光走査装置および光走査方法および画像形成装置
【課題】回折光学素子を用いる光走査装置において、回折光学素子に対する温度変化の影響を有効に軽減もしくは回避する。
【解決手段】レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置であって、レーザ光源として面発光型レーザ光源１０Ａを用いるとともに、この面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる回折光学素子１と、この回折光学素子により回折された回折光を検出する回折光検知用光検出器とを有し、回折光学素子は、光走査装置の温度変化範囲内における線膨張率：αが、上記温度変化範囲内における面発光型レーザ光源の発光波長の波長変化率：βに略等しいプラスチック材料により形成されている。
【解決手段】レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置であって、レーザ光源として面発光型レーザ光源１０Ａを用いるとともに、この面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる回折光学素子１と、この回折光学素子により回折された回折光を検出する回折光検知用光検出器とを有し、回折光学素子は、光走査装置の温度変化範囲内における線膨張率：αが、上記温度変化範囲内における面発光型レーザ光源の発光波長の波長変化率：βに略等しいプラスチック材料により形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光走査装置および光走査方法および画像形成装置に関する。画像形成装置はデジタル複写機、各種プリンタ、デジタル複合機などとして実施できる。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置や光走査方法は、デジタル複写機、各種プリンタ、デジタル複合機（マルチファンクションプリンタ）等の画像形成装置に関連して従来から広く知られている。
【０００３】
光走査装置のレーザ光源として従来は、端面発光型の半導体レーザ（端面発光型レーザ光源）が主流であったが、近来、面発光型レーザ光源「ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」が実用化されて光走査装置用光源として期待されている。即ち、例えば、面発光型レーザ光源は端面発光型レーザ光源に比して「発光部のアレイ化が容易」である。従来から知られた端面発光型の半導体レーザアレイでは、発光部のアレイ配列は４〜８個程度が限界であるが、面発光型レーザ光源では、発光部を１６〜３２さらにはそれ以上のアレイ配列が可能であり、特に「マルチビーム光走査装置の光源」としての期待が高い。
【０００４】
光走査装置にはまた、回折光学素子が用いられることが多い。例えば、光偏向手段により偏向するレーザ光束を光走査開始側の有効走査領域外で検出し、光書き込み開始の同期制御に用いることは従来から広く行われているが、上記レーザ光束を回折光学素子により０次光と１次回折光の２本の光ビームに分岐し、１本の光ビームを検知して上記書き込みの同期制御に供するとともに、他方の光ビームにより「走査線の副走査方向の位置」を検出することも提案されている。
【０００５】
このように、光走査装置内に「光学素子の一つとして回折光学素子を用いる」ことは従来から行われているが、面発光型レーザ光源と回折光学素子とを有する光走査装置としては、特許文献１、２に記載のものが知られている。
【０００６】
ところで、光走査装置は、光偏向手段として用いられるポリゴンミラーや半導体レーザ光源等、使用により発熱する部材や装置を含んでおり、光走査装置の温度（装置内部の温度）は、季節によっても異なるが、３０度程度の範囲で変動するのが一般的である。また、光源として用いられるレーザ光源の発光波長が温度変化により変動することもよく知られており、面発光型レーザ光源も例外ではない。
【０００７】
光走査装置に用いられる各種の光学素子は、光走査装置に対して設計的に設定される基準温度において所望の光学機能が実現されるように設計される。基準温度は２５℃前後に設定されるのが一般的である。
【０００８】
回折光学素子による回折角は回折格子の格子ピッチが変化すると変動し、また回折光の波長が変化した場合にも変動する。
光走査装置内に設置する回折光学素子をプラスチック材料で形成した場合、上記光走査装置の温度変動による回折光学素子の熱変形により回折格子の格子ピッチが変化して回折光の回折角が変化し、回折光を検出する光検出器から反れてしまうことが考えられる。このため、回折光学素子を「熱変形の極めて小さい光学ガラス」により形成する（特許文献２）ことが考えられるが、このように熱変形の小さい回折格子を用いても、光源における発光波長の変動に起因する回折角変化は避けられない。
【０００９】
特許文献１、２記載の発明は、このような回折格子自体の熱変形による回折角変化と、波長変化による回折角変化に対する対策を講じていない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１３３３８５
【特許文献２】特開２００７−１９９６６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、回折光学素子を用いる光走査装置において、回折光学素子に対する温度変化の影響を有効に軽減もしくは回避することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の光走査装置は「レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置」であって、以下の如き特徴を有する（請求項１）。
【００１３】
即ち、レーザ光源として「面発光型レーザ光源（ＶＣＳＥＬ）」が用いられ、回折光学素子と回折光検知用光検出器とを有する。
「回折光学素子」は、面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる。回折光学素子が、「面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる」とは、回折光学素子に入射するレーザ光束の全部が回折されるのではなく、一部は０次光として回折されること無く回折光学素子を透過し、他の部分が回折作用を受けて回折されることを意味する。
【００１４】
「回折光検知用光検出器」は、回折光学素子により回折された回折光を検出する光検出器であり、周知の各種フォトデテクタを使用できる。
【００１５】
回折光学素子はプラスチック材料により形成される。回折光学素子を形成するプラスチック材料は「光走査装置の温度変化範囲内における線膨張率：α」が、上記温度変化範囲内における「面発光型レーザ光源の発光波長の波長変化率：β」に略等しいものが選択される。「光走査装置の温度変化範囲」は、基準温度（例えば２５℃）に対して光走査装置内の温度が変化する範囲であり、およそ３０℃程度が目安となる。
【００１６】
請求項１記載の光走査装置において用いられるプラスチック材料による回折光学素子は「平行平板状のプラスチック基板の片面に表面レリーフ型の回折格子が形成されてもの」であることが好ましい（請求項２）。
【００１７】
請求項１または２記載の光走査装置において「回折光検知用光検出器により検出される回折光」は、回折光学素子による１次回折光であることが好ましい（請求項３）。このようにすると、後述するように回折光学素子の材料選択の自由度、あるいは回折光学素子に対する面発光型レーザ光源の選択の自由度が大きい。
【００１８】
１次回折光には、＋１次回折光と−１次回折光とがあり、回折光学素子へ入射するレーザ光束の入射角が０であるときは、これら１次回折光のうち「回折光検知用光検出器」のレイアウトの容易な方を検出すれば良い。上記入射角が０でない場合には、＋１次回折光と−１次回折光とで回折角が異なるので、このような場合には、一般に−１次回折光を検出するようにするのがよい。
【００１９】
請求項１〜３の任意の１に記載の光走査装置においては、回折光学素子が「光走査開始側の有効走査領域外」において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、これら分岐した光ビームの一方を光走査開始の同期検知に供することができる（請求項４）。この場合、回折光学素子により分岐した２つの光ビームの他方により「走査線の副走査方向の位置」を検出することができる（請求項５）。
【００２０】
請求項１〜５の任意の１に記載の光走査装置においてはまた、回折光学素子が「面発光型レーザ光源と光偏向手段との間において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、−１次回折光により面発光型レーザ光源の光出力を検知する」ように構成できる（請求項６）。請求項４、５のように「同期検知等」と請求項６のように「光出力の検知」とを共に行う場合には、同期検知等用の回折光学素子と、光出力検知用の回折光学素子を別個に設けることになる。
