JPH04501621A - ホログラフィックレーザプリンタ - 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】 ホログラフィックレーザプリンタ 本発明は一般的には光学印刷に関し、さらに詳細には電子写真プリンタおよび複 写機における走査ビームを制御する光学系に関するものである。

従来技術の説明 複写機およびプリンタなどの種々のタイプのハードコピー出力装置においてはイ メージを再生させて形成するために光ビーム走査系が使用される。通常は、光ビ ームが感光部材を横切って走査するときに該光ビームを変調することにより感光 部材上にまず潜像が形成される。次に該潜像がトナーで現像され、１枚の紙また は透明材料のようなハードコピー出力媒体に転写される。

−感光部材を横切って光ビームを走査させるときの問題点の１つは、スポットサ イズおよび走査速度を均一にするために補正が必要となることである。感光部材 は平らでありかつ光源はたいていのスキャナにおいてはほぼ固定点であるので。

ビームを転向することにより形成される弧は正確には感光部材の表面を追従しな い。したがっである種の補正が必要である。多くの従来技術のスキャナにおいて は、この補正は光源内に配置されたＦθレンズの使用により提供される。

光ビームスキャナにおいてはサイズおよび速度の補償または補正のために種々の タイプのＦθレンズが使用されている。たいていは２個以上のガラスレンズから なる複合レンズであり、これらのレンズは相互に協働して希望の光学的特性を提 供する。このようなレンズの１つの欠点は、これらのレンズがかなり高価であり 光ビームスキャナの全体コストに大きく影響するということである。したがって 、従来技術のＦθレンズよりもより経済的に構成可能なＦθレンズを提供するこ とが好ましく、これが本発明の目的である。

光ビームスキャナを経済的にする１つの方法は、光ビームの転向および回折にホ ログラフィックプレートすなわちホログラムを使用することである。スキャナの 光転向にホログラムを使用する幾つかのスキャナが既知である。１９８１年９月 １５日付で交付された米国特許第４．２８９，３７１号はスキャナ用のホログラ フィック転向器を開示する。その特許の背景技術の項はホログラフィック転向器 の他の引例を記載している。しかしながら経済的観点からは、従来技術に示され るようにレンズ９　ミラーまたはプリズムおよびいくつかのホログラムすなわち ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ’　ｓ）の組合せの代わりに、すべてにホロ グラムを使用したスキャナが極めて好ましい。

発表論文「アプライド・オプティクス（ＡＰＰＬＩＥＤ　０ＰＴＩＣ８）　Ｊ第 ２５巻第５号（１９８６年３月１日）７９４ページのような題記に関するい（つ かの従来技術がＦθレンズにおけるホログラフィック光学要素の限定使用を提供 し、ている。この論文に記載のレンズはパラメータを提示しているが、該パラメ ータは多くのスキャナへの利用に対して最適ではない。複雑な適用に対しては、 引用従来技術の一要素ホログラフイックＦθレンズは長い焦点距離のＦθレンズ の要求を適切には満たさない。したがって、Ｆθレンズが、相互に協働して高精 度光ビームスキャナに必要な光学パラメータを提供するような複数のホログラム で構成されるところのスキャナを提供することが望ましい。

発明の要約 ここに完全にホログラフィック要素からなる多要素Ｆθレンズを用いた新規でか つ有用な光ビーム走査系が開示されている。本発明の特定の実施態様においては 、スキャナは、レーザ光ビーム発生器、レーザ光ビームを転向させるための回転 ホログラフィックディスク、曲り補正ホログラフィックディスクおよびホログラ フィックプレートからなるＦθレンズを含む。曲り補正器がＦθレンズと回転デ ィスクとの間に配置され、またＦθレンズは曲り補正器と走査ビームの焦点がそ の上に結ばれる像平面との間に配置されている。

Ｆθレンズはその上に干渉縞を含みかつ光ビームを反対側に転向させる２枚の平 行なホログラフィックプレートからなる。この２枚のホログラフィックプレート は相互に光学的に協働して、得られたＦθレンズのために比較的長い焦点距離を 提供する。両方のレンズは相互に各々１０：１より大きい比で異なる２つの光学 半径を有することを特徴とする特 Ｆθレンズに使用される特定のホログラフィックプレートの構造仕様がここに開 示されている。さらに、ホログラフィックプレートを形成するための適当な材料 が検討されかつ特定のパラメータ範囲が定義されている。

