JP2009014993A - 回折光学素子および光ビーム検出手段および光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな分離角で光ビームを分離でき、且つ、任意の偏光状態に有効に適応できる新規な回折光学素子を実現する。
【解決手段】１次元の周期構造を持つ回折面を備えた光学素子１０であって、回折面１０Ａにおける１次元の周期構造の周期：Ｐ、使用する光ビームの波長：λ、回折面による回折次数：ｍ、回折次数：ｍに対するｐ偏光およびｓ偏光の透過回折効率：Ｔｐ(ｍ)およびＴｓ(ｍ)が、条件：
（１） ０．５λ＜Ｐ＜１．５λ
（２） |{Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)}／{Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)}|＜０．１
を満たす。
【選択図】図１

Description

この発明は、回折光学素子および光ビーム検出手段および光走査装置および画像形成装置に関する。この発明は、デジタル複写機、プリンタ、ファクシミリ装置、プロッタ、デジタル複合機（複写機能、ファクシミリ機能、プリンタ機能、プロッタ機能、スキャナ機能等の複合機能を持つ装置）、計測器等に利用可能である。

回折光学素子は、回折現象により光ビームを分離する光学素子として知られ、種々の光学装置に用いられている。一般に、光ビームを分離する場合には、分離したビーム相互が大きな分離角をなすことが求められる。周知の如く、周期構造を持つ回折面では、周期構造の周期が小さくなると回折角が大きくなるので、周期構造の周期を調整することにより、光ビームを「大きな分離角」をなして分離することができる。しかし、周期構造の周期が小さくなりすぎると「構造複屈折による偏光依存性」が現れる。
即ち、「回折により分離すべき光ビームの波長と同程度の周期」の周期構造を持つ回折光学素子では、大きな分離角を実現できるが構造複屈折による偏光依存性も現れ始める。

回折光学素子に入射する光ビームは一般に偏光状態が様々であり、回折光学素子に「構造複屈折による偏光依存性」があると、入射する光ビームと分離されたビームの偏光状態が一般に異なるものになる。入射する光ビームが直線偏光状態であったとしても、偏光方向が周期構造の周期方向に平行もしくは直交する場合以外は、構造複屈折の影響で、分離されたビームは一般に「楕円偏光状態」となる。

また、入射する光ビームが楕円偏光状態である場合、分離された各ビームの偏光状態は「入射ビームの楕円偏光状態とは異なった楕円偏光状態」になる。
回折光学素子は「偏光状態に拘わり無く光ビームの分離を行える」ものであることが好ましい。

例えば、回折光学素子を、後述する実施の形態におけるように「半導体レーザから放射された光ビームを光偏向手段によって偏向し、被走査面を走査して光書込みを行う光走査装置において、走査位置の調整のために光ビームの検出を行う」ために使用するような場合「半導体レーザから射出した光ビームの偏光状態が、偏向走査面（光偏向器により偏向される光ビームが掃引する仮想的な平面）に平行もしくは垂直な直線偏光とならない光走査装置」や「偏向走査面外に、光ビームを反射する折り返しミラーなどを備える光走査装置」では光ビームの偏光状態が反射により次第に変化し、光ビームが検出される状態では一般に楕円偏光となる。

また、偏向される光ビームが「光路上で直線偏光状態を保つ」ように設計された光走査装置であっても、実際には、半導体レーザの製造ばらつきや光走査装置への取り付け誤差、光偏向手段や光学素子の取り付け誤差によって楕円偏光となってしまう場合が多い。さらには、折り返しミラーや「楕円偏光が入射する光学素子」に取り付け誤差が発生すれば、その誤差に応じて楕円偏光の状態が変化してしまう。

従って、光偏向手段によって偏向されて被走査面を走査する光ビームを入射される回折光学素子は「任意の偏光状態に適応できるもの」であることが求められる。
また、そのような回折光学素子であれば、光ビームの偏光状態に拘わらず使用でき、種々の光学装置に対して共通化が可能となるので、低コスト化の観点からも望ましい。

なお、光走査装置において被走査面を走査する光ビームを検出する検出方式は、特許文献１〜４等により種々のものが知られている。

特開平７−７２３９９号公報 特開２００５−３７５７５ 特開２００５−６２５９７ 特許第３１９１２３２号公報

この発明は、上述したところに鑑み、大きな分離角で光ビームを分離でき、且つ、任意の偏光状態に有効に適応できる新規な回折光学素子の実現を課題とする。
この発明はまた、光ビームを偏向させて被走査面を走査して光書込みを行う光走査装置において、光ビームを検出する新たな光ビーム検出手段を、この発明の回折光学素子を用いて実現すること、さらには、かかる光ビーム検出手段を用いた新たな光走査装置、画像形成装置の実現を課題とする。

この発明の光学素子は「１次元の周期構造を持つ回折面を備えた光学素子」であって、以下の点を特徴とする（請求項１）。
即ち、回折面における１次元の周期構造の周期：Ｐ、使用する光ビームの波長：λ、回折面による回折次数：ｍ、回折次数：ｍに対するｐ偏光およびｓ偏光の透過回折効率：Ｔｐ(ｍ)およびＴｓ(ｍ)が、条件：
（１） ０．５λ＜Ｐ＜１．５λ
（２） |{Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)}／{Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)}|＜０．１
を満たす。

説明を補足すると回折面が「１次元の周期構造」を持つとは、回折面の周期構造において「構造が１方向に周期的に変化」することをいう。所謂１次元の回折格子はこの場合の１例である。構造の変化は、例えば、回折面を構成する面の表面形状の変化や、屈折率の変化等である。１次元の周期構造では、構造の周期は１方向に繰り返されるから、この方向を「周期方向」と呼ぶ。

回折面において「周期方向に直交する方向」においては「構造の断面形態」は一様である。例えば「断面形状が矩形波状である凹凸」による１次元の周期構造の場合であれば、矩形波状の凹凸の凸部は「その長さ方向が周期方向に直交」し、周期方向を含んで回折面に直交する仮想的な断面に直交する方向においては「凹凸の断面形状は不変」である。

なお、説明の混乱を避けるため、以下の説明において、回折光学素子に入射する光に対し「光ビーム」なる用語を用い、回折光学素子により回折された回折光については「ビーム」なる用語を用いる。即ち、回折光学素子に入射する光ビームが、回折により複数のビームに分離されるのである。

条件（１）は、周期方向における周期構造の周期：Ｐが、使用波長（入射される光ビームの波長）の０．５〜１．５倍の範囲であること、即ち「使用波長の程度」であることを示す。このように周期構造の周期：Ｐが使用波長：λの程度であるので、請求項１記載の回折光学素子は大きな分離角をもって光ビームを分離できる。

条件（２）は、任意の回折次数：ｍ（ｍ＝０、１、２・・）で分離されたビームが「入射ビームにおける偏光状態の影響」を実質的に受けないことを表している。

請求項１記載の回折光学素子は、回折次数：ｍ＝０およびｍ＝−１を用いて、光ビームを２つのビームに分離するものであることができる（請求項２）。また、請求項２記載の回折光学素子は、入射ビームが、条件：
（３） ｓｉｎθ_０＝λ／２Ｐ
を満たす角：θ_０に近い入射角で入射されることが好ましい（請求項３）。
請求項１〜３の任意の１に記載の回折光学素子は、回折次数：ｍのビームに対するｐ偏光およびｓ偏光の透過回折効率：Ｔｐ(ｍ)およびＴｓ(ｍ)により、次式：
Ｔ(ｍ)＝{Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)}／２
で定義されるＴ(ｍ)が、条件：
（４） |{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|＜０．１
を満足することが好ましい（請求項４）。

条件（４）は、入射する光ビームの偏光状態に拘わらず、光ビームが、互いに「略等しい光強度」の２本のビーム（回折次数：ｍ＝０のビームと回折次数：ｍ＝−１のビーム）に分離される条件である。

回折面における１次元の周期構造は「１方向に配列した凹凸」であることができる。凹凸の「周期方向における断面形状」は種々のものが許容され、少なくとも前記条件（１）、（２）を満足するかぎりにおいて任意の断面形状が可能であるが、周期構造形成の容易さの点で「略矩形波状の断面形状」が好適である（請求項５）。このような形状の周期構造は、電子ビーム描画リソグラフィやフォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いることにより容易且つ的確に形成することができる。１次元の周期構造は、形状的な構造に限らず、屈折率の周期的変化による構造であってもよい。

