JPS5967514A - レ−ザ−ビ−ム走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体レーザーを用いたレーザービーム走査装
置に関する。半導体レーザーはＨｅ−Ｎｅレーザーに比
し装置がコンパクトに出来また変調が容易である等の利
点があり、これを用いたレーザービーム走査装置が既に
提案されている。

レーザービームで走査を行うには回転鏡とか振動鏡を用
いる方法もあるが、レーザー光の場合、その単色性が秀
れているので、回折格子を回転させて走査を行うことが
できる。回折格子を用いる走査方式は光学系が比較的単
純に構成できる上、回折格子をホログラフィックな方法
で製作し、その複製を量産することで、品質の揃った走
査品位の優れた走査装置を安価に生産できる利点がある
。

しかし半導体レーザーの場合、レーザーの発振波長はレ
ーザー媒質と共振器の長さで決まり、環境温度及びレー
ザー自体が発生する熱によって発振波長が変化し、更に
第１１図に示すように基準波長に対して約０．６　ｎ　
ｍおきに波長の異る発振を行う可能性があって、発振状
態が基準波長から突然何段かずれた波長の発振状態に移
ったり（第１図Ｂの状態）、２種以上の波長において発
振したり（第１図Ｃの状態）することがあり、何時どの
ようなモードで発振するか判らず、電気的に発振状態を
一定にコントロールすることも困難である。回折格子に
よる光の回折角は波長によって異るから、上述したよう
に半導体レーザーを用いた光ビーム走査装置で走査方′
式として回折格子を用いる方式を採用しようとすると発
振波長の不安定さによって走査状態が変動するという問
題が生じる。

この波長変動についてさらに具体的構成をもとに説明す
るに、第２図に示すレーザービーム走査装置は、半導体
レーザ−１コリメーターレンズ２シリンドリカルレンズ
３スフエリカルレンズ４回転回折格子円板ＧＳ、シリン
ドリカルミラー６を光路に沿って順次配置し、回転回折
格子円板ＧＳを回転させることよりレーザ゛−ビームを
スキャンさせるものである。シリンドリカルミラー６は
格子円板ＧＳの回転による円弧状の走査を感光ドラム７
上での直線状の走査軌跡Ｙに補正する。

回転回折格子円板ＧＳは、第３図に示すように、円周方
向に等分された１２個の扇形セグメントｇからなり各セ
グメントｇは中心の格子線が半径方向とで致するように
回折格子か刻まれている、。

回転回折格子円板ＧＳに入射するビームは、Ｘ−２平面
内にのみパワーをもつシリンドリカルレンズ３とスフエ
リカルレンズ４とによってＺ方向に、また、スフエリカ
ルレンズ４によってｙ方向に集光され格子円板ＧＳの半
径方向に延びる線分となる。

このように集光するのは有効走査幅を広げる上で意味が
ある。これを第４図を用いて説明するに、光源である半
導体レーザーがらのビームはビームの広がりが方向によ
って異なるためにコリメートしたビームの断面形状は橢
円となる。この欄内ビームＢ１を集光せずに回折格子に
入射させると（第４図Ａ）、ビームが２つのセグメント
にまたがって入射する場合が生じ、この場合ビームは感
光ドラム面上で２つの点となる。それ故、走査に有効な
のはビームが１つのセグメントにのみ入射している間だ
けである。即ち、１つのセグメントの占める角度をα、
欄内状ビームがセグメントの端に接したときのビーム中
心とセグメントの端との間の角度をδとすると、走査に
有効な角度はα−２δとなる。これを上述の如くレンズ
３．４によって線状ビームＢ２に集光すると（第４図Ｂ
）、実質的に前記δを零にすることができ有効走査幅を
広げることができる。

しかしながら上述の装置は前記した主うに発振波長が変
動すると走査点のずれを生じてしまう。

走査点のずれは、Ｚ方向についてはシリンドリカルミラ
ー６によって補正されているので、ｙ方向についてのみ
表われる。

一般的に回折についての入射角ア０と射出角アとの関係
は ｍλ ６　ｉ　ｎｆ−５ｉ　ｎ　Ｃｆ）ｏ　７　・＝　”１１
）で表わされる。ここで、λは波長、ｄは格子定数、ｍ
は回折光の次数（ｍ＝ｏ、±１．±２・・・）である。

