WO1992021069A1 - Image-forming device - Google Patents

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WO1992021069A1
WO1992021069A1 PCT/JP1992/000620 JP9200620W WO9221069A1 WO 1992021069 A1 WO1992021069 A1 WO 1992021069A1 JP 9200620 W JP9200620 W JP 9200620W WO 9221069 A1 WO9221069 A1 WO 9221069A1
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WO
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laser beam
laser
light
lens
scanning
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PCT/JP1992/000620
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Nozomu Inoue
Kyu Takada
Hajime Kurihara
Yoshiro Koga
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Seiko Epson Corporation
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Definitions

  • An aperture stop is provided at a position where at least a part of the laser beam overlaps, and the power of the laser beam after passing through the aperture stop is the largest.
  • the power of a laser beam is set to 1 and the other laser beams have a height of 0.9 or more, respectively.
  • the cross-sectional shape of the emission beam can be freely set according to the arrangement of the optical resonators. Also in this case, the direction of the polarization plane is determined by the plane shape of each resonator, so even if a synthesized elliptical laser beam is obtained, its long axis and polarization The direction of the surface can be set independently.
  • FIG. 17 is a sectional view of the optical path of a conventional image forming apparatus.
  • FIG. 17 is an optical path sectional view perpendicular to the scanning plane of the image carrier of the image forming apparatus and including the optical axis of the laser beam. The optical axis is turned around the small face 8 of the rotating polygon mirror of the image forming apparatus.
  • the laser beam emitted from the semiconductor laser 101 is radiated at a divergence angle e. This beam has a focal length of fc.
  • Remeter lens Remeter lens
  • each beam is once focused on the facet 108 of the rotating polygon mirror by the tilt correction lens 107.
  • the beam deflected by the rotating polygon mirror becomes the parallel beam again after exiting the second tilt correction lens 107 ', and the imaging lens with the focal length i According to 104, the spot 106 is connected on the image carrier.
  • the tilt correction lenses 107 and 107 ' have no optical power, so the beam remains parallel in that plane. It is. That is, the beam is formed as a line image on the small face 108 of the rotary polygon mirror.
  • the tilt correction lenses 107 and 107 ' are symmetric with respect to the facet 108 of the polygon mirror, and the exit beam diameter of the lens 107' and the lens 10 '
  • the incident beam diameter of 7 is equal.
  • the focal length fc of the collimator lens 102 is about 3 mm.
  • the shape of the imaging spot of the laser beam on the image carrier is short in the scanning direction. They are often elliptical so that their axes coincide. Therefore, as described above, if the direction of the polarization plane of the laser beam is inclined by 45 degrees with the long axis direction of the cross section of the composite ellipse beam, the long axis of the composite emission beam coincides with the scanning direction. Half as if to let me If a conductor laser is placed, its polarization plane will be tilted 45 degrees from the beam scanning plane.
  • the cross-sectional area of the light-emitting portion 22a of the laser beam is smaller than that of a conventional edge-emitting semiconductor laser. Lasers because they are larger than
  • NII Surface emitting semiconductor laser with embedded group VI compound semiconductor
  • the center of the reflection surface 2 15 is designed to coincide with the rotation axis A. Then, when the laser beam 217 is made to enter the vicinity of the rotation axis A on the reflection surface 215, even if the reflection surface 215 is rotated, the laser beam 221 is rotated. Since 7 is almost at one point on the reflecting surface 2 15, the size of the reflecting surface can be very small as compared with the conventional rotating polygon mirror.
  • the image forming apparatus of the present invention by using a rotating mirror having only one flat reflecting surface as a deflector, deflection is achieved.
  • the rotating part of the vessel becomes smaller and lighter, not only is it easier to manufacture, but also the dynamic vibration characteristics are improved.
  • the elimination of the tilt correction optical system and the elimination of an anamorphic optical system make it extremely simple. With a simple configuration, a scanning optical system that can be easily assembled and adjusted can be realized. Furthermore, by using the multi-beam method, it is possible to maintain the same scanning speed as before.
  • Fig. 33 is a sectional view of the optical path of a conventional image forming apparatus.
  • the optical axes are mutually multiplied.
  • the size of the lens that composes the reflecting surface of the deflector and the optical system is one laser. There is a problem that the size becomes extremely large as compared with the case where scanning is performed using a beam.
  • window-shaped electrodes 329 and 330 are formed on the entire back surface of the GaAs substrate 322 and around the dielectric multilayer reflective layer on the front surface, and the whole is optically resonant.
  • the container is composed.
  • the light generated in the active layer reciprocates between the upper and lower reflective layers 327 and 323 in the direction perpendicular to the substrate surface and oscillates, so that the laser beam 331
  • the optical axis is almost perpendicular to the substrate surface.
  • a III-VI compound semiconductor is embedded as a buried layer 332.
  • ⁇ — Group VI compound semiconductors include Zn, Cd, and Hg as Group IV elements, and 0, S, Se, and Te as Group VI elements in combination of 2 to 4 elements.
  • the cross-sectional area of the emission part of the laser beam is larger than that of a conventional edge-emitting semiconductor laser.
  • the expansion angle of the user beam becomes smaller.
  • the size of this divergence angle is determined by the interview of the injection window, but the area can be controlled accurately by etching etc., so the divergence angle is also fixed. be able to .
  • such a surface-emitting semiconductor laser can efficiently confine current and light in the laser resonator, and emits light per light-emitting portion.
  • the optical system provided between the light source and the rotary polygon mirror is not limited to the collimating lens for collimating the beam. Is also good.
  • the beam path is opened at a position on the optical path between the surface-emitting semiconductor laser array and the deflector where a plurality of beam cross-sections substantially overlap with each other.
  • k is a constant
  • S is the wavelength of the laser beam
  • f is the focal length of the imaging lens
  • D is the diameter of the aperture stop.
  • the condition of equation (19) and the condition of equation (21) are both satisfied.
  • s ⁇ 58 mm, and the aperture stop 503 is the same as the collimator lens 502 and the deflecting surface 5 05 Can be placed at any time between the two.
  • s ⁇ 28 mm, and the aperture stop 503 is the collimator. 02 Any distance between the overnight lens 502 and the focal length of the collimator lens 502 from the focal point on the deflection side to the deflection surface on the deflection side. It can be placed in any position.

Description

明 細 画 像 形 成 装 置
< 技術分野 >
本発明 は レ ー ザ一 ビー ム の走査 に よ っ て像担持体上 に 潜像を形成す る 画像形成装置 に関す る 。
< 背景技術 >
従来、 レ ー ザ一 ビー ム に よ り 像担持体上に 静電潜像を 形成 し 、 電子写真プ ロ セ ス に よ り 紙上に高速 に 印刷を行 な う 画像形成装置力《、 コ ン ピ ュ ー タ 、 フ ァ ク シ ミ リ 、 多 機能複写機等の 出力装置 と し て広 く 用 い ら れて き た。 そ し て、 近年、 出力速度の 向上がよ り 一層望 ま れ、 そ の改 良が進んで い る
例え ば回転多面鏡型偏向装置を用 い た画像形成装置で は、 そ の鏡面の小面の 1 つ に つ き 1 本の レ ー ザー ビー ム を偏向 さ せて 1 本の走査線を描 く の で、 単位時間当 り の 走査数を増加 さ せ る に は、 回転多面鏡の小面の数が一定 の場合、 そ の 回転数が大 き く な る 。 逆に 回転数が一定の 場合 に は、 回転多面鏡の面数が增加す る 。 回転多面鏡の 回転数を增加 さ せ る に は、 気体 ま た は液体の動圧 ま た は 静圧を利用 し た軸受が必要 と な る が、 こ れ ら の軸受 は高 価で取扱が難 し く 一般的な レ ー ザ一 ビー ム プ リ ン 夕 に用 い る こ と は困難であ っ た。 逆 に 多面鏡の面数を增加 さ せ る と 、 偏向角が小さ く な る の で、 偏向装置以降の光路長 が長 く な る 。 ま た結像光学系に入射す る レ ー ザ一.ビー ム の コ リ メ 一 ト 径が光路長 に比例 し て大 き く な り 、 レ ン ズ や回転多面鏡の大 き さ も大 き く な る 。 特に、 高い解像度 が要求 され る 場合は、 走査線の数が増え る た め、 よ り 大 き い回転数と 、 長い光路長が必要と な る 。 こ の こ と は、 偏向装置 に回転多面鏡以外の も の を用 い る 場合で も 同様 の現象であ り 、 走査周波数の増大 と 、 偏向装置以降の光 路長の増加を も た らす。 そ の た め一度の走査で、 複数の レ ー ザー ビー ム を用 い て複数の走査線を書 き 込む （い わ ゆ る マルチ ビー ム） 露光方法が開発さ れてい る 。
複数の レ ー ザ一 ビー ム を得 る た め に は、 複数の ガス レ 一ザ一 （例え ば、 H e — N e ) 発振器を光源 と し て用 い た り 、 1 つ の発振器の レ ー ザー ビー ム を音響光学変調器 C A 0 M ) な どで時分割的 に複数に振 り 分け た り す る 方 法 も 開発 さ れたが、 よ り 簡潔で装置が小型に な る 方法 と し て、 例え ば特開昭 5 4 — 7 3 2 8 に示すよ う に、 1 つ の素子上に複数の レ ー ザ一 ビー ム射出用発光部を集積 し た 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ が光源 と し て用 い ら れ る よ う に な っ て き た。
半導体 レ ー ザー ァ レ イ を用 い た画像形成装置 につ い て 以下説明す る 。 画像形成 S は、 1 つ の基板上に集積 さ れた レ ー ザ一 ア レ イ を光源 と し て用 い てお り 、 各発光部 の ビー ム放射点は半導体の素子基板の端面に あ る 。 複数 の レ ー ザー ビー ム は共通の コ リ メ ー タ レ ン ズ に よ っ て各 々 略一定の 直径を持つ レ ー ザー ビー ム に コ リ メ 一 卜 さ れ 回転多面鏡 （偏向装置） の 1 つ の小面に入射す る 。 こ こ で小面の 回転に伴 っ て、 レ ー ザ— ビー ム は偏向 さ れ、 結 像 レ ン ズを経由 し てス ポ ッ 卜 に集束 さ れ、 像担持体を露 光 し て静電潜像が形成 さ れ る 。 形成 さ れた静電潜像 は、 電子写真プ ロ セ ス に従 っ て、 現像 さ れ紙の上に転写 さ れ 最後 に定着が行な われ る 。 ま た 、 特開昭 5 4 —
1 5 8 2 5 1 に示 さ れて い る よ う に 、 像担持体上で同時 に走査す る 走査線の 間隔を小 さ く す る た め、 レ ー ザー ァ レ イ の発光部は走査面に対 し て あ る 角度を持 っ て配置 さ れ て い る 。
他方、 こ の よ う な半導体 レ ー ザ一 ア レ イ を用 い た画像 形成装置 に対 し 、 従来か ら 高速かつ高解像度の走査を行 な う こ と がで き る 画像形成装置が求め ら れて い る 。 し か し なが ら 従来の画像形成装置で は、 高速かつ高解像度の 走査を十分実現す る こ と がで き な い のが実情であ る 。 < 発明の開示 >
本発明 は こ の よ う な点を考慮 し て な さ れた も のであ り 高速かつ高解像度の レ ー ザー ビ一ム走查を行な う こ と が で き る と と も に 、 コ ン ノ、° ク ト な 画像形成装置を提供す る こ と を 目 的 と す る 。
本発明 の第 1 の特徴は、 表面 に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 帯電 し た前記像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビ ー 厶 を走査す る レ ー ザー ビー ム 走査装置 と 、 レ ー ザー ビ ー ムが走査 さ れた前記像担持体の表面に現像剤を付着 さ せ る現像器 と を備え、 前記 レ ー ザー ビー ム走査装置 は素 子基板上に レ ー ザー ビー ム の発光部が複数形成 さ れた半 導体 レ ー ザ一 ア レ イ と 、 前記発光部か ら の レ ー ザー ビー ム を前記像担持体の表面へ偏向 さ せ る 偏向装置 と を有 し 、 前記発光部は前記半導体 レ ー ザー ァ レ イ 表面に 2 次元状 に配置 さ れる と と も に、 各発光部は個別に そ の点灯お よ び光量が制御可能であ る こ と を特徴 と す る 画像形成装置 ■あ る。
本発明の第 2 の特徴は、 素子基板上に レ ー ザー ビー ム の発光部が複数形成 さ れた半導体 レ ー ザー ア レ イ と 、 前 記発光部か ら の レ ーザ一 ビー ム を偏向 さ せ る 偏向装置 と を有 し 、 前記発光部は前記半導体ア レ イ 表面に 2 次元状 に配置 さ れ る と と も に、 各発光部は個別に そ の点灯お よ び光量が制御可能 と な っ てい る こ と を特徴 と す る レ ー ザ 一 ビー ム 走査装置であ る 。
本発明の第 3 の特徴は、 表面に静電潜像が形成 さ れる 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 、 帯 ¾ し た前記像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビ ー ム を走査す る レ ー ザー ビー ム走査装置 と 、 レ ー ザー ビ ― ムが走査 さ れた前記像担持体の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像器 と を備え 、 前記 レ ー ザー ビー ム走査装置 は素 子基板上に レ ー ザー ビ ー ム の発光部が形成 さ れた半導体 レ ー ザー と 、 前記発光部か ら の レ ー ザー ビ ー ム を前記像 担持体の表面へ偏向 さ せ る 偏向装置 と を有 し 、 前記発光 部 は前記素子基板面 に対 し 略垂直な光軸を有す る こ と を 特徴 と す る 画像形成装置であ る 。
本発明 の第 4 の特徴は、 素子基板上 に レ ー ザー ビ ー ム の発光部が形成 さ れた半導体 レ ー ザー と 、 前記発光部か ら の レ ー ザ— ビ ー ム を偏向 さ せ る 偏向装置 と を有 し 、 前 記発光部 は前記素子基板面 に対 し 略垂直な光軸を有す る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビ ー ム走査装置であ る 。
本発明 の第 5 の特徴は、 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 、 帯電 し た像担持体の表面 に対 し て複数の レ ー ザ ー ビー ム を走査す る レ ー ザー ビー ム走査装置 と 、 レ ー ザー ビー ム が走査 さ れた像担持体の表面 に現像剤を付着 さ せ る 現像 器 と を備え 、 前記 レ ー ザー ビ ー ム走査装置 は複数の レ ー ザ一 ビー ム を射出す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ と 、 前記複 数の レ ー ザー ビ ー ム の各 々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と 、 前記 コ リ メ ー タ ー レ ン ズで平行化 さ れた複数の レ — ザ一 ビー ム の方向 を周期的 に偏向す る 偏向装置 と 、 前 記偏向装置 に よ っ て偏向 さ れた レ ー ザ一 ビ ー ム を前記像 担持体上 に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ と を有 し 、 前記偏向装 置 は 1 つ の反射面を有す る 回転鏡で あ る こ と を特徴 と す る 画像形成装置であ る 。 本発明の第 6 の特徴は、 複数の レ ー ザー ビー ム を射出 す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ と 、 前記複数の レ ー ザー ビ一 ム の各々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と 、 前記 コ リ メ 一 タ一 レ ン ズで平行化 さ れた複数の レ ー ザー ビー ム の方 向を周期的に偏向す る 偏向装置 と 、 前記偏向装置に よ つ て偏向 さ れた レ ー ザ一 ビー ム を像担持体上に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ と を有 し 、 前記偏向装置は 1 つ の反射面を有 す る 回転鏡であ る こ と を特徴 と す る レ ー ザー ビー ム走査 装置であ る 。
本発明の第 7 の特徴は、 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 、 帯電 し た像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザ一 ビー ム を走査す る レ ー ザ一 ビー ム走査装置 と 、 レ ー ザ一 ビー ム が走査 さ れた像担持体の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像 器 と を備え、 前記 レ ー ザ一 ビー ム走査装置は レ ー ザー ビ ー ム を射出する発光部を複数有す る半導体 レ ー ザー ァ レ ィ と 、 前記複数の レ ー ザー ビー ム の各々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と 、 前記 コ リ メ ー タ ー レ ン ズで コ リ メ 一 ト さ れた複数の レ ー ザ一 ビー ム の方向を周期的 に偏向す る 偏向装置 と 、 前記偏向装置 に よ っ て偏向 さ れた レ ー ザ 一 ビー ム を前記像担持体上に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ と を 有 し 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズの焦点距離を f c 、 前記半 導体 レ ー ザ一 ア レ イ 上の複数の発光部の う ち 、 相互の距 離の最 も遠い 2 つ の発光部の 間隔を <5 m a x と す る と 、 f c / δ m a x > 2 5
であ る こ と を特徴 と す る 画像形成装置であ る 。
本発明 の第 8 の特徴は、 レ ー ザー ビ ー ム を射出す る 発 光部を複数有す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ と 、 前記複数の レ ー ザー ビー ム の各 々 を平行化す る コ リ メ ー タ レ ン ズ と 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズで コ リ メ ー ト さ れた複数の レ ー ザ 一 ビー ム の方向 を周期的 に偏向す る 偏向装置 と 、 前記偏 向装置 に よ っ て偏向 さ れた レ ー ザ ー ビー ム を前記像担持 体上に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ と を備え 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点位置を f c 、 前記半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ 上 の複数の発光部の う ち 、 相互の距離の最 も遠い 2 つ の発 光部の 間隔を 5 m a X と す る と 、
f c / δ m a X > 2 5
であ る こ と を特徴 と す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置であ る 。
本発明 の第 9 の特徴は、 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 、 帯電 し た像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビー ム を走査す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置 と 、 レ ー ザ一 ビ ー ム が走査 さ れた像担持体の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像 器 と を備え 、 前記 レ ー ザー ビ ー ム走査装置 は レ ー ザ一 ビ ー ム を射出す る 複数個の発光部が素子基板上に設け ら れ た半導体 レ ー ザー ア レ イ と 、 前記発光部か ら 射出 さ れ る レ ー ザー ビ ー ム を偏向す る te向装置 と を有 し 、 前記半導 体 レ ー ザ 一 ァ レ イ カ、 ら射出 さ れ る レ ー ザ ー ビ ー ム の 中心 軸は、 前記素子基板面に対 し て略垂直であ り 、 前記半導 体 レ ー ザー ア レ イ と 前記偏向装置 と の間の光路上に おい て、 複数の レ ー ザー ビー ム の断面の少な く と も一部が重 な り 合 う 位置に開口絞 り を設け、 前記開 口絞 り を通過 し た後の複数の レ ー ザー ビー ム の う ち 、 パ ワ ーが最大であ る レ ー ザ一 ビー ム につ い て、 そ の パ ワ ー を 1 と し た と き に 、 そ の他の レ ー ザー ビー ム の ' ヮ 一 が各 々 0 . 9 以上 と な る こ と を特徴とする 画像形成装置であ る 。
