(57)【要約】【課題】  低コストで光量を犠牲にせずビームスポット径を制御できる光走査装置を提供する。【解決手段】  レーザアレイ１４にて射出されたビームは回折格子１２を通過することによって０次回折光（実線）と＋１次および−１次回折光（破線）とに分離されて、ポリゴンミラー２０上に結像する。すなわちポリゴンミラー２０上ではｐ２のようなプロファイルを持つビームとなる。第２シリンダレンズ２４、第３シリンダレンズ２６によって感光体２８の表面にビームスポットとして結像する際のプロファイルｐ３は、実際には０次回折光（実線）と＋１次および−１次回折光（破線）との合成強度をもつｐ４のようなスポットとして結像する。すなわち、回折格子１２によって０次回折光（実線）と＋１次および−１次回折光（破線）とに分離されたビームが感光体２８上で、０次回折光（実線）によって結像するスポットよりも径の大きなｐ４のスポットとして結像することになる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のビームを射出するレーザ光源と、
前記複数のビームを露光面上に結像させる光学系と、
を備えた光走査装置であって、
前記光学系の光路中に回折格子を設けたことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記回折格子は前記露光面と光学的に共役関係にない位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記回折格子は透過型回折格子であることを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れかに記載の光走査装置。
【請求項４】
前記ビームは前記回折格子の格子と直交する方向に対して略平行なコリメート光として前記回折格子に入射することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光走査装置。
【請求項５】
前記光路中にビーム径を制限するアパーチャを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光走査装置。
【請求項６】
前記アパーチャは前記回折格子の近傍に設けられたことを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光走査装置に関し、特にレーザ光により感光面上に画像を形成する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりレーザアレイを光源として感光体の被走査面上にビームスポットを結像し走査露光を行う光走査装置において、走査ビームの被走査面における間隔とビーム径を決定する技術が必要とされている。
【０００３】
例えばレーザアレイの副走査方向の間隔（ｒ１）は，レーザ構造および製造プロセスの制限から任意に狭くすることはできない。一方レーザアレイより射出されるビームの拡がり角θ１（１／ｅ2強度の半角）は，レーザ構造によって決定される。
【０００４】
このレーザアレイを光源としてレーザ走査光学系を介し、被走査面上にレーザのＮＦＰ（near field pattern）を投影すると、被走査面上で得られるビーム径ｄ３（１／ｅ2直径）とスポット間隔ｒ３は、光学系の投影倍率をｍ、レーザ波長をλとすると、それぞれ以下の式で与えられる。
【０００５】
ｄ３＝ｍ・ｄ１＝ｍ・２λ/（π・θ１）
ｒ３＝ｍ・ｒ１
すなわち，ｄ３とｒ３の比はいかなる光学系の倍率ｍに対しても一定であって、任意に設定することはできない。これは任意の走査線密度に対して任意のビーム径を設定できないことになる。
【０００６】
この問題に対して、レーザ射出後のビーム光路中にアパーチャーを入れて結像レンズへの入射ビーム径を小さくし、結像レンズによって得られる被走査面でのビーム径ｄ３を拡大する構成の光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
上記例においては図５、図６に示すように、レーザ射出後のビーム光路中にアパーチャーを入れて結像レンズへの入射ビーム径を小さくし、結像レンズによって得られる被走査面でのビーム径ｄ３を拡大することができる。
【０００８】
