JP5370760B2 - 光分離システム及び偏光分離デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光分離システム及び偏光分離デバイスに係り、更に詳しくは、偏光方向が異なる光を分離する光分離システム及び該光分離システムを含む偏光分離デバイスに関する。

電子写真の画像記録では、レーザを用いた画像形成装置が広く用いられている。この場合、画像形成装置は光走査装置を備え、感光性を有するドラムの軸方向に偏向器（例えば、ポリゴンミラー）を用いてレーザ光を走査しつつ、ドラムを回転させ、ドラムの表面に潜像を形成する方法が一般的である。

近年、画像形成装置において、カラー化、高速化が進み、感光性を有するドラムを複数（通常は４つ）有するタンデム方式の画像形成装置が普及してきている。

タンデム方式ではドラム数の増加に伴い画像形成装置が大型化する傾向にあり、光走査装置を含め小型化が求められている。小型化のためには、偏向器から各ドラムに向かう走査光の複数の光路を重ね合わせることが有効である。

例えば、特許文献１には、互いに直角を成す方向に直線偏光され、記録すべき信号によって輝度変調されたレーザ光を放射する２つのレーザ光源と、これらレーザ光源から放射される２つのレーザ光を合成する偏光光合成手段と、この合成されたレーザ光を主走査方向に偏向する偏向手段と、この偏向手段により偏向された合成レーザ光を走査記録面で別々のスポットに分離する偏光光分離手段とを具える記録装置が開示されている。

また、特許文献２には、単一のレーザ光源と、光源からのレーザ光の２つの偏光光にそれぞれ異なる情報を与える情報制御手段と、情報制御手段からの情報に基づいて偏光量を制御する偏光制御手段と、偏光制御された光を所定の照射面に走査照射するための走査手段と、走査された光を偏光状態に応じて２つの光に分光する分離手段と、走査手段からの光を分離手段に入射する入射角に応じてレーザ光を旋光制御する旋光制御手段とを有する光走査装置が開示されている。

また、特許文献３には、主にポリマーを含む層と主に非重合性液晶を含む層との周期的な相分離構造よりなる液晶回折格子を有する光源ユニットを、光走査装置、画像形成装置に搭載する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている記録装置では、偏光光分離手段を透過すべきＰ偏光の電界ベクトルが、偏光分離面の入射面と平行にならない場合があり、この場合には、入射光の一部が偏光光分離手段で反射されてしまうという不都合があった。

また、特許文献２に開示されている光走査装置では、旋光制御手段として磁気光学素子を用いる場合には、高コスト化を招くという不都合があった。また、旋光制御に伴って消費電力が増加し、発熱を生じるという不都合があった。さらに、旋光角が温度等の環境で変化しやすく、性能を安定に管理するのが困難であった。

また、特許文献３に開示されている液晶回折素子は、光走査装置の光源ユニットに搭載することが前提であり、入射光の入射角が素子に対して連続的に変化する使用形態を想定していなかった。従って、限定された入射角以外の光に対する偏光分離が十分機能しないおそれがあった。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高コスト化を招くことなく、偏光方向が異なる光の分離特性に優れた光分離システム及び偏光分離デバイスを提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、第１の領域と第２の領域とが周期的に配列され、第１の偏光方向の光に対しては、屈折率は一様であり、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向の光に対しては、前記第１の領域が前記第２の領域よりも高屈折率である周期構造部材を有し、前記第１の偏光方向の光と前記第２の偏光方向の光を分離する偏光分離素子と、光束を偏向する偏向器とを備え、前記偏向器により偏向された前記第１の偏光方向の光及び前記第２の偏光方向の光が含まれる光束を前記偏光分離素子により分離する光分離システムにおいて、前記配列の方向と前記偏向の方向は直交しており、前記第１の領域は液晶分子を含み、該液晶分子の長軸方向のチルト角は、偏向にともない変化する光束の入射角が小さい入射位置から大きい入射位置に向かって、連続的に大きくなる光分離システムである。

これによれば、高コスト化を招くことなく、偏光方向が異なる光を精度良く分離することができる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明の光分離システムと；前記偏光分離素子を通過した光の光路上に配置され、その透過軸が第１の偏光方向と一致している偏光子、及び前記偏光分離素子で回折された光の光路上に配置され、その透過軸が第２の偏光方向と一致している偏光子の少なくとも一方と；を備える偏光分離デバイスである。