上式を用いて前記装置にあられれる感光ドラム上の有効
走査幅端部でのｙ方向のずれ△ｙを波長変動量△λ、射
出角変動量△　とともに表−１に示す。ここで、格子定
数ｄ＝１．４Ｘ１０　　　ｍｍ入射角ｆｏ　＝　Ｏ’　
、半導体レーザハ、の基準波長大＝７８０ｎｍであり、
回折光は１次光を用い、△θ、△ｙは下式より算出され
たものである。

−１λ十△λ △ｅ　＝Ｓ　ｉ　ｎ　　（−）−５ｉ　ｎ　’　（、：
）−［２）△Ｙ＝ｌｔａｎ　△θＸ５ｉｎ’−−、−（
−５）尚、ｌは格子円板から感光ドラム上の有効走査幅
端部までの距離、αは格子円板の１つのセグメントの回
転角でｌ＝１ｏｏｏｍｍ、α＝３ｏｏで計算される。

表−１ □ ６　　　　’　　　　０．２９６　　　１１．３４３　
　°　　０．１４８　　　：０．６６９Ｏ，６１０，０
２９６：　　　０．１３４−０．６　、−０．０２９６
　　：　−０，１３４−３、−０，１４８’　　−０，
６６９１゜ −６：　　　−０，２９６１−１，３４１１ −９１−〇・４４５　　　（−２，０１−１２１−０，
５９３ｉ　−２，６８ １ 前記レーザービーム走査装置においては感光ドラム上で
のビームのスポット径は約０．１　ｍ　ｍである。従っ
て表−１から明らかな様に波長が０．６ｎｍずれただけ
でもスポット１つ分ずれることになり良好な画像形成が
できない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、半
導体レーザーを用いた回折格子方式のレーザービーム走
査装置で波長依存性を解消することを目的とする。

まず、本発明の原理について第５図を用いて説明する。

第５図において、ＧＳは第３図に示した回転回折格子円
板であり、本発明は、この回転格子円板ＧＳの光源側に
固定回折格子Ｇを設け、両格子ＧＳとＧとの間にレンズ
Ｌを介在させて両格子がレンズＬに関して互いに共役の
位置にあるようにした。

固定回折格子Ｇの格子定数をｄ＋、入射角をｉｏ１射出
角をｉ半導体レーザーの基準波長をλとしたとき、この
固定回折格子Ｇの一１次回折光は式＋ｌ）より次式で表
される。尚、入射角ｉｏ射出角１は共に入射・射出点の
まわりに時計廻りを正。

反時計廻りを負にとっている。即ち射出角は−１である
。

λ Ｓ　ｉｎ　ｉ　＋　ｊｉ　ｉｎ　ｉ　ｏ　ｍ１了゛＝　
＝−１４１また、回転回折格子円板ＧＳの格子定数をｄ
２、入射角をθ０射出角をθとしたとき、この回転格子
円板ＧＳの一１次回折光は式（４）と同様に次の様にな
る。

５ｉｎθ＋Ｓｉｎθｏ＝］Ｔ＝・・・・（５）第５図を
参照して、発振波長がλからλ十△λに変化したとき固
定回折格子Ｇの入射角ｉｏは変化せず射出角はｉからｉ
＋△ｉに変化し、このビームがレンズＬにより格子Ｈ板
ＧＳ上の発振波長が大のときの入射点に入射する、即ち
入射角はθ０からθ０＋△θ０に変化するが格子円板Ｇ
Ｓがらの射出角θは変化しないとする。

