JPH0546526B2

JPH0546526B2 -

Info

Publication number: JPH0546526B2
Application number: JP58039143A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Matsuoka; Masayuki Usui; Kazuo Minora; Takeshi Baba; Atsushi Someya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-03-11
Filing date: 1983-03-11
Publication date: 1993-07-14
Also published as: US4641920A; JPS59165002A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はレーザビームプリンター或いはデイス
プレイ等に使用される光学素子及びこれを応用し
た光学装置に関する。

従来、レーザビームプリンター等で使用される
光束は、光源であるレーザ光のもつガウス型の強
度分布のようにその周辺部よりその中心部の方の
強度が高いものよりも、その中心部よりその周辺
部の強度がほぼ同等もしくは高い強度をもつよう
な強度分布である方が、その光束のスポツトの周
辺のエツヂ部が強調されてプリントアウト等した
ものが高解像にできることが一般的に知られてい
る。このようなレーザビームプリンター等やこれ
らに用いている光変調素子に用いる不向きな入射
光束の強度分布を適当な強度分布に変換する光学
素子として代表的なものは２箇の円錐レンズを組
みあわせたものがあるが、これを偏心のないよう
に加工したり、これの面の光軸に対する傾きの角
度を設定内に設けるためにこれを配置調整するこ
とは困難で実用的でない。また、このような入射
光束の強度分布を光束変換する光学素子は光シヤ
ツターアレイ等の照明光学系としても必要とされ
る。即ち、レーザ光を照明光源としてそのまゝの
光の強度分布で用いた場合、その照明光束の周辺
部の光の強度がその中心部のそれに比較して低い
ために被照明体に照明光量むらが生じる。これを
除去するためにはレーザ光の光束径を被照明体に
比べて充分大きく拡大し、実用上均一と見做され
る領域を用いて照明する方法が知られているが、
照明光のエネルギーの内、被照明体を照明してい
ない部分の照明光のエネルギーのかなりの部分が
無駄になる。また、上記させるような円錐レンズ
を用いると同様な不具合いが生じる。

本発明は上記の点に鑑み、上記欠点を解消する
ためになされたもので、光束を振幅分割し、この
振幅分割された光束を空間的に重ねあわせること
により、入射光束の強度分布を所望の出射光束の
強度分布に変換する光学素子を提供することを目
的とする。

