JP4896440B2

JP4896440B2 - 二次元面発光レーザーアレイおよび光走査装置および画像形成装置

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Publication number: JP4896440B2
Application number: JP2005180815A
Authority: JP
Inventors: 敬原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: JP2007005386A

Description

本発明は、二次元面発光レーザーアレイおよび光走査装置および画像形成装置に関する。

電子写真における画像記録において、高精細な画像品質を得るのに、レーザーを用いた画像形成方法が広く用いられている。電子写真の場合、感光性を有するドラムの軸方向にポリゴンミラーを用いてレーザーを走査（主走査）しつつ、ドラムを回転させ（副走査して）、潜像を形成する方法が一般的である。

一方、画像形成装置の分野（電子写真分野）では、画像の高精細化及び出力の高速化が求められている。これを実現するための１つの方法として、主走査・副走査速度を高速化するとともに、レーザーを高出力化するか、感光体を高感度化する方法が考えられるが、この方法により画像形成速度を向上させるには、レーザーの高出力化に伴う光源または高感度感光体の開発、主副走査の高速化によるそれを支持する筐体の補強、更には高速走査時の位置制御方法の開発等、多くの課題が発生し、多大なコストと時間を必要とする。また画像の高精細化について、画像の解像度が２倍になった場合、主走査・副走査方向ともに２倍の時間が必要となるため、画像出力時においては４倍の時間が必要となる。従って画像の高精細化を実現するには、画像出力の高速化も同時に達成する必要がある。

画像出力の高速化を達成するための別の方法として、レーザーをマルチビーム化する方法が考えられ、現在の高速出力機においては複数本のレーザーを用いるのが一般的となっている。レーザーをマルチビーム化することにより、１回の主走査で潜像の形成される領域が拡大され、ｎ本のレーザーを用いた場合、１本のレーザーを用いた場合と比較して、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。

このような例として、１つのチップに複数の端面発光型半導体レーザーを有するマルチビーム半導体レーザーが例えば特許文献１，特許文献２において提案されているが、そのような構成では構造上・コスト上の問題により、４ビーム（２ビーム×２、４ビーム×１）若しくは８ビーム（２ビーム×４、４ビーム×２）程度が限界であり、今後進展するであろう画像出力の高速化に対応することはできない。

これに対し、近年盛んに研究が行われている面発光レーザー素子（以下、ＶＣＳＥＬと記す）は二次元集積化が容易であり、より多くのＶＣＳＥＬを二次元集積することが可能で、集積方法を工夫することにより、実際のビームピッチをより狭く設定することが可能である。

しかしながら、ＶＣＳＥＬのより多くの集積化に伴い、複雑な配線が必要となり、これによってＶＣＳＥＬの集積化が妨げられる恐れがある。

具体的には、ＶＣＳＥＬを高集積度でアレイ化する場合、隣接するＶＣＳＥＬ間の間隔を狭めなければならないが、内部に配置されたＶＣＳＥＬに対し独立配線を施す場合、外側に配置されたＶＣＳＥＬ間を通して配線をレイアウトする必要がある。しかし、ＶＣＳＥＬ間隔が狭まると配線の形成が困難となり、あるいは十分な配線幅を確保することができなくなり、配線の高抵抗化、断線を引き起こす恐れがある。これに対し、ＶＣＳＥＬの外形寸法を小さくすることにより配線幅を確保することが可能となるが、極端にＶＣＳＥＬの外形寸法を小さくすると、ＶＣＳＥＬ側面における非発光再結合の増加により発光効率の低下が発生する。

特許文献３，特許文献４，特許文献５に示されているＶＣＳＥＬ若しくはＶＣＳＥＬアレイは、第一反射鏡及び活性層を含むメサは単一の外径を有する円柱形をなしており、ＶＣＳＥＬを高集積度で集積する場合、隣接するＶＣＳＥＬとの間隔が狭くなり、ＶＣＳＥＬアレイの内部のＶＣＳＥＬの独立配線を隣接するＶＣＳＥＬ間に形成することが困難であるという問題があった。
特開平１１−３４０５７０号公報特開平１１−３５４８８８号公報特開平１０−２０９５６７号公報特開２０００−１１４６５６号公報特開２００２−２０８７５５号公報

