JP5938382B2 - 光源ユニット及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の焦点位置に光を結像させる機能を備えた光源ユニット、及びこれを用いた画像形成装置に関する。

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

焦点深度の拡張、ビーム径の小型化、及びビーム径−デフォーカス曲線の変形等を目的として、前記レーザー光の一部を位相変調することにより、焦点位置近傍におけるビームプロファイルを変化させるいくつかの技術が知られている（例えば特許文献１〜３）。しかし、これらの技術では、その結像光学系だけにマッチする固有の位相分布を作り出す位相変調素子が必要となり、前記位相変調素子に汎用性を持たせることはできない。また、上掲の技術では、ビームプロファイルや焦点深度等の特性が固定化され、解像度の切り替えのためにビーム径を変調したり、結像光学系を構成する光学部品の製造バラツキ等に対応したりすることができない。

レーザー光源とコリメーターレンズとの間に、光軸方向に移動する遮光部材を配置することで、焦点深度を調整する技術も知られている（特許文献４）。しかし、この技術では、遮光部材が光路中に配置されるので、ビームスポットの光量が低下する問題が生じる。また、遮光部材が光軸方向に移動することで、当該結像光学系のケラレ（Celare）比が大きく変化する不具合もある。

特開平５−８８１０８号公報 特開２００８−２６５８６号公報 特開２００８−２６８５８６号公報 特開平１１−２９５６２８号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、必要な光学特性を満たしつつ、焦点位置の近傍におけるビームプロファイルを変化させることができる光源ユニット、及びこれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係る光源ユニットは、拡散光を発する光源と、前記拡散光をコリメート光に変換するコリメーター素子と、前記光源と前記コリメーター素子との間の光路上に配置され、前記拡散光の波面の一部が入射される第１領域と、前記波面の他の一部が入射される第２領域とを含み、前記第１領域を透過する光と前記第２領域を透過する光とに位相差を生じさせることで、前記拡散光の位相を変調する位相変調素子と、前記コリメート光を焦点位置に結像させる結像光学系と、前記位相変調素子を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、を備える。

この構成によれば、位相変調素子が光源とコリメーター素子との間の光路上に配置され、前記拡散光が入射される前記位相変調素子が光軸方向に移動されることで、コリメート光の位相分布が変化する。このため、前記位相変調素子の移動により、結像光学系が焦点位置に作る光像のビームプロファイルを変化させることができる。

上記の光源ユニットにおいて、前記位相変調素子は、前記拡散光が入射する入射面と、前記拡散光が出射する出射面とを含み、前記光源の前記拡散光発散点と前記入射面との間の距離をＬとするとき、前記移動手段は、固定的に配置された前記光源及び前記コリメーター素子の間において、前記距離Ｌを、少なくとも所定の距離Ｌ１と、該距離Ｌ１よりも大きい距離Ｌ２との間で変化させるものであり、前記位相変調素子は、距離Ｌ１のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像の焦点深度をＦＤ１とし、距離Ｌ２のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像の焦点深度をＦＤ２とするとき、ＦＤ１＜ＦＤ２又はＦＤ１＞ＦＤ２の関係が成立するように設定された、前記第１領域及び前記第２領域の面パターンを有することが望ましい。

この構成によれば、前記距離Ｌを増加させることで、前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像の焦点深度を変化することができる光源ユニットを提供することができる。

あるいは、前記位相変調素子は、前記拡散光が入射する入射面と、前記拡散光が出射する出射面とを含み、前記光源の前記拡散光発散点と前記入射面との間の距離をＬとするとき、前記移動手段は、固定的に配置された前記光源及び前記コリメーター素子の間において、前記距離Ｌを、少なくとも所定の距離Ｌ１と、該距離Ｌ１よりも大きい距離Ｌ２との間で変化させるものであり、前記位相変調素子は、距離Ｌ１のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像のビームウェスト位置と、距離Ｌ２のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像のビームウェスト位置とを異ならせるように設定された、前記第１領域及び前記第２領域の面パターンを有することが望ましい。

