JPH0261724B2

JPH0261724B2 -

Info

Publication number: JPH0261724B2
Application number: JP14543281A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ogura
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1981-09-17
Filing date: 1981-09-17
Publication date: 1990-12-20
Also published as: JPS5848076A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、レーザビームの横断面形状が、レー
ザビーム出射面における半導体接合面に対しほぼ
直角な方向に長軸を持つ縦長形状となる半導体レ
ーザと、該半導体レーザからのレーザビームをほ
ぼ平行にするための結合レンズと、レーザビーム
の横断面形状を縮小するためのプリズムと、反射
面を有する装置を使用したレーザビームを偏向す
るための偏向装置と、偏向されたレーザビームを
集束させて走査面へ導びく結像レンズとを具備す
る光走査光学系に関する。

〔従来の技術〕

例えばレーザプリンタの如き光書込み装置、又
はフアクシミリにおける光読取装置等の光学装置
において上記形式の光走査光学系を用いることは
従来より周知である。半導体レーザから出射した
レーザビームはその横断面形状が縦長となつてい
て、かかるレーザビームをそのまま用いることは
不適当であるため、上述の如くプリズムによつて
レーザビームの横断面形状を縮小変換している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが従来は、半導体レーザからのレーザ光
をいかに無駄なく効率的に利用するかについては
特に考慮が払われていなかつた。

また冒頭に記載したように、偏向装置として反
射面を有する装置を用いると、その反射面に入射
するレーザ光の入射角の変化に伴つて、走査面に
結像されたビームスポツトの光量が変動する恐れ
があつた。

本発明の目的は光束形状縮小手段としてプリズ
ムを用いたときのレーザ光の利用効率を高めるこ
とができ、しかも走査面におけるビームスポツト
の光量変動を抑えることの可能な光走査光学系を
提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、冒頭に記
載した形状の光走査光学系において、半導体レー
ザのレーザビーム出射面における半導体接合面の
方向をｘ軸、該接合面に垂直な方向をｙ軸とした
とき、光学的に見てほぼｙ軸の方向で、レーザビ
ームの横断面のほぼ長軸の方向のレーザビーム幅
を前記プリズムによつて縮小し、かつ、前記走査
面における主走査方向を、光学的に見てほぼｘ軸
に一致させ、走査面における副走査方向を、光学
的に見てほぼｙ軸に一致させた構成を提案する。

さらに本発明は、前記半導体レーザのレーザビ
ーム出射面における半導体接合面の方向をｘ軸、
該接合面に垂直な方向をｙ軸としたとき、光学的
に見てほぼｙ軸の方向で、レーザビームの横断面
のほぼ長軸の方向のレーザビーム幅を前記プリズ
ムによつて縮小し、かつ、前記走査面における主
走査方向を、光学的に見てほぼｘ軸に一致させ、
レーザビームの進行方向における結像レンズ以前
の適所に、スリツトを有する光束形状縮小手段を
設け、光学的に見てほぼｘ軸の方向で、レーザビ
ーム横断面の幅を前記スリツトによつて縮小し、
前記走査面における副走査方向を、光学的に見て
ほぼｙ軸に一致させた構成を提案する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従つて詳細に説
明する。

第１図は、本発明に係る光走査光学系をレーザ
プリンタに用いた具体例を示す模式図であり、先
ずその構成の概要と作用を明らかにする。

第１図において、或る広がり角をもつて半導体
レーザ１から出射したレーザビームＬは、結合レ
ンズ２によつて平行なレーザビームＬにされ、次
いでプリズム３より成る第１の光束形状縮小手段
と、スリツト４を有する第２の光束形状縮小手段
とを通過し、このとき後述するようにレーザビー
ムの横断面形状が縮小変換される。スリツト４は
２つの板状遮光部材５によつて区画形成されてい
るが、この遮光部材５はスリツトを有する１つの
部片によつて構成してもよい。

