JP2009069508A - 光源モジュールおよび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】光走査装置に用いられる光源モジュールであり、レーザ光源100と、光源からの光ビームをカップリングするカップリングレンズ110と、カップリングされた光ビームの周辺光束領域を遮光するアパーチャ121と、光ビーム波面の位相を部分的に変化させる位相調整素子122とを有し、深度余裕およびビームスポット径の設計値を与えるアパーチャの規格開口径の、主走査方向および副走査方向の少なくとも一方において、規格開口径の外側に光ビームを通過させる補助開口部が形成され、位相調整素子122は平行平板状で、アパーチャに補助開口部を設けたことによるビームスポット径と深度余裕の減少を補償するように、少なくとも光ビーム周辺部で波面の位相を変化させる。
【選択図】図4
Description
光走査に関する技術において、常に求められる課題の1つとして「光走査の高速化」がある。光走査による画像形成は、レーザビームを集光させたビームスポットにより感光体の感光面を1ドットずつ感光させることにより行われるが、1ドットを感光させるのに必要な光エネルギは、1ドット分を露光する時間:τとビームスポットの光強度:qの積である。光走査を高速化すると、1ドットを感光させる時間:τは小さくなる。従って、高速での光走査の実現には「ビームスポットの光強度」の増大が不可欠である。
光走査装置において、光ビームの伝搬効率を大きく低下させる原因のひとつとして「ビーム整形を行うためのアパーチャ」による光ビームの遮光があげられる。周知の如く、レーザ光源からの光ビームをビームスポットとして集光する場合、ビームスポット径は、ビームスポットを集光させるレンズの開口数に反比例し、波長に比例する。従って、アパーチャの開口径が大きくなるほどビームスポット径は小さくなる。
光走査装置は、光ビームのビームウエスト位置が被走査面上に合致するように設計されるのであるが、現実に製造される光走査装置では、部品や光学素子の製造誤差や組み立て誤差の存在が不可避的であるから、一般にはビームウエスト位置と「被走査面の実体をなす感光性の像担持体の表面」とに誤差による「ズレ」が発生する。この「ズレ」により被走査面位置がビームウエスト位置から離れると、ズレが光ビームの進行方向のどちらに発生しても被走査面上のビームスポット径は増大する。このような「ズレによるビームスポット径の増大」は「スポット径太り」と呼ばれ、上記ズレは「デフォーカス」と呼ばれている。
光走査における「光ビームの伝搬効率」を向上させて、ビームスポットの光強度を増大させるためには、アパーチャの開口径を大きくして「アパーチャによる遮効率を低下(アパーチャの開口部を通過する光量を増大)させる」ことが考えられるが、光強度の増大に実効ある程度に開口径を大きくすると、ビームウエスト径の縮小により、被走査面上におけるビームスポット径が「ビームスポット径の許容範囲」を超えて縮小してしまう。また、これに伴い、ビームウエストに向かう光ビームの収束状態が急峻となり「深度余裕」を縮める結果を齎す。アパーチャの開口径の増大によって齎されるビームウエスト径の縮小を「スポット径痩せ」と呼ぶことにする。
従って、ビームスポットの光強度を増大させるために「単にアパーチャの開口径を大きくする」のみでは上記「スポット径痩せや深度余裕の狭小化」のような副作用が生じて好ましくない。
「レーザ光源」としては、固体レーザやガスレーザ、半導体レーザ等の各種レーザ光源を用いることができる。半導体レーザとしては、従来から知られた端面発光型の半導体レーザや半導体レーザアレイ、あるいは前述のVCSELを好適に用いることができる。
「偏向手段」としては、ポリゴンミラーを初め、音響光学素子や、ガルバノミラー等の揺動鏡等、従来から光偏向を行う手段として知られたものを適宜に用いることができる。
「カップリングレンズ」は、レーザ光源からの光ビームを、以後の光学系にカップリングするためのレンズであり、機能としては、レーザ光源からの光ビームを「所望のビーム径を持つ平行光ビームもしくは略平行光ビーム」とするレンズである。カップリングレンズは、従来から各種の光走査装置の光学系に関連して知られたものを適宜用いることができる。
「アパーチャ」は、カップリングレンズによりカップリングされた光ビームの周辺光束領域(カップリングされた光ビームの伝搬方向に直交する仮想的な平面上における光ビームの断面において、ビーム中心に対して周辺部の光束領域)を遮光して制限する。
