JPH1164617A - 位相型回折レンズ及びレーザ記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】分割した光束が結ぶ点像間の距離を偏向角を大
きくすることなく自在に接近でき、更に分割した光束の
光強度が確実に均等となる光束分割手段を提供する。 【解決手段】透明基板上に異なる複数の回折パターン１
１を重ね合わせ形成した位相型回折レンズであり、前記
複数の回折パターンはそれぞれにゾーンを画成し、各ゾ
ーンが単一のレンズ効果を奏し、入射した光束を各回折
パターン毎に分割する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザビームを複数
の光束に分割する位相型回折レンズ、及び該位相型回折
レンズを使用したレーザ記録装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザビームを複数に分割し、複
数の異なる位置に分割した光束毎に点像を形成する手段
として、図１０に示すゾーンプレート１がある。

【０００３】該ゾーンプレート１は、同一の焦点距離を
有する複数のレンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが互
いに分離成形されたフレネルレンズであり、それぞれレ
ンズの光軸が等間隔で離隔する波面分割型のものとなっ
ている。

【０００４】図１１は前記ゾーンプレート１による光束
分割状態を示しており、図中３はレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）であり、該レーザダイオード３からのレーザ光線４
は集光レンズ５で平行光束とされ、前記ゾーンプレート
１に入射する。前記レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２
ｅのそれぞれのレンズ作用により、各レンズに入射した
光束（各光束の直径を図中Ｄで示す）が個別に分離集光
され、受光素子等の受光面６に前記各レンズ２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅに対応した点像が投影される。該
受光面６に投影される点像間の距離ｄは前記レンズ２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの光軸間の距離と等しくな
る。

【０００５】又、図１２に示すものは、前記レンズ２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが同一焦点距離を有すると
共に偏向作用を持たせたものであり、光束を分割すると
共に偏向させ、分離投影した点像間の距離ｄを狭めてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した波面分割型の
ゾーンプレート１に於いて、点像を小さくしようとする
と各レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの開口径Ｄを
大きくしなければならないが、開口径Ｄを大きくすると
前記ゾーンプレート１が大きくなると共に前記レンズ２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの光軸間距離が大きくな
り、前記点像の間隔ｄも大きくなってしまう。点像の間
隔ｄを小さくしたのが図１２で示すゾーンプレート１で
あるが、該ゾーンプレート１ではレーザダイオード３の
光軸を離れるレンズ２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅのグレーテ
ィングによる偏向角が大きくなり、製作が困難となる。
更に、前記レーザダイオード３の出力強度分布はガウス
分布であり、前記レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ
により分割した光束の光強度を等強度とするのが難しい
という問題があった。

【０００７】本発明は斯かる実情に鑑み、ゾーンプレー
トを大きくすることなく、分割した光束が結ぶ点像間の
距離を偏向させることなく自在に接近でき、更に分割し
た光束の光強度が確実に均等となる位相型回折レンズを
提供しようとするものであり、更に斯かる位相型回折レ
ンズを使用し印刷速度を増大させたレーザ記録装置を提
供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明基板上に
位相型回折パターン膜を形成し、入射される波面の変換
を行う位相型回折レンズに於いて、異なる複数の回折パ
ターン膜を重ね合わせ形成した位相型回折レンズに係
り、更に回折パターン膜は同心多重円状であり、中心位
置の違う複数の前記回折パターンを重ね合わせ成形した
位相型回折レンズに係り、更に透明基板にエッチング加
工により位相型回折パターンを形成し、入射される波面
の変換を行う位相型回折レンズに於いて、異なる複数の
回折パターンをエッチング加工により重ね合わせ形成し
た位相型回折レンズに係り、更にエッチング加工により
前記透明基板に形成される回折パターンは同心多重円状
であり、中心位置の違う複数の前記回折パターンを重ね
合わせ成形した位相型回折レンズに係り、更に又レーザ
ビームを照射するレーザ光学系と、射出されたレーザビ
ームを感光体に照射する投影系と、レーザビームを走査
する為の走査部とを有し、レーザビームを走査して画像
を形成するレーザ記録装置於いて、前記レーザ光学系が
複数の回折パターンを重合して形成した位相型回折レン
ズを有し、該位相型回折レンズを透して複数の光束を照
射するレーザ記録装置に係るものである。

