JP4847201B2 - 光源システム、光走査装置、画像形成装置、光量制御方法、光走査方法、及び画像形成方法 - Google Patents

光源システム、光走査装置、画像形成装置、光量制御方法、光走査方法、及び画像形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、光源システム、光走査装置、画像形成装置、光量制御方法、光走査方法、及び画像形成方法に関する。
面発光型レーザーなど多数のビームを発光する光源を有するラスタ出力装置において、光検出手段に半透過性かつ半反射性の部材を用いて光源からの光を返送するものがある(例えば、特許文献1参照)。
面発光型の半導体レーザーを用いる光源装置で受光面を半導体レーザーの基板上に並置し、半導体レーザーからの光束が受光面を通るように光束の進路を複数に分割する分割手段によって発光量を検知するものがある(例えば、特許文献2参照)。
光走査装置において複数の発光点と、光ビームを平行光とする光学手段と、光ビームの一部を透過し一部を反射するビーム返送部材とを有し、裏面出射するビームの無い光源についても光量を検出し、また検出する手段と光源とを同一のベース部材上に配置し、装置の小型化を図るものがある(例えば、特許文献3参照)。
直線上に配列された複数の発光源を有する半導体レーザーからの光束をビーム整形するアパーチャを設け、このアパーチャに設けられた鏡面により反射された検出光束を受光する各発光源対応の複数個の受光素子を設けるものがある(例えば、特許文献4参照)。
面発光レーザーによる走査線と結像スポットの位置関係について開示し、高速走査を可能にしたものがある(例えば、特許文献5参照)。
近年、画像形成装置においては、高速化、高密度化、高画質化といった要求が高まってきている。これらの要求に対して、複数の発光点を有し、1つの被走査面を複数のビームで走査するマルチビーム書込方式を用いた画像形成装置が実用化されてきている。
光走査装置、特に半導体レーザーを用いたレーザー走査装置は、その構造の簡素さ、高速性、解像度の高さから、画像表示装置や画像記録装置などの画像形成装置に広く用いられてきた。なかでも電子写真方式のプリンターの露光装置として最適なものであり、レーザービームプリンターとして多くの製品が上市されている。
ところが近年の画像形成装置の高速化や高解像度化の要求がさらに高まりつつあり、走査速度の向上が望まれている。高速の走査を実現するためには速度の速い偏向装置が必要になるが、例えば偏向装置として回転多面鏡を用いる場合、回転数の高速化には上限がある。
その解決策の1つとして、例えば特許文献5に示されているように、独立に変調可能な複数の発光点を持つ面発光レーザー(垂直共振器型面発光レーザー、以下VCSELと記す)からの光束を走査し、1回の走査で複数の走査線を同時に走査する、いわゆるマルチビーム走査装置を用いた画像形成装置が提案されている。
このような複数発光領域を持つVCSELを用いた従来の光走査装置の一例を図1に示す。
複数の発光領域を有し、この発光点を制御する発光制御手段を有する光源101から複数のレーザービームを射出され、カップリングレンズ102とシリンドリカルレンズ103とからなるカップリング光学系によってカップリングされ成形される。複数ビームはカップリングされた後に回転多面鏡である偏向器105によって偏向反射され、主走査方向に走査され、結像光学系である走査レンズ1(106a)及び走査レンズ2(106b)によって像面である被走査面(感光体)108、ここでは感光性の媒体を支持する円柱状の像担持体の上に走査線109として結像される。
像担持体は図1の円柱の軸を中心に回転し、像面を主走査方向とは垂直の方向に移動させ、光走査を行って画像を形成する。
画像出力の高速化を実現するためには上述のVCSELなどによる複数ビーム化という手段が考えられる。なかでも、高速出力機においてはマルチビーム化された書込み光源を用いるのが一般的となっている。
1本のレーザーを用いた場合と比較して、n本のレーザーを同時に用いた場合、先記潜像形成領域はn倍となり、画像形成に必要な時間は1/nとなる。複数ビームによる光走査及び画像形成を行う場合に課題となるのは、各光束について光強度に差が出ないようにする点にある。光強度が光束ごとに異なると走査線毎の濃度が不均一になり、画質が劣化するためである。そのため、特許文献1、2、3においてはそれぞれ、VCSELを用いた光源や光走査装置において受光面によって各光束の光強度を検出し、この検出情報より各発光素子を制御回路によって制御し、所望の光強度となる様にする旨の記述がある。
また、高速化実現のためには複数ビーム化に加えてレーザーの高出力化が必要となる。電子写真方式の画像形成装置においては、被走査面となる感光体上での単位面積、単位時間当たりの必要露光エネルギーを越える露光を与えねば成らないため、感光体の線速(感光体表面の移動速度)を向上して高速化に対応するには、より多くの光出力、または光利用効率の向上が必要であるからである。光出力の向上については、VCSELの素子の技術開発によって取り組みが成されているが、その向上率はわずかであり、そのため光源装置やシステム、また光走査装置において光利用効率の向上を行うことが、高密度な書込を高速に行うためには必須となってくる。
特開平10−100476号公報 特開2002−26445号公報 特開2005−274678号公報 特開平6−164070号公報 特許第3227226号公報
ところが、上述の特許文献1、2、3、4においては光利用効率の向上については技術開示が成されていない、または不十分であるといえる。
また、特許文献1に記載の技術では、上述した部材、所謂ハーフミラーを用いると外部への光供給に関しては損失が大きくなる。
特許文献2に記載の技術では、光源装置内に光量検出用の受光面を搭載することで、光源から受光面までの光路長を短く出来、精度良く光量検出が行え、高品質な画像形成が行えるが、分割手段に関しては三角プリズムなどを用いており、外部への光供給に関しては損失が大きい。現状では面発光型レーザーでは光出力の向上が課題となっているが、その課題の解決するための開示が成されていない。
特許文献3に記載の技術では、光走査および画像形成を行う光ビームはビーム返送部材を通過した一部の光であるため、光出力の増加が課題となっている面発光レーザーを光源に用いる場合においては光量損失が無視できなくなり高速化に対しては問題となる。
特許文献4に記載の技術では、光量を分離検出する際の、鏡面、アパーチャ、光束との位置関係は明確にされておらず、従って光量損失が大きく高速な画像形成に対しては問題となる。また受光素子を複数設けるため、装置の低コスト化に問題がある。
そこで、本発明の主な目的は、上記課題に鑑み、光源からの光束を高い利用効率で光走査に用いることのできる光源システム、光走査装置、光量制御方法、及び光走査方法を提供し、高速で高密度な書込を行える画像形成装置及び画像形成方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、複数の光源と、該光源からの複数の光束F0の光強度を検知手段により共通に検知し、光量制御を行える光源システムにおいて、前記光源からの光束を、少なくとも光束FMと光束FSとに分離する分離手段を有し、分離された光束FM前記検知手段に導光され、前記光束F0の伝播方向に垂直な断面において前記光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分は、前記光束FMには含まれず前記光束FSにのみ含まれるようにし、前記光源と前記分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、前記分離手段は、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されており、前記検知手段はただ1つであることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記分離手段から前記検知手段へ導く検知光学系をさらに有することを特徴とする。
請求項に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記光源を駆動する駆動回路の一部と前記検知手段とが一体化して形成されていることを特徴とする。
請求項に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記分離手段は光反射部材であることを特徴とする。
請求項に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記分離手段は前記光束FMに対して、正のパワーを持つ曲面ミラーであることを特徴とする。
請求項に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記分離手段は光透過部材であることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれか1項記載の発明において、前記光源は垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、請求項1から7のいずれか1項に記載の光源システムと、前記光源システムからの複数の光束を整形するビーム整形手段と、整形された光束を主走査方向に偏向走査する偏向手段と、偏向走査された光束を被走査面上に結像する走査光学系とを備え、前記ビーム整形手段は、前記光源からの光束FSを整形する開口部を有することを特徴とする。
請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の発明において、前記分離手段は、前記開口の主走査方向の開口幅と副走査方向の開口幅のうち、より狭い開口幅の方向と略垂直な面内でのみ前記光束FSと前記光束FMとが角度を有するように設定されていることを特徴とする。
