JP5792959B2

JP5792959B2 - 光書き込みヘッド及び画像形成装置

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Publication number: JP5792959B2
Application number: JP2011005818A
Authority: JP
Inventors: 和哉野林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012144012A; US8994769B2; US20120182371A1

Description

本発明は、光書き込みヘッド及び画像形成装置に関する。特に、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等に用いられる、レンズアレイにより複数の発光素子を被照射面上に投影し結像スポットを形成する光書き込みヘッド、及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真方式の複写機等に用いられる光書き込みヘッドにおいては、ＬＥＤ等の発光素子を複数配列した発光素子アレイと、像担持体である感光ドラムの間に、複数のレンズを並列に配列したレンズアレイを配置している。
画像信号に応じて変調された光束を発光素子から放射し、レンズアレイにより感光ドラムの面上にスポット状に集光することで、画像記録を行っている。
このような光書き込みヘッドにおいては、より高精細な印字を行うことが求められている。
ところで、感光ドラムは円柱形状を有しており、円柱の軸を回転軸として回転している。この回転軸は、作製誤差及び組み立て時の設置誤差により、感光ドラムの中心軸からずれが生じる。
そのため、感光ドラムの回転に応じて、像面が光軸方向に前後する。その結果、感光ドラムの面上に形成されるスポット位置やスポット径が感光ドラムの回転に伴い変化し、記録された画像に濃度むら、色変わりが発生する原因となる。
従来において、像面が光軸方向に前後することによるスポット位置変化を低減可能とする手段として、例えば特許文献１等においてレンズアレイの像側をテレセントリックな構成にすることが開示されている。
このような構成によると、主光線が光軸と平行であるため、像面が前後しても、スポット位置変化が小さく、また、レンズアレイの焦点深度の範囲内ではスポット径変化も小さくすることができる。

特開２００９−０９８６１３

従来の手法において、より高精細な印字を行うためには、像側開口数（像側ＮＡ）を大きくし、径の小さい集光スポットを感光ドラムの面上に形成することが求められる。
一方、レンズアレイの像側ＮＡを大きくすると、レンズアレイの焦点深度が浅くなり、像面位置変化の許容範囲が狭くなる。
すなわち、高精細の印字を行うためには、感光ドラムの作製及び組み立て時の設置を高精度に行う必要があり、光書き込みヘッドおよび感光ドラムが高コスト化する。
このようなことから、径の小さい集光スポットと、深い焦点深度を両立した光書き込みヘッドが望まれている。

本発明は、上記課題を解決し、径の小さい集光スポットの形成と、深い焦点深度を得ること、とを両立させることが可能となる光書き込みヘッド及び画像形成装置の提供を目的とするものである。

本発明の光書き込みヘッドは、複数の発光素子が配列されている発光素子アレイと、
前記発光素子から放射された光束を所定の像面に集光するレンズ系と、を有する光書き込みヘッドであって、
前記レンズ系は、像側にテレセントリックであり、
前記発光素子から放射された光束がピーク光強度を有する波長をλ０、前記ピーク光強度の０．８１倍の光強度を有する波長の軸上色収差をΔｓｋ、前記波長λ０における前記レンズ系の像側開口数をＮＡ（λ０）とするとき、
以下の条件式を満たすことを特徴とする。

また、本発明の画像形成装置は、上記した光書き込みヘッドと、該光書き込みヘッドからの光の照射により潜像が形成される感光部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、径の小さい集光スポットの形成と、深い焦点深度を得ること、とを両立させることが可能となる光書き込みヘッド及び画像形成装置を実現することができる。

本発明の実施形態における光書き込みヘッドの構成を説明する断面概略図。本発明の実施形態における光書き込みヘッドの一部の構成を示す断面概略図。本発明の実施形態における光書き込みヘッドの原理を説明する図。本発明の実施形態の光書き込みヘッドの効果を説明するための、発光素子の点像中心強度と、発光素子のピーク波長の点像中心強度を示す図。本発明の実施形態の光書き込みヘッドの効果を説明するための図。本発明の実施例１における光書き込みヘッドの構成例を説明する図。本発明の実施例２における光書き込みヘッドの構成例を説明する図。本発明の実施例２における光学系を用いた光書き込みヘッドを説明する概略図。

