形成するようにしている。

図４は、従来の光走査装置における光ファイバアレイ部と、被走査面上に結像される光スポットの関係を示す。同図において、２ω_Ｆは光ファイバアレイ部の各々の光ファイバから出射する光ビームのモード径、Ｐ_Ｆは光ファイバアレイ部を形成する各々の光ファイバの配列間隔、２ω_Ｄは被走査面上に結像される光スポット径（実際の結像スポット径は光学系の収差の大小により変化するが、ここでは回折限界スポット径を意味する）、Ｐ_Ｄは被走査面上に形成する隣接走査線の間隔、Ｍは光学系倍率、θは被走査面上に結像される光スポット列の傾き角度である。なお、上記のモード径とは光ファイバを伝搬するビームの光強度分布において、中心光強度の１／ｅ^２（＝１３．５％）になる大きさ（全幅）のことをいう。ここでＰ_Ｄ及び２ω_Ｄは、式（１）及び（２）で表される。

今、光源として波長４５０ｎｍ以下の短波長半導体レーザを用いた場合、２ω_Ｆ＝３．５μｍ、Ｐ_Ｆ＝１２５μｍ、２ω_Ｄ＝５０μｍ、Ｐ_Ｄ＝２１．２μｍとすると、（１）、（２）式より、Ｍ＝１２．５倍、θ＝０．６８０°を得る。

（１）式より、被走査面に結像される光スポット列の傾き角度θに角度誤差があると、その誤差は、被走査面上の隣接走査線間隔Ｐ_Ｄの誤差として影響する。そしてθの設定角度が浅くなればなるほどθの許容誤差は厳しくなる。上記の例では、設定角度誤差Δθ＝±０．００６８°がＰ_Ｄにおける±１％の誤差に相当し、走査線間隔ムラを抑制するには厳しい精度を要求されることが分かる。

次に、結像スポット列の傾き角度誤差Δθに対する被走査面上の隣接走査線間隔Ｐ_Ｄの感度を緩和させる手段について述べる。
緩和手段の一つは、被走査面に形成する光スポット列の傾き角度θを大きくとることである。傾き角度θを大きくとるためには（１）式より光ファイバアレイ部の各々の光ファイバの配列間隔Ｐ_Ｆを小さくすればよい。

特許文献３には、光ファイバのクラッド部の外径をエッチング等により小さくして、光ファイバアレイ部のＰ_Ｆを小さくする方法が開示されている。しかしながら、クラッド部の外径をエッチングで削ると、除去する厚みにバラツキが生じ易いという問題がある。また、クラッド部が細径化されると、特許文献２に記載されているように溝状基板に接着等の方法で光ファイバを固定して光ファイバアレイ素子を作成する際、作業性が悪いという問題もある。更に、光ファイバを固定する前段として、コア部を直線上に配置するために、光ファイバを回転調整する方法が知られているが、やはり作業性が悪いという問題がある。

一方、角度誤差Δθが及ぼす隣接走査線間隔Ｐ_Ｄの誤差を低減する別の方法として、光学系倍率Ｍを小さくする方法がある。しかしながら、（２）式から明らかなように、光学系倍率Ｍは、光ファイバから出射するビームのモード径２ω_Ｆと被走査面上の結像スポット径２ω_Ｄとを対応付ける定数であり、Ｍを小さくすると２ω_Ｄが小さくなってしまうという問題がある。

この問題を回避するために、光学系に開口部材を配置してビームを絞る方法も知られているが、開口部材を配置すると、開口によりビームの一部が遮蔽され、光量を損失するという欠点がある。

特開２００４−３２５８５９号公報特開２００１−０６６４３８号公報特開２０００−１４７２９６号公報

光源として用いられる面発光レーザの場合は、それ自身でアレイ化が容易であるため、本発明の課題としている残存誤差について配慮する必要がないという利点があるが、その反面、面発光レーザは高出力、短波長のレーザ光を作り出すことはできないという問題がある。すなわち、面発光レーザの波長は、通常、近赤外（７８０ｎｍ付近）に限定され、１素子あたりのパワーは数ｍＷ、例えば２〜３ｍＷが上限である。

これに対し、本発明において用いる端面発光レーザは、青色（４０５ｎｍ）および赤色（６３３〜６８０ｎｍ）の波長のレーザ光を発生することができ、１素子あたりのパワーは３０〜６０ｍＷと高出力のものが製品化されている。