請求項10に記載の発明は、請求項8に記載の発明において、前記分離手段は、主走査断面に対して垂直な副走査断面内に平行な面において前記光束FMと前記光束FSとが角度を有するように分離することを特徴とする。
請求項11に記載の発明は、請求項8から10のいずれか1項記載の発明において、前記開口部は前記分離手段と一体的に形成されていることを特徴とする。
請求項12に記載の発明は、請求項8から10のいずれか1項記載の発明において、光束の進行方向において前記開口部と前記分離手段とが別部材から成り、前記分離手段は前記開口部の前方に配置されていることを特徴とする。
請求項13に記載の発明は、請求項10から12のいずれか1項に記載の発明において、前記分離手段は、前記光束F0のうち、前記開口部を通過する部分を前記光束FS及び前記光束F0のうち、前記光束FSの周囲を囲む部分を前記光束FMとして分離することを特徴とする。
請求項14に記載の発明は、請求項10から12のいずれか1項に記載の発明において、前記分離手段は、前記開口部の開口に対して副走査方向において片側のみに隣接していることを特徴とする。
請求項15に記載の発明は、請求項8から14のいずれか1項に記載の発明において、前記光源は垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする。
請求項16に記載の発明は、請求項14または15に記載の発明において、前記ビーム整形手段は、前記光源と前記分離手段との間に、焦点距離を有する光学素子を有し、前記分離手段は、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されていることを特徴とする。
請求項17に記載の発明は、請求項8から16のいずれか1項に記載の光走査装置を有する画像形成装置であることを特徴とする。
請求項18に記載の発明は、複数の光源からの複数の光束F0の光強度をただ1つの検知手段により検知し、光量制御を行う光量制御方法であって、前記光源からの光束を、分離手段により少なくとも光束FMと光束FSとに分離し、分離された光束FMを前記検知手段に導光し、前記光源と前記分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、前記分離手段、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置し、前記光束F0の伝播方向に垂直な断面において前記光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分を、前記光束FMには含まれず光束FSにのみ含まれるように制御することを特徴とする。
請求項19に記載の発明は、請求項18に記載の光量制御方法による複数の光束を整形し、整形された光束を主走査方向に偏向走査し、偏向走査された光束を被走査面上に結像させ、光源からの光束FSを整形することを特徴とする。
請求項20に記載の発明は、請求項19に記載の光走査方法を用いる画像形成方法であることを特徴とする。
本発明によれば、光束は略円状または楕円状となり、略中心付近が強度のピークとなる。このピーク部分の光を外部に供給しそれ以外の部分を光量制御のために検知することで、光量を制御することができ、外部への効率の良い光供給を行える。光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷低減が行える。
本発明に係る光源システムの一実施の形態は、複数の光源と、該光源からの複数の光束F0の光強度を検知手段により共通に検知し、光量制御を行える光源システムにおいて、前記光源からの光束を、少なくとも光束FMと光束FSとに分離する分離手段を有し、分離された光束FM前記検知手段に導光され、前記光束F0の伝播方向に垂直な断面において前記光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分は、前記光束FMには含まれず前記光束FSにのみ含まれるようにし、前記光源と前記分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、前記分離手段は、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されており、前記検知手段はただ1つであることを特徴とする。また、上記構成に加え、前記分離手段から前記検知手段へ導く検知光学系をさらに有してもよい。
上記構成によれば、光束は略円状または楕円状となり、略中心付近が強度のピークとなる。このピーク部分の光を外部に供給しそれ以外の部分を光量制御のために検知することで、光量を制御することができ、外部への効率の良い光供給を行える。光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷低減が行える。
この結果、光量を所望の値に適切に制御することが出来、なおかつ十分な光量を外部に供給する光源システムの提供を実現することができる。
本発明に係る光源システムの他の実施の形態は、上記構成に加え、光源を駆動する駆動回路の一部と検知手段とが一体化して形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、検知手段となる受光素子等を、光源と同一の基板、または同一のベース部材によって支持するようにすることで、検知手段と光源とを個々に形成した場合に比べて必要となるスペースを低減することが出来、システム及びそれを用いた装置を小型化することができる。また配線基板や支持部材等を部分的に共通化できるため、部品点数を削減し低コスト化及び環境負荷低減が行える。
この結果、システム及び装置の小型化、光量制御の外部のノイズに対する堅牢性を高める、部品点数を削減し、低コスト化を行うことができる。
本発明に係る光源システムの他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は光反射部材であることを特徴とする。
上記構成によれば、ミラーなどの光反射部材を分離手段とすることで、検知手段または/および光供給する外部への光を、低損失で高効率な利用をすることができる。また、ミラーで光路を折り返すことができるため、システムの小型化を行うことができる。
この結果、低発光量であっても、高効率での光検知及び高出力での光供給を行い、システムの小型化を行うことができる。
本発明に係る光源システムの他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は光束FMに対して、正のパワーを持つ曲面ミラーであることを特徴とする。
上記構成によれば、分離手段によって検知手段上に集光するような構成をとることができるため、分離手段は検知光学系も兼ねることとなり、他の部品による検知光学系の構成が不要となり、部品点数を低減できる。また、部品点数低減にともない、素子を配置するスペースを省略できるため、装置を小型化することができる。
この結果、部品点数を低減し、低コスト化を図ることができる。
本発明に係る光源システムの他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は光透過部材であることを特徴とする。
上記構成によれば、ミラーなどの反射部材に比べて、透過性の光学素子であるレンズまたはプリズムまたは回折光学素子等は、光線が面形状による影響を受けず、光スポットの位置ずれが低減でき、従って受光素子を小型化することができる。また面形状の精度に余裕ができるため歩留が向上し、システムを低コスト化できる。
この結果、受光素子などの検知手段を小型化し、また製造の歩留を向上し低コスト化を図ることができる。
本発明に係る光源システムの他の実施の形態は、上記構成に加え、光源と分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、分離手段は、光学素子の光軸方向において光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されていることを特徴とする。
上記構成によれば、複数光束を用いた時にレンズなどの光学系の光軸を通らず光軸からの距離が異なる光軸外光束同士は、一般的に光束の断面が空間的に一致しない。その時に同一の開口によって光束の一部を切り取ると、光強度分布の異なる部分を検知してしまうために各光束の間で光量に差が出てしまう。しかし、レンズの焦点上では光軸外の光束も主光線が光軸に交わるため、各光束の光強度中心を揃えることができる。このときに単一の分離手段で光束を分離すると、光束の全光量に対する分離光量の比率を揃えることができるため、複数の光束に対して同様の光量制御を行うことができる。
この結果、複数光束を用いたとき、各光束の間で検知手段へ到達する割合を略一定にし、各光束の検知手段上での光量を精度良く一致させることができる。
本発明に係る光源システムの他の実施の形態は、上記構成に加え、光源は垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする。
上記構成によれば、端面発光型の半導体レーザーを複数用いるLDアレイに比較して、垂直共振器型面発光レーザー(VCSEL)を用いた場合は、発生させる光束の数が増加するほど低コスト化できる。またVCSELは共振器長が非常に短いことからモードホッピングもLDアレイより小さく、波長変化に起因する光走査の品質劣化を低減できる。
この結果、光源部の低コスト化、発光素子の高密度な集約による装置の小型化を行うことができる。
本発明に係る光走査装置の一実施の形態は、上記いずれかの光源システムと、光源システムからの複数の光束を整形するビーム整形手段と、整形された光束を主走査方向に偏向走査する偏向手段と、偏向走査された光束を被走査面上に結像する走査光学系とを備え、ビーム整形手段は、光源からの光束FSを整形する開口部を有することを特徴とする。
