(57)【要約】【課題】相反する特性を両立させ、結像位置ずれに伴う画像ムラや色ずれを防止することができ、しかも、安価で高精度な印字に適したコンパクトな走査光学装置の提供。【解決手段】半導体レーザから出射されたレーザ光束を偏向器によって走査し、屈折素子と回折素子によって前記光束を像担持体上に走査し画像を形成する走査光学装置において、該走査光学装置の環境変動による像担持体面上での主走査方向の結像位置変化が、該走査光学装置内の屈折素子と回折素子とのパワー変化と、半導体レーザの波長変動により補正され、且つ、複数の光速の光源として面発光半導体レーザを用いる【選択図】図２
2005215188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから出射されたレーザ光束を偏向器によって偏向し、屈折素子と回折素子によって前記光束を像担持体上に走査し画像を形成する走査光学装置において、
該走査光学装置の環境変動による像担持体面上での主走査方向の結像位置変化が、該走査光学装置内の屈折素子と回折素子とのパワー変化と、半導体レーザの波長変動により補正され、且つ、光束の光源として面発光半導体レーザを用いることを特徴とする走査光学装置。
【請求項２】
複数の走査光学装置からの光束を複数の像担持体上に走査しカラー画像を形成する走査光学装置において、
該走査光学装置の環境変動による像担持体面上での主走査方向の結像位置変化が、該走査光学装置内の屈折素子と回折素子とのパワー変化と、半導体レーザの波長変動により補正され、且つ、前記複光束の光源として面発光半導体レーザを用いることを特徴とする走査光学装置。
【請求項３】
前記面発光半導体レーザは、複数個アレイ化されていることを特徴とする請求項１又は２記載の走査光学装置。
【請求項４】
前記屈折素子は、プラスチック材料により製作されていることを特徴とする請求項１又は２記載の走査光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームプリンターやレーザーファクシミリ等の画像形成装置に用いられる走査光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりレーザービームプリンターやデジタル複写機の画像形成装置に用いられる走査光学装置においては、画像信号に応じて光源手段から光変調され出射した光束を、例えばポリゴンミラーから成る光偏向器により周期的に偏向させ、ｆθ特性を有する結像光学系によって感光性の記録媒体面上にスポット状に集束させ光走査して画像記録を行っている。
【０００３】
図７は特許文献１に開示される従来の走査光学装置の概略図である。
【０００４】
図７において、光源手段９１から出射した発散光束は、コリメーターレンズ９２により略平行光とされ、絞り９３によって該光束を制限して副走査方向のみ所定の屈折力を有するシリンドリカルレンズ９４に入射する。シリンドリカルレンズ９４に入射した略平行光束のうち主走査面内においてはそのまま略平行光束の状態で射出する。又、副走査面内においては集束してポリゴンミラーから成る光偏向器９５の反射面にほぼ線像として結像する。
【０００５】
そして、光偏向器９５の反射面で偏向反射された光束をｆθ特性を有する走査光学系（ｆθレンズ）９６を介して被走査面９８に導光し、該光偏向器９５を矢印方向に回転させることによって、該感光ドラム面９８上を矢印９Ｂ方向に光走査して画像情報の記録を行っている。
【０００６】
又、近年の装置の高速化により、光源として、複数の光束を発光するマルチビームが用いられることが多い。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２２３７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８は前述の走査光学装置１１〜１４を複数個同時に使用し、それぞれ異なる感光ドラム２１〜２４に各色毎の画像情報を記録しカラー画像を形成する装置を示す。このような画像形成装置では複数の走査線を重ね合わせて画像形成を行うため、特に各色間の走査線ずれ（以下、レジストレーションずれ）を少なくすることが重要である。そのため。この走査光学装置には、以下の２つの性能が要求されている。
【０００９】
１）光源である半導体レーザの波長変動や、複数の走査光学装置毎のレーザ波長のばらつきに伴う主走査方向の結像位置変化（スポットの位置ずれ）が補償されていること。
【００１０】
更に、マルチビームレーザーに代表される１つの素子に複数の発光点を持つような複数光源を使用する場合、各光源間の波長差により複数光束によるジッターが発生し画像品位が著しく低下するため、スポット結像位置の波長補償を行うことが一層重要となる。
