JP2001174740A - 走査光学系 - Google Patents
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Abstract
射ビームと走査ビームの中心ビームとが略直線あるいは
略平行になるように構成した小型の走査光学系。 【解決手段】 光源1からの光ビームが入射する入射側
反射光学系10と、入射側反射光学系10から射出した
光ビームを反射偏向する偏向ミラー3と、その偏向ミラ
ー3で反射された光ビームが入射する射出側反射光学系
20とからなり、軸上主光線2を光源1から出て光学系
の絞りを構成する偏向ミラー3の中心を通る光線で定義
するとき、偏向ミラー3の回転軸4が光源から入射側反
射光学系10に入射する軸上主光線2と略平行に設定さ
れている走査光学系。
Description
し、特に、偏向ミラーと反射光学系とを組み合わせて情
報読出、情報記録、計測等の種々の用途に適した小型の
走査光学系に関するものである。
転非対称面を反射面とした反射光学系とポリゴンミラー
等の偏向ミラーとを組み合わせてなる走査光学系として
は、本出願人が提案した特開平11−84291号のも
のがある。
によってマイクロミラーデバイス状に構成された小型の
ものが、同様に本出願人により特開平10−12344
9号により提案されている。
を小型、特に、薄型のものとするには、入射ビームと走
査ビームの中心ビームとが略直線あるいは略平行になる
ような配置が望ましいが、従来のガルバノミラー、ポリ
ゴンミラー等の偏向ミラーを用いた走査光学系において
は、このような配置は提案されていない。
てなされたものであり、その目的は、偏向ミラーと反射
光学系とを組み合わせて入射ビームと走査ビームの中心
ビームとが略直線あるいは略平行になるように構成した
小型の走査光学系を提供することである。
明の走査光学系は、光源からの光ビームが入射する入射
側反射光学系と、入射側反射光学系から射出した光ビー
ムを反射偏向する偏向ミラーと、その偏向ミラーで反射
された光ビームが入射する射出側反射光学系とからな
り、軸上主光線を光源から出て光学系の絞りを構成する
偏向ミラーの中心を通る光線で定義するとき、前記偏向
ミラーの回転軸が前記光源から前記入射側反射光学系に
入射する軸上主光線と略平行に設定されていることを特
徴とするものである。
の位置において、光源から入射側反射光学系に入射する
軸上主光線と、射出側反射光学系から射出する軸上主光
線とが略平行になるように構成することが望ましい。
光ビームが被走査面上に集光するように構成することが
望ましい。
光源から入射側反射光学系に入射する軸上主光線と略平
行に設定されているので、走査光学系を小型に構成する
ことができる。そして、光源から入射側反射光学系に入
射する軸上主光線と、射出側反射光学系から射出する軸
上主光線とが略平行になるように構成することにより、
さらに走査光学系を小型に構成することができる。
例に基づいて説明する。
構成を示す断面図であり、偏向ミラー3が偏向角中心に
位置するときの断面図である。この走査光学系は、光源
1と、偏向ミラー3と、その偏向ミラー3の入射側の反
射光学系10と、偏向ミラー3の射出側の反射光学系2
0とからなり、軸上主光線2を光源1から出て光学系の
絞りを構成する偏向ミラー3の中心を通る光線で定義す
るとき、偏向ミラー3の回転軸4は、光源1から偏向ミ
ラー3の入射側の反射光学系10に入射する軸上主光線
2と平行に設定されている。また、この実施例では、反
射光学系10は偏心配置の1枚の曲面反射面11からな
り、反射光学系20も偏心配置の1枚の曲面反射面21
からなる。
設定する。図1に示すように、軸上主光線2を光源1中
心を出て絞りを構成する偏向ミラー3の中心を通る光線
で定義する。反射光学系10の入射側に軸上主光線2に
垂直な基準面を設定し、その基準面と軸上主光線2の交
