JP2992121B2 - 偏向ビーム発生装置 - Google Patents

偏向ビーム発生装置

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JP2992121B2 JP3130276A JP13027691A JP2992121B2 JP 2992121 B2 JP2992121 B2 JP 2992121B2 JP 3130276 A JP3130276 A JP 3130276A JP 13027691 A JP13027691 A JP 13027691A JP 2992121 B2 JP2992121 B2 JP 2992121B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、音響光学素子を用いた
偏向ビーム発生装置、特に光源から放射された光ビーム
の利用効率を一層向上させた偏向ビーム発生装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】レーザ顕微鏡、レーザプリンタ、ファク
シミリ、スキャナグラフのような画像形成装置において
は、音響光学素子を有する偏向ビーム発生装置が広く用
いられている。この偏向ビーム発生では、偏向信号を発
生させる駆動回路を音響光学素子に接続し、音響光学素
子に周波数が周期的に変化する超音波を供給している。
そして、音響光学素子に周期的に変化する回折格子を形
成し、形成された回折格子によって入射ビームを周期的
に偏向させている。この音響光学素子を用いる偏向ビー
ム発生装置は機械的駆動機構が不要であり、しかも高速
走査が可能になる大きな利点を有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】偏向ビーム発生装置に
用いられる音響光学素子は、広い偏向角に亘って高い回
折効率を達成できることが必要である。このため、従来
の偏向ビーム発生装置では、所定の偏向方向に直線偏向
した光を放射する光源が用いられ、この偏向方向の光に
対して高い回折効率を有する音響光学素子が用いられて
いる。
【0004】しかしながら、現在実用化されている音響
光学素子の回折効率は高々70%程度であり、残りの30%
の非回折光(零次回折光)は偏向されず、ビーム走査に
用いられてはいないのが実情である。このため、高い出
力の光源を用いなければならず、製造コスト等において
種々の難点があった。
【0005】従って、本発明の目的は上述した欠点を除
去し、光源から放射された光ビームの利用効率が一層向
上した偏向ビーム発生装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による偏向ビーム
発生装置は、一方向に直線偏光した光を放射する光源
と、偏向信号を発生する駆動回路と、この駆動回路によ
って駆動され、前記光源からの光の一部を、前記偏向信
号に応じた方向に偏向され偏光面が90°回転した回折光
として出射させ、残りの光が光源からの光と同一の偏光
状態の非回折光としてする音響光源素子と、この音響光
学素子からの回折光及び非回折光を、音響光学素子から
の各出射光路に沿って反対向きにそれぞれ伝播させて前
記音響光学素子に再入射させる光学系とを具えることを
特徴とするものである。
【0007】
【作用】音響光学素子は所定の偏光方向に偏光した光に
対して高い回折効率を有し、これと直交する偏光方向の
光に対してはほとんど回折作用を有していない。そし
て、音響光学素子に直線偏光した光を入射させると、約
70%程度の光は回折され、偏光面が90°回転した回折光
として偏向信号に応じた方向に出射する。残りの光は回
折作用を受けず入射光と同一の偏光状態の光として出射
する。本発明では、再入射光学系を用いて、これら回折
光及び非回折光を、音響光学素子からの出射光路に沿っ
て反対向きにそれぞれ伝播させて音響光学素子に再入射
させる。従って、回折光および非回折光は、音響光学素
子の光源からの光が入射する位置とほぼ同一の位置に再
入射する。この際、回折光は偏光面が90°回転している
から回折作用を受けずそのまま出射し、一方非回折光は
偏光面が変化していないから再び回折作用を受け、光源
からの光と同一の回折作用を受けて出射する。この結
果、出射後において音響光学素子に最初に入射した際に
回折作用を受けて再入射した光ビームと再入射した際に
回折された光ビームとが同一の光路に沿って伝播するこ
とになる。この結果、零次回折光と1次回折光とを合成
することができ、従来の偏向ビーム発生装置に比べて一
層光量増加された偏向ビームを発生させることができ
る。また、光量が増加した偏向ビームが発生するため、
音響光学素子によるシェージング作用が圧縮された偏向
ビームを発生させることができる。
【0008】
【実施例】図1は本発明による偏向ビーム発生装置の一
例の構成を示す線図である。例えば半導体レーザのよう
な直線偏光した光を放射する光源1から光ビームを投射
