JPH0462568B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光デイスクやレーザービームプリン
ター等レーザー光を光源に用いて結像レンズによ
り光を絞り込んで点像を得るレーザー光用結像光
学系に関する。

従来技術とその問題点 光デイスクやレーザービームプリンター等の結
像光学系では、回折限界に近い性能を持つ結像レ
ンズによりレーザー光を絞り込んでスポツトを得
る。この場合、該スポツトのサイズＳは、入射す
る光ビームのビーム径Ｄと結像レンズの焦点距離
ｆによつて定まる光ビームのＦナンバー（Ｆ＝
ｆ／Ｄ）により、 Ｓ＝ｋ・λ・Ｆ（ｋ：定数，λ：波長） ……(1) で与えられる。

従来では、上記結像光学系の光源としては、
He−Neレーザー、Arレーザー等が用いられて
いたが、近年、小型軽量であり且つ出力光の強度
を直接変調できるという利点を持つた半導体レー
ザーを光源とする結像光学系が多くなつてきてい
る。半導体レーザーはビーム状ではなく広がつた
光として発光されるため、かかる結像光学系は、
第６図ａに示す如く、射出されたレーザー光を、
まず、コリメートレンズ１により平行光とした
後、結像レンズ２でスポツトに絞り込むという光
学的な構成が採られるのが普通であるが、半導体
レーザーは、その構造上、第５図に示す如く、接
合面Ａに垂直な方向（以下、方向という。）と
平行な方向（以下、方向という。）とで広がり
角（θ〓，θ〓）が異なり、また、レーザー光自体の
射出点も、方向と方向とではずれ、いわゆる
非点隔差asをもつた状態になつている。

従つて、上記結像光学系の光源として半導体レ
ーザーを使用する場合には、第１に、半導体レー
ザー特有の広がり角の非等方性により、コリメー
トレンズ１によつてほぼ平行光となつた後のビー
ムは必然的に楕円形状になるので、前記(1)式に従
えば結像レンズ２によつて絞り込まれるスポツト
の形状もまた楕円形状になつてしまうという欠点
を有する。

なお、光源が非点隔差を有する場合には、回転
対称なコリメートレンズ１によつては完全な平行
光を得ることはできず、少なくともいずれかの方
向において発散、あるいは収束光となる。ただ
し、現実には非点隔差の量は僅かであり、平行度
のずれ僅かであるため、図中ではコリメートレン
ズ射出後の光束は平行光として示されている。

即ち、具体的には、 θ〓＞θ〓よつて D〓＞D〓 ∴S〓 ＝ｋ・λ・ｆ／D〓＜ｋ・λ・ｆ／D〓＝S〓 ここで、 θ〓は、方向の広がり角 θ〓は、方向の広がり角 D〓は、コリメートされた方向のビーム径 D〓は、コリメートされた方向のビーム径 S〓は、方向のスポツト径 S〓は、方向のスポツト径 となる。

また、第２に、方向のレーザー光の射出点
は、方向のレーザー光の射出点より非点隔差as
だけ半導体レーザーの奥から出射されるため、
方向のレーザー光の像点と方向のレーザー光の
像点とはずれてしまうという欠点も有する。

即ち、前記結像光学系の倍率ををｍとすると ｍ＝f_L／fc ……(2) ここでf_L：結像レンズ１の焦点距離 fc：コリメートレンズ２の焦点距離 で与えられるが、縦倍率はm²であるので半導体レ
ーザーの非点隔差をasとし、方向のレーザー光
の像点を基準とすると、方向のレーザー光の像
点は第６図ｂに示す如くm²・asだけ物点側にずれ
てしまい、方向のレーザー光の像点を基準と考
えれば、方向のレーザー光の像点は、第６図ｃ
に示す如くm²・asだけ像点側にずれてしまうこと
になる。

上記第１の欠点については種々提案がなされ解
決が図られている。即ち、半導体レーザーの広が
り角の非等方性を補正し、スポツト形状を円又は
必要に応じてある比率をもつた楕円にするために
は、次の様な２つの方法がある。

