JP2006301113A - マルチビーム光源ユニット・光走査装置・画像形成装置・光ビーム合成素子・光学系・光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウト自由度が高く、製造コストも低い光ビーム合成素子、これを用いたマルチビーム光源ユニットを提供する。
【解決手段】マルチビーム光源ユニットは、２つの光源としての半導体レーザ１ａ、１ｂと、各々の半導体レーザ１ａ、１ｂから出射された発散性の光ビームを収束、平行、または発散性の光ビームに整形するための第１光学系２と、第１光学系２から出射された２つの光ビームが角度θのなす角で入射する光ビーム合成素子３とから構成される。光ビーム合成素子３の光ビームが透過する光学素子表面には、使用する半導体レーザの波長よりも小さい周期構造が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源から発生する光ビームを１度に走査することにより複数ラインを同時に被走査面上に走査することを可能とするマルチビーム光源ユニット、該マルチビーム光源ユニットを備えた光走査装置、該光走査装置を備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の画像形成装置、マルチビーム光源ユニットに用いられる光ビーム合成素子、該光ビーム合成素子を備えた光学系及び光学機器に関する。
本発明に係る光ビーム合成素子は、光通信等の合波素子への展開も可能である。

近年、画像形成装置の印字速度の向上、また書込密度の向上が望まれている。そのため、画像形成装置を構成する光走査装置において、高速かつ高密度な光走査を達成する手段の１つとして、光偏向器の偏向速度を上げる、すなわちポリゴンミラーの回転速度を上げる方法がある。
しかしながら、高速回転に伴う騒音や熱等の問題があり、回転速度向上にも限界がある。一方で、高速かつ高密度な光走査を達成するための別の手段として、例えば特開２００３−１２１７７２号公報に記載されているように、マルチビーム光源ユニットを用い、１度に複数の光ビームを走査して、同時に複数ラインを走査させる方法がある。

複数の光ビームを走査することを可能とするマルチビーム光源ユニットとして、複数の光ビームを発生する１つのマルチビーム光源（１つのパッケージ内に複数の発光点を持つレーザアレイ光源）を用いて、従来の１つの光源を用いた光走査装置に置きかえることで実現することができる。
しかし、レーザアレイ光源は製造プロセス上、発光点数を４、８、・・・と増やしていくにつれ、技術的難易度は上がり、非常に高価な光源となっている。
一方、従来のシングルビーム光源（１つのパッケージ内に１つの発光点を持つレーザ光源）を複数個用いて、マルチビーム光源ユニットを達成すること方法が多数提案されている。

シングルビームは低コストにて大量生産されており、例えばシングルビーム光源４つと、４つの発光点を持つマルチビームでは前者の方がコスト的に優位である。マルチビーム光源ユニットをシングルビーム光源を用いて構成するために、いくつかのビーム合成素子が提案されている。
たとえば、特開平９−１８９８７３号公報に記載のものでは、２つの光ビームは、９０度の角度でハーフミラーに入射され、ほぼ同じ方向に光ビームは合成されている。
特開平９−２３０２６０号公報に記載のものでは、２つの光ビームは、９０度の角度で偏光ビームスプリッタや偏光ハーフミラーに入射され、ほぼ同じ方向に光ビームは合成されている。
特開２００１−１３４３３号公報に記載のものでは、２つの光ビームは、ほぼ平行に薄膜を用いた偏光ビーム合成プリズムに入射され、ほぼ同じ方向に光ビームは合成されている。

特開平９−２３０２６０号公報 特開平９−１８９８７３号公報 特開２００３−１２１７７２号公報 特開２００１−０１３４３３号公報

特開平９−１８９８７３号公報や特開平９−２３０２６０号公報に示されるビーム合成素子では、２つの光ビームは９０度の角度をなして入射されている。これはハーフミラーや偏光ビームスプリッタの特性上、これらの素子への２つの光ビームの入射角は９０度に限定されるからである。
光源や第１光学系をこのレイアウトに適するように、９０度のなす角で配置することはレイアウト自由度が無いだけでなく、マルチビーム光源ユニット、ひいては光走査装置の小型化にも大きな影響を及ぼす。
しがたって、レイアウト自由度の高いビーム合成素子が望まれていた。

特開２００１−１３４３３号公報に示される偏光ビーム合成プリズムにおいても、平行（０度）に入射する点で限定されることから、レイアウト自由度が無いのは同じである。
偏光を用いたビーム合成の観点から見てみると、特開平９−２３０２６０号公報や特開２００１−１３４３３号公報に示される偏光ビームスプリッタや偏光ビーム合成プリズムでは、三角プリズムが薄膜を介して接合されており、この偏光分離薄膜によって光ビームが分離される。
この薄膜は設計された波長及び入射角において用いられる場合には高い分離特性を示すが、設計値からずれたときの特性劣化が大きいという欠点を持っている。また、偏光ビームスプリッタや偏光ビーム合成プリズムはその形が示すように製造工程も多く高価な素子である。

