JP4873700B2 - 光量制御装置、光ビーム走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームの光量制御技術に関する。

一般に、光ビーム走査装置や画像形成装置では、レーザ光などの光量を精度良く制御することが望まれる。

特許文献１に記載のＡＰＣ（オートパワーコントロール）回路は、ハーフミラーによって分離されたレーザ光（表面光）を受光素子によってモニタし、その結果をもとに光量を制御している。このようなＡＰＣ方式を表面光ＡＰＣ方式と呼ぶことにする。

しかし、表面光ＡＰＣ方式では、光学系内にハーフミラーを置いてビームを透過光と反射光に分離する必要があるため、光量利用効率（露光に用いる光量／全体の光量）が悪くなってしまうという欠点がある。

特許文献２によれば、光学系内にハーフミラーを置く必要がない他の表面光ＡＰＣ方式が提案されている。このＡＰＣ方式によれば、レーザから出たビームのスポットのうち、ビーム整形スリットによって削られる露光に用いられない部分（もれ光）を受光するよう受光素子が配置される。そして、ＡＰＣ回路は、受光素子により取得されたもれ光の光量をもとに光量を制御する。このＡＰＣ方式を、もれ光ＡＰＣ方式と呼ぶ。もれ光ＡＰＣ方式は、ハーフミラーが必要ないため、ハーフミラーを使用する表面光ＡＰＣ方式に比べて、光量利用効率が改善されうる。
特開平8-330661号公報 特開平6-164070号公報

しかし、従来のもれ光ＡＰＣ方式には、スポットの中心部分の光量（露光量）と周辺部分の光量（もれ光量）との関係が非線形になるという問題点がある。すなわち、もれ光量を用いて露光量を制御すると、制御誤差が生じてしまうおそれがある。また、制御誤差は、形成される画像の品質を低下させるなどの不利益をもたらすため好ましくない。

そこで、本発明は、もれ光ＡＰＣ方式において、中心部分の光量と周辺部分の光量との対応関係が非線形となることに伴う制御誤差を低減することを目的とする。

本発明は、例えば、
光ビーム出力装置から出力される光ビームの光量を制御する光量制御装置であって、
発散光である光ビームを出射する光源と、
前記光ビームを出射させるために前記光源に電流を供給する駆動手段と、
前記光ビームを整形し、前記光ビームのスポットの中心部を感光体に導く整形手段と、
前記スポットの中心部の外側である周辺部分の光ビームを受光する受光部を備え、前記受光部が受光する周辺光量を検出する光量検出手段と、
前記スポットの中心部における光量を表す中心光量と前記周辺光量との対応関係が概ね線形となるように補正データに基づいて該周辺光量を補正する補正手段と、
前記補正手段によって補正された周辺光量に基づいて前記光ビームを出射するために前記光源に供給する駆動電流の値を制御する制御手段と、備え、
前記制御手段は、前記補正データを生成するために複数の電流値の駆動電流が前記光源に供給されるように前記駆動手段を制御し、前記補正手段は、前記複数の電流値それぞれに対応する前記周辺光量に基づいて前記補正データを生成する
ことを特徴とする光量制御装置を提供する。

本発明によれば、中心光量と周辺光量との対応関係を非線形から線形に近づけるよう補正することで、もれ光ＡＰＣ方式における制御誤差を低減できる。

以下に本発明の一実施形態を示す。もちろん以下で説明される個別の実施形態は、本発明の上位概念、中位概念および下位概念など種々の概念を理解するために役立つであろう。また、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。

図１は、実施形態に係る例示的な画像形成装置の断面図である。本発明に係る光量制御装置の応用例としては、光ビーム走査装置や画像形成装置などがある。もちろんこれらは単なる例示に過ぎない。

光ビーム走査装置１０１は、いわゆる露光装置である。この光ビーム走査装置１０１に、本発明に係る光量制御装置が適用される。走査装置１０１は、均一に帯電された像担持体（例：感光ドラム）１０２の表面にビームを照射する。これにより、像担持体１０２の表面には、印刷対象画像に対応する潜像が形成される。現像装置（例：現像ローラ）１０３は、現像剤を用いて潜像を現像する。転写装置（例：転写ローラ）１０４は、像担持体１０２から記録媒体Ｓへと現像剤の像を転写する。定着装置１００は、記録媒体上に現像剤像を定着させる。なお、画像形成装置は、複写機、プリンタ、印刷装置、ファクシミリ装置または複合機として製品化されうる。

