JPH0973056A

JPH0973056A - 音響光学素子を用いた光学装置

Info

Publication number: JPH0973056A
Application number: JP25186695A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Yamazaki; 達也山崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】光源の波長変動に関わらず結像面で所期の位
置と所期の強度のレーザ光を得ることができる音響光学
素子を用いた光学装置を得ること。【解決手段】発振波長が変動する光源、該光源から発
したレーザ光を音響光学素子上に導光する導光手段、変
調信号を受信する変調信号受信手段、変調信号に応じて
該音響光学素子を駆動する音響光学素子駆動手段、そし
て同じ値を有する変調信号に対して少なくとも該音響光
学素子がレーザ光を回折する方向において、該光源の波
長変動に関わらず像面に照射されるレーザ光の位置を補
償する位置補償手段を有していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は波長の変動する光源
と音響光学素子を用いた光学装置に関するものである。
特に音響光学変調素子（ＡＯＭ）を用いて光源から発し
たレーザ光の強度を変調する光学装置、例えばレーザビ
ームプリンタ（ＬＢＰ）等の光学装置、また音響光学偏
向素子（ＡＯＤ）を用いて光源から発したレーザ光の進
行方向を偏向させる光学装置、例えばレーザ走査顕微鏡
等の光学装置に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりレーザ光源から発振するレーザ
光を音響光学素子を用いて画像信号に応じて強度変調
し、所望の画像を得る、例えばレーザビームプリンタや
レーザプロッタ等のレーザ画像記録装置（光学装置）が
種々と提案されている。また具体的な光学系の構成が、
例えば特公平１−１５０４７号公報に開示されている。

【０００３】図１０は従来のレーザビームプリンタの典
型的なＡＯＭを用いたレーザ画像記録装置の要部概略図
である。同図において１０１は光源であるＨｅ−Ｎｅレ
ーザ、１０２はビーム整形光学系、１０３はＡＯＭ、１
０４は集光レンズ、１０５はストッパ、１１１はピンホ
ール、１０６は入射レーザ光、１０７はＡＯＭ１０３で
透過した０次回折光、１０８はＡＯＭ１０３で回折され
た１次回折光、１０９はトランスデューサ、１１０は高
周波発振器である。

【０００４】同図においてＨｅ−Ｎｅレーザ１０１から
発振したレーザ光１０６はビーム整形光学系１０２で所
望のビーム径のレーザ光に変換され、ＡＯＭ１０３に入
射する。そしてＡＯＭ１０３を透過したレーザ光、即ち
０次回折光１０７はストッパ１０５で阻止され、強度変
調された１次回折光１０８は集光レンズ１０４により小
スポットに集光され、ストッパ１０５の一部に設けられ
たピンホール１１１を通過して不図示の記録媒体上に画
像を形成する。このとき生じた不図示の高次の回折光も
０次回折光１０７と同様にストッパ１０５で阻止され、
画像形成には寄与しない。

【０００５】ここで音響光学素子の原理である音響光学
効果について説明する。

【０００６】一般にＰｂＭ_O Ｏ₄ （モリブデン酸鉛）や
ＴｅＯ₂ （二酸化テルル）の単結晶などの音響光学媒体
に圧電素子（圧電振動子）等のトランスデューサを接着
し、このトランスデューサに高周波の電気信号を与えて
超音波を発生させ媒体中に超音波を伝搬させると、該媒
体中に屈折率の周期的変動が生じるために、該媒体中を
通過するレーザ光は回折を起こす。これを音響光学効果
と呼び、ＡＯＭでは該媒体中を伝搬する超音波を一定周
波数で振幅変調することにより光の強度変調を行なう。

【０００７】一方、音響光学偏向素子（ＡＯＤ）では超
音波を周波数変調することにより、光の回折角、即ち偏
向角を角度変調する。

【０００８】一般に高い回折効率を得るためには音響光
学媒体（ＡＯ媒体）に入射させるレーザ光の入射角は所
定の角度である必要がある。また高い回折効率や変調度
を得るために透過光である０次回折光をカットして１次
回折光を信号光として使用するのが一般的である。

【０００９】０次回折光と１次回折光との成す角度、即
ち回折角２θは光波長λと音響光学媒体の音速ｖ及び媒
体中の超音波の搬送周波数ｆによって次のように示され
る。

【００１０】２θ＝λｆ／ｖ ‥‥‥‥（１）変調帯域幅Δｆｉは、音響光学媒体中のレーザビーム径
ｄと定数ｋ１を用いて次のように示される。

【００１１】 Δｆｉ＝ｋ１・ｖ／ｄ ‥‥‥‥（２）回折光強度Ｉは搬送波の電力Ｐと波長λと定数Ｋを用い
て次のように表わされる。

【００１２】Ｉ＝Ｉ₀ ｓｉｎ｜Ｋ（Ｐ）^1/2 ／λ｜ ‥‥‥‥（３）また最大回折効率時の入力Ｐπは光波長λ２によって変
わり、定数Ｋ３を用いてほぼ次の関係がある。

【００１３】Ｐπ＝ｋ３・λ２ ‥‥‥‥（４）

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】近年、レーザ画像記録
装置の小型化や低価格化に伴ない光源をＨｅ−Ｎｅレー
ザなどのガスレーザ（気体レーザ）から半導体レーザ
（Laser diode ；以後「ＬＤ」とも言う。）に置き換え
ることが一般的に行なわれている。ＬＤは駆動電流を変
化させることで、その光出力を直接変調できる点でガス
レーザにない特徴を持っている為、ＡＯＭなどの外部強
度変調素子を使用しないでも良質なる画像を記録するこ
とができる。

