JP4851308B2

JP4851308B2 - 多ビームスキャニングシステム及びイメージ形成装置

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Publication number: JP4851308B2
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Inventors: ワイマエダパトリック
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Description

本発明は、光学スキャニングシステムに関し、詳細には、多ビームラスタ出力スキャニング（ＲＯＳ）システムのためのバウのないテレセントリック光学装置に関する。

レーザ・プリンティングのための次世代の多ビームスキャナは、多数のビーム（最大３２もしくはそれ以上）を伴う半導体レーザアレイを採用することになる。多数のビームを使用することの利点は、帯域幅可能容量の増加であり、それを使用して速度ならびにスキャン解像度を４倍もしくはそれ以上に増加し、かつ革命的なプリンタ機能を可能にすることができる。

多ビームスキャニング光学システムに関連する１つの問題は、アレイの２次元性に起因してビームがスキャン方向にオフセットされることである。これは、軸ずれビームが非ゼロ角でコリメートされるという結果を招く。非ゼロ角は、すべてのビームを捕捉するために、より大きなポリゴンファセットを必要とする。６もしくはそれを超える数のファセットを伴うポリゴンの場合、ポリゴンのサイズが許容不能な大きさとなり得る。多ビームスキャニング光学システムに関連する別の問題は、低レベルのバウ、回折限界収差補正、およびウォブル補正が、良好なイメージ品質のために必要になることである。図１２を参照するが『スキャンライン・バウ』は、スキャンの一方の端から他方までの交差スキャン方向のひずみの測度である。バウは、スキャンラインの両端における交差スキャン方向の高さＢＨ１およびＢＨ３の平均を取り、それをスキャンラインの中央における交差スキャン方向の高さＢＨ２から減ずることによって計算することができる。多ビームシステムにおいては、ビームを発射する各光源がそれぞれ独自のバウ曲線を有する。図１２に示されているとおり、多ビームシステムの最上端ビームは上側のスキャンラインをトレースし、最下端ビームは下側のスキャンラインをトレースする。最上端ビームと最下端ビームの間の最大間隔は、スキャンラインに沿ったいずれかの場所にあり、ＢＳ_ｍａｘとして示されている。最上端ビームと最下端ビームの間の最小間隔は、スキャンラインに沿ったいずれかの場所にあり、ＢＳ_ｍｉｎとして示されている。最大と最小のビーム間隔の差、すなわちＢＳ_ｍａｘ−ＢＳ_ｍｉｎは、『差分バウ』を定義する。回折限界光学システムは、光学収差が充分に低く、回折効果がそのパフォーマンスを決定する光学システムである。ウォブルは、回転ポリゴン・ミラーの非対称性に起因するポリゴンのティルト角における変化によってもたらされ、それが反射されたビームを、光受容体上の理想的な交差スキャン方向の位置に対して変位させる。製造可能性の理由から、多ビーム・スキャニング光学システムには、合理的な程度のテレセントリック性、すなわち小さい交差スキャン方向の主光線角を伴う出力ビームも求められる。テレセントリック性は、ビームの分離がＲＯＳと光受容体の間の距離における変化によって大きく変動しないことを保証する。

従来のデュアルビームシステムの場合は、一般にそれらのビームが、光受容体平面において交差スキャン方向に２１μｍから６３．５μｍの軸ずれを生じる。これらの寸法においては、単一円柱ミラーのウォブル補正光学を伴う近テレセントリックシステムでも低バウの回折限界パフォーマンスの達成に充分である。しかしながら、最大で３２もしくはそれを超える数のビームを伴う２次元レーザアレイを採用する将来的なシステムの場合には、光受容体平面における交差スキャン方向の軸ずれが５００μｍに達し、現行のシステムは適切でなくなる。

図２Ｂは、下記の特許文献１に開示された従来の光学システムを示す交差スキャン方向の展開図であり、これは、大きなビーム分離に対して、無視可能な量のスキャンライン・バウおよび回折限界イメージングを達成することができる。この光学システムは、レーザ・アレイＬＡと光受容体ＰＲの間に配置され、コリメータ・レンズＣＬ、開口絞りＡＳ、およびビームコンディショニングレンズＢＣから構成されるポリゴン前（レーザからファセットまで）光学サブシステム、およびＦθスキャン・レンズ、第１および第２の凹面円柱ミラーＭ１およびＭ２、および出力窓ＯＷを含むポリゴン後（ファセットから光受容体まで）光学サブシステムを包含する。ポリゴン前およびポリゴン後光学サブシステムは、いずれも入力および出力テレセントリックである。ポリゴン後光学システムは、それが入力および出力テレセントリックであることから無限焦点である。これは、単一円柱ミラーのウォブル補正システムが機能しない理由を説明しており、それは所望の特性を伴う無限焦点システムが少なくとも２つのエレメントを必要とすることによる。

屈折円柱レンズと円柱ミラーの組み合わせは、無限焦点システムを作ることができる（下記の特許文献２を参照。）しかしながら、この光学システムのパフォーマンスは、大きなビーム分離に不適切である。

ウォブル補正は、交差スキャン方向の光受容体ＰＲ上にファセットＰＦのイメージングを行うか、もしくはイメージングをほぼ行うことによって図２Ｂの光学システム内において達成される。ファセットが実対象であることから、無限焦点光学システムは、ケプラー・タイプでなければならない。ケプラー構成においては、対象とイメージの離隔距離が、円柱ミラーの焦点距離の合計の２倍、すなわち２（ｆ１＋ｆ２）となり、第２のミラーＭ２から光受容体ＰＲまでの距離が第２の円柱ミラーＭ２の焦点距離ｆ２に等しくなる。倍率は焦点距離の比の負数、すなわち−ｆ２／ｆ１に等しく、それにおいてｆ１およびｆ２は、それぞれ第１および第２の円柱ミラーＭ１およびＭ２の焦点距離である。

図２Ｂの光学システムを用いると、交差スキャン方向のポリゴン後の倍率が一般に−０．５より小さくなる。このことは、第２の円柱ミラーＭ２と光受容体ＰＲの間の距離が、ファセットＰＦと第１の円柱ミラーＭ１の間の距離より小さいことを意味する。

