(57)【要約】【課題】広い焦点深度を作り出すことを可能にする光学技術を提供することが課題である。【解決手段】本出願は、光束が入射する入射端面と、前記光束が出射する出射端面と、を備える光学素子を開示する。該出射端面は、前記光束の光軸と交差する第１領域と、該第１領域よりも前記光軸から離間した第２領域と、を含む。前記第１領域は、前記光束を回折させるように傾斜した平坦な第１回折面を含む。前記第２領域は、前記光束を回折させるように湾曲した第２回折面を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束が入射する入射端面と、
前記光束が出射する出射端面と、を備え、
該出射端面は、前記光束の光軸と交差する第１領域と、該第１領域よりも前記光軸から離間した第２領域と、を含み、
前記第１領域は、前記光束を回折させるように傾斜した平坦な第１回折面を含み、
前記第２領域は、前記光束を回折させるように湾曲した第２回折面を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１回折面は、前記第１領域上の第１点と、該第１点よりも前記光軸から離間し、且つ、前記入射端面に近接した第２点と、を通過することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１回折面は、前記第１点と前記第２点とを通過する線分を前記光軸周りに回転させて得られる環状面を含むことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２回折面は、キノフォームをなすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２回折面は、前記第２領域内に形成された第１湾曲面と、該第１湾曲面を通過する前記光束の光路に対して、前記光束の波長の整数倍の光路差を作り出すように形成された第２湾曲面と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記出射端面は、前記第１回折面及び前記第２回折面を用いて、前記入射端面に入射した前記光束からベッセルビームを生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記入射端面に向けて前記光束を出射する光源と、
前記出射端面から出射された前記光束を変位させ、光学的な走査動作を行う走査部と、を備える光走査装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光走査装置と、
静電潜像が形成される像担持面を含む像担持体と、を備え、
前記走査部は、前記光束を変位させ、前記像担持面を走査することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い焦点深度を設定するための光学技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンター、ファクシミリや複写機といった画像形成装置は、様々な光学素子を備える。これらの光学素子のうちの１つとして、光強度分布を調整するための回折レンズが例示される。
【０００３】
一般的な回折レンズを光束が通過するならば、最も高いピーク強度を達成する領域（以下、「最大ピーク領域」と称される）及び比較的低いピーク強度を達成する領域（以下、「サイドローブ領域」と称される）が現れる。最大ピーク領域は、光束の光軸上に現れ、サイドローブ領域は、最大ピーク領域を取り囲むように現れる。
【０００４】
最大ピーク領域における光強度のピーク値とサイドローブ領域における光強度のピーク値との差異が大きくなるように、画像形成装置に利用される回折レンズは設計される。典型的には、サイドローブ領域におけるピーク値が小さくなるように、回折レンズは形成される。光強度のピーク値の差異が低減される結果、画像の解像度が向上する。
【０００５】
光強度のピーク値の差異の低減は、狭い焦点深度に帰結する。この結果、静電潜像が形成される像担持面上において、焦点が合わされにくくなる。このことは、画像の解像度の低減に帰結することもある。
【０００６】
特許文献１は、アキシコンレンズを用いて、ベッセルビームを作り出すことを提案する。ベッセルビームは、広い焦点深度をもたらすので、像担持面上において、焦点が合わされやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−７２４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の技術は、アキシコンレンズを用いるので、ベッセルビームを作り出すための光学装置の設計は大型になる。
【０００９】
