JP2531886B2 - 光変調装置及びこれを用いた記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ等の光源の
光出力を変調制御する技術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを走査していフィルム等の
感光材料上へ多階調の濃淡画像を記録する際、各画素を
記録するのに、半導体レーザの光出力を鋸歯状に変化さ
せてそのパルス幅で変調する方式が特願平２−１９９７
４４号に提案されている。これは半導体レーザの光出力
が温度変動に影響を受けやすいという問題点を、ＡＰＣ
(Auto Power Control)制御を用いずに解決したものであ
る。

【０００３】図６はその原理を説明するための４象限図
である。第１象限は半導体レーザの駆動電流−光出力特
性を表し、温度がＴ₀ ，Ｔ₁ ，Ｔ₂ （Ｔ₀ ＜Ｔ₁ ＜Ｔ
₂ ）の場合について描いてある。これによれば温度変化
がそれほど大きくなければ上記特性の傾き（スロープ効
率）は各温度でほとんど変化しないことが分かる。第４
象限は縦軸を時間にとり駆動電流の時間波形を表わす。
これは初期値ｉ₀ から始まるランプ波形である。第２象
限には、第１象限の特性を持つ半導体レーザに第４象限
の時間波形を持つ駆動電流を供給したときに得られる光
出力の時間波形を表した。

【０００４】第２象限に注目し、光出力がある設定値Ｐ
₀ になった起点を起点として、この起点から時間τだけ
経過した時点で駆動電流を遮断する。このとき光出力波
形は鋸歯状になるが、各温度Ｔ₀ ，Ｔ₁ ，Ｔ₂ における
鋸歯状光出力は、前述のスロープ効率が変化しないとい
う特性により、それぞれの温度のときに形状がほぼ合同
であり、したがって温度変化に依らずその面積すなわち
露光量は変化しない。各画素をこのように鋸歯状の光出
力で記録し、画素の濃淡を光のパルス幅τを変化させる
ように制御すれば、温度変化に依らない半導体レーザに
よる濃淡画像の記録が行える。

【０００５】図７は上記の変調方法を実施するための半
導体レーザ変調回路のブロック図である。図中、１３は
ひとつの画素を記録する期間を規定するための画素クロ
ック信号であり、１４は画素クロック１３に同期して得
られる画素の濃淡を表す画素データであり、複数のビッ
トで表されるデジタル値である。以下、１３を記号ａで
表す。１は信号ａのクロックに同期して鋸歯状電圧を発
生する鋸歯状波発生回路を表し、この出力信号をｂとお
く。５は電圧可変型のパルス遅延器を表し、Ｖ₃で規定
される時間だけパルスａの立ち上がりエッジを遅延させ
パルスｃを出力する。６はセットリセットフリップフロ
ップであり、ＳＥＴ入力の立ち上がりエッジで出力Ｑを
ロジックハイレベルにセットし、ＲＥＳＥＴ入力の立ち
上がりエッジでロジックローレベルにリセットする。こ
の出力をｄとおく。４はロジック入力のスイッチであ
り、入力ｄがハイレベルのときＯＮ状態となり、ローレ
ベルのときＯＦＦ状態となる。２は電圧−電流変換器で
あり、鋸歯状電圧ｂを鋸歯状電流ｅに変換する。３は半
導体レーザである。１１はフォトダイオードであり、半
導体レーザ３の光出力の一部を図示していない光学的手
段によって受光するよう構成してある。１２は電流−電
圧変換器を表し、フォトダイオード１１の光検出電流を
電圧値ｆに変換している。１０は電圧比較器（コンパレ
ータ）であり、光電圧値ｆがある設定値Ｖ₁ を越えた時
点で出力ｇをロジックハイレベルにする。７は電圧可変
型のパルス遅延器を示し、ＴＩＭＥ入力電圧ｋで規定さ
れる時間だけコンパレータの出力ｇの立ち上がりエッジ
を遅延させて、信号ｊを出力し、フリップフロップ６を
リセットする。９はデジタル／アナログ変換器を表し画
素データをアナログ電圧値ｋに変換する。

