JPH05107883A - 光書き込み装置および階調画像記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 書き込みの解度像を低下させることなく、ま
た、画像信号の転送速度やポリゴンスキャナーの回転速
度を上げず、また、光学系のコストアップを必要とせず
に階調数と階調の安定性に優れた階調画像の書き込み装
置をもつ階調画像記録装置を提供すること。 【構成】 画像信号によってオン／オフが制御されるレ
ーザービームを走査し、感光体１０上に集光して、静電
潜像を形成する光書き込み装置を備えた光書き込み装置
と階調画像記録装置である。レーザビームの光路中にあ
って、該ビームが通過する空間領域において画像階調信
号に基づき選択的に格子の生成と消滅を制御できる位相
格子を持つデバイス４を設け、該位相格子を通過するビ
ームに強度変調を行う。前記位相格子は、例えば電気光
学効果を有する結晶中に形成された屈折率の周期的変化
による位相格子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デジタル複写機または
プリンタ等の感光体に選択的に光を照射し、静電潜像を
形成する光書き込み装置に関するものであり、特に階調
表現を行うためにレーザービームの強度を変える光書き
込み装置およびそれを利用する階調画像記録装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来の光書き込み装置の概略構
成の説明図である。半導体レーザ１から出射されたビー
ムはコリメーターレンズ２によって平行光にされ、シリ
ンドリカルレンズ３によってポリゴンスキャナー７上に
副走査方向に集光される。そして、この集光されたビー
ムはポリゴンスキャナー７によって、感光体１０の回転
軸に沿って走査され、ｆθ結像光学系（ｆθレンズ８、
シリンドリカルミラー９）によって、感光体１０上で均
一な間隔のスポットとして集光され、静電潜像を形成す
る。

【０００３】このような光書き込み装置を用いた画像の
記録において、画像の高画質化のためには２値記録だけ
でなく、階調記録が行われる。その方法としては、図１
２に示すように、１つの画素を２値の出力を有する複数
のスポットによるマトリクスで構成し、画像に合わせて
その画素内におけるＯＮスポットの数と画素サイズを変
えて擬似的な中間調を表現したり（例えば特開昭６０−
２３６５７５号）、図１３に示すように、半導体レーザ
の発光時間を制御したり（例えば特開昭６２−３９９７
２号）、半導体レーザの駆動電流を制御して光出力を変
化させる例（特開昭６０−２０８１６５号公報）などが
知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これら従来の階調記録
方法にはそれぞれ次のような課題があった。まず、複数
のスポットで一つ画素を構成する方法は、一般にデイザ
法や濃度パターン法と呼ばれるものであるが、階調数を
増やすために１画素内のスポット数を増やすと、画像の
解像度が下がってしまう。階調数と解像度を両立させる
ためにはスポットサイズを小さくする必要があるが、ス
ポット径を小さくするためには、集光レンズの開口数Ｎ
Ａを大きくする必要があるため、光学系のコストアップ
につながる。また、光源のＬＤのファーフィールドパタ
ーンの形や光源系スペースの制約からの限界もある。ま
た、仮にスポットを小さくしてその密度を上げたとして
も、ポリゴンスキャナーの回転速度やデータの転送速度
も上げなくてはならない。

【０００５】また、半導体レーザの発光時間を制御する
方法は、特開昭６２−３９９７２号公報において開示さ
れている例のように、基準の三角波と画像信号を比較し
てパルス幅の変調信号を生成するものが知られている。
パルス幅の変調されたビームによるスポットは、感光体
上で露光の面積階調的挙動を示す。ところが、パルス幅
が短くなると、スポットによる露光は面積階調的挙動よ
りも、強度変調的挙動を示し、入力に対する出力階調に
非線形性が生じるとともに、有効な階調数が減少してし
まう。そこで、スポットサイズをできるだけ小さくしな
ければならない。しかし、スポットサイズを極力小さく
するための光学系が必要となるが、この場合もやはりコ
ストアップにつながり、その技術的限界もある。