この構成によれば、前記距離Ｌを増加させることで、前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像のビームウェスト位置を変化させることができる光源ユニットを提供することができる。

上記の光源ユニットにおいて、前記第１領域の光軸と直交する方向の面形状が、円形又は楕円形の輪帯であり、前記第２領域は、当該第１領域の輪帯の内部領域と、当該第１領域の周囲を囲む円形又は楕円形の輪帯領域とを含む構成とすることができる。

あるいは、前記第１領域の光軸と直交する方向の面形状が、円形又は楕円形であり、前記第２領域は、当該第１領域の周囲を囲む円形又は楕円形の輪帯である構成とすることができる。

上記構成において、前記位相変調素子は、前記拡散光が入射する入射面と、前記拡散光が出射する出射面とを含み、前記入射面及び前記出射面は、光軸と直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として前記光源側に傾きを持つ面であり、前記拡散光のうち光軸に対して所定の傾き角を持つ一の光線に注目するとき、前記入射面に入射する前記一の光線の入射角と、前記出射面から出射する前記一の光線の出射角とが、前記移動手段によって前記位相変調素子が光軸方向に移動されても、一定となる素子形状を備えることが望ましい。

上記の光源ユニットでは、拡散光が用いられるので、光軸に対して比較的大きな傾き角を持つ光線と、比較的小さな傾きを持つ光線とが、前記位相変調素子を通過することになる。この構成によれば、前記入射面及び前記出射面は、光軸と直交する面に対して前記光源側に傾きを持ち、実質的に曲率を持たない面となる。従って、光軸に対して比較的大きな傾き角を持つ光線が前記位相変調素子に斜入射することにより生じる、位相変調特性の変化を抑制することができる。

上記の光源ユニットにおいて、前記結像光学系は、前記コリメート光を集光させるシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズから発せられた光を偏向する偏向面を有する偏向器と、前記偏向面で偏向された光を被走査面に結像させる走査レンズとを含むことが望ましい。

この構成によれば、当該光源ユニットを、所定の被走査面を走査する光走査装置として活用することができる。

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

本発明によれば、前記位相変調素子が移動されることにより、焦点位置に作られる光像のビームプロファイルを変化させることができる。また、位相変調素子は拡散光を遮光しないので、前記位相変調素子の移動によってケラレ比が変化することもない。従って、必要な光学特性を満たしつつ、焦点位置の近傍におけるビームプロファイルを自在に設定することができる光源ユニット若しくは画像形成装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光源ユニットの概略構成図である。 （Ａ）は、位相変調素子の形状の一例を示す正面図、（Ｂ）はその側面図である。 光の波面の位相変調素子への入射状況を示す模式図である。 （Ａ）は、位相変調素子の形状の他の例を示す正面図、（Ｂ）はその側面図である。 位相変調素子の移動状態を示す図である。 ビーム径−デフォーカス曲線の変化状況を模式的に示すグラフである。 焦点位置でのビームプロファイルを示すグラフである。 ビーム径−デフォーカス曲線の一例であって、焦点深度の拡張の例を示すグラフである。 ビーム径−デフォーカス曲線の一例であって、ビームウェスト位置のシフトの例を示すグラフである。 位相変調素子の形状の他の例であって、アキシコン型の位相変調素子の側面図である。 アキシコン型の位相変調素子の移動状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概略断面図である。 上記画像形成装置に搭載される光走査装置の光路図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光源ユニット１の概略構成図である。光源ユニット１は、レーザー光を発するレーザー光源１１を含む。このレーザー光は、所定の焦点面ＦＳ（焦点位置）に向けて照射される。焦点面ＦＳは、例えば、当該光源ユニット１が画像形成装置の光走査装置等に適用される場合は、感光体ドラムの周面であり、光ピックアップ装置に適用される場合は、光記録媒体の記録面であり、レーザー加工装置に適用される場合は、加工対象となる物体の表面である。

