JP2003228034A

JP2003228034A - レーザ光学装置

Info

Publication number: JP2003228034A
Application number: JP2002029710A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takaura; 淳高浦
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: JP4009114B2

Abstract

(57)【要約】【目的】音響光学変調素子ＡＯＭを用いたとき得られ
る複数の回折ビームの内、所望の変調ビームと、不要な
回折ビームとの分離角度を拡大し、所望の変調ビームの
みを取り出す小型の装置を得る。【構成】レーザ光源１から出射してＡＯＭ２に入射し
た光束はＡＯＭ２による変調を受けて複数の回折ビーム
に分かれて出射する。その中の所望の変調ビームのビー
ム光軸に、正のパワーをもつ光学素子３２の光軸を一致
させて配置する。光学素子３２から出射した各回折ビー
ムのビーム光軸は、光学素子３２の焦点後方に一旦収束
し、さらに発散光束として進行する。光学素子３２から
十分離れた位置に、遮光部材４を設けることによって、
所望の変調ビームのみを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザマーカ、レーザ
トリマー、レーザディスプレイなどに用いることのでき
る、ビーム強度変調手段として音響光学素子（以下ＡＯ
Ｍと呼ぶ）を用いたレーザ装置、あるいは、該装置にビ
ーム走査機構を付加したビーム走査装置に関する。詳し
くは、ＡＯＭによって回折される所望の変調ビームと、
それ以外の不要な回折ビームとを明確に分離し、所望の
変調ビームのみを取り出す技術に関する

【０００２】

【従来の技術】レーザビームをＡＯＭによって変調させ
ることにより、さまざまな機能をもつレーザ装置が構成
できることが知られている。ＡＯＭは入射ビームの強度
を変調させることができ、レーザマーカ、レーザトリマ
ー、レーザディスプレイなど多岐にわたるレーザ装置に
使用されている。レーザの強度変調方式には、直接変調
方式があり、低出力半導体レーザにおいては、直接変調
方式が用いられることが多い。しかし、レーザ出力が高
くなると、直接変調方式ではデューティ比が下がってく
る。一方でＡＯＭはレーザビームパワーが大きい場合で
もデューティ比を確保できるのでワットクラスのハイパ
ワーレーザを用いたレーザ装置において有効な変調手段
となっている。

【０００３】ＡＯＭから出射される回折ビームには０次
光と１次光の２つが存在するが、ビームの入射条件等に
よっては−１次、＋２次の回折光が同時に放射されるこ
とがある。このうち、通常、変調光として使用するのは
１次回折光のみである。これを所望の変調ビームと呼ぶ
ことにする。その他のビームは不要であるため、不要な
回折ビームと呼ぶことにする。不要な回折ビームは遮光
する必要がある。ところが、ＡＯＭから放射される回折
ビームの回折分離角は数ミリラジアンと非常に小さい。
そのため、ＡＯＭの近傍で不要な回折ビームのみを遮光
することが難しく、開口をもつ遮光板によって所望の変
調ビーム以外を遮光しようとすると、ビーム直径と開口
径がほぼ同一になってしまう。すると、開口のエッジで
ビームが回折してしまう。また、開口の位置がずれると
透過光量が低下し、光利用効率が低下してしまう。

【０００４】不要な回折ビームを遮断して、所望の変調
ビームのみを取り出す技術として、特開平９−５６８９
号公報に記載された技術が知られている。この技術は、
ＡＯＭから出射されるわずかな分離角度をもった複数の
回折ビームを、２群の凸レンズからなるビームエキスパ
ンダに導き、前群の焦点面にピンホールの開いた遮光板
を置いて、所望の変調ビームのみを通過させるようにし
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＡＯＭから十分離れた
位置ではＡＯＭから出射される複数の回折ビームの離間
距離は広がるので、不要な回折ビームの遮光は容易にな
るが、長い光路長を要するので装置が大型化してしま
う。回避策として、光路をミラーで折り返して装置を小
型化することが可能であるが、装置構成が複雑になり、
調整も煩雑になる。複数の回折ビームの離間距離を拡大
する従来技術の別なる方法として、図１０のように、Ａ
ＯＭの出射端側にウェッジ基板を配置する方法がある。
ウェッジ基板３の表面から入射した複数の回折光１、２
は所定の基板厚さを透過し、ウェッジ基板３の裏面で反
射して、再び基板内を透過し、ウェッジ基板３の表面か
ら出射する。以上の工程によって近接していた複数の回
折光１、２をある程度離間させ、離間した後に、開口４
ａを有する遮光部材４を介して不要な回折ビームを遮蔽
することができる。しかしこの方法ではビームに非点収
差が発生し集光特性が劣化する。また、ビームの光路が
折り返される系になるので、この系の後段で３原色のビ
ーム合成を行う場合には系の配置調整が複雑になる。ま
た、３原色の各々の光路に対してこの系を設置する必要
があるので、系の配置は一層複雑になる。前記特開平９
−５６８９号公報に記載の光学系は、小さい分離角度を
もち、部分的に重複してしている複数の光束でも、所望
のビームのみを通すピンホールを持つ遮光板によって明
確に分離できる利点はあるが、それぞれの光束の集光点
はかなり近接しているので、ピンホールの構成に与えら
れる許容誤差があまり大きくない。理想的には、変調ビ
ーム径よりも大きい開口を以って、不要な回折ビームを
遮光でき、しかも、長い光学距離を必要としないことが
望まれる。

