JP5786905B2 - 光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置及び該光走査装置を有する複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ、これらのうち少なくとも１つを備えた複合機等の画像形成装置に関する。

光走査装置は従来から、光プリンタやデジタル複写機、光プロッタ等の画像形成装置に関連して広く知られているが、近年、高安定・高精細・高速化とともに、画像形成装置の普及に伴って低部品数化・小型化も強く求められている。
近年は、複数の色画像を重ね合わせる多色画像形成装置が広く開発されている。特に、多色画像形成装置を実現する形態として、複数の走査光学系が、各色に対応する複数の感光体に光スポットを形成するタンデム方式が多く用いられている。

多色画像の書込を実現する為に、各色に対応した光走査装置を設ける方法も用いられているが、この場合各色に対して光学部品を揃えることになって部品点数が増加したり、複数の光走査装置が画像形成装置内に搭載されることで小型化を阻まれたりといった課題が発生する。
そこで、複数の走査光学系を内蔵した単一の光走査装置という形態も古くから提案されている。各色に対応した複数の光束が単一の光偏向器に入射し、それぞれの走査光学系により各感光体に結像させられるものが一般的である。
但し、この方式は、各色に対応した光学素子が光偏向器の周りに密集してしまい、光走査装置の小型化に限界を与える。

上記のような小型化の限界を克服する方法として、上下に重なる２つの走査光学系を、偏光を違えて集約し、走査光学系内に設けられた偏光光束分割素子（偏光分離素子）で分割してそれぞれの感光体へ導光するといった方法が考えられている。この方法は、光走査装置のサイズを光偏向器の回転軸方向に小型化（薄型化）し、且つ走査光学系内の光学素子を上下段で共通して用いることで部品点数を低減させるのに効果的である。
その他従来技術では、空間変調素子等の動的能動素子を用いて走査光学系を集約する方法や、互いに波長の異なる光源を用いてダイクロイックミラーで分割する方法等が考えられている。しかしながら、能動素子を用いる場合にはその駆動回路が必要になり、ダイクロイックミラーを用いる場合は１つの光走査装置に異種の光源が搭載されることになるので、走査光学系の光学素子数が低減されたとしても、その代償としてさらに高価な素子を増やす必要に迫られる。
従って受動素子である偏光分離素子を用いる方式（偏光分離方式）が好適であると考えられる。

特許文献１には、偏向入射角が高い場合でも消光比劣化を抑えられることを目的とした偏光ビ−ムスプリッタが開示されている。
特許文献２には、樹脂レンズ、偏光分離素子、樹脂レンズという配置順序で構成した走査光学系が開示されている。
特許文献３には、能動素子により偏光制御を行う点が開示されている。
特許文献４〜６には、偏光分離素子を用いずに、液晶能動素子により走査光の偏向方向を制御する点が開示されている。
特許文献７には、走査レンズ２枚と偏光分離素子を備えた走査光学系が開示されている。

偏光分離方式を用いて光走査装置の薄型化を図る場合、偏光分離素子による分離特性を良好にする必要がある。例えば偏光分離素子に入射する光束が僅かに楕円偏光化していたり、偏光方向が傾いていたりすると、本来互いに分離されるべき光束が他方の走査光学系に混入してしまう。
分離される光束はそれぞれの被走査面上に画像情報を書き込むために互いに異なる時系列信号で発光される。偏光分離特性が充分でないと、他の被走査面に書き込むはずの画像情報が混入してしまうことになる。
多色画像形成装置で例を挙げれば、シアンで現像されるはずの情報がマゼンタ用の被走査面に書き込まれ、画像上では色間のクロストークとして観測される。
偏光分離特性の主な劣化要因として、走査レンズが樹脂である場合の複屈折がある。低複屈折率の樹脂材料は広く研究されているが、走査レンズの形状、成形条件、生産効率を考慮するとそれらの適用は課題のハードルが高い。
複屈折現象を避けるために走査光学系をすべてガラスレンズで構成する方法も容易に考えられるが、近年の高画質化に対応するためにはレンズ枚数増加とガラスレンズ加工の樹脂射出成形に対する非効率性が課題になる。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、走査レンズが樹脂である場合の複屈折特性を受け入れつつ、良好な偏光分離特性の確保ができ、非効率性やコスト上昇を来たすことなく小型化（薄型化）を実現できる光走査装置の提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体レーザ素子と、上記半導体レーザ素子から放射される光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、上記カップリングされた光束を光偏向器に導く入射光学系と、上記光偏向器により偏向された光束を被走査面へ導き結像させる走査光学系と、を有する光走査装置において、上記走査光学系は、単一あるいは複数の樹脂レンズと、異方性素子と、偏光分離素子とを有し、上記走査光学系は、光束の進行方向にともない樹脂レンズ、異方性素子、偏光分離素子の順で配置され、上記異方性素子において、光束が入射する面に射影した主軸方向は主走査方向に沿って変化し、上記異方性素子の主軸方向が、その位置に入射する走査光が通過する上記樹脂レンズ上の位置の上記樹脂レンズの主軸方向と略一致する場合、上記樹脂レンズにおける異常光屈折率と常光屈折率との位相差と上記異方性素子における異常光屈折率と常光屈折率との位相差との和が２πｍ、上記異方性素子の主軸方向が、その位置に入射する走査光が通過する上記樹脂レンズ上の位置の上記樹脂レンズの主軸方向と直交する場合、上記樹脂レンズにおける異常光屈折率と常光屈折率との位相差と上記異方性素子における異常光屈折率と常光屈折率との位相差との差がπ（２ｍ＋１）（ｍは整数）であり、上記異方性素子には液晶が用いられており、上記異方性素子の両表面には電極が設けてあることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、画像形成装置において、請求項１に記載の光走査装置を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂レンズの低複屈折率化に基づくことなく異方性素子を挿入することにより樹脂レンズの複屈折を補正するようにしたので、簡単且つ低コストな構成で偏光状態の乱れを抑制でき、薄型化にも寄与できる。

