JPS5820405B2 - ヒカリビ−ムソウサソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転反射鏡又は振動鏡等の光ビーム走査手段を
用いた走査光学系に於いて、前記走査手段の反射面がそ
の回転軸又は振動軸に対してなす傾斜誤差が走査光の走
査方向と直角方向に及ぼす位置誤差の影響を緩和する光
学系に関するものである。

光ビーム走査を用いた画像情報の読取り、記録において
高速、高記録密度が要求される場合角柱状あるいは角錐
状の多面鏡をモーターなどにより高速回転させたり反射
鏡を高速で振動させたりし、この反射面の回転又は振動
で光ビームを偏向させることにより、情報の読取面、あ
るいは記録面を走査する技術がしばしば用いられる。

しかしながら、これ等の方法には固有の技術的問題があ
った。

以下この問題を第１図を使用して説明する。

第１図は従来の回転多面反射鏡を用いた走査光学光学系
の一例を示す斜視図である。

１はレーザー等の光源で、該光源から光束２はビームエ
キスパンダー３で光束径を拡大され回転四面鏡４に入射
する。

回転四面鏡４で反射される光束は集光レンズ５を介して
走査面６上に結像し、前記回転四面鏡４の回転に伴い走
査面上をＸ軸方向に走査される。

前記回転四面鏡は４−ａ ＋ ４−ｂ 、 ４−Ｃ＋４
−ｄの４面の反射面を有しており、不図示の回転手段に
より回転される回転軸７に固設されている。

故に回転軸７が矢印Ａ１方向に回転すれば、走査面６上
で光束２のスポットＳは走査面のＸ軸に沿って矢印Ａ２
の方向に移動する。

もし、回転反射鏡４の各反射面（４−ａ 、 ４−ｂ
、 ４−ｃ 。

４−ｄ）がそれぞれ前記回転軸７に対して正確に平行に
製作されていれば、前記４個の各反射面により走査面６
上を走査されるスポットＳの各軌跡（走査線）は完全に
一致する。

若し、今４−ａ面が回転軸７に平行に製作されており、
４−ｂ面が軸７に対しΔθだけ傾斜しているものとする
と、第２図に示す如く、４−ｂ面により得られる走査線
は４− ａ面により得られる走査線よりＨだけ離れる。

第２図は第１図のレンズ系、走査面をＸ軸方向より見た
図であり、また回転四面鏡４の反射面は、光の進行方向
を変換する等価の透過面に置き換えて記しである。

第２図に見られる如く、反射面４−ｂがΔθだけ傾斜す
ることにより、ビーム２は、ビームが４−ａ面により反
射された場合に比し、２Δθだけ傾斜してレンズ５に入
射する。

この結果生ずる走査線のずれＨは通常多く用いられるレ
ンズに対しては、Δθが微小角であることからレンズ５
の焦点距離をＦとすると Ｈ＝２・Ｆ・Δθ ・・・・・・・・・（１）であ
る。

上記説明においては回転四面鏡の反射面の傾きΔθは軸
７に対する値としたが、仮にすべての反射面が軸７に完
全に平行に製作されていたとしても、回転反射鏡４の回
転中心軸７が一定の方向を保ち得ない場合、例えば回転
反射鏡４ならびに駆動モータの回転子のダイナミックバ
ランスの不良などにより回転反射鏡の実際の回転軸が回
転軸７の中心から離れている場合にも上記と同様の現象
が生じ、走査スポットＳは同一空間を走査しないこの事
は回転多面鏡のみならず振動鏡を使用した場合にも生じ
る。

この様に走査手段の精度による走査ビームの走査面上で
の位置の誤差は高密度の情報の読み取り記録などにおい
て大きな障害となる。

以下本明細書に於いては走査手段として回転多面鏡を引
用して説明する。

上述した欠陥を改良する方法としては、回転反射鏡の反
射面の傾斜及び回転反射鏡を回転する手段の精度を上げ
る方法又は他の光学的補正手段を用いる方法が行なわれ
ている。

前者は上述した高密度の読み取り又は書き込みρこ必要
な精度を得ること並びにその精度を長期に亘って維持す
ることは非常に高精度の加工が必要であり、従って多額
の製作費用を必要とする。

後者の光学的補正手段としては、既に特開昭４８−４９
３１５或いは特開昭４８−９８８４４に提案されている
。

これらの方法は回転反射鏡面に光束を反射鏡の倒れ方向
についてのみ一旦集束させることにより、反射鏡面の傾
斜が走査位置の誤差として影響しない様にしているもの
で、第３図を用いその概要を説明する。

