JPH0727129B2 - レ−ザ光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明はレーザ光源を備えたレーザ光学系に関し、特に
詳細には半導体レーザから発せられた光を収束させた際
に収束スポットのまわりにサイドロープが生じることの
ないレーザ光学系に関するものである。

（従来の技術） 従来よりレーザ光学系は、各種走査記録装置および走査
読取装置における走査光発生手段等として広く用いられ
ている。中でもレーザ光学系のレーザ光源として半導体
レーザを用いたものは、半導体レーザはガスレーザ等に
比べて小型，安価で消費電力も少なく、また駆動電流を
コントロールすることによって出力を変化させるいわゆ
るアナログ直接変調が可能であり、走査記録装置におい
て用いられた場合には画像情報に応じて発せられる信号
により上記直接変調を行なえばよいので、極めて便利で
ある。

ところで上記レーザ光学系においては、レーザ光源から
発せられた光の光路上に、光束の中央部分の光のみを通
過させる開口を有するビーム径調整板が設けられる場合
がある。このようなビーム径調整板を配する目的は様々
であり、例えば光を収束させた際の焦点深度を増大させ
るために光路上に上記のような調整板を設けることが知
られている（特公昭58−20015号）。またレーザ光源が
半導体レーザである場合には、半導体レーザから発せら
れた光のうち、低出力領域の光も収束位置において収束
スポット径を増大させることなく用いるために、上記の
ビーム径調整板を設けることがある。以下半導体レーザ
の出力と収束スポット径との関係およびビーム径調整板
の機能について説明する。

半導体レーザから発せられる光には、レーザ発振光と自
然発光領域の光の２つがあることが知られており、半導
体レーザの駆動電流と、レーザ発振光と自然発光領域の
光の関係は第８図に示すものとなっている。図示のグラ
フのうち、線ａは駆動電流と自然発光領域の光（以下、
自然発光光と称する）の出力の関係を示し、線ｂは駆動
電流とレーザ発振光の出力の関係を示すものである。グ
ラフに示されるように、半導体レーザに電流を印加した
場合に、電流が閾値電流Ioを越えるまではレーザ発振光
は出力されず、自然発光光のみが出力する。自然発光光
は駆動電流が増加するにつれて少しずつその出力を増し
ていくが、電流の閾値Ioを越えてレーザ発振光が出力さ
れ、レーザ発振光の出力が大きくなると発光光全体に占
める割合はわずかとなり、実質的にレーザ発振光のみが
出力されるようになる。自然発光光とレーザ発振光を合
わせた、半導体レーザから発せられる総光量と電流の量
の関係は曲線ｃで表わされる。

ところで上記自然発光光は、レーザ発振光にくらべ種々
の角度成分が混在しているため、収束レンズにより収束
した際に、レーザ発振光ほど小さなスポット径に収束さ
せることができないという不都合がある。このため、半
導体レーザ光学系を、記録光を広いダイナミックレンジ
で変調して自然発光光が支配的な低出力領域の光まで用
いる必要がある走査記録装置に用いた場合には、低出力
領域のビーム径が大きくなって走査の空間分解能が損な
われてしまうといった問題が生じる。そこで本出願人
は、半導体レーザから射出される光の光路上に光束の中
央部分のみを通過させる開口を有するビーム径調整板を
設ければ、自然発光光についても収束スポット径を小さ
くすることができることを見出し、かかる調整板を備え
た半導体レーザ光学系を先に出願した（特願昭61−1963
52号）。

また、ビーム径調整板は、上述したように焦点深度を増
大させたり、半導体レーザにおいて自然発光光の収束ス
ポット径の拡大を防止するために設けられる他、コリメ
ータレンズ等光路上に設けられるレンズが、入射する光
の径よりも小径である場合にはレンズ全体が開口として
機能し、これらのレンズが実質的にビーム径調整部材と
なる場合がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、半導体レーザから発せられた光の光路上
に上記のようなビーム径調整部材を設けると、かかる部
材の開口の輪郭部分により光がけられるため、ビーム径
調整部材通過後の光を収束させると、所定の位置に収束
する０次光の周囲に微弱な光が１次光,2次光等として発
生するいわゆるサイドロープが出現する。このようなサ
イドロープが出現すると、例えばレーザ光学系を走査記
録装置において用い、収束した光を用いて画像情報の記
録を行なう際に画像のゴーストがあらわれる等、種々の
不都合が生じる。

