JP2015087537A - 位相変調素子、光源ユニット及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相変調特性の光線入射角度依存性を低減することができる位相変調素子を提供する。
【解決手段】位相変調素子ＰＭは、拡散光又は収束光からなる光線が通過する光路上に配置され、位相変調領域Ａと、非位相変調領域Ｂとを含む。位相変調素子ＰＭは、第１面Ｒ１と、その裏側の第２面Ｒ２とを有する。第１面Ｒ１は凹型の円錐面であり、第２面Ｒ２は凸型の円錐面である。位相変調素子ＰＭの素子形状は、第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２が、光軸ＡＸを含み該光軸ＡＸ方向に沿ったいずれの断面においても、光軸ＡＸに対して軸対称であるアキシコン型の素子形状である。拡散光が位相変調素子ＰＭに入射される場合、第１面Ｒ１が入射面となり、第２面Ｒ２が出射面となる。一方、収束光が位相変調素子ＰＭに入射される場合、第２面Ｒ２が入射面となり、第２面Ｒ１が出射面となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光線の位相を変調する位相変調素子、所定の焦点位置に光を結像させる機能を備えた光源ユニット、及びこれを用いた画像形成装置に関する。

例えばレーザープリンターや複写機等の画像形成装置は、感光体ドラムの周面を走査して静電潜像を形成する光走査装置を備える。光走査装置は、レーザー光を発する光源と、前記レーザー光を偏向するポリゴンミラーと、偏向された前記レーザー光（走査光）を感光体ドラムの周面上に結像させる走査レンズとを含む。ドラム周面上のレーザー光のビームの結像性能が環境変動等で悪化すると、高品質の画像形成が達成できなくなる。また、高解像度化の要請により、ビーム径の小型化が求められる場合もある。

焦点深度の拡張、ビーム径の小型化、及びビーム径−デフォーカス曲線の変形等を目的として、前記レーザー光の一部を位相変調することにより、焦点位置近傍におけるビームプロファイルを変化させるいくつかの技術が知られている（例えば特許文献１〜３）。これらの技術では、結像光学系にマッチする位相分布を作り出す位相変調素子が、光路内に配置される。しかし、従来の技術では、位相変調素子に平行光が入射されることを前提として光学系が設計されている。このため、拡散光又は収束光からなる光線が通過する光路中に位相変調素子を配置した光学系とすると、像高によって前記光線の前記位相変調素子への入射角が異なるようになる。このため、位相変調量が像高によって異なってしまう不具合が生じる。

特開平５−８８１０８号公報 特開２００８−２６５８６号公報 特開２００８−２６８５８６号公報

本発明は、位相変調特性の光線入射角度依存性を低減することができる位相変調素子を提供することを目的とする。また、前記位相変調素子を用いて、焦点位置の近傍におけるビームプロファイルを変化させることができる光源ユニット、及びこれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係る位相変調素子は、拡散光又は収束光からなる光線が通過する光路上に配置され、前記光線の波面の一部が入射される第１領域と、前記波面の他の一部が入射される第２領域とを含み、前記第１領域を透過する光と前記第２領域を透過する光とに位相差を生じさせることで、前記光線の位相を変調する位相変調素子であって、前記光線が入射する入射面と、前記光線が出射する出射面とを含み、前記位相変調素子の素子形状は、前記入射面及び前記出射面が、光軸と直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として傾きを持つ面とされ、前記入射面に入射する前記光線の入射角と、前記出射面から出射する前記光線の出射角とが等しくなる素子形状である。

この構成によれば、位相変調素子には拡散光又は収束光からなる光線が入射されるので、光軸に対して比較的大きな傾き角を持つ光線と、比較的小さな傾きを持つ光線とが、当該位相変調素子を通過することになる。この位相変調素子の前記入射面及び前記出射面は、光軸と直交する面に対して傾きを持つ面である。また、前記入射面に入射する前記光線の入射角と、前記出射面から出射する前記光線の出射角とが等しくなる面である。つまり、実質的に曲率を持たない面である。従って、光軸に対して比較的大きな傾き角を持つ光線が前記位相変調素子に斜入射することにより生じる、位相変調特性の変化を抑制することができる。

上記の位相変調素子において、前記位相変調素子の素子形状は、前記光線のうち光軸に対して所定の傾き角を持つ一の光線に注目するとき、前記位相変調素子が前記光路の光軸方向における第１位置と、前記第１位置とは異なる第２位置とに配置された場合において、前記入射面に入射する前記一の光線の入射角と、前記出射面から出射する前記一の光線の出射角とが一定となる素子形状であることが望ましい。

この構成によれば、位相変調素子を光軸方向に移動させても、一の光線の入射角及び出射角を不変とすることができる。従って、位相変調素子を光軸方向に移動させ、焦点位置付近のビームプロファイルを変化させる使用態様において、位相変調素子の移動に伴う位相変調特性の変化を抑制することができる。

上記の位相変調素子において、前記素子形状は、前記入射面及び前記出射面が、光軸を含み該光軸方向に沿ったいずれの断面においても、前記光軸に対して軸対称であるアキシコン型の素子形状であり、前記入射面と前記出射面とは、光軸を含み該光軸方向に沿った断面において、光軸と直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として同じ傾きを持つ平行な面であることが望ましい。