【００１５】しかしながらＡＯＭの強度変調のダイナミ
ックレンジが通常１０００：１程度であるのに対しＬＤ
の直接変調は通常１００：１程度であるため、フィルム
等の中間調記録媒体に豊富な階調を有する高精細画像を
記録するにはフィルムのガンマ（コントラスト）を上げ
るなどの処理が必要である。ところがフィルムのガンマ
を上げると光強度の微小な変動に対してもフィルム濃度
が敏感に変化してしまうので、ＬＤの制御に高度な技術
が必要になってしまう。

【００１６】そこで上記の問題点を解決する方法として
レーザ光源をＬＤ、外部強度変調器としてＡＯＭを組み
合わせて利用する構成も考えられる。この場合、レーザ
画像記録装置の大きさやコストは上記に示した２例の中
間であり、強度変調のダイナミックレンジは１０００：
１程度確保することができる。

【００１７】しかしながらガスレーザの発振波長は非常
に安定しているのに対し半導体レーザの発振波長は光出
力や環境温度等によって変動するので、以下に述べる問
題点が発生する。

【００１８】第１にＡＯＭの回折角は波長変動に応じて
変化してしまう。これは（１）式に示したように回折角
２θは波長の関数である為である。ＡＯＭの回折角が変
化すると、図１０に点線で示したように１次回折光１１
２はストッパ１０５に設けたピンホール１１１にケラれ
て、光量損失やスポット形状に変化が生じてしまう。

【００１９】この対策としてピンホール１１１の径を大
きくすることが考えられるが、該ピンホール１１１の径
を大きくすると０次回折光１０７と１次回折光１１２の
分離が困難になるので強度変調のダイナミックレンジが
低下してしまう。

【００２０】また一般に回折角が変化すると被走査面上
を走査するレーザスポットの位置が変化してしまうの
で、得られる画像には不要なアーティファクト、例えば
副走査方向のレーザスポット位置が均一でないために画
像上に縞目が現われるバンディング等が生じてしまう。

【００２１】第２に前記回折角の変化に伴ない回折効率
が変化してしまう。これは回折効率が入射角に依存する
為であり、その変化の様子を図４に示す。波長変化と回
折効率の変化の関係は、以下のように説明できる。

【００２２】まず波長λの半導体レーザに対し回折効率
を最大にする為に、ＡＯＭに対する入射角を（１）式で
示されたθになるように光学系をアライメントする。半
導体レーザの波長がΔλだけ変化したとすると、（１）
式より回折角の変化量２Δθは、２Δθ＝Δλｆ／ｖ ‥‥‥‥（５）で表わされる。

【００２３】しかしながら光学系のアライメントは固定
であるから、ＡＯＭに対する入射角θは、もはや回折効
率が最大になる角度ではなくなる。その結果、回折効率
は低下してしまうことになる。回折効率、即ち１次回折
光の強度が変化すれば被走査面を走査するレーザスポッ
トの強度が変化してしまうので、得られる画像には不要
なアーティファクト、例えば濃淡ムラなどが生じてしま
う。

【００２４】第３に波長が変化すると入射角θが常に回
折効率が最大になる角度であっても、最大回折光強度が
変化してしまう。これは原理的には前記回折角の変化に
伴なう回折効率の変化とは異なるものであり、（３）式
と（４）式で表わされる。ただし前記回折角の変化に伴
なう回折効率の変化と最大回折光強度の変化は原因は異
なっても現象は同じなので、以後の説明では両者を合わ
せて回折光強度の変化と表わすことがある。

【００２５】ＵＳＰ４７２８９６５号に複数のレーザを
用いたレーザプリンタが開示されている。同号ではレー
ザ指向性変動の支点、ＡＯＭ、位置合わせ面そして像面
を共役にすることで、レーザ指向性変動によって生じる
アーティファクトを防止している。

【００２６】しかしながら同号ではレーザ指向性変動に
よりＡＯＭへの入射角が変化し回折光強度が変化するこ
とや、強度変調のダイナミックレンジが変化することな
どに対しては何ら開示されていない。また光源の波長変
動に伴なう上記の課題に対しても何ら開示されていな
い。従って上記のレーザプリンタを使用しても回折光強
度の変化によるアーティファクトの影響を免れることは
難しい。更にＡＯＭ内に位置するビームウエストを像面
に形成することができない。

【００２７】一方、レーザ走査顕微鏡ではＡＯＤを利用
して試料上にレーザ光を走査して試料の情報を読み取っ
ている。従来のレーザ走査顕微鏡では光源にガスレーザ
であるＡｒレーザを用いていたが、近年の半導体レーザ
の高出力化、短波長化に伴ない光源を該半導体レーザに
置き換えられつつある。

【００２８】しかしながら半導体レーザを光源として用
いた場合、該半導体レーザの波長変動により回折角、即
ち偏向角が変化し走査位置の制御ができなくなってく
る。その為、得られる画像に歪が生じてしまうという問
題点があった。

【００２９】特開平５−２４１２０７号公報では複数の
波長を含む光ビームをＡＯＤで偏向する偏向する際、該
ＡＯＤが有する偏向角の光波長依存性に対応した倍率色
収差により光ビームを補正した音響光学型偏向装置が提
案されている。

【００３０】しかしながら同公報では回折光強度の波長
依存性に対しは何ら開示されていない。またＡＯＤと像
面とは共役ではないので、該ＡＯＤと像面との両者にビ
ームウエストを位置させることはできない。従って、同
公報の偏向装置を使用しても回折光強度の変化によるア
ーティファクトの影響を免れることは難しい。また偏向
速度を上げることと像面上のスポットサイズを小さくす
ることは両立困難である。

【００３１】また特開昭６１−１９３１３０号公報では
音響光学偏向器の色分散を補償して偏向された光ビーム
に色分散を生じないようにした光ビーム偏向装置が提案
されている。しかしながら同公報においても同じく上記
に示した問題点を克服することは難しいという問題点が
あった。

