JPH04328512A - Laser light source device - Google Patents

Laser light source device

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Publication number
JPH04328512A
JPH04328512A JP3097815A JP9781591A JPH04328512A JP H04328512 A JPH04328512 A JP H04328512A JP 3097815 A JP3097815 A JP 3097815A JP 9781591 A JP9781591 A JP 9781591A JP H04328512 A JPH04328512 A JP H04328512A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser diode
wavelength
focal length
laser
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3097815A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Nakamura
弘 中村
Akiyoshi Hamada
濱田 明佳
Osamu Ono
理 小野
Masanori Murakami
正典 村上
Toshio Naiki
内貴 俊夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Minolta Co Ltd filed Critical Minolta Co Ltd
Priority to JP3097815A priority Critical patent/JPH04328512A/en
Priority to US07/875,977 priority patent/US5212501A/en
Publication of JPH04328512A publication Critical patent/JPH04328512A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To reduce the defocusing of a scanning optical system until no practical problem is left by combining a laser diode and a condenser lens which has diffraction effect with each other and specifying the focal length of a condenser lens. CONSTITUTION:The laser beam emitted by the laser diode 23 is transmitted through a condenser lens 24 with the diffraction effect and projected outward. The focal length of the condenser lens 24 satisfies an inequality I. In the inequality I, lambda is the oscillation wavelength of the laser diode at reference temperature, lambda' the oscillation wavelength of the laser diode at the time of a temperature rise, lambda the quantity of wavelength variation of the laser diode, fCO the focal length of the condenser lens corresponding to the wavelength lambda, D0 the beam diameter on an image plane at the time of the wavelength lambda, D1 the beam diameter on the image plane at the time of wavelength lambda+ lambda, and fH the focal length of the scanning optical system in the main scanning direction. Namely, variation in the focal length of the condenser lens 24 due to variation in the oscillation wavelength of the laser diode 23 is reduced lastly to an extent where there is no practical problem by making the focal length fCO satisfy the inequality I.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光源装置、特に
レーザダイオードを光源とし、放射されるレーザビーム
をセンサ、プリンタの光源として用いることのできるレ
ーザ光源装置に関する。 【0002】 【発明の背景】従来、電子写真方式によるレーザプリン
タでは、感光体上へ画像を書き込むためのレーザビーム
走査光学系として、レーザダイオードを光源としたもの
が広く使用されている。レーザダイオードから放射され
るレーザビームは一定の広がり角を有する拡散光である
ため、レーザダイオードの正面に集光レンズ(コリメー
タレンズ)を設け、平行光又は収束光に集光している。 【0003】一方、ミクロンオーダの周期を持つ格子状
同心円パターンの集合で、その断面が鋸歯状となったフ
レネルレンズが開発されている。このフレネルレンズは
屈折現象と回折現象を利用し、平行な光が入射すると格
子の各部分で光が曲がり、入射光を一点に集束する。逆
に、焦点から放射された拡散光を格子の各部分で平行化
する。 【0004】そこで、前記フレネルレンズを従来のコリ
メータレンズに代えてレーザ光源ユニットを構成するこ
とが考えられる。しかし、ここではレーザダイオードの
発振波長の変化に起因するデフォーカスが最大の問題点
となる。即ち、回折現象を利用しているフレネルレンズ
は、波長変化に対して不安定であり、僅かな波長変化に
対して敏感に焦点距離が変動する。プリンタのレーザビ
ーム走査光学系にあっては、その僅かな焦点距離の変動
が走査光学系を通して数百倍に拡大され、像面(感光体
)上でのデフォーカスを引き起こす。 【0005】ちなみに、レーザダイオードから放射され
るレーザビームの波長は、発光部の発熱量の増加、環境
温度の上昇により長波長側にシフトする。 【0006】 【発明の目的、構成、作用】そこで、本発明の目的は、
レーザダイオードと組み合わせて使用される前記フレネ
ルレンズを所定特性を有するものとすることにより、フ
レネルレンズの焦点距離の変動を極力小さく抑え、走査
光学系のデフォーカスを実用上問題とならない程度に小
さくできるレーザ光源装置を提供することにある。 【0007】以上の目的を達成するため、本発明に係る