光源ユニット１は、レーザー光源１１側から焦点面ＦＳに向けて光軸ＡＸ上に順次配置された、位相変調素子１３、コリメーターレンズ１２（コリメーター素子）、アパーチャー１４及び結像光学系１５を備えている。また、位相変調素子１３に対して、当該位相変調素子１３を光軸ＡＸ方向に移動させる移動機構１６（移動手段）が付設されている。

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

位相変調素子１３は、当該位相変調素子１３を通過するレーザー光の位相分布を変調する。位相変調素子１３は、レーザー光が入射する入射面１３１と、レーザー光が出射する出射面１３２とを備える。位相変調素子１３の配置位置は、レーザー光源１１とコリメーターレンズ１２との間の光路上であり、該光路上において光軸ＡＸ方向に移動可能に配置されている。レーザー光源１１から発せられるレーザー光は、位相変調素子１３により所定の位相変調が施された後、コリメーターレンズ１２に入射され、コリメート光に変換されることになる。この位相変調素子１３については、後記で詳述する。

アパーチャー１４は、レーザー光を通過させる円形の開口を備えた板部材であり、焦点面ＦＳに向かうレーザー光のビーム幅を規制し、焦点位置におけるビームスポット径を安定させる。すなわち、焦点面ＦＳに結像されるビームスポットの形状は、このアパーチャー１４の開口形状によって決定される。

結像光学系１５は、コリメーターレンズ１２を透過したコリメート光を焦点面ＦＳに結像させる。図１では、結像光学系１５が、１枚の凸レンズで構成されている例を示している。結像光学系１５は、１枚又は複数枚の結像レンズ、焦点面ＦＳをレーザー光で走査する場合はポリゴンミラー又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等の偏向部材、光路を屈曲させる反射ミラー等を含んでいても良い。

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

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

図２（Ａ）は位相変調素子１３の形状の一例を示す正面図、図２（Ｂ）は、その側面図である。位相変調素子１３は、正面視において矩形の形状を有し、その正面視の面（光軸ＡＸと直交する面）において、レーザー光の位相変調を行う位相変調領域Ａ（第１領域）と、レーザー光の位相変調を行わない非位相変調領域Ｂ（第２領域）とを有している。

位相変調領域Ａの光軸ＡＸと直交する方向の面形状は円形である。非位相変調領域Ｂの面形状は、位相変調領域Ａの周囲を囲む形状である。入射面１３１に入射する拡散光の入射領域で見た場合、非位相変調領域Ｂの面形状は、位相変調領域Ａと同心の円形の輪帯となる。位相変調領域Ａの中心が光軸ＡＸに位置合わせされる。

位相変調素子１３は、光透過性の部材で形成され、レーザー光を遮光することなく透過させる。従って、位相変調素子１３が移動しても、ケラレ比が変化することはない。ここで、図２（Ｂ）に示すように、位相変調領域Ａの光軸方向の厚さは、非位相変調領域Ｂの光軸方向の厚さに比較して厚肉である。このような厚肉部は、平坦な基板上へ透光性のフォトマスクを形成することによって形成することができる。上記の肉厚差のため、位相変調領域Ａに入射し透過するレーザー光と、非位相変調領域Ｂへ入射し透過するレーザー光とでは、位相変調素子１３の透過長が相違することになる。光は物質を透過するときに伝搬速度が遅れるため、肉厚差の分だけレーザー光に位相差が発生する。従って、位相変調素子１３を通過するレーザー光の位相分布が、位相変調領域Ａと非位相変調領域Ｂとの面パターンに応じて変調される。

図３は、レーザー光の波面の位相変調素子１３への入射状況を示す模式図である。ここでは、拡散光ではなく、便宜的に平行光が位相変調素子１３に入射する場合を想定する。光軸ＡＸ上の点Ｐ１（位相変調領域Ａに対向する点）から出射したレーザー光線Ｅ１の波面Ｇ１（光の波面の一部）は、位相変調領域Ａに入射する。一方、光軸ＡＸに対してある像高を持つ点Ｐ２（非位相変調領域Ｂに対向する点）から出射したレーザー光線Ｅ２の波面Ｇ２（光の波面の他の一部）は、非位相変調領域Ｂに入射する。位相変調素子１３へ入射する前の段階では、波面Ｇ１と波面Ｇ２との位相は同じである。しかし、それぞれ位相変調領域Ａ、非位相変調領域Ｂを透過することで、透過長の相違に基づいて、波面Ｇ１と波面Ｇ２との位相は異なるものとなる。