【０００６】レーザ装置において、変調ビームは平行も
しくは平行に近い状態で伝搬されることが望ましい。ビ
ームが発散すると、後方の光学系の大型化が必要になり
コストアップする。レーザビームのガウシアン伝搬特性
原理から、ビーム径を大きくした方が、伝搬ビームの平
行度が向上することは知られているが、レーザマーカ、
レーザトリマー、レーザスキャンディスプレイなどの用
途においては、一旦ビーム径を拡張してしまうと、最後
に集光する際の焦点深度が浅くなり、深度が浅いと加工
面やスクリーンの位置精度が厳しくなる。以上のことか
ら、ビーム径を大きくして伝搬ビームの平行度を向上す
る光学系が採用されるケースは稀である。要はレーザか
ら放射されるビーム径になるべく近い状態を維持してビ
ームを伝搬させることが望ましい。

【０００７】異なる波長のレーザの各々を変調して用い
る装置においては、波長の異なるレーザビームの各々に
対応するＡＯＭが同様の問題をもつ。波長の異なるビー
ムの各々がＡＯＭを通過すると回折ビーム本数が増える
が、これらのうちで不要な回折ビームを効率よく同時に
遮光する方法が望まれる。遮光手段によって選択された
所望の変調ビームは波長が異なっているが、これらのビ
ームを集光したり、あるいは走査させたりする装置が考
えられる。この場合に、波長の異なるビームの集光位置
やスポットサイズを一致させることができる装置構成が
望まれる。

【０００８】これらの問題点を踏まえ、本発明では、Ａ
ＯＭから出射する不要な回折ビームを短い光学経路内で
遮光することを主たる目的とする。そして、所望の変調
ビームの平行性の制御を可能にすることを主たる目的と
する。さらに以下のようなことを目的とする。回折光分
離効果を高くし、部品の加工精度や組み付けの調整精度
を緩和する。波長の異なるレーザを同時に使用するレー
ザ装置内において、不要な回折ビームのすべてを同時に
遮光し、所望の変調ビームを平行ビームに変換する。波
長の異なる変調ビームを同一の焦点位置に集光させる。
ＡＯＭで変調した波長の異なるビームを走査して同一の
位置に集光させるとともに集光スポットサイズも同一に
する。そして、これらレーザ光学装置を用いたビーム走
査装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本願の請求項１に記載の発明では、音響光学変調素
子（以下ＡＯＭと呼ぶ）による光強度変調手段を有する
レーザ装置において、前記ＡＯＭの後方に負のパワーを
もつ光学素子の光軸を前記ＡＯＭから出射される所望の
変調ビームのビーム光軸と同軸に配置し、前記ＡＯＭか
ら出射される互いに出射角度の異なる複数の回折ビーム
の分離角度を拡大し、前記所望の変調ビームのみを通
し、それ以外の不要な回折ビームを通さない大きさの開
口を有する遮光部材を、前記開口の中心が前記光軸に一
致するよう配置して前記不要な回折ビームを遮光するこ
とを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の発明では、ＡＯＭによる
光強度変調手段を有するレーザ装置において、前記ＡＯ
Ｍの後方に、正のパワーをもつ光学素子の光軸を前記Ａ
ＯＭから出射される所望の変調ビームのビーム光軸と同
軸に配置し、前記ＡＯＭから出射される出射角度の異な
る複数の不要な回折ビームのビーム光軸を、一旦前記光
学素子の焦点後方の収束点で前記光学素子の光軸と交叉
させた後発散させることによって分離角度を拡大し、前
記光学素子から前記収束点までの距離に等しいかそれよ
りも大きい距離だけ前記収束点から離れた位置に、前記
所望の変調ビームのみを通し、それ以外の不要な回折ビ
ームを通さない大きさの開口を有する遮光部材を、前記
開口の中心が前記光軸に一致するよう配置して前記不要
な回折ビームを遮光することを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の発明では、ＡＯＭによる
光強度変調手段を有するレーザ装置において、前記ＡＯ
Ｍの後方に、正のパワーをもつ２群レンズで構成される
アフォーカル光学系の光軸を、前記ＡＯＭから出射され
る所望の変調ビームのビーム光軸と同軸に配置し、前記
アフォーカル光学系の前群の屈折作用により、前記ＡＯ
Ｍから出射される出射角度の異なる複数の不要な回折ビ
ームのビーム光軸を、一旦前記光学素子の焦点後方に収
束後発散させることによって分離角度を拡大し、前記ア
フォーカル光学系の後群直前または直後位置に、前記所
望の変調ビームのみを通し、それ以外の不要な回折ビー
ムを通さない大きさの開口を有する遮光部材を、前記開
口の中心が前記光軸に一致するよう配置して前記不要な
回折ビームを遮光することを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載のレーザ光学装置において、前記アフォーカル光学系
は、前群焦点距離より後群焦点距離が長いビームエキス
パンダであることを特徴とする請求項５に記載の発明では、波長の異なる複数のレーザ
ビームをそれぞれ対応するＡＯＭで個別に変調し、得ら
れる複数の回折ビームのうち、各所望の変調ビームのビ
ーム光軸を同軸に合成する複数の偏向装置からなるビー
ム合成手段を有し、該ビーム合成手段によって合成され
た、異なる波長を含む合成ビームを、その後方に配置さ
れ、前記ビーム光軸と光軸を一致させ、アクロマートレ
ンズにより構成されたアフォーカル光学系に入射させ、
前記アフォーカル光学系の後群の直前もしくは直後に配
置した、前記合成ビームのみを通し、それ以外の不要な
回折ビームを通さない大きさの開口を有し、該開口の中
心が前記光軸と一致する遮光部材によって、所望の変調
ビームのみを平行光束として取り出すことを特徴とす
る。

