JP3543506B2 - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ光源またはレーザ光源を１次元状あるいは２次元状に配列したＬＥＤアレイやレーザアレイ等の光源アレイを用いた光走査装置および画像形成装置に関し、特に、走査面あるいは画像形成面に照射される光ビームのスポット径を等しくした光走査装置および画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像形成装置として、例えば、図１８に示されるものがある。この画像形成装置１は、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｚに２次元状に配列された複数のレーザ光源２ａを有する半導体レーザアレイ２と、各レーザ光源２ａから光軸方向Ｘに出射された複数のレーザビーム３を集光点４ａに集光させる集光レンズ系４と、集光点４ａに集光された複数のレーザビーム３を感光体ドラム６の感光体面６ａ上に結像させる結像レンズ系５と、図示しない支持ローラによって回転可能に支持され、レーザビーム３によって露光されることにより静電潜像を形成する感光体ドラム６とを具備している。なお、７は画像信号を記憶した画像メモリ、８は画像メモリ７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力する信号処理回路、９は信号処理回路８から記録信号を入力してレーザアレイ２を駆動するレーザ駆動回路、１０はレーザ駆動回路９に制御信号を出力してレーザアレイ２の駆動を行わせる制御回路である。
【０００３】
このように構成された画像形成装置１において、信号処理回路８が、画像メモリ７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力すると、レーザ駆動回路９は、制御回路１０の制御の下に、信号処理回路８から記録信号を入力してレーザアレイ２を駆動する。レーザアレイ２の各レーザ光源２ａからはレーザビーム３が出射される。各レーザ光源２ａから出射されたレーザビーム３は、集光レンズ系４によって集光点４ａに集光され、結像レンズ系５によって感光体面６ａ上に結像される。感光体ドラム６は、レーザビーム３によって露光されることにより静電潜像を形成する。
【０００４】
また、従来の他の画像形成装置として、例えば、特開平７−３１４７７１号公報に示されるものがある。この画像形成装置は、光源の位置精度を高めるために、従来、複数のＬＥＤ光源が形成されたＬＥＤチップを複数貼り合わせて製作していたＬＥＤアレイを、感光体の幅よりも小さい幅の単一の基板上に複数のＬＥＤ光源を一列に配列して構成し、各ＬＥＤ光源からのレーザビームを感光体上に投影するために、配列方向の光の幅を感光体の幅まで拡大する凸レンズを有する光学系を設けている。これにより、単一の基板上に配列したＬＥＤ光源からのレーザビームを感光体面上に感光体の幅まで拡大投影し、書き込みを行うことができる。また、単一の基板上にＬＥＤ光源を形成することで、貼り合わせによる位置精度の誤差がなくなるという利点がある。
【０００５】
また、従来の他の画像形成装置として、例えば、特開平８−６２５３１号公報に示されるものがある。この画像形成装置は、仮にレーザアレイのスポットが一直線でない場合でも、感光体面上で一直線に補正できる光学系を備えたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１８に示す従来の画像形成装置１によると、各光源２ａが同様に構成されていたため、光源２ａからのレーザビーム３を凸レンズを有する集光レンズ系４および結像レンズ系５を介して感光体面６ａ上に結像する場合に、各々の光源２ａの中心位置をアレイ２の製作方法または光学系によって補正できたとしても、レンズ系４，５の球面収差等の影響を受け、図１９に示すように、各結像点（焦点）５ａを結ぶ実際の焦点面５ｂが感光体面６ａ上から光軸方向Ｘにずれてしまい、両側で解像度が劣化するという問題がある。
すなわち、光軸中心３０にある光源２a0から出射されたレーザビーム３は、図１９に示すように、感光体面６ａ上に焦点５ａが形成されるが、光軸中心３０にある光源２a0から主走査方向Ｙに沿って離れた位置にある光源２akから出射されたレーザビーム３は、本来感光体面６ａ上に結像すべきものが手前で焦点５ａが形成され、その結果、感光体面６ａ上に所望のスポット径Ｄよりも太いスポット径（Ｄ＋α）が照射されることとなる。これは光源２ａが、ＬＥＤ光源でも同様である。この焦点５ａのずれΔｘ（ｙ）は、光軸中心３０から離れた位置に配置された光源２ａほど大きくなる。従って、光源２ａの位置精度を高めただけでは、解像度の均一な画像を得ることはできない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、解像度の均一化を図り、高品質な画像を得ることのできる光走査装置および画像形成装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光走査装置は、複数の光ビームによって走査面を走査する光走査装置において、前記複数の光ビームを出射する複数の光源が２次元状に配列された光源アレイと、前記複数の光ビームを前記走査面に集光させる光学手段とを備え、前記光源アレイの前記複数の光源は、主走査方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の主走査方向基線と、前記主走査方向基線に対し角度θを有して所定の間隔で設けられた複数のθ方向基線との各交点に設けられ、前記走査面上で同一のスポット径が得られるように前記主走査方向に沿ってニアフィールドパターン径が変化する構成を有することを特徴とする光走査装置を提供する。
【０００９】
また、上記目的を達成するために本発明の画像形成装置は、画像信号に応じて変調された複数の光ビームによって画像形成面を走査して前記画像形成面に画像を形成する画像形成装置において、前記複数の光ビームを出射する複数の光源が２次元状に配列された光源アレイと、前記複数の光ビームを前記画像形成面に集光させる光学手段と、前記画像形成面に配置され、前記複数の光ビームに応じた静電潜像を形成する画像形成体とを備え、前記光源アレイの前記複数の光源は、主走査方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の主走査方向基線と、前記主走査方向基線に対し角度θを有して所定の間隔で設けられた複数のθ方向基線との各交点に設けられ、前記画像形成面上で同一のスポット径が得られるように前記主走査方向に沿ってニアフィールドパターン径が変化する構成を有することを特徴とする画像形成装置を提供する。
【００１０】
上記各構成によれば、複数の光源は、光学手段の焦点位置に対する複数の光ビームの走査面あるいは画像形成面上の非合焦度合いに応じたニアフィールドパターン径を有することにより、走査面あるいは画像形成面に照射される光ビームのスポット径を等しくすることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の原理を説明するための図である。
この発明に係る画像形成装置１１は、複数の光ビームを出射する複数の光源１２ａが１次元状あるいは２次元状に配列された光源アレイ１２を備えている。この光源アレイ１２の複数の光源１２ａは、主走査方向Ｙの中央の光源１２ａから両端部の光源１２ａにかけてニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有している。感光体ドラム１６の感光体面１６ａは、レンズ系１４，１５によって形成される中央の光源１２ａの焦点１５ａに配置される。
このように構成することで、光源アレイ１２から画像信号に応じて変調された複数の光ビームを出射すると、中央の光源１２ａから出射された光ビーム１３は、感光体面１６ａ上の焦点１５ａで像を結ぶ。端部の光源１２ａから出射された光ビーム１３は、感光体面１６ａの手前の焦点１５ａで像を結んだ後、除々に太くなり、感光体面１６ａ上では中央のスポット径Ｄと等しいスポット径Ｄを形成する。
【００１２】
図２は本発明の実施の形態に係る画像形成装置を示す構成図である。
