专利名称：光量分布控制元件及使用该元件的光学装置的制作方法
技术领域：
这里揭示的概念涉及一种较佳地用于校正光学扫描设备等设备中的非均匀光量的光量分布控制元件和光量分布控制透镜，以及使用这些元件的信息记录/再现装置、图像拾取设备和光扫描设备，以及使用该光扫描设备的成像装置。
背景技术：
在激光束打印机等中所使用的许多光学扫描设备都包括作为光源的半导体激光器、用于把来自光源的光通量线性地成像到旋转多角镜(polygonmirror)上以便校正旋转多角镜的尖塔差(pyramidal error)的第一成像光学系统、作为旋转多角镜的多角镜、以及用于以恒定速度在作为要被扫描的光电导鼓上成像均匀的光点的第二成像光学系统。
在传统的光学扫描设备中，在多角镜前提供了主扫描方向上的有效孔径，而这是一种未充满型(underfilled type)的，其中形成小于在多角镜的偏转反射表面的主扫描方向中的宽度的线影像。然而为了增加多角镜的偏转反射表面的数目，就必须增加内径，不过这样就难以提高速度。因此就提出了过充满型(overfilled type)的光学扫描设备，其中形成比多角镜的偏转反射表面的主扫描方向上的更大的线影像，且把多角镜的偏转反射表面用作主扫描方向上的有效孔径。然而就算是这样，多角镜的偏转反射表面的宽度小于具有空间强度分布的光通量的宽度，因此射向边缘的光量小于射向光电导鼓轴向上的中心附近的光量。所以光电导鼓上的光量变得不均匀，因此很难得到高质量的记录图像。
为此已提供了校正光量不均匀性的方法，例如在光源及多角镜之间提供在光束强度分布强的部分涂覆金属薄膜从而使光消减的滤光器的方法，以及涂覆fθ透镜的方法来提供一种透射率分布使光量分布变得均匀(例如参考JP8-160338A及JP2001-290093A)。
然而，使用上述配置不但成本增加了而且光量的变化也增大了。
发明内容
为此，考虑到上述问题，这里揭示的概念给出了一种不昂贵的能够恰当地校正光量的非均匀性的光量分布控制元件，以及使用该元件的一种光学装置，这些光学装置例如信息记录/重现装置、图像拾取设备及光学扫描设备，以及使用上述光学扫描设备的成像装置。
为了实现上述目的，本发明具有下述特征。本发明的一方面针对一种用于控制光量的光学元件，包括基片；抗反射结构，该抗反射结构包括设置在基片的表面上的多个抗反射元件，其中，所述抗反射元件的高度根据所述抗反射元件分别设置于所述基片的表面上的部分而不同。
本发明的一方面针对一种光学装置，包括用于控制光量的光学元件，所述光学元件具有基片；抗反射结构，该抗反射结构包括设置在基片的表面上的多个抗反射元件，其中，所述抗反射元件的高度根据所述抗反射元件分别设置于所述基片的表面上的部分而不同。
可以通过根据光的入射区域改变抗反射结构的凸起高度来简单地实现能够恰当地校正光量中的非均匀性的光量分布控制，从而透射率随着光的入射区域而变化。结果，可恰当地提供适用于校正光学扫描设备等设备中的光量中的非均匀性的光量分布控制元件。然后，当通过使用安装有光量分布控制元件或光量分布控制透镜的光学扫描设备来配置成像装置时，可以获得高质量的记录图像。此外，当用使用光量分布控制元件或光量分布控制透镜的信息记录/再现装置来再现信息时，可以实现最优的信息记录和再现。而且，当通过使用光量分布控制元件或光量分布控制透镜来构造图像拾取设备时，可以用减少的光量不均匀性来实现高质量的成像。
从下面连同附图的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点将变得更为显而易见。
图1是显示第一实施例中的光量分布控制元件的示意横截面视图。
图2是显示构成第一实施例中光量分布控制元件的抗反射结构中的等凸起高度线的示意图。
图3是显示构成第一实施例中的光量分布控制元件的抗反射结构的是以透视图；图4是显示第一实施例中光量分布控制元件的另一例子的示意横截面示图。
图5是显示构成第一实施例中的光量分布控制元件的另一种抗反射结构中的等凸起高度线的示意图。
图6是显示构成第一实施例中的光量分布控制元件的再一种抗反射结构中的具有相同高度的凸起的示意图。
