JPH10177107A

JPH10177107A - 回折格子及び光記録装置

Info

Publication number: JPH10177107A
Application number: JP8337068A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kataoka; 慶二片岡; Yasuyuki Shibayama; 恭之柴山; Yoshinori Miyamura; 芳徳宮村
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1998-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】光利用効率が高く、かつ発生する複数ビーム
それぞれの光強度の一様性が良い回折格子を容易に生産
可能なものとする。【解決手段】ガラス基板２の表面に凹凸構造の回折格
子面３を有する光透過型の回折格子において、前記凹凸
構造がフォトポリマー２４により形成されている。さら
に、光透過型回折格子１の基板２における回折格子面３
と反対側の非回折格子面にのみ光反射防止コーティング
を施すか、これに代わり、基板２の回折格子面３と反対
側の非回折格子面に、光反射防止コーティング付き透明
板が貼着したものも提案する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光を複数本に
分岐して出射させる光透過型の回折格子及びこれを利用
したレーザプリンタ等の光記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザプリンタは１本の光ビーム
を回転多面鏡で光走査し、感光ドラム上に光記録してい
る。しかし、高速、高解像度で光記録するには、１本の
光ビーム走査による記録では回転多面鏡の回転速度およ
びデータの変調速度が装置の限界以上のものが要求され
るようになっている。

【０００３】これを解決するために、レーザ光源からの
レーザ光を回折格子で分岐し、分岐した複数ビームを、
それぞれ独立に変調した後、回転多面鏡で感光材料上に
光記録するレーザプリンタが提案されている。

【０００４】回折格子としては、例えば表面に凹凸構造
の回折格子面を有する光透過型のものが提案されてお
り、次のようなフォトレジストプロセスで作製してい
た。

【０００５】まず、基板となる平面ガラス上にフォトレ
ジストを塗付し、このフォトレジスト面に予めマスクに
形成した所望のパターンを露光装置で転写，現像して、
フォトレジストパターンを作成する。このフォトレジス
トパターンから基板をエッチングするか、あるいはＳｉ
Ｏ２を蒸着しフォトレジスト除去によりＳｉＯ２パター
ンを形成させることで、基板表面に凹凸構造の回折格子
面を作製する。

【０００６】図１１は、このようにして作製した従来の
光透過型回折格子の一例を示す縦断面図であり、基板と
なる平板ガラス（例えば石英ガラス）２の片側表面に
は、ピッチ単位で基準の凹凸構造のパターンが複数ピッ
チくり返し形成されて回折格子１が作製されている。こ
の凹凸構造のパターン面３が回折格子面となる。

【０００７】このガラス基板２に紙面下方（非回折格子
面４側）から光７が入射すると、光出射面に形成されて
いる回折格子面３によって多数の回折光８に分岐され
る。

【０００８】従来、この光透過型回折格子１において、
回折格子の光利用率（回折格子出射光強度／回折格子入
射光強度）を向上させるためには、ガラス基板２の回折
格子面３側及び非回折格子面４側の両面に光反射防止コ
ーティング５を施し、回折格子の光入射面および光出射
面での光反射ロスを低減させていた。一般に光反射防止
コーティングは、ＭｇＦ₂，ＴｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃等の硝材
からなる単層もしくは多層の蒸着膜により作製される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】

（１）従来の光透過型の回折格子は、作製のために複雑
なフォトレジストプロセスを経由するので、プロセスを
終えるのに数日必要で、また、特性の良い回折格子を得
る良品率を上げることも困難であり、高価なものとなっ
ていた。