そこで本発明は、ビーム径調整手段を備えたレーザ光学
系において、サイドロープの影響のない収束光を得るこ
とのできるレーザ光学系を提供することを目的とするも
のである。

（問題点を解決するための手段） 本発明のレーザ光学系は、印加される電流に応じて自然
発光領域の光およびレーザ発振光を発する半導体レー
ザ、該半導体レーザから発せられる光の光路上に設けら
れ、該光の中央部分の光のみを通過させる開口を有し、
該開口の縦横それぞれの大きさが、前記レーザ発振光の
放射角度に応じた強度分布における最大強度Ｌから該最
大強度の1/2の強度L/2までの範囲にある光を通過させる
開口の大きさを１とした場合に0.2〜1.5であるビーム径
調整部材とともに、該ビーム径調整部材を通過した光を
収束させる収束レンズ、および前記光の収束位置近傍に
設けられ、少なくとも１次元方向に光の通過を制限して
所定の位置に収束した０次光のみを通過させる空間フィ
ルタを備えたことを特徴とするものである。

なお、上記ビーム径調整手段の開口とは、輪郭部分にお
いて光にケラレが生じるものを意味し、スリット等の他
に、入射する光の径よりも小径のレンズ等も含むものと
する。また、収束位置近傍とは、収束位置を含む、サイ
ドロープの遮断に有効な範囲内の位置を意味するもので
ある。

（作用） 上記のようなレーザ光学系によれば、半導体レーザから
の光を自然発光領域からレーザ発振領域まで直接変調し
て使う場合、上記ビーム径調整部材を設けることによ
り、自然発光領域の光の集光スポット径の拡大を防止す
ることができる。

また、上記ビーム径調整部材を用いることによりサイド
ロープが発生するが、ビーム径調整部材を通過した光は
一旦収束レンズにより収束せしめれ、この収束位置にお
いて空間フィルタを通過することにより０次光のみが取
り出されるので、取り出された０次光を再び収束させれ
ば、サイドロープの生じない収束光を得ることができ
る。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

第１図は本発明のレーザ光学系の一実施例である半導体
レーザ光学系の概要を示す側面図である。

半導体レーザ１は電流を印加されることにより、この電
流量に応じた発光量の光1Aを発し、半導体レーザ１から
発振された光1Aは光路上に設けられたコリメータレンズ
２に入射した平行光とされた後、中央部に開口3aを有
し、半導体レーザ１から発せられた光1Aのうち、光束の
中央部分の光1A′のみを通過させるビーム径調整板３に
入射する。

前記半導体レーザ１は、印加される電流に応じて前述し
たレーザ発振光と自然発光光の２種類の光を発し、この
うちレーザ発振光は、第２図に示すように所定の放射角
度範囲内において一定の強度分布を示すものであり、放
射角度範囲の中心の強度が最大強度Ｌとなる。なおレー
ザ発振光はその縦と横とで広がり角の異なる断面形状が
楕円形の光であり、曲線ｌは縦方向と横方向とで勾配が
異なったものとなる。一方、自然発光光はレーザ発振光
とは異なり、種々の角度成分を有し、レーザ発振光が射
出されない方向にも射出される。

前記ビーム径調整板３は自然発光光が支配的な低出力領
域の光の収束スポット径を小さくしてレーザ発振光の収
束スポット径に近づけるために配されており、開口3aの
大きさを小さくする程低出力領域の光の収束スポット径
を小さくすることができる。収束スポット径縮小のため
の上記ビーム径調整板３の開口3aは、縦横共にその大き
さが、第２図に示す強度分布における最大強度Ｌから最
大強度の1/2の強度L/2までの範囲にあるレーザ発振光を
通過させる開口の大きさを１とした場合に0.2〜1.5の範
囲内にあるように形成されている。開口3aの具体的な形
状は、通過させる光束中央部の光の光量を上記範囲内に
あるようにすることのできるものであれば、任意に形成
してよく、例えば第３図（ａ）に示すような長方形であ
ってもよいし、第３図（ｂ）に示すような楕円形であっ
てもよい。光1Aはビーム径調整板３を通過した後、光路
上に設けられた後述する複数の光学素子を経て最終的な
収束位置７において収束するが、開口の大きさが上記0.
6である場合には、レーザ発振光が支配的な出力3mw時の
収束スポット径を１とした場合の自然発光光が支配的な
出力0.02mw時の収束スポット径は1.05となり、開口の大
きさが上記0.5である場合にも前記収束スポット径は1.6
となり、開口の大きさが上記0.2〜1.5の範囲内であれ
ば、ビーム径調整板を設けない場合に比べ十分な収束ス
ポット径縮小効果をあげることができる。また開口を小
さくする程ビーム径調整板３を通過する光の割合は減少
するが、開口の大きさが上記0.2の場合のレーザ発振光
の通過率は20％で用途によって許容できる範囲内とな
り、開口の大きさが1.5であれば通過率はほぼ100％とな
るので開口は上記0.2〜1.5の範囲内で必要な収束スポッ
ト径の精度および光量に応じて任意に設定すればよい。

