(57)【要約】    【課題】  被検面の高さ情報を狭い範囲であっても高精度に検出することができる高さ検出装置を得ること。    【解決手段】  光源手段と前記光源手段から放射された光束で被検面を照明する照明光学系と、前記被検面で反射された光束を結像面に線像として結像させる結像光学系と、前記結像面に配置され複数のセンサを１次元又は２次元に配列した光検出手段と、前記光検出手段で検出した光情報より前記照明光学系の光軸方向に対する前記被検面の高さ情報を検出する高さ検出装置であって前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系の光軸に対し垂直な面で前記結像光学系の光軸上に位置し、かつ前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系を構成する光学素子のうち前記光検出手段に対しもっとも近くに位置する光学素子の光軸に垂直であり、かつ前記光検出手段の光検出面は前記結像光学系によって形成される線像に対し垂直な軸を回転軸として回転した面に位置していること。【選択図】    図１
2010145468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源手段と、
前記光源手段から放射された光束で被検面を照明する照明光学系と、
前記被検面で反射された光束を結像面に線像として結像させる結像光学系と、
前記結像面に配置され、複数のセンサを１次元又は２次元に配列した光検出手段と、
前記光検出手段で検出した光情報より前記照明光学系の光軸方向に対する前記被検面の高さ情報を検出する高さ検出装置であって、
前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系の光軸に対し垂直な面で前記結像光学系の光軸上に位置し、かつ、
前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系を構成する光学素子のうち前記光検出手段に対しもっとも近くに位置する光学素子の光軸に垂直であり、かつ、
前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系によって形成される線像に対し垂直な軸を回転軸として回転した面に位置していることを特徴とする高さ検出装置。
【請求項２】
前記光源手段は点光源より成り、
前記照明光学系は、前記点光源から放射された光束を前記被検面に点状に集光させていることを特徴とする請求項１に記載の高さ検出装置。
【請求項３】
前記結像光学系はアナモフィックな面を含み、前記結像光学系の光軸と前記線像と垂直な軸を含む面内における前記結像光学系の縦倍率をα、前記光検出手段の光検出面の前記結像光学系の光軸に対する垂直な面からの回転角をθとするとき、
０．１≦α／ｓｉｎθ≦１０
なる条件を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の高さ検出装置。
【請求項４】
前記照明光学系と前記結像光学系は、前記照明光学系から放射された光束であって、前記被検面に入射する光束の主光線が前記被検面に有限の角度で入射し、前記被検面で反射した光束であって、前記結像光学系を通過し、前記光検出手段に結像する光束が前記被検面からの正反射光以外の光束となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の高さ検出装置。
【請求項５】
前記結像光学系によって形成される線像は前記被検面と平行な面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の高さ検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の高さ検出装置を用いて像担持体上のトナーの高さを測定することを特徴とするトナー高さ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学手段を用いて被検物の基準面からの高さ情報（凹凸情報）（厚さ情報）等を検出する高さ検出装置に関する。
【０００２】
特に電子写真方式の画像形成装置において、像担持体上に塗布したトナーの高さ情報を共焦点顕微鏡の観察原理を応用して高精度に検出することのできる高さ検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、光学手段を用いて、被検物の基準面からの高さ情報を検出する高さ検出装置が知られている。この高さ検出装置は光学顕微鏡（共焦点顕微鏡）や試料表面の傷検出装置等に広く用いられている。
