JP2012049282A - 光学素子、該光学素子を備えた面発光レーザ、該面発光レーザを露光用光源として備えた電子写真装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口数が１／√２以下の集光レンズで集光した際、円周偏光環状のビームの集光スポットを単峰形状とすることが可能な光学素子等を提供する。
【解決手段】ビームの入射平面７にビームが入射する際の入射ベクトル８の方向と平行する第一の分割平面５と、入射ベクトルと平行し且つ前記第一の分割平面と直交する第二の分割平面６とで分割された領域を備え、入射ベクトル方向に進行し、入射ベクトル方向と直交するビームの入射面と第一及び第二の分割平面との交線における第一の分割平面と平行な方向に直線偏光したビームが入射平面に入射する際に、第一の分割平面で分割される領域間でπ異なる位相回転角をビームに与え、交線における第二の分割平面と平行な交線の方向に直線偏光したビームが、入射面に入射する際に、第二の分割平面で分割される領域間でπ異なる位相回転角をビームに与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子、該光学素子を備えた面発光レーザ、該面発光レーザを露光用光源として備えた電子写真装置に関し、特にレーザビームの集光スポットを単峰形状とすることができ、電子写真装置等の露光用光源に適した面発光レーザに関する。

近年、基板の表面に対して垂直方向に光を出射する面発光レーザの研究が盛んに行われている。
面発光レーザは、単一モード発振が容易であり、端面発光レーザと比較してレーザビームの広がり角が狭く、二次元レーザアレイ化が容易である等の特長を有している。
そのため、電子写真装置および光記憶装置の露光用光源として用いること等について研究が進められている。
面発光半導体レーザを電子写真装置および光記憶装置の露光用光源として用いる場合、そのレーザビームは集光レンズによって感光部材表面上に集光される。よって、一般に集光のスポット径が小さいほど露光の解像度が高くなる。

特許文献１には、集光スポットの縮小が可能となる面発光レーザとして、断面形状が環状であって径方向に偏光したレーザビームを得るようにしたフォトニック結晶面発光レーザが記載されている。
図１９（ａ）に特許文献１に記載されたフォトニック結晶面発光レーザの構造およびレーザビームの偏光方向（電場ベクトルの方向）を示す。
図１９（ａ）において、３９は基板、４０は出射面、４１は円周偏光環状のレーザビーム、４２はπ／２波長板、４３は進相軸、４４は径偏光環状レーザビームである。
該フォトニック結晶面発光レーザは、出射面４０の上に重ねられた２枚の１／２波長板４２を具備しており、該２枚の１／２波長板４２はその進相軸４３が４５°の角を成している。
また、非特許文献１には、波長板を備えないフォトニック結晶面発光レーザから出射されるレーザの断面強度分布および偏光方向に関する事項が記載されている。
すなわち、非特許文献１によれば、基板表面の出射面４０から出射されたレーザビーム４１は、円環状の断面強度分布を有している。そして、その偏光はレーザビーム中心の回りを周回する方向（円周方向）を向いている（このようなレーザビームを円周偏光環状のレーザビームと記す）、該円周偏光環状のレーザビームについて記載されている。
特許文献１の面発光レーザでは、上記円周偏光環状のレーザビームが、４５°互いに傾いた二枚の１／２波長板４２を通過することにより、偏光がそのレーザビーム中心から外側に向う方向（径方向）に変換される（これを径偏光環状レーザビームと記す）。

また、非特許文献２には、上記径偏光環状レーザビームを集光レンズによって集光したとき、スポット径が回折限界を超えて小さくなるメカニズムについて記載されている。
ここで集光限界とは、直線偏光にある平面波が集光レンズを通過したときの、レーザビームの波長と集光レンズの開口径により決定される集光スポットの理論的な最小値を指す。
図１９（ｂ）は、径偏光環状レーザビームが回折限界を超えて集光するメカニズムを説明するための図である。
図１９（ｂ）において、４５は電場ベクトル、４６は断面強度分布、４７は電場ベクトル、４８は電場ベクトルの平行成分、４９は電場ベクトルの直交成分、５０は集光レンズ、５１は光軸、５７はスポット中心である。
図１９（ｂ−１）は径偏光環状レーザビームの断面強度分布４６と電場ベクトル４５の関係を示す図である。また、図１９（ｂ−２）は集光レンズ５０を通過する前後のレーザビームの電場ベクトルを示す図である。
図１９（ｂ−２）で描かれている集光レンズの開口数は約０．８であり、径偏光環状レーザビームの中心を向いていた電場ベクトル４７は、レンズを通過後、大きく傾く。このとき、電場ベクトルの光軸に平行な成分４８（電場の平行成分）は直角な成分４９（電場の直交成分）と比較して約１．７倍大きい。
また、集光レンズ５０を通過後、電場の平行成分４８は同じ方向を向き、電場の直交成分４９は互いに逆方向を向く。よって、レンズの焦点では、電場のエネルギーの多くを担う電場の平行成分は同位相で干渉し合い、集光スポット５７の中央に急峻な電場強度のピークを形成する。

