(57)【要約】【課題】デジタル複写機、レーザプリンタ、レーザファクシミリ等に用いられるビームスポット整形方法、光走査装置、及び画像形成装置を提供する。【解決手段】光源と、光源から出射された光ビームの一部を遮光し、一部を透過させる振幅素子と、光ビームの位相を制御する位相素子と、光ビームを結像する結像光学系とを有する光走査装置のビームスポット整形方法であって、振幅素子は、少なくとも２つの開口領域を有し、像面上でのビームスポットの形状を整形することにより、ガウスビームよりも中央部の強度分布が平坦なビームスポット形状を得ることができ、かつサイドローブによる影響を良好に低減することができる。また、振幅素子と位相素子とを一体化して形成することにより、両者の位置関係を高精度に維持でき、かつ設置誤差によるビームスポット形状の変化を回避することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から出射された光ビームの一部を遮光し、一部を透過させる振幅素子と、前記光ビームの位相を制御する位相素子と、前記光ビームを結像する結像光学系とを有する光走査装置のビームスポット整形方法であって、
前記振幅素子は、少なくとも２つの開口領域を有し、像面上でのビームスポットの形状を整形することを特徴とするビームスポット整形方法。
【請求項２】
ビームスポットの中央部付近における強度分布が、ガウスビームの中央部付近における強度分布に比べて平坦になるようにビームスポットの形状を整形することを特徴とする請求項１記載のビームスポット整形方法。
【請求項３】
前記振幅素子は、中央の開口領域の周辺に第２の開口領域を有することを特徴とする請求項１又は２記載のビームスポット整形方法。
【請求項４】
前記位相素子は、少なくとも２つの開口領域に位相差を発生させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のビームスポット整形方法。
【請求項５】
前記振幅素子は、楕円形状の開口領域を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のビームスポット整形方法。
【請求項６】
前記振幅素子と前記位相素子とが一体化して形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のビームスポット整形方法。
【請求項７】
光源と、前記光源からの出射される光ビーム一部を遮光し、一部を透過させる振幅素子と、前記光ビームの位相を制御する位相素子と、前記光源からの前記光ビームを偏向し走査する偏向手段と、前記偏向手段により走査された光ビームを像担持体上に結像させる走査光学系とを有する光走査装置において、
請求項１から６のいずれか１項記載のビームスポット整形方法を用いて前記像担持体上におけるビームスポットを整形することを特徴とする光走査装置。
【請求項８】
副走査方向のビームスポット径の形状を整形することを特徴とする請求項７記載の光走査装置。
【請求項９】
主走査方向において、１画素を複数のドットで形成することを特徴とをする請求項７又は８記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記振幅素子と前記位相素子は、光偏向手段と前記光源の間に配置されることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項１１】
像担持体上に形成された静電像をトナーで顕像化する現像手段と、前記像担持体上に顕像化された画像を紙などの媒体に転写する転写手段とを有し、画像を出力する画像形成装置において、
請求項７から１０のいずれか１項記載の光走査装置により前記像担持体上に静電像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームスポット整形方法、光走査装置、及び画像形成装置に関し、特にデジタル複写機、レーザプリンタ、レーザファクシミリ等に用いられるビームスポット整形方法、光走査装置、及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ等に関連して広く知られた光走査装置は一般に、光源側からの光ビームを光偏向器により偏向・走査し、ｆθレンズ等の走査光学系により被走査面上に結像してビームスポットを形成し、このビームスポットで被走査面を光走査(主走査)するように構成されている。被走査面の実体をなすものは光導電性の感光体等である感光媒体の感光面である。
【０００３】
一般に、レーザからの出射光の強度分布はガウス分布をしており、ビームが結像する被走査面においてもガウス分布の強度分布を持ったビームスポットが得られる。ただし、途中でアパーチャ等によりビームの一部をカットする際には、アパーチャの形状に応じてｓｉｎｃ関数やエアリーパターンと呼ばれるサイドローブを有したビームスポットが得られるが、ビームの中央部付近では、ガウス分布にほぼ等しい強度分布を有している。ガウス状の強度分布は、中央部で最も強度が強く、周辺にいくにしたがって、強度が徐々に減衰していくようになっている。
【０００４】
レーザプリンタ等に利用されている、電子写真プロセスでは、以下のような流れて画像を形成する。まず感光体を帯電し、感光体上にビームを照射して感光体を露光し画像パターンを形成し、帯電させたトナーを感光体上に吸着して現像して感光体上にトナー像を形成し、そのトナー像を紙等の媒体に転写し、最後に熱等によりトナーを溶融して紙等の媒体に定着させる。
【０００５】
