JPH1062714A

JPH1062714A - ビーム径制御方法および装置

Info

Publication number: JPH1062714A
Application number: JP23465496A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Sumi; 克人角
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1996-08-19
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザビームの集光ビーム径を変えるビーム
径制御方法または装置において、光利用効率を高くし、
複雑で高価な光学系やズーム系を不要にする。【解決手段】レーザビームの一部の光束を偏光を利用
して分割し、偏光状態が異なる部分を集光することによ
りビーム径を拡大する。このために、レーザビームの光
束の一部に偏光状態を変換する偏光素子を介在させる。
光源としては半導体レーザが望ましい。直線偏光とした
場合には偏光素子は、レーザビームの光束の中心付近に
置いたλ／２板、λ／４板などとすることができる。偏
光素子は光束の外周付近を囲む円環状のものであっても
よい。偏光素子はレーザビームの平行ビーム内に置くの
がよい。偏光素子を光束内に保持するためには、全光束
が通る一定厚さの透明支持板を設けておき、ここに固定
すればよい。反対にリング状の偏光素子であってもよ
い。

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、レーザビームを
記録面上に集光させつつ走査して画像の記録あるいは画
像の読取りを行う光ビーム走査装置などに用いられるビ
ーム径制御方法と装置とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ビーム走査装置において、記録面上に
集光させるレーザビームの径、すなわち集光ビーム径
は、画像の記録または画像の読取り（以下単に画像の記
録という）密度すなわち走査線密度によって変更する必
要が生じる。例えば画像の記録（読取り）密度を下げる
場合すなわち走査線密度を下げる場合には、集光ビーム
径を大きくする必要がある。

【０００３】集光ビーム径を変更する方法として、従来
より次の２つの方法が提案されている。第１の方法は開
口絞りを用いる方法である（特開昭５６−１４１６６２
号、特開昭５８−１４４８５０号等）。第２の方法は光
学系の倍率変更による方法である。第１の方法は光ビー
ムのコリメート光（平行光）部分に開口絞りを挿入し、
コリメートビーム（平行ビーム）の光束径を制限するこ
とにより、つまりケラレを利用することにより集光ビー
ム径を大きくするものである。

【０００４】一般に集光ビーム径ｄは式：ｄ＝Ｋλｆ／
Ｄで表される。ここにＫは係数、λはビーム波長、ｆは
走査レンズ（集光レンズ）の焦点距離、Ｄは走査レンズ
に入射するビームの光束径（以下入射ビーム径）であ
る。またビーム径ｄは、その出力最大点に対し１／ｅ²
（≒０．１３５）の強度に対応する径（直径）である。

【０００５】この式から明らかなように、集光ビーム径
ｄを拡大するためには入射ビーム径Ｄを小さくすればよ
い。第１の方法は、この入射ビーム径Ｄを変えることに
よりビーム径ｄを制御するものである。例えば集光ビー
ム径ｄ＝１０μｍの時の入射ビーム径をＤ₀とし、ビー
ムをｄ＝１３μｍに拡大するためには、レンズ入射ビー
ム径ＤをおおよそＤ＝１０／１３＝０．７７Ｄ₀に絞る
ような開口絞りを入射ビーム（平行ビーム）に介在させ
ればよい。

【０００６】第２の方法においては、走査レンズに入射
するコリメートビーム径は一般的に大きく、そのような
径のビームを生成するためにビームエキスパンダ系が用
いられる。そしてこのエキスパンダ系の光学倍率を可変
とすることにより集光ビーム径を可変とするものであ
る。

【０００７】

【従来技術の問題点】前記第１の方法では開口絞りを用
いて入射ビームの一部を遮光することにより集光ビーム
径を拡大するため、入射ビームの光利用効率が低下す
る。集光ビーム径を大きくするのは走査線密度を下げて
記録密度を粗くするためであり、この時に必要な光量は
集光ビーム径が小さい高密度記録時よりも大きくなる。
それにもかかわらず、実際には開口絞りにより遮光され
る光量が増えて集光ビームとして得られる光量は減るこ
とになるという問題がある。

【０００８】また第２の方法では、エキスパンダ系とし
てレンズを用いた複数の光学系またはズーム系が必要に
なる。このため光学系自体や可動調整機構などが複雑で
高価になる。

【０００９】

【発明の目的】この発明はこのような事情に鑑みなされ
たものであり、光利用効率が高く、複雑で高価な光学系
やズーム系が不要なビーム径制御方法を提供することを
目的とする。