例えば、位相変調領域Ａを透過した光と非位相変調領域Ｂを透過した光との位相差がπとなるように、位相変調領域Ａの光軸方向の肉厚が選ばれる。なお、本実施形態では、積極的な位相変調を企図していない部分を基準肉厚とし、積極的に位相変調を行う部分を前記基準肉厚よりも厚肉として、前者を非位相変調領域Ｂ、後者を位相変調領域Ａとしている。レーザー光の位相変調素子１３の透過によって位相のシフトは全面的に生じるが、本明細書では、積極的に位相変調を行なわないという意味で、基準肉厚の部分を「非位相変調領域」と呼んでいる。一方、基準肉厚に対して肉厚を変化させ、結果として基準肉厚の部分とは異なる位相シフトを生じさせる部分を「位相変調領域」と呼んでいる。なお、位相変調領域Ａを図２（Ｂ）のように凸状部とせず、逆に凹状部とし、基準肉厚よりも薄肉の部分としても良い。

図４（Ａ）は変形実施形態に係る位相変調素子１３Ａの形状を示す正面図、図４（Ｂ）は、その側面図である。位相変調素子１３Ａは、正面視において矩形の形状を有し、その正面視の面（光軸ＡＸと直交する面）において、レーザー光の位相変調を行う位相変調領域Ａ（第１領域）と、レーザー光の位相変調を行わない非位相変調領域Ｂ１、Ｂ２（第２領域）とを有している。位相変調領域Ａの光軸ＡＸと直交する方向の面形状は円形の輪帯である。非位相変調領域Ｂ１の面形状は、位相変調領域Ａの周囲を囲む円形の輪帯である。また、非位相変調領域Ｂ２の面形状は円形であって、位相変調領域Ａの輪帯の内部に位置している。この非位相変調領域Ｂ２の中心が光軸ＡＸに位置合わせされる。非位相変調領域Ｂ２、位相変調領域Ａ及び非位相変調領域Ｂ１は、光軸ＡＸを中心とする同心の円又は輪帯である。

続いて、位相変調素子１３の移動及びビームプロファイルの変形について説明する。先ず、図５は、位相変調素子１３の移動状態を示す図であり、図１の移動機構１６と結像光学系１５よりも像側部分とを省いた光源ユニット１の構成図である。図５において、レーザー光源１１の拡散光発散点１１Ｐと位相変調素子１３の入射面１３１との間の距離をＬで表すものとする。

移動機構１６は、固定的に配置されたレーザー光源１１及びコリメーターレンズ１２の間において、前記距離Ｌを、所定の距離Ｌ１と、該距離Ｌ１よりも大きい距離Ｌ２との間で変化させる。移動機構１６は、距離Ｌ１と距離Ｌ２との間において、光軸ＡＸに対して位置ズレさせることなく、位相変調素子１３を自在に移動及び停止させることが可能である。このような位相変調素子１３の移動により、結像光学系１５が焦点面ＦＳ（焦点位置）付近に作る光像のビームプロファイルを変化させることができる。

位相変調素子１３において重要となるのが、位相変調領域Ａ及び非位相変調領域Ｂの面パターン（両者の比率）である。この面パターンを種々設定すると共に、当該面パターンを有する位相変調素子１３を光軸ＡＸ方向に移動させることで、焦点位置において様々な形態にビームプロファイルを変化させることができる。

図６は、ビーム径−デフォーカス曲線の変化状況を模式的に示すグラフである。このグラフは、前記光像の焦点位置付近のビーム径の変位を光軸方向に表したもので、最もビーム径が小さくなる位置が最も合焦したビームウェスト位置ＢＷで、また、許容される合焦度合いを持つ範囲を焦点深度ＦＤで各々示している。