偏光分離素子の偏光分離機能を示す模式図である。 偏光分離素子の光束進行方向手前に複屈折性を有する材質をおいた場合の偏光分離機能を示す模式図である。 従来における光走査装置と被走査面との関係における副走査断面図である。 本発明における光走査装置と被走査面との関係における副走査断面図である。 光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離が、複数の被走査面の軸間距離よりも小さい場合の光路長との関係を示す図である。 光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離が、複数の被走査面の軸間距離よりも小さい場合の光路長との関係を示す図で、被走査面の軸間距離と被走査面への入射角を保つことを条件にした場合の図である。 光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離が、複数の被走査面の軸間距離と同じ場合の光路長との関係を示す図である。 光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離が、複数の被走査面の軸間距離よりも大きい場合の光路長との関係を示す図である。 光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離が、複数の被走査面の軸間距離よりも大きい場合の光路長との関係を示す図で、被走査面の軸間距離と被走査面への入射角を保つことを条件にした場合の図である。 線像形成レンズの斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の要部斜視図である。 半導体レーザの発光特性を示す図である。 合成素子の偏向特性を示す図である。 光走査装置の主走査断面図である。 液晶を用いた異方性素子の機能を示す模式図である。 異方性素子に電界を与えた場合の変化を示す模式図である。 樹脂レンズの複屈折を説明するための図である。 異方性素子における液晶分子の配向特性を示す図である。 異方性素子における液晶分子の配向特性と走査レンズ（樹脂レンズ）の主軸分布との関係を示す図である。 走査レンズ主軸分布、ラビング方向、液晶分子の配向方向との関係を示す図である。 電界を与えた場合の液晶分子の配向特性の変化を示す図である。 印加電圧の設定方法を示す図である。 異方性素子による偏光分離特性を示す図である。 異方性素子による偏光分離特性を示す図である。 第２の実施形態における異方性素子の機能を示す図である。 第６の実施形態に係る走査光学系の要部を示す図で、異方性素子と偏光分離素子とを接合した構成を示す図である。 第１の実施形態における偏光分離素子の斜視図である。 第４の実施形態における偏光分離素子の斜視図である。 第５の実施形態における偏光分離素子の斜視図である。 画像形成装置の概要構成図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
まず、具体的な構成を説明する前に、本発明の概念及び原理等を説明する。
本発明は、走査光学系において、樹脂レンズ、異方性素子、偏光分離素子（偏光光束分割素子）の順に配置することで、偏光光束分割素子に入射する光束の偏光状態の乱れを補正し、偏光光束分割素子の偏光分離特性を向上するものである。

［偏光分離特性］
一般的な偏光分離素子は、入射する光束を直交する直線偏光として分割する機能を持つ。本明細書において、偏光分離特性は「互いに直交する２つの直線偏光Ｌａ，Ｌｂが偏光分離素子に入射したとき、それらが互いに混成することなく各偏光方向に応じてＬａ’、Ｌｂ’として分離される」特性のよさを表す。
光束Ｌａ，Ｌｂ，Ｌａ’，Ｌｂ’の光量をＡ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’と定義すると、理想的な偏光分離特性である場合Ａ∝Ａ’、Ｂ∝Ｂ’が成り立ち、Ａ’、Ｂ’はそれぞれＢ，Ａに関与しないことになる。
図１に、偏光分離素子の機能模式図を示す。上記直線偏光Ｌａ，Ｌｂに対応した偏光方向をＰａ，Ｐｂとする。図１においてＰａとＰｂは直交しており、Ｐａは図中ｚ軸、Ｐｂは図中ｙ軸と平行であるとする。理想的な偏光分離特性をもった偏光分離素子６０は、図１に示すように直交する偏光方向に応じて光路を分離する。
ここで、Ｌａ，Ｌｂが樹脂レンズのような複屈折性をもつ材質６ｃを透過した場合を考えてみる（図２）。複屈折性をもつ、とは「方向により光束が感受する屈折率が異なる」ことを表している。
現実の光走査装置では、生産効率の高さと複雑面形状が実現しやすいことから、樹脂製の走査レンズが多く用いられているが、樹脂製の光学素子は一般に複屈折性を持ち、光学的異方性媒質のように振舞う。

［樹脂製光学素子の複屈折性］
一般的な樹脂材料の成形過程においてある領域内で樹脂内高分子が配向を揃えて凝固することにより、光学素子内部に部分的な光学異方性をもった状態になる。この素子に直線偏光が入射すると、直交する断面内での位相差が生じるため（異方性媒質の基本的特性）、偏光方向の回転が生じる。
複屈折性を持った樹脂レンズ６ｃに直交した２つの直線偏光Ｌａ，Ｌｂ（偏光方向Ｐａ，Ｐｂ）が入射すると、偏光方向が回転する。複屈折性によって、射出光は回転した直線偏光あるいは楕円偏光Ｐｅとなる。いずれの場合においても、Ｌａ，Ｌｂの直交性は崩れることになる。
このような偏光状態で偏光分離素子６０に入射すると、偏光分離素子の射出光量Ａ’，Ｂ’はＡ’∝（Ａ＋ｋＢ），Ｂ’∝（Ｂ＋ｋＡ）（ｋは比例係数）となり、射出光に他方の光量が混入する。本明細書ではこの現象を「光量クロストーク」と呼び、偏光分離特性の劣化を表す。