【００１０】（２）上記の回路格子特性の良品率向上を
妨げる原因の一つとして、従来の光反射防止コーティン
グ方式があげられる。

【００１１】すなわち、通常、光透過型の回折格子の場
合、回折格子面で分岐された各回折光の光強度分布は、
回折格子部材の屈折率と回折格子を形成している溝の形
状（溝幅と溝深さ）により決定されるが、上記の方法で
は、回折格子面３側に光反射防止コーティング５を施す
と、図１２に示すように、光反射防止コーティング材が
回折格子の凹部と凸部のエッジに堆積して、溝幅寸法が
変わってしまうため、回折光強度分布にも変化が生じて
しまう。図１２では、光反射防止コーティング前後で、
凹部の寸法がＷ_凹からＷ_凹−δに、凸部の寸法がＷ_凸＋
δに変化することを示している。この溝幅寸法変化によ
る回折格子特性への影響は、回折格子ピッチが小さく高
精度の溝幅寸法精度が要求される回折格子になるに従っ
て顕著になる。

【００１２】（３）また、製作プロセスにおいて、光反
射防止コーティング材にＭｇＦ₂を使って蒸着膜を成膜
する場合は、成膜中の基板温度を２００〜３００℃に加
熱する必要があるため、ガラス基板表面に形成されてい
る回折格子がフォトレジスト等の樹脂膜により作製され
ているときは、樹脂の高温熱変形によって回折格子の凹
凸形状自体が変化してしまうため、回折格子特性特に回
折光強度分布に変化が生じてしまう。

【００１３】本発明は以上の点に鑑みてなされ、その目
的は、製作プロセスに伴う諸問題（例えば、プロセスの
複雑化，回折格子特性に及ぼす悪影響）を解決して、プ
ロセスの合理化や回折格子特性の向上を図り得る回折格
子を提供することにある。

【００１４】さらに、回折格子で分岐した複数ビームを
用いて光走査する光記録装置において、コスト低減を図
りつつ、光利用効率が高く、光強度の一様性を良くして
高速，高解像度の光記録、例えばレーザプリンタによる
高速，高解像度の印刷を可能にすることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、基本的には、次のような回折格子及び光記
録装置を提案する。

【００１６】第１発明は、表面に凹凸構造の回折格子面
を有する光透過型の回折格子において、前記凹凸構造を
フォトポリマーにより形成したことを特徴とする。

【００１７】第２発明は、透明基板の表面に凹凸構造の
回折格子面が形成されている光透過型の回折格子におい
て、前記透明基板の回折格子面と反対側の非回折格子面
にのみ光反射防止コーティングを施したことを特徴とす
る。

【００１８】第３の発明は、透明基板の表面に凹凸構造
の回折格子面が形成されている光透過型の回折格子にお
いて、前記透明基板の回折格子面と反対側の非回折格子
面に、光反射防止コーティング付き透明板を貼着したこ
とを特徴とする。

【００１９】第４の発明は、レーザ光源からのレーザ光
を光透過型の回折格子で分岐し、マルチチャネルＡＯ変
調器で変調して感光体に光記録する光記録装置であっ
て、前記回折格子が請求項１ないし請求項５のいずれか
１項記載の回折格子であることを特徴とする。

【００２０】第１の発明によれば、回折格子面となる凹
凸構造体を原版を用いて型成形することが可能となり、
従来のような複雑なフォトレジストプロセスを不要とし
て簡易な型成形プロセスにより回折格子が作製される。

【００２１】第２の発明によれば、回折格子面（凹凸構
造面）側には光反射防止コーティングが施されないの
で、回折格子溝幅寸法がコーティング材により変化する
ことが無いので、回折格子特性の劣化を招くことなく非
回折格子面に施した光反射防止コーティング分だけ光利
用効率を向上させる。

【００２２】第３の発明によれば、上記した第２発明と
同様に回折格子特性保持と光利用効率向上の双方の要求
に応えるほかに、次のような製造プロセスを採用するこ
とで、回折格子面をフォトレジストや上記したフォトポ
リマーのような樹脂等で形成した場合であっても、光反
射防止コーティング作製時の熱的影響を回避できる。