【０００９】前記位相型回折レンズで重合する複数の回
折パターンそれぞれがゾーンを画成し、各ゾーンが単一
のレンズ効果を奏し、入射した光束を各回折パターン毎
に分割する。

【００１０】又、前記位相型回折レンズがレーザ記録装
置のレーザ光学系に使用されることで複数本のビームが
照射され、複数本の走査線により同時に画像が形成され
るので印刷速度が増速される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態を説明する。

【００１２】本発明は位相型回折レンズを用いて光束を
分割するものである。

【００１３】先ず、位相回型折レンズについて説明す
る。

【００１４】位相型回折レンズは回折効果による光波の
偏向作用を利用し、更に入射光線のレンズ光軸からの距
離に応じ偏向角制御を行い集光機能を生じさせたもので
ある。

【００１５】位相型回折レンズは図１、図２に示される
様に透明板８に同心多重に透明膜９-1〜９-mを形成し、
光波の偏向作用を利用すると共に光の干渉効果を利用し
遮光領域を形成し、回折効率を向上させているものであ
る。

【００１６】図１中ハッチングを付した部分が透明膜９
であり、該透明膜９の内縁迄の半径をｒm とし、前記透
明膜９を透過する光とその他の部分を透過する光の位相
差がπ（光路差がλ／２）となる様に、前記透明膜９の
膜厚ｔを下記数式１により決定する。

【００１７】

【数式１】ｔ＝λ／｛２（ｎ−１）｝ ここでλは使用波長、ｎは屈折率を示す。

【００１８】次に前記各透明膜９の半径ｒm は、近似的
に、

【数式２】ｒm ＝√（ｍｆλ）に設定する。

【００１９】ここでｆはλの波長での焦点距離を示す。

【００２０】前記透明板８に前記数式２に従い前記透明
膜９を同心多重に形成すると、即ち回折パターン１１を
形成すると、該回折パターン１１を透過する光は、平面
波が球面波に変換され、略一点に集光される。

【００２１】次に、前記回折パターン１１を２つ中心を
ｄずらせて重合して形成した場合を図３に示す。

【００２２】重合して成形する場合は図４に示す様に、
先ず透明板８に透明膜９ａを成膜して回折パターン１１
ａを形成し、該回折パターン１１ａの上に更に透明膜９
ｂを成膜して回折パターン１１ｂを形成する。前記回折
パターン１１ａ、回折パターン１１ｂはそれぞれ独立し
たゾーンを画成し、各ゾーンはそれぞれ単一のレンズ作
用を奏する。尚、図４（Ａ）、図４（Ｂ）は透明板８に
それぞれ回折パターン１１ａ、回折パターン１１ｂを単
独で成膜した状態を示し、図４（Ｃ）では両回折パター
ン１１ａ，１１ｂを重合させた状態を示している。

【００２３】回折パターン１１ａ，１１ｂを重合させ形
成した位相型回折レンズ１２を透過した光の集光状態を
図５に示す。

【００２４】レーザダイオード３より発せられたレーザ
光線４は、エキスパンダ１３により光束が拡大されて前
記位相型回折レンズ１２に入光する。位相型回折レンズ
１２に形成した回折パターン１１ａ，１１ｂは個々に集
光作用を有し、両回折パターン１１ａ，１１ｂの中心の
ずれｄだけ分離した点像を前記受光面６に投影する。

