JP2007212575A - 光回折素子、光線走査方法、光線走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子または光源のどちらかを相対的に動かすことによって連続的に光線の走査が可能になるような回折光学素子、光線走査方法、光線走査装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】使用する光の波長以下のピッチで形成され、前記使用する光の回折角度を連続的に変化させるように形成したことを特徴とする光回折素子を主な構成とする。また光回折素子は周期運動をすることで、光の出射角を連続的に変化し、光を走査することができる。周期運動とは、往復運動、回転運動など、周期性を有する動作を意味する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の回折を利用した光回折素子、光線走査方法、光線走査装置及び画像形成装置に関し、特に、光線の走査を行う光回折素子、光線走査方法、光線走査装置及び画像形成装置に関する。

従来、ＰＰＣ（Plain Paper Copier）やレーザプリンタにおいて、光源のレーザ光の方向を連続的に変化させる技術として、図８に示すポリゴンミラーを用いたラスター光学系が知られている。図８に示すように、光源１、レンズ２、アパーチャ３、偏光子４、ポリゴンミラー５、第１のレンズ６、第２のレンズ７、被走査面８から構成される。このような従来の光学系において、印刷などで高速化するためには、
１) ポリゴンミラーの形状をより多角形化する
２) ポリゴンミラーの回転数を向上させる
という方法が考えられる。

しかしながら、上記１)ポリゴンミラーの形状をより多角形化する方法では、多角形化すると走査角が小さくなり、また上記２)ポリゴンミラーの回転数を向上させる方法では、現行使用されている画像形成装置などの機器において既に限界近くの回転数であるため、これ以上は困難であるといった問題があり、現行よりも高速走査が困難であるのが実情である。

このような光書込み技術に関し、回折光学素子及びその作成方法並びに光ピックアップ装置及び光ディスクドライブ装置の発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図９は、従来の回折光学素子の例を示した図である。受光素子１１には、受光部１１ａ、１１ｂが設けられている。ホログラム（回析格子）４には、格子（格子領域）４ａ、４ｂが設けられている。図９に示すように、ピッチの異なる格子（格子領域）４ａ、４ｂを有する回折光学素子において、格子のピッチΛに対する格子の凸部の幅Ａの比率を格子のデューティ：duty＝Ａ／Λと定義したときに、ピッチの異なる格子（格子領域）４ａ、４ｂは、格子（格子領域）のデューティが異なるようにしている。すなわち、ピッチの違う格子（格子領域）４ａ、４ｂはデューティを異なるようにして回折効率が等しくなるように、具体的には、ピッチの異なる格子（格子領域）の回折効率が等しくなるように、格子のデューティを設定する。

また、任意の膜厚分布を持った高出力素子用回折格子を量産性・再現性よく製造する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１０は、基本的な高出力素子用回折格子製造工程を示す図である。半導体結晶１３の表面に、選択成長のマスク材料からなる選択成長マスク層を成膜しドライエッチにより周期的なパターン（シリコン酸化膜パターン１４）に形成した後、任意の場所に対して任意の高さに加工して、この選択成長マスク層の表面に回折格子層を形成することによって（選択成長で形成した回析格子層領域１５）、任意の膜厚分布を持った回折格子を製造する。
特開２００４−２１２５４８号公報 特開平１１−３１８６３号公報

