JP2007058100A - Optical element, light source unit, optical scanner, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学異方性を持つ光学素子、該光学素子を有する光源ユニット、該光源ユニットを有する光走査装置、該光走査装置を有する複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の画像形成装置に関する。
本発明は、面発光レーザを使用する光学装置に応用できる。
The present invention relates to an optical element having optical anisotropy, a light source unit having the optical element, an optical scanning device having the light source unit, and an image forming apparatus such as a copying machine, a printer, a facsimile, and a plotter having the optical scanning device. .
The present invention can be applied to an optical device using a surface emitting laser.
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、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は、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。
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。
In recent years, it has been desired to improve the printing speed and the writing density of image forming apparatuses. Therefore, as one of means for achieving high-speed and high-density optical scanning in the optical scanning device constituting the image forming apparatus, there is a method of increasing the deflection speed of the optical deflector, that is, increasing the rotational speed of the polygon mirror.
However, there are problems such as noise and heat associated with high-speed rotation, and there is a limit to improving the rotation speed. On the other hand, as another means for achieving high-speed and high-density optical scanning, there is a method of scanning a plurality of light beams at a time and simultaneously scanning a plurality of lines.
As a multi-beam light source unit capable of scanning a plurality of light beams, one multi-beam light source (laser array light source having a plurality of light emitting points in one package) that generates a plurality of light beams is used. This can be realized by replacing the conventional optical scanning device using one light source.
On the other hand, many methods for achieving a multi-beam light source unit using a plurality of conventional single beam light sources (laser light sources having one light emitting point in one package) have been proposed.
光源としては一般に半導体レーザが用いられており、従来は端面発光レーザがその主流であった。しかし近年ではVCSELと呼ばれる面発光レーザが登場してきた。面発光レーザでは、端面発光レーザに比べてアレイ化が容易であることから、端面発光レーザでは4ビームから8ビーム程度が限界であったアレイ化に対して、面発光レーザでは16ビームから32ビーム、またそれ以上のアレイ化が可能となっている。
そのため、画像形成装置の印字速度の向上や、書込密度向上を達成するための光源として期待されている。
A semiconductor laser is generally used as a light source, and an edge-emitting laser has been the mainstream in the past. In recent years, however, surface emitting lasers called VCSELs have appeared. Since surface emitting lasers are easier to array than edge emitting lasers, the edge emitting lasers have a limit of about 4 to 8 beams, whereas surface emitting lasers have 16 to 32 beams. In addition, further arraying is possible.
Therefore, it is expected as a light source for improving the printing speed and writing density of the image forming apparatus.
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(非特許文献1参照)。
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。
Optical element having a structure (SWS = Subwavelength Structure; subwavelength structure) in which two media having different refractive indexes (for example, one is air and the other isotropic medium) has a periodic structure smaller than the wavelength of light. Then, optical anisotropy called structural birefringence appears (see Non-Patent Document 1).
Conventionally, in order to use birefringence, it is necessary to use a birefringent crystal such as quartz or calcite, and it is difficult to change the birefringence because it is a property specific to a substance.
On the other hand, birefringence can be changed depending on the shape of a general medium without using a special crystal in structural birefringence, and can be controlled relatively easily. Thereby, a polarizing beam splitter or the like that does not use a birefringent crystal can be realized.
上記構造複屈折を持つことから、TE偏光とTM偏光に対して、その構造の厚さを制御することによって位相差を変化させることができ、λ/2板やλ/4板の機能を発生させることができる。
TE偏光及びTM偏光に対する屈折率をn(TE)、n(TM)とし、使用する光の波長をλ、構造の厚さをdとおけば、発生する位相差φは、
φ=2π{n(TE)−n(TM)}d/λ
で表すことができる。
また、適切な厚さdを選ぶことによって、いずれかの偏光のみを透過する偏光子として機能させることもできる。
また、サブ波長領域(Λ<λ)だけでなく周期が波長程度(Λ〜数λ)の、いわゆる共鳴領域の構造を持つ光学素子においても光学異方性が発現し、偏光依存性の回折特性を持つ光学素子が提案されている。
Since it has the above-mentioned structural birefringence, the phase difference can be changed by controlling the thickness of the TE polarized light and TM polarized light, and the function of λ / 2 plate and λ / 4 plate is generated. Can be made.
If the refractive indices for TE polarized light and TM polarized light are n (TE) and n (TM), the wavelength of light to be used is λ, and the thickness of the structure is d, the generated phase difference φ is
φ = 2π {n (TE) −n (TM)} d / λ
It can be expressed as
Further, by selecting an appropriate thickness d, it is possible to function as a polarizer that transmits only one of the polarized light.
Optical anisotropy also appears in optical elements with a so-called resonance region structure with a period of about the wavelength (Λ to several λ) as well as the sub-wavelength region (Λ <λ), and polarization-dependent diffraction characteristics An optical element having the following has been proposed.
しかしながら、面発光レーザを用いた光源ユニットを従来の光走査装置へ適用する場合には、端面発光レーザに対して、以下の問題点を有している。
(1)端面発光レーザでは、出射する光ビームの偏光方向は、端面発光レーザの活性層に平行な方向を持つ直線偏光であるのに対し(図25参照)、面発光レーザではその構造上、基本的にランダム偏光であるため、なんらかの手段による偏光制御が必要となる。
光走査装置において、光ビームは光偏向器による反射や、多数の光学素子による透過や反射を受ける。この際、界面での透過や反射は偏光依存性を持つため、入射面に平行な面内にその偏光方向を持つ場合(P偏光)と、入射面に垂直な方向にその偏光方向を持つ場合(S偏光)では、その透過率、反射率が異なってしまう。そのため、マルチビーム光源ユニットでは各々の光源から出射する光ビームの偏光方向は等しくすることが望ましい。
However, when a light source unit using a surface emitting laser is applied to a conventional optical scanning device, it has the following problems with respect to an edge emitting laser.
(1) In the edge-emitting laser, the polarization direction of the emitted light beam is linearly polarized light having a direction parallel to the active layer of the edge-emitting laser (see FIG. 25). Since it is basically random polarization, polarization control by some means is required.
In an optical scanning device, a light beam is reflected by an optical deflector and transmitted and reflected by a number of optical elements. At this time, since transmission and reflection at the interface have polarization dependence, the polarization direction is in a plane parallel to the incident surface (P-polarized light), and the polarization direction is in the direction perpendicular to the incident surface. (S-polarized light) has different transmittance and reflectance. Therefore, in the multi-beam light source unit, it is desirable that the polarization directions of the light beams emitted from the respective light sources are equal.
また、端面発光レーザを用いた光源ユニットを想定して製作された光走査装置に面発光レーザを用いた光源ユニットを置き換えた場合には、その偏光方向は等しく合わせる必要があり、もし異なる偏光状態にある場合には、1ライン内(1走査内)における光量特性が著しく劣化する。
したがって、このような画像形成装置で出力した画像においては、光偏向器や光学素子の透過率や反射率の偏光依存性に起因する濃度変動が発生してしまい、良好な画像が得られないという問題を生じる。
そのため、面発光レーザを用いた場合の偏光制御手段として、1つには、特許文献5に示すように、デバイス構造自体に偏光方向を制御する構造を設けることもできるが、素子構造が複雑になってしまい製作が困難である。
また、面発光レーザの構造や製造方法に応じて制御構造も異なることが推測され、任意の面発光レーザに適用できるとは限らない。
In addition, when a light source unit using a surface-emitting laser is replaced with an optical scanning device manufactured assuming a light source unit using an edge-emitting laser, the polarization directions must be matched equally. In this case, the light quantity characteristic in one line (in one scan) is remarkably deteriorated.
Therefore, in an image output by such an image forming apparatus, a density variation due to the polarization dependency of the transmittance or reflectance of the optical deflector or optical element occurs, and a good image cannot be obtained. Cause problems.
Therefore, as a polarization control means when using a surface emitting laser, as shown in
Further, it is speculated that the control structure varies depending on the structure of the surface emitting laser and the manufacturing method, and it is not necessarily applicable to any surface emitting laser.
もう1つには、面発光レーザから出射した光ビームに対して、透過や反射の偏光依存性を受けない段階において、その偏光を制御することが考えられる。
面発光レーザの発光部外に偏光制御手段を用いた方法として、特許文献9では、面発光レーザの出射側に偏光ビームスプリッタを配置して、所望の偏光方向の光ビームだけを透過させている。
これら従来技術において、光量制御は行っていない。
Another possibility is to control the polarization of a light beam emitted from a surface emitting laser at a stage where it does not receive polarization dependency of transmission or reflection.
As a method using polarization control means outside the light emitting part of the surface emitting laser, in Patent Document 9, a polarizing beam splitter is arranged on the emission side of the surface emitting laser to transmit only a light beam in a desired polarization direction. .
