JPH04328512A - レーザ光源装置 - 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】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光源装置、特に
レーザダイオードを光源とし、放射されるレーザビーム
をセンサ、プリンタの光源として用いることのできるレ
ーザ光源装置に関する。 【０００２】 【発明の背景】従来、電子写真方式によるレーザプリン
タでは、感光体上へ画像を書き込むためのレーザビーム
走査光学系として、レーザダイオードを光源としたもの
が広く使用されている。レーザダイオードから放射され
るレーザビームは一定の広がり角を有する拡散光である
ため、レーザダイオードの正面に集光レンズ（コリメー
タレンズ）を設け、平行光又は収束光に集光している。 【０００３】一方、ミクロンオーダの周期を持つ格子状
同心円パターンの集合で、その断面が鋸歯状となったフ
レネルレンズが開発されている。このフレネルレンズは
屈折現象と回折現象を利用し、平行な光が入射すると格
子の各部分で光が曲がり、入射光を一点に集束する。逆
に、焦点から放射された拡散光を格子の各部分で平行化
する。 【０００４】そこで、前記フレネルレンズを従来のコリ
メータレンズに代えてレーザ光源ユニットを構成するこ
とが考えられる。しかし、ここではレーザダイオードの
発振波長の変化に起因するデフォーカスが最大の問題点
となる。即ち、回折現象を利用しているフレネルレンズ
は、波長変化に対して不安定であり、僅かな波長変化に
対して敏感に焦点距離が変動する。プリンタのレーザビ
ーム走査光学系にあっては、その僅かな焦点距離の変動
が走査光学系を通して数百倍に拡大され、像面（感光体
）上でのデフォーカスを引き起こす。 【０００５】ちなみに、レーザダイオードから放射され
るレーザビームの波長は、発光部の発熱量の増加、環境
温度の上昇により長波長側にシフトする。 【０００６】 【発明の目的、構成、作用】そこで、本発明の目的は、
レーザダイオードと組み合わせて使用される前記フレネ
ルレンズを所定特性を有するものとすることにより、フ
レネルレンズの焦点距離の変動を極力小さく抑え、走査
光学系のデフォーカスを実用上問題とならない程度に小
さくできるレーザ光源装置を提供することにある。 【０００７】以上の目的を達成するため、本発明に係る
レーザ光源装置は、レーザダイオードと回折効果を有す
る集光レンズとの組み合わせからなり、集光レンズは、
その焦点距離が実質的に下式を満足するものである。 【０００８】 【数２】 【０００９】 λ：基準温度でのレーザダイオードの発振波長λ’：温
度上昇時でのレーザダイオードの発振波長Δλ：レーザ
ダイオードの波長変化量 ｆＣＯ：波長λでの集光レンズの焦点距離Ｄ０：λの波
長による像面上のビーム径（１／ｅ２値）Ｄ１：λ＋Δ
λの波長による像面上のビーム径（１／ｅ２値）（許容
値） ｆＨ：レーザ光源装置を用いた走査光学系の主走査方向
の焦点距離 前記集光レンズは薄い平板状をなし、その焦点距離は１
〜１０ｍｍ程度であり、焦点又はその近傍にレーザダイ
オードを設置することで一つのパッケージに高密度実装
した光源ユニットが得られる。レーザダイオードから放
射された拡散光は集光レンズの屈折効果、回折効果によ
って平行光あるいは収束光に集光される。レーザダイオ
ードから放射されるビームの波長は、発熱部の温度上昇
で長波長側にシフトする傾向にあり、これに起因して集
光レンズの焦点距離が変動する。しかし、集光レンズの
焦点距離ｆＣＯが実質的に前式満足することにより、最
終的に走査光学系のデフォーカスが実用上問題とならな
い程度に抑えられる。 【００１０】 【実施例】以下、本発明に係るレーザ光源装置の実施例
につき、添付図面に従って説明する。 ［第１実施例、図１〜図４参照］図１は本発明の第１実
