JPH0453931A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザーど−ムプリンター　レーザービーム複
写装置等のようにレーザーを用いて像坦持体上を画像信
号に応じて露光走査し、画像を形成する際に好適なＡＯ
素子を用いた光走査装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、画像記録の分野においては高密度化がますます進
んでいるが、中でもレーザービーム光で例えば感光体面
上を走査して記録する方法はその中心的な位置を占める
に至っている。従来高密度な画像を変調されたレーザー
ビームの光走査によって形成し、電子写真プロセスによ
って記録出力する装置としてはレーザービームプリンタ
ーあるいはレーザービーム複写機のようなものが知られ
ている。これらの光走査装置の中に偏向手段として５Ａ
Ｗ（表面弾性波）を用い、ブラック回折を利用して偏向
を行う導波型ＡＯ（Ａｃｏｕｓｔ□−ｏｐｔｉｃ）光偏
向器を用いたものが提案されている。

（発明が解決しようとしている課題） しかしながら上記従来例にみられるＳＡＷを利用したＡ
Ｏ素子を用いる場合、その物理現象的な制約から高速化
に限界が存在していた。

第１の問題点はＳＡＷを用いる場合、系の限界がＳＡＷ
の形成されている導波路基板材料の縦波の進行速度によ
って定められることである。進行速度は１秒間に数千メ
ートルである。ＳＡＷか導波路中に存在すれば、入射し
てきた光ビームはブラックの法則によりて回折され偏向
される。従って系の限界は過渡状態、即ち一定周期のＳ
ＡＷか導波路中の光ビームの幅の中からいなくなる、或
は入ってくる時の特性により決定される。過渡的にＳＡ
Ｗが一定でなくなる時間はＳＡＷが導波路中の該光ビー
ムの幅を横切る時間に等しく、この間は光走査における
デッドタイムとなる。

例として導波路基板としてＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏ３を用いた
場合を考える。ＬｉＮｂＯ３基板上でのＳＡＷの進行速
度が約５０００　ｍ　／　ｓ　ｅ　ｃであるところより
、導波路中での光ビームの幅をＷ（ｍｍ）とすると、像
担持体に１画素を記録するために要する時間は 約Ｗ　／　５００００００　＋　ａ　（ｓ　ｅ　ｃ　）
と表わすことができる。ここでαは各画素に対区するレ
ーザーの露光照射時間で、通常数百ｎ５ｅＣオーダーの
値のものである。Ｗを１０ｍｍとすると、αは無視でき
る量となり、結局１画素を書き込む時間は２μｓｅｃと
いう値となる。Ａ４サイズの画像を４００ｄｐｉの画像
密度で記録しようとすると、１画素２μｓｅｃは３０．
９ｓｅｃに相当し、結局２枚／分程度の出力しか得られ
ないことになる。

第２の問題点は導波路中の光ビームの幅の大きさに絡む
事項である。高精細化等に対応して高画質、高解像力の
記録を行うためには、像担持体を光走査する光ビームの
ビームウェストの径を小さくする必要がある。このこと
は像担持体に入射する光ビームの収束角を大きくする、
即ち光走査の結像光学系の有効ＦＮｏ、を小さくするこ
とを意味している。ＳＡＷによる偏向角に制限がなけれ
ば、上記光学系に対する条件も特に問題はない。

しかしながらＳＡＷによるブラック回折の回折効率はＳ
ＡＷの基準周波数からのずれが大きくなるほど下がって
しまうため、実際に使用できる偏向角には限界が存在す
る。

現在−船釣に知られている技術での偏向角は、光導波路
の端面出射後最大１０°前後の値でしかない。この偏向
角との関係が導波路の大きさに対して制約を与え、系の
特性を左右することとなる。

偏向角と走査ビーム径と導波路の光ビーム幅の大きさと
いう三者の関係を明らかにするため、Ａ４サイズの短辺
方向を光走査する場合を考える。先ず偏向角と走査範囲
より走査光学系のレンズの焦点距離が求まる。次いで像
担持体を走査する光ビームのビームウェスト径（強度が
１／ｅ２のスライス径）を約１００μｍとし、光源とじ
て波長が７８０ｎｍの半導体レーザーを用いるとすると
走査レンズの有効ＦＮｏ、が定まる。この結果、走査レ
ンズの焦点距離は約１２００ｍｍ、導波路を通過する光
ビームの幅は約１７ｍｍと計算することができる。Ｌ　
ｉＮ　ｂ　Ｏ３を基板に用いた場合には前述のＳＡＷの
進行速度を用いた計算式より１画素に要する時間は３．
４＋αμｓｅｃ、即ちＡ４の画像１枚を画素密度４００
ｄｐｊで光走査する時間はαを無視しても５２．６ｓｅ
ｃという大きな値になる。更にＡ３サイズの画像まで記
録しようとすれば走査レンズは有効ＦＮｏ、が不変のま
ま焦点距離たけ長くなり、一方、光導波路を通過する光
ビームの幅もより大きくなることで、結果的にＡ３サイ
ズの記録時間は１枚につき１４６ｓｅｃもかかると計算
される。又、同様に記録を高解像化する場合も、焦点距
離不変でも有効ＦＮｏ、が小さくなフて導波路中の光ビ
ームの幅が大きくなり、画面の大型化と同じような記録
時間の不具合が発生する。

