JP4779598B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は光走査装置に関し、特に複数の光源から発せられた光ビームを偏向素子にて偏向し走査露光を行う光走査装置に関する。

レーザープリンタやデジタル複写機の高速化・高画質化を達成する技術手段として、３２ビームＶＣＳＥＬアレイ(面発光レーザーアレイ）を用いた走査光学系が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

レーザ光源である面発光レーザは直線偏光を発生するが、その偏光方向はレーザの発振強度によって回転する。この回転の程度は、面発光レーザの有する複数の光源毎に異なる。原因は各面発光レーザの発振モードがレーザ間で異なるためであるが、発振モードはレーザキャビティ内の温度分布や屈折率分布に依存する。レーザキャビティ内の温度分布や屈折率分布は、レーザに印加される電流量、発振レーザ光の分布、放熱の状態によって変動するため、一つの面発光レーザアレー内の複数のレーザ間で偏光方向を揃えることは困難である。

一方、光走査装置は複数の光学素子によって構成されるが、光学素子に直線偏光が入射した場合、素子への入射角によって反射率が変化する。光源からの複数ビームの偏光方向が異なる場合、同一のミラー面への入射において、ミラー面に対してＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合がビーム間で異なるため、ミラーによって反射されたビームごとの光量に差が生じる。コーティングのないガラス表面における入射角度／反射率の関係を図１６に示す。

図１６（ｃ）に示すようにＰ偏光とＳ偏光では反射率が異なる（Ｒs、Ｒp）ため、ビーム間で光量のばらつきが発生する。あるいはウインドウ等の透過型の素子でも同様の理由により透過率が異なるためビーム間の光量ばらつきが発生する。

上記のような光量ばらつきが発生すると、画像走査面（ここでは、感光体面）での光量変動を発生することになり、画像にムラ等の画質劣化をもたらす。

例えば図１５に示すような従来例において、ＬＤアレー１４のＬＤ−ＡとＬＤ−Ｂからのレーザ光の偏光方向は、ＬＤ−Ａが主走査方向と、ＬＤ−Ｂが副走査方向と一致している。このときＬＤからシリンダーレンズ１８までの素子およびｆ−θレンズ２２、２３に対する、主走査方向と副走査方向の直線偏光の反射率透過率はほぼ等しい。しかし、ポリゴンミラー２０、シリンダーミラー１２４、シリンダーミラー１２５に対する、主走査方向と副走査方向の直線偏光の反射率は、ビームの各光学素子への入射角が異なるため、各入射面に対するＬＤ−ＡとＬＤ−ＢからのビームはＳ偏光またはＰ偏光の異なった状態となり、図１７の様に両者の反射率に差が発生してしまう。図１７の例では主走査／副走査間で総合して５．５％の反射率差が発生している。

上記の理由により各光学素子の反射率・透過率は各レーザビームで異なるため、光学系の総合反射率・透過率はそれぞれのビームに対して異なり、露光面において図１８に示すような光量変動をもたらす。図は３２本ビームの例であるが、光量のばらつきがおよそ６％発生しており、この光量ばらつきにより画像にすじ等のムラを発生する。

また図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、単層膜ミラーを用いたポリゴンミラー２０、シリンダーミラー１２４、シリンダーミラー１２５のＳ偏光とＰ偏光に対する反射率は、図１９に示すような光学面のコーティングの構成と、各ミラーに対するビームの入射角によって決定される。

各単層膜ミラーでの入射角θに対する反射率Ｒｐ（反射係数ρｐの自乗）は、図２０乃至図２２に示したように、特に入射角度４２°の（ａ）、５０°の（ｃ）においてＰ偏光成分とＳ偏光成分との差が顕著であり、単層膜ミラーを用いて構成された光学系を通過した際のＰ偏光成分とＳ偏光成分との反射率差はポリゴンミラー２０、シリンダーミラー１２４、シリンダーミラー１２５のＰ偏光成分とＳ偏光成分との反射率差の積となり、最終的に感光体上で結像される際の光量差は無視できないものとなってしまう。