本発明は、小型の光学的設計の下、広い焦点深度を作り出すことを可能にする光学技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る光学素子は、光束が入射する入射端面と、前記光束が出射する出射端面と、を備える。該出射端面は、前記光束の光軸と交差する第１領域と、該第１領域よりも前記光軸から離間した第２領域と、を含む。前記第１領域は、前記光束を回折させるように傾斜した平坦な第１回折面を含む。前記第２領域は、前記光束を回折させるように湾曲した第２回折面を含む（請求項１）。
【００１１】
上記構成によれば、光軸と交差する第１領域において、平坦な第１回折面によって回折される。また、光軸から離間した第２領域において、湾曲した第２回折面によって回折される。この結果、出射端面から出射される光束に対して、広い焦点深度が設定される。
【００１２】
上記構成において、前記第１回折面は、前記第１領域上の第１点と、該第１点よりも前記光軸から離間し、且つ、前記入射端面に近接した第２点と、を通過してもよい（請求項２）。
【００１３】
上記構成によれば、光軸に近づくにつれて入射端面から離間する方向へ隆起した第１回折面が形成されるので、出射端面から出射される光束に対して、広い焦点深度が設定される。
【００１４】
上記構成において、前記第１回折面は、前記第１点と前記第２点とを通過する線分を前記光軸周りに回転させて得られる環状面を含んでもよい（請求項３）。
【００１５】
上記構成によれば、第１回折面が環状面を含むので、略点対称な光強度分布が得られやすくなる。
【００１６】
上記構成において、前記第２回折面は、キノフォームをなしてもよい（請求項４）。
【００１７】
上記構成によれば、第２回折面は、キノフォームをなすので、出射端面から出射される光束に対して、広い焦点深度が設定される。
【００１８】
上記構成において、前記第２回折面は、前記第２領域内に形成された第１湾曲面と、該第１湾曲面を通過する前記光束の光路に対して、前記光束の波長の整数倍の光路差を作り出すように形成された第２湾曲面と、を含んでもよい（請求項５）。
【００１９】
上記構成によれば、第２回折面は、位相型回折レンズとして機能するので、出射端面から出射される光束に対して、広い焦点深度が設定される。
【００２０】
上記構成において、前記出射端面は、前記第１回折面及び前記第２回折面を用いて、前記入射端面に入射した前記光束からベッセルビームを生成してもよい（請求項６）。
【００２１】
上記構成によれば、出射端面は、ベッセルビームを作り出すので、出射端面から出射される光束に対して、広い焦点深度が設定される。
【００２２】
本発明の他の実施形態に係る光走査装置は、上述の光学素子と、前記入射端面に向けて前記光束を出射する光源と、前記出射端面から出射された前記光束を変位させ、光学的な走査動作を行う走査部と、を備える（請求項７）。
【００２３】
上記構成によれば、光学素子は、光源から出射された光束に対して、広い焦点深度を与える。この結果、走査部は、広い焦点深度が設定された光束を用いて、光学的な走査動作を行うことができる。
【００２４】
本発明の他の実施形態に係る画像形成装置は、上述の光走査装置と、静電潜像が形成される像担持面を含む像担持体と、を備える。前記走査部は、前記光束を変位させ、前記像担持面を走査する（請求項８）。
【００２５】
上記構成によれば、走査部は、広い焦点深度が設定された光束を用いて、像担持面を走査するので、画像形成装置は、高い解像度を達成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の光学技術は、広い焦点深度を設定することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】例示的な光走査装置の概略的な斜視図である。
【図２】図１に示される光走査装置が有する回折レンズの出射端面の概略的な正面図である。
【図３Ａ】図２に示される回折レンズの概略的な部分断面図である。
【図３Ｂ】図２に示される回折レンズの概略的な部分断面図である。
【図４】図２に示される回折レンズの概略的な部分断面図である。
【図５】図２に示される出射端面から出射された光束の強度分布を表すグラフである。
【図６】図２に示される出射端面から出射された複数の光束の強度分布を表す等高線図である。
【図７】画像形成装置として例示されるプリンターの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付の図面を用いて、例示的な光学素子を用いた様々な光学技術が説明される。尚、以下の説明で用いられる「上」、「下」、「左」や「右」といった方向を表す用語は、単に、説明の明瞭化を目的とするものである。したがって、これらの用語は、光学技術の原理を何ら限定するものではない。
【００２９】
（光走査装置）
図１は、例示的な光走査装置１００の概略的な斜視図である。図１を参照して、光走査装置１００が説明される。
【００３０】
