JP3544392B2 - 光学要素、光学システム及び光学要素を作製する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般にフルカラー電子写真印刷システムで使用するような多波長作動を有する電子印刷ヘッドの光学要素に関し、特に感光体の表面上に集束する様々な波長の特定面積のスポットサイズを形成する選択的光学要素に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真印刷の基本的な技術は確立され、従来技術でよく知られている。即ち基本的に変調レーザビームを感光体の表面にわたり掃引することで荷電した感光体上に潜像を形成する。次にこの潜像を用いて静電的に潜像に引き付けられるトナーを通常は普通の用紙の記録媒体上に転写、溶着して永久画像を形成する。
【０００３】
電子写真を拡張してフルカラー印刷を含めると、１組の独特の問題が生じる。例えば電子写真システムは特定のレーザマーキングに対応してどの色を記録媒体に加えるかを「周知」していなければならない。この問題を克服するため、現在の技術で多くの方法が考案されている。
【０００４】
例えばある電子写真システムは１つだけの光の波長を感光体装置の表面に加えている。一方感光体は単一波長を、光が感光体に到達する特定の時間や場所に依って、記録媒体に加える異なる色として判断する。この種の一般的なシステムでは、フルカラー印刷を生成するという多通過手法を用いている。このシステムでは感光体表面を数回通過する（各々の通過を別の色と判断する）単一の波長の光を生成する。通過毎に異なる色を供給するため、異なるカラートナーを感光体表面に塗布し、次に記録媒体に転写する。各々の所望の色を塗布するまでこの手順を繰り返す。
【０００５】
このシステムの主な欠点はスピードで、感光体上で多通過を実行して１ページの印刷を生成するのに時間がかかる。理論的には１回の通過で記録媒体上に全ての異なる色を塗ることができれば、印刷は通過回数に等しい係数でスピードアップすることができる。
【０００６】
そこで全ての所望の色を感光体表面上での１回の通過で塗る「タンデム」システムと称する電子写真システムがある。一般的なタンデムシステムのアーキテクチャは、並列に走るいくつかの独立した光学／電子写真サブシステムからなる。一般に印刷する所望の色と同じ数の多くのサブシステムがあり、一般的な印刷通過では、各々のサブシステムはそれらの潜像をそれらの専用感光体に同時に形成する。記録媒体はサブシステムからサブシステムへ循環させる。記録媒体が各々の専用感光体を通過すると共に、潜像が媒体に転写される。
【０００７】
タンデムシステムでカラー像を生成する際の主な欠点はコストである。各々の別々のサブシステムで多くの光学要素を重複し、それら追加光学要素はシステムのコストを増大する。共通光路を用いて多波長により単一感光体をアドレス指定することができればより費用効果的となる。
【０００８】
しかし単一光路と単一感光体を使用するということは、感光体装置がいくつかの異なる波長に同時に感応することが必要になる。あるシステムは層状感光体を設け、それにより各々の層は特定の波長に反応し、残りの波長を後続の層に渡すようにしている。そのような感光体とシステムはそれぞれ１９９２年１２月９日と１９９３年１月４日に出願され、ゼロックスコーポレーションに譲渡されたコバックス(Kovacs)らの米国特許出願番号０７／９８７８８６号と０８／０００３４９号及び１９９２年１２月９日に出願され、ゼロックスコーポレーションに譲渡されたコバックスの米国特許出願番号０７／９８７８８５号に記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
１つの光路をいくつかの異なる光の波長に用いるときに問題が生じる。全ての波長に共通の大きさのアパーチャを全ての様々な波長が通過するとき、感光体表面に形成する異なる波長のスポットは波長により大きさが直接的に変化する。従って波長が増大すると、画像スポットの大きさも増大する。これは本質的にレンズと鏡からなる単一光路を一般に使用するレーザプリンタで問題となる。
【００１０】