スリツト４を通過した平行レーザビームＬは、
回転多面鏡６より成る偏向装置及びｆ・θレンズ
７を介して、走査面、本例では感光体ドラム８の
表面に入射する。回転多面鏡６は複数のミラー９
を有していて、第１図における反時計方向に回転
駆動される。この回転に伴いレーザビームＬは感
光体ドラム８の表面を矢印Ａで示す方向に主走査
し、半導体レーザ１に入力された画信号に応じ
て、ドラム８上に画素から成る画像を形成する。
このときの走査線を第１図に符号Ｘで示す。

上記主走査が回転多面鏡６の回転に伴いその各
ミラー毎に順次行なわれ、このとき感光体ドラム
８が副走査方向に回転しているので、ドラム８の
表面には所定の二次的な画像が形成される。尚、
ｆ・θレンズ７は、回転多面鏡で偏向されたレー
ザビームを感光体ドラム８の表面に結像させると
共に、レーザビームをドラム表面にて等速で走査
させる用をなし、偏向されたレーザビームを集束
させて走査面へ導びく結像レンズの一例を構成す
るものである。

上述の如くレーザビームＬは或る広がり角をも
つて半導体レーザを出射するが、この状態を第２
図に模式的に示す。第２図は、半導体レーザ１の
一例として、異種物質のｐ形半導体とｎ形半導体
とを接合したヘテロ接合型半導体レーザを示し、
その半導体接合面１０の活性領域からレーザビー
ムＬが出射する。半導体レーザ１の半導体接合面
１０に平行な方向（後述するｘ軸方向）のレーザ
ビームＬが広がり角ω₁と、この接合面に対し垂
直な方向（後述するｙ軸方向）のレーザビームＬ
の広がり角ω₂とは等しくなく、必ずω₂＞ω₁の関
係が保たれる。従つて、このレーザビームＬの横
断面形状は円形とはならず、半導体レーザ１の出
射面１００における半導体接合面１０に対して直
角な方向に長軸を持つ縦長形状となる。この形状
はほぼ楕円形であるため、以下の説明ではこれを
便宜上楕円形と称することになる。感光体ドラム
８に結像されたビームスポツトの形態についても
同様とする。

尚、本明細書に言うレーザビームの断面形態
は、レーザビーム横断面の光強度分布がガウス分
布をなしているものと仮定し、その中心の光強度
を１としたときの１／e²（ｅは自然対数の底）の
光強度をもつ位置で考えた断面形態である。第３
図はこれを説明するグラフであつて、半導体レー
ザから出射するレーザビームの広がり角を横軸に
と、該ビームの光強度を縦軸にとつたものであ
り、実線Ａが接合面１０に対し垂直な方向に広が
るレーザビームの光強度分布を、破線Ｂが接合面
１０に対して平行な方向に広がるレーザビームの
光強度分布を示している。このように半導体レー
ザから出射するレーザビームの横断面は楕円形を
なしているため、これを整形せずに感光体ドラム
８へ導びいたとすれば、該ドラムの表面を照射し
たレーザビームのビームスポツト形態も、半導体
レーザから出射したレーザビームの形態に応じた
形の楕円形をなすことになる。ところがドラム８
の表面に、かかる形態のスポツトを結像させるこ
とは一般に不適当であり、半導体レーザ１から出
射したレーザビームの断面形態を所望する形態に
変換し、ないしは整形する必要がある。この目的
で前述のプリズム３とスリツト４が用いられる。
以下にその具体的な構成と、その作用を説明す
る。

先ず、説明の便宜上第２図に示すように、半導
体レーザ１のレーザビーム出射面１００における
半導体接合面１０の方向をｘ軸とし、半導体接合
面１０に垂直な方向をｙ軸とすると共に、ｘ軸と
ｙ軸とに垂直な方向、即ちレーザビームの中心を
通る光線の方向をｚ軸と定める。そして第１図に
示すように、レーザビームが結合レンズ２、プリ
ズム３及びスリツト４をそれぞれ出射した位置
、、、及び感光体ドラム８の表面をレーザ
ビームが照射した位置においても、上記xyz軸
にそれぞれ光学的に対応させて、xyz軸を定め
る。各位置乃至におけるxyz軸方向はあくま
でも光学的に対応させたものであつて、各位置で
のxyz軸方向が必ずしも空間的に一致するもので
ないことは第１図からも明らかである。

