JPH06118453A - ラスター出力スキャナにおける高速トラッキング用素子 - Google Patents

ラスター出力スキャナにおける高速トラッキング用素子

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JPH06118453A
JPH06118453A JP5160858A JP16085893A JPH06118453A JP H06118453 A JPH06118453 A JP H06118453A JP 5160858 A JP5160858 A JP 5160858A JP 16085893 A JP16085893 A JP 16085893A JP H06118453 A JPH06118453 A JP H06118453A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ラスター出力スキャナにおいて、制御下での
高速トラッキング機能とラスター走査修正機能とをもた
らす素子を提供する。 【構成】 静電写真印刷機のラスター出力スキャナ（Ｒ
ＯＳ）（１０）内においてレーザ光ビームを偏向させる
ための光学素子（５０）。前記光学素子には、自身を横
切って印加される電圧の関数として可変の屈折率を有す
る強誘電性液晶材料を内包したチャンバ（５４）が含ま
れる。ＲＯＳ（１０）には、前記光学素子（５０）を横
切って電圧を印加するために電源に連結されて、多面体
（１６）の回転や小面（１６ａ）の整合の誤り、ベルト
運動の誤りに関連して前記光学素子の可変屈折率を制御
して光ビームの高速走査をもたらす制御装置が含まれ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は一般に、たとえば静電写真印刷機
内に電子的に記憶されているデータから静電潜像を作り
出すためのラスター出力走査装置に関し、特に、ラスタ
ー出力スキャナにおいて、制御下での高速トラッキング
機能とラスター走査修正機能とをもたらす素子および装
置に関する。
【０００２】図１は、ラスター出力スキャナ（ＲＯＳ）
システムの一般的な光学的構成を示す平面図であって、
前走査の光路内に配設された本発明にしたがった光学素
子を示す図である。
【０００３】図２は、屈折率と、本発明に用いられるよ
うな強誘電性液晶材料に印加される電圧との関係を示す
グラフである。
【０００４】図３は、本発明にしたがった前記光学素子
の側面略図である。
【０００５】図４は、本発明の前記光学素子における可
変屈折率に対する予想走査角を示す数値モデルである。
【０００６】図５は、本発明の前記光学素子を用いた小
面トラッキングＲＯＳ装置の水平面上における略図であ
る。
【０００７】図６は、本発明の前記光学素子を用いた振
れ修正ＲＯＳ装置のサジタル平面上における略図であ
る。
【０００８】図７は、本発明の前記光学素子を用いた運
動品質修正ＲＯＳ装置のサジタル平面上における略図で
ある。
【０００９】図８は、静電写真印刷機内において多色像
を形成させるための従来技術による単光路形多重ＲＯＳ
装置の斜視略図である。
【００１０】ＲＯＳの光学系と光路との一般的構成を示
す図１において、たとえば静電写真印刷機に用いられる
ＲＯＳ装置について詳細に説明する。この説明の目的と
するところから、ＲＯＳ装置１０において、単一のＲＯ
Ｓ装置を詳細に説明する。類似の構成要素からなる、ま
たは、場合によってはその他の構成要素を含んでいるこ
ともある複数のＲＯＳ装置を利用可能であることが理解
されよう。最初に、変調された可干渉性(coherent)の光
の発散光ビーム線を生ぜしめる自己変調光源が内設され
たレーザ源１２に入力ビデオデータが送信される。前記
光ビームは球面または非球面の視準レンズによって視準
され、その後、適宜、円柱レンズにより再集束せられて
もよい。前記光ビームは次に、前記光ビームを反射して
後走査光学系を通過させるために少なくともひとつの鏡
状小面(facet) １６ａを有している回転多面体１６に入
射する。従来技術では、回転ホロゴン (hologon)や回転
回析格子などを含めて、走査に適したその他の素子が周