本発明は、複数の面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）を有する二次元面発光レーザーアレイを高集積化した場合においても、個々の面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）の独立配線を容易に設けることを可能にすることを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、第二反射鏡と、活性層と、第一反射鏡とを少なくとも有する面発光レーザー素子であって、少なくとも第一反射鏡の一部を含み且つ活性層を含まない第一メサ構造と、少なくとも活性層を含み前記第一メサ構造よりも大きな外径を有する第二メサ構造とを有し、前記第一反射鏡上に、電気的に接続される電極を有し、前記第一メサ構造が、前記第二メサ構造の上側に形成され、前記第二メサ構造が、前記第二反射鏡の上側に形成されている面発光レーザー素子が複数個、同一の半導体基板上に、二次元に配列されており、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子の少なくとも１つの面発光レーザー素子を独立駆動するための電気配線が、隣接する面発光レーザー素子の第二メサ構造上に存在することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の二次元面発光レーザーアレイにおいて、隣接する面発光レーザ素子との最小の前記第一メサ構造の間隔は、前記電気配線の幅よりも大きいことを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の二次元面発光レーザーアレイにおいて、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子のそれぞれの活性層がＰを含む材料よりなり、且つ該活性層上にＡｓを含み且つＰを含まない材料よりなる第一反射鏡が形成されていることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の二次元面発光レーザーアレイと、該二次元面発光レーザーアレイから放出されたレーザー光を走査する走査手段とを有していることを特徴とする光走査装置である。

また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段と、画像形成時以外の時に、前記受光手段を前記二次元面発光レーザーアレイから放出されるレーザー光の光路上に挿入する挿入手段とがさらに設けられていることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の一部を反射し残りのレーザー光を透過させる光学手段と、光学手段で反射されたレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段とがさらに設けられていることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項５または請求項６記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイと前記受光手段との間に、所定の倍率でレーザー光を拡大する拡大手段がさらに設けられていることを特徴としている。

また、請求項８記載の発明は、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の光走査装置において、主走査方向終端に１回の主走査終了を検知する主走査終了検知手段がさらに設けられており、主走査終了検知手段で検知された主走査終了検知信号と同期して副走査が行なわれるようになっていることを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項４乃至請求項８のいずれか一項に記載の光走査装置が用いられることを特徴とする画像形成装置である。

請求項１，請求項２記載の発明によれば、第二反射鏡と、活性層と、第一反射鏡とを少なくとも有する面発光レーザー素子であって、少なくとも第一反射鏡の一部を含み且つ活性層を含まない第一メサ構造と、少なくとも活性層を含み前記第一メサ構造よりも大きな外径を有する第二メサ構造とを有し、前記第一反射鏡上に、電気的に接続される電極を有し、前記第一メサ構造が、前記第二メサ構造の上側に形成され、前記第二メサ構造が、前記第二反射鏡の上側に形成されている面発光レーザー素子が複数個、同一の半導体基板上に、二次元に配列されており、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子の少なくとも１つの面発光レーザー素子を独立駆動するための電気配線が、隣接する面発光レーザー素子の第二メサ構造上に存在することを特徴とする二次元面発光レーザーアレイであるので（より詳細には、隣接する面発光レーザ素子との最小の前記第一メサ構造の間隔は、前記電気配線の幅よりも大きいので）、面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を高集積度でアレイ化する場合に、活性層の発光効率を低下させることなく、ＶＣＳＥＬのピッチを短縮することができ、同時に各ＶＣＳＥＬに対して独立配線を施すことが可能となる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の二次元面発光レーザーアレイにおいて、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子のそれぞれの活性層がＰを含む材料よりなり、且つ該活性層上にＡｓを含み且つＰを含まない材料よりなる第一反射鏡が形成されているので、各ＶＣＳＥＬの発光特性を均一にすることができる。

また、請求項４乃至請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の二次元面発光レーザーアレイと、該二次元面発光レーザーアレイから放出されたレーザー光を走査する走査手段とを有していることを特徴とする光走査装置であるので、複数のレーザー光で複数のラインを同時に走査することが可能となり、潜像を高速に（短時間で）形成することができる。

特に、請求項５記載の発明では、請求項４記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段と、画像形成時以外の時に、前記受光手段を二次元面発光レーザーアレイから放出されるレーザー光の光路上に挿入する挿入手段とがさらに設けられており、レーザー光出力を検知して二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御するので、二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子からのレーザー光出力を均一に保つことができて、均一な潜像を安定して形成することができる。

また、請求項６記載の発明では、請求項４記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の一部を反射し残りのレーザー光を透過させる光学手段と、光学手段で反射されたレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段とがさらに設けられており、潜像形成中であってもレーザー光出力を検知して二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御するので、面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子からのレーザー光出力を均一に保つことができて、均一な潜像を安定して形成することができる。

また、請求項７記載の発明では、請求項５または請求項６記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイと前記受光手段との間に、所定の倍率でレーザー光を拡大する拡大手段がさらに設けられているので、二次元面発光レーザーアレイ中の個々の面発光レーザー素子のレーザー光出力を同時に独立して検知することができ、二次元面発光レーザーアレイ中の個々の面発光レーザー素子のレーザー光出力を均一に保つことができる。