この画像形成装置１１は、ｎ×ｍ個（例えば、数千個以上）のレーザ光源１２ａをアレイ状に配置し、各レーザ光源１２ａからレーザビーム１３を同時に独立して出射可能な半導体レーザアレイ１２（１２Ａ乃至１２Ｆ）と、各レーザ光源１２ａから出射された複数のレーザビーム１３を集光点１４ａに集光させる集光レンズ系１４と、集光点１４ａに集光された複数のレーザビーム１３を走査面としての感光体面１６ａ上に結像させる結像レンズ系１５と、図示しない支持ローラによって回転可能に支持され、レーザビーム１３によって露光されることにより静電潜像を形成する感光体ドラム１６と、画像信号を記憶した画像メモリ１７と、画像メモリ１７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力する信号処理回路１８と、信号処理回路１８から記録信号を入力してレーザアレイ１２を駆動する駆動信号を出力するレーザ駆動回路１９と、レーザ駆動回路１９に制御信号を出力してレーザアレイ１２の駆動を行わせる制御回路２０とを具備している。なお、同図において、Ｘは光軸方向、Ｙは主走査方向、Ｚは副走査方向をそれぞれ示し、ａはレーザアレイ１２の表面と集光レンズ系１４との距離、ｂは集光レンズ系１４と感光体面１６ａとの距離をそれぞれ示す。また、レーザアレイ１２の１つのレーザ光源１２ａは、主走査方向Ｙの１つの画素に対応している。
【００１３】
感光体ドラム１６は、光軸中心１３０にある光源１２a0から出射されたレーザビーム１３の結像点（焦点）１５ａが感光体面１６ａと一致するように位置決めされている。また、この光記録装置１１は、感光体ドラム１６の周囲に、帯電器，現像器，転写器等を設け、転写器の前段には給紙部、転写器の後段には定着器，排紙部等を設けている。これらの各ユニットは、説明上図示していない。
【００１４】
図３はレーザアレイ１２の構造を説明するための図であり、同図（ａ）はその要部斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部詳細図である。
レーザアレイ１２は、n-GaAsの半導体基板１２０を有し、半導体基板１２０の裏面にｎ型電極１２１を形成し、半導体基板１２０の表面に、Al0.15Ga0.85AsとAlAsとを交互に多層に積層したｎ型ミラー層１２２、GaAs量子井戸層を上下のAl0.3Ga0.7Asで挟み込んで形成された発光層を含む活性層１２３、Al0.15Ga0.85AsとAlAsとを交互に多層に積層したｐ型ミラー層１２４及びレーザビーム１３を面発光状態で出射する複数の発光孔１２５が形成されたｐ型電極１２６をこの順に形成し、活性層１２３（あるいはｐ型ミラー層１２４）にプロトンを注入して高抵抗領域１２７を形成し、ｐ型電極１２６、ｐ型ミラー層１２４および活性層１２３を分離溝１２８により分離して複数の光源１２ａを形成している。
ｐ型ミラー層１２４の分離溝１２８間にはエアポスト（後述する図５参照）Ｅが形成されており、Ｅｙは、主走査方向Ｙのエアポスト半径、Ｅｚは、副走査方向Ｚのエアポスト半径を示す。また、活性層１２３の高抵抗領域１２７間には電流狭窄部（後述する図５参照）Ｓが形成されており、Ｓｙは主走査方向Ｙの電流狭窄半径、Ｓｚは副走査方向Ｚの電流狭窄半径を示す。
【００１５】
図４は第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａの要部正面図、図５はレーザアレイ１２Ａの主走査方向Ｙの要部断面図である。
このレーザアレイ１２Ａは、主走査方向Ｙに沿って所定の間隔で設けられたｎ本のＹ方向基線Ｎと、Ｙ方向基線Ｎに対し角度θを有して所定の間隔で設けられたｍ本のθ方向基線Ｍとの各交点にｎ×ｍ個の発光孔１２５を設けている。各発光孔１２５は、光軸中心１３０を通るθ方向基線Ｍo 上のレーザ光源列を起点として、主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、小さくなるように形成している。また、同じθ方向基線Ｍ上にある発光孔１２５の大きさは等しくしている。
【００１６】
図６は第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａの光源１２ａのニアフィールドパターンを示す図である。同図において、ｒは光源１２ａのニアフィールドパターン半径（ピーク強度の１／ｅ2 における半径）を示す。発光孔１２５を主走査方向Ｙに沿って離れるに従って小さくなるように形成することにより、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒは、光軸中心１３０から離れるもの程小さくなる。
例えば、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを２μｍ、距離ｂと距離ａとの比（ｂ／ａ）を６とすると、感光体面１６ａ上でのニアフィールドパターン半径Ｒは、１２μｍとなる。
【００１７】
図７は第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａの異なる位置の光源１２ａから出射されるレーザビーム１３の比較を示す図である。
光軸中心１３０にある光源１２a0のニアフィールドパターン半径をｒ0 、光軸中心１３０から離れた位置にある光源１２akのニアフィールドパターン半径を半径ｒ0 より小さいｒk とする。
光軸中心１３０にある光源１２a0は、焦点面１５ｂ上に半径Ｒ0 （＝ｒ0 ×（ｂ／ａ））の像を形成する。一方、ニアフィールドパターン半径ｒk の光源１２akは、焦点面１５ｂに半径Ｒk （＝ｒk ×（ｂ／ａ）の像を形成した後、次第に太り、所定の距離Ｌの位置では、半径Ｒ0 と等しいスポット半径Ｗk を形成する。
【００１８】
Ｗk とＲk との間には、以下の式（１）乃至式（５）に示す関係があるので、これを解くと、焦点１５ａと感光体面１６ａとのずれΔｘ（ｙ）に対応する光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒk が得られる。これを以下の式（６）に示す。
Ｗk 2 ＝Ｒk 2 （１＋（λＬ／πＲk 2 ）2 ） …（１）
【数１】
Ｒk ＝ｒk ×（ｂ／ａ） …（３）
Ｗk ＝ｒ0 ×（ｂ／ａ） …（４）
Ｌ＝Δｘ（ｙ） …（５）
【数２】
【００１９】
上記式（６）より、光軸中心１３０にある光源１２a0以外の他の各光源１２akのニアフィールドパターン半径ｒk を球面収差による焦点１５ａの光源１２ａ側へのずれΔｘ（ｙ）がＬと等しくなるように設定することで、全ての光源１２ａにおいて常に感光体面１６ａ上で同一のスポット径を得ることができる。
【００２０】
次に、本装置１１の動作を説明する。
信号処理回路１８が、画像メモリ１７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力すると、レーザ駆動回路１９は、制御回路２０の制御の下に、信号処理回路１８から記録信号を入力してレーザアレイ１２を駆動する。レーザアレイ１２の各レーザ光源１２ａからはレーザビーム１３が出射される。各レーザ光源１２ａから出射されたレーザビーム１３は、集光レンズ系１４によって集光点１４ａに集光され、結像レンズ系１５によって感光体面１６ａ上に結像される。感光体ドラム１６は、レーザビーム１３によって露光されることにより静電潜像を形成する。その後は、静電潜像は、現像器によってトナー現像され、そのトナー像が転写器によって給紙部から給紙された記録用紙に転写され、さらに定着器によって定着された後、記録用紙は排紙部へと送られる。
【００２１】
次に、本装置１１の効果を図８を参照して説明する。
図８は感光体面１６ａと焦点面１５ｂとの位置関係および感光体面１６ａ上のスポットを示す図である。
本装置１１によれば、図８に示すように、光軸中心１３０の光源１２a0からのレーザビーム１３がレンズ系１４，１５によって形成される焦点１５ａに感光体面１６ａを配置させた場合、レンズ系１４，１５の球面収差等によって光軸中心１３０の光源１２a0から主走査方向Ｙに離れた光源１２akからのレーザビーム１３の焦点１５ａが感光体面１６ａの手前で形成されても、光源１２ａのニアフィールドパターン径ｒをレンズ系１４，１５の球面収差等による感光体面１６ａからのずれ量をキャンセルするように設定することで、常に感光体面１６ａ上で同一のスポット径Ｄを得ることができるため、均一な解像度を有する画像を得ることができる。
また、レンズ系１４，１５の球面収差等を光源１２ａ側で補正可能となるため、安価なレンズを使用することができ、ひいてはコストダウンを図ることができる。
【００２２】
図９は第２の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｂの要部正面図である。
第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａでは、レンズ系１４，１５に球面収差があるときでも、複数の光源１２ａが感光体面１６ａ上に形成するスポット径Ｄが等しくなるが、ニアフィールドパターン半径ｒを変化させると、レーザビーム１３の周波数をλとした場合、光源１２ａの出射角ｕが次の式（７）のように変化する。
ｔａｎ（ｕ）＝（２λ）／（πｒ） …（７）
