JP2007225989A - Multibeam light source unit, optical scanner equipped with the multibeam light source unit, and image forming apparatus - Google Patents
Multibeam light source unit, optical scanner equipped with the multibeam light source unit, and image forming apparatus Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、複数の光源から発生する光ビームを１度に走査することにより複数ラインを同時に被走査面上に走査することを可能とするマルチビーム光源ユニットと、それを備えた光走査装置および画像形成装置に関する。 The present invention relates to a multi-beam light source unit capable of simultaneously scanning a plurality of lines on a surface to be scanned by scanning light beams generated from a plurality of light sources at a time, and an optical scanning device including the same. The present invention relates to an image forming apparatus.
近年、画像形成装置の印字速度の向上、また書込密度の向上が望まれている。そのため、画像形成装置を構成する光走査装置において、高速かつ高密度な光走査を達成する手段の１つとして、光偏向器の偏向速度を上げる、すなわちポリゴンミラーの回転速度を上げる方法がある。しかしながら、高速回転に伴う騒音や熱等の問題があり、回転速度向上にも限界がある。一方で、高速かつ高密度な光走査を達成するための別の手段として、１度に複数の光ビームを走査して、同時に複数ラインを走査させる方法がある。
複数の光ビームを走査することを可能とするマルチビーム光源ユニットとして、複数の光ビームを発生する１つのマルチビーム光源（１つのパッケージ内に複数の発光点を持つレーザアレイ光源）を用いて、従来の１つの光源を用いた光走査装置に置きかえることで実現することができる。しかし、レーザアレイ光源は製造プロセス上、発光点数を４、８、・・・と増やしていくにつれ、技術的難易度は上がり、非常に高価な光源となっている。
In recent years, it has been desired to improve the printing speed and the writing density of image forming apparatuses. Therefore, as one of means for achieving high-speed and high-density optical scanning in the optical scanning device constituting the image forming apparatus, there is a method of increasing the deflection speed of the optical deflector, that is, increasing the rotational speed of the polygon mirror. However, there are problems such as noise and heat associated with high-speed rotation, and there is a limit to improving the rotation speed. On the other hand, as another means for achieving high-speed and high-density optical scanning, there is a method of scanning a plurality of light beams at a time and simultaneously scanning a plurality of lines.
As a multi-beam light source unit capable of scanning a plurality of light beams, using one multi-beam light source (laser array light source having a plurality of light emitting points in one package) that generates a plurality of light beams, This can be realized by replacing the conventional optical scanning device using one light source. However, as the number of light emitting points is increased to 4, 8,... In the manufacturing process, the technical difficulty increases and the laser array light source becomes a very expensive light source.
一方、従来のシングルビーム光源（１つのパッケージ内に１つの発光点を持つレーザ光源）を複数個用いて、マルチビーム光源ユニットを達成する方法が多数提案されている（例えば、特許文献１ 参照。）。シングルビームは低コストにて大量生産されており、例えばシングルビーム光源４つと、４つの発光点を持つマルチビームでは前者の方がコスト優位である。
マルチビーム光源ユニットをシングルビーム光源を用いて構成するために、いくつかのビーム合成素子が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３ 参照。）。
特許文献２では、２つの光ビームが９０度の角度で偏光ビームスプリッタや偏光ハーフミラーに入射され、ほぼ同じ方向に光ビームは合成されている。
特許文献３では、２つの光ビームがほぼ平行に薄膜を用いた偏光ビーム合成プリズムに入射され、ほぼ同じ方向に光ビームは合成されている。
On the other hand, many methods for achieving a multi-beam light source unit using a plurality of conventional single beam light sources (laser light sources having one light emitting point in one package) have been proposed (for example, see Patent Document 1). ). Single beams are mass-produced at low cost. For example, in the case of a multi-beam having four single beam light sources and four light emitting points, the former has a cost advantage.
In order to configure a multi-beam light source unit using a single beam light source, several beam combining elements have been proposed (see, for example,
In
In
図２１は偏光ビームスプリッタを説明するための図である。
同図において符号Ｌ１は第１の光束、Ｌ２は第２の光束、ＰＢＳは偏光ビームスプリッタ、ＰＴＦは偏光分離薄膜をそれぞれ示す。また、２重丸印のＰ１は直近の光束の偏光方向（電場の振動方向）が紙面に垂直であることを示し、両矢印のＰ２は直近の光束の偏光方向が紙面に平行（光束の進行方向に対しては垂直）であることを示す。
偏光ビームスプリッタＰＢＳの２つの面に対し、進行方向が互いに直交し、偏光方向も互いに直交する２つの光束Ｌ１、Ｌ２がそれぞれ垂直入射すると、紙面に垂直な偏光方向Ｐ１を有する第１の光束Ｌ１は偏光分離薄膜ＰＴＦをそのまま透過し、紙面に平行な偏光方向Ｐ２を有する第２の光束Ｌ２は偏光分離薄膜ＰＴＦによって反射されることにより進行方向が９０°偏向させられ、第１の光束と同方向に進行する。したがって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は合成されたことになる。
FIG. 21 is a diagram for explaining the polarization beam splitter.
In the figure, reference numeral L1 denotes a first light beam, L2 denotes a second light beam, PBS denotes a polarization beam splitter, and PTF denotes a polarization separation thin film. Also, P1 with a double circle indicates that the polarization direction of the most recent light beam (electric field vibration direction) is perpendicular to the paper surface, and P2 with a double arrow indicates that the polarization direction of the most recent light beam is parallel to the paper surface (progress of the light beam). Perpendicular to the direction).
When two light beams L1 and L2 whose traveling directions are perpendicular to each other and whose polarization directions are also perpendicular to each other are incident on the two surfaces of the polarization beam splitter PBS, the first light beam L1 having a polarization direction P1 perpendicular to the paper surface. Is transmitted through the polarization separation thin film PTF as it is, and the second light beam L2 having the polarization direction P2 parallel to the paper surface is reflected by the polarization separation thin film PTF, so that the traveling direction is deflected by 90 ° and is the same as the first light beam. Proceed in the direction. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 are combined.
図２２は偏光ビーム合成プリズムを説明するための図である。
同図において符号ＰＢＰは偏光ビーム合成プリズム、Ｍは正反射面をそれぞれ示す。その他の符号は図２１に示した符号を準用する。
偏光ビーム合成プリズムＰＢＰの所定入射面に対し、同一方向から互いに平行で、偏光方向が互いに直交する２つの光束Ｌ１、Ｌ２が垂直入射すると、偏光方向Ｐ１を有する第１の光束Ｌ１は偏光分離薄膜ＰＴＦをそのまま透過し、偏光方向Ｐ２を有する第２の光束Ｌ２は正反射面Ｍによって偏光分離薄膜ＰＴＦ方向に反射され、さらに、偏光分離薄膜ＰＴＦによって反射されることにより進行方向が９０°偏向させられ、第１の光束と同方向に進行する。したがって、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は合成されたことになる。
FIG. 22 is a diagram for explaining the polarization beam combining prism.
In the drawing, reference numeral PBP denotes a polarization beam combining prism, and M denotes a regular reflection surface. For the other symbols, the symbols shown in FIG.
When two light beams L1 and L2 that are parallel to each other from the same direction and perpendicular to each other are perpendicularly incident on a predetermined incident surface of the polarization beam combining prism PBP, the first light beam L1 having the polarization direction P1 is a polarization separation thin film. The second light beam L2 that passes through the PTF as it is and has the polarization direction P2 is reflected in the direction of the polarization separation thin film PTF by the specular reflection surface M, and is further reflected by the polarization separation thin film PTF to deflect the traveling direction by 90 °. And travels in the same direction as the first light flux. Therefore, the first light beam L1 and the second light beam L2 are combined.
図２３は半導体レーザの出射光束の様子を示す模式図である。
同図において符号ＬＤは半導体レーザ発光部、Ｂは半導体レーザの活性層、Ｌは出射光束、ＦＦＰは出射光束のファーフィールドパターン、Ｐは出射光束の偏光方向をそれぞれ示す。
特許文献２、および３に示されたようなビーム合成素子は、２つの光ビームの偏光方向を９０°異ならせてから、その偏光特性の違いを利用して光ビームを合成している。すなわち、入射する２つの光ビームの偏光方向が９０°異なっている必要がある。
半導体レーザＬＤの活性層Ｂから放出される光ビームＬは、半導体レーザＬＤから十分離れた位置におけるファーフィールドパターンＦＦＰは楕円状の分布を示しており、偏光方向は活性層に平行である。このように、活性層Ｂに平行な方向と、それに直交する方向における光束の断面幅が異なることにより、光束の合成において制約が生ずることになる。
FIG. 23 is a schematic diagram showing the state of the emitted light beam of the semiconductor laser.