また、請求項８記載の発明では、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の光走査装置において、主走査方向終端に１回の主走査終了を検知する主走査終了検知手段がさらに設けられており、主走査終了検知手段で検知された主走査終了検知信号と同期して副走査が行なわれるようになっているので、高品質な画像形成を行なうことができる。

また、請求項９記載の発明によれば、請求項４乃至請求項８のいずれか一項に記載の光走査装置が用いられることを特徴とする画像形成装置（電子写真装置）であるので、画像（電子写真画像）を高速に出力することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

近年、電子写真分野においては、より一層の画像出力の高速化、画像の高密度化が求められている。このような要求に対し、これまではポリゴンミラーの高速化及びレーザー出力の向上によって対応していた。

現在の電子写真において画像形成を行う際には、レーザー光を高速回転するポリゴンミラーにより反射し、画像情報に応じて感光体の主走査方向に一列照射した後、感光体ドラムを副走査方向に一画素分走査するという工程を繰り返すことによって、潜像形成を行っていた。感光体上に潜像を形成する際には単位面積あたり一定のエネルギー以上のレーザー光を照射する必要があるため、潜像形成の高速化を達成するためには、ポリゴンミラーの回転速度を向上させるだけではなく、同時にレーザー出力も向上させなければならない。しかし、ポリゴンミラーの回転数やレーザー出力の向上には限界があり、特に前者については現在の２〜３倍程度が限界である。

画像形成の高速化を実現する他の方法としては、レーザーのマルチビーム化が考えられる。マルチビームレーザーを用いて潜像形成を行う場合、ポリゴンミラーを用いて感光体上、主走査方向に走査する際、一回の主走査でレーザーの本数に応じて同時に複数列（複数ライン）を走査できるので、ポリゴンミラーの回転数やレーザー出力は従来どおりであっても、より高速に潜像形成を実現することができる。しかし、従来より用いられている端面発光型半導体レーザーは、マルチビーム化において一次元アレイ以外実現することが困難であり、また消費電力が大きいため互いの熱干渉による出力・寿命低下を防止することが困難である。また、それを実現したとしても、非常に煩雑な工程を必要とし、単素子の端面発光型半導体レーザーと比較して大幅なコストアップは避けられない。この傾向はビーム数が増加するほど顕著となり、今後の画像形成の高速化に対応することは困難である。なお、単素子の端面発光型半導体レーザーを複数用いる場合は、素子数と同数の光学系が必要となるため、大幅なコストアップが不可避であることは言うまでもない。

一方、これらの問題を同時に解決する手段として、面発光レーザー素子（以下、ＶＣＳＥＬと記す）をアレイ化した面発光レーザーアレイ（以下、ＶＣＳＥＬアレイと記す）を書込み光源とすることが考えられる。ＶＣＳＥＬは、レーザー光を基板に対して垂直に取り出すことが可能であるため、素子の高度な集積が容易である。また、ＶＣＳＥＬはその発光領域が端面発光型レーザーと比較して大幅に小さい為、その消費電力は１／１０以下である。

ところで、多数の発光素子を集積する場合、潜像形成時の感光体上における個々のレーザー光の位置精度の確保が課題となり、これを解決する方法として、ＶＣＳＥＬアレイのサイズを縮小することによって実現することができる。

しかし、図１（ａ）に示すような第一反射鏡及び活性層を含むメサが単一の外径を有する在来の面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）を図１（ｂ）に示すような二次元面発光レーザーアレイとして高集積化する場合、個々のＶＣＳＥＬのピッチが狭くなり、図１（ｂ）の破線Ｅの内部に示されたＶＣＳＥＬアレイ内部の配線を、外側のＶＣＳＥＬの間を通して外部に引き出すことが困難となる。

具体的に、図１（ａ），（ｂ）において、面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）の外径寸法を１５μｍ、隣接するＶＣＳＥＬ間の間隔ａ，ｂを２０．８μｍとすると、隣接するＶＣＳＥＬとの最小幅は５．８μｍとなり、この間を通して他のＶＣＳＥＬ配線・電極と干渉せず、且つ配線の高抵抗化を抑制しつつ独立配線を施すことは極めて困難である。ＶＣＳＥＬに形成された電極上に絶縁層を介して他のＶＣＳＥＬ配線を形成する場合、ＶＣＳＥＬによる段差（図１（ａ）中のｈ）は通常５μｍ程度であるため、断線することなく配線を形成することは極めて困難である。

また、ＶＣＳＥＬのピッチを同等に保ちつつ最小幅の拡大を図るためにＶＣＳＥＬの外径寸法を縮小すると、ＶＣＳＥＬ側面における非発光再結合の影響により発光効率が大幅に低下する。