±５００μｍの軸ずれを生じるビームの場合、図２Ｂの光学システムは、１ｍｍ以下の最大ビーム分離、および０．１ｍｒａｄ未満のテレセントリック性において、０．１ミクロンより低いレベルの残留スキャンライン・バウを達成することができる。このアーキテクチャは、この種のパフォーマンスをより高いビーム分離において獲得できると見られる。

図２Ｂの光学システムは、２円柱ミラー・ウォブル補正光学を採用する次世代スキャニング光学システムにおいて使用可能であるが、その種の２円柱・ミラー・システムは、短い作動距離Ｄ１（すなわち、第２のミラーＭ２と光受容体ＰＲの間の距離）を有し、それが、光受容体表面近傍に配置されなければならない別のサブシステムのための余裕を提供するために、もしくは複数の光学スキャニング・システムを使用するプリント・エンジンにより高密度のパッキングを提供するために、より大きな作動距離を必要とする応用におけるその用途を排除することになる。

米国特許第６，８３３，９３９号米国特許第５，５１２，９４９号

必要とされていることは、最小ファセットサイズを有するポリゴン・ビーム偏向器の使用を容易にし、かつ低レベルのバウ、回折限界収差補正、ウォブル補正、および合理的な程度のテレセントリック性を特徴とし、さらには比較的大きな作動距離を出力窓と光受容体の間に提供する多ビーム光学システムの提供である。

本発明は、所定スキャン方向の所定表面上に複数の光ビームをスキャンするための多ビームスキャニングシステムであって、前記複数の光ビームを第１光路に沿って生成する光源と、前記複数の光ビームを第２光路に沿って向け直すように整列された少なくとも１つの光学エレメントを含む第１の入力及び出力テレセントリック光学サブシステムと、前記第２光路の終端と周期的に交差する反射表面、及び前記複数の光ビームが第１スキャン光路に沿って周期的にスキャンされるように前記反射表面を移動させる手段を含む偏向器と、前記偏向器からの光ビームを受光して前記第１スキャン光路にのみ出力するｆ−θスキャンレンズシステムと、前記ｆ−θスキャンレンズシステムからの光ビームを受光し、前記スキャンされる複数の光ビームを第２スキャン光路に沿って前記所定表面上に向け直すように連続して光学的に整列された複数の光学エレメントを含む第２の入力及び出力テレセントリック光学サブシステムと、を有し、前記複数の光学エレメントが、前記ｆ−θスキャンレンズシステム側から順に、正の交差スキャン方向の円柱状の第１光学エレメント、負の交差スキャン方向の円柱状の第２光学エレメント、および正の交差スキャン方向の円柱状の第３光学エレメントを有する。

また、本発明は、イメージ形成装置であって、光受容体と、前記光受容体の表面上に、複数の光ビームを前記表面に沿ったスキャン方向にスキャンするための多ビームスキャニングシステムと、を有し、前記多ビーム・スキャニング・システムが、前記複数の光ビームを第１光路に沿って生成する光源と、前記複数の光ビームを第２光路に沿って向け直すように整列された少なくとも１つの光学エレメントを含む第１の入力及び出力テレセントリック光学サブシステムと、前記第２光路の終端と周期的に交差する反射表面、及び前記複数の光ビームが第１スキャン光路に沿って周期的にスキャンされるように前記反射表面を移動させる手段を含む偏向器と、前記偏向器からの光ビームを受光して前記第１スキャン光路にのみ出力するｆ−θスキャンレンズシステムと、前記ｆ−θスキャンレンズシステムからの光ビームを受光し、前記スキャンされる複数の光ビームを第２スキャン光路に沿って前記表面上に向け直すように連続して光学的に整列された複数の光学エレメントを含む第２の入力および出力テレセントリック光学サブシステムと、を有し、前記複数の光学エレメントが、前記ｆ−θスキャンレンズシステム側から順に、正の交差スキャン方向の円柱状の第１光学エレメント、負の交差スキャン方向の円柱状の第２光学エレメント、および正の交差スキャン方向の円柱状の第３光学エレメントを有する。

本発明では、バウを抑制し、また、比較的大きな作動距離を有することができる。

図１は、本発明に従った多ビームスキャニングシステム１００を含むイメージ形成装置１０の部分を示した簡略図である。本発明の理解を提供する目的からイメージ形成装置１０の代表的な部分を示し、以下において説明するが、それらは特に言及されていない限り、付随する特許請求の範囲を限定するものではない。当業者であれば認識することになろうが、これらの代表的な部分の説明は、簡潔のために大幅に簡略化されている。多ビームスキャニングシステム１００は、図１に代表的な形式で図示されており、代替実施態様に従った多ビームスキャニングシステム１００に関連付けされる特定の特徴がここに与えられている。

図１を参照すると、イメージ形成装置１０は、イメージ形成セクション１４を取り囲むケーシング１２を含む。イメージ形成セクション１４は、矢印Ａの方向に一定速度で回転する円柱状感光体ドラム（光受容体）１６を含み、多ビームスキャニングシステム１００が、以下に述べる態様でスキャニングを行いつつ、感光体ドラム１６に向かって光ビームを放射するべく位置決めされている。スキャニング光ビームは、所望のイメージデータ（たとえば、モノクロームイメージを形成する場合にはバイナリもしくはグレイスケールイメージデータ）を基礎として変調される。帯電器２０は、感光体ドラム１６の周囲表面の近傍に配置される。帯電器２０は、ドラム１６の表面上に形成された感光材料を一様に帯電させ、続いてそれがスキャニングシステム１００から放射される変調された光ビームによって照射される。このようにして感光体ドラム１６の周囲表面上に潜像が形成される。現像器２２が感光体ドラム１６にトナーを供給するべく位置決めされており、その結果、照射された部分にトナーが吸着され、それによってトナーイメージが感光体ドラム１６の周囲表面上に形成される。帯電器２４は、現像器２２の下流に配置され、周知のテクニックに従って用紙トレイ２６もしくはマニュアル給紙トレイ２８から転写のためにドラム１６と帯電器２４の間に案内された用紙３０上に、ドラム１６からトナー・イメージを転写するべく機能する。ドラム１６上の残留トナーを除去するためにクリーナ３２が帯電器２４の下流に配置されており、それによって新しいサイクルのためのドラム１６の表面の準備が整う。トナー・イメージが転写された用紙３０は、矢印Ｃの方向に搬送されて、加圧ローラ３４および加熱ローラ３６を含む定着器３８に通される。定着器３８は、用紙３０に熱および圧力を与え、それによってトナーを溶かして用紙３０に付着させる。定着処理の後、上にイメージがプリントされた用紙３０が排紙トレイ４０上に排出される。