この発明の光ビーム検出手段は「光ビームを偏向させて被走査面を走査して光書込みを行う光走査装置において、光ビームを検出する光ビーム検出手段」であって、回折光学素子と、光検出手段とを有する。

「回折光学素子」は、偏向された光ビームの通過位置に設けられて、光ビームを「回折により副走査方向に複数のビームに分離する」ものであり、上記請求項１〜５の任意の１に記載の回折光学素子が用いられる。
「光検出手段」は、複数の受光部が副走査方向に配置され、回折光学素子により分離した複数のビームを個別に検出する。即ち、回折光学素子により分離された各ビームは、１ビームずつ「光検出手段における対応する受光部」に入射して検出される。回折光学素子は、光ビームを副走査方向に「大きな分離角」を持って分離するので、光検出手段における受光部相互の間隔を大きく取り、なおかつ、光検出手段を回折光学素子に近づけて配置することができ、光検出手段をコンパクトに構成できる。

請求項６記載の光ビーム検出手段は、光検出手段における複数の受光部の少なくとも１つが「受光するビームの副走査方向への入射位置変動により出力が変化しないもの」であり、受光部の他の少なくとも１つが「受光するビームの副走査方向への入射位置変動により出力が時間的に変化するもの」であることができる（請求項７）。

請求項７記載の光ビーム検出手段を用いると、被走査面を走査する光ビームの「副走査方向の位置やその変動」を検出できる。また、請求項６、７記載の光ビーム検出手段を用いることにより、光ビームを書込開始側で検出して「書込開始位置の制御」を行うことができる。

この発明の光走査装置は「光ビームを偏向させて被走査面を走査して光書込みを行う光走査装置」であって、光ビームによる被走査面の走査の、少なくとも開始側において光ビームを検出する光ビーム検出手段として請求項６または７に記載の光ビーム検出手段を用いたことを特徴とする（請求項８）。

この発明の画像形成装置は、請求項８記載の光走査装置を用いて画像形成を行う画像形成装置である（請求項９）。

以上に説明したように、この発明によれば新規な回折光学素子、この回折光学素子を用いる光ビーム検出手段、光走査装置、画像形成装置を実現できる。

この発明の回折光学素子は、大きな分離角で光ビームを分離でき、且つ、任意の偏光状態に有効に適応できる。従って、種々の光学装置（光走査装置や画像形成装置）に対して共通化が可能となり、これら光学装置の低コスト化が可能となる。

以下、実施の形態を説明する。
図１は回折光学素子の実施の１形態を説明する図である。
図１（ａ）において符号１０は回折光学素子である。回折光学素子１０は、使用波長の光に対して透明な平行平板状で、片面に「１次元の周期構造」を持つ回折面１０Ａを有している。１次元の周期構造は「矩形波状の断面形状を持つ凹凸を、図の上下方向を周期方向として、周期：Ｐで形成したもの」である。

回折面１０Ａに、図の如く、波長：λの光ビームＬＢを「図面に平行な面内で入射」させる。光ビームＬＢは例えば「半導体レーザから放出されるレーザ光」であり、説明の簡単のために平行光束であるとする。
光ビームＬＢの入射角を「θ」とする。回折面１０Ａで回折されたビームのうち、回折次数：ｍのビームを考え、その回折角を「θｄ(ｍ)」とすると、回折の式：
ｓｉｎθ＋ｍλ／Ｐ＝Ｎｓｉｎθｄ(ｍ) （１１）
が成り立つ。右辺の「Ｎ」は回折光学素子をなす材料の屈折率である。

回折された各光ビームは、回折光学素子１０の他方の平面（回折面１０Ａが形成されている面と逆の面）で屈折されて回折光学素子１０から射出する。この射出の際の屈折角を「θｔ（ｍ）」とすると、スネルの法則により、
Ｎｓｉｎθｄ(ｍ)＝ｓｉｎθｔ(ｍ) （１２）
が成り立つので、（１１）、（１２）式を合わせれば、回折光学素子１０に入射角：θで入射し、回折されて射出する回折次数：ｍのビームについて、
ｓｉｎθ＋ｍλ／Ｐ＝Ｎｓｉｎθｄ(ｍ)＝ｓｉｎθｔ(ｍ) （１３）
が得られる。

回折光学素子１０を透過した各ビームの透過率はそれぞれ「回折面１０Ａでの透過回折効率と射出面でのフレネル透過率の積」で表される。
回折面１０Ａで回折された回折次数：ｍのビームについて「回折光学素子１０を透過したときの透過率」をＴ(ｍ)とする。回折光学素子１０へ入射する光ビームＬＢの偏光方向によって「回折面１０Ａでの透過回折効率・フレネル透過率」は異なるので、ｐ偏光（紙面に平行な方向）とｓ偏光（紙面に垂直な方向）に対する透過率をそれぞれＴｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)とする。これらＴｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)を用いれば、上記Ｔ(ｍ)は、
Ｔ(ｍ)＝{Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)}／２
で与えられる。即ち、Ｔ(ｍ)は「Ｔｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)に対する平均的な透過率」である。

ここで、説明の具体性のために、回折光学素子１０で回折次数：ｍ＝０（０次光）とｍ＝−１（−１次光）の回折のみが生じ、光ビームＬＢの入射角：θが所謂ブラッグ条件：
ｓｉｎθ_０＝λ／２Ｐ
を満たす角θ_０である場合を説明する。即ち、入射角：θ＝θ_０である。

この条件では、回折次数：ｍ＝−２の回折は生じないから、
ｓｉｎθ_０−２λ／Ｐ＝ｓｉｎθｔ(−２)
を満たす角：θｔ(−２)は存在しない。

従って、
ｓｉｎθ_０−２λ/Ｐ＝λ／２Ｐ−２λ／Ｐ＝−３λ／２Ｐ＜−１
となり、これから、
Ｐ＜３λ/２ （１４）
が得られる。

同様に、回折次数：ｍ＝＋１の回折が生じないから、
ｓｉｎθ_０＋λ／Ｐ＝ｓｉｎθｔ（＋１）
を満たす角：θｔ(＋１)は存在しない。
従って、
ｓｉｎθ_０＋λ／Ｐ＝λ／２Ｐ＋λ／Ｐ＝３λ／２Ｐ＞１
となり、これから、
Ｐ＜３λ／２ （１５）
が得られる。

一方、回折次数：ｍ＝−１の回折が生じるから、
ｓｉｎθ_０−λ／Ｐ＝λ／２Ｐ−λ／Ｐ＝−λ／２Ｐ＝ｓｉｎθｔ（−１）＞−１
となり、これから、
Ｐ＞λ／２ （１６）
が得られる。

式（１４）〜（１６）により、入射角：θが「θ_０」である場合、ｍ＝０とｍ＝−１の回折次数のみの回折が発生するための「１次元の周期構造の周期：Ｐ」は、光ビームの波長：λに対して、
０．５λ＜Ｐ＜１．５λ （１７）
の範囲であり、このように周期：Ｐを「波長程度とする」ことにより、大きな回折角が得られ、光ビームを効果的に分離できる。また、周期：Ｐを調整することにより、分離した２ビームの間の角度（分離角）を変更できるので、光学系のレイアウトに応じた分離角で分離する２ビームを得ることができる。

上の説明では「ブラック条件」を用いて（１７）式を導出したが、光ビームの入射角：θは「ブラッグ条件を満足する角：θ_０」に限られるものではなく、周期：Ｐを波長程度に取ることにより、従来の「周期構造の周期：Ｐが、数μｍから数１００μｍ程度の回折光学素子」に比べて大きな回折角が得られるものである。従って、請求項１の回折光学素子への入射角：θは角：θ_０に限定されるものではない。

入射角：θが「一般的な角度（θ≠０度）」である場合について、上記と同様に回折次数：ｍ＝０とｍ＝−１の回折のみが生じる場合を考えると、
ｍ＝−２の回折が生じないから、
ｓｉｎθ−２λ／Ｐ＝ｓｉｎθｔ(ｍ)＜−１ （１８）
であり、ｍ＝＋１の回折が生じないから、
ｓｉｎθ＋λ／Ｐ＞１ （１９）
である。