施例である光源ユニットを内蔵したレーザビーム走査光
学系２０を組み込んだレーザプリンタを示す。 【００１１】このレーザプリンタは、本体１の略中央部
分に感光体ドラム２が矢印ａ方向に回転駆動可能に設置
され、その周囲に帯電チャージャ３、現像器４、転写チ
ャージャ５、残留トナーのクリーナ６を配置したもので
ある。レーザビーム走査光学系２０は感光体ドラム２の
上方に設置され、帯電チャージャ３によって所定の電位
に均一に帯電された感光体ドラム２の表面にレーザビー
ムを照射し、所定の画像を潜像として形成する。この潜
像は現像器４で現像され、トナー画像とされる。 【００１２】一方、記録用シートは本体１の下段に設置
した給紙カセット１０から１枚ずつ自動的に給紙され、
タイミングローラ１１を経て転写部へ搬送される。シー
トはここでトナー画像を転写され、定着器１２でトナー
の定着を施された後、排出ローラ１３から本体１の上面
に排出される。図２はレーザビーム走査光学系２０を示
す。 【００１３】この光学系２０は、光源ユニット２１、シ
リンドリカルレンズ３０、ポリゴンミラー３１、ｆθレ
ンズ３２、平面ミラー３３、画像書き込みスタート位置
検出センサ４５（以下、ＳＯＳセンサと称する）このＳ
ＯＳセンサ４５へレーザビームを導くミラー４１，４２
を図示しないハウジングに取り付けたものである。光源
ユニット２１（その構成は後述する）から出射されたレ
ーザビームは、シリンドリカルレンズ３０を透過するこ
とによりポリゴンミラー３１の反射面付近にその偏向面
に一致する直線状に収束される。ポリゴンミラー３１は
矢印ｂ方向に一定速度で回転駆動され、レーザビームを
連続的に等角速度で偏向走査する。走査されたレーザビ
ームはｆθレンズ３２を透過した後、平面ミラー３３で
反射され、図示しないハウジングのスリットを通じて感
光体ドラム２上で結像する。このとき、レーザビームは
感光体ドラム２の軸方向に等速で走査され、これを主走
査と称する。また、感光体ドラム２の矢印ａ方向への回
転に基づく走査を副走査と称する。 【００１４】以上の構成において、光源ユニット２１か
らのレーザビームのオン，オフと、前記主走査、副走査
とによって感光体ドラム２上に画像（静電潜像）が形成
される。ｆθレンズ３２は主走査方向に対するレーザビ
ームの走査速度を走査域の中心部から両端部にわたって
均等となるように（歪曲収差を）補正する。シリンドリ
カルレンズ３０は、ｆθレンズ３２と共働してポリゴン
ミラー３１の面倒れ誤差を補正する。 【００１５】一方、ポリゴンミラー３１で偏向走査され
たレーザビームのうち一部は、ミラー４１，４２からシ
リンドリカルレンズ４６を介してＳＯＳセンサ４５へ入
射し、その検出信号に基づいて１ラインごとの画像書き
込みスタート位置が制御される。ここで、光源ユニット
２１について説明する。 【００１６】図３に示すように、光源ユニット２１は、
ベース２２、レーザダイオード２３、フレネルレンズ２
４、金属製のカバー２５及び光量モニタ用フォトダイオ
ード２８にて構成されている。カバー２５には保護ガラ
ス２６を備えた出射窓部２５ａが形成されている。レー
ザダイオード２３は所定の電流を供給することにより接
合面から拡散光を放射する。フレネルレンズ２４は、ミ
クロンオーダの周期を持つ格子状同心円パターンの集合
で、その断面を鋸歯状に成形したものである。このフレ
ネルレンズ２４は屈折効果と回折効果を有し、格子の各
部分で光が曲げられる。平行光が入射すると一点（焦点
）に収束され、焦点から放射された拡散光は平行光とさ
れる（図４参照）。 【００１７】従って、レーザダイオード２３の発光部を
フレネルレンズ２４の焦点に設置することにより、レー
ザダイオード２３から放射された拡散光はフレネルレン
ズ２４で平行光に集光され、光源ユニット２１から前記
シリンドリカルレンズ３０へ向かって出射される。ここ