【０００６】図８は前述のブロック図の動作タイミング
チャートである。ａの画素クロックに同期して、鋸歯状
電圧ｂが図のように発生する。画素１の場合について説
明すると、画素クロックの立ち上がり２０を遅延器５に
よってτ₁ 遅延させ、フリップフロップ６をセットする
タイミング、すなわち半導体レーザへ電流を流し始める
タイミングを鋸歯状電圧ｂの適当な位置に合わせる。そ
してその信号ｃの立ち上がり２１によってフリップフロ
ップ６がセットされ、信号ｄが２２のタイミングで立ち
上がり、スイッチ４をＯＮ状態にし、半導体レーザの駆
動電流ｅが図のように流れる。半導体レーザの光出力は
光検出電圧ｆでモニタされるが、鋸歯状電流ｅの初期値
がレーザ発光を始める電流より低く設定されているた
め、レーザ発光するまでにΔｔだけ遅れることになる。
この光検出電圧ｆと設定電圧Ｖ₁ をコンパレータ１０で
比較しｆがＶ₁ を越えた時点２３で信号ｇが図のように
立ち上がる。この信号ｇは遅延器７に入力され画素濃度
データ電圧ｋに比例した遅延時間τ₃ だけ遅延されてフ
リップフロップ６をリセットし、この信号ｊによって鋸
歯状電流ｅを遮断する。以下、画素２以降も同様の動作
を繰り返す。このように画素データに比例した鋸歯状光
パルス幅でひとつの画素の露光量を制御し、濃淡画像を
感光材料上へ記録を行なう。

【０００７】この方式によれば、半導体レーザの光出力
を光検出電圧ｆでモニタする場合に、その検出回路は光
出力全てをモニタする必要はなく、レーザ発光を開始し
た時点のみを検出すれば良いため、通常のＡＰＣに要求
されるような全光出力範囲に渡る線形性は必要ないとい
う利点を有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例にはより改良すべき点がある。光出力のダイナミッ
クレンジを大きくとるためには最低光出力をできるだけ
小さくした方が良いが、そのためには遅延時間τ₃ の最
小値をできるだけ小さくする必要がある。ところがこの
遅延時間には以下に示すように下限がある。

【０００９】図９は電圧可変型遅延器の構成の一例を示
したブロック図である。３１はセットリセットフリップ
フロップであり、入力パルスＩＮの立ち上がりエッジで
出力を反転させる。出力信号ｍはＩＮの立ち上がりでロ
ジックローレベルになり、トランジスタＴｒ₁ をＯＦＦ
状態にする。３２及びＴｒ₂ 及びＲ₁ により構成された
回路網は定電流回路であり、基準電圧Ｖ_ref を用いてＶ
_ref ／Ｒ₁ の電流を流しコンデンサＣを充電する。充電
されたＣの電圧はＴｒ₃ 及びＲ₂ を用いたエミッタフォ
ロア回路によって３３のコンパレータへ伝えられる。こ
の信号をｎとおく。コンパレータ３３の他方の入力には
外部からの電圧入力ＴＩＭＥが接続されている。コンパ
レータ３３の出力はこの電圧可変型遅延器の出力とな
り、同時に前記フリップフロップ３１のリセット信号に
もなっている。図１０はこの電圧可変型遅延器の動作タ
イミングチャートである。入力パルスＩＮの立ち上がり
のタイミング３５によって出力ｍ（フリップフロップ出
力Ｑの反転出力）がロジックローレベルになり、コンデ
ンサＣの電圧ｎは、 ｎ ＝ Ｖ_c − （Ｖ_ref ／ＣＲ₁ ）ｔ （ｔ：
時間） となる。この電圧ｎが、外部からの電圧入力ＴＩＭＥを
下回る時点３６においてコンパレータ３３の出力ＯＵＴ
が反転し、フリップフロップ３１をリセットする。すな
わちＩＮの立ち上がりからＯＵＴの立ち上がりまでの遅
延時間Ｔは、 Ｔ ＝ ＣＲ₁ （Ｖ_c − ＴＩＭＥ）／Ｖ_ref となる。