これによれば、高コスト化を招くことなく偏光方向が異なる光を効率良く分離することができる。

本発明の一実施形態に係るカラープリンタの概略構成を示す図である。 光走査装置を説明するための図（その１）である。 光走査装置を説明するための図（その２）である。 光源ユニットＬＵ１を説明するための図である。 光源ユニットＬＵ１における光源を説明するための図である。 光源ユニットＬＵ２を説明するための図である。 光源ユニットＬＵ２における光源を説明するための図である。 偏光分離素子１６_１及び回折素子１７_１の作用を説明するための図である。 偏光分離素子１６_２及び回折素子１７_２の作用を説明するための図である。 偏光分離素子１６_１の構造を説明するための図である。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれ偏光分離素子１６_１の周期構造体を説明するための図である。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ従来の偏光分離素子の周期構造体を説明するための図である。 偏光分離素子に入射する光を説明するための図である。 従来の偏光分離素子にＳ偏光が入射されたときの、入射角と光路長Ｌとの関係、入射角と屈折率との関係を説明するための図である。 従来の偏光分離素子にＳ偏光が入射されたときの、入射角とリタデーションとの関係を説明するための図である。 入射角の小さい位置から大きい位置に向かって、液晶分子の長軸方向のチルト角が連続的に大きくなっている第１の領域ｐ１を説明するための図である。 図１６の第１の領域ｐ１を有する偏光分離素子における、入射角とＳ偏光の光路長Ｌとの関係、入射角とＳ偏光の屈折率との関係を説明するための図である。 図１６の第１の領域ｐ１を有する偏光分離素子における、入射角とＳ偏光のリタデーションとの関係を説明するための図である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、それぞれＳ偏光を直進させＰ偏光を回折する偏光分離素子の構造を説明するための図である。 入射角の小さい位置から大きい位置に向かって、第１の領域ｐ１の厚さｄが連続的に大きくなっている第１の領域ｐ１を説明するための図である。 図２０の第１の領域ｐ１を有する偏光分離素子における、入射角とＳ偏光の光路長Ｌとの関係、入射角とＳ偏光の屈折率との関係を説明するための図である。 図２０の第１の領域ｐ１を有する偏光分離素子における、入射角とＳ偏光のリタデーションとの関係を説明するための図である。 偏光分離素子に入射する光及び射出される光を説明するための図である。 偏光分離素子を製造する際の出発構造を説明するための図である。 偏光分離素子を製造する際の二光束干渉露光による露光状態を説明するための図である。 偏光分離素子を製造する際の露光による分子移動を説明するための図である。 偏光子１６_１１、１６_１２を説明するための図 偏光子１６_２１、１６_２２を説明するための図 偏光子の構造を説明するための図 走査光学系の変形例を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２６に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るカラープリンタ２０００の概略構成が示されている。

このカラープリンタ２０００は、４色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、光走査装置２０１０、４つの感光体ドラム（２０３０ａ、２０３０ｂ、２０３０ｃ、２０３０ｄ）、４つのクリーニングユニット（２０３１ａ、２０３１ｂ、２０３１ｃ、２０３１ｄ）、４つの帯電チャージャ（２０３２ａ、２０３２ｂ、２０３２ｃ、２０３２ｄ）、４つの現像ローラ（２０３３ａ、２０３３ｂ、２０３３ｃ、２０３３ｄ）、４つのトナーカートリッジ（２０３４ａ、２０３４ｂ、２０３４ｃ、２０３４ｄ）、転写ベルト２０４０、定着ローラ２０５０、給紙コロ２０５４、レジストローラ対２０５６、排紙ローラ２０５８、給紙トレイ２０６０、排紙トレイ２０７０、通信制御装置２０８０、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置２０９０などを備えている。

なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系において、各感光体ドラムの長手方向に沿った方向をＹ軸方向、４つの感光体ドラムの配列方向に沿った方向をＸ軸方向として説明する。

通信制御装置２０８０は、ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御する。

各感光体ドラムはいずれも、その表面に感光層が形成されている。すなわち、各感光体ドラムの表面がそれぞれ被走査面である。なお、各感光体ドラムは、不図示の回転機構により、図１における面内で矢印方向に回転するものとする。

感光体ドラム２０３０ａの表面近傍には、感光体ドラム２０３０ａの回転方向に沿って、帯電チャージャ２０３２ａ、現像ローラ２０３３ａ、クリーニングユニット２０３１ａが配置されている。

感光体ドラム２０３０ａ、帯電チャージャ２０３２ａ、現像ローラ２０３３ａ、トナーカートリッジ２０３４ａ、及びクリーニングユニット２０３１ａは、組として使用され、ブラックの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｋステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｂの表面近傍には、感光体ドラム２０３０ｂの回転方向に沿って、帯電チャージャ２０３２ｂ、現像ローラ２０３３ｂ、クリーニングユニット２０３１ｂが配置されている。

感光体ドラム２０３０ｂ、帯電チャージャ２０３２ｂ、現像ローラ２０３３ｂ、トナーカートリッジ２０３４ｂ、及びクリーニングユニット２０３１ｂは、組として使用され、シアンの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｃステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｃの表面近傍には、感光体ドラム２０３０ｃの回転方向に沿って、帯電チャージャ２０３２ｃ、現像ローラ２０３３ｃ、クリーニングユニット２０３１ｃが配置されている。

感光体ドラム２０３０ｃ、帯電チャージャ２０３２ｃ、現像ローラ２０３３ｃ、トナーカートリッジ２０３４ｃ、及びクリーニングユニット２０３１ｃは、組として使用され、マゼンタの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｍステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｄの表面近傍には、感光体ドラム２０３０ｄの回転方向に沿って、帯電チャージャ２０３２ｄ、現像ローラ２０３３ｄ、クリーニングユニット２０３１ｄが配置されている。

感光体ドラム２０３０ｄ、帯電チャージャ２０３２ｄ、現像ローラ２０３３ｄ、トナーカートリッジ２０３４ｄ、及びクリーニングユニット２０３１ｄは、組として使用され、イエローの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｙステーション」ともいう）を構成する。

各帯電チャージャは、対応する感光体ドラムの表面をそれぞれ均一に帯電させる。

光走査装置２０１０は、上位装置からの多色の画像情報（ブラック画像情報、シアン画像情報、マゼンタ画像情報、イエロー画像情報）に基づいて、各色毎に変調された光束を、対応する帯電された感光体ドラムの表面にそれぞれ照射する。これにより、各感光体ドラムの表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が各感光体ドラムの表面にそれぞれ形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラムの回転に伴って対応する現像ローラの方向に移動する。なお、この光走査装置２０１０の構成については後述する。

トナーカートリッジ２０３４ａにはブラックトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ２０３３ａに供給される。トナーカートリッジ２０３４ｂにはシアントナーが格納されており、該トナーは現像ローラ２０３３ｂに供給される。トナーカートリッジ２０３４ｃにはマゼンタトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ２０３３ｃに供給される。トナーカートリッジ２０３４ｄにはイエロートナーが格納されており、該トナーは現像ローラ２０３３ｄに供給される。