すなわち、レーザビーム１３の周波数λを一定とした場合、半径ｒが小さくなると、出射角ｕは大きくなる。第１の実施の形態のように、光軸中心１３０から主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、半径ｒを小さくした場合、最も端の光源１２ａの出射角ｕが最大となるため、最も端の光源１２ａからのレーザビーム１３が結像レンズ系１５でけられるおそれがある。また、光路中にスリット（ピンホール）を用いた光学系の場合、広がり角が大きいほどスリット（ピンホール）でけられる光量が多くなるため、感光体面１６ａ上で得られるビーム強度が不均一になるおそれがある。これらを防ぐために、第２の実施の形態では、半径ｒが変化しても出射角ｕが変化しないようにしたものである。
【００２３】
このレーザアレイ１２Ｂは、図９に示すように、第１の実施の形態と同様に発光孔１２５が、光軸中心１３０にある光源１２a0を起点として光軸中心１３０から主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、除々にあるいは段階的に小さくなるように設定し、さらに、光源１２ａからのレーザビーム１３の出射角ｕは、λ／ｒで決まるので、出射角ｕが全ての光源１２ａにおいて同一となるように、各光源１２ａからの波長λも光軸中心１３０にある光源１２a0を起点として、光軸中心１３０から主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、除々にあるいは段階的に小さくなるように設定している。
【００２４】
なお、波長λを短くするには、例えば、ミラー層１２１，１２３の膜厚を薄くすることで実現できる。また、発光孔１２５を除々に小さくする場合には、ミラー層１２１，１２３の膜厚分布が光軸中心１３０で最大となり、周辺に行くに従い薄くなるように形成することで実現できる。発光孔１２５が段階的に小さくなる場合や波長差を大きくとりたい場合には、発光孔１２５の大きさに合わせた波長λのレーザアレイチップを数個製作し、これを張り合わせてレーザアレイ１２Ｂを形成すればよい。同図において、θ方向基線Ｍ0 上の光源１２a0からのレーザビーム１３の波長をλ0 、θ方向基線Ｍ1 上の光源１２ａからのレーザビーム１３の波長をλ1 、θ方向基線Ｍ2 上の光源１２ａからのレーザビーム１３の波長をλ2 とすると、λ0 ＞λ1 ＞λ2 の関係にある。なお、レーザビーム１３が結像レンズ系１５でけられるおそれのある端部近傍の光源１２ａのみのレーザビーム１３の出射角ｕを小さくするようにしてもよい。
【００２５】
図１０は第２の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｂの異なる位置の光源１２ａから出射されるレーザビーム１３を示す。
このレーザアレイ１２Ｂの場合も、光軸中心１３０にある光源１２a0とこれよりニアフィールドパターン半径ｒの小さい光源１２ａとは、焦点面１５ｂ上に異なるビーム径を形成するが、出射角ｕは同一である。半径ｒk の光源１２akからのレーザビーム１３は、焦点面１５ｂでスポット径ｒk ×（ｂ／ａ）となった後、除々に太り、ある位置で光軸中心１３０にある光源１２a0で形成されるスポット径と等しくなる。この位置を焦点距離＋Ｌの位置とすると、光源１２ａからの焦点１５ａは、光軸中心１３０から離れた位置にある光源１２ａほど球面収差によってΔｘ（ｙ）だけ光源１２ａ側にシフトするので、Ｌとシフト量Δｘ（ｙ）が等しくなるように光源１２ａの半径ｒを設定すればよい。設定の条件は、第１の実施の形態で示した数式で得られる。
【００２６】
この第２の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｂによれば、レンズ系１４，１５の球面収差等があっても感光体面１６ａ上で同一のスポット径Ｄを得ることができ、レーザビーム１３が結像レンズ系１５でけられることがなくなる。また、光路中にスリット（ピンホール）を用いた光学系においても、ビーム広がり角が一定であるため、スリット（ピンホール）でけられる光量がほぼ同一となり、光強度も安定する。
【００２７】
図１１は第３の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｃの要部正面図である。
このレーザアレイ１２Ｃは、ニアフィールドパターン半径ｒを主走査方向Ｙのみ変化させ、複数の光源１２ａの発光孔１２５を副走査方向Ｚを長軸とする楕円としたものである。この場合、感光体面１６ａに形成されるスポット形状は、楕円となる。また、図示は省略するが、ニアフィールドパターン半径ｒを副走査方向Ｚのみ変えてもよい。また、主走査方向Ｙあるいは副走査方向Ｚのニアフィールドパターン半径ｒを異なる比で変化させて構成してもよい。結像レンズ系１５の拡大／縮小倍率が、主走査方向Ｙと副走査方向Ｚとで異なる場合に有効である。
【００２８】
図１２は第４の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｄの正面図である。
このレーザアレイ１２Ｄは、最も端のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａを起点として光軸中心１３０に向かうに従い、除々にあるいは段階的に光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒが小さくなるように形成したものである。この場合、感光体面１６ａは、図１３に示すように、最も端のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａからのレーザビーム１３の焦点１５ａと一致するように設定する。
この第４の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｄによれば、第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａと同様の効果を奏する。
【００２９】
図１４は第５の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｅの要部正面図である。
このレーザアレイ１２Ｅは、光軸中心１３０と両端の中間の所定の２つの位置にある光源１２a2を起点とし、光軸中心１３０及び端に向かうに従って光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒが小さくなるように形成したものである。この場合、感光体面１６ａは、図１５に示すように所定の２つの位置にある光源１２a2の焦点１５ａと一致するように設定する。
この第５の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｅによれば、第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａと同様の効果を奏する。
【００３０】
図１６は第６の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｆの要部正面図である。
第１乃至第５の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａ乃至１２Ｅは、同一のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを等しくしたが、このレーザアレイ１２Ｆは、同一のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａであっても、光軸中心１３０を起点とし、主走査方向Ｙの位置に従ってニアフィールドパターン半径ｒを変化させたものである。同図では小さくさせた場合を示しているが、大きくさせる場合も同様に適用できる。
この第６の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｆによれば、第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａと比較してより均一な解像度を得ることができる。
【００３１】
次に、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを変化させる他の方法を説明する。
ニアフィールドパターン半径ｒを変化させる方法として発光孔１２５の径を変化せる方法について説明したが、電流狭窄部Ｓ又はエアポストＥを変化させてもよい。電流狭窄部Ｓ又はエアポストＥの形状は、上記図３では矩形の場合を示したが、楕円または円形でもよい。また、ミラー層（エアポストＥ）１２２，１２４を酸化，プロトン注入，拡散等の方法によって電流狭窄部Ｓを形成し、これを変化させてもよい。活性層１２３の電流狭窄部Ｓは、上記図３ではプロトン注入によって形成しているが、酸化，拡散等の方法によってもよい。端面発光型のレーザであれば、電流狭窄部Ｓ，活性層１２３の膜厚を変化させればよい。