図２は、実施形態に係る光ビーム走査装置の一例を示す図である。端面発光レーザ２０１は、光ビーム出力装置の一例である。端面発光レーザ２０１は、従来のレーザのように前方と後方との両方向にビームを出力することができない。従来のレーザであれば、前方に出力されるビームを露光に使用し、後方に出力されるビームを光量の制御に使用するといった裏面光ＡＰＣ方式を採用できる。しかしながら、端面発光レーザ２０１は、構造上、一方向にだけ光ビームを出力するため、表面光ＡＰＣ方式の一種である「もれ光ＡＰＣ方式」を採用することになる。

端面発光レーザ２０１から出力された光ビームは、ある程度広がりながらコリメータレンズ２０２へ入射する。コリメータレンズ２０２を通過することで平行光へと変換された光ビームは、集光レンズ２０６によって集光される。集光された光ビームは、ある幅を持ったビーム整形スリット２０７により整形される。成形された光ビームは、回転多面体の一種であるポリゴンミラー２０８により反射される。ポリゴンミラー２０８により反射された光ビームは、fθレンズ２０９および集光レンズ２１０を通り、回転する感光ドラム１０２上を露光する。

受光素子２０３は、ビームのスポットのうち、周辺部すなわち露光に使用されない部分の光量（周辺光量）を検出する。スポットの周辺部は、スリット２０７により遮られる、いわゆる「もれ光」である。すなわち、受光素子２０３は、もれ光を検出できるような位置であって、露光に使用されるスポットの中心部には影響を与えないような位置に配置される。

補正回路２０４は、スポットの中心部における光量を表す中心光量（露光量）と周辺光量（もれ光量）との対応関係が概ね線形となるように周辺光量を補正する回路である。ＡＰＣ回路２０５は、補正された周辺光量に応じて、端面発光レーザ２０１から出力される光ビームの光量を制御する。

図３は、光ビームのスポットと、スポット内の各位置における光量との関係を説明するための図である。具体的には、図中の右側に、光ビームについてのＦＦＰ（遠視野）特性（縦軸：射出角度、横軸：光量）が示されている。また、図中の左側に、ビームスポットの模式図が示されている。スポットは、露光に使用される中心部と、スリットによって遮蔽されるため露光に使用されない周辺部とに分かれている。上述したように、受光素子２０３は、周辺部に配置されることになる。

図４は、レーザに流される電流を変化させていったときに得られる周辺光量と中心光量との対応関係を示す図である。ＡＰＣ回路２０５は、露光に使用される中心光量について制御を実行するため、本来であれば、中心光量を測定することが望ましい。しかしながら、上述した理由からＡＰＣ回路２０５は、周辺光量を測定して、光量制御を実行する。図４に示すように、周辺光量と中心光量との対応関係は、一般に、線形とならない。

例えば、周辺光量が基準値Ｏ0からΔＰだけ減少してＯ1となったとする。一般的なＡＰＣ回路は、駆動電流をΔI1増加させることで中心光量をΔP1だけ増加させ、基準値Ｏ0へ補正する機能を持つ。もちろん、このＡＰＣ回路は、周辺光量と中心光量との関係が線形であることを前提としている。

したがって、ＡＰＣ回路は、周辺光量が基準値Ｏ0からΔPだけ減少したときは、駆動電流をΔI1だけ増加させることで、中心光量を精度良く補正できる。しかし、このＡＰＣ回路は、周辺光量が基準値Ｏ0から2ΔP減少してＯ2となったときには、中心光量を十分に補正できない。

なぜなら、中心光量の実際の減少幅がΔP2であるにもかかわらず、ＡＰＣ回路は、駆動電流を2ΔI1だけ増加させてしまい、中心光量を2ΔP1も増加させてしまうからである。その結果、中心光量は、目標値Ｏ0からΔだけ、ずれてしまう（Δ ＝ 2ΔP1 - ΔP2）。

そこで、本実施形態では、受光素子２０３とＡＰＣ回路２０５との間に補正回路２０４が設けられる。以下、具体的に補正回路２０４の動作を説明する。

＜２乗補正＞
各駆動電流の値について、周辺光量と中心光量との対応関係が概ね線形となるように周辺光量を補正する方法は、いくつか考えられる。ここでは、使用時にレーザに流される電流の値のうち、第１の値から第２の値までの区間において取得された周辺光量を規格化し、規格化された周辺光量を２乗する方法（２乗補正）について説明する。