知である。後走査光学系は、小面１６ａによって反射さ
れた前記光ビームを円形または楕円形の断面に再構成さ
せて、前記光ビームを感光体／ドラム２の面上にある適
切な点に再集束させるとともに、非線形走査の修正（ｆ
−シータ修正）を行なう。また、走査装置１６と感光体
２との間に再視準レンズとトロイダルレンズまたは円柱
レンズとを配設して、適宜、拡大またはその他の光学的
走査を行なわせてもよい。
【００１１】図１に示す実施例において、レーザ走査路
は、鏡状正面１６ａの回転により反射光が偏向されて、
これによって感光結像部材すなわち感光ベルト２を横切
って走査が行なわれる単一の光ビームとして（単に例示
のため）示されている。したがって、図に示すように、
多面体１６を反時計回りに回転させた場合には、前記多
面体の移動する一小面１６ａから反射された光ビームに
より、感光ベルト２上において右から左へと走査が行な
われることになる。多面体１６は、好ましくは、多面体
１６の角速度がベルト２の角速度と同期した状態で、軸
を介してモータ（図示せず）により駆動されるものとす
る。多面体１６の回転と矢印４に示すような方向への感
光ベルト２の移動との組合せにより、ラスター方式で走
査が進行して、走査線配列によって形成された像が生成
される。一般的なＲＯＳは、１インチ（２４．５ｍｍ）
あたり約６００個の画素比率すなわち解像力６００ｓｐ
ｉで、ドラム２の帯電部分に光を照射することができ
る。
【００１２】前記説明の光学系は、従来技術において周
知のラスター出力走査装置の基本要素を開示したもので
ある。本発明にしたがって、かつ、図１に示すように、
追加の光学素子５０を設けて、これを前走査光学系にお
いて多面体１６より前に配設する。レーザ光ビームは光
学素子５０によって偏向されて、前記多面体の移動する
小面、たとえば小面１６ａをトラッキングしてから、反
射されて、結像部材２上に走査線を形成する。この機能
については、小面１６ａが反時計回りに回転する際に前
記小面の中心点を光ビームがトラッキングしている様子
が図１に示されている。
【００１３】光学素子５０は、好ましくは、従来技術に
おいて一般に周知の強誘電性液晶材料を内包させるため
のチャンバまたはセルを含むものとする。強誘電性液晶
材料とその物理特性および作用についてはたとえば、参
照によりここにその内容を取り入れてある米国特許第
４，５５３，０５９号やアンダーソン（Anderson）らに
よる応用物理学通信（Appl. Phys. Lett. ）５１：６４
０（１９８７）等に詳細に説明されている。このような
材料の場合は、前記材料を通過する光の速度は、強誘電
性液晶材料を内包させたセルを横切って電場を印加する
ことによって前記材料を通過する光の屈折角を変動させ
うるような、いわゆるエレクトロクリニック効果のある
前記透過材料に対する電場のベクトル配向によって異な
る。強誘電形セル内に内蔵されている場合には、多数の
キラル・スメクチックＡ* (chiralsmectic Ａ* ）材料
で、印加電圧によりこれらの材料内においてアナログ的
に傾斜角が誘発されまたは変動するエレクトロクリニッ
ク効果 (electroclinic effect) が見られることが明ら
かになっている。平行配列のネマチック液晶材料等、そ
の他の液晶材料を用いてもよいことが理解されよう。し
かし、応答時間が約１００ｎｓ未満と極めて速いことか
ら、強誘電性スメクチックＡ* 材料が好適である。
【００１４】本発明の光学素子５０により、多面体の回
転小面と関連して多面体１６に対して入力光ビームを横
方向に移動させて、強誘電性液晶材料の前記エレクトロ
クリニック効果を利用することにより多面体１６の回転
につれて各小面の選択された部分上において前記光ビー
ムを偏向させる装置が得られる。本発明は、小面トラッ
キング装置の利点をもたらす一方で、一般に多数の追加
構成要素が必要になるために装置が複雑化するという主
要な小面トラッキング装置の欠点を解消するものであ
る。このように、本発明にしたがって、回転多面体１６
の直前においてＲＯＳの走査路内に光学素子５０が配置
される。光学素子５０により、ある体積の強誘電性液晶