しかしながら、上記ピッチを異ならせる光回析素子に関する技術では、ある領域毎にピッチ（デューティ）が異なっているが、連続的ではないという問題が生じる。従って、フィン等によって現像剤が流動化したときは、線速によるＶｔ差の補正が必要である。しかしながら、上記回析格子製造技術は、レーザスポットサイズの範囲内で高さを変調しており、走査用ではないという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、基板上などに、回折角が連続的に変化するように回折格子を形成して（ピッチ、デューティ、格子高さ等を変調させる）、この回折格子または光源のどちらかを相対的に動かすことによって連続的に光線の走査が可能になるような回折光学素子、これを有する光線走査装置、光線走査方法および画像形成装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、使用する光の波長以下のピッチで凸凹形状からなる光回析構造が、前記使用する光の回折角度を連続的に変化させるように形成されることを特徴とする光回折素子である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光回折素子において、前記光回析構造は、前記光回折素子が１回の周期動作により、少なくとも１周期の光線の走査を行うようにする構造であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光回折素子において、前記光回折素子の光回析構造は、回折格子の前記ピッチが変化して光の回折角を変化させる構造であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の光回折素子において、前記光回折素子は、回折格子のデューティ(回折格子のピッチに対する凸部の幅の比)が変化していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の光回折素子において、前記光回折素子は、少なくとも場所によって回折格子の凹凸が変化していることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の光回折素子において、前記光回折素子は、基板上の少なくとも一方の面に前記光回折構造が直線状に形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の光回折素子において、前記光回折素子は、基板上の少なくとも一方の面に前記光回折構造が円状に形成されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の光回折素子において、前記光回折素子は、円柱の側面に前記光回折構造が形成されていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の光回折素子において、前記光回折素子は、正多角柱の側面に前記回折構造が形成されていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の光回折素子と、少なくとも１つの光源とから構成され、前記光回折素子が前記光源に周期的に動作して、前記光源からの出射光の方向を連続的に変化させて走査することを特徴とする光線走査方法である。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の光回折素子を備える光線走査装置である。

請求項１２記載の発明は、請求項１１に記載の光線走査装置を光書込ユニットとして備えることを特徴とする画像形成装置である。

本発明によれば、光回折素子が、光を回折する角度を連続して変化させるように光回折構造(使用する光の波長以下の凹凸)が形成されることから、光、もしくは光回折素子が回折構造上を連続して照射されるように動くことで光線の出射角を連続的に変化させ、光を走査することが可能となる。

以下に、本発明の実施形態に係る光回折素子について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光回折素子の構成例およびこれを用いた光線走査装置の概略図である。図１（ａ）は光源が１つの場合の例を示し、（ｂ）は光源が複数（たとえば４台）の場合の例を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る（円盤状）光回折素子およびこの素子を用いた光線走査装置の概略図である。図２（ａ）は円盤状の光回折素子の面と略垂直方向に光源が１つ設けられた光線走査装置の例を示し、図２（ｂ）は円盤状の光回折素子の面と略垂直方向に光源が１つ設けられた光線走査装置の例を示し、図２（ｃ）は円盤状の光回折素子の面と略垂直方向に光源が複数（２つ）設けられた光線走査装置の例を示す図である。

本実施形態に係る光回析素子は、使用する光の波長以下のピッチで形成され、光の回折角度が連続的に変化させるように形成されている。また光回折素子は周期運動をすることで、光の出射角を連続的に変化し、光を走査することができる。周期運動とは、往復運動、回転運動など、周期性を有する動作を意味する。

図１に示すように、矩形状に形成されている光回折素子１７を光線走査装置として用いる場合などでは、周期運動は往復運動を意味しており、また図２に示すように、円盤状あるいは円柱、角柱（正多角柱）の筒部分に光回折素子１７を形成した光線走査装置では回転の一部あるいはその全部を１周期と規定することができる。なお矩形状の光回折素子の場合には、図１（ａ）あるいは図２（ａ）に示すように走査される光源は１つであるが、この光源の数も図１（ｂ）あるいは図２（ｂ）に示すように複数であってもよく、また、これらの設置箇所は、図１では１箇所の実施形態であるが、図２（ｃ）に示すように、複数箇所設ける実施形態も考え得る。

上記実施形態により、光回折素子が、光を回折する角度を連続して変化させるように光回折構造(使用する光の波長以下の凹凸)が形成されることから、光、もしくは光回折素子が回折構造上を連続して照射されるように動くことで光線の出射角を連続的に変化させ、光を走査することが可能となる。

また、上記実施形態により、光回折素子が周期運動をすることで、光の出射角を連続的に変化し、光の方向を走査することができる。また、光回折素子が、１回の周期運動によって少なくとも１周期の光線の走査を行うように光回折構造が形成されていることから、多くの周期の光回折構造が形成されていれば高速な走査が可能になる。

以下に本発明の実施形態に係る平面基板上に光回折素子を製造する製造方法について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態に係る光回折素子の製造方法の一例を説明するための図である。（ａ−１）〜（ａ−４）はマスター作成法を示し、（ｂ−１）〜（ｂ−２）は形状転写型作成法を示し、（ｃ−１）〜（ｃ−３）はエンボス法を示し、（ｄ−１）〜（ｄ−４）はインプリント法を示し、（ｅ−１）〜（ｅ−４）は光回折素子の光回折構造の凹凸の高さを変調する方法を説明するための図である。