In these conventional techniques, light quantity control is not performed.
(2)端面発光レーザでは、後方への出射光をモニターしながらAPC(Auto Power Control)制御をかけて駆動しているのが一般的であるのに対し、面発光レーザではその構造上、後方出射光を生じないため、なんらかの手段による光量制御が必要となる。
光量制御がかけられない光源ユニットを用いて画像形成装置で出力した画像においては、光源ユニットの光出力変動に起因する濃度変動が発生してしまい、良好な画像が得られないという問題を生じる。
そのため、面発光レーザを用いた場合の光量制御手段として、面発光レーザから放出される光ビームのうち、ある所定の割合を持つ一部の光ビームを分岐させて光検出器に導き、その光検出器の出力に応じて、レーザ光量制御装置において、面発光レーザの光出力が所定の出力となるようにその駆動電流を制御して、面発光レーザを駆動するという手段が考えられる。
(2) The edge-emitting laser is generally driven by APC (Auto Power Control) control while monitoring the light emitted backward, whereas the surface-emitting laser is rearward because of its structure. Since no outgoing light is generated, it is necessary to control the amount of light by some means.
In an image output by an image forming apparatus using a light source unit to which light amount control cannot be applied, a density variation due to a light output variation of the light source unit occurs, and there is a problem that a good image cannot be obtained.
Therefore, as a light amount control means when using a surface emitting laser, a part of the light beam emitted from the surface emitting laser having a certain predetermined ratio is branched and guided to a photodetector, and the light Depending on the output of the detector, a means for driving the surface emitting laser by controlling the drive current so that the light output of the surface emitting laser becomes a predetermined output in the laser light quantity control device can be considered.
一部の光ビームを分岐させて光検出器に導くための方法として、特許文献6では、ビームスプリッタを用いて一部の光ビームを分岐させている。また、特許文献1ではビーム分離光学素子としてハーフミラーを用いて一部の光ビームを分岐させている。
これらの従来技術においては面発光レーザの偏光制御は行っていない。
また、偏光制御手段(偏光子)とハーフミラーにより光路分離して光量制御を別々に分離して行っている例として特許文献7がある。
As a method for branching a part of the light beam and guiding it to the photodetector, in Patent Document 6, a part of the light beam is branched using a beam splitter. Further, in
In these conventional techniques, the polarization control of the surface emitting laser is not performed.
Further,
一方、凹凸の微細構造の作製については、平板状のSiO2や樹脂に対して形成するのが一般的であった。最近では、曲面状の光学面に微細構造を設けることが特許文献2や特許文献3に示されているが、いずれも反射防止を行うための構造である。
On the other hand, for the production of the uneven microstructure, it was common to form it on a flat SiO 2 or resin. Recently,
本発明は、複数の機能を一体に有し、部品点数の低減、小型化、低コスト化を実現できる光学素子、光源ユニット、光走査装置及び画像形成装置の提供を、その主な目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide an optical element, a light source unit, an optical scanning device, and an image forming apparatus that have a plurality of functions in an integrated manner and can realize reduction in the number of parts, downsizing, and cost reduction. .
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明では、少なくとも1つの曲面状の光学面を持つ光学素子において、前記曲面状の光学面の表面に、構造複屈折機能を有する凹凸の微細構造を設けたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the optical element having at least one curved optical surface, an uneven microstructure having a structural birefringence function is provided on the surface of the curved optical surface. Is provided.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の光学素子において、前記微細構造は、ある1方向の直線偏光に対して透過させることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, the fine structure transmits a linearly polarized light in one direction.
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の光学素子において、前記微細構造は、0次格子であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical element according to the second aspect, the fine structure is a zero-order lattice.
請求項4に記載の発明では、請求項2に記載の光学素子において、前記微細構造は、90度異なる方向の直線偏光に対して回折光を発生することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical element according to the second aspect, the fine structure generates diffracted light with respect to linearly polarized light in directions different by 90 degrees.
請求項5に記載の発明では、請求項1に記載の光学素子において、前記微細構造は、N段のステップ状であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, the fine structure has an N-step shape.
請求項6に記載の発明では、請求項1に記載の光学素子において、前記曲面状の光学面の表面の位置によって、前記微細構造の周期、高さ、フィルファクタの少なくとも1つを変化させたことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, at least one of the period, height, and fill factor of the fine structure is changed depending on the position of the surface of the curved optical surface. It is characterized by that.
請求項7に記載の発明では、請求項1に記載の光学素子において、前記微細構造が周期Λを持つとき、周期Λは光学素子に入射する光の波長λと同程度(Λ〜数λ)であることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, when the fine structure has a period Λ, the period Λ is approximately the same as the wavelength λ of light incident on the optical element (Λ to several λ). It is characterized by being.
請求項8に記載の発明では、請求項1に記載の光学素子において、前記微細構造が周期Λを持つとき、周期Λは光学素子に入射する光の波長λよりも小さいことを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, when the fine structure has a period Λ, the period Λ is smaller than the wavelength λ of light incident on the optical element.
請求項9に記載の発明では、光源としての面発光レーザと、該面発光レーザから出射する光ビームをカップリングするためのカップリングレンズとを備えた光源ユニットにおいて、前記カップリングレンズは請求項2又は3に記載の光学素子であって、該光学素子によってある1方向の直線偏光成分が透過することを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the light source unit comprising a surface emitting laser as a light source and a coupling lens for coupling a light beam emitted from the surface emitting laser, the coupling lens is claimed in the invention. 4. The optical element according to 2 or 3, wherein a linearly polarized light component in one direction is transmitted by the optical element.
請求項10に記載の発明では、光源としての面発光レーザと、該面発光レーザから出射する光ビームをカップリングするためのカップリングレンズと、光ビームの一部を検出する光検出器とを備えた光源ユニットにおいて、前記カップリングレンズは請求項4に記載の光学素子であって、該光学素子によって発生する回折光を前記光検出器で検出することを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting laser as a light source, a coupling lens for coupling a light beam emitted from the surface emitting laser, and a photodetector for detecting a part of the light beam. In the light source unit provided, the coupling lens is an optical element according to claim 4, wherein diffracted light generated by the optical element is detected by the photodetector.
請求項11に記載の発明では、請求項9又は10に記載の光源ユニットにおいて、光源として面発光レーザアレイを用いたことを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the light source unit according to the ninth or tenth aspect, a surface emitting laser array is used as the light source.
請求項12に記載の発明では、光走査装置において、請求項9乃至11のうちの何れかに記載の光源ユニットと、前記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1光学系と、第1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、前記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2光学系とを有することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the optical scanning device, the light source unit according to any one of the ninth to eleventh aspects and a first light guide for guiding the light beam guided from the light source unit to the optical deflector. 1 optical system, an optical deflector for deflecting and scanning the light beam guided from the first optical system, and an image of the light beam deflected and scanned by the optical deflector as a light spot on the surface to be scanned And a second optical system.
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光書込ユニットとして用いたことを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the image forming apparatus, the optical scanning device according to the twelfth aspect is used as an optical writing unit.
請求項14に記載の発明では、請求項1乃至8のうちの何れかに記載の光学素子において、レーザ光の多光子吸収過程を用いて凹凸の微細構造を形成する光硬化法により作製したことを特徴とする。
In the invention described in
請求項15に記載の発明では、請求項1乃至8のうちの何れかに記載の光学素子において、レーザ光を用いて凹凸の微細構造を形成するレーザアブレーション法により作製したことを特徴とする。 According to a fifteenth aspect of the present invention, the optical element according to any one of the first to eighth aspects is manufactured by a laser ablation method in which an uneven fine structure is formed using laser light.
請求項16に記載の発明では、請求項14又は15に記載の光学素子において、レーザ光として、パルス幅が10ピコ秒以下である極短パルスレーザを用いることを特徴とする。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the optical element according to the fourteenth or fifteenth aspect, an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 picoseconds or less is used as the laser light.
請求項1に記載の発明によれば、曲面の表面に構造複屈折を有する微細構造を設けることにより、複屈折材料を用いずに光学面に複屈折機能を重畳できるので、従来分離されていたレンズ効果と複屈折効果を1つに集約できる。しがたって、部品点数の低減、光学系の小型、ひいては低コスト化が実現できる。
請求項2に記載の発明によれば、ある1方向の直線偏光に対して透過することができるので、集束、発散機能に加え、偏光子の機能を集約することができる。従来の偏光素子とレンズの組み合わせたものに比較し、一体化させることにより、偏光分離機能をレンズ材質で構成できるため、偏光素子とレンズとの取付誤差に伴う性能劣化、及び、偏光素子(特に偏光フィルム)の環境変化(特に温度変化)に対する性能劣化を低減することができる。
請求項3に記載の発明によれば、0格子であるので、フレア光やゴースト光となり得る回折光を発生させなくすることができる。
請求項4に記載の発明によれば、90度異なる方向の直線偏光に対して回折光を発生することができるので、集束、発散機能に加え、回折効果を利用した光路分離の機能を集約することができる。
According to the first aspect of the present invention, since a birefringence function can be superimposed on an optical surface without using a birefringent material by providing a fine structure having structural birefringence on a curved surface, it has been conventionally separated. The lens effect and the birefringence effect can be combined into one. Therefore, the number of parts can be reduced, the optical system can be downsized, and the cost can be reduced.
