JP4483456B2

JP4483456B2 - 光記録装置

Info

Publication number: JP4483456B2
Application number: JP2004218580A
Authority: JP
Inventors: 恭之柴山
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006039190A

Description

本発明は、複数のレーザ光を走査、変調することで光記録を行うレーザビームプリンタ等の光記録装置に属するものである。

レーザプリンタ、レーザファクシミリ等のレーザ走査型画像形成装置において、近年、高速・高解像度化を実現するための手段として、複数の光ビームによって感光体等の被走査面上に複数の走査線を同時に形成させるマルチビーム走査光学系が必須になっている。

マルチビームにより複数の走査線を形成する手段としては、光源として複数の半導体レーザを用い、偏光ビームスプリッター等により各半導体レーザからの光ビームを合成するビーム合成方式、光源として複数の発光点を有する半導体レーザアレイを用いる方式、各々独立した半導体レーザから発した光を光ファイバに入射し、光ファイバの光出射側先端を互いに近接させ一列に配列して形成した光ファイバアレイを光源とする光ファイバアレイ方式等がよく知られている。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５を挙げることができる。

このうち、半導体レーザアレイは、簡素な光学系構成を実現できるが、素子自体の入手が困難で、特にビーム数が多くなった場合、その傾向は顕著に成なる。また、発振波長が短波長の半導体レーザアレイの製作は技術的困難を伴うため入手自体が難しく、仮に入手できたとしても非常に高価である。

他方、ビーム合成方式は、汎用の半導体レーザを用いることができるという利点があるが、感光体上において所定の走査線間隔とするための調整精度が厳しく、また、温度変動や振動等による半導体レーザ間の微小な変動に対しても感光体上におけるビームの相対位置が大きく変動することがあるため走査線間隔を安定に保持することが困難であるという短所がある。

一方、光ファイバアレイ方式は、市中の汎用半導体レーザを用いることができる事に加え、光ファイバの先端をアレイ化することでビーム合成方式に用いられるような調整機構の厳しい精度は要求されないという長所がある。しかし、この方式は光ファイバアレイを形成する個々の光ファイバから出射するビームの配列精度がそのまま各ビームが感光体上に形成する走査線の間隔誤差に対応するため、光ファイバアレイを作製する場合には厳しい精度が要求される。このため、精度の悪い光ファイバアレイを用いた場合には画質に悪影響を及ぼすという問題がある。

特開２００３−１３１１５５号公報特開平１０−１７７１４５号公報特開平１１−８４２８３号公報特開２００１−２４２４０３号公報特開２００３−３５８７６号公報

上記のマルチビーム走査型の光記録装置において、複数ビーム発生光源の個々のビーム発生位置に誤差があった場合、一括走査を行う各々のビームが形成する走査線の間隔にも誤差が生じ、画質に悪影響する点である。

本発明は、上記の問題に対処し、複数ビーム発生光源の個々のビーム発生位置に誤差があっても、良好な記録画質を提供できるマルチビーム走査型の光記録装置を得ることを目的とする。

本発明は、マルチビーム走査型の光記録装置において、各々のレーザ光に対応して駆動可能なマイクロミラーアレイを含む反射素子アレイを光学系に介することで、感光ドラムに形成される複数の結像スポット列間の走査線間隔を調整できるようにしたことを特徴とする。

なお、更に具体的には、マイクロミラーアレイが次式を満足する位置に設けたことを特徴とする。

ただし
Ｌ：複数ビーム発生光源からマイクロミラーアレイ配置位置までの距離
δＦＡ：複数ビーム発生光源の各発光部の大きさで、中心光強度の１／（ｅ^２）
レベルの半幅
λ ：光源波長
ｄＦＡ：複数ビーム発生光源の各発光部の間隔
である。

本発明によれば、走査線間隔の誤差が反射素子アレイにより微調整ができるので、良好な記録画質を提供できる。

本発明は、複数列のレーザ光を同時に一括して走査するマルチビーム走査型の光記録装置において、走査線間隔のばらつき誤差の調整を反射素子アレイを用いることにより元になる光学系構成を大幅に変更すること無く簡易に実現した。

以下に図を引用して本発明の実施例について説明する。

まず、図１に沿ってマルチビーム走査型光記録装置の光学系の概要から述べる。

半導体レーザモジュール部１〜５の内部は、各々独立した複数個の半導体レーザと半導体レーザから発した光を個々の半導体レーザに対応する光ファイバ６〜１０に入射するためのカップリング光学系により構成される。