【００１０】

【発明の構成】この発明によれば第１の目的は、レーザ
ビームの集光ビーム径を変えるビーム径制御方法におい
て、レーザビームの一部の光束を偏光を利用して分割
し、偏光状態が異なる部分を集光することによりビーム
径を拡大することを特徴とするビーム径制御方法により
達成される。

【００１１】また第２の目的は、レーザビームの集光ビ
ーム径を変えるためのビーム径制御装置において、レー
ザビームの光束の一部に偏光状態を変換する偏光素子を
介在させたことを特徴とするビーム径制御装置により達
成される。

【００１２】ここに用いる光源としては半導体レーザが
望ましい。直線偏光とした場合には偏光素子は、レーザ
ビームの光束の中心付近に置いたλ／２板、λ／４板な
どとすることができる。偏光素子は光束の外周付近を囲
む円環状のものであってもよい。偏光素子はレーザビー
ムの平行ビーム内に置くのがよい。偏光素子を光束内に
保持するためには、全光束が通る一定厚さの透明支持板
を設けておき、ここに固定すればよい。反対にリング状
の偏光素子であってもよい。

【００１３】偏光素子をλ／２板などとする時は完全な
平行平板でなく多少くさび状になっていてもよい。要す
るに干渉が生じない程度の偏光状態の差を生じさせるも
のであればよく、両端面が多少の曲率を持っていてもよ
い。なお偏光素子の端面には反射防止膜の加工を施すの
がよい。ビームが通らない面には不要光を発生させない
ように黒塗り等の処理を施しておくのがよい。

【００１４】偏光素子は平行ビーム（コリメートビー
ム）内に置くのに代えて、発散光または収束光の中に置
いてもよい。この場合には偏光素子の位置を光軸方向に
変化させることにより、偏光素子で分割される光束の
量、すなわち全光束に対する偏光素子で分割された光束
の割合を容易に変えることができる。また偏光素子を光
軸に対して傾けることによりこの偏光素子を通る光束の
量を変えることも可能である。

【００１５】

【原理】図１はこの発明の原理を説明する図、図２はそ
の光ビームの強度分布を示す図である。まずこれらの図
を用いてこの発明の原理を説明しておく。

【００１６】平行ビーム（コリメートビーム）は半導体
レーザなどが射出する直線偏光であり、光束の中心から
外側へ強度が徐々に減少するガウス型の強度分布を示
す。この平行ビームは図１で左側から走査レンズ（集光
レンズ）ＬＳに入射し、記録面Ｓ上に収束するものとす
る。平行ビーム内の中心上に、円形の平行平板からなる
λ／２板Ｐを置いた状態を考える。ここにλ／２板Ｐ
は、本発明の偏光素子となるものであり、ここを通る平
行ビームにの偏光面を入射ビームに対して９０°回転さ
せるものである。

【００１７】今入射平行ビームが紙面と平行な直線偏光
とする。この入射平行ビームはλ／２板Ｐに達すると、
その一部はλ／２板Ｐを通って紙面に垂直な直線偏光で
ある光束部分Ａとなる。λ／２板Ｐを通らずにそのまま
進んだ光束部分Ｂは紙面と平行な直線偏光のままであ
る。このためλ／２板Ｐを通った光束部分Ａと、λ／２
板Ｐを通らなかった光束部分Ｂとの間の偏光方向が９０
°異なることになる。

【００１８】このため両光束部分ＡとＢは互いに干渉す
ることなく別々に記録面Ｓに集光する。その結果２つの
光束部分Ａ、Ｂは振幅の足し合せとならず、強度の足し
合せとなる。

【００１９】図２の（Ａ）はこのλ／２板Ｐが無く光束
の分割が行われない場合を示す。この時には、入射平行
ビーム（コリメートビーム）Ｂ₀は走査レンズＬＳによ
り集束されて記録面Ｓ上で集光ビームＢ₁となる。

【００２０】入射ビーム内に図１に示すようにλ／２板
Ｐを入れた場合には、光束部分ＡのビームＢ_Aは、レン
ズＬＳにより集光ビームＢ_1Aとなる。また光束部分Ｂの
ビームＢ_Bは集光ビームＢ_1Bとなる。従って記録面Ｓで
は２つの集光ビームＢ_1AとＢ_1Bとの強度が足し合わされ
て、（Ｂ_1A＋Ｂ_1B）の強度を持つ集光ビームとなる。

