JP5059453B2 - Optical scanning apparatus and image forming apparatus - Google Patents

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本発明は、光走査装置、および、その光走査装置を備えたデジタル複写機、プリンタ、プロッタ、ファクシミリあるいはこれらの複合機等の画像形成装置に関する。 The present invention relates to an optical scanning device, and an image forming apparatus such as a digital copying machine, a printer, a plotter, a facsimile, or a complex machine including the optical scanning device.

近年は電子写真プロセスを利用した画像形成装置のカラー化が進み、像担持体である感光体に対して各色(例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック)に対応した光走査を行い潜像を形成し、この潜像を各色の現像剤で現像して各色の画像を形成し、この各色の画像を記録紙等の記録媒体あるいは中間転写体に重ねて転写することでカラーの画像を形成している。このとき、各色の画像書き込み開始位置がずれると、重ねてできたカラー画像には、所謂色ずれと呼ばれる画像劣化が生じてしまい、これが大きな課題となっている。しかし、このような場合においても、各色に対する光ビームの位置が検出できれば、適当な補正手段を用いて、それぞれの書き込み開始位置を補正して、各色で揃えることにより、良好なカラー画像を得ることができる。   In recent years, colorization of image forming apparatuses using an electrophotographic process has progressed, and a latent image is formed by performing optical scanning corresponding to each color (for example, cyan, magenta, yellow, black) on a photoconductor as an image carrier. The latent image is developed with each color developer to form each color image, and each color image is transferred onto a recording medium such as recording paper or an intermediate transfer member to form a color image. Yes. At this time, if the image writing start position of each color is deviated, image deterioration called so-called color misregistration occurs in the superimposed color image, which is a big problem. However, even in such a case, if the position of the light beam with respect to each color can be detected, a good color image can be obtained by correcting each writing start position by using an appropriate correction unit and aligning with each color. Can do.

また、画像形成装置の高速化も合わせて進んでおり、複数の光ビームを一括して光走査する光走査装置も盛んに使用されてきている。この場合の光源には、従来は1つの発光点を持つシングルビーム光源であったところを、シングルビーム光源を複数合成したマルチビーム光源や、数十μm程度の微小な間隔の発光点を複数持つビームアレイ光源が用いられている。このタイプの光走査装置では、被走査面上を光走査するときの、光ビームの間隔(ピッチ)がずれることで、特に副走査方向のずれ(走査線ピッチずれ)に対して、所謂濃度むらと呼ばれる画像劣化を引き起こし、大きな課題となっている。しかし、このような場合においても、各光ビームの位置が検出できれば、適当な補正手段を用いて光ビーム間隔を補正し、濃度むらのない良好な画像を得ることができる。   The speed of image forming apparatuses is also increasing, and optical scanning apparatuses that perform optical scanning of a plurality of light beams all at once have been actively used. The light source in this case is a single-beam light source having a single light-emitting point in the past, but has a multi-beam light source composed of a plurality of single-beam light sources or a plurality of light-emitting points with a minute interval of about several tens of μm. A beam array light source is used. In this type of optical scanning device, the so-called density unevenness is particularly caused by the deviation (scanning line pitch deviation) in the sub-scanning direction by shifting the interval (pitch) of the light beams when optically scanning the surface to be scanned. This causes image degradation called "", which is a big problem. However, even in such a case, if the position of each light beam can be detected, the light beam interval can be corrected using an appropriate correction means, and a good image without density unevenness can be obtained.

以上の要求を受けて、光走査している光ビームの位置を検出することが重要であり、特に副走査方向の光ビーム位置や、副走査方向の光ビーム間隔を検出する手段が切望されている。   In response to the above requirements, it is important to detect the position of the light beam that is being scanned, and in particular, a means for detecting the light beam position in the sub-scanning direction and the light beam interval in the sub-scanning direction is desired. Yes.

ここで、副走査方向の光ビーム位置を検出する光学システム、光走査装置、画像形成装置に関して、特許文献1には、2つの光ビーム検知手段を、それぞれの光ビーム検知領域の主走査方向始端側の端縁が相互に非平行となるように主走査方向に並べて配設して、複数の光ビームの副走査方向における間隔のずれを検知する検知手段が開示されている。
しかしながら、この従来技術では、複数の検知手段を主走査方向に並べているため、光検出器の大きさが主走査方向に大きくなりがちであるという課題がある。
Here, regarding an optical system, an optical scanning apparatus, and an image forming apparatus that detect the position of a light beam in the sub-scanning direction, Patent Document 1 discloses two light beam detection means, which are the start ends of the respective light beam detection areas in the main scanning direction. There is disclosed a detecting means for detecting a shift in the interval of a plurality of light beams in the sub-scanning direction by arranging them side by side in the main scanning direction so that the side edges are not parallel to each other.
However, in this prior art, since a plurality of detection means are arranged in the main scanning direction, there is a problem that the size of the photodetector tends to increase in the main scanning direction.

一般に光検出器は、主走査方向の有効画像領域よりも外側に配置される。従って、走査光学系は有効画像領域幅に加え、光検出器まで光ビームが到達できるようにする必要がある。そのため、光検出器が主走査方向に大きくなってしまうと、走査光学系の大型化、強いては光走査装置の大型化を引き起こす。また、走査光学系の大型化は光路長の増大、高画角化、有効径の拡大といった問題も引き起こす。   In general, the photodetector is arranged outside the effective image area in the main scanning direction. Therefore, it is necessary for the scanning optical system to allow the light beam to reach the photodetector in addition to the effective image area width. For this reason, when the photodetector becomes large in the main scanning direction, the scanning optical system becomes large, and the optical scanning device becomes large. In addition, an increase in the size of the scanning optical system causes problems such as an increase in optical path length, a high angle of view, and an increase in effective diameter.

特開平7−72399号公報JP-A-7-72399 特開2002−40350号公報JP 2002-40350 A

前述の従来技術の問題を解決するため、本発明者らは、光走査装置の有効画像領域外の光ビームを副走査方向に複数のビームに分離し、その分離した光ビームを副走査方向に配置した複数の光検出器で検出して、副走査方向の光ビーム位置や光ビーム間隔を検出する光学システムを検討している。   In order to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors separated a light beam outside the effective image area of the optical scanning device into a plurality of beams in the sub-scanning direction, and the separated light beams in the sub-scanning direction. An optical system that detects light beam positions and light beam intervals in the sub-scanning direction by detecting with a plurality of arranged photodetectors is being studied.

光ビーム(例えばレーザービーム)を分離する手段としては、例えば平行平板状のハーフミラーが考えられ、特許文献2には、光走査装置のビーム分離手段としてハーフミラーを用いた構成が記載されている。
しかし、レーザービームを用いた光学システム中にハーフミラーや光学フィルタ(例えば濃度フィルタや波長フィルタなど)のような平行平板状の光学素子を用いる場合、その光学素子内では光学面(平面)での反射によって内部干渉が生じる。そのため、光学素子の厚さが波長オーダーで変化するだけで、透過率や反射率の変化が生じてしまう。特許文献2には、平行平板状のハーフミラーの内部干渉による影響に関する記載が段落[0025]にあるが、平行平板の厚さによる透過率変化については言及されていない。
As a means for separating a light beam (for example, a laser beam), for example, a parallel plate-shaped half mirror can be considered, and Patent Document 2 describes a configuration using a half mirror as a beam separating means of an optical scanning device. .
However, when a parallel plate-like optical element such as a half mirror or an optical filter (for example, a density filter or a wavelength filter) is used in an optical system using a laser beam, the optical surface (planar) in the optical element is used. Internal interference occurs due to reflection. Therefore, the transmittance and the reflectance are changed only by changing the thickness of the optical element on the wavelength order. Patent Document 2 describes in paragraph [0025] the effect of internal interference of a parallel plate-shaped half mirror, but does not mention the change in transmittance due to the thickness of the parallel plate.

ここで、図2に平行平板の厚さ変化に伴う透過率変化の計算結果を示す。これは、空気中(屈折率1.0)に置かれた両面が平面からなる平行平板(屈折率1.5)に、波長633nmのレーザービームが垂直に入射したときの平行平板の透過率を示している。横軸は平行平板の厚さ(μm)、縦軸は透過率である。
図2に示すように、波長の約1/3の周期で透過率の変化が見られている。そのため、この透過率の変化を回避するために、通常は平行平板の入射面と出射面には無反射コーティングが施されている。
なお、図2の横軸は0〜0.5μmと非常に薄い値での計算結果を示しているが、厚さが大きくなっても透過率の変化の様子は等しいことは言うまでもない。
Here, the calculation result of the transmittance | permeability change accompanying the thickness change of a parallel plate is shown in FIG. This is the transmittance of a parallel plate when a laser beam with a wavelength of 633 nm is perpendicularly incident on a parallel plate (refractive index of 1.5) having both surfaces placed in the air (refractive index of 1.0). Show. The horizontal axis represents the thickness (μm) of the parallel plate, and the vertical axis represents the transmittance.
As shown in FIG. 2, a change in transmittance is observed at a period of about 1/3 of the wavelength. For this reason, in order to avoid this change in transmittance, a non-reflective coating is usually applied to the entrance surface and the exit surface of the parallel plate.
The horizontal axis in FIG. 2 shows the calculation result at a very thin value of 0 to 0.5 μm, but it goes without saying that the change in transmittance is the same even when the thickness is increased.

近年、加工技術の進歩に伴い、マイクロメートル〜サブミクロンオーダーの構造を持つ回折光学素子が用いられるようになってきた。中でも加工の容易性から、バイナリー型またはマルチステップ型の回折面をもつような平行平板状の回折光学素子が出てきている。このような回折光学素子はレーザービームを垂直に入射して光軸上で使用されることが多く、やはり平面側には無反射コーティングが施されている。   In recent years, with the progress of processing technology, diffractive optical elements having a structure of micrometer to submicron order have been used. Among them, a parallel plate-like diffractive optical element having a binary or multi-step diffractive surface has come out because of ease of processing. Such a diffractive optical element is often used on the optical axis by vertically incidence of a laser beam, and also has a non-reflective coating on the flat side.

本発明者らは、光走査装置のビーム分離手段として、回折光学素子の特徴の1つであるレーザービームの分離機能を用いた光学システムを検討している。そこで、このような回折面を持つ平行平板状の回折光学素子について考察する。   The present inventors are examining an optical system using a laser beam separation function, which is one of the features of a diffractive optical element, as beam separation means of an optical scanning device. Therefore, a parallel plate-like diffractive optical element having such a diffractive surface will be considered.

回折面と平面を備えた回折光学素子に垂直入射されたレーザービームが、回折面で0次透過光と高次透過回折光に分離される様子を図3に示す。この回折光学素子の平面には通常、無反射コーティングが施されている。
図3に示すように、回折面と平面を備えた回折光学素子(屈折率1.5)に垂直入射されたレーザービームは、回折面で0次透過光と高次透過回折光に分離される。一般に無反射コーティングは入射角依存性を持っているため、平面に垂直に入射される0次透過光と、平面に斜めに入射される高次透過回折光のすべてを無反射化するようなコーティングを施すことは難しい。
FIG. 3 shows a state in which a laser beam perpendicularly incident on a diffractive optical element having a diffractive surface and a plane is separated into zero-order transmitted light and higher-order transmitted diffracted light on the diffractive surface. The plane of the diffractive optical element is usually provided with an antireflection coating.
As shown in FIG. 3, a laser beam perpendicularly incident on a diffractive optical element (refractive index of 1.5) having a diffractive surface and a plane is separated into zero-order transmitted light and higher-order transmitted diffracted light on the diffractive surface. . In general, non-reflective coatings have an incident angle dependency, so that all of zero-order transmitted light incident perpendicular to the plane and higher-order transmitted diffracted light incident obliquely on the plane are made non-reflective. It is difficult to apply.