ここで、説明の便宜上、複数の実数：Ａ１，Ａ２，Ａ３・・・のうちから「最も小さい実数」を選択する関数を、
ｍｉｎ｛Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・・｝
＝Ａ１（Ａ１≦Ａ２，Ａ３，・・・のとき）
＝Ａ２（Ａ１＞Ａ２，Ａ２≦Ａ３，・・のとき）
・・
＝Ａｉ（Ａｉ≦Ａ１、Ａ２、・・Ａｉ−１，Ａｉ＋１・のとき）
・・
と定義すると、（１８）、（１９）を満足するＰの範囲は、
Ｐ＜ｍｉｎ{２λ／(ｓｉｎθ＋１)，λ／(１−ｓｉｎθ)} （２０）
である。

さらに、−１次の回折が生じ、角度：θｔ(−１)は存在するから、
０＞ｓｉｎθ−λ／Ｐ＞−１ （２１）
であり、従って、
λ／（１＋ｓｉｎθ）＜Ｐ＜λ／ｓｉｎθ （２２）
が成り立つ。

また、
２λ／（ｓｉｎθ＋１）＜λ／ｓｉｎθ （２３）
成り立つから、入射角：θに対して、回折次数：ｍ＝０、ｍ＝−１の回折のみを生じさせるためには、周期：Ｐを「光ビームの波長：λに対して以下の範囲に設定する」ことが必要である。
λ/(１＋ｓｉｎθ)＜Ｐ＜ｍｉｎ{２λ/(ｓｉｎθ＋１)，λ/(１−ｓｉｎθ)} 。

例えば、θ＝３０度のときは，
２λ／３＜Ｐ＜４／３λ
即ち、
０．６７λ＜Ｐ＜１．３３λ
であり、
θ＝６０度のときは，
２λ／（２＋√３）＜Ｐ＜４λ／（２＋√３）
即ち、
０．５４λ＜Ｐ＜１．０７λ
となる。

入射角：θが、ブラッグ条件：
（３） ｓｉｎθ_０＝λ／２Ｐ
を満足する角：θ_０に近いほど、（１）式の範囲内で、周期：Ｐに許容される範囲が大きい。

前述したように、周期：Ｐが「使用波長程度」に小さい回折面（周期構造が波長以下であるサブ波長領域や、波長オーダーである共鳴領域と呼ばれる）では、回折面が偏光依存性を有するが、周期構造の形状（例えば、図１（ａ）に示す「矩形波状の断面形状」であれば、図に示す凹凸における凸部の、幅：Ｗや高さ：Ｈ）を適切に設定することにより、偏光依存性を十分に軽減させることができる。

前述の透過率：Ｔｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)は「透過回折効率とフレネル透過率との積」で表せるから周期構造の形状（上記のＷやＨ）を（２）式、即ち、
{|Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)|}／{|Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)|}＜０．１
が満足されるように設定することにより、実用上偏光依存性のない、即ち「任意の偏光状態に適用できる回折光学素子」を実現できる。

具体的な例に即して計算結果を示す。
「計算例１」
使用波長：λ＝０．６５５μｍとした。
回折光学素子として、屈折率：Ｎ＝１．４６の平行平面基板を用い、回折面の１次元的な周期構造の周期：Ｐ＝λ＝０．６５５μｍとした。１次元的な周期構造は、図１（ａ）に示すような「矩形波状の断面形状の凹凸」とし、矩形状の凹凸の幅：Ｗと高さ：Ｈをパラメータとして変化させた。なお、高さ：Ｈは使用波長：λ（＝０．６５５μｍ）を単位として「Ｈ＝ｈλ」とし、パラメータ値として「ｈ」を用いる。

入射角：θはブラッグ条件を満たすものとしてθ＝θ_０＝３０度とし、計算アルゴリズムは一般に知られたＲＣＷＡを用いた。
以下、計算結果をグラフ化したものを示す。グラフにおいて縦軸の「ｍ次の透過率」はｍ次の回折光の透過率であり、横軸の「高さｈ」は上記パラメータ：ｈである。

図２は「ｐ波（図中で「ｐ-ｗａｖｅ」）」に対する、回折次数：ｍ＝−１、ｍ＝０の透過率：Ｔｐ(ｍ)を示し、図３は「ｓ波（図中で「ｓ-ｗａｖｅ」）」に対する、回折次数：ｍ＝−１、ｍ＝０の透過率：Ｔｓ(ｍ)を示す。

透過率：Ｔｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)は「回折面での透過回折効率と平面（射出側の面）でのフレネル透過率との積」であり、図２、図３に示す例では、平面側のフレネル透過率はｐ波に対し０．９７８、ｓ波に対し０．９４９である。

図２において、曲線２ｍ１０は「ｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐ」に関するもの、曲線２ｍ００は「ｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ」に関するものであり、曲線２ｍ１１は「ｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ」に関するもの、曲線２ｍ０１は「ｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ」に関するものである。

図３において、曲線２ｓ１０は「ｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐ」に関するもの、曲線２ｓ００は「ｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ」に関するものであり、曲線２ｓ１１は「ｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ」に関するもの、曲線２ｓ０１は「ｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ」に関するものである。

図２、図３を参照して、Ｗ＝０．３Ｐの場合（曲線２ｍ０１、２ｍ１１、曲線２ｓ０１、２ｓ１１）、を見ると、透過率は、高さ：ｈの変化に対してｐ波とｓ波とで大きく異なり偏光依存性が大きいことが分かる。一方、Ｗ＝０．７Ｐの場合（曲線２ｍ００、２ｍ１０、曲線２ｓ００、２ｓ１０）には、Ｔｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)は、ｍ＝０、ｍ＝−１の場合とも比較的似通っている。

即ち、１次元の周期構造における矩形波状の凹凸の「凸部の幅：Ｗ」が０．７Ｐである場合には、高さ：ｈの広い範囲（図において０＜ｈ＜３．０）において、Ｔｐ(ｍ)、Ｔｓ(ｍ)が「互いに近い値」となっている。従って、この場合「偏光依存性を小さく抑えられる」ことが分かる。

図２、図３に示した結果を用いて、前記（２）式のパラメータ：
{|Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)|}／{|Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)|}
の値を求めてグラフ化したものを図４に示す。このパラメータが大きいほど「ｐ波とｓ波の透過率差」が大きい。図において、曲線４００は「ｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ」、曲線４１０は「ｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐ」の場合であり、曲線４０１は「ｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ」、曲線４１１は「ｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ」の場合である。
図５に、図４における「１＜ｈ＜２の領域」を拡大して示す。
図５から明らかなように、幅：Ｗ＝０．７Ｐで、高さ：Ｈ＝ｈλが１．２５＜ｈ＜１．６程度に設定された周期構造の場合には、回折次数：ｍ＝−１及びｍ＝０で分離した２つのビーム（曲線４００、曲線４１０）について、（２）式のパラメータ：
{|Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)|}／{|Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)|}
の値が０．１以下に抑えられており、従って、このような回折光学素子は実質的な偏光依存性がなく、実用上「任意の偏光状態の光ビームの分離」に適用できる。
上には、回折次数：ｍ＝０と−１で回折されたビームの場合を説明したが、回折光学素子が、ｍ＝０、ｍ＝−１以外の回折次数で光ビームを分離するようにすることもできる。しかしながら「高い透過率で分離するビーム」を得るには、不要な回折次数の回折光の発生による「回折したビームのパワーロス」を生じないことが好ましく、回折光学系に求められる最小数の分離数であることが好ましい。従って、請求項２のように、斜め入射（入射角：θ≠０）時に発生する回折次数：ｍ＝０及びｍ＝−１を採用するのが良い。

また、図６に示すように、回折光学素子１０の回折面１０Ａに光ビームＬＢを、ブラッグ条件を満たす入射角：θ_０で入射させる（請求項３）と、回折次数：ｍ＝０で回折したビームＢ０と、回折次数：ｍ＝−１で回折したビームＢ１のみが発生し、これらのビームＢ０、Ｂ１の分離角は図の如く「２θ_０」となる。そして、ビームＢ０、Ｂ１が「回折光学素子１０の射出面の法線」に対して対称になるので、分離したビームを検出する検出器等のレイアウトが容易な構成となる。

以下に、条件（４）、即ち、
|{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|＜０．１
のパラメータ：
|{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|
について説明する。

条件（４）が満足される場合、回折により分離した回折次数：ｍ＝０のビームと、回折次数：ｍ＝−１のビームとは、実質的に「透過率の差」が無い。即ち、条件（４）を満足する回折光学素子により入射光ビームを、回折により実用上「等価なパワー」を持つ２つのビームに分離することができる。