レーザ光源装置は、レーザダイオードと回折効果を有す
る集光レンズとの組み合わせからなり、集光レンズは、
その焦点距離が実質的に下式を満足するものである。 【0008】 【数2】 【0009】 λ:基準温度でのレーザダイオードの発振波長λ’:温
度上昇時でのレーザダイオードの発振波長Δλ:レーザ
ダイオードの波長変化量 fCO:波長λでの集光レンズの焦点距離D0:λの波
長による像面上のビーム径(1/e2値)D1:λ+Δ
λの波長による像面上のビーム径(1/e2値)(許容
値) fH:レーザ光源装置を用いた走査光学系の主走査方向
の焦点距離 前記集光レンズは薄い平板状をなし、その焦点距離は1
〜10mm程度であり、焦点又はその近傍にレーザダイ
オードを設置することで一つのパッケージに高密度実装
した光源ユニットが得られる。レーザダイオードから放
射された拡散光は集光レンズの屈折効果、回折効果によ
って平行光あるいは収束光に集光される。レーザダイオ
ードから放射されるビームの波長は、発熱部の温度上昇
で長波長側にシフトする傾向にあり、これに起因して集
光レンズの焦点距離が変動する。しかし、集光レンズの
焦点距離fCOが実質的に前式満足することにより、最
終的に走査光学系のデフォーカスが実用上問題とならな
い程度に抑えられる。 【0010】 【実施例】以下、本発明に係るレーザ光源装置の実施例
につき、添付図面に従って説明する。 [第1実施例、図1〜図4参照]図1は本発明の第1実
施例である光源ユニットを内蔵したレーザビーム走査光
学系20を組み込んだレーザプリンタを示す。 【0011】このレーザプリンタは、本体1の略中央部
分に感光体ドラム2が矢印a方向に回転駆動可能に設置
され、その周囲に帯電チャージャ3、現像器4、転写チ
ャージャ5、残留トナーのクリーナ6を配置したもので
ある。レーザビーム走査光学系20は感光体ドラム2の
上方に設置され、帯電チャージャ3によって所定の電位
に均一に帯電された感光体ドラム2の表面にレーザビー
ムを照射し、所定の画像を潜像として形成する。この潜
像は現像器4で現像され、トナー画像とされる。 【0012】一方、記録用シートは本体1の下段に設置
した給紙カセット10から1枚ずつ自動的に給紙され、
タイミングローラ11を経て転写部へ搬送される。シー
トはここでトナー画像を転写され、定着器12でトナー
の定着を施された後、排出ローラ13から本体1の上面
に排出される。図2はレーザビーム走査光学系20を示
す。 【0013】この光学系20は、光源ユニット21、シ
リンドリカルレンズ30、ポリゴンミラー31、fθレ
ンズ32、平面ミラー33、画像書き込みスタート位置
検出センサ45(以下、SOSセンサと称する)このS
OSセンサ45へレーザビームを導くミラー41,42
を図示しないハウジングに取り付けたものである。光源
ユニット21(その構成は後述する)から出射されたレ
ーザビームは、シリンドリカルレンズ30を透過するこ
とによりポリゴンミラー31の反射面付近にその偏向面
に一致する直線状に収束される。ポリゴンミラー31は
矢印b方向に一定速度で回転駆動され、レーザビームを
連続的に等角速度で偏向走査する。走査されたレーザビ
ームはfθレンズ32を透過した後、平面ミラー33で
反射され、図示しないハウジングのスリットを通じて感
光体ドラム2上で結像する。このとき、レーザビームは
感光体ドラム2の軸方向に等速で走査され、これを主走
査と称する。また、感光体ドラム2の矢印a方向への回
転に基づく走査を副走査と称する。 【0014】以上の構成において、光源ユニット21か
らのレーザビームのオン,オフと、前記主走査、副走査
とによって感光体ドラム2上に画像(静電潜像)が形成
される。fθレンズ32は主走査方向に対するレーザビ
ームの走査速度を走査域の中心部から両端部にわたって
均等となるように(歪曲収差を)補正する。シリンドリ
カルレンズ30は、fθレンズ32と共働してポリゴン
ミラー31の面倒れ誤差を補正する。 【0015】一方、ポリゴンミラー31で偏向走査され
たレーザビームのうち一部は、ミラー41,42からシ
リンドリカルレンズ46を介してSOSセンサ45へ入
射し、その検出信号に基づいて1ラインごとの画像書き
込みスタート位置が制御される。ここで、光源ユニット
21について説明する。 【0016】図3に示すように、光源ユニット21は、
ベース22、レーザダイオード23、フレネルレンズ2
4、金属製のカバー25及び光量モニタ用フォトダイオ
ード28にて構成されている。カバー25には保護ガラ
ス26を備えた出射窓部25aが形成されている。レー
ザダイオード23は所定の電流を供給することにより接
合面から拡散光を放射する。フレネルレンズ24は、ミ
クロンオーダの周期を持つ格子状同心円パターンの集合
で、その断面を鋸歯状に成形したものである。このフレ
ネルレンズ24は屈折効果と回折効果を有し、格子の各
部分で光が曲げられる。平行光が入射すると一点(焦点
)に収束され、焦点から放射された拡散光は平行光とさ
れる(図4参照)。 【0017】従って、レーザダイオード23の発光部を
フレネルレンズ24の焦点に設置することにより、レー
ザダイオード23から放射された拡散光はフレネルレン
ズ24で平行光に集光され、光源ユニット21から前記
シリンドリカルレンズ30へ向かって出射される。ここ
で使用されているフレネルレンズ24はポリカーボネイ
トからなり、波長780nmのレーザビームに対応する
ように設計されている。 【0018】フレネルレンズ24は極めて小型、軽量で
、レーザダイオード23、モニタ用フォトダイオード2
8等と共に一つのパッケージ内に高密度実装できる。 従来はコリメータレンズとしてガラスモールドの単玉非
球面レンズを用いていたのであるが、これと比較して光
源部が小型化し、光学系ハウジングへの組み込みに際し
てレーザダイオードとフレネルレンズとを互いに位置調
整する必要がなくなる。また、フレネルレンズは成形法
で量産でき、研摩工程も不要であるという利点を有する
。 【0019】さらに、今日では、レーザプリンタの低速
化が進むと共に、感光体の感度が改善され、像面上で必
要な光量は0.2mW程度で十分な場合がある。この場
合、通常の光学系では光透過率が25〜30%程度であ
るため、レーザダイオードの出力は0.8mW程度とな
る。しかし、これではレーザダイオードはLED発光か
らLD発光へ切り替わる領域でのシュレッシュホールド
出力程度となり、応答性が悪くなる。しかし、フレネル
レンズは光透過効率が50%あるいはそれ以下のものを
製作でき、レーザダイオードをLD発光の領域で駆動さ
せ、応答性を上げることができる。 【0020】しかし、レーザダイオードは発光部の発熱
量の増加、環境温度の上昇により発振波長が変化する特
性を有している。そして、回折効果を利用しているフレ
ネルレンズは波長の変化に対して不安定であり、僅かな
波長変化に対して敏感に焦点距離が変動する。レーザビ
ーム走査光学系全体として考慮すると、僅かな焦点距離
の変動が前述の光学素子30,31,32,33を通し
て数百倍に拡大され、像面(感光体ドラム表面)上での
デフォーカスを発生させる。 【0021】以下、この問題点を解析する。回折効果を
利用しているフレネルレンズは、レーザダイオードの発
振波長に対して以下の式に示す関係で焦点距離が変動す
る。     fλ=f’λ’              
                        …
…(1)    f’=(λ/λ’)f       
                         
