(57)【要約】【課題】加工が容易で、配置精度によって特性が変化し難い回折光学素子、コンパクトで低コストの照明装置およびセンサー装置を得る。【解決手段】集光パワーを持ち、複数の回折帯を持つ多段回折光学素子であって、各回折帯の１次光の集光位置は少なくとも２つ以上の位置であり、かつ、１次光の回折効率が最も大きい。複数の回折帯として、同心円状の輪帯を持つものであってもよく、直線状の格子を持つものであってもよい。回折光学素子１は、同じ焦点位置を持ち、隣接する１つ以上の輪帯または帯のグループが少なくとも集光位置の数より多くあるとよい。【選択図】図１
2009204944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光パワーを持ち、複数の回折帯を持つ多段回折光学素子であって、
各回折帯の１次光の集光位置は少なくとも２つ以上の位置であり、かつ、１次光の回折効率が最も大きいことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
集光パワーを持ち、複数の回折帯として同心円状の輪帯を持つ多段回折光学素子であって、
各輪帯の１次光の集光位置は少なくとも２つ以上の位置であり、かつ、１次光の回折効率が最も大きいことを特徴とする回折光学素子。
【請求項３】
集光パワーを持ち、複数の回折帯として直線状の格子を持つ多段回折光学素子であって、
各回折帯の１次光の集光位置は少なくとも２つ以上の位置であり、かつ、１次光の回折効率が最も大きいことを特徴とする回折光学素子。
【請求項４】
同じ焦点位置を持ち、隣接する１つ以上の輪帯または帯のグループが少なくとも集光位置の数より多くあることを特徴とする請求項２または３記載の回折光学素子。
【請求項５】
半導体レーザまたは発光ダイオードからなる光源と請求項１乃至４のいずれかに記載の回折光学素子を有することを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項５記載の照明装置と、この照明装置による複数の集光位置の範囲内に位置している被検知部材と、
上記被検知部材からの反射光を検知する検知素子を有することを特徴とするセンサー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子、照明装置およびセンサー装置に関するもので、例えば、デジタル複写機などにおいて、測定対象の位置ずれ検出などに利用可能なものである。
【背景技術】
【０００２】
光束を測定対象位置に照射し、測定対象からの反射光の強度や波長分布を検知することにより、測定対象位置の変化を検出するセンサーは多数ある。例えば、デジタル複写機やレーザプリンタにおいて、出力画像の色ずれや倍率を補正するために中間転写ベルト上で測定対象であるトナーパッチの位置を検知するために上記センサーが使われる。このようなセンサーによる位置検出確度を上げるために、あるいは充分な光量をセンサーに届かせるために、レンズなどの光学素子を使用して、照明光を測定位置すなわち測定対象位置近傍に集光することはよく行われることである。
【０００３】
通常のレンズを用いて集光すると、焦点位置では鋭い光スポットが得られるが、レンズと測定対象位置との位置関係が僅かでも崩れて焦点位置が測定対象位置から外れると、急に光スポットが広がってしまい、所望の性能を得ることができない。すなわち測定対象に対して充分な量の照明光を照射することができない。
【０００４】
このような問題を解決するために、例えば、特許公報１に記載されている多焦点非球面レンズを用いることが考えられる。この多焦点非球面レンズを用いれば、照明光を測定対象に集光して照射する光学素子であるレンズの曲率を、照射する領域によって変えることができ、焦点深度を広くすることができる。
【０００５】
しかしながら、複写機やレーザプリンタなどの機器内にセンサーを組み込む場合、センサーが機器内の他の機構に干渉しないように小型化が求められている現状に照らすと、特許文献１に記載されている技術を採用することは困難である。特に、レンズ自体が例えば直径１ｍｍ以下というように小さくなってくると、所望の非球面形状を作ることが困難になってくる。
【０００６】
さらに、特許文献１記載の発明のように、照射する領域によってレンズの曲率を変える場合、加工の困難さから、せいぜいレンズの中心部と周辺部で曲率を変える程度までが実現可能な範囲である。これでは光源の配光分布、すなわち最大光量の方向、光量の射出角度特性が変わると、レンズ透過後の特性が変化してしまう。
【０００７】
これら問題を解決するために、通常のレンズまたは特許文献１に記載されて非球面レンズの代わりに特許文献２に記載されている多焦点回折レンズを用いることが考えられる。特許文献２に記載されている多焦点回折レンズは、回折表面に多数の光学的高所と低所とが設けられていることを特徴とする。特許文献２記載の多焦点回折レンズを用いれば、回折次数の違いによる焦点距離の違いを利用して焦点深度を深くし、測定対象の照明光照射領域全範囲にわたって充分な量の照明光を照射することができる可能性がある。
しかしながら、回折次数の違いによる焦点距離の違いは、低次の回折光の場合にはあまりにも大きすぎ、回折次数ごとに全く別の位置に焦点を結んでしまい、焦点深度を広くすることができない。
【０００８】
この問題への対処法として、高次の回折次数光を使うことが考えられるが、この場合には、かなり多段の回折格子にしないと効率を稼ぐことができず、レンズ加工の難しさと光量の確保とのトレードオフになる。
