JP3708148B2

JP3708148B2 - レーザーアレイ

Info

Publication number: JP3708148B2
Application number: JP27874894A
Authority: JP
Inventors: ジェイコヴァックスグレゴリー; ドナルドイングリングジュニアアール; フィズリータイバー
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: US5576752A; JPH07193339A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、モノリシック複数波長レーザーに関し、特に、レーザー用スペーサ及びそのスペーサを用いたレーザーアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数波長ソースのレーザーアレイは多くの重要な応用面を有する。たとえば、４つの異なる波長のレーザー光線を使用するカラーゼログラフィープリンタの処理量は、単一レーザー光線のみを使用するカラーゼログラフィープリンタのそれに比べて著しく高い。この理由は、４波長レーザープリンタが重なり合う光線を発生し、単一ラスター出力多面体スキャナと一組のレンズを使用してそれらの光線を掃引し、次に波長選択フィルタを使用して個々の光線を分離し、各光線を個別ゼログラフィー像形成ステーションへ送るからである。そのあと、各波長について潜像を現像し、現像した各画像を１つの記録媒体へ転写することによってフルカラー画像が得られる。もう１つの応用面においては、複数波長の重なり合う光線が分離せずに単一像形成ステーションにおいて像形成される。この場合も同様に、複数の光線は単一光線より高い処理量が得られる。
【０００３】
狭い間隔をおいて配置されたエミッタを有するダイオードレーザーパッケージは、一組のレンズを使用することが可能であり、また光線結合用レンズを必要としないであろう。しかし、光線が光学系を通って伝播するとき軸食い違いゆがみ効果（off axis distortion effect) を避けるために、パッケージ内の個々のレーザーダイオードは狭い間隔（２００μｍ以内が好ましい）をおいて配置すべきである。
【０００４】
複数波長レーザーソースは利点を有するが、複数波長の使用は一群の固有の問題を引き起こす。たとえば、与えられた一組のレンズ通るレーザー光線の焦点距離は波長に従属する。従って、もし複数波長の装置において一組のレンズを使用すれば、異なる波長のレーザー光線は異な焦点距離を有するであろう。プリンタの場合、もしすべてのレーザー光線が同一平面から出てくれば、焦点距離が異なるので、像形成されたスポットについて複数の焦平面が生じるであろう。異なる焦点の位置はいろいろな整合問題を引き起こし、非常に望ましくない。
【０００５】
似通った寸法のスポットを得る１つの手法は、すべての光線がそれぞれの感光体上の同一平面内に焦点を生成するように、個々のレーザーソースを重なり合う光線の光軸に沿ってオフセットさせることである。モノリシックレーザーアレイにおいては、上記の光軸オフセットは達成することが難しい。しかし、非モノリシックレーザーアレイは光軸に沿って容易にオフセットさせることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
非モノリシックレーザーアレイに関する問題は、個々のレーザー要素を正確にかつ互いに近接して取り付けることが困難なことである。よくあることだが、個々のレーザー要素間の電気的、光学的、および熱的漏話を避けなければならない（または少なくとも低レベルまで減らさなければならない）場合には、上記の取付けはいっそう困難になる。光軸に沿った正確なオフセットの要求を単に追加するだけで、一般的な取付けの問題がさらに複雑になる。
【０００７】
