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技術 垂直キャビティレーザダイオード用積分式フィードバックアセンブリ

出願人 ゼロックスコーポレイション
発明者 ジェーン−ミッシェルグエリン
出願日 1997年8月29日 (22年3ヶ月経過) 出願番号 1997-233427
公開日 1998年4月21日 (21年8ヶ月経過) 公開番号 1998-100476
状態 未査定
技術分野 ドットプリンター,その他 機械的光走査系 FAXの走査装置 レーザービームプリンタ
主要キーワード 光束ビーム ダイオード温度 レーザダイオードアセンブリ アパーチャ形状 検出器セット 電子写真ドラム ラスタ走査装置 VCSEL光源
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1998年4月21日)のものです。
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図面 (10)

課題

VCSELセット中の各レーザダイオード出力エネルギを個別に調整して均一化しバンディング等の問題を解消する。

解決手段

ラスタ出力装置40は、垂直キャビティレーザダイオード(VCSEL)アセンブリ42が備えられ、同VCSELアセンブリには各レーザダイオードの出力エネルギを個別にモニタおよび調整するための積分式検出器セットS1〜5が備えられている。また、ラスタ出力装置40は半透過性かつ半反射性プレート70を用いて、各光ビームの一部を透過し、その他を反射してVCSELアセンブリ中の検出器S1〜5に返送する。各検出器はVCSELアセンブリ中の各レーザダイオードに電気接続され、これにより各レーザダイオードへのフィードバックが行われて各々の出力エネルギが個別に調整される。

概要

背景

一般に、単光束式レーザダイオードアセンブリは単一のダイオードをもち、走査装置中で同ダイオードは列状の画素情報部に接続されている。この画素情報部を用いてダイオードが駆動され、画素の存在部でレーザ束が誘導放出される。理想的には、レーザダイオードから放出された光ビーム定常化するためにダイオードの温度を一定レベルに保持する必要がある。しかしながら、列状の画素情報部のデューティサイクルの変化と周囲温度の変動の繰り返しによってダイオード温度が上昇し、それによってレーザダイオードの出力エネルギ減衰を招く。この出力エネルギの減衰は光受容器面上の除電量の減少をもたらす。さらにこの除電量の減少によって光受容器面上のトナー付着量が減少し、これによって印刷文書の画像に濃淡ボケが生じる。

画像の濃淡ボケを解消するためにレーザダイオードの出力レベルを一定に保持する必要がある。なお本明細書における「画像」とは文章図表の両方を意味するものとする。

レーザダイオードアセンブリセットには、複数のレーザダイオードが備えられている。各々のレーザダイオードから単光束ビームが放出され、各光ビームはそれぞれ異なる列の画素情報部により変調される。一般にラスタ走査装置では複数式のレーザダイオードを用いて複数のラインインターレース形式で同時に走査される。

図1に従来技術による複数ビーム式ラスタ走査装置10の接線方向(高速走査の方向)の図を示し、図2に図1のラスタ走査装置10の矢印方向(走査と交差する方向)の図を示す。図1、2に示すように、ラスタ走査装置10は、マルチビーム型レーザ光源12、コリメータ14、アパーチャ16、ポリゴンミラー前方レンズ18、走査用素子多面回転ポリゴンミラー20、ポリゴンミラー後方レンズ22および感光媒体24を用いている。

レーザ光源12は複数のレーザダイオードa1、a2、a3、a4およびa5を含む。ただし簡明にするためにレーザダイオードa1、a5から放出されたレーザビームのみを示す。レーザダイオードa1は光ビーム26を、レーザダイオードa5は光ビーム28を放出する。

回転式ポリゴンミラーは平面鏡からなる多数の面30をもつ。ただし簡明にするために、図2ではある時点で光ビームを受光している一面をライン30で示す。また面30で反射された光ビームを屈曲せずに示す。

レーザ光源12は、コリメータ14、アパーチャ16およびポリゴンミラー前方レンズ18を通じて光ビーム26、28を回転式ポリゴンミラー20に転送する。コリメータ14は光ビーム26、28をコリメートする。アパーチャ16はビーム26、28を必要量切り取り、ポリゴンミラー前方レンズ18は光ビーム26、28を回転式ポリゴンミラー20上で矢印方向すなわち走査と直角方向の平面上に集光させる。