【００３２】本発明は波長変動を有する光源と音響光学
素子を利用した光学装置において、該音響光学素子の性
能を十分に発揮させ得る音響光学素子を用いた光学装置
の提供を目的とするものである。

【００３３】具体的には光源の波長変動に伴なう音響光
学素子の回折角の変化によるレーザ光の照射位置の変動
を補償し、また光源の波長変動に伴なう音響光学素子の
回折光の強度変動を補償し、更には光源の波長変動を抑
制することのできる音響光学素子を用いた光学装置の提
供を目的とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明の音響光学素子を
用いた光学装置は（１−１）発振波長が変動する光源、該光源から発した
レーザ光を音響光学素子上に導光する導光手段、変調信
号を受信する変調信号受信手段、変調信号に応じて該音
響光学素子を駆動する音響光学素子駆動手段、そして同
じ値を有する変調信号に対して少なくとも該音響光学素
子がレーザ光を回折する方向において、該光源の波長変
動に関わらず像面に照射されるレーザ光の位置を補償す
る位置補償手段を有していることを特徴としている。

【００３５】特に（１−１−１）前記光源は半導体レー
ザであることを特徴としている。（１−１−２）前記位置補償手段は光学系であり、少な
くとも前記音響光学素子がレーザ光を回折する方向にお
いて、該音響光学素子と前記像面とを共役にすることを
特徴としている。（１−１−３）前記光学系はアフォーカル系であること
を特徴としている。（１−１−４）前記アフォーカル系は前記音響光学素子
と前記像面とにビームウエストを形成することを特徴と
している。（１−１−５）前記位置補償手段は少なくとも前記音響
光学素子がレーザ光を回折する方向において、該音響光
学素子と該位置補償手段とを通過したレーザ光の角度を
前記光源の波長変動に関わらず一定にするよう作用する
ことを特徴としている。（１−１−６）前記位置補償手段は少なくとも１個のプ
リズムを有していることを特徴としている。（１−１−７）前記位置補償手段は前記光源の波長変動
に関わらず該光源から発したレーザ光が前記音響光学素
子に入射する位置を一定にするよう作用することを特徴
としている。（１−１−８）前記位置補償手段は前記光源の波長変動
に関わらず該光源から発したレーザ光が前記音響光学素
子から射出する角度を一定にするよう作用することを特
徴としている。（１−１−９）前記位置補償手段は音響光学素子制御手
段であり、音響光学媒体に印加する超音波の周波数を変
調することでレーザ光の位置補償を行なうことを特徴と
している。

【００３６】（２−１）発振波長が変動する光源、該光
源から発したレーザ光を音響光学素子上に導光する導光
手段、変調信号を受信する変調信号受信手段、変調信号
に応じて該音響光学素子を駆動する音響光学素子駆動手
段、該光源から発したレーザ光の波長又は強度又は位置
の少なくとも１つを検出する検出手段、そして同じ値を
有する変調信号に対して該光源の波長変動に関わらず像
面に照射されるレーザ光の強度を補償する強度補償手段
を有していることを特徴としている。

【００３７】特に（２−１−１）前記強度補償手段は前
記音響光学素子駆動手段であり、前記検出手段の出力に
応じて音響光学媒体に印加する超音波の振幅を変調する
ことでレーザ光の強度補償を行なうことを特徴としてい
る。（２−１−２）前記強度補償手段は光源強度制御手段で
あり、前記検出手段の出力に応じて光源光量を変調する
ことでレーザ光の強度補償を行なうことを特徴としてい
る。（２−１−３）同じ値を有する変調信号に対して少なく
とも前記音響光学素子がレーザ光を回折する方向におい
て、前記光源の波長変動に関わらず像面を照射するレー
ザ光の位置を補償する位置補償手段を具備することを特
徴としている。（２−１−４）前記位置補償手段は音響光学素子制御手
段であり、音響光学媒体に印加する超音波の周波数を変
調することで位置補償を行なうことを特徴としている。

【００３８】（３−１）半導体レーザと、該半導体レー
ザから発したレーザ光を音響光学素子上に結像させる結
像手段と、該半導体レーザの温度を制御する温度制御手
段と、該半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制
御手段とを有し、該半導体レーザの波長及び光出力を検
出手段で検出し、該検出された情報に基づいて該半導体
レーザの温度と駆動電流を制御することにより、該半導
体レーザの波長と光出力とが一定となるようにしたこと
を特徴としている。

【００３９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の主走
査方向の要部断面図、図２は本発明の実施形態１の副走
査方向の要部断面図である。

【００４０】図中、１は光源であり、発振波長が変動す
る半導体レーザ（ＬＤ）より成っている。２はコリメー
タレンズであり、ＬＤ１から発振したレーザ光（レーザ
ビーム）を平行光に変換している。３は導光手段として
のビーム整形光学系であり、レーザ光のビーム径を変換
し、該レーザ光をＡＯＭ（音響光学変調素子）４上に導
いている。ＡＯＭ４は変調信号を受信する変調信号受信
手段（不図示）と変調信号に応じてＡＯＭ４を駆動する
音響光学素子駆動手段（不図示）とに接続されている。
５はビーム整形光学系であり、レーザ光のビーム径を変
換している。６はシリンドリカルレンズであり、副走査
方向にのみ所定の屈折力（パワー）を有している。７は
光偏向器としてのポリゴンミラー、８はｆθ特性を有す
る走査レンズ、９は被走査面（結像面）である。

【００４１】本実施形態において半導体レーザ１から発
振したレーザ光はコリメータレンズ２で略平行光に変換
され、ビーム整形光学系３で径の小さなビームに変換さ
れ、ＡＯＭ４に導かれる。ＡＯＭ４は主走査方向にレー
ザ光が回折するように配置されている。