【００１１】
レーザビーム用の光源として、コストの安いファブリ・ペロー共振器型の端面発光レーザが用いられることが主流であるが、一般に、半導体レーザでは、数１０ｎｍ程度の広い波長範囲に亘って利得分布を有している。又、ファブリ・ペロー共振器は、例えば発振波長０．７８μｍ、共振器長３００μｍの場合、約３Å間隔で多くの共振ピークを有している。この２つのことより、ファブリ・ペローレーザはＣＷ駆動の状態においても多モード発振し易い。更に、直接変調した場合、緩和振動時のキャリア密度の変動により、多モード発振化を増長する。その結果、波長スペクトルの広がりは数ｎｍとなる動的単一モード性に優れたレーザ、例えば、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザやＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector ）レーザを用いればこのような欠点を除去することができるが、レーザのコストが高くなってしまう。
【００１２】
更に、もう１つの要求される性能として、次のようなものがある。
【００１３】
２）昇温等の環境変動（温度変動）に伴う主走査方向の倍率変化（スポットの位置ずれ）が補償されていること。
【００１４】
これは、近年、ｆθレンズには大量生産が可能なプラスティックレンズが多く用いられるが、ガラスレンズと比較して熱膨張率が大きく、上記２）の問題を解決することも重要である。
【００１５】
特開平１０−１９７８２０には上記１）の課題に対して、屈折レンズと回折レンズの組み合わせによって、光源の経時変化による波長変動による主走査の位置ずれを補正する構成の例が記載されているが、上記２）の温度変化にともなう光学素子の形状や屈折／回折効率の変化に対してはさらに悪影響を出してしまう。
【００１６】
又、特開平１１−２２３７８３号公報には、上記２）の課題に対して、屈折レンズと回折レンズの組み合わせによって、環境温度の変化により屈折率の変化や形状の変化を見越し、この時に発生するピントの移動量を環境温度の変化で発生するモードホッピングによる波長変化を積極的に用い倍率色収差で発生するピントの移動量とキャンセルするような構成の例が記載されているが、やはり前記１）の波長の変化や各光源間の波長のばらつきに対しては、主走査方向の結像位置ずれを起こしてしまう。
【００１７】
本発明は上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、相反する特性を両立させ、結像位置ずれに伴う画像ムラや色ずれを防止することができ、しかも、安価で高精度な印字に適したコンパクトな走査光学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】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体レーザから出射されたレーザ光束を偏向器によって走査し、屈折素子と回折素子によって前記光束を像担持体上に走査し画像を形成する走査光学装置において、該走査光学装置の環境変動による像担持体面上での主走査方向の結像位置変化が、該走査光学装置内の屈折素子と回折素子とのパワー変化と、半導体レーザの波長変動により補正され、且つ、複数の光速の光源として面発光半導体レーザを用いることを特徴としている。
【００１９】
又、複数の走査光学装置からの光束を複数の像担持体上に走査しカラー画像を形成する走査光学装置において、該走査光学装置の環境変動による像担持体面上での主走査方向の結像位置変化が、該走査光学装置内の屈折素子と回折素子とのパワー変化と、半藤体レーザの波長変動により補正され、且つ、前記複数の光速の光源として面発光半導体レーザを用いることを特徴としている。
【００２０】
又、面発光半導体レーザは、複数個アレイ化されていると良い。
【００２１】
又、前記屈折素子はプラスチック材料により製作されていると良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光源に面発光半導体レーザを用いたため、各素子毎の潜在的な波長差を気にすることなく、走査光学装置の環境変動に伴う収差変化を各々の装置の走査光学素子の屈折部と回折部とのパワー変化と、半導体レーザの波長変動により各々補正することにより、容易な構成で各色間のレジストレーションずれや各色間の画像濃度ムラを小さく抑えることができ、しかも、高精細な印字に適したコンパクトな走査光学装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る走査光学装置を含むカラー画像形成装置の要部概略図である。