このように従来提案されている光導波路型のＡＯ光偏向
器を用いた光走査装置では記録解像力の向上といった課
題に対して記録時間の点で原理的な壁が存在していた。

勿論偏向角の増大、ＳＡＷの進行速度の向上といった課
題はあるものの、これらの物性値について飛躍的な性能
の向上を期待することは難しいといえる。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば上記従来例の欠点を解決するため、複数
の光ど一ムを同一の光導波路内で同時偏向させる、即ち
同時マルチ処理することによって高速で且つ高解像な光
走査装置を実現したことを特徴とする。複数ビームの同
時処理は単純なマルチ化による効果たけでなく、その結
果として光導波路中のビーム幅が小さくなることによる
過渡特性の大幅な改善効果が相乗的に加わり、系の特性
か著しく向上する。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例を示す要部構成図で、第２
図はその光学系の側面図を示すものである。第１．第２
図及び以陣の図について、共通のものは同一の符号で示
すこととする。

図中１　（ｌａ、Ｉｂ、ｌｃ）は本発明の特徴の１つで
あるマルチ光源を示す半導体レーザータイオート、２　
（２ａ、２ｂ、２ｃ）は該半導体レーザータイオード１
から発振、発散された光ビームをそれぞれ平行光束に変
換するコリメーターレンズである。平行光束に変換され
た光ビームは光束絞り３　（３ａ、３ｂ、３ｃ）によっ
てビーム外形を制限された後、４　（４ａ、４ｂ、４ｃ
）のシリンドリカルレンズによって５の導波型ＡＯ光偏
向器の光導波路基板上に形成された光導波路５ａに導か
れる。光導波路５ａはＬｉＮｂＯ３等の基板上に数マイ
クロメートルの厚みをもつ薄膜で形成されたもので、詳
細については後述する。

導波型ＡＯ光偏向器５を通過した光ビームのうち回折光
の０次光は遮光板８により遮断され回折偏向を受けた３
つの光ビームのみが走査集光レンズ９によって像担持体
１０の表面上に集光され走査される。３つのビームはこ
れまで１つのビームで走査していた領域を空間的に３分
割する形で分担し、全体として１つの走査領域が形成さ
れる。

導波型ＡＯ光偏向器の端面から放射される光ビームは光
ビームを走査する方向については屈折するが、これと直
交する光導波路の膜厚方向については導波路の膜厚自体
が前述のように薄いため、発散されて放射されるという
異方性を持っている。このため走査レンズ９は、光ビー
ムの偏向される断面に関しては光ビームの偏向される光
導波路上の地点を空気の屈折率で換算した位置が入射瞳
、出射側の焦点位置（集光レーザービームウェストの位
置）が像担持体面に一致するような特性を持つとともに
、光導波路の膜厚方向に対しては光導波路の光ビーム出
射端面と像担持体面とを光学的に共役関係にするような
アナモルフィックパワーレンズで構成されている。

導波型ＡＯ光偏向器５の作製はＬｉＮｂＯ３の基板上に
先ずＴｉを拡散させ、プロトン交換処理を行うことによ
って光導波路５ａを形成するところから始められる。

次に、第１図に示したようにＳＡＷを発生させるＩＤＴ
（櫛型電極）７　（７ａ、７ｂ、７ｃ）と、光導波路内
を進行する光ビームの進行方向を変える薄膜プリズム６
　（６ａ、６ｂ、６ｃ）が所定位置に形成される。薄膜
プリズム６は光導波路端面から入射する３本の平行光ど
一ムが第１図中のＡ地点で所定の角度で交差するように
設定される。該所定角度とはＳＡＷの波長をｄ、光ビー
ムの波長をλ、ＳＡＷと光ビームの干渉する角度をθと
すると、ブラック反射の成立する条件である ２ｄｓｉｎθ＝ｎλ　　　　（ｎは整数）に合致するよ
うな角度である。

第１図の実施例ではｎ＝２．５．８で設定が行われ、θ
はそれぞれ３．５８°、８．９７゜１４．４５°、ｄは
１２．５μｍを中心として設定が行われている。このブ
ラック反射の様子を示したのが第３図である。