曲線Ｗ０は、ある特定の第１面パターンを有する位相変調素子１３の基準となるビーム径−デフォーカス曲線であり、例えば当該位相変調素子１３が距離Ｌ１の位置にあるときの曲線であるものとする。曲線Ｗ０は、光源ユニット１の設計値で定められた焦点位置にビームウェスト位置ＢＷ０を持ち、所定幅の焦点深度ＦＤ１を持っている。

曲線Ｗ１は、前記第１面パターンを持つ位相変調素子１３が距離Ｌ２の位置にあるときの曲線である。曲線Ｗ１のビームウェスト位置ＢＷ１は、曲線Ｗ０のビームウェスト位置ＢＷ０と同じ位置にあるが、焦点深度ＦＤ２は焦点深度ＦＤ１よりも拡張（ＦＤ１＜ＦＤ２）されている。これとは逆に、前記第１面パターンを改定することで、位相変調素子１３が距離Ｌ１から距離Ｌ２の位置に移動することに伴い、焦点深度が縮小（ＦＤ１＞ＦＤ２）する態様とすることもできる。

曲線Ｗ２は、曲線Ｗ０が、前記第１面パターンとは異なる第２面パターンを有する位相変調素子１３が持つビーム径−デフォーカス曲線であるとした場合の、該曲線の変化例を示している。曲線Ｗ０が、例えば前記第２面パターンをもつ位相変調素子１３が距離Ｌ１の位置にあるときの曲線であり、曲線Ｗ２が、当該位相変調素子１３が距離Ｌ１の位置にあるときの曲線である。曲線Ｗ２の光像のビームウェスト位置ＢＷ２は、曲線Ｗ０の光像のビームウェスト位置ＢＷ０に対して、焦点位置からプラス方向にシフトしている。これとは逆に、前記第２面パターンを改定することで、位相変調素子１３が距離Ｌ１から距離Ｌ２の位置に移動することに伴い、ビームウェスト位置がマイナス方向にシフトする態様とすることもできる。なお、「プラス」方向は、光の進行方向において焦点位置を超える方向、「マイナス」方向は焦点位置よりも手前の方向である。

以上の通り、特定の面パターンを持つ位相変調素子１３を、レーザー光源１１とコリメーターレンズ１２との間で移動させることにより、結像光学系１５が焦点面ＦＳ付近に作る光像の焦点深度を拡張又は縮小したり、ビームウェスト位置を変化させたりすることができる。さらに、図６には示していないが、位相変調素子１３の面パターンを工夫することで、距離Ｌ１と距離Ｌ２との間でビーム径を縮小または拡大させることも可能である。

続いて、焦点深度、ビームウェスト位置及びビーム径を、位相変調素子１３の移動によって変調させる具体例を例示する。
＜実施例１；焦点深度及びビーム径の変調例＞
位相変調素子として、図４に示す面パターンを有する位相変調素子１３Ａを用い、図１に示す光源ユニット１を作成した。レーザー光源１１の拡散光発散点１１Ｐとコリメーターレンズ１２の入射面との間の距離は１０ｍｍ、アパーチャー１４の開口直径は１ｍｍとした。結像光学系１５としては、焦点距離＝３０ｍｍの理想レンズを用いた。レーザー光源１１としては、発光波長が６７０ｎｍのＬＤ素子を用いた。

位相変調素子１３Ａは、屈折率が１．５の透明樹脂にて作成した。輪帯の凸部である位相変調領域Ａの直径ａ２＝０．１ｍｍ、非位相変調領域Ｂ２の直径＝０．０５ｍｍ、位相変調領域Ａの基準肉厚（非位相変調領域Ｂ１、Ｂ２の厚さ）に対する高さｔ２＝６７０ｎｍとした。この高さｔ２は、波長６７０ｎｍが位相変調素子１３Ａ（位相変調領域Ａ）を通過するときの位相変調量をπとするために設定された厚さである。

