JP5039655B2 - 光書込み装置と画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ等、画像形成装置に関し、特に光ビームを用いて被走査面上を走査して画像情報の書込みを行う光学系画像書込みに関するものである。
現在、画像成形装置に対する市場の要求として、小型・軽量・低コスト化が挙げられる。また近年では、高画質化も同様に求められるようになりつつある。一般的なデスクトップタイプのカラープリンタでは、4色(K(ブラック)、C(シアン)、M(マゼンダ)、Y(イエロー))の色の組み合わせによりカラー画像を作成する。高画質化という点に着目すると、この基本色CMYK4色以外に透明トナーを用いて計5色により光沢性に優れた多色カラー画像を形成する方法や、基本色とされる従来のシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの基本4色のトナーによる画像形成でなく、インクジェットプリンター等にて現在主流で行われている手法である4色それぞれの色の淡いトナーを用いることで、画像の粒状感を低減する方法や、グリーンやオレンジ等の特別色を用いることで、色再現範囲或いは色再現性を向上する方法等も考えられている。
このような4色を超える多色画像、例えば5色・6色を用いる構成を考えた場合、従来の画像形成装置の構成を流用すると、図1、図2に示すような偏向器の片側に2つ、他の片側に3つ、若しくは片側3つずつのビームを走査させるタンデム方式が一般的な構成となる。タンデム方式を用いた多色画像形成装置は従来のモノクロプリンタに比べて構成部品の数が多く、非常に大きい構造となり、小型化が難しい。
現在、市販化されている複数の光ビームを用いた画像形成装置用光書込み装置は、一般的に複数の光ビームを複数の反射ミラーによって複数回折り返すことで、それぞれの像担持体である感光体の被走査面に照射している。しかしながら、複数のミラーを使用して立体的に光路を折り返しているため、光書込み装置が厚み方向に大きくなる傾向がある。特に6色のカラータンデム機では、各感光体に対応する各色のビームを副走査方向にずらして各々の光路もしくは光学素子の干渉を防ぐために一層厚み方向に大きくならざるを得ない。また、6色の色組み合わせによりカラー画像を作成するため、書込み装置において偏向器は3段階層構成となり対向走査を行っているので、モノクロプリンタに比べて厚み方向に約3倍以上の高さを必要とする。
そのため、装置自体の簡素化やコンパクト化を低コストのもので実現すべく、幾つかの提案がなされている。例えば特許文献1では、偏向又は波長が異なる2つの光源たる半導体レーザを用いて、偏光ビームスプリッタにより2つのビームを合成し、合成ビームを単一のポリゴンミラーに照射して、fθレンズを介して偏光分離ミラーによりビームを分離し、複数の感光体に照射する構成が開示されている。特許文献2では、発光波長が異なる複数の半導体レーザチップを並べて配置したマルチチップ半導体レーザ光源を使用し、この光源から出力される複合レーザ光を1つの走査光学系(コリメートレンズ、シリンドリカルレンズ、ポリゴンミラー、fθレンズ、ダイクロイックミラー)で偏向した後に波長に応じて分離して複数の感光体に振り分ける構成が開示されている。
特許文献1では、分離された各ビームがそれぞれの感光体に照射する照射角度が異なっている。書込み開始のタイミングを、感光体走査領域外に設けた同期検知センサによって検知し、ビーム毎に同期検知を行うことで制御するようになっている。照射角度の相違を各感光体と偏光分離ミラーと反射ミラーの位置関係を調整することによって同一にすることもできるが、そのような位置関係の変更によって夫々の感光体に照射する各ビームの光路長が異なることになる。特許文献2の構成でも照射角度、光路長が相違している。
つまり、上記従来技術によれば、副走査方向に光ビームを合成し、1つの光学系を用いて走査、集光した後、合成した光ビームを、各分離手段を用いて分離するが、光路長がそれぞれの感光体毎に異なっている。また特許文献1では、感光体照射角度も異なっている。
特開平10−3048号公報 特開平10−282440号公報
