JP2019152820A - レーザユニットおよびレーザマーカおよびレーザ印字システム - Google Patents

Abstract

【課題】マルチビーム方式の印字において、個々のレーザ光束に対する深度余裕を拡大できる新規なレーザユニットを実現する。【解決手段】レーザユニットは、微小なレーザ光放出部Ｏ１、Ｏ２が１次元もしくは２次元にアレイ配列されたマルチビームレーザ光源と、前記マルチビームレーザ光源の前記アレイ配列されたレーザ光放出部の実像を結像させる結像レンズ系ＬＮと、前記結像レンズ系による個々の前記レーザ光放出部からのレーザ光束を拡散させることにより深度余裕を拡大させる深度拡大光学素子Ａと、を有する。【選択図】図１

Description

この発明はレーザユニットおよびレーザマーカおよびレーザ印字システムに関する。

レーザ光を用いて描画や印字さらには加工を行う技術は従来から広く知られている。例えば、レーザ光を用いて描画や印字を行うものとしては、デジタル複写機やレーザプロッタ等が良く知られ、これらは、描画・印字の情報に応じてレーザ光の光強度を変調させて光導電性の感光体や感光紙に書き込みを行う。
また、レーザ光の熱エネルギを利用するものとしてはレーザ加工が知られ、また、レーザ光を感熱紙等の対象物に集光させて対象物を昇温により発色させて描画や印字を行うものとして「レーザマーカ」が知られている。
以下において「描画や加工、印字」を総称して単に「印字」という。
レーザ光による印字として、従来から、１本のレーザ光を用いる「シングルビーム方式」と、複数のレーザ光を用いて印字を行う「マルチビーム方式」が知られている。

印字は、光スポット状のレーザ光（以下「光スポット」という。）により行われるので、印字精度（解像度）は、光スポットの径（以下「スポット径」という。）が最も小さくなるレーザ光の結像位置（集光位置）で最も高い。
レーザ光の光束断面は、レーザ光の進行方向においてレーザ光の集光位置の前後で増大するので、印字が行われる面（以下「印字面」という。）が、光スポットの集光位置に対してずれると印字面状のスポット径が増大して印字精度が劣化する。
印字精度が「許容される範囲」となる「印字面とレーザ光の結像位置のずれの範囲」は、周知の如く「深度余裕」と呼ばれている。深度余裕が大きいほど、レーザ光の結像位置と印字面との位置関係の余裕が大きく、深度余裕の範囲ではスポット径の変化が小さい。 レーザ光の光スポットに対する深度余裕を「光学素子を用いて拡大」する方法として、特許文献１に記載された方法が知られている。特許文献１開示の方法は、シングルビーム方式の印字における深度余裕の有効な拡大を実現している。しかし特許文献１は、マルチビーム方式の印字に関して「深度余裕を拡大する」ことに関しては開示がない。

この発明は、マルチビーム方式の印字において、個々のレーザ光束に対する深度余裕を拡大できる新規なレーザユニットの実現を課題とする。

この発明のレーザユニットは、微小なレーザ光放出部が１次元もしくは２次元にアレイ配列されたマルチビームレーザ光源と、前記マルチビームレーザ光源の前記アレイ配列されたレーザ光放出部の実像を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系による個々の前記レーザ光放出部からのレーザ光束を拡散させることにより深度余裕を拡大させる深度拡大光学素子と、を有する。

この発明によれば、マルチビーム方式の印字において、個々のレーザ光束に対する深度余裕を拡大できる新規なレーザユニットを実現できる。

深度余裕の拡大を説明する図である。 深度拡大光学素子の作用を説明する図である。 レーザユニットの実施の１例を説明する図である。 図３のレーザユニットに用いられている深度拡大光学素子の１例を説明するための図である。 マイクロレンズアレイのサグ量を説明するための図である。 レーザユニットの実施例に用いた深度拡大光学素子による深度余裕拡大効果を説明するための図である。 マルチビームレーザ光源に光ファイバを用いる場合の深度余裕への光ファイバのＮＡのバラツキの影響が深度拡大光学素子により軽減されることを説明するための図である。 マルチビームレーザ光源に光ファイバを用いる場合の深度余裕への光ファイバのＮＡのバラツキの影響が深度拡大光学素子により軽減されることを説明するための図である。 深度拡大光学素子の別例を説明するための図である。 レーザユニットの実施の別形態を説明するための図である。 レーザユニットを用いたレーザマーカの実施の１形態を説明するための図である。 図１１に示すレーザマーカを用いる印字システムの実施の１形態を説明するための図である。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の技術思想を説明するための図である。
図１において、符号ＬＮは「結像レンズ系」、符号ＳＯは「物体面」を示し、符号ＳＩは「像面」を示す。
物体面ＳＯは、マルチビームレーザ光源において「レーザ光を放出する面」であり、微小なレーザ光放出部が１次元もしくは２次元にアレイ配列されている。即ち、物体面ＳＯは、１次元もしくは２次元にアレイ配列され微小なレーザ放射部の集合面であり、以下において「レーザ光放出面」ともいう。
符号Ｏ１は、結像レンズ系ＬＮの光軸ＡＸ上に位置するレーザ光放出部を示す。符号Ｏ２は、光軸ＡＸ外の物体高におけるレーザ光放出部を示す。
図１（ａ−１）に示すように、レーザ光放出部Ｏ１から放射されたレーザ光束ＬＦ１は、結像レンズ系ＬＮの結像作用により像面ＳＩ上において、光軸ＡＸ上の位置にレーザ光放出部Ｏ１の実像ｉｍ１として結像する。
レーザ光放出部Ｏ２から放射されたレーザ光束ＬＦ２は結像レンズ系ＬＮの結像作用により、像面ＳＩ上にレーザ光放出部Ｏ２の実像ｉｍ２として「レーザ光放出部Ｏ２の物体高に応じた像高位置」に結像する。
図１（ａ−２）は、像面ＳＩ上の「任意の像位置」に実像を結像する結像光束の像面近傍の様子を説明図として示している。光束は、像面ＳＩに向かって収束して像面ＳＩ上にレーザ光放出部の実像を結像した後、発散していく。
このような結像レンズ系を用いて印字を行う場合、「印字面の位置」は像面ＳＩに合致していることが理想であるが、実際には、製造誤差が存在して、印字面と像面ＳＩを完全に合致させることは困難である。また、印字面と像面を完全に合致させたとしても、経時的な変化で印字面と像面とが一致しなくなることが考えられ、さらには、印字動作に伴う振動の影響で、印字面と像面ＳＩの位置関係の微小な変化が生じることもある。