第１の方法は、結像光学系の任意の場所にスリ
ツトを設けるか又はコリメートレンズの開口を小
さくして広がり角の広いの方向のレーザー光を
けつてしまう方法であるが、この方法は、簡易で
はあるがエネルギー効率が悪くなつてしまう。

また、第２の方法としては、コリメートレンズ
と結像レンズとの間にアフオーカルなアナモフイ
ツク光学系を配するとか、アナモフイツクな結像
レンズを用いて、結像光学系全体をアナモフイツ
クな構成にし、結像するレーザー光のＦナンバー
をの方向との方向とで調整するものであり、
この方法では、アナモ比を調整することで任の楕
円比をもつスポツト形状を得ることができる。

しかしながら、これらの方法では、前記第２の
欠点即ち、半導体レーザーなどのレーザー光が有
する非点隔差によつて生ずる像点のずれを解決す
ることはできない。

尚、半導体レーザーなどのレーザー光の非点隔
差を補正するには、一般に補正用シリンダーレン
ズを用いる方法があり、これは半導体レーザーと
コリメートレンズの間又はコリメートレンズの後
に、補正用シリンダーレンズを配し、の方向と
の方向とで見かけの物点が一致する様したもの
であるが、この方法では、補正用シリンダーレン
ズの曲率が大きくなつて製作が困難であり、シリ
ンダーレンズを入れたことにより収差を発生して
しまうという難点がある。

目 的 本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので
あり、アナモフイツクな結像光学系を前提として
補正用シリンダーレンズによらず特異なやり方で
上記第２の欠点を解決したレーザー光用結像光学
系を提供せんとするものである。

構 成 以下、図面に従つて本発明の基本的な構成につ
いて説明する。

半導体レーザー等のレーザー光の射出点は、前
に述べたように点光源として扱えず方向の射出
点は、方向の射出点より奥から射出され光源と
して非点隔差をもつ形になつたものが多い。

一方、アナモフイツクな結像系においては、あ
る方向（以下、方向という。）とそれに直交す
る方向（以下、方向という。）とで横倍率m₁，
m₂が異なつているが、一般的には、第１図ａに
示す如く、基準位置において物点と像点とは、
夫々の断面で一致する配置になつている。

なお、この明細書では、点光源から発した光束
がアナモフイツクな結像光学系の角倍率による影
響を受けても非点収差を持たずに一点に結像する
場合に、当該点光源の配置された位置を基準物
点、その場合の像点を基準物点と定義する。

具体的には、例えば、コリメートレンズ、アフ
オーカルアナモフイツクプリズム、結像レンズか
ら構成されるアナモフイツク結像光学系の場合に
は、コリメートレンズの前側焦点が基準物点とな
る。すなわち、この場合には、アフオーカルアナ
モフイツクプリズムに入射する光束は平行光束と
なり、光束はプリズムの角倍率によりその幅は変
化するが、プリズム射出後も平行光束であり、結
像レンズにより一点に結像する。

ところが、この基準物点位置から光源がずれる
とアナモフイツクな結像系は、上述の如く方向
と方向とで横倍率m₁，m₂が異なるので、第１
図ｂに示す如く、物点が基準物点位置からｘだけ
ずれると、夫々の方向の像点は基準像点位置から
m₁ ²x，m₂ ²xだけずれ、相互の像点は（m₂ ²−
m₁ ²）ｘだけずれてしまう。

半導体レーザー等のように光源がの方向の射
出点との方向の射出点とで非点隔差asだけずれ
がある場合、上記アナモフイツクな結像系の方
向、方向を該半導体レーザー等の方向、方
向に夫々対応させると、の方向の射出点を基準
物点に一致させる場合には、第１図ｃに示す如
く、方向の射出点は−as（尚、以下、光軸上の
物点より像点をみた方向を正と考える。）だけず
れ、その像点は、−as・m₂ ²だけ基準物点よりず
れてしまい、また、の方向の射出点を基準物点
に一致させる場合には、第１図ｄに示す如く、
の方向の射出点は、asだけずれ、その像点は、
as・m₁ ²だけ基準像点よりずれてしまうことにな
る。