回転式ポリゴンミラー20の面30は光ビーム26、28を反射し、かつ反射光ビーム26、28を面30の反射点近傍の軸の周りで回転させる。この反射光ビーム26、28を用いて、ポリゴンミラー後方レンズ22を経た画像形成装置入力端すなわちラスタ入力走査装置での文書の走査が行われる。また同反射光ビームを用いて、画像形成装置の出力部で写真フィルム電子写真ドラム(光受容器)などの感光媒体24への投射が行われる。

回転式ポリゴンミラー20により光ビーム26、28が感光媒体24の両端間をインターレース形式で同時に走査する。光ビーム26、28は、それぞれ別の線を走査しながら各ビームによって光受容器の走査を同時に開始する。

光ビーム26、28をインターレース形式で使用した後、ある光ビームの出力が少しでも他のビームと異なると印刷文書にバンディング(banding)といわれる現象が発生する。このバンディングにおいては、ある光ビームで走査された走査線が別の光ビームで走査された走査線に対して明、暗いずれかの状態にある。

バンディングの問題を解消するためにレーザダイオードの出力エネルギを一定レベルに維持することがきわめて重要である。しかしながら、各レーザダイオードに備わる公差のために各レーザダイオードの温度応答性が異なり、各出力エネルギの温度変化による変動の仕方も異なる。この結果、光受容器の感光度合が各レーザダイオード毎に異なり、バンディングの問題が生じる。

概要

VCSELセット中の各レーザダイオードの出力エネルギを個別に調整して均一化しバンディング等の問題を解消する。

ラスタ出力装置40は、垂直キャビティレーザダイオード(VCSEL)アセンブリ42が備えられ、同VCSELアセンブリには各レーザダイオードの出力エネルギを個別にモニタおよび調整するための積分式検出器セットS1〜5が備えられている。また、ラスタ出力装置40は半透過性かつ半反射性プレート70を用いて、各光ビームの一部を透過し、その他を反射してVCSELアセンブリ中の検出器S1〜5に返送する。各検出器はVCSELアセンブリ中の各レーザダイオードに電気接続され、これにより各レーザダイオードへのフィードバックが行われて各々の出力エネルギが個別に調整される。

目的

本発明の目的はVCSELセット中の各レーザダイオードの出力エネルギを個別に調整してバンディングの問題を解消することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

多数の光ビームを放出する複数のレーザダイオードと前記複数のレーザダイオードに個別に対応する複数の光検出手段を備えた部材と、前記光源から放出された前記複数の光ビームの経路上に位置し、かつ前記複数の光ビームをコリメートするように構成および配置されたコリメート手段と、感光媒体と、前記コリメータを経た前記複数の光ビームの経路上に位置し、かつ前記複数の光ビームが前記感光媒体の両端間走査するように構成および配置された走査手段と、前記コリメータと前記走査手段間に位置して前記複数の光ビームを受光するように構成および配置され、さらに前記複数の光ビームの一部を透過して前記走査手段に投射させると共に、前記複数の光ビームの別の一部を反射して前記コリメータを通して前記複数の光検出手段に返送する機能をもつ半透過性かつ半反射性の部材と、を含むことを特徴とするラスタ出力装置

技術分野

0001

本発明は垂直キャビティレーザダイオードVCSEL)アセンブリセット用のフィードバックシステムに関し、特にVCSELアセンブリセット内の各ダイオード出力エネルギを個別にモニタするための積分式フィードバックシステムをもつVCSELアセンブリを用いたラスタ出力装置の設計に関する。

背景技術

0002

一般に、単光束式レーザダイオードアセンブリは単一のダイオードをもち、走査装置中で同ダイオードは列状の画素情報部に接続されている。この画素情報部を用いてダイオードが駆動され、画素の存在部でレーザ束が誘導放出される。理想的には、レーザダイオードから放出された光ビーム定常化するためにダイオードの温度を一定レベルに保持する必要がある。しかしながら、列状の画素情報部のデューティサイクルの変化と周囲温度の変動の繰り返しによってダイオード温度が上昇し、それによってレーザダイオードの出力エネルギの減衰を招く。この出力エネルギの減衰は光受容器面上の除電量の減少をもたらす。さらにこの除電量の減少によって光受容器面上のトナー付着量が減少し、これによって印刷文書の画像に濃淡ボケが生じる。

0003

画像の濃淡ボケを解消するためにレーザダイオードの出力レベルを一定に保持する必要がある。なお本明細書における「画像」とは文章図表の両方を意味するものとする。

0004

レーザダイオードアセンブリセットには、複数のレーザダイオードが備えられている。各々のレーザダイオードから単光束ビームが放出され、各光ビームはそれぞれ異なる列の画素情報部により変調される。一般にラスタ走査装置では複数式のレーザダイオードを用いて複数のラインインターレース形式で同時に走査される。

