(57)【要約】【課題】  本発明は、回折面を有する樹脂製の回折光学素子の射出成形時の離型抵抗を低減させると共に回折面での透過光量を低減させ、反射光がゴースト光となることも抑止できる回折光学素子、光走査装置及び画像形成措置を提供する。【解決手段】  本発明の回折光学素子は、断面が階段状のパターンをなす段差部と、該段差部と隣接してパワーを発生させる複数の平面部を有している。そして、本発明の回折光学素子の段差部には微細パターンが形成されていることに特徴がある。よって、回折面での透過光量を低減させ、反射光がゴースト光となることも抑止できる。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が階段状のパターンをなす段差部と、該段差部と隣接してパワーを発生させる複数の平面部を有し、前記段差部に微細パターンが形成されていることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記階段部の稜線を光軸方向からみた形状が直線、円または楕円形状となる回折パターンを有することを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記平面部は光軸と直交であり、前記段差部は光軸に対して傾斜を持ち、かつ前記段差部の光軸に対する傾斜角は全ての前記段差部の壁部において略同一であることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記段差部が光軸となす傾斜角をθ、光学面全域での前記段差部間の最小ピッチをＰｍｉｎとするとき、０．０１７≦ｔａｎθ≦０．１×Ｐｍｉｎとなる条件を満足するように、傾斜角を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記段差部に微細パターンが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記微細パターンは直線状パターンの集合体であることを特徴とする請求項５記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記微細パターンはピッチ１０μｍ以下、深さ１μｍ以下のパターンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記微細パターンは点状パターンの集合体であることを特徴とする請求項５記載の回折光学素子。
【請求項９】
半導体レーザからなる光源と、該光源からの光束をカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を主走査方向は平行光とし、副走査方向は偏光器に集光させる光学系と、該光学系からの光束を主走査方向に偏光させる偏光器と、該偏光器により偏光された光束を集光させる走査光学系とを具備する光走査装置において、
前記カップリング光学系及び前記光学系を構成するレンズを請求項１〜８のいずれか１項に記載の回折光学素子とすることを特徴とする光走査装置。
【請求項１０】
電子写真プロセスを行って画像を形成する画像形成装置であって、電子写真プロセスの露光プロセスを行う手段として請求項９記載の光走査装置が用いられ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】
本発明は回折光学素子、光走査装置及び画像形成装置に関し、詳細には光軸に対して傾斜角を有する段差部を有し、かつ当該段差部の表面に微細な階段状パターンを有する回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光走査装置に用いられる各種のレンズを樹脂材料で形成すると、樹脂製レンズは、軽量で低コストに形成でき、また非球面に代表される特殊な面形状の形成が容易であるため、樹脂製レンズに特殊面を採用することにより、光学的な特性を向上させるとともに、光学系を構成するレンズ枚数を低減させることができる。しかし、その反面、良く知られたように、樹脂製レンズは、環境変化、特に温度変化に伴って、形状が変化したり屈折率が変化したりするので、光学特性、特にパワー（集光力）が設計値から変化し、被走査面上の光スポットの径である「ビームスポット径」が環境変動により変動する問題がある。
【０００３】
そこで、温度変化に伴う光学特性の変化と、光源における波長変化とを考慮し、パワーを有する回折面を採用して光学特性を安定させた光走査装置として、特許文献１のものが知られている。この特許文献１のように、光プリンタやデジタル複写機用の光走査装置のポリゴンミラー前光学素子で実施されており、光源波長が基準波長を保っている間は、パワーをもたず、温度外乱によって波長がずれたときのみパワーをもつ、階段状の同心円回折面が適用されている。
【０００４】