次に図4に、平面と回折面を備えた回折光学素子に垂直入射されたレーザービームが回折面で正反射した0次反射光と高次反射回折光に分離される様子を示す。
上記と同じように、図4に示すような平面と回折面を備えた回折光学素子(屈折率1.5)に垂直入射されたレーザービームは、回折面で正反射した0次反射光と、斜めに反射される高次反射回折光に分離されるが、0次反射光と高次反射回折光の両方に対して適切な無反射コーティングを施すことは難しい。
0次透過光、0次反射光成分は上記の屈折率1.5の場合でも4%と大きく(屈折率が高い場合にはもっと大きくなる)、平行平板状の回折光学素子であれば、少なくともこれらに対する無反射コーティングは必要であり、すなわち高次回折光に対して適切な処置ができないのである。したがって、レーザービームの分離を有効に行うことが難しい。
Next, FIG. 4 shows a state in which a laser beam perpendicularly incident on a diffractive optical element having a flat surface and a diffractive surface is separated into zero-order reflected light and high-order reflected diffracted light that are regularly reflected by the diffractive surface.
Similarly to the above, a laser beam perpendicularly incident on a diffractive optical element (refractive index 1.5) having a plane and a diffractive surface as shown in FIG. Although separated into higher-order reflected diffracted light that is reflected obliquely, it is difficult to apply an appropriate non-reflective coating to both the zero-order reflected light and the higher-order reflected diffracted light.
The zero-order transmitted light and the zero-order reflected light component are as large as 4% even when the refractive index is 1.5 (more when the refractive index is high). Non-reflective coatings for these are necessary, i.e. they cannot be adequately treated for higher-order diffracted light. Therefore, it is difficult to effectively separate the laser beam.

以下に具体的な計算例を示す。図5に回折面と平面を備えた回折光学素子(屈折率1.5)の模式図を、図6にこの回折光学素子に回折面側からレーザービームを垂直入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光の回折効率)変化を示す。回折面の構造は格子周期P=0.75μm、W/Pで表されるフィルファクターF=0.5、格子高さHは3水準とり、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   A specific calculation example is shown below. FIG. 5 is a schematic diagram of a diffractive optical element (refractive index of 1.5) having a diffractive surface and a plane, and FIG. 6 shows the thickness of the diffractive optical element when a laser beam is vertically incident on the diffractive optical element from the diffractive surface side. The transmittance (diffraction efficiency of 0th-order transmitted light) change with respect to the change in thickness D is shown. The structure of the diffractive surface has a grating period P = 0.75 μm, a fill factor F = 0.5 represented by W / P, a grating height H of three levels, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, It was set to 0.75 μm.

図6に示すように、いずれの格子高さHにおいても、回折光学素子の厚さDに対して透過率が波打っていることが見て取れる。この変化量を小さく抑えることが、回折光学素子の回折効率ばらつきを抑える上で重要である。なお、図中の点線は、平面がレーザービームを100%透過するとしたときの透過率であり、もちろん厚さDに対する変化はない。なお、後述する計算例において、回折光学素子の厚さDは5〜5.5μmと非常に薄い値での計算結果を示しているが、厚さが大きくなっても透過率の変化の様子が変わらないことは言うまでもない。   As shown in FIG. 6, at any grating height H, it can be seen that the transmittance is undulating with respect to the thickness D of the diffractive optical element. Keeping this amount of change small is important for suppressing variations in diffraction efficiency of the diffractive optical element. The dotted line in the figure is the transmittance when the plane is 100% transmitting the laser beam, and of course there is no change with respect to the thickness D. In the calculation example described later, the thickness D of the diffractive optical element shows a calculation result with a very thin value of 5 to 5.5 μm. However, even when the thickness increases, the transmittance changes. Needless to say, it will not change.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、回折面を持つ平行平板状の回折光学素子を用いてレーザービームの分離を有効に行うために、無反射コーティングを施すことなく、回折光学素子の厚さ変化に対して安定した回折効率を得ることができる光学システムを備えた光走査装置を提供することを目的とする。
なお、光学コーティングを用いないことは製造時の環境負荷低減になるだけでなく、光学素子の低コスト化やリサイクルの面でも有効である。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in order to effectively separate a laser beam using a parallel plate-like diffractive optical element having a diffractive surface, the diffractive optical element can be formed without applying an antireflection coating. An object of the present invention is to provide an optical scanning device including an optical system capable of obtaining a stable diffraction efficiency with respect to a thickness change.
Not using an optical coating not only reduces the environmental burden during production, but is also effective in reducing the cost and recycling of optical elements.

さらに本発明では、副走査方向の光ビーム位置や、副走査方向の光ビーム間隔を検出することができる手段を有する光走査装置及び、その光走査装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。 Further, in the present invention, and the light beam position of the sub-scanning direction, the optical scanning device and means capable of detecting a light beam interval in the sub-scanning direction, to provide an image forming apparatus including the optical scanning device Objective.

上記目的を達成するため、本発明では以下のような手段を採っている。
本発明の第1の手段は、光源手段からの光ビームを光偏向手段で偏向し、走査結像光学系を介して被走査面上を走査する光走査装置において、
前記走査結像光学系の有効画像形成領域外に配置され、前記レーザービームの一部を回折光学素子に入射し、分離した複数のレーザービームを複数の光検出器により検出するレーザービーム検出手段を備え、
前記回折光学素子は、回折面と平面からなる平板状の回折光学素子であって、
前記レーザービームは前記回折光学素子の回折面に入射し,前記回折面で2以上のレーザービームに透過回折され,該2以上のレーザービームは前記回折光学素子の平面に入射し、
前記回折光学素子の平面に入射する全てのレーザービームはP偏光であり、かつ、各々の入射角θは、
0°<θ<θo
を満たすように設定されたことを特徴とする。
ここで、θoは、入射角αでのP偏光時のフレネル反射率をRp(α)としたとき、Rp(0°)=Rp(θo)となる入射角である。
In order to achieve the above object, the present invention adopts the following means.
A first means of the present invention is an optical scanning device that deflects a light beam from a light source means by a light deflecting means and scans a surface to be scanned through a scanning imaging optical system .
Laser beam detecting means disposed outside the effective image forming area of the scanning imaging optical system, wherein a part of the laser beam is incident on a diffractive optical element, and a plurality of separated laser beams are detected by a plurality of photodetectors. Prepared,
The diffractive optical element is a flat diffractive optical element having a diffractive surface and a plane,
The laser beam is incident on a diffractive surface of the diffractive optical element, is transmitted and diffracted into two or more laser beams on the diffractive surface, and the two or more laser beams are incident on a plane of the diffractive optical element;
All laser beams incident on the plane of the diffractive optical element are P-polarized light, and each incident angle θ is
0 ° <θ < θo
It is set so that it may satisfy | fill.
Here, .theta.o, when the Fresnel reflectance of P Henhikariji at the incident angle alpha was Rp (alpha), the incident angle becomes Rp (0 °) = Rp ( θo).

本発明の第の手段は、像担持体と、該像担持体に潜像を形成する手段と、前記像担持体上の潜像を現像して顕像化する手段を備えた画像形成装置において、前記潜像を形成する手段として、第の光走査装置を備えたことを特徴とする。
さらに本発明の第の手段は、第の手段の画像形成装置において、前記像担持体を複数備え、該複数の像担持体に潜像を形成し、各像担持体上の潜像を色の異なる現像剤で顕像化した後、各像担持体上の顕像を直接または中間転写体を用いて記録媒体に転写し、多色またはカラー画像を形成することを特徴とする。
The second means of the present invention is an image forming apparatus comprising an image carrier, a means for forming a latent image on the image carrier, and a means for developing and developing the latent image on the image carrier. The first optical scanning device is provided as means for forming the latent image.
Further, a third means of the present invention is the image forming apparatus of the second means, comprising a plurality of the image carriers, forming a latent image on the plurality of image carriers, and forming a latent image on each image carrier. After developing with different color developers, the developed image on each image carrier is transferred to a recording medium directly or using an intermediate transfer member to form a multicolor or color image.

第1の手段の光走査装置では、回折光学素子の平面に入射する全てのレーザービームはP偏光であり、かつ、各々の入射角θは、0°<θ<θoを満たすように設定されたことを特徴とするので、フレネル反射率を垂直入射時に比べて小さくすることで、無反射コーティングを施さなくとも、斜め入射することで回折光学素子の厚さ変化に対する透過率変化の影響を低減することができる。
さらに、前記レーザービームを複数に分離する機能を有することを特徴とするので、レーザービームを複数に分離する回折光学素子において、無反射コーティングを施すことなく、低コストに回折光学素子の透過率変動を低減することが可能になり、安定したビーム分離システムを得ることができる。
In the optical scanning device of the first means, all laser beams incident on the plane of the diffractive optical element are P-polarized light, and each incident angle θ is set to satisfy 0 ° <θ < θo . By reducing the Fresnel reflectivity compared to normal incidence, the effect of the change in transmittance on the change in thickness of the diffractive optical element can be reduced by entering obliquely without applying an anti-reflective coating. be able to.
Furthermore, since the laser beam has a function of separating the laser beam into a plurality, the diffractive optical element that separates the laser beam into a plurality of components can change the transmittance of the diffractive optical element at low cost without applying an anti-reflection coating. Can be reduced, and a stable beam separation system can be obtained.

また、第1の手段の光走査装置では、上記回折光学素子を光ビーム検出手段として用いることで、特に副走査方向の光ビーム位置や光ビーム間隔を検出することができ、高精細化、カラー化に適応する画像形成装置のための光走査装置を提供することができる。 Further, in the optical scanning device of the first means, by using the diffractive optical element as the light beam detecting means, it is possible to detect the light beam position and the light beam interval particularly in the sub-scanning direction. It is possible to provide an optical scanning device for an image forming apparatus adapted to the conversion.

、第の手段の画像形成装置では、第の手段の光走査装置を用いることにより、高精細、高速化、カラー化に適応する画像形成装置を提供することができる。 In the second and third image forming apparatuses, by using the first optical scanning device, it is possible to provide an image forming apparatus adapted to high definition, high speed, and colorization.

以下、本発明の構成、動作及び作用効果を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration, operation, and effects of the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiments.

[実施例1]
図1は本発明の第1の実施例を示す光学システムの概略構成図であり、これは回折面と平面からなる平板状の回折光学素子に対して、回折面側からレーザービームを入射するような光学システムの例である。
回折光学素子の回折面に入射したレーザービームは、いわゆるグレーティング方程式に従って2以上のレーザービームに透過回折し、分離される。透過回折光は様々な入射角θで平面に入射する。平面ではフレネル反射が発生し、その反射光との干渉によって、回折光学素子の厚さに応じて、回折光学素子を透過するレーザービームの透過率が変化する。
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system according to a first embodiment of the present invention, which is configured so that a laser beam is incident from the diffraction surface side to a flat diffractive optical element having a diffraction surface and a flat surface. It is an example of a simple optical system.
The laser beam incident on the diffractive surface of the diffractive optical element is transmitted and diffracted into two or more laser beams according to a so-called grating equation and separated. The transmitted diffracted light is incident on the plane at various incident angles θ. Fresnel reflection occurs on the plane, and due to interference with the reflected light, the transmittance of the laser beam that passes through the diffractive optical element changes according to the thickness of the diffractive optical element.

