JP3528101B2

JP3528101B2 - 走査システム

Info

Publication number: JP3528101B2
Application number: JP32622194A
Authority: JP
Inventors: シー．ジェノヴェスフランク
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1994-01-04
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JPH07236031A; US5519432A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子写真複写機内のラ
スタ出力スキャナー（ＲＯＳ）における使用のための、
二つの独立したレーザビームの放出が可能なレーザ光源
に関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４，８２１，１１３号は同時
に変調される二つのレーザーダイオードを有するラスタ
出力スキャナーを開示しており、該ビームはビーム結合
器により結合されて単一の共直線ビームになる。そのよ
うな構成の目的は、光学性能を低下させることなくその
システムの印刷速度又はシステムのデータスループット
を二倍にするためである。

【０００３】ＰＣＴ出願ＷＯ８９／１２３６９は、複数
ビーム（マルチビーム）走査システムを開示しており、
該システムにおいて、複数のレーザ光源が収束点へ向け
られ、該レーザ光源は該収束点から受光体（例えば、感
光体）上の複数の所与の位置へ発散する。収束点に一つ
のレンズが配置されており、他のレンズとの組合せによ
り "望遠鏡”を形成し、該望遠鏡は個々のビームスポッ
トの拡大及びビーム同士間の角度の縮小の双方を行い、
角度偏差に対するシステムの感度を減少する。

【０００４】一般に、ＲＯＳにおいて複数のレーザ源を
使用する際の主な問題は、以下の通りである。（１）二
つの独立したレーザ源を設ける出費（２）単一構造体上
に構成される各要素及び処理の不完全な生産率の製品の
結果から生じる製造歩留りの減少（３）電気及び熱の漏
話（cross-talk) の一般の技術的問題と、単一の構造体
又はパッケージにおける複数のレーザに対する位相ロッ
クの考慮（４）受光体表面上に、全体の走査線を通して
正確で予想可能な距離が保たれる正確に平行な走査を生
じるように意図された複数のレーザ光源に関連する焦点
合わせ及びスポット配置問題。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題を解
決することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段と作用】本発明に従って、
第一のビームを第一の方向へ放出する第一のレーザ光源
と、第二のビームを第二の方向へ放出する第二のレーザ
光源を含む走査システムが提供されている。ルーフミラ
ーが第一のビーム及び第二のビームを第三の方向に沿う
よう方向付け、それにより二つのビームが実質的に合致
した虚（バーチュアル：仮想）光源点を有する。

【０００７】本発明の請求項１の態様では、走査システ
ムであって、第一の方向に第一のビームを放出する第一
のレーザ光源と、第二の方向に第二のビームを放出する
第二のレーザ光源と、第一のビーム及び第二のビームが
実質的に合致した虚光源点を有するように、第一のビー
ム及び第二のビームを方向付けるように構成されるルー
フミラーとを含む。

【０００８】本発明の請求項２の態様は、請求項１の態
様において、前記ルーフミラーが、第一のビームを反射
するための第一の反射面及び第二のビームを反射するた
めの第二の反射面を含み、第一のビーム及び第二のビー
ムを第三の方向に沿って発散的に方向付けるよう構成さ
れ、第三の方向が第一の反射面及び第二の反射面の交点
を通過することを含む。