光ファイバ６〜１０には単一モード光ファイバが使用される。光ファイバ６〜１０の光出射側先端は、互いに近接させ一列に配置した光ファイバアレイ１１を形成しており、この光ファイバアレイ１１から出射する光を複数ビーム発生光源として用いている。

個々の半導体レーザは、コントローラからの画像データ信号１２にしたがってレーザドライバ１３〜１７を駆動させることで，光ファイバアレイ１１先端からはそれぞれ独立に変調された個々のビーム１８を出射する。図１では便宜上、５本のビームとしている。

光ファイバアレイ１１から出射した光は、ミラー２６、反射素子アレイとしてのマイクロミラーアレイ２７を介してレンズ１９によりコリメートされた後、レンズ２０に入射し、レンズ２０とレンズ２１とで構成されるビームエキスパンダによりビーム幅が拡大された平行光に変換される。

光ファイバアレイ１１からマイクロミラーアレイ２７までの拡大図は、図７に示す。

レンズ２１から出射した光は、その後、副走査方向にのみレンズパワーを有するシリンダレンズ２２を透過後、回転多面鏡２３、走査レンズ２４により、感光ドラム２５上にスポット列として結像され、個々に変調されたスポットが走査することにより感光ドラム２５上に光記録が行われる。

この際、感光ドラム２５上に結像される複数の結像スポット３１〜３５は、それぞれの結像スポットが形成する走査線が互いに密接するように斜め角度を持たせている。この斜め角度は、光ファイバアレイ１１を光軸回りに回転調整することにより設定される。回転多面鏡２３の前に配置されたシリンダレンズ２２は、回転多面鏡２３の回転時の揺動による走査線の副走査方向のずれをなくすためのもので、それぞれのビームを回転多面鏡２３の面上に副走査方向に絞り込んでいる。

図２と図３は、図１に示した光学系の部品配置位置の詳細を示す図で、図２は回転多面鏡２３の回転面内の光学系、すなわち感光ドラム２５上で主走査方向の光学系である。図３は、それとは垂直方向からみた光学系、すなわち副走査方向の光学系である。図２、図３では、煩雑を避けるために、ビーム数は３本で示してある。

図２、図３において、レンズ１９、レンズ２０、レンズ２１、レンズ２２の焦点距離をそれぞれｆｃｏｌ，ｆＬ１，ｆＬ２，ｆｃｙｌとするとき、光ファイバアレイ１１とレンズ１９の間隔はｆｃｏｌ、レンズ１９とレンズ２０の間隔はｆｃｏｌ＋ｆＬ１、レンズ２０とレンズ２１の間隔は、（ｆＬ１＋ｆＬ２）、レンズ２１と回転多面鏡２３の間隔は概略ｆＬ２に配置されている。

このように配置することによって、図１において、光ファイバアレイ１１から平行に発した各レーザ光の主光線を、レンズ２０から出射後に再び平行とし、レンズ２１を照射させる。その後、レンズ２１を出射した各ビームの主光線を回転多面鏡２３上で概略一致させる。こうすることで、複数のビームを用いた場合でも回転多面鏡２３の大きさを大きくする必要はなく、従来のものを用いることができる。

つぎに、図２、図３により、光ファイバアレイ１１から発した各々のレーザ光について説明する。

光ファイバアレイ１１の各光ファイバから出射するビームの径をδＦＡ［μｍ］、各ビームの配置間隔をｄＦＡ［ｍｍ］とすると、レンズ１９において光ファイバアレイ１１から出射した各ビームがけられない条件の下では、レンズ１９から出射後のビーム径ＤＣＯＬ、レンズ２０、レンズ２１間の結像スポット径δＬ１、および結像スポットの配列間隔ｄＬ１、レンズ２１から出射後のビーム径ＤＬ２は、次式で表される。

ＤＣＯＬ＝４・λ・ｆｃｏｌ／（π・δＦＡ）［ｍｍ］……（式１）
δＬ１＝δＦＡ・（ｆＬ１／ｆｃｏｌ）［ｍｍ］ ………（式２）
ｄＬ１＝ｄＦＡ・（ｆＬ１／ｆｃｏｌ）［ｍｍ］ ………（式３）
ＤＬ２＝４・λ・ｆｃｏｌ・ｆＬ２／（ｆＬ１・π・δＦＡ）［ｍｍ］…（式４）
ここで，λは光の波長である。

