JP4091212B2 - Optical writing device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光書込み装置に関し、詳細には画像を多数の微小な画素に分解し強度変調した光束による輝点を画像記録媒体等の上に走査して各画素領域を順次感光させることにより画像を書込む装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子写真方式のプリンタなどのように輝点を感光体上に走査して画像を再生する画像出力装置においてハーフトーンイメージを再現する場合には、画像を構成する画素を更に細かいスポットの集合体として再現し、そのスポットの点の数を増減することなどにより濃度変化を作り出している。このような例として、特開平6−133156号公報や特表平8−506704号公報等に記載されているものがある。これら従来の方法において、なめらかなハーフトーンを再生するためには、画像に含まれるもっとも微細な線画を再現するのに必要な分解能よりもはるかに細かく画像を分割する必要がある。例として画像の線画情報を再生するのに必要な画素密度が600dpi(1インチあたりのドット数)であった場合に、画像の中にある中間の濃度領域の部分いわゆるハーフトーン領域に対して、なめらかな階調として一つの目安である一つの画素に65レベルの濃度変化が付与された階調性を実現するためには、1画素を8×8のマトリックスに分割する必要があるので、書き込みに必要な書込み分解能は600×8=4800dpiとなる。この分解能による光書込みは現状でも不可能ではない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような高い分解能が可能な装置は現状の最高レベル(state−of−the−art)の精度を有する光書込み装置であり、メーカーの開発部門、研究機関などでは製作し機能を発揮させることができるが、工業製品として大量に生産し一般において使用するには次のような種々の問題がある。
【0004】
第1点目として、画像を極めて微細な領域に分割する必要があるので画像処理の計算に必要な時間が大きく増大する。この時間を短縮するためにはより高速のプロセッサを備えた電子計算機を内蔵させる必要があり装置のコストが上昇する。また、現状では画像出力装置に内蔵できる程度の小型の電子計算機では処理能力に限界があり4800dpiの画素分割を600dpiと同程度の時間内に行なうことは高速な機種を内蔵させたとしても困難である。
【0005】
第2点目として、4800dpiの分解能、すなわち一つの画素の幅が概ね5μmの書込みを行なうため、書込みの光スポットを書込み領域全てにおいて5μm以下のサイズに集光する必要がある。このようなスポットサイズをポリゴンスキャナにおいて実現するためには複屈折の非常に少ないガラスレンズからなる光学系を用いる必要がある。現在一般用途で主に用いられているプラスチックレンズを使用したポリゴンスキャナはプラスチックレンズの複屈折が製造法を最適化しても充分には低減できないため位置により集光スポットのサイズにばらつきを生じ、使用できない。ガラスレンズを用いた光学系はプラスチック光学系に対して非常に高価であるので書込み装置のコストが上昇する。
【0006】
第3点目として、同じくポリゴンスキャナの場合、走査幅の端部ではスポットの崩れが生じ易くなるのでスポットサイズを画像の端においても5μm以下とするためにはポリゴンミラーによる偏向角度はあまり大きくできず、概ね50度が限界である。これに対して、600dpiの書込み分解能であれば100度程度の偏光角度が容易に実現できる。偏向角が小さいことにより同じサイズの画像を書き込む場合に低分解能の書込み装置に比較して光路長が非常に長くなってしまう。そのため画像出力装置が大型になる。
【0007】
第4点目として、同じくポリゴンスキャナの場合、光路が長くなることにより光学系の機械的なひずみによる光スポットの位置ずれが起きやすくなり、感光体上でのスポット位置の変動はスポットサイズに対して充分に小さくなければならない。光学系の筐体のひずみを5μmに対して無視できる程度に小さく押さえるためには装置の剛性を非常に高める必要がある。上記のように光路長が長くなる点も加わり、更に装置が大型化し、かつ重くなる。
【0008】
第5点目として、LEDアレイを光源としたプリントヘッドの場合はLED数が極めて多くなり素子のコストが上昇する。
【0009】
第6点目として、高速のカラー画像出力装置で通常用いられる4ドラムのカラー書込み方式の場合、4ドラム相互の画像位置ずれをスポットサイズに対して無視できる程度に小さくしなければならない。4800dpiでは概ね1μm程度の位置ずれしか許容されないから媒体の搬送精度などを極めて高める必要があり、この点からも装置が大型化し重くなると共に高コストとなる。
【0010】
第7点目として、4ドラム装置の場合、4個の光書込み装置を用いるから個々の光書込み装置が小型化できないことは更に大きな問題となる。
このように、現在用いられている、画像を電子情報の段階で充分に細かい画素に分割し、ハーフトーンマトリックスを高精細な光書込み装置で画像記録媒体等に書き込むことによってなめらかなハーフトーンイメージを作成する方法によっては、視覚上問題のないなめらかなハーフトーンを再現する画像出力装置を作成することは、試作的には可能であるものの大型で高価な装置となるためこれを工業製品として広く普及させることは困難である。
【0011】
また、スポットサイズが微小になることにより、光ビームの走査速度には機構上の限界があり走査線数が増大することにより副走査速度が低下すること、光ビームを変調する画像周波数には限界があり書き込む画素数が膨大となること、などからハーフトーン領域がなく高分解能の不要な単純な線画を出力する場合でも書込み時間が大きく増大するという問題が生じる。
【0012】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、光書込みによる画像出力装置において従来より美しいハーフトーンイメージを高速に生成することを低いコストで実現し、同時にハーフトーンを持たない線画のみの画像に対しては高速な出力を可能とする光書込み装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記問題点を解決するために、画像を多数の微小な画素に分割し、一つもしくは複数の光源から各画素の濃度に対応した強度の光束を射出し、この光束による輝点を、閾値以上の光量密度の光が照射されることにより、感光して表面電位変化や化学的変化等の潜像が形成される、又は感光して濃度変化を持つ画像が形成される画像記録媒体の上に走査して、各画素領域を順次感光させることにより画像を書込む光書込み装置において、光源と画像記録媒体との間であって光源側から順に、光束を集束させる光集束素子部と、光束が集束する位置に設けられた微小な光学的開口部と、該光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子と、を配列された一つのユニットを、主走査方向に画素数と同数のアレイ状に配置したことに特徴がある。よって、画素を書き込む光ビームを画像記録媒体の表面に到達する前段階において光学的手段により多数の微小な光ビームに分割する機能と、微小な光ビームにより露光される画像記録媒体上の感光領域を総合した面積、すなわち生成された画像においては画素の平均濃度、を元の光ビームの強度を変化することにより増減する機能とにより、なめらかなハーフトーンを生成することができ、1つの画素を書き込む光スポットをより細かな輝点の集合体に分割すると共に、分割した輝点により感光する画像記録媒体上の総合の面積を書込み光の強度により変化させる働きをもった複合微少光学素子アレイを画像記録媒体の近傍に配置した新たな構造の光書込み装置を提供できる。
【0014】
また、ホログラム素子と対向する画像記録媒体の前面に透明材料からなる保護板を設けたことにより、ホログラム素子が微粒子等で汚染されることを防ぐことができる。
【0015】
更に、ホログラム素子により複数の方向に分解され、それぞれ集束された光束により画像記録媒体上に形成される輝点群が、一画素領域の概ね中心に位置する相対的に大きな直径の輝点と、その周りに一つもしくは複数の輪帯状に位置する相対的に小さな輝点とからなるように、ホログラム素子を形成したことにより、ホログラム素子により分割される輝点のパターンについて優れた画像を再現できる。
【0016】
また、光源が、複数の波長の光を放射することのできる素子もしくは異なる波長を射出する複数の素子からの射出光をビームコンバイナ等により統合した光源であることにより、画像記録媒体上に生成される輝点のパターンを光源の射出光の波長を変えることにより変化させることができる。
【0017】
更に、光集束素子部の入射側の開口部、射出側の光学的開口部又は両方の開口部にマイクロレンズを設けることにより、光源光の利用効率が高まりより高速の画像出力が可能になる。
【0019】
更に、別の発明として、レーザ光を平行光束としたのち回転するポリゴンミラーにより偏向して画像記録媒体上を走査するポリゴンスキャナを用いた光源と画像記録媒体との間であって光源側から順に、基板上に形成された、ポリゴンミラーによりレーザ光が走査される方向に配列され、レーザ光の入射部と対向する位置に射出部を有し、レーザ光の入射部が射出部よりも大きな面積を持つ概ね円錐形状もしくは角錐形状のミラーアレイを用い、光束を集束させる光集束素子部と、ミラーアレイの射出部に設けられた、光学的に透明な微小な開口部が配列されたピンホールアレイからなる光学的開口部と、ピンホールアレイに相対して設けられた凸レンズが配列されたマイクロレンズアレイを用い、光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、マイクロレンズアレイに相対させてホログラム素子をアレイ状に配置して、光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子とを設けたことに特徴がある。よって、光源の一つであるポリゴンスキャナに対して適用できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
光源と画像記録媒体との間であって光源側から順に、光束を集束させる光集束素子部と、光束が集束する位置に設けられた微小な光学的開口部と、該光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子と、を配列された一つのユニットを、主走査方向に画素数と同数のアレイ状に配置した。
【0021】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の第1の実施例に係る光書込み装置の基本的な構造を示す断面図である。同図において、円錐形状ミラーなどの光集束素子部11で書込み光ビーム12を第1の微小な開口部13に集光し微小な一つの光スポットを生成する。そして、この開口部13からの射出光を光拡散素子部14に入射させ、概ね一つの画素に相当する限られた容積の中に拡散させる。この拡散光を複数の微小な開口からなる第2の微小な開口群15より射出させることにより一つの画素を書き込む単一の光ビームから複数の微小な光スポットを生成する。つまり、光拡散素子部14は分割された光ビーム相互の光量密度を均一化する働きを担う。したがって、第2の開口部群15を大小様々な直径の開口から形成しておけばその直径に応じた強度の光を射出させることができる。生成された複数の光スポットは等倍結像素子部16により画像記録媒体17上に結像される。この画像記録媒体17とは、書き換え可能な記録媒体、1度記録すると書き換えはできない記録媒体、および随時連続して画像が書き込まれる画像表示器のような媒体、などを含み光書込みにより画像が形成される媒体等のほとんどのものを指す。その具体的な例は、液晶材料層、有機および無機結晶材料層、有機及び無機アモルファス材料層等に可視光および紫外線もしくは赤外線を露光することにより引き起こされる相変化もしくは可逆的な化学変化等によって画像が形成され、必要に応じて、特定の波長および強度の光を照射すること、特定の強度および方向の磁界を加えること、特定の温度変化を加えること、等によりその画像を消去することができ繰り返し使用できる画像記録媒体、電子写真感光体、銀塩写真法による黒白及びカラーのフィルムまたは感光紙、その他の光化学反応による感光材料を用いた記録媒体等のいわゆる感光体である。本発明の光書込み装置が対象とする画像記録媒体はこの他に、例えば液晶材料層と駆動電極の間に光導電材料層が配置され光導電材料層への書込み光照射によりその部位の光導電材料を導通状態として液晶層に部分的に電界が印加されるようにして画像を書き込む形式の液晶表示器、等のように、光導電効果などを仲立ちとして直ちに濃度変化を持つ画像を形成する表示器などをも含む。
【0022】
図2に複数の輝点を作成する部分の詳細を示す。同図の第2の微小な開口部群15の配置パターンは一例として示したものであり、様々な配置が適用可能である。この装置では光源光量の変化により画像記録媒体が感光する領域の総合の面積を増減させることができる。中間の光量においては画素内の平均した画像濃度が連続的に変化でき、滑らかな階調性が得られる。
【0023】