図７に、上に説明した「Ｗ＝０．７Ｐの場合」について求めた平均的な透過率：Ｔ(ｍ)を示す（実線はｍ＝−１に対するもの、破線はｍ＝０に対するものである。）。
平均的な透過率：Ｔ(ｍ)は、以下に示すように「凹凸構造の高さ：Ｈ＝ｈλの変化」により変化させることができる。従って、周期構造の形状を条件（４）が満足されるように設定することで、回折により分離した２ビームを「実用上、等価なパワーを持つビーム」として扱うことができる。

図７に基づき、Ｗ＝０．７Ｐの場合について、パラメータ：
|{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|
を求めた結果を図８に示す。図８における縦軸の値が大きいほど「０次のビームと−１次のビームのパワー偏差」が大きい。

図８における「１＜ｈ＜２」の領域の部分を拡大して図９に示す。
図９から明らかなように、周期構造の凹凸における凸部の幅：Ｗ＝０．７Ｐで、高さ：Ｈ＝ｈλが「１．２２＜ｈ＜１．３８程度」に設定された場合には、回折次数：ｍ＝−１及び０に対する２つの分離光ビームに対して、
|{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|
の値が０．１以下に抑えられ、入射ビームを「等価なパワーを持つ２ビームに分離」できる。特に、ｈ＝１．３近傍に設定された周期構造では、偏光依存性もなく（図の例では、（２）式が満足されている。）、等価なパワーを持つ２つのビームに分離可能である。

以下に、他の計算例を示す。
「計算例２」
図１０〜図１３は、使用波長：λ＝０．６５５μｍ、回折光学素子（平行平面基板）の材料の屈折率：Ｎ＝１．４６、周期構造（断面形状矩形波状）の周期：Ｐ＝λ＝０．６５５μｍ、凹凸の凸部の幅：Ｗ＝０．４ＰとＷ＝０．６Ｐの場合であり、
図１０ Ｔｐ(ｍ)のグラフ （曲線１００４はｍ＝０、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１０１４はｍ＝−１、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１００６はｍ＝０、Ｗ＝０．６Ｐ、曲線１０１６はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１１ Ｔｓ(ｍ)のグラフ （曲線１１０４はｍ＝０、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１１１４はｍ＝−１、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１１０６はｍ＝０、Ｗ＝０．６Ｐ、曲線１１１６はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１２ 条件（２）のパラメータの「０＜ｈ＜１．７５の領域」の図 （曲線１２０４はｍ＝０、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１２１４はｍ＝−１、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１２０６はｍ＝０、Ｗ＝０．６Ｐ、曲線１２１６はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１３ 条件（４）のパラメータの「Ｗ＝０．６Ｐでの０＜ｈ＜１．７５の領域」の図である。

図１２から明らかなように、周期構造の形状を規定する幅：Ｗ、高さ：Ｈについて、幅：Ｗ＝０．６Ｐで、高さ：Ｈ＝ｈλが「０．２５＜ｈ＜１．２５の範囲」内に設定された周期構造を持つ回折光学素子は、回折次数：ｍ＝−１及びｍ＝０に対する２つのビームについて、
条件（２）のパラメータ：
{|Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)|}／{|Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)|}
の値が０．１以下に抑えられて、条件（２）を満足し、実質的に偏光依存性がなく、任意の偏光状態に適用できる。

さらに、図１３から明らかなように「Ｗ＝０．６Ｐで、ｈが１＜ｈ＜１．１５程度に設定」された回折光学素子は、回折次数：ｍ＝−１及びｍ＝０に対する２つのビームについて、条件（４）のパラメータ：
|{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|
の値が０．１以下に抑えられて条件（４）を満足するから、実質的に等価なパワーを持つ２ビームに分離可能である。

「計算例３」
図１４〜図１７は、使用波長：λ＝０．６５５μｍ、回折光学素子の材料の屈折率：Ｎ＝１．４６、周期構造（断面形状矩形波状）の周期：Ｐ＝０．６λ＝０．３９３μｍ、凹凸の凸部の幅：Ｗ＝０．４ＰとＷ＝０．６Ｐの場合であり、
図１４ Ｔｐ(ｍ)のグラフ （曲線１４０４はｍ＝０、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１４１４はｍ＝−１、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１４０６はｍ＝０、Ｗ＝０．６Ｐ、曲線１４１６はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１５ Ｔｓ(ｍ)のグラフ （曲線１５０４はｍ＝０、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１５１４はｍ＝−１、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１５０６はｍ＝０、Ｗ＝０．６Ｐ、曲線１５１６はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１６ 条件（２）のパラメータの「２＜ｈ＜３の領域」の図 （曲線１６０４はｍ＝０、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１６１４はｍ＝−１、Ｗ＝０．４Ｐ、曲線１６０６はｍ＝０、Ｗ＝０．６Ｐ、曲線１６１６はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１８ 条件（４）のパラメータの「Ｗ＝０．６Ｐでの２＜ｈ＜３の領域」の図
である。

図１６から明らかなように、凹凸の凸部の幅：Ｗ＝０．６Ｐで、高さ：Ｈ＝ｈλが２．２３＜ｈ＜２．４程度の範囲に設定された周期構造を持つ回折光学素子では、回折次数：ｍ＝−１及びｍ＝０で分離した２つの光ビームについて、条件（２）のパラメータ：
{|Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)|}／{|Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)|}
の値が０．１以下に抑えられて条件（２）を満足し、任意の偏光状態に適用できる。また、図１７に示すように、ｈの値が上記範囲内において２．２３＜ｈ＜２．２５程度の範囲では、条件（４）のパラメータ：
|{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|
の値が０．１より小さく、条件（４）を満足し、実質的に等価なパワーを持つ２ビームに分離可能である。

しかし、ｈが２．２３＜ｈ＜２．２５程度の範囲から外れると、条件（４）のパラメータは０．１より大きくなって条件（４）が満足されず、実質的に等価なパワーを持つ２ビームに分離できない。

「計算例４」
図１８〜図２１は、使用波長：λ＝０．６５５μｍ、回折光学素子の材料の屈折率：Ｎ＝１．４６、周期構造（断面形状矩形波状）の周期：Ｐ＝１．４λ＝０．９１７μｍ、凹凸の凸部の幅：Ｗ＝０．３ＰとＷ＝０．７Ｐの場合であり、
図１８ Ｔｐ(ｍ)のグラフ （曲線１８０３はｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線１８１３はｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線１８０７はｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ、曲線１８１７はｍ＝−１、Ｗ＝０．６Ｐに関するものである。）
図１９ Ｔｓ(ｍ)のグラフ （曲線１９０３はｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線１９１３はｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線１９０７はｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ、曲線１９１７はｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐに関するものである。）
図２０ （２）式のパラメータの「１．５＜ｈ＜２．５の領域」の図 （曲線２００３はｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２０１３はｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２００７はｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ、曲線２０１７はｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐに関するものである。）
図２１ 条件（４）のパラメータの「Ｗ＝０．７Ｐでの１．５＜ｈ＜２．５の領域」の図
である。

図２０から明らかなように、凹凸の凸部の幅：Ｗ＝０．７Ｐ、高さ：Ｈ＝ｈλが１．８２＜ｈ＜２．０３の範囲に設定された周期構造を持つ回折光学素子では、回折次数：ｍ＝−１及びｍ＝０で分離した２ビームについて、条件（２）のパラメータ：
{|Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)|}／{|Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)|}
の値が０．１以下に抑えられて条件（２）を満足し、任意の偏光状態に適用できる。

また、幅：Ｗ＝０．３Ｐの場合には、高さ：Ｈ≒１．８０λに設定されたときのみ条件（２）が満足され、任意の偏光状態に適用できることが分かる。

図２１に示す如く、Ｗ＝０．７Ｐで上記「１．８２＜ｈ＜２．０３の範囲」では、条件（４）式のパラメータの値は０．１より大きく、従って条件（４）は満足されず、回折により等価なパワーを持つ２ビームに分離することはできない。
即ち、条件（２）と条件（４）とを両立させることができない。

