JPH08108575A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】第１，第２の２つの光源からの光を光軸を一致
させて合成する第３の光学系(３）と、第２の光源と上
記第３の光学系との間に配置された光学フィルタ（１
３）と、偏向装置（５）と、該偏向装置（５）で偏向さ
れた光ビームを被走査面上に収束させる第４の光学系
（６）とから構成され、上記光学フィルタの透過率分布
を所定の分布に設定して上記第２の光源からの走査スポ
ットの光量分布を凹状分布とし、２つの光源のパワーの
比を印字パターンに応じて可変させた画像形成装置。 【効果】ドットサイズの安定化と、印字パターンからの
要求によるドットサイズ可変を同時に実現し、高解像
度，多階調で高品位印字の画像形成装置を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビームの走査を用い
て画像記録を行う画像形成装置に関し、特に、光ビーム
の走査光学系の改善により、階調再現性を向上させた画
像形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像形成装置などの記録手段において、
インキの濃度が白又は黒の２値のみで、中間濃度の記録
が行なえない場合（すなわち、多階調記録が行なえない
場合）には、『１』と『０』（すなわち、『白』と
『黒』）の記録ドットの組合せにより、マトリクス中に
記録するドットの面積率を変えて疑似的に中間調を再現
する面積階調法が用いられており、具体的にはディザ法
等がある。

【０００３】ディザ法は単位面積当たりのドット数で濃
度を形成していくため、階調表現に優れるが、解像度が
低下してしまうという問題点があった。

【０００４】そこで、これを解決するものとして、光ビ
ームでドット印字するときの露光時間（すなわち、パル
ス幅）を変調することでドットの大きさを変化させて１
画素で数階調の濃淡を表現して階調性を表現し、また、
ディザマトリクスサイズを小さくすることで解像度の劣
化を防止する多値ディザ法が提案されている。

【０００５】ところが、１画素の点灯時間を短くするの
に限度があるため、光ビームのドットをパルス幅で変調
する方法では、記録速度が速い場合に１画素の階調性を
上げることが出来なくなるという問題点があり、必ずし
も高解像度，多階調を充分に実現できるものではなかっ
た。

【０００６】一方、近年、ＤＴＰ（デスクトップパブリ
ッシング）の発達に伴って、プリンタ等の画像形成装置
にも、一層の高解像度，多階調が要求されるようになっ
ている。

【０００７】この様な要求に応えるために、上記パルス
幅変調方式において、微小ドットの再現性を高めて微小
ドットを使用した印字表現を行なうとドットが集合した
時にその集合が貧弱になってしまい、逆にドット集合の
表現のために大きなドットを使用すると小さなドットが
再現出来ないという問題点があった。

【０００８】そこで、この両者の表現を充分に行なうと
いう観点から、光源のパワーを可変として、ドット径を
選択的可変させて用いることが考案されている。

【０００９】例えば、特開昭63-265642号公報に示され
るように、１つの光ビームの光源パワーの変更によって
ドット径を切り替えることにより、鮮明で高品質な画像
を形成できるようにした画像記録装置が提案されてい
る。本公報によれば、レーザダイオードのパワーを制御
して、ドット径を選択的に用いることにより、例えば、
レーザパワーを小さくして微小ドットの再現性を高め、
逆にレーザパワーを大きくして充分なドット集合を得る
ことが出来、さらには、ドット径の可変によりドットの
面積による階調が可能となるため、解像度劣化を来たす
ことなく多階調化を実現できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
63-265642号公報の画像記録装置によれば、高解像度と
多階調を同時に実現できるものの、レーザパワーによっ
てドットの大きさを変調するという方式はドットサイズ
の安定性が悪いという問題点があった。

【００１１】以下、この問題点について詳細に説明す
る。

【００１２】本発明に述べるような電子写真プロセスを
用いた画像形成装置においては、印字ドットの大きさ
は、感光面上での走査スポットによる露光量の分布形状
と、現像器の現像電位等から決まるところの露光量閾値
とで大略決定される。