上記構成によれば、本発明の光源システムを用いることで、光走査を行いながら同時に光量を所望の値に調整制御出来る。そして光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷提言が行える。
この結果、光利用効率を向上し、必要光量を低減し、低出力の光源を用いても光量検出を行うことが出来、且つ十分な光量で光走査を行うことのできる、光走査装置の提供を実現することができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は、開口の主走査方向の開口幅と副走査方向の開口幅のうち、より狭い開口幅の方向と略垂直な面内でのみ光束FSと光束FMとが角度を有するように設定されていることを特徴とする。
上記構成によれば、開口部でビームを整形する場合、開口の端、即ち光束通過部と光束遮断部の境界では加工精度の限界によりわずかながら光束が蹴られてしまう。しかし一般的に開口は光束の進行方向に対して垂直に配置されるため、この影響はかなり小さい。
ところが、本発明の分離手段及び/又は開口部ように光束進行方向に対して垂直でなく斜めになるような配置をとる部材があると、この部材の厚み方向の距離によって光束を蹴ってしまう。光束進行方向に垂直な面に対する角度が大きくなるほど光束が蹴られる量は増え、またその時には製造上の加工誤差、配置誤差による影響がより一層現れやすくなる。また蹴られる量が同じであっても、開口幅が広い方がその影響は比率として少なく、開口によって決定される像面上の光スポット径がばらつくことを低減できる。
従って、開口幅が長い方向に対して、その方向に垂直な方向の回転軸を中心に分離手段及び/又は開口部を回転させるように配置した方が良い。
上記構成によれば、分離手段の面が光束F0の進行方向に対して角度を有する場合にも光束が蹴られる量を低減でき、開口によって決定されるビームスポット径が製造誤差によってばらつくことを低減できる。またレイアウトの点では、走査光学系および光源システムを含む書込光学系は光学ハウジングに収容され光走査装置を構成するが、このとき一般的には光学ハウジングの蓋は主走査断面と略平行であり、従って光源システム内の光束FS、FMが主走査断面に略平行となる様に光学ハウジングに配置された光学素子は、光学ハウジングの蓋を外した状態での配置、および調整のための作業が行い易い。そのため製造の歩留低下を防ぐことが出来、製造の速度を向上できる。また受光素子、分離手段などの光学素子といった部品の位置調整を簡便に行えることから受光素子に確実に光束FMを導くことができ、受光素子の必要サイズを低減することが出来、低コスト化ができる。また光学ハウジング全体の副走査方向の厚みを低減でき、光走査装置を小型化できる。
この結果、ビームスポット径、光量に対する製造誤差の影響を低減することができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は、主走査断面に対して垂直な副走査断面内に平行な面において光束FMと光束FSとが角度を有するように分離することを特徴とする。
上記構成によれば、光源システムを構成する各部品が主走査断面内に配置するにあたり制約が大きい場合(走査光学系と干渉する、光学ハウジングと干渉するなど)、副走査方向に光束を分離することでこれらの干渉を回避することができる。また光源システム内の各光学素子による迷光が発生したとしても、被走査面に到達しにくくすることができる。例えば受光素子に集光するレンズの表面で反射した光は、副走査方向に角度を有するために光偏向器(ポリゴンミラーなど)上へはたどり着かない。直接走査レンズに反射光が入射しても、被走査面に到達するまでに正規の走査光束から副走査方向に離れるために被走査面上には到達せず、そのためゴーストを低減できる。
この結果、光源システムのレイアウト自由度を上げることにより、光走査装置の小型化を行う。また光源システム内の光束FMの反射、散乱、回折光が迷光となって走査光学系内に入射し、被走査面に到達することによるゴーストを防ぐことができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、開口部は分離手段と一体的に形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、開口部としての役割を有する部材を分離手段となる様に加工することで、これら2つの機能を1つの部材に集約することが出来、低コスト化できる。また配置スペースを縮小することが出来、装置を小型化することができる。
この結果、部品点数を低減し、製造工程を簡略化し、低コスト化することができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、光束の進行方向において開口部と分離手段とが別部材から成り、分離手段は開口部の前方に配置されていることを特徴とする。
上記構成によれば、開口部と分離手段を別部材とすることによってそれぞれの製造が容易になり、歩留が向上する。また分離手段を開口部よりも前方に配置し、より光源に近づけることによって、光源から検知手段に至るまでの光路を短縮化することが出来、装置を小型化でき、製造誤差があっても検知手段への光束の光スポットのずれを低減できる。
この結果、装置を小型化し、部品の製造を容易にすることができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は、光束F0のうち、開口部を通過する部分を光束FS及び前記光束F0のうち、光束FSの周囲を囲む部分を光束FMとして分離することを特徴とする。
上記構成によれば、開口部によって遮蔽され光走査には用いられない光をより多く検知手段に導くことが出来、光利用効率を向上することが出来、検知時のSN比を向上することができる。従って光量が精度良く制御でき、良好な光走査が行える。
この結果、高い光利用効率で光量の検知を行い、検知の際のSN比を向上し、光量を良好に制御できる光走査装置を得ることができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、分離手段は、開口部の開口に対して副走査方向において片側のみに隣接していることを特徴とする。
上記構成によれば、開口に対して片側のみに配置されればよいので、分離手段は製造が容易な形状をとることができる。または個数を低減できるので低コスト化できる。
この結果、分離手段の構造を簡易化し、製造を容易にする。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、光源は垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする。
上記構成によれば、端面発光型の半導体レーザーを複数用いるLDアレイに比較して、垂直共振器型面発光レーザー(VCSEL)を用いた場合は、発生させる光束の数が増加するほど低コスト化できる。またVCSELは共振器長が非常に短いことからモードホッピングもLDアレイより小さく、波長変化に起因する光走査の品質劣化を低減できる。
この結果、光源部の低コスト化、発光素子の高密度な集約による装置の小型化を行うことができる。
本発明に係る光走査装置の他の実施の形態は、上記構成に加え、ビーム整形手段は、光源と分離手段との間に、焦点距離を有する光学素子を有し、分離手段は、光学素子の光軸方向において光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されていてもよい。
上記構成によれば、複数光束を用いた時にレンズなどの光学系の光軸を通らず光軸からの距離が異なる光軸外光束同士は、一般的に光束の断面が空間的に一致しない。その時に同一の開口によって光束の一部を切り取ると、光強度分布の異なる部分を検知/光量制御/走査してしまうために各光束の間で光量に差が出てしまう。しかし、レンズの焦点上では光軸外の光束も主光線が光軸に交わるため、各光束の光強度中心を揃えることができる。このときに単一の分離手段で光束を分離すると、光束の全光量に対する分離光量の比率を揃えることができるため、複数の光束に対して同様の光量制御を行うことができる。したがって、被走査面上での光量を精度良く補正して一致させることができ、露光量に不均一性の少ない良好な光走査が行える。
この結果、複数光束を用いたとき、各光束の間で検知手段へ到達する割合を略一定にし、各光束の被走査面上での光量を精度良く一致させることができる。
本発明に係る画像形成装置の一実施の形態は、上記いずれかの光走査装置を有することを特徴とする。
上記構成によれば、光源からの光の利用効率を向上した光源システム、これを用いた光量制御を良好に行える光走査装置によって、画像の劣化を低減し、低コストで高信頼の省エネルギーな画像形成を行うことができる。さらに複数光束を用いる本発明の光走査装置によれば、高画質な画像を高速に形成することができる。
この結果、画像濃度の不均一性を低減し、低コスト化を図り、信頼性が高く、省エネルギーな、高速且つ高密度な書込を行える画像形成装置の実現を提供することができる。
本発明の光量制御方法に係る一実施の形態は、複数の光源からの複数の光束F0の光強度をただ1つの検知手段により検知し、光量制御を行う光量制御方法であって、前記光源からの光束を、分離手段により少なくとも光束FMと光束FSとに分離し、分離された光束FMを前記検知手段に導光し、前記光源と前記分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、前記分離手段、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置し、前記光束F0の伝播方向に垂直な断面において前記光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分を、前記光束FMには含まれず光束FSにのみ含まれるように制御することを特徴とする。