図面の簡単な説明 以下の詳細な説明および図面により本発明の他の利点および用途がさらに明らか になろう。ここで： 図１はレーザプリンタの概略図； 図２は本発明の一実施態様により構成されたレーザビームスキャナの詳細図；図 ３は本発明のホログラフィックレーザスキャナの一部の平面図；図４は本発明の ホログラフィックレーザスキャナの一部の側面図；図５は本発明のＦθレンズ部 分の拡大図；図６は本発明に使用されるホログラフィック光学要素の１つを形成 するのに使用可能な構造幾何形状図； 図７は本発明に使用されるホログラフィック光学要素の他の１つを形成するのに 使用可能な構造幾何形状図：および 図８は本発明に使用されるホログラフィック要素を構成するのに使用可能な他の 方法の構造幾何形状図である。

好ましい実施態様の説明 以下の図において、同じ符号はすべての図面において同じ要素または部材を示す 。

ここでとくに図１を参照すると、そこにはこのような系の主要な構成要素を示す レーザプリンタの概略図が示されている。光ビーム１１がレーザ１０により発生 され、該光ビーム１１はプリントされるべきデータ１４にしたがって変調器１２ により変調される。レーザ１０からの光ビームは転向系１６の作用を受１九該転 向系１６は光ビームを転向すなわち一次元方向に移動させる。転向された光ビー ム１８はＦθレンズ系２０を通過しかつ該光ビームの焦点が可動感光部材２２上 に結ばれる。矢印２４は感光部材２２の移動方向を示し、また矢印２６は感光部 材２２を横切るＦθ補正光ビーム２８の移動方向を示す。

変調された光ビーム１１．感光部材２２の運動および感光部材２２を横切る光ビ ーム２８の走査は像データが感光部材の上に形成されることを可能にする。この 像データは潜像の形をとり、該潜像はのちにトナーで現像されかつ１枚の紙また は透明材料に転写される。図１に示すレーザプリンタの要素すなわち構成要素１ ０．１６および２０は本発明の対象となる重要な要素である。

図２は系の種々の構成要素間の特定の寸法および角度を示した本発明の一実施態 様により構成されたレーザスキャナの詳細図である。図２によれば、光ビーム発 生器３０はレーザダイオード３２．拡大レンズ３４およびコリメータレンズ３６ を含む。レーザダイオード３２は７８０ｎｍの光波長で作動しかつ適切な手段に より像データに応じて変調される。

ホログラフィックディスク３８はモータ４０により回転されてレーザビームの移 動転向特性を提供する。このような回転ホログラフィックディスクはディスク３ ８の面の周囲の種々の位置に配置されたいくつかのホログラフィック領域で構成 されている。各ホログラフィックセクションは形成される像平面を横切って光ビ ームを所定の距離だけ移動可能である。この特定の実施態様においては、このホ ログラフィックディスク３８は像平面４２を横切ってレーザビームを１２インチ 転向させる。この回転ホログラフィックディスク３８の特定のパラメータおよび 構造技術は、これらの装置が当業者に周知であるので本発明には含まれない。

本発明に使用される特定のホログラフィックディスク３８は移動すなわち走査転 向方向に対し直角な方向においてレーザビームに６６°の固定転向を提供する。

図２において６６°の転向は３３°の角４４とおよび同様に３３°の角４６とに より与えられる。

転向された光ビーム４８はホログラフィックディスク３８を離れたのちに平行な 光ビームとなり、該平行な光ビームは収斂または発散しない。この平行ビームは 曲り補正器５０を通過するが、該曲り補正器５０はホログラフィックディスク３ ８の回転軸に対し９５°の角５２の方向に向けられた他のホログラフィックプレ ートである。光ビーム４８は曲り補正器５０に６２°の角５４で入り１曲り補正 器５０を４８°の角５６で出る。光ビーム４８Ａもまた平行光線からなる。

