JPS63273826A - レ−ザビ−ム走査系 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はレーザプリンタ等のレーザビーム走査系に関し
、特に１ドツト径を制御したり、環境の影響を受けやす
いプラスチックレンズ等の焦点位置等のずれを補償する
技術に係る。

（従来の技術） 従来のレーザプリンタの光走査系の一般的な構成及び動
作を第９図及び第１０図を参照して説明する。なお、第
９図は従来の光走査系の概略構成を示す側面図、第１０
図は平面図である。

第９図及び第１０図において、コリメータユニット２１
は半導体レーザと変調機構とを内蔵し、コリメータレン
ズによりレーザ光を集光するようになっている。コリメ
ータユニット２１から照射されたレーザ光は、ミラーモ
ータ２２上で図中矢印方向へ回転する回転多面鏡（ポリ
ゴンミラー）２３の鏡面に入射する。回転多面鏡２３で
反射されたレーザ光は第１のｆθレンズ２４を通過し、
水平同期用折返しミラー２５で反射され、更に補正レン
ズ２６を通過して受光素子（例えばＰＩＮダイオード）
２７の受光面に入射する。受光素子２７による光電変換
出力は水平同期検知回路２８へ出力される。こうして受
光素子２７にレーザ光が入射し、更に上記回転多面鏡２
３の回転によりレーザ光が受光面上で主走査方向に走査
されると、変換された電圧がしきい値を越えた時点で水
平同期検知回路２８により水平同期信号が得られる。こ
れによって図示しない制御装置でクロックをカウントし
始め、所定のカウント数に達した時点で画像データ信号
２９を変調回路３０を介して上記コリメータユニット２
１に出力する。

画像データ信号２９がコリメータユニット２１内の半導
体レーザに入力されると、半導体レーザはその信号に応
じてオン、オフされる。画像データ信号２９に対応する
レーザ光は上記回転多面鏡２３で反射され、第１のｆθ
レンズ２４を通過し、一対の折返しミラー８Ｌ　３２て
反射され、更に第２のｆθレンズ３３を通過して感光体
３４上で結像され、感光体３４上に所定の画像（静電潜
像）を形成する。

ところで、画質を変化させたり、階調を出すためには、
像面上の１ドツト径を制御することが行なわれる。従来
、１ドツト径を制御する方法としては、レーザパワーを
制御する方法と、１ドツト当りのレーザの点灯時間を制
御する方法があった。

しかし、レーザパワーを制御する方法では、現像条件の
変動によって像面上の１ドツトの大きさのばらつきが大
きくなるという問題があった。また、１ドツト当りのレ
ーザの点灯時間を制御する方法では、副走査方向の１ド
ツト径を変化させるのが難しいという問題があった。

また、コリメータレンズ等をプラスチック化すると、従
来は温度や湿度によってレンズの諸特性が大きく変動し
、像面てのビーム径が変動していたが、このような場合
でも上記の２つの方法では画像を全く補正できなかった
。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、現像条件が変動しても１ドツトのばらつきを小さく
し、しかも主走査方向、副走査方向の両方向のビーム径
を変化させることができ、また環境の変化によるビーム
径の変動も補正することができるレーザビーム走査系を
提供することを目的とする。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明のレーザビーム走査系は、少なくとも光源として
のレーザと、該レーザからのレーザ光を主走査方向へ偏
向させる回転多面鏡と、結像光学系とを具備したレーザ
ビーム走査系において、上記レーザとしてレーザ光波長
の可変なものを用い、その波長を制御する手段を設けた
ことを特徴とするものである。

上記のようにレーザ光波長の可変なレーザとしては、半
導体ダイオードレーザ、特に分布帰還型のもの（ＤＦＢ
レーザ）や、各種の色素レーザを挙げることができる。

こうしたレーザから出射するレーザ光の波長を変化させ
るには、例えば半導体ダイオードレーザの場合、圧力、
磁界、温度、注入電流等を変化させればよく、所定の制
御回路を用いて制御することができる。

（作用） レーザビームのファーフィールド広がり角や、レーザビ
ームが光学系を通ったときの集光の状態は、レーザ光の
波長によって異なることが知られている。本発明のレー
ザビーム走査系によれば、レーザ光波長の可変なレーザ
を用い、その波長を制御することができるので、上記の
現象を利用して、現像条件が変動しても１ドツトのばら
つきを小さくし、しかも主走査方向、副走査方向の両方
向のビーム径を変化させることができ、また環境の変化
によるビーム径の変動も補正することができる。