【０００９】本発明の請求項３の態様は、請求項１の態
様において、前記ルーフミラーが、第一のビーム及び第
二のビームのそれぞれの波面が第三の方向に沿う共通境
界線を共有するように、第一のビーム及び第二のビーム
を方向付けるよう構成され、更に、第一のビーム及び第
二のビームを収束させるために第三の方向に沿って配置
されるレンズとを含む。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明に従った、概して１０と示さ
れているデュアルレーザ光源又は"複合光源”の主要要
素を示す正面図である。そのような複合光源１０の根本
的な目的は、二つの個々に変調されたビームを生成し、
各ビームが受光体１８上の正確な位置へ向けられること
である。複合光源１０は二つのレーザーダイオード１０
２及び１０４を含み、後に述べられるように、各々が個
々の電子 "パッケージ" 内に収容されて示されている。
図１に示されるように、レーザ源１０２及び１０４のた
めのダイオードパッケージは、概して東芝（Toshiba Co
rporation)により製造されたモデルＴＯＬＤ９２１１
（Model TOLD9211) の形状であり、大きさは、一般に半
導体製造者により供給される、電子産業標準のＴＯ−５
又はＴＯ−３９の密封（ハーメチックシールされた）パ
ッケージに類似している。二つの光源１０２及び１０４
は印刷システムにおいて個々に制御が可能になるように
意図されており、所与の瞬間に一つの光源の作用は一般
にもう一つの作用に影響を及ぼさないことが理解され
る。図１にみられるように、ダイオード１０２及び１０
４は、それらから放出されたビームが互いの間の共通点
に向けられるように構成されている。本発明に従って、
図１に示される、対向して放出されるダイオード１０２
及び１０４からの光束（フラックス）を有する幾何学的
配列は、光学系を介して再方向付けされることが可能に
なるように、双方のダイオード光源から放出された光束
の実質的な部分を収集するための単なる便利な物理的構
成である。

【００１１】ダイオード１０２及び１０４の間に "ルー
フミラー（roof mirror : 屋根形ミラー）" １０６が配
置されており、該ルーフミラー１０６は、ガラス、アル
ミニウム又は光学的に反射する表面を有する他の金属か
ら好適にできている。ルーフミラー１０６は表面１１０
及び１１２を有し、該表面はダイオード１０２及び１０
４からのビームをそれぞれ反射する。表面１１０及び１
１２は、各ビームを交差させ、双方の光束を最小の打ち
切り損失（truncation loss)で共通の方向に再方向付け
するようにダイオード１０２及び１０４に関連して配置
され及び方向づけられている。表面１１０及び１１２か
ら反射されたビームが図１に１１６として示されている
共通の虚光源点又は非常に密接に距離が保たれた一対の
虚光源点を有するように、反射面１１０及び１１２は互
いに関連して角度がつけられている。大切なことは、複
合光源１０のいづれかのダイオードからの光束が実質的
にもう一方のダイオードにぶつからないことが望まし
い、ということである。なぜなら、そのような妨害はダ
イオードの間に望ましくない結合効果を引き起こす可能
性があるからである。本発明の示された実施例におい
て、ルーフミラー１０６のデザインはあらゆる有害な交
差照射が最小になるようにできている。

【００１２】二つの個々のレーザーダイオード１０２及
び１０４をルーフミラー１０６に関連して標準パッケー
ジ内に構成することにより、複合レーザ光源が所望の近
さの距離を保つ虚光源を有して作り出されることが可能
である。二つの光源は同じ虚点で合致することさえ可能
である。二つのダイオード１０２及び１０４は標準の半
導体パッケージ内に保護されているため、設置前に複数
対のデバイスが突合せ（整合）特性のために選択される
ように各々が個別に検査されることが可能である。単一
の金属ブロックであることが好ましいルーフミラー１０
６は、大量生産をたやすく可能にする。例えば、反射面
１１０及び１１２はより大きなアルミニウムシートの一
エッジにダイヤモンド機械加工されることができ、該シ
ートは次に方形切断（ダイシング）されて個々のルーフ
ミラー要素１０６を生産する。シートは一括処理が可能
なため、この製作方法は比較的大きな数の正確な機械加
工部品を非常に低いコストで生産することが可能であ
る。反射面１１０及び１１２の間の相対的角度は、使用
される特定のタイプのダイオードの出力ビーム発散（開
き）角度、許容可能なビーム打ち切りの係数及び光学視
準システム（系）の開口数により決定される。２７°×
７．５°のガウスの発散角度を有する東芝のＴＯＬＤ９
２１１の場合では、狭い方向への１／ｅ²点での打ち切
りは反射面１１０及び１１２の間で９０°−７．５°＝
８２．５°の好適な角度を生じる。角度は可能な限り低
いものが選択され、面１１０及び１１２により反射され
た二つのビームの中心線発散を最小にする一方で、ダイ
オードから放出された発散するガウスのビームは、ルー
フミラー１０６の頂点により可能な限り中心から遠くへ
打ち切りされ、それにより両ビームの最大光束がコリメ
ーター光学系により収集され、受光体へ向けられること
が可能になる。