レーザービームが回折光学素子の回折面に垂直に入射した場合には、回折面の格子周期に因らず、少なくとも0次透過回折光は発生し、平面に対して垂直に入射するので、このときの平面でのフレネル反射率R0に起因して、回折光学素子を透過するレーザービームの透過率が変化する。したがって、回折面で分離されたすべてのレーザービームに対して、平面でのフレネル反射率をR0より小さくすることにより、回折光学素子を透過するレーザービームの透過率変化を減少させることができる。   When the laser beam is incident on the diffractive surface of the diffractive optical element perpendicularly, at least zero-order transmitted diffracted light is generated regardless of the grating period of the diffractive surface and is incident perpendicular to the plane. Due to the Fresnel reflectivity R0 on the plane, the transmittance of the laser beam that passes through the diffractive optical element changes. Therefore, by changing the Fresnel reflectivity in a plane to be smaller than R0 for all the laser beams separated on the diffractive surface, it is possible to reduce the change in transmittance of the laser beam transmitted through the diffractive optical element.

図1に示す回折光学素子の屈折率1.5から屈折率1.0への界面である平面に回折光が入射したときの各偏光に対するフレネル反射率を図7に示す(図8に、そのフレネル反射率の拡大図を示す)。
図7、図8より、R0=0.04であり、平面でのフレネル反射率をR0より小さくするためには、平面にP偏光を入射し、その入射角θを、
0°<θ<θo
とすればよい。
ここで、θoは入射角αでのP偏光時のフレネル反射率をRp(α)としたとき、
Rp(0°)=Rp(θo)
となる入射角である。
FIG. 7 shows the Fresnel reflectivity for each polarized light when diffracted light is incident on the plane that is the interface from the refractive index 1.5 to the refractive index 1.0 of the diffractive optical element shown in FIG. An enlarged view of Fresnel reflectivity is shown).
7 and 8, R0 = 0.04, and in order to make the Fresnel reflectivity in the plane smaller than R0, P-polarized light is incident on the plane, and its incident angle θ is
0 ° <θ <θo
And it is sufficient.
Where θo is Rp (α) when the Fresnel reflectivity during P-polarization at the incident angle α is
Rp (0 °) = Rp (θo)
Is the incident angle.

楕円偏光を入射することにより、R0よりも小さいフレネル反射率を得ることもできるが、同じ入射角であれば、楕円偏光よりも直線偏光の方がフレネル反射率を小さく抑えられるし、また、半導体レーザーに代表されるレーザービームは、一般に直線偏光となっているものが多く、そのまま使用できるメリットがある。   It is possible to obtain Fresnel reflectivity smaller than R0 by entering elliptically polarized light. However, at the same incident angle, linearly polarized light can suppress Fresnel reflectivity smaller than elliptically polarized light. A laser beam typified by a laser is generally linearly polarized light, and has an advantage that it can be used as it is.

また、入射角θは、臨界角をθcとしたとき、
θc<θ<90°
としてもよい。
より高次の回折光は大きな入射角で平面に入射してくる。入射角が臨界角より大きければ、このレーザービームは回折光学素子から外にでることはできない。例外的に、回折面が持つ格子ベクトルと、回折光学素子構造から決まる導波ベクトルとのカップリングによる、いわゆる共鳴効果を引き起こす場合があるが、本発明ではそのような特殊な状況はもちろん除外して回折光学素子は設定されるべきである。
In addition, the incident angle θ, when the critical angle is θc,
θc <θ <90 °
It is good.
Higher-order diffracted light enters the plane at a large incident angle. If the incident angle is greater than the critical angle, the laser beam cannot exit the diffractive optical element. In exceptional cases, a so-called resonance effect may be caused by coupling between a grating vector of a diffractive surface and a waveguide vector determined from the structure of the diffractive optical element. In the present invention, such a special situation is of course excluded. Thus, the diffractive optical element should be set.

すなわち、回折光学素子の回折面で透過された透過回折光のすべてのレーザービームを、P偏光で平面に入射するとともに、その入射角θを、
0°<θ<θo、またはθc<θ<90°
と設定した光学システムとすれば、レーザービームを有効に分離することができる。
That is, all the laser beams of the transmitted diffracted light transmitted through the diffractive surface of the diffractive optical element are incident on the plane as P-polarized light, and the incident angle θ is
0 ° <θ <θo or θc <θ <90 °
If the optical system is set as follows, the laser beam can be effectively separated.

[実施例2]
図9は本発明の第2の実施例を示す光学システムの概略構成図であり、これは回折面と平面からなる平板状の回折光学素子に対して、平面側からレーザービームを入射するような光学システムの例である。
回折光学素子の平面側に垂直に入射したレーザービームは、平面を透過し、回折面では、回折面の格子周期に因らず、少なくとも0次反射回折光となって平面側へ戻り、さらに平面でのフレネル反射が発生し、この干渉により、回折光学素子の厚さに応じて、回折光学素子を透過するレーザービームの透過率が変化する。したがって、回折面から戻ってきたレーザービームの平面でのフレネル反射率をR0より小さくすることにより、回折光学素子を透過するレーザービームの透過率変化を減少させることができる。
[Example 2]
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an optical system showing a second embodiment of the present invention, in which a laser beam is incident on a flat diffractive optical element having a diffractive surface and a plane from the plane side. It is an example of an optical system.
The laser beam perpendicularly incident on the plane side of the diffractive optical element is transmitted through the plane, and on the diffractive surface, regardless of the grating period of the diffractive surface, returns to the plane side as at least zero-order reflected diffracted light. Fresnel reflection occurs at, and due to this interference, the transmittance of the laser beam that passes through the diffractive optical element changes according to the thickness of the diffractive optical element. Therefore, by changing the Fresnel reflectivity at the plane of the laser beam returned from the diffraction surface to be smaller than R0, the change in the transmittance of the laser beam transmitted through the diffractive optical element can be reduced.

屈折率1.5から屈折率1.0への平面に垂直に入射したときの各偏光に対するフレネル反射率は前述の図7、図8に示す通りであり、前述と同様に、平面でのフレネル反射率をR0より小さくするためには、平面にP偏光を入射し、その入射角θを、
0°<θ<θo
とすればよい。
さらには、
θc<θ<90°
としても良いのは前述の通りである。
The Fresnel reflectivity for each polarized light when incident perpendicularly to the plane from the refractive index 1.5 to the refractive index 1.0 is as shown in FIG. 7 and FIG. 8 described above. In order to make the reflectance smaller than R0, P-polarized light is incident on the plane, and its incident angle θ is
0 ° <θ <θo
And it is sufficient.
Moreover,
θc <θ <90 °
As described above, it is also possible.

すなわち、回折光学素子の回折面で反射された反射回折光のすべてのレーザービームを、P偏光で平面に入射するとともに、その入射角θを、
0°<θ<θo、またはθc<θ<90°
と設定した光学システムとすれば、レーザービームを有効に分離することができる。
That is, all the laser beams of the reflected diffracted light reflected by the diffractive surface of the diffractive optical element are incident on the plane as P-polarized light, and the incident angle θ is
0 ° <θ <θo or θc <θ <90 °
If the optical system is set as follows, the laser beam can be effectively separated.

[実施例3]
図10は本発明の第3の実施例を示す光学システムの概略構成図であり、これは回折面と平面からなる平板状の回折光学素子に対して、回折面側からレーザービームを入射するような光学システムの例である。
回折光学素子の回折面に入射したレーザービームは、いわゆるグレーティング方程式に従って、1以上のレーザービームに透過回折し、分離される。透過回折光は様々な入射角θで平面に入射する。平面ではスネルの法則に従って屈折し、分離されたレーザービームは射出角φで回折光学素子から射出してくる。ここで平面でのフレネル反射率を小さく抑えるために、平面にP偏光入射としている。
[Example 3]
FIG. 10 is a schematic block diagram of an optical system showing a third embodiment of the present invention, which is designed to make a laser beam incident from the diffractive surface side to a flat diffractive optical element having a diffractive surface and a flat surface. It is an example of a simple optical system.
The laser beam incident on the diffractive surface of the diffractive optical element is transmitted and diffracted into one or more laser beams according to a so-called grating equation and separated. The transmitted diffracted light is incident on the plane at various incident angles θ. On the plane, the light is refracted according to Snell's law, and the separated laser beam is emitted from the diffractive optical element at an emission angle φ. Here, in order to keep the Fresnel reflectivity on the plane small, P-polarized light is incident on the plane.

次に図11は図10の光学システムに用いる回折光学素子の第一の例(以下、回折光学素子(例1)とする)を示している。また、図12(a),(b)は、図11に示す回折光学素子(例1)(屈折率1.5)に、回折面側からレーザービーム(波長633nm)を入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光と−1次透過光の回折効率)変化を示している。回折光学素子の回折面は格子周期P=0.38μm、F=0.5、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   Next, FIG. 11 shows a first example of a diffractive optical element used in the optical system of FIG. 10 (hereinafter referred to as a diffractive optical element (Example 1)). FIGS. 12A and 12B show diffractive optics when a laser beam (wavelength 633 nm) is incident on the diffractive optical element (example 1) (refractive index 1.5) shown in FIG. It shows the transmittance (diffraction efficiency of 0th order transmitted light and −1st order transmitted light) changes with respect to changes in the thickness D of the element. The diffraction surface of the diffractive optical element has a grating period P = 0.38 μm, F = 0.5, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, and 0.75 μm.

図11に示すように、回折光学素子の回折面に対して、レーザービームを56.4°で入射させると、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の透過回折光に分離される。いずれの透過回折光とも33.7°の入射角で平面に入射し、スネルの法則に従って屈折し、分離されたレーザービームは射出角56.4°で回折光学素子から射出してくる。なお、角度は正負の区別を付けずに大きさで表している。図12(a),(b)に、このときの0次透過光および−1次透過光の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率を示す。縦軸に透過率、横軸に回折光学素子の厚さDを示す。図12(a),(b)に示すように、厚さDの変化に対して透過率はほぼ一定となっていることがわかる。   As shown in FIG. 11, when a laser beam is incident on the diffractive surface of the diffractive optical element at 56.4 °, it is separated into zero-order and −1-order transmitted diffracted light according to the grating equation. Both transmitted diffracted lights are incident on a plane at an incident angle of 33.7 °, refracted according to Snell's law, and the separated laser beam is emitted from the diffractive optical element at an emission angle of 56.4 °. Note that the angle is represented by a size without distinguishing between positive and negative. FIGS. 12A and 12B show the transmittances of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element at this time. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the thickness D of the diffractive optical element. As shown in FIGS. 12A and 12B, it can be seen that the transmittance is substantially constant with respect to the change in the thickness D.

ここで、図11に示す回折光学素子(例1)の屈折率1.5から屈折率1.0への界面である平面から回折光が射出したときの各偏光に対するフレネル透過率を図13に示す。また、そのフレネル透過率の拡大図を図14に示す。ここで、θ’,θ”は、射出角αでのP偏光時のフレネル透過率をTp(α)としたとき、
Tp(θ’)=Tp(θ”)=0.98、かつ、θ’<θ”
となる射出角とする。この実施例においては、θ’=34.7°、θ”=66.7°である。
Here, FIG. 13 shows the Fresnel transmittance for each polarized light when diffracted light is emitted from a plane which is an interface from the refractive index 1.5 to the refractive index 1.0 of the diffractive optical element (Example 1) shown in FIG. Show. An enlarged view of the Fresnel transmittance is shown in FIG. Here, θ ′ and θ ″ are Tp (α) when the Fresnel transmittance during P-polarization at the exit angle α is Tp (α).
Tp (θ ′) = Tp (θ ″) = 0.98 and θ ′ <θ ″
The exit angle is as follows. In this embodiment, θ ′ = 34.7 ° and θ ″ = 66.7 °.

