JP2008052247A - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の光束を発生する光源104、光源からの光束をカップリングするカップリング光学素子105、カップリング光学素子からの光束を偏向走査する偏向手段103、偏向走査された光束を結像する走査光学系を有し、光束を発生する発光点とカップリング光学素子105の光軸との距離の最大値をA、光源104からの光束の発散角(半値全幅)をθ、カップリング光学素子の焦点距離をF、カップリング光学素子の有効径の範囲半径をDとしたとき、
Ftan(θ/2)+A<D/0.7
の条件を満たす。
【選択図】図1
Description
1.発光素子を電気的に駆動することによって発生する熱が、各発光素子間でクロストークを起こす原因となり、特性が不安定になる。
2.発光素子数が多いほど光学系の光軸から発光点が離れるため、光学特性を全光束について確保することが難しい。ここでの光学特性とは、光利用効率、像面湾曲が挙げられる。
発光点を等間隔とし、発光点間の距離を近づけることなく集積率を向上することで熱クロストークの影響を低減する技術(例えば、特許文献1参照)。
マルチビーム走査装置において、光源の発光点間の距離と、発光点の並ぶ方向とを定めることで、走査速度を確保しながら記録画像の濃度の不均一性を低減し、熱クロストークの問題を回避し、画像の高密度化を実現する技術(例えば、特許文献2参照)。
偏向器より前側の光学系において、回折面と屈折面を組み合わせることにより、温度変化によるピント位置変動を低減する技術(例えば、特許文献3参照)。
偏向器より前側の光学系において、回折面と屈折面を組み合わせることにより、温度変化によるピント位置変動を低減する技術(例えば、特許文献4参照)。
温度変化に伴う走査光学系によるピント位置変動を回折部のパワー変化で補正する技術(例えば、特許文献5、特許文献6参照)。
回折面を用いることなく、偏向器より前側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する技術(例えば、特許文献7参照)。
走査レンズに回折光学面を設けて補正する技術(例えば、特許文献8参照)。
本発明は、同一の感光体を複数ビームで走査する方式の光走査装置において、温度変動にかかわらず、複数ビームがともに安定した小ビームスポットに維持され、複数ビーム間の走査線間隔が安定的に維持され、なおかつ、マルチビーム間の光量差を少なくすることを目的としているが、特許文献3記載の発明は、同一の感光体を複数ビームで走査する方式の上記課題の解決については言及していない。
特許文献4はマルチビームについても言及しているが、マルチビーム使用時の課題については技術を開示していない。
特許文献5および特許文献6も、同一の感光体を複数ビームで走査するマルチビームについて言及していない。
あるいは、前述の特許文献8記載の発明のように、走査レンズに回折光学面を設けて補正する方法もあるが、走査レンズは光束の通過する領域が広く、広い領域に回折光学面を加工することになるため加工に時間がかかり、コスト高の要因となる。
本発明の第2の目的は、複数光束を発生する光源を用いた光走査装置において、軸外の光束に関して像面湾曲やビームスポット径の増加、光量低下などの光学特性の劣化を防ぐことにある。
本発明の第3の目的は、複数光束を発生する光源を用いた光走査装置において、温度変動による像面湾曲の発生を低減すると共に、光学素子の低コスト化を図ることにある。
本発明の第4の目的は、複数光束を発生する光源を用いた光走査装置において、軸外の光束について、像面湾曲やビームスポット径の増加、光量低下などの光学特性の劣化を防ぐことにある。
本発明の第5の目的は、複数光束を発生する光源を用いた光走査装置の低コスト化を図り、迷光の発生を抑制することにある。
本発明の第6の目的は、複数光束を発生する光源を用いた光走査装置において、使用する光学部品の加工を容易にし、像面湾曲などの光走査品質の劣化を低減することにある。
本発明の第7の目的は、複数光束を発生する光源を用いた光走査装置において、光源部の低コスト化、発光素子の高密度な集約による装置の小型化を図ることにある。
本発明の第8の目的は、高速で光走査を行うことができる光走査装置を提供することにある。
