JP3990472B2 - ビーム径制御方法および装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームを記録面上に集光させつつ走査して画像の記録あるいは画像の読取りを行う光ビーム走査装置などに用いられるビーム径制御方法と装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ビーム走査装置において、記録面上に集光させるレーザビームの径、すなわち集光ビーム径は、画像の記録または画像の読取り（以下単に画像の記録という）密度すなわち走査線密度によって変更する必要が生じる。例えば画像の記録（読取り）密度を下げる場合すなわち走査線密度を下げる場合には、集光ビーム径を大きくする必要がある。
【０００３】
集光ビーム径を変更する方法として、従来より次の２つの方法が提案されている。第１の方法は開口絞りを用いる方法である（特開昭５６−１４１６６２号、特開昭５８−１４４８５０号等）。第２の方法は光学系の倍率変更による方法である。第１の方法は光ビームのコリメート光（平行光）部分に開口絞りを挿入し、コリメートビーム（平行ビーム）の光束径を制限することにより、つまりケラレを利用することにより集光ビーム径を大きくするものである。
【０００４】
一般に集光ビーム径ｄは式：ｄ＝Ｋλｆ／Ｄで表される。ここにＫは係数、λはビーム波長、ｆは走査レンズ（集光レンズ）の焦点距離、Ｄは走査レンズに入射するビームの光束径（以下入射ビーム径）である。またビーム径ｄは、その出力最大点に対し１／ｅ2（≒０．１３５）の強度に対応する径（直径）である。
【０００５】
この式から明らかなように、集光ビーム径ｄを拡大するためには入射ビーム径Ｄを小さくすればよい。第１の方法は、この入射ビーム径Ｄを変えることによりビーム径ｄを制御するものである。例えば集光ビーム径ｄ＝１０μｍの時の入射ビーム径をＤ0とし、ビームをｄ＝１３μｍに拡大するためには、入射ビーム径ＤをおおよそＤ＝１０／１３＝０．７７Ｄ0に絞るような開口絞りを入射ビーム（平行ビーム）に介在させればよい。
【０００６】
第２の方法においては、走査レンズに入射するコリメートビーム径は一般的に大きく、そのような径のビームを生成するためにビームエキスパンダ系が用いられる。そしてこのエキスパンダ系の光学倍率を可変とすることにより集光ビーム径を可変とするものである。
【０００７】
【従来技術の問題点】
前記第１の方法では開口絞りを用いて入射ビームの一部を遮光することにより集光ビーム径を拡大するため、入射ビームの光利用効率が低下する。集光ビーム径を大きくするのは走査線密度を下げて記録密度を粗くするためであり、この時に必要な光量は集光ビーム径が小さい高密度記録時よりも大きくなる。それにもかかわらず、実際には開口絞りにより遮光される光量が増えて集光ビームとして得られる光量は減ることになるという問題がある。
【０００８】
また第２の方法では、エキスパンダ系としてレンズを用いた複数の光学系またはズーム系が必要になる。このため光学系自体や可動調整機構などが複雑で高価になる。
【０００９】
【発明の目的】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ビーム径を拡大する場合に光利用効率が高く、複雑で高価な光学系やズーム系が不要なビーム径制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【発明の構成】
この発明によればこの目的は、レーザビームを集光レンズによって記録面上に集光し、この集光ビームのビーム径を拡大するためのビーム径制御装置において、前記集光レンズに入射する前にレーザビームの光束の一部にレーザビームの可干渉長以上の光路長差を付与するように厚さもしくは屈折率を設定した平行平板からなる円形または円環状の透明板を設け、前記透明板の通過光による像と非通過光による像との強度分布の足し合せによりビーム径を拡大することを特徴とするビーム径制御装置により達成される。