このように方向を定めると、結合レンズ２を出
射したレーザビームＬの横断面、即ち第１図の
の位置におけるビーム横断面は、第４図の如く
表わすことができる。この横断面は、ｘ軸方向に
小さな幅ａ（短軸）を、ｙ軸方向に大なる幅ｂ（長
軸）を有する楕円形となつている。

また、感光体ドラム８の表面に結像されるビー
ムスポツトの形状については、第４図に示す如
く主走査方向（即ちｘ軸方向）に短軸を有し、副
走査方向（即ちｙ軸方向）に長軸を有する楕円形
にするものとする。かかる形状のビームスポツト
で走査を行なうと、高分解能な記録を為し得るか
らである。これはレーザプリンタだけでなく読取
装置においても同様である。

ところで一般に、ｆ・θレンズへ入射するレー
ザビームの径と、このレーザビームを照射された
走査面における結像ビームスポツトの径とが反比
例の関係を有していることはよく知られている。
例えばｆ・θレンズへ直径φなる円形横断面のレ
ーザビームが入射し、これが走査面に直径ｄなる
ビームスポツトとして結像されたとすると、ｄ＝ｋλf／φ (1) なる関係を満たす（但し、ｋは係数、ｆはｆ・θ
レンズの焦点距離、λはレーザビームの波長であ
る）。

従つて感光体ドラム表面におけるビームスポツ
トの形態を上述の如き楕円形（第４図）にする
には、感光体ドラム８の表面（走査面）における
主走査方向Ｘを、光学的にｘ軸に一致させ、かつ
副走査方向を光学的に見てｙ軸に一致させると共
に、(1)式から判るように、ｆ・θレンズ７へ入射
するレーザビームＬの横断面形状を、第４図又
はに示す如く、ｘ軸方向に長軸（幅ａ又はa′）
を有し、ｙ軸方向に短軸（幅ｃ）を有するほぼ楕
円状の形にすればよい（第４図の楕円形と第４
図のの楕円形は、その長軸と短軸とが逆になつ
ている）。

そこで、第１図に示す実施例ではプリズムがレ
ーザビームの横断面の一方向の幅を縮小できるこ
とを利用して、プリズム３により、第４図に示
すレーザビーム横断面のｙ軸方向の幅ｂだけを縮
小し、プリズム３を出たレーザビーム横断面図、
第４図に示す如く、ｘ軸方向に長軸（幅ａ）を
有し、ｙ軸方向に短軸（幅ｃ）を有する楕円形に
整形するように構成されている（ｃ＜ｂ）。即ち、
光学的に見てｙ軸の方向で、レーザビームＬの横
断面の長軸方向のレーザビーム幅ｂをプリズム３
によつて縮小するのである。

プリズム３によりレーザビームの横断面を上述
のように変換するには、例えば次のようにプリズ
ム３の位置を定めればよい。即ち、レーザビーム
Ｌが入射するプリズム屈折面（入射面）１１と、
ビームが出射するプリズム屈折面（出射面）１２
とに対し、プリズム３の側面１３が、第１図及び
第５図に示す如く、直角をなしている場合には、
この側面１３が、又はの位置でのxyz軸を基
準として、yz平面に対し平行となるようにプリ
ズム３を配置する。その際、断面形状変換前と後
とにおけるｙ軸方向の幅ｂとｃとの比（変換倍
率）は、例えば、第５図に示す如くプリズム３の
出射面１２と、ここを出射するレーザビームの中
心を通る光線Lcとの交点１４を中心として（勿
論、他の位置でもよい）、プリズム３の側面１３
と平行な平面（yz平面）内で、プリズム３を回
転させ、プリズム３へのレーザビームの入射角を
変えることによつて所望する大きさに設定するこ
とができる。従つて、プリズム３を上記の如く適
宜回転することにより、最終的なビームスポツト
（第４図）のｙ軸方向の幅c″を所望する大きさ
に定めることができる。即ち、プリズムを出射し
てｆ・θレンズに入射するレーザビーム径と、感
光体ドラム上でのビームスポツト径とは、前述の
(1)式に示す関係を有しているので、プリズムをを
出射するレーザビーム横断面のｙ軸方向の幅ｃを
調整すれば、ｙ軸方向に所望する大きさの幅c″を
持つた感光体ドラム状のビームスポツトを得るこ
とができるのである。このようにして、感光体ド
ラム上のビームスポツトのｙ軸方向幅c″を、容易
に所定の大きさに定めることができる。また、レ
ーザビームの広がり角ω₂の大きさは、個々の半
導体レーザによつて多少ばらつくが、プリズム３
を上記の如く回転させることによつて、最終的な
ビームスポツトのｙ軸方向の幅c″の大きさを調整
することができる。

