JP3663614B2

JP3663614B2 - マルチビームを用いた光記録装置

Info

Publication number: JP3663614B2
Application number: JP7060398A
Authority: JP
Inventors: 慶二片岡; 恭之柴山
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: JPH11271652A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体レーザから出射する多数のビームすなはちマルチビームを走査し、印刷するレーザプリンタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速レーザプリンタを実現するためには回転多面鏡の回転速度を速くし、光走査の繰り返しを早くすること、また、印刷するデータに対応して光変調を行うのにも高速変調が必要になってくる。マルチビームを用いたレーザプリンタではマルチビームの本数分回転多面鏡の回転速度、および光変調速度を低減できるので有効な手段であり、より高速で印刷するレーザプリンタを実現するにはマルチビームの本数を多くする必要がある。
【０００３】
複数の半導体レーザを用いるレーザプリンタ、特にその光学系部の一例を図２に示す。１はレーザモジュールであり、半導体レーザからのレーザ光を光ファイバ２に導いている。複数の光ファイバは光ファイバアレイ配列部１７で一列に配列されている。ファイバアレイ部から出射したマルチビームは結合レンズ８でそれぞれ平行光に変換し、回転多面鏡９で一括して感光ドラム上を光走査する。１１は光検知器でレーザ光の走査位置を検出するためのものである。光ファイバアレイ部１７の光出射部からみた側面図を図３に示す。光ファイバアレイ部は被覆を除去した光ファイバをＳｉ結晶の異方性エッチングで作成したＶ溝１８上に保持し、ガラス板１９で押し付け、接着材２０で接着した構造となっている。２１は光ファイバのクラッド部、２２はコア部と称されるもので、光はコア部２２を伝播してくる。通常クラッド部の外形は１２５μｍ、コア部の直径は５μｍであり、コア部を伝播するレーザ光のビーム直径も約５μｍ程度である。したがって、光ファイバから出射するビームの直径とビームの間隔の比は光ファイバが密着して配列しているとしても５：１２５＝１：２５であり、通常これ以上の比の値である。この比は光学系を通過しても保たれるので、このようなマルチビームを走査し、連続して、密接した走査線を形成させるためには、図２の１３に示すように感光ドラム１２で形成される光スポット列の配列方向を斜めにし、走査する。斜め角度の設定は光ファイバアレイ部１７および結合レンズ８を一体化した構造とし、７に示すように回転調整することで行なう。図４（ａ）はこの走査方法を説明するための図であり、感光ドラム上で形成される光スポット列１３を走査方向に対して斜めにして、走査している。光スポットの大きさを、走査線の間隔Ｐ_Sに概略等しくし、マルチビームを一括走査すると、密接した複数の走査線が形成できることになる。すなはち光スポットの間隔をｐ₀とすると、
【０００４】
【数１】

【０００５】
の関係式で決まるθに設定すると、密接した走査線が実現できる。前述の例のようにＰ_S：ｐ₀＝１：２５とすると、式（１）からθ＝２．３度と求められる。Ｐ_S：ｐ₀の比が小さいため、すなはち、光スポットの大きさに比べて、光スポットの配列間隔がかなり大きいため、θは小さな角度となっている。ところで品質の高い印刷を実現するには走査線間隔を高い精度で所定の誤差内に抑えておく必要がある。次に斜め角度の誤差が走査線間隔に与える影響を調べる。斜め角度の誤差Δθと走査線間隔誤差ΔＰ_Sとの間には式（１）から次式が成立する。
【０００６】
【数２】