【００２３】すなわち、回折格子面（表面凹凸構造）の
形成された透明基板の非回折格子面側に貼着される光反
射防止コーティング付き透明板は、透明基板と別個に作
製されるため、透明基板に貼着される前に予め光反射防
止コーティングを施すことが可能である。このようにす
れば、回折格子に熱的影響を与えることなく光反射防止
コーティングを最終的には回折格子の基板に取り付ける
ことができ、例えば、回折格子の凹凸構造面（回折格子
面）をフォトレジストやフォトポリマーで作製した場合
であっても、これらが熱変形をきたすことはない。

【００２４】第４の発明によれば、回折格子を透過して
走査系に導かれる複数光ビームの光強度の一様性が向上
し、光記録装置の高速，高解像度（例えばレーザプリン
タの印刷品質向上）を実現できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面により
説明する。

【００２６】〔実施形態１〕図１は第１の実施形態の製
造プロセスの一部を示す説明図、図２〜図４はその製造
プロセスに付随する回折格子特性設定のための説明図で
ある。

【００２７】表面凹凸構造の光透過型回折格子は、片面
に所定の表面凹凸パターンが基板上に繰り返し形成され
ている。

【００２８】図２にピッチｐで繰り返される回折格子の
表面凹凸パターンの設計手順を示す。この例では２種類
の凹凸パターン１０，１１を重ね合せて、複数段の厚さ
を有する一つのパターン１２を形成している。このパタ
ーン１２を繰り返しピッチｐで形成することで、回折格
子の原版２０（図１参照）を予め作製しておく。この原
版に基づき作製される回折格子は、離散的なマルチレベ
ルをもつ位相回折格子と称されている。ここで、ａｙお
よびａｚは位相高さであり、位相高さａと実際の凹凸の
高さｅとは次の関係がある。

【００２９】

【数１】ａ＝（２π／λ）（ｎ−１）ｅ …（１）ここで、ｎは回折格子形成材料の屈折率、λは光の波長
である。

【００３０】図２に示した回折格子のパラメータｙ
（１），ｙ（２），…、およびｚ（１），ｚ（２），
…、位相高さａｙ、ａｚを適当に設計すると、図４に示
すように、特定の回折光だけが一様に大きな光強度をも
つような特性設定が可能である。すなわち、図４は、回
折格子の出力側の光強度分布を示すもので、回折格子に
レーザ光１を入射させると、−１次から＋２次からなる
４本の回折光のみがほぼ一様な大きな光強度をもち（図
３にこの回折光の出射状態を示す）、この複数ビームを
後述するレーザプリンタに用いることができる。

【００３１】ここで、図２の設計仕様に基づく本例の回
折格子の製造プロセスを図１により説明する。

【００３２】２０は回折格子の型成形に用いる凹凸構造
の原版であり、石英ガラス基板２２上に図２の設計仕様
に基づく凹凸構造のＳｉＯ₂蒸着膜２１を形成して成
り、回折格子の型成形（複製）プロセス前に予め用意さ
れる。

【００３３】回折格子を複製する場合には、図１（ａ）
に示すように、複製対象の石英ガラス基板２上にプライ
マ２３を塗付する。プライマ２３は、フォトポリマー２
４と石英ガラス基板２間の接着力を強くするためのもの
である。

【００３４】次いで、フォトポリマー２４を少量，滴下
し、回折格子原版２０と石英ガラス基板２とを密着さ
せ、フォトポリマー２４が充分にそれら隙間に充填され
るようにする。

【００３５】この後、石英ガラス基板２側から紫外光を
含む光を照射し、フォトポリマー２４を光硬化させる。
その後、石英ガラス基板２と原版２０を剥離すると、図
１（ｂ）に示すように、石英ガラス基板２側に光硬化し
たフォトポリマー２４の凹凸構造面（回折格子面）３が
形成され、このようにして回折格子１が複製される。図
１（ｂ）のものは、図１（ａ）の基板２を裏返した状態
である。複製したものは原版の凹に対して凸の表面形状
を持つものとなるが、光の位相の正負は回折格子の特性
に影響しないので、問題ない。