図11に示す回折光学素子(例1)では、P偏光で平面に入射するとともに、平面から射出される射出角はいずれもφ=56.4°となり、
θ’<φ<θ”
を満たしており、分離されたレーザービームは安定した透過率を示している。
なお、φ=56.4°でのフレネル透過率は1.0であり全透過である。そのため回折面で分離された0次透過光および−1次透過光は、平面からの反射光と干渉せず、回折光学素子の厚さの変化に依存することなく、透過率は一定となっている。
In the diffractive optical element (example 1) shown in FIG. 11, the light is incident on the plane with P-polarized light, and the exit angle emitted from the plane is φ = 56.4 °.
θ '<φ <θ "
The separated laser beam shows a stable transmittance.
Note that the Fresnel transmittance at φ = 56.4 ° is 1.0, which is the total transmittance. Therefore, the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light separated by the diffractive surface do not interfere with the reflected light from the plane, and the transmittance is constant without depending on the change in the thickness of the diffractive optical element. Yes.

次に図15は図10の光学システムに用いる回折光学素子の第二の例(以下、回折光学素子(例2)とする)を示している。また、図16(a),(b)は、図15に示す回折光学素子(例2)(屈折率1.5)に、回折面側からレーザービーム(波長633nm)を入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光と−1次透過光の回折効率)変化を示している。回折光学素子の回折面は格子周期P=0.46μm、F=0.5、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   Next, FIG. 15 shows a second example of a diffractive optical element (hereinafter referred to as a diffractive optical element (example 2)) used in the optical system of FIG. FIGS. 16A and 16B show diffractive optics when a laser beam (wavelength 633 nm) is incident on the diffractive optical element (example 2) (refractive index 1.5) shown in FIG. It shows the transmittance (diffraction efficiency of 0th order transmitted light and −1st order transmitted light) changes with respect to changes in the thickness D of the element. The diffractive surface of the diffractive optical element has a grating period P = 0.46 μm, F = 0.5, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, 0.75 μm.

図15に示すように、回折光学素子の回折面に対して、レーザービームを43.5°で入射させると、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の透過回折光に分離される。いずれの透過回折光とも27.3°の入射角で平面に入射し、スネルの法則に従がって屈折し、分離されたレーザービームは射出角43.5°で回折光学素子から射出してくる。図16(a),(b)に、このときの0次透過光および−1次透過光の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率を示す。縦軸に透過率、横軸に回折光学素子の厚さDを示す。図16(a),(b)に示すように、前述の実施例(図12)に比べれば、厚さDの変化に対して透過率の変化はあるものの、変化量は実用レベルに抑えられている。   As shown in FIG. 15, when a laser beam is incident on the diffractive surface of the diffractive optical element at 43.5 °, it is separated into 0th-order and −1st-order transmitted diffracted light according to the grating equation. Both transmitted diffracted lights are incident on a plane at an incident angle of 27.3 °, refracted according to Snell's law, and the separated laser beam is emitted from the diffractive optical element at an emission angle of 43.5 °. come. FIGS. 16A and 16B show the transmittance of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light with respect to the change in the thickness D of the diffractive optical element at this time. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the thickness D of the diffractive optical element. As shown in FIGS. 16A and 16B, compared to the above-described embodiment (FIG. 12), although the transmittance changes with respect to the change in thickness D, the amount of change can be suppressed to a practical level. ing.

図15に示す回折光学素子(例2)では、P偏光で平面に入射するとともに、平面から射出される射出角はいずれもφ=43.5°となり、
θ’<φ<θ”
を満たしており、分離されたレーザービームの透過率変化は小さい。
なお、φ=43.5°でのフレネル透過率は0.99であり、ほぼ全透過である。そのため回折面で分離された0次透過光および−1次透過光は、平面からの反射光と干渉せず、回折光学素子の厚さの変化に依存することなく、透過率の変化は抑えられている。
In the diffractive optical element shown in FIG. 15 (Example 2), the light is incident on the plane with P-polarized light, and the exit angle emitted from the plane is φ = 43.5 °.
θ '<φ <θ "
The transmittance change of the separated laser beam is small.
The Fresnel transmittance at φ = 43.5 ° is 0.99, which is almost total transmission. Therefore, the 0th order transmitted light and the −1st order transmitted light separated by the diffractive surface do not interfere with the reflected light from the plane, and the change in transmittance is suppressed without depending on the change in the thickness of the diffractive optical element. ing.

次に図17は図10の光学システムに用いる回折光学素子の第三の例(以下、回折光学素子(例3)とする)を示している。また、図18(a),(b)は、図17に示す回折光学素子(例3)(屈折率1.5)に、回折面側からレーザービーム(波長633nm)を入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光と−1次透過光の回折効率)変化を示している。回折光学素子の回折面は格子周期P=0.55μm、F=0.5、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   Next, FIG. 17 shows a third example of the diffractive optical element used in the optical system of FIG. 10 (hereinafter referred to as a diffractive optical element (example 3)). 18A and 18B show diffractive optics when a laser beam (wavelength 633 nm) is incident on the diffractive optical element (example 3) (refractive index 1.5) shown in FIG. It shows the transmittance (diffraction efficiency of 0th order transmitted light and −1st order transmitted light) changes with respect to changes in the thickness D of the element. The diffractive surface of the diffractive optical element has a grating period P = 0.55 μm, F = 0.5, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, 0.75 μm.

図17に示すように、回折光学素子の回折面に対して、レーザービームを35.1°で入射させると、グレーティング方程式に従って0次と−1次の透過回折光に分離される。いずれの透過回折光とも22.6°の入射角で平面に入射し、スネルの法則に従がって屈折し、分離されたレーザービームは射出角35.1°で回折光学素子から射出してくる。図18(a),(b)に、このときの0次透過光および−1次透過光の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率を示す。縦軸に透過率、横軸に回折光学素子の厚さDを示す。図18(a),(b)に示すように、前述の実施例(図12、図16)に比べれば、厚さDの変化に対して透過率の変化は大きいものの、変化量は実用レベルに抑えられている。   As shown in FIG. 17, when a laser beam is incident on the diffractive surface of the diffractive optical element at 35.1 °, it is separated into 0th order and −1st order transmitted diffracted light according to the grating equation. Both transmitted diffracted lights are incident on a plane at an incident angle of 22.6 °, refracted according to Snell's law, and the separated laser beam is emitted from the diffractive optical element at an emission angle of 35.1 °. come. FIGS. 18A and 18B show the transmittance of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element at this time. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the thickness D of the diffractive optical element. As shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b), compared with the above-described embodiment (FIGS. 12 and 16), although the change in transmittance is large with respect to the change in thickness D, the amount of change is at a practical level. Is suppressed.

図17に示す回折光学素子(例3)では、P偏光で平面に入射するとともに、平面から射出される射出角はいずれもφ=35.1°となり、
θ’<φ<θ”
を満たしており、分離されたレーザービームの透過率変化は小さい。
なお、φ=35.1°でのフレネル透過率は0.98であり、透過率は高い。そのため回折面で分離された0次透過光および−1次透過光は、平面からの反射光と干渉せず、回折光学素子の厚さの変化に依存することなく、透過率の変化は抑えられている。
In the diffractive optical element shown in FIG. 17 (Example 3), the light is incident on the plane with P-polarized light, and the exit angles emitted from the plane are both φ = 35.1 °,
θ '<φ <θ "
The transmittance change of the separated laser beam is small.
Note that the Fresnel transmittance at φ = 35.1 ° is 0.98, and the transmittance is high. Therefore, the 0th order transmitted light and the −1st order transmitted light separated by the diffractive surface do not interfere with the reflected light from the plane, and the change in transmittance is suppressed without depending on the change in the thickness of the diffractive optical element. ing.

一般に無反射コーティングといっても民生用途の光学部品であれば、使用波長範囲や角度特性に対してその透過率は0.98程度以上である。すなわち上記実施例に示す条件を満たす範囲であれば、無反射コーティングを施さなくとも、無反射コーティングを施したと同程度の透過率変化に抑えることができるのである。すなわち無反射コーティングにかかるコスト、時間の削減が可能となる。   In general, even if it is an anti-reflection coating, if it is an optical component for consumer use, its transmittance is about 0.98 or more with respect to the operating wavelength range and angular characteristics. In other words, as long as the conditions shown in the above embodiments are satisfied, it is possible to suppress the transmittance change to the same level as when the antireflection coating is applied, without applying the antireflection coating. That is, the cost and time required for the antireflective coating can be reduced.

図11、図15、図17の実施例においては、いずれも回折面に入射させる角度にいわゆるブラッグ条件を適用した。すなわち、波長λと回折面の格子周期Pとから入射角θBは次式で決定される。
sinθB=λ/2P
この条件を用いると回折面で分離されるレーザービームは0次透過光と−1次透過光の2つとなり、回折面からの射出角も等しくなる。すなわち、平面へ入射する角度も等しく、しいては平面からの射出角φも等しくなる。したがって、分離された2つのレーザービームの透過率も同じような変化を示し、レーザービーム間のばらつきはなくなる。
In the examples of FIGS. 11, 15, and 17, so-called Bragg conditions are applied to the angles of incidence on the diffractive surface. That is, the incident angle θB is determined by the following equation from the wavelength λ and the grating period P of the diffraction surface.
sinθB = λ / 2P
When this condition is used, two laser beams are separated on the diffraction surface, ie, 0th order transmitted light and −1st order transmitted light, and the exit angles from the diffraction surface are also equal. That is, the incident angle to the plane is also equal, and the exit angle φ from the plane is also equal. Therefore, the transmittances of the two separated laser beams show the same change, and there is no variation between the laser beams.

さらに、図11の実施例においては、平面からの射出角が、いわゆるブリュースター角φB(P偏光時のフレネル透過率が1.0となる角度)となるように設定した。ここで空気中(屈折率1.0)に置かれた回折光学素子の屈折率をNとしたとき、ブリュースター角は次式で決定される。
tanφB=N
このブリュースター角ではフレネル透過率が1.0となることから、透過率変化はゼロとすることができる。
Further, in the embodiment of FIG. 11, the emission angle from the plane is set to be a Brewster angle φB (an angle at which the Fresnel transmittance at the time of P-polarized light becomes 1.0). Here, when the refractive index of the diffractive optical element placed in the air (refractive index 1.0) is N, the Brewster angle is determined by the following equation.
tanφB = N
At this Brewster angle, since the Fresnel transmittance is 1.0, the transmittance change can be zero.

なお、上記の実施例ではブラッグ条件やブリュースター角を適用した例を示したが、もちろんブラッグ条件やブリュースター角を適用しなくても良い。以下に、その実施例を示す。   In the above embodiment, the Bragg condition and the Brewster angle are applied. However, the Bragg condition and the Brewster angle need not be applied. Examples thereof are shown below.

図19は図10の光学システムに用いる回折光学素子の第四の例(以下、回折光学素子(例4)とする)を示している。また、図20(a),(b)は、図19に示す回折光学素子(例4)(屈折率1.5)に、回折面側からレーザービーム(波長633nm)を入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光と−1次透過光の回折効率)変化を示している。回折光学素子の回折面は格子周期P=0.38μm、F=0.5、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   FIG. 19 shows a fourth example of a diffractive optical element used in the optical system of FIG. 10 (hereinafter referred to as a diffractive optical element (Example 4)). FIGS. 20A and 20B show diffractive optics when a laser beam (wavelength 633 nm) is incident on the diffractive optical element (example 4) (refractive index 1.5) shown in FIG. It shows the transmittance (diffraction efficiency of 0th order transmitted light and −1st order transmitted light) changes with respect to changes in the thickness D of the element. The diffraction surface of the diffractive optical element has a grating period P = 0.38 μm, F = 0.5, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, and 0.75 μm.