図1に示す第1の実施例による光書込み装置によれば、通常の解像度である600dpi程度のLEDアレイ、ポリゴンミラースキャナ、等を用いて擬似的にその8倍程度の解像度すなわち4800dpi程度に相当するハーフトーンマトリックスを画像記録媒体に書き込むことが可能となり、安価で安定に動作する通常の解像度の走査機構を用いながら、それまでは実現できなかったなめらかな階調性を持つ画像を再現することができた。しかし、図1から分かるように、隣り合う画素の微少光学素子の間には、光走査時に隣接した位置にある光束が他の画素の露光量に影響することを避けるため、光学的に不透明な隔壁が必要である。このため、アレイの個々の素子の境界付近には第2の開口部を設けられず、この部分に相当した画像記録媒体上の位置には露光スポットを形成することができない。したがって、均一な濃度分布を持つスクリーンマトリックスを形成しようとする場合にその均一性に限界があった。また、第2の開口部のそれぞれに均一に光を導くため、光を拡散させる光拡散素子部が必要であるのでこの部分で若干の光量損失があり、光源の光量をその分高める必要があった。書込み速度を増大させることや、より安価な低い出力の光源の適用を可能とすることからは、光量の損失をさらに低減した装置を実現することが望ましい。
【0024】
そこで、本発明の第2の実施例は第1の実施例の課題を解決した光書込み装置を実現するための実施例である。
【0025】
図3は本発明の第2の実施例に係る光書込み装置の基本的な構造を示す断面図である。同図において、円錐形状のミラーなどにより構成された光集束素子部21で書込み光ビーム22を微小な光学的開口部23に集光し微小な一つの光スポットを生成する。この開口部23より射出した光束を必要に応じて配置されたコリメータ部24に入射させる。コリメータ部24により開口部23からの射出光を平行光束とし、この光束を複数の方向へ分解して放射する機能とそれぞれの光束を概ね同一の平面上に集光させる機能とを持ったホログラム素子25に入射させる。ホログラム素子25より射出した光束群が各々焦点を結ぶ平面上に画像記録媒体26の感光面を設置する。
【0026】
なお、コリメータ部24は微小な開口部23よりの発散光を概ね平行な光束とする凸レンズアレイなどにより構成される。また、コリメータの機能をホログラム素子の機能に含ませても良い。また、ホログラム素子25を基板の両面に形成し光源に近い面にはコリメータとしての凸レンズ機能を持たせ他の面に光束を複数の光束に分解する機能とそれぞれの光束を概ね同一の平面上に集光させる機能を持たせても良い。このような構造ではコリメータ素子部として凸レンズなどを設ける必要はないがホログラム素子の製造が複雑になるのでそれぞれの場合において最適な構造を選択することとなる。更に、微小な光学的開口部23は実際に開口部が形成されていても良いし透明基板に形成された遮光マスク上のピンホールなどでもよい。ホログラム素子25は最も簡単には透明基板上に所定の厚さ、屈折率を持った透明材料による平行な線状のパターンが繰り返し配置されたグレーテイング状の素子を用いることができる。偏向角、光源の波長に応じて線状パターンの繰り返し間隔、透明材料の屈折率及び基板面からの高さを設定する。この場合、入射した光束は回折されずに透過する0次光と正負の各1次光の3個の光束に分解される。線状のパターンを直交して配置した格子状のパターンを形成すれば0次光と直交2方向に分解された正負の1次光との合計5個の光束に分解される。これらの光束が画像記録媒体上で集光されるようにするにはホログラム素子の中心部から外周部にわたって回折パターンのピッチ等を滑らかに変化させる。任意の配置パターンが画像記録媒体状に形成されるようにするためには、それぞれの光束のホログラム素子上での強度パターンから必要な回折パターンを電子計算機により計算し、ホログラム素子が表面に設けた透明材料の回折格子により形成されている場合はそのパターンを、またホログラム素子が基板内に設けられた屈折率分布により形成されている場合はその屈折率分布を求めることにより作成したホログラム素子を用いる。電子計算機による計算手順としては単純なパターンについて生成される輝点配列を光学原理にもとづいてもとめ、これを出発点としてパターン間隔、パターン形状等を微小に変化させた種々のパターンを仮定しそれにより生成される輝点を計算してこれが所望の輝点配列となるまで繰り返す手順を用いることができる。
【0027】
このような構成の第2の実施例の光書込み装置では、隣り合う画素の間に隔壁のような光を遮る部位が必要ないので画像記録媒体上に輝点を設けられない領域は生じない。よって、第1の実施例に比べ、更に均一な濃度分布を持ったハーフトーン領域を再現することができる。また、光拡散素子を用いないので入射した光源光が有効に利用され画像記録媒体上に照射される光量を増加させることができる。よって、第1の実施例の光書込み装置が改良され、安価な装置によって今までより高速の画像出力が可能になるという利点が得られる。更に、第2の実施例の光書込み装置は基本的には等倍結像素子を必要としないのでより安価な構成の画像出力装置を提供できるという利点も得られる。
【0028】
次に、本発明の光書込み装置のハーフトーン生成機能を詳細に説明する。本発明の装置ではホログラム素子により分解された光束で画像記録媒体状に形成された輝点群のパターンを工夫することにより、書込み光ビームの強度によって生成されるパターンを画像濃度に応じて変化させることができる。なお、説明を簡単にするために、一つの比較的大きな輝点の周りに相対的に小さな直径の輝点が4個生成されるホログラム素子を用いた場合について述べるとする。
【0029】
この光書込み装置により画像記録媒体上に照射される光スポットの形状は、書込み光ビームの強度が充分大きいとき図4(a)に示した特性図のようになる。この特性図中で横軸は光スポットが配列された直線上の位置を0次光の位置を中心として示し、縦軸は光強度を任意スケールで示している。特性図中の感光レベルと記した横線で示した光量密度以上の光照射を受けた領域が感光するように画像生成プロセスを設定しておくと、出力される画素のパターンは図4(b)のようになり、一つの画素を書き込む光ビームから画像処理によるスクリーンマトリックスで生成されるようなスクリーンパターンを生成することができる。
【0030】
次に、書込み光ビームの光強度を減じたときの状態について説明する。この光書込み装置により画像記録媒体上に照射される光スポットの形状は書込み光ビームの強度が小さいときは図5(a)に示した特性図のようになる。この特性図中で横軸は光スポットが配列された直線上の位置を0次光の位置を中心として示し、縦軸は光強度を任意スケールで示している。特性図中の感光レベルと記した横線で示した光量密度以上の光照射を受けた領域が感光するように画像生成プロセスを設定しておくと、出力される画素のパターンは図5(b)のようになり、一つの画素を書き込む光ビームから一つの微小なドットパターンが生成される。
【0031】
上記2つの中間の光量が照射される状態では周りを取り囲んでいる光スポットの直径が徐々に変化することとなり画素領域の平均濃度が連続的に変化する。したがってなめらかなハーフトーン部分が形成されることとなる。
【0032】
上記説明では簡単のために単純なパターンの輝点配列の場合を示したが、通常の分解能である600dpiの光書込み光源を使用した場合その間隔は42.3μm程度であり、ホログラム素子により個別に集光される輝点の直径は670nm程度の波長の光源を用いた場合2μm程度の直径とすることも困難ではない。したがって、一つの画像記録媒体上の一つの画素領域の中に多くの微小な輝点を個別に照射できるので視覚上認識できない程度の細かいスクリーンパターンを生成することができ、画像の観察者には、なめらかなハーフトーンとして認識される。この時、実際に高い分解能の光書込み装置によりスクリーンパターンを画像記録媒体に書込んだときと異なり、別個の小さなスポットにより分離できる最大の分解能で線画を書込むことはできない。これは本発明の光書込み装置では通常のレベルの分解能の光書込み装置の画素を分解して小さな書込みスポットとしているためである。しかし、実際上は現在通常の分解能である600dpi程度の分解能で日常的に用いられるほとんどの線画画像が再現可能である。換言すればこれ以上の分解能で線画を描きこんだとしても肉眼ではよほど注意しなければ分離した線または点として認識できず、ごく特殊な用途を除いては無意味である。しかるになぜ600dpi以上の光書込み装置が必要とされているかというと、それは画像の濃度階調を視覚に認識できないスクリーンパターンで書き込む必要があるという点だけの理由による。このために、従来の光書込み装置は非常に高精度の製造技術を要求され高コストとなっており、それでもなめらかなハーフトーンの再現に充分とはいえなかった。これに対して、本発明の光書込み装置では通常の分解能の光書込み光源を用いながら視覚では認識できない程度に細かいスクリーンパターンを生成することが可能であるから、現状でその作成技術がほぼ完成し低コストで製造できる通常の分解能の光書込み光源を元にして従来は生成が不可能であったなめらかなハーフトーンを再現できる。
【0033】
また、本発明の光書込み装置では画像記録媒体の至近にホログラム素子を配置するので、画像記録媒体が例えば電子写真感光体である場合のようにトナー等の微粒子が多数浮遊するようなあまり清浄でない環境ではホログラム素子に微粒子が付着しその回折効率を低下させたり散乱光を生じたりして書込み画像に悪影響を及ぼす可能性がある。このような悪影響を生じないようにするため、画像記録媒体の前に空間を隔離する透明な保護板を設け、ホログラム素子はこの保護板の画像記録媒体と対抗する面に形成した。このような構造によれば保護板の画像記録媒体側の面は平滑な面とすることができるので微粒子が付着しにくく、また付着しても柔らかい布などにより拭き取ることができるのでユーザによる清掃が容易にでき、高い画像品質を維持できるようになる。
【0034】
更に、本発明の光書込み装置ではホログラム素子により分解され媒体上に集光された輝点の配置がその性能を大きく左右するのでこの点について種々の実験を行ない望ましい配置を探索した。その結果、画素領域の概ね中心に配置された相対的に大きな直径の輝点と、その周りに一つもしくは複数の輪帯状に配置された輝点からなり、それらの配置パターンを、より外周にある輪帯に属する輝点ほど相対的に小さな直径を有するようにすると画素領域の平均濃度変化がなめらかになり、優れたハーフトーン再現性が実現されることが分かった。
【0035】
また、電子写真感光体のように書込み光の波長が異なっても単色の出力が可能な画像記録媒体に対して、本発明の装置において種々の異なる波長の光を射出することのできる光源を用い、ホログラム素子に波長により光束を分解する方向等が変化する機能を持たせておけば、光源の波長を制御することにより画像記録媒体上に生成されるハーフトーンスクリーンパターンを電気的に変化できるので更に高機能の光書込み装置が実現できる。例えば、光源に比較的長い波長の光源として近赤外レーザ素子と比較的短い波長の光源として青色レーザ素子とをもちい、これらの射出光をビームコンバイナにより一致させて書込み光源光として、青色光に対しては赤色光より大きな角度で光束を分解する機能をホログラム素子に持たせた構造とする。この装置によりハーフトーンの不要な線画画像は赤色光により書込み、ハーフトーン領域は青色光により書き込むと、線画部分についてはハーフトーン生成のための輝点が比較的分散しないので輪郭のはっきりした書込みができ、ハーフトーン領域においては輝点が大きく分散するので均一性の良い中間濃度が再現できる。このような構成によれば、単に光源の光量を変調する場合に比べてそれぞれの画像特性に応じて適切な輝点により画像を書き込めるので画像品質を向上させることができる。
【0036】
更に、光集束素子部の入射側の開口部または射出側の開口部もしくはその両方にマイクロレンズを形成した構成とすれば書込み光ビームの利用効率が高まり、画像記録速度を大きくすることができる。ただし、その分の製造コストが付加されるので特に必要でない場合はマイクロレンズを設ける必要はない。
【0037】
また、本発明の光書込み装置では概ね40μm以下の幅を持つホログラム素子により光束を集光するのでホログラム素子から画像面までの距離すなわち作動距離はあまり長くすることはできない。概ね1mm程度が良好な集光性能が維持できる範囲である。光書込み装置の使用形態によってはより大きな作動距離を必要とする場合もある。このような場合には上述の光書込み装置においてその像面に焦点を合わせて等倍結像素子を配置した構造とする。このような構造によれば長い作動距離を得ることができる。ここでの等倍結像素子には通常使用される等倍結像素子のほとんどのものが使用可能である。その例としては屈折率分布型のファイバ形状等倍結像レンズを多数直線状に配列したレンズアレイ、例えばマイクロオプト(株)社製のセルフォックレンズアレイ、等倍結像微小光学系を多数配列したもの、例えば株式会社リコー社製のルーフミラーレンズアレイ、などが使用できる。
【0038】
次に、種々の光書込み光源に対応して実際の光書込み装置の構成を説明する。