一般的なタンデム方式による多色カラー画像形成装置の書込み方式では、光偏向手段により偏向されたビームがそれぞれの色を担う像担持体(感光体)の被走査面に所望の光路長で照射するために複数のミラーを使用し立体的に光路を折り返すこととなり、光書込み装置が厚み方向に大きくなる傾向があった。更に各々の光路もしくは光学素子の干渉を防ぐために各感光体に対応するビームを副走査方向にずらすので厚み方向に非常に大きくなっている。
以上のような背景を踏まえ、本発明が解決しようとする課題は、副走査方向(厚み方向)に多色カラー画像形成装置の小型化を図ることにある。
上記課題は、本発明にしたがって、3つのビーム出射手段と、当該ビーム出射手段から出射されたビームを偏向走査する光偏向手段と、当該光偏向手段によって偏向走査されたビームを3つの像担持体の各々に結像する結像手段とを有した光書込み装置において、同一の偏光方向でそれぞれ発光波長の異なる3つのビームを副走査方向に同一経路に合成する合成手段を有し、当該合成手段により合成したビームを、偏光状態によって透過・反射の特性を有する第1の偏光ビームスプリッタと、ビームの偏光状態にλ/4の位相差を与える第1の波長板と、発光波長差により透過・反射の特性を有する第1のダイクロイックミラーと、第2の偏光ビームスプリッタと、ビームの偏光状態にλ/8の位相差を与える第2の波長板と、第2のダイクロイックミラーと、第2のダイクロイックミラーを透過したビームを最後の像担持体へ伝播する反射ミラーとを上記光偏向手段から近い順に配置し、第1のダイクロイックミラーにより反射される第1のビームが再度、第1の波長板を透過した後に第1の偏光ビームスプリッタにより折り返されて第1の像担持体に伝播され、第1のダイクロイックミラーと第2の波長板を透過して、第2のダイクロイックミラーにより反射される第2のビームが再度、第2の波長板を透過した後に第2の偏光ビームスプリットにより折り返されて第2の像担持体へ伝播され、第1のダイクロイックミラーと第2の波長板と第2のダイクロイックミラーを透過して、反射ミラーにより反射される第3のビームが最後の像担持体へ伝播されること、及びこれらダイクロイックミラー、波長板、偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを透過・反射する範囲でのビーム光路と各ビームが像担持体の各々に結合する箇所を結ぶ面とが平行に設定されていることで、解決される。
第1のダイクロイックミラーにより反射され第1の偏光ビームスプリッタにより第1の像担持体に折り返される第1のビームのビーム光量P1と、第2のダイクロイックミラーにより反射され第2の偏光ビームスプリッタにより第2の像担持体に折り返される第2のビームのビーム光量P2と、第2のダイクロイックミラーを透過して反射ミラーにより最後の像担持体に折り返される第3のビームのビーム光量P3の比が、P1:P2:P3=1:2:2であれば、一層効果的である。
光偏向手段を中心に、第1の偏光ビームスプリッタ、第1の波長板、第1のダイクロイックミラー、第2の偏光ビームスプリッタ、第2の波長板、第2のダイクロイックミラーを両側対称に配置することが、想定される。
本発明によれば、同一の偏光方向でそれぞれ発光波長の異なる3つのビームを副走査方向に同一経路に合成する合成手段を有し、当該合成手段により合成したビームを、偏光状態によって透過・反射の特性を有する第1の偏光ビームスプリッタと、ビームの偏光状態にλ/4の位相差を与える第1の波長板と、発光波長差により透過・反射の特性を有する第1のダイクロイックミラーと、第2の偏光ビームスプリッタと、ビームの偏光状態にλ/8の位相差を与える第2の波長板と、第2のダイクロイックミラーと、第2のダイクロイックミラーを透過したビームを最後の像担持体へ伝播する反射ミラーとを上記光偏向手段から近い順に配置し、第1のダイクロイックミラーにより反射される第1のビームが再度、第1の波長板を透過した後に第1の偏光ビームスプリッタにより折り返されて第1の像担持体に伝播され、第1のダイクロイックミラーと第2の波長板を透過して、第2のダイクロイックミラーにより反射される第2のビームが再度、第2の波長板を透過した後に第2の偏光ビームスプリットにより折り返されて第2の像担持体へ伝播され、第1のダイクロイックミラーと第2の波長板と第2のダイクロイックミラーを透過して、反射ミラーにより反射される第3のビームが最後の像担持体へ伝播されること、及びこれらダイクロイックミラー、波長板、偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを透過・反射する範囲でのビーム光路と各ビームが像担持体の各々に結合する箇所を結ぶ面とが平行に設定されていることにより、従来方式に比べ、副走査方向(厚み方向)に装置を薄型化することが可能である。