【００３２】
図１７は主走査方向Ｙに沿ってエアポストＥを異ならせることで、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを変化させた例を示す図である。同図では、エアポストＥは、主走査方向Ｙに沿って異なるが、発光孔１２５の径は、同一である。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々な実施の形態が可能である。
例えば、上記実施の形態では、複数の光源を２次元状に配列した光源アレイについて説明したが、複数の光源を主走査方向に１次元状に配列した光源アレイについても本発明は同様に実施可能である。
また、上記実施の形態では、光源アレイとしてレーザアレイについて説明したが、ＬＥＤ光源を主走査方向に１次元状あるいは主走査方向および副走査方向に２次元状に配列したＬＥＤアレイについても本発明は同様に実施可能である。この場合は、ＬＥＤの発光部の面積を主走査方向に沿って異ならせればよい。
また、上記実施の形態では、感光体ドラムを記録媒体としたが、他の光記録媒体であってもよい。
また、上記実施の形態では、画像形成装置について説明したが、記録媒体に記録された記録情報や物体の形状を読み取る光走査装置にも本発明は、同様に適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、複数の光源が、光学手段の焦点位置に対する複数の光ビームの走査面あるいは画像形成面上の非合焦度合いに応じたニアフィールドパターン径を有することにより、走査面あるいは画像形成面に照射される光ビームのスポット径を等しくすることが可能となるので、解像度の均一化が図れ、高品質な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図
【図２】本発明の実施の形態に係る画像形成装置を示す構成図
【図３】レーザアレイの構造を示す図であり、同図（ａ）はその要部斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部詳細図
【図４】第１の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図５】第１の実施の形態に係るレーザアレイの主走査方向の要部断面図
【図６】第１の実施の形態に係る光源のニアフィールドパターンを示す図
【図７】第１の実施の形態に係るレーザアレイの異なる位置の光源から出射されるレーザビームを示す図
【図８】第１の実施の形態に係る感光体面と焦点面との位置関係を示す図
【図９】第２の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１０】第２の実施の形態に係るレーザアレイの異なる位置の光源から出射されるレーザビームを示す図
【図１１】第３の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１２】第４の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１３】第４の実施の形態に係る感光体面と焦点面との位置関係を示す図
【図１４】第５の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１５】第５の実施の形態に係る感光体面と焦点面との位置関係を示す図
【図１６】第６の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１７】主走査方向に沿ってエアポストを異ならせることで、光源のニアフィールドパターン半径を変化させた例を示す図
【図１８】従来の画像形成装置を示す図
【図１９】従来の画像形成装置の問題点を示す図
【符号の説明】
１１ 画像形成装置
１２，１２Ａ乃至１２Ｆ 半導体レーザアレイ
１２ａ レーザ光源
１２a0 光軸中心にある光源
１２ak 光軸中心から離れた位置にある光源
１２a2 光軸中心と両端の間に位置する光源
１３ レーザビーム
１４ 集光レンズ系
１４ａ 集光点
１５ 結像レンズ系
１５ａ 焦点
１６ 感光体ドラム
１６ａ 感光体面
１７ 画像メモリ
１８ 信号処理回路
１９ レーザ駆動回路
２０ 制御回路
１２０ 半導体基板
１２１ ｎ型電極
１２２ ｎ型ミラー層
１２３ 活性層
１２４ ｐ型ミラー層
１２５ 発光孔
１２６ ｐ型電極
１２７ 高抵抗領域
１２８ 分離溝
１３０ 光軸中心
ａ レーザアレイの表面と集光レンズ系との距離
ｂ 集光レンズ系と感光体面との距離
Ｄ スポット径
Ｅ エアポスト
Ｅｙ 主走査方向のエアポスト半径
Ｅｚ 副走査方向のエアポスト半径
Ｌ 焦点と感光体面との距離
Ｍ θ方向基線Ｍ
Ｍｏ 光軸中心を通るθ方向基線
Ｎ Ｙ方向基線
ｒ 光源のニアフィールドパターン半径
ｒ0 光軸中心にある光源のニアフィールドパターン半径
ｒk 光軸中心から離れた位置にある光源のニアフィールドパターン半径
Ｒ 感光体面上でのニアフィールドパターン半径
Ｒ0 半径ｒ0 の光源が焦点面上に形成する像の半径
Ｒk 半径ｒk の光源が焦点面上に形成する像の半径
Ｓ 電流狭窄部
Ｓｙ 主走査方向の電流狭窄半径
Ｓｚ 副走査方向の電流狭窄半径
ｕ 光源の出射角
Ｗk 半径ｒk の光源が感光体面に形成するスポット半径
Ｘ 光軸方向
Ｙ 主走査方向
Ｚ 副走査方向
Δｘ（ｙ） 焦点のずれ
λ レーザビームの周波数
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ光源またはレーザ光源を１次元状あるいは２次元状に配列したＬＥＤアレイやレーザアレイ等の光源アレイを用いた光走査装置および画像形成装置に関し、特に、走査面あるいは画像形成面に照射される光ビームのスポット径を等しくした光走査装置および画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像形成装置として、例えば、図１８に示されるものがある。この画像形成装置１は、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｚに２次元状に配列された複数のレーザ光源２ａを有する半導体レーザアレイ２と、各レーザ光源２ａから光軸方向Ｘに出射された複数のレーザビーム３を集光点４ａに集光させる集光レンズ系４と、集光点４ａに集光された複数のレーザビーム３を感光体ドラム６の感光体面６ａ上に結像させる結像レンズ系５と、図示しない支持ローラによって回転可能に支持され、レーザビーム３によって露光されることにより静電潜像を形成する感光体ドラム６とを具備している。なお、７は画像信号を記憶した画像メモリ、８は画像メモリ７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力する信号処理回路、９は信号処理回路８から記録信号を入力してレーザアレイ２を駆動するレーザ駆動回路、１０はレーザ駆動回路９に制御信号を出力してレーザアレイ２の駆動を行わせる制御回路である。
【０００３】
このように構成された画像形成装置１において、信号処理回路８が、画像メモリ７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力すると、レーザ駆動回路９は、制御回路１０の制御の下に、信号処理回路８から記録信号を入力してレーザアレイ２を駆動する。レーザアレイ２の各レーザ光源２ａからはレーザビーム３が出射される。各レーザ光源２ａから出射されたレーザビーム３は、集光レンズ系４によって集光点４ａに集光され、結像レンズ系５によって感光体面６ａ上に結像される。感光体ドラム６は、レーザビーム３によって露光されることにより静電潜像を形成する。
【０００４】
また、従来の他の画像形成装置として、例えば、特開平７−３１４７７１号公報に示されるものがある。この画像形成装置は、光源の位置精度を高めるために、従来、複数のＬＥＤ光源が形成されたＬＥＤチップを複数貼り合わせて製作していたＬＥＤアレイを、感光体の幅よりも小さい幅の単一の基板上に複数のＬＥＤ光源を一列に配列して構成し、各ＬＥＤ光源からのレーザビームを感光体上に投影するために、配列方向の光の幅を感光体の幅まで拡大する凸レンズを有する光学系を設けている。これにより、単一の基板上に配列したＬＥＤ光源からのレーザビームを感光体面上に感光体の幅まで拡大投影し、書き込みを行うことができる。また、単一の基板上にＬＥＤ光源を形成することで、貼り合わせによる位置精度の誤差がなくなるという利点がある。