【００１３】請求項６に記載の発明では、請求項５に記
載のレーザ光学装置において、前記それぞれ対応するＡ
ＯＭに入力する超音波の搬送周波数を、入射するレーザ
ビームの波長に対応させて異ならせることにより、複数
の回折ビームの分離角度を互いにほぼ等しくさせ、前記
ビーム合成手段により前記所望の変調ビームのビーム光
軸を同軸に合成すると共に、前記不要な回折ビームの光
路もほぼ一致させることを特徴とする。請求項７に記載
の発明では、請求項５または６記載のレーザ光学装置に
おいて、前記アフォーカル光学系の後方にアクロマート
集光レンズを配置したことを特徴とする。

【００１４】請求項８に記載の発明では、請求項６また
は７記載のレーザ光学装置において、前記アフォーカル
光学系に入射するビームの内、波長が長い方のビームの
径は、波長の短い方のビームの径よりも大きいことを特
徴とする。請求項９に記載の発明では、請求項１〜８の
いずれか１つに記載のレーザ光学装置を有するビーム走
査装置であって、前記すべての光学系より後方に、前記
所望の変調ビームを走査する１個または２個のビーム走
査手段を有するビーム走査装置を特徴とする。

【００１５】

【作用】請求項１記載の発明によれば、負のパワーをも
つ光学素子により、複数の回折ビームの分離角度が拡大
し、遮光部材により、所望の変調ビームのみが取り出さ
れる。請求項２記載の発明によれば、正のパワーをもつ
光学素子により、複数の回折ビームの分離角度が拡大
し、遮光部材により、所望の変調ビームのみが取り出さ
れる。請求項３記載の発明によれば、正のパワーをもつ
光学素子により、複数の回折ビームの分離角度が拡大
し、遮光部材の開口を通過した所望の変調ビームは、ア
フォーカル光学系出射後もビームの平行性が維持され
る。

【００１６】請求項４記載の発明によれば、所望の変調
ビームのビーム光軸と、不要な回折ビームのビーム光軸
の、遮光部材位置における距離がより大きくなる。請求
項５記載の発明によれば、波長の異なる複数の所望の変
調ビームのビーム光軸を一致させておくことにより、波
長の違いによる光路の違いが発生しない。請求項６記載
の発明によれば、不要な回折ビームも、波長の違いによ
る光路の違いが発生しない。

【００１７】請求項７記載の発明によれば、ビーム走査
装置等に適用したとき、所望の変調ビームが所定の像面
位置に焦点を結ぶ。請求項８記載の発明によれば、ビー
ム走査装置に適用したとき、異なる波長の所望の変調ビ
ームが所定の像面位置に同じスポットサイズで焦点を結
ぶ請求項９記載の発明によれば、前記各レーザ光学装置
を用いたビーム走査装置が提供できる。