本発明の第 1 0 の特徴は、 レ ーザー ビー ム を射出す る 複数個の発光部が素子基板上に設け ら れた半導体 レ ー ザ 一ア レ イ と 、 前記発光部か ら射出 さ れ る レ ー ザー ビー ム を偏向す る偏向装置 と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ァ レ ィ か ら射出 さ れる レ ー ザー ビー ム の 中心軸は、 前記素子 基板面に対 し て略垂直であ り 、 前記半導体 レ ー ザー ァ レ ィ と 前記偏向装置 と の間の光路に おい て、 複数の レ ー ザ 一 ビー ム の断面の少な く と も一部が重な り 合 う 位置に開 口絞 り を設け、 前記開口絞 り を通過 し た後の複数の レ ー ザ一 ビー ム の う ち 、 パ ワ ーが最大であ る レ ーザ一 ビー ム につ いて、 そ の ° ヮ一を 1 と し た と き に、 そ の他の レ 一 ザ一 ビー ム のパ ワ ーが各々 0 . 9 以上 と な る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビー ム走査装置であ る 。
本発明の第 1 1 の特徴は、 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 、 帯電 し た像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビ — ム を走査す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置 と 、 レ ー ザー ビ ー ム が走査 さ れた 像担持体の表面 に現像剤を付着 さ せ る 現像器 と を備え、 前記 レ ー ザ一 ビー ム走査装置 は レ ー ザ 一 ビー ム を射出す る 複数個の発光部を有す る 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ と 、 前記発光部か ら 射出 さ れた レ ー ザ一 ビー ム を平行 ビ ー ム 化す る た め の コ リ メ ー タ レ ン ズ と 、 レ ー ザ一 ビ ー ム を偏向す る 偏向装置を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ァ レ イ と 前記偏向装置 と の 間 の光路上 に 開 口絞 り 力く 設け ら れ、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点距離を f 、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの前記偏向装置側の焦点 と 前記開 口絞 り と の 間隔を s 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズの光軸力、 ら 最 も 離れた位置 に配置 さ れた発光部 と 前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開 口絞 り の 直径を D 、 前記平行 ビ ー ム の 直径を d と す る と き 、
s t / D 、 2 · 3
≤ 0 . 1 2 + 0 . 1 7
f d ノ
D
9
d な る 条件を満足す る こ と を特徴 と す る 画像形成装置であ る o
本発明 の第 1 2 の特徴は、 表面 に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体 と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 と 、 帯電 し た像担持体の表面 に対 し て複数の レ ー ザー ビ ー ム を走査す る レ ー ザ一 ビー ム 走査装置 と 、 レ ー ザ一 ビ 0 ー ムが走査 さ れた像担持体の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像器 と を備え、 前記 レ ー ザー ビ ー ム走査装置は レ ー ザ 一 ビー ム を射出す る複数個の発光部を有する 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ と 、 前記発光部か ら射出 さ れた レ ー ザ一 ビー ム を平行 ビー ム 化す る た めの コ リ メ ー タ レ ン ズ と 、 レ ー ザ一 ビー ム を偏向す る 偏向装置 と を有 し 、 前記半導体 レ 一 ザ一 ァ レ イ と前記偏向装置 と の 間の光路上に開 口絞 り が設け ら れ、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ の焦点距離を f 、 前 記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ の前記儒向装置側の焦点 と 前記開 口 絞 り と の間隔を s 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ の光軸か ら最 も離れた位置に配置 さ れた発光部 と前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開口絞 り の直径を D 、 前記平行 ビー ム の直径を d と す る と き 、
Figure imgf000012_0001
D
つ
d な る 条件を満足す る こ と を特徴と す る 画像形成装置であ 本発明の第 1 3 の特徴は、 レ ー ザー ビー ム を射出す る 複数個の発光部を有す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ と 、 前記 発光部か ら射出 さ れた レ ー ザー ビ ー ム を平行 ビ ー ム 化す る た めの コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と 、 レ ー ザー ビー ム を偏向す る 偏向装置 と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ア レ イ と前記 1
偏向装置 と の 間の光路上に開 口絞 り が設け ら れ、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離を f 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズ の前記偏向装置側の焦点 と 前記開 口絞 り と の 間隔を s 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズの光軸か ら最 も離れた位置 に配置 さ れた発光部 と 前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開 口絞 り の 直径を D 、 前記平行 ビ ー ム の 直径を d と す る と き 、 s t D 2 . 3
≤ 0 2 + 0 1 7
d
D
2
d な る 条件を満足す る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビ ー ム走 查装置であ る
本発明 の第 1 4 の特徵 は 、 レ ー ザ一 ビ ー ム を射出す る 複数個の発光部を有す る 半導体 レ ー ザ一ア レ イ と 、 前記 発光部か ら射出 さ れた レ ー ザ一 ビ ー ム を平行 ビ ー ム 化す る た め の コ リ メ ー タ レ ン ズ と 、 レ ー ザ一 ビ ー ム を偏向す る 偏向装置 と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ァ レ ィ と 前記 偏向装置 と の 間の光路上 に開 口絞 り が設け ら れ、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離を f 、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ の前記偏向装置側の焦点 と 前記開 口絞 り と の 間隔を s 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズの光奉田力、 ら 最 ち 離れた位置 に配置 さ れた発光部 と 前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開 口絞 り の 直径を D 、 前記平行 ビ一ム の 直径を d と す る と さ 、 s t D · 9
≤ 0 . 0 6 + 0 . 0 8
f 、 d ノ
D
≤ 2
d な る 条件を満足す る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビー ム走 查装置であ る 。
< 図面の簡単な 説明 >
図 1 は本発明 に よ る 画像形成装置の第 1 の実施例を示 す レ ー ザー走査光学系の概略図、
図 2 は画像形成装置を示す側面図、
図 3 は面発光型半導体 レ ー ザー ァ レ イ の光共振器の断 面図、
図 4 は位相同期の面発光型半導体 レ ー ザー ァ レ イ の発 光部を示す斜視図、
図 5 は走査線に対す る ス ポ ッ 卜 位置の関係を示す配置 図、
図 6 は位相同期の面発光型半導体 レ ー ザー ア レ イ の発 光部の光共振器の配置図、
図 7 は一般的な端面発光型半導体 レ ー ザ— ア レ イ の概 念図、
図 8 は一般的な レ ー ザ走査光学系の光路断面図、 図 9 は走査線に 対す る ス ポ ッ ト 位置の関係を示す配置 、 図 1 0 は一般的な金属 ミ ラ 一 の P 偏向 お よ び S 偏向 の 反射率を示す説明図、
図 1 1 は レ ー ザ 一 ビ ー ム の コ リ メ ー ト 径の調整方法を 示す概略図、
図 1 2 は本発明 に よ る 画像形成装置の第 2 の実施例を 示す レ ー ザー走査光学系の概略図、
図 1 3 は画像形成装置を示す側面図、
図 1 4 は面発光型半導体 レ ー ザ一 の光共振器の断面図 図 1 5 は位相 同期の面発光型半導体 レ ー ザー ア レ イ の 発光部を示す斜視図、
図 1 6 は位相同期の面発光型半導体 レ ー ザー ア レ イ の 発光部の光共振器の配置図、
図 1 7 は一般的な レ ー ザ走査光学系の走査線 と 直角 方 向の光軸断面図、
図 1 8 は一般的な半導体 レ ー ザ一 の概略図、
図 1 9 は一般的な金属 ミ ラ ー の P 偏向 お よ び S 偏向 の 反射率を示す説明 図、
図 2 0 は本発明 に よ る 画像形成装置の第 3 の実施例を 示す レ ー ザ走査光学系の概略図
図 2 1 は画像形成装置を示す側面図、
図 2 2 は走査面内での光路断面図、
図 2 3 は面発光型半導体 レ ー ザ一 の光共振器の断面図 図 2 4 は走査線 に対す る ス ポ ッ ト 位置の関係を示す配 置図、 図 2 5 は ビー ム偏向装置の平面図、
図 2 6 は一般的な回転多面鏡を用 い た ビ ー ム偏向装置 の作動図、
図 2 7 は一般的な レ ー ザー ビ ー ム走査光学系の光路断 面図、
図 2 8 は一般的な端面発光型半導体 レ ー ザー の概略図、 図 2 9 は本発明 に よ る 画像形成装置の第 4 の実施例を 示す レ ー ザー走査光学系の概略図、
図 3 0 は画像形成装置を示す側面図、
図 3 1 は面発光型半導体 レ ー ザー の光共振器の断面図、 図 3 2 は走査線に対す る ス ポ ッ ト 位置の関係を示す配 置図、
図 3 3 は一般的な レ ー ザー ビ ー ム走査光学系の光路断 面図、
図 3 4 は一般的な マ ルチ ビー ム走査方式に お け る 光路 断面図、
図 3 5 は一般的な端面発光型半導体 レ ー ザー の概略図、 図 3 6 は一般的な倒れ補正 レ ン ズを含む光路断面図、 図 3 7 は本発明 に よ る 画像形成装置の第 5 の実施例を 示す レ ー ザー走査光学系の概略図、
図 3 8 は画像形成装置を示す側面図、
図 3 は走査光学系 に お け る 光源付近の構成図、 図 4 0 は他の実施例を示す走査光学系にお け る 光源付 近の構成図、 図 4 1 は一般の走査光学系 に お け る 光源付近の構成図 . 図 4 2 は本発明 に よ る 画像形成装置の第 6 の実施例を 示す レ ー ザー 走査光学系の概略図、
図 4 3 は一般の走査光学系 に お け る 光源付近の構成図、 図 4 4 は開 口 絞 り に よ っ て ビ ー ム 力 け ら れ る こ と を示 す説明図、
図 4 5 は コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点位置 に開 口 絞 り を設 け た場合の光線図、
図 4 6 は コ リ メ - タ レ ン ズの焦点位置か ら はずれた位 置 に開 口絞 り を設 け た場合の光線図、
図 4 7 は ビ ー ム 断面強度分布が け ら れ る 様子を示す図、 図 4 8 は画像形成装置を示す側面図、
図 4 9 は走査光学系 に お け る 光源付近の構成図。
く 発明 を実施す る た め の最良の形態 >
§ 1 画像形成装置の第 1 の実施例
1 - 1 背景技術 と の対比
本実施例を よ り 良 く 理解す る た め、 は じ め に背景技術 につ い て述べ る 。
画像形成装置 に用 い ら れて い る 一般的 な半導体 レ ー ザ 一ア レ イ を図 7 に示す。 図 7 に示す よ う に 、 レ ー ザー ビ — ム を射出す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 に お い て は、 レ 一ザ一 ビー ム の光軸を含み接合面 に平行な面 と 、 同 じ く 光軸を含み接合面 に垂直な面で は、 ビ ー ム の拡が り 角 力く 大 き く 異な っ て い た。 図 7 に お い て、 接合面に平行な 面 で の拡が り 角 θ ρ は通常の レ ー ザー ダイ ォ ー ドの場合、 半値全角で約 1 0 度に な る 。 と こ ろ が接合面に垂直な面 では拡が り 角 6 t は回析の影響を受け、 半値全角で約
3 0 度 と大 き く な る 。 さ ら に こ の拡カ り 角 0 t 、 θ τ> の 大 き さ や、 そ の比 （すな わ ち楕円 の長径、 短径の比） を
S 由 に設定す る こ と も難 し い。 ま た、 こ れに と も な い ビ ー ム ウ ェス 卜 の位置 も 平行面 と垂直面では 5 だけ異な る 。 こ の値を一般に 「非点隔差」 と 呼ぶ。
こ の非点隔差の た め コ リ メ 一 夕 レ ン ズを出 た ビー ム は、 厳密に は走査面 と そ の直交す る 方向の どち ら かあ る い は 両方 と も 平行に はな ら な い。 そ の た め、 像担持体上に正 確に ス ポ ッ ト を結像す る こ と が出来ず、 収差を持 っ てい た。 従来の レ ー ザー ビー ム プ リ ン タ では、 結像 レ ン ズの 焦点距離 も長 く 、 ス ポ ッ ト 径 も大 き い た め、 さ ほ ど問題 に はな ら な か っ たが、 近年、 高解像度の プ リ ン タ への要 求が高ま る につれて、 こ の収差が問題 と な っ て き た。 こ れに対す る 一つ の解決方法 と し て、 垂直面内、 水平面内 に異な る パ ワ ー を レ ン ズの組合せな どで構成 し た いわ ゆ る ア ナモ フ ィ ッ ク レ ン ズを用 い て、 非点隔差の補正を行 な う ビー ム整形光学系が提案 さ れて い る 。 し か し 、 こ の 様な ビー ム整形光学系は機器の コ ス ト ダ ウ ン 、 及び小型 化に好ま し く な く 、 複数の レ ー ザー ビー ム を走査す る場 ^に は適用 は難 し い。
ま た半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 の端面力、 ら レ ー ザ一 ビー ム が放射 さ れ る た め、 レ ー ザー ビー ム の発光部 は必然的 に 1 次元の 直線上の配列 と な ら ざ る をえず、 よ り 多 く 複 数の レ 一 ザ一 ビ ー ム を得 よ う と す る 場合、 線状 に レ ー ザ 一 ビー ムが配列 さ れ る た め、 光学系の有効径が大 き く な る と い う 問題力《あ っ た。
さ ら に 、 こ の拡が り 角 自 体の値の大 き さ の た め、 必然 的 に こ れを コ リ メ 一 卜 す る コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点距離 は数 m m前後 と 小 さ く な る 。 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ と コ リ メ 一 夕 レ ン ズの距離が僮かで （例え ば数十 m ) も 変 動す る と 、 得 ら れ る コ リ メ 一 ト 光 （平行 ビ ー ム ） が平行 で は な く な り 、 結像光学系への入射時の ビー ム 径 も 変動 し 、 像担持体上での結像ス ポ ッ 卜 サ イ ズが変化 し て し ま う 。 従 っ て半導体 レ ー ザー と コ リ メ 一 夕 レ ン ズの調整許 容範囲が非常に小 さ く な り 、 生産性が悪い と い う 問題点 があ っ た。 ま た 、 初期的 に は正確に調整 し て あ っ て も 、 使用 時の光学系周辺の温度上昇や経年に よ る 部材の変形 の た め コ リ メ 一 夕 レ ン ズの位置が狂 い 、 や は り 、 結像 ス ポ ッ ト 径が変動 し て し ま い、 画像品質が劣化す る と い う 問題があ っ た。
さ ら に 、 複数の平行な光軸を持つ レ ー ザ一 ビー ム 力く こ の コ リ メ ー タ レ ン ズに入射す る と 、 そ の光軸 は大 き な 角 度を も っ て ひ ろ 力く つ て い つ て し ま う 。 い ま 簡単の た め に 、 レ ー.ザ一 ビー ム の数力《 2 本で、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ、 結像 レ ン ズがいずれ も 凸の単 レ ン ズであ る レ ー ザ走査光学系 一 1 s — を考え る 。 図 8 は こ の光学系の光路上の断面図を示 し た も ので、 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 1 を間隔 d で射出 し た 2 本の レ ー ザー ビー ム は、 焦点距離 f c の コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 で平行に な る 。 こ こ で半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 は コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 の物体側焦点におかれてい る ので、 2 本の レ ー ザ一 ビー ム は像側焦点 F で交差す る 。 こ の ほぼ 平行な 2 本の レ ー ザー ビー ム を像面 1 1 に锆像 さ せ る た め、 焦点距離 f i の結像 レ ン ズ 4 をそ の物体側焦点が前 記の コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 の像側焦点 F に一致す る よ う に 置 く 。 な お 、 偏 向 装置 の 鏡面 は光学的 に はパ ワ ー を持 た な い の で こ こ で は 省略 し て あ る 。 例え ば像面 1 1 で 1 0 0 m ( こ こ で ス ポ ッ ト 径、 ビ ー ム径は、 ビー ム の 断面の 強度分布がガウ ス分布と し て、 ピー ク 強度に対 し て I Z e 2 のパ ワ ー と な る 直径 と 定義す る ） の ス ポ ッ 卜 6 に結像 さ せ る 場合、 f i を 2 0 0 m m と すれば結像 レ ン ズへの入射 ビー ム径 （すな わ ち コ リ メ ー ト 径） W c は 約 2 m m であ る 。 こ の ビー ム 径を得 る た め に は、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 の焦点距離 f c は約 3 m m と な る 。 図 8 で 明 ら 力、 な よ う に 像面で の ス ポ ッ ト の 間隔 d ' は f c と f i の比に d を掛け た も のであ る 。 現在の半導体 レ ー ザ 一ア レ イ では、 お互い の干渉を避け る た め、 そ の発光部 の 間隔 は 1 0 0 m以下にす る の は難 し い。 従 っ て、 今 の例では、 像面上での ス ポ ッ ト 間隔 d ' は、 一 一 f i 200
d' = x d x 0. 1=6. 6 (mm) CI)
f c 3
と な っ て し ま う 。 ま た 、 回転多面鏡の各小面の倒れ角 度の差を補正す る い わ ゆ る 倒れ補正光学系を有す る 場合、 各 レ ン ズ と コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と の相対距離に よ っ て、 各 レ ー ザー ビ ー ム の光軸がな す角 度 は さ ら に大 き く な っ て し ま う こ と 力《あ る 。 そ の た め さ ら に レ ン ズを追加 し た り 、 例え ば特開昭
5 8 — 2 1 1 7 3 5 に示 さ れ る よ う に 、 プ リ ズム を入れ る な ど し て レ ー ザー ビー ム の光軸の相互の角度の補正を 行な う 構造が提案 さ れて い た。 し か し こ れ ら の構造 は、 光学系の構成を よ り 複雑 に し 、 高価で調整 も 難 し く な る £ な お、 図 8 に お い て は、 簡単の た め倒れ補正 レ ン ズ は省 略 し て あ る 。
次に、 図 9 に従来の像担持体上での走査線 に対す る ス ポ ッ ト 位置の関係を し めす。 こ の例で は ス ポ ッ ト は 4 力、 所、 すな わ ち 4 本の レ ー ザ一 ビ ー ム で書込み を行な っ て い る 。 上記に述べた よ う に、 レ ー ザー 走査光学系で は拡 大光学系 と な り 、 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 上で の ス ポ ッ ト 間隔 は像担持体上で は図中 の d ' の よ う に拡大 さ れ、 通 常、 走査線 9 の 隔 P よ り かな り 大 き く な る 。 例え ば解 像度 3 0 0 d p i ( dot par i nch、 1 イ ン チ
[ = 2 5 . 4 m m ] 当 り の ド ッ ト 数） の場合、 P =
2 5 . 4 / 3 0 0 = 8 4 . 7 m であ る 力く、 ス ポ ッ ト 間 隔 は前記の よ う に 6 . 7 m m と い う 値に な っ て し ま う 。 そ の た め ス ポ ッ 卜 6 の中心を結ん だ線 1 2 と 走査線 9 の なす角度 α は、 こ の場合では、
Ρ
= s i n 1 = 0. 7 2 (度） ( 2) d ' と 非常に小 さ な も の と な る 。 半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 上 での発光部を結ん だ線 （すな わ ち接台面の端面） も走査 面に対 し て な だけ傾けて取 り 付け る必要があ り 、 α が小 さ く な る に従い、 極めて微妙な調整が必要であ っ た。
ま た、 一般に半導体 レ ー ザ一 か ら 射出 さ れ る レ ー ザ一 ビー ム の偏光は直線偏光であ り 、 レ ー ザー ビー ム の偏光 面の方向 は半導体 レ ー ザー ァ レ イ の接合面の傾 き に よ つ て一意に き ま っ て し ま う 。 と こ ろ が一般に反射面での反 射率はそ の鏡面への入射角度に よ っ て Ρ 偏光 と S 偏光に よ っ て反射率が異な る 。 図 1 0 に金属 ミ ラ ー の Ρ 偏光、 S 偏光の各々 の反射率 R p 、 R s を示す。 回転多面鏡の 回転に伴 い そ の鏡面への入射角が変化す る ので、 図 1 0 に 示すよ う に P 偏光 と S 偏光の合成 と し て表わ さ れ る レ — ザ一 ビ ー ム の光量 も変動 し て し ま う 。 特に回転多面鏡 で の偏向角 を大 き く と る場合 に 問題 と な る 。 こ れを避け る た め特開昭 5 8 — 4 2 0 2 5 に示すよ う に偏光面を回 転多面鏡の 回転軸 に対 し て 4 5 ° 傾け る 方法 も 提案 さ れ てい る が、 前述の よ う に、 端面発光型の半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 で は走査線間隔の制約か ら 、 こ の傾 き 角度が決 一 2 ま っ て し ま う た め、 こ の方法を用 い る こ と はで き な い。 こ の 場 合 は 、 1 / 4 λ 板等を用 い て偏光面を回転 さ せ な く て はな ら な い 、 と い う 問題点力くあ っ た。
さ ら に 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 を射出 し た 各 レ ー ザ 一 ビ ー ム は 同一の コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 に入射す る 。 こ の と き 、 図 8 に示す よ う に各 レ ー ザー ビー ム の コ リ メ 一 ト 径 W c は レ ー ザ― ビ ー ム の拡カ《 り 角 Θ と 半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 力、 ら コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 ま で の距離 f c で決 ま る 力 、 レ ン ズま での距離 は各 レ ー ザ一 ビー ム と も 同一で あ る の で、 レ 一 ザ一 ビ ー ム の拡が り 角 0 の み で決 ま る 。 と こ ろ が従来の端面発光型半導体 レ ー ザー ア レ イ 1 で は こ の 拡が り 角 は各発光部毎 に ば ら つ く た め、 各 レ ー ザー ビ ー ム の コ リ メ 一 ト 径 W c も ば ら つ き を も つ。 従 っ て、 こ の コ リ メ ー ト さ れた レ ー ザ一 ビー ム を結像 さ せた ス ポ ッ ト サイ ズ も ば ら つ い て し ま う 。 通常 ご く 普通 に使用 さ れて い る レ ー ザ一 ビ ー ム を 1 本 し か用 い な い （ シ ン グル ビ ー ム の ） レ 一 ザ一走査光学系で は図 1 1 に示すよ う に コ リ メ 一 タ レ ン ズ 2 の前後 ど ち ら 力、 に絞 り 1 3 を いれて コ リ メ 一 卜 径 W c を調整す る よ う な ビ ー ム整形を行な う こ と 力く出来 る が、 図 8 の よ う に複数の レ ー ザ一 ビー ム が 重な っ て入射す る 場台 に は絞 り を コ リ メ 一 タ レ ン ズの焦 点位置 に し かお く こ と はで き な い。
一般に半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ に お い て は 、 レ ー ザ 一 発 拫 は光共振器を流れ る 電流が一定値を超え な ければ生 じ ― つつ 一 な い。 こ の電流値を 「 し き い値電流」 と 呼ぶが、 従来の 半導体 レ ー ザー ア レ イ では 「 し き い値電流」 が数 1 0 m A も あ り 、 そ の熱に よ っ て レ ー ザー ビー ム の特性、 特 に発振波長の シ フ ト が生ず る た め、 半導体 レ ー ザー ァ レ ィ か ら の放熱が問題 と な っ てい た。 特に、 複数の ビー ム を射出する 半導体 レ ー ザー ア レ イ では、 発光部の数だけ 熱源があ り 、 多数の発光部を集積す る 際の障害 と な っ て い た。
1 — 2 本発明 の構成
本発明の一実施例を以下に説明す る 。 図 2 は本発明の 画像形成装置の全体を示す図であ る。 転写材 5 1 上に 印 刷結果を得 る プ ロ セ ス は い わ ゆ る 電子写真プ ロ セ ス に よ つ て い る 。 像担持体 5 と し て は、 半導体 レ ー ザー を光源 に用 い た電子写真プ リ ン タ では長波長側に增感 し た有機 感光体 （ O P C ) が多 く 用 い ら れ る 。 こ の像担持体 5 は ま ず、 蒂電器 5 2 で一定の表面電位に帯電 さ れた の ち 、 レ ー ザー ビー ム走査装置 5 3 に よ っ て光書込すな わ ち露 光が行なわれ る 。 こ の レ ー ザー ビー ム走査装置 5 3 力、 ら 画像情報に従 っ て光強度が各々 独立に変調 さ れた複数の レ ー ザー ビー ム 5 4 が像担持体 5 を軸方向 に走査 し 、 露 光部の み に表而電位を打ち 消す電荷を発生 さ せ、 そ の部 分の表面電位の絶対値は小 さ く な る 。 結果 と し て像担持 体 5 上に は画像 に応 じ た表面電位の分布、 すな わ ち静電 潜像が形成 さ れる 。 静電潜像 は現像器 5 5 に よ っ て表面 電位に応 じ て選択的 に現像剤を付着 さ せ る こ と に よ り 現 像 さ れ る 。 こ の現像剤は転写器 5 6 に よ っ て転写材 5 1 (通常は紙） に転写 さ れ る 。 転写材 5 1 上の現像剤 は、 定着器 5 7 に よ っ て熱圧力定着 さ れ排出 さ れ る 。
図 1 は本発明 の画像形成装置 に用 い る レ ー ザ ー ビ ー ム 走査装置 5 3 の概観図であ る 。 図 2 に示 し た レ ー ザー ビ ー ム走査装置 5 3 で は レ ー ザー ビ ー ム 5 4 は折 り 曲 げ ら れて下方 に射出す る 場合を想定 し て い た が、 こ こ で は説 明 の た め単純化 し て描い てあ る 。
図 1 に お い て、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 は複数の発 光部 2 1 a が 2 次元状 に素子基板 2 2 (図 3 ) 上 に配置 さ れてお り 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 に よ っ て所定の ビー ム 直径を持つ レ ー ザー ビー ム に コ リ メ ー ト （平行化） さ れ る 。 発光部 2 1 a は制御装置 6 0 に よ っ て個別 に そ の点 灯お よ び光量が制御 さ れ る 。 こ の レ ー ザー ビー ム は回転 多面鏡 3 の 1 つ の小面に入射 し 、 そ の 回転 に伴 っ て、 各 々 偏向 さ れ る 。 結像 レ ン ズ 4 を通過 し た レ ー ザ一 ビー ム は像担持体 5 上で ス ポ ッ ト 6 に結像す る 。 図 1 に お い て、 倒れ補正 レ ン ズは簡単の た め省略 し て あ る 。
こ の様な特性を持つ半導体 レ ー ザー ァ レ イ 2 1 と し て は、 いわ ゆ る 面発光型半導体 レ ー ザ ー ア レ イ を用 い る の が好 ま し い。 さ ら に よ り 望ま し く は、 Π — VI族化合物半 導体を埋め込ん だ発光部を有す る 面発光半導体 レ ー ザー ア レ イ が用 い ら れ る 。 図 3 は こ の面発光型半導体 レ ー ザ 一ア レ イ 2 1 の発光部 2 1 a の う ち の 1 つ の断面図であ る 。 図 3 に おいて、 1 つ の光共振器が素子基板 2 2 上に 2 次元的 に配置 さ れた 1 つ の発光部 に対応 し てい る 。
図 3 に おいて G a A s 基板 2 2 の上に、 組成の違 う 2 種の A 1 G a A s 層を数 1 0 層積層 し た半導体多層膜反 射層 2 3 が形成 さ れ、 そ の上に それぞれ A 1 G a A s 力、 ら な る ク ラ ッ ド層 2 4 、 活性層 2 5 、 ク ラ ッ ド層 2 6 、 コ ン タ ク ト 層 2 7 が積層 さ れ、 最後 に S i 0 2 誘電体多 層膜反射層 2 8 が形成 さ れてい る 。 ま た G a A s 基板 2 2 の裏面全体及び、 表面の誘電体多層反射層の ま わ り に窓状の電極 2 9 、 3 0 が形成 さ れてお り 全体が光共振 器を構成 し てい る。
