JP2008020290A

JP2008020290A - ビーム径測定装置および焦点調整装置

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Publication number: JP2008020290A
Application number: JP2006191666A
Authority: JP
Inventors: Reimon Hongo; 玲門本郷
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: JP4929885B2

Abstract

【課題】光ビームの焦点を簡易な構成により短時間で精度よく調整する。
【解決手段】光ビームの焦点を合わせる目標となる位置に入射した光ビームを互いの光軸の方向を異ならせて第１の光ビームと第２の光ビームとに分割するビームスプリッタ１０と、拡大光学系６０と、第１の光ビームを通過させて拡大光学系６０に入射させる第１の光学系と、第１の光学系よりも長い光路長を有し、第２の光ビームを通過させて拡大光学系６０に第１の光ビームと平行に且つ互いの光軸が重ならないように入射させる第２の光学系とを有する。第１の光学系における拡大光学系６０の焦点は目標となる位置から所定距離だけ拡大光学系６０から遠い側に位置し、第２の光学系における拡大光学系６０の焦点は目標となる位置から所定距離と等しい距離だけ拡大光学系６０に近い側に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビーム径測定装置および焦点調整装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置では、帯電した感光体ドラムに走査光学系により画像データに基づいて光ビームを照射することによって潜像を形成する。そして、この潜像にトナーを付着させてトナー像を形成し、トナー像を紙等の記録媒体に転写することによって画像を得る。所望の解像度の画像を得るためには、走査光学系が発する光ビームの焦点が感光体表面に一致するように調整することが不可欠である。

光ビームの焦点調整においては、従来、光軸方向におけるビーム径の変化を利用した方法が種々提案されている。ここで、光軸方向におけるビーム径の変化について説明する。図８は、光軸方向におけるビーム径の変化の様子を示す図である。光軸方向におけるビーム径の変化は、例えば、走査光学系の焦点を固定し、光軸上の焦点を含む２点間の複数の位置でビーム径を測定することによって得られる。このようにして得られる曲線をフォーカス曲線と呼ぶ。同図において、横軸は光軸上の位置であり、原点が焦点、走査光学系側をマイナス方向、ＣＣＤカメラ側をプラス方向とする。縦軸はビーム径である。図示のとおり、焦点においてビーム径は最小となり、焦点から離れるに従ってビーム径は大きくなる。また、フォーカス曲線は、縦軸を対称軸として概ね線対称とみなすことができる。同図によれば、光ビームの焦点を感光体表面に一致させるには、感光体表面におけるビーム径が最小となるように走査光学系と感光体との距離を定めればよいことがわかる。

しかし、この性質を利用して焦点調整を行う場合、最小のビーム径を得るためには走査光学系内のコリメータレンズを動かすなどして、走査光学系の焦点を移動させてビーム径を測定する作業を何度も繰り返すことが必要となる。また、最小ビーム径付近ではビーム径の変化が緩やかであるため、最小ビーム径が得られる位置を探し当てるのは容易でない。焦点調整に要する時間が長いほど製品のコストが高くなる。このような事情から、焦点調整を短時間で済ませることのできる技術が求められている。

走査光学系の焦点調整を効率よく行うことを目的とした技術としては以下のものが知られている。例えば、特許文献１で開示された技術では、感光体表面に相当する位置にビーム径測定手段を設置し、光軸上の複数の位置でビーム径を測定する。これによって図８に示すようなフォーカス曲線が描かれる。この曲線において、最小ビーム径の例えば１．４倍となる位置を特定する。このような位置は２箇所存在し、その中間点を焦点調整前の光ビームの焦点とみなすことができる。そして、この焦点と目標位置（感光体表面に相当する位置）との差を求め、この差が解消されるように走査光学系の焦点を移動させる。
また、特許文献２で開示された技術では、光ビームの光路上の焦点を挟む前後の２箇所にテレビカメラを配置し、それぞれ光量を測定する。そして、２つのテレビカメラで測定された光量が等しくなるように走査光学系の焦点を移動させる。
特開２００３−２６６７６２号公報特開平９−２５８０９１号公報