【００２１】
この発明の光走査方法は「レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査方法」であって、請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用い「回折光検知用光検出器により検出される回折光の回折角が、光走査装置の温度変化範囲内で実質的に変化しないようにして光走査を行う」ことを特徴とする（請求項７）。
【００２２】
この発明の画像形成装置は請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用いた画像形成装置であり、具体的にはデジタル複写機、各種プリンタ、デジタル複合機（マルチファンクションプリンタ）等として実施される。なお、光走査装置は一般に画像形成装置に組み込まれて使用されるのであるから、上記「光走査装置の温度変化範囲」は、画像形成装置に組み込まれた状態における光走査装置内部の温度変化範囲である。
【００２３】
ここで、図１を参照し、この発明の原理的部分を説明する。
図１（ａ）に「回折光学素子」の１形態例を示す。
回折光学素子１は、透明な平行平板の片面に「表面レリーフ型」の回折格子１Ａが形成されたものである。回折格子の断面形状は図示の如く「矩形波形状」であり、図の如く格子ピッチ：Ｐ、ライン幅：Ｌを定めると、フィルファクタ：Ｆ＝Ｌ／Ｐ＝０．５である。
【００２４】
この回折光学素子１に対して、図の如く、波長：λのレーザ光束Ｌ０を入射角：θで入射させたときの「ｍ次回折光」の回折角：θｍは、周知の回折の式に従い、
ｓｉｎθ＋ｍλ／Ｐ＝ｓｉｎθｍ （１）
で与えられる。
この式から分かるように、回折角：θｍはパラメータ：λ／Ｐに依存する。
【００２５】
前述のごとく、光走査装置や「光走査装置を用いる画像形成装置」では、使用環境温度範囲が設計上定められており、これらの装置中に回折光学素子を使用する場合には、この使用環境温度範囲内で特性を保証する必要がある。
「使用環境温度範囲」は上の説明における「光走査装置の温度変化範囲」に相当する。
【００２６】
光走査装置の温度が変化すればレーザ光の波長：λが変化し、回折光学素子１における回折格子１Ａの格子ピッチ：Ｐも変化するので、回折角：θｍも変化する。回折角：θｍが変化すると、回折光検知用光検出素子で検出すべき回折光の方向が変わり、光検出素子への入射位置が変化して検出精度が低下する。
【００２７】
発明者は、図１に示した回折光学素子１に対し、「波長を固定したレーザ光」を入射角：θで照射し、回折光学素子１のみの温度を変化させて「回折角：θｍの変化」を測定した。測定の結果は、回折光学素子１の「材質の線膨張率」により格子ピッチ：Ｐが伸縮するとしたときの計算結果と一致した。
【００２８】
即ち、ある基準温度（一般的には２５℃程度とする）における回折光学素子１の格子ピッチ：Ｐ（μｍ）、回折光学素子１の材質の線膨張率：α（１／℃）で、回折光学素子１に基準温度から温度変化：ΔＴ（℃）が生じたときの格子ピッチ：Ｐ′（μｍ）は、
Ｐ′＝Ｐ（１＋αΔＴ） （２）
となることを実験により確かめた。
【００２９】
ここで、レーザ光源として用いられる面発光型レーザ光源を、図１（ｂ）に示す１例により説明する。面発光型レーザ光源１０Ａは「単一の発光部」を有するものである。図示の如く、活性層１０ｃがクラッド層１０ａ、１０ｂに挟まれ、クラッド層１０ａの上側に高い反射率を有する反射面１０ｄが形成され、クラッド層１０ｂの下側に高い反射率を有する反射面１０ｅが形成されている。２つの反射面１０ｄ、１０ｅに挟まれた領域が基板Ｓｂに対して垂直な「ファブリーペロー共振器」となり、活性層１０ｃ内の発振領域１０ｆでレーザ発振を起こし、基板Ｓｂに垂直な方向（図２の上向き方向）にレーザ光束を放射する。勿論、これに限らず、複数のレーザ光を射出する面発光型レーザ光源として「複数の発光部をアレイ配列した面発光型レーザアレイ」を用いることもできるし、１つの発光部を持つ面発光型レーザ光源を複数個配列して光源とすることもできる。
【００３０】
上記基準温度における面発光型レーザ光源の波長：λ（μｍ）、基準温度から温度変化：ΔＴ（℃）が生じたときの波長変化：Δλ（μｍ／℃）、波長変化により変化した波長：λ′（μｍ）の間には、ΔＴが１００℃程度の範囲であれば以下の関係が成り立つ。
【００３１】
λ′＝λ＋Δλ・ΔＴ
＝λ（１＋Δλ・ΔＴ／λ）
＝λ（１＋βΔＴ） （３）
この式における「β＝Δλ／λ（１／℃）」が「波長変化率（単位波長当たりの波長の変化）」である。
【００３２】
このように、回折光学素子の材料の線膨張率：αと、面発光型レーザ光源の波長変化率：βとは、単位：１／℃が同一であるから相互に大小を比較できる。
【００３３】
式（１）に示す回折の式は、波長：λ′、格子ピッチ：Ｐ′、回折角：θ′についても成り立ち、
ｓｉｎθ＋ｍλ′／Ｐ′＝ｓｉｎθｍ′ （４）
となる。
【００３４】
式（２）、（３）の右辺を、式（４）のλ′、Ｐ′に代入すると、
ｓｉｎθ＋ｍλ（１＋βΔＴ）／Ｐ（１＋αΔＴ）＝ｓｉｎθｍ′ （５）
が得られる。この式（５）の左辺第２項において、
γ＝（１＋βΔＴ）／（１＋αΔＴ） （６）
と書けば、式（５）は、
ｓｉｎθ＋ｍγλ／Ｐ＝ｓｉｎθｍ′ （７）
となる。
【００３５】
式（７）の左辺において「γ＝１」とおけば、式（１）の左辺が得られるから、γ＝１であるとき、回折角：θｍ＝θｍ′となって、ｍ次の回折光の回折角：θｍは、温度変化：ΔＴに拘わらず変化しない。
【００３６】
γ＝１は「α＝β」と同義であるから、回折光学素子の材料として、その線膨張率：αが面発光型レーザ光源の波長変化率：βに等しいものを選べば、回折光の回折次数：ｍに関わらず、回折角：θｍは温度変化：ΔＴに影響されない。
【００３７】
このように「α＝β」とならない場合であっても、「α≒β」であれば、回折角の「温度変動に対する変化を十分に小さくすることができる。
【００３８】
実験的に知られているところによれば、発光波長：λ＝７８０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲での面発光型レーザ光源の波長変化：Δλは、基準温度を含む１００℃程度の範囲内では端面発光型レーザ光源に比して小さく、０．０５／℃（発光波長：８５０ｎｍ）〜０．０６ｎｍ／℃（発光波長：７８０ｎｍ）程度であり、これから、波長変化率：βは、
β＝５．９×１０−５〜７．７×１０−５ （８）
である。
【００３９】
一般的な光学材質として知られた「溶融石英、Ｂｋ７などの光学ガラス」、ポリカードネートなどのプラスチックの線膨張率：αは、溶融石英：５×１０−７程度、光学ガラス：７〜８×１０−６程度、プラスチック：６〜７×１０−５程度である。これらの数値から、プラスチックの線膨張率：αの範囲は、面発光型レーザの波長変化率：βの範囲と略等しく、従って、例えば、ある面発光型レーザ光源を選択したとき、その波長変化率：βと略等しい線膨張率：αを持つプラスチック材料を選択して回折光学素子を製造することにより、回折角に対する温度変化の影響を有効に軽減もしくは回避することが可能である。
【００４０】
「端面発光型レーザ光源」の場合には、波長変化：Δλは、０．２ｎｍ／℃（波長λ＝７８０ｎｍ）であることが知られており、波長変化率：β＝２．６×１０−４となるから上記光学材料のいずれとも、線膨張率：αのオーダが異なり「回折光学素子の光学材料の選択によって回折角の温度変化による変動を軽減する」ことはできない。
【００４１】
上記の如く、γ＝１、即ち、α＝βであれば、回折角：θｍは回折次数：ｍによらず温度変化の影響を受けない。しかし、α≒βであり、αとβとが同一値で無い場合には、回折角への温度変化の影響は回折次数：ｍにより異なる。
【００４２】
式（１）を（７）から引き算すると、
ｍ（γ−１）λ／Ｐ＝ｓｉｎθｍ′−ｓｉｎθｍ （８）
が得られる。使用する面発光型レーザ光源と「回折光学素子の材質」が決まれば式（６）の「γ」が決まる。このとき、回折角：θｍの変化、即ち、式（８）右辺は「回折次数：ｍに比例」する。従って、γ≠１（α≒β）であるときには、温度変化の影響による回折角の変化は回折の次数：ｍが小さいほど小さくなる。従って、請求項３のように「回折光検知用光検出器により検出される回折光」は、回折光学素子による±１次回折光であることが好ましい。このようにすることにより「回折光学素子の材料選択の自由度、あるいは回折光学素子に対する面発光型レーザ光源の選択の自由度」が大きくなる。
【００４３】
ここで、具体的な数値を上げて説明する。