【０００４】
高さ検出装置として、いわゆる共焦点光学系や、それに類似する光学系を用いて被検面の位置を検出すること、つまり試料表面の高さ情報の検出を行う装置が知られている（特許文献１）。
【０００５】
共焦点光学系を用いた高さ検出装置では、光源手段から射出した光を試料表面に集光させ、試料表面からの反射光を検出手段又はその近傍に再び結像させている。そしてそのときの結像状態の変化から試料表面の高さ位置情報を検出している。
【０００６】
図６は共焦点光学系を用いて被検物の高さ情報を検出する高さ検出装置の構成の要部概略図である。
【０００７】
図６において光源装置６０１から射出した光はコリメータレンズ６０２によって平行光とされた後、ハーフミラー６０３を通過し、集光レンズ６０４によって被検面６０８に集光される。
【０００８】
照射された被検面６０８からの反射光は再び集光レンズ６０４を通過し、集光されハーフミラー６０３によって反射された後、結像レンズ６０５によってピンホールスリット６０６又はその近傍に集光される。
【０００９】
ピンホールスリット６０６を通過した光束はその下流（通過方向）に配置された光検出器６０７によってその光強度が検出される。光検出器６０７で検出された光強度によって被検面６０８の高さ情報を検出している。
【００１０】
集光レンズ６０４と結像レンズ６０５は被検面６０８が集光レンズ６０４の焦点位置にあるときに被検面６０８からの反射光がピンホールスリット面６０６に結像し、光検出器６０７が最も高い光強度を検出するようにするように配置されている。
【００１１】
つまり被検面６０８が集光レンズ６０４の焦点位置から光軸方向にずれるに従い、光検出器６０７が検出する光強度は小さくなる。これによって、被検面６０８の光軸方向の高さ位置を検出している。
【００１２】
共焦点光学系を用いた高さ検出装置では、以上のような構成で被検面６０８の高さ情報を検出している。
【特許文献１】特開２００１−３１８３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の共焦点光学系を用いた高さ検出装置では被検面の物性や粗さなどで反射光量が変化すると、光検出器で検出される反射光量が変化し、被検面の表面高さを正確に検知することができない場合がある。
【００１４】
また、ピンホールスリットを通過した光の強度の大小関係だけを検出する方法は、原理的に被検面が集光レンズの焦点の手前にあるのか、奥にあるのか検知することができない。
【００１５】
さらに、被検面の位置が集光レンズの焦点から大きくずれると、ピンホールスリットを通過する光の強度が被検面の高さずれに対し自乗に比例して低下する。このため、被検面の位置の検出精度が極端に低下してくる。
【００１６】
特許文献１の焦点検出装置では複数の点光線を一方向に配列した線状の光源（一次元光源）からの光束を被検面で線状に集光させ、同様に光検出器側の結像レンズによって被検面からの反射光を線状に結像させている。そして光軸と線像に対して直交した軸を中心に結像面に対し微小角傾けた１次元光センサを用いて、被検物からの反射光を検出している。
【００１７】
しかしこの方式は被検面の焦線上で高さ変化がある場合、光検出器上で複数の高さの被検面からの反射光が入射してくる。このため狭い範囲の被検面の高さ情報について精密に測定することが難しい。
【００１８】
本発明は、被検面の高さ情報を狭い範囲であっても高精度に検出することができる高さ検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
請求項１の発明の高さ検出装置は、
光源手段と、
前記光源手段から放射された光束で被検面を照明する照明光学系と、
前記被検面で反射された光束を結像面に線像として結像させる結像光学系と、
前記結像面に配置され、複数のセンサを１次元又は２次元に配列した光検出手段と、
前記光検出手段で検出した光情報より前記照明光学系の光軸方向に対する前記被検面の高さ情報を検出する高さ検出装置であって、
前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系の光軸に対し垂直な面で前記結像光学系の光軸上に位置し、かつ、