次に感光体ドラム上でのビームスポツトのｘ軸
方向の幅の定め方について説明する。プリズム３
を出射したレーザビームＬのｘ軸方向の幅ａは、
プリズム３へ入射する前の幅ａと変らない（第４
図，）。その際、半導体レーザ１から出射す
るレーザビームＬのｘ軸方向の広がり角ω₁が一
定しているとすれば、ｘ軸方向に所定の幅a″を持
つビームスポツトが得られるように、結合レンズ
２を構成するだけでビームスポツトを第４図に
示す如き形態にすることができる。ところが、半
導体レーザ１から出射するレーザビームＬの広が
り角ω₁も半導体レーザによつて僅かにばらつく
のが普通である。

そこで、図示した構成においては、レーザビー
ムＬの進行方向におけるｆ・θレンズ（結像レン
ズ）７以前の適所に配置された光束形状縮小手段
としてのスリツト４によつて、プリズム３を出射
したレーザビーム横断面のｘ軸方向における端の
一部を、必要に応じて僅かにカツトし、これを第
４図に示す如く整形するようにしている。即
ち、レーザビームＬの横断面の幅を、スリツト４
により、光学的に見てｘ軸の方向で縮小するので
ある。これによつて、感光体ドラム８上には所定
の形状のビームスポツトが得られる（第４図）。
尚、スリツト４は、レーザビームＬの横断面をｘ
軸方向にのみ縮小し得るように、ｙ軸方向に平行
な方向に位置していることは当然であり、またス
リツト４の幅ｗを調整できるように、遮光部材５
を移動可能に配置することが有利である。

上述の如くして光束形状の縮小変換を行なう
際、一般にプリズムを用いてこれを行なえば、一
部の光がプリズムに吸収されるとしても、その大
部分の光は有利に利用できるので、光束形状の縮
小変換時における光の損失は非常に小さい。この
反面、スリツトを用いてレーザビーム横断面の幅
を縮めると、その際にカツトされた光は全く無駄
となり、従つてその光の損失は大きなものとな
る。

このような観点から図示した構成においては、
半導体レーザ１から出射したレーザビームＬの横
断面についてその広幅方向（ｙ軸方向）を、プリ
ズム３によつて縮小し、レーザビーム横断面の極
く一部だけをスリツト４によつて縮小している。
即ち大幅に縮小されるべきレーザビーム横断面の
幅が、プリズム３によつて実質的に光の損失を伴
うことなく縮小され、一部の幅のみを縮小すると
きにはスリツト４が使用されるのである。このよ
うにして光の損失を効果的に抑制することができ
る。逆に第４図におけるｘ軸方向の小なる幅ａ
をプリズムによつて縮小し、ｙ軸方向の大きな幅
ｂをスリツトでカツトして縮小したとすれば、光
損失は大きくならざるを得ない。

尚、ｘ軸方向の幅の縮小も他のプリズムを用い
て行なえば光の損失を一層低軽減できるが、この
ようにすると全体で２つのプリズムを使用するこ
とになり、その構成が複雑且つ高価となるだけで
なく、各プリズムの位置決めを行なうことが面倒
となる。図示した構成の如く、１つのプリズムを
用い、レーザビーム横断面の幅を大きく縮小すべ
きところではこのプリズムを用い、横断面を僅か
に縮小させるだけでよいところにはスリツトを用
いることにより、大きな光損失の発生を阻止しつ
つ、光学系の構成を簡素化できる。

