JP6029474B2 - 露光用光源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
図10は、例えば特許文献1に開示されている、従来の画像形成装置1000の概略図である。
画像形成装置1000は、感光体ドラム1010と、感光体ドラム1010に対向して配置されるプリンタヘッド1020から構成される。
プリンタヘッド1020に配置された複数のLED1030からの出力光を、ロッドレンズアレイ等の正立等倍結像系を通過させることで、感光体ドラム1010上に結像し露光させている。
ロッドレンズアレイは、正立等倍結像させるレンズ素子1040が多数配列されており、複数のLED1030からの出力光の結像を可能にしたものである。
一般に、空間的なコヒーレンスを有さない光源から射出される光の拡がり角は大きいため、一つの光源1030から射出された光は、複数のスポット形成光学系に入射される。
そこで、光源1030からの光を感光体ドラム1010に導くために、スポット形成光学系としてロッドレンズアレイ1040などの正立等倍結像系を用いていた。しかし、ロッドレンズアレイ1040の隙間に入った光は感光体ドラムに導かれないため、光の利用効率が十分ではなかった。
また、光の利用効率を上げるためにプリンタヘッド1020と感光体ドラム1010を近付けた場合、正立等倍結像系の焦点深度が浅くなり、感光体ドラムの振動などによる位置ずれによって、正立等倍結像光学系の結像特性が変化してしまうと言う課題があった。
前記スポット形成光学系は、前記レーザ光源から射出される主光線を中心軸としたとき、該中心軸からの距離に比例して付加される位相遅れを減少させる位相変調素子により構
成されていることを特徴とする。
また、本発明の画像形成装置は、上記した露光用光源装置を備えていることを特徴とする。
[実施形態1]
実施形態1として、実施形態1における露光用光源装置、該露光用光源装置を備えた画像形成装置の構成例を、図1を用いて説明する。
本実施形態の露光用光源装置(プリンタヘッド)は、柱状の感光体ドラム110に対向して配置されている。
画像形成装置100は、柱状の感光体ドラム110と、感光体ドラム110に対向配置可能なプリンタヘッド(露光用光源装置)120と、図示しない現像部、転写部などから構成されている。
プリンタヘッド120は、レーザ光源130が感光体ドラム110の長手方向(x方向)に等間隔で複数配置されたレーザ光源アレイと、各々のレーザ光源130に対して1対1に対応するスポット形成光学系を備えている。
各々のレーザ光源130から射出された光は、各々のスポット形成光学系によってドラム面上に導かれ、スポットを形成する。
スポット形成光学系は、レーザ光源130から射出される光の主光線を中心軸としたとき、中心軸からの距離に比例して付加される位相遅れを減少させる位相変調素子140によって構成されている。
このような構成とすることで、光の利用効率が高く、位置ずれに強い画像形成装置100を提供することができる。以下で、その理由について説明する。
そのため、拡がり角の大きい光を感光体ドラムに導くために、ロッドレンズアレイ等の正
立等倍結像のスポット形成光学系を用いる必要があった。
しかし、レンズ素子の隙間に入った光は感光体ドラムに導かれないため、光の利用効率が十分ではなかった。
これに対して、本実施形態におけるプリンタヘッド120においては、光源として空間的なコヒーレンスを有するレーザ光源130が用いられている。
レーザ光源130から射出された光は空間的なコヒーレンスを有するため、拡がり角が狭い。
そのため、一つのレーザ光源130から射出された光を、レーザ光源130に対して1対1に対応する、一つのスポット形成光学系で集光することが可能となる。
図2(a)に、位相変調素子140に、空間的なコヒーレンスを有する光が入射した場合の光の伝搬の様子を示す。
実線の矢印は光線を示したものであり、光線に直交する破線は波面を示したものである。位相変調素子140の上側半分を通過した光と、位相変調素子140の下側半分を通過した光は、位相変調素子140によって付加された位相遅れのために、波面が進行方向に向かって凹型の円錐状に曲がる。
従って、上下二つの光は、中心軸に対して同じ大きさ、逆向きの角度で傾いて伝搬する。中心軸上では上下二つの光の光路長が等しいため、中心軸上に焦点深度の深いスポットを形成することができる。
図2(b)は、位相変調素子140によって形成されたスポット形状の説明図である。