図１（ａ−２）で、符号ＳＩ１は「像面ＳＩからずれた印字面」を示している。像面ＳＩと印字面ＳＩ１とのずれ量：ｄｆを「デフォーカス」と呼ぶ。
印字面ＳＩ１は図１（ａ−２）のように像面ＳＩの右側（便宜上「＋側」と呼ぶ。）にずれることも、像面ＳＩの左側（便宜上「−側」と呼ぶ。）にずれることもある。

デフォーカス：ｄｆの符号を考え、上記「＋側へのずれ」によるデフォーカスを「＋ｄｆ」、「−側へのずれ」によるデフォーカスを「−ｄｆ」とする。
図１（ａ−１）において「ｄ０」は、任意のレーザ光放出部から放出されたレーザ光束が像面ＳＩ上に結像した光スポットのスポット径である。同図において、印字面ＳＩ１にデフォーカスｄｆ（＝＋ｄｆ）があると、印字面ＳＩ１上におけるスポット径はｄ１（＞ｄ０）に増大する。
像面ＳＩに集光する光束の光束径は、像面位置に対して対称的であるから、スポット径の増大は、デフォーカスｄｆの正負において同様である。

スポット径の増大は、印字の解像度を低下させる。
実行される印字において、解像度に対して許容されるデフォーカスの範囲：±ｄｆの範囲が印字に対する「深度余裕」である。
印字が安定的に行われるためには「深度余裕が大きい」ことが必要である。
結像レンズ系に光学素子を付加して「結像レンズ系に固有の深度余裕」を拡大することは特許文献１に開示されているが、特許文献１に開示されている光学素子は「結像レンズ系の光軸に対して対称な形状」を有しており、マルチビーム方式の「光軸から離れた物体高をもつ異なる光束」に対しては、物体高ごとに結像作用が異なることになり異なる収差を発生するので、マルチビーム方式の印字への適用はできない。

この発明のレーザユニットでは、以下の如くして「深度余裕を拡大」し、安定した印字を実現する。
図１（ｂ−１）は、同図（ａ−１）のシステムに深度拡大光学素子Ａを付加した状態を示している。
物体面ＳＯにおけるレーザ光放出部Ｏ１から放射されたレーザ光束ＬＦ１は、結像レンズ系ＬＮと深度拡大光学素子Ａを透過し、レーザ光束ＬＦ１０となって像面ＳＩ上において実像ＩＭ１として結像する。レーザ光放出部Ｏ２から放射されたレーザ光束ＬＦ２は、レーザ光束ＬＦ２０となって像面ＳＩ上に実像ＩＭ２として結像する。
なお、図１（ｂ−１）において、光束ＬＦ１０、ＬＦ２０は、結像レンズ系ＬＮと深度拡大光学素子Ａの光学作用を受けているので、同図における像面ＳＩは、図１（ａ−１）における像面ＳＩと厳密には同一でないが、混同の恐れはないと思われるので、以下においても像面ＳＩとして説明する。深度拡大光学素子Ａがない場合の像面ＳＩと区別する場合は、像面ＳＩに代えて「結像位置ＳＩ」と表記する。

図１（ｂ−２）は、深度拡大光学素子Ａを介して結像位置ＳＩに結像するレーザ光束の様子を図１（ａ−１）に倣って示している。
深度拡大光学素子Ａの作用は、この図において以下の２点に現れている。
即ち、第１に、結像位置ＳＩに結像しているレーザ光束のスポット径：Ｄ０が、深度拡大光学素子Ａを用いない場合のスポット径：ｄ０（図１（ａ−２））より大きい。
第２に、その結果、デフォーカス：ｄｆの位置にける印字面ＳＩ１条に形成される光スポットのスポット径：Ｄ１とスポット径：Ｄ０の差が、スポット径：ｄ１とスポット径ｄ１の差よりも小さくなっている。
その結果、深度拡大光学素子Ａを用いることにより、印字に対する深度余裕が増大して、安定した印字の実現が容易になる。