【００１８】

【実施の形態】図１は本発明の第１の実施形態を説明す
る図である。図１において、レーザ光源１から出射し、
ＡＯＭ２に入射した平行ビームは、ＡＯＭ２において変
調を受け、０次光、±１次光などの複数の回折ビームと
して出射する。ＡＯＭ２から出射される複数本の回折ビ
ームは、入射したビームの波長と、ＡＯＭに入力される
超音波振動の搬送周波数に依存した分離角度を有する。
これら複数の回折ビームの分離角度は小さいが、直後に
負のパワーをもつ光学素子３１を置くことにより、その
屈折効果によって、光学素子３１から出射される回折ビ
ームが短い光学距離において分離角度を拡大できる。光
学素子３１を、以後使用する所望の変調ビーム５と光軸
を一致して配置させることにより、所望の変調ビーム５
はレンズ中心を通過するので、そのビーム光軸は屈折さ
れずに直進する。ただし、平行光束として入射した所望
の変調ビーム５は発散光束として出射する。光学素子３
１の後方において、所望のビーム以外のビーム、すなわ
ち、不要な回折ビーム６は所望の変調ビーム５と距離的
に十分に分離されているので、適度な大きさの開口４ａ
をもつ遮光部材４によって、不要な回折ビーム６のみを
容易に遮光できる。ここで、開口４ａの適度な大きさと
は、既に述べた理由により、所望の変調ビームの径より
大きめの方がよい。ただし、不要な回折ビームが入り込
まない程度にしておかなければならない。部品精度等の
止むを得ないバラツキがあっても所望の変調ビームのみ
が得られるように、光学素子３１のパワー、該光学素子
３１から遮光部材４までの距離、および、開口４ａの大
きさを決める。ここで光学素子と呼ぶのは、その目的に
合いさえすれば、単レンズでも、複数のレンズによる複
合レンズでもよい。要は、光学的に１個のレンズとして
取り扱えるものであればよい。以下の説明においても同
様である。

【００１９】図２は本発明の第２の実施形態を説明する
図である。図１との違いはＡＯＭ直後の光学素子が正の
パワーをもつ光学素子３２になっている点である。図２
において、不要な回折ビームのビーム光軸は、所望の変
調ビームとの間に分離角度を有しており一見発散性のよ
うであるが、個々のビームは平行光束である。そのた
め、光学素子によって屈折された各ビームは、光学素子
の焦点面上の互いに一致しない位置に焦点を結ぶ。しか
し、各ビームのビーム光軸は光学素子の焦点位置より若
干後方で収束し、その後発散する。光学素子３２に入射
する前の各ビームの分離角度は小さいが、光学素子３２
のレンズパワーを大きくすることによって、短い光学距
離において回折ビームの分離角度を拡大することができ
る。光学素子３２の光軸を、実際に使用する所望の変調
ビーム５のビーム光軸と一致させることにより、所望の
変調ビーム５のビーム光軸は屈折作用を受けず直進す
る。ただし、平行光束として光学素子３２に入射した所
望の変調ビーム５は、光学素子３２の焦点位置を過ぎる
と発散光束となって進行する。不要な回折ビーム６も前
述の様に光学素子３２の焦点面上に焦点を結ぶが、その
ビーム光軸は前記焦点位置よりも後方で所望の変調ビー
ムのビーム光軸と交わる。両ビーム光軸の交点の後方に
おいて、不要な回折ビーム６のビーム光軸は所望の変調
ビーム５のビーム光軸と距離的に分離されるので、実施
形態１と同様、遮光部材４の位置を選ぶことによって所
望の変調ビームのみを取り出すことができる。遮光部材
４の位置を前記両ビーム光軸の交点から近い位置に置く
と、前記両ビーム光軸間の距離は、光学素子３に入射す
るときの両ビーム光軸間の距離よりもむしろ小さくなっ
てしまう可能性がある。この問題が生ずるのを防ぐため
に、遮光部材４の置く位置は、光学素子３２から前記交
点位置までの距離と少なくとも同じ距離だけ、好ましく
はそれ以上前記交点から離れている必要がある。