ところで、回折面を有する樹脂製光学素子は射出成形で製造されるが、回折面のような微細なパターンを忠実に転写させるため、比較的に高い圧力を保持圧力としてもちいることが多い。このため高密度な充填が行われることになり、成形品を金型から引き離す際の離型抵抗が高まり、離型時に光学面形状を崩しやすいという問題が生じていた。離型抵抗は金型のパーティング面と直交する面ほど強く働くため、前記のような階段状の回折面においては、パワーを発生する平面部と平面部をつなぐ段差部に強く作用するものである。
【０００５】
この離型抵抗を軽減させる手段としては、特許文献２に、光学的に必要な透過率を確保した上で、段差部に光軸に対する傾きをつけ、結果としてパーティング面との直交度を下げることで、離型抵抗下げる構成が提案されている。また、特許文献３においては成形品の収縮方向を考慮して、その方向に応じて上記段差部へ与える角度を設定する構成が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−２３５０６９号公報
【特許文献２】特開２００６−２２７２７３号公報
【特許文献３】特開２００７−０４１５４２号公報
【特許文献４】特開２００２−０７１９２５号公報
【特許文献５】特開２００６−１６２８２２号公報
【特許文献６】特開２００６−１６２８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２、３の方法によれば、問題とされてきた離型抵抗は確かに軽減される。しかし、ポリゴンミラー前光学系においては、光軸と略並行となる光束が光学素子に入射するため、回折面内段差部を光軸に対して傾けるほど段差部への入射する光量が増大しその反射光があるいは入射光がゴーストやフレアを発生させる問題が新たに生じることとなる。そこで、段差部での反射光を抑制する手段として、特許文献４が提案されている。この特許文献４によれば可視光域の光束において段差部の反射光が軽減するとともに５５０ｎｍ波長で回折効率が向上する効果が得られている。光走査装置のポリゴンミラー前光学系は７８０ｎｍあるいは６５５ｎｍ波長の単一波長の光学系であり、段差部からの入射光がレンズ内部に入り意図しない光路からアパーチャを通過し、ビームスポット径が問題となるため特許文献４のような反射率の軽減は逆効果となる。また、段差部に特定の処理を施して透過光を減少させる手段としては特許文献５、６によるものが知られているが、いずれの場合も製膜処理が必要でコストアップになる、また、段差部と回折面と境界線が丸みを帯びてしまう等の問題が生じてしまう。文献６では粗面化によって離型抵抗が増大してしまう等の問題をもっていた。
【０００７】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、回折面を有する樹脂製の回折光学素子の射出成形時の離型抵抗を低減させると共に回折面での透過光量を低減させ、反射光がゴースト光となることも抑止できる回折光学素子、光走査装置及び画像形成措置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】
【０００８】
前記問題点を解決するために、本発明の回折光学素子は、断面が階段状のパターンをなす段差部と、該段差部と隣接してパワーを発生させる複数の平面部を有している。そして、本発明の回折光学素子の段差部には微細パターンが形成されていることに特徴がある。よって、回折面での透過光量を低減させ、反射光がゴースト光となることも抑止できる。
【０００９】
また、階段部の稜線を光軸方向からみた形状が直線、円または楕円形状となる回折パターンを有することが好ましい。
【００１０】
更に、平面部は光軸と直交であり、段差部は光軸に対して傾斜を持ち、かつ段差部の光軸に対する傾斜角は全ての段差部の壁部において略同一である。よって、抜き勾配として作用し離型抵抗を軽減できると共に、各輪帯での傾斜を同一とすることで工具の余分な走査を減らすことができ、短い工具接触幅で走査する場合より工具磨耗を小さくすることができる。
【００１１】
また、段差部が光軸となす傾斜角をθ、光学面全域での段差部間の最小ピッチをＰｍｉｎとするとき、０．０１７≦ｔａｎθ≦０．１×Ｐｍｉｎとなる条件を満足するように、傾斜角を設定する。よって、離型抵抗の低減と透過光量の確保が両立できる。
【００１２】
更に、段差部に微細パターンが形成されていることにより、離型抵抗を軽減できる。
【００１３】
また、微細パターンは直線状パターンの集合体であることにより、直線状パターンの方向を離型時の引きはがし方向と一致させることで、離型抵抗を増大させることなく、レーザ光の透過率を抑えた、拡散面を得ることができる。また、直線とすることで、バイト輪郭の転写などによって金型上に微細パターンを容易に形成可能である。
【００１４】
更に、微細パターンはピッチ１０μｍ以下、深さ１μｍ以下のパターンであることにより、必要以上に微細ピッチや高精度なパターンを形成することなく、離型抵抗の軽減及び透過光抑制を可能とし、型加工に不要に多くのコストをかけることなく、その機能を得ることが可能となる。
【００１５】
また、微細パターンは点状パターンの集合体であることにより、ランダム性が高いため直線パターンに比べ反射光が回折等を生じにくいのでゴースト光の抑制を厳密に求められるときに有効である。また、対応形状や大きさの自由度が高く、簡易に大口径で複雑形状となる回折面金型に対しても遮光性をもつ段差部を形成可能となる。
