JP2011170036A - 集光素子、集光素子アレイ、露光装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発散光源からの出射光を高い効率で取り出して任意の方向に集光することができる集光素子、集光素子アレイ、露光装置、及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】予め定めた波長帯域で発光し拡散光を射出する発光素子と、発光素子の光射出側に配置された記録層に、発光素子の波長帯域から選択された複数の波長の光で波長多重記録され、発光素子からの拡散光の照射により射出された回折光が予め定めた集光点に収束するホログラム素子と、を備えた集光素子を用いる。
【選択図】図５

Description

本発明は、集光素子、集光素子アレイ、露光装置、及び画像形成装置に関する。

特許文献１には、光源基板上に配列された複数の発光素子と、透過する光を回折させることにより当該光の光線束を収束させて像を結ぶ複数の回折正レンズを有する第１レンズアレイと、複数のレンズを有し、前記複数の発光素子の各々との間に前記第１レンズアレイを挟む第２レンズアレイとを備え、前記複数の回折正レンズの各々は、前記光源基板に垂直な方向において前記複数の発光素子の各々に重なっていることを特徴とする露光装置が記載されている。

特許文献２には、発光ダイオードを複数個少なくとも一列配置した発光ダイオードアレイの各発光ダイオードを選択的に点灯させ、該発光ダイオードアレイの発光面を結像系によって感光体上に結像してドット分割した像を形成する発光ダイオードを用いるプリンタにおいて、前記発光ダイオードアレイを端面発光するモノリシック発光ダイオードアレイチップにより構成し、該発光ダイオードアレイチップの基板への接着面と平行な面に、前記結像系の１面を固着したことを特徴とする発光ダイオードを用いたプリンタが記載されている。

特開２００７−２３７５７６号公報 特開昭６０−１１６４７９号公報

本発明の目的は、発散光源からの出射光を高い効率で取り出して任意の方向に集光することができる集光素子、集光素子アレイ、露光装置、及び画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するために各請求項に記載の発明は、下記構成を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明は、予め定めた波長帯域で発光し拡散光を射出する発光素子と、前記発光素子の光射出側に配置された記録層に、前記発光素子の波長帯域から選択された複数の波長の光で波長多重記録され、前記発光素子からの拡散光の照射により射出された回折光が予め定めた集光点に収束するホログラム素子と、を備えた集光素子である。

請求項２に記載の発明は、前記波長多重記録する複数の波長は、前記波長帯域の中心波長に対し短波長側及び長波長側に略対称な位置にある波長を含む、請求項１に記載の集光素子である。

請求項３に記載の発明は、前記波長多重記録する複数の波長は、前記波長帯域の中心波長を含む、請求項１又は請求項２に記載の集光素子である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の集光素子の複数が一次元状又は二次元状に配列された集光素子アレイである。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の集光素子を複数個備え、前記複数の集光素子の各々から射出された回折光が予め定めた作動距離で収束すると共に、前記複数の集光素子の各々から射出された回折光の集光点が予め定めた方向に並ぶように、前記複数の集光素子が一次元状又は二次元状に配列された露光装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の露光装置と、前記露光装置と作動距離だけ離間して配置され、画像データに応じて前記露光装置により前記集光点が並ぶ予め定めた方向に主走査されて画像が書き込まれる感光体と、を含む画像形成装置である。

本発明の各請求項に記載の発明によれば、以下の効果がある。

請求項１に記載の発明によれば、波長多重せずに形成されたホログラム素子を有する集光素子に比べて、発散光源からの出射光を高い効率で取り出して任意の方向に集光することができる、という効果がある。

請求項２に記載の発明によれば、本発明を用いない場合に比べて、環境変化に対する耐性を上げることができる、という効果がある。

請求項３に記載の発明によれば、本発明を用いない場合に比べて、発散光源からの出射光を、相対的に高い効率で取り出すことができる、という効果がある。

請求項４に記載の発明によれば、波長多重せずに形成されたホログラム素子を有する集光素子を用いた場合に比べて、複数の発散光源からの出射光の各々を、高い効率で取り出して任意の方向に集光することができる、という効果がある。

請求項５に記載の発明によれば、波長多重せずに形成されたホログラム素子を有する集光素子を用いた場合に比べて、複数の発散光源からの出射光の各々を、高い効率で取り出して任意の方向に集光し、予め定めた作動距離で予め定めた方向に並ぶ集光点列を形成することができる、という効果がある。

請求項６に記載の発明によれば、波長多重せずに形成されたホログラム素子を有する集光素子を用いた場合に比べて、複数の発散光源からの出射光の各々を、高い効率で取り出して予め定めた作動距離で感光体の方向に集光し、予め定めた方向に並ぶ集光点列で感光体を主走査して画像を書き込むことができる、という効果がある。