【００２１】この結果図２（Ａ）に示した集光ビームＢ
₁に対して、ビーム径が拡大した集光ビーム（Ｂ_1A＋Ｂ
_1B）が得られる。なおこの時は、入射ビームの全ての光
束が記録面Ｓに導かれているから、光利用効率は下がる
ことがない。また集光ビーム（Ｂ_1A＋Ｂ_1B）のビーム径
は、λ／２板Ｐの直径を変えることにより或る程度の範
囲内で任意に変更可能である。さらにλ／２板はレンズ
系やズーム系を用いるものに比べ構成が非常に簡単で安
価である。

【００２２】

【実施態様】図３と図４はビーム径制御装置の実施態様
を示す。図３の（Ａ）、（Ｂ）はλ／２板Ｐの側面図と
光軸方向から見た正面図であり、この実施態様は平行ビ
ームの全光束が通る透明な支持板Ｐ_Sにλ／２板Ｐを保
持したものである。ここに用いるλ／２板Ｐは、円形平
行平板とすることができる。

【００２３】図４の（Ａ）、（Ｂ）は他の実施態様の側
面図と光軸方向から見た正面図である。この実施態様は
平行ビームの光束の外周に沿うリング状（環状）のλ／
２板Ｐを設けたものである。図３のλ／２板Ｐの形状あ
るいは図４のλ／２板Ｐの中央の開口部分の形状は、円
形とするのが望ましい。しかしこの形状を楕円形、長方
形など任意の形状にすれば、集光ビームの形状を変える
ことができる。

【００２４】

【走査装置の実施態様】図５はこの発明に係るビーム径
制御装置を適用した光ビーム走査装置の実施態様を示
す。この図において、符号１０は記録用光源である半導
体レーザであり、直線偏光のレーザビームからなる記録
用光ビーム１２を射出する。この光ビーム１２はコリメ
ータレンズ１４、ビーム径制御装置１６、集光レンズ１
８、レゾナントスキャナ２０、走査（ｆθ）レンズ２２
を介して、ドラム２４に保持された記録フィルム２６に
導かれる。

【００２５】ここに半導体レーザ１０は制御回路２８に
より制御され、画像データに基づいて光ビーム１２をオ
ン・オフする。コリメータレンズ１４はレーザビームを
平行ビームとする。ビーム径制御装置１６は、前記した
図２〜４に示したλ／２板Ｐなどの偏光素子で構成され
る。

【００２６】レゾナントスキャナ２０は光ビームの走査
平面に対して垂直な軸回りで回動可能なミラーを持ち、
このミラーは板ばねの共振を利用して揺動する。走査レ
ンズ２２は、光ビーム１２の記録フィルム２４上での走
査速度を一定にする。なお３０は記録フィルム２４をド
ラム２２の表面に密着させるためのニップローラであ
る。

【００２７】３２は同期信号生成手段であり、次のよう
に構成されている。３４は同期用光源であり、レーザビ
ームからなる同期用光ビーム３６を射出する。この光ビ
ーム３６は、レゾナントスキャナ２０、走査レンズ２２
を介して、ドラム２４に接近しかつこのドラム２４と平
行に配設された集光ロッド３８に導かれる。この集光ロ
ッド３８の前には光ビーム３６を一定間隔ごとに透過さ
せるグリッドを有する同期用基準板４０が配設されてい
る。集光ロッド３８の一端にはホトセンサ４２が取付け
られている。

【００２８】従って光ビーム３６が基準板４０を通り集
光ロッド３８に入射すると、ホトセンサ４２がこれを検
出し、光ビーム３６の走査位置を検出する。この光ビー
ム３６は記録用光ビーム１２と同じレゾナントスキャナ
２０で走査されるから、この光ビーム３６の走査位置か
ら記録用光ビーム１２の走査位置を知ることができる。
なお４４はライン同期用のホトセンサであり、光ビーム
３６の走査開始タイミングを検出する。

【００２９】次に制御回路２８を説明する。前記ホトセ
ンサ４４の出力信号は、ライン同期信号生成部４６で波
形整形されてライン同期信号ＬＳＹとされ、またホトセ
ンサ４２の出力は同期信号生成部４８で波形整形されて
同期信号ＳＹとされ、それぞれ制御回路２８に入力され
る。制御回路２８は、同期信号ＳＹに適宜遅延時間を付
加する。

【００３０】制御回路２８はＣＰＵ（図示せず）から入
力される記録エリヤを示すデータに基づいて、このエリ
ヤの主走査方向の先頭に近い同期信号ＳＹＤに同期する
記録エリヤ信号ＡＲを生成する。

【００３１】一方前記の同期信号ＳＹは、逓倍回路であ
るＰＬＬ回路により逓倍される。例えば１０倍の周波数
に逓倍され、前記した記録エリヤ信号ＡＲの論理積（ア
ンド）により画像データクロックＣＬを得る。