この構成によれば、位相変調素子が、汎用の光源から発せられる断面円形の光線束からなる拡散光又は収束光に対応した形状となる。従って、これら拡散光又は収束光の位相変調を的確に行わせることができる。

上記の位相変調素子において、前記第１領域は、前記第２領域に対して前記光軸方向の厚さが異なる部分であり、前記第１領域及び前記第２領域において、それぞれ前記入射面と前記出射面とが互いに平行である部分を含むことが望ましい。

本発明の他の局面に係る光源ユニットは、拡散光又は収束光からなる光線を発生する光源と、前記光線をコリメート光に変換するコリメーター素子と、前記光源と前記コリメーター素子との間の光路上に配置される上記の位相変調素子と、前記コリメート光を焦点位置に結像させる結像光学系と、前記位相変調素子を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、を備える。

この場合、前記結像光学系は、前記コリメート光を集光させるシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズから発せられた光を偏向する偏向面を有する偏向器と、前記偏向面で偏向された光を被走査面に結像させる走査レンズとを含むことが望ましい。この構成によれば、当該光源ユニットを、所定の被走査面を走査する光走査装置として活用することができる。

本発明のさらに他の局面に係る画像形成装置は、静電潜像を担持する像担持体と、前記像担持体の周面を前記被走査面として光を照射する上記の光源ユニットとを備える。

本発明によれば、位相変調特性の光線入射角度依存性を低減することができる位相変調素子、及びこれを用いた光源ユニット若しくは画像形成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る位相変調素子の側面図である。 （Ａ）は、図１の位相変調素子の第１面を示す平面図、（Ｂ）はその裏側の第２面を示す平面図である。 前記位相変調素子への拡散光の入射状況を示す模式図である。 前記位相変調素子への収束光の入射状況を示す模式図である。 光の波面の位相変調素子への入射状況を示す模式図である。 前記位相変調素子を用いた光源ユニットの一例を示す概略構成図である。 比較例に係る位相変調素子の側面図である。 比較例に係る位相変調素子を用いた光源ユニットの一例を示す概略構成図である。 （Ａ）は、図８の光源ユニットに用いられた位相変調素子の平面図、（Ｂ）はその側面図である。 図８の光源ユニットの位相変調量の角度依存性を示すグラフである。 本発明の実施例に係る位相変調素子の側面図である。 図１１の位相変調素子を用いた光源ユニットの、位相変調量の角度依存性を示すグラフである。 位相変調素子の移動機構を備えた、本発明の実施形態に係る光源ユニットの概略構成図である。 図１３の光源ユニットにおける、位相変調素子の移動状態を示す図である。 移動する位相変調素子への拡散光の入射状況を示す模式図である。 （Ａ）は、位相変調素子の形状の他の例を示す側面図、（Ｂ）はその正面図である。 本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概略断面図である。 上記画像形成装置に搭載される光走査装置の光路図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアキシコン型の位相変調素子ＰＭの側面図、図２（Ａ）は、位相変調素子ＰＭの第１面Ｒ１を示す平面図、図２（Ｂ）は第２面Ｒ２を示す平面図である。位相変調素子ＰＭは、拡散光又は収束光からなる光線が通過する光路上に配置され、前記光線の位相を変調する機能を有する素子である。

位相変調素子ＰＭは、平面視で円板型の形状を有し、その平面視の面（光軸ＡＸと直交する面）において、レーザー光の位相変調を行う位相変調領域Ａ（第１領域）と、レーザー光の位相変調を行わない非位相変調領域Ｂ（第２領域）とを有している。位相変調領域Ａの光軸ＡＸと直交する方向の面形状は円形である。非位相変調領域Ｂの面形状は、位相変調領域Ａの周囲を囲む、位相変調領域Ａと同心の円形の輪帯である。位相変調領域Ａの中心が光軸ＡＸに位置合わせされる。

位相変調素子ＰＭは、第１面Ｒ１と、その裏側の第２面Ｒ２とを有する。第１面Ｒ１は凹型の円錐面であり、第２面Ｒ２は凸型の円錐面である。位相変調素子ＰＭの素子形状は、第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２が、光軸ＡＸを含み該光軸ＡＸ方向に沿ったいずれの断面においても、図１に示しているような、光軸ＡＸに対して軸対称であるアキシコン型の素子形状である。第２面Ｒ２の中心付近には、光軸ＡＸ方向の厚さが他の部分よりも厚い突出部が形成されている。この突出部が、上述の位相変調領域Ａであり、その周囲が非位相変調領域Ｂである。拡散光が位相変調素子ＰＭに入射される場合、第１面Ｒ１が入射面となり、第２面Ｒ２が出射面となる。一方、収束光が位相変調素子ＰＭに入射される場合、第２面Ｒ２が入射面となり、第２面Ｒ１が出射面となる。

第１面Ｒ１は、光軸ＡＸを含む光軸ＡＸ方向に沿った断面において、光軸ＡＸと直交する面Ｓ１に対して、光軸と交差する点Ｂｐｍを起点として拡散光の光源側に傾き角αを持つ面である。この傾きにより、第１面Ｒ１に対する拡散光の入射角を垂直に近付けることができる。第２面Ｒ２も同様である。第２面Ｒ２の位相変調領域Ａの面は、光軸ＡＸを含む光軸ＡＸ方向に沿った断面において、光軸ＡＸと直交する面Ｓ２１に対して、光軸と交差する点Ｔｐｍを起点として拡散光の光源側に傾き角αを持つ面である。第２面Ｒ２の非位相変調領域Ｂの面も、光軸ＡＸと直交する面Ｓ２２に対して拡散光の光源側に傾き角αを持つ面である。