図１（ａ）の回折光学素子１において、回折格子１Ａが、Ｐ＝０．７５μｍ、Ｌ＝０．３μｍ、即ち、Ｆ＝０．４の周期構造を持つ表面レリーフ型である場合を想定し、基準温度における発光波長：λ＝０．７８μｍの「面発光型レーザ光源からのレーザ光束」を、入射角：θ＝４５°で入射させるものとする。
【００４４】
このとき、−１次回折光の回折角：θ−１＝−１９．４４４°となる。
【００４５】
一方、光走査装置における「基準温度に対する使用環境温度範囲の温度変化：ΔＴ＝３０℃」とする。
回折光学素子１を形成するプラスチック材質の線膨張率：α＝７×１０−５（１／℃）とすると、温度変化：ΔＴ＝３０℃を受けた格子ピッチは「Ｐ′＝０．７５１５８μｍ」になる。
【００４６】
面発光型レーザ光源の波長変化：Δλ＝０．０５５ｎｍ／℃とすると、温度変化：ΔＴ＝３０℃を受けた面発光型レーザ光源の発光波長は「λ′＝０．７８１６５μｍ」に変化する。
従って、温度変化：ΔＴ＝３０℃が生じたときの−１次回折光の回折角：θ−１′は、θ−１′＝−１９．４４５°となり、温度変化による実質的な回折角変化を生じていない（θ−１≒θ−１′）。このとき、波長変化率：β＝Δλ／λ＝７．０５×１０−５（１／℃）となり「α≒βの関係」を満足している。
【００４７】
比較例として、上記と同形状の表面レリーフ型の回折格子を形成した「溶融石英材料による回折光学素子」に、端面発光型レーザ光源（ＬＤ）からの、波長：λ＝０．７８μｍのレーザ光束を入射させた場合を考えてみる。
溶融石英材料の線膨張率：α＝５×１０−７（１／℃）、端面発光型レーザ光源の波長変化：Δλ＝０．２ｎｍ／℃を用いると、温度変化：ΔＴ＝３０℃が生じたときの格子ピッチ：Ｐ′＝０．７５００μｍ、変化した波長：λ′＝０．７８６μｍとなり、―次回折光の回折角：θ−１′＝−１９．９３０°となり、基準温度における回折角に対して０．４８６°も変化することになる。
【００４８】
回折光学素子は振幅型と位相型に大別され、さらに位相型は屈折率変調型と表面レリーフ型に分かれる。この発明の回折光学素子は、これらの何れのものを用いることも可能であるが「プラスチック材料による回折光学素子」を振幅型で形成する場合には「濃淡の形成のためにプラスチック表面に遮光マスク等を塗る必要」があり、屈折率変調型とする場合には「屈折率変調の度合いを維持したまま、格子ピッチを変化させる必要」があるが、
請求項２のように「表面レリーフ型の回折格子」を形成する場合は「プラスチック材料の表面に直接、表面レリーフ型の回折格子形状を形成できるため、異材質や位相分布の維持といった問題がなく、プラスチックへの形状転写に優れたナノインプリント法などの適用が可能でありコスト的なメリットも大きい。
【００４９】
なお「許容される回折角変化」は、光走査装置の具体的構成（回折光学素子の使用目的や使用形態）に応じて広狭があるが、一般的な許容範囲を実現するためには、上記αとβとの差：｜α―β｜は、
｜α―β｜＜０．３×１０−５（１／℃）
であることが好ましい。
【発明の効果】
【００５０】
以上に説明したように、この発明によれば新規な光走査装置・光走査方法および画像形成装置を実現できる。この発明の光走査装置・光走査方法では、光走査装置内に配備される回折光学素子の回折角が光走査装置の温度範囲内において、温度変化の影響を実質的に受けないので、回折光学素子の光学機能を温度変化によらず適正に維持しつつ光走査を実行でき、従って、この発明の画像形成装置では良好な画像形成を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、実施の形態を説明する。
【００５２】
図２は、光走査装置の実施の１形態を示している。
【００５３】
図２に示す光走査装置は、面発光型レーザ光源２０、整形光学系２４、光偏向手段２５、走査結像光学系２８、光ビーム検出手段３１を有する。整形光学系２４は、カップリングレンズ２１とアパーチャ２２とシリンドリカルレンズ２３を有し、走査結像光学系２８は２枚のレンズ２６、２７により構成されている。また、光ビーム検出手段３１は分離光学系２９と光検出器３０を有する。また、図示されない処理装置等を備えている。光偏向手段２５はポリゴンミラーである。
【００５４】
面発光型レーザ光源２０は、シングルビーム光源であることもマルチビーム光源としての面発光型レーザレイ（ＶＣＳＥＬアレイ）であることもできる。
カップリングレンズ２１は、この例においては、面発光型レーザ光源２０から放射されたレーザ光束を略平行光束に整形するが、これに限らず「弱い発散性」あるいは「弱い収束性」の光束に整形するようにしてもよい。
【００５５】
アパーチャ２２によって一部を遮光されたレーザ光束はシリンドリカルレンズ２３により副走査方向に収束され、光偏向手段２５の偏向反射面近傍に「主走査方向に長い線像」として集光する。
【００５６】
光偏向手段２５が回転駆動されると、レーザ光束は偏向走査され、２枚のレンズ２６、２７による走査結像光学系２８により被走査面３２上に光スポットを形成し、被走査面３２を光走査する。
【００５７】
走査結像光学系２８を透過したレーザ光束は「主走査方向の有効走査領域外」において、光ビーム検出手段３１に入射し「ビーム位置」を検出される。
【００５８】
光ビーム検出手段３１では、主走査方向のビーム位置を検出して「書き込み開始のタイミング」を調整する同期検知を行うほか、副走査方向のビーム位置を検出して「副走査方向における走査線位置」の検出を行う。
【００５９】
図３（ａ）に光ビーム検出手段３１の構成例を示す。
走査結像光学系２８を介して主走査方向の有効走査領域外に向かうレーザ光束は「表面レリーフ型の回折格子」を有するプラスチック製の回折光学素子３３に入射し、副走査方向（図３の上下方向）において２つの光ビームＣ１、Ｃ２に分離される。
光ビームＣ１は回折光学素子３３による「−１次回折光」であり、光ビームＣ２は回折されない「０次透過光」である。これら光ビームＣ１、Ｃ２は、副走査方向に離れて配置された２つの光検出器３４−１、３４−２によって各々検出される。
【００６０】
図３（ｂ）に光検出器３４−１、３４−２の配置例を示す。
光検出器３４−１、３４−２は、図のごとく副走査方向（図の上下方向）に離されて配置される。光検出器３４−１、３４−２はそれぞれ、光ビームの光強度を光電変換する受光部３５−１、３５−２を備えている。２つの光検出器３４−１、３４−２は素子として同一のものであるが「配置の向き」が互いに異なる。
【００６１】
光検出器３４−２は０次透過光である光ビームＣ２によって「同期検知を行う」ものであり、光検出器３４−１は−１次回折光である光ビームＣ１によって「走査線の副走査方向の位置」の検出を行うものである。
【００６２】
図３（ａ）において回折光学素子３３により回折された光ビームＣ１（−１次回折光）は、回折光学素子３３に入射するレーザ光束の入射位置が副走査方向に変化すると、光検出器３４−１の「受光部３５−１を横切る位置」が副走査方向（図３（ｂ）における上下方向）に変化する。受光部３５−１は副走査方向に対して傾いているので、光ビームＣ１が受光部３５−１を横切る「副走査方向の位置の変化」に応じて、受光部３５−１が光ビームＣ１を検出する時刻が変化する。
【００６３】
一方、０次透過光である光ビームＣ２により同期検知を行っている光検出器３４−２では、受光部３５−２は「副走査方向に平行」に配置されているので、光ビームＣ２を検出される時刻は、光ビームＣ２が受光部３５−２を横切る位置が副走査方向に変化しても変化しない。従って、受光部３５−１、３５−２で検出される時刻の差分により「変更されたレーザ光束の副走査方向の位置変化」を検知できる。
【００６４】
図２の実施の形態の光走査装置において用いられる回折光学素子３３は「線膨張率：αが、面発光型レーザ光源２０の波長変化率：βと略等しいプラスチック材料」で形成されており、従って、光走査装置の温度変化が生じても、回折角の変動が極めて小さく押さえられ、上記「走査線の副走査方向の位置」の検出を常に精度よく行うことができる。
【００６５】
光走査装置の実施の別形態を図４に示す。
この光走査装置は、面発光型レーザ光源１０と、カップリングレンズ１１と、アパーチャ１２と、シリンドリカルレンズ１３と、光偏向手段１４と、２つのレンズにより構成される走査結像光学系１６と、同期検知用光検出器１７と、反射ミラー１８と、導光光学系１９と、回折光検知用光検出器２０Ａと、回折光学素子２１Ａと、図示されない処理装置等を有する。
【００６６】
面発光型レーザ光源１０から放射される「発散性のレーザ光束」は、カップリングレンズ１１により所望の集束性光束もしくは発散性光束あるいは平行光束に変換される。ここでは説明の具体性のため、カップリングレンズ１１がレーザ光を「略平行光束」に変換するものとして説明する。
【００６７】
カップリングレンズ１１によって略平行光束となったレーザ光束は、アパーチャ１２を通過して光束周辺部を遮光され、シリンドリカルレンズ１３により光偏向手段（ポリゴンミラー）１４の偏向反射面１５の近傍に「主走査方向に細長い線像」として集光し、光偏向手段１４の回転により等角速度的に偏向され、２枚のレンズで構成される走査結像光学系１６により被走査面３２に光スポットを形成し、被走査面３２を光走査する。