【００１３】図７はこれを説明する図である。図７にお
いて、実線７１は走査スポットによる感光面上の露光量
の分布であり、この場合、閾値７２よりも大きい露光量
の範囲７５が印字ドットの大きさとなる。ここで、閾値
が破線７３にまで変化したとすると、ドット径は破線７
６の範囲にまで変化する。

【００１４】このような閾値の変動が一つの画像を形成
する途中で生じると、均一なレーザパワーで走査しても
ドット径のムラ（すなわち印字濃度のムラ）となって現
われ画質を劣化させ、微妙な印字濃度の差を表現出来な
いことになり、高い階調性能を実現出来ない。

【００１５】図７をさらに詳細に見れば、上記ドットサ
イズの変化は、閾値近傍での露光量分布の曲線の傾きの
大きさ７７に起因していることがわかる。傾き量７７が
小さければドットサイズの変化は小さく出来る。

【００１６】逆に、レーザパワーを変化させた時、図７
の露光量分布がレーザパワーに比例して変化することで
所定の閾値でのドットサイズを変えることが出来るが、
これは、露光量分布が不変で閾値が変化するのと同等で
ある。

【００１７】言い替えると、レーザパワーの変化でドッ
トサイズが変化するためには露光量分布の曲線の傾き７
７が必要であり、これは上記濃度のムラの発生の原因と
なる。すなわち、レーザパワー変化によるドットサイズ
可変のための要求と濃度のムラを小さくするための要求
とは相反するものとなる。

【００１８】現像電位等による閾値の変動は、実際上少
なからず存在するため、この方式(以下、レーザパワー
変調方式という）は閾値変動の影響を受け易く、多階調
化の実現が難しいという問題点があった。

【００１９】本発明の目的とするところは、上記問題点
を解決し、現像電位等の変動の影響を受けにくいような
印字方式を実現し、多階調且つ高解像度の画像形成装置
を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、画像形成装置において、光を発散する第
１の光源（１）及び光を発散する第２の光源（１１）
と、上記第１の光源からの光を略平行に整形して出射す
る第１の光学系（２）と、上記第２の光源からの光を略
平行に整形して出射する第２の光学系（１２）と、上記
第１の光学系から出射する光束（１５）と上記第２の光
学系から出射する光束（１６）とを光軸を一致させて合
成した後出射する第３の光学系（３）と、上記第２の光
学系と上記第３の光学系との間に配置された光学フィル
タ（１３）と、上記第３の光学系からの光を偏向走査す
る偏向装置（５）と、偏向された光ビームを被走査面
（１０）上に収束させる第４の光学系（６）と、感光面
であるところの被走査面（１０）とから構成され、上記
光学フィルタ（１３）は場所により光の透過率及び厚さ
が変化し、透過率分布は、上記光学フィルタ（１３）上
の位置（光軸からの距離）Ｒに対し、透過率ηを次式の
ように設定し、 η＝ｃｏｓ²（２π・ｒ／α） （１） 厚さは、ｒ＜α／４の範囲において、 ｄ＝（λ／２）・ｎ／（ｎ−１） （２） だけ厚くしたような形状を有し、印字パターンによって
上記第１の光源の発光パワーと第２の光源の発光パワー
の比を可変にする手段（１７）を有したものである。

【００２１】但し、ｒ＝Ｒ／Ｒ₀ 、Ｒは上記光学フィル
タ上での光軸からの距離、Ｒ₀は上記第２の光学系から
出射される光ビームの半径、αは分布の周期、ｎはフィ
ルタの屈折率、λは光源の波長。

【００２２】本発明の原理について以下に説明する。

【００２３】

【作用】レーザパワーの制御によってドットサイズを変
調して多階調を表現するレーザパワー変調方式は、上記
したように、現像電位変動の変動によってドットサイズ
が変動し、濃度のムラを発生し易い。