以下、本発明の実施形態における光書き込みヘッドの構成について、図１を用いて説明する。
図１は、光書き込みヘッド１００の主走査方向と平行な面での断面概略図を示している。
図１において、１００は光書き込みヘッドである。また、１０１は基板１０５上に配列された発光素子であり、これらの複数の発光素子が基板上に配列されて発光素子アレイが構成されている。これらの発光素子１０１は、例えばＬＥＤや有機ＥＬで構成することができる。
また、１０２はレンズが並列に複数配列され、発光素子から放射された光束を所定の像面に集光するレンズアレイである。
ここでは、発光素子１０１から放射された光束は、レンズアレイ１０２により集光され、感光ドラム１０３の面上にスポットを形成する。
レンズアレイ１０２は、主光線が像側にて光軸と平行になる像側テレセントリックな構成を有しており、例えば図２に光書き込みヘッド１００の一部を概略図で示す。
図２においては、２０１は光源面（物体面）であり、発光素子がアレイ状に配列されている。
２０２は絞り板であり、２０３は感光体面（像面）である。光源面２０１と感光体面２０３の間に絞り２０２とレンズアレイ１０２を配置し、絞り２０２とレンズアレイ１０２の物体側主点間の距離をレンズアレイ１０２の焦点距離とする。以上の配置により、レンズアレイ１０２は像側テレセントリックな構成となる。発光素子１０１から放射された光の発光スペクトルは、有限の波長幅を有している。

つぎに、本発明の実施形態における光書き込みヘッドの原理を、図３を用いて説明する。
図３（ａ）に、発光素子１０１の発光スペクトルの一例を示す。図３（ａ）は、横軸に波長、縦軸に光強度をとった発光素子１０１の発光スペクトルを表す図である。
発光素子１０１は、波長３０１Ａにて光強度３０１Ｂを有し、波長３０２Ａ及び３０４Ａにて光強度３０２Ｂを有し、波長３０３Ａ及び３０５Ａにて光強度３０３Ｂを有している。
発光素子１０１から放射された光をレンズアレイ１０２にて集光すると、軸上色収差により波長ごとに異なる位置に像を形成する。
図３（ｂ）は、波長３０１Ａ〜３０５Ａの各デフォーカス位置での点像の中心強度（点像中心強度）を示した図である。
図３（ｂ）の横軸は波長３０１Ａの近軸像面を基準にしたデフォーカス、縦軸は各デフォーカス位置での点像中心強度である。
軸上色収差により、各波長の点像は異なるデフォーカス位置にて最大強度を有している。
発光素子１０１は、波長３０１Ａ〜３０５Ａの他に複数の波長を含んだ光を放射している。
そのため、発光素子１０１の点像中心強度は、各波長の点像を積算することで表せる。
図３（ｃ）の実線３０６は、各波長の点像を積算した発光素子１０１の点像中心強度である。
また、図３（ｃ）の点線３０７は、各波長の点像の最大強度を示している。
図３（ｃ）の横軸は波長３０１Ａの近軸像面を基準にしたデフォーカス、縦軸は比較のためにデフォーカス＝０の強度で規格化している。
図３（ｃ）から、実線３０６と点線３０７は略等しいデフォーカス特性を示していることが分かる。
以上から、発光素子１０１の単位デフォーカスあたりの点像の中心強度変化は、各波長の点像の最大強度の単位デフォーカスあたりの変化で表すことができる。

単位デフォーカスあたりの点像中心強度変化が小さいほど、各デフォーカス位置でのスポット径変化は小さくなり、焦点深度は深くなる。
発光素子１０１の点像中心強度は、各波長の点像の最大強度と略等しいデフォーカス特性を有するため、レンズアレイ１０２の軸上色収差を大きくすることで単位デフォーカスあたりの点像中心強度変化を小さくでき、焦点深度を深くできる。
以上から、レンズアレイ１０２の像側ＮＡを小さくすることなく焦点深度を深くすることができるため、小さいスポット径と深い焦点深度を両立することができる。

つぎに、焦点深度を深くする効果が大きい範囲について述べる。
図４は、発光素子１０１の点像中心強度と、発光素子から放射された光束がピーク光強度を有する波長であるピーク波長λ０の点像中心強度を示す図である。
図４の横軸は発光素子１０１のピーク波長λ０の近軸像面を基準にしたデフォーカス、縦軸はデフォーカス＝０の強度で規格化した点像中心強度である。
発光素子１０１から放射された光の点像中心強度を実線４０１で、波長λ０の点像中心強度を破線４０２で示している。
図４における４０３は、デフォーカス＝０の点像中心強度の０．８１倍の点像中心強度を示している。
デフォーカス４０４は実線４０１が点像中心強度４０３をとるデフォーカスであり、デフォーカス４０５は破線４０２が点像中心強度４０３をとるデフォーカスである。
一般的に、光学系による像の変化が小さい領域は、点像中心強度がデフォーカス＝０での点像中心強度の０．８１倍以内と言われている。よって、焦点深度は点像中心強度４０３を有するデフォーカスで表せる。
すなわち、デフォーカス４０５は、レンズアレイ１０２の像側開口数ＮＡにより決まる焦点深度を表し、デフォーカス４０４は、本発明の光書き込みヘッド１００の焦点深度を表す。
デフォーカス４０５をｚ０としたとき、ｚ０は以下の条件式１で表される。
式１におけるＮＡ（λ０）は、波長λ０におけるレンズアレイ１０２の像側開口数である。