第３図Ａは上述した従来の倒れ補正光学系を走査方向（
Ｘ軸方向）から見た図、同図Ｂは同じく走査面に於いて
走査方向と直角の方向（Ｘ軸方向）から見た図である。

第３図に於いて、走査を行なうビーム８のＹ軸成分は、
円筒レンズ９により回転反射面（Ｍｌ ２Ｍ２ ）上に
結像し、一方Ｘ軸成分は円筒レンズ９の母線方向と一致
するので屈折されずに回転反射面に入射する。

従って円筒レンズ９は回転反射鏡面上に焦線を結んでい
るが、ビームの倒れ補正方向即ち第３図Ａに示す如くＸ
軸方向から見た場合、回転反射面上に於いては点光源と
等価になっている。

円筒レンズ１０は前記円筒レンズ９と同じくＸ軸方向に
母線を有しており、その焦線は回転反射鏡面上に於いて
前記円筒レンズ９の焦線と一致する様に設けられている
。

従って回転軸に平行な反射面Ｍ１で反射される光束１２
も前記反射面Ｍ１ と傾角αの反射面Ｍ２で反射される
光束１３も前記円筒レンズ１０により平行光束となる。

集光レンズ１１はその一方の焦点面を走査面上に有して
おり、前記円筒レンズ１０からの平行光束１２．１３は
いずれも走査面上の走査スポットＳに結像する為、Ｘ軸
方向成分の反射面の倒れが補正できる。

第３図Ｂに示す如く走査方向と直角方向（Ｘ軸方向）か
ら見た場合円筒レンズ９，１０は走査光に対して平行平
面ガラス板と近似の作用をする為、回転反射面が角度α
だけ回転しＭ からＭｌの位置に来ると、走査面上を走
査スポットがＰｏからＰｔへ移動し走査を行なう。

しかし、第３図で示した走査光の回転反射鏡の倒れによ
る補正手段には種々の欠点が存在する。

まず第１の欠点はビームを反射面上に線状に結像させる
ように意図しているため、反射面上の極く微小面積で全
ビームが反射される。

この結果、反射面に存在する極く微小なゴミ、キズなど
の欠陥が反射光量に大きく影響する。

第２の欠点は、反射面の極く微小面積に走査光を結集し
ている為、該微小面に於けるビームのエネルギー密度が
高くなり、反射面の熱による劣下を招へこの結果生ずる
反射率の低下は反射面に於ける熱の発生を促進し、反射
面が加速度的に劣化する。

第３の欠点は上記の如く反射面上に線像の結像を意図し
ても、実際には反射面が回転する為、常に反射面上に結
像を得ることはできない。

従って反射鏡の回転と共に円筒レンズ９により得られる
線像は、結像レンズ１１に対し等制約に光軸方向を前後
に移動するので、走査面上の走査スポットに於けるビー
ムの集束の状態は劣下する。

この事は高解像度の走査光学系が要求される場合には著
しい欠点となる。

本発明は上述した回転反射鏡の反射面上に走査ビームを
集束させたことによる欠点を除去した高解像度の走査光
学系を提供することにある。

従って本発明の第１の目的は、回転反射鏡の反射面の倒
れによる走査面上での走査スポットが、走査方向と垂直
の方向に移動する量を緩和する倒れ補正光学系を提供す
ることにある。

この第１の目的は後述する例えば凹レンズ及び凸レンズ
を組み合わせたアフォーカル光学系に於いて、該アフォ
ーカル光学系に入射する光束の成分の内、所望の成分を
拡大させることにより、該方向に於けるアフォーカル光
学系に入射する光束の傾角に比して、該アフォーカル光
学系から出射する光束の傾角が小さいことを利用し、該
方向を回転反射鏡面の倒れ補正を行なう方向と一致させ
ることによりその目的を達成する。

本発明の第２の目的は反射面上の表面欠陥により走査ビ
ームの光量の劣化及び走査ビームの発熱による反射面の
劣化を防ぐ光学系を提供することにある。

この目的は走査ビームを回転鏡の反射面に集束させるこ
となく、実質上平行光束で入射させることにより、反射
面上に於いて走査ビームが当る面積を大きく取ることに
より達成できる。

本発明の第３の目的は回転反射鏡の回転による走査面上
の走査スポットの集光状態が変化を受けない光学系を提
供することにある。

この目的は上述した様に回転反射鏡の倒れ補正の原理に
アフォーカル光学系を用いている為、平行光束を回転反
射鏡の反射面に入射させることにより達成できる１本発
明の他の目的及び特徴は、以下本発明に係る説明により
明らかになるであろう。