一般的な光書込み用光源の一つに発光ダイオードアレイがある。これに対する本発明の装置の構成を図6に示す。発光ダイオードアレイ31では光書込み光源が必要な分解能と同じ密度で配列された個別の発光領域のアレイとなっているので、光束を集束させる光集束素子部として、個々の発光ダイオード素子の発光領域の上部に設けられ発光領域と対向する位置に射出部を有する球状、半球状、超半球形状、円錐形状等のミラーアレイ32と、微小な光学的開口部としてミラーアレイ32の射出部に設けられたピンホールアレイ33と、コリメータ部としてピンホールアレイ33に相対させて設けた凸レンズのマイクロレンズアレイ34と、マイクロレンズアレイ34に相対させて設けたホログラム素子が配列されたホログラムアレイ35と、を用いた構成とした。なお、光源は微小な発光領域がアレイ状に配列されたものであればどのようなものでも同様に用いることができ、発光ダイオードアレイの他に、微小な低圧力空間中で動作する電界放出型電子源により蛍光体を発光させる形式のアレイ光源、エレクトロルミネッセンス発光素子のアレイ光源等をも用いることができる。
【0039】
次に、もう一つの一般的な書込み光源であるポリゴンスキャナを使用した場合の本発明の光書込み装置の構成を図7に示す。この装置は主に電子写真感光体への光書込みに適している。この構成の光書込み装置を実現する場合、通常は感光体が配置されるポリゴンスキャナ41の光ビームの集束位置に基板に形成された集光素子アレイ部42を設ければよい。その他は上記の発光ダイオードアレイの光源に対する構成と同じである。この構成によれば、ポリゴンスキャナによる書込みには従来不要な光学素子アレイが新たに必要となるため装置が複雑で、利点がないようにも見られる。しかし、本発明の光書込み装置に用いるポリゴンスキャナは光学的な精度の低いもので構わないという特徴があり、この点から従来の高精度なポリゴンスキャナによる光書込み装置より総合的に低コスト化が可能となる。更に詳しく説明すると、従来のようにポリゴンスキャナのみにより高分解能の光書込みを行なうためには、感光体上での光ビームの軌跡の直線からのずれをその分解能において問題とならない程度に小さくしなければならない。例えば2400dpiの光書込みの際は走査ライン間隔が10μm程度であるから光ビームの軌跡は概ねその1/5である±1μm以下の位置ずれを加えた幅の中に収まっていなければならない。このために光学系における複屈折を極めて小さくすること、屈折率分布を極めて小さくすること、光ビームの位置ずれを引き起こす筐体の歪み及び振動を徹底的に低減することが求められ、高コストとなり実際上これらのためにポリゴンスキャナでは高分解能化の点において限界に近づいている。一方、本発明の光書込み装置に用いるポリゴンスキャナは光集束素子である円錐形ミラーなどに光が入るように走査すれば良いので、かなりの位置ずれが許容される。例えば600dpiの密度で配列された微少光学素子アレイを用い、光集束素子を円錐形ミラーとした場合は一つの円錐ミラーの光源側直径は42μm程度まで広げることができる。ポリゴンスキャナによる走査時、この中に光ビームが入射すればよいので集光スポットが直径30μm程度になっていれば±6μmの位置ずれが許容される。また、光集束素子の円錐ミラーが光ビームが走査される方向と直角の方向すなわち副走査方向に長い直径を持った長円径の開口部を有していれば更に大きな位置ずれを許容することができる。このような特徴により、ここに用いるポリゴンスキャナには高精度の走査精度は不要であり安価なユニットでよい。また、本発明の光書込み装置においてはホログラム素子アレイと感光体間の位置ずれが小さく抑えられれば画像の書込み位置ずれは生じないのでこの部分のみを強固に製作すればよく、従来の高精度のポリゴンスキャナによる書込み装置のようにポリゴンスキャナの光学素子を保持する筐体全体を強固に製作する必要はなくなる。これらの理由により、構成としては光学素子アレイが付加されて見かけ上の部品点数が増えるものの総合的なコストは従来の高分解能のポリゴンスキャナをもちいた光書込み装置より大きく低減され、かつ生成されるハーフトーンのドットの細かさは従来困難であった程度に細かくすることができるから、従来以上のなめらかさでハーフトーンを再現することが可能となる。
【0040】
次に、本発明の光書込み装置を用いたカラー画像形成装置について説明すると、カラー画像をYMCK(イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック)もしくはRGB(レッド、グリーン、ブルー)に色分解して、各色を書き込む光書込み装置によりこれらを同一の画像記録媒体等に順次書込み、もしくは、各色個別の画像記録媒体等に書きこんだのち各色の画像を重ねる手段により重ね、カラー画像を出力するカラー画像出力装置においては、各色のハーフトーンを形成するスクリーンパターンは互いに重ならないようにするとそれぞれの色がマスクされにくくなるのでより彩度の高い画像を再現することが可能になる。これは、上述の光書込み装置を複数用いた画像出力装置の場合、次のように極めて簡易に実現することができる。すなわち、YMCKもしくはRGBの各色の光書込み装置のそれぞれの輝点のパターンが、その個々のパターンの重心がYMCKもしくはRGBの各色の間で互いに重ならないように、パターン配置の位置もしくは配置の角度をずらして設ければよい。従来の電子写真装置等ではスクリーンパターンを生成する際に各色において傾き角などを変えて計算させることにより重なりの度合いを少なくするようにしていた。これは画像処理の計算時間の増加を招いていたが、本発明の光書込み装置を用いた画像出力装置の場合は、各色の光書込み装置の輝点のパターンを特定の配置としたホログラムアレイを用いることにより、特段の画像処理などを行なわなくとも、各色のドットの重なりが抑制され色の濁りの少ないカラー画像を再現することができる。
【0041】
次に、本発明の実施例を適用した実験例と、対応する比較例を示す。
【0042】
[実験例1]
発光ダイオードアレイを光源とした光書込み装置を作成しこれをYMCK各色の書込みに用いたカラー画像出力装置を製作した。光書込み素子は次のような手順で作成した。
【0043】
先ず発光ダイオードアレイ上に光集束素子部の円錐ミラーアレイを次のような手順で作成した。石英ガラス基板を厚さ40μmに研磨し、平坦度のよいガラス板に熱可塑性樹脂により張り付け、石英ガラス基板上にフォトレジストを塗布した。フォトレジストには東京応化(株)製の0FPR8600の粘度を200cpに調整したものを使用し、厚さ3μmとなるようにスピンコート法により塗布した。このフォトレジスト膜をデータシートに記載された条件でプリベーク後に20μmの直径を有する円形の開口が42.3μmピッチ(600dpi)で直線状に配列されたフォトマスクを通して露光し通常の現像、リンス工程を施してフォトマスクパターンと同形状のレジストマスクを形成した。基体となるガラス板がエッチング液で侵されないように裏面及び周囲をマスキングし、希フッ酸溶液中でエッチングした。エッチング時間は石英ガラス基板が貫通し5μmの直径の開口部が形成され基体のガラス板が露出する時点を観察して定めた。アンダーカットにより上部の直径が拡大することを利用し上部の直径が40μm、下部の直径が5μmのテーパー形状の開口が42.3μmのピッチで直線状に配列されたアレイを得た。テーパー形状はエッチング液の温度とフッ酸濃度および攪拌の頻度を調節することにより制御した。次に基体となるガラス板に貼り付けたままの状態でエッチングマスクを除去し、真空蒸着装置により石英ガラス基板に金を7000Åの厚さに蒸着した。この後ダイシングソーにより短冊状にミラーアレイを切出すための切り込みを入れ、ガラス板を加熱して短冊状の石英ガラス基板を取り外し有機溶剤により洗浄して貼り付けのために用いた熱可塑性樹脂を除去し、円錐形ミラーアレイの形成された短冊状のガラス基板を完成した。このミラーアレイ基板を600dpiの発光ダイオードアレイに、発光領域と小さい開口部の中心を一致させて、大きな開口部を発光ダイオードアレイの基板面に向けて熱硬化性樹脂により接着し、円錐ミラーの小さい方の開口部を微小な開口として用いた。
【0044】
次に、コリメータ素子部となるマイクロレンズアレイを次のような手順により作成した。石英ガラス基板を厚さ200μmに研磨し、平坦度のよいガラス板に熱可塑性樹脂により張り付け、石英ガラス上にフォトレジストを塗布した。フォトレジストには東京応化(株)製の0FPR8600(粘度300cp)を使用し、厚さ4μmとなるようにスピンコート法により塗布した。このフォトレジスト膜をプリベークしたのち40μmの直径を有する円形パターンが42.3μmピッチ(600dpi)で直線状に配列されたフォトマスクを通して露光し通常の現像、リンス工程を施してフォトマスクパターンと同形状の円柱状のレジスト膜を形成した。次にこの試料を150℃のクリーンオーブンに30分間入れ円柱状のフォトレジスト膜を流動化させ凸レンズ形状に変化させた。この時の凸形状高さは4.5μmであった。上記凸状樹脂パターンが設けられた基板をECRドライエッチング装置を用い樹脂パターンの設けられた面からエッチングすることにより、その形状を石英ガラス基板表面に彫り写した。エッチング条件は、基板温度−40℃、マイクロ波(2.54GHz)電力670W、ECRイオン源コイル電流19A、基板バイアス用高周波(13.56MHz)電力450Wとし、エッチングガスおよびその供給量はCHF3:流量15SCCM、02:流量1.5SCCMとした。エッチングチャンバの反応圧力はドライエッチング装置の排気装置に設けたバリアブルオリフィスの開度を制御することにより0.013Paとした。この条件で石英ガラスのエッチングレートは120nm/分、樹脂膜のエッチングレートはおよそ140nm/分であった。このような条件で樹脂パターンがすべてエッチングされる時点までエッチングを行なった。石英ガラスウエハ表面上に転写されたレンズ高さは2.9μmであった。ミラーアレイと同様に短冊状に切り込みを入れた後マイクロレンズアレイを分離し、開口部の中心とマイクロレンズの中心とを一致させて発光ダイオードアレイチップの上にあるミラーアレイ上面に紫外線硬化樹脂により接着した。
【0045】
次に、ホログラムアレイを次のような手順で作成した。石英ガラス基板を厚さ100μmに研磨し、平坦度のよいガラス板に熱可塑性樹脂により張り付け、石英ガラス上にフォトレジストを塗布した。フォトレジストには東京応化(株)製の0FPR8600(粘度20cp)を使用し、厚さ0.3μmとなるようにスピンコート法により塗布した。このフォトレジスト膜をプリベークしたのちホログラムパターンを作成したフォトマスクを通して露光し通常の現像、リンス工程を施してフォトマスクパターンと同形状のレジスト膜を形成した。
【0046】
次に、この試料を130℃のクリーンオーブンに30分間入れポストベークを行なった。この基板をECRドライエッチング装置を用い樹脂パターンの設けられた面からエッチングすることにより、その形状を石英ガラス基板表面に彫り写した。エッチング条件は、基板温度−40℃、マイクロ波(2.54GHz)電力670W、ECRイオン源コイル電流19A、基板バイアス用高周波(13.56MHz)電力450Wとし、エッチングガスおよびその供給量はCHF3:流量15SCCM、02:流量1.5SCCMとした。エッチングチャンバの反応圧力はドライエッチング装置の排気装置に設けたバリアブルオリフィスの開度を制御することにより0.013Paとした。ホログラムパターンは入射した光束が回折されずに透過する0次光と正負の各1次光の3個の光束に分解されるパターンを直交して配置した格子状のパターンを形成し合計5個の光束に分解されるものとした。これらの光束が画像記録媒体上で集光されるようにするためホログラム素子の中心部から外周部にわたって回折パターンのピッチを滑らかに変化させた。このホログラムを42.3μm×42.3μmの大きさで直線状に配列したホログラムアレイとした。ホログラムアレイの彫り移されたガラス基板をミラーアレイと同様にして切出し、洗浄後、マイクロレンズアレイ上に装荷した。この際、マイクロレンズの凸部とホログラムアレイ基板とが接触しないように基板の周囲にスペーサを挟み、紫外線硬化樹脂によりホログラムの形成された面を発光ダイオードアレイに向けて、開口部とホログラムパタンの中心を一致させて接着し光書込み装置を完成した。この書込み装置では一つの画素について3×3のパターンが生成されるのでハーフトーンの再生については1800dpiの光書込み装置に相当する。これをYMCK画像を独立した感光体ドラムにより転写ベルトにトナー画像を形成して普通紙に転写、定着する方式の複写機に搭載し濃度の連続的に変化したテストバターンを出力した。
【0047】
[比較例1]
実験例1で使用した複写機に1800dpiの分解能の発光ダイオードアレイを搭載して同じテストパターンの出力を行なった。
【0048】
これらの出力画像を比較評価した。評価は機器の製造コストと再現されたハーフトーン画像を視覚により評価した。結果を下記の表1に示す。
【0049】
【表1】

Figure 0004091212
【0050】
この画像評価結果において、高解像度の発光ダイオードアレイを使用した場合の評価結果が不良であるのは、発光ダイオードアレイにおいては一般的に製造プロセスのわずかなムラにより発光ダイオードアレイの各発光領域の間で発光量にむらが生じるので電流補正により発光光量を補正するが、高解像度の発光ダイオードアレイでは発光領域が極めて小さくなっていることにより一つの画素の発光光量が小さく、相対的に製造プロセスのムラによる光量変動が大きく充分に補正できないためと考えられる。これに対して、本発明の光書込み素子を使用した画像出力装置では安定した特性を持つ低い解像度の発光ダイオードアレイを使用できるため、ムラの少ない画像が得られ、高解像度の発光ダイオードアレイを使用した場合と同じ細かさでハーフトーンスクリーンが生成されるので良好な画像が得られた。