また、本発明の別の目的は、光の強度分布の変
換を行なう光学素子を用いた光学装置を提供する
ことを目的とする。

第１図は本発明の原理を示す一実施例で、１，
２はプリズムであり貼り合わせ、接合している。
或は、エアーギヤツプを持つて接合させる事も可
能である。この接合面１１はハーフミラー、プリ
ズム２の外面１２は全反射ミラーの機能をそれぞ
れ有している。図中ではこの光学素子に対して平
行光束は下部から入射する。初めに、プリズム１
へ入射した平行光束について説明すると、破線で
記す光路を経て接合面１１の作用を受けて、半分
の光量に減じられた平行光束がプリズム１から図
中右へ射出する。残り半分の光量の平行光束はプ
リズム２へ進み外面１２により全反射されてプリ
ズム２からやはり図中右へ平行光束として射出す
る。次にプリズム２に直接入射した残り平行光束
は一点鎖線で示す光路を経て入射した光量の半分
ずつがそれぞれプリズム１，２から平行光束とし
射出する。即ち、プリズム２に入射した光束は外
面１２により全反射されて図中右方向へ向かう。
この光束は接合面１１により振幅分割され、その
半分の光束はそのまま接合面１１を透過し、プリ
ズム１の図中右の外方へと射出する。一方、接合
面１１により反射されたその残り半分の光束は外
面１２によつて再び全反射されてプリズム２の図
中右の外方へと射出する。第２図はガウス型の強
度分布を有する平行光束をほぼ均一な強度分布の
平行光束に変換する原理の説明図である。第１図
に示した光学素子に紙面と平行な面内で光の入射
方向から見た第２図ａに示したガウス型の強度分
布をもつ平行光束が入射するものとする。この場
合、プリズム１へ入射する半分の光束の強度分布
を破線で、プリズム２へ入射する残り半分の光束
の強度分布を一点鎖線で示してある（但し、光の
強度のピーク値は2L₁）。プリズム１へ入射した
半分の入射光束の内、振幅分割されてプリズム
１，２から夫々射出する光束の強度分布を光の射
出方向から見た場合を第２図ｂの破線で示してあ
る。また、プリズム２の入射した半分の入射光束
の内、振幅分割されてプリズム１，２から夫々射
出する光束の強度分布を光の射出方向から見た場
合を第２図ｂの一点鎖線で示してある。また、第
２図ｂの実線で示した曲線は、プリズム１，２か
ら夫々射出した光束が空間で合成された時の光の
強度分布を示している。プリズム１への半分の入
射光束の内、プリズム１の接合面１１によつて反
射されてプリズム１から射出してくる光束の強度
分布及び残りの入射光束で接合面１１を透過して
外面１２によつて反射されて後プリズム２から射
出してくる光束の強度分布は、丁度、入射光束の
強度分布を反転した形の相似形状をなす。また、
プリズム２への残り半分の入射光束の内、外面１
２によつて反射されて接合面１１を透過してプリ
ズム１から射出する光束の強度分布及び残りの入
射光束で外面１２によつて全反射され、次に接合
面１１によつて反射され、再び外面１２によつて
全反射されてプリズム２から射出してくる光束の
強度分布は入射光束の強度分布を反転した形の相
似形状をなす。これらの光束の強度分布は夫々の
プリズム１もしくは２において左右対称形状をな
すので、これら光束の強度分布を合成した光束の
強度分布は第２図ｂの実線で示す如くほぼ均一と
なる。なお、紙面と平行な面内でなくとも第２図
ａに示した強度分布を有する光束が入射した時は
第２図ｂに示した強度分布を有する光束が射出す
ることは明らかである。

ところで、光源としてレーザ光のように可干渉
性のよいものを用いる場合には被照射面上で細か
い干渉縞を生じる。この光源を用いる目的によつ
てはこの干渉縞ができないようにする要請が生じ
るが、この場合には、光源として直線偏光を発生
するレーザ光源を用いて、第１図に於けるプリズ
ム１もしくは２のどちらか一方の入射側端面に偏
光方向を直角に回転させる、たとえばλ／２板の
ような波長板を設けて、プリズム１に入射する光
束とプリズム２に入射する光束の偏光方向を直交
させることにより干渉縞を生じなくすることが可
能である。

説明の簡単化の為、第１図では、２箇のプリズ
ムからなる光学素子を示したが、より多くのプリ
ズムを用いて光の強度分布の変換及び光束径の変
倍を行うことが可能であることを第３図に示した
本発明に係る光学素子の他の一実施例を用いて示
す。第３図に於て、３１，３２，３３はプリズム
であり、４１，４２は夫々反射率R₄₁（透過率
（１−R₄₁））、R₄₂（透過率（１−R₄₂））の振幅分
割ミラーで夫々プリズム３１と３２及びプリズム
３２と３３は接合面をなしている。４３はプリズ
ム３３の外面に設けられた全反射ミラーである。
面Ａ，Ｂは夫々プリズム３１，３２の光束の入射
側の面であり、面Ｃ，Ｄ，Ｅは夫々プリズム３
１，３２，３３の光束の射出側の面である。その
方向が破線で示されているように面Ａに入射した
光束は振幅分割ミラー４１及び４２によつて順次
振幅分割をうけた後、面Ｃ，Ｄ，Ｅから夫々射出
する。また、その方向が一点鎖線で示されている
ように面Ｂに入射した光束は振幅分割ミラ４１，
４２により、振幅分割された後、面Ｃ，Ｄ，Ｅか
ら夫々射出する。これら面Ｃ，Ｄ，Ｅから射出し
た夫々の光束は空間的に合成されて光の強度分布
の変換及び光束径の変倍が行なわれる。