点を偏心光学面の原点として、軸上主光線2に沿う沿っ
た方向をZ軸正方向とし、反射光学系10に入射する軸
上主光線2とそこから出る軸上主光線2を含む平面をY
−Z平面とし、原点を通りY−Z平面に直交し、紙面の
手前から裏面側に向かう方向をX軸正方向とし、X軸、
Z軸と右手直交座標系を構成する軸をY軸とする。図2
以下については、これら基準面と座標系の図示は省く。
た光ビームは、反射光学系10の曲面反射面11で偏向
ミラー3方向へ反射され、偏向ミラー3に軸上主光線2
の入射角がθで入射し、偏向ミラー3で反射された光ビ
ームは、反射光学系20の曲面反射面21でZ方向に反
射されて、Z方向有限位置の被走査面上に達して集光す
る。このような配置で、偏向ミラー3をZ軸に平行は回
転軸4の周りで揺動させると、曲面反射面21で反射さ
れた光ビームは、被走査面上をX方向に走査することに
なる。
す断面図であり、この実施例は、実施例1の入射側反射
光学系10と射出側反射光学系20を、それぞれ曲面反
射面11と曲面反射面21を備えた偏心プリズム光学系
で構成した例であり、偏向ミラー3の回転軸4は、同様
に光源1から偏向ミラー3の入射側の反射光学系10に
入射する軸上主光線2と平行に設定されている。
構成する偏心プリズム光学系10は、入射屈折面12と
反射面11と射出屈折面13からなるプリズムであり、
射出側反射光学系20を構成する偏心プリズム光学系2
0も、入射屈折面22と反射面21と射出屈折面23か
らなるプリズムである。
た光ビームは、入射側反射光学系を構成する偏心プリズ
ム光学系10の入射屈折面12からプリズム内に入射
し、曲面反射面11で偏向ミラー3方向へ反射され、射
出屈折面13からプリズム外に出て偏向ミラー3に軸上
主光線2の入射角がθで入射し、偏向ミラー3で反射さ
れた光ビームは、射出側反射光学系20を構成する偏心
プリズム光学系20の入射屈折面22からプリズム内に
入射し、曲面反射面21でZ軸に沿う方向に反射され
て、射出屈折面23からプリズム外に出てZ方向に進
み、Z方向有限位置の被走査面上に達して集光する。こ
のような配置で、偏向ミラー3をZ軸に平行は回転軸4
の周りで揺動させると、射出側反射光学系20で反射屈
折された光ビームは、被走査面上をX方向に走査するこ
とになる。
す断面図であり、この実施例は、入射側反射光学系10
と射出側反射光学系20を、別のタイプの偏心プリズム
光学系で構成した例であり、偏向ミラー3の回転軸4
は、同様に光源1から偏向ミラー3の入射側の反射光学
系10に入射する軸上主光線2と平行に設定されてい
る。
構成する偏心プリズム光学系10は、入射屈折面12と
反射面11と射出屈折面13からなるプリズムであり、
射出側反射光学系20を構成する偏心プリズム光学系2
0も、入射屈折面22と反射面21と射出屈折面23か
らなるプリズムである。ただし、プリズム光学系10の
射出屈折面13は内部全反射面も兼ねており、プリズム
光学系20の入射屈折面22は内部全反射面も兼ねてい
る。
た光ビームは、入射側反射光学系を構成する偏心プリズ
ム光学系10の入射屈折面12からプリズム内に入射
し、屈折兼反射面13で全反射され、さらに曲面反射面
11で偏向ミラー3方向へ反射され、屈折兼反射面13
からプリズム外に出て偏向ミラー3に軸上主光線2の入
射角がθで入射し、偏向ミラー3で反射された光ビーム
は、射出側反射光学系20を構成する偏心プリズム光学
系20の屈折兼反射面22からプリズム内に入射し、曲
面反射面21で反射され、屈折兼反射面22で全反射さ
れ、射出屈折面23からプリズム外に出てZ方向に進
み、Z方向有限位置の被走査面上に達して集光する。こ
のような配置で、偏向ミラー3をZ軸に平行は回転軸4
の周りで揺動させると、射出側反射光学系20で反射屈
折された光ビームは、被走査面上をX方向に走査するこ
とになる。
射出側反射光学系20を構成する光学面11〜13、2
1〜23の中、特に反射面は何れも軸上主光線2に対し