従って、波長選択の自由度が高く、ハイパワーの光源として、端面発光レーザは面発光レーザよりも優位性があるが、上述したように、被走査面上に結像される結像スポットの傾き角度誤差Δθの影響を排除することが非常に難しく、端面発光レーザと光ファイバアレイを組み合わせた光学素子における最も大きな技術課題となっていた。

本発明は、上記のような従来の問題を解決した光記録装置を提供することを目的とする。具体的には、被走査面に結像される光スポット列の傾き角度の誤差Δθが及ぼす、被走査面上の隣接走査線間隔Ｐ_Ｄの誤差を緩和し、走査線間隔の目立たない高品質画像を記録できる光記録装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明の一つの特徴は、レーザ光を発生する光源と、複数本の光ファイバを等間隔に配列した光ファイバアレイ部と、前記レーザ光を前記光ファイバに入射する手段と、前記光ファイバアレイ部から出射された光ビームを被走査面上に結像し、走査するための光学系とを備えた光記録装置において、前記光ファイバのモード径２ω_Ｆが後述の（８）式又は（９）式を満たすことにある。

本発明の他の特徴は、前記光ファイバとしてフォトニック結晶シングルモード光ファイバを用いたことにある。

本発明の他の特徴は、前記レーザ光を発生する光源を、発振波長４５０ｍｍ以下の半導体レーザより構成したことにある。

本発明によれば、フォトニック結晶ファイバを用いることにより光ファイバアレイ部から出射する光ビームのモード径を大径化することができ、その結果、従来に比べて光学系倍率Ｍを小さくすることができる。このため、被走査面上の結像スポット列傾き角度の誤差に対応する走査線の間隔の誤差感度を緩和することにより、走査線間隔ムラの目立たない高画質の光記録装置を実現することができる。

以下、本発明に係る光記録装置の一実施例を図１を参照して説明する。本発明装置は、光源部１、レンズ系２、光走査部３、記録部となる感光ドラム４及びコントローラ５より構成されている。

光源部１は、半導体レーザモジュール２９，３０，３１，３２，３３と、レーザドライバ３６，３７，３８，３９，４０を有し、それぞれのドライバ３６〜４０は、コントローラ５により制御される。

本実施例では、光源部１として独立した５個の端面発光半導体レーザ（すなわち、活性層に垂直な劈開面からビームを放射する半導体レーザ）を使用しており、半導体レーザから出射したビームを各々のレーザに対応した光ファイバに結合するための光結合光学系を有している。

図７に、半導体レーザモジュール２９〜３３のうち１つの半導体レーザモジュールの内部構造を示す。

光源となる半導体レーザモジュール内の半導体レーザ１００は、レーザ光を放出するレーザチップ１０４、レーザ光を受光する非図示の光検出素子がＬＤキャップ１０５により気密封止された一体型の構造体である。半導体レーザ１００はレーザ保持具１０２にステム部１０３が非図示の接合手段により接合されて保持されている。

半導体レーザ１００の発光部であるレーザチップ１０４から出射した光１１５はレーザ保持具１０２内部に配置されたレンズ系１０６を介して、フェルール１０７に保持されたシングルモード光ファイバ１０８の光入射側端面上に結像され、光ファイバ１０８の光伝搬領域（以下、コアと呼ぶ）に入射する。

光ファイバ１０８を保持するフェルール１０７はスリーブ１１０に保持され、スリーブ１１０は半導体レーザ１００が搭載されたレーザ保持具１０２に装着されることにより、半導体レーザをモジュール構成となっている。

なお、半導体レーザは、波長が４５０ｍｍ以下の短波長の半導体レーザであることが望ましい。それぞれの半導体レーザ、光結合光学系は、半導体レーザモジュール２９〜３３としてパッケージングされている。

一方、光ファイバ出射端は、複数の光ファイバが、互いに近接して等間隔に一列に配列され、光ファイバアレイ部３４を形成している。この光ファイバアレイ部３４から出射する光を複数ビーム発生光源として用いる。個々の半導体レーザモジュール２９〜３３に組み込まれた半導体レーザは、コントローラ５からの画像データ信号３５により制御される。従って、光ファイバアレイ部３４の先端から、それぞれ独立に変調された個々の光ビーム４１が出射される。