本発明の第9の目的は、走査線間隔が一定で、均一な走査を行うことができ、複数の光走査装置を用いる場合に、同一の位置に走査線を形成することができる高速、高画質の画像形成装置を提供することにある。
本発明の第10の目的は、高速、高画質のカラー対応の画像形成装置を提供することにある。
Ftan(θ/2)+A<D/0.7
の条件を満たすことを主要な特徴とする。
しかしながら、光学特性は光軸から離れるほど劣化する。特に、発光点が平行四辺形状に配列された場合に問題となる。主走査方向、副走査方向ともに最も離れる鋭角頂点の発光点同士は、複数回の走査を行った場合、副走査方向に互い隣接する発光点となる、この発光点間で、光学特性が異なって走査線の副走査方向の間隔ばらつきが現れると、その部分の光走査の特性が劣化する。画像形成を行った場合には、濃度むらや、色ずれといった問題を発生する。
その点、上記本発明によれば、平行四辺形頂点のうち、鋭角の頂点、すなわち最も光軸から離れて配置されるような位置付近にある発光点による光走査は行わないために、走査線の間隔がばらつきやすい光線を除去することができ、どの光束においても良好な光走査を行うことができる。除去する発光点は、鋭角頂点上の1点または鋭角頂点に最も近い1点だけでもよいし、その周辺の複数点であってもよい。
0.6≦a/b≦1.4
であることを特徴とする。
光源から出射される光束の波長増加(波長が長くなる)
レンズの屈折率低下
レンズの膨張
の問題が発生する。
1.複数ビーム間の波長差に起因する回折効率の差を小さくすること。
2.複数ビーム間の走査線間隔を均一に保つこと。
3.複数ビームでのビームスポット小径化を図ること。
なお、ここでは、走査レンズに樹脂製レンズを用いた場合について説明したが、走査レンズにガラス製レンズを用いる場合にも本発明は適用可能である。
(1)|P3|≧|P1+P2|
(2)|P1|>|P1+P2|かつ|P2|>|P1+P2|
(3)P1×P3>0
ただし、
P1:樹脂製レンズの回折面の回折部の主走査方向又は副走査方向のパワー。
P2:P1で定義した方向の回折面の屈折部のパワー。
P3:樹脂製レンズの回折面でない面のP1で定義した方向のパワー。
光走査装置の光源として垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)を用いると、端面発光型の半導体レーザを複数用いる半導体レーザ(LD)アレイに比較して、発生させる光束の数が増加するほど、1本当たりのコストを低コスト化できる。またVCSELは共振器長が非常に短いことから、モードホッピングもLDアレイより起こりにくく、原理的にモードホッピングが発生しないように構成することもできる。従って波長変化に起因する光走査の品質劣化を低減できる。特に、波長の変化による光学特性の変化が大きい回折光学素子を用いた光学系に垂直共振器型面発光レーザを適用した場合には、モードホッピングがないことによって、非常に良好な光走査を行うことができる。
光源の発光点を副走査方向に等間隔に配置することで、各発光点の副走査方向位置を1つの光源によってカバーすることができるため、光線の重複を無くすことができ、また走査線間隔を調整するための光源の回転調整が不要になるため、歩留が向上し、装置を低コスト化できる。
被走査面において複数の光束が結像される位置を等間隔にすることができ、各走査線の副走査方向の間隔を同一にすることができるため、均一な光走査を行うことができる。例えば、書込密度2400dpiの光走査装置を考える。32個の発光点を持つ光源を考えた場合、1度の走査で走査される幅は25.4/2400*32=0.339mm。像高間の倍率差が1%のとき、走査線ばらつきの差は3.4μmとなる。これは、走査線間隔10.6μmのおよそ1/3であり、製造誤差、温度変動によるばらつきを含めても許容できる範囲である。倍率が上がると、その分だけばらつきも倍化されて現れてしまうため、これ以上の倍率の誤差を持つと光走査の品質を損ねることになる。したがって、走査光学系は副走査方向の横倍率の像高間の差が、1%以下であることが望ましい。
画像形成装置の露光プロセスを実行する装置として、本発明にかかる光走査装置を用いることで、簡単な構成であるにもかかわらず、高速かつ高密度の画像を形成することが可能であり、なおかつ、温度が変動したとしても、複数のビームすべてが、安定した小ビームスポットとなり、複数ビーム間の走査線間隔を安定的に獲得し、なおかつ、マルチビーム間の光量差が少ない光走査を行うことが可能で、高画質の画像を得ることができる画像形成装置を低コストで提供することができる。