従って、正確にかつ狭い間隔をおいて配置されたレーザー素子を有し、電気的、光学的、及び熱的漏話が少なく、しかも個々のレーザー素子を装置の光軸に沿って正確にオフセットさせることが可能な非モノリシックレーザーアレイと、そのようなレーザーアレイを可能にする手法が要望されている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、正確にかつ狭い間隔をおいて配置されたレーザー素子（異なる波長の光線を出力する）を有し、レーザー素子間の電気的、光学的、および熱的漏話が少なく、しかも個々のレーザー素子が光軸に沿ってオフセットさせている非モノリシックレーザーアレイを提供する。プリンタに使用する場合、たとえレーザー素子が異なる波長の光線を出力する場合でも、すべてのスポットが感光体上の同一平面内の焦点に集まるように、このようなレーザーアレイを使用して、レーザー素子の前面を光学系に対し正しい焦点に位置決めすることができる。
【０００９】
本発明のレーザーアレイは複数のレーザー素子を水平方向に分離するスペーサを有する。複数のレーザー素子は（ｐ側を下にして）スペーサの取付け面の上に乗っている。スペーサは、前部稜の変位が要求されたオフセットと一致するように、前部稜が光伝播方向に対しある角度で切断されている。レーザー素子は、各レーザー素子の前面が対応する前部稜と食い違いのない状態で、従って要求されたオフセットが得られるように取付け面に乗っている。
【００１０】
スペーサは熱伝導性材料でできている。レーザー素子が発生した熱はスペーサを通ってヒートシンク付きのベースへ流れる。スペーサはかなり迅速に熱をベースに伝導するので、熱の流れすなわちレーザー素子間の熱的漏話は許容できる程度に少ない。
【００１１】
スペーサを導電性材料で作ってもよいし、あるいはスペーサを導電性材料層で被覆してもよい。いずれの方法を使用しても、スペーサはレーザー素子への電気通路になる。
【００１２】
本発明のその他の特徴は、添付図面を参照して以下の説明を読まれれば明らかになるであろう。
【００１３】
【実施例】
図１に、４つの感光体４，６，８，１０（それぞれがゼログラフィーステーションに対応している）を備えた複数ステーション・カラープリンタ２の作用を示す。プリンタ２においては、４つの束ねた、平行な、異なる波長の、個別に変調されたレーザー光線１４，１６，１８，２０が複数の鏡面２６を有する単一回転多面鏡２４によって掃引される（図３参照）。掃引された光線は一組の像形成／修正レンズ３０に入り、そこで光線が焦点に集められ、かつ多面鏡の角度誤差やぐらつきなどの誤差が修正される。
【００１４】
像形成／修正レンズ３０から出た４つのレーザー光線は第１光学フィルタ３２に入る。光学フィルタ３２はレーザー光線１４と１６を通すが、レーザー光線１８と２０を反射する波長選択性多層薄膜から成るダイクロイック・ミラー（波長選択性ビームスプリッタ）である。通過したレーザー光線は第１ミラー３４によって第２光学フィルタ３６上に反射される。第２光学フィルタ３６はレーザー光線１４を通し、レーザー光線１６を反射する。レーザー光線１４は次に第２ミラー３８によって感光体１０上に反射される。他方、レーザー光線１６は第３ミラー４０と第４ミラー４２によって感光体８上に反射される。
【００１５】
レーザー光線１８と２０は、第１光学フィルタ３２から第３光学フィルタ４４に入る。第３光学フィルタ４４はレーザー光線２０を通すが、レーザー光線１８を反射する。次にレーザー光線２０は第５ミラー４６によって感光体４上に反射される。他方、レーザー光線１８は第６ミラー４８と第７ミラー５０によって感光体６上に反射される。
【００１６】
複数ステーション・カラープリンタ２においては、４つの回転感光体が多面鏡２４から同一光路距離にある。従って、もしレーザーソースが多面鏡から同一距離にあれば、個々の感光体上に生じるスポットは感光体表面とは異なる平面内の焦点に集まるであろう。いろいろな問題があるので、これは非常に好ましくない。しかし、本発明は、各レーザー光線が感光体表面と一致する焦平面をもつスポットを生成するように、光軸の方向に沿って個々のレーザーソースをオフセットさせる。
【００１７】
図２に、本発明のレーザーアレイを使用できる別のプリンタ７０を示す。プリンタ７０は、４つの束ねた、平行な、異なる波長の、個別に変調されたレーザー光線７２，７４，７６，７８が単一感光体８０上に像形成される単一ステーション・カラープリンタである。プリンタ７０は、プリンタ２と同様に、光線を掃引する複数の鏡面をもつ単一回転多面鏡と、光線を焦点に集め、かつ多面鏡の角度誤差やぐらつきなどの誤差を修正する一組の像形成／修正レンズを使用していることを理解されたい。簡潔にするため、図２では、ミラーとレンズをまとめてレンズ８２として表示してある。しかし、プリンタ７０は個々の光線を分離しない。それどころか、個々の光線は感光体８０上に一組のスポットを形成する。