図19に示すように、回折光学素子の回折面に対して、レーザービームを50.0°で入射させると、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の透過回折光に分離される。0次透過回折光は30.7°で、−1次透過回折光は36.9°の入射角で平面に入射し、スネルの法則に従って屈折し、回折光学素子から射出してくるレーザービームの射出角はそれぞれ50.0°と64.1°となる。図20(a),(b)に、このときの0次透過光および−1次透過光の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率を示す。縦軸に透過率、横軸に回折光学素子の厚さDを示す。図20(a),(b)に示すように、厚さDの変化に対して透過率は実用レベルに抑えられている。なお、回折光学素子の平面から射出されるそれぞれの射出角φは条件、
θ’<φ<θ”
を満たしている。
As shown in FIG. 19, when a laser beam is incident on the diffractive surface of the diffractive optical element at 50.0 °, it is separated into 0th order and −1st order transmitted diffracted light according to the grating equation. The 0th order transmitted diffracted light is 30.7 °, the −1st order transmitted diffracted light is incident on the plane at an incident angle of 36.9 °, is refracted according to Snell's law, and is emitted from the diffractive optical element. The exit angles are 50.0 ° and 64.1 °, respectively. FIGS. 20A and 20B show the transmittance of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light with respect to the change in the thickness D of the diffractive optical element at this time. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the thickness D of the diffractive optical element. As shown in FIGS. 20A and 20B, the transmittance is suppressed to a practical level with respect to the change in the thickness D. Each exit angle φ emitted from the plane of the diffractive optical element is a condition,
θ '<φ <θ "
Meet.

[実施例4]
図21は本発明の第4の実施例を示す光学システムの概略構成図であり、これは回折面と平面からなる平板状の回折光学素子に対して、平面側からレーザービームを入射するような光学システムの例である。
回折光学素子の平面に入射したレーザービームはスネルの法則に従って屈折し、回折面に入射する。回折面に入射されたレーザービームはグレーティング方程式に従って1以上のレーザービームに透過回折し、分離され、様々な射出角で回折光学素子から射出してくる。一方で、回折面で反射回折されたレーザービームは再び平面に戻り、さらに平面で反射される。本実施例では、ここでのフレネル反射率を小さく抑えるためにP偏光入射としている。
[Example 4]
FIG. 21 is a schematic configuration diagram of an optical system showing a fourth embodiment of the present invention, in which a laser beam is incident on a flat diffractive optical element having a diffractive surface and a plane from the plane side. It is an example of an optical system.
The laser beam incident on the plane of the diffractive optical element is refracted according to Snell's law and incident on the diffractive surface. The laser beam incident on the diffractive surface is transmitted and diffracted into one or more laser beams according to the grating equation, separated, and emitted from the diffractive optical element at various exit angles. On the other hand, the laser beam reflected and diffracted by the diffraction surface returns to the plane again and is further reflected by the plane. In this embodiment, in order to suppress the Fresnel reflectivity here, P-polarized light is used.

図22は図21の光学システムに用いる回折光学素子の一例(以下、回折光学素子(例5)とする)を示している。また、図23(a),(b)は、図22に示す回折光学素子(例5)(屈折率1.5)に、平面側からレーザービーム(波長633nm)を入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光と−1次透過光の回折効率)変化を示している。回折面は格子周期P=0.38μm、F=0.5、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   FIG. 22 shows an example of a diffractive optical element used in the optical system of FIG. 21 (hereinafter referred to as a diffractive optical element (Example 5)). 23A and 23B show the diffractive optical element when a laser beam (wavelength 633 nm) is incident on the diffractive optical element (example 5) (refractive index 1.5) shown in FIG. 22 from the plane side. The transmittance (the diffraction efficiency of the 0th order transmitted light and the −1st order transmitted light) with respect to the change in the thickness D of FIG. The diffraction surface had a grating period P = 0.38 μm, F = 0.5, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, and 0.75 μm.

図22に示すように、回折光学素子の平面に対して、レーザービームを56.4°で入射させると、スネルの法則に従って屈折し、33.7°の入射角で回折面に入射する。回折面では、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の透過回折光に分離され、いずれの透過回折光とも射出角56.4°で回折光学素子から射出してくる。なお、角度は正負の区別を付けずに大きさで表している。図23(a),(b)に、このときの0次透過光および−1次透過光の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率を示す。縦軸に透過率、横軸に回折光学素子の厚さDを示す。図23(a),(b)に示すように、厚さDの変化に対して透過率はほぼ一定となっていることがわかる。   As shown in FIG. 22, when a laser beam is incident on the plane of the diffractive optical element at 56.4 °, the laser beam is refracted according to Snell's law and incident on the diffraction surface at an incident angle of 33.7 °. On the diffractive surface, according to the grating equation, it is separated into 0th-order and −1st-order transmitted diffracted light, and both transmitted diffracted light is emitted from the diffractive optical element at an exit angle of 56.4 °. Note that the angle is represented by a size without distinguishing between positive and negative. FIGS. 23A and 23B show the transmittances of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element at this time. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the thickness D of the diffractive optical element. As shown in FIGS. 23A and 23B, it can be seen that the transmittance is substantially constant with respect to the change in the thickness D.

干渉により透過率変動を引き起こすレーザービームは、回折面で反射され、平面へ戻る回折反射光であり、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の反射回折光が発生し、いずれも入射角は33.7°で平面に入射されることになる(図22中に破線で示す)。ここで、図22に示す回折光学素子の屈折率1.5から屈折率1.0への界面である平面に回折反射光が入射したときの各偏光に対するフレネル透過率を図24に示す。また、そのフレネル透過率の拡大図を図25に示す。なお、図25のψ’,ψ”は、入射角αでのP偏光時のフレネル透過率をTp(α)としたとき、
Tp(ψ’)=Tp(ψ”)=0.98、かつ、ψ’<ψ”
となる射出角とする。この実施例においては、ψ’=22.3°,ψ”=37.7°である。
A laser beam that causes transmittance fluctuations due to interference is diffracted reflected light that is reflected on the diffraction surface and returns to the plane, and 0th-order and −1st-order reflected diffracted light is generated according to the grating equation. It is incident on the plane at 7 ° (indicated by a broken line in FIG. 22). Here, FIG. 24 shows the Fresnel transmittance for each polarized light when the diffracted reflected light is incident on a plane which is an interface from the refractive index 1.5 to the refractive index 1.0 of the diffractive optical element shown in FIG. An enlarged view of the Fresnel transmittance is shown in FIG. Note that ψ ′ and ψ ″ in FIG. 25 are Tp (α) when the Fresnel transmittance during P-polarization at the incident angle α is Tp (α).
Tp (ψ ′) = Tp (ψ ″) = 0.98 and ψ ′ <ψ ″
The exit angle is as follows. In this embodiment, ψ ′ = 22.3 ° and ψ ″ = 37.7 °.

図22に示す回折光学素子(例5)では、P偏光で平面に入射するとともに、平面に入射する回折反射光の入射角はいずれもψ=33.7°となり条件、
ψ’<ψ<ψ”
を満たしており、分離されたレーザービームは安定した透過率を示している。なお、ψ=33.7°でのフレネル透過率は1.0であり全透過である。そのため回折面で分離された0次透過光および−1次透過光は、回折光学素子の厚さDの変化に依存することなく、透過率は一定となっている。
In the diffractive optical element shown in FIG. 22 (Example 5), the incident angle of the diffracted reflected light incident on the plane with P-polarized light is ψ = 33.7 °.
ψ '<ψ <ψ "
The separated laser beam shows a stable transmittance. Note that the Fresnel transmittance at ψ = 33.7 ° is 1.0, which is total transmission. Therefore, the transmittance of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light separated by the diffractive surface is constant without depending on the change in the thickness D of the diffractive optical element.

なお、上記の実施例では、回折面に入射する条件としてブラッグ条件を適用し、平面に入射する条件にブリュースター角を適用した例を示したが、もちろん、ブラッグ条件やブリュースター角を適用しなくても良い。以下に、その実施例を示す。   In the above embodiment, the Bragg condition is applied as the condition for entering the diffractive surface, and the Brewster angle is applied to the condition for entering the plane. Of course, the Bragg condition and the Brewster angle are applied. It is not necessary. Examples thereof are shown below.

図26は図21の光学システムに用いる回折光学素子の別の例(以下、回折光学素子(例6)とする)を示している。また、図27(a),(b)は、図26に示す回折光学素子(例6)(屈折率1.5)に、平面側からレーザービーム(波長633nm)を入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光と−1次透過光の回折効率)変化を示している。回折光学素子の回折面は格子周期P=0.38μm、F=0.5、格子高さH=0.25μm,0.5μm,0.75μmとした。   FIG. 26 shows another example of a diffractive optical element used in the optical system of FIG. 21 (hereinafter referred to as a diffractive optical element (Example 6)). FIGS. 27A and 27B show diffractive optical elements when a laser beam (wavelength 633 nm) is incident on the diffractive optical element (example 6) (refractive index 1.5) shown in FIG. 26 from the plane side. The transmittance (the diffraction efficiency of the 0th order transmitted light and the −1st order transmitted light) with respect to the change in the thickness D of FIG. The diffraction surface of the diffractive optical element has a grating period P = 0.38 μm, F = 0.5, and a grating height H = 0.25 μm, 0.5 μm, and 0.75 μm.

図26に示すように、回折光学素子の平面に対して、レーザービームを50.0°で入射させると、スネルの法則に従って屈折し、30.7°の入射角で回折面に入射する。回折面では、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の透過回折光に分離され、回折光学素子から射出してくるレーザービームの射出角はそれぞれ50.0°と64.1°となる。図27(a),(b)に、このときの0次透過光および−1次透過光の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率を示す。縦軸に透過率、横軸に回折光学素子の厚さDを示す。図27(a),(b)に示すように、前述の実施例(図23)に比べれば、厚さDの変化に対して透過率の変化はあるものの、変化量は実用レベルに抑えられている。   As shown in FIG. 26, when the laser beam is incident on the plane of the diffractive optical element at 50.0 °, it is refracted according to Snell's law and incident on the diffractive surface at an incident angle of 30.7 °. On the diffractive surface, according to the grating equation, it is separated into 0th order and −1st order transmitted diffracted light, and the exit angles of the laser beam exiting from the diffractive optical element are 50.0 ° and 64.1 °, respectively. FIGS. 27A and 27B show the transmittances of the 0th-order transmitted light and the −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element at this time. The vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the thickness D of the diffractive optical element. As shown in FIGS. 27A and 27B, compared with the above-described embodiment (FIG. 23), although the transmittance changes with respect to the change in thickness D, the amount of change can be suppressed to a practical level. ing.

干渉により透過率変動を引き起こすレーザービームは、回折面で反射され、平面へ戻る回折反射光であり、グレーティング方程式に従って、0次と−1次の反射回折光が発生し、0次反射光は30.7°で、−1次反射光は36.9°で平面に入射されることになる(図26中に破線で示す)。
図26に示す回折光学素子の例では、P偏光で平面に入射するとともに、回折面で反射され、平面に戻る回折反射光の入射角ψは、いずれも条件、
ψ’<ψ<ψ”
を満たしており、分離されたレーザービームは安定した透過率を示している。
A laser beam that causes transmittance fluctuations due to interference is diffracted reflected light that is reflected by the diffraction surface and returns to the plane. According to the grating equation, 0th order and −1st order reflected diffracted light is generated, and the 0th order reflected light is 30. At -7 °, the −1st order reflected light is incident on the plane at 36.9 ° (indicated by a broken line in FIG. 26).
In the example of the diffractive optical element shown in FIG. 26, the incident angle ψ of the diffracted reflected light that is incident on the plane with P-polarized light, reflected on the diffractive surface, and returned to the plane is
ψ '<ψ <ψ "
The separated laser beam shows a stable transmittance.