今、面Ａより入射した光束で面Ｃ，Ｄ，Ｅから
夫々射出する光束の入射光束の強度に対する率
（100％の時を１とする）を夫々C_A，D_A，E_Aとす
ると、振幅分割ミラー４１によつて反射され面Ｃ
から射出する光束の強度の率は、 C_A＝R₄₁ 振幅分割ミラー４１を透過する光束の率は、１
−R₄₁であるから振幅分割ミラー４２によつて反
射され面Ｄから射出する光束の強度の率は D_A＝（１−R₄₁）R₄₂ 振幅分割ミラー４２の透過率は（１−R₄₂）だ
から振幅分割ミラー４２を透過し全反射ミラー４
３で反射されて面Ｅから射出する光束の強度の率
は E_A＝（１−R₄₁）（１−R₄₂）同様に、面Ｂより入射した光束で面Ｃ，Ｄ，Ｅ
から夫々射出する光束の入射光束の強度に対する
率（100％の時を１とする）を夫々C_B，D_B，E_Bと
すると振幅分割ミラー４２により反射され振幅分割ミ
ラー４１を透過して面Ｃから射出する光束の強度
の率は C_B＝R₄₂（１−R₄₁）振幅分割ミラー４によつて反射され、更に振幅
分割ミラー４１によつて反射される光束の強度の
率はR₄₂，R₄₁であり、この光束が振幅分割ミラ
ー４２によつて反射されて面Ｄから射出する光束
の強度の率はR₄₁×R² ₄₂である。また、この光束
が振幅分割ミラー４２を透過して全反射ミラー４
３によつて全反射されて、面Ｅから射出する光束
の強度の率は、R₄₁R₄₂（１−R₄₂）である。また、
振幅分割ミラー４２を透過し全反射ミラー４３に
よつて全反射される光束の強度の率は（１−
R₄₂）で、更に振幅分割ミラー４２を透過し面Ｄ
から射出する光束の強度の率は（１−R₄₂）²であ
る。また、振幅分割ミラー４２で反射され、次に
全反射ミラー４３で全反射されて面Ｅから射出す
る光束の強度の率は、R₄₂（１−R₄₂）である。故
に D_B＝R₄₁・R² ₄₂＋（１−R₄₂）² また、 E_B＝R₄₁・R₄₂（１−R₄₂）＋R₄₂（１−R₄₂）ところで、ほぼ等強度の出射光束であるために
は C_A，D_A，E_A，C_B，D_B，E_Bは、ほぼ1/3に等し
くなければならない。1/3に等しいとすると、
上記より、 R₄₁≒0.333，R₄₂＝0.5である。

上記、実施例から伴るように３箇のプリズムか
らなる光学素子ではR₄₁及びR₄₂を上記値に設定
することにより射出光の均一な光の強度分布をう
ることが可能であり、また、プリズム３１，３２
の鋭角部分を45゜に設定してあれば面Ａ，Ｂから
入射した光束の径は面Ｃ，Ｄから射出する光束の
径と同じである。しかし、本実施例の場合面Ｅか
らも光束が射出するのでそれだけの分、光束の径
が入射する光束の径に対して拡大したことにな
る。第４図は第３図の光学素子に入射するガウス
型の断面強度分布を有する光束（強度のピーク値
3L₁）が射出した時の光束の断面強度分布が均一
化する状態を示しており、破線で示す曲線は面Ａ
から入射し面Ｃ，Ｄ，Ｅから夫々射出する光の強
度分布を示している。また一点鎖線で示す曲線は
面Ｂから入射し面Ｃ，Ｄ，Ｅから夫々射出する光
の強度分布を示している。更に、実線で示した曲
線はこれら光束の強度分布が空間的に合成された
時の強度分布を示している。第４図の説明につい
ては自明のため説明を省略する。（また、上記実
施例の場合も第１図で説明した実施例と同じく３
次元的に山形のガウス型の強度分布をもつ光束が
本実施例の光学素子に入射すれば同じくほぼ均一
化した３次元的に楕円柱状の強度分布をもつた光
束が射出することは明らかである。）また、プリ
ズムが４箇以上の光学素子についても上記と同様
に設計することにより構成することが可能であ
る。また、こればかりでなくR₄₁，R₄₂を適当に
選択することによりいかなる光束の強度分布の変
換も可能となる。更に、一定の強度分布の光束か
らガウス型の強度分布をほしい時には第１図及び
第３図に示した光学素子の入射側を射出側に、射
出側を入射側にすればよい。

