JPH03267912A - 光走査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要コ 放物面鏡を用いて、レーザ・スポット・ビームを走査す
る光走査方法及び装置に関し、走査ビーム径を小さくし
て、解像度を高めることを目的とし、 回転可能な偏向ミラーによる偏向ビームを放物面鏡を用
いて所定方向に走査する際に、入射ビームの平行度ある
いは径を走査位置に従って変化させるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、放物面鏡を用いて、レーザ・スポット・ビー
ムを走査する光走査方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、集光されたレーザビームを走査する光学系では
、レーザ光源からのレーザビームを回転多面鏡（ポリゴ
ンミラー）により走査し、Ｆ−ｅレンズ系により記録媒
体上に収束する。一方、高価なＦ−ｅレンズ系の代わり
に、放物面鏡（バラポリツクミラー）を用いた光学系も
開発、実用されている（例、特開昭５２−４１０９号公
報、同５２−５６５４７号公報、同５６−１５５９１６
号公報、等）。

放物面鏡を用いた光学系は周知の如く、Ｆ−ｅレンズ系
を用いた光学系に比較し次の如き利点がある。

（１）鏡であるため波長には左右されず、従って色収差
がない。

（２）比較的大きな走査長を簡単に得ることができる。

（３）高性能システムを比較的廉価に実現出来る。

（４）多量の反射光を検出することが可能である。

しかしながら、その反面、放物面鏡を用いた光学系にお
いては、入射ビームの光軸と反射ビームの光軸とをずら
す必要があるため、即ち、両ビーム間に所謂、軸外し角
を付す必要があるため（さもなければ、反射ビームは入
射ビームに一致してしまい検出出来ない）、投影面上で
走査ビームが湾曲するという欠点がある。

走査ビームの湾曲は例えば、ＰＯＳシステムにおけるビ
ームスキャナとして用いられる場合には読み取り誤差の
要因となったり、あるいはレーザプリンタにおけるビー
ムスキャナとして用いられる場合には印字不良等の要因
となる等、種々の悪影響を及ぼす。

そこで本願出願人は、特開平１−３０６８１３号におい
て、投影面上でのこのような走査ビームの湾曲を補正し
て直線走査を実現し得る光学系を提案した。

放物面鏡を用いた光走査において、走査の端部でビーム
径が大きくなる理由について以下に更に詳しく説明する
。

放物面鏡を用いた光走査において、走査ビーム径は、■
回折限界、■錯乱円径、の二つに依存する。また、これ
ら二つは、入射ビーム径に依存する。

これらのよく知られた関係を第８図〜第１０図に示す。

まず、第８図に示すように、回折限界で決まるスポット
径は、入射ビーム径が大きい程、小さくなる関係がある
。一方、第９図に示すように、入射ビーム径と錯乱円径
は、はぼ比例する関係にある。錯乱円径とは、焦点を含
む平面において、光が幾何学的に持つ大きさである。走
査の中心では０であるが、それ以外ではある値を持つ。

第１０図は、光の走査位置と錯乱円径との関係を示す。

走査位置が中心から離れるにしたがって、錯乱円径は大
きくなる。

放物面鏡１１を用いた光の走査では、光の結像位置１３
は周知の如く、焦点を含む平面１０上にはならない（第
１１図）。即ち、半導体レーザ（光源）４からのレーザ
ビームは水平面内の所定方向から照射され、回転鏡（ポ
リゴンミラー、ガルバノミラ−等）５により所定方向に
反射、走査される。放物面鏡１１に照射したビーム１０
はそこで反射され、走査面（投影面）１３上に結像する
。

走査ビームは回転鏡５の回転に伴い放物面鏡１１への入
射位置が順次変化するが、放物面鏡１１はパラボナアン
テナの如き３次元湾曲形状を呈するために放物面鏡１１
での反射位置に応じて投影面１０からの光学距離が連続
的に変化し、その結果、投影面１０上での結像位置がず
れ、１３で示す如く湾曲する。このために、焦点を含む
平面１０上では、幾何学的に点に結像せず、これが錯乱
円径となる。

実際のビーム径は、■回折限界と■錯乱円径との和によ
って決まるが、そのいずれか大きい方に大きく依存する
。従って、第８図と第９図かられかるように、走査ビー
ム径を最小とする最適な入射ビーム径が存在する。また
、錯乱円径は、第１０図に示すように、走査位置によっ
て異なるから、最適なビーム径は走査位置によって変化
する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、これらの従来の方法には、次のような問
題がある。即ち、走査の中心部はビーム径を小さくでき
るが（５０Ｊａ１１φ程度）、走査の端部ではビーム径
を小さくすることができず、どうしても２００廊φ程度
の大きさになってしまうということである。