图7是显示第二实施例中光的量分布控制透镜的示意横截面视图。
图8是显示第三实施例中的信息记录/再现装置的示意结构视图。
图9是显示第四实施例中图像拾取设备的示意结构视图。
图10是显示第五实施例中光学扫描设备的示意透视图。
图11是显示第五实施例中光学扫描设备的另一例子的示意透视图。
图12是显示第六实施例中的成像装置的示意横截面视图。
具体实施例方式
下文中，将用几种实施例来具体地说明各种构思。
第一实施例图1是显示第一实施例中光量分布控制元件的示意横截面视图。图2是显示构成光量分布控制元件的抗反射结构中的等凸起高度线的示意图。图3是显示构成光量分布控制元件的抗反射结构的示意透视视图。
如图1-3所示，本实施例的光量分布控制元件包括20mm×20mm×3mm、由例如石英、丙烯酸酯和聚碳酸酯等透光材料制成的基片1，以及在基片1的表面上提供的抗反射结构2。在本实施例中，形成节距为0.15μm的园锥体抗反射结构(具有园锥体凸起的周期性结构)作为抗反射结构2。在紫外光作入射光时，这相当于具有等于紫外波段(150nm至400nm)内波长或较短的节距的抗反射结构。
抗反射结构2的凸起高度h随基片1表面上的光的透射区域而变化，使得透射率随光的透射区域而变化。在本实施例中，抗反射结构2配置成凸起高度h在基片1的表面上从接近中心处向左方和右方的最外部分逐步地不断增加。换句话说，抗反射结构2的凸起高度h被设定成关于垂直于经过基片1表面的中心的线并与基片1的纵向正交的平面对称(平面对称)。更具体地说，抗反射结构2在基片1表面的中心附近处的凸起高度h是0.015μm，而抗反射结构2在基片1的表面上最外部分(左和右端部分)处的凸起的高度h为0.15μm。这相当于这样一种抗反射结构，其中纵横比，即节距与凸起高度h的比，的最大值等于1或更大些(在本实施例的情况下，在基片1的表面上的右端和左端部分的纵横比等于0.15μm/0.15μm＝1)，而纵横比的最小值等于0.1或更小(在本实施例情况下，在基片1的表面的中心附近处的纵横比等于0.015μm/0.15μm＝0.1)。通过把纵横比的最大值设定到1或更大些以及把纵横比的最小值设定到0.1或更小些，就可以把透射率中的差异增大。
例如，按下面的方式就可以制成本实施例的光量分布控制元件。使用主模(master mold)，该主模的施压面的形状已精确地加工成与抗反射结构2的形状完全一样，对加热了并软化了的玻璃进行模压，这样就制出用于模制由玻璃制成的抗反射结构的模子。然后用这个模子来模制抗反射结构，对透光材料制成的基片1进行模压，从而就能制出光量分布控制元件。
如上所述，本实施例的光量分布控制元件是利用在透光材料制成的基片1的表面上提供凸起高度h随表面区域变化的抗反射结构来配置的。因此，利用这种光量分布控制元件，光的透射率就可以随区域而改变。在本实施例中，尤其是，抗反射结构2配置成凸起高度h在基片1的表面上从中心附近处向最外部分逐步增加，因此透射率随着趋向最外部分而增加。
在本实施例中，作为抗反射结构2，形成具有0.15μm节距的圆锥状抗反射结构，即节距等于或小于紫外波段(150nm至400nm)内的波长的抗反射结构，但根据不同的使用目的，也可以使用节距等于或小于可见光波段(400nm至700nm)内的波长的抗反射结构、节距等于或小于近红外波段(700nm至2μm)内的波长的抗反射结构、或节距等于或小于远红外波段(2μm至13μm)内的波长的抗反射结构。
本实施例已举出圆锥状抗反射结构那样的作为抗反射结构2的例子，但并不限于这样的结构，例如四角锥状的、正六角锥状的都可以使用。抗反射结构凸起的形状也不限于圆锥状，圆柱状、棱柱状的或具有圆点的形状都可以使用。抗反射结构2可以是任何结构，只要凸起高度h随着光的透射区域而改变，使得透射率随着光的透射区域而改变就可以。
在本实施例中，抗反射结构2的凸起高度h配置成连续变化，但本发明并不限于这种结构，例如，如图4所示，抗反射结构2的凸起高度h可以随着具有预定面积的区域而变化。尤其是，在图4中，抗反射结构2的凸起高度h被配置成在基片1的表面上从中心附近处向最外部分按逐段方式增加。