大部分の印刷アプリケーションでは、画像スポットの大きさは全ての波長に付いて等しくあるべきである。そうでなければ最終的な印刷物は利用者が意図したものと異なるものになる。利用者の見解からは赤スポットが青スポットよりも常に大きくなければならない論理的な理由はない。他のアプリケーションでは、異なる波長に対して異なるスポットサイズを指定することが望ましいことがある。例えば利用者は赤色よりも青色に対して大きなスポットを所望する場合がある。更に利用者はスポットの正確な大きさを指定することを所望する場合がある。
従って波長に関係なく特定サイズのスポットを生成すると同時に別々の波長の数で光学要素の数が決まることのない光路を形成するニーズがあった。
従って本発明の目的は特定スポットサイズを生成する多波長用の単一光路を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
要約すると本発明は様々な光学要素に塗布できる薄膜コーティングと、光路内の多波長源からの画像化スポットの大きさを制御する方法に関する。本発明の原理に従って作製した選択光学要素は光学表面を含み、表面には伝達ゾーンを規定する薄膜コーティングを付着(deposit) し、それぞれのゾーンは所望の波長帯域を伝達させる。そのゾーンを越えると、表面は特定の波長帯域に対して実質的に不透明になる。各々の波長のゾーンは個々に計算して各々の波長の有効口径を与えて全ての波長のスポットサイズが利用者の指定に合致するようにする。
【００１２】
【作用】
本発明により単一光路と単一感光体を用いてフルカラー電子写真を達成することができる。更に単一光学要素で、光路に別の光学要素の数を増加することなしに多波長のいくつかの有効口径として作用させることができる。
【００１３】
【実施例】
図１に一般的な光学システム１０の高度に単純化した図を示す。レーザ源１２は感光体２４の表面に画像化する光を放射する。多ビーム構成では、レーザ１２はいくつかの密接したレーザダイオードで構成することができる。それらのダイオードは作動モードにより異なる波長を放射する。ビームそれ自身は実際には密接に束にしたビームからなる。更に各々のレーザ源は独自にアドレス可能である。従って多波長モードでは、異なる波長を異なる時間に感光体上の異なる場所に画像化して異なるカラーの色合いを生成することができる。
【００１４】
光学アパーチャ１４は入力光学素子１６への光のビームの大きさを調節する。一般的な光学アパーチャを図２に示す。光学アパーチャ１４は一般にガラス、金属などの不透明な材料から構成することができる不透明なフレーム３０で構成する。光はフレーム３０の中心の開口部３２を通過する。開口部３２はガラスなどの一部の透光性材料で構成することができる。代わりに開口部３２はフレーム３０に空けた孔とすることができる。どちらの場合も光学アパーチャ１４を通過する光は入力光学素子１６に対する大きさが調節され、一般にアパーチャによりどの様な形でも集束あるいは分散されない。
【００１５】
入力光学素子１６は一連のレンズ１８、１９からなる。レンズ１８はビームを回転ポリゴンミラー２０に対してコリメートする働きをする。レンズ１９は円柱レンズで、接線子午線で屈折力を持たない。回転ポリゴンミラーは一般に感光体を水平走査する光線の必要な偏向をもたらすために用いる。回転ミラーを必要としない多くの他の走査手法が従来技術で知られており、本発明は特定の走査手法に限定されないことを理解する必要がある。同様に光学システムを総称的に図１で示しており、本発明は従ってそれに限定されない。実際、本発明は異なる波長の可変の画像スポットサイズを生成するどの様な特定の光学システムアーキテクチャにも適応させて作動させることができる。
【００１６】
次に偏向ビームは様々な光学要素２３、２５からなる補正光学要素２２を通過する。補正光学要素２２は一般に走査の焦点を合わせるのに用い、回転ポリゴンミラーにある動揺の補正を提供する。光が光学要素２２を出た後、個々の密接に束にしたビーム２６、２７、２８、２９（図３に示す）が感光体２４を照射する。
【００１７】
フルカラーを生成する作動電子写真システムでは、様々なビームは異なる色と判断される。上述したように、感光体２４は層状構成を有することができる。各々の層は特定の波長に感応し、他の波長は下の層に通過させる。それらの層は一方で記録媒体に転写する別々の色と判断される。本発明は特定の感光体の選択に限定されないことが理解されよう。