上記構成によれば、光束は略円状または楕円状となり、略中心付近が強度のピークとなる。このピーク部分の光を外部に供給しそれ以外の部分を光量制御のために検知することで、光量を制御することができ、外部への効率の良い光供給を行える。光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷低減が行える。
この結果、光量を所望の値に適切に制御することが出来、なおかつ十分な光量を外部に供給することができる。
本発明の光走査方法に係る一実施の形態は、上記構成の光量制御方法による複数の光束を整形し、整形された光束を主走査方向に偏向走査し、偏向走査された光束を被走査面上に結像させ、光源からの光束FSを整形することを特徴とする。
上記構成によれば、本発明の光量制御方法を用いることで、光走査を行いながら同時に光量を所望の値に調整制御出来る。そして光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷提言が行える。
この結果、光利用効率を向上し、必要光量を低減し、低出力の光源を用いても光量検出を行うことが出来、且つ十分な光量で光走査を行うことのできる、光走査方法の提供を実現することができる。
本発明の画像形成方法に係る一実施の形態は、上記光走査方法を用いることを特徴とする。
上記構成によれば、本発明の光走査方法を用いることで、光走査を行いながら同時に光量を所望の値に調整制御出来る。そして光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷提言が行える。
この結果、光利用効率を向上し、必要光量を低減し、低出力の光源を用いても光量検出を行うことが出来、且つ十分な光量で光走査を行うことのできる、画像形成方法の提供を実現することができる。
〔プログラム及び記憶媒体〕
以上で説明した本発明に係る光源システム、光走査装置、画像形成装置は、コンピュータで処理を実行させるプログラムによって実現されている。コンピュータとしては、例えばマイクロプロセッサが挙げられる。
記録媒体としては、例えば、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、フレキシブルディスク(FD)、CD−R(CD Recordable)、DVD(Digital Versatile Disk)などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体、HDD(Hard Disc Driver)、フラッシュメモリ、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、FeRAM(強誘電体メモリ)等の半導体メモリが挙げられる。
なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
本発明に係る光源システムの一例を図2に示す。
光源201から射出された光束F0(202)は分離手段に到達するように構成されている。光源201としては、光束を発生させられる光源であれば特に制限は無いが、例えば、一般的な端面発光型の半導体レーザー(LD)、LDを複数合成する方法、またはLDを複数並べて1つの素子としたLDアレイを用いることができる。
光束F0(202)が発散性の光束である場合にはカップリング光学素子(ガラスまたは樹脂製のレンズや回折光学素子などを用いることができる)203を用いて発散性を弱め、弱い発散性、または収束性、または平行光束に変換することで、光利用効率を向上することができる。
本実施例では、カップリング光学素子203によって、略平行光束としている。光束F0(202)を分離手段204によって光束FS(205)と光束FM(206)とに分離し、光束FS(205)は光源システム外へ射出し、光学装置(不図示)へ光の供給を行う。
一方、光束FM(206)は検知光学系207によってただ1つの検知手段である検知手段208へ集光され、検知される。検知手段208としては一般的なフォトダイオード(PD)を用いることができる。ただ1つの検知手段とすることによって、複数の光束各々に対応する検知手段をもつことなく、光学系を簡略化することが出来、素子の数量を低減でき、低コスト化、小型化を行うことができる。ただ1つの検知手段によって複数の光束を検地する方法は、例えば各発光素子を順次点灯させ検知を行う時分割検知法や、一部の複数発光素子による光を同時に検知し、その組み合わせを変えて何通りか検知することで、各々の発光素子の光量を算出する等の方法をとることができる。
このとき分離手段204は、光束F0(202)の伝播方向に垂直な断面において光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分が206光束FMには含まれず光束205にのみ含まれることを特徴とする。この点について図3及び図4を用いて説明する。
図3(a)、(b)、(c)は、光束及び空間分布についての説明図であり、図3(a)の301は図2においての光束F0を、図3(b)の302は分離手段204によって分離された後の光束FS、図3(c)の303は光束FMの光強度の空間分布を、各光束の伝播方向(X方向とする)に対して垂直な面(YZ平面とする)について模式的に示しており、黒に近いほど強度が高いものとする。
光束F0(301)を略円形の断面を持つ光束だとすると、本発明では強度ピークとなるYZ平面内の原点付近については光束FS(302)にのみ含まれ、光束FM(303)はそれ以外の部分の光束となっている。従って外部へ供給されるべき光束FSの損失を最小限にすることができる。
図4は、横軸を位置の座標とし、縦軸を光強度として、光束F0(301)、光束FS(302)、光束FM(303)の関係を示したものである。
実線で示した光束F0の強度のピーク付近を切り取って光束FSにし、周辺部を光束FMとしている(請求項1、18)。高い強度で細い光束FSが必要な場合にも、このようにピーク付近を切り取ることで効率よく光学装置に光供給することができる。
一方光束FMは、図2で示したように検知光学系207によって集光され検知手段208に導かれるため、図3、図4の様に光束がある程度拡がっていても良い。検知手段208に導かれる光束FMを、図4において右または左のどちらかの部分のみ用いることもできる。
なお、本実施例では、光束F0=光束FS+光束FMとしているが、光束F0>光束FS+光束FMとしたり、さらに別の光束に分離し、光源システム内の別の検知機構へ導光したり、光学装置に供給したりすることができる。このようにして、光源からの光を高効率で利用することができる。
本発明の趣旨は、供給される先の光学装置において開口等によって光ビームの整形や空間的選択利用が必要となる場合、光束のうち遮断される部分に関しては完全な損失となり、光源からの光のシステム全体の利用効率を低下させることになる。本発明ではこの遮断される部分の光を光源システム内で有効に活用し、光量制御のための光検知に用いるものである。
検知手段208は光強度(光量)を検出する能力を有し、これによって光源が発生する光束の強度の情報を得、この情報を元に光源を駆動(波線209に沿って移動)し所望の光強度となる様に光量制御を行うことができる。
分離手段204として例えば、図5に示すような光反射部材を用いることができる(請求項3)。
図5、図6は、光反射部材の一例を示す外観斜視図である。
反射部材501は上述のような光束F0から光束FMを分離する部材で光束FSは開口502を通過する。検知を高いSN比で行うためには反射部材501の反射率が高いことが望ましく、且つ加工性の高い材料が望ましい。例えば板金に開口穴をあけたもので構成することもでき、樹脂成形の開口つき部材にアルミ蒸着などで光反射コーティングを施すこともできる。
本実施例では開口はY方向に対して長い長方形となっているが、この形ではなく例えば正方形、Z方向に長い長方形、円形、楕円形などの形とすることも、他の多角形とすることも、あるいは光供給をされる光学装置の要求に応じて自由な形状をとることもでき、本明細書で挙げた形状に限定するものではない。
また、本実施例の変形例について説明する。
分離手段に図6に示すような光反射部材601を用いることができる。検知手段へ導光される光強度が十分であるならば、加工方法の簡易化のためにこのような単純な形状をとることもでき、光束の強度ピークとなる光軸以外の部分にかかるように配置すれば、損失なく光供給を行うことができる光源システムを得ることができる。本発明においての光源は、複数の光束を発生する光源1つでも、また複数光源でも良い。複数光源を合成する際は、プリズム合成などの手法で合成することができる。
図7に本発明の光源システムの別の実施例を示す。
光源、光束F0、光束FS、光束FM、カップリング光学素子、分離手段、検知光学系、検知手段は概略実施例1に準ずる。
実施例1と異なる点は、反射部材であるミラー709によって光路を折り曲げ、光源701付近に検知手段708を設けてあり、光源701を駆動する駆動回路の一部と検知手段708とが一体化して形成されている(請求項2)点である。
ここでは配線基板を共通に使用している。このように構成することで、検知手段708による検知情報から光量制御をして光源701を駆動する際、フィードバックのための配線がより容易になる。また基板を分けて設けることがなくなるため、装置の小型化が図れる。
また本発明の光源システムの変形例を図8に示す。