位相変調素子140によって形成されるスポットの光強度分布は、xy断面の形状がベッセル関数であり、集光点の中心からz方向にずれるに従って、単調に減少する形状を有している。
更に、スポット形成光学系として、中心軸からの距離に比例して付加される位相遅れが減少する光学素子140が用いられる。
以上により、本実施形態の光の利用効率向上と、焦点深度の深さとの両立を図ることが可能となる。
本発明において、このように光の利用効率向上と、焦点深度の深さとの両立を図ることができるのは、上記の構成が見出されたことによるものである。
すなわち、光源として空間的なコヒーレンスを有するレーザ光源を用い、各々のレーザ光源に1対1に対応する位相変調素子による、一つのスポット形成光学系で集光するようにした構成が見出されたことによるものである。
従来の画像形成装置1000に、単に、光源として空間的なコヒーレンスを有するレーザ光源を適用する、あるいは位相変調素子を適用するだけでは、光の利用効率向上と、焦点深度の深さとの両立を図ることはできない。
すなわち、一つの光源からの光が複数のレンズ素子に入射する場合、複数のレンズ素子を通過した光の光路長は異なるため、それらの干渉によって、形成されるスポット形状が乱れる恐れが生じる。
また、スポット形成光学系に位相変調素子140を単に適用しても、空間的なコヒーレン
スを有さない光が入射した場合、位相変調素子140を通過した光は干渉を生じないため、焦点深度の深いスポットを形成することができない。
以上のように、従来の画像形成装置1000に対して、レーザ光源を用いること、位相変調素子を用いることは、各々単独ではデメリットを生じる。
本発明のように、レーザ光源と、各々のレーザ光源に1対1に対応する位相変調素子の構成にすることによって、初めて光の利用効率が向上し、焦点深度が深くなると言うメリットが生じる。
半導体レーザは端面発光型であっても良いし、面発光レーザであっても良い。
但し、アレイ化が容易なことと、ビームの拡がり角を小さくすることが容易なことから面発光レーザの方が好ましい。ビームの拡がり角が小さいほど、一つのレーザ光源130から射出された光を、一つのスポット形成光学系で集光することが容易になる。
径偏光ビームとは、ビームの電場の振動方向が、半径方向に平行であるようなビームである。
図3の実線矢印はビームの電場の振動方向成分を示している。
径偏光ビームを位相変調素子140で集光した場合、直線偏光ビームを位相変調素子140で集光した場合よりも、感光体ドラム110上でのスポット径を小さくすることが可能になる。これにより、径偏光ビームを用いることで、画像形成装置100の画質も向上させることができる。
径偏光ビームを形成するためには、例えば、活性層の近傍に2次元フォトニック結晶が形成された、分布帰還形の面発光レーザを用いれば良い。
2次元フォトニック結晶は、半導体層に円柱状の空孔等が周期的に設けられたもので、2次元的に周期的な屈折率分布を持っている。活性層で生成された光は、導波モードを面内方向に伝搬しながら、フォトニック結晶の周期的な屈折率分布による回折を受けて、定在波を形成してレーザ発振する。レーザ発振した光は、フォトニック結晶によって面外回折され、フォトニック結晶の面に対して垂直な方向に取り出される。
図4(a)は、格子点が円柱状の孔からなる正方格子のフォトニック結晶を用いた例である。
格子点の形が、4回対称性を備える正方格子であれば、径偏光ビームを射出できる。
また、図4(b)は、格子点が三角柱状の孔からなる正方格子を、円環状に並べたフォトニック結晶を用いた例である。
また、径偏光ビームを形成するために、レーザの射出側に、遅相軸が円周方向に沿って回転するような波長板を配置した、偏光調整層を設けても良い。
例えば、直線偏光のビームを射出する面発光レーザに対しては、図4(c)のように、遅相軸が円周方向に沿って回転するような1/2波長板を組み合わせればよい。
図4(c)における矢印は、波長板の遅相軸を示している。
レーザの発光波長は、感光体ドラムが潜像を形成可能な波長であれば良い。例えば、感光体ドラムの材料としてアモルファスシリコンを用いた場合、300nm以上800nm以下の波長の光源を用いればよい。
料から形成される、アキシコンレンズや屈折率分布レンズを用いればよい。
アキシコンレンズ140は、図5(a)に示すような、円錐形の面形状を持つレンズである。