即ち、先ず、上記構成において、位相調整素子が「位相調整機能を持たない」ものとして、即ち、位相調整素子を単なる平行平板と考えて「レーザ光源からの光ビームを偏向手段により偏向させ、結像光学系により被走査面上にビームスポットとして集光させ、被走査面を光走査する光走査装置」を考えると、光源から放射される光ビームは、結像光学系により被走査面上にビームスポットとして集光される。上記の如く、このとき結像光学系に含まれる位相調整素子は「位相調整機能」を有していない。
位相調整素子の位相調整による「ビームスポット径と深度余裕の減少の補償」は、例えば、位相調整後におけるビームスポット径・深度余裕の減少が、設計上のビームスポット径・深度余裕に対して、絶対値で15%以下、好ましくは10%以下となるように行われる。勿論、位相調整素子の位相調整機能と補助開口部の形態(大きさ・形状等)を最適化して、ビームスポット径・深度余裕が設計値を与えるようにすることが可能である。
dm/fm<ds/fs
を満足することができる(請求項9)。
請求項8または9記載の光走査装置において、光モジュールの位相調整素子は「副走査方向のみに位相を調整する機能」を有するものであることができる(請求項10)。
ここに「カラー画像」は、通常のフルカラー画像や2色画像、多色画像等を含む。
請求項12の画像形成装置では、像担持体上に2以上の静電潜像が形成される。2以上の静電潜像は、同一の像担持体上に位置をずらして形成しても良いし、同一の像担持体の同一箇所に「時間的にずらして形成する」こともできる。この場合、光走査装置を単一とし、複数の静電潜像を単一の光走査装置で形成することができ、その場合の光走査装置は上記請求項8〜10の任意の1に記載のものを用いることができる。
図1は、レーザ光源1から、被走査面11に至る光路を構成する光学系を、1平面内に仮想的に展開して示している。
図1に示すように、レーザ光源1から放射された光ビームは、カップリングレンズ3により平行光束化され、光学部材12を通過し、シリンダレンズ5により副走査方向(図面に直交する方向)に集束傾向を与えられ、偏向手段であるポリゴンミラー7の偏向反射面近傍に「主走査方向に長い線像」として結像する。ポリゴンミラー7は、この実施の形態例においては偏向反射面を4面もつものである。
ポリゴンミラー7の偏向反射面により反射された光ビームは走査レンズ8、10に入射し、走査レンズ8、12の作用により被走査面11上にビームスポットとして集光する。
光学部材12は後述するように「アパーチャと位相調整素子とを一体化したもの」であり、アパーチャにより光ビームの周辺光束領域を遮光するとともに、位相調整素子による波面の位相調整を行う。
走査レンズ8、10は、ポリゴンミラー7の偏向反射面位置と被走査面11の位置とを「副走査方向に関して共役な関係」としており、副走査方向に関しては上記「主走査方向に長い線像」が走査レンズ8、10によるfθレンズの物点となるので、ポリゴンミラー7の面倒れが補正されるようになっている。なお、fθレンズを構成する2つの走査レンズ8、10は共に樹脂製である。樹脂製の走査レンズの環境変動による結像機能の変動を補正するための回折格子を1以上のレンズ面に形成することもできる。
図2は、タンデム式の光走査装置の光学系部分を、副走査方向、即ち、偏向手段であるポリゴンミラー7の回転軸方向から見た状態を示している。図示の簡単のため、ポリゴンミラー7から光走査位置である各被走査面に至る光路上における光路屈曲用のミラーの図示を省略し、光路が平面上にあるように描いた。
アパーチャと位相調整素子の作用を、図5(a)のようにモデル化した。
図5(a)に示すように、光学部材120に対して、図の左方から「均一光強度の平面波」を入射させるように条件を設定し、光学部材120の右方:50mmの位置に、焦点距離:50mmの理想の、即ち、無収差の凸レンズ130を配置するように条件を設定した。
図5(b)に示すように、アパーチャ120Aは「矩形状の開口部」を有するが、開口部の開口幅は、主走査方向:0.93mmに対し副走査方向:1.57mmとし、位相調整素子120Bは「副走査方向にのみ位相分布を有するもの」とし、アパーチャ120Aの開口部の副走査方向における最周辺部に幅:80μmの「主走査方向に平行な溝」を刻設し、その少し内側に幅:70μmの「主走査方向に平行な溝」を刻設している。溝の深さは、使用波長に対して「位相:π」となるように設定している。これらの溝の各寸法は、図5(b)に示すとおりである。
図7(b)は、デフォーカスに対するビームスポット径の変化を示す図である。
