VCSELアレイを用いた書き込み光学系 Laser Scanning Module Adopted with VCSEL array 酒井 浩司* 市井 大輔* 渡辺 直人* 石田 雅章* 大森 淳史* Kohji SAKAI Daisuke ICHII Naoto WATANABE Masaaki ISHIDA Atsufumi OMORI 武末 敏洋 ** 須賀 智昭 Toshihiro TAKESUE *** Tomoaki SUGA 三ヶ尻 晋 *** Susumu MIKAJIRI 要 貝間 信謙 **** Nobuyoshi KAIMA 山下 英俊**** Hidetoshi YAMASHITA 旨 プロダクション・プリンティングにおける高画質化に向けて，光源に４０チャンネルのＶＣＳ ＥＬアレイを搭載した書き込み光学系を開発した．高画質化にはドットの位置制御や細線再現性 の確保が必要であり，本書き込み光学系では，走査線のボウ・スキュー補正，表裏倍率補正と いった補正技術により実現している． これらの補正技術が有効に機能するには，４０チャンネルのビームの光量安定化と，それらが 形成する走査線のピッチ安定化が求められ，その技術も併せて開発した．本ＶＣＳＥＬアレイ技 術は，高速・高密度が求められるリコーのデジタルカラー複合機に広く展開していく予定である． ABSTRACT We have developed a laser scanning module adopted with a VCSEL array so as to provide a highdefinition production printing machine. It is necessary for a high-definition to ensure the location controll of dots and reproducibility of fine lines. We could attain them due to the bow-skew correction of scanning lines and misregistration correction in dulpex printing. It is important to stabilize light intensity of 40 channels beam and each pitch of scanning lines so as to operate the correction technologies effectively. We also developed the stabilization technologies. The technologies is going to be expanded to several digital color machines which are demanded a high-speed and high-definition. * 画像エンジン開発本部 モジュール開発センター Module Development Center, Imageing Engine Development Division ** コントローラ開発本部 CH開発センター CH Development Center, Controller Development Division *** PP事業本部 CS設計センター Cut Sheet Designing Center, Production Printing Business Group **** MFP事業本部 第三設計センター 3rd Desigining Center, MFP Business Group Ricoh Technical Report No.37 81 DECEMBER, 2011 副走査方向の倍率補正をポリゴンミラーの回転数変更 1. 背景 にて行っていた． 近年，PP（プロダクション・プリンティング）分野 しかし，ポリゴンミラーの回転数は，変更してから では，高画質化への要求が高くなっている．高画質化 安定するまでに時間を要するため，生産性が著しく低 のためには，構成部品の加工/組み付け誤差や，経時/周 下する．そこで，VCSELアレイによる4800dpi書き込み 囲温度変化といった要因による品質劣化に対し，きめ を活かした副走査倍率補正技術を開発した． 細かく補正を行わなければならない．この補正技術は， Fig.1に副走査倍率補正処理のアルゴリズムを示す． 