活性層 2 5 で発生 し た光は基板 2 2 面 と垂直方向 に、 上下の反射層 2 7 、 2 3 の間を往復 し発振す る ので、 そ の レ ー ザ一 ビー ム 3 1 の光軸 は基扳 2 2 面に対 し てほぼ 垂直 と な る。 光共振器の回 り に は埋め込み層 3 2 と し て Π - VI族の 化合物半導体が埋め込ま れてい る 。 Π — VI族 の 化 ^物半導体 と し て は、 Π 族元素 と し て Z n 、 C d 、 H g 、 VI族元素 と し て 0、 S 、 S e 、 T e を 2 〜 4 元素 組み 台わせ、 ま た、 そ の化合物の格子定数を前記の ク ラ ッ ド層 2 4 、 活性 ¾ 2 5 、 ク ラ ッ ド層 2 6 力、 ら な る 半導 体層の格子定数に合わせ る の が望ま し い。 こ の Π — VI族 の 化 ^物半導体は ^気抵抗が非常に大 き い た め、 電流を 光共振器の なかに効率的 に 閉 じ こ め る 。 ま た 、 埋め込み 層 3 2 は光共振器を構成 し て い る A 1 G a A s 半導体層 と は屈折率に差があ る た め、 光共振器の 内部で素子基板 2 2 面 に垂直 も し く はそ れに近い角度で進む光は こ の埋 め込み層 3 2 と の界面で全反射 し 効率的 に 閉 じ こ め ら れ o
こ の た め 、 こ の よ う な半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 2 1 を用 いれば、 従来の半導体 レ ー ザ一 ァ レ イ に比べて大変小 さ い電流で レ ー ザー発振が始 ま る 。 すな わ ち 、 し き い値電 流が低い。 よ っ て、 複数の発光部 2 1 a をア レ イ 化 し て 1 つ の素子基板 2 2 上に集積 し て も 、 素子基板 2 2 で の 損失熱量が少な く よ り 多 く の光パ ワ ー も し く は発光部 2 1 a の数を得 る こ と 力く出来 る 。
ま た 、 面発光半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 は、 レ ー ザ一 ビ ー ム の射出部 （発光部） 2 1 a の断面積 （ニ ァ ♦ フ ィ — ノレ ド · パ タ ー ン ） が、 従来の端面発光型の半導体 レ ー ザ一 に比べて比較的大 き く と れ る た め、 レ ー ザー ビ ー ム の拡カ《 り 角 は小 さ く な る 。 こ の拡カく り 角 の大 き さ は射出 窓の面積で決ま る が、 そ の面嵇 はエ ッ チ ン グ等で正確に 制御で き る た め、 拡カ り 角 も 一定にす る こ と 力《で き る 。 さ ら に 、 レ ー ザ一 ビー ム の拡カ り 角 の縦横すな わ ち楕円 断面 ビ ー ム の長径 と 短 ii の比 も こ の射出窓の形状で随意 に設定で き る 。 例え ば、 全な 円形窓 にすれば、 等方的 な拡カ《 り 角 を持つ 円 形断 20の レ ー ザー ビー ム が得 ら れ る £ 従 っ て、 光 $ώ方向 の断面 に よ る ビー ム の非点隔差 も 少な と こ ろ が、 通常の レ ー ザ一 ビー ム プ リ ン タ 一 では、 像 担持体上での レ ー ザー ビー ム の結像ス ポ ッ 卜 の形状 は走 査方向 に短軸が一致す る よ う な楕円状 と す る 事が多 い。 こ れは、 走査方向 に は点灯時間だけ ス ポ ッ ト が移動 し像 が長 く 伸 びる ので、 こ れを補正す る た めであ る 。 そ の た め に は結像光学系に入射する レ ー ザー ビー ム の断面形状 は、 逆に走査方向 に長軸を も つ楕円であ る こ と が望ま し い。 上記で述べた よ う に、 面発光の半導体 レ ー ザー ァ レ ィ 2 1 で は射出 ビー ム の楕円比を 自 由 に制御で き る の で、 特別な光学系を用 い な く と も 、 走査面に長軸を有 し 、 適 切な長軸 と短軸の比を持つ よ う な断面を も つ レ ー ザー ビ 一ム を結像光学系に入射 さ せ る こ と がで き る 。
ま た、 こ の面発光半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 2 1 は上述の よ う に 各発光部 2 1 a 力、 ら の レ ー ザー ビー ム の拡カ《 り 角 を均一にで き る 。 よ っ て、 コ リ メ ー タ レ ン ズ も し く は結 像光学系への入射 ビー ム径を各 レ ー ザー ビー ム と も ほぼ 一定に管理で き 、 結梁 と し て像担持体上での結像 ス ポ ッ ト サ イ ズ も一定にで き る。
面発光半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 では共振器の素子基 扳 2 2 面内での断面積が大 き く な る と 、 0 次モ ー ドだけ ではな く 、 高次の モ ー ドの発振が始ま り 、 結像 し た ス ポ ッ 卜 の光量分布 も い く つ も の ピー ク を持ち 、 像担持体 5 上 に静 M潜像を作 る の に は甚だ好ま し く な い。 そ こ で、 複数の小 さ な光共振器を近接 し て並べ、 位相 同期 し て発 振 さ せ る こ と に よ り 、 0 次モ ー ドで発振す る 面積の大 き な発光部 2 1 a を得 る こ と が出来 る 。
こ の位相同期型面発光半導体 レ ー ザー ァ レ イ 2 1 の 1 つ の発光部 2 l a の一部断面図を図 4 に示す。 こ こ で は 複数の光共振器が非常に狭い 間隔で隣接 し てお り 、 埋め 込み層 3 2 の下部 は活性層 2 5 に達 し て い な い。 こ の た め、 埋め込み層 3 2 下方の ク ラ ッ ド層 2 6 を介 し て隣接 す る 光共振器か ら 漏れ る 光が互い に影響 し 、 同位相で発 振す る 。 こ の た め 、 こ の 隣接す る 複数の光共振器があ た か も 1 つ の光共振器の よ う に動作す る 。 こ の よ う に各光 共振器の射出光の波面が揃 う の で、 面状の レ ー ザ一放射 源 と し て作用 し 、 そ の発光部の見か け上の面積 は大 き く な る た め、 レ ー ザー ビー ム の拡カ《 り 角 は非常 に小 さ く 、 半値全角 で 2 度以下 にす る こ と も 可能であ る 。
こ の よ う に 位相 同期を行な う 面発光半導体 レ ー ザー ァ レ イ 2 1 で は、 レ ー ザー ビー ム の拡カ り 角 が従来の半導 体 レ ー ザー に比べて小 さ く な る が、 こ れを従来の実施例 と 対比 し て説明す る 。 例え ば レ ー ザ一 ビー ム の拡が り 角 を半値全角 で 2 度 と し 、 先の例 と 同 じ く 直径 2 m m の ビ 一ム 径で結像光学系 に 入射 さ せ る と す る と コ リ メ 一 夕 レ ン ズ の焦点距離 f c は約 3 5 m m に な る 。 こ の よ う に コ リ メ タ レ ン ズ 2 の焦点距離 f c を長 く す る こ と がで き る ので、 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 2 1 に対す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 の距離の調整余裕が増加す る 。 ま た、 像担持体 上での レ ー ザー ビー ム の結像 ス ポ ッ 卜 間隔 d ' は、 半導 体 レ ー ザ一 ア レ イ 2 1 を射出す る レ ー ザ一 ビー ム の 間隔 を d と す る と 、
f i 200
x d xO. 1=0. 57 (mm) (3) f c 35
と な り 、 走査線間隔 も従来例 と 同 じ 8 4 . 7 ^ m と す る と 、 走査面に対す る ス ポ ッ ト を結ん だ線の角度 α は
Ρ
-1
な = s η 8. 55 渡） (4)
d'
と な り 、 従来の半導体 レ ー ザー ア レ イ を使 っ た場合 に比 ベて は る かに大 き く 取れ る （ （ 3 ) 式参照） 。 こ の た め、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 の光軸方向回 り の取付調整 も 容易に行な う こ とがで き る と と も に 、 各部品の加工公差 に よ っ て は こ の角度 な の調整を行な わずに組み立て る 二 と も で き る。 ま た、 各結像ス ポ ッ ト や そ こ に至 る ま での レ ー ザー ビー ムが互い に接近 し てい る ので、 光学系の有 効径 も 小 さ く てすむ こ と 力《 こ の 図力、 ら も 明 ら かであ る 。
さ ら に レ ー ザー ビー ム の拡カ《 り 角 を極端に小 さ く す る こ と に よ り 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 か ら 回転多面鏡 3 に至 り さ ら に結像 レ ン ズ 4 に い た る 距離の間 に、 レ ー ザ一 ビー ム の大 き さ はあ ま り 広力《 らず、 結像 レ ン ズ 4 の 入射面において も 、 所要の結像 ス ポ ッ ト 径を得 る の に十 分な 小 さ さ にで き る 。 すなわ ち 、 通常の レ ー ザー走查光 学系の よ う な所要の コ リ メ 一 ト 径に レ ー ザ一 ビ ー ム を コ リ メ 一 卜 （平行化） す る コ リ メ ー タ レ ン ズが不要 と な る 但 し 、 回転多面鏡 3 の偏向角 に応 じ て光路長が変 化 し 、 結像 レ ン ズ 4 に入射す る レ ー ザー ビ ー ム の大 き さ も 変化 し て行 く の で、 そ れを補正す る 光学系が必要に な る 。 し 力、 も 、 そ の よ う な光学的機能は結像 レ ン ズ 4 に も たせ る こ と は容易であ る の で、 全体の光学系の構成要素 は少な く 。
ま た 、 面発光形の半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 に お い て は、 発光部 2 1 a が互い に干渉 し な い距離 さ え お け ば、 ど こ に で も 発光部 2 1 a を置 く こ と が可能な た め、 素子 基板 2 2 上に 2 次元状 に発光部 2 1 a を配列で き る 。 い ま 、 先 に 図 8 で示 し た従来の実施例 と 同様に 4 本の レ 一 ザ一 ビ ー ム で走査を行な う 露光系を考え る 。 図 5 ( a ) で示す よ う に 4 本の レ ー ザー ビー ム を配列す る と 、 図 5 ( b ) の よ う に一直線 に並べ る 場合 に比べて レ ー ザー ビ ー ム相互の角度 も し く は距離を小 さ く で き 、 光学系の大 き さ を そ れに あ わせて小 さ く で き る 。
上記の例 は レ ー ザー ビー ム が 4 本の場合を示 し た が、 レ ー ザ一 ビー ム の数が更 に増え た場合、 像担持体 5 上で の ス ポ ッ 卜 6 の位置が最 も 近接す る よ う 、 半導体 レ ー ザ — ア レ イ 2 1 上の発光部 2 1 a の配置を 自 由 に選べ る の で、 効果 は よ り 大 き く な る 。 一例 と し て レ ー ザ一 ビ ー ム 数力 8 本の と き の走査線 9 に対す る 結像ス ポ ッ ト 6 の配 置例を図 5 ( c ) に示す。
な お、 以上の結像 ス ポ ッ 卜 の相対位置の関係は、 必ず し も半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 上での発光部 2 1 a の配 置 と 相似形では な い。 例え ば、 既に触れた よ う な回転多 面鏡 3 の倒れ捕正光学系等の よ う に、 走査方向 と そ の 直 交方向で光学的特性が異な る光学要素が レ ー ザー ビー ム の途中 に は い っ た場合、 各 レ ー ザー ビー ム相互の なす角 度や距離は、 走査方向 と そ の 直交方向で異な る こ と も あ る。 し か し 、 そ の よ う な場合で も 従来の端面発光半導体 レ ーザー ア レ イ では、 一直線に並ぶ発光部は像担持体上 で一直線上の結像ス ポ ッ ト 列に し かな り 得な い。 こ れに 対 し て本発明 に おいては、 上に述べた よ う な発光部 2 1 a を素子基板 2 2 上に 2 次元的に配列で き る効果は同様 に発揮 さ れる 。
面発光形の半導体 レ ーザー ア レ イ 2 1 におい て も一般 的に、 射出 レ ー ザー ビー ム は直線偏光に な る 。 そ の方向 は共振器の素子基板 2 2 面内の平面形状に よ っ て決ま り 、 おおむね は平面形状の長手方向 に偏光面が一致す る 。 例 え ば楕円状の共振器形状にすればそ の長軸方向が偏光面 に な る 。 前述の よ う に位相同期型の半導体 レ ー ザー ァ レ ィ 2 1 に お い て は 1 つ の発光部は複数例え ば 4 つ の位相 同期 し て発振す る 光共 ^ か ら 構成 さ れてい る 。 こ の と き 射出 レ ー ザー ビー ム の断面形状は各光共振器か ら射出 さ れた レ ー ザー ビー ム の 成 さ れた形状 と な る た め、 個 々 の光共振器の並べ方に よ っ て射出 ビー ム の 断面形状を 自 由 に設定で き る 。 こ の場合 も 偏光面の 向 き は個 々 の共 振器の平面形状で決ま る ので、 例え ば合成 さ れた楕円 の レ ー ザ一 ビー ム を得 る 場合で も そ の長軸 と 偏光面の方向 を独立 に設定で き る 。
図 6 ( a ) は こ の様子を模式的 に示 し た も の で、 半導 体 レ ー ザー ア レ イ 上の 1 つ の発光部 4 2 を ビ ー ム射出側 力、 ら み た平面図であ る 。 図 6 ( a ) に示す よ う に 、 4 つ の位相 同期 し て発振 し て い る 楕円状断面の光共振器 4 1 が 1 つ の発光部 4 2 を構成 し てお り 、 個 々 の光共振器 4 1 力、 ら射出 さ れ る レ ー ザー ビ ー ム の偏光面 4 3 は、 図 6 ( a ) で は 4 5 度傾い てい る が、 合成 し て得 ら れ る 楕 円状の レ ー ザー ビー ム の長軸 は上下方向 に な る 。 ま た 図 6 ( b ) に示す よ う に 、 個 々 の光共振器 4 1 か ら 射出 さ れ る レ ー ザー ビー ム の偏光面 4 3 の方向 を互 い に異な る 角度で配置す る と 、 そ の合成 さ れた射出 レ ー ザ一 ビ ー ム は近似的 に 円偏光 に な る 。
先に も 述べた よ う に通常の レ ー ザ一 ビー ム プ リ ン タ ー で は、 像担持体上での レ ー ザー ビ ー ム の結像ス ポ ッ 卜 6 の 形状 は走査方向 に短軸が一致す る よ う な楕円状 と す る 事が多 い。 そ こ で前述の様 に各光共振器か ら の レ ー ザー ビー ム の 偏光面の 向 き を合成楕円 レ ー ザー ビー ム 断面の 長軸方向 に 対 し て 4 5 度傾 け、 合成 し た射出 ビ ー ム の長 軸を走查方向 に一致 さ せ る よ う に半導体 レ ー ザー ァ レ イ つ 一
2 1 を設ければ、 各光共振器か ら の レ ー ザー ビー ム の偏 光面は ビー ム走査面と は 4 5 度傾 く こ と に な る 。 そ の結 果、 回転多面鏡 3 の回転軸 に対 し て も偏光面は 4 5 度傾 いてお り 、 図 1 1 に示 し た よ う な 回転多面鏡への入射角 に よ る反射率の差を受け に く い。 こ の こ と は、 ほぼ円偏 光であ る 楕円断面の レ ー ザー ビー ム で も 同様であ る 。 な お、 光学系の構成に よ っ て は、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 1 力、 ら 射出す る レ ー ザー ビー ム の短軸を走査方向 に一 致 さ せ る 場合 も あ る が、 全 く 同様の効果を発揮す る。
以上に説明 し た実施例は、 本発明の一実施例 に過 ぎな い。 例え ば偏向装置 と し て回転多面鏡 3 では な く 、 ガル べ ノ ミ ラ 一 やホ ロ グラ ム デ ィ ス ク を用 いて も 同様の効果 を苻す る 。 ま た、 コ リ メ ー タ レ ン ズ、 倒れ補正 レ ン ズ、 結像 レ ン ズの有無、 構成や相対位置関係が変わ っ て も本 発明の効果は同 じ く 発揮 さ れ る 。
ま た 、 本発明の画像形成装置の応用範囲は、 プ リ ン タ 、 複写機等の 印刷装置の みな ら ず、 フ ァ ク シ ミ リ 、 デ イ ス プ レ イ に て も 全 く 同様な効果を有す る 。
1 - 3 効果
以上 に述べた よ う に本発明 の 画像形成装置 に お い て は、 半導体 レ ー ザ ー ア レ イ を用 い て複数 レ ー ザー ビー ム で走 杏す る 露光方法を と る こ と に よ り 、 高速かつ高解像度な 走杏装置を低い走査周波数 と短い光路長で得 る こ と がで き 、 装置の小型化、 低価格 化が可能 と な る 。 さ ら に 、 前記半導体 レ一ザ一 ァ レ イ に面発光半導体 レ — ザ一 ア レ イ を用 い る こ と に よ り 、
① レ ー ザ ー ビ ー ム の拡カ《 り 角 が小 さ く な り 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と 半導体 レ ー ザ一ア レ イ の距離を大 き く 取れ る た め 、 コ リ メ ー タ レ ン ズの光軸方向 の調整余裕が增 し 生産性が上が る と 同時 に 、 経年劣化や使用 時の温度変動 の影響を受けず に一定の ス ポ ッ ト 径で、 露光が可能 と な り 、 画像品質が向上す る o
② 発光部を ア レ イ 状 に並べた場合 に は、 各 々 の発光 部力、 ら の ビ ー ム の拡カ《 り 角 の ば ら つ き が少な い た め、 そ の結像 ス ポ ッ ト 径の ば ら つ き も 少な く な る と 同時 に 、 そ の ビー ム 間の角度や、 結像 ス ポ ッ ト の 間隔 も 小 さ く で き る 。 こ の た め光学系 の 構成が簡素 に な り 、 かつ 各 レ ン ズ や偏向器の有効面積を小 さ く す る こ と が可能 と な り 、 装 置の低価格化に寄与す る 0
③ 面発光半導体 レ ー ザ一 ァ レ イ で は 2 次元状 に発光 部を配置す る こ と が可能な た め、 よ り 一層、 各 レ ン ズや 偏向器の有効面積を小 さ く す る こ と が可能 と な る 。
④ 結像ス ポ ッ ト の 間隔が走査線間隔 に比べて大 き く な い の で、 半導体 レ ー ザ一ア レ イ の光軸回 り の取付角 度 の 許容誤差が大 き く 取れ、 容易 に調整で き る と と も に 、 走查線間隔の ば ら つ き も 少な く な り 、 画像品質が向上す る o
⑤ 面発光半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ で は 、 そ の特性上、 非点隔差が少な く 、 ビー ム断面の楕円形状 （長軸 と 短軸 の比） を 自 由 に設定で き る た め、 通常 こ れ ら の補正に必 要な光学系を用 いずと も正確な ビー ム整形が可能 と な る 。
⑥ さ ら に面発光半導体 レ ー ザ一 ア レ イ に Π — VI族の 化 物半導体を埋め込み層 と し て用 い る こ と に よ り 、 低 し き い値電流での レ ーザー発振が可能 と な り 、 素子の発 熱に よ る レ ー ザー の特性への影響が軽 '减で き 、 よ り 多 く の発光部の集積が可能に な る 。
⑦ 次に面発光半導体 レ ー ザー と し て複数の光共振器 が位相同期 し て発光す る 位相同期型の面発光半導体 レ ー ザ一ア レ イ を用 い る こ と に よ り 、 一層射出 ビー ム の拡力く り 角 を小さ く で き 、 場合に よ っ て は コ リ メ 一 夕 レ ン ズを 省略す る こ と が可能 と な り 、 光学系の構成を一層簡素化 で き る 。
( ま た 、 偏光面を 自 由 に設定で き る 複数の光共振器 で 1 つ の発光部を構成する こ と がで き る の で、 楕円断面 の 合成 レ ー ザ一 ビー ム を用 い る場合に、 各 レ ー ザー ビー 厶 の偏光面の方向を 台成 レ ー ザー ビー ム断面の長軸方向 と は独立にかつ任意に制御で き 、 回転多面鏡への入射角 の違い力、 ら 生ず る 反射率の差に よ る 、 レ ー ザ ー ビー ム の 走杏方向の位置 に よ る 光≤変動を最小限に と どめ る こ と が容易 に実現で き る 。 § 2 画像形成装置の第 2 の実施例
2 - 1 背景技術 と の対比
本突施例を よ り 良 く 理解す る た め、 は じ め に背景技術 につ い て述べ る 。
従来の画像形成装置の光路断面図を図 1 7 に示す。 図 1 7 は画像形成装置の像担持体の走杏面 と 垂直でかつ レ 一ザ一 ビー ム の光軸を含む光路断面図であ る 。 画像形成 装置の 回転多面鏡の小面 8 に対 し て光軸が折返 さ れて描 かれて い る 。 図 1 7 に お い て、 半導体 レ ー ザ一 1 0 1 か ら放射 さ れた レ ー ザ一 ビ ー ム は拡が り 角 e で放射 さ れ る こ の ビー ム は焦点距離 f c の コ リ メ ー タ レ ン ズ
1 〇 2 に よ っ て ほぼ平行な ビ ー ム に整形 さ れ る 。 倒れ補 正 レ ン ズ 1 0 7 に よ っ て各 ビー ム は回転多面鏡の小面 1 0 8 の上に一旦集束す る 。 回転多面鏡で偏向 さ れた ビ — ム は 2 つ めの倒れ補正 レ ン ズ 1 0 7 ' を 出 た ビー ム は 再び平行な ビ ー ム と な り 、 焦点距離 i の結像 レ ン ズ 1 0 4 に よ っ て、 像担持体上に ス ポ ッ 卜 1 0 6 を結ぶ。 走查面 と 平行な面内で は、 倒れ補正 レ ン ズ 1 0 7 , 1 0 7 ' は光学的パ ワ ー を持た な い た め、 そ の面内で は ビー ム は平行な ま ま であ る 。 すな わ ち 、 前記回転多面鏡 の小面 1 0 8 上 に は ビ ー ム は線像 と し て結像す る 。
し 力、 し 、 従来用 い ら れて き た半導体 レ ー ザー 1 0 1 か ら の レ ー ザー ビー ム は図 1 8 の概念図 に示す よ う に 、 光 軸を含み接合面 に 平行な Si と 、 同 じ く 光軸を 含み接合面 に垂直な面では、 ビー ム の拡カ《 り 角が大 き く 異な っ てい た。 接合面に平行な面での拡が り 角 0 は通常の半導体 レ ー ザ— の場合、 半値全角で約 1 0 度に な る 。 と こ ろ 力《 接合面に垂直な面では拡カ り 角 t は回折の影響を受け、 半値全角で約 3 0 度 と大 き く な る 。 さ ら に こ の拡カ《 り 角
Θ t 、 0 p の大 き さ や、 そ の比 （すな わ ち楕円の長径、 短径の比） を 自 由 に設定す る こ と も難 し い。 ま た、 こ れ に と も な い ビー ム ウ ェ ス 卜 の位置 も 平行面 と 垂直面で は d だ け異な る。 こ の値を一般に 「非点隔差」 と 呼ぶ。
こ の非点隔差の た め コ リ メ ー タ レ ン ズを出 た ビー ム は、 厳密に は走査面 と そ の 直交す る 方向の どち ら かあ る い は 両方 と も 平行に はな ら な い。 そ の た め、 像担持体上に正 確に ス ポ ッ ト を結像す る こ と が出来ず、 収差を持 っ てい た。
従来の画像形成装置で は、 結像 レ ン ズの焦点距離 も長 く 、 ス ポ ッ ト 径 も大 き い た め、 さ ほ ど問題に はな ら な 力、 つ たが、 近年、 高解像度の プ リ ン タ への要求が高 ま る に つれて、 こ の収差が問题 と な っ て き た。 こ れに対す る一 つ の解決方法 と し て、 垂直面内、 水平面内 に異な る パ ヮ ー を レ ン ズの組台せな どで構成 し た いわ ゆ る ア ナモ フ ィ ッ ク レ ン ズを用 い て、 非点隔差の補正を行な う ビー ム整 形光学系が提案 さ れて い る 。 し か し 、 こ の様な ビー ム整 形光学系 は機器の コ ス ト ダ ウ ン 、 及び小型化に好 ま し く な い。
次に 、 ビー ム の拡力く り 角 が大 き い こ と に よ っ て生ず る 問題を先の 図 1 7 を用 い て説明す る 。 い ま 、 例え ば像面 1 1 1 で l O O ^ m ( こ こ で ス ポ ッ ト 径、 ビー ム 径 は 、 ビ ー ム の断面の強度分布がガ ウ ス分布 と し て、 ピー ク 強 度に対 し て l Z e 2 のパ ワ ー と な る 直径 と 定義す る ） の ス ポ ッ ト 1 0 6 に結像 さ せ る 場合、 f i を 2 0 0 m m と すれば結像 レ ン ズへの入射 ビ ー ム 径 （すな わ ち コ リ メ 一 ト 径） W c は約 2 m m であ る 。 倒れ補正 レ ン ズ 1 0 7 , 1 0 7 ' は多面鏡の小面 1 0 8 に 対 し て対称であ り 、 レ ン ズ 1 0 7 ' の射出 ビ ー ム径 と レ ン ズ 1 0 7 の入射 ビ ー ム 径 は等 し い。 こ の ビー ム 径を得 る た め に は 、 コ リ メ 一 タ レ ン ズ 1 0 2 の焦点距離 f c は約 3 m m と な る 。
こ の よ う に コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 1 0 2 の焦点距離が短い た め、 正確に平行な ビー ム を得 る た め に は、 半導体 レ ー ザ一 に対す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ の光軸方向 の位置の誤差 は極め て小 さ く 調整す る 必要があ っ た。 ま た、 上記の ビ 一ム の拡力《 り 角 e t 、 0 p も 半導体の プ ロ セ ス上の要因 に よ り 大 き く ば ら つ く こ と があ り 、 結果 と し て平行化 さ れた ビ ー ム の径 も ば ら つ き を生ず る と い う 問題があ り 、 コ リ メ ー タ 1 0 2 の後 ろ に ス リ ツ ト も し く は開 口絞 り を 設け、 ビ ー ム径を絞 る よ う な ビ ー ム整形を行な う 必要が あ っ た。 さ ら に 、 初期的 に は正確に調整 し て あ つ て も 、 使用時の光学系周辺の温度上昇や経年に よ る 部材の変形 の た め コ リ メ 一 タ レ ン ズ 1 0 2 の位置が狂い 、 や は り 、 結像 ス ポ ッ 卜 径が変動 し て し ま い、 画像品質が劣化す る と い う 問题があ っ た。
ま た、 一般に半導体 レ ー ザー の偏光は直線偏光であ り 、 レ ー ザー ビー ム の偏光面の方向 は半導体 レ ー ザ一 の接合 面の傾 き に よ っ て一意に き ま っ て し ま う 。 と こ ろが一般 に反射面での反射率はそ の鏡面への入射角度に よ っ て P 偏光 と S 偏光に よ っ て反射率が異な る 。 図 1 9 に金属 ミ ラ ー の P 偏光、 S 光の各 々 の反射率 R p 、 R s を示す。
Inl転多面鏡の 回転に伴い そ の鏡面への入射角が変化す る の で、 図 1 9 に示すよ う に P 偏光 と S 僞光の合成 と し て表わ さ れ る レ ー ザ一 ビー ム の光量 も 変動 し て し ま う 。 特に 回転多面鏡での偏向角 を大 き く と る 場合に 問題 と な る。 こ れを避け る た め特開昭 5 8 — 4 2 0 2 5 に示すよ う に偏光面を回転多面鏡の 回転軸 に対 し て 4 5 ' 傾け る 方法 も提案 さ れて い る が、 ビー ム の楕円断面の長軸の方 向 も 決 ま っ て し ま う た め、 こ の方法を用 い る こ と はで き な いか、 も し く は 1 ノ 4 ス 扳等を用 い て偏光面を回転 さ せな く て はな ら な い、 と い う 問题点があ っ た。
ま た、 一般に半導体 レ ー ザー に お い て は、 レ ー ザ一発 振 は光共振器を流れ る 電流が一定値を超え な ければ生 じ な い。 こ の電流値を 「 し き い値電流」 と 呼ぶが、 従来の 半導体 レ ー ザー で は数 1 0 m A も あ り 、 そ の熱に よ っ て レ ー ザー の特性、 特に発振波長の シ フ 卜 が生ずる た め、
^子の放熱が問題 と な っ てい た。 2 - 2 本発明 の構成
本発明 の一実施例を以下 に説明す る 。 図 1 3 は本発明 に お け る 画像形成装置を示す図で あ る 。 転写材 1 5 1 上 に 印刷結果を得 る プ ロ セ ス は い わ ゆ る 電子写真プ ロ セ ス に よ っ て い る 。 像担持体 1 0 5 と し て は、 半導体 レ ー ザ 一を光源に用 い て電子写真プ リ ン タ で は長波長側に増感 し た有機感光体 （ 0 P C ) が多 く 用 い ら れ る 。 こ の像担 持体 1 0 5 は、 帯電器 1 5 2 で一定の表面電位 に帯電 さ れた の ち 、 レ ー ザー ビー ム走査装置 1 5 3 に よ っ て光書 込すな わ ち露光が行な われ る 。 こ の レ ー ザー ビ ー ム走査 装置 1 5 3 か ら 画像情報に従 っ て光強度が変調 さ れた レ 一ザ一 ビ ー ム 1 5 4 が像担持体 1 0 5 を軸方向 に走査 し 、 露光部の み に表面電位を打 ち 消す電荷を発生 さ せ、 そ の 部分の表面電位の絶対値は小 さ く な る 。 結果 と して像担 持体上 に は画像 に応 じ た表面電位の分布、 すな わ ち 静電 潜像が形成 さ れ る 。 静電潜像 は現像器 1 5 5 に よ っ て表 面 ¾位 に応 じ て選択的 に現像剂を付着 さ せ る こ と に よ り 現像 さ れ る 。 こ の現像剤 は転写器 1 5 6 に よ っ て転写材 1 5 1 (通常 は紙） に転写 さ れ る 。 転写材 1 5 1 上の現 像剤 は、 定着器 ：！ 5 7 に よ っ て熱圧力定着 さ れ排出 さ れ る o
次 に 図 1 2 に よ り レ ー ザー ビー ム走査装置 に つ い て説 明す る 。 図 1 3 に示 し た レ ー ザー ビー ム走査装置 1 5 3 で は レ ー ザ一 ビ ー ム 1 5 4 は折 り 曲 げ ら れて下方 に射 出 す る 場合を想定 し てい たが、 こ こ では説明の た め単純化 し て描いてあ る 。 図 1 2 におい て半導体 レ ー ザ一 1 2 1 は、 接合面に対 し て垂直な方向 に レ ー ザ一 ビー ム を発光 部 1 2 1 a 力、 ら射出す る 。 発光部 1 2 1 a の点灯お よ び 光量は制御装置 1 6 0 に よ り 制御 さ れ る 。 こ の ビー ム は コ リ メ ー タ 1 0 2 に よ っ て所定の ビー ム 直径を持つ レ ー ザ 一 ビー ム に コ リ メ 一 卜 さ れ る 。 こ の レ ー ザ一 ビー ム は 回転多面鏡 1 0 3 の 1 小面に入射 し 、 そ の 回転に伴 っ て 偏向 さ れ る 。 結像 レ ン ズ 1 0 4 を通過 し た ビー ム は像担 持体 1 0 5 上でス ポ ッ ト 1 0 6 に結像す る 。 こ の様な特 性を持つ半導体 レ ー ザ一 と し ては、 いわ ゆ る 平面発光型 の半導体 レ ー ザー を用 い る のが好ま し い。 さ ら に よ り 望 ま し いの は発光部 1 2 1 a の周 囲に Π — VI族化合物半導 体を埋め込ん だ面発光型の半導体 レ ー ザー を用 い る こ と が好ま し い。 図 1 4 は こ の面発光型半導体 レ ー ザー の発 光部 1 2 l a の断面図であ っ て、 1 つ の光共振器が 1 つ の.発光部を構成 し てい る 場合を示 し てい る 。 図 1 4 に お い て G a A s 基板 1 2 2 の上に ま ず組成の違 う 2 種の A 1 G a A s 層を数 1 0 層積層 し た ク ラ ッ ド層 1 2 4 、 活性層 1 2 5 、 ク ラ ッ ド層 1 2 6 、 コ ン タ ク ト 層 1 2 7 が嵇層 さ れ、 最後 に S i 0 2 誘導体多層膜反射層 1 2 8 が形成 さ れて い る 。 ま た G a A s 基扳 1 2 2 の裏面全体 及び、 表面の誘電休多 ^胰反射層の ま わ り に窓状の電極 1 2 9 . 1 3 0 が形成 さ れてお り 全体が光共振器を構成 し て い る 。 活性層 1 2 5 で発生 し た光 は基板 1 2 2 面 と 垂直方向 に 、 上下の反射層 1 2 7 、 1 2 3 の 間を往復 し 発振す る の で、 そ の レ ー ザ一 ビ ー ム 1 3 1 の光軸 は基板 面に対 し て ほぼ垂直 と な る 。