このように構成された光導波路中で、入射した３本の光
ビームは＃膜プリズムにょフてＡ地点で交差する。

一方、同じＡ地点にはＩＤＴ７により発生される進行波
のＳＡＷが存在している。この結果、光ビームはＳＡＷ
との相互作用によりブラックの反射条件に従って偏向を
受は出射される。このとき各ＩＤＴ７ａ、７ｂ、７ｃの
ＳＡＷ発生周波数帯域の分担を割り振るとともに、各Ｉ
ＤＴの周波数を変調すれば、Ａ点におけるＳＡＷの周波
数の変化に伴いブラックの反射条件が変わり、偏向方向
が変わって光ビームの走査が行われる。各ＩＤＴから発
生するＳＡＷの進行方向は各ＩＤＴの基準周波数でブラ
ック回折が最大になるように設定される。

実際には各ＩＤＴの基準周波数からずれた周波数でＳＡ
Ｗを発生させると、偏向される光ビームの回折効率が低
下する。このため第１図の系では３つのＩＤＴを同時に
発生させるとともに、各ＩＤＴの分担周波数帯域を重ね
ることによって回折効率が偏向角によらずほぼ一定にな
るように設定が行われている。

このような設定で３つの光ビームは同時に偏向カ行われ
る。３つの光ビームの偏向後の強度については各々の半
導体レーザーダイオードの発振パワーを制御することに
よフて補正を行うことかできる。ＳＡＷの周波数変動に
対する偏向角の相対差は走査の不均一性を生じさせるか
、これも各レーザータイオードの変調周波数を独立に設
定することで補正することができる。又、像担持体にお
ける光走査ピッチに対する補正はＩＤＴのＳＡＷ発生周
波数の変調制御と半導体レーザーダイオードの変調制御
とのマツチングによって行われる。

この間の事情を示しているのが第１図の制御系のブロッ
ク図である。図中１１は光走査コントローラーを示し、
ここからＩＤＴ周波数変調分担コントローラー１３に変
調信号が渡される。

この変調信号はＩＤＴドライバー１４　（１４ａ。

１４ｂ、１４ｃ）により分担に応じて処理され、各ＩＤ
Ｔから所定強度のＳＡＷが発生される。

一方、光走査コントローラー１１は画像信号をレーザー
ドライバー１２　（１２ａ、　　１２ｂ。

１２ｃ）に伝達する役目も持っている。各レーザードラ
イバー１２ａ、１２ｂ、１２ｃは１１の指令に応じて半
導体レーザーダイオードｌａ。

ｌｂ、ｌｃのレーザー発振出力を制御することになる。

このように構成した第１図の実施例における効果を先に
あげたＡ４サイズの画像の記録を例に挙げて比較してみ
る。画像のサイズのＡ４、画素密度４００ｄｐｉ、走査
レーザービームのビームウェストのスポット径の１００
μｍ、１本のレーザービームの偏向角が光導波路出射後
約１０’　という条件は前と同一とする。

第１図の系で特徴的なのは、走査レンズの説明で述べた
ように、１本の走査線を３つの走査線をつないで合成し
ていることである。これは等価的に走査レンズに対する
走査角が３倍になったことを意味している。従って同じ
画面サイズを走査する際、第１図の系の走査レンズの焦
点距離は従来例の１つのレーザーを用いたときの走査レ
ンズの焦点距離の１／３で済むことになる。１００μｍ
のスポット径は不変なので有効ＦＮｏ、は同一であり、
このため光導波路を通過する光ビームの幅は従来例の１
７ｍｍの１／３である約５．６ｍｍとなる。ＬｉＮｂＯ
３基板上をＳＡＷが進行する速度が約５０００　ｍ　／
　ｓ　ｅ　ｃであるところより、１画素を走査記録する
時間は１．１２μｓｅｃ＋αと計算される。露光時間α
は前述のように通常数百ｎ５ｅｃ程度で無視できるとす
ると、Ａ４サイズの記録時間は５．７７ｓｅｃとなる。

この値は従来の１ビーム走査で同等の画像を記録する時
間５２．６ｓｅｃに対して１／９の値にもなっている。

これは３ビームの同時処理による効果である１／３倍と
、導波路中の光ビームの幅が１／３倍になったことの相
乗効果であると考えることができ、ビームの多重化が単
なるマルチ処理以上の効果を達成していることを示すも
のである。

なお、本実施例では光導波路の基板としてＬｉＮｂＯ３
を用いたが、このほかにサファイア基板上にＺｎＯの薄
膜を形成させたものとか、ＧａＡｓ系の結晶を用いるこ
ともできる。