【００１３】合致した虚光源を有する図１の複合光源の
構成は、わずかに異なる照準方向と非対称だが同等の低
レベル打ち切りを有する、物理的に重なり合う二つのレ
ーザ光源に光学的と同等である。この構成は、交差照
射、漏話又は密接に距離が保たれる一体構造デバイスに
関連する低生産量といった通常の問題なしに、ラスタを
形成する密接に距離が保たれるスポットを受光体上に投
影するのに有用である。さらに、虚光源は、一体構造の
（モノリシック）半導体ダイ表面上のレーザーダイオー
ドが物理的に可能であるよりもさらに近接して配置され
ることが可能で、それによりデュアルモノリシックスキ
ャナーデザインにおける漏話を避けるために一般に使用
される奇数飛び越しラスタ間隔方式は不必要になる。

【００１４】概して、二つのビーム１２ａ及び１２ｂは
双方とも一般に、ここに１１８として示される所与の方
向に沿って、あたかも空間における実質的に同じ点から
放出されるかのように、所望の目標に向かって伝播す
る、という意図がある。二つのダイオード１０２及び１
０４とルーフミラー１０６の相対的位置の小さな調整に
より、両反射ビームの波面は、ビームのそれぞれの波面
がライン１１８で共通境界線を共有し、あたかもルーフ
ミラー１０６内の共通点から放出されるかのように配向
されることが可能である。図１において、ライン１１８
の延長がルーフミラー１０６の頂点及び共通虚光源点１
１６も通過することに注意すべきである。また、図示さ
れた実施例において、それぞれのダイオード１０２及び
１０４から放出されたビームは、ダイオードから出てき
たとき互いに実質的に平行しているが、これはデザイン
の都合であり、オリジナルビームの間の角度がより鋭角
又は鈍角になることが可能であって、それに応じてルー
フミラー１０６の表面の角度が合わせられるような構成
が設けられることも可能である。

【００１５】図２は、本発明において、ここでは概して
１０と示されているデュアル光源を組み込む走査システ
ムの構成要素を示す斜視図である。光源１０から放出さ
れる二つの書き込みビームは、ここでは１２ａ及び１２
ｂとして示されている。ビーム１２ａ及び１２ｂが光源
１０から出ると、該ビームのそれぞれの波面はライン１
１８に沿った共通境界線を共有しているが、該ビームは
発散している。ビームはレンズ１３により図式的に示さ
れるコリメーターを通過し、該レンズ１３は回転ミラー
即ちポリゴン１４のファセット（小面）上にビームの焦
点を合わせる。ポリゴン１４のファセットから反射され
ると、ビーム１２ａ及び１２ｂは再び発散し、レンズ１
５により目標面上に焦点を合わせられる。レンズ１５は
一般にｆθデザインとして知られる投射レンズのタイプ
であり、該デザインは、走査線に沿った一定のスポット
速度に最適化されている。当該技術において公知のよう
に、ｆθレンズ１５の目的は、書き込みビームを走査線
の端に向けて連続的に方向を変えるためで、効果とし
て、受光体１８のいづれかの側面上の領域へ方向づけら
れるのとは対照的に、回転ミラー１４からのより多くの
各走査が受光体１８上へ方向づけられることを可能にす
るためである。ｆθレンズ１５はまた、走査線の端に向
かってビームスポット１６の速度を落とす効果もある。
ビーム１２ａ、１２ｂは発散して、受光体１８上に正確
に離間されたスポット１６ａ及び１６ｂを形成する。ポ
リゴン１４が回転するとスポット１６ａ及び１６ｂの走
査移動は走査線２０を形成し、複数の走査線２０は共
に、受光体１８上に帯電された及び放電された領域のラ
スタ２２を形成して所望の潜像を生成する。