前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系を構成する光学素子のうち前記光検出手段に対しもっとも近くに位置する光学素子の光軸に垂直であり、かつ、
前記光検出手段の光検出面は、前記結像光学系によって形成される線像に対し垂直な軸を回転軸として回転した面に位置していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、被検面の高さ情報を狭い範囲であっても高精度に検出することができる高さ検出装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明の高さ検出装置は、点光源から成る光源手段からの光束で照明光学系によって被検面を点状に照明する。
【００２３】
被検面からの反射光で、アナモフィックな屈折力（パワー）を有する結像光学系で被検面の一部を線像（焦線）として結像させる。
【００２４】
結像光学系の結像面には、複数のセンサを１次元又は２次元に配列した光検出手段が配列されている。
【００２５】
光検出手段の光検出面は、結像光学系の光軸に対し垂直な面より角度θだけ傾いている。
【００２６】
具体的には、結像光学系の光軸上に位置し、
結像光学系を構成する光学素子のうち光検出手段に対しもっとも近くに位置する光学素子の光軸に垂直で、かつ結像光学系によって形成される線像に対し垂直な軸を回転軸とし、回転した面に位置している。
【００２７】
そして、光検出手段で検出した光情報より、被検面の照明光学系の光軸方向に対する高さ情報を検出している。
【００２８】
[実施例１]
図１は本発明の実施例１の被検物として、例えばトナーの高さ情報を検出する高さ検出装置の概略構成図である。
【００２９】
図２、図７は図１の一部分の説明図である。実施例１における高さ検出装置は、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ（ＬＢＰ）や、デジタル複写機等の画像形成装置において、中間転写ベルト（像担持体上）上のトナーの高さを測定するためのものである。
【００３０】
図１において、２０１は半導体レーザを用いた点光源より成る光源装置である。２０２は光源装置２０１から放射された光束を平行光とする入射側が平面、出射側が凸面形状のコリメータレンズである。２０３はコリメータレンズ２０２からの光束を反射光と透過光に分割するハーフミラーである。
【００３１】
２０４はハーフミラー２０３で透過した光束を被検面２０７に集光する凸平形状より成る被検物側の結像レンズ（結像レンズ１）である。
【００３２】
２０５は被検面２０７からの反射光でハーフミラー２０３で反射した光束を集光し、２次元センサ２０６上に集光するアナモフィックなパワーを持つ凸平形状より成る検出器側の結像レンズ（結像レンズ）である。
【００３３】
コリメータレンズ２０２、結像レンズ２０４は照明光学系の一部を構成している。結像レンズ２０４、２０５は結像光学系の一部を構成している。
【００３４】
本実施例において、半導体レーザより成る光源装置２０１から射出した光束は、コリメータレンズ２０２により平行光束に変換され、ハーフミラー２０３を通過し、被検物側の結像レンズ２０４によって被検面２０７に点状に集光される。
【００３５】
照射された被検面２０７からの反射光は再び被検物側の結像レンズ２０４を通過し、ハーフミラー２０３によってコリメータレンズ２０２および被検物側の結像レンズ２０４の光軸Ｌａ１に垂直な方向の光軸Ｌａ２方向に反射し折り返される。
【００３６】
折り返された光束はアナモフィックなパワーを持つ検出器側の結像レンズ２０５によって被検面２０７と光学的に平行な面（ＸＺ面上）に焦線（線像）２０７ａを結ぶ。
【００３７】
２次元光センサ２０６はその中心２０６ａが検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２と検出器側の結像レンズ２０５の焦線２０７ａとの交点に位置している。２次元センサ２０６の面は光軸Ｌａ２上であって、焦線（線像）２０７ａおよび被検物側の結像レンズ２０４の光軸Ｌａ１に直交する軸２０９を中心に角度θ（＝６゜）回転して配置されている。
【００３８】
なお、各結像レンズ２０７、２０５は波長７９０ｎｍの光線に対して１．４９７１の屈折率を持つ樹脂を用い、射出成形によって形成されている。
【００３９】