According to the second aspect of the present invention, since light can be transmitted with respect to linearly polarized light in one direction, the functions of the polarizer can be integrated in addition to the focusing and divergence functions. Compared to the conventional combination of a polarizing element and a lens, by integrating it, the polarization separation function can be configured with a lens material. Therefore, the performance deterioration due to the mounting error between the polarizing element and the lens, and the polarizing element (especially The performance deterioration with respect to the environmental change (especially temperature change) of a polarizing film) can be reduced.
According to the third aspect of the present invention, since the grating is 0, it is possible to prevent generation of diffracted light that can be flare light or ghost light.
According to the fourth aspect of the invention, since diffracted light can be generated with respect to linearly polarized light in directions different by 90 degrees, in addition to the focusing and diverging functions, the optical path separation function utilizing the diffraction effect is integrated. be able to.
請求項5に記載の発明によれば、N段のステップ状の微細構造とすることで、回折効率を向上させたり、+1次と−1次の回折効率の配分を非対称にしたりすることが可能であり、設計の自由度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、曲面の位置によって凹凸の微細構造のパラメータを変化させることができ、曲面の傾斜と、光の入射角に応じて良好な複屈折特性と回折特性を得るための設計の自由度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、共鳴領域の回折素子とすることで、偏光依存性の回折素子が実現でき、光路分離が可能となる。
請求項8に記載の発明によれば、サブ波長領域の回折素子とすることで、偏光依存性の回折素子が実現できるとともに、周期を小さくすることで回折角を大きく取ることができ、光路分離しやすくなるとともに、光源ユニットのレイアウトの自由度を向上させることができる。
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to improve the diffraction efficiency and to make the distribution of the + 1st order and −1st order diffraction efficiency asymmetric by using an N-stage step-like microstructure. Thus, the degree of freedom in design can be improved.
According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to change the parameters of the fine structure of the unevenness according to the position of the curved surface, and obtain good birefringence characteristics and diffraction characteristics according to the inclination of the curved surface and the incident angle of light. Therefore, the degree of design freedom can be improved.
According to the seventh aspect of the present invention, by using a diffractive element in the resonance region, a polarization-dependent diffractive element can be realized, and optical path separation becomes possible.
According to the eighth aspect of the present invention, a polarization-dependent diffraction element can be realized by using a diffraction element in the sub-wavelength region, and a diffraction angle can be increased by reducing the period, thereby separating the optical path. In addition, it is possible to improve the degree of freedom of the layout of the light source unit.
請求項9に記載の発明によれば、偏光制御するための素子を追加することなく、面発光レーザの偏光制御が可能となる。従来の偏光素子とレンズの組み合わせたものに比較し、一体化させることにより、偏光分離機能をレンズ材質で構成できるため、偏光素子とレンズとの取付誤差に伴う性能劣化、及び、偏光素子(特に偏光フィルム)の環境変化(特に温度変化)に対する性能劣化を低減することができる。
請求項10に記載の発明によれば、偏光制御するための素子、及び光路分離するための素子を追加することなく、面発光レーザの偏光制御、及び光源ユニットの光量制御が可能となる。よって、光源ユニットの光出力変動を抑えることができる。
請求項11に記載の発明によれば、面発光レーザアレイを用いることによって、印字速度の向上や書込密度向上を達成するための光源ユニットを実現できる。
請求項12に記載の発明によれば、光偏向器や光学素子の透過率や反射率の偏光依存性が起きない光走査装置を実現できる。また、印字速度の向上や書込密度向上を達成するための光走査装置を実現できる。
According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to control the polarization of the surface emitting laser without adding an element for controlling the polarization. Compared to the conventional combination of a polarizing element and a lens, by integrating it, the polarization separation function can be configured with a lens material. Therefore, the performance deterioration due to the mounting error between the polarizing element and the lens, and the polarizing element (especially The performance deterioration with respect to the environmental change (especially temperature change) of a polarizing film) can be reduced.
According to the tenth aspect of the present invention, the polarization control of the surface emitting laser and the light amount control of the light source unit can be performed without adding an element for polarization control and an element for optical path separation. Therefore, the light output fluctuation of the light source unit can be suppressed.
According to the eleventh aspect of the present invention, by using the surface emitting laser array, it is possible to realize a light source unit for improving the printing speed and the writing density.
According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to realize an optical scanning device in which the polarization dependency of the transmittance and reflectance of the optical deflector and the optical element does not occur. Further, it is possible to realize an optical scanning device for achieving an improvement in printing speed and an improvement in writing density.
請求項13に記載の発明によれば、面発光レーザの光量制御を行うことにより、画像上においてそれに起因する濃度変動が発生しない。また、面発光レーザの偏光制御を行うことにより、光偏向器や光学素子の透過率や反射率の偏光依存性が起きないようにして、画像上においてそれに起因する濃度変動が発生しない。これら濃度変動を抑えることによって、面発光レーザを用いた場合においても、良好な画像を得ることができる画像形成装置を実現できる。
さらに、面発光レーザの適用により、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。一方で、面発光レーザ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。
According to the thirteenth aspect of the invention, by controlling the light amount of the surface emitting laser, the density fluctuation caused by it does not occur on the image. Further, by controlling the polarization of the surface emitting laser, the polarization dependency of the transmittance and the reflectance of the optical deflector and the optical element does not occur, and the density fluctuation caused by it does not occur on the image. By suppressing these density fluctuations, it is possible to realize an image forming apparatus capable of obtaining a good image even when a surface emitting laser is used.
Further, by applying the surface emitting laser, it is possible to improve the printing speed and the writing density of the image forming apparatus. On the other hand, in configuring an optical scanning device having the same printing speed and the same scanning density as when a surface emitting laser is used, the rotational speed of the optical deflector can be reduced. It can contribute to the reduction of noise and heat generation associated with exercise.
請求項14に記載の発明によれば、レーザ光の多光子吸収過程を用いて凹凸の微細構造を形成する光硬化法により作製したことにより、光学素子への直接加工が可能となる。また、ガルバノミラーやピエゾステージの利用により、高速でかつ高精度な微細構造の作製が可能となる。
請求項15に記載の発明によれば、レーザ光を用いて凹凸の微細構造を形成するレーザアブレーション法により作製したことにより、光学素子への直接加工が可能となる。また、XYZステージの利用により微細構造の作製が可能となる。さらにはガルバノミラーの利用により高速化にも対応できる。
請求項16に記載の発明によれば、作製に使用したレーザ光のパルス幅が10ピコ秒以下である極短パルスレーザであることにより、熱溶融の影響が少ないため、高精度な微細構造の作製が可能となる。また、より低エネルギーでの加工が実現できる。
According to the fourteenth aspect of the present invention, the optical element can be directly processed by being produced by a photocuring method that forms an uneven microstructure using a multiphoton absorption process of laser light. In addition, the use of a galvanometer mirror or a piezo stage makes it possible to produce a fine structure with high speed and high accuracy.
According to the fifteenth aspect of the present invention, since the laser ablation method is used to form an uneven fine structure using a laser beam, the optical element can be directly processed. In addition, the use of an XYZ stage makes it possible to produce a fine structure. Furthermore, the use of a galvanometer mirror can cope with high speed.
According to the sixteenth aspect of the present invention, since the pulse width of the laser beam used for the production is an extremely short pulse laser having a pulse width of 10 picoseconds or less, the influence of thermal melting is small, so that a highly accurate fine structure is obtained. Fabrication is possible. Further, processing with lower energy can be realized.