本発明の目的は上記問題を解決するため、光ビームが通過する全光学素子での主走査方向と副走査方向の偏光成分に対する総合透過率または総合反射率をほぼ同一とする光走査装置を提供することを目的とする。
市川順一、池田周穂、植木伸明、マルチビーム面発光レーザ素子を用いたプリンタ用露光装置、第２９回光学シンポジウム、日本光学会、２００４

本発明は上記事実を考慮し、感光体面上でのビームの光量ばらつきを精度良く補正し、高画質の画像を安定して得られる光走査装置を提供することを目的とする。

複数の光源と、前記複数の光源から発せられる複数の光ビームを被走査物の表面に導き、及び被走査物の表面に結像させるため複数の光学素子からなる光学系と、を備えた光走査装置であって、 前記光学系は少なくともポリゴンミラーを含む複数のミラーを備え、前記光源と前記被走査物との間に配置された前記複数のミラーの全ては、第１の光学 素子または第２の光学素子の何れかに属し、前記ポリゴンミラーは前記第１の光学素子に属し、前記ポリゴンミラーのほぼ中央を互いに平行な複数のビームのうち中心を通過する光ビームが通過する状態において、前記ポリゴンミラー面の法線と前記複数のビームのうち中心を通過する光ビームのなす角が主走査方向に傾斜するように配置され、前記第１の光学素子に属する全てのミラーは、各ミラー面の法線と前記複数のビームのうち中心を通過する光ビームのなす角が主走査方向に傾斜するように配置され、前記第２の光学素子に属する全てのミラーは、各ミラー面の法線と前記複数のビームのうち中心を通過する光ビームのなす角が副走査方向に傾斜するように配置され、前記複数のミラーのうち前記第１の光学素子に属するミラーの回転軸と前記複数のミラーのうち前記第２の光学素子に属するミラーの回転軸とを直角に捻った位置に配置することで、前記光ビームの偏光成分であるＰ偏光成分とＳ偏光成分に対して、前記Ｐ偏光成分の総合反射率と前記Ｓ偏光成分の総合反射率が略等しくなるように構成し、全ての透過光学系の総合透過率は、前記Ｐ偏光成分と前記Ｓ偏光成分においてほぼ等しいことを特徴とする。

上記構成の発明では、第１の光学素子に属するミラーと第２の光学素子に属するミラーとを直角に捻った位置に配置することで、光ビームの偏光成分であるＰ偏光成分とＳ偏光成分に対して、Ｐ偏光成分の総合反射率とＳ偏光成分の総合反射率が略等しくなるように構成し、また、全ての透過光学系の総合透過率をＰ偏光成分とＳ偏光成分においてほぼ等しくすることで、光ビームの光量のばらつきを抑えている。

本発明は上記構成としたので、感光体面上でのビームの光量ばらつきを精度良く補正し、高画質の画像を安定して得られる光走査装置とすることができた。

＜基本構成＞
図１、２には本発明に係る光走査装置が示されている。

図１、２に示すように、光走査装置１０はＬＤアレー１４を光源として光ビームを射出し、コリメータ１６にて平行光とした光ビームをアパーチャ１２で絞り、シリンダレンズ１８を通ったのち回転するポリゴンミラー２０の反射面で偏向され主走査方向に往復・走査露光する光ビームとする。

主走査方向にパワーを持つｆθレンズ２２、２３を通りシリンダーミラー２４、２５で反射された光ビームは走査面２８上でビームスポットとして結像される。結像されたビームスポットはポリゴンミラー２０の回転に伴って主走査方向に走査面２８を走査する。これにより走査面２８にはビームスポットによる画像が形成される。
＜基本概念＞
図３には本発明に係る光学系が示されている。

図３に示すようにポリゴンミラー２０、シリンダーミラー２４、シリンダーミラー２５の反射面に設置されるコーティングの構成を調整することで、主走査方向と副走査方向の各偏光成分に対する反射率／透過率を制御する。これにより光学系全体を通した主走査方向と副走査方向の各偏光成分に対する総合反射率／透過率をほぼ同一とし、結像時におけるビームごとの光量差を抑制することができる。