し、この光ビームをエキスパンダ2により拡大平行光束
とする。この光ビームを音響光学素子3に入射させる。
音響光学素子3はトランスジューサ3aを有し、このトラ
ンスジューサに偏向信号を発生させる可変周波数発振回
路(図示せず)を接続して音響光学素子3に周波数が周
期的に変化する超音波を投射する。音響光学素子には屈
折率の周期的変化が生じて回折格子が形成され、形成さ
れた回折格子により入射ビームを所定の偏向角に亘って
周期的に偏向させる。すなわち、音響光学素子3には可
変周波数発振回路からトランスジューサ3aを介して周波
数が時間的に連続して変化する超音波が供給されるの
で、入射ビームは偏向角が時間的に連続して変化するよ
うに偏向される。本発明では、音響光学素子として特定
の偏波面の光に対しては高い回折効率を有し、これと直
交する偏波面の光に対してはほとんど回折作用を有しな
い特性の素子を用いる。このため、本例ではS偏光に対
しては高い回折効率を有し、偏光面がこれと直交するP
偏光に対しては回折作用をほとんど有しない音響光学素
子を用いる。この関係において、本例では光源1として
S偏光の光を放射する光源を用いる。音響光学素子3に
入射したS偏光した光ビームの一部は偏向信号に応じた
偏向方向に回折され、偏光面が90°回転したP偏光とし
て出射し、集束性レンズ4に入射する。残りの回折され
なかった光(零次光)は音響光学素子3をそのまま透過
し、同一の偏光状態の光(S偏光)として出射し同様に
集束性レンズ4に入射する。集束性レンズ4の後側焦点
面又はその近傍に全反射ミラー5を配置する。集束性レ
ンズ4に入射する偏向ビーム(回折光)及び非偏向ビー
ム(非回折光)は平行光束として入射するから、これら
の光ビームは全反射ミラー5上に結像する。図面上、非
偏向ビームを実線で示し、偏向ビームを破線(偏向中心
位置)、一点鎖線(一方の偏向限界位置)及び二点鎖線
(他方の偏向限界位置)で示す。偏向ビーム及び非偏向
ビームは全反射ミラー5で反射し、入射ビームと同一の
光路に沿って反対向きに伝播し、再び集束性レンズ4に
入射し平行光束に変換され、音響光学素子3の光源1側
から入射したビームの入射位置とほぼ同一の位置に入射
する。ここで、非偏向ビームはS偏向であるから、音響
光学素子3により回折されP偏光となって出射する。一
方、偏向ビームはP偏光であるから音響光学素子3によ
る回折作用を受けずそのまま透過する。この場合、入射
する非偏向ビームは、光源1からの光ビームが受ける回
折作用と同一の回折作用を受けて偏向されるため、出射
後偏向ビームと同一の光路に沿って伝播する。この結果
音響光学素子に再入射した際、音響光学素子3によって
回折された光と最初に入射したときに回折された光が合
成されて一層大きな光強度の偏向ビームとなって出射す
る。尚、全反射ミラー5からの非偏向ビームのうち音響
光学素子3によって回折されなかった光は、音響光学素
子3をそのまま通過して光源側に伝播するが、その光量
は極めて少ないため無視することができる。音響光学素
子3を出射した偏向ビームはリレーレンズ6を経て後段
に配置した光学系に入射し、被走査面上で走査ビームと
して使用されることになる。
【0009】次に、音響光学素子から偏向ビームとして
出射する光の強度Iと、光源から出射される光の強度I0
との関係について説明する。音響光学素子の回折効率を
αとすると、光源から放射され音響光学素子によって1
回偏向された光の強度I1は次式で与えられる。 I1 =αI0 次に、音響光学素子に再入射しさらに回折作用を受けて
偏向ビームとして出射する光の強度Iは次式で与えられ
る。 I=I1 +α(1−α)I0 =(2α−α2 )I0 従って、音響光学素子を1回だけ通過させる従来の偏向
ビーム発生装置に比べて(α−α2 )I0 だけ光量を増
加させることができる。一例として、音響光学素子の回
折効率αを70%とすると、本発明の偏向ビーム発生装置
では91%の光を偏向ビームとして出射させることがで
き、従来の装置に比べて21%も光量増加を達成すること
ができる。
【0010】次に、音響光学素子のシェージングを圧縮
させる作用について説明する。図2は偏向角と回折効率
との関係を示すグラフである。尚、横軸は超音波の周波
数で表示されているが、偏向角に相当する量すなわち被
走査面上での光ビームの位置を示し、例えば75MHZ を中
心にして50MHz から100MHzの範囲で使用するものとす
る。図2において、実線は従来のビーム偏向装置の特性
を示し、破線は同一音響光学素子を用いた本発明による
光ビーム偏向装置の特性を示す。音響光学素子を用いた
ビーム偏向装置では、被走査面上において走査中心位置
が最も光量が低下し、周辺に向くに従って光量が増加す
る特性がある。このため、画像の中心部が暗くなり、周
辺部が明るくなる特性のシェージングが生じてしまう。
従来の偏向ビーム発生装置では、光ビームが音響光学素
子を1回だけ通過するため、シェージングの影響が直接