図２に示すＦθレンズ系２０はホログラフィックプレート５８および６０からな り、該ホログラフィックプレート５８および６０もまたホログラムすなわちホロ グラフィック光学要素といわれるものである。各プレートはとくにあるパラメー タで構成され、該パラメータはこれらのプレートを相互に協働させて光ビーム４ ８Ａを光ビーム６２とおよび光ビーム６４とに屈折させる。像平面４２上に形成 されたスポット６６の焦点は全走査距離にわたり適切に結ばれる。ホログラム５ ８は、距離６８で示されるところのホログラフィックディスク３８から１４５ｍ ｍの距離に位置決めされている。他の方向においては、ホログラム６０は、距離 ７０により示されるところの像平面から６４４．９ｍｍの距離に位置決めされて いる。２つのホログラム５８および６０の間の距離は２２．１ｍｍであり、これ は距離７２により示されている。

Ｆθレンズ２０は６１９ｍｍの焦点距離、Ｆ／７０の速度および±１４．３゜の 走査角を提供する総合パラメータを有する。Ｆθレンズにより提供される解像度 は像平面４２における１２インチの走査長さにわたり４００ｄｐｉを提供する。

図２かられかるように、ホログラム５８および６０は相互にオフセットされかつ ２つのホログラムの間のビーム６２の転向は角７６により示されかつこの角度は １５６に等しい。光ビームセクション６２は、ホログラム５８を通過する前の平 行な光ビーム４８Ａとは異なり拡大波面を有することを特徴とする。−力先ビー ムセクション６４はビームがホログラム６０を通過したのちに収斂波面特性を有 する。

この実施態様に使用される特定のホログラム５８および６０は以下に示すパラメ ータを特徴とする： ホログラム５８ Ｒ＋＝−８，３４０ｍｍ　偏心＝−１３６１，６３ｍｍＲ２＝＋６７９．７ｍｍ 　偏心＝０ ホログラム６０ Ｒｓ”　９，２１９ｍｍ　偏心＝＋１３６２．５２１ｍｍＲａ＝−３８８，１ｍ ｍ　偏心＝０ パラメータＲは、多重光ビームからの干渉パターン形成によりホログラフィック プレートを製作するのに使用される波面半径すなわち露出点光源からの有効距離 を示す。Ｒ１とＲ２の比は： Ｒ，／Ｒ，＝−８，３４０／６７９．７＝−１２，２７゜である。代表的なＦθ レンズの適用に対しては、ＲｏおよびＲ２は通常次の基準を満足するであろう。

Ｒ，＞　１０Ｒ２ Ｒ３とＲ４の比は： Ｒ−３／Ｒ４＝　９２１９／　３８８．１＝＋２３．７５゜である。代表的なＦ θレンズの適用に対しては、Ｒ３およびＲ４は通常次の基準を満足するであろう ： Ｒｓ＞２０Ｒ４ 上記のレーザ波面を有するＦθレンズ系に使用されるホログラフィックプレート の焦点距離は次のように表される： １／ｆｓａ＝７８０／４８８　（１／　８．３４０　１／６７９．７）。

または。

ｆ　５ｓ＝−３９３，５，および １／ｆ６゜＝７８０／４８８　（１／−９，２１９−１／−３８８，１）。

または ｆ６゜＝＋６４７．６゜ ｆ６０とｆ５ｇとの比は： ｆ６゜／ｆ５．＝６４７．６／−３９３，５＝−１，６４６゜代表的なＦθレン ズの適用に対しては、焦点距離の比は通常次の基準を満足するであろう： ２、　０＜ｆｓ。／ｆｒｖ＜　１．　０゜図３は本発明により構成されたホログ ラフィックレーザスキャナの一部分の平面図であり、ここではと（にスキャナの Ｆθレンズ部分が強調して示されている。回転ホログラフィックディスク８０は ビーム８４および８６で示す２つの両端縁位置の間でレーザビーム８２を転向さ せる。ビーム８４および８６は同時には発生しないが、ビーム８４および８６は 走査線８８に沿った最大転向の間のビーム位置を示し、これらはディスク８０の １回転の間に装置により数回形成される。図３に示すように、ビーム９０および ９２は拡大すなわち発散波面を有し３才たビーム９４および９６は収斂すなわち 収縮波面を有する。ホログラフィックプレート９８および１００は光学系のＦθ レンズを形成する。走査サイクルの他の部分の間では１回転ディスク８０の位置 に応じて光ビームは破線光ビーム１０２で示されるように２つの光ビーム端縁の 間のいずれかの位置をとるであろう。