第４図は本発明の第２実施例の要部概略図である。第１
実施例に対して、本実施例では半導体レーザータイオー
ド１を光導波路の端面に密着させることで、光導波路内
にレーザー光を入射させて系のコンパクト化を計ってい
る。入射したレーザー光は光導波路内に設けた薄膜レン
ズ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）によって平行光束に
変換され、薄膜の反射ミラーで構成された絞り部材２２
　（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）によって光束の径を制限
される。それ以降の偏向手段、及び偏向手段に至るまで
の系は第１実施例と同様であるが、本実施例では偏向後
の光導波路の端面に曲率を持たせ、光走査を行う断面に
対してレンズ作用を持たせているのが特徴である。該レ
ンズ作用により、偏向された光ど一方は光走査断面で像
担持体面１０に集光される。

一方、光導波路の膜厚方向に関してはシリンドリカルレ
ンズ２１によって光導波路の光ビーム出射端面と像担持
体面が光学的に共役関係に保たれる。シリンドリカ・ル
レンズ２１は収差補正上の関係でトーリックレンズに置
き換わることもありうる。

このように第１実施例に対し光学部材を光導波路内に積
極的に取り込むことによフて、本実施例では装置をより
コンパクトな形にして像担持体面の光走査を行うことが
できる。又本実施例中で第１図と同じ番号の付いている
ものは、第１実施例と同じ作用を示すものなので説明を
省略する。

第５図は本発明の第３実施例の要部概略図である。本実
施例は半導体レーザーダイオード固有の問題を考慮した
実施例である。半導体レーザーダイオードではダイオー
ド自体の波長の個体バラツキによって光偏向角や回折効
率が変動してしまうことがある。このような誤差を防止
するための系が第５図で、光源の半導体レーザーダイオ
ード３０としてマルチモート発振のものを用いているの
が特徴である。半導体レーザーダイオード３０から出た
光はコリメーターレンズ２によって平行光束に変換され
た後に、反射型のグレーティング３１によって波長分解
され、必要な波長のモードのみが光導波路内に入射する
仕組になっている。

反射型グレーティング３１はホログラムでも代行させる
ことができる。

また第５図の考え方は逆に光源として、固定波長の半導
体レーザーダイオード、又はシングルモード発振の可変
波長半導体レーザーダイオードを用いて波長制御するこ
とによっても実現することかできる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明では導波型ＡＯ光偏向器
内に複数の光ビームを入射させ、それらを同時偏向する
ことによって従来物性的に制約され不可能であった高速
且つ高解像な光走査の可能のＡ１０素子を用いた光走査
装置を達成している。又０本の光ビームを入れれば、ｎ
個の同時処理によって速度はｎ倍になるが、本発明では
ブラック条件を利用することにより、光導波路内の光ど
一ム径を１７　ｎにできることでトータルとしての速度
をｎ２倍にできるという多大な効果を得ることができる
。また走査レンズの焦点距離が従来系の１７　ｎで良い
ことから系全体のコンパクト化を図ったＡ１０素子を用
いた光走査装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の導波型ＡＯ光偏向器を用
いた光走査装置のシステムを示す説明図、第２図は本発
明の第１実施例の光学系の側面図、第３図はＳＡＷによ
るブラック反射を示す図、第４図は本発明の第２実施例
の光走査装置の斜視図、第５図は本発明の第３実施例の
光走査装置の側面図である。 図中、１　（ｌａ、ｌｂ、ｌｃ）はシングルモートの半
導体レーザーダイオード、２　（２ａ。 ２ｂ、２ｃ）はコリメーターレンズ、３　（３ａ。 ３ｂ、３ｃ）は光束絞り、４　（４ａ、４ｂ。 ４ｃ）はシリンドリカルレンズ、５は導波型ＡＯ光偏向
器、５ａは光導波路、６　（６ａ、６ｂ。 ６ｃ）は薄膜プリズムである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光導波路を用いて光源からの光を該光導波路に導
   き、該光導波路内に発生させた表面弾性波と、該光源か
   らの光の相互作用によって偏向させ物体面上を光走査す
   る際、該光源は複数個の光源より成っており、該複数個
   の光源より発生する複数個の光ビームが該表面弾性波に
   よって同時に偏向されることを特徴とする光走査装置。
2. （２）該複数個の光ビームが該光導波路内の１点で交差
   するとともに、該交差点に該表面弾性波を送ることを特
   徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. （３）該複数個の光ビームと該表面弾性波の進行方向が
   なす角度がブラック反射の条件を満足することを特徴と
   する請求項２記載の光走査装置。
4. （４）該複数個の光ビームが前記物体面上で空間分割的
   に走査され、互いにつながることによって１つの走査線
   を構成することを特徴とする請求項１記載の光走査装置
   。