JP2003280209A

JP2003280209A - 光学装置

Info

Publication number: JP2003280209A
Application number: JP2002078734A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Omori; 利彦大森
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】放電タイプの光源及びこの光源からの光を案
内するファイバー、さらに空間変調素子で制御して所定
のスポット径を生成し、画像を記録、造形等を行なうた
めの光学系において、光源からの光の伝搬効率を向上
し、高生産性を実現する。【解決手段】一般なＳＩ型やＧＩ型のマルチモード光
ファイバのコア径は５０μｍ〜１００μｍであり、高生
産性を実現するために、光源１４の光量を増加するとい
った対応では不十分であった。しかし、必要なスポット
像のスポット像、ＮＡ並びに空間変調素子３０の仕様に
基づいて、逆算して最適な光ファイバ２０のコア径を演
算し、かつショートアーク型の光源を使用することで、
従来にない高効率での光の伝搬が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源及びこの点光
源からの光を案内するファイバー、さらにファイバーか
ら出射する光を空間光変調素子で制御し、所定のスポッ
ト径の光ビームを生成して、像を記録、造形等の像形成
を行なうための光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】印刷
版、特にＰＳ版と称される感光材料に直接画像を記録す
る画像記録装置が普及しつつある。

【０００３】この種の画像記録装置において、印刷版を
回転ドラムの周面に巻付けた状態で高速で回転させなが
ら（主走査）、この回転ドラムの軸線方向に記録ヘッド
を移動させることで(副走査）、前記印刷版の感光層
（乳剤面）に直接レーザビーム等で画像を記録する技術
が開発されてきている（印刷版露光装置）。このような
技術では、印刷版への迅速な画像記録が可能となってい
る（ＣＴＰ）。

【０００４】画像記録に際しては、回転ドラムの回転を
サーボモータを用いてその回転を制御し、回転ドラムの
回転に同期するように画像データを記録ヘッドへ送出し
ている。

【０００５】上記ＣＴＰにおいては、特殊なＰＳ版が適
用され、光源には通常レーザーが適用される。また、近
年では、一般に適用されているコンベンショナルなＰＳ
版に画像を記録するＣＴＰが知られている。これは、例
えば、ＵＶ−ＣＴＰと言われている。通常、コンベショ
ナルなＰＳ版は、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの光に
感度を持っているが、この波長域のレーザーが入手困難
であるため、ＵＶ−ＣＴＰでは、水銀ランプ（ＵＶ光
源）等を光源として適用している。

【０００６】上記水銀ランプ等の光源においては、設計
や装置構成の容易さから光ファイバーを利用するシステ
ムが提案されている（一例としてＷＯ９８４７０４２
（以下、先行技術という）参照）。

【０００７】上記先行技術によれば、光源に水銀ランプ
を使用し、光ファイバーを用いて空間光変調素子を照明
し、画像を記録するシステムが開示されている。

【０００８】ところが、上記先行技術に記載されたシス
テムを実際に適用した場合、高生産性を実現するには、
以下のような問題点がある。

【０００９】すなわち、光学系に関して、Etendue（以
下、エタンデューという）と呼ばれる概念がある。（エタンデューについての説明）図４に従い、エタンデ
ューについての詳細を説明する。

【００１０】図４は、光源１００と、この光源１００か
ら照射される光を集光する透過率１００％、無収差の理
想的なレンズ１０２と、レンズ１０２によって集光され
た像スポット１０４と、示す光学系であり、光学倍率を
βとすると、像スポット１０４の面積Ｓ₂は光源１００
の面積Ｓ₁に対してβ²に比例する。

【００１１】Ｓ₂＝β²Ｓ₁・・・（１）また、光源１００からの出射光における光軸Ｌに対する
角度θ₁と、像スポット１０４への入射光における光軸
Ｌに対する角度θ₂と、の関係は、角度θ₁が角度θ₂に
対して、倍率βに逆比例する。

【００１２】θ₂＝θ₁／β・・・（２）上記（１）、（２）式からＳ₁θ₁ ²＝Ｓ₂θ₂ ²・・・（３）ここで、光源１００から照射される光の広がりを示す立
体角Ω₁、像スポット１０４に入射される光の広がりを
示す立体角Ω₂は、それぞれθ₁ ²、θ₂ ²に比例するた
め、（３）式は以下のようになる。