なお、通常、レーザ光の波長を変化させると、感光体の
光感度が変化するので、この現象を利用シテビームバワ
ーを変化させるのと同じ効果を得ることができる。また
、感光体の光感度の変動による線幅の変動を避けたい場
合には、レーザ光の波長を変化させるとともにレーザパ
ワーを変化させればよい。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。まず
、第１図及び第２図に基づいて、本発明の光走査系の全
体的な構成及び動作を概略的に説明する。なお、第１図
は本発明に係る光走査系の概略構成を示す側面図、第２
図は同光走査系の平面図である。

第１図及び第２図において、コリメータユニ・ソト１は
、波長の可変なレーザと変調機構とを内蔵し、プラスチ
ック製のコリメータレンズによりレ−ザ光を集光するよ
うになっている。なお、後記する発振周波数制御回路に
より、コリメータユニット］内のレーザから照射される
レーザ光の波長が変えられるようになっている。

上記コリメータユニット１から照射されるレーザ光は、
ミラーモータ２に取付けられ、図中矢印方向に回転する
回転多面鏡（ポリゴンミラー）３の鏡面に照射される。

この回転多面鏡３の鏡面は、その回転軸に対して平行で
はなく、回転軸に平行な面に対して所定の角度傾いてい
る。

この回転多面鏡３の鏡面と対向するように反射鏡４が設
けられており、上記コリメータユニット１から照射され
たレーザ光は、回転多面鏡３の鏡面で反射され、反射鏡
４で反射され、再び回転多面鏡３の鏡面で反射される。

上記のように回転多面鏡３の鏡面で再度反射されたレー
ザ光は、結像レンズ５へ入射される。この結像レンズ５
には、入射面Ａ、出射面Ｂ、反射面Ｃか形成されている
。以上の各面の形状は、球面形状でもよいし、非球面形
状、例えば結像レンズ５の長手方向（主走査方向）に沿
って曲率か変化する形状でもよい。また、この結像レン
ズ５の一端側には、水平同期検知及び副走査方向のビー
ム径検知のために、上記反射面Ｃと対向する反射面りと
出射面Ｂ′が形成されている。出射面Ｂ−は、主走査方
向に沿って出射面Ｂと同一形状をなしている。

まず、コリメータユニット１から照射され、回転多面鏡
３、反射鏡４で反射され、再度回転多面鏡３で反射され
たレーザ光は、結像レンズ５の入射面Ａから入射し、反
射面Ｃで反射され、反射面りで反射され、出射面Ｂ−か
ら出射し、更に遮光部材６に形成されたスリットを通過
して受光素子（例えばＰＩＮダイオード）７へ入射する
。受光素子７による光電変換出力は水平同期検知回路８
及び副走査ビーム径検知回路９へ出力される。こうして
受光素子７にレーザ光が入射し、更に上記回転多面鏡３
の回転によりレーザ光が受光面上で主走査方向に走査さ
れると、変換された電圧がしきい値を越えた時点で水平
同期検知回路８により水平同期信号が得られる。これに
よって図示しない制御装置でクロックをカウントし始め
、所定のカウント数に達した時点で画像データ信号１０
を変調回路１１を介してコリメータユニット１に出力す
る。また、この間に後記するようにスリットが形成され
た遮光部材６を利用して上記副走査ビーム径検知回路９
によって副走査方向のビーム径が測定され、場合によっ
てはその測定値に応じて発振周波数制御回路１２により
コリメータユニット１内のし〜ザから照射されるレーザ
光の波長が制御される。

上記のように画像データ信号１０がコリメータユニット
１内のレーザに入力されると、レーザはその信号に応じ
てオン、オフされる。画像データ信号１０に対応するレ
ーザ光は、上記と同様に回転多面鏡３、反射鏡４、再度
回転多面鏡３で反射され、更に結像レンズ５の入射面Ａ
、反射面Ｃ及び出射面Ｂを通過し、ｆθ特性、ビーム径
等を制御されて感光体１３上で結像し、感光体１３上に
画像（静電潜像）が形成される。なお、感光体１３表面
までの＝　９− 光路と上記遮光部材６までの光路とでは、光学配置が等
価となるように各光学系が配置されている。