これは、放物面鏡による走査では、走査面上の走査端部
では、光が幾何学的にも一点に結像しないためである（
例えば、安部、検出、共著「放物面鏡による光ビーム走
査偏差補正法」、光学、第６巻第２号、１９７７年４月
参照）。

しかるに、走査ビーム径が小さい程解像度は高くなるか
ら、ビーム径はできるだけ小さくしたい。

本発明の目的は、走査ビーム径を小さくして、解像度を
高めることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１の本発明によれば、回
転可能な偏向ミラーによる偏向ビームを放物面鏡を用い
て所定方向に走査する際に、入射ビームの平行度を走査
位置に従って変化させることを特徴とする請求項１）。

また、第２の本発明によれば、回転可能な偏向ミラーに
よる偏向ビームを放物面鏡を用いて所定方向に走査する
際に、入射ビーム径を走査位置に従って変化させること
を特徴とする請求項２）。

上記第１の発明を実施する装置によれば、回転可能な偏
向ミラーによる偏向ビームを放物面鏡により所定方向に
走査する光走査装置において、入射ビームの平行度を走
査位置に従って変化させる装置を入射ビーム光路中に設
けたことを特徴とする請求項３）。

この入射ビームの平行度を変化させる装置は入射ビーム
光路中に光軸方向に可動に設けたコリメートレンズによ
り（ｉｉ＃求項４）、あるいは光軸に直交する面内にお
いて回転可能な一対のリング状シリンドリカルレンズに
より構成され（請求項６）、これらリング状シリンドリ
カルレンズは円周方向に焦点距離が変化する異径断面を
有する。

好ましくは、上記コリメートレンズは電圧変化に応じて
光軸方向の変位を与えるピエゾ素子により保持される（
請求項５）。

上記第２の方法発明を実施する装置によれば、回転可能
な偏向ミラーによる偏向ビームを放物面鏡により所定方
向に走査する光走査装置において、入射ビーム径を走査
位置に従って変化させる装置を入射ビーム光路中に設け
たことを特徴とする請求項７）。

上記入射ビーム径を変化させる装置は円周方向にアパチ
ャー幅が変化する回転可能なリング状スリットを有する
（ｒｆ＃求項８）。

また、入射ビーム径を変化させる装置は上記放物面鏡上
に形成された、その中心から端縁部に向かって幅が縮小
する略楕円形の反射防止マスクにより（請求項９）、あ
るいは偏向ミラーの面上に形成された、その中心から端
縁部に向かって幅が縮小する略楕円形の反射防止マスク
により構成（＃ｆ＃求項１０）することができる。

〔作　用〕

第１１図かられかるように、光の結像位置は、走査位置
が中心から離れるにしたがって、放物面鏡１１から遠く
なる。したがって、走査の中心では、入射ビームを平行
光とし、走査の端では、収束光とすることによって、焦
点を含む平面１０を結像面とすることができる。この結
果、走査端における走査ビーム径が小さくなり、解像度
が向上する。

入射ビームの平行度を制御する最も簡単な手段はコリメ
ートレンズであり、それを光軸方向に動かすことにより
焦点（結像位置）を変化させることができる。このコリ
メートレンズをピエゾ素子に保持させれば、印加電圧を
制御することによりコリメートレンズを光軸方向に変位
させることができる。

また、入射ビームの平行度を変化させる装置を円周方向
に焦点距離が変化する異径断面を有する一対のリング状
シリンドリカルレンズにより構成し、これを光軸と直交
する面内において回転させれば、同様に結像位置を任意
に変化させることができる。

本発明の第２の方法は、光の走査位置によって、入射ビ
ーム径を変化させるものである。

先に述べたように、光の走査位置によって、最適な入射
ビーム径は変化する。例えば、走査の中心では、錯乱円
径がＯなので、入射ビーム径は大きい程、走査ビーム径
は小さくなる。また、走査の端では、錯乱円径が大きく
なるので、入射ビーム径はある程度小さい方が走査ビー
ム径が小さくなる。したがって、入射ビーム径を制御す
ることによって、走査ビーム径をより小さくすることが
できる。