２次元光センサ２０６は結像された焦線２０７ａに対し傾斜して配置されているために、焦線２０７ａはセンサ２０６上で図３（ａ）、（ｂ）のようなリボン状に観測される。この像は焦線方向の端部にいくに従いセンサ２０６上でぼけた像となり、単位面積あたりに観測される強度も小さくなる。反対に焦線２０７ａとセンサ面２０６が交差する場所では像のぼけは無くなり、したがって観測される強度も大きくなる。
【００４０】
本実施例では、２次元光センサ２０６上、もっとも大きな強度を観測した画素の位置、あるいはリボン状の像においてもっとも像の幅が狭まっている位置２０７ｂを検出する。そしてセンサ面の光軸Ｌａ２に対する傾きθから検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２上における焦線２０７ａの位置を検出する。
【００４１】
そののち検出した焦線の位置と光学系の倍率から被検面２０７の結像レンズ２０４の光軸方向の高さを計算し、求めている。
【００４２】
本実施例の光学配置、及び各レンズの数値実施例を表１、表２に示す。
【００４３】
表１、表２において、ｒは曲率半径、ｋは非球面係数である。ｒｚ、ｒｙはＺ方向とＹ方向の曲率半径である（図７参照）。ｋｚ、ｋｙはＹ方向の非球面係数である。
【００４４】
【表１】
2010145468.tif 000003
【００４５】
【表２】
2010145468.tif 000004
本実施例におけるコリメータレンズ２０２、被検物側の結像レンズ２０４は入射面、あるいは出射面の形状が、下記の式１で表せる非球面形状により構成している。各々のレンズ面と光軸との交点を原点とし、各々のレンズの光軸方向をＸ軸、光軸と直交する方向への距離をｈとしたとき、
【００４６】
【数１】
2010145468.tif 000005
なる式で表されるものである。
【００４７】
また、検出器側の結像レンズ２０５はコリメータレンズ２０２、および被検物側の結像レンズ２０４の光軸Ｌ１ａと平行なＹ方向にのみパワーを持っている。そしてその非球面形状は、検出器側の結像レンズ２０５のレンズ面と光軸Ｌａ２との交点を原点とする。そして検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２方向をＸ軸、被検物側の結像レンズ２０４の光軸Ｌａ１と検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２を含む面内で検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２と直交方向をＺ軸とする。
【００４８】
このとき、
【００４９】
【数２】
2010145468.tif 000006
なる式で表されるものである。
【００５０】
本実施例では光源手段２０１として波長λ＝７９０ｎｍの光束を発する赤外線レーザ素子を用い、各光学素子の面形状、配置を適切に設計することで被検面２０７、および焦線位置において球面収差を共に良好に補正している。
尚、本実施例ではコリメータレンズ２０２、被検物側の結像レンズ２０４、検出器側の結像レンズ２０５の面形状を上記数式にて定義したが、本実施例における非球面は、他の表現式でも定義可能である。
【００５１】
本実施例ではコリメータレンズ２０２、被検物側の結像レンズ２０４は実質的に同一のレンズであり、設置する向きを変えて使用している。
【００５２】
また、検出器側の結像レンズ２０５はコリメータレンズ２０２、および被検物側の結像レンズ２０４の光軸Ｌａ１と平行な向きにのみ、コリメータレンズ２０２、および被検物側の結像レンズ２０４と同一のパワーを持つ。このため、これら３つのレンズ２０２、２０４、２０５の光軸を含む面内（ＸＹ面内）において、光源装置２０１、被検物側の結像レンズ２０４の像面、検出器側の結像レンズ２０５の像面はともにほぼ等倍結像の関係となっている。
【００５３】
ここでまず、被検面２０７が被検物側の結像レンズ２０４の焦点位置に位置する場合について考える。
【００５４】
このとき、光源装置２０１からの光束はコリメータレンズ２０２、被検物側の結像レンズ２０４によって被検面２０７上に点状スポットとして結像される。
【００５５】
そして被検面２０７から反射された光束は再び被検物側の結像レンズ２０４を通過し平行光束に変換され、ハーフミラー２０３によってコリメータレンズ２０２および被検物側の結像レンズ２０４の光軸に垂直な方向に折り返される。
【００５６】