上記のような結像レンズ５を用いれば、従来用いられて
いた折返しミラー等の光学系が不要となるため、コンパ
クト化に有利であり、調整も容易になる。

次に、各構成部刊について、図面を参照して更に詳細に
説明する。

第３図は回転多面鏡３と反射鏡４との間におけるレーザ
光の反射の様子を示す平面図である。この第３図を参照
して、レーザ光を回転多面鏡３で反射させ、反射鏡４で
反射させ、再び回転多面鏡３で反射させたときの偏向角
について説明する。

第３図において、Ｍは回転多面鏡３の１つの鏡面を示し
、４−はレーザ光の入射平面で切断した反射鏡４の断面
を示す。ここで、説明を簡単にするために、レーザ光は
光軸中心方向と垂直な方向から回転多面鏡３へ入射する
ものとし、また反射鏡４の特定の断面４′も光軸中心方
向と垂直になるように反射鏡４が配置されているとする
。なお、実際の装置では、レーザ光の入射方向及び反射
鏡４の特定断面の配置は、上記のように光軸中心方向と
直角になっていなくてもよいことは勿論である。

第３図図示のような配置の場合、Ｍ面の垂線が光軸中心
方向に対してθの角度をなしているとすると、出射光の
角度は一般にβ−４θとなる。βはレーザ光の入射方向
と反射鏡４の特定面の垂線とがなす角によって決まる値
であり、第３図では９０°である。すなわち、回転多面
鏡３てレーザ光を２回反射させるようにすれば、回転多
面鏡３がΔθだけ回転すると、出射光をΔ４θだけ偏向
させることができる。従来のようにレーザ光を回転多面
鏡で１回だけ反射させた場合には、回転多面鏡３がΔθ
たけ回転すると、出射光をΔ２θしか偏向させることが
できなかったのに比較すると、２倍の偏向角が得られる
ことがわかる。なお、出射光の角度はずれるが、このず
れは回転多面鏡３における出射位置と感光体１３上での
結像位置Ｐとが鏡像関係となるように配置すれば補正で
きる。

−１１＝ また、第３図では回転多面鏡３における２回の反射で反
射位置が移動するが、第１図に示すように回転多面鏡３
と反射鏡４との間で反射光を主走査平面に対して大きな
角度をもたせて折り返せば、主走査平面における移動量
は問題のない量となる。

上記第３図では１枚の反射鏡４を用いたが、第４図及び
第５図に示すように反射鏡４の代わりに反射面を２つ有
する反射用光学系を配置してもよい。なお、第４図及び
第５図は回転多面鏡３近傍の側面図だけを示しこれらに
対応する平面図は図示しないが、第３図の場合と同様に
、回転多面鏡３がΔθだけ回転すると出射光をΔ４θだ
け偏向させることができる。

第４図は、第３図の反射鏡４の代わりに、反射面が互い
に直交しているプリズム１４を配置した場合を示す。第
４図に示すように、回転多面鏡３に対してプリズム１４
が配置された場合、周知のようにレーザ光の入射方向と
出射方向とは等しくなる。

いいかえれば第４図中のγは全て等しい角度となる。こ
のような構成にすれば、回転多面鏡３の面一　１２　＝ 倒れに全く影響されずに、副走査方向に対しては入射光
の角度のみによって出射光の角度が決定される。したが
って、感光体１３での結像位置Ｐが結像レンズ系の副走
査方向の焦点位置となるように配置しておけば、回転多
面鏡３に面倒れのばらつきがあっても、感光体１３上で
の結像位置のばらつきはなくなる。

第５図は、第３図の反射鏡４の代わりに、互いの反射面
が角度φを持つように２枚の反射鏡１５．１５を配置し
た場合を示す。第５図に示すように、回転多面鏡３に対
して反射鏡１５．１５か配置された場合、出射光は入射
光に対して１８０’−２φの角・度を持つ。すなわち、
このような構成でも、回転多面鏡３の面倒れに全く影響
されずに、入射光の角度のみによって出射光の角度が決
定され、第４図の場合と同様の効果を得ることができる
。

また、回転多面鏡３の鏡面と走査平面とが垂直でないた
め、レンズ表面や感光体表面で反射され、更に回転多面
鏡３で反射された迷光は走査平面上からはずれ、画像上
に現われることはない。また、−１３＝ 回転多面鏡３へ光を導く反射用光学系の反射面で反射さ
れた迷光は再び走査平面に戻るが、反射面は１度目に光
が入射した鏡面上だけに配置され、隣合う鏡面上には配
置されないようにしているため、このような迷光はコリ
メータユニット１の方向へ導かれ、やはり画像上に現わ
れることはない。