【0051】
[実験例2]
ポリゴンスキャナを光源とした請求の範囲4に示す構成の光書込み装置を作成しこれをYMCK各色の書込みに用いたカラー画像出力装置を製作した。光書込み素子は次のような手順で作成した。
【0052】
先ず、等倍結像素子はマイクロオプト株式会社製のSLA12Dを用いることとし、両面を平坦に研磨して厚さをSLA12Dの作動距離と等しい4mmとした幅10mmのガラス板を用意した。実施例1と同様の方法で作成したホログラムアレイ基板をこのガラス板のSLAと反対の面に紫外線硬化樹脂により接着した。更に実験例1と同様にしてマイクロレンズアレイ基板とミラーアレイ基板を作成しホログラムアレイ基板上に重ねて接着し、書込み装置の主要なユニットを作成した。これを実験例1と同様の複写機に組み込みポリゴンスキャナによる走査光をミラーアレイ部に当てて濃度の連続的に変化したテストバターンを出力した。ポリゴンスキャナは600dpiの解像度に適合した安価なものを使用したが、この書込み装置では一つの画素について3×3のパターンが生成されるのでハーフトーンの再生については1800dpiの光書込み装置に相当する。
【0053】
[比較例2]
実験例1で使用した複写機に2400dpiの分解能のポリゴンスキャナを搭載して同じテストパターンの出力を行なった。
【0054】
これらの出力画像を比較評価した。評価は機器の製造コストと装置の容積を比較評価した。結果を下記の表2に示す。再現されたハーフトーン画像は視覚により評価したところ同等であった。
【0055】
【表2】
Figure 0004091212
【0056】
本発明の光書込み素子を使用した画像出力装置では安定した安価なポリゴンスキャナの使用が可能になるので低コストであると共に、ポリゴンスキャナの偏向角度が大きく取れるので機器を小型にすることができる。
【0057】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、画像を多数の微小な画素に分割し、一つもしくは複数の光源から各画素の濃度に対応した強度の光束を射出し、この光束による輝点を、閾値以上の光量密度の光が照射されることにより、感光して表面電位変化や化学的変化等の潜像が形成される、又は感光して濃度変化を持つ画像が形成される画像記録媒体の上に走査して、各画素領域を順次感光させることにより画像を書込む光書込み装置において、光源と画像記録媒体との間であって光源側から順に、光束を集束させる光集束素子部と、光束が集束する位置に設けられた微小な光学的開口部と、該光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子と、を配列された一つのユニットを、主走査方向に画素数と同数のアレイ状に配置したことに特徴がある。よって、画素を書き込む光ビームを画像記録媒体の表面に到達する前段階において光学的手段により多数の微小な光ビームに分割する機能と、微小な光ビームにより露光される画像記録媒体上の感光領域を総合した面積、すなわち生成された画像においては画素の平均濃度、を元の光ビームの強度を変化することにより増減する機能とにより、なめらかなハーフトーンを生成することができ、1つの画素を書き込む光スポットをより細かな輝点の集合体に分割すると共に、分割した輝点により感光する画像記録媒体上の総合の面積を書込み光の強度により変化させる働きをもった複合微少光学素子アレイを画像記録媒体の近傍に配置した新たな構造の光書込み装置を提供できる。
【0059】
また、ホログラム素子と対向する前記画像記録媒体の前面に透明材料からなる保護板を設けたことにより、ホログラム素子が微粒子等で汚染されることを防ぐことができる。
【0060】
更に、ホログラム素子により複数の方向に分解され、それぞれ集束された光束により画像記録媒体上に形成される輝点群が、一画素領域の概ね中心に位置する相対的に大きな直径の輝点と、その周りに一つもしくは複数の輪帯状に位置する相対的に小さな輝点とからなるように、ホログラム素子を形成したことにより、ホログラム素子により分割される輝点のパターンについて優れた画像を再現できる。
【0061】
また、光源が、複数の波長の光を放射することのできる素子もしくは異なる波長を射出する複数の素子からの射出光をビームコンバイナ等により統合した光源であることにより、画像記録媒体上に生成される輝点のパターンを光源の射出光の波長を変えることにより変化させることができる。
【0062】
更に、光集束素子部の入射側の開口部、射出側の光学的開口部又は両方の開口部にマイクロレンズを設けることにより、光源光の利用効率が高まりより高速の画像出力が可能になる。
【0064】
更に、別の発明として、レーザ光を平行光束としたのち回転するポリゴンミラーにより偏向して画像記録媒体上を走査するポリゴンスキャナを用いた光源と画像記録媒体との間であって光源側から順に、基板上に形成された、ポリゴンミラーによりレーザ光が走査される方向に配列され、レーザ光の入射部と対向する位置に射出部を有し、レーザ光の入射部が射出部よりも大きな面積を持つ概ね円錐形状もしくは角錐形状のミラーアレイを用い、光束を集束させる光集束素子部と、ミラーアレイの射出部に設けられた、光学的に透明な微小な開口部が配列されたピンホールアレイからなる光学的開口部と、ピンホールアレイに相対して設けられた凸レンズが配列されたマイクロレンズアレイを用い、光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、マイクロレンズアレイに相対させてホログラム素子をアレイ状に配置して、光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子とを設けたことに特徴がある。よって、光源の一つであるポリゴンスキャナに対して適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る光書込み装置の基本的な構造を示す断面図である。
【図2】複数の輝点を作成する部分の詳細を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施例に係る光書込み装置の基本的な構造を示す断面図である。
【図4】本発明の光書込み装置により光強度が大きい場合の複数のスポットが形成される状況を示す図である。
【図5】本発明の光書込み装置により光強度が小さい場合の単独のスポットが形成される状況を示す図である。
【図6】発光ダイオードアレイ光源に対応した構造の一例を示す図である。
【図7】ポリゴンスキャナに対応した構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
11,21 光集束素子部
12,22 書込み光ビーム
13 開口部
14 光拡散素子部
15 開口部群
16 等倍結像素子
17,26,36 画像記録媒体
23 光学的開口部
24 コリメータ部
25 ホログラム素子
31 発光ダイオードアレイ
32 ミラーアレイ
33 ピンホールアレイ
34 マイクロレンズアレイ
35 ホログラムアレイ
41 ポリゴンスキャナ
42 集光素子アレイ部
43 コリメータ素子アレイ部
44 ホログラムアレイ部
45 感光体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical writing device, and more particularly, an image is obtained by scanning a bright spot by a light beam whose intensity is modulated by decomposing an image into a number of minute pixels on an image recording medium and the like, and sequentially exposing each pixel area. It relates to a writing device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a halftone image is reproduced in an image output apparatus that reproduces an image by scanning a luminescent spot on a photoconductor, such as an electrophotographic printer, a set of finer spots for pixels constituting the image It reproduces as a body and creates changes in density by increasing or decreasing the number of spots. As such examples, there are those described in JP-A-6-133156, JP-A-8-506704, and the like. In these conventional methods, in order to reproduce a smooth halftone, it is necessary to divide the image much finer than the resolution required to reproduce the finest line drawing contained in the image. As an example, when the pixel density necessary for reproducing the line drawing information of the image is 600 dpi (number of dots per inch), the intermediate density area portion in the image, so-called halftone area, In order to realize a gradation property in which a density change of 65 levels is given to one pixel, which is one standard as a smooth gradation, it is necessary to divide one pixel into an 8 × 8 matrix. The writing resolution required for this is 600 × 8 = 4800 dpi. Optical writing with this resolution is not impossible even at present.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a device capable of high resolution is an optical writing device having the highest level of accuracy (state-of-the-art) at present, and is manufactured and used in the development departments and research institutions of manufacturers. However, there are the following various problems in mass production as industrial products and general use.
[0004]
First, since it is necessary to divide the image into extremely fine regions, the time required for image processing calculation is greatly increased. In order to shorten this time, it is necessary to incorporate an electronic computer equipped with a faster processor, which increases the cost of the apparatus. Moreover, at present, a small computer that can be built into an image output device has a limited processing capability, and it is difficult to perform 4800 dpi pixel division within 600 dpi even if a high-speed model is built in. is there.