各社でさまざまなアプローチが検討されているが，ど 元画像に対して単純に横1ラインの挿入を行うと，局所 のような技術であれ，補正の効果を高めるためには， 的な歪み等の副作用が発生し画像が劣化してしまう． 高解像度にすることが必要となる．しかし，高解像度 そこで本アルゴリズムは，離散的な画素挿入（拡大）/ 化に加え，高生産性もまた，PP分野では必須の要件で 画素間引き（縮小）にて補正を行う． ある． (0,0) (0,1) (0,2) (0,3) (0,4) (0,5) (0,6) (0,7) (0,8) (0,9) (0,10) (0,11) (0,12) (0,13) (0,14) (0,15) (0,16) (0,17) この両立を図るために，我々は従来の端面発光型の 半導体レーザアレイよりも発光点数の増加が可能な (１,0) (１,1) (１,2) (１,3) (１,4) (１,5) (１,6) (１,7) (１,8) (１,9) (１,10) (１,11) (１,12) (１,13) (１,14) (１,15) (１,16) (１,17) (2,0) (3,0) (4,0) (2,1) (3,1) (4,1) (4,2) (2,3) (3,3) (4,3) (2,4) (3,4) (4,4) (2,5) (3,5) (4,5) (2,6) (3,6) (4,6) (2,7) (3,7) (4,7) (2,8) (3,8) (4,8) (2,9) (3,9) (4,9) (2,10) (3,10) (4,10) (2,11) (3,11) (4,11) (2,12) (3,12) (4,12) (2,13) (3,13) (4,13) (2,14) (3,14) (4,14) (2,15) (3,15) (4,15) (2,16) (3,16) (4,16) (2,17) (3,17) (4,17) ４画素 (2,2) (3,2) 16画素 VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）アレイ と，これを搭載した書き込み光学系を開発し，4800dpi という，業界でも最高の解像度を実現した．これによ り，表裏倍率補正や，走査線曲がり/傾きの補正が5μ m単位でできるようになった． 本報は，我々の開発したVCSELアレイを用いた補正 挿入位置 技術，更にはその補正技術を支える光波形制御，書き (a)元画像 拡大 (2,0) (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (１,4) (2,5) (１,5) (2,6) (１,6) (2,7) (１,7) (１,8) (2,8) (１,9) (2,9) (１,10) (2,10) (１,11) (2,11) (１,12) (2,12) (１,13) (2,13) (１,14) (2,14) (１,15) (2,15) (１,16) (2,16) (0,16) (１,17) (2,17) (0,17) (0,0) (0,1) (0,2) (0,3) (0,4) (0,5) (0,6) (0,7) (0,8) (0,9) (0,10) (0,11) (0,12) (0,13) (0,14) (0,15) (１,0) (１,1) (１,2) (１,3) (3,0) (3,1) (3,2) (3,3) (3,4) (3,5) (3,6) (3,7) (3,8) (3,9) (3,10) (3,11) (3,12) (3,13) (3,14) (3,15) (3,16) (3,17) (4,0) (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) (4,5) (4,6) (4,7) (4,8) (4,9) (4,10) (4,11) (4,12) (4,13) (4,14) (4,15) (5,0) (5,1) (5,2) (5,3) (5,4) (5,5) (5,6) (5,7) (5,8) (5,9) (5,10) (5,11) (5,12) (5,13) (5,14) (5,15) (5,16) (4,16) (5,17) (4,17) 挿入画素 (b)補正画像 Fig.1 Principle of Correction. 込み光学系を紹介する． 例えば17/16の拡大処理の場合，以下の2点に基づき 2. 