【００１８】
図１のシステムが多波長モードで作動しているならば、異なる光線は様々なスポットサイズで感光体２４上に画像化されることになる。実際、スポットの大きさは次の式に従って変化する。
【００１９】
スポットサイズ＝Ｋ＊Ｆ＃＊λ （１）
ここでＫはアパーチャ照射方法とスポットサイズを規定する屈折点（例：全幅半最大ないし１／ε² ）の両方の関数、Ｆ＃はｆ数、λは画像化ビームの波長である。ｆ数は次のように定義される。
【００２０】
Ｆ＃＝焦点距離／スポットサイズ （２）
ここで焦点距離は光学システムの第２の主要面と焦点の間の距離である。
【００２１】
それらの式の効果を図３に示す。感光体２４をその表面に焦点を合わせた４つの異なるビーム２６、２７、２８、２９を有して示している。それらのビームの波長は次のように関連している。
λ₁ ＜λ₂ ＜λ₃ ＜λ₄ （３）
【００２２】
従ってそれらのビームのスポットサイズはそれらの波長に対して直接的に変化し、即ちλ₁ 最小スポット、λ₄ 最大スポットとして示されている。
【００２３】
このスポットサイズの変化は電子写真では非常に望ましくない。特定の色が一貫して他の色よりも大きいことは異常である。例えば赤の画素が常に青の画素よりも大きいという論理的な理由はない。
【００２４】
本発明はこの問題を、感光体上に画像化する所望の大きさの任意の波長のスポットを生成する方法を提供することで解決する。薄膜コーティングを様々な光学要素に塗布することで任意の特定の波長に対する有効口径を制御することができる。例えば本発明は光路内の光学アパーチャ、レンズあるいは鏡面に適用することができる。特に図４は本発明の原理に従って作製した光学アパーチャ４０を示している。アパーチャ４０はガラスや金属などの不透明材料から構成できる不透明シェル４２からなる。シェル４２の開口部は、事実上異なる波長に対して異なる大きさの口径を提供する１組の薄膜層４４、４６、４８、５０となっている。
【００２５】
異なる波長に対する異なる大きさの口径を供給する純粋な効果は式２に見ることができる。２つの異なる波長λ₁ 、λ₄ （ここでλ₁ ＜λ₄ ）を想定すると、λ₄ の有効口径（即ちＡｐ（λ₄ ））がＡｐ（λ₁ ）より大きいとすると、λ₄ のＦ＃（即ちＦ＃（λ₄ ））はＦ＃（λ₁ ）よりも小さくなる。要約すると、
Ａｐ（λ₄ ）＞Ａｐ（λ₁ ）ならばＦ＃（λ₄ ）＜Ｆ＃（λ₁ ） （４）
式１から、波長対有効口径の割合が等しければ、異なる波長のスポットサイズは等しくなることが分かる。数学的には、
λ₁ ／Ａｐ（λ₁ ）＝λ₄ ／Ａｐ（λ₄ ）ならば
スポットサイズ（λ₁ ）＝スポットサイズ（λ₄ ） （５）
【００２６】
このように様々な波長の有効口径サイズを制御することで、共通光路を有するシステムで均一なスポットサイズを生成することが可能となる。
【００２７】
同様に、任意の所与の波長に対して最大サイズまでの任意の特定スポットサイズを形成することができる。これは有効口径を次のように設定することで行うことができる。
Ａｐ（λ）＝（Ｋ＊焦点距離＊λ）／特定スポットサイズ （６）
【００２８】
所与の波長の最大スポットサイズは、有効口径が光学システムで可能なフル口径サイズに等しい場合に生じる。
【００２９】
本発明では単一光学要素内に異なる伝達ゾーンを形成することで有効口径を制御する。それらの伝達ゾーンは異なる薄膜コーティングを異なるゾーンに塗布することで形成する。それらの異なるコーティングにより光学的性質に従ってどの波長を伝達し、どれを阻止するかを決定する。
【００３０】
それらのコーティングは様々な光学要素に適用することができる。図４はアパーチャの表面に適用した本発明を示している。アパーチャ４０は４つの伝達ゾーン４４、４６、４８、５０に分割されており、それらのゾーンはそれぞれゾーン１、２、３、４と記されている。
【００３１】