（第１の形態）
図２は本発明の第１の形態の面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）の構成例を示す図である。

図２を参照すると、第１の形態の面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）は、第二反射鏡と、活性層と、第一反射鏡とを少なくとも有する面発光レーザー素子において、少なくとも第一反射鏡の一部を含み且つ活性層を含まない第一メサ構造と、少なくとも活性層を含み前記第一メサ構造よりも大きな外径を有する第二メサ構造とを有し、前記第一反射鏡上に、電気的に接続される電極を有していることを特徴としている。

本発明の第１の形態では、第二反射鏡と、活性層と、第一反射鏡とを少なくとも有する面発光レーザー素子において、少なくとも第一反射鏡の一部を含み且つ活性層を含まない第一メサ構造と、少なくとも活性層を含み前記第一メサ構造よりも大きな外径を有する第二メサ構造とを有し、前記第一反射鏡上に、電気的に接続される電極を有しているので、発光効率を低下させることなく、一つの半導体基板上に複数の面発光レーザーを狭ピッチで形成することができる。またこの場合、活性層を含む第二メサ外形は十分な外形寸法を有しているため、非発光再結合により発光効率が低下することはない。

このように、第１の形態では、狭ピッチ配列が可能なＶＣＳＥＬを提供することができる。

（第２の形態）
図３（ａ），（ｂ）は本発明の第２の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）を説明するための図である。すなわち、図３（ａ）は第２の形態の二次元面発光レーザーアレイを構成する各ＶＣＳＥＬの配列を説明するための図であり、図３（ｂ）は第２の形態の二次元面発光レーザーアレイの複数のＶＣＳＥＬの独立配線方法を説明するための図である。

図３（ａ），（ｂ）を参照すると、本発明の第２の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）は、同一の半導体基板上に、第１の形態の面発光レーザー素子が複数個、二次元に配列されており、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子の少なくとも１つの面発光レーザー素子を独立駆動するための電気配線が、隣接する面発光レーザーの第二メサ構造上に存在することを特徴としている。より詳細には、隣接する面発光レーザ素子との最小の第一メサ間隔が、前記電気配線の幅よりも大きいことを特徴としている。

このように、本発明の第２の形態の二次元ＶＣＳＥＬアレイでは、少なくとも第一反射鏡を含み活性層を含まない第一メサ構造と、少なくとも活性層を含む第二メサ構造とを有し、第一メサ構造上に第一電極を形成することによって、一つの半導体基板上に複数の面発光レーザーを形成した場合であっても、個々の面発光レーザーを独立制御することができる。また、第二メサ構造上には絶縁膜を介して他のＶＣＳＥＬの配線Ａが形成されている。一般的なＶＣＳＥＬにおいては図３（ｂ）に示す共振器の厚さｈ２は０．５μｍ以下であり、第二メサ構造の高さも同程度に設定することが可能である。

図４は、本発明の第２の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）の各ＶＣＳＥＬの配置と独立配線のレイアウトを説明するための平面図である。図４において、第一メサ構造の外径ｒ１を１０μｍとし、第二メサ構造の外径ｒ２を１５μｍとし、ＶＣＳＥＬの間隔ｄ１を２０．８μｍとすると、第二メサ構造の最小間隔ｄ２は５．８μｍであるが、該第二メサ構造による段差は上述したように０．５μｍ以下で、また第一メサ構造の最小間隔ｄ３は１０．８μｍであるから、第一メサ構造間に他のＶＣＳＥＬ配線を形成することは容易である。またこの場合、活性層を含む第二メサ構造の外形は十分な外形寸法を有しているので、非発光再結合により発光効率が低下することはない。

このように、第２の形態では、ＶＣＳＥＬの独立配線が容易な二次元ＶＣＳＥＬアレイを提供することができる。

（第３の形態）
一般的にＶＣＳＥＬアレイの特性においては、それを構成する個々のＶＣＳＥＬの特性の均一性が求められており、個々のＶＣＳＥＬが図３（ａ），（ｂ）に示したような第一メサ構造，第二メサ構造により構成されている場合、それぞれの高さｈ１，ｈ２が不均一であると、個々のＶＣＳＥＬの抵抗や発振閾値等の不均一性を誘発し、ＶＣＳＥＬアレイの特性としては好ましくない。

ＶＣＳＥＬアレイの製造工程において、第一メサ構造，第二メサ構造はドライエッチング若しくはウェットエッチングにより作製するが、ドライエッチングやウェットエッチングを用いる場合であっても、第一メサ構造，第二メサ構造の高さｈ１，ｈ２を均一にすることは一般に困難である。