【００１０】この遅延時間Ｔを小さくするためには、Ｔ
ＩＭＥをＶ_c にできるだけ近づければよいが、実際には
電圧値にノイズの影響で完全にはこのＴを０にはできな
い。更にフリップフロップ、トランジスタ、コンパレー
タの伝達遅延により、この遅延器は必ず遅延時間のオフ
セットを持つ。

【００１１】ここで図８のタイミングチャートに戻り、
光出力を小さくするためにτ₃ を小さくする限界がある
とすれば、制御できる光出力に下限があることになり、
光出力のダイナミックレンジもあまり大きくはとれない
ことになる。又、信号ｆを検知する電圧Ｖ₁ も小さくす
ればよいが、ノイズの関係でやはり限界がある。更にコ
ンパレータの伝達遅延時間、スイッチの動作遅延時間な
ど他にも光出力の最小値を上昇させる原因となるものは
多々ある。

【００１２】具体的な数値を挙げて説明すると、通常ひ
とつの画素を記録する時間は１００〜５００ｎsec 程度
であり、遅延器の遅延オフセットは数ｎsec 〜数１０ｎ
sec程度になる。今、画素クロックの周期を２５０ｎsec
であるとする。このうち光パルス幅として用いられる
のは２００ｎsec 程度である。遅延時間の最小値が３０
ｎsecであるとすると、光三角波の面積で単純に計算し
てもダイナミックレンジは４４：１となり、これ以上の
要求には応えられない。

【００１３】本発明は上記課題を解決すべくなされたも
ので、温度変動に影響を受けず、且つ非常に大きなダイ
ナミックレンジを有する変調光が得られる変調技術の提
供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
するため、本発明の光変調装置は、光出力が時間と共に
漸次上昇するように光源からの光出力を制御して、所望
露光量に応じた期間だけ前記光出力制御を行なう光変調
装置において、前記制御を繰り返し行なう際に、１つ前
あるいはそれ以前の制御における光出力が所定の値に達
した時期を基準に、次回の光出力の出力期間の制御を行
なう手段を有することを特徴とする。また、本発明の記
録装置は、光源と、画像を形成する各画素毎に該光源か
らの光出力を制御する上述の光変調装置と、走査光学系
とを有し、記録媒体上に変調光を走査して画像を露光記
録することを特徴とする。作用を具体的な例で説明す
る。光検知パルスｇの発生タイミングは、１つ前の光検
知パルスｇの発生タイミングとほぼ同じであることを利
用する。半導体レーザの発光特性を規定するのはレーザ
チップの温度であり、この温度は急激には変わりえな
い。すなわちレーザチップの環境温度は１つの画像を描
く間にそれほど大きくは変化せず、描画中のチップの温
度はそれ自身の電力損失に大きく依存している。この電
力損失による温度上昇もその時定数は数１０μsec〜数s
ecであり、一つの画素を描く時間に比べれば十分に長
く、隣り合う画素における温度はほとんど変わらないと
みてよい。従って図８のタイミングチャートにおいて信
号eとfに注目し、eの電流がＯＮ状態になってからfでレ
ーザ発光するまでの遅れ時間Δtと、次に続く画素２に
おける同様の遅れ時間はほとんど同じであると云ってよ
い。つまり、ある画素における発光開始のタイミングは
一つ前あるいはそれ以前の画素の発光開始タイミングか
ら予測することができる。よってこの予測タイミングを
用いて、画素濃度を決定するための遅延器を動作させる
タイミングを発光開始より一定時間だけ前にずらすこと
により、上記従来例の課題である遅延器のオフセットな
どの初期遅延の影響を排除することができる。