ビームの偏光状態にλ/4の位相差を与える第1の波長板を透過することでλ/4の位相差を与えられ回転した光ビーム状態(円偏光)第2の偏光ビームスプリッタに入射する発光波長λ2、λ3のビームが像担持体とは反対側に出射する時の光量の1/を反射することとなり、λ1のビームの光量に比べ1/2に減少してしまう。このままではそれぞれのビームが像担持体に照射された際に感光量が異なることになり、画質の劣化を招く恐れがある。そのため、第1のダイクロイックミラーにより反射され第1の偏光ビームスプリッタにより第1の像担持体に折り返される波長λ1のビーム光量P1と、第2のダイクロイックミラーにより反射され第2の偏光ビームスプリッタにより第2の像担持体に折り返される波長λ2のビーム光量P2と、第2のダイクロイックミラーを透過して反射ミラーにより第3の像担持体に折り返される波長λ3のビーム光量P3の比を予めP1:P2:P3≒1:2:2とすることで、像担持体へ照射される際の光量を一致させることができ、画像の劣化を防止することが期待できる。
本発明に係る方式では、発光波長の異なる複数のビームを用いていること、1組の光学素子により分離され折り返される波長λ1の光路長と、2組の光学素子により分離され折り返される波長λ2の光路長と、2組の光学素子を透過した上で反射ミラーにより折り返される波長λ3の光路長が正確に等しくなることが保障されない恐れがあることの2点によって、画質劣化を招く可能性がある。レーザビームが十分に絞られた位置であるビームウェスト位置でのビーム径W0は、レーザビームをレンズで集光するときの入射光のスポットサイズをWa、焦点距離をf、レーザビームの波長をλとすると、
W0=λf/πWa
で表され、波長が小さいほどビームウェスト位置でのビーム径W0は絞られることになる。このため同一の走査レンズを用いると波長が大きいほどビーム径が大きくなってしまう。そこで、合成された複数の発光波長のビームを共通の走査レンズにより予備的に補正した後に、それぞれの偏光ビームスプリッタ及びダイクロイックミラーの反射部又は反射ミラーで折り返した後に配置された非共通の走査レンズにより補正するか、合成された複数の発光波長のビームをそれぞれの偏光ビームスプリッタ及びダイクロイックミラーの反射部又は反射ミラーで折り返した後に配置した非共通の走査レンズにより独立に補正することにより、発光波長により異なるビーム径や光路長の違いによる走査倍率の違いをそれぞれ補正して、それぞれの像担持体に照射される際のビームの光学特性を略一致させる。
図1,2において、本発明が適用される画像形成装置を説明する。
図1は像担持体として5つのドラム状感光体10K,10Y,10C,10M,10Tをタンデム配列したフルカラー画像形成装置の例であり、これら感光体は各作像装置7K,7Y,7C,7M,7Tの一部として構成されている。これら作像装置7K,7Y,7C,7M,7Tは順に、ブラック、イエロー、シアン、マゼンダ、透明に対応し、組み合わせによってその他の色の画像も調製する。
図1の画像形成装置では、図の左右方向に対向位置する支持ローラR1,R2に支持されて回転する被転写媒体としての転写ベルト14があり、この転写ベルト14の上側の張設ラインに沿って矢示するベルト移動方向順、上流側から、上記作像装置7K,7Y,7C,7M,7Tが間隔をおいて配置されている。