【０００６】さらに半導体レーザの駆動電流を制御して
光出力を変化させる場合は、半導体レーザの特性上、電
流に対する光出力の変化が大きいため微妙な制御が要求
され、さらに動作温度の変化による光出力の変動も考慮
しなくてはならず、安定した階調制御が困難であった。

【０００７】その他、特開昭６１−６２２７６号公報に
開示されているように出力の異なる複数のビームを重ね
合わせて階調表現を行う例もあるが、光学系も複雑にな
り、階調数を増やすには、ビーム本数を増やさなくては
ならず、それら複数ビームの位置合わせの難しさや光学
系のコストアップにつながるという欠点があった。

【０００８】本発明は、これらの事情に鑑みてなされた
もので、書き込みの解度像を低下させることなく、ま
た、画像信号の転送速度やポリゴンスキャナーの回転速
度を上げず、また、光学系のコストアップを必要とせず
に階調数と階調の安定性に優れた階調画像の光書き込み
装置およびそれを備えた階調画像記録装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、画像信号によって
オン／オフが制御されるレーザービームを走査し、感光
体上に集光して、静電潜像を形成する光書き込み装置に
おいて、前記レーザビームの光路中にあって、該レーザ
ビームが通過する空間領域の一部または全部において画
像階調信号に基づき選択的に格子の生成と消滅を制御で
きる位相格子を設け、該位相格子を通過するビームの強
度変調を行う光書き込み装置、および、前記光書き込み
装置を備えた階調画像記録装置である。ここで前記位相
格子は、例えば電気光学効果を有する結晶中に形成され
た屈折率が周期的に変化する位相格子である。

【００１０】また、前記位相格子に入射するレーザビー
ムが電気光学結晶の端部から結晶内部に入射し、位相格
子が形成されている結晶の内面で全反射し、再び結晶外
部に出射するように、レーザビーム経路を構成すること
ができる。

【００１１】また、前記位相格子に入射するビームが、
電気光学結晶の基板上に形成された導波路内に導かれ、
導波路上に形成された位相格子を通過するように、その
レーザビーム経路を構成することができる。

【００１２】本発明で用いられる位相格子は電気光学的
効果を有する結晶または磁気光学的効果を有する結晶が
用いられる。

【００１３】

【作用】レーザー光源から出射されたビームが、平行光
にされた後に、位相格子に入射する。位相格子は画像情
報から得られる階調信号に従って、その生成と消滅の制
御が可能であるので、位相格子に入射したビームは階調
信号に従って生成した位相格子を通過する。この位相格
子を通過したビームは多次の回折光と０次光に分かれ、
それぞれの強度は、回折の度合い（つまり位相の変化を
受ける領域の割合）に応じて変調される。強度変調され
たビームは走査手段と集光手段によって感光体上を走査
しながらスポットとして集光される。その結果、階調表
現が可能な画像の書き込みが行われる。

【００１４】前記した位相格子に入射するレーザビーム
の偏光方向が、その回折方向と平行になるようにレーザ
ビームを入射させることによって、最大の回折効率を得
ることができる。

【００１５】また、レーザビームの空間的な強度分布に
応じて、位相格子を形成する電極のうち、同時に電圧を
印加する電極数をレーザビームの通過する位置ごとに変
え、電極とレーザビームの位置によらずに均等な割合で
光強度の変調を行うことができる。

【００１６】さらに、レーザビームの空間的な強度分布
に応じて、位相格子を形成する電極に与える電圧をレー
ザビームの通過する位置毎に変え、同様に均等な割合で
光強度の変調を行うことができる。

