JPH10197826A

JPH10197826A - ビーム整形光学系

Info

Publication number: JPH10197826A
Application number: JP1448597A
Authority: JP
Inventors: Junji Kamikubo; 淳二上窪
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1997-01-10
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 1998-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】発光点をプリズムの主断面と平行に配列した
場合には、各発光点からの光束間の入射時の角度差と射
出時の角度差とが異なり、発光点を主断面と垂直に配列
した場合には、主断面に投影した際の屈折角度が基準光
線とスキュー光線とで異なる。【解決手段】主断面が互いに平行な第１、第２楔型プ
リズム１０，２０から構成され、主断面に沿って第１プ
リズム１０に入射する基準光線と、主断面に投影した際
の入射角度が基準光線と同一であり、主断面に垂直な面
内では基準光線に対してＶ度をなすスキュー光線とを入
射させた際に、｜Ｖ｜＜１０゜の範囲内で、｜θ8-θ'8｜＜0.100 を満たすことを特徴とする。ただし、θ8は主断面内で
の基準光線の第２プリズム２０からの射出角度、θ'8は
主断面に投影した際のスキュー光線の第２プリズム２０
からの射出角度である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体レーザー
等の非円形のファーフィールドパターンを持つ光源から
の光束の断面形状を整形する光学系に関し、特に、直線
上に配列した複数の光束の断面形状を同時に補正するこ
とができビーム整形光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザーから射出される光束は楕
円形のファーフィールドパターンを持つため、従来か
ら、その光束の断面形状を円形に整形するためのビーム
整形光学系が利用されている。従来のビーム整形光学系
は、単一、または一対の楔型プリズムから構成され、そ
の主断面が半導体レーザーから発する楕円断面の光束の
短軸方向に一致するように配置されている。断面楕円形
の光束は、その短径が長径にあわせて拡大される。な
お、楔型プリズムの主断面とは、光束が通過する２つの
屈折面の交線(屈折面が交差しない場合にはその延長面
の交線)である稜線に垂直な面をいう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のビーム整形光学系を多点発光半導体レーザーを
用いるマルチビーム光学系に利用した場合には、半導体
レーザー上の各発光点からの射出光のビーム整形光学系
への入射時の角度関係が射出後に保存されないという問
題が生じる。

【０００４】多点発光半導体レーザーの発光点は発せら
れる光束の短軸方向に沿って配列しているため、上記と
同様に短軸を拡大するために発光点が主断面に対して平
行になるよう配置すると、半導体レーザー上の各発光点
からの射出光のビーム整形光学系への入射時の角度間隔
と射出後の角度間隔とが変化する。この角度間隔の変化
は、ビーム整形光学系の主断面内の角倍率が光束の入射
角度により変化するために生じる。このような角度の変
化が生じると、たとえ半導体レーザー上の発光点が等間
隔で形成されている場合にも、整形された光束を結像レ
ンズを介して結像面上に収束させた際に、形成されるス
ポットの位置間隔が不均等になる。

【０００５】一方、発光点が主断面に対して垂直になる
よう配置した場合には、主断面に平行な面内で受けるプ
リズムの偏角作用が主断面に垂直な面内での入射角度に
よって変化するため、主断面内を通る基準光線と、主断
面に対して角度を持って入射するスキュー光線とでは主
断面に平行な方向における屈折の経路、最終的な射出角
度が異なる。したがって、この場合には発光点が一直線
上に並んでいる場合にも結像面上のスポットは一直線上
に揃わず、スポットの配列方向に直交する方向にずれる
こととなる。

【０００６】この発明は、上述した従来技術の課題に鑑
みてなされたものであり、光源上で等間隔で配列する発
光点から発した複数の光束を結像面上でそのビームの並
びについては等間隔で結像させることができ、しかも、
一列に配列した発光点からの光束を結像面上で一直線上
に揃えることができるマルチビーム用のビーム整形光学
系を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明にかかるビーム
整形光学系は、上記の目的を達成させるため、主断面が
互いに平行な第１、第２楔型プリズムから構成され、主
断面に沿って第１プリズムに入射する基準光線と、主断
面に投影した際の入射角度が基準光線と同一であり、主
断面に垂直な面内では基準光線に対してＶ度をなすスキ
ュー光線とを入射させた際に、｜Ｖ｜＜１０゜の範囲内
で、｜θ8-θ'8｜＜0.100 を満たすことを特徴とする。ただし、θ8は主断面内で
の基準光線の第２プリズムからの射出角度、θ'8は主断
面に投影した際のスキュー光線の第２プリズムからの射
出角度である。