各現像ローラは、回転に伴って、対応するトナーカートリッジからのトナーが、その表面に薄く均一に塗布される。そして、各現像ローラの表面のトナーは、対応する感光体ドラムの表面に接すると、該表面における光が照射された部分にだけ移行し、そこに付着する。すなわち、各現像ローラは、対応する感光体ドラムの表面に形成された潜像にトナーを付着させて顕像化させる。ここでトナーが付着した像（以下、便宜上「トナー画像」という）は、感光体ドラムの回転に伴って転写ベルト２０４０の方向に移動する。

イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各トナー画像は、所定のタイミングで転写ベルト２０４０上に順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。

給紙トレイ２０６０には記録紙が格納されている。この給紙トレイ２０６０の近傍には給紙コロ２０５４が配置されており、該給紙コロ２０５４は、記録紙を給紙トレイ２０６０から１枚づつ取り出し、レジストローラ対２０５６に搬送する。該レジストローラ対２０５６は、所定のタイミングで記録紙を転写ベルト２０４０に向けて送り出す。これにより、転写ベルト２０４０上のカラー画像が記録紙に転写される。ここで転写された記録紙は、定着ローラ２０５０に送られる。

定着ローラ２０５０では、熱と圧力とが記録紙に加えられ、これによってトナーが記録紙上に定着される。ここで定着された記録紙は、排紙ローラ２０５８を介して排紙トレイ２０７０に送られ、排紙トレイ２０７０上に順次スタックされる。

各クリーニングユニットは、対応する感光体ドラムの表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラムの表面は、再度対応する帯電チャージャに対向する位置に戻る。

次に、前記光走査装置２０１０の構成について説明する。

この光走査装置２０１０は、一例として図２及び図３に示されるように、２つの光源ユニット（ＬＵ１、ＬＵ２）、２つのシリンドリカルレンズ（１２_１、１２_２）、ポリゴンミラー１４、２つのｆθレンズ（１５_１、１５_２）、２つの偏光分離素子（１６_１、１６_２）、２つの回折素子（１７_１、１７_２）、複数の折り返しミラー（１８ａ、１８ｂ_１、１８ｂ_２、１８ｃ_１、１８ｃ_２、１８ｄ）、４つのアナモフィックレンズ（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ）及び不図示の走査制御装置を有している。なお、以下では、便宜上、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。

光源ユニットＬＵ１は、一例として図４に示されるように、２つの光源（１０ａ、１０ｂ）、及び２つのコリメートレンズ（１１ａ、１１ｂ）を有している。

光源１０ａ及び光源１０ｂは、同等の光源である。そして、光源１０ａ及び光源１０ｂは、それらの出力光の偏光方向が互いに直交するように回路基板上に配置されている。すなわち、一例として図５に示されるように、各光源は、一方の光源に対して他方の光源が９０°回転した姿勢で基板に実装されている。ここでは、光源１０ａからＰ偏光が出力され、光源１０ｂからＳ偏光が出力されるものとする。なお、Ｐ偏光は主走査対応方向と直交する方向に電界ベクトル（振動面）がある直線偏光である。

コリメートレンズ１１ａは、光源１０ａからの光束（ＬＢａ）の光路上に配置され、該光束ＬＢａを略平行光とする。

コリメートレンズ１１ｂは、光源１０ｂからの光束（ＬＢｂ）の光路上に配置され、該光束ＬＢｂを略平行光とする。

光源ユニットＬＵ２は、一例として図６に示されるように、２つの光源（１０ｃ、１０ｄ）、及び２つのコリメートレンズ（１１ｃ、１１ｄ）を有している。

光源１０ｃ及び光源１０ｄは、同等の光源である。そして、光源１０ｃ及び光源１０ｄは、それらの出力光の偏光方向が互いに直交するように回路基板上に配置されている。すなわち、一例として図７に示されるように、各光源は、一方の光源に対して他方の光源が９０°回転した姿勢で基板に実装されている。ここでは、光源１０ｃからＳ偏光が出力され、光源１０ｄからＰ偏光が出力されるものとする。

コリメートレンズ１１ｃは、光源１０ｃからの光束（ＬＢｃ）の光路上に配置され、該光束ＬＢｃを略平行光とする。

コリメートレンズ１１ｄは、光源１０ｄからの光束（ＬＢｄ）の光路上に配置され、該光束ＬＢｄを略平行光とする。

図２に戻り、シリンドリカルレンズ１２_１は、光源ユニットＬＵ１からの光束を、ポリゴンミラー１４の偏向反射面近傍にＺ軸方向に関して結像する。

シリンドリカルレンズ１２_２は、光源ユニットＬＵ２からの光束を、ポリゴンミラー１４の偏向反射面近傍にＺ軸方向に関して結像する。

ポリゴンミラー１４は、一例として４面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面となる。このポリゴンミラー１４は、Ｚ軸方向に平行な軸の周りに等速回転し、各シリンドリカルレンズからの光束をＸＹ平面に平行な面内で等角速度的に偏向する。ここでは、シリンドリカルレンズ１２_１からの光束はポリゴンミラー１４の−Ｘ側に偏向され、シリンドリカルレンズ１２_２からの光束はポリゴンミラー１４の＋Ｘ側に偏向される。なお、ポリゴンミラー１４の偏向反射面で偏向された光束が経時的に形成する光線束面は、「偏向面」と呼ばれている（特開平１１−２０２２５２号公報参照）。ここでは、偏向面はＸＹ面に平行である。

ｆθレンズ１５_１は、ポリゴンミラー１４の−Ｘ側であって、ポリゴンミラー１４で偏向されたシリンドリカルレンズ１２_１からの光束の光路上に配置されている。

偏光分離素子１６_１は、ｆθレンズ１５_１の−Ｘ側であって、ｆθレンズ１５_１を介した光束（ここでは、光束ＬＢａと光束ＬＢｂ）の光路上に配置されている。また、偏光分離素子１６_１は、Ｐ偏光に対して０次光のみ発生させ、Ｓ偏光に対しては＋１次回折光のみ発生させる。