深度拡大光学素子Ａは、結像レンズ系ＬＮによる「個々のレーザ光放出部からの光束を拡散させる」ことにより深度余裕を拡大させる。

この深度拡大作用を、図２を参照して説明する。
図２（ａ）は、深度拡大光学素子Ａを使用しない場合で、図１（ａ−２）と同じ図であり、像面ＳＩにおけるスポット径：Ｓ０とデフォーカス：ｄｆに対するスポット径：ｄ１の差は「ｄ１−ｄ０」である。
図２（ｂ）は深度拡散光学素子Ａを使用した場合の図である。
深度拡散光学素子Ａは上述の如く「個々のレーザ光放出部からの光束を拡散させる」が、図２（ｂ）には、深度拡大光学素子Ａが無い場合に像面ＳＩに結像する光束が「深度拡大光学素子Ａにより拡散された後の光束」のうちの３つを拡散光束ＬＦＤ１、ＬＦＤ２、ＬＦＤ３により示している。拡散は全くランダムに行われる。
拡散光束ＬＦＤ１、ＬＦＤ２、ＬＦＤ３等の「拡散された光束」は、全体としては、単一の光束ＬＦＤのようになって像面（結像位置）ＳＩ上にスポット径：Ｄ０の光スポットとして集光したのち発散し、印字面ＳＩ１位置にスポット径：Ｄ１の光スポットを形成する。
図２（ａ）に示すデフォーカス：ｄｆによるスポット径の差：ｄ１−ｄ０に対し、（ｂ）におけるスポット径の差：Ｄ１−Ｄ０は小さい。このことは、深度拡大光学素子Ａの作用により深度余裕が大きくなっていることを意味している。
なお、図２（ａ）と（ｂ）を比較すると、スポット径：ｄ０、ｄ１、Ｄ０、Ｄ１の大小関係は、ｄ０＜Ｄ０、ｄ１＜Ｄ１となっている。即ち、深度拡大光学素子Ａによる光束拡散の作用は、深度拡大光学素子Ａを用いない場合に比して印字を行う光スポットのスポット径の増大を齎す。その結果「印字の解像度が低下する」ことが考えられるが、スポット径の大小は、マルチビームレーザ光源のパワー調整により「調整可能」である。従って、深度拡大光学素子Ａを用いることにより、深度余裕の拡大と同時に、印字に必要な解像度をマルチビームレーザ光源のパワー調整で実現できる。

深度拡大光学素子Ａは、印字面の各像高位置に光スポットとして結像するレーザ光束を拡散させて深度余裕を拡大するものであり、後述する実施例に示すような種々のマイクロレンズアレイを用いることができるほか、デフューザ等の「必要な拡散機能を持つ光学素子」を適宜に利用することができる。

以下、具体的な実施の形態を説明する。
図３に「レーザユニット」の実施の１形態を説明図的に示す。
図１におけると同様、符号ＳＯは「物体面」、符号ＬＮは「結像レンズ系」、符号Ａは「深度拡大光学素子」、符号ＳＩは「像面」をそれぞれ示す。
物体面ＳＯは「マルチビームレーザ光源のレーザ光放出面」であり、微小なレーザ光放出部が１次元もしくは２次元にアレイ配列されている。
結像レンズ系ＬＮは、物体面ＳＯにおける各レーザ光放出部から放出されるレーザ光束を結像させるものである。
深度拡大光学素子Ａは、結像レンズ系ＬＮによる個々のレーザ光放出部からの光束を拡散させることにより深度余裕を拡大させる光学素子である。
像面ＳＩは、上において結像位置ＳＩとして説明したものである。
図３に示す実施の形態は、レーザユニットを用いて「描画や印字」を行う場合が想定されており、印字が行われる「印字面」が像面（結像位置）ＳＩに合致することが理想であり、図は、物体面Ｓ０の像が像面ＳＩに合致した印字面に結像している場合を示している。

図３に示す実施の形態における結像レンズ系ＬＮは、図示の如く、６枚のレンズＬ１〜Ｌ６を絞りＳを挟んで対称的に配置したものであり、物体側（物体面Ｓ０側）及び像側（像面ＳＩの側）にテレセントリックである。

以下、図３に示す実施の形態の具体的な実施例を説明する。

まず、物体面Ｓ０を「レーザ光放出面」とするマルチビームレーザ光源につき説明する。
「マルチビームレーザ光源」は、印字を行う走査線数に等しい複数（Ｎ個）のレーザダイオードと、Ｎ本の「光ファイバ」とを有している。個々の光ファイバは、コア部をクラッド層で被覆してなり、その入射端面側に１個のレーザダイオードが配置され、該レーザダイオードから放射されるレーザ光が入射端面に入射して光ファイバ内を射出端面側へ伝搬するようになっている。即ち、個々の光ファイバはレーザダイオードに１：１にカップリングされている。