【００６８】
光走査の主走査方向における有効画像領域外には「同期検知」のための光検出器１７が配置され、偏向されるレーザ光束は反射ミラー１８により反射されて光検出器１７へ導かれる。
【００６９】
カップリングレンズ１１と光偏向手段１４の間の光路上に、レーザ光束を分岐させるための回折光学素子２１Ａが配置され、回折光学素子２１Ａに入射するレーザ光束の一部は回折される。回折光学素子２１Ａにより回折されない０次透過光はシリンドリカルレンズ１３に入射するが、−１次回折光は導光光学系１９により回折光検知用光検出器２０Ａへと導光され光強度を検出される。なお、導光光学系１９は省略することもできる。
【００７０】
図４の実施の形態では、回折光学素子２１Ａは、カップリングレンズ１１より光偏向手段１４側に配置される。このような構成により、回折光学素子２１Ａの取り付けが容易である。
【００７１】
回折光学素子２１はアパーチャ１２よりも光偏向手段１４側に配置されている。面発光型レーザ光源１０の駆動電流変化に伴う「放射レーザ光束の発散角変化」が大きい場合にも、このような配置により、放射レーザ光束の発散角が変化してもアパーチャ１２を通過するレーザ光束の大きさは変わらないので、発散角変化の影響を低減して回折光検出を行うことができる。
【００７２】
回折光学素子２１Ａは、面発光型レーザ光源１０の波長変化率：βに略等しい熱膨張率：αを有するプラスチック材料による平行平板の片面に表面レリーフ型の回折格子を形成されている。この回折格子に入射したレーザ光束は、回折格子の形状やサイズを適宜に設計することにより「その大部分が０次透過光として透過」し、一部が回折されて−１次回折光として透過し「０次透過光と所定角度を持って分岐」する。
【００７３】
この−１次回折光を回折光検知用光検出器２０Ａへ導光して光強度を検知することにより、面発光型レーザ光源１０の光出力を検知できる。従って、回折光検知用光検出器２０Ａの検知信号が一定になるように、光源駆動手段の駆動電圧をリアルタイムにフィードバック制御することにより（ＡＰＣ制御）、面発光型レーザ光源１０の光出力を安定化することができる。
【００７４】
このように、面発光型レーザ光源１０とプラスチック製の回折光学素子２１Ａとを組み合わせることにより、光走査装置の温度が変化しても、回折光学素子２１Ａによる−１次回折光の回折角の変化を極めて小さく抑えることができ、回折光検知用光検出器２０Ａに適正に導光することができる。
【００７５】
図５は、画像形成装置の実施の１形態であるレーザプリンタを示す。
レーザプリンタ１００は、光走査装置９００、感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写ローラ９１１、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、排紙トレイ９１０等を有する。
【００７６】
帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写ローラ９１１、クリーニング装置のクリーニングブレード９０５はそれぞれ、感光体ドラム９０１の表面に近接もしくは接触して配置され、感光体ドラム９０１の回転方向（矢印方向）に上記順序に配置されている。
【００７７】
感光体ドラム９０１は光導電性のものである。
感光体ドラム９０１を時計回りに等速回転させつつ、帯電チャージャ９０２により感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させ、光走査装置９００による光走査を行って画像書込みを行い「静電線像」を形成する。光走査装置９００による画像書込みは「パソコン等の上位装置からの画像情報に基づいてレーザ光束を変調して光走査する」ことにより行われる。
【００７８】
上記の如く形成された静電線像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って現像部へ移動し、現像ローラ９０３による現像を受けて可視像化される。現像ローラ９０３にはトナーカートリッジ９０４に格納されたトナーが供給される。トナーカートリッジ９０４内のトナー量は、電源投入時や印刷終了時などにチェックされ、残量が少ないときには不図示の表示部に「交換を促すメッセージ」が表示される。
【００７９】
現像により可視像として形成されたトナー画像は、記録媒体としての記録紙上に転写・定着される。記録紙９１３は給紙トレイ９０６に格納され、給紙コロ９０７により給紙トレイ９０６から１枚づつ給紙される。給紙された記録紙９１３はその先端部がレジストローラ対９０８に一旦保持される。レジストローラ対９０８は、保持した記録紙９１３を、トナー画像の移動にタイミングを取って、感光体ドラム９０１と転写ローラ９１１との当接部へ向けて送り出す。
【００８０】
転写ローラ９１１には転写電圧が印加され、トナー画像を感光体ドラム９０１の表面上から記録紙９１３に静電的に転写する。トナー画像を転写された記録紙９１３は、定着ローラ９０９によりトナー画像を定着された後、排紙ローラ９１２により排紙トレイ９１０に排出され、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。
【００８１】
トナー画像の転写後、感光体ドラム９０１の表面に残留している残留トナーは、クリーニングブレード９０５により感光体ドラム表面から除去され、図示されないリサイクル機構により再利用されるようになっている。
【００８２】
光走査装置９００は、先に、図２、図３、図４に即して実施の形態を説明した如きものであり、回折光学素子を用いられ、光源として面発光型レーザ光源が用いられ、回折光学素子のプラスチック材料は、素の線膨張率：αが面発光型レーザ光源の波長変化率：βに近いものが用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】回折光学素子と面発光型レーザ光源を説明するための図である。
【図２】光走査装置の実施の１形態を説明するための図である。
【図３】図３の実施の形態における光ビームの検出を説明するための図である。
【図４】光走査装置の実施の他の形態を説明するための図である。
【図５】画像形成装置の実施の１形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 回折光学素子
１０Ａ 面発光型レーザ光源
【技術分野】
【０００１】
この発明は光走査装置および光走査方法および画像形成装置に関する。画像形成装置はデジタル複写機、各種プリンタ、デジタル複合機などとして実施できる。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置や光走査方法は、デジタル複写機、各種プリンタ、デジタル複合機（マルチファンクションプリンタ）等の画像形成装置に関連して従来から広く知られている。
【０００３】
光走査装置のレーザ光源として従来は、端面発光型の半導体レーザ（端面発光型レーザ光源）が主流であったが、近来、面発光型レーザ光源「ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」が実用化されて光走査装置用光源として期待されている。即ち、例えば、面発光型レーザ光源は端面発光型レーザ光源に比して「発光部のアレイ化が容易」である。従来から知られた端面発光型の半導体レーザアレイでは、発光部のアレイ配列は４〜８個程度が限界であるが、面発光型レーザ光源では、発光部を１６〜３２さらにはそれ以上のアレイ配列が可能であり、特に「マルチビーム光走査装置の光源」としての期待が高い。
【０００４】
光走査装置にはまた、回折光学素子が用いられることが多い。例えば、光偏向手段により偏向するレーザ光束を光走査開始側の有効走査領域外で検出し、光書き込み開始の同期制御に用いることは従来から広く行われているが、上記レーザ光束を回折光学素子により０次光と１次回折光の２本の光ビームに分岐し、１本の光ビームを検知して上記書き込みの同期制御に供するとともに、他方の光ビームにより「走査線の副走査方向の位置」を検出することも提案されている。
【０００５】
このように、光走査装置内に「光学素子の一つとして回折光学素子を用いる」ことは従来から行われているが、面発光型レーザ光源と回折光学素子とを有する光走査装置としては、特許文献１、２に記載のものが知られている。
【０００６】
ところで、光走査装置は、光偏向手段として用いられるポリゴンミラーや半導体レーザ光源等、使用により発熱する部材や装置を含んでおり、光走査装置の温度（装置内部の温度）は、季節によっても異なるが、３０度程度の範囲で変動するのが一般的である。また、光源として用いられるレーザ光源の発光波長が温度変化により変動することもよく知られており、面発光型レーザ光源も例外ではない。