しかしながら、上記の例を含む種々の従来技術では、焦点調整のために多数の工程を要したり、装置のコストが高いなどの問題があった。
本発明は、上述した背景の下になされたものであり、光ビームの焦点を簡易な構成により短時間で精度よく調整することのできる技術の提供を目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、光ビームの焦点を合わせる目標となる位置に入射した光ビームを互いの光軸の方向を異ならせて第１の光ビームと第２の光ビームとに分割する分割手段と、拡大光学系と、前記分割手段によって得られた第１の光ビームを通過させて前記拡大光学系に入射させる第１の光学系と、前記第１の光学系よりも長い光路長を有し、前記第２の光ビームを通過させて前記拡大光学系に前記第１の光ビームと平行に且つ互いの光軸が重ならないように入射させる第２の光学系と、前記拡大光学系に入射した前記第１および第２の光ビームのビーム径を測定し、測定の結果を出力する測定手段とを有し、前記第１の光学系における前記拡大光学系の焦点は前記目標となる位置から所定距離だけ前記拡大光学系に近い側に位置し、前記第２の光学系における前記拡大光学系の焦点は前記目標となる位置から前記所定距離と等しい距離だけ前記拡大光学系から遠い側に位置することを特徴とするビーム径測定装置を提供する（請求項１）。

請求項１に記載のビーム径測定装置において、前記第２の光学系は、前記第１の光学系と異なる媒質に前記第２の光ビームを通過させることによって前記第２の光学系の光路の空気換算長を前記第１の光学系の光路の空気換算長よりも長くしてもよい（請求項２）。

請求項１または２に記載のビーム径測定装置において、前記第２の光学系は、前記第２の光ビームの入射する面が光軸に対して所定の角度をなすように設けられた平行平面基板を有するようにしてもよい（請求項３）。

請求項１乃至３のいずれかに記載のビーム径測定装置において、前記測定手段によって求められた前記第１および第２の光ビームのビーム径の差が閾値を下回る、または所定の範囲内に入るように前記光ビームの焦点の移動量を算出し、算出の結果を出力する移動量算出手段を有するようにしてもよい（請求項４）。

また、本発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のビーム径測定装置と、前記移動量算出手段によって求められた移動量に従って前記光ビームの焦点を移動させる焦点移動手段とを有することを特徴とする焦点調整装置を提供する（請求項５）。

本発明によれば、光ビームの焦点を簡易な構成により短時間で精度よく調整することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、ビーム径測定装置１００の構成を示す平面図である。
ビームスプリッタ１０は、プリズムの斜面に無偏光膜を形成し、もう１つの同一形状のプリズムと斜面同士を接着したものである。本実施形態では、画像形成装置に組み込まれる前の走査光学系３００から出射された光ビームを無偏光膜に入射させる。図中に示されている主走査方向は、走査光学系３００の光ビームの走査方向である。ビーム径測定装置１００は、走査光学系３００が光ビームを走査中、あるいは走査を停止して光ビームを出射している状態のどちらであってもビーム径を測定することができる。
なお、主走査方向は、図１において紙面に垂直な方向でもよい。

ビームスプリッタ１０の無偏光膜は、入射した光ビームを１：１の比率で透過、反射する。本実施形態では、図示されているように、無偏光膜に対して４５°の入射角で光ビームを入射させることによって、反射光（第１の光ビーム）と透過光（第２の光ビーム）を得る。第１の光ビームは入射時の光軸に対して９０°の角度をなす方向に進み、第２の光ビームは入射時の光軸と同一の方向に進む。

直角プリズム２０は、プリズムの斜面に反射膜を形成したものである。ビームスプリッタ１０から出射された第１の光ビームは、空気中を通過して直角プリズム２０の反射膜に対して４５°の入射角で入射する。入射した第１の光ビームは入射時の光軸に対して９０°の角度をなす方向に反射される。