第６図（ａ）〜（ｄ）を参照して、スリットが形成され
た遮光部材６を利用した副走査方向のビーム径の検知方
法について説明する。

第６図（ａ）に示すように、受光素子７の受光面（チッ
プ部分）７ａの前面に配置された遮光部材６には、主走
査方向（図中矢印Ｅで示される）に平行な辺と主走査力
方向に対してα≦４５°の角をなす辺とを有する直角三
角形のスリット６ａが設けられている。そして、走査ビ
ームのうちスリット６ａを通過したものだけが受光素子
７の受光面７ａに照射される。この部分は、例えば同図
（ｂ）のＦ〜■の各点を通過するビームスポットについ
て斜線で示される部分である。このときのレーザパワー
と時間との関係は同図（ｃ）のよう＝　１４− になる。また、レーザパワーの微分値と時間との関係は
同図（ｄ）のようになる。

上記の特性図のうち第６図（ｃ）の曲線の立ち」二がり
を基準として、水平同期信号を得ることができる。また
、同図（ｄ）の曲線から、以下のようにして副走査方向
のビーム径を近似的に測定することかできる。

いま、レーザ光の走査速度をＶ　Ｓ　ｓスリット６ａの
短辺の位置をＯとしてその位置から主走査方向への距離
をＸとすると、Ｖ　Ｓ　＝　ｄ　ｘ　／　ｄ　ｔとなる
。また、強度分布（主走査方向よりαだけ傾いた辺上の
強度を積分したもの）■をＩ＝ｄＰ／ｄｘとすれば、 ｄｘ　　　ｄｉ　　　ｄｘ　　　ｄｔ　　　Ｖｓとなり
、第６図（ｄ）の縦軸と強度分布■とを対応づけること
ができる。そして、角度αが小さいときには、第６図（
ｄ）のマイナス側の曲線はガウス分布をしていると近似
することができる。一方、周知のようにレーザ光の強度
分布はガウス分布を示し強度分布とビーム径とが対応す
るとして取扱うことができる。したがって、これら２つ
のガウス分布曲線を対応させることにより、副走査方向
のビーム径を近似的に測定することができる。

すなわち、ビーム径をモニターするための任意の強度分
布ＩＤを設定し、ｄＰ／ｄｔＯ値がＩＤ・ＶＳであると
きの時間間隔をΔｔとすると、副走査方向のビーム径は
Δｔ−Ｖｓで近似できる。こうした副走査方向のビーム
径の測定は、副走査ビーム径検知回路９で行なわれる。

このようにして得られた副走査方向ビーム径に関する信
号は、図示しない制御装置に入力され、ビーム径が予め
設定された最適な値となるような制御が行なわれる。こ
の結果、温度や湿度の変化にかかわらず自動的に安定し
た画像を得ることができる。また、以下に述べるように
、上記信号は発振周波数制御回路１２へ入力され、コリ
メータユニット１内のレーザから照射されるレーザ光の
波長を制御して例えば所望のビーム径を得るためにも利
用される。

−１６＝ なお、遮光部材６と受光素子７の受光面７ａとの間に主
走査方向及び／又は副走査方向に光を集光させるレンズ
を設け、受光面７ａが焦点位置となるように配置してお
けば、遮光部材６に形成するスリット６ａの大きさを大
きくしても上記と同様な効果を得ることができる。この
ような構成にすれば、受光面７ａに光が照射される時間
を長くすることができるので、クロックによる分解能が
高くなり、副走査方向ビーム径の測定精度を向上させる
ことができる。

第７図を参照して、レーザ光の波長を変化させてビーム
径を制御する原理について説明する。なお、第７図中、
ｆは焦点距離、Ｒは等位相波面の曲率半径、Ｗは１／ｅ
２ビーム径、λは波長である。また、各記号に添字１又
は２がつくときは、１は物体側、２は像側を表わす。

いま、レンズ系（この場合コリメータユニット内のコリ
メータレンズ系）の主面における複素パラメータをｑｌ
、ｑ２とすると、 １　／　Ｒ２−１／　Ｒ１１／　ｆ 及び １／Ｑ１＝１／Ｒ１ｉλ／πｗ２ １／Ｑ２　＝１／Ｒ２−ｉλ／πｗ２ であるから、 １／ｑ２＝１／ｑ１　１／ｆ　　　　■となる。