加工の難しさは、回折格子のパワーを減らすことにより緩和することができるが、パワーが小さくなると焦点距離が長くなり、装置の大きさが増大する。
回折光学素子と反対側の面にレンズを設けることにより回折格子のパワーを補うことも可能であるが、レンズの両面を高精度に加工しなければならないという加工上の課題が発生する。
【０００９】
【特許文献１】特表２００２−５２２８０３号公報
【特許文献２】特開平７−１９８９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、これら従来技術の問題点に鑑み、コンパクトで、加工が容易であり、配置精度によって特性が変化し難い回折光学素子、コンパクトで低コストの照明装置およびセンサー装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、集光パワーを持ち、複数の回折帯を持つ多段回折光学素子であって、各回折帯の１次光の集光位置は少なくとも２つ以上の位置であり、かつ、１次光の回折効率が最も大きいことを最も主要な特徴とする。
上記多段回折光学素子は、複数の回折帯として、同心円状の輪帯を持つものであってもよい。
また、上記多段回折光学素子は、複数の回折帯として、直線状の格子を持つものであってもよい。
【００１２】
上記回折光学素子は、同じ焦点位置を持ち、隣接する１つ以上の輪帯または帯のグループが少なくとも集光位置の数より多くあるものであってもよい。
【００１３】
本発明にかかる照明装置は、半導体レーザまたは発光ダイオードからなる光源と上記回折光学素子を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明にかかるセンサー装置は、前記照明装置の複数の集光位置の範囲内に位置している被検知部材と、この被検知部材からの反射光を検知する検知素子を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、多段回折光学素子において、各回折帯の１次光の集光位置は少なくとも２つ以上の位置であり、かつ、１次光の回折効率を最も大きくしたので、加工が容易で、素子配置によって特性が変化しにくい回折光学素子を得ることができる。
複数の回折帯として、同心円状の輪帯を持つ多段回折光学素子によれば、点状集光光学素子を得ることができる。
複数の回折帯として、直線状の格子を持つ多段回折光学素子によれば、線状集光回折光学素子得ることができる。
【００１６】
同じ焦点位置を持ち、隣接する１つ以上の輪帯または帯のグループが少なくとも集光位置の数より多くある回折光学素子によれば、光線の入射位置によって与えられる焦点位置が分散され、入射光束の配光分布（最大光量の方向、光量の射出角度特性）の変化によって射出光束の特性が変化しにくい光学素子を得ることができる。この構成の最も甚だしい例は、隣接する輪帯または帯の焦点距離をすべて異なったものとする構成である。
【００１７】
半導体レーザまたは発光ダイオードからなる光源と本発明にかかる回折光学素子を備えた照明装置によれば、各素子の配置によって特性が変化しにくい、小型で低コストの光源装置を得ることができる。
本発明にかかるセンサー装置によれば、上記照明装置と、この照明装置の複数の集光位置の範囲内にある被検知部材と、この被検知部材からの反射光を検知する検知素子を有するので、素子配置によって特性が変化しにくい、小型で低コストのセンサーを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明にかかる回折光学素子、照明装置およびセンサー装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明にかかる回折光学素子の実施例の断面図であって、対称軸Ｏ付近の拡大図である。この実施例にかかる回折光学素子１は、透明基板に凹凸を形成して光線に位相変調を加えるように構成されている。より具体的には、回折光学素子１は集光パワーを持ち、回折格子面が複数の回折帯を持つ多段回折光学素子である。
【００１９】
一つの実施例として、図１に示す断面形状を、対称軸Ｏを中心にその周りに回転させることにより、複数の回折帯として同心円状の輪帯を持つ多段回折光学素子を構成することができる。この多段回折光学素子によれば、入射光を点に集光することができる。
【００２０】
別の実施例として、図１に示す断面形状を、このまま紙面に対し垂直方法に延長すすることにより、複数の回折帯として直線状の格子を持つ多段回折光学素子を得ることができる。この多段回折光学素子によれば、入射光を線状に集光することができる。
【００２１】
図１に示す回折光学素子１の回折格子面は、各回折帯を構成する凹凸が４段階に形成され、４段レリーフ型回折光学素子を構成している。レリーフの厚みｄは、素子の屈折率をｎ、光線の波長をλとすると、
λ／（ｎ−１）
である。
【００２２】
図示の実施例では、透明基板に凹凸を形成して光線に位相変調を加えているが、基板自体に屈折率分布を与えるなどの手段によって位相変調を加えても構わない。
位相変調の段数は増やすほど集光効率が高くなるが、段数が増えると加工も難しくなるので、必要な光量とコストから任意の段数を選択して差し支えない。
【００２３】
図１に示す回折光学素子の例では、符号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が各回折帯の一周期を表している。また、
Ｒ１，Ｒ３，・・・，Ｒ２ｊ＋１が焦点距離ｆ１（＝ｆ３，・・・，ｆ２ｊ＋１）、
