JPH04345134A - ビーム偏向装置 - 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】 【産業上の利用分野】

【０００１】本発明は音響光学素子を利用したビーム偏
向装置、特に音響光学素子による偏向角を拡大すること
ができるビーム偏向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ビーム偏向装置が広く用いら
れている。このビーム偏向装置では、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、光源から放射された光を音響光学素子に入射させ、
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たビーム偏向装置
は機械的駆動機構が不要であり、しかも高速走査が可能
になる種々の利点を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ビーム偏向装置では、
広い偏向角に亘ってビーム偏向できることが要求される
。しかしながら、音響光学素子を用いたビーム偏向装置
では、偏向できる最大の角度は用いる結晶体の特性によ
り定まり、高々±１゜程度の偏向角しか得られないのが
実情である。このように偏向角が微小であると、被走査
面上で所定の走査長を確保するためには、被走査面まで
の光路長を長くしなければならず、光学系が大型化して
しまう欠点があった。

【０００４】従って、本発明の目的は、音響光学素子を
用いたビーム偏向装置において、偏向角を一層大きくす
ることができるビーム偏向装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によるビーム偏向
装置は、偏向信号を発生する駆動回路と、この駆動回路
に接続され、入射ビームを偏向信号に応じた方向に偏向
する音響光学素子と、この音響光学素子の入射側に配置
され光源から放射された光ビームを拡大平行ビームに変
換する拡大光学系と、前記音響光学素子の出射側に配置
され音響光学素子によって偏向された光ビームを縮小平
行ビームに変換する縮小光学系とを具えることを特徴と
するものである。

【０００６】

【作用】図１は本発明によるビーム偏向装置の基本原理
を説明するための線図である。光源１から放射された光
ビームを２個のレンズ２ａ及び２ｂから成る拡大光学系
２により拡大平行ビームに変換し、この拡大平行ビーム
を音響光学素子３に投射して入射ビームを偏向信号に応
じた方向に偏向する。図面上偏向されずに通過する光ビ
ームを破線で示し、偏向された光ビームを実線で示す。 尚、説明を明瞭にするため、音響光学素子３への入射ビ
ームの光軸と出射ビームの光軸とをずらして図示した。 音響光学素子３の出射側に２個の凸レンズ４ａ及び４ｂ
から成る縮小光学系４を配置する。これら凸レンズ４ａ
及び４ｂはそれぞれ焦点距離ｆ１　及びｆ２　を有し、
凸レンズ４ａの前側焦点が凸レンズ４ｂの後側焦点と一
致するように配置する。音響光学素子３からの偏向ビー
ムは光軸Ｌに対して角度θ１　の偏向角をなすものとす
る。この偏向ビームは凸レンズ４ａによりその焦点面上
に結像する。この結像点は凸レンズ４ｂに対して物点と
して作用するから、凸レンズ４ｂを通過し縮小平行ビー
ムに変換されて出射する。この縮小光学系４の縮小率δ
はδ＝ｆ２／ｆ１で表わすことができる。この場合、幾
何光学の原理から明らかなように、縮小平行ビームは光
軸Ｌに対して角度θ２　をなし、この角度θ２　はθ２
　≒θ１　／δとして表わすことができる。この結果、
音響光学素子３からの偏向ビームの偏向角は　１／δ倍
だけ拡大されることになる。尚、この作用は、偏向ビー
ムの中心光線Ｌ１　が凸レンズ４ａの後側焦点−Ｆ１　
を通過するものとするとすれば、図１から容易に理解で
きる。すなわち、光線Ｌ１　は凸レンズ４ａの後側焦点
−Ｆ１　を通過した後光軸Ｌに対して平行光線となり、
前側焦点＋Ｆ１　（−Ｆ２）を通過し凸レンズ４ｂに入
射する。そして、凸レンズ４ｂの前側焦点＋Ｆ２　を通
過する。今、音響光学素子３の偏向角θ１　を　ｔａｎ
θ１　＝ｋ／ｆ１　とする。ここでｋは像高を表わす光
軸Ｌからの距離とする。偏向角θ１　は微小角であるか
らｓｉｎ　θ１　≒θ１　と近似すると、θ１　＝ｋ／
ｆ１　となる。一方、この光線Ｌ１　が凸レンズ４ｂを
出射した後の光軸となす角度θ２　は、　ｔａｎθ２　
＝ｋ／ｆ２　となる。また、ｓｉｎ　θ２　≒θ２　と
近似すると、θ２　≒ｋ／ｆ２　となる。この結果、θ
２≒θ１　・ｆ１　／ｆ２　＝θ１　／δが成立し、音
響光学素子３からの偏向ビームの偏向角は、縮小光学系
４の縮小率δの１／δ倍だけ拡大されることになる。