ところで上記のようにビーム径調整板３を通過した光を
そのまま収束させると、開口3aの輪郭部によりけられる
光によって、第５図に示すように所定の位置に収束する
０次光1aの周囲に１次光1b、２次光1cといったサイドロ
ープが生じる。そこで本光学系においてはビーム径調整
板３の背後に収束レンズ４を設け、前述した最終的な収
束位置７の手前で一旦光1A′を収束させ、かつこの収束
位置に空間フィルタ５を設けて上記サイドロープをカッ
トするようになっている。空間フィルタ５は一例として
第４図に示すように開口5aを有する遮光板となってお
り、開口により０次光1aを通過させるとともに１次光1b
や２次光1cを遮光するものとなっている。開口5aの形状
は前記ビーム径調整板３の開口3aに応じて決められ、ビ
ーム径調整板３が前述のように光を２次元方向について
調整するものである場合にはサイドロープも２次元方向
に発生するので、２次元方向にサイドロープを遮光する
ことのできる形状であることが必要である。例えばビー
ム径調整板３の開口3aが第３図（ａ）に示すように長方
形である場合には、第４図（ａ）に示すように空間フィ
ルタ５の開口5aも長方形とし、開口3aが第３図（ｂ）に
示すように楕円形である場合には第４図（ｂ）に示すよ
うに空間フィルタ５の開口5aも楕円形にすればよい。ま
たビーム径調整板３を通過した光は、それぞれ開口3aの
長手方向についてより小さく集光するので、空間フィル
タ５の開口5aの長手方向とビーム径調整板３の開口3aの
長手方向は直交するように配される。また第５図に示す
ように０次光と、１次光の間には暗点Ｐがあり、暗点Ｐ
の幅をＷとすると、開口5aの幅は２次元方向についてそ
れぞれＷ±W/10の範囲内に設定するのがよい。開口5aの
幅がこの範囲内であれば、１次光を通過させてしまった
り、０次光の１部を開口5aがけって再び収束した光のス
ポット形状が乱れるといった不都合が生じない。

このように空間フィルタ５を通過して発散した光1aは、
収束レンズ６により再び収束せしめられて最終的な収束
位置７において結像する。収束位置７において光1aは前
記ビーム径調整板３の作用により低出力領域においても
小さなスポットに集束するとともに、空間フィルタ５の
作用により、第６図に示すようにサイドロープのない収
束光となる。なお、空間フィルタは上記実施例において
示したように遮光板に開口を設けたものに限られるもの
ではなく、中央部分の光のみを選択的に透過させる濃度
分布フィルタであってもよい。またビーム径調整板３が
光の調整を１次元方向にのみ行なうものである場合に
は、サイドロープは１次元方向にのみ発生するので、空
間フィルタも入射する光を１次方向にのみフィルタリン
グするものであればよい。