[0005]
As a second point, since writing with a resolution of 4800 dpi, that is, the width of one pixel is approximately 5 μm, it is necessary to focus the writing light spot to a size of 5 μm or less in the entire writing region. In order to realize such a spot size in a polygon scanner, it is necessary to use an optical system composed of a glass lens with very little birefringence. Polygon scanners using plastic lenses that are currently used mainly in general applications cannot be reduced sufficiently even if the plastic lens birefringence is optimized. Can not. Since an optical system using a glass lens is very expensive compared to a plastic optical system, the cost of the writing device increases.
[0006]
Thirdly, in the case of a polygon scanner, the spot is likely to collapse at the end of the scanning width, so that the deflection angle by the polygon mirror can be made too large in order to make the spot size 5 μm or less at the end of the image. The limit is approximately 50 degrees. On the other hand, a polarization angle of about 100 degrees can be easily realized with a writing resolution of 600 dpi. Due to the small deflection angle, the optical path length becomes very long when writing images of the same size as compared with a low-resolution writing device. Therefore, the image output device becomes large.
[0007]
As a fourth point, in the case of a polygon scanner, the light path is liable to be displaced due to the mechanical distortion of the optical system due to the long optical path, and the variation of the spot position on the photoconductor is relative to the spot size. Must be small enough. In order to keep the distortion of the optical system casing small enough to be negligible with respect to 5 μm, it is necessary to greatly increase the rigidity of the apparatus. As described above, the point that the optical path length becomes longer is added, and the apparatus becomes larger and heavier.
[0008]
As a fifth point, in the case of a print head using an LED array as a light source, the number of LEDs is extremely increased and the cost of the element is increased.
[0009]
As a sixth point, in the case of a four-drum color writing method that is normally used in a high-speed color image output apparatus, the image position shift between the four drums must be made small enough to be ignored with respect to the spot size. With 4800 dpi, only a positional deviation of about 1 μm is allowed, so it is necessary to extremely increase the medium conveyance accuracy. From this point as well, the apparatus becomes larger and heavier and more expensive.
[0010]
As a seventh point, in the case of a four-drum device, since four optical writing devices are used, it is a further serious problem that individual optical writing devices cannot be reduced in size.
In this way, a smooth halftone image can be obtained by dividing a currently used image into sufficiently fine pixels at the electronic information stage and writing the halftone matrix on an image recording medium or the like with a high-definition optical writing device. Depending on the method of creation, it is possible to create an image output device that reproduces smooth halftones without visual problems, but it becomes a large and expensive device, but it is widely used as an industrial product. It is difficult to make it.
[0011]
In addition, since the spot size becomes small, the scanning speed of the light beam has a mechanical limit, the sub-scanning speed decreases by increasing the number of scanning lines, and the image frequency for modulating the light beam is limited. For example, the number of pixels to be written becomes enormous, and therefore, there is a problem that the writing time is greatly increased even when a simple line drawing having no halftone area and no high resolution is output.
[0012]
The present invention is intended to solve these problems, and in an image output apparatus using optical writing, it is possible to generate a halftone image more beautiful than the conventional one at a low cost, and at the same time, only a line drawing having no halftone. An object of the present invention is to provide an optical writing apparatus capable of high-speed output for the above image.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention divides an image into a large number of minute pixels, emits a luminous flux having an intensity corresponding to the density of each pixel from one or a plurality of light sources, and obtains a bright spot by this luminous flux. An image recording medium on which a latent image such as a surface potential change or a chemical change is formed by irradiation with light having a light density greater than or equal to a threshold, or an image having a density change is formed by exposure. An optical writing device for writing an image by sequentially exposing each pixel area to light, and a light focusing element unit for focusing a light beam in order from the light source side between the light source and the image recording medium; A minute optical opening provided at a position where the light beam is converged, a collimator unit that makes the light beam emitted from the optical opening part a substantially parallel light beam, and radiates the light beam by decomposing it in a plurality of directions. Multiple light beams are generally the same A hologram element for focusing on a plane, one of the units arranged to, is characterized in that arranged in the pixel as many array in the main scanning direction. Therefore, a function of dividing a light beam for writing pixels into a large number of minute light beams by optical means before reaching the surface of the image recording medium, and a photosensitive area on the image recording medium exposed by the minute light beam A smooth halftone can be generated by the function of increasing or decreasing the total area of the pixel, that is, the average density of the pixel in the generated image, by changing the intensity of the original light beam. A composite micro-optical element array that divides the light spot to be written into a collection of finer luminescent spots and changes the total area on the image recording medium that is exposed by the divided luminescent spots depending on the intensity of the writing light. An optical writing device having a new structure arranged in the vicinity of the image recording medium can be provided.
[0014]
Further, by providing a protective plate made of a transparent material on the front surface of the image recording medium facing the hologram element, the hologram element can be prevented from being contaminated with fine particles.
[0015]
Furthermore, a bright spot group which is decomposed in a plurality of directions by the hologram element and formed on the image recording medium by each of the converged light beams is a bright spot having a relatively large diameter, which is positioned at the approximate center of one pixel region, By forming the hologram element so as to be composed of relatively small bright spots located around one or more annular zones, an excellent image can be reproduced for the pattern of bright spots divided by the hologram element. .
[0016]
In addition, the light source is generated on an image recording medium by being a light source in which light emitted from an element capable of emitting light of a plurality of wavelengths or a plurality of elements emitting different wavelengths is integrated by a beam combiner or the like. The bright spot pattern can be changed by changing the wavelength of the light emitted from the light source.
[0017]
Furthermore, by providing microlenses in the entrance-side opening, the exit-side optical opening, or both of the openings of the light focusing element section, the utilization efficiency of the light source light is increased and higher-speed image output is possible.
[0019]
Furthermore, as another invention, the laser beam is converted into a parallel light beam, deflected by a rotating polygon mirror, and scanned on the image recording medium between the light source using the polygon scanner and the image recording medium in order from the light source side. The laser beam is arranged on the substrate in the direction in which the laser beam is scanned by the polygon mirror, and has an emission part at a position facing the laser beam incident part, and the laser beam incident part has a larger area than the emission part. A pinhole array in which a light converging element part for converging a light beam and an optically transparent minute opening are arranged in a substantially conical or pyramidal mirror array having And a microlens array in which convex lenses provided opposite to the pinhole array are arranged, and the light beam emitted from the optical opening is roughly A collimator section for forming a luminous flux and a hologram element arranged in an array so as to be opposed to the microlens array, the luminous flux is decomposed and emitted in a plurality of directions, and the plurality of luminous fluxes are generally focused on the same plane. It is characterized in that a hologram element is provided. Therefore, it can be applied to a polygon scanner which is one of the light sources.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order from the light source side between the light source and the image recording medium, a light converging element part for converging the light beam, a minute optical opening provided at a position where the light beam converges, and an emission from the optical opening part A unit in which a collimator unit that converts the luminous flux into a substantially parallel luminous flux, and a hologram element that decomposes and emits the luminous flux in a plurality of directions and focuses the luminous flux on the same plane, They are arranged in the same number of pixels as the number of pixels in the main scanning direction.
[0021]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of an optical writing apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the figure, a writing light beam 12 is condensed on a first minute opening 13 by a light focusing element unit 11 such as a conical mirror to generate one minute light spot. The light emitted from the opening 13 is incident on the light diffusing element 14 and diffused into a limited volume corresponding to one pixel. A plurality of minute light spots are generated from a single light beam for writing one pixel by emitting the diffused light from the second minute aperture group 15 composed of a plurality of minute openings. That is, the light diffusing element portion 14 has a function of making the light density of the divided light beams uniform. Therefore, if the second opening group 15 is formed of openings having various diameters, it is possible to emit light having an intensity corresponding to the diameter. The generated light spots are imaged on the image recording medium 17 by the equal-magnification imaging element unit 16. The image recording medium 17 includes a rewritable recording medium, a recording medium that cannot be rewritten once recorded, a medium such as an image display on which images are continuously written, and the like. It refers to almost all media. Specific examples are images of liquid crystal material layers, organic and inorganic crystal material layers, organic and inorganic amorphous material layers, and the like caused by phase changes or reversible chemical changes caused by exposure to visible light, ultraviolet light, or infrared light. If necessary, the image can be erased by irradiating light of a specific wavelength and intensity, applying a magnetic field of a specific intensity and direction, applying a specific temperature change, etc. It is a so-called photoreceptor such as an image recording medium that can be used repeatedly, an electrophotographic photoreceptor, a black-and-white and color film or a photosensitive paper by silver salt photography, or a recording medium using a photosensitive material by other photochemical reaction. In addition to this, for example, a photoconductive material layer is arranged between the liquid crystal material layer and the drive electrode, and the photoconductive material at the site is irradiated by the write light irradiation to the photoconductive material layer. A display that immediately forms an image with a density change in the middle of the photoconductive effect, such as a liquid crystal display that writes the image by applying an electric field to the liquid crystal layer with the material in a conductive state. Including bowls.
[0022]
FIG. 2 shows details of a portion for creating a plurality of bright spots. The arrangement pattern of the second minute opening group 15 in the figure is shown as an example, and various arrangements can be applied. In this apparatus, the total area of the area to which the image recording medium is exposed can be increased or decreased by changing the light source light quantity. At an intermediate amount of light, the average image density in the pixel can be continuously changed, and smooth gradation can be obtained.
[0023]
The optical writing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1 is equivalent to about 8 times the resolution, that is, about 4800 dpi by using a normal resolution LED array of about 600 dpi, a polygon mirror scanner, and the like. It is possible to write a halftone matrix to an image recording medium, and to reproduce an image with a smooth gradation that could not be realized until then, using a scanning mechanism with a normal resolution that operates inexpensively and stably. I was able to. However, as can be seen from FIG. 1, between the minute optical elements of adjacent pixels, optically opaque is avoided in order to avoid the influence of the light flux at the adjacent position during optical scanning on the exposure amount of other pixels. A partition is required. For this reason, the second opening is not provided near the boundary between the individual elements of the array, and an exposure spot cannot be formed at a position on the image recording medium corresponding to this portion. Therefore, there is a limit to the uniformity when trying to form a screen matrix having a uniform density distribution. In addition, in order to guide light uniformly to each of the second openings, a light diffusing element for diffusing the light is necessary, so there is a slight light loss at this portion, and the light amount of the light source needs to be increased accordingly. It was. In order to increase the writing speed and to enable the application of a light source with a lower output that is less expensive, it is desirable to realize a device that further reduces the loss of light.
[0024]
Therefore, the second embodiment of the present invention is an embodiment for realizing an optical writing apparatus that solves the problems of the first embodiment.
[0025]
FIG. 3 is a sectional view showing the basic structure of an optical writing apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the figure, a writing light beam 22 is condensed on a minute optical opening 23 by a light focusing element portion 21 constituted by a conical mirror or the like to generate a minute light spot. The light beam emitted from the opening 23 is made incident on the collimator unit 24 arranged as necessary. A hologram element having a function of collimating the light emitted from the opening 23 by the collimator unit 24, separating the light beam into a plurality of directions and emitting the light beam, and condensing each light beam on substantially the same plane 25 is incident. The photosensitive surface of the image recording medium 26 is placed on a plane on which the light beam groups emitted from the hologram element 25 are focused.