光共振器の 回 り に は埋め込み層 1 3 2 と し て Π — VI族 の化合物半導体が埋め込 ま れて い る 。 Π — VI族の 化合物 半導体 と し て は、 Π 族元素 と し て Z n 、 C d 、 H g 、 VI 族元素 と し て 0、 S 、 S e 、 T e を 2 〜 4 元素組み合わ せ、 ま た 、 そ の 化 ^物の格子定数を前記の ク ラ ッ ド層 1 2 4 、 活性層 1 2 5 、 ク ラ ッ ド層 1 2 6 力、 ら な る 半導 体層の格子定数に 台わせ る のが望 ま し い。 こ の Π — VI族 の 化合物半導体 は電気抵抗が非常に大 き い た め、 電流を 光共振器の な か に効率的 に 閉 じ こ め る と 同時 に 、 光共振 器を構成 し て い る A 1 G a A s 半導体層 と は屈折率 に差 があ る た め、 光共振器の 内部で素子の基板面 に垂直 も し く は そ れに近 い角 度で進む光は こ の埋め込み層 1 3 2 と の界面で全反射 し 効率的 に 閉 じ こ め ら れ る 。 こ の た め 、 こ の よ う な 半導体 レ 一 ザ一 を用 いれば、 従来の半導体 レ 一 ザ一 に比べて大変小 さ い電流で レ ー ザー 発振が始 ま る c すな わ ち 、 し き い 値電流が低 く 、 素子基板での損失熱量 が少な い o
ま た 、 面発光半導体 レ ー ザー で は 、 レ ー ザー ビ ー ム の 射出部の断面積 （二 ァ ♦ フ ィ ー ル ド · パ タ ー ン ） が、 従 来の端面発光型の半導体 レ ー ザー に比べて比較的大 き く とれる た め、 レ ー ザ一 ビー ム の拡カ《 り 角 は小 さ く な る 。 こ の拡が り 角 の大 き さ は射出窓の面積で決ま る が、 そ の 面積はエ ッ チ ン グ等で正確に制御で き る た め、 拡が り 角 も一定にす る こ と がで き る。 さ ら に、 レ ー ザー ビー ム の 拡が り 角 の縦横すなわ ち楕円断面 ビー ム の長径 と短径の 比 も こ の射出窓の形状で随意に設定で き る 。 例え ば、 完 全な 円形窓にすれば、 等方的な拡が り 角 を持つ 円形断面 の レ ー ザ一 ビー ムが得 られ る 。 従 っ て、 光軸方向の断面 に よ る ビー ム の非点隔差 も 少な い。
と こ ろ で、 通常の レ ー ザー ビー ム プ リ ン タ ーでは、 像 担抟体上での レ ー ザー ビー ム の結像ス ポ ッ 卜 の形状は走 查方向 に短軸が一致す る よ う な楕円状 とす る 事が多 い。 こ れは、 走査方向に点灯時間だけ ス ポ ッ 卜 が移動 し像力《 長 く 伸びる ので、 こ れを補正す る た めであ る 。 そ の た め に は結像光学系に入射す る レ ー ザー ビー ム の断面形状 は、 逆に走査方向 に長軸を も つ楕円であ る こ と が望ま し い。 本荬施例の場合、 面発光の半導体 レ ー ザー 1 2 1 では射 出 ビー ム の楕円比を 自 由 に制御で き る の で、 特別な光学 系を用 い な く と も 、 走査面に長軸を有 し 、 適切な長軸 と 短軸の比を持つ よ う な断面を も つ レ ー ザ一 ビー ム を結像 光学系 に入射 さ せ る こ と がで き る 。
面発光半導体 レ ー ザー 1 2 1 で は光共振器の素子基板 1 2 2 面内での断面積が大 き く な る と 、 0 次モ ー ドだけ では な く 、 高次のモ ー ドの発振が始ま り 、 結像 し た ス ポ ッ 卜 の光量分布 も い く つ も の ピー ク を持ち 、 像担持体 1 0 5 上 に静電潜像を作 る の に は甚だ好 ま し く な い。 そ こ で、 複数の小 さ な光共振器を近接 し て並べ、 位相 同期 し て発振 さ せ る こ と に よ り 、 〇 次モ ー ドで発振す る 、 面 積の大 き な発光部 1 2 1 a を得 る こ と が出来 る 。
以下 に こ の位相 同期型の面発光半導体 レ ー ザ ー 1 2 1 の 1 つ の発光部 1 2 1 a の一部断面図を図 1 5 に示す。 こ こ で は複数の光共振器が非常 に狭い 間隔で隣接 し てお り 、 埋め込み層 1 3 2 の下部 は活性層 1 2 5 に達 し て い な い。 こ の た め埋め込み層 1 3 2 下方の ク ラ ッ ド層
1 2 6 を介 し て隣接す る 光共振器か ら 漏れ る 光が互い に 影響 し 、 同位相で発振す る 。 こ の た め こ の 隣接す る 複数 の光共振器があ たか も 1 つ の光共振器の よ う に動作す る ， こ の よ う に 各光共振器の射出光の波面が揃 う の で、 面状 の レ ー ザ 一放射源 と し て作用 し 、 そ の発光部 1 2 1 a の 見か け上の面積 は大 き く な る た め 、 レ ー ザ一 ビ ー ム の拡 力《 り 角 は非常に 小 さ く 、 半値全角 で 2 度以下にす る こ と も 可能であ る 。
従 っ て位相 同期型発光半導体 レ ー ザー では、 レ ー ザー ビー ム の拡が り 角 が従来の半導体 レ ー ザー に比べて小 さ く な る が、 こ れを従来の実施例 と 比較 し て説明す る 。 例 え ば レ ー ザー ビー ム の拡カ り 角 を半値全角 で 2 度 と し 、 従来の実施例 と 同 じ く 直径 2 m m の ビ ー ム 径で結像光学 系 に 入射 さ せ る と す る と コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 1 0 2 の焦点 距離 f c は約 3 5 m m に な る 。 こ の よ う に コ リ メ 一 タ レ ン ズ 1 0 2 の焦点距離 f c が長 く す る こ と がで き る の で、 半導体 レ ー ザー 1 2 1 に対す る コ リ メ 一 タ レ ン ズ 1 0 2 の距離の調整余裕が増す。
さ ら に レ ー ザー ビー ム の拡カ り 角 を極端に小 さ く し た 場合、 半導体 レ ー ザ一 か ら 回転多面鏡 〗 0 3 に至 り さ ら に結像 レ ン ズ ： I 0 4 に い た る距離の間 に 、 レ ー ザー ビー ム の大 き さ はあ ま り 広力《 ら ず、 結像 レ ン ズ 1 0 4 の入射 面に おいて も 、 所要の結像ス ポ ッ ト 径を得 る の に十分な 小さ さ にで き る 。 すなわ ち通常の レ ー ザー走査光学系の よ う な所要の コ リ メ 一 ト 径に、 レ ー ザー ビー ム を コ リ メ 一 卜 （平行化） す る コ リ メ ー タ レ ン ズが不要 と な る 。 但 し 、 回転多面鏡 1 0 3 の偏向角 に応 じ て光路長が変化 し 、 結像 レ ン ズ 1 0 4 に入射す る レ ー ザー ビー ム の大 き さ も 変化 し て行 く の で、 それを補正す る 光学系が必要に な る 。 し 力、 し 、 そ の よ う な光学的機能は結像 レ ン ズに も たせ る こ と は容易であ る ので、 全体の光学系の構成要素は少な く る 。
面発光形の半導体 レ ー ザー に お い て も一般的 に、 射出 ビー ム は直線偏光に な る 。 そ の方向 は共振器の素子基板 面内 の平面形状に よ っ て決ま り 、 おおむね は平面形状の β手方向 に偏光面が一致す る 。 例え ば楕円状の共振器形 状に すればそ の長軸方向が偏光面に な る 。 前述の よ う に 位相同期型の半導体 レ ー ザ一 の発光部は、 複数例え ば 4 つ の位相同期 し て発振す る 光共振器か ら 構成 さ れて い る 。 こ の と き 射出 ビ ー ム の断面形状 は そ の 合成 さ れた形状 と な る た め、 個 々 の光共振器の並べ方 に よ っ て合成射出 ビ ー ム の断面形状を 自 由 に設定で き る 。 こ の場合 も 各 レ ー ザ一 ビー ム の偏光面の 向 き は個 々 の共振器の平面形状で 決ま る ので、 例え ば合成 さ れた楕円 の レ ー ザ一 ビ ー ム を 得 る 場合で も そ の長軸 と 偏光面の方向 を独立 に設定で き 図 1 6 ( a ) は こ の様子を模式的 に示 し た も の で半導 体 レ ー ザー の発光部 1 4 2 を ビー ム射出側力、 ら み た平面 図で あ る 。 4 つ の位相同期 し て発振 し て い る 楕円状断面 の光共振器 1 4 1 力 1 つ の発光部 1 4 2 を構成 し て お り 、 個 々 の共振器 1 4 1 力、 ら 射出 さ れ る レ ー ザー ビ ー ム の偏 光面 1 4 3 は図で は 4 5 度傾い て い る が、 合成 し て得 ら れ る 楕円状の レ ー ザー ビー ム は長軸 は上下方向 に な る 。 ま た 図 1 6 ( b ) に示すよ う に 、 個 々 の光共振器 1 4 1 の 偏光面 1 4 3 の方向 を互 い に異な る 角度で配置す る と 、 そ の 合成 さ れた射出 ビー ム は近似的 に 円 偏光 に な る 。
先に も述べた よ う に通常の レ ー ザ一 ビー ム プ リ ン タ 一 で は、 像担持体上での レ ー ザ一 ビー ム の結像 ス ポ ッ 卜 の 形状 は走査方向 に短軸が一致す る よ う な楕円状 と す る 事 が多 い。 そ こ で前述の様に レ ー ザ一 ビー ム の偏光面の 向 き を 合成楕円 ビー ム 断面の長軸方向 と 4 5 度傾け た場合、 合成射出 ビ ー ム の長軸を走査方向 に一致 さ せ る よ う に 半 導体 レ ー ザ一 を配置すれば、 そ の偏光面は ビー ム走査面 と は 4 5 度傾 く 。 そ の結果、 回転多面鏡 1 0 3 の 回転軸 に対 し て も偏光面は 4 5 度傾い てお り 、 図 1 9 に示 し た よ う な 回転多面鏡 1 0 3 への入射角 に よ る 反射率の差を 受け に く い。 こ の こ と は前記の 円偏光であ る 楕円断面の レ ー ザ一 ビー ム で も 同様であ る 。 な お、 光学系の構成に よ っ ては、 半導体 レ ー ザ一 を射出す る レ ー ザ一 ビー ム の 短軸を走査方向 に一致 さ せ る 場 ^ も あ る が、 全 く 同様の 効 ¾を発揮す る 。
以上に説明 し た実施例は、 本発明の一実施例に過 ぎず、 例え ば偏向器 と し て回転多面鏡で は な く 、 ガルバノ ミ ラ 一やホ ロ グラ ム ディ ス ク を用 い て も 同様の効果を有す る。 ま た 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ、 倒れ袖正 レ ン ズ、 結像 レ ン ズ のお無、 構成や、 相対位置関係が変わ っ て も本発明 の効 果は同 じ く 発揮 さ れ る 。
ま た 、 本発明の画像形成装置の応用範囲は、 プ リ ン タ 、 複写機等の 印刷装置のみ な ら ず、 フ ァ ク シ ミ リ 、 デ イ ス プ レ イ に て も 全 く 同様な効果を有す る こ と は言 う ま で も な い。
一 1 m
以上に述べた よ う に本発明の 画像形成装置に お い て は 半導体 レ 一 ザ一 に 面発光半導体 レ ー ザー を用 い る こ と に よ り 、
① レ ー ザ一 ビー ム の拡が り 角力 小 さ く な り 、 コ リ メ — 夕 レ ン ズ と 半導体 レ ー ザー の距離を大 き く 取れ る た め . コ リ メ ー タ レ ン ズの光軸方向 の調整余裕が増 し 、 生産性 が上が る と 同時に 、 経年劣化や使用時の温度変動の影響 を受けずに一定の ス ポ ッ ト 径で、 露光が可能 と な り 、 画 像品質が向上す る 。
② 面発光半導体 レ ー ザー で は、 そ の特性上、 非点隔 差が少な く 、 ビ ー ム断面の楕円形状 （長軸 と 短軸の比） を 由 に 設定で き る た め、 通常 こ れ ら の補正 に必要な光 学系を用 いず と も 正確な ビー ム整形が可能 と な る 。
③ さ ら に面発光半導体 レ ー ザー に Π — VI族の 化合物 半導体を埋め込み層 と し て用 い る こ と に よ り 、 低 し き い 値電流での レ ー ザ発振が可能 と な り 、 素子の消費電流の 低減が可能 と な り 、 素子の発熱に よ る レ ー ザー の特性へ の影響が軽減で き る 。
④ 次 に面発光半導体 レ ー ザー と し て複数の光共振器 が位相 同期 し て発光す る 位相同期型の面発光半導体 レ ー ザ一 を用 い る こ と に よ り 、 一層射出 ビ ー ム の拡が り 角 を 小 さ く で き 、 場台に よ っ て は コ リ メ ー タ レ ン ズを省略す る こ と が可能 と な り 、 光学系 の構成を一層簡素化で き る t
⑤ ま た 、 偏光面を 自 由 に設定で き る 複数の光共振器 で 1 つ の発光部を構成す る た め、 楕円 断面の レ ー ザー ビ ー ム を用 い る 場合 に 、 レ ー ザ一 ビ ー ム の偏光面の方向 を ビー ム 断面の長蚰方向 と は独立 に かつ任意に制御で き 、 回転多面鏡への 人射角 の違 い か ら 生ず る 反射率の差 に よ る 、 レ ー ザー ビー ム の走査方向の位置 に よ る 光量変動を 最小限に と どめ る こ とが容易 に実現で き る 。
§ 3 画像形成装置の第 3 の実施例
3 - 1 背景技術 と の対比
本実施例を よ り 良 く 理解す る た め、 は じ め に背景技術 に つ い て述べ る 。
従来の画像形成装置の光路断面図を図 2 7 に示す。 図 2 7 は 画像形成装置の像担持体の 走査面 と垂直で光軸を 含む面、 すな わ ち 副走查面内 に お け る 光路断面図であ る 。 ま た、 回転多面鏡の反射面 2 0 8 に対 し て光軸を折 り 返 し て描い てあ る 。 図 2 7 に おいて、 半導体 レ ー ザー
2 0 1 力、 ら放射 さ れた レ ー ザー ビー ム は拡が り 角 0 で放 射 さ れ る 。 こ の ビー ム は焦点距離 f c の コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 0 2 に よ っ て ほぼ平行な ビー ム に整形 さ れ、 倒れ補 正 レ ン ズ 2 0 7 に よ っ て各 ビー ム は回転多面鏡の反射面 2 0 8 の上に一旦集束す る 。 回転多面鏡 2 0 8 で偏向 さ れ た ビー ム は、 2 つ め の倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 ' を 出 た 後再び平行な ビー ム と な り 、 焦点距離 ί i の走査 レ ン ズ 2 0 4 に よ っ て、 像担持体 2 1 1 上に ス ポ ッ 卜 2 0 6 を 結ぶ。 走査面 と 平行な而内では、 倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 , 2 0 7 ' は光学的パ ワ ー を持た な いた め、 そ の面内では ビー ム は平行な ま ま であ る 。 すな わ ち 、 回転多面鏡の反 射面 2 0 8上に は ビー ム は線像 と し て結像す る 。
次に こ の倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 , 2 0 7 ' の働 き を説 明す る 。 回転多面鏡の各反射面 2 0 8 の相互の 回転軸 に 対す る 傾 き は どの よ う に精密に加工 し て も 、 角度に し て 数十秒の誤差をを も ち 、 従 っ て こ の面 に反射 さ れた ビー ム の結像位置 は、 「光学て こ 」 の原理で像担持体の表面 で は副走査方向 に ずれを生 じ 、 走査線 ピ ッ チ に対 し て、 無視で き な い大 き さ と な る 。 そ こ で特開昭 4 8 —
4 9 1 5 に示 さ れ る よ う に 、 各反射面 と 像担持体 2 1 1 表面 （結像面） を光学的 な 共役位置 と す る よ う な 倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 ' 力 設け ら れ る 。 こ の倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 ' は一般に 、 副走査面内での み光学的パ ワ ー を有す る シ リ ン ド リ 力 ノレ レ ン ズ や 卜 ー リ ッ ク レ ン ズ で構 成 さ れ る 。 い ま 反射面が傾い た場合で も 、 そ の ビー ム は 結像面で は必ず同一の 位置 に結像す る 。
図 2 8 は従来用 い ら れて き た い わ ゆ る 端面発光型の半 導体 レ ー ザー の概念図で あ る 。 図 2 8 に示す よ う に 、 光 軸を 含み接合面 に平行な面 と 、 同 じ く 光軸を含み接合面 に垂直な面で は、 ビ ー ム の拡カ《 り 角 が大 き く 異な っ て い る 。 接合面 に平行な 面での拡が り 角 0 p は通常の レ ー ザ 一 ダイ オ ー ドの場合、 半値全角 で約 1 0 度に な る 。 と こ ろ が接合面 に垂直な 面で は拡が り 角 t は 回折の影響を 受け、 半値全角 で約 3 0 度 と 大 き く な る 。
し か し 、 こ の よ う に接 台面 と そ の 直交方向で放射 さ れ る レ ー ザー ビー ム の拡カ り 角 が異 な る 場合、 こ れを そ の ま ま コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 0 2 で平行化 （すな わ ち コ リ メ — 卜 ） す る と 、 平行に な っ た レ ー ザ一 ビー ム の断面 も 大 き く 潰れた楕円状に な っ て し ま う 。 そ し て こ の長径 と短 径の比'が著 し く 違 う 平行 ビー ム を走査 レ ン ズ 2 0 4 で像 担持体 2 1 1 上に結像 さ せ る と 、 そ の結像ス ポ ッ 卜 は平 行 ビー ム と は逆の長径 と 短径の比を持つ楕円状に な る 。
一方、 特開昭 5 2 — 1 1 9 3 3 1 に示 さ れる よ う 〖こ、 像面すな わ ち 像担持体上では、 結像 ス ポ ッ ト は、 走査方 向に やや短い短軸を有す る よ う な楕円 と す る こ と が望 ま し い。 こ れは、 レ ー ザーが一定時間のパルスで点灯す る ので、 そ の 問の移動距離を補正す る た め、 副走査方向 に 比べ、 走査方向の ス ポ ッ ト 径を小 さ く す る 必要があ る か ら で め る 。
こ の た め、 前記の よ う に拡が り 角 の比が著 し く 異な る ビー ム を所望の長径 と短径の比を持つ ス ポ ッ 卜 に結像 さ せ る の に は、 走査方向 と そ の直交方向で光学的特性の違 う 、 すな わ ち ア ナ モ フ ィ ッ ク な光学系を半導体 レ ー ザー 2 0 1 か ら 像担持体 2 1 1 ま での経路中の ど こ かに持た ね ばな ら な力、 つ た。
そ 二 で、 前記の倒れ捕正光学系に こ の特性を持たせて し ま う 方法力く、 最 も広 く 用 い ら れてい る 。 図 2 7 に おい て倒れネ ιδ正 レ ン ズ 2 0 7 , 2 0 7 ' は副走査方向 に ァ フ オ ー カ ルであ る ので、 反射面力、 ら の 2 つ の レ ン ズへの距 離が異な る 構成にすれば、 副走査方向 に だけ作用す る ビ ー ム エ キ ス パ ン ダー と な る 。 し か し 、 こ の よ う な倒れ補正光学系は、 一般に長尺の 5 シ リ ン ド リ 力 ノレ レ ン ズや 卜 一 リ ッ ク レ ン ズな どで構成 さ れ、 製作が困難かあ る い は製作費の高い光学部品 と な る ま た 、 回転多面鏡よ り 手前に あ る 倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 の光軸調整 は精度を要 し 、 こ の種の画像形成装置 の生産 性 と 信頼性の 向上を阻む要因の 1 つであ っ た。
すで に述べた よ う に 、 こ の倒れ補正 レ ン ズが必要 と な る よ う な 、 副走査面内 の レ ー ザ一 ビー ム の角度誤差を生 ず る 主な原因 は、 回転多面鏡の 各反射面の相互間の角度 加工精度 に起因 し 、 回転多面鏡の 回転軸の動的 な振れ は あ ま り 大 き な 問題で は な い。 そ こ で、 回転多面鏡で は な く 、 た だ 1 つ の鏡面を回転 さ せれば、 こ の 問題の大 き な 要因が取 り 除かれ、 通常の画像形成装置 に対 し て は、 倒 れ補正 レ ン ズは不要 と な る 。
ま た 、 こ の よ う な 回転鏡で は反射面力 1 つ し かな い た め、 そ の加工が容易で、 回転部分の惯性モ ー メ ン ト が小 さ い た め、 回転時の振動 に対 し て も 有利であ る 。
こ の よ う な 、 回転単面鏡の ア イ デア は古 く か ら 存在す る が、 1 回転当 り 1 走査 し かで き な い た め、 多面鏡に比 ベ著 し く 走査速度が低下 し 、 い わ ゆ る レ ー ザー ビ ー ム プ リ ン タ ー に使用す る に は不十分 な も の で あ っ た 。
い ま 、 走査線の ピ ッ チ を 3 0 0 d p i ( 1 イ ン チ [ = 2 5 . 4 m m ] あ た り 3 0 0 ド ッ 卜 すな わ ち 、 走査線の 数力《 3 0 ◦ ) で、 用紙の大 き さ 力《 A 4 であ っ て、 こ れを 長手方向 に給紙 し 、 1 分当 り 1 0 枚の 印字を行な う の に 相当す る 画像形成を行な う 場合、 6 面の回転多面鏡を用 いればそ の回転数は約 7 0 0 O r p m ( 1 分当 り の 回転 数） と な る。 一般に、 ボー ルベア リ ン グを用 い た回転多 面鏡の回転数の上限は現在の技術では、 約 1 2 0 0 0 〜 1 4 0 0 0 r p mであ る と 言われ、 仮に 1 2 0 0 0 r p mで回転す る 1 枚の反射鏡を用 い た と し て も 、 1 分 当 り の印字枚数は 3 枚弱 に な っ て し ま う 。
ま た 、 倒れ補正 レ ン ズ 2 0 7 ， 2 0 7 ' を取 り 除いて し ま う と 、 既に述べた よ う に、 半導体 レ ー ザー か ら放射 さ れ る拡が り 角 の楕円比の大 き い レ ー ザ一 ビー ム を像担 持体上で所要の楕円比を も つ ス ポ ッ 卜 に結像 さ せ る ア ナ モ フ ィ ッ ク な ビー ム ェ ク ス パ ン ダ一 と し て の機能 も失わ れて し ま う 。
3 - 2 本発明の構成
図 2 1 は本発明 に よ る 画像形成装置を示す図であ る 。 転写材 2 5 1 上に 印刷結果を得 る プ ロ セ ス は、 いわ ゆ る ^子写真プ リ ン タ の場合長波長側に增感 じ た有機感光体 O P C ) が多 く 用 い ら れる 。 こ の像担持体 2 0 5 は ま ず、 帯電器 2 5 2 で一定の表面電位 に帯電 さ れた の ち 、 レ ー ザー ビー ム 走査装置 2 5 3 に よ っ て光書込すな わ ち 露光が行な われ る。 こ の レ ー ザ一 ビー ム走査装置 2 5 3 か ら 画像情報に従 っ て光強度が各々 独立に変調 さ れた複 数の レ ー ザー ビー ム 2 5 4 が像担持体 2 0 5 を軸方向 に 走査 し 、 露光部の み に表面電位を打 ち 消す電荷を発生 さ 射射出 出
せ、 そ の部分の表面電位の絶対値 は小 さ く な る 。 結果 と し て、 像担持体 2 0 5 上 に は画像 に応 じ た表面電位の分 布、 すな わ ち 静電潜像が形成 さ れ る 。 静電潜像 は現像器 2 5 5 に よ っ て表面電位に応 じ て選択的 に現像剤を付着 さ せ る こ と に よ り 現像 さ れ る 。 こ の現像剤は転写器 2 5 6 に よ っ て転写材 2 5 1 (通常 は紙） に転写 さ れ る 。 転写材 2 5 1 は、 定着器 2 5 7 に よ っ て熱圧力定着 さ れ 排出 さ れ る 。
図 2 0 は本発明 に よ る レ ー ザー ビー ム走査光学装置の 概観図であ る 。 図 2 1 に示 し た レ ー ザ一 ビー ム走査装置 2 5 3 で は レ ー ザ一 ビー ム 2 5 4 は折 り 曲 げ ら れて下方 に射出す る 場合を想定 し て い たが、 図 2 0 で は説明 の た め単純化 し て描い て あ る 。 本発明 の よ う に複数の レ ー ザ — ビー ム で走査を行な う 方式は 「マ ルチ ビ ー ム 」 レ ー ザ — 走査方式 と も 呼ばれ る 。 こ こ で半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 2 2 1 の複数の発光部 2 2 1 a か ら 射出 し た複数の レ ー ザ 一 ビ ー ム は 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 0 2 に よ っ て所定の ビー ム 直径を持つ レ ー ザー ビー ム に コ リ メ 一 ト （平行化） さ れ る 。 こ の レ ー ザー ビ ー ム は た だ 1 つ の反射面を持つ 回転鏡 2 1 8 に 入射 し 、 そ の 回転 に 伴 っ て、 各 々 偏向 さ れ る 。 走査 レ ン ズ 2 0 4 を通過 し た レ ー ザ一 ビ ー ム は像 担持体 2 0 5 上で ス ポ ッ ト 2 0 6 に結像す る 。 発光部 2 2 1 a は個別 に、 制御装置 2 6 0 に よ り そ の点灯お よ び光量が制御 さ れる 。
走査 レ ン ズ 2 0 4 の機能は大 き く 分けて 2 つ あ る。 1 つ はいわ ゆ る 「 f 0 機能」 であ っ て、 回転鏡 2 1 8 の等 角速度の走査を像担持体 2 0 5 上での等線速の走査に変 換す る 働 き を有す る。 も う 1 つ は、 像面湾曲の補正機能 であ り 、 走査角度に よ っ て結像点が光軸方向 に前後 に移 動 し 、 像面が平面に な る よ う 補正す る 働 き を持つ。
と こ ろ で 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 0 2 お よ び走査 レ ン ズ 2 0 4 は、 いずれ も光軸を含むすべての面内 に おいて等 方的な光学的特性を有 し てい る 。 すな わ ち 、 光軸を含む すべての面内 にお いて、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 0 2 およ び 走查 レ ン ズ 2 0 4 は、 各々 の焦点距離お よ び曲率が同一 と な っ てお り 、 ア ナ モ フ ァ ッ ク で な い レ ン ズ と な っ て い o
レ ー ザー ビー ム の本数は本実施例では 4 本であ る ので、 回転鏡 2 1 8 の 回転数が同 じであれば、 レ ー ザ一 ビー ム 力《 1 本の場合に比べて、 4 倍の走査速度を得 る こ と がで き る 。 先の従来例で示 し た よ う な現在得 られ る最高の回 転数の 回転鏡を使用 し た と す る と 、 A 4 用紙換算で 1 分 当 り 1 0 枚強の 印字速度が得 ら れ、 現状のパー ソ ナ ルュ ー ス 向 け の レ ー ザー ビー ム プ リ ン タ ー 用 に は十分な走査 速度を ·す る 。 さ ら に レ ー ザー ビー ム の本数を増や し て 行けば、 一般的な業務用途に も 対応が可能であ る 。
半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 2 1 の 各発光部 2 2 1 a は各 5 一 々 の 走査線 に書 き 込むべ き 画像 デ ー タ に 基づ い て独立 に 制御 さ れ、 変調 さ れ た レ ー ザ 一 ビ ー ム を放射す る 。 こ の た め 図で は示 さ れて い な い が、 画像 デ ー タ の 記憶部か ら 半導体 レ ー ザ ー ア レ イ 2 2 1 に は パ ラ レ ノレ に デ ー タ 力《転 送 さ れ る 。
後で述べ る よ う に 、 走査線間隔 を所定の 値 と す る た め 各 ビー ム の結像 ス ポ ッ 卜 の 走査方向 の 位置が異 7よ る o こ の た め 、 各 レ ー ザ ー ビ ー ム の変調 の タ イ ミ ン グ は そ の 位 置 の ずれ量 に 応 じ て遅延 さ せ る 機能が備 え ら れて い る 。
図 2 2 は 、 本発明 の マ ル チ ビ一ム レ ー ザ — 走查方式 に 於て 、 い ま 簡単の た め に 、 レ ー ザ一 ビー ム の 数が 2 本で コ リ メ ー タ レ ン ズ、 走査 レ ン ズが い ずれ も 凸 の単 レ ン ズ で あ る レ ー ザ ー ビー ム 走査光学系 を考え る 。 半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ 2 2 1 を 間隔 d で射 出 し た 2 本 の レ — ザ 一 ビ ー ム は 、 焦点距離 f c の コ リ メ 一 タ レ ン ズ 2 0 2 で 各 々 は平行 な レ ー ザ一 ビー ム に な る 。 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 2 1 は コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 0 2 の物体側焦点に お かれて い る の で、 2 本 の レ ー ザ一 ビ ー ム は像側焦点 F で交差す る 。 例 え ば像面 2 1 1 で ス ポ ッ ト 直径 d 0 = 1 0 0 m ( こ こ で ス ポ ッ ト 直径、 ビ一ム 直径は 、 ビ一 厶 の 断面 の 強度分 布が ガ ゥ ス 分布 と し て 、 ピ一 ク 強度 に 対 し て 1 Z e 2 の パ ワ ー と な る 直径 と 定義す る ) の ス ポ ッ ト 2 0 6 に 結像 さ せ る 場合 、 f i を 2 0 0 m m と すれ ば走査 レ ン ズへの 入射 ビ 一 ム 直径 (す な わ ち コ リ メ ー ト 直径） W c は下に示す式 （ 5 ) で表わ さ れる
Figure imgf000058_0001
但 し ； は レ ー ザー nの波長で 7 8 0 n m であ る 。 一方、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 0 2 1 の焦点距離 f c は、 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 2 2 1 力、 ら の射出 レ ー ザ一 ビー ム の拡カ《 り 角 で決ま り 、 下に示す式 （ 6 ) で表わ さ れ る。
Wc
c (6)
Θ
こ こ で 0 は ビー ム の 直径の定義 と 同時に l Z e 2 の 全角 で定義す る 。
次に、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 0 2 力、 ら偏向装置の反射面 2 0 8 ま では、 走査装置の各要素の配置上、 一定の距離 h が必要であ る と し 、 さ ら に n 本の レ ー ザー ビー ムが一 ιΕ線上に並んで配列 さ れてい る と す る と 、 反射面 2 0 8 上で は n 本の レ ー ザー ビー ム の反射 さ れる 位置の さ し わ た し距離 q は、 レ ー ザー ビー ム の 間隔を d と す る と 、 h- f c
