JP4436907B2 - 光ファイバ結合光学装置およびそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザから出射されたレーザ光を光ファイバに導く光学装置に関する。

半導体レーザ（以下ＬＤと称する）から出射するレーザ光の光出力は、駆動電流が一定であれば環境温度変化により大きく変動する。このためレーザ光の光出力を一定に保つためには、レーザ光の光出力を検出してレーザ駆動電流にフィードバックさせることが不可欠である。従来のＬＤとしては、図６に示すようなパッケージで供給されるＬＤ１２３が知られている。ＬＤチップ１１１はヒートシンク１１３に接着されており、端子１０７から供給される電気信号によりレーザ光はＬＤチップ１１１の窓側端面から窓１１４を透過して出射する。レーザ光はＬＤチップ１１１の反対側の裏側端面からも出射し、その光出力は内蔵光検知器１１２で検出され、端子１０７から電気信号として出力される。内蔵光検知器１１２で検出された光出力信号はＬＤ駆動回路（図示せず）に入力され、ＬＤ１２３の光出力を一定に保つためのフィードバック信号として使われる。

ところで、ＬＤを高出力化するためには、レーザ光が出射するＬＤチップ１１１の窓側端面の反射率をコーティングにより下げ（即ち透過率を向上させ）、裏側端面の透過率を下げることが行われる。このため、内蔵光検知器１１２が検知する光強度が非常に小さくなり、十分な光検知信号が得られなくなる。従って、このような高出力タイプのＬＤでは、光検知器を内蔵しないものがある。

図７は、このような内蔵光検知器を持たないＬＤ１０３を備え、光記録装置などの光学装置にレーザ光を導く従来の半導体レーザ光学装置１０１を示している。半導体レーザ光学装置１０１では、内蔵光検知器を持たないＬＤ１０３から出射された光をレンズ１０４によって光ファイバ１０５に導き、光ファイバ１０５からの出射光をレンズ１０８Ａにより平行光Ｃ１に変換している。レーザ光が入射する光ファイバ１０５の光入射面１０５ａは斜めにカットされている。これは、光入射面１０５ａで反射した光がＬＤ１０３に戻ると、ＬＤ１０３の動作が不安定となって光出力変動を引き起こすので、反射光がＬＤ１０３に戻ることを防止するためである。

また、半導体レーザ光学装置１０１では、ＬＤ１０３に光検知器が内蔵されていない。そこで、光ファイバ１０５から出射してレンズ１０８Ａにより平行光にされた平行光Ｃ１をビームスプリッタ１０９で分割して、反射光Ｃ２と透過光Ｃ３を得ている。反射光Ｃ２はレンズ１０８Ｂにより絞り込まれ、その光の強度がモニタ光検知器１１０により検出される。すなわち、分割させて取り出した光の検出信号をＬＤ駆動回路（図示せず）にフィードバックすることにより光出力を安定化している。

しかし、図７に示される半導体レーザ光学装置１０１では、モニタ光検知器１１０の光検出に十分な光強度を確保しようとすると、本来必要とされる透過光Ｃ３の光強度が小さくなってしまう。よって、透過光Ｃ３を利用する後段の光学装置が十分な性能を実現することが困難であった。

そこで、本発明は、内蔵光検知器を有しない半導体レーザからのレーザ光を光ファイバに導く光学装置において、環境温度の変動があっても光出力変動がなく、従って安定した動作が可能な光学装置を、低コスト、省スペース、高い光利用効率で提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を集光するレンズと、該集光されたレーザ光が入射する入射端面を有する光ファイバと、を備えた光ファイバ結合光学装置において、該入射端面は該光ファイバの軸方向に対して斜めにカットされており、該入射端面において反射されたレーザ光を受光する光検知器が設けられている光ファイバ結合光学装置を提供している。

ここで、前記半導体レーザと、前記レンズと、前記光検知器とは、該半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸に関して同軸状に構成されているのが好ましい。

また、前記光検知器は前記入射端面において反射されたレーザ光を受光する受光面を有し、該受光面が前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸に対して略垂直となるように該光検知器が設けられているのが好ましい。

更に、該受光面は、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸の周りに環状に形成されているのが好ましい。