[0026]
The collimator unit 24 is configured by a convex lens array that makes divergent light from the minute opening 23 substantially parallel. Further, the function of the collimator may be included in the function of the hologram element. Further, the hologram element 25 is formed on both surfaces of the substrate, and the surface close to the light source has a function of a convex lens as a collimator, and the function of separating the light beam into a plurality of light beams on the other surface and the respective light beams are almost on the same plane. You may give the function to condense. In such a structure, it is not necessary to provide a convex lens or the like as the collimator element portion, but the manufacture of the hologram element becomes complicated, so that an optimum structure is selected in each case. Further, the minute optical opening 23 may be actually formed with an opening or a pinhole on a light shielding mask formed on a transparent substrate. The hologram element 25 can be most easily a grating-like element in which parallel linear patterns made of a transparent material having a predetermined thickness and refractive index are repeatedly arranged on a transparent substrate. The linear pattern repeat interval, the refractive index of the transparent material, and the height from the substrate surface are set according to the deflection angle and the wavelength of the light source. In this case, the incident light beam is decomposed into three light beams of zero-order light and positive and negative primary light that are transmitted without being diffracted. If a lattice-like pattern is formed by arranging linear patterns orthogonally, it is decomposed into a total of five luminous fluxes of zero-order light and positive and negative primary light decomposed in two orthogonal directions. In order to focus these light beams on the image recording medium, the pitch of the diffraction pattern and the like are smoothly changed from the center to the outer periphery of the hologram element. In order to form an arbitrary arrangement pattern in the form of an image recording medium, a necessary diffraction pattern is calculated from an intensity pattern on the hologram element of each light beam by an electronic computer, and the hologram element is provided on the surface. Use a hologram element created by determining the refractive index distribution if the pattern is formed by a diffraction grating made of a transparent material, or if the hologram element is formed by a refractive index distribution provided in the substrate. . As a calculation procedure by an electronic computer, a bright spot array generated for a simple pattern is obtained based on the optical principle, and various patterns with slight changes in pattern interval, pattern shape, etc. are assumed from this. A procedure can be used in which the generated bright spots are calculated and repeated until the desired bright spot arrangement is achieved.
[0027]
In the optical writing apparatus of the second embodiment having such a configuration, there is no need for a portion that blocks light such as a partition between adjacent pixels, so that no region where a bright spot is not provided on the image recording medium does not occur. Therefore, it is possible to reproduce a halftone region having a more uniform density distribution as compared with the first embodiment. Further, since no light diffusing element is used, the incident light source light can be used effectively and the amount of light irradiated onto the image recording medium can be increased. Therefore, the optical writing apparatus of the first embodiment is improved, and an advantage that an image can be output at a higher speed than before can be obtained by an inexpensive apparatus. Further, since the optical writing apparatus of the second embodiment basically does not require the same magnification imaging element, there is an advantage that it is possible to provide an image output apparatus having a lower cost.
[0028]
Next, the halftone generation function of the optical writing device of the present invention will be described in detail. In the apparatus of the present invention, the pattern generated by the intensity of the writing light beam is changed according to the image density by devising the pattern of the bright spot group formed on the image recording medium with the light beam decomposed by the hologram element. be able to. For the sake of simplicity, a case will be described where a hologram element is used in which four bright spots having a relatively small diameter are generated around one relatively large bright spot.
[0029]
The shape of the light spot irradiated onto the image recording medium by this optical writing device is as shown in the characteristic diagram of FIG. 4A when the intensity of the writing light beam is sufficiently large. In this characteristic diagram, the horizontal axis indicates the position on the straight line where the light spots are arranged with the position of the 0th-order light as the center, and the vertical axis indicates the light intensity on an arbitrary scale. If the image generation process is set so that a region irradiated with light with a light density equal to or higher than the light density indicated by the horizontal line in the characteristic diagram is exposed, the output pixel pattern is as shown in FIG. Thus, it is possible to generate a screen pattern as generated by a screen matrix by image processing from a light beam for writing one pixel.
[0030]
Next, a state when the light intensity of the writing light beam is reduced will be described. The shape of the light spot irradiated onto the image recording medium by this optical writing device is as shown in the characteristic diagram of FIG. 5A when the intensity of the writing light beam is small. In this characteristic diagram, the horizontal axis indicates the position on the straight line where the light spots are arranged with the position of the 0th-order light as the center, and the vertical axis indicates the light intensity on an arbitrary scale. If the image generation process is set so that a region irradiated with light with a light density equal to or higher than the light density indicated by the horizontal line in the characteristic diagram is exposed, the output pixel pattern is as shown in FIG. Thus, one minute dot pattern is generated from the light beam for writing one pixel.
[0031]
In the state in which the two intermediate light quantities are irradiated, the diameter of the light spot that surrounds the light gradually changes, and the average density of the pixel region continuously changes. Therefore, a smooth halftone portion is formed.
[0032]
In the above description, for the sake of simplicity, the case of a simple pattern of bright spot arrangement has been shown. However, when an optical writing light source of 600 dpi, which is a normal resolution, is used, the interval is about 42.3 μm. It is not difficult to set the diameter of the condensed bright spot to a diameter of about 2 μm when a light source having a wavelength of about 670 nm is used. Therefore, since many minute bright spots can be individually irradiated in one pixel area on one image recording medium, a fine screen pattern that cannot be visually recognized can be generated. It is recognized as a smooth halftone. At this time, unlike when the screen pattern is actually written on the image recording medium by an optical writing device with high resolution, it is not possible to write a line image with the maximum resolution that can be separated by separate small spots. This is because in the optical writing device of the present invention, the pixels of the optical writing device having a normal level of resolution are decomposed into small writing spots. However, in practice, most line drawing images that are routinely used can be reproduced with a resolution of about 600 dpi, which is a normal resolution. In other words, even if a line drawing is drawn with a resolution higher than this, it cannot be recognized as a separated line or point unless it is carefully taken with the naked eye, and it is meaningless except for a very special purpose. However, the reason why an optical writing device of 600 dpi or more is required is that the density gradation of the image needs to be written with a screen pattern that cannot be visually recognized. For this reason, the conventional optical writing apparatus is required to have a very high-precision manufacturing technique and is high in cost. Even so, it cannot be said that it is sufficient for smooth halftone reproduction. In contrast, the optical writing apparatus of the present invention can generate a screen pattern fine enough to be visually undetectable while using an optical writing light source with a normal resolution. Based on a normal resolution optical writing light source that can be manufactured at a low cost, it is possible to reproduce a smooth halftone that could not be generated conventionally.
[0033]
Further, in the optical writing device of the present invention, since the hologram element is disposed in the vicinity of the image recording medium, it is not so clean that a large number of fine particles such as toner float as in the case where the image recording medium is an electrophotographic photosensitive member. In the environment, fine particles may adhere to the hologram element, reducing its diffraction efficiency or generating scattered light, which may adversely affect the written image. In order to prevent such an adverse effect, a transparent protective plate for isolating the space is provided in front of the image recording medium, and the hologram element is formed on the surface of the protective plate facing the image recording medium. According to such a structure, the surface on the image recording medium side of the protective plate can be made smooth, so that fine particles do not adhere easily, and even if it adheres, it can be wiped off with a soft cloth so that the user can clean it. It is easy and can maintain high image quality.
[0034]
Further, in the optical writing apparatus of the present invention, the arrangement of bright spots decomposed by the hologram element and condensed on the medium greatly affects the performance, and various experiments were conducted on this point to search for a desirable arrangement. As a result, it consists of a bright spot with a relatively large diameter arranged at the center of the pixel area and bright spots arranged around one or more ring zones around it. It has been found that if the bright spot belonging to a certain annular zone is made to have a relatively small diameter, the average density change in the pixel region becomes smooth and excellent halftone reproducibility is realized.
[0035]
Further, a light source capable of emitting light of various different wavelengths in the apparatus of the present invention is used for an image recording medium capable of outputting a single color even if the wavelength of the writing light is different, such as an electrophotographic photosensitive member. If the hologram element has a function to change the direction of splitting the light beam according to the wavelength, the halftone screen pattern generated on the image recording medium can be electrically changed by controlling the wavelength of the light source. Further, a highly functional optical writing device can be realized. For example, a near-infrared laser element is used as a light source having a relatively long wavelength, and a blue laser element is used as a light source having a relatively short wavelength, and the emitted light is matched by a beam combiner to produce blue light as writing light source light. On the other hand, the hologram element has a function of decomposing a light beam at an angle larger than that of red light. With this device, line images that do not require halftones are written with red light, and halftone areas are written with blue light. In addition, since the bright spots are largely dispersed in the halftone region, an intermediate density with good uniformity can be reproduced. According to such a configuration, the image quality can be improved because an image can be written with an appropriate bright spot according to each image characteristic as compared with the case where the light amount of the light source is simply modulated.
[0036]
Further, if a microlens is formed in the entrance-side opening and / or the exit-side opening of the light focusing element, the use efficiency of the writing light beam is increased, and the image recording speed can be increased. However, since the corresponding manufacturing cost is added, there is no need to provide a microlens unless particularly necessary.
[0037]
Further, in the optical writing device of the present invention, since the light beam is condensed by a hologram element having a width of approximately 40 μm or less, the distance from the hologram element to the image plane, that is, the working distance cannot be made too long. About 1 mm is a range in which good light collecting performance can be maintained. Depending on the usage of the optical writing device, a larger working distance may be required. In such a case, the above-described optical writing apparatus has a structure in which the same-magnification imaging element is arranged in focus on the image plane. According to such a structure, a long working distance can be obtained. As the unity imaging element here, almost all the unitary imaging elements that are normally used can be used. For example, a lens array in which a large number of refractive index distribution type fiber-shaped equal-magnification imaging lenses are arranged in a straight line, for example, a Selfoc lens array manufactured by Micro-Opt Co., Ltd. For example, a roof mirror lens array manufactured by Ricoh Co., Ltd. can be used.
[0038]
Next, the configuration of an actual optical writing apparatus corresponding to various optical writing light sources will be described.
One common light source for optical writing is a light-emitting diode array. FIG. 6 shows the configuration of the apparatus of the present invention against this. Since the light emitting diode array 31 is an array of individual light emitting regions arranged at the same density as the required resolution, the light writing light source is used as a light focusing element unit for focusing the light flux. A mirror array 32 having a spherical, hemispherical, super hemispherical, conical shape or the like having an emission part provided at the top and facing the light emitting region, and a fine optical opening provided in the emission part of the mirror array 32 A pinhole array 33, a convex lens microlens array 34 provided as a collimator portion relative to the pinhole array 33, and a hologram array 35 in which hologram elements provided relative to the microlens array 34 are arranged are used. The configuration was as follows. Any light source can be used as long as a minute light emitting area is arranged in an array. In addition to a light emitting diode array, a field emission type that operates in a minute low pressure space. An array light source in which a phosphor is caused to emit light by an electron source, an array light source of an electroluminescence light emitting element, and the like can also be used.