本発明は、レイアウト自由度が高く、製造コストも低い光ビーム合成素子、これを用いたマルチビーム光源ユニット、光走査装置、画像形成装置、光学系、光学機器の提供を、その主な目的とする。

光の波長よりも小さい周期構造（文献「光学２７巻第１号ｐ．１２−１７」）について
屈折率の異なる２つの媒質（例えば一方が空気で、もう一方が等方性媒質）が光の波長よりも小さい周期構造を持つような構造（ＳＷＳ＝Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；サブ波長構造）を持つ光学素子では、構造複屈折と呼ばれる光学異方性が発現する。
従来複屈折性を用いるためには、水晶や方解石などの複屈折性結晶を用いる必要があり、物質固有の特性であることから複屈折性を変えることは難しかった。
それに対して、構造複屈折では特別な結晶を用いることなく、一般的な媒質の形状によって複屈折性を変えることができるため、比較的容易に制御することが可能である。これによって、複屈折性結晶を用いない偏光ビームスプリッタなどが実現できる。また、媒質の形状による有効屈折率を制御することで反射防止構造を光学面に形成することもできる。
また、サブ波長構造光学素子では、上記複屈折性や反射防止性などの機能に対し入射角度依存性が小さいことが知られている。
本発明はこのような知見に基づいて創案されたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、マルチビーム光源ユニットにおいて、少なくとも２つの光源と、前記各光源から発生する光ビームを整形する少なくとも２つの第１光学系と、使用する光の波長よりも小さい周期構造を有し、異なる２つの方向から入射する光ビームを、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向となるように出射する光ビーム合成素子とを有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、ある１つの方向から入射する光ビームと、もう１つの方向から入射する光ビームは、その偏光状態が９０度異なる直線偏光となるように、前記光源及び前記第１光学系を配置したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光源は直線偏光を有し、その偏光方向はすべて同一方向を向いたように配置されており、かつ、前記第１光学系のうちの１つにはλ／２板を含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子の光進行方向後方に、λ／４を設けたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光源と、前記第１光学系を各々４つ有していることを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記各光源はそれぞれ少なくとも２つの光ビームを発生する構成を有していることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記各光源は、面発光型の半導体レーザであることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記各光源は、青色レーザであることを特徴とする。

請求項９に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、異なる２つの光ビームのなす角は鋭角であることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子は平板状であることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、異なる２つの方向から入射する光ビームと、ほぼ同一方向に出射する光ビームは、前記光ビーム合成光学素子に対して反対側に存在することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明では、光走査装置において、請求項１乃至１１のうちの何れかに記載のマルチビーム光源ユニットと、前記マルチビーム光源ユニットから導かれる光ビームを光偏向器に導光するための第２光学系と、第２光学系から導かれる光ビームを偏向走査するための光偏向器と、光偏向器により偏向走査された光ビームを被走査面上に光スポットとして結像させるための第３光学系とを有することを特徴とする。

請求項１３に記載の発明では、画像形成装置において、請求項１２に記載の光走査装置を有することを特徴とする。

請求項１４に記載の発明では、光ビーム合成素子において、使用する光の波長よりも小さい周期構造を有し、異なる２つの方向から入射する光ビームを、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向となるように出射することを特徴とする。

請求項１５に記載の発明では、請求項１４に記載の光ビーム合成素子において、異なる２つの光ビームのなす角は鋭角であることを特徴とする。

請求項１６に記載の発明では、請求項１４に記載の光ビーム合成素子において、平板状であることを特徴とする。

請求項１７に記載の発明では、請求項１４に記載の光ビーム合成素子において、異なる２つの方向から入射する光ビームと、ほぼ同一方向に出射する光ビームは、光ビーム合成光学素子に対して反対側に存在することを特徴とする。

請求項１８に記載の発明では、光学系において、請求項１４乃至１７のうちの何れかに記載の光ビーム合成素子を用いたことを特徴とする。

請求項１９に記載の発明では、光学機器において、請求項１８に記載の光学系を用いたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、使用する光の波長よりも小さい周期構造を有する光ビーム合成素子を用いているので、新規で低コストなマルチビーム光源ユニットが実現できる。
請求項２に記載の発明によれば、２つの方向から入射する光ビームの偏光状態を分離しているので、この２つの光ビームを独立に制御することができる。
請求項３に記載の発明によれば、１方の光ビームの偏光方向のみを回転しているので、第１光学系から出射する光ビームのファーフィールドパターンを等しくすることができる。さらには第１光学系以降に２つの光ビームが共に導かれる光学系が配置される場合、結像される各々の光スポットを等しくすることが可能になる。