【００１５】

【実施例】以下、高精細で多階調のハーフトーン画像を
フイルム上に記録する医療用のレーザプリンタに本発明
を適用した実施例を説明する。本実施例の装置では例え
ば４０９６階調という極めて多階調のハーフトーン画像
を描くことができる。

【００１６】図１はレーザプリンタの全体システム構成
を示したものであり、１０８は半導体レーザを変調駆動
するための半導体レーザコントローラである。１２０は
ＭＲ，ＣＴ，ＤＳＡ等の医療用の画像入力機器である。
１１９に示すユニットは画像入力機器１２０からオリジ
ナル画像データを取込むためのインターフェース、多数
の画素データから成る画像データを記憶する画像メモ
リ、及び画像配列や変倍処理等の画像処理を行なう画像
処理回路が含まれる。画像処理回路では設定された出力
フォーマットに従ってオリジナル画像の拡大や縮小の変
倍処理を行なう。例えば画像拡大する場合は最近傍補
間、線形補間、三次スプライン補間等の公知の手法を用
いて画素補間処理を行なう。

【００１７】１０１は半導体レーザ、１０２はコリメー
タレンズ等の光学系であり半導体レーザ１０１からの光
を平行光にしている。１０３は開口絞り、１０４はビー
ムスプリツタ、１０６は集光レンズ、１０７はＰＩＮフ
オトダイオードであり、フオトダイオード１０７の出力
は半導体レーザコントローラ１０８に入力され、ビーム
スプリツタ１０４で分光されたレーザビーム強度をモニ
タする。一方、ビームスプリツタ１０４の透過直進方向
には、レンズ１０５、主走査を行なう回転多面鏡１０９
が配置される。１１０は倒れ補正のためのｆθレンズ、
１１１は光ビームを銀塩フイルム等の感光性のシート状
記録媒体１１２に垂直な方向に折り曲げる折り返し鏡で
ある。

【００１８】１１６はシート状記録媒体を収納するサプ
ライマガジン、１１７は感光記録済の記録媒体を収納す
るレシーブマガジンであり、１１３は副走査を行なうた
めのモータである。１１４はモータ１１３に接続され、
シート状の記録媒体１１２の副走査を行なうためのロー
ラであり、ローラ１１４の回転軸にはエンコーダ１１５
が取付けられローラ１１４の回転状態を検出する。エン
コーダ１１５としては例えばレーザロータリーエンコー
ダ等が好適である。記録媒体１１２はサプライマガジン
１１６から取出されてローラ１１４まで送られ、ローラ
１１４によって低速で副走査しながら光ビームで露光記
録が行なわれ、記録の済んだ記録媒体はレシーブマガジ
ン１１７に収納される。又、記録の済んだ記録媒体をレ
シーブマガジン１１７ではなく不図示の自動現像機に直
接送り出すようにしても良い。

【００１９】１１８は主走査毎の同期をとるための主走
査の始まりを表わす信号（ＢＤ信号）を得るためのフオ
トダイオードである。半導体レーザコントローラ１０８
はフオトダイオード１１８の出力によって同期をとりな
がら、各画素データが記憶される画像メモリ１１９の内
容に基づいて半導体レーザ１０１を変調駆動する。ＢＤ
信号を基に各走査ラインの描き始めのタイミングを得る
ため、高精度な画像を描くためにはＢＤ信号はできる限
り正確なタイミングで得る必要がある。そこで走査光ビ
ームがフオトデイテクタ１１８を通過して信号検知する
際には半導体レーザ１０１が一定出力で連続発振するよ
うに構成されている。なお、回転多面鏡の角部等で乱反
射が起きるのを未然に防ぐために、フオトデイテクタ１
１８への入射時以外のブランキング期間には半導体レー
ザ１０１の光出力を強制的に停止するようになってい
る。