で使用されているフレネルレンズ２４はポリカーボネイ
トからなり、波長７８０ｎｍのレーザビームに対応する
ように設計されている。 【００１８】フレネルレンズ２４は極めて小型、軽量で
、レーザダイオード２３、モニタ用フォトダイオード２
８等と共に一つのパッケージ内に高密度実装できる。 従来はコリメータレンズとしてガラスモールドの単玉非
球面レンズを用いていたのであるが、これと比較して光
源部が小型化し、光学系ハウジングへの組み込みに際し
てレーザダイオードとフレネルレンズとを互いに位置調
整する必要がなくなる。また、フレネルレンズは成形法
で量産でき、研摩工程も不要であるという利点を有する
。 【００１９】さらに、今日では、レーザプリンタの低速
化が進むと共に、感光体の感度が改善され、像面上で必
要な光量は０．２ｍＷ程度で十分な場合がある。この場
合、通常の光学系では光透過率が２５〜３０％程度であ
るため、レーザダイオードの出力は０．８ｍＷ程度とな
る。しかし、これではレーザダイオードはＬＥＤ発光か
らＬＤ発光へ切り替わる領域でのシュレッシュホールド
出力程度となり、応答性が悪くなる。しかし、フレネル
レンズは光透過効率が５０％あるいはそれ以下のものを
製作でき、レーザダイオードをＬＤ発光の領域で駆動さ
せ、応答性を上げることができる。 【００２０】しかし、レーザダイオードは発光部の発熱
量の増加、環境温度の上昇により発振波長が変化する特
性を有している。そして、回折効果を利用しているフレ
ネルレンズは波長の変化に対して不安定であり、僅かな
波長変化に対して敏感に焦点距離が変動する。レーザビ
ーム走査光学系全体として考慮すると、僅かな焦点距離
の変動が前述の光学素子３０，３１，３２，３３を通し
て数百倍に拡大され、像面（感光体ドラム表面）上での
デフォーカスを発生させる。 【００２１】以下、この問題点を解析する。回折効果を
利用しているフレネルレンズは、レーザダイオードの発
振波長に対して以下の式に示す関係で焦点距離が変動す
る。 　　　　ｆλ＝ｆ’λ’　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
…（１）　　　　ｆ’＝（λ／λ’）ｆ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
……（１ａ）λ：レーザダイオード発振波長 λ’：変化後のレーザダイオード発振波長ｆ：フレネル
レンズ焦点距離 ｆ’：変動後のフレネルレンズ焦点距離以上の焦点距離
の変動による像面上でのデフォーカスは以下の式（２）
，（３）に示す関係で拡大される。 【００２２】主走査方向： 　　　　ΔＸＨ＝（ｆＨ／ｆＣＯ）２Δｘ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（
２）ΔＸＨ：主走査方向像面デフォーカス量Δｘ：光源
部デフォーカス量 ｆＨ：走査光学系主走査方向焦点距離 ｆＣＯ：フレネルレンズ焦点距離 副走査方向 　　　　ΔＸＶ＝β２（ｆＣＹ／ｆＣＯ）２Δｘ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……
（３）ΔＸＶ：副主走査方向像面デフォーカス量β：走
査光学系副走査方向横倍率 ｆＣＹ：シリンドリカルレンズ焦点距離さらに、デフォ
ーカス量とビーム径との関係は以下の式（４）で示され
る。 【００２３】 【数３】 【００２４】ＤＯ：λの波長による像面上のビーム径（
１／ｅ２値） Ｄ：ΔＸＨだけデフォーカスしたときの像面上のビーム
径（１／ｅ２値） λ＝７８０ｎｍ、ｆＣＯ＝６ｍｍ、ｆＨ＝１５０ｍｍ、
β＝３、ｆＣＹ＝４．０ｍｍ、像面上でのビーム径（１
／ｅ２値）を主走査方向１００μｍ、副走査方向１５０
μｍとして、波長λの変化による影響をみると、表１に
