JPH02151455A - 半導体レーザの光強度変調回路 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、半導体レーザからのレーザ光の光強度を変化
させることにより多階調性を持つ記録が可能なレーザプ
リンタ等における半導体レーザの光強度変調回路に関す
る。

従来の技術 従来、半導体レーザからのレーザ光を感光体上に露光走
査させて中間調画像を記録するレーザ記録装置において
は、半導体レーザの持つ駆動電流−光出力特性が、自然
発光領域とレーザ発振領域とで極端に変わるため、安定
した光出力を得るのが困難であった。また、感光体等の
感度が入力光パワーに対して直線的でないため、高精度
な中間調画像を感光体上に形成するのが困難であった。

このような点を考慮し、従来にあっては１例えば特開昭
６３−１０２５４４号公報に示されるような中間調記録
可能なレーザ記録装置がある。これは、記録光学系が持
つ非線形（上述した自然発光領域とレーザ発振領域とで
極端に変わる特性）を、半導体レーザの発光レベル指令
信号と光出力とが線形関係を持つように変えるため、入
力信号を補正テーブルを用いて線形関係に補正し、補正
後の入力信号をＤ／Ａコンバータによりアナログ変換し
て半導体レーザを駆動させるようにしたものである。

また、半導体レーザに対する光強度変調信号のレベルが
複数であって、各々の光強度レベルの光を安定して出力
できるようにするため、複数の定電流源を変調用スイッ
チング素子を経て切換えて半導体レーザに接続状態とし
、接続された定電流源に応じて半導体レーザの光強度出
力を変化させる方式も１本出諏人により提案されている
。より具体的には、複数の定電流源中、１つは半導体し
一ザのバイアス電流近傍に設定されたものであり、残り
は、その電流値が２’：１　　の関係を持つように設定
されている。この結果、前者の１つのバイアス用の半導
体レーザを共通に用いることにより、半導体レーザの駆
動電流−光出力特性のバイアス電流以上の直線的な部分
を利用し、電流源の個数を減らし、入力信号に対して直
線的に変化する光出力が得られるようにされている。

発明が解決しようとする課題 前者の特開昭６３−１０２５４４号公報による場合、補
正テーブルとＤ／Ａコンバータの組合せによるため、半
導体レーザ暉動用のＤ／Ａコンバータにおける処理時の
量子化誤差により、半導体レーザの光出力パワーに誤差
を生じ得る。

また、後者の複数の定電流源切換え方式による場合、入
力信号に対して出力パワーが線形なため。

中間調画像の再現において、感光体の感度等の非線形部
分により、記録画像の中間調再現性が劣化してしまう。

そこで、各々異なる駆動電流値を持たせた複数の定電流
源をスイッチング回路とともに設け、光強度変調信号に
よりスイッチング回路をスイッチングさせて光強度変調
信号に対応する定電流源によって半導体レーザを駆動さ
せ、記録画像における中間調再現性を向上させるように
したものが提案されている。この場合、半導体レーザの
出力特性は温度等によって変動し得るので、半導体レー
ザの光強度がフォトダイオード等によりモニタされ、所
定の光強度となるように対応する定電流源がフィードバ
ック制御される。

しかし、光強度レベルの低いレーザ光のパワー制御時に
は、光強度レベルが低いため、半導体レーザのレーザ光
をモニタするフォトダイオード等の受光素子の出力信号
のＳ／Ｎが劣化する。よって、このような場合には低い
光強度レベルにつき、精度よく制御することはできない
。

課題を解決するための手段 半導体レーザに対し異なる駆動電流値が設定された複数
の定電流源と、各定電流源毎に直列に設けられて光強度
変調信号に従いスイッチングされ対応する定電流源を前
記半導体レーザに接続させるスイッチング回路とを設け
、前記半導体レーザから射出されるレーザ光の光強度を
モニタするモニタ用受光素子を設け、このモニタ用受光
素子によるモニタ出力を各光強度レベル用の基準値と比
較する比較手段と比較結果を各定電流源にフィードバッ
クして一致する状態に駆動させるフィードバック駆動手
段と一致した状態で定電流源の駆動電流値を保持させる
保持手段とを備えた光強度制御保持手段を各定電流源毎
に設け、これらの光強度制御保持手段中の低い光強度レ
ベル用のものの動作を高い光強度レベル用のものより遅
い周期で行わせるタイミング変更回路を設けるとともに
、前記光強度制御保持手段中の低い光強度レベル用のも
のの検出帯域を高い光強度レベル用のものより下げる帯
域変更回路を設ける６ 作用 光強度が高〜低に渡って各レベルに可変制御される半導
体レーザにおいて、その光強度レベルが低い時には、モ
ニタ受光素子による検出信号が微弱となってＳ／Ｎの悪
いものとなるが、低いものについては帯域変更回路を通
して検出帯域を下げることにより、得られる信号は微弱
であってもＳ／Ｎのよいものとなる。また、タイミング
変更回路により低いものについてはその光強度制御保持
回路の制御動作及び保持動作が低速で行なうことにより
、微小なる信号であっても、十分に追従した動作が可能
となり、高精度に制御できる。よって、高い光強度レベ
ル用の開動電流値のみならず、低い光強度レベル用の駆
動電流値についても、精度のよいフィードバック制御及
びその電流値保持が可能となる。

