JP2012018112A - 静電潜像計測装置、静電潜像計測方法及び静電潜像計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、製造時にドット単位での潜像面積の計測または評価を行うことで、画像形成で引き起こされる濃度ムラやバンディングなどを防止できる静電潜像計測装置及び静電潜像計測方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
荷電粒子を照射することにより試料２３に帯電電荷を生成する荷電粒子照射手段と、光源を備える露光手段と、露光手段が試料２３に形成した静電潜像を計測する静電潜像計測手段と、を備える静電潜像計測装置であって、露光手段は、異なる波長のレーザ光を出射し、露光手段からの異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系２２を用いて試料２３にドット単位の静電潜像を結像させ、光源の露光量を可変させる光量可変手段を備え、静電潜像計測手段は、試料２３に形成されたドット単位の静電潜像の潜像面積を計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電潜像計測装置、静電潜像計測方法及び静電潜像計測プログラム、より詳しくは、ドット単位で静電潜像評価を行う静電潜像計測装置、静電潜像計測方法及び静電潜像計測プログラムに関するものである。

昨今、多色画像形成装置は、高速化が年々進み、オンデマンドプリンティングシステムとして簡易印刷に用いられるようになりつつあり、より高精細な画像品質が求められている。これに伴い、マルチビーム光学系を用いて複数の光源からのビームを一括で走査し、複数ラインを同時に書き込むことで、感光体上に高速に画像を記録する技術が考えられ、既に知られている。

しかし、マルチビーム光学系を用いた画像記録装置では、マルチビーム光学系における複数の光源間での発振波長のばらつきや、装置内の温度上昇に伴う複数の光源の波長遷移の違いなどから、波長差による感光体の分光感度特性や結像状態に違いが生じる。それに伴い、各光源で感光体上に記録した潜像面積に違いが生じるため、画像形成上、濃度ムラやバンディングになるという問題がある。このような画像形成上の問題は、ベタ部に比べて網点などのドット単位での画像形成が必要となる画像パターンにおいて生じやすく、この場合ドット単位での画像評価を行う必要がある。

このような問題に対しては、波長差に伴う潜像面積の違いを補償するための露光量の設定など、波長差が存在していても、画像ドット面積が均一となるようにマルチビーム光学系を設計する必要がある。しかし、従来の電位測定装置では、レーザ光を試料に結像する共通の結像光学系を用いた場合に、レーザ光の波長の違いによる潜像面積の評価を行うことができないだけでなく、ドット単位での潜像面積の評価を行うことができないという問題がある。

例えば、特許文献１には、異なる最大分光感度を有する感光体ドラムの電位特性を１台で測定できる電位測定装置を提供する目的で、波長の異なる光源からのレーザ光を共通の結像光学系を用いて感光体に露光し、各波長における電位特性を測定する構成が開示されている。また、特許文献２乃至５には、試料面を荷電粒子ビームで走査して試料を帯電させ、光学系を介して帯電した試料を露光させることにより、試料上の電荷分布を生成させることが開示されている。

しかしながら、上記各特許文献に記載の発明は、上述したドット単位での静電潜像の評価を行うことができない。さらに上述の問題点を解決すべく波長による潜像面積の変化を補償するための条件を導くということができていない。したがって、マルチビーム光学系を用いた場合における、各光源間での発振波長のばらつきなどから生じる濃度ムラやバンディングなどの画像形成上の問題に対する対策については考慮されていない。また、マルチビーム光学系を用いた場合における、複数の光源を共通の結像光学系を用いて評価することで、光源を付け替えて単独で測定を繰り返す際に必要とされる高精度な光路調整などの調整作業を必要とする問題がある。その際に、光学特性の変化を受ける可能性があり、効率的に実機に則したドット単位での潜像面積の変化の計測または評価を行うことが必要とされている。

本発明は、製造時にドット単位での潜像面積の計測または評価を行うことで、画像形成で引き起こされる濃度ムラやバンディングなどが起こる可能性を防止し、静電潜像計測装置において、光源を付け替える際に必要とされる高精度な調整作業の際に光学特性の変化が発生する可能性を防止し、効率的に実機に則したドット単位での潜像面積の変化の計測または評価を行うことのできる静電潜像計測装置及び静電潜像計測方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる静電潜像計測装置は、荷電粒子を照射することにより試料に帯電電荷を生成する荷電粒子照射手段と、光源を備える露光手段と、露光手段が試料に形成した静電潜像を計測する静電潜像計測手段と、を備える静電潜像計測装置、であって、露光手段は、異なる波長のレーザ光を出射し、露光手段からの異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系を用いて試料にドット単位の静電潜像を結像させ、光源の露光量を可変させる光量可変手段を備え、静電潜像計測手段は、試料に形成されたドット単位の静電潜像の潜像面積を計測することを最も主要な特徴とする。