Ｎ本の光ファイバの射出端面は、近接して１列に配列され、全ての射出端面が同一面上に位置するように位置関係を設定されている。このように配列された「光ファイバの射出端面」の個々が「レーザ光放出部」であり、その集合面が「レーザ光放出面」である。

このようにＮ本の光ファイバが結合されたものを「ファイバ結合アレイ」と呼ぶ。
ここで、マルチビームレーザ光源のファイバ結合アレイと光源（レーザダイオード）を組合せた「ファイバ結合アレイ光源（上に説明した「マルチビームレーザ光源」と同義である。）とその光学特性」を、表１に「ファイバ結合アレイ光源特性・光学特性」として示す。

表１において「ファイバコア径」は、個々の光ファイバのコア部の直径、「ＮＡ」は開口数、「波長」は、レーザダイオードの発光波長、「ピッチ」とあるのは、光ファイバの射出端面（レーザ光放出部）の配列ピッチである。
また「光源数」は、レーザダイオードの数である。
また「typical」は「標準値」、「minおよびmax」は「最小値および最大値」、「unit」は「それぞれの単位」である。
「1chあたり最大光量」は、１本の光ファイバの射出端面（レーザ放出部）から放出されるレーザ光の最大光量であり「ワット単位」である。
表１から明らかなように、この実施例では、レーザ光放出面には１方向、即ち、１次元的に１９２のレーザ光放出部が平均して１２７μｍのピッチで配列されている。
個々のレーザダイオードは、印字する画像情報に応じて独立にレーザ光強度を変調される。
次に、結像レンズ系ＬＮのデータ例を表２に示す。

表２において、「面番」は、物体面ＳＯを「０番目」とし、結像レンズ系ＬＮの面（レンズＬ１〜Ｌ７の各面および絞りＳの面）を物体面側から数えた番号であり、面番１がレンズＬ１の物体面側の面、面番７が絞りＳの面、面番１３がレンズＬ６の像面側の面である。レンズＬ１とＬ６、レンズＬ２とＬ５、レンズＬ３とＬ４は、それぞれ、同一材質により形成された同一形態のレンズであり、絞りＳに対して対称的に配置されている。長さの次元を持つ量の単位は「ｍｍ」である。

結像倍率は「等倍」であり、物体側（レーザ光放出面Ｓ０側）及び像側（印字面ＳＩの側）にテレセントリックである。

次に、深度拡大光学素子Ａを説明する。
説明中の実施例において用いられている深度拡大光学素子Ａは「マイクロレンズアレイ」であって、その仕様は図４に示す如くである。
即ち、深度拡大光学素子Ａは、図４左図に示すように「１辺が５０ｍｍの正方形のチップ」で、その中央部にマイクロレンズアレイＭＬＡが直径：４０ｍｍの円形領域内に形成されている。個々のマイクロレンズＭＬは円形状で、図４右図に示すように、稠密且つ整然と配置されている。配列されたマイクロレンズＭＬは何れも「形状・大きさ共に同一」で、凸レンズ面形状である。
深度拡大光学素子Ａを構成するマイクロレンズアレイのデータを表３に示す。

表３に示すように、深度拡大光学素子Ａは、厚さ：１．０６５ｍｍの合成石英による平板状であり（図４中央の図）、その片面に曲率半径：４０ｍｍのマイクロ凸レンズ面が稠密に形成されており、各マイクロレンズＭＬの直径は０．２９９ｍｍで、その有効範囲の径は０．２９７ｍｍである。レンズ配列ピッチは、Ｘ方向（図４右図の左右方）に０．６２３ｍｍ、Ｙ方向（図４右図の上下方向）に０．３０４ｍｍである。

また、両面は反射防止膜でコーティングされ、光源波長の標準値：９５８ｎｍに対して透過率を有効に高めている。

ここで、マイクロ凸レンズ面の「サグ量」について説明する。
説明中の実施例の深度拡大光学素子では、凸レンズ面形状のマイクロレンズＭＬが、図５のように互いに密接して配列されている。この配列において隣接するマイクロレンズのピッチ（配列ピッチ）を「Ｗ」、凸レンズ面の曲率半径を「Ｒ」とし、サグ量：ｈを図の如く「レンズの配列基面（マイクロレンズの隣接部による面）からのレンズ面頂部の高さ」とし、図の如く角：θを定義する。
そうすると、サグ量：ｈは、
ｈ＝Ｒ−Ｒｃｏｓθ
で表され、角：θは、
Ｒｓｉｎθ＝Ｗ/２
から、
ｓｉｎθ＝Ｗ/２Ｒ
となるから、
θ＝ｓｉｎ^−１（Ｗ/２Ｒ）
が得られる。
一方、
ｃｏｓ^２θ＝１−ｓｉｎ^２θ
であるから、
ｃｏｓ^２θ＝１−（Ｗ/２Ｒ）^２、
ｃｏｓθ＝√（１−（Ｗ/２Ｒ）^２）＝√｛（２Ｒ）^２―Ｗ^２｝/４Ｒ^２｝
となり、従って、上記サグ量：ｈとして、
ｈ＝Ｒ−Ｒｃｏｓθ
＝Ｒ−Ｒ√｛（２Ｒ）^２―Ｗ^２｝/４Ｒ^２｝
＝Ｒ−√｛Ｒ^２（２Ｒ^２）−Ｒ^２Ｗ^２｝/４Ｒ^２｝
＝｛２Ｒ−√（４Ｒ^２−Ｗ^２）｝/２
が得られる。
サグ量：ｈは、あまり小さくなるとマイクロレンズアレイ面の加工が難しくなる。