本発明の実施の形態に係る画像形成装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るＬＥＤプリントヘッドの構成の一例を示す概略斜視図である。 （Ａ）はホログラム素子の概略形状を示す斜視図であり、（Ｂ）はＬＥＤプリントヘッドの副走査方向の断面図であり、（Ｃ）はＬＥＤプリントヘッドの主走査方向の断面図である。 ホログラム記録層にホログラムが記録される様子を示す図である。 （Ａ）はＬＥＤの発光スペクトルを示す図であり、（Ｂ）波長多重記録に用いる波長選択の一例を示す図であり、（Ｃ）は波長多重記録に用いる波長選択の他の一例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は波長多重記録に用いる波長選択の基準の一例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はホログラムが再生されて回折光が生成される様子を示す図である。 ＳＬＥＤアレイに対応してホログラム素子アレイが形成されたＬＥＤプリントヘッドの部分的構成の一例を示す分解斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜ＬＥＤプリントヘッドを搭載した画像形成装置＞
まず、本発明の実施の形態に係るＬＥＤプリントヘッドを搭載した画像形成装置について説明する。電子写真方式で画像を形成する複写機、プリンタ等では、感光体ドラムに潜像を書き込む露光装置として、従来のレーザＲＯＳ（Raster Output Scanner）方式の露光装置に代わり、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源に用いたＬＥＤ方式の露光装置が主流になりつつある。ＬＥＤ方式の露光装置では、走査光学系は不要であり、レーザＲＯＳ方式に比べて大幅な小型化が可能である。また、ポリゴンミラーを駆動する駆動モータも不要であり、機械的なノイズが発生しないという利点もある。

ＬＥＤ方式の露光装置は、ＬＥＤプリントヘッドと称され、ＬＰＨと略称されている。従来のＬＥＤプリントヘッドは、長尺状の基板上に多数のＬＥＤが配列されたＬＥＤアレイと、多数の屈折率分布型のロッドレンズが配列されたレンズアレイと、を備えている。ＬＥＤアレイには、例えば１インチ当り１２００画素（即ち、１２００ｄｐｉ）と、主走査方向の画素数に対応して多数のＬＥＤが配列されている。従来、レンズアレイには、セルフォック（登録商標）などロッドレンズが用いられている。各ＬＥＤから射出された光は、ロッドレンズにより集光されて、感光体ドラム上に正立等倍像が結像される。

ロッドレンズに代えて「ホログラム素子」を用いたＬＥＤプリントヘッドが検討されている。本実施の形態に係る画像形成装置は、以下に説明する「ホログラム素子アレイ」を備えたＬＥＤプリントヘッドを備えている。ロッドレンズを用いたＬＰＨでは、レンズアレイ端面から結像点までの光路長（作動距離）は数ｍｍ程度と短く、感光体ドラムの周囲における露光装置の占有割合が大きくなる。これに対して、ホログラム素子アレイを備えたＬＰＨ１４は、作動距離が数ｃｍ程度と長く、感光体ドラムの周囲が混み合わず、全体として画像形成装置が小型化される。

また、一般に、インコヒーレント光（非干渉性の光）を射出するＬＥＤを用いるＬＰＨでは、コヒーレンス性が低下してスポットぼけ（いわゆる色収差）が生じ、微小スポットを形成することは容易ではない。これに対して、ホログラム素子アレイを備えたＬＰＨ１４は、ホログラム素子の入射角選択性及び波長選択性が高く、感光体ドラム１２上には輪郭の鮮明な微小スポットが形成される。

図１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の構成の一例を示す概略図である。この画像形成装置は、所謂タンデム型のデジタルカラープリンタであり、各色の画像データに対応して画像形成を行う画像形成部としての画像形成プロセス部１０、画像形成装置の動作を制御する制御部３０、及び画像読取装置３と例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２等の外部装置とに接続され、これらの装置から受信された画像データに対して所定の画像処理を施す画像処理部４０を備えている。

画像形成プロセス部１０は、一定の間隔で並列に配置される４つの画像形成ユニット１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋを備えている。画像形成ユニット１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋの各々は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）のトナー像を形成する。なお、画像形成ユニット１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋを、適宜「画像形成ユニット１１」と総称する。

各画像形成ユニット１１は、静電潜像を形成してトナー像を担持する像担持体としての感光体ドラム１２、感光体ドラム１２の表面を所定電位で一様に帯電する帯電器１３、帯電器１３によって帯電された感光体ドラム１２を露光する露光装置としてのＬＥＤプリントヘッド(ＬＰＨ)１４、ＬＰＨ１４によって得られた静電潜像を現像する現像器１５、転写後の感光体ドラム１２表面を清掃するクリーナ１６を備えている。

ＬＰＨ１４は、感光体ドラム１２の軸線方向の長さと略同じ長さの長尺状のプリントヘッドである。ＬＰＨ１４は、その長さ方向が感光体ドラム１２の軸線方向を向くように、感光体ドラム１２の周囲に配置されている。本実施の形態では、ＬＰＨ１４には、長さ方向に沿って複数のＬＥＤがアレイ状（列状）に配列されている。また、ＬＥＤアレイ上には、複数のＬＥＤに対応する複数のホログラム素子がアレイ状に配列されている。