そこで、半導体レーザー光のの方向の射出点
をアナモフイツクな結像光学系の基準物点よりα
だけずらすと、の方向の射出点は、基準物点よ
りα−asだけずれることになり、よつて像点も
m₁ ²α，m₂ ²（α−as）だけ基準物点からずれ、
の方向の像点からみたの方向の像点のずれは、 m₂ ²（α−as）−m₁ ²α ……(A) となる。

また、逆に、半導体レーザーのの方向の射出
点をアナモフイツクな結像光学系の基準物点より
βだけずらすと、の方向の射出点は、基準物点
よりβ＋asだけずれることになり、よつて像点も
m₂ ²β，m₁ ²（β＋as）だけ基準物点からずれ、
の方向の像点からみたの方向の像点のずれは、 m₁ ²（β＋as）−m₂ ²β ……(B) となる。

尚、上記(A)式及び(B)式は、の方向或はの方
向の像点を基準にするかの違いであり、α＝β＋
asの関係を用いれば(A)式及び(B)式の絶対値は一致
する。

従つて、上記(A)式及び(B)式からわかる様に、 α＝as／（１−m₁ ²／m₂ ²） 又は β＝as／（m₂ ²／m
₁ ²−１） ……(C) とすれば、の方向の像点との方向の像点と
は、基準物点より m₁ ²α＝m₂ ²β＝m₁ ²・m₂ ²・as／m₁ ²−m₂ ²位置で一致す
る。

すなわち、アナモフイツクな結像光学系を用い
る場合には、半導体レーザーの非点隔差による像
点のズレが生じないよう半導体レーザーと結像光
学系との位置関係を定めることが可能である。

更に、(C)式より、 m₁＞m₂であれば α＜０，β＜０ となり、この場合には、第１図ｅに示す如く半導
体レーザー等の光源を結像光学系から上記の量だ
け離す方向にずらすことになり、 m₁＜m₂であれば α＞０，β＞０ となり、この場合には第１図ｆに示す如く半導体
レーザー等の光源を結像光学系から上記の量だけ
近づける方向にずらせば良い。

なお、上記の説明では半導体レーザーを移動さ
せる例のみを述べたが、複数のレンズで構成され
る結像光学系の一部を光軸方向に移動させること
によつても同等の効果をえることができる。この
場合、最も半導体レーザーの近くに配置されるコ
リメートレンズを移動させることが好ましい。

また、上記の説明では、非点隔差の発生原因と
して半導体レーザーの特性のみに触れているが、
他の要因、例えばミラー、レンズの製造誤差によ
り発生する非点隔差も同様に補正することができ
る。

本発明は、レーザー光を発する光源と、光源か
ら射出されたレーザー光をスポツトに絞り込むア
ナモフイツクな結像光学系とを備え、光源を結像
光学系の基準物点からずらすことにより、あるい
は、結像光学系を構成する光学素子の一部を光軸
方向に移動させることにより、レーザー光の非点
隔差を補正することを特徴とする。

第１実施例の構成 第２図は、本発明の第１実施例を示す光学系の
配置図であり、該光学系は物点側から半導体レー
ザー１０と、半導体レーザー１０からの光を平行
光にするコリメートレンズ１１と、ビーム整形の
ためのアフオーカルアナモ系１２と結像レンズ１
３とから成るアナモフイツクな結像光学系であ
る。尚、この実施例をレーザープリンター用光学
系に用いた場合には、第２図の点線の位置にポリ
ゴンミラーが入り得る可能性がある。

このアナモフイツクな結像光学系においては、
の方向にアフオーカルアナモの作用しない方
向、の方向には、アフオーカルアナモの作用す
る方向を配してある。

ここで、の方向の広がり角θ〓はの方向の広
がり角θ〓よりも大きいので、例えば、円形のスポ
ツトを得るためには、アフオーカルアナモの入射
ビーム径に対する射出ビーム径の比率であるアナ
モ比ｌを ｌ＝sin（θ〓／２）／sin（θ〓／２） とし、その作用する方向においてビーム拡大系に
すればよい。