【００４２】ＡＯＭ４で強度変調されたレーザ光はビー
ム整形光学系５を通過し不図示のストッパのピンホール
を経てシリンドリカルレンズ６に導かれる。そしてシリ
ンドリカルレンズ６でレーザ光は副走査方向にのみ集光
され、ポリゴンミラー７で線像を結像し、ポリゴンミラ
ー面の倒れ補正を行う。そしてポリゴンミラー７で偏向
されたレーザ光は走査レンズ８により被走査面９に結像
し、該被走査面９上を走査して画像を形成（記録）す
る。

【００４３】ここでビーム整形光学系３は（２）式にお
いてＡＯＭ４の変調帯域幅Δｆｉを大きくするために、
レーザビーム径ｄを小さくするように作用する。

【００４４】この目的を達成するために本実施形態のビ
ーム整形光学系３は以下の二つの形態のいずれかを取っ
ている。まずそのひとつは集光レンズであり、レーザ光
を結像させてスポットを形成する。もうひとつは望遠鏡
型、いわゆるアフォーカル系であり、ビーム径を変換す
る。

【００４５】まず集光レンズを使用する場合について説
明する。半導体レーザ１の接合面と音響光学媒体中の超
音波の伝搬する方向が垂直になるよう配置する。またＡ
ＯＭ４は超音波の伝搬する方向を主走査方向に合わせ
る。半導体レーザ１の遠視野像（ＦＦＰ）は接合面に垂
直な方向に長い楕円形であるので、コリメータレンズ２
から出射するレーザ光は主走査方向に長軸を持つ楕円形
となる。もしビーム整形光学系３に通常の光軸対称の集
光レンズを用いた場合は、ＡＯＭ４で得られるレーザ光
は近視野像（ＮＦＰ）となり主走査方向に短軸を有する
楕円形となる。

【００４６】いまＡＯＭ４の回折方向、即ち超音波の伝
搬する方向は主走査方向であるから、主走査方向に短軸
を有するビーム径は変調帯域幅Δｆｉを大きくするのに
有利である。

【００４７】次にアフォーカル系を使用する場合は、半
導体レーザ１の接合面と音響光学媒体中の超音波の伝搬
する方向が平行になるよう配置する。またＡＯＭ４は副
走査方向に超音波が伝搬するよう配置する。ＡＯＭ４の
音響光学媒体上ではレーザ光は遠視野像（ＦＦＰ）とな
るので、副走査方向に短軸を有する楕円形となる。

【００４８】いまＡＯＭ４の回折方向、即ち超音波の伝
搬する方向は副走査方向であるから、副走査方向に短軸
を有するビーム径は変調帯域幅Δｆｉを大きくするのに
有利である。

【００４９】一般にＡＯＭ４の音響光学媒体中のビーム
径は小さいほうが良いが、該音響光学素子中のフォーカ
ス状態は不問である。しかしながら本実施形態では音響
光学媒体中にレーザ光のビームウェストが生じるように
光学系を構成している。さらにＡＯＭ４以降の光学系は
少なくともレーザ光が回折する方向において、ＡＯＭ４
と被走査面９とが共役になるように構成している。

【００５０】良く知られているように、これを実現する
ための光学系としてはアフォーカル系がある。例えば２
枚のレンズ構成のアフォーカル系において、前側後側の
レンズの焦点距離をそれぞれｆ１，ｆ２とすると、２枚
のレンズの主点間距離ＺをＺ＝ｆ１＋ｆ２とすれば焦点距離が無限大のアフォーカル系になる。

【００５１】このアフォーカル系において共役な２点は
前側レンズの主点から距離−ｆ１の位置ｏ１と後側レン
ズの主点から距離＋ｆ２の位置ｏ２′である。いま位置
ｏ１に半径ｗ１のビームウェストを設けると、ｏ１と共
役な位置ｏ２′にも半径ｗ２のビームウェストが生じ
る。ｗ１とｗ２の関係は次式で表される。

【００５２】ｗ２＝ｗ１・ｆ２／ｆ１３枚以上のレンズを用いてもアフォーカル系を構成する
ことができる。しかしながらアフォーカル系以外の光学
系を使用した場合には光学系に存在する同じ位置にない
２つの共役点に同時にビームウェストを位置させること
はできない。

【００５３】図１においてレーザ光の波長がλのとき
は、該レーザ光は実線１０Ａで示す光路を通るようにア
ライメントを行う。レーザ光の波長が変動して（λ＋Δ
λ）になったときはＡＯＭ４における回折角は変化する
が、音響光学媒体と被走査面９とが共役なのでレーザ光
は回折角に関わらず被走査面９の同一場所に結像する。
このときのレーザ光の光路を点線１０Ｂで示す。

【００５４】また本実施形態では被走査面９上にビーム
ウェストが生じるよう光学系を構成している。この結
果、もし半導体レーザ１の発振波長が変動して回折角が
変化しても被走査面９上のレーザ光は入射角は変化する
がビーム位置は変動しないので、該ビーム位置の変動に
よるアーティファクトは発生しない。また被走査面９上
にビーム径が最小になるビームウェストを生成できるの
で高精細な画像を得ることができる。

【００５５】このように本実施形態においては同じ値を
有する変調信号に対して少なくとも音響光学素子４がレ
ーザ光を回折する方向において、半導体レーザ１の波長
変動に関わらず被走査面（像面）９に照射されるレーザ
光の位置を補償（不動）する位置補償手段としての光学
系（アフォーカル系）を用いて補償し、該音響光学素子
４と被走査面９とを共役にすると共に、該音響光学素子
４と被走査面９とにビームウエストを形成することによ
り、バンディングなどのアーティファクトの存在しない
高精細な画像を得ている。

