JP2021115807A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｆθレンズを使わない系の倍率補正量は大きく、像高ごとにチップ面光量が異なるためパルス幅と積算光量との関係が異なり画像濃度の階調性がずれてしまう問題がある。【解決手段】 画像データの像高に応じた倍率を指定する倍率指定手段、倍率に応じて画素のサイズを決定する画素サイズ決定手段、画素サイズと光量に応じた階調特性を決定する階調特性決定手段を有し、画像データを倍率補正する。【選択図】 図１０

Description

本発明は、ディジタル複写機など画像形成装置において、光学系などを補正する倍率補正方法に関する。

（電子写真の原理とレーザ走査）
ディジタル複写機等の電子写真方式の画像形成装置では、画像信号に従いレーザを点灯制御して、感光体ドラムに静電潜像を形成し現像、転写、定着の工程を経て画像を形成する。

感光体ドラムへのレーザ照射は、ポリゴンミラーの回転により感光体ドラムの長手方向（以下、主走査方向）に偏向走査する。また、感光体ドラムの回転により主走査方向と垂直な方向の走査（以下、副走査方向）をして２次元の潜像を形成する。また、ポリゴンミラーの回転による偏向において、ｆθレンズを介して感光体ドラムにレーザ照射することで長手方向に光路長、入射角度を均一にする。

（ｆθ特性の残差補正）
ｆθレンズによる光学補正の残差は、さらに画像データを主走査方向に倍率補正して微調整する。 例えば、特許文献１に記載されている通り、画素データを主走査方向に分割した単位（以下、画素片）で扱う。画素片を２値制御して、各画素の階調をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で表現する。画素片の単位の高い周波数で、０次補間で変倍して画質劣化を抑える方式である。

０次補間により画素片を挿入、抜き出しする箇所（以下、挿抜箇所）は一定の倍率補正量ならば略一定周期で発生する。特許文献１は挿抜箇所の周期とＰＷＭ周期との干渉によるモアレを防止するため、挿抜位置を制御して局所的な濃淡の発生を低減する方法を提案するものである。

（光学系の簡易化）
一方、特許文献２に記載のように、ロー・コストを追及してｆθレンズを使わない光学構成として、倍率補正を全て電気的な補正による方式が提案されている。特許文献２では主走査方向を所定のエリアに分割して、エリアごとの倍率補正量に従い、クロック周波数を変調して倍率補正する方法を提案するものである。

特開２０１３−２２９１３号公報 特開２００４−３３８２８０号公報

特許文献２では主走査方向を所定のエリアに分割して、エリアごとの倍率補正量に従い、クロック周波数を変調して倍率補正する方法を提案するものである。しかし以下に説明するように、ＰＷＭによる倍率の補正量と光学補正量が多くなると画像濃度の階調性が崩れてくる問題がある。
（ｆθレンズを使わない系の走査速度のムラ）
図３を例にｆθレンズを使わない構成の倍率の補正量を説明する。ポリゴンミラーの回転の角速度ω、感光ドラムへの入射角度θ、感光ドラムに垂直な入射角度を０度としてこの時のポリゴンミラーから感光ドラムまでの距離をＲ、感光ドラム面上の距離Ｌ、時間ｔと表した時、角度θの時の走査速度ｖ（θ）の概算の導出を式１〜４に示す。

倍率はｖ（θ）に比例する。所定のＲについて、θを感光ドラム長手方向中心からの距離である像高に直してプロットしたグラフを図４に示す。横軸に像高、縦軸に倍率を示す。中央部に比べてドラム端部は倍率が１．３倍近くとなっている。そのため倍率を補正するために以下に説明するように画素サイズを変更する必要がある。

（画素サイズ制御）
図４において、１画素を発光する時間が画像中央と感光体ドラム端とで同じにした場合、中央像高では倍率を１とすると、感光体ドラム端の±１５０ｍｍ像高では倍率が１よりも大きい。そのためドラム中央に比べてドラムの端の像高では伸びた画像となってしまう。そこで、上記走査速度ｖ（θ）に応じて１画素のサイズを補正する必要がある。例えば図５のように、中央像高では１画素を３２分割とした場合では、±１５０ｍｍ像高では２４分割となる。