本実施例においては、の方向の射出点或は、
の方向の射出点をコリメートレンズ１１の前側
焦点位置よりも α＝as／１−l²或はβ＝as／１／l²−１ なる量だけずらして配置することを特徴とする。
以下、具体的に説明すると、光源が点光源であ
り、且つコリメートレンズ１１の前側焦点にある
場合、コリメートレンズ１１を射出した光は、
の方向、の方向とも完全な平行光となり、とも
に結像レンズの後側焦点に結像する。この状態に
おける物点、像点が前述した基準物点、基準像点
に該当する。ここで、コリメートレンズ１１の焦
点距離をfc、結像レンズ１３の焦点距離をf_Lと
し、アフオーカルアナモフイツクの作用する方向
の倍率をm〓、作用しない方向の倍率をm〓とする
と m〓＝f〓／rc m〓＝f_L／fcl で与えられる。

の方向の射出点を基準物点に配すると、の
方向の射出点は−asだけずれるのでその像点は −as・m〓²＝−as・f_L ²／fc²l² だけ基準像点よりずれ、 逆に、の方向の射出点を基準物点に配する
と、の方向の射出点は、asだけずれるもので、
その像点は、 as・m₁ ²＝as・f_L ²／fc² だけ基準像点よりずれる。

ここで、の方向の射出点を基準物点に合わせ
た状態からさらにαだけずらすと、の方向の射
出点はα、の方向の射出点は、α−asだけ基準
点からずれるのでそれぞれの像点は、 α・m₁ ²＝α・f_L ²／fc² （α−as）m〓²＝（α−as）・f_L ²／fc²l² だけ基準像点からずれるが、の方向に対する
の方向の相対的な像点のずれは、 （α−as）m〓²−αm〓²＝f_L ²／fc²l²〔（１−l²）α
− as〕である。

よつての方向の射出点を、ずらし量α＝
as／１−l²だけずらせば、の方向の像点との方 向の像点とは、基準像点から f_L ²／fc²・as／１−l² だけずれた位置で一致する。

また、の方向の射出点を基準物点に合わせた
状態からβだけずらすと、の方向の射出点は
β，の方向の射出点はβ＋asだけ基準物点から
ずれるので、それぞれの像点は、 β・m〓²＝β・f_L ²／fc²l² （β＋as）m〓²＝（β＋as）・f_L ²／fc² だけ基準像点からずれるが、の方向に対する
の方向の相対的な像点のずれは、 （β＋as）・f_L ²／fc²−β・f_L ²／fc²l² ＝f_L ²／fc²〔（１−１／l²）β＋as〕 である。

よつて、の方向の射出点をずらし量β＝
as／１／l²−１だけずらせば、の方向の像点と の方向の像点とは、基準像点から f_L ²／fc²・as／１−l² だけずれた位置で一致する。

尚、ずらす方向については、先にも述べたよう
にm〓＞m〓即ちｌ＞１であれば、 半導体レーザー等の光源を結像光学系から離す
方向にずらすことになり、 m〓＜m〓即ちｌ＜１であれば、 半導体レーザー等の光源を結像光学系に近づけ
る方向にずらせば良い。

また、上記実施例においては、半導体レーザー
等のの方向にアフオーカルアナモの作用しない
方向を、の方向にアフオーカルアナモの作用す
る方向を配した場合のみを説明したが、の方向
にアフオーカルアナモの作用する方向を、の方
向にアフオーカルアナモの作用しない方向を配し
た場合にも、アナモ比ｌが逆数になるのみで他は
同様である。