高画質化 2-1 (5,0) (5,1) (5,2) (5,3) (5,4) (5,5) (5,6) (5,7) (5,8) (5,9) (5,10) (5,11) (5,12) (5,13) (5,14) (5,15) (5,16) (5,17) 挿入画素位置を決定する． ① 副走査方向の16画素ごとに1画素挿入する 表裏倍率補正 ② 挿入画素位置を主走査方向のエリアごとに均等 両面印刷を行った場合，表裏で同一の画像を形成し にずらす ても，一般には重ならない．なぜなら，定着装置に紙 具体的には，Fig.1の元画像(a)の座標(0，0)，更に副 を通すと，加熱により水分が失われて紙は収縮し，そ 走査方向に16画素離れた座標(0，16)，(0，32)，(0， れに伴い画像も縮むからである．表面の作像において， 48)，…ごとに画素挿入する．そして，その分だけ元画 紙が定着装置を通過する際，このような現象が起こる 素を副走査方向にシフトさせる． ため，裏面の画像は表面に対して倍率が大きくなった 次に，となりの主走査方向のエリアについては，副 ように見える． 走査方向に4画素離れた座標(1，4)，(1，20)，(1，36)， PP分野では，表裏見当精度，表裏レジスト精度に対 (0，52)，…に画素挿入し，同様に元画素を副走査方向 する市場ニーズが強く，生産性を落とさずに，これを にシフトさせる．このような処理を主走査方向の全エ 補正することが求められている．従来は，主走査方向 リアにわたって行うことで，補正画像(b)は局所的な歪 の倍率補正を書き込みクロック周期の増減にて行い， みがなく，画像の倍率を拡大できる． Ricoh Technical Report No.37 82 DECEMBER, 2011 2-2 3. 光波形制御 走査線曲がり・傾き補正 カラー画像においては，色ずれの低減も画質向上の 従来の端面発光型の半導体レーザアレイに比べ， 課題である．色ずれとは，複数色の画像を狙いの位置 VCSELアレイは構造上の違いにより，微分抵抗が1桁 に重ねることができず，意図した色合いと異なった画 ほど大きく，駆動電流に対して光波形の応答性が悪い． 像を出力してしまうことである． そのため，例えば，数ns～数十ns以下のごく短い時 おもな色ずれ成分には，走査線曲がり/傾きがあり， 間の光出力により孤立ドットや斜線を表現しようとす それらを補正することが必須であるが，その技術も ると，応答性の遅れによって露光量が不足し，正しく VCSELアレイによる4800dpi書き込みを活かしたものと 濃度表現できない． なっている．Fig.2に走査線曲がり/傾き補正処理の動作 従来は，この解決策として，レーザ点灯時の駆動電 概念を示す． 流に補正電流を重畳して光波形の応答性を改善し，光 入力画像データ：A 波形の積分光量の補正を行っていた．積分光量とは， 出力画像：B 点灯光量を光波形の点灯時間（横軸）で面積分した値 （補正なし） 入力画像データを 光学系による曲がり成分を 打ち消す様に副走査にデータをシフト のことで，感光体への露光エネルギー量に相当する． 補正 しかしながら，この光波形の応答性は，光源特性/駆 補正データ：C 動回路と光源間の寄生容量/発光量/周囲温度などの影響 を受けるため，光源ごと，或いは経時/周囲温度変化で １エリア 出力画像：D （補正あり） 変動する． Fig.2 Principle of Correction. そこで本システムでは，重畳する補正電流値を数段 階で選択できるようにすることで，光波形の補正量を 入力画像の横線データ：Aを補正なしで出力すると， 調整可能にした（Fig.3）．これにより光波形の応答性 出力画像：Bは湾曲してしまう．これが走査線曲がり が異なる場合でも，最適な補正電流値を選択すること である．そこで入力画像の横線データを，走査線曲が で，光波形の積分光量を一定にしている． りを打ち消すように4800dpi単位（約5μm）で副走査 また，最適な補正電流値を選択するには，予め光波 方向にシフトさせ，補正画像データ：Cに変換する． 形の積分光量を得る必要がある．そのために，VCSEL 補正データにて出力した画像：Dは湾曲成分がキャ アレイを連続パルス点灯させ，そのときのレーザビー ンセルされている．この補正処理を各色で実施するこ ムの光量をフォトダイオードで検出する．そして，そ とで色ずれが解消される． の値が狙いの積分光量になるように，補正電流値を設 補正データへの変換方法について説明する．画像 定する．