後述する通り、ホログラム素子アレイを備えたＬＰＨ１４の作動距離は長く、感光体ドラム１２の表面から数ｃｍ離間して配置されている。このため、感光体ドラム１２の周方向における占有幅が小さく、感光体ドラム１２の周囲の混雑が緩和されている。

また、画像形成プロセス部１０は、各画像形成ユニット１１の感光体ドラム１２にて形成された各色のトナー像が多重転写される中間転写ベルト２１、各画像形成ユニット１１の各色トナー像を中間転写ベルト２１に順次転写（一次転写）させる一次転写ロール２２、中間転写ベルト２１上に転写された重畳トナー像を記録媒体である用紙Ｐに一括転写（二次転写）させる二次転写ロール２３、及び二次転写された画像を用紙Ｐ上に定着させる定着器２５を備えている。

次に上記画像形成装置の動作について説明する。
まず、画像形成プロセス部１０は、制御部３０から供給された同期信号等の制御信号に基づいて画像形成動作を行う。その際に、画像読取装置３やＰＣ２から入力された画像データは、画像処理部４０によって画像処理が施され、インターフェースを介して各画像形成ユニット１１に供給される。

例えば、イエローの画像形成ユニット１１Ｙでは、帯電器１３により所定電位で一様に帯電された感光体ドラム１２の表面が、画像処理部４０から得られた画像データに基づいて発光するＬＰＨ１４により露光されて、感光体ドラム１２上に静電潜像が形成される。即ち、ＬＰＨ１４の各ＬＥＤが画像データに基づいて発光することで、感光体ドラム１２の表面が主走査されると共に、感光体ドラム１２が回転することで副走査されて、感光体ドラム１２上に静電潜像が形成される。形成された静電潜像は現像器１５により現像され、感光体ドラム１２上にはイエローのトナー像が形成される。同様に、画像形成ユニット１１Ｍ,１１Ｃ,１１Ｋにおいて、マゼンタ、シアン、黒の各色トナー像が形成される。

各画像形成ユニット１１で形成された各色トナー像は、図１の矢印Ａ方向に回動する中間転写ベルト２１上に、一次転写ロール２２により順次静電吸引されて転写される（一次転写）。中間転写ベルト２１上には、重畳されたトナー像が形成される。重畳トナー像は、中間転写ベルト２１の移動に伴って二次転写ロール２３が配設された領域（二次転写部）に搬送される。重畳トナー像が二次転写部に搬送されると、トナー像が二次転写部に搬送されるタイミングに合わせて用紙Ｐが二次転写部に供給される。

そして、二次転写部にて二次転写ロール２３により形成される転写電界により、重畳トナー像は搬送されてきた用紙Ｐ上に一括して静電転写される（二次転写）。重畳トナー像が静電転写された用紙Ｐは、中間転写ベルト２１から剥離され、搬送ベルト２４により定着器２５まで搬送される。定着器２５に搬送された用紙Ｐ上の未定着トナー像は、定着器２５によって熱および圧力による定着処理を受けることで用紙Ｐ上に定着される。そして定着画像が形成された用紙Ｐは、画像形成装置の排出部に設けられた排紙トレー（不図示）に排出される。

＜ＬＥＤプリントヘッド(ＬＰＨ)＞
図２は本発明の実施の形態に係るＬＥＤプリントヘッドの構成の一例を示す概略斜視図である。図２に示すように、ＬＥＤプリントヘッド(ＬＰＨ１４)は、複数のＬＥＤ５０を備えたＬＥＤアレイ５２と、複数のＬＥＤ５０の各々に対応して設けられた複数のホログラム素子５４を備えたホログラム素子アレイ５６と、を備えている。図２に示す例では、ＬＥＤアレイ５２は６個のＬＥＤ５０_１〜５０_６を備え、ホログラム素子アレイ５６は６個のホログラム素子５４_１〜５４_６を備えている。なお、各々を区別する必要がない場合には、ＬＥＤ５０_１〜５０_６を「ＬＥＤ５０」と総称し、ホログラム素子５４_１〜５４_６を「ホログラム素子５４」と総称する。

複数のＬＥＤ５０の各々は、ＬＥＤチップ５３上に配列されている。複数のＬＥＤ５０が配列されたＬＥＤチップ５３は、ＬＥＤ５０の各々を駆動する駆動回路（図示せず）と共に、長尺状のＬＥＤ基板５８上に実装されている。ＬＥＤチップ５３は、複数のＬＥＤ５０が主走査方向に並ぶように位置合わせをして、ＬＥＤ基板５８上に配置されている。これにより、ＬＥＤ５０の各々は、感光体ドラム１２の軸線方向と平行な方向に沿って配列される。

ＬＥＤ５０の配列方向が「主走査方向」である。また、ＬＥＤ５０の各々は、互いに隣接する２つのＬＥＤ５０（発光点）の主走査方向の間隔（発光点ピッチ）が一定間隔となるように配列されている。なお、感光体ドラム１２の回転により副走査が行われるが、「主走査方向」と直交する方向を「副走査方向」として図示している。また、以下では、ＬＥＤ５０の配置される位置を、適宜「発光点」と称する。