かかる構成の画像形成装置によれば、簡単な構成であるにもかかわらず、高速かつ高密度の画像を形成することが可能であり、なおかつ、温度が変動したとしても、複数のビームすべてが、安定した小ビームスポットとなり、複数ビーム間の走査線間隔を安定的に獲得し、なおかつ、マルチビーム間の光量差が少ない光走査を行うことが可能で、高画質のフルカラー画像を得ることができる画像形成装置を低コストで提供することができる。
光源104は複数の光束を発生する光源であって、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)で構成することができる。
カップリングレンズ105は、焦点距離14.5mm、有効径5.6mmで光束を略平行光にする。
線像形成レンズ107は、副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカルレンズで、副走査方向の焦点距離が125mmで、光偏向手段103の偏向反射面近傍に副走査方向において光束を結像する。
アパーチャ106は主走査方向及び副走査方向について光束を制限し、ビームスポット径を調整する。
使用波長すなわち光源104から射出される光束の波長は780nmである。発散角(半値全幅)は、主走査方向に28°、副走査方向に8.5°である。
第1の走査レンズ101aの中心(光軸上)肉厚は8mm、第2の走査レンズ101bの中心肉厚は3.5mmである。
光学系全系の副走査横倍率は2.3倍、走査光学系のみでは−0.96倍である。
被走査面102における書込の幅は±161.5mmである。
被走査面102におけるビームスポット径の狙いとしては、主走査方向、副走査方向で55μmである。
第1の走査レンズ(L1)101aの射出面から第2の走査レンズ(L2)101bの入射面までの距離は101.87mm、第2の走査レンズ(L2)101bの射出面から被走査面102までの距離は141.155mmである。
式1
式2
式1、式2において、Xは光軸方向の座標(図1(a)で横軸に平行な方向)、Yは主走査方向座標(図1(a)で縦軸に平行な方向)を示す。Cm0は中央(Y=0)の主走査方向曲率を示していて曲率半径Rmの逆数であり、a00,a01,a02,・・・は主走査形状の非球面係数である。Cs(Y)はYに関する副走査方向の曲率である。Rs0は副走査方向の光軸上の曲率を示し、b00,b01,b02・・・は副走査方向の非球面係数である。
実施例1のように構成した場合の像面湾曲を図2に、副走査横倍率偏差を図3に示す。図2から明らかなように、副走査方向について、像面が非常に良好にそろっており、上記のように肉厚を低減しているにもかかわらず、ビームスポット径のばらつきが非常に小さくなっている。また、図3から明らかなように、倍率の差は0.1%程度に抑えられ、略一定ということができる。本実施例において、ビームスポット径をプロットしたものを、図4(a)(b)に示す。図4(a)は主走査方向深度カーブ、図4(b)は副走査方向深度カーブで、いずれも縦軸はビームスポット径(μm)である。
Ftan(θ/2)+A<D/0.7
の条件を満たす。この条件式では、カップリング光学素子の有効径が光束に対して一定の大きさを必要とすることを示している。すなわち、有効径が光束に対して同等の大きさかそれ以下では、光利用効率を低下させるだけでなく、光束が意図しない回折を起こしやすいという問題がある。回折を起こさない大きさまで有効径を広くすると、光学素子が大きくなり、装置を小型化することができない。
a=2Ymax,
光源の発光点が配列されている副走査方向の範囲bを、
b=2Zmax
とすると、
0.6≦a/b≦1.4
の条件を満たすように発光点が配置されている。
表2
表2において「中央値」とあるのは、基準温度:25℃における使用波長に対する屈折率、「波長飛び」とあるのは、モードホップにより波長飛びを生じたときの屈折率、「温度変動」とあるのは、温度が基準温度から20度上昇したときの屈折率である。モードホップによる「波長飛び」は、余裕を見て0.8nmの波長変化を想定している。
表3