q = d (7)
f c で表わ さ れ る 。
半導体 レ ー ザー ア レ イ に現在よ く 用 い ら れ る 、 素子の 基板端面か ら レ ー ザー ビー ムが放射 さ れ る 端面発光型半 導体 レ ー ザー を用 い る 場合 につ い て説明す る 。 従来例の 説明 の 中 の 図 2 8 で示す よ う に 、 射出 さ れ る レ ー ザー ビ ー ム は、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 0 1 の基板の垂直方向 に 回折の影響を受け、 半値全角 で約 3 0 度前後の角度を も っ て広力《 つ て行 く 。 こ の と き コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 0 2 の焦点距離 f c は約 3 m m に な る 。 そ こ で、 例え ば レ ー ザ一 ビー ム の本数 n を 4 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 0 2 力、 ら 反射面 2 0 8 ま で距離 h を 1 0 0 と す る と 、 q = 9 . 7 m m と な る 。 こ の た め反射面の大 き さ は少な く と も こ の 距離 q 分だ け多 く 必要 と な る 。 こ の よ う な場合で も 、 本 発明で は反射面は 1 つ し かな い た め、 回転多面鏡の場合 に比べ、 反射面の大 き さ を大 き く す る こ と は さ ほ ど問題 で はな い。
し 力、 し 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 2 1 に は、 い わ ゆ る 面発光半導体 レ ー ザ一 を用 い る の が よ り 好ま し い。 こ の よ う な面発光半導体 レ ー ザー ア レ イ 2 2 1 で は、 レ ー ザ 一 ビー ム の発光部 2 2 1 a の断面積が、 従来の端面発光 型の半導体 レ ー ザ一 に比べて大 き く と れ る た め、 レ ー ザ
― ビ一 ム の拡力く り 角 は小 さ く な る 。 こ の拡カ り 角 の大 き さ は射出窓の面積で決 ま る が、 そ の面積 はエ ツ チ ン グ等 で 正確に制御で き る た め 、 拡カ《 り 角 も 一定にす る こ と が で き る 。 例え ば、 拡が り 角 が半値全角 で 8 度程度の レ ー ザ一 ビー ム を得 る こ と も 十分可能で あ る 。 さ ら に、 こ の 様な面発光半導体 レ ー ザ一 で は電流及び光を効率的 に レ — ザ一 の光共振器の 中に 閉 じ こ め る こ と が出来 る の で、
1 つ の発光部当 り の発熱を減少 さ せ る と 同時に 、 複数の 発光部が隣あ っ た場合の相互の光学的、 電気的及び熱的 干渉を少な く す る こ と が出来 る 。 よ っ て発光部の 間隔 も 従来の半導体 レ ー ザー に比べ、 小 さ く す る こ と が出来 る 。
先の式 （ 6 ) を用 い て、 射出 ビー ム の拡カ り 角力《 8 度 であ る 面発光型の半導体 レ ー ザー を用 い た場合の コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離 f c を求め る と約 8 m m と な る 。 ま た、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 上での発光部の 間隔 d は 5 0 m程度に はで き る ので、 先の例 と 同様に、 ビー ム 数 n = 4 で、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 2 0 2 力、 ら反射面 2 0 8 ま での距離 h を 1 0 0 m m と す る と 、 反射面上での 4 本 の ビー ム の さ し わた し距離 q は、 先の式 （ 7 ) に よ れば 約 1 . 7 3 m m と な り 、 ビー ム の コ リ メ ー ト 直径 W c に 比べて さ ほ ど問題 と な る 値で はな い。
特に、 よ り 高解像度の画像を形成す る た め に、 例え ば 像担持体上での ス ポ ッ ト 直径を 5 0 と す る 場合、 先 の式に従え ばコ リ メ 一 卜 直径 W c は倍の約 4 m m程度に な る 。 従 っ て コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点距離 f c も 倍に な り 、 反射面上での ビー ム の反射位置の 間隔 q も さ ら に半 分に な る 。
こ の よ う に 、 各 ビー ム を追跡 し てい く と 、 光軸上の ど の位置 において も 、 各 ビ ー ム の なす距離は、 コ リ メ ー ト 直径に比べれば十分小さ い た め、 複数の レ ー ザー ビー ム を扱 う 光学系で は あ っ て も 、 代表的 な 1 つ の ビ ー ム に つ い て光学設計をお こ な え ばよ く 、 レ ー ザー 走査光学系の 設計が非常 に容易 に な る 。
ま た 、 コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点距離が従来の端面発光 型半導体 レ ー ザ一 を用 い た場合 に比べて大 き い た め、 半 導体 レ ー ザー と コ リ メ 一 夕 レ ン ズの光軸方向 の距離の誤 差がよ り 大 き く 許容 さ れ る
こ の よ う に マ ノレ チ ビ 一 ム走査方式に適 し た 、 面発光型 の半導体 レ ー ザー ァ レ イ の 中で も 、 さ ら に よ り 望 ま し い の は発光部の周 囲 に Π — VI族化合物半導体を埋め込ん だ 面発光型の半導体 レ ー ザ一 ア レ イ こ"あ "SJ O
図 2 3 は こ の面発光型半導体 レ — ザー ァ レ ィ 2 2 1 の 素子基板上に 2 次元的 に配置 さ れた発光部 2 2 1 a の う ち の 1 つ の断面図で あ る 。 図 2 3 に お い て G a A s 基板 2 2 2 の上に ま ず組成の違 う 2 種の A 1 G a A s 層を数 1 0 層積層 し た半導体多層反射層 2 2 3 を形成 し 、 そ の 上 に そ れぞれ A l G a A s か ら な る ク ラ ッ ド層 2 2 4 、 活性層 2 2 5 、 ク ラ ッ ド層 2 2 6 、 っ ン タ ク ト 層 2 2 7 を II層 し 、 最後 に S i 0 2 誘電体多層膜反射層 2 2 8 が 形成 さ れて い る 。 ま た G a A s ®板 2 2 2 の裏面全体及 び、 表面の誘電体多層膜反射層 の ま わ り に窓状の電極 2 2 9 , 2 3 ◦ が形成 さ れて お り 、 全体が光共振器を構 成 し て い る 。 活性層で発生 し た光は基板面 と 垂直方向 に 上下の反射層 2 2 7 , 2 2 3 の 間を往復 し発振す る の で そ の レ ー ザ一 ビー ム 2 3 1 の光軸 は基板面に対 し て ほぼ 垂直 と な る 。
光共振器の 回 り に は埋め込み層 2 3 2 と し て Π — VI族 の 化合物半導体が埋め込ま れてい る 。 Π — VI族の元素 と し て 0、 S 、 S e 、 T e を 2 〜 4元素組み合わせ、 ま た、 そ の化合物の格子定数を前記の ク ラ ッ ド層 2 2 4 、 活性 層 2 2 5 、 ク ラ ッ ド層 2 2 6 か ら な る 半導体層の格子定 数に合わせ る のが望ま し い。 こ の II — VI族の化合物半導 体は電気抵抗が非常に大 き い た め、 電流を光共振器の な かに効率的に閉 じ こ め る と 同時に 、 光共振器を構成 し て い る A 1 G a A s 半導体層 と は屈折率に差があ る た め、 光共振器の 内部で素子の基扳面に垂直 も し く はそれに近 い角度で進む光は こ の埋め込み層 2 3 2 と の界面で全反 射 し効率的に閉 じ こ め ら れる。 こ の た め、 こ の よ う な 半 導体 レ ー ザー を用 いれば、 従来の 半導体 レ ー ザ一 に比べ て大変小 さ い電流で レ ー ザ一発振が始ま る 。 すな わ ち 、 し き い値電流が低 く 、 素子基板での損失熱量が少な い。 図 2 3 に お いて G a A s 基板 2 2 2 の上に ダイ オ ー ド力《 形成 さ れてお り 、 活性層 2 2 5 で発生 し た光は、 反射層 2 2 3 と 2 2 8 の間を往復 し発振 し 、 2 つ の反射層の 中 で倥かに反射率の小 さ い反射層 2 2 8 力、 ら 、 レ ー ザー ビ — ム 2 3 1 と し て素子の基板面に対 し て垂直に射出す る 。
従来例の説明 の と こ ろ で も触れた よ う に 、 通常の レ ー ザ一 ビー ム プ リ ン タ ー では、 像担持体上での レ ー ザー ビ 一 ム の 結像 ス ポ ッ 卜 の形状 は走査方向 に短軸が一致す る よ う な楕円状 と す る た め、 走查 レ ン ズ に入射す る レ ー ザ — ビ ー ム の断面形状 は 、 逆に走査方向 に長軸を も つ楕円 で あ る こ と が望 ま し い。
し か し 、 本発明で は倒れ補正光学系が存在 し な い ので 先に も述べ た よ う に、 端面発光型 の半導体 レ ー ザ ー ァ レ ィ を用 い る 場合 は、 適切な楕円 形状の レ ー ザー ビ ー ム を 走査 レ ン ズ に入射 さ せ る た め、 ア ナ モ フ ィ ッ ク な特性を も っ た コ リ メ ー タ レ ン ズを用 い て、 レ ー ザー ビー ム の断 面の楕円 の長径 と 短径の比を整形す る 必要があ る 。 そ の よ う な コ リ メ 一 夕 レ ン ズを製作す る こ と は さ ほ ど困難で は な く 、 本発明 の利点を損ね る も の で は な い。
と こ ろ が、 面発光型の半導体 レ ー ザー ア レ イ で は、 射 出 レ ー ザー ビー ム の断面の楕円比を 自 由 に制御で き る の で 、 特別な光学系を用 い な く と も 、 走査面 に長軸を有 し 適切な長軸 と 短軸の比を持つ よ う な 断面を も つ レ ー ザ一 ビ ー ム を走査 レ ン ズ に入射 さ せ る こ と がで き る 。 すな わ ち 、 結像 ス ポ ッ ト の 理想的な楕円比を得 る た め に も 、 面 発光型 の半導体 レ ー ザー ァ レ イ は最適で あ る 。
ま た 、 面発光形の半導体 レ ー ザ ー に お い て は 、 互 い に 千渉 し な い距離 さ え お け ば、 ど こ に で も 発光部を置 く こ と が可能な た め、 素子上に 2 次元状 に発光部を配列で き る。 い ま 、 4 本の レ ー ザー ビ ー ム で走査を行な う 露光系 に お い て、 走査線 と 結像 ス ポ ッ ト の位置関係を考え る 。 二 二 では 1 個の走査で互い に隣合 う 4 本の走査線を描 く と す る 。 図 2 4 ( a ) で示すよ う 結像ス ポ ッ 卜 2 0 6 を 配列す る と 、 図 2 4 ( b ) の よ う に一直線に並べ る 場合 に比べて レ ー ザー ビー ム相互の角度 も し く は距離を小 さ く で き 、 偏向器の反射面の大 き さ や、 他の光学系の大 き さ をそれに あ わせて小さ く で き る 。
上記の例 は レ ー ザー ビー ムが 4 本の場合を示 し たが、 レ ー ザー ビー ム の数が更に増え た場合、 像担持体上での ス ポ ッ 卜 の位置が最 も近接す る よ う 、 半導体 レ ー ザー ァ レ イ 上の発光部の配置を 自 由 に選べ る ので、 効果は よ り 大 き く な る 。 一例 と し て レ ー ザー ビー ム数力《 8 本の と き の走査線に対す る 結像ス ポ ッ 卜 の配置例を図 2 4 ( c ) に示す。 すな わ ち 、 回転鏡の反射面の面数が 1 つであ つ て も 、 更に ビー ム数を増や し て行 く こ と に よ っ て、 実用 上十分 な 印字速度を得 る こ と がで き る 。
な お、 こ の実施例に お い ては、 走査光学系 は走査方向、 副走査方向 と 同一の光学的特性であ る ので、 像担持体状 で の結像 ス ポ ッ 卜 の配置 と 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 上で の発光部の配置は相似形 と な る 。
次に 図 2 5 の平面図を用 い て本発明 に用 い ら れ る 偏向 装置 につ いて説明す る 。 反射面 2 ] 5 は た だ 1 つ設け ら れてお り 、 モ ー タ ー 2 1 6 の 回転部に取付け ら れてお り 、 一定速度で回転す る 。 従来の多面鏡では先に も述べた よ う に 、 各反射面の相互の傾 き 精度を維持す る た め に 、 そ の加工方法や、 構造 に制約があ っ た。 一般に は、 回転多 面鏡は ア ル ミ 等の金属 の一体削 り だ し の鏡体の上に コ ー テ ィ ン グを施 し た物が多か っ た。 し 力、 し 、 反射面が 1 つ の場合 は、 製作方法は上記の よ う な削 り 出 し に 限 ら ず、 平面度の 出 し易 い ガ ラ ス の表面に金属反射膜を蒸着 し た も の等を回転部分 に貼 り つ け る だ けで製作で き 、 非常 に 安価にで き る 。
反射面 2 1 5 を含む回転部分 は、 従来の多面鏡に比べ て質量が小 さ く 、 回転時の振動な ど に関 し て非常 に有利 であ る 。 な お、 こ の 回転部分 は回転軸 に関 し てダイ ナ ミ ッ ク バ ラ ン ス を と る よ う に設計、 あ る い は必要 に よ っ て 追加工が施 さ れてい る 。
ま た 、 反射面 2 1 5 の 中央が回転軸 A に一致す る よ う に 設計 さ れて い る 。 そ し て、 反射面 2 1 5 上の 回転軸 A 近傍に レ ー ザ ー ビー ム 2 1 7 を入射 さ せ る と 、 反射面 2 1 5 が回転 し て も 、 レ ー ザー ビー ム 2 1 7 は反射面 2 1 5 上の ほぼ一点 に と ど ま る の で、 反射面の大 き さ は 従来の 回転多面鏡 に比べて非常に小 さ く て済む。
さ ら に、 反射面が 1 面 し かな い場合、 ビ ー ム を偏向で き る 角度 は多面鏡の場合 に比べて飛躍的 に広が る 。 例え ば、 図 2 6 に示す よ う に 6 面鏡の場合、 レ ー ザ 一 ビ ー ム 2 1 7 の コ リ メ ー ト E ii W c を 0 であ る と し た と き 、 反 射面の大 き さ に かかわ ら ず走査角 α の 限界は 1 2 0 度で あ る 。 一方、 走査光学系の 設計 に お い て は有効走査角 は 大 き い場 ^で 9 0 度程度あ り 、 こ れ に反射面への入射 レ — ザ一 ビー ム の コ リ メ ー ト 直径 W c や、 ビー ム の走査開 始位置の検出の た めの検出器を設置す る 位置の余裕を取 る た め に は、 前記の 6 面鏡では偏向装置の走査角が不足 し 、 走査 レ ン ズの有効走査角が狭め ら れて し ま う 。
二 れに対 し て反射面力 1 面の場合は上記の よ う に反射 面上に 回転軸を位置 さ せ る か、 反射面の大 き さ が無限大 の場合、 理論的 に は 3 6 0 度に な る 。 従 っ て、 走査角 の 大 き な走査 レ ン ズを使用す る こ と がで き 、 走査光学系全 体を小さ く 設計で き る 。
ま た、 反射面力《 1 面の場合、 実際の走査に使用 さ れる 期間 は 1 回転の時間の 1 0 %前後 に な り 、 他の時間 は走 査 に は寄与 し な い。 そ の期間に レ ー ザ一 が放射 さ れ る と 、 反射面の背面な どに レ ー ザ一 ビー ムが照射 さ れ、 意図 し な い反射光が像担持体上に結像す る 恐れがあ る の で、 不 要な期問は レ ー ザー を作動 さ せな い回路が設け られて い る o
あ る い は、 こ の よ う な走査に使用 さ れな い時間を用 い て 、 逆に レ ー ザ一 を点灯 さ せ、 そ の光量を検出 し 、 所定 の光量に な る よ う 、 レ ー ザー の駆動電流を設定す る こ と がで き る 。 こ の電流制御の た めの レ ー ザー の点灯時に 、 さ き に述べた よ う に、 不要な反射に よ り レ ー ザ一 ビー ム が像担持体に到達す る の を防 ぐ た め、 偏向装置の周辺部 材の角度を適切 に 設計 し た り 、 反射防止の表面処理を行 な う こ と 力 <望 ま し い。
以上に説明 し た実施例 は、 本発明 の一実施例 に過 ぎず、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 、 走査 レ ン ズ の構成や、 相対位置関係 が変わ っ て も 本発明 の効果は同 じ く 発揮 さ れ る 。 ま た 、 回転鏡の構造、 製造方法 も プ ラ ス チ ッ ク の射出成形な ど、 他の方法で も 同様の効果を発揮す る こ と は明 ら かであ る さ ら に 、 回転鏡 は一定速度で一方向 に 回転す る 形式の も の だけで は な く 、 回転振動を行な う い わ ゆ る ガルバ ノ ミ ラ ー であ っ て も 本発明 の効果 は 同様 に発揮 さ れ る 。
あ る い は、 先の実施例で示 し た面発光型 レ ー ザ一 の素 子の構造 は、 実現可能な 1 つ の例示で あ っ て、 射出 ビー ム の拡が り 角 や発光部の 間隔な どの特性が同等な構造で あ れば、 他の構造であ っ て も 全 く 同等の効果を発揮す る さ ら に 、 本発明 の画像形成装置の応用範囲 は、 プ リ ン 夕 、 複写機等の 印刷装置の み な ら ず、 フ ァ ク シ ミ リ 、 デ ィ ス プ レ イ に お い て も 全 く 同様な 効果を有す る こ と は言 う ま で も な い。
3 - 3 効果
以上 に述べた よ う に本発明 の 画像形成装置 に お い て は、 た だ 1 つ の平面の反射面を有す る 回転鏡を偏向器 と し て 使用す る こ と に よ り 、 偏向器の 回転部分が小型、 軽量 と な り 、 製作が容易で あ る ばか り で な く 、 動的な振動特性 も 改善 さ れ る 。 ま た 、 倒れ補正光学系を省略 し 、 ま た特 に ア ナ モ フ ィ ッ ク な 光学系を用 い な い こ と で、 非常 に 簡 素な構成で、 組立調整の容易な走査光学系が実現で き る 。 さ ら に、 マルチ ビー ム方式 と す る こ と に よ り 、 従来 と 同 様の走査速度を維持で き る 。
本発明 に よれば、 特に面発光型の半導体 レ ー ザー ァ レ ィ を用 い た場合、 コ リ メ ー タ レ ン ズ と走査 レ ン ズ以外に 新た な付加的な光学系を追加す る こ と な く 、 反射面の大 き さ を小さ く で き る と 同時に、 像面での結像ス ポ ッ 卜 の 楕円比を 自 由 に設定で き る 。
§ 4 画像形成装置の第 4 の実施例
4 一 1 背景技術 と の対比
本実施例を よ り 良 く 理解す る た め、 は じ め に背景技術 に つ い て述べ る 。
従来の 画像形成装置の光路断面図を図 3 3 に示す。
図 3 3 において、 半導体 レ ー ザー 3 ◦ 1 力、 ら放射 さ れ た レ — ザー ビ— 厶 は拡力《 り 角 ø で放射 さ れ る 。 こ の ビー 厶 は焦点距離 f c の コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 3 0 2 に よ っ て ほ ぼ甲-行な ビー ム に整形 さ れ、 倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 に よ つ て各 ビー ム は回転多面鏡の反射面 3 0 8 の上に一旦集 朿す る 。 回転多面鏡で偏向 さ れた ビー ム は 2 つ め の倒れ 補正 レ ン ズ 3 ϋ 7 ' を出 た ビー ム は再び平行な ビー ム と な り 、 焦点距離 f i の走査 レ ン ズ 3 0 4 に よ っ て、 像担 持体上に ス ポ ッ 卜 を結ぶ。 定查面 と 平行な面内では、 倒 れ祯正 レ ン ズ 3 0 7 ， 3 0 7 ' は光学的パ ワ ー を持た な い た め、 そ の面内では ビー ム は平行な ま ま であ る 。 すな わ ち 、 前記回転多面鏡の反射面 8 上に は ビ ー ム は線像 と し て結像す る 。
次に こ の倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 ， 3 0 7 ' の働 き を説 明す る 。 回転多面鏡の各反射面 3 0 8 の相互の 回転軸 に 対す る 傾 き は どの よ う に精密に加工 し て も 、 角 度に し て 数十秒の誤差を も ち 、 従 っ て こ の面 に反射 さ れた ビー ム の結像位置 は、 「光学て こ 」 の原理で拡大 さ れ、 像担持 体の表面で は、 走査線 ピ ッ チ に対 し て無視で き な い大 き さ と な る 。 そ こ で特開昭 4 8 — 4 9 3 1 5 に示 さ れ る よ う に、 各反射面 と 像担持体表面 （結像面） を光学的 な共 役位置 と す る よ う な 、 倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 ' が設け ら れ る 。 こ の倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 ' は一般に 、 副走査面 内での み光学的パ ワ ー を有す る シ リ ン ド リ 力 ノレ レ ン ズや ト 一 リ ッ ク レ ン ズで構成 さ れ る 。 例え ば反射面が図 3 3 の 3 0 8 ' に示 し た よ う に傾い た場合で も 、 そ の ビ ー ム は結像面で は必ず同一の位置 に結像す る 。
と こ ろ が近年、 コ ン ピ ュ ー タ 一 の利用技術の 向上 と と も に、 画像形成装置の 出力速度の 向上がよ り 一層望 ま れ そ の改良が進んで い る 。 し か し 、 例え ば回転多面鏡を用 い た 向装置で は、 そ の鏡面の 小面の 1 つ につ き 1 本の レ ー ザ一 ビー ム を偏向 さ せ 1 本の走査線を描 く の で、 単 位時間当 り の走査数を增加 さ せ る に は、 回転多面鏡の小 面の数を一定で あ る 場合 に は、 そ の 回転数が大 き く な り 逆 に 回転数が一定の場合 に は、 回転多面鏡の面数が増加 す る。 回転多面鏡の回転数を增加 さ せ る に は、 気体ま た は液体の動圧 ま た は静圧を利用 し た軸受が必須 と な る が、 二 れ ら の軸受は効果で取扱が難 し く 一般的な レ ー ザー ビ — ム プ リ ン タ に用 い る こ と は困難であ っ た。 逆に多面鏡 の面数を増加 さ せ る と 偏向角が小 さ く な る の で、 偏向器 以降の光路長が長 く な る と 同時に結像光学系に入射す る レ ー ザ一 ビー ム の コ リ メ 一 ト 直径 も それに比例 し て大 き く な り 、 レ ン ズや回転多面鏡の大 き さ も大 き く な る 。 特 に 、 高い解像度 も 同時に要求 さ れ る 場合 は走査線の数 も 増え る た め、 よ り 大 き い回転数 と 、 長い光路長が必要 と な る 。 こ の こ と は、 偏向装置に回転多面鏡以外の も の を 用 い る場合で も 同様で、 走査周波数の増大 と 、 偏向装置 以降の光路長の增加を も た らす。 そ の た め一度の走査で、 複数の レ ー ザー ビー ム を用 いて複数の走査線を書 き込む ( いわゆ る マルチ ビー ム ） 露光方法が開発 さ れた。
複数の レ ー ザ一 ビー ム を得 る た め に は、 複数の ガス レ 一 ザ一 （例え ば、 H e — N e ) 発振器を光源 と し て用 い た り 、 1 つ の発振器の レ ー ザー ビー ム を音響光学変調器 ( A 0 M ) な どで時分割的に複数に振 り 分け た り す る 方 法 も開発 さ れたが、 よ り 簡潔で装置が小型に な る 方法 と し て、 例え ば特 | 昭 5 4 — 7 3 2 8 に開示 さ れて い る よ う に、 1 つ の素子上に投 ½の発光部を集積 し た半導体 レ 一 ザ一 ア レ イ が光源 と し て用 い る 方法 （ マ ノレチ ビ一 ム レ 一 ザ一 走査方法） が提案 さ れて い る 。 し 力、 し 、 こ の よ う に 複数 の 平行 な 光軸 を持つ レ ー ザ ー ビ ー ム 力《 コ リ メ ー タ レ ン ズ に 入射す る と 、 そ の光軸 は相 互 に 多 き な 角 度 を も っ て ひ ろ 力《 つ て い つ て し ま い 、 偏 向 装置 の 反射面 や光学系 を構成す る レ ン ズの 大 き さ が、 1 本 の レ ー ザ ー ビ ー ム を用 い て走査す る 場合 に 比べて 、 非 常 に 大 き な も の と な っ て し ま う と い う 問題点を有 し て い た 。
図 3 4 は 、 マ ノレチ ビ 一 ム レ 一 ザ一走査方法 に お い て、 半導体 レ ー ザー ァ レ イ か ら 像担持体 ま で の光路断面図 を 示す。 い ま 簡単 の た め に 、 レ ー ザ ー ビ ー ム の数力 2 本で コ リ メ 一 夕 レ ン ズ、 走査 レ ン ズが い ずれ も 凸 の単 レ ン ズ で あ る レ ー ザ ー ビ ー ム 走査光学系 を考え る 。 半導体 レ ー ザ一ア レ イ 3 2 1 を 間隔 S で射 出 し た 2 本 の レ ー ザ ー ビ — ム は 、 焦点距離 f c の コ リ メ ー タ レ ン ズ 3 0 2 で各 々 は平行 な レ ー ザ ー ビ ー ム に な る 。 こ こ で半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ 3 2 1 は コ リ メ 一 タ レ ン ズ 2 の 物体側焦点 に お 力、 れて い る の で、 2 本の レ ー ザ ー ビ ー ム は像側焦点 F で交 差す る 。 例 え ば像面 3 1 1 で ス ポ ッ ト 直径 d = 1 0 0
m 〔 こ こ で ス ポ ッ ト 直径、 ビ ー ム 直径 は 、 ビ ー ム の 断 面 の 強度分布が ガ ウ ス 分布 と し て 、 ピ ー ク 強度 に 対 し て 1 / e 2 の パ ワ ー と な る 直径 と 定 す る ） の ス ポ ッ ト 3 0 6 に 結像 さ せ る 場合、 f i を 2 0 0 m m と すれば走 査 レ ン ズへの 入射 ビ ー ム 直径 （す な わ ち コ リ メ 一 卜 直径） W c は下 に 示す式 （ 8 ) で表わ さ れ る 。
Figure imgf000072_0001
但 し / は レ ー ザー の波長で 7 8 0 n mであ る 。 よ っ て こ の例 においては コ リ メ 一 卜 直径 W c は約 2 m m と な る 。
従来用 い られて き た い わ ゆ る 端面発光型の レ ー ザ一 ダ ィ オ ー ドは図 3 5 の概念図に示すよ う に、 光軸を含み接 面に平行な面 と 、 同 じ く 光軸を含み接合面 に垂直な面 では、 ビー ム の拡カ《 り 角が大 き く 異な っ てい た。 接合面 に平行な面での拡が り 角 Θ p は通常の半導体 レ ー ザ一 の 場合、 半値全角 で約 1 0 度に な る 。 と こ ろ が接合面に垂 直な面では拡が り 面 0 t は回折の影響を受け、 半値全角 で約 3 0 度 と 大 き く な る 。 さ ら に こ の拡カ《 り 角 0 t 、 の大 き さ や、 そ の比 （すな わ ち楕円 の長径、 短径の 比） を 自 由 に設定す る こ と も難 し い。 こ の放射 ビー ム の 大部分を有効に利用す る た め に半導体 レ ー ザ一 ァ レ イ と コ リ メ ー タ レ ン ズの結合効率を高 く 取 っ た場合、 前述の よ う な 2 m m の コ リ メ 一 ト 直径を得 る た め に は、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 2 の焦点距離 f c は 3 m m程度 と な る 。 一方 . 現 if の半導体 レ ー ザ一 ァ レ イ では、 お互 い の干渉を避 け る た め、 そ の発光部の 間隔 <5 は 1 0 0 /z m以下にす る の は難 し い。
コ リ メ ー タ レ ン ズ 3 0 2 の像側焦点 F 力、 ら 偏向器の反 射面 3 ϋ 8 ま で は、 走査装置の各要素の配置上、 一定の 距離 h が必要であ り 、 ま た半導体 レ ー ザー ア レ イ 3 2 1 上に お い て、 複数あ る 発光部の う ち 相互の距離が最 も 遠 い 2 つ の発光部の 間隔を <5 m a x と す る と 、 偏向器の反 射面 3 〇 8 上で の こ の 2 つ の ビー ム の 間隔 q は h
q = 5 m a X ( 9 )
f c で表わ さ れ る。 例え ば、 ビ一ム の数力く 4 本で、 半導体 レ — ザ— ア レ イ 上で発光部が 0 . 1 m m お き に 1 列 に並ん で い る と さ 、 5 m a X は 3 X 6 = 0 . 3 m m と る ο コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 3 0 2 の 像側焦点 F か ら 反射面 3 0 8 ま で距離 h を 5 0 m m と る と、 q = m m と な る 。 こ の た め反射面の大 き さ は少な く と も こ の距離 q 分 に レ ー ザ 一 ビ一ム コ リ メ 一 ト 直径を加え た分だ け必要 と な り 、 偏 向器の 回転部分が大 き く な り 、 軸受の負担 も 大 き く 、 ま た 回転時の ア ン バ ラ ン ス の影響 も 受けやす く な る 。 式
( ) で明 ら かな よ う に f c / <5 m a X の値が \ さ く な る に 従 つ て、 q の値 は大 き く な っ て し ま ラ o 次 に 、 既 に述ベた倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 ， 3 0 7 ' を 走査光学系の 中 に加え た場合を考察す る 。 倒れ補正 レ ン ズ は ァ ナ モ フ ィ ッ ク な光学要素であ る ので 、 走査面 と 副 走杏而で は光学的性質が異な る 。 既 に述ベた よ う に 、 倒 れ補正 レ ン ズで は走査面内で は光学的パ ヮ 一 を持た な い の で、 前記の式 ( ) に よ つ て、 走査面内で最大距離を も つ 2 つ の ビー ム の反射面上での 間隔 q は求め ら れ る 。 よ っ て、 副走査面内 だけを新た に考慮すればよ い。 図 3 6 は倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 を含ん だ副走査面内の光路 断面図であ っ て、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 3 2 1 か ら 偏向 器の反射面 3 0 8 ま でを示 し てい る 。