図５は、実施形態に係る補正回路の一例を示す図である。規格化部５０１は、使用時にレーザに流される電流の値のうち、第１の値から第２の値までの区間において取得された周辺光量を規格化する回路である。また、２乗演算部５０２は、規格化された周辺光量を２乗する回路である。

プリントが開始されると、はじめに、補正回路２０４は、２乗補正のための２乗補正関数f(χ)を作成する（χは周辺光量）。補正回路２０４は、レーザ２０１の動作電流の範囲内において、任意の区間［Ia， Ib］を選択する。補正回路２０４は、選択された区間の両端の駆動電流Ia, Ibでレーザ２０１を駆動するようＡＰＣ回路２０５に指示する。この例では、レーザ２０１の駆動電流が２回ほど変化させられることになるが、もちろん、ＡＰＣ回路２０５は、２を超える複数回にわたり、駆動電流を変化させることができる。次に、補正回路２０４は、受光素子２０３を用い、各電流値に対応する周辺光量P’a, P’bを測定する。

図６は、各電流値に対する中心光量と周辺光量との関係を示す図である。駆動電流Iaについての中心光量をPaとし、周辺光量をP’aとする。また、駆動電流Ibについての中心光量をPbとし、周辺光量をP’bとする。

補正回路２０４は、周辺光量をP’aと周辺光量P’bを次式に代入することで、規格化関数y(χ)を作成する。なお、規格化関数の作成処理を規格化部５０１が実行してもよい。

補正回路２０４は、規格化関数y(χ)を２乗することで、２乗補正関数f(χ)を作成する。なお、２乗補正関数f(χ)の作成処理を２乗演算部５０２が実行してもよい。

図７は、実施形態に係る２乗補正を説明するための図である。縦軸は、周辺光量を表し、横軸は、中心光量を表している。規格化によって、駆動電流Ia, Ibにおける周辺光量は、中心光量Pa, Pbに概ね一致するようになる。さらに、２乗補正による線形化処理によって、周辺光量と中心光量との関係が概ね線形となる。

図８は、実施形態に係る光量制御を伴う画像形成処理を示すフローチャートである。ステップＳ８０１ないしＳ８０５までが、上述した補正関数の作成処理に相当する。

ステップＳ８０１において、補正回路２０４は、補正関数を作成するために利用する駆動電流の区間［Ia, Ib］を選択する。この区間は、例えば、露光にために実際に使用される最小電流値と、最大の電流値とすることが望ましい。

ステップＳ８０２において、補正回路２０４は、選択した区間における両端の駆動電流の一方をＡＰＣ回路２０５に設定し、レーザ２０１を発光させる。ステップＳ８０３において、補正回路２０４は、受光素子２０３により周辺光量を測定する。

ステップＳ８０４において、補正関数を作成するために必要な複数の周辺光量の測定が完了したか否かを判定する。完了していなければ、ステップＳ８０２へ戻り、補正回路２０４は、駆動電流を変更して、測定を実行する。測定が完了した場合は、ステップＳ８０５に進み、補正回路２０４は、２乗補正関数を作成する。

静電潜像が始まると、ステップＳ８０６において、補正回路２０４は、受光素子２０３により検知された周辺光量χを補正関数f(χ)にしたがって補正する。また、ＡＰＣ回路２０５は、補正された周辺光量を用いてＡＰＣによる光量制御を実行する。

ステップＳ８０７において、走査装置１０１は、画像データに応じてレーザ２０１を駆動し、像担持体１０２を露光する。ステップＳ８０８において、画像形成装置の制御部（図示略）は、１ページ分の静電潜像が完成したか否かを判定する。未完成であれば、ステップＳ８０６またはＳ８０７に戻り、露光処理を継続する。一方、完成していれば、ステップＳ８０９に進み、画像形成装置の制御部は、ジョブを終了すべきか否かを判定する。例えば、次ページが残っていれば、ステップＳ８０１に戻る。次ページがなければ、制御部は、画像形成処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、中心光量と周辺光量との対応関係を非線形から線形に近づけるよう補正することで、もれ光ＡＰＣ方式における制御誤差を低減できる。

とりわけ、周辺光量を中心光量により規格化した上で２乗することで、中心光量と周辺光量との対応関係を概ね線形とすることができるため、形成される画像の品質を向上させることができる。