【００５６】また本実施形態においては半導体レーザ１
の波長変動に関わらず音響光学素子４がレーザ光を回折
する方向において、該音響光学素子４と位置補償手段と
を通過したレーザ光の位置が一定となるように設定して
いる。

【００５７】「実施形態２」次に本発明の実施形態２に
ついて説明する。

【００５８】本実施形態では光源の波長変動によるＡＯ
Ｍの回折角の変化を光学素子（プリズム）の色収差を用
いて補償している。

【００５９】一般にガラスやプラスチックの屈折率は波
長に依存して変化し、波長が長いほど屈折率は小さくな
るので、ガラスやプラスチックで製造したプリズムの屈
折角は波長が長いほど小さくなる。またプリズムの形状
や材質を選択したり複数のプリズムを組み合わせること
で任意の屈折角波長特性を実現することができる。

【００６０】これに対し（５）式に示したようにＡＯＭ
の回折角は波長が長いほど大きくなるから、プリズムと
ＡＯＭとを組み合わせることで光学系の波長による入射
角及び出射角の変動を補償することができる。

【００６１】図３は本実施形態のＡＯＭ以降の光学系の
要部概略図である。同図において３１はＡＯＭ、３２は
プリズム、３３は集光レンズ、３４は結像面、３５は波
長λのレーザ光の光路、３６は波長（λ＋Δλ）のレー
ザ光の光路である。

【００６２】本実施形態において光源（不図示）から発
振した波長λのレーザ光はＡＯＭ３１で強度変調を受け
ながら回折し、実線３５で示した光路を通ってプリズム
３２で屈折し、集光レンズ３３によって結像面３４に結
像する。

【００６３】いまレーザ光の波長が（λ＋Δλ）に変動
するとＡＯＭ３１の回折角が変化し、点線３６で示す光
路を通る。しかしながら本実施形態におけるプリズム３
２はＡＯＭ３１の回折角波長特性を補償するように設計
しているのでプリズム３２を通過したレーザ光３６はレ
ーザ光３５と平行になる。したがってレーザ光３５とレ
ーザ光３６は集光レンズ３３で結像面３４上の同一点に
結像される。つまり波長変動に関わらずレーザ光を一定
位置に結像させる光学装置を実現している。

【００６４】本実施形態では音響光学素子３１と結像面
３４とが必ずしも共役である必要がない点が前述した実
施形態１と異なっている。

【００６５】又、このような構成を、例えばレーザビー
ムプリンタ等の走査光学系に用いれば、波長変動に関わ
らずレーザ光を所期の位置に走査できるので、バンディ
ングなどのアーティファクトのない高精細な画像を得る
ことができる。またＡＯＭの代わりにＡＯＤ（音響光学
偏向素子）を用いたレーザ走査顕微鏡に用いれば波長変
動にかかわらず画像歪みのない正確な画像を得ることが
できる。

【００６６】このように本実施形態においては少なくと
も音響光学素子がレーザ光を回折する方向において、該
音響光学素子と位置補償手段とを通過したレーザ光の角
度をプリズムを含む光学系により一定とすることによ
り、光源の波長変動による回折角の変化を補償し、像面
を照射するレーザ光の位置を補償（不動）している。

【００６７】尚、本実施形態では色収差を有する光学素
子としてプリズムを用いたが、これに限らず同様の色収
差を有する光学素子であれば前述の実施形態２と同様の
効果を得ることができる。例えばその光学素子としては
レンズや平行平面板などがその一例である。また一般に
光学系の色収差を利用すれば上記の実施形態と同様の効
果が得られる。

【００６８】「実施形態３」次に本発明の実施形態３に
ついて説明する。

【００６９】図４は光入射角θと回折効率との関係を示
した説明図である。一般にＡＯＭ光学系はある波長にお
いて回折効率が最大になるようにアライメントする。図
４に示した波長では光入射角θが約０．８５°のとき回
折効率は最大になる。もしレーザ光の波長が変動した場
合、（５）式より回折角が変化し最大回折効率を与える
光入射角θは変化する。しかし予め入射角を設定した光
学系のアライメントは不動であるから、回折効率は低下
することになる。

【００７０】さらに（４）式より波長が変動すると最大
回折効率を与える入射角にアライメントされていても、
最大回折光強度も変化する。したがって波長変動に伴っ
て得られる１次回折光の強度が変化してしまうことが分
かる。

【００７１】そこで本実施形態では光源の波長変動（レ
ーザ光の波長又は強度又は位置）を検出手段で検出し、
１次回折光の強度が実質的に所期の値になるように強度
補償手段としての音響光学素子駆動手段により音響光学
媒体に印加する超音波の振幅を変化させることでＡＯＭ
の波長特性を補償している。

【００７２】本実施形態の機能を図５を用いて説明す
る。図５は本実施形態を適用した走査光学装置の変調器
周辺を表す要部概略図である。同図において５０はレー
ザ光、５１はビームスプリッタであり、レーザ光を２つ
に分離している。５２は音響光学媒体（ＡＯ媒体）、５
３は検出手段としての光波長検出器であり、光源から発
したレーザ光の波長を検出している。５４は強度補償手
段としてのＡＯ素子制御装置（音響光学素子駆動手段）
であり、光波長検出器５３からの出力と画像データ５５
から音響光学媒体５２に印加する超音波の振幅を制御し
ている。５５は画像データである。