【００１６】スポット１６ａ及び１６ｂが受光体１８に
衝突するときに書き込みビーム１２ａ、１２ｂにより形
成されるサイズは、もちろん、開口数及び全体の光学デ
ザインの関数であるシステムの倍率に依存する。図３
（Ａ）及び３（Ｂ）は、一般の走査システムにおける種
々の光学要素を通過する際のビーム１２ａ、１２ｂの経
路を示す様式図である。図３（Ａ）は、共通点から放出
され、受光体１８上のちょうど同じ点に突き当たってい
る二つのビーム１２ａ及び１２ｂを示している。図３
（Ａ）における１２ａ及び１２ｂの経路は、光源点１１
６の位置の単一の実光源から放出された二つの発散光
線、即ち、二つの光線（その二つの光線の各々は、本発
明の複合光源１０により作り出された点１１６の二つの
合致した虚光源の一つから放出される）を、同じくらい
良く示すことが可能である。

【００１７】大切なことは、両ビーム１２ａ及び１２ｂ
の光路は同じであり、従って目標面上の走査線の名目経
路は、点１１６において合致する二つの虚光源に対して
又は点１１６に位置された実光源に対して同じである、
ということである。言い換えれば、二つのビーム１２ａ
及び１２ｂは同じ光源点を有するため、走査システムに
おける他の光学要素は、実際の物理的な光源に関係な
く、二つのビームを正確に平等に処理する。この平等か
ら生じる重要な結果は、点１１６からの１２ａ及び１２
ｂのような全ての経路が全体の走査線に沿って目標面の
共通点において適切に収束するようにスキャナーの光学
デザインが有効に矯正される限り、結果的に生じる走査
線幾何学誤差、即ち歪み（bow : 曲り）又は直線走査線
からの逸脱は、両ビームとも実質的に同一のものであ
る、ということである。二つのビーム１２ａ及び１２ｂ
の光源は、ポリゴン１４の表面に関連して "中心を外れ
て”いないため、（例えば、二つのダイオードがそれぞ
れ収束する様態でポリゴン１４に直接向けられた場合が
そうであるように）走査の歪みはデザインから直接的に
生じない。

【００１８】図３（Ｂ）は、ビームスポット１６ａ、１
６ｂがちょうど一つの走査線の幅の間隔を有して受光体
１８に衝突するように、わずかな位置調整をする方法を
示している。この特定の構成においては、ビーム１２
ａ、１２ｂはポリゴン１４のファセットの同じ点上に収
束しない。一般に、走査線の間隔の操作は、点１１６に
おける二つの虚光源が合致しないように、光源１０２又
は１０４に関連してルーフミラー１０６を動かす又はミ
ラーに関連して光源１０２及び１０４を動かすことによ
り達成されることが可能である。

