JP2757310B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザービームなどを感光体などに走査し
て画像記録を行なうレーザービームプリンタなどの画像
形成装置、特に、記録スポット径と記録濃度とを独立に
可変制御することが可能な中間調記録に好適な画像形成
装置に関する。

［従来の技術］ 近年、記録ビームスポット径を可変制御できるレーザ
ービームプリンタが種々提案されている。

例えば、特開昭61−275868号公報では、電子写真法と
いう限定はあるが、レーザーパワーを可変にしてレーザ
ービームのドット径を可変制御するという技術が示され
ており、特開昭62−49316号公報には、記録倍率に応じ
てという限度はあるが、絞り手段の絞り量を変えること
によりレーザービームの記録スポット径を変えるという
技術が開示されており、更には、特開昭62−112123号公
報には、圧電変位手段を用いるという限定はあるが、レ
ーザー発生手段のコリメーションレンズに対する相対的
位置を変化させることによってビームの記録スポット径
を制御するという技術が示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、これらの各々の技術を単独で用いた場合、確
かに記録スポット径は制御可能であるが、これと同時に
記録濃度も変化してしまうという欠点がある。よって、
例えば、記録スポット径の小さなドットは薄く、記録ス
ポット径の大きなドットは濃く記録されてしまうという
ことになり、白黒２値の画像を記録するだけならば感光
体の選択によってこの影響を目立たなくすることも可能
であるが、中間調も記録しようとする場合には問題とな
る。

従って、本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服
すべく、例えば、スポットの記録濃度を一定に保つたま
ま記録スポット径を可変制御でき、更に、記録スポット
径を一定に保ったままスポットの記録濃度を可変制御で
きるという様に両者を独立に制御できる画像形成装置を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する本発明においては、画像記録を行
なう走査ビームのビーム径（Ｆナンバー）を可変制御す
る手段、感光体に付与される走査ビームの光強度を可変
制御する手段、走査ビームの感光体に対する結像位置を
光学系の光軸方向に可変制御する手段、走査ビームの波
長を可変制御する手段の４つの手段のうち、少なくとも
２つの手段が具備されている。

４つの手段のうち何れを選択するかは、スポットの記
録濃度と記録スポット径を独立に制御するという目的を
達成できる様に、装置の実際の設計を考慮して決めれば
よい。

この少なくとも２つの手段のうちには、光強度を可変
制御する手段が含まれるのが好適である。

［作用］ 上記の構成を有する本発明においては、記録スポット
径と記録濃度との関係が異なった複数の可変制御手段を
適当な組み合わせで用いているので、目的に応じて記録
スポット径と記録濃度とを独立に制御して画像形成を行
なうことができる。

特に、少なくとも走査ビームの光強度を可変制御する
手段を含ませれば、他の可変制御手段とは、記録スポッ
ト径と記録濃度の関係の性質が逆であるので、例えば、
一方を一定にして他方を可変することができる。

［実施例］ 第１図は本発明によるレーザービームプリンタの第１
実施例を示す図である。

同図において、１は半導体レーザー、２はコリメータ
レンズ、３は電気的に絞り径を制御可能な絞り、４は倒
れ補正光学系（光偏向を行なう為のポリゴンミラー５の
偏向反射面が傾斜しても走査光束が同一走査線上に集光
される様にする系）を構成する為に必要なシリンドリカ
ルレンズ、６は上記倒れ補正を考慮したｆ・θレンズ、
７はレーザービームの結像ないし集光位置近傍に配置さ
れた中間調記録に適した感光体（材料の例は後述す
る）、８は光学系の光軸、９は半導体レーザー１の位置
を光軸方向に移動させる為のアクチュエータ、10は半導
体レーザー１のレーザーパワーを制御する為のレーザー
パワー制御装置、11は絞り３の絞り径を電気的に制御す
る為の絞り径制御装置、12はアクチュエータ９を駆動す
ることにより半導体レーザー１の位置を制御する為のレ
ーザー位置制御装置、13は３種の制御装置10、11、12の
各々に制御量の目標値を指示する機能を持つ処理装置で
ある。

上記構成において、半導体レーザー１からは画像情報
に応じて変調されたレーザービームが射出され、このビ
ームはポリゴンミラー５により偏向走査されて感光体７
上に主走査方向に走査されると共に、感光体７は副走査
方向（主走査方向と光軸に直角な方向）に移動して、感
光体７全面に画像情報が記録される。