第一メサ構造，第二メサ構造の高さｈ１，ｈ２を均一にするため、本発明の第３の形態の二次元面発光レーザーアレイでは、第２の形態の二次元面発光レーザーアレイにおいて、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子のそれぞれの活性層がＰを含む材料よりなり、且つ該活性層上にＡｓを含み且つＰを含まない材料よりなる第一反射鏡が形成されていることを特徴としている。

本発明の第３の形態のＶＣＳＥＬアレイにおいては、活性層を構成する材料としてＰを含有する材料を用い、第一反射鏡を構成する材料としてＡｓを含有し、Ｐを含有しない材料を用いる場合、硫酸系エッチャントを用いてウェットエッチングにより第一反射鏡をエッチングして第一メサ構造を形成した後、塩酸系エッチャントを用いてウェットエッチングにより活性層をエッチングして第二メサ構造を形成することにより、特性の均一なＶＣＳＥＬより構成される図３（ａ），（ｂ）に示すようなＶＣＳＥＬアレイを得ることができる。

このように、第３の形態では、ＶＣＳＥＬの独立配線が容易な二次元ＶＣＳＥＬアレイを安定に提供することができる。

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第２または第３の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）と、該二次元面発光レーザーアレイから放出されたレーザー光を走査する走査手段とを有していることを特徴とする光走査装置である。

より具体的に、この第４の形態の光走査装置は、第２または第３の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）と、該二次元面発光レーザーアレイより放出されたレーザー光を平行ビームに変換する手段と、該平行ビームを走査する走査手段と、走査された平行ビームより同一平面上に焦点が得られるよう変換する手段とを有している。

図５は本発明の第４の形態の光走査装置の具体例を示す図であり、図５の例では、光走査装置は、第２または第３の形態の二次元ＶＣＳＥＬアレイ、コリメータレンズ（面発光レーザーアレイより放出されたレーザー光を平行ビームに変換する手段）、ポリゴンミラー（走査手段）、ｆθレンズ（走査された平行ビームより同一平面上に焦点が得られるよう変換する手段）より構成されている。図５において、ポリゴンミラーの回転軸は紙面に対し垂直に設定されており、図１（ｂ）（図４）に示した二次元ＶＣＳＥＬアレイの第一の基線は、主走査方向に対し垂直に（副走査方向に対し平行に）、即ち紙面に対し垂直に設定されている。また、コリメータレンズは、二次元ＶＣＳＥＬアレイより放出されるあらゆるレーザー光を全て含む大きさに設計されている。なお、図５の光走査装置は、レーザー光を走査して感光体ドラムに画像を形成する画像形成装置に利用されるものとなっている。

図５の構成では、二次元ＶＣＳＥＬアレイより放出されたレーザー光はコリメータレンズによって平行ビームに変換された後、ポリゴンミラーによって主走査方向に走査され、主走査方向に走査されたレーザー光はｆθレンズによって感光体ドラム上の全ての位置において焦点が得られるように設定されている。

実際の画像形成においては、ポリゴンミラーによって走査されたレーザー光は、図５において左から右へ走査される。この時、二次元ＶＣＳＥＬアレイは、画像情報に応じて図示しない駆動回路によって駆動されている。一回の主走査が完了すると、それと同期して直ちに副走査が開始されるが、従来の光走査装置においては一つの光源しか有していなかったため、一回の主走査で書込まれるのは１行であるから、副走査は１行分のみなされていた。しかし、本発明においては、複数の光源（複数のＶＣＳＥＬ）を有しているため、一回の主走査で光源の数に対応した行数を書込むことが可能である。従って一回の副走査で走査される行数も同様にそれに対応した行数分実施される。

本発明においては、レーザー光のピッチは、図１（ｂ）においてａ／８によって示される間隔であるが、主走査時に感光体への画像書込む場合、第一の基線に対する各ＶＣＳＥＬのオフセット量を考慮して実施することにより、感光体上での各ＶＣＳＥＬからのビームを一直線上に配置することができる。

一般に、同等の光出力，ポリゴンミラー回転速度を有する光書込み系においては、レーザー本数がｎ本になった場合、感光体ドラム一回転に要する書込み時間は１／ｎとなり、従来と比較して大幅な高速書込みが可能となる。

このように、第４の形態では、第２または第３の形態の二次元面発光レーザーアレイと、該二次元面発光レーザーアレイから放出されたレーザー光を走査する走査手段とを有していることを特徴とする光走査装置であるので、複数のレーザー光で複数のラインを同時に走査することが可能となり、潜像を高速に（短時間で）形成することができる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第４の形態の光走査装置において、二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）の各面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）から放出されるレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段と、画像形成時以外の時に、前記受光手段を二次元面発光レーザーアレイから放出されるレーザー光の光路上に挿入する挿入手段とがさらに設けられていることを特徴としている。