【００１７】

【実施例】

以下、本発明の具体的な実施例を図面と共に説明する。 実施例１ 電気光学結晶を位相格子として用い、結晶内部でのビー
ムの全反射を応用したデバイスについて説明する。図１
に本実施例による光書き込み装置の概略構成図を示す。
レーザー光源１は発光波長が例えば７８０ｎｍ程度の半
導体レーザであり、出射されたビームはコリメーターレ
ンズ２によって平行光にされる。平行光にされたビーム
はシリンドリカルレンズ３によって一方向に集光され
る。集光されたビームは電気光学結晶からなるデバイス
４の鏡面研磨された側面４ａからある角度をもって入射
し、デバイス４の内部の位相格子が形成される領域にあ
たる内面４ｂで最もビーム径が絞られ、該内面４ｂで全
反射し、やはり鏡面研磨された他方の側面４ｃから出射
する。このデバイス４の構造について以下に詳しく述べ
る。

【００１８】デバイス４の材質は１次の電気光学効果
（ポッケルス効果）を有する結晶であるＬｉＮｂＯ₃を
用いている。なお、前記ポッケルス効果を有する結晶と
して、その他にＬｉＴａＯ₃を用いることもできる。

【００１９】デバイス４の結晶の主面方位はＹ面であ
り、図２（ａ）に示すようにそのＹ面上にＺ軸方向に電
界が加わるように交差指状（櫛状でもよい。）のアルミ
ニウム電極１２が幅１０μｍ、ピッチ２０μｍで形成さ
れている。ここでは電極１２の数を１２８本とし、１本
おきの電極１２ａ（６４本）に０ボルト電圧を印加し、
その他の電極１２ｂ（６４本）に画像の階調信号に対応
した電圧を印加する。この電圧印加される６４本の電極
１２ｂは個別に電圧が印加できるように図２（ｂ）に示
す引き出し線１３を介して、それぞれ独立に引き出され
ている。もちろん、１２８本の全電極１２に個別に電圧
を印加できるように引き出すと、隣接する電極間に電界
が生じるように電圧印加パターンを制御することで１２
８本の格子をＯＮ／ＯＦＦする構造にすることもでき
る。そして、引き出された各配線１３は図示はしていな
い熱圧着によってＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）
と接続され、それぞれに固有の階調信号が入力される。
電極１２はＬｉＮｂＯ₃基板上に着膜したアルミニウム
薄膜をフォトリソグラフィによりパターニングし、エッ
チングして作製した。

【００２０】図２（ｂ）に示すようにデバイス４の結晶
のＸ軸方向に沿って入射したビームは、これらの電極１
２が形成されている結晶のＸ−Ｚ軸平面と平行な一方の
表面のちょうど内側の面で全反射する。結晶に入射する
ビームの偏光方向は、Ｚ軸方向に平行になるように調整
する。

【００２１】以下、デバイス４の結晶中におけるビーム
の挙動について述べる。入射したビームが結晶内面で全
反射するときの角度条件はＬｉＮｂＯ₃の屈折率（ｎ＝
２．２）から決められる。この場合、結晶内部反射面の
入射角θ₁が θ₁≧ｓｉｎ^-1（１／２．２）＝２７ｄｅｇ であれば、光損失がなく全反射することになる。

【００２２】階調信号に対応した電極１２に電圧が印加
されると、結晶内部の電極１２が形成されている平面の
近傍には、図３に示すような電界が形成される。電界が
形成された部分は電気光学効果によってＺ軸方向に入射
光の屈折率の変化を生じる。この屈折率の変化は電界の
かからない電極１２近傍では起こらず、電圧の印加され
た電極１２間のみで起こる。そして、電圧印加電極１２
ｂのピッチに応じた周期で電界による屈折率変化の格子
が形成され、ここを通過するビームにこの周期を持った
位相の変化を生じさせる。すなわち、電圧印加電極１２
ｂは位相格子として作用するわけである。