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第２図により、本実施例の前提となる半導体レー
ザの光強度可変方式について説明する。

第２図は半導体レーザの駆動電流−光出力特性を示すも
のであり、駆動電流に応じて光強度が変化する。より詳
細にこの特性を見ると、周知のように、バイアス電流工
でＨを境として自然発光領域とレーザ発振領域との２つ
のリニア領域に分けられる。図中、実線がある温度ｔ。

における特性を示し、破線が異なる温度し、における特
性を示す。

両者の対比からも判るように、この特性において、バイ
アス電流ＩＴＨは各々ＩＴＨ８ｐＩＴＫ工で示すように
温度によって変化するが、駆動電流と光強度との直線傾
き関係は温度が変化しても殆ど変化しない特性を持つ。

このような特性を持つ半導体レーザを用いて、その光強
度を安定させるため、半導体レーザの光強度を可変させ
る複数のステップとして、各ステップの光強度に対応す
る電流値の半導体レーザ駆動用の定電流源を個別に設け
、光強度変調信号によりスイッチング回路を制御し、半
導体レーザを駆動させる定電流源を選択すれば、半導体
レーザはその駆動電流値に基づき所定の光強度にて発光
することになる。

例えば、第２図において、光強度Ｐｎを得るためには半
導体レーザに対してＩｎなる開動電流値の定電流を流せ
ばよく、光強度ＰＩ１１を得るためにはＩｎなる駆動電
流値の定電流を流せばよい、そして、例えばこのような
光強度Ｐｎ、Ｐｍを必要とすれば、定電流源として電流
値がＩｎ、Ｉｍなるものを２個用意し、スイッチング回
路により選択す４ｔばよい。より具体的には、第１図に
示すような回路構成により、半導体レーザ１の光強度変
調制御がなされる。まず、半導体レーザ１に駆動電流を
流すための定電流源２，３（各々の駆動電流値をＩｎ、
Ｉｎとする）が設けられている。これらの定電流源２，
３は各々個別に直列なるスイッチング回ｇ４，５を介し
て前記半導体レーザ１に接続されている。何れのスイッ
チング回路４．５も′准源Ｖｃｅと半導体レーザ１とに
各々接続された並列なる一対のトランジスタＱｉＬ−Ｑ
ｉｚ、　Ｑよ□ｐＱｚ□と、分圧抵抗Ｒ１□、　Ｒ１，
、Ｒ２１，Ｒ２２とからなり。

１−ランジスタＱ　ｉＺ＋　Ｑｚｚにより対応する定電
流源２．３にＶｃｅから電流を供給するとともに、トラ
ンジスタロ工１．Ｑ□、により対応する定電流源２゜３
を選択的に半導体レーザ１に接続させるものである。こ
れらのトランジスタＱエエｙＱｚ□には光強度変調信号
が変調用デコーダ６を介して入力される。

これにより、トランジスタＱ１□ｔＱｚ□を光強度変調
信号によりオン・オフ制御することにより、定電流源２
，３がともに半導体レーザ１に対して非接続状態、定電
流源２のみが半導体レーザ１に対して接続状態（駆動電
流値Ｉｎで駆動）、定電流ｇ３のみが半導体レーザ１に
対して接続状態（駆動電流値Ｉｎで駆動）、定電流ｉｇ
３．４がともに半導体レーザ１に対して接続状態（駆動
電流値Ｉｎ＋Ｉｍで駆動）となる４種の状態が得られ。

