JP2583856B2 - 光ビ−ム走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光源からの光ビームを偏向器によって偏向し
被走査面を走査する光ビーム走査装置に関するものであ
る。

従来の技術 従来より偏向反射面を有する偏向器、例えば回転多面
鏡を用いた光ビーム走査装置において、その偏向反射面
の倒れにより偏向走査された光ビームが、走査面に直角
な面内で変化しても被走査面上での走査線にピッチむら
が生じないような光ビーム走査装置は種々知られてい
る。例えば、特開昭56-36622号公報、特開昭57-144516
号公報では、レーザー光源を適当な手段で適当なビーム
径にコリメートされた光ビームを得る光源、線状に結像
する単一の平凸シリンドリカルレンズからなる第１結像
光学系とその線状の結像位置近傍に偏向された光ビーム
を被走査面上に結像する単一の球面レンズと単一のトー
リック面を有するレンズからなる第２結像光学系から構
成されている。その偏向反射面とその被走査面は走査方
向と直角な面内において幾何光学的共役関係にあり、そ
の偏向反射面の倒れを光学的に補正し走査線のピッチむ
らを補正している。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来の光ビーム走査装置では、走査方
向のＦナンバーが60、走査方向と直角な方向のＦナンバ
ーが100と大きく、光ビームの被走査面におけるスポッ
ト径が約100μｍ程度となり、1mm当り10ドット程度の解
像度しか得られない。小さいスポット径を得るにはＦナ
ンバーを小さくし、かつ充分な収差補正を必要とするが
従来の光ビーム走査装置では、第２結像光学系の走査方
向と直角な面内のパワーが、前記幾何光学的共役関係を
満足するために必然的に強くなり、収差が大きく発生し
易く、Ｆナンバーを小さくすることが困難であった。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の光ビーム走査装
置は、第１結像光学系は走査方向に対し直角な方向にの
み光の収束効果を有し、さらに補正過剰な球面収差が生
じるように構成され、走査方向に対し直角な方向に関
し、その偏向反射面と被走査面とが幾何光学的共役関係
をなし、前記第２結像光学系は、偏向器側から順に、偏
向器側に凹面を向けた正のメニスカス球面レンズ、偏向
器側に凸面を向けた正の球面レンズとトーリック面を有
するレンズの３枚により構成され、次の条件を満足する
ように構成するものである。

f₃＞5.0f 但し、ｆは全系の走査方向における焦点距離、f₃は第２
結像光学系の偏向器側から見た第１レンズの焦点距離。

作用 第２結像光学系は、走査方向に対し直角な方向に関し
偏向反射面と被走査面とが幾何光学的共役関係にあるの
で、走査方向と直角な面内のパワーが走査方向のパワー
に比べて強くなっている。従って走査方向における球面
収差は補正不足となりＦナンバーを小さくすることは残
存収差によって回折限界系の光学系とする上で大きな制
約を受けていた。しかしながら本発明は第１結像光学系
が補正過剰な球面収差を持つように構成されているの
で、前記第２結像光学系の走査方向に直角な方向におけ
る補正不足な球面収差と相互に打ち消し合う。さらに第
２結像光学系を３枚すべて正レンズで構成することによ
り、第２結像光学系において光束の入射角をθ、走査方
向の焦点距離をｆ、像高をｙとしたとき、 ｙ＝ｆ・θ となる負の歪曲特性を得るために必要な正パワーを無理
なく各レンズに配分することができ、走査の直線性に対
しても良好に補正する自由度を増す。

以上のような作用により全系の残存収差は著しく低減
され、その結果、本発明の光ビーム走査装置は、Ｆナン
バーを小さくすることが可能となり光ビームの被走査面
におけるスポット径を小さく絞り込むことができる高印
字品質化に対応した光ビーム走査装置が得られることと
なる。