また、本発明に係る静電潜像計測方法は、試料に帯電電荷を生成する荷電粒子照射工程と、異なる波長のレーザ光を出射して上記試料に静電潜像を形成する露光工程と、荷電粒子を走査したときの２次電子を検出して静電潜像を計測する静電潜像計測工程を有する静電潜像計測方法、であって、異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系を用いて試料にドット単位の静電潜像を結像し、異なるレーザ光ごとの上記静電潜像の上記潜像面積を計測する工程と、異なる波長のレーザ光ごとの静電潜像の潜像面積を比較して変化量を計測する工程と、光源により試料に露光させる露光量を光量可変手段によって可変させ、異なる波長のレーザ光ごとの上記静電潜像の上記潜像面積が同一となる条件を導出する工程を有することを最も主要な特徴とする。

本発明に係る静電潜像計測装置によれば、波長の違う光源を共通の結像光学系を用いてドット単位の潜像面積の変化を評価することができ、光源を付け替えて単独で測定を繰り返す際などに必要とされる高精度な光路調整などの調整作業を省略でき、その際に生じることが懸念される光学特性の変化を防ぐことができ、効率的に実機に則したドット単位での潜像面積の評価を行うことができる。また、計測した波長によるドット単位の潜像面積の変化をもとに、その変化分を補償する条件を導出することができるため、画像形成で引き起こされる濃度ムラやバンディングなどの可能性を防止することができる。

また、本発明に係る静電潜像計測方法によれば、上述と同様に、波長の違う光源を共通の結像光学系を用いてドット単位の潜像面積の変化を評価することができ、光源を付け替えて単独で測定を繰り返す際などに必要とされる高精度な光路調整などの調整作業を省略でき、その際に生じることが懸念される光学特性の変化を防ぐことができ、効率的に実機に則したドット単位での潜像面積の評価を行うことができる。また、計測した波長によるドット単位の潜像面積の変化をもとに、その変化分を補償する条件を導出することができるため、画像形成で引き起こされる濃度ムラやバンディングなどの可能性を防止することができる。

本発明に係る静電潜像評価装置の実施例を示す模式図である。 本発明に係る静電潜像評価装置の結像光学系の例を示す模式図である。 本発明に適用可能な潜像面積変化算出の手順の一例を示すフローチャートである。 ２次電子による電荷分布および電位分布検出の原理を示すモデル図である。 波長による潜像面積変化とその補償例を示す図である。 潜像面積と、露光エネルギー密度の関係を示すグラフである。 上記結像光学系を構成するアパーチャーの開口部の形成例を示す模式図である。 上記結像光学系の別の実施例の態様を示す模式図である。 ＮＤフィルターの構成を示す模式図である。 本発明に適用可能な光源の温度制御機構を模式的に示す平面図（a）と、正面図（ｂ）である。 光源温度と発振波長の関係を示すグラフである。 本発明に係る静電潜像評価装置の全体の構成を示すブロック図である。 図３に示した潜像面積の計測方法の詳細を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る静電潜像計測装置、静電潜像計測方法及び静電潜像計測プログラムの実施の形態を図面を参照しながら説明する。本発明は、マルチビーム光学系の潜像評価に際して、以下の特徴を有する。すなわち、本発明では単数または複数の波長の異なるレーザ光を１つの共通光学系を用いて試料に露光してドット単位の静電潜像を形成し、その静電潜像を例えば電子ビームを利用した静電潜像計測装置を用いて計測することでドット単位の静電潜像の波長による潜像面積の変化を計測することが可能であり、さらに、その潜像面積の違いを補償する条件を導くための、光量可変手段を有することが特徴になっている。

上記記載の本発明の特徴について、以下の図面を用いて詳細に解説する。まず、図１を用いて感光体の静電潜像を計測する静電潜像計測装置の構成について説明する。本実施形態に係る静電潜像計測装置は、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子照射手段である荷電粒子照射部１０と、結像光学系２２と、測定対象の感光体である試料２３と、導体からなる試料設置部２６と、１次反転荷電粒子や２次電子などを検出する静電潜像計測手段である検出部２４とを有してなる。なお、ここでいう荷電粒子とは、電子ビームあるいはイオンビームなど電界や磁界の影響を受ける粒子を指す。以下の実施例は電子ビームを照射する場合を例に説明する。また、試料設置部２６は、適宜の従来技術に基づいて設計することが可能である。

荷電粒子照射部１０は、主に電子ビームを発生させるための電子銃１１と、電子ビームを制御するための引き出し電極１２（エキストラクタ）、電子ビームのエネルギーを制御するための加速電極１３、電子銃から発生された電子ビームを集束させるための静電レンズ１４（コンデンサレンズ）、電子ビームの照射電流を制御するための可動絞り１７、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦさせるためのビームブランキング電極（ビームブランカ）１５、仕切り板１６、非点収差を補正するための非点補正（スティングメータ）１８、ビームブランカ１５を通過した電子ビームを走査させるための走査レンズ（偏向電極）１９、走査レンズ１９から出た電子ビームを再び集光させるための対物レンズ２０、ビーム射出開口部２１からなる。これらの構成で荷電粒子照射手段を形成している。それぞれのレンズ等には、図示しない駆動用電源が接続されている。なお、イオンビームの場合には、電子銃の代わりに液体金属イオン銃などを用いる。