【００２０】次に、図１において半導体レーザコントロ
ーラ１０８として表わしたユニットの詳細を図２のブロ
ック図を用いて説明する。基本的な構成は先に説明した
図７とほぼ同様であるが、コンパレータ１０の出力ｇか
らの出力に遅延器８が追加されているところが異なる。
この遅延器８の出力ｈが遅延器７への入力になる。動作
も図７とほぼ同じであるため異なる部分を中心に説明す
る。

【００２１】図３は、図２に示す半導体レーザ制御装置
の動作タイミングチャートであり、前出の図８のタイミ
ングチャートと異なるのは、コンパレータ出力ｇが遅延
器８の作用によって時間τ₂ だけ遅れて遅延器７の入力
になっているところである。画素１からの遅延時間τ₂
は次の画素２の領域まで伸びており、この遅延された信
号ｈが画素２の発光開始タイミングとみなされる。画素
２においてこの画素濃度に対応した遅延時間τ₃ だけ遅
れてフリップフロップ６がリセットされ駆動電流を遮断
する。先に指摘したように、一つの画素を描く間の半導
体レーザーチップの温度変化はほとんどないので、画素
クロックの周期をＴ_c とすれば画素１の発光開始タイミ
ング４０と画素２の発光開始タイミング４１の時間差も
Ｔ_c である。遅延器８の遅延時間τ₂ はＴ_c よりも小さ
く設定されており、その差Ｔ_c −τ₂ を適当に設定する
ことにより前出の遅延器のオフセットなどの最低の遅れ
時間をこの時間内に吸収でき、最小の光出力を最低の遅
れ時間に依存せずに設定できる。

【００２２】なお、各走査ラインにおける一番最初の画
素は、１つ前の画素出力が無いため制御不能であるが、
例えばレーザビームプリンタに用いた場合は、感光材料
上の有効領域を走査する以前から発光を始めて、制御可
能状態にしてから画像を描くようにすれば良い。

【００２３】＜他の実施例＞図４は本発明の他の実施例
のブロック図であり、先と同一の符号は同一の部材を表
すが、前記の図２とほぼ同様であるため異なる部分を中
心に説明する。コンパレータ１０の出力が二つの電圧可
変型遅延器５１−０、５１−１にアンドゲート５６−０
及び５６−１によって分配してて入力されている。この
出力ｈ₀ 、ｈ₁ はＯＲゲート５２にて論理和をとられ、
その出力ｈがフリップフロップ６のリセット信号になっ
ている。それぞれの遅延器５１−０、５１−１の時間設
定入力には独立したデジタル／アナログ変換器５５−
０、５５−１のアナログ出力が接続されている。それぞ
れのデジタル／アナログ変換器５５−０、５５−１はオ
フセット電圧発生器５６によって出力電圧にオフセット
が加えられている。又、それぞれのデジタル／アナログ
変換器５５−０、５５−１のそれぞれのデジタル入力は
データラッチ回路５４−０、５４−１から得られる。こ
のデータラッチ５４−０、５４−１はクロック入力の立
ち上がりから次の立ち上がりまでの間入力データを保持
するものであるが、５４−０のクロック入力にはＴ（ト
リガ）フリップフロップ５３の出力Ｑが接続されてお
り、５４−１にはその反転出力Ｑ^* が接続されている。
Ｔフリップフロップ５３のトリガ入力には画素クロック
が接続されている。Ｔフリップフロップはトリガ入力の
立ち上り毎に出力を反転させるものであるため、データ
ラッチ回路５４−０、５４−１のクロック入力には画素
クロックを１／２に分周したものが入る。そしてデータ
ラッチ回路５４−０、５４−１それぞれの出力は２画素
分の期間保持される。アンドゲート５６−０の他方の制
御入力にはＴフリップフロップ５３の出力Ｑが、アンド
ゲート５６−１にはＱ^* が入力される。