【００３６】本例によれば、１枚の原版２０から簡易な
製造プロセスにより多数の回折格子１を複製することが
できるので、安価な回折格子を入手することができる。

【００３７】また、回折格子１の基板２はその表面が一
般に良く研磨された平面精度の良いものが用いられる
が、必ずしもその様な基板を用いなくてもフォトポリマ
ーが原版に忠実に平坦な面を複製してくれる。

【００３８】また、回折格子の作成される石英ガラス基
板の裏面が面精度の悪い面の場合も、この裏面に平坦な
フォトポリマーを形成するようにすれば、透過する光の
品質も劣化することはない。このように面精度の悪い石
英基板も使用できるので、非常に安価に回折格子を作成
できることになる。

【００３９】〔実施形態２〕図５に本発明の第２の実施
形態に係る光透過型回折格子の縦断面図を示す。

【００４０】本例は石英ガラス基板（透明基板）２の片
側表面３は、ピッチ単位の基準となる凹凸構造のパター
ンが複数ピッチにわたりくり返し形成されて回折格子面
となっている。この回折格子面３は、基板２のエッチン
グ，基板表面に形成されたＳiＯ₂等の蒸着膜等により作
製される。ここでの凹凸構造パターンは実施形態同様の
ものであってもよい。

【００４１】本例では、回折格子１の基板２のうち、回
折格子面３と反対側の非回折格子面４にのみ光反射防止
コーティング５が施される。

【００４２】本例によれば、回折格子面３側は、コーテ
ィングが施されないので回折格子溝幅寸法が変化するこ
とが無く、回折格子特性を良好に保持し（特に、回折格
子で分岐された回折光の光強度分布に変化を生じさせな
いで、回折格子の光利用効率を向上させる）、しかも、
非回折格子面４側に施した光反射防止コーティング分だ
け確実に光利用効率を向上させることができる。一般に
光反射防止コーティング５は、ＭｇＦ₂，ＴｉＯ₂，Ａｌ
₂Ｏ₃等の硝材からなる単層もしくは多層の蒸着膜により
作製され、ガラス基板２表面での反射率を０．５％以下
に低下させることができる。

【００４３】〔実施形態３〕図６は本発明の第３の実施
形態に係る回折格子の縦断面図である。

【００４４】透明基板となる平板ガラス（石英ガラス）
２の片側表面には、ピッチ単位の基準となる凹凸構造の
パターンが複数ピッチにわたりくり返し形成されて、回
折格子面３が形成される。この基板表面の回折格子面３
は、基板のエッチング，基板表面に形成されたＳｉＯ₂
等の蒸着膜やフォトレジスト，紫外線硬化樹脂（例えば
実施形態１のフォトポリマー２４）等のいずれかで形成
してある。

【００４５】基板２の回折格子面３と反対側の非回折格
子面４に、光反射防止コーティング５付きの透明板６が
接着剤５０を介して貼着されている。

【００４６】透明板６は、回折格子のガラス基板２と同
一材質でその片面に既述した如き光反射防止コーティン
グ５が施され、そのコーティング５面と反対側の面（非
光反射防止コーティング面）９がガラス基板２の非回折
格子面４に接着剤５０を介して接合されている。

【００４７】接着剤５０は、ガラス基板２及び平板ガラ
ス６の屈折率に対して０．１以下の屈折率差であるもの
が使用される。このようにすれば、基板２と平板ガラス
６に１．４〜１．６程度の屈折率をもつ材質を使用して
いる限り、平板ガラス６と接着剤層５０との境界面、及
び接着剤層５０と基板２との境界面での反射戻り光の割
合を０．１％程度以下に抑えることができ、光損失を極
力小さくすることができる。このような用途に適してい
るガラス材との屈折率整合のとれた、且つ光透過率の高
い接着剤としては、市販されている紫外線硬化樹脂等で
容易に満足でき、また、入手も簡単である。