示す通りである。 【００２５】 【表１】 【００２６】表１から明らかなように、波長の変化は副
走査方向よりも主走査方向に大きく影響する。ビーム径
の太りは感光体上でのエネルギー密度の低下を招き、電
子写真プロセスを経た最終画像では、ラインの細り、画
像濃度の低下となる。この問題点を解決するには、レー
ザダイオードの発振波長変化そのものを抑える方法、波
長変化に対して像面上でのデフォーカスを抑える方法が
考えられる。 【００２７】本実施例では、使用するフレネルレンズを
所定の焦点距離を有するものを選択することにより、結
果的にレーザダイオードの温度上昇により波長変化が生
じても像面上でのデフォーカスも実用上問題とならない
値に抑えることとした。そして、前記表１から明らかな
ように、主走査方向のデフォーカス（ビーム径）が大き
くならないように考慮すればよい。 【００２８】そこで、前記式（４）において、実用上許
容できるビーム径の上限をＤ１とすると、波長変化した
ときにもＤ＜Ｄ１が満たされればよい。即ち、【００２
９】 【数４】 【００３０】一方、レーザダイオードの発振波長がλか
らλ’に変化したとき光源部でのデフォーカス量Δｘは
、以下の式（５）で表わされる。 　　　　Δｘ＝（λ’−λ）／λ’・ｆＣＯ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（５）式
（５）を前記式（２）に代入すると、以下の式（２ａ）
が得られる。 　　　　ΔＸＨ＝（ｆＨ／ｆＣＯ）２（λ’−λ）／λ
’・ｆＣＯ　　　　　　　　……（２ａ）式（２ａ）を
式（４ａ）に代入すると、以下の式（６）が得られる。 【００３１】 【数５】 【００３２】本実施例において問題とするのは、フレネ
ルレンズ２４の焦点距離ｆＣＯであるから、ｆＣＯが式
（６）の右辺の値より大きいフレネルレンズを選択すれ
ばよい。なお、実用上許容できるビーム径Ｄ１は波長λ
によるビーム径Ｄ０に対して１．２５倍程度である。但
し、焦点距離ｆＣＯを必要以上に大きいレンズを選択す
ると、透過率の低下を補償するためにレーザダイオード
駆動電流を増加しなければならず、発振波長の変化量の
増大を招くことに注意する必要がある。 【００３３】ところで、レーザダイオードの波長変化量
Δλは１ｎｍ程度に抑えることができ、また像面上での
ビーム径の許容値を２５％とすると、Ｄ１／Ｄ０は１．
２５となる。即ち、前記式（６）は、以下のように書き
直すことができる。 【００３４】 【数６】 【００３５】ビーム径Ｄ０は画像密度から決まる値であ
り、以下の式（７）にて求められる。 　　　　Ｄ０／Ｐ≦２．０　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　……（７）Ｐ：画像ピッチ ２４０ＤＰＩ＝０．１０６ ３００ＤＰＩ＝０．０８５ ４００ＤＰＩ＝０．０６３５ 式（６ａ），（７）によってｆＣＯとｆＨの関係が決ま
る。例えば、４００ＤＰＩでＤ０が１．７Ｐ（０．１０
７９５）のとき、 　　　　ｆＣＯ＞１．４５×１０−４ｆＨ２　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……
（８）　　同様に、３００ＤＰＩのときは、 　　　　ｆＣＯ＞８．０８×１０−５ｆＨ２　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……
（９）　　４００ＤＰＩのときは、 　　　　ｆＣＯ＞５．２×１０−５ｆＨ２　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（
１０）今、ｆＨを１７０ｍｍとし、光源ユニット２１を
画像密度４００ＤＰＩまでのプリンタに用いると、ｆＣ
Ｏ＞４．２のフレネルレンズを選択すればよい。そして
、フレネルレンズの焦点距離ｆＣＯは、この下限値を基
準とし、これよりやや長めに設定することが望ましい。 【００３６】なお、本第１実施例における解析は、レー