……(1a)λ:レーザダイオード発振波長 λ’:変化後のレーザダイオード発振波長f:フレネル
レンズ焦点距離 f’:変動後のフレネルレンズ焦点距離以上の焦点距離
の変動による像面上でのデフォーカスは以下の式(2)
,(3)に示す関係で拡大される。 【0022】主走査方向:     ΔXH=(fH/fCO)2Δx      
                      ……(
2)ΔXH:主走査方向像面デフォーカス量Δx:光源
部デフォーカス量 fH:走査光学系主走査方向焦点距離 fCO:フレネルレンズ焦点距離 副走査方向     ΔXV=β2(fCY/fCO)2Δx   
                       ……
(3)ΔXV:副主走査方向像面デフォーカス量β:走
査光学系副走査方向横倍率 fCY:シリンドリカルレンズ焦点距離さらに、デフォ
ーカス量とビーム径との関係は以下の式(4)で示され
る。 【0023】 【数3】 【0024】DO:λの波長による像面上のビーム径(
1/e2値) D:ΔXHだけデフォーカスしたときの像面上のビーム
径(1/e2値) λ=780nm、fCO=6mm、fH=150mm、
β=3、fCY=4.0mm、像面上でのビーム径(1
/e2値)を主走査方向100μm、副走査方向150
μmとして、波長λの変化による影響をみると、表1に
示す通りである。 【0025】 【表1】 【0026】表1から明らかなように、波長の変化は副
走査方向よりも主走査方向に大きく影響する。ビーム径
の太りは感光体上でのエネルギー密度の低下を招き、電
子写真プロセスを経た最終画像では、ラインの細り、画
像濃度の低下となる。この問題点を解決するには、レー
ザダイオードの発振波長変化そのものを抑える方法、波
長変化に対して像面上でのデフォーカスを抑える方法が
考えられる。 【0027】本実施例では、使用するフレネルレンズを
所定の焦点距離を有するものを選択することにより、結
果的にレーザダイオードの温度上昇により波長変化が生
じても像面上でのデフォーカスも実用上問題とならない
値に抑えることとした。そして、前記表1から明らかな
ように、主走査方向のデフォーカス(ビーム径)が大き
くならないように考慮すればよい。 【0028】そこで、前記式(4)において、実用上許
容できるビーム径の上限をD1とすると、波長変化した
ときにもD<D1が満たされればよい。即ち、【002
9】 【数4】 【0030】一方、レーザダイオードの発振波長がλか
らλ’に変化したとき光源部でのデフォーカス量Δxは
、以下の式(5)で表わされる。     Δx=(λ’−λ)/λ’・fCO     
                   ……(5)式
(5)を前記式(2)に代入すると、以下の式(2a)
が得られる。     ΔXH=(fH/fCO)2(λ’−λ)/λ
’・fCO        ……(2a)式(2a)を
式(4a)に代入すると、以下の式(6)が得られる。 【0031】 【数5】 【0032】本実施例において問題とするのは、フレネ
ルレンズ24の焦点距離fCOであるから、fCOが式
(6)の右辺の値より大きいフレネルレンズを選択すれ
ばよい。なお、実用上許容できるビーム径D1は波長λ
によるビーム径D0に対して1.25倍程度である。但
し、焦点距離fCOを必要以上に大きいレンズを選択す
ると、透過率の低下を補償するためにレーザダイオード
駆動電流を増加しなければならず、発振波長の変化量の
増大を招くことに注意する必要がある。 【0033】ところで、レーザダイオードの波長変化量
Δλは1nm程度に抑えることができ、また像面上での
ビーム径の許容値を25%とすると、D1/D0は1.
25となる。即ち、前記式(6)は、以下のように書き
直すことができる。 【0034】 【数6】 【0035】ビーム径D0は画像密度から決まる値であ
り、以下の式(7)にて求められる。     D0/P≦2.0             
                         