（光量制御）
図４にて、ｆθレンズを使用しない場合走査速度が感光体ドラム長手方向中心位置からの距離（像高と呼ぶ）によって変わることで倍率が変化することを上記で述べたが、倍率と共に感光体に照射されるドラムの単位面積当たりのレーザ光量も変化する。図６において横軸に像高、縦軸にドラム面光量の関係を示すように、感光体ドラム長手方向中心位置の光量を１としたときに、両端では０．８を下回り２０％以上の光量低下となる。そこで、従来技術ではレーザから出力される光量（レーザチップ面光量）を像高毎に変える手段により、感光体ドラム中央像高と端の像高で感光体ドラム面上の光量が一定となるようにレーザチップ面光量を変化させる。そのために、図７のように、レーザチップ面光量を中央像高では最も低くし、感光体ドラムの端では中央像高と比較し約１．３倍に増加させる。

（ＰＷＭ発光に対する積算光量のリニアリティ）
図８はレーザをＰＷＭ変調したときのＰＷＭのＤｕｔｙと積算光量の関係を、ＣＷ発光（連続発光）した時のチップ面光量ごとに示したグラフである。縦軸に連続発光したときの光量を１００％として積算光量を正規化した値を示している。一方、横軸はＰＷＭ変調信号のＤｕｔｙである。このグラフからＰＷＭ変調信号が５０％であっても、積算光量は５０％を下回っていることがわかる。これはレーザの発光遅延によるところが大きい。また、連続発光時のチップ面光量によって、同じＰＷＭのＤｕｔｙであっても積算光量は異なり、チップ面光量が低光量になるにつれて積算光量は下がる傾向にある。

前述の（画素サイズ制御）で述べたように、像高に応じて１画素の画素片数を変化させて倍率を補正する際に、各画素片数に対応するＰＷＭを生成する。このとき、図７で説明したように、像高ごとにチップ面光量が異なるためパルス幅と積算光量との関係が異なり画像濃度の階調性がずれてしまう問題がある。

本発明の目的は、画素ごとの良好な階調表現が可能な高画質ロー・コスト・システムを提供することにある。

像高毎のチップ面光量変化を考慮し、像高毎のチップ面光量ごとの画像データとＰＷＭパルス幅のＬＵＴに応じてＰＷＭパルス幅を決める。

すなわち、上記目的を達成するために、請求項１記載の画像形成装置は、光走査装置であって、光ビームを出射する光源と、前記光ビームを偏向する回転多面鏡と、前記回転多面鏡は、前記光源から出射された前記光ビームが感光体の表面上を主走査方向に走査し、主走査の位置に応じた補正倍率を格納しておく倍率テーブルと、倍率テーブルから画像データの像高に応じた画素のサイズを決定する画素サイズ演算部と、画像データに対応する出力を決める階調特性について、画素サイズに応じた階調特性を決定する階調特性決定手段と、光量を演算決定する手段を有し、各画素の画素値を光量と画素ごとに選択された階調特性で階調変換すると共に、画素ごとに決定された画素サイズで出力することを特徴とする。

本発明によれば、簡略的なｆθレンズ、またはｆθレンズが無い構成でも、画素ごとの良好な階調表現が可能な高画質ロー・コスト・システムを提供するものである。

本実施例における画像形成装置全体を示す図である。 本実施例における感光体ドラム１０２と光走査装置１０４周辺の構成を示す図である。 θレンズがない光走査装置を説明する図である。 ｆθレンズがない光走査装置の倍率特性を示す図である。 光走査装置の走査位置による分割数の変化を示す図である。 ｆθレンズがない光走査装置の光量特性を示す図である。 ｆθレンズがない光走査装置のチップ面光量補正量を示す図である。 ＰＷＭのＤｕｔｙと積算光量の関係を示す図である。 ランレングスによる階調特性を設定する図である。 画像制御フローをを示す図である。 ビットパターンによる階調特性を示す図である。 光走査装置の走査位置による分割巣の変化を示す図である。 入力階調と出力分割数の関係を示す図である。 ３２分割・２４分割の階調特性を設定するグラフである。 ＰＷＭのＤｕｔｙの変化を示す図である。 黒のみのランレングスによる階調特性を設定する図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