【００１８】
プリンタ７０の場合、感光体は各光線について多面鏡から同一全通路長の所にある。さらに、レーザー光線は同一光学系を共用する。従って、もしレーザーソースが多面鏡から同一距離にあれば、感光体上に生成されるスポットは異なる平面内の焦点に集まるであろう。しかし、本発明は、各レーザー光線が感光体８０上の共通焦平面内の焦点に集まるように、光軸の方向に沿って個々のレーザーソースをオフセットさせる。そのあと、個々の光線の変調を制御することによって、４つの光線を同時に感光体８０上に像形成させることができる。
【００１９】
図３に、４つの異なる波長の、束ねた、平行な、個別に変調されたレーザー光線（図１ではレーザー光線１４，１６，１８，２０、図２ではレーザー光線７２，７４，７６，７８）を発生するレーザーアレイ９０を示す。プリンタ２または７０のどちらの場合でも、４つのレーザー光線は通常のビーム入力光学系９２に入る。光学系９２は入ってきた光線を回転多面鏡と光学系（図１では、多面鏡２４と像形成／修正レンズ３０、図２ではレンズ８２）に向ける。多面鏡２４が回転すると、反射された光線は図３の矢印９４の方向に反復して向きを変える。
【００２０】
図４に詳しく示したレーザーアレイ９０は、それぞれが異なる波長（９００，８３０，７８０，６７０ｎｍ）を出力する４個のレーザー素子１０２で構成されている。レーザーアレイ９０は、レーザー素子を光軸に垂直な方向に制御して狭い間隔で配置すること、レーザー素子を光軸の方向に沿って制御してオフセットさせること、および熱吸収性がすぐれていること、の諸要求を同時に満たすように設計されている。光軸の方向に沿ったオフセットにより、各レーザー素子の前面１１０が入力光学系９２（図３参照）に対し正しい焦点位置にあり、共通焦平面を共用するスポットが確実に発生する。
【００２１】
図４に示すように、レーザーアレイ９０は、垂直方向に延びた導電性・熱伝導性スペーサ１１２を有する。上記スペーサ１１２の４つのレーザー取付け面に個々のレーザー素子が取り付けられるている。レーザー素子内に発生した熱はスペーサ１１２を通ってベース１１４へ伝わる。ベース１１４は実際にはヒートシンク（図示せず）に結合されている。垂直スペーサ１１２とヒートシンク付きベース１１４の高い熱伝導率によって、レーザー素子が発生した熱は迅速にレーザー素子の外へ伝導するので、熱的漏話が少ない。
【００２２】
また図４に示すように、個々のレーザー素子は、それらのレーザーストライプ１１６がスペーサ１１２と隣り合うように（ｐ側が垂直スペーサに近い）取り付けることが有益である。このやり方で取り付けると、レーザー光発生領域からヒートシンクまでの熱抵抗が最少になるので、レーザー素子の熱性能が向上する。もしレーザーダイス（この上にレーザー素子が作り込まれる）がレーザーストライプ１１４に非常に近くでへき開面に沿って切断されたならば、レーザー光線間の垂直方向の分離が狭くなることがある。へき開面に沿って切断する方法は、係属中の米国特許出願第Ｄ／９３６２９号（発明の名称“Laser Diode Arrays With Close Beam Offset ”に記載されている。
【００２３】
また垂直スペーサ１１２はレーザー素子との電気的連絡手段になる。これは、スペーサ１１２を金、アルミニウム、または銅などの導電性材料で作ることにより達成できる。上記の代わりに、スペーサ１１２を外面全体に導電性層（金、アルミニウム、または銅など）を蒸着等によって付着した真性シリコンまたはダイヤモンドなどの絶縁性材料で作ることもできる。
【００２４】
また図４に示すように、レーザー光はレーザーストライプ１１６から平行な光軸に沿って放射される。平行な光軸を得るために、レーザー素子取付け面は相互に平行に機械加工されている。またレーザー素子はスペーサ１１２の前部稜（図４の稜１２２，１２４，１２６，１２８）と食い違いのない状態で取り付けられている。前部稜はスペーサ１１２の前面１２９と個々の取付け面との境界を定めている。
【００２５】
レーザー素子は前部稜と食い違いのない状態で取り付けられる。これは顕微鏡を使用して目視で行うことができる。従って、光軸に沿ったレーザー素子の相対的位置は前部稜の位置を制御することにより簡単に制御することができる。前部稜の相対的位置を制御するため、光軸に沿った異なる位置が感光体の所に共通焦平面をもたらすように、スペーサ１１２の前面１２９がある角度で切断される。