図8では図7と比較してミラー709が省略されており、光束FM(806)の反射回数が1回のみとなっている。このように構成すると反射部材の製造誤差による、検知手段808上での光束のスポット位置誤差が低減できるため、検知手段808の大きさをより小さいものとすることができ、低コスト化及び光源システムの小型化が図れる。
また図8中に示した点線枠内のように、カップリング光学素子803と検知光学系(ここではレンズとしている)807とを接近して配置させることができるため、これら2つを一体化してしまうこともでき、その1つとして樹脂の成形品を用いることもできる。
また、カップリング光学素子803をガラスレンズとして光束F0(802)を通過させ、周辺部を光束FM(806)を通過させるといった、1つの素子で2つの機能を果たすよう配置することもできる。
また、分離手段804を、光束FM(806)に対して正のパワーを持つ曲面ミラーとすることができる(請求項4)。
曲面ミラーを用いることで、検知手段上に光束を集光する検知光学系としての機能を分離手段にもたせることができるため、図8に示した807検知光学系(ここではレンズ)は不要とすることもでき、部品点数を低減することができる。
図9に本発明の光源システムの別の実施例を示す。
光源、光束F0、光束FS、光束FM、カップリング光学素子、検知光学系、検知手段は概略実施例1に準ずる。
実施例1と異なる点は、分離手段904が光透過性の部材である点である(請求項5)。
光透過性の部材とは、例えば三角プリズムや、楔形プリズム、または回折格子などの回折光学素子、光波長以下のサイズの構造をもつ素子(SWS:Sub Wavelength Structure)を用いることができる。ミラーなどの反射部材を用いると、面形状や取付誤差の影響を光束が受けやすく、光束の位置が設計値よりも変化してしまいやすい。
そこで透過性の部材である上記光学素子によって分離することでPDなどの検知手段908上で光束のスポット位置変化を低減することができる。分離手段の形状、光束に対する位置としては、既に示した図5の501や、図6の601のような形状、配置にすることができる(但し、Y軸とZ軸の交点を、光束の略中心であり強度が最大となる位置とする)。
次に、図10(a)、(b)、(c)に本発明の光源システムを用いた光走査装置(請求項7)の別の実施例を示す。
図10(a)は、本発明の光源システムを用いた光走査装置の平面図であり、図10(b)は、図10(a)の側面図である。
図10(a)、(b)に示す光走査装置の光路図では、図2に示したような光源システム1009を用い、光源1001からの光束F0(1002)を整形するビーム整形手段(本実施例ではカップリング光学素子1003、開口部1010、線像形成素子1011のことを指し、カップリング光学系と呼ぶこともある。)1012によって光束を整形する。光束F0(1002)と光束FM(1006)とは、主走査断面に略平行になるよう光学系が配置される。
ここで、主走査断面とは図10(a)で示した断面であり、主走査方向および光軸方向に平行な面である。副走査断面は図10(b)で示したZX平面である。カップリング光学素子1003では光束F0(1002)を略平行光束に変換し、開口部1010では光源システム1009からの光束FS(1005)を所望の断面を持つ光束に整形し、線像形成素子1011によって偏向手段であるポリゴンミラー1014の近傍に副走査方向に長い線状の像に結像する。開口部1010は、分離手段1004よりも前方に、別部材で形成されている(請求項10)。
ポリゴンミラー1014によって主走査方向に光走査された光束は、第1走査レンズ1016と第2走査レンズ1017とを含む走査光学系で被走査面上に結像され、光スポットとなる。
図10(c)は、図10(a)で示した光源システム1009内の、分離手段1004の付近を主走査断面内にて拡大した模式図であり、W0、Wsはそれぞれ光束F0(1020)、光束FS(1023)の幅を示している。Wvは、光束FSにも光束FMにもならず、蹴られて迷光になる光束FV(1022)の幅であり、分離手段1019の厚みをdとするとWv=d×sinθとなる。
分離手段1019は穴のあいた板状の部材で、主走査断面内において、光束F0の進行方向(矢印1024方向)に垂直な断面(点線で図示)からθだけ傾いて配置される(請求項8、18)。
穴は主走査方向に沿って5.2mmの長さを持ち、従ってWsは5.2mmである。また、その穴は副走査方向には2.1mmの長さをもつ。従って、蹴られる光束FVの断面積は2.1×Wvとなる。
仮に、分離手段1019が副走査断面内においてθだけ傾いて配置されたとすると蹴られる光束の断面積は同様に5.2×Wvとなり、光量の損失が大きくなる。また、分離手段1019は像面上の光スポット径を決定する開口部1010と同寸法の穴を有するため、配置誤差によってθがばらついた場合、幅が広い方向に関して光束FS(1023)の幅Wsがばらついた方が光スポット径への影響が少なくて済む。このことは、開口部1010と分離手段1004とを一体的に形成した場合にもあてはまり、本実施例のように主走査断面内で光束FS(1005)と光束FM(1006)とが分離するような図10(c)の配置が望ましい。
本実施例における各部品、素子の構成を以下に示す。
主な素子(図10(a)、10(b)、10(c)参照)
光源1001:中心波長780nm、複数光束を発生するVCSEL(請求項14)、VCSEL上の発光部分である酸化狭窄系は1辺4μmの略正方形、発散角は半値全幅で9度、光出力2.5mW。40個の発光素子が2次元状に配列され、その発光素子群は主走査方向に長い平行四辺形状の配列領域をもつ。
カップリング光学素子1003:第1面(光源側の光学面)に回折面を有する回転対称形状の樹脂製光学素子、焦点距離45mm、有効範囲直径7mm、光源からの光束を略平行光束とする。
分離手段1004:樹脂製、主走査方向に沿った長さ5.2mm、副走査方向に沿った長さは2.1mmの辺の長方形の穴を有しアルミニウムの反射コーティングを施された開口形状であり、コーティング表面は平面形状。光束F0(1002)と光束FM(1006)とが、主走査断面と平行に、角度40°を成すように配置されている。
検知光学系1007:樹脂製の非球面レンズ、焦点距離45mm、検知手段1008上には直径約100μmの光スポットを形成するよう配置。
検知手段1008:0.8mmの直径を有するフォトダイオード(PD)。
開口部1010:樹脂製、主走査方向に5.2mm、副走査方向に2.1mmの長さの辺の長方形の穴を開口とする。
線像形成素子1011:第2面(被走査面側の光学面)に回折面を有する樹脂製光学素子。主走査方向に関してはパワーを持たず、副走査方向には正のパワーを持つ。焦点距離125mm
入射ミラー1013:アルミニウムミラー
ポリゴンミラー1014:内接円半径7mmの四角形
第1走査レンズ1016、第2走査レンズ1017:走査レンズの光学面形状の表現式は数式(1)及び数式(2)に示すとおりであり、Xは光軸方向の座標(図10(a)で水平方向の座標)、Yは主走査方向座標(図10(b)で垂直方向の座標)を示す。
X(Y)=Cm0・Y2/[1+√{1−(1+a00)・Cm0 2・Y2}]+a01・Y
+a02・Y2+a03・Y3+a04・Y4+……(1)
S(Y)=1/RS0+b01・Y+b02・Y2+b03・Y3+……(2)
m0は中央(Y=0)の主走査方向曲率を示し曲率半径Rmの逆数であり、a00,a01,a02,…は主走査形状の非球面係数である。CS(Y)はYに関する副走査方向の曲率である。RS0は副走査方向の光軸上の曲率を示し、b00,b01,b02,…は副走査方向の非球面係数である。面表現の各係数を表1に示す。
但し、表1中、数値、E、+/−、数値とあるのは指数表示を表す。例えば、−1.10143E+02は−1.10143×1002を意味する。
Figure 0004847201
L1R1、L1R2、L2R1、L2R2はそれぞれ、第1走査レンズの第1面、第2面、第2走査レンズの第1面、第2面に対応する。第1走査レンズ1016は中心肉厚8mm、第2走査レンズ1017は中心肉厚3mm、ポリゴンミラー1014の回転中心からの距離は、第1走査レンズ1016の第1面が43.2mm、第2走査レンズ1017の第1面が101.3mm、像面までが294.2mmである。半画角は、像高±150mmに対して±34.8°、±162mmに対して±37.4°である。ポリゴンミラーへの入射光束が、光軸(X軸)との成す角は59℃である。光源から像面までの横倍率は、主走査方向4.9倍、副走査方向2.3倍。
本実施例の光学性能
表2に本発明の光源システムを用いた光走査装置における、検知手段(PD)上での光量を示す。
Figure 0004847201
表2中で、光束の項は光源からの全ての光量のうち、分離手段の反射部に到達する光量の比率で、カップリング光学素子1003の有効径と、分離手段1004のミラー部分と、開口部分との関係及び光束の光量分布(ガウシアン分布とする)によって決まる値である。COLはカップリング光学素子の略で、この数字が示すのは透過率にあたり、分離手段1004の数字は反射率に当たる。
検知光学系もここではレンズ1つであるのでこの透過率を示した。これらの積を計の項に示し、光源光出力2.5mWとの積がPD上の光量になり、0.80mWを得ることができる。
表3には従来のハーフミラーでの反射部分を光量検知に用いた場合に同様の計算をした値を示す。
Figure 0004847201
ここではハーフミラーの反射率を0.1としている。このときPD上の光量は0.13mW程度にとどまり、効率よく且つノイズが少なく検出を行うことはできない。しかも、ハーフミラーを用いた従来の例では、開口部分を通過する光束を0.9倍にしてしまうため、高速な画像形成装置に対応することが難しい。
図11(a)、(b)、図12(a)、(b)、図13に本実施例の光学特性を示す。
