JPH02296210A - オートフォーカス機構を備えた走査光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光源からの光束を被照射体上に走査する走査
光学装置に、特に、温度等の環境変動に起因する走査光
の結像ないし集光スポットの焦点ずれを検出してこれを
補正することができる走査光学装置に関する。

［従来の技術］ 近年、レーザー光を走査し、このレーザ光の明滅によ゛
り感光体上に潜像を形成して所望の画像を記録するレー
ザービームプリンタ（ＬＢＰ）が広く使用されてきてい
る。

こうしたＬＢＰにおいて、高密度の記録を行なう為には
、感光体である被走査面に照射するビームのスポットの
大きさを記録すべき密度に応じて小さくする必要がある
。

例えば、１画素毎に明滅するガウススポットを走査する
場合、被走査面上における露光分布は被走査面上のスポ
ット径に従って第６図の如く（ただし同図はＣＣＤから
の出力値を示す）変化する。即ち、主走査方向のスポッ
ト径が小さい場合、そのレーザー光による露光分布は明
滅のタイミングに合った矩形波に近（コントラストも高
いが、スポット径が大きくなるにつれレーザー光が隣接
画素に侵入して露光分布の振幅が小さ（且つコントラス
トが低くなり、それにより出力画像の品質が劣化するこ
ととなる。

従って、例えば８００ｄｐｉ　（３２ｄｏｔｓ　／　ｍ
　ｍ　）という高解像力のプリンタを構成する場合、上
記コントラストを８０％以上にする必要があるが、その
為には・感光体上に結像するスポットの大きさを４０ｕ
ｍ（ガウス分布スポット、１　／　ｅ　２直径）程度以
下に抑えなければならない。

一方、この様に微小な径のレーザースポットを得る為に
は、一般にＦナンバーの小さな結像光学系が必要である
が、Ｆナンバーが小さくなると結像光学系の焦点深度が
非常に浅（なってしまう。例えば、主走査方向の直径が
４０μｍの結像スポットを走査可能なレザースギャナ装
置では、結像光学系の焦点位置を被走査面の前後±０．
８ｍｍという極めて小さな範囲内に収めなければならな
い。

しかし乍ら、上記従来例の様な走査光学系を実際に構成
した場合、環境温度等の変化により該光学系を構成する
各部材が熱変形等を起こし、結像光学系の焦点位置が上
記焦点深度を超えて移動することによりスポット径が所
望の値より大きくなってしまうことがある。この様な場
合、上記従来例では各部材の位置が固定されているので
結像光・学系の焦点位置ないし結像位置が調整できず、
被走査面のコントラストが低くなって画質が劣化してし
まうことになる。

また、上述した問題は、コスト的な利点よりレーザー光
学系の材料をガラスからＰＭＭＡ系の開脂などに変えた
ときにも、吸湿により樹脂の屈折率が変化し結像位置移
動が起こるということで、起こって（る。

こうした環境変化による結像位置のずれを防止して画質
の低下を防ぐ為に、走査ビームを元に焦点ずれ検出を行
なう検出手段を備えこの検出手段からの信号に基づいて
焦点ずれ補正用レンズを光軸方向に動かして結像光学系
の結像位置を常に感光体上に合オ）せる所謂オートフォ
ーカス機構（ＡＦ機構）を具備したレーザースキャナ装
置が提案されている（例えば特開昭５９−１１６６０３
号公報参照）。

こうした従来例のＡＦ機構においては、感光体表面上の
レーザービームスポット径やレザービームスポット光量
を、直接又はレンズ、光ファイバー、反射ミラー等の光
学手段を用いて光電変換素子まで導き、この光電変換素
子による検出値を元に補正レンズや半導体レーザー素子
をアクチュエータを用いて移動させてレーザービームの
焦点が感光体表面に合致する様にしている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、振動等の原因で光電変換素子や光電変換素子
までレーザー光を導（為の光学手段の位置が移動した場
合、光電変換素子に十分な光が到達せず、合焦動作を高
精度に行なえないばかりでなく最悪時には検出不能とな
り、レーザービームプリンタから得られる画質は全（焦
点がずれた低品位なものとなり、時にはＡＦ機構の無い
従来構成より劣ることもある。

更に、焦点ずれ検出系の位置ずれの他に、！・ナー、埃
等の飛散による光学系の汚れにより焦点ずれ検出精度が
低下する場合もある。

光学系の汚れにより光電変換素子からの出力が微少にな
ると焦点ずれ検出精度が低下するばかりでなく、外部か
らのノイズにより誤作動を生じ易くなり、上述の焦点ず
れ検出系の位置すれと同様に焦点の合わない低品位な画
質を生じ易くなる。