請求項４に記載の発明によれば、光ビーム合成素子から出射される直線偏光の光ビームの偏光状態を円偏光に変換しているので、すべての光ビームの偏光状態を等しくすることができる。さらにはλ／４板以降に２つの光ビームが共に導かれる光学系が配置される場合、偏光方向による透過率及び反射率の違いの影響を受けることなく、その光学系を透過した後の２つの光ビームの光量を等しくすることが可能になる。
請求項５に記載の発明によれば、シングルビーム光源を用いるので、安価にビーム数を向上させることができる。
請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載のレイアウトのまま、光源を置きかえるだけで容易にビーム数を向上させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、光源を置きかえて偏光制御素子を付加するだけで非常に多くのビーム数を容易に得ることができる。
請求項８に記載の発明によれば、光源の波長が短波長化しているので、光スポットを小径化することができる。
請求項９に記載の発明によれば、回折素子の周期（Ｐ）に応じて、なす角（θ）を変化させることができるので、レイアウトの自由度を大きく向上させることができる。
請求項１０に記載の発明によれば、従来の偏光ビームスプリッタやビーム合成プリズムとは異なり、光学素子の厚さは光ビームの幅Ｄとは関係ないので薄い光学素子を実現することができる。さらには低コスト化・小型化へ貢献できる。
請求項１１に記載の発明によれば、従来のハーフミラーとは異なり、２つの光源位置を近づけることができるので、レイアウトの自由度を向上させることができる。

請求項１２に記載の発明によれば、新規で安価なマルチビーム光源ユニットを用いているので、高速かつ高密度な光走査装置を達成することができる。また２ビーム以上のビーム数向上にも適応できる。さらには各々の光ビームのファーフィールドパターンや偏光状態を等しくすることで被走査面上に複数の光ビームを同一の光スポットで同一の光量での光走査が実現できる。
一方で、シングルビーム光源を用いたときと同じ印字速度、同じ走査密度の光走査装置を構成する上では、光偏向器の回転速度を低減することが可能となるため、消費電力の低下、回転運動に伴う騒音の低下や熱発生の低下に貢献できる。
請求項１３に記載の発明によれば、マルチビーム光源ユニットを用いた光走査装置を光書込ユニット（露光手段）として用いるので、画像形成装置の印字速度の向上、また書込密度の向上を実現することができる。

請求項１４に記載の発明によれば、使用する光の波長よりも小さい周期構造を有するので、新規で低コストな光ビーム合成素子が実現できる。
請求項１５に記載の発明によれば、回折素子の周期（Ｐ）に応じて、なす角（θ）を変化させることができるので、レイアウトの自由度を大きく向上させることができる。
請求項１６に記載の発明によれば、従来の偏光ビームスプリッタやビーム合成プリズムとは異なり、光学素子の厚さは光ビームの幅Ｄとは関係ないので、薄い光学素子を実現することができる。さらには低コスト化・小型化へ貢献できる。
請求項１７に記載の発明によれば、従来のハーフミラーとは異なり、２つの光源位置を近づけることができるので、レイアウトの自由度を向上させることができる。
請求項１８に記載の発明によれば、新規で小型・低コストな光学系を構成できるとともに、レイアウト自由度の高い光学系の実現が可能である。
請求項１９に記載の発明によれば、従来にはない特徴を持った小型・低コストな光学機器の実現に貢献できる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。
本実施形態におけるマルチビーム光源ユニットは、２つの光源としての半導体レーザ１ａ、１ｂと、各々の半導体レーザ１ａ、１ｂから出射された発散性の光ビームを収束、平行、または発散性の光ビームに整形するための第１光学系２と、第１光学系２から出射された２つの光ビームが角度θのなす角で入射する光ビーム合成素子３とから構成される。
第１光学系２は、２つの単玉レンズ２ａ、２ｂから構成されているが、ミラーを用いることもできるし、複数枚の光学素子から構成することもできる。
角度θで入射する２つの光ビームは、その各々の光ビームの一部が、光ビーム合成素子３によってほぼ同一方向（同一方向、もしくは微小角φ）に出射され、合成される。

図１（ａ）にて、Ａ視（紙面に平行な方向）から見た様子を図１（ｂ）に示す。２つの半導体レーザ１ａ、１ｂ及び２つの単玉レンズ２ａ、２ｂは、図１（ａ）において紙面に平行な面内に配置されており、図１（ｂ）においては重なっている。厳密には角度θをもって配置されているため、半導体レーザ１ｂ及び単玉レンズ２ｂの一部分は、半導体レーザ１ａ及び単玉レンズ２ａの紙面奥側に見えるはずであるが省略している。
光ビーム合成素子３について、図２を用いて説明する。光ビーム合成素子３の光ビームが透過する光学素子表面には、使用する半導体レーザの波長よりも小さい周期構造４が形成されている。図２において、周期構造４は光学素子の基板５と同じ材質から構成されている。
半導体レーザの波長をλ、周期構造４の周期（ピッチ）をΛとしたとき、
λ＞Λ
の関係が成り立つように周期構造４が形成されている。