特開２００７−２５８２６０号公報

¨Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｓｑｕａｒｅ−Ｌａｔｔｉｃｅ Ｓｌａｂ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ¨， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｃ， Ｎｏ． ３， Ｍａｒｃｈ ２００４， ｐｐ． ３８６−３９２ Ｒ．Ｄｏｒｎ 他２名、フィジカルレビューレターズ、（米国）、アメリカ物理学会発行、２０００年５月２５日、９１巻、２３号２３３９０１−１〜２３３９０１−４頁（Ｒ． Ｄｏｒｎ ｅｔ ａｌ．， ¨Ｓｈａｒｐｅｒ Ｆｏｃｕｓ ｆｏｒ ａ ｒａｄｉａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｂｅａｍ¨， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．９１， Ｎｏ． ２３， ｐｐ． ２３３９０１−１〜２３３９０１−４）

しかし、特許文献１に記載されているフォトニック結晶面発光レーザの構成では、開口数が１／√２≒０．７１以下の集光レンズを用いた場合、集光スポットを小さくする効果が得られ難いという問題が生じる。
図２０（ａ）は、開口数約０．２の集光レンズを通過した径偏光環状レーザビームの電場ベクトルを表している。
図２０（ａ−１）は径偏光環状レーザビームのレーザビーム断面の電場ベクトル分布、図２０（ａ−２）は開口数０．２の集光レンズを通過したときの電場ベクトルの傾きを示す図である。
図２０（ａ−２）において、集光レンズ５０を通過したレーザビームは、光軸５１に対して約１１度傾く。
図１９（ｂ）で示される高開口数の集光レンズで集光した場合と異なり、図２０（ａ）においては、電場の直交成分４９が電場の平行成分４８よりも大きくなる。よって、集光のスポット中心５７では、電場のエネルギーの殆どを担う直交成分は逆位相で干渉し、互いに弱め合う。
一方で、スポット中心から離れた位置では、電場の直交成分が強め合うように干渉する位置を見出すことができる。
その結果、開口数０．２の集光レンズで集光した径偏光環状レーザビームのスポットは、スポット中心にピークを持つ単峰形状とならない。

一般に、図２０（ｂ）で示されるように、開口数１／√２の集光レンズで集光した場合、集光レンズを通過した径偏光環状レーザビームの電場ベクトル５７は光軸５１に対して約４５°傾き、電場の平行成分４８と直交成分４９は同じ大きさとなる。
図２０（ｂ−１）は従来例における径偏光環状レーザビームのレーザビーム断面の電場ベクトル分布、（ｂ−２）は開口数１／√２〜０．７１の集光レンズを通過したときの電場ベクトルの傾きを示す図である。
図１９および図２０より明らかなように、電場の直行成分を平行成分よりも大きくするためには、集光レンズの開口数が１／√２より小さくなければならず、電場の平行成分を直行成分よりも大きくするためには、集光レンズの開口数が１／√２より大きくなければならない。
また、図１９（ｂ）で示されるように、径偏光環状レーザビームにより集光スポットを小さくするためには、少なくとも電場の平行成分が電場の直行成分よりも大きくなる必要がある。
よって、開口数が１／√２より小さい集光レンズで径偏光環状レーザビームを集光させた場合、集光スポットを小さくする効果が得られ難い。
一般に、感光性部材の表面をレーザビームで高速走査する光記録装置および電子写真装置では、レーザビーム走査による光路長の変化を補う焦点深度が必要とされ、開口数＞１／√２〜０．７１を満たす高開口数の集光レンズを使用することは難しい。
したがって、特許文献１に記載される構成を用いても、光記録装置および電子写真装置において、円周偏光環状のレーザビームの集光スポットを単峰形状とすることは難しい。