先に説明 し た如 く 、 副走査面内でみ る と 、 各 ビー ム に つ い て は、 偏向器の反射面 3 0 8 上で線像 と な る が、 反 射面上でそ の線像が作 ら れ る 位置 は、 副走査方向 に あ る 距離 q を も つ。 ビー ム偏向器の手前側の倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 の焦点距離を f t 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 3 0 2 の像 側焦点 F か ら倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 ま での距離を t 1 、 倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 か ら偏向器の反射面 3 0 8 ま での 距離を t 2 と し 、 そ の他の記号は先の 図 3 4 の場合 と 同 —であ る と す る と 、 複数の レ ー ザ一 ビ ー ム の う ち相互の 距離の最 も遠い 2 本が倒れ補正 レ ン ズ 3 0 7 に入射す る と き の相互の距離 q ' 、 及び反射面 3 0 8 に入射す る と き の ビー ム の相互の距離 q は、 それぞれ下に示す式 ( 1 0 ) 、 式 （ 1 1 ) で表わ さ れ る 。 q = 0 m a X (10) f c
- f t * t l + t 2 » t l - f c » t 2 q = -q' ♦ (11) こ で、 一般に は コ リ メ 一 卜 さ れた レ ー ザ一 ビー ム を 走査面上で ビ ー ム ウ ェ ス ト を も たせ る た め に f t = t 2 と な る 。
t 1 < f t の と き 、 2 本の ビー ム は像側で は交差 し な い。 よ っ て、 q > q ' と な り 、 t 1 力く短 く な る に し た 力《 つ て q は大 き く な る 。 例え ば t l = 2 0 m m、 f t = 3 0 m m、 t 2 = 3 0 m m と し て計算す る と 、 q ' = 2 m m、 q = 3 m m と な る 。 式 （ 1 1 ) 中 に は q ' 力く含 ま れ、 式 （ 】 0 ) に よ れば先 と 同様 に f c / <5 m a X 力《大 き い と q ' も 小 さ く な る 。 こ こ で t l + t 2 = h であ る ので、 走查面内で は先の計算例 と 同 じ であ る 。 すな わ ち 、 こ の例に お い て は、 副走査方向 の方が、 両端の ビー ム の な す距離が少な く な る こ と がわか る 。
さ ら に 同様の こ と が走査 レ ン ズ 4 に こ れ ら の複数の レ 一ザ一 ビー ムが入射す る と き の ビー ム相互の距離につ い て も あ て は ま る 。 すな わ ち 、 先の倒れ補正 レ ン ズへの入 射位置を走査 レ ン ズの入射位置 と み な せば式 （ 1 0 ) と 同様であ る 。 コ リ メ ー タ レ ン ズ力、 ら 走査 レ ン ズま での距 離 は先の場合 よ り 大 き い た め、 走査 レ ン ズ の大 き さ を さ ら に大 き く と る 必要が生ず る 。
—般に レ ー ザー ビー ム 走査光学系を構成す る 各光学要 素の光学的パ ワ ー は、 コ リ メ ー タ レ ン ズが最 も 大 き い。 つ ま り 、 焦点距離が最 も 短 い。 こ の こ と は、 半導体 レ ー ザ一.ア レ イ 力、 ら 放射 さ れた複数の レ ー ザー ビー ム が、 光 学系を経由 し て像担持体 に達す る ま での 間 に お い て、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズを通過す る 際に各 ビー ム の なす角 が最 も 大 き く 変化す る こ と を意味 し てい る 。
こ の 問題を避け る た め、 従来多 く の光学的な要素の追 加に よ り 、 反射面上で複数の レ ー ザー ビー ムが反射 さ れ る 位置を近接 さ せ る 方法が提案 さ れて き た。 例えば特開 昭 5 6 — 6 9 6 】 1 では、 コ リ メ 一 タ レ ン ズの後ろ に ァ フ ォ ー カ ルな光学系をおいて、 反射面上に各 ビー ム を集 めてい る 。 し 力、 し 、 こ の よ う な光学系を新た に付加す る 二 と は、 や は り 、 走査光学系の構造が複雑に な り 、 コ ス ト ゃ調整の容易 さ 、 信頼性の面で好ま し く な い。
ま た、 上に述べた よ う に複数の レ ー ザ一 ビー ムが互い に異な る光路をた ど る 場合、 そ れぞれの レ ー ザー ビー ム につ いて、 各収差や結像ス ポ ッ ト 大 き さ を所期の値 と す る た め の設計を行な う 必要があ り 、 設計工数が多 く な り 、 画像形成装置の開発期間が長期 に亘 る と 同時に、 複数の レ ー ザー ビー ム の全てが走査範囲内の任意の位置 に於て、 設計仕様を満たすよ う な設計解を得 る こ とが困難に な る 。 二 の こ と は よ り 高度な設計が要求 さ れ る 解像度の高い 、 すな わ ち結像ス ポ ッ ト 直径の小 さ い画像形成装置では よ り 一 大 き な 問題 と な る 。
さ ら に 、 こ の よ う な困難を経て設計 さ れた レ ー ザー 走 査光学系 は、 通常の 1 本の レ ー ザー ビー ム を用 い た レ ー ザ一 ビー ム 走査光学系 に比べて、 走査器の反射面ゃ各 レ ン ズ の -効径が大 き い だ けで な く 、 そ の構成 も高度な (すな わ ち レ ン ズの構成枚数が多 く 、 レ ン ズ位置の調整 も 正確 さ が要求 さ れ る ） も の と な り 、 生産設備の共通化 が困難 に な る 。
4 - 2 本発明 の構成
図 3 0 は本発明 の画像形成装置を示 し た 図であ る 。 転 写材 3 5 1 上 に 印刷結果を得 る プ 口 セ ス は い わ ゆ る 電子 写真プ ロ セ ス に よ っ て い る 。 像担持体 3 0 5 と し て は、 半導体 レ ー ザ一 を光源に用 い た電子写真 プ リ ン タ で は、 長波長側 に増感 し た有機感光体 （ 0 P C ) が多 く 用 い ら れ る 。 こ の像担持体 3 0 5 は ま ず、 帯電器 3 5 2 で一定 の表面電位に帯電 さ れた の ち 、 レ — ザ一 ビ ー ム走査装置 3 5 3 に よ っ て光書込すな わ ち露光が行な われ る 。 こ の レ ー ザー ビ ー ム 走査装置 3 5 3 か ら 画像情報に従 っ て光 強度が各 々 独立 に変調 さ れた複数の レ ー ザー ビ ー ム 3 5 4 が像担持体 3 0 5 を軸方向 に走査 し 、 露光部の み に表面電位を打 ち 消す電荷を発生 さ せ、 そ の部分の表面 電位の絶対値を小 さ く す る 。 結果 と し て像担持体上 に は 画像 に応 じ た表面電位の分布、 すな わ ち 静電潜像が形成 さ れ る 。 静電潜像 は現像器 3 5 5 に よ っ て表面電位 に 応 じ て ϋ択的 に現像剂を付着 さ せ る こ と に よ り 現像 さ れ る 二 の現像剂 は転写器 3 5 6 に よ つ て転写材 3 5 1 (通常 は紙） に転写 さ れ る 。 転写材 3 5 1 は、 定着器 3 5 7 に よ っ て熱圧力定着 さ れ排出 さ れ る
図 2 9 は本発明 の レ ー ザー ビ ー ム 走査光学系の概観図 を示す。 図 3 0 に示 し た レ ー ザー ビー ム走査装置 3 5 3 では レ ー ザー ビー ム 3 5 4 は折 り 曲 げ ら れて下方に射出 す る場合を想定 し てい たが、 こ こ では説明の た め単純化 し て描い てあ る 。 こ こ でモ ノ リ シ ッ ク の半導体 レ ー ザー ア レ イ 3 4 1 の複数の発光部 3 4 1 a 力、 ら射出 し た レ ー ザ一 ビー ム は 、 コ リ メ 一 タ レ ン ズ 3 0 2 に よ っ て所定の ビー ム 直径を持つ レ 一 ザ一 ビー ム に コ リ メ 一 ト （平行化） さ れ る 。 こ れ ら の レ ー ザ一 ビー ム は回転多面鏡 3 0 3 に 入射 し 、 そ の 回転に伴 っ て、 各 々 偏向 さ れる 。 走査 レ ン ズ 3 0 4 を通過 し た レ ー ザー ビー ム は像担持体 3 0 5 上 で所定の大 き さ を持つ ス ポ ッ ト 3 0 6 に結像す る 。 な お 発光部 3 4 1 a は、 制御装置 3 6 0 に よ り 個別に そ の点 灯お よ び光量が制御 さ れ る 。
こ の様な特性を持つ半導体 レ ー ザー ァ レ イ に は、 い わ ゆ る 而発光半導体 レ ー ザー を用 い る の が好ま し い。 さ ら に よ り 望 ま し いの は発光部の周 囲 に Π — VI族化合物半導 体を埋め込んだ面発光型の半導体 レ ー ザー ァ レ イ であ る 。
図 3 1 は こ の面発光型半導体 レ ー ザー ア レ イ の素子基 板上に 2 次元的 に配置 さ れた発光部の う ち の 1 つ の断面 図であ っ て、 G a A s 基板 3 2 2 の上に ま ず組成の違 う 2 . の A 1 G a A s 暦を数 1 ϋ 層積層 し た半導体多遛膜 反射層 3 2 2 を形成 し 、 そ の上に それぞれ A 1 G a A s か ら な る ク ラ ッ ド層 3 2 4 、 活性層 3 2 5 、 ク ラ ッ ド層 2 6 . コ ン タ ク 卜 層 3 2 7 を嵇層 し 、 最後 に S i 0 。 誘電体多層膜反射層 3 2 8 が形成 さ れて い る 。 ま た G a A s 基板 3 2 2 の裏面全体及び、 表面の誘電体多層 膜反射層 の ま わ り に窓状の電極 3 2 9 , 3 3 0 が形成 さ れてお り 全体が光共振器を構成 し て い る 。 活性層で発生 し た光は基板面 と 垂直方向 に、 上下の反射層 3 2 7 , 3 2 3 の 間を往復 し 発振す る の で、 そ の レ ー ザ一 ビ ー ム 3 3 1 の光軸 は基板面 に対 し て ほぼ垂直 と な る 。 光共振 器の 回 り に は埋め込み層 3 3 2 と し て Π — VI族の 化合物 半導体が埋め込 ま れてい る 。 Π — VI族の化合物半導体 と し て は 、 Π 族元素 と し て Z n 、 C d 、 H g、 VI族元素 と し て 0、 S 、 S e 、 T e を 2 〜 4 元素組み合わせ、 ま た そ の 化合物の格子定数を前記の ク ラ ッ ド層 3 2 4 、 活性 層 3 2 5 、 ク ラ ッ ド層 3 2 6 力、 ら な る 半導体層の格子定 数 に 合わせ る のが望ま し い。 こ の II 一 VI族の 化合物半導 体 は電気抵抗が非常に大 き い た め、 電流を光共振器の な か に効率的 に 閉 じ こ め る と 同時 に、 光共振器を構成 し て い る A 1 G a A s 半導体層 と は屈折率 に差があ る た め、 光共振器の 内部で素子の基板面 に垂直 も し く は そ れ に近 い角度で進む光 は こ の埋め込み層 3 3 2 と の界面で全反 射 し 効率的 に 閉 じ こ め ら れ る 。 こ の た め、 こ の よ う な 半 導体 レ ー ザ— を用 いれば、 従来の半導体 レ ー ザー に比べ て大変小 さ い電流で レ ー ザ一発振が始ま る 。 すな わ ち 、 し き い値電流が低 く 、 素子基板での損失熱量が少な い。 図 3 1 に お い て G a A s 基板 3 2 2 の上 に ダ イ オ ー ドが 形成 さ れてお り 、 活性層 3 2 5 で発生 し た光は、 反射層 3 2 3 と 3 2 8 の 間を往復 し発振 し 、 2 つ の反射層の 中 で僅かに反射率の小さ い反射層 3 2 8 か ら 、 レ ー ザー ビ ー ム 3 1 と し て素子の基板面に対 し て垂直に射出す る 。
こ の よ う な面発光半導体 レ ー ザーで は、 レ ー ザー ビー ム の射出部の断面積が、 従来の端面発光型の半導体 レ ー ザ一 に比べて大 き く と れる た め、 レ ー ザー ビー ム の拡力く り 角 は小さ く な る 。 こ の拡が り 角 の大 き さ は射出窓の 面 接で決ま る が、 そ の面積はエ ッ チ ン グ等で正確に制御で き る た め、 拡カ り 角 も一定にす る こ と がで き る 。 例え ば、 拡が り 角が半値全角で 8 度程度の レ ー ザー ビー ム を得 る こ と も十分可能であ る 。 さ ら に、 こ の様な面発光半導体 レ ー ザーでは電流及び光を効率的 に レ ーザー共振器の 中 に閉 じ こ め る こ と が出来 る ので、 1 つ の発光部当 り の発 熱を減少さ せ る と 同時に、 複数の発光部が隣あ っ た場合 の相互の光学的、 電気的及び熱的干渉は従来の端面発光 型半導体 レ ー ザー ア レ イ に比べて大幅に減少す る 。 よ つ て発光部の間隔 も従来の半導体 レ ー ザー に比べ、 小 さ く す る こ と が可能であ り 、 5 0 // m程度の値は実現可能で あ o
先の従来例の説明の 中で示 し た と 同様に 、 ビー ム 直径
2 m m に コ リ メ 一 卜 さ れた ビー ム を得 る た め に は、 上記 の ώί発光型の半導体 レ ー ザー を用 い た場合の コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離 f c は約 8 m m と な る 。 ま た、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 3 4 1 上での発光部の 間隔 5 は 5 0 n m 程度 にで き る の で、 ビー ム を 4 本直列 に配置 し た場合の <5 m a x は 1 5 ◦ 1 m でぁ る 。 従来の実施例 と 同 じ 位置 ( コ リ メ 一 夕 レ ン ズ力、 ら の） に、 偏向器の反射面をお い た場合、 反射面上での ビ ー ム の反射位置の 間隔 q は 1 5 以下に な る 。 こ こ で、 f c / 5 m a x の値 は、 先の従 来例で示 し た も のが、 約 1 0 であ っ た の に対 し て、 こ こ で は約 5 3 と な っ て い る 。 や は り 先 に示 し た従来例 と 同 様 に 、 コ リ メ 一 タ レ ン ズか ら反射面 ま での距離 h を 5 〇 m m と す る と 、 反射面上での 4 本の ビ ー ム の さ し わ た し 距離 q は、 先の式 （ 9 ) に よ れば約 0 . 9 4 m m と な り 、 ビー ム の コ リ メ ト 一 直径 W c に比べて さ ほ ど問題 と な る 値で はな い。
特 に 、 よ り 高解像度の画像を形成す る た め に 、 例え ば 像担持体上で の ス ポ ッ ト 直径 d を 5 0 m と す る 場合、 先の式に従え ば コ リ メ 一 卜 直径 W c は倍の約 4 m m程度 に な る 。 従 っ て コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離 f c も 倍 に な り 、 反射面上での ビ ー ム の反射位置の 間隔 q も さ ら に 半分 に な る 。
こ の よ う に 、 各 ビー ム を追跡 し て い く と 、 光軸上の ど の 位置 に お い て も 、 各 レ ー ザー ビ ー ム の なす距離は、 コ リ メ 一 ト 直径に比べて も さ ほ ど大 き な 値で は な い た め、 複数の レ ー ザー ビ ー ム を扱 う 光学系で は あ っ て も 、 代表 的な 1 つ の ビー ム につ い て光学設計をお こ な え ば よ く 、 レ ー ザ一 走査系の設計が非常に容易 に な る。 結像 ス ポ ッ ト の精度を特に必要 と し な い場合 に は、 従前の 1 本の レ 一ザ一 ビ ー ム を用 い た レ ー ザ一 ビー ム走査光学系をそ の ま ま 転用す る こ と さ え可能であ る 。
次に、 面発光形の半導体 レ ー ザー においては、 互い に 千渉 し な い距離 さ え お けばど こ にで も発光部を置 く こ と が可能な た め、 素子上に 2 次元状 に発光部を配列で き る 。 素子基板上に おい て間隔 で配置 さ れた発光部か ら 放射 さ れた レ ー ザー ビー ム は走査光学系の光学倍率 Mで拡大 さ れ、 像面すなわ ち像担持体上で間隔 5 ' の ス ポ ッ ト に 結像す る 。 こ の M の値は概ね、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と 走査 レ ン ズの焦点距離の比に等 し い。
い ま 、 4 本の レ ー ザー ビー ム で走査を行な う 露光系に お い て、 走査線 と結像ス ポ ッ 卜 の位置関係を考え る。 こ こ で は 1 個の走査で互い に隣合 う 4 本の走査線を描 く と す る 。 こ こ で 4 つ の結像ス ポ ッ ト 6 の う ち相互に最 も距 離の大 き い も の を <5 ' m a x と す る 。 図 3 2 ( a ) で示 すよ う 結像 ス ポ ッ ト を配列す る と 、 図 3 2 ( b ) の よ う に一直線 に並べ る 場合に比べて 5 ' m a x を小 さ く で き る。 像担持体上での結像 ス ポ ッ ト の配置 は、 半導体 レ ー ザー ァ レ イ 上での発光部の配置 に相似であ る か、 あ る い は倒れ補正光学系があ る 場台な ど に は、 副走査方向 に さ ら に あ る 倍率を掛けた写像関係 に あ る 。 よ っ て、 同 じ光 学系 に お い て （？ ' m a x が小 さ い と い う こ と は、 5 m a x も小 さ く な る こ と を意味す る 。 従 っ て、 図 3 2 ( b ) の配置を と る こ と で、 先の式 （ 9 ) , ( 1 0 ) も し く は式 （ 1 1 ) に お い て q が小 さ く な り 、 偏向装置の 反射面の大 き さ をそれに あ わせて小 さ く で き 、 本発明 の 効果を よ り 高め る こ と がで き る 。
上記の例 は レ ー ザー ビー ム が 4 本の場合を示 し たが、 レ ー ザ一 ビー ム の数が更に増え た場合、 像担持体上での ス ポ ッ 卜 の位置が最 も 近接す る よ う 、 半導体 レ ー ザ ー ァ レ イ 上の発光部の配置を 自 由 に選べ る ので、 効果 は よ り 大 き く な る 。 一例 と し て レ ー ザ一 ビー ム数が 8 本の と き の走査線に対す る 結像ス ポ ッ ト の配置例を図 3 2 ( c ) に示す。 すな わ ち式 （ 9 ) に お い て、 一直線状 に発光部 を配置す る 場合 は 5 m a x = 7 x «5 であ る 力《、 図 3 2 ( c ) の よ う に配置すれば実質的 に 5 m a x = 3 X (5 と し て q の値を計算 し 、 光学系の大 き さ を設計すればよ く 、 本発明 の効巣が よ り 高め ら れ る 。 ま た、 例え ば結像ス ポ ッ ト 3 0 6 a と 3 0 6 e は走査方向 に関 し て同 じ 位置 に あ る ので、 対応す る 発光部を同一の タ イ ミ ン グで駆動で さ る o
面発光型半導体 レ ー ザー ア レ イ を用 い る と 、 コ リ メ 一 タ レ ン ズの焦点距離が従来の端面発光型半導体 レ ー ザ ー を用 い た場 合 に比べて大 き い た め、 半導体 レ ー ザ一 と コ リ メ 一 夕 レ ン ズの光軸方向 の距離の誤差がよ り 大 き く 許 容 さ れ る 。 そ の た め 、 製造時の調整作業が容易 に な る と と も に 、 温度変動や、 経年変化に よ る コ リ メ ー タ レ ン ズ の位置ずれの影響 も 受け に く く な る 。
以上の よ う に 、 本発明の画像形成装置 に よれば、 半導 体 レ ー ザー ア レ イ か ら 放射 さ れた複数の レ ー ザー ビー ム を コ リ メ 一 タ レ ン ズで平行化 し 、 ビー ム偏向器で偏向 し 、 走査 レ ン ズを介 し て、 像担持体上に ス ポ ッ ト を結像 さ せ 光書込を行な う 。 こ の と き コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点距離 f c は従来の も の に比べて長 く 、 かつ半導体 レ ー ザー ァ レ イ 上の発光部の 間隔 5 も小 さ い。 特に面発光型の半導 体 レ ー ザー ア レ イ を用 いれば、 射出す る レ ー ザー ビー ム の拡力' り 角が小 さ い た め コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離 f c は長 く な り 、 ま た各発光部での発熱量が少な く 、 相 互の電気的、 光学的干渉 も少な い た め、 発光部の間隔 も よ り 少な く で き る。
ま た 、 倒れ捕正 レ ン ズがな い場合に おい て、 1 列 に配 置 さ れた各 レ ー ザー ビー ム の両端の ビー ム の偏向器の反 射面上での距離 q は、 前述の式 （ 9 ) で表わ さ れる 。
ま た倒れ補正 レ ン ズがあ る場合、 副走査面に お け る 両 端の ビー ム の倒れ補正 レ ン ズ に お け る 距離 q ' 、 及び僞 向器の反射面上での距離 q は、 それぞれ式 （ 1 0 ) お よ び式 （ 1 1 ) で表わ さ れる 。 式 （ 9 ) お よ び式 （ 1 0 ) に お い て q 及び q ' は f c ノ 5 m a X に反比例す る こ と 力《分力、 る。 ま た式 1 1 ) に お い て、 q は q ' に比例す る ので、 や は り f c / 5 m a X に反比例す る 。 こ の場 合 も 走杏面に お いて は式 （ 9 ) が適用で き る 。 すな わ ち こ れ ら 式 （ 9 ) 〜式 （ 1 1 ) を見直 し て み る と 、 こ の f c Z S m a x の逆数 に光軸方向 の寸法 に相 当 す る 値を掛け る と 、 光軸直交方向 の ビー ム 間の距離 に な る こ と 力《わ力、 る 。 一般に小型 （ こ こ では A 4 程度の用紙 に 印字で き る も の と す る ） の画像形成装置 に お い て は、 光軸方向の光学要素間の 間隔や焦点距離 は お おむね 5 0 m m前後の値を と る 。 こ の値を Z と す る 。 一方、 解像度 力、 ら換算す る と レ ー ザ一 ビ ー ム の コ リ メ 一 卜 直径 は 2 m m 程度であ る 。 そ こ で、 各 レ ン ズや反射面での ビー ム の最大距離を コ リ メ 一 ト 直径 と 同 じ程度に と どめ よ う と す る と 、 5 m a x / f c x Z を 2 m m以下にす る 事が望 ま し い。 よ っ て、 f c Z 5 m a x の値は 2 5 以上が望 ま し い o
ま た 、 走査 レ ン ズ に お い て も 同様に、 走査 レ ン ズ に入 射す る 複数の レ ー ザ ー ビ ー ム の相互の距離の最 も 遠い も の の距離を上記の よ う に 2 m m程度 にす る 場合、 Z は 1 〇 0 m m 程度の値を考慮せね ばな ら な い。 よ っ て 、 上 記の 同 じ 計算を行な う と f c / δ m a x は 5 0 以上であ る こ と が望 ま し い。
こ の よ う に 、 各 レ ン ズや反射面で複数の ビー ム相互の 距離の最大値が、 レ ー ザー ビー ム の コ リ メ 一 ト 直径 に く ら ベて同 じ 程度の数値で あ れば、 1 本の レ ー ザー ビ ー ム を走.杏す る 光学系 に比べて、 各 レ ン ズや反射面の大 き さ が著 し く 大 き く な る こ と は な い。 さ ら に 、 前記の レ ー ザ 一 ビー ム相互間の距離を コ リ メ 一 卜 直径に く ら ベて小 さ く で き る のであ れば、 複数の レ ー ザー ビー ム を実質的 に 1 つ の レ ー ザー ビー ム と し て光学設計上取 り 扱 う こ と 力《 で き る 。
以上に説明 し た実施例は、 本発明の一実施例に過 ぎず、 例え ば半導体 レ ー ザー は、 射出 ビ ー ム の拡カ《 り 角 が小 さ く 、 発光部の 間隔が小 さ い も の であれば同等の効果を有 す る 。 ま た、 コ リ メ ー タ レ ン ズ、 走査 レ ン ズの構成や、 相対位置関係が変わ っ て も 本発明 の効果は同 じ く 発揮 さ れる。 ま た、 偏向器の構造 も 回転多面鏡以外 に も 、 ガル バ ノ ミ ラ ー な どで も 同一の効果を発揮す る こ と は明 ら 力、 で あ る 。
あ る い は、 先の実施例で述べた面発光型の半導体 レ ー ザ一 ア レ イ の構造は、 コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点距離に対 し て、 発光部間の距離が先に示 し た所定の関係を満たす も のであれば、 いかな る も のであ っ て も 同様の効果を得 る こ と力;'で き る。
さ ら に、 本発明 の画像形成装置の応用範囲 は、 プ リ ン タ 、 複写機等の 印刷装置の みな ら ず、 フ ァ ク シ ミ リ 、 デ ィ ス プ レ イ に お い て も 全 く 同様な効果を有す る こ と は言 つ ま で も い。
4 - 3 効 ¾
以上に述べた よ う に本発明 の 画像形成装置 に おい て は、 複数の レ ー ザ一 ビー ム を用 い た露光方法を と り な力 ら 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの焦点距離 と 半導体 レ ー ザー ア レ イ 発 光部の 間隔を あ る 条件を満 たす よ う な半導体 レ ー ザ一 ァ レ イ を用 い る こ と に よ り 、 補助的 な光学要素を付加す る こ と な く 、 走査器 の反射面の 大 き さ や、 各 レ ン ズの有効 径を小 さ く で き 、 走査光学系あ る い は画像形成装置全体 の小型化、 低価格化が可能 と な る 。
ま た、 複数の レ ー ザー ビー ムが ほ ぼ同一の光路を と る た め、 1 本の レ ー ザー ビー ム を用 い た走査光学系 と 同様 に設計がで き る た め設計工数が大幅 に 削減で き 開発期間 が短縮 さ れ る と 同時に、 生産設備力《 1 本の レ ー ザー ビー ム を用 い る 走査光学系の場合 と 共通 に利用 で き 、 非常 に 生産性が向上す る 。
さ ら に 、 複数の レ ー ザー ビー ム が走査光学系を構成す る 各光学系 に入射す る 際に 、 そ の いずれに お い て も 、 ビ ー ム相互の距離が最 も遠い 2 本 に 間隔カ《 レ ー ザー ビ一厶 の コ リ メ 一 ト 直径に比べて小 さ ければ、 従前の 1 本の レ 一ザ一 ビー ム を用 い た走査光学系を そ の ま ま 転用 で き る 。 つ ま り 、 1 本の レ ー ザー ビ ー ム を用 い た画像形成装置 の 走査光学系 に一切変更を加え る こ と な く 、 レ ー ザ一 ビー ム の本数を ¾加 さ せ る だけで、 高速の画像形成装置を製 造す る こ と がで き 、 製品の製造上の利益 は計 り 知れな い も の力《あ る 。
次 に レ ー ザー ビー ム の拡が り 角 が小 さ く な る こ と に よ り 、 コ リ メ 一 タ レ ン ズ と 半導体 レ ー ザー ア レ イ の距離を 大 き く 取れ る た め、 コ リ メ ー タ レ ン ズの光軸方向 の調整 余裕が增 し 、 生産性が上が る と 同時に、 経年劣化や使用 時の温度変動の影響を受けずに一定の ス ポ ッ 卜 直径で、 露光が可能 と な り 、 画像品質が向上す る 。
§ 5 画像形成装置の第 5 の実施例
5 - 1 背景技術の対比
本実施例を よ り 良 く 理解する た め、 は じ め に背景技術 に つ い て述べ る 。
従来の画像形成装置の走査光学系は例え ば特開平 3 -
2 4 8 1 1 4 号公報に開示 さ れて い る （図 4 1 参照） 。 図 4 1 に おいて光源は、 射出 さ れ る ビー ム の 中心軸が、 素子基板面に対 し概ね平行 と な る 端面発光半導体 レ ー ザ 一ア レ イ 4 2 0 が用 い ら れ、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 4 0 2 の 物体側 ^平面に配置 さ れてい る 。 コ リ メ ー タ レ ン ズ 4 0 2 の像側焦点位置 に は、 開 口絞 り 4 0 3 が設け ら れ て い る 。
し か し なが ら 、 前述 し た よ う な従来技術では、 端面発 光半導体 レ ー ザー の ビー ム拡カ り 角 や、 各々 の発光部の 隔が大 き い た め、 複数の ビー ム の断面が重な り 合 う 位 置 は 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの像側焦点位置の ご く 近傍に 限 ら れ る 。 特に多数の ビー ムが一列 に配置 さ れ る と き 、 そ の両端の ビー ム の断 ώίか ίΠ な り 合 う 位置は、 さ ら に 限 ら れた範囲 と な る 。 従 っ て、 開 口絞 り を配置す る 位置 も 、 そ の わずかな範囲 に 限 ら れて し ま い、 設計上の 自 由度力 < 小 さ い と い う 問題点を有 し て い る 。
ま た、 一般に光学系で は、 レ ン ズ の保持枠を開 口絞 り と し て用 い る こ と も あ り 、 そ う すれば、 別個 に開 口絞 り を設け る 必要がな い。 と こ ろ が、 前述 し た従来技術で は、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの位置で は複数の ビー ム の断面が重な り 合わ な い た め、 コ リ メ ー タ レ ン ズの保持枠を開 口絞 り と し て用 い る こ と がで き な い と い う 問題点を も 有 し て い る o
5 - 2 本発明 の構成
図 3 8 は本発明の画像形成装置の構成図であ る 。 電子 写真式プ リ ン タ ー の画像形成プ ロ セ ス につ い て以下に説 明す る 。 帯電器 4 5 1 に よ り 像担持体 4 0 7 に一様な電 荷が与え ら れ、 走査光学系 4 5 2 で像担持体 4 0 7 上を 露光走査す る こ と に よ り 潜像を形成す る 。 次に現像器 4 5 3 で潜像上に現像剤を付着 さ せて顕像化 し 、 転写器 4 5 4 で顕像を構成す る 現像剤を紙等の転写材 4 5 5 上 に転写 し 、 定着器 4 5 6 で現像剤を加熱溶融 さ せ て転写 材 4 5 5 上に定着 さ せ る 。
図 3 7 は本発明 の実施例を示す走査光学系の構成図で あ る 。 光源は、 射出 さ れ る ビー ム の 中心軸が、 素子基板 4 2 2 面 に対 し概ね垂直 と な る K ； έ光半導体 レ ー ザー ァ レ イ 4 0 1 であ る 。 面発光半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 4 0 1 の発光部 4 0 1 a 力、 ら 射出 さ れた複数の ビ ー ム は、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 4 0 2 で平行化 さ れ、 開 口絞 り 4 0 3 を通 過 し 、 偏向装置であ る 回転多面鏡 4 0 4 の一つ の偏向面 4 ϋ 5 に入射す る 。 回転多面鏡 4 0 4 の 回転 に伴 っ て反 射 ビー ムが偏向走査 さ れ、 結像 レ ン ズ 4 0 6 を通過 し て、 像担持体 4 0 7 上に結像 さ れる 。
な お、 発光部 4 0 1 a は、 制御装置 4 6 0 に よ り 個別 に そ の点灯およ び光量が制御 さ れ る 。
と こ ろ で、 一般に端面発光、 面発光に関わ らず、 半導 体 レ ー ザー 力、 ら の 出力 ビー ム の拡カ《 り 角 は、 発光部 ご と に あ る 程度ば ら つ き 力《あ り 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 4 0 2 で 平行化 さ れた ビー ム径 も ば ら つ く 。 し 力、 し な力《 ら 、 複数 の ビー ム の断面が概ね重な り 合 う 位置に開口絞 り 4 0 3 を設け、 開口絞 り 4 0 3 の径を平行 ビー ム径 と ほぼ同等 かあ る い はそれよ り 小さ く 設定すれば、 開 口絞 り 4 0 3 通過後の複数の平行 ビー ム径は均一に な る 。 その結果、 像担持体 4 0 7 上に結像 さ れ る ス ポ ッ ト 径 も均一に な り 、 安定 し た良好な 印字品質が得 ら れ、 装置 ご と の 印字品質 の差 も な い も の と な る 。 こ こ で、 ビー ム拡カ《 り 角 およ び そ の径 と は、 ビー ム断面の強度分布の ガ ウ ス分布を成 し て い る も の と し 、 それぞれ中心強度の 1 Z 2 と な る 角度 の 全角 、 およ び中心強度の 1 Z e 2 と な る 位置を表す直 径の こ と で あ る 。