的に発生してしまう。これに対して、本発明では光ビー
ムが音響光学素子を2回通過するので全体としての光量
が増加し、全体的に見た場合シェージングの作用が圧縮
された形態で現れる。すなわち、回折効率の低い部位
(75MHz の中央部) では、最初の回折による回折光の光
量は低いが、2回目の回折光の光量が大きいため、合成
されて音響光学素子から出射する回折光の光量は増加す
る。一方、回折効率の高い部位では、最初の回折による
回折光の光量は大きいか、2回目の回折による回折光の
光量は小さい。この結果、シェージングの影響を緩和で
きることになる。
【0011】図3は本発明による偏向ビーム発生装置の
変形例の構成を示す線図である。本例では、再入射光学
系として2個の平面鏡を用い、偏向ビームの出射光路側
に平面鏡10を配置し、非偏向ビームの出射光路側に平面
鏡11を配置する。偏向ビームは平面鏡10によって反射さ
れ音響光学素子3に入射し回折作用を受けずに出射す
る。また、非偏向ビームは平面鏡11で反射し、再び音響
光学素子3に入射し、回折作用を受け偏向ビームとして
出射する。このように構成すれば、簡単な光学系により
音響光学素子の回折効率を増大させることができる。
尚、本例の場合、ビーム間に若干のずれが生ずるがずれ
量は微小であり、しかも後段の光学系により圧縮される
ため大きな不都合が生じない。このビーム間のずれが問
題となるような装置においては、音響光学素子3と全反
射ミラー10との間に集束性レンズを配置することにより
ビーム間のずれを容易に除去することができる。
【0012】図4は本発明による偏向ビーム発生装置の
別の変形例の構成を示す線図である。光源20からS偏向
の光を放射し、エキスパンダ21をより拡大平行光束とす
る。この光ビームを全反射ミラー22により光路をほぼ90
°曲げ、偏向ビームスプリッタ23に入射させる。この偏
光ビームスプリッタは、その偏光面23a によりS偏光し
た光はそのまま透過させP偏光した光は反射する。全反
射ミラー22からの光ビームは、ビームスプリッタ23を透
過し、音響光学素子24に入射する。そして、この音響光
学素子により、回折光と非回折光とに分離され、これら
のビームは凸レンズ25を経て凸レンズの後側焦点面に配
置した全反射ミラー26に入射する。全反射ミラーで反射
した回折光及び非回折光は再び凸レンズ26を経て音響光
学素子24に入射し、この音響光学素子の回折作用により
合成されてから偏光ビームスプリッタ23に入射する。合
成された光ビームはP偏光に変換されているから、偏光
面23a で反射しリレーレンズ24に入射する。このように
構成すれば、音響光学素子への入射ビームと走査ビーム
として出射する光ビームとの光路を90°曲げることがで
き、光学系の設計の自由度が向上する。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
源からの光ビームを音響光学素子に入射させると共に、
出射した回折光及び非回折光を音響光学素子の光源から
の光が入射した位置に再入射させる構成としているか
ら、光源から放射した光を一層効率よく利用することが
できる。また、光ビームが音響光学素子を2回通過させ
ているので、偏光ビームの光量が全体的に増加し、この
結果シェージング作用を相対的に圧縮させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明による光ビーム偏向装置の一例の
構成を示す線図である。
【図2】図2は偏向角と回折効率との関係を示すグラフ
である。
【図3】図3は本発明による光ビーム偏向装置の変形例
を示す線図である。
【図4】図4は本発明による光ビーム偏向装置の別の変
形例を示す線である。
【符号の説明】
1 光源 2 エキスパンダ 3 音響光学素子 4 集束性レンズ 5 全反射ミラー 6 リレーレンズ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一方向に直線偏光した光を放射する光源
    と、偏向信号を発生する駆動回路と、この駆動回路によ
    って駆動され、前記光源からの光の一部を、前記偏向信
    号に応じた方向に偏光され偏向面が90°回転した回折光
    として出射させると共に、残りの光が光源からの光と同
    一の偏光状態の非回折光として出射する音響光源素子
    と、この音響光学素子からの回折光及び非回折光を、音
    響光学素子からの各出射光路に沿って反対向きにそれぞ
    れ伝播させて前記音響光学素子に再入射させる光学系と
    を具えることを特徴とする偏向ビーム発生装置。
  2. 【請求項2】 前記再入射光学系が、集束性レンズと、
    この集束性レンズの後側焦点面又はその近傍に配置した
    平面鏡とを有することを特徴とする請求項1に記載の偏
    向ビーム発生装置。
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