条件f₃＞5.0fは、第２結像光学系において偏向器側か
ら見て第１レンズのパワーを規定するものであり、歪曲
収差などの諸収差を補正するため無理のないパワーの配
分を行う条件である。f₃が、この下限を越えるとパワー
のバランスがくずれ、走査の直線性のずれおよび像面湾
曲が過大となる。

さらに、トーリック面を有するレンズは、走査方向と
直角な面内において偏向器側に凹面を向けた全体で正の
パワーを有するメニスカス単レンズであることが望まし
い。

さらに、トーリック面を有するレンズは、その偏向器
側の面の走査方向の屈折に関する曲率半径をr₁₀とする
とき、r₁₀＝∞とすれば加工上容易であり、コストを下
げるのに有効である。

実施例 以下に本発明になる光ビーム走査装置の一実施例を示
す。但し、各実施例中r₁,r₂，……は光源から順に走査
方向の屈折に関する各面の曲率半径、r₁′，r₂′，……
は光源から順に走査方向と直角な方向の屈折に関する各
面の曲率半径、d₁,d₂，……は上記各面の面間隔、n₁,
n₂，……はそれぞれのレンズの波長790nmにおける屈折
率である。

第１実施例 Ｆナンバー 走査方向 :50 走査方向と直角な方向 :50 （第１結像光学系） r₁＝∞ r₁′＝15.044 d₁＝ 4.00 n₁＝1.76530 r₂＝∞ r₂′＝12.773 d₂＝ 5.00 r₃＝∞ r₃′＝48.842 d₃＝ 3.72 n₂＝1.76530 r₄＝∞ r₄′＝ ∞ d₄＝73.19 （偏向反射面） r₅＝∞ r₅′＝ ∞ d₅＝20.00 （第２結像光学系） r₆ ＝−70.189 r₆′ ＝−70.189 d₆ ＝18.845 n₃＝1.76530 r₇ ＝−77.471 r₇′ ＝−70.471 d₇ ＝10.00 r₈ ＝369.975 r₈′ ＝369.975 d₈ ＝ 6.15 n₄＝1.53288 r₉ ＝554.244 r₉′ ＝554.244 d₉ ＝39.51 r₁₀ ＝−1859.183 r₁₀′ ＝−78.953 d₁₀ ＝12.34 n₅＝1.67450 r₁₁ ＝−227.419 r₁₁′ ＝−33.306 f₃＝ 27.8f d₁₀＝0.043f 第２実施例 Ｆナンバー 走査方向 :49 走査方向と直角な方向 :49 （第１結像光学系） r₁＝ ∞ r₁′＝21.000 d₁＝ 4.00 n₁＝1.765299 r₂＝ ∞ r₂′＝17.545 d₂＝ 5.00 r₃＝ ∞ r₃′＝47.389 d₃＝ 3.72 n₂＝1.765299 r₄＝ ∞ r₄′＝ ∞ d₄＝79.01 （偏向反射面） r₅＝ ∞ r₅′＝ ∞ d₅＝20.48 （第２結像光学系） r₆ ＝−70.606 r₆′ ＝−70.606 d₆ ＝17.28 n₃＝1.765299 r₇ ＝−77.654 r₇′ ＝−70.654 d₇ ＝ 0.66 r₈ ＝354.042 r₈′ ＝354.042 d₈＝14.21 n₄＝1.532883 r₉ ＝431.786 r₉′ ＝431.786 d₉ ＝39.29 r₁₀ ＝ ∞ r₁₀′ ＝−83.615 d₁₀ ＝18.19 n₅＝1.674497 r₁₁ ＝−230.766 r₁₁′ ＝−34.394 f₃＝56.8f d₁₀＝0.064f 第３実施例 Ｆナンバー 走査方向 :50 走査方向と直角な方向 :50 （第１結像光学系） r₁＝ ∞ r₁′＝38.410 d₁＝ 4.00 n₁＝1.76530 r₂＝ ∞ r₂′＝26.065 d₂＝ 5.00 r₃＝ ∞ r₃′＝39.264 d₃＝ 3.720 n₂＝1.765299 r₄＝ ∞ r₄′＝ ∞ d₄＝86.057 （偏向反射面） r₅＝ ∞ r₅′＝ ∞ d₅＝20.00 （第２結像光学系） r₆ ＝−83.583 r₆′ ＝−83.583 d₆ ＝25.24