ここで、経時においても常に良好で安定した画像を出力し続けるために重要な技術として、トナーの帯電制御技術が挙げられ、トナーは経時においても初期と同じ電位に帯電させるのが理想的である。しかし、トナーの帯電を初期と経時で同一に保つのは非常に難しく、経時において、トナーの帯電状態が変動してしまう。トナーの帯電状態が変動すると、同じビームスポット径で露光したとしても、トナーで現像された後のトナースポット径が変動してしまい、出力された画像が劣化する。
【０００６】
トナーの帯電の電位が高いと、ビームスポット径の裾野の方まで現像され、トナーの帯電の電位が低いと、ビームスポットの中央部付近でしか現像されない。したがって、トナーの帯電状態が変動したときに、現像後のトナースポット径が変動する理由として、露光する際のビームスポットの強度分布がガウス状であるということが挙げられる。理想的には、ビームスポットの強度分布がガウス状ではなく矩形状であれば、トナーの帯電状態が変動したとしても、現像後のトナースポット径は変動せず、常に均質なドットの画像が得られ、経時でも安定して良好な画像を提供できる。
【０００７】
しかし、矩形状の強度分布をもったビームスポットを作り出すのは、現実的には非常に難しく、光学系も大型化してしまう。そこで、ビームスポットの中央部付近において強度分布をなるべく平坦化させることで、擬似的に上記のような効果を出すのが実用上は最もよい。
【０００８】
ビームスポットの中央部付近において強度分布を平坦化させる方法として、特許文献１及び２に記載されているように、ビームを揺動させることにより、ビームを被走査面上で重ね合わせる方法が知られている。
【０００９】
また、ビームスポットの中央部付近において強度分布を平坦化させる別の方法として、特許文献３及び４に記載されているように、非球面レンズを用いてビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化する方法が知られている。
【００１０】
また、特許文献５及び６にＤＯＥ（Diffractive Optical Element：回折光学素子）を用いてビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化する方法が示されている。
【特許文献１】特開２００４−２８４１３３号公報
【特許文献２】特開平１１−７０６９４号公報
【特許文献３】特開２００４−２５２２７５号公報
【特許文献４】特開平１０−１５３７５０号公報
【特許文献５】特開２００４−２３０４３２号公報
【特許文献６】特開平０９−６１６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、上記の発明は以下の問題を有している。
【００１２】
特許文献１及び２記載のビームを揺動させることにより、ビームを被走査面上で重ね合わせる方法は、ビームを揺動させるためには可動部が必須であり、そのような可動を可能にするデバイス（アクチュエータ、ＭＥＭＳ等）において、現在のところ高速な画像形成装置に対応できる程高速なものはない（ＭＥＭＳを用いた光走査は可能であるが、１走査において何度もビームを揺動させるわけであるから、非常に高速なデバイスが必要になる）。それだけでなく、可動部は経時において品質を劣化させる要因になるため、できる限り用いない方が望ましい。
【００１３】
特許文献３及び４記載の非球面レンズを用いてビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化する方法は、光源からのビームの一部を切り捨てることがない場合には非常に有効である。しかし、光源からのビームをそのまま利用すると、経時における光源とレンズの相対的位置変動やビームの発散角の変化等によりＮＡが変化してしまい、像面上でのビームスポット径がばらつき、画像の品質劣化を引き起こす。また、光源として半導体レーザを用いるとき、半導体レーザは個体間のおける発散角のばらつきが大きいため、機種間で像面上でのビームスポット径が異なってしまい、品質がばらついてしまう。したがって、実用的には、光源からのビームの一部を切り捨てるアパーチャを入れるのは必須となる。よって、光源の一部を切り捨てる際において、特許文献３及び４記載の方法によりビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化させるのは難しい。さらに、この方法は、レーザ光の回折の影響が考慮されていないため、像面上でのビームスポット径が大きい用途（例えばレーザ加工機）では問題ないが、像面上において小さなビームスポット径が要求される用途（例えば画像形成装置に用いられる光走査装置）ではうまく機能しない。
【００１４】
特許文献５及び６記載のＤＯＥは、基本的に非球面レンズと同じ機能を有するため、上記と同じ理由により、光源からのビームの一部を切り捨てる際や、像面上でのビームスポット径が小さな場合には、うまく機能しない。
【００１５】
そこで、本発明は、少なくとも２つの開口領域を有する振幅素子を用いて、ビームスポットの中央部付近において強度分布を平坦化するビームスポット整形方法を提案することを目的としている。また、該ビームスポット整形方法を適用して経時においても安定したドットの画像を提供でき、経時でも安定して良好な画像を提供できる光走査装置を提案することを目的としている。