アキシコンレンズの円錐の頂点から底面に下ろした垂線の軸が中心軸に一致しており、中心軸に沿った部分で最も付加される位相遅れが大きく、中心軸からの距離に比例して、付加される位相遅れが減少している。
図5(b)は屈折率分布レンズの一つの例である。屈折率分布レンズ140は、高屈折率媒質と低屈折率媒質からなっている。
そして、中心軸に近いほど高屈折率媒質の割合が大きく、中心軸からの距離が遠くなるほど低屈折率媒質の割合が大きくなっており、付加される位相遅れは、中心軸からの距離に比例して減少している。
例えば、高屈折率媒質として屈折率1.8のSiN、低屈折率媒質として屈折率1.5のSiO2の組み合わせを用いることができる。
図5(c)は屈折率分布レンズの別の例である。屈折率分布レンズ140は、高屈折率媒質中に、レーザ光源の発光波長の大きさの1/10程度の間隔で、間隙が設けられている。
そして、中心軸に近いほど間隙の割合が小さく、中心軸からの距離が遠くなるほど間隙の割合が大きくなっており、付加される位相遅れは、中心軸からの距離に比例して減少している。
また、位相変調素子140は複数のレンズを組み合わせたものであっても良い。例えば、図5(d)のように、複数のアキシコンレンズを組み合わせたものであっても、付加される位相遅れは、中心軸からの距離に比例して減少していればよい。
更に、スポット形成光学系が、図5(e)のように、アキシコンレンズと複数の通常のレンズを組み合わせたものであっても良い。図5(e)のように、二つのレンズの焦点を重ねたスポット形成光学系を使用すれば、レーザ光源から射出されるビーム径を変換することが可能となる。
これにより、レーザ光源から射出されるビームを拡げ、焦点深度を更に深くすることが可能となる。
なお、本実施形態では感光体として柱状の感光体ドラム110を用いたが、感光体は柱状のドラムでなくても良い。例えば、平面上に感光体に露光して画像を形成するものであっても良い。また、レーザ光源130が感光体ドラム110の長手方向に等間隔で複数配置されたレーザ光源アレイを用いたが、等間隔でなくても良い。但し、等間隔である方が、感光体上のスポット間隔が一定に近付くため、形成される潜像の解像度を均一にすることができるため、好ましい。
実施形態2として、本発明を適用した画像形成装置の構成例について、図6、図7を用いて説明する。
本実施例の画像形成装置は、図6、図7に示すように、画像形成装置200は、実施形態1に示す画像形成装置100に対し、プリンタヘッド220におけるレーザ光源230および位相変調素子240の配列方向のみが異なっている。
図6(a)、(b)はレーザ光源、位相変調素子、感光体ドラムの位置関係を説明する図である。
図6(a)は感光体ドラムの短手方向(y方向)から見た図であり、図6(b)は感光体ドラムの長手方向(x方向)から見た図である。
また、図7(a)、(b)は各々、レーザ光源230と位相変調素子240のxy平面での配列方向を説明する図である。
レーザ光源230の配列方向は、感光体ドラム210の長手方向に等間隔で、短手方向に所定の間隔で配置されており、短手方向の間隔Δyは、長手方向の間隔Δxよりも長い(図7(a))。
また、レーザ光源230に1対1で対応する位相変調素子240も、同様に感光体ドラムの長手方向に等間隔で、短手方向に所定の間隔で配置されており、位相変調素子240の直径dは長手方向の間隔Δxよりも長い(図7(b))。
位相変調素子の大きさは、隣り合うレーザ光源同士の間隔によって制限される。実施形態1に示す画像形成装置100では、位相変調素子140同士が重なり合わないために、位相変調素子140の直径は、レーザ光源130の長手方向の間隔Δx以下である必要がある(図8(a))。
これに対して、本実施形態に示す画像形成装置200では、レーザ光源230が短手方向にも所定の間隔で配置され、短手方向の間隔Δyは、長手方向の間隔Δxよりも大きい。従って、位相変調素子240同士が重なり合わない条件は、位相変調素子の直径がΔy以下であればよい(図8(b))。
以上より、画像形成装置200は、画像形成装置100よりも直径が大きい位相変調素子を用いることができる。
また、位相変調素子で付加される位相遅れが大きいほど、スポット径が小さい。そのため、画像形成装置100と同じスポット径を実現する画像形成装置200では、画像形成装置100よりも焦点深度を深くすることができる。
一方、画像形成装置100と同じ焦点深度を実現する画像形成装置200では、画像形成装置100よりもスポット径を小さくすることができる。すなわち、画質を向上させることができる。