主走査方向に偏光方向を持つビームをＡ０、副走査方向に偏光方向を持つビームをＢ０とする。これらの２本のビームがミラー１に入射する。このときミラー１は任意の構成の表面コーティング層を持っているものとする。

ミラー１の法線は副走査方向にθ１傾いており、ビームＡ０はミラー１に対してＳ偏光、ビームＢ０はミラー１に対してＰ偏光となる。ミラー１への入射角θ１のときのＰ偏光に対する反射率をＲｐ（＝０．８）、Ｓ偏光の反射率をＲｓ（＝０．９）とする。このときミラー１にてＡ０が反射したビームＡ１と、Ｂ０が反射したビームＢ１の光強度は、
Ａ１ = Ａ０ * Ｒs = Ａ０ * ０.９
Ｂ１ = Ｂ０ * Ｒp = Ｂ０ * ０.８
となる。

次に、Ａ１、Ｂ１のビームがミラー２に入射する。ミラー２はミラー１と同様の構成の表面コーティング層を持っているものとする。

ミラー２の法線は主走査方向にθ２傾いており、ビームＡ１はミラー２に対してＰ偏光、ビームＢ１はミラー２に対してＳ偏光となる。ミラー２への入射角θ２をミラー１の入射角θ１と等しくすると、ミラー２にてＡ１が反射したビームＡ２と、Ｂ１が反射したビームＢ２の光強度は、
Ａ２ = Ａ１ * Ｒp = Ａ０ * ０.９ * ０.８
Ｂ２ = Ｂ１ * Ｒs = Ｂ０ * ０.８ * ０.９
となる。

よって、ビームＡ２とビームＢ２のミラー１とミラー２の両者を通過後の総合反射率はＲp＝Ｒs＝０．７２で両者同一の値となり、ミラー１とミラー２を通過した後の２本のビームの光量を同一に揃えることが可能となる。
＜光走査装置への応用＞
図４には本発明の第１実施形態に係る光走査装置の光学系が示されている。

図４に示すポリゴンミラー２０、シリンダーミラー２４、シリンダーミラー２５の反射面に設置されるコーティングの構成を図６に、また、それぞれのミラーでのＳ偏光とＰ偏光に対する反射率の入射角依存性を図７ないし図９に示す。

各ミラーの反射面に形成されるコーティングの構成と、レーザビームに対する入射角を適当な値に組み合わせることにより、図５に示すように主走査方向と副走査方向の偏光成分に対する総合透過率をほぼ同一とすることが可能となる。

図４に示すように主走査方向に偏光方向を持つビームをＡ０、副走査方向に偏光方向を持つビームをＢ０とする。これらの２本のビームがポリゴンミラー２０に入射する。

ポリゴンミラー２０の法線は主走査方向に４２°傾いており、ビームＡ０はポリゴンミラー２０に対してＰ偏光、ビームＢ０はＳ偏光となる。ポリゴンミラー２０は図６左図の構成のコーティングを有し、図７に示すように、入射角４２°の場合のＳ偏光とＰ偏光の反射率ＲｓとＲｐは、それぞれＲｓ＝０．９０とＲｐ＝０．８３である。このときコーティングの厚さ（nm）はλ（nm）×δ×１／２×（１／ｎ）×（１／ｃｏｓθ（ｊ））で表され，３００．９ｎｍである。ここで，λはレーザ波長，δはコーティング層の位相シフト量，ｎはコーティング層の屈折率，θ（ｊ）はｊ層中の光線のｊ＋１層への入射角である。

ポリゴンミラー２０にてＡ０が反射したビームＡ１と、Ｂ０が反射したビームＢ１の光強度は、
Ａ１ = Ａ０ * Ｒｐ = Ａ０ * ０.８３
Ｂ１ = Ｂ０ * Ｒｓ = Ｂ０ * ０.９０
となる。