材料を自身の内部に入れられるようにしてあるチャンバ
が形成される。光学素子５０にバイアス電圧を印加する
ことによって前記チャンバを横切って組み合せ状態の電
場が発生して、前記チャンバ内の強誘電材料の分子が、
光学要素５０に印加された電圧規模に関連ある略均一な
方向に配列される条件が生じ、これによって前記光学素
子の屈折率を変動させ、かつ、これを介して透過される
光ビームを、前記バイアス電圧の規模に関連ある角度に
偏向させることができる。
【００１５】図２に、前記強誘電性液晶材料の屈折率が
前記バイアス電圧に呼応してどのように変動するかを示
す。図２に示すように、バイアス電圧の規模を変動させ
ることによって強誘電材料の屈折率ｎe を自由に制御し
て、強誘電性液晶材料の配列方向に対して平行または垂
直ないずれの方向にも光を偏向させることができる。す
なわち、バイアス電圧のレベルが閾値Ｖthを超えると、
液晶の分子構成は均質的な構成から等方的な構成へと変
化し、屈折率ｎe もまた前記電圧に関連して変化するの
である。このように、光学素子５０に対する印加電圧の
変動につれて、液晶材料の屈折率が変化し、したがっ
て、レーザ光ビームが光学素子５０から脱出する角度が
変化する。前記角度は、可能な屈折率変化によって定め
られる限度の範囲内で連続的に変動可能である。
【００１６】一般に、強誘電性液晶セルは、その間に均
一な厚さの液晶層を形成させる平行板から製作される。
このような液晶セルは従来技術で周知であって、たとえ
ば、参照によりここにその内容を取り入れてある米国特
許第４，５６３，０５９号や前記特許中の参照文献等に
色々と説明されている。標準的な実施においては、開示
されている種類の液晶セルを用いて、２枚のガラス板の
間に特定の強誘電性液晶材料を少量配することによって
特定の電気光学効果が実現される。液晶界面上における
入射角の範囲については、強誘電材料における光学軸の
電場配向によって光を部分的に偏向させる。このような
液晶セルは、自身を通過する光の偏光状態を変化させ
て、輝度変調装置または波長同調器が得られるようにす
るために用いられることがよくある。
【００１７】図３は、本発明にしたがった光学素子５０
の好適な実施例を示す側面略図である。光学素子５０の
特定の構成により、実質的に平面状の平行な外面５１、
５２をそれぞれ有した２つのプリズム５２、５６の間に
挟まれたチャンバ５４を得ることができる。前記プリズ
ムはガラス、または光学的透過性を有した他の何らかの
材料からなる。一方のプリズム、この場合はプリズム５
６は、誘電部分５６ａを形成するとともに２つのプリズ
ム５２、５６の間に前記強誘電性液晶材料を内包させる
チャンバの形状を形成する、厚さを増す透明な誘電材料
により被膜されている。前記誘電部分の製作は、たとえ
ば、速度を線形に変動させてプリズム５６に浸漬塗装を
施す方法、エッチング処理またはシャドーマスク付き被
覆処理によって行なうことができる。これに代わる方法
としては、特定の光透過材料を用いた研削、成型、鋳造
またはその他周知の製作方法を用いることができる。
【００１８】本発明の前記光学素子は、外面５１、５５
が立方体の反対側上において互いに平行状態に維持され
て、チャンバの厚さが前記チャンバを通るレーザ光ビー
ムの経路に垂直な平面上において変動するように前記外
面間に三角形の断面を有したチャンバ５４を形成させる
ように、２つのプリズム５２、５６を配置することによ
って製作される。チャンバ５４が、同平面上において一
方の縁部分からそれと反対側の縁部分まで次第に幅が減
少する実質的に台形形状を有するように、前記チャンバ
の三角形の面の先端を切り欠いてもよいことが理解され
よう。その後チャンバ５４に、たとえば、前記セルに印
加される０〜３０ボルトの範囲にわたって１．５８６〜
１．６００の屈折率を有する、ニューヨーク州ホーソー
ンのＥＭインダストリー（EM Industries）から入手可
能な市販の液晶材料ＢＤＨ７６４Ｅを満たす。本発明に
より定義されるチャンバ構成によって、前記チャンバを
通過する光またはレーザ光ビームの角度偏向をもたらす
構造が得られる。チャンバ５４は、自身に印加される電