ＬＥＤアレイ５２としては、複数のＬＥＤがチップ単位で基板上に実装されたＬＥＤアレイ等、種々の形態のＬＥＤアレイを用いてもよい。複数のＬＥＤが配列されたＬＥＤチップを複数個配列する場合には、複数のＬＥＤチップは、直列に配置してもよく、千鳥状に配置してもよい。また、副走査方向に２個以上配置してもよい。図２においては、複数のＬＥＤ５０が１個のＬＥＤチップ５３上に一次元状に配列されたＬＥＤアレイ５２を概略的に図示しているに過ぎない。

後述するように、本実施の形態では、ＬＥＤアレイ５２には、複数のＬＥＤチップ５３が千鳥状に配列されている（図８参照）。即ち、複数のＬＥＤチップ５３は、主走査方向に並ぶように一列に配置されると共に、副走査方向に一定間隔ずらして二列に配置されている。複数のＬＥＤチップ５３に分けられていても、複数のＬＥＤ５０の各々は、互いに隣接する２つのＬＥＤ５０の主走査方向の間隔が、一定間隔となるように配列されている。

ＬＥＤアレイ５２としては、複数の自己走査型ＬＥＤ（ＳＬＥＤ：Self-scanning LED）が配列されたＳＬＥＤチップ（図示せず）が、各ＬＥＤが主走査方向に並ぶように、複数個に配列されて構成されたＳＬＥＤアレイを用いてもよい。ＳＬＥＤアレイは、スイッチのオン・オフを二本の信号線によって行い、各ＳＬＥＤを選択的に発光させて、データ線を共通化する。このＳＬＥＤアレイを用いることで、ＬＥＤ基板５８上での配線数が少なくて済む。

上記のＬＥＤチップ５３を覆うように、ＬＥＤ基板５８上にはホログラム記録層６０が形成されている。ホログラム素子アレイ５６は、ＬＥＤ基板５８上に形成されたホログラム記録層６０内に形成されている。後述する通り、ＬＥＤ基板５８とホログラム記録層６０とは密着している必要はなく、空気層や透明樹脂層などを介して所定距離だけ離間されていてもよい。例えば、ホログラム記録層６０は、ＬＥＤ基板５８から所定高さだけ離間された位置に、図示しない保持部材により保持されていてもよい。

ホログラム記録層６０には、複数のＬＥＤ５０_１〜５０_６の各々に対応して、主走査方向に沿って複数のホログラム素子ＬＥＤ５４_１〜５４_６が形成されている。ホログラム素子５４の各々は、互いに隣接する２つのホログラム素子５４の主走査方向の間隔が、上記のＬＥＤ５０の主走査方向の間隔と、ほぼ同じ間隔となるように配列されている。即ち、互いに隣接する２つのホログラム素子５４が互いに重なり合うように、径の大きいホログラム素子５４が形成されている。また、互いに隣接する２つのホログラム素子５４が異なる形状を有していてもよい。

ホログラム記録層６０は、ホログラムを永続的に記録保持することが可能な高分子材料から構成されている。このような高分子材料としては、いわゆるフォトポリマーを用いてもよい。フォトポリマーは、光重合性モノマーのポリマー化による屈折率変化を利用してホログラムを記録する。

ＬＥＤ５０を発光させると、ＬＥＤ５０から射出された光（インコヒーレント光）は、発光点からホログラム径まで拡がる拡散光の光路を通る。ＬＥＤ５０の発光により、ホログラム素子５４に参照光が照射されたのと略同じ状況となる。図２に示すように、ＬＥＤアレイ５２とホログラム素子アレイ５６とを備えたＬＰＨ１４では、６個のＬＥＤ５０_１〜５０_６の各々から射出された各光は、対応するホログラム素子５４_１〜５４_６のいずれかに入射する。ホログラム素子５４_１〜５４_６は、入射された光を回折して回折光を生成する。ホログラム素子５４_１〜５４_６の各々で生成された各回折光は、拡散光の光路を避けて、その光軸が発光光軸と角度θを成す方向に射出され、感光体ドラム１２の方向に集光される。

射出された各回折光は、感光体ドラム１２の方向に収束して、数ｃｍ先の焦点面に配置された感光体ドラム１２の表面で結像される。即ち、複数のホログラム素子５４の各々は、対応するＬＥＤ５０から射出された光を回折して集光し、感光体ドラム１２表面に結像させる光学部材として機能する。感光体ドラム１２の表面には、各回折光による微小なスポット６２_１〜６２_６が、主走査方向に一列に配列されるように形成される。換言すれば、ＬＰＨ１４により、感光体ドラム１２が主走査される。なお、各々を区別する必要がない場合には、スポット６２_１〜６２_６を「スポット６２」と総称する。