もちろん、２乗演算は一例にすぎず、他の演算が採用されてもよい。すなわち、各駆動電流の値について、周辺光量と中心光量との対応関係が概ね線形となるように周辺光量を補正できる演算方法であれば、どのような演算方法が採用されてもよい。

上述した実施形態では、補正関数の作成処理を、時間に余裕のあるページ間で行うものとして説明したが、当然、主走査間で行っても構わない。

＜誤差補正＞
図６に示したように、駆動電流と中心光量との関係は概ね線形であるが、駆動電流と周辺光量との関係は周辺光量との関係は非線形となっている。これは、駆動電流と周辺光量との関係を線形に修正できれば、周辺光量と中心光量との関係も概ね線形になることを意味している。

そこで、各駆動電流における周辺光量と線形関数との差分（誤差）を予め求めておき、この誤差を用いて周辺光量を補正する方法（誤差補正）について説明する。

補正回路２０４は、線形関数ｚ（χ）と、各電流値について周辺光量との差を表す誤差関数ｇ（χ）とを使用して周辺光量を補正する。ここで、χは、駆動電流を表している。なお、線形関数ｚ（χ）は、レーザ２０１に第１の値の電流を流したときに取得される第１の周辺光量と第２の値の電流を流したときに取得される第２の周辺光量とを結ぶ直線の方程式である。

図９は、実施形態に係る補正回路の一例を示す図である。線形関数決定部９０１は、レーザ２０１に第１の値の電流を流したときに取得された第１の周辺光量と、第２の値の電流を流したときに取得された第２の周辺光量とを結ぶ直線の方程式ｚ（χ）を決定する回路である。誤差関数決定部９０２は、使用時にレーザ２０１に流される電流の各値について周辺光量と線形関数ｚ（χ）との差を表す誤差関数ｇ（χ）を決定する回路である。周辺光量修正部９０３は、決定された誤差関数ｇ（χ）を使用して周辺光量を修正する回路である。

図１０は、駆動電流と周辺光量との関係を示す図である。駆動電流χを変化させていったときに取得される周辺光量は、破線で示すように非線形となる。そこで、駆動電流Ia、Ibに対応する各周辺光量を結ぶ直線の方程式である線形関数ｚ（χ）を考える。この線形関数ｚ（χ）が、中心光量に対応していることはいうまでもない。

図１１は、実施形態に係る誤差関数ｇ（χ）の一例を示す図である。誤差関数ｇ（χ）は、駆動電流をIaからIbまで変化させていったときに得られる実際の各周辺光量と線形関数ｚ（χ）との差分として表される。

図１２は、実施形態に係る補正処理を説明するための図である。ＡＰＣによる光量制御の際には、受光素子２０３により得られた周辺光量の値から誤差関数ｇ（χ）を減算することで、補正回路２０４は、補正された周辺光量を決定する。

図１３は、実施形態に係る補正関数の作成処理を示すフローチャートである。本フローチャートは、補正関数の作成処理（Ｓ８０５）をサブルーチンとして記載したものである。なお、補正回路２０４は、駆動電流の区間［Ia， Ib］について、それぞれ周辺光量Pa、Pbを取得しているものとする。

ステップＳ１３０１において、線形関数決定部９０１は、取得した周辺光量と、駆動電流を次式に代入することで、線形関数ｚ（χ）を作成する。

ステップＳ１３０２において、補正回路２０４の誤差関数決定部９０２は、選択された区間において駆動電流χを変化させながらレーザ２０１を点灯させ、受光素子２０３により周辺光量ｐ（χ）を測定する。

ステップＳ１３０３において、誤差関数決定部９０２は、次式により誤差関数ｇ（χ）を作成する。

ｇ（χ）＝ｐ（χ）−ｚ（χ） ・・・ （４）
なお、補正関数ｆ（χ）は、
ｆ（χ）＝ｋ（Ｐ−ｇ（χ）） ・・・ （５）
となる。ここで、ｋは、中心光量と周辺光量とのスケールを一致させるための係数である。この係数は、経験的に決定しておくことが望ましい（もちろん、ｋ＝１であってもよい）。また、Ｐは、駆動電流χをレーザ２０１に流した時に実際に測定される周辺光量である。修正部９０３は、補正関数ｆ（χ）を用いて（すなわち、誤差関数ｇ（χ）を用いて）、周辺光量を好適に修正する。