【００１６】
更に、別の発明としての光走査装置は、半導体レーザからなる光源と、該光源からの光束をカップリングするカップリング光学系と、該カップリング光学系からの光束を主走査方向は平行光とし、副走査方向は偏光器に集光させる光学系と、該光学系からの光束を主走査方向に偏光させる偏光器と、該偏光器により偏光された光束を集光させる走査光学系とを具備している。そして、本発明の光走査装置は、カップリング光学系及び光学系を構成するレンズを上記の回折光学素子とすることに特徴がある。よって、段差部に微細パターンを形成し透過光を遮断する共に反射光を拡散光とすることでビーム径太りを抑えるとともに、反射光がゴースト光となることも抑止できる。
【００１７】
また、別の発明としての画像形成装置は、電子写真プロセスの露光プロセスを行う手段として、回折面での透過光量を低減させ、反射光がゴースト光となることも抑止できる回折光学素子を用いた光走査装置を搭載することで、非常に良好な画像を形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の回折光学素子の段差部には微細パターンが形成されていることに特徴がある。よって、回折面での透過光量を低減させ、反射光がゴースト光となることも抑止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は回折光学素子を用いた光学系の構成を示す概略断面図である。同図に示す回折光学素子を用いた光学系は、光走査装置の中の光路上、ポリゴンミラー前に位置する第１光学系である。なお、図示していないがポリゴンミラー後の走査レンズによる構成を第２光学系としている。同図に示す第１光学系は半導体レーザ１１からの発散光を緩やかな収束光としてポリゴンミラー（図示せず）に投射させる機能をもつ。光源である半導体レーザ１１からの発散光であるレーザ光１２が図２のようなカップリングレンズ１３の回折面１３ａに入射する。カップリングレンズ１３の回折面１３ａは同心円パターンの回折面である。カップリングレンズ１３の出射面１３ｂは共軸非球面形状である。カップリングレンズ１３を通過したレーザ光１２はアパーチャ１４を通過し所望のビーム形状に成形され、図３のようなシリンダレンズ１５のシリンドリカル面１５ａに入射する。シリンダレンズ１５の出射面１５ｂは直線パターンの回折面であり、レーザ光は緩やかか収束光となって出射される。
【００２０】
図４は回折光学素子の射出成形用金型の構成を示す概略断面図である。同図に示す本発明の回折光学素子の射出成形用金型２０は、固定側金型２１と可動側金型２２の２つ金型部材からなり、これらを結合することによって、所定の形状の回折光学素子を成形するための空間（キャビティ）が形成される。可動側金型２２には樹脂材料を金型内に注入するための樹脂注入口２３が設けられている。この本発明の回折光学素子の射出成形用金型２０を用いた回折光学素子の成形過程は以下の通りである。
（１）固定側金型２１及び可動側金型２２を成形温度１３０〜１４０度程度に加熱する。
（２）樹脂注入口２３から溶融した樹脂材料を３０〜１００Ｍｐａ高圧で金型内に注入する。
（３）全体を冷却する。
（４）適当な温度に下がったところで、固定側金型２１と可動側金型２２を分離する。
（５）型開きの状態では、回折光学素子は可動側金型２２に張り付いた状態である。
（６）樹脂による成形品である回折光学素子を光軸方向に引き出し、図示なきイジェクタピンで押し出し取り出す。
【００２１】
なお、図４に示す射出成形用金型の一例は、金型が２つに分かれる構成となっているが、もっと多くの部分に分かれる構成としてもよい。また、図４に示す射出成形用金型の一例は、回折光学素子の１面のみに回折格子を持つ構成となっているが、両面に回折格子を有する構成であってもよい。このような構成の回折光学素子を成形する金型は、１面の回折格子を成形する金型と、他の１面の回折格子を成形する金型と、回折光学素子の外周を成形する金型を有してなるものであることが望ましい。上記成形過程(５)で固定側金型２１及び可動側金型２２は開き、この動作と同時に回折面は金型から引き剥がされる。金型面と回折面の接触が過大に強固であると、この動作時に回折光学素子が変形したり、角部に欠けやむしれを生じてしまう。これを抑制するため、本発明の回折光学素子の段差部１３ｃには図５の（ａ）の角度θで示すような、光軸に対する傾きを設けている。離型抵抗は段差部の深さや、回折面の輪帯数（以下直線上回折面においても輪帯と記す）にも影響されるが、１〜１０μｍ程度の段差部の深さの場合、θ≧２度  (ｔａｎθ≧０．０３５)の傾きを付けることで効果がある。
【００２２】