更に、上記構成において、目標とする記録スポット径
と記録濃度との値を処理装置13に与えると、処理装置13
はそれらを実現する為のレーザーパワーと絞り量とレー
ザー位置の値を決定し、制御装置10、11、12にそれらの
値を目標値として伝える。制御装置10、11、12はこれら
目標値を実現する様に半導体レーザー１のレーザーパワ
ーと絞り３の絞り量と半導体レーザー１の位置とを制御
し、その結果として、目標とする記録スポット径と記録
濃度とを達成する為のレーザービームが感光体７上に集
光される。

以上の制御動作において、処理装置13が各制御装置1
0、11、12に与える目標値を決定する方法としては、予
めメモリーに記憶していたデータを読み出すことにより
決定する方法、計算によって決定する方法、これら両者
の方法を組み合わせて決定する方法の何れを用いても良
い。

更に、レーザーパワーと絞り量とレーザー位置の３個
の量全てを制御する必要は必ずしもなく、このうち少な
くともレーザーパワーを含む２つの量を制御するのみで
もよい。また、絞り３は、写真レンズに用いられている
様な絞り羽根を持つタイプの他に、材料の性質を応用し
て絞りの動作をさせる、例えばPLZTや磁気光学効果を用
いた物性絞りなどでもよい。

ここで、本実施例の如き制御によって記録スポット径
と記録濃度とが独立に変えられる原理を説明する。

一般に、記録スポット径を変化させる手段には次のよ
うなものがある。

走査ビームのパワーを変化させること（同様の効果は
１ドットに対する走査ビームの照射時間を変えても得ら
れる）。

走査ビームのビーム径を変化させること（ビーム強度
のガウス分布の程度を変化させたり、ビームの発散角を
変化させたりすることも含む）。

デフォーカス（ピントずらし）をすること レーザーなどの光源の波長を変化させること。

先ず、レーザービームなどの走査ビームのパワーを変
化させることについて述べると、パワーのみを変えた場
合、ピーク強度の1/e²の強度で定義されるビームスポッ
ト径は走査ビームのパワーの変化によって変化すること
はない。しかし、感光体には、感光に必要な最低の光エ
ネルギー密度が存在するので、照射ビームの光エネルギ
ー密度がこの最低必要な値よりも小さい部分は記録され
ないことになる。よって、1/e²のビームスポット径が同
じであっても、走査ビームのパワーの大小によって記録
スポットの大小が生じることになる。

このことは、走査ビームのパワーを制御することによ
って記録スポット径を制御出来ることを示し、前述の第
１の従来例はこの技術を示している。以上の現象が第２
図に示されている。同図において、左側から、パワーが
夫々P1、P2、P3（P1＜P2＜P3）の場合のビームスポット
部のエネルギー密度を示している。E₀は感光体の感光に
必要な最低の光エネルギー密度であり、1/e²のビームス
ポット径は３つの場合ともW₀で等しいが、記録されるス
ポット径（E₀の線で切られる部分の径）は夫々d₁、d₂、
d₃（d₁＜d₂＜d₃）と異なることが分かる。

次に、Ｆナンバー（即ちビーム径）を変えることで記
録スポット径が変えられることを説明する。

ビーム強度がピーク値の1/e²になる直径で定義される
スポット径をφ、光学系の像側のＦナンバーをＦ、走査
ビームの波長をλ、ビームのガウス分布の程度を示すト
ランケーションフアクタ（trancation faktor）をｋ
（分布のない均一光束の場合にはｋ＝1.64、通常のレー
ザー光学系のレーザービームの場合にはｋ≒２程度であ
る）とするとき、回折効果によって決まるビームスポッ
ト径は、 φ＝kFλ ……（１） で与えられる。

（１）式から、光学系のＦナンバーＦを変化させるこ
とによってビームスポット径が変えられることが分か
る。ＦナンバーＦを変える方法としては、レーザーなど
の光源から出射する光束の発散角を変化させる方法と、
光束の径を変化させる方法がある。このうち、後者の方
法としては、ビームエキスパンダーの倍率を変えたり絞
り径を変えたりすることが考えられ、前述の第２の従来
例は後者に係る。ただ、これらの方法によってＦナンバ
ーを変化させるとトランケーションファクタｋも一般に
変化してしまうので、ｋとＦとの積kFを１つのパラメー
タと看做してこれを変化させると考えた方がよい。

第３図はビーム径（Ｆナンバー）を変化させた場合の
スポット径の変化の様子を示す。同図において、左側か
ら順にビーム径が夫々BS1、BS2、BS3（BS1＞BS2＞BS3）
の場合のビームスポット部のエネルギー密度を示してい
る。E₀は、第２図と同様、感光体の感光に必要の最低の
光エネルギー密度である。中央と右側のスポットについ
て、ビーム径が変化してもスポット全体のエネルギーが
保たれる場合を破線で示し、ビーム径が変化するとスポ
ット全体のエネルギーも変化する場合を実線で示してい
る。破線は倍率可変のビームエキスパンダーを用いる場
合に対応し、実線は絞り径可変の絞りを用いてビームを
カットする場合に対応する。