0005

図1に従来技術による複数ビーム式ラスタ走査装置10の接線方向(高速走査の方向)の図を示し、図2図1のラスタ走査装置10の矢印方向(走査と交差する方向)の図を示す。図1、2に示すように、ラスタ走査装置10は、マルチビーム型レーザ光源12、コリメータ14、アパーチャ16、ポリゴンミラー前方レンズ18、走査用素子多面回転ポリゴンミラー20、ポリゴンミラー後方レンズ22および感光媒体24を用いている。

0006

レーザ光源12は複数のレーザダイオードa1、a2、a3、a4およびa5を含む。ただし簡明にするためにレーザダイオードa1、a5から放出されたレーザビームのみを示す。レーザダイオードa1は光ビーム26を、レーザダイオードa5は光ビーム28を放出する。

0007

回転式ポリゴンミラーは平面鏡からなる多数の面30をもつ。ただし簡明にするために、図2ではある時点で光ビームを受光している一面をライン30で示す。また面30で反射された光ビームを屈曲せずに示す。

0008

レーザ光源12は、コリメータ14、アパーチャ16およびポリゴンミラー前方レンズ18を通じて光ビーム26、28を回転式ポリゴンミラー20に転送する。コリメータ14は光ビーム26、28をコリメートする。アパーチャ16はビーム26、28を必要量切り取り、ポリゴンミラー前方レンズ18は光ビーム26、28を回転式ポリゴンミラー20上で矢印方向すなわち走査と直角方向の平面上に集光させる。

0009

回転式ポリゴンミラー20の面30は光ビーム26、28を反射し、かつ反射光ビーム26、28を面30の反射点近傍の軸の周りで回転させる。この反射光ビーム26、28を用いて、ポリゴンミラー後方レンズ22を経た画像形成装置入力端すなわちラスタ入力走査装置での文書の走査が行われる。また同反射光ビームを用いて、画像形成装置の出力部で写真フィルム電子写真ドラム(光受容器)などの感光媒体24への投射が行われる。

0010

回転式ポリゴンミラー20により光ビーム26、28が感光媒体24の両端間をインターレース形式で同時に走査する。光ビーム26、28は、それぞれ別の線を走査しながら各ビームによって光受容器の走査を同時に開始する。

0011

光ビーム26、28をインターレース形式で使用した後、ある光ビームの出力が少しでも他のビームと異なると印刷文書にバンディング(banding)といわれる現象が発生する。このバンディングにおいては、ある光ビームで走査された走査線が別の光ビームで走査された走査線に対して明、暗いずれかの状態にある。

0012

バンディングの問題を解消するためにレーザダイオードの出力エネルギを一定レベルに維持することがきわめて重要である。しかしながら、各レーザダイオードに備わる公差のために各レーザダイオードの温度応答性が異なり、各出力エネルギの温度変化による変動の仕方も異なる。この結果、光受容器の感光度合が各レーザダイオード毎に異なり、バンディングの問題が生じる。

発明が解決しようとする課題

0013

上述の通り、各ダイオード毎に出力エネルギが異なる結果バンディングの問題が生じる。このため各レーザダイオードの出力エネルギを個別に調整する必要がある。

0014

本発明の目的はVCSELセット中の各レーザダイオードの出力エネルギを個別に調整してバンディングの問題を解消することである。

課題を解決するための手段

0015

本発明開示のラスタ出力装置は、複数の積分式光検出器をもつ垂直キャビティレーザダイオード(VCSEL)アセンブリセットを用いる。また本発明のラスタ出力装置は、半透明かつ半反射性プレートを利用する。同プレートは各光ビームの一部を透過し、残部を反射して各光検出器上に投射するものである。各光検出器はVCSELセット中の対応するレーザダイオードに各々電気接続しており、それによって各レーザダイオードの出力エネルギを個別に調整するためのフィードバックが行われる。

発明を実施するための最良の形態

0016

図3に、各レーザダイオードの出力を個々にモニタ可能な本発明のラスタ走査装置40を示す。図3における光学部品44、48、60、52および54は、それぞれ図2の光学部品14、18、30、22および24と同一でありかつ同一の機能をもつ。ラスタ走査装置40にはVCSEL光源42が使用されている。