【００２４】図５は、図４のブロック図の動作タイミン
グチャートであるが、図３とほぼ同様であるため異なる
部分を中心に説明する。画素１の期間中に６０のタイミ
ングで発光検知が行われたとする。このときＴフリップ
フロップ５３の出力がＱ＝ローレベル、Ｑ^* ＝ハイレベ
ルであれば、この立ち上がりによって遅延器５１−１が
トリガされ、遅延出力ｈ₁ が図のように６１のタイミン
グで現れる。又、画素２の期間中に６２のタイミングで
発光検知が行われたとすると、この時はＴフリップフロ
ップ５３の出力が反転しているため、遅延器５１−０が
トリガされ６３のタイミングで遅延出力ｈ₀ が現れる。
続いて画素３の期間で６４のタイミングで発光検知が行
われたとすると、Ｔフリップフロップ５３の出力が反転
し、画素１の時点と同じに戻っているので遅延器５１−
１がトリガされ遅延出力ｈ₁ が６５のタイミングで現れ
る。ＯＲゲート５２によってｈ₀ とｈ₁ は論理和をとら
れて出力ｈが得られ、それぞれのタイミングで半導体レ
ーザの駆動電流を遮断する。このときデジタル／アナロ
グ変換器５５−０、５５−１の出力オフセットを、遅延
器の入力に対し先の図３の遅延時間τ₂ に相当するよう
に設定すれば、前実施例と同様の作用効果が得られる。

【００２５】本発明は以上の各実施例の形態に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であ
る。例えば、遅延器の数を増すことにより１画素前だけ
ではなく数画素前の光検知信号を基にして同様の変調を
行なうこともできる。これは特に画素クロックの周期が
短くなった場合に有効である。

【００２６】又、遅延器としては電圧可変型を用いる以
外に、デジタルカウンタを用いたものやディレイライン
の出力タップを選択するものなど、外部から可変である
ものなら使用可能である。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、温度変動にかかわらず
所望の露光量を得ることができると共に、パルス幅制御
のダイナミックレンジに依存することなく大きなダイナ
ミックレンジを得ることができる。しかも通常用いられ
る安価な回路素子を用いてこれを達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザプリンタの実施例の構成図である。

【図２】実施例の半導体レーザ制御装置のブロック図で
ある。

【図３】図２の動作を表すタイミングチャート図であ
る。

【図４】他の実施例の半導体レーザ制御装置のブロック
図である。

【図５】図４の動作を表すタイミングチャート図であ
る。

【図６】原理を示す４象限図である。

【図７】従来例を説明するためのブロック図である。

【図８】図７の動作を表すタイミングチャート図であ
る。

【図９】電圧可変型遅延器の一例を示す図である。

【図１０】図９の動作を表すタイミングチャート図であ
る。

【符号の説明】

１ 鋸歯状歯発生回路 ２ 電圧電流変換回路 ３ 半導体レーザ １１ フォトダイオード ５、７、８ 電圧可変型遅延器 ９ デジタル／アナログ変換器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光出力が時間と共に漸次上昇するように
   光源からの光出力を制御して、所望露光量に応じた期間
   だけ前記光出力制御を行なう光変調装置において、前記
   制御を繰り返し行なう際に、１つ前あるいはそれ以前の
   制御における光出力が所定の値に達した時期を基準に、
   次回の光出力の出力期間の制御を行なう手段を有するこ
   とを特徴とする光変調装置。
2. 【請求項２】 光源と、画像を形成する各画素毎に該光
   源からの光出力を制御する請求項１の光変調装置と、走
   査光学系とを有し、記録媒体上に変調光を走査して画像
   を露光記録することを特徴とする記録装置。
3. 【請求項３】 前記光源は半導体レーザである請求項１
   の光変調装置又は請求項２の記録装置。