本実施例では、６７０ｎｍ、７８０ｎｍ、８３０ｎｍ、９００ｎｍの波長に対して均一のスポットサイズをもたらすため、異なる有効口径を設けている。ゾーン４は４つの光の波長全てを伝達するように設計している。ゾーン３は７８０ｎｍ、８３０ｎｍ、９００ｎｍの波長だけを伝達し、６７０ｎｍの伝達を阻止するようにしている。ゾーン２は８３０ｎｍ、９００ｎｍの波長だけを伝達するようにし、ゾーン１は９００ｎｍの波長だけを伝達するように設計している。本発明は本実施例のために記述した特定のゾーン数、特定の作動波長、あるいは特定のコーティングに限定されないことが理解されよう。実際、本発明はこの手法を任意の数のゾーンや波長に対して用いることを意図したものである。特定のコーティングは選択する波長に従って異なる。
【００３２】
本実施例は付着した領域の透光性を変える様々な薄膜でガラス基板を被覆することで構成している。例えばゾーン４は４つの全ての波長の光を伝達することを意図しているので、ゾーン４は被覆しないままとし、ガラス基板は全ての波長を伝達する。ゾーン３は標準長波長通過設計(standard longwave pass design) で被覆する。標準薄膜用術語を用いると、ゾーン３は次のものからなる。
【００３３】
Ｓ−Ｈ／２（ＬＨ）⁸ ＬＨ／２−Ａ
ここでＨ＝ＴｉＯ₂ 、ｎ＝２．３５、１／４波長厚＠６００ｎｍ
Ｌ＝ＳｉＯ₂ 、ｎ＝１．４３、１／４波長厚＠６００ｎｍ
Ｓ＝基板
Ａ＝空気
【００３４】
ゾーン２は次のものからなる。
Ｓ−Ｈ／２（ＬＨ）⁶ ＬＨ／２ ｈ／２（Ｌ’ｈ）⁶ Ｌ’ｈ／２−Ａ
ここでＨ＝ＴｉＯ₂ 、ｎ＝２．３５、１／４波長厚＠６６０ｎｍ
Ｌ＝ＳｉＯ₂ 、ｎ＝１．４３、１／４波長厚＠６６０ｎｍ
ここでｈ＝Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ｎ＝１．６５、１／４波長厚＠７５５ｎｍ
Ｌ’＝ＳｉＯ₂ 、ｎ＝１．４３、１／４波長厚＠７５５ｎｍ
Ｓ＝基板
Ａ＝空気
【００３５】
ゾーン１は次のものからなる。
Ｓ−Ｈ／２（ＬＨ）⁸ Ｈ／２−Ａ
ここでＨ＝ＴｉＯ₂ 、ｎ＝２．３５、１／４波長厚＠７２２ｎｍ
Ｌ＝ＳｉＯ₂ 、ｎ＝１．４３、１／４波長厚＠７２２ｎｍ
Ｓ＝基板
Ａ＝空気
【００３６】
不透明領域４２は全ての波長の伝達を阻止するが、これは不透明ガラスないし金属あるいは不透明材料などで被覆したガラスで構成することができる。アパーチャ４０や様々なゾーンは長方形領域として描いているが、本発明は円形領域その他の異なるスポットジオメトリのために最適化した任意に選択した設計に対して等しく作動する。
【００３７】
薄膜コーティングを使用して有効口径を制御することは、光学アパーチャに限定されない。実際薄膜コーティングは他の光学要素に付着して同様の効果を達成することができる。図５は本発明の原理に従って作製したレンズの斜視図である。図示したレンズ６０は平らな面６２と曲面６１からなっている。表面６２上には、薄膜コーティングを付着して伝達ゾーン６４、６６、６８、７０を規定することができる。アパーチャの場合と同様に、レンズ６０上のコーティングで複数の波長の有効口径を制御することにより利用者の指定に従ってスポットの大きさを調節する。図５のレンズは平らな面を有して図示されているが、曲率に対して調節するためにコーティングの厚さを変える場合は、同様のコーティングを曲面に対して工夫することができることが理解されよう。
【００３８】
別の可能性のある適用では、薄膜コーティングを光学システム内で使用する鏡面に塗布することができる。図６は本発明の原理に従って作製した鏡面８０の正面図である。図示するように、鏡面８０上に配置したコーティングは４つの伝達ゾーン８２、８４、８６、８８をもたらす。鏡面８０は平面あるいは曲面とすることができることが理解されよう。
【００３９】
鏡面に関して、本発明を実施する最良の態様は、薄膜を光路の入力側に位置する鏡面に塗布することである。入力側はビームの走査、偏向前の光路部分である。同様に本発明はファセット追跡ないしオーバーフィル光学システムの回転ポリゴンの鏡面ファセットに対して実施可能であることが理解されよう。
【００４０】
要約すると、本発明は共通の光路を共有する様々な波長の特定スポットサイズを生成する方法と装置を提供することが分かる。この特性によりレーザ電子写真システムは単一の感光体を使用する多波長作動モードからでも均衡の取れたカラー画像を生成することができる。