さらに、該光走査装置を有する画像形成装置を提案することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１記載の発明は、光源と、前記光源から出射された光ビームの一部を遮光し、一部を透過させる振幅素子と、前記光ビームの位相を制御する位相素子と、前記光ビームを結像する結像光学系とを有する光走査装置のビームスポット整形方法であって、前記振幅素子は、少なくとも２つの開口領域を有し、像面上でのビームスポットの形状を整形することを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のビームスポット整形方法において、ビームスポットの中央部付近における強度分布が、ガウスビームの中央部付近における強度分布に比べて平坦になるようにビームスポットの形状を整形することを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のビームスポット整形方法において、前記振幅素子は、中央の開口領域の周辺に第２の開口領域を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載のビームスポット整形方法において、前記位相素子は、少なくとも２つの開口領域に位相差を発生させることを特徴とする。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載のビームスポット整形方法において、前記振幅素子は、楕円形状の開口領域を有することを特徴とする。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載のビームスポット整形方法において、前記振幅素子と前記位相素子とが一体化して形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項７記載の発明は、光源と、前記光源からの出射される光ビーム一部を遮光し、一部を透過させる振幅素子と、前記光ビームの位相を制御する位相素子と、前記光源からの前記光ビームを偏向し走査する偏向手段と、前記偏向手段により走査された光ビームを像担持体上に結像させる走査光学系とを有する光走査装置において、請求項１から６のいずれか１項記載のビームスポット整形方法を用いて前記像担持体上におけるビームスポットを整形することを特徴とする。
【００２３】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光走査装置において、副走査方向のビームスポット径の形状を整形することを特徴とする。
【００２４】
請求項９記載の発明は、請求項７又は８記載の光走査装置において、主走査方向において、１画素を複数のドットで形成することを特徴とをする。
【００２５】
請求項１０記載の発明は、請求項７から９のいずれか１項記載の光走査装置において、前記振幅素子と前記位相素子は、光偏向手段と前記光源の間に配置されることを特徴とする。
【００２６】
請求項１１記載の発明は、像担持体上に形成された静電像をトナーで顕像化する現像手段と、前記像担持体上に顕像化された画像を紙などの媒体に転写する転写手段とを有し、画像を出力する画像形成装置において、請求項７から１０のいずれか１項記載の光走査装置により前記像担持体上に静電像を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、光源と、光源から出射される光ビームの一部を遮光し、一部を通過させる振幅素子と、光ビームの位相を制御する位相素子と、光ビームを結像する結像光学系とを有し、振幅素子は少なくとも２つの開口領域を有して構成され、像面上でのビームスポットの形状を整形することにより、ガウスビームよりも中央部の強度分布が平坦なビームスポット形状を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態に係るビームスポット整形方法、該ビームスポット整形方法を用いた光走査装置、及び該光走査装置を有する画像形成装置について説明する。
【００２９】
まず、図３を用いて、光源からの光ビームの一部を遮光し、一部を透過させる振幅素子と、光ビームの位相を制御する位相素子とを用いて、ビームスポットの形状を整形する方法について説明する。
【００３０】
図３（ａ）は、光源からの発散光をカップリングレンズで平行光にした後、中央部に開口部を有し、周辺部を遮光する振幅素子（アパーチャ）によりビームの一部をカットして集光したことを示す図であり、像面上では開口の形状に応じてｓｉｎｃ関数やエアリーパターンと呼ばれるサイドローブを有したビームスポット形状が得られる。ここで、カップリングレンズで平行光にしたときのビームの強度分布は図のようにガウス分布をしている。
【００３１】
図３（ｂ）は、カップリングレンズで平行光にした後のビームの強度分布が、ガウス分布ではなく図に示すように均一強度と仮定したときの図である。図３（ｂ）においても図３（ａ）とほぼ同様に、像面上では開口の形状に応じてｓｉｎｃ関数やエアリーパターンと呼ばれるサイドローブを有したビームスポット形状が得られる。図３（ａ）と（ｂ）の像面上における違いは、（ｂ）のように均一強度とした方が実効的なＮＡが増大するため、（ａ）よりも若干ビームスポット径が細くなり、サイドローブ強度が強くなるが、ビームスポットの形状は大差がない。
【００３２】
このように、ビームスポットの形状は、集光前のビームの強度分布よりも、開口の形状により概略決定される。以下では、検討を簡単にするため、光源からの発散光をカップリングレンズで平行光にした後の強度分布はガウス分布ではなく、均一強度と考えることにする。
【００３３】
図３（ｃ）は、光源からの発散光をカップリングレンズで平行光にした後、少なくとも２つの開口を有する振幅素子と位相素子によりビームの強度分布と位相分布を制御することにより、任意のビームプロファイルの形状を生成できることを表す図である。以下で、ビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化するような振幅素子と位相素子について説明する。
【００３４】
第１の実施形態として、中央の円形開口領域の周辺に第２の円形開口領域を持った振幅素子と、該２つの円形開口領域の位相差を調整する位相素子とを用いた例について図４を用いて説明する。
【００３５】