図５は本発明の第１の実施の形態に係る回折光学素子の構成を示す概略断面図である。同図に示すように、段差部１３ｃは光軸に対して傾きθを有している。この傾きθは上記特許文献２に記載のように、回折光学素子の透過率確保からその上限が設定される。これは図２の（ｂ）のように光軸方向から回折面を見た場合の段差部１３ｃが光学面全域に占める面積に相当する。通常の回折光学素子では透過率９０％以上が必要であるため、段差部１３ｃの占有面積は１０％以下に抑える必要がある。また、個別に輪帯の透過率を考慮すると、外周部が最も輪帯幅が狭くなりこれをＰｍｉｎとするとき、ｔａｎθ≦０．１×Ｐｍｉｎであることが必要である。これらの条件によると１００段程度の回折光学素子の場合段差部１３ｃと光軸の傾きθは１０〜２０°程度に設定できる。しかし、前述のように、段差部１３ｃと光軸の傾きθを増加させると、図５の（ｂ）に示す段差部１３ｃへの異常透過光Ｒが相対的に増大する。この一部が本来の設計光路Ｔと同様に図１のアパーチャ１４を通過し、これが波面収差の原因となり、ビームスポット径が所望の大きさまで絞りこめずに「ビーム径太り」と呼ばれる光学性能劣化を引き起こすこととなる。
【００２３】
そこで、この透過光を抑制し、またその反射光が指向性をもちゴーストと呼ばれる光学性能劣化を引き起こすことがないように、図６の段差部１５ｃには、また図７の段差部１３ｃにも微細パターンを形成している。上記特許文献６に示すような製膜によるアスペクト比が制御しにくくアンカー効果を生じなどして離型抵抗を増大させてしまうことがある。よって、本実施の形態においては離型性と透過光遮断の特性を両立させるため、光軸と略平行な直線パターンを形成している。光源波長７８０ｎｍとする本実施の形態においては、パターン深さ１μｍ以下、周期１０μｍのアスペクト比０．１程度のパターンで効果が得られることを確認した。このパターンは直線でかつ離型方向と一致しているため、離型抵抗を増大させることがない。ピッチ及び深さについて本実施の形態に限定するものではない。より厳密にゴースト光を低減させるためには、段差部の微細パターンが新たな回折光を発生しないように、規則性のないランダムなピッチであることが望ましい。
【００２４】
図８はシリンダレンズの回折面を成形するための型部材の加工方法の様子を示す概略図である。型部材３１は母材がステンレス系鉄鋼材で、光学成形面には無電解ニッケルメッキを施している。図５の（ａ）では段差部を誇張しているが、一段あたりの高さは約１．５μｍで段差数は約６０段、最頂部から最低部までの工程差は約９０μｍである。非回転状態の単結晶ダイヤモンドバイト３２を図８中の方向Ｆに移動させ刃先直線部を転写させて直線上の輪帯を切削加工する。切り込み量は、荒加工時１．５μｍ、仕上げ加工時は０．５μｍで、工具送り速度は２００ｍｍ／ｍｉｎで荒・仕上げ共通である。切削油は灯油を主成分とした潤滑油を用いている。段差部へ直線パタ−ンを形成するため、工具を図８中の方向Ｆへ走査するとともに図８中の方向Ｂに１μｍの往復振動を与えている。この方向Ｂの加振はピエゾアクチュエータ（図示せず）によって行い、３３０ｈｚの振動数を発生させた。これにより直線パターンのピッチは約１０μｍとした。ピエゾアクチュエータの振幅及び振動数を変化させることでピッチ及び深さは自在に変更可能である。また、１軸方向の加振ではなく、スクイ面と略直交方向の振動と切り込み方向振動の２軸の振動を組み合わせて円または楕円軌跡によって輪帯面と段差部パターンの同時加工も可能である。この場合は縦長になるような楕円軌跡を発生させることで、段差部に略直線となるパターンを形成可能である。図５の（ａ）で輪帯と平行な１軸加振の場合、加振によって切り込み方向に変位を生じると、輪帯の表面粗さが大きくなり光学性能を劣化させてしまうため、一方向に正確な振動が発生できるような運動性能をもつアクチュエータの確保が必要である。
【００２５】
図９はカップリングレンズの回折面を成形するための型部材の加工方法を説明するものである。加工形態は図８とほぼ同様であるが、単結晶ダイヤモンドバイト３２を直線方向へ走査する代わりに型部材４１を回転ステージ（図示せず）上にクランプし、図９中のＲ方向に回転させることで同心円状の回折パターンを形成している。図９中の方向Ｂの往復運動は直線回折面４１ａと同様に段差部４１ｂに直線パターンを形成させるためのものである。この一例においては各輪帯幅より広幅の単結晶ダイヤモンドバイト３２を用い、一度に輪帯を切削しているが、逆に輪帯より狭い幅の単結晶ダイヤモンドバイト３２を用い、光軸と直交方向に走査することで輪帯を形成することも可能である。
【００２６】
ここで、図８や図９の加工形態で回折面金型を製作する場合においては、輪帯部と段差部を同時加工するため工具角部の角度がそのまま転写することになる。工具角部は９０度＋θで製作することになるが、単結晶ダイヤモンド工具の場合図５の（ａ）の角度θが小さいほど工具製作は困難となるため、その点からθ≧５度とすることがより望ましい。
【００２７】
図１０は本発明の第２の実施の形態に係る回折光学素子の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施の形態の回折光学素子は、同心円パターンを持つカップリングレンズと直線パターンを持つシリンダレンズの回折面の機能を複合したもので、楕円状回折パターンをもつ曲面レンズ５１である。この曲面レンズ５１は、カップリングレンズとシリンダレンズを１枚のレンズに置き換えることが可能である。図示なき回折面と対向する面は、概略トーリック面となる自由曲面形状を有している。本実施の形態においても図６と同様に段差部５１ｂに直線状の微細パターンが形成されている。