【００２３】位相格子を通過したビームは回折を生じ
る。ビームが後述するブラッグ条件を満たす角度でこの
位相格子に入射した場合、ブラッグ回折が発生し、出射
光は０次光と１次光の２つのみに分かれる（図１０参
照）。また、ビームが電極１２に沿った方向と同じ方向
であるＸ軸方向に平行（Ｘ−Ｚ軸平面に投影した場合）
に入射した場合はラマン・ナス回折が生じ、ビームは０
次光、１次光の他に２次光以上の多次光も発生する。こ
れらの回折の度合いを前記ＦＰＣを介して入力される階
調信号によってディジタル的に変化させ、ビームの強度
変調を行う。

【００２４】以下、このデバイス４でラマン・ナス回折
を発生させレーザービームの強度変調を行う場合につい
て説明する。このデバイス４において、回折の効率は電
圧を印加する電極１２ｂの数を調節して制御する。すな
わち、電圧を印加した電極１２ｂ近傍に入射するビーム
は、そこに生じた格子によって回折され、多次光成分と
０次光成分に別れるが、電圧を印加していない電極１２
ｂ近傍のビームは位相の変化を受けず素通りするため、
０次光成分のみとなる。この時の多次光成分もしくは０
次光成分を変調に用いる。以下、０次光成分を用いた変
調について具体的な手順を説明する。

【００２５】まず、図４に示すように、デバイス４のす
べての電極１２ｂ（交差指状電極１２のうちの１本おき
の電極１２ｂ（６４本））に電圧を印加して、各電極間
に電界を生じさせ、入射レーザビームに回折を起こさせ
た後、集光レンズ５によって０次光と多次光を結像し分
離する。ここで多次光を遮光部材６でカットし、０次光
のみが通過できるようにする。次に、０次光の光強度が
０になる電圧を駆動電圧とする（数１０Ｖ）。この状態
で電圧を印加する電極１２ｂの電極数を少なくして行く
と、その数に応じて、０次光の強度がディジタル的なス
テップで変化して大きくなる。

【００２６】ところで、入射するレーザービームの空間
的な強度分布は図５に示すように通常ガウス分布に近似
できる。そのため、ビームと格子の相対的な位置が変わ
ると、１本の格子当りに回折を起こさせた結果のビーム
の強度変化率が異なる。

【００２７】すなわち、本実施例の場合は、６４本の電
極１２ｂのうち、両端部に位置する電極１２ｂ（例えば
電極ＮＯ．０〜１０付近および電極ＮＯ．５５〜６４付
近）における電圧印加電極１２ｂは中央部に位置する電
極１２ｂ（例えば電極ＮＯ．２０〜４４付近）のそれに
比べてビームの強度変化に与える影響は小さい。そこ
で、図６に示すように、電極ＮＯ．０〜１０付近と電極
ＮＯ．５５〜６４付近での電圧印加電極による位相格子
の変化に対する光強度の変化は小さいが、それ以外の領
域では電圧印加電極による位相格子の変化に対する光強
度の変化はほぼ直線的になっている。

【００２８】この図６に示す関係に従って、所望の光強
度を得るために電圧を印加する電極１２ｂの配置位置と
数を予め定め、光強度が均等なステップで変化するよう
に調節することができる。すなわち、中央部の電極１２
ｂのみを使用して、その電圧印加を調整すると、その電
圧印加する電極数にほぼ比例して光強度が変化させるこ
とができる。また、両端部側の電極１２ｂを使用して光
強度を均等にステップ状に変化させるためには、中央部
の電極１２ｂの使用数より多くの数の電極１２ｂを変化
させなければならない。また、逆に光強度を微妙に変化
させるためには、両端部側の電極１２ｂの使用数を調整
することで階調ステップ数を多くすることができる。