本实施例已举例作出说明，其中抗反射结构2的凸起高度h被设定为平面对称的，但并不限于这种结构。例如，如图5所示，抗反射结构2的凸起高度h可以设定为关于穿过基片1的表面的中心并垂直于基片1的表面轴对称(轴对称)。此外，如图6所示，抗反射结构2的凸起高度h可以设定为关于分别垂直于穿过基片1的表面的中心、并且分别沿着基片1的纵向及与纵向正交的方向的线的两个平面对称(平面对称)。
本实施例已经用长方体形的基片作为基片1的例子作了说明，但基片1的形状并不限于长方体。例如碟形的、圆柱状的或多角棱柱状的基片都可以使用。
第二实施例图7是显示第二实施例中光量分布控制透镜的示意横截面视图。
如图7中所示，本实施例的光量分布控制透镜包括平凸型透镜4，它具有20mm的有效直径并以光学玻璃、树脂或类似材料作为透镜的主体，在平凸型透镜4的平坦表面上设置抗反射结构2。
作为抗反射结构2，也可以用第一实施例中所描述的结构。换句话说，抗反射结构2的结构是凸起高度h随光的透射区域而变化。以此为基础，抗反射结构2可以配置成如第一实施例中所述的各种实施例。
例如可以用下面方式制取本实施例的光量分布控制透镜。使用一主模，该主模的施压面的形状已精确地加工成与抗反射结构2完全一样，把加热了并软化了的玻璃进行模压，这样就制出了用于模制由玻璃制成的抗反射结构的模子。然后用这个模子模制出抗反射结构，对透镜材料进行模压，就制出了光量分布控制透镜。
如上所述，本实施例的光量分布控制透镜是通过是提供凸起高度随区域而变化的抗反射结构而配置成的。因此光的透射率随区域而变化。
在本实施例中，抗反射结构是设置在平凸型透镜4的平坦表面上，但抗反射结构2也可以设置在凸表面上。
本实施例采用平凸型透镜4作为透镜主体的例子来进行说明，但透镜主体并不限于平凸型透镜。例如双凸型透镜、凹透镜或任何其它透镜都可使用。
第三实施例图8是显示第三实施例中的信息记录/再现装置的示意结构视图。
如图8中所示，第三实施例中的信息记录/再现装置包括半导体激光器5，半导体激光器5发射激光作为光源。半导体激光器5发射出的激光通过衍射光栅6然后经准直透镜7校准成为准直光。该准直光通过如实施例1中所述的光量分布控制元件8以及经过光束分离器9，然后由作为聚焦装置的光学透镜10聚焦到作为信息载体的光盘11上。
来自光盘11的反射光再通过物镜10并变成准直光，此后受光束分离器9的作用，传播方向改变90°，从而该光经检测透镜12入射到光接收元件13上。
在没有光量分布控制元件8的情况下，在物镜10的光瞳面(pupil plane)上的光量分布中，光瞳直径上外围部分的光量对中心部分的光量的比值低，因而在光盘11上聚焦成的光点直径大。因而难以进行最优的信息记录/再现。
因此，在本实施例中，把第一实施例中所述的光量分布控制元件8设置在半导体激光器5通向物镜10的光路上。光量分布控制元件8具有抗反射结构2，其中凸起高度h设定成对关于穿过基片1的表面的中心并垂直于基片1的表面(参考图5)的轴对称(轴对称)，并且凸起高度h还从基片1的表面的中心附近向周边部分逐步地连续增大。这样一来，光量分布控制元件8的透射率随着趋近周边部分而增大，物镜10的光瞳直径上周边部分的光量对中心部分的光量的比值得到增大。因此，聚焦在光盘11上的光点的直径能成为较小，因而能进行最优的信息记录/再现。
在本实施例中，把第一实施例中所述的光量分布控制元件8设置在从半导体激光器5通向物镜10的光路中。然而，作为设置光量分布控制元件8的替代，也可以用第二实施例中所述的光量分布控制透镜作为物镜10。这种情况下，也可以获得与上面相同的效果。更具体地说，抗反射结构2中的凸起高度h可以设定成对于光轴对称(轴对称)并且从中心附近处向周边部分逐渐连续地增大，具有这种结构的抗反射结构就可形成在物镜10的一个表面上。
第四实施例图9是显示第四实施例中图像拾取设备的示意结构视图。