使用する光の波長よりも小さい周期構造を有する光学素子は、一つの例として、電子ビーム描画とドライエッチング等を組み合わせた既知の微細加工プロセスによって製作することができる。
また近年では、微細加工プロセスによって作製された金型を用いて安価で大量生産が可能なナノインプリントと呼ばれる複製プロセスが出現している。これにより、光ビーム合成素子３は偏向ビームスプリッタやビーム合成プリズムよりも安価に作成できることが可能である。
図３を用いて、光ビームの少なくとも一部が合成されることについて説明する。すなわち、光ビーム合成素子３によって合成されない不要な光ビームについて記載する。図３において、半導体レーザ１ａから出射される光ビーム（図では実線で示す）は光ビーム合成素子３に垂直に入射され、光学素子界面でのフレネル反射を除いて１００％透過している。

一方で、半導体レーザ１ｂから出射される光ビーム（図では破線で示す）は光ビーム合成素子３に対して角度θをなして入射し、光ビーム合成素子３による回折効果によって、その光ビームの一部が、半導体レーザ１ａからの光ビームと合成されている。したがって１００％の回折効率が得られない限り、不要な光ビームが発生する。
反射光成分や、所望の回折次数以外に回折する透過光成分の光ビームが不要な光ビーム（反射、透過）となる。しかし、これらの不要な光ビームはアパーチャなどのメカ部品や、その他の光学部品によって除去すれば良く、マルチビーム光源ユニットを構成する上で問題となることはない。
また複数の光ビームの光量差については、各々の半導体レーザ１ａ、１ｂの発光パワー調整により等しくすることができる。

光ビーム合成素子３は複屈折結晶などの特別な結晶を用いずに、一般的な媒質の形状によって複屈折性を表す光学素子である。ここで、偏光方向について図５に示すように表す。
すなわち、光ビーム合成素子３が有する周期構造４の溝に平行な方向をＴＥ偏光方向、それに垂直な方向をＴＭ偏光方向とする。
光ビーム合成素子３は、入射する偏光方向によって周期構造４部の屈折率が異なり、光の振る舞いが異なってくる。これについて図６を用いて説明する。
光ビーム合成素子３の基板５の屈折率をｎとする。用いる光の波長より小さい周期構造４を持つ部分の屈折率は、有効屈折率で表されることが知られており、図６（ａ）に示すように、空気（屈折率１）と基板５（屈折率ｎ）の周期構造が、周期Λ、基板５と同じ媒質で形成される構造物の幅をｆΛ（ｆ：フィリングファクター）で形成されているとき、その偏光方向による屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は以下のように書けることが知られている。
ｎ（ＴＥ）＝√｛ｆｎ^２＋（１−ｆ）｝
ｎ（ＴＭ）＝√［ｎ^２／｛ｆ＋（１−ｆ）ｎ^２｝］

したがって、図６（ｂ）に示すように、ＴＭ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＭ）からなるバイナリー型の周期Ｐ（ここでＰ＞λ）の回折格子であり、図６（ｃ）に示すように、ＴＥ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＥ）からなるバイナリー型の周期Ｐの回折格子である。
ここで、一般に、ｎ（ＴＥ）＞ｎ（ＴＭ）となることから、ＴＥ偏光に対して、回折格子の格子部（厚さをｄとする）と空気部の位相差を２πと取ることによって、回折効果は発生せず光ビームは１００％透過することになる。
２π｛ｎ（ＴＥ）−１｝ｄ／λ＝２π
この格子部の厚さｄにおいて、ＴＭ偏光に対しては、回折格子の格子部と空気部の位相差は２πではないので、バイナリー型の周期Ｐの回折格子として振舞う。

周期Ｐを回折の式から適切に選ぶことによって、角度θで入射したとき、１次回折光を０°（光ビーム合成素子３に垂直方向）の角度で出射することができ、それは以下の式で表せる。
ｓｉｎθ＝λ／Ｐ 式（１）
以上より、光ビーム合成素子３によって、ＴＥ偏光の光ビームは透過し、ＴＭ偏光の光ビームは回折効果が生じ、周期Ｐを選択することによって、その光ビームの一部を、ＴＥ偏光の光ビームとほぼ同一方向に回折させることができる。
ゆえに、図４に示すように、異なる２つの方向から入射する光ビームの偏光状態を９０°異なる直線偏光して、偏光状態を分離することで、２つの光ビームを独立に制御することができることから、光源及び第１光学系２をこの状態となるように配置させることができる。

図７乃至図９に基づいて第２の実施形態を説明する。なお上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要が無い限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
光源として、直線偏光を持つ半導体レーザを用いた場合、図４に示される２つの光ビームの偏光方向を９０°異ならせるためには、半導体レーザの偏光方向が９０°異なるようにメカ的に配置することができる（図８）。
半導体レーザの模式図を図９に示す。活性層から放出される光ビームはファーフィールドパターンにおいて楕円状の分布を示しており、偏光方向は活性層に平行である。したがって、図８に示すように偏光方向が９０°異なるように半導体レーザの配置をしたときには、半導体レーザから出射する光ビームのファーフィールドパターンが異なってしまう。これは同一の光学系を伝搬して行くときに、２つの光ビーム間で光スポット形状が異なることを意味する。
マルチビーム光源ユニットの使用用途によってはこれでも良い場合もあるが、光スポット形状を２つの光ビーム間で等しくしたいという用途もある。