0017

図4にVCSEL光源42の拡大断面図を示す。VCSEL光源42にはダイオード列d1、d2、d3、d4およびd5が備わり、各ダイオードはそれぞれ光ビームl1、l2、l3、l4およびl5を放出する。ダイオードd1、d2、d3、d4およびd5は表面N上で露出している。表面Nにはプレート62が取り付けられる。表面N上にバンプ64があるため表面Nとプレート62とは密着していない。プレート62にはアパーチャ66があり、同アパーチャにより光ビームl1、l2、 l3、l4およびl5がプレート62を通過することができる。またプレート62は光検出器(光センサ)列S1、S2、S3、S4およびS5を含む。

0018

図5にプレート62のを上方から臨む拡大図を示し、図6図5のラインA−Aに沿ったプレート62の断面図を示す。図5、6において、プレート61は(例えば300ミクロン厚さの)シリコン板であり、エッチングによって(例えば30ミクロン厚さの)薄板62に加工される。プレート61のエッチング後、公知のマイクロエレクトロニクス法で光検出器S1、S2、S3、S4およびS5がプレート62上に作製される。隣接するふたつの光検出器(例えばS3とS4)の中心C間の距離gは隣接するふたつのレーザダイオード(例えばd3とd4)C1間の距離hと同一である。ダイオード間の距離hは装置の設計および設計機能に依存する。

0019

図5に、表面55上に位置した接点59を示す。接点59により光検出器S1、S2、S3、S4およびS5の制御回路(図示せず)との接続が行われる。また同制御回路は光検出器S1、S2、S3、S4およびS5で発生した信号を受信する。ライン57は各光検出器と接点59との接続を表す。

0020

図6に示すように、光検出器S1、S2、S3、S4およびS5の作製後プレート62にアパーチャ66が形成される。本発明の実施形態において好適には、レーザ光ビームを用いてアパーチャ66が1つずつ形成される。例えばP等のレーザ光ビームを光検出器S5、S4間等の領域に照射することにより、プレート62にアパーチャ66がエッチング形成される。各アパーチャ66は隣接した2つの光検出器の間に位置する。

0021

なお図5では、アパーチャ66と光検出器S1、S2、S3、S4およびS5とが一直線状かつ互いに間隔を置いて形成されているが、一直線状あるいは間隔を置いていることに関わらずアパーチャと光検出器とは交互に配置させて形成する必要がある。また個々のアパーチャ形状はレーザダイオードの形状に一致させる必要があり、個々の光検出器の形状もレーザダイオードの形状に一致させる必要がある。

0022

レーザ光ビームによるエッチング加工特有の現象として、アパーチャ66は円錐状であり、表面67の開口65が表面69の開口68よりも大きい。本発明では、開口68を図4に示す各レーザダイオードd1、d2、d3、d4およびd5よりも若干小さい寸法に設定した。ただし開口68は各レーザダイオードd1、d2、d3、d4およびd5の(図4の63で示した)レーザ放出域より大きくする必要がある。

0023

図4において、アパーチャ66が形成されると、プレート62は公知のVCSEL光源42に接合される。プレート62は公知のフリップチップ接合法により光源42に接合される。プレート62と光源42の接合前に各アパーチャ66はそれぞれの対応するレーザダイオードd1、d2、d3、d4およびd5と位置合わせされる。接合工程の間にバンプ64が形成される。

0024

なお、アパーチャ66の形成は本発明で用いたレーザ光ビーム以外の各種の方法を用いて行ってもよい。またプレート62と光源42の接合には本発明で用いたフリップチップ接合以外の各種の方法が使用できる。

0025

図3では、簡明にするためにレーザダイオードd1、d5から放出された光ビームl1、l5のみが図示されている。光ビームl1、l5は他の光ビーム(図示せず)と平行にコリメータ44を通過し、各々がコリメータ44の像平面P1で交差する。

0026

なお、光ビームl1、l5およびその他の光ビームが像平面P1で交差する際には各ビームの中心光線がコリメータ44の焦点f1で交差する。

0027

半透明かつ半反射性のプレート70が、平面P1に対して角度αを設けて同平面全域に設置される。像平面P1はラスタ走査装置40の光軸51に対して直角な面である。プレート70は各光ビームの一部を透過させ残部を反射させる。本発明では、プレート70として光ビームの約95%を透過するものを好適に選択した。プレート70は一部に被覆が施され、これによって図2のアパーチャ16と同様の方法で光ビームの切り取りが行われる。