[実施例5]
次に本発明の光学システムを用いた光走査装置と、その光走査装置を備えた画像形成装置の一例について説明する。
図28は本発明に係る画像形成装置の一例を示すレーザープリンタの概略構成図である。図28に示されるレーザープリンタ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、現像装置の現像ローラ903、トナーカートリッジ904、クリーニング装置の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。
[Example 5]
Next, an example of an optical scanning device using the optical system of the present invention and an image forming apparatus including the optical scanning device will be described.
FIG. 28 is a schematic configuration diagram of a laser printer showing an example of an image forming apparatus according to the present invention. The laser printer 100 shown in FIG. 28 includes an optical scanning device 900, a photosensitive drum 901 as a scanning object, a charging charger 902, a developing roller 903 of a developing device, a toner cartridge 904, a cleaning blade 905 of a cleaning device, and a paper feed tray. 906, a paper feed roller 907, a registration roller pair 908, a transfer charger 911, a fixing roller 909, a paper discharge roller 912, a paper discharge tray 910, and the like.

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の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム901の回転方向に関して、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。   The charging charger 902, the developing roller 903, the transfer charger 911, and the cleaning blade 905 are disposed in the vicinity of the surface of the photosensitive drum 901, respectively. With respect to the rotation direction of the photosensitive drum 901, the charging charger 902, the developing roller 903, the transfer charger 911, and the cleaning blade 905 are arranged in this order.

像担持体である感光体ドラム901の表面には、感光層が形成されている。ここでは、感光体ドラム901は、図28における面内で時計回り(矢印方向)に回転するようになっている。
そして画像形成が開始されると、感光体ドラム901が回転し、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。
A photosensitive layer is formed on the surface of the photosensitive drum 901 which is an image carrier. Here, the photosensitive drum 901 rotates clockwise (in the direction of the arrow) within the plane in FIG.
When image formation is started, the photosensitive drum 901 rotates, and the charging charger 902 charges the surface of the photosensitive drum 901 uniformly.

光走査装置900は、帯電チャージャ902で帯電された感光体ドラム901の表面に、上位装置(例えばパーソナルコンピュータ等)からの画像情報に基づいて変調された光を照射する。これにより、感光体ドラム901の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム901の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム901の回転に伴って現像ローラ903の方向に移動する。   The optical scanning device 900 irradiates the surface of the photosensitive drum 901 charged by the charging charger 902 with light modulated based on image information from a host device (for example, a personal computer). As a result, on the surface of the photosensitive drum 901, the charge is lost only in the portion irradiated with light, and a latent image corresponding to the image information is formed on the surface of the photosensitive drum 901. The latent image formed here moves in the direction of the developing roller 903 as the photosensitive drum 901 rotates.

ところで、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」と呼ばれ、感光体ドラム901の回転方向は「副走査方向」と呼ばれている。また、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」ともいう。なお、この光走査装置900の構成については後述する。   By the way, the longitudinal direction (direction along the rotation axis) of the photosensitive drum 901 is referred to as “main scanning direction”, and the rotational direction of the photosensitive drum 901 is referred to as “sub-scanning direction”. Of the scanning area in the main scanning direction from the scanning start position to the scanning end position on the photosensitive drum 901, an area where a latent image is formed is also referred to as an “effective image forming area”. The configuration of the optical scanning device 900 will be described later.

現像装置に付設されるトナーカートリッジ904にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ903に供給される。この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交換を促すメッセージが表示される。   The toner cartridge 904 attached to the developing device stores toner, and the toner is supplied to the developing roller 903. The amount of toner in the toner cartridge 904 is checked when the power is turned on or when printing is completed. When the remaining amount is low, a message prompting replacement is displayed on a display unit (not shown).

現像ローラ903は、回転に伴ってその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、この現像ローラ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電圧が印加されている。そして、この電圧によって、現像ローラ903の表面に付着しているトナーは、感光体ドラム901の表面の光が照射された部分にだけ付着する。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て画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像は、感光体ドラム901の回転に伴って転写チャージャ911の方向に移動する。   As the developing roller 903 rotates, the toner supplied from the toner cartridge 904 is charged and thinly and uniformly attached to the surface thereof. Further, the developing roller 903 has an electric field in the opposite direction between a charged portion (a portion not irradiated with light) and an uncharged portion (a portion irradiated with light) in the photosensitive drum 901. A voltage is generated to generate. By this voltage, the toner adhering to the surface of the developing roller 903 adheres only to the portion irradiated with light on the surface of the photosensitive drum 901. That is, the developing roller 903 causes the toner to adhere to the latent image formed on the surface of the photosensitive drum 901 and visualizes the image information. Here, the latent image to which the toner is attached moves in the direction of the transfer charger 911 as the photosensitive drum 901 rotates.

給紙トレイ906には転写対象物としての記録紙913が格納されている。この給紙トレイ906の近傍には給紙コロ907が配置されており、該給紙コロ907は、上記の画像形成動作に合せて記録紙913を給紙トレイ906から1枚づつ取り出して給紙し、レジストローラ対908に搬送する。該レジストローラ対908は、転写ローラ911の近傍に配置され、給紙コロ907によって給紙された記録紙913を一旦保持するとともに、該記録紙913を感光体ドラム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。   A recording sheet 913 as a transfer object is stored in the sheet feeding tray 906. A paper feed roller 907 is disposed in the vicinity of the paper feed tray 906. The paper feed roller 907 takes out the recording paper 913 one by one from the paper feed tray 906 and feeds it in accordance with the image forming operation described above. Then, it is conveyed to the registration roller pair 908. The registration roller pair 908 is disposed in the vicinity of the transfer roller 911, temporarily holds the recording paper 913 fed by the paper feeding roller 907, and the recording paper 913 is synchronized with the rotation of the photosensitive drum 901. It is sent out toward the gap between the drum 901 and the transfer charger 911.

転写チャージャ911には、感光体ドラム901の表面上のトナーを電気的に記録紙913に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム901の表面の潜像が記録紙913に転写される。ここで転写された記録紙913は、定着ローラ909に送られる。   A voltage having a polarity opposite to that of the toner is applied to the transfer charger 911 in order to electrically attract the toner on the surface of the photosensitive drum 901 to the recording paper 913. With this voltage, the latent image on the surface of the photosensitive drum 901 is transferred to the recording paper 913. The recording sheet 913 transferred here is sent to the fixing roller 909.

この定着ローラ909では、熱と圧力とが記録紙913に加えられ、これによってトナーが記録紙913上に定着される。ここで定着された記録紙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。   In the fixing roller 909, heat and pressure are applied to the recording paper 913, whereby the toner is fixed on the recording paper 913. The recording paper 913 fixed here is sent to the paper discharge tray 910 via the paper discharge roller 912 and sequentially stacked on the paper discharge tray 910.

クリーニングブレード905は、感光体ドラム901の表面に残ったトナー(残留トナー)を除去する。なお、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の位置に戻り、次の画像形成の待機状態となる。   The cleaning blade 905 removes toner remaining on the surface of the photosensitive drum 901 (residual toner). The removed residual toner is used again. The surface of the photosensitive drum 901 from which the residual toner has been removed returns to the position of the charging charger 902 again, and enters a standby state for the next image formation.

なお、上記の例では画像形成装置をレーザープリンタとしたが、原稿画像の読取装置(スキャナ)や画像処理装置を備えた構成とすればデジタル複写機となり、さらに通信機能を付加して電話回線、光ケーブル、LAN等と接続すれば、ファクシミリやデジタル複合機として利用することができる。   In the above example, the image forming apparatus is a laser printer. However, if it is configured to include a document image reading apparatus (scanner) or an image processing apparatus, it becomes a digital copier, and a communication function is added to a telephone line, If it is connected to an optical cable, LAN, etc., it can be used as a facsimile or a digital multi-function peripheral.

次に、前記光走査装置900の構成及び動作について説明する。図29は、図28の画像形成装置に用いられる光走査装置900の一例を示す概略構成図である。
この光走査装置900は、光源手段20と、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からなる整形光学系24と、光偏向手段25と、2枚の走査結像レンズ26,27からなる走査結像光学系28と、分離光学系29と光検出器30とからなる光ビーム検出手段31と、図示を省略した処理装置などを備えている。
Next, the configuration and operation of the optical scanning device 900 will be described. FIG. 29 is a schematic configuration diagram showing an example of an optical scanning device 900 used in the image forming apparatus of FIG.
The optical scanning device 900 includes a light source means 20, a shaping optical system 24 including a coupling lens 21, an aperture 22, and a cylindrical lens 23, a light deflection means 25, and a scanning consisting of two scanning imaging lenses 26 and 27. A light beam detecting means 31 including an imaging optical system 28, a separation optical system 29, and a light detector 30, and a processing device (not shown) are provided.

光源手段20は、一般にシングルビーム光源として、半導体レーザーが用いられる。また、マルチビーム光源としてもよく、その場合には、複数の光ビームを構成する手段として、複数の半導体レーザーを近接して実装した半導体レーザアレイや、近年開発が進んでいる面発光レーザーアレイ(VCSELアレイ)などが用いられる。   The light source means 20 generally uses a semiconductor laser as a single beam light source. Alternatively, a multi-beam light source may be used. In this case, as means for forming a plurality of light beams, a semiconductor laser array in which a plurality of semiconductor lasers are mounted close to each other, or a surface emitting laser array that has been developed recently ( VCSEL array) or the like is used.

カップリングレンズ21は、光源手段20から出射された光を略平行光に整形する。もちろん,若干の収束光であったり、発散光であったりしてもよい。
アパーチュ22によって光ビームの一部が遮光された後、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て、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。
The coupling lens 21 shapes the light emitted from the light source means 20 into substantially parallel light. Of course, it may be some convergent light or divergent light.
After a part of the light beam is shielded by the aperture 22, it is converged in the sub-scanning direction by the cylindrical lens 23, and is formed as a long line image in the vicinity of the deflection reflection surface of the light deflecting means 25 in the main scanning direction.

光偏向手段25は、例えばモータによって回転駆動されるポリゴンミラー(回転多面鏡)やピラミダルミラー等からなり、光偏向手段25が回転駆動されることにより、光ビームは偏向走査され、2枚の走査結像レンズ26,27からなる走査結像光学系28によって、被走査面である感光体ドラム901上に光スポットを形成する。   The light deflecting means 25 is composed of, for example, a polygon mirror (rotating polygonal mirror) or a pyramid mirror that is rotationally driven by a motor. The light deflecting means 25 is rotationally driven to deflect and scan the light beam. A light spot is formed on a photosensitive drum 901 that is a surface to be scanned by a scanning imaging optical system 28 including imaging lenses 26 and 27.

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の一部は、該有効画像形成領域外に配置された光ビーム検出手段31に入射され、光ビームの位置を検出する。
また、この光ビーム検出手段31では、主走査方向の光ビームの位置を検出して、主走査方向の書き込み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。
A part of the light beam traveling outside the effective image forming area in the main scanning direction via the scanning imaging optical system 28 is incident on the light beam detecting means 31 arranged outside the effective image forming area, and the position of the light beam Is detected.
The light beam detecting means 31 performs so-called synchronous detection in which the position of the light beam in the main scanning direction is detected and the timing to the writing start position in the main scanning direction is adjusted.