樹脂レンズの複屈折性は樹脂レンズの肉厚や偏肉度（厚み偏差）に依存して大きくなると考えられている。射出成形時の樹脂流動の淀み、或いは冷却時の不均一な凝固によるものと考えられる。従って、薄く厚み偏差の少ない樹脂レンズは比較的複屈折の影響が少ないレンズとなる。
しかしながら、薄く、厚み偏差の少ない単一樹脂レンズのみで被走査面上の収差補正をするのは困難であり、近年の高画質化に追随できない虞がある。樹脂レンズの枚数を増やせば複屈折性の影響が累積し、結局偏光分離特性を劣化させてしまう。
そこで本発明では、樹脂レンズを透過させたのち、異方性素子で複屈折の影響を補正してから偏光分離を行うこととした。この形態は樹脂レンズの複屈折の影響を異方性素子によって偏光分離特性を確保できるので、樹脂レンズを要求される光学性能に合わせて自由に設計することができる。

上記以外に、偏光分離素子の後に樹脂レンズを配置する方式も容易に考えられる。この方式は偏光分離後に複屈折の影響を受けることになるので、分離特性の劣化は殆ど無い。しかしながら、分離された光路にそれぞれ樹脂レンズを配置すると、偏光分離素子以後のレイアウトが困難になり、本発明の目的である光走査装置の薄型化に関しての弊害となってしまう。
従来、多色画像形成装置に適用する光走査装置は、空間的に分離された複数の走査光学系を単一の光走査装置にまとめ込んでいた（図３）。
図３において、符号５は光偏向器を、６は樹脂レンズを、７は導光素子としてのミラーを、８は被走査面を示している。
しかしながら、本発明により偏光分離特性（光量クロストーク）に関する課題が解消された光走査装置であれば、各被走査面に対応した画像情報を偏光方向で分離された光束に割り当てることができるようになる。
即ちそれは空間的分離の必要がなくなり、図４に示すように、複数の被走査面を走査する光学系を集約できることを意味している。光学系の集約は、光走査装置の薄型化に大きな効果をもたらす。
図４において、符号６０は偏光分離素子を、６５は異方性素子を示している。
本発明は、偏光分離素子に入射する光束の偏光状態を乱すことなく、且つ収差も良好に補正しながら光走査装置の薄型化を実現するものである。

［異方性素子による複屈折補償について］
電磁界の横波である光が、ある媒質内に入射しその媒質内の電磁界が振動方向に関して異なる挙動を示すとき、その媒質は「光学異方性を持つ」と言う。対して、どの振動方向であっても挙動が変わらない媒質の性質を等方性と呼ぶ。等方性媒質の屈折率はどの方向に関しても定数である。
異方性媒質の屈折率は３×３行列のテンソルとして記述でき、ｘ，ｙ，ｚの３軸に関する電界ベクトル［Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚ］と行列積算をすることで媒質中の電界［Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ］を知ることができる。

ｘ，ｙ，ｚの３軸を適切に選ぶことにより、上記屈折率のテンソルは対角化することができる（数式１）。このようなｘ，ｙ，ｚ軸を光学的主軸（以下主軸）と呼ぶ。ここでは簡単のため、異方性媒質をｎ_１＝ｎｅ， ｎ_２＝ｎ_３＝ｎｏ（ｎｅ＞ｎｏ）のような一軸性とし、ｎｅ方向を代表させて「主軸」と呼ぶこととする。このような異方性媒質は、方向に応じてｎｅ，ｎｏという２つの屈折率を有しているように振舞う。従って異方性媒質に入射した光束は、ｎｅで屈折するもの（異常光）、ｎｏ（常光）で屈折するものの重ね合わせとなる。
この現象を複屈折と呼ぶ。複屈折現象から、媒質が異方性を有することを知ることができる。異常光と常光の位相差により射出光束の偏光状態は直線、円、楕円になる。

光の偏光方向を記述する方法のひとつに、ジョーンズベクトルがある。光束（ＴＥＭ波）進行方向をｘ、光束進行方向に垂直な面をｙｚ平面とすると、光束の電界はｙｚ平面にＡｙ，Ａｚの複素振幅をもち、２×１のベクトル［Ａｙ，Ａｚ］で書ける。このベクトルをジョーンズベクトルと呼ぶ。
また、異方性媒質は２×２のジョーンズ行列として記述でき、ジョーンズベクトルをかけることで異方性媒質透過後の偏光状態を計算することができる。ジョーンズ行列Ｊは以下の数式２で与えられる。

ここで、θは入射光ジョーンズベクトルの座標軸と、異方性媒質の主軸とが為す角である。入射光が［Ａｙ，０］あるいは［０，Ａｚ］と書ける「座標軸に沿った直線偏光」であるとき、θは入射光の偏光方向と異方性媒質の主軸が為す角として考えてよい。φとΓは、異常光屈折率ｎｅ，常光屈折率ｎｏ，媒質の厚みＤ、光束の波長λを用いて数式３のように定義される。特にΓは異常光屈折率と常光屈折率の位相差を表し、射出光の偏光状態を推測するための重要なパラメータである。

複屈折性を有する樹脂レンズも異方性媒質とみなすことができる。但し走査レンズのような長尺の成形品だと、レンズ高さに沿って複屈折性が分布している。従って、各レンズ高さｈに対してジョーンズ行列Ｊ_１（ｈ）が定義できる（数式４）。

上記のような樹脂レンズに直線偏光（ジョーンズベクトルＡ_０）が入射すると射出光のジョーンズベクトルＡ_１は、Ａ_１＝Ｊ_１（ｈ）Ａ_０で与えられ、一般にＡ_１は楕円偏光となる。複屈折の影響を除去するためには、Ａ_１∝Ａ_０とする異方性素子が必要になる。異方性素子のジョーンズベクトルをＪ_２とすると、Ｊ_２はＪ_２・Ｊ_１∝Ｅ（単位行列）であることが求められる。
今、ある光路を例にとり（ｈ）の表記をなくすと、Ｊ_２・Ｊ_１は以下数式５のように書ける。