【００１３】Ω₁・Ｓ₁＝Ω₂・Ｓ₂・・・（４）すなわち、光源１００の面積Ｓ₁と立体角Ω₁の積と、像
スポット１０４の面積Ｓ₂と立体角Ω₂の積は、一定とな
る。

【００１４】ここで、厳密には、理想的なレンズ１０２
による光束の伝達は、光束をｅとすると、ｅ＝∫Ｓ∫Ωcosθ・ｄＳ・ｄΩ・・・（５）で表される。θが十分に小さい（Ｆ２．５以上）の時に
は，cosθ＝１となるため、ｅ＝Ω₁・Ｓ₁≒Ω₂・Ｓ₂・・・（６）ということができる。

【００１５】このΩ・ＳがEtendue（エタンデュー）で
ある．理想的な無収差・透過率１００％の光学系を想定
すると、エタンデューは保存される。なお、共役な関係
でなくても、エタンデューは保存されることが知られて
いる。

【００１６】前記先行技術のシステムをこのエタンデュ
ーより検討すると、光源側のエタンデューと記録側のエ
タンデューが同じであれば、損失なく光源からの光を全
て利用することができる。

【００１７】光源側のエタンデューとは、光源から発す
る光束の空間的な広がりを表し、記録側のエタンデュー
とは、記録面（印刷版）側で受け入れられることのでき
る記録光の広がりを表す。なお、光源側のエタンデュー
は使用する光源によって決まり、記録側のエタンデュー
は記録サイズや記録光の広がりで決まる。

【００１８】画像記録システムとして、高生産性を実現
するために、明るい高出力光源を使用しても、一般的な
高出力の光源はアーク長が長くなり、すなわち、光源の
面積が大きくなり、上記エタンデューの値が記録側のエ
タンデューよりも非常に大きくなるため、損失が大きく
なる。

【００１９】また、一般的なＳＩ型やＧＩ型のマルチモ
ード光ファイバーは、コア径が５０〜１００μｍで、Ｎ
Ａは０．２程度であるため、ファイバーのエタンデュー
が非常に小さい。このため、光源のエタンデューと比べ
てもはるかに小さく、光源からの光をファイバーに入射
させるためには、非常に損失が大きくなる。従って、結
果的に光量が得られず高生産性を実現することが困難と
なる。

【００２０】本発明は上記事実を考慮し、放電タイプの
光源及びこの光源からの光を案内するファイバー、さら
に空間光変調素子で制御し、所定のスポット径を生成し
て画像を記録、造形等を行なうための光学系において、
光源からの光の伝搬効率を向上し、高生産性を実現する
ことができる光学装置を得ることが目的である。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、光源及びこの光源からの光を案内するファイバー、
さらにファイバーから出射する光を空間光変調素子で制
御し、所定のスポット径の光ビームを生成して、像を記
録、造形等の像形成を行なうための光学装置であって、
前記光源の仕様、必要な光ビームのスポット径、前記空
間光変調素子の仕様に基づいて、出力する光ビームの光
量が所望の値となるように、前記光ファイバーのコア径
を設定することを特徴としている。

【００２２】請求項１記載の発明によれば、一般にファ
イバーは、低コストでかつ入手が容易なＳＩ型やＧＩ型
のマルチモードファイバでコア径が５０〜１００μｍ程
度でＮＡが０．２程度のものが適用される場合が多い。
この場合、ファイバーの出射口のエタンデューと、スポ
ット径におけるエタンデューとの大きな差が生じ、必要
な光量を得るために単純に光源の光量の増加を図って
も、ある程度まで至ると、後は損失となる。

【００２３】そこで、ファイバーのコア径を、光源の仕
様、必要な光ビームのスポット径及びＮＡ前記空間光変
調素子の仕様から逆算して設定することで、損失を最小
限に抑えることができる。また、電極間が短く光源に近
いショートアーク型の放電ランプ等を使用することで、
ファイバ入射時の損失を最小限に抑えることができるの
で、必要以上のパワーの光源を適用する必要もなくな
り、消費電力の面からも省エネを図ることができる。

【００２４】請求項２に記載の発明は、前記請求項１に
記載の発明において、前記光ファイバーのコア径が０．
５ｍｍ以上であることを特徴としている。

【００２５】請求項２に記載の発明によれば、一般的な
ＳＩ型やＧＩ型のマルチモード光ファイバーはコア径が
５０μｍ〜１００μｍであり、エタンデューが極めて小
さい。このため、光源の光量をいくら増加しても、適性
光量が得られなかった。そこで、コア径を０．５ｍｍ以
上、好ましくは１．０ｍｍ以上とすることで、エタンデ
ューを演算する上での面積を拡大することができ、光ビ
ームのスポット径で必要な光量を得るための光源の光量
を軽減することができる。