本発明は、上記課題に鑑み、開口数が１／√２以下の集光レンズで集光した際にも、円周偏光環状のレーザビームの集光スポットを単峰形状とすることを可能とする光学素子、該光学素子を備えた面発光レーザの提供を目的とする。
また、本発明は、上記面発光レーザを露光用光源として備えた電子写真装置の提供を目的とする。

本発明の光学素子は、レーザから出射された円周偏光環状のレーザビームを位相制御し、集光レンズによる集光スポットを単峰形状とする光学素子であって、
レーザビームの入射面に該レーザビームが入射する際の入射ベクトル方向と平行する第一の分割平面と、該入射ベクトルと平行し且つ前記第一の分割平面と直交する第二の分割平面とで分割された領域を備え、
前記入射ベクトル方向に進行し、且つ、前記第一の分割平面と平行な方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記入射面に入射する際に、
前記第一の分割平面で分割される領域間でπ異なる位相回転角を前記レーザビームに与え、
前記入射ベクトル方向に進行し、且つ、前記第二の分割平面と平行な交線の方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記入射面に入射する際に、
前記第二の分割平面で分割される領域間でπ異なる位相回転角を前記レーザビームに与えることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、出射面と直交する方向に円周偏光環状のレーザビームを出射し、該出射されるレーザビームの光路上に位相制御手段を備えた面発光レーザであって、
前記位相制御手段が、上記した光学素子によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の電子写真装置は、上記した面発光レーザが複数配列されて面発光レーザアレイが構成され、該面発光レーザアレイを露光用光源として備える電子写真装置であって、
前記面発光レーザアレイから出射されたレーザビームを感光性部材の表面で集光させる集光レンズを備え、
前記面発光レーザアレイから出射されたレーザビームの中心を一致させる光学系を、前記面発光レーザアレイと前記集光レンズが結ぶ光路上に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、開口数が１／√２以下の集光レンズで集光した際にも、円周偏光環状のレーザビームの集光スポットを単峰形状とすることを可能とする光学素子、該光学素子を備えた面発光レーザを実現することができる。
また、本発明は、上記面発光レーザを露光用光源として備え解像度を向上させた電子写真装置を実現することができる。

本発明の実施例１における光学素子の構成を説明する斜視図。 本発明の実施例１における図１の光学素子に入射ベクトル方向に進行するレーザビームが入射したときの、第一の領域から第四の領域の波長板１、２および光学プレート３、４の屈折率を表す行列を示す図。 本発明の実施例１における図１の光学素子の第一の領域から第四の領域を通過したレーザビームの位相回転角を表す行列を示す図。 本発明の実施例１における図１の光学素子に入射される円周偏光環状のレーザビームの断面強度分布および電場ベクトルを示す図。 本発明の実施例１における円周偏光環状のレーザビームの電場ベクトルの直線偏光成分を示す図。 本発明の実施例１における光学素子を通過した円周偏光環状のレーザビームの、断面強度分布および電場ベクトルを示す図。 本発明の実施例１における光学素子を通過した円周偏光環状のレーザビームの、電場ベクトルの直線偏光成分を示す図。 本発明の実施例１における光学素子を通過した円周偏光環状のレーザビームの、集光スポットを示す図。 比較例における円周偏光環状のレーザビームの断面強度分布と電場ベクトルおよび集光スポットを示す図。 比較例における径方向環状レーザビームの断面強度分布と電場ベクトルおよび集光スポットを示す図。 本発明の実施例２における光学素子の構成を説明する斜視図。 本発明の実施例２における光学素子のｘ軸およびｙ軸と平行に直線偏光したレーザビームが入射したときの、第一の位相制御板および第二の位相制御板の屈折率を表す行列を示す図。 本発明の実施例２における光学素子の第一および第二の位相制御板をレーザビームが通過する際の位相回転角を示す図。 本発明の実施例２における光学素子の第一および第二の位相制御板を通過後の環状レーザビームの断面強度分布と電場ベクトル、およびｘ軸、ｙ軸と平行な電場ベクトルの直線偏光成分を示す図。 本発明の実施例２における図１３で示される光学素子を通過した円周偏光環状のレーザビームの集光パターンを示す図。 本発明の実施例３におけるフォトニック結晶面発光レーザ素子の構成について説明する斜視図。 （ａ）は非特許文献２に記載されているフォトニック結晶面発光レーザから出射される円周偏光環状のレーザビームの断面強度分布および電場ベクトルの計算結果を示す図。（ｂ）は本発明の実施例３のフォトニック結晶構造からなるフォトニック結晶面発光レーザの平面模式図。 本発明の実施例４における電子写真装置の構成を説明する斜視図。 （ａ）は従来例におけるフォトニック結晶面発光レーザの構成を示す斜視図。（ｂ）は従来例における径偏光環状レーザビームが回折限界を超えて集光するメカニズムを説明するための図。 （ａ）及び（ｂ）は従来例における問題点を説明するための図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光学素子の構成例について、図１を用いて説明する。
本実施例の光学素子は、つぎのような構成を有している。
レーザビームが入射する入射面である平面７を備え、レーザビームの入射ベクトル８と平行且つ互いに直交する平面５、平面６（以下、平面５を第一の分割平面、平面６を第二の分割平面と記す）によって、第一から第四の４つの領域に分割されている。
そして、これらの領域における対角関係にある一方の第二の領域と第四の領域には、複屈折部材からなる波長板１、波長板２が設置されている。
また、対角関係にある他方の第一の領域と第三の領域には、非複屈折部材からなる光学プレート３、光学プレート４が設置されている。
ここで、入射ベクトルとは、図１の光学素子にレーザビームが入射する際の方向を示すベクトルである。以下において、光学素子に入射するレーザビームは入射ベクトルと平行に進行するものとする。
ここで、説明のために、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を、それぞれつぎのように定義する。すなわち、入射ベクトル方向と直交するレーザビームが入射する平面７（以下、入射平面と記す）と上記第一の分割平面との交線を、ｘ軸と定義する。
また、上記入射平面と上記第二の分割平面との交線を、ｙ軸と定義する。
また、上記第一の分割平面と第二の分割平面との交線を、ｚ軸と定義する。このとき、該ｚ軸は、上記入射ベクトルと平行となる。
波長板１、２はレーザビームの波長λに対し１／２波長板として機能し、波長板１の進相軸と遅相軸はｘ軸およびｙ軸とそれぞれ平行となるよう、また波長板２の進相軸と遅相軸はｙ軸およびｘ軸とそれぞれ平行となるように配置されている。
また、光学プレート３、４は、ｘ軸方向に直線偏光したレーザビームが波長板１、２を透過したときと等しい位相回転角をレーザビームに与えるように構成されている。