如图9中所示，本实施例的图像拾取设备包括作为图像拾取光学系统的变焦透镜14、如第一实施例中所述的光量分布控制元件15、图像拾取元件16，这些元件按顺序从物侧(图9的左侧)排到图像表面侧(在图9的右侧)。然后，来自变焦透镜14的光通量就在图像拾取元件16处受到光电转换。
这里，如果没有光量分布控制元件15，由于透镜的轮廓或射向图像拾取元件16的入射角的不同造成的晕映(vignetting)，使中心图像高度的光量与周边图像高度的光量之间存在差别，这样就造成光量的不均匀。
在本实施例中，在变焦透镜(图像拾取光学系统)14与固态图像拾取元件16之间设置第一实施例中所描述的光量分布控制元件15。光量分布控制元件15，与第三实施例中类似，使用了抗反射结构2，其中抗反射结构的凸起高度h被设定成关于穿过基片1表面的中心、并垂直于基片1的表面的轴呈对称(轴对称)(参考图5)，而且从基片1的中心附近处向周边逐步连续增高。在此情况下，抗反射结构2的节距被设定成等于或小于在图像拾取元件16中受到光电转换的光通量的波长。从而，就可以实现光量不均匀性被降低了的高质量的成像。
在本实施例中，在变焦透镜(图像拾取光学系统)14与固态图像拾取元件16之间设置如第一实施例中所述的光量分布控制元件15。然而代替设置光量分布控制元件15，可以把第二实施例中所述的光量分布控制透镜包含在聚焦透镜(图像拾取光学系统)14的一部分中。更具体地说，可以把凸起高度h设定成对光轴对称(轴对称)而且从中心附近处向周边部分逐步连续增加的抗反射结构2形成在变焦透镜14(图像拾取系统)的一部分的透镜的一个表面上。在这种情况下，也把抗反射结构2的节距设定为等于或小于受光电转换的光通量的波长，并从而也可取得与上面相同的效果。
第五实施例图10是显示第五实施例中光学扫描设备的示意透视视图。
如图10中所示，参考标号17代表作为光源部分的半导体激光器，它发射出波长入(例如780nm)的光通量；参考标号18代表作为旋转多角镜的多角镜，它扫描从半导体激光器17发出的光通量；还有参考标号19代表第一成像光学系统，它把半导体激光器17发出的光通量引导到多角镜18的偏转反射表面。在此情况下，从半导体激光器17发出的光通量以所谓“过充满”(overfilled)的状态入射到多角镜18上，其中在主扫描方向上，光通量的宽度大于多角镜18的偏转反射表面的主扫描方向上的宽度。参考标号20代表作为要被扫描的表面的光电导鼓，参考标号21代表曲面镜，它设置在多角镜18和光电导鼓20之间，并作为第二成像光学系统，将来自多角镜18的光通量引导到光电导鼓20上。把如第一实施例中所描述的光量分布控制元件22设置在曲面镜21和光电导鼓20之间。第二成像光学系统是与曲面镜21一同配置的，以便在没有昂贵的玻璃透镜的情况下也能获得高分辨率与高可靠性。
这里，如果没有设置光量分布控制元件22，周边处的光量比起光电导鼓20轴向上中心附近的光量来说可能减少，因而光电导鼓20上的光量分布可能是不均匀的。
因此，在本实施例中，在曲面镜21和光电导鼓20之间设置如第一实施例中所述的光量分布控制元件22。该光量分布控制元件22具有抗反射结构2，其中凸起的高度h被设定成关于垂直于穿过基片1的表面中心、并与基片1的纵向正交的线的平面左右对称(平面对称)(参考图2)，并且从基片1表面的中心附近处向左和右的周边部分逐渐连续增大(参考图1)。在此情况下，抗反射结构2的节距被设定为等于或小于从半导体激光器17发射出的光通量的波长。这样，光量分布控制元件22的透射率随着接近最外部分而增大，被扫描的表面(光电导鼓20)上的光量分布就可以成为均匀的。
在本实施例中，在曲面镜21和光电导鼓20之间设置如第一实施例中所述的光量分布控制元件22。然而也可以用例如第二实施例中所述的光量分布控制透镜来代替光量分布控制元件22，以圆柱透镜23的形式构成图11中所示的第一成像光学系统19。该圆柱透镜23是用于将从半导体激光器17发射的光通量成像在多角镜18的偏转反射面上的透镜。同样在这种情况下，也可以得到与上面相同的效果。更具体地说，凸起高度h被设定成关于垂直于穿过圆柱透镜23的表面的中心、并正交于圆柱透镜23的纵向的线的平面左右对称(平面对称)，且凸起高度h从圆柱透镜23表面的中心附近处向左和右侧的最外边的部分逐渐连续增高，具有这样的结构的抗反射结构2可以在圆柱透镜23的一个表面上形成。此外，当该光量分布控制元件22包含在图11中所示的第一成像光学系统19的一部分中时，也可以得到与上面相同的效果。