ザダイオード２３をその発光部がフレネルレンズ２４の
焦点に設置され、光源ユニット２１から平行光が出射さ
れる場合である。レーザダイオード２３の発光部をフレ
ネルレンズ２４の焦点よりも僅かに遠い位置に設定する
と、光源ユニット２１からは収束光が出射される。この
場合、前記式（６）の右辺は異なる。また、ポリゴンミ
ラー３１の後段にｆθレンズ系に代えてｆθミラー系を
設置した場合も同様である。 【００３７】［第２実施例、図５〜図７参照］そこで、
第２実施例として、光源ユニット２１’から収束光を出
射し、かつ、ｆθミラー系を設けたレーザビーム走査光
学系２０’について説明する。図５において、レーザビ
ーム走査光学系２０’はポリゴンミラー３１の後段に設
けたトーリックレンズ３５、球面ミラー３６、平面ミラ
ー３７を通じてポリゴンミラー３１で偏向走査されたレ
ーザビームを感光体ドラム２上へ結像するように構成さ
れている。ＳＯＳセンサ４５に対しては一つのミラー４
３でレーザビームを導く。 【００３８】ここで、トーリックレンズとは、入射側又
は射出側のいずれか一方の面がトロイダル面で他方の面
が球面、平面又はシリンドリカル面であるレンズをいう
。本実施例において、トーリックレンズ３５は入射側の
面がトロイダル面、射出側の面が球面にて構成されてい
る。トロイダル面とは二つの主経線がそれぞれ異なった
曲率中心を有する面をいう。 【００３９】球面ミラー３６はｆθレンズに代わって、
トーリックレンズ３５と共に主走査方向に対する走査速
度を走査域中心からその両端部にわたって均等となるよ
うに（歪曲収差を）補正すると共に、感光体ドラム２上
での主走査方向の像面湾曲を補正する。また、トーリッ
クレンズ３５のトロイダル面は、ポリゴンミラー３１の
面倒れ誤差を補正すると共に、感光体ドラム２上での副
走査方向の像面湾曲を補正する。本実施例ではシリンド
リカルレンズ３０によってビームをポリゴンミラー３１
に集光する一方、トーリックレンズ３５のトロイダル面
によってポリゴンミラー３１の各反射面と集光面とが共
役関係を保持するようにしている。一方、トーリックレ
ンズ３５の球面は、主として主走査方向の像面湾曲を補
正すると共に、歪曲収差の補正を行なう。 【００４０】次に、収束光（ｆθミラー系）での像面デ
フォーカスを解析する。主走査方向については、図６に
おいて、 ａ１：フレネルレンズからその物点までの距離ｂ１：フ
レネルレンズからその像点までの距離Ｌ１：フレネルレ
ンズから走査レンズまでの距離ｂ２：走査レンズからそ
の像面までの距離と設定すると、デフォーカス量ΔＸＨ
は以下の式（２ｂ）で表わされる。 【００４１】 【数７】 【００４２】例えば、ａ１＝６ｍｍ、ｂ１＝６００ｍｍ
、Ｌ１＝２００ｍｍ、ｂ２＝１５０ｍｍとすると、ΔＸ
Ｈは１３７８．３Δｆｃｏとなる。一方、副走査方向に
ついては、図７において、図６に追加して、 Ｌ２：フレネルレンズからシリンドリカルレンズまでの
距離 ｂ３：シリンドリカルレンズからその像点までの距離β
：走査光学系副走査方向横倍率 と設定すると、デフォーカス量ΔＸＶは以下の式（３ｂ
）で表わされる。 【００４３】 【数８】 【００４４】例えば、ａ１＝６ｍｍ、ｂ１＝６００ｍｍ
、Ｌ２＝５０ｍｍ、ｂ３＝５０ｍｍ、β＝２とすると、
ΔＸＶは７２９ΔｆＣＯとなる。また、デフォーカス後
の主走査方向ビーム径ＤＨ（１／ｅ２値）と副走査方向
ビーム径ＤＶ（１／ｅ２値）は以下の式（１１）、式（
１２）で表わされる。 【００４５】 【数９】 【００４６】θＨ：レーザビーム主走査方向拡がり角θ
Ｖ：レーザビーム副走査方向拡がり角ΔＤＨ：θＨとフ
レネルレンズの開口径ＮＡとの関係から求まる係数 ΔＤＶ：θＶとフレネルレンズの開口径ＮＡとの関係か
ら求まる係数 　【００４７】 【数１０】 【００４８】前記第１実施例と同様に、主走査方向のビ