すなわち、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とは、光軸ＡＸを含む光軸ＡＸ方向に沿った断面において、光軸ＡＸと直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として同じ傾きを持つ平行な面である。つまり、前記断面において、光軸ＡＸを境界とする半面単位（図１の光軸ＡＸより上側と下側）でみると、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とは平行平板の関係にある。位相変調領域Ａと非位相変調領域Ｂとは光軸ＡＸ方向の厚さが異なるものの、各領域において、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とは互いに平行である。

位相変調素子ＰＭは、入射面に入射する光線の入射角と、出射面から出射する光線の出射角とが等しくなる素子形状を備えている。この点を、図３及び図４に基づき説明する。図３は、位相変調素子ＰＭへの拡散光の入射状況を示す模式図である。拡散光は、光軸ＡＸ上に配置された点光源から発せられ、光軸ＡＸを中心として発散する光線束からなる。位相変調素子ＰＭに入射される前記光線束のうち、光軸ＡＸに対して所定の傾き角を持つ一の光線ＥＥに注目する。光線ＥＥは、第１面Ｒ１（入射面）に、入射角θ１１で入射する。その後、光線ＥＥは位相変調素子ＰＭ内を屈折されつつ通過し、第２面Ｒ２（出射面）から出射角θ１２で出射する。上述の通り、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とは平行平板の関係にあるので、入射角θ１１と出射角θ１２とは等しくなる。

図４は、位相変調素子ＰＭへの収束光の入射状況を示す模式図である。収束光は、光軸ＡＸ上に設定された所定の焦点位置に収束する光線束からなる。位相変調素子ＰＭに入射される前記光線束のうち、光軸ＡＸに対して所定の傾き角を持つ一の光線ＥＣに注目する。光線ＥＣは、第２面Ｒ２（入射面）に、入射角θ２１で入射する。その後、光線ＥＣは位相変調素子ＰＭ内を屈折されつつ通過し、第１面Ｒ１（出射面）から出射角θ２２で出射する。上記と同様に、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とは平行平板の関係にあるので、入射角θ２１と出射角θ２２とは等しくなる。

位相変調素子ＰＭは、光透過性の部材で形成され、光線を遮光することなく透過させる。既述の通り、位相変調領域Ａの光軸方向の厚さは、非位相変調領域Ｂの光軸方向の厚さに比較して厚肉である。このような厚肉部は、平坦な基板上へ透光性のフォトマスクを形成することによって形成することができる。上記の肉厚差のため、位相変調領域Ａに入射し透過する光線と、非位相変調領域Ｂへ入射し透過する光線とでは、位相変調素子ＰＭの透過長が相違することになる。光は物質を透過するときに伝搬速度が遅れるため、肉厚差の分だけ光線に位相差が発生する。従って、位相変調素子ＰＭを通過するレーザー光の位相分布が、位相変調領域Ａと非位相変調領域Ｂとの面パターンに応じて変調される。

図５は、光線の波面の位相変調素子ＰＭへの入射状況を示す模式図である。ここでは、光軸ＡＸ上の点Ｐから発せられる拡散光のうち、光軸ＡＸ上を通過する光線Ｅ１（位相変調領域Ａを指向）と、光軸ＡＸに対してある傾きを持つ光線Ｅ２（非位相変調領域Ｂを指向）とに注目する。光線Ｅ１の波面Ｗ１（光の波面の一部）は、位相変調領域Ａに入射する。一方、光線Ｅ２の波面Ｇ２（光の波面の他の一部）は、非位相変調領域Ｂに入射する。位相変調素子ＰＭへ入射する前の段階では、波面Ｗ１と波面Ｗ２との位相は同じである。しかし、それぞれ位相変調領域Ａ、非位相変調領域Ｂを透過することで、透過長の相違に基づいて、波面Ｗ１と波面Ｗ２との位相は異なるものとなる。

例えば、位相変調領域Ａを透過した光線と非位相変調領域Ｂを透過した光線との位相差がπとなるように、位相変調領域Ａの光軸方向の肉厚が選ばれる。なお、本実施形態では、積極的な位相変調を企図していない部分を基準肉厚とし、積極的に位相変調を行う部分を前記基準肉厚よりも厚肉として、前者を非位相変調領域Ｂ、後者を位相変調領域Ａとしている。光線の位相変調素子ＰＭの透過によって位相のシフトは全面的に生じるが、本明細書では、積極的に位相変調を行なわないという意味で、基準肉厚の部分を「非位相変調領域」と呼んでいる。一方、基準肉厚に対して肉厚を変化させ、結果として基準肉厚の部分とは異なる位相シフトを生じさせる部分を「位相変調領域」と呼んでいる。なお、位相変調領域Ａを図１のように凸状部とせず、逆に凹状部とし、基準肉厚よりも薄肉の部分としても良い。