光ファイバアレイ部３４から出射した光ビーム４１は、ビームを整形するためのレンズ４２に照射され、各光ファイバから出射した各光束が略平行光束とされる。その後、レンズ４３，４４，４５を順次透過後、回転多面鏡４６により光偏向される。回転多面鏡４６は駆動回路６により駆動され、駆動回路６はコントローラ５からの制御信号により制御される。回転多面鏡４６により偏向された光は、結像光学素子である走査レンズ４７により、感光ドラム５上にスポット列４９〜５３として結像される。このように、個々に変調された光スポット４９〜５３が感光ドラム５上を走査することにより、感光ドラム５の面上に光記録が行われる。なお感光ドラム４に近接して光検出器が設けられており、その検出信号はコントローラ５に加えられる。

上記のように構成された光記録装置において、本発明は光ファイバアレイ３４を形成する光ファイバとして、後述するフォトニック結晶ファイバよりなるシングルモード光ファイバを用いたことに特徴がある。

シングルモード光ファイバとは、光ファイバから出射するビームの遠視野像が単峰性の円形、或いは楕円のガウス分布状の光強度分布を有する光ファイバを言う。一般に、光ファイバは、石英を主材料とするクラッドと呼ばれる外周部と、石英にゲルマニウムをドーピングした材料よりなるコアと呼ばれる芯部分の２層構成を有する。半導体レーザの波長が１．３μｍ帯、或いは１．５μｍ帯の赤外光を用いる光通信用のシングルモード光ファイバの場合、コアの直径は約１０μｍのものが用いられるが、このような光通信用のシングルモード光ファイバを用いて波長４５０ｎｍ以下の短波長レーザからのビームを導波すると、シングルモードのビームにはならない。その理由は、短波長レーザの場合、波長比からコア径が著しく小さくなり、光ファイバを伝搬するモードの直径、すなわち光ファイバを出射する光スポット径を小さくせざるを得ないことにある。

シングルモードの光ファイバを作製するためには、パラメータＶが下記条件を満たす必要がある。

ここで、λは光の波長、２ａはコア直径、ｎ_１はコアの屈折率、ｎ_２はクラッドの屈折率である。

波長λを４０５ｎｍ、クラッドの屈折率を１．４６９６として、式（３）をグラフで示したのが、図２である。図中、Δは比屈折率差であり、次式（４）で表される。

図２において、コア径が曲線ａより小さい領域ではシングルモードが実現されることになる。同図から明らかなように、コア径の大きいシングルモード光ファイバを作製するにはΔをできるだけ小さくすればよい。しかし、コア径はΔが０．１％以下になると急峻に増大してくるため、その制御が難しく、作製も困難になってくる。また、Δが小さくなる程、光の閉じ込め性が悪くなる。従って現実的な解としては、Δが０．１５％前後、コア径３．５μｍ付近が限界の目安である。

そこで本発明は、光走査装置の光ファイバアレイ部３４を形成する各々の光ファイバとして、フォトニック結晶ファイバを用いることにより、光ファイバから出射する光ビームのモード径２ω_Ｆを大径化したものである。

フォトニック結晶ファイバとは、図３の断面図（Ａ）、（Ｂ）に示すようにシリカ１１よりなる光ファイバ１０に多数の空孔１３を規則的に配列し、内側の空孔１３に取り囲まれたコア領域１２に光を閉じ込めて光を伝搬するファイバである。同図（Ｂ）のフォトニック結晶ファイバは、断面が六角形をしたコア領域１２に等間隔に空孔１３を形成したものであり、同図（Ａ）のフォトニック結晶ファイバは、同じく断面が六角形のコア領域１２に２個ずつ空孔１３を等間隔に形成したものである。

本実施例ではフォトニック結晶ファイバの構造として２つの例を示したが、もちろん本発明はこのような構造に限定されず、空孔を規則的に配列してコア領域に光を閉じ込めて光を伝播するファイバを全て含む。