第六实施例图12是显示第六实施例中的成像装置的示意横截面视图。该图像生成装置使用了第五实施例中的光学扫描设备作为光学扫描设备。
在图12中，参考标号26代表光电导鼓，光电导鼓的表面上覆盖着一种光敏材料作为要被扫描的表面，其中当照射光时，电荷发生改变；参考标号27代表初级充电器，其作用是通过把静电离子附着到光电导鼓26的表面上而使表面带电；参考标号28代表显影器，作用是把充电色粉附着到要被印刷的部分；参考标号29代表转移充电器，作用是把附着的色粉转移到纸张上；参考标号30代表清除器，作用是除去残留的色粉；参考标号31代表固定装置，作用是把转移的色粉固定到纸张上；参考标号32代表供纸盒。参考标号33代表由半导体激光作为光源部分及第一成像光学系统组成的光源块；参考标号34代表多角镜作为旋转多角镜；参考标号35代表曲面镜；参考标号62代表如第一实施例中所述的光量分布控制元件，而且光量分布控制元件62设置在曲面镜35和光电导鼓26之间。光源块33、多角镜34、曲面镜35及光量分布控制元件62可以构成第五实施例中所述的光学扫描设备。
根据本实施例，使用了第五实施例中所述的光学扫描设备作为成像装置的光学扫描设备，因此当趋向最外部分时，光量分布控制元件62的透射率变大，因而在受扫描的表面(光电导鼓26)上的光量分布是均匀的。这样，可以得到高质量的记录图像。
在本实施例中，如同在第五实施例中一样，可以用第二实施例中所述的光量分布控制透镜作为构成第一成像系统的透镜来代替光量分布控制元件62。
其它实施例可适当地改变上述的每个实施例。例如，光量分布控制元件不仅仅是类似于透镜的光透射元件，而可以是类似于镜面的光发射元件。而且，光量分布控制元件可以用棱镜、滤光器等来形成。此外，凸起高度的分布并不受上述实施例的限制，光量分布控制元件的凹凸结构的凸起高度可以根据所需的特性而任意设置。
虽然已详细地描述了本发明，但是上述说明仅仅是示例性的而非限制性的。理解到，可以设计各种其它修改和变型，而不背离本发明的范围。
权利要求
1.一种控制光量的光学元件，其特征在于，包括基片；抗反射结构，该抗反射结构包括设置在基片的表面上的多个抗反射元件，其中，所述抗反射元件的高度根据所述抗反射元件分别设置于所述基片的表面上的部分而不同。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射元件的高度从所述表面的中心部分向所述表面的最外部分逐渐增加或减小。
3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述基片由透光物质构成。
4.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述基片由反光物质构成。
5.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述该抗反射结构具有等于紫外波段内的波长的节距。
6.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构具有等于可见光波段内的波长的节距。
7.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构具有等于红外波段内的波长的节距。
8.如权利要求7所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的节距在0.7μm至2μm范围内。
9.如权利要求7所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的节距在2μm至13μm范围内。