そこで、ｆθレンズ１５_１を介した光束ＬＢａは、Ｐ偏光であるため、図８に示されるように、偏光分離素子１６_１を直進する。なお、以下では、便宜上、０次光を「非回折光」ともいう。

また、ｆθレンズ１５_１を介した光束ＬＢｂは、Ｓ偏光であるため、図８に示されるように、Ｘ軸に対して傾斜した方向に向かって偏光分離素子１６_１から射出される。なお、以下では、便宜上、＋１次回折光を単に「回折光」ともいう。また、ここでの回折次数は、０次以外であれば特に＋１次である必要はなく、最も高い回折効率が得られる条件に設定すればよい。

回折素子１７_１は、偏光分離素子１６_１で回折された光束ＬＢｂの光路上に配置されている。ここでは、回折素子１７_１を介した光束ＬＢｂの光路は、偏光分離素子１６_１を透過した光束ＬＢａの光路と平行である。

図３に戻り、偏光分離素子１６_１を透過した光束（ここでは、光束ＬＢａ）は、折り返しミラー１８ａとアナモフィックレンズ１９ａを介して感光体ドラム２０３０ａの表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー１４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ａの長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム２０３０ａ上を走査する。このときの光スポットの移動方向が、感光体ドラム２０３０ａでの「主走査方向」であり、感光体ドラム２０３０ａの回転方向が、感光体ドラム２０３０ａでの「副走査方向」である。

このように、ｆθレンズ１５_１と偏光分離素子１６_１と折り返しミラー１８ａとアナモフィックレンズ１９ａは、「Ｋステーション」の走査光学系である。

一方、偏光分離素子１６_１で回折され、回折素子１７_１を通過した光束（ここでは、光束ＬＢｂ）は、折り返しミラー１８ｂ_１と折り返しミラー１８ｂ_２とアナモフィックレンズ１９ｂを介して感光体ドラム２０３０ｂの表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー１４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｂの長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム２０３０ｂ上を走査する。このときの光スポットの移動方向が、感光体ドラム２０３０ｂでの「主走査方向」であり、感光体ドラム２０３０ｂの回転方向が、感光体ドラム２０３０ｂでの「副走査方向」である。

このように、ｆθレンズ１５_１と偏光分離素子１６_１と回折素子１７_１と折り返しミラー１８ｂ_１と折り返しミラー１８ｂ_２とアナモフィックレンズ１９ｂは、「Ｃステーション」の走査光学系である。

すなわち、ｆθレンズ１５_１と偏光分離素子１６_１は、２つの画像形成ステーションで共有されている。

図２に戻り、ｆθレンズ１５_２は、ポリゴンミラー１４の＋Ｘ側であって、ポリゴンミラー１４で偏向されたシリンドリカルレンズ１２_２からの光束の光路上に配置されている。

偏光分離素子１６_２は、前記偏光分離素子１６_１と同様な偏光分離素子である。

偏光分離素子１６_２は、ｆθレンズ１５_２の＋Ｘ側であって、ｆθレンズ１５_２を介した光束（ここでは、光束ＬＢｃと光束ＬＢｄ）の光路上に配置されている。また、偏光分離素子１６_２は、Ｐ偏光に対して０次光のみ発生させ、Ｓ偏光に対しては＋１次回折光のみ発生させる。

そこで、ｆθレンズ１５_２を介した光束ＬＢｄは、Ｐ偏光であるため、図９に示されるように、偏光分離素子１６_２を直進する。

また、ｆθレンズ１５_２を介した光束ＬＢｃは、Ｓ偏光であるため、図９に示されるように、Ｘ軸に対して傾斜した方向に向かって偏光分離素子１６_２から射出される。

回折素子１７_２は、偏光分離素子１６_２で回折された光束ＬＢｃの光路上に配置されている。ここでは、回折素子１７_２を介した光束ＬＢｃの光路は、偏光分離素子１６_２を透過した光束ＬＢｄの光路と平行である。

なお、偏光分離素子及び回折素子の詳細については後述する。

図３に戻り、偏光分離素子１６_２で回折され、回折素子１７_２を通過した光束（ここでは、光束ＬＢｃ）は、折り返しミラー１８ｃ_１と折り返しミラー１８ｃ_２とアナモフィックレンズ１９ｃを介して感光体ドラム２０３０ｃの表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー１４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｃの長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム２０３０ｃ上を走査する。このときの光スポットの移動方向が、感光体ドラム２０３０ｃでの「主走査方向」であり、感光体ドラム２０３０ｃの回転方向が、感光体ドラム２０３０ｃでの「副走査方向」である。

このように、ｆθレンズ１５_２と偏光分離素子１６_２と回折素子１７_２と折り返しミラー１８ｃ_１と折り返しミラー１８ｃ_２とアナモフィックレンズ１９ｃは、「Ｍステーション」の走査光学系である。

一方、偏光分離素子１６_２を透過した光束（ここでは、光束ＬＢｄ）は、折り返しミラー１８ｄとアナモフィックレンズ１９ｄを介して感光体ドラム２０３０ｄの表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー１４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｄの長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム２０３０ｄ上を走査する。このときの光スポットの移動方向が、感光体ドラム２０３０ｄでの「主走査方向」であり、感光体ドラム２０３０ｄの回転方向が、感光体ドラム２０３０ｄでの「副走査方向」である。