本実施形態において、光走査装置１００は、後述される画像形成装置に組み込まれる。図１には、画像形成装置が備える感光体ドラム２００が示されている。感光体ドラム２００は、略一様に帯電される周面２０１を含む。感光体ドラム２００が回転している間、光走査装置１００は、周面２０１に光束を照射し、静電潜像を作り出す。画像形成装置は、静電潜像が形成された像担持面にトナーを供給し、トナー画像を形成する。本実施形態において、感光体ドラム２００は、像担持体として例示される。感光体ドラム２００の周面２０１は、像担持面として例示される。以下の説明において、感光体ドラム２００の回転軸に平行な方向は、「主走査方向」と称される。
【００３１】
光走査装置１００は、光源１１０、コリメートレンズ１２０及び絞り部１３０を備える。光源１１０は、コリメートレンズ１２０に向けて、光束を出射する。光源１１０は、例えば、７８０ｎｍ帯のレーザビームを出射する半導体レーザであってもよい。図１には、光源１１０が出射した光束の光軸ＯＡが一点鎖線を用いて表されている。コリメートレンズ１２０は、光源１１０から出射された光束を平行光にする。絞り部１３０には、円形の開口部１３１が形成される。光軸ＯＡは、開口部１３１の略中心を通過する。この結果、絞り部１３０を通過した光束の断面形状は、開口部１３１に合わせられることとなる。
【００３２】
光走査装置１００は、回折レンズ３００を更に備える。回折レンズ３００は、絞り部１３０を通過した光束が入射する入射端面３１０と、入射端面３１０とは反対の出射端面３２０と、を含む。光源１１０から出射された光束の光軸ＯＡは入射端面３１０及び出射端面３２０を通過する。出射端面３２０には、光束を回折させるための回折構造が形成される。出射端面３２０から出射される光束は、回折構造によって回折される。本実施形態において、回折レンズ３００は、光学素子として例示される。
【００３３】
光束の焦点が感光体ドラム２００の周面２０１に合うように、光走査装置１００と感光体ドラム２００との位置関係は設定される。本実施形態において、回折レンズ３００の出射端面３２０に形成された回折構造は、入射端面３１０に入射した光束からベッセルビーム或いはこれに類似したビームを作り出すので、出射端面３２０から出射された光束に対して広い焦点深度が与えられる。したがって、光束の焦点は、感光体ドラム２００の周面２０１に容易に合わせられる。尚、出射端面３２０に形成された回折構造は、後述される。
【００３４】
光走査装置１００は、ポリゴンミラー１４０と、ポリゴンミラー１４０を回転させるモーター１４１と、を更に備える。回折レンズ３００の出射端面３２０から出射した光束は、ポリゴンミラー１４０に到達する。ポリゴンミラー１４０の回転に応じて、ポリゴンミラー１４０によって反射された光束は、主走査方向に変位する。この結果、感光体ドラム２００の周面２０１は、光学的に走査される。本実施形態において、ポリゴンミラー１４０及びモーター１４１は、走査部として例示される。
【００３５】
光走査装置１００は、第１レンズ１５１、第２レンズ１５２及び反射鏡１５３を備える。第１レンズ１５１及び第２レンズ１５２は、ｆθレンズとして用いられる。ポリゴンミラー１４０によって反射された光束は、第１レンズ１５１及び第２レンズ１５２を通過し、反射鏡１５３に到達する。反射鏡１５３は、感光体ドラム２００の周面２０１に向けて、光束を反射させる。
【００３６】
本実施形態の光走査装置１００の構造は、例示的である。したがって、既知の露光装置に用いられる光学的な構造や光学部品が光走査装置に用いられてもよい。本実施形態の原理は、光学的に処理される面や物体を走査する光学的な走査処理を行う様々な光走査装置に適用可能である。
【００３７】
（回折レンズ）
図２は、回折レンズ３００の出射端面３２０の概略的な正面図である。図２を参照して、回折レンズ３００が説明される。
【００３８】
出射端面３２０は、鋸刃状の凹凸面である。図２には、多数の稜線Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、・・・、Ｅｎが示されている。稜線Ｅ１乃至Ｅｎ（ｎ：任意の自然数）は、同心円を描く。以下の説明において、稜線Ｅ１で囲まれる円形領域は、「第１輪帯」と称される。稜線Ｅ１，Ｅ２によって挟まれる環状領域は、「第２輪帯」と称される。稜線Ｅ２，Ｅ３によって挟まれる環状領域は、「第３輪帯」と称される。稜線Ｅ３，Ｅ４によって挟まれる環状領域は、「第４輪帯」と称される。本実施形態において、出射端面３２０には、「ｎ個」の輪帯が形成される。
【００３９】
回折レンズ３００を通過する光束の光軸ＯＡは、第１輪帯の略中心を通過する。本実施形態において、第１輪帯及び第２輪帯は、第１領域として例示される。第２輪帯の外側の輪帯によって形成される領域（即ち、第１領域よりも光軸ＯＡから離間した領域）は、第２領域として例示される。
【００４０】