ところで、先に説明した偏向装置としては、第
１図に示した回転多面鏡以外に、カルバミラー、
音響光学変換素子（所謂AO素子）又はホログラ
ムスキヤナ等を適宜用いることもできるが、ミラ
ーなどの反射面を有する偏向装置、例えば、回転
多面鏡又はガルバノミラーを用いたときは、第１
図に示すように、感光体ドラム（走査面）におけ
る主走査方向を、光学的にｘ軸に一致させること
により、次に説明する利点も得られる。

一般に或る反射面に光が入射したとき、その複
素屈折率をｎ−ikとすると、反射面に平行な成分
の反射率Rpと、垂直な成分の反射率Rsは、次式
で表わすことができる。

Rp＝（n²＋k²）cos²θ−2ncosθ＋１／（n²＋k²）cos²
θ＋2ncosθ＋１(2) Rs＝（n²＋k²）−2ncosθ＋cos²θ／（n²＋k²）＋2ncos
θ＋cos²θ(3) （但しθは入射角である）反射面が例えば、アルミ蒸着面であるとする
と、ｎ＝1.9、ｋ＝7.0となり、これらを(2)、(3)式
に代入して得た、入射角θに対する反射率Rp、
Rsをグラフで示すと第６図の如くなる。従つて、
第１図に示す回転多面鏡６の各ミラー９がアルミ
蒸着面であるとすると、第６図に示す反射率でレ
ーザビームが各ミラーを反射することになる。

一方、回転多面鏡６は回転しているのに対し、
これに入射するレーザビームの位置は一定してい
るので、回転多面鏡の各ミラーへ入射するレーザ
ビームの入射角は時々刻々変動する。この入射角
の変化に伴つて、各ミラーでのレーザ光の反射率
が変動したとすると、感光体ドラム８上のビーム
スポツトの光量もこれに伴つて変化し、１回の主
走査中の光量が不均一となり、露光むらが発生す
ることになる。従つてミラー９への入射角が変化
しても、該ミラーにおける光の反射率が変化しな
いことが最も望ましい。かかる観点より、第６図
に示す反射率RpとRsを見ると、Rpは入射角θの
変化に伴つてかなり大きく変動しているのに対
し、Rsの変動は少なく、従つてレーザビームが
Rsの反射率をもつてミラー９にて反射すれば有
利である。例えば、ｆ・θレンズ７の焦点距離を
271.6mmとし、このレンズ７を用いて、230mmの長
さの走査を行なう場合を一例として考えると、こ
のときのミラー９への入射角θは、45゜を中央値
として32.87゜から57.13゜の範囲となる。かかる範
囲における反射率RpとRsとを見ると、入射角45゜
のときのRpを1.0としたとき、Rpは1.03乃至0.95
となり、その範囲は大きい。これに対してRsは
0.98乃至1.02であつて、その範囲は小さい。この
ことからレーザビームをRsの反射率で反射させ
ると有利であることが判る。一方、よく知られて
いるように半導体レーザ１から出射するレーザ光
は、半導体接合面１０に対して平行な方向に偏光
面を有する直線偏光となつており、従つて半導体
レーザ１のレーザビーム出射面１００における半
導体接合面１０の方向と主走査方向Ｘとが光学的
に見て一致するように、回転多面鏡６と半導体レ
ーザ１とを位置決めすれば、レーザ光の偏光方向
と、ミラー９における反射面とを垂直にすること
ができ、これによつてレーザビームＬをRsの反
射率で反射させることができる。

上の例では光偏向装置として回転多面鏡を用
い、その反射面をアルミ蒸着面とした場合の例を
示したが、ガルバノミラーから成る偏向装置を用
いたり、反射面をアルミ蒸着面以外の反射面とし
たときにも、上述したところと全く同様な考えに
従つて、反射面における反射率の変動を小さく留
めることができる。