また、前記半導体レーザと、前記レンズと、前記光ファイバと、前記光検知器とがモジュールとして一体化して構成されているのが好ましい。

更に、本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を集光するレンズと、該集光されたレーザ光が入射する入射端面を有する光ファイバとを備えた露光装置と、該露光装置により露光される感光体とを備えた画像形成装置において、該入射端面は、該光ファイバの軸方向に対して斜めにカットされており、該露光装置には、該入射端面において反射されたレーザ光を受光する光検知器が設けられている画像形成装置を提供している。

請求項１記載の光ファイバ結合光学装置によれば、半導体レーザのレーザ光出力を検出するために、レーザ光を分岐させて別に取り出す必要がない。よって、レーザ光を分岐させるビームスプリッタや別体の光検知器などが必要ないので、低コスト化、省スペース化を図ることができる。更に、レーザ光を分岐させて取り出す必要がないので、半導体レーザのレーザ光出力の大部分を利用することができ、光利用効率も向上する。

請求項２記載の光ファイバ結合光学装置によれば、半導体レーザと、レンズと、光検知器とが、該半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸に関して同軸状に構成されているため組み立て易い構造となっている。

請求項３記載の光ファイバ結合光学装置によれば、光検知器の受光面が半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸に対して略垂直となるように該光検知器が設けられているため組み立て易い構造となっている。

請求項４記載の光ファイバ結合光学装置によれば、光検知器の受光面は前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸の周りに環状に形成されているため組み立て易い構造となっている。

請求項５記載の光ファイバ結合光学装置によれば、半導体レーザと、レンズと、光ファイバと、光検知器とがモジュールとして一体化して構成されている。従って、半導体レーザ内蔵光検知器あるいは別体の光検知器が無くても、環境温度変動にかかわらず安定した光出力のレーザ光を光ファイバから出力させることができる。また、モジュールとして一体化して構成されているために、半導体レーザと、レンズと、光ファイバと、光検知器とが、正確に位置決めされている。よって、光ファイバの入射端面で反射した光を光検知器により正確に検出してフィードバックを行うことにより、半導体レーザからの光出力を安定化させることができる。

請求項６記載の画像形成装置によれば、露光装置において、半導体レーザのレーザ光出力を検出するために、レーザ光を分岐させて別に取り出す必要がない。よって、レーザ光を分岐させるビームスプリッタや別体の光検知器などが必要ないので、低コスト、省スペースの画像形成装置を提供することができる。更に、レーザ光を分岐させて取り出す必要がないので、半導体レーザのレーザ光出力の大部分を利用することができ、光利用効率も向上する。したがって、画像形成装置の消費電力を削減することができる。

本発明の参考例となる光ファイバ結合光学装置について図１に基づき説明する。図１は、光ファイバ結合光学装置１の概略を示す説明図である。ホルダ２には、内部にレーザ光を通すための内部質２ａ、２ｂが画成されている。ホルダ２にレンズ４が装着されていない状態においては、内部室２ａと２ｂは、互いに連通している。ホルダ２の一端において、内部室２ａに面するように、内蔵光検知器を持たないＬＤ３が設けられている。内部室２ａと２ｂの間において、ＬＤ３に対向するようにレンズ４が設けられている。また、入射端面５ａが内部室２ｂに位置し、出射端面５ｂがホルダ２の外部に位置するように、光ファイバ５がホルダ２に挿通され固定されている。入射端面５ａは、光ファイバ５の軸に対して斜めにカットされている。更に、内部室２ｂにおいて、受光面６ａが光ファイバ５の入射端面５ａと対向するように光検知器６が備えられている。なお、ＬＤ３には、ＬＤ３に電圧を印加するための端子７が接続されている。以上のように、ＬＤ３、レンズ４、光ファイバ５、光検知器６は、ホルダ２により、モジュールとして一体化されて構成されている。

次に、図１に基づき、光ファイバ結合光学装置１の動作及びその効果について説明する。ＬＤ３から出射されたレーザ光は、レンズ４により光ファイバ５の入射端面５ａに絞り込まれる。入射端面５ａでは４％程度の光が反射する。この反射した光を光検知器６により検出して、ＬＤ駆動回路（図示せず）にフィードバックさせることでＬＤ３からの光出力を安定化させる。従って、ＬＤ３から出力されたレーザ光の大部分が出射端面５ｂから出射される。前述のように、ＬＤ３、レンズ４、光ファイバ５、光検知器６は、ホルダ２により、モジュールとして一体化されて構成されている。よって、本実施の形態の光ファイバ結合光学装置１によれば、ＬＤ３に光検知器が内蔵されていなくても、環境温度変動に関係なく安定した光出力のレーザ光を光ファイバ５から出射させることが可能である。また、モジュールとして一体化して構成されているために、ＬＤ３と、レンズ４と、光ファイバ５と、光検知器６とが、互いに正確に位置決めされている。よって、光ファイバ５の入射端面５ａで反射した光を光検知器６により正確に検出してフィードバックを行うことにより、ＬＤ３からの光出力を安定化させることができる。