また、レンズ系の主面から物体側及び像側のビームウェ
ストまでの距離を光の進行方向に沿ってそれぞれＺｌ　
、−ｚ２とし、ウェスト面の複素パラメータをそれぞれ
ｑｌ−１ｑ２−とすると、ｑｌ　−−ｉπｗ１２／λ　
　　　　■ｑ２−＝ｉπｗ２２／λ　　　　　■ Ｑ１＝Ｑ１−＋Ｚ１　　　　　　　　■ｑ２　＝ｑ２　
　　　Ｚ２　　　　　　　　　■で表わされる。０〜０
式を０式に代入すると、となる。この０式の分母を払っ
て実数部、虚数部を対比すると、 ｗ２＝Ｗ１ｆ／（Ｊ（ｚｌ−ｒ）２＋６２）　　　　■
Ｚ２−　ｒ［１＋ｆ（Ｚｌ−ｆ）／ＩＺ１−　ｆ）２＋
δ２］］　　■となる。ここで、δ＝πＷ１２／λであ
る。

■、■式から明らかなように、ｌｚｌ　　ｆｌの変動範
囲とδの制御範囲とをほぼ同じにしておけば、１ｚ、−
ｆｌの変動をδすなわちλを制御することにより補償す
ることができる。逆に、ＩＺ、−ｆｌが変動しないとき
にλを変化させると、ｚ２、ｗ２を変動させることがで
きる。

なお、第８図に示すように、レーザ光の波長を例えば［
ｉ５０ｎｍと　７００ｎｍとの間で変化させると、感光
体１３の光感度が変化するので、この現象を利用してビ
ームパワーを変化させるのと同じ効果を得ることができ
る。また、感光体１３の光感度の変動による線幅の変動
を避けたい場合には、レーザ光の波長を変化させるとと
もにレーザパワーを変化させればよい。

上記実施例によれば、レーザ光の波長を変化させること
により、現像条件が変動しても１ド・ソト径のばらつき
を小さくして１ドツト径を安定させることかできる。ま
た、レーザ光の波長を変化させることにより、主走査方
向、復走査方向の両方向ともにビーム径を変化させるこ
とができる。更に、プラスチック製のコリメータレンズ
等を用いた場合でも、環境の変化によるｆの変動を補正
することができる。

なお、本発明のレーザビーム走査系は、例えば光ディス
ク等への応用も期待できる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明のレーザビーム走査系によれ
ば、１ドツト径を安定させ、しかも主走査方向、副走査
方向の両方向のビーム径を変化させることができ、また
環境の変化によるビーム径の変動も補正することができ
る等顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるレーザビーム走査系の
概略構成を示す側面図、第２図は同レーザビーム走査系
の概略構成を示す平面図、第３図は同レーザビーム走査
系の回転多面鏡及び反射鏡を示す平面図、第４図は本発
明の他の実施例におけるレーザビーム走査系の回転多面
鏡とプリズムとを示す側面図、第５図は本発明の更に他
の実施例におけるレーザビーム走査系の回転多面鏡と２
枚の反射鏡とを示す側面図、第６図（ａ）は本発明の実
施例におけるレーザビーム走査系のスリットと受光素子
の受光面とを示す斜視図、同図（ｂ）は受光素子の受光
面に照射されるレーザビームの説明図、同図（Ｃ）はレ
ーザビームのパワーと時間との関係を示す特性図、同図
（ｄ）はレーザビームのパワーの微分値と時間との関係
を示す特性図、第７図はレーザビームの結像公式を導く
ための説明図、第８図はレーザ光の波長と感光体の光感
度との関係を示す特性図、第９図は従来のレーザビーム
走査系の概略構成を示す側面図、第１０図は同レーザビ
ーム走査系の概略構成を示す平面図である。 １・・・コリメータユニット、２・　ミラーモータ、３
・・・回転多面鏡、４・・・反射鏡、５・・・結像レン
ズ、６・・・遮光部利、７・・・受光素子、８・・・水
平同期検知回路、９・・・副走査ビーム径検知回路、１
０・・・画像データ信号、１１・・変調回路、１２・・
・発振周波数制御口路、１３・・・感光体、１４・・・
プリズム、１５・・・反射鏡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも光源としてのレーザと、該レーザからのレー
   ザ光を主走査方向へ偏向させる回転多面鏡と、結像光学
   系とを具備したレーザビーム走査系において、上記レー
   ザとしてレーザ光波長の可変なものを用い、その波長を
   制御する手段を設けたことを特徴とするレーザビーム走
   査系。