【００７３】本実施形態においてビームスプリッタ５１
で分割されたレーザ光５０の一部は光波長検出器５３
で、その光波長が検出される。ＡＯ素子制御装置５４は
光波長検出器５３からの出力と画像データ５５から音響
光学媒体５２に印加する超音波の振幅を決定する。もし
光源の波長が変動して光波長検出器５３からの出力が所
定の値から外れた場合にはＡＯ素子制御装置５４は被走
査面上で画像を形成する光強度が所期の値になるように
音響光学媒体５２に印加する超音波の振幅を変化させ
る。

【００７４】超音波の振幅を変化させる量は前記光波長
検出器５３で検出した波長、図５、（４）式及び（５）
式から求めることができる。結果として光源の波長変動
に関わらず所期の強度の１次回折光が得られる走査光学
装置を実現することができる。従って被走査面上では光
源の波長が変化しても所期の濃度を有する画像を得るこ
とができる。

【００７５】また音響光学媒体５２と不図示の被走査面
は該音響光学媒体５２以降の光学系（不図示）を介して
共役であるので回折角が変化してもバンディングなどの
アーティファクトを生じさせることはない。尚ビームス
プリッタ５１と検出手段５３はＡＯ素子制御装置５４よ
り後側（ＡＯ媒体の下流側）に設けても前述の実施形態
３と同等の効果が得られる。

【００７６】即ち、ビームスプリッタ５１と検出手段５
３をＡＯ素子制御装置５４より後側に設けた場合には、
検出手段５３はポジションセンサやＣＣＤに代表される
ビーム位置検出器でも良い。この場合、ビーム位置検出
器は光源の波長変化に伴う回折角の変化から光源の波長
変動を間接的に検出する機能を果たす。また検出手段５
３はＣＣＤやフォトダイオード等の強度検出器でも良
い。この場合、強度検出器は光源の波長変動に伴う回折
光強度の変化を直接検出する機能を果たす。

【００７７】また直接強度変調が可能な光源、例えば半
導体レーザを使用する場合には被走査面上で画像を形成
する光強度が所期の値となるように検出手段５３からの
出力に応じて強度補償手段としての光源強度制御手段に
より光源の直接強度変調であっても前述の実施形態３と
同様の効果が得られる。

【００７８】また前記検出手段が光波長検出器以外であ
り、かつ波長依存性を有する場合や、像面に設けられた
被走査面が波長依存性を有する場合、例えばフィルムや
感光ドラムや蛍光、燐光、輝尽光を発する試料等は不図
示の逆特性を有する補正手段を設けることで実質的に波
長依存性をなくすことができる。これにより更に正確な
レーザ光の制御を行ったり、高精細な画像を得るなどが
できる。

【００７９】このように本実施形態においては同じ値を
有する変調信号に対して光源の波長変動に関わらず像面
に照射されるレーザ光の強度を補償（不動）する強度補
償手段により補償することにより、結像面で所期の強度
のレーザ光を得ることができ、これにより所期の濃度の
画像を得ることができる。

【００８０】「実施形態４」次に本発明の実施形態４に
ついて説明する。本実施形態は音響光学素子を用いて、
光源の波長変動に伴う回折角の変化と回折光強度の変化
を同時に補償している。（１）式より超音波の搬送周波
数ｆの変化による回折角２θの変化は次式で表される。

【００８１】２Δθ＝λΔｆ／ｖ・・・・・・（６）（６）式はＡＯＤの原理を表す式である。これはＡＯＭ
において超音波の振幅変調に加えて超音波の周波数変調
を行うことで、音響光学素子を通過するレーザ光の強度
変調と角度変調とを同時に行なえることを意味する。

【００８２】本実施形態の機能を図６を用いて説明す
る。図６において６０はレーザ光、６１はビームスプリ
ッタであり、レーザ光を２つに分離している。６２は音
響光学媒体（ＡＯ媒体）、６３は検出手段としての光波
長検出器であり、音響光学媒体６２を通過するレーザ光
の波長を検出している。６４は位置補償手段及び強度補
償手段としてのＡＯ素子制御装置（音響光学素子駆動手
段及び音響光学素子制御手段）であり、光波長検出器６
３からの出力と画像データ６５に応じて音響光学媒体６
２に印加する超音波の振幅と周波数を制御している。６
５は画像データである。

【００８３】本実施形態において光源の発振波長が所定
の値のときは画像データ６５に応じて音響光学媒体６２
に印加する超音波の振幅だけを制御する。もし光源の発
振波長が変化して前記光波長検出器６３からの出力が所
定の値から外れた場合には、ＡＯ素子制御装置５４は被
走査面上で画像を形成するレーザ光の強度とビーム位置
が所期の値になるように印加する超音波の振幅と周波数
を変化させる。この場合、回折角が予めアライメントし
た光学系に対して不変になるように周波数変調を行う。

【００８４】しかしこれまで説明したように波長変動に
応じて回折光強度は変化してしまうので波長変動分を補
償する振幅変調も必要となる。結果として被走査面上で
は光源の発振波長が変化しても所期の濃度を有する画像
を得ることができる。また回折角は変化しないのでバン
ディングなどのアーティファクトを生じさせない。

【００８５】このように本実施形態においては上述の如
く音響光学素子を用いて光源の波長変動に伴う回折角の
変化と回折光強度の変化を、検出手段からの出力と画像
データに応じて音響光学媒体に印加する超音波の振幅と
周波数を変調することで同時に補償している。

【００８６】「実施形態５」次に本発明の実施形態５に
ついて説明する。本実施形態はＡＯＭの振幅変調と周波
数変調と光学素子（プリズム）の色収差とを用いて、光
源の波長変動に伴う回折角の変化と回折光強度の変化を
同時に補償している。

【００８７】本実施形態の機能を図７を用いて説明す
る。図７において７０は波長λのレーザ光、７１は波長
（λ＋Δλ）のレーザ光、７２，７３は各々位置補償手
段（導光手段の作用も有する）の一要素を構成するプリ
ズム、７４は音響光学媒体（ＡＯ媒体）である。