n₃＝1.73759 r₇ ＝−87.678 r₇′ ＝−87.678 d₇ ＝10.00 r₈ ＝336.361 r₈′ ＝336.361 d₈ ＝ 6.00
n₄＝1.76167 r₉ ＝432.403 r₉′ ＝432.403 d₉ ＝39.5
8 r₁₀ ＝ ∞ r₁₀′ ＝−65.724 d₁₀ ＝12.0
0 n₅＝1.60659 r₁₁ ＝−286.512 r₁₁′ ＝−29.803 f₃＝5.21f d₁₀＝0.042f （第４実施例） Ｆナンバー 走査方向 :50 走査方向と直角な方向 :50 （第１結像光学系） r₁＝ ∞ r₁′＝23.564 d₁＝ 4.05 n₁＝1.765299 r₂＝ ∞ r₂′＝20.286 d₂＝ 5.06 r₃＝ ∞ r₃′＝54.574 d₃＝ 3.77 n₂＝1.765299 r₄＝ ∞ r₄′＝ ∞ d₄＝85.42 （偏向反射面） r₅＝ ∞ r₅′＝ ∞ d₅＝25.00 （第２結像光学系） r₆ ＝ −72.763 r₆′ ＝ −72.763 d₆ ＝19.00 n₃＝1.76167 r₇ ＝ −77.288 r₇′ ＝ −77.288 d₇ ＝10.00 r₈ ＝ 643.375 r₈′ ＝ 643.375 d₈ ＝11.147 n₄＝1.5119 r₉ ＝ 2849.379 r₉′ ＝ 2849.379 d₉ ＝45.00 r₁₀ ＝ ∞ r₁₀′ ＝ −82.637 d₁₀ ＝ 6.00 n₅＝1.67450 r₁₁ ＝ −306.407 r₁₁′ ＝ −34.194 f₃＝ 7.0f d₁₀＝0.02f 本発明になる光ビーム走査装置の一実施例について図
面を参照しながら説明する。第１図は本発明に係る光ビ
ーム走査装置の第１実施例に基づく概略構成図を示す斜
視図である。レーザー光源からの出力光はコリメータレ
ンズで適当なビーム径となるようコリメートされ（図示
せず）に、光ビーム１は、２枚のシリンドリカルレンズ
2,3から構成された第１結像光学系５によって偏向反射
面６の近傍に走査方向に線状に結像される。偏向反射面
６は回転多面鏡７の周囲に設けられた複数の偏向反射面
の１つである。これはモーター（図示せず）等によって
回転駆動され、偏向をおこなう。その偏向反射面６によ
って、被走査面12に走査スポットを形成する。ここで、
その２枚の球面レンズ8,9とトーリックレンズ10は、第
１図に示す如く光ビーム走査装置の小型化が可能なよう
に、光ビームが通過する範囲を少なくとも確保できるよ
うな外形形状とするのが望ましい。第２図（ａ），
（ｂ）は、前記第１実施例の各々走査面内におけるレン
ズ配置と光路を示す概略図と走査方向と直角な面内にお
けるレンズ配置と光路を示す概略図である。第２図
（ｂ）に示す如く、第２結像光学系11に対して、走査方
向と直角な面内においては、偏向反射面６と被走査面12
は幾何光学的共役関係にあり、所謂偏向反射面の面倒れ
の補正機能を有している。このような作用を有する第２
結像光学系は、走査方向に直角な方向におけるパワー
が、偏向方向のパワーに比べて大であり、走査方向に直
角な方向で補正不足の球面収差が発生する。本実施例に
おいては、前記の如く、シリンドリカルレンズ群によっ
て構成される第１結像光学系５が、その第２結像光学系
で発生する補正不足の球面収差を相殺するように補正過
剰の球面収差を、走査方向に直角な方向に発生させてい
る。これによって、全系での球面収差は著しく低減され
ている。