【００２５】
同図において１１，１２，１３，１４は各々走査光学装置、２１，２２，２３，２４は各々像担持体としての感光ドラム、３１，３２，３３，３４は各々現像器、４１は搬送ベルトである。本実施形態におけるカラー画像形成装置は後述するように環境変動（温度変動）による収差変動を小さく抑えた上記の走査光学装置（１１，１２，１３，１４）を４個並べ、各々がＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の各色に対応し、各々並行して感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に画像信号（画像情報）を記録し、カラー画像を高速に印字するものである。
【００２６】
次に、本発明の特徴とする走査光学装置の環境変動に伴う収差変化と波長変動に伴う収差を良好に補正する方法と及びその光学素子について説明する。尚、カラー画像形成装置を構成する複数の走査光学装置１１，１２，１３，１４は、その構成及び光学的作用は同様であるので、以下代表して走査光学装置１１について説明する。
【００２７】
図２はこの走査光学装置１１とそれに対応する像担持体２１とを示した要部概略図、図３は図２に示した光学系の主走査方向の要部断面図、図４は面発光半導体レーザ１の主要概念図である。
【００２８】
図４を用いて面発光レーザ１の構造を簡単に説明する。
【００２９】
ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型半導体多層反射膜６０２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６０３、ｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）−ＩｎＧａＡｓ活性層６０４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｐ型半導体多層反射膜６０６を、ＭＢＥ等の方法で順次成長したものである。そして、２つの電極６１０，６１１によって活性層６０４に電流を注入して光を励起し、上下の反射膜６０２，６０６によって共振させ、基板６０１に対して垂直方向に光を取り出すものである。このように光源として面発光レーザを用いると、活性層は数１０ｎｍ程度の広い波長範囲に亘って利得分布を有しているが、共振器長が数１００ｎｍ〜数μｍと短い。例えば、発振波長０．７８μｍ、共振器長０．２３μｍの場合、共振ピーク間隔は数１００ｎｍとなり、共振モードは実質的に１つしか存在できない。よって、変調時においても単一モード発振とすることができる。更に、９９％以上の反射率を有するミラーで共振器を構成しているのでフィネスが大きく、共振器長が非常に小さいレーザであっても１ｎｍ以下のスペクトル線幅（半値全幅）が得られる。従って、設計値通りの走査倍率を得ることができ、各走査光学装置毎の差が発生しない。又、各カラー画像形成装置毎の走査倍率もほぼ設計値通りとなる。
【００３０】
図２及び図３において、２は第１の光学素子としてのコリメーターレンズであり、光源手段１から出射された発散光束（光ビーム）を略平行光束に変換している。３は開口絞りであり、通過光束（光量）を制限している。４は第２の光学素子としてのシリンドリカルレンズ（シリンダーレンズ）であり、副走査方向にのみ所定の屈折力を有しており、開口絞り３を通過した光束を副走査断面内で後述する光偏向器５の偏向面５ａにほぼ線像として結像させている。
【００３１】
５は偏向素子としての、例えばポリゴンミラー（回転多面鏡）より成る光偏向器であり、モータ等の駆動手段（不図示）により図中矢印Ａ方向に一定速度で回転している。
【００３２】
６はｆθ特性を有する第３の光学素子としての走査光学素子であり、屈折部と回折部とを有している。屈折部は主走査方向と副走査方向とで互いに異なるパワーを有する単一のプラスチック製のトーリックレンズ６１より成り、該トーリックレンズ６１の主走査方向の両レンズ面は非球面形状より成っている。回折部は主走査方向と副走査方向とで互いに異なるパワーを有する長尺の回折光学素子６２より成っている。
【００３３】
本実施の形態では、光偏向器５の回転軸と感光ドラム２１面（被走査面）の中点より該光偏向器５側にトーリックレンズ６１、該感光ドラム２１面側に回折光学素子６２を配している。走査光学素子６は光偏向器５によって偏向された画像情報に基づく光束を感光ドラム２１面上に結像させ、且つ、副走査断面内において光偏向器５の偏向面５ａの面倒れを補正している。尚、本実施の形態における回折光学素子６２は射出成形により製作されたプラスチック製より構成しているが、これに限らず、例えばガラス基盤の上にレプリカで回折格子を製作しても同等の効果が得られる。