【００１１】
また同じ目的は、レーザビームを集光レンズにより記録面上に集束させ、この集束したビーム径を変えるためのビーム径制御装置において、前記集光レンズに入射する前にレーザビームの中心の円形の光束またはその外側の円環状の光束を迂回させる光路長可変な迂回光路を備え、迂回光路を通る光束と通らない光束との光路長差がレーザビームの可干渉長より大になるように前記迂回光路の光路長を設定しかつ連続可変とし両光束の像の強度分布の足し合せによりビーム径を拡大しかつ連続可変にすることを特徴とするビーム径制御装置により達成される。
【００１２】
ここに用いるレーザビームは縦マルチモードの半導体レーザあるいは高周波重畳により縦マルチモード化した半導体レーザが射出するものが望ましい。このような半導体レーザは、気体レーザや固体レーザに比べて可干渉長が非常に短くなるからである。
【００１３】
透明板は、レーザビームの光束の中心付近に置いた平行平板とすることができる。透明板はレーザビームの平行ビーム内に置くのがよい。透明板を光束内に保持するためには、全光束が通る一定厚さの透明支持板を設けておき、ここに固定すればよい。リング状の透明板であってもよい。
【００１４】
なお透明板の端面には反射防止膜の加工を施すのがよい。ビームが通らない面には不要光を発生させないように黒塗り等の処理を施しておくのがよい。
【００１５】
透明板は平行ビーム（コリメートビーム）内に置くのに代えて、発散光または収束光の中に置いてもよい。この場合には透明板の位置を光軸方向に変化させることにより、透明板で分割される光束の量、すなわち全光束に対する透明板で分割された光束の割合を容易に変えることができる。また透明板を光軸に対して傾けることによりこの透明板を通る光束の量を変えることも可能である。
【００１６】
光束内に入れる透明板は１枚であってもよいが、２以上の厚さあるいは光路長が異なる透明板を入れてもよい。この場合各透明板を通ったレーザビーム同志の光路長差は、互いに可干渉長より大きくするのは勿論である。
【００１７】
透明板を用いるのに代えて、光束の一部をプリズムを用いた迂回光路に導いて光路長差を付与する場合（請求項８）、プリズムの相対位置を調節することにより迂回光路の光路長を調節できるから、光路長差を連続的に変化させることができ、最適な光路長差を容易に決定することができる。
【００１８】
【原理】
図１はこの発明の原理を説明する図、図２はその光ビームの強度分布を示す図である。まずこれらの図を用いてこの発明の原理を説明しておく。
【００１９】
平行ビーム（コリメートビーム）は光束の中心から外側へ強度が徐々に減少するガウス型の強度分布を持ち、図１で左側から走査レンズ（集光レンズ）ＬＳに入射し、記録面Ｓ上に収束するものとする。平行ビーム内の中心上に、円形の平行平板からなる透明板Ｐを置いた状態を考える。ここに透明板Ｐは屈折率ｎ＝１．５、厚さｔ＝３．０ｍｍとする。
【００２０】
今入射平行ビームの波面Ｗ0は透明板Ｐに達すると、その一部は透明板Ｐを通って光束部分Ａとなり、他は透明板Ｐを通らずにそのまま進んで光束部分Ｂとなる。このため波面Ｗ0のうち透明板Ｐを通った光束部分Ａの波面ＷAと、透明板Ｐを通らなかった光束部分Ｂの波面ＷBとの間には、光路長差Ｌが発生する。この光路長差Ｌは、空気の屈折率をｎ0とすると、n0＝１なので、Ｌ＝（ｎ−n0）ｔ＝１．５ｍｍとなる。
【００２１】
一方縦マルチモード半導体レーザでは、可干渉長ＬCは約１．０ｍｍである。従って光路長差Ｌは可干渉長よりも十分に大きくなるから、両光束部分ＡとＢは互いに干渉しない。このため２つの光束部分Ａ、Ｂは振幅の足し合せとならず、強度の足し合せとなる。
【００２２】
図２の（Ａ）はこの透明板Ｐが無く光束の分割が行われない場合を示す。この時には、入射平行ビーム（コリメートビーム）Ｂ0は走査レンズＬＳにより集束されて記録面Ｓ上で集光ビームＢ1となる。
【００２３】