  ……(7)P:画像ピッチ 240DPI=0.106 300DPI=0.085 400DPI=0.0635 式(6a),(7)によってfCOとfHの関係が決ま
る。例えば、400DPIでD0が1.7P(0.10
795)のとき、     fCO>1.45×10−4fH2     
                       ……
(8)  同様に、300DPIのときは、     fCO>8.08×10−5fH2     
                       ……
(9)  400DPIのときは、     fCO>5.2×10−5fH2      
                      ……(
10)今、fHを170mmとし、光源ユニット21を
画像密度400DPIまでのプリンタに用いると、fC
O>4.2のフレネルレンズを選択すればよい。そして
、フレネルレンズの焦点距離fCOは、この下限値を基
準とし、これよりやや長めに設定することが望ましい。 【0036】なお、本第1実施例における解析は、レー
ザダイオード23をその発光部がフレネルレンズ24の
焦点に設置され、光源ユニット21から平行光が出射さ
れる場合である。レーザダイオード23の発光部をフレ
ネルレンズ24の焦点よりも僅かに遠い位置に設定する
と、光源ユニット21からは収束光が出射される。この
場合、前記式(6)の右辺は異なる。また、ポリゴンミ
ラー31の後段にfθレンズ系に代えてfθミラー系を
設置した場合も同様である。 【0037】[第2実施例、図5〜図7参照]そこで、
第2実施例として、光源ユニット21’から収束光を出
射し、かつ、fθミラー系を設けたレーザビーム走査光
学系20’について説明する。図5において、レーザビ
ーム走査光学系20’はポリゴンミラー31の後段に設
けたトーリックレンズ35、球面ミラー36、平面ミラ
ー37を通じてポリゴンミラー31で偏向走査されたレ
ーザビームを感光体ドラム2上へ結像するように構成さ
れている。SOSセンサ45に対しては一つのミラー4
3でレーザビームを導く。 【0038】ここで、トーリックレンズとは、入射側又
は射出側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面
が球面、平面又はシリンドリカル面であるレンズをいう
。本実施例において、トーリックレンズ35は入射側の
面がトロイダル面、射出側の面が球面にて構成されてい
る。トロイダル面とは二つの主経線がそれぞれ異なった
曲率中心を有する面をいう。 【0039】球面ミラー36はfθレンズに代わって、
トーリックレンズ35と共に主走査方向に対する走査速
度を走査域中心からその両端部にわたって均等となるよ
うに(歪曲収差を)補正すると共に、感光体ドラム2上
での主走査方向の像面湾曲を補正する。また、トーリッ
クレンズ35のトロイダル面は、ポリゴンミラー31の
面倒れ誤差を補正すると共に、感光体ドラム2上での副
走査方向の像面湾曲を補正する。本実施例ではシリンド
リカルレンズ30によってビームをポリゴンミラー31
に集光する一方、トーリックレンズ35のトロイダル面
によってポリゴンミラー31の各反射面と集光面とが共
役関係を保持するようにしている。一方、トーリックレ
ンズ35の球面は、主として主走査方向の像面湾曲を補
正すると共に、歪曲収差の補正を行なう。 【0040】次に、収束光(fθミラー系)での像面デ
フォーカスを解析する。主走査方向については、図6に
おいて、 a1:フレネルレンズからその物点までの距離b1:フ
レネルレンズからその像点までの距離L1:フレネルレ
ンズから走査レンズまでの距離b2:走査レンズからそ
の像面までの距離と設定すると、デフォーカス量ΔXH
は以下の式(2b)で表わされる。 【0041】 【数7】 【0042】例えば、a1=6mm、b1=600mm
、L1=200mm、b2=150mmとすると、ΔX
Hは1378.3Δfcoとなる。一方、副走査方向に
ついては、図7において、図6に追加して、 L2:フレネルレンズからシリンドリカルレンズまでの
距離 b3:シリンドリカルレンズからその像点までの距離β
:走査光学系副走査方向横倍率 と設定すると、デフォーカス量ΔXVは以下の式(3b
)で表わされる。 【0043】 【数8】 【0044】例えば、a1=6mm、b1=600mm
、L2=50mm、b3=50mm、β=2とすると、
ΔXVは729ΔfCOとなる。また、デフォーカス後
の主走査方向ビーム径DH(1/e2値)と副走査方向
ビーム径DV(1/e2値)は以下の式(11)、式(
12)で表わされる。 【0045】 【数9】 【0046】θH:レーザビーム主走査方向拡がり角θ
V:レーザビーム副走査方向拡がり角ΔDH:θHとフ
レネルレンズの開口径NAとの関係から求まる係数 ΔDV:θVとフレネルレンズの開口径NAとの関係か
ら求まる係数  【0047】 【数10】 【0048】前記第1実施例と同様に、主走査方向のビ
ーム径の太りを問題とすると、主走査方向での像面デフ
ォーカス量ΔXHを示す前記式(2b)とビーム径を示
す前記式(4)とから、以下の式(13)が得られる。 【0049】 【数11】 【0050】従って、本第2実施例においては焦点距離
fCOが式(13)の右辺の値より大きいフレネルレン
ズを選択すればよい。また、前記第1実施例で説明した
ように、実用上許容できるビーム径D1は波長λによる
ビーム径D0に対して1.25倍程度である。レーザダ
イオードの波長変化量Δλは1nm程度に抑えることが
でき、像面上でのビーム径の許容値を25%とすると、
前記式(13)は以下のように書き直すことができる。 【0051】 【数12】 【0052】ここで、b1=600mm、L1=200
mm、b2=110mmに設定すると、fCO>3.9
のフレネルレンズを選択すればよい。 [他の実施例]なお、本発明に係るレーザ光源装置は前
記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲で種
々に変更することができる。 【0053】例えば、光源ユニットを第1実施例の如く
平行光を出射するものとし、ポリゴンミラーの後段を第
2実施例の如くfθミラー系を設置して走査光学系を構
成してもよい。また、本発明に係るレーザ光源装置は画
像形成装置のみならず、センサや光ピックアップ等に幅
広く使用できる。 【0054】 【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、回折効果を有する集光レンズをレーザダイオー
ドと組み合わせて用いたため、小型、軽量の光源ユニッ
トを得ることができ、無調整で走査光学系に組み込むこ
とができる。しかも、集光レンズを焦点距離fCOが前
記式(6),(13)を満足するものを用いたため、レ
ーザダイオードの温度上昇に伴う波長変化に起因する集
光レンズの焦点距離の変動を極力抑えることができ、最
終的には走査光学系のデフォーカスを実用上問題となら
ない程度に抑えることができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a laser light source device, particularly a laser light source that uses a laser diode as a light source and whose emitted laser beam can be used as a light source for a sensor or a printer. Regarding equipment. BACKGROUND OF THE INVENTION Conventionally, in electrophotographic laser printers, a laser diode as a light source has been widely used as a laser beam scanning optical system for writing an image on a photoreceptor. Since the laser beam emitted from the laser diode is diffused light having a certain spread angle, a condensing lens (collimator lens) is provided in front of the laser diode to condense the light into parallel or convergent light. On the other hand, a Fresnel lens has been developed which is a set of lattice-like concentric circular patterns having a period on the order of microns and whose cross section is sawtooth-like. This Fresnel lens uses refraction and diffraction phenomena, and when parallel light enters it, the light bends at each part of the grating and focuses the incident light on a single point. Conversely, the diffused light emitted from the focal point is collimated at each part of the grating. [0004] Therefore, it is conceivable to construct a laser light source unit by replacing the Fresnel lens with a conventional collimator lens. However, the biggest problem here is defocus caused by changes in the oscillation wavelength of the laser diode. That is, a Fresnel lens that utilizes a diffraction phenomenon is unstable with respect to changes in wavelength, and its focal length changes sensitively to slight changes in wavelength. In the laser beam scanning optical system of a printer, a slight change in focal length is magnified hundreds of times through the scanning optical system, causing defocus on the image plane (photoreceptor). [0005] Incidentally, the wavelength of the laser beam emitted from the laser diode shifts to the longer wavelength side due to an increase in the amount of heat generated by the light emitting section and an increase in the environmental temperature. OBJECTS, STRUCTURE, AND OPERATIONS OF THE INVENTION Therefore, the objects of the present invention are as follows:
By making the Fresnel lens used in combination with a laser diode have predetermined characteristics, fluctuations in the focal length of the Fresnel lens can be suppressed to a minimum, and defocus of the scanning optical system can be reduced to an extent that does not pose a practical problem. An object of the present invention is to provide a laser light source device. In order to achieve the above object, a laser light source device according to the present invention consists of a combination of a laser diode and a condensing lens having a diffraction effect, and the condensing lens comprises:
The focal length substantially satisfies the following formula. [Equation 2] λ: Laser diode oscillation wavelength at reference temperature λ': Laser diode oscillation wavelength when temperature rises Δλ: Laser diode wavelength change fCO: Light condensation at wavelength λ Focal length of the lens D0: Beam diameter on the image plane due to the wavelength of λ (1/e2 value) D1: λ+Δ
Beam diameter on the image plane according to the wavelength of λ (1/e2 value) (tolerable value) fH: Focal length in the main scanning direction of the scanning optical system using a laser light source device The condenser lens has a thin flat plate shape, and its Focal length is 1