図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ振幅素子、位相素子を示している。図４（ａ）は中央部に設けられた第１の円形開口部の周辺にリング状の第２の円形開口領域を設けたものである。図４（ｂ）に示す位相素子は、図４（ａ）の第２の円形開口領域の部分に溝を設け、第１の円形開口部と第２の円形開口領域とに位相差がつくようにしている。図４（ｃ）は図４（ａ）及び（ｂ）を１つの素子に集積化した例である。
【００３６】
図５にシミュレーション結果を示す。図５（ａ）はシミュレーションを行った光学系であり、光源からの発散光をカップリングレンズ（図示しない）によりガウス状の強度分布を持った平行光し、その後、振幅素子、位相素子を介してレンズにより集光し、像面に結像させる。ここで、振幅素子及び位相素子には、図４（ｃ）に示した振幅素子及び位相素子を集積化したものを用いた。なお、振幅素子、位相素子の直後にレンズが設置されている。以下に、各種パラメータを示す。
【００３７】
＜入射光＞
均一強度の平面波
＜レンズ＞
焦点距離５０ｍｍの理想レンズ
＜振幅素子＞
中央部の第１の円形開口部：直径６００μｍ、円形
第２の円形開口領域：（内側）直径１．２０ｍｍ、円形、（外側）直径１．２６ｍｍ、円形
＜位相素子＞
第１の円形開口部と第２の円形開口領域の位相差：５．５π／８
【００３８】
図５（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）にシミュレーション結果を示す。図５（ｂ）は、像面上のビームプロファイルの中心を通る断面図であり、第２の円形開口領域がないとき（第１の円形開口部のみのとき）と、第２の円形開口領域があるとき（第１の円形開口部と第２の円形開口領域との位相差は５．５π／８）の２つを示している。図５（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ第２の円形開口領域がないときと、あるときのシミュレーション結果を３Ｄ表示したものである。図５（ｃ）、（ｄ）の中心を含む断面図が図５（ｂ）である。
【００３９】
図５（ｂ）では、第２の円形開口領域がないときのビームスポットのピーク強度で規格化しており、図５（ｃ）及び（ｄ）では、第２の円形開口領域がないときとあるときのそれぞれにおけるビームスポットのピーク強度で規格化して示している。図５のシミュレーション結果よりわかるように、少なくとも２つの円形開口領域を有する振幅素子と位相素子を用いることにより、ビームスポットの中央部付近の強度分布が平坦化されているのがわかる。１／ｅ＾２ビーム径は、第２の円形開口領域がないときは８６．７μｍ、第２の円形開口領域があるときが８７．３μｍであり、ほぼ等しい。
【００４０】
次に、第２の実施形態として、中央の矩形開口領域の周辺に第２の矩形開口領域を持った振幅素子と、２つの開口領域の位相差を調整する位相素子を用いた例について図６を用いて説明する。図６（ａ）は振幅素子及び位相素子を集積化したものであり、振幅素子は中央部に設けられた矩形開口部の周辺に第２の矩形開口領域を設けたものであり、位相素子は、第２の矩形開口領域の部分に溝を設け、中央部の矩形開口部と第２の矩形開口領域とに位相差がつくようにしている。
【００４１】
図６（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）にシミュレーション結果を示す。なお、シミュレーションした光学系は図５（ａ）と同じである。以下に、各種パラメータを示す。
【００４２】
＜入射光＞
均一強度の平面波
＜レンズ＞
焦点距離５０ｍｍの理想レンズ
＜振幅素子＞
中央部の第１の矩形開口部：幅６００μｍ、矩形（正方形）
第２の矩形開口領域：（内側）幅１．２０ｍｍ、矩形（正方形）、（外側）幅１．２６ｍｍ、矩形（正方形）
＜位相素子＞
第１の矩形開口部と第２の矩形開口領域の位相差：５．５π／８
【００４３】
図６（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）にシミュレーション結果を示す。図６（ｂ）は、像面上のビームプロファイルの中心を通る断面図であり、第２の矩形開口領域がないとき（第１の矩形開口部のみのとき）と第２の矩形開口領域があるとき（第１の矩形開口部と第２の矩形開口領域との位相差は５．５π／８）の２つを示している。図６（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ第２の矩形開口領域がないときとあるときにシミュレーション結果を３Ｄ表示したものである。図６（ｃ）、（ｄ）の中心を含む断面図が図６（ｂ）である。
【００４４】
図６（ｂ）では、第２の矩形開口領域がないときのビームスポットのピーク強度で規格化しており、図６（ｃ）及び（ｄ）では、第２の矩形開口領域がないときとあるときのそれぞれにおいて規格化して示している。図６のシミュレーション結果よりわかるように、少なくとも２つの開口領域を有する振幅素子と位相素子を用いることにより、ビームスポットの中央部付近の強度分布が平坦化されているのがわかる。１／ｅ＾２ビーム径は、第２の矩形開口領域がないときは７４．１μｍ、第２の矩形開口領域があるときが７６．７μｍであり、ほぼ等しい。
【００４５】
上記において、位相素子は、それぞれの開口領域では一定位相と考えたが、必ずしも一定位相にする必要はなく、２次元状に位相分布を有するようにしてもよい。また、振幅素子は中央部の開口の周辺にリング状の開口領域を１つ有する実施例を説明したが、これに限定するものではなく、複数のリングを設けても良いし、リングの一部を遮光領域としても良いし、２次元状に開口部と遮光部が構成されたパターンとしても良い。
【００４６】