【００４８】本例の回折格子の製造プロセスは、ガラス
基板２に回折格子面（表面凹凸構造）を形成する。この
ガラス基板２に平板ガラス６を貼着する前に、予め平板
ガラス６に光反射防止コーティング５を施しておく。そ
して、光反射防止コーティング５付の平板ガラス６を上
記のガラス基板２に貼着する。

【００４９】このような回折格子によれば、第２実施形
態同様に回折格子特性保持と光利用効率向上の双方の要
求に応えるほかに、回折格子に熱的影響を与えることな
く光反射防止コーティングを回折格子の基板に取り付け
ることができる。例えば、回折格子の凹凸構造面（回折
格子面）をフォトレジストやフォトポリマー等の樹脂膜
で作製した場合であっても、これらが光反射防止コーテ
ィングのプロセスに要する熱で変形をきたすような機会
にさらされない。

【００５０】〔実施形態４〕上記のような実施形態１〜
実施形態３のいずれかの回折格子１を用いたレーザプリ
ンタ光学系（光記録装置）を図７に示す。

【００５１】レーザ３１から出射したレーザ光７を、例
えば、フォトポリマーで作製された回折格子１に入射さ
せる。

【００５２】回折格子１から回折された複数の分岐光
（出射光）８は、レンズ３２を介してマルチチャネルＡ
Ｏ（音響光学）変調器３３に入射する。この図では簡単
にするため２ビームで光記録する場合を示している。

【００５３】マルチチャネルＡＯ変調器３３の電極３４
に制御回路４０からのデータ信号が印加されると、この
信号に応じてレーザ光は光変調され、変調された複数の
レーザ光は回転多面鏡３６を介して感光ドラム３９上を
一度に光走査する。

【００５４】３７はＦΘレンズである。３８は走査する
光ビームを検出するための光検出器である。

【００５５】感光ドラム３９を走査する複数の光ビーム
は図９に示すように、複数の光スポット４１が密接した
走査線を形成するように走査方向に対して斜めに設定さ
れている。この斜めの角度の調整はダブプリズム３５で
行う。図１０はダブプリズム３５の動作原理を示してい
る。

【００５６】ダブプリズム３５に例えば符号４２で示す
矢印の像が入射したとすると、出力像４３が得られる。
ダブプリズム３５を矢印４５のように回転させたとする
と、出力像４３も矢印４５に示すように回転する。この
原理で感光ドラム３９上の光スポット列の斜め角度を調
整する。

【００５７】図８はマルチチャネルＡＯ変調器の動作を
説明する図である。この図では４ビームが入射している
場合を示している。電極３４に信号が印加していない場
合、光ビーム８は符号８ｂのように透過するのみであ
る。電極３４に信号が印加されると、光ビームは音響光
学結晶３３内を通過する音波のため、８ａのように回折
することになる。透過するビーム列８ｂは感光ドラム３
９に達しないように適当なところで遮られ、音響光学結
晶３３で回折される光８ａが光記録に用いられている。

【００５８】本例において、第１実施形態の回折格子を
用いた場合には、コスト低減を図りつつ、回折格子を透
過して走査系が導かれる複数光ビームの光強度の一様性
が向上し、光記録装置の高速，高解像度を図ることで、
レーザプリンタの印刷速度と印刷品質向上を実現でき
る。

【００５９】また、第２実施形態，第３実施形態の回折
格子を用いた場合には、上記効果に加えて、さらに、光
利用効率が高く、省エネルギー効果を達成できる。

【００６０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、透過型回
折格子の製作プロセスに伴う諸問題を解決して、プロセ
スの合理化と回折格子特性の向上を双方の要求を満足さ
せることができる。