【０００８】また、主断面と垂直な面内での倍率をＭ
v、主断面と平行な面内での倍率をＭhとして、これらの
倍率比であるアナモフィック比が、以下の条件、１．００＜Ｍv／Ｍh ＜３．００を満たすことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかるビーム整
形光学系の実施形態について説明する。実施形態のビー
ム整形光学系は、図１に示されるように、平行な主断面
を有して１８０゜異なる方向に偏角作用を持つ一対の楔
型プリズム、第１プリズム１０と第２プリズム２０とか
ら構成されている。多点発光半導体レーザーを光源とす
るマルチビーム光学系に適用される場合には、半導体レ
ーザーの発光点が主断面と垂直な方向に配列するよう配
置する。多点発光半導体レーザーは、例えば５０μm間
隔で５つの発光点(発光部)を有し、これらの発光点は、
活性層(ｐｎ接合の接合面)と平行な方向に配列してい
る。したがって、ここでは活性層が主断面に対して垂直
になるよう配置される。

【００１０】多点発光半導体レーザーの複数の射出光
は、活性層に平行な方向に短軸、垂直な方向に長軸をも
つ楕円形のファーフィールドパターンを有する発散光で
ある。したがって、上記の配置によると、光束の長軸が
プリズムの主断面と平行になる。ビーム整形光学系は主
断面と平行な方向に角倍率を持つため、ビーム整形光学
系は楕円光束の長軸を縮小して光束断面が円形になるよ
う整形する作用を持つこととなる。

【００１１】この例では、５つの発光点を持つ多点発光
半導体レーザーを用いている。ここで中心の発光点から
発する光束の中心軸を基準光線Ｌ0とし、基準光線は主
断面内を進むものとする。半導体レーザーの射出光は上
述のように発散光束であるため、ビーム整形光学系と半
導体レーザーとの間に発散光を平行光に変換するための
コリメートレンズが配置される。光源部１は、多点発光
半導体レーザーとコリメートレンズとを含むユニットで
ある。各発光点からの光束は、コリメートレンズを介し
て主断面に垂直な面内で基準光線に対して所定の角度を
持つ平行光束としてビーム整形光学系へ向かう。

【００１２】図２(Ａ)は、図１のビーム整形光学系の主
断面と平行な面内での側面図、図２(Ｂ)は主断面と垂直
な面内での平面図である。ビーム整形光学系の各プリズ
ムは、図２(Ｂ)に示される主断面と垂直な面内では角倍
率を持たない平行平面板として作用するため、この面内
でのスキュー光線の基準光線に対する入射時の角度は射
出時にも変化しない。したがって、主断面に垂直な方向
に関しては、発光点の間隔が一定であれば、結像レンズ
を介して結像面上に形成されるスポットの間隔も均等に
なる。

【００１３】次に、図２(Ａ)に示される主断面と平行な
面内での各光線の進み方について説明する。スキュー光
線は主断面内に投影して考えると、基準光線と同一の角
度で第１プリズム１０に入射するが、主断面に垂直な面
内では基準光線が入射角度０゜なのに対してこれより大
きい入射角度を持つこととなる。

【００１４】プリズムの透過面が基準光線とスキュー光
線とを含む面に対して垂直である場合、すなわち基準光
線の入射角が０゜である場合には、両光線の透過面に対
する入射面が一致するため、上記の入射角度の違いは各
光線を主断面へ投影した場合には現れない。なお、入射
面は、透過面の法線と光線とを含む面であって光線毎に
定義され、光線はこの面内で屈折する。基準光線の入射
面は主断面である。しかしながら、プリズムの透過面が
各光線を含む面に対して垂直でない場合には、スキュー
光線の入射面が主断面に対して傾くこととなり、この入
射面内で屈折する光線を主断面に投影した場合には、あ
たかも屈折率が異なるかのように異なる角度で屈折する
こととなる。