このようなフォトニック結晶ファイバは、石英系ガラスに添加物を加えて導波路構造を形成する従来構造の光ファイバと異なり、大きなモード径を持ち紫外域から赤外域までをシングルモード動作でカバーできる等の特徴を備えている。このような光ファイバで既に製品化されているものとしては、米国ＣＲＹＳＴＡＬＦＩＢＥＲ社のＬＭＡ−８（コア径：８．５±０．３μｍ、モード径：６．０±１．０μｍ）、ＬＭＡ−１０（コア径：１１±１μｍ、モード径：８．５±１μｍ）、その他三菱電線工業のＬＦＲ−１２７（モード径：８．８／７．９μｍ＠４０５ｎｍ）等がある。何れも、従来型の光ファイバでは実現できなかった５μｍ以上の大きなモード径を有し、波長４５０ｎｍ以下の青色域の短波長レーザを用いた場合であってもシングルモード光ファイバとして使用できる。

このように光ファイバアレイ部３４から出射する光ビームの光ファイバのモード径２ω_Ｆを大きくすることにより、前述の（２）式から明らかなように隣接走査線間隔Ｐ_Ｄを一定とすると、相対的に光学系の倍率Ｍを小さくすることができる。そして（１）式から光学系倍率Ｍを小さくすることにより、光スポット列θの傾き角度誤差が及ぼす隣接走査線誤差を低減することが可能になる。

以下、フォトニック結晶ファイバを用いることにより、光ファイバから出射するビームのモード径２ω_Ｆを大きくすると共に、光学系倍率Ｍを小さくする方法について説明する。

まず、図５、図６を用いて、複数ビームを用いた光記録装置において、被走査面上に形成する隣接走査線間隔の許容誤差について説明する。

図５は、５本のビームを発生する走査光学系を例にとって、（Ｂ）が走査線誤差が無い場合、（Ａ）及び（Ｃ）は１走査内の隣接走査線間隔が正規の間隔の−１０％及び＋１０％の誤差がある場合を示している。

また図６は、１０本のビームを発生する走査光学系を例にとって、（Ｂ）が走査線誤差が無い場合、（Ａ）及び（Ｃ）は１走査内の隣接走査線間隔が正規の間隔の−５％及び＋５％の誤差がある場合を示している。

図５及び６から明らかなように、多ビーム走査においては、１走査内の走査線間隔誤差が、Ｎ回目の走査と、Ｎ＋１回目の走査（或いは、Ｎ＋１回目の走査とＮ＋２回目の走査）のつなぎ目（図中の矢印で示した部分）に累積誤差として影響するので、±５％あるいは±１０％程度の誤差量でも目視で走査線ムラがはっきりと認識できるレベルになる。

また、１走査内の隣接走査線間隔誤差ΔＰ_Ｄによる影響はビーム数が多くなるほど大きくなり、走査線間隔ムラが目立たないレベルとしては、５本ビームでΔＰ_Ｄ＜０．１ΔＰ_Ｄ、１０本ビームでΔＰ_Ｄ＜０．０５ΔＰ_Ｄを少なくとも満たす必要があることが確認できた。また、一般化して、ｍ本ビーム走査の場合では，次式を満たすことが必要である。

一方、（１）式及び（２）式より次式（６）を得る。

但し、Δθは結像スポット列傾き角度誤差である。

更に、（１）、（２）、（５）、（６）式より次式（７）、（８）を得る。

通常、光記録装置では光スポット列の傾き角度θを所定の設定角度値となるように調整がなされるので、（８）式の右辺の結像スポット列傾き角度Δθは、調整しきれない残存誤差、装置性能によって決まる角度調整量の最小ステップ、即ち、結像スポット列の傾き角の調整分解能と読み替えることができる。

（８）式は、光記録装置において、Δθ≠０であっても、（８）式を満足する光ファイバのモード径（＝２ω_Ｆ）であれば、走査線間隔ムラが目立たないレベルにすることが出来るということを意味する。

なお、Δθは上述のように調整しきれない残存誤差、或いは結像スポット列の傾き角の調整分解能であるが、これらを大きく確保することは誤差裕度を緩和させることであり、調整時間の短縮、調整工数削減の観点から有意義である。

残存誤差は、通常、Δθ＝０．１°＝０．００１７（ｒａｄ）程度であるから、（８）式においてΔθ以外を変数として残すと（８）式は次式（９）のように書き換えることができる。この式（９）は、走査線間隔ムラの目立たない画質を得るための光ファイバモード径の条件を表す。

例えば、２ω_Ｄ＝５０μｍ、Ｐ_Ｆ＝１２５μｍ、Ｐ_Ｄ＝２１．２μｍ、ｍ＝５本、Δθ＝０．１°＝０．００１７（ｒａｄ）とすると、（９）式より２ω_Ｆ＞５．１μｍを得る。