【００２５】而して、位相型回折レンズ１２では開口径
が入射するレーザ光線４の径と殆ど変わることがなく、
更に点像間の距離は回折パターン１１ａ，１１ｂの中心
間の距離に等しく、該中心間の距離を所望の距離に設定
することで位相型回折レンズ１２を透過するレーザ光線
４を偏向させる必要がない。

【００２６】上記説明では２つの回折パターン１１を重
合させたが、３以上の回折パターン１１を所定間隔でず
らせて重合すれば、重合した回折パターン１１の数に対
応し分離された点像が投影される。

【００２７】更に、形成する回折パターン１１は同心円
のパターンである必要はなく、同心楕円形、或は格子状
のパターンでもよく、更に必ずしも同一形状のパターン
を重合させなくてもよく、同心円パターンと同心楕円パ
ターン、或は同心円パターンと格子状パターン等の異種
パターンを重合させてもよい。重合させた各パターンの
形状に対応した集光像がそれぞれ分離投影される。

【００２８】尚、上記回折パターン１１のパターンの成
形は透明板８上に透明膜９を成膜したが、光路差がλ／
２となる様にエッチング加工によりパターンを成形して
もよい。該エッチング加工で各種パターンを形成し、更
に重合できることも勿論である。

【００２９】上記位相型回折レンズは光通信の光束を分
割する場合等に使用可能であることは勿論であるが、以
下は前記位相型回折レンズをレーザ記録装置に応用した
場合を説明する。

【００３０】レーザプリンタ等レーザ記録装置はレーザ
ビームの照射位置を記録体に対して走査させ、特定点で
発光させ、発光点の集合で文字、図形を印刷するもので
ある。

【００３１】レーザ記録装置はレーザビームを照射する
レーザ光学系と、射出されたレーザビームを感光体に照
射する投影系と、レーザビームを走査する為の走査部と
を有し、レーザビームを走査して画像を形成するもので
ある。図６はレーザ記録装置の要部を示し、図６中でレ
ーザ光学系はレーザビーム照射部１５で示され、投影系
はポリゴンミラー１６、ｆθレンズ１７、動的面倒れ補
正レンズ１８により代表的に示されている。

【００３２】レーザビーム照射部１５からのレーザビー
ム２１を反射する様ポリゴンミラー１６が配設され、該
ポリゴンミラー１６は走査モータ１９により高速回転さ
れる。前記ポリゴンミラー１６の回転中心を通過する反
射光軸上にｆθレンズ１７、動的面倒れ補正レンズ１
８、感光ドラム２０が順次配設されており、該感光ドラ
ム２０は前記ｆθレンズ１７、動的面倒れ補正レンズ１
８の光軸に対して直交し、レーザビーム２１の走査面内
に位置する回転軸心を中心に定速回転する様になってい
る。

【００３３】図中、２２はｆθレンズ１７の幅端部を透
過したレーザビームを水平同期用センサ２３に導く為の
反射鏡であり、該水平同期用センサ２３は走査開始位置
の同期をとる為の信号を図示しない制御部に発する。

【００３４】前記レーザビーム照射部１５について図
７、図８により説明する。

【００３５】該レーザビーム照射部１５は一定方位の直
線偏光であるレーザビーム２１を発する発光源、好まし
くは半導体レーザ２４の光軸上に図８で示す様に光束分
割部材として機能する位相型回折レンズ１２、電気光学
素子２５、偏光板２６、集光レンズ２７から構成され
る。

【００３６】前記位相型回折レンズ１２は、同一の焦点
距離を有する複数（本実施の形態では５）の回折パター
ン１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅがレーザビ
ームの走査方向に対して直交する方向に並んで形成さ
れ、且それぞれのパターンの中心が等間隔で離隔して形
成された位相型回折レンズ１２となっている。前記複数
の回折パターン１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１
ｅは前記半導体レーザ２４からのレーザビーム２１を回
折パターン１１の数に対応した光束２１ａ，２１ｂ，２
１ｃ，２１ｄ，２１ｅに分割し、更に各光軸上に分割し
た光束を集光させる様になっており、前記電気光学素子
２５は分割した光束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，
２１ｅの集光位置（点像位置）に配設されている。