＜ホログラム素子の形状＞
図３（Ａ）はホログラム素子の概略形状を示す斜視図であり、図３（Ｂ）はＬＥＤプリントヘッドの副走査方向の断面図であり、図３（Ｃ）はＬＥＤプリントヘッドの主走査方向に沿った断面図である。

図３（Ａ）に示すように、ホログラム素子５４の各々は、一般に厚いホログラムと称される体積ホログラムである。上述した通り、ホログラム素子は、入射角選択性及び波長選択性が高く、回折光の出射角度（回折角）を高精度で制御して、輪郭の鮮明な微小スポットを形成する。回折角の精度はホログラムの厚さが厚いほど高くなる。一方、ホログラムの厚さが厚くなるほど回折光に含まれる波長帯域は狭くなり、光の取り出し効率は低下する。

本実施の形態では、光の取り出し効率を向上させるために、複数のホログラム素子５４の各々を、ＬＥＤ５０の発光波長帯域に在る複数の波長で波長多重記録している。波長多重記録されたホログラム素子５４は、多重記録に用いた複数の波長の光の何れに対しても、回折光を再生するようになり、光の取り出し効率が向上する。なお、波長多重記録に用いる波長の選択基準については後述する。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、ホログラム素子５４の各々は、ホログラム記録層６０の表面側を底面とし、ＬＥＤ５０側に向かって収束する円錐台状に形成されている。この例では円錐台状のホログラム素子について説明するが、ホログラム素子の形状はこれには限定されない。例えば、円錐、楕円錐、楕円錐台等の形状としてもよい。円錐台状のホログラム素子５４の直径は、底面で最も大きくなる。この円形の底面の直径を「ホログラム径ｒ_Ｈ」とする。

ホログラム素子５４の各々は、ＬＥＤ５０の主走査方向の間隔よりも大きな「ホログラム径ｒ_Ｈ」を有している。例えば、ＬＥＤ５０の主走査方向の間隔は３０μｍであり、ホログラム径ｒ_Ｈは２ｍｍ、ホログラム厚さｈ_Ｈは２５０μｍである。従って、図２及び図３（Ｃ）に示すように、互いに隣接する２つのホログラム素子５４は、互いに大幅に重なり合うように形成されている。複数のホログラム素子５４は、例えば、球面波シフト多重により多重記録されている。

複数のＬＥＤ５０の各々は、対応するホログラム素子５４側に光を射出するように、発光面をホログラム記録層６０の表面側に向けて、ＬＥＤ基板５８上に配置されている。ＬＥＤ５０の「発光光軸」は、対応するホログラム素子５４の中心（例えば、円錐台の対称軸）付近を通り、ＬＥＤ基板５８と直交する方向を向いている。図示した通り、発光光軸は、上記の主走査方向及び副走査方向の各々とも直交する。

また、図示は省略するが、ＬＰＨ１４は、ホログラム素子５４で生成された回折光が感光体ドラム１２の方向に射出されるように、ハウジングやホルダー等の保持部材により保持されて、図１に示す画像形成ユニット１１内の所定位置に取り付けられている。なお、ＬＰＨ１４は、調整ネジ（図示せず）等の調整手段により、回折光の光軸方向に移動するように構成されていてもよい。ホログラム素子５４による結像位置(焦点面)が、感光体ドラム１２表面上に位置するように、上記の調整手段により調整する。また、ホログラム記録層６０上に、カバーガラスや透明樹脂等で保護層が形成されていてもよい。保護層によりゴミの付着を防止する。

＜ホログラムの記録方法＞
次に、ホログラムの記録方法について説明する。図４は、ホログラム記録層にホログラム素子５４が形成される様子、即ち、ホログラム記録層にホログラムが記録される様子を示す図である。感光体ドラム１２の図示は省略し、結像面である表面１２Ａだけを図示する。また、ホログラム記録層６０Ａは、ホログラム素子５４が形成される前の記録層であり、符号Ａを付して、ホログラム素子５４が形成されたホログラム記録層６０と区別する。

図４に示すように、表面１２Ａに結像される回折光の光路を通るコヒーレント光が、信号光としてホログラム記録層６０Ａに照射される。同時に、ホログラム記録層６０Ａを通過する際に、発光点から所望のホログラム径ｒ_Ｈまで拡がる拡散光の光路を通るコヒーレント光が、参照光としてホログラム記録層６０Ａに照射される。コヒーレント光の照射には、半導体レーザ等のレーザ光源が用いられる。

信号光と参照光とは、ホログラム記録層６０Ａに対し、同じ側（ＬＥＤ基板５８が配置される側）から照射される。信号光と参照光との干渉により得られる干渉縞（強度分布）が、ホログラム記録層６０Ａの厚さ方向にわたって記録される。これにより、透過型のホログラム素子５４が形成されたホログラム記録層６０が得られる。ホログラム素子５４は、面方向及び厚さ方向に干渉縞の強度分布が記録された体積ホログラムである。このホログラム記録層６０を、ＬＥＤアレイ５２が実装されたＬＥＤ基板５８上に取り付けることで、ＬＰＨ１４が作製される。