第４図は本発明の要旨である倒れ補正を説明する為の図
である。

第４図は凹レンズ１４と凸レンズ１５を組み合わせたア
フォーカル光学系の一例である。

このアフォーカル光学系に直径φ１のビームを入射させ
た時の出射光束のビーム径をφ２（φ２〉φ１）とする
と、入射光束を光軸Ｏ−０′に対してＷｌだけ傾けた場
合の出射光束の光軸Ｏ−〇′となす角Ｗ２は なる関係を有することが知られている。

第２式より明白な様にアフォーカル光学系の前後での光
束幅φと傾斜角Ｗの積である物理量は一定である為光束
径が拡大されれば傾斜角は小さくなる。

この原理を回転鏡面の倒れ補正を行ないたい方向と一致
する様に適用すれば、回転鏡の倒れ角が走査面上に於け
る走査スポットに及ぼす影響を緩和することができる。

次に走査スポットの形状に関して述べる。

通常走査スポットの形状は円形又は楕円形等、種々の形
状が走査する目的に応じて使用される。

回転多面鏡で走査された平行光束が入射する直交方向に
焦点距離の異なる光学系に於いて、走査スポットの形状
は走査面上での走査ビームの前記各直交方向に於ける集
光角の状態に依存する。

このことは、一般に収差の良く除去されたレンズに波長
λの円形断面の平行光束がその中心をレンズの光軸に一
致した状態で入射すると、前記平行光束はそのレンズの
焦点面に頂角２βの円錐状に集束すると、焦点面に゛エ
ネルギーレベル零の位置の直径が で表わされる点像が形成されることが知られているから
である。

第５図は上述した本発明の原理を有する集光光学系を示
したもので、第５図Ａは走査面のＸ軸方向（走査方向）
から見た図、第５図ＢはＹ軸方向（倒れ補正方向）から
見た図である。

第５図に於いて、回転反射鏡からの平行光束のＹ軸方向
の入射瞳径はＤｙ、Ｘ軸方向の入射瞳径はＤｘである。

この光束が集光光学系１６のアフォーカル光束拡大系Ｅ
を通った後はＹ軸方向の光束径のみが拡大され、光束径
はＤｙとなる。

前記アフォーカル光束拡大系Ｅからの光束は同じく集光
光学系１６を構成する球面レンズＬに入射し走査面上に
結像される。

この時の走査面上に結像する走査ビームのＸ軸方向成分
の集光角を２１３ｘ、同じくＹ軸方向の集光角を２βｙ
とし、前記球面レンズＬの焦点距離をｆとすると第３式
より走査面上におけるビームのスポット径はＸ軸方向を
ｄｘ、Ｙ軸方向をａｙとすれば、 となる。

今、例えばアフォーカル光束拡大光学系Ｅより出射され
る光束の径にＤｙ＞Ｄｘなる関係があればｄｙ〉βＸと
なり、従ってｄｘ＞ｄｙとなる。

このことは第６図Ａに示す様に走査面に於いてＸ軸方向
に長い楕円形ビームとなる。

同様にしてＤｙ＝Ｄｘであれば第６図Ｂに示す様に走査
面上での走査スポットの形状は円形、Ｄ ｙ＜Ｄ ｘで
あれば第６図Ｃに示す如く走査スポットの形状はＹ軸方
向に長い楕円形となる。

走査面に於ける走査線の間を埋める為に、走査線の幅を
走査ピッチと同じ程度又はそれよりも広くする必要が生
じる場合がしばしばある。

この場合には故意にβＸ〉ｄｙなる光学系を用い第６図
Ｃに示した如く、走査スポットの走査方向の巾を狭くし
、走査方向と垂直方向の巾を広くする。

上述した走査スポットの形状を円形にする場合の一例と
しては、集光光学系１６のアフォーカル光束拡大光学系
Ｅからの光束のＸ軸方向及びＹ軸方向の光束径を合致さ
せ、走査面に結像させる方法が考えられる。

又走査スポットの形状を楕円形にする場合の一例として
は、集光光学系１６のアフォーカル光束拡大光学系Ｅか
らの光束のＸ軸方向及びＹ軸方向の光束径を違え、かつ
走査面に於いて結像させる方法が考えられるが、この外
にも集光光学系１６のＸ軸方向及びＹ軸方向の集光状態
を変化させることにより種々の方法で走査スポットの形
状を変化させることは可能である。