たとえば、公知の方法と同様にして所定のパターンを製造した後、ドライエッチングで製造する。このマスター作成による方法を図５の（ａ−１）〜（ａ−４）に示す。まず、図５の（ａ−１）〜（ａ−４）マスター作成による方法について説明すると、石英などの基板１にレジストを塗布する。この塗布方法は、スピンコータなどの公知の塗布方法を採用することができる。このレジスト膜の膜厚等も、通常の範囲内で行う（図５の（a−１））。その後石英ガラスなどの基板上に設けたレジスト膜をマスクを介して電子線、Ｘ線（エキシマレーザも含む。以下同様）、レーザ干渉露光等して現像し、定着した後に所定のレジストパターンを形成し（図５の（a−２））、エッチング処理し（たとえばＳＦ６などを用いた放電によるドライエッチング処理あるいはＴＢＡＢ（テトラブチルアンモニウムブロマイド）、ＴＢＡＣ（テトラブチルアンモニウムクローライド）等のアルカリエッチング液を用いたウェットエッチング処理などのドライエッチングまたはウェットエッチング処理）後（図５の（a−３））、アッシング（例えば酸素を用いたドライアッシング等）してレジスト膜を除去して基板表面に凹凸状の回折格子を形成する（図５の（a−４））。

また、図３（ｂ−１）〜（ｂ−２）に、形状を転写して型を作成する形状転写型作成方法を示す。この形状転写型作成方法では、まず型に離型材を塗布後、放射線硬化型樹脂または熱硬化性樹脂などの硬化性樹脂（触媒を含有させて硬化させるシリコンアクリレート樹脂、嫌気性硬化型樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの酸化還元触媒系による硬化性樹脂も含む）を充填し放射線の照射または加熱等して硬化し（図３（ｂ−１））、型から分離して形状転写型を作成する（図３（ｂ−１））。あるいは型にニッケル膜等の金属膜を蒸着等により形成後、たとえばスルファミン酸ニッケル等を用いて電鋳によりＮｉの型を作成することもできる。なお放射線硬化型樹脂は、可視光、紫外光、エキシマレーザ光、コバルト線などの粒子線、電子線またはＸ線を含む放射線をこれら硬化型樹脂に照射して硬化するような樹脂を指す。

図３の（ｃ−１）〜（ｃ−３）に、エンボス法による型作成方法を示す。このエンボス法では、ガラス転移点を有する基板１と、原型とを用意し（図３（ｃ−１））、基板１と原型とを接触させて、あるいは基板１をガラス転移点近傍でガラス転移点を超えた温度に加熱した後基板１と型とを接触させて押圧し、型の凹凸を基板に反転した状態で転写する（図３（ｃ−２））。次いで、ガラス転移温度未満に基板を冷却して、原型から分離する（図３（ｃ−３））。

図３の（ｄ−１）〜（ｄ−３）に、インプリント法による型作成方法を示す。このインプリント法では、基材上に上記した放射線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂あるいは酸化還元触媒系と不飽和樹脂（不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂）を層状に形成後（図３（ｄ−１））、原型を押圧しながら加熱、放射線照射あるいは触媒を添加等して硬化性樹脂を硬化した（図３（ｄ−２））後、原型と基板とを分離して作成する（図３（ｄ−３））。光回折素子を製造する型として用いる場合には、基板の材料は光透過性である必要は無く、基板の材料は石英ガラス以外のシリコン、プラスチック等でもよい（Ｘ線リソグラフィの場合にはプラスチック製の基板は除く）。

次に、本発明の実施形態に係るピッチ、デューティを変える場合について説明する。電子線、Ｘ線露光などによる電子線、Ｘ線リソグラフィ法によりピッチ、デューティを変えて光回折素子を作成する場合、Ｘ線露光の場合などではピッチまたはデューティを変えたマスクを使用することによって対処可能である。なお本発明では、たとえばマスター作成法を採用する場合には、ドライエッチング後の基板を形状転写型のマスターとして用いることが考え得る。