図６は、上記のような位相変調素子ＰＭを用いた、本発明の一実施形態に係る光源ユニット１の概略構成図である。光源ユニット１は、レーザー光を発するレーザー光源１１を含む。このレーザー光は、所定の焦点面に向けて照射される。焦点面は、例えば、当該光源ユニット１が画像形成装置の光走査装置等に適用される場合は、感光体ドラムの周面であり、光ピックアップ装置に適用される場合は、光記録媒体の記録面であり、レーザー加工装置に適用される場合は、加工対象となる物体の表面である。

光源ユニット１は、レーザー光源１１側から前記焦点面に向けて光軸ＡＸ上に順次配置された、位相変調素子１３（上述の位相変調素子ＰＭに相当）、コリメーターレンズ１２（コリメーター素子）、アパーチャー１４及び図略の結像光学系を備えている。この光源ユニット１では、位相変調素子１３に対して拡散光が入射される態様（図３に例示の態様）となる。

レーザー光源１１は、所定の波長のレーザー光を発するＬＤ素子と、このＬＤ素子を駆動する回路部品がマウントされた基板とを含む。前記ＬＤ素子から発せられるレーザー光は拡散光であり、レーザー光源１１は実質的に点光源とみなすことができる光源である。コリメーターレンズ１２は、レーザー光源１１から発せられ拡散するレーザー光を平行光若しくは平行に近い光（コリメート光）に変換する。

位相変調素子１３は、当該位相変調素子１３を通過するレーザー光の位相分布を変調する。位相変調素子１３は、レーザー光が入射する入射面１３１と、レーザー光が出射する出射面１３２とを備える。位相変調素子１３の配置位置は、レーザー光源１１とコリメーターレンズ１２との間の光路上である。レーザー光源１１から発せられるレーザー光は、位相変調素子１３により所定の位相変調が施された後、コリメーターレンズ１２に入射され、コリメート光に変換される。

アパーチャー１４は、レーザー光を通過させる円形の開口を備えた板部材であり、前記焦点面に向かうレーザー光のビーム幅を規制し、焦点面におけるビームスポット径を安定させる。すなわち、焦点面に結像されるビームスポットの形状は、このアパーチャー１４の開口形状によって決定される。アパーチャー１４の光路上の後段には、コリメーターレンズ１２を透過したコリメート光を前記焦点面に結像させる結像光学系が配置される。

次に、アキシコン型の位相変調素子ＰＭ（１３）の優位性について、比較例を挙げて説明する。図７は、比較例に係る位相変調素子５の側面図である。この位相変調素子５は、光軸ＡＸと直交する面と平行な第１面Ｒ１（入射面）及び第２面Ｒ２（出射面）を備える。つまり、第１面Ｒ１と第２面Ｒ２とは、いずれも光軸ＡＸに対して垂直な面であって、平行平板の関係にある面である。位相変調素子５は、光軸ＡＸ付近に該光軸Ａ方向に厚肉の位相変調領域Ａを、この位相変調領域Ａを取り囲むように基準肉厚の非位相変調領域Ｂを備えている。

ここで、光軸ＡＸに対してある傾き角θ１、θ２（θ１＜θ２）を持つ拡散光線Ｅ１１、Ｅ１２に注目する。光線Ｅ１１、Ｅ１２は、いずれも非位相変調領域Ｂの第１面Ｒ１に入射され、第２面Ｒ２から出射する。光線Ｅ１１、Ｅ１２は光軸ＡＸに対して傾き角θ１、θ２を持つ一方、第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２は光軸ＡＸに対して垂直な面である。従って、光線Ｅ１１、Ｅ１２は、第１面Ｒ１に対して各々傾き角θ１、θ２をもって斜入射することになる。そして、傾き角が大きくなるほど、前記斜入射の度合いが大きくなる。

前記斜入射の度合いが異なると、光線が位相変調素子５を透過するときの透過長も相違する。光線Ｅ１１は、傾き角θ１に応じた透過長ｘ１１で位相変調素子５を透過し、光線Ｅ１２は、傾き角θ２に応じた透過長ｘ１２で位相変調素子５を透過する。斜入射の度合いが大きいほど透過長は長くなるので、ｘ１１＜ｘ１２となる。上述の通り、非位相変調領域Ｂと名付けてはいるものの、位相変調素子５を光線が透過することによって位相のシフトは生じるので、このような透過長ｘ１１、ｘ１２の相違は、光線の位相変調量に影響を与える。つまり、光軸ＡＸに対する光線の傾き角によって、位相変調量が異なるものとなってしまう。

このように、光線が斜入射する位相変調素子５の、入射角ごとの位相変調量φは、次の（１）式で表すことができる。（１）式において、λは光線の波長、ｎは位相変調素子５の屈折率、θは光線の第１面Ｒ１（入射面）への入射角、ｄは基準肉厚の非位相変調領域Ｂに対する位相変調領域Ａの突出高さである。

これに対し、光軸ＡＸに対して平行なコリメート光Ｅ０が位相変調素子５に入射するとした場合、光線が第１面Ｒ１に対して垂直に入射することになる。従って、透過長は像高が変化しても一定である。この場合の位相変調量φ０は、次の（２）式で表わされる。

従来の位相変調素子５は、コリメート光Ｅ０の入射を前提とした設計が為されている。つまり、上記（２）式に基づいて、位相変調素子５の位相変調量が設計されている。このため、光線が位相変調素子５に斜入射すると、位相変調量は設計値と合致しなくなる。斜入射による位相変調量の誤差は、上記（１）式で得られるφと、（２）式で得られるφ０と、の相対比φ／φ０にて求めることができる。