図１に示されているとおり、多ビームスキャニングシステム１００は、概して、光源１１０、ポリゴン前光学サブシステム１２０、偏向器１３０、およびポリゴン後光学サブシステム１４０を含む。光源１１０は、第１の光路ＬＰ１に沿って複数の平行な光ビームをポリゴン前光学サブシステム１２０に向けて送出し、それが以下に述べるとおりに動作し、それらの光ビームを第２の光路ＬＰ２に沿って偏向器１３０に指向させる。一実施態様においては偏向器１３０が、軸１３２を中心に回転するべく駆動されるポリゴンミラー構造１３１を含むが、この構造は、第２の光路ＬＰ２と交差するべく位置決めされた複数のファセット・ミラー１３５を含み、その結果、光ビームが、扇形状の（第１の）スキャン光路ＳＰ１を通って反復的に掃引される。ポリゴン後光学サブシステム１４０は、第１のスキャン光路ＳＰ１に沿って渡される光ビームを受光するべく位置決めされたスキャンレンズセクション１４２、および３もしくはそれを超える数の一連の光学エレメント（すなわち、レンズもしくはミラーのいずれかであり、図１においてはブロック１４５−１、１４５−２、１４５−３によって表されている）を含み、これらの光学エレメントは、連続して光学的に整列されており、第１のスキャン光路ＳＰ１に沿ってスキャンされる光ビームを受光し、それらのスキャンされる複数の光ビームを、出力ミラー１４９を通る第２のスキャン光路ＳＰ２に沿って向け直し、その結果、スキャニング光ビームが感光体ドラム１６上に指向される。ここで用いている『連続して光学的に整列されている』という表現は、偏向器１３０から感光体ドラム１６に向かって移動する光ビームが、関連付けされた光学エレメントと順序を保って交差する光路セグメントに沿って指向されることを示す。たとえば、図１において、スキャン・レンズ・セクション１４２から渡される光ビームは、光学エレメント１４５−１によって受光されて処理された後に光学エレメント１４５−２によって受光／処理され、光学エレメント１４５−１から渡される光ビームは、光学エレメント１４５−２によって受光されて処理された後に光学エレメント１４５−３によって受光／処理される。ここで注意を要するが、『連続して光学的に整列されている』という表現には、１ないしは複数の追加の光学エレメント（たとえば平面ミラー）が光学エレメント１４５−１から１４５−３までの間に含められ、光学エレメント１４５−１から１４５−３までの間において光ビームを種々の方向に指向することを考慮に入れる意図がある。

本発明の側面によれば、ポリゴン前光学サブシステム１２０およびポリゴン後光学サブシステム１４０が、ともに交差スキャン方向の平面内において入力ならびに出力テレセントリックもしくは近テレセントリック（すなわち、数ミリラジアン内でテレセントリック）である。それに加えて、ポリゴン後光学サブシステム１４０と感光体ドラム１６の間において望ましい増加された作動空間ＷＳが、正の交差スキャン方向の円柱状の第１の光学エレメント１４５−１、負の交差スキャン方向の円柱状の第２の光学エレメント１４５−２、および、正の交差スキャン方向の円柱状の第３の光学エレメント１４５−３を含む光学エレメント１４５−１、１４５−２、および１４５−３を使用してポリゴン後光学サブシステム１４０を形成することによって達成される。より詳細に述べれば、光ビームの収斂（第１の光学エレメント１４５−１による）、その後の発散（第２の光学エレメント１４５−２による）、さらにその後の収斂（第３の光学エレメント１４５−３による）を行うべく配置された３もしくはそれを超える数の光学エレメントを偏向器１３０と感光体ドラム１６の間に備えることによって、ポリゴン後光学サブシステム１４０は、出力スキャン光路ＳＰ２上における所望の出力テレセントリックを容易にするだけでなく、それに加えて第３の光学エレメント１４５−３と感光体ドラム１６の間に比較的大きな作動距離ＷＳが提供されるアーキテクチャを提供し、それによってたとえば光受容体１６に隣接するホスト・イメージ形成装置のコンポーネントの配置が容易になる。

図２Ａは、本発明の第１の実施態様に従った多ビームスキャニングシステム１００Ａを示した交差スキャン方向の展開図である。スキャニングシステム１００Ａは、概してレーザ・アレイ１１０、ポリゴン前光学サブシステム１２０、偏向器１３０、およびポリゴン後光学サブシステム１４０Ａを含む。ポリゴン前光学サブシステム１２０は、概して、レーザ・アレイ１１０によって第１の光路ＬＰ１上に送出された光ビームを受光するコリメータ・レンズ１２１、開口絞り１２３、および調和させた光ビームを第２の光路ＬＰ２に沿って偏向器１３０の回転ミラー・ファセット１３５に渡すビーム・コンディショニング光学１２５を含む。回転ミラー・ファセット１３５は、第１のスキャン光路ＳＰ１に沿って光ビームをスキャンし、それにおいてスキャンされた光ビームは、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ａによって処理される。この実施態様によれば、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ａが１ないしは複数のスキャン・レンズ１４２Ａを含み、それが、第１の凹面（正の）円柱ミラー１４５Ａ１、凸面（負の）円柱ミラー１４５Ａ２、第２の凹面（正の）円柱ミラー１４５Ａ３を含む３ミラー構成上に光ビームを指向する。図２Ａに図示されている光のラインによって示されるとおり、凹面円柱ミラー１４５Ａ１によって受光された光は、収斂されて凸面円柱ミラー１４５Ａ２上に指向され、それが光ビームの発散および凹面円柱ミラー１４５Ａ３上への向け直しを行い、続いてそれが光ビームの再収斂を行って、平面ガラス出力窓１４９Ａを通して再収斂後の光ビームを感光体ドラム１６上に渡す。図２Ａに例示されている態様でポリゴン後光学サブシステム１４０Ａに凹面−凸面−凹面ミラー構成を使用することによって、本発明は、比較的長い焦点距離を伴う凹面円柱ミラー１４５Ａ３の形成、およびそれによる従来の２ミラー構成（図２Ｂに図示）で可能であった作動距離Ｄ１より実質的に長い作動距離Ｄ２の提供を可能にしている。