【００３４】
本実施の形態におけるカラー画像形成装置は上述のように４つの走査光学装置１１，１２，１３，１４により各々の変調信号に基づいた光束を用いて潜像を各々対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成している。例えば、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の潜像を対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成し、その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。
【００３５】
本実施の形態における走査光学装置１１において半導体レーザ１から出射した複数の発散光束はコリメーターレンズ２により略平行光束に変換され、開口絞り３によって該光束（光量）を制限してシリンドリカルレンズ４に入射している。シリンドリカルレンズ４に入射した略平行光束のうち主走査断面においてはそのままの状態で射出する。又、副走査断面内においては、収束して光偏向器５の偏向面５ａにほぼ線像（主走査方向に長手の線像）として結像している。そして、光偏向器５の偏向面５ａで偏向された光束は、トーリックレンズ６１と回折光学素子６２とを介して感光ドラム２１面上に導光され、該光偏向器５を矢印Ａ方向に回転させることによって、該感光ドラム２１面上を矢印Ｂ方向に光走査している。そして、上述のように例えばＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｂ（ブラック）の潜像を対応する感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に形成し、その後、記録材に多重転写して１枚のフルカラー画像を形成している。
【００３６】
本実施の形態では、走査光学装置１１の環境変動（温度変動）による感光ドラム２１面上での主走査方向の収差変化をトーリックレンズ６１と回折光学素子６２とのパワー変化と、半導体レーザー１の波長変動により補正している。この主走査方向の収差変化は倍率変化又は／及びピント変化である。
【００３７】
図５は本実施の形態における環境変動前後の近軸収差（主走査方向の像面湾曲と倍率（位置）ずれ等）を示した説明図であり、実線は環境変動前の特性（設計値）であり、破線は走査光学装置が＋２５℃昇温したときの特性（実効値）である。
【００３８】
一般に複数の走査光学装置から複数の感光ドラム面上に各色毎の画像情報を記録し、カラー画像を形成する際、各色間のレジストレーションずれや各色間の画像濃度ムラを視覚上目立たなくするためには、各走査光学装置において環境変動（温度変動）による倍率ずれを４０μｍ以下、主走査方向のピントずれを±１．０ｍｍ以下とすることが必要である。
【００３９】
本実施の形態では、図５に示すように、＋２５℃昇温による主走査方向の倍率（位置）ずれは３１μｍであり、これは例えば解像度６００ｄｐｉのプリンターの場合、約３／４画素相当以内の画素（位置）ずれに抑えることができる。又、主走査方向のピントずれは＋０．７ｍｍであり、これは共に視覚上問題のないレベルに抑えることができる。
【００４０】
尚、本実施の形態では、昇温時の挙動を中心に説明したが、例えば温度低下等の他の環境変動においても上記と同様な効果を得ることができる。
【００４１】
又、本実施の形態では、これらの環境変動の補償を全てプラスチック製の光学素子で行っており、これにより成形による製造コストの低減や、非球面を用いた高画角収差補正による短光路長化等を同時に達成することができる。
【００４２】
このように本実施の形態では、上述のように走査光学装置１１の走査光学素子６としてトーリックレンズ６１と回折光学素子６２とを用い、複数個の走査光学装置１１，１２，１３，１４で複数の感光ドラム２１，２２，２３，２４面上に画像記録を行うことにより、昇温等の環境変動による各色間のレジストレーションずれが少なく、又、各色間の画像濃度ムラの少ないカラー画像形成装置を容易な構成で、且つ、安価に実現することができる。
【００４３】
又、光源に面発光レーザを用いることによって、複数ある偏向走査装置の光源間の波長差を抑えることができるため、回折格子型集光素子のような波長依存性の強い光学素子と組み合わせて光学系を形成する場合においても、集光効率の低下やスポット径の増加を引き起こすことなく特性の良い光学系が得られる。