４値（出力Ｏを含む）の光強度変調が可能となる。

ここに、半導体レーザ１−の出力特性は、温度等により
変動し得るので、このような変動に対処し得るように、
定電流源２．３に対してモニターフィードバック制御系
が付加されている。まず、半導体レーザ１から射出され
るレーザ光の一部を受光モニタするモニタ用受光素子と
してのフォトダイオード７が設けられている。このフォ
トダイオード７にはモニタ出力を増幅する増幅器８が接
続されている。この増幅器８の出力側には各々の定電流
源２，３に対する光強度制御保持回路９，１０が接続さ
れている。まず、光強度制御保持回路９は、比較手段と
しての比較器１１、保持手段としてのアップダウンカウ
ンタ１２、フィードバック駆動手段としてのＤ／Ａ変換
器１３によりなり、定電流源２に対してフィードバック
接続されている。まず、増幅器８により増幅されたフォ
トダイオード出力（モニタ出力）は、比較器１１におい
て基準値としての基準電圧Ｖ。ＰＩｗ＋ａｘ、と比較さ
れる。ここに、基準電圧ＶｘｙｔｖＬｍｍｘ＋は第２図
に示した半導体レーザ１の駆動電流−光強度出力特性に
おいて、発光量Ｐｎ　　（即ち、Ｌｍａｘ　）である時
のフォトダイオード７の出力に等しくなる電圧値である
。比較器１１による比較結果はＨレベル又はＬレベルの
デジタル２値信号としてアップダウンカウンタ１２に入
力される。このアップダウンカウンタ１２はクロック発
生器１４からのクロック信号のタイミングにより比較器
１１からの出力を計数する（アップ又はダウン）、この
カウンタ１２からの出力はＤ／Ａ変換器１３によりアナ
ログ変換された後、定電流源２にフィードバックされ、
アナログ変換値に応じて定電流源２により半導体レーザ
１に駆動電流を流す。このようなフィードバック制御に
おいて、比較器１１からの出力の極性が反転した時にア
ップダウンカウンタ１２による計数動作を停止させるこ
とにより、定電流源２の駆動電流値は当初のＩｎから制
御停止時の駆動電流値Ｉｎ’　　に保持される。よって
、温度等により出力変動したとしても、半導体レーザ１
からの実際の光強度が２口となるように制御され、安定
する。

一方、光強度制御保持回路１０も同様であり、比較手段
としての比較器１５、保持手段としてのアップダウンカ
ウンタ１６、フィードバック駆動手段としてのＤ／Ａ変
換器１７によりなり、定電流源３に対してフィードバッ
ク接続されている。

そして、定電流源３に対する駆動電流値の制御・保持も
同様に行われる。なお、増幅器８により増幅されたフォ
トダイオード出力は、比較器１５において基準値として
の基準電圧Ｖｉ＋＋＋ｒｉｍ＋ａｌと比較されるが、こ
の時の基準電圧Ｖ□Ｆｆｍ１ｍ）は第２図に示した半導
体レーザ１の駆動電流−光強度出力特性において１発光
量Ｐｔｎ　　（即ち、　Ｌａ１ｎ　）である時のフォト
ダイオード７の出力に等しくなる電圧値である。

ところで、光強度Ｐｍ用の強度制御保持回路１０側にお
ける動作においては、この光強度Ｐｎ＋なるレベルは光
強度Ｐｎなるレベルに比べ、発光光量が少ない（レベル
が低い）ため、制御・保持用のフォトダイオード７の出
力も少なくなって微弱なため、Ｓ／Ｎも悪くなってしま
う。この点１本実施例では光強度Ｐｍのように光強度レ
ベルの低いもの程、低速（遅い周期）で制御・保持動作
を行わせるため、光強度制御保持回路１０中のアップダ
ウンカウンタ１６のクロック入力に対しタイミング変更
回路としての分周器１８が付加されている。即ち、クロ
ック発生器１４からのクロック信号をこの分周器１８で
分周した分周クロック信号でアップダウンカウンタ１６
を動作させることにより、アップダウンカウンタ１２側
よりも低速で計数動作することになる。よって、フォト
ダイオード７からの出力が小さくても計数時間が十分に
あり、高精度の制御が可能となる。また、本実施例にあ
っては、光強度レベルが低い場合にＳ／Ｎが悪くなる点
を改善するため、増幅器８と比較器１５との間に抵抗Ｒ
、コンデンサＣによる帯域変更回路としての低域通過フ
ィルタＬＰＦ１９が挿入されている。このＬＰＦ１９に
より検出系の検出帯域を下げることにより、増幅器８か
らの信号が微弱であっても、Ｓ／Ｎが向上したものとな
り、比較器１５による比較処理に供される。

ここに、前記アップダウンカウンタ１２．１６に対して
は、第１図に示すように、その計数開始を指示する信号
Ｃ０ＮＴｌ、２が計数制御回路２ｏ、２１から与えられ
ている。即ち、信号Ｃ０ＮＴ１，２により上述したよう
な制御動作が開始し、カウンタ１２，１６の極性が反転
した時に、計数制御回路２０．２１によりこれらのカウ
ンタ１２゜１６の計数動作を停止させ、半導体レーザ１
には保持された一定電流（能動電流値）が流れるように
制御させる。ところで、本実施例にあっては。

例えばレーザプリンタに適用する場合であれば、光強度
レベルの高い場合の半導体レーザ１の出力制御はレーザ
光の主走査毎の周期で行い、光強度レベルの低い場合の
半導体レーザ１の出力制御はもつと遅くページ毎の周期
で行わせるものである。

