(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光ビームを、ローターにより回転移動する複数の反射面により偏向走査する光走査方式において、
前記反射面として、狭帯域の光干渉性反射膜を利用し、
前記光干渉性反射膜からなる複数の反射面を、ローターの回転中心から放射状に配列することを特徴とする光走査方式。
【請求項２】
請求項１記載の光走査方式において、
走査用光ビームを、ローターの中心に向かって入射させることを特徴とする光走査方式。
【請求項３】
請求項１記載の光走査方式において、
隣り合う光干渉性反射膜間の角度をαとした場合に、反射膜からの反射ビームの実効反射角度幅を、垂直入射の両側に、概略１−ｃｏｓ（α／２）の角度幅を有効に反射させることを特徴とする光走査方式。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載の光走査方式において、
反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜を、透明な物質の交互層によって形成することを特徴とする光走査方式。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか一つに記載の光走査方式において、
反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜を、透明な空隙層とガラスとの交互層によって形成することを特徴とする光走査方式。
【請求項６】
請求項１〜３の何れか一つに記載の光走査方式において、
反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜を、透明で円盤状の基質中に埋め込むことを特徴とする光走査方式。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一つに記載の光走査方式において、
反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜の両側を光走査に利用できることを特徴とする光走査方式。
【請求項８】
請求項１記載の光走査方式において、
光干渉性反射膜からなる反射面を有する平面鏡の一部に切れこみを入れた形状の一種類あるいは複数種類の多層薄膜平面鏡を互いに組み合わせ、同一中心から放射状に等しい角度で配置することによって、光走査用ローターを構成することを特徴とする光走査方式。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一つに記載の光走査方式において、
入射光ビーム、あるいは、反射光ビームが、ローターを構成する透明基質による非点収差を防止する目的で、光学系に、非点収差補正機能を持たせることを特徴とする光走査方式。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一つに記載の光走査方式において、
光干渉性反射膜からなる反射面を、低屈折率の単結晶あるいは多結晶中に埋め込むことを特徴とする光走査方式。
【請求項１１】
請求項１〜９の何れか一つに記載の光走査方式において、
光干渉性反射膜からなる反射面を埋め込む透明基質でできているローター表面を回転対称系にすることを特徴とする光走査方式。
【請求項１２】
光源からの光ビームを、ローターによって回転移動する複数の反射面により偏向走査する光走査器において、
請求項１〜１１のうちの何れか一つに記載の光走査方式を用いたことを特徴とする光走査器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザープリンターやデジタル複写機等の画像形成装置の潜像書き込み部や、光走査型ディスプレイ、光走査型プロジェクター、バーコードリーダー、デジタルシアター等の光走査系を有する装置に応用することができる光走査方式及び光走査器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザープリンターに代表されるように、光源からの光ビームを走査するには、モーターで回転される多角形のミラー（通常、ポリゴンミラーあるいは回転多面鏡と呼ばれている）が広く採用されているが、このポリゴンミラーを内蔵する機器のトータルエネルギーが減少するにつれて、光走査系の小型化・省エネルギー化が求められている。
ポリゴンミラーの消費するエネルギーは、回転速度にも依存するが、大半は、風損と呼ばれている、ポリゴンミラーと周囲の空気の摩擦エネルギーである。これを減少させるための方策として利用されているのは、ポリゴンミラーの厚さを減少させることである。しかし、ポリゴンミラーの厚さは、光ビームに要求される必要径から下限がある。そこでこれを回避するため、光ビームを楕円形状に変形し、短径をポリゴンミラーの厚さ方向に向ける工夫をしてきた。