【０００５】
また、従来の他の画像形成装置として、例えば、特開平８−６２５３１号公報に示されるものがある。この画像形成装置は、仮にレーザアレイのスポットが一直線でない場合でも、感光体面上で一直線に補正できる光学系を備えたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１８に示す従来の画像形成装置１によると、各光源２ａが同様に構成されていたため、光源２ａからのレーザビーム３を凸レンズを有する集光レンズ系４および結像レンズ系５を介して感光体面６ａ上に結像する場合に、各々の光源２ａの中心位置をアレイ２の製作方法または光学系によって補正できたとしても、レンズ系４，５の球面収差等の影響を受け、図１９に示すように、各結像点（焦点）５ａを結ぶ実際の焦点面５ｂが感光体面６ａ上から光軸方向Ｘにずれてしまい、両側で解像度が劣化するという問題がある。
すなわち、光軸中心３０にある光源２a0から出射されたレーザビーム３は、図１９に示すように、感光体面６ａ上に焦点５ａが形成されるが、光軸中心３０にある光源２a0から主走査方向Ｙに沿って離れた位置にある光源２akから出射されたレーザビーム３は、本来感光体面６ａ上に結像すべきものが手前で焦点５ａが形成され、その結果、感光体面６ａ上に所望のスポット径Ｄよりも太いスポット径（Ｄ＋α）が照射されることとなる。これは光源２ａが、ＬＥＤ光源でも同様である。この焦点５ａのずれΔｘ（ｙ）は、光軸中心３０から離れた位置に配置された光源２ａほど大きくなる。従って、光源２ａの位置精度を高めただけでは、解像度の均一な画像を得ることはできない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、解像度の均一化を図り、高品質な画像を得ることのできる光走査装置および画像形成装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光走査装置は、複数の光ビームによって走査面を走査する光走査装置において、前記複数の光ビームを出射する複数の光源が２次元状に配列された光源アレイと、前記複数の光ビームを前記走査面に集光させる光学手段とを備え、前記光源アレイの前記複数の光源は、主走査方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の主走査方向基線と、前記主走査方向基線に対し角度θを有して所定の間隔で設けられた複数のθ方向基線との各交点に設けられ、前記走査面上で同一のスポット径が得られるように前記主走査方向に沿ってニアフィールドパターン径が変化する構成を有することを特徴とする光走査装置を提供する。
【０００９】
また、上記目的を達成するために本発明の画像形成装置は、画像信号に応じて変調された複数の光ビームによって画像形成面を走査して前記画像形成面に画像を形成する画像形成装置において、前記複数の光ビームを出射する複数の光源が２次元状に配列された光源アレイと、前記複数の光ビームを前記画像形成面に集光させる光学手段と、前記画像形成面に配置され、前記複数の光ビームに応じた静電潜像を形成する画像形成体とを備え、前記光源アレイの前記複数の光源は、主走査方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の主走査方向基線と、前記主走査方向基線に対し角度θを有して所定の間隔で設けられた複数のθ方向基線との各交点に設けられ、前記画像形成面上で同一のスポット径が得られるように前記主走査方向に沿ってニアフィールドパターン径が変化する構成を有することを特徴とする画像形成装置を提供する。
【００１０】
上記各構成によれば、複数の光源は、光学手段の焦点位置に対する複数の光ビームの走査面あるいは画像形成面上の非合焦度合いに応じたニアフィールドパターン径を有することにより、走査面あるいは画像形成面に照射される光ビームのスポット径を等しくすることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の原理を説明するための図である。
この発明に係る画像形成装置１１は、複数の光ビームを出射する複数の光源１２ａが１次元状あるいは２次元状に配列された光源アレイ１２を備えている。この光源アレイ１２の複数の光源１２ａは、主走査方向Ｙの中央の光源１２ａから両端部の光源１２ａにかけてニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有している。感光体ドラム１６の感光体面１６ａは、レンズ系１４，１５によって形成される中央の光源１２ａの焦点１５ａに配置される。
このように構成することで、光源アレイ１２から画像信号に応じて変調された複数の光ビームを出射すると、中央の光源１２ａから出射された光ビーム１３は、感光体面１６ａ上の焦点１５ａで像を結ぶ。端部の光源１２ａから出射された光ビーム１３は、感光体面１６ａの手前の焦点１５ａで像を結んだ後、除々に太くなり、感光体面１６ａ上では中央のスポット径Ｄと等しいスポット径Ｄを形成する。
【００１２】
図２は本発明の実施の形態に係る画像形成装置を示す構成図である。
この画像形成装置１１は、ｎ×ｍ個（例えば、数千個以上）のレーザ光源１２ａをアレイ状に配置し、各レーザ光源１２ａからレーザビーム１３を同時に独立して出射可能な半導体レーザアレイ１２（１２Ａ乃至１２Ｆ）と、各レーザ光源１２ａから出射された複数のレーザビーム１３を集光点１４ａに集光させる集光レンズ系１４と、集光点１４ａに集光された複数のレーザビーム１３を走査面としての感光体面１６ａ上に結像させる結像レンズ系１５と、図示しない支持ローラによって回転可能に支持され、レーザビーム１３によって露光されることにより静電潜像を形成する感光体ドラム１６と、画像信号を記憶した画像メモリ１７と、画像メモリ１７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力する信号処理回路１８と、信号処理回路１８から記録信号を入力してレーザアレイ１２を駆動する駆動信号を出力するレーザ駆動回路１９と、レーザ駆動回路１９に制御信号を出力してレーザアレイ１２の駆動を行わせる制御回路２０とを具備している。なお、同図において、Ｘは光軸方向、Ｙは主走査方向、Ｚは副走査方向をそれぞれ示し、ａはレーザアレイ１２の表面と集光レンズ系１４との距離、ｂは集光レンズ系１４と感光体面１６ａとの距離をそれぞれ示す。また、レーザアレイ１２の１つのレーザ光源１２ａは、主走査方向Ｙの１つの画素に対応している。
【００１３】
感光体ドラム１６は、光軸中心１３０にある光源１２a0から出射されたレーザビーム１３の結像点（焦点）１５ａが感光体面１６ａと一致するように位置決めされている。また、この光記録装置１１は、感光体ドラム１６の周囲に、帯電器，現像器，転写器等を設け、転写器の前段には給紙部、転写器の後段には定着器，排紙部等を設けている。これらの各ユニットは、説明上図示していない。
【００１４】
図３はレーザアレイ１２の構造を説明するための図であり、同図（ａ）はその要部斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部詳細図である。
レーザアレイ１２は、n-GaAsの半導体基板１２０を有し、半導体基板１２０の裏面にｎ型電極１２１を形成し、半導体基板１２０の表面に、Al0.15Ga0.85AsとAlAsとを交互に多層に積層したｎ型ミラー層１２２、GaAs量子井戸層を上下のAl0.3Ga0.7Asで挟み込んで形成された発光層を含む活性層１２３、Al0.15Ga0.85AsとAlAsとを交互に多層に積層したｐ型ミラー層１２４及びレーザビーム１３を面発光状態で出射する複数の発光孔１２５が形成されたｐ型電極１２６をこの順に形成し、活性層１２３（あるいはｐ型ミラー層１２４）にプロトンを注入して高抵抗領域１２７を形成し、ｐ型電極１２６、ｐ型ミラー層１２４および活性層１２３を分離溝１２８により分離して複数の光源１２ａを形成している。
ｐ型ミラー層１２４の分離溝１２８間にはエアポスト（後述する図５参照）Ｅが形成されており、Ｅｙは、主走査方向Ｙのエアポスト半径、Ｅｚは、副走査方向Ｚのエアポスト半径を示す。また、活性層１２３の高抵抗領域１２７間には電流狭窄部（後述する図５参照）Ｓが形成されており、Ｓｙは主走査方向Ｙの電流狭窄半径、Ｓｚは副走査方向Ｚの電流狭窄半径を示す。
【００１５】
図４は第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａの要部正面図、図５はレーザアレイ１２Ａの主走査方向Ｙの要部断面図である。