（画像形成装置全体の構成）
図１は、複数色のトナーを用いて画像形成するデジタルフルカラープリンター（カラー画像形成装置）の概略断面図である。図１を用いて本実施例の画像形成装置１００について説明する。画像形成装置（１００）には色別に画像を形成する４つの画像形成部（画像形成手段）（１０１Ｙ）、（１０１Ｍ）、（１０１Ｃ）、（１０１Ｂｋ）が備えられている。

ここでのＹ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋは、それぞれイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックを表している。画像形成部（１０１Ｙ）、（１０１Ｍ）、（１０１Ｃ）、（１０１Ｂｋ）はそれぞれ、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナーを用いて画像形成を行う。画像形成部（１０１Ｙ）、（１０１Ｍ）、（１０１Ｃ）、（１０１Ｂｋ）には感光体であるところの感光ドラム（１０２Ｙ）、（１０２Ｍ）、（１０２Ｃ）、（１０２Ｂｋ）が備えられている。感光ドラム（１０２Ｙ）、（１０２Ｍ）、（１０２Ｃ）、Ｂｋ（１０２）の周りには、帯電装置（１０３Ｙ）、（１０３Ｍ）、（１０３Ｃ）、（１０３Ｂｋ）、光走査装置（１０４Ｙ）、（１０４Ｍ）、（１０４Ｃ）、（１０４Ｂｋ）、現像装置（１０５Ｙ）、（１０５Ｍ）、（１０５Ｃ）、（１０５Ｂｋ）がそれぞれ設けられている。

また、感光ドラム（１０２Ｙ）、（１０２Ｍ）、（１０２Ｃ）、（１０２Ｂｋ）の周りには、ドラムクリーニング装置（１０６Ｙ）、（１０６Ｍ）、（１０６Ｃ）、（１０６Ｂｋ）が配置されている。感光ドラム（１０２Ｙ）、（１０２Ｍ）、（１０２Ｃ）、（１０２Ｂｋ）の下方には無端ベルト状の中間転写ベルト（１０７）が配置されている。中間転写ベルト（１０７）は、駆動ローラ（１０８）と従動ローラ（１０９）及び（１１０）とに張架され、画像形成中は図中の矢印Ｂ方向に回転する。

また、中間転写ベルト（１０７）（中間転写体）を介して、感光ドラム（１０２Ｙ）、（１０２Ｍ）、（１０２Ｃ）、（１０２Ｂｋ）に対向する位置には一次転写装置（１１１Ｙ）、（１１１Ｍ）、（１１１Ｃ）、（１１１Ｂｋ）が設けられている。また、本実施形態の画像形成装置（１００）は、中間転写ベルト（１０７）上のトナー像を記録媒体Ｓに転写するための２次転写装置（１１２）、記録媒体Ｓ上のトナー像を定着するための定着装置（１１３）を備える。

ここでかかる構成を有する画像形成装置（１００）の帯電工程から現像工程までの画像形成プロセスを説明する。各画像形成部における当該画像形成プロセスは同一であるため、画像形成プロセスを画像形成部（１０１Ｙ）を例にして説明し、画像形成部（１０１Ｍ）、（１０１Ｃ）、（１０１Ｂｋ）における画像形成プロセスについては説明を省略する。まず画像形成部（１０１Ｙ）の帯電装置により回転駆動される感光ドラム（１０２Ｙ）を帯電する。帯電された感光ドラム（１０２Ｙ）（像担持体上）は、光走査装置（１０４Ｙ）から出射されるレーザ光によって露光される。これによって、回転する感光体上に静電潜像が形成される。