「計算例５」
図２２〜図２４は、使用波長：λ＝０．６５５μｍ、回折光学素子の材料の屈折率：Ｎ＝１．４６、周期構造（断面形状矩形波状）の周期：Ｐ＝０．８λ＝０．５２４μｍ、凹凸の凸部の幅：Ｗ＝０．３ＰとＷ＝０．７Ｐの場合であり、
図２２ Ｔｐ(ｍ)のグラフ （曲線２２０３はｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２２１３はｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２２０７はｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ、曲線２２１７はｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐに関するものである。）
図２３ Ｔｓ(ｍ)のグラフ （曲線２３０３はｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２３１３はｍ＝−１、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２３０７はｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ、曲線２３１７はｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐに関するものである。）
図２４ 条件（２）のパラメータの「０＜ｈ＜１の領域」の図 （曲線２４０３はｍ＝０、Ｗ＝０．３Ｐ、曲線２４０７はｍ＝０、Ｗ＝０．７Ｐ、曲線２４１７はｍ＝−１、Ｗ＝０．７Ｐに関するものである。）
である。

図２４に示すように、幅：Ｗ＝０．７Ｐの場合、高さ：Ｈ＝ｈλが０．３８＜ｈ＜０．４３、および、０．７４＜ｈ＜０．８７に渡って設定された周期構造の場合には，ｍ＝−１及び０に対する２つの分離光ビームの
｛｜Ｔｐ（ｍ）−Ｔｓ（ｍ）｜｝／｛｜Ｔｐ（ｍ）＋Ｔｓ（ｍ）｜｝
の値が０．１以下に抑えられており、任意の偏光状態に適用できる。Ｗ＝０．３Ｐの場合には「条件（２）を満たすｈ」は存在しない。

上には、回折面の周期構造として「断面形状が矩形波状の凹凸形状」の場合を説明したが、１次元の周期構造は、これに限らないことは先に述べたとおりであり、例えば、図１（ｂ）に示すように、回折光学素子１０における回折面１０Ｂとして「媒質の屈折率が周期：Ｐをもって図の上下方向へ周期的に繰り返すように変化する」構造を持ったものでもよい。この場合にも図１（ａ）の回折光学素子と同様、周期：Ｐによって回折角を制御でき、その周期構造の形状を適切に設定することにより「任意の偏光状態に適用できる回折光学素子」を実現できる。

以下、画像形成装置の実施の形態を説明する。
図２５は、画像形成装置の実施の１形態である「レーザプリンタ」の概略構成を示す図である。
レーザプリンタ１００は、光走査装置９００、走査対象物としての感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写チャージャ９１１、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、及び排紙トレイ９１０などを備えている。

帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写チャージャ９１１及びクリーニングブレード９０５は、それぞれ感光体ドラム９０１を囲繞するように配設され、感光体ドラム９０１の時計回りの回転方向に従い、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写チャージャ９１１、クリーニングブレード９０５の順に配置されている。

感光体ドラム９０１の周面は光導電性感光層となっている。感光体ドラム９０１は、図２５における面内で時計回り（矢印方向）に回転する。
帯電チャージャ９０２は、感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させる。
光走査装置９００は、帯電チャージャ９０２で均一帯電された感光体ドラム９０１の表面に、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光ビームを走査して光書込みを行う。
この光書込みに関して、感光体ドラム９０１の長手方向（回転軸に沿った方向）は「主走査方向」、感光体ドラム９０１の回転方向は「副走査方向」と呼ばれる。感光体ドラム９０１における走査開始位置から走査終了位置までの主走査方向の走査領域のうち、潜像が形成される領域を「有効画像形成領域」という。

光ビームの走査により、感光体ドラム９０１表面の「光照射された部分」で電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム９０１に形成される。形成された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って現像ローラ９０３の位置へ移動する。

トナーカートリッジ９０４にはトナーが格納され、トナーは現像ローラ９０３に供給される。トナーカートリッジ９０４内のトナー量は、電源投入時や印刷終了時などにチェックされ、残量が少ないときには不図示の表示部に「カートリッジ交換を促すメッセージ」が表示される。

現像ローラ９０３は、回転に伴って表面にトナーカートリッジ９０４から供給されたトナーが帯電されて薄く均一に付着される。また、現像ローラ９０３には、感光体ドラム９０１における帯電している部分（光が照射されなかった部分）と帯電していない部分（光が照射された部分）とで互いに逆方向の電界が生じるようなバイアス電圧が印加される。このバイアス電圧により、現像ローラ９０３表面に保持されているトナーは、感光体ドラム９０１表面の「露光された部分」に付着する。すなわち、現像ローラ９０３は、感光体ドラム９０１の表面に形成された潜像にトナーを付着させ、画像情報を「トナー像」として顕像化させる。トナー像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って転写チャージャ９１１側へ向かって移動する。

給紙トレイ９０６には「トナー画像を転写される記録媒体」としての記録紙９１３が格納され、給紙トレイ９０６の排出部に配設された給紙コロ９０７により、記録紙９１３が給紙トレイ９０６から１枚づつレジストローラ対９０８に向けて給送される。レジストローラ対９０８は、転写ローラ９１１の近傍に配置され、給紙コロ９０７によって給送された記録紙９１３を一旦保持し、感光体ドラム９０１の回転に合わせて感光体ドラム９０１と転写チャージャ９１１との間隙に向けて送り出す。

転写チャージャ９１１には、感光体ドラム９０１上のトナー像を電気的に記録紙９１３に引きつけるために、トナーと逆極性の転写電圧が印加され、感光体ドラム９０１の表面のトナー像が記録紙９１３に転写される。トナー像を転写された記録紙９１３は、定着ローラ９０９により熱と圧力との作用でトナー像を定着される。トナー像を定着された記録紙９１３は、排紙ローラ９１２を介して排紙トレイ９１０に送られ、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。

クリーニングブレード９０５は、感光体ドラム９０１表面の残留トナーを除去する。除去された残留トナーは再度利用されるようになっている。残留トナーが除去された感光体ドラム９０１の表面は、再度帯電チャージャ９０２の位置に戻る。

図２６は、図２５に符号９００で示した光走査装置の光学配置を説明図的に示す図である。光走査装置は、光源手段２０と、整形光学系２４と、光偏向手段２５と、走査結像光学系２８と、光ビーム検出手段３１を有する。

整形光学系２４は、カップリングレンズ２１、アパーチャ２２、シリンドリカルレンズ２３を有し、走査結像光学系２８は２枚の走査結像レンズ２６、２７により構成される。光ビーム検出手段３１は分離光学系２９と光検出器３０とを有する。また、図示されない処理装置等が備えられている。

光源手段２０としては「シングルビーム光源として半導体レーザ」を用いることができ、マルチビーム光源としては、例えば「複数の半導体レーザを近接して実装した半導体レーザアレイや、面発光レーザアレイ（ＶＣＳＥＬアレイ）など」を用いることができる。

カップリングレンズ２１は、光源手段２０から放射された光を略平行光束に整形する機能を有している。弱い収束性の光束あるいは弱い発散性の光束に整形する機能でもよい。カップリングレンズ２１からの光ビームは、アパーチャ２２により光ビームの一部が遮光され、シリンドリカルレンズ２３によって副走査方向に収束され、光偏向手段２５の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像する。

光偏向手段２５が矢印方向へ回転駆動されると光ビームは偏向走査され、２枚の走査結像レンズ２６、２７によって被走査面上に光スポットが形成される。
走査結像光学系２８を介して、主走査方向における走査開始側の有効画像形成領域外に向かう光ビームは光ビーム検出手段３１に入射し、光ビームの副走査方向位置が検出される。光ビーム検出手段３１はまた、主走査方向の光ビームの位置を検出して、主走査方向の書込開始位置までのタイミングを調整する所謂同期検知を行っている。

図２６には図示されていないが「光ビームを感光体ドラムの所望の位置に導くために折り返しミラー」が光路中に配置される。折り返しミラーの配置場所は様々であるが、光偏向手段と走査結像レンズの間、走査結像レンズ間、走査結像レンズと感光ドラムの間であることができ、一般に光偏向手段の後方である。従って、光ビームは折り返しミラーによる反射により偏光状態が変化し、光ビーム検出手段３１に入射する時点における光ビームの偏光状態は「一般に楕円偏光」となっている。

光ビーム検出手段３１の分離光学系２９は、入射する光ビームを２つのビームに分離する。分離光学系２９は、上に説明した回折光学素子が用いられる。
図２７は光ビーム検出手段３１の構成を説明するための図である。走査結像光学系２８を介して有効画像形成領域外に配置された光ビーム検出手段３１に向かう光ビームは、分離光学系をなす回折光学素子３３に入射し、回折により副走査方向（図の上下方向）に２ビームＣ１、Ｃ２に分離される。分離したビームＣ１、Ｃ２は、受光部を副走査方向に配置された２つの光検出器３４−１、３４−２によって各々検出される。図２７の図面に直交する方向が主走査方向である。