【００２４】一方、パルス幅を変化させてドットサイズ
を変化させる方式では、露光量分布の曲線の傾きが大き
ければ同様の問題が発生するが、上記傾きを小さくして
濃度のムラを小さくする方法がある。それは、走査する
レーザスポット径を小さくすることにより、上記傾きを
小さくすることができる。

【００２５】図６は、同じようなドットサイズになる露
光量分布で、レーザ走査スポット径が大きい場合６１と
小さい場合６２とを比較して示したものである。図６か
ら、走査スポット径が小さい場合６２の方が閾値での露
光量分布曲線の傾きを小さくできることがわかる。

【００２６】また、走査スポット径を小さくすると、上
述したような微小ドットの再現性を高め微小ドットによ
る印字表現を良好に出来る。

【００２７】しかしながら、上述したようにドットが集
合した印字（大きいドットや黒ベタ）ではその集合が貧
弱になってしまい、さらには、未露光や露光不足の部分
を生じさせ画質が低下する。

【００２８】そこで、上述のようなレーザパワー変調方
式ではなく、微小ドットの印字には径の小さい走査スポ
ット、大面積ドットの印字には径の大きい走査スポット
と、走査スポットの形状自体を使い分ける方法が考えら
れる。

【００２９】この時、径の大きい走査スポットの光量分
布は、ガウシアン分布であれば図６に示したように濃度
ムラが大きくなるため、図５の５４に示すようなできる
限り矩形分布に近い形状を有するものとする。

【００３０】これによって、特に大きいドットを印字す
る場合、図５に示すように、径の小さい走査スポット５
３でパルス幅を５５のように大きくした場合の露光量分
布５１よりも（図５（ａ））、径の大きい略矩形分布の
走査スポット５４でパルス幅を５６のように小さくした
場合の露光量分布５２（図５（ｂ））の方が露光量分布
曲線の傾きを小さくできることを見出した。

【００３１】２つの走査スポットを使い分けるには、２
つの光源からのレーザビームの一方を微小スポットと
し、他方を矩形分布スポットとして、印字パターンに応
じて両者を切り替える方法が考えられる。

【００３２】しかしそれよりも、上記２つのビームの
内、微小スポットとしない方のビームは、矩形分布では
なく、図２の２３で示すような両側に光量のピークを有
するような分布形状とすることにより、ドットサイズを
より安定に印字できることを見出した。

【００３３】これをさらに詳細に説明する。本発明によ
れば、感光面上を２つのビームを重ねて走査する。２つ
のビーム及び両者が重なった時の光量分布を図２（ｂ）
に示す。２つのビームの内、一方は微小径のガウシアン
分布２２、他方は中央が凹み両側に光量のピークを有す
る凹状分布２３である。

【００３４】微小ドットを印字する場合は、図２（ａ）
に示すように凹状分布ビームのパワーをゼロとし、両者
の合成分布を２１に示すように微小径のガウシアン分布
とする。大面積ドットを印字する場合は、図２（ｂ）の
２２，２３に示すように両ビームのパワーをほぼ同等に
することによって、両者の合成分布を２４に示すように
ほぼ矩形分布とすることが出来る。

【００３５】さらに本方式は、両ビームのパワーの比を
上記２つの場合の中間の値に設定することにより、微小
サイズと矩形分布の中間のスポットサイズを実現でき
る。すなわち、中間のパワー比で全体のパワーを調整す
ることにより、実質的スポット径を可変できる。

【００３６】上記凹状分布は、フーリエ逆変換から考え
て、瞳関数の振幅分布を、もとの均一分布あるいはガウ
シアン分布とｃｏｓ関数との積とすることにより実現出
来ることを見出した。

【００３７】こうして得られた凹状分布は、同じ瞳径で
ｓｉｎｘ／ｘ瞳関数から得られる矩形分布よりも光量分
布曲線の傾きを小さくでき、ドットサイズはより安定な
ものが得られる。これらの両者の比較を図４に示す。凹
状分布４１の方が矩形分布４２よりも分布曲線の傾きが
小さくなっていることがわかる。