第３図より、ビーム径（Ｆナンバー）をBS1→BS2→BS
3と変化させることにより、例えば、破線で示した条件
の場合には、記録スポット径をd_B1→d_B1→d_B3と変化さ
せることができ、ビーム径（Ｆナンバー）の制御によっ
て記録スポット径の制御が可能であることが分かる。た
だし、絞りによって光束をカットするビーム径制御方式
は、ビーム径を半分にするとエネルギーが1/4に減って
しまうので、エネルギー的には倍率可変のビームエキス
パンダーを用いる方式に比べて、不利である。

次に、デフォーカス（ピントずらし）によるスポット
径の制御について述べる。

第４図はレーザービームプリンタの光学系の構成要素
（レーザー光源、コリメータレンズ、ｆ・θレンズ、感
光体など）の一部を光軸方向に移動させてピントをずら
す場合のビームスポット部のエネルギー密度を示す。左
から順にデフォーカス量（ピントのずれ量、像側での量
に換算した値）がDF1、DF2、DF3（|DF1|＜|DF2|＜|DF3
|）の場合を示し、各々の記録スポット径はd_F1、d_F2、d
_F3である。この様に、デフォーカス量（即ち光学系の構
成要素の位置など）を制御することによって記録スポッ
ト径を制御出来ることが分かる。前述の第３の従来例は
この原理を用いたものである。

次に、波長によるスポット径の制御について述べる。
波長の変化によるスポット径の変化は、（１）式によっ
て与えられ、波長がλ_１→λ_２→λ_３と変化した場合に
は記録スポット径は第５図に示した様にｄλ_１→ｄλ_２
→ｄλ_３と変化する。これにより、波長を制御すること
によって記録スポット径を制御できることが分かる。

但し、一般に光学系は色収差を持つので各波長毎に結
像点が異なる。従って、上記の（１）式による効果を出
す為には、波長の変化に伴って光学系構成要素の一部を
移動させる必要がある。よって、第５図の記録スポット
径の比較は、各波長毎の最良のピント位置で行なわれて
いる。

第１の実施例では、この波長変化は行なわれていない
が、SHG（第２高調波発生素子）などの波長変化手段を
利用して行なうことができる。

ところで、上記の如く光学系が色収差を持つことを逆
に利用して、波長を変えることで結像位置を変化させ記
録スポット径を制御することもできる。即ち、結像位置
が変わると言うことはデフォーカスを行なうことに等し
いので、前述したデフォーカス効果によって記録スポッ
ト径を変えられるのである。

以上のことを前提にして、続いて本発明の原理の説明
に移る。

上述した４つの記録スポット径制御方式は、単独で用
いた場合、記録スポット径を変化させるとそれに応じて
感光体上のスポット部のエネルギー密度も一意的に変化
する。このことは、第２図乃至第５図に示す如く、記録
スポット径変化に伴ってビームスポットのエネルギー密
度のピーク値や分布形状が変化していることから分か
る。こうして１つの記録スポット径に対して１つのエネ
ルギー密度が定まるので、結局、１つの記録濃度が定ま
ってしまう。例えば、記録スポット径の小さなドットは
薄く、記録スポット径の大きなドットは濃く記録されて
しまうことになる。これは前述した如く中間調も記録し
ようとするときには問題となる。

本発明の原理は、上述した４つの記録スポット径制御
方式を少なくとも２つ以上組み合わせて（好適にはパワ
ー制御を含む）用いることにより、上記問題点を除去す
るところにある。

第２図のパワー制御による記録スポット径の制御で
は、記録スポット径の小さなドットは、エネルギー密度
のピーク値が低いなどの理由で薄く記録され、記録スポ
ット径の大きなドットは反対の理由で濃く記録される。

一方、第３図のビーム径制御（破線）や第４図のデフ
ォーカス量制御や第５図の波長制御の方式を用いた記録
スポット径制御では、上記のパワー制御とは逆の関係に
なって、記録スポット径の小さなドットは濃く、記録ス
ポット径の大きなドットは薄く記録される。この性質の
大まかな様子が第６図に示されている。