図２に示される光学系では、図１に示される光ファイバ結合光学装置１の光ファイバ５の出射端面５ｂに対向して、レンズ８が設けられている。これにより、光ファイバ５からの出力光をレンズ８により平行光Ｃに変換することができる。よって、図７の従来例で示したようなビームスプリッタ１０９、レンズ１０８Ｂ、光検知器１１０を用いずとも、平行光Ｃの光出力を安定化させることができる。従って、図２に示される光学系によれば、従来の光学系に比較して、低コスト化、省スペース化を図ることができる。更に、平行光Ｃをビームスプリッタで分岐する必要がないので、光利用効率も向上している。

本発明の第１の実施の形態による光ファイバ結合光学装置１１について図３に基づき説明する。参考例で説明した部材と同一の部材には同一の番号を付し、説明を省略する。参考例と同様に、ホルダ１２の内部室１２ｂには光検知器１６が設けられている。本実施の形態による光検知器１６は、略円板の中央に穴の開いた環状に構成されており、光ファイバ５と対向する環状の面全体に受光面１６ａが形成されている、また、受光面１６ａは、ＬＤ３から出射する光の光軸Ｌに垂直となっている。

この構成は、光検知器１６、ＬＤ３、レンズ４が、ホルダ１２内で光軸Ｌを軸として同軸状に配列されているため、組立て易い構造となっている。すなわち、上述のように、光検知器１６の環状の面全体に受光面１６ａが形成されているので、光軸Ｌ周りの方向を気にする必要がない。従って、組立て時には、光検知器１６、ＬＤ３、レンズ４を、ホルダ１２に嵌め込んでいくだけでよく、組立てが容易である。

以上説明した光ファイバ結合光学装置１、１１を用いれば、ＬＤ３が内蔵光検知器を有していないにもかかわらず、特に光学部品を導入することなく、容易に光出力を検出することが可能である。すなわち、ＬＤ３のレーザ光出力を検出するために、レーザ光を分岐させて別に取り出す必要がないので、レーザ光を分岐させるビームスプリッタや別体の光検知器などが必要ない。これにより、低コスト化、省スペース化を図りつつ、出力変動のない安定した光出力のレーザ光を出力することができる。更に、レーザ光を分岐させて取り出す必要がないので、ＬＤ３のレーザ光出力の大部分を利用することができ、光利用効率も向上する。

次に、本発明の第２の実施の形態による光ファイバアレイ２０およびレーザプリンタ光学系３０について図４、図５につき説明する。図４には、レーザプリンタ光学系３０に使用される光ファイバアレイ２０の構成が示されている。光ファイバアレイ２０は、上記で説明した光ファイバ結合光学装置１を複数個（本実施の形態では４個）備えている。各光ファイバ結合光学装置１は、光ファイバ２５を有している。シリコン結晶で形成されたアレイ台２１には、複数のＶ字状の溝２１ａが約１５０μｍピッチでアレイ状に形成されている。各光ファイバ２５は、Ｖ字状の溝２１ａにそれぞれ固定されている、したがって、各光ファイバ結合光学装置１によりレーザ光が発生されると、レーザ光はそれぞれ光ファイバ２５を進み、複数のレーザビームがアレイ端面２１ｂから出射される。

図５には、上述した光ファイバアレイ２０を備え、アレイ端面２１ｂから出射される複数のレーザビームを利用して光記録を行うレーザプリンタ光学系３０が示されている。レーザプリンタ光学系３０は、光ファイバアレイ２０、コリメータレンズ３１、ビーム拡大器３２、３３、円筒レンズ３４、ポリゴンミラー３５、走査レンズ３６、感光ドラム３７を備えている。光ファイバアレイ２０から出射された複数のレーザビームの各ビームはコリメータレンズ３１で平行光に変換された後、ビーム拡大器３２、３３により拡大される。次に、各ビームは円筒レンズ３４に入射する。円筒レンズ３４は、ポリゴンミラー３５が回転中に生じる歳差運動に起因する光走査線の位置変動を抑制する。そして、各ビームはポリゴンミラー３５で反射され、走査レンズ３６を介して、感光ドラム３７上を走査する。感光ドラム３７上では光スポット列３８が形成され、矢印Ａ方向に光走査される。通常、光スポットの大きさと比較して光スポットの間隔が大きいので、光スポット列３８の配列方向を走査方向Ａに対して斜めに配置して、複数のビームによる光走査線が密接したものになるようにする。