~10 mm, and by installing a laser diode at or near the focal point, a light source unit that is densely packaged in one package can be obtained. The diffused light emitted from the laser diode is focused into parallel or convergent light by the refraction and diffraction effects of the condenser lens. The wavelength of the beam emitted from the laser diode tends to shift toward longer wavelengths as the temperature of the heat generating part increases, and this causes the focal length of the condensing lens to vary. However, since the focal length fCO of the condenser lens substantially satisfies the above equation, the defocus of the scanning optical system can be suppressed to a level that does not pose a practical problem. [Embodiments] Hereinafter, embodiments of the laser light source device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. [First Embodiment, See FIGS. 1 to 4] FIG. 1 shows a laser printer incorporating a laser beam scanning optical system 20 having a built-in light source unit, which is a first embodiment of the present invention. In this laser printer, a photoreceptor drum 2 is installed approximately at the center of a main body 1 so as to be rotatable in the direction of arrow a, and surrounding it are a charger 3, a developer 4, a transfer charger 5, and a cleaner for residual toner. 6 is arranged. A laser beam scanning optical system 20 is installed above the photoreceptor drum 2, and irradiates a laser beam onto the surface of the photoreceptor drum 2, which has been uniformly charged to a predetermined potential by the charger 3, to form a predetermined image as a latent image. Form. This latent image is developed by a developing device 4 to form a toner image. On the other hand, recording sheets are automatically fed one by one from a paper feed cassette 10 installed at the bottom of the main body 1.
It is conveyed to the transfer section via the timing roller 11. Here, the toner image is transferred to the sheet, and after the toner is fixed in a fixing device 12, the sheet is discharged onto the upper surface of the main body 1 from a discharge roller 13. FIG. 2 shows a laser beam scanning optical system 20. As shown in FIG. The optical system 20 includes a light source unit 21, a cylindrical lens 30, a polygon mirror 31, an fθ lens 32, a plane mirror 33, and an image writing start position detection sensor 45 (hereinafter referred to as an SOS sensor).
Mirrors 41 and 42 that guide the laser beam to the OS sensor 45
is attached to a housing (not shown). A laser beam emitted from the light source unit 21 (the configuration of which will be described later) passes through the cylindrical lens 30 and is focused near the reflective surface of the polygon mirror 31 in a straight line that coincides with its deflection surface. The polygon mirror 31 is driven to rotate at a constant speed in the direction of arrow b, and deflects and scans the laser beam continuously at a constant angular speed. The scanned laser beam passes through the fθ lens 32, is reflected by the plane mirror 33, and forms an image on the photoreceptor drum 2 through a slit in the housing (not shown). At this time, the laser beam is scanned at a constant speed in the axial direction of the photoreceptor drum 2, and this is called main scanning. Furthermore, scanning based on the rotation of the photosensitive drum 2 in the direction of arrow a is referred to as sub-scanning. In the above configuration, an image (electrostatic latent image) is formed on the photosensitive drum 2 by turning on and off the laser beam from the light source unit 21 and by the main scanning and sub-scanning. The fθ lens 32 corrects (distortion aberration) so that the scanning speed of the laser beam in the main scanning direction is equalized from the center to both ends of the scanning area. The cylindrical lens 30 works together with the fθ lens 32 to correct the surface tilt error of the polygon mirror 31. On the other hand, a part of the laser beam deflected and scanned by the polygon mirror 31 enters the SOS sensor 45 from the mirrors 41 and 42 via the cylindrical lens 46, and an image is generated line by line based on the detection signal. The writing start position is controlled. Here, the light source unit 21 will be explained. As shown in FIG. 3, the light source unit 21 includes:
Base 22, laser diode 23, Fresnel lens 2
4. Consists of a metal cover 25 and a photodiode 28 for monitoring the amount of light. The cover 25 has an exit window 25a provided with a protective glass 26. The laser diode 23 emits diffused light from its junction surface by supplying a predetermined current. The Fresnel lens 24 is a collection of lattice-like concentric circular patterns having a period on the order of microns, and has a sawtooth cross section. This Fresnel lens 24 has a refraction effect and a diffraction effect, and light is bent at each part of the grating. When parallel light is incident, it is converged to one point (focal point), and the diffused light emitted from the focal point is made into parallel light (see FIG. 4). Therefore, by placing the light emitting part of the laser diode 23 at the focal point of the Fresnel lens 24, the diffused light emitted from the laser diode 23 is condensed into parallel light by the Fresnel lens 24, and is transmitted from the light source unit 21 to the cylindrical The light is emitted toward the lens 30. The Fresnel lens 24 used here is made of polycarbonate and is designed to accommodate a laser beam with a wavelength of 780 nm. The Fresnel lens 24 is extremely small and lightweight, and is compatible with the laser diode 23 and the monitor photodiode 2.
It can be mounted in high density together with 8 etc. in one package. Conventionally, a glass-molded single aspherical lens was used as a collimator lens, but compared to this, the light source section has become smaller, and the positions of the laser diode and Fresnel lens must be adjusted relative to each other when incorporated into the optical system housing. There will be no need. Further, Fresnel lenses have the advantage that they can be mass-produced by a molding method and do not require a polishing process. Furthermore, today, as the speed of laser printers has become slower and the sensitivity of photoreceptors has improved, the amount of light required on the image plane is sometimes sufficient to be about 0.2 mW. In this case, since the light transmittance of a normal optical system is about 25 to 30%, the output of the laser diode is about 0.8 mW. However, in this case, the laser diode only has a threshold output in the region where LED light emission is switched to LD light emission, resulting in poor response. However, a Fresnel lens with a light transmission efficiency of 50% or less can be manufactured, and a laser diode can be driven in the LD emission region to improve responsiveness. However, a laser diode has a characteristic that its oscillation wavelength changes due to an increase in the amount of heat generated by the light emitting part or a rise in environmental temperature. A Fresnel lens that utilizes the diffraction effect is unstable with respect to changes in wavelength, and its focal length changes sensitively to slight changes in wavelength. Considering the laser beam scanning optical system as a whole, a slight change in focal length is magnified several hundred times through the aforementioned optical elements 30, 31, 32, and 33, and defocusing on the image plane (photoreceptor drum surface) is prevented. generate. This problem will be analyzed below. A Fresnel lens that utilizes the diffraction effect has a focal length that varies with respect to the oscillation wavelength of the laser diode according to the relationship shown in the following equation. fλ=f'λ'