入射ビーム内に図１に示すように透明板Ｐを入れた場合には、光束部分ＡのビームＢAは、レンズＬＳにより集光ビームＢ1Aとなる。また光束部分ＢのビームＢBは集光ビームＢ1Bとなる。従って記録面Ｓでは２つの集光ビームＢ1AとＢ1Bとの強度が足し合わされて、（Ｂ1A＋Ｂ1B）の強度を持つ集光ビームとなる。
【００２４】
この結果図２（Ａ）に示した集光ビームＢ1に対して、ビーム径が拡大した集光ビーム（Ｂ1A＋Ｂ1B）が得られる。なおこの時は、入射ビームの全ての光束が記録面Ｓに導かれているから、光利用効率は下がることがない。また集光ビーム（Ｂ1A＋Ｂ1B）のビーム径は、透明板Ｐの直径または光路差（換言すれば屈折率ｎや厚さｔ）を変えることにより或る程度の範囲内で任意に変更可能である。さらに透明板はレンズ系やズーム系を用いるものに比べ構成が非常に簡単で安価である。
【００２５】
【実施態様】
図３と図４はビーム径制御装置の実施態様を示す。図３の（Ａ）、（Ｂ）は透明板Ｐの側面図と光軸方向から見た正面図であり、この実施態様は平行ビームの全光束が通る透明な支持板ＰSに透明板Ｐを保持したものである。ここに用いる透明板Ｐは、円柱状平行平板とすることができる。
【００２６】
図４の（Ａ）、（Ｂ）は他の実施態様の側面図と光軸方向から見た正面図である。この実施態様は平行ビームの光束の外周に沿うリング状（環状）の透明板Ｐを設けたものである。図３の透明板Ｐの形状あるいは図４の透明板Ｐの中央の開口部分の形状は、円形とするのが望ましい。しかしこの形状を楕円形、長方形、くさび形など任意の形状にすれば、集光ビームの形状を変えることができる。
【００２７】
図５は他の実施態様を示す図である。この実施態様は、平行ビームの中に一部の光束を迂回させる迂回光路を設けたものである。すなわち円柱状ロッドの両端面を４５°にカットしたプリズムＰZ1を光束内に置く一方、このプリズムＰZ1と共に迂回路を形成する他のプリズムＰZ2、ＰZ3を側方に設けたものである。
【００２８】
従ってプリズムＰZ2、ＰZ3をプリズムＰZ1に対して側方へ移動させれば、迂回光路長を連続的に変えることができる。この迂回光路長を適切に設定することにより、互いに干渉しない２つの光束に分割することができる。またこの場合には十分に大きな光路長差を与えることができるから、可干渉長の長いレーザビームの使用が可能になる。
【００２９】
【走査装置の実施態様】
図６はこの発明に係るビーム径制御装置を適用した光ビーム走査装置の実施態様を示す。この図において、符号１０は記録用光源である半導体レーザであり、レーザビームからなる記録用光ビーム１２を射出する。この光ビーム１２はコリメータレンズ１４、ビーム径制御装置１６、集光レンズ１８、レゾナントスキャナ２０、走査（ｆθ）レンズ２２を介して、ドラム２４に保持された記録フィルム２６に導かれる。
【００３０】
ここに半導体レーザ１０は制御回路２８により制御され、画像データに基づいて光ビーム１２をオン・オフする。コリメータレンズ１４はレーザビームを平行ビームとする。ビーム径制御装置１６は、前記した図２〜５に示した透明板Ｐや迂回光路で構成される。
【００３１】
レゾナントスキャナ２０は光ビームの走査平面に対して垂直な軸回りで回動可能なミラーを持ち、このミラーは板ばねの共振を利用して揺動する。走査レンズ２２は、光ビーム１２の記録フィルム２６上での走査速度を一定にする。なお３０は記録フィルム２６をドラム２４の表面に密着させるためのニップローラである。
【００３２】
３２は同期信号生成手段であり、次のように構成されている。３４は同期用光源であり、レーザビームからなる同期用光ビーム３６を射出する。この光ビーム３６は、レゾナントスキャナ２０、走査レンズ２２を介して、ドラム２４に接近しかつこのドラム２４と平行に配設された集光ロッド３８に導かれる。この集光ロッド３８の前には光ビーム３６を一定間隔ごとに透過させるグリッドを有する同期用基準板４０が配設されている。集光ロッド３８の一端にはホトセンサ４２が取付けられている。
【００３３】