ビームスプリッタ３０はビームスプリッタ１０と同一の構成を有している。直角プリズム２０によって反射された第１の光ビームは空気中を通過してビームスプリッタ３０の無偏光膜に対して４５°の角度で入射し、入射した第１の光ビームは１：１の比率で透過、反射する。反射した光ビームは入射時の光軸に対して９０°の角度をなす方向に進む。透過された第１の光ビームは拡大光学系６０に入射する。拡大光学系６０は例えば対物レンズである。
本実施形態では、直角プリズム２０、ビームスプリッタ３０からなる光学系を第１の光学系と呼び、ビームスプリッタ１０および第１の光学系によって形成される光路を第１の光路と呼ぶ。

平行平面基板４０は、直方体をなし、ビームスプリッタ１０によって得られた第２の光ビームを６面のうちの１面に入射させる。平行平面基板４０は、第２の光ビームが入射する面が第２の光ビームの光軸と所定の角度をなすように設けられている。この場合、以下に示すようにして第２の光ビームの空気換算長が変化し、さらに、出射される第２の光ビームの光軸が移動する。

図２は、空気換算長の変化を示す図である。ここで、Ｐは平行平面基板４０がない場合の像点、Ｐ’は平行平面基板４０がある場合の像点、ｄは光ビームが入射する面と出射される面との距離、ｎは屈折率である。像点の移動量ＰＰ’は次式で表される。

このように、平行平面基板４０に光ビームが入射すると像点が移動し、これによって平行平面基板４０がない場合に比べて空気換算長が長くなる。

図３は、光軸の移動を示す図である。ここで、ｄは光ビームが入射する面と出射される面との距離、ｕは入射角、ｕ’は平行平面基板４０内部での光軸が入射時の光軸となす角、ｂは光軸の移動量である。光軸の移動量ｄは次式で表される。

直角プリズム５０は直角プリズム２０と同様の構成を有している。平行平面基板４０から出射された第２の光ビームは、空気中を通過して直角プリズム５０の反射膜に対して４５°の入射角で入射する。入射した第２の光ビームは入射時の光軸に対して９０°の角度をなす方向に反射され、ビームスプリッタ３０の無偏光膜に入射し、１：１の比率で透過、反射される。反射された第２の光ビームは、入射時の光軸と９０°の角度をなす方向に進み、拡大光学系６０に入射する。
本実施形態では、平行平面基板４０、直角プリズム５０、ビームスプリッタ３０からなる光学系を第２の光学系と呼び、ビームスプリッタ１０および第２の光学系によって形成される光路を第２の光路と呼ぶ。

このようにして、第１の光ビームと第２の光ビームとが拡大光学系６０に入射するが、入射した第１の光ビームと第２の光ビームとは光軸が平行にずれている。上述したとおり、第２の光ビームは平行平面基板４０によって光軸が移動されているため、光軸が移動されなかった場合に対して直角プリズム５０の反射膜に対する入射点がずれる。すると、光軸が移動されなかった場合に対してビームスプリッタ３０の無偏光膜に対する入射点もずれる。その結果、ビームスプリッタ３０の無偏光膜に対する第１の光ビームと第２の光ビームの入射点がずれるから、無偏光膜を透過した第１の光ビームの光軸と無偏光膜で反射された第２の光ビームの光軸とが平行にずれる。このようにして、第１の光ビームと第２の光ビームとは、平行に且つ互いの光軸が重ならないように拡大光学系６０に入射する。

次に、第１および第２の光路の空気換算長の計算例を示す。図４は、第１および第２の光学系を構成する各部の寸法を表す図である。表１は、図４に示された寸法に基づいた光路長の計算例である。「ガラス内光路」は、ビームスプリッタ１０、３０、直角プリズム２０、５０、平行平面基板４０を構成する媒質であるガラスの内部における光路長である。ガラス内光路について上述の数１を用いて空気換算長を求め、これに空気光路の光路長を加えたものが「全体空気換算長」である。このようにして第１および第２の光路の光路長の差が求められる。なお、この例では、図４に示したＡ点からＢ点までの光路を計算している。