【００２６】
図５において、スペーサ１１２の幅をｒ_spacerとし、２つの水平方向に隣接するレーザー素子の光軸の法線に対する前面１２９の角度をΦ_spacerとすれば、光軸の方向に沿ったレーザー素子の光軸オフセットｄ_OAは次式で与えられる。
ｄ_OA＝ｒ_spacerｔａｎ（Φ_spacer）
【００２７】
図５に、図４に示した実施例の重要な制約条件を示す。望ましい光軸オフセットｄ_OAと、θ_Lrearの水平面（大きな）ビーム発散角を有する後部レーザー素子を得るには、一定の最小スペーサ幅ｒ_minspacerが必要である。もしこの制約条件が満たされなければ、後部レーザー光線はサブマウント自体によって切除されるであろう。これはもちろん望ましくなく、避けるべきである。この制約条件は次式によって与えられる。
ｒ_spacer＞ｒ_minspacer＝ｄ_OAｔａｎ（θ_Lrear／２）
【００２８】
水平方向に隣接するレーザー素子間のビームの切除に加えて、垂直方向に隣接するレーザー素子間のビームの切除も避けるべきである。水平方向の場合から類推して、垂直方向の切除を避ける条件は次式で与えられる。
ｒ_vert＞ｒ_minvert＝ｄ_vertｔａｎ（θ_Stop／２）＋ｃ_bottom
ここで、ｒ_vertは垂直方向に分離されたレーザー素子のストライプの中心間の垂線距離であり、ｃ_bottomはへき開縁から下部レーザー素子のストライプの中心までの距離であり、θ_Stopは上部レーザー素子の垂直面（小さい）ビーム発散角である。
【００２９】
波長が増すと普通ガラスの屈折率は一般に減少するので、より長い波長を放射する水平方向に隣接するレーザー素子は、一般に入力レンズ８２（図２）からより遠くにあることが必要であろう。従って、もし、たとえば水平方向に隣接するレーザー素子の波長が７８０ｎｍと６８０ｎｍであれば、７８０ｎｍのレーザー素子は６７０ｎｍのレーザー素子の後方にあるべきである。
【００３０】
計算によれば、典型的な光軸オフセットは１０（ｎｍ）のオーダーである。たとえば、波長が６７０ｎｍのとき、入力レンズ８２が１１．７６３１ｍｍの焦点距離を有すると仮定すると、波長が７８０ｎｍ，８３０ｎｍ，９００ｎｍのとき、同じ入力レンズ８２がそれぞれ１１．８３５５ｍｍ，１１．８６０４ｍｍ，１１．８９２３ｍｍの焦点距離を有するであろう。
【００３１】
スペーサ１１２はいろいろな材料から作ることができるが、特に有益な材料はシリコンである。シリコンは微細加工が容易であるほか、熱導電率が比較的高いという利点がある。精密自動ダイヤモンドカッターとミリングソーを使用して、幅が約４ミル、高さが約２５ミルのシリコン製支持体を容易に製作することができる。たとえば、特殊ダイヤモンドグリット樹脂刃をもつ標準自動シリコンダイシングソー（MicroAutomation Model 602M) を使用してシリコンウェーハから図３に示したスペーサに類似するスペーサ（しかし、導電性を付与するため導電性層を付着する必要がある）を微細加工することができる。最初に、９μｍダイヤモンドグリットをもつ４ミル刃を使用して、シリコンウェーハに２８ミルの切り目を入れて、“Ｔ”柱を作る。次に、得られた形状を、３０μｍダイヤモンドグリットをもつ６５ミル刃を使用して余分の柱を切除して、Ｔ形にする。次に、縦方向の切り目を入れ、続いて横方向の切り目を所望の角度で入れて（以下の説明を参照）、スペーサの前面１２９と、稜１２２，１２４，１２６，１２８を形成する。レーザー素子１０２と１０４間の間隔をレーザー素子１０６と１０８間の間隔と異ならせる場合には、異なる深さおよび間隔の追加ソーカットが必要であることに留意されたい。
【００３２】
シリコンスペーサを作ったあと、スペーサ全体に導電性層を付着する。次に、以下に述べるようにレーザー素子をハンダ付けする。
【００３３】