このレーザアレイ１２Ａは、主走査方向Ｙに沿って所定の間隔で設けられたｎ本のＹ方向基線Ｎと、Ｙ方向基線Ｎに対し角度θを有して所定の間隔で設けられたｍ本のθ方向基線Ｍとの各交点にｎ×ｍ個の発光孔１２５を設けている。各発光孔１２５は、光軸中心１３０を通るθ方向基線Ｍo 上のレーザ光源列を起点として、主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、小さくなるように形成している。また、同じθ方向基線Ｍ上にある発光孔１２５の大きさは等しくしている。
【００１６】
図６は第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａの光源１２ａのニアフィールドパターンを示す図である。同図において、ｒは光源１２ａのニアフィールドパターン半径（ピーク強度の１／ｅ2 における半径）を示す。発光孔１２５を主走査方向Ｙに沿って離れるに従って小さくなるように形成することにより、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒは、光軸中心１３０から離れるもの程小さくなる。
例えば、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを２μｍ、距離ｂと距離ａとの比（ｂ／ａ）を６とすると、感光体面１６ａ上でのニアフィールドパターン半径Ｒは、１２μｍとなる。
【００１７】
図７は第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａの異なる位置の光源１２ａから出射されるレーザビーム１３の比較を示す図である。
光軸中心１３０にある光源１２a0のニアフィールドパターン半径をｒ0 、光軸中心１３０から離れた位置にある光源１２akのニアフィールドパターン半径を半径ｒ0 より小さいｒk とする。
光軸中心１３０にある光源１２a0は、焦点面１５ｂ上に半径Ｒ0 （＝ｒ0 ×（ｂ／ａ））の像を形成する。一方、ニアフィールドパターン半径ｒk の光源１２akは、焦点面１５ｂに半径Ｒk （＝ｒk ×（ｂ／ａ）の像を形成した後、次第に太り、所定の距離Ｌの位置では、半径Ｒ0 と等しいスポット半径Ｗk を形成する。
【００１８】
Ｗk とＲk との間には、以下の式（１）乃至式（５）に示す関係があるので、これを解くと、焦点１５ａと感光体面１６ａとのずれΔｘ（ｙ）に対応する光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒk が得られる。これを以下の式（６）に示す。
Ｗk 2 ＝Ｒk 2 （１＋（λＬ／πＲk 2 ）2 ） …（１）
【数１】
Ｗk ＝ｒ0 ×（ｂ／ａ） …（４）
Ｌ＝Δｘ（ｙ） …（５）
【数２】
上記式（６）より、光軸中心１３０にある光源１２a0以外の他の各光源１２akのニアフィールドパターン半径ｒk を球面収差による焦点１５ａの光源１２ａ側へのずれΔｘ（ｙ）がＬと等しくなるように設定することで、全ての光源１２ａにおいて常に感光体面１６ａ上で同一のスポット径を得ることができる。
【００２０】
次に、本装置１１の動作を説明する。
信号処理回路１８が、画像メモリ１７から画像信号を読み出し、その画像信号を処理して記録パターンに応じた記録信号を出力すると、レーザ駆動回路１９は、制御回路２０の制御の下に、信号処理回路１８から記録信号を入力してレーザアレイ１２を駆動する。レーザアレイ１２の各レーザ光源１２ａからはレーザビーム１３が出射される。各レーザ光源１２ａから出射されたレーザビーム１３は、集光レンズ系１４によって集光点１４ａに集光され、結像レンズ系１５によって感光体面１６ａ上に結像される。感光体ドラム１６は、レーザビーム１３によって露光されることにより静電潜像を形成する。その後は、静電潜像は、現像器によってトナー現像され、そのトナー像が転写器によって給紙部から給紙された記録用紙に転写され、さらに定着器によって定着された後、記録用紙は排紙部へと送られる。
【００２１】
次に、本装置１１の効果を図８を参照して説明する。
図８は感光体面１６ａと焦点面１５ｂとの位置関係および感光体面１６ａ上のスポットを示す図である。
本装置１１によれば、図８に示すように、光軸中心１３０の光源１２a0からのレーザビーム１３がレンズ系１４，１５によって形成される焦点１５ａに感光体面１６ａを配置させた場合、レンズ系１４，１５の球面収差等によって光軸中心１３０の光源１２a0から主走査方向Ｙに離れた光源１２akからのレーザビーム１３の焦点１５ａが感光体面１６ａの手前で形成されても、光源１２ａのニアフィールドパターン径ｒをレンズ系１４，１５の球面収差等による感光体面１６ａからのずれ量をキャンセルするように設定することで、常に感光体面１６ａ上で同一のスポット径Ｄを得ることができるため、均一な解像度を有する画像を得ることができる。
また、レンズ系１４，１５の球面収差等を光源１２ａ側で補正可能となるため、安価なレンズを使用することができ、ひいてはコストダウンを図ることができる。
【００２２】
図９は第２の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｂの要部正面図である。
第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａでは、レンズ系１４，１５に球面収差があるときでも、複数の光源１２ａが感光体面１６ａ上に形成するスポット径Ｄが等しくなるが、ニアフィールドパターン半径ｒを変化させると、レーザビーム１３の周波数をλとした場合、光源１２ａの出射角ｕが次の式（７）のように変化する。
ｔａｎ（ｕ）＝（２λ）／（πｒ） …（７）
すなわち、レーザビーム１３の周波数λを一定とした場合、半径ｒが小さくなると、出射角ｕは大きくなる。第１の実施の形態のように、光軸中心１３０から主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、半径ｒを小さくした場合、最も端の光源１２ａの出射角ｕが最大となるため、最も端の光源１２ａからのレーザビーム１３が結像レンズ系１５でけられるおそれがある。また、光路中にスリット（ピンホール）を用いた光学系の場合、広がり角が大きいほどスリット（ピンホール）でけられる光量が多くなるため、感光体面１６ａ上で得られるビーム強度が不均一になるおそれがある。これらを防ぐために、第２の実施の形態では、半径ｒが変化しても出射角ｕが変化しないようにしたものである。
【００２３】
このレーザアレイ１２Ｂは、図９に示すように、第１の実施の形態と同様に発光孔１２５が、光軸中心１３０にある光源１２a0を起点として光軸中心１３０から主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、除々にあるいは段階的に小さくなるように設定し、さらに、光源１２ａからのレーザビーム１３の出射角ｕは、λ／ｒで決まるので、出射角ｕが全ての光源１２ａにおいて同一となるように、各光源１２ａからの波長λも光軸中心１３０にある光源１２a0を起点として、光軸中心１３０から主走査方向Ｙに沿って離れるに従い、除々にあるいは段階的に小さくなるように設定している。
【００２４】
なお、波長λを短くするには、例えば、ミラー層１２１，１２３の膜厚を薄くすることで実現できる。また、発光孔１２５を除々に小さくする場合には、ミラー層１２１，１２３の膜厚分布が光軸中心１３０で最大となり、周辺に行くに従い薄くなるように形成することで実現できる。発光孔１２５が段階的に小さくなる場合や波長差を大きくとりたい場合には、発光孔１２５の大きさに合わせた波長λのレーザアレイチップを数個製作し、これを張り合わせてレーザアレイ１２Ｂを形成すればよい。同図において、θ方向基線Ｍ0 上の光源１２a0からのレーザビーム１３の波長をλ0 、θ方向基線Ｍ1 上の光源１２ａからのレーザビーム１３の波長をλ1 、θ方向基線Ｍ2 上の光源１２ａからのレーザビーム１３の波長をλ2 とすると、λ0 ＞λ1 ＞λ2 の関係にある。なお、レーザビーム１３が結像レンズ系１５でけられるおそれのある端部近傍の光源１２ａのみのレーザビーム１３の出射角ｕを小さくするようにしてもよい。
【００２５】
図１０は第２の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｂの異なる位置の光源１２ａから出射されるレーザビーム１３を示す。
このレーザアレイ１２Ｂの場合も、光軸中心１３０にある光源１２a0とこれよりニアフィールドパターン半径ｒの小さい光源１２ａとは、焦点面１５ｂ上に異なるビーム径を形成するが、出射角ｕは同一である。半径ｒk の光源１２akからのレーザビーム１３は、焦点面１５ｂでスポット径ｒk ×（ｂ／ａ）となった後、除々に太り、ある位置で光軸中心１３０にある光源１２a0で形成されるスポット径と等しくなる。この位置を焦点距離＋Ｌの位置とすると、光源１２ａからの焦点１５ａは、光軸中心１３０から離れた位置にある光源１２ａほど球面収差によってΔｘ（ｙ）だけ光源１２ａ側にシフトするので、Ｌとシフト量Δｘ（ｙ）が等しくなるように光源１２ａの半径ｒを設定すればよい。設定の条件は、第１の実施の形態で示した数式で得られる。