...(1) f'=(λ/λ')f

...(1a) λ: Laser diode oscillation wavelength λ': Laser diode oscillation wavelength after change f: Fresnel lens focal length f': Defect on the image plane due to a change in focal length greater than or equal to the Fresnel lens focal length after change. The focus is the following formula (2)
, (3). Main scanning direction: ΔXH=(fH/fCO)2Δx
...(
2) ΔXH: Image plane defocus amount in the main scanning direction Δx: Light source defocus amount fH: Scanning optical system focal length in the main scanning direction fCO: Fresnel lens focal length in the sub-scanning direction ΔXV=β2(fCY/fCO)2Δx
……
(3) ΔXV: image plane defocus amount in the sub-main scanning direction β: scanning optical system lateral magnification in the sub-scanning direction fCY: cylindrical lens focal length Furthermore, the relationship between the defocus amount and the beam diameter is expressed by the following equation (4). It will be done. [Equation 3] DO: Beam diameter on the image plane due to the wavelength of λ (
1/e2 value) D: Beam diameter on the image plane when defocused by ΔXH (1/e2 value) λ=780nm, fCO=6mm, fH=150mm,
β=3, fCY=4.0mm, beam diameter on the image plane (1
/e2 value) of 100 μm in the main scanning direction and 150 μm in the sub-scanning direction.
Table 1 shows the influence of changes in wavelength λ in terms of μm. [0025] As is clear from Table 1, the change in wavelength affects the main scanning direction more than the sub-scanning direction. An increase in the beam diameter causes a decrease in energy density on the photoreceptor, resulting in thinner lines and a decrease in image density in the final image that has undergone the electrophotographic process. Possible solutions to this problem include a method of suppressing the change in the oscillation wavelength of the laser diode itself, and a method of suppressing defocus on the image plane due to the wavelength change. In this example, by selecting a Fresnel lens to be used that has a predetermined focal length, defocusing on the image plane can be practically achieved even if the wavelength changes due to a rise in the temperature of the laser diode. We decided to keep it to a value that would not cause any problems. As is clear from Table 1, consideration should be given so that the defocus (beam diameter) in the main scanning direction does not become large. Therefore, in the above equation (4), if the upper limit of the beam diameter that is practically allowable is D1, it is sufficient that D<D1 is satisfied even when the wavelength changes. That is, 002
On the other hand, when the oscillation wavelength of the laser diode changes from λ to λ', the defocus amount Δx at the light source section is expressed by the following equation (5). Δx=(λ'-λ)/λ'・fCO
...(5) When formula (5) is substituted into the above formula (2), the following formula (2a) is obtained.
is obtained. ΔXH=(fH/fCO)2(λ'-λ)/λ
'·fCO...(2a) By substituting equation (2a) into equation (4a), the following equation (6) is obtained. [0031] Since the problem in this embodiment is the focal length fCO of the Fresnel lens 24, it is sufficient to select a Fresnel lens whose fCO is larger than the value on the right side of equation (6). . Note that the practically acceptable beam diameter D1 is the wavelength λ
This is about 1.25 times the beam diameter D0. However, it should be noted that if a lens with a focal length fCO larger than necessary is selected, the laser diode drive current must be increased to compensate for the decrease in transmittance, which will lead to an increase in the amount of change in the oscillation wavelength. There is. Incidentally, if the amount of wavelength change Δλ of the laser diode can be suppressed to about 1 nm, and if the allowable value of the beam diameter on the image plane is 25%, then D1/D0 is 1.
It becomes 25. That is, the above equation (6) can be rewritten as follows. ##EQU6## The beam diameter D0 is a value determined from the image density, and is determined by the following equation (7). D0/P≦2.0