次に、Ａ１、Ｂ１のビームがシリンダーミラー２４に入射する。シリンダーミラー２４は、図６中図に示す構成の表面コーティング層を持っているものとする。

シリンダーミラー２４の法線は副走査方向に１５°傾いており、ビームＡ１はシリンダーミラー２４に対してＳ偏光、ビームＢ１はシリンダーミラー２４に対してＰ偏光となる。図８に示すように、シリンダーミラー２４のＳ偏光とＰ偏光の入射角１５°の場合の反射率ＲｓとＲｐは、それぞれＲｓ＝０．９４とＲｐ＝０．９４である。このときコーティングの厚さ（nm）は，第一層が９３．６ｎｍ，第二層が１２８．５ｎｍである。

よってシリンダーミラー２４にてＡ１が反射したビームＡ２と、Ｂ１が反射したビームＢ２の光強度は、
Ａ２ = Ａ１ * Ｒｓ = Ａ０ * ０.８３ * ０．９４
Ｂ２ = Ｂ１ * Ｒp = Ｂ０ * ０.９０ * ０．９４
となる。

次に、Ａ２、Ｂ２のビームがシリンダーミラー２５に入射する。シリンダーミラー２５は、図６右に示す構成の表面コーティング層を持っているものとする。

シリンダーミラー２５の法線は副走査方向に５０°傾いており、ビームＡ２はシリンダーミラー２５に対してＳ偏光、ビームＢ２はシリンダーミラー２５に対してＰ偏光となる。図９に示すように、シリンダーミラー２５のＳ偏光とＰ偏光の入射角５０°の場合の反射率ＲｓとＲｐは、それぞれＲｓ＝０．９７とＲｐ＝０．８９である。このときコーティングの厚さ（nm）は，第一層が９９．７ｎｍ，第二層が１５１．３ｎｍである。

よってシリンダーミラー２５にてＡ２が反射したビームＡ３と、Ｂ２が反射したビームＢ３の光強度は、
Ａ３ = Ａ２ * Ｒｓ = Ａ０ * ０.８３ * ０．９４ * ０．９７ = Ａ０ * ０．７５６
Ｂ３ = Ｂ２ * Ｒp = Ｂ０ * ０.９０ * ０．９４ * ０．８９ = Ｂ０ * ０．７５３
となり、ビームＡ０、ビームＢ０に対する３枚のミラー、すなわちポリゴンミラー２０、シリンダーミラー２４、シリンダーミラー２５の総合反射率はそれぞれ０．７５６および０．７５３となって、ほぼ等しくなる。

上記の効果により、走査光学系から射出するビーム光量は、図１０に示すように各ビームごとの光量ムラが少ない、略均一な分布とすることが可能となる。
＜入射角度による制御＞
図９に示すように、シリンダーミラー２５への入射角を５０°から４５°に変更すると、Ｓ偏光とＰ偏光の反射率ＲｓとＲｐは、それぞれ
Ｒｓ＝０．９６９とＲｐ＝０．８８９から
Ｒｓ＝０．９６５とＲｐ＝０．９０に変化する。

よって３枚のミラーの総合反射率は
Ａ３ = Ａ２ * Ｒｓ = Ａ０ * ０.８３ * ０．９４ * ０.９６５ = Ａ０ * ０．７５３
Ｂ３ = Ｂ２ * Ｒp = Ｂ０ * ０.９０ * ０．９４ * ０.９０ = Ｂ０ * ０．７６１
となる。

上記のように、ミラーへの入射角を変えることでビームＡ０、ビームＢ０に対する３枚のミラーの各偏光成分に対する総合反射率を変更することができる。これにより、例えば他のミラーの反射率が何らかの理由で変動した場合でも、ミラーの交換を行うかわりに入射角度を変更することで各偏光成分に対する反射率を制御し、対応可能とすることができる。
＜光走査装置への応用＞
図１１には本発明の第２実施形態に係る光走査装置の光学系が示されている。

図１１に示すようにポリゴンミラー２０にて入射光を偏向し、シリンダーミラー２４、シリンダーミラー２５の反射面にて反射し被走査面にビームを導く構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、例えばポリゴンミラー２０の入射側に透過型光学素子であるウィンドウ３０を設け、Ｐ偏光とＳ偏光に対する透過率の違いを利用して光学系全体のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率を一致させることを目的とする。