図２８は、図２６における受光手段３０を構成する光検出器３４−１、３４−２の配置と構成を示す図である。光検出器３４−１、３４−２は副走査方向（図の上下方向）に配置され、光検出器３４−１、３４−２は、光ビームを受光して光電変換を行う受光部３５−１、３５−２を備えている。２つの光検出器３４−１、３４−２は「同一形状・同一構造のもの」であり、受光部３５−１．３５−２は長方形形状であり、光検出器３４−２の受光部３５−２は長手方向が副走査方向に平行となっており、光検出器３４−２は受光部３５−２の長手方向が副走査方向に対して傾けられた配置となっている。

偏向走査される光ビームは、回折光学素子３３によって２つの副走査方向に２ビームＣ１、Ｃ２に分離され、図２８に矢印で示す方向に受光部３５−１、３５−２を走査し、各々検出される。

図２９は、光検出器３４−１、３４−２の出力信号のタイミングチャート、即ち、ビームＣ１、Ｃ２が各々受光部３５−１、３５−２を通過するとき光検出器３４−１、３４−２が出力する出力信号を示すタイミングチャートである。

光検出器３４−１の出力信号は、ビームＣ１が受光部３５−１の走査開始側の縁部（図２８の受光部３５−１の左側縁部）を通過することによりＨｉｇｈからＬｏｗに立ち下がり（時刻：Ｔｄ１）、受光部３５−１上を通過したビームＣ１が受光部３５−１の走査終了側の縁部（図２８の受光部３５−１の右側の縁部）を通過することによりＬｏｗからＨｉｇｈに立ち上がる（時刻：Ｔｕ１）。受光部３５−１は「光ビームを検出する縁部」が副走査方向に平行であるので、ビームＣ１の通過位置が副走査方向にずれても時刻：Ｔｄ１、Ｔｕ１は変化しない。

光検出器３４−２は、図２８に示すように、受光部３５−２の長手方向が副走査方向に対して傾けて配置されているので、受光部３５−２上を走査する分離光ビームＣ２の通過位置が副走査方向に変化すると、光検出器３４−２の出力信号の「立ち下がりのタイミング（時刻：Ｔｄ２）と立ち上がりのタイミング（時刻：Ｔｕ２）」が変化する。

図３０は、光ビーム検出手段３１の回折光学素子３３に入射する光ビームの位置が「副走査方向にずれたことを検出する検出方法」を説明するための図である。基準となる光ビームの副走査方向の位置を０とする。

すなわち、光ビームの入射位置が副走査方向における基準位置にあるとき、分離光学系２９である回折光学素子３３に入射した光ビームは２つのビームＣ１０、Ｃ２０に分離される。回折光学素子３３は、入射する光ビームを回折次数：ｍ＝０と−１の２本のビームに分離するものであり、少なくとも条件（１）、（２）を満足し、好ましくは、さらに条件（３）、（４）を満足するものである。ビームＣ２０は回折次数：ｍ＝０のビームであり、ビームＣ１０は回折次数：ｍ＝−１のビームである。

分離されたビームＣ１０、Ｃ２０は、光検出面（受光部３５−１、３５−２の配置されている面）上において、副走査方向に間隔：Ｓ０を持ち、ビームＣ２０の副走査方向の位置が「０」に等しいとすれば、ビームＣ１０の副走査方向の位置はＳ０となる（図３０に実線で示す）。

光ビームの入射位置が副走査方向にずれたことに伴い、分離光学系２９である回折光学素子３３に入射した光ビームは２つのビームＣ１、Ｃ２に分離される。ビームＣ１は「ビームＣ１０が回折角の変化により変化したビーム」であり、ビームＣ２は「ビームＣ２０が回折角の変化により変化したビーム」である。

図３１は制御回路を示す図である。
光検出器３４−１、３４−２にビームＣ１、Ｃ２が入射する時刻：Ｔｄ１、Ｔｄ２は上記の如くとＴｄ１≠Ｔｄ２であるが、ビームＣ１０、Ｃ２０は「基準となる光ビーム」により定まるから、これらの時間Ｔｄ１、Ｔｄ２に応じて、遅延回路１、２の遅延時間を、遅延後におけるこれらの時間がＴｄ１＝Ｔｄ２となるように調整する。

図３１の制御回路では、光検出器３４−１、３４−２からの出力信号は各々ＡＭＰ１、
ＡＭＰ２で増幅された後、Ｔｄ１＝Ｔｄ２となるように各々の遅延回路の遅延時間を設定される。その後、ＣＭＰ（コンパレータ）により、入力される２つの信号の立ち下がり信号の時刻：Ｔｄ１、Ｔｄ２の差分を測定する。光検出器３４−１、３４−２の「立ち下がり時間」は立ち上がり時間より早いので、検出精度を高めるためにＴｄ１、Ｔｄ２を用いるのである。即ち、光検出器３０の受光部３５−１、３５−２がビームＣ１、Ｃ２を検出する側の縁部としては、走査開始側の縁部（図２８における左側の縁部）が用いられる。

基準となる光ビームの副走査方向の位置：０に対して、Ｔｄ１＝Ｔｄ２となるように光ビーム検出手段は調整されので、経時変化や環境変化などの要因により光ビームの副走査方向の位置が「ΔＰ」だけ変化した場合を考える。回折光学素子３３により分離されたビームＣ１、Ｃ２は、光検出面上において、各々の副走査方向の位置が、図３０に示すようにビームＣ２が基準の位置：０からΔＰだけずれ、ビームＣ１はＳ０の位置から「Ｓ＋ΔＰ」の位置にずれる。

「Ｓ＝Ｓ０＋ΔＳ」であり、ビームＣ１は基準の位置：Ｓ０（ビームＣ１０が通過する位置）からΔＳ＋ΔＰだけ副走査方向へずれる。「ΔＳ」は回折光学素子３３の特性に応じて一義的に定まる。説明中の例では、光ビームが回折光学素子３３に入射する入射角が変化したことに応じて、ビームＣ１、Ｃ２が副走査方向へずれるが、このずれ量は、回折光学系３３の有する特性（入射角の変化と分離されたビームＣ１、Ｃ２の回折角の変化）として定まり、予め「線形的な関数関係：ΔＳ＝Ｆ（ΔＰ）」として決定でき、このように決定した関係を記憶しておく。

偏向する光ビームが副走査方向に位置ずれ：ΔＰを発生したとき、各光検出器３４−１、３４−２から得られる出力信号の「立ち下がりのタイミング」を見ると、光検出器３４−１の出力は変化しないのでＴｄ１は変化しない。光検出器３４−２は、受光部３５−２が副走査方向に対して傾いているので、ビームＣ２の位置が副走査方向にずれると、出力信号の立ち下がりタイミングは時刻：Ｔｄ２’へ変化する。

このとき、時間差：ΔＴ＝Ｔｄ２’−Ｔｄ２は、光検出面上におけるビームＣ２の副走査方向の位置変化：ΔＰに対応する値であり、ΔＰ＝Ｆ（ΔＳ）の関係により位置変化：ΔＰを検出できる。

図２７ないし図３１に即して説明した例では、入射する光ビームを２つのビームに分離するので、分離後のビームの最大光量は光ビームの光量の１／２である。このように、光量を大きくするためには、回折光学素子３３により分離するビームの数は２であることが好ましく、このように光量を大きくすることは、光検出器におけるＳ／Ｎ比などの面から有利である。

図２７ないし図３１に示す例では、図２７に示したように、偏向された光ビームを、副走査方向に２つの光ビームＣ１、Ｃ２に分離する回折光学素子３３と受光部が副走査方向に配置された２つの光検出器３４−１、３４−２とからなる光ビーム検出手段３１を用い、２つの光検出器３４−１、３４−２の配置形態が異なっていることを利用して、図３０に示す検出方法に従って「光ビーム検出手段３１に入射した光ビームの副走査方向の位置を検出」している。

図２７に示すように、回折光学素子３３により分離されたビームＣ１、Ｃ２のうち、ビームＣ２を光検出器３４−２に入射させ、ビームＣ１を光検出器３４−１に入射させている。これらビームＣ１、Ｃ２における回折の次数：ｍは、ビームＣ１ではｍ＝−１でありビームＣ２ではｍ＝０である。即ち、ビームＣ２は「０次光」である。