上記実施形態により、光回折素子の場所によって、少なくとも回折格子のピッチを変化させることで回折角を変化させることができる。また、光回折素子の場所によって、少なくとも回折格子のデューティを変化させることで回折効率を変化させることができる(光回折素子後の光学系の設計が容易になる)。

次に、本発明の実施形態に係る回折格子構造高さを連続的に変調する回折格子を作成する場合について図３を用いて説明する。図３（ｅ−１）〜（ｅ−４）に示すように、上記した図３の（ａ−１）〜（ｄ−３）に示す基本構成の項などで説明したのと同様の方法を採用して略同一の高さの回折格子構造を、まず製造する（ｅ−１）。次いで、レジストを塗布して回折格子構造の上面を平坦化(溝を埋める)した後（ｅ−２）、グレースケールマスクを用いてフォトレジスト層に傾斜（あるいは連続状の線分、面あるいは体）を製造する（ｅ−３）。この状態で上記同様にエッチング（ドライエッチングまたはウェットエッチング）処理を行って回折格子構造の高さを(連続的に)変調して作成することができる（ｅ−４）。この変調して製造した回折格子構造高さが（連続的に）変調した回折格子を、形状転写型のマスターとして用いることができる。

上記実施形態により、光回折素子の場所によって、少なくとも回折格子の高さを変化させることで回折効率を変化させることができる(光回折素子後の光学系の設計が容易になる)。また、光回折素子は基板上の少なくとも一方の面上に光回折構造が直線状に形成されていることから、この光回折素子が往復運動をすることで光線の走査が可能になる。また、光回折素子は基板上の一方の面上に光回折構造を直線状に形成されていることから、この光回折素子が円状の回折構造の中心を中心として回転運動をすることで光線の走査が可能になる。

次に、本発明の実施形態に係る円柱の側面に回析格子を形成する場合について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態に係る円柱型の光回折素子の作成方法を説明するための図である。まず、フィルム上に回折構造を製造する必要がある。たとえば、図４に示すように、フィルム上にインプリントでパターン形成したフィルム状の回析シートを貼り合わせる。このように、回折シートを、透明体の円筒型基板１８(透過型:内側から光を入射)、円柱型基板（反射または透過型：外側から光を入射。この回折構造は基板の内側に埋まっていてもよく、透過型と同様に内側が空いていても良い。）若しくは、ローラ型(これに回折構造が形成されている)であって、基板表面に塗布した紫外線硬化樹脂を光インプリントして直接加工する方法などにより、光回折構造体を有する光回折素子を形成する。このようにして、光回折素子を有する光線走査装置を作成することができる。なお、上記透明体とは、石英、フッ化カルシウム、無機塩（Ｎａｃｌ、ＮａＦ、Ｋｃｌ、ＫＦ）などの無機物あるいはプラスチックなどの有機高分子が考え得る。

上記実施形態により、光回折素子は円柱の側面に光回折構造が形成されていることから、この光回折素子が、円柱の上面及び底面の円の中心をつないだ軸を回転中心として回転運動をすることで光線の走査が可能になる。

次に、本発明の実施形態に係る多角柱の側面に回析格子を形成する方法について説明する。本実施形態では、例として６角形の角柱を用いる。図５に示すように、本実施形態においてもフィルムに回折構造をまず製造し、次いで多角柱の基板に貼り付ける。また多角形の角柱側面の１面１面をインプリント法により形成してもよい。

上記実施形態により、光回折素子は正多角柱の側面に光回折構造が形成されていることから、この光回折素子が、正多角柱の上面及び底面の多角形の中心をつないだ軸を回転中心として回転運動をすることで光線の走査が可能になる。

本発明の実施形態に係る光回折素子１７を用いた光線走査装置について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る光線走査装置の構成例および動作例を示す図である。図６（ａ）は、光源１６が一つで走査光が１つである場合の光線走査装置の構成例および動作例を示す図であり、図６（ｂ）は光源１６が複数で走査光は複数であるが１走査方向の場合の例であり、図６（ｃ）は光源１６が複数で、走査光も走査方向も複数の場合の例を示す図である。