このように、ｆθレンズ１５_２と偏光分離素子１６_２と折り返しミラー１８ｄとアナモフィックレンズ１９ｄは、「Ｙステーション」の走査光学系である。

すなわち、ｆθレンズ１５_２と偏光分離素子１６_２は、２つの画像形成ステーションで共有されている。

本実施形態では、ｆθレンズは、ポリゴンミラーと偏光分離素子との間に設けられている。そして、Ｐ偏光の光路とＳ偏光の光路は、Ｚ軸方向に関してほぼ重なっているため、ｆθレンズを薄くすることができる。

走査制御装置は、各光源に対応した光源制御回路を有している。そして、光源１０ａ及び光源１０ｂに対応した光源制御回路は、光源ユニットＬＵ１の回路基板上に実装されている。また、光源１０ｃ及び光源１０ｄに対応した光源制御回路は、光源ユニットＬＵ２の回路基板上に実装されている。

ここで、前記偏光分離素子（１６_１、１６_２）の構造及び機能について詳述する。なお、以下では、代表として、偏光分離素子１６_１について説明する。

偏光分離素子１６_１は、一例として図１０に示されるように、Ｙ軸方向を長手方向とする板状の部材である。そして、図１０の拡大図である図１１（Ａ）、及び該図１１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である図１１（Ｂ）に示されるように、Ｚ軸方向に沿って第１の領域ｐ１と第２の領域ｐ２とが周期的に配列されている周期構造体を有している。第１の領域ｐ１及び第２の領域ｐ２のＺ軸方向の幅は、数μｍ程度である。なお、図１１（Ｂ）において、周期構造がＸ軸方向に対して傾斜しているのは、後述する干渉露光における２つの光源位置の関係による。

周期構造体は、一例として非重合性液晶とポリマーとから形成されている。そして、第１の領域ｐ１は、主に非重合性液晶からなり、第２の領域ｐ２は、主にポリマーからなる。

非重合性液晶としては、例えば、ネマティック液晶を用いることができる。ネマティック液晶は一軸光学異方性を有し、液晶分子の短軸方向が常光屈折率ｎｏに、液晶分子の長軸方向が異常光屈折率ｎｅに対応している。一般的には、ｎｅ＞ｎｏの関係にある。

そこで、液晶の常光屈折率ｎｏとポリマーの屈折率ｎｐとがほぼ一致するように、液晶の種類とポリマーの種類の組合せを設定することで、電界ベクトルの方向がＺ軸に平行なＰ偏光（第１の光）に対して、屈折率を一様とすることができる。

一方、電界ベクトルの方向がＸＹ面内にあるＳ偏光（第２の光）は、液晶の異常光屈折率ｎｅとポリマーの屈折率ｎｐの屈折率差から回折を受けることになる。この場合、第１の領域ｐ１が高屈折率領域となり、第２の領域ｐ２が低屈折率領域となる。

すなわち、周期構造体は、Ｓ偏光に対して体積型の回折光学素子として機能する。

回折光学素子の回折効率は、例えば、周期構造体の周期が入射光の波長に比べて十分大きく、薄いと見なせる場合には、フラウンホーファー回折理論及びスカラー回折理論を適用して求めることができる。一方、周期構造体の周期が入射光の波長程度に小さい場合には、電磁界解析であるベクトル回折理論を適用して求めることができる。

例えば、厚いと見なせる屈折率変調型素子（厚いホログラム）の回折効率は、Ｋｏｇｅｌｎｉｋの結合波理論（ＢｅｌｌＳｙｓｔ．Ｔｅｃｈ．Ｊ．，４８，１９６９，ｐ２９０９−２９４７参照）を適用して求めることができる。これは、周期構造を形成する各領域にある波長の光が入射した場合、各領域で散乱された光は、その波長、入射角度及び各領域の周期構造ピッチによって決定される特定方向に、散乱成分が強め合うブラッグの回折条件を満たす。

そして、回折素子の回折効率は、格子の周期構造から生成される屈折率差（又は屈折率変調量）Δｎと周期構造の膜厚ｄに依存し、これらのパラメータを最適化することで、理想的な回折効率を得ることができる。

ところで、液晶を用いた従来の偏光分離素子における周期構造体の一般的構造が図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示されている。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。第１の領域ｐ１における液晶分子の長軸方向は、Ｙ軸方向に平行である。

この従来の偏光分離素子は、該偏光分離素子に入射する光の入射角が、入射位置によらず一様であれば、Ｐ偏光とＳ偏光を精度良く分離することができる。

しかしながら、ポリゴンミラーの後段に配置され、ポリゴンミラーで偏向された光が入射する場合には、一例として図１３に示されるように、入射位置によって入射角が異なっている。なお、偏光分離素子は、偏光分離面が偏向面に直交するように配置されるため、偏向角は、偏光分離素子から見たときの入射角と等価である。また、入射位置が決まれば入射角は一意に決まる。

偏光分離素子に入射した光は、いずれの入射位置においても、光路長及び屈折率差がブラッグ条件を満たす場合に回折される。また、回折角は入射角によらず一定に設定されるため、周期構造体の周期ピッチは、いずれの入射位置においても同じである。従って、ある入射角（αとする）における屈折率差Δｎ（α）と光路長Ｌ（α）の積であらわされるリタデーションが一定であれば、回折効率が入射角によって変化することはない。

従来の偏光分離素子にＳ偏光を入射したときの、入射角αと屈折率ｎ（α）の関係、及び入射角αと光路長Ｌ（α）の関係が図１４に示されている。ここでは、ｎｏ＝１．５０、ｎｅ＝１．６０、Ｚ軸方向における第１の領域ｐ１の厚さｄ＝５．０μｍとしている。屈折率ｎ（α）は、入射角αの増加とともにｎｅからｎｏに向かって減少している。光路長Ｌ（α）は、入射角αの増加とともにｄからｄ／ｃｏｓαにしたがって増加している。この場合の入射角αとリタデーション（＝Δｎ（α）・Ｌ（α））の関係の計算結果が図１５に示されている。ここでは、Δｎ（α）＝（ｎ（α）−ｎｏ）としている。リタデーションは、入射角αの増加とともに減少している。すなわち、従来の偏光分離素子では、入射されたＳ偏光の回折効率は、その入射位置によって異なることを示している。