【００８８】本実施形態においては予め波長λにおいて
最大の回折効率が得られるように光学系のアライメント
を行う。このときのレーザ光の光路を実線７０で表す。
良く知られているようにガラスの屈折角は波長に依存
し、波長が短いほど屈折角は大きくなる。

【００８９】光源の波長変動が生じてレーザ波長が（λ
＋Δλ）になるとプリズムでの屈折角が変化するため
に、レーザ光は点線７１で示される光路を通り音響光学
媒体７４に達する。このとき音響光学媒体７４は実線７
０と点線７１の交点、即ち波長変動に対し共役な位置に
設けているので、２つの波長において音響光学媒体７４
を通過するレーザ光の位置は等しくなるが角度は異な
る。この角度の差を用いることで（５）式で示した波長
変動に伴う回折角の変化Δθを音響光学媒体７４に印加
する超音波の周波数を変調することで補償することがで
きる。

【００９０】一般のプリズムでは実線７０と点線７１の
交点は波長変動に伴って移動する。しかし半導体レーザ
のように波長変動が微小な場合は、ほぼ移動しないと考
えても良い。また波長変動が大きくても交点が移動しな
いプリズム群を設計することもできる。したがって光源
の波長変動にかかわらず最大の回折効率が得られる光学
装置を実現することができる。

【００９１】しかしながら（４）式より回折光強度は波
長変動に応じて変化してしまうので、音響光学媒体７４
に印加する超音波を振幅変調して波長変動に伴う回折光
強度の変化を補償する必要がある。結果として被走査面
上では光源の発振波長が変化しても所期の濃度を有する
画像を得ることができる。また音響光学媒体７４と被走
査面（不図示）とを共役にすることにより、バンディン
グなどのアーティファクトを生じさせない高精細な画像
を得ることができる。

【００９２】このように本実施形態ではレーザ光が音響
光学素子に入射する位置及び該レーザ光が音響光学素子
から射出する角度を一定となるように設定している。

【００９３】尚、本実施形態では色収差を発生させる手
段としてプリズムを用いたが、これに限らず、例えばレ
ンズや平行平面板などの光学素子でも同等の効果を得る
ことができる。また一般に色収差を補正した光学系を用
いれば上記と同様な効果が得られる。

【００９４】また上記の複数のプリズム７２．７３の配
置を適切に設定すれば音響光学媒体７４の周波数変調を
使用しなくとも１次回折光の出射する方向を不変にする
ことができる。これは（５）式において回折角が変化す
る分を補償するように音響光学媒体７４への入射角を変
化させ、音響光学媒体７４から出射する１次回折光の方
向を不変にすることで達成される。もちろん音響光学媒
体７４への入射角は最大回折効率を与える角度と必ずし
も一致しないから、超音波の振幅変調により回折光の強
度を制御する必要がある。

【００９５】「実施形態６」次に本発明の実施形態６に
ついて説明する。一般に半導体レーザの波長変動はレー
ザ出力変動と温度変動によって生じる。図８は一般的な
赤色半導体レーザの温度と波長の関係を示した説明図で
あり、同図より明らかなように半導体レーザの波長は約
０．２ｎｍ／℃の割合で変化する。したがって半導体レ
ーザの温度を正確に制御することでレーザ光の波長変動
をなくすことができる。

【００９６】本実施形態の機能を図９を用いて説明す
る。図９において９１は半導体レーザ、９２はコリメー
タレンズ、９３は鏡筒、９４はヒートシンク、９５はペ
ルチェ素子、９６は半導体レーザ駆動手段、９７はペル
チェ素子制御手段である。

【００９７】本実施形態においてレーザ光の強度変調は
ＡＯＭ（不図示）で行うので、半導体レーザ９１は一定
光量のレーザ光を出射するように半導体レーザ駆動手段
（駆動電流制御手段）９６で制御されている。このため
半導体レーザ９１点灯後に熱平衡に達した状態では略一
定の電流が半導体レーザ９１に供給されている。

【００９８】その具体的な方法としては、例えば半導体
レーザ９１の光出力の一部を検出手段としての光強度検
出器（不図示）で検出し、該半導体レーザ９１の光出力
が一定になるように該半導体レーザ９１の駆動電流を微
小に制御する。鏡筒９３は半導体レーザ９１とコリメー
タレンズ９２を合焦位置に保持する機能を有し、コリメ
ータレンズ９２から略平行光のレーザ光が出射する。ペ
ルチェ素子９５は半導体レーザ９１の温度を環境温度や
半導体レーザの駆動電流の変化に関わらず一定に保つた
めに機能し、廃熱をヒートシング９４に伝導する。同時
に鏡筒９３の温度も一定に保つので、鏡筒９３の伸縮が
なくなり半導体レーザ９１とコリメータ９２の距離は環
境温度の変化にかかわらず一定に保たれる。

【００９９】この結果、半導体レーザは一定光量、波長
不変かつ常に合焦のレーザ光を発振するのでＡＯＭにお
いて回折角は常に一定にすることができる。また音響光
学媒体に印加する超音波の振幅が一定であれば回折光強
度も一定にすることができる。さらに被走査面で常に合
焦のレーザ光を得ることができる。従って被走査面上に
おいてはアーティファクトが生じない高精細な画像を得
ることができる。

【０１００】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く発振波長が変
動する光源と音響光学素子とを利用した光学装置におい
て、該音響光学素子特有の波長特性を補償することで、
光源の波長変動に関わらず結像面で所期の位置と所期の
強度のレーザ光を得ることができ、その結果、音響光学
変調素子（ＡＯＭ）を用いた走査光学系においては、光
源の波長変動に関わらず所期の諧調と濃度を有し、バン
ディングなどのアーティファクトの存在しない高精細な
画像を得ることができる音響光学素子を用いた光学装置
を達成することができる。