【００１５】スキュー光線の主断面に垂直な面内での基
準光線に対する角度をＶ、プリズムの屈折率をｎとする
と、主断面内に投影して考える際のスキュー光線に対す
るみかけの屈折率ｎｓは、以下の式(１)であらわされる
ことが知られている。この発明のビーム整形光学系は、
上記の見かけの屈折率の違いにより生じる主断面内に投
影した際のスキュー光線の基準光線に対する角度差を小
さく抑えることができる。

【００１６】

【数１】

【００１７】次に、上記の角度差を小さく抑えるために
必要となる条件を計算により求める。図３は、計算に用
いられる符号を説明するための図である。まず、主断面
内を進む基準光線の屈折経路を求める。図中左側から光
束が入射するものとし、第１プリズムへの主断面内での
入射角度をθ1、第１面で屈折した際の屈折角度をθ2、
第２面への入射角度をθ3、第２面からの射出角度をθ4
とし、同様に第２プリズムへの入射角度、屈折角度等を
それぞれ順にθ5、θ6、θ7とし、第２プリズムからの
射出角度をθ8とする。また、第１プリズムの頂角をα
1、第１プリズムの射出側の面と第２プリズムの入射側
の面との角度をα2、第２プリズムの頂角をα3とする。
なお、光線の角度は面の法線に対する角度として、面の
角度はその面より入射側に位置する面に対する相対角度
として定義され、いずれも図中時計回りをプラス(＋)、
反時計回りをマイナス(−)とする。

【００１８】上記の定義にしたがって最終的な射出角度
θ8を各プリズムの頂角α1、α3、および屈折率ｎ1、ｎ
3、プリズム間の角度α2、そして入射角度θ1の関数と
して求める。屈折率ｎ1、ｎ2で計算した際の射出角度θ
8が、これを上記の式(１)に代入して得られる見かけの
屈折率ｎｓ1、ｎｓ2で計算した際の射出角度θ'8とほぼ
等しくなれば、主断面内に投影した際の基準光線とスキ
ュー光線との角度差を小さく抑えることができることと
なる。

【００１９】屈折の法則に従ってθ8をθ7で表すと、そ
の値は式(２)に示すとおりとなる。同様に、θ6、θ4、
θ2は屈折の法則に従ってそれぞれ以下の式(４)、
(６)、(８)に示されるようにθ5、θ3、θ1で表され
る。θ7、θ5、θ3は、幾何学的な手法によりそれぞれ
以下の式(３)、(５)、(７)に示されるようにθ6、θ4、
θ2から求められる。

【００２０】

【数２】

【００２１】上記の各式を順に代入することにより、基
準光線の射出角度θ8は以下の式(９)に示されるとおり
となる。また、スキュー光線の射出角度θ'8は、以下の
式(１０)に示される通りとなる。

【００２２】

【数３】

【００２３】この発明のビーム整形光学系は、上記基準
光線とスキュー光線との射出角度の差が、主断面に垂直
な平面内でのスキュー光線の基準光線に対する角度Ｖが
±１０゜の範囲内で、以下の条件を満たすことを特徴と
している。｜θ8−θ'8｜＜０．１００

【００２４】また、基準光線に対する主断面と垂直な面
内での倍率Ｍvは１．００となる。一方、基準光線に対
する主断面と平行な面内での倍率Ｍhは１より小さい値
をとり、この面内で光束経が縮小されることとなる。こ
れらの倍率の比であるアナモフィック比Ｍv／Ｍhは、以
下の条件を満たすことが望ましい。１．００＜Ｍv／Ｍh ＜３．００

【００２５】

【実施例】次に、上記の条件を満たすビーム整形光学系
の具体的な数値実施例を２例説明する。実施例のビーム
整形光学系は、いずれも２つの楔型プリズムから構成さ
れ、光源として発光波長７８０ｎｍの多点発光半導体レ
ーザーを用いるのに適している。