0028

なおプレート70に被覆を施す代わりに、別個にアパーチャをラスタ走査装置40に設置して光ビームを切り取るようにしてもよい。

0029

図7図3部分拡大図であり、光源42、コリメータ44およびプレート70を示す。図7では光ビームl1と反射光ビームl′1の経路のみを示す。レーザダイオードd1から放出された光ビームl1がプレート70に投射されると、ビームl1は一部がプレート70を通過し、別の一部が反射光ビームl′1として返送される。プレート70のもつ角度αにより、反射光ビームl′1の進路は光検出器S1に向けられる。反射光ビームl′1はコリメータ44を通過し、レーザ面N上で集光する。検出器S1は反射光ビームl′1の経路上に位置し、ほぼ集光した状態で同ビームを受光する。

0030

検出器S1が反射光ビームl′1を受光すると、同検出器から信号が発生され、この信号が公知の方法によりコンパレータに送信されて基準レベルと比較される。この比較結果を用いて公知の方法によりレーザダイオードd1の出力エネルギが修正される。

0031

図8図3の部分拡大図であり、光源42、コリメータ44およびプレート70並びにレーザダイオードd5から放出された光ビームを示す。図8では光ビームl5および反射光ビームl′5の経路のみを示す。レーザダイオードd5から放出された光ビームl5がプレート70に投射されると、ビームl5は一部がプレート70を通過し、別の一部が反射光ビームl′5として返送される。反射光ビームl′5はコリメータ44を通過して平面N上で集光する。検出器S5は反射光ビームl′5の経路上に位置する。同検出器はほぼ集光した状態で光ビームl′5を受光し、レーザダイオードd5の出力エネルギ修正用信号を発生する。

0032

同様に、各レーザダイオードの反射光ビーム用の検出器がそれぞれ別個に備わる。検出器S2、S3、およびS4はそれぞれレーザダイオードd2、d3、およびd4から放出された光ビームを検出する。

0033

本発明の光検出器は2次元配列構造のVCSELにも適用できる。図9は2次元配列した光検出器82をもつプレート80の上面図である。プレート80は同プレートの下部に位置した2次元配列構造のVCSELに固定されている。同VCSEL中の各レーザダイオードは各々の対応するアパーチャ84の下部に位置する。

0034

光検出器82とアパーチャ84はマトリクスを形成しかつ交互に配列している。光検出器82は行naと列nbを形成する。同様にアパーチャ84は行maと列mbを形成する。簡明のために、光検出器82とアパーチャ84の内の一部の行と列のみに記号を付した。光検出器の列nbとアパーチャの列mbとは交互に配置している。同様に光検出器の列naとアパーチャの列maとは交互に配置している。

0035

図9において、円lはレーザダイオードdで発生した光ビームを表す。レーザダイオードdは一部分だけ(黒円の周囲の白円の部分)がアパーチャ84を通して目視できる。接点86により回路との接続が行われる。該回路は光検出器82を制御すると共に光検出器82で発生した信号を受信するものである。ライン88は各光検出器82と各々に対応する接点86との間の接続を表す。簡明にするために、一部の接点86と接続部88のみを示した。

0036

なお、構造並びに部品と材料の組合せおよび配置の細部については、特許請求の範囲に規定された発明の範囲内で多くの変更を行なうことができる。

図面の簡単な説明

0037

図1従来技術によるラスタ走査装置の接線方向(高速走査方向)の図である。
図2図1のラスタ走査装置の矢印方向(走査と交差方向)の図である。
図3各レーザダイオードの出力エネルギを個別にモニタすることのできる本発明のラスタ走査装置を示す図である。
図4図3のVCSEL光源の拡大断面図である。
図5VCSEL光源を上方から臨む図である。
図6図5のラインA−Aに沿ったプレート62の拡大断面図である。
図7レーザダイオードd1から放出された光ビームの経路と反射後の同ビームの経路のみを示す図3の部分拡大図である。
図8レーザダイオードd5から放出された光ビームの経路と反射後の同ビームの経路のみを示す図3の部分拡大図である。
図9本発明による2次元配列構造のVCSEL用積分式フィードバックアセンブリを示す上面図である。

--

0038

40ラスタ出力装置、42VCSEL光源、44コリメータ、48ポリゴンミラー前方レンズ、52 ポリゴンミラー後方レンズ、54感光媒体、60回転式ポリゴンミラー面、70プレート。

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