その後、該静電潜像は現像装置（１０５Ｙ）によってイエローのトナー像として現像される。以下、転写工程以降の画像形成プロセスについて画像形成部を例にして説明をする。一次転写装置（１１１Ｙ）、（１１１Ｍ）、（１１１Ｃ）、（１１１Ｂｋ）が転写ベルトに転写バイアスを印加することによって各画像形成部の感光ドラム（１０２Ｙ）、（１０２Ｍ）、（１０２Ｃ）、（１０２Ｂｋ）上に形成されたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナー像はそれぞれ中間転写ベルト（１０７）に転写される。これによって中間転写ベルト（１０７）上で各色のトナー像が重ね合わされる。

中間転写ベルト（１０７）に４色のトナー像が転写されると、中間転写ベルト（１０７）上に転写された４色トナー像は２次転写装置（１１２）にて、手差し給送カセット（１１４）または給紙カセット（１１５）から２次転写部に搬送されてきた記録媒体Ｓ上に再び転写（２次転写）される。そして、記録媒体Ｓ上のトナー像は定着装置（１１３）で加熱定着され、排紙部（１１６）に排紙され、記録媒体Ｓ上にフルカラー画像が得られる。

（感光体ドラム１０２と光走査装置１０４）
図２に、感光体ドラム（１０２）、光走査装置（１０４）、および、光走査装置（１０４）の制御部の構成を示す。なお、各色の感光体ドラムと光走査装置の構成は同一であるので、以下の説明では色を示す添え字Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋを省略する。

光走査装置（１０４）は、複数のレーザ光（光ビーム）を発生するマルチビームレーザ光源（２０１）と、レーザ光を平行光に整形するコリメータレンズ（２０２）と、コリメータレンズ（２０２）を通過したレーザ光を副走査方向（感光体の回転方向に対応する方向）へ集光するシリンドリカルレンズ（２０３）と、ポリゴンミラー（回転多面鏡）（２０４）を備える。

なお、本実施例ではレーザ光源（２０１）は複数のビームを配列したマルチビーム光源を例にして記載するが、単一の光源を用いた場合も同様に動作させるものとする。ポリゴンミラー（２０４）は、回転動作するモータ部とモータ軸に取り付けられた反射ミラーからなる。本実施例では５面のミラーだが、他の面数でも良い。

さらに、ポリゴンミラー（２０４）によって偏向されたレーザ光を検知し、レーザ光を検知したことに応じて水平同期信号（以下、ＢＤ信号）を出力する信号生成手段であるところのＢｅａｍ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（２０７）（以下、ＢＤ２０７）を備える。光走査装置１０４から出射したレーザ光は、感光体ドラム１０２上を走査露光する。レーザ光の走査方向は、感光体ドラム（１０２）の回転軸に対して平行に走査するように、光走査装置（１０４）と感光体ドラム（１０２）の位置決めがなされている。ポリゴンミラー（２０４）のミラー面が感光体ドラム上を一回走査する度に、前記マルチビームレーザのレーザ素子数分の走査ラインを同時に形成する。

次に、光走査装置（１０４）の制御部（ＣＰＵ３０３）について説明する。ＣＰＵ（３０３）には、不図示の画像データを生成する画像コントローラから画像データを入力し、ＢＤセンサ（２０７）、メモリ（３０２）、レーザ駆動部（３０４）、ポリゴンミラー駆動部（３０５）と接続している。

（ポリゴン制御）
ＣＰＵ（３０３）は、ＢＤセンサ（２０７）から出力されるＢＤ信号をもとに走査ラインの書き出し位置の検知と、ＢＤ信号の時間間隔をカウントすることでポリゴンミラー（２０４）の回転速度を検知し、ポリゴンミラーが所定の速度となるようにポリゴンミラー駆動部（３０５）に加速減速を指示する。ポリゴンミラー駆動部（３０５）は、入力した加速減速信号に対応して、ポリゴンミラーのモータ部に駆動電流を供給し、モータを駆動する。