本実施の形態では、光の取り出し効率を向上させるために、複数のホログラム素子５４の各々を、ＬＥＤ５０の発光波長帯域に在る複数の波長で波長多重記録している。即ち、ホログラム記録層６０Ａの同じ位置（体積内）には、異なる波長の信号光（球面波）と参照光（球面波）との干渉により記録された複数の体積ホログラムが、多重記録されている。信号光及び参照光の光軸方向や拡がり角度など、波長以外のホログラム記録条件は同様とする。

図５（Ａ）はＬＥＤの発光スペクトルを示す図であり、図５（Ｂ）波長多重記録に用いる波長選択の一例を示す図であり、図５（Ｃ）は波長多重記録に用いる波長選択の他の一例を示す図である。図５（Ａ）に示すように、インコヒーレント光源（拡散光源）であるＬＥＤ５０の発光スペクトルは、最大発光波長を中心として左右対称に広がるガウス分布のような分布を有している。従って、この発光波長帯域に在る複数の波長を、ホログラム素子５４を多重記録する波長として選択することができる。なお、中心となる最大発光波長が「中心波長」である。

例えば、図５（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ５０の発光スペクトルの中心波長に対して対称的な位置に在る２波長を用いて波長多重を行ってもよい。中心波長より短波長側の波長を「第１の波長」とし、中心波長より長波長側の波長を「第２の波長」とする。なお、対称的な位置に在る波長（対称的な偶数個の波長）であればよく、２波長には限られない。４波長、６波長と、波長の数を増やしてもよい。

また、図５（Ｃ）に示すように、ＬＥＤ５０の発光スペクトルの中心波長と、この中心波長に対して対称的な位置に在る２波長と、を用いて合計３波長で波長多重を行ってもよい。中心波長より短波長側の波長を「第１の波長」とし、中心波長より長波長側の波長を「第２の波長」とし、中心波長を「第３の波長」とする。３波長には限られない点は、図５（Ｂ）に示す場合と同様である。図５（Ｃ）に示すように、中心波長とこれに対称的な２波長の合計３波長で波長多重を行う場合には、インコヒーレント光の最大強度の波長（中心波長）が回折に寄与するため、図５（Ｂ）に示すように２波長を用いて波長多重を行う場合に比べて、光利用効率が大きくなる。

波長多重記録に用いる波長選択は種々の基準に基づいて行われる。例えば、ホログラムは回折格子であるため、温度変化などの環境変化により格子間隔が変化する。その結果、環境に依存して回折効率が変動する。即ち、光取り出し効率が環境変化により変動する。このような変化も考慮に入れて、（１）微小な集光スポットを形成する、（２）高い光取り出し効率を得る、（３）環境変化による光取り出し効率の変動を抑制する、という複数の観点から、波長多重記録に用いる波長を選択することが好ましい。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は波長多重記録に用いる波長選択の基準の一例を示す図である。上記（３）の「環境変化による光取り出し効率の変動を抑制する」という観点から見れば、図５（Ｂ）に示すように２波長を用いて波長多重を行う方がよい。図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ホログラムの回折光（回折可能な光）の波長範囲は、温度変化等の環境変化により、矢印で図示したように、点線で示す範囲から実線で示す範囲へと変化する。これは、上述した通り、温度変化等の環境変化によりホログラムの格子間隔が変動して、ブラッグ（Bragg）条件を満たす波長が変動するためである。

図６（Ａ）に示すように、中心波長を用いて波長多重を行う場合には、中心波長の回折効率は環境変化によって変動し、全体の回折効率が環境変化によって変動しやすくなる。これに対して、図６（Ｂ）に示すように、中心波長に対して対称的な波長を用いて波長多重を行う場合には、環境変化により、短波長の光の回折効率が減少したとき、長波長の光の回折効率は増加する。同様に、環境変化により、長波長の光の回折効率が減少したとき、短波長の光の回折効率は増加する。その結果、環境変化による合計の回折効率の変動は抑制され、環境変化による強度変動が抑制される。

上記の理由から、上記（３）の「環境変化による光取り出し効率の変動を抑制する」という観点からは、図５（Ｂ）に示すように２波長を用いて波長多重を行う方がよい。しかしながら、中心波長近辺のスペクトルが十分にブロードである場合、想定している温度変化の範囲で回折格子の間隔の変動が十分に小さいとみなせる場合など、特定の条件を満たす場合には、回折効率の変動が十分に小さく抑制されるので、図５（Ｃ）に示すように、中心波長を含む波長で波長多重を行ってもよい。

＜ホログラムの再生方法＞
次に、ホログラムの再生方法について説明する。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、ホログラム素子から回折光が生成される様子、即ち、ホログラム記録層に記録されたホログラムが再生されて回折光が生成される様子を示す図である。図７（Ａ）に示すように、ＬＥＤ５０を発光させると、ＬＥＤ５０から射出された光は、発光点からホログラム径ｒ_Ｈまで拡がる拡散光の光路を通る。ＬＥＤ５０の発光により、ホログラム素子５４に参照光が照射されたのと略同じ状況となる。