マイクロレンズアレイの形成の加工の容易さの観点からすると、サグ量：ｈは、
ｈ＞０．０００１ｍｍ
であることが好ましい。
説明中の実施例の場合、Ｒ＝４０ｍｍ、Ｗ＝０．３０４ｍｍであるから、
２Ｒ＝８０ｍｍ、Ｗ^２＝０．０９２４２、
√（４Ｒ^２−Ｗ^２）＝７９．９９４
８０−７９．９９４＝０．００６
従って、
ｈ＝｛２Ｒ−√（４Ｒ^２−Ｗ^２）｝/２＝０．００３＞０．０００１
となり、マイクロアレイレンズ面を無理なく加工形成できる。

一方において、ピッチ：Ｗが一定の条件でサグ量：ｈが大きくなると、マイクロレンズ面の曲率が大きくなり、焦点距離が短くなる傾向があるが、焦点距離が結像レンズ系のバックフォーカス（結像レンズ系の像側レンズ面から焦点までの距離）よりも短くなると、深度拡大光学素子における光束拡散効果が強くなり印字の妨げとなり易い。

この点を鑑みると、マイクロレンズの焦点距離は「結像レンズのバックフォーカス」よりも長いことが好ましい。実施例においては、マイクロレンズの焦点距離は８７．３３ｍｍ、結像レンズ系のバックフォーカスは４２ｍｍである。
上に説明したマルチビームレーザ光源と、結像レンズ系と、深度拡大光学素子とを用い、像面ＳＩの位置およびデフォーカス：ｄｆ＝０．５ｍｍの位置における光スポットの光強度分布を調べた。結果を図６に示す。
図６左図は「深度拡大光学素子を用いない場合」であり、右図は「深度拡大光学素子を用いた場合」である。図におけるデフォーカス：ｄｆ＝０は像面位置（結像位置）である。図における「横軸」は光スポットの中心位置を０としてスポット径をｍｍ単位で示し、「縦軸」は光強度を「１平方ミリあたりのワット数（Ｗ／ｍｍ^２）」を単位として示している。
図６左図に示す「深度拡大光学素子を用いない場合」のデフォーカス：ｄｆ＝０は、結像レンズ系ＬＮによる結像の像面位置である。右図に示す「深度拡大光学素子を用いた場合」、デフォーカス：ｄｆ＝０は、上の説明において「結像位置ＳＩ」として説明した位置（スポット径が最小となる位置）である。

図６に実線で示しているのはデフォーカス：ｄｆ＝０における光スポットの光強度分布、破線で示すのはデフォーカス：ｄｆ＝＋０．５ｍｍにおける光スポットの光強度分布である。
深度拡大光学素子を用いても用いなくても、デフォーカス：ｄｆ＝０．５ｍｍでは、光スポットにおける光強度の最大値が減少し、光強度分布の「裾野部」が広がっている。

しかし、深度拡大光学素子を用いた場合、用いない場合に比して上記「裾野部の広がる度合い」が小さくなっており、深度拡大光学素子を用いることにより「深度余裕が大きくなっている」ことがわかる。

また、印字が行われる場合、一般に、印字がなされるための光エネルギの最小値である「閾値」が存在する。この閾値を例えば１００Ｗ/ｍｍ^２とすると、深度拡大光学素子がない場合には、閾値のレベルでも「裾野部の広がりによるスポット径の増大」がみられるが、深度拡大光学素子を用いると閾値のレベルでの「スポット径の拡大」は殆ど見られない。即ち、印字に対する深度余裕が大きい。
以下、印字の形態として「レーザマーカによる印字」を想定して説明する。
レーザマーカでは、レーザ光を「感熱性の記録媒体」に光スポットとして集光して記録媒体を昇温により発色させて描画や印字を行う。このようにレーザ光の熱エネルギを利用する印字の場合、光スポット内における光エネルギのピーク値の変動が、印字の品質を劣化させることが知られている。即ち、安定した品質の印字を行うためには、光エネルギのピークの変動が小さいことが重要である。
深度拡大光学素子を用いない場合、図６左図に見られる如く、デフォーカス：ｆ＝０．５ｍｍに対し、光スポットの光強度のピーク値は２００Ｗ/ｍｍ^２以上も変化するが、深度拡大光学素子を用いた場合（図６右図）では、デフォーカス：ｆ＝０．５ｍｍに対する光スポットの光強度のピーク値の変動は１５０Ｗ/ｍｍ^２程度に軽減されている。このことから、深度拡大光学素子には「印字品質へのデフォーカスの影響」を軽減する効果があることがわかる。