In the figure, LD denotes a semiconductor laser light emitting portion, B denotes an active layer of the semiconductor laser, L denotes an outgoing light beam, FFP denotes a far field pattern of the outgoing light beam, and P denotes a polarization direction of the outgoing light beam.
The beam combining elements as shown in
The light beam L emitted from the active layer B of the semiconductor laser LD has an elliptical distribution in the far field pattern FFP at a position sufficiently away from the semiconductor laser LD, and the polarization direction is parallel to the active layer. As described above, since the cross-sectional widths of the light beams in the direction parallel to the active layer B and the direction orthogonal thereto are different, restrictions are imposed on the light beam synthesis.
２つの光ビームの偏光方向を９０°異ならせるためには、次のような２つの方法が考えられる。
直線偏光を持つ半導体レーザを、その偏光方向が９０°異なるように物理的に配置する（図２１に示した構成）。
偏光方向が９０°異なるように偏光方向を変化させられる素子（例えばλ／２板）を用いる（図２４に示す構成）。
図２４はλ／２板を用いるビーム合成素子を説明するための図である。
同図において符号Ｃは半波長板（以下λ／２板と呼ぶ）を示す。その他の符号は図２１に準ずる。
ここでλ／２板Ｃは、ある偏光方向を持つ光ビームを透過させると、その偏光方向が９０°回転するような、一般的には複屈折性結晶を用いた素子である。すなわち、偏光方向が同じ方向を持つように配置された半導体レーザの光束Ｌ１、Ｌ２の１方Ｌ２をλ／２板Ｃを透過させることによって、その偏光方向を９０°異ならせることができるのである。したがって、λ／２板Ｃを透過した後は、見かけ上、図２１に示した状態と同じになる。
In order to make the polarization directions of the two light beams different by 90 °, the following two methods are conceivable.
A semiconductor laser having linearly polarized light is physically arranged so that its polarization direction differs by 90 ° (configuration shown in FIG. 21).
An element (for example, a λ / 2 plate) that can change the polarization direction so that the polarization direction differs by 90 ° is used (configuration shown in FIG. 24).
FIG. 24 is a diagram for explaining a beam combining element using a λ / 2 plate.
In the figure, reference numeral C denotes a half-wave plate (hereinafter referred to as a λ / 2 plate). Other symbols are the same as those in FIG.
Here, the λ / 2 plate C is an element that generally uses a birefringent crystal such that when a light beam having a certain polarization direction is transmitted, the polarization direction is rotated by 90 °. That is, by transmitting one direction L2 of the light beams L1 and L2 of the semiconductor laser arranged so that the polarization directions have the same direction through the λ / 2 plate C, the polarization directions can be varied by 90 °. . Therefore, after passing through the λ / 2 plate C, it looks like the state shown in FIG.
しかしながら、（１）の方法では、半導体レーザＬＤの配置方向が異なってしまうため、光ビームのファーフィールドパターンが異なることを意味する。この異なるファーフィールドパターンを持つ光ビームをマルチビーム光源ユニットによって合成して、所望の光学系を透過させた場合、ファーフィールドパターンの違いに起因して、光学系を透過させた後の光ビームプロファイルが異なってしまうという問題点が発生する。
一方、（２）の方法では、偏光方向を変化させる素子を追加しなくてはならないため、光学系の構成によっては、光学系のサイズが大きくなったり、素子のレイアウト自由度が減少したり、素子追加による調整精度の向上が必要になったり、コストアップを生じたりするという問題点が発生する。
However, in the method (1), the arrangement direction of the semiconductor laser LD is different, which means that the far field pattern of the light beam is different. When the light beams having different far field patterns are combined by a multi-beam light source unit and transmitted through a desired optical system, the light beam profile after passing through the optical system due to the difference in the far field pattern The problem arises that they are different.
On the other hand, in the method (2), since an element for changing the polarization direction has to be added, depending on the configuration of the optical system, the size of the optical system is increased, the degree of freedom of layout of the element is reduced, There arises a problem that the adjustment accuracy needs to be improved by adding an element or the cost is increased.
請求項１に記載の発明では、少なくとも２つの半導体レーザと、該各半導体レーザに対応し、該各半導体レーザから発生する光ビームを整形する少なくとも１個の光学素子を有する第１光学系と、前記複数の光ビームを略同一方向、もしくは異なる２つの方向から入射させ、各々の光ビームの少なくとも一部をほぼ同一方向に出射させる光ビーム合成素子と、からなるマルチビーム光源ユニットにおいて、前記各半導体レーザは、その偏光方向を同一方向に向けて配置されており、前記半導体レーザの光出射面から前記光ビーム合成素子に至る間のいずれかの光学素子の少なくとも１面に、使用する光の波長よりも小さい周期構造（以下サブ波長構造と呼ぶ）を付加することによって、少なくとも１つの半導体レーザからの光ビームの偏光方向を９０度異ならせたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記半導体レーザはカバーガラスを有し、前記サブ波長構造を前記カバーガラスの少なくとも１面に付加したことを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記サブ波長構造を、第１光学系を構成する光学素子の少なくとも１つの光学面に設けたことを特徴とする。
In the first aspect of the invention, the first optical system includes at least two semiconductor lasers and at least one optical element corresponding to each of the semiconductor lasers and shaping a light beam generated from each of the semiconductor lasers; A multi-beam light source unit comprising: a plurality of light beams incident from substantially the same direction or two different directions; and a light beam combining element that emits at least a part of each light beam in substantially the same direction. The semiconductor laser is arranged with its polarization direction directed in the same direction, and at least one surface of any one of the optical elements between the light emitting surface of the semiconductor laser and the light beam combining element has light to be used. The polarization method of the light beam from at least one semiconductor laser by adding a periodic structure smaller than the wavelength (hereinafter referred to as a sub-wavelength structure). The is characterized in that differentiated 90 degrees.
The invention according to
According to a third aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to the first aspect, the sub-wavelength structure is provided on at least one optical surface of an optical element constituting the first optical system. .
請求項４に記載の発明では、請求項１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記サブ波長構造を、偏光方向を９０°異ならせるべき光ビームが入射する前記光ビーム合成素子の入射面に設けたことを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子は、直交する２つの直線偏光のうち、一方の偏光方向に対して０次光を出射させ、他方の偏光方向に対して１次以上の回折光を出射させる前記サブ波長構造を１面に形成した光学素子であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記サブ波長構造は回折格子形状に形成されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子は偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to the first aspect, the sub-wavelength structure is provided on an incident surface of the light beam combining element on which a light beam whose polarization direction should be different by 90 ° is incident. It is characterized by that.
According to a fifth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to any one of the first to fourth aspects, the light beam combining element is adapted to one polarization direction of two orthogonal linearly polarized lights. The optical element is characterized in that the sub-wavelength structure for emitting zero-order light and emitting first-order or higher-order diffracted light with respect to the other polarization direction is formed on one surface.
The invention according to
According to a seventh aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to any one of the first to fourth aspects, the light beam combining element is a polarization beam splitter.
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子は偏光ビーム合成プリズムであることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記半導体レーザを４個用いることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記各半導体レーザは少なくとも２本の光ビームをそれぞれ発生することを特徴とする。
According to an eighth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to any one of the first to fourth aspects, the light beam combining element is a polarization beam combining prism.
According to a ninth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to any one of the first to eighth aspects, four semiconductor lasers are used.
According to a tenth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to any one of the first to ninth aspects, each of the semiconductor lasers generates at least two light beams.
請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子によって合成された光ビームを円偏光に変換させる光学素子をさらに付加したことを特徴とする。
請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記円偏光に変換させる光学素子は、λ／４板であることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明では、請求項１１に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記円偏光に変換させる光学素子は、直線偏光を円偏光に変換する機能を有するサブ波長構造をもった光学素子であることを特徴とする。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to any one of the first to tenth aspects, an optical element for converting the light beam synthesized by the light beam synthesizing element into circularly polarized light is further added. It is characterized by that.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to the eleventh aspect, the optical element that converts the circularly polarized light is a λ / 4 plate.
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the multi-beam light source unit according to the eleventh aspect, the optical element that converts the circularly polarized light has a sub-wavelength structure having a function of converting linearly polarized light into circularly polarized light. It is characterized by being.