以上、本発明の有利な実施例を説明したが、本
発明は上記実施例に限定されず各種改変すること
ができる。例えば、結合レンズでレーザビームを
平行にしてからこれをプリズムに入射させる代り
に、先ずプリズムによつてレーザビームを整形
し、次いでこれを結合レンズによつて平行光にす
ることも可能である。またレーザビームの光路中
に、ビームコンプレツサ又はビームエクスパンダ
を介在させた光学系や、ベルト状ないしはシート
状の感光体を有する光学系、或いは読取装置にお
ける光学系等にも、本発明を有利に適用できる。

〔発明の効果〕

特許請求の範囲第１項に記載された光走査光学
系によれば、レーザ光の損失を抑えつつ、プリズ
ムによつてレーザビームの横断面形状を変換で
き、しかも走査面におけるビームスポツトの光量
変動を抑えることが可能である。

特許請求の範囲第２項に記載の光走査光学系に
よれば、レーザ光の利用効率に大きく低下するこ
とを阻止しつつ、プリズムとスリツトによつて、
レーザビームの横断面の形状を変換でき、しかも
走査面におけるビームスポツトの光量変動を抑え
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学系を用いたレーザプ
リンタの一例を示す模式斜視図、第２図は半導体
レーザから出射するレーザビームの広がり状態を
示す説明図、第３図はレーザビームの広かり状態
を説明するグラフ、第４図は第１図に示す各位置
、、、におけるレーザビーム横断面の形
態を示す説明図、第５図はプリズムの配置状態を
説明する図、第６図は反射面における入射角と反
射率との関係を示すグラフである。１……半導体レーザ、２……結合レンズ、３…
…プリズム、４……スリツト、１０……半導体接
合面、１００……レーザビーム出射面、Ｌ……レ
ーザビーム、Ｘ……主走査方向。

Claims

【特許請求の範囲】１レーザビームの横断面形状が、レーザビーム
出射面における半導体接合面に対しほぼ直角な方
向に長軸を持つ縦長形状となる半導体レーザと、
該半導体レーザからのレーザビームをほぼ平行に
するための結合レンズと、レーザビームの横断面
形状を縮小するためのプリズムと、反射面を有す
る装置を使用したレーザビームを偏向するための
偏向装置と、偏向されたレーザビームを集束させ
て走査面へ導びく結像レンズとを具備する光走査
光学系において、前記半導体レーザのレーザビーム出射面におけ
る半導体接合面の方向をｘ軸、該接合面に垂直な
方向をｙ軸としたとき、光学的に見てほぼｙ軸の
方向で、レーザビームの横断面のほぼ長軸の方向
のレーザビーム幅を前記プリズムによつて縮小
し、かつ、前記走査面における主走査方向を、光
学的に見てほぼｘ軸に一致させ、走査面における
副走査方向を、光学的に見てほぼｙ軸に一致させ
たことを特徴とする光走査光学系。２レーザビームの横断面形状が、レーザビーム
出射面における半導体接合面に対しほぼ直角な方
向に長軸を持つ縦長形状となる半導体レーザと、
該半導体レーザからのレーザビームをほぼ平行に
するための結合レンズと、レーザビームの横断面
形状を縮小するためのプリズムと、反射面を有す
る装置を使用したレーザビームを偏向するための
偏向装置と、偏向されたレーザビームを集束させ
て走査面へ導びく結像レンズとを具備する光走査
光学系において、前記半導体レーザのレーザビーム出射面におけ
る半導体接合面の方向をｘ軸、該接合面に垂直な
方向をｙ軸としたとき、光学的に見てほぼｙ軸の
方向で、レーザビームの横断面のほぼ長軸の方向
のレーザビーム幅を前記プリズムによつて縮小
し、かつ、前記走査面における主走査方向を、光
学的に見てほぼｘ軸に一致させ、レーザビームの
進行方向における結像レンズ以前の適所に、スリ
ツトを有する光束形状縮小手段を設け、光学的に
見てほぼｘ軸の方向で、レーザビーム横断面の幅
を前記スリツトによつて縮小し、前記走査面にお
ける副走査方向を、光学的に見てほぼｙ軸に一致
させたことを特徴とする光走査光学系。