一方、深度拡大光学素子を用いると、深度余裕が拡大されデフォーカスによるスポット径の変動は小さくなるが、結像位置ＳＩにおけるスポット径自体は、深度拡大光学素子を用いない場合に比して大きくなる。
レーザマーカによる印字径（光スポットに対応して点状に印字された部分の径）は、実際に印字面に照射された光スポットのスポット径と、この光スポットを形成するレーザ光源のパワーにより変化する。スポット径が大きくなると印字径も大きくなる。

光源のパワーを大きくすると、印字面での熱伝播によって印字径が大きくなる。この場合、光源のパワーを下げることにより印字径の縮小が可能である。
即ち、深度拡大光学素子の使用により深度余裕を増大させ、結像位置と印字面との間のずれであるデフォーカスに対する許容度を大きくできる。
深度拡大光学素子の使用に伴う印字径の増大は、予め、全像高に対するレーザ光源のパワーと印字径のキャリブレーションを行うことで所望の印字径で印字に対する深度余裕を拡大することができる。

上に説明した実施例では、マルチビームレーザ光源として、レーザダイオードを光ファイバにカップリングした「光ファイバアレイ」を用いている。このようなマルチビームレーザ光源では、光源であるレーザダイオード自体を直接配列する場合に比して、物体面を構成することになる光ファイバの射出端面の配列ピッチを狭めることができるが、光ファイバアレイを構成する光ファイバにはＮＡ（開口数）のばらつきが不可避であり、これが原因となって印字品質の低下が生じる場合がある。
実施例に用いているマルチビームレーザ光源における光ファイバのＮＡは、標準値が０．１１で最大値が０．１５である。
「深度拡大光学素子」はレーザ光束の広がり角を「わずかに変化」させる特性を持つため、デフォーカス時の印字品質の低下を改善できる。
図７を参照する。
図７は、光ファイバのＮＡが標準値の０．１１の場合と、これより大きい０．１３および０．１５の場合につき、深度拡大光学素子を用いない場合（図７上図）と用いた場合（図７下図）とにおける像面（結像位置）及びデフォーカス：ｄｆ＝０．５ｍｍにおける光スポットにおける光強度の様子を図６に倣って示したものである。

図７の、左図はＮＡ＝０．１１、中の図はＮＡ＝０.１３、右図はＮＡ＝０．１５の場合である。
図７の結果に基づき、像面（結像位置）におけるスポット径と、デフォーカス：ｄｆ＝０．５ｍｍにおけるスポット径を、ＮＡ＝０．１１、０．１３、０．１５の場合につき図８に示す。図８における上下方向はスポット径をμｍ単位で示し、横方向はＮＡを表す。スポット径は、前記閾値を１００Ｗ/ｍｍ^２とした場合の値である。

図８左図は、深度拡大光学素子を用いない場合における像面におけるスポット径とデフォーカス：ｄｆ＝０．５ｍｍにおけるスポット径には、ＮＡ＝０．１１、０．１３、０．１５の場合とも「２０μｍ程度の差」がある。
図８右図は、深度拡大光学素子を用いた場合であり、上記スポット径の差は１０μｍ以下に抑えられている。即ち、深度拡大光学素子を使用することにより、光ファイバのＮＡのバラツキによる「スポット径のバラつき」が抑制されることが確認できる。

上に説明した実施の形態・実施例では、深度拡大光学素子Ａとしてマイクロレンズアレイが用いられている。
深度拡大光学素子は、マイクロレンズアレイに限らず、前述の如く「デフューザ（拡散板）」を用いることもできるし「ホログラム」として構成することもできる。
しかし、マイクロレンズアレイは大量生産が可能で安価に実現できる。また、実施例に例示したもののように、マイクロレンズアレイを基板の片面にのみ形成するようにすると、より安価な製造が可能になる。さらに、実施例のように両面に反射防止膜をコーティングすることにより高い透過率を実現でき、光利用効率を高めて印字速度を大きくできる。

また、実施例の深度拡大光学系では、基板の片面に形成されたマイクロレンズアレイのサグ量：ｈが、ピッチ：Ｗ、マイクロレンズの曲率半径：Ｒに対して、
ｈ＝｛２Ｒ−√（４Ｒ^２−Ｗ^２）｝/２＞０．０００１
を満足しており、また、その焦点距離が結像レンズ系のバックフォーカスより大きい。

これにより、マイクロレンズアレイの製造加工が容易であり、且つ良好な拡散効果により深度を有効に拡大できる。
また、実施の形態及び実施例で説明したレーザユニットにおいて、結像レンズ系ＬＮは、光源側および像面側がテレセントリックであり、深度拡大光学素子Ａは結像レンズ系ＬＮの像側に配置されている。
深度拡大光学素子を結像レンズ系の像側に配置する場合、結像レンズ系は、少なくとも深度拡大光学素子側にテレセントリックとするのが良い。このようにすると、深度拡大光学素子を取り外しても、物・像間の結像関係が成立するので、深度拡大光学素子をオプションとして付加することも可能になる。