図11(a)、(b)は横軸をデフォーカス(光軸方向)とし、縦軸をビーム直径にとった光学特性曲線であり、像高Y=+150〜−150について示している。図11(a)は主走査方向に対応し深度が約3.2mmの場合を示し、図11(b)は副走査方向に対応し深度が約5.2mmの場合を示す。
図12(a)、(b)は横軸を光軸方向にとり、縦軸を像高にとっており、図12(a)は像面湾曲を示し、点線が主走査方向に対応し、実線が副走査方向に対応する。図12(b)は実線が等速特性(リニアリティ)を示し、点線がFθ特性を示す。リニアリティは約0.3%である。
図13は、像高に対する副走査方向の横倍率の変化を示したものであり、縦軸は像高であり、横軸は像高=0mmの倍率を基準にした倍率の差(%)であり、0.2%以下に低減されている。
その他
図14は、走査レンズ変形手段の一例を示す外観斜視図である。
被走査面1018(図10(a)、10(b)参照)を走査しない被走査領域において、始点側と終点側とで走査光を検知して走査のタイミングを決定する同期検知機能を有する。第2走査レンズ1017(図10(a)、10(b)参照)には、保持部材と一体化した走査レンズ変形手段が設けられている。上板金1401と下板金1406とで走査レンズを支持し、テーパーピン1402をブラケット1403に対して移動させることにより、コロ1405が走査レンズに加える副走査方向に平行な圧力を与え、主走査方向に長い第2走査レンズ1017(図10(a)、10(b)参照)を変形させる。
表1に示した曲率半径からも分かる通り、第2走査レンズ101(図10(a)、10(b)参照)は副走査方向に対するパワーが相対的に高いため、副走査方向の走査線の湾曲に対して影響力が高い。第2走査レンズ1017(図10(a)、10(b)参照)に上述のような変形を加えることで、走査線湾曲を補正することができる。
また、図14の走査レンズ変形手段は板ばね1404と差動ネジ機構1407とによって第2走査レンズ1017(図10(a)、10(b)参照)を傾けて走査線傾きを補正する機能も有し、より高品質な光走査を行うことができる。
上述の構成のほかに、以下に示すように個別の部品を別種にしても、またそれぞれをどのように組み合わせても本発明の効果が得られる。
・光源として、655nmまたは405nm付近の中心波長をもつLD、またはLDアレイ、またはVCSEL。複数光源とする方法は、LDを複数、プリズム、ミラー、光ファイバー等の導波路、などで光路合成する方法でもよい。
・カップリング光学素子として、ガラス非球面、ガラス球面、ハイブリッドレンズ、液晶による回折素子、ホログラムレンズを用いることもできる。
・分離手段の穴(開口)は円形、楕円形、またはその他の形状とすることもできる。また穴の大きさは、上記実施例では開口部1010(図10(a)、10(b)参照)と同寸法であるが、製造誤差による光走査への影響を低減するために、開口部1010(図10(a)、10(b)参照)よりも大きく設定することが望ましい。
・検知光学系としては、ガラスレンズを用いても、曲率を有するミラーを用いてもよく、またこれらを複数有する構成とすることも出来る。
・線像形成素子としては、円柱面を有するガラスレンズを用いてもよく、またハイブリッドレンズ、液晶による回折素子、ホログラムレンズを用いることもできる。
・入射ミラーは、図10(a)に示した光路と等価になるようなレイアウト、即ち入射ミラーなしで線像形成素子1011からポリゴンミラー1014へ直接導光できるような配置が可能であれば、取り外すことができ、製造誤差の影響を低減することができる。
・ポリゴンミラーは様々な大きさ、面数の物を用いることが考えられるが、どの場合においても本発明の効果は発揮できる。
上記実施例の光走査装置はポリゴン反射面よりも入射光束の主走査方向幅の短い所謂アンダーフィルド光学系であるが、ポリゴン反射面よりも入射光束の主走査方向幅の長い所謂オーバーフィルド光学系を用いることもできる。オーバーフィルド光学系においては像高によって被走査面に到達する光量に差が生じやすいこと、またポリゴンによって光束の多くの部分を蹴られるため、本発明の光源システムを用いることが特に有効である。
・走査レンズは、本実施例のように2枚であってもまた低コスト化のために1枚であっても、高品質化のために3枚以上であってもよい。本実施例の面形状はXY平面内にある円形でない曲線の各点を中心として、ZX面に平行な円が主走査方向の位置の関数で連続的に半径を変化させるものである。しかし、例えば主走査方向に対して非対称な形状であっても良いし、球面でも円柱面でも、また走査光学系が曲面ミラーで構成されていても良い。本発明は、走査光学系の形態がどのようであってもその効果を発揮することができる。
次に、図15(a)、(b)を参照して本発明に係る光走査装置の別の実施例を示す。
図15(a)は、本発明に係る光走査装置の別の実施例を示す平面図であり、図15(b)は、図15(a)の側面図である。
概略は実施例4に準じ、入射ミラー後の各素子に関しては同一のものである。実施例4と異なる点は以下のとおりである。
分離手段1504は光走査装置の開口部にあたる部材と一体化している(請求項9)ため、部品点数が低減できる。分離手段1504はY軸に平行な回転軸の周りにθ=45°回転されている(図16)。開口径は、主走査方向は実施例4と同じ5.2mm、副走査方向は2.1mmであるが、これは開口をYZ平面に投影した時の大きさである。開口を部材に沿って計った長さは、5.2mm及び2.1/cosθ=3.0mmとなる。
図16に示すような形状の分離手段を用いることで、光束F0(1502)のうち、分離手段1504/開口部を通過する部分を光束FS(1505)、光束F0(1502)のうち、光束FS(1505)の周囲を囲む部分を光束FM(1506)として分離することができる(請求項11)。
一般的に、光束のうち、ピーク強度の1/e2の強度範囲を有効な光スポットとしており、光利用効率を有効に高め、装置を小型化するには、分離手段1504の主走査方向及び副走査方向の大きさは、光スポットの大きさ程度とすることが望ましい。または、それ以前に有効範囲を持つ光学素子によって光束が制限されている場合は、その影響を考慮すればよい。
本実施例では、実施例4に示した通り、カップリング光学素子が有効範囲直径7mmの円であり平行光束に変換するので、分離手段1504は製造誤差も含めて、反射コーティングされる範囲は7.5mm×7.5mmである。また、分離された光束FS(1505)、光束FM(1506)は、副走査断面内に平行な面において角度を有する(請求項8)。
本実施例では成す角は90°である。検知手段1508は、光学ハウジングの壁(所謂、底部にあたる)に配置される。主走査方向に光束FM(1506),FS(1505)を分離した場合、光学ハウジングの壁のうち主走査断面(XY平面)に垂直な壁に導光せねばならず、光路長が長くなってしまい、製造誤差の影響を受けやすい。また、光源システム内で迷光が発生したとしても、Y方向に長い走査レンズ、ポリゴンミラーに対してZ方向に光束を偏向しているので、迷光が被走査面に到達して結像することがない。
また分離手段の変形例として、図17のような形態をとることもできる。灰色で示した反射部材1701が分離手段となり開口に対して副走査方向の片側のみに隣接している(請求項12)。遮光部材1702は開口部としての機能を持つ。
図17は、分離手段の変形例を示す外観斜視図である。
反射コーティングをする場合には、このように構成することでコーティング面積を半減でき、製造効率を向上することができる。光束が円形で分離手段に入射する時、本実施例で開口はY方向に長いため開口によって遮断される光量は開口の副走査方向側に多い。
また、図17の反射部材1701のかわりに回折光学素子などの透過性部材を用いて光路を偏向することもできる。また、ビーム整形手段1512において、光源1501と分離手段1504との間に、カップリング光学素子1503を配置しており、分離手段1504は、光軸方向においてカップリング光学素子1503の後ろ側焦点距離の位置に略等しく配置されている。
複数光源を用いた場合、発光部の位置が異なることから生じる光束FS/光束FMの比率の各発光部間の誤差が、このことによって低減できる。各光束がYZ面内で略重なり、そのために光量分布も略等しくなるのが焦点であるため、この効果が得られる。複数光源を用いた場合の効果が得られる概念を説明するための図が図18及び図19(a)、(b)、(c)である。
光源1801の上に発光素子が図19(a)のように並んでいたとすると、図18のレンズ1802の焦点fより手前P1の面では各発光素子からの光束は図19(b)のように一致せず、ここに分離手段を配置すると各光束ごとに分離される光量の比率がばらついてしまうことが分かる。このことはP3に配置したときも同様である。焦点fであるP2に配置したときには図19(c)のように光束が揃い、光束間の分離後の光量ばらつきが低減できる。
従って光量制御も各光束について同様に行うことができる。
分離手段を光軸に対して傾けることで、光束の分離手段上の光量分布がずれることは避けられないが、上述のように配置することで誤差を最低限に抑えることが出来る。レンズ1802が光束を平行にする場合だけでなく、発散性または収束性であっても同様のことが言える。
これまでに述べたような光走査装置を用いて、画像形成装置を構成することが出来る(請求項17)。本発明に係る画像形成装置の一実施例を図20に示す。