【００２６】以下の説明では、光源側の面を第１面とし
て、光源側から順に面番号を付してビーム整形光学系の
構成を表１に示す。表中の記号ｒは各面の曲率半径(平
面なので値はすべて∞)、ｄは主断面に沿って入射する
基準光線Ｌ0に沿って測った面間の距離(単位：ｍｍ)、
ｎはプリズムの媒質の波長780nmにおける屈折率、αは
面間の角度である。実施例１のビーム整形光学系の構成
は、表１に示される通りである。実施例１のビーム整形
光学系の主断面と平行な面内での倍率Ｍhは0.4倍であ
り、主断面と垂直な面内での倍率Ｍvとの比率であるア
ナモフィック比は2.5である。

【００２７】

【表１】

【００２８】実施例１では、上記の構成において、基準
光線が第１プリズムの第１面に対して垂直に入射するよ
う光源が配置される。基準光線とスキュー光線との主断
面に垂直な面内での角度Ｖの−１０゜〜１０゜の範囲
で、主断面内での射出角度の差｜θ8−θ'8｜が最大と
なるのはＶ＝±１０゜の場合である。１０゜のスキュー
光線に対し、第１プリズムの屈折率ｎ1＝1.89665は見か
け上ｎｓ1＝1.917820となり、第２プリズムの屈折率ｎ3
＝1.51072は見かけ上ｎｓ3＝1.523858となる。この場合
の基準光線及び１０゜のスキュー光線の入射・屈折角度
θ1〜θ8の値は、以下の表２に示すとおりである。射出
時の主断面に投影した際の角度差｜θ8−θ'8｜は、0.0
075゜となる。

【００２９】

【表２】

【００３０】表３は、実施例２にかかるビーム整形光学
系の構成を示す。実施例２のビーム整形光学系の主断面
と平行な面内での倍率Ｍhは0.4倍であり、主断面と垂直
な面内での倍率Ｍvとの比率であるアナモフィック比は
2.5である。

【００３１】

【表３】

【００３２】実施例２でも、上記の構成において、基準
光線が第１プリズムの第１面に対して垂直に入射するよ
う光源が配置される。基準光線とスキュー光線との主断
面に垂直な面内での角度Ｖの−１０゜〜１０゜の範囲
で、主断面内での射出角度の差｜θ8−θ'8｜が最大と
なるのはＶ＝±７゜の場合である。７゜のスキュー光線
に対し、第１プリズムの屈折率ｎ1＝1.89665は見かけ上
ｎｓ1＝1.906945となり、第２プリズムの屈折率ｎ3＝1.
51072は見かけ上ｎｓ3＝1.517105となる。この場合の基
準光線及び７゜のスキュー光線の入射・屈折角度θ1〜
θ8の値は、以下の表４に示すとおりである。射出時
の主断面に投影した際の角度差｜θ8−θ'8｜は、0.002
6゜となる。

【表４】

【００３３】表５は、実施例３にかかるビーム整形光学
系の構成を示す。実施例３のビーム整形光学系の主断面
と平行な面内での倍率Ｍhは0.6666倍であり、主断面と
垂直な面内での倍率Ｍvとの比率であるアナモフィック
比は1.5である。

【００３４】

【表５】

【００３５】実施例３でも、上記の構成において、基準
光線が第１プリズムの第１面に対して垂直に入射するよ
う光源が配置される。基準光線とスキュー光線との主断
面に垂直な面内での角度Ｖの−１０゜〜１０゜の範囲
で、主断面内での射出角度の差｜θ8−θ'8｜が最大と
なるのはＶ＝±１０゜の場合である。１０゜のスキュー
光線に対し、第１プリズムの屈折率ｎ1＝1.89665は見か
け上ｎｓ1＝1.917820となり、第２プリズムの屈折率ｎ3
＝1.51072は見かけ上ｎｓ3＝1.523858となる。この場合
の基準光線及び１０゜のスキュー光線の入射・屈折角度
θ1〜θ8の値は、以下の表６に示すとおりである。射
出時の主断面に投影した際の角度差｜θ8−θ'8｜は、
0.0017゜となる。