【００１９】図４（Ａ）及び４（Ｂ）は、受光体１８の
表面のほぼ近停における二つのビームを有する一つのビ
ームシステムの比較挙動を示しており、該ビームが受光
体１８において焦点を合わせられ、双曲線状のビームウ
エスト（くびれ）を示す。システムのこの特定の部分に
おいて、経路に従う二つの書き込みビーム１２ａ、１２
ｂは、点１１６における単一の実光源が光束を放射し、
該光束が単一焦点へ導かれる際に起こるように、まさに
単一の収束ビームのように作用（挙動）する。そのよう
な状況において、最良の焦点は、 "ビームウエスト”が
最も小さい断面を有する点である。図４（Ａ）は一点へ
収束する単一の幅広なビームの場合を示す。ビームにお
ける波面はビームがビームウエストに近づく際は凹で、
ビームウエストでは平らになり、それからビームがウエ
ストを通過する際は凸である。ビームスポット１６が単
なるビームの断面であり、そこで該ビームは目標受光体
表面１８に衝突するため、ビームウエスト１２０に関連
する受光体１８の表面の相対的位置は、受光体１８の表
面上に形成されるスポットのサイズに影響を及ぼす。ビ
ームがちょうどビームウエスト１２０の表面に衝突する
と、結果的に生じるスポット１６は可能な限り最小のサ
イズであり、受光体１８がウエストの前に又はウエスト
を越えて位置されている場合、結果的に生じるスポット
は幾分大きくなる。システムの焦点深度は、目標面が、
通常１０％とされている好ましくないスポットサイズ増
加なしにどのくらいビームから離れて位置されることが
可能かを示す、単なる公称距離である。

【００２０】本発明にあるようなデュアル光源が同じ光
学走査システムにおいて使用されるとき、波面伝播特性
は、図４（Ａ）に示される単一の収束ビームの半分が "
閉め出された”場合と本質的に同じである。図４（Ｂ）
は、受光体付近での、図２のビームの対のうち一個のビ
ーム１２ａの、ウエストにおける側面（プロファイル）
を示している。（ビーム１２ｂの作用（挙動）は仮想線
で示されている。分離されたビーム１２ｂの全体プロフ
ァイルに関しては、図を逆にする必要があるだけであ
る。）ビーム１２ａのプロファイルが分離して考慮さ
れ、図４（Ａ）の側面と比較されたとき、ある決まった
相違が明らかになる。まず、ビームウエスト１２０ａは
図４（Ａ）のそれよりも幅がより広い。非常に簡潔に言
うと、こうなる理由は、同じ光学システムを共有する
際、ビーム１２ａ又は１２ｂは空間的に離れたままであ
り、各レンズ表面の半分のみを通過するためである。図
４（Ｂ）における、ウエストに近づくビームの収束角度
は、従って必然的に図４（Ａ）のそれよりも、２倍だけ
小さい。図４（Ｂ）におけるプロファイルのよりゆるや
かな収束は、図４（Ａ）の場合よりもより大まかな焦点
深度が可能であることを示しているが、正に最小ビーム
ウエストプロファイルであり収束角度の逆正接関数に比
例する最小可能スポットサイズは、図４（Ｂ）では二倍
大きい。ビーム１２ａの中心はビーム１２ｂの中心から
わずかに外れていることも明らかである。従って、ビー
ム１２ａとビーム１２ｂの中心同士の間のある量の間隔
が明らかになるが、この間隔は、同時に二つの隣接する
走査線を露光するように、所望のシステムにおいて必要
とされるように利用されるか又は補償されることが可能
である。そのような間隔は、システムの特定の要求に依
存してより大きな又はより小さな範囲へ調整されること
が可能であり、例えば、受光体１８の位置を焦点深度の
基準に関して承認者により許容された制限範囲内で調整
することにより又は上に述べたように、ダイオード１０
２及び１０４と関連する光源１０のルーフミラー１０６
のような構成要素の位置を調整することにより可能にな
る。しかし、一般にシステムの重要な利点は、二つの実
光源の間に望ましくないあらゆる種の妨害を引き起こさ
ずに、二つのビームスポットが目標面上に任意的に密接
に距離を保たれること又は必要に応じて重なり合わされ
ることすらが可能である、ということである。