さらに，VCSELアレイでは多数のレーザビー データの副走査シフト処理は主走査方向に分割したエ ムに対して補正を行うので，各々の積分光量のばらつ リア単位で行う．エリアごとに4800dpi単位でシフトさ きが小さくなるようなパルス点灯のパターンや狙いの せる．シフト処理は主走査先端エリアから行い，1エリ 積分光量を選択している． アごとに±1単位シフトする/しないを決定することで 光量 補正量を 調整 隣接エリアとのシフト量が±1単位以下となるようにす る．従って，副走査シフト処理による画像の段差は 4800dpi（5μm）以下となり，画像のアウトラインの 滑らかさを損なうことはない． 時間 Fig.3 Ricoh Technical Report No.37 83 Correction Current Value and Adjustment of Optical Waveform. DECEMBER, 2011 補正電流値の調整を行うタイミングとしては，まず， 前面から射出したレーザビームを分岐し，一方を光量 システムの電源On時に実行し，これにより光源ごと， 検知に利用するといった工夫が必要となる． および初期光量，初期周囲温度での積分光量と，狙い 制御基板（VCSELアレイ，PD含む） の積分光量の差を補正する． 次に経時変化として，前回の補正電流値の調整以降 に，光量を変更したときや，周囲温度がある程度変化 集光レンズ したタイミングで，補正電流値の再調整を行う．光量 や周囲温度が，前回調整したときに対し変化すると， 光波形の応答性も変動するため，積分光量が狙いの値 より外れていくので，定期的に補正電流の再調整を行 Z うことで，積分光量の経時変化を抑える． カップリングレンズ Y Fig.4に，本機能にて光波形の補正を行った場合と行 アパーチャミラー X わない場合の，斜線の拡大図を示す．光波形の積分光 Fig.5 量を補正することにより，斜線のかすれが改善されて VCSEL array Light Source Unit. いることが分かる． 上述の分岐にはハーフミラーを用いる方式があるが， この場合，感光体の照射エネルギーロスが避けられな 補正無し い．このことは，VCSELアレイに高出力を要請するこ ととなり，長寿命化や生産性向上の障害となる．そこ で，裏面をミラー加工したアパーチャを分岐手段とす るアパーチャミラー方式を採用し，光量ロスのないフ ロントモニタ光学系を実現した． PD 補正有り 集光レンズ モニタ用アパーチャ ミラー VCSELアレイ 感光体へ Fig.4 アパーチャミラー 制御基板 Z X Fig.6 Front Monitor Optical System. 4. 光学系 4-1 カップリングレンズ Y Comparison of Image. Fig.5に光源ユニット斜視図を，Fig.6に光源ユニット フロントモニタ光学系 内のフロントモニタ光学系の概略図を示す．同一の制 VCSELアレイは端面発光型の半導体レーザと異なり， 御基板上にVCSELアレイとPDを近接させて配置するこ 素子の後方にレーザビームを射出できない．従って， により，PDの光量情報をVCSELアレイに送る際の電気 レーザビームの光量をフィードバック制御するには， ノイズが低減されている．また，光源ユニットにフロ Ricoh Technical Report No.37 84 DECEMBER, 2011 ントモニタ光学系を一体的に構成することで，経時/周 (a)モニタ用アパーチャなし 囲温度変化に対し，安定した光量検知が可能である． (b)モニタ用アパーチャ最適化後 モニタ光量比変化 （％） Fig.7にフロントモニタ光学系のそれぞれの部分にお けるレーザビーム断面の概略図を示す．VCSELアレイ の射出ビームのうち，アパーチャミラーの開口部を通 過する方が書き込み用ビームであり，後述の書き込み 光学系によって感光体上に結像される．残りは，ア パーチャミラーのミラー部で反射され，検知用ビーム 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 (a) (b) 3 となる． 4 5 6 7 放射角 (deg) 8 9 10 アパーチャミラー 通過 VCSEL アレイ 書込用ビーム Fig.8 感光体 ＶＣＳＥＬアレイの射出ビーム Dependency of Monitor Intensity Ratio on Radiation Angle. 