第３図，第４図，第５図および第６図は、それぞれ第
１実施例，第２実施例，第３実施例および第４実施例に
おける特性を示す。

図中（ａ）は第１結像光学系の走査方向と直角な方向
の球面収差、（ｂ）は第２結像光学系の走査方向と直角
な方向の球面収差、（ｃ）は全系の走査方向と直角な方
向の球面収差、（ｄ）は非点収差を示し、実線はサジタ
ル（Ｓ）方向、破線がメリディオナル（Ｍ）方向の収差
を表している。（ｅ）は走査の直線性の特性を示してい
る。各図から明らかなように、全系の各残存収差は良好
に補正されており、Ｆナンバーの小さく広画角で、しか
も面倒れ補正機能を有する光ビーム走査装置が実現され
ている。

第２実施例，第３実施例，第４実施例は第２結像光学
系のトーリック面を有するレンズにおいて偏向器側の面
の走査方向の屈折に関する曲率半径r₁₀をr₁₀＝０とした
ものである。このことによって、加工が容易となりコス
トの低減ができる。

なお、トーリック面を有するレンズはレンズの口径が
比較的大きくなるため硝材コストを下げるためには、レ
ンズ肉厚は薄い方が好ましいが、コバ厚が薄くなりすぎ
ると精度の高い加工が困難となる。したがってトーリッ
ク面を有するレンズの肉厚をd₁₀とすると、 d₁₀＜0.02f であることが望ましい。

発明の効果 本発明は、光源からの光ビームを線状に偏向反射面の
近傍に結像する第１結像光学系が、補正過剰な球面収差
を持つように構成され、さらに第２結像光学系が、偏向
器側から順に、偏向器側に凹面を向けた正のメニスカス
球面レンズ、偏向器側に凸面を向けた正の球面レンズと
トーリック面を有するレンズの３枚により構成され、前
記の条件を満足することによって全系の残存収差が良好
に補正されたＦナンバーの小さく広画角でしかも面倒れ
補正機能を有する光ビーム走査装置を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に基づく光ビーム走査装置
の概略構成を示す斜視図、第２図は本発明の第１実施例
の装置の構成図、第３図は第１実施例における特性図、
第４図，第５図，第６図はそれぞれ第２実施例，第３実
施例，第４実施例の特性図である。 １……光ビーム、５……第１結像光学系、６……偏向反
射面、11……第２結像光学系、12……被走査面。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光ビームを線状に結像する第１
   結像光学系、その第１結像光学系による線状の結像の位
   置近傍にその偏向反射面を有する偏向器、その偏向器で
   偏向された光束を第２結像光学系を介して被走査面を走
   査する光ビーム走査装置であって、前記第１結像光学系
   は走査方向に対し直角な方向にのみ光の収束効果を有
   し、さらに補正過剰な球面収差が生じるように構成さ
   れ、走査方向に対し直角な方向に関し、その偏向反射面
   と被走査面とが幾何光学的共役関係をなし、前記第２結
   像光学系は、偏向器側から順に、偏向器側に凹面を向け
   た正のメニスカス球面レンズ、偏向器側に凸面を向けた
   正の球面レンズとトーリック面を有するレンズの３枚に
   より構成され、次の条件を満足することを特徴とする光
   ビーム走査装置。 f₃＞5.0f 但し、ｆは全系の走査方向における焦点距離、f₃は第２
   結像光学系の偏向器側から見た第１レンズの焦点距離。
2. 【請求項２】トーリック面を有するレンズは、その偏向
   器側の面の走査方向の屈折に関する曲率半径をr₁₀とす
   るとき、r₁₀＝∞である特許請求の範囲第（１）項記載
   の光ビーム走査装置。