【００３２】この画像データクロックＣＬは、走査線上
に画像を書き込むタイミングを示すものである。このク
ロックＣＬは、図示しない画像データ生成部から導かれ
る画像データと共に変調信号生成部５０に入力され、こ
こで半導体レーザ１０の駆動信号Ｄが生成される。

【００３３】この実施態様において記録密度が高い時す
なわち走査線密度が高い場合には、ビーム径制御装置１
６はλ／２板Ｐを光路から除去し集光ビーム径を図２
（Ａ）にＢ₁で示すように絞る。また記録密度が低い時
には、λ／２板Ｐを挿入して、図２（Ｂ）に示す集光ビ
ーム（Ｂ_1A＋Ｂ_1B）のようにビーム径を拡大させる。

【００３４】

【走査装置の他の実施態様】図７は、他の実施態様であ
る円筒内面走査型画像記録装置を示す概念図である。こ
の図７において６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）は光ビ
ーム出力手段としての３個のレーザダイオードであり、
これらは同一波長かつ同一強度である直線偏光のレーザ
ビーム６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）を出力する。こ
れらのレーザビーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃはそれぞれ
コリメートレンズ６４（６４ａ、６４ｂ、６４ｃ）、２
次元音響光学偏向素子ＡＯＤ（ＡＯＤａ、ＡＯＤｂ、Ａ
ＯＤｃ）、ＡＯＤ射出レンズ６６（６６ａ、６９ｂ、６
６ｃ）、０次光カット板６８（６８ａ、６８ｂ、６８
ｃ）およびコリメートレンズ７０（７０ａ、７０ｂ、７
０ｃ）を介し、合波光学系７２により合波される。

【００３５】なおレーザビーム６２（６２ａ、６２ｂ、
６２ｃ）は、コリメートレンズ７０で平行光線にされ、
ＡＯＤで偏向された後ＡＯＤ射出レンズ６６と０次光カ
ット板６８で１次回折光だけが選択される。そしてコリ
メートレンズ７０で再び平行光線に戻され合波光学系７
２に導かれる。

【００３６】ＡＯＤは後記のスピナー８４の回転角度θ
の変化に伴って所定周波数の超音波がトランスデューサ
より発生することにより駆動され、この時の１次回折光
が０次光カット板６８で選択されるものである。このト
ランスデューサの駆動周波数により１次回折光の偏光方
向を制御する。なお２値画像信号がオン・オフする時に
はレーザダイオード６０の出力がオン・オフしてレーザ
ビーム６２がオン・オフされる。

【００３７】３つのＡＯＤは、この実施態様ではそれぞ
れレーザビーム６２ａ、６２ｂ、６２ｃを２次元的に変
更させ、走査線の湾曲と間隔を修正するものである。

【００３８】合波光学系７２は、全反射ミラーＭと、偏
光ビームスプリッタＰＢＳと、ビームスプリッタＢＳと
で形成される。前記レーザダイオード６０ａ、６０ｂ、
６０ｃは直線偏光のレーザビームを出力し、これらの偏
光方向はそれぞれ図７に矢印で示す方向に設定されてい
る。

【００３９】すなわちレーザダイオード６０ａと６０ｃ
は、ビームスプリッタＢＳおよび全反射ミラーＭに対す
る入射平面波の電界の振動面が入射面（入射光と反射光
を含む平面）に平行な偏光（Ｐ偏光）となるように、そ
の取付角度が設定されている。またレーザダイオード６
０ｂは、偏光ビームスプリッタＰＢＳに対する入射平面
波の電界の振動面が入射面に垂直となる偏光（Ｓ偏光）
となるように、その取付角度が設定されている。

【００４０】そしてレーザビーム６２ａ、６２ｂ、６２
ｃはこの合波光学系７２によりほぼ１つのレーザビーム
Ｌｏに合波される。なおこの合波されたレーザビームＬ
ｏは図７では１本のビームとして表しているが、実際に
は、互いに分かれた３本の共軸ではないビームから成る
ものである。

【００４１】この合波レーザビームＬｏは、さらにビー
ムエキスパンダレンズ７４および７６においてビーム径
の拡大・変更が行われる。その後開口板７８においてフ
レア光（迷光）の除去と光束径の制御とが行われる。こ
のビームＬｏはさらにビーム径制御装置８０を通り、ド
ラム（円筒）８２の中心軸に沿ってドラム８２内に導か
れる。ドラム８２の中心軸上には、光走査器としてのス
ピナー８４が設けられている。