【０００７】
光走査装置に用いられる各種の光学素子は、光走査装置に対して設計的に設定される基準温度において所望の光学機能が実現されるように設計される。基準温度は２５℃前後に設定されるのが一般的である。
【０００８】
回折光学素子による回折角は回折格子の格子ピッチが変化すると変動し、また回折光の波長が変化した場合にも変動する。
光走査装置内に設置する回折光学素子をプラスチック材料で形成した場合、上記光走査装置の温度変動による回折光学素子の熱変形により回折格子の格子ピッチが変化して回折光の回折角が変化し、回折光を検出する光検出器から反れてしまうことが考えられる。このため、回折光学素子を「熱変形の極めて小さい光学ガラス」により形成する（特許文献２）ことが考えられるが、このように熱変形の小さい回折格子を用いても、光源における発光波長の変動に起因する回折角変化は避けられない。
【０００９】
特許文献１、２記載の発明は、このような回折格子自体の熱変形による回折角変化と、波長変化による回折角変化に対する対策を講じていない。
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１３３３８５
【特許文献２】特開２００７−１９９６６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、回折光学素子を用いる光走査装置において、回折光学素子に対する温度変化の影響を有効に軽減もしくは回避することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の光走査装置は「レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置」であって、以下の如き特徴を有する（請求項１）。
【００１３】
即ち、レーザ光源として「面発光型レーザ光源（ＶＣＳＥＬ）」が用いられ、回折光学素子と回折光検知用光検出器とを有する。
「回折光学素子」は、面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる。回折光学素子が、「面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる」とは、回折光学素子に入射するレーザ光束の全部が回折されるのではなく、一部は０次光として回折されること無く回折光学素子を透過し、他の部分が回折作用を受けて回折されることを意味する。
【００１４】
「回折光検知用光検出器」は、回折光学素子により回折された回折光を検出する光検出器であり、周知の各種フォトデテクタを使用できる。
【００１５】
回折光学素子はプラスチック材料により形成される。回折光学素子を形成するプラスチック材料は「光走査装置の温度変化範囲内における線膨張率：α」が、上記温度変化範囲内における「面発光型レーザ光源の発光波長の波長変化率：β」に略等しいものが選択される。「光走査装置の温度変化範囲」は、基準温度（例えば２５℃）に対して光走査装置内の温度が変化する範囲であり、およそ３０℃程度が目安となる。
【００１６】
請求項１記載の光走査装置において用いられるプラスチック材料による回折光学素子は「平行平板状のプラスチック基板の片面に表面レリーフ型の回折格子が形成されてもの」であることが好ましい（請求項２）。
【００１７】
請求項１または２記載の光走査装置において「回折光検知用光検出器により検出される回折光」は、回折光学素子による１次回折光であることが好ましい（請求項３）。このようにすると、後述するように回折光学素子の材料選択の自由度、あるいは回折光学素子に対する面発光型レーザ光源の選択の自由度が大きい。
【００１８】
１次回折光には、＋１次回折光と−１次回折光とがあり、回折光学素子へ入射するレーザ光束の入射角が０であるときは、これら１次回折光のうち「回折光検知用光検出器」のレイアウトの容易な方を検出すれば良い。上記入射角が０でない場合には、＋１次回折光と−１次回折光とで回折角が異なるので、このような場合には、一般に−１次回折光を検出するようにするのがよい。
【００１９】
請求項１〜３の任意の１に記載の光走査装置においては、回折光学素子が「光走査開始側の有効走査領域外」において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、これら分岐した光ビームの一方を光走査開始の同期検知に供することができる（請求項４）。この場合、回折光学素子により分岐した２つの光ビームの他方により「走査線の副走査方向の位置」を検出することができる（請求項５）。
【００２０】
請求項１〜５の任意の１に記載の光走査装置においてはまた、回折光学素子が「面発光型レーザ光源と光偏向手段との間において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、−１次回折光により面発光型レーザ光源の光出力を検知する」ように構成できる（請求項６）。請求項４、５のように「同期検知等」と請求項６のように「光出力の検知」とを共に行う場合には、同期検知等用の回折光学素子と、光出力検知用の回折光学素子を別個に設けることになる。
【００２１】
この発明の光走査方法は「レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査方法」であって、請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用い「回折光検知用光検出器により検出される回折光の回折角が、光走査装置の温度変化範囲内で実質的に変化しないようにして光走査を行う」ことを特徴とする（請求項７）。
【００２２】
この発明の画像形成装置は請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用いた画像形成装置であり、具体的にはデジタル複写機、各種プリンタ、デジタル複合機（マルチファンクションプリンタ）等として実施される。なお、光走査装置は一般に画像形成装置に組み込まれて使用されるのであるから、上記「光走査装置の温度変化範囲」は、画像形成装置に組み込まれた状態における光走査装置内部の温度変化範囲である。
【００２３】
ここで、図１を参照し、この発明の原理的部分を説明する。
図１（ａ）に「回折光学素子」の１形態例を示す。
回折光学素子１は、透明な平行平板の片面に「表面レリーフ型」の回折格子１Ａが形成されたものである。回折格子の断面形状は図示の如く「矩形波形状」であり、図の如く格子ピッチ：Ｐ、ライン幅：Ｌを定めると、フィルファクタ：Ｆ＝Ｌ／Ｐ＝０．５である。
【００２４】
この回折光学素子１に対して、図の如く、波長：λのレーザ光束Ｌ０を入射角：θで入射させたときの「ｍ次回折光」の回折角：θｍは、周知の回折の式に従い、
ｓｉｎθ＋ｍλ／Ｐ＝ｓｉｎθｍ （１）
で与えられる。
この式から分かるように、回折角：θｍはパラメータ：λ／Ｐに依存する。
【００２５】
前述のごとく、光走査装置や「光走査装置を用いる画像形成装置」では、使用環境温度範囲が設計上定められており、これらの装置中に回折光学素子を使用する場合には、この使用環境温度範囲内で特性を保証する必要がある。
「使用環境温度範囲」は上の説明における「光走査装置の温度変化範囲」に相当する。
【００２６】
光走査装置の温度が変化すればレーザ光の波長：λが変化し、回折光学素子１における回折格子１Ａの格子ピッチ：Ｐも変化するので、回折角：θｍも変化する。回折角：θｍが変化すると、回折光検知用光検出素子で検出すべき回折光の方向が変わり、光検出素子への入射位置が変化して検出精度が低下する。
【００２７】
発明者は、図１に示した回折光学素子１に対し、「波長を固定したレーザ光」を入射角：θで照射し、回折光学素子１のみの温度を変化させて「回折角：θｍの変化」を測定した。測定の結果は、回折光学素子１の「材質の線膨張率」により格子ピッチ：Ｐが伸縮するとしたときの計算結果と一致した。
【００２８】
即ち、ある基準温度（一般的には２５℃程度とする）における回折光学素子１の格子ピッチ：Ｐ（μｍ）、回折光学素子１の材質の線膨張率：α（１／℃）で、回折光学素子１に基準温度から温度変化：ΔＴ（℃）が生じたときの格子ピッチ：Ｐ′（μｍ）は、
Ｐ′＝Ｐ（１＋αΔＴ） （２）
となることを実験により確かめた。
【００２９】
ここで、レーザ光源として用いられる面発光型レーザ光源を、図１（ｂ）に示す１例により説明する。面発光型レーザ光源１０Ａは「単一の発光部」を有するものである。図示の如く、活性層１０ｃがクラッド層１０ａ、１０ｂに挟まれ、クラッド層１０ａの上側に高い反射率を有する反射面１０ｄが形成され、クラッド層１０ｂの下側に高い反射率を有する反射面１０ｅが形成されている。２つの反射面１０ｄ、１０ｅに挟まれた領域が基板Ｓｂに対して垂直な「ファブリーペロー共振器」となり、活性層１０ｃ内の発振領域１０ｆでレーザ発振を起こし、基板Ｓｂに垂直な方向（図２の上向き方向）にレーザ光束を放射する。勿論、これに限らず、複数のレーザ光を射出する面発光型レーザ光源として「複数の発光部をアレイ配列した面発光型レーザアレイ」を用いることもできるし、１つの発光部を持つ面発光型レーザ光源を複数個配列して光源とすることもできる。