【００３７】前記電気光学素子２５は電気光学効果を有
する透明板２８上に前記各光束２１ａ，２１ｂ，２１
ｃ，２１ｄ，２１ｅに対応してそれぞれレーザビーム２
１の偏向状態を変化させる位相制御電極として機能する
シャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅ
が設けられ、該シャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，
２９ｄ，２９ｅはシャッタ駆動部３１ａ，３１ｂ，３１
ｃ，３１ｄ，３１ｅにより独立して電圧が印加される構
成となっており、該シャッタ駆動部３１ａ，３１ｂ，３
１ｃ，３１ｄ，３１ｅは制御部３２により前記シャッタ
電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅへの印加
状態が制御される。

【００３８】前記シャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２９
ｃ，２９ｄ，２９ｅは図９に示す様に平行に配置された
２つの電極子３３，３３から成り、前記集束した光束２
１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅは各シャッタ電
極の電極子３３，３３間を透過する様になっている。而
して、前記シャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９
ｄ，２９ｅに電圧印加し各シャッタ電極子３３，３３間
に電界を形成させ、電界中を前記各光束２１ａ，２１
ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを通過させることで１次電
気光学効果、２次電気光学効果により通過する光束２１
ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの偏光状態を変化
させる。ここで前記シャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２９
ｃ，２９ｄ，２９ｅに印加する電圧の大きさは光束２１
ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの偏光面が９０°
変化する値とする。

【００３９】前記偏光板２６は、該偏光板２６の偏光面
の方向が前記半導体レーザ２４が発するレーザビーム２
１の偏光面の方向とは９０°異なる様に設けられてい
る。前記集光レンズ２７は分割された光束２１ａ，２１
ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを集光させ、前記ポリゴン
ミラー１６に投影する。

【００４０】以下、作用を説明する。

【００４１】半導体レーザ２４から発せられたレーザビ
ーム２１を前記位相型回折レンズ１２により５つの光束
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅに分割し、分
割した光束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅを
電気光学素子２５の各シャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２
９ｃ，２９ｄ，２９ｅ上に集光させる。該シャッタ電極
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅに電圧が印加
されていない場合は、前記分割した光束２１ａ，２１
ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅは光束の偏光面の方向が変
更されることなくそのまま通過する。前述した様にレー
ザビーム２１の偏光面と前記偏光板２６の偏光面とは９
０°方向が異なるので光束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２
１ｄ，２１ｅは偏光板２６により遮断される。

【００４２】次に、例えば前記シャッタ電極２９ａ，２
９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅに電圧が印加されるとシ
ャッタ電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅを
通過する光束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ
の偏光面が９０°回転し、前記偏光板２６の偏光面の方
向と一致する。従って、前記シャッタ電極２９ａ，２９
ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅに電圧が印加された状態で
は光束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅは前記
偏光板２６を透過し、更に集光レンズ２７で集光された
後前記ポリゴンミラー１６に投射される。該投射された
５つの各光束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ
は、ｆθレンズ１７及び動的面倒れ補正レンズ１８によ
り感光ドラム２０上に５つの点像として集光投影され、
前記ポリゴンミラー１６の回転により５本のビームが前
記感光ドラム２０を走査する。この様に、電気光学素子
２５は偏光板２６と協働して感光ドラム２０上での各光
束２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの光量を可
変とし、全体として光シャッタ部として機能を果たすも
のである。

【００４３】前記した様に、シャッタ電極２９ａ，２９
ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅは個々に独立して電圧が印
加可能となっており、前記制御部３２が取込んだ画像デ
ータに従い該制御部３２が前記シャッタ駆動部３１ａ，
３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを制御することで、画
像データに対応して点滅する５本のレーザビームをレー
ザビーム照射部１５より射出することができ、５本の走
査線により前記感光ドラム２０上に画像を形成すること
ができる。