以上のように、光記録装置の光ファイバとしてフォトニック結晶を用いたシングルモード光ファイバを使い、光ファイバのモード径２ω_Ｆとして、（８）式あるいは（９）式を満足させることにより、波長４５０ｎｍ以下の短波長領域であっても、被走査面上の結像スポット列傾き角度誤差に対する走査線間隔誤差を緩和し、走査線間隔ムラの目立たない高品質画像を記録できる光記録装置を提供することができる。

本発明は、波長が４５０ｍｍ以下の短波長の半導体レーザを用いた場合に好適であるが、短波長以外の半導体レーザを用いた場合にも適用することができる。

本発明に係る光記録装置の一実施例を示す概略説明図である。シングルモード光ファイバの比屈折率差とコア径の関係を示す説明図である。本発明装置に用いるフォトニック結晶シングルモード光ファイバの断面構造を示した説明図である。光ファイバアレイ部及び被走査面上のビーム配列を示す説明図である。５ビーム走査光学系における走査線間隔誤差の影響の説明図である。１０ビーム走査光学系における走査線間隔誤差の影響の説明図である。半導体レーザモジュールの内部構造を示す側面断面図である。

符号の説明

１：光源部、２：レンズ系、３：光走査部、４：感光ドラム、５：コントローラ、
６：駆動回路、７：光検出器、１０：光ファイバ、１１：シリカ、１２：コア領域、
１３：空孔、２９〜３３：半導体レーザモジュール、３４：光ファイバアレイ、
３５：画像データ信号、３６〜４０：レーザドライバ、
４１：光ファイバアレイ出射ビーム、４２〜４５：レンズ、４６：回転多面鏡、
４７：走査レンズ、４９〜５３：結像スポット、１００：半導体レーザ、
１０２：レーザ保持具、１０３：ステム部、１０４：レーザチップ、
１０５：ＬＤキャップ、１０６：レンズ系、１０７：フェルール、
１０８：シングルモード光ファイバ、１１０：スリーブ、１１５：出射光

Claims

レーザ光を発生する光源と、複数本の光ファイバを等間隔に配列した光ファイバアレイ部と、前記レーザ光を前記光ファイバに入射する手段と、前記光ファイバアレイ部から出射した光ビームを被走査面上に結像し、走査するための光学系とを備えた光記録装置において、前記光ファイバのモード径は、次式を満たすことを特徴とする光記録装置。

ただし、
２ω_Ｆ：光ファイバのモード径［μｍ］
２ω_Ｄ：被走査面上の結像スポット径［μｍ］
Ｐ_Ｆ：光ファイバ出射端の配列間隔［μｍ］
Ｐ_Ｄ：被走査面上における正規の隣接走査線間隔［μｍ］
ｍ：走査ビーム本数
Δθ：被走査面上の結像スポット列の傾き角の調整分解能［ｒａｄ］
レーザ光を発生する光源と、複数本の光ファイバを等間隔に配列した光ファイバアレイ部と、前記レーザ光を前記光ファイバに入射する手段と、前記光ファイバアレイ部から出射した光ビームを被走査面上に結像し、走査するための光学系とを備えた光記録装置において、前記光ファイバのモード径は、次式を満たすことを特徴とする光記録装置。

ただし、
２ω_Ｆ：光ファイバのモード径［μｍ］
２ω_Ｄ：被走査面上の結像スポット径［μｍ］
Ｐ_Ｆ：光ファイバ出射端の配列間隔［μｍ］
Ｐ_Ｄ：被走査面上における正規の隣接走査線間隔［μｍ］
ｍ：走査ビーム本数
前記光ファイバはフォトニック結晶を用いたシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１または２記載の光記録装置。
前記半導体レーザの発振波長は４５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項1乃至３いずれか一項記載の光走査装置。
レーザ光を発生する光源と、複数本の光ファイバを等間隔に配列した光ファイバアレイ部と、前記レーザ光を前記光ファイバに入射する手段と、前記光ファイバアレイ部から出射した光ビームを被走査面上に結像し、走査するための光学系とを備えた光記録装置において、前記光ファイバは、フォトニック結晶ファイバよりなるシングルモード光ファイバであることを特徴とする光記録装置。