図７（Ｂ）に示すように、点線で図示する参照光の照射により、実線で図示するように、ホログラム素子５４から信号光と同じ光が再生され、回折光として射出される。射出された回折光は収束して、数ｃｍの作動距離で感光体ドラム１２の表面１２Ａに結像される。表面１２Ａにはスポット６２が形成される。なお、図７（Ｂ）では、表面１２Ａが概略的に図示されているが、ホログラム径ｒ_Ｈは数ｍｍ、作動距離Ｌは数ｃｍであるから、表面１２Ａはかなり離れた位置にある。このため、ホログラム素子５４は、図示されたような円錐状ではなく、図３（Ａ）に示すように、円錐台状に形成される。

図２に示すように、感光体ドラム１２上には、ＬＥＤアレイ５２のＬＥＤ５０_１〜５０_６に対応して、６個のスポット６２_１〜６２_６が主走査方向に一列に並ぶように形成される。６個のスポット６２_１〜６２_６は、ホログラム素子５４_１〜５４_６の回折光が結像した結像スポットである。特に、体積ホログラムは入射角選択性及び波長選択性が高く、高い回折効率が得られる。このためバックグラウンドノイズ（背景雑音）が低減され、信号光が精度よく再生されて表面１２Ａには輪郭の鮮明な微小スポット（集光点）が形成される。

本実施の形態では、光の取り出し効率を向上させるために、複数のホログラム素子５４は、ＬＥＤ５０の発光波長帯域に在る複数の波長で波長多重記録されている。波長多重記録されたホログラム素子５４は、多重記録に用いた複数の波長の光の何れに対しても、同じ集光点に集光する回折光を再生する。光の取り出し効率が向上すると、感光体ドラム１２の表面に形成される複数のスポット６２の光量（即ち、回折光強度）も向上する。

なお、波長の数が多いほど光の利用効率は増加する。一方、波長の数が増えると多重度が増加するため、記録媒体には大きなダイナミックレンジが要求されることになる。波長の数は、求められる光利用効率と記録媒体のダイナミックレンジとによって決められる。

＜ＬＰＨの具体的な構成＞
次に、ＬＰＨのより具体的な構成について説明する。図２においては、概略的に６個のＬＥＤ５０_１〜５０_６が１列に配列されている例を図示したが、実際の画像形成装置では、主走査方向の解像度に応じて数千個のＬＥＤ５０が配列されている。例えば、ＳＬＥＤアレイを例に説明すると、１２８個のＳＬＥＤが１２００ｓｐｉ（spots per inch）間隔で配列されたＳＬＥＤチップが、ＳＬＥＤが主走査方向に沿って並ぶように、５８個直列に配列されてＳＬＥＤアレイが構成されている。換算すると、１２００ｄｐｉの解像度の画像形成装置では、７４２４個のＳＬＥＤが２１μｍの間隔で配列されている。これら７４２４個のＳＬＥＤに対応して、感光体ドラム１２上には７４２４個のスポット６２が主走査方向に一列に並ぶように形成される。

図８はＳＬＥＤアレイに対応してホログラム素子アレイが形成されたＬＥＤプリントヘッドの部分的構成の一例を示す分解斜視図である。図８の分解斜視図は、図２に概略的に図示したＬＰＨの構成をより具体的に図示したものであり、実際の画像形成装置に使用される構成に近い。なお、「ＬＥＤ」に代えて「ＳＬＥＤ」を用いる場合には、ＬＥＤ５０と同じ符号を付して「ＳＬＥＤ５０」と称する。また、ＳＬＥＤチップにも同じ符号を付して「ＳＬＥＤチップ５３」と称する。

上述した通り、実際の画像形成装置のＬＰＨ１４には、主走査方向の解像度に応じて数千個のＳＬＥＤが配列されている。図８に示すＬＰＨ１４は、ＬＥＤアレイ５２が実装されたＬＥＤ基板５８と、複数のホログラム素子５４が形成されたホログラム記録層６０と、を備えている。ＬＥＤアレイ５２は、複数のＳＬＥＤチップ５３が２列の千鳥状に配置されたＳＬＥＤアレイである。

図８に示す分解斜視図では、実際の構成に近いＬＰＨ１４の一部として、４個のＳＬＥＤチップ５３_１〜５３_４が２列の千鳥状に配置されている様子を示す。４個のＳＬＥＤチップ５３_１〜５３_４の各々には、９個のＳＬＥＤ５０が所定間隔で一次元状に配列されている。そして、４個のＳＬＥＤチップ５３_１〜５３_４の各々は、ＳＬＥＤ５０の配列方向が主走査方向を向くように配置されている。