図8に光学部材の別の例を示す。この光学部材はアパーチャ120Cと位相調整素子120Dを一体化したものである。アパーチャ120Cにおいて通常用いられる開口(規格開口径を持つ開口、図の中央の開口)の副走査方向における両周辺にそれぞれ、更に「3つの開口」を設けており、これらの3対の開口に合わせた位置で、位相調整素子120Dに「主走査方向に長い溝」が刻設されている。溝の深さは「使用波長に対して位相差:πを与える大きさ」に設定している。溝・開口の各寸法は図8に示す如くにである。
即ち、アパーチャ120Cに対して光源側から「均一光強度の平面波」が入射し、位相調整素子120Dから50mmの位置に、焦点距離:50mmの理想の凸レンズが配置される条件である。
図9(a)は、凸レンズの焦点位置において「ビームプロファイルの強度がピークを取る位置」で切断した主走査断面、及び、副走査断面のプロファイルの図であり、強度:1は規格化している。図9(b)は「デフォーカスに対するビームスポット径の変化」を示す図である。
前述の「比較例」のシミュレーション結果を示す図6(a)、(b)と、図9(a)、(b)とを比較すると、シミュレーション2の結果は、ビームスポット径・深度余裕に対して、比較例と実質的に等しい。しかしながら一方においてシミュレーション2においては、アパーチャ120Cにおける規格開口径の副走査方向における各側に3つの開口を補助開口部として形成したことにより、アパーチャの開口幅を、副走査方向において、比較例の0.93mmから2.23mm(図8における最も周辺部の開口間の幅)まで拡大でき、メインローブ光の積分強度は従来例と比較して19%増大できている。
焦点距離が変わると「ビームスポット径」は変わるが、ビームプロファイルは殆んど変化しない。ビームプロファイルを変化させることなく、ビームスポット径のみを変化させるには「アパーチャの開口径(補助開口部を含めた開口径)と位相調整素子の位相分布」を比例拡大(もしくは比例縮小)すればよい。この場合、主走査方向と副走査方向で焦点距離が違うので、主走査方向と副走査方向で、アパーチャの開口径と位相素子の「比例拡大(もしくは比例縮小)する割合」を異ならせる。
レーザ光源1として、複数の発光部を2次元的に配列された垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)を用いる。図10は、このVCSELにおける発光部(黒丸で示す。)の配列状態を示している。10個の発光部を1行に並べ、これを4行配列して、4×10のアレイ配列としている。
「カップリングレンズ3」
焦点距離:F1=47.7mm
光軸上肉厚:3mm
カップリング機能:レーザ光源からの光束を略平行光にする。
「位相調整素子」は、アパーチャと一体化して、カップリングレンズ3とシリンダレンズ5の間に設置している。
焦点距離:F2=107.0mm
シリンダレンズ5は光学部材13における位相調整素子側から12.85mmの位置に配置される。肉厚:3.0mmである。シリンダレンズ5からポリゴンミラー7の偏向反射面への入射位置に至る距離は108.7mmである。
内接円半径:7mm
偏向反射面数:4 。
「走査レンズ8」
光軸上肉厚:13.5mm
「走査レンズ10」
光軸上肉厚:3.5mm 。
X=(Y2/Rm)/[1+√{1−(1+a00)(Y/Rm)2}]+
+a01・Y+a02・Y2+a03・Y3+a04・Y4+Δ (1)
で表され、上記曲率の変化:C(Y)は、
Cs(Y)={1/Rs(0)}+
+b01・Y+b02・Y2+b03・Y3+Δ (2)
で表される。
光走査による書込幅は±161.5mmである。
このとき、dm/fm=0.023、ds/fs=0.020である。このように、副走査方向の(ds/fs)の方が主走査方向の(dm/fm)よりも若干小さくなるように設定するのが通常である。
この発明の光源モジュールの位相調整素子を用いると、アパーチャの開口幅(図8のような開口の形状のときは、最周辺の開口間の幅。図8では2.23mm)を広くすることができるため、被走査面上でのビームスポット径および深度余裕は比較例と略同一で、dm/fmもしくはds/fsの値が大きくなる。
上に具体的な数値を示して説明した光走査装置は、図1に光学配置を示したものであるが、これを図2、図3のように組合せてカラー画像形成を行う画像形成装置とすることができることは言うまでも無い。勿論、単色の画像を形成する画像形成形成装置を構成できることはいうまでも無い。
110 カップリングレンズ
121 アパーチャ