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。
図1に示すように、本実施形態における光源ユニット1は、光源としての面発光レーザ10と、カップリングレンズ12とを備えている。面発光レーザ10から出射する光ビームは、カップリングレンズ12によってカップリングされ、平行又は集束性又は発散性の光ビームに変換され、光源ユニット1から放出される。
ここでは、面発光レーザを防塵するためのカバーガラスや、光源ユニット1の筐体等は図示していない。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the
Here, the cover glass for dust-proofing the surface emitting laser, the housing of the
図2に面発光レーザ10の構成の一例を示す。活性層10cが2つのクラッド層10a、10bに挟まれており、さらにそのクラッド層の上下の面に高い反射率を有する反射面10d、10eを正対して形成するような構造を有している。この2つの反射面に挟まれた領域が基板に対して垂直な、いわゆるファブリーペロー共振器となり、活性層10cの発振領域10fでレーザ発振が起こり、基板に対して垂直な方向、すなわち図に示す矢印A方向に光ビームを発振している。面発光レーザ10ではこの構造上、基本的にランダム偏光を有している。
FIG. 2 shows an example of the configuration of the
図1に示されるように、面発光レーザ10から出射する光ビームはランダム偏光(TE偏光とTM偏光がランダムに含まれる)を示しているが、カップリングレンズ12を透過した光ビームは所定の方向を持つ直線偏光(TM偏光)となっている。
ここで、TE偏光は紙面に垂直な方向、TM偏光はTE偏光に垂直な紙面内の方向を指す。
すなわち、カップリングレンズ12は偏光子としての機能も有しており、ある1方向の直線偏光のみを透過させているのである。
これは、カップリングレンズ12の一方の曲面上、すなわち、面発光レーザ10側の曲面状の光学面の表面12aに、周期性を持った凹凸の微細構造2を設けることにより、構造複屈折性を発生させているために実現されている。
なお、図1において微細構造2は拡大されて図示している。実際のサイズは、一般的にミリオーダーのカップリングレンズ12に、波長λ(400〜800nmオーダー)程度の微細構造2である。
As shown in FIG. 1, the light beam emitted from the
Here, TE polarized light indicates a direction perpendicular to the paper surface, and TM polarized light indicates a direction in the paper surface perpendicular to the TE polarized light.
That is, the
This is because structural birefringence is provided by providing an
In FIG. 1, the
上記の偏光分離性(TM偏光は透過し、TE偏光は反射する)について、図3を用いて説明する。図3はTyanら(J.Opt.Soc.Am.A,Vol.14(1997),p.1627−1636)によって示された、平行光入射時における平面基板上に形成された偏光分離素子の例である。
SiO2基板に、Si層とSiO2層を交互に7層形成している。このとき、周期は600nm、微細構造の幅300nm(フィルファクタ0.5)、高さ1.35μmである。なお、フィルファクタは周期に対する微細構造の幅の割合を表す。
このとき、TE偏光及びTM偏光を入射したとき、波長λ=1.523μmに対して、ほぼ100%に近い効率で、TM偏光は透過し、TE偏光は反射する。すなわち、ある1方向の直線偏光のみを透過させることができるのである。
異なる波長、例えばλ=0.78μmの波長を持つ光に対しては、周期、構造の幅(フィルファクタ)、高さ、材質を変更して同様に偏光分離構造を設計することができる。
The polarization separation property (TM polarized light is transmitted and TE polarized light is reflected) will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a polarization separation element formed on a flat substrate at the time of parallel light incidence shown by Tyan et al. (J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 14 (1997), p. 1627-1636). It is an example.
Seven layers of Si layers and SiO 2 layers are alternately formed on the SiO 2 substrate. At this time, the period is 600 nm, the width of the fine structure is 300 nm (fill factor 0.5), and the height is 1.35 μm. The fill factor represents the ratio of the width of the fine structure to the period.
At this time, when TE polarized light and TM polarized light are incident, TM polarized light is transmitted and TE polarized light is reflected with an efficiency close to 100% with respect to the wavelength λ = 1.523 μm. That is, only one direction of linearly polarized light can be transmitted.
For light having a different wavelength, for example, λ = 0.78 μm, the polarization separation structure can be similarly designed by changing the period, structure width (fill factor), height, and material.
本実施形態の特徴は、このような偏光分離構造を平板上ではなく、曲面上に形成することにある。このように、複屈折機能を曲面上に重畳できることは、従来分離されていたレンズ効果(集束、発散)と、複屈折効果を1つに集約できることから、部品点数の低減、光学系の小型化、ひいては低コスト化が実現できる。
曲面上に複屈折性を持つ光学多層膜を形成する方法もあるが、樹脂材料への成膜のしにくさ、多層膜の耐久性などの課題もあり、曲面の表面に直接構造を作ることのメリットは大きい。
The feature of this embodiment is that such a polarization separation structure is formed on a curved surface, not on a flat plate. Thus, the ability to superimpose the birefringence function on the curved surface means that the lens effect (focusing and divergence) and the birefringence effect that have been conventionally separated can be integrated into one, reducing the number of parts and downsizing the optical system. As a result, cost reduction can be realized.
There is also a method of forming an optical multilayer film with birefringence on a curved surface, but there are also problems such as difficulty in film formation on resin materials and durability of the multilayer film, so make a structure directly on the curved surface The benefits are great.
図4に示すように、曲面の表面12aに構造複屈折機能を有する凹凸の微細構造2を設けている。ここでは図3の微細構造の形状を参考に曲面上に付加している。
曲面形状も微細構造も光に対する位相分布を表しているので、曲面の上に微細構造を付加することで、位相分布も足し合わせることが可能である。
本実施形態では発散光入射であるので、曲面12aの曲率半径によっては入射角による効果(平行光入射でない)も考慮する必要がある。もちろん、曲率がゆるければ無視することも可能である。
図5に、曲面の表面に構造複屈折機能を有する凹凸の微細構造を加工する例を示す。まず、図5(a)に示すように、曲面を有するレンズ3上に多層膜4を配置し、その上にレジスト材料5を塗布、ディッピング等の手法により配置する(図5(b))。その後レーザあるいは電子ビームを照射してレジスト材料5を感光させる(図5(c))。このときレーザあるいは電子ビームの集光位置を制御して走査することで、球面上にパターンを形成することが可能である。
As shown in FIG. 4, an
Since both the curved surface shape and the fine structure represent the phase distribution with respect to light, the phase distribution can be added by adding the fine structure on the curved surface.
Since divergent light is incident in this embodiment, it is necessary to consider the effect of the incident angle (not parallel light incident) depending on the radius of curvature of the
FIG. 5 shows an example in which an uneven microstructure having a structural birefringence function is processed on a curved surface. First, as shown in FIG. 5A, the multilayer film 4 is disposed on the
その後レジスト材料5を現像することにより、多層膜4上に凹凸の微細構造が形成できる(図5(d))。さらにこのレジスト材料5を用いてドライエッチング等の手法により多層膜4の一部を除去する。必要があれば残ったレジスト5を除去することで、図5(e))に示すように、球面上に多層膜の微細構造6を作製することが可能である。
厳密に言えば、本加工法で作製した微細構造6は図4に示したのものとは僅かに異なっており、多層膜4の層が球面に沿った構造となっている。もちろん、この手法によっても微細構造2を形成することができる。
Then, by developing the resist
Strictly speaking, the microstructure 6 produced by this processing method is slightly different from that shown in FIG. 4, and the layer of the multilayer film 4 has a structure along the spherical surface. Of course, the
形成する微細構造2は0次格子であるとすることができる。なぜなら、0次格子は回折光を発生しない。すなわち、ゴースト光やフレア光となりえる回折光が存在しないため、光ビームの光量ロスがなくなるとともに、不要光の除去を考慮する必要がなくなるのである。
ここで、0次格子について簡単に説明する。微細構造2への垂直入射を考えたとき、周期Λが,微細構造の屈折率nと波長λに対して以下の関係を満たしている場合に、0次格子をなしている。
Λ<λ/n
図3の微細構造はn≒2.1、Λ=0.6μmであり、λ=1.523μmに対して、上記式を満たしており、0次格子の条件を満たしている。
The
Here, the zero-order lattice will be briefly described. When normal incidence to the
Λ <λ / n
The fine structure in FIG. 3 is n≈2.1 and Λ = 0.6 μm. For λ = 1.523 μm, the above formula is satisfied, and the condition of the zero-order lattice is satisfied.