第５図は本発明に係る光学装置に応用する光変
調素子の一例の部分断面図である。

４′は絶縁性の基板、５′ａ，５′ｂ，５′ｃ，
５′ｄ，５′ｅ…は列状に配列されたインジウムテ
インオキサイド等の薄膜からなる発熱要素として
の発熱抵抗体、９′は絶縁層、３′はミラー、２′
は被加熱体としてのたとえば有機溶剤からなる液
層、１′は透明な保護板で、これらがこの順序で
積層されて光変調素子８′が構成されている。ま
た、６′ａ，６′ｂ，６′ｃ…はスイツチで、夫々
発熱抵抗体５′ａ，５′ｂ，５′ｃ…に接続されて
いる。スイツチ６′ａ，６′ｂ，６′ｃ…が閉成さ
れていない時は発熱抵抗体５′ａ，５′ｂ，５′ｃ
…は通電加熱されないので液層２′の温度は一様
であり、従つて、ある角度で入射してきた光はミ
ラー３′によつて正反射されて一定の角度で光変
調素子８′外へ射出する。しかし、スイツチ６′ｃ
が閉成されて発熱抵抗体５′ｃが通電加熱すると、
この熱をうけた液層２′は局部的に温度上昇し、
この温度上昇に伴なつて屈折率が他の液層２′の
部分と異なつたグラデイエント・インデツクス領
域７′が生じる。従つて、この領域７′に入射する
光は屈折等されてその光路を変更され図示の如く
拡がりのある発散光となつて光変調素子から射出
する。今、ここでは反射型の光変調素子として説
明したがミラー３′をなくし基板４′や絶縁層９′
を透光性にすることにより透過型の光変調素子も
可能である。また、液層２′を局部的に加熱して
沸騰させ、この中に蒸気泡を形成し、この蒸気泡
により光路を変化させることにより光変調しても
よい。また、発熱抵抗体の代りに赤外線吸収層を
用いて赤外線をあてることにより発熱させてもよ
い。また、上記実施例では光路変化用の部材とし
て液体を用いたが固体であつてもよい。なお、こ
れら光変調素子の詳細な原理及び構成については
特願昭57−102293及び特願昭57−178154等に記載
されているのでこれ以上詳述しない。なお、本実
施例の場合、発熱抵抗体５′ａ，５′ｂ，５′ｃ…
の配列方向の断面内に入射し、反射する光の場合
について説明したが、発熱抵抗体５′ａ，５′ｂ，
５′ｃ…の配列方向と直交する方向の面内で入射
し、反射する光の場合についても上記と同じ原理
により同様なことがいえる。なお、発熱抵抗体
５′ｃの通電が断たれればグラデイエント・イン
デツクス領域７′は冷却されて自然消滅するし、
蒸気泡についても同様である。

第６図は本発明に係る光学素子を光学装置とし
ての画像形成装置に応用した一実施例であり、そ
の上視図である。

５１はレーザ光源で、たとえばガウス型の強度
分布を有する光束を発生する。５２はコリメータ
レンズ、５３は本発明に係る光学素子で本実施例
の場合第３図に示した構成の光学素子を用いた。
５４はシリンドリカルレンズ、８′は光変調素子
の一例で本実施例の場合第５図に示した構成のも
のを用いたが、ここでは発熱抵抗体５′ａ，５′
ｂ，５′ｃ…からなるヒーターアレイ５′等を簡略
的に示している。５６は光変調素子８′からの正
反射光のみを遮光するだけの大きさを持つ遮光
板、５７は光変調素子８′からの発散光を投影す
る投影用レンズ、５８は感光ドラムで図示矢印方
向に回転しているものとし、この感光ドラム５８
の表面の位置は投影用レンズ５７を介して発熱抵
抗体５′と光学的に共役な位置である。