上の実施の形態におけるように、光源として、半導体レーザや半導体レーザアレイを用いると、放射されるレーザ光の波長は光源温度によって変化するし、また波長飛びの現象によりランダムな波長変化が発生してしまう。回折光学素子３３に入射する光ビームの波長：λが変化すると、ｍ＝−１の回折次数のビームＣ１は回折角が変化してしまう。
光ビームの波長変化が生じた場合、回折光学素子３３に入射する光ビームの副走査方向の位置は変化していないにも拘わらず、ビームＣ１の回折角が変化して、光検出器３４−１に入射する入射位置が副走査方向に変化してしまう。

しかし、ｍ＝−１の回折次数のビームＣ１が入射する光検出器３４−１における受光部３５−１は「副走査方向に長い矩形状」で、その主走査方向両側縁は副走査方向に平行になっているので、ビームＣの入射位置が副走査方向にずれても光検出器３４−１の出力は変動しない。一方、光検出器３４−２に入射するビームＣ２は「０次光」であって、波長変化の影響を受けない。従って、上に説明した実施の形態では、検出するべき光ビームの波長変化の影響を受けずに光ビーム検出を行うことができる。

なお、光ビーム検出手段３１による「主走査方向の書込開始位置までのタイミングを調整する同期検知」は、光検出器３４−１の出力時間：Ｔｄ１を基準として、主走査方向の書込開始位置までのタイミングを調整することにより行うことができる。

図３２は、光走査装置の実施の別形態を示す図である。繁雑をさけるため、混同の虞がないと思われるものについては図２６におけると同一の符号を付して、図２６に関する説明を援用する。
図３２に示す実施の形態は、図２６に示した実施の形態に対して「光ビームの副走査方向の位置を補正」する位置補正手段５０を付加した形態である。
位置補正手段５０は、光偏向手段２５と走査結像光学系２８との間に設けられ、光ビーム検出手段３１により検出される「光ビームの副走査方向の位置」に基づき、有効画像形成領域へ導かれる光ビームの副走査方向の位置を補正する機能を有している。位置補正手段５０の配置位置は、図３２の位置に限定されるものではなく、光源手段２０から被走査面に至る任意の位置に配置することができる。

図３３は、位置補正手段５０の具体例としての液晶偏向素子５１を示す図である。
液晶偏向素子５１は、液晶の光学効果により光ビームを偏向させる素子であり、入射する光ビームＬＢを副走査方向（図の上下方向）に偏向させることができる。

液晶偏向素子５１は、対向して互いに平行に配置された１対の透明基板５２と、これらの対向する面に配置された１対の透明電極５３と、透明電極５３の相対向する面に一体に配置された１対の配向膜５４と、配向膜５４間を所定の間隔に保つスペーサ５５と、配向膜５４とスペーサ５５とにより密閉される隙間に充填されて保持される液晶層５６とを有し、駆動回路５７から１対の透明電極５３間に印加される電圧の調整により偏向角；ξを調整できる。

光ビーム検出手段３１により検出された光ビームの「副走査方向の位置」に基づき、駆動回路５７に与える印加電圧を制御することにより、光ビームを所望の副走査方向位置へ補正できる。

図３４は、複数の光ビームを発生する光走査装置の例を示す図である。
図３４の光走査装置は、光源手段２０が２つの半導体レーザを備え、各半導体レーザから出射された光ビームを対応する２個のカップリングレンズ２１を有している。そして、カップリングされた各光ビームはアパーチャ２２によって光ビームの一部を遮光された後、間隔補正手段６２を介して、シリンドリカルレンズ２３によって副走査方向に収束され、光偏向手段２５の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像される。

光偏向手段２５の等速回転により２つの光ビームは偏向走査され、走査結像光学系２８を構成する２枚の走査結像レンズ２６、２７によって被走査面上に２個の光スポットを形成する。走査結像光学系２８を介して主走査方向の有効画像形成領域外に向かう光ビームは光ビーム検出手段３１に入射し光ビームの位置が検出される。

間隔補正手段６２の配置は、この位置に限定されるものではなく、光源手段と光偏向手段２５との間の任意の位置に設定できる。

図３５は、間隔補正手段６２の１例を示す図である。間隔補正手段６２は楔形状のプリズム６３を有する。プリズム６３は断面楔状（台形形状）で台座６４に保持されている。符号ＯＡをカップリングレンズ２１の光軸とすると、光軸ＯＡの回りにγ方向へプリズム６３を回動することにより、入射する光ビームを最大偏向角度：φの範囲で偏向することができ被走査面上の光スポットの位置を副走査方向に補正できる。

即ち、光ビーム検出手段３１により検出された「２つの光ビームの副走査方向の間隔」に基づき、楔形状プリズム６３を図示されない回動手段によって回転制御することにより、光ビームの位置を補正して２つの光ビームの副走査方向の間隔を補正できる。

光ビーム検出手段３１に入射する光ビームには、図２６、図３４に示すように、走査結像光学系２８を通過した光ビームを用いることもできるし、走査結像光学系２８を透過することなく、光偏向手段２５によって偏向走査された光ビームを直接入射させるようにすることもできる。しかしながら、後者では光ビームの「走査結像光学系２８に起因する位置変化」が検出されない。また、走査結像光学系２８を介していないので、光偏向手段２５で偏向走査された光ビームを光検出器に導くために「ある程度の結像機能」を分離光学系に持たせる必要が生じてしまう。従って、光ビーム検出手段３１には、走査結像光学系２８を介した光ビームを入射させるのが好ましい。

光ビーム検出手段３１は、図２６に示すように有効画像形成領域外の光ビームを入射させるようにすることもできるが、有効画像形成領域内の光ビームを用いることもできる。しかしながら、後者の場合には、有効画像形成領域を走査するのを止め、光ビーム検出手段３１を「有効画像形成領域を走査する光ビームを検出できる位置」に移動させる必要があり移動機構が複雑となる。一方、有効画像形成領域外の光ビームであれば、有効画像形成領域内の光走査時に、その領域外の光ビームを用いることで、光書込みを行いつつリアルタイムで光ビーム位置を検出できる。

また、前述したように、光ビーム検出手段３１に入射する光ビームに対して、光検出器
３０に入射する２本のビームの光量は小さく、最大でも光ビームの光量の１／２となるが、有効画像形成領域外で光ビーム検出を行う場合は、光ビーム検出手段で光ビームを検出する時のみ、光ビームの発光出力を「光検出器の受光特性や感度に合わせて調整」することが可能となり、検出精度を向上させることができる。光ビーム検出手段３１は、主走査方向の書込開始位置を定める同期検知手段としても用いることができることは言うまでも無い。

図３６は、図２６の実施の形態の変形例で、偏向走査する光ビームの「被走査面の走査の開始側と終了側と」に、同一構成の光ビーム検出手段３１を１対設けた例である。図３６では、２つの光ビーム検出手段３１は「有効画像形成領域外の両端」に設けた例であるが、２つの光ビーム検出手段３１を有効画像形成領域内に設けることも可能である。このように、光ビーム検出手段を主走査方向に２個設けることにより、走査線傾きや走査線曲がりといった走査線に関する特性を検出することができ高精度な光走査が可能となる。

また、タンデム式のカラー画像形成装置で、各色に対応して有効画像形成領域の両端側での時刻差を検出する場合には、各色毎の有効画像領域幅が同一になるように、光源装置からの光ビームの駆動クロック周波数を調整することが可能である。

上述した例では、画像形成装置としてレーザプリンタ１００の場合を説明したが、画像形成装置は、レーザプリンタに限定されるものではなく、デジタル複写機、ファクシミリ装置、プロッタ、デジタル複合機（複写機能機能、ファクシミリ機能、プリンタ機能、プロッタ機能、スキャナ機能等の複合機能を持つ装置）等として実施可能である。

この発明の画像形成装置は、カラー画像を形成するカラー画像形成装置としても実施可能であり、具体的には、カラー画像に対応し画像情報毎に感光体ドラムを備えるタンデムカラー画像形成装置であっても良い。

図３７は、図３４に示した「２つの光ビームによる光走査を行う光走査装置を、光偏向手段２５を共通にして回転対称的に配置することにより、計４つの光ビームがＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（黒）の各色毎に設けられた感光ドラムを走査できるタンデムカラー機用の光走査装置を示している。なお、実際の画像形成装置内では、走査結像レンズ２６または２７と被走査面との間に折り返しミラーが挿入され、各光ビームを対応する感光体ドラムへ導いているが、図３７では折り返しミラーの図示を省略している。