て偏心して配置され、パワーを持つ反射面であるので、
偏心収差が発生する。そこで、それらの偏心収差を補正
するために、特に、反射面11、13の少なくとも1
面、反射面21、22の少なくとも1面は、回転対称軸
を持たない回転非対称な面で構成することが望ましい。
な面として、例えば自由曲面を用いることができる。こ
こで自由曲面とは、以下の式で定義されるものである。
この定義式のZ軸が自由曲面の軸となる。
項である。
Y−Z面共に対称面を持つことはないが、Xの奇数次項
を全て0にすることによって、Y−Z面と平行な対称面
が1つだけ存在する自由曲面となる。また、Yの奇数次
項を全て0にすることによって、X−Z面と平行な対称
面が1つだけ存在する自由曲面となる。
称な面である自由曲面の他の定義式として、Zerni
ke多項式により定義できる。この面の形状は以下の式
(b)により定義する。その定義式(b)のZ軸がZe
rnike多項式の軸となる。回転非対称面の定義は、
X−Y面に対するZの軸の高さの極座標で定義され、A
はX−Y面内のZ軸からの距離、RはZ軸回りの方位角
で、Z軸から測った回転角で表せられる。
お、X軸方向に対称な光学系として設計するには、
D4 ,D5 ,D6 、D10,D11,D12,D13,D14,D
20,D21,D22…を利用する。
非対称面の例示のために示したものであり、他のいかな
る定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまで
もない。なお、回転非対称な面は、その面内及び面外共
に回転対称軸を有しない回転非対称面形状の面とするこ
とが、自由度が増え収差補正上は好ましい。
は、Y−Z平面に対して光学系全体を面対称に構成する
ことができるので、回転非対称な曲面反射面11、21
等は、Y−Z平面と平行な対称面を持つ自由曲面で構成
することが望ましい。より望ましくは、Y−Z平面と平
行な対称面のみを持つ回転非対称面な自由曲面で構成す
ることが好ましい。
する入射角θについては、 0°<θ<60° ・・・(1) の条件を満足することが望ましい。この条件式(1)の
上限の60°を越えると、本発明の走査光学系により光
ビームを有効に走査偏向できなくなる。
の5°を越えると、偏向ミラー3に入射する光ビームと
偏向ミラー3から反射する光ビームを分離して射出側の
反射光学系20に入射させるのが容易でなくなる。
偏向ミラー3としては、ガルバノミラーを用いても、ポ
リゴンミラーを用いてもよい。ガルバノミラーを用いる
場合は、走査光学系はf・arcsinθ特性を満足す
ることが望ましく、ポリゴンミラーを用いる場合は、f
・θ特性を満足することが望ましい。何れの場合も、入
射側反射光学系10、射出側反射光学系20を構成する
光学面11〜13、21〜23を前記の自由曲面で構成
し、その係数を適当に選択することにより、これらf・
arcsinθ特性、あるいは、f・θ特性を満足する
ように構成することができる。
なように、図2あるいは図3のように、入射側反射光学
系10と射出側反射光学系20を内面反射回数を1回以
上の偏心プリズムで構成する場合、射出側反射光学系2
0からZ方向に出て被走査面上をX方向に走査する走査
光ビームはその直線性を良くすることが可能である。
ームのX方向の走査範囲を2X0 とし、被走査面上の走
査光ビームのY方向の最大ずれ量をΔYとすると、 ΔY<2X0 /100 ・・・(2) の関係を満足することが望ましい。この条件式(2)を
満足すると、極めて直線性の良い走査が可能で、本発明
の走査光学系を正確な情報読出、あるいは、情報記録等
のための走査光学系として用いることが可能である。
の数値実施例からも明らかなように、被走査面(像面)
上の走査範囲全体にわたって十分に収差を補正して光源
1の像を結像させることができ、より正確な情報読み出
し、あるいは、情報記録等を行うことができる。