本発明による光ファイバ結合光学装置は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上述した実施の形態では、光ファイバ結合光学装置１、１１は、モジュールとして一体化して構成されているが、ＬＤ、レンズ、光ファイバ、光検知器は別々に構成されていてもよい。

また、上記説明した光ファイバアレイ２０およびレーザプリンタ光学系３０においては、図１に示される光ファイバ結合光学装置１を使用したが、図３に示される光ファイバ結合光学装置１１を使用することが、本発明の実施の形態である。

本発明による光ファイバ結合光学装置は、レーザプリンタなどの光記録装置一般に広く適用可能である。

本発明の参考例である光ファイバ結合光学装置を示す説明図。 図１に示される光ファイバ結合光学装置を用いた光学系を示す説明図。 本発明の第１の実施の形態による光ファイバ結合光学装置を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態による光ファイバアレイを示す斜視図。 図４に示される光ファイバアレイをレーザプリンタ光学系に適用した説明図。 内蔵光検知器を有する従来の半導体レーザを示す説明図。 モニタ光検知器を有する従来の半導体レーザ光学装置を示す説明図。

符号の説明

１：光ファイバ結合光学装置、２：ホルダ、２ａ、２ｂ：内部室、３：ＬＤ、４：レンズ、５：光ファイバ、５ａ：入射端面、５ｂ：出射端面、６：光検知器、６ａ：受光面、７：端子、８：レンズ、１１：光ファイバ結合光学装置、１２：ホルダ、１２ａ、１２ｂ：内部室、１６：光検知器、１６ａ：受光面、２０：光ファイバアレイ、２１：アレイ台、２１ａ：Ｖ字状の溝、２１ｂ：アレイ端面、２５：光ファイバ、３０：レーザプリンタ光学系、３１：コリメータレンズ、３２、３３：ビーム拡大器、３４：円筒レンズ、３５：ポリゴンミラー、３６：走査レンズ、３７：感光ドラム、３８：光スポット列、１０１：半導体レーザ光学装置、１０２：ホルダ、１０３：ＬＤ、１０４：レンズ、１０５：光ファイバ、１０５ａ：光入射面、１０７：端子、１０８Ａ、１０８Ｂ：レンズ、１０９：ビームスプリッタ、１１０：モニタ光検知器、１１１：ＬＤチップ、１１２：内蔵光検知器、１１３：ヒートシンク、１１４：窓、１２３：ＬＤ、Ａ：走査方向、Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：平行光、Ｌ：光軸

Claims (3)

1. レーザ光を出射する半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を集光するレンズと、該集光されたレーザ光が入射する入射端面とを有した光ファイバと、前記半導体レーザ、前記レンズおよび前記光ファイバを固定するホルダとを備えた光ファイバ結合光学装置において、
   前記ホルダに前記光ファイバ入射端面で反射された前記レーザ光の一部のレーザ光を受光する受光面を有した光検知器が設けられ、前記半導体レーザと、前記レンズと、前記光検知器とは、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸に対して同軸状に配列されており、前記光ファイバの前記入射端面は、前記光ファイバの軸方向に対して斜めにカットされており、前記光検知器は、環状であり、前記受光面が前記半導体レーザから出射されるレーザ光の光軸に対して略垂直となり、且つ前記レンズと前記光ファイバとの間に設けられていることを特徴とする光ファイバ結合光学装置。
2. 前記半導体レーザと、前記レンズと、前記光ファイバと、前記光検知器とがモジュールとして一体化して構成されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ結合光学装置。
3. レーザ光を出射する半導体レーザと、該半導体レーザから出射されたレーザ光を集光するレンズと、該集光されたレーザ光が入射する入射端面を有する光ファイバとを備えた露光装置と、該露光装置により露光される感光体とを備えた画像形成装置において、
   請求項１または２記載の光ファイバ結合光学装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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