【０００７】
斜め角度θが小さい程、この角度の誤差が走査線の間隔のずれに大きく影響することになる。例えば走査線間隔の誤差を１％以内に抑えたい場合、斜め角度の誤差を１％以下にする必要がある。前述のθ＝２．３度の場合、０．０２３度以下の高精度で角度を設定する必要が生じる。もし、例えばθが後述する例のようにθ＝３０度であれば、０．３度の精度で良いことになり１３倍精度が緩和されることになる。
【０００８】
また、図３に示した光ファイバ配列においては、発生するマルチビームの間隔が大きいためマルチビームの本数を多くすると、両端のビームは光学系の光軸から大きく離れることになり、光学系部品の収差特性の劣化が問題になる。すなはち、図２のレンズ８、１０は１本ビームを用いる場合に比べて、マルチビームを用いる場合は、光軸から大きく離れたビームに対しても良好な特性を維持できるように高精度なものを用いる必要が生じる。したがって、図2のレーザプリンタではマルチビームの本数を増大させることができず、高速印刷に限界があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明ではマルチビームのビーム径に対するビーム間隔の比を小さく、即ち高密度に配列したマルチビームを発生させることで、走査線間隔を高精度に設定可能となり高品質な印刷を実現すること。また高密度に配列することで光学系の特性を劣化させることなく、マルチビームの本数を増し、より高速な光記録装置を実現することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために本発明では、マルチビーム発生部からビームを出射して、光記録材料上に一括走査させる光記録装置において、前記マルチビーム発生部は、複数の半導体レーザと、単一モードビームを伝播させる複数の光ファイバと、単一基板上に単一モードビームを伝播させる光導波路を複数個設けた光導波素子とからなり、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光は、それぞれに対応する光ファイバに導かれ、前記光ファイバから出射したレーザ光はそれぞれ対応する光導波素子上の光導波路に入力するように結合されており、前記光導波素子から出射するマルチビームのビーム間隔は、複数の光ファイバと光導波素子の入力結合部間の間隔より狭く設けてあり、前記光導波路の幅は光出力部においてテーパ状に光入力部よりも狭く設けているマルチビームを用いた光記録装置を実現させる。
【００１１】
上記光導波素子上の光導波路の幅は光出力部においてテーパ状に狭く設けること、また、上記光導波素子の光出力部に平面ガラスを貼付すること、また、光導波素子の光出力部は凹面としても良好な結果が得られる。
【００１２】
また、上記光記録装置において、マルチビーム発生部から列状に配列したマルチビームを出射させ、光記録材料上に一括走査させる光記録装置において、発生したマルチビームのすべてが交差する場所にマルチビーム配列方向のビームの大きさを制限するビーム形状制限部材を配置しても良好な結果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で用いるマルチビーム発生部を図５に示す。１はレーザモジュールであり、半導体レーザからのレーザ光を光ファイバ２に導いている。４１は光導波素子であり、平面基板４上に複数の光導波路５が形成されている。複数の光ファイバは光導波素子４１の光導波路５に導かれる。光ファイバはフェルール等の保持部材が装着されているので光ファイバと光導波路の間隔は数ｍｍ程度と大きくなっている。光入力部の光導波路は曲がって光出力部５１に達する。光出力部５１では出射するマルチビームが等間隔で、かつビーム間隔が狭くなるように光導波路を等間隔で、かつその間隔を小さくしている。光導波路の代表的な構造を図６に示す。図６（ａ）のリッジ型では基板４の上に屈折率の高い材料で光導波路５２が形成されている。図６（ｂ）の埋め込み型では導波路５３を導波路材料より低い屈折率で埋め込んだものである。光ファイバを伝播してくるビームの大きさと光導波路を伝播するビームの大きさとが一致していると光ファイバと光導波素子との結合効率を高くすることができるので、光導波路の幅も光ファイバのコア径に概略等しくする。前述の例では５μｍ程度である。光導波素子の光出力部５１の拡大図を図7に示す。光出力部では複数の導波路は等しい間隔で配列している。３１、３２はそれぞれ光導波路を伝播してくるビーム、および出射するビームを示している。光導波路の配列間隔は導波路間の結合が無視できる程度まで狭くできるので、伝播してくるビームの直径を５μｍとすると例えば１０μｍ程度の高密度配列も可能となる。図５の光導波素子４１の出力端には平板ガラス６が接着されている。これは光導波素子の出力端が欠けることを防止すること以外に、次の機能をもっている。即ち、導波路から出射するビームは数μｍの大きさであるので、導波路端にごみが付着すると、深刻な光出力劣化を招くことになる。しかし、ガラスから出射する光はガラス出射端で広がっているので、ごみの影響を受け難くなっている。この他、ガラス出射端から反射して、半導体レーザの方に戻る光量はガラスが無い場合に比べて飛躍的に小さいので、レーザ光が半導体レーザに戻ることで半導体レーザの光出力が変動するという問題も解決できる。図１２は光導波素子の基板４に形成された導波路５から出射したビームを説明するための図である。導波路から出射したビームの直径をｄとすると板厚ａのガラス板の空気側表面ではビーム直径Ｄとすると、概略次の式が成り立つ。
【００１４】
【数３】