次に本発明による半導体レーザ光学系を光走査装置に組
み込んだ使用例を第７図を参照して説明する。

図示の装置において、半導体レーザ11から発せられた光
11Aはコリメータレンズ12を通過して平行光となった
後、開口13aを有するビーム径調整板13に入射する。光1
1Aはそのビーム形状が図中破線で示すように横長の楕円
形となっており、前記開口13aは光11Aの短軸方向（上下
方向）のみ通過を制限するものとなっており、ビーム径
調整板13を通過した光11A′はそのビーム形状がさらに
上下方向に縮められたものとなる。光11A′は次いで光
路上に設けられた収束レンズ14により収束せしめられた
後、収束位置に設けられた空間フィルタ15によりサイド
ロープが除去される。なお、光11A′のサイドロープは
上下方向にのみ生じており、空間フィルタ15の開口15a
は上下方向についてのみ、前述したようなサイドロープ
を除去するのに敵した幅となっており、左右方向につい
てはその大きさ光11A′のビーム径により大きくなって
いる。空間フィルタ15を通過した光11A′は球面レンズ1
6により一旦平行光とされた後、シリンドリカルレンズ
により上下方向にのみ収束せしめられて矢印Ａ方向に回
転する回転多面鏡18にその駆動軸に垂直な線像として入
射する。回転多面鏡18は光11A′を主走査方向に反射偏
向し、偏向された光11A′は２枚のレンズを組み合わせ
てなるｆθレンズ19を通過した後、光路上に主走査方向
に延びて設けられたシリンドリカルミラー20を通過し
て、矢印Ｂ方向に搬送される（副走査される）被走査面
21上をくり返し矢印Ａ′方向に主走査する。シリンドリ
カルミラー20は、入射した光11A′を被走査面21上に副
走査方向にのみ収束させるものとなっており、また前記
ｆθレンズ19から前記被走査面21までの路離はｆθレン
ズ19全体の焦点距離と等しくなっている。このように本
装置においてはシリンドリカルレンズおよびミラー17,2
0を配設し、光11A′が回転多面鏡18上で一旦副走査方向
にのみ収束させることにより、回転多面鏡18に面倒れや
軸ぶれが生じても被走査面21上において光11A′の走査
位置が副走査方向にずれることなく、等ピッチで副走査
方向にわれのない走査線を形成することができるものと
なっている。また、かかる走査装置における被走査面21
上の収束スポット径の精度は、副走査方向について特に
求められるとともに、サイドロープが副走査方向に発生
すると、画像にゴーストが生じるため、サイドロープに
ついても副走査方向について極力除去する必要がある。
本装置では、前述のように回転多面鏡入射前の光路にお
いて、副走査方向に相当する上下方向についてビーム径
調整板13により収束スポット径の調整を行なうととも
に、空間フィルタ15により上下方向のサイドロープの除
去を行なっているので、被走査面21上で、副走査方向に
ビームのボケやサイドロープの発生のない、高精度な走
査を行なうことができる。

なお、ビーム径調整部材は、ビーム径の調整を目的とし
て独立して設けられたものに限らず、例えばコリメータ
レンズの径が入射する光の径よりも小さく設定されてい
る場合には、コリメータレンズがビーム径調整手段とし
て作用することになり、本発明における空間フィルタは
このような場合にもサイドロープ除去手段として有効で
ある。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明のレーザ光学系によ
れば、半導体レーザからの光を自然発光領域からレーザ
発振領域まで直接変調して使う場合、上記ビーム径調整
部材を設けることにより、自然発光領域の光の集光スポ
ット径の拡大を防止することができる。

また、上記ビーム径調整部材を通過した光を一旦収束さ
せ、収束位置に空間フィルタを配したことにより、サイ
ドロープをカットすることができるので、空間フィルタ
を通過した光を再び収束させれば０次光のみからなる収
束光を得ることができる。従って本発明の光学系を用い
ればサイドロープのない収束光によりゴーストのない画
像の記録等を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明レーザ光学系の一実施例である半導体レ
ーザ光学系を示す側面図、 第２図はレーザ発振光の放射角度に応じた強度分布を示
すグラフ、 第３図（ａ），（ｂ）はビーム径調整板の開口の形状の
例を示す概略図、 第４図（ａ），（ｂ）は空間フィルタの開口の形状の例
を示す概略図、 第５図は空間フィルタ未通過の収束光の強度分布を示す
グラフ、 第６図は空間フィルタ通過後の収束光の強度分布を示す
グラフ、 第７図は本発明による半導体レーザ光学系を用いた光走
査装置の斜視図、 第８図は半導体レーザの駆動電流と、自然発光光および
レーザ発振光の出力の関係を示すグラフである。 １……半導体レーザ、1A,1A′……光 ３……ビーム径調整板、3a……開口 ４……収束レンズ、５……空間フィルタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】印加される電流に応じて自然発光領域の光
   およびレーザ発振光を発する半導体レーザ、 該半導体レーザから発せられる光の光路上に設けられ、
   該光の中央部分の光のみを通過させる開口を有し、該開
   口の縦横それぞれの大きさが、前記レーザ発振光の放射
   角度に応じた強度分布における最大強度Ｌから該最大強
   度の1/2の強度L/2までの範囲にある光を通過させる開口
   の大きさを１とした場合に0.2〜1.5であるビーム径調整
   部材、 該ビーム径調整部材を通過した光を収束させる収束レン
   ズ、および 前記光の収束位置の近傍に設けられ、少なくとも１次元
   方向に光の通過を制限して所定の位置に収束した０次光
   のみを通過させる空間フィルタを備えたレーザ光学系。