図６は第５の形態の光走査装置の具体例を示す図であり、図６の例では、光走査装置には、図５の構成例において、二次元ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬから放出されたレーザー光を検知する受光手段と、該受光手段をＶＣＳＥＬアレイと走査手段（ボリゴンミラー）との間に挿入する挿入手段（図示せず）とがさらに設けられている。

一般に半導体レーザーは、通電と共に徐々に出力が低下する現象が確認されており、この現象は多かれ少なかれあらゆる半導体レーザーについて当てはまる。レーザー出力の変動は、潜像形成における感光体上の電位むらとなって現れ、最終的には画像の濃度むらとなって観察される。従って、均一な濃度の画像を形成する際には、レーザー光出力を均一にしなければならない。

図６の例では、受光手段は、画像形成時には図６のａに示す光路外の位置にあるが、画像非形成時には、図示しない挿入手段（移動手段）によって図６のｂに示す光路内の位置に挿入される。これによって、光路上に挿入された受光手段は、ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬから放出されるレーザー光の光出力を検知し、その結果に基づいて各ＶＣＳＥＬへの注入電流を補正する。これにより、ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬから放出されるレーザー光出力を均一に保つことができる。

このように、本発明の第５の形態では、第４の形態の光走査装置において、二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段と、画像形成時以外の時に、前記受光手段を二次元面発光レーザーアレイから放出されるレーザー光の光路上に挿入する挿入手段とがさらに設けられており、レーザー光出力を検知して二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御するので、二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子からのレーザー光出力を均一に保つことができて、均一な潜像を安定して形成することができる。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第４の形態の光走査装置において、二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）の各面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）から放出されるレーザー光の一部を反射し残りのレーザー光を透過させる光学手段（例えば、ハーフミラー）と、光学手段で反射されたレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段とがさらに設けられていることを特徴としている。

図７は第６の形態の光走査装置の具体例を示す図であり、図７の例では、光走査装置には、図５の構成例において、二次元ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬから放出されたレーザー光の一部を反射し、残りのレーザー光を透過させるハーフミラーと、ハーフミラーで反射されたレーザー光の光出力を検知する受光手段とがさらに設けられている。

前述した第５の形態の光走査装置の構成においては、画像形成時において全てのレーザー光を潜像形成に用いることができる反面、受光手段の移動手段の設置や該受光手段の位置精度向上のために、構成が複雑になる恐れがあった。

これに対し、第６の形態の光走査装置では、光学手段（ハーフミラー）によってレーザー光の一部を分離・反射し、反射光を受光手段で検出することにより、レーザー光の出力ロスは避けられないが、一切の移動手段（挿入手段）を設けることなく、各ＶＣＳＥＬから放出されるレーザー光の光出力を検知し、各ＶＣＳＥＬへの注入電流を補正して、各ＶＣＳＥＬから放出されるレーザー光出力を均一に保つことができる。また、この第６の形態によれば、潜像形成中であっても光出力の検出が可能であり、潜像形成中に各ＶＣＳＥＬのレーザー光出力が変動した場合であっても、注入電流の補正，レーザー光出力の調整が可能である。

このように、本発明の第６の形態では、第４の形態の光走査装置において、二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の一部を反射し残りのレーザー光を透過させる光学手段と、光学手段で反射されたレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段とがさらに設けられており、潜像形成中であってもレーザー光出力を検知して二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御するので、面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子からのレーザー光出力を均一に保つことができて、均一な潜像を安定して形成することができる。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第５または第６の形態の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）と前記受光手段との間に、所定の倍率でレーザー光を拡大する拡大手段がさらに設けられていることを特徴としている。

図８は第７の形態の光走査装置の具体例を示す図であり、図８の例では、図７の構成例において、ハーフミラーと受光手段との間に、二次元ＶＣＳＥＬアレイから放出されたレーザー光を所定の倍率で拡大する拡大手段（例えば拡大レンズ）が設けられ、受光手段は、拡大手段で拡大されたレーザー光の光出力を検知するように構成されている。

二次元ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬから放出される各レーザー光は、実際には互いの間隔が狭いため、各ＶＣＳＥＬから同時にレーザー光が出射されるとき、受光手段においてそれぞれのレーザー光を正確に分離して検出するのは難しい。従って、前述した第４，第５の形態において、受光手段で各ＶＣＳＥＬからの個々のレーザー光を検出する場合、ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬをそれぞれ個別に（例えば順次に）駆動する必要があった。

これに対し、この第７の形態では、二次元ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬからのレーザー光のビームピッチを拡大手段（拡大レンズ）によって拡大しているため、各ＶＣＳＥＬが同時に駆動され、各ＶＣＳＥＬから同時にレーザー光が出射されても、受光手段においてそれぞれのレーザー光を正確に分離して検知することができる。