開 口絞 り に よ り ビー ム径が均一化 さ れ る 効果につ い て 説明す る 。 レ ー ザ一 ビー ム を開 口絞 り で絞 る と 、 波動光 学 と し ての性質であ る 回折が起 こ る 。 開 口絞 り の 中心 と 入射 ビー ム の 中心がー致 し て い る 場合、 回折を考慮 し た 像担持体上の結像 ス ポ ッ ト 直径 d Q は、
k λ f
dn = (12) u D
で表 さ れ る 。 こ こ で k は定数、 ス は レ ー ザー ビ ー ム の波 長、 f は結像 レ ン ズ の焦点距離、 D は開 口絞 り の 直径で あ る 。 さ ら に 、 開 口絞 り へ入射す る ビ ー ム の 直径 d と 開 口絞 り の 直径 D と の比を、 裁断比 T = d / D と す る と 、 定数 k は、
0.6460 0.5320
k=1'6449+ (T-0.2816)丄 ΓΈί ( -Q.2 ) ΥL-^L '········ (13) に よ り 計算 さ れ る （ 「 レ ー ザ & ォ プテ イ ク ス ガイ ド Π 」 日 本 メ レ ス ダ リ オ株式会社） 。
—例 と し て、 開 口絞 り の 直径 D を 1 と し 、 入射 ビ ー ム の 直径 d 力 · 1 を中心に 土 2 0 % の ば ら つ き を持 っ て い る 場合、 結像 ス ポ ッ 卜 の 直径の ば ら つ き は、 + 5 . 9 % 〜 - 3 . 1 % に抑え ら れ る 。 こ の よ う に 、 開 口絞 り は ビ 一 ム 径の ば ら つ き に対 し て、 結像 ス ポ ッ ト 径の ば ら つ き を 小 さ く 抑え る 効果があ る 。
開 口絞 り を、 光路上の複数の ビ ー ム の断面の少な く と も 一部が重な り 合 う 位置であ っ て、 し か も 開 口 絞 り を通 過 し た後の複数の ビー ム の う ち 、 パ ワ ー が最大であ る ビ — ム につ い て、 そ のノ、。 ヮ ー を 1 と し た と き に、 そ の他全 ての ビー ム の パ ワ ー が各 々 ◦ . 9 以上 と な る 位置 に配置 すれば、 通過後の ビー ム のパ ワ ー のば ら つ き 力《 1 0 %以 下に抑え ら れる 。 こ の程度のば ら つ き であ る と 、 印字の 度む ら の な い良好な 印字品質が得 ら れ る 。
二 こ で、 図 3 9 に示すよ う な系で、 上記の条件を満足 す る 開 口絞 り 4 0 3 の位置につ い て具体的 に説明す る 。 こ こ で図 3 9 ( a ) は走査光学系の側面図、 図 3 9 ( b ) は開 口絞 り 4 0 3 の位置 に お け る 断面図であ る 。 面発光 型半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 4 0 1 は 、 そ の特性上、 拡カ り 角 を 1 0 度以下で発光部の 間隔を 0 . 0 5 m m以下にす る 二 と が可能であ る。 図 3 9 に お い て、 発光部 A 4 1 0 、 発光部 B 4 1 1 の間隔 Δ を 0 . 0 5 m m と し 、 発光部 A 4 1 0 を光学系の光軸 4 1 2 上に置 く 。 各々 の発光部 4 1 0 、 4 1 1 力、 ら射出 さ れた ビー ム を、 それぞれ ビー 厶 A 4 1 3 、 ビー ム B 4 1 4 と す る 。 各 々 の射出 ビー ム の拡カ《 り 角 は共に 1 0 度であ り 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 4 0 2 の焦点距離 f c を 1 0 m m 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 4 0 2 か ら 回転多面鏡の偏向面 4 0 5 ま で の距離 h を I Cl O m m とす る 。 こ の場合、 ビー ム の 直径 d は 3 . 0 m m と な る 。 開 口絞 り
4 0 3 の 中心は光軸 4 1 2 上に あ り 、 そ の 直径 D は ビー 厶 直径 d と 等 し い も の と す る 。
レ ー ザー ビー ム の断面強度分布がガ ウ ス分布をな し て い る と す る と 、 断面強度 I は、 一 9
(14)
Figure imgf000093_0001
で表 さ れ る 。 こ こ で、 P は ビー ム 全体のパ ワ ー 、 w は ビ ー ム の半径、 X は ビー ム 中心力、 ら の距離であ る 。 ビー ム
A 4 1 3 が開 口絞 り 4 0 3 を通過 し た後 の パ ワ ー は、 上 式を、
Figure imgf000093_0002
式 （ 1 5 ) の よ う に積分す る こ と に よ り 求め ら れ、 そ の 値 は通過前のパ ワ ー P の 8 6 . 5 %であ る 。 従 っ て、 ビ — ム B 4 1 4 に つ い て は、 開 口絞 り 4 0 3 通過後のパ ヮ 一 は通過前のパ ワ ー に比 し て、
8 6 . 5 x 0 . 9 = 7 7 . 9 ( % )
以上で な ければな ら な い。 次 に 、 ビー ム B 4 1 4 が開 口 絞 り 4 0 3 を通過 し た後のパ ワ ー を求め る 。 開 口絞 り 4 0 3 の面 に お け る 、 ビ ー ム B 4 1 4 の 中心軸 と 光軸 4 1 2 と の距離を t と す る と 、 開 口絞 り 4 0 3 通過直前 の断面強度 I は 円筒座標系を用 い て、
2P つ
― r
e X p ― ·^ r cos Φ - t j + r sin Φ)
2 (16) π w w と表 さ れる 。 こ こ で、 図 3 9 ( b ) に示すよ う に r は光 軸 4 1 2 か ら開 口絞 り 4 0 3上の任意の点 A ま での距離、 φ は光軸 4 1 2 と ビー ム B 4 1 4 の中心軸 4 1 4 a と 力《 作 る 平面 B と 、 光軸 4 1 2 と 点 A と を結ん だ線 と の なす 角であ る。 開口絞 り 3通過後の ビー ム B 1 4 のパ ワ ー は 上式を
Figure imgf000094_0001
で積分す る こ と で求め ら れ、 t と ビー ム 直径 d と の比力《 0. 2 0 0 の と き 、 開 口絞 り 4 0 3通過後のパ ワ ー は通 過前のパヮ 一 P に比 し て 7 7 . 9 % と な り 、 先の値 と 同 じ と な る 。 つ ま り 、 t Z d 力《 ϋ . 2 0 0以下 と な る 位置 に開 口絞 り 4 0 3 を置 け ば、 開 口絞 り 4 0 3通過後の ビ ー 厶 A 4 1 3 、 ビ ー ム B 4 1 4 の パ ワ ー の差は 1 0 %以 下 と な る 。 開 口絞 り 4 0 3 力 コ リ メ 一 タ レ ン ズ 4 0 2 の 位置、 あ る い は回転多面鏡の偏向面 4 0 5 の位置に置力、 れた と す る と 、 t の距離はそれぞれ 0 . 0 5 m m、
0. 4 5 m mであ り 、 t / d はそれぞれ 0 , 0 1 7 、 0 . 1 5 と な り 、 いずれ も 0 , 2 0 0 よ り 小 さ い。 従 つ て、 開 口絞 り 4 0 3 は コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 4 0 2 と 回転多 面鏡の β向面 4 0 5 と の間の任意の位置 に置 く こ と がで き 、 設計上の 自 由度を大 き く と る こ と がで き る 。 ま た、 ビー ム を一列 に配置 し数を増加 さ せた と き で も 、 コ リ メ — 夕 レ ン ズ 4 0 2 の位置 に開 口 絞 り 4 0 3 を設定す る こ と 力 で き る 。 コ リ メ ー タ レ ン ズ 4 0 2 の位置 に 開 口絞 り 4 0 3 を配置す る こ と が可能な の で、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 4 0 2 の保持枠を開 口 絞 り と し て用 いればよ く 、 別個 に 開 口絞 り を設け る 必要がな い た め、 走査光学系の構成要 素を削減す る こ と がで き る 。
な お、 こ の実施例で は、 開 口絞 り を コ リ メ ー タ レ ン ズ と 回転多面鏡 と の 間 に設け たが、 上記の条件を満足 さ せ る 位置 な ら ば、 面発光半導体 レ ー ザー ア レ イ と コ リ メ 一 夕 レ ン ズ と の 間 に設け て も よ い。 ま た 、 光源 と 回転多面 鏡 と の 間 に設け る 光学系 は、 ビー ム を平行化 さ せ る た め の コ リ メ ー タ レ ン ズに 限 ら な く て も よ い。
図 4 0 は他の実施例を示す半導体 レ ー ザー か ら 回転多 面鏡 ま での部分の構成図であ る 。 開 口絞 り 4 0 3 は、 複 数の ビー ム の 中心軸が光軸 4 1 2 と 交差す る 位置 に設 け ら れて い る 。
こ の よ う な 構成に よ る と 、 開 口絞 り 4 0 3 の面で は複 数の ビ ー ム の 中心軸が完全に一致す る た め、 先の実施例 と 比較 し て、 さ ら に結像 ス ポ ッ ト 径の均一性、 お よ び結 像 ス ポ ッ 卜 のパ ワ ー の均一性が高 く な る 。 結像 ス ポ ッ ト の こ れ ら の諸特性 に関 し て、 よ り 高 い特性が要求 さ れ る 場 台 に 、 こ の構成を採用すれば よ い。 な お、 こ の実施例 で も 、 光源 と 回転多面鏡 と の 間 に設け る 光学系 は、 ビー ム を平行化 さ せ る た め の コ リ メ 一 夕 レ ン ズに 限 ら な く て も よ い。
5 - 3 効果
以上説明 し た よ う に、 本発明 に よ れば、 面発光半導体 レ ー ザー ア レ イ と 偏向器 と の 間の光路上の、 複数の ビー ム断面が概ね重な り 合 う 位置に開 口絞 り を設け る こ と に よ り 、 ビー ム拡カ《 り 角力《ば ら つ い て も 、 結像 ス ポ ッ ト 径 を均一にす る こ と がで き 、 安定 し た良好な 印字品質が得 ら れ る と い う 効果を有す る 。 ま た、 半導体 レ ー ザー ァ レ ィ と 偏向器の 間の光路上の、 広い範囲の任意の位置 に開 口絞 り を設け る こ と 力 で き 、 あ る い は、 コ リ メ ー タ レ ン ズの保持枠を開 口絞 り と し て用 い る こ と も 可能 と な り 、 設計上の 自 由度 も大 き く な る と い う 効果を も有す る 。 § 6 画像形成装置の第 6 の実施例
6 — 1 背景技術 と の対比
本実施例を よ り 良 く 理解す る た め、 は じ め に背景技術 に つ い て述べ る 。
従来、 半導体 レ ー ザー ア レ イ を用 い た画像形成装置の 走査光学系は、 例え ば特開平 3 - 2 4 8 1 1 4 号公報に 開示 さ れてお り 、 図 4 3 の よ う な構成であ る 。 半導体 レ — ザ一 ア レ イ 5 0 1 は、 コ リ メ 一 タ レ ン ズ 5 0 2 の物体 側焦平面に配置 さ れて い る 。 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 の 像側焦点位置 に は、 開 口絞 り 5 0 3 が設け ら れて い る 。
し か し なが ら 、 前述 し た よ う な従来技術では、 開 口絞 り を配置す る 位置が、 コ リ メ ー タ レ ン ズの像側焦点位置 の み に 限 ら れて い る ので、 設計上の 自 由度が小 さ く 、 ま た 、 一般に光学系で は、 レ ン ズ の保持枠を開 口絞 り と し て用 い る こ と 力 あ る が、 従来技術で は そ の よ う な構成 に す る こ と も で き な い と い う 問題点を有 し て い る 。
6 - 2 本発明 の構成
図 4 8 は本発明 に よ る 画像形成装置の構成図であ り 、 そ の画像形成プ ロ セ ス に つ い て説明す る 。 帯電器 5 5 1 に よ り 像担持体 5 0 7 に一様な電荷が与え ら れ、 走査光 学系 5 5 2 で像担持体 5 0 7 上を露光走査す る こ と に よ り 潜像を形成 し 、 現像器 5 5 3 で潜像上に現像剤を付着 さ せて顕像化す る 。 次に転写器 5 5 4 で顕像を構成す る 現像剤を紙等の転写材 5 5 5 上に転写 し 、 定着器 5 5 6 で現像剤を加熱溶融 さ せて転写材 5 5 5 上に定着 さ せ る 。
図 4 2 は本発明 の実施例を示す走査光学系の構成図で あ る 。 半導体 レ ー ザ ー ア レ イ 5 0 1 力、 ら 射出 さ れた複数 の ビ ー ム は 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 で平行化 さ れ、 開 口絞 り 5 0 3 を通過 し 、 偏向装置であ る 回転多面鏡
5 0 4 の一つ の 偏向面 5 0 5 に入射す る 。 回転多面鏡 5 0 4 の 回転 に 伴 っ て反射 ビ ー ム が偏向走査 さ れ、 結像 レ ン ズ 5 0 6 を通過 し て、 像担持体 5 0 7 上 に結像 さ れ ο
図 4 2 お よ び図 4 9 に お い て、 半導体 レ ー ザー ア レ イ
5 0 】 と 偏向器 5 0 4 と の 間の光路上 に 開 口絞 り 5 0 3 が設 け ら れ、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 の焦点距離を f 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 の偏向器 5 0 4 側の焦点 と 開 口 絞 り 5 0 3 と の間隔を s 、 コ リ メ ー タ レ ンズ 5 0 2 の光 軸か ら最 も 離れた位置に配置 さ れた発光部 と 光軸 と の 間 隔を t 、 開 口絞 り 5 0 3 の 直径を D、 平行 ビー ム の 直径 を d と す る と 、
Figure imgf000098_0001
D
つ (1 ) d と な っ て い る 。
ま た式 （ 1 8 ) 、 （ 1 9 ) の 代わ り （：
Figure imgf000098_0002
D
;2 (21) d な る 条件を満足 し てい て も良い。
一般に半導体 レ ー ザー 5 0 1 か ら の 出力 ビー ム の拡が り 角 は、 発光部 ご と に あ る 程度ば ら つ き があ り 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 で平行化 さ れた ビー ム径 も ば ら つ く 。 し 力、 し な力《 ら 、 複数の ビー ム の断面が概ね重な り 合 う 位 置に開 口絞 り 5 ϋ 3 を ^け 、 開 口絞 り 5 0 3 の径を平行 ビー ム 径 d と ほぼ同等かあ る い は それよ り 小 さ く 設定す れば、 開 口絞 り 5 0 3 通過後の複数の平行 ビー ム 径 d は 均一 に な る 。 そ の結果、 像担持体 5 0 5 上に結像 さ れ る ス ポ ッ ト 径 も 均一 と な り 、 安定 し た良好な 印字品質が得 ら れ、 装置 ご と の 印字品質の差 も な い も の と な O で、 ビー ム拡力《 り 角 お よ びそ の径 と は、 ビ一ム断面の強 度分布がガ ウ ス分布を成 し て い る も の と し 、 そ れぞれ中 心強度の 1 2 と な る 角度の 全角 、 お よ び中心強度の 1 / e 2 と な る 位置を表す直径の こ と で ¾ -£> o
開 口 絞 り 5 ◦ 3 に よ り ビ ー ム 径が均一化 さ れ る 効果 に つ い て説明す る 。 レ ー ザ一 ビー ム を開 口絞 り 5 0 3 で絞 る と 、 波動光学 と し ての性質であ る 回析が起 こ る 。 開 口 絞 り 5 0 3 の 中心 と 入射 ビ一ム の 中心が一致 し て い る 場 合、 回析を考慮 し た像担持体 5 0 5 上の結像 ス ポ ッ 卜 直 径 d は
k λ f
d
0 ( 2 2)
D で表わ さ れ る 。
こ こ で k は定数、 ス は レ ー ザー ビー ム の波長、 f は 結像 レ ン ズの焦点距離、 D は開 口 絞 り の 直径であ る 。 さ ら に 開 口 絞 り へ入射す る ビー ム の 直径 d と 開 口 絞 り の 直径 D と の比を、 裁断比 T = d D と す る と 、 定数 k は
0.6460 0.5320
k = 1.6449 + (2 3)
, 1.891
(Τ-0.2816) 1 · 821 (T-0.2816) ' に よ り 計算 さ れ る （ 「 レ — ザ & ォ プテ ィ ク ス ガ イ ド Π 」 曰 本 メ レ ス ゲ リ オ株式会社） 。
一例 と し て、 開口絞 り 5 0 3 の 直径 D を 1 と し 、 入射 ビー ム の 直径 d 力《 1 を中心に 土 2 ◦ % の ば ら つ き を持 つ てい る場合、 結像 ス ポ ッ 卜 の 直径の ば ら つ き は、
+ 5 , 9 % 〜 一 3 , 1 % に抑え ら れ る 。 こ の よ う に 、 開 口絞 り 5 0 3 は ビー ム径の ば ら つ き に対 し て、 結像 ス ポ ッ ト 径の ば ら つ き を小 さ く 抑え る 効果があ る 。
コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 に よ り 平行化さ れた ビー ム断 面の 強度分布は、 概ね ガ ウ ス分布をな し てお り 、 図 4 4 に示すよ う に 、 平行 ビー ム が開 口絞 り 5 0 3 を通過す る と ビー ム の周辺部がけ られ る た め、 通過前に比べて通過 後の ビー ム のパ ワ ー は低下す る 。 図 4 5 の よ う に、 開 口 絞 り 5 0 3 を コ リ メ ー タ レ ンズ 5 0 2 の偏向器側焦点に 配置すれば、 開口絞 り 5 0 3 を通過す る 複数の ビー ム の 中心軸 は全て一致す る た め、 各々 の ビー ム につ い て、 開 口絞 り 5 0 3 を通過す る こ と に よ る パ ワ ー の低下率 は等 し い。 し 力、 し な力《 ら 、 開 口絞 り 5 0 3 を配置 し う る 位置 が、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 の偏向器側焦点の位置の み に 限 ら れ る と 、 設 Si"上の 自 由度は小 さ い も の と な っ て し ま ラ 。
図 4 6 に示すよ う に 、 開 口絞 り 5 0 3 を コ リ メ 一 タ レ ン ズ 5 0 2 の 偏向器側焦点か ら ずれた位置 に配置す る と 、 開 Π絞 り 5 ϋ 3 を通過す る 複数の ビー ム の中心軸 はお互 い に ずれ る こ と に な り 、 コ リ メ ー タ レ ン ズの光軸 5 1 0 に沿 っ た ビー ム 5 1 1 a と 、 光軸 5 1 0 に対 し て傾 き を 持 っ た ビー ム 5 1 1 b と で は、 開 口絞 り 5 0 3 を通過す る 際の け ら れ方が異な る 。 そ の様子を示 し た も のが図 4 7 であ る 。 図 4 7 ( a ) は ビ ー ム 5 1 l a を、 図 4 7 ( b ) は ビー ム 5 l i b を各 々 示 し てお り 、 そ れぞれ ビ ー ム の断面強度分布が開 口絞 り に よ り け ら れ る 部分を斜 線部で示 し て あ る 。 開 口絞 り 5 0 3 通過後のパ ワ ー は ビ — 厶 ご と に差力 あ り 、 ビー ム 5 1 1 b に比べて ビー ム
1 1 a の パ ワ ー の方が大 き い。 そ の差があ る 程度以上 大 き く な る と 、 印字 し た と き に濃度む ら と な っ て現れて し ま う 。 し 力、 し な 力 ら 、 開 口絞 り 通過後のパ ワ ー に ば ら つ き があ っ て も 、 あ る 程度の範囲内であ れば、 実質的 に 良好な 印字品質を得 る こ と がで き る 。 従 っ て、 そ の 許容 範囲 に対応 し た 、 開 口絞 り を配置 し う る 許容範囲 も 存在 す る 。
式 （ 1 8 ) に示す条件を満足 さ せ る と 、 開 口絞 り
5 0 3 通過後の ビー ム のパ ワ ー の ば ら つ き は 2 ◦ %以下 に抑え ら れ る 。 た だ し式 （ 1 8 ) の条件 は近似式であ り 、 式 （ 1 9 ) の条件の範囲内で成立す る 。 ま た 、 式 （ 2 0 ) の条件を満足 さ せ る と 、 開 口絞 り 5 0 3 通過後の ビ ー ム のノ、。 ヮ 一 の ば ら つ き は 5 %以下に抑え ら れ る 。 た だ し 式 ( 2 0 ) の条件 は近似式であ り 、 式 （ 2 1 ) の範囲 内で 成立す る 。
本発明人が行 っ た 実験に よ れば、 画像形成装置で文字 00 や線の み の 印字を行 う 場合に は、 結像 ス ポ ッ 卜 のパ ワ ー の ば ら つ き が約 2 0 %以下であ る と 良好な 印字が得 ら れ、 それよ り ば ら つ き が大 き い と 印字品質が悪化す る 。 ま た、 グラ フ ィ ッ ク 出力 な どで中間調のパ タ ー ン を印字 し た り 、 細かい網点な どを印字す る場合に は、 結像 ス ポ ッ 卜 のパ ヮ ー の ば ら つ き が濃度む ら と な っ て現れやす く 、 良好な 印字品質を得 る た め に は、 そ の ば ら つ き を約 5 %以下に す る必要があ る 。 従 っ て、 式 （ 1 8 ) の条件お よ び式 ( 1 9 ) の条件は文字や線のみの 印字を用途 と す る 画像 形成装置 に適 し た条件であ り 、 式 （ 2 0 ) の条件お よ び 式 （ 2 1 ) の条件は文字の印字に加え、 中間調や網点な どの 印字を も用途 とす る 画像形成装置 に適 し た条件であ る o
上記の各条件に よ る と 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ 5 1 1 と 偏向装置 5 0 4 の間の光路上の 、 広い範囲の任意の位 置 に開口絞 り 5 0 3 を設け る こ と がで き 、 設計上の 自 由 度が大 き く な る 。 あ る い は、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 の 保持枠を開 口絞 り と し て用 い る こ と も 可能 と な り 、 そ う すれば別個に開 口絞 り を設け る 必要がな く 、 走査光学系 の構成要素を削 '减す る こ と がで き る 。
次に一例 と し て図 4 9 に 示すよ う な系で、 前記の 各条 件を満足す る 開 口絞 り 5 0 3 の位置 につ い て具体的 に計 算す る 。 半導体 レ ー ザー ア レ イ 5 0 1 と し て、 面発光半 導体 レ ー ザー ア レ イ を用 い た場合を考え る 。 面発光半導 体 レ ー ザー と は、 射出す る ビー ム の 中心軸が、 素子基板 面 に対 し て概ね垂直 と な る 半導体 レ ー ザー であ る 。 面発 光半導体 レ ー ザー ア レ イ 5 0 1 は 、 そ の特性上、 拡カ《 り 角 を 1 0 度以下 に 、 発光部の 間隔を 0 . 0 5 m m以下 に す る こ と が可能であ る 。 そ こ で、 2 個の発光部力、 ら な る 半導体 レ ー ザー ア レ イ 5 0 1 を考え 、 発光部 5 1 2 a 、 発光部 5 1 2 b の 間隔 t を 0 . 0 5 m m と し 、 発光部 1 2 a を コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 の光軸 5 1 0 上 に 置 く 。 な お、 こ れ ら 発光部 5 1 2 a , 5 1 2 b の点灯お よ び光量は、 制御装置 5 6 ◦ に よ り 制御 さ れ る （図 4 2 ) 各 々 の発光部か ら 射出 さ れた ビ ー ム を、 それぞれ ビ ー ム 5 1 1 a 、 ビー ム 5 1 1 と す る 。 各 々 の射出 ビ ー ム の 拡カ《 り 角 S を共に 1 0 度 と し 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 の焦点距離 f を 1 0 m m 、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 0 2 力、 ら 回転多面鏡の偏向面 5 0 5 ま で の距離 h を 5 O m m と す る 。 こ の場合、 ビー ム の 直径 d は 3 . O m m と な る 。 開 口絞 り 5 0 3 の 中心は光軸 5 1 0 上に あ り 、 そ の 直径 D は ビー ム 直径 d と 等 し い も の と す る 。
D Z d l であ る た め、 式 （ 1 9 ) の条件お よ び式 ( 2 1 ) の条件 は共 に満足 さ れ る 。 式 （ 1 8 ) の条件 に よ る と s ≤ 5 8 m m と な り 、 開 口 絞 り 5 0 3 は コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 と 回転多面鏡の偏向面 5 0 5 と の 間の任 意の 位置 に置 く こ と がで き る 。 ま た 、 式 （ 2 0 ) の条件 に よ る と s ≤ 2 8 m m と な り 、 開 口絞 り 5 0 3 は コ リ メ 02 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 と 、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 の偏向面 5 0 5 側焦点か ら 偏向面 5 0 5 側に 2 8 m m の位置 と の 間の任意の位置に置 く こ と がで き る 。 ま た、 発光部を一 列 に配置 し数を増加 さ せ、 t が増加 し た と き で も 、 式 ( 1 8 ) お よ び式 （ 1 9 ) の条件の も と にお い て は、 発 光部が 〗 2 個以内であれば、 開 口絞 り 5 0 3 を設定で き る 。 ま た 、 式 （ 2 0 ) お よ び式 （ 2 1 ) の条件の も と に お い ては、 発光部が 6 個以内であれば、 コ リ メ ー タ レ ン ズ 5 ϋ 2 の位置に開 口絞 り 5 0 3 を設定す る こ と がで き る。 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ 5 0 2 の位置 に開 口絞 り 5 0 3 を 配置す る こ と が可能な ら ば、 コ リ メ 一 タ レ ン ズ 5 0 2 の 保持枠を開口絞 り と し て用 い る こ と も で き 、 そ う すれば 別個に開口絞 り を設け る 必要がな い た め、 走査光学系の 構成要素を削減す る こ と がで き る 。
6 - 3 効果
以上説明 し た よ う に、 本発明 に よれば、 半導体 レ ー ザ — ア レ イ と 偏向器 と の 問の光路上に開 口絞 り が設け ら れ 式 （ 1 8 ) の条件お よ び式 （ 1 9 ) の条件を満足す る こ と に よ り 、 ビ ー ム拡カ《 り 角がば ら つ い て も 、 結像 ス ポ ッ ト 径を均一にす る こ と がで き 、 安定 し た良好な 印字品質 が得 られる と い う 効果を有す る 。 ま た 、 文字や線の 印字 品質を良好に保 ち つつ、 半導体 レ ー ザ— ア レ イ と 偏向器 の 間の光路上の、 広い範囲の任意の位置 に開 口絞 り を設 け る こ と 力《で き 、 あ る い は、 コ リ メ 一 夕 レ ン ズの保持枠 0 3 を開 口絞 り と し て用 い る こ と も 可能 と な り 、 設計上の 自 由度 も 大 き く な る と い う 効果を も 有す る
ま た、 半導体 レ ー ザー ァ レ イ と 偏向器 と の 間の光路上 に開 口絞 り が設 け ら れ、 式 （ 2 0 ) の条件お よ び式 ( 2 1 ) の 各条件を満足す る こ と に よ り 、 ビ一 ム拡が り 角 がば ら つ い て も 、 結像ス ポ ッ ト 径を均— にす る こ と が で き 、 安定 し た良好な 印字品質が得 ら れ る と い う 効粜を 有す る よ フ 、 文字の 印字に加え 、 中 間調や網点な どの 印字 口 質を も良好 に保ち つつ、 半導体 レ 一 ザ一 ア レ イ と 偏向器の 間の光路上の 、 広い範囲の任意の位置 に開 口絞 り を設け る こ と がで き 、 あ る い は、 コ リ メ ー タ レ ン ズの 保持枠を開 口絞 り と し て用 い る こ と も 可能 と な り 、 設計 上の 自 由度 も大 き く な る と い う 効果を も有す る
ぐ 産業上の利用可能性 >
本発明 に よ る 画像形成装置 は 、 電子写真プ ロ セ ス に よ り 紙上に高速で印刷を施す こ と がで き る 。 こ の よ う な 画 像形成装置 はゝ コ ン ピ ュ ー 夕 、 フ ァ ク シ ミ リ 、 多機能複 写機等の 出力装置 と し て広 く 用 い る こ と 力 で き る 。

Claims

詰 求 の 範 囲
1 . 表面に 静電潜像形成 さ れ る 像担持体 （ 5 ) と 、 二 の像担持体 （ 5 ) の表面を帯電 さ せ る 帯電器 （ 5 2 ) と 、 帯電 し た前記像担持体 （ 5 ) の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビー 厶 を走杏す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置
{ 5 3 ) と 、 レ ー ザー ビー ム が走査 さ れた前記像担持体 5 ) の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像器 （ 5 5 ) と を 備え 、 前記 レ ー ザ— ビー ム走査装置 （ 5 3 ) は素子基板 ( 2 2 ) 上に レ ー ザ一 ビー ム の発光部 （ 2 1 a ) が複数 形成 さ れた半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) と 、 前記発光 部 （ 2 1 a ) か ら の レ ー ザー ビー ム を前記像担持体 （ 5 ) の表面へ偏'向 さ せ る 偏向装置 （ 3 ) と を有 し 、 前記発光 部 （ 2 1 a ) は前記半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) 表面 に 2 次元状に配置 さ れ る と と も に 、 各発光部 （ 2 1 a ) は個別に そ の点灯お よ び光量が制御可能であ る こ と を特 徴 と す る 画像形成装置。
2 . 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) の発光部 （ 2 1 a ) は、 素子基板 （ 2 2 ) 面 に 対 し略垂直な光軸を有す る こ と を特徴 と す る 請求項 1 記載の画像形成装置。