図６に示すように、本実施形態に係る光線走査装置は、たとえば角柱型の光回折素子１７により光線を走査している。図６において、回折構造を有する基板は動作等の説明上、角柱（六角柱）である構成の物を用いて説明しているが、本発明に係る光線走査装置は上記したいずれの形状の素子でも使用可能である。非走査面２２における走査速度、走査光の光強度及びビーム系を一定にするように光学系として例えばレンズ(群)２０、２１を用いる。

光の回折は反射でも透過でも良い。図６に示す例では、光源１６を光回折素子回転体(角柱、円柱状)の内側に配置しているが、ミラー等の光学素子、光ファイバー等の導波路を用いて外側から光線を導いても良い。

上記実施形態により、本発明の実施形態に係る光回折素子、あるいは光線の走査方法を用いることで、高速な光線走査装置が製造可能になる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る光回折素子を有する画像形成装置の構成例を示す図である。本実施形態に係る画像形成装置では、画像を形成する画像形成プロセスの１つとして、電子写真プロセスを用いる。以下に電子写真プロセスについてその概略を説明する。

画像形成装置は、像担持体２５（感光体Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ）に、帯電部２６によって電位を与え（帯電プロセス）、光書込ユニット（露光部）２７からの光スポットを像担持体上に照射することにより潜像を作成し（露光プロセス）、その潜像に現像部２８によりトナーを付着させトナー像を作る（現像プロセス）。記録紙２９に、転写部３０によりそのトナー像を写し（転写プロセス）、定着部３１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）。なお、像担持体上に残ったトナーはクリーナ部３２によって清掃され、さらに帯電部分は除電部３３によって除電される。また、本実施形態に係る光書込ユニット（露光部）２７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。

上記実施形態により、本発明の実施形態に係る光線走査装置を光書き込みユニットとして用いることで、高速な画像形成装置が製造可能になる。

本発明の実施形態に係る光回折素子の構成例およびこれを用いた光線走査装置の原理的な説明をするための図である。 本発明の実施形態に係る（円盤状）光回折素子およびこの素子を用いた光線走査装置の構成例の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る光回折素子の製造方法の一例を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る円柱型の光回折素子の作成方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る角柱型（例えば６角柱）の光回折素子の作成方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る光線走査装置の構成例および動作例を示す図である。 本発明の実施形態に係る光回折素子を有する画像形成装置の構成図である。 従来のポリゴンミラーを用いたラスター光学系を示す図である。 従来の回折光学素子の例を示す図である。 従来の基本的な高出力素子用回折格子製造工程を示す図である。

符号の説明

１、１６ 光源
１７ 回折光学素子
２５ 像担持体（感光体Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ）
２６ 帯電部
２７ 光書込ユニット（露光部）
２８ 現像部
２９ 記録紙
３０ 転写部
３１ 定着部
３２ クリーナ部
３３ 除電部

Claims (12)

1. 使用する光の波長以下のピッチで凸凹形状からなる光回析構造が、前記使用する光の回折角度を連続的に変化させるように形成されることを特徴とする光回折素子。
2. 前記光回析構造は、前記光回折素子が１回の周期動作により、少なくとも１周期の光線の走査を行うようにする構造であることを特徴とする請求項１に記載の光回折素子。
3. 前記光回折素子の光回析構造は、回折格子の前記ピッチが変化して光の回折角を変化させる構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光回折素子。
4. 前記光回折素子は、回折格子のデューティ(回折格子のピッチに対する凸部の幅の比)が変化していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光回折素子。
5. 前記光回折素子は、少なくとも場所によって回折格子の凹凸が変化していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光回折素子。
6. 前記光回折素子は、基板上の少なくとも一方の面に前記光回折構造が直線状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光回折素子。
7. 前記光回折素子は、基板上の少なくとも一方の面に前記光回折構造が円状に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光回折素子。
8. 前記光回折素子は、円柱の側面に前記光回折構造が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光回折素子。
9. 前記光回折素子は、正多角柱の側面に前記回折構造が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光回折素子。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光回折素子と、少なくとも１つの光源とから構成され、前記光回折素子が前記光源に周期的に動作して、前記光源からの出射光の方向を連続的に変化させて走査することを特徴とする光線走査方法。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光回折素子を備える光線走査装置。
12. 請求項１１に記載の光線走査装置を光書込ユニットとして備えることを特徴とする画像形成装置。

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