以上説明したように、本実施形態によれば、誤差関数ｇ（χ）を用いて周辺光量を補正することで、周辺光量と中心光量との関係を線形特性へと近づけることが可能となる。これにより、レーザ２０１に対してＡＰＣによる光量制御を適用した時に、補正前の周辺光量を使用する場合と比較して、制御誤差が低減される。よって、形成される画像の品質も相対的に向上することになる。

図１４は、実施形態に係る補正回路の一例を示す図である。光量誤差記憶部１４０１は、各電流値についての周辺光量と、対応する中心光量との誤差を予め記憶する記憶回路である。この誤差は、予め工場出荷時等に取得されて、光量誤差記憶部１４０１に記憶されることが望ましい。周辺光量修正部１４０２は、レーザ２０１に流される電流の値に対応する誤差を記憶部１４０１から読み出して、受光素子２０３により取得された周辺光量を修正する。

このように、補正回路２０４は、予め周辺光量と中心光量との誤差を記憶しておいて、光量制御時に周辺光量を補正してもよい。

ところで、端面発光レーザ２０１が、複数の発光素子を備えている場合は、各発光素子ごとに、受光素子２０３を用意して光量制御を実行してもよい。あるいは、複数の発光素子のうち、１以上の代表的な発光素子の制御結果を利用して、ＡＰＣ回路２０５および補正回路２０４が、残りの発光素子について光量制御を実行してもよい。代表的な発光素子の各周辺光量を測定するために、発光素子ごとの対応するスリットに上述した受光素子が設置されることになろう。

実施形態に係る例示的な画像形成装置の断面図である。 実施形態に係る光ビーム走査装置の一例を示す図である。 光ビームのスポットと、スポット内の各位置における光量との関係を説明するための図である。 レーザに流される電流を変化させていった時に得られる周辺光量と中心光量との対応関係を示す図である。 実施形態に係る補正回路の一例を示す図である。 各電流値に対する中心光量と周辺光量との関係を示す図である。 実施形態に係る２乗補正を説明するための図である。 実施形態に係る光量制御を伴う画像形成処理を示すフローチャートである。 実施形態に係る補正回路の一例を示す図である。 駆動電流と周辺光量との関係を示す図である。 実施形態に係る誤差関数ｇ（χ）の一例を示す図である。 実施形態に係る補正処理を説明するための図である。 実施形態に係る補正関数の作成処理を示すフローチャートである。 実施形態に係る補正回路の一例を示す図である。

Claims (4)

1. 光ビーム出力装置から出力される光ビームの光量を制御する光量制御装置であって、
   発散光である光ビームを出射する光源と、
   前記光ビームを出射させるために前記光源に電流を供給する駆動手段と、
   前記光ビームを整形し、前記光ビームのスポットの中心部を感光体に導く整形手段と、
   前記スポットの中心部の外側である周辺部分の光ビームを受光する受光部を備え、前記受光部が受光する周辺光量を検出する光量検出手段と、
   前記スポットの中心部における光量を表す中心光量と前記周辺光量との対応関係が概ね線形となるように補正データに基づいて該周辺光量を補正する補正手段と、
   前記補正手段によって補正された周辺光量に基づいて前記光ビームを出射するために前記光源に供給する駆動電流の値を制御する制御手段と、備え、
   前記制御手段は、前記補正データを生成するために複数の電流値の駆動電流が前記光源に供給されるように前記駆動手段を制御し、前記補正手段は、前記複数の電流値それぞれに対応する前記周辺光量に基づいて前記補正データを生成する
   ことを特徴とする光量制御装置。
2. 前記補正手段は、
   前記光源に第１の値の電流を流したときに取得される第１の周辺光量と第２の値の電流を流したときに取得される第２の周辺光量とを結ぶ直線の方程式を求め、前記光源に流される電流の各値についての周辺光量と、当該各値を前記方程式に代入して得られる周辺光量との差を表す誤差関数を予め求めておき、前記光源に流される電流の値を前記誤差関数に代入して得られる光量を前記周辺光量から減算することで前記周辺光量を補正することを特徴とする請求項１に記載の光量制御装置。
3. 光ビーム走査装置であって、
   光ビームを出力する光ビーム出力装置と、
   前記光ビーム出力装置を制御する、請求項１または２に記載の光量制御装置と、
   前記光ビーム出力装置から出力される光ビームを走査する回転多面体と
   を含むことを特徴とする光ビーム走査装置。
4. 画像形成装置であって、
   請求項３に記載の光ビーム走査装置を用いて画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

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