相対比φ／φ０を求めるために、図８に示すような、位相変調素子５を用いた光源ユニット１００を構築した。図９（Ａ）は、光源ユニット１００に用いられた位相変調素子５の平面図、図９（Ｂ）はその側面図である。レーザー光源１１の拡散光発散点とコリメーターレンズ１２の入射面との間の距離は１０ｍｍであり、この間で位相変調素子５が光軸方向に移動とした。アパーチャー１４の開口直径は１ｍｍ、レーザー光源１１としては、発光波長が６７０ｎｍのＬＤ素子を用いた。

位相変調素子５は、屈折率が１．５の透明樹脂にて作成した。非位相変調領域Ｂは所定の基準肉厚を有する矩形体である。位相変調領域Ａは、非位相変調領域Ｂの中心に配置された円形の凸部である。位相変調領域Ａの直径を０．１ｍｍ、位相変調領域Ａの前記基準肉厚に対する高さｄを３３５ｎｍとした。この高さｄは、波長６７０ｎｍが位相変調素子５（位相変調領域Ａ）を通過するときの位相変調量を２／πとするために設定された厚さである。

図１０は、相対比φ／φ０の角度依存性を示すグラフである。グラフ横軸の「拡がり角」は、光線の光軸に対する傾き角（図７で示した光線Ｅ１１、Ｅ１２の傾き角θ１、θ２）であり、最大値を２４°とした。換言すると、図８の光源ユニット１００において、拡がり角＝０°〜最大拡がり角θ＝２４°の光線が入射できる位置に、位相変調素子５を配置した。図１０から明らかな通り、斜入射の影響が極小となる拡がり角＝０°付近では、相対比φ／φ０＝１に近く、設計値に沿った位相変調量が得られている。しかしながら、拡がり角が大きくなるに連れて斜入射の影響で相対比φ／φ０は悪化し、最大拡がり角θ＝２４°付近では、位相変調量φが設計位相変調量φ０に比べて７％程度も異なっていることが判る。このような誤差が生じてしまう位相変調素子５では、拡散光（又は収束光）の位相分布を所望の通りに変調することが困難となる。

位相変調素子５との比較のため、図８の光源ユニット１００において、位相変調素子５を図１１に示すアキシコン型の位相変調素子ＰＭ（平面視の形状は、図２（Ａ）、（Ｂ）と同じ）に置換して、同様にして相対比φ／φ０を求めた。レーザー光源１１の発光波長は、同様に６７０ｎｍである。位相変調素子ＰＭは、屈折率が１．５の透明樹脂にて作成され、位相変調領域Ａの直径は０．１ｍｍ、位相変調領域Ａの前記基準肉厚（非位相変調領域Ｂ）に対する高さｄは３３５ｎｍとした。また、第１面Ｒ１（入射面）及び第２面（出射面）の、光軸ＡＸと垂直な面Ｓに対する傾き角α＝１２°とした。

図１２は、アキシコン型の位相変調素子ＰＭを光源ユニット１００に組み入れたときの、相対比φ／φ０の角度依存性を示すグラフである。図１２から明らかな通り、入射面の傾き角＝１２°と同じ拡がり角１２°の付近では、相対比φ／φ０＝１に近く、光軸付近（拡がり角＝０°付近）及び素子端部付近（拡がり角＝２４°付近）では、やや相対比φ／φ０が悪化している。しかし、相対比φ／φ０は、傾き角＝０°〜２４°の全範囲において、位相変調量φの誤差が設計位相変調量φ０の２％以内に収まっており、実用上問題のない範囲に誤差が抑制されている。従って、位相変調素子ＰＭを用いることにより、拡散光（又は収束光）の位相分布を所望の通りに変調できることが確認された。

続いて、アキシコン型の位相変調素子ＰＭを光軸方向に移動させる機能を備えた光源ユニット１Ａを、図１３に基づいて説明する。光源ユニット１Ａは、レーザー光源１１と、このレーザー光源１１側から焦点面ＦＳに向けて光軸ＡＸ上に順次配置された、位相変調素子１３（ＰＭ）、コリメーターレンズ１２（コリメーター素子）、アパーチャー１４及び結像光学系１５を備えている。また、位相変調素子１３に対して、当該位相変調素子１３を光軸ＡＸ方向に移動させる移動機構１６（移動手段）が付設されている。

レーザー光源１１、コリメーターレンズ１２、位相変調素子１３及びアパーチャー１４は、先に図６に例示したものと同じである。結像光学系１５は、コリメーターレンズ１２を透過したコリメート光を焦点面ＦＳに結像させる。焦点面ＦＳは、例えば感光体ドラムの周面、光記録媒体の記録面、或いは加工対象となる物体の表面である。図１３では、結像光学系１５が、１枚の凸レンズで構成されている例を示している。結像光学系１５は、１枚又は複数枚の結像レンズ、焦点面ＦＳをレーザー光で走査する場合はポリゴンミラー又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等の偏向部材、光路を屈曲させる反射ミラー等を含んでいても良い。