【００２９】このように、階調信号に従って、予め決め
られた電極群に電圧を印加することによって所望の光強
度を得ることができる。

【００３０】実施例２ 実施例１ではラマン・ナス回折を発生させ、その時の０
次光を用いてその強度変調を行った。ここでは、第２の
実施例として多次光を用いた強度変調について説明す
る。図７に構成の概略を示す。実施例１で説明したもの
と同一のデバイス４に同じようにレーザビームを入射さ
せ、回折を発生させる。集光レンズ５によって０次光と
多次光を結像し分離する。ここで０次光を遮光部材１１
でカットし、多次光のみが通過できるようにする。多次
光の相対的な強度は、各電極１２ｂに電圧が印加されて
いないときに０になり、印加する電圧と共に上昇し、あ
る電圧で最大となる。この状態で電圧を印加する電極数
を変えて行くと、第１の実施例と同様にその電極数に応
じて、多次光の強度がディジタル的なステップで変化す
る。

【００３１】その挙動は実施例１に記載した０次光と丁
度、逆の傾きを持つ曲線関係を示す。そして、入射する
レーザビームの空間的な強度分布（ガウス分布）に合わ
せて、所望の光強度を得るために電圧を印加する電極１
２ｂの位置と数を定め、光強度が均等なステップで変化
するように調節することで直線性の良い階調表現が得ら
れる。

【００３２】また、印加する電圧を下げて、相対的な強
度を最大値以下で使用し、ビームの空間強度分布に合わ
せて、各電極１２ｂに印加する電圧を調節すれば、上記
の電極数を変える調整方法と同様な効果を得ることがで
きる。すなわち、両端部側の電極１２ｂの印加電圧を中
央部側の印加電圧より高くすることで、印加電圧分布を
持たせ、両端部側の電極１２ｂによる回折度合を中央部
側の電極１２ｂの回折度合より大きくすることで、電圧
を印加する電極位置にかかわらず、電極１２ｂ一本当た
りのＯＮによる光強度を均等なステップで変化させるこ
とができる（図８）。

【００３３】この場合には、中央部側の電極１２ｂに対
する印加電圧を下げるので、この部位の回折の効率が若
干下がるが、電極１２ｂを前述した例のようにグループ
で同時に動作させる必要がないため、同じ電極数のデバ
イスで得られる階調ステップ数を増やすことができる利
点がある。

【００３４】なお、多次光を用いて画像の書き込みをす
る場合には、ビームを単一のレンズで集光した場合に複
数のスポツトに分離してしまうため、これを感光体上の
一点に集光する複数のレンズを用いた光学系等によって
スポットを合成する必要がある。

【００３５】実施例３ 実施例１、２で説明した位相格子となるデバイスは、バ
ルク状態のＬｉＮｂＯ₃単結晶中にレーザビームを入射
させ、電極面近傍における位相格子が形成されている領
域での全反射を利用して回折を起こさせたものである
が、基本的に格子の生成と消滅が選択的に制御できる位
相格子によって回折を起こすことが可能なデバイスの素
材と構造であればこれに限定されるものではない。例え
ば図９に示すようにＬｉＴａＯ₃基板の上にＬｉＴａＯ₃
にＮｂを拡散して作った光導波路２０にビームを導き、
光導波路２０上に作製した交差指電極１２を階調信号に
従った電極群にグループ分けし、アドレッシングするこ
とにより、回折の効率を制御し、所望の０次光強度もし
くは１次強度を得ることができる。なお、前記交差指電
極１２は導波路２０の表面上にアルミニウム薄膜を着膜
し、フォトリソグラフィーによって、パターニングして
作製した。

【００３６】実施例１、２の場合は結晶のＺ軸に平行な
側面での全反射を利用するため、位相の変化を受ける領
域は電極１２近傍の反射箇所に限られるが、本実施例の
場合は電極１２の長さに等しい領域において、位相の変
化を受けることができる。そのため、この場合、位相格
子とビームが作用しあう領域の長さを長くとることが可
能となり、駆動電圧を低くすることができる利点があ
る。