また、上記アフオーカルアナモ系１２の具体的
な実施例として第３図ａ，ｂ，ｃに示されるもの
がある。

第３図ａはアフオーカルアナモ系１２として使
用されるシリンダーレンズの一例を示す斜視図で
ある。このシリンダーレンズは入射光と射出光の
光軸がずれないという長所があるが、シリンダー
面では本質的に収差が発生し、さらにシリンダー
レンズの軸ずれ、回転等があると収差が著しくふ
えてしまうため加工、取り付けに際して高い精度
が要求される。

第３図ｂはプリズム２個を用いた場合の一例を
示す側面図である。本実施例ではプリズム２個を
用いることにより入射光と射出光を平行にするこ
とができると共に、プリズムが平面で構成されて
いるため平面波に対して収差を発生せず、上記シ
リンダーレンズを用いる場合と比べて製作、組み
立てが容易であるという長所を有するが、入射光
と射出光が平行にずれてしまい同軸とならないと
いう問題がある。

第３図ｃは本件出願人が先に出願した特願昭59
−46748号に記載されたプリズムの一例を示す側
面図である。本実施例は第３図ｂの実施例と同じ
く２個のプリズムを用いたものであるが、上記実
施例の長所を有すると共に、入射光と射出光の光
軸ずれをなくしている。一般にプリズムを３個以
上用いるかミラー２個のプリズム以外に用いれば
本実施例と同様の効果を得られるが、本実施例の
場合、部品点数も少なくてすむため加工、取り付
けに際しての工数の削減及び装置の小型化をめざ
す上でメリツトがある。

第２実施例の構成 第４図は、本発明の第２実施例を示す光学系の
配置図であり、該光学系は物点側から半導体レー
ザー１０と、半導体レーザー１０からの光を平行
光にするコリメートレンズ１１と、ビーム整形及
び結像のためのアナモフイツクな結像レンズ１４
とから成るアナモフイツク結像光学系である。コ
リメートレンズ１１を射出した光束の断面形状は
破線で示したように楕円形であるが、アナモフイ
ツクな結像レンズ１４を射出した後は断面が円形
となる。尚、この実施例をレーザープリンター用
光学系に用いた場合は、第４図の点線Ｐの位置に
ポリゴンミラーが入り得る可能性がある。

アナモフイツクな結像レンズ１４は、無限遠の
物点からの光束に相当する平行光束が入射した場
合に、その光束を一点に結像させる機能を有して
いる。この場合の像点を焦点と考えることができ
る。一方、焦点距離を決定するもう一方の要素で
ある主点の位置は、アナモフイツクな要素に垂直
な断面と水平な断面とで異なつている。したがつ
て、結像レンズ１４の焦点距離は、各断面におい
て異なる値となる。

ここで、上記２つの方向にの方向及びの方
向を対向させ、の方向の焦点距離をf〓，の方
向の焦点距離をf〓とすると、例えば、円形のスポ
ツトを得るには、 f〓／f〓＝sin（θ〓／２）／sin（θ〓／２） とすれば良い。

この実施例においては、の方向の射出点或は
の方向の射出点をコリメートレンズの前側焦点
位置よりも α＝as／１−f〓²／f〓² 或は β＝as／f〓²／f〓²
−１ なる量だけずらして配置することを特徴とする。

以下、具体的に説明すると、コリメートレンズ
１１の焦点位置から発した光は、コリメートレン
ズ１１で平行光となりアナモフイツクな結像レン
ズ１４の焦点に結像する。

これを、基準物点、基準像点とする。

ここで、コリメートレンズの焦点距離をfcとし
て、本実施例におけるアナモフイツクな光学系の
倍率をの方向との方向でm〓，m〓とすると、 m〓＝f〓／fc m〓＝f〓／fc で与えられる。

の方向の射出点を基準物点に配するとの方
向の射出点は−asだけずれるのでその像点は −as・m〓²＝−as・f〓²／fc² だけ基準像点よりずれ、 逆にの方向の射出点を基準物点に配すると、
の方向の射出点はasだけずれるのでその像点
は、 as・m〓²＝as・f〓²／fc² だけ基準像点よりずれる。