図３は、本発明の特定の実施態様に従った多ビーム光学スキャニングシステム１００Ａの追加の詳細を示している。多ビーム光学スキャニングシステム１００Ａは、第１の光路ＬＰ１に沿って光ビームを発生する半導体レーザアレイ１１０、光ビームを処理し、第２の光路ＬＰ２に沿って偏向器１３０に向け直す低スキャンライン・バウのポリゴン前光学サブシステム１２０Ａ、およびスキャン光路ＳＰ１を通って渡されるスキャンされた光ビームを受光するため、およびそれらの光ビームを処理し、第２のスキャン光路ＳＰ２に沿って光受容体１６上に向け直すための３円柱ミラーのウォブル補正ポリゴン後光学サブシステム１４０Ａを含む。この光学スキャニング・システム１００Ａの各種の部分について追加の詳細を以下に述べる。

図４Ａおよび図４Ｂは、一例の半導体レーザアレイを示しており、この実施態様においてはそれが、２次元配列またはレイアウトで配置された３２個の発光領域１１２（すなわち、発光領域１１２は、８行４列のパターンで配列されている）を有するＶＣＳＥＬ（垂直キャビティ面発光レーザ）アレイ１１０である。図４Ａは、第１の（回転されていない）姿勢のＶＣＳＥＬアレイ１１０を示し、図４Ｂは、回転された姿勢のＶＣＳＥＬアレイ１１０を示している。光は、発光領域１１２からレーザ・アレイの表面と垂直に（たとえば、図の紙面から外に向かって）放射され、その結果、３２個の光ビームがＶＣＳＥＬアレイ１１０を離れるとき、互いに平行になる。

再び図３を参照するが、すべての３２個の平行光ビームは、コリメータレンズ１２１、開口１２３、および多レンズのビームコンディショニングシステム１２５Ａによって構成されるポリゴン前光学サブシステム１２０Ａに光ビームが入るように光路ＬＰ１に沿って進む。

コリメータレンズ１２１は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０から光路ＬＰ１に沿って放射された複数の光ビームを、発散光から実質的に平行な光に変換する。これらのコリメートされた光ビームはコリメータ・レンズ１２１の後方焦点において交差し、図５および６に示されているとおり、そこに開口絞り１２３が配置されている。光ビームは、通常、開口絞り１２３内に画定された孔を過剰に満たし、したがってその孔を光が通過するとき、光が成形される。開口絞り１２３において、すべてのビームが交差するか、オーバーラップすることから、同一の開口形状がすべての光ビームに付与される。開口孔の形状は、一般に矩形であり、通常はＹ方向すなわちスキャン方向が、Ｘ方向すなわち交差スキャン方向より広い。

図３を再び参照すると、ビームコンディショニングシステム１２５Ａは、開口絞り１２３とポリゴンファセット１３５の間において光学的に整列されており、以下に説明するが、光ビームを調和させて所望のテレセントリックならびに焦点特性を生じるべく作用する。この実施態様においてはビームコンディショニングシステム１２５Ａが、第１の円柱レンズ１２５−１、第１の折り返しミラー１２７−１、第２の円柱レンズ１２５−２、第２の折り返しミラー１２７−２、第３の円柱レンズ１２５−３、第４の円柱レンズ１２５−４、第５の円柱レンズ１２５−５をこの順序で連続して含む。円柱レンズ１２５−１〜１２５−５および折り返しミラー１２７−１ならびに１２７−２は、開口絞り１２３と偏向器１３０の間において、図３に示されている態様で連続して光学的に整列されている。

図５は、ビームコンディショニングシステム１２５Ａの一部を構成し、ポリゴンファセット１３５の近傍にビームを焦点させ、所望の交差スキャン方向のビーム間隔を作り出すべく機能する第１のテレセントリック対物レンズサブシステム１２５Ａ−Ｘ（ブロック形式で示されている）を図示した展開図である。ここで暫時図３を参照すると、一実施態様においては、テレセントリック対物レンズサブシステム１２５Ａ−Ｘが、第１の円柱レンズ１２５−１、第３の円柱レンズ１２５−３、および第５の円柱レンズ１２５−５によって形成され、Ｘ（交差スキャン）方向にのみ光学出力を有するように形成され、配置される。別の実施態様においては、対物レンズサブシステム１２５Ａ−Ｘを１ないしは複数のレンズによって形成することができる。テレセントリック対物レンズ１２５−１、１２５−３、および１２５−５は、瞳リレーレンズ１２５−２および１２５−４の表面曲率と直交する表面曲率を有し、それについては後述する。図５に示されているとおり、レンズサブシステム１２５Ａ−Ｘは、前方焦点距離（ＦＥＬ）および後方焦点距離（ＢＦＬ）（ＦＥＬおよびＢＦＬは、組み合わせにおけるこれら３つのレンズシステムについてのものを言う）を有し、開口絞り１２３と偏向器１３０の間において、サブシステム１２５Ａ−Ｘの前方焦点が開口絞り１２３に、もしくはその近傍に位置し、サブシステム１２５Ａ−Ｘの後方焦点がミラーファセット１３５の近傍に位置するように位置決めされる。開口絞り１２３を出るコリメートされたビームは、交差スキャン方向において後方焦点に焦点される。これらのビームが前方焦点もしくはその近傍にある開口絞り１２３から現れることから、ポリゴンファセット１３５に入射する各ビームの主または中心光線は、Ｙ−Ｚ平面と平行もしくはほぼ平行に進み、したがってポリゴンファセット１３５において交差スキャン方向のテレセントリック・ビームのセットを形成する。レンズ１２５−１、１２５−３、および１２５−５の正確な円柱表面曲率およびレンズ位置は、上記の特性を達成し、かつポリゴンファセット１３５において所望の交差スキャン方向のビーム間隔を提供する焦点距離を獲得するべく選択される。