図２を用いて、図１の光学素子に入射ベクトル方向に進行するレーザビームが入射したときの、第一の領域から第四の領域の波長板１、２および光学プレート３、４の屈折率を表す行列について説明する。
行列の（１、１）成分は上記ｘ軸方向に直線偏光したレーザビームが入射したときの屈折率を表し、また行列の（２、２）成分は上記ｙ軸方向に直線偏光したレーザビームが入射したときの屈折率を表している。
ここで、偏光および直線偏光の方向とは電場ベクトルの方向を指す。
光学プレートは非複屈折材料で作られており、屈折率の対角成分はそれぞれ等しくなる。
ここで、第二の領域においてｘ軸が、また第四の領域においてｙ軸が設置されたそれぞれの波長板１、２の進相軸５２であることと、該行列の非対角成分が零、且つｎ１＜ｎ２と同意である。
また、波長板１、２が１／２波長板として機能することは、波長板１、２の厚さをＬとしたとき、入射されるレーザビームの波長λに対してπ＝Ｌ×（ｎ２−ｎ１）２π／λの関係が成り立つことを意味する。
さらに、図１の光学プレート３、４の厚さＬ３、Ｌ４は、Ｌ３×ｎ３＋（Ｌ−Ｌ３）×１＝Ｌ×ｎ１、およびＬ４×ｎ４＋（Ｌ−Ｌ４）×１＝Ｌ×ｎ２の関係を満たすように決められている。