このように、画像形成装置200は、画像形成装置100よりも直径が大きい位相変調素子を用いることができるため、焦点深度を更に深くしたり、画質を向上させることが可能になったりするため、更に好ましい。
そのため、感光体ドラム210の場所によるスポット径の乱れを防止するために、更に深い焦点深度が求められる。本発明における画像形成装置は、スポット形成光学系として位相変調素子240を用いているため、十分な焦点深度を得ることができる。
この時、短手方向にならぶレーザ光源の数が、短手方向の間隔Δyを短手方向の間隔Δxで除した値以上であれば、折り返した後に隣り合う位相変調素子間が重なり合わない。
このように2次元配列とすることで、プリンタヘッド220を小型化することができるため、好ましい。
また、感光体ドラムの周辺に対向する光源230および位相変調素子240ほど、短手方向の間隔Δyが小さくなっていた方が好ましい(図10)。
これにより、感光体ドラム210上におけるスポット間隔が一定に近付くため、形成される潜像の解像度をより均一にすることができる。
[実施例1]
実施例1における画像形成装置は、実施形態1に示す画像形成装置の具体的な数値実施例を示したものである。
実施例1の画像形成装置100は、半径10mmの円柱状の感光体ドラム110と、それに対向して配置されるプリンタヘッド120から構成されている。
プリンタヘッド120は、レーザ光源130が感光体ドラム110の長手方向に40μmの間隔で複数配置された光源アレイと、光源130に対して1対1に対応するスポット形成光学系を備えている。
レーザ光源130は、波長680nmのレーザ光を射出する、活性層がGaInP/AlGaInPの多重量子井戸から形成され、多層膜反射鏡がAl0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5Asから形成された面発光レーザである。
また、レーザ光源130には、直径30μm程度の酸化狭窄層が設けられており、レーザ光源130から、ビームウェストが30μmのガウシアンビームが射出される。
スポット形成光学系は、屈折率が1.5のSiO2から構成されたアキシコンレンズ140であり、アキシコンレンズ140の直径は40μm、頂角は177度である。また、アキシコンレンズ140は、レーザ光源130と1対1対応するように、感光体ドラム110の長手方向に40μmの間隔で、複数配置されている。
このようなレーザ光源およびアキシコンレンズから構成された画像形成装置100が形成するスポット径は、40μmであり、焦点深度は1.7mmである。即ち、600dpiの画像を形成できる画像形成装置を提供することができる。
一方、従来の正立等倍結像光学系を用いた場合、スポット径40μmを得るためには、正立等倍光学系のFナンバーが23以下である必要がある。
この時、得られる焦点深度は0.92mm以下である。
なお、この値は、正立等倍光学系が、完全に隙間が無い一つの結像光学系とみなせる場合であり、実際には、ロッドレンズアレイの隙間に入射した光は結像に寄与しないため、焦点深度は0.92mmよりも更に浅くなってしまう。
このように、レーザ光源およびアキシコンレンズから構成された画像形成装置100を用いることで、光の利用効率が高く、焦点深度の深い画像形成装置が提供できる。
実施例2として、実施例1とは異なる構成例について説明する。
画像形成装置は、実施形態2に示す画像形成装置の具体的な数値実施例を示したものである。
実施例2の画像形成装置は、半径10mmの円柱状の感光体ドラム210と、それに対向して配置されるプリンタヘッド220から構成されている。
プリンタヘッド220は、レーザ光源230が感光体ドラム210の長手方向に10μm、短手方向に200μmの間隔で複数配置された光源アレイと、光源230に対して1対1に対応するスポット形成光学系を備えている。
また、光源アレイの配列は、短手方向に20個毎に折り返した配置となっている。
レーザ光源230の活性層および多層膜反射鏡は、実施例1に示すレーザ光源130と同じである。
但し、レーザ光源230の酸化狭窄層の直径は200μmであり、ビームウェストが200μmのガウシアンビームが射出される。
スポット形成光学系は、屈折率1.5のSiO2から構成されたアキシコンレンズ240
であり、アキシコンレンズ240の直径は200μm、頂角は169度である。