【００３８】２次元の場合は、大略ｘ，ｙ軸方向で独立
に上記議論が成立ち、軸対称系では、回転軸からの距離
について上記議論が成立つ。

【００３９】以上述べたようにして、本発明により高解
像度で階調数の高い印字を、安定に実現できる。

【００４０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００４１】図１は、本発明による一実施例を示す構成
図である。

【００４２】本実施例は、第１の光源（１）、第１のコ
リメータレンズ（２）である第１の光学系、第２の光源
（１１）、第２のコリメータレンズ（１２）である第２
の光学系、光学フィルタ（１３）、ハーフミラープリズ
ム（３）とシリンドリカルレンズ（４）から成る第３の
光学系、偏向装置である回転多面鏡（５）、第４の光学
系（６）、被走査面（１０）とで構成されている。

【００４３】次に、各々の動作について説明する。

【００４４】第１の光源（１）及び第２の光源（１１）
は、本実施例では半導体レーザであり、発散性のレーザ
ビームが射出される。波長は、０．７８μｍである。

【００４５】上記第１のコリメータレンズ（２）及び第
２のコリメータレンズ（１２）は、各々、上記光源
（１）及び光源（１１）からの発散光をコリメートし、
ほぼ平行な第１のビーム１５及び第２のビーム１６に整
形するとともに、これらの位置調節によって主走査方向
断面内で被走査面（１０）に光ビームを収束させるよう
ピント合わせを行う。

【００４６】上記光学フィルタ（１３）は、上記第２の
ビームが通過する断面内において、透過率の分布を有
し、これによって上記被走査面（１０）上での走査スポ
ットの光量分布を所定の形状にする作用を行なう。

【００４７】上記ハーフプリズム（３）は、上記第２の
ビームを上記第１のビームと合成して、上記シリンドリ
カルレンズ（４）に向けて出射する作用を行なう。

【００４８】上記シリンドリカルレンズ（４）は、副走
査方向断面内で正のパワーを有し、上記ハーフミラープ
リズム（３）からの光ビームを副走査方向にのみ収束
し、上記回転多面鏡（５）の反射面（８）上に線像を形
成する。

【００４９】上記回転多面鏡（５）は図１に示す矢印の
方向にモータ（７）に駆動されて回転し、反射面（１
１）の反射角度が変わることによって合成された２つの
光ビームを順次偏向する。一つの反射面が通過する間に
一回の走査が行われ、上記回転多面鏡（５）が一回転す
る間に反射面の数だけの走査が行われる。

【００５０】上記第４の光学系（６）は、最終的に光ビ
ームを被走査面（１０）上に収束させる作用を行うとと
もに、副走査方向断面において上記回転多面鏡の反射面
（８）と被走査面（１０）とを共役関係にすることで、
上記回転多面鏡の反射面（１１）の回転軸に対する傾き
誤差（面倒れ）による走査線の副走査方向への位置ずれ
を防止している。合成された２つのビームは、光軸が完
全に一致されて偏向されているため、本光学系によって
上記被走査面（１０）上の同じ位置に収束され、同時に
同じ位置を走査することになる。

【００５１】上記第４の光学系（６）はまた、最適に収
差が補正されることにより前述した被走査面（１０）上
での光スポットの等速度走査（ｆ・θ特性）、およびス
ポットサイズの一様性を実現している。この第４の光学
系は、焦点距離２７０ｍｍ、偏向角６４°、走査幅３０
０ｍｍである。

【００５２】上記被走査面（１０）は、例えばレープリ
ンタ等では感光ドラムあるいは感光ベルトの感光面がこ
れに相当し、光ビームによる露光で信号が記録され、次
のプロセスに渡される。