本実施形態において、第１領域は、２つの輪帯を含む。代替的に、第１領域は、単一の輪帯から形成されてもよい。或いは、第１領域は、２を超える数の輪帯を含んでもよい。
【００４１】
図３Ａは、第１領域中の１つの輪帯に対応する回折レンズ３００の概略的な部分断面図である。図３Ｂは、第２領域中の１つの輪帯に対応する回折レンズ３００の概略的な部分断面図である。図３Ａ及び図３Ｂを参照して、第１領域及び第２領域中の回折構造が説明される。図３Ａに関連する説明は、図２に示された第１輪帯及び第２輪帯に適用される。図３Ｂに関連する説明は、図２に示された第２輪帯を取り巻く輪帯に適用される。
【００４２】
第１領域中の輪帯は、光束を回折させるように傾斜した平坦な第１回折面３２１を含む。一方、第２領域中の輪帯は、光束を回折させるように湾曲した平坦な第２回折面３２２を含む。
【００４３】
図４は、第１輪帯乃至第４輪帯に対応する回折レンズ３００の概略的な部分断面図である。図４を参照して、回折レンズ３００が説明される。
【００４４】
第１回折面３２１は、光軸ＯＡに近づくにつれて入射端面３１０から離間するように傾斜する。第１輪帯に関して、第１輪帯と光軸ＯＡとの交点は、入射端面３１０から最も離間している。第１輪帯の外縁上の点は、入射端面３１０に最も近接している。第１輪帯の第１回折面３２１は、第１輪帯と光軸ＯＡとの交点と、光軸ＯＡから離間した第１輪帯の外縁上の点と、を結ぶ線分を光軸ＯＡ周りに回転させて得られる環状面である。本実施形態において、第１輪帯と光軸ＯＡとの交点は、第１領域上の第１点として例示される。第１輪帯の外縁上の点は、第２点として例示される。
【００４５】
第２輪帯に関して、稜線Ｅ１上の点は、入射端面３１０から最も離間している。稜線Ｅ１とは反対側の第２輪帯の外縁上の点は、入射端面３１０に最も近接している。第２輪帯の第１回折面３２１は、稜線Ｅ１上の点と第２輪帯の外縁上の点とを結ぶ線分を光軸ＯＡ周りに回転させて得られる環状面である。本実施形態において、稜線Ｅ１上の点は、第１領域上の第１点として例示される。第２輪帯の外縁上の点は、第２点として例示される。
【００４６】
第３輪帯を形成する第２回折面３２２の内縁は、稜線Ｅ２によって、形成される。稜線Ｅ２から外方（即ち、光軸ＯＡから離間する方向）へ向かうにつれて、第３輪帯を形成する第２回折面３２２は、入射端面３１０に近づく。第４輪帯を形成する第２回折面３２２の内縁は、稜線Ｅ３によって、形成される。稜線Ｅ３から外方（即ち、光軸ＯＡから離間する方向）へ向かうにつれて、第４輪帯を形成する第２回折面３２２は、入射端面３１０に近づく。また、第２回折面３２２は、入射端面３１０から離間する方向へ湾曲する。
【００４７】
第２領域（稜線Ｅ２より外側の領域）中の第２回折面３２２は、キノフォームをなす。第３輪帯の第２回折面３２２を通過する光束の光路と第４輪帯の第２回折面３２２を通過する光束の光路との間の差異が光束の波長の整数倍となるように、第３輪帯及び第４輪帯の第２回折面３２２は、形成される。尚、第３輪帯及び第４輪帯の第２回折面３２２間の関係は、第２領域に形成される全ての第２回折面３２２に適用されてもよい。
【００４８】
図５は、回折レンズ３００の出射端面３２０から出射された光束の強度分布を表すグラフである。図１、図４及び図５を参照して、出射端面３２０から出射された光束の強度分布が説明される。
【００４９】
出射端面３２０から出射された光束の強度分布は、光軸ＯＡに対応する位置において、最も高いピーク値を有する中央領域と、中央領域を取り囲む周囲領域と、を含む。周囲領域において、比較的小さなピークが複数現れる。図５に示される強度分布を有する光束は、ベッセルビームと呼ばれる。回折レンズ３００は、第１回折面３２１及び第２回折面３２２を用いて、入射端面３１０に入射した光束からベッセルビームを作り出すことができる。
【００５０】
中央領域におけるピーク値は、周囲領域におけるピーク値より約１０倍高い。したがって、図１を参照して説明された感光体ドラム２００の感度（即ち、静電潜像の形成に寄与する光束の強度に対する閾値）が、周囲領域におけるピーク値と中央領域におけるピーク値との間に設定されるならば、周囲領域に対応する光束に影響を受けることなく、光走査装置１００は、静電潜像を感光体ドラム２００の周面２０１に形成することができる。したがって、感光体ドラム２００の周面２０１には、高い解像度の静電潜像が描かれることとなる。
【００５１】
図６は、回折レンズ３００の出射端面３２０から出射された複数の光束の強度分布を表す等高線図である。図１及び図６を参照して、出射端面３２０から出射された光束の強度分布が説明される。
【００５２】
図６には、最も高い光強度を有する領域ＩＡ１、２番目に高い光強度を有する領域ＩＡ２、３番目に高い光強度を有する領域ＩＡ３、４番目に高い光強度を有する領域ＩＡ４及び５番目に高い光強度を有する領域ＩＡ５が示されている。感光体ドラム２００の感度が領域ＩＡ１，ＩＡ２に対応する光に合わせて設定されるならば、隣接するドットは分離されるので、感光体ドラム２００に形成される静電潜像は、高い解像度を有することとなる。