ーム径の太りを問題とすると、主走査方向での像面デフ
ォーカス量ΔＸＨを示す前記式（２ｂ）とビーム径を示
す前記式（４）とから、以下の式（１３）が得られる。 【００４９】 【数１１】 【００５０】従って、本第２実施例においては焦点距離
ｆＣＯが式（１３）の右辺の値より大きいフレネルレン
ズを選択すればよい。また、前記第１実施例で説明した
ように、実用上許容できるビーム径Ｄ１は波長λによる
ビーム径Ｄ０に対して１．２５倍程度である。レーザダ
イオードの波長変化量Δλは１ｎｍ程度に抑えることが
でき、像面上でのビーム径の許容値を２５％とすると、
前記式（１３）は以下のように書き直すことができる。 【００５１】 【数１２】 【００５２】ここで、ｂ１＝６００ｍｍ、Ｌ１＝２００
ｍｍ、ｂ２＝１１０ｍｍに設定すると、ｆＣＯ＞３．９
のフレネルレンズを選択すればよい。 ［他の実施例］なお、本発明に係るレーザ光源装置は前
記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲で種
々に変更することができる。 【００５３】例えば、光源ユニットを第１実施例の如く
平行光を出射するものとし、ポリゴンミラーの後段を第
２実施例の如くｆθミラー系を設置して走査光学系を構
成してもよい。また、本発明に係るレーザ光源装置は画
像形成装置のみならず、センサや光ピックアップ等に幅
広く使用できる。 【００５４】 【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、回折効果を有する集光レンズをレーザダイオー
ドと組み合わせて用いたため、小型、軽量の光源ユニッ
トを得ることができ、無調整で走査光学系に組み込むこ
とができる。しかも、集光レンズを焦点距離ｆＣＯが前
記式（６），（１３）を満足するものを用いたため、レ
ーザダイオードの温度上昇に伴う波長変化に起因する集
光レンズの焦点距離の変動を極力抑えることができ、最
終的には走査光学系のデフォーカスを実用上問題となら
ない程度に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ光源装置を内蔵したレーザ
ビーム走査光学系を備えたプリンタの概略構成図。

【図２】本発明に係るレーザ光源装置の第１実施例を内
蔵したレーザビーム走査光学系の斜視図。

【図３】図２に示されているレーザ光源装置の一部を切
り欠いた斜視図。

【図４】図３に示されているフレネルレンズの集光作用
を示す斜視図。

【図５】本発明に係るレーザ光源装置の第２実施例を内
蔵したレーザビーム走査光学系の斜視図。

【図６】図５に示したレーザビーム走査光学系での主走
査方向におけるビームの収束状態を示す説明図。

【図７】図５に示したレーザビーム走査光学系での副走
査方向におけるビームの収束状態を示す説明図。

【符号の説明】

２０，２０’…レーザビーム走査光学系２１，２１’…
レーザ光源ユニット ２３…レーザダイオード ２４…フレネルレンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザダイオードから放射されるレー
   ザビームを、回折効果を有する集光レンズを透過させて
   外部に出射するレーザ光源装置であって、前記集光レン
   ズは、その焦点距離が実質的に下式を満足するものであ
   ること、 【数１】 λ：基準温度でのレーザダイオードの発振波長λ’：温
   度上昇時でのレーザダイオードの発振波長Δλ：レーザ
   ダイオードの波長変化量 ｆＣＯ：波長λでの集光レンズの焦点距離Ｄ０：λの波
   長による像面上のビーム径（１／ｅ２値）Ｄ１：λ＋Δ
   λの波長による像面上のビーム径（１／ｅ２値）（許容
   値） ｆＨ：レーザ光源装置を用いた走査光学系の主走査方向
   の焦点距離 を特徴とするレーザ光源装置。