【００２０】図３は本発明の第３の実施例形態を説明す
る図である。図２との違いは、遮光部材４の後方に正の
パワーをもつ光学素子７が配置されており、光学素子３
２との組み合わせでアフォーカル系のビームコンバータ
を形成している点である。すなわち、光学素子３２の焦
点位置と、光学素子７の焦点位置が一致するように同軸
に配置されている。図３において、光学素子３２に入射
した平行光束である所望の変調ビーム５は、光学素子３
２によってその焦点位置に一旦収束され、そのまま発散
光として進行し、ビームコンバータの後群である光学素
子７の直前に配置した、遮光部材４の開口４ａを通過し
たのち光学素子７に入射する。前述のように、光学素子
７は光学素子３２と共焦点になっているので、所望の変
調ビーム５は、光学素子７を経ると再び平行光束となっ
て光軸上を進む。なお、図では遮光部材４の位置を、ビ
ームが光学素子７に入射する前になるようにしている
が、不要回折ビームの遮光の効果だけを考えれば、遮光
部材４の代わりにビームが光学素子７を出射した直後
に、図の点線で示すように遮光部材４’を置いても構わ
ない。これは、以後の実施形態すべてにおいて同様であ
る。一般的には不要な光束はなるべく早く遮断して、光
学素子内での不要な散乱光を未然に防止するのが普通で
ある。図示はしてないが、図１の光学系において遮光部
材４の直後に正のパワーをもつ光学素子７を置いて、光
学素子３１からの発散光束を平行光束に変換しても、図
３の実施形態と同様な効果が得られる。この構成は図３
の構成よりも光路長を短くできる利点がある。

【００２１】図４はよく使われる変調方式にも本発明が
適用しうることを示す参考例の図である。図４におい
て、レーザ光源１から出た平行ビームは、正のパワーを
もつ光学素子８によって、ＡＯＭ２の変調位置に焦点を
結ぶ。このようにすることによって、変調速度を速くす
ることができるので、この構成はよく用いられている。
ＡＯＭ２によって変調された光束は発散性の複数の回折
ビームとなってＡＯＭ２を出射する。これらの光束を同
じく正のパワーをもつ光学素子９によって平行光束に戻
す。すなわち光学素子８と、光学素子９もまたアフォー
カル系を構成している。光学素子９を通った光束は、第
３の実施形態と同様、内部に遮光部材４を含むビームコ
ンバータによって所望の変調ビーム５のみを平行光束と
して取り出すことができる。ただし、ＡＯＭ２で変調を
受けた光束は発散角をもつので、この角度が分離角度よ
り大きいと部分的に重複してしまい、遮光部材４では分
離できなくなる。もともとＡＯＭ２の分離角度があまり
大きくないため、光束の発散角をそれよりさらに小さく
するためには、光学素子８とＡＯＭ２との距離を十分大
きくとらねばならず、装置の小型化に難点がある。

【００２２】図５は前記第３の実施形態の、より好まし
い条件を説明するための、一部を拡大した図である。ビ
ームコンバータは、前群と後群の焦点距離の大小関係に
より、ビームエキスパンダとビームコンデンサに分かれ
る。本発明では、原理的にはどちらも採用可能である
が、分離の程度を大きくする目的だけから言えば、ビー
ムエキスパンダの構成の方が適している。図５におい
て、ビームコンバータを形成するアフォーカル系レンズ
群の光学素子３と光学素子７のそれぞれの焦点距離をｆ
１、ｆ２とする。ここで、ｆ１＜ｆ２、すなわち、後群
の光学素子の焦点距離を、前群のそれより大きくする。
これにより、後群にほぼ密着して配置された遮光部材４
の位置での、所望の変調ビームのビーム光軸と不要な回
折ビームのビーム光軸との軸間距離を、前群の光学素子
に入射する前の両ビーム光軸の軸間距離よりｆ２／ｆ１
の比だけ大きくすることができる。ただし、この構成は
ビームエキスパンダとなり、入射ビームのビーム径より
出射ビームのビーム径の方が前記と同じ比で大きくな
る。既に述べたように、ビーム径をあまり大きくするこ
とは得策ではないので、他の要素との兼ね合いでｆ１、
ｆ２を定める。

【００２３】図６は本発明の第４の実施形態を説明する
図である。図において、１−１、１−２は互いに波長の
異なるレーザ光源である。それらの出射光の波長を仮に
λ１、λ２とする。それぞれの光源から出射した平行ビ
ームはそれぞれ対応するＡＯＭ２−１、２−２によって
変調され、それぞれが複数の回折ビームを出射する。Ａ
ＯＭ２−１を出射した波長λ１の複数の回折ビームは、
第１の偏向装置である全反射ミラー１０によって偏向さ
れる。ＡＯＭ２−２を出射した波長λ２の複数の回折ビ
ームは、波長λ１は透過し、波長λ２は全反射するよう
な第２の偏向装置であるダイクロイックミラーにより偏
向される。このとき、ＡＯＭ２−１から出射される複数
の回折ビームのうち、所望の変調ビーム５−１のビーム
光軸と、ＡＯＭ２−２から出射される複数の回折ビーム
のうち、所望の変調ビーム５−２のビーム光軸とが同一
直線上に一致するように全反射ミラー１０とダイクロイ
ックミラー１１とを配置する。これによって、波長の異
なる複数の所望の変調ビームがあたかも１本のビームの
ようになり、合成ビーム５２となる。両ミラー１０、１
１で偏向された不要な回折ビーム６は合成ビーム５２と
は異なる光路を通る。