この方法で効果が大きいのは特に中心部であり、周辺部
との差が出るが、逆にこれは用途によっては大きい利点
となる。例えば、中心部だけを使って、高解像度を持つ
光走査を実現することができる。

上記入射ビーム径は円周方向にアパチャー幅が変化する
回転可能なリング状スリットを用いて簡単に制御できる
。

また、中心から端縁部に向かって幅が縮小する略楕円形
の反射防止マスクを放物面鏡あるいは偏向ミラーの面上
に形成すれば、ビームは走査端にいく程反射効率の低下
に応じてその径が小さくなる。

〔実施例〕

まず、入射ビームの平行度を変化させる方法を実施する
２つの実施例を示す。

尚、レーザの可変フォーカス機構として、例えば、Ｇｅ
ｎｅｒａｌ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ社の２ダイナミツク・フ
ォーカス・システムが市販されており、これを利用して
入射ビームの平行度を変化させることも勿論可能である
が、本発明ではそれとは別に以下の２つの実施例を提案
する。

第１．２図に示す実施例はピエゾ素子を利用したもので
ある。ピエゾ素子を用いることにより高速、高精度で物
体を振動させることができることが知られている。第１
，２図において、コリメートレンズ２１が入射ビーム光
路内に配設される。レンズ２１は光源４　（第１１図）
より後方の光路内であればどこでもよいが、例えば第１
１図に示す位置Ａに配置される。レンズ２１では第１．
２図に示される如く、光軸Ｘ方向に見てその４方を変形
可能なアーム２３を介してピエゾ素子２５に連結される
。ピエゾ素子２５はバランスを考慮して４方に配置した
が、基本的には少くとも１個のピエゾ素子２５のみでよ
い。従って、ピエゾ素子２５に印加する電圧を制御する
ことにより、アーム２３を介してレンズ２１を光軸Ｘ方
向に動かすことができる。それによりビームの結像位置
が常に平面１０　（第１１図）上にくるように焦点位置
を変化させることができる。即ち、平行度可変のレーザ
光源が実現できる。

尚、レンズ２１はピエゾ素子を用いる代りに、モ−タ駆
動のカムやねじ等により機械的に光軸方向に動かすこと
も可能である。

第３，４図は第２の実施例を示す。この実施例では、二
つのリング状シリンドリカル・レンズ３１３３を用い、
これらを同図のように直角に交差させることによって、
レンズの機能を持たせる。同一のシリンドリカルレンズ
を母線に垂直な面内での屈折作用が相殺し合うように直
交配置すれば通常の凸レンズを全く同様のレンズ３２と
して作用する。

各シリンドリカルレンズ３１．３３はその円周方向に焦
点距離が変化するように異径断面を有し、夫々の回転中
心０８，０２を中心として回転可能となっている。従っ
て、両コリメートレンズ３１．３３を同期して回転させ
ることにより焦点距離を連続的に変化させることができ
る。シリンドリカルレンズの回転はレーザの走査と同期
せしめられる。

第４図は第３図のシリンドリカルレンズを実際に組み込
んだ光学系の一例を示す。レーザ光源４から出た光をコ
リメート・レンズ２１ａで平行光にし、シリンドリカル
レンズ組立体（レンズ）３２で集光し、ピンホール２７
に通す。その後、もう一つのコリメートレンズ２１ｂを
通すことにより光が整形される。

本発明の第２の方法は、上述の如く光の走査位置によっ
て入射ビーム径を直接変化させるものである。

入射ビーム径を制御する３つの実施例を第５〜７図に示
す。

第１の方法は、第５図に示す実施例は、回転型可変アパ
チャー（スリット）を用いるものである。

即ち、アパチャー開口幅ｄが円周方向に変化するアパチ
ャー（円形スリットを有する円板）３５を第１１図に示
すＡの位置に設け、これを回転中心０゜を中心として矢
印方向に回転させればそこを通る入射ビーム３の径がア
パチャー３５の開口幅によって変化する。尚、アパチャ
ー３５の最大開口幅は入射ビーム３のビーム径よりも小
さい。アパチャー３５の回転は例えばモータ（図示せず
）により行うことができる。

第６図及び第７図は反射防止膜でマスクする実施例で、
第６図においては、放物面鏡の反射面１１ａ上に反射防
止膜のマスク４０をするものである。

斜線で示すマスク部分は光を反射しない。マスクの形状
は中心部を広く、周辺部を狭くすることによって走査端
においても中心部と同様な小さな入射ビーム径を実現す
ることができる。