【００３０】
上記基準温度における面発光型レーザ光源の波長：λ（μｍ）、基準温度から温度変化：ΔＴ（℃）が生じたときの波長変化：Δλ（μｍ／℃）、波長変化により変化した波長：λ′（μｍ）の間には、ΔＴが１００℃程度の範囲であれば以下の関係が成り立つ。
【００３１】
λ′＝λ＋Δλ・ΔＴ
＝λ（１＋Δλ・ΔＴ／λ）
＝λ（１＋βΔＴ） （３）
この式における「β＝Δλ／λ（１／℃）」が「波長変化率（単位波長当たりの波長の変化）」である。
【００３２】
このように、回折光学素子の材料の線膨張率：αと、面発光型レーザ光源の波長変化率：βとは、単位：１／℃が同一であるから相互に大小を比較できる。
【００３３】
式（１）に示す回折の式は、波長：λ′、格子ピッチ：Ｐ′、回折角：θ′についても成り立ち、
ｓｉｎθ＋ｍλ′／Ｐ′＝ｓｉｎθｍ′ （４）
となる。
【００３４】
式（２）、（３）の右辺を、式（４）のλ′、Ｐ′に代入すると、
ｓｉｎθ＋ｍλ（１＋βΔＴ）／Ｐ（１＋αΔＴ）＝ｓｉｎθｍ′ （５）
が得られる。この式（５）の左辺第２項において、
γ＝（１＋βΔＴ）／（１＋αΔＴ） （６）
と書けば、式（５）は、
ｓｉｎθ＋ｍγλ／Ｐ＝ｓｉｎθｍ′ （７）
となる。
【００３５】
式（７）の左辺において「γ＝１」とおけば、式（１）の左辺が得られるから、γ＝１であるとき、回折角：θｍ＝θｍ′となって、ｍ次の回折光の回折角：θｍは、温度変化：ΔＴに拘わらず変化しない。
【００３６】
γ＝１は「α＝β」と同義であるから、回折光学素子の材料として、その線膨張率：αが面発光型レーザ光源の波長変化率：βに等しいものを選べば、回折光の回折次数：ｍに関わらず、回折角：θｍは温度変化：ΔＴに影響されない。
【００３７】
このように「α＝β」とならない場合であっても、「α≒β」であれば、回折角の「温度変動に対する変化を十分に小さくすることができる。
【００３８】
実験的に知られているところによれば、発光波長：λ＝７８０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲での面発光型レーザ光源の波長変化：Δλは、基準温度を含む１００℃程度の範囲内では端面発光型レーザ光源に比して小さく、０．０５／℃（発光波長：８５０ｎｍ）〜０．０６ｎｍ／℃（発光波長：７８０ｎｍ）程度であり、これから、波長変化率：βは、
β＝５．９×１０−５〜７．７×１０−５ （８）
である。
【００３９】
一般的な光学材質として知られた「溶融石英、Ｂｋ７などの光学ガラス」、ポリカードネートなどのプラスチックの線膨張率：αは、溶融石英：５×１０−７程度、光学ガラス：７〜８×１０−６程度、プラスチック：６〜７×１０−５程度である。これらの数値から、プラスチックの線膨張率：αの範囲は、面発光型レーザの波長変化率：βの範囲と略等しく、従って、例えば、ある面発光型レーザ光源を選択したとき、その波長変化率：βと略等しい線膨張率：αを持つプラスチック材料を選択して回折光学素子を製造することにより、回折角に対する温度変化の影響を有効に軽減もしくは回避することが可能である。
【００４０】
「端面発光型レーザ光源」の場合には、波長変化：Δλは、０．２ｎｍ／℃（波長λ＝７８０ｎｍ）であることが知られており、波長変化率：β＝２．６×１０−４となるから上記光学材料のいずれとも、線膨張率：αのオーダが異なり「回折光学素子の光学材料の選択によって回折角の温度変化による変動を軽減する」ことはできない。
【００４１】
上記の如く、γ＝１、即ち、α＝βであれば、回折角：θｍは回折次数：ｍによらず温度変化の影響を受けない。しかし、α≒βであり、αとβとが同一値で無い場合には、回折角への温度変化の影響は回折次数：ｍにより異なる。
【００４２】
式（１）を（７）から引き算すると、
ｍ（γ−１）λ／Ｐ＝ｓｉｎθｍ′−ｓｉｎθｍ （８）
が得られる。使用する面発光型レーザ光源と「回折光学素子の材質」が決まれば式（６）の「γ」が決まる。このとき、回折角：θｍの変化、即ち、式（８）右辺は「回折次数：ｍに比例」する。従って、γ≠１（α≒β）であるときには、温度変化の影響による回折角の変化は回折の次数：ｍが小さいほど小さくなる。従って、請求項３のように「回折光検知用光検出器により検出される回折光」は、回折光学素子による±１次回折光であることが好ましい。このようにすることにより「回折光学素子の材料選択の自由度、あるいは回折光学素子に対する面発光型レーザ光源の選択の自由度」が大きくなる。
【００４３】
ここで、具体的な数値を上げて説明する。
図１（ａ）の回折光学素子１において、回折格子１Ａが、Ｐ＝０．７５μｍ、Ｌ＝０．３μｍ、即ち、Ｆ＝０．４の周期構造を持つ表面レリーフ型である場合を想定し、基準温度における発光波長：λ＝０．７８μｍの「面発光型レーザ光源からのレーザ光束」を、入射角：θ＝４５°で入射させるものとする。
【００４４】
このとき、−１次回折光の回折角：θ−１＝−１９．４４４°となる。
【００４５】
一方、光走査装置における「基準温度に対する使用環境温度範囲の温度変化：ΔＴ＝３０℃」とする。
回折光学素子１を形成するプラスチック材質の線膨張率：α＝７×１０−５（１／℃）とすると、温度変化：ΔＴ＝３０℃を受けた格子ピッチは「Ｐ′＝０．７５１５８μｍ」になる。
【００４６】
面発光型レーザ光源の波長変化：Δλ＝０．０５５ｎｍ／℃とすると、温度変化：ΔＴ＝３０℃を受けた面発光型レーザ光源の発光波長は「λ′＝０．７８１６５μｍ」に変化する。
従って、温度変化：ΔＴ＝３０℃が生じたときの−１次回折光の回折角：θ−１′は、θ−１′＝−１９．４４５°となり、温度変化による実質的な回折角変化を生じていない（θ−１≒θ−１′）。このとき、波長変化率：β＝Δλ／λ＝７．０５×１０−５（１／℃）となり「α≒βの関係」を満足している。
【００４７】
比較例として、上記と同形状の表面レリーフ型の回折格子を形成した「溶融石英材料による回折光学素子」に、端面発光型レーザ光源（ＬＤ）からの、波長：λ＝０．７８μｍのレーザ光束を入射させた場合を考えてみる。
溶融石英材料の線膨張率：α＝５×１０−７（１／℃）、端面発光型レーザ光源の波長変化：Δλ＝０．２ｎｍ／℃を用いると、温度変化：ΔＴ＝３０℃が生じたときの格子ピッチ：Ｐ′＝０．７５００μｍ、変化した波長：λ′＝０．７８６μｍとなり、―次回折光の回折角：θ−１′＝−１９．９３０°となり、基準温度における回折角に対して０．４８６°も変化することになる。
【００４８】
回折光学素子は振幅型と位相型に大別され、さらに位相型は屈折率変調型と表面レリーフ型に分かれる。この発明の回折光学素子は、これらの何れのものを用いることも可能であるが「プラスチック材料による回折光学素子」を振幅型で形成する場合には「濃淡の形成のためにプラスチック表面に遮光マスク等を塗る必要」があり、屈折率変調型とする場合には「屈折率変調の度合いを維持したまま、格子ピッチを変化させる必要」があるが、
請求項２のように「表面レリーフ型の回折格子」を形成する場合は「プラスチック材料の表面に直接、表面レリーフ型の回折格子形状を形成できるため、異材質や位相分布の維持といった問題がなく、プラスチックへの形状転写に優れたナノインプリント法などの適用が可能でありコスト的なメリットも大きい。
【００４９】
なお「許容される回折角変化」は、光走査装置の具体的構成（回折光学素子の使用目的や使用形態）に応じて広狭があるが、一般的な許容範囲を実現するためには、上記αとβとの差：｜α―β｜は、
｜α―β｜＜０．３×１０−５（１／℃）
であることが好ましい。
【発明の効果】
【００５０】
以上に説明したように、この発明によれば新規な光走査装置・光走査方法および画像形成装置を実現できる。この発明の光走査装置・光走査方法では、光走査装置内に配備される回折光学素子の回折角が光走査装置の温度範囲内において、温度変化の影響を実質的に受けないので、回折光学素子の光学機能を温度変化によらず適正に維持しつつ光走査を実行でき、従って、この発明の画像形成装置では良好な画像形成を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、実施の形態を説明する。
【００５２】
図２は、光走査装置の実施の１形態を示している。
【００５３】
図２に示す光走査装置は、面発光型レーザ光源２０、整形光学系２４、光偏向手段２５、走査結像光学系２８、光ビーム検出手段３１を有する。整形光学系２４は、カップリングレンズ２１とアパーチャ２２とシリンドリカルレンズ２３を有し、走査結像光学系２８は２枚のレンズ２６、２７により構成されている。また、光ビーム検出手段３１は分離光学系２９と光検出器３０を有する。また、図示されない処理装置等を備えている。光偏向手段２５はポリゴンミラーである。