（画像制御）
また、ＣＰＵ（３０３）は、画像コントローラから画像データを図１０のブロック図に示すフローでＰＷＭ信号に変換する。

図１０に図示する、ＢＤ信号ごとにリセットされる主走査カウンター（７０３）は画素ごとにカウントしてカウント値を出力する。 倍率テーブル（７０７）はあらかじめ像高毎に補正する倍率を用意したテーブルを持ち、倍率テーブル（７０７）から出力される倍率により画素サイズ演算部（７０８）で画素サイズを計算する。そして主走査カウンター（７０３）のカウント値を受けて、予め用意した階調特性テーブル（７０５）から対応する画素サイズを階調特性セレクタ（７０６）により読み出して出力する。

本実施例では画素サイズは２４〜３２の範囲を取り、それぞれ階調特性１〜Ｎ（Ｎ＝９）を対応付ける。 例えば、画素サイズ２４ならば階調特性１、画素サイズ２５ならば階調特性２、以降 画素サイズを＋１するごとに階調特性の番号を＋１した対応付けをしている。

階調特性テーブル（７０５）は光量に応じたテーブルも用意する。詳細に関しては、光量演算部（７０９）とともにこの後に述べる。

図１２に示すように、横軸の主走査方向の両側の端部では２４分割、中央は３２分割で 横軸の上に画素を示している。その間の画素は光学系の特性に合わせて、分割数を変化させて設定する。なお、図中見やすさのため分割数を簡略化している。

階調特性は入力の画素値と出力の濃度を対応付けるプロファイルであって、テーブル、または関数などで実現できる。本実施例においてＰＷＭ出力なので、階調特性をビットパターンのテーブルで表現している。階調特性９と階調特性１の例をそれぞれ図１１（ａ）、（ｂ）に示す。

図１１において、左の１列が入力の階調を示し、各入力の階調に対応する各行でＰＷＭのＯＮ／ＯＦＦのパターンを１／０によって示している。図１１（ｂ）は、レジスタは各階調３２パターン用意しているため、２４行〜３１行は不使用であるので０を入れておく。図１３（ａ）、（ｂ）は 図１１の各階調特性（ａ）、（ｂ）を入力階調とパルス幅で表したもので、本実施例では異なる分割数でも階調特性が近似されるように設定している。

図１０の階調特性セレクタ（７０６）は、入力した画素サイズ２４〜３２に応じて、それぞれ階調特性１〜Ｎを選択して出力する。 ＰＷＭ変換（７０１）は画素ごとの階調に応じて階調特性セレクタ（７０６）によって画素ごとに選択されたテーブルに従い、ＰＷＭビットパターンを出力する。

パラレル／シリアル変換（７０２）はＰＷＭ変換（７０１）が出力するＰＷＭビットパターンを一定のビット数（本実施例では２４ビット）ずつ切出してシリアル信号に変換してレーザ駆動部（３０４）へ出力する。

例えば、連続する画素が 画素サイズ＝３２、２４、２４、階調＝１０、１、５の時、階調特性セレクタ（７０６）は 階調特性９（図１１（ａ））、階調特性１（図１１（ｂ））、階調特性１を順に選択する。

ＰＷＭ変換（７０１）は 対応する階調のＰＷＭデータを出力して、パラレル／シリアル変換（７０２）は図１６に示すようにシリアル列に変換して１をＨｉｇｈ、０をＬｏｗのＰＷＭ信号として出力する。

階調特性の示し方としてはランレングスを用いてもよく、例えば図９（ａ）、（ｂ）に示す方法でもよい。図９において、左の列が入力の階調を示し、Ｗの列はＰＷＭの白→黒→白の先頭の白の長さを示し、Ｂは黒の長さを示す。

Ｗ’は末尾の白の長さを示すが、レジスタとしては存在せず、Ｗ’＝画素サイズ−Ｗ−Ｂで求められる。ちなみに、ＰＷＭの白→黒→白のそれぞれの白の幅は２等分されるとあらかじめ決めておけば、図１６のように黒の幅と入力画素値との関係だけでもよい。ＰＷＭ変換（７０１）は白、黒のラン・レングスの組み合わせをビットパターンに変換してパラレル／シリアル変換（７０２）に出力する。

なお、本実施例において、画素サイズ・テーブル（７０４）や、階調特性（７０５）は図示せぬハードディスクに格納され、ＣＰＵ３０３は 起動時にメモリ（３０２）にコピーして、画像処理時はメモリ（３０２）にアクセスして高速処理できるよう制御している。