【０００７】上述した説明から明らかなように音響光学
素子からの偏向ビームを縮小平行ビームに変換すれば、
その縮小率の逆数にほぼ等しい倍率だけ偏向ビームの偏
向角を拡大することができる。このため、本発明では、
音響光学素子の入射側に拡大光学系を配置し出射側には
縮小光学系を配置して偏向角を拡大させる。拡大光学系
は、通常用いられているエキスパンダ光学系をそのまま
利用でき、或いはエキスパンダとは別に拡大光学系を配
置することもできる。また、拡大光学系の拡大率と縮小
光学系の縮小率の逆数は必ずしも一致させる必要はない
。しかし、一致させることにより拡大光学系と縮小光学
系とを同一の光学系で構成できる大きな利点を達成でき
る。また、拡大光学系及び縮小光学系は、光軸と直交す
る面内において二次元的に拡大及び縮小させてもよく、
或いは偏向方向に一次元的に拡大及び縮小する構成とす
ることもできる。偏向方向に一次元的に拡大及び縮小す
る場合、一方向に伸長した形状、すなわち直方形の断面
形状の音響光学素子を用いることができ、二次元的に拡
大及び縮小する場合に比べて音響光学素子の体積が小さ
くなり、安価な音響光学素子を用いることができる。

【０００８】

【実施例】図２は本発明によるビーム偏向装置をレーザ
顕微鏡に適用した例を示し、図２（ａ）　は全体構成を
示す線図、図２（ｂ）　はビーム偏向装置の構成を示す
線図である。レーザ光源１０から放射された光ビームを
エキスパンダ１１により拡大平行光束とし、この光ビー
ムを拡大光学系１２に入射させる。拡大光学系には第１
及び第２のシリンドリカルレンズ１２ａ及び１２ｂを有
し、図２（ｂ）　に示すように第１のシリンドリカルレ
ンズ１２ａの前側焦線が第２のシリンドリカルレンズ１
２ｂの後側焦線と一致するように配置する。そして、エ
キスパンダ１１からの光ビームを第１の偏向素子である
音響光学素子１３の偏向方向　（図２（ａ）　の紙面と
直交する方向）　に拡大された平行ビームに変換してか
ら音響光学素子１３に入射させる。音響光学素子１３は
トランスジューサ１３ａ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
）を接続して入射ビームを偏向信号に応じた方向に偏向
させる。本例では、入射ビームを紙面と直交する主走査
方向に高速偏向させるものとし、主走査方向に高速振動
する光ビームとして出射させる。尚、音響光学素子１３
は紙面と直交する方向に伸長した長方形断面のものを用
いる。音響光学素子１３の出射側に第１及び第２のシリ
ンドリカルレンズ１４ａ及び１４ｂを有する縮小光学系
１４を配置する。これら第１及び第２のシリンドリカル
レンズ１４ａ及び１４ｂは、拡大光学系１４のシリンド
リカルレンズと同一のものを用い、音響光学素子をはさ
んで対称になるように配置する。従って、縮小光学系１
４から出射するビームは、拡大光学系１２に入射する光
ビームと同一のビーム径になると共に、縮小光学系１４
の縮小率δの逆数だけ偏向角が拡大された光ビームとな
る。この光ビームはさらに収束レンズ１５及びリレーレ
ンズ１６並びにハーフミラー１７及び全反射ミラー１８
を経て第２の偏向素子である振動ミラー１９に入射する
。この振動ミラー１９は、光ビームを試料上の主走査方
向と直交する副走査方向（紙面内方向）に偏向して副走
査を行なう。振動ミラー１９で反射された光ビームは対
物レンズ２０により微小スポット状に集束されてから試
料２１に入射する。この結果、試料２１はそれぞれ所定
の走査周波数で主走査方向及びこれと直交する副走査方
向に走査されることになる。試料２１で反射した光ビー
ムは再び対物レンズ２０を経て振動ミラー１９及び全反
射ミラー１８で反射し、ハーフミラー１７を透過して微
小スポット状に収束された状態で、リニアイメージセン
サ２２に入射する。このリニアイメージセンサ２２は試
料２１に対してリレーレンズ１６と共役な位置に配置さ
れ、試料からの反射光を主走査方向の一ライン毎に受光
するように各素子が主走査方向に一次元的に配置されて
いる。そして、試料２１からの反射光を各素子により受
光して光電変換を行い、所定の読出し周波数で各素子に
生じた電荷量を読み出して画像信号を発生させる。