【００５３】本実施例におけるシステムの印字密度は３
００ｄｐｉであり、１ドットの大きさは約８０μｍであ
る。

【００５４】次に、本実施例における高解像度，多階調
印字の実現方法について説明する。

【００５５】レーザパワーの制御によって１ドットのド
ット径を変調する方式は、高解像度，多階調印字を実現
するために有効な方法であるが、現像電位等の閾値変動
のために、ドットサイズが変動して濃度のムラを生じ、
実質的には高階調表現が困難であったことは前述の通り
である。

【００５６】さらには、前述したように、走査スポット
を微小スポットと凹状光量分布を有するスポットとの合
成スポットとし印字パターンによって両者のパワー比を
調整することによって、どの印字濃度においても上記ド
ットサイズ変動による濃度のムラを低減でき、印字階調
数を向上することが出来ることを明らかにした。

【００５７】図２は、本実施例における２つの走査スポ
ットの合成の様子を、示したものである。図２（ａ）
は、微小ドット印字する場合であり、第２のビームのパ
ワーをほぼゼロとして全体のスポット光量分布を微小ス
ポットである第１のビームのそれと同一にしている。図
２（ｂ）は、大面積のドットを印字する場合であり、第
１のビームのパワーと第２のビームのパワーとを、最大
光量がほぼ等しくなるように設定し全体として矩形の光
量分布を得ている。

【００５８】第１のビームの走査スポット径は１／ｅ²
値で６０μｍである。

【００５９】第２のビームのスポット光量分布を得るた
めの瞳関数はフーリエ変換から、次の式で表わされるこ
とを明らかにした。

【００６０】 ｆ（ｒ）＝ｃｏｓ（２π・ｒ／α） （３） 但し、ｒ＝Ｒ／Ｒ₀ 、Ｒは瞳上での光軸からの距離、Ｒ
₀は瞳半径、αは分布の周期を決める定数であり、上記
スポット光量分布を得るためには １.５＜α＜２.０ （４） であることが望ましい。

【００６１】本実施例では、α＝１．８とした。

【００６２】この瞳関数は、瞳上での光の振幅分布を表
しており、ｆ（ｒ）＜０となる所では位相を１８０度反
転させることを意味する。

【００６３】このような瞳関数を実現するためには、第
２のビームの入射位置に光学フィルタを配置し、その形
状及び透過率分布を次のように設定すれば良い。

【００６４】まず、透過率分布は上記位置ｒにおける透
過率ηを次式のように設定する。

【００６５】 η＝ｃｏｓ²（２π・ｒ／α） （４） これは、透過率が光の振幅でなくエネルギーの透過率を
与えるためである。

【００６６】さらに、上記位相の反転を与えるために光
学フィルタの厚さを場所によって次のように変化させ
る。

【００６７】すなわち、ｒ＜α／４の範囲において、そ
の外側よりも、 ｄ＝（λ／２）・ｎ／（ｎ−１） （５） だけ厚く、又は薄くする。

【００６８】但し、ｎはフィルタの屈折率、λは光源の
波長である。

【００６９】本実施例では、光源の波長は０.７８μｍ
であり、フィルタをアクリル板で作成して、その屈折率
からｄ＝１.１７μｍとした。

【００７０】図３に光学フィルタの断面形状及び透過率
分布３３を示す。図３に示すように、光学フィルタ３１
の厚さを途中で変化させて段差を付けている。上述のよ
うにこの段差は中央部が凹むように設定しても良い。

【００７１】このような形状は、金型に段差を設け、出
射成形によって容易に作成可能である。また、透明平板
に光透過性の材料を蒸着することによっても作成可能で
あり、この時にはその厚さを決定する式（５）のｎの値
には蒸着材料の屈折率を用いれば良い。

【００７２】更に、上記光学フィルタ３１の段差のある
面と反対側の面には、位置によって透過率が変化するフ
ィルム３２を貼り付けてある。本フィルムの透過率分布
を３３に示す。