次に、第５図及び第６図を参照して本実施例の
動作説明をする。レーザ光源５１からのレーザ光
はコリメータレンズ５２により平行光束とされた
後、光学素子５３により第３図の説明で述べたよ
うにほぼ均一な強度分布を有する平行光束に変換
される。この光学素子５３から射出する平行光束
は、シリンドリカルレンズ５４によりヒーターア
レイ５′上のミラー３′上に線状に集光される。こ
の時、光学素子５３により断面強度分布の光束の
変換を行なつた方向と線状の集光方向とをほぼ一
致させる。ヒーターアレイ５′が通電加熱されて
ない時、この線状に集光された光束はミラー３′
により正反射されて遮光板５６により全て遮光さ
れる。今、光変調素子８′のヒーターアレイ５′の
内、発熱抵抗体５′ｃが通電加熱されたとすると、
この上の液層２の部分にグラデイエント・インデ
ツクス領域もしくは蒸気泡が形成される。この部
分に入射し射出する光は図示破線で示した如く発
散光となり、この発散光の大部分は遮光板５６に
より遮光されず投影用レンズ５７により感光ドラ
ム５８に点像として結像される。従つて、ヒータ
ーアレイ５′を画像信号に応じて駆動することに
より、感光ドラム５８の表面の図示矢印で示す方
向上に画像信号に応じた点像の集合体からなる像
が形成される。この走査を繰り返すことにより感
光ドラム５８の表面に２次元の感光像が形成され
る。後は公知の手段により感光ドラム５８に形成
された静電潜像を適当に処理して用紙等に画像を
形成すればよい。なお、光変調素子８′のヒータ
ーアレイ５′を走査することなく同時にヒーター
アレイ５′の所要の発熱抵抗体を通電加熱して感
光ドラム５８に線状の点像の集合体を同時に形成
してもよい。また、感光ドラム５８の代りにスク
リーンを配置し、このスクリーンと投影用レンズ
５６の間にヒーターアレイ５′のアレイ方向と直
交する方向に走査させるガルバノミラーを、更に
収差補正上必要ならばガルバノミラーとスクリー
ンとの間に結像レンズを配置することによりスク
リーンに２次元画像を形成して表示することも可
能である。

第６図に示す光学装置としての画像形成装置に
於いて重要な事は本発明に係る光学素子５３を用
いる事により光束がヒーターアレイ５′の並び方
向に均一な強度分布を持ち、且つ、ヒーターアレ
イ５′を十分に全面照射し得るだけの巾に拡げら
れている点にある。従つて、感光ドラム５８上に
形成される点像の強度はほぼ均一で、高解像の画
像が得られる。