そこで、入射されたＳ偏光の回折効率を、その入射位置によらず一定とするには、光の入射角αによらずリタデーションが一定となるようにすれば良い。すなわち、リタデーションが、入射角αの増加とともに減少しないように、屈折率ｎ（α）及び光路長Ｌ（α）の少なくとも一方を設定すれば良い。具体的には、（１）入射角αの増加によるｎ（α）の低下が小さくなるように屈折率を制御する、（２）入射角αの増加とともに光路長Ｌ（α）が増大するように第１の領域ｐ１の厚さｄを設定する、ことが考えられる。

（１）入射角αの増加によるｎ（α）の低下を小さくする場合：

この場合に適した第１の領域ｐ１が、一例として図１６に示されている。この第１の領域ｐ１では、Ｙ軸方向に関して、入射角の小さい位置から大きい位置に向かって、液晶分子の長軸方向のチルト角が連続的に大きくなっている。なお、チルト角とは、Ｙ軸方向と液晶分子の長軸方向とのなす角である。

このようなチルト角の変化は、例えば、液晶の配向膜として酸化シリコンの斜方蒸着膜を用い、蒸着角をチルト角に対応させて変化させることで得ることができる。また、Ｘ軸方向に関する第１の領域ｐ１の両端面付近に透明電極を設け、チルト角に対応させて液晶分子に印加する電圧値を変化させることでも得ることができる。

周期構造体における第１の領域ｐ１として、図１６に示されるような第１の領域ｐ１を用いた偏光分離素子にＳ偏光を入射したときの、入射角αと屈折率ｎ（α）の関係、及び入射角αと光路長Ｌ（α）の関係が図１７に示されている。なお、ここでは、チルト角θの変化は、入射角αに対してθ＝０．７×αとなるよう設定されている。そして、この場合の入射角αとリタデーション（＝Δｎ（α）・Ｌ（α））の関係の計算結果が図１８に示されている。このように、チルト角を変化させることで、入射角によらずほぼ均一なリタデーションを得ることができる。

ところで、偏光分離素子として、一例として図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示されるように、Ｓ偏光を直進させＰ偏光を回折させる偏光分離素子を用いることが考えられる。しかしながら、この場合に、入射角αの変化に対して、Ｓ偏光の感じる屈折率は変化せず、Ｐ偏光の感じる屈折率のみが変化するように、液晶分子の配向方向を制御するのは困難である。

（２）入射角αの増加とともに光路長Ｌ（α）を増大させる場合：

この場合に適した第１の領域ｐ１が、一例として図２０に示されている。この第１の領域ｐ１では、Ｙ軸方向に関して、入射角の小さい位置から大きい位置に向かって、第１の領域ｐ１の厚さｄが連続的に大きくなっている。

周期構造体における第１の領域ｐ１として、図２０に示されるような第１の領域ｐ１を用いた偏光分離素子にＳ偏光を入射したときの、入射角αと屈折率ｎ（α）の関係、及び入射角αと光路長Ｌ（α）の関係が図２１に示されている。なお、ここでは、入射角αの増加とともに、厚さｄをｃｏｓ^１．１５αに比例して増加させている。そして、この場合の入射角αとリタデーション（＝Δｎ（α）・Ｌ（α））の関係の計算結果が図２２に示されている。このように、厚さｄを変化させることで、入射角によらずほぼ均一なリタデーションを得ることができる。

本実施形態の各偏光分離素子は、周期構造体における第１の領域ｐ１として、図１６に示されるような第１の領域ｐ１、あるいは図２０に示されるような第１の領域ｐ１を用いている。これにより、入射位置によらず、入射されるＰ偏光とＳ偏光を精度良く分離することができる（図２３参照）。

次に、本実施形態の偏光分離素子の製造方法について簡単に説明する（特開２００６−１８９７２８号公報参照）。

図２４には、出発点となる素子の断面が示されている。ここでは、非重合性液晶分子７３と、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７４と、光重合開始剤（図示省略）とが均一に混合された組成物７５が、２枚の透明基板７６の間に挟まれ、保持されている。なお、組成物７５の厚みは、２枚の透明基板７６の間隔を規定するスペーサ部材（図示省略）によって調整することができる。また、組成物７５は感光性を有するため、組成物７５が感度を有する波長域の光が遮断された環境下で、組成物７５を取り扱うことが好ましい。

非重合性液晶分子７３の非重合性液晶としては、誘電異方性、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する際は、あるオーダーパラメータの配向状態において、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７４の硬化層の屈折率を基準として、これと等しい屈折率となる液晶材料を選択しても良い。また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメータの配向状態での屈折率を基準として、これと同じ屈折率になるように重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７４を選択しても良い。

重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７４としては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。

光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができる。光重合開始剤の添加量が少なすぎると、ポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎると、ポリマー部７２のポリマーと液晶部７１の液晶との相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー部７２のポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなる。そこで、種々の実験からこれらの条件の適値を定め、光重合開始剤の添加量を設定する。

スペーサ部材としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサ、ファイバースペーサ、フィルムなどを用いることができる。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって、基板表面に突起形状を加工しても良い。これは、液晶層の厚さを位置によって変化させる場合は都合が良い。スペーサ部材は有効領域外に形成することが好ましい。スペーサ部材の高さは数μｍから数十μｍの範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望の厚さｄとなるように適宜設定される。