次に、少なくとも２つの開口領域を有する振幅素子と位相素子とを用いることにより、ガウスビームの中央部付近の強度分布が平坦化される現象について、物理的に考察する。
【００４７】
光ビームの一部を振幅素子（アパーチャ）により遮光して結像させたときに生じるサイドローブを有したビームスポットにおいて、中央のメインローブとサイドローブの間では位相が概略πずれる。これは、スリットによる回折を考えれば理解できる。理論上、スリットにより回折されたビームの振幅分布はｓｉｎｃ関数形状になる。ｓｉｎｃ関数は、中央部のピーク位置における振幅を正とすると、サイドローブのピーク位置では「負の」振幅となり、これはメインローブに対してサイドローブの位相がπずれることを示している（振幅は正の値しかとらないため、「負の振幅」は正の振幅に対して位相がπずれていることを示す）。
【００４８】
アパーチャを通ったビームをレンズによって結像するとき、ビームスポットの形状は、アパーチャの形状のフーリエ変換に比例した関係にあり、アパーチャがレンズの前側焦点の位置にあれば、正確にフーリエ変換の関係になる。ここで、アパーチャの径を大きくしていくと、高周波成分が増えるため、ビームスポット径はどんどん細くなる。ここで、アパーチャをリング状にすると、アパーチャ形状に含まれる周波数成分は一部の高周波成分が強くなるため、ビームスポット径が細く且つサイドローブ強度が強いビームスポットが得られる。リング状のアパーチャの大きさを大きくすると、ビームスポット径はさらに細くなる。
【００４９】
ここで、図４（ａ）のような振幅素子を介して結像したビームスポットの形状を考えるとき、中央部の円形開口のみを通って結像したビームと、リング状の円形開口のみを通って結像したビームの重ね合わせで考えればよい。図７に、中央部の第１の円形開口部のみを通って結像したビームスポットと、リング状の第２の円形開口領域のみを通って結像したビームスポットをそれぞれ示す。図７における縦軸は振幅を表しており、第２の円形開口領域がないときのビームスポットの振幅の最大値で規格化している。
【００５０】
第２の円形開口領域のみを通って結像したビームスポットは、中央部の円形開口のみを通って結像したビームのメインローブの中に、概略第２サイドローブまで含まれるようになっている。また、前述のように、メインローブと第１サイドローブは位相が概略πずれており、第１サイドローブと第２サイドローブの位相も概略πずれている。なお、メインローブ内、サイドローブ内における位相はほぼ一定と考えることができる（正確には一定ではないが、説明の簡単化のためほぼ一定であると考える）。ここで、これら２つのビーム間の位相を調整して（中央部の第１の円形開口部と第２の円形開口領域の間の位相を調整して）重ね合わせると、その位相調整量に応じて、「第２の開口なしのときのビームプロファイルを基準にして、第２の円形開口領域のみを通って結像したビームスポットのメインローブの位置において振幅を減少させ、第１のサイドローブの位置において振幅を増大させ、第２のサイドローブの位置において振幅を減少させる」ということが可能であり、第２の円形開口領域を付与することで、図５（ｂ）に示すように「第２の開口なし」のビームプロファイルを、「第２の開口あり」のビームプロファイルに変換することができる。
【００５１】
図７の例では、第２の円形開口領域のみを通って結像したビームスポットは、中央部の円形開口のみを通って結像したビームのメインローブの中に、第２サイドローブまで含まれるとして説明したが、必ずしもそのようにする必要はなく、メインローブの中に、少なくとも第１サイドローブの一部が含まれていれば良い。
【００５２】
次に、第１の円形開口部と第２の円形開口領域の位相差を５π／８、５．５π／８（上で説明済み）、６π／８と変化させたときのシミュレーション結果を図８に示す。図８に示すように、第１の円形開口部と第２の円形開口領域の位相差を変化させることで、ガウスビームの中央部付近の強度分布の平坦さの程度が変化しているのが分かる。図８に示した結果のいずれにおいても、ガウスビームに比べると（図８の「第２開口なし」が近似的にガウスビームと見なせる）、中央部付近の強度分布が平坦化されており、図８に示した程度に平坦化されているのが望ましい。
【００５３】
上記では、振幅素子と位相素子を用いて、ガウスビームの中央部付近の強度分布を平坦化する方法を示したが、振幅素子の開口分布と位相素子の位相分布を制御することにより、様々なビームスポット形状を生成可能である。従って、本発明は、ガウスビームの中央部付近の強度分布を平坦化する用途に限らず、様々な用途に応用可能である。
【００５４】
前述のように、図５は、開口の形状を円形としたときのシミュレーション結果であり、図６は、開口の形状を矩形としたときのシミュレーション結果である。これら２つのシミュレーション結果を見比べると、像面上におけるビームスポットのサイドローブ強度は開口の形状を矩形としたときの方が大きくなっている。参考までに、サイドローブのピーク強度は（第２の円形（矩形）開口領域がないときのビームスポットのピーク強度を１００％としている）、以下のようになっている。
【００５５】
＜円形開口＞
第２の円形開口領域がないとき：１．７％
第２の円形開口領域があるとき：３．３％
＜矩形開口＞
第２の矩形開口領域がないとき：４．７％
第２の矩形開口領域があるとき：１１．４％
【００５６】
上記より、第２の円形（矩形）開口領域を設けることで、サイドローブのピーク強度が増大しているのが分かる。さらに、矩形開口では、第２の矩形開口領域を設けないときでもサイドローブのピーク強度が増大している。このように、矩形開口では回折の影響が強くなってしまい、サイドローブのピーク強度が増える。サイドローブ光はノイズ光であり、画像の品質劣化を引き起こしてしまう恐れがあるため、なるべく小さい方が好ましい。開口の形状は、矩形のものも本発明に適用可能であるが、円形や楕円形状の方が望ましい。