【０１０１】また音響光学偏向素子（ＡＯＤ）を用いた
レーザ走査顕微鏡においては、光源の波長変動にかかわ
らず画像歪みのない正確な画像を得ることができる音響
光学素子を用いた光学装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の主走査方向の要部断面
図

【図２】本発明の実施形態１の副走査方向の要部断面
図

【図３】本発明の実施形態２の主要部分の要部概略図

【図４】光入射角と回折効率との関係を示す説明図

【図５】本発明の実施形態３のＡＯＭの制御を説明す
る説明図

【図６】本発明の実施形態４のＡＯＭの制御を説明す
る説明図

【図７】本発明の実施形態５の主要部分の要部概略図

【図８】半導体レーザの温度と発振波長との関係を示
す説明図

【図９】本発明の実施形態６の主要部分の要部概略図

【図１０】ＡＯＭを使用した従来の光学装置の要部概
略図

【符号の説明】

１，９１半導体レーザ２，９２コリメータレンズ３，５ビーム整形光学系４，３１，７４ＡＯＭ６シリンドリカルレンズ７ポリゴンミラー８走査レンズ９，３４被走査面３２，７２，７３プリズム５２，６２音響光学媒体５１，６１ビームスプリッタ５３，６３検出手段５４，６４ＡＯ素子制御装置５５，６５画像データ９３鏡筒９４ヒートシンク９５ベッチェ素子９６半導体レーザ駆動手段９７ベッチェ素子制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振波長が変動する光源、該光源から発
したレーザ光を音響光学素子上に導光する導光手段、変
調信号を受信する変調信号受信手段、変調信号に応じて
該音響光学素子を駆動する音響光学素子駆動手段、そし
て同じ値を有する変調信号に対して少なくとも該音響光
学素子がレーザ光を回折する方向において、該光源の波
長変動に関わらず像面に照射されるレーザ光の位置を補
償する位置補償手段を有していることを特徴とする音響
光学素子を用いた光学装置。
【請求項２】前記光源は半導体レーザであることを特
徴とする請求項１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項３】前記位置補償手段は光学系であり、少な
くとも前記音響光学素子がレーザ光を回折する方向にお
いて、該音響光学素子と前記像面とを共役にすることを
特徴とする請求項１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項４】前記光学系はアフォーカル系であること
を特徴とする請求項３の音響光学素子を用いた光学装
置。
【請求項５】前記アフォーカル系は前記音響光学素子
と前記像面とにビームウエストを形成することを特徴と
する請求項４の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項６】前記位置補償手段は少なくとも前記音響
光学素子がレーザ光を回折する方向において、該音響光
学素子と該位置補償手段とを通過したレーザ光の角度を
前記光源の波長変動に関わらず一定にするよう作用する
ことを特徴とする請求項１の音響光学素子を用いた光学
装置。
【請求項７】前記位置補償手段は少なくとも１個のプ
リズムを有していることを特徴とする請求項１の音響光
学素子を用いた光学装置。
【請求項８】前記位置補償手段は前記光源の波長変動
に関わらず該光源から発したレーザ光が前記音響光学素
子に入射する位置を一定にするよう作用することを特徴
とする請求項１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項９】前記位置補償手段は前記光源の波長変動
に関わらず該光源から発したレーザ光が前記音響光学素
子から射出する角度を一定にするよう作用することを特
徴とする請求項１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項１０】前記位置補償手段は音響光学素子制御
手段であり、音響光学媒体に印加する超音波の周波数を
変調することでレーザ光の位置補償を行なうことを特徴
とする請求項１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項１１】発振波長が変動する光源、該光源から
発したレーザ光を音響光学素子上に導光する導光手段、
変調信号を受信する変調信号受信手段、変調信号に応じ
て該音響光学素子を駆動する音響光学素子駆動手段、該
光源から発したレーザ光の波長又は強度又は位置の少な
くとも１つを検出する検出手段、そして同じ値を有する
変調信号に対して該光源の波長変動に関わらず像面に照
射されるレーザ光の強度を補償する強度補償手段を有し
ていることを特徴とする音響光学素子を用いた光学装
置。
【請求項１２】前記強度補償手段は前記音響光学素子
駆動手段であり、前記検出手段の出力に応じて音響光学
媒体に印加する超音波の振幅を変調することでレーザ光
の強度補償を行なうことを特徴とする請求項１１の音響
光学素子を用いた光学装置。
【請求項１３】前記強度補償手段は光源強度制御手段
であり、前記検出手段の出力に応じて光源光量を変調す
ることでレーザ光の強度補償を行なうことを特徴とする
請求項１１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項１４】同じ値を有する変調信号に対して少な
くとも前記音響光学素子がレーザ光を回折する方向にお
いて、前記光源の波長変動に関わらず像面を照射するレ
ーザ光の位置を補償する位置補償手段を具備することを
特徴とする請求項１１の音響光学素子を用いた光学装
置。
【請求項１５】前記位置補償手段は音響光学素子制御
手段であり、音響光学媒体に印加する超音波の周波数を
変調することで位置補償を行なうことを特徴とする請求
項１１の音響光学素子を用いた光学装置。
【請求項１６】半導体レーザと、該半導体レーザから
発したレーザ光を音響光学素子上に結像させる結像手段
と、該半導体レーザの温度を制御する温度制御手段と、
該半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御手段
とを有し、該半導体レーザの波長及び光出力を検出手段
で検出し、該検出された情報に基づいて該半導体レーザ
の温度と駆動電流を制御することにより、該半導体レー
ザの波長と光出力とが一定となるようにしたことを特徴
とする音響光学素子を用いた光学装置。