なお、図８の例においては、図７の構成に拡大レンズを追加して、個々のレーザー光を分離・検知しているが、図６の構成に拡大レンズを追加した構成であっても構わない。その場合、画像形成時においては、拡大レンズは、受光手段とともに、図６のａに示す光路外の位置にあり、画像非形成時においては、拡大レンズは、図示しない挿入手段によって図６のｂに示す光路内の位置に受光手段と連動して挿入されなければならない。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第４乃至第７のいずれかの形態の光走査装置において、主走査方向終端に１回の主走査終了を検知する主走査終了検知手段がさらに設けられており、主走査終了検知手段で検知された主走査終了検知信号と同期して副走査が行なわれるようになっていることを特徴としている。

図９は第８の形態の光走査装置の具体例を示す図であり、図９の例では、図５の光走査装置において、主走査方向終端に、主走査終了検知手段としての光センサが設けられている。

電子写真においては、図９におけるポリゴンミラー（走査手段）による主走査が終了した後、感光体ドラムを副走査方向に所定の量走査することの繰り返しによって画像形成がなされている。従って、主走査と副走査はあらかじめ決められたタイミングによって行われているが、ポリゴンミラーの回転むらにより上記タイミングにずれが生じ、１つの画像分の主走査を完了する間にそのずれが蓄積し、高品質な画像形成を妨げる恐れがある。

これに対し、第８の形態においては、主走査方向終端に、走査されたレーザー光を検知する主走査終了検知手段（図９の光センサ）を設け、光センサからの１回の主走査終了の信号と同期して副走査を行うことにより（感光体ドラムの副走査方向への走査制御を行なうことにより）、ポリゴンミラーの回転むらによる画像品質の低下を防止することができ、高品質な画像形成を行うことができる。

なお、第８の形態において、潜像形成プロセスについては、副走査の実施を主走査終了検知手段より得られる主走査終了の信号をトリガとして行う以外は、第４の形態で説明したものと同様である。

また、図９の例では、図５の構成例に適用した場合を示したが、図６，図７，図８の構成例にも、同様に適用できる。

（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第４乃至第８のいずれかの形態の光走査装置が用いられることを特徴とする画像形成装置（電子写真装置）である。

ここで、画像形成装置としては、例えば、複写機，プリンタ，ファクシミリ、あるいは、これらの複合機などが挙げられる。

図１０は第９の形態の画像形成装置（電子写真装置）の具体例を示す図であり、図１０において、光走査装置には、第４乃至第８のいずれかの形態の光走査装置が用いられている。

以下に、図１０の画像形成装置（電子写真装置）を用いた画像形成プロセス（電子写真形成プロセス）を示す。

図１０の電子写真装置では、帯電ユニットにより感光体ドラム上を一様に帯電した後、光走査装置により潜像を形成する。潜像形成プロセスについては第４の形態で説明したものと同様である。潜像が形成された後、電荷により形成された潜像に現像ユニットによりトナー現像を施す。次いで、図示しない給紙ユニットにより供給された記録紙に、転写ユニットによりトナー画像を転写する。そして、記録紙上に転写されたトナー画像を図示しない定着ユニットにより熱定着し、電子写真画像形成が完了する。一方、トナー画像を転写した感光体ドラム上の潜像を除電ユニットにより消去した後、感光体ドラム上に残留したトナーをクリーニングユニットにより除去する。以上のプロセスを繰り返し実行することで、電子写真画像を連続且つ高速に出力することができる。

実施例１は、第３の形態の二次元ＶＣＳＥＬアレイを用いた光走査装置を含む画像形成装置（電子写真装置）に関するものである。二次元ＶＣＳＥＬアレイを構成するＶＣＳＥＬは、図１１に示すように第一反射鏡としてＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓｐ−ＤＢＲを用い、また、第二反射鏡としてＡｌＡｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓｎ−ＤＢＲを用い、また、スペーサ層としてＧａＩｎＰを用い、また、活性層としてＧａＩｎＰ障壁層を含むＩｎＧａＡｓＰＴＱＷを用い、半導体基板としてｎ−ＧａＡｓ（１００）１５°オフ基板を用い、また、第一電極としてＡｕ，Ｚｎ，Ｃｒを含有するオーミック電極を用い、また、第二電極としてＡｕ，Ｇｅ，Ｎｉを含有するオーミック電極を用いた。なお、活性層中に含まれるＩｎＧａＡｓＰは、発振波長が７８０ｎｍになるよう組成を調整している。