次に大きな消費エネルギーは、ポリゴンミラーを回転させる軸受けの摩擦エネルギーである。これは長い歴史を持つが、従来のボールベアリングから、最近になって空気軸受けが実用化されるようになってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図７は従来の光走査器の一例を示す６角柱形状のポリゴンミラー（回転多面鏡）の説明図であり、ポリゴンミラー１１とその一つのミラー面に入射する入射ビームの断面形状を示しており、２つの入射ビームの断面が、２つの円形で示されている。２つのビーム位置はポリゴンミラー１１が回転するにつれて移動したことを示しており、２つのビーム間のポリゴンミラーの回転中心Ｏからの角度はαである。また、ポリゴンミラー１１の１つの面が中心と成す角度は、この場合、６０度（∠ａＯｂ）である。
このポリゴンミラー１１では、外周の６面のミラー面により光ビームが反射され、ポリゴンミラー１１の回転とともに光ビームが走査される。このポリゴンミラー１１のミラー面は６角柱の中心よりずれているから、ポリゴンミラー１１の回転と共に光ビームの入射位置がずれる。この光ビームの全てが、光走査によって描画に利用されるから、描画の期間中、１つのミラー面からはみ出すことは望ましくない。そのため、図７のような６角柱形状の場合は、ポリゴンミラー１１が６０度分回転する間（∠ＡＯＢ）、同一面に光ビームが入射しているにも拘わらず、ビーム束断面の全てが利用できる角度α（∠ａＯｂ）の部分しか描画に利用できない。これは、ミラー面積が光ビームに比べ相対的に小さくなる分だけ有効照射の割合が減少するから、光学系の微小化は効率低下を招く。つまり、直径の減少は好ましくない。
【０００４】
もう一つの更に大きな問題点は、ポリゴンミラー系では、上記の理由により多角柱の辺の大きさ（長さ）がある程度必要であったため、微小化できなかった。そのため、ポリゴンミラーと空気との摩擦による損失（通常、風損と呼ばれている）が大きく、ポリゴンミラーの回転エネルギーの大半がこの風損によって奪われていた。俗に風損と呼ばれるエネルギーは、回転半径のｎ乗（ｎ＞２）に、回転数の２乗に、そして、ポリゴンミラーの厚さに比例して増加することが知られている。従って、ポリゴンミラーの半径（直径）を減少させることは、この観点からは大きな課題である。
【０００５】
主として風損によって消費される回転エネルギーは、従来、大きな問題にはならなかった。その理由は、このような光走査系が、プリンターなどの大消費エネルギーシステムの１部品として利用されており、目立たなかったことが大きい。しかし、近年、省エネルギー化は２つの方向から取り組まれてきた。
その一つは、ポリゴンミラー等のローターの軸受けの摩擦低減である。これは、従来のボールベアリングから空気軸受けへと、より抵抗の少ない方式に変わりつつある。
第二の取り組みは、ポリゴンミラー等のローターの回転に伴う周囲の空気との抵抗、すなわち風損の減少である。そのための方策として採られたのが、ローターの小径化である。風損は角柱径の４乗に比例すると言われているから、径の減少による省エネルギー効果は大きい。しかし、それでも角柱ローターの内接径は、直径３０ｍｍ程度が実用上の最低直径になっている。
また、別の取り組みとしては、多ビーム化がある。これは、照射する光ビーム数を２本、４本と増加させることによって、ローターの回転数増加を抑えている。風損は回転数の２乗に比例するから、この方式は、現在実用化されている有効な手段である。さらに別の取り組みとしては、ポリゴンミラーの薄肉化がある。すなわち、ポリゴンミラーの厚さを薄くして、空気抵抗を減少させることが行われている。
その他、反射効率向上のため、光走査器のミラーを多層化処理する提案などもある（特開平６−３０８４０７号公報）。
【０００６】
本発明は、光走査系の小型化、省エネルギー化を図ることができる新規な光走査方式を提供することを目的とし、さらには、その光走査方式を用い、小型化、省エネルギー化を達成することができる新規な構成の光走査器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、光源からの光ビームを、ローターにより回転移動する複数の反射面により偏向走査する光走査方式において、前記反射面として、狭帯域の光干渉性反射膜を利用し、前記光干渉性反射膜からなる複数の反射面を、ローターの回転中心から放射状に配列することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の光走査方式において、走査用光ビームを、ローターの中心に向かって入射させることを特徴とするものである。