図７は、実施例１における焦点位置でのビームプロファイルを示すグラフである。ここでは、レーザー光源１１の拡散光発散点１１Ｐと位相変調素子１３Ａの入射面１３１との間の距離Ｌを３ｍｍ（Ｌ１）に設定した場合と、距離Ｌを５ｍｍ（Ｌ２）に設定した場合の、各々のビームプロファイルを示している。図７に示されているように、距離Ｌ＝５ｍｍの方が距離Ｌ＝３ｍｍに比べて、メインローブの幅が狭くなり、サイドローブが大きくなるように、ビームプロファイルが変化していることが判る。

図８は、実施例１におけるビーム径−デフォーカス曲線の変化を示すグラフである。図８に示す通り、距離Ｌが３ｍｍから５ｍｍに増加することで、ビームウェスト位置（デフォーカス＝０ｍｍの位置）が変化しない状態で、焦点位置付近のビーム径が小さくなり、また焦点深度が拡張していることが判る。従って、この実施例１の光源ユニット１によれば、位相変調素子１３Ａを移動させることで、ビーム径を変調して解像度の切り替えを行ったり、環境変動による光学特性の変化に対応させたりすることができる。

＜実施例２；ビームウェスト位置の変調例＞
位相変調素子として、図２に示す面パターンを有する位相変調素子１３を用い、図１に示す光源ユニット１を作成した。レーザー光源１１の拡散光発散点１１Ｐとコリメーターレンズ１２の入射面との間の距離は１０ｍｍ、アパーチャー１４の開口直径は１ｍｍとした。結像光学系１５としては、焦点距離＝３０ｍｍの理想レンズを用いた。レーザー光源１１としては、発光波長が６７０ｎｍのＬＤ素子を用いた。

位相変調素子１３は、屈折率が１．５の透明樹脂にて作成した。円形の凸部である位相変調領域Ａの直径ａ１＝０．１ｍｍ、位相変調領域Ａの基準肉厚（非位相変調領域Ｂの厚さ）に対する高さｔ１＝３３５ｎｍとした。この高さｔ１は、波長６７０ｎｍが位相変調素子１３（位相変調領域Ａ）を通過するときの位相変調量をπ／２とするために設定された厚さである。

図９は、実施例２におけるビーム径−デフォーカス曲線の変化を示すグラフである。ここでは、レーザー光源１１の拡散光発散点１１Ｐと位相変調素子１３の入射面１３１との間の距離Ｌを２ｍｍ（Ｌ１）に設定した場合と、距離Ｌを８ｍｍ（Ｌ２）に設定した場合の、各々のビームプロファイルを示している。図９に示す通り、距離Ｌが８ｍｍであるときのビーム径−デフォーカス曲線は、ビームウェスト位置が焦点位置（デフォーカス＝０ｍｍの位置）であって、当該焦点位置を基準位置とする概ねシンメトリーな形状を備えている。

これに対し、距離Ｌが２ｍｍであるときのビーム径−デフォーカス曲線は、シンメトリーな形状ではなく、ビームウェスト位置がマイナス方向にシフトしている。また、ビーム径も若干小さくなっている。従って、この実施例２の光源ユニット１によれば、位相変調素子１３を移動させることで、ビームウェスト位置を光軸方向にシフトさせることができる。

続いて、位相変調素子の形状のさらに他の実施形態を示す。図１０は、アキシコン型の位相変調素子１３Ｂの側面図、図１１は、位相変調素子１３Ｂの移動状態を示す図である。位相変調素子１３Ｂは、拡散光発散点１１Ｐから発せられるレーザー光線Ｅが入射する入射面１３Ｂ１と、該レーザー光線Ｅが出射する出射面１３Ｂ２とを含む。入射面１３Ｂ１及び出射面１３Ｂ２は、光軸ＡＸを含む光軸ＡＸ方向に沿った断面において、光軸ＡＸと直交する面Ｓに対して、光軸と交差する点Ｓ０を起点として拡散光発散点１１Ｐ側に同じ傾きを持つ面である。位相変調素子１３Ｂは、光軸ＡＸを含むいずれの断面においても軸対称な形状を有する、アキシコン形状を備えている。