...(7) P: Image pitch 240DPI=0.106 300DPI=0.085 400DPI=0.0635 The relationship between fCO and fH is determined by equations (6a) and (7). For example, at 400DPI, D0 is 1.7P (0.10
795), fCO>1.45×10-4fH2
……
(8) Similarly, at 300DPI, fCO>8.08×10-5fH2
……
(9) At 400DPI, fCO>5.2×10-5fH2
...(
10) Now, if fH is 170 mm and the light source unit 21 is used in a printer with an image density of up to 400 DPI, fC
A Fresnel lens with O>4.2 may be selected. The focal length fCO of the Fresnel lens is preferably set slightly longer than this lower limit value. The analysis in the first embodiment is based on the case where the laser diode 23 is installed with its light emitting part at the focal point of the Fresnel lens 24, and parallel light is emitted from the light source unit 21. When the light emitting part of the laser diode 23 is set at a position slightly farther than the focal point of the Fresnel lens 24, convergent light is emitted from the light source unit 21. In this case, the right side of the equation (6) is different. Further, the same applies when an fθ mirror system is installed in place of the fθ lens system after the polygon mirror 31. [Second embodiment, see FIGS. 5 to 7] Therefore,
As a second embodiment, a laser beam scanning optical system 20' that emits convergent light from a light source unit 21' and is provided with an fθ mirror system will be described. In FIG. 5, the laser beam scanning optical system 20' focuses the laser beam deflected and scanned by the polygon mirror 31 onto the photoreceptor drum 2 through a toric lens 35, a spherical mirror 36, and a plane mirror 37 provided after the polygon mirror 31. It is configured to image. One mirror 4 for SOS sensor 45
3 to guide the laser beam. [0038] Here, the toric lens refers to a lens in which either the entrance side or the exit side is a toroidal surface and the other surface is a spherical, flat, or cylindrical surface. In this embodiment, the toric lens 35 has a toroidal surface on the incident side and a spherical surface on the exit side. A toroidal surface is a surface whose two principal meridians have different centers of curvature. The spherical mirror 36 replaces the fθ lens,
Together with the toric lens 35, it corrects (distortion aberration) so that the scanning speed in the main scanning direction is equal from the center of the scanning area to both ends thereof, and also corrects the curvature of field on the photosensitive drum 2 in the main scanning direction. . Further, the toroidal surface of the toric lens 35 corrects the surface tilt error of the polygon mirror 31 and also corrects the curvature of field on the photoreceptor drum 2 in the sub-scanning direction. In this embodiment, a beam is directed to a polygon mirror 31 by a cylindrical lens 30.
On the other hand, the toroidal surface of the toric lens 35 maintains a conjugate relationship between each reflecting surface of the polygon mirror 31 and the light collecting surface. On the other hand, the spherical surface of the toric lens 35 mainly corrects field curvature in the main scanning direction and also corrects distortion. Next, image plane defocus in convergent light (fθ mirror system) will be analyzed. Regarding the main scanning direction, in FIG. 6, a1: distance from the Fresnel lens to its object point b1: distance from the Fresnel lens to its image point L1: distance from the Fresnel lens to the scanning lens b2: distance from the scanning lens to its image plane When set as the distance to , the defocus amount ΔXH
is expressed by the following equation (2b). [Equation 7] For example, a1=6mm, b1=600mm
, L1=200mm, b2=150mm, ΔX
H becomes 1378.3Δfco. On the other hand, regarding the sub-scanning direction, in FIG. 7, in addition to FIG. 6, L2: distance from the Fresnel lens to the cylindrical lens b3: distance from the cylindrical lens to its image point β
: When setting the horizontal magnification of the scanning optical system in the sub-scanning direction, the defocus amount ΔXV is calculated using the following formula (3b
). [Equation 8] For example, a1=6mm, b1=600mm
, L2=50mm, b3=50mm, β=2,
ΔXV becomes 729ΔfCO. In addition, the main scanning direction beam diameter DH (1/e2 value) and the sub-scanning direction beam diameter DV (1/e2 value) after defocusing are calculated by the following formula (11), formula (
12). [Equation 9] θH: Laser beam main scanning direction spread angle θ
V: Coefficient determined from the relationship between laser beam sub-scanning direction divergence angle ΔDH: θH and the aperture diameter NA of the Fresnel lens ΔDV: Coefficient determined from the relationship between θV and the aperture diameter NA of the Fresnel lens. Similar to the first embodiment, if the problem is the increase in beam diameter in the main scanning direction, the above equation (2b) representing the image plane defocus amount ΔXH in the main scanning direction and the above equation (4) representing the beam diameter. ), the following equation (13) is obtained. ##EQU11## Therefore, in the second embodiment, it is sufficient to select a Fresnel lens whose focal length fCO is larger than the value on the right side of equation (13). Furthermore, as explained in the first embodiment, the practically acceptable beam diameter D1 is about 1.25 times the beam diameter D0 due to the wavelength λ. The amount of wavelength change Δλ of the laser diode can be suppressed to about 1 nm, and if the allowable value of the beam diameter on the image plane is 25%, then
The above equation (13) can be rewritten as follows. [Equation 12] Here, b1=600mm, L1=200
When setting mm, b2=110mm, fCO>3.9
All you have to do is choose a Fresnel lens. [Other Embodiments] The laser light source device according to the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways within the scope of the invention. For example, the scanning optical system may be constructed by using a light source unit that emits parallel light as in the first embodiment, and installing an fθ mirror system as in the second embodiment after the polygon mirror. Further, the laser light source device according to the present invention can be widely used not only in image forming apparatuses but also in sensors, optical pickups, and the like. Effects of the Invention As is clear from the above description, according to the present invention, a light source unit that is small and lightweight can be obtained because a condensing lens having a diffraction effect is used in combination with a laser diode. , it can be incorporated into the scanning optical system without any adjustment. In addition, since we used a condensing lens whose focal length fCO satisfies the above formulas (6) and (13), fluctuations in the focal length of the condensing lens caused by changes in wavelength due to temperature rise of the laser diode are suppressed as much as possible. In the end, the defocus of the scanning optical system can be suppressed to a level that does not pose a practical problem.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明に係るレーザ光源装置を内蔵したレーザ
ビーム走査光学系を備えたプリンタの概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a printer equipped with a laser beam scanning optical system incorporating a laser light source device according to the present invention.