従って、本発明の目的は、上記課題を解決すべ（、充分
な焦点ずれ補正機能が出来ないと判断されるとき検出手
段からの検出信号と関係な（所定の合焦状態まで移動さ
せそこに停止させる様な構成を有する走査光学装置を提
供することにある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する為の本発明においては、レーザ光源
などの光源からの光束が感光ドラムなどの被照射体上に
集光して走査されると共に、被照射体に走査される光束
を元に光束の被照射体上での集光状態を検出するＣＣＤ
などの焦点ずれ検出手段と、この検出手段からの信号を
元に」１記集光状態を調整するステッピングモータなど
の焦点調整手段とを有するオートフォーカス機構で焦点
ずれ検出が充分に行なえないと判断された場合、上記焦
点調整手段により、コリメータレンズ系などの焦点補正
用手段を設計上の合焦位置などの所定位置にもたらして
そこに止める様にしている。

上記焦点ずれ検出が充分に行なえないとする判断は、オ
ートフォーカス機構を所定回数作動させても焦点ずれ検
出手段より所定値以上の焦点ずれ信号が得られなかった
り、また焦点ずれ検出手段より異常な信号が（例えば、
極端に大きな信号）が出力されたりするときなどに行な
われる。

［作用］ 上記構成を有するＬ　Ｂ　Ｐなとの走査光学装置によれ
ば、ＡＦ機構が何らかの理由で所期の機能を果たせない
ことが分かった場合、焦点ずれ検出信号と関係なく焦点
補正用手段（例えば、コリメータレンズ系やレーザ光源
）を設定位置まで移動してそこに停止させるので、ＡＦ
機構が無意味な焦点ずれ調整を行うことがな（なり、ビ
ームスポットの焦点位置ずれを最小限に止めることがで
きる。

［実施例］ 第１図は本発明に係わるｌ実施例の概略構成を示す。同
図において、１はレーザー光を発生させる為のレーザド
ライバであり、このレーザドライバｌに接続されたレー
ザ光源としての固体レーザ素子２をその発光信号に応じ
て明滅する。

３は固体レーザ素子２から放射されたレーザービームを
略平行光と、するコリメータレンズ系であり、後述する
焦点調整手段４によりレーザ光の光軸方向である矢印六
方向に所定範囲内で移動可能となっている。５は回転多
面鏡であり矢印Ｂ方向に一定速で回転することによりコ
リメータレンズ系３から射出された平行光を反射、偏向
して矢印Ｃ方向に走査する。６ａ、６ｂ、６ｃは回転多
面鏡５の前方に設けられたｆ・θレンズ群であり、この
多面鏡５により偏向されたレーザ光束りを結像すると共
にその走査速度を被走査面である感光ドラム９上におい
て等速としている。

レーザ光束りは有効走査領域外において反射鏡７を介し
て検出手段としてのＣＣＤ　（固体撮像素子）８上に導
かれた後、感光ドラム９上に走査される。ＣＣＤ８は矢
印Ｃ方向に多数個の光検出器を感光ドラム９面と光学的
に等価な位置に配列して構成されており、レーザドライ
バ１と焦点調整手段４を制御するＡＦ制御部１０に接続
されている。

感光ドラム９の周囲には、不図示の現像器１次及び転写
帯電器、定着器、クリーナ等が設けられており、感光ド
ラム９表面にレーザ光束りによって形成された潜像を公
知の電子写真プロセスにより顕像化して転写材に転写す
る様になっている。

ＡＦ制御部ｌＯはコリメータレンズ系３近くに設けられ
た温度センサート１からの信号変化を元に一定間隔でＯ
Ｎ、ＯＦＦする矩形波のＡＦ倍信号レーザドライバ１に
出力して、焦点ずれ検出用のレーザ光束りをレーザ素子
２から放射させると共にＣＣ，Ｄ　８からの信号と温度
センサー１１からの信号を元に焦点調整手段４の作動制
御を行なって焦点ずれ調整を行う。

画像処理部１２は本体操作部１３からの指令によりレー
ザドライバｌに向けて画像信号を出力すると共に、この
画像信号を出力している事を示す画像出力信号をＡＦ制
御部１０へ出力する。この画像出力信号は画像信号のレ
ーザドライバ１への出力より先立ってＡＦ制御部１０へ
出力され、画像信号の出力終了後に出力を停止される。