数式５より、Ｊ_２・Ｊ_１∝Ｅ（単位行列）となる条件としてθ_１＝θ_２且つＷ_２Ｗ_１∝Ｅが考えられる。第１にθ_１＝θ_２は、樹脂レンズの主軸に対して異方性素子の主軸を一致させる必要があることを意味している。第２にＷ_２Ｗ_１∝Ｅは樹脂レンズで生じた常・異常光の位相差を補正する位相差を異方性素子にもたせなければならないことを意味している。
Ｗ_２Ｗ_１を書き下すと数式６のようになる。

Ｗ_２Ｗ_１∝ＥであるためにはΓ_２＋Γ_１＝２πｍ （ｍは整数）を満たすようなΓ_２を異方性素子に与えなければならないことがわかる。
もう１つの補正条件として、樹脂レンズの主軸に対して異方性素子の主軸を直交させるというものがある。このとき数式５は数式７のように書き直される。

この場合は、適切な位相差Γ_２の設定によりΓ_１−Γ_２＝（２ｍ＋１）π （ｍは整数）であるとき、数式８のようにＪ_２・Ｊ_１∝Ｅ（単位行列）が成立することがわかる。

複屈折性をもつ樹脂製走査レンズを異方性媒質とみなしたとき、その主軸方向と位相差はレンズ内で分布を持っている。従って、本発明における異方性素子は、上記の議論に従って「主軸を走査レンズ複屈折のそれを一致或いは直交」させ、異方性素子のもつ位相差分布Γ_２（ｙ）を適切に設定することで複屈折の補正が可能となる。
異方性素子の主軸及び位相差分布を設定するために必要な樹脂製走査レンズの複屈折測定方法と、主軸及び位相差分布の実際の設定方法に関しては後述する。

［液晶を用いた異方性素子について］
異方性素子は結晶、液晶、サブ波長構造から成るものがよく知られているが、特に液晶から成る異方性素子は主軸や位相差を容易に制御できるため本発明の異方性素子として好適な材料である。
液晶は液体の有する流動性と、固体・結晶の持つ異方性を兼ね備える物質を指す。液晶性を示す物質の分子（以下液晶分子）は棒状或いは円盤状であり、ある条件においてその配向を分子間で揃える相を持つ。その相においては分子の双極子モーメントが揃い、分子集団で巨視的な誘電異方性を呈する。誘電異方性は即ち光（電磁波）の振動電界と相互作用するため、その振る舞いは光学異方性として観察される。
今、簡単のため液晶をネマティック液晶として考える。ネマティック液晶は、棒状の液晶分子がその配向を揃えており、各液晶分子の位置関係はランダムといった液晶分子の相状態を指す。棒状分子の長軸方向に沿った屈折率ｎｅ、短軸方向をｎｏととらえることで、ネマティック液晶素子は１軸性異方性媒質として取り扱うことができる。

例えば、図１５に示すように、間隔Ｄで隔てられた２枚のガラス基板に挟まれ、液晶分子がすべて基板と平行に配向しているとき、その素子は液晶配向方向を主軸とし位相差を｜ｎｅ−ｎｏ｜Ｄ／λの異方性素子と考えることができる。
ガラス基板には、ポリイミド等の高分子を塗布したのち、上記配向方向に柔らかい布などでこするラビングと呼ばれる処理が為されている。
ラビングの方向設定により配向方向を選択することが現実的に可能である。
更に、図１６に示すように、ガラス基板にＩＴＯ等の透明電極を蒸着し、電界が印加できるようにした系を考える。電界を厚み方向に印加すると、液晶分子は厚み方向に向けて再配向を始める。但し、基板近傍の液晶分子はアンカリングと呼ばれる現象により基板と平行な配向が保持されている。厚み方向と液晶分子長軸との為す角jは電界強度Eで制御することができる。
この状態の素子を透過した光束は、厚み方向に主軸方向を分布させた異方性媒質の作用を受ける。液晶分子の配向が電界強度Eに依存しているとすると、ある部分を透過する光束が受ける位相差｜ｎｅ−ｎｏ｜Ｄ／λはΔｎ（Ｅ）Ｄ／λと書くことができる。
以上より、液晶から成る異方性素子は、基板のラビング方向で主軸を、液晶の素子内配向を電界等で制御することで位相差を設定することができることがわかる。

［複屈折の測定方法について］
本発明の液晶から成る異方性素子の位相差と主軸は、樹脂製走査レンズの複屈折測定結果を基に設定されるのが好ましい。
複屈折の測定方法は、エリプソメータ、セナルモン法、光ヘテロダイン法、ＣＣＤによるリターデーション測定等、様々なものが知られている。いずれも最終的に走査レンズのもつ位相差分布と主軸の分布を得ることができるので、本発明の異方性素子を適切に設定することができる。
樹脂製走査レンズは、射出成形による形状精度のばらつきを押さえるべく、一般にその成形条件は厳密に管理されている。そのため、樹脂製走査レンズの複屈折分布のばらつきも同時に抑制されている。従って、樹脂製走査レンズを大量生産する際は、代表サンプルの複屈折を反映した異方性素子でも本発明の効果を得ることができる。