【００２８】
図１１は段差部に微細パターンを形成したものを示す部分拡大図である。これは輪帯には事前に保護膜を形成し段差部６１ｂに略直交する方向からアルミナ粒子をエアーで吹き付けブラスト加工したものである。保護はチタン系合金からなる硬質膜をスパッタリングで製膜している。光軸方向からターゲット粒子を当てることで、輪帯部で厚い膜に、段差部６１ｂでは薄い膜となるように製膜している。また、エアーブラストノズルの向きを調整することでより選択的に段差部６１ｂへ微小な圧痕を生成している。
【００２９】
図１２は本発明の回折光学素子を適用した光走査装置の構成を示す概略斜視図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の光走査装置７０によれば、光源である半導体レーザ１１からの発散光であるレーザ光１２が図１２のようなカップリングレンズ１３の回折面に入射する。そして、カップリングレンズ１３を通過した平行光のレーザ光１２はアパーチャ１４を通過し所望のビーム形状に成形され、シリンダレンズ１５のシリンドリカル面に入射する。シリンダレンズ１５の出射面は直線パターンの回折面であり、レーザ１２光は副走査方向に緩やかか収束光となって出射されてポリゴンミラー１６で反射される。反射したレーザ光１２は走査レンズ１７、１８を介して担持体の感光体ドラム等に照射される。
【００３０】
図１３は本発明の光走査装置を搭載した画像形成装置の構成を示す概略図である。同図に示す本発明の画像形成装置８０において、光導電性の感光体８１はドラム状に形成されて時計回りに等速回転する。感光体８１の周面は帯電手段である帯電ローラ８２により均一に帯電され、上述した本発明の回折光学素子のレンズを搭載した光走査光学系で構成された光走査装置を有する書込装置８３により光走査され、静電潜像が書き込まれる。この静電潜像（ネガ潜像）は、現像装置８４により反転現像されて、トナー画像として可視化され、得られるトナー画像はシート状記録媒体Ｓ上に転写手段８５により転写され、定着装置８６により定着されて装置外へ排出される。トナー画像転写後の感光体８１はクリーニング装置８７によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉が除去される。本発明の光走査装置を有する書込装置８３を用いることにより、良好な画像を形成することができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る回折光学素子を用いた光学系の構成を示す概略断面図である。
【図２】カップリングレンズの構成を示す図である。
【図３】シリンダレンズの構成を示す図である。
【図４】本発明の回折光学素子の射出成形用金型の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る回折光学素子の構成を示す概略断面図である。
【図６】シリンダレンズの段差部に形成した微細パターンを示す部分斜視図である。
【図７】カップリングレンズの段差部に形成した微細パターンを示す部分斜視図である。
【図８】シリンダレンズの回折面を成形するための型部材の加工方法の様子を示す概略図である。
【図９】カップリングレンズの回折面を成形するための型部材の加工方法の様子を示す概略図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る回折光学素子の構成を示す概略断面図である。
【図１１】段差部に微細パターンを形成したものを示す部分拡大図である。
【図１２】本発明の回折光学素子を適用した光走査装置の構成を示す概略斜視図である。
【図１３】本発明の光走査装置を搭載した画像形成装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１；レーザ光源、１２；レーザ光、１３；カップリングレンズ、
１３ａ；回折面、１３ｂ，１５ｂ；出射面、
１３ｃ，１５ｃ，４１ｂ，５１ｂ，６１ｂ；段差部、
１４；アパーチャ、１５；シリンダレンズ、
１５ａ；シリンドリカル面、２１；固定側金型、２２；可動側金型、
２３；樹脂注入口、３１，４１；型部材、
３２；単結晶ダイヤモンドバイト、４１ａ；直線回折面、
５１；曲面レンズ、７０；光走査装置、８０；画像形成装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009053238.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009053238.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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