図６は、開口１２３とポリゴンファセット１３５の間の光学システムを図示した展開図である。レンズサブシステム１２５Ａ−Ｙが、第２の円柱レンズ１２５−２および第４の円柱レンズ１２５−４によって形成され、これらは、Ｙ（スキャン）方向にのみ光学出力を有するように形成されて配置されており、スキャン方向に無限焦点光学システムを形成する。サブシステム１２５Ａ−Ｙは、スキャン方向において瞳リレーシステムとして機能し、必要な場合には、スキャン方向においてビームの直径を拡張するべく設計することも可能である。レンズ１５２−２および１２５−４は、それぞれ焦点距離ｆ_２およびｆ_４を有しており、第２の円柱レンズ１２５−２の前方焦点が開口１２３の近傍に位置し、第４の円柱レンズ１２５−４の後方焦点がポリゴン・ファセット１３５の近傍に位置するように位置決めされている。この構成においては開口１２３がポリゴンファセット１３５の近傍にイメージされる。したがって、瞳または開口がファセット１３５の近傍の平面に中継されることになる。この構成は、図６に示されているとおり、開口１２３から現れるコリメートされたビームが、ポリゴンファセット１３５の近傍の第４の円柱レンズ１２５−４の後方焦点においてスキャン方向に交差することから、すべてのビームの捕捉に充分な大きさを有していなければならないポリゴンファセット１３５のサイズを最小化する。またここで注意を要するが、第２の円柱レンズ１２５−２および第４の円柱レンズ１２５−４が無限焦点システムを形成することから、ビームがポリゴンファセット１３５に伝播するとき、スキャン方向においてビームがコリメートされる。それに加えて、第２の円柱レンズ１２５−２および第４の円柱レンズ１２５−４は、テレセントリック対物レンズ・サブシステム１２５Ａ−Ｘを構成するレンズの外側、内側、あるいはそれらの間に位置決めすることができる。したがって、開示している実施態様におけるレンズ１２５−１〜１２５−５の順序は、付随する特許請求の範囲の中で特に述べられていない限り、限定ではなく、例示であることが意図されている。

テレセントリック対物レンズサブシステム１２５Ａ−Ｘおよび１２５−Ｙの両方にビーム・コンディショニング・システム１２５Ａを備えることによって、前述したとおり、第２の光路ＬＰ２に沿って伝播するビームがＸ方向、すなわち交差スキャン方向に焦点され、Ｙ方向、すなわちスキャン方向にコリメートされ、複数の光ビームが個別に、ポリゴンファセット１３５の近傍の線形イメージとして焦点される。

再び図３に戻るが、第１の折り返しミラー１２７−１および第２の折り返しミラー１２７−２は、平面ミラーであり、ポリゴン前光学サブシステム１２０が適切な機械的エンベロープまたはパッケージ内に収まるようにレーザアレイ１１０とポリゴンファセット１３５の間の光路を指向し、構成する。

図３に示されているとおり、ポリゴン前光学サブシステム１２０を通過した後に光ビームが第１のスキャン光路ＳＰ１に沿ってポリゴン後光学サブシステム１４０内へスキャンされるが、このサブシステムは、協働してｆ−θスキャンレンズシステム１４２Ａを形成する第１および第２の円柱スキャンレンズ１４２Ａ１および１４２Ａ２、第１の円柱ミラー１４５Ａ１、第２の円柱ミラー１４５Ａ２、第３の折り返しミラー１４７、第３の円柱ミラー１４５Ａ３、および出力窓１４９を含む。出力窓１４９を通過した光ビームは、第２のスキャン光路ＳＰ２に沿って光受容体１６上に指向される。

図７は、多ビーム光学スキャニング・システム１００Ａの平面図であり、図８はポリゴン後光学サブシステム１４０Ａを示した立面図である。

図７を参照すると、偏向器１３０に入射する複数の光ビームが、各ポリゴンファセット１３５の回転によって第１のスキャン方向ＳＰ１に偏向され、ｆ−θスキャンレンズ１４２Ａ１および１４２Ａ２、ウォブル補正円柱ミラー１４５Ａ１、１４５Ａ２、および１４５Ａ３、折り返しミラー１４７および出力窓１４９Ａを通り、第２のスキャン方向ＳＰ２に沿って指向され、光受容体１６に沿ってスキャンラインを生成する。

第１のスキャン・レンズ１４２Ａ１および第２のスキャン・レンズ１４２Ａ２は、Ｙ（スキャン）方向にのみ光学出力を有する。それらは協働してｆ−θスキャン・レンズを形成し、それが光受容体１６上のスキャン位置をスキャン角の関数として線形化し、同時にそれぞれの個別のビームをスキャン方向において光受容体に焦点する。

第１の円柱ミラー１４５Ａ１、第２の円柱ミラー１４５Ａ２、および第３の円柱ミラー１４５Ａ３は、Ｘ方向、すなわち交差スキャン方向にのみ光学出力を有する。折り返しミラー１４７は、ポリゴン後光学サブシステム１４０が適切な機械的エンベロープまたはパッケージ内に収まるようにスキャン・レンズ１４２と光受容体１６の間の光路の指向および構成を補助する。出力窓１４９Ａは、外部環境から残りのスキャニング光学システムを分離し、保護する。