一方，図３の副走査方向の光学系においては，レンズ２１を出射し、ビーム径ＤＬ２＝４・λ・ｆｃｏｌ・ｆＬ２／（ｆＬ１・π・δＦＡ）［ｍｍ］の平行光になるところまでは図２の光学系と同じであるが、レンズ２１を出射した光はシリンダレンズ２２により回転多面鏡２３上に絞りこまれる。

このときの回転多面鏡２３上に絞り込まれたスポットの副走査方向の大きさ（縦径）をδＰＯＬ［μｍ］とすると、δＰＯＬは次式で表される。
δＰＯＬ＝｛（ｆＬ１・ｆｃｙｌ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝δＦＡ［μｍ］…（式５）
また、回転多面鏡２３上に絞り込まれたスポットの副走査方向の間隔をＰＰＯＬとすると、次式の関係が成り立つ。

ＰＰＯＬ∝｛（ｆＬ１・ｆｃｙｌ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝……（式６）
従って、回転多面鏡２３の反射面には、図４のように横幅ＤＬ２［ｍｍ］、縦幅δＰＯＬ［μｍ］、間隔ＰＰＯＬの光スポットが形成される。

回転多面鏡２３で反射した光は走査レンズ２４により感光ドラム２５上に結像する。このとき，走査レンズ２４の焦点距離をｆＦΘとすると，感光ドラム上での結像スポット径は次式で表される。

ωｘ＝｛（ｆＬ１・ｆＦΘ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝δＦＡ［μｍ］……（式７）
ωｙ＝ｍδＰＯＬ＝ｍ｛（ｆＬ１・ｆｃｙｌ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝δＦＡ［μｍ］……（式８）
ここで、ωｘは走査方向の結像スポット径、ωｙは副走査方向の結像スポット径、またｍは走査レンズ２４の副走査方向の倍率である。

つまり、この光学系の全体倍率は、主走査方向をｍｍａｉｎ、副走査方向をｍｓｕｂとすると次式で表される。

ｍｍａｉｎ＝ωｘ／δ＝｛（ｆＬ１・ｆＦΘ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝……（式９）
ｍｓｕｂ＝ωｙ／δ＝ｍ｛（ｆＬ１・ｆｃｙｌ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝…（式１０）
後述するように感光ドラム２５上に配列される結像スポット列の走査線に対する角度は小さいので，個々の結像スポット間隔をｄＤＲＵＭとすると、ｄＤＲＵＭは、（式９）を用いて次式で近似される。

ｄＤＲＵＭ≒ｍｍａｉｎ・ｄＦＡ
＝ｄＦＡ・｛（ｆＬ１・ｆＦΘ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝［ｍｍ］…（式１１）
光走査方向に対する多ビームの結像スポットの傾きをΨとすると走査線間隔ｐｉｔｃｈは、次式で与えられる。

ｐｉｔｃｈ＝ｄＤＲＵＭ・ｓｉｎΨ
＝ｄＦＡ・｛（ｆＬ１・ｆＦΘ）／（ｆｃｏｌ・ｆＬ２）｝・ｓｉｎΨ［ｍｍ］………（式１２）
さて，上述した光学系の各変数に具体的な数値を代入して６００［ｄｏｔ／ｉｎｃｈ］の解像度をもつ光記録装置を考えてみる。

光源波長をλ＝０．６３５［μｍ］、光ファイバアレイ１１の発光スポット径をδＦＡ＝５［μｍ］、ビーム間隔をｄＦＡ＝０．２５［ｍｍ］、レンズ１９の焦点距離をｆｃｏｌ＝２０［ｍｍ］、レンズ２０の焦点距離をｆＬ１＝２００［ｍｍ］、レンズ２１の焦点距離をｆＬ２＝４００［ｍｍ］、レンズ２２の焦点距離をｆｃｙｌ＝２００［ｍｍ］、レンズ２４の焦点距離をｆＦΘ＝４００［ｍｍ］、レンズ２４の倍率をｍ＝２［倍］とすると、ＤＣＯＬ、δＬ１、ｄＬ１、ＤＬ２、およびｄＤＲＵＭは、
ＤＣＯＬ＝３．２３４［ｍｍ］………（式１３）
δＬ１＝５０［μｍ］………（式１４）
ｄＬ１＝２．５［ｍｍ］………（式１５）
ＤＬ２＝６．４６８［ｍｍ］……（式１６）
ｄＤＲＵＭ＝２．５［ｍｍ］……（式１７）
となる。