検出用ビーム モニタ用アパーチャの最適化は，VCSELアレイの初 PD 反射 アパーチャミラーに反射されたビーム 期/経時/周囲温度変化の放射角特性を考慮する必要があ る．VCSELアレイを自社開発することで，これら特性 モニタ用アパーチャ Fig.7 Schematic View of Beam Profiles. の詳細を把握することができ，光量検知精度の高いフ ロントモニタ光学系を開発することができた． しかし，検知用ビームをこのままPDに伝達させても， 4-2 充分な精度で光量検知はできない．なぜなら，VCSEL 書き込み光学系 4800dpiの高精細書き込みを行う際に課題となるのが， アレイのチャンネルごとに放射角は異なるし，経時/周 囲温度変化でも放射角は変動するからである．具体的 像面上の走査線間隔，つまり副走査方向のビームピッ に，VCSELアレイの放射角が広がった場合，レーザ チの精度である．この精度が得られなければ，バン ビームの中心部を用いる書き込み用ビームは光量が下 ディングなどの異常画像の原因となる． がるが，検知用ビームはレーザビームの周辺部を用い Fig.9に書き込み光学系の概略図を示す．本書き込み ているため光量が上がるという逆転現象が生じ，書き 光学系において，ポリゴンミラー以降に配備される光 込み用ビームと光量検知用ビームとの光量比率に誤差 学素子は，樹脂製走査レンズ2枚のみとした．少ないレ が発生する．この問題は，モニタ用アパーチャの採用 ンズ枚数でも，像高ごとの横倍率偏差を低減するため で解決される． に，走査レンズの各面には主走査方向の座標に対し副 Fig.8に，モニタ用アパーチャを最適設計することに 走査方向の曲率が変化する特殊トロイダル面を採用し よる効果を示す．Fig.8の横軸はレーザビームの放射角 ている．また，ポリゴンミラー前の2枚のシリンドリカ で，縦軸は書き込み用ビームの光量と検知用ビームの ルレンズをズーム調整することで，副走査ビームピッ 光量の比率（モニタ光量比）である．モニタ用アパー チの補正も行っている． チャなし，或いは最適化がされていない場合は，(a)の ように，放射角の変動によりモニタ光量比が変動する． 一方，最適化したモニタ用アパーチャを用いると，(b) のように，実際の放射角よりも1桁大きい変動に対して も，モニタ光量比を一定に保つことができる． Ricoh Technical Report No.37 85 DECEMBER, 2011 光源ユニット レンズの特殊トロイダル面については，副走査方向曲 率の変化量，および絶対値を極力小さくし，レンズ面 の変形や偏心といった誤差に対する感度を下げている． シリンドリカルレンズ このことは同時に，空間的に離れた複数のレーザビー ムそれぞれに対して，走査レンズが与える屈折力を略 等しくすることにもなり，レーザビーム間の光学特性 を均一にする効果もある．加えて，レーザビームが各 走査レンズ上を通過する位置を最適化することにより， ポリゴンミラー 副走査ビームピッチのばらつきは更に低減されている． 走査レンズ 5. まとめ 我々は，PP分野における高画質化の要求に応える， VCSELアレイを搭載した書き込み光学系を開発した． 本書き込み光学系は，RICOH Pro C751EX/C651EXに Fig.9 Laser Scanning Module. 搭載されている． 本書き込み光学系の副走査方向の横倍率偏差，およ び像面湾曲をFig.10に示す．計4つの特殊トロイダル面 により，像高間の副走査方向の横倍率偏差を0.5％程度 に抑えることに成功している．これは40ビームすべて の副走査ビームピッチ誤差に換算して2μmである．ま た，副走査方向の像面湾曲も0.5mm以下に抑えられて おり，像高ごとのビームスポット径の均一化を図って 横倍率偏差(％) いる． 0.50 副走査方向の横倍率偏差 0.25 0.00 -0.25 -0.50 像面湾曲(mm) -200 -100 1.0 0 像高(mm) 100 200 副走査方向の像面湾曲 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -200 Fig.10 -100 0 像高(mm) 100 200 Aberration in Sub Scanning Direction. また，製造誤差の影響により像高ごとの横倍率偏差 が変動する量を最小限にする必要がある．そこで走査 Ricoh Technical Report No.37 86 DECEMBER, 2011