本発明の側面によれば、第１の円柱ミラー１４５Ａ１、第２の円柱ミラー１４５Ａ２、および第３の円柱ミラー１４５Ａ３が、協働して、ポリゴン・ファセット１３５近傍の平面と光受容体１６の間において交差スキャン方向内で共役の関係を有する無限焦点システムを形成する。この共役関係は、光受容体１６におけるスキャンラインのウォブルをもたらす交差スキャン方向のファセットのティルト誤差を補償し、また同時にそれぞれの個別のビームを交差スキャン方向において光受容体に焦点する。この無限焦点特性は、ポリゴン・ファセット１３５においてＹ−Ｚ平面と平行な複数の光ビームを確保し、この平行性を、ビームがこの光学システムから出て光受容体１６に衝突するまで維持する。この特性は、Ｚ方向における光受容体の位置決め誤りに伴うビーム間隔に急激な変化がないことから重要である。

本発明の別の側面によれば、第１の円柱ミラー１４５Ａ１は、凹面の交差スキャン方向の円柱状の反射表面を有し、第２の円柱ミラー１４５Ａ２は、凸面の交差スキャン方向の円柱状の反射表面を有し、第３の円柱ミラー１４５Ａ３は、凹面の交差スキャン方向の円柱状の反射表面を有する。正確な円柱状表面の曲率およびミラーの間隔は（１）無限焦点システムを作る、（２）ポリゴン・ファセット１３５近傍の平面と光受容体の平面の間において交差スキャン方向の共役関係を確立し、スキャンラインのウォブルを補正し、交差スキャン方向において光受容体１６に光ビームを焦点する、かつ（３）光受容体において所望の交差スキャン方向のビーム間隔の達成に必要な交差スキャン方向の倍率を獲得するべく、選択される。

図９Ａおよび図９Ｂは、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ａの３円柱ミラー・アーキテクチャ（図９Ａに示す）と、イチカワ（Ｉｃｈｉｋａｗａ）の米国特許第６，８３３，９３９号（すでに引用済み、図９Ｂに図示）に開示されている従来的な２円柱ミラーアーキテクチャを比較した展開図である。これに示されているとおり、３円柱ミラーアーキテクチャは、前述した３つの光学特性の達成に充分な自由度を提供する。これに加えて３円柱ミラーアーキテクチャは、システム内の最終ミラー（すなわち第３の円柱ミラー１４５Ａ３）と光受容体１６の間に、図９Ｂの従来的な２ミラーアーキテクチャによって提供されるより有意に大きい物理的な距離Ｄ２を提供し、さらにほぼゼロレベルのスキャンライン・バウを達成する。

一実施態様においては３２ビームのレーザ・アレイ１１０が、図４Ｂに示されている回転された（時計方向に８０．８４°）アレイ構成で使用される。この構成においては、発光ポイントが交差スキャン方向に４．４５９μｍ間隔で離隔される。コリメータレンズの焦点距離は２３．３ｍｍであり、円柱レンズ１２５−１、１２５−３、および１２５−５の組み合わせの交差スキャン方向における焦点距離は６５０．６８ｍｍである。レーザアレイからポリゴンファセットまでの交差スキャン方向の倍率は−２７．９２６であり、ポリゴン・ファセットから光受容体までの交差スキャン方向の倍率は−０．１７である。すなわち、レーザ・アレイから光受容体の平面までの交差スキャン方向の倍率は４．７４７である。したがって、交差スキャン方向に４．４５９μｍの間隔でレーザ・アレイから放射された複数の光ビームが、光受容体または記録媒体上にイメージされるか、焦点されるとき、図１０に示されているとおり、２１．１６７μｍ（４．４５９μｍ×４．７４７）の間隔（すなわち、入射光のポイント１１５の間隔）でイメージを書き込むことが可能になる。この間隔は、３２ビームを伴うインターレース１スキャニング・スキームを使用した１２００ｓｐｉのイメージ書き込み密度、もしくは３１ビームを伴うインターレース・スキャニング・スキームを使用した２４００ｓｐｉのイメージ書き込み密度に等しい。インターレース・スキャニング・スキームを、より低いビーム数について図１１に例示する。

上記の例において、レーザ・アレイから光受容体もしくは記録媒体までのＹ（スキャン）方向の倍率は１２．７７４３である。スキャン方向の光受容体平面における種々のビーム間隔を図１０に示す。光受容体上のスキャンの長さは１５インチであり、この長さにわたって達成される差分スキャンライン・バウは、０．２１２μｍに満たない。差分バウは、図１２に示されており、前述したとおりである。円柱ミラー１４５Ａ３と光受容体の間の作動距離Ｄ２（図９Ａ）は２００ｍｍを超え、従来の２円柱ミラー・アーキテクチャを用いて一般に達成される作動距離Ｄ１（図９Ｂ）のほぼ２倍である。匹敵する差分バウ値および円柱ミラー１４５Ａ３と光受容体の間における２００ｍｍの間隔が、図４Ａに示されている回転のないレーザアレイ構成について達成された。また、３２ビーム構成を用いるインターレース３スキャニングスキームについて、匹敵する差分バウ値および円柱ミラー１４５Ａ３と光受容体の間における２００ｍｍの空間も達成され、その場合の光受容体における交差スキャン方向のビーム間隔は３１．７５μｍであった。

多ビームスキャニングシステム１００Ａを参照して前述した３ミラー構成は、現在のところほかの実施態様に対して優れていると考えられるが、当業者であれば認識するとおり、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ａのミラーのうちの１ないしは複数を、修正される光学エレメント構成が、本発明の正−負−正（収斂−発散−収斂）シーケンスを満たす限り、レンズに置き換えることができる。次に、１つのレンズおよび２つのミラーを含む一例の実施態様を、図１３〜１５を参照して説明する。

図１３は、本発明の第２の実施態様に従った多ビーム・スキャニング・システム１００Ｂを示した交差スキャン方向の展開図である。スキャニング・システム１００Ａ（前述）と同様に、スキャニング・システム１００Ｂは、概して、レーザ・アレイ１１０、ポリゴン前光学サブシステム１２０Ａ、偏向器１３０、およびポリゴン後光学サブシステム１４０Ｂを含む。ポリゴン前光学サブシステム１２０Ａおよび偏向器１３０は、スキャニング・システム１００Ａ（前述）に使用されていた対応の構造と概念的に類似であり、したがってここではそれらの追加の詳細を述べない。回転ミラー・ファセット１３５は、第１のスキャン光路ＳＰ１に沿って光ビームのスキャンを行い、スキャン後の光ビームは、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ａによって処理される。