ＣＣＤカメラ７０は、拡大光学系６０に入射した第１および第２の光ビームの像を撮像し、撮像されて得られた画像を表す信号をコンピュータ８０に送信する。
次に、コンピュータ８０の構成について説明する。図５は、コンピュータ８０の構成を示す図である。記憶部８１には、コンピュータ８０の各部を制御するための基本プログラム、ビーム径を求めるためのプログラム、求められたビーム径に基づいて走査光学系３００の焦点の移動量を求めるためのプログラム等が記憶されている。ＣＰＵ８２は、記憶部８１に記憶されているこれらのプログラムを実行して、ビーム径と移動量の算出を行う。ＲＯＭ８３には、コンピュータ８０を起動するためのプログラムが記憶されている。ＲＡＭ８４は、ＣＰＵ８２が各プログラムを実行する際のワークエリアとして使用される。表示部８５は、例えば液晶パネルであり、ビーム径の測定結果を表示する。指示受付部８６は、例えばキーボードであり、ユーザがコンピュータ８０に対する指示を入力することができるようになっている。

次に、ビーム径の算出について説明する。図６は、光ビームの光軸方向の像を表す図である。図示されているように、光ビームの像を中心とする一辺の長さＦの正方形の領域を測定対象領域とする。測定対象領域内に格子状に並べられた四角形の各々はＣＣＤカメラ７０の画素を表す。同図においては、斜線の密度の違いによって各画素の濃度を表している。ここで、濃度は、白が最も高く、黒が最も低いと定義し、光ビームが入射していないときの背景の濃度をＤｂｇとする。
測定対象領域の中央付近で白く見えるのが光ビームの像である。光ビームの像は中心が最も明るく、中心から離れるに従って徐々に明るさが減少していく。中心の座標を（ｘ１，ｙ１）、各画素の濃度をＤ（ｘ，ｙ）とする。

次に、次式を用いて、ｘ方向、ｙ方向の濃度分布を表すビームプロファイル関数を作成する。Tan(x)はｘ方向の濃度、Sag(y)はｙ方向の濃度である。

次に、次式を用いて、ビーム径を算出する際の閾値を定める。ここで、Tan_thはｘ方向の閾値、Sag_thはｙ方向の閾値、TanMaxは(x-F/2≦x≦x+F/2)領域でのTan(x)の最大値、SagMaxは(y-F/2≦y≦y+F/2)領域でのSag(y)の最大値、thは計算閾値（通常、1/e²）である。

このようにして定められた閾値を用いて、ｘ方向、ｙ方向のビーム径を求める。図７は、光ビームの濃度の変化を表す図である。同図はｘ方向の変化を表し、横軸がｘ方向、縦軸が濃度である。ｘ方向のビーム径（Tanビーム径）は濃度Tan(x)が閾値Tan_thと一致する２点間の距離で表される。同様に、ｙ方向のビーム径（Sagビーム径）は濃度Sag(y)が閾値Sag_thと一致する２点間の距離で表される（図示省略）。

さて、上述したとおり、本実施形態のビーム径測定装置１００は、第２の光路の空気換算長が第１の光路の空気換算長よりも長くなるように構成されている。そのため、第２の光学系における拡大光学系６０の焦点は第１の光学系における拡大光学系６０の焦点よりも走査光学系３００に近い位置に位置することになる。このことを利用すれば、第１および第２の光ビームを同時に観測することによって、図８の丸印で示されるように、光軸上の異なる２点Ｃ、Ｄで同時にビーム径を測定することができる。同図において原点は、光ビームの焦点を合わせる目標となる位置、すなわち、感光体の表面に相当する位置である。以下、この位置を「目標位置」と呼ぶ。また、この例では、第１の光学系における拡大光学系６０の焦点Ｄは目標位置から所定距離Ｍだけ拡大光学系６０に近い側に位置し、第２の光学系における拡大光学系６０の焦点Ｃは目標位置から所定距離Ｍと等しい距離だけ拡大光学系６０から遠い側に位置するようになっている。この場合、図示されているとおり、光ビームの光軸上の異なる２点Ｃ、Ｄで同時にビーム径が測定される。フォーカス曲線は概ね線対称であるから、２点のビーム径の差ｄ１は非常に小さな値となる。