圧に関連して屈折率が可変の強誘電性液晶材料を内包し
ているため、光学素子５０に対する印加電圧を変化させ
ることによってレーザ光ビームの角度偏向を変化させる
こともできる。
【００１９】光学素子５０のチャンバ５４を横切ってバ
イアス電圧を印加するために、導電性の電極５３および
５７が設けられる。図３において、導電性の透明な電極
５３および５７は、プリズム５２および５６内に埋設さ
れている。チャンバ５４を横切って均一な電場を生じし
めるために前記電極が互いに平行に配置されているとい
う点が本発明の重要な特徴となっている。すなわち、電
源５８によって電極５３、５７に印加されるバイアス電
圧により、電極５３および５７がチャンバ５４を横切っ
て均一な電場を発生させてチャンバ５４内にある分子の
再配向を引き起こすとともに、これによってその屈折率
が制御されるのである。相互に角度を有して配置された
２枚のガラス板の間に前記液晶材料を配することもでき
るが、本発明により説明された平行な構成の電極の場合
には、前記電極にバイアス電圧が印加された時に、電極
５３、５７間において均一な電場を維持する能力が得ら
れる。この均一な電場により、チャンバ５４を横切って
均一な屈折率を生ぜしめることが可能になる。強誘電性
液晶については、２〜４マイクロメートルの一般的な厚
さで十分であろう。
【００２０】本発明の前記光学素子がもたらす電気光学
効果の質的局面については、以下のスネルの法則を単純
に適用することによって説明することができる： Ｎi sin θ＝Ｎi’sin θi’
【００２１】この分析では、光学素子５０を通過する光
ビームについての総計としての屈折角を求めるために、
スネルの法則を４回、すなわち、外面５１に沿った空気
／ガラス界面と、ガラス板５２とチャンバ５４との間に
おけるガラス／液晶界面と、チャンバ５４とガラス板５
６との間における液晶／ガラス界面と、外面５５に沿っ
たガラス／空気界面とにおいて適用しなければならな
い。簡単のために、誘電部分５６ａを形成している材料
はガラス基板と類似の屈折率を有すると仮定する。しか
し当業者には、誘電部分５６ａが、光学素子５０の板を
形成する基板の屈折率から独立した独自の屈折率を有す
る材料によって構成されていてもかまわないことがわか
るであろう。
【００２２】スネルの法則に基づく計算から、入力角と
平らな板状材料の屈折率とチャンバ５４内の液晶材料の
可変屈折率との関数としての出力角が求められることが
理解されよう。一般的な応用において、前記液晶セルに
印加される電圧を変動させることによって得られる角度
範囲は、１〜１．５度の範囲内にある。この角度範囲を
実質的に拡大させて入射角を大きくすることができる。
同様に、楔形の寸法を縮小させたり、前記液晶材料を用
いて達成可能な屈折率変化を小さくすることによって、
より小さな角度範囲を得ることができる。
【００２３】前記のように、図３には、本発明にしたが
って２つのプリズム５２、５６の面間にある液晶チャン
バ５４の略図が示されている。反射損失を最低限に抑え
ながらプリズムを大きな入射角まで傾斜させることがで
きるため、前記素子をこのような構成にすることが重要
である。楔形の角度Φと傾斜角Ψと走査角△θとを図３
に示す。プリズムの予想走査角の数値モデルは、前記の
屈折率の予想変化に対してモデル化したものである。図
３に示す構成について、しかも、２．８６度の楔形角度
Φを有する液晶セルについて、前記モデルの結果を図４
に示す。ここでは、走査角△θと大気中での透過率と
が、プリズムの傾斜角Ψの関数として示されている。図
からわかるように、走査角は実質的にプリズムの傾斜角
とともに増加する。たとえば、約７０°の傾斜角では、
走査角は＞０．２°であって、したがって従来技術で周
知の小面トラッキング音響光学変調器を用いて達成可能
な走査角に匹敵する。前記規模の走査角の場合には、傾
斜界面での反射損失が懸念されるかもしれないが、図３
に示す構成であるため、前記傾斜面の反射損失は最低限
に抑えられる。平行および垂直な偏光それぞれＴ‖およ
びＴ⊥の両方と走査範囲の終点とについて、前記素子の
透過率を示してある。このモデルでは、入口面および出