【００２６】請求項３に記載の発明は、前記請求項１又
は請求項２に記載の発明において、前記光ファイバー
が、クラッドを除くコア径が０．５ｍｍ以上となるバン
ドル光ファイバーであることを特徴としている。

【００２７】請求項３に記載の発明によれば、ＳＩ型や
ＧＩ型のマルチモード光ファイバーにおいて一般的なコ
ア径（５０μｍ〜１００μｍ）を適用する場合には、こ
れをクラッドを除くコア径が０．５ｍｍ以上、好ましく
は１．０ｍｍ以上となるようにバンドルすることで対応
可能である。

【００２８】請求項４に記載の発明は、前記請求項１乃
至請求項３の何れか１項記載の発明において、前記光源
がアーク長２．５ｍｍ以下のショートアーク型の放電ラ
ンプであることを特徴としている。

【００２９】請求項４に記載の発明によれば、ショート
アーク型の放電ランプ、すなわち、光源の電極間が短い
光源に近い光源とすることで、エタンデューの演算時の
面積を小さくすることができ、光ファイバーの入口のエ
タンデューとの差を軽減することができる。

【００３０】請求項５に記載の発明は、前記請求項１乃
至請求項４の何れか１項記載の発明において、前記光源
が、ショートアーク型の超高圧水銀ランプ又はメタルハ
ライドランプであることを特徴としている。

【００３１】請求項５に記載の発明によれば、前記請求
項４の実施態様であり、具体的に超高圧水銀ランプ又は
メタルハライドランプが適用可能である。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１には、本実施の形態に係る画
像記録装置１０の光学系１２が示されている。

【００３３】光源１４から照射される光は、直接又は発
光点１４Ａの周囲に設けられたリフレクタ１６に反射さ
れて、光ファイバー群１８のそれぞれの入力端へ案内さ
れる。

【００３４】光源１４は、ショートアーク型の放電ラン
プが適用されている。ショートアークの具体的数値、す
なわち電極間の距離は、２．５ｍｍ以下である。さらに
具体的には、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ
が適用可能である。

【００３５】光ファイバー群１８は、複数の光ファイバ
ー２０が束ねられて密集配置されている。この密集の構
造としては、六角細密充填構造が好ましい。

【００３６】図２に示される如く、光ファイバー２０
は、外周を形成するクラッド２２と、このクラッド２２
の内周面に充填されるコア２４との同心二重円構造とな
っており、可撓性を有している。この光ファイバー２０
では、コア２４が光の伝搬路となって、一端面から入射
した光を、ほとんど損失なく他端面へと案内し、出射さ
せることができる。

【００３７】光源１４からの光が入射された光ファイバ
ー群１８は、所定の屈曲経路を経て、他端面がコンデン
サレンズ２６に対向する位置に配置されている。

【００３８】このため光ファイバー群１８の他端面から
出射した拡散光は、コンデンサレンズ２６に入力され
る。コンデンサレンズ２６は、拡散光を集光光に変換す
るパワーを持っており、コンデンサレンズ２６の下流側
に位置するコリメーティングレンズ（マイクロレンズア
レイ）２８を備えた空間光変調素子３０に入力されるよ
うになっている。

【００３９】空間光変調素子３０は、液晶やＤＭＤのよ
うに、細分化された領域（画素）毎に透過率を変更可能
な素子であり、各画素毎に前記コリメーティングレンズ
２８が配設されている。なお、本実施の形態に適用され
る空間光変調素子３０は、画素サイズが１８０μｍ、画
素ピッチが２００μｍ、開口率８０％，２０×２０画素
の仕様となっている。

【００４０】空間光変調素子によって制御された各画素
の光はコレメーティングレンズ２８によって集光され、
フォーカシングレンズ３２を介して、所定の位置に結像
するようになっている。この結像点のスポット径は２０
μｍでＮＡは０．３である。

【００４１】理論的には、この結像点に記録媒体３４を
配置することで、画像の記録が可能であるが、物理的に
困難であるため、リレーレンズ系（テレセントリックレ
ンズ系）３６を介して、記録媒体３４を配置する構造と
なっている。これにより、記録媒体３４上に、前記スポ
ット径が２０μｍ、ＮＡ０．３のスポット像を形成する
ことができる。

【００４２】上記構成の光学系において、本実施の形態
に適用される光ファイバー２０のコア径は、１．０ｍｍ
としている。これは、一般的なＳＩ型やＧＩ型のマルチ
モード光ファイバのコア径（５０μｍ〜１００μｍ）よ
りも桁違い（１０倍程度）に大きい径である。