次に、図30に図29に示す光走査装置の光ビーム検出手段の概略構成を示す。これは、本発明の光学システムを光ビーム検出手段として光走査装置に用いた1つの例を示している。以下、光ビーム検出手段31の構成および作用について図30を用いて説明する。
走査結像光学系28を介して有効画像形成領域外に向かう光ビームの一部は、分離光学系29であるバイナリー型の回折光学素子(前述の実施例1〜4で説明した光学システムの回折光学素子(例1〜6のいずれか1つの回折光学素子))に入射され、そこで副走査方向に2つの分離光ビームC1,C2に分離される。分離された光ビームC1,C2は、副走査方向に配置された2つの光検出器30−1,30−2によって、各々検出される。
Next, FIG. 30 shows a schematic configuration of the light beam detecting means of the optical scanning device shown in FIG. This shows one example in which the optical system of the present invention is used in an optical scanning device as a light beam detecting means. Hereinafter, the configuration and operation of the light beam detection means 31 will be described with reference to FIG.
A part of the light beam that goes out of the effective image forming area via the scanning imaging optical system 28 is a binary type diffractive optical element that is the separation optical system 29 (the diffraction of the optical system described in the first to fourth embodiments). Is incident on an optical element (any one of the diffractive optical elements of Examples 1 to 6), and is separated into two separated light beams C1 and C2 in the sub-scanning direction. The separated light beams C1 and C2 are detected by two photodetectors 30-1 and 30-2 arranged in the sub-scanning direction, respectively.

図31は図30に示す光ビーム検出手段の光検出器の概略構成を示している。以下、光検出器の配置の様子について図31を用いて説明する。
光検出器30−1,30−2は副走査方向に配置されており、各光検出器30−1,30−2は、光ビームに対して光電変換を行うスリット状の受光部32−1,32−2を備えている。図31の実施例では、2つの光検出器30−1,30−2は形状が等しい光検出器であるが、一方の光検出器30−2は傾けて配置している。
FIG. 31 shows a schematic configuration of the photodetector of the light beam detecting means shown in FIG. Hereinafter, the arrangement of the photodetectors will be described with reference to FIG.
The photodetectors 30-1 and 30-2 are arranged in the sub-scanning direction, and each of the photodetectors 30-1 and 30-2 performs slit-shaped light receiving unit 32-1 that performs photoelectric conversion on the light beam. , 32-2 are provided. In the embodiment of FIG. 31, the two photodetectors 30-1 and 30-2 are photodetectors having the same shape, but one photodetector 30-2 is disposed at an angle.

光偏向手段25によって偏向走査される光ビームは、分離光学系である回折光学素子29によって2つの分離光ビームC1,C2に分離され、図31の矢印に示す方向に各光検出器30−1,30−2の受光部32−1,32−2を走査し、各々検出される。これにより、一方の光検出器30−1を用いて、主走査方向の書き込み開始位置までのタイミングを調整する、所謂同期検知を行い、他方の光検出器30−2を用いて、ビーム検出手段31に入射する光ビームの副走査方向の位置を検出することができる。   The light beam deflected and scanned by the light deflecting means 25 is separated into two separated light beams C1 and C2 by a diffractive optical element 29 which is a separation optical system, and each photodetector 30-1 in the direction indicated by the arrow in FIG. , 30-2 are scanned and detected. As a result, so-called synchronous detection is performed in which the timing to the writing start position in the main scanning direction is adjusted using one photodetector 30-1, and beam detection means is used using the other photodetector 30-2. The position of the light beam incident on 31 can be detected in the sub-scanning direction.

以上のように、本実施例の光走査装置では、前述の実施例1〜4で説明した回折光学素子を用いた光学システムを、光ビーム検出手段31の分離光学系29として用いることにより、特に副走査方向の光ビーム位置を検出することができ、また、光源手段20にマルチビーム光源を用いた場合には、副走査方向の光ビーム間隔も検出することができるので、高精細化、カラー化に適応する画像形成装置のための光走査装置を実現することができる。   As described above, in the optical scanning device according to the present embodiment, the optical system using the diffractive optical element described in the above first to fourth embodiments is used as the separation optical system 29 of the light beam detecting unit 31. The position of the light beam in the sub-scanning direction can be detected. When a multi-beam light source is used as the light source means 20, the light beam interval in the sub-scanning direction can also be detected. It is possible to realize an optical scanning device for an image forming apparatus that is adapted to the realization.

[実施例6]
次に本発明に係る画像形成装置の別の例を図32に示す。この画像形成装置は、図28と略同様の構成の画像形成部を4つ並設した多色対応のタンデム型カラープリンタの例である。4つの画像形成部は、現像剤に用いるトナーの色(例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラック)が異なるだけで、基本的には同一構成である。一つの画像形成部の構成について説明すると、像担持体である感光体ドラム901の周囲には、該感光体ドラム901を高圧に帯電する帯電チャージャ902、光走査装置900からの光ビームの露光部、その露光により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像装置の現像ローラ903、現像ローラにトナーを補給するトナーカートリッジ904、感光体ドラム901に残ったトナーを掻き取るクリーニング装置のクリーニングブレード905などが配置されている。
[Example 6]
Next, another example of the image forming apparatus according to the present invention is shown in FIG. This image forming apparatus is an example of a multi-color tandem color printer in which four image forming units having substantially the same configuration as that in FIG. 28 are arranged side by side. The four image forming units basically have the same configuration except that toner colors (for example, yellow, magenta, cyan, and black) used for the developer are different. The configuration of one image forming unit will be described. Around the photosensitive drum 901 that is an image carrier, a charging charger 902 that charges the photosensitive drum 901 to a high voltage, and a light beam exposure unit from the optical scanning device 900. The developing roller 903 of the developing device that attaches the charged toner to the electrostatic latent image recorded by the exposure to make it visible, the toner cartridge 904 that replenishes the developing roller with toner, and the toner remaining on the photosensitive drum 901 A cleaning blade 905 of a cleaning device for scraping is disposed.

図32の画像形成装置では、4つの画像形成部を備えているので、光走査装置900は、前述の図29に示した光源手段20と、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からなる整形光学系24を、4系統備えており、1つの光偏向手段25で4系統の光ビームを偏向走査する。そして、光偏向手段25から4つの感光体ドラムに至る光路には、共通の走査結像レンズ26と個別の走査結像レンズ27からなる4系統の走査結像光学系28を備えている。また、各走査結像光学系には、図30、図31に示したような、分離光学系(回折光学素子)29と光検出器30とからなる光ビーム検出手段31を備えている。   Since the image forming apparatus of FIG. 32 includes four image forming units, the optical scanning device 900 includes the light source means 20 shown in FIG. 29, the coupling lens 21, the aperture 22, and the cylindrical lens 23. Four shaping optical systems 24 are provided, and one light deflection means 25 deflects and scans four light beams. In the optical path from the light deflection means 25 to the four photosensitive drums, four scanning imaging optical systems 28 including a common scanning imaging lens 26 and individual scanning imaging lenses 27 are provided. Each scanning imaging optical system includes a light beam detection means 31 including a separation optical system (diffractive optical element) 29 and a photodetector 30 as shown in FIGS.

上記した画像形成部は中間転写体である中間転写ベルト920の移動方向(図中の矢印方向)に沿って4つ並列されており、この4つの画像形成部によりイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色のトナー画像が各感光体ドラム901上に形成された後、図示しない一次転写手段(各感光体ドラムと対向する位置のベルト裏面側に配設される転写チャージャ、転写ローラ、転写ブラシ等)により中間転写ベルト920上にタイミングを合わせて順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。   The four image forming units described above are arranged in parallel along the moving direction of the intermediate transfer belt 920, which is an intermediate transfer member (in the direction of the arrow in the figure), and these four image forming units provide yellow, magenta, cyan, and black. After each color toner image is formed on each photoconductive drum 901, primary transfer means (not shown) (transfer charger, transfer roller, transfer brush, etc. disposed on the back side of the belt at a position facing each photoconductive drum) As a result, the images are sequentially transferred onto the intermediate transfer belt 920 at the same timing, and superimposed to form a color image.

一方、記録紙913は給紙トレイ921から給紙コロ922により1枚づつ取り出されて給紙され、レジストローラ対923により副走査方向の記録開始のタイミングに合わせて送りだされ、二次転写手段(二次転写ローラ、転写ブラシ、転写チャージャ等)924により中間転写ベルト920から記録紙913にトナー画像が転写される。記録紙913に転写された未定着トナー画像は、定着装置925のローラ対で定着され、排紙ローラ926を介して排紙トレイ927に排出される。以上のようにして、カラー画像が得られる。   On the other hand, the recording paper 913 is taken out one by one from the paper supply tray 921 by the paper supply roller 922, fed, and sent out by the registration roller pair 923 in accordance with the recording start timing in the sub-scanning direction. A toner image is transferred from the intermediate transfer belt 920 to the recording paper 913 by the secondary transfer roller 920 (secondary transfer roller, transfer brush, transfer charger, etc.). The unfixed toner image transferred to the recording paper 913 is fixed by the roller pair of the fixing device 925 and is discharged to the paper discharge tray 927 via the paper discharge roller 926. As described above, a color image is obtained.

なお、図32に示す例では中間転写ベルト920を用いた構成としたが、この中間転写ベルトに代えて記録紙を各画像形成部に搬送する転写搬送ベルトを用い、該転写搬送ベルトで搬送される記録紙に各画像形成部で直接画像を転写する方式としてもよく、この場合には、カラー画像形成装置の構成の簡易化、小型化を図ることができる。
また、図32はタンデム型カラープリンタの例であるが、原稿画像の読取装置(スキャナ)や画像処理装置を備えた構成とすればデジタルカラー複写機となり、さらに通信機能を付加して電話回線、光ケーブル、LAN等と接続すれば、カラーファクシミリやデジタルカラー複合機として利用することができる。
In the example shown in FIG. 32, the intermediate transfer belt 920 is used. However, instead of the intermediate transfer belt, a transfer conveyance belt that conveys recording paper to each image forming unit is used, and the transfer conveyance belt is conveyed. In this case, the configuration of the color image forming apparatus can be simplified and miniaturized.
FIG. 32 shows an example of a tandem type color printer. If a document image reading device (scanner) or an image processing device is provided, a digital color copying machine is added, and a communication function is added to a telephone line, If connected to an optical cable, LAN, etc., it can be used as a color facsimile or digital color multifunction peripheral.

本実施例のカラー画像形成装置では、前述の図29〜31を参照して説明した光走査装置と同様に、実施例1〜4で説明した光学システムを光ビーム検出手段31の分離光学系29として用いた光走査装置900を備えることにより、特に副走査方向の光ビーム位置を検出することができ、また、光源手段にマルチビーム光源を用いた場合には副走査方向の光ビーム間隔も検出することができるので、高精細化、高速化が可能なカラー画像形成装置を実現することができる。   In the color image forming apparatus of this embodiment, the optical system described in Embodiments 1 to 4 is separated from the optical system described in Embodiments 1 to 4 in the same manner as the optical scanning apparatus described with reference to FIGS. In particular, the light beam position in the sub-scanning direction can be detected by using the optical scanning device 900 used as a light source, and when the multi-beam light source is used as the light source means, the light beam interval in the sub-scanning direction is also detected. Therefore, a color image forming apparatus capable of high definition and high speed can be realized.