［光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離］
ここでは、この距離を図５に示すように、Ｌｐｂｓとする。光偏向器の回転中心から偏光分離素子の入射面の距離でも良いが、偏光分離素子はプリズム型やプレート型等様々な形態が存在するため、ここでは光偏向器の回転中心から「光束の分離点」の距離としている。
本発明が適用され、上下段に分離されていた走査光学系が集約された対向走査光学系を想定し、光偏向器から被走査面に到達する４つの光路長が同じくなるように設定する場合を考える。
「対向走査光学系」は、光偏向器の回転軸を中心として両側にそれぞれ光束が走査される光学系である。本明細書においては４つの被走査面を走査する走査光学系が単一の光偏向器を共有している形態となる。
樹脂レンズ、異方性素子及び導光素子は省略している。光路が折り返されている部分には導光素子が設けられている。導光素子による光路の折返しは、簡単のため９０°で統一している。被走査面への入射角はレイアウトの利便性に関する議論に直接関係しないため０度としている。
本発明によれば、Ｌｐｂｓ＞Ｐがレイアウト設計自由度の向上に好適である。

以下、効果を確かめるためにＬｐｂｓ＜Ｐ， Ｌｐｂｓ＝Ｐ， Ｌｐｂｓ＞Ｐの三つの場合を考える。
［Ｌｐｂｓ＜Ｐ］
図５に示されているように、光路長を均一にするためにはＬｌの光路を伸長する必要がある。被走査面８の間隔Ｐと、被走査面８への入射角を保つことを条件にすると、図６のように内側の光路を折り曲げることになり、光走査装置の厚みＨが大きくなってしまう。
［Ｌｐｂｓ＝Ｐ］
図７に示すように、Ｌｈ＝Ｌｌが成立しているため光路長を揃える必要がない。但し、この条件が成立するときは走査光学系の光路長がＰによって決まってしまうので特に設計自由度の向上はない。またＬｐｂｓの中に樹脂レンズ、異方性素子を配置することになるためＰによっては収差補正に関して不利になる虞がある。
［Ｌｐｂｓ＞Ｐ］
図８に示されているように、光路長を均一にするためにはＬｈの光路を伸長する必要がある。被走査面８の間隔Ｐと、被走査面８への入射角を保つことを条件にしても、図９に示すように、外側へ光路長をせり出させることで対応できる。光走査装置の厚さＨに着目すれば、Ｌｐｂｓ＞Ｐの条件下においては「光走査装置を厚くすることなくレイアウトが可能」であることがわかる。

［本発明の光走査装置を用いた画像形成装置について］
感光性の像担持体としては種々のものの使用が可能である。例えば、像担持体として銀塩フィルムを用いることができる。この場合、光走査による書込みで潜像が形成されるが、この潜像は通常の銀塩写真プロセスによる処理で可視化することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。
感光性の像担持体としてはまた光走査の際にビームスポットの熱エネルギにより発色する発色媒体（ポジの印画紙）を用いることもでき、この場合には、光走査により直接に可視画像を形成できる。
感光性の像担持体としてはまた光導電性の感光体を用いることができる。光導電性の感光体としては、例えばセレン感光体や有機光半導体等ドラム状で繰り返し使用されるものを用いることができる。
光導電性の感光体を像担持体として用いる場合には、感光体の均一帯電と、光走査装置による光走査により静電潜像が形成される。静電潜像は現像によりトナー画像として可視化される。トナー画像は、感光体が酸化亜鉛紙のようにシート状のものである場合は感光体上に直接的に定着され、感光体が繰り返し使用可能なものである場合には、転写紙やＯＨＰシート（オーバヘッドプロジェクタ用のプラスチックシート）等のシート状記録媒体に転写・定着される。

光導電性の感光体からシート状記録媒体へのトナー画像の転写は、感光体からシート状記録媒体へ直接的に転写（直接転写方式）しても良いし、感光体から一旦中間転写ベルト等の中間転写媒体に転写した後、この中間転写媒体からシート状記録媒体へ転写（中間転写方式）するようにしてもよい。
このような画像形成装置は、光プリンタや光プロッタ、デジタル複写装置等として実施できる。
また、この発明の画像形成装置は、上記感光体を複数個、シート状記録媒体の搬送路に沿って配置し、複数の光走査装置を用いて感光体ごとに静電潜像を形成し、これらを可視化して得られるトナー画像を同一のシート状記録媒体に転写・定着して合成的にカラー画像や多色画像を得るタンデム式の画像形成装置として実施することができる。

［薄型の光走査装置について］
図３０に、光走査装置１００を含む画像形成装置の要部概略図を示す。各色の画像情報が書き込まれる感光体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙと、光走査装置１００を隔てた空間には、各色に対して現像・帯電・感光体クリーニング等、トナーや廃棄トナーの貯蔵を行う作像ユニット２Ｋ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｙが収納されるのが一般的である。
実際の画像形成装置は図３０の構成に加えて、紙に画像を定着させる機構、紙を搬送する機構等があるが、図３０に示された機構が画像形成の心臓部であり、画像形成装置の大きさを決定する因子となる。
本発明の最終目的としている光走査装置の薄型化が実現されれば、レーザプリンタや複合機といった画像形成装置の内部において、画像形成装置自体のサイズはそのままで作像ユニット２Ｋ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｙに許される空間が広くなる。
作像ユニット２Ｋ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｙには先述のとおりトナーの貯蔵機能も設けられているため、トナー貯蔵部分を大きくすることができれば、ユーザによるトナーの補給回数を少なくすることができる。また、回動によって露光・現像・クリーニングといった作用を繰返し受ける感光体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙも、サイズを大きくすることができるようになり、耐久性の向上も見込むことができる。
このように、光走査装置の薄型化によって、本発明の画像形成装置を搭載したレーザプリンタ等のユーザは頻繁なメンテナンスや頻繁な補給トナー調達に煩わされなくなるという「使いやすさの向上」を実現することができる。

［環境に対する本発明の効果について］
本発明は、光走査装置の部品点数を低減すると同時に高品質な光走査装置を実現するものである。そのため光走査装置の生産に関わる材料使用量を削減でき、資源採掘量・プラスチックゴミ排出量に関して環境負荷の低減につながるものである。