【００４１】
本発明のアプリケーションは様々な波長に対して作動し、当業者は選択した特定の波長に適した他の薄膜コーティングを考案できることが理解すべきである。
【００４２】
同様に本実施例では最内部の領域が全ての波長を伝達し、各々の後続の外部領域は１つの波長を阻止するように伝達ゾーンを同心円領域として構成したが、本発明は多様な設計に使用でき、更に本発明は実施例の設計とアーキテクチャに限定されないことを理解すべきである。例えば伝達ゾーンはゾーンが同心円状でないように設計することができる。代わりにゾーンは１つだけないし選択した数の波長を伝達する基板上の個々の領域とすることができる。代わりに最も外側のゾーンが全ての波長を伝達し、各々の内部ゾーンが選択した波長帯域を阻止するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】現在の電子写真システムの光学システムの接線方向の概略図である。
【図２】現在実施されている光学アパーチャの正面図である。
【図３】図１で実施する光学システムにより生成される様々な波長の光の画像スポットの相対的な大きさを示す図である。
【図４】本発明の原理に従って作製した光学アパーチャの正面図である。
【図５】本発明の原理に従って作製したレンズの斜視図である。
【図６】本発明の原理に従って作製した鏡面の正面図である。
【符号の説明】
１０ 光学システム、１２ レーザ、１４ 光学アパーチャ、１６ 入力光学素子、１８，１９ レンズ、２０ 回転ポリゴンミラー、２２ 補正光学要素、２３，２５ 光学要素、２４ 感光体、２６〜２９ ビーム、３０ フレーム、３２ 開口部、４０ 光学アパーチャ、４２ 不透明シェル、４４，４６，４８，５０ 薄膜層、６０ レンズ、６１ 曲面、６２ 平らな面、６４，６６，６８，７０ 伝達ゾーン、８０ 鏡面、８２，８４，８６，８８ 伝達ゾーン

Claims (3)

1. 複数の波長の光によって共有される光路に配置可能な光学要素であって、それぞれの波長の光の光路は感光体表面にて特定のスポットサイズとなるように終結しており、
   光路に沿った光が反射される鏡面と、
   波長に依存する伝達ゾーンを規定するために前記鏡面上に配置された薄膜コーティングであって、各前記伝達ゾーンは、前記複数の波長の有効口径が感光体表面上で特定のスポットサイズを有する光を生成するように、波長の選択帯域を前記鏡面に伝達させるようになっているものとを含む光学要素。
2. 複数波長の光によって共有される光路を規定する光学システムであって、それぞれの波長の光の光路は感光体表面にて特定のスポットサイズとなるように終結しており、
   複数波長の光の光源と、
   前記複数波長の光を受光するように構成されている感光体表面と、
   前記光源と前記感光体表面との間に配置された光学要素とを含み、
   前記光学要素は、前記感光体表面上でスポットを特定サイズに適合させるように、個別の波長の光のぞれぞれに対する異なる有効口径を共に提供する二つ又はそれ以上の伝達ゾーンを有し、この伝達ゾーンは、光路上中央のすべての波長の光を伝達させる中央アパーチャと、前記中央アパーチャを取り囲み、第１の特定波長の光の伝達を選択的に阻止する第１ゾーンと、前記第１ゾーンを取り囲み、前記第１の特定波長と第２の特定波長の光の伝達を選択的に阻止する第２ゾーンとを規定している、光学システム。
3. 表面を有する光学要素を作製する方法であって、前記光学要素が共通光学システム内で複数波長の特定スポットサイズを生成する、次のステップを含む方法：
   （Ａ）次式に従って所与の前記波長λについて有効口径Ａｐを計算し、
   Ａｐ（λ）＝（Ｋ＊焦点距離＊λ）／特定スポットサイズ
   （ここでＫはアパーチャ照射方法とスポットサイズを規定する屈折点の両方の関数）
   （Ｂ）基板を前記基板上のある領域の境界まで薄膜で被覆して、前記薄膜が前記波長の伝達を阻止するように前記領域をステップＡで計算した前記波長λの前記有効口径に等しくし、
   （Ｃ）各々の前記複数波長に対してステップＡ，Ｂを繰り返す。

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