上記複数色対応の画像形成装置において、複数の被走査面を走査露光することで複数色の画像を可視化し、該複数の画像を重ね合わせてカラー画像を形成することができる。光導電性の感光体2002a〜2002dは図20中の矢印に示したように時計回りに等速回転する。感光体2002a〜2002dの表面は、帯電装置2005によって均一に帯電され、上記に説明してきたような画像形成装置と同様に感光体上に、光走査装置2001によって露光走査をされる。この露光によって静電潜像を書き込まれた感光体2002は、現像装置2003によってトナー画像として可視化され、転写手段2006によって複数の感光体2002a〜2002d上に可視化されたトナー画像が1つの画像として形成されるように順次中間転写ベルト2008上に転写され、重ねられたフルカラー画像を形成する。
このフルカラー画像は他の転写手段2009によってシート状記録媒体Sに転写され、定着手段2007によって定着されることで画像形成を完了し、装置の外へ排出される。
感光体2002は、転写しきれずに残留したトナーや紙粉をクリーニング手段2004によって取り除かれる。その後、再び帯電手段2005によって帯電される。
また、2002で示した感光体の対応色は、シアンC、マゼンタM、イエローY、ブラックBkとすることができ、2002のa〜dとの対応はabcd=CMYBkとすることも、abcd=YMBkCとすることもでき、自由に選択し最適化することが出来る。例えば、走査品質の向上が難しい位置に対応する光走査装置や、調整などの工程を削減したい感光体に対応する光走査装置に対しては、明度の高低や視認性の高低に応じて、対応色を選択することが望ましい。例えば、光学特性の最もよくない(像面湾曲が大きい、走査線曲がりが大きい等)光学系に対応する感光体には、視認性の低い、または明度の高いYを用いることが望ましい。また、感光体のサイズは、実施例では同一にしているが、Bkに対応する感光体を大きくするなど、使用頻度の高いものを耐久性高く設定することで装置全体の安定性を向上することもできる。
〔効果〕
光束は略円状または楕円状となり、略中心付近が強度のピークとなる。このピーク部分の光を外部に供給しそれ以外の部分を光量制御のために検知することで、光量を制御することができ、外部への効率の良い光供給を行える。光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷低減が行える。
検知手段となる受光素子等を、光源と同一の基板、または同一のベース部材によって支持するようにすることで、検知手段と光源とを個々に形成した場合に比べて必要となるスペースを低減することが出来、システム及びそれを用いた装置を小型化することができる。また配線基板や支持部材等を部分的に共通化できるため、部品点数を削減し低コスト化及び環境負荷低減が行える。
ミラーなどの光反射部材を分離手段とすることで、検知手段または/および光供給する外部への光を、低損失で高効率な利用をすることができる。また、ミラーで光路を折り返すことができるため、システムの小型化を行うことができる。
分離手段によって検知手段上に集光するような構成をとることができるため、分離手段は検知光学系も兼ねることとなり、他の部品による検知光学系の構成が不要となり、部品点数を低減できる。また、部品点数低減にともない、素子を配置するスペースを省略できるため、装置を小型化することができる。
ミラーなどの反射部材に比べて、透過性の光学素子であるレンズまたはプリズムまたは回折光学素子等は、光線が面形状による影響を受けず、光スポットの位置ずれが低減でき、従って受光素子を小型化することができる。また面形状の精度に余裕ができるため歩留が向上し、システムを低コスト化できる。
複数光束を用いた時にレンズなどの光学系の光軸を通らず光軸からの距離が異なる光軸外光束同士は、一般的に光束の断面が空間的に一致しない。その時に同一の開口によって光束の一部を切り取ると、光強度分布の異なる部分を検知してしまうために各光束の間で光量に差が出てしまう。しかし、レンズの焦点上では光軸外の光束も主光線が光軸に交わるため、各光束の光強度中心を揃えることができる。このときに単一の分離手段で光束を分離すると、光束の全光量に対する分離光量の比率を揃えることができるため、複数の光束に対して同様の光量制御を行うことができる。
本発明の光源システムを用いることで、光走査を行いながら同時に光量を所望の値に調整制御出来る。そして光利用効率を高めることができるため、省エネルギー化、環境負荷提言が行える。
開口部でビームを整形する場合、開口の端、即ち光束通過部と光束遮断部の境界では加工精度の限界によりわずかながら光束が蹴られてしまう。しかし一般的に開口は光束の進行方向に対して垂直に配置されるため、この影響はかなり小さい。ところが、本発明の分離手段及び/又は開口部ように光束進行方向に対して垂直でなく斜めになるような配置をとる部材があると、この部材の厚み方向の距離によって光束を蹴ってしまう。光束進行方向に垂直な面に対する角度が大きくなるほど光束が蹴られる量は増え、またその時には製造上の加工誤差、配置誤差による影響がより一層現れやすくなる。また蹴られる量が同じであっても、開口幅が広い方がその影響は比率として少なく、開口によって決定される像面上の光スポット径がばらつくことを低減できる。従って、開口幅が長い方向に対して、その方向に垂直な方向の回転軸を中心に分離手段及び/又は開口部を回転させるように配置した方が良い。
分離手段の面が光束F0の進行方向に対して角度を有する場合にも光束が蹴られる量を低減でき、開口によって決定されるビームスポット径が製造誤差によってばらつくことを低減できる。またレイアウトの点では、走査光学系および光源システムを含む書込光学系は光学ハウジングに収容され光走査装置を構成するが、このとき一般的には光学ハウジングの蓋は主走査断面と略平行であり、従って光源システム内の光束FS、FMが主走査断面に略平行となる様に光学ハウジングに配置された光学素子は、光学ハウジングの蓋を外した状態での配置、および調整のための作業が行い易い。そのため製造の歩留低下を防ぐことが出来、製造の速度を向上できる。また受光素子、分離手段などの光学素子といった部品の位置調整を簡便に行えることから受光素子に確実に光束FMを導くことができ、受光素子の必要サイズを低減することが出来、低コスト化ができる。また光学ハウジング全体の副走査方向の厚みを低減でき、光走査装置を小型化できる。
光源システムを構成する各部品が主走査断面内に配置するにあたり制約が大きい場合(走査光学系と干渉する、光学ハウジングと干渉するなど)、副走査方向に光束を分離することでこれらの干渉を回避することができる。また光源システム内の各光学素子による迷光が発生したとしても、被走査面に到達しにくくすることができる。例えば受光素子に集光するレンズの表面で反射した光は、副走査方向に角度を有するために光偏向器(ポリゴンミラーなど)上へはたどり着かない。直接走査レンズに反射光が入射しても、被走査面に到達するまでに正規の走査光束から副走査方向に離れるために被走査面上には到達せず、そのためゴーストを低減できる。
開口部としての役割を有する部材を分離手段となる様に加工することで、これら2つの機能を1つの部材に集約することが出来、低コスト化できる。また配置スペースを縮小することが出来、装置を小型化することができる。
開口部と分離手段を別部材とすることによってそれぞれの製造が容易になり、歩留が向上する。また分離手段を開口部よりも前方に配置し、より光源に近づけることによって、光源から検知手段に至るまでの光路を短縮化することが出来、装置を小型化でき、製造誤差があっても検知手段への光束の光スポットのずれを低減できる。
開口部によって遮蔽され光走査には用いられない光をより多く検知手段に導くことが出来、光利用効率を向上することが出来、検知時のSN比を向上することができる。従って光量が精度良く制御でき、良好な光走査が行える。
開口に対して片側のみに配置されればよいので、分離手段は製造が容易な形状をとることができる。または個数を低減できるので低コスト化できる。
端面発光型の半導体レーザーを複数用いるLDアレイに比較して、垂直共振器型面発光レーザー(VCSEL)を用いた場合は、発生させる光束の数が増加するほど低コスト化できる。またVCSELは共振器長が非常に短いことからモードホッピングもLDアレイより小さく、波長変化に起因する光走査の品質劣化を低減できる。
複数光束を用いた時にレンズなどの光学系の光軸を通らず光軸からの距離が異なる光軸外光束同士は、一般的に光束の断面が空間的に一致しない。その時に同一の開口によって光束の一部を切り取ると、光強度分布の異なる部分を検知/光量制御/走査してしまうために各光束の間で光量に差が出てしまう。しかし、レンズの焦点上では光軸外の光束も主光線が光軸に交わるため、各光束の光強度中心を揃えることができる。このときに単一の分離手段で光束を分離すると、光束の全光量に対する分離光量の比率を揃えることができるため、複数の光束に対して同様の光量制御を行うことができる。したがって、被走査面上での光量を精度良く補正して一致させることができ、露光量に不均一性の少ない良好な光走査が行える。
光源からの光の利用効率を向上した光源システム、これを用いた光量制御を良好に行える光走査装置によって、画像の劣化を低減し、低コストで高信頼の省エネルギーな画像形成を行うことができる。さらに複数光束を用いる本発明の光走査装置によれば、高画質な画像を高速に形成することができる。
本発明は、露光装置、プリンター、複写機、及びファックスに利用することができる。