以上、レーザユニットの実施の形態とその具体的な例を説明した。以下には、変形例を挙げる。
上に説明した実施例において、深度拡大光学素子Ａとして同一のマイクロレンズを稠密に配列したものを例示したが、マイクロレンズアレイの配列は稠密なものに限らない。

例えば、図９に説明図的に示すように、マイクロレンズＭＬの配列領域（図９左図の円形状領域）に、図９右図に拡大図として説明図的に示すように、配列ピッチを不均一として、配列領域に一様に不均一な分布としてもよい。
さらに、マイクロレンズを稠密に配列する場合も、一様に不均一に配列する場合にも、個々のマイクロレンズの曲率半径をランダムにすることができる。

即ち、マイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズは、同一もしくは曲率半径の異なる複数種のものを「不均一なピッチ」で配列したり、不規則に配列したりすることができ、このようにすることにより、マイクロレンズアレイの使用に伴う「回折の影響」を軽減することができる。

また、上には、深度拡大光学素子を、結像レンズ系の像側に配置する場合を説明したが、深度拡大光学素子Ａの配置は、上の例に限らず、図１０に示すように、結像レンズ系ＬＮにおける絞りＳの位置に配置することもできる。このような配置では、深度拡大光学素子Ａを結像レンズ系ＬＮ内に収納することになるので、結像レンズ系ＬＮの外側に配置する場合に比して、物体面ＳＯと像面ＳＩの間のスペースを小さくできる。

以下に、上に実施の形態を説明したレーザユニットを備えたレーザマーカの実施の１形態を説明する。
図１１は、レーザマーカの実施の１形態を示す図である。
レーザマーカ１０は、感熱性の記録媒体ＲＬ（この例ではシート状である。）をＸ方向に移動させつつ、レーザユニットによるマルチビーム方式の印字を行う。
レーザユニットは、マルチビームレーザ光源と、結像レンズ系と、深度拡大光学素子を有する。
結像レンズ系４３は、レンズ４３ａとレンズ４３ｂにより説明図的に示されたもので、物体側および像側にテレセントリックである。深度拡大光学素子４３Ｃは、この例ではマイクロレンズアレイであり、レンズ４３ａとレンズ４３ｂの内部に配置されている。即ち、この例では、図１０に即して説明したタイプのものが「結像レンズ系と深度拡大光学素子」として用いられている。
マルチビームレーザ光源は、発光部１４ａと導光部１４ｂとヘッド４４を有し、発光部１４ａは、１列のアレイ状に配列された複数のレーザダイオード４１と、これらレーザダイオードの個々と１：１に対応して配列され、対応するレーザダイオードを駆動する駆動ドライバ４５を有する。発光部１４ａと導光部１４ｂを含む部分は発光・導光部１４を構成する。

導光部１４ｂは、レーザダイオード４１の個々に１：１に対応してカップリングされた複数の光ファイバ４２を有している。導光部１４ｂを構成する光ファイバの個々は、その射出端面側が所定のピッチで揃えられ、射出端面の集合面が共通の平面となるようにして、図のＺ方向（記録媒体ＲＬの面と、その移動方向であるＸ方向とに直交する方向である。）に配列するように一体化されてヘッド４４となっている。上記共通の平面は、上に物体面ＳＯとして説明したものの１例であり、以下「ヘッド４４の物体面」と称する。

ヘッド４４の物体面は、結像レンズ系４３に対向するように配置される。
符号４８は「電源ユニット」を示し、電源ユニット４８はコントローラ４６や駆動ドライバ４５に電力を供給する。

印字により記録媒体ＲＬに形成される印字画像の情報は、マイクロコンピュータ等である画像情報出力部４７から、コントローラ４６と駆動ドライバ４５を介して個々のレーザダイオードを駆動して、レーザ光の発光を制御する。
画像情報に応じて対応するレーザダイオード４１が発光し、レーザ光が放射される。放射されたレーザ光は該レーザダイオードに対応する光ファイバにカップリングしてこの光ファイバの射出端側へ導光されヘッド４４の物体面からレーザ光として放射され、結像レンズ系４３により記録媒体ＲＬの表面に光スポットを形成する。その際、深度拡大光学素子４３Ｃの作用により光スポットを形成するレーザ光束に対する深度余裕が拡大される。従って、記録媒体ＲＬの表面である印字面に対して「許容されるデフォーカス」が大きくなり、安定した印字を実現することができる。
図１１において、符号２０で示す部分を「光学部」と呼ぶ。この光学部２０におけるヘッド４４の結像レンズ系４３側の面と記録媒体ＲＬの表面が、図１０における物体面ＳＯと像面ＳＩに対応し、結像レンズ系４３と深度拡大光学素子４３Ｃが、図１０において結像レンズ系ＬＮと深度拡大光学素子Ａに対応する。
勿論、深度拡大光学素子４３を、図３の実施の形態の場合と同様に、結像レンズ系と記録媒体ＬＮの表面との間に配置してもよい。
なお、図１１において、符号５０は冷却ユニットを示す。冷却ユニット５０は、レーザダイオード４１から受熱する受熱部５１と放熱部５２と冷却パイプ５３ａ、５３ｂを有し、放熱部５２はポンプとラジエータを有する。
ポンプにより、冷却液を冷却パイプ５３ａにより受熱部５１に流通させて受熱部５１を冷却し、冷却パイプ５３ｂにより放熱部５２のラジエータへ導熱して外部へ放熱させる。このようにしてレーザダイオード４１の温度上昇が防止される。