さらに、デフォーカス４０４は、発光素子１０１の発光スペクトルにて、ピーク光強度の０．８１倍の光強度を有する波長の軸上色収差Δｓｋとなる。
破線４０２のデフォーカス位置ｚ０よりも、実線４０１のデフォーカス位置Δｓｋが大きい値を有するとき、レンズアレイ１０２の像側ＮＡによらず、焦点深度を深くすることができる。
よって、以下の条件式２を満たすことでレンズアレイ１０２の像側ＮＡによらず焦点深度を深くすることができ、小さいスポット径と深い焦点深度を両立することができる。

図５に、発光素子１０１のピーク波長の点像中心強度を実線５０１で、条件式２を満たすときの発光素子１０１の点像中心強度を破線５０２で、条件式２にて等号が成り立つときの発光素子１０１の点像中心強度を一点鎖線５０３で示した。
図５の縦軸及び横軸は、図４と同様である。
一点鎖線５０３は、実線５０１とほぼ同じグラフとなり、焦点深度を深くする効果は小さい。
一方、破線５０２は実線５０１と比べて、単位デフォーカスあたりの点像中心強度変化が小さく、焦点深度を深くすることができている。
以上のように、条件式２を満たすことで、レンズアレイ１０２の像側ＮＡにて決まる焦点深度よりも、焦点深度を深くすることができる。
また、本発明において、像側テレセントリックとは、像面に入射する主光線が光軸と完全に平行になる場合には限定されない。像面である感光ドラム１０３に入射する主光線が光軸と成す角度が±１°以内にある場合も含むものとする。
本発明においては、上記した光書き込みヘッドを用い、該光書き込みヘッドからの光を感光部に照射することにより潜像が形成される画像形成装置を構成することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光書き込みヘッドの構成例を説明する。
図６（ａ）は、発光素子１０１の発光スペクトルを示す図であり、横軸に波長、縦軸に光強度をとったグラフである。
発光素子１０１は、半値全幅＝４０ｎｍの発光スペクトルを有している。
波長６０１は発光素子１０１のピーク波長λ０であり、本実施例においてはλ０＝５４６ｎｍである。
波長６０２及び波長６０３は、ピーク強度６０５の０．８１倍の光強度６０４を有する波長λ１及びλ２であり、λ１＝５３５ｎｍ、λ２＝５５８ｎｍである。図６（ｂ）は、実施例１の１個のレンズアレイ１０２に対応する光学系の主走査断面図であり、クラウンレンズである第１レンズとフリントレンズである第２レンズからなるダブレットレンズである。
第１レンズと第２レンズからなる合成レンズ系の物体側焦点に絞り板６０７を配置して像側にテレセントリックとしている。

本実施例では、波長λ１の軸上色収差Δｓｋ＝−０．０５３６ｍｍ、波長λ２の軸上色収差Δｓｋ＝０．０５４０ｍｍを有し、さらに像側開口角とピーク波長より、条件式２の右辺は０．０４８６ｍｍであり、条件式２を満たしている。
図６（ｃ）は、本実施例の点像中心強度デフォーカス特性を示す図であり、横軸に波長λ０の近軸像面を基準としたデフォーカス、縦軸に点像中心強度を示している。
実線６１２は本実施例の点像中心強度を示し、破線６１３は、波長λ０の点像中心強度を示している。
図６（ｃ）から、単位デフォーカスあたりの点像中心強度変化は、実線６１２の方が小さく、本実施例の構成にて、深い焦点深度を得ていることがわかる。

一般のＬＥＤのスペクトル幅は４０ｎｍ程度である。そのため、ピーク光強度の０．８１倍の光強度を有する波長と、ピーク波長との差は１０ｎｍ程度である。従来のレンズアレイでは、色収差の影響を小さくするために、アッベ数の大きい材料が使われている。
仮に、屈折率分散の大きい（アッベ数の小さい）ポリカーボネイド等の樹脂製正レンズを用いたとしても、その軸上色収差は０．００３〜０．００４ｍｍ程度と小さく、条件式２を満たすことは困難である。
条件式２を満たす軸上色収差を得るためには、本実施例に示すように、屈折率分散の異なるクラウンレンズとフリントレンズを組み合わせたダブレットレンズが有効である。