【００２６】
この第２の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｂによれば、レンズ系１４，１５の球面収差等があっても感光体面１６ａ上で同一のスポット径Ｄを得ることができ、レーザビーム１３が結像レンズ系１５でけられることがなくなる。また、光路中にスリット（ピンホール）を用いた光学系においても、ビーム広がり角が一定であるため、スリット（ピンホール）でけられる光量がほぼ同一となり、光強度も安定する。
【００２７】
図１１は第３の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｃの要部正面図である。
このレーザアレイ１２Ｃは、ニアフィールドパターン半径ｒを主走査方向Ｙのみ変化させ、複数の光源１２ａの発光孔１２５を副走査方向Ｚを長軸とする楕円としたものである。この場合、感光体面１６ａに形成されるスポット形状は、楕円となる。また、図示は省略するが、ニアフィールドパターン半径ｒを副走査方向Ｚのみ変えてもよい。また、主走査方向Ｙあるいは副走査方向Ｚのニアフィールドパターン半径ｒを異なる比で変化させて構成してもよい。結像レンズ系１５の拡大／縮小倍率が、主走査方向Ｙと副走査方向Ｚとで異なる場合に有効である。
【００２８】
図１２は第４の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｄの正面図である。
このレーザアレイ１２Ｄは、最も端のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａを起点として光軸中心１３０に向かうに従い、除々にあるいは段階的に光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒが小さくなるように形成したものである。この場合、感光体面１６ａは、図１３に示すように、最も端のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａからのレーザビーム１３の焦点１５ａと一致するように設定する。
この第４の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｄによれば、第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａと同様の効果を奏する。
【００２９】
図１４は第５の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｅの要部正面図である。
このレーザアレイ１２Ｅは、光軸中心１３０と両端の中間の所定の２つの位置にある光源１２a2を起点とし、光軸中心１３０及び端に向かうに従って光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒが小さくなるように形成したものである。この場合、感光体面１６ａは、図１５に示すように所定の２つの位置にある光源１２a2の焦点１５ａと一致するように設定する。
この第５の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｅによれば、第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａと同様の効果を奏する。
【００３０】
図１６は第６の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｆの要部正面図である。
第１乃至第５の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａ乃至１２Ｅは、同一のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを等しくしたが、このレーザアレイ１２Ｆは、同一のθ方向基線Ｍ上の光源１２ａであっても、光軸中心１３０を起点とし、主走査方向Ｙの位置に従ってニアフィールドパターン半径ｒを変化させたものである。同図では小さくさせた場合を示しているが、大きくさせる場合も同様に適用できる。
この第６の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ｆによれば、第１の実施の形態に係るレーザアレイ１２Ａと比較してより均一な解像度を得ることができる。
【００３１】
次に、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを変化させる他の方法を説明する。
ニアフィールドパターン半径ｒを変化させる方法として発光孔１２５の径を変化せる方法について説明したが、電流狭窄部Ｓ又はエアポストＥを変化させてもよい。電流狭窄部Ｓ又はエアポストＥの形状は、上記図３では矩形の場合を示したが、楕円または円形でもよい。また、ミラー層（エアポストＥ）１２２，１２４を酸化，プロトン注入，拡散等の方法によって電流狭窄部Ｓを形成し、これを変化させてもよい。活性層１２３の電流狭窄部Ｓは、上記図３ではプロトン注入によって形成しているが、酸化，拡散等の方法によってもよい。端面発光型のレーザであれば、電流狭窄部Ｓ，活性層１２３の膜厚を変化させればよい。
【００３２】
図１７は主走査方向Ｙに沿ってエアポストＥを異ならせることで、光源１２ａのニアフィールドパターン半径ｒを変化させた例を示す図である。同図では、エアポストＥは、主走査方向Ｙに沿って異なるが、発光孔１２５の径は、同一である。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々な実施の形態が可能である。
例えば、上記実施の形態では、複数の光源を２次元状に配列した光源アレイについて説明したが、複数の光源を主走査方向に１次元状に配列した光源アレイについても本発明は同様に実施可能である。
また、上記実施の形態では、光源アレイとしてレーザアレイについて説明したが、ＬＥＤ光源を主走査方向に１次元状あるいは主走査方向および副走査方向に２次元状に配列したＬＥＤアレイについても本発明は同様に実施可能である。この場合は、ＬＥＤの発光部の面積を主走査方向に沿って異ならせればよい。
また、上記実施の形態では、感光体ドラムを記録媒体としたが、他の光記録媒体であってもよい。
また、上記実施の形態では、画像形成装置について説明したが、記録媒体に記録された記録情報や物体の形状を読み取る光走査装置にも本発明は、同様に適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、複数の光源が、光学手段の焦点位置に対する複数の光ビームの走査面あるいは画像形成面上の非合焦度合いに応じたニアフィールドパターン径を有することにより、走査面あるいは画像形成面に照射される光ビームのスポット径を等しくすることが可能となるので、解像度の均一化が図れ、高品質な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図
【図２】本発明の実施の形態に係る画像形成装置を示す構成図
【図３】レーザアレイの構造を示す図であり、同図（ａ）はその要部斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部詳細図
【図４】第１の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図５】第１の実施の形態に係るレーザアレイの主走査方向の要部断面図
【図６】第１の実施の形態に係る光源のニアフィールドパターンを示す図
【図７】第１の実施の形態に係るレーザアレイの異なる位置の光源から出射されるレーザビームを示す図
【図８】第１の実施の形態に係る感光体面と焦点面との位置関係を示す図
【図９】第２の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１０】第２の実施の形態に係るレーザアレイの異なる位置の光源から出射されるレーザビームを示す図
【図１１】第３の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１２】第４の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１３】第４の実施の形態に係る感光体面と焦点面との位置関係を示す図
【図１４】第５の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１５】第５の実施の形態に係る感光体面と焦点面との位置関係を示す図