請求項３に係る発明は、請求項１記載の光走査方式において、隣り合う光干渉性反射膜間の角度をαとした場合に、反射膜からの反射ビームの実効反射角度幅を、垂直入射の両側に、概略１−ｃｏｓ（α／２）の角度幅を有効に反射させることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一つに記載の光走査方式において、反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜を、透明な物質の交互層によって形成することを特徴とするものである。
請求項５に係る発明は、請求項１〜３の何れか一つに記載の光走査方式において、反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜を、透明な空隙層とガラスとの交互層によって形成することを特徴とするものである。
請求項６に係る発明は、請求項１〜３の何れか一つに記載の光走査方式において、反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜を、透明で円盤状の基質中に埋め込むことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか一つに記載の光走査方式において、反射面を構成する狭帯域の光干渉性反射膜の両側を光走査に利用できることを特徴とするものである。
請求項８に係る発明は、請求項１記載の光走査方式において、光干渉性反射膜からなる反射面を有する平面鏡の一部に切れこみを入れた形状の一種類あるいは複数種類の多層薄膜平面鏡を互いに組み合わせ、同一中心から放射状に等しい角度で配置することによって、光走査用ローターを構成することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８の何れか一つに記載の光走査方式において、入射光ビーム、あるいは、反射光ビームが、ローターを構成する透明基質による非点収差を防止する目的で、光学系に、非点収差補正機能を持たせることを特徴とするものである。
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９の何れか一つに記載の光走査方式において、光干渉性反射膜からなる反射面を、低屈折率の単結晶あるいは多結晶（例えば、フッ化リチウムの単結晶または多結晶）中に埋め込むことを特徴とするものである。
請求項１１に係る発明は、請求項１〜９の何れか一つに記載の光走査方式において、光干渉性反射膜からなる反射面を埋め込む透明基質でできているローター表面を回転対称系（例えば、円筒状）にすることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１２に係る発明は、光源からの光ビームを、ローターによって回転移動する複数の反射面により偏向走査する光走査器において、請求項１〜１１のうちの何れか一つに記載の光走査方式を用いたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作及び作用を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の光走査方式を用いる光走査器の一構成例を示す図であって、光偏向器を回転中心軸Ｏの方向から見た概略断面図である。この光偏向器１は、反射面として、特定の角度範囲のみ入射光を完全反射し、その他の角度では透明になる狭帯域の光干渉性反射膜を利用した平面反射鏡（これを光干渉型反射鏡と呼ぶことにする）２，３，４，５，６，７をローターの回転中心から放射状に配列してなる光走査ローターであり、図示しない光源からの光ビームは、光走査ローター１の中心Ｏに向かって入射させるようになっている。そして、光走査ローター１を図示しないモータにより回転することにより、各光干渉型反射鏡２〜７により反射光が偏向走査される。
【００１４】
次に本発明の光走査器の光走査方式及び構成について詳細に説明する。
図２は，光偏向器として、従来のポリゴンミラーと本発明に係る光走査ローターを比較した図であり、入射した光ビーム束が２つの異なる形状の光走査器によって反射される様子を模式的に示している。図２（ａ）は、従来の多角柱形状のポリゴンミラー１１であり、入射ビームの束に比べてポリゴンミラー全体が何倍も大きい。図２（ｂ）は、本発明の光干渉型反射鏡を利用した光走査ローター１であり、ほぼ、入射ビームの束に等しい直径の回転部を持っている。
すなわち、図２において、矢印の幅は、入射光束及び反射光束の幅を表しており、直感的にもポリゴンミラー１１と比べて本発明の光干渉型反射鏡を利用した光走査ローター１の直径が劇的に小さくなることがわかる。図２（ｂ）では、ほぼ光束の直径を有するローターがあれば良いことが推測できる。また、ローター径の４乗に比例して空気抵抗が増加するから、図２（ｂ）の光走査ローター１が実現できれば風損をかなり低減でき、その効果は計り知れない。
【００１５】