例えば、図５のアパーチャ１０２の径ｄ２がコリメータレンズ１０６によりコリメート化された外径Ｄのレーザビームの最高強度部分（ビーム中心部分）の１／２の強度を有する部分の径と同じ大きさの径（＝１／２強度径。この１／２強度径はガウス型の強度分布を有するビームの場合Ｄ／１.７０＝０.５９Ｄである。）であるならば、図６に示す通り結像面１１８におけるビームプロファイルｐ１０３となるビームスポットの径であるｄ３の値は、ｄ３＝１.９４である。
【０００９】
同様に、アパーチャ１０２の内径が１／e2強度径（すなわち、レーザビームの最高強度部分の１／e2＝０.１３５の強度を有する部分の径と同じ大きさの径）ならば、ｄ３の値は、ｄ３＝１.２８である。
【００１０】
また、アパーチャ１０２の内径がコリメートされたレーザビームの径Ｄよりも非常に大きいか、またはアパーチャ１０２を用いない場合には、ｄ３の値は、ｄ３＝１となり、ビームスポット径は最も小さくなる。
【００１１】
すなわちアパーチャーの径を可変とすることで、ｄ３は変更可能となる。アパーチャー径Ｄ2（＝レーザビームの径Ｄ）と走査面でのビーム径ｄ３の関係は、Ｄ2＝０．９ｍｍでおよそｄ３＝６０ｕｍ，Ｄ2＝２．７ｍｍでｄ３＝２０ｕｍとなる。
【００１２】
しかし、大きなビーム径ｄ３を得るためにはアパーチャー径D2を小さくすることが必要であり、結果としてレーザの透過光量が極端に減少してしまう。この例では，アパーチャー径Ｄ2＝０．９ｍｍのとき、アパーチャー部での光の透過率は１０％程度となり，光量損失が極めて大きい。
【００１３】
上記のようにアパーチャー部分での光量損失が大きくなると、被走査面で同一の露光量を確保するためには、より高いレーザ出力が要求される。これによりレーザの寿命は大幅に減少する結果となる。たとえば本例のレーザでは出力１ｍＷ時に１０００時間の平均寿命があるのに対し、２倍の出力２ｍＷ時では平均寿命約１４０時間とおよそ７分の１となり、装置の性能及びコスト上大きな問題となる。
【００１４】
あるいは他の例として、個々のレーザ光源にそれぞれレンズを配することにより、ビーム拡がり角θ１のみを変更して任意のビーム径ｄ３を得る方法も提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
【００１５】
しかし上記の例では、レーザ間隔と同一の間隔を持つレンズアレイが必要となり、極めて微細な加工精度が必要であるため製作が困難であり、コストも増大する。またレーザとレンズアレイの位置あわせも極めて微細な間隔であるため困難なものとなる。
【特許文献１】特開平５  ―  ５３０６８号公報
【特許文献２】特開平５  ―  ６６３５４号公報
【特許文献３】特開平５  ―２９７３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は上記事実を考慮し、低コストで光量を犠牲にせずビームスポット径を制御できる光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の光走査装置は、複数のビームを射出するレーザ光源と、前記複数のビームを露光面上に結像させる光学系と、を備えた光走査装置であって、前記光学系の光路中に回折格子を設けたことを特徴とする。
【００１８】
上記構成の発明では、アパーチャの開口径を大きく、光量を維持しながら十分に大きなビームスポット径が得られる。
【００１９】
請求項２に記載の光走査装置は、前記回折格子は前記露光面と光学的に共役関係にない位置に設けられたことを特徴とする。
【００２０】
上記構成の発明では、被走査面と光学的に共役関係にない面に回折格子を設けたことで、ビームスポット径の制御を行うことができる。
【００２１】
請求項３に記載の光走査装置は、前記回折格子は透過型回折格子であることを特徴とする。
【００２２】
上記構成の発明では、透過型の回折格子を用いたことで光学系の各エレメントの配置を変更する必要がないので、ミラー等の増設を行う必要もなく、単純な構成とできる。
【００２３】
請求項４に記載の光走査装置は、前記ビームは前記回折格子の格子と直交する方向に対して略平行なコリメート光として前記回折格子に入射することを特徴とする。
【００２４】
上記構成の発明では、回折格子に入射するレーザ光を略平行なコリメート光とすることで、被走査面上におけるビーム位置を正確に規定し、スポット径を厳密に設定できる。
【００２５】
請求項５に記載の光走査装置は、前記光路中にビーム径を制限するアパーチャを設けたことを特徴とする。