ウインドウ３０は屈折率１．５の光学ガラスであり、入射するレーザビームに対し副走査方向に２５°傾いた状態で設けられている。すなわちＢ０に対して傾く方向となるためＡ０はＳ偏光，Ｂ０はＰ偏光となる（図１１参照）。

図１２に示すように、ウインドウ３０のＳ偏光に対する透過率は入射角２５°で一面あたり０．９４４、Ｐ偏光に対する透過率は同じく一面あたり０．９６８であり、ウインドウ３０の透過面は入射面と射出面の２面が存在するので、Ｓ偏光に対する透過率Ｔｓは
Ｔｓ＝０．９４４＊０．９４４＝０．８９１、
Ｐ偏光に対する透過率Ｔｐは
Ｔｐ＝０．９６８＊０．９６８＝０．９３７
となる。よって、ウィンドウ３０を透過したビームの光強度は
Ａ１＝Ａ０＊Ｔｐ＝Ａ０＊０.８９
Ｂ１＝Ｂ０＊Ｔｓ＝Ｂ０＊０.９４
となる。

続いてウィンドウ３０を透過したビームはポリゴンミラー２０にて走査偏向される。このときポリゴンミラー２０にてＡ０が反射したビームＡ１と、Ｂ０が反射したビームＢ１の光強度は、
Ａ２＝Ａ１＊Ｒｐ＝Ａ０＊０.８９＊０．８３
Ｂ２＝Ｂ１＊Ｒｓ＝Ｂ０＊０.９４＊０．９０
となるのは第１実施形態と同様である。

次に、Ａ２、Ｂ２のビームがシリンダーミラー２４に入射する。シリンダーミラー２４は、図６中図に示す構成の表面コーティング層を持っているものとする。

シリンダーミラー２４にてＡ２が反射したビームＡ３と、Ｂ２が反射したビームＢ３の光強度は、
Ａ３＝Ａ２＊Ｒｓ＝Ａ０＊０．８９＊０.８３＊０．８７５
Ｂ３＝Ｂ２＊Ｒp = Ｂ０＊０．９４＊０.９０＊０．８６６
となる。

次に、Ａ２、Ｂ２のビームがシリンダーミラー２５に入射する。シリンダーミラー２５は、図６右に示す構成の表面コーティング層を持っているものとする。

シリンダーミラー２５のＳ偏光とＰ偏光の入射角５０°の場合の反射率ＲｓとＲｐは、それぞれＲｓ＝０．９２とＲｐ＝０．８１である。よってシリンダーミラー２５にてＡ３が反射したビームＡ４と、Ｂ３が反射したビームＢ４の光強度は、
Ａ４＝Ａ３＊Ｒｓ
＝Ａ０＊０．８９＊０.８３＊０．８７５＊０．９２
＝Ａ０＊０．５９５
Ｂ４＝Ｂ３＊Ｒｐ
＝Ｂ０＊０．９４＊０．９０＊０．８６６＊０．８１
＝Ｂ０＊０．５９３
となり、ビームＡ０、ビームＢ０に対する１枚のウィンドウと３枚のミラー、すなわちウィンドウ３０とポリゴンミラー２０、シリンダーミラー２４、シリンダーミラー２５の総合透過／反射率はそれぞれ０．５９５および０．５９３となって、ほぼ等しくなる。ＬＤアレー１４以降の光学系全体における主走査方向／副走査方向の透過・反射率を図１３に示す。この表でも明らかなように、主／副方向の透過率差は１．００４であり、１％以下に収まっている。

上記の効果により、走査光学系から射出するビーム光量は各ビームごとの光量ムラが少ない、略均一な分布とすることが可能となる。
＜まとめ＞
以上のように複数の光源から発せられるレーザビームの偏光方向が異なっていても、走査光学系のそれぞれのビームに対する透過率／反射率を揃えることが可能となった。