以上の通り構成された光源ユニット１Ａは、当該光源ユニット１Ａの光学系が作る焦点Ｆが、焦点面ＦＳに合致するように設計される。しかしながら、コリメーターレンズ１２や結像光学系１５に含まれるレンズの製造誤差、各部品の組み付け誤差、或いは環境温度の変動による熱膨張などの影響によって、焦点Ｆが焦点面ＦＳから光軸ＡＸ方向の前後にズレてしまうことがある。これらの変動要因に対応するため、結像光学系１５が焦点位置付近に作る光像のビームプロファイルを変化させ、焦点深度やビームウェスト位置（ビーム径が最も小さくなる位置）を調整できるようにすることが望ましい。また、焦点面ＦＳをレーザー光で走査する場合において、走査の解像度を切り替えるために、焦点面ＦＳにおけるレーザー光のビーム径を変調できるようにすることが望ましい。本実施形態の光源ユニット１Ａは、位相変調素子１３をレーザー光源１１とコリメーターレンズ１２との間に配置すると共に、移動機構１６により位相変調素子１３を光軸ＡＸ方向に移動させる構成を具備させることで、上記の要請に対応可能としている。

移動機構１６は、支持部材１６１、ガイド部材１６２及び駆動部材１６３を備える。支持部材１６１は、位相変調素子１３を支持する部材であり、例えば位相変調素子１３の周縁部を機械的に保持するホルダーである。ガイド部材１６２は、光軸ＡＸ方向に延びるガイドスロットを備え、このガイドスロットにより支持部材１６１（位相変調素子１３）の光軸ＡＸ方向への移動をガイドする。駆動部材１６３は、例えばステッピングモーターからなり、支持部材１６１を前記ガイドスロットに沿って移動させる駆動力を発生する。

図１４は、位相変調素子１３の移動状態を示す図であり、図１３の移動機構１６と結像光学系１５よりも像側部分とを省いた光源ユニット１Ａの構成図である。図１４において、レーザー光源１１の拡散光発散点１１Ｐと位相変調素子１３の入射面（第１面Ｒ１）との間の距離をＬで表すものとする。

移動機構１６は、固定的に配置されたレーザー光源１１及びコリメーターレンズ１２の間において、前記距離Ｌを、所定の距離Ｌ１（光軸方向における第１位置）と、該距離Ｌ１よりも大きい距離Ｌ２（第２位置）との間で変化させる。移動機構１６は、距離Ｌ１と距離Ｌ２との間において、光軸ＡＸに対して位置ズレさせることなく、位相変調素子１３を自在に移動及び停止させることが可能である。このような位相変調素子１３の移動により、結像光学系１５が焦点面ＦＳ（焦点位置）付近に作る光像のビームプロファイルを変化させることができる。なお、ビームプロファイルの変調において重要となるのが、位相変調素子１３の位相変調領域Ａ及び非位相変調領域Ｂの面パターン（両者の比率）である。この面パターンを種々設定すると共に、当該面パターンを有する位相変調素子１３を光軸ＡＸ方向に移動させることで、焦点位置において様々な形態にビームプロファイルを変化させることができる。

図１５は、移動する位相変調素子１３への拡散光の入射状況を示す模式図である。アキシコン型の位相変調素子１３では、第１面Ｒ１（入射面）と第２面Ｒ２（出射面）とは、光軸ＡＸを含み光軸ＡＸに沿った断面において、既述の通り平行平板の関係にある。ここで、拡散光発散点１１Ｐから発せられる拡散光のうち、光軸ＡＸに対して傾き角θ１０を持つ一のレーザー光線Ｅ１０に注目する。位相変調素子１３が距離Ｌ１の位置に存在するとき、第１面Ｒ１の点Ｆ１１に入射するレーザー光線Ｅ１０の入射角Ｇ１１と、第２面Ｒ２から出射するレーザー光線Ｅ１０の出射角Ｈ１１とが、同一となる。これは、光軸ＡＸに対して異なる傾き角θ２０（＜θ１０）を持つ一のレーザー光線Ｅ２０でも同じである。第１面Ｒ１の点Ｆ２１に入射するレーザー光線Ｅ２０の入射角Ｇ２１と、第２面Ｒ２から出射するレーザー光線Ｅ２０の出射角Ｈ２１とが、同一となる。

第１面Ｒ１及び第２面Ｒ２が、曲率を持たない平行平板面であることから、この関係は、位相変調素子１３が光軸方向に移動されても維持される。距離Ｌ１の位置に位相変調素子１３が距離Ｌ２の位置に配置されたとき、レーザー光線Ｅ１０は、第１面Ｒ１の点Ｆ１１よりも像高が高い点Ｆ１２に入射する。しかし、点Ｆ２１に入射するレーザー光線Ｅ１０の入射角Ｇ１２と、第２面Ｒ２から出射するレーザー光線Ｅ１０の出射角Ｈ１２とが同一であり、且つ、Ｇ１１＝Ｇ１２＝Ｈ１１＝Ｈ１２となる。同様に、点Ｆ２１よりも像高が高い点Ｆ２２に入射するレーザー光線Ｅ２０についても、Ｇ２１＝Ｇ２２＝Ｈ２１＝Ｈ２２となる。つまり、レーザー光線Ｅ１０の入射角及び出射角は、位相変調素子１３が距離Ｌ１〜距離Ｌ２の間で光軸ＡＸ方向に移動されても一定である。