図９は、光ビームの焦点が目標位置からずれた場合を示す図である。この例では、光ビームの焦点は走査光学系３００に近づく方向にずれている。この場合、２点で測定されるビーム径の差ｄ２は、図８における差ｄ１よりも大きくなる。つまり、目標位置からの焦点のずれ量とビーム径の差との間には相関がある。また、光学系の焦点のずれ量には許容範囲（いわゆる焦点深度）が存在する。従って、焦点のずれ量が許容範囲内に収まるようにビーム径の差の閾値を設定しておけば、ビーム径の差がこの閾値以下になった場合に光ビームの焦点が許容範囲内に入ったと判断することができる。
本実施形態では、コンピュータ８０の表示部８５に第１および第２の光ビームのビーム径の測定結果を表示する。そして、ユーザが表示された測定結果を見ながらビーム径の差が閾値以下になるように走査光学系３００内の焦点調整手段（例えば、コリメータレンズ）を手動で移動させる。

図８に示されているとおり、フォーカス曲線は概ね線対称であるが、最小ビーム径付近ではビーム径の変化が緩やかである。従って、この近辺の２点でビーム径を測定したとしてもビーム径の変化を見分けにくく、ユーザにとっては調整がしづらい。このような理由から、ビーム径を測定する２点は、図８に示したように、フォーカス曲線がある程度大きな勾配で変化する２点Ｃ、Ｄを選ぶのがよい。そのためには、フォーカス曲線を予め作成しておき、上記の手順で焦点調整を試みて、調整作業が容易になるように２点Ｃ、Ｄを定める。そして、第１の光学系における拡大光学系６０の焦点と第２の光学系における拡大光学系６０の焦点との距離がＣＤ間の距離に等しくなるように、平行平面基板４０の厚さ（図４では１５ｍｍ）を変更すればよい。

ビームスプリッタ１０と走査光学系３００とは、所定の距離だけ離して設置する。この距離は以下に示すようにして定められる。画像形成装置に走査光学系３００が組み込まれた場合の光ビームの出射点と感光体ドラム表面との距離をＬとする。本実施形態では、画像形成装置に組み込まれる前の走査光学系３００の光ビームの出射点からビームスプリッタ１０の無偏光膜上における光ビームの入射点までの距離がＬと等しくなるように、走査光学系３００とビーム径測定装置１００とを治具等（図示省略）を用いて設置する。つまり、無偏光膜上の光ビームの入射点は、走査光学系３００から出射される光ビームの焦点を合わせる目標となる位置である。

なお、本実施形態では、実際の測定においては２点Ｃ、Ｄにおけるビーム径の比較のみを行えば用が足りるから、フォーカス曲線は不要となる。従って、光軸上の複数の位置で何度もビーム径の測定を繰り返す必要はない。

ビーム径の測定結果の表示はいかなる態様で行ってもよいが、以下にその一例を示す。図１０は、第１および第２の光ビームのフォーカス曲線を描いた例である。この図は、例えば、２点Ｃ、Ｄにおけるビーム径の測定の際に、拡大光学系６０の焦点を光軸方向に移動させることによって得られる。ただし、この表示では、第１の光学系における拡大光学系６０の焦点Ｄと第２の光学系における拡大光学系６０の焦点Ｃとを原点に一致させている点で図８と異なる。この例は、光ビームの焦点と目標位置との差が許容範囲内にある場合を示しており、第１および第２の光ビームのフォーカス曲線の縦軸との交点は図８に示したｄ１と同じ距離だけ離れている。

一方、図１１は、図９と同様に、光ビームの焦点が目標位置からずれた場合を示す図である。この例では、光ビームの焦点は走査光学系３００に近づく方向にずれている。この場合、第１および第２の光ビームのフォーカス曲線は左方向に平行移動し、その結果、縦軸との交点は図９に示したｄ２と同じ距離だけずれている。
上記の表示によって、第１および第２のビーム径の差が視認しやすくなる。ただし、この場合も、実際に測定することが必要なのは２点Ｃ、Ｄにおけるビーム径のみであり、フォーカス曲線は視覚的な補助にすぎない。従って、フォーカス曲線は、ビーム径測定装置１００の試験時に求めたものを使用するか、あるいは、仮想的な曲線を表示させるようにすればよい。