【００４２】このスピナー８４は中心軸（回転軸）に対
して４５°の反射面を持ち、モータにより高速回転され
る。なおこのモータにはロータリーエンコーダ８６が取
付けられ、スピナー８４の回転角（θ＝ωｔ）が検出さ
れる。すなわち所定回転角ごとに出力されるパルス信号
ｐと、１回転の基準位置を示す基準位置信号ｐ０とが出
力される。なおこのスピナー８４に導かれるビームＬ_O
は、回転軸上にある集光レンズ８８によって、ドラム８
２の内周面あるいは記録シートに合焦する。９０は制御
手段であり、このスピナー８４の回転角θに同期してＡ
ＯＤを制御し、主走査線の湾曲と間隔の修正を行う。

【００４３】この実施態様で、ビーム径制御装置８０と
して図３〜４に示したλ／２板Ｐを用いる。このビーム
径制御装置８０により３本の光ビーム６２ａ、６２ｂ、
６２ｃの記録面上での集光ビーム径を同時に変えること
ができる。例えば記録密度が高い場合にはビーム径制御
装置８０のλ／２板を除き、ビーム径を絞る。また記録
密度が低い場合にはλ／２板を入れビーム径を拡大させ
ればよい。

【００４４】以上の実施態様は、この発明のビーム径制
御方法、装置を画像出力するための光ビーム走査装置に
適用したものであるが、本発明はこれ以外の装置に適応
してもよい。例えばレーザビームを用いた画像の読取り
を行う装置、レーザビームを用いた加工装置、医用装
置、計測装置などでビーム径を変える場合に適用でき
る。

【００４５】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、レーザ
ビームの光束の一部を偏光を利用して分割し、偏光状態
が異なる部分を集光することによりビーム径を変えるも
のであるから、開口絞りを用いる方法に比べて光利用効
率が高くなる。また構成が簡単で、複雑で高価な光学系
やズーム径が不要であるから安価である。

【００４６】請求項２の発明によれば、この方法の実施
に直接使用するビーム径制御装置が得られる。ここに用
いるレーザビームは、半導体レーザが射出する直線偏光
のものが適する（請求項３）。

【００４７】偏光状態を異ならせるための偏光素子は、
λ／２板が好ましく（請求項４）、レーザビームの平行
ビームの中に置くのがよい（請求項５）。この場合偏光
素子はレーザビームの全光束が通る透明支持板に保持す
ることができる。

【００４８】このビーム径制御方法・装置は、レーザビ
ームを記録面上で走査させて画像を記録する光ビーム走
査装置に適用することができる（請求項９）。またレー
ザビームを画像上で走査させて画像を読取る光ビーム走
査装置も適用できる（請求項１０）。これらの場合に
は、記録密度あるいは読取り密度の変化に対応して偏光
素子を着脱することによりビーム径を容易に変えること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図

【図２】その光ビームの強度分布を示す図

【図３】ビーム径制御装置の実施態様を示す図

【図４】ビーム径制御装置の他の実施態様を示す図

【図５】光ビーム走査装置へ適用した実施態様を示す図

【図６】他の光ビーム走査装置へ適用した実施態様を示
す図

【符号の説明】

１０、６０半導体レーザ１２、６２レーザビーム１４コリメータレンズ１６、８０ビーム径制御装置１８、８８集光レンズＰ偏光素子としてのλ／２板Ｐ_S 透明支持板ＬＳ集光レンズＳ記録面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームの集光ビーム径を変えるビ
ーム径制御方法において、レーザビームの一部の光束を
偏光を利用して分割し、偏光状態が異なる部分を集光す
ることによりビーム径を拡大することを特徴とするビー
ム径制御方法。
【請求項２】レーザビームの集光ビーム径を変えるた
めのビーム径制御装置において、レーザビームの光束の
一部に偏光状態を変換する偏光素子を介在させたことを
特徴とするビーム径制御装置。
【請求項３】レーザビームの光源は、半導体レーザで
ある請求項２のビーム径制御装置。
【請求項４】偏光素子はλ／２板である請求項２のビ
ーム径制御装置。
【請求項５】偏光素子はレーザビームの平行ビーム内
に置かれている請求項２のビーム径制御装置。
【請求項６】記録面上に画像の記録を行う記録密度可
変な光ビーム走査装置に用いられ、前記偏光素子は着脱
可能であって高密度記録に対して除去可能にした請求項
２のビーム径制御装置。
【請求項７】画像の読取り密度を可変とした光ビーム
走査装置に用いられ、前記偏光素子は着脱可能であって
高密度読取りに対して除去可能にした請求項２のビーム
径制御装置。