図３を用いて、図１の光学素子の第一から第四の領域を通過したレーザビームの位相回転角を表す行列について説明する。
位相回転角とは、光学素子を通過するときの光路長から光学素子を通過しなかったときの光路長を引き、２π／λを掛けた角度で定義される。
すなわち、ここで定義される位相回転角とは、光学素子を通過することによる電磁場の振動の位相ズレを表す量に相当し、位相回転角π＋ｍ×２π（ｍは整数を表す）が与えられると、光学素子通過の後の電場ベクトルは光学素子が無い場合と比べて反転する。
図３において、行列の（１、１）成分は上記ｘ軸方向に直線偏光するレーザビームが通過する際の位相回転角を表し、また（２、１）成分は上記ｙ軸方向に直線偏光するレーザビームが通過する際の位相回転角を表している。
図３の行列は、ｘ軸方向に直線偏光したレーザビームが光学素子に入射されるとき、第三および第四領域を通過したレーザビームは第一および第二の領域通過したレーザビームよりも位相回転角がπ大きくなることを表す。
また、ｙ軸方向に直線偏光するレーザビームが光学素子に入射されるとき、上記第二の領域および第三の領域を通過したレーザビームは上記第一の領域および第四の領域を通過したレーザビームよりも、位相回転角がπ大きくなることを表す。
すなわち、図３の行列は、入射ベクトル方向に進行し且つ上記第一の分割平面に平行に直線偏光したレーザビームが入射する、上記第一の分割平面で分割される領域間でπ異なった位相回転角がレーザビームに与えられることを意味する。
また、入射ベクトル方向に進行し且つ上記第二の分割平面に平行に直線偏光したレーザビームが入射するとき、上記第二の分割平面で分割される領域間でπ異なった位相回転角がレーザビームに与えられることを意味する。
以下、分割された領域間にπ異なった位相回転角を与えることを、位相反転と記す。

図４は、図１の光学素子に入射される円周偏光環状のレーザビームの断面強度分布１０および電場ベクトル９を示す。
また図５は、円周偏光環状のレーザビームにおける電場ベクトルのｘ軸およびｙ軸と平行する直線偏光成分１３を表す。
図５における直線偏光成分１３の色の反転は、電場ベクトルが色の異なる領域で互いに逆方向を向くことを意味している。
さらに、図６は、図１の光学素子を通過した後の電場強度分布１０と電場ベクトル９を示す。
また図７は、図１の光学素子を通過した後の、電場ベクトルのｘ軸およびｙ軸と平行する直線偏光成分である。
図５および図７から明らかなように、図１の光学素子を通過することで、電場ベクトルの直線偏光成分は分割された領域間でπ異なった位相回転角が与えられ、光学素子を通過後、電場ベクトルの直線偏光成分は同じ方向を向く。
図８は、図６の偏光状態をもつ環状レーザビームを開口数０．１の集光レンズで集光したときの集光スポットを示し、１４はスポット中心を示す。集光スポットは、位相反転によって単峰形状となる。

図９、図１０は、比較例として示された、円周偏光環状のレーザビームおよび特許文献１に記載されている径偏光環状レーザビームの、断面強度分布１０と電場ベクトル９、および開口径０．１のレンズで集光したときの集光パターンである。１４はスポット中心、１５はレーザビームの中心である。
何れの場合も、レーザビームの中心に対して向かい合う電場ベクトルは逆方向を向いているため、低開口数のレンズで集光した場合、集光のスポット中心１４では破壊的な干渉が生じ、集光パターンは単峰形状とならない。

また、一般に、光学部材表面の透過および反射は部材によって異なる。
本発明の構成は、環状レーザビームの中心に対して対称に位置する電場ベクトルの干渉を利用するものであり、光学素子を通過することによる強度分布の変化は少ないことが望まれる。
そのため、本実施例における図１に示される光学素子の波長板１、２および光学プレート３、４の表面には、第一の領域から第四の領域の透過率を等しくする反射防止膜または反射膜もしく吸収膜がコーティングされていることが望ましい。