【００５７】
上記のシミュレーション（図５及び６に示す）では、振幅素子と位相素子を集積化した例を示したが、必ずしも集積化する必要はなく、集積化しなくても図５及び６と同様のことを実現することは可能である。振幅素子と位相素子を離して設置するときは、前述のように第１の円形（矩形）開口部と第２の円形（矩形）開口領域の位相差を調整するといった簡単なものではなく、位相素子の位相分布はもっと複雑なものになる。振幅素子（位相素子）から出射された光が位相素子（振幅素子）に到達するまでに回折の影響を受けるため、位相素子の位相分布は複雑な形状になる。
【００５８】
上記のような、振幅素子と位相素子を用いて像面上でのビームスポットの形状を制御するためには、振幅素子と位相素子との相対位置が重要であり、相対位置がずれるとビームスポットの形状も変化してしまう。したがって、振幅素子と位相素子は集積化する方が本発明に好適である。本発明を用いることで、ビームスポット形状の整形する際、振幅素子及び位相素子の設置誤差に対して強くすることができる。さらに、位相素子は単純な位相分布の方が、その作製が容易というメリットもある。
【００５９】
次に、画像形成装置に用いられる光走査装置について説明する。
【００６０】
図１は、フルカラー画像形成装置に展開した光走査装置である。図１の実施例では、ポリゴンミラー２１３に対して対向する方向に２ステーション分ずつ走査している。また、図１では、説明の簡略化のため、１ステーション分のみを図示している。図２はその断面図である。
【００６１】
図１に示す画像形成装置は、４つの感光体ドラム１０１、１０２、１０３、１０４を転写ベルト１０５の移動方向に沿って配列し、順次異なる色のトナー像を転写することでカラー画像を形成し、各光走査装置を一体的に構成し単一のポリゴンミラー２１３で全ての光ビームを走査する。
【００６２】
また、ここでは、各感光体に対して半導体レーザを対で配備し、副走査方向に記録密度に応じて１ラインピッチ分ずらして走査することにより、２ラインずつ同時に走査するようにしている。シリンダレンズ２０９は、一方を平面、もう一方を副走査方向に共通の曲率を有し、各光ビームは偏向面にて副走査方向に線状となるように収束され、偏向点と感光体面上とが副走査方向に共役となるようにすることでポリゴンミラーの面倒れ補正光学系をなす。
【００６３】
図示されない半導体レーザから放射された光ビームは、カップリングレンズにより平行光束化され（２０１）、図示されないアパーチュアによりビーム整形された後、シリンドリカルレンズ２０９により副走査方向にのみ集束され、ポリゴンミラー２１３の偏向反射面位置に、主走査方向に長い線像として結像する。
【００６４】
各ステーションからのビームは各々副走査方向に平行に半導体レーザより射出され、平衡状態を保ったままポリゴンミラー反射面へ、反射面に対し垂直に入射される。
【００６５】
ポリゴンミラー２１３は、６面ミラーとし、偏向に用いないビーム間の部分にポリゴンミラーの内接円より若干小径となるように溝を設けて風損をより低減した形状とし、１層の厚さは約２ｍｍとしている。
【００６６】
ｆθレンズ２１８１、２１８２、２１８３、２１８４は全て同一形状のレンズであり、各感光体は１つのｆθレンズに対応している。なお、ｆθレンズ２１８１及び２１８２（２１８３及び２１８４）は副走査方向に重ねて保持されている。
【００６７】
ｆθレンズ２１８１は、主走査方向にはポリゴンミラーの回転に伴って各感光体面上でビームが等速に移動するようにパワーを持たせた非円弧面形状となし、トロイダルレンズ２２０とともにポリゴンミラーの面倒れ補正機能をなし、ｆθレンズ２１８１を通過した後、折り返しミラー２２４で反射され、トロイダルレンズ２２０に入射し、さらに折返しミラー２２７で反射され、感光体ドラム１０２にスポット状に結像し、第１の光走査手段として、例えばイエロー画像を形成する。本実施例では、４つの感光体上を同時に走査し、４色の画像を同時に形成することができる。
【００６８】
各光走査手段では、ポリゴンミラー２１３から感光体面に至る各光路長が一致するように、また、等間隔で配列された各感光体ドラムに対する入射位置、入射角が等しくなるように複数枚の折り返しミラーが配置される。
【００６９】
上記の画像形成装置に用いられる光走査装置において、ビームスポットの形状をガウスビームの中央部付近における強度分布に比べて平坦になるようにビームスポットの形状を整形するメリットについて以下で説明する。
【００７０】
一般に、レーザからの出射光の強度分布はガウス分布をしており、ビームが結像する被走査面においてもガウス分布の強度分布を持ったビームスポットが得られる。ただし、途中でアパーチャ等によりビームの一部をカットする際には、アパーチャの形状に応じてｓｉｎｃ関数やエアリーパターンと呼ばれるサイドローブを有したビームスポットが得られるが、ビームの中央部付近では、ガウス分布にほぼ等しい強度分布を有している。ガウス状の強度分布は、中央部で最も強度が強く、周辺にいくにしたがって、強度が徐々に減衰していくようになっている。
【００７１】
レーザプリンタ等に利用されている、電子写真プロセスでは、以下のような流れて画像を形成する。まず、感光体を帯電し、感光体上にビームを照射して感光体を露光し画像パターンを形成し、帯電させたトナーを感光体上にくっつけて現像して感光体上にトナー像を形成し、そのトナー像を紙等の媒体に転写し、最後に熱等によりトナーを溶融して紙等の媒体に定着させる。
【００７２】