第７図は偏向ミラー５としてポリゴンミラー５′を用い
る場合に、そのポリゴンミラー５′の各ミラー面５　ａ
　／に同様の反射防止膜のマスク４０を形成したもので
ある。第６図と同様に、斜線で示すマスク部は、光を反
射しない。中心部を広く、周辺部を狭くすることによっ
て、最適な入射ビーム径を実現する。

ポリゴンミラー５′は回転軸４２を中心としてモータ（
図示せず）により回転せしめられる。

〔発胡の効果〕

以上に記載した通り、本発明によれば、特に走査端での
走査ビーム径を小さくすることができ、解像度の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の１実施例に係る入射ビーム
の平行度制御装置を示す側面図及び正面図、第３図は別
の実施例に係る入射ビームの平行度制御装置（シリンド
リカルレンズ）を示す図解図、第４図は第３図に示すシ
リンドリカルレンズを組み込んだ光源部の光学系を示す
図、第５図は入射ビーム径を変化させる手段としての回
転型可変アパチャーを示す図、第６図及び第７図は入射
ビーム径を変化させる別の手段としての反射防止マスク
を夫々放物面鏡及びポリゴンミラーに設けた実施例を示
す図、第８図は入射ビーム径とスポット径との関係を示
す線図、第９図は錯乱円径と入射ビーム径との関係を示
す線図、第１０図は錯乱円径と走査位置との関係を示す
線図、第１１図は放物面鏡を用いた走査における光結像
位置のずれを説明する図。 ３・・・入射ビーム、　　　　５．５′・・・偏向ミラ
ー１１・・・放物面鏡、　　　　２１・・・コリメート
レンズ、２５・・・ピエゾ素子、 ３１．３３・・・シリンドリカルレンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転可能な偏向ミラー（５、５′）による偏向ビー
   ムを放物面鏡（１１）を用いて所定方向に走査する際に
   、入射ビーム（３）の平行度を走査位置に従って変化さ
   せることを特徴とする光走査方法。 ２、回転可能な偏向ミラー（５、５′）による偏向ビー
   ムを放物面鏡（１１）を用いて所定方向に走査する際に
   、入射ビーム径を走査位置に従って変化させることを特
   徴とする光走査方法。 ３、回転可能な偏向ミラー（５、５′）による偏向ビー
   ムを放物面鏡（１１）により所定方向に走査する光走査
   装置において、入射ビームの平行度を走査位置に従って
   変化させる装置を入射ビーム光路中に設けたことを特徴
   とする光走査装置。 ４、上記入射ビームの平行度を変化させる装置は入射ビ
   ーム光路中に光軸方向に可動に設けたコリメートレンズ
   （２１）を有することを特徴とする請求項３に記載の光
   走査装置。 ５、上記コリメートレンズは電圧変化に応じて光軸方向
   の変位を与えるピエゾ素子（２５）により保持されるこ
   とを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。 ６、上記入射ビームの平行度を変化させる装置は入射ビ
   ーム光路中に配置された、光軸に直交する面内において
   回転可能な一対のリング状シリンドリカルレンズ（３１
   、３３）を有し、これらリング状シリンドリカルレンズ
   は円周方向に焦点距離が変化する異径断面を有すること
   を特徴とする請求項３に記載の光走査装置。 ７、回転可能な偏向ミラーによる偏向ビームを放物面鏡
   により所定方向に走査する光走査装置において、入射ビ
   ーム径を走査位置に従って変化させる装置を入射ビーム
   光路中に設けたことを特徴とする光走査装置。 ８、上記入射ビーム径を変化させる装置は円周方向にア
   パチャー幅（ｄ）が変化する回転可能なリング状スリッ
   ト（３５）を有することを特徴とする請求項７に記載の
   光走査装置。 ９、上記入射ビーム径を変化させる装置は上記放物面鏡
   （１１）上に形成された、その中心から端縁部に向かっ
   て幅が縮小する略楕円形の反射防止マスク（４０）によ
   り構成されることを特徴とする請求項７に記載の光走査
   装置。 １０、上記入射ビーム径を変化させる装置は偏向ミラー
   （５′）の面上に形成された、その中心から端縁部に向
   かって幅が縮小する略楕円形の反射防止マスク（４０）
   により構成されることを特徴とする請求項７に記載の光
   走査装置。