透明基板７６としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることができる。

次に、相分離による偏光分離素子の形成過程について説明する。

一例として図２５に示されるように、二光束干渉露光系を用いて所望の波長のレーザ光を組成物７５に照射すると、組成物７５中に干渉縞７８が形成され、組成物７５に、露光される領域と露光されない領域が形成される。この領域の一部７７を抜き出して拡大したものが図２６に示されている。図２６における符号７９は、図２５における干渉縞７８によって形成される明部と暗部の界面を示している。

この際、一方のレーザ光源はポリゴンミラーの反射面付近に配置し、他方のレーザ光源は偏光分離素子から一方のレーザ光源と等距離で、かつ回折光の射出方向を逆側に延長させた位置に配置するのが好適である。

図２６に示されるように、干渉縞の明部においては、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７４の光重合反応が始まる。光重合反応においては、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７４が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶分子７３によって構成される非重合性液晶が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こり、主にポリマーを含む層であるポリマー部７２と、主に不重合性液晶を含む層である液晶部７１とが形成される。

最終的には、図２５における干渉縞７８の明暗のピッチに対応して、ポリマー部７２からなるポリマー層と液晶部７１からなる非重合性液晶層の周期構造が形成される。

次に、回折素子（１７_１、１７_２）の構造及び機能について詳述する。

偏光分離素子からの回折光を、同じピッチの回折素子でさらに回折させることで、偏光分離素子を直進した非回折光と平行な光路にすることができる。この場合、偏光分離素子は温度によって膨張・収縮したときに回折角が変動する問題があるが、回折素子を同等に構成することで、回折角の変動を補償し、非回折光と回折光を平行状態を保つメリットもある。但し、偏光分離素子におけるチルト角及び厚さｄの変化に対しては、回折素子を透過する各光線が、偏光分離素子におけるチルト角及び厚さｄと同様の構成の部分を通過するよう位置を設定する必要がある。なお、温度変動を考慮する必要がなければ、回折素子に代えて、プリズム、ミラー等を用いても良い。また回折素子、プリズムあるいはミラーを設けずとも、回折角度を調整することで偏光分離素子からの回折光を直接折り返しミラーに導いても良い。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る光走査装置２０１０では、ｆθレンズ（１５_１、１５_２）と偏光分離素子（１６_１、１６_２）と回折素子（１７_１、１７_２）と折り返しミラー（１８ａ、１８ｂ_１、１８ｂ_２、１８ｃ_１、１８ｃ_２、１８ｄ）とアナモフィックレンズ（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ）とによって走査光学系が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置２０１０によると、Ｐ偏光の光束とＳ偏光の光束を出力する光源ユニット、該光源ユニットからの各光束を偏向面内で等角速度的に偏向するポリゴンミラー１４、及び偏光分離素子（１６_１、１６_２）を含み、ポリゴンミラー１４で偏向された各光束を対応する感光体ドラムの表面に個別に集光する走査光学系などを備えている。

そして、各偏光分離素子は、第１の領域ｐ１と第２の領域ｐ２とが周期的に配列され、Ｐ偏光（第１の偏光方向の光）に対しては、屈折率は一様であり、Ｓ偏光（第２の偏光方向の光）に対しては、第１の領域ｐ１が第２の領域ｐ２よりも高屈折率である周期構造部材を有している。

この周期構造部材は、入射角の大きさが大きいほど、Ｓ偏光に対する第１の領域ｐ１と第２の領域ｐ２の屈折率差が連続的に小さくなるように、あるいは、入射角の大きさが大きいほど、第１の領域ｐ１の厚さｄが連続的に大きくなるように設定されている。

この場合、各偏光分離素子は、Ｐ偏光及びＳ偏光が含まれる光束が入射角を変化させながら周期構造部材に入射しても、その入射位置によらず、入射光束に含まれるＰ偏光とＳ偏光を精度良く分離することができる。すなわち、高コスト化を招くことなく偏光方向が異なる光を精度良く分離することができる。

そこで、高コスト化及び大型化を招くことなく、ゴースト光の発生を安定的に抑制することが可能となる。

また、ｆθレンズと偏光分離素子は、２つの画像形成ステーションで共有されているため、更に小型化を図ることが可能である。

また、本実施形態に係るカラープリンタ２０００によると、光走査装置２０１０を備えているため、その結果として、高コスト化を招くことなく、小型で、高品質の画像を形成することが可能である。

なお、上記実施形態において、一例として図２７に示されるように、偏光分離素子１６_１を直進した光（ここでは、ＬＢａ）の光路上に、偏光子１６_１１を配置しても良い。ここでは、偏光子１６_１１は、その透過軸方向がＺ軸に平行となるように配置されている。そこで、偏光分離素子１６_１を直進した光束ＬＢａの大部分は、偏光子１６_１１を透過する。一方、偏光分離素子１６_１で回折されずに直進した光束ＬＢｂの成分は、偏光子１６_１１で遮光される。従って、ゴースト光をさらに抑えることが可能となる。ここでは、偏光分離素子１６_１と偏光子１６_１１とによって、本発明の偏光分離デバイスが構成されている。

そして、偏光分離素子１６_１で回折された光（ここでは、ＬＢｂ）の光路上に、偏光子１６_１２を配置しても良い。ここでは、偏光子１６_１２は、その透過軸方向がＹ軸に平行となるように配置されている。そこで、偏光分離素子１６_１で回折された光束ＬＢｂの大部分は、偏光子１６_１２を透過する。一方、偏光分離素子１６_１を直進せず回折された光束ＬＢａの成分は、偏光子１６_１２で遮光される。従って、ゴースト光をさらに抑えることが可能となる。ここでは、偏光分離素子１６_１と偏光子１６_１２とによって、本発明の偏光分離デバイスが構成されている。