従って、ビーム径制御、デフォーカス量制御、波長制
御のうちの１つの制御方式と、パワー制御方式とを組み
合わせることによって、互いに逆の性質が打ち消し合わ
れて、記録濃度を一定に保ったまま記録スポット径を変
化させたり、また、記録スポット径を一定に保ったまま
記録濃度を変化させることが出来る。そして、更には、
記録スポット径と記録濃度とを独立に自在に変化させる
ことが可能になる。

制御方式は、２つから３つ以上に増やして組み合わせ
ればより細やかな制御が可能となる。

各制御方式の如何なる制御状態の組み合わせが、如何
なる記録スポット径と記録濃度に対応するかは、実際の
設計例に応じて変化するので、この対応関係を実験的に
決定して、データをメモリに入れておいたり、これから
計算式を導出して処理装置13に入力しておけばよい。こ
れにより、処理装置13に目標とする記録スポット径と記
録濃度との値を与えれば、処理装置はこれらの値を実現
する為の各制御方式の制御状態を見い出して、それに従
って制御装置10、11、12を介してパワーや絞り量などを
制御することになる。

以上の本発明の原理に基づく例が第１図の第１実施例
であるが、これはあくまで例示であって、制御方式の組
み合わせや各制御方式の具体例は種々に変更可能であ
る。

変更例として第７図の第２実施例を説明する。

第２実施例では、電気的にビーム径を変化することが
できるビーム径可変光学系14とこの光学系14を制御する
為の制御装置15が設けられている。他の点については第
１実施例と同じである。光学系14としては、ズーム式の
ビームエキスパンダー（或はビームコンプレッサー）で
電気制御が可能なものが用いられている。ズームの方式
は、レンズを移動させる一般的なものの他に、レンズの
屈折率を変化させたりレンズの面形状を変化させたりす
るものを用いればよい。

第２実施例は、第３図のところで説明した様に、ビー
ム径変化に際してビームをカットすることがないのでエ
ネルギー的に有利である。

ここで、感光体７の材料を例示しておく。本発明に使
用しうる感光材料としては、電子写真用光電導材料、例
えば、Se、ZnO、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、Bi₂O₃、TiO₂、
Siなどの無機光電導材料、ポリビニルカルバゾール、ポ
リビニルピレン、ポリビニルアントラセンなどの有機光
電導材料や、銀塩感光材料、例えば、ハロゲン化銀の微
結晶粒子をゼラチン中に分散した湿式銀塩感光材料、ハ
ロゲン化銀、ベヘン酸銀、ベンゾトリアゾール銀などの
非感光性の有機銀塩と還元剤を主成分とした乾式銀塩感
光材料などがある。

［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明による画像形成装置によれ
ば、記録スポット径と記録濃度とを独立に可変制御でき
る為、記録の質を高めることができ、中間調の記録を高
画質を保持したまま行なうことが可能になる。特に、記
録スポット径を一定に保ったまま記録濃度を変化させる
ことも出来るので、良質な中間調記録が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の主走査面における構成
図、第２図はパワーの制御による記録スポット径制御の
原理を説明する図、第３図はビーム径制御による記録ス
ポット径制御の原理を説明する図、第４図はデフォーカ
ス量制御による記録スポット径制御の原理を説明する
図、第５図は波長制御による記録スポット径制御の原理
を説明する図、第６図は記録スポット径と記録濃度との
関係が記録スポット径制御方式によって異なることを示
す図、第７図は本発明の第２実施例を示す図である。 １……半導体レーザー、２……コリメータレンズ、３…
…絞り径可変絞り、７……感光体、９……アクチュエー
タ、10……パワー制御装置、11……絞り径制御装置、12
……レーザー位置制御装置、13……処理装置、14……ビ
ーム径可変光学系、15……ビーム径可変光学系制御装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】感光体上にビームを走査することにより画
   像記録を行なう画像形成装置において、感光体に付与さ
   れる走査ビームの光強度を可変制御する手段を備え、更
   に、走査ビームのビーム径を可変制御する手段、走査ビ
   ームの感光体に対する結像位置を光学系の光軸方向に可
   変制御する手段、走査ビームの波長を可変制御する手段
   の３つの手段のうち少なくとも１つの手段を備える画像
   形成装置。
2. 【請求項２】感光体上にビームを走査することにより画
   像記録を行なう画像形成装置において、スポットの記録
   濃度と記録スポット径を独立に制御できる様に、走査ビ
   ームのビーム径を可変制御する手段、感光体に付与され
   る走査ビームの光強度を可変制御する手段、走査ビーム
   の感光体に対する結像位置を光学系の光軸方向に可変制
   御する手段、走査ビームの波長を可変制御する手段の４
   つの手段のうち少なくとも２つの手段を備える画像形成
   装置。