図6に、本実施形態における光源ユニット1と、それに続く光学系を示す。面発光レーザ10から出射された光ビームは、構造複屈折機能を有するカップリングレンズ12によって略平行光束に変換され、アパーチャ13によって光束幅が制限され、ハーフミラー14で一部の光ビームはそのまま透過して、シリンドリカルレンズ15に入射されている。
このとき、面発光レーザ10のランダム偏光状態の光ビームは、カップリングレンズ12によってある1方向の直線偏光のみが透過されて、それ以降の光学系を伝搬していく。
一方、ハーフミラー14で反射された光ビームは光検出器16へ入射される。
FIG. 6 shows the
At this time, the light beam in the randomly polarized state of the
On the other hand, the light beam reflected by the
これに対して、従来の光源ユニットを用いた光学系の例を図7に示す。ここでは、構造複屈折機能を有しないカップリングレンズ18が用いられており、アパーチャ13とハーフミラー14の間に、偏光子17が配置されている。従来例ではこの偏光子17によって、面発光レーザ10から出射される光ビームの偏光制御を行っている。
したがって、本実施形態ではこの偏光子17を不要にして、部品点数を削減し、その機能をカップリングレンズ12に重畳して一体化しているのである。
In contrast, an example of an optical system using a conventional light source unit is shown in FIG. Here, a
Therefore, in this embodiment, the
図8乃至図12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、特に必要がな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)。
図8に示すように、本実施形態における光源ユニット20は、面発光レーザ10と、カップリングレンズ12と、光検出器16と、レーザ光制御装置22を備えている。符号23はホルダを、24はL字型のベースを示す。
カップリングレンズ12は、上述のように偏光子の機能を有しているが、その他に、回折素子としての機能も有しており、透過する直線偏光とは90度異なる方向の直線偏光に対して回折光を発生させている。
これは、カップリングレンズ12の一方の曲面上に、周期性を持った凹凸の微細構造2を設けることにより、回折光を発生するような偏光依存性の回折素子(偏光分離回折素子)が実現されている。
A second embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the same parts as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and unless otherwise specified, description of the configuration and functions already described is omitted, and only the main part will be described (the same applies to other embodiments below).
As shown in FIG. 8, the
The
This is achieved by providing a concavo-convex
カップリングレンズ12から角度θで回折された光ビームの一部は光検出器21に入射される。光検出器16からの光強度信号はレーザ光量制御装置22に送られ、ここでは面発光レーザ10の光出力が所定の出力となるようにその駆動電流を制御している。
レーザ光量制御装置22からの電流信号は面発光レーザ10へフィードバックされており、面発光レーザ10は所定の光出力にて駆動される。
ここで、回折角θは微細構造2の周期Λに依存する。すなわち、周期Λが小さくなると、つまり共鳴領域からサブ波長領域(Λ<λ)の回折素子とすることで、回折角(分離角)θを大きくすることができ、光源ユニット20のレイアウト自由度が大きくなる。また、高次回折光を抑えることができ、フレア光やゴースト光となり得る不要な光が低減できるというメリットがある。
A part of the light beam diffracted at an angle θ from the
The current signal from the laser light
Here, the diffraction angle θ depends on the period Λ of the
周期Λが面発光レーザの出射する波長λ程度(Λ〜数λ)、もしくは周期Λが波長λより小さい(Λ<λ)ような、いわゆる共鳴領域、もしくはサブ波長領域と呼ばれる領域において、回折素子は偏光依存性を有する。このような回折面では、その回折面に入射する光ビームの偏光方向(例えば、TE偏光やTM偏光)によってその振る舞いが異なる。
上記の偏光依存性の回折素子(TM偏光は回折し、TE偏光は透過する)について、図9を用いて説明する。図9は、Schmitzら(Optics Letter,Vol.20(1995),p.1830−1831)によって示された、平行光入射時の平面基板上に形成された偏光依存性の回折素子の例である。
誘電率3.95(屈折率1.99)を持つ基板に、周期は2λ、微細構造の幅0.26λ(フィルファクタ0.13)、高さ1.3λのバイナリ構造を持つ。
TE偏光及びTM偏光を入射したとき、TM偏光は±1次の方向に回折し、TE偏光は透過する。すなわち、ある1方向の直線偏光は透過させ、それに90度異なる方向の直線偏光は回折させているのである。この時、Λ=2λであるので、共鳴領域の偏光依存性の回折素子である。
In a region called a so-called resonance region or sub-wavelength region in which the period Λ is about the wavelength λ emitted from the surface emitting laser (Λ to several λ) or the period Λ is smaller than the wavelength λ (Λ <λ) Has polarization dependence. In such a diffractive surface, the behavior varies depending on the polarization direction of the light beam incident on the diffractive surface (for example, TE polarized light or TM polarized light).
The polarization-dependent diffraction element (TM polarized light is diffracted and TE polarized light is transmitted) will be described with reference to FIG. FIG. 9 is an example of a polarization-dependent diffractive element formed on a flat substrate at the time of parallel light incidence shown by Schmitz et al. (Optics Letter, Vol. 20 (1995), p. 1830-1831). .
A substrate having a dielectric constant of 3.95 (refractive index of 1.99) has a binary structure with a period of 2λ, a fine structure width of 0.26λ (fill factor of 0.13), and a height of 1.3λ.
When TE-polarized light and TM-polarized light are incident, TM-polarized light is diffracted in the ± first-order direction, and TE-polarized light is transmitted. That is, linearly polarized light in one direction is transmitted, and linearly polarized light in a direction different by 90 degrees is diffracted. At this time, since Λ = 2λ, this is a polarization-dependent diffraction element in the resonance region.
本実施形態の特徴は、このような偏光分離構造を平板上ではな、曲面上に形成することにある。このように、複屈折機能と回折機能を曲面上に重畳する構成では、従来分離されていたレンズ効果(集束、発散)と、複屈折効果と、回折による光路分離効果とを1つに集約できることから、部品点数の低減、光学系の小型化、ひいては低コスト化が実現できる。
曲面上に複屈折性を持つ光学多層膜を形成する方法もあるが、樹脂材料への成膜のしにくさ、多層膜の耐久性などの課題もあり、曲面の表面に直接構造を作ることのメリットは大きい。また光路分離のための光学素子を削減できるメリットは非常に大きい。
The feature of this embodiment is that such a polarization separation structure is formed on a curved surface, not on a flat plate. As described above, in the configuration in which the birefringence function and the diffraction function are superimposed on the curved surface, the conventionally separated lens effect (focusing and divergence), the birefringence effect, and the optical path separation effect by diffraction can be integrated into one. Therefore, the number of parts can be reduced, the optical system can be downsized, and the cost can be reduced.
There is also a method of forming an optical multilayer film with birefringence on a curved surface, but there are also problems such as difficulty in film formation on resin materials and durability of the multilayer film, so make a structure directly on the curved surface The benefits are great. Moreover, the merit which can reduce the optical element for optical path separation is very big.
図10に示すように、曲面の表面12aに構造複屈折機能を有する凹凸の微細構造2を設けている。ここでは図9の微細構造の形状を参考に曲面上に付加している。曲面形状も微細構造も光に対する位相分布を表しているので、曲面の上に微細構造を付加することで、位相分布も足し合わせることが可能である。
本実施形態では発散光入射であるので、曲面の曲率半径によっては入射角による効果(平行光入射でない)も考慮する必要がある。もちろん、曲率がゆるければ、無視することも可能である。
As shown in FIG. 10, an
Since divergent light is incident in this embodiment, it is necessary to consider the effect of the incident angle (not parallel light incidence) depending on the radius of curvature of the curved surface. Of course, if the curvature is loose, it can be ignored.
図11に、曲面の表面に構造複屈折機能を有する凹凸の微細構造を加工する例を示す。まず、図11(a)に示すように、曲面7上にレジスト材料8をスピンコート、ディッピング等の手法により配置する。そのレジスト材料8に対して紫外レーザを分割し、照射する二光束干渉法により波長より小さい、または波長程度の格子パターンを形成する。
このとき二光束干渉により微細構造のピッチは、照射するレーザ波長の1/2まで微細化することが可能である。このとき球面(曲面7)においても十分な干渉が可能となるように照射領域を規定する。必要があれば、照射位置を変えて干渉露光を繰り返し行う(図11(b))。
その後レジスト材料8を現像することで曲面7上に凹凸の微細構造を形成する(図11(c))。さらにこのレジストを用いて基板のドライエッチングを行うことで基板材料に凹凸の微細構造9を作製することが可能である(図11(d))。この手法により微細構造2を形成することができる。本手法は基板材料としてガラス、石英、ポリマー、シリコン等多くの材料において適用可能である。
FIG. 11 shows an example in which an uneven microstructure having a structural birefringence function is processed on a curved surface. First, as shown in FIG. 11A, a resist material 8 is disposed on the
At this time, the pitch of the fine structure can be reduced to 1/2 of the laser wavelength to be irradiated by the two-beam interference. At this time, the irradiation area is defined so that sufficient interference is possible even on the spherical surface (curved surface 7). If necessary, interference exposure is repeated by changing the irradiation position (FIG. 11B).