また、上記実施形態において、一例として図２８に示されるように、偏光分離素子１６_２を直進した光（ここでは、ＬＢｄ）の光路上に、偏光子１６_２１を配置しても良い。ここでは、偏光子１６_２１は、その透過軸方向がＺ軸に平行となるように配置されている。そこで、偏光分離素子１６_２を直進した光束ＬＢｄの大部分は、偏光子１６_２１を透過する。一方、偏光分離素子１６_２で回折されずに直進した光束ＬＢｃの成分は、偏光子１６_２１で遮光される。従って、ゴースト光をさらに抑えることが可能となる。ここでは、偏光分離素子１６_２と偏光子１６_２１とによって、本発明の偏光分離デバイスが構成されている。

そして、偏光分離素子１６_２で回折された光（ここでは、ＬＢｃ）の光路上に、偏光子１６_２２を配置しても良い。ここでは、偏光子１６_２２は、その透過軸方向がＹ軸に平行となるように配置されている。そこで、偏光分離素子１６_２で回折された光束ＬＢｃの大部分は、偏光子１６_２２を透過する。一方、偏光分離素子１６_２を直進せず回折された光束ＬＢｄの成分は、偏光子１６_２２で遮光される。従って、ゴースト光をさらに抑えることが可能となる。ここでは、偏光分離素子１６_２と偏光子１６_２２とによって、本発明の偏光分離デバイスが構成されている。

偏光子としては、一対の透明板で偏光フィルムを挟み込んだ構造を好適に用いることができる。この偏光フィルムは、ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）等の偏光膜にヨウ素を加え、伸張させて高分子の方向を揃えたタイプである。透明板としてはガラスやトリアセチルセルロースなどの樹脂を利用することができる（図２９参照）。最表面に耐久性向上のための保護フィルム、反射防止のための無反射コート層などを設けてもよい。より高い消光比が必要なときには、各偏光子として、ワイヤーグリッド偏光子、及び金属分散型偏光フィルム等を用いても良い。

また、上記実施形態において、Ｓ偏光に対する第１の領域ｐ１と第２の領域ｐ２の屈折率差がステップ状に変化しても良い。

また、上記実施形態において、第１の領域ｐ１の厚さｄがステップ状に変化しても良い。

また、上記実施形態において、一例として図３０に示されるように、ポリゴンミラーとｆθレンズとの間に偏光分離素子を配置しても良い。但し、光束ＬＢａ用のｆθレンズ１５ａと、光束ＬＢｂ用のｆθレンズ１５ｂと、光束ＬＢｃ用のｆθレンズ１５ｃと、光束ＬＢｄ用のｆθレンズ１５ｄが必要となる。この場合には、各ｆθレンズを光束の偏光状態、光路長、結像位置、走査長に適したレンズ形状とすることができる。

また、上記実施形態では、画像形成装置として４つの感光体ドラムを有するカラープリンタ２０００について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、２つの感光体ドラムを有するプリンタであっても良い。この場合には、１つの光源ユニットが用いられることとなる。

以上説明したように、本発明の光分離システム及び偏光分離デバイスによれば、高コスト化を招くことなく、偏光方向が異なる光を精度良く分離するのに適している。

１０ａ〜１０ｄ…光源、１４…ポリゴンミラー（偏向器）、１５_１，１５_２…ｆθレンズ（走査光学系の一部）、１６_１，１６_２…偏光分離素子、１６_１１，１６_１２，１６_２１，１６_２２…偏光子、１７_１，１７_２…回折素子（走査光学系の一部）、１８ａ，１８ｂ_１，１８ｂ_２，１８ｃ_１，１８ｃ_２，１８ｄ…折り返しミラー（走査光学系の一部）、１９ａ〜１９ｄ…アナモフィックレンズ（走査光学系の一部）、２０００…カラープリンタ（画像形成装置）、２０３０ａ〜２０３０ｄ…感光体ドラム（像担持体）、２０１０…光走査装置、ＬＵ１…光源ユニット、ＬＵ２…光源ユニット、ｐ１…第１の領域、ｐ２…第２の領域。

特開昭６０−３２０１９号公報 特開平７−１４４４３４号公報 特開２００６−１８９７２８号公報

Claims (5)

1. 第１の領域と第２の領域とが周期的に配列され、第１の偏光方向の光に対しては、屈折率は一様であり、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向の光に対しては、前記第１の領域が前記第２の領域よりも高屈折率である周期構造部材を有し、前記第１の偏光方向の光と前記第２の偏光方向の光を分離する偏光分離素子と、光束を偏向する偏向器とを備え、前記偏向器により偏向された前記第１の偏光方向の光及び前記第２の偏光方向の光が含まれる光束を前記偏光分離素子により分離する光分離システムにおいて、
   前記配列の方向と前記偏向の方向は直交しており、
   前記第１の領域は液晶分子を含み、該液晶分子の長軸方向のチルト角は、偏向にともない変化する光束の入射角が小さい入射位置から大きい入射位置に向かって、連続的に大きくなる光分離システム。
2. 前記周期構造部材は、互いに入射角が異なる第１の入射位置と第２の入射位置とで、前記第２の偏光方向の光に対して、互いに隣接する前記第１の領域と前記第２の領域の屈折率差が異なることを特徴とする請求項１に記載の光分離システム。
3. 前記第１の領域と前記第２の領域の屈折率差は、前記第１の入射位置と前記第２の入射位置との間で連続的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の光分離システム。
4. 前記周期構造部材は、非重合性液晶及びポリマーを有し、
   前記第１の領域は主に非重合性液晶からなり、
   前記第２の領域は主にポリマーからなり、
   前記第１の領域に含まれる液晶分子の長軸方向のチルト角が、前記光束の入射角に応じて異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光分離システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光分離システムと；
   前記偏光分離素子を通過した光の光路上に配置され、その透過軸が第１の偏光方向と一致している偏光子、及び前記偏光分離素子で回折された光の光路上に配置され、その透過軸が第２の偏光方向と一致している偏光子の少なくとも一方と；を備える偏光分離デバイス。

Images