なお、転写ベルト14は、黒画像1色形成モードに適合させるために、ブラック用感光体10Kについては転写ローラ16により常時接触する構成であり、他色用の感光体については、可動のテンションローラ(図示せず)の機能により転写ベルト14が接離する構成となっている。図1において、各作像装置7K,7Y,7C,7M,7Tは扱うトナーの色が異なるだけであり機械的な構成及び作像プロセスは共通であるので、感光体以外の各構成部材については同一の参照番号だけを付し、表示の簡略化のためアルファベットを省略する場合がある。また任意の1つの作像装置、例えばブラック用作像装置7Kについて構成及び作像のプロセスを説明する。
フルカラー画像の形成に際しては、作像装置7K,7Y,7C,7M,7Tに設けられた感光体10K,10Y,10C,10M,10Tに、後述のように、各色のトナー画像が形成される。次に、これら異なる色のトナー画像は、転写ベルト14を挟んで各感光体に対向配置されている転写手段としての転写ローラ16を用いて、給紙装置5から給紙された転写ベルト14上のシート媒体に順次重ね転写される。その後、シート媒体は、定着装置6の定着ローラ間を通って、搬送ローラを経て、不図示の排紙ローラ対より装置本体上の排紙トレイ19上に排紙され、シート媒体上にフルカラー画像を得る。
作像装置7Kの感光体10Kの周囲には、図中、時計回りの回転方向順に、感光体10Kを帯電する帯電手段としての帯電器11、書込み光ビーム28の照射位置、現像手段としての現像装置12、転写ローラ16等が配置されている。
書込み光ビーム28は、露光装置から出射されるもので、内部には、光源としての半導体レーザ、カップリングレンズ、fθレンズ、シリンドリカルレンズ、ミラー、回転多面鏡(ポリゴンミラー)等を装備している。画像形成に際しては、感光体10が回転して帯電ローラ11により一様に帯電された後に、各感光体に向けて各色用の書込み光ビーム28を出射し、感光体10上の書込み位置に書込み光ビーム28を照射して静電画像を形成する。そして例えば作像装置7Kの現像装置12では、ブラック現像剤が収納されていて、静電画像が現像装置を通過する際に静電潜像をブラック画像に可視像化する。他色の作像装置についても、それぞれの色の現像剤が収納されていて、その収納されている現像剤の色で潜像を可視像化する。
感光体10K上のブラックトナー像は、現像ローラ11により転写ベルト14上のシート媒体に転写される。シート媒体上のブラックトナー画像は、作像装置7Yで形成されたイエロートナー画像、作像装置7Cで形成されたシアントナー画像、作像装置7Mで形成されたマゼンダトナー画像、作像装置7Tで形成された透明トナー画像と重ねられて転写される。これにより、フルカラートナー画像が形成される。
本例の画像形成装置では、各感光体上のトナー画像が転写ベルト14上を移動するシート媒体に直接重ね転写されるが、このような直接転写以外に一旦中間転写ベルト上に重ね転写した上で重ねトナー画像をシート媒体上に一括点転写してフルカラー画像を合成する方式も知られている。本発明は、このような方式の画像形成装置に対しても、適用可能である。
図2は像担持体として6つのドラム状感光体10K,10Y,10C,10M,10O,10Gをタンデム配列したフルカラー画像形成装置の例であり、これら感光体は各作像装置7K,7Y,7C,7M,7O,7Gの一部として構成されている。これら作像装置7K,7Y,7C,7M,7O,7Gは順に、ブラック、イエロー、シアン、マゼンダ、オレンジ、グリーンに対応し、組み合わせによってその他の色の画像も調製する。そのほかの作像部材、作像工程については図1に示す5色の画像形成装置と同様であるので、説明を省略する。
以下に、本発明に係る書込み装置の全体構成や詳細を説明する。
図3は図1に示す5色のフルカラー画像形成装置の書込み装置部分を抜き出したものである。偏向器であるポリゴンミラー20と偏光ビームスプリッタ30aの間には走査レンズがおかれており、合成されたビームの発光波長により異なるビーム径や光路長の違いによる走査倍率の違いを予備的に補正する。またダイクロイックミラー50aの反射部や反射ミラー60の光路後方にも走査レンズがおかれ、発光波長により異なるビーム径や光路長の違いによる走査倍率の違いを今一度補正するようになっている。またダイクロイックミラー50a,50b、波長板40a,40b、偏光ビームスプリッタ30a,30b、反射ミラー60を透過・反射する範囲でのビーム光路と各ビームが感光体の各々に結合する箇所を結ぶ面とは、平行に設定されている。図4は図3に示した書込み装置部分の更に片側(図1,3での左側)を抜き出した拡大詳細図である。図5は図4の書込み装置部分片側の上面図であり、ビーム分離手段の構成を明瞭にするものである。