【００４３】このコア径を設定するにあたり、パラメー
タとして前記記録材料３４に形成するスポット像のスポ
ット径（２０μｍ）とＮＡ（０．３）、並びに空間光変
調素子３０の仕様を適用している。

【００４４】これらは、画像記録装置３４を設計する段
階で、要求される解像度や画質、深度などから決まるも
のであり、このような数値から逆算して、前記コア径を
１．０ｍｍと定めている。

【００４５】このコア径の演算は、エタンデューの差を
軽減することを目的としている。

【００４６】すなわち、光ファイバー２０の出射端２０
Ｂ（ここでは、光源となる）と、記録材料３４上のスポ
ット像とエタンデューの差をなくすためには、既に決定
しているスポット像側のエタンデューを演算し、物理的
に可能な範囲における光ファイバー２０のコア径を設定
すると、１．０ｍｍとなる。なお、必要なスポット像の
スポット径及びＮＡにもよるが、画像記録装置全般とし
ては、光ファイバー２０のコア径は０．５ｍｍ以上が適
性値となる。

【００４７】本実施の形態の光学系では、上記光ファイ
バー２０の出射端２０Ｂと、スポット像とのエタンデュ
ーの他、光源１４と、光ファイバー２０の入射端２０Ａ
との間のエタンデューを考慮する必要がある。

【００４８】すなわち、多くの光量を得るために単純に
光源１４の光量を増加しても、この光源１４のエタンデ
ューが、光ファイバー２０の入射端２０Ａのエタンデュ
ーとの間で大差があると、増加した分の光が光ファイバ
ー２０のコア２４に入射せず、損失分を増やすのみとな
る。

【００４９】本実施の形態では、前記光ファイバー２０
のコア径が決定した時点で、この光ファイバー２０のコ
ア径に近づくエタンデューを得るべく、光源１４の発光
点１４Ａにおけるアーク長を２．５ｍｍ以下としてい
る。

【００５０】すなわち、光源１４のエタンデュー（発光
面積×広がり（立体角））を設定する場合、光源の広が
りを制御することは困難である。そこで、アーク長を短
くすることで、発光面積を小さくし、前記光ファイバー
２０のコア径での入射端２０Ａのエタンデューに近づけ
るようにしている。これにより、効率よく光源１４から
の光を光ファイバー２０のコア２４へ入力させることが
できる。

【００５１】以下に本実施の形態の作用を説明する。

【００５２】画像記録の指示があると、光源１４が点灯
し、光を照射する。この光は、発光点１４Ａから直接又
はリフレクタ１６に反射して、光ファイバー２０の入射
端２０Ａへ案内される。

【００５３】ここで、光ファイバー２０のコア径は、
１．０ｍｍとされており、光源１４はこのコア径でのエ
タンデューになるべく近づくように、アーク長を２．５
ｍｍ以下とした放電ランプを適用している。光源１４の
エタンデューを設定する１つの要素である光の広がりは
制御することは困難である。そこで、上記のようにアー
ク長を短くし、発光点１４Ａ自体の面積を小さくするこ
とで、エタンデューを光ファイバー２０の入射端２０Ａ
のエタンデューに近づけることができる。これにより、
光源１４から照射された光は、効率よく光ファイバー２
０のコア２４へ入力する。

【００５４】光ファイバー群１８のそれぞれの光ファイ
バー２０のコア２４に入射した光は、ほとんど損失な
く、他端面である出射端２０Ｂから発散光となって出射
する。

【００５５】この光ファイバー２０の出射端２０Ｂから
出射した拡散光は、コンデンサレンズ２６によって集光
光に変換され、空間光変調素子３０へ入力する。

【００５６】空間光変調素子３０では、画像データに応
じて各画素が制御され、これに応じて、各画素の光は、
それぞれコリメーティングレンズ２８を通過し、フォー
カシングレンズ３２によって所定の位置に結像する。

【００５７】本実施の形態では、さらにリレーレンズ系
３６によって結像点をフォーカシングレンズ３２から離
れた位置へ移動させ、このリレーレンズ系３６によって
結像される位置に記録材料３４が配設されており、露光
等により画像が形成される。

【００５８】ここで、記録材料３４に形成するスポット
像は、２０μｍ、ＮＡ０．３と決められている。一方、
光ファイバー２０の出射端２０Ｂを光源とした系で考え
ると、効率よくスポット像を形成するためには、出射端
２０Ｂのエタンデューとスポット像のエタンデューの差
を小さくすることが必要である。この場合、スポット像
に関しては、設計上、優先的に定められるものであり、
変更することは困難である。