ここで、経時においても常に良好で安定した画像を出力し続けるために重要な技術として、トナーの帯電制御技術が挙げられ、トナーは経時においても初期と同じ電位に帯電させるのが理想的である。しかし、トナーの帯電を初期と経時で同一に保つのは非常に難しく、経時において、トナーの帯電状態が変動してしまう。トナーの帯電状態が変動すると、同じビームスポット径で露光したとしても、トナーで現像された後のトナースポット径が変動してしまい、出力された画像が劣化する。
【００７３】
トナーの帯電の電位が高いと、ビームスポット径の裾野の方まで現像され、トナーの帯電の電位が低いと、ビームスポットの中央部付近でしか現像されない。したがって、トナーの帯電状態が変動したときに、現像後のトナースポット径が変動する理由として、露光する際のビームスポットの強度分布がガウス状であるということが挙げられる。理想的には、ビームスポットの強度分布がガウス状ではなく矩形状であれば、トナーの帯電状態が変動したとしても、現像後のトナースポット径は変動せず、常に均質なドットの画像が得られ、経時でも安定して良好な画像を提供できる。
【００７４】
しかし、矩形状の強度分布をもったビームスポットを作り出すのは、現実的には非常に難しく、光学系も大型化してしまう。そこで、ビームスポットの中央部付近において強度分布をなるべく平坦化させることで、擬似的に上記のような効果を出すのが実用上は最もよい。
【００７５】
ビームスポットの中央部付近において強度分布をなるべく平坦化させる方法として、前述のように、ビームを揺動させることにより、ビームを被走査面上で重ね合わせる方法が知られている。しかし、ビームを揺動させるためには可動部が必須であり、そのような可動を可能にするデバイス（アクチュエータ、ＭＥＭＳ等）において、現在のところ高速な画像形成装置に対応できる程高速なものはない（ＭＥＭＳを用いた光走査は可能であるが、１走査において何度もビームを揺動させるわけであるから、非常に高速なデバイスが必要である）。それだけでなく、可動部は経時において品質を劣化させる要因になるため、できる限り用いない方が望ましい。したがって、前述のように、少なくとも２つの開口領域を有した振幅素子と、位相素子とを用いて、光学的に中央部付近におけるビームの強度分布がなるべく平坦なビームスポットを作り出すのが良い。
【００７６】
なお、上述した実施形態における振幅素子（例えば、図４（ａ）や図６（ａ））は、従来から用いられているアパーチャの周辺部に第２の円形（矩形）開口領域を設けたような構成になっている。従って、従来では使用していなかった光を用いてビームスポットの強度分布をガウス状から、中心部が平坦化された強度分布をもつビームスポット形状を作り出しており、光利用効率は従来に対してほとんど変わらず、ビームスポット形状を整形したとしても光量損失のない光走査装置が得られる。
【００７７】
上記において、少なくとも２つの開口領域を有した振幅素子と、位相素子とを用いて、ビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化し、その振幅素子と位相素子とを用いて光走査装置を構成した例を示したが、ビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化する方法として、上記以外の方法を排除するものではない。ビームスポットの中央部付近における強度分布が平坦化されたビームスポットを用いて光走査する方式を本発明の範疇に含める。例えば、１つの開口領域を持った振幅素子と位相素子とを用いたときでも、ビームスポットの中央部付近における強度分布を平坦化することは可能であり、本発明の範疇に含める。
【００７８】
前述のビームスポット整形方法を用いて光走査装置を構成する場合、ビームスポット形状の中央部付近を平坦化するのは、主走査方向、副走査方向の両方について行うのが最も望ましい。しかし、主走査、副走査の両方に対して平坦化を行うと、光走査装置に適用したときには、以下のような問題点が発生する。
【００７９】
光走査装置においては、通常、光偏向手段としてポリゴンスキャナ等が用いられる。ポリゴンスキャナ等を用いて光走査する場合、主走査方向のビーム径が広いと光走査できる画角が狭くなってしまうため、像面上において所望の走査幅を得るために、ポリゴンスキャナが大型化するといった問題や、光路長が長くなり光走査装置が大型化するといった問題が発生してしまう。従って、主走査方向のビーム径が広くなるのはなるべく避ける必要がある。上記のような方法を用いて中央部付近におけるビームの強度分布を平坦すると、本発明の振幅素子および位相素子を出射したビームの幅は、従来のように中心部に単一の開口を有するアパーチャを出射したビームの幅に比べて、広くなる（像面上におけるビームスポット径が同じと仮定すると）。
【００８０】
ポリゴンスキャナの反射面に入射されるビームは、主走査方向は平行であるが、副走査方向はポリゴンスキャナの反射面上で一度集光するように入射される。従って、上記のような方法で中央部付近におけるビームの強度分布をなるべく平坦するのは副走査方向のみとするのが良く、そうすることで、ポリゴンスキャナや光走査装置が大型化するのを回避しつつ、経時でもドットが均質で且つ安定している光走査装置を実現できる。
【００８１】
主走査方向については、ＰＷＭ（Purse Width Modulation：パルス幅変調）という技術を用いるのが良い。ＰＷＭとは、１画素を（主走査方向にずれた）複数のビームスポットで形成する技術であり（例えば、６００ｄｐｉで３２値ＰＷＭを用いると、４２．３μｍ/３２＝１．３μｍの主走査方向間隔でビームスポットの強度分布が重ね合わせられる）、ＰＷＭにより様々な階調を表現することができる。このＰＷＭを用いて画像を形成すると、１画素が複数のビームスポットにより構成されているため、１画素を１つのビームスポットで形成したときに比べると、１画素の中心部付近におけるビームの強度分布は平坦に近づく。しかし、副走査方向には高密度にビームを重ね合わせることはできない（副走査方向の高密度化とプリント速度は反比例する）。従って、ＰＷＭの使用と、副走査方向のビームスポットの強度分布の中央部付近の平坦化を併用するのが良い。