１行目のＳＬＥＤチップ５３と２行目のＳＬＥＤチップ５３とは、主走査方向に２列ずらして（即ち、千鳥状に）配置されている。即ち、ＬＥＤアレイ５２の１行目には、ＳＬＥＤチップ５３_１とＳＬＥＤチップ５３_２３とが互いに隣接するように配置され、ＬＥＤアレイ５２の２行目には、ＳＬＥＤチップ５３_２とＳＬＥＤチップ５３_４とが互いに隣接するように配置されている。従って、図８に示す例では、２行に配列された合計３６個のＳＬＥＤ５０（ＳＬＥＤ５０_１〜５０_３６）が図示されている。

そして、３６個のＳＬＥＤ５０の各々に対応して、予め設計された位置及び形状の３６個のホログラム素子５４_１〜５４_３６が形成されている。これにより、感光体ドラム１２の表面１２Ａには、３６個のＳＬＥＤ５０_１〜５０_３６の各々に対応して、３６個のスポット６２_１〜６２_３６が主走査方向に沿って所定間隔で一列に形成されている。実際の画像形成装置では、数千個のＳＬＥＤ５０に対応して、数千個のスポット６２が形成される。

＜その他の変形例＞
なお、上記では、複数のＬＥＤを備えたＬＥＤプリントヘッドを備える例について説明したが、ＬＥＤに代えて電界発光素子（ＥＬ）、レーザダイオード（ＬＤ）等、他の発光素子を用いてもよい。発光素子の特性に応じてホログラム素子を設計すると共に、インコヒーレント光による不要露光を防止することで、インコヒーレント光を射出するＬＥＤやＥＬを発光素子として用いた場合でも、コヒーレント光を射出するＬＤを発光素子として用いた場合と同様に、輪郭が鮮明な微小スポットが形成される。

また、上記では、球面波シフト多重により複数のホログラム素子を多重記録する例について説明したが、所望の回折光が得られる多重方式であれば、他の多重方式で複数のホログラム素子を多重記録してもよい。また、複数種類の多重方式を併用しても良い。他の多重方式としては、参照光の入射角度を変えながら記録する角度多重記録、参照光の波長を変えながら記録する波長多重記録、参照光の位相を変えながら記録する位相多重記録等が挙げられる。

また、上記では、画像形成装置がタンデム型のデジタルカラープリンタであり、その各画像形成ユニットの感光体ドラムを露光する露光装置としてのＬＥＤプリントヘッドについて説明したが、露光装置により感光性の画像記録媒体を像様露光することで画像が形成される画像形成装置であればよく、上記の応用例には限定されない。例えば、画像形成装置は、電子写真方式のデジタルカラープリンタには限定されない。銀塩方式の画像形成装置や光書込み型電子ペーパー等の書き込み装置等にも本発明の露光装置を搭載してもよい。また、感光性の画像記録媒体は、感光体ドラムには限定されない。シート状の感光体や写真感光材料、フォトレジスト、フォトポリマー等の露光にも、上記応用例に係る露光装置を適用してもよい。

２ ＰＣ
３ 画像読取装置
１０ 画像形成プロセス部
１１ 画像形成ユニット
１２ 感光体ドラム
１２Ａ 表面
１３ 帯電器
１４ ＬＥＤプリントヘッド
１５ 現像器
１６ クリーナ
２１ 中間転写ベルト
２２ 一次転写ロール
２３ 二次転写ロール
２４ 搬送ベルト
２５ 定着器
３０ 制御部
４０ 画像処理部
５０ ＬＥＤ
５２ ＬＥＤアレイ
５３ ＬＥＤチップ
５４ ホログラム素子
５６ ホログラム素子アレイ
５８ ＬＥＤ基板
６０ ホログラム記録層
６０Ａ ホログラム記録層
６２ スポット

Claims (6)

1. 予め定めた波長帯域で発光し拡散光を射出する発光素子と、
   前記発光素子の光射出側に配置された記録層に、前記発光素子の波長帯域から選択された複数の波長の光で波長多重記録され、前記発光素子からの拡散光の照射により射出された回折光が予め定めた集光点に収束するホログラム素子と、
   を備えた集光素子。
2. 前記波長多重記録する複数の波長は、前記波長帯域の中心波長に対し短波長側及び長波長側に略対称な位置にある波長を含む、請求項１に記載の集光素子。
3. 前記波長多重記録する複数の波長は、前記波長帯域の中心波長を含む、請求項１又は請求項２に記載の集光素子。
4. 請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の集光素子の複数が一次元状又は二次元状に配列された集光素子アレイ。
5. 請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の集光素子を複数個備え、
   前記複数の集光素子の各々から射出された回折光が予め定めた作動距離で収束すると共に、前記複数の集光素子の各々から射出された回折光の集光点が予め定めた方向に並ぶように、前記複数の集光素子が一次元状又は二次元状に配列された露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置と、
   前記露光装置と作動距離だけ離間して配置され、画像データに応じて前記露光装置により前記集光点が並ぶ予め定めた方向に主走査されて画像が書き込まれる感光体と、
   を含む画像形成装置。

Images