【００５９】そこで、本実施の形態では、記録材料３４
に形成するスポット像のスポット径、ＮＡ並びに空間光
変調素子３０の仕様に基づいて、光ファイバー２０の出
射端２０Ｂ、すなわちコア径を設定することで、前記エ
タンデューの差を軽減している。

【００６０】上記記録材料３４に形成するスポット像の
スポット径、ＮＡ並びに空間光変調素子３０の仕様に基
づく演算の結果で、物理的に可能な光ファイバー２０の
コア径は、１．０ｍｍとなる。

【００６１】一般的なＳＩ型やＧＩ型のマルチモード光
ファイバのコア径は５０μｍ〜１００μｍであり、高生
産性を実現するために光源１４の光量を増加するといっ
た対応では不十分であった。しかし、本実施の形態で
は、必要なスポット像のスポット像、ＮＡ並びに空間光
変調素子３０の仕様に基づいて、逆算して最適な光ファ
イバー２０のコア径を演算し、かつショートアーク型の
光源を使用することで、従来にない高効率での光の伝搬
が可能となる。

【００６２】（第２の実施の形態）上記第１の実施の形
態では、記録材料３４に画像を形成（記録）するための
画像記録装置の光学系を示したが、本発明はこのような
画像記録装置１０のみならず、図３に示す光造形装置４
０にも適用可能である。なお、前記画像記録装置１０に
おける光学系１４と同一構成部分については、同一の符
号を付しその構成の説明を省略する。

【００６３】この造形装置４０は、一括面露光によるワ
ーク引き上げ方式の例であり、空間光変調素子３０で制
御された光が、最終段でリレーレンズ系３６を透過し、
投影ガラス４２に光像を投影するようになっている。

【００６４】投影ガラス４２上には、光が照射されると
硬化する樹脂液４４が満たされた樹脂液槽４６が設けら
れている。光が照射され樹脂液４４が硬化し、ステージ
４８を図３の上方に移動すると、１層分の樹脂液４４が
硬化した光硬化造形物５０が引き上げられる。これを順
次行なうことで、光造形物５０が造形される。

【００６５】なお、本実施の形態では、単一の光ファイ
バー２０のコア径を１．０ｍｍ（０．５ｍｍ以上）とし
たが、コア径が５０μｍ〜１００μｍの一般的なＳＩ型
やＧＩ型のマルチモード光ファイバーを用い、全体のコ
ア径が１．０ｍｍとなるようにバンドルして適用しても
よい。

【００６６】

【発明の効果】以上説明した如く本発明では、放電タイ
プの光源及びこの光源からの光を案内するファイバー、
さらに空間光変調素子で制御し、所定のスポット径を生
成して画像を記録、造形等を行なうための光学系におい
て、光源からの光の伝搬効率を向上し、高生産性を実現
することができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る画像記録装置の光学系
の概略図である。

【図２】光ファイバーの入射端又は出射端の斜視図であ
る。

【図３】第２の実施の形態に係る光造形装置の光学系の
概略図である。

【図４】エタンデューの考え方を示す光学系の概略図で
ある。

【符号の説明】

１０画像記録装置１２光学系（光学装置）１４光源（点光源）１４Ａ発光点１８光ファイバー群２０光ファイバー（ファイバー）２２クラッド２４コア２６コンデンサレンズ２８コリメーティングレンズ（マイクロレンズアレ
イ）３０空間光変調素子３２フォーカシングレンズ３４記録媒体３６リレーレンズ系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源及びこの光源からの光を案内するフ
ァイバー、さらにファイバーから出射する光を空間光変
調素子で制御し、所定のスポット径の光ビームを生成し
て、像を記録、造形等の像形成を行なうための光学装置
であって、前記光源の仕様、必要な光ビームのスポット径、前記空
間光変調素子の仕様に基づいて、出力する光ビームの光
量が所望の値となるように、前記光ファイバーのコア径
を設定することを特徴とする光学装置。
【請求項２】前記光ファイバーのコア径が０．５ｍｍ
以上であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】前記光ファイバーが、クラッドを除くコ
ア径が０．５ｍｍ以上となるバンドル光ファイバーであ
ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学装
置。
【請求項４】前記光源がアーク長２．５ｍｍ以下のシ
ョートアーク型の放電ランプであることを特徴とする請
求項１乃至請求項３の何れか１項記載の光学装置。
【請求項５】前記光源が、ショートアーク型の超高圧水
銀ランプ又はメタルハライドランプであることを特徴と
する請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の光学装
置。