以下に示す。実施例1〜3の構成パラメータは下記に示
すが、面番号は、光源1(物体)から偏向ミラー3(絞
り)を通り、被走査面(像面)へ向う順光線追跡の面番
号として示してある。座標の取り方に関しては、図1に
示すように、軸上主光線2を光源1中心を出て絞りを構
成する偏向ミラー3の中心を通る光線で定義する。反射
光学系10の入射側に軸上主光線2に垂直な基準面(図
1の場合は仮想面、図2、図3の場合は入射屈折面1
2)を設定し、その基準面と軸上主光線2の交点を偏心
光学面の原点として、軸上主光線2に沿う沿った方向を
Z軸正方向とし、反射光学系10に入射する軸上主光線
2とそこから出る軸上主光線2を含む平面をY−Z平面
とし、原点を通りY−Z平面に直交し、紙面の手前から
裏面側に向かう方向をX軸正方向とし、X軸、Z軸と右
手直交座標系を構成する軸をY軸とする。
て、各面の偏心面については、基準面の中心について定
められた座標系の原点から、その面の面頂位置の偏心量
(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,
Z)と、その面の中心軸(自由曲面については、前記
(a)式のZ軸)のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心と
する傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられ
ている。なお、その場合、αとβの正はそれぞれの軸の
正方向に対して反時計回りを、γの正はZ軸の正方向に
対して時計回りを意味する。
出側反射光学系20の最後の光学面(図1の場合は曲面
反射面21、図2、図3の場合は射出屈折面23)と偏
向ミラー3が中立位置での軸上主光線2との交点Aから
の偏心量で表されている。
用面の中、特定の面(仮想面を含む。)とそれに続く面
が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられて
おり、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従っ
て与えられている。
形状は前記(a)式により定義し、その定義式のZ軸が
自由曲面の軸となる。
に関する項は0である。屈折率については、d線(波長
587.56nm)に対するものを表記してある。長さ
の単位はmmである。
の(b)式で与えられるZernike多項式がある。
があげられる。
き、以下の式で表せる。
曲面で面形状が表現されているが、上記(b)式、
(d)式を用いても同様の作用効果を得られるのは言う
までもない。
数)は0.1、偏向ミラー3の回転角は±15°であ
る。
角に対する被走査面上での走査光ビームのX方向の位置
(a)とY方向の位置(a)の関係をそれぞれ図4〜図
6に示す。
場合の走査範囲の右端、中央、左端のX−Y平面に投影
した光路図を図7〜図9に示す。ここで、実施例3の走
査光学系を符号30で、被走査面を符号31で示す。ま
た、図10(a)〜(c)には、それぞれ図7〜図9の
場合の被走査面での横収差を示す。
する入射角θの値は次の通りである。
10、射出側反射光学系20として利用可能な偏心プリ
ズム光学系は、図2、図3のタイプに限定されず公知の
種々のタイプのものと利用可能である。
うに構成することができる。
射側反射光学系と、入射側反射光学系から射出した光ビ
ームを反射偏向する偏向ミラーと、その偏向ミラーで反
射された光ビームが入射する射出側反射光学系とからな
り、軸上主光線を光源から出て光学系の絞りを構成する
偏向ミラーの中心を通る光線で定義するとき、前記偏向
ミラーの回転軸が前記光源から前記入射側反射光学系に
入射する軸上主光線と略平行に設定されていることを特
徴とする走査光学系。
かの位置において、前記光源から前記入射側反射光学系
に入射する軸上主光線と、前記射出側反射光学系から射
出する軸上主光線とが略平行になることを特徴とする上