[0039]
Next, FIG. 7 shows the configuration of the optical writing apparatus of the present invention when a polygon scanner which is another general writing light source is used. This apparatus is mainly suitable for optical writing on an electrophotographic photosensitive member. In order to realize the optical writing device having this configuration, the light converging element array section 42 formed on the substrate may be provided at the light beam converging position of the polygon scanner 41 on which the photosensitive member is normally arranged. The other configuration is the same as that of the light emitting diode array described above with respect to the light source. According to this configuration, since writing by the polygon scanner requires a new optical element array that is conventionally unnecessary, the apparatus is complicated and it seems that there is no advantage. However, the polygon scanner used in the optical writing apparatus of the present invention may have a low optical accuracy. From this point, the overall cost can be reduced as compared with the conventional optical writing apparatus using a high-precision polygon scanner. It becomes possible. More specifically, in order to perform high-resolution optical writing using only a polygon scanner as in the prior art, the deviation of the light beam trajectory on the photosensitive member from the straight line must be reduced to such an extent that the resolution does not become a problem. I must. For example, at the time of optical writing at 2400 dpi, the scanning line interval is about 10 μm, so the trajectory of the light beam must be within a width with a positional deviation of ± 1 μm or less, which is approximately 1/5 of that. For this reason, it is required to reduce the birefringence in the optical system, to make the refractive index distribution extremely small, and to thoroughly reduce the distortion and vibration of the casing that cause the displacement of the light beam, resulting in high costs. For these reasons, the polygon scanner is approaching its limit in terms of increasing the resolution. On the other hand, since the polygon scanner used in the optical writing device of the present invention only needs to scan so that light enters a conical mirror or the like that is a light focusing element, a considerable positional deviation is allowed. For example, when a micro optical element array arranged at a density of 600 dpi is used and the light focusing element is a conical mirror, the light source side diameter of one conical mirror can be expanded to about 42 μm. When scanning with a polygon scanner, it is sufficient that a light beam is incident on the polygon scanner. Therefore, if the focused spot has a diameter of about 30 μm, a positional deviation of ± 6 μm is allowed. Further, if the conical mirror of the light focusing element has an opening with an ellipse having a long diameter in the direction perpendicular to the direction in which the light beam is scanned, that is, in the sub-scanning direction, a larger positional deviation is allowed. Can do. Due to such features, the polygon scanner used here does not require high-precision scanning accuracy and may be an inexpensive unit. Further, in the optical writing device of the present invention, if the positional deviation between the hologram element array and the photosensitive member is suppressed to be small, the positional deviation of the writing of the image does not occur. There is no need to manufacture the entire housing for holding the optical elements of the polygon scanner as in the case of a writing device using a polygon scanner. For these reasons, although an optical element array is added to increase the apparent number of parts, the overall cost is greatly reduced and generated compared to a conventional optical writing device using a high-resolution polygon scanner. Since the fineness of the halftone dots can be made as fine as previously difficult, it is possible to reproduce the halftone with a smoothness higher than that of the conventional case.
[0040]
Next, a color image forming apparatus using the optical writing device of the present invention will be described. A color image is color-separated into YMCK (yellow, magenta, cyan, black) or RGB (red, green, blue), and each color is separated. In a color image output device for writing a color image sequentially by means of an optical writing device for writing, or for writing each color separately on an image recording medium etc. If the screen patterns forming the halftones of the respective colors are not overlapped with each other, the respective colors are not easily masked, so that an image with higher saturation can be reproduced. In the case of an image output device using a plurality of the above-described optical writing devices, this can be realized extremely simply as follows. That is, the position of the pattern arrangement or the angle of arrangement of the bright spot patterns of the YMCK or RGB optical writing devices is set so that the centroids of the individual patterns do not overlap each other between the YMCK or RGB colors. What is necessary is just to provide by shifting. In a conventional electrophotographic apparatus or the like, when a screen pattern is generated, the degree of overlap is reduced by calculating by changing the inclination angle or the like in each color. This caused an increase in calculation time for image processing. However, in the case of an image output device using the optical writing device of the present invention, a hologram array having a specific arrangement of the bright spot patterns of the optical writing device of each color is used. By using it, it is possible to reproduce a color image with less color turbidity without overlapping dots of each color without performing special image processing or the like.
[0041]
Next, an experimental example to which the embodiment of the present invention is applied and a corresponding comparative example are shown.
[0042]
[Experiment 1]
An optical writing device using a light-emitting diode array as a light source was prepared, and a color image output device using this for writing each color of YMCK was manufactured. The optical writing element was prepared by the following procedure.
[0043]
First, a conical mirror array of the light focusing element portion was formed on the light emitting diode array by the following procedure. The quartz glass substrate was polished to a thickness of 40 μm, attached to a glass plate with good flatness with a thermoplastic resin, and a photoresist was applied on the quartz glass substrate. The photoresist used was 0FPR8600 manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. with a viscosity adjusted to 200 cp, and was applied by spin coating so as to have a thickness of 3 μm. The photoresist film is pre-baked under the conditions described in the data sheet, and then exposed through a photomask in which circular openings having a diameter of 20 μm are linearly arranged at a pitch of 42.3 μm (600 dpi), and normal development and rinsing steps are performed. Then, a resist mask having the same shape as the photomask pattern was formed. The back surface and the periphery were masked so that the glass plate as a substrate was not attacked by the etching solution, and etching was performed in a dilute hydrofluoric acid solution. The etching time was determined by observing the time when the quartz glass substrate penetrated to form an opening having a diameter of 5 μm and the glass plate of the substrate was exposed. An array in which tapered openings having an upper diameter of 40 μm and a lower diameter of 5 μm were linearly arranged at a pitch of 42.3 μm was obtained by utilizing the enlargement of the upper diameter by undercutting. The taper shape was controlled by adjusting the temperature of the etching solution, the concentration of hydrofluoric acid, and the frequency of stirring. Next, the etching mask was removed as it was affixed to the glass plate to be the base, and gold was deposited on the quartz glass substrate to a thickness of 7000 mm using a vacuum deposition apparatus. After that, a dicing saw is used to cut the mirror array into strips, the glass plate is heated to remove the strip-shaped quartz glass substrate, washed with an organic solvent, and the thermoplastic resin used for pasting is removed. The strip-shaped glass substrate on which the conical mirror array was formed was completed. The mirror array substrate is attached to a 600 dpi light-emitting diode array, the center of the light-emitting area and the small opening is aligned, and the large opening is bonded to the substrate surface of the light-emitting diode array with a thermosetting resin, so that the conical mirror is small. One of the openings was used as a minute opening.
[0044]
Next, a microlens array serving as a collimator element portion was prepared by the following procedure. The quartz glass substrate was polished to a thickness of 200 μm, attached to a glass plate with good flatness with a thermoplastic resin, and a photoresist was applied onto the quartz glass. As the photoresist, 0FPR8600 (viscosity 300 cp) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was used, and was applied by spin coating so as to have a thickness of 4 μm. After pre-baking the photoresist film, a circular pattern having a diameter of 40 μm is exposed through a photomask arranged in a straight line at a pitch of 42.3 μm (600 dpi), and subjected to normal development and rinsing processes, and then has the same shape as the photomask pattern. A cylindrical resist film was formed. Next, this sample was placed in a clean oven at 150 ° C. for 30 minutes, and a cylindrical photoresist film was fluidized to change into a convex lens shape. At this time, the height of the convex shape was 4.5 μm. The substrate provided with the convex resin pattern was etched from the surface provided with the resin pattern using an ECR dry etching apparatus, and the shape was engraved on the surface of the quartz glass substrate. Etching conditions are substrate temperature −40 ° C., microwave (2.54 GHz) power 670 W, ECR ion source coil current 19 A, substrate bias high frequency (13.56 MHz) power 450 W, and the etching gas and its supply amount are CHF 3: flow rate 15 SCCM, 02: The flow rate was 1.5 SCCM. The reaction pressure in the etching chamber was set to 0.013 Pa by controlling the opening degree of the variable orifice provided in the exhaust apparatus of the dry etching apparatus. Under these conditions, the etching rate of quartz glass was 120 nm / min, and the etching rate of the resin film was approximately 140 nm / min. Etching was performed until the resin pattern was completely etched under these conditions. The lens height transferred onto the surface of the quartz glass wafer was 2.9 μm. Like the mirror array, after cutting into a strip shape, the microlens array is separated, and the center of the opening and the center of the microlens are aligned so that the upper surface of the mirror array above the light emitting diode array chip is made of UV curable resin. Glued.
[0045]
Next, a hologram array was prepared by the following procedure. The quartz glass substrate was polished to a thickness of 100 μm, attached to a glass plate with good flatness with a thermoplastic resin, and a photoresist was coated on the quartz glass. As the photoresist, 0FPR8600 (viscosity 20 cp) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was used, and was applied by spin coating so as to have a thickness of 0.3 μm. After pre-baking this photoresist film, it was exposed through a photomask on which a hologram pattern was created and subjected to normal development and rinsing steps to form a resist film having the same shape as the photomask pattern.
[0046]
Next, this sample was placed in a clean oven at 130 ° C. for 30 minutes and post-baked. This substrate was etched from the surface provided with the resin pattern using an ECR dry etching apparatus, so that the shape was engraved on the surface of the quartz glass substrate. Etching conditions are substrate temperature −40 ° C., microwave (2.54 GHz) power 670 W, ECR ion source coil current 19 A, substrate bias high frequency (13.56 MHz) power 450 W, and the etching gas and its supply amount are CHF 3: flow rate 15 SCCM, 02: The flow rate was 1.5 SCCM. The reaction pressure in the etching chamber was set to 0.013 Pa by controlling the opening degree of the variable orifice provided in the exhaust apparatus of the dry etching apparatus. The hologram pattern forms a lattice-like pattern in which patterns that are decomposed into three light beams of zero-order light and positive and negative primary light that are transmitted without being diffracted by the incident light beam are formed in a total of five patterns. It was supposed to be decomposed into luminous flux. In order to focus these light beams on the image recording medium, the pitch of the diffraction pattern was smoothly changed from the center to the outer periphery of the hologram element. This hologram was made into a hologram array in which a size of 42.3 μm × 42.3 μm was linearly arranged. The glass substrate engraved with the hologram array was cut out in the same manner as the mirror array, washed, and loaded onto the microlens array. At this time, a spacer is sandwiched around the substrate so that the convex portion of the microlens does not come into contact with the hologram array substrate, the surface on which the hologram is formed by the ultraviolet curable resin is directed toward the light emitting diode array, and the opening portion and the hologram pattern The optical writing device was completed by bonding with the centers aligned. Since this writing apparatus generates a 3 × 3 pattern for one pixel, halftone reproduction corresponds to an optical writing apparatus of 1800 dpi. This was mounted on a copying machine in which a YMCK image was formed on a transfer belt by an independent photoconductive drum, transferred to a plain paper, and fixed, and a test pattern with a continuously changing density was output.
[0047]
[Comparative Example 1]
The copying machine used in Experimental Example 1 was equipped with a light-emitting diode array with a resolution of 1800 dpi and output the same test pattern.
[0048]
These output images were compared and evaluated. The evaluation was performed by visually evaluating the manufacturing cost of the equipment and the reproduced halftone image. The results are shown in Table 1 below.
[0049]
[Table 1]
Figure 0004091212
[0050]
In this image evaluation result, when the high-resolution light emitting diode array is used, the result of the evaluation is poor. In the light emitting diode array, the light emitting diode array generally has a slight unevenness in the manufacturing process. In this case, the light emission amount is corrected by current correction. However, in the high-resolution light emitting diode array, the light emission region is extremely small. This is thought to be due to the fact that fluctuations in the amount of light due to unevenness cannot be corrected sufficiently. In contrast, the image output device using the optical writing element of the present invention can use a low-resolution light-emitting diode array with stable characteristics, so that an image with less unevenness can be obtained and a high-resolution light-emitting diode array is used. As a result, a halftone screen was generated with the same fineness as the case, and a good image was obtained.
[0051]
[Experiment 2]
An optical writing device having a configuration shown in claim 4 using a polygon scanner as a light source was produced, and a color image output device was produced which used this for writing each color of YMCK. The optical writing element was prepared by the following procedure.
[0052]
First, SLA12D manufactured by Micro-Opt Co., Ltd. was used as the equal magnification imaging element, and a glass plate having a width of 10 mm was prepared by polishing both surfaces flatly and having a thickness of 4 mm equal to the working distance of SLA12D. A hologram array substrate prepared by the same method as in Example 1 was bonded to the surface of the glass plate opposite to the SLA with an ultraviolet curable resin. Further, in the same manner as in Experimental Example 1, a microlens array substrate and a mirror array substrate were prepared, and were superposed and bonded on the hologram array substrate to form a main unit of the writing apparatus. This was incorporated into the same copying machine as in Experimental Example 1, and a test pattern with a continuously changing density was output by applying scanning light from a polygon scanner to the mirror array section. The polygon scanner used is an inexpensive one adapted to a resolution of 600 dpi, but this writing device generates a 3 × 3 pattern for one pixel, so halftone reproduction corresponds to an optical writing device of 1800 dpi.