【００３７】実施例４ 実施例１、２、３ではラマン・ナス回折による０次光と
多次光を利用した強度変調について説明した。実施例３
で説明したように、位相格子とビームが作用しあう領域
の長さを長くとることのできるデバイス構造において、
デバイス中に形成される位相格子の長さＬとそのピッチ
Ｐと入射するビームの波長λとの関係が ４π≦２πＬλ／ｎＰ² の条件を満たす場合はブラッグ回折が生じる。

【００３８】図１０に示すように、ブラッグ回折はビー
ムが格子に対してブラッグ角θ₂が θ₂＝ｓｉｎ^-1（λ／２Ｐ） を満たす角度で入射した場合に、０次光はそのままの方
向に素通りし、１次光は角度θ₂で格子で反射されたよ
うな形で偏向される。多次光としては１次光のみしか発
生しないため、この１次光を強度変調のビームとして用
いた場合、ラマン・ナス回折による複数のスポットにな
る多次光と違って、感光体上で一点に集光するための光
学系が不要であるという利点がある。

【００３９】

【発明の効果】本発明により、書き込みの解像度を低下
させることなく、また、画像信号の転送速度やポリゴン
スキャナーの回転速度を上げず、また、光学系のコスト
アップを必要とせずに階調数が上げられ、レーザー光源
の出力の不安定性に左右されずに階調の安定性に優れた
階調記録方法を提供することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の階調画像記録装置の構成の概略を説
明する図である。

【図２】 本発明の実施例１に用いた位相格子デバイス
の電極構造を説明する図である。

【図３】 本発明の実施例１に用いた位相格子デバイス
の中に形成された電界を説明する図である。

【図４】 本発明の実施例１における位相格子デバイス
によって回折を発生させた時の図である。

【図５】 本発明による実施例１の電圧印加電極の配置
位置と光強度（ガウス分布）の関係図である。

【図６】 本発明による実施例１の位相格子デバイスに
よる強度変調特性を示す図である。

【図７】 本発明による実施例２を説明する図である。

【図８】 本発明による実施例２の位相格子デバイスに
よる強度変調特性を示す図である。

【図９】 本発明による実施例３を説明する図である。

【図１０】 本発明による実施例４を説明する図であ
る。

【図１１】 従来の光書き込み装置の構成の概略を説明
する図である。

【図１２】 従来の多階調記録方法（マトリクス）によ
るスポットの露光位置を説明する図である。

【図１３】 従来の多階調記録方法（パルス幅変調）に
よるスポットの露光位置を説明する図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザー、２…コリメーターレンズ、３…シ
リンドリカルレンズ、４…位相格子デバイス、４ａ…位
相格子デバイスのビーム入射側端面、４ｂ…位相格子デ
バイスのビーム内部全反射面、４ｃ…位相格子デバイス
のビーム出射側端面、５…集光レンズ、６…多次光カッ
ト部材、７…ポリゴンスキャナー、８…ｆθレンズ、９
…シリンドリカルミラー、１０…感光体、１１…０次光
カット部材、１２…電極、２０…光導波路

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｆ 1/03 ５０５ 8106−2Ｋ Ｈ０４Ｎ 1/04 １０４ Ａ 7251−5Ｃ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像信号によってオン／オフが制御され
   るレーザービームを走査し、感光体上に集光して、静電
   潜像を形成する光書き込み装置において、 前記レーザビームが通過する空間領域の一部または全部
   において画像階調信号に基づき選択的に格子の生成と消
   滅を制御できる位相格子を前記レーザビームの光路中に
   設け、該位相格子を通過するビームの強度変調を行うこ
   とを特徴とする光書き込み装置。
2. 【請求項２】 前記位相格子が電気光学効果を有する結
   晶中に形成された屈折率が周期的に変化する位相格子で
   あることを特徴とする請求項１記載の光書き込み装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の光書き込
   み装置を備えたことを特徴とする階調画像記録装置。