本実施例の数値データを以下に示す。
光源面６０６側から感光体面６１１側へ順に、ｒ２、ｒ３・・・は各光学面の曲率半径（ｍｍ）、ｄ１、ｄ２・・・は各光学面間の間隔（ｍｍ）、ｎ１、ｎ２は各透明媒質の屈折率を表す。
なお、各透明媒質の屈折率は、以下の条件式３の分散公式を用いて表される。

ｎ１とｎ２の各係数はそれぞれ以下の値である。
ｎ１：Ｃ１＝２．６３３１２７Ｃ２＝−７．９３７８２３Ｅ−２Ｃ３＝−１．７３４５０６Ｅ−１Ｃ４＝８．６０９２６８Ｅ−２Ｃ５＝−１．６１７８９２Ｅ−２Ｃ６＝１．１２８９３３Ｅ−３
ｎ２：Ｃ１＝２．３９９９６４Ｃ２＝−８．３０８６３６Ｅ−２Ｃ３＝−１．９１９５６９Ｅ−１Ｃ４＝８．７２０６０８Ｅ−２Ｃ５＝−１．６６６４１１Ｅ−２Ｃ６＝１．１６９５１９Ｅ−３
ｒ１＝∞（物体面）ｄ１＝４
ｒ２＝０．３９５４９ｄ２＝０．２５ｎ１
ｒ３＝−０．６４７３５ｄ３＝０．０６ｎ２
ｒ４＝０．３３３１１ｄ４＝３
ｒ５＝∞（像面）
物体側開口角（半角）＝０．０７５ｒａｄ
像側開口角（半角）＝０．０７５ｒａｄ
横倍率＝−１．０

［実施例２］
実施例２は、実施例１とは異なり、正のパワーを有する面を回折光学素子（ＤＯＥ）にて構成した例である。
波長λ１におけるＤＯＥのパワーφ１は、波長λ０でのパワーをφ０とした時、

φ１＝（λ１／λ０）×φ０

と表すことができ、単位波長あたりのパワー変化が大きい。そのため、大きな軸上色収差を得ることができる。

図７（ａ）は、発光素子１０１の発光スペクトルを示す図であり、横軸に波長、縦軸に光強度をとったグラフである。
発光素子１０１は、半値全幅＝４０ｎｍの発光スペクトルを有している。波長７０１は発光素子１０１のピーク波長λ０であり、本実施例においてはλ０＝６８０ｎｍである。
波長７０２及び波長７０３は、ピーク強度７０５の０．８１倍の光強度７０４を有する波長λ１及びλ２であり、λ１＝６６９ｎｍ、λ２＝６９１ｎｍである。図７（ｂ）は、実施例２の１個のレンズアレイ１０２に対応する光学系の主走査断面図である。
第１レンズ７０８は、前側面７１０と後側面７１１をＤＯＥで構成している。第１レンズ７０８の前側レンズの物体側焦点に光源面７０６を配置している。
さらに、第１レンズ７０８の前側面７１０と後側面７１１間の間隔を、前側面７１０の焦点距離と後側面７１１の焦点距離の和を第１レンズの屈折率で除した値とすることで、物体側および像側にテレセントリックな構成となっている。

本実施例では、波長λ１の軸上色収差Δｓｋ＝０．０７１８ｍｍ、波長λ２の軸上色収差Δｓｋ＝−０．０７１８ｍｍを有し、さらに像側開口角とピーク波長を用いて条件式３の右辺は０．０３４ｍｍであり、条件式３を満たしている。
図７（ｃ）は、本実施例の点像中心強度デフォーカス特性を示す図であり、横軸に波長λ０の近軸像面を基準としたデフォーカス、縦軸に点像中心強度を示している。
実線７１２は本実施例の点像中心強度を示し、破線７１３は、波長λ０の点像中心強度を示している。
図７（ｃ）から、単位デフォーカスあたりの点像中心強度変化は、実線７１２の方が小さく、本実施例の構成にて、深い焦点深度を得ていることがわかる。本実施例では、光学面にＤＯＥを用いることで、大きな軸上色収差を発生させ、より深い焦点深度を得ている。

本実施例では、像側に加え、物体側もテレセントリックな構成としている。物体側もテレセントリックな構成にすることで、画角による光量ムラの発生を抑制することができ、感光体に均一な潜像を形成することができる。
本実施例のレンズアレイ１０２は、横倍率−１．２倍を有する倒立拡大光学系である。
横倍率絶対値を１よりも大きくすることで、軸上色収差を大きくすることができ、より焦点深度を深くすることができる。