［実施例２］
実施例２として、実施例１とは異なる形態の光学素子の構成例について、図１１を用いて説明する。
図１１において、２６、２９は波長板、２７、２８は光学プレート、３０は第二の分割平面、３１は第一の分割平面、３２は入射平面、３３は入射ベクトルである。該入射ベクトル３３は、該入射平面３２と直交関係にある。
本実施例の光学素子は、つぎのような構成を有している。
すなわち、レーザビームの入射ベクトル３３と平行且つ互いに直交する第一の分割平面３１と第二の分割平面３０を備える。
また、本実施例の光学素子は、入射ベクトル３３と直交し、且つ入射平面３２と平行な第一の位相制御板および第二の位相制御板を備える。
第一の位相制御板は、入射ベクトル３３と平行な第一の分割平面３１で分割されており、１／２波長板２６および光学プレート２７がそれぞれ配置されている。また、第二の位相制御板は、入射ベクトルと平行且つ第一の分割平面３１と直交する第二の分割平面３０で分割されており、１／２波長板２９および光学プレート２８がそれぞれ配置されている。
これらの光学プレート２７、２８とは、実施例１と同様に非複屈折率部材からなる透明プレートで構成されている。
ここで、説明のために、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を、それぞれつぎのように定義する。すなわち、入射ベクトル方向と直交するレーザビームが入射する平面３２（以下、入射平面と記す）と上記第一の分割平面との交線を、ｘ軸と定義する。
また、上記入射平面と上記第二の分割平面との交線を、ｙ軸と定義する。
また、上記第一の分割平面と第二の分割平面との交線を、ｚ軸と定義する。このとき、該ｚ軸は、上記入射ベクトルと平行となる。
図１１において、波長板２６の進相軸と遅相軸はｘ軸およびｙ軸とそれぞれ平行となるよう、また波長板２９の進相軸と遅相軸はｙ軸およびｘ軸とそれぞれ平行となるように設置の方向が調整されている。また、光学プレート２７は、第二の分割平面と平行な方向に直線偏光したレーザビームが、波長板２６を通過したときと等しい位相回転角を前記レーザビームに与えるように構成されている。また、光学プレート２８は、第一の分割平面と平行な方向に直線偏光したレーザビームが、波長板２９を通過したときと等しい位相回転角を前記レーザビームに与えるように構成されている。
以下、図１１の光学素子に入射するレーザビームは入射ベクトルと平行に進行することとする。

図１２は、ｘ軸およびｙ軸と平行に直線偏光したレーザビームが入射したときの、第一の位相制御板および第二の位相制御板の屈折率を表す行列である。
行列の（１、１）成分はｘ軸と平行に直線偏光するレーザビームが入射したときの屈折率、行列の（２、２）成分はｙ軸と平行に直線偏光するレーザビームが入射したときの屈折率を表す。
ここで、第一の位相制御板において波長板のｘ軸が、また第二の位相制御板においてｙ軸が進相軸であることと、該行列の非対角成分が零、且つｎ１＜ｎ２と同意である。
また、図１３において、波長板１、２が１／２波長板として機能することは、波長板１、２の厚さをＬとしたとき、入射されるレーザビームの波長λに対してπ＝Ｌ×（ｎ２−ｎ１）２π／λの関係が成り立つことを意味する。
さらに、光学プレート２７の厚さＬ３は、波長板の厚さをＬとしたとき、Ｌ３×ｎ３＋（Ｌ−Ｌ３）×１＝Ｌ×ｎ２を満たすように、光学プレート２８の厚さＬ４はＬ４×ｎ４＋（Ｌ−Ｌ４）×１＝Ｌ×ｎ２を満たすように決められている。

図１３は、第一および第二の位相制御板をレーザビームが通過する際の位相回転角を示す。
行列の（１、１）成分はｘ軸方向に直線偏光するレーザビームが通過する際の位相回転角、（２、１）成分はｙ軸方向に直線偏光するレーザビームが通過する際の位相回転角を示している。
第一および第二の位相制御板は以下のように機能する。まず、ｘ軸方向に直線偏光したレーザビームが通過するとき、第一の位相制御板における光学プレート２７は波長板２６よりも位相回転角がπ大きく位相反転を引き起こし、第二の位相制御板は位相反転を起こさない。
すなわち、光学素子を通過した後、第一の分割平面と平行に直線偏光するレーザビームには、ｘ軸と平行の分割平面３１で分割された領域間でπ異なる位相回転角が与えられ位相反転が生じる。
同様に、ｙ軸方向に直線偏光したレーザビームが通過するとき、第一の位相制御板は位相反転を引き起こさず、第二の位相制御板における光学プレート２８は波長板２９よりも位相回転角がπ大きく位相反転を引き起こす。
すなわち、光学素子を通過した後、第二の分平面と平行に直線偏光するレーザビームには、ｙ軸と平行する分割平面３０で分割された領域間でπ異なる位相回転角が与えられ、位相反転が生じる。

図１４は、第一および第二の位相制御板を通過後の環状レーザビームの断面強度分布と電場ベクトル、およびｘ軸、ｙ軸と平行な電場ベクトルの直線偏光成分を示している。
ｘ軸方向に直線偏光した電場ベクトルの成分は、第一の位相制御板を通過した際に、分割面で分割された領域間で位相回転角の差πが生じ、レーザビームの断面内で同じ方向を向く。
同様に、ｙ軸方向に直線偏光した電場ベクトルの成分は、第二の位相制御板を通過した際に、分割面で分割された領域間で位相回転角の差πが生じ、レーザビームの断面内で同じ方向を向く。
図１５は、図１３で示される光学素子を通過した円周偏光環状のレーザビームの集光パターンである。第一および第二の位相制御板を通過する際に与えられる位相回転角により、集光パターンは単峰形状に転じる。