Ｒ２，Ｒ４，・・・，Ｒ２ｊが焦点距離ｆ２（＝ｆ４，・・・，ｆ２ｊ）
となるように、すなわち、２つの焦点距離を持ち、集光位置が２つになるように構成している。ただし、狙いとする焦点距離を３つ以上にしてもよいし、狙いとする焦点距離の順番を変えても構わない。また、図１においてハッチングの掛かっている部分は各回折帯の狙いの集光状態を示している。
【００２４】
上記の構造にかかる回折光学素の設計方法は以下の通りである。
−１次の回折光が集光するとして、格子方程式より式（１）が得られる。
式１
2009204944.tif 000003
また、幾何学的関係から式（２）が得られる。
式２
2009204944.tif 000004
【００２５】
式（１）と式（２）より、式（３）が得られる。
式３
2009204944.tif 000005
式（３）をｉ＝１から順次解くことにより、ｈｉを求めることができる。
また、同心円状の輪帯または直線状の格子からなる上記回折帯の一周期内の構造は−１次光の回折効率が最大となるように適宜設計すればよい。
【００２６】
図４は、上記実施例にかかる多段回折光学素子の、デフォーカス０ｍｍ（素子からの距離５ｍｍにあたる）での光量で規格化した、デフォーカスに対する光量変化のシミュレーション結果を示す。光量は焦点位置を中心として一辺２．５ｍｍの正方形領域内に集まる光量としている。ここでのシミュレーション条件は以下の通りである。
光源波長：７３３ｎｍ
基板の屈折率：１．４５７
回折光学素子の径：１ｍｍ
通常の回折光学素子の焦点距離：５ｍｍ
本発明にかかる回折光学素子の焦点距離：４．７ｍｍ，５．３ｍｍ
【００２７】
図４から明らかなように、通常の回折光学素子に比べると、本発明にかかる回折光学素子によれば、デフォーカスをさせても光量の変化が少ないことが分る。
【００２８】
図２は、本発明にかかる回折光学素子を用いた光源装置の実施例を示す。図２において、回折光学素子１を挟んで、発光素子２と、受光素子の受光面である測定面３が配置されている。回折光学素子１の回折格子面側に測定面３が配置されている。発光素子２としては、小型で光線の波長幅が狭いＬＥＤや半導体レーザを用いることが望ましい。前述のとおりに構成された回折光学素子１は焦点深度が広いので、回折光学素子１と測定面３の位置関係がずれても、照明光照射領域全範囲にわたって光量変化の少ない照明装置を得ることができる。
【００２９】
図３は、本発明にかかる上記照明装置を用いた光検知センサーの実施例を示す。この実施例にかかる光検知センサーは、デジタル複写機やレーザプリンタにおいて、出力画像の色ずれや倍率を補正するために中間転写ベルト上で測定対象であるトナーパッチの位置を検知するトナー検知センサー９を構成している。図３において、発光素子２として、小型で光線の波長幅が狭いＬＥＤや半導体レーザを用いることが望ましい。ガラス、樹脂等の透明基板４には、光源２からの光を測定位置に集光させるために、径が数ｍｍ程度の、前記回折光学素子１が刻まれている。この回折光学素子１は、この光検知センサーの実施例では光源側回折光学素子となっている。また、上記透明基板４上に、測定位置からの反射光を光センサー５に集光させるセンサー側回折光学素子８が刻まれている。このセンサー側回折光学素子８は、光源側の回折光学素子１と同じ形状でもよいし、通常の１焦点の回折光学素子でも、球面や非球面のレンズ形状であっても差し支えない。
【００３０】
図３において符号６は、トナー画像７が形成されたシート状の画像形成体を示しており、この画像形成体６は、複写機やプリンタなどにおける感光体などの像担持体から転写紙へトナーを運ぶ中間転写体であってもよいし、転写紙自体であっても差し支えない。画像形成体６は、前記光検知センサーによる測定面を通過するように配置されている。画像形成体６の移動に伴い、画像形成体６の上に載ったトナー画像７が測定位置に移動して来ると、トナー画像７で反射された光がセンサー側回折光学素子８を透過して光センサー５に入射する。上記光は回折光学素子８を透過することにより光センサー５の受光面に集光される。トナー画像７が測定位置に移動して来ると光センサー５で感じる光量が変化し、この変化によってトナー画像７の位置が分る。
【００３１】
上記光検知センサーの実施例によれば、光源側回折光学素子として前記回折光学素子１を用いているので、画像形成体６が上下方向にばたつき、あるいは、トナー検知センサー９の取り付けが理想の位置からずれていたとしても、光センサー５は検出に必要な光を充分に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にかかる回折光学素子の実施例を示す拡大断面図である。
【図２】本発明にかかる回折光学素子を用いた光源装置の実施例を示す光学配置図である。
【図３】本発明にかかる光源装置を用いた光検知センサーの実施例を示す光学配置図である。
【図４】実施例にかかる多段回折光学素子のデフォーカスに対する光量変化のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１    回折光学素子
２    発光素子
３    測定面
４    透明基板
５    光センサー
６    画像形成体
７    トナー画像
８    センサー側回折光学素子
【図１】
2009204944.tif 000006
【図２】
2009204944.tif 000007
【図３】
2009204944.tif 000008
【図４】
2009204944.tif 000009