請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載のマルチビーム光源ユニットにおいて、前記光ビーム合成素子の合成光ビーム出射面に他の光学的機能素子が形成されていない場合は、該出射面に前記円偏光に変換させる光学素子を形成したことを特徴とする。
請求項１５に記載の発明では、請求項１ないし１４に記載のマルチビーム光源ユニットと、光偏向器と、前記マルチビーム光源ユニットからの光ビームを前記光偏向器に導くための第２光学系と、前記光偏向器により偏向走査された光ビームを被走査面上に光スポットして結像させるための第３光学系とを有する光走査装置を特徴とする。
請求項１６に記載の発明では、請求項１５に記載の光走査装置を光書き込みユニットとして用いた画像形成装置を特徴とする。
In the invention described in
According to a fifteenth aspect of the present invention, the multi-beam light source unit according to any one of the first to fourteenth aspects, an optical deflector, and a second optical system for guiding a light beam from the multi-beam light source unit to the optical deflector. And a third optical system for forming an image by spotting the light beam deflected and scanned by the optical deflector onto the surface to be scanned.
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided an image forming apparatus using the optical scanning device according to the fifteenth aspect as an optical writing unit.
本発明によれば、光ビーム合成素子を用いたマルチビーム光源ユニットにおいて、その光ビームの偏光方向が同一方向を向くように配置されているので、光学系を透過させた後の光ビームプロファイルを同一とすることができ、複数の光ビームに対して均一な光ビームプロファイルを得ることができるとともに、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を他の光学素子に付加しているので、光学系サイズの低減や低コスト化が期待できる。
また、新規で安価なマルチビーム光源ユニットを用いているので、高速かつ高密度な光走査装置を達成することができるようになる。
According to the present invention, in the multi-beam light source unit using the light beam combining element, the light beams are arranged so that the polarization directions of the light beams are directed in the same direction. The same optical beam profile can be obtained for a plurality of light beams, and a function for changing the polarization direction of the light beams by 90 ° is added to other optical elements. Therefore, reduction of the optical system size and cost reduction can be expected.
In addition, since a new and inexpensive multi-beam light source unit is used, a high-speed and high-density optical scanning device can be achieved.
本発明の実施形態を説明するに先立って、本発明に用いる構造複屈折性の光学素子について説明する。
屈折率の異なる２つの媒質（例えば一方が空気で、もう一方が等方性媒質）が光の波長よりも小さい周期構造を持つような構造（ＳＷＳ＝Subwavelength Structure；以下サブ波長構造と呼ぶ）を持つ光学素子では、構造複屈折と呼ばれる光学異方性が発現する。
層状に構成された周期構造体に入射する光のうち、電場の振動方向が層方向に向いた直線偏光（ＴＥ偏光と呼ぶ）に対する見かけの屈折率（有効屈折率）と、電場の振動方向が層方向に直交する向きに向いた直線偏光（ＴＭ偏光と呼ぶ）に対する見かけの屈折率が等しくならず、しかも２つの媒質の屈折率の組み合わせで任意に変えることができる。
従来複屈折性を用いるためには、水晶や方解石などの複屈折性結晶を用いる必要があり、物質固有の特性であることから複屈折性を変えることは難しかった。それに対して構造複屈折では特別な結晶を用いることなく、一般的な媒質を用い、その形状を選ぶことによって複屈折性を得ることができるため、比較的容易に制御することが可能である。これによって、複屈折性結晶を用いない偏光ビームスプリッタなどが実現できる。また、媒質の形状による有効屈折率を制御することで反射防止構造を光学面に形成することもできる。
上記構造複屈折を持つ媒体は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対して、その構造の厚さを制御することによって位相差を変化させることができ、λ／２板やλ／４板の機能を発生させることができる。すなわち、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する屈折率をそれぞれｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）とし、使用する光の波長をλ、構造の厚さをｄとおけば、発生する位相差φは、
φ＝２π｛ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）｝ｄ／λ
で表すことができる。所望のφを与えることによって対応するｄを求めることができる。
またサブ波長構造光学素子では上記複屈折性や反射防止性などの機能に対し入射角度依存性が小さいことが知られている。
Prior to describing embodiments of the present invention, a structural birefringent optical element used in the present invention will be described.
A structure in which two media having different refractive indexes (for example, one is air and the other isotropic medium) has a periodic structure smaller than the wavelength of light (SWS = Subwavelength Structure). The optical element possessed exhibits optical anisotropy called structural birefringence.
Of the light incident on the layered periodic structure, the apparent refractive index (effective refractive index) for linearly polarized light (referred to as TE polarized light) whose electric field vibration direction is in the layer direction, and the electric field vibration direction are The apparent refractive index for linearly polarized light (referred to as TM polarized light) oriented in the direction orthogonal to the layer direction is not equal, and can be arbitrarily changed by a combination of the refractive indexes of the two media.
Conventionally, in order to use birefringence, it is necessary to use a birefringent crystal such as quartz or calcite, and it is difficult to change the birefringence because it is a property specific to a substance. On the other hand, in the case of structural birefringence, birefringence can be obtained by using a general medium and selecting its shape without using a special crystal, so that it can be controlled relatively easily. Thereby, a polarizing beam splitter or the like that does not use a birefringent crystal can be realized. In addition, the antireflective structure can be formed on the optical surface by controlling the effective refractive index according to the shape of the medium.
The medium having the above-mentioned structural birefringence can change the phase difference of TE polarized light and TM polarized light by controlling the thickness of the structure, and generates the function of λ / 2 plate and λ / 4 plate. Can be made. That is, assuming that the refractive indices for TE polarized light and TM polarized light are n (TE) and n (TM), respectively, the wavelength of light to be used is λ, and the thickness of the structure is d, the generated phase difference φ is
φ = 2π {n (TE) −n (TM)} d / λ
It can be expressed as The corresponding d can be determined by giving the desired φ.
Further, it is known that the sub-wavelength structure optical element has a small incident angle dependency with respect to the functions such as the birefringence and antireflection.
図１は本発明の実施形態の基本構成を説明するための図である。同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）はＡ方向から見た図をそれぞれ示す。
同図において符号１は半導体レーザ、２は第１光学系、３は光ビーム合成素子、ＭＢＵはマルチビーム光源ユニット、ＳＵ１は第１の光源サブユニット、ＳＵ２は第２の光源サブユニットをそれぞれ示す。
光源サブユニットＳＵ１は、半導体レーザ１（１―１と略記する）と、半導体レーザ１−１から出射された発散性の光ビームＬ１を収束、平行、または発散性の光ビームに整形するための第１光学系２（１−２と略記する）とを有し、光源サブユニットＳＵ２は、半導体レーザ１（２―１と略記する）と、半導体レーザ１から出射された発散性の光ビームＬ２を収束、平行、または発散性の光ビームに整形するための第１光学系２（２―２と略記する。以下同様）とを有する。同図（ａ）は、両光源サブユニットと、各第１光学系２から出射された２つの光ビームが、相対角度θで入射する光ビーム合成素子３と、から構成されるマルチビーム光源ユニットＭＢＵを示している。同図（ｂ）では煩雑さを避けるため、光源サブユニットＳＵ２の図示を省略した。
同図では第１光学形２として単玉レンズで示してあるが、ミラーを用いることもできるし、複数枚の光学素子から構成することもできる。
相対角度θで入射する２つの光ビームＬ１、Ｌ２は、その各々の光ビームの一部が、光ビーム合成素子３によってほぼ同一方向（同一方向、もしくは微小角φ範囲内）に出射され、合成される。なお、角度θは０°でも良いし、９０°でも良いし、もちろん、鋭角でも鈍角でも構わない。
同図（ａ）における紙面に垂直な偏光方向Ｐ１は、サブ波長構造の周期構造に平行な方向に合わせてあり、紙面に平行な偏光方向Ｐ２は、周期構造に直交する方向に合わせてある。したがって、同図（ｂ）ではＰ１、Ｐ２の表示が逆になる。符号Ｐ１、Ｐ２が半導体レーザ１の直上または直下に示してある場合は、発光点からの出射光束の偏光方向を示す。
FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of an embodiment of the present invention. The figure (a) shows the side view, and the figure (b) shows the figure seen from A direction, respectively.
In the figure, reference numeral 1 denotes a semiconductor laser, 2 denotes a first optical system, 3 denotes a light beam combining element, MBU denotes a multi-beam light source unit, SU1 denotes a first light source subunit, and SU2 denotes a second light source subunit. .