また、レーザ変調時にレーザキャビティ内のレーザ発振モードが変動して偏光方向が瞬時に変わった場合でも、ビームの透過率／反射率は偏光方向によって変化しないため、複数のレーザビームのダイナミックな光量変動も回避可能となる。これにより感光体面上でのビームの光量ばらつきを精度良く補正することが可能であり、高い画質の画像を安定して得ることができた。

また、レーザアレーの個々の偏光方向に依存することなく、任意の偏光方向をもつビームの光学系透過率を調整することが可能となり、高い画質を得るとともに、走査光学系の組立時に発生するビーム間光量ばらつきに対する走査光学系の歩留まりを、大幅に向上させることができた。

また、各ミラーの表面コーティングの調整のみで上記の構成には対応可能であり、他の特別な構成部品が不要となるので、走査光学系全体を低コストで製造可能である。
＜その他＞
以上、本発明の実施例について記述したが、本発明は上記の実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。

例えば複数の光源と光学素子とを備え、各光源ごとの光量差が問題となるような種々の光学機器に対して本発明を利用することが可能である。

本発明に係る光走査装置を示す斜視図である。 本発明に係る光走査装置を示す模式図である。 本発明に係るミラーの偏向制御を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るミラーの偏向制御を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るミラーの偏向制御を示す表である。 本発明の第１実施形態に係るミラーの表面コーティングを示す図である。 本発明の第１実施形態に係るミラーの入射角度と反射係数を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るミラーの入射角度と反射係数を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るミラーの入射角度と反射係数を示す図である。 本発明に係るビームスポットの光量ムラを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るミラーの入射角度と反射係数を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光走査装置を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係るウィンドウの偏向への影響を示す図である。 従来の光走査装置を示す斜視図である。 従来の光走査装置を示す模式図である。 従来の偏光方法による入射角度と反射率の関係を示す図である。 従来のミラーの偏向への影響を示す図である。 従来のビームスポットの光量ムラを示す図である。 従来のミラーの表面コーティングを示す図である。 従来のミラーの入射角度と反射係数を示す図である。 従来のミラーの入射角度と反射係数を示す図である。 従来のミラーの入射角度と反射係数を示す図である。

符号の説明

１０ 光走査装置
１２ アパーチャ
１４ ＬＤアレー
１６ コリメータ
１８ シリンダーレンズ
２０ ポリゴンミラー
２２ ｆθレンズ
２３ ｆθレンズ
２４ シリンダミラー
２５ シリンダミラー
２８ 走査面
３０ ウィンドウ

Claims (1)

1. 複数の光源と、
   前記複数の光源から発せられる複数の光ビームを被走査物の表面に導き、及び被走査物の表面に結像させるため複数の光学素子からなる光学系と、を備えた光走査装置であって、
   前記光学系は少なくともポリゴンミラーを含む複数のミラーを備え、
   前記光源と前記被走査物との間に配置された前記複数のミラーの全ては、第１の光学 素子または第２の光学素子の何れかに属し、前記ポリゴンミラーは前記第１の光学素子に属し、前記ポリゴンミラーのほぼ中央を互いに平行な複数のビームのうち中心を通過する光ビームが通過する状態において、前記ポリゴンミラー面の法線と前記複数のビームのうち中心を通過する光ビームのなす角が主走査方向に傾斜するように配置され、
   前記第１の光学素子に属する全てのミラーは、各ミラー面の法線と前記複数のビームのうち中心を通過する光ビームのなす角が主走査方向に傾斜するように配置され、
   前記第２の光学素子に属する全てのミラーは、各ミラー面の法線と前記複数のビームのうち中心を通過する光ビームのなす角が副走査方向に傾斜するように配置され、
   前記複数のミラーのうち前記第１の光学素子に属するミラーの回転軸と前記複数のミラーのうち前記第２の光学素子に属するミラーの回転軸とを直角に捻った位置に配置することで、前記光ビームの偏光成分であるＰ偏光成分とＳ偏光成分に対して、前記Ｐ偏光成分の総合反射率と前記Ｓ偏光成分の総合反射率が略等しくなるように構成し、
   全ての透過光学系の総合透過率は、前記Ｐ偏光成分と前記Ｓ偏光成分においてほぼ等しいことを特徴とする光走査装置。

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