122 位相調整素子
Claims (12)
- レーザ光源からの光ビームを偏向手段により偏向させ、結像光学系により被走査面上にビームスポットとして集光させ、上記被走査面を光走査する光走査装置において用いられる光源モジュールであって、
レーザ光源と、このレーザ光源からの光ビームを所望のビーム径を持つ平行光ビームもしくは略平行光ビームとするカップリングレンズと、このカップリングレンズによりカップリングされた上記光ビームの周辺光束領域を遮光して制限するアパーチャと、上記光ビームの波面の位相を部分的に変化させる位相調整素子とを有し、
結像光学系により上記被走査面上に形成されるビームスポットが、深度余裕およびビームスポット径の設計値を与えるときの上記アパーチャの開口径を規格開口径とするとき、
上記アパーチャの、主走査方向および副走査方向の開口径のうち少なくとも一方において、規格開口径の外側に、光ビームを通過させる補助開口部が形成され、
上記位相調整素子は平行平板状であって、上記アパーチャに補助開口部を設けたことによるビームスポット径と深度余裕の減少を補償するように、少なくとも光ビーム周辺部における波面の位相を変化させるものであることを特徴とする光源モジュール。 - 請求項1記載の光源モジュールにおいて、
レーザ光源として、1以上の発光源を有する面発光型半導体レーザを用いることを特徴とする光源モジュール。 - 請求項1または2記載の光源モジュールにおいて、
位相調整素子が、アパーチャの中心に対して対称性を有することを特徴とする光源モジュール。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の光源モジュールにおいて、
アパーチャの補助開口部が、主走査方向および副走査方向の開口径のうち少なくとも一方において、開口を規格開口径の外側に拡張して形成されていることを特徴とする光源モジュール。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の光源モジュールにおいて、
アパーチャの補助開口部が、主走査方向および副走査方向の開口径のうち少なくとも一方において、規格開口径の外側に、主たる開口部とは独立した1対以上の開口として形成され、
位相調整素子が、上記補助開口部に対応する部分で位相を変化させることを特徴とする光源モジュール。 - 請求項5に記載の光源モジュールにおいて、
主たる開口と独立して形成された補助開口部の開口の少なくとも1対における平均位相と、上記主たる開口部における平均位相とが異なるように、位相調整素子による位相調整が行われることを特徴とする光源モジュール。 - 請求項1〜6の任意の1に記載の光源モジュールにおいて、
位相調整素子が、入射側もしくは射出側の少なくとも1面に反射防止機能を有することを特徴とする光源モジュール。 - 1以上のレーザ光源からの光ビームを偏向手段により偏向させ、1以上の結像光学系により、1以上の被走査面上にビームスポットとして集光させ、上記1以上の被走査面を光走査する光走査装置において、
1以上の光源モジュールとして、請求項1〜7の任意の1に記載のものを用いることを特徴とする光走査装置。 - 請求項8に記載の光走査装置において、
光源モジュールにおけるレーザ光源を、1以上の発光源を有する面発光型半導体レーザとし、
上記光源モジュールにおけるアパーチャの、補助開口部を含む開口の、主走査方向の幅:dm、副走査方向の幅:ds、アパーチャ以降の合成光学系における、主走査方向の焦点距離:fm、副走査方向の主点距離:fsが、条件:
dm/fm<ds/fs
を満足することを特徴とする光走査装置。 - 請求項8または9記載の光走査装置において、
位相調整素子が、副走査方向のみに位相を調整する機能を有することを特徴とする光走査装置。 - 光走査装置により像担持体上に静電潜像を形成し、この静電潜像をトナー画像として可視化して画像形成を行う画像形成装置であって、
光走査装置として、請求項8〜10の任意の1に記載のものを用いることを特徴とする画像形成装置。 - 光走査により1以上の像担持体上に2以上の静電潜像を形成し、これらの静電潜像を異なる色のトナーで可視化し、得られる各色トナー画像を重ね合わせることによりカラー画像を形成する画像形成装置であって、
請求項1〜7の任意の1に記載の光源モジュールを、光走査により静電線像を形成する像担持体の数と同数用いることを特徴とする画像形成装置。
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