Thereafter, the resist material 8 is developed to form an uneven fine structure on the curved surface 7 (FIG. 11C). Further, by performing dry etching of the substrate using this resist, it is possible to produce an uneven microstructure 9 in the substrate material (FIG. 11D). The
図12は、本実施形態の光源ユニット20と、それに続く光学系を示している。
面発光レーザ10から出射された光ビームは、構造複屈折と回折効果を有するカップリングレンズ12によって、ある1方向の直線偏光のみが透過されて、略平行光束に変換され、アパーチャ13によって光束幅が制限され、シリンドリカルレンズ15に入射されている。
一方、カップリングレンズ12によって回折された光ビームの一部は光検出器16へ入射され、その光ビームの特性が検出される。
FIG. 12 shows the
The light beam emitted from the
On the other hand, a part of the light beam diffracted by the
図13に基づいて第3の実施形態(偏光依存性の回折素子の構造の変形例)を説明する。
本実施形態では、回折を発生させることによって光路分岐を行うための周期Λを持つ回折格子と、構造複屈折を発生させるための周期Λ’を持つ回折格子が一体化され、2つの微細な周期構造が複合化された偏光依存性の回折素子が形成されている。周期で比較すると、Λ>Λ’となっている。
構造複屈折性を示す場合には、周期Λ’の周期構造部は、次式で示されるような有効屈折率の考え方を用いて、一様な等方性媒質として近似することができる。
TE偏光及びTM偏光に対する屈折率をn(TE)、n(TM)とし、基板25の屈折率をn、光の波長をλ、周期をΛ’、フィルファクタをf’とすると、
n(TE)=√{fn2+(1−f)}
n(TM)=√[n2/{f+(1−f)n2}]
A third embodiment (a modification of the structure of the polarization-dependent diffraction element) will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a diffraction grating having a period Λ for branching an optical path by generating diffraction and a diffraction grating having a period Λ ′ for generating structural birefringence are integrated into two fine periods. A polarization-dependent diffraction element having a composite structure is formed. When compared by period, Λ> Λ ′.
In the case of showing structural birefringence, the periodic structure portion having the period Λ ′ can be approximated as a uniform isotropic medium by using the concept of effective refractive index as shown by the following equation.
When the refractive indexes for TE polarized light and TM polarized light are n (TE) and n (TM), the refractive index of the
n (TE) = √ {fn 2 + (1−f)}
n (TM) = √ [n 2 / {f + (1−f) n 2 }]
よって、周期Λ’の周期構造部はTE偏光、TM偏光に対して異なった有効屈折率を持つように扱える。すなわち、図13(c)に示すように、TE偏光に対しては周期Λの屈折率n(TE)からなる回折格子のように見え、図13(b)に示すように、TM偏光に対しては周期Λの屈折率n(TM)からなる回折格子のように見える。
したがって、TE偏光、TM偏光に対して異なった振る舞いを示すことが可能であり、一方の直線偏光は透過するが、それに直交する直線偏光は反射するような偏光分離ミラーを構成することができる。これによって、偏光制御が可能である。
さらに、回折光を発生させて光路分岐を行うために、周期Λを選択することにより、例えば±1次の回折を生じるようにすることができるので、光検出器16へ光ビームの一部を分岐させることができ、光路分岐手段として振舞うことができる。
ここでは構造複屈折性を有する凹凸の微細構造についての細かい形状に言及するものではなく、その微細構造を曲面に適用するものである。微細構造の細かい形状については上述した例や、既出の技術を参考にすることができる。
Therefore, the periodic structure portion having the period Λ ′ can be handled so as to have different effective refractive indexes for the TE polarized light and the TM polarized light. That is, as shown in FIG. 13C, it looks like a diffraction grating having a refractive index n (TE) with a period Λ for TE polarized light, and for TM polarized light as shown in FIG. 13B. It looks like a diffraction grating consisting of a refractive index n (TM) of period Λ.
Therefore, it is possible to configure a polarization separation mirror that can exhibit different behavior with respect to TE polarized light and TM polarized light, and transmits one linearly polarized light but reflects linearly polarized light orthogonal thereto. Thereby, polarization control is possible.
Furthermore, in order to generate the diffracted light and branch the optical path, by selecting the period Λ, for example, ± 1st-order diffraction can be generated, so that a part of the light beam is sent to the
Here, reference is not made to the fine shape of the fine structure of irregularities having structural birefringence, but the fine structure is applied to a curved surface. Regarding the fine shape of the fine structure, the above-described examples and the above-described techniques can be referred to.
図14に第4の実施形態を示す。
カップリングレンズ12による反射での回折光が発生している例である。このとき、回折光は面発光レーザ10側に戻ってくるため、光検出器16は面発光レーザ10の近傍に配置することができる。符号27はベースを示す。
これによって、例えば面発光レーザ10と光検出器16の回路基板を共通化したりすることも可能である。もちろん、光源ユニット26の小型化に大きく寄与できる。
このように光検出器16の位置の選択肢も広がり、レイアウト自由度の高い光源ユニットを構成することができる。
FIG. 14 shows a fourth embodiment.
This is an example in which diffracted light is reflected by reflection by the
As a result, for example, the circuit board of the
In this way, options for the position of the
図15に第5の実施形態(凹凸な微細構造の変形例)を示す。
凹凸な微細構造2はマルチレベルのN階段状(ここではa1、a2、a3の3レベル)とすることができる。特に回折効果を出す上では、マルチレベル化によって、ブレーズ化した効果が現れ、回折効率を向上させたり、+1次と−1次の回折効率の配分を非対称にしたりすることが可能であり、設計の自由度を向上させることができる。
FIG. 15 shows a fifth embodiment (a modified example of an uneven microstructure).
The
図16に第6の実施形態(凹凸な微細構造の変形例)を示す。
凹凸な微細構造2は、曲面の位置によって、周期、高さ、フィルファクタの少なくとも1つを変化させることができる。曲面12aが球面であれば曲面の傾斜は常に一定であるが、非球面(球面でない、自由曲面を含む)では曲面の傾斜は曲面上の位置によって異なることになる。
曲面の傾斜と、光の入射角によって構造複屈折、回折効果は変化することから、より良好な特性を得るために、周期、高さ、フィルファクタの少なくとも1つを変化させることができれば、設計の自由度が上がるので、機能を向上させることが可能となる。
FIG. 16 shows a sixth embodiment (a modified example of the uneven microstructure).
The
The structural birefringence and diffraction effects change depending on the slope of the curved surface and the incident angle of light. Therefore, if at least one of the period, height, and fill factor can be changed in order to obtain better characteristics, the design As the degree of freedom increases, the function can be improved.
図16(a)では、中心から周辺に行くに従って周期が大きくなっている例を示しており、図16(b)では周辺に行くに従って高さが大きくなっている例(ここでは頂点の高さが揃っている例)を示し、図16(c)では周辺に行くに従ってフィルファクタが大きくなっている例を示している。もちろん、これらを組み合わせた構造とすることもできる。
図16(a)、(c)の微細構造は、図5や図11に示した加工法において、レーザ光あるいは電子ビームの照射位置(すなわち周期を変化)、照射強度(すなわちフィルファクタを変化)等を変調することにより実現可能である。
FIG. 16A shows an example in which the period increases from the center to the periphery, and FIG. 16B shows an example in which the height increases as it goes to the periphery (here, the height of the vertex). FIG. 16C shows an example in which the fill factor increases toward the periphery. Of course, a structure in which these are combined can also be used.
16 (a) and 16 (c) are formed by the laser beam or electron beam irradiation position (that is, the period is changed) and the irradiation intensity (that is, the fill factor is changed) in the processing method shown in FIGS. This can be realized by modulating the above.
図16(b)の微細構造を作製する加工法の一つの実施例を図17に示す。
表面に均一高さの構造を配置する曲面28を光硬化性樹脂に浸液させて配置する(図17(a))。
紫外線レーザを集光して照射し、基板から液底面部まで光硬化させる。レーザ光を走査しながら光硬化を順次行うことで、基板上に高さのそろった光硬化樹脂構造を形成することが可能である。このとき高さは液面の高さで調整することが可能である(図17(b))。その後、未硬化の樹脂を取り除くことで凹凸の微細構造29を曲面28上に形成することができる(図17(c))。
FIG. 17 shows an example of a processing method for producing the fine structure of FIG.
A
Condensed and irradiated with an ultraviolet laser, photocured from the substrate to the liquid bottom. By sequentially performing photocuring while scanning with laser light, it is possible to form a photocurable resin structure having a uniform height on the substrate. At this time, the height can be adjusted by the height of the liquid level (FIG. 17B). Thereafter, by removing the uncured resin, an
さらに、本発明における凹凸の微細構造を有する光学素子は複製技術を用いて安価に大量生産することが可能である。
図18に微細構造を複製する加工法の一つの実施例を示す。ここでは図15において示したN段のステップ状の微細構造を有する素子に関して示すが、他の構造においても同様の工法が適用可能である。
基板30上にレジスト材料31を塗布し(図18(a))、電子ビーム露光やレーザ露光等で作成したレジスト材料の微細構造32に対して(図18(b))、表面に金属等の導電膜33を付加する(図18(c))。
その後、導電膜33を利用した電鋳法により(図18(d))、基板30上にNi等の金属の反転形状を作成する(図18(e))。この反転形状のNi材料を金型34として利用し、透明樹脂材料等に射出成形法等の複製法を用いて形状を転写する(図18(f))。これにより微細構造を有する光学素子35を作製することが可能である(図18(g))。
このとき初期の構造体は使用波長に対して透明な光学材料である必要はなく、曲面上に凹凸の微細構造が形成された材料であれば良い。
Furthermore, the optical element having an uneven microstructure according to the present invention can be mass-produced at low cost using a replication technique.