（光量に応じた階調特性）
前述の（ＰＷＭ発光に対する積算光量のリニアリティ）で述べたようにレーザチップ面光量によってＰＷＭのパルスデューティに対する積算光量が異なる問題がある。そこで例えば中央像高で使用する１画素３２分割のＰＷＭの階調特性を考えると、図１３（ａ）のように、横軸入力階調数、縦軸をパルス幅としたときに、図８のＰＷＭのデューティと積算光量の関係からリニアになるよう光量５０％〜１００％の時の階調特性を用意する。同様に１画素２４分割のＰＷＭの階調特性は図１３（ｂ）のように用意する。

例えばレーザチップ面光量が±１５０ｍｍ像高では光量１００％であり、中央像高では光量８０％であると想定すると、±１５０ｍｍ像高の階調特性は、図１４に示す２４分割の入力階調とパルス幅の関係において光量１００％の特性を使用する。また、中央像高では３２分割の入力階調とパルス幅の関係において、光量８０％の特性を使用する。

実際の１画素中の分割数は、−１５０ｍｍ〜＋１５０ｍｍの像高では図５のように２４〜３２分割で連続的に存在し、それぞれの光量も図６のように中央像高に対して約１．３倍まで連続的に光量が変化している。さらに中央像高の光量もプロセス条件に応じて調整される。したがって階調特性のテーブルは像高毎の分割数と光量の分だけ必要になる。そこで、各光量ごとの階調特性は、光量に応じた数式による演算でもよい。

（光量に応じた画像制御）
図１０で前述の光量演算部（７０９）と階調特性テーブル（７０５）について説明する。光量演算部は（光量制御）の項目で述べたように、像高毎にチップ面光量を変化させ、ドラム面での単位面積あたりの光量は一定となるようにする機能がある。さらにプロセス条件によって感光体ドラムに必要な光量を変化させる機能もある。例えば感光体ドラム中央像高で光量が６０％が必要となった場合、±１５０ｍｍ像高では、中央像高に対して１．３倍の光量が必要であるとすると、必要光量は７８％となる。必要光量値は階調特性セレクタ（７０６）に送られる。階調特性セレクタ（７０６）では像高による階調特性テーブル（７０５）を、光量を考慮して選択する。例えば階調特性テーブル（７０５）を光量１％刻みで用意し、各像高における光量に応じた階調特性テーブル（７０５）を選択する。もしくは、テーブルの量を削減するために１００％の階調特性の値と５０％の階調特性の値から線形補完などの近似式により算出してもよい。

なお、以上の実施例では 最大の分割数を３２としたが、ＤＬＬ（ＤｅｌａｙＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）によるディジタル制御などの技術によりさらに分割数が多い場合でも同様に実施できる。

１０２ 感光体
２０１ 光源
２０４ 回転多面鏡
７０６ 階調特性決定手段
７０７ 倍率テーブル
７０８ 演算部

Claims (4)

1. 光走査装置であって、
   光ビームを出射する光源と、
   前記光ビームを偏向する回転多面鏡と、
   前記回転多面鏡は、前記光源から出射された前記光ビームが感光体の表面上を主走査方向に走査し、
   主走査の位置に応じた補正倍率を格納しておく倍率テーブルと、倍率テーブルから画像データの像高に応じた画素のサイズを決定する画素サイズ演算部と、
   画像データに対応する出力を決める階調特性について、画素サイズに応じた階調特性を決定する階調特性決定手段と、
   光量を演算決定する手段を有し、
   各画素の画素値を光量と画素ごとに選択された階調特性で階調変換すると共に、画素ごとに決定された画素サイズで出力することを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１において、レーザの積算光量とＰＷＭのＤｕｔｙとの関係を各倍率の階調特性の補正に用いることを特徴とする。
3. 請求項１において、階調特性は画素サイズと光量との関係から導いたテーブルであることを特徴とする。
4. 請求項１において、階調特性は画素サイズと光量との関係から導いた関係式であることを特徴とする。

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