図４は図３に示す転向系の側面図である。ホログラフィックプレート９８および １００のオフセットは１図４における角１０４で示されるように。ホログラフィ ックプレート間に形成される転向角１５°であることがわかる。

図５はホログラム９８および１００における光線の構成および方向の他の詳細図 を示す。ホログラフィックプレートの各々は２．３ｍｍ厚さのガラスのような透 明な基板材料から構成されている。ガラス基板１０６および１０８には重クロム 酸ゼラチンのようなエマルジョン材料が被覆され、該エマルジョン材料はその中 に干渉線が記録される層を形成する。これらのゼラチン層は図５に層１１０およ び１１２として示され、該層１１０および１１２は完成ホログラムがＦθレンズ 用に使用される方向に組み立てられたときに相互に対面している。線１１４およ び１１６により示されるように、ゼラチン層内に記録された干渉パターンは図５ に示すような異なる屈折方向を有する。線１１４は軸１１５の周りの弧セグメン トでありまた線１１６は軸１］−７の周りの弧セグメントであって、該軸１１７ は軸１１５に平行でかつオフセットされている。この方向は光ビーム１〕８を下 向き方向に屈折させてプレート９８を通過させかつプレート１００を通過したと き上向き方向に屈折させる。プレート１００を離れるビーム１２０は到達ビーム １１８にほぼ平行である。

本発明に使用されるホログラフィック光学要素は干渉パターンを記録することに よって形成可能であり、該干渉パターンは２つの異なる位置から放出される２つ のレーザビームの組合せから形成される。図６は本発明に使用されるホログラフ ィック光学要素の１つを形成するのに使用可能な構造幾何形状を示す。使用され た特定の寸法および値は特定の特性を有するホログラフィック光学要素のための ものであり、これはまた前述の実施態様においても機能するであろう。

図６によると、レーザ１５０は４８８μｍの波長を有する単色光ビーム１５２を 放出する。電子式制御シャッタ１５４は鏡１５６により反射されるレーザの光線 量を制御する。シャッタ１５４は音響光学装置であってよく、該音響光学装置は 適切な電圧が該装置にかけられたとき光の通過を遮断することができる。反射さ れた光ビーム１５８はビームスプリッタ−１６０に入りかつ光ビーム１６２およ び１６４のような２つの異なる光ビームの形で該ビームスプリッタ−１６０から 出るが、そのうちの光ビーム１６４は鏡１６６により反射されたものである。

空間フィルタ１６８および１７０はレーザビームをフィルムプレート１７２上に 投影する。下側の光路においては、光がフィルニブレート１フ２上に結像される 前に発散ビームを収斂ビームに変換するのに焦点レンズ１７４が使用されている フィルムプレートはゼラチン面１７６を含み、該ゼラチン面１７６内に干渉パタ ーンが露出されかつ記録される。この材料は重クロム酸ゼラチン、フォトレジス ト、臭化銀またはフォトポリマーであってよい。空間フィルタ１６８およびフィ ルムプレー１−１７２は距離１７８の間隔を有し、該距離１７８はこの特定の実 施態様においては６７９．７ｍｍである。レンズ１７４は、８，３４０ｍｍにお いて収斂しかつプレート１７２の方向に向けられた空間波面を形成する。

この波の傾斜角は９．２７°である。空間フィルタ１６８は２０倍の顕微鏡の対 物レンズとこのレンズクロージャ内の直径１０μｍのピンホールとで構成されて いる。空間フィルタ１７０は直径２５μｍのピンホールを有する１０倍の顕微鏡 対物レンズで構成されている。焦点レンズ１７４は８０．０ｍｍに等しい最小ク リア開口比とｉ、０９５ｍｍの焦点距離とを有するが、７５０ないし１，３５０ ｍｍの間の任意の焦点距離が使用可能である。

図７は本発明のＦθレンズに使用されるホログラフィック光学要素の他の実施態 様を形成するのに使用可能な構造幾何形状を示す。レーザ１８０は４８８μｍの 作動波長を有しかつレーザビームをシャッタ１８２を通過させて放出し、このビ ームは鏡１８４により反射される。ビームスプリッタ−１８６はレーザビームを ビーム１８８および１９０に分割する。ビーム】８８は鏡１９２によって反射さ れて鏡〕９４から反射されたビームに対し８．４１．’の傾斜角を形成する。