【図１６】第６の実施の形態に係るレーザアレイの要部正面図
【図１７】主走査方向に沿ってエアポストを異ならせることで、光源のニアフィールドパターン半径を変化させた例を示す図
【図１８】従来の画像形成装置を示す図
【図１９】従来の画像形成装置の問題点を示す図
【符号の説明】
１１ 画像形成装置
１２，１２Ａ乃至１２Ｆ 半導体レーザアレイ
１２ａ レーザ光源
１２a0 光軸中心にある光源
１２ak 光軸中心から離れた位置にある光源
１２a2 光軸中心と両端の間に位置する光源
１３ レーザビーム
１４ 集光レンズ系
１４ａ 集光点
１５ 結像レンズ系
１５ａ 焦点
１６ 感光体ドラム
１６ａ 感光体面
１７ 画像メモリ
１８ 信号処理回路
１９ レーザ駆動回路
２０ 制御回路
１２０ 半導体基板
１２１ ｎ型電極
１２２ ｎ型ミラー層
１２３ 活性層
１２４ ｐ型ミラー層
１２５ 発光孔
１２６ ｐ型電極
１２７ 高抵抗領域
１２８ 分離溝
１３０ 光軸中心
ａ レーザアレイの表面と集光レンズ系との距離
ｂ 集光レンズ系と感光体面との距離
Ｄ スポット径
Ｅ エアポスト
Ｅｙ 主走査方向のエアポスト半径
Ｅｚ 副走査方向のエアポスト半径
Ｌ 焦点と感光体面との距離
Ｍ θ方向基線Ｍ
Ｍｏ 光軸中心を通るθ方向基線
Ｎ Ｙ方向基線
ｒ 光源のニアフィールドパターン半径
ｒ0 光軸中心にある光源のニアフィールドパターン半径
ｒk 光軸中心から離れた位置にある光源のニアフィールドパターン半径
Ｒ 感光体面上でのニアフィールドパターン半径
Ｒ0 半径ｒ0 の光源が焦点面上に形成する像の半径
Ｒk 半径ｒk の光源が焦点面上に形成する像の半径
Ｓ 電流狭窄部
Ｓｙ 主走査方向の電流狭窄半径
Ｓｚ 副走査方向の電流狭窄半径
ｕ 光源の出射角
Ｗk 半径ｒk の光源が感光体面に形成するスポット半径
Ｘ 光軸方向
Ｙ 主走査方向
Ｚ 副走査方向
Δｘ（ｙ） 焦点のずれ
λ レーザビームの周波数
Claims (20)
- 複数の光ビームによって走査面を走査する光走査装置において、
前記複数の光ビームを出射する複数の光源が２次元状に配列された光源アレイと、
前記複数の光ビームを前記走査面に集光させる光学手段とを備え、
前記光源アレイの前記複数の光源は、主走査方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の主走査方向基線と、前記主走査方向基線に対し角度θを有して所定の間隔で設けられた複数のθ方向基線との各交点に設けられ、前記走査面上で同一のスポット径が得られるように前記主走査方向に沿ってニアフィールドパターン径が変化する構成を有することを特徴とする光走査装置。 - 前記複数の光源は、主走査方向の中央の光源から両端部の光源にかけて前記ニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有し、
前記走査面は、前記光学手段によって形成される前記中央の光源の焦点位置に配置される構成の請求項１記載の光走査装置。 - 前記複数の光源は、主走査方向の両端部の光源から中央の光源にかけて前記ニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有し、
前記走査面は、前記光学手段によって形成される前記両端部の光源の焦点位置に配置される構成の請求項１記載の光走査装置。 - 前記複数の光源は、主走査方向の両端部の光源より所定の間隔を置いて配置された第１および第２の光源から中央の光源および前記両端部の光源にかけて前記ニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有し、
前記走査面は、前記光学手段によって形成される前記第１および第２の光源の焦点位置に配置される構成の請求項１記載の光走査装置。 - 前記複数の光源は、前記ニアフィールドパターン径が前記光ビームの断面の直交する２軸の方向で変化する構成を有する請求項１記載の光走査装置。
- 前記複数の光源は、前記ニアフィールドパターン径が前記光ビームの断面の前記主走査方向に平行な１軸の方向で変化する構成を有する請求項１記載の光走査装置。
- 前記複数の光源は、前記ニアフィールドパターン径に応じた波長の前記複数の光ビームを出射する構成の請求項１記載の光走査装置。
- 前記複数の光源は、前記波長に応じた膜厚のミラー層を有する複数の半導体レーザによって構成された請求項７記載の光走査装置。
- 前記複数の光源は、前記θ方向基線毎に前記ニアフィールドパターン径が変化する構成を有する請求項１記載の光走査装置。
- 前記複数の光源は、半導体基板の裏面にｎ型電極を形成し、前記半導体基板の表面に、ｎ型ミラー層、発光層を含む活性層、ｐ型ミラー層、および複数の発光孔が形成されたｐ型電極をこの順に形成し、前記活性層あるいはｐ型ミラー層にプロトンを注入して高抵抗領域を形成し、前記ｐ型電極、前記ｐ型ミラー層および前記活性層を分離溝により複数に分離して形成され、前記発光孔の径、前記ｐ型ミラー層の前記分離溝間に形成されたエアポスト径、前記活性層の前記高抵抗領域間に形成された電流狭窄径のいずれかを変更することにより前記ニアフィールドパターン径が変化する構成を有する請求項１記載の光走査装置。
- 画像信号に応じて変調された複数の光ビームによって画像形成面を走査して前記画像形成面に画像を形成する画像形成装置において、
前記複数の光ビームを出射する複数の光源が２次元状に配列された光源アレイと、
前記複数の光ビームを前記画像形成面に集光させる光学手段と、
前記画像形成面に配置され、前記複数の光ビームに応じた静電潜像を形成する画像形成体とを備え、
前記光源アレイの前記複数の光源は、主走査方向に沿って所定の間隔で設けられた複数の主走査方向基線と、前記主走査方向基線に対し角度θを有して所定の間隔で設けられた複数のθ方向基線との各交点に設けられ、前記画像形成面上で同一のスポット径が得られるように前記主走査方向に沿ってニアフィールドパターン径が変化する構成を有することを特徴とする画像形成装置。 - 前記複数の光源は、主走査方向の中央の光源から両端部の光源にかけて前記ニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有し、
前記画像形成面は、前記光学手段によって形成される前記中央の光源の焦点位置に配置される構成の請求項１１記載の画像形成装置。 - 前記複数の光源は、主走査方向の両端部の光源から中央の光源にかけて前記ニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有し、
前記画像形成面は、前記光学手段によって形成される前記両端部の光源の焦点位置に配置される構成の請求項１１記載の画像形成装置。 - 前記複数の光源は、主走査方向の両端部の光源より所定の間隔を置いて配置された第１および第２の光源から中央の光源および前記両端部の光源にかけて前記ニアフィールドパターン径が小さくなる構成を有し、
前記画像形成面は、前記光学手段によって形成される前記第１および第２の光源の焦点位置に配置される構成の請求項１１記載の画像形成装置。 - 前記複数の光源は、前記ニアフィールドパターン径が前記光ビームの断面の直交する２軸の方向で変化する構成を有する請求項１１記載の画像形成装置。
- 前記複数の光源は、前記ニアフィールドパターン径が前記光ビームの断面の前記主走査方向に平行な１軸の方向で変化する構成を有する請求項１１記載の画像形成装置。
- 前記複数の光源は、前記ニアフィールドパターン径に応じた波長の前記複数の光ビームを出射する構成の請求項１１記載の画像形成装置。
- 前記複数の光源は、前記波長に応じた膜厚のミラー層を有する複数の半導体レーザによって構成された請求項１７記載の画像形成装置。
- 前記複数の光源は、前記θ方向基線毎に前記ニアフィールドパターン径が変化する構成を有する請求項１１記載の画像形成装置。
- 前記複数の光源は、半導体基板の裏面にｎ型電極を形成し、前記半導体基板の表面に、ｎ型ミラー層、発光層を含む活性層、ｐ型ミラー層、および複数の発光孔が形成されたｐ型電極をこの順に形成し、前記活性層あるいはｐ型ミラー層にプロトンを注入して高抵抗領域を形成し、前記ｐ型電極、前記ｐ型ミラー層および前記活性層を分離溝により複数に分離して形成され、前記発光孔の径、前記ｐ型ミラー層の前記分離溝間に形成されたエアポスト径、前記活性層の前記高抵抗領域間に形成された電流狭窄径のいずれかを変更することにより前記ニアフィールドパターン径が変化する構成を有する請求項１１記載の画像形成装置。
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