The light source subunit SU1 is for shaping the semiconductor laser 1 (abbreviated as 1-1) and the divergent light beam L1 emitted from the semiconductor laser 1-1 into a convergent, parallel, or divergent light beam. The light source subunit SU2 includes a semiconductor laser 1 (abbreviated as 2-1) and a divergent light beam L2 emitted from the semiconductor laser 1. Has a first optical system 2 (abbreviated as 2-2, the same shall apply hereinafter) for shaping the beam into a convergent, parallel, or divergent light beam. FIG. 2A shows a multi-beam light source unit including both light source subunits and a light
In the drawing, a single lens is shown as the first
The two light beams L1 and L2 incident at a relative angle θ are partly emitted by the light
The polarization direction P1 perpendicular to the paper surface in FIG. 5A is aligned with the direction parallel to the periodic structure of the sub-wavelength structure, and the polarization direction P2 parallel to the paper surface is aligned with the direction orthogonal to the periodic structure. Therefore, the display of P1 and P2 is reversed in FIG. When the symbols P1 and P2 are shown immediately above or directly below the semiconductor laser 1, the direction of polarization of the emitted light beam from the light emitting point is indicated.
図２は光ビーム合成素子の構成の一例を説明するための図である。
同図において符号４はサブ波長構造、５は基板、Λはサブ波長構造の周期、Ｐは回折格子のピッチをそれぞれ示す。
光ビーム合成素子３の光ビームが透過する光学素子面には、使用する半導体レーザの波長よりも小さい周期Λを有する周期構造のサブ波長構造が形成されている。さらに、そのサブ波長構造が半導体レーザの波長よりも大きいピッチＰの矩形波状の回折格子を形成している。
サブ波長構造の屈折率は入射光の偏光方向に依存し、回折格子の回折角は格子材料の屈折率に依存する。したがって、ＴＥ偏光もしくはＴＭ偏光の一方の偏光方向に対し、０次光のみが発生し、他方の偏光方向のみ１次光以上の回折光が発生するように，サブ波長構造の各ファクタと回折格子の各ファクタを選定することにより、直線偏光性で入射面に対し特定の入射角で入射した光ビームを、面に垂直な１次光として出射させることができ、垂直入射した直交する偏光方向を有する光ビームの０次光と合成することが可能になる。
本機能の更なる詳細な説明は、後述の図１４において行う。
同図では回折機能の理解を容易にするために、回折格子の形状の例を用いて説明したが、サブ波長構造自体でも、各ファクタの選定によって、回折機能を付与することが可能である。この場合も、入射光の偏光方向によって回折角が変化するので、一方の偏光方向に対しては０次光のみが発生し、他方の偏光方向に対しては１次光以上の回折光が発生するように各ファクタを選定することができる。
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the configuration of the light beam combining element.
In the figure,
A sub-wavelength structure having a periodic structure having a period Λ smaller than the wavelength of the semiconductor laser to be used is formed on the optical element surface through which the light beam of the light
The refractive index of the subwavelength structure depends on the polarization direction of the incident light, and the diffraction angle of the diffraction grating depends on the refractive index of the grating material. Therefore, each factor of the sub-wavelength structure and the diffraction grating so that only the 0th order light is generated in one polarization direction of TE polarization or TM polarization and the diffracted light of the first order or more is generated only in the other polarization direction. By selecting these factors, it is possible to emit a linearly polarized light beam incident at a specific angle of incidence with respect to the incident surface as primary light perpendicular to the surface, and the perpendicularly incident orthogonal polarization direction. It becomes possible to synthesize with the 0th-order light of the light beam.
Further detailed description of this function will be given in FIG.
In this figure, in order to facilitate understanding of the diffraction function, an example of the shape of the diffraction grating has been described. However, the sub-wavelength structure itself can be provided with a diffraction function by selecting each factor. Also in this case, since the diffraction angle changes depending on the polarization direction of the incident light, only the 0th order light is generated in one polarization direction, and the diffracted light of the first order or more is generated in the other polarization direction. Each factor can be selected as follows.
図３は光ビーム合成素子による不要光の発生を説明するための図である。
同図において符号Ｌｗ１は不要反射光、Ｌｗ２、Ｌｗ３は不要透過光をそれぞれ示す。
同図を用いて、光ビームの少なくとも一部が合成されることについて説明する。併せて、光ビーム合成素子３によって合成されない不要な光ビームについて説明する。同図において、半導体レーザ１−１から出射される光ビームＬ１（同図では実線で示す）は光ビーム合成素子３に垂直に入射され、光学素子界面でのフレネル反射を除いて１００％透過している。一方で、半導体レーザ２−１から出射される光ビーム（同図では点線で示す）は光ビーム合成素子３に対して角度θをなして入射し、光ビーム合成素子３による回折効果によって、その光ビームの一部が、半導体レーザ１−１からの光ビームと合成されている。したがって１００％の回折効率が得られない限り、不要な光ビームが発生する。反射光成分Ｌｗ１や、所望の回折次数以外に回折する透過光成分の光ビームＬｗ２、Ｌｗ３等が不要な光ビーム（反射、透過）となる。しかし、これらの不要な光ビームはアパーチャなどのメカ部品や、その他の光学部品によって除去すれば良く、マルチビーム光源ユニットＭＢＵを構成する上で問題となることはない。
また、出力として得られる複数の光ビームの光量差については、各々の半導体レーザの発光パワー調整により、必要に応じて等しくすることができる。
FIG. 3 is a diagram for explaining generation of unnecessary light by the light beam combining element.
In the figure, Lw1 indicates unnecessary reflected light, and Lw2 and Lw3 indicate unnecessary transmitted light.
The combination of at least part of the light beams will be described with reference to FIG. In addition, an unnecessary light beam that is not combined by the light
Further, the difference in light quantity of the plurality of light beams obtained as output can be made equal as necessary by adjusting the light emission power of each semiconductor laser.
直線偏光を持つ２つの半導体レーザ１−１と２−１は、その偏光方向が同一方向を向いたように配置されている。図１（ａ）においては、その偏光方向は紙面に平行な方向である。
しかるに、マルチビーム光源ユニットＭＢＵから出射された光ビームの偏光方向は、図１（ａ）に示すように、半導体レーザ１−１からの光ビームは紙面に垂直な方向であり、半導体レーザ２−１からの光ビームは紙面に平行な方向である。すなわち、半導体レーザ１−１からの光ビームのみが通過する光路において、マルチビーム光源ユニットＭＢＵを構成するいずれかの光学素子が有する、光ビームの偏光方向を９０°異ならせる機能によって、その偏光方向が紙面に垂直な方向に９０°回転される。この機能は、サブ波長構造によって発生する構造複屈折性によってもたらすことができる。一方で、半導体レーザ２−１からの光ビームについては偏光方向は変化していない。
The two semiconductor lasers 1-1 and 2-1 having linearly polarized light are arranged so that their polarization directions are directed in the same direction. In FIG. 1A, the polarization direction is a direction parallel to the paper surface.
However, the polarization direction of the light beam emitted from the multi-beam light source unit MBU is a direction perpendicular to the paper surface as shown in FIG. The light beam from 1 is in a direction parallel to the paper surface. That is, in the optical path through which only the light beam from the semiconductor laser 1-1 passes, any one of the optical elements constituting the multi-beam light source unit MBU has a function of changing the polarization direction of the light beam by 90 °, thereby the polarization direction. Is rotated 90 ° in a direction perpendicular to the page. This function can be provided by the structural birefringence generated by the subwavelength structure. On the other hand, the polarization direction does not change for the light beam from the semiconductor laser 2-1.
図４は一般的なパッケージングされた半導体レーザの構造を示す概要図である。同図（ａ）は全体図、同図（ｂ）はカバーガラスを示す図、同図（ｃ）は発光部の一部省略図である。
同図において符号６はカバーガラス、ＬＤは半導体レーザの発光部、Ｂは活性層を示す。
ここで、カバーガラス６に構造複屈折性を持たせる実施形態について説明する。
パッケージングされた半導体レーザ１には光束の透過窓としてのカバーガラス６が用いられ、発光部ＬＤを封止している。本実施形態では、このカバーガラス６の少なくとも一方の光学面に半導体レーザの活性層Ｂから出射された光ビームの波長よりも小さい周期構造、いわゆるサブ波長構造を付加する。これにより、カバーガラス６に構造複屈折性と呼ばれる光学異方性を発生させ、光ビームの偏光方向を９０°回転する機能を持たせることができる。パッケージングされた半導体レーザが通常有する光学素子である平板状のカバーガラス６にサブ波長構造を付加しているので、平面といった比較的加工性に優れる光学面に適用できる。
カバーガラス６にサブ波長構造を付加した様子を図５に示す。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of a general packaged semiconductor laser. FIG. 4A is a general view, FIG. 4B is a view showing a cover glass, and FIG. 4C is a partially omitted view of a light emitting portion.