図８（ａ）は、拡大光学系を用いた光書き込みヘッド１００の概略図である。発光素子１０１同士の間隔８０１がレンズアレイ１０２の倍率により拡大される分を考慮して、発光素子１０１の配置を決めることで、感光ドラム１０３に一列の像を形成することができる。
なお、本実施例では、レンズアレイ１０２を倒立拡大系としたが、倒立縮小系であってもよい。
図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、縮小光学系を用いた光書き込みヘッド１００の概略図である。
図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示す光書き込みヘッド１００では、レンズアレイ１０２を副走査方向にも複数列配列している。図８（ｂ）と図８（ｃ）は副走査方向にて異なる列の概略図を示している。
このような構成では、副走査方向の異なる列間にて、レンズアレイ１０２を主走査方向に平行移動して配置する。
さらに、感光ドラム１０３の回転と同期して発光素子１０１を変調することで、感光ドラム上にて一列の像を形成することができる。
縮小光学系では、拡大光学系に比べて軸上色収差が小さくなるが、拡大光学系よりも像のサイズを小さくすることができ、感光ドラム１０３に径の小さい潜像を形成することができる。
本実施例では、発光素子１０１の放射角度について特に限定していないが、発光素子１０１の放射角度（半角）がレンズアレイ１０２の物体側開口角と等しい０．０１２ラジアンにすることが望ましい。
発光素子１０１の放射角度とレンズアレイ１０２の物体側開口角を等しくすることで、レンズアレイ１０２中の絞り板が不要になり、さらに、発光素子１０１からの放射光束を効率よく感光体面７０９に導くことができる。

本実施例の数値データを以下に示す。
光源面７０６側から感光体面７０９側へ順に、ｆ１、ｆ２、・・・は各光学面の焦点距離（ｍｍ）、ｄ１、ｄ２・・・は各光学面間の間隔（ｍｍ）、ｎ１は透明媒質の屈折率を表す。なお、各透明媒質の屈折率は条件式３の分散公式を用いて表され、ｎ１の各係数は、以下の値である。
ｎ１：Ｃ１＝２．３９９９６４Ｃ２＝−８．３０８６３６Ｅ−２Ｃ３＝−１．９１９５６９Ｅ−１Ｃ４＝８．７２０６０８Ｅ−２Ｃ５＝−１．６６６４１１Ｅ−２Ｃ６＝１．１６９５１９Ｅ−３
ｆ１＝∞（物体面）ｄ１＝１．６６６７
ｆ２＝１．６６６７ｄ２＝５．４５２５ｎ１
ｆ３＝２ｄ３＝２
ｆ４＝∞（像面）
物体側開口角（半角）＝０．０１２ｒａｄ
像側開口角（半角）＝０．０１ｒａｄ
横倍率＝−１．２

１００：光書き込みヘッド
１０１：発光素子
１０２：レンズアレイ
１０３：感光ドラム

Claims

複数の発光素子が配列されている発光素子アレイと、
前記発光素子から放射された光束を所定の像面に集光するレンズ系と、を有する光書き込みヘッドであって、
前記レンズ系は、像側にテレセントリックであり、
前記発光素子から放射された光束がピーク光強度を有する波長をλ０、前記ピーク光強度の０．８１倍の光強度を有する波長の軸上色収差をΔｓｋ、前記波長λ０における前記レンズ系の像側開口数をＮＡ（λ０）とするとき、
以下の条件式を満たすことを特徴とする光書き込みヘッド。
前記レンズ系は、回折光学素子により構成されることを特徴とする請求項１に記載の光書き込みヘッド。
前記ピーク光強度の０．８１倍の光強度を有する波長をλ１、前記波長λ１における前記回折光学素子のパワーをφ１、前記波長λ０における前記回折光学素子のパワーをφ０としたとき、φ１＝（λ１／λ０）×φ０を満たすことを特徴とする請求項２に記載の書き込みヘッド。
前記レンズ系は、物体側がテレセントリックであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光書き込みヘッド。
前記レンズ系は、横倍率絶対値が１よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光書き込みヘッド。
前記発光素子から放射される光束の放射角度が、前記レンズ系の物体側開口角と等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光書き込みヘッド。
請求項１から６のいずれか１項に記載の光書き込みヘッドと、前記光書き込みヘッドからの光の照射により潜像が形成される感光部と、を有することを特徴とする画像形成装置。