以上述べてきたように本発明に係る光学素子は
簡単な構成で光束の強度分布を所望の光の強度分
布に変換ししかも光束径の変換も容易に行ないう
る。本発明に係る光学素子を具備した光プリンタ
ー、デイスプレイ等の画像形成装置はムラのない
且つ高解像の高品位な画質を提供し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学素子の原理を説明す
るための説明図、第２図は第１図を説明するため
の光の強度分布の説明図、第３図は本発明に係る
光学素子の他の一実施例の説明図、第４図は第３
図を説明するための光の強度分布の説明図、第５
図は本発明に係る光学装置に用いる光変調素子の
部分断面図、第６図は本発明に係る光学素子を用
いた光学装置の一実施例の上視図である。１，２，３１，３２，３３はプリズム、４１，
４２は振幅分割ミラー、４３は全反射ミラー、
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは面、２′は液層、３′はミラ
ー、５′ａ，５′ｂ，５′ｃ…は発熱抵抗体、５′は
ヒーターアレイ、８′は光変調素子、５１はレー
ザ光源、５２はコリメータレンズ、５３は光学素
子、５４はシリンドリカルレンズ、５６は遮光
板、５７は投影用レンズ、５８は感光ドラムであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１入射光の所定断面に関する不均一且つ中心に
関して対称な強度分布をほぼ均一な強度分布に変
換する光学素子であつて、複数個のプリズムを貼
り合わせた構造を有し、連続する２個のプリズム
の夫々の第１面の組により光入射面を形成し、連
続する２個以上のプリズムの夫々の第２面の組に
より光出射面を形成し、プリズム同士の接合面と
所定のプリズムの斜面とを、前記入射光に対して
前記断面でほぼ同じ角度にて傾斜させ、前記入射
光を前記断面に関する強度分布の勾配が互いに逆
向きの２個の部分光に分けるべく前記入射光の前
記断面の中心と前記光入射面を成す２個のプリズ
ムの第１面間の境界位置を一致させ、前記光出射
面を成す２個以上のプリズムの夫々の第２面か
ら、前記２個の部分光の各々を振幅分割して得ら
れる光成分同士が互いに重なり合つた前記断面で
の強度分布がほぼ均一な光が出射するよう、前記
プリズム同士の接合面を所定の分割比を有する振
幅分割面で構成すると共に前記所定のプリズムの
斜面を反射面で構成することを特徴とする光学素
子。２光学素子と、該光学素子から射出する光束を
線状に集光する集光手段と、一方向に配置された
発熱要素の加熱による被加熱体の屈折率分布の変
化を利用する光変調素子を構成要素とし、前記光学素子は、入射光の所定断面に関する不
均一且つ中心に関して対称な強度分布をほぼ均一
な分布に変換する光学素子であつて、複数個のプ
リズムを貼り合わせた構造を有し、連続する２個
のプリズムの夫々の第１面の組により光入射面を
形成し、連続する２個以上のプリズムの夫々の第
２面の組により光出射面を形成し、プリズム同士
の接合面と所定のプリズムの斜面とを、前記入射
光に対して前記断面でほぼ同じ角度にて傾斜さ
せ、前記入射光を前記断面に関する強度分布の勾
配が互いに逆向きの２個の部分光に分けるべく前
記入射光の前記断面の中心と前記光入射面を成す
２個のプリズムの第１面間の境界位置を一致さ
せ、前記光出射面を成す２個以上のプリズムの
夫々の第２面から、前記２個の部分光の各々を振
幅分割して得られる光成分同士が互いにに重なり
合つた前記断面での強度分布がほぼ均一な光が出
射するよう、前記プリズム同士の接合面を所定の
分割比を有する振幅分割面で構成すると共に前記
所定のプリズムの斜面を反射面で構成するもので
あつて、該光学素子により光の断面強度分布の変
換を行なつた光束の方向を前記集光手段を介して
前記光変調素子の加熱要素の配置方向に一致させ
ることを特徴とする光学装置。３光学素子と、該光学素子から射出する光束を
線状に集光する集光手段と、一方向に配置された
発熱要素の加熱による被加熱体の蒸気泡を利用す
る光変調素子を構成要素とし、前記光学素子は、入射光の所定断面に関する不
均一且つ中心に関して対称な強度分布をほぼ均一
な強度分布に変換する光学素子であつて、複数個
のプリズムを貼り合わせた構造を有し、連続する
２個のプリズムの夫々の第１面の組により光入射
面を形成し、連続する２個以上のプリズムの夫々
の第２面の組により光出射面を形成し、プリズム
同士の接合面と所定のプリズムの斜面とを、前記
入射光に対して前記断面でほぼ同じ角度にて傾斜
させ、前記入射光を前記断面に関する強度分布の
勾配が互いに逆向きの２個の部分光に分けるべく
前記入射光の前記断面の中心と前記光入射面を成
す２個のプリズムの第１面間の境界位置を一致さ
せ、前記光出射面を成す２個以上のプリズムの
夫々の第２面から、前記２個の部分光の各々を振
幅分割して得られる光成分同士が互いに重なり合
つた前記断面での強度分布がほぼ均一な光が出射
するよう、前記プリズム同士の接合面を所定の分
割比を有する振幅分割面で構成すると共に前記所
定のプリズムの斜面を反射面で構成するものであ
つて、該光学素子により光の断面強度分布の変換
を行なつた光束の方向を前記集光手段を介して前
記光変調素子の加熱要素の配置方向に一致させる
ことを特徴とする光学装置。