図4、図5において、ポリゴンミラー20の左側にて、複数の光源のうち3つの異なる発光波長λ1、λ2、λ3(波長はλ1<λ2<λ3)の光源から照射されたビームがそれぞれ異なる感光体10C,10M,10Tに照射される方法について説明する。図5に示すように、各光源から同一の偏光方向(本例の場合は縦方向の直線偏光:P偏光)で出射された各々のビームが副走査方向にていったん同一経路に合成された後、ポリゴンミラー20に入射する。ポリゴンミラーにより走査された3本のビームはまず、図6左に示すような偏光状態によって透過・反射の特性を有する偏光ビームスプリッタ30aと、図7に示すような原理で図8左に示すようなビームの偏光状態にλ/4の位相差を与える波長板40aを透過する。透過したそれぞれのビームは偏光状態がλ/4だけ回転した光ビーム状態(円偏光)となる。次に図9左に示すような発光波長差により透過・反射の特性を有するダイクロイックミラー50aによって、波長λ1のビームは反射光、λ2,λ3のビームは透過光に分離される。
第1のダイクロイックミラー50aにより反射されたλ1のビームは再度、偏光方向をπ/4だけ回転させるλ/4波長板40aを通過することで、出射時とは累計でπ/2回転した状態の光ビーム(横方向の直線偏光:S偏光)となり、第1の偏光ビームスプリッタ30aの特性により折り返され、感光体10Cの被走査面に照射される。
一方、第1のダイクロイックミラー50aを透過したλ2,λ3のビームは次に、図6右に示すような偏光状態によって透過・反射の特性を有する第2の偏光ビームスプリッタ30bと、図8右に示すようなビームの偏光状態にλ/8の位相差を与える第2の波長板40bを透過する。透過したそれぞれのビームは偏光状態がλ/8だけ回転して、λ/4波長板40aで与えられた位相差と累計して3λ/8回転した状態(楕円偏光)となる。次に図9右に示すような特性を有する第2のダイクロイックミラー50bによって、波長λ2のビームは反射光、λ3のビームは透過光に分離される。
第2のダイクロイックミラー50bにより反射されたλ2のビームは再度、偏光方向をπ/8だけ回転させるλ/8波長板40bを通過することで、出射時とは累計でπ/2回転した状態の光ビーム(横方向の直線偏光:S偏光)となり、第2の偏光ビームスプリッタ30bの特性により折り返され、感光体10Mの被走査面に照射される。第2のダイクロイックミラー50bを透過した発光波長λ3のビームは、反射ミラー60で反射され、感光体10Tの被走査面に照射される。
このような方式により、3つの異なる光源から出射され、偏光方向が同一で副走査方向に合成された波長の異なる光ビームは、ポリゴンミラー20で偏向走査され、各光学素子を介してそれぞれ異なる像担持体へ照射される。従来のカラープリンタで採用されていた3段ポリゴンを用いた対向走査の書込み方式に比べ、ポリゴンミラーの段数を1つにできること、一度の折り返しで感光体に照射されることにより、副走査方向(高さ方向)に小さくすることができる。なお、1組目の波長板を透過することでλ/4の位相差を与えられ回転した光ビーム状態(円偏光)で2組目の偏光ビームスプリッタに入射する発光波長λ2、λ3のビームは像担持体とは反対側に出射する時の光量の1/を反射することとなり、λ1のビームの光量に比べ1/2に減少してしまうので、波長λ1ビームの光量P1と、波長λ2ビーム光量P2と、波長λ3のビーム光量P3の比は、予め、P1:P2:P3=1:2:2としておくことで画像の劣化を防ぐのがよい。
また画像形成装置全体としてのレイアウトスペースを有効に確保するため、ポリゴンミラー走査平面と複数の感光体ドラムの中心を結んだ平面が平行となるよう、またλ1,λ2,λ3それぞれのビームの光路長を基本的に一致する(原理的にλ2の光路長はλ1、λ3に比べて偏光ビームスプリッタの厚みの半分だけ短くならざるをえない)ように、偏光ビームスプリッタ30a,30bの折り返し位置とダイクロイックミラー50a,50bの分離位置を決めるべきである。