従って光ビーム３６が基準板４０を通り集光ロッド３８に入射すると、ホトセンサ４２がこれを検出し、光ビーム３６の走査位置を検出する。この光ビーム３６は記録用光ビーム１２と同じレゾナントスキャナ２０で走査されるから、この光ビーム３６の走査位置から記録用光ビーム１２の走査位置を知ることができる。なお４４はライン同期用のホトセンサであり、光ビーム３６の走査開始タイミングを検出する。
【００３４】
次に制御回路２８を説明する。前記ホトセンサ４４の出力信号は、ライン同期信号生成部４６で波形整形されてライン同期信号ＬＳＹとされ、またホトセンサ４２の出力は同期信号生成部４８で波形整形されて同期信号ＳＹとされ、それぞれ制御回路２８に入力される。制御回路２８は、同期信号ＳＹに適宜遅延時間を付加する。
【００３５】
制御回路２８はＣＰＵ（図示せず）から入力される記録エリヤを示すデータに基づいて、このエリヤの主走査方向の先頭に近い同期信号ＳＹＤに同期する記録エリヤ信号ＡＲを生成するものである。
【００３６】
一方前記の同期信号ＳＹは、逓倍回路であるＰＬＬ回路により逓倍される。例えば１０倍の周波数に逓倍され、前記した記録エリヤ信号ＡＲの論理積（アンド）により画像データクロックＣＬを得る。
【００３７】
この画像データクロックＣＬは、走査線上に画像を書き込むタイミングを示すものである。このクロックＣＬは、図示しない画像データ生成部から導かれる画像データと共に変調信号生成部５０に入力され、ここで半導体レーザ１０の駆動信号Ｄが生成される。
【００３８】
この実施態様において記録密度が高い時すなわち走査線密度が高い場合には、ビーム径制御装置１６は透明板Ｐを光路から除去し集光ビーム径を図２（Ａ）にＢ1で示すように絞る。また記録密度が低い時には、透明板Ｐを挿入して、図２（Ｂ）に示す集光ビーム（Ｂ1A＋Ｂ1B）のようにビーム径を拡大させる。透明板Ｐに変えて図５に示した迂回光路を設けた場合には、プリズムＰZ2の位置を調節することにより集光ビーム径を変えることができる。
【００３９】
【走査装置の他の実施態様】
図７は、他の実施態様である円筒内面走査型画像記録装置を示す概念図である。この図７において６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）は光ビーム出力手段としての３個のレーザダイオードであり、これらは同一波長かつ同一強度のレーザビーム６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）を出力する。これらのレーザビーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃはそれぞれコリメートレンズ６４（６４ａ、６４ｂ、６４ｃ）、２次元音響光学偏向素子ＡＯＤ（ＡＯＤａ、ＡＯＤｂ、ＡＯＤｃ）、ＡＯＤ射出レンズ６６（６６ａ、６９ｂ、６６ｃ）、０次光カット板６８（６８ａ、６８ｂ、６８ｃ）およびコリメートレンズ７０（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）を介し、合波光学系７２により合波される。
【００４０】
なおレーザビーム６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）は、コリメートレンズ６４で平行光線にされ、ＡＯＤで偏向された後ＡＯＤ射出レンズ６６と０次光カット板６８で１次回折光だけが選択される。そしてコリメートレンズ７０で再び平行光線に戻され合波光学系７２に導かれる。
【００４１】
ＡＯＤは後記のスピナー８４の回転角度θの変化に伴って所定周波数の超音波がトランスデューサより発生することにより駆動され、この時の１次回折光が０次光カット板６８で選択されるものである。このトランスデューサの駆動周波数により１次回折光の偏向方向を制御する。なお２値画像信号がオン・オフする時には、レーザダイオード６０の出力がオン・オフしてレーザビーム６２がオン・オフされる。
【００４２】
３つのＡＯＤは、この実施態様ではそれぞれレーザビーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃを２次元的に変更させ、走査線の湾曲と間隔を修正するものである。