式（４）を変数ｉとλについて微分すると、ｉ ｄス　　ｄ＋ｃｏｓｉ　　　”・・・・　　（６）また
、式（５）を変数００とλについて微分すると、ｄｆ９
ｏ　　　　　　　１ ｄλ　　ｄ２ｃｏｓθｏ＝−＝、ｍ＝　（７）第５図に
おいてレンズＬと固定回折格子Ｇとの距離をａレンズＬ
と回転格子円板ＧＳとの距離をｂルンズＬの倍率をｍと
すれば近軸領域ではｂ△θｏ　ｄ　−／ｄ　ｉ ａ　△ｉｃｉ’２ｒｒ この式に上式！６１＋７１を代入すると、ｍ＝ｄ２ｃｏ
ｓθｏ゛°°゛°°（８）となる。即ち、この（８）式
を満足するように構成すれば、波長変動が生じても回転
格子円板ＧＳがらの射出角θは変動せず感光ドラム上で
のスポットのずれは生じない。

また、レンズＬの焦点距離をｆ１両格子間距離をＤとす
れば、 ｍ＝ｂ／ａ、　　ｌ／ａ＋１／ｂ＝ｆより、Ｄ　＝　ａ
　＋　ｂ　＝　（ｍ＋１）ｆこの式を微分すると、 ｄＤ　　　　ｍ　　−１ τ−ｍ２　ｆ 従って、両格子間距離りはｄｂ／ｄｍ−ｏ　　即ちｍ＝
−１：１のとき最小になる。言いかえれば、レンズＬに
対して固定回折格子Ｇと回転格子円板ＧＳとを等倍関係
に配置すれば装置自体をコンパクトニ構成することがで
きる。

ν この式よりｄ／／ｄｉｏ　をとると、 これより’ｌ−２ｉｏ、即ち１＝ｉｏのとき回折角７の
変動は最小になる。従って、固定回折格子Ｇ及び回転回
折格子円板ＧＳをこのように設定すれば設定誤差による
影響が少なく、各格子の設定精度をゆるやかにすること
ができる。

以上の原理説明は便宜上−１次回折光についておこなっ
たが、１次回折光及び他の高次回折光についても同様に
説明することができる。

次に本発明の詳細な説明する。第６図は本発明の一実施
例の斜視図、第７図Ａは同じく平面図、第７図Ｂは同じ
く側面図である。１は半導体レーザー、２はコリメータ
レンズ、３はシリンドリカルレンズ、４はスフエリカル
レンズ、Ｇは固定回折格子、Ｌはシリンドリカルレンズ
、ＧＳは回転回折格子円板、６はシリンドリカルミラー
、７は感光ドラムである。

半導体レーザー１からのレーザービームはコリメータレ
ンズ２でコリメートされ、シリンドリカルレンズ３及び
スフエリカルレンズ４で格子Ｇ上に線状に集光される。

この格子Ｇ上の像はレンズＬによって格子円板ＧＳ上に
線状に投影される。

シリンドリカルレンズしは第７図Ａに示すように水平面
内ではパワーを持たず第７図Ｂに示すように垂直面内で
集光力をもっており、前述の説明のように半導体レーザ
ーの発振波長が変動しても格子円板ＧＳからの射出角が
常に一定になるようにビームを集光する。格子円板ＧＳ
を発したビームは格子円板ＧＳの回転により、シリンド
リカルミラー６を介して感光ドラム７を走査する。この
ときシリンドリカルミラー６が格子円板ＧＳによる円弧
状の走査を感光ドラム７上での直線状の走査軌跡Ｙに補
正することは前述の通りである。

〈第１実施例 上述の装置を用い、両路子の格子定数をｄｌ＝ｄ２３ −１．４Ｘ１０　　ｍｒｌ　基準発振波長λ−７８０ｎ
ｍとし、各格子への入射角と射出角が等しいように、即
ち１ｏ−ｉ、θ０＝θ　と、と　と、この場合式１４１
ｉ５１（８）より等倍関係の配置となる。この際の感光
ドラム上の有効走査幅端部での誤差△ｙを求めると下表
−２の通りである。尚△ｙの算出は式（３）による。

表−２ ６１０，２５６１←　　ｌｏｌ。

１　　　　　　　　　　　　中 ６　　！　−０，２５６’　　　　　；Ｏｊ　　０　　
０ ９　　’、−０．３８３１　−　　ｉ　　ｏ　　ｌ　　
。

１２　１−０．５１１　　：′ｏ　　　１゜　　− 従って、第１の実施例では、スポツトのずれは完全に補
正でき、またｍ−１であるから装置をコンパクトに構成
できるとともに、各格子の入射角と射出角が等しいよう
に配置するため回折格子の調整が簡単である。