また、図３７の光走査装置は、図３４の光走査装置において光源手段２０をマルチビーム光源に置き換えたものであり、この場合も図３４の場合と同様、４つの光ビームがＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの各色毎に設けられた感光ドラム上をマルチビーム走査できるタンデムカラー機用の光走査装置として構成されている。

図３８は、図３４の例に対して「２個の光ビーム検出手段３１を有効画像形成領域外の両端側に設けた例」である。

図３７の光走査装置においても、各シングルビーム光源に代えて、２つの発光点をもつマルチビーム光源を用いることにより、計８本の光ビームを光偏向手段２５に向けて出射させ、各色の感光体ドラムに２本ずつ走査させることができる。また、４つの発光点を持つレーザアレイ光源を用いることにより、計１６本の光ビームを光偏向手段２５に向けて出射させ、各色の感光体ドラムを４本ずつ走査させることができる。これにより、更に高速な画像形成装置を実現することができる。

上記の実施の形態では、複数の光検出器を「すべて同一形状・構造のもの」とすることで、各光検出器の特性を同じにできることから、検出精度や制御回路を構築する上での取り扱いが容易であり、安定した検出が可能となる。

光ビーム検出手段における光検出器の個数は２であり、副走査方向の位置を検出するために最小数の検出器とすることができる。また分離されたビームは２で良く、光量を確保できる。

また、上記光走査装置の実施の形態において、光走査装置が、光ビーム検出手段によって検出された複数の光ビームの間隔に基づき、複数の光ビームの間隔を補正する間隔補正手段を備えている場合、間隔補正手段でフィードバックをかけることにより、特に走査線ピッチを補正することができ、高精細化・高速化に適応する画像形成装置のための光走査が可能となる。

上記光走査装置において、間隔補正手段が、光源手段から光偏向手段に至る光路中に配置された少なくとも１つの光学部材と、光学部材の位置的変化または物理的変化を制御する制御機構とを備えている場合、パッシブな光学部材の位置的変化や、アクティブな光学部材の物理的変化を制御する制御機構を設けることにより、光ビームの位置を補正することが可能となる。また、間隔補正手段を光偏向手段の前に配置することで、間隔補正手段に小型な光学部材を用いることが可能となる。

また、本発明の光走査装置において、光ビーム検出手段に「走査結像光学系を介した光ビーム」が入射するようになっている場合には、走査結像光学系に起因する光ビームの位置変化まで含めて、実際に有効画像形成領域内で発生している光ビームの位置を検出することが可能となる。また走査結像光学系を介することで、光ビーム検出手段の分離光学系にはビーム分離効果を持たせればよく、構成を容易にすることができる。

また、光ビーム検出手段に「有効画像形成領域外の光ビームが入射する」ようになっている場合には、光ビーム検出手段に入射する光ビームは、有効画像形成領域外の光ビームであることにより、リアルタイムでの光ビームの位置検出が可能になり、より高精度なフィードバック制御が可能となる。また、検出に必要な画像形成装置のダウンタイムが不必要となる。上記光走査装置では、光ビーム検出手段で光ビームを検出する時のみ、光ビームの出力を調整することができ、この場合、有効画像形成領域に影響を与えることなく、光ビームの発光出力を、光検出器の入射エネルギー特性や感度に合わせて調整することが可能となり、検出精度を向上させることができる。

光ビーム検出手段が、主走査方向に２個設けられている場合、走査線傾きや走査線曲がりといった走査線に関する特性を検出でき、より高精度な光走査が可能である。また補正手段を備えれば、フィードバック制御により「より高精細な画像形成装置」を実現でき、カラー画像形成の際に、各色毎の有効画像領域幅が同一になるように、光源装置からの光ビームの駆動クロック周波数を調整することによる全幅倍率誤差を低減することが可能となる。

また、光ビーム検出手段に主走査方向の書込み開始位置を定める同期検知手段の機能も持たせることで検出手段を一体化でき、光走査装置の小型化・低コスト化を実現できる。

回折光学素子を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 回折次数：ｍ＝０と−１のビームに分離する回折光学素子を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例１を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例２を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例２を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例２を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例２を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例３を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例３を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例３を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例３を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例４を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例４を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例４を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例４を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例５を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例５を説明するための図である。 具体的な回折光学素子に関する計算例５を説明するための図である。 画像形成装置の実施の１形態を説明するための図である。 光走査装置の光学配置の１例を説明するための図である。 光ビーム検出手段の実施の１形態を説明するための図である。 図２７の光ビーム検出手段の光検出手段を説明するための図である。 上記光ビーム検出手段による光ビーム検出を説明するための図である。 上記光ビーム検出手段による光ビーム検出を説明するための図である。 上記光ビーム検出手段による光ビーム検出を説明するための図である。 光走査装置の光学配置の別例を説明するための図である。 図３２の光走査装置における位置補正手段を説明するための図である。 光走査装置の光学配置の他の例を説明するための図である。 図３４の光走査装置における間隔補正手段を説明するための図である。 光走査装置の光学配置のさらに他の例を説明するための図である。 光走査装置の光学配置のさらに他の例を説明するための図である。 光走査装置の光学配置のさらに他の例を説明するための図である。

符号の説明

１０ 回折光学素子
１０Ａ 回折面

Claims (9)

1. １次元の周期構造を持つ回折面を備えた光学素子であって、
   回折面における１次元の周期構造の周期：Ｐ、使用する光ビームの波長：λ、回折面による回折次数：ｍ、回折次数：ｍに対するｐ偏光およびｓ偏光の透過回折効率：Ｔｐ(ｍ)およびＴｓ(ｍ)が、条件：
   （１） ０．５λ＜Ｐ＜１．５λ
   （２） |{Ｔｐ(ｍ)−Ｔｓ(ｍ)}／{Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)}|＜０．１
   を満たすことを特徴とする回折光学素子。
2. 請求項１記載の回折光学素子において、
   入射する光ビームを、回折次数：ｍ＝０およびｍ＝−１を用いて２つのビームに分離することを特徴とする回折光学素子。
3. 請求項２記載の回折光学素子において、
   入射する光ビームが、条件：
   （３） ｓｉｎθ_０＝λ／２Ｐ
   を満たす角：θ_０に近い入射角で入射されることを特徴とする回折光学素子。
4. 請求項２または３記載の回折光学素子において、
   回折次数：ｍのビームに対するｐ偏光およびｓ偏光の透過回折効率：Ｔｐ(ｍ)およびＴｓ(ｍ)により、次式：
   Ｔ(ｍ)＝{Ｔｐ(ｍ)＋Ｔｓ(ｍ)}／２
   で定義されるＴ(ｍ)が、条件：
   （４） |{Ｔ(０)−Ｔ(−１)}／{Ｔ(０)＋Ｔ(−１)}|＜０．１
   を満足することを特徴とする回折光学素子。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の回折光学素子において、
   回折面における１次元の周期構造が、略矩形波状の断面形状を持つことを特徴とする回折光学素子。
6. 光ビームを偏向させて被走査面を走査して光書込みを行う光走査装置において、光ビームを検出する光ビーム検出手段であって、
   偏向された光ビームの通過位置に設けられて、上記光ビームを、回折により副走査方向に複数のビームに分離する回折光学素子と、複数の受光部が副走査方向に配置され、上記回折光学素子により分離した複数のビームを個別に検出する光検出手段とを有し、
   上記回折光学素子として請求項１〜５の任意の１に記載の回折光学素子が用いられたことを特徴とする光ビーム検出手段。
7. 請求項６記載の光ビーム検出手段において、
   光検出手段における複数の受光部の少なくとも１つは、受光するビームの副走査方向への入射位置変動により出力が変化しないものであり、受光部の他の少なくとも１つは、受光するビームの副走査方向への入射位置変動により出力が時間的に変化するものであることを特徴とする光ビーム検出手段。
8. 光ビームを偏向させて被走査面を走査して光書込みを行う光走査装置であって、
   光ビームによる被走査面の走査の、少なくとも開始側において光ビームを検出する光ビーム検出手段として、請求項６または７に記載の光ビーム検出手段を用いたことを特徴とする光走査装置。
9. 請求項８記載の光走査装置を用いて画像形成を行う画像形成装置。

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