次に図３は図１と同様の６枚の光干渉型反射鏡２〜７を有する光走査ローター１の動作説明図である。図３において、Ａ，Ｂは２つの方向からの入射光であり、ａ，ｂはそれぞれに対応する反射光である。反射面を構成する光干渉性反射膜は多層膜からなり、特定の方位のみの光（単色光）を反射する。この場合では、垂直に近い方向からの光だけを反射し、他は透過させる。また、光干渉性反射膜を構成する多層膜は、表裏の特性がほとんど同じである。従って、一枚の光干渉性反射膜が１回転する間に表面と裏面による２回の光走査が可能である。この光走査ローター１の例では、光干渉性反射膜からなる光干渉型反射鏡が６枚放射状に配置された構成であるから、光走査ローター１が１周する間に１２回の走査が可能である。従って、従来の６角柱状のポリゴンミラーに比べて回転数を半分にでき、より風損等を低減でき省エネルギー化を図れる。
【００１６】
次に図４は、本発明に係る光走査ローターの反射面を構成する光干渉性反射膜に利用される多層膜の一例を示すものであり、透明薄膜の交互層により特定波長選択性を有するフィルター（波長選択性反射膜）の原理を示す計算値のグラフである。
２種類の屈折率の異なる透明物質を多層に渡って重ねると、波長選択性の高い反射膜が得られることが知られており、理論的には、任意の帯域の、任意の波長幅の反射膜が設計できる。
図４においては、位相厚さδ＝２πｎｄ／λ（上の目盛り）、あるいはλ０＝４６０ｎｍ（下の目盛り）に対する波長λの関数としての透明基板（ｎＳ＝１．５２）上の高屈折率（ｎＨ＝１．５２）および低屈折率（ｎＬ＝１．３８）誘電体材料のλ０／４交互層の垂直入射に対する反射率Ｒ０の計算値を示している。また、層数は、曲線のパラメータとして示されている。
【００１７】
従来から知られている多層反射（あるいは、無反射）コーティング膜は、強い波長選択性を有する。従来はこの波長選択性を除去する努力が払われてきたが、ここでは、これを積極的に利用する。今、特定の波長λに対して、正面から入射する光を完全反射するように設計した光干渉型反射膜があるとすれば、前後θの角度だけ完全反射し、その他は透過させるようにするには、『λ、および、λ(１−cosθ)の間の波長に対して完全反射』させるように、図４の位相を調整することができる。
図４において、反射率のグラフの幅ｇは以下の式で与えられる（H.A.Macleod，Thin-Film Optical Filters；小倉他訳、光学薄膜；日刊工業新聞社,1989）。
δ＝(π／２)(λ０／λ)≡(π／２)ｇ
ここに、光学薄膜はλ０／４であるとしたとき、λが注目する光波長である。
この波長の帯域幅Δｇは、
Δｇ＝(２／π)sin-1｛(ｎＨ−ｎＬ)／(ｎＨ＋ｎＬ)｝
で表せる。ここにｎＨ，ｎＬは前述したように交互層を形成するそれぞれの透明膜（高屈折率膜、低屈折率膜）の屈折率である。
前述のように光走査ローター１が一回転する間に６枚の光干渉型反射鏡で１２回の光走査をさせるのであれば（表と裏の２回反射させる）、反射膜間の角度は３０度である。
従って、
cos１５°＝０．９４
の関係から、
２Δｇ＝０．０６
であり、つまり、
０．０３×(π／２)＝sin-1｛(ｎＨ−ｎＬ)／(ｎＨ＋ｎＬ)｝
であり、すなわち、
｛(ｎＨ−ｎＬ)／(ｎＨ＋ｎＬ)｝＝０．０４７
が得られる。これから、
ｎＨ／ｎＬ＝１．０９８
が求まる。
【００１８】
このような屈折率比を有する透明物質の組み合わせは容易に見つけることができる。一般に、屈折率の近い透明物質は、光学用ガラスを始めとして多様な組み合わせが存在する。また、このような異なる屈折率の透明物質の交互層は、次のような特殊な場合でも有効である。すなわち、ガラスはその酸化アルカリ元素を代表とする微量成分の組成によって屈折率が変化するが、微量成分を層状に添加することによって、このような構成が達成可能である。
また、物質の混入の代わりに、空隙を設けることによって、屈折率変化を持たせることができる。ガラス基質中に多数の空孔層を形成するか、あるいは、ポーラスシリカとして知られている低密度のガラスを蒸着させて、多層膜を形成することも可能である。
【００１９】
本発明における光干渉性反射膜は単色光を対象にしているが、光干渉性反射膜の帯域幅を狭くすることで、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色の光干渉性反射膜を重ねることが可能である。例えば、図５に示すように、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色に対応する狭帯域幅の多層膜Ａ，Ｂ，Ｃを重ねると、同一走査光学系が３色のビームに対して有効となる。しかも、表側でも裏側でも同じ効果が得られる。つまり、１つの反射膜は一回転する間に２回の光走査を実行することができる。尚、図５は、光干渉型反射鏡を構成する透明基質中の３種類の多層膜の例を示しており、３種類の波長に適応した、狭帯域多層反射膜（Ａ，Ｂ，Ｃの３種類）を重ねて透明基質中に埋め込み、光走査ローターの羽根（光干渉型反射鏡）の１つを構成している。また、この多層反射膜は、透明物質からなる基質中に保持されているが、後で述べるように、この基質の透明物質は、低い屈折率である方が光走査用には好都合である。