記1記載の走査光学系。
からなることを特徴とする上記1又は2記載の走査光学
系。
からなることを特徴とする上記1又は2記載の走査光学
系。
る偏向光ビームが被走査面上に集光することを特徴とす
る上記1から4の何れか1項記載の走査光学系。
側反射光学系は、対称面を1面又は2面持つ回転非対称
面からなる偏心配置の反射面からなることを特徴とする
上記1から5の何れか1項記載の走査光学系。
側反射光学系は、対称面を1面又は2面持つ回転非対称
面からなる偏心配置の反射面を少なくとも1面有するこ
とを特徴とする上記1から5の何れか1項記載の走査光
学系。
折面と内部反射面と射出屈折面とからなる偏心プリズム
からなることを特徴とする上記7記載の走査光学系。
折面と内部反射面と内部全反射面兼射出屈折面とからな
る偏心プリズムからなることを特徴とする上記7記載の
走査光学系。
屈折面と内部反射面と射出屈折面とからなる偏心プリズ
ムからなることを特徴とする上記7から9の何れか1項
記載の走査光学系。
屈折面兼内部全反射面と内部反射面と射出屈折面とから
なる偏心プリズムからなることを特徴とする上記7から
9の何れか1項記載の走査光学系。
学系に入射する軸上主光線の方向をZ軸方向、前記入射
側反射光学系にに入射する軸上主光線とそこから出る軸
上主光線を含む平面をY−Z平面とし、Y−Z平面に直
交する方向をX軸方向とするとき、被走査面上の走査光
ビームのX方向の走査範囲を2X0 とし、被走査面上の
走査光ビームのY方向の最大ずれ量をΔYとすると、 ΔY<2X0 /100 ・・・(2) を満足するすることを特徴とする上記8から11の何れ
か1項記載の走査光学系。
ーに入射する入射角の最小値θが、 0°<θ<60° ・・・(1) を満足するすることを特徴とする上記1から12の何れ
か1項記載の走査光学系。
によると、偏向ミラーの回転軸が光源から入射側反射光
学系に入射する軸上主光線と略平行に設定されているの
で、走査光学系を小型に構成することができる。そし
て、光源から入射側反射光学系に入射する軸上主光線
と、射出側反射光学系から射出する軸上主光線とが略平
行になるように構成することにより、さらに走査光学系
を小型に構成することができる。したがって、本発明の
走査光学系は、情報読出、情報記録、計測等の種々の用
途に用いることができる。
面図である。
面図である。
面図である。
面上での走査光ビームのX方向の位置(a)とY方向の
位置(a)の関係を示す図である。
面上での走査光ビームのX方向の位置(a)とY方向の
位置(a)の関係を示す図である。
面上での走査光ビームのX方向の位置(a)とY方向の
位置(a)の関係を示す図である。
した光路図である。
した光路図である。
した光路図である。
横収差を示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 光源からの光ビームが入射する入射側反
射光学系と、入射側反射光学系から射出した光ビームを
反射偏向する偏向ミラーと、その偏向ミラーで反射され
た光ビームが入射する射出側反射光学系とからなり、軸
上主光線を光源から出て光学系の絞りを構成する偏向ミ
ラーの中心を通る光線で定義するとき、前記偏向ミラー
の回転軸が前記光源から前記入射側反射光学系に入射す
る軸上主光線と略平行に設定されていることを特徴とす
る走査光学系。 - 【請求項2】 前記偏向ミラーの回転範囲の何れかの位
置において、前記光源から前記入射側反射光学系に入射
する軸上主光線と、前記射出側反射光学系から射出する
軸上主光線とが略平行になることを特徴とする請求項1
記載の走査光学系。 - 【請求項3】 前記射出側反射光学系から射出する偏向
光ビームが被走査面上に集光することを特徴とする請求
項1又は2記載の走査光学系。
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