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
まず、第１の実施形態を説明する。
図１１は本実施形態に係る光走査装置の要部を示す斜視図である。すなわち、光源１〜被走査面８の要部を抜粋して示している。各部分の詳細は以下で別図にて説明する。
［入射光学系］
光源１は、ｐ型、ｎ型半導体材料のから成る一般的な端面発光素子が金属等でパッケージングされた半導体レーザである。図１２に、半導体レーザ１の内部に設けられた発光部を示す。一般的にはｐ型、ｎ型半導体材料を接合したダブルヘテロ接合１０１が用いられる。
接合１０１に電流が注入されると、接合１０１に設けられた活性層からレーザ光が射出される。一般的に、このような構造から射出されるレーザ光は、活性層に平行な方向に偏光していることが知られている。
光源１は、各被走査面８に対応して設けられている。ここでは例として、２つの被走査面８に対応した２光源の入射光学系を挙げている。

射出されたレーザ光は、カップリングレンズ２により、平行光・収束光・発散光のいずれかの状態で後続の光学系にカップリングされる。カップリングされた光束は、合成素子２１で他方の光束と光路を合成され、アパーチャ３により整形される。
次に線像形成レンズ４により光偏向器５に主走査方向に長い線像として導かれる。
線像形成レンズ４の一例を図１０に示す。入射面にシリンドリカル面、射出面に直線状の回折面を設けている回折レンズである。線像形成レンズ４は、回折面の強い負分散特性により、光走査装置の温度変動時、光源波長の変動を利用して被走査面上でのピントずれを補正する。
本発明の前提を踏まえた走査光学系は、樹脂レンズが光路中で光偏向器に寄った構成になる。従って副走査断面内で拡大系となる傾向が強く、公差に弱くなるため、温度補正手段として回折光学素子を用いるのが好適である。

［光路合成の形態］
図１３に光路合成の１形態を示す。合成素子２１は、反射面を設けた三角柱プリズム２１０と、λ／２波長板２１２、偏光分離面２１１より成る。合成素子２１に求められる機能は、「複数の光束を互いに直交する直線偏光とし、同一の光路上に射出する」ことである。
三角柱プリズム２１０は一方の光路を他方へ近づけ、λ／２波長板２１２は、入射する光束の偏光方向を９０°回転させ、他方の偏光と直交する形態を実現する。また、偏光分離面２１１はＳ偏光を透過し、それと直交するＰ偏光は反射するという特性をもち、一般に誘電体多層膜やワイヤグリッド等で実現される面である。
図１２に示されているように一様な直線偏光を射出する半導体レーザ１の取り付け姿勢を規定することで、図１３のように紙面垂直方向と平行な直線偏光を実現できる。

今、偏光分離面２１１の入射平面（入射光線と射出光線のなす平面）に対して垂直な偏光をＳ偏光、平行な偏光をＰ偏光と呼ぶこととする。一方の半導体レーザ１から射出されたＰ偏光光束（図中上段）は、三角柱プリズム２１０の反射面で図中下段の光路に向けて反射され、偏光分離面２１１でさらに反射される。
一方、図中下段の光束（Ｓ偏光）はλ／２波長板２１２によりＳ偏光に変換され、偏光分離面２１１を透過する。従って偏光分離面２１１には変換されたＰ偏光とＳ偏光が入射し、同一光路上にＳ偏光、Ｐ偏光の光束が射出されることになる。偏光分離素子により異なる光源から発せられた光束を偏光分離するために、光偏向器前で互いに直交する偏光状態である必要がある。
本実施形態で述べた光路合成の形態は一例であり、先述の合成素子２１に求められる機能を実現できるのであれば、λ／２波長板２１２の取り付く位置等が異なった形態でも構わない。
本実施形態における光路合成の形態では、双方の光路長に合成素子２１の中で差が生じることがわかる。従って、双方を結像させるためカップリングレンズ２は光路差に応じて調整取り付けされることが望ましく、必然的に双方のカップリングレンズ２の位置は異なる。

［走査光学系：光偏向器〜偏光分離素子］
図１１において、光偏向器５は６面のポリゴンミラーである。面数は本発明の本質とは関係がなく、光走査装置の設計要件に対応させてよい。光偏向器５に入射した２つの光束は、一方が光偏向器５の回転軸と平行な方向に偏光し、他方がそれに垂直な偏光となっている。
光偏向器５により反射された２つの光束は、樹脂レンズ６を透過し、異方性素子６５で偏光方向の乱れを補正されたのち偏光分離素子６０に入射する。樹脂レンズ６、異方性素子６５、偏光分離素子６０の順番で配置することにより、樹脂レンズの複屈折の影響を異方性素子にて補正し、偏光分離素子で良好に光束を分割することが可能になる。
異方性素子の形態は後述する。
走査レンズ６は像面上での書込幅及び光路長に応じて設計された単一のレンズであり、ＺＥＯＮＥＸ等で代表される透明光学樹脂の射出成形で得られたものである。
これにより、部品数を低減できるとともに、光走査装置を薄型化する際にレイアウトが容易になる。
走査レンズ６の複屈折は成形条件や肉厚偏差等で様々に異なるが、ここでは例として、図１７のような主軸分布θ（ｙ）と位相差分布Γ（ｙ）を考える。
主軸θは図１４におけるｙｚ平面上に定義される角度である。分布がどのようなものであっても、本発明によって補正することができる。図１７は、光束の入射方向に走査レンズを見た視点で描かれている。これらの分布は先述した複屈折測定方法で実際に得ることができる。