この画像出力信号がＡＦ制御部１０に人力されている間
、焦点調整手段４の作動は停止される。

本体操作部はこの様に画像処理部１２を介してＬＢＰの
画像形成作動の制御を行なうのであるが、画像形成作動
の指示は操作部１３の図示しない操作パネルを操作者が
操作する事によって行なわれる。

次に、第２図に沿って焦点調整手段４とコノメータレン
ズ系３の部分を詳説する。同図において、フレーム４１
に固体レーザ素子２、ステッピングモータ４２、案内軸
４５が設けられ、ステッピングモータ４２の軸４３に加
工されたリードネジ４３ａと案内軸４５によりコリメー
タレンズ系３は光軸方向に可動に支持されている。

リードネジ４３ａの形成された軸４３の一端部はフレー
ム４１に固定された軸受４４によって支持され、コリメ
ータレンズ系３にはリードネジ４３と螺合するメネジ（
不図示）が設けられると共にその反対ｍ１１の部分には
案内軸４５と摺接する滑り軸受（不図示）が設けられて
いる。

また、コリメータレンズ系３の垂下には、リミットセン
サ基板４６が設けてあり、これの両端部にはコリメータ
レンズ系３の移動限界を検知する為のリミットセンサ４
７．４８が設けられている。本実施例において、リミッ
トセンサ４７．４８はコリメータレンズ系３のホームポ
ジションも兼ねている。

第２図の構成の焦点調整手段４において、コリメータレ
ンズ系３が矢印Ａ、方向に移動しその前端部ｆがリミッ
トセンサ４７上に来るとステッピングモータ４２は反転
回動してコリメータレンズ系３を矢印Ａ２方向に移動さ
せ始め、後端部すがリミットセンサ４８上に来るまでレ
ーザ光の光軸方向にコリメータレンズ系３は移動される
。この様に、ステッピングモータ４２がＣＣ，Ｄ　８か
らの焦点ずれ検出信号に基づきＡＦ制御部１０により回
動させられて、コリメータレンズ系３がリミットスイッ
チ４７．４８間を移動し、焦点ずれ検出信号によって設
定された位置に停止して感光ドラム９上にレーザビーム
Ｌの焦点な合わせる。

以上の構成において、所望の画像を形成する場合、まず
レーザドライバ１に画像信号を入力し、所定のタイミン
グで固体レーザ素子２を明滅させる。固体レーザ素子２
から放射されたレーザ光はコリメータレンズ系３により
略平行光に変換され、さらに矢印Ｂ方向に回転する回転
多面鏡５により矢印Ｃ方向に走査されると共にｆ・０１
２１群６ａ、６ｂ、６ｃにより感光ドラム９上にスポッ
ト状に結像される。

このようなレーザ光束■、の走査により感光ドラム９表
面には画像１走査分の露光分布が形成され、さらに各走
査ごとに感光ドラム９を所定量回転して該ドラム９上に
画像信号に応じた露光分布を有する潜像が形成され、周
知の電子写真プロセスよりこの潜像は記録紙上に顕画像
として記録される。

通常はこのままで画像記録が行なわれるが、レーザ素子
２などの発熱等による環境温度変化に起因して光学系を
構成する各部材が熱変形したりすると、レーザ光束りの
結像点が焦点深度（高密度の画像を形成する場合、非常
に浅い）内から外れて第５図（ただし同図はＣＣＤ８か
らの出力値を示す）に示す様に感光ドラム９上の露光分
布のコントラストが低（なって画質が劣化してしまうこ
とがあり、焦点位置調整する必要が出てくる。

そこで本実施例においては、こうした場合、温度センサ
ー１１を用いて光学系の近くの環境の温度変化が設定範
囲を超えるとそれを検知し、レーザ光束りの焦点位置調
整を行う様にオートフォーカス作動シーケンスが組まれ
ている。即ち、焦点位置調整終了直後の温度センサー１
１の信号値を常に基準温度値として前回の値に替えて書
き換え、そしてこの基準温度値から設定値以上の温度変
化が生じると再び焦点位置調整を行う様にしている。

本実施例では焦点深度以内の熱変形に止まる温度範囲を
、基準温度値からの設定値として用いている。

以下にこの焦点位置調整について詳説する。環境温度変
化が設定値以上生じた事が温度センサー１１からの信号
によって検知されると、ＡＦ制御部ｌＯは第３図（ａ）
に示す様なＡＦ倍信号一定時間レーザドライバ１に出力
する。