図3の5色タンデムカラー画像形成装置では、上記の方式を2波長分(λ2、λ3の波長ビームを分離する手段)だけポリゴンミラー20の図面右側にも配置することによって、5色分のビームをそれぞれの感光体に照射している。また図2の6色タンデムカラー画像形成装置では、上記の方式をポリゴンミラー20の図面右側にも配置することで6色分のビームをそれぞれの感光体に照射している。
本発明が適用される5色タンデムカラー画像形成装置の概略図である。 本発明が適用される6色タンデムカラー画像形成装置の概略図である。 本発明が適用される5色タンデムカラー画像形成装置の書込み部分の拡大図である。 書込み部分の偏光状態を説明する図である。 書込み部分の上面図である。 偏光ビームスプリッタの特性値を示すグラフである。 波長板の原理を説明する図である。 波長板の特性値を示すグラフである。 ダイクロイックミラーの特性値を示すグラフである。
符号の説明
10 像担持体(感光体)
20 ポリゴンミラー
30 偏光ビームスプリッタ
40 波長板
50 ダイクロイックミラー
60 反射ミラー

Claims (4)

  1. 3つのビーム出射手段と、当該ビーム出射手段から出射されたビームを偏向走査する光偏向手段と、当該光偏向手段によって偏向走査されたビームを3つの像担持体の各々に結像する結像手段とを有した光書込み装置において、
    同一の偏光方向でそれぞれ発光波長の異なる3つのビームを副走査方向に同一経路に合成する合成手段を有し、当該合成手段により合成したビームを
    光状態によって透過・反射の特性を有する第1の偏光ビームスプリッタと、
    ビームの偏光状態にλ/4の位相差を与える第1の波長板と、
    発光波長差により透過・反射の特性を有する第1のダイクロイックミラーと、
    第2の偏光ビームスプリッタと、
    ビームの偏光状態にλ/8の位相差を与える第2の波長板と、
    第2のダイクロイックミラーと、
    第2のダイクロイックミラーを透過したビームを最後の像担持体へ伝播する反射ミラーとを
    上記光偏向手段から近い順に配置し、第1のダイクロイックミラーにより反射される第1のビームが再度、第1の波長板を透過した後に第1の偏光ビームスプリッタにより折り返されて第1の像担持体に伝播され、第1のダイクロイックミラーと第2の波長板を透過して、第2のダイクロイックミラーにより反射される第2のビームが再度、第2の波長板を透過した後に第2の偏光ビームスプリットにより折り返されて第2の像担持体へ伝播され、第1のダイクロイックミラーと第2の波長板と第2のダイクロイックミラーを透過して、反射ミラーにより反射される第3のビームが最後の像担持体へ伝播されること、及び
    これらダイクロイックミラー、波長板、偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを透過・反射する範囲でのビーム光路と各ビームが像担持体の各々に結合する箇所を結ぶ面とが平行に設定されていること、
    を特徴とする光書込み装置。
  2. 第1のダイクロイックミラーにより反射され第1の偏光ビームスプリッタにより第1の像担持体に折り返される第1のビームのビーム光量P1と、第2のダイクロイックミラーにより反射され第2の偏光ビームスプリッタにより第2の像担持体に折り返される第2のビームのビーム光量P2と、第2のダイクロイックミラーを透過して反射ミラーにより最後の像担持体に折り返される第3のビームのビーム光量P3の比が、P1:P2:P3=1:2:2であることを特徴とする、請求項1に記載の光書込み装置。
  3. 光偏向手段を中心に、第1の偏光ビームスプリッタ、第1の波長板、第1のダイクロイックミラー、第2の偏光ビームスプリッタ、第2の波長板、第2のダイクロイックミラーを両側対称に配置したことを特徴とする、請求項1又は2に記載の光書込み装置。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の光書込み装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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