図７に示すように、ファーフィールドパターンが等しくなるように、半導体レーザは同方向に配置する。このとき、偏光方向も等しくなってしまうので、第１光学系２に半導体レーザからの直線偏光を９０°回転するために、λ／２板２ｃを挿入する。
そうすることにより、２つの光ビームの偏光方向は９０°異なることになり、さらにはファーフィールドパターンを等しくすることが可能である。

図１０に基づいて第３の実施形態を説明する。
光ビーム合成素子３によって合成された２つの光ビームは、その偏光方向が９０°異なっている。したがって、マルチビーム光源ユニットから放出された光ビームを導いて用いる光学系では、偏光方向による透過率及び反射率の違いから、その光学系を透過した後の２つの光ビームの光量が異なってしまう。
マルチビーム光源ユニットの使用用途によってはこれでも良い場合もあるが、２つの光ビーム間で偏光状態を等しくしたいという用途もある。
図１０に示すように、光ビーム合成素子３の後方（光の進行方向下流側）に、直線偏光を円偏光に変換するために、λ／４板７を挿入する。
そうすることにより、２つの直線偏光を持つ光ビームはともに円偏光になり、偏光状態を等しくすることが可能である。

図１１に基づいて第４の実施形態を説明する。
本実施形態では、光ビーム数を増やすために４つの半導体レーザ１ａ、１ａ’、１ｂ、１ｂ’を用いている。４つの半導体レーザから発生する４つの光ビームは、各々に対応する４つの第１光学系２によって、光ビーム合成素子３に導かれる。このとき、Ａ視から見た様子を図１１（ｂ）に示す。２つの半導体レーザ１ａ、１ａ’からの光ビームは平行、もしくは微小角ηをもって光ビーム合成素子３に入射する。微小角ηは角度θに比べて十分に小さいので、本実施形態では異なる方向を２つとしてそのなす角をθとしている。厳密にはη≠０の場合には異なる４つの方向とすべきかもしれないが、微小角であり、θ≫ηなので無視している。残り２つの半導体レーザ１ｂ、１ｂ’及び単玉レンズ２ｂ、２ｂ’は図１１（ａ）において紙面に平行な面内に配置されており、図１１（ｂ）においては重なっている。厳密には角度θをもって配置されているため、半導体レーザ１ｂ、１ｂ’及び単玉レンズ２ｂ、２ｂ’の一部分は、半導体レーザ１ａ、１ａ’及び単玉レンズ２ａ、２ａ’の紙面裏側に見えるはずであるが省略している。

図１２に基づいて第５の実施形態を説明する。光ビーム数を増やすための別の例である。
本実施形態では、光源として２ビーム半導体レーザアレイ（１つのパッケージ内に２つの発光点を持つ半導体レーザ）を用いている。
２つの２ビーム半導体レーザアレイ６ａ、６ｂから発生する４つの光ビームは、２つの光ビーム毎に第１光学系２によって光ビーム合成素子３に導かれ、異なる２つの方向から入射する４つの光ビームはほぼ同一方向に合成される。
高価ではあるが、４ビーム半導体レーザアレイやさらに多ビーム半導体レーザアレイを用いることも可能である。
さらには、２ビーム半導体レーザアレイを４つ用いて８つの光ビームを構成したり、４ビーム半導体レーザアレイを４つ用いて１６の光ビームを構成することも可能である。

図１３に基づいて第６の実施形態を説明する。
近年、面発光型の半導体レーザであるＶＣＳＥＬにおいて、１つのパッケージ内に多数（数個〜数十個）の発光点を持つマルチビームＶＣＳＥＬが登場している。
本実施形態では、マルチビームＶＣＳＥＬ８ａ、８ｂを光源として使用している。偏光方向がランダムであるＶＣＳＥＬを用いる場合には、光ビーム合成素子３の前に偏光方向を制御する偏光板などの偏光制御素子９（９ａ、９ｂ）が必要である。ＶＣＳＥＬの採用により、非常に多くの光ビームを構成することが可能となる。

半導体レーザ光源の波長は短波長化が進んでいる。従来は７８０ｎｍ近傍が一般的であったが、最近では６５５ｎｍ近傍の赤色レーザも用いられるようになってきた。さらには４０５ｎｍ近傍の青色レーザが登場している。本発明においても使用する光源の波長に応じて光ビーム合成素子３を製作することができ、種々の波長を持つ光源に対応できる。半導体レーザ光源の短波長化に伴い、光スポットを小径化することができる。