二次元ＶＣＳＥＬアレイにおける配列について、９，６００ｄｐｉ（ドットピッチ：２．６５μｍ）用の３２素子アレイ（第二の基線上に８素子）を設計する場合、図１（ｂ）におけるａ，ｂをａ＝ｂ＝２１．２μｍとし、第一メサ径を８μｍとし、第二メサ径を１８μｍとすると、隣接するＶＣＳＥＬとの最小の第二メサ間隔（図３（ａ）中のｄ１−ｒ２）は３．２μｍとなり、最小の第一メサ間隔（図３（ａ）中のｄ１−ｒ１）は１３．２μｍとなり、図３（ａ）の如く第二メサ上に絶縁層を形成した後、第一メサに干渉されることなく配線を容易に形成することができる。

一方、本実施例においては、第一反射鏡がＡｓ系材料、活性層がＰ系材料により構成されているため、ウェットエッチングにより第一メサ，第二メサを形成する際、適当なエッチャントを用いることにより、第二メサの高さ（図３（ａ）中のｈ２）を均一にすることができ、ひいてはアレイを構成する個々のＶＣＳＥＬの特性を均一にすることができる。具体的な第一メサのエッチャントとしては硫酸系エッチャントを用いることができ、第二メサのエッチャントとしては塩酸系エッチャントを用いることができる。

在来の面発光レーザー素子および二次元面発光レーザーアレイの構成例を示す図である。本発明の第１の形態の面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）の構成例を示す図である。本発明の第２の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）を説明するための図である。本発明の第２の形態の二次元面発光レーザーアレイ（二次元ＶＣＳＥＬアレイ）の各ＶＣＳＥＬの配置と独立配線のレイアウトを説明するための平面図である。本発明の第４の形態の光走査装置の具体例を示す図である。本発明の第５の形態の光走査装置の具体例を示す図である。本発明の第６の形態の光走査装置の具体例を示す図である。本発明の第７の形態の光走査装置の具体例を示す図である。本発明の第８の形態の光走査装置の具体例を示す図である。本発明の第９の形態の画像形成装置（電子写真装置）の具体例を示す図である。実施例１に用いられる二次元面発光レーザーアレイを構成する面発光レーザ素子を示す図である。

Claims

第二反射鏡と、活性層と、第一反射鏡とを少なくとも有する面発光レーザー素子であって、少なくとも第一反射鏡の一部を含み且つ活性層を含まない第一メサ構造と、少なくとも活性層を含み前記第一メサ構造よりも大きな外径を有する第二メサ構造とを有し、前記第一反射鏡上に、電気的に接続される電極を有し、前記第一メサ構造が、前記第二メサ構造の上側に形成され、前記第二メサ構造が、前記第二反射鏡の上側に形成されている面発光レーザー素子が複数個、同一の半導体基板上に、二次元に配列されており、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子の少なくとも１つの面発光レーザー素子を独立駆動するための電気配線が、隣接する面発光レーザー素子の第二メサ構造上に存在することを特徴とする二次元面発光レーザーアレイ。
請求項１記載の二次元面発光レーザーアレイにおいて、隣接する面発光レーザ素子との最小の前記第一メサ構造の間隔は、前記電気配線の幅よりも大きいことを特徴とする二次元面発光レーザーアレイ。
請求項１または請求項２記載の二次元面発光レーザーアレイにおいて、二次元に配列された複数の面発光レーザー素子のそれぞれの活性層がＰを含む材料よりなり、且つ該活性層上にＡｓを含み且つＰを含まない材料よりなる第一反射鏡が形成されていることを特徴とする二次元面発光レーザーアレイ。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の二次元面発光レーザーアレイと、該二次元面発光レーザーアレイから放出されたレーザー光を走査する走査手段とを有していることを特徴とする光走査装置。
請求項４記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段と、画像形成時以外の時に、前記受光手段を前記二次元面発光レーザーアレイから放出されるレーザー光の光路上に挿入する挿入手段とがさらに設けられていることを特徴とする光走査装置。
請求項４記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子から放出されるレーザー光の一部を反射し残りのレーザー光を透過させる光学手段と、光学手段で反射されたレーザー光の光出力を検知する受光手段と、該受光手段における光出力の検知結果に基づいて、前記二次元面発光レーザーアレイの各面発光レーザー素子への注入電流を制御する制御手段とがさらに設けられていることを特徴とする光走査装置。
請求項５または請求項６記載の光走査装置において、前記二次元面発光レーザーアレイと前記受光手段との間に、所定の倍率でレーザー光を拡大する拡大手段がさらに設けられていることを特徴とする光走査装置。
請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の光走査装置において、主走査方向終端に１回の主走査終了を検知する主走査終了検知手段がさらに設けられており、主走査終了検知手段で検知された主走査終了検知信号と同期して副走査が行なわれるようになっていることを特徴とする光走査装置。
請求項４乃至請求項８のいずれか一項に記載の光走査装置が用いられることを特徴とする画像形成装置。