In the figure,
Here, an embodiment in which the
The packaged semiconductor laser 1 uses a
A state in which the sub-wavelength structure is added to the
図５はカバーガラスの片面にサブ波長構造を付加した状態を示す断面図である。
同図において符号７はサブ波長構造、ｄはサブ波長構造の厚さ、ｎ１、ｎ２は周期構造を形成する素材の屈折率、Λはサブ波長構造の周期、ｆはフィリングファクタをそれぞれ示す。
カバーガラス６の１面には等方性の屈折率ｎ１とｎ２の素材からなる櫛歯状のサブ波長構造７が形成されている。同図では屈折率ｎ１の材質は空気としている。屈折率ｎ２の材質はカバーガラス６の一部であってもよい。同図は断面であり、櫛歯状の構造は紙面に垂直な方向に長く延びている。サブ波長構造７は矩形状の凹凸の繰り返しであり、その周期はΛとなっている。凸部の１つあたりの幅は、周期に対する比であるフィリングファクタｆを用いてｆΛと表される。フィリングファクタｆは１より小さい数値であり、仮に凹凸が等間隔であれば、ｆ＝０．５になる。櫛歯状の構造の深さ、すなわち、サブ波長構造７の厚さｄ、周期Λ、フィリングファクタｆは、サブ波長構造７の特性を制御するファクタとして用いられる。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where a sub-wavelength structure is added to one side of the cover glass.
In the figure,
On one surface of the
図６は偏光に対する有効屈折率の違いを説明するための図である。同図（ａ）はＴＥ偏光に対する図、同図（ｂ）はＴＭ偏光に対する図である。
図５に示したサブ波長構造７を有するカバーガラス６に偏光性の光が入射したとき、サブ波長構造７の示す有効屈折率は入射光の偏光方向によって異なる。
同図（ａ）において、カバーガラス６の面に垂直にＴＥ偏光が入射したとき、サブ波長構造７は有効屈折率ｎ（ＴＥ）を示す。同図（ｂ）において、カバーガラス６の面に垂直にＴＭ偏光が入射したとき、サブ波長構造７は有効屈折率ｎ（ＴＭ）を示す。
ここで、空気の屈折率を１とし、サブ波長構造７を含むカバーガラス６の屈折率をｎとしたとき、各有効屈折率は次式で近似できることが知られている。
FIG. 6 is a diagram for explaining the difference in effective refractive index with respect to polarized light. The figure (a) is a figure for TE polarization, and the figure (b) is a figure for TM polarization.
When polarized light enters the
In FIG. 9A, when TE polarized light is incident on the surface of the
Here, when the refractive index of air is 1 and the refractive index of the
ｎ（ＴＥ）＝√｛ｆｎ２＋（１−ｆ）｝
ｎ（ＴＭ）＝√［ｎ２／｛ｆ＋（１−ｆ）ｎ２｝］
よって、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対して、その構造の厚さを制御することによって位相差を変化させることができ、使用する光の波長をλ、構造の厚さをｄとおけば、発生する位相差φは、
φ＝２π｛ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）｝ｄ／λ
で表すことができる。
したがって、φ＝π となるようにフィリングファクタｆや構造の厚さｄを設計することによって、所謂λ／２板の機能をサブ波長構造によって持たせることが可能である。
n (TE) = √ {fn 2 + (1−f)}
n (TM) = √ [n 2 / {f + (1−f) n 2 }]
Therefore, for TE polarized light and TM polarized light, the phase difference can be changed by controlling the thickness of the structure. If the wavelength of light to be used is λ and the thickness of the structure is d, the phase difference is generated. The phase difference φ is
φ = 2π {n (TE) −n (TM)} d / λ
It can be expressed as
Therefore, by designing the filling factor f and the structure thickness d so that φ = π, the so-called λ / 2 plate function can be provided by the sub-wavelength structure.
１つの実施例として、使用する波長λを７８０ｎｍ、屈折率ｎを１．４５、フィリングファクタｆを０．５としたとき、
ｎ（ＴＥ）＝１．２４５
ｎ（ＴＭ）＝１．１６４
であるので、φ＝πとするための厚さｄは、４８１５ｎｍとなる。
ここで、サブ波長構造であるので周期Λはλより小さく（厳密には上記有効屈折率の近似式はΛ≪λで成り立つ）、周期Λを４００ｎｍとしたとき、構造物の幅ｆΛは２００ｎｍであり、いわゆるアスペクト比は４８１５／２００≒２４となる。
アスペクト比の高い微細構造を作るためには非常に高度な加工技術を要する。上記アスペクト比を小さくするには、サブ波長構造部の材料の屈折率を高くする方法や、厚さｄ／ｍ（ｍは２より大きな自然数）のサブ波長構造をｍ枚用いる方法がある。
As one example, when the wavelength λ used is 780 nm, the refractive index n is 1.45, and the filling factor f is 0.5,
n (TE) = 1.245
n (TM) = 1.164
Therefore, the thickness d for setting φ = π is 4815 nm.
Here, since the sub-wavelength structure is used, the period Λ is smaller than λ (strictly speaking, the approximate expression of the effective refractive index is established by Λ << λ), and when the period Λ is 400 nm, the width fΛ of the structure is 200 nm. Yes, the so-called aspect ratio is 4815 / 200≈24.
In order to produce a fine structure with a high aspect ratio, a very advanced processing technique is required. In order to reduce the aspect ratio, there are a method of increasing the refractive index of the material of the sub-wavelength structure portion and a method of using m sub-wavelength structures having a thickness d / m (m is a natural number greater than 2).
上記実施例においては、基板の材質とサブ波長構造部の材質は等しいとしたが、サブ波長構造部はより屈折率の高い材質で構成することができる。例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）のように屈折率が２を超えるような酸化物材料を用いれば、ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）を大きくとることができ、厚さｄは小さくなる。
波長λを７８０ｎｍ、屈折率ｎを２．２３、フィリングファクタｆを０．５としたとき、
ｎ（ＴＥ）＝１．７２８
ｎ（ＴＭ）＝１．２９０
であるので、φ＝πとするための厚さｄは、８９０ｎｍとなり、前述の例に比べその高さは約１／５以下となり、アスペクト比は８９０／２００≒４．５となる。
In the above embodiment, the material of the substrate is the same as the material of the sub-wavelength structure, but the sub-wavelength structure can be made of a material having a higher refractive index. For example, when an oxide material having a refractive index exceeding 2 such as titanium oxide (TiO 2 ) is used, n (TE) −n (TM) can be increased and the thickness d is decreased.
When the wavelength λ is 780 nm, the refractive index n is 2.23, and the filling factor f is 0.5,
n (TE) = 1.728
n (TM) = 1.290
Therefore, the thickness d for setting φ = π is 890 nm, the height is about 1/5 or less, and the aspect ratio is 890 / 200≈4.5 compared to the above example.
図７はカバーガラスの他の実施形態を説明するための図である。
もう１つの方法として同図に示すように、複数のサブ波長構造を用いることもできる。例えば、アスペクト比１２のサブ波長構造（構造物の幅ｆΛ＝２００ｎｍ、高さｄ＝２４００ｎｍ）７が作製できるのなら、これを２つ用いることによって所望の位相差を得ることが可能である。
これをカバーガラスの例に適用すれば、カバーガラスの両方の光学面にアスペクト比１２のサブ波長構造を設けることにより、λ／２板の機能を持たせることができる。もちろん、ｄ／２ずつでなくて、３ｄ／４とｄ／４のように異なる厚さの組み合わせでも良いことは言うまでもない。両方の光学面に付加することにより、個々の厚さを小さくすることができ、加工時の難易度を低下させることができる。
また高屈折率材料の適用と、複数のサブ波長構造の組み合わせを混合しても構わない。
第１光学系を構成する少なくとも１つの光学素子の、少なくとも１方の光学面にサブ波長構造を付加することによって、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせることができる。このように、第１光学系を構成する複数の光学面から、サブ波長構造を付加する光学面を選択することができるので、光学面への加工性が考慮でき、選択の自由度を大きくできる。また、複数の光学面に分割して付加できるので、サブ波長構造の厚さを小さくすることができ、加工時の難易度を低下させることができる。
FIG. 7 is a view for explaining another embodiment of the cover glass.
As another method, a plurality of sub-wavelength structures can be used as shown in FIG. For example, if a sub-wavelength structure (structure width fΛ = 200 nm, height d = 2400 nm) 7 having an aspect ratio of 12 can be produced, a desired phase difference can be obtained by using two of them.
If this is applied to an example of a cover glass, the function of a λ / 2 plate can be provided by providing a subwavelength structure with an aspect ratio of 12 on both optical surfaces of the cover glass. Of course, it is needless to say that a combination of different thicknesses such as 3d / 4 and d / 4 may be used instead of d / 2. By adding to both optical surfaces, the individual thicknesses can be reduced, and the difficulty during processing can be reduced.