【００１５】
ここでλは光の波長である。たとえば、λ＝０．６４μｍ、ｄ＝５μｍ、
ａ＝１ｍｍとすると、式（３）からＤ＝１６３μｍとなる。すなはち、光導波路端で５μｍの大きさの出射ビームがガラス端では１６３μｍに拡大されていることになり、上記した顕著な効果が期待できる。
【００１６】
図１は図５で示したマルチビーム発生素子を光記録装置である本発明のレーザプリンタに適用した図を示す。１はレーザモジュールであり、半導体レーザからのレーザ光を光ファイバ２に導いている。複数の光ファイバは図５ですでに説明した光導波素子４の入力端面部３で対応する光導波路に結合されている。光導波素子から出射したマルチビームは結合レンズ８でそれぞれ平行光に変換し、回転多面鏡９で一括して感光ドラム上を光走査させる。１１は光検知器でレーザ光の走査位置を検出するためのものである。感光ドラム上で得られる光スポット列の間隔が光スポットの大きさに比べて大きいので、光スポット列の配列方向は光走査方向に対して斜めに設定し、密接した走査線が形成されるようにしている。図４は前述したように、光スポット列を走査方向に対して斜めにすることで密接した走査線が得られることを説明した図である。しかし、本発明の光導波素子を用いたマルチビーム素子において、例えば前述したものではマルチビームの配列間隔を１０μｍ、出射するビームの直径を５μｍであった。この場合、Ｐ_S：ｐ₀＝１：２であり、光スポット列を斜めに設定する角度は３０度になる。従来技術で説明したθ＝２．３度のものに比べて１３倍大きな値となっている。品質の高い印刷を実現するには走査線間隔を高い精度で所定の誤差内に抑えておく必要があるが、走査線間隔の誤差を１％以内に抑えたい場合、斜め角度の誤差も１％以下にする必要がある。従来技術として説明したものはθ＝２．３度の場合、０．０２３度以下の高精度で角度を設定する必要が生じるが、本発明の素子では０．３度以下の精度で設定すれば良いことになる。したがって走査線間隔の誤差のない高品質な印刷が期待できる。またマルチビームは高密度に配列しているので、光学系の収差の影響を受けずにマルチビームの本数を増すことができ、高速、高解像レーザプリンタが実現可能となる。
【００１７】
図８は本発明で用いる別の光導波素子の光出力端側での光導波路５５の形状を示している。光導波路５は光出力端面で光導波路幅が狭いテーパ導波路となっている。この場合テーパ導波路を伝播するビームはテーパ方向に広がり、出射するビームは３３のようにマルチビーム配列方向に広がったビームとなり、マルチビームの配列間隔とビームの大きさをほぼ等しく設定することも可能となる。この場合は、感光ドラム上で図４（ｂ）の走査方法が可能となる。すなはち発生したマルチビームの配列方向は走査方向に垂直に設定しても、走査線間が露光されることになる。この走査方法はマルチビームすべてが同じ印字タイミングで印字することになり、マルチビーム斜め走査に必要なマルチビーム間の印字タイミングの調整は不要となる。図９は図８に示した導波路構造をもつ導波素子を用いたレーザプリンタ光学系を示している。マルチビーム素子を出射するマルチビームは回転多面鏡が走査する方向に垂直に配置され、感光ドラム上に形成される光スポット列２３は走査する方向１４に垂直となっている。ところで、光導波素子の製作において誤差があると、光導波素子を出射するビームの幅とマルチビームの配列間隔が完全に等しくない場合が生じる。通常ビーム幅が小さい場合、光走査線間に露光されない部分が生じ好ましくない。これを解消するために、図１０に示すようにマルチビームが交差する場所に、マルチビーム配列方向のビーム幅を制限するスリット８４を挿入することは有効である。即ちスリットの幅でビーム幅を変化させることにより、感光ドラム上ではマルチビームの配列間隔は不変で、走査方向に垂直な方向の光スポットの大きさを変化させることができ、マルチビームの配列間隔にたいして最適な光スポットの大きさにすることができる。
【００１８】
図１３は光導波素子上の光導波路と光ファイバ２との結合を説明するための図である。光導波素子の基板４の上面に適当な厚みのガラス板４２を接着させる。このようにすると、ガラス板の端面と光導波素子端面３とで光ファイバの接着領域が大きくなるため光ファイバを安定して接着結合できる。２４は光ファイバを保持する部材である。ガラス板６は図１２ですでに説明したものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明のマルチビーム素子を用いて走査する光記録装置では、光記録材料上で光スポットの大きさに対してマルチビームの配列間隔は狭くすることができ、多いビーム数でも光学系の収差の影響を受け難く、また配列間隔を高精度に合わせることが容易になるので高品質な記録が高速で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波素子を含むマルチビーム発生部を用いたレーザプリンタ光学系を示す図である。
【図２】従来の光ファイバアレイ素子を用いたレーザプリンタ光学系を示す図である。
【図３】従来の光ファイバアレイ素子におけるＶ溝上に配列した光ファイバを示す図である。
【図４】（ａ）光記録材料上で走査方向にたいしてマルチビームの配列方向を斜めにしている走査方法を説明する図である。
（ｂ）光記録材料上で走査方向にたいしてマルチビームの配列方向を垂直にしている走査方法を説明する図である。
【図５】本発明の光記録装置で用いるマルチビーム発生部の構造を示す図である。
【図６】（ａ）光導波路の構造を示す図である。
（ｂ）光導波路の構造を示す図である。
【図７】本発明の光記録装置で用いる光導波素子の光出力部近くの構造を説明する図である。
【図８】本発明の光記録装置で用いる光導波素子の光出力部近くのテーパ型光導波路を用いた場合を示す図である。
【図９】本発明のテーパ型光導波路を含む光導波素子を用いたレーザプリンタ光学系を示す図である。
【図１０】本発明のスリットを含むレーザプリンタ光学系を示す図である。
【図１１】本発明で用いる光導波素子の端面が円筒状に形成されている構造を説明する図である。
【図１２】本発明で用いる光導波素子端面に接着したガラス板を伝播するビームの様子を説明する図である。
【図１３】本発明で用いる光導波素子と光ファイバとの結合を説明する図である。
【符号の説明】
１：レーザモジュール、２：光ファイバ、３：光ファイバと光導波素子の結合部、４：光導波素子基板、５：光導波路、６：平面ガラス、８：結合レンズ、９：回転多面鏡、１０：走査レンズ、１１：光検知器、１３：光スポット列、１４：走査するマルチビーム、１７：光ファイバアレイ配列部、１８：Ｖ溝を形成したＳｉ基板、２１：光ファイバのクラッド部、２２：光ファイバのコア部、１９：ガラス板、２０：接着材、１３：感光材料上に形成される光スポット列、２３：光スポット列、４１：光導波素子、５１：光導波素子の光出力部、５２,５３：光導波路、５４：カバー層、３１：光導波路を伝播するビームの断面形状、３２：出力ビームの断面形状、５５：テーパ導波路、３３：テーパ導波路から出射するビームの断面形状、８４：スリット、６０：光導波素子の円筒状端面、４２：光導波素子上に接着するガラス板。