3 . 半導体 レ ー ザー ア レ イ の発光部 （ 2 1 a ) は 、 尜子基板 （ 2 2 ) 面上に配置 さ れた反射率の異な る一対 の反射鏡 （ 2 3 , 2 8 ) と 、 こ れ ら一対の反射鏡 （ 2 3 , 2 8 ) の 間に配置 さ れ る と と も柱状の ク ラ ッ ド層 （ 2 6 ) を含む多層の半導体層 と を有す る 光共振器 と 、 前記柱状 の ク ラ ッ ド層 （ 2 6 ) の周 囲 に埋め込ま れた Π — VI族化 合物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 （ 3 2 ) と を備え た こ と を 特徴 と す る 請求項 2 記載の画像形成装置。
4 . Π — VI族化合物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 （ 3 2 ) は、 Π 族元素であ る Z n 、 C d 、 H g と 、 VI族元素で あ る 0、 S 、 S e 、 T e と を 2 元素、 3 元素 ま た は 4 元素 組み 合わせ た半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層であ る こ と を特徴 と す る 請求項 3 記載の画像形成装置。
5 , Π — VI族化合物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 （ 3 2 ) の格子定数が、 半導体層 （ 2 4 , 2 5 , 2 6 ) の格子定 数 と 一致 し て い る こ と を特徴 と す る 請求項 3 記載の画像 形成装置。
6 . 柱状 に形成 さ れた ク ラ ッ ド層 （ 2 6 ) は半導体層 に 設 け ら れた分離溝 に よ り 形成 さ れ、 Π — VI族化合物半 導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 （ 3 2 ) は前記分離溝内 に埋め込 み形成 さ れ る と と も に 、 多層の 半導体層 は前記分離溝下 方 に配置 さ れた活性層 （ 2 5 ) を有 し 、 こ れ に よ り 各光 共 器での光の位相が同期 し て い る こ と を特徴 と す る 請 求 ¾ 3 記載の 画像形成装置。
7 . 半導体 レ ー ザ ー ア レ イ （ 2 1 ) の発光部 （ 2 1 a ) よ り 射出 さ れ る レ ー ザー ビ ー ム は直線偏光であ り 、 前記 レ ー ザ一 ビー ム の光軸 に 直交す る 断面が楕 円状を な し 、 前記 レ ー ザー ビー ム の偏光面の方向が前記楕円 の長 軸お よ び短軸の いずれの方向 と も 異な る こ と を特徵 と す る 求項 6 記載の 画像形成装置。
8. 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) の発光部 （ 2 1 a ) は、 偏光面が互い に異な る 複数の光共振器か ら な る こ と を特徴 と す る 請求項 6 記載の 画像形成装置。
9 . 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) の発光部 （ 2 1 a ) 力、 ら の レ ー ザー ビー ム の拡カ《 り 角が半値全角で 2 0 度以内であ る こ と を特徴 と す る 請求項 1 記載の 画像形成 装置。
1 0 . 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) の発光部
( 2 1 a ) か ら射出 さ れ る レ ー ザー ビー ムが、 平行化 さ れ る こ と な く 偏向装置 に入射す る こ と を特徴 と す る 請求 ¾ 1 記載の 画像形成装置。
1 】 . 素子基板上に レ ー ザ一 ビー ム の発光部 （ 2 1 a ) が複数形成 さ れた半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 1 ) と 、 前記発光部 （ 2 1 a ) か ら の レ ー ザー ビー ム を偏向 さ せ る 偏向装置 （ 3 ) と を有 し 、 前記発光部 （ 2 1 ) は前 記半導体ア レ イ （ 2 1 ) 表面に 2 次元状 に配置 さ れ る と と も に 、 各発光部 （ 2 1 a ) は個別に そ の点灯お よ び光 量が制御可能 と な っ てい る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビ ー ム走 S装置。
1 2 . 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体
1.0 5 ) と 、 二 の像担持体 （ 1 0 5 ) の表面を帯電 さ せ る 帯 ¾器 ( 1 5 2 ) と 、 帯電 し た前記像担持体 ( 1 0 5 ) の表面に対 し て レ ー ザー ビ ー ム を走查す る レ — ザ一 ビ ー ム走査装置 （ 1 5 3 ) と 、 レ ー ザ ー ビ ー ム 力 走査 さ れた前記像担持体 （ 1 0 5 ) の表面 に現像剤を付 着 さ せ る 現像器 （ 1 5 5 ) と を備え 、 前記 レ ー ザー ビ ー ム走査装置 （ 1 5 3 ) は素子基板 （ 1 2 2 ) 上 に レ ー ザ 一 ビ ー ム の発光部 （ 1 2 1 a ) が形成 さ れた半導体 レ ー ザ一 （ 1 2 1 ) と 、 前記発光部 （ 1 2 1 a ) か ら の レ ー ザ一 ビー ム を前記像担持体の表面へ偏向 さ せ る 偏向装置
( 1 0 3 ) と を有 し 、 前記発光部 （ 1 2 1 a ) は前記素 子基板 （ 1 2 2 ) 面に対 し 略垂直な光軸を有す る こ と を 特徴 と す る 画像形成装置。
1 3 . 半導体 レ ー ザー の発光部 （ 1 2 1 a ) は、 素 子基板 （ 1 2 2 ) 面上に配置 さ れた反射率の異な る 一対 の反射鏡 （ 1 2 3 , 1 2 8 ) と 、 こ れ ら一対の反射鏡の 間 に配置 さ れ る と と も 柱状の ク ラ ッ ド層 （ 1 2 6 ) を含 む多層の半導体層 と を有す る 光共振器 と 、 前記柱状の ク ラ ッ ド層 （ 1 2 6 ) の周 囲 に埋め込 ま れた Π — VI族化合 物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 （ 1 3 2 ) と を備え た こ と を 特徴 と す る 請求项 1 2 記載の画像形成装置。
1 4 . Π — VI族化合物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層
( 1 3 2 ) は 、 Π 族元素であ る Z n 、 C d 、 H g と 、 VI 族元素であ る 0 、 S 、 S e 、 T e と を 2 元素、 3 元素 ま た は 4 元索組み合わせた半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層であ る こ と を特徴 と す る 諳求項 1 3 記載の画像形成装置。
1 5. Π — VI族化合物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 ( 1 3 2 ) の格子定数が、 半導体層 （ 1 2 4 , 1 2 5 , 1 2 6 ) の格子定数 と 一致 し てい る こ と を特徴 と す る 請 求項 1 3 記載の画像形成装置。
1 6. 柱状に形成 さ れた ク ラ ッ ド層 （ 1 2 6 ) は半 導体層 に設け ら れた分離溝に よ り 形成 さ れ、 Π — VI族化 ^物半導体ェ ピ タ キ シ ャ ル層 （ 1 3 2 ) は前記分離溝内 に埋め込み形成 さ れ る と と も に 、 多層の半導体層 は前記 分離溝下方に配置 さ れた活性層 （ 1 2 5 ) を有 し 、 こ れ に よ り 各光共振器での光の位相が同期 し てい る こ と を特 徴 と す る 請求項 1 3 記載の画像形成装置。
1 7. 半導体 レ ー ザー （ 1 2 1 ) の発光部 （ 1 2 1 a ) よ り 射出 さ れ る レ ー ザー ビー ム は直線偏光であ り 、 前記 レ ー ザー ビー ム の光軸に 直交す る 断面が楕円状をな し 、 前記 レ ー ザー ビー ム の偏光面の方向が前記楕円 の長 軸お よ び短軸の いずれの方向 と も 異な る こ と を特徴 と す る 請求項 ：！ 6 記載の画像形成装置。
1 8. 半導体 レ ー ザ一 （ ] 2 1 ) の発光部 （ 1 2 1 a ) は、 偏光面が互い に異な る 複数の光共振器か ら な る こ と を特徴 と す る 請求項 1 6 記載の画像形成装置。
1 9 . 半導体 レ ー ザ一 （ 1 2 1 ) の発光部 （ 1 2 1 a ) 力、 ら射出 さ れる レ ー ザー ビー ム の拡力く り 角が半値全 角で 2 0 度以内であ る こ と を特徴 と す る 請求項 1 2 記載 の 画像形成装置。
2 0 . 半導体 レ ー ザ一 （ 1 2 1 ) の発光部 （ 1 2 1 a ) 力、 ら 射出 さ れ る レ ー ザー ビー ムが、 平行化 さ れ る こ と な く 偏向装置 （ 1 0 3 ) に入射す る こ と を特徴 と す る 請求項 1 2 記載の画像形成装置。
2 1 , 素子基板 （ 1 2 2 ) 上 に レ ー ザー ビ ー ム の発 光部 （ 1 2 1 a ) が形成 さ れた半導体 レ ー ザー （ 1 2 1 ) と 、 前記発光部 （ 1 2 1 a ) か ら の レ ー ザー ビ ー ム を偏 向 さ せ る 偏向装置 （ 1 0 3 ) と を有 し 、 前記発光部
( 1 2 1 a ) は前記素子基板 （ 1 2 2 ) 面 に対 し 略垂直 な光軸を有す る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビ ー ム走査装 o
2 2 . 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体
( 2 0 5 ) と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 ( 2 5 2 ) と 、 帯電 し た像担持体の表面 に対 し て複数の レ ー ザ ー ビー ム を走杏す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置
( 2 5 3 ) と 、 レ ー ザー ビー ム が走査 さ れた 像担持体の 表面に現像剤を付着 さ せ る 現像器 （ 2 5 5 ) と を備え 、 前記 レ ー ザー ビ ー ム 走査装置 （ 2 5 3 ) は複数の レ ー ザ 一 ビ ー ム を射出す る 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ （ 2 2 1 ) と 、 前 己複数の レ ー ザ一 ビー ム の各 々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 2 0 2 ) と 、 前記 コ リ メ 一 夕 一 レ ン ズ
( 2 0 2 ) で平行化 さ れ た 複数の レ ー ザー ビー ム の方向 を周期的 に 偏向す る ^向 ¾置 （ 2 1 8 ) と 、 前記偏 向装 置 （ 2 8 ) に よ っ て偏向 さ れた レ ー ザ 一 ビ ー ム を前記 - 11しつ - 像担持体 （ 2 0 5 ) 上に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ （ 2 0 4 ) と を有 し 、 前記偏向装置 （ 2 1 8 ) は 1 つ の反射面を有 す る 回転鏡であ る こ と を特徴 と す る 画像形成装置。
2 3 . 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 2 2 1 ) は、 素子基 扳上に 2 次元状 に配置 さ れた複数の発光部 （ 2 2 1 a ) を有 し 、 各発光部は、 素子基板面に 対 し 略垂直な光軸を 有す る よ う な レ ー ザ一 ビー ム を射出す る と と も に、 前記 各発光部 （ 2 2 1 a ) は別個に そ の点灯及び光量を制御 可能であ る こ と を特徴 と す る 請求項 2 2 記載の画像形成 装置。
2 4 . 走査 レ ン ズ （ 2 0 4 ) 及び コ リ メ ー タ レ ン ズ ( 2 0 2 ) は、 そ の光軸を含む全ての面内 に お いて等方 的な光学的特性を有す る こ と を特徴 と す る 請求項 2 2 記 載の画像形成装置。
2 5 . 回転鏡 （ 2 ] 8 ) の反射面は、 回転鏡
( 2 1 8 ) の回転軸を幾何学的に 含む形で置かれ、 前記 投数の レ ー ザ一 ビー ム の 内の少な く と も 1 つ 、 も し く は 複数の ビー ム の 中心軸が、 前記反射面上の前記回転軸位 置近傍で前記反射面に反射 さ れ偏向 さ れ る こ と を特徴 と す る請求頊 2 2 記載の 画像形成装置。
2 6 . 像担持体 （ 2 0 5 ) 上に走査 レ ン ズ （ 2 0 4 ) に よ っ て結像 さ れ る 結像 ス ポ ッ 卜 （ 2 0 6 ) が、 おおむ ね走杏方向に短軸を有す る 楕円 ま た は長円であ り 、 かつ 前 i¾半導体 レ ー ザー ァ レ イ か ら 射出 さ れ る レ ー ザ一 ビ一 ム の拡力 り 角 の走杏方向 と そ の 直交方向 の比が、 前記結 像 ス ポ ッ ト （ 2 0 6 ) の長径 と 短 圣の比の逆数で あ る こ と を特徴 と す る 請求頃 2 2 記載の 画像形成装置。
2 7 . 複数の レ ー ザー ビー ム を射出す る 半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ （ 2 2 】 ） と 、 前記複数 の レ ー ザ一 ビー ム の 各 々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 2 0 2 ) と 、 前記 コ リ メ ー タ ー レ ン ズで平行化 さ れた複数の レ ー ザ一 ビー ム の方向 を周期的 に 偏向す る 偏向装置 （ 2 1 8 ) と 、 前 記 ^向装置 （ 2 1 8 ) に よ っ て偏向 さ れた レ ー ザ ー ビー ム を像担持体 （ 2 0 5 ) 上に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ
( 2 0 4 ) と を有 し 、 前記偏向装置 （ 2 1 8 ) は 1 つ の 反射面を有す る 回転鏡であ る こ と を特徴 と す る レ ー ザ一 ビ ー ム走査装置。
2 8. 表面 に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体
C 3 0 5 ) と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 ( 3 5 2 ) と 、 帯電 し た像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビ ー ム を走査す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置
( 3 5 3 ) と 、 レ ー ザー ビ ー ム が走査 さ れた像担持体 ( 3 0 5 ) の表面 に現像剤を付着 さ せ る 現像器 （ 3 5 5 ) と を備え 、 前記 レ ー ザ一 ビー ム 走査装置 （ 3 5 3 ) は レ — ザ一 ビ ー ム を射出す る 発光部 （ 3 4 1 a ) を複数有す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 3 4 1 ) と 、 前記複数の レ ー ザ一 ビー ム の各 々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ
( 3 0 2 ) と 、 前記 コ リ メ 一 夕 一 レ ン ズ （ 3 0 2 ) で コ リ メ 一 ト さ れた複数の レ ー ザー ビー ム の方向を周期的 に 偏向す る 偏向装置 （ 3 0 3 ) と 、 前記偏向装置 （ 3 0 3 ) に よ っ て 向 さ れた レ ー ザー ビー ム を前記像担持体
( 3 0 5 ) 上に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ （ 3 0 4 ) と を有 し 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ （ 3 0 2 ) の焦点距離を f c 、 前記半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 3 4 1 ) 上の複数の発光部
( 3 4 1 a ) う ち 、 相互の距離の最 も遠い 2 つ の発光部 の 間隔を 5 m a x と す る と 、
f c / δ m a X > 2 5
であ る こ と を特徴 と す る 画像形成装置。
2 9 . コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 3 0 2 ) の焦点距離を f c 、 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 3 4 1 ) 上の複数の発光 部 （ 3 4 1 a ) の う ち 、 相互の距離の最 も遠い 2 つ の発 光部の 間隔を <5 m a X と す る と 、
f c X δ m a > D 0
であ る こ と を特徴す る 請求項 2 8 記載の画像形成装置。
3 0 . 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 3 4 1 ) の発光部 ( 3 4 1 a ) は、 素子基板 （ 3 2 2 ) 上にお い て 2 次元 状に配列 さ れ、 各発光部 （ 3 4 1 a ) は前記素子基板面 に対 し 略垂直な光軸を有す る よ う な レ ー ザー ビー ム を射 出す る と と も に、 個別に そ の点灯及び光量が制御可能で あ る こ と を特徴 と す る 請求項 2 6 記載の画像形成装置。
3 1 . 儒向装置 ( 3 0 3 ) は、 複数の鏡面が正多角 柱状 に配置 さ れた 回転多面鏡であ る こ と を特徴す る 請求 3 頃 2 8 記載の 画像形成装置。
3 2 . 回転多面鏡 （ 3 0 3 ) の 回転軸 に対す る 各反 射面の相互の倒れ角 の差に よ る 走査線の副走査方向 のず れを光学的 に補正す る 倒れ補正光学系 （ 3 0 7 ，
3 0 7 ' ) が、 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 3 4 1 ) 力、 ら 像 担持体 （ 3 0 5 ) に い た る 光路上に 設け ら れて い る こ と を特徴 と す る 請求項 3 1 記載の 画像形成装置。
3 3 . レ ー ザー ビ ー ム を射出す る 発光部 （ 3 4 1 a ) を複数有す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 3 4 1 ) と 、 前記 複数の レ ー ザー ビー ム の 各々 を平行化す る コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 3 0 2 ) と 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ （ 3 0 2 ) で コ リ メ 一 卜 さ れた複数の レ ー ザー ビー ム の方向 を周期的 に偏向す る 偏向装置 （ 3 0 3 ) と 、 前記偏向装置
( 3 0 3 ) に よ っ て偏向 さ れた レ ー ザ ー ビ ー ム を前記像 担持体 （ 3 0 5 ) 上 に結像 さ せ る 走査 レ ン ズ （ 3 0 4 ) と を備え 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズの焦点位置を f c 、 前 記半導体 レ ー ザ一 ア レ イ 上の複数の発光部の う ち 、 相互 の距離の最 も遠い 2 つ の発光部の 間隔を （5 m a x と す る と 、
f c / (5 m a x > 2 5
で あ る こ と を特徴 と す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置。
3 4 . 表面 に 静 潜像が形成 さ れ る 像担持体
( 4 0 7 ) と 、 こ の 像担持体 （ 4 0 7 ) の表面を帯電 さ せ る 帯電器 （ 4 5 1 ) と 、 帯電 し た 像担持体の表面 に対 し て複数の レ ー ザ一 ビー ム を走査す る レ ー ザー ビー ム走 杏装置 （ 4 5 2 ) と 、 レ ー ザー ビー ム が走査 さ れた 像担 持体 （ 4 0 7 ) の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像器
( 4 5 3 ) と を備え、 前記 レ ー ザ一 ビー ム走査装置 は レ 一 ザ一 ビー ム を射出す る 複数個の発光部 （ 4 0 1 a ) が 素子基板 （ 4 2 2 ) 上に設け ら れた半導体 レ ー ザー ァ レ ィ （ 4 0 1 ) と 、 前記発光部 （ 4 0 1 a ) か ら 射出 さ れ る レ ー ザー ビー ム を偏向す る 偏向装置 （ 4 0 4 ) を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 4 0 1 ) 力、 ら射出 さ れ る レ 一 ザ一 ビー ム の 中心軸 は、 前記素子基板面 （ 4 2 2 ) に 対 し て略垂直であ り 、 前記半導体 レ ー ザー ア レ イ
4 0 1 ) と前記偏向装置 （ 4 0 4 ) と の 間の光路上に おいて、 複数の レ ー ザー ビー ム の断面の少な く と も一部 が重な り 合 う 位置 に開 口絞 り （ 4 0 3 ) を設け、 前記開 口絞 り （ 4 0 3 ) を通過 し た後の複数の レ ー ザー ビー ム の う ち 、 パ ワ ーが最大であ る レ ー ザ一 ビー ム につ い て、 そ の パ ワ ー を 1 と し た と き に 、 そ の他の レ ー ザ一 ビー ム の .ペ ヮ 一が各 々 0 . 9 以上 と な る こ と を特徴 と す る 画像 形成装置。
3 5 . 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ （ 4 0 1 ) と 偏向装置 4 0 4 ) と の 間に単 レ ン ズあ る い は複数の レ ン ズ力、 ら な る 光学系を設け 、 投 ¾の レ ー ザ一 ビ ー ム の 中心軸が前 記光学系の光軸 と 交差す る 位置 に 、 前記開 口絞 り
4 0 3 ) を設け た こ と を特徴 と す る 、 請求項 3 4 記載 の画像形成装置。
3 6 . レ ー ザー ビー ム を射 出す る 複数個の発光部
( 4 0 1 a ) が素子基板 （ 4 2 2 ) 上 に設け ら れた半導 体 レ ー ザ一 ア レ イ （ 4 0 1 ) と 、 前記発光部 （ 4 0 1 a ) か ら 射出 さ れ る レ ー ザー ビー ム を偏向す る 偏向装置
( 4 0 4 ) と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ア レ イ
( 4 0 1 ) カヽ ら 射出 さ れ る レ ー ザ ー ビ ー ム の 中心軸 は、 前記素子基板 （ 4 2 2 ) 面 に対 し て略垂直であ り 、 前記 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 4 0 1 ) と 前記偏向装置
( 4 0 4 ) と の 間の光路 に お い て、 複数の レ ー ザー ビー ム の断面の少な く と も 一部が重な り 合 う 位置 に 開 口絞 り を設け、 前記開 口絞 り （ 4 0 3 ) を通過 し た後の複数の レ ー ザー ビ ー ム の う ち 、 パ ヮ 一 が最大で あ る レ ー ザ 一 ビ — ム につ い て、 そ のノ、 ヮ ー を 1 と し た と き に、 そ の他の レ ー ザ一 ビー ム のパ ワ ー が各 々 0 . 9 以上 と な る こ と を 特徴 と す る レ ー ザー ビ ー ム走査装置。
3 7 . 表面 に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体
( 5 0 7 ) と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器
( 5 1 ) と 、 帯電 し た像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザ一 ビ ー ム を走査す る レ ー ザ ー ビ ー ム走査装置
( 5 5 2 ) と 、 レ ー ザー ビー ム が走査 さ れた像担持体の 表面 に現像剤を付着 さ せ る 現像器 （ 5 5 3 ) と を備え、 前記 レ ー ザ一 ビ ー ム走査装置 は レ ー ザー ビ ー ム を射出す る 複数個の発光部を有す る 半導体 レ ー ザ ー ァ レ イ ( 5 0 1 ) と 、 前記発光部か ら射出 さ れた レ ー ザー ビー ム を平行 ビー ム 化す る た め の コ リ メ ー タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) と 、 レ ー ザー ビー ム を偏向す る 偏向装置 （ 5 0 4 ) を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ア レ イ と 前記偏向装置 （ 5 0 4 ) と の 間の光路上に開口絞 り （ 5 0 3 ) が設け ら れ、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) の焦点距離を f 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) の前記偏向装置 （ 5 0 4 ) 側の 焦点 と 前記開口絞 り （ 5 0 3 ) と の 間隔を s 、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 5 0 2 ) の光軸か ら最 も 離れた位置 に配 置 さ れた発光部 と前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開口絞 り ( 5 0 3 ) の直径を D 、 前記平行 ビー ム の直径を d と す る と き 、
Figure imgf000118_0001
D
≤ 2
d な る 条件を満足す る こ と を特徴 と す る 画像形成装置。
3 8 . 表面に静電潜像が形成 さ れ る 像担持体
( 5 0 7 ) と 、 こ の像担持体の表面を帯電 さ せ る 帯電器 ( 5 1 ) と 、 帯電 し た像担持体の表面に対 し て複数の レ ー ザー ビー ム を走査す る レ ー ザー ビー ム走査装置
( 5.5 2 ) と 、 レ ー ザー ビー ム が走査 さ れた像担持体 ( 5 0 7 ) の表面に現像剤を付着 さ せ る 現像器 （ 5 5 3 ) 17 —
と を備え 、 記 レ — ザ一 ビ 一 ム 走査装置 は レ ー ザ ー ビ ー ム を射出す る 複数個の発光部を有す る 半導体 レ ー ザ ー ァ レ イ （ 5 0 1 ) と 、 前記発光部 （ 5 0 2 ) 力、 ら 射出 さ れ た レ ー ザ一 ビ ー ム を平行 ビ一 ム 化す る た め の コ リ メ ー タ レ ン ズ と 、 レ ー ザ一 ビ ー ム を偏向す る 偏向装置 （ 5 0 4 ) と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザー ァ レ ィ （ 5 0 1 ) と 前記 偏向装置 ( 5 0 4 ) と の 間 の光路上 に開 口絞 り （ 5 0 3 ) が設け ら れ、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズ ( 5 0 2 ) の焦点距 離を f 、 前記 コ リ メ ー タ レ ン ズの前記偏向装置側の焦点
■ "！
と 前記開 口絞 り と の 間隔を s 、 刖 ϋ己 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ の 光車 ra ;σ、 り最 も 離れた 位置 に配置 さ れた発光部 と 前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開 口絞 り ( 5 0 3 ) の 直径を D、 前 記平行 ビ— ム の 直径を d と す る と さ s t D 2 - 9
0 0 6 + 0 0 8
d
D
つ
d な る 条件を満足す る こ と を特徴 と す る 画像形成装置。
3 9 . レ ー ザー ビ ー ム を射出す る 複数個の発光部を 有す る 半導体 レ ー ザ一 ア レ イ （ 5 ϋ 1 ) と 、 前記発光部 か ら 射出 さ れた レ ー ザー ビ ー ム を平行 ビ ー ム 化す る た め の コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 5 0 2 ) と 、 レ ー ザー ビー ム を偏 向す る 偏向装置 （ 5 0 4 ) と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ （ 5 0 1 ) と前記偏向装置 （ 5 0 4 ) と の 間の 光路上に開 口絞 り 5 0 2 ) が設け ら れ、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 5 0 2 ) の焦点距離を f 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) の前記偏向装置側の焦点 と前記開 口絞 り
(. 5 0 3 ) と の 間隔を s 、 前記 コ リ メ 一 夕 レ ン ズ
(. 5 0 2 ) の光軸か ら最 も離れた位置 に配置 さ れた発光 部 （ 5 1 2 b ) と前記光軸 ( 1 0 ) と の 間隔を t 、 前 記開 Π絞 り の直径を D、 前記平行 ビー ム の 直径を d と す る と き 、
0 つ、 + 0 . 7
Figure imgf000120_0001
D
≤ つ
d な る 条件を满足す る こ と を特徴 と す る レ ー ザー ビー ム走 杏装置。
4 0 . レ ー ザー ビー ム を射出す る 複数個の発光部を 有す る 半導体 レ ー ザー ア レ イ （ 5 0 1 ) と 、 前記発光部 力、 ら 射出 さ れた レ ー ザー ビー ム を平行 ビ ー ム 化す る た め の コ リ メ 一 夕 レ ン ズ （ 5 0 2 ) と 、 レ ー ザー ビー ム を偏 向す る 偏向装置 （ 5 0 4 ) と を有 し 、 前記半導体 レ ー ザ 一 ア レ イ （ 5 0 1 ) と 前記偏向装置 （ 5 0 4 ) と の間の 光路上に開 口絞 り （ 5 0 3 ) が設け ら れ、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) の 点距離を f 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) の前記偏向装置 （ 5 0 4 ) 側の焦点 と 前 記開 口絞 り （ 5 0 3 ) と の 間隔を s 、 前記 コ リ メ 一 タ レ ン ズ （ 5 0 2 ) の光軸か ら最 も 離れた位置 に配置 さ れた 発光部 （ 5 1 2 b ) と 前記光軸 と の 間隔を t 、 前記開 口 絞 り （ 5 0 3 ) の 直径を D 、 前記平行 ビー ム の直径を d と す る と き 、 9
s t D 2.
0 0 6 + 0 . 0 8
d
D
2
d な る 条件を満足す る こ と を特徴 と す る レ ー ザー ビ ー ム走 查装置。
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