電子銃１１から放射された電子ビームは、引き出し電極（エキストラクタ）１２、加速電極１３を通過する。そして、コンデンサレンズ１４により、仕切り板１６、可動絞り１７、の位置に集束しつつ通過し、非点補正（スティングメータ）１８、走査レンズ１９によって２次元的に偏向される。そして、対物レンズ２０が再び電子ビームを集束させ、ビーム射出開口部２１を通過し、試料２３を帯電させる。

図２に示すように、結像光学系２２は、露光手段としての複数の光源１００、１０１、１０２のほか、結像光学系２２としては、ダイクロイックプリズム１０３、ダイクロイックプリズム１０３のＸ軸方向（紙面横方向）に順次配置されたコリメータレンズ１０４、アパーチャー１０５、ハーフミラー１０６、第一の結像レンズ１０７と、ハーフミラー１０６のＹ軸方向（紙面下方向）と逆方向に順次配置された第二の結像レンズ１０８、フォトダイオード１０９を備えている。結像光学系２２は、試料２３上に所望のビーム径、ビームプロファイルを生成する。

光源１００、１０１、１０２は、発振波長が異なるレーザ光源である。例えば、電子写真方式の画像形成装置として一般的に必要とされている４０５ｎｍ、６５５ｎｍ、７８０ｎｍで発振する半導体レーザを用いれば、複数の光源１００、１０１、１０２に対して、共通の結像光学系２２を用いて異なる波長における感光体分光感度を計測できる。さらに、静電潜像計測装置を用いて静電潜像を評価指標として評価することで、高精度に例えばドット単位の潜像面積を計測することができる。また、マルチビーム光源の波長のばらつきを考慮して６５０ｎｍ、６５５ｎｍ、６６０ｎｍで発振する半導体レーザを用いれば、波長差と潜像面積変化の関連を評価でき、波長のばらつきより生じる濃度ムラやバンディングなどの問題に対して対策を講じることができる。なお、上述の各波長は上記実施例のものに限定されず適宜のものを選択できる。また、光源の数は適宜の数を選択でき、後述するように１つであってもよい。

光源１００、１０１、１０２は光量制御部４０による制御によって適切な露光時間及び露光エネルギー、後述する適切なサイズに設定されたアパーチャー１０５で光ビームを照射することができる。すなわち換言すれば、光量制御部４０は、それぞれの露光量を可変させる光量可変手段であり、光源のパワーと、光源の発光時間、後述するアパーチャーサイズ可変手段などによって、露光量を可変させることができる。このようにすることにより、光量可変手段による各パラメータの変化と潜像面積の変化量の関係を認識することで、その数値を用い、潜像面積のばらつきを補償することができる。

コリメータレンズ１０４は、屈折率が１．５程度のレンズであり、複数の光源１００、１０１、１０２から射出された光ビームを、略平行光に整形する。アパーチャー１０５は、例えばＹ軸方向（主走査方向）の幅が５．５ｍｍ、Ｚ軸方向（副走査方向）の幅が１．１８ｍｍの矩形状の開口を有し、この開口中心がカップリングレンズ１０４の焦点位置又はその近傍に位置するように配置されている。光源１００、１０１、１０２からのビームスポットサイズは、アパーチャー１０５の開口部のサイズにより制御することができる。予め測定を行いたいビームスポットサイズに対応したアパーチャー１０５の開口部のサイズを設定しておくことで、その他の光学系の構成を変えずに複数のビームスポットサイズでの測定を行うことができる。このとき、試料２３上におけるビーム径は、２００μｍ以下であることが望ましい。

ハーフミラー１０６は、アパーチャー１０５を通過した光ビームを分断し、一方を第一の結像レンズ１０７に入射させ、一方を第二の結像レンズ１０８を介してフォトダイオード１０９へ入射させる。フォトダイオード１０９は、光量検出手段となっていて、検出した光量を、上述の光量制御部４０に伝達させる。結像レンズ１０７は、光ビームを試料２３上に集光させる。なお、図１の構成のように静電潜像計測装置に結像光学系２２を組み込む際は、第一の結像レンズ１０７は、反射ミラーを介して試料設置部２６に設置されている試料２３上に光ビームを集光させる。また、露光パターンとしてラインのパターンを形成するために、結像光学系２２にガルバノミラーやポリゴンミラーを用いたスキャニング機構を備えてもよい。

本実施形態の静電潜像計測装置及び結像光学系の動作をもとに、光源波長による潜像面積の変化を測定する方法を図３のフロー図を用いて説明する。この図において、測定を行う異なる波長を持つ光源の数をＮとする。

（ステップ１：以下「Ｓ１」とする。）
Ｓ１では、電子銃１１から電子ビームを試料２３に向けて照射させることで、試料２３を帯電させる。加速電圧｜Ｖａｃｃ｜は、２次電子放出比が１となる加速電圧より高くなるように設定することにより、入射電子量が放出電子量を上回るため電子が試料２３に蓄積される。そして、試料２３は、チャージアップを起こす。この結果、試料２３の表面には、一様にマイナスの帯電が生じる。上述の加速電圧と照射時間を適切に調整することにより、試料２３に所望の帯電電位を形成することができる。すなわち、換言すれば、荷電粒子照射手段は、電子ビームを照射することにより試料２３に帯電電荷を生成している。