［実施例３］
実施例３として、出射面と直交する方向に円周偏光環状のレーザビームを出射し、該出射されるレーザビームの光路上に位相制御手段として本発明の光学素子を適用した面発光レーザの構成例について、図１６を用いて説明する。
図１６において、２５は面内対称軸、３９は基板、４０は出射面、４１ａはレーザビーム、５３は位相制御手段である。
本実施例の面発光レーザは、面内対称軸を有するフォトニック結晶で構成された共振器を備えたフォトニック結晶面発光レーザ素子として構成され、該フォトニック結晶面発光レーザ素子は、出射面４０上に位相制御手段５３が具備されている。
図中に示されている第一の分割平面５および第二の分割平面６は、出射面４０に直交且つ互いに直交している。
出射面４０から該出射面と直交する方向に出射される円周偏光環状のレーザビームにおいて、分割平面５と平行する電場ベクトルの直線偏光成分には、第一の分割平面５で分割される領域間で、π異なる位相回転角が位相制御手段５３により与えられる。
同様に、分割平面６と平行する電場ベクトルの直線偏光成分には、第二の分割平面６で分割される領域間でπ異なる位相回転角が位相制御手段５３により与えられる。このような位相制御手段は、実施例１ないし実施例２で記述されている光学素子で構成されるようにしてもよい。

図１７（ａ）は非特許文献２に記載されているフォトニック結晶面発光レーザから出射される円周偏光環状のレーザビームの断面強度分布１０（図中の濃淡）および電場ベクトル９（図中の矢印）の計算結果を示す図である。図１７（ｂ）は本実施例のフォトニック結晶構造からなるフォトニック結晶面発光レーザの平面模式図である。図１７（ｂ）において、２４はフォトニック結晶共振器である。
図１７には、本実施例のフォトニック結晶面発光レーザから出射された円周偏光環状のレーザビームが、フォトニック結晶共振器２４の形状の影響を受け、その面内対称性を保ったまま、少し歪んだ環状を成すことが示されている。
本実施例の構成によれば、分割平面により分割された領域間の位相回転角を制御し、該分割された領域の電場ベクトルをスポット中心において同位相で干渉させるように構成されている。
そのため、分割平面により分割される領域の電場ベクトルおよび断面強度分布は、該分割平面に対して対称であることが望ましい。
このようなことから、図１６で示される位相制御機構５３の領域を分割する分割平面の少なくとも一つが、フォトニック結晶共振器の面内対称軸２５の少なくとも一つと平行となるように構成される。

［実施例４］
実施例４として、本発明の面発光レーザが複数配列されて構成された面発光レーザアレイを露光用光源として備える電子写真装置の構成例について、図１８を用いて説明する。
図１８において、１８はミラー、３４はフォトニック結晶面発光レーザアレイ、３５は集光光学系、３６は光学素子、３７は円周偏光環状のレーザビーム、３８はレンズである。５８は集光レンズ、５９は感光ドラム、６０はポリゴンミラーである。
本実施例の電子写真装置は、実施例１および実施例２で説明された光学素子３６をフォトニック結晶面発光レーザアレイ３４と集光レンズ５８の間の光路上に設置した構成を備える。
そして、該フォトニック結晶面発光レーザアレイ３４から出射され該光学素子３６を通過した環状レーザビームは、集光レンズ５８により感光性部材からなる感光ドラム５９上で集光スポットを結ぶように構成されている。
図１８に示されるように、フォトニック結晶面発光レーザアレイ３４から出射した複数の円周偏光環状のレーザビーム３７は、該フォトニック結晶面発光レーザアレイと集光レンズを結ぶ光路上に設置された共通の集光光学系３５により集光される。そして、集光光学系の焦点位置でレーザビームの中心が一致するように構成されている。
光学素子３６は、該集光光学系３５の焦点位置に配置されている。集光光学系３５の焦点位置に光学素子を配置することにより、共通の光学素子を用いて、すべてのレーザビームに同じ位相回転角を与えることが可能となる。
なお、以上の説明では本発明の面発光レーザを電子写真装置に適用した例について説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、本発明の面発光レーザは光記録装置等の露光用光源にも好適に適用することができる。

１、２：波長板
３、４：光学プレート
５：第一の分割平面
６：第二の分割平面
７：入射平面
８：入射ベクトル
５２：進相軸

Claims (7)