口面の透過率を１００％と仮定している。プリズム傾斜
７０°では、いずれの場合も透過率が＞９０％となって
いる点に注目されたい。
【００２４】電子写真印刷機のラスター出力走査装置内
に本発明の強誘電性液晶光学素子を内設する方法につい
ては、さまざまな手段によってこれを行なうことができ
る。たとえばバイアス電源５８を、図１に制御線６２に
より例示してあるように、回転多面体１６の回転と作動
的に関連させ、かつ前記回転によって同期させることが
できる。走査線トラッキングの長さに及ぶ周期、一般に
は約１０マイクロ秒を有した各走査線の開始時点におい
て、図３に例示してあるような周期的なランプ信号を発
信させる。こうして、たとえば０ボルト〜３０ボルトま
での単純な電圧ランプによって容易に小面トラッキング
機能が得られるように、光ビームの走査角を光学素子に
対する印加電圧に比例させる。この場合、強誘電性液晶
材料のマイクロ秒未満の応答時間が、回転小面と関連さ
せてレーザ光ビームを偏向させるための要件に十分に含
まれていなければならない。また、たとえば米国特許第
４，３４２，０５０号に開示されている、出力タップに
よってバイアス源５８の駆動に使用可能なピーク信号が
発信されるようにピーク応答回路が配設された光ビーム
輝度測定装置のようなその他の帰還装置および制御装置
を考慮してもよい。
【００２５】小面トラッキングのために本発明の液晶セ
ルを内蔵したラスター出力スキャナの構成例を図５に示
す。前記図には、実際には、一般に光学素子５０と多数
の小面を持つ多面体１６との間に視準レンズ１４を挟み
込んだ例が示されている。このため、光学素子５０から
発せられた発散光ビームはレンズ１４によって視準され
て、小面１６ａへと透過される。光学素子５０に求めら
れる走査角は、走査光ビームが走査する、直線トラッキ
ング距離と呼ばれる「ｄ」に示す横方向の距離に対す
る、光学素子５０と視準レンズ１４との間の、「ｌ」に
示す直線距離によって定義される寸法上の関係に比例す
る。これらの寸法と走査角とのこうした関係は以下の式
によって定義される： tan △θ＝ｄ／ｌ このように、一般的な構成では、走査角を約０．２０°
と特定して、tan △θが３．３×１０-3ラジアンとなる
ように、ｄを０．５ｃｍ、ｌを１５０ｃｍとすることが
できる。
【００２６】当業者には、本発明の電気光学素子を用い
て、ラスター出力走査装置において電子的な振れ修正を
も行ないうることが理解されよう。すなわち、本発明を
用いて達成可能な走査角の範囲は、走査用多面体の隣接
する小面間での整合の誤りを修正する上でも十二分なも
のとなっている。したがって、本発明の前記光学素子を
用いると、小面トラッキングの場合のように、多面体の
回転方向に垂直な方向と多面体の回転に平行な方向とに
レーザ光ビームを偏向させることができる。回転軸１６
ｂと小面傾斜軸１６ｃ（図では傾斜が誇張されている）
とを有した多面体１６を示してある図６に、振れ修正の
ための構成例が例示されている。小面傾斜角は、偏向角
△θ／２の１／２により定義される。再び前記図から、
実際には、ＲＯＳの後走査光学系内に走査レンズ１７を
介在させることが一般的であることがわかる。ほとんど
の静電写真の用途では、約０．０１°という一般的な振
れ修正で十分である。
【００２７】図１に点線で示すように、結像部材上の走
査開始点と走査終了点において、分割ダイオードまたは
検出器配列を用いることにより、本発明による電子的振
れ修正を実施してもよい。たとえば誤り信号のフーリエ
変換を用いて走査線における動的な周期的誤りの振幅と
位相と頻度とを判断し、その後この情報をルックアップ
テーブルの形で用いて光学素子５０に適切な修正信号を
供給するものであり得るコンピュータのアルゴリズムに
よって閉ループ制御装置を実現することもできる。この
ような制御装置の場合には、走査線一本分の時間の逆数
を下回る頻度で発生する小面の振れの測定と予想と修正
とを行なうことができる。さらに、第２レベルの修正と
して、走査線の長さの分割ダイオードを用いて誤り信号
を測定することにより、レーザが作用している時に常に
走査線全体に沿ってサンプル点を採ってもよい。この技