【００４３】
合波光学系７２は、全反射ミラーＭと、偏光ビームスプリッタＰＢＳと、ビームスプリッタＢＳとで形成される。前記レーザダイオード６０ａ、６０ｂ、６０ｃは直線偏光のレーザビームを出力し、これらの偏光方向はそれぞれ図７に矢印で示す方向に設定されている。
【００４４】
すなわちレーザダイオード６０ａと６０ｃは、ビームスプリッタＢＳおよび全反射ミラーＭに対する入射平面波の電界の振動面が入射面（入射光と反射光を含む平面）に平行な偏光（Ｐ偏光）となるように、その取付角度が設定されている。またレーザダイオード６０ｂは、偏光ビームスプリッタＰＢＳに対する入射平面波の電界の振動面が入射面に垂直となる偏光（Ｓ偏光）となるように、その取付角度が設定されている。
【００４５】
そしてレーザビーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃはこの合波光学系７２によりほぼ１つのレーザビームＬｏに合波される。なおこの合波されたレーザビームＬｏは図７では１本のビームとして表しているが、実際には、互いに分かれた３本の共軸ではないビームから成るものである。
【００４６】
この合波レーザビームＬｏは、さらにビームエキスパンダレンズ７４および７６においてビーム径の拡大・変更が行われる。その後開口板７８においてフレア光（迷光）の除去と光束径の制御とが行われる。このビームＬｏはさらにビーム径制御装置８０を通り、ドラム（円筒）８２の中心軸に沿ってドラム８２内に導かれる。ドラム８２の中心軸上には、光走査器としてのスピナー８４が設けられている。
【００４７】
このスピナー８４は中心軸（回転軸）に対して４５°の反射面を持ち、モータにより高速回転される。なおこのモータにはロータリーエンコーダ８６が取付けられ、スピナー８４の回転角（θ＝ωｔ）が検出される。すなわち所定回転角ごとに出力されるパルス信号ｐと、１回転の基準位置を示す基準位置信号Ｐ 0 とが出力される。なおこのスピナー８４に導かれるビームＬOは、回転軸上にある集光レンズ８８によって、ドラム８２の内周面あるいは記録シートに合焦する。９０は制御手段であり、このスピナー８４の回転角θに同期してＡＯＤを制御し、主走査線の湾曲と間隔の修正を行う。
【００４８】
この実施態様で、ビーム径制御装置８０として図３〜５に示した透明板Ｐや迂回光路を用いる。このビーム径制御装置８０により３本の光ビーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃの記録面上での集光ビーム径を同時に変えることができる。例えば記録密度が高い場合にはビーム径制御装置８０の透明板を除き、またはプリズムＰZ1を除いてビーム径を絞る。また記録密度が低い場合には透明板を入れまたはプリズムＰZ1を入れかつＰZ2およびＰZ3を移動してビーム径を拡大させればよい。
【００４９】
以上の実施態様は、この発明のビーム径制御方法、装置を光ビーム走査装置に適用したものであるが、本発明はこれ以外の装置に適応してもよい。例えばレーザビームを用いて画像の読取りを行う装置、レーザビームを用いた加工装置、医用装置、計測装置などでビーム径を変える場合に適用できる。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１の発明は、レーザビームの光束の一部にレーザビームの可干渉長以上の光路長差を付与することによりビーム径を変えるものであるから、開口絞りを用いる方法に比べて光利用効率が高くなる。また構成が簡単で、複雑で高価な光学系やズーム径が不要であるから安価である。
【００５１】
ここに用いるレーザビームは、半導体レーザが射出する縦マルチモードのものが適する（請求項２）。これに代え、高周波重畳により縦マルチモード化した半導体レーザを用いることもできる（請求項３）。
【００５２】