Moreover, you may mix the application of a high refractive index material, and the combination of several subwavelength structures.
By adding a sub-wavelength structure to at least one optical surface of at least one optical element constituting the first optical system, it is possible to have a function of changing the polarization direction of the light beam by 90 °. . As described above, since the optical surface to which the sub-wavelength structure is added can be selected from the plurality of optical surfaces constituting the first optical system, the workability to the optical surface can be taken into consideration, and the degree of freedom of selection can be increased. . Moreover, since it can be divided and added to a plurality of optical surfaces, the thickness of the subwavelength structure can be reduced, and the difficulty during processing can be reduced.
図８は本発明に使用するサブ波長構造の例を示す図である。
同図において符号８は基板、９はサブ波長構造、１０は充填材をそれぞれ示す。
同図（ａ）において、光ビーム合成素子３を構成する基板８に対して、基板８と同じ材質、または異なる材質にて、サブ波長構造９を基板上に付加している。
同図（ｂ）は、基板８に幅（１−ｆ）Λの溝を作っている。これは、同図（ａ）において、基板８とサブ波長構造９の材質が同じ場合と等価である。
同図（ｃ）は、基板８に溝を作って、その溝に基板８と異なる材質の充填材１０を埋め込む構成にしたものである。
同図（ｄ）では、基板８の内部にサブ波長構造９を設けたものである。１つの作製法としては、同図（ｂ）のように溝を形成した後に表面に層を形成して封じることによって形成することができる。
ここでは、いくつかのサブ波長構造の例を示したが、これらは図５に示したカバーガラス６や、後述の図９のカップリングレンズ１１などの光学素子にも同様に適用できることは言うまでもない。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a subwavelength structure used in the present invention.
In the figure, reference numeral 8 denotes a substrate, 9 denotes a sub-wavelength structure, and 10 denotes a filler.
In FIG. 2A, a sub-wavelength structure 9 is added to the substrate 8 constituting the light
In FIG. 5B, a groove having a width (1-f) Λ is formed in the substrate 8. This is equivalent to the case where the substrate 8 and the sub-wavelength structure 9 are made of the same material in FIG.
FIG. 6C shows a structure in which a groove is formed in the substrate 8 and a filler 10 made of a material different from that of the substrate 8 is embedded in the groove.
In FIG. 4D, the sub-wavelength structure 9 is provided inside the substrate 8. As one manufacturing method, it can be formed by forming a groove on the surface and sealing it after forming a groove as shown in FIG.
Here, some examples of subwavelength structures are shown, but it goes without saying that these can be applied to the
図９は第１光学系として１つの平凸形状のカップリングレンズを用いた例を示す図である。
同図において符号１１は平凸形状のカップリングレンズ、１２はサブ波長構造をそれぞれ示す。
このカップリングレンズ１−１１、２−１１は半導体レーザ１−１、２−１から出射される光ビームをそれぞれ略平行光束とするための機能を持っている。このカップリングレンズ１−１１の一方の光学面にサブ波長構造１２を付加することにより、光学異方性を発生させ、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせることができる。また、上記例においては、平面側にサブ波長構造１２を付加したが、凸面側に付加することも可能である。
FIG. 9 is a diagram showing an example in which one plano-convex coupling lens is used as the first optical system.
In the figure,
The coupling lenses 1-11 and 2-11 have a function of making the light beams emitted from the semiconductor lasers 1-1 and 2-1 into substantially parallel light beams, respectively. By adding the
図１０は第１光学系として２つの平凸形状のカップリングレンズを用いた例を示す図である。
第１の光源サブユニットＳＵ１の２つのカップリングレンズ１−１１ａ、１−１１ｂのうち、どちらか一方のカップリングレンズの１方の光学面にサブ波長構造を付加することもできるし、どちらか一方のカップリングレンズの両面（凸面と平面）にサブ波長構造を付加して所望の位相差を得ることもできるし、２つのカップリングレンズ各々の一方の光学面にサブ波長構造を付加して所望の位相差を得ることもできる。所望の位相差を出すために、厚さの小さいサブ波長構造を組み合わせたり、サブ波長構造を加工しやすい光学面（例えば平面）に付加したり、選択することが可能である。また、高屈折率材料を合わせて適用することもできる。
光ビーム合成素子の、各々の光ビームの一部がほぼ同一方向に出射される光学面（光の合成位置）よりも半導体レーザ側に近くて、一方の光ビームのみが通過する光路中の少なくとも１つの光学面にサブ波長構造を付加することによって、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせることができる。
FIG. 10 is a diagram showing an example in which two plano-convex coupling lenses are used as the first optical system.
A sub-wavelength structure can be added to one optical surface of one of the two coupling lenses 1-11a and 1-11b of the first light source subunit SU1. A sub-wavelength structure can be added to both surfaces (convex surface and flat surface) of one coupling lens to obtain a desired phase difference, or a sub-wavelength structure can be added to one optical surface of each of the two coupling lenses. A desired phase difference can also be obtained. In order to obtain a desired phase difference, it is possible to combine sub-wavelength structures with small thicknesses, add the sub-wavelength structures to an optical surface (for example, a plane) that is easy to process, or select them. A high refractive index material can also be applied.
The optical surface of the light beam combining element is closer to the semiconductor laser side than the optical surface (light combining position) where a part of each light beam is emitted in substantially the same direction, and at least in the optical path through which only one light beam passes. By adding a sub-wavelength structure to one optical surface, it is possible to have a function of changing the polarization direction of the light beam by 90 °.
図１１は光ビーム合成素子として偏光ビームスプリッタを用いた例を示す図である。
同図において符号１３は偏光ビームスプリッタ、１４は偏光分離薄膜をそれぞれ示す。
直交配置させた２つの半導体レーザ１−１、２−１から、その偏光方向が同一方向を向いた２つの光ビームを出射させ、偏光ビームスプリッタ１３の１つの入射面１３ｂ（一方の光ビームのみが通過する光学面）にサブ波長構造１２を付加することによって、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせることができる。この入射面は２つの光ビームが合成される偏光分離薄膜１４より半導体レーザ側にあって、１方の光ビームの偏光方向を９０°異ならせており、もう１方の光ビームの偏光方向は変化していない。したがって、偏光分離薄膜１４部において、２つの光ビームはその偏光特性によって合成されている。もちろん、半導体レーザからの２つの光ビームのファーフィールドパターンは同じパターンであり、光ビーム合成素子透過後の光ビームプロファイルは同等である。
本構成は、従来の偏光ビームスプリッタにλ／２板と同等の機能を付加しているので、部品点数の低減によって素子レイアウト自由度の向上や低コスト化が期待できる。
FIG. 11 is a diagram showing an example in which a polarization beam splitter is used as the light beam combining element.
In the figure,
Two light beams whose polarization directions are directed in the same direction are emitted from the two semiconductor lasers 1-1 and 2-1 arranged orthogonally, and one incident surface 13b (only one light beam) of the
In this configuration, since a function equivalent to that of the λ / 2 plate is added to the conventional polarizing beam splitter, improvement in element layout flexibility and cost reduction can be expected by reducing the number of components.
図１２は光ビーム合成素子として偏光ビーム合成プリズムを用いた例を示す図である。
同図において符号１５は偏光ビーム合成プリズムを示す。
この場合においても、上記偏光ビームスプリッタ１３の場合と同様に、平行配置させた２つの半導体レーザ１−１、２−１から、その偏光方向が同一方向を向いた２つの光ビームを出射させ、偏光ビーム合成プリズム１５の一方の光ビームのみが入射する入射面にサブ波長構造１２を付加することによって、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせることができる。この入射面は２つの光ビームが合成される偏光分離薄膜１４より半導体レーザ側にあって、１方の光ビームの偏光方向を９０°異ならせており、もう１方の光ビームの偏光方向は変化していない。結果として得られる合成光ビームは図１１の場合と同様である。
本構成は、従来の偏光ビーム合成プリズムにλ／２板と同等の機能を付加しているので、部品点数の低減によって素子レイアウト自由度の向上や低コスト化が期待できる。
FIG. 12 is a diagram showing an example in which a polarization beam combining prism is used as the light beam combining element.
In the figure,
Also in this case, as in the case of the
In this configuration, since a function equivalent to that of the λ / 2 plate is added to the conventional polarizing beam combining prism, improvement in element layout freedom and cost reduction can be expected by reducing the number of components.