Claims

マルチビーム発生部からビームを出射して光記録材料上に一括走査させる光記録装置において、
前記マルチビーム発生部は、複数の半導体レーザと、単一モードビームを伝播する複数の光ファイバと、単一基板上に単一モードビームを伝播させる光導波路を複数個設けた光導波素子とからなり、前記複数の半導体レーザから出射するレーザ光は、それぞれ対応する光ファイバに導かれ、前記光ファイバから出射したレーザ光はそれぞれ対応する光導波素子上の光導波路に入力するように結合されており、前記光導波素子から出射するマルチビームのビーム間隔は、複数の光ファイバと光導波素子の入力結合部のビーム間隔よりも狭く設けてあり、前記光導波路の幅は光出力部においてテーパ状に光入力部よりも狭く設けることで前記光導波路からの出射光を前記光導波路への入射光に比べて大きくしていることを特徴とするマルチビームを用いた光記録装置。
前記光導波素子の光出力部に平面ガラスを貼付してあることを特徴とする請求項１記載のマルチビームを用いた光記録装置。
前記光導波素子の光出力部は凹面をなしていることを特徴とする請求項１記載のマルチビームを用いた光記録装置。
前記マルチビーム発生部から列状に配列したマルチビームを出射させ、光記録材料上に一括走査させる光記録装置において、
発生したマルチビームのすべてが交差する場所にマルチビーム配列方向のビームの大きさを制限するビーム形状制限部材を配置したことを特徴とする請求項１記載のマルチビームを用いた光記録装置。