折り返された光束はアナモフィックなパワーを持つ検出器側の結像レンズ２０５に入射する。そしてコリメータレンズ２０２および被検物側の結像レンズ２０４の光軸Ｌａ１に垂直な平面上（ＸＺ面上）で、かつ検出器側の結像レンズ２０５の焦点位置に焦線（線像）２０７ａを結ぶ。
【００５７】
このときセンサ２０６上での像は図３（ａ）のように、センサ２０６の中心２０６ａを最大強度として、検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２に回転対称なリボン形の像となる。２０７ｂは焦線２０７ａの中心である。
【００５８】
つぎに、被検面２０７が被検物側の結像レンズ２０４の焦点位置から光軸Ｌａ１方向に距離ｄｘずれた場合について説明する。このときは、２次光源となる被検面２０７が距離ｄｘ、検出器側の結像レンズ２０５に近づくために、等倍結像の関係から焦線位置も検出器側の結像レンズ２０５の光軸Ｌａ２に沿って距離ｄｘ、ずれることになる。
【００５９】
このときセンサ２０６上での像は図３（ｂ）のように、センサ２０６の中心２０６ａから距離ｄｘ／ｓｉｎ６゜だけ焦線方向にずれた点２０７ｂを最大強度として、またその点２０７ｂを結び目とするようなリボン形の像となる。
【００６０】
被検面２０７の高さ変化は上記のようにセンサ２０６上での最大強度位置２０７ｂ、またはリボン形の像のくびれ位置２０７ｂを検出すればセンサ２０６の傾き角度θから容易に計算することができる。
【００６１】
また、光源装置２０１からの光をすべて検出に用いることができることから、ピンホールスリットを用いる従来の構成よりもより高精度に被検面２０７の高さを検出することができる。
【００６２】
さらにピンホールと光学系の光軸のように高精度なアライメントも必要としないため、簡易に高さ検出装置を組み立てることができる。
【００６３】
結像光学系（２０４、２０５）の光軸Ｌａ２と線像２０７ａと垂直な軸を含む面内（ＸＹ面内）における結像光学系の縦倍率をαとする。光検出手段２０６の光検出面の結像光学系の光軸Ｌａ２に対する垂直な面からの回転角をθとする。このとき、
０．１≦α／ｓｉｎθ≦１０      ・・・（１）
なる条件を満たしている。
【００６４】
こうすることで５μｍ前後の被検物、例えばトナー粒子の高さ情報を、適度な分解能で測定することができる。
【００６５】
像担持体上に塗布したトナーの高さを検出するトナー高さ検出装置として適当な性能を考えると、一般的な１次元、または２次元光センサの画素ピッチが１０μｍ前後、センサの大きさが長辺で３ｍｍ前後である。これより被検面の高さ方向の分解能が約５μｍ、検出する高さの範囲が±０．５ｍｍ程度と考えられる。このため、より望ましくは条件式（１）は、
１≦α／ｓｉｎθ≦５      ・・・（１ａ）
とするのが良い。
【００６６】
もしここで、α／ｓｉｎθが０．１よりも小さいと、トナー粒子による被検面の高さの変化に対しリボン状の像のくびれ位置が十分に動かず、検出精度が低下する。
【００６７】
また、α／ｓｉｎθが１０よりも大きいと、像のくびれ位置２０７ｂ、あるいは最大強度位置は大きく動くが、一般的なＣＣＤセンサでは測定できる高さの範囲が非常に狭くなり、ＣＣＤセンサをはじめ、装置全体の大型化を図らねばならない。
【００６８】
[実施例２]
図４は本発明の実施例２の高さ検出装置の概略構成を説明する図である。
【００６９】
実施例１では光源手段２０１からの光束が被検面２０７に対し垂直に入射する系であるが、被検面２０７が滑らかで、反射光に含まれる正反射成分が散乱光に比べ多い場合は検出精度が低下する恐れがある。
【００７０】
これは照射された被検面が２次的な物点になる際、散乱光で高さを検知する場合は被検面の動きと２次物点の動きが等価であるが、正反射光で検知する場合は被検面の動きに対し、２次物点となる光源の像の動きが光軸方向に２倍の大きさで観測されるためである。
【００７１】
これによって光検出器には散乱成分と正反射成分による、擬似的に複数の高さの被検面からの反射光が入射しているように観測されるためである。
【００７２】
本実施例では、照明光学系と結像光学系は、照明光学系からの光束であって、被検面２０７に入射する光束の主光線が被検面２０７に有限の角度で入射している。被検面２０７で反射した光束であって、結像光学系を通過し、光検出手段に結像する光束が被検面からの正反射光以外の光束となるように配置されている。
【００７３】