【表６】

【００３６】次に、上記の実施例との比較のため、単ビ
ーム用に設計されたビーム整形光学系の具体的な数値構
成を表７に示す。

【００３７】

【表７】

【００３８】基準光線が第１プリズムの第１面に対して
垂直に入射するよう光源が配置される。基準光線とスキ
ュー光線との主断面に垂直な面内での角度Ｖの−１０゜
〜１０゜の範囲で、主断面内での射出角度の差｜θ8−
θ'8｜が最大となるのはＶ＝±１０゜の場合である。１
０゜のスキュー光線に対し、プリズムの屈折率1.51072
は見かけ上1.523858となる。この場合の基準光線及び１
０゜のスキュー光線の入射・屈折角度θ1〜θ8の値は、
以下の表８に示すとおりである。射出時の主断面に投影
した際の角度差｜θ8−θ'8｜は、0.4892゜となる。

【００３９】

【表８】

【００４０】表９は、実施例１、実施例２、実施例３そ
して比較例について主断面に垂直な面内での入射角Ｖ
と、主断面に投影した際の基準光線に対する角度差θ8
−θ'8との対応関係を−１０゜≦Ｖ≦＋１０゜の範囲で
示している。図４は、表９の値をプロットしたグラフで
ある。スキュー光線についてなんら考慮されていない比
較例では、入射角度の絶対値が大きくなるに従って射出
角度の誤差は２次関数的に増大する。これに対して、各
実施例では、図４からは射出角度誤差の発生は読みとる
ことが困難な程度に小さく抑えられている。

【００４１】

【表９】

【００４２】図５は、実施例１、実施例２、実施例３に
ついて図４の縦軸のスケールを約６０倍にして示したグ
ラフである。このグラフでみると、実施例１では入射角
度の変化に伴って射出角度誤差が２次関数的に増大する
のに対して、実施例２では４次関数的な変化をしている
ことが理解できる。ただし、いずれの実施例でも、射出
角度誤差は極めて小さいレベルに抑えられている。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、発光点が主断面に対して垂直になるよう配置するこ
とにより、各発光点からの光束の入射角度を変化させず
に射出させることができ、しかも、所定の条件を満たす
ことにより、主断面に垂直な方向への各光束の角度のズ
レを抑えることができる。したがって、このビーム整形
光学系をマルチビームの結像光学系に用いた場合には、
発光部が等間隔で一直線上に配置されていれば、結像面
上のスポットを等間隔で一直線上に位置させることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態にかかるビーム整形光学系と光源で
ある多点発光半導体レーザーとの配置関係を示す斜視図
である。

【図２】 (Ａ)は図１の光学系の主断面と平行な面内で
の側面図、(Ｂ)は図１の光学系の主断面と垂直な面内で
の平面図である。

【図３】プリズムの各面での屈折を計算する際の符号
の定義を示す説明図である。

【図４】実施例１、２、３と比較例とにおける主断面
に垂直な面内での入射角Ｖと、主断面に投影した際の基
準光線に対するスキュー光線の角度差θ8−θ'8との対
応関係を示すグラフである。

【図５】実施例１、２、３について図４の縦軸のスケ
ールを約６０倍にして示したグラフである。

【符号の説明】

１０第１プリズム１１第１面１２第２面２０第２プリズム２１第３面２２第４面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主断面が互いに平行な第１、第２楔型プ
リズムから構成され、主断面に沿って第１プリズムに入
射する基準光線と、主断面に投影した際の入射角度が前
記基準光線と同一であり、主断面に垂直、かつ、前記基
準光線を含む面内では前記基準光線に対してＶ度をなす
スキュー光線とを入射させた際に、｜Ｖ｜＜１０゜の範
囲内で、｜θ8-θ'8｜＜0.100゜を満たすことを特徴とするビーム整形光学系。ただし、
θ8は主断面内での基準光線の第２プリズムからの射出
角度、θ'8は主断面に投影した際のスキュー光線の第２
プリズムからの射出角度である。
【請求項２】前記第１プリズムへの前記基準光線の入
射角度が０゜であることを特徴とする請求項１に記載の
ビーム整形光学系。
【請求項３】前記主断面と垂直な面内での倍率をＭ
v、前記主断面と平行な面内での倍率をＭhとして、これ
らの倍率比であるアナモフィック比が、以下の条件、１．００＜Ｍv／Ｍh ＜３．００を満たすことを特徴とする請求項１に記載のビーム整形
光学系。