【００４４】而して、５本のレーザビームを同時に走査
するので前記ポリゴンミラー１６の回転数を同一とした
場合、単一のレーザビームにより印刷する場合に比べ印
刷速度は５倍に増速する。

【００４５】尚、シャッタ電極への印加電圧を所望の値
に変化させ光を完全に遮断せずに任意の光量値を得る様
に構成してもよい。更にレーザビームの分割数は５に限
らず４以下、６以上の適宜な分割数とすることが可能で
あることは言う迄もない。又、一定方位の直線偏光を射
出しないレーザビームを使用する場合は電気光学素子２
５或は位相型回折レンズ１２の光源側に偏光板を配設
し、一定方位の直線偏光を得る様にしてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、光束を
複数の光束に分割できると共に分割した光束による点像
の距離を分割光束を偏向させることなく近接させ得、更
に分割光束の開口角をレンズ全体の形状を大きくするこ
となく大きくでき、更に各分割光束の光強度を均一にで
きるという優れた効果を発揮し、更に分割した複数のレ
ーザビームにより同時に走査し、画像を形成するので走
査速度を増大することなく印刷速度を大幅に増大させる
ことがでる等の優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の対象となる位相型回折レンズの
説明図である。

【図２】図１のＡ矢視図である。

【図３】本発明の実施の形態を示す説明図である。

【図４】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明の実施の形態に係
る位相型回折レンズの製作工程を示す説明図である。

【図５】該位相型回折レンズの作用説明図である。

【図６】本発明に係る位相型回折レンズを用いたレーザ
記録装置の要部説明図である。

【図７】該レーザ記録装置に於けるレーザビーム照射部
の一部を示す説明図である。

【図８】該レーザ記録装置に於けるレーザビーム照射部
を示す説明図である。

【図９】該レーザ記録装置に於ける電気光学素子の部分
説明図である。

【図１０】従来の光束分割手段であるゾーンプレートの
斜視図である。

【図１１】該ゾーンプレートの作用説明図である。

【図１２】該ゾーンプレートの作用説明図である。

【符号の説明】

８ 透明板 ９ 透明膜 １１ 回折パターン １２ 位相型回折レンズ １５ レーザビーム照射部 ２１ レーザビーム ２４ 半導体レーザ ２５ 電気光学素子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板上に位相型回折パターン膜を形
   成し、入射される波面の変換を行う位相型回折レンズに
   於いて、異なる複数の回折パターン膜を重ね合わせ形成
   したことを特徴とする位相型回折レンズ。
2. 【請求項２】 回折パターン膜は同心多重円状であり、
   中心位置の違う複数の前記回折パターンを重ね合わせ成
   形した請求項１の位相型回折レンズ。
3. 【請求項３】 透明基板にエッチング加工により位相型
   回折パターンを形成し、入射される波面の変換を行う位
   相型回折レンズに於いて、異なる複数の回折パターンを
   エッチング加工により重ね合わせ形成したことを特徴と
   する位相型回折レンズ。
4. 【請求項４】 エッチング加工により前記透明基板に形
   成される回折パターンは同心多重円状であり、中心位置
   の違う複数の前記回折パターンを重ね合わせ成形した請
   求項３の位相型回折レンズ。
5. 【請求項５】 レーザビームを照射するレーザ光学系
   と、射出されたレーザビームを感光体に照射する投影系
   と、レーザビームを走査する為の走査部とを有し、レー
   ザビームを走査して画像を形成するレーザ記録装置於い
   て、前記レーザ光学系が複数の回折パターンを重合して
   形成した位相型回折レンズを有し、該位相型回折レンズ
   を透して複数の光束を照射することを特徴とするレーザ
   記録装置。