【００２４】一般にレーザ光源１から出射したレーザビ
ームは平行性が良いことを前提としているが、いくつも
光学系を経由するうち若干発散性になることもある。そ
の場合には必要に応じて図の２点鎖線で示すように、弱
い正のパワーをもったコリメートレンズ９２を、アフォ
ーカルレンズ系より手前に挿入すると良い。合成ビーム
５２と不要回折ビーム６は実施形態３と同様なアフォー
カル系を通すことによって、遮光部材４で合成ビーム５
２のみを光学素子７３から取り出すことができる。とこ
ろで、合成ビーム５２は異なる波長成分、λ１、λ２を
含んでいる。したがって、図３のように光学素子３２や
光学素子７として、色収差を含むレンズ系を用いてしま
うと、光学素子７を出射した合成ビームは、波長による
屈折率の違いにより、両波長をともに平行光束に揃える
ことができなくなってしまう。そこで、ここに使う光学
素子はすべて色消しを図ったレンズ系、すなわち、アク
ロマートレンズ系により構成する。これによって、光学
素子３３へ入射し、光学素子７３を出射した合成ビーム
５２は波長の違いにかかわらず平行光束となる。以上、
理解を容易にするため、２色の場合で説明してきたが、
ディスプレイなどの用途には一般に３原色を用いるのが
普通であり、本実施形態も３色の場合に適用できること
は明らかである。ただし、その場合、第３の波長をλ３
とすると、第３の偏向装置としては、λ１とλ２は透過
し、λ３は全反射するダイクロイックミラーあるいはバ
ンドパスフィルタを用いることになる。その他の構成は
図から明らかである。以下の図においても説明は２色の
場合でしてあるが、３色用の構成を前提としている。

【００２５】図７は図６の構成において、特に不要な回
折ビームを処理しやすく制御する例を説明する図であ
る。ＡＯＭで回折するビームの回折角度は入射する光束
の波長によって変わる。ＡＯＭに加える超音波振動は、
搬送波と信号用の変調波を合成したものである。変調波
は振幅変調であり、変調ビームの強度変化として現れ
る。搬送波の周波数の違いはＡＯＭの内部に発生する格
子縞の間隔の違いに現れる。結果的に回折ビームの分離
角度の違いとなって現れる。図６において、異なる波長
の光束に対し、ＡＯＭ２−１、２−２で同じ周波数の搬
送波を用いて変調を行えば、図のように、不要な回折ビ
ームの光路は波長によって分離角度が異なるため、ダイ
クロイックミラー１１を経た後も互いに異なる光路を通
る。図７においては、ＡＯＭ２−１、２−２に与える搬
送波の周波数を異ならせ、結果として不要な回折ビーム
の分離角度が両者ほぼ等しくなるように制御する。それ
に伴って、ＡＯＭ２−２と、全反射ミラー１０を介した
ＡＯＭ２−１とを、ダイクロイックミラー１１に関して
光学的に対称な配置とする。その結果、ダイクロイック
ミラー１１を経由した不要な回折ビーム６２は波長が異
なっていながら、ほぼ同じ光路をたどる。こうすること
によって、遮光部材４の開口４ａを最も効率よい大きさ
に設定できる。

【００２６】図８は本発明の第５の実施形態を示す図で
あり、走査装置などに適用し得る光学系を示す。図７の
構成の光学素子７３の後方にさらに正のパワーをもつア
クロマート集光レンズ系１２を配置した構成である。光
学素子７３を出射した、異なる波長を含む合成ビーム５
２は、平行光束となってアクロマート集光レンズ系１２
に入射する。したがって、合成ビーム５２はあたかも１
つの波長のビームであるかのように振る舞い、どの波長
の光束もアクロマート集光レンズ１２系の焦点位置に焦
点を結ぶので、ディスプレイなどに用いたとき、色ずれ
が生じない。

【００２７】アクロマート集光レンズ系１２の焦点距離
に波長差はないが、焦点を結んだときのスポット径は波
長によって変わる。スポット径の大きさは波長とＦ値
（口径比すなわち、焦点距離／ビーム径）に比例する。
波長が長い場合はビーム径を大きくすることでＦ値を小
さくできるので、ビーム径制御によって、波長とＦ値の
積算値をほぼ同一にすることができる。以上の原理に基
き、波長差のある合成ビーム５２の集光スポット径を揃
えることが可能になる。この効果はレーザスキャンディ
スプレイの用途に対して効果がある。具体的な構成とし
ては、出射ビーム径の異なるレーザ光源を採用するか、
あるいは、図示はしてないが、レーザ光源から全反射ミ
ラーもしくはダイクロイックミラーなどの偏向装置まで
のどこかにビームエキスパンダもしくはビームコンデン
サを挿入することで達成できる。