この実施態様によれば、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ｂが、凸面を伴う円柱レンズ１４５Ｂ１を包含する第１の光学エレメント、凸面円柱ミラー１４５Ｂ２を包含する第２の光学エレメント、および凹面円柱ミラー１４５Ｂ３を包含する第３の光学エレメントを含み、これらが、偏向器１３０と出力窓１４９Ｂの間に連続して光学的に整列されている。図１３に図示されている光のラインによって示されるとおり、凸面円柱レンズ１４５Ｂ１によって受光される光は、収斂されて凸面円柱ミラー１４５Ｂ２上に指向され、それが光ビームを発散して凹面円柱ミラー１４５Ｂ３上に指向し、続いてそれが光ビームを再収斂させて、再収斂させた光ビームを、出力窓１４９Ｂを通して光受容体１６上に渡す。このようにポリゴン後光学サブシステム１４０Ｂは、正−負−正の光学エレメント構成を使用し、これはポリゴン後光学サブシステム１４０Ａ（前述）において使用されるものに類似であるが、ミラーに代えて凸面円柱レンズ１４５Ｂ１が使用されている。しかしながらポリゴン後光学サブシステム１４０Ａと同様に、ポリゴン後光学サブシステム１４０Ｂもまた、比較的長い焦点距離を伴う凹面円柱ミラー１４５Ｂ３の形成を容易にし、したがって従来の２ミラー構成（図２Ｂに図示）で可能であった作動距離Ｄ１より実質的に長い作動距離Ｄ３を提供する。

第２の実施態様の側面によれば、オプションの第４の円柱状光学エレメントを使用して、凸面円柱レンズ１４５Ｂ１の使用によって導入されることのある望ましくない光学的特性を平衡させることができる。図１３に示されているとおり、この第４の光学エレメントは、凹面円柱レンズとして出力窓１４９Ｂを形成することによって導入することができる。

図１４および１５は、追加の詳細を伴ってポリゴン後光学サブシステム１４０Ｂの光学的特性を示している簡略化された展開図および側面図である。図１５を参照すると、スキャン・レンズ・システム１４２Ｂは、サブシステム１４０Ａ（前述）の対応するスキャン・レンズに類似の第１のレンズ１４２Ａ１および第２のスキャン・レンズ１４５Ｂ１を含む。第１のスキャン・レンズ１４２Ａ１は、Ｙ（スキャン）方向にのみ光学出力を有するが、第２のスキャン・レンズ１４５Ｂ１は、Ｘ（交差スキャン）方向にのみ光学出力を有する第１の表面１４５Ｂ１−１、およびＹ（スキャン）方向にのみ光学出力を有する第２の表面１４５Ｂ１−２を有している。スキャン・レンズ１４２Ａ１および１４５Ｂ１は、協働してｆ−θスキャン・レンズを形成し、それが光受容体１６上のスキャン位置をスキャン角の関数として線形化し、同時にそれぞれの個別のビームを光受容体１６においてスキャン方向に焦点する。また、第２のスキャン・レンズ１４５Ｂ１は、Ｘ（交差スキャン）方向においてウォブル（ファセット・ティルト誤差）を補正するための屈折光学出力の一部も提供する。円柱ミラー１４５Ｂ２および円柱ミラー１４５Ｂ３は、Ｘ（交差スキャン）方向にのみ光学出力を有する。出力窓１４９Ｂは、外部環境から残りのスキャニング光学システムを分離し、保護するために使用されるが、Ｘ（交差スキャン）方向にのみ光学出力を有する第１の表面１４９Ｂ−１を有している。

図１３〜１５に示されている上記の構成を用いた場合に、レーザ・アレイからポリゴン・ファセットまでの交差スキャン方向の倍率が−６．５３９に、ポリゴン・ファセットから光受容体までの交差スキャン方向の倍率が−０．７２６になる。したがって、レーザ・アレイから光受容体平面までの交差スキャン方向における倍率は４．７４７である。これに加えて、光受容体上におけるスキャンの長さが１５インチであり、この長さにわたって得られる差分スキャンライン・バウが、好ましい実施態様のそれより大きく、したがって充分でない。円柱ミラー１４５Ｂ３と光受容体の間の離隔は、２００ｍｍを超え、従来の２円柱ミラー・アーキテクチャを用いて一般に達成可能な距離の約２倍である。

以上、特定の具体的な実施態様に関連して本発明を説明してきたが、当業者には明らかであるように、本発明の発明的特徴は、ほかの実施態様にも同様に適用可能であり、それらすべては、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。

本発明の実施態様に従った多ビーム・スキャニング・システムを含むイメージ形成装置の部分を簡略化して示した説明図である。本発明の第１の特定の実施態様に従った多ビーム・スキャニング・システムを示した交差スキャン方向の展開図である。従来の多ビーム・スキャニング・システムを示した交差スキャン方向の展開図である。本発明の特定の実施態様に従った多ビーム光学スキャニング・システムを示した分解斜視図である。３２ビームの半導体レーザ・アレイを、回転のない姿勢で示した説明図である。３２ビームの半導体レーザ・アレイを、回転のある姿勢で示した説明図である。図３の多ビーム・スキャニング・システムのポリゴン前光学サブシステム内に使用されるビーム・コンディショニング・システムの第１の部分を示した交差スキャン方向の展開図である。図３の多ビーム・スキャニング・システムのポリゴン前光学サブシステム内に使用されるビーム・コンディショニング・システムの第２の部分を示した交差スキャン方向の展開図である。図３の多ビーム光学スキャニング・システムを示した平面図である。図３の多ビーム・スキャニング・システムのポリゴン前光学サブシステム内に使用されるポリゴン後光学サブシステムを示した側面図である。図８のポリゴン後光学サブシステムの光学的特徴を簡略化して示した交差スキャン方向の展開図である。従来の２ミラー・ポリゴン後光学サブシステムの光学的特徴を簡略化して示した交差スキャン方向の展開図である。本発明の側面に従って光受容体上に生成されるビーム・パターンを簡略化して示した説明図である。本発明の側面に従って光受容体上に生成されるビーム・パターンを簡略化して示した説明図である。スキャンライン・バウを示した説明図である。本発明の第２の特定の実施態様に従った多ビーム・スキャニング・システムを示した交差スキャン方向の簡略化した展開図である。図１３の多ビーム・スキャニング・システムのポリゴン後光学サブシステムの光学的特徴を簡略化して示した展開図である。図１３の多ビーム・スキャニング・システムのポリゴン前光学サブシステム内に使用されるポリゴン後光学サブシステムを示した側面図である。