（ステップ２：以下「Ｓ２」とする。）
Ｓ２では、上述の結像光学系２２を用いて試料２３に露光を行う。
このとき、光源１００、１０１、１０２のうち、測定する露光光源以外の光源は発光させない。本実施形態では、結像光学系２２及び露光手段から、ドット単位の静電潜像を形成して計測を行うが、そのときの露光エネルギー密度が小さすぎると潜像が形成されないため、露光エネルギー密度は１ｍＪ/ｍ^２以上であることが望ましい。潜像面積を評価指標として簡易的に波長による潜像面積の変化を計測するためには、光源１００、１０１、１０２間による露光量は一定に保たれていなければいけない。この露光量は、ハーフミラー１０６により分断されたレーザ光をフォトダイオード１０９でモニターし、光量制御部４０により光源１００、１０１、１０２に流れる電流量を通じて、光源のパワーを制御することで、所望の露光量で発光することが可能となっている。

（ステップ３：以下「Ｓ３」とする。また、ステップ３を細かくしたフローチャートを図１３に示す。）
上述の露光後に、電子銃１１によって試料２３に電子ビームが走査されると、２次電子が放出される（Ｓ３−１）。２次電子は、シンチレータ、光電子増倍管などからなる図１２における電子検出部２４−１によって検出され（Ｓ３−２）、図１２における信号処理部２４−２によって電気信号に変換され、その電気信号をもとに測定結果出力部２４−３において電位コントラスト像として出力される。（Ｓ３−３）このとき、検出部２４は、走査レンズ１９からの走査信号と同期を取ることで、各走査位置とその位置における２次電子の検出量を関連付けることができる。

このようにすると、試料２３上で帯電している部分は２次電子検出量が多く、露光されている部分は２次電子検出量が少なく計測され、この２次電子検出量の違いから、明暗のコントラスト像を得ることができる。すなわち、暗の部分を露光による静電潜像とみなすことができるので、光ビームが走査されずにスポットで露光した場合の明暗の境界をもとに潜像面積を計測することができる。

試料２３の表面に電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。このため、入射電子によって、露光部で発生した２次電子はこの電界によって押し戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、電荷リーク箇所は、露光部が黒、非露光部が白となり、表面電荷分布に応じたコントラスト像を測定することができる。図４（ａ）は、検出器２４と、試料２３との間の空間における電位分布を、等高線表示で説明図的に示したものである。試料２３の表面は、光減衰により電位が減衰した部分を除いては負極性に一様に帯電した状態であり、検出器２４には正極性の電位が与えられているから、「実線で示す電位等高線群」においては、試料２３の表面から検出器２４に近づくに従い「電位が高く」なる。

したがって、試料２３における「負極性に均一帯電している部分」である図のＱ１点やＱ２点で発生した２次電子ｅｌ１、ｅｌ２は、検出器２４の正電位に引かれ、矢印Ｇ１や矢印Ｇ２で示すように変位し、検出器２４に捕獲される。

一方、図４（ａ）において、Ｑ３点は「光照射されて負電位が減衰した部分」であり、Q3点近傍では電位等高線の配列は「破線で示す如く」であり、この部分電位分布では「Ｑ３点に近いほど電位が高く」なっている。換言すると、Ｑ３点の近傍で発生した２次電子ｅｌ３には、矢印Ｇ３で示すように、試料２３側に拘束する電気力が作用する。このため２次電子ｅｌ３は、破線の電位等高線の示す「ポテンシャルの穴」に捕獲され、検出器２４に向って移動しない。

図４（ｂ）は、上記「ポテンシャルの穴」を模式的に示している。すなわち、検出器２４により検出される２次電子の強度（２次電子数）は、強度の大きい部分が「静電潜像の地の部分（均一に負帯電している部分図４（ａ）の点Ｑ１やＱ２に代表される部分）」に対応し、強度の小さい部分が「静電潜像の画像部（光照射された部分図４（ａ）の点Ｑ３に代表される部分）」に対応することになる。

したがって、検出部２４で得られる電気信号を、走査レンズ１９からの走査信号を受けて、信号処理部で適当なサンプリング時間でサンプリングすれば、前述の如く、サンプリング時刻Ｔをパラメータとして、表面電位分布Ｖ（Ｘ、Ｙ）を「サンプリングに対応した微小領域」ごとに特定でき、信号処理部により上記表面電位分布（電位コントラスト像）Ｖ（Ｘ、Ｙ）を２次元的な画像データとして構成し、これを測定結果出力部が画像化すれば、静電潜像が可視的な画像として得られる。なお、画像の出力は図１２に後述する示すホストコンピュータ１００１で行うこともできる。

例えば、捕獲される２次電子の強度を「明るさの強弱で表現」すれば、静電潜像の画像部分は暗く、地の部分は明るくコントラストがつき、表面電荷分布に応じた明暗像として表現（出力）することができる。
勿論、表面電位分布が知れれば、表面電荷分布も知ることができる。