次に本発明の一実施例として、前記走査スポットの形状
を円形にする場合を第７図及び第８図を用いて述べる。

第７図は走査光学系の斜視図、第８図Ａは第７図示走査
光学を走査方向（Ｘ軸方向）から見た図、同図Ｂは倒れ
補正方向（Ｙ軸方向）から見た図である。

第７図に於いて１７はレーザーなどの光源からの光束で
これは長い距離にわたり、光束の巾の変化を少なく伝送
することが出来るため本実施例に適するのであるが、こ
の光束を図には記されていない手段により、走査方向に
巾の広い（Ｗｌ）、そしてそれを直角方向には巾のせま
い（Ｗ２）の平行光束として、回転反射鏡１８の反射面
１８Ｍに入射させる。

前記反射面１８Ｍによる反射光は入射光と同じ長短比を
もった光束で反射面から出る。

次にこの光を一方向光束拡大手段２１により、走査方向
と直角方向即ちＹ軸方向に拡大する。

この手段としては凹凸の円筒レンズの組合せが実際的で
あり、１９は円筒凹レンズ、２０は円筒凸レンズである
。

この結果光束の巾はＷ３に拡大され、球面結像レンズ２
２に入射し、走査面２３上の走査スポットＰに結像する
。

走査スポットでのビーム径を円形にする為、前記拡大さ
れたビーム径Ｗ３は前記走査方向の巾Ｗ１ と等しくな
る様に拡大している。

従って逆の立場から言うと、アフォーカル光束拡大光学
系２１のＹ軸方向成分に於ける光束径の拡大比と、前記
集光光学系に入射する平行光束に於ける走査方向の倒れ
補正方向に対する光束径の比Ｗｓ／Ｗ２を等しく取れば
良い。

上記アフォーカル光束拡大光学系２１に於ける光束拡大
比Ｗ３／Ｗ２は回転反射鏡の傾斜をどの程度押さえるか
によって決められる値である。

ここで第７図及び第８図を用いて補正の具体的数値例を
示す。

即ちＷ２を１ｍｒｎとし、Ｗ３を１０ｍｍとすれば、反
射面の傾斜誤差による走査位置のずれはＪ／１０に緩和
される。

この様な緩和が、現在の技術に対し如何なる意味をもつ
かを簡単に記す。

まず１例として結像レンズ２２として焦点距離３００闘
Ｆナンバ３０のレンズを用い、波長０，６３μのレーザ
ービームを用、いた走査系があるとす乞このとき得られ
る走査スポットの直径はレンズの性能にも依存するが大
略５０μである。

このスポットで５０μピツチのラスター走査を特徴とす
る特許容゛されるラスターのピッチ誤差は、ラスターを
肉眼で観察する場合大略±２．５μである。

一方、現在の製造技術から得られる回転多面鏡の反射面
の回転軸に対する傾斜角は±３″程度である。

この場合焦点距離３００ｍｍのレンズを用いると補正手
段を有しないとすると、走査面におけるラスターのピッ
チ誤差は±９μである。

すなわち補正手段を用いない場合には許容値の約４倍の
誤差を生ずる。

□ この場合本発明に基づき第７図においてＷｌ−１０
ｍｍ、Ｗ２＝ １ ｍｍ、Ｗ３−１０ｍｍとして光学系
を構成すると、上記ピッチ誤差は±０．９μとなり、許
容値の１ ／ ２．５以下となる。

なお結像レンズに光ビームが入射する場合、光軸に対す
る入射角度θと結像点の光軸からの距離Ｓとの関係は結
像レンズの設計により定められるものであるが回転鏡を
用いる走査光学系に用いられる結像レンズとしては Ｓ＝Ｆ・θ ・・・・・・・・・（４）
なる関係を満すレンズが多い。

（４）の関係がある場合には回転鏡の回転速度と走査ス
ポットの移動速度は比例関係を持ち、等速回転をしてい
る反射鏡を用いることにより走査スポットは走査面上を
等速度で走査することができる。

このような性質は例えば等時間間隔で送られて来る電気
信号を記録体の上に等間隔に記録したい場合などに極め
て重要である。

なお上述の一方向光束拡大手段としてのアフォーカル光
束拡大光学系は第７図Ａに示す如き凹凸のシリンドリカ
ルレンズを用いるほか、第９図に示す如き断面を持った
細長い２個のプリズムの組合わせを用いることもできる
。