符号の説明

１０イメージ形成装置、１２ケーシング、１４イメージ形成セクション、１６円柱状感光体ドラム（光受容体）；感光体ドラム；ドラム；光受容体、２０帯電器、２２現像器、２４帯電器、２６用紙トレイ、２８マニュアル給紙トレイ、３０用紙、３２クリーナ、３４加圧ローラ、３６加熱ローラ、３８定着器、４０排紙トレイ、１００多ビームスキャニングシステム、１００Ａ多ビームスキャニングシステム、１００Ｂ多ビームスキャニングシステム、１１０光源、１１２発光領域、１１５入射光のポイント、１２０ポリゴン前光学サブシステム、１２０Ａポリゴン前光学サブシステム、１２１コリメータレンズ、１２３開口絞り、１２５ビームコンディショニング光学、１２５Ａビームコンディショニングシステム、１２５Ａ−Ｘ第１のテレセントリック対物レンズサブシステム、１２５Ａ−Ｙレンズサブシステム、１３０偏向器、１３１ポリゴンミラー構造、１３２軸、１３５ファセットミラー、１４０ポリゴン後光学サブシステム、１４０Ａポリゴン後光学サブシステム、１４０Ｂポリゴン後光学サブシステム、１４２スキャンレンズセクション、１４２Ａスキャンレンズ、１４２Ａ１第１の円柱スキャンレンズ、１４２Ａ２第２の円柱スキャンレンズ、１４２Ｂスキャンレンズシステム、１４５Ａ１第１の凹面（正の）円柱ミラー、１４５Ａ２凸面（負の）円柱ミラー、１４５Ａ３第２の凹面（正の）円柱ミラー、１４５Ｂ１円柱レンズ、１４５Ｂ２凸面円柱ミラー、１４５Ｂ３凹面円柱ミラー、１４７第３の折り返しミラー、１４９出力ミラー、１４９Ａ平面ガラス出力窓、１４９Ｂ出力窓、１４９Ｂ−１第１の表面、ＬＰ１第１の光路、１２５−１第１の円柱レンズ、１２５−２第２の円柱レンズ、１２５−３第３の円柱レンズ、１２５−４第４の円柱レンズ、１２５−５第５の円柱レンズ、１２７−１第１の折り返しミラー、１２７−２第２の折り返しミラー、１４５−１光学エレメント、１４５−２光学エレメント、１４５−３光学エレメント、ＬＰ２第２の光路。

Claims

所定スキャン方向の所定表面上に複数の光ビームをスキャンするための多ビームスキャニングシステムであって、
前記複数の光ビームを第１光路に沿って生成する光源と、
前記複数の光ビームを第２光路に沿って向け直すように整列された少なくとも１つの光学エレメントを含む第１の入力及び出力テレセントリック光学サブシステムと、
前記第２光路の終端と周期的に交差する反射表面、及び前記複数の光ビームが第１スキャン光路に沿って周期的にスキャンされるように前記反射表面を移動させる手段を含む偏向器と、
前記偏向器からの光ビームを受光して前記第１スキャン光路にのみ出力するｆ−θスキャンレンズシステムと、
前記ｆ−θスキャンレンズシステムからの光ビームを受光し、前記スキャンされる複数の光ビームを第２スキャン光路に沿って前記所定表面上に向け直すように連続して光学的に整列された複数の光学エレメントを含む第２の入力及び出力テレセントリック光学サブシステムと、
を有し、
前記複数の光学エレメントが、前記ｆ−θスキャンレンズシステム側から順に、正の交差スキャン方向の円柱状の第１光学エレメント、負の交差スキャン方向の円柱状の第２光学エレメント、及び正の交差スキャン方向の円柱状の第３光学エレメントを有する多ビームスキャニングシステム。
イメージ形成装置であって、
光受容体と、
前記光受容体の表面上に、複数の光ビームを前記表面に沿ったスキャン方向にスキャンするための多ビームスキャニングシステムと、
を有し、前記多ビームスキャニングシステムが、
前記複数の光ビームを第１光路に沿って生成する光源と、
前記複数の光ビームを第２光路に沿って向け直すように整列された少なくとも１つの光学エレメントを含む第１の入力及び出力テレセントリック光学サブシステムと、
前記第２光路の終端と周期的に交差する反射表面、及び前記複数の光ビームが第１スキャン光路に沿って周期的にスキャンされるように前記反射表面を移動させる手段を含む偏向器と、
前記偏向器からの光ビームを受光して前記第１スキャン光路にのみ出力するｆ−θスキャンレンズシステムと、
前記ｆ−θスキャンレンズシステムからの光ビームを受光し、前記スキャンされる複数の光ビームを第２スキャン光路に沿って前記表面上に向け直すように連続して光学的に整列された複数の光学エレメントを含む第２の入力および出力テレセントリック光学サブシステムと、
を有し、
前記複数の光学エレメントが、前記ｆ−θスキャンレンズシステム側から順に、正の交差スキャン方向の円柱状の第１光学エレメント、負の交差スキャン方向の円柱状の第２光学エレメント、及び正の交差スキャン方向の円柱状の第３光学エレメントを有するイメージ形成装置。