よって、Ｃ０ＵＴＩ、２としては、例えば第３図に示す
ようにタイミング信号として与えられる。

まず、同図（ａ）は感光体く図示せず）の走査開始位置
近傍に設置されて走査レーザ光を受けるフォトダイオー
ドからの出力信号であり、主走査毎（Ｔ□　：主走査期
間）に出力されて印字タイミング信号となるものである
。このような印字タイミング信号を基準に、その印字期
間Ｔ２外となる数百μｓの期間Ｔ３中において、信号Ｃ
０ＮＴｌが１（レベルとなり、アップダウンカウンタ１
２にイネーブル信号が与えられ（同図（ｄ）参照）計数
開始状態となる。その後、信号ＣＯＮ　Ｔ　１がＬレベ
ルとなって、第３図（ｄ）に示すように比較器１１から
の比較出力の極性がＬレベルからＩ−Ｉレベルに極性が
変化した時に、カウンタ１２は計数を停止し、光強度制
御保持回路９による制御・保持動作が完了し、次の主走
査期間Ｔ１中の印字期間Ｔ８には駆動電流値Ｉｎに保持
される。

一方、印字期間Ｔ２外なる期間Ｔ３は、通常、数百μｓ
の短時間であり、この期間内に光強度レベルＰｎだけで
なく、光強度レベルＰｍをも制御しようとすると、光検
出系の検出帯域が広くなって、特に低い光強度レベルＰ
ｍ側の制御においては、信号のＳ／Ｎの劣化を招く。そ
こで、この低いほうの光強度レベルｐＨの制御について
は、ページ毎に制御を行わせるものである。第３図（ｂ
）はページ信号を示し、１ページの印字期間Ｔ４中はＨ
レベルとなっている。ここに、ページ信号には、連続印
字時であっても、必ず紙送り用の期間Ｔ、がある。この
期間Ｔ５は印字速度にもよるが、０、数秒〜数秒程度あ
り、この期間Ｔ、内に信号Ｃ０ＮＴ２を出力させ、かつ
、分周器１８からの低速の分周クロック信号によりアッ
プダウンカウンタ１６を計数動作させ、上記の光強度レ
ベルＰｎの場合と同様に、光強度レベルＰｍの制御を行
えばよい。

ついても、精度のよいフィードバック制御及びその電流
値保持が可能となり、熱等による半導体レーザの特性変
動に有効に対処できる。

発明の効果 本発明は、上述したように構成したので、光強度が高〜
低に渡って各レベルに可変制御される半導体レーザにお
いて、その光強度レベルが低い時には、モニタ受光素子
による検出信号が微弱となってＳ　／　Ｎの悪いものと
なるが、光強度レベルの低いものについてはモニタ用受
光素子からのモニタ出力が帯域変更回路を通して検出ｊ
’ｊＦ　Ｑが下げられるので、微弱な信号であってもＳ
／Ｈのよいものとなり、また、光強度レベルの低いもの
についてはタイミング変更回路により対応する光強度制
御保持回路の制御動作及び保持動作を低速で行なうので
、微弱なる信号であっても、十分に信号処理時間を確保
でき、精度の高い制御動作が可能となり、よって、高い
光強度レベル用の駆動電流値のみならず、低い光強度レ
ベル用の駆動電流値に

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は回路図
、第２図は半導体レーザの駆動電流−光強度出力特性図
、第３図はタイミングチャートである。 １・・半導体レーザ、２，３・・・定電流源、４，５・
・・スイッチング回路、７・・・モニタ用受光素子、９
゜１ｏ・・・光強度制御保持回路、１１・・・比較手段
、］−２・・・保持手段、］、３・・・フィードバック
駆動手段、１５・・・比較手段、１６・・・保持手段、
１７・・・フィードバック駆動手段、１８・・・タイミ
ング変更回路、１９・・・帯域変更回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体レーザと、この半導体レーザに対し異なる駆動
   電流値が設定された複数の定電流源と、各定電流源毎に
   直列に設けられ光強度変調信号に対応する定電流源を前
   記半導体レーザに接続させるスイッチング回路と、前記
   半導体レーザから射出されるレーザ光の光強度をモニタ
   するモニタ用受光素子と、前記モニタ用受光素子による
   モニタ出力を各光強度レベルの基準値と比較する比較手
   段と比較結果を各定電流源にフィードバックして一致す
   る状態に駆動させるフィードバック駆動手段と一致した
   状態で定電流源の駆動電流値を保持させる保持手段とを
   備えて各定電流源毎に設けられた光強度制御保持手段と
   、これらの光強度制御保持手段中の低い光強度レベル用
   のものの動作を高い光強度レベル用のものより遅い周期
   で行わせるタイミング変更回路と、前記光強度制御保持
   手段中の低い光強度レベル用のものの検出帯域を高い光
   強度レベル用のものより下げる帯域変更回路とからなる
   ことを特徴とする半導体レーザの光強度変調回路。