【図2】本発明に係るレーザ光源装置の第1実施例を内
蔵したレーザビーム走査光学系の斜視図。
FIG. 2 is a perspective view of a laser beam scanning optical system incorporating a first embodiment of the laser light source device according to the present invention.

【図3】図2に示されているレーザ光源装置の一部を切
り欠いた斜視図。
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of the laser light source device shown in FIG. 2;

【図4】図3に示されているフレネルレンズの集光作用
を示す斜視図。
FIG. 4 is a perspective view showing the light focusing effect of the Fresnel lens shown in FIG. 3;

【図5】本発明に係るレーザ光源装置の第2実施例を内
蔵したレーザビーム走査光学系の斜視図。
FIG. 5 is a perspective view of a laser beam scanning optical system incorporating a second embodiment of the laser light source device according to the present invention.

【図6】図5に示したレーザビーム走査光学系での主走
査方向におけるビームの収束状態を示す説明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of beam convergence in the main scanning direction in the laser beam scanning optical system shown in FIG. 5;

【図7】図5に示したレーザビーム走査光学系での副走
査方向におけるビームの収束状態を示す説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state of beam convergence in the sub-scanning direction in the laser beam scanning optical system shown in FIG. 5;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20,20’…レーザビーム走査光学系21,21’…
レーザ光源ユニット 23…レーザダイオード 24…フレネルレンズ
20, 20'...Laser beam scanning optical system 21, 21'...
Laser light source unit 23...Laser diode 24...Fresnel lens

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  レーザダイオードから放射されるレー
ザビームを、回折効果を有する集光レンズを透過させて
外部に出射するレーザ光源装置であって、前記集光レン
ズは、その焦点距離が実質的に下式を満足するものであ
ること、 【数1】 λ:基準温度でのレーザダイオードの発振波長λ’:温
度上昇時でのレーザダイオードの発振波長Δλ:レーザ
ダイオードの波長変化量 fCO:波長λでの集光レンズの焦点距離D0:λの波
長による像面上のビーム径(1/e2値)D1:λ+Δ
λの波長による像面上のビーム径(1/e2値)(許容
値) fH:レーザ光源装置を用いた走査光学系の主走査方向
の焦点距離 を特徴とするレーザ光源装置。
1. A laser light source device that transmits a laser beam emitted from a laser diode to the outside through a condensing lens having a diffraction effect, wherein the condensing lens has a focal length substantially equal to The following formula must be satisfied, [Equation 1] λ: Laser diode oscillation wavelength at reference temperature λ': Laser diode oscillation wavelength when temperature rises Δλ: Laser diode wavelength change fCO: Wavelength λ Focal length of the condenser lens D0: Beam diameter on the image plane (1/e2 value) due to the wavelength of λ D1: λ+Δ
Beam diameter on the image plane (1/e2 value) (tolerable value) according to the wavelength of λ fH: A laser light source device characterized by the focal length in the main scanning direction of a scanning optical system using the laser light source device.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7256942B2 (en) 2003-09-09 2007-08-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Single lens element, light source device and scanning optical device

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