【００７３】以上のような光学フィルタによって、上記
第２のビームの走査スポットの光量分布を実現できる。

【００７４】以上述べたように、本発明によって、レー
ザパワー変調方式におけるドット面積の安定化を図る事
が出来、高解像度，多階調の画像形成装置が得られる。

【００７５】以上の実施例では、光学フィルタは光軸に
対して回転対称な透過率分布であったが、主走査方向又
は副走査方向のみに上記のような透過率分布を持たせた
場合でも、同様の効果を発揮することは言うまでもな
い。

【００７６】特に、副走査方向に分布を持たせる場合に
は、上記実施例に示したような長尺レンズを用いた走査
光学系と併せて用いると、大きなＮＡのビーム収束が実
現できるので、理想的な分布を得易く、効果的である。

【００７７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、現
像電位変動等の外乱の影響を受け難い安定したドットサ
イズと、印字パターンからの要求によるドットサイズ可
変を同時に実現でき、高解像度，多階調印字を高品位に
実現した画像形成装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】本発明の実施例における走査スポットの光量分
布の断面を示すグラフである。

【図３】本発明の実施例における光学フィルタの構成図
である。

【図４】同じ瞳径で実現する矩形光量分布と凹状光量分
布との比較を示す図である。

【図５】同じドットサイズを微小スポットと矩形スポッ
トで走査した場合の露光量分布の比較を示す図である。

【図６】同じドットサイズを大径スポットと微小スポッ
トで走査した場合の露光量分布の比較を示す図である。

【図７】現像電位の変動によるドット径の変化を説明す
る概念図である。

【符号の説明】

１…第１の光源、２…第１の光学系、３…ハーフプリズ
ム、４…シリンドリカルレンズ、５…偏向装置、６…第
４の光学系、７…偏向装置の反射面、１０…被走査面、
１１…第２の光源、１２…第２の光学系、１３…光学フ
ィルタ、１５…第１の光ビーム、１６…第１の光ビー
ム、１７…パワー比制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スポット状の光ビームを記録媒体上に走査
   して画像を形成する画像形成装置において、 光を発散する第１の光源（１）及び第２の光源（１１）
   と、上記第１の光源からの光を略平行に整形して出射す
   る第１の光学系（２）と、上記第２の光源からの光を略
   平行に整形して出射する第２の光学系（１２）と、上記
   第１の光学系から出射する第１の光束（１５）と該第２
   の光学系から出射する第２の光束（１６）との光軸を一
   致させて合成した後出射する第３の光学系(３）と、上
   記第２の光学系と上記第３の光学系（３）との間に配置
   された光学フィルタ(１３）と、上記第３の光学系から
   の光を偏向走査する偏向装置（５）と、偏向された光ビ
   ームを被走査面（１０）上に収束させる第４の光学系
   （６）と、感光面であるところの被走査面（１０）とか
   ら構成され、上記第２の光束が上記被走査面上に収束さ
   れた時の走査スポットの光量分布が凹状分布となるよう
   に上記光学フィルタの形状が設定され、印字パターンに
   応じて上記第１の光源の発光パワーと第２の光源の発光
   パワーの比を可変する手段（１７）を有することを特徴
   とする画像形成装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 上記光学フィルタ（１３）は場所により光の透過率及び
   厚さが変化し、透過率ηは上記光学フィルタ上の光軸か
   らの距離に対して η＝ｃｏｓ²（２π・ｒ／α） のように変化し、厚さは、ｒ＜α／４の範囲においてそ
   の外側よりも ｄ＝（λ／２）・ｎ／（ｎ−１） だけ厚く又は薄く設定したような形状を有することを特
   徴とする画像形成装置。但し、ｒ＝Ｒ／Ｒ₀ 、Ｒは上記
   光学フィルタ上での光軸からの距離、 Ｒ₀は上記第２の光学系から出射される光ビームの半
   径、 αは分布の周期で１．５＜α＜２．０、 ｎはフィルタの屈折率、λは光源の波長である。