1. レーザから出射された円周偏光環状のレーザビームを位相制御し、集光レンズによる集光スポットを単峰形状とする光学素子であって、
   レーザビームの入射面に該レーザビームが入射する際の入射ベクトル方向と平行する第一の分割平面と、前記入射ベクトル方向と平行し且つ前記第一の分割平面と直交する第二の分割平面とで分割された領域を備え、
   前記入射ベクトル方向に進行し、且つ、前記第一の分割平面と平行な方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記入射面に入射する際に、
   前記第一の分割平面で分割される領域間でπ異なる位相回転角を前記レーザビームに与え、
   前記入射ベクトル方向に進行し、且つ、前記第二の分割平面と平行な方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記入射面に入射する際に、
   前記第二の分割平面で分割される領域間でπ異なる位相回転角を前記レーザビームに与えることを特徴とする光学素子。
2. 前記第一の分割平面と第二の分割平面とで分割された領域は、これらの第一と第二の分割平面によって第一から第四の領域に分割され、
   前記分割された領域において対角関係にある一方の第二の領域および第四の領域に、１／２波長板がそれぞれ設置され、
   前記分割された領域において対角関係にある他方の第一の領域と第三の領域に光学プレートがそれぞれ設置され、
   前記第二の領域における１／２波長板は、該１／２波長板の進相軸と遅相軸が前記第一の分割平面および前記第二の分割平面とそれぞれ平行となるように配置されており、
   前記第四の領域における１／２波長板は、該１／２波長板の進相軸と遅相軸が前記第二の分割平面および前記第一の分割平面とそれぞれ平行となるように配置されており、
   前記第一の領域に設置された光学プレートは、前記第一の分割平面と平行な方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記第二の領域に設置された１／２波長板を通過したときと等しい位相回転角を前記レーザビームに与え、
   前記第三の領域に設置された光学プレートは、前記第一の分割平面と平行な方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記第四の領域に設置された１／２波長板を通過したときと等しい位相回転角を前記レーザビームに与えることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記レーザビームの入射ベクトル方向と直交する第一の位相制御板と第二の位相制御板を備え、
   前記第一の位相制御板は、前記第一の分割平面で分割される領域に１／２波長板と光学プレートとをそれぞれ備え、
   前記１／２波長板は、該１／２波長板の進相軸と遅相軸が前記第一の分割平面および前記第二の分割平面とそれぞれ平行となるように配置されており、
   前記光学プレートは、前記第一の分割平面と直交する方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記１／２波長板を通過したときと等しい位相回転角を前記レーザビームに与え、
   前記第二の位相制御板は、前記第二の分割平面で分割される領域に１／２波長板と光学プレートとをそれぞれ備え、
   前記１／２波長板は、該１／２波長板の進相軸と遅相軸が前記第二の分割平面および前記第一の分割平面とそれぞれ平行となるように配置されており、
   前記光学プレートは、前記第二の分割平面と直交する方向に直線偏光した前記レーザビームが、前記１／２波長板を通過したときと等しい位相回転角を前記レーザビームに与えることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 前記波長板または光学プレートの表面は、
   前記第一の分割平面および第二の分割平面によって分割された領域の透過率を等しくする反射防止膜、反射膜及び吸収膜におけるいずれかの膜によってコーティングされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
5. 出射面と直交する方向に円周偏光環状のレーザビームを出射し、該出射されるレーザビームの光路上に位相制御手段を備えた面発光レーザであって、
   前記位相制御手段が、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子によって構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
6. 請求項５に記載の面発光レーザは、面内対称軸を有するフォトニック結晶で構成された共振器を備え、前記第一の分割平面と前記第二の分割平面の少なくとも一つは、前記共振器の面内対称軸の少なくとも一つと平行となるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
7. フォトニック結晶を共振器に用いた面発光レーザが複数配列されて面発光レーザアレイが構成され、該面発光レーザアレイを露光用光源として備える電子写真装置であって、
   前記面発光レーザアレイから出射されたレーザビームを感光性部材の表面で集光させる集光レンズを備え、
   前記面発光レーザアレイから出射されたレーザビームの中心を一致させる光学系が、前記面発光レーザアレイと前記集光レンズが結ぶ光路上に配置されており、前記光学系によってレーザビームの中心が一致する位置に、請求項１乃至４に記載の光学素子を備えていることを特徴とする電子写真装置。

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