く第２実施例 ３ ｄｌ＝ｄ２＝１．４Ｘ１０　　　ｍｍ、　　スー７８０
ｎｍ、　　ｉｏ＝θｏ＝０６ととると式（８）よりｍ＝
ｃｏｓｉ＝０．８３０となる。この場合の△ｙを第１実
施例と同様にして求めると下表−３の通りである。

表−３ ３ ９）０．４４５　　；０．３６９　　ニー１．１４刈０
　、−５１ＭＯ−３スポット径（約１００μ）の約１割
程度しかずれないことを示す。実際の変動はほとんど数
ｎｍ以下であるので実質的にはほとんど画質に影響を与
えない。またこの実施例では各格子にビームが直角に入
射するようにしたので他の光学部材との位置決め調整が
容易におこなえる。

〈第３実施例〉 ｄ＋＝２．０Ｘ１０　　ｍｍ、ｄ２−１．４Ｘ１０　　
ｍｍ、１０−１１θ０−θ　とすると式（８）よりｍ　
＝　１．４６となる。

この場合の△ｙを同様にして求めると下表−４の通りで
ある。

表−４ 従って、第３実施例では、固定回折格子と回転回折格子
円板の格子定数が等しくなくても波長変動によるずれが
良好に補正できることを示す。これは固定回折格子とし
て市販されているもの使用できることを意味し、装置の
コストダウンをはかることができる。

本発明レーザービーム走査装置は上述したような構成で
、半導体レーザービーム発生装置を用いているからＨｅ
−Ｎｅレーザー装置のようなガスレーザーに比しビーム
発生装置がコンパクトにでき、機構的に簡単で量産も容
易な回折格子による走査方式を用いながら、その波長依
存性による半導体レーザーの発振波長の不安定性の影響
を消去することに成功したので、安価で品質の優れたレ
ーザービーム走査装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第・１図は半導体レーザーの波長変動の態様を説明する
図、第２図は従来技術を示す斜視図、第３図は格子円板
の正面図、第４図はレーザービームを線状に集光するこ
とを説明する図、第５図は本発明の詳細な説明する図、
第６図は本発明の一実施例の斜視図、第７図Ａは同実施
例の平面図、第７図Ｂは同実施例の側面図である。 Ｇ・・・固定回折格子円板、ＧＳ・・・回転回折格子円
板（格子円板）、Ｌ・・・レンズ、１・・・半導体レー
ザー、２・・・コリメータレンズ、３・・・シリンドリ
カルレンズ、４・・・スフエリカルレンズ、６・・・シ
リンドリカルミラー、７・・・感光ドラム。 第１図 第４図へ　　　　　　第４図β 第り図 手　　続　　補　　正　　書　Ｃ方式）昭和夕δ年３月
２ｑ日 ２、発明の名称 レー寸゛′ヒ゛′−４乙、走４莱１ぐ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 昭和８８年　２月　２日 ６、補正により増加する発明の数　０ 表−１ 表−２ 表−３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源として半導体レーザービーム発生装置を用い、走査
   用回折格子円板を回転させることによって走査を行う構
   成で、上記走査用回折格子円板より光源側に固定回折格
   子を配置し、同固定回折格子の格子線方向と上記走査用
   回折格子円板上のレーザービーム入射点における格子線
   の中心方向とを平行ならしめ、上記両回折格子間に結像
   レンズ系を介在させて、固定回折格子上の光束入射点の
   像が上記走査用回折格子円板上のレーザービーム入射点
   に形成されるようにすると共に、下記条件を満足するよ
   うに各部を配置したことを特徴とするレーザービーム走
   査装置。 記 □−ｄ＋　　ｃｏｓ　　ｉ ｗ丁子下丁−丁「 ｍ：上記結像レンズ系の倍率 ｄ２：走査用回折格子円板の回折格子の格子定数ｄｌ＝
   固定回折格子の格子定数 θ０：走査用回折格子への光ビーム入射角ｉ　：固定回
   折格子からの光ビーム出射角