光偏向器５の回転中心から偏光分離素子６０の入射面までの距離Ｌｐｂｓは筒状被走査面の軸間距離Ｐ（一般的な値６０ｍｍ〜１００ｍｍ）よりも同程度かそれよりも大きな値となっている。光偏向器の回転中心から偏光分離素子を隔てる距離が複数の被走査面の間隔より広く設定することで、レイアウト設計自由度が向上する。
偏光分離素子６０は、図２７に示すように、ガラスから成る長尺の三角柱を、誘電体多層膜面６０ａを接合面として接合したものである。誘電体多層膜は、光源の波長に応じて適切な偏光分離を行えるよう設計されている。

［走査光学系：偏光分離素子〜被走査面］
図４に、副走査断面における光走査装置の１形態を示している。図４では、被走査面８に対して、副走査断面内で垂直に入射しているが、画像形成装置の設計に応じて角度がついていてもよい。偏光分離素子６０により分離された光束は、ミラーである導光素子７により被走査面８へ導かれる。
導光素子７は長尺のミラーであり、上段の光束や光走査装置の壁面と干渉しないように切り欠きがなされている。導光素子のテーパは、近接して通過する光束のケラレ防止とともに、ユニットハウジングとの干渉を避けるためにも用いられる。テーパを持つ導光素子は公知であるが、本発明の前提を踏まえた光走査装置に組み込むことで、光束のケラレだけでなく光走査装置を囲う筐体（ハウジング）の薄型にも有効となる。
偏光分離素子６０を用いていることにより、光走査装置１００には主走査平面二段分の厚みしかなく（図４）、従来にない薄型化を実現している。

［異方性素子］
異方性素子６５は、２枚のガラス基板６５ｓに液晶材料を挟み込んだ素子である。液晶を用いた異方性素子は、配向方向を電界等で制御しやすく、また配向状態の空間的分布を容易に実現しやすい。液晶分子の配向方向は主走査方向によって変化している。
それぞれのガラス基板の液晶を挟む面にはポリイミド等の高分子が塗布されており、走査レンズ６の主軸分布θ（ｙ）に対応した方向にラビング処理が為されている。
図１８、１９に示すように、液晶材料内の液晶分子はラビング方向に沿って配向している。樹脂レンズの複屈折性は、樹脂レンズ長手方向に分布する傾向がある。樹脂レンズ内の主軸も分布するため、異方性素子の主軸もそれに追随させて分布をもたせるのが好適である。
光束は光偏向器によって、光偏向器から放射する方向に走査されるので、走査レンズ主軸分布、ラビング方向、液晶分子６５ｍの配向方向は図２０のように対応させられており、ラビング方向及び液晶分子配向方向は走査レンズ６の主軸分布が長手方向に拡大された分布を為している。
ガラス基板６５ｓにはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等に代表される透明電極６５ｅが蒸着してある。電極は異方性素子６５ｓ長手方向に関してエリア分割され、各エリアに異なる電界が印加できるようになっている。主走査方向に対して分布をもつ電界を印加することができるようになり、位相差の主走査方向分布を補正できる。

異方性素子の作製時、該電極を用いた電界印加により、異方性素子内の液晶分子に対して、光学面に対する角度を与えることができる。この操作により、異方性素子内の複屈折性を電界で制御することが可能になる。上記構成により、樹脂レンズの複屈折を補正する位相差を与えることができる。このような操作は、異方性素子に電極を設けずとも実現できるが、その場合外部からの電界印加で液晶分子を配向制御することになり、高電圧が必要になるため生産時の効率が悪い。

異方性素子６５作製時、走査レンズ６の位相差分布Γ（ｙ）に対応させて上記各エリア電極に電界が印加され、液晶分子６５ｍにガラス基板６５ｓに対する立ち上り角jを与える。
立ち上り角jは、図１６に示すように、光束進行方向に沿って見た場合の|ｎｅ−ｎｏ|の値を変化させるので、図２１に示すように、適切に電界を印加することでΓ（ｙ）をキャンセルするような位相差を付与することができる。
実際の印加電圧は、光走査装置に異方性素子６５を組み込み、光量などでモニタリングしながら偏光分離特性が最良となるように設定すればよい。本実施例での位相差分布の場合は、図２２に示すような電界を印加すればよい。偏光分離特性が最良となっているとき、異方性素子は数式６においてΓ_２＋Γ_１＝２πｍ （ｍは整数）が略成立している。
これにより、主走査方向（長手方向）に分布する樹脂レンズの複屈折を補正することができる。

液晶材料の中には、紫外線硬化性樹脂材料が混入されている。上記のように印加電圧を設定した状態において紫外線ランプ等で照射を行うと、液晶分子６５ｍの配向状態が保存されたまま液晶材料が硬化する。
この処理のあとで電極６５ｅにつながる配線を取り外せば、異方性素子６５は走査レンズ６の複屈折を最適に補償する「受動素子」として取り扱うことができる。
高分子硬化型液晶を用いることで、上記異方性素子の液晶配向状態を固定することができる。従って異方性素子作製時に何らかの方法（電界印加など）で配向を制御したのち受動素子として取り扱うことができるようになり、光走査装置の構成が単純になる。
異方性素子６５の主軸分布及び位相差分布は、走査レンズ６の複屈折測定と同様の方法で確かめることができる。
以上のような異方性素子６５によって良好な偏光分離が実現される。副走査方向と平行な偏光は図２３に示すように他の被走査面へ向かう光路６８ｕに混入することなく正規の光路６８ｌへ反射される。またそれに直交する偏光は図２４に示すように６８ｌに混入することなく光路６８ｕへ透過していく。

次に第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
図２５に示すように、異方性素子６５のガラス基板６５ｓのラビング方向を、第１の実施形態１のそれと直交するようにした例である。この例でも適切な印加電界を設定することで、走査レンズ６の複屈折を補償することができる。
偏光分離特性が最良となっているとき、数式７においてΓ_１−Γ_２＝（２ｍ＋１）π （ｍは整数）が成立している。