また、図１２に示すように光ビームの像を表示するようにしてもよい。（ａ）は図１０の場合に対応する表示、図１２（ｂ）は図１１の場合に対応する表示の例であり、右側の白点が第１の光ビームの像、左側の白点が第２の光ビームの像である。

＜変形例＞
以上説明した形態に限らず、本発明は種々の形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形した形態でも実施可能である。
上記のビーム径測定装置１００での測定結果を用いて走査光学系３００の焦点を自動的に調整するようにしてもよい。例えば、光源に対してレンズを移動させる移動手段（例えばアクチュエータ）を走査光学系３００に取り付けておく。予めフォーカス曲線を求めておき、測定された２点がフォーカス曲線上のどの位置に該当するかを求める。そして、２点の中点とフォーカス曲線の対称軸とのｘ方向のずれ量を求めることによって、光ビームの焦点の移動量を求めることができる。そして、この移動量に基づいて、走査光学系３００の移動手段を駆動させて焦点を移動させる。

平行平面基板４０の代わりに、図１３に示すように、複数のミラーを配置して光路を長くするようにしてもよい。この例では、ビームスプリッタ１０から出射された第２の光ビームは、直角プリズム、１１０、１２０、１３０によって図示の方向に反射され、ビームスプリッタ３０に入射する。なお、主走査方向は、図１３において紙面に垂直な方向でもよい。

ビーム径測定装置１００の構成を示す図である。光路長の変化を示す図である。光軸の移動を示す図である。第１および第２の光学系を構成する各部の寸法を表す図である。コンピュータ８０の構成を示す図である。光ビームの光軸方向の像を表す図である。光ビームの濃度の変化を表す図である。光軸方向におけるビーム径の変化の様子を示す図である。光ビームの焦点が目標位置からずれた場合を示す図である。第１および第２の光ビームのフォーカス曲線を描いた例である。光ビームの焦点が目標位置からずれた場合を示す図である。光ビームの像を表示した例を示す図である。複数のミラーを配置して光路を長くした例を示す図である。

符号の説明

１００…ビーム径測定装置、１０…ビームスプリッタ、２０…直角プリズム、３０…ビームスプリッタ、４０…平行平面基板、５０…直角プリズム、６０…拡大光学系、７０…ＣＣＤカメラ、８０…コンピュータ、３００…走査光学系。

Claims

光ビームの焦点を合わせる目標となる位置に入射した光ビームを互いの光軸の方向を異ならせて第１の光ビームと第２の光ビームとに分割する分割手段と、
拡大光学系と、
前記分割手段によって得られた第１の光ビームを通過させて前記拡大光学系に入射させる第１の光学系と、
前記第１の光学系よりも長い光路長を有し、前記第２の光ビームを通過させて前記拡大光学系に前記第１の光ビームと平行に且つ互いの光軸が重ならないように入射させる第２の光学系と、
前記拡大光学系に入射した前記第１および第２の光ビームのビーム径を測定し、測定の結果を出力する測定手段と
を有し、
前記第１の光学系における前記拡大光学系の焦点は前記目標となる位置から所定距離だけ前記拡大光学系に近い側に位置し、前記第２の光学系における前記拡大光学系の焦点は前記目標となる位置から前記所定距離と等しい距離だけ前記拡大光学系から遠い側に位置する
ことを特徴とするビーム径測定装置。
前記第２の光学系は、前記第１の光学系と異なる媒質に前記第２の光ビームを通過させることによって前記第２の光学系の光路の空気換算長を前記第１の光学系の光路の空気換算長よりも長くしたことを特徴とする請求項１に記載のビーム径測定装置。
前記第２の光学系は、前記第２の光ビームの入射する面が光軸に対して所定の角度をなすように設けられた平行平面基板を有することを特徴とする請求項１または２に記載のビーム径測定装置。
前記測定手段によって求められた前記第１および第２の光ビームのビーム径の差が閾値を下回る、または所定の範囲内に入るように前記光ビームの焦点の移動量を算出し、算出の結果を出力する移動量算出手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のビーム径測定装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載のビーム径測定装置と、
前記移動量算出手段によって求められた移動量に従って前記光ビームの焦点を移動させる焦点移動手段と
を有することを特徴とする焦点調整装置。