空間フィルタ１９６は直径２５μｍのピンホールを有する１０倍の顕微鏡対物レ ンズから構成されている。空間フィルタ１９８は直径１０μｍのピンホール開口 を有する４０倍の顕微鏡対物レンズから構成されている。焦点レンズ２００は９ ８．０ｍｍの最小クリア開口比と１，２９５ｍｍの焦点距離とを有するが、７５ ０ないし１．３５０ｍｍの範囲の焦点距離が使用可能である。焦点レンズ２００ は−９，２１９ｍｍの距離からの発散波面を形成し、該発散波面はホログラフィ ックプレート２０２の方向に向けられている。この発散波面とおよび空間フィル タ１９８からの光ビームとにより形成される干渉パターンはホログラフィックプ レート２０２上のゼラチン層２０４内に記録される。

高い開口数を有するホログラフィックプレートに対しては、非球面ホログラフィ ック光学要素を形成するために構造光学系内に非球面波面を使用することが望ま しい。これはこの目的のために設計されたガラスレンズを使用することによりま たはコンピュータ形成ホログラムを使用することによって達成可能である。図８ はこのタイプの方法に使用可能な構造幾何形状を示す。

図８によると、レーザ２０６は電子式シャッタ２０８を通過して光を放出し。

かつシャッタを通過する光ビームは鏡２１０により反射される。この光ビームは ビームスプリッタ−２１２により分割され、またビームの一方は鏡２１４により 反射される。レンズ２１６および２１８は拡大ビームを形成し、該ビームはコン ピュータ製作ホログラム２２０を通過させられる。フーリエ変換レンズ２２２は 光の大部分を開口２２４からフィルムプレート２２６へ屈折させる。屈折されな かった光はプレート２２８により遮蔽される。他方のレーザビームは空間フィル タ２３０と特注のガラスレンズ２３２とを通過してフィルムプレート２２６上に 焦点が結ばれる波面を形成する。

ここに開示された独特の光ビーム走査系は、すべてホログラフィック要素を使用 した経済的なスキャナの構造を可能にする。多要素ホログラフィックＦθレンズ によりこのようなスキャナに対して十分なＦθ補正が提供される。本発明の教示 から逸脱することなく上記の系において種々の変更態様が可能であることを強調 しておく。前記説明に含められかつ添付図面に示した内容はすべて単なる例示で あって制限的なものではないことを意味している。