【００５４】
面発光型レーザ光源２０は、シングルビーム光源であることもマルチビーム光源としての面発光型レーザレイ（ＶＣＳＥＬアレイ）であることもできる。
カップリングレンズ２１は、この例においては、面発光型レーザ光源２０から放射されたレーザ光束を略平行光束に整形するが、これに限らず「弱い発散性」あるいは「弱い収束性」の光束に整形するようにしてもよい。
【００５５】
アパーチャ２２によって一部を遮光されたレーザ光束はシリンドリカルレンズ２３により副走査方向に収束され、光偏向手段２５の偏向反射面近傍に「主走査方向に長い線像」として集光する。
【００５６】
光偏向手段２５が回転駆動されると、レーザ光束は偏向走査され、２枚のレンズ２６、２７による走査結像光学系２８により被走査面３２上に光スポットを形成し、被走査面３２を光走査する。
【００５７】
走査結像光学系２８を透過したレーザ光束は「主走査方向の有効走査領域外」において、光ビーム検出手段３１に入射し「ビーム位置」を検出される。
【００５８】
光ビーム検出手段３１では、主走査方向のビーム位置を検出して「書き込み開始のタイミング」を調整する同期検知を行うほか、副走査方向のビーム位置を検出して「副走査方向における走査線位置」の検出を行う。
【００５９】
図３（ａ）に光ビーム検出手段３１の構成例を示す。
走査結像光学系２８を介して主走査方向の有効走査領域外に向かうレーザ光束は「表面レリーフ型の回折格子」を有するプラスチック製の回折光学素子３３に入射し、副走査方向（図３の上下方向）において２つの光ビームＣ１、Ｃ２に分離される。
光ビームＣ１は回折光学素子３３による「−１次回折光」であり、光ビームＣ２は回折されない「０次透過光」である。これら光ビームＣ１、Ｃ２は、副走査方向に離れて配置された２つの光検出器３４−１、３４−２によって各々検出される。
【００６０】
図３（ｂ）に光検出器３４−１、３４−２の配置例を示す。
光検出器３４−１、３４−２は、図のごとく副走査方向（図の上下方向）に離されて配置される。光検出器３４−１、３４−２はそれぞれ、光ビームの光強度を光電変換する受光部３５−１、３５−２を備えている。２つの光検出器３４−１、３４−２は素子として同一のものであるが「配置の向き」が互いに異なる。
【００６１】
光検出器３４−２は０次透過光である光ビームＣ２によって「同期検知を行う」ものであり、光検出器３４−１は−１次回折光である光ビームＣ１によって「走査線の副走査方向の位置」の検出を行うものである。
【００６２】
図３（ａ）において回折光学素子３３により回折された光ビームＣ１（−１次回折光）は、回折光学素子３３に入射するレーザ光束の入射位置が副走査方向に変化すると、光検出器３４−１の「受光部３５−１を横切る位置」が副走査方向（図３（ｂ）における上下方向）に変化する。受光部３５−１は副走査方向に対して傾いているので、光ビームＣ１が受光部３５−１を横切る「副走査方向の位置の変化」に応じて、受光部３５−１が光ビームＣ１を検出する時刻が変化する。
【００６３】
一方、０次透過光である光ビームＣ２により同期検知を行っている光検出器３４−２では、受光部３５−２は「副走査方向に平行」に配置されているので、光ビームＣ２を検出される時刻は、光ビームＣ２が受光部３５−２を横切る位置が副走査方向に変化しても変化しない。従って、受光部３５−１、３５−２で検出される時刻の差分により「変更されたレーザ光束の副走査方向の位置変化」を検知できる。
【００６４】
図２の実施の形態の光走査装置において用いられる回折光学素子３３は「線膨張率：αが、面発光型レーザ光源２０の波長変化率：βと略等しいプラスチック材料」で形成されており、従って、光走査装置の温度変化が生じても、回折角の変動が極めて小さく押さえられ、上記「走査線の副走査方向の位置」の検出を常に精度よく行うことができる。
【００６５】
光走査装置の実施の別形態を図４に示す。
この光走査装置は、面発光型レーザ光源１０と、カップリングレンズ１１と、アパーチャ１２と、シリンドリカルレンズ１３と、光偏向手段１４と、２つのレンズにより構成される走査結像光学系１６と、同期検知用光検出器１７と、反射ミラー１８と、導光光学系１９と、回折光検知用光検出器２０Ａと、回折光学素子２１Ａと、図示されない処理装置等を有する。
【００６６】
面発光型レーザ光源１０から放射される「発散性のレーザ光束」は、カップリングレンズ１１により所望の集束性光束もしくは発散性光束あるいは平行光束に変換される。ここでは説明の具体性のため、カップリングレンズ１１がレーザ光を「略平行光束」に変換するものとして説明する。
【００６７】
カップリングレンズ１１によって略平行光束となったレーザ光束は、アパーチャ１２を通過して光束周辺部を遮光され、シリンドリカルレンズ１３により光偏向手段（ポリゴンミラー）１４の偏向反射面１５の近傍に「主走査方向に細長い線像」として集光し、光偏向手段１４の回転により等角速度的に偏向され、２枚のレンズで構成される走査結像光学系１６により被走査面３２に光スポットを形成し、被走査面３２を光走査する。
【００６８】
光走査の主走査方向における有効画像領域外には「同期検知」のための光検出器１７が配置され、偏向されるレーザ光束は反射ミラー１８により反射されて光検出器１７へ導かれる。
【００６９】
カップリングレンズ１１と光偏向手段１４の間の光路上に、レーザ光束を分岐させるための回折光学素子２１Ａが配置され、回折光学素子２１Ａに入射するレーザ光束の一部は回折される。回折光学素子２１Ａにより回折されない０次透過光はシリンドリカルレンズ１３に入射するが、−１次回折光は導光光学系１９により回折光検知用光検出器２０Ａへと導光され光強度を検出される。なお、導光光学系１９は省略することもできる。
【００７０】
図４の実施の形態では、回折光学素子２１Ａは、カップリングレンズ１１より光偏向手段１４側に配置される。このような構成により、回折光学素子２１Ａの取り付けが容易である。
【００７１】
回折光学素子２１はアパーチャ１２よりも光偏向手段１４側に配置されている。面発光型レーザ光源１０の駆動電流変化に伴う「放射レーザ光束の発散角変化」が大きい場合にも、このような配置により、放射レーザ光束の発散角が変化してもアパーチャ１２を通過するレーザ光束の大きさは変わらないので、発散角変化の影響を低減して回折光検出を行うことができる。
【００７２】
回折光学素子２１Ａは、面発光型レーザ光源１０の波長変化率：βに略等しい熱膨張率：αを有するプラスチック材料による平行平板の片面に表面レリーフ型の回折格子を形成されている。この回折格子に入射したレーザ光束は、回折格子の形状やサイズを適宜に設計することにより「その大部分が０次透過光として透過」し、一部が回折されて−１次回折光として透過し「０次透過光と所定角度を持って分岐」する。
【００７３】
この−１次回折光を回折光検知用光検出器２０Ａへ導光して光強度を検知することにより、面発光型レーザ光源１０の光出力を検知できる。従って、回折光検知用光検出器２０Ａの検知信号が一定になるように、光源駆動手段の駆動電圧をリアルタイムにフィードバック制御することにより（ＡＰＣ制御）、面発光型レーザ光源１０の光出力を安定化することができる。
【００７４】
このように、面発光型レーザ光源１０とプラスチック製の回折光学素子２１Ａとを組み合わせることにより、光走査装置の温度が変化しても、回折光学素子２１Ａによる−１次回折光の回折角の変化を極めて小さく抑えることができ、回折光検知用光検出器２０Ａに適正に導光することができる。
【００７５】
図５は、画像形成装置の実施の１形態であるレーザプリンタを示す。
レーザプリンタ１００は、光走査装置９００、感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写ローラ９１１、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、排紙トレイ９１０等を有する。
【００７６】
帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写ローラ９１１、クリーニング装置のクリーニングブレード９０５はそれぞれ、感光体ドラム９０１の表面に近接もしくは接触して配置され、感光体ドラム９０１の回転方向（矢印方向）に上記順序に配置されている。
【００７７】
感光体ドラム９０１は光導電性のものである。
感光体ドラム９０１を時計回りに等速回転させつつ、帯電チャージャ９０２により感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させ、光走査装置９００による光走査を行って画像書込みを行い「静電線像」を形成する。光走査装置９００による画像書込みは「パソコン等の上位装置からの画像情報に基づいてレーザ光束を変調して光走査する」ことにより行われる。