図１３は光ビーム合成素子としてサブ波長構造を用いた光ビーム合成素子を用いた例を示す図である。
同図において符号１６は光ビーム合成素子、１７は回折格子の効果を有するサブ波長構造をそれぞれ示す。
光ビーム合成素子１６の光学面１６Ａは、図１１や図１２と同じように、サブ波長構造１２を付加することによって、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせた光学面である。一方で、光ビーム合成素子１６の光学面１６Ｂは、ある偏光方向（図では紙面に垂直な偏光方向）を持つ光ビームは透過し、それと９０°異なる偏光方向（図では紙面に平行な偏光方向）を持つ光ビームは回折（反射光）させるようなサブ波長構造１７を付加することによって、偏光依存性のあるビーム合成機能を持たせた光学面である。
光学面１６Ｂのサブ波長構造１７について、図１４を用いて説明する。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which a light beam combining element using a sub-wavelength structure is used as the light beam combining element.
In the figure,
The
The sub-wavelength structure 17 of the optical surface 16B will be described with reference to FIG.
図１４は回折格子の機能をも有するサブ波長構造を説明するための図である。同図（ａ）はサブ波長構造を示す図、同図（ｂ）はＴＥ偏光に対する有効屈折率を示す図、同図（ｃ）はＴＭ偏光に対する有効屈折率を示す図である。ただし、同図（ｂ）、（ｃ）においては格子機能を明確にするためサブ波長構造の詳細を省略した。また各図において光学面１６Ａの側のサブ波長構造は省略した。
同図において符号Ｐは回折格子としての格子ピッチをそれぞれ示す。
本構成は、図２において説明した回折機能を有するサブ波長構造と基本的に同じである。図２の構成と異なる点は、基板１６の光学面１６Ａ、１６Ｂ共にサブ波長構造が形成されている点である。
前述したように、入射する光の偏光方向によってサブ波長構造１７部の有効屈折率が異なり、光の振る舞いが異なってくる。基板の屈折率をｎとすると、用いる光の波長より小さい周期構造（周期Λ、フィリングファクタｆ）を持つ部分の屈折率は、その偏光方向による屈折率n（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）として、有効屈折率で表される。
同図に示すように、ＴＥ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＥ）からなるバイナリー型の周期Ｐ（ここでＰ＞λ）の回折格子であり、ＴＭ偏光の光ビームに対しては屈折率ｎ（ＴＭ）からなるバイナリー型の周期Ｐの回折格子である。
したがって、一方の偏光方向に対して０次透過光が発生し（位相差を２πとなるように設定）、もう一方の偏光方向に対しては例えば１次回折反射光が発生するように、回折格子の周期Ｐや厚さｄなどを設計することができる。
この構成によれば、光ビーム合成素子を構成する１つの光学素子が、機能を分離（光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能と、偏光特性により光ビームを合成する機能）して保有しているので、複合機能化した１つの高機能光学素子が実現できる。
FIG. 14 is a diagram for explaining a subwavelength structure having a function of a diffraction grating. FIG. 4A is a diagram showing a sub-wavelength structure, FIG. 4B is a diagram showing an effective refractive index for TE polarized light, and FIG. 4C is a diagram showing an effective refractive index for TM polarized light. However, the details of the subwavelength structure are omitted in FIGS. 7B and 7C in order to clarify the grating function. In each drawing, the sub-wavelength structure on the
In the figure, reference symbol P indicates a grating pitch as a diffraction grating.
This configuration is basically the same as the sub-wavelength structure having the diffraction function described in FIG. The difference from the configuration of FIG. 2 is that a sub-wavelength structure is formed on both the
As described above, the effective refractive index of the 17 parts of the sub-wavelength structure is different depending on the polarization direction of the incident light, and the light behavior is different. If the refractive index of the substrate is n, the refractive index of the portion having a periodic structure (period Λ, filling factor f) smaller than the wavelength of the light to be used is the refractive index n (TE), n (TM) depending on the polarization direction, Expressed by effective refractive index.
As shown in the figure, a TE-polarized light beam is a binary type diffraction grating having a refractive index n (TE) and having a period P (where P> λ), and a TM-polarized light beam. Is a diffraction grating of a binary type period P having a refractive index n (TM).
Therefore, the 0th-order transmitted light is generated in one polarization direction (the phase difference is set to 2π), and the diffraction is performed so that, for example, the first-order diffracted reflected light is generated in the other polarization direction. The period P and thickness d of the grating can be designed.
According to this configuration, one optical element constituting the light beam combining element separates the functions (function to make the polarization direction of the light beam different by 90 ° and function to combine the light beam by polarization characteristics). Therefore, one highly functional optical element having a composite function can be realized.
光ビーム合成素子１６を挟んで互いに反対側に配置された２つの半導体レーザ１−１、２−１から、その偏光方向が同一方向を向いた２つの光ビームを出射させ、１方の光ビームに対しては、サブ波長構造を用いた光ビーム合成素子の、半導体レーザに近い光学面１６Ａにサブ波長構造７を付加することによって、光ビームの偏光方向を９０°異ならせるようにする機能を持たせて、その偏光方向を９０°異ならせる。もう一方の光ビームは光学面１６Ａには入射されないので、その偏光方向は変化しない。そして、光学面１６Ｂには、偏光方向が９０°異なる２つの光ビームが入射することになり、周期Ｐの偏光依存型のバイナリー型回折格子の特性によって、透過および反射することで、２つの光ビームは合成される。もちろん、半導体レーザからの２つの光ビームのファーフィールドパターンは同じパターンであり、光ビーム合成素子透過後の光ビームプロファイルは同等である。
ただし、各偏光に対する回折効率は異なるので、光ビームの強度を揃えるための対策（半導体レーザの発光出力調整や濃度フィルタの挿入など）を講じることも可能である。
Two light beams whose polarization directions are directed in the same direction are emitted from two semiconductor lasers 1-1 and 2-1, which are arranged on opposite sides of the light
However, since the diffraction efficiencies for each polarized light are different, it is possible to take measures for adjusting the intensity of the light beam (e.g., adjusting the emission output of a semiconductor laser or inserting a density filter).
図１５は４個の光源サブユニットを用いた場合を示す図である。同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）はＡ方向から見た図をそれぞれ示す。
光ビーム数を増やすために、シングルビームの４つの半導体レーザ１を用いることができる。４つの半導体レーザから発生する４つの光ビームは、各々に対応する４つの第１光学系２によって、光ビーム合成素子３に導かれる。２つの半導体レーザ１−１、２−１は平行、もしくは微小角ηをもって光ビーム合成素子３に入射する。微小角ηは十分に小さい（η≒０）ので、本発明では異なる方向を２つとして、そのなす角をθとしている。（厳密にはη≠０の場合には異なる４つの方向とすべきかもしれないが、η≒０なので無視している）
残り２つの光源サブユニットＳＵ３とＳＵ４に含まれる半導体レーザ３−１、４−１、および第３光学系３−２、第４光学系４−２は同図（ａ）において紙面に垂直な面内に配置されており、同図（ｂ）においては光源サブユニットＳＵ１とＳＵ２にそれぞれ重なっている。厳密には角度θを持って配置されているため、半導体レーザ３−１、４−１、および第３、第４光学系３−２、４−２の一部分は、同図（ｂ）において半導体レーザ１−１、２−１、および第１、第２光学系１−２、２−２の下に見えるはずであるが、省略している。
本構成はシングルビーム光源を用いるので、安価にビーム数を増加させることができる。
FIG. 15 is a diagram showing a case where four light source subunits are used. The figure (a) shows the side view, and the figure (b) shows the figure seen from A direction, respectively.
In order to increase the number of light beams, four semiconductor lasers 1 of a single beam can be used. Four light beams generated from the four semiconductor lasers are guided to the light
The semiconductor lasers 3-1 and 4-1 and the third optical system 3-2 and the fourth optical system 4-2 included in the remaining two light source subunits SU3 and SU4 are surfaces perpendicular to the paper surface in FIG. In FIG. 4B, the light source subunits SU1 and SU2 respectively overlap. Strictly speaking, the semiconductor lasers 3-1 and 4-1 and the third and fourth optical systems 3-2 and 4-2 are partially shown in FIG. Although visible under the lasers 1-1 and 2-1, and the first and second optical systems 1-2 and 2-2, they are omitted.
Since this configuration uses a single beam light source, the number of beams can be increased at low cost.