図１４乃至図１６に基づいて第７の実施形態を説明する。
本実施形態では、異なる２つの光ビームのなす角は鋭角であることを特徴とする。図１５に、従来のハーフミラーや偏光ビームスプリッタを用いたビーム合成素子について示す。いずれも素子の特性上、これらの素子への２つの光ビームの入射角は９０°に限定される。
図１６には別の従来のビーム合成プリズムを用いたビーム合成素子について示す。この素子についても２つの光ビームの入射角は０°に限定される。
本実施形態では、図１４に示すように、θは式（１）から、回折素子の周期（Ｐ）に応じて変化させることができ、２つの方向のなす角は鋭角（０°＜θ＜９０°）で選択することができる。

図１７に示すように、従来の偏光ビームスプリッタやビーム合成プリズムは偏光分離薄膜を有し、偏光分離薄膜を挟んで反対側から９０°のなす角で入射される２つの光ビームを分離することから光学素子は厚くなってしまう。
つまり光ビームの幅Ｄよりも光学素子の厚さｔを薄くすることはできない。しかし、本発明に係る光ビーム合成素子３は光ビームを分離する光学面と同じ方向から入射される２つの光ビームを分離するので、光学素子の厚さは光ビームの幅Ｄとは関係なく薄くすることが可能であり、各実施形態においては薄肉の平板状に形成されている。
図１８に示すように、従来のハーフミラーは、入射する光ビームの１方と、合成された光ビームが光学素子に対して同じ側に存在する。従って、２つの光源位置が離れてしまいやすく、レイアウトの制約を大きく受けることになる。
しかし、本発明に係る光ビーム合成素子３は入射する２つの光ビームと、合成された光ビームが光学素子に対して反対側に存在しており、２つの光源位置を近づけることが可能である。

図１９に基づいて第８の実施形態（光走査装置）を説明する。
図１９（ａ）において、光ビームを偏向走査する方向を主走査方向と呼び、その断面図を示す。図１９（ｂ）において、それに直交する方向を副走査方向と呼び、その断面図を示す。
マルチビーム光源ユニット２０は、光源１０（例えば半導体レーザ）、第１光学系１１（例えば単玉レンズ）、光ビーム合成素子１２（光ビーム合成素子３と同様）から構成される。
半導体レーザ１０から出射された光ビームは単玉レンズ１１によって平行な光ビームに整形される。異なる２つの方向から入射する平行な光ビームは光ビーム合成素子１２によってその各々の光ビームの一部がほぼ同一方向に合成される。
そして第２光学系２１に導かれる。第２光学系２１は例えばシリンドリカルレンズ１３からなり、合成された２つの光ビームは各々シリンドリカルレンズ１３によって線状の光ビームとなるように一方向に収束され、光偏向器１４の偏向反射面上に線像として結像する。

その後、第３光学系２２に導かれる。第３光学系２２は例えば２枚の走査結像レンズ１５、１６からなり、光偏向器１４により偏向走査される２つの光ビームは、走査結像レンズ１５、１６により所望の光スポットに結像される。
結像された光スポットは被走査面１７上を所定間隔に走査される。また、２つの光スポットは副走査方向において所定間隔が維持されている。光ビーム合成素子１２から出射された２つの光ビームは、この副走査方向の所定間隔が得られるように、微小角φでほぼ同一方向に合成されている。
光ビーム合成素子によって合成されない不要な光ビームについては、光走査装置内または装置外において、被走査面１７上に光スポットを形成しないように遮光しておけば良い。図１９（ａ）において、符号１８は同期検知センサを示す。

図２０に基づいて第９の実施形態（画像形成装置）を説明する。
画像形成装置において画像を形成する画像形成プロセスの１つとして、電子写真プロセスがある。以下に電子写真プロセスの概略を説明する。
本実施形態における画像形成装置では、像担持体（たとえば感光体）２３に帯電手段２４によって電位を与え（帯電プロセス）、光走査装置（光書込ユニット、露光手段）２５からの光スポットを像担持体２３上に照射することにより潜像を作り（露光プロセス）、その潜像に現像手段２６によりトナーを付着させトナー像を作り（現像プロセス）、記録紙２７に転写手段２８によりそのトナー像を写し（転写プロセス）、定着手段２９により圧力や熱をかけ，記録紙に融着させる（定着プロセス）ようなプロセスである。
像担持体２３上に残ったトナーはクリーナ手段３０によって清掃され、さらに帯電部分は除電ユニット３１によって除電される。
本発明の光走査装置２５は、高速なカラー画像出力に有利なタンデム型の画像形成装置にも適用できる。