10.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的节距与高度的比值即纵横比的最大值大于或等于1。
11.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的节距与高度的比值即纵横比的最小值小于或等于0.1。
12.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构具有周期性结构。
13.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的高度连续变化。
14.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于所述抗反射结构的高度随着具有预定面积的区域而变化。
15.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的高度从中心附近处向最边缘部分按逐段的方式增大。
16.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的高度是平面对称的。
17.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射结构的高度是轴对称的。
18.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述基片是透镜主体。
19.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射元件是多角棱镜结构。
20.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射元件是圆锥结构。
21.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述抗反射元件是多角棱锥结构与圆锥结构的组合。
22.一种光学装置，其特征在于，包括用于控制光量的光学元件，所述光学元件包括基片；抗反射结构，该抗反射结构包括设置在基片的表面上的多个抗反射元件，其中，所述抗反射元件的高度根据所述抗反射元件分别设置于所述基片的表面上的部分而不同。
23.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置是信息记录/再现装置，并且包括光学设备，用于把来自光源的光束照射并聚焦到信息载体上，其中所述光学元件设置在所述光源和所述信息载体之间的光路上。
24.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置是图像拾取设备，并且包括从物体一侧至图像表面一侧顺序排列的图像拾取光学系统和图像拾取元件，其中所述光学元件设置在所述图像拾取系统和所述图像拾取元件之间的光路上。
25.如权利要求22所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置是光学扫描设备，并且包括光源；用于扫描来自光源的光通量的扫描器；设置在所述光源和所述扫描器之间的第一成像光学系统；设置在所述扫描器和要被扫描的表面之间的第二成像光学系统，用于将光通量成像到所述要被扫描的表面上。
全文摘要
一种光量分布控制元件，包括由如光学玻璃或丙烯酸酯之类的透光材料制成的20mm×20mm×3mm的基片，及设置基片表面上的抗反射结构。作为抗反射结构，形成0.15μm节距的圆锥状抗反射结构(具有圆锥状凸起的周期性结构)。这相当于以紫外光作入射光时具有节距等于或小于紫外光波段(150nm～400nm)的波长的抗反射结构。
文档编号G02B7/02GK1611987SQ200410089858
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月27日 优先权日2003年10月27日
发明者吉川智延, 山本羲春, 田中康弘, 山形道弘, 山口博史 申请人:松下电器产业株式会社