【００８２】
上記に記載のような、ビームスポットの整形は、画像形成領域の全てのビームスポットに対して、同一の整形を行うため、上記の振幅素子と位相素子は、どちらも光偏向手段と光源の間に設置するのが良い。
【００８３】
図９に多色画像形成装置の基本的な構成を示す。
【００８４】
図９において、感光体１Ｙ，１Ｍ,１Ｃ,１Ｋは矢印の方向に回転し、回転順に帯電器２Ｙ，２Ｍ,２Ｃ,２Ｋ、現像器４Ｙ，４Ｍ,４Ｃ,４Ｋ、転写用帯電手段６Ｙ，６Ｍ,６Ｃ,６Ｋ、クリーニング手段５Ｙ，５Ｍ,５Ｃ,５Ｋが配備されている。また、書込ユニット２０は、本発明の光走査装置を複数用いて形成している。
【００８５】
帯電部材２Ｙ，２Ｍ,２Ｃ,２Ｋは、感光体表面を均一に帯電するための帯電装置を構成する帯電部材である。この帯電部材と現像部材４Ｙ，４Ｍ,４Ｃ,４Ｋの間の感光体表面に書き込みユニットによりビームが照射され、感光体に静電潜像が形成されるようになっている。そして、静電潜像に基づき、現像部材により感光体面上にトナー像が形成される。さらに、転写用帯電手段６Ｙ，６Ｍ,６Ｃ,６Ｋにより、記録紙１１に各色順次転写トナー像が転写され、最終的に定着手段３０により記録試に画像が定着する。
【００８６】
前述のような、ビームスポット形状の中央部付近の強度分布をなるべく平坦化することにより、トナーの帯電状態が変動したとしても、現像後のトナースポット径は変動せず、常に均質なドットの画像が得られ、経時でも安定して良好な画像を提供できる。また、経時においてもトナースポット径は変化しにくいため、電子写真プロセスの作蔵条件を制御するプロセスコントロールの回数を低減することができ、トナー消費量を低減することができる。
【００８７】
上記では、多色画像形成装置を例に説明したが、単色の画像形成装置に対しても本発明は適用可能である。
【００８８】
また、本発明のビーム整形方法は、レーザ加工装置に対しても適用可能である。
【００８９】
レーザ光を用いて穴あけ加工等を行う際、ビームスポットの形状がガウス状であると、中心部では貫通穴が形成されるが周辺部では光量不足のため穴が貫通しないといった不都合なことが起こるが、本発明のビームスポット整形方法を用いて、ガウス状のビームスポットの中心部の強度分布を平坦化することにより上記問題点を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】光走査装置の概略を示す図である。
【図２】光走査装置の断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）振幅素子と位相素子を用いてビームスポットを整形する様子を示す図である。
【図４】（ａ）は２つの円形開口部を有する振幅素子である。（ｂ）は２つの円形開口部に位相差を設ける位相素子である。（ｃ）は（ａ）に示す振幅素子と（ｂ）に示す位相素子とを１枚に集積化した例である。
【図５】（ａ）はシミュレーションを行った光学系である。（ｂ）はシミュレーション結果を第１の円形開口部の中心を通る線で切り取った断面図である。（ｃ）は第２の円形開口領域がないときのシミュレーション結果である。（ｄ）は第２の円形開口領域があるときのシミュレーション結果である。
【図６】（ａ）はシミュレーションを行った光学系（振幅素子と位相素子とを一枚に集積化した例）である。（ｂ）はシミュレーション結果を第１の矩形開口部の中心を通る線で切り取った断面図である。（ｃ）は第２の矩形開口領域がないときのシミュレーション結果である。（ｄ）は第２の矩形開口領域があるときのシミュレーション結果である。
【図７】ガウスビームの中央部付近の強度分布を平坦化する原理を説明する図である。
【図８】第１の円形開口部と第２の円形開口領域の位相差を変化させることで、ガウスビームの中央部付近の強度分布を平坦化させた図である。
【図９】画像形成装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０１、１０２、１０３、１０４    感光体ドラム
１０５    転写ベルト
２０９    シリンドリカルレンズ
２１３    ポリゴンミラー
２２０    トロイダルレンズ
２２４、２２７    折り返しミラー
２１８１、２１８２、２１８３、２３８４    ｆθレンズ
Ｙ    イエロー
Ｍ    マゼンダ
Ｃ    シアン
Ｋ    ブラック
１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋ    感光体
２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋ    帯電器
２０    書き込みユニット
４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋ    現像器
５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ    クリーニング手段
６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋ    転写用帯電手段
【図１】
2008026661.tif 000003
【図２】
2008026661.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008026661.tif 000008
【図７】
2008026661.tif 000009
【図８】
2008026661.tif 000010
【図９】
2008026661.tif 000011