また、潜像画像に対して、画像処理を行うことで、潜像面積を算出することが可能である。例えば、潜像画像に対して２値化処理を行い（Ｓ３−４）、潜像パターンの輪郭を抽出し、輪郭の内側を占める画素数をカウントすることで潜像面積を算出することができる（Ｓ３−５）。上述の構成によれば、表面電荷分布あるいは表面電位分布を有する試料２３に対して、荷電粒子ビームを照射し、この照射によって得られる検出信号により、試料２３の電荷分布あるいは電位分布の状態を測定する方法において、露光条件を変えたときの潜像状態を計測することにより、試料２３の静電特性を把握することが可能となる。

すなわち、本発明にかかる、Ｓ３の処理手段は、露光手段からの異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系２２を用いて試料２３にドット単位の静電潜像を結像し、試料２３に形成したドット単位の静電潜像の潜像面積を比較し、異なる波長に依存するそれぞれの潜像面積の変化量を計測する手段になっている。

（ステップ４：Ｓ４）
図３に戻る。Ｓ４では、ＬＥＤ２５を用いて試料２３の除電を行う。試料２３上に生成された帯電電荷は光ビームを照射することで消失させることができ、ここでは、除電のためにＬＥＤ２５を発光し、次の測定に備える。以上のプロセスを行うことで、潜像計測を行うことができる。

（ステップ５、６：Ｓ５、Ｓ６）
Ｓ５では、異なる光源波長で測定を行うか判断し、測定を行う場合には、Ｓ６で、新たに光源の選択を行う。

（ステップ７：Ｓ７）
Ｓ７では、光源波長ごとに同一の露光量を保つため、結像光学系２２の露光量調節を行う。波長による潜像面積の変化を測定するためには、各光源間で露光量の差があることは好ましくない。そこで、フォトダイオード１０９で測定した露光量をもとに駆動電流量を調節し、最初に使用した光源と同じ露光量を出力するように制御することで露光量を保つことができる。

以上のプロセスに基づき、波長の違う光源１００、１０１、１０２に共通の結像光学系２２を用いて、潜像面積を評価することで、ドット単位の潜像面積の変化を評価することができる。その結果、光源を付け替えて単独で測定を繰り返す際などに必要とされる高精度な光路調整などの調整作業を省略でき、その際に生じることが懸念される光学特性の変化を防ぐことができ、効率的に実機に則したドット単位での潜像面積の評価を行うことができる。また、計測した波長によるドット単位の潜像面積の変化をもとに、その変化分を補償する条件を導出することができるため、画像形成で引き起こされる濃度ムラやバンディングなどの可能性を防止することができる。

次に、上記の方法で計測した波長による潜像面積の変化をもとに、濃度ムラやバンディングなどの従来の課題を改善する方法について説明する。

図５（ａ）に示すような波長（６５０ｎｍ、６５５ｎｍ、６６０ｎｍ）による潜像面積の違いが表れるとすると、この違いは画像上で濃度ムラやバンディングの原因となる。この問題に対し、光源ごとにそのパワーや発光時間、感光体上でのビームサイズなどを制御することで図５（ｂ）のように潜像面積を揃えることが可能である。

露光エネルギー密度と潜像面積の関係を図６に示す。ここでは、異なる波長λ１、λ２で発振する光源についてそれぞれの特性図を示している。なお、この特性図は、例えば図２に示すような結像光学系２２を静電潜像装置に搭載し、その時の光源出力を変化させ、それぞれの潜像面積を計測することで取得することができる。図２の結像光学系２２を用いた場合、そのビームサイズはアパーチャー１０５の大きさで決まり、光源出力を変化させてもビームサイズは維持される。このときのビームサイズは、光学系単体で評価を行い、試料２３上のビーム径を計測することで得ることができる。また、露光エネルギーは、アパーチャー１０５の透過した露光量により求めることができ、光学系単体で評価を行うことで同様に測定することができる。以上より、ある光源出力における、試料２３に到達する露光エネルギーと、ビームサイズが求められるので、露光エネルギー密度を算出することができる。更に、そのときの潜像面積を計測することで、図６に示す露光エネルギー密度と潜像面積の特性を得ることができる。以上の手順を異なる波長時においても行うことで、複数の波長における露光エネルギー密度と潜像面積の特性を得ることができる。

図６において、例えば、ある露光エネルギー密度Ｐ１で露光を行ったとき、形成される潜像の潜像面積は、感光体感度の違いや結像状態の違いなどの要因により、λ１、λ２でそれぞれＳ１、Ｓ２となる。このとき、この特性図の波長における潜像面積と露光エネルギー密度の関係を用いてλ２で発振する光源の露光エネルギー密度をＰ２と設定すれば、二つの波長間における潜像面積の変化は補償され、図５（ｂ）のように、波長が変化しても潜像面積を揃えることができる。また、この特性図を関数にして、それを電子化して処理することよって、コンピュータで自動的に潜像面積のドット単位の評価し、自動的に潜像面積の補償するための各パラメータを算定することが可能である。