[0053]
[Comparative Example 2]
The copying machine used in Experimental Example 1 was equipped with a polygon scanner with a resolution of 2400 dpi, and the same test pattern was output.
[0054]
These output images were compared and evaluated. Evaluation was made by comparing the manufacturing cost of the device and the volume of the device. The results are shown in Table 2 below. The reproduced halftone images were comparable when visually evaluated.
[0055]
[Table 2]
Figure 0004091212
[0056]
The image output apparatus using the optical writing element of the present invention can use a stable and inexpensive polygon scanner, so that the cost is low and the deflection angle of the polygon scanner can be increased, so that the apparatus can be downsized.
[0057]
In addition, this invention is not limited to the said Example, It cannot be overemphasized that various deformation | transformation and substitution are possible if it is described in a claim.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an image is divided into a large number of minute pixels, a light beam having an intensity corresponding to the density of each pixel is emitted from one or a plurality of light sources, and a bright spot by this light beam is obtained. An image recording medium on which a latent image such as a surface potential change or a chemical change is formed by irradiation with light having a light density greater than or equal to a threshold, or an image having a density change is formed by exposure. An optical writing device for writing an image by sequentially exposing each pixel area to light, and a light focusing element unit for focusing a light beam in order from the light source side between the light source and the image recording medium; A minute optical opening provided at a position where the light beam converges, a collimator that converts the light beam emitted from the optical opening into a substantially parallel light beam, and radiates the light beam by decomposing it in a plurality of directions. Multiple light beams are generally the same A hologram element for focusing on a plane, one of the units arranged to, is characterized in that arranged in the pixel as many array in the main scanning direction. Therefore, a function of dividing a light beam for writing pixels into a large number of minute light beams by optical means before reaching the surface of the image recording medium, and a photosensitive area on the image recording medium exposed by the minute light beam A smooth halftone can be generated by the function of increasing or decreasing the total area of the pixel, that is, the average density of the pixel in the generated image, by changing the intensity of the original light beam. A composite micro-optical element array that divides the light spot to be written into a collection of finer luminescent spots and changes the total area on the image recording medium that is exposed by the divided luminescent spots depending on the intensity of the writing light. An optical writing device having a new structure arranged in the vicinity of the image recording medium can be provided.
[0059]
Further, by providing a protective plate made of a transparent material on the front surface of the image recording medium facing the hologram element, the hologram element can be prevented from being contaminated with fine particles.
[0060]
Furthermore, a bright spot group which is decomposed in a plurality of directions by the hologram element and formed on the image recording medium by each of the converged light beams is a bright spot having a relatively large diameter, which is positioned at the approximate center of one pixel region, By forming the hologram element so as to be composed of relatively small bright spots located around one or more annular zones, an excellent image can be reproduced for the pattern of bright spots divided by the hologram element. .
[0061]
In addition, the light source is generated on an image recording medium by being a light source in which light emitted from an element capable of emitting light of a plurality of wavelengths or a plurality of elements emitting different wavelengths is integrated by a beam combiner or the like. The bright spot pattern can be changed by changing the wavelength of the light emitted from the light source.
[0062]
Furthermore, by providing microlenses in the entrance-side opening, the exit-side optical opening, or both of the openings of the light focusing element section, the utilization efficiency of the light source light is increased and higher-speed image output is possible.
[0064]
Furthermore, as another invention, the laser beam is converted into a parallel light beam, deflected by a rotating polygon mirror, and scanned on the image recording medium between the light source using the polygon scanner and the image recording medium in order from the light source side. The laser beam is arranged on the substrate in the direction in which the laser beam is scanned by the polygon mirror, and has an emission part at a position facing the laser beam incident part, and the laser beam incident part has a larger area than the emission part. A pinhole array in which a light converging element part for converging a light beam and an optically transparent minute opening are arranged in a substantially conical or pyramidal mirror array having And a microlens array in which convex lenses provided opposite to the pinhole array are arranged, and the light beam emitted from the optical opening is roughly A collimator section for forming a luminous flux and a hologram element arranged in an array so as to be opposed to the microlens array, the luminous flux is decomposed and emitted in a plurality of directions, and the plurality of luminous fluxes are generally focused on the same plane. It is characterized in that a hologram element is provided. Therefore, it can be applied to a polygon scanner which is one of the light sources.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic structure of an optical writing device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing details of a portion for creating a plurality of bright spots.
FIG. 3 is a sectional view showing a basic structure of an optical writing device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a plurality of spots are formed when the light intensity is high by the optical writing device of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a situation where a single spot is formed when the light intensity is low by the optical writing device of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a structure corresponding to a light emitting diode array light source.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a structure corresponding to a polygon scanner.
[Explanation of symbols]
11, 21 Light focusing element
12,22 Writing light beam
13 opening
14 Light diffusing element
15 Openings
16 1x imaging element
17, 26, 36 Image recording medium
23 Optical aperture
24 Collimator section
25 Hologram element
31 Light emitting diode array
32 mirror array
33 pinhole array
34 Micro lens array
35 Hologram array
41 polygon scanner
42 Condensing element array part
43 Collimator element array
44 Hologram array section
45 photoconductor

Claims (6)

画像を多数の微小な画素に分割し、一つもしくは複数の光源から各画素の濃度に対応した強度の光束を射出し、当該光束による輝点を、閾値以上の光量密度の光が照射されることにより、感光して表面電位変化や化学的変化等の潜像が形成される、又は感光して濃度変化を持つ画像が形成される画像記録媒体の上に走査して、各画素領域を順次感光させることにより画像を書込む光書込み装置において、
前記光源と前記画像記録媒体との間であって光源側から順に、
光束を集束させる光集束素子部と、
光束が集束する位置に設けられた微小な光学的開口部と、
該光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、
光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子と、
を配列された一つのユニットを、主走査方向に画素数と同数のアレイ状に配置したことを特徴とする光書込み装置。
The image is divided into a large number of minute pixels, and a light beam having an intensity corresponding to the density of each pixel is emitted from one or a plurality of light sources. As a result, a latent image such as a surface potential change or a chemical change is formed by exposure to light or scanned on an image recording medium on which an image having a change in density is formed by exposure. In an optical writing device that writes an image by exposing it to light,
In order from the light source side between the light source and the image recording medium,
A light focusing element for focusing the light beam;
A minute optical opening provided at a position where the light beam is focused,
A collimator unit that converts the light beam emitted from the optical aperture into a substantially parallel light beam;
A hologram element that decomposes and emits a light beam in a plurality of directions and focuses the light beams substantially on the same plane;
An optical writing apparatus characterized in that one unit arranged in an array is arranged in the same number as the number of pixels in the main scanning direction.
前記ホログラム素子と対向する前記画像記録媒体の前面に透明材料からなる保護板を設けた請求項1記載の光書込み装置。  2. The optical writing apparatus according to claim 1, wherein a protective plate made of a transparent material is provided on the front surface of the image recording medium facing the hologram element. 前記ホログラム素子により複数の方向に分解され、それぞれ集束された光束により画像記録媒体上に形成される輝点群が、一画素領域の概ね中心に位置する相対的に大きな直径の輝点と、その周りに一つもしくは複数の輪帯状に位置する相対的に小さな輝点とからなるように、前記ホログラム素子を形成した請求項1又は2に記載の光書き込み装置。  A bright spot group which is decomposed in a plurality of directions by the hologram element and formed on the image recording medium by each focused light beam is a bright spot having a relatively large diameter located at the approximate center of one pixel region, The optical writing device according to claim 1, wherein the hologram element is formed so as to be composed of relatively small bright spots located around one or a plurality of annular zones. 前記光源が、複数の波長の光を放射することのできる素子もしくは異なる波長を射出する複数の素子からの射出光をビームコンバイナ等により統合した光源である請求項1〜3のいずれか1項に記載の光書込み装置。  4. The light source according to claim 1, wherein the light source is a light source obtained by integrating light emitted from an element capable of emitting light of a plurality of wavelengths or a plurality of elements emitting different wavelengths by a beam combiner or the like. The optical writing device described. 前記光集束素子部の入射側の開口部、射出側の光学的開口部又は両方の開口部にマイクロレンズを設ける請求項1〜4のいずれか1項に記載の光書込み装置。  5. The optical writing device according to claim 1, wherein microlenses are provided in an entrance-side opening, an exit-side optical opening, or both openings of the light focusing element unit. 6. 画像を多数の微小な画素に分割し、一つもしくは複数の光源から各画素の濃度に対応した強度の光束を射出し、当該光束による輝点を、閾値以上の光量密度の光が照射されることにより、感光して表面電位変化や化学的変化等の潜像が形成される、又は感光して濃度変化を持つ画像が形成される画像記録媒体の上に走査して、各画素領域を順次感光させることにより画像を書込む光書込み装置において、
レーザ光を平行光束としたのち回転するポリゴンミラーにより偏向して画像記録媒体上を走査するポリゴンスキャナを用いた前記光源と前記画像記録媒体との間であって光源側から順に、
基板上に形成された、ポリゴンミラーによりレーザ光が走査される方向に配列され、レーザ光の入射部と対向する位置に射出部を有し、レーザ光の入射部が射出部よりも大きな面積を持つ概ね円錐形状もしくは角錐形状のミラーアレイを用い、光束を集束させる光集束素子部と、
記ミラーアレイの射出部に設けられた、光学的に透明な微小な開口部が配列されたピンホールアレイからなる光学的開口部と、
前記ピンホールアレイに相対して設けられた、凸レンズが配列されたマイクロレンズアレイを用い、前記光学的開口部より射出した光束をおおむね平行な光束とするコリメータ部と、
前記マイクロレンズアレイに相対させてホログラム素子をアレイ状に配置して、光束を複数の方向へ分解して放射すると共に複数の光束をおおむね同一の平面上に集束させるホログラム素子とを設けたことを特徴とする光書込み装置。
The image is divided into a large number of minute pixels, and a light beam having an intensity corresponding to the density of each pixel is emitted from one or a plurality of light sources. As a result, a latent image such as a surface potential change or a chemical change is formed by exposure to light or scanned on an image recording medium on which an image having a change in density is formed by exposure. In an optical writing device that writes an image by exposing it to light,
In order from the light source side between the light source and the image recording medium using a polygon scanner that scans the image recording medium by deflecting the laser beam with a parallel light beam after being deflected by a rotating polygon mirror ,
The laser beam is arranged in the direction in which the laser beam is scanned by the polygon mirror formed on the substrate, and has an emission part at a position facing the laser beam incident part. The laser beam incident part has a larger area than the emission part. Using a generally conical or pyramid-shaped mirror array having a light focusing element unit that focuses a light beam,
Provided on the exit portion of the front you Raarei, an optical aperture optically transparent small opening is made from the pinhole array arranged,
Using a microlens array in which convex lenses are arranged, which is provided in opposition to the pinhole array, and a collimator unit configured so that a light beam emitted from the optical aperture is a substantially parallel light beam;
A hologram element is arranged in an array so as to be opposed to the microlens array, and a hologram element that decomposes and emits a light beam in a plurality of directions and focuses the plurality of light beams almost on the same plane is provided. A characteristic optical writing device.
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