次に第３の実施形態を説明する。
走査レンズ６の成形条件や形状によっては、主軸分布及び位相差分布の程度が小さく、一様と見なすことができることがある。
例えば主軸分布が一様であった場合、異方性素子６５のラビング方向は図１９や図２０のように長手方向に沿った偏差を持たせる必要がなくなり、ｙｚ平面内の一方向にのみラビングすればよいことになる。
このような異方性素子６５はラビング処理工程が簡単になり生産効率が高い。
また、位相差分布が一様であった場合、電極は図２１に示したようなエリア分割をする必要がなく、ガラス基板６５ｓに対して一様に蒸着された透明電極でよい。このような異方性素子６５は透明電極蒸着時に複雑な形状のマスクが不要となって生産効率が上がるほか、印加電圧が１つの値でよいことから位相差補償の管理も簡便になる。

次に第４の実施形態を説明する。
図２８に示すように、第１の実施形態〜第３の実施形態の任意の１について、偏光分離素子６０を樹脂製の長尺平行平板６０１で置換した例である。入射面６０１ａには、ナノサイズの金属細線が規則的に張り巡らされたワイヤグリッド面である。ワイヤグリッドのパターンは、必要な偏光分離特性に合わせて設計されている。

次に第５の実施形態を説明する。
図２９に示すように、第１の実施形態〜第３の実施形態の任意の１について、偏光分離素子６０を樹脂製長尺ハーフミラープリズム６０２で置換した例である。ハーフミラーで分割された光束は互いに直交する関係の偏光子６０２ａにて偏光選択される。

次に第６の実施形態を説明する。
図２６に示すように、第１の実施形態〜第５の実施形態の任意の１について、異方性素子６５と偏光分離素子６０を接合した例である。

［多色画像形成装置］
図３０に画像形成装置の実施の１形態を示す。この画像形成装置はレーザプリンタである。レーザプリンタは感光性の像担持体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙとして円筒状に形成された光導電性の感光体を有している。像担持体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙの周囲には、帯電手段としての帯電ローラ３Ｋ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｙ、現像装置４Ｋ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｙ、クリーニング装置５Ｋ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｙ、転写ローラ６Ｋ，６Ｍ，６Ｃ，６Ｙが配備されている。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。
レーザ光により光走査を行う光走査装置１００が設けられ、帯電ローラ３Ｋ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｙと現像装置４Ｋ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｙとの間で光走査による露光を行うようになっている。
図３０において、符号１１０は定着装置、符号１２０は紙搬送路、符号１３０は中間転写ベルトを示している。
画像形成を行うときは、光導電性の感光体である像担持体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙが反時計回りに等速回転され、その表面が帯電ローラ３Ｋ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｙにより均一帯電され、光走査装置１００のレーザ光の光書込による露光を受けて静電潜像が形成される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」であって画像部が露光されている。

この静電潜像は現像装置４Ｋ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｙにより反転現像され、像担持体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙ上にトナー画像が形成される。トナー画像は転写ローラ６Ｋ，６Ｍ，６Ｃ，６Ｙの作用により中間転写ベルト１３０に転写される。中間転写ベルト１３０上のトナー画像は紙搬送路１２０と合流し、定着装置１１０にて紙に定着させられる。トナー画像が定着させられた紙は、適宜プリンタ設計に基づく搬送路を通り、排紙される。
トナー画像が転写された後の像担持体１Ｋ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｙの表面は、クリーニング装置５Ｋ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｙによりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

１ 半導体レーザ
２ カップリングレンズ
５ 光偏向器
６ 樹脂レンズ
８ 被走査面
６０ 偏光分離素子
６５ 異方性素子
１００ 光走査装置

特許第３２４７４９７号公報 特開２００８−０７０５９９号公報 特開平７−１４４４３４号公報 特開２００４−０２９７０４号公報 特開２００４−２８６８４６号公報 特開２００６−１３３２８８号公報 特開平１０−３０４８号公報

Claims (2)

1. 半導体レーザ素子と、
   上記半導体レーザ素子から放射される光束を後続の光学系にカップリングするカップリングレンズと、
   上記カップリングされた光束を光偏向器に導く入射光学系と、
   上記光偏向器により偏向された光束を被走査面へ導き結像させる走査光学系と、
   を有する光走査装置において、
   上記走査光学系は、単一あるいは複数の樹脂レンズと、異方性素子と、偏光分離素子とを有し、
   上記走査光学系は、光束の進行方向にともない樹脂レンズ、異方性素子、偏光分離素子の順で配置され、
   上記異方性素子において、光束が入射する面に射影した主軸方向は主走査方向に沿って変化し、
   上記異方性素子の主軸方向が、その位置に入射する走査光が通過する上記樹脂レンズ上の位置の上記樹脂レンズの主軸方向と略一致する場合、上記樹脂レンズにおける異常光屈折率と常光屈折率との位相差と上記異方性素子における異常光屈折率と常光屈折率との位相差との和が２πｍ、上記異方性素子の主軸方向が、その位置に入射する走査光が通過する上記樹脂レンズ上の位置の上記樹脂レンズの主軸方向と直交する場合、上記樹脂レンズにおける異常光屈折率と常光屈折率との位相差と上記異方性素子における異常光屈折率と常光屈折率との位相差との差がπ（２ｍ＋１）（ｍは整数）であり、
   上記異方性素子には液晶が用いられており、
   上記異方性素子の両表面には電極が設けてあることを特徴とする光走査装置。
2. 複数の感光性の像担持体に対して光走査装置による光走査を行って各色に対応する潜像を形成し、該潜像を現像手段で可視化してカラー画像を得る画像形成装置において、
   上記光走査装置として、請求項１に記載の光走査装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

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