レーザドライバ１にＡＦ倍信号人力されるとレーザドラ
イバ１はレーザ素子２をＡＦ倍信号矩形波に合わせて量
減点燈させる。レーザ素子２からのこうしたレーザ光り
は反射鏡７により反射され、感光ドラム９と光学的に等
価な位置にあるＣＣＤｇ上に投影走査される。ここにお
いて、ＡＦ制御部１０は、ＣＣＤ８上をレーザ光束りが
走査する前にＣＧ、Ｄ８各画素の蓄積電荷をリセットし
、１ラインのスポット走査によりＣＣＤ８の各画素に電
荷が蓄積された後にこの電荷を電気信号として読み出す
。

固体レーザ素子２から上記の如くレーザ光を明−滅し一
回走査すると、ＣＣＤ８は感光ドラム９と光学的等価な
位置にあるので、ＣＣＤ８面上の露光分布は前記第６図
に示した様にレーザ光束りのスポット径に応じた強弱の
分布形状を示す。従って、ＣＣＤ８の各画素の出力は第
３図（ｂ）に示す様な分布になり、その信号をＡＦ制御
部ｌＯに送出する。ＡＦ制御部１０においては、ＣＣＤ
８の出力の最大値をθ。−１最小値θ。、。としてコン
トラスト■を ■＝０□８−〇、１ｎ／θ、＋１，１ｘ＋θｆｆ１ｉｎ
　　　・・・−（１） の式により算出、測定する。

この場合、第６図に示す様に、走査方向のスポット径が
小さ（なる程上記（１）式で示されるコントラストＶは
大きくなる。

ＡＦ倍信号レーザドライバ１に入力されている間にＡＦ
制御部１０はステッピングモータ４２（第２図）を間欠
駆動してコリメータレンズ系３を°光軸方向に一定間隔
ずつ前後に移動させ、各位置で上記コントラスト■を測
定する。そして、コントラスト■の最大値が得られたと
ころでコリメータレンズ系３を停止して、レーザ光束り
の主走査方向スポット径を最小にすることにより合焦を
行なう。

ここで、反射ミラー７やＣ，ＣＤ　８の位置が振動等で
ずれレーザ光束りがＣＣＤ８に充分に導かれなかったり
、飛散したトナーが反射ミラー７やＣＣＤ８の表面に付
着しＣＣＤ８への入力光が相当低下する場合を考える。

こうした場合、第５図に示す様に、ＣＣＤ８からの出力
値の最大値がＡＦ検出可能な最低限度値近くないしそれ
以下になって、コントラスト■が極端に小さくなりコリ
メータレンズ系３の各位置でのコントラスト■の差が少
なくなって合焦位置検出が出来なくなる。

こうした状態になった際、本実施例では第４図に示す如
く作動する。

即ち、先ず、温度センサー１１からの出力が前記設定値
′を越えて変化すると、ステップ５０で示す如（、ＡＦ
制御部１０は上述した如＜ＡＦ作動を開始する。

このＡＦ作動において、設定回数（ｎ回）続けて焦点ず
れ検出作動を行なっていなければ（ステップ５１．Ｎ、
Ｏ）、シーケンスはステップ５２へ進みＣＣＤ８からの
ＡＦ検出信号が設計時に最低限度と設定された出力値よ
り大か小かを判断する（第５図、第６図参照）。ここで
、ＣＣＤ８からの出力値が設定値より小さい場合、焦点
補正作動の精度が低下したり、或は焦点ずれ検出が不可
能となるので、ＡＦ制御部１０はＡＦ信号をレーザドラ
イバ１に送り続け、ＣＣＤ８からの出力値が設定出力値
となるまでのｎ−１同焦点ずれ検出作動を繰り返す（ス
テップ５２、Ｎｏ）。

ＣＣＤ８からの出力値が設定出力値以上である場合（ス
テップ５２、Ｙｅｓ）　、ＡＦ制御部１０は上述した様
に焦点補正作動を行ない（ステップ５３）、感光体９上
にレーザ光束りの焦点を一致させ、温度センサー１１の
その時の信号値を基準温度値として書き換えた上でＡＦ
作動を終了させる（、ステップ５４）。