上記の光源ユニット１Ａでは、光源として拡散光が用いられる。このため、光軸ＡＸに対して比較的大きな傾き角を持つ光線と、比較的小さな傾きを持つ光線とが、位相変調素子１３を通過することになる。しかし、位相変調素子１３は、光軸ＡＸと直交する面に対してレーザー光源１１側に傾きを持つアキシコン形状を有し、実質的に曲率を持たない。従って、光軸ＡＸに対して比較的大きな傾き角を持つ光線が位相変調素子１３へ斜入射することにより生じる位相変調特性の変化、及び位相変調素子１３が光軸ＡＸ方向に移動することにより生じる位相変調特性の変化を抑制することができる。

ここで、他の面パターンを有する位相変調素子を例示しておく。図１６（Ａ）は、変形実施形態に係る位相変調素子ＰＭ１を示す側面図、図１６（Ｂ）はその正面図である。位相変調素子ＰＭ１は、アキシコン形状を有し、位相変調領域Ａが円形の輪帯である点で、図１及び図２に例示した位相変調素子ＰＭと相違する。位相変調素子ＰＭは、位相変調領域Ａと、非位相変調領域Ｂ１、Ｂ２とを有している。位相変調領域Ａの光軸ＡＸと直交する方向の面形状は円形の輪帯である。非位相変調領域Ｂ１の面形状は、位相変調領域Ａの周囲を囲む円形の輪帯である。また、非位相変調領域Ｂ２の面形状は円形であって、位相変調領域Ａの輪帯の内部に位置している。この非位相変調領域Ｂ２の中心が光軸ＡＸに位置合わせされる。非位相変調領域Ｂ２、位相変調領域Ａ及び非位相変調領域Ｂ１は、光軸ＡＸを中心とする同心の円又は輪帯である。

続いて、上述の光源ユニット１が適用される装置の一例として、画像形成装置を例示して説明する。図１７は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置３の概略断面図である。画像形成装置３は、感光体ドラム３１（像担持体）、帯電器３２、光走査装置３３、現像器３４、転写ローラー３５、定着器３６及び給紙カセット３７を備えている。

感光体ドラム３１は、円筒状の部材であり、その周面に静電潜像及びトナー像が形成される。感光体ドラム３１は、図略のモーターからの駆動力を受けて、図１７における時計回りの方向に回転される。帯電器３２は、感光体ドラム３１の周面を略一様に帯電する。

光走査装置３３は、レーザーダイオードを有するレーザー光源、偏向体、走査レンズ及び光学素子（上記の光源ユニット１に相当）を含む。光走査装置３３は、帯電器３２によって略一様に帯電された感光体ドラム３１の周面（被走査面）に対して、画像データに応じたレーザー光を照射して、画像データの静電潜像を形成する。

現像器３４は、静電潜像が形成された感光体ドラム３１の周面にトナーを供給してトナー像を形成する。現像器３４は、トナーを担持する現像ローラー、及びトナーを攪拌しつつ搬送するスクリューを含む。転写ローラー３５は、感光体ドラム３１の下方に配設され、両者によって転写ニップ部が形成されている。感光体ドラム３１の周面に担持されたトナー像は、給紙カセット３７から繰り出され搬送路３８を搬送される記録紙に、前記転写ニップ部において転写される。

定着器３６は、ヒーターを内蔵する定着ローラー３６１と、該定着ローラー３６１と定着ニップ部を形成する加圧ローラー３６２とを備える。前記定着ニップ部を、トナー像の転写された記録紙が通過することにより、トナー像が記録紙に定着される。

図１８は、光走査装置３３の概略的な光路図である。光走査装置３３は、レーザー光源４１、コリメーターレンズ４２、アキシコン型の位相変調素子４３、アパーチャー４４、シリンドリカルレンズ４５、ＭＥＭＳミラー４６（偏向器）及び走査レンズ４７（結像光学系）を備えている。ここで、レーザー光源４１、コリメーターレンズ４２、位相変調素子４３及びアパーチャー４４は、それぞれ、上述の光源ユニット１Ａ（図１３）における、レーザー光源１１、コリメーターレンズ１２、位相変調素子１３及びアパーチャー１４に相当する光学部材であるので、ここでは詳細な説明を省く。なお、位相変調素子４３としては、上述の位相変調素子ＰＭ、ＰＭ１（図１、図２、図１６）を用いることができる。

シリンドリカルレンズ４５は、コリメーターレンズ４２から出射されたレーザー光（コリメート光）を主走査方向に長い線状光に変換してＭＥＭＳミラー４６に結像させる。ＭＥＭＳミラー４６は、前記レーザー光を反射して偏向する偏向面を有し、偏向したレーザー光によって感光体ドラム３１の周面３１Ｓ（被走査面、上述の焦点面ＦＳに相当する面）を走査させる。ＭＥＭＳミラー４６には、該ＭＥＭＳミラー４６を軸回りに回転揺動させる駆動機構が付設される。なお、ＭＥＭＳミラー４６に代えてポリゴンミラーを用いても良い。走査レンズ４７は、ｆθ特性を有するレンズであり、ＭＥＭＳミラー４６によって偏向されたレーザー光を集光し、感光体ドラム３１の周面３１Ｓに結像させる。