図２１、図２２に基づいて第１０の実施形態（光ビーム合成素子）を説明する。
図２１に示すように、光ビーム合成素子３２（光ビーム合成素子３と同様）は、異なる２つの方向（なす角θ）から入射する光ビームを、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向（同一方向、もしくは微小角φ）に出射され、光ビームを合成する機能を持つ。
図２２に示すように、光ビーム合成素子３２の光ビームが透過する光学素子表面には、使用する光源の波長よりも小さい周期構造３３が形成されている。周期構造３３は光学素子の基板３４と同じ材質から構成されている。
光源の波長をλ、周期構造３３の周期（ピッチ）をΛとしたとき、
λ＞Λ
の関係が成り立つように周期構造３３が形成されている。周期構造３３ではその周期Λが光源の波長λより小さいことから±１次以上の回折光が発生せず、０次光のみが発生する。
この構造により、光ビーム合成素子３２は複屈折性を示し、入射する光ビームの偏向方向によって光の振る舞いが異なってくる。
光ビーム合成素子３２の基板３４の屈折率をｎとする。使用する光源の波長より小さい周期構造３３を持つ部分の屈折率は、有効屈折率で表されることが知られており、空気（屈折率１）と基板３４（屈折率ｎ）の周期構造が、周期Λ、基板３４と同じ媒質で形成される構造物の幅をｆΛ（ｆ：フィリングファクター）で形成されているとき、その偏光方向による屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は以下のように書けることが知られている。
ｎ（ＴＥ）＝√｛ｆｎ^２＋（１−ｆ）｝
ｎ（ＴＭ）＝√［ｎ^２／｛ｆ＋（１−ｆ）ｎ^２｝］

これより、フィリングファクターｆ、すなわち周期構造３３の形状を制御することにより、偏光方向に依存した有効屈折率が制御できる。
したがって、ＴＭ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＭ）からなるバイナリー型の周期Ｐ（ここでＰ＞λ）の回折格子であり、ＴＥ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＥ）からなるバイナリー型の周期Ｐの回折格子として扱うことができる。

図２３に、光ビーム合成素子の別の例を示す。
図２３（ａ）に示す光ビーム合成素子３２では、周期構造３５は基板３６と異なる材質から構成されている。図２３（ｂ）に示す光ビーム合成素子３２では、周期構造３７は基板３６を凹形状として形成されている。図２３（ｃ）に示す光ビーム合成素子３２では、凹部に別の媒質３８を埋め込んで周期構造３７が形成されている。

使用する光の波長よりも小さい周期構造を有する光学素子は、一つの例として、電子ビーム描画とドライエッチング等を組み合わせた既知の微細加工プロセスによって製作することができる。また近年では、微細加工プロセスによって作製された金型を用いて安価で大量生産が可能なナノインプリントと呼ばれる複製プロセスが出現している。
これにより、光ビーム合成素子は偏向ビームスプリッタやビーム合成プリズムよりも安価に作成できることが可能である。
従来のハーフミラー、偏光ビームスプリッタ及びビーム合成プリズムを用いたビーム合成素子については、いずれも素子の特性上、これらの素子への２つの光ビームの入射角は９０°及び０°に限定されるのに対し、本発明の光ビーム合成素子は、回折素子の周期（Ｐ）に応じて入射角θを選択することができる。

従来の偏光ビームスプリッタやビーム合成プリズムは偏光分離薄膜を有し、偏光分離薄膜を挟んで反対側から９０°のなす角で入射される２つの光ビームを分離することから光学素子は厚くなってしまう。
つまり光ビームの幅Ｄよりも光学素子の厚さを薄くすることはできない。しかし、本発明の光ビーム合成素子は光ビームを分離する光学面と同じ方向から入射される２つの光ビームを分離するので、光学素子の厚さは光ビームの幅Ｄとは関係なく薄くすることが可能である。
これは低コスト化に貢献できると共に、光学素子の小型化につながる。
従来のハーフミラーは、入射する光ビームの１方と、合成された光ビームが光学素子に対して同じ側に存在する。従って、２つの光源位置が離れてしまいやすく、レイアウトの制約を大きく受けることになる。

しかし、本発明の光ビーム合成素子は入射する２つの光ビームと、合成された光ビームが光学素子に対して反対側に存在しており、２つの光源位置を近づけることが可能である。
光ビーム合成素子に入射する光ビームを整形するための光学系や、光ビーム合成素子から出射する光ビームを整形するための光学系と、本発明の光ビーム合成素子を組み合わせて１つの光学系として使用することができる。特に、本発明の光ビーム合成素子は従来の偏光ビームスプリッタなどにはない特徴を有しており、新規で小型・低コストな光学系を構成できるとともに、レイアウト自由度の高い光学系の実現が可能である。

図２４に基づいて第１１の実施形態（光学系）を説明する。１つの例として、光通信に用いる半導体レーザと光ファイバを用いた光合波光学系を構成することができる。
本実施形態における光合波光学系は、２つの半導体レーザ４０ａ、４０ｂと、半導体レーザから発生する光ビームを平行な光ビームに整形する単玉レンズ４１ａ、４１ｂと、異なる２つの方向から入射する光ビームをその各々の光ビームの一部がほぼ同一方向に出射する光ビーム合成素子４２（光ビーム合成素子３と同様）と、出射された平行な光ビームを集光するための単玉レンズ４３と、光ファイバ４４から構成されている。
２つの半導体レーザ４０ａ、４０ｂで変調された信号を合成することにより、より高速に光信号を伝送することが可能となる。
この光合波光学系を使用することで、小型・低コストな光学機器の実現に貢献できる。