【０００９】図３は本発明によるビーム偏向装置の変形
例の構成を示す線図である。本例では、楔形プリズムを
用いて光ビームを一方向に拡大及び縮小させる。光源か
ら放射された光ビームを拡大光学系に入射させてビーム
拡大を行なう。拡大光学系は同一形状の第１及び第２の
楔形プリズム３０及び３１を有し、これら楔形プリズム
は３０゜，　６０゜，　９０゜の角度構成とする。入射
ビームは、第１の楔形プリズム３０の第１の面３０ａに
大きな入射角を以て例えば６０゜の入射角で入射させる
。入射ビームは第１の面３０ａで屈折し、一方に拡大さ
れ断面が楕円形の平行ビームとなって伝播し、第２の面
３０ｂにほぼ垂直に入射し、ほとんど屈折することなく
一方向に拡大された平行ビームとして出射する。この光
ビームは第２の楔形プリズム３１の第１の面３１ａにほ
ぼ６０゜の入射角で入射し、この第１面３１ａで屈折し
再びビーム拡大作用を受ける。そして、第２の面３１ｂ
にほぼ垂直に入射し一層拡大された平行ビームとして出
射する。このように楔形プリズムを用いて拡大平行光束
を発生させる場合、プリズムへの入射ビームの入射角を
出射ビームの出射角よりも大きくすることにより簡単に
行なうことができる。また、プリズムの屈折率並びに頂
角を適切に設定することにより、所望の入射角を得るこ
とができると共に出射角をほぼ０゜に設定することがで
きる。さらに、音響光学素子３２に対する入射角は第２
の楔形プリズム３１の角度を配置を調整することにより
所望の角度に自由に設定することができるので、第２の
楔形プリズム３１の光軸に対する角度配置を調整するこ
とにより用いる音響光学素子の特性に応じた入射角に設
定することができる。尚、この拡大光学系によるビーム
拡大率は第１の楔形プリズム３０による拡大率と第２の
楔形プリズム３１の拡大率との積で表わされるから、大
きな拡大率を得る場合多数個の楔形プリズムを用いれば
よいことになる。第２の楔形プリズム３１から出射した
拡大ビームは音響光学素子３２に所定の入射角で入射し
偏向作用を受けて出射して縮小光学系に入射する。 縮小光学系も同一形状の第１及び第２の楔形プリズム３
３及び３４を有し、これら第１及び第２のプリズムは拡
大光学の楔形プリズムと同一形状とし、音響光学素子３
２をはさんで拡大光学系と対称となるように配置する。 音響光学素子３２からの偏向ビームは第１のプリズム３
３の第１面３３ａに垂直に近い角度で入射し、第２面３
３ｂで屈折して出射する。この場合、出射ビームは拡大
光学系の第２のプリズム３１における拡大率の逆数にほ
ぼ等しい縮小率で縮小されて第２の楔形プリズム３４の
第１面３４ａにほぼ垂直に入射する。そして、第２面３
４ｂで屈折し、拡大光学系の第１の楔形プリズム３０に
おける拡大率の逆数にほぼ等しい縮小率で縮小され、ビ
ーム偏向装置への入射ビームのビーム径とほぼ等しいビ
ーム径の偏向ビームとして出射する。本例のように、拡
大光学系のプリズムと縮小光学系のプリズムとを音響光
学素子をはさんで対称に配置することにより拡大光学系
への入射ビームの光軸ｌ１　と縮小光学系からの出射ビ
ームの光軸ｌ２　とを同一直線上に位置させることがで
き光学系の光路設計の自由度を確保することができる。 尚、上述した実施例では２個の楔形プリズムを組合せて
拡大光学系及び縮小光学系を構成したが、勿論楔形プリ
ズム１個だけで構成することができ、或いは３個以上の
楔形プリズムを組み合せて用いることもできる。