第９図においてプリズムに１に入射する光の巾Ｌ１はプ
リズムに１に入射する境界において拡大されプリズムに
１を巾Ｌ２をもって出射する。

続いてプリズムに２により巾Ｌ３に拡大される。

プリズムに２はまた入射する光束と出射する光束の方向
をそろえる役割も果している。

第９図の構成ではに１の拡大率かに２の拡大率より大き
くなっているがこれは、図において光束が紙面に垂直の
成分をもっている場合にも、入射光と出射光のなす角度
を、光束が紙面内にある場合に対し出来るだけ変動しな
いようにするためである。

なお、第７図Ａにおいてアフォーカル光束拡大光学系２
１に入射する光束は断面形状がそれぞれ巾Ｗ１．Ｗ２で
表わされており、詳しい光エネルギー分布は示されてい
ないが例えば第１０図、第１１図の如き拡大手段により
得られる分布を用いることもできる。

第１０図においてＲ１は全反射平面鏡、Ｒ２゜Ｒ３はそ
れぞれ反射鏡が２／３．１／２以上のＲ１と平行な半透
明平面鏡でガラスブロックＧ１に設けられている。

Ｒ２，Ｒ３の反射率を適当にえらぶことにより、Ｇ１
に導入した例えばレーザービームφ１はφ２．φ３．φ
４の相接した長短比が約３：１の光束に変換することが
できる。

第１１図は第１０図においてＲ３を除去した場合に相当
し、ガラスブロックＧ２から出射するビームφ６．φ７
は互に平行である０図において出射光は２本の分離した
ビームであるがその長短比は、はゾ３：１である。

このような分離したφ６．φ７の二つの光ビームを用い
る場合も、結像点におけるエネルギの集中度は、ビーム
１つ例えばφ５をそのまま用いる場合に比しすぐれてい
る。

以上述べた様に本発明の走査光学系に於いては、走査回
転鏡に光束を平行もしくはほぼ平行状態で入射させしか
る後に走査方向とは直角方向即ち回転鏡の倒れによる走
査ビームの振れを補正する方向の光束中を拡大する手段
を用いる為、上述した従来用いられる倒れ補正光学系に
比べ、前記回転鏡に入射するビームの径が大きい為、回
転鏡反射面上の表面欠陥及び付着物による光束の散乱を
小さく押えることが出来又反射面上でのビームのエネル
ギー密度も低くなるので反射面を損傷することがない。

更に本発明に於いては反射面に入射する光束である故、
反射面がいかに回転しても反射面からの出射光は常に平
行光束であるので、走査ビームを走査面上に集光する光
学系の性能が充分に発揮され常に集光度の良い点像が得
られるなど高速度、高密度走査に適した高性能の光走査
装置を実現するために著しい効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の光走査装置を示した図、第３
図Ａ、Ｂは従来の走査鏡の倒れ補正光学系を示す概略図
、第４図は本発明の原理を示す図、第５図Ａ、Ｂは本発
明に係る走査スポットの形状を説明する為の図、第６図
Ａ、Ｂ、Ｃは走査スポットの形状を示す図、第７図及び
第８図Ａ、Ｂは本発明の一実施を示す図、第９図は本発
明の原理に係る二個の模型プリズムによるアフォーカル
光束拡大光学系を示す図、第１０図及び第１１図はガラ
スブロックを用い平行光束を一方向に於いて拡大する手
段を示す図。 １６．２３・・・・・・集光光学系、１８・・・・・・
回転走査鏡、１９・・・・・・円筒凹レンズ、２０・・
・・・・円筒凸レンズ、２２・・・・・・球面レンズ、
２４・・・・・・走査面、Ｓ・・・・・・走査スポット
、Ｗ、Ｌ、φ・・・・・・光束径、Ｋ・・・・・・プリ
ズム、Ｇ・・・・・・ガラスブロック。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光ビーム発生手段と、光ビーム走査手段と、該光ビ
   ーム走査手段の反射面に前記光ビーム発生手段からの平
   行又はほぼ平行の光ビームを入射させる手段と、前記光
   ビーム走査手段の反射面で反射された光ビームを走査面
   上に集光する直交方向に異なる焦点距離を有するが、各
   々の焦点位置は走査面と合致する集光光学系を有し、談
   集光光学系は、走査方向と直交する方向の光束の径を拡
   大するアフオーカルアナモフインク光学系と、光軸に対
   する光ビームの入射角度をθ、結像点の光軸からの距離
   をＳ、焦点距離をＦとすると、Ｓ＝Ｆ・θなる結像関係
   を有するレンズとより成る事を特徴とする光ビーム走査
   装置。