VCSELを用いた従来の光走査装置の一例を示す図である。 本発明に係る光源システムの一例を示す図である。 (a)、(b)、(c)は、光束及び空間分布についての説明図であり、(a)の301は図2においての光束F0を、(b)の302は分離手段204によって分離された後の光束FS、(c)の303は光束FMの光強度の空間分布を、各光束の伝播方向(X方向とする)に対して垂直な面(YZ平面とする)について模式的に示している。 横軸を位置の座標とし、縦軸を光強度として、光束F0(301)、光束FS(302)、光束FM(303)の関係を示したものである。 光反射部材の一例を示す外観斜視図である。 光反射部材の一例を示す外観斜視図である。 本発明の光源システムの別の実施例を示す図である。 本発明の光源システムの変形例を示す図である。 本発明の光源システムの別の実施例を示す図である。 (a)は、本発明の光源システムを用いた光走査装置の平面図であり、(b)は、(a)の側面図であり、(c)は、(a)で示した光源システム1009内の、分離手段1004の付近を主走査断面内にて拡大した模式図である。 (a)、(b)は横軸をデフォーカス(光軸方向)、縦軸をビーム直径にとった光学特性曲線であり、像高Y=+150〜−150について示しており、(a)は主走査方向に対応し深度が約3.2mmの場合を示し、(b)は副走査方向に対応し深度が約5.2mmの場合を示す。 (a)、(b)は横軸を光軸方向縦軸を像高にとっており、(a)は像面湾曲を示し、点線が主走査方向に対応し、実線が副走査方向に対応し、(b)は実線が等速特性(リニアリティ)を示し、点線がFθ特性を示す。 像高に対する副走査方向の横倍率の変化を示したものである。 走査レンズ変形手段の一例を示す外観斜視図である。 (a)は、本発明に係る光走査装置の別の実施例を示す平面図であり、(b)は、(a)の側面図である。 分離手段の一例を示す外観斜視図である。 分離手段の変形例を示す外観斜視図である。 複数光源を用いた場合の効果が得られる概念を説明するための説明図である。 複数光源を用いた場合の効果が得られる概念を説明するための説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一実施例を示す図である。
符号の説明
201 光源
202 光束F0
203 カップリング光学素子
204 分離手段
205 光束FS
206 光束FM
207 検知光学系
208 検知手段
209 検知した情報に基く光源の光量制御を行うことを表す軌跡
301 光束F0
302 光束FS
303 光束FM
501 反射部材
502 開口
701 光源
702 光束F0
703 カップリング光学素子
704 分離手段
705 光束FS
706 光束FM
707 検知光学系
708 検知手段
709 ミラー
710 配線基板
801 光源
802 光束F0
803 カップリング光学素子
804 分離手段
805 光束FS
806 光束FM
807 検知光学系
808 検知手段
809 配線基板
901 光源
902 光束F0
903 カップリング光学素子
904 分離手段
905 光束FS
906 光束FM
907 検知光学系
908 検知手段
909 配線基板
1001 光源
1002 光束F0
1003 カップリング光学素子
1004 分離手段
1005 光束FS
1006 光束FM
1007 検知光学系
1008 検知手段
1009 光源システム
1010 開口部
1011 線像形成素子
1012 ビーム整形手段
1013 入射ミラー
1014 ポリゴンミラー
1015 防音ガラス
1016 第1走査レンズ
1017 第2走査レンズ
1018 被走査面
1019 分離手段
1020 光束F0
1021 光束FM
1022 光束FV
1023 光束FS
1024 光束の進行方向
1401 上板金
1402 テーパーピン
1403 ブラケット
1404 板ばね
1405 コロ
1406 下板金
1407 差動ネジ機構
1501 光源
1502 光束F0
1503 カップリング光学素子
1504 分離手段
1505 光束FS
1506 光束FM
1507 検知光学系
1508 検知手段
1509 光源システム
1511 線像形成素子
1512 ビーム整形手段
1513 入射ミラー
1514 ポリゴンミラー
1515 防音ガラス
1516 第1走査レンズ
1517 第2走査レンズ
1518 被走査面
1601 反射部材
1602 開口
1701 反射部材
1702 遮光部材
1801 光源
1802 レンズ
1901 光源
1902 発光素子
1903 分離手段
1904 開口
1905 光束
2001 光走査装置
2002 感光体
2003 現像装置
2004 クリーニング手段
2005 帯電手段
2006 転写手段
2007 定着手段
2008 中間転写ベルト
2009 転写手段Sシート状記録媒体

Claims (20)

  1. 複数の光源と、該光源からの複数の光束F0の光強度を検知手段により共通に検知し、光量制御を行える光源システムにおいて、
    前記光源からの光束を、少なくとも光束FMと光束FSとに分離する分離手段を有し
    分離された光束FM前記検知手段に導光され、
    前記光束F0の伝播方向に垂直な断面において前記光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分は、前記光束FMには含まれず前記光束FSにのみ含まれるようにし、
    前記光源と前記分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、
    前記分離手段は、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されており、
    前記検知手段はただ1つであることを特徴とする光源システム。
  2. 前記分離手段から前記検知手段へ導く検知光学系をさらに有することを特徴とする請求項1記載の光源システム。
  3. 前記光源を駆動する駆動回路の一部と前記検知手段とが一体化して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光源システム。
  4. 前記分離手段は光反射部材であることを特徴とする請求項1または2に記載の光源システム。
  5. 前記分離手段は前記光束FMに対して、正のパワーを持つ曲面ミラーであることを特徴とする請求項1または2に記載の光源システム。
  6. 前記分離手段は光透過部材であることを特徴とする請求項1または2に記載の光源システム。
  7. 前記光源は垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光源システム。
  8. 請求項1から7のいずれか1項に記載の光源システムと、
    前記光源システムからの複数の光束を整形するビーム整形手段と、整形された光束を主走査方向に偏向走査する偏向手段と、
    偏向走査された光束を被走査面上に結像する走査光学系とを備え、
    前記ビーム整形手段は、前記光源からの光束FSを整形する開口部を有することを特徴とする光走査装置。
  9. 前記分離手段は、前記開口の主走査方向の開口幅と副走査方向の開口幅のうち、より狭い開口幅の方向と略垂直な面内でのみ前記光束FSと前記光束FMとが角度を有するように設定されていることを特徴とする請求項8に記載の光走査装置。
  10. 前記分離手段は、主走査断面に対して垂直な副走査断面内に平行な面において前記光束FMと前記光束FSとが角度を有するように分離することを特徴とする請求項8に記載の光走査装置。
  11. 前記開口部は前記分離手段と一体的に形成されていることを特徴とする請求項8から10のいずれか1項に記載の光走査装置。
  12. 光束の進行方向において前記開口部と前記分離手段とが別部材から成り、前記分離手段は前記開口部の前方に配置されていることを特徴とする請求項8から10のいずれか1項に記載の光走査装置。
  13. 前記分離手段は、前記光束F0のうち、前記開口部を通過する部分を前記光束FS及び前記光束F0のうち、前記光束FSの周囲を囲む部分を前記光束FMとして分離することを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の光走査装置。
  14. 前記分離手段は、前記開口部の開口に対して副走査方向において片側のみに隣接していることを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の光走査装置。
  15. 前記光源は垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする請求項8から14のいずれか1項に記載の光走査装置。
  16. 請求項14または15に記載の光走査装置において、前記ビーム整形手段は、前記光源と前記分離手段との間に、焦点距離を有する光学素子を有し、前記分離手段は、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置されていることを特徴とする光走査装置。
  17. 請求項8から16のいずれか1項に記載の光走査装置を有することを特徴とする画像形成装置。
  18. 複数の光源からの複数の光束F0の光強度をただ1つの検知手段により検知し、光量制御を行う光量制御方法であって
    前記光源からの光束を、分離手段により少なくとも光束FMと光束FSとに分離し、
    分離された光束FMを前記検知手段に導光し、
    前記光源と前記分離手段との間に焦点距離を有する光学素子を有し、
    前記分離手段、前記光学素子の光軸方向において前記光学素子の後ろ側焦点近傍の位置に配置し、
    前記光束F0の伝播方向に垂直な断面において前記光束F0の強度がピークとなる点付近の光成分を、前記光束FMには含まれず光束FSにのみ含まれるように制御することを特徴とする光量制御方法。
  19. 請求項18に記載の光量制御方法による複数の光束を整形し、
    整形された光束を主走査方向に偏向走査し、
    偏向走査された光束を被走査面上に結像させ、
    前記光源からの光束FSを整形することを特徴とする光走査方法。
  20. 請求項19に記載の光走査方法を用いることを特徴とする画像形成方法。
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