支持体１１２へのレーザー素子１０２，１０４，１０６，１０８の取付けは、Ｉｎなどの低温ハンダを使用して行う。ハンダ付けの前に、最初に、ハンダ付けに使用されるインジウムペレットを希塩酸溶液に浸して酸化物を除去する。次に、薄いニッケル層を、続いて薄いプラチナ層をスパッタ付着によってハンダ付けするため、スペーサの取付け面を準備する。次に、タングステンボートからインジウムペレットの加熱蒸発させて、スペーサの上にハンダを付着させる。その目的は、平坦化および湿潤化する程度に厚いが、わずかな材料の流れを許す程度に薄い膜を付着することにある。満足できるＩｎ膜の厚さは約２〜2.5 μｍである。次に、一方のレーザー素子をスペーサ上のＩｎ層に近接させ、整合する。次に、目視によって、スペーサの温度をインジウムハンダの溶融温度以上に高めて、真空コレットを使用してレーザー素子を所定の場所に押し込む。次に真空を解放するが、コレットによる物理的圧力は維持する。次に、加熱源をオフにし、冷却用窒素ガスの流れをレーザー素子に当てる。ハンダが凝固したら、レーザー素子にかかる圧力を解放する。そのあと、室温まで冷却させる。残りのレーザー素子を同様なやり方で所定の場所にハンダ付けする。
【００３４】
上に述べたハンダ付け手順は、個々の応用面や材料に適合するよう修正することができる。しかし、すべての場合において、満足できる、信頼性の高い、熱的および電気的接続を確実にするため、表面の準備は注意深く実施しなければならない。
【００３５】
以上の説明から、本発明の原理の多くの修正および変更はこの分野の専門家には自明のことである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定めるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に係るレーザーアレイを使用する４ステーション・カラーラスタ出力スキャナ（ＲＯＳ）装置の略部分正面図である。
【図２】本発明の原理に係るレーザーアレイを使用する単一ステーション・カラーラスタ出力スキャナ（ＲＯＳ）装置の略部分斜視図である。
【図３】図１および図２に示したＲＯＳ装置のためのレーザーアレイ、ビーム成形レンズ、および回転多面鏡の向きを示す斜視図である。
【図４】本発明の原理に係る図１、図２、および図３に示したＲＯＳ装置に使用できるレーザーアレイの略斜視図である。
【図５】図４のレーザーアレイの上部の斜視図である。
【符号の説明】
２複数ステーション・カラープリンタ
４，６，８，１０感光体
１４，１６，１８，２０レーザー光線
２２入力光学系
２４回転多面鏡
２６鏡面
３０像形成／修正レンズ
３２第１光学フィルタ
３４第１ミラー
３６第２光学フィルタ
３８第２ミラー
４０第３ミラー
４２第４ミラー
４４第３光学フィルタ
４６第５ミラー
４８第６ミラー
５０第７ミラー
７０別のカラープリンタ
７２，７４，７６，７８レーザー光線
８０感光体
８２レンズ
９０レーザーアレイ
１０２，１０４，１０６，１０８レーザー素子
１１０前面
１１２スペーサ
１１４ベース
１１６レーザーストライプ
１２２，１２４，１２６，１２８スペーサの稜
１２９スペーサの前面

Claims

熱伝導性ベースと、該ベースから突き出ていて、少なくとも２つのレーザー取付け面と接合して少なくとも２つの前部稜を形成している前面を有し且つ該前面の平面と前記レーザー取付け面の平面とが斜角をなしている熱伝導性スペーサとから成り、前記スペーサの幅が前記取付け面の分離を制御することを特徴とするレーザー取付けスペーサ。
熱伝導性ベースと、該ベースから突き出ていて、少なくとも２つのレーザー取付け面と接合して少なくとも２つの前部稜を形成している前面を有し且つ該前面の平面と前記レーザー取付け面の平面とが斜角をなしている熱伝導性スペーサと、少なくとも２個のレーザー素子であって、各レーザー素子が前記２つのレーザー取付け面の対応する１つに熱的に接触しそして対応する前部稜に隣接して取り付けられたレーザー素子とから成り、前記スペーサの幅が前記取付け面の分離を制御することを特徴とするレーザーアレイ。
像平面を有する装置において、
熱伝導性ベースと、該ベースから突き出ていて、少なくとも２つのレーザー取付け面と接合して少なくとも２つの前部稜を形成している前面を有し、該前面の平面と前記レーザー取付け面の平面とが斜角をなしている熱伝導性スペーサと、少なくとも２個のレーザー素子であって、各レーザー素子が前記２つのレーザー取付け面の対応する１つに熱的に接触し、対応する前部稜に隣接した状態で取り付けられたレーザー素子とから成るレーザーアレイと、
前記少なくとも２個のレーザー素子からレーザー光線を受け取り、前記レーザー光線を像平面に向ける波長従属性光学系とを備え、
前記斜角は、レーザー素子を前記光学系の波長従属性を補償するようにオフセットしていることを特徴とする装置。