この光走査装置３３においては、アキシコン型の位相変調素子４３が組み込まれているので、光軸に対して比較的大きな傾き角を持つ光線が位相変調素子４３に斜入射することにより生じる、位相変調特性の変化を抑制することができる。従って、設計通りの位相変調量を得ることができ、高品質の画像形成を行うことができる。また、位相変調素子４３が光軸方向に移動するので、感光体ドラム３１の周面３１Ｓを走査するレーザー光のビームプロファイルを調整することができる。例えば、ビーム径の大きさを変調して解像度の切り替えを行ったり、焦点深度やビームウェスト位置を環境変動に応じて調整したりすることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、次のような変形実施形態を取ることができる。

（１）上記実施形態では、位相変調素子ＰＭ（１３）の位相変調領域が、円形又は円形の輪帯である例を示した。これは、位相変調素子ＰＭを通過する光線束が断面円形であることを前提として定められた面パターンである。前記光線束の断面形状が楕円形である場合は、面パターンは楕円又は楕円形の輪帯とすることができる。この場合、位相変調素子ＰＭの全体形状を、平面視で楕円形に変形させたものとしても良い。

（２）上記実施形態では、アキシコン型の位相変調素子ＰＭ（１３）を例示した。これは一例であり、例えば位相変調素子に入射する拡散光又は収束光が線状光線である場合は、矩形の平板を光軸に沿って折り曲げた態様の位相変調素子とすることができる。

（３）上記実施形態では、移動手段として、支持部材１６１、ガイド部材１６２及び駆動部材１６３を備える移動機構１６を例示した。これは一例であり、位相変調素子１３を高精度で移動できるものであれば良く、例えば、電気的なアクチュエーター、カム機構、ボールネジ機構などを用いた移動機構であっても良い。

（４）上記実施形態では、光源ユニット１の適用対象として、画像形成装置３を例示した。この他、光源ユニット１は、光記録媒体にレーザー光を照射して情報を書き込む光ピックアップ装置や、各種のレーザー光を利用した加工装置等にも適用することができる。

１ 光源ユニット
１１、４１ レーザー光源
１２、４２ コリメーターレンズ
ＰＭ、ＰＭ１、１３ 位相変調素子
１４、４４ アパーチャー
１５ 結像光学系
１６ 移動機構（移動手段）
３ 画像形成装置
３１ 感光体ドラム（像担持体）
３１Ｓ 周面
４５ シリンドリカルレンズ
４６ ＭＥＭＳミラー（偏向器）
４７ 走査レンズ（結像光学系）
Ａ 位相変調領域（第１領域）
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２ 非位相変調領域（第２領域）
Ｒ１ 第１面（入射面又は出射面）
Ｒ２ 第２面（入射面又は出射面）

Claims (7)

1. 拡散光又は収束光からなる光線が通過する光路上に配置され、前記光線の波面の一部が入射される第１領域と、前記波面の他の一部が入射される第２領域とを含み、前記第１領域を透過する光と前記第２領域を透過する光とに位相差を生じさせることで、前記光線の位相を変調する位相変調素子であって、
   前記光線が入射する入射面と、前記光線が出射する出射面とを含み、
   前記位相変調素子の素子形状は、
   前記入射面及び前記出射面が、光軸と直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として傾きを持つ面とされ、
   前記入射面に入射する前記光線の入射角と、前記出射面から出射する前記光線の出射角とが等しくなる素子形状である、位相変調素子。
2. 請求項１に記載の位相変調素子において、
   前記位相変調素子の素子形状は、
   前記光線のうち光軸に対して所定の傾き角を持つ一の光線に注目するとき、
   前記位相変調素子が前記光路の光軸方向における第１位置と、前記第１位置とは異なる第２位置とに配置された場合において、前記入射面に入射する前記一の光線の入射角と、前記出射面から出射する前記一の光線の出射角とが一定となる素子形状である、位相変調素子。
3. 請求項１又は２に記載の位相変調素子において、
   前記素子形状は、前記入射面及び前記出射面が、光軸を含み該光軸方向に沿ったいずれの断面においても、前記光軸に対して軸対称であるアキシコン型の素子形状であり、
   前記入射面と前記出射面とは、光軸を含み該光軸方向に沿った断面において、光軸と直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として同じ傾きを持つ平行な面である、位相変調素子。
4. 請求項３に記載の位相変調素子において、
   前記第１領域は、前記第２領域に対して前記光軸方向の厚さが異なる部分であり、
   前記第１領域及び前記第２領域において、それぞれ前記入射面と前記出射面とが互いに平行である部分を含む、位相変調素子。
5. 拡散光又は収束光からなる光線を発生する光源と、
   前記光線をコリメート光に変換するコリメーター素子と、
   前記光源と前記コリメーター素子との間の光路上に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の位相変調素子と、
   前記コリメート光を焦点位置に結像させる結像光学系と、
   前記位相変調素子を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、
   を備える光源ユニット。
6. 請求項５に記載の光源ユニットにおいて、
   前記結像光学系は、
   前記コリメート光を集光させるシリンドリカルレンズと、
   前記シリンドリカルレンズから発せられた光を偏向する偏向面を有する偏向器と、
   前記偏向面で偏向された光を被走査面に結像させる走査レンズと、を含む光源ユニット。
7. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記像担持体の周面を前記被走査面として光を照射する、請求項６に記載の光源ユニットと、を備える画像形成装置。

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