【００２０】
実装化に当たっては、多層反射膜からなる光干渉性反射膜を、透明な基質（ガラスなど）に埋め込んで光干渉型反射鏡を作製するのが最も手っ取り早い。この光干渉性反射膜を設けた光干渉型反射鏡を羽根車状に円筒状ローター内に実装する場合、反射膜の平面精度は重要である。図６は、多層反射膜を設けた光干渉型反射鏡の部品形状とその実装法を示している。図６（ａ）は、光干渉型反射鏡である形状の異なる３種類の平面鏡部品８，９，１０を示しており、図６（ｂ）は、その組み立ての様子である。図６（ｂ）では、３種類の平面鏡部品８，９，１０のうち、２枚の平面鏡部品８，９を、互いの中心部分Ｏで交差させた様子を示している。各平面鏡部品の厚さは十分薄いから、これら３種類の平面鏡部品８，９，１０を２組ずつ用意し（全部で６枚用意し）、２組の平面鏡８，９，１０を交互に組み合わせることで、6枚構成がほぼ中心の１点で交差する平面精度の高い６枚構成の羽根車状の光走査ローター（図１）を形成することができる。
【００２１】
以上、個々の要素を説明してきたが、最後に、光走査光学系全体について説明すると、以下の配慮が求められる。上述した６枚構成の光干渉型反射鏡は、円盤状の透明基質中に埋め込まれる構成が作りやすい。また、光干渉型反射鏡を埋め込む透明基質でできているローター表面は、回転対称系（例えば、円筒状）にすることが望ましい。
光干渉型反射鏡を、円筒状の透明基質中に埋め込む構成の場合、入射光は、透明基質による屈折作用を受け、非点収差を生じる恐れがある。しかし、透明基質の屈折率が１の場合は、その必要が無い。その一例として、光走査ローターの媒体に弗化リチウム（ＬｉＦ）を利用することが可能である。よく知られているように、この物質は屈折率が１．１であり、非点収差の影響を最小限に抑えることが可能である。
また、非点収差が大きな物質の場合、これを防止するには、通常のレーザープリンターと同様の、各種補正光学系が必要となるが、ここではその詳細は述べない。これらの配慮は、通常の光学的設計知識を有するものなら、その補正系が設計可能であるからである。
【００２２】
本発明に係る光走査方式は、光ビームを小型の走査系で走査することを可能にするものであり、レーザープリンターやデジタル複写機等の画像形成装置の潜像書き込み装置に限らず、広範囲の商品に応用可能であることは言うまでも無い。例えば、光走査型ディスプレイ、光走査型プロジェクター、バーコードリーダー、デジタルシアターなどの光走査系を有する装置に、基本概念を変えることなく適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反射面として狭帯域の光干渉性反射膜を利用した光干渉型反射鏡を用い、この光干渉型反射鏡を複数枚放射状に配列した光走査ローターを用いるので、従来のポリゴンミラーを用いた方式と比べて小型で且つ風損を低減でき、光走査系の小型化、省エネルギー化を図ることができる光走査方式を実現することができる。さらには、その光走査方式を用い、小型化、省エネルギー化を達成した光走査器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光走査方式を用いる光走査器の一構成例を示す図であって、光偏向器を回転中心軸の方向から見た概略断面図である。
【図２】光偏向器として、従来のポリゴンミラーと本発明に係る光走査ローターを比較した図であり、入射した光ビーム束が２つの異なる形状の光走査器によって反射される様子を模式的に示す図である。
【図３】図１と同様の６枚の光干渉型反射鏡を有する光走査ローターの動作説明図である。
【図４】本発明に係る光干渉性反射膜に利用される多層膜の一例を示すものであり、透明薄膜の交互層により特定波長選択性を有するフィルター（波長選択性反射膜）の原理を示す計算値のグラフである
【図５】光干渉型反射鏡を構成する透明基質中の３種類の多層膜の例を示す図である。
【図６】多層反射膜を設けた光干渉型反射鏡の部品形状とその実装法を示す図である。
【図７】従来の光走査器の一例を示す６角柱形状のポリゴンミラー（回転多面鏡）の説明図である。
【符号の説明】
１：光走査ローター（光走査器）
２，３，４，５，６，７：光干渉型反射鏡
８，９，１０：平面鏡部品
【図１】
0004653332.tif 000002
【図２】
0004653332.tif 000003
【図３】
0004653332.tif 000004
【図４】
0004653332.tif 000005
【図５】
0004653332.tif 000006
【図６】
0004653332.tif 000007
【図７】
0004653332.tif 000008