露光エネルギー密度は、光源のパワー、光源の発光時間、感光体上でのビームサイズにより変化し、これらのパラメータを制御することで波長差に伴う潜像面積変化を補償することができる。光源のパワーは、光源に流れる電流量を制御することで変更でき、光源の露光時間は、駆動電流が流れる時間を制御することで変更できる。これらはコンピュータ１００１を介して光量制御部４０を用いて制御することで任意に設定することが可能である。また、感光体上でのビームサイズは、光源波長とビームスポットサイズで決まり、アパーチャー１０５の開口部のサイズに伴い変化する。

すなわち、本発明に係る静電潜像計測装置は、光源により試料２３を露光させる光量またはビームスポットサイズを光量可変手段によって可変させ、異なる波長における潜像面積が同一となる条件を導出する手段とを有している。また、本発明に係る静電潜像計測方法は、上述の露光手段からの異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系を用いて試料２３にドット単位の静電潜像を用いて、試料２３に形成したドット単位の潜像の潜像面積を比較させる工程と、異なる波長に依存するそれぞれの潜像面積の変化を計測する工程と、光源１００、１０１、１０２により試料２３を露光させる光量またはビームスポットサイズを光量可変手段によって可変させ、異なる波長における潜像面積が同一となる条件を導出する工程とを有している。

これより、本実施形態を用いて、波長により生じる潜像面積の変化と潜像面積を変化させることのできるパラメータとの関係を明確化することで、マルチビーム光学系における光源間波長ばらつきが生じていても、潜像面積を一定に保つことができる。

[第２の実施形態]
第１の実施形態では、異なるビームスポットサイズで測定を行うために、予めアパーチャー１０５を作成し、測定毎に取り付ける構成であったが、アパーチャー１０５のサイズをステッピングモーターやピエゾ素子などにより制御してもよい。

図７に示すアパーチャー１０５は、光軸に直交する調節スリットを持ち、それらが重なることで四角状に構成されている。図７（ａ）は、水平方向で調節可能なスリット１０５ａを示し、図７（ｂ）は、垂直方向で調節可能なスリット１０５ｂを示す。これら二つの調整スリットが重ねて配置されることで、図７（ｃ）の四角状のアパーチャー１０５が構成される。それぞれの調整スリットは可動手段（不図示）により独立に可動させることができ、入力電気信号に応じて所望の大きさの開口を作ることができる。調節機構の移動量分解能は０．５μｍ以下であることが望ましい。

この構成を用いることで、光源ごとのアパーチャー１０５の開口部のサイズを簡易的に制御でき、測定毎のアパーチャー１０５の作成、交換に伴う調整作業を省略でき、その際に生じることが懸念される光学特性の変化を受けない。また、任意のアパーチャー１０５の開口部のサイズを簡易的に制御できるため、波長による潜像面積の違いを補償するようなビームスポットサイズの導出を効率的に行うことができる。

[第３の実施形態]
第１の実施形態では、各光源１００、１０１、１０２間の露光量を一定に保つために光源に流れる電流量を制御していたが、電流量を一定とし、結像光学系２３にＮＤフィルター３０を挿入することで、露光量を一定とさせてもよい。この構成について、図８に示す。

図８に示す結像光学系では、図２で示した結像光学系２２と同一のものに、第一の結像レンズ１０７の光路の後ろにＮＤフィルター３０が挿入されている。所望の露光量が試料２３に露光されるようなＮＤフィルター３０を光源１００、１０１、１０２ごとに予め用意し、測定毎に測定光源に対応したＮＤフィルター３０を取り付けることにより光源波長が変化しても露光量を一定に保つことができる。

この構成を用いることで、ハーフミラーや結像レンズを透過することで生じる露光量の変化の影響を受けずに各光源１００、１０１、１０２の露光量を揃えることができる。また、光源１００、１０１、１０２に流れる電流量を一定とすることができるので、電流量による光出力波形の立ち上がり特性変化などの影響を受けずに、実機に則した評価を行うことができる。

[第４の実施形態]
上記第３の実施形態では、各光源１００、１０１、１０２間の露光量を一定に保つために、光源ごとに対応したＮＤフィルター３０を測定毎に取り付ける構成であったが、このとき、可変ＮＤフィルターを用いてもよい。可変ＮＤフィルターを図９に示す。

図９（ａ）に示す可変ＮＤフィルター３０ａは、円周方向に光学濃度を連続的に変化させた円形ＮＤフィルターであり、可変ＮＤフィルター３０ａを回転させることにより透過光量を連続的に変化させることができる。また、図９（ｂ）に示す可変ＮＤフィルター３０ｂは、直線方向に光学濃度を連続的に変化させた矩形ＮＤフィルターである。可変ＮＤフィルター３０ｂを直線方向に移動させることにより透過光量を連続的に変化させることができる。

上述のＮＤフィルター３０を用い、レーザ光透過位置を図示しないステッピングモーターなどで電気的に制御することで、ＮＤフィルター３０上のレーザ光透過位置と、その位置における透過率の関係からその時の露光量を求めることができる。また、この制御は、光量可変手段である光量制御部４０で行うことができ、後述するホストコンピュータ１００１によって指示を出すことも可能である。この構成を用いることで、光源ごとの露光量を簡易的に制御でき、測定毎のＮＤフィルター３０の選別、交換に伴う煩雑な作業を省略できる。また、任意のフィルター透過率を簡易的に制御できるため、波長による潜像面積の違いを補償するような露光量の導出を効率的に行うことができる。