【００１０】

【発明の効果】以上説明した本発明の効果を要約すると
次の通りである。 （１）　音響光学素子の入射側にビーム拡大光学系を配
置し出射側にビーム縮小光学系を配置しているから、音
響光学素子から出射した偏向ビームの偏向角を縮小光学
系の縮小倍率の逆数に等しい倍率だけ拡大することがで
きる。 （２）　拡大光学系及び縮小光学系楔系プリズムでそれ
ぞれ構成すれば、音響光学素子の偏向方向に一次元的に
拡大した光ビームを容易に発生させることができると共
に、楔形プリズムの角度配置を調整することにより音響
光学素子への入射角を音響光学素子の特性に応じて適切
に設定できる。この結果光路設計が一層容易になる。し
かも楔形プリズムはシリンドリカルレンズより安価であ
るからビーム偏向装置の製造コストを安価にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明によるビーム偏向装置の基本原理
を示す線図である。

【図２】図２は本発明によるビーム偏向装置を用いたレ
ーザ顕微鏡の一例の構成を示す線図である。

【図３】図３は本発明によるビーム偏向装置の変形例を
示す線図である。

【符号の説明】

１　　光源 ２　　拡大光学系 ３　　音響光学素子 ４　　縮小光学系

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　偏向信号を発生する駆動回路と、この
   駆動回路に接続され、入射ビームを偏向信号に応じた方
   向に偏向する音響光学素子と、この音響光学素子の入射
   側に配置され光源から放射された光ビームを拡大平行ビ
   ームに変換する拡大光学系と、前記音響光学素子の出射
   側に配置され音響光学素子によって偏向された光ビーム
   を縮小平行ビームに変換する縮小光学系とを具えること
   を特徴とするビーム偏向装置。
2. 【請求項２】　　前記拡大光学及び縮小光学系を、一方
   の前側焦線と他方の後側焦線とが互いに一致するように
   配置した２個のシリンドリカルレンズを有する光学系で
   それぞれ構成したことを特徴とする請求項１に記載のビ
   ーム偏向装置。
3. 【請求項３】　　前記拡大光学系及び縮小光学系が、少
   なくとも１個の楔形プリズムをそれぞれ有し、前記拡大
   光学系の楔形プリズムを、入射ビームのビーム径が一方
   向に拡大されるように光路中に配置し、前記縮小光学系
   の楔形プリズムを、入射ビームのビーム径が縮小される
   ように光路中に配置したことを特徴とする請求項１に記
   載のビーム偏向装置。
4. 【請求項４】　　前記拡大光学系が同一形状の２個の楔
   形プリズムを有すると共に、前記縮小光学系が前記拡大
   光学系の楔形プリズムと同一形状の２個の楔形プリズム
   を有し、これら楔形プリズムを前記音響光学素子をはさ
   んで互いにほぼ対称となるように配置し、前記拡大光学
   系への入射ビームの光軸と前記縮小光学系から出射する
   ビームの光軸とがほぼ同軸状になるように設定したこと
   を特徴とする請求項３に記載のビーム偏向装置。