【００７８】
上記の如く形成された静電線像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って現像部へ移動し、現像ローラ９０３による現像を受けて可視像化される。現像ローラ９０３にはトナーカートリッジ９０４に格納されたトナーが供給される。トナーカートリッジ９０４内のトナー量は、電源投入時や印刷終了時などにチェックされ、残量が少ないときには不図示の表示部に「交換を促すメッセージ」が表示される。
【００７９】
現像により可視像として形成されたトナー画像は、記録媒体としての記録紙上に転写・定着される。記録紙９１３は給紙トレイ９０６に格納され、給紙コロ９０７により給紙トレイ９０６から１枚づつ給紙される。給紙された記録紙９１３はその先端部がレジストローラ対９０８に一旦保持される。レジストローラ対９０８は、保持した記録紙９１３を、トナー画像の移動にタイミングを取って、感光体ドラム９０１と転写ローラ９１１との当接部へ向けて送り出す。
【００８０】
転写ローラ９１１には転写電圧が印加され、トナー画像を感光体ドラム９０１の表面上から記録紙９１３に静電的に転写する。トナー画像を転写された記録紙９１３は、定着ローラ９０９によりトナー画像を定着された後、排紙ローラ９１２により排紙トレイ９１０に排出され、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。
【００８１】
トナー画像の転写後、感光体ドラム９０１の表面に残留している残留トナーは、クリーニングブレード９０５により感光体ドラム表面から除去され、図示されないリサイクル機構により再利用されるようになっている。
【００８２】
光走査装置９００は、先に、図２、図３、図４に即して実施の形態を説明した如きものであり、回折光学素子を用いられ、光源として面発光型レーザ光源が用いられ、回折光学素子のプラスチック材料は、素の線膨張率：αが面発光型レーザ光源の波長変化率：βに近いものが用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】回折光学素子と面発光型レーザ光源を説明するための図である。
【図２】光走査装置の実施の１形態を説明するための図である。
【図３】図３の実施の形態における光ビームの検出を説明するための図である。
【図４】光走査装置の実施の他の形態を説明するための図である。
【図５】画像形成装置の実施の１形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 回折光学素子
１０Ａ 面発光型レーザ光源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置であって、
レーザ光源として面発光型レーザ光源を用いるとともに、この面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる回折光学素子と、この回折光学素子により回折された回折光を検出する回折光検知用光検出器とを有し、
上記回折光学素子は、光走査装置の温度変化範囲内における線膨張率：αが、上記温度変化範囲内における上記面発光型レーザ光源の発光波長の波長変化率：βに略等しいプラスチック材料により形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
請求項１記載の光走査装置において、
回折光学素子が、平行平板状のプラスチック基板の片面に表面レリーフ型の回折格子が形成されたものであることを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光走査装置において、
回折光検知用光検出器により検出される回折光が、回折光学素子による１次回折光であることを特徴とする光走査装置。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の光走査装置において、
回折光学素子が、光走査開始側の有効走査領域外において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を、０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、これら分岐した光ビームの一方を光走査開始の同期検知に供することを特徴とする光走査装置。
【請求項５】
請求項４記載の光走査装置において、
回折光学素子により分岐した２つの光ビームの他方により走査線の副走査方向の位置を検出することを特徴とする光走査装置。
【請求項６】
請求項１〜５の任意の１に記載の光走査装置において、
回折光学素子が、面発光型レーザ光源と光偏向手段との間において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、−１次回折光により上記面発光型レーザ光源の光出力を検知することを特徴とする光走査装置。
【請求項７】
レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査方法であって、
請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用い、回折光検知用光検出器により検出される回折光の回折角が、光走査装置の温度変化範囲内で実質的に変化しないようにして光走査を行うことを特徴とする光走査方法。
【請求項８】
請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
【請求項１】
レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査装置であって、
レーザ光源として面発光型レーザ光源を用いるとともに、この面発光型レーザ光源から放射されるレーザ光束の一部を回折させる回折光学素子と、この回折光学素子により回折された回折光を検出する回折光検知用光検出器とを有し、
上記回折光学素子は、光走査装置の温度変化範囲内における線膨張率：αが、上記温度変化範囲内における上記面発光型レーザ光源の発光波長の波長変化率：βに略等しいプラスチック材料により形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
請求項１記載の光走査装置において、
回折光学素子が、平行平板状のプラスチック基板の片面に表面レリーフ型の回折格子が形成されたものであることを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光走査装置において、
回折光検知用光検出器により検出される回折光が、回折光学素子による１次回折光であることを特徴とする光走査装置。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の光走査装置において、
回折光学素子が、光走査開始側の有効走査領域外において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を、０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、これら分岐した光ビームの一方を光走査開始の同期検知に供することを特徴とする光走査装置。
【請求項５】
請求項４記載の光走査装置において、
回折光学素子により分岐した２つの光ビームの他方により走査線の副走査方向の位置を検出することを特徴とする光走査装置。
【請求項６】
請求項１〜５の任意の１に記載の光走査装置において、
回折光学素子が、面発光型レーザ光源と光偏向手段との間において、面発光型レーザ光源からのレーザ光束を０次透過光と−１次回折光との２つの光ビームに分岐させ、−１次回折光により上記面発光型レーザ光源の光出力を検知することを特徴とする光走査装置。
【請求項７】
レーザ光源からのレーザ光束を光偏向手段により偏向させ、走査結像光学系により被走査面上に光スポットを形成して光走査を行う光走査方法であって、
請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用い、回折光検知用光検出器により検出される回折光の回折角が、光走査装置の温度変化範囲内で実質的に変化しないようにして光走査を行うことを特徴とする光走査方法。
【請求項８】
請求項１〜６の任意の１に記載の光走査装置を用いた画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１４５６０９（Ｐ２００９−１４５６０９Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２２５８８（Ｐ２００７−３２２５８８）
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]