また、アキシコンレンズ240は、レーザ光源230と1対1対応するように、感光体ドラム210の長手方向に10μm、短手方向に200μmの間隔で、複数配置されている。
このようなレーザ光源およびアキシコンレンズから構成された画像形成装置200が形成するスポット径は、10μmであり、焦点深度は2.2mmである。即ち、2400dpiの画像を形成できる画像形成装置を提供することができる。感光体ドラム210の短手方向に最も離れたレーザ光源230同士の間隔は4mmである。これらの光源間では、レーザ光源230から感光体ドラム210までの距離が0.8mm異なっているが、画像形成装置200の焦点深度2.2mmの範囲内である。
一方、従来の正立等倍結像光学系を用いた場合、スポット径10μmを得るためには、正立等倍光学系のFナンバーが5.8以下である必要がある。
この時、得られる焦点深度は0.058mmである。なお、この値は、正立等倍光学系が、完全に隙間が無い一つの結像光学系とみなせる場合であり、実際には、ロッドレンズアレイの隙間に入射した光は結像に寄与しないため、焦点深度は0.058mmよりも更に浅くなってしまう。
このように、レーザ光源およびアキシコンレンズから構成された画像形成装置200を用いることで、光の利用効率が高く、焦点深度の深い画像形成装置が提供できる。
110:感光体ドラム
120:プリンタヘッド
130:レーザ光源
140:位相変調素子(アキシコンレンズ)
Claims (12)
- 複数のレーザ光源が所定の方向に配置されたレーザ光源アレイと、該レーザ光源アレイの各レーザ光源に1対1に対応し、該レーザ光源から射出された光を感光体に導き、該感光体上に集光するスポット形成光学系と、を備え、
前記スポット形成光学系は、前記レーザ光源から射出される主光線を中心軸としたとき、該中心軸からの距離に比例して付加される位相遅れを減少させる位相変調素子により構成されていることを特徴とする露光用光源装置。 - 前記露光用光源装置は、柱状の感光体ドラムに対向配置可能であって、
該感光体ドラムの長手方向に、等間隔に配置された前記レーザ光源アレイと、
前記スポット形成光学系により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の露光用光源装置。 - 前記複数のレーザ光源は、前記感光体ドラムの短手方向にも所定の間隔で配置されており、
前記複数のレーザ光源における隣り合うレーザ光源の間隔は、前記長手方向の間隔よりも該短手方向の間隔の方が大きく、
前記位相変調素子の半径が、前記長手方向の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の露光用光源装置。 - 前記複数のレーザ光源は、2次元的に配置され、
前記短手方向に並ぶ前記レーザ光源の数が、前記短手方向の間隔を前記長手方向の間隔で除した値以上であることを特徴とする請求項3に記載の露光用光源装置。 - 前記感光体ドラムの周辺に対向させる前記レーザ光源ほど、前記短手方向の間隔が小さくされていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の露光用光源装置。
- 前記位相変調素子は、アキシコンレンズで構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の露光用光源装置。
- 前記位相変調素子は、屈折率分布レンズで構成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の露光用光源装置。
- 前記レーザ光源は、面発光レーザで構成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の露光用光源装置。
- 前記面発光レーザは、径偏光ビームを射出する光源で構成されていることを特徴とする請求項8に記載の露光用光源装置。
- 前記面発光レーザは、活性層と2次元フォトニック結晶を備えた分布帰還形の面発光レーザで構成されていることを特徴とする請求項9に記載の露光用光源装置。
- 前記2次元フォトニック結晶は、正方格子であり、かつ格子点の形状が4回対称性を備えることを特徴とする請求項10に記載の露光用光源装置。
- 請求項1から11のいずれか1項に記載の露光用光源装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。
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