【００２８】図９は本発明の第６の実施形態の一例を示
す図である。図９において、符号１３、１４はビーム走
査手段を示す。図の例では１３は回転多面鏡を、１４は
ガルバノミラーを表す。ビーム走査手段に光束を入射さ
せる光学系は、図１ないし図８に示す光学系のいずれか
一つを、少なくともその一部に有している。図９は図８
に示す光学系をそのまま当てはめた例で示してある。

【００２９】図９の例ではビーム走査手段の例としてポ
リゴンミラー１３、ガルバノミラー１４を記載したが、
符号１３をガルバノミラーとしてもよい。あるいは、符
号１４をポリゴンミラーとしてもよい。図の構成では、
ポリゴンミラー１３は変調ビーム５を紙面水平方向に走
査し、ガルバノミラー１４は紙面垂直方向に走査する。
図９の構成によれば、２個のビーム走査手段を用いて、
変調ビーム５２は２軸方向に、すなわち、２次元的に走
査される。ただし、被走査面が移動するような場合で、
２次元的に走査する必要がない場合には、走査手段は１
個でよい。図示はしてないが、画像形成装置などに使わ
れるｆ・θレンズを併用し、走査手段前後の光学系をそ
れにあわせたものにすれば、平面ディスプレイに歪みの
ない画像を表示することも可能である。

【００３０】ビーム走査装置としては、レーザマーカ、
レーザトリマー、レーザスキャンディスプレイなどが考
えられるが、必ずしもこれらに限定されるものではな
い。本発明の装置構成手段によれば、不要なビームを短
い光路長で容易に遮光することができる。所望の変調ビ
ームについては、そのビーム径よりも大きな開口を有す
る遮光部材の開口を通過させることができるので、開口
エッジによる回折が発生しないため、ビームを集光した
際にサイドローブのないスポットを形成できる。さらに
は、加工面あるいはスクリーンに不要なビームが到達す
ることを回避できるので、加工品質ないし画像品質を向
上させることができる。あるいは、波長の異なるビーム
を同一の焦点位置に集光させることができるので、加工
部材の位置を変えることなく、スポット径の異なる加工
が行える。あるいは、スクリーン上に３色のビームスポ
ットを照射させるレーザスキャンディスプレイにおいて
は色ずれの原因となる波長による焦点位置ずれやスポッ
トサイズの差異が発生しない。

【００３１】

【発明の効果】請求項１または２の発明によれば、ＡＯ
Ｍから出射する複数の回折ビームの内、不要な回折ビー
ムを短い光学経路内で遮光することができ、不要成分を
含まず、所望の変調ビームのみを光量損失なく取り出す
装置が小型化できる。請求項３乃至４の発明によれば、
所望の変調ビームを不要な回折光から分離した時点での
発散光束を平行光束に戻すことができ、なおかつ、分離
の程度を大きくすることで、部品精度や装置の組み付け
精度上許される許容誤差を大きく緩和することができ
る。

【００３２】請求項５乃至６の発明によれば、波長の異
なるレーザを同時に使用するレーザ装置内において、不
要な回折ビームのすべてを１つの遮光部材で同時に遮光
し、波長の異なる複数の所望の変調ビームを、合成ビー
ムとしてあたかも１つのビームであるかのように取り扱
うことができる。

【００３３】請求項７の発明によれば、異なる波長を含
む合成ビームを同一の位置に焦点を結ばせることができ
るので、ディスプレイなどに用いた場合色ずれが生じな
い。請求項８の発明によれば、複数の波長を含む合成ビ
ームを集光させたとき、波長が異なっていても集光スポ
ット径が等しくなり、ディスプレイなどに用いた場合色
ずれが生じない。請求項９の発明によれば、請求項１な
いし８に示す光学系を少なくとも一部に使用したビーム
走査装置が得られるので、装置が小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を説明する図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を説明する図である。