ｎ−１同焦点ずれ検出作動を行なってもＣＣＤ８から良
好な出力値が得られない場合（ステップ５１．Ｙｅｓ）
、ＡＦ制御部１０はコリメータレンズ系３を一度リミツ
トセンサー４７又は４８のホームポジションに戻した後
、温度センサー１１からの温度信号値を元に、設計上感
光体６上にレーザ光束りが合焦する位置ｒまでコリメー
タレンズ系３を送りコリメータレンズ系３の端面ｆと設
計位置ｒが一致した所でステッピングモータ４２の作動
を停止させる（ステップ５５）。そして、コリメータレ
ンズ系３をこうして移動した後、ＡＦ制御部１０は本体
操作部１３の不図示の操作パネル上にＡＦ作動不良を示
す警告を行なって（ステップ５６）シーケンスを終了す
る（ステップ５４）。

ところで、本発明において、レーザービームスポットの
合焦状態を検出する為の焦点ずれ検出方法、並びにレー
ザービームＬの焦点を感光体表面に合致させる為の焦点
調整手段は任意であり、上記実施例はあ（まで例示に過
ぎない。

例えば焦点調整手段としては、圧電素子、ソレノイド、
ステッピングモータ、ＤＣモータ等の各種アクチュエー
タやギヤ、カム、リドスクリュー等の各種機構が用いら
れ、また焦点ずれ検出方法としても光電変換素子以外の
素子も用いられる。

Ａ’Ｆ作動開始方法においても、環境センサーである温
度センサーを用いて環境変化をＡＦ作動の引き金とする
必要は必ずしもな（、タイマーを用いて間欠的にＡＦ作
動を行なったり、ＬＢＰの画像出力枚数を元に間欠的に
ＡＦ作動を行ったりすることもできる。環境センサーを
用いる場合、数ポイントの環境下での設定値を設けて、
これからの検知を総合的に見てＡＦ作動を開始しても良
い。

また、上記設計位置ｒの検出方法は、光学的、電気磁気
的等、公知の手段・を用いて充分な精度が得られ、上記
実施例の様に一度ホムポジションに戻してから設定分だ
けコリメタレンズ系などを移動して設計位置を得たり、
直接設計位置に検出マークやセンサーを設けたりして設
計位置を得たりすることができる。

［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明においては、焦点ずれ検出が
充分に行なえないと判明した場合（例えば、ＡＦ機構を
設定回数作動させても焦点ずれ検出手段より設定値以上
の焦点ずれ信号が得られない場合）、焦点調整手段によ
り焦点補正用手段を設計上の合焦位置である設定位置ま
で移動して停止させることにより、ＡＦ機構の誤作動に
よるレーザービームスポットの焦点位置ずれを最小限に
防止する効果がある。

また、汚れ、゛振動等により焦点ずれ検出手段が充分に
機能しなくなった場合でも、最低限使用に耐える所定作
業の品位べ例えば、画像品位）を有効走査領域内で保つ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる走査光学装置の１実施例を示す
概略構成図、第２図は焦点調整手段とコリメータレンズ
系の部分の拡大詳細図、第３図は焦点位置検知作動中に
おける信号を示し、（ａ）は、ＡＦ信号の波形を示すグ
ラフ、（ｂ）はＣＣＤ８からの出力信号を示すグラフ、
第４図はＡＦ作動のシーケンス図、第５図は異常時のレ
ーザ光のスポット径と露光分布との関係を示すＣＣＤ８
からの出力を示すグラフ、第６図は正常時のレーザ光の
スポット径と露光分布との関係を示すＣＣＤ８からの出
力を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源からの光束が被照射体上に集光して走査される
   と共に、被照射体に走査される光束を元に光束の被照射
   体上での集光状態を検出する焦点ずれ検出手段と該検出
   手段からの信号を元に上記集光状態を調整する焦点調整
   手段とを有するオートフォーカス機構を具備した走査光
   学装置において、オートフォーカス機構で焦点ずれ検出
   が十分に行なえないと判断された場合、前記焦点調整手
   段により焦点補正用手段を所定位置にもたらしてそこに
   止めることを特徴とする走査光学装置。 ２、前記オートフォーカス機構を所定回数作動させても
   前記焦点ずれ検出手段より所定値以上の焦点ずれ信号が
   得られない場合に、焦点ずれ検出が充分に行なえないと
   判断される請求項１記載の走査光学装置。 ３、前記焦点補正用手段の所定位置は設計上の合焦位置
   である請求項１記載の走査光学装置４、前記焦点補正用
   手段を所定位置にもたらした後、オートフォーカス不作
   動を示す警告を行なう請求項１記載の走査光学装置。 ５、前記焦点補正用手段はコリメータレンズ系である請
   求項１記載の走査光学装置。 ６、前記被照射体は画像記録用の感光体である請求項１
   記載の走査光学装置。