[第５の実施形態]
上記第１の実施形態では、光源として発振波長の異なる光源を複数個用いたが、そのうち１つの光源を用い、その発振波長をペルチェ素子などを用いて温度調節を行うことで変化させてもよい。このとき、温度調節の分解能としては、０．１℃以下であることが望ましい。光源の温度調節機構を図１０に示す。

図１０（ａ）は、光源の温度調節機構の平面図、図１０（ｂ）は正面図を示す。温度調節機構は、光源５１、銅版５２、ペルチェ素子５３、ヒートシンク５４、温度センサ５５を備えている。光源５１は、銅版５２に固定されており、ペルチェ素子５３からの放熱、吸熱の影響によりその温度が変化する。

ペルチェ素子５３は、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するというペルチェ効果を利用した板状の半導体素子であり、直流電流を流すと、一方の面が吸熱し、反対面に発熱が起こる。このペルチェ素子５３による温度変化を温度センサ５５で読み取り、設定したい温度とのズレを計測し、温度制御部５０でペルチェ素子５３に流れる電流量を制御することで、光源温度を所望の温度に調節することが可能となる。なお、ペルチェ素子５３による放熱や吸熱を安定的に行うため、ペルチェ素子５３の一面にはヒートシンク５４が取り付けられている。また、この制御を光量可変手段である光量制御部４０から、温度制御部５０に指示を出すことで行うことができ、後述するホストコンピュータ１００１によって温度を設定し、温度を監視することも可能である。

半導体レーザは熱を加えることで発振波長が図１１のように線形的に変化する。したがって予め光源温度と発振波長の関係を測定しておけば、温度調節を介して任意の波長での発振を行える。このとき、光源温度が上昇すると光源の発振効率が落ちるため出力も変化するが、第１、第３、第４の実施形態で記した手法の何れかを用いることで各発振波長間において露光量を一定に保つことができる。また、第１、第２の実施形態で記したアパーチャー１０５の構成を用いることで、任意のアパーチャー１０５の開口部のサイズにおける測定を行うことができる。これらの構成を用いることで、一つの光源を用いた場合においても、簡易的に複数の波長と潜像面積の関係を評価することができる。

図１２のブロック図は、静電潜像計測装置全体がホストコンピュータ１００１によって制御される例を示す。なお、装置の構成は、図１に示した実施例と同様である。図１２において、本発明にかかる静電潜像計測装置は、光量制御部４０と、試料台制御部１００３と、ＬＥＤ制御部１００４と、荷電粒子制御部１００２を有してなり、静電潜像計測装置全体をホストコンピュータ１００１で制御、指示、及び監視ができるようになっている。また、静電潜像計測手段である検出手段２４の検出結果はホストコンピュータ１００１の端末からも監視することが可能となっていて、検出器２４による測定に関する適宜の設定に関してホストコンピュータ１００１から変更することもできる。検出器２４は、２次電子を検出する電子検出部２４−１と、２次電子の信号を処理信号に変換し２次電子の電子軌道を計算する信号処理部２４−２と、その測定結果を画像化する測定結果出力部２４−３と、その画像の２値化を行う画像処理部２４−４とを有している。なお、信号処理部２４−２と、測定結果出力部２４−３と、画像処理部２４−４は、検出器２４が備えてもよく、ホストコンピュータ１００１側が備えてもよい。

光量制御部４０は、露光手段である複数の光源の露光量を制御し、上述のようにホストコンピュータ１００１から露光量を設定できるように構成されている。試料台制御部１００３は、試料設置部２６に乗っている試料２３の移動を制御し、この移動量や移動方向は、ホストコンピュータ１００１から設定できるようになっている。ＬＥＤ制御部１００４は、上述の残留電荷除去の制御をし、この残留電荷除去はホストコンピュータ１００１から設定できるようになっている。荷電粒子制御部１００２は、加速電圧制御部１００２−１、走査レンズ制御部１００２−２、対物レンズ制御部１００２−３のそれぞれを制御し、加速電圧制御部１００２−１は、電子ビームのエネルギーを制御し、走査レンズ制御部１００２−２は、電子ビームの走査位置の制御をし、対物レンズ制御部１００２−３は、電子ビームの焦点位置の制御をする。

以上説明した構成により、ホストコンピュータ１００１から静電潜像計測装置全体の動作を制御して、上述の各実施例における潜像面積の計測を行うことができる。なお、ホストコンピュータ１００１では、本発明に係る静電潜像プログラムが動作していて、ホストコンピュータ１００１内の各手段を制御することで、図３や図１３のフローチャートに示した方法を実現している。

このようにすることにより、画像形成装置における感光体の開発工程において、上記各実施例における静電潜像計測方法を無人の状態でも自動的に行うことができ、画像形成装置の効率的な開発とともに画質向上を実現することが可能となる。

１０ 荷電粒子照射部
１１ 電子銃
１２ 引き出し電極
１３ 加速電極
１４ 静電レンズ
１５ ビームブランキング電極
１６ 仕切り板
１７ 可動絞り
１８ 非点補正
１９ 走査レンズ
２０ 対物レンズ
２１ ビーム射出開口部
２２ 結像光学系
２３ 試料
２４ 検出器
２５ ＬＥＤ
２６ 試料設置部