国際調査報告 国際調査報告 ＵＳ　９００４９６９ ＳＡ　４０１５０ 「 ■ ゛　１ □ □

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．直線表面を横切って光ビームを移動するための光走査系において，前記系が ： 単色光の光源と； 直線表面を横切って光を走査させる方向に前記光のビームを変向させる変向手段 と；および 変向手段と直線表面との間の光ビーム経路内に配置されたＦθレンズであって相 互に光学的に協働する複数のホログラフィックプレートを含む該Ｆθレンズと； を含む直線表面を横切って光ビームを移動させるための光走査系。 ２．光ビームがＦθレンズの第１のホログラフィックプレートにより拡大波面を 有するビームに変換されかつ該拡大光ビームがＦθレンズの第２のホログラフィ ックプレートにより収斂波面を有するビームに変換される請求項１の光走査系３ ．Ｆθレンズの第１および第２のホログラフィックプレートが各々ほぼ等しい量 で光ビームを屈折する請求項１の光走査系。 ４．Ｆθレンズが次のパラメータを特徴とし：−２．０＜ｆ１／ｆ２＜−１．０ ， ここでｆ１は第１のホログラフィックプレートの焦点距離およびｆ２は第２のホ ログラフィックプレートの焦点距離である請求項１の光走査系。 ５．第１のホログラフィックプレートが次の条件を満足し：Ｒ１＞−１０Ｒ２， ここでＲ１およびＲ２は第１のホログラフィックプレートの２つの面の光学半径 である請求項２の光走査系。 ６．第２のホログラフィックプレートが次の条件を満足し：Ｒ３＞２０Ｒ４， ここでＲ３およびＲ４は第２のホログラフィックプレートの２つの面の光学半径 である請求項２の光走査系。 ７．第１のホログラフィックプレートが次のパラメータを特徴とし：Ｒ１＝−８ ３４０ｍｍ偏心１＝−１３６１．６３ｍｍＲ２＝＋６７９．７ｍｍ偏心２＝０ｍ ｍここでＲ１およびＲ２は第１のホログラフィックプレートの光学半径でありま た偏心値は第１のホログラフィックプレートの２つの半径に対応する請求項２の 光走査系。 ８．第２のホログラフィックプレートが次のパラメータを特徴とし：Ｒ３＝−９ ２１９ｍｍ偏心１＝＋１３６２．５２ｍｍＲ４＝−３８８．１ｍｍ偏心２＝０ｍ ｍここでＲ３およびＲ４は第２のホログラフィックプレートの光学半径でありま た偏心値は第２のホログラフィックプレートの２つの半径に対応する請求項２の 光走査系。 ９．直線表面を横切って光ビームを移動させるための光走査系であって，前記系 が： 単色光を形成するための手段と； 直線表面に沿って光ビームを走査させる方向にビームを変向させるための変向手 段と； 変向手段と直線表面との間の光ビーム経路内に配置された第１のホログラフィッ クプレートと； 第１のプレートと直線表面との間の光ビーム経路内に配置された第２のホログラ フィックプレートであって，前記第１および第２のプレートが，走査速度の直線 性とおよび直線表面を横切るビームのスポットサイズの均一性とを改善する光学 効果を形成するところの第２のホログラフィックプレートと；を含む直線表面を 横切って光ビームを移動させるための光走査系。 １０．光ビームが第１のホログラフィックプレートにより拡大波面を有するビー ムに変換され，また該拡大光ビームが第２のホログラフィックプレートにより収 斂波面を有するビームに変換され； 第１のホログラフィックプレートが次の条件を満足し：Ｒ１＞−１０Ｒ２， ここでＲ１およびＲ２が第１のホログラフィックプレートの２つの表面の光学半 径であり；および 第２のホログラフィックプレートが次の条件を満足し：Ｒ３＞２０Ｒ４， ここでＲ３およびＲ４が第２のホログラフィックプレートの２つの表面の光学半 径である： 請求項９の光走査系。 １１．光ビームに対して直角に向けられた直線表面を横切って光ビームを移動さ せるための光走査系において，前記系が：平行な単色光ビームを発生するための レーザ光源と；レーザ光源と直線表面との間に配置されて，直線表面を横切って ビームを走査させる方向にビームを変向させるための回転ホログラフィックディ スクと；ディスクと直線表面との間に配置された曲り補正ホログラフィックプレ ートと曲り補正プレートと直線表面との間の光ビーム経路内に配置され，該光ビ ームを拡大波面を有するビームに変換するための拡大ホログラフィックプレート と；および 拡大ホログラフィックプレートと直線表面との間の光ビーム経路内に配置されて ，該光ビームを収斂波面を有するビームに変換するための収斂ホログラフィック プレートと； を含み， 前記拡大ホログラフィックプレートが次の条件を満足し：Ｒ１＞−１０Ｒ２， ここでＲ１およびＲ２は拡大ホログラフィックプレートの２つの表面の光学半径 であり；および 前記収斂ホログラフィックプレートが次の条件を満足し：Ｒ３＞２０Ｒ４， ここでＲ３およびＲ４は収斂ホログラフィックプレートの２つの表面の光学半径 である； ところの光ビームに垂直に向けられた直線表面を横切って光ビームを移動させる ための光走査系。 １２．光ビームに垂直に向けられた感光面を横切って光ビームを移動させるため の光走査系において，前記系が： 平行な単色光ビームを発生するためのレーザ光源と；レーザ光源と感光面との間 に配置されて，感光面を横切ってビームを走査させる方向にビームを変向させる ための回転ホログラフィックディスクと；およびホログラフィックディスクと感 光面との間の光ビーム経路内に配置されたＦθレンズであって，相互に光学的に 協働する複数のホログラフィックプレートを含む核Ｆθレンズと； を含む光ビームに直角に向けられた感光面を横切って光ビームを移動させるため の光走査系。