本実施例は実施例１と同様の構成の照明光学系４０２、４０４と結像光学系４０４、４０５の光軸Ｌａ１を被検面２０７の法線２０７ｃに対し角度φだけ傾けている。具体的には、その傾き角φを１８゜としている。光源手段４０１からの入射光束を被検面２０７に対し斜めに入射させ、被検面２０７からの正反射成分が再び被検物側の結像レンズ４０４に入射しないように配置している。
【００７４】
これにより被検面２０７が滑らかな場合、反射光に含まれる正反射成分による検出精度への影響を低減することができる。
【００７５】
実施例２の高さ検出装置の各部材は実施例１と同様である。
【００７６】
半導体レーザより成る光源装置４０１から射出した光束は、コリメータレンズ４０２により平行光束に変換され、ハーフミラー４０３を通過し、被検物側の結像レンズ４０４によって被検面２０７に点状に集光される。
【００７７】
照射された被検面２０７からの反射光は再び被検物側の結像レンズ４０４を通過し、ハーフミラー４０３によってコリメータレンズ４０２および被検物側の結像レンズ４０４の光軸Ｌａ１に垂直な方向の光軸Ｌａ２方向に反射し折り返される。
【００７８】
折り返された光束はアナモフィックなパワーを持つ検出器側の結像レンズ４０５によって被検面２０７と平行な平面上に、被検面２０７ａと平行な焦線を結ぶ。
【００７９】
２次元光センサ４０６はその中心４０６ａが検出器側の結像レンズ４０５の光軸Ｌａ２と検出器側の結像レンズ４０５の焦線との交点に位置している。２次元センサ２０６の面は焦線２０７ａおよび被検物側の結像レンズ４０４の光軸Ｌａ１に直交する軸を中心に６゜回転して配置されている。
【００８０】
なお、各結像レンズ４０５、４０６は波長７９０ｎｍの光線に対して１．４９７１の屈折率を持つ樹脂を用い、射出成形によって形成されている。
【００８１】
なお、本実施例では被検面２０７に入射する光束、反射した光束を導光する光学素子を単一のレンズより成る被検物側の結像レンズ４０４で構成し、入射光束と反射光束について共軸となっている。この他、本発明はこれらの光学系が別個のレンズで構成され、非共軸の系であっても良い。
【００８２】
２次元光センサ４０６は結像された焦線２０７ａに対し傾斜して配置されているために、焦線２０７ａはセンサ４０６上で図５（ａ）、（ｂ）のようなリボン状に観測される。この像は焦線の端部へ行くに従いセンサ４０６上でぼけた像となり、単位面積あたりに観測される強度も小さくなる。
【００８３】
反対に焦線２０７ａとセンサ面が交差する場所では像のぼけは無くなり、したがって観測される強度も大きくなる。
本実施例では、光検出器４０６近傍に結像される焦線２０７ａが、被検面２０７と平行な面内に形成されるよう、検出器側の結像レンズ４０５が配置されているために、被検面２０７の凹凸によって上記リボン状の像が焦線方向に移動することが無い。
【００８４】
これにより２次元光センサ４０６上、リボン状の像においてもっとも像の幅が狭まっている位置２０７ｂを検出している。そしてセンサ面の傾きから検出器側の結像レンズ４０５の光軸Ｌａ２上における焦線２０７ａの位置を検出し、さらに検出した焦線の位置と光学系の倍率から被検面２０７の高さを計算し、求めることができる。
【００８５】
なお、本実施例では光センサ４０６を２次元センサで構成したが、１次元センサを焦線位置、かつ焦線方向に設置し、観測される最大強度位置を求めることでも被検面の高さを計算することができる。
【００８６】
本実施例の光学配置、及びレンズの数値実施例を実施例１と同様に表３、表４に示す。
【００８７】
【表３】
2010145468.tif 000007
【００８８】
【表４】
2010145468.tif 000008
ただし被検面２０７の法線と結像レンズ４０４の光軸Ｌａ１は角度φ＝１８°傾いている。
【００８９】
本実施例におけるコリメータレンズ４０２、被検物側の結像レンズ４０４は入射面、あるいは出射面の形状が、前出の式１、および式２で表せる非球面形状により構成している。
【００９０】
また、検出器側の結像レンズ４０５は前出の式２で表せる非球面形状により構成している。
【００９１】
本実施例では光源手段４０１として波長λ＝７９０ｎｍの光束を発する赤外線レーザ素子を用い、各光学素子の面形状、配置を適切に設計することで被検面２０７、および焦線位置２０７ａにおいて球面収差を共に良好に補正している。
【００９２】
尚、本実施例ではコリメータレンズ４０２、被検物側の結像レンズ４０４、検出器側の結像レンズ４０５の面形状を上記数式にて定義したが、本実施例における非球面は、他の表現式でも定義可能である。