【００４４】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２は、装置の高速化のため、図６に示すような、光源である半導体レーザを複数個アレイ化した場合である。ファブリ・ペローレーザの端面はへき開によって形成しているため、複数個アレイ化してマルチビーム光源として用いた場合、共振器長がレーザごとにばらついたり、へき開端面の状態によって反射率が変動したりする。これは、レーザごとに特性（閾値電流、動作電流、電圧等）が異なる原因となり、特性の揃ったレーザアレイを得るためにはレーザアレイのスクリーニングが必要でコストが掛かるといった欠点がある。又、動作電流がレーザごとに異なるため、個々のレーザの温度に差が生じ、発振波長に差が生じてしまう。この点も、回折格子型光学素子と組み合わせて用いる場合には不利となる。
【００４５】
ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザをアレイ化する場合、ファブリ・ペローレーザよりも更にに端面の状態に敏感で、端面での反射位相の違いで発振波長に差が生じてしまう。反射位相を合わせることは非常に困難であるので現実的ではない。
【００４６】
一方、面発光半導体レーザの場合、元基板上にエピタキシャル成長することで、下部ミラー層、活性層、上部ミラー層を一括して作製しており、へき開プロセスを施すことなく共振器が構成されている。よって、アレイ化した場合の発振波長のばらつきは、共振波長のばらつき、即ち、成長の際の面内分布による組成、膜厚のばらつきに依存することになる。現在のエピタキシャル成長技術は非常に安定しており、面発光半導体レーザ構造を作製した場合、成長ウエハ内の３０ｍｍ離れた点での共振波長の差は数ｎｍである。レーザアレイのピッチを６０μｍとして、４個並べた場合、両端の間隔は１８０μｍとなるが、この範囲においては、共振波長は１Å以下のばらつきで安定している。実際に面発光レーザアレイを作製した場合、作製プロセスのばらつきによる素子特性の差を考慮しても数Å程度のばらつきに抑えることができる。従って、面発光レーザアレイと回折格子型集光素子を組み合わせて光学系を形成した場合、各レーザにおいてほぼ設計通りの性能を引き出すことができる。
【００４７】
従って、各発光点ごとのレーザ光束の波長差が微小となるため、倍率色収差を気にすることなく、環境変動時の倍率補償側に設計することができる。
【００４８】
尚、本実施の形態におけるカラー画像形成装置は複数個の走査光学装置とそれに対応する複数の感光ドラムとより構成したが、該感光ドラムを単一より構成しても良い。この場合は複数の走査光学装置から出射された複数の光束を単一の感光ドラム面上の異なる領域に各々導光し、該複数の光束で該感光ドラム面上を走査してカラー画像を形成するようにすれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、レーザービームプリンターやレーザーファクシミリ等の画像形成装置に用いられる走査光学装置に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る走査光学装置を備えるカラー画像形成装置要部の概略断面図である。
【図２】図１に示した走査光学装置とそれに対応する像担持体を示した斜視図である。
【図３】図２に示した光学系の主走査方向の要部断面図である。
【図４】面発光半導体レーザの模式的断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る走査光学装置の近軸収差図である。
【図６】アレイ化した半導体レーザの斜視図である。
【図７】従来の走査光学装置の構成図である。
【図８】従来の走査光学装置を備えるカラー画像形成装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    光源手段
２    第１の光学素子（コリメーターレンズ）
３    開口絞り
４    第２の光学素子（シリンダーレンズ）
５    偏向素子（光偏向器）
６    第３の光学素子（走査光学素子）
６１  トーリックレンズ
６２  回折光学素子
１１〜１４  走査光学装置
２１〜２４  像担持体（感光ドラム）
３１〜３４  現像器
４１  搬送ベルト
【図１】
2005215188.tif 000003
【図２】
2005215188.tif 000004
【図３】
2005215188.tif 000005
【図４】
2005215188.tif 000006
【図５】
2005215188.tif 000007
【図６】
2005215188.tif 000008
【図７】
2005215188.tif 000009
【図８】
2005215188.tif 000010