【００２６】
上記構成の発明では、光路中にビーム径を制限するアパーチャを設けたことで、ビームを整形し所望のスポット径とできる。
【００２７】
請求項６に記載の光走査装置は、前記アパーチャは前記回折格子の近傍に設けられたことを特徴とする。
【００２８】
上記構成の発明では、アパーチャが回折格子の近傍に設けられたことで、回折光を利用し所望のスポット径を設定できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は上記構成としたので、低コストで光量を犠牲にせずビームスポット径を制御できる光走査装置とすることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１、図２には本発明に係る光走査装置の構成が示されている。
【００３１】
図１に示すように、光走査装置１０はレーザアレイ１４から射出された、ｐ１のようなビームプロファイルをもつレーザビームをコリメータレンズ１６にて平行光とし、透過率約８５％の透過型回折格子１２を通過したのち第１シリンダレンズ１８によってポリゴンミラー２０上に結像する。
【００３２】
ポリゴンミラー１８は等角速度で回転しながら入射したビームをｆθレンズ２２に向けて反射、主走査方向への走査光とする。ｆθレンズ２２は入射したビームを等速度走査となるように整形し、第２シリンダレンズまたはシリンダミラー２４、第３シリンダレンズまたはシリンダミラー２６によって感光体２８の表面である被走査面上にビームスポットとして結像させる。
【００３３】
図２に示すように、レーザアレイ１４にて射出されたビームは回折格子１２を通過することによって０次回折光（実線）と＋１次および−１次回折光（破線）とに分離されて、ポリゴンミラー２０上に結像する。すなわちポリゴンミラー２０上ではｐ２のようなプロファイルを持つビームとなる。第２シリンダレンズまたはシリンダミラー２４、第３シリンダレンズまたはシリンダミラー２６によって感光体２８の表面にビームスポットとして結像する際のプロファイルｐ３は、実際には０次回折光（実線）と＋１次および−１次回折光（破線）との合成強度をもつｐ４のようなスポットとして結像する。
【００３４】
すなわち、回折格子１２によって０次回折光（実線）と＋１次および−１次回折光（破線）とに分離されたビームが感光体２８上で、０次回折光（実線）によって結像するスポットよりも径の大きなｐ４のスポットとして結像することになる。
【００３５】
上記実施形態では、被走査面上で０次回折光と１次回折光による結像位置を副走査方向に２０ｕｍ離す場合は，第１シリンダレンズ１８の０．７ｍｍ手前（レーザアレイ１４側）に９２本／ｍｍの回折格子を設置する。このときの、ポリゴンミラー２０から被走査面までの光学系横倍率ｍは，０．４０倍である。
【００３６】
図３には本発明に係る光走査装置の回折格子と回折光の関係が示されている。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、コリメータレンズ１６によって略平行光とされたビームが回折格子１２に入射すると、回折格子１２の格子周波数（細かさ）に応じて回折光が分離する。この回折光の回折角は回折格子１２の格子周波数とレーザの波長に依存する。
【００３８】
すなわち、図３（ｂ）の表に示すように、使用するレーザの波長λ＝７８０ｎｍ、格子周波数９２（本／ｍｍ）の場合、回折角θ１は以下の式で求められる。
【００３９】
θ１＝sin-1（０．７８ｅ-3×９２）＝４．１（deg）
となる。
【００４０】
図４には本発明に係る回折格子の有無とビーム径の関係が示されている。
【００４１】
図４には回折格子１２の挿入前と挿入後によって走査面でのビーム径ｄ３が変化する様子を示す。図４（ａ）のように回折格子１２挿入前のビーム径は６０μｍであるとき、挿入後のビーム径は１０７μｍに拡大している。実線は実測値、点線は理論値を示す。
【００４２】
これにより、図２に示した光路中、コリメータレンズ１６と回折格子１２の間にアパーチャ１５を挿入し、光量とスポット径の調節を行った場合、回折格子１２挿入時にアパーチャー１５の開口を２倍に拡げてアパーチャー１５での透過光量をおよそ２倍としても、感光体２８表面上のビーム径は半分の３０μｍとはならず，ほぼ同一のビーム径６０μｍを得ることができる。回折格子１２自体の透過率は８５％であるため、ビームスポットの径を確保しつつ実質的に１．７０倍（＝２倍ｘ０．８５）の光量を走査面で得ることが可能となった。