【００９３】
本実施例ではコリメータレンズ４０２、被検物側の結像レンズ４０４は実質的に同一のレンズであり、設置する向きを変えて使用している。
【００９４】
また、検出器側の結像レンズ４０５はコリメータレンズ４０２、および被検物側の結像レンズ４０４の光軸Ｌａ１と平行な向きにのみ、コリメータレンズ４０２、および被検物側の結像レンズ４０４と同一のパワーを持つ。
【００９５】
このため、これら３つのレンズ４０２、４０４、４０５の光軸を含む面内（ＸＹ面内）において、光源装置４０１、被検物側の結像レンズ４０４の像面、検出器側の結像レンズ４０５の像面はともにほぼ等倍結像の関係となっている。
【００９６】
ここでまず、被検面２０７が被検物側の結像レンズ４０４の焦点位置に位置する場合について考える。
【００９７】
このとき、光源手段４０１からの光束はコリメータレンズ４０２、被検物側の結像レンズ４０４によって被検面２０７上に点状スポットとして結像される。
【００９８】
そして被検面２０７からの散乱光束は再び被検物側の結像レンズ４０４を通過し平行光束に変換され、ハーフミラー４０３によってコリメータレンズ４０２および被検物側の結像レンズ４０４の光軸に垂直な方向に折り返される。
【００９９】
折り返された光束はアナモフィックなパワーを持つ検出器側の結像レンズ４０５によってコリメータレンズ４０２および被検物側の結像レンズ４０４の光軸Ｌａ１に垂直な平面上で、かつ検出器側の結像レンズ４０５の焦点位置に焦線２０７ａを結ぶ。
【０１００】
このときセンサ４０６上での像は図５（ａ）に示すようにセンサの中心４０６ａを最大強度として、検出器側の結像レンズ４０５の光軸Ｌａ２に回転対称なリボン形の像となる。
【０１０１】
つぎに、被検面２０７が被検物側の結像レンズ４０４の焦点位置から被検面２０７の面法線方向に距離ｄｘずれた場合は、２次光源となる被検面がｄｘ／ｃｏｓ１８°、検出器側の結像レンズ４０５に近づく。このために、等倍結像の関係から焦線位置も検出器側の結像レンズ４０５の光軸に沿って距離ｄｘ／ｃｏｓ１８゜だけずれることになる。
【０１０２】
このときセンサ４０６上での像は図５（ｂ）に示すようにセンサ４０６の中心（２０６ａ）から距離ｄｘ／ｃｏｓ１８°×１／ｓｉｎ６゜だけ焦線方向にずれた点を結び目とするようなリボン形の像となる。
【０１０３】
被検面２０７の高さ変化は上記のようにセンサ４０６上でのリボン形の像の結び目位置２０７ｂを検出すればセンサ４０６の傾き角度から容易に計算することができる。
【０１０４】
また、光源手段４０１からの光をすべて検出に用いることができることから、ピンホールスリットを用いる従来の構成よりもより高精度に被検面２０７の高さを検出することができる。さらにピンホールと光学系の光軸のように高精度なアライメントも必要としないため、簡易に検出装置を組み立てることができる。
【０１０５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で主の変形及び変更が可能である。
【０１０６】
以上の各実施例の高さ検出装置を用いれば、像担持体上のトナーの高さを高精度に測定することができるトナー高さ検出装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施例１の要部概略図
【図２】図１の一部分の説明図
【図３】図１のセンサ上の焦線の説明図
【図４】本発明の実施例２の要部概略図
【図５】図４のセンサ上の焦線の説明図
【図６】従来の高さ検出装置の要部概略図
【図７】図１の一部分の説明図
【符号の説明】
【０１０８】
１０１  光源手段
１０２  コリメータレンズ
１０３  ハーフミラー
１０４  被検面側の結像レンズ
１０５  検出器側の結像レンズ
１０６  ピンホールスリット
１０７  光検出器
２０１  光源手段
２０２  コリメータレンズ
２０３  ハーフミラー
２０４  被検面側の結像レンズ
２０５  検出器側の結像レンズ
２０６  ２次元光検出器
４０１  光源手段
４０２  コリメータレンズ
４０３  ハーフミラー
４０４  被検面側の結像レンズ
４０５  検出器側の結像レンズ
４０６  ２次元光検出器
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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