術によって得られたサンプル点により、修正の精度をさ
らに向上させるとともに、より高い頻度まで修正を拡張
させることができる。また別な代案として、二重光ビー
ム式ラスター出力スキャナからの一方の光ビームをビデ
オ信号によって変調せしめる一方で、第２の連続光ビー
ムを多面体の後に逸らせて分割ダイオードにあてる二重
光ビーム式ラスター出力スキャナと分割ダイオードとを
用いることによって振れ修正を実施してもよい。この場
合、コンピュータのアルゴリズムが不要になるように、
単に分割ダイオードからの誤り信号を最小限に抑えるこ
とによってリアルタイム閉ループ制御装置を実行させる
ことができる。また、その他さまざまな制御装置および
帰還装置を用いて、小面の移動運動における変動を修正
する機能を持たせることもできる。
【００２８】また、本発明の高速トラッキング素子およ
び装置を用いて、感光体の移動が一貫していない場合
に、運動品質修正を行なうこともできる。図７に、感光
体の運動の誤りを補正するために、光ビームを偏向させ
て線の位置を修正し得る、運動品質修正のための構成例
が示されている。これによって、走査線を感光体上に正
しく配置するために、公称走査線位置を距離ｄだけ転移
させることができる。光学素子と感光体との間の距離ｌ
は０．２５ｍに等しく、走査線１本分だけ転移させるた
めの横方向の寸法ｄは約４２マイクロメートル（１イン
チあたりの線を６００本と仮定する）に等しい一般的な
装置では、走査角の計算値は約０．０１°となる。この
要件は、本発明の素子によりごく容易なものとなり、感
光ベルトの動きを監視して運動の誤りを検出するととも
に、検出された運動の誤りに呼応して、たとえば図１に
示す制御線６０によりバイアス源を制御して運動品質修
正を行なうことによって、実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ラスター出力スキャナ（ＲＯＳ）のシステム
の一般的な光学的構成を示す平面図であって、前走査の
光路内に配設された本発明にしたがった光学素子を示す
図である。
【図２】 屈折率と、本発明に用いられるような強誘電
性液晶材料に印加される電圧との関係を示すグラフであ
る。
【図３】 本発明にしたがった前記光学素子の側面略図
である。
【図４】 本発明の前記光学素子における可変屈折率に
対する予想走査角を示す数値モデルである。
【図５】 本発明の前記光学素子を用いた小面トラッキ
ングＲＯＳ装置の水平面上における略図である。
【図６】 本発明の前記光学素子を用いた振れ修正ＲＯ
Ｓ装置のサジタル平面上における略図である。
【図７】 本発明の前記光学素子を用いた運動品質修正
ＲＯＳ装置のサジタル平面上における略図である。
【図８】 静電写真印刷機内において多色像を形成させ
るための従来技術による単光路形多重ＲＯＳ装置の斜視
略図である。
【符号の説明】
２ 感光体、１０ ＲＯＳ装置、１２ レーザ源、１６
回転多面体、１６ａ小面、１７ 走査レンズ、５０
光学素子、５１，５５ 外面、５２，５６ プリズム、
５６ａ 誘電部分、５３，５７ 電極、５４ チャン
バ、５８ 電源、６０，６２ 制御線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ 7348−2Ｋ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ビームを選択的に偏向させるための、
    次のものを含む光学素子：実質的に互いに隣接状態に配
    置されてその間にチャンバを形成する一対のプリズム要
    素を含む部材であって、前記チャンバが一方の縁部分
    からそれと対向する他方の縁部分まで次第に減少する幅
    を有する部材；及び前記部材の前記チャンバを実質的に
    満たす屈折率可変の材料。
JP5160858A 1992-09-25 1993-06-30 ラスター出力スキャナにおける高速トラッキング用素子 Pending JPH06118453A (ja)

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