本発明の第１の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 光ビーム合成素子の拡大図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 光ビーム合成素子による光ビームの合成機能を示す図である。 光ビーム合成素子の偏光機能を示す図である。 光ビーム合成素子における偏光方向の定義を示す図である。 光ビーム合成素子の偏光特性を示す図である。 第２の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要側面図である。 ２つの光ビームの偏光方向を９０°異ならせるための配置状態を示す図である。 半導体レーザの発光状態を示す図である。 第３の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要側面図である。 第４の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 第５の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要側面図である。 第６の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要側面図である。 第７の実施形態におけるマルチビーム光源ユニットの概要側面図である。 従来の光ビーム合成素子を示す図で、（ａ）はハーフミラーを用いた図、（ｂ）は偏光ビームスプリッタを用いた図である。 従来のビーム合成プリズムを用いた光ビーム合成素子を示す図である。 従来の偏光ビームスプリッタを用いた光ビーム合成素子の偏光特性を示す図である。 従来のハーフミラーを用いた光ビーム合成素子の偏光特性を示す図である。 第８の実施形態における光走査装置を示す概要図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第９の実施形態における画像形成装置の概要図である。 第１０の実施形態における光ビーム合成素子の合成機能を示す概要側面図である。 光ビーム合成素子の拡大図で（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 光ビーム合成素子における周期構造の変形例を示す図である。 第１１の実施形態における光合波光学系を示す概要側面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 光源としての半導体レーザ
２ 第１光学系
２ｃ λ／２板
３ 光ビーム合成素子
４ 周期構造
７ λ／４板
１４ 光偏光器
１７ 被走査面
２０ マルチビーム光源ユニット
２１ 第２光学系
２２ 第３光学系

Claims (19)

1. 少なくとも２つの光源と、前記各光源から発生する光ビームを整形する少なくとも２つの第１光学系と、使用する光の波長よりも小さい周期構造を有し、異なる２つの方向から入射する光ビームを、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向となるように出射する光ビーム合成素子とを有するマルチビーム光源ユニット。
2. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   ある１つの方向から入射する光ビームと、もう１つの方向から入射する光ビームは、その偏光状態が９０度異なる直線偏光となるように、前記光源及び前記第１光学系を配置したことを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
3. 請求項２に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   前記光源は直線偏光を有し、その偏光方向はすべて同一方向を向いたように配置されており、かつ、前記第１光学系のうちの１つにはλ／２板を含むことを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
4. 請求項２または３に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   前記光ビーム合成素子の光進行方向後方に、λ／４を設けたことを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
5. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   前記光源と、前記第１光学系を各々４つ有していることを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
6. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   前記各光源はそれぞれ少なくとも２つの光ビームを発生する構成を有していることを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
7. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   前記各光源は、面発光型の半導体レーザであることを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
8. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   前記各光源は、青色レーザであることを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
9. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
   異なる２つの光ビームのなす角は鋭角であることを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
10. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
    前記光ビーム合成素子は平板状であることを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
11. 請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、
    異なる２つの方向から入射する光ビームと、ほぼ同一方向に出射する光ビームは、前記光ビーム合成光学素子に対して反対側に存在することを特徴とするマルチビーム光源ユニット。
12. 請求項１乃至１１のうちの何れかに記載のマルチビーム光源ユニットと、前記マルチビーム光源ユニットから導かれる光ビームを光偏向器に導光するための第２光学系と、第２光学系から導かれる光ビームを偏向走査するための光偏向器と、光偏向器により偏向走査された光ビームを被走査面上に光スポットとして結像させるための第３光学系とを有する光走査装置。
13. 請求項１２に記載の光走査装置を有する画像形成装置。
14. 使用する光の波長よりも小さい周期構造を有し、異なる２つの方向から入射する光ビームを、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向となるように出射することを特徴とする光ビーム合成素子。
15. 請求項１４に記載の光ビーム合成素子において、
    異なる２つの光ビームのなす角は鋭角であることを特徴とする光ビーム合成素子。
16. 請求項１４に記載の光ビーム合成素子において、
    平板状であることを特徴とする光ビーム合成素子。
17. 請求項１４に記載の光ビーム合成素子において、
    異なる２つの方向から入射する光ビームと、ほぼ同一方向に出射する光ビームは、光ビーム合成光学素子に対して反対側に存在することを特徴とする光ビーム合成素子。
18. 請求項１４乃至１７のうちの何れかに記載の光ビーム合成素子を用いた光学系。
19. 請求項１８に記載の光学系を用いた光学機器。
    

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