【００２１】反射ルーフミラーが本発明の好適な実施例
として示されているが、反射の代わりに屈折又は偏向を
用いる光学的に同等の構造が、比較的より大きな出費で
あろうが設けられることが可能である。プリズム又は複
数のプリズムを定める構造のような屈折光学素子は、合
致する又は密接に距離を保たれた虚光源点及び共通軸に
沿った発散の特性を利用できるようにレーザ光源と関連
して構成されることが可能である。そのようなプリズム
ベースの光源の一つの可能な例が図５に示されている。
類似した参照番号が図１にあるような類似した要素を示
している。ここでは、ルーフミラーの代わりに、所与の
屈折率を有するプリズム構造体２００が提供されてお
り、該構造体は、ダイオード１０２及び１０４と関連し
て、方向１１８に沿って合致する虚光源点１１６を提供
するように形づくられている。しかし、二つの屈折した
ビームが方向１１８に沿って共通境界線を有する波面を
形成することが望まれている又は一つのダイオードから
の光束がプリズム構造体における内部の反射を介してな
どでもう一つのダイオードへ不慮に配向されないことが
望まれている場合、特殊なデザインの注意が払われなく
てはならない。さらに、そのような "屈折光学素子”
は、回折格子又は図５に示されるようなプリズム構造体
のそれに相当する屈折効果を有するフレネルレンズとし
て実施されることが可能である。

【００２２】上記のデュアルレーザ光源はさらに "３レ
ベル”静電写真印刷機における使用も可能で、該印刷機
において受光体１８は、受光体の所与の領域を完全に又
は部分的に放電するために、二つの離散的露光レベルで
一つのレーザ光源からエネルギーを受けるように適合さ
れている。考えられる構造の一つは、受光体上の所与の
点で一つのレーザーダイオードを部分的放電のために作
動させ、かつその点で両レーザーダイオードを全放電の
ために作動させることであろう。もちろん、そのような
場合は、二つの光源が受光体の実質的に同じ点上に収束
するように調節されることが望ましい。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、低コストでデュアルレ
ーザ光源を提供できる優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ったデュアルレーザ光源の主要要素
を示す正面図である。

【図２】本発明に従ったデュアルレーザ光源を組み込む
走査システムの主要要素を示す斜視図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）共に、本発明に従ってデュア
ルレーザ光源を組み込む走査システムの実施例の二つの
構成における個々の書き込みビームの異なる経路を示す
簡易正面図である。

【図４】（Ａ）及び（Ｂ）共に、従来技術において実施
された露光ビーム伝播プロファイルと、本発明に従った
デュアルレーザ光源を組み込む走査システムの実施例に
おけるデュアルビームの伝播プロファイルとの区別を示
す詳細正面図である。

【図５】本発明の他に取りうる実施例に従ったデュアル
レーザ光源の主要要素を示す正面図である。

【符号の説明】

１０複合光源１２ａ、１２ｂビーム１３、１５レンズ１８受光体１０２、１０４レーザーダイオード光源１０６ルーフミラー１１０、１１２反射面１１６共通虚光源点１１８所与の方向

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 1/04 G02B 5/08 G02B 26/10 H04N 1/113

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】走査システムであって、第一の方向に第一のビームを放出する第一のレーザ光源
と、第二の方向に第二のビームを放出する第二のレーザ光源
と、第一のビーム及び第二のビームが実質的に合致した虚光
源点を有するように、第一のビーム及び第二のビームを
方向付けるように構成されるルーフミラーと、を含む走査システム。
【請求項２】前記ルーフミラーが、第一のビームを反射するための第一の反射面及び第二の
ビームを反射するための第二の反射面を含み、第一のビーム及び第二のビームを第三の方向に沿って発
散的に方向付けるよう構成され、第三の方向が第一の反
射面及び第二の反射面の交点を通過する、ことを含む請求項１記載の走査システム。
【請求項３】前記ルーフミラーが、第一のビーム及び第二のビームのそれぞれの波面が第三
の方向に沿う共通境界線を共有するように、第一のビー
ム及び第二のビームを方向付けるよう構成され、更に、第一のビーム及び第二のビームを収束させるため
に第三の方向に沿って配置されるレンズと、を含む請求項１記載の走査システム。