【００６１】すなわち、第１の発明によれば、簡易な型
成形（転写）プロセスにより回折格子特性の良好な回折
格子を多数複製でき、コスト低減を図りつつ精度の良い
光透過型の回折格子を提供することができる。

【００６２】第２の発明によれば、光反射防止コーティ
ングを基板の片面だけに施すので、プロセスの合理化を
図り、しかも光反射防止コーティングに起因する回折格
子特性劣化を無くし、光利用効率も高めるといった効果
を奏する。

【００６３】第３の発明によれば、上記第２発明と同様
の効果を奏するほかに、光反射防止コーティングを樹脂
製凹凸構造の回折格子にも施すことができ、第１発明の
メリットを光反射防止コーティング付き回折格子に活か
すことができる。

【００６４】第４の発明によれば、レーザプリンタのレ
ーザ光源の光パワーを小さく抑制でき、レーザ光源の寿
命を長く、かつ安価なものとすることができる。また、
光強度の一様性が良くなるのでレーザプリンタの印刷品
質も向上することになる。これらのことから高速、高解
像度のレーザプリンタを信頼性高く、かつ安価に実現で
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の製造プロセスを示す説明
図。

【図２】回折格子の設計手順を示す説明図。

【図３】光透過型回折格子を通過する回折光の説明図。

【図４】光透過型回折格子の光強度分布を示す説明図。

【図５】本発明の第２実施例に係る回折格子の縦断面
図。

【図６】本発明の第３実施例に係る回折格子の縦断面
図。

【図７】上記各光透過型回折格子を採用した光記録装置
（レーザプリンタ）の構成図。

【図８】上記レーザプリンタに用いるマルチチャネルＡ
Ｏ変調器の動作例を示す説明図。

【図９】感光ドラム上で複数ビームを走査する方式の一
例を示す説明図。

【図１０】ダブプリズムの動作を示す説明図。

【図１１】従来の光透過型回折格子の一例を示す説明
図。

【図１２】従来の光透過型回折格子の問題点を指摘した
説明図。

【符号の説明】１…回折格子、２…ガラス基板、３…回折格子面（表面
凹凸構造）、４…非回折格子面、５…光反射防止コーテ
ィング、６…ガラス板（光反射防止コーティング付透明
板）、２４…フォトポリマー、３１…レーザ光源、３３
…マルチチャネルＡＯ（音響光学）変調器、３９…感光
体（感光ドラム）、５０…接着剤。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮村芳徳東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹凸構造の回折格子面を有する光
透過型の回折格子において、前記凹凸構造がフォトポリ
マーにより形成されていることを特徴とする回折格子。
【請求項２】前記凹凸構造のフォトポリマーは、ガラ
ス基板の表面に型成形されている請求項１記載の回折格
子。
【請求項３】透明基板の表面に凹凸構造の回折格子面
が形成されている光透過型の回折格子において、前記透
明基板の回折格子面と反対側の非回折格子面にのみ光反
射防止コーティングが施されていることを特徴とする回
折格子。
【請求項４】透明基板の表面に凹凸構造の回折格子面
が形成されている光透過型の回折格子において、前記透
明基板の回折格子面と反対側の非回折格子面に、光反射
防止コーティング付き透明板が貼着されていることを特
徴とする回折格子。
【請求項５】前記透明基板と前記光反射防止コーティ
ング付き透明板とが同一材質のガラス板により形成さ
れ、前記透明板はその片面に光反射防止コーティングが施さ
れて、その反対側の非反射防止コーティング面側が前記
透明基板の非回折格子面に接着剤を介して接合され、前
記接着剤が前記ガラス板の屈折率に対して０．１以下の
屈折率差である請求項４記載の回折格子。
【請求項６】レーザ光源からのレーザ光を光透過型の
回折格子で分岐し、マルチチャネルＡＯ変調器で変調し
て感光体に光記録する光記録装置であって、前記回折格
子が請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の回折
格子であることを特徴とする光記録装置。