入射面１３Ｂ１と出射面１３Ｂ２とは、前記断面において、光軸ＡＸを境界とする半面単位（図１０の光軸ＡＸより上側と下側）でみると、平行平板の関係にある。このため、拡散光発散点１１Ｐから発せられる拡散光のうち、光軸ＡＸに対して所定の傾き角を持つ一のレーザー光線Ｅに注目するとき、入射面１３Ｂ１に入射するレーザー光線Ｅの入射角θ１と、出射面１３Ｂ２から出射するレーザー光線Ｅ２の出射角θ２とが、同一となる。

入射面１３Ｂ１及び出射面１３Ｂ２が、曲率を持たない平行平板面であることから、この関係は、位相変調素子１３Ｂが光軸方向に移動されても維持される。図１１を参照して、レーザー光源１１から光軸ＡＸ方向に距離Ｌ１の位置に位相変調素子１３Ｂがあるとき、一のレーザー光線Ｅの入射角及び出射角が、各々θ１、θ２（θ１＝θ２）であるとする。この入射角θ１及び出射角θ２は、位相変調素子１３Ｂがレーザー光源１１から距離Ｌ２の位置まで光軸ＡＸ方向に移動されても一定である。

本実施形態の光源ユニット１では、光源として拡散光が用いられる。このため、光軸ＡＸに対して比較的大きな傾き角を持つ光線と、比較的小さな傾きを持つ光線とが、位相変調素子１３Ｂを通過することになる。しかし、位相変調素子１３Ｂの入射面１３Ｂ１及び出射面１３Ｂ２は、光軸と直交する面Ｓに対してレーザー光源１１側に傾きを持ち、実質的に曲率を持たない。従って、光軸に対して比較的大きな傾き角を持つ光線が位相変調素子へ斜入射することにより生じる位相変調特性の変化、及び位相変調素子１３Ｂが光軸ＡＸ方向に移動することにより生じる位相変調特性の変化を抑制することができる。

続いて、上述の光源ユニット１が適用される装置の一例として、画像形成装置を例示して説明する。図１２は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置３の概略断面図である。画像形成装置３は、感光体ドラム３１（像担持体）、帯電器３２、光走査装置３３、現像器３４、転写ローラー３５、定着器３６及び給紙カセット３７を備えている。

感光体ドラム３１は、円筒状の部材であり、その周面に静電潜像及びトナー像が形成される。感光体ドラム３１は、図略のモーターからの駆動力を受けて、図１２における時計回りの方向に回転される。帯電器３２は、感光体ドラム３１の周面を略一様に帯電する。

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

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

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

図１３は、光走査装置３３の概略的な光路図である。光走査装置３３は、レーザー光源４１、コリメーターレンズ４２、位相変調素子４３、アパーチャー４４、シリンドリカルレンズ４５、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー４６（偏向器）及び走査レンズ４７（結像光学系）を備えている。ここで、レーザー光源４１、コリメーターレンズ４２、位相変調素子４３及びアパーチャー４４は、それぞれ、上述の光源ユニット１（図１）における、レーザー光源１１、コリメーターレンズ１２、位相変調素子１３及びアパーチャー１４に相当する光学部材であるので、ここでは詳細な説明を省く。なお、位相変調素子４３としては、上記実施例１、２のいずれかの面パターンを有する位相変調素子を用いることができる。

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

この光走査装置３３においては、光軸方向に移動する位相変調素子４３が組み込まれているので、感光体ドラム３１の周面３１Ｓを走査するレーザー光のビームプロファイルを調整することができる。例えば、ビーム径の大きさを変調して解像度の切り替えを行ったり、焦点深度やビームウェスト位置を環境変動に応じて調整したりすることができる。