表3において、Rmは「主走査方向の近軸曲率」、Rsは「副走査方向の近軸曲率」であり、Dx、Dyは「各光学素子の原点から次の光学素子の原点までの相対距離」を表している。単位はmmである。例えば、光偏向手段5に対するDx、Dyについてみると、光偏向手段5であるポリゴンミラーの回転軸から見て、第1の走査レンズ6の入射面の原点(入射側面の光軸位置)は、光軸方向(x方向、図10の左右方向)に43.3mm離れ、主走査方向(y方向、図10の上下方向)に2.9mm離れている。なお、第2の走査レンズ7と被走査面9の間には、図10に示すようにガラス1を材質とする厚さ:1.9mmの防塵ガラス8が配置されている。
走査レンズ6の入射側面(特殊面)の係数を表1のL1R1に挙げる。
走査レンズ6の射出側面(特殊面)の係数を表1のL1R2に挙げる。
走査レンズ7の入射側面(特殊面)の係数を表1のL2R1に挙げる。
走査レンズ7の射出側面(特殊面)の係数を表1のL2R2に挙げる。
「光源」
光源である半導体レーザ1は設計上の発光波長:655nmで、標準温度:25℃に対して温度が1℃上昇すると、発光波長が0.20nm、長波長側へずれる。モードホップは上記の如く0.8nmの波長変化を想定している。図10に示す実施例4では、それぞれ1つの発光点を有する半導体レーザを2つ配備しているが、もちろん半導体レーザアレイであっても良いし、VCSELアレイであってもかまわない。
カップリングレンズ2は、上述したようなガラス製レンズであり、焦点距離:15mmで略平行の光ビームに変換する機能を有するように配置される。カップリングレンズ2は両面とも非球面が用いられ、非球面係数は開示しないが、カップリングされた光ビームの波面収差を非球面により十分に補正している。
半導体レーザ1、1´とカップリングレンズ2、2´は、線膨張係数:2.3×10−5の材質による保持部材に固定的に保持されている。
カップリングレンズ2、2´の材質はガラス製であり、表1記載の屈折率となる。
「アパーチュア」
アパーチュア3は、主走査方向の開口径:5.4mm、副走査方向の開口径:2.28mmの「長方形形状の開口」を有し、カップリングレンズ2、2´によりカップリングされた光ビームをビーム整形する。図10において、光源1、1´とカップリングレンズ2、2´の間と、アナモフィック光学素子4と偏向手段5の間にそれぞれ遮光部材を配備する。
線像形成手段であるアナモフィック光学素子4は、入射側面が「副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカル面」で、射出側面は「回折溝が楕円状となる階段状回折面」となっている。入射面の副走査方向の曲率半径は63.4mmである。出射面は回折面であり、回折面の位相関数φ(y,z)は、下式で表される。
φ(y,z)=C1・Y2+C2・Z2
C1=−0.0006199,C2=−0.007537
この回折面は主走査曲率半径が425.4mm,副走査曲率半径が35mmのトロイダル面状に形成され、「回折溝が楕円状となる階段状回折面」となる面が形成される。
・回折部のパワーP1
位相関数の係数からパワーを換算すると、先ず換算曲率半径は
R’=(n−1)/(2×C1)=−425.4、
このときのパワーP1=1/fは,
1/f=(n−1)/R’=−0.001240 (屈折率n=1.527257より)
・屈折部のパワーP2
P2=1/f=(n−1)/R=0.001232
・回折面でない面のパワーP3
入射側面が「副走査方向にのみパワーを有するシリンドリカル面」であることから
P3=0
・回折部のパワーP1
R’=(n−1)/(2×C2)=−35
P1=1/f=(n−1)/R’=−0.015074
・屈折部のパワーP2
P2=1/f=(n−1)/R=0.014970
・回折面でない面のパワーP3
P3=1/f=(n−1)/R・・, Rは63.4mmなので、
P3=0.008316
となる。
光偏向手段であるポリゴンミラー5は、反射面数:4面で内接円半径:7mmのものである。
防音ガラス10はガラス1を材質とし、厚さ:1.9mmで、上記y方向(図10の上下方向)からの傾き角:αは16度である。
また、光源側から入射する光ビームの進行方向と、光偏向手段5の偏向反射面により「被走査面9における像高:0の位置へ向けて反射される光ビームの進行方向」のなす角:θは60.55度である。
2 カップリングレンズ
3 アパーチャ
4 線像形成レンズ
5 光偏向手段
6 第1の走査レンズ