【００５３】
（画像形成装置）
図７は、画像形成装置として例示されるプリンター４００の概略図である。図１及び図７を用いて、プリンター４００が説明される。
【００５４】
プリンター４００は、上述の感光体ドラム２００と、感光体ドラム２００に光束を照射する露光装置２１０と、を備える。図１を参照して説明された光走査装置１００は、露光装置２１０に組み込まれる。コンピュータといった外部装置（図示せず）から出力された画像データに応じて、光源１１０は、光束を出射し、ポリゴンミラー１４０は回転する。この結果、感光体ドラム２００は主走査方向に走査されることとなる。
【００５５】
プリンター４００は、帯電器２２０を更に備える。帯電器２２０は、感光体ドラム２００の周面２０１を略一様に帯電させる。感光体ドラム２００の回転に伴って、帯電した周面２０１は、露光装置２１０からの光束の照射位置に移動する。上述の如く、露光装置２１０は、周面２０１を光学的に走査し、静電潜像を形成する。上述の如く、回折レンズ３００から出射される光束は、実質的に、ベッセルビームであるので、広い焦点深度を有する。この結果、光束の焦点は、感光体ドラム２００の周面２０１に適切に合わせられる。したがって、静電潜像は、高い解像度で描かれることとなる。
【００５６】
プリンター４００は、現像装置２３０を更に備える。現像装置２３０は、感光体ドラム２００の周面２０１にトナーを供給する。この結果、感光体ドラム２００の周面２０１上で、静電潜像に合致したトナー画像が形成される。
【００５７】
プリンター４００は、シートが収容されるカセット４１０を更に備える。カセット４１０は、シートを支持するリフト板４１１を備える。リフト板４１１は、シートの先頭縁を押し上げる。
【００５８】
プリンター４００は、給紙ローラー４２０を更に備える。給紙ローラー４２０は、リフト板４１１によって押し上げられたシートの先頭縁に接触する。給紙ローラー４２０は、カセット４１０からシートを引き出すように回転する。
【００５９】
プリンター４００は、搬送ローラー４２１及びレジストローラー対４２２を更に備える。搬送ローラー４２１は、給紙ローラー４２０によってカセット４１０から引き出されたシートをレジストローラー対４２２に向けて搬送する。レジストローラー対４２２は、感光体ドラム２００上での画像形成のタイミングに応じて、シートの搬送タイミングを調整する。
【００６０】
プリンター４００は、転写ローラー２４０を更に備える。レジストローラー対４２２は、転写ローラー２４０と感光体ドラム２００との間にシートを送り込む。転写ローラー２４０は、感光体ドラム２００上のトナー画像をシートへ静電気的に転写させる。この結果、シートの適所にトナー画像が形成される。
【００６１】
プリンター４００は、定着装置４３０を更に備える。定着装置４３０は、シート上のトナー画像を加熱する加熱ローラー４３１と、加熱ローラー４３１にシート上のトナー画像を押しつける加圧ローラー４３２と、を備える。転写ローラー２４０によってトナー画像の転写処理を受けたシートは、その後、加熱ローラー４３１と加圧ローラー４３２との間を通過する。シート上のトナー画像は、加圧ローラー４３２によって、加熱ローラー４３１に押しつけられるので、トナーは、シート上で溶融する。この結果、トナー画像は、シートに定着される。
【００６２】
プリンター４００は、排出ローラー４２３を更に備える。定着装置４３０は、シートを排出ローラー４２３に向けて送り出す。排出ローラー４２３は、シートをプリンター４００から排出する。
【００６３】
本実施形態の原理は、静電潜像に基づいて画像を形成する様々な画像形成装置に適用可能である。したがって、図７を参照して説明された詳細な構造は、本実施形態の原理を何ら限縮するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本実施形態の原理は、光学的な走査動作を行う装置に適用される。
【符号の説明】
【００６５】
１００・・・・・光走査装置
１１０・・・・・光源
１４０・・・・・ポリゴンミラー（走査部）
１４１・・・・・モーター（走査部）
２００・・・・・感光体ドラム（像担持体）
２０１・・・・・周面（像担持面）
３００・・・・・回折レンズ（光学素子）
３１０・・・・・入射端面
３２０・・・・・出射端面
３２１・・・・・第１回折面
３２２・・・・・第２回折面
４００・・・・・プリンター（画像形成装置）
ＯＡ・・・・・・光軸
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
2014041291.tif 000008
【図６】
2014041291.tif 000009
【図７】
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