本発明の第1の実施例を示す光学システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical system which shows the 1st Example of this invention. 平行平板の厚さ変化に伴う透過率変化の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the transmittance | permeability change accompanying the thickness change of a parallel plate. 回折面と平面を備えた回折光学素子に垂直入射されたレーザービームが、回折面で0次透過光と高次透過回折光に分離される様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the laser beam perpendicularly incident on the diffractive optical element provided with the diffractive surface and the plane is isolate | separated into 0th order transmitted light and high order transmitted diffracted light by a diffractive surface. 平面と回折面を備えた回折光学素子に垂直入射されたレーザービームが回折面で正反射した0次反射光と高次反射回折光に分離される様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the laser beam perpendicularly incident on the diffractive optical element provided with the plane and the diffraction surface is isolate | separated into the 0th-order reflected light and the higher-order reflected diffracted light which were specularly reflected by the diffraction surface. 回折面と平面を備えた回折光学素子の模式図である。It is a schematic diagram of the diffractive optical element provided with the diffraction surface and the plane. 図5の回折光学素子に回折面側からレーザービームを垂直入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する透過率(0次透過光の回折効率)変化を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a change in transmittance (0th-order transmitted light diffraction efficiency) with respect to a change in thickness D of the diffractive optical element when a laser beam is vertically incident on the diffractive optical element in FIG. 5 from the diffraction surface side. 図1に示す回折光学素子の屈折率1.5から屈折率1.0への界面である平面に回折光が入射したときの各偏光に対するフレネル反射率を示す図である。It is a figure which shows the Fresnel reflectance with respect to each polarized light when a diffracted light injects into the plane which is an interface from the refractive index 1.5 of the diffractive optical element shown in FIG. 1 to refractive index 1.0. 図7のフレネル反射率の図を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the figure of the Fresnel reflectance of FIG. 本発明の第2の実施例を示す光学システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical system which shows the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例を示す光学システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical system which shows the 3rd Example of this invention. 図10の光学システムに用いる回折光学素子の第一の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of the diffractive optical element used for the optical system of FIG. 図11に示す回折光学素子に、回折面側からレーザービームを入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する0次透過光と−1次透過光の透過率(回折効率)変化を示す図である。FIG. 11 shows changes in transmittance (diffraction efficiency) of 0th-order transmitted light and −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element when a laser beam is incident on the diffractive surface side from the diffractive surface. FIG. 図11に示す回折光学素子(例1)の屈折率1.5から屈折率1.0への界面である平面から回折光が射出したときの各偏光に対するフレネル透過率を示す図である。It is a figure which shows the Fresnel transmittance | permeability with respect to each polarization | polarized-light when a diffracted light inject | emits from the plane which is an interface from the refractive index 1.5 of the refractive index 1.5 shown in FIG. 11 to the refractive index 1.0. 図13のフレネル透過率の図を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the figure of the Fresnel transmittance | permeability of FIG. 図10の光学システムに用いる回折光学素子の第二の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of the diffractive optical element used for the optical system of FIG. 図15に示す回折光学素子に、回折面側からレーザービームを入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する0次透過光と−1次透過光の透過率(回折効率)変化を示す図である。FIG. 15 shows changes in transmittance (diffraction efficiency) of 0th-order transmitted light and −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element when a laser beam is incident on the diffractive surface from the diffractive surface side. FIG. 図10の光学システムに用いる回折光学素子の第三の例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd example of the diffractive optical element used for the optical system of FIG. 図17に示す回折光学素子に、回折面側からレーザービームを入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する0次透過光と−1次透過光の透過率(回折効率)変化を示す図である。FIG. 17 shows changes in the transmittance (diffraction efficiency) of the 0th-order transmitted light and the −first-order transmitted light with respect to the change in the thickness D of the diffractive optical element when a laser beam is incident on the diffractive surface side from the diffractive optical element shown in FIG. FIG. 図10の光学システムに用いる回折光学素子の第四の例を示す図である。It is a figure which shows the 4th example of the diffractive optical element used for the optical system of FIG. 図19に示す回折光学素子に、回折面側からレーザービームを入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する0次透過光と−1次透過光の透過率(回折効率)変化を示す図である。FIG. 19 shows changes in transmittance (diffraction efficiency) of 0th-order transmitted light and −1st-order transmitted light with respect to changes in the thickness D of the diffractive optical element when a laser beam is incident on the diffractive surface from the diffractive surface side. FIG. 本発明の第4の実施例を示す光学システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical system which shows the 4th Example of this invention. 図21の光学システムに用いる回折光学素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the diffractive optical element used for the optical system of FIG. 図22に示す回折光学素子に、平面側からレーザービームを入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する0次透過光と−1次透過光の透過率(回折効率)変化を示す図である。The figure which shows the transmittance | permeability (diffraction efficiency) change of 0th order transmitted light with respect to the change of the thickness D of a diffractive optical element when a laser beam injects into the diffractive optical element shown in FIG. 22 from the plane side. It is. 図22に示す回折光学素子の屈折率1.5から屈折率1.0への界面である平面に回折反射光が入射したときの各偏光に対するフレネル透過率を示す図である。It is a figure which shows the Fresnel transmittance | permeability with respect to each polarization | polarized-light when a diffracted reflected light injects into the plane which is the interface from the refractive index 1.5 of the diffractive optical element shown in FIG. 22 to refractive index 1.0. 図24のフレネル透過率の図を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the figure of the Fresnel transmittance | permeability of FIG. 図21の光学システムに用いる回折光学素子の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the diffractive optical element used for the optical system of FIG. 図26に示す回折光学素子に、平面側からレーザービームを入射した場合の回折光学素子の厚さDの変化に対する0次透過光と−1次透過光の透過率(回折効率)変化を示す図である。The figure which shows the transmittance | permeability (diffraction efficiency) change of the 0th-order transmitted light with respect to the change of the thickness D of a diffractive optical element when a laser beam injects into the diffractive optical element shown in FIG. 26 from the plane side. It is. 本発明に係る画像形成装置の一例を示すレーザプリンタの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a laser printer showing an example of an image forming apparatus according to the present invention. 図28の画像形成装置に用いられる光走査装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the optical scanning device used for the image forming apparatus of FIG. 図29に示す光走査装置の光ビーム検出手段の概略構成を示す副走査方向断面図である。FIG. 30 is a cross-sectional view in the sub-scanning direction showing a schematic configuration of a light beam detecting unit of the optical scanning device shown in FIG. 29. 図30に示す光ビーム検出手段の光検出器の概略構成及び配置例を示す図である。It is a figure which shows schematic structure and the example of arrangement | positioning of the photodetector of the light beam detection means shown in FIG. 本発明に係る画像形成装置の別の例を示すタンデム型画像形成装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the tandem type image forming apparatus which shows another example of the image forming apparatus which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

20:光源手段
21:カップリングレンズ
22:アパーチャ
23:シリンドリカルレンズ
24:整形光学系
25:光偏向手段
26,27:走査結像レンズ
28:走査結像光学系
29:分離光学系(回折光学素子)
30(30−1,30−2):光検出器
31:光ビーム検出手段
32−1,32−2:受光部
100:レーザープリンタ(画像形成装置
900:光走査装置
901:感光体ドラム(像担持体)
902:帯電チャージャ
903:現像ローラ
904:トナーカートリッジ
905:クリーニングブレード
906:給紙トレイ
907:給紙コロ
908:レジストローラ対
909:定着ローラ
910:排紙トレイ
911:転写チャージャ
912:排紙ローラ
913:記録紙
920:中間転写ベルト(中間転写体)
921:給紙トレイ
922:給紙コロ
923:レジストローラ対
924:二次転写手段
925:定着装置
926:排紙ローラ
927:排紙トレイ
20: Light source means 21: Coupling lens 22: Aperture 23: Cylindrical lens 24: Shaping optical system 25: Light deflection means 26, 27: Scanning imaging lens 28: Scanning imaging optical system 29: Separation optical system (diffractive optical element) )
30 (30-1, 30-2): light detector 31: light beam detection means 32-1, 32-2: light receiving unit 100: laser printer (image forming apparatus 900: optical scanning device 901: photosensitive drum (image) Carrier)
902: Charging charger 903: Developing roller 904: Toner cartridge 905: Cleaning blade 906: Paper feed tray 907: Paper feed roller 908: Registration roller pair 909: Fixing roller 910: Paper discharge tray 911: Transfer charger 912: Paper discharge roller 913 : Recording paper 920: Intermediate transfer belt (intermediate transfer member)
921: Paper feed tray 922: Paper feed roller 923: Registration roller pair 924: Secondary transfer means 925: Fixing device 926: Paper discharge roller 927: Paper discharge tray

Claims (3)

光源手段からの光ビームを光偏向手段で偏向し、走査結像光学系を介して被走査面上を走査する光走査装置において、
前記走査結像光学系の有効画像形成領域外に配置され、前記レーザービームの一部を回折光学素子に入射し、分離した複数のレーザービームを複数の光検出器により検出するレーザービーム検出手段を備え、
前記回折光学素子は、回折面と平面からなる平板状の回折光学素子であって、
前記レーザービームは前記回折光学素子の回折面に入射し,前記回折面で2以上のレーザービームに透過回折され,該2以上のレーザービームは前記回折光学素子の平面に入射し、
前記回折光学素子の平面に入射する全てのレーザービームはP偏光であり、かつ、各々の入射角θは、
0°<θ<θo
(ここで、θoは、入射角αでのP偏光時のフレネル反射率をRp(α)としたとき、Rp(0°)=Rp(θo)となる入射角である)
を満たすように設定されたことを特徴とする光走査装置。
In an optical scanning device that deflects a light beam from a light source means by a light deflecting means and scans a surface to be scanned via a scanning imaging optical system ,
Laser beam detecting means disposed outside the effective image forming area of the scanning imaging optical system, wherein a part of the laser beam is incident on a diffractive optical element, and a plurality of separated laser beams are detected by a plurality of photodetectors. Prepared,
The diffractive optical element is a flat diffractive optical element having a diffractive surface and a plane,
The laser beam is incident on a diffractive surface of the diffractive optical element, is transmitted and diffracted into two or more laser beams on the diffractive surface, and the two or more laser beams are incident on a plane of the diffractive optical element;
All laser beams incident on the plane of the diffractive optical element are P-polarized light, and each incident angle θ is
0 ° <θ < θo
(Here, .theta.o, when the Fresnel reflectance of P Henhikariji at the incident angle alpha was Rp (α), Rp (0 °) = the incident angle becomes Rp (.theta.o))
An optical scanning device that is set to satisfy the above.
像担持体と、該像担持体に潜像を形成する手段と、前記像担持体上の潜像を現像して顕像化する手段を備えた画像形成装置において、
前記潜像を形成する手段として、請求項1記載の光走査装置を備えたことを特徴とする画像形成装置
In an image forming apparatus comprising: an image carrier; means for forming a latent image on the image carrier; and means for developing and developing the latent image on the image carrier .
An image forming apparatus comprising the optical scanning device according to claim 1 as means for forming the latent image .
請求項2記載の画像形成装置において、
前記像担持体を複数備え、該複数の像担持体に潜像を形成し、各像担持体上の潜像を色の異なる現像剤で顕像化した後、各像担持体上の顕像を直接または中間転写体を用いて記録媒体に転写し、多色またはカラー画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
The image forming apparatus according to claim 2.
A plurality of the image carriers are formed, latent images are formed on the plurality of image carriers, and the latent images on the image carriers are visualized with developers of different colors, and then visualized images on the image carriers. An image forming apparatus for transferring a color to a recording medium directly or using an intermediate transfer member to form a multicolor or color image .
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