7 第2の走査レンズ
9 被走査面
101a 第1の走査レンズ
101b 第2の走査レンズ
103 光偏向手段
104 光源
105 カップリングレンズ
107 線像形成レンズ
Claims (13)
- 複数の光束を発生する光源と、光源からの光束をカップリングするカップリング光学素子と、カップリング光学素子からの光束を偏向走査する偏向手段と、偏向走査された光束を結像する走査光学系と、を有し、
上記光束を発生する発光点と上記カップリング光学素子の光軸との距離の最大値をA、上記光源からの光束の発散角(半値全幅)をθ、カップリング光学素子の焦点距離をF、カップリング光学素子の有効径の範囲半径をDとしたとき、
Ftan(θ/2)+A<D/0.7
の条件を満たす光走査装置。 - 複数の光束を発生する光源と、光源からの光束をカップリングするカップリング光学素子と、カップリング光学素子からの光束を偏向走査する偏向手段と、偏向走査された光束を結像する走査光学系と、を有し、
上記光源は、光束を発生する発光点が少なくとも3つ位置する円環を同心円状に複数有し、これらの円環上に光軸上以外の全ての発光点が位置する光走査装置。 - 複数の光束を発生する光源と、光源からの光束をカップリングするカップリング光学素子と、カップリング光学素子からの光束を偏向走査する偏向手段と、偏向走査された光束を結像する走査光学系と、を有し、
上記光源は、平行四辺形で囲まれる領域に光束を発生する複数の発光点を有しており、
上記複数の発光点を囲む最小の平行四辺形の頂点のうち、少なくとも鋭角をなす頂点付近には光走査に寄与する発光点が存在しない光走査装置。 - 光源の発光点が配列されている主走査方向の範囲をa、副走査方向の範囲をbとしたとき、
0.6≦a/b≦1.4
であることを特徴とする請求項3記載の光走査装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の光走査装置において、1つのみの回折光学面を有する樹脂製の光学素子を有する光走査装置。
- 回折光学面を有する回折光学素子は、カップリング光学素子である請求項5記載の光走査装置。
- 請求項6記載の光走査装置において、回折光学面は、カップリング光学素子の光軸に略水平または略垂直な面で構成される階段構造で、パワーをほとんど持たず、上記回折光学面は第2面である光走査装置。
- 請求項5〜7のいずれかに記載の光走査装置において、樹脂製光学素子の回折面の回折部の主走査方向又は副走査方向のパワーをP1、P1で定義した方向の回折面の屈折部のパワーをP2、該樹脂製光学素子の回折面でない面のP1で定義した方向のパワーをP3としたとき、回折光学面を有する樹脂製の光学素子は、
(1)|P3|≧|P1+P2|
(2)|P1|>|P1+P2|かつ|P2|>|P1+P2|
(3)P1×P3>0
の条件を満たす光走査装置。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の光走査装置において、光源は垂直共振器型面発光レーザである光走査装置。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の光走査装置において、光源の発光点は、偏向走査する方向である主走査方向に略直交する副走査方向に対して、等間隔で配置されている光走査装置。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の光走査装置において、走査光学系は副走査方向の横倍率の像高間の差が、1%以下で略一定である光走査装置。
- 電子写真プロセスを実行することによって画像を形成することができる画像形成装置であって、電子写真プロセスのうち露光プロセスを実行する装置として請求項1〜11のいずれかに記載の光走査装置を有する画像形成装置。
- 電子写真プロセスを実行することによって画像を形成することができる画像形成ステーションが色成分ごとに複数配置され、各画像形成ステーションで形成される画像を重ねることによってフルカラー画像を形成することができる画像形成装置であって、各画像形成ステーションにおいて実行される電子写真プロセスのうち露光プロセスを実行する装置として請求項1〜11のいずれかに記載の光走査装置を有する形成装置。
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