ここで、の方向の射出点を基準物点に合わせ
た状態からさらにαだけずらすと、の方向の射
出点はα、の方向の射出点はα−asだけ基準物
点からずれるのでそれぞれの像点は α・m〓²＝α・f〓²／fc²， （α−as）m〓²＝（α−as）・f〓²／fc² だけ基準像点からずれるが、の方向に対する
の方向の相対的な像のずれは f〓²／fc²｛（１−f〓²／f〓²）α−as｝ である。

よつての方向の射出点をずらし量 α＝as／１−f〓²／f〓² だけずらせば、の方向の像点との方向の像点
とは基準像点から １／fc²・f〓²f〓²as／f〓²−f〓² だけずれた位置で一致する。

また、の方向の射出点を基準物点に合わせた
状態からさらにβだけずらすと、の方向の射出
点はβ、の方向の射出点はβ＋asだけ基準物点
からずれるので、それぞれの像点は、 β・m〓²＝β・f〓²／fc²， （β＋as）m〓²＝（β＋as）・f〓²／fc² だけ基準像点からずれるが、の方向に対する
の方向の相対的な像点のずれは f〓²／fc²｛（１−f〓²／f〓²）β＋as｝ である。

よつての方向の射出点をずらし量 β＝as／f〓²／f〓²−１ だけずらせば、の方向の像点との方向の像点
とは、基準像点から １／ｆ・f〓²f〓²as／f〓²−f〓² だけずれた位置で一致する。

尚、ずらす方向については f〓＞f〓であれば 半導体レーザー等の光源を結像光学系から離す
方向へずらすことになり、 f〓＜f〓であれば 結像光学系に近づける方向にずらせば良い。

効 果 以上説明したように、この発明によれば、半導
体レーザーの発光特性、あるいは他の光学素子の
製造誤差等に基づく光束の非点隔差を、シリンダ
ーレンズ等の補正素子を用いることなくアナモフ
イツク光学系と非点隔差を発生する素子との位置
関係を適宜設定することにより補正することがで
き、良好な結像性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは本発明の基本
的な構成を示す説明図、第２図は本発明の第１実
施例を示す光学系の配置図、第３図ａ，ｂ，ｃは
第２図に使用されるアフオーカルアナモ系の具体
例を示す図、第４図は本発明の第２実施例を示す
光学系の配置図、第５図は半導体レーザーの特性
を示す図、第６図ａ，ｂ，ｃは従来例の説明図で
ある。 １０……半導体レーザー、１１……コリメート
レンズ、１２……アフオーカルアナモ系、１３…
…結像レンズ、１４……アナモフイツクな結像レ
ンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザー光を発する光源と、該光源から射出
   されたレーザー光をスポツトに絞り込む作用を有
   し、一点からの射出光を非点収差なしに一点に結
   像することができる基準物点を持つアナモフイツ
   クな結像光学系とを備え、前記基準物点に配置さ
   れた光源を前記結像光学系に対して光軸方向に移
   動させ、あるいは、前記結像光学系の少なくとも
   一部を前記基準物点に配置された光源に対して光
   軸方向に移動させることにより、前記レーザー光
   の非点隔差を補正することを特徴とするレーザー
   光用結像光学系。 ２ 前記アナモフイツクな結像光学系は、前記光
   源側から順に、等方的なコリメートレンズと、ア
   フオーカルアナモフイツク系と、焦光レンズとか
   ら構成され、前記コリメートレンズを光軸方向に
   移動させることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のレーザー光用結像光学系。 ３ 前記光源は、前記コリメートレンズの焦点位
   置外に配置されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載のレーザー光用結像光学系。 ４ レーザー光を発する光源と、該光源から射出
   されたレーザー光をスポツトに絞り込む作用を有
   し、一点からの射出光を非点収差なしに一点に結
   像することができる基準物点を持つアナモフイツ
   クな結像光学系とを備え、前記結像光学系の少な
   くとも一部であつて、光束を発散、収束させる作
   用を有する光学素子を含む部分を光軸方向に移動
   させることにより、前記レーザー光の非点隔差を
   補正することを特徴とするレーザー光用結像光学
   系。