光路長差を与えるための透明板は、レーザビームの光束の中央においた円柱状の平行平板とすることができる（請求項４）。この場合透明板はレーザビームの全光束が通る透明支持板に保持することができる（請求項７）。円柱状の平行平板に代えて、円環状のものを用いることもできる（請求項５）。これら透明板や透明支持板は、レーザビームの平行ビーム（コリメートビーム）中に置くのがよい（請求項６）。
【００５３】
透明板に変えて、レーザビームの一部の光束をプリズムにより迂回させる迂回光路を用いてもよい（請求項８）。この場合迂回光路長は十分に大きくできるから可干渉距離が比較的長いレーザを用いることが可能になる。
【００５４】
このビーム径制御装置は、レーザビームを記録面上で走査させて画像を記録する光ビーム走査装置に適用することができる（請求項９）。またレーザビームを画像上で走査させて画像を読取る光ビーム走査装置も適用できる（請求項１０）。これらの場合には、記録密度あるいは読取り密度の変化に対応してビーム径を容易に変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図
【図２】その光ビームの強度分布を示す図
【図３】ビーム径制御装置の実施態様を示す図
【図４】ビーム径制御装置の他の実施態様を示す図
【図５】ビーム径制御装置の他の実施態様を示す図
【図６】光ビーム走査装置へ適用した実施態様を示す図
【図７】他の光ビーム走査装置へ適用した実施態様を示す図
【符号の説明】
１０、６０ 半導体レーザ
１２、６２ レーザビーム
１４ コリメータレンズ
１６、８０ ビーム径制御装置
１８、８８ 集光レンズ
Ｐ 透明板
ＰS 透明支持板
ＬＳ 集光レンズ
ＷO、ＷA、ＷB 波面
Ｓ 記録面
Ｌ 光路長差
ＰZ1、ＰZ2、ＰZ3 迂回光路を形成するプリズム

Claims (10)

  1. レーザビームを集光レンズによって記録面上に集光し、この集光ビームのビーム径を拡大するためのビーム径制御装置において、前記集光レンズに入射する前にレーザビームの光束の一部にレーザビームの可干渉長以上の光路長差を付与するように厚さもしくは屈折率を設定した平行平板からなる円形または円環状の透明板を設け、前記透明板の通過光による像と非通過光による像との強度分布の足し合せによりビーム径を拡大することを特徴とするビーム径制御装置。
  2. レーザビームの光源は、縦マルチモードの半導体レーザである請求項１のビーム径制御装置。
  3. レーザビームの光源は、高周波重畳により縦マルチモード化した半導体レーザである請求項１のビーム径制御装置。
  4. 透明板はレーザビームの光束の中心に置かれた円柱状の平行平板である請求項３のビーム径制御装置。
  5. 透明板はレーザビームの光束の外周に沿って置かれた円環状の平行平板である請求項１のビーム径制御装置。
  6. 透明板はレーザビームの平行ビーム内に置かれている請求項１〜５のいずれかのビーム径制御装置。
  7. 透明板はレーザビームの全光束が通る透明支持板に保持されている請求項４のビーム径制御装置。
  8. レーザビームを集光レンズにより記録面上に集束させ、この集束したビーム径を変えるためのビーム径制御装置において、前記集光レンズに入射する前にレーザビームの中心の円形の光束またはその外側の円環状の光束を迂回させる光路長可変な迂回光路を備え、迂回光路を通る光束と通らない光束との光路長差がレーザビームの可干渉長より大になるように前記迂回光路の光路長を設定しかつ連続可変とし両光束の像の強度分布の足し合せによりビーム径を拡大しかつ連続可変にすることを特徴とするビーム径制御装置。
  9. 記録面上に画像の記録を行う記録密度可変な光ビーム走査装置に用いられ、記録密度の変化に対応して透明板を着脱可能とした請求項１のビーム径制御装置。
  10. 記録面上に置いた画像を読取る読取り密度可変な光ビーム走査装置に用いられ、読取り密度の変化に対応して透明板を着脱可能とした請求項１のビーム径制御装置。
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