【００４３】
また、設定のパラメータを変更し第１シリンダレンズ１８の１．１ｍｍ手前に９２本／ｍｍの回折格子１２を設置すると，アパーチャ１５の開口幅を３倍に拡げても、径およそ６０μｍのビームが被走査面上でえられ、走査光学系全体としての光透過率を約２．５５倍（＝３倍ｘ０．８５）に上げることが可能となった。
【００４４】
ところで、回折格子１２を被走査面と光学的に共役な面であるポリゴンミラー２０面位置に設置してビームを拡散しても、一点から射出したビームはその共役な面においては再び一点に集光するため，ビーム径に変化を生じされることはできない。よって、本実施例では被走査面と共役関係にない位置、すなわちポリゴンミラー２０の表面以外の光路中に回折格子１２を設置することで、ビーム径の制御を行うことができる構成とした。
【００４５】
また、回折格子１２には透過型の回折格子を用いることによって、その０次光は直進する。このため回折格子１２以降の光学素子の位置を変化させる必要がなく、設計変更や部品点数の増加が最小限で済むためコスト増加を抑えるために都合がよい。これに対して反射型回折格子を用いた場合には、ビームを同一の光路に戻す場合にミラー等の他の光学素子が必要で，光学系が煩雑となってしまう。
【００４６】
さらに、コリメータレンズ１６でコリメートされた光の等位相波面はほぼ平面であり、本実施形態においては回折格子１２をコリメータレンズ１６と第１シリンダレンズ１８の間に設置しているため、回折格子１２の回折格子面に入射する波面の角度が正確に定められる。この事実は被走査面上で０次光によるビーム位置と高次の回折光によるビーム位置を厳密に設定可能とするため、所望のビーム径を得るための格子密度ｄおよび光学系内での格子の設置すべき位置を，正確に定めることが可能となる。
【００４７】
以上のような構成とすることにより、ビーム径６０μｍの光学系において、アパーチャ１５の開口幅を２倍に拡げて透過光量を２倍としても、被走査面上のビーム径は半分の３０μｍとはならず、同一のビーム径６０ｕｍを得ることができる。回折格子１２自体の透過率は８５％であるため、実質的に１．７０倍（＝２倍ｘ０．８５）の光量を被走査面で得ることが可能となった。
【００４８】
すなわち光学系の透過効率を高く保ちながら、被走査面でのビーム間隔とビーム径の比を自由に設定することが可能となり、ビーム径を小さく設定したときに発生する浅い焦点深度に起因するビームデフォーカスの問題を回避でき，高い画質の画像を安定して得ることができる。
【００４９】
さらに、アパーチャ１５の設置位置を調整することで被走査面でのビーム径を自由に調整でき，走査光学系の調整工数を削減することが可能となった。
【００５０】
また本実施形態ではレーザアレイ１４の個々の光源に対応させてレンズアレイを設置する必要が無くなり，大幅な調整工数の簡略化ができた。また、精密なレンズアレイといった高価な部品が必要ないため、部品コストを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１形態に係る光走査装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１形態に係る光走査装置の光路図である。
【図３】本発明の第１形態に係る光走査装置の回折格子の効果を示す図である。
【図４】本発明の第１形態に係る光走査装置の回折格子の効果を示す図である。
【図５】従来の光走査装置の光路図である。
【図６】従来の光走査装置における絞りとビーム径の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０    光走査装置
１２    回折格子
１４    レーザアレイ
１５    アパーチャ
１６    コリメータレンズ
１８    第１シリンダレンズ
２０    ポリゴンミラー
２２    ｆθレンズ
２４    第２シリンダレンズまたはシリンダミラー
２６    第３シリンダレンズまたはシリンダミラー
２８    感光体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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