特開２００９−１６３１７５号公報 特開平１１−２９６０２６号公報 特開２００３−２９５６９６号公報 特開２００６−８４４３４公報 特開２００９−３００５３５号公報

Claims (18)

1. 荷電粒子を照射することにより試料に帯電電荷を生成する荷電粒子照射手段と、
   光源を備える露光手段と、
   上記露光手段が上記試料に形成した静電潜像を計測する静電潜像計測手段と、を備える静電潜像計測装置、であって、
   上記露光手段は、異なる波長のレーザ光を出射し、
   上記露光手段からの異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系を用いて上記試料にドット単位の静電潜像を結像させ、
   上記光源の露光量を可変させる光量可変手段を備え、
   上記静電潜像計測手段は、上記試料に形成された上記ドット単位の上記静電潜像の上記潜像面積を計測することを特徴とする静電潜像計測装置。
2. 上記露光手段からの異なる波長のレーザ光ごとの上記静電潜像の上記潜像面積を比較して変化量を計測する手段と、
   上記光源により上記試料に露光させる露光量を光量可変手段によって可変させ、上記異なる波長における上記潜像面積が同一となる条件を導出する手段とを備える請求項１に記載の静電潜像計測装置。
3. 上記光量可変手段は、上記光源のパワーを可変させる請求項１または２に記載の静電潜像計測装置。
4. 上記光量可変手段は、上記光源の発光時間を可変させる請求項１または２に記載の静電潜像計測装置。
5. 上記結像光学系は、アパーチャーの開口部のサイズを可変するアパーチャーサイズ可変手段を有し、
   上記光量可変手段は、上記アパーチャーサイズ可変手段の動作を制御する請求項１乃至４のいずれかに記載の静電潜像計測装置。
6. 上記アパーチャーサイズ可変手段は、上記露光手段からのレーザ光の光軸方向に直交する方向に複数の調節スリットを持ち、上記複数の調節スリットを四角状になるように重ねることで上記アパーチャーの開口部のサイズを可変させる請求項５に記載の静電潜像計測装置。
7. 上記結像光学系は、上記光源の露光量の変化を検出する光量検出手段を有する請求項１乃至６のいずれかに記載の静電潜像計測装置。
   
8. 上記結像光学系は、上記露光量を上記光源からの波長に応じて可変させるためのＮＤフィルターを有する請求項１乃至７のいずれかに記載の静電潜像計測装置。
9. 上記光量可変手段は、上記光源からのレーザ光が上記ＮＤフィルター上を透過する位置により露光量を可変させる請求項８に記載の静電潜像計測装置。
10. 上記結像光学系は、上記異なる波長のレーザ光を発振するための上記光源の温度を可変させる温度制御手段を有する請求項１乃至９のいずれかに記載の静電潜像計測装置。
11. コンピュータを、請求項１乃至１０のいずれかに記載の静電潜像計測装置として機能させることを特徴とする静電潜像評価プログラム。
12. 試料に帯電電荷を生成する荷電粒子照射工程と、
    異なる波長のレーザ光を出射して上記試料に静電潜像を形成する露光工程と、
    荷電粒子を走査したときの２次電子を検出して上記静電潜像を計測する静電潜像計測工程を有する静電潜像計測方法、であって、
    上記異なる波長のレーザ光を共通の結像光学系を用いて試料にドット単位の静電潜像を結像し、上記異なるレーザ光ごとの上記静電潜像の上記潜像面積を計測する工程と、
    上記異なる波長のレーザ光ごとの上記静電潜像の上記潜像面積を比較して変化量を計測する工程と、
    上記光源により上記試料に露光させる露光量を光量可変手段によって可変させ、上記異なる波長のレーザ光ごとの上記静電潜像の上記潜像面積が同一となる条件を導出する工程を有することを特徴とする静電潜像計測方法。
13. 上記異なる波長のレーザ光ごとの上記潜像面積が同一となる露光量を導出するために、上記光源のパワーを変更させる請求項１２に記載の静電潜像計測方法。
14. 上記異なる波長のレーザ光ごとの上記潜像面積が同一となる露光量を導出するために、上記光源の発光時間を変更させる請求項１２に記載の静電潜像計測方法。
15. 上記異なる波長のレーザ光ごとの上記潜像面積が同一となる露光量を導出するために、上記光源のビームスポットサイズを変更させる請求項１２に記載の静電潜像計測方法。
16. 上記異なる波長を発振する上記光源を用いたときの上記露光量が揃うように、上記光源のパワーを変更させる請求項１３乃至１５のいずれかに記載の静電潜像計測方法。
17. 上記異なる波長を発振する上記光源を用いたときの上記露光量が揃うように、ＮＤフィルターの透過率を変更させる請求項１３乃至１５のいずれかに静電潜像計測方法。
18. 上記異なる波長のレーザ光を発振させるために上記光源の温度を可変させる請求項１２乃至１７のいずれかに静電潜像計測方法。
    

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