また，主走査方向，副走査方向の光学系の全体倍率をそれぞれｍｍａｉｎ，ｍｓｕｂ，主走査方向，副走査方向の結像スポット径をそれぞれωｘ，ωｙとすると，
ｍｍａｉｎ＝１０［倍］……（１８）
ｍｓｕｂ＝１０［倍］………（１９）
ωｘ＝５０［μｍ］…………（２０）
ωｙ＝５０［μｍ］…………（２１）
となる。

また，感光ドラム２５上結像スポット列の走査線に対する角度Ψは，Ψ＝０．９７［ｄｅｇ］に設定すれば，（式１２）より，
ｐｉｔｃｈ＝０．２５・｛（２００・４００）／（２０・４００）｝・ｓｉｎ０．９７
＝４２．３［μｍ］………（式２２）
となり，解像度６００［ｄｏｔ／ｉｎｃｈ］の走査線間隔になる。

以上の光学系において、光ファイバアレイ１１を形成する光ファイバに配置誤差がある場合には感光ドラム２５の走査線間隔が所望の値にならないという問題が生じる。例えば、図５に示す光ファイバアレイ１１の出射端面のように、光ファイバアレイ１１を形成する光ファイバ３６〜４０のうちの１本に配置誤差がある場合、光ファイバ３８のビーム出射領部が、その他の光ファイバのビーム出射部配列位置からずれるために、図６に示すように感光ドラム２５上を一括走査する走査線の間隔にばらつき誤差が生じ、画質を劣化させる原因となる。

そこで、この問題を解決するために本発明の光記録装置は、光ファイバアレイ１１で生じた光ファイバの配列誤差に起因する走査線間隔誤差を、図１に示した光路中に配置したマイクロミラーアレイ２７を各々のビームに対応させて駆動し、反射角度を変えることによって走査線間隔誤差の補正を行う。これにより、走査線間隔のばらつきがない良質な記録画質を得ることができる。

なお、それぞれのビームに対応して反射角度が可変できるマイクロミラーアレイは、「光マイクロマシン（２００２年，オーム社）」、「マイクロマシン技術と応用（２００２年，技術情報センター）」等に記載されているように近年ではシリコン基板をエッティングしてＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いることにより作製可能である。

ここで，図８に示すように，光ファイバアレイ１１から出射するビームが、出射端でビームウェスト２δＦＡのガウシアンビーム（中心光強度の１／（ｅ^２）の全幅）とすると、出射面からの距離ｚの位置におけるビームサイズ２ω（中心光強度の１／（ｅ^２）の全幅）は次式で表される。

２ω（ｚ）＝２δＦＡ√［１＋｛（λ・ｚ）／（π・δＦＡ^２）｝^２］……（式Ａ）
ただし、λは光源波長である。

これより、（式Ａ）式を用いてガウシアンビームの２倍の大きさが、隣接するビームと重ならない領域を求めると、次式を得る。

ただし、Ｌは複数ビーム発生光源からマイクロミラーアレイ配置位置までの距離である。
これより、マイクロミラーアレイ２７は，上記した（式Ｂ）を満足する位置に配置することによって隣接ビームと干渉せずに各ビーム独立の偏向ができ、光ファイバアレイ１１で生じた光ファイバの配列誤差に起因する，感光ドラム２５上の走査線間隔のずれを補正することができる。

なお、この際、図１に示した光学系の感光ドラム２５のビーム走査面と等価な位置にはビーム間隔検出器４１が配置されており、これによって検出された走査線間隔誤差は、マイクロミラーアレイ制御回路４２にフィードバックし、各マイクロミラーアレイを可動することで自動的に走査線間隔誤差を解消させることができる。

以上、上記実施例では光記録装置で用いるビーム本数は５本としたが、ビーム本数はこれに限るものではなく５本以上であってもよい。

また、マルチビームによる光記録方式として、複数の半導体レーザを用い、偏光ビームスプリッター等により各半導体レーザからの光ビームを合成するビーム合成方式、光源として複数の発光点を有する半導体レーザアレイを用いる方式にも本発明は適用できる。