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

（１）上記実施形態では、位相変調素子１３の位相変調領域が、円形又は円形の輪帯である例を示した。これは、位相変調素子１３を通過する光線束が断面円形であることを前提として定められた面パターンである。前記光線束の断面形状が楕円形である場合は、面パターンは楕円又は楕円形の輪帯とすることができる。

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

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

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

Claims (8)

1. 拡散光を発する光源と、
   前記拡散光をコリメート光に変換するコリメーター素子と、
   前記光源と前記コリメーター素子との間の光路上に配置され、前記拡散光の波面の一部が入射される第１領域と、前記波面の他の一部が入射される第２領域とを含み、前記第１領域を透過する光と前記第２領域を透過する光とに位相差を生じさせることで、前記拡散光の位相を変調する位相変調素子と、
   前記コリメート光を焦点位置に結像させる結像光学系と、
   前記位相変調素子を光軸方向に沿って移動させる移動手段と、
   を備える光源ユニット。
2. 請求項１に記載の光源ユニットにおいて、
   前記位相変調素子は、前記拡散光が入射する入射面と、前記拡散光が出射する出射面とを含み、前記光源の前記拡散光発散点と前記入射面との間の距離をＬとするとき、
   前記移動手段は、固定的に配置された前記光源及び前記コリメーター素子の間において、前記距離Ｌを、少なくとも所定の距離Ｌ１と、該距離Ｌ１よりも大きい距離Ｌ２との間で変化させるものであり、
   前記位相変調素子は、距離Ｌ１のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像の焦点深度をＦＤ１とし、距離Ｌ２のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像の焦点深度をＦＤ２とするとき、ＦＤ１＜ＦＤ２又はＦＤ１＞ＦＤ２の関係が成立するように設定された、前記第１領域及び前記第２領域の面パターンを有する、光源ユニット。
3. 請求項１に記載の光源ユニットにおいて、
   前記位相変調素子は、前記拡散光が入射する入射面と、前記拡散光が出射する出射面とを含み、前記光源の前記拡散光発散点と前記入射面との間の距離をＬとするとき、
   前記移動手段は、固定的に配置された前記光源及び前記コリメーター素子の間において、前記距離Ｌを、少なくとも所定の距離Ｌ１と、該距離Ｌ１よりも大きい距離Ｌ２との間で変化させるものであり、
   前記位相変調素子は、距離Ｌ１のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像のビームウェスト位置と、距離Ｌ２のときに前記結像光学系が前記焦点位置付近に作る光像のビームウェスト位置とを異ならせるように設定された、前記第１領域及び前記第２領域の面パターンを有する、光源ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
   前記第１領域の光軸と直交する方向の面形状が、円形又は楕円形の輪帯であり、
   前記第２領域は、当該第１領域の輪帯の内部領域と、当該第１領域の周囲を囲む円形又は楕円形の輪帯領域とを含む、光源ユニット。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
   前記第１領域の光軸と直交する方向の面形状が、円形又は楕円形であり、
   前記第２領域は、当該第１領域の周囲を囲む円形又は楕円形の輪帯である、光源ユニット。
6. 請求項１に記載の光源ユニットにおいて、
   前記位相変調素子は、
   前記拡散光が入射する入射面と、前記拡散光が出射する出射面とを含み、前記入射面及び前記出射面は、光軸と直交する面に対して、光軸と交差する点を起点として前記光源側に傾きを持つ面であり、
   前記拡散光のうち光軸に対して所定の傾き角を持つ一の光線に注目するとき、前記入射面に入射する前記一の光線の入射角と、前記出射面から出射する前記一の光線の出射角とが、前記移動手段によって前記位相変調素子が光軸方向に移動されても、一定となる素子形状を備える、光源ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
   前記結像光学系は、
   前記コリメート光を集光させるシリンドリカルレンズと、
   前記シリンドリカルレンズから発せられた光を偏向する偏向面を有する偏向器と、
   前記偏向面で偏向された光を被走査面に結像させる走査レンズと、を含む光源ユニット。
8. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記像担持体の周面を前記被走査面として光を照射する、請求項７に記載の光源ユニットと、を備える画像形成装置。

Images