FIG. 18 shows one embodiment of a processing method for replicating a fine structure. Here, an element having an N-step step-like microstructure shown in FIG. 15 is shown, but the same method can be applied to other structures.
A resist
Thereafter, an inverted shape of a metal such as Ni is created on the
At this time, the initial structure body need not be an optical material that is transparent to the used wavelength, and may be any material that has an uneven microstructure formed on a curved surface.
図8等に示したように、凹凸の微細構造2はカップリングレンズ12の面発光レーザ10側に設けることができる。面発光レーザ10側がホルダ23等によりパッケージングされている場合には、微細構造2の表面の保護等を省略することも可能であるし、異物やゴミなどから守ることもできる。もちろん、凹凸の微細構造2は面発光レーザ10とは反対側に設けることもできる。
図8等では、光源ユニットを構成する部品として、面発光レーザ10とカップリングレンズ12と光検出器16の他に、ベース24やホルダ23を図示しているが、これらが一体化されたホルダを用いても構わない。また、別に第3の保持部材を設けても構わない。これらは本発明になんら影響を与えるものではない。
またホルダとカバーガラスの支持方法等についても詳細に言及するものではなく、既知の方法を用いることが可能である。
面発光レーザ10からの光ビームを、光源ユニットから出射する光ビームと、光源ユニット内で光検出器16へ導く光ビームとに分岐する光路分岐手段と、光源ユニットから出射する光ビームを直線偏光とする偏光制御手段を、カップリングレンズ12に集約して一体化したところに本発明の特徴があるのであって、それ以外の構成についてはなんら限定するものではない。
As shown in FIG. 8 and the like, the
In FIG. 8 and the like, as a component constituting the light source unit, a
Further, the method for supporting the holder and the cover glass is not described in detail, and a known method can be used.
Optical path branching means for branching the light beam from the
図19に第7の実施形態を示す。
面発光レーザ10は、端面発光レーザに比べると、アレイ化が比較的容易であり、数十個の発光点を持つ面発光レーザアレイが実現されている。これらの素子を本発明の光源ユニットに適用することもできる。
図19には面発光レーザアレイを用いた一例を示す。面発光レーザアレイ36と、面発光レーザアレイ36から複数の光ビームが出射されている(図では簡単のため3本の光ビームとしている)。
その他の構成については、図8と同様である。カップリングレンズ12によって回折された各々の光ビームは、面発光レーザアレイ36の各光ビームをまとめて光量制御するのであれば、光検出器16によって複数の光ビームをまとめて検出してしまうこともできる。この場合はまとめて検出できるサイズの光検出器を用意してもよく、代表としていくつかの光ビームを検出するだけのサイズの光検出器を用意することもできる。
一方で、面発光レーザアレイ36の各光ビーム毎に別々に光量制御を行うようであれば、光路分岐手段によって分岐された光ビーム毎の光検出器を用意する必要がある。また光検出器へ導くための光学系を配置することもできる。
FIG. 19 shows a seventh embodiment.
The
FIG. 19 shows an example using a surface emitting laser array. The surface-emitting
Other configurations are the same as those in FIG. Each light beam diffracted by the
On the other hand, if the light amount control is to be performed separately for each light beam of the surface emitting
図20及び図21に基づいて第8の実施形態(光走査装置)について説明する。図20は光ビームを偏向走査する主走査方向における断面図であり、図21はそれに直交する副走査方向の展開断面図である。
光源ユニット1は、面発光レーザ10とカップリングレンズ12から構成される。面発光レーザ10から出射された光ビームはカップリングレンズ12によって略平行な光ビームに整形される。そして第1光学系42に導かれる。第1光学系42はアパーチャ13とシリンドリカルレンズ15から構成される。
光ビームはアパーチャ13で光束幅が制限され、シリンドリカルレンズ15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37の偏向反射面上に線像として結像する。
その後、第2光学系43に導かれる。第2光学系43は例えば2枚の走査結像レンズ38、39からなり、光偏向器37により偏向走査される光ビームは、走査結像レンズ38、39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40上を所定間隔に走査される。図20において、符号41はレーザビーム検出器を示す。
The eighth embodiment (optical scanning device) will be described with reference to FIGS. FIG. 20 is a cross-sectional view in the main scanning direction in which the light beam is deflected and scanned, and FIG. 21 is a developed cross-sectional view in the sub-scanning direction orthogonal thereto.
The
The beam width of the light beam is limited by the
Thereafter, the light is guided to the second optical system 43. The second optical system 43 includes, for example, two
また、面発光レーザアレイを用いて複数の光ビームが用いられる場合でも上記と同様である。この場合には、被走査面40において複数の光スポットは、主走査方向及び副走査方向において所定間隔が維持されている。この所定間隔が得られるように、各光学素子10〜39が配置されている。
もし光源ユニット1から出射された不要な回折光ビームがある場合については、必要に応じて光走査装置内または装置外において、被走査面40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。
また、図示しないが、アパーチャ13とシリンドリカルレンズ15との間に設けたハーフミラー等の光路分離手段によって分岐された光ビームの一部、またはカップリングレンズ12によって回折された光ビーム1の一部を光検出器で検出することによって、面発光レーザの光量制御を行うことができる。
The same applies to the case where a plurality of light beams are used by using a surface emitting laser array. In this case, a plurality of light spots on the surface to be scanned 40 are maintained at predetermined intervals in the main scanning direction and the sub-scanning direction. The
If there is an unnecessary diffracted light beam emitted from the
Although not shown, a part of the light beam branched by the optical path separating means such as a half mirror provided between the
図22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について概略を説明する。
像担持体50(たとえば感光体)に帯電手段51によって電位を与え(帯電プロセス)、光書込ユニット52(露光手段)からの光スポットを像担持体50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53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54に転写手段55によりそのトナー像を写し(転写プロセス)、定着手段56により圧力や熱を掛け、記録紙54に融着させる(定着プロセス)ようなプロセスである。
なお、像担持体50上に残ったトナーはクリーナ手段57によって清掃され、さらに帯電部分は除電ユニット58によって除電される。
本実施形態における光書き込みユニット52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。
A ninth embodiment (image forming apparatus) will be described with reference to FIG.
One of image forming processes for forming an image in an image forming apparatus is an electrophotographic process. An outline of the electrophotographic process will be described below.
A latent image is formed by applying a potential to the image carrier 50 (for example, a photoreceptor) by the charging means 51 (charging process) and irradiating the
The toner remaining on the
The
光学素子の加工法について説明する。
可視光から光通信で用いられる1.5μm程度の波長領域に対して、凹凸の微細構造はサブμm〜数μm程度の周期を持つことになる。このような微細構造を作製する加工方法もそれほど多いわけではなく、一般的にはレーザ(干渉)露光法や電子ビーム露光法が広く用いられている。
レーザ干渉露光法では、通常青〜紫外領域の波長を持つレーザ光を干渉させて、感光性の高分子材料(レジスト材料)に照射し、その干渉パターンを利用して凹凸の微細構造を作製する。
この場合、基板上に形成されるレジスト材料に構造が形成されることになる。一方、電子ビーム露光法では、電子ビームを集光し、レジスト材料上を走査することによって凹凸の微細構造を作製する。この場合も同様に基板上に形成されるレジスト材料に構造が形成されることになる。
これらの手法では、レジスト材料以外(石英ガラスなどの光学素子材料等)に凹凸の微細構造を作製する場合には、このレジスト構造を基にして、さらに反応性ドライエッチングやリフトオフなどの加工法を用いる必要がある。
図5、図11に示したように、本発明の光学素子は上記一般的な加工法を用いることが可能である。
An optical element processing method will be described.
For a wavelength region of about 1.5 μm used for optical communication from visible light, the uneven microstructure has a period of about sub μm to several μm. There are not so many processing methods for producing such a fine structure, and in general, a laser (interference) exposure method and an electron beam exposure method are widely used.
In the laser interference exposure method, a laser beam having a wavelength in the normal blue to ultraviolet region is interfered and irradiated to a photosensitive polymer material (resist material), and an uneven pattern is produced using the interference pattern. .
In this case, a structure is formed in the resist material formed on the substrate. On the other hand, in the electron beam exposure method, an electron beam is condensed and scanned on a resist material to produce an uneven microstructure. In this case as well, a structure is formed on the resist material formed on the substrate.