本発明の実施例を係わるもので、光記録装置の光学系概略を示す図。本発明の実施例を係わるもので、光記録装置の光学系に関する主走査方向の部品の位置関係を示す説明図である。本発明の実施例を係わるもので、光記録装置光学系に関する副走査方向の部品の位置関係を示す説明図である。本発明の実施例を係わるもので、光記録装置光学系の回転多面鏡部でのビーム配置関係を示す説明図である。本発明の実施例を係わるもので、光ファイバアレイのファイバ配置誤差の説明図である。本発明の実施例を係わるもので、走査線間隔誤差の説明図である。本発明の実施例を係わるもので、光ファイバアレイからマイクロミラーアレイまでの拡大図。本発明の実施例を係わるもので、マイクロミラーアレイ配置位置の説明図。

符号の説明

１…半導体レーザモジュール、２…半導体レーザモジュール、３…半導体レーザモジュール、４…半導体レーザモジュール、５…半導体レーザモジュール、６…光ファイバ、７…光ファイバ、８…光ファイバ、９…光ファイバ、１０…光ファイバ、１１…光ファイバアレイ、１２…画像データ信号、１３…半導体レーザドライバ、１４…半導体レーザドライバ、１５…半導体レーザドライバ、１６…半導体レーザドライバ、１７…半導体レーザドライバ、１８…光ファイバアレイ出射ビーム、１９…レンズ、２０…レンズ、２１…レンズ、２２…シリンダレンズ、２３…回転多面鏡、２４…走査レンズ、２５…感光ドラム、２６…ミラー、２７…マイクロミラーアレイ、３１…結像スポット、３２…結像スポット、３３…結像スポット、３４…結像スポット、３５…結像スポット、３６…光ファイバの光出射端、３７…光ファイバの光出射端、３８…光ファイバの光出射端、３９…光ファイバの光出射端、４０…光ファイバの光出射端、４１…ビーム間隔検出装置、４２…マイクロミラーアレイ制御回路。

Claims

レーザ光を発する複数ビーム発生光源と、前記レーザ光の走査により結像される複数の結像スポット列が並ぶように形成される感光ドラムと、前記複数の結像スポット列を形成する前記レーザ光を伝達する光学系とを有するマルチビーム走査型の光記録装置において、
各々の前記レーザ光に対応して駆動可能なマイクロミラーアレイを含む反射素子アレイを前記光学系に配して、前記複数の結像スポット列間の走査線間隔を調整できるようにしたことを特徴とする光記録装置。
レーザ光を発する複数ビーム発生光源と、前記レーザ光の走査により結像される複数の結像スポット列が外周表面に並ぶように形成される感光ドラムと、前記複数の結像スポット列を形成する前記レーザ光を伝達する光学系とを有し、
前記光学系は、前記複数ビーム発生光源に接続される光ファイバと、この光ファイバの光出射端側に続いて並ぶ反射鏡、レンズ、回転多面鏡を有し、
前記反射鏡と前記レンズの間に、各々の前記レーザ光に対応して駆動可能なマイクロミラーアレイを含む反射素子アレイを配して、前記複数の結像スポット列間の走査線間隔を調整できるようにしたことを特徴とする光記録装置。
レーザ光を発する複数ビーム発生光源と、前記レーザ光の走査により結像される複数の結像スポット列が外周表面に並ぶように形成される感光ドラムと、前記複数の結像スポット列を形成する前記レーザ光を伝達する光学系とを有するマルチビーム走査型の光記録装置において、
各々の前記レーザ光に対応して駆動可能なマイクロミラーアレイを含む反射素子アレイを前記光学系に設け、
前記複数の結像スポット列間の走査線間隔を検知するビーム間隔検出装置を設け、
前記ビーム間隔検出装置の検知に応じて反射素子アレイを制御することにより、前記複数の結像スポット列間の走査線間隔を調整するようにしたことを特徴とする光記録装置。
複数ビーム発生光源から発した個々のレーザ光を、それぞれ独立して反射させるためのマイクロミラーアレイを含む反射素子アレイは、次式を満足する位置に設けたことを特徴とする請求項１記載の光記録装置。

ただし
Ｌ：複数ビーム発生光源からマイクロミラーアレイ配置位置までの距離
δＦＡ：複数ビーム発生光源の各発光部の大きさで、中心光強度の１／（ｅ^２）
レベルの半幅
λ ：光源波長
ｄＦＡ：複数ビーム発生光源の各発光部の間隔
である。
各々独立した複数個の半導体レーザから発した光を該半導体レーザに対応する各々の光ファイバに入射するための半導体レーザモジュール部と、前記各々の光ファイバの光出射側先端が互いに近接して一列に配置される光ファイバアレイとを有し、前記光ファイバアレイから出射する光を複数ビーム発生光源として用いることを特徴とする請求項１記載の光記録装置。