図１６はマルチビームレーザを用いる例を示す図である。
同図において符号１８は２つの発光点を持つ半導体レーザを示す。
光ビーム数を増やすための別の例で、光源として２ビーム半導体レーザアレイ（１つのパッケージ内に２つの発光点を持つ半導体レーザ）１８を用いている。２つの２ビーム半導体レーザアレイ１−１８、２−１８から発生する４つの光ビームは、２つの光ビーム毎に第１光学系２によって、光ビーム合成素子３に導かれ、異なる２つの方向から入射する４つの光ビームは、ほぼ同一方向に合成される。
また高価ではあるが、４ビーム半導体レーザアレイやさらに多ビーム半導体レーザアレイを用いることも可能である。
さらには、２ビーム半導体レーザアレイを４つ用いて、８つの光ビームを構成したり、４ビーム半導体レーザアレイを４つ用いて１６本の光ビームを構成することも可能である。
本構成は１つの光源から少なくとも２つの光ビームを発生する光源を、シングルビーム光源と置き換えるだけで、容易にビーム数を向上させることができる。
FIG. 16 is a diagram showing an example using a multi-beam laser.
In the figure,
In another example for increasing the number of light beams, a two-beam semiconductor laser array (semiconductor laser having two light emitting points in one package) 18 is used as a light source. The four light beams generated from the two two-beam semiconductor laser arrays 1-18 and 2-18 are guided to the light
Although expensive, it is also possible to use a four-beam semiconductor laser array or a multi-beam semiconductor laser array.
Furthermore, four two-beam semiconductor laser arrays can be used to form eight light beams, or four four-beam semiconductor laser arrays can be used to form sixteen light beams.
In this configuration, the number of beams can be easily improved only by replacing a light source that generates at least two light beams from one light source with a single beam light source.
図１７は複数の出力ビームをすべて円偏光に変える構成を示す図である。
同図において符号Ｄはλ／４板、ＰＣは円偏光をそれぞれ示す。
前述したように、光ビーム合成素子３によって合成された２つの光ビームは、その偏光方向が９０°異なっている。したがって、マルチビーム光源ユニットＭＢＵから放出された光ビームを導いて用いる光学系では、偏光方向による透過率、および反射率の違いから、その光学系を透過した後の２つの光ビームの光量が異なってしまう。マルチビーム光源ユニットＭＢＵの使用用途によってはこれでも良い場合もあるが、２つの光ビーム間で偏光状態を等しくしたいという用途もある。
同図に示すように、光ビーム合成素子３の後方に、直線偏光を円偏光に変換するために、λ／４板Ｄを挿入する。そうすることにより、２つの直線偏光を持つ光ビームはともに矢印ＰＣで示すような円偏光になり、偏光状態を互いに等しくすることが可能である。
同図では特に図示しないが、両光ビームが光ビーム合成素子３に関し同一の側から入射する場合は、光ビームの入射面は量光ビームが共に通過する面であるため、その面に一方の光ビームだけ偏光方向を９０°異ならせる機能を付加することはできない。この場合は、光ビーム合成素子３に設ける回折格子の機能をも有するサブ波長構造を、光ビーム合成素子３の入射面側に形成できるので、出射面側に直線偏光を円偏光に変換する機能を有するサブ波長構造を形成することができる。この場合はλ／４板Ｄを挿入する必要がなくなり、構成がより簡単になる。
FIG. 17 is a diagram showing a configuration in which a plurality of output beams are all changed to circularly polarized light.
In the figure, symbol D indicates a λ / 4 plate, and PC indicates circularly polarized light.
As described above, the polarization directions of the two light beams combined by the light
As shown in the figure, a λ / 4 plate D is inserted behind the light
Although not particularly shown in the figure, when both light beams are incident on the light
図１８は本発明を用いた画像形成装置を説明するための図である。同図（ａ）は走査光学系の主要部を説明するための図、同図（ｂ）は光路の主要部を展開した模式図である。
同図において符号２０は光源、２１は第１光学系、２２は光ビーム合成素子、２３はシリンドリカルレンズ、２４は光偏向器、２５、２６は走査結像レンズ、２７は被走査面、３０はマルチビーム光源ユニット、３１は第２光学系、３２は第３光学系をそれぞれ示す。
マルチビーム光源ユニット３０は、光源２０（例えば半導体レーザ）、第１光学系２１（例えば単玉レンズ）、光ビーム合成素子２２から構成される。半導体レーザ２０から出射された光ビームは第１光学系２１によって平行な光ビームに整形される。異なる２つの方向から入射する平行な光ビームは光ビーム合成素子２２によって、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向に合成される。そして第２光学系３１に導かれる。第２光学系３１は例えばシリンドリカルレンズ２３からなり、合成された２つの光ビームは各々シリンドリカルレンズ２３によって線状の光ビームとなるように一方向に収束され、光偏向器２４の偏向反射面上に線像として結像する。その後、第３光学系３２に導かれる。第３光学系３２は例えば２枚の走査結像レンズ２５、２６からなり、光偏向器２４により偏向走査される２つの光ビームは、走査結像レンズ２５、２６により所望の光スポットに結像される。結像された光スポットは被走査面２７上を所定間隔に走査される。また２つの光スポットは副走査方向において所定間隔が維持されている。光ビーム合成素子２２から出射された２つの光ビームはこの副走査方向の所定間隔が得られるように、微小角φで、ほぼ同一方向に合成されているのである。
光ビーム合成素子２２によって合成されない不要な光ビームについては光走査装置内または装置外において、被走査面上に光スポットを形成しないように遮光しておけば良い。
FIG. 18 is a view for explaining an image forming apparatus using the present invention. FIG. 4A is a diagram for explaining the main part of the scanning optical system, and FIG. 4B is a schematic diagram in which the main part of the optical path is developed.
In the figure,
The multi-beam
An unnecessary light beam that is not combined by the light
図１９は電子写真プロセスを説明するための概要図である。
同図において符号１０１は像担持体、１０２は帯電手段、１０３は光書込ユニット、１０４は現像手段、１０５は転写手段、１０６は定着手段、１０７はクリーナ手段、１０８は除電ユニット、Ｓは記録紙をそれぞれ示す。
画像形成装置において画像を形成する画像形成プロセスの１つとして、電子写真プロセスがある。以下に電子写真プロセスについて概略を説明する。
像担持体（たとえば感光体）１０１に帯電手段１０２によって電位を与え（帯電プロセス）、光書込ユニット（露光手段）１０３からの光スポットを像担持体１０１上に照射することにより潜像をつくり（露光プロセス）、その潜像に現像手段１０４によりトナーを付着させトナー像をつくり（現像プロセス）、記録紙Ｓに転写手段１０５によりそのトナー像を写し（転写プロセス）、定着手段１０６により圧力や熱をかけ、記録紙Ｓに融着させる（定着プロセス）ようなプロセスである。なお、像担持体１０１上に残ったトナーはクリーナ手段１０７によって清掃され、さらに帯電部分は除電ユニット１０８によって除電される。また、本発明の光書き込みユニット１０３は、高速なカラー画像出力に有利な、タンデム型の画像形成装置にも適用できる。
FIG. 19 is a schematic diagram for explaining the electrophotographic process.
In the figure,
One of image forming processes for forming an image in an image forming apparatus is an electrophotographic process. An outline of the electrophotographic process will be described below.
A potential is applied to the image carrier (for example, a photoreceptor) 101 by a charging unit 102 (charging process), and a light spot from an optical writing unit (exposure unit) 103 is irradiated onto the
図２０は本発明を光通信に適用する例を説明するための図である。
同図において符号４０は半導体レーザ、４１はレンズ系、４２は光ビーム合成素子、４３は集光レンズ、４４は光ファイバをそれぞれ示す。
本発明は、他の機器へ応用することができる。その１つの例として、光通信に用いる半導体レーザと光ファイバを用いた光合波光学系にマルチビーム光源ユニットを適用する例を示す。
光通信の光源系は、２つの半導体レーザ４０と、半導体レーザから発生する光ビームを平行な光ビームに整形するレンズ系４１と、異なる２つの方向から入射する光ビームを、その各々の光ビームの一部がほぼ同一方向に出射する光ビーム合成素子４２と、出射された平行な光ビームを集光する集光レンズ４３と、入射した光を他へ伝送する光ファイバ４４とからなる。これにより、２つの半導体レーザ１−４０、２−４０で変調された信号を合成することができ、より高速に光信号を伝送することが可能となる。
FIG. 20 is a diagram for explaining an example in which the present invention is applied to optical communication.
In the figure,
The present invention can be applied to other devices. As one example, an example in which a multi-beam light source unit is applied to an optical multiplexing optical system using a semiconductor laser and an optical fiber used for optical communication is shown.
The light source system for optical communication includes two
１ 半導体レーザ
２ 第１光学系
３、１３ 光ビーム合成素子
４ カバーガラス
５、７、１２ サブ波長構造
６ 平凸形状のカップリングレンズ
８ 偏光ビームスプリッタ
９ 偏光分離薄膜
１０ 偏光ビーム合成プリズム
１４ 回折格子の効果を有するサブ波長構造
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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