【図３】本発明の第３の実施形態を説明する図である。

【図４】よく使われる変調方式にも本発明が適用しうる
ことを示す参考例の図である。

【図５】第３の実施形態の、より好ましい条件を説明す
るための、一部を拡大した図である。

【図６】本発明の第４の実施形態を説明する図である。

【図７】図６の構成において、特に不要な回折ビームを
処理しやすく制御する例を説明する図である。

【図８】本発明の第５の実施形態を示す図である。

【図９】本発明の第６の実施形態の一例を示す図であ
る。

【図１０】複数の回折ビームの離間距離を拡大する従来
技術の一例を示す参考図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２ＡＯＭ３１、３２、３３光学素子４遮光部材５所望の変調ビーム５２合成ビーム６不要な回折ビーム７光学素子１０全反射ミラー１１ダイクロイックミラー１２アクロマート集光レンズ系１３、１４ビーム走査手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響光学変調素子による光強度変調手段を
有するレーザ装置において、前記音響光学変調素子の後
方に負のパワーをもつ光学素子の光軸を前記音響光学変
調素子から出射される所望の変調ビームのビーム光軸と
同軸に配置し、前記音響光学変調素子から出射される互
いに出射角度の異なる複数の回折ビームの分離角度を拡
大し、前記所望の変調ビームのみを通し、それ以外の不
要な回折ビームを通さない大きさの開口を有する遮光部
材を、前記開口の中心が前記光軸に一致するよう配置し
て前記不要な回折ビームを遮光することを特徴とするレ
ーザ光学装置。
【請求項２】音響光学変調素子による光強度変調手段を
有するレーザ装置において、前記音響光学変調素子の後
方に、正のパワーをもつ光学素子の光軸を前記音響光学
変調素子から出射される所望の変調ビームのビーム光軸
と同軸に配置し、前記音響光学変調素子から出射される
出射角度の異なる複数の不要な回折ビームのビーム光軸
を、一旦前記光学素子の焦点後方の収束点で前記光学素
子の光軸と交叉させた後発散させることによって分離角
度を拡大し、前記光学素子から前記収束点までの距離に
等しいかそれよりも大きい距離だけ前記収束点から離れ
た位置に、前記所望の変調ビームのみを通し、それ以外
の不要な回折ビームを通さない大きさの開口を有する遮
光部材を、前記開口の中心が前記光軸に一致するよう配
置して前記不要な回折ビームを遮光することを特徴とす
るレーザ光学装置。
【請求項３】音響光学変調素子による光強度変調手段を
有するレーザ装置において、前記音響光学変調素子の後
方に、正のパワーをもつ２群レンズで構成されるアフォ
ーカル光学系の光軸を、前記音響光学変調素子から出射
される所望の変調ビームのビーム光軸と同軸に配置し、
前記アフォーカル光学系の前群の屈折作用により、前記
音響光学変調素子から出射される出射角度の異なる複数
の不要な回折ビームのビーム光軸を、一旦前記光学素子
の焦点後方に収束後発散させることによって分離角度を
拡大し、前記アフォーカル光学系の後群直前または直後
位置に、前記所望の変調ビームのみを通し、それ以外の
不要な回折ビームを通さない大きさの開口を有する遮光
部材を、前記開口の中心が前記光軸に一致するよう配置
して前記不要な回折ビームを遮光することを特徴とする
レーザ光学装置。
【請求項４】前記アフォーカル光学系は、前群焦点距離
より後群焦点距離が長いビームエキスパンダであること
を特徴とする請求項３に記載のレーザ光学装置。
【請求項５】波長の異なる複数のレーザビームをそれぞ
れ対応する音響光学変調素子で個別に変調し、得られる
複数の回折ビームのうち、各所望の変調ビームのビーム
光軸を同軸に合成する複数の偏向装置からなるビーム合
成手段を有し、該ビーム合成手段によって合成された、
異なる波長を含む合成ビームを、その後方に配置され、
前記ビーム光軸と光軸を一致させ、アクロマートレンズ
により構成されたアフォーカル光学系に入射させ、前記
アフォーカル光学系の後群の直前もしくは直後に配置し
た、前記合成ビームのみを通し、それ以外の不要な回折
ビームを通さない大きさの開口を有し、該開口の中心が
前記光軸と一致する遮光部材によって、所望の変調ビー
ムのみを平行光束として取り出すことを特徴とするレー
ザ光学装置。
【請求項６】前記それぞれ対応する音響光学変調素子に
入力する超音波の搬送周波数を、入射するレーザビーム
の波長に対応させて異ならせることにより、複数の回折
ビームの分離角度を互いにほぼ等しくさせ、前記ビーム
合成手段により前記所望の変調ビームのビーム光軸を同
軸に合成すると共に、前記不要な回折ビームの光路もほ
ぼ一致させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ
光学装置。
【請求項７】前記アフォーカル光学系の後方にアクロマ
ート集光レンズを配置したことを特徴とする請求項５ま
たは６記載のレーザ光学装置。
【請求項８】前記アフォーカル光学系に入射するビーム
の内、波長が長い方のビームの径は、波長の短い方のビ
ームの径よりも大きいことを特徴とする、請求項５、６
または７記載のレーザ光学装置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１つに記載のレー
ザ光学装置を有するビーム走査装置であって、前記すべ
ての光学系より後方に、前記所望の変調ビームを走査す
る１個または２個のビーム走査手段を有することを特徴
とするビーム走査装置。