図１１において、符号３０は、発光・導光部１４、冷却ユニット５０、コントローラ４６、電源ユニット４８、画像情報出力部４７等を含む部分で「本体部」と称する。

以下に、図１２に即して説明する「印字システム」は、図１１に即して説明した「レーザマーカ」を用いる印字システムの実施の１形態である。
印字システム１００は、コンテナＣに貼着されたラベルＲＬに印字を行うシステムである。ラベルＲＬは、図１１に即して説明した感熱性の記録媒体ＲＬを「ラベル」として構成したものであり、混同の恐れはないと思われるので図１１における記録媒体ＲＬと同一の符号を用いて示す。

ラベルＲＬを貼着されたコンテナＣは、コンベヤ装置１０１により図のＸ方向に搬送される。レーザマーカ１１４は、図１１に即して説明したように構成され、定位置に固定的に設けられ、システム制御装置１８により制御される。
レーザマーカ１１４の「図のＹ方向に対向する部分」には、遮蔽カバー１１が固定的に設けられ、コンテナＣは、コンベヤ装置１０１により、この遮蔽カバー１１の内部を通ってＸ方向へ搬送される。遮蔽カバー１１の、レーザマーカ１１４にＹ方向において対向する位置には窓１１ａが穿設され、コンベヤ装置１０１によりＸ方向へ搬送されるコンベヤＣに貼着されたラベルＲＬが、窓１１ａの部分を通過する際に、レーザマーカ１１４による印字が行われる。

印字されたバーコード等の画像は、読取装置１５（定位置に配置されている。）により読取られ、レーザマーカ１１４による印字が適正に行われたか否かが照合される。

レーザマーカ１１４は、上に説明したレーザユニットを用いるので、印字面であるラベルＲＬのデフォーカスに対する余裕度が大きく、大きな深度余裕をもって安定した印字を行うことができる。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

ＳＯ 物体面
ＬＮ 結像レンズ系
Ａ 深度拡大光学素子
ＳＩ 像面（結像位置）
ＳＩ１ 印字面
ｄ０ スポット径（結像状態）
ｄ１ スポット径（デフォーカス状態）
Ｏ１、Ｏ２ レーザ光放射部
ＬＦＤ 深度拡大光学素子により深度を拡大されたレーザ光束

特開２００８‐７０７９２号公報

Claims (12)

1. 微小なレーザ光放出部が１次元もしくは２次元にアレイ配列されたマルチビームレーザ光源と、
   前記マルチビームレーザ光源の前記アレイ配列されたレーザ光放出部の実像を結像させる結像レンズ系と、
   前記結像レンズ系による個々の前記レーザ光放出部からのレーザ光束を拡散させることにより深度余裕を拡大させる深度拡大光学素子と、
   を有する、レーザユニット。
2. 請求項１記載のレーザユニットであって、
   前記深度拡大光学素子がマイクロレンズアレイであるレーザユニット。
3. 請求項２記載のレーザユニットであって、
   前記マイクロレンズアレイは、アレイ配列されたマイクロレンズの焦点距離が、バックフォーカスより長く、前記マイクロレンズの曲率半径：Ｒと配列ピッチ：Ｗが、条件：
   ｈ＝｛２Ｒ−√（４Ｒ^２−Ｗ^２）｝/２＞０．０００１ｍｍ
   を満足するレーザユニット。
4. 請求項２記載のレーザユニットであって、
   前記マイクロレンズアレイにおけるレンズの配列ピッチが不均一であるレーザユニット。
5. 請求項２または３に記載のレーザユニットであって、
   前記マイクロレンズアレイにおけるマイクロレンズの曲率半径が不均一であるレーザユニット。
6. 請求項２〜５の何れか１項に記載のレーザユニットであって、
   前記マイクロレンズアレイは、基板の片面のみに形成されているレーザユニット。
7. 請求項１記載のレーザユニットであって、
   前記深度拡大光学素子が拡散板であるレーザユニット。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のレーザユニットであって、
   深度拡大光学素子が、結像レンズ系の像側に配置され、前記結像レンズ系は、少なくとも前記深度拡大光学素子の側がテレセントリックであるレーザユニット。
9. 請求項１〜７の何れか１項に記載のレーザユニットであって、
   前記深度拡大光学素子が、前記結像レンズ系の絞りの位置に設置されたレーザユニット。
10. 請求項１〜８の何れか１項に記載のレーザユニットであって、
    前記マルチビームレーザ光源は、レーザダイオードをカップリングされた光ファイバの射出端面が前記レーザ光放出部として、該レーザ光放出部を１次元もしくは２次元にアレイ配列されているレーザユニット。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載されたレーザユニットを有するレーザマーカ。
12. 請求項１１記載のレーザマーカにより印字を行う印字システム。

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