In these methods, when producing an uneven microstructure other than a resist material (such as an optical element material such as quartz glass), processing methods such as reactive dry etching and lift-off are further used based on this resist structure. It is necessary to use it.
As shown in FIGS. 5 and 11, the above-described general processing method can be used for the optical element of the present invention.
また、レジスト材料にではなく、直接光学素子材料上に加工を行うこともできる。これらの加工法について、図23、図24を用いて説明する。
図23は光硬化法を用いた加工例を示す。ここでは光硬化法として、レーザ光を光硬化性材料中に集光し、多光子吸収過程によってその集光点近傍においてその材料を硬化させ、レーザ光を3次元的に走査することにより、凹凸の微細構造を作製する方法について示す(第10の実施形態)。
Nd:YAGレーザやTi:Sapphireレーザなどレーザ装置60から出射されたレーザ光は、1/2波長板61とグラントムソンプリズム62によってその光強度が調整された後、空間フィルタ63によってレーザ光は波形整形される。そして、ガルバノミラー64によって光路を変えながら、リレーレンズ65、結像レンズ66、対物レンズ67を介して、基板68上の光硬化性材料(光反応性材料)69中に集光される。
Further, processing can be performed directly on the optical element material instead of the resist material. These processing methods will be described with reference to FIGS.
FIG. 23 shows an example of processing using a photocuring method. Here, as a photo-curing method, laser light is condensed in a photo-curable material, the material is cured in the vicinity of the condensing point by a multiphoton absorption process, and the laser light is scanned three-dimensionally. A method for producing the microstructure will be described (tenth embodiment).
The laser light emitted from the
また、集光点はピエゾステージ70によって基板垂直方向にも移動可能である。このように、ガルバノミラー64とピエゾステージ70の組み合わせにより、3次元的に構造を作製することが可能である。このとき光硬化性材料69としては、光硬化性樹脂や、光硬化性の有機・無機ハイブリッド材料などがあり、この光硬化性材料69がそのまま光学素子として機能できる。この加工装置の構成はあくまでも一例であり、これに限定される趣旨ではない。図23において、符号71はステージを示す。
The condensing point can also be moved in the direction perpendicular to the substrate by the
別の方法として、図24にレーザアブレーション法を用いた加工例を示す。
レーザアブレーション法としては、加工に用いるレーザ光を干渉させて、その干渉パターンによって光学素子材料を直接加工する方法や、図24に示すように、レーザ光を直接加工対象である光学素子材料に照射して、選択的に除去するような方法がある(第11の実施形態)。
レーザ装置72から出射されたレーザ光は、フォトマスク73によってレーザ光の一部が透過され、ミラー74を介して、そのレーザ光パターンは集光レンズ75によって縮小投影され、光学素子材料76に照射される。
光学素子材料76はXYZステージ77上に設置され、3次元的に移動可能である。もちろん、ミラー74の代わりにガルバノミラー等を設けてレーザ光を走査してもよい。
また、フォトマスク73は複数のパターン(図では2種類)が用意され、加工したいパターンや加工対象である光学素子材料76などに応じて交換することができる。XYZステージ77の移動やフォトマスク73の交換はPC78によって制御されている。もちろん、この加工素子の構成はあくまでも一例であり、これに限定される趣旨ではない。
As another method, FIG. 24 shows a processing example using a laser ablation method.
As the laser ablation method, a laser beam used for processing is made to interfere, and the optical element material is directly processed by the interference pattern, or as shown in FIG. 24, the laser element is directly irradiated to the optical element material to be processed. Thus, there is a method of selectively removing (the eleventh embodiment).
A part of the laser light emitted from the
The
In addition, a plurality of patterns (two types in the figure) are prepared for the
また、上記いずれの加工法においても、レーザ光のパルス幅が10ピコ秒以下である極短パルスレーザを使用することができる(第12の実施形態)。
極短パルスレーザの利用により、熱伝播による溶融、ダメージ層の低減、多光子吸収断面積の増加が可能であるといった利点があり、近年用いられるようになってきている。また、多光子吸収断面積を増加させることが可能であることから、光硬化法においてより効果的、低エネルギーで行うことが可能となる。
In any of the above processing methods, an ultrashort pulse laser having a laser beam pulse width of 10 picoseconds or less can be used (a twelfth embodiment).
The use of an ultrashort pulse laser has advantages such as melting by heat propagation, reduction of damaged layer, and increase of multiphoton absorption cross section, and it has been used in recent years. In addition, since the multiphoton absorption cross section can be increased, the photocuring method can be carried out more effectively and with low energy.
1、20 光源ユニット
2 凹凸の微細構造
10 面発光レーザ
12 光学素子としてのカップリングレンズ
12a 曲面状の光学面
16 光検出器
36 面発光レーザアレイ
37 光偏向器
40 被走査面
42 第1光学系
43 第2光学系
52 光書込ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記曲面状の光学面の表面に、構造複屈折機能を有する凹凸の微細構造を設けたことを特徴とする光学素子。 In an optical element having at least one curved optical surface,
An optical element characterized in that an uneven microstructure having a structural birefringence function is provided on the surface of the curved optical surface.
前記微細構造は、ある1方向の直線偏光に対して透過させることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1,
An optical element characterized in that the fine structure transmits a linearly polarized light in one direction.
前記微細構造は、0次格子であることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 2,
The optical element is characterized in that the fine structure is a zero-order lattice.
前記微細構造は、90度異なる方向の直線偏光に対して回折光を発生することを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 2,
The optical element is characterized in that the fine structure generates diffracted light with respect to linearly polarized light in directions different by 90 degrees.
前記微細構造は、N段のステップ状であることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1,
2. The optical element according to claim 1, wherein the microstructure has an N-stage step shape.
前記曲面状の光学面の表面の位置によって、前記微細構造の周期、高さ、フィルファクタの少なくとも1つを変化させたことを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1,
An optical element, wherein at least one of a period, a height, and a fill factor of the fine structure is changed depending on a position of a surface of the curved optical surface.
前記微細構造が周期Λを持つとき、周期Λは光学素子に入射する光の波長λと同程度(Λ〜数λ)であることを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1,
When the fine structure has a period Λ, the period Λ is approximately the same as the wavelength λ of light incident on the optical element (Λ to several λ).
前記微細構造が周期Λを持つとき、周期Λは光学素子に入射する光の波長λよりも小さいことを特徴とする光学素子。 The optical element according to claim 1,
An optical element, wherein when the fine structure has a period Λ, the period Λ is smaller than a wavelength λ of light incident on the optical element.
前記カップリングレンズは請求項2又は3に記載の光学素子であって、該光学素子によってある1方向の直線偏光成分が透過することを特徴とする光源ユニット。 In a light source unit comprising a surface emitting laser as a light source and a coupling lens for coupling a light beam emitted from the surface emitting laser,
4. The light source unit according to claim 2, wherein the coupling lens is an optical element according to claim 2 or 3, wherein a linearly polarized component in one direction is transmitted by the optical element.
前記カップリングレンズは請求項4に記載の光学素子であって、該光学素子によって発生する回折光を前記光検出器で検出することを特徴とする光源ユニット。 In a light source unit comprising a surface emitting laser as a light source, a coupling lens for coupling a light beam emitted from the surface emitting laser, and a photodetector for detecting a part of the light beam,
The light source unit according to claim 4, wherein the coupling lens is an optical element according to claim 4, and diffracted light generated by the optical element is detected by the photodetector.
光源として面発光レーザアレイを用いたことを特徴とする光源ユニット。 The light source unit according to claim 9 or 10,
A light source unit using a surface emitting laser array as a light source.
前記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1光学系と、
第1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、
前記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2光学系とを有する光走査装置。 A light source unit according to any one of claims 9 to 11,
A first optical system for guiding a light beam guided from the light source unit to an optical deflector;
An optical deflector for deflecting and scanning the light beam guided from the first optical system;
And a second optical system for forming an image of the light beam deflected and scanned by the optical deflector as a light spot on the surface to be scanned.
レーザ光の多光子吸収過程を用いて凹凸の微細構造を形成する光硬化法により作製したことを特徴とする光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 8,
An optical element manufactured by a photo-curing method that forms an uneven microstructure using a multiphoton absorption process of laser light.
レーザ光を用いて凹凸の微細構造を形成するレーザアブレーション法により作製したことを特徴とする光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 8,
An optical element manufactured by a laser ablation method in which an uneven microstructure is formed using laser light.
レーザ光として、パルス幅が10ピコ秒以下である極短パルスレーザを用いることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 14 or 15,
An optical element using an ultrashort pulse laser having a pulse width of 10 picoseconds or less as laser light.
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