JPS5987425A - レンズ光走査器 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はｌ、−ザ光を照射して被走査面を走査するレン
ズ光走査器に関する。

〔従来技術〕

従来レーザプリンタ、レーザ読取装置等の光走査装置ニ
Ｊ３いて（Ｊ１光走査器として、第１図に示す如き回転
多面鏡を用いた走査光！？−系が利用されている。回転
多面鏡１は矢印入方向に回転し、レーザ先生をスクリー
ンδ上で走査させる。レンズ２はレーザ光を微小ンよ光
スポットに絞り込むためのものである。

回転多面鏡ｌはよく研磨された複数の＆１ｌ−１がら成
っているが、その研磨精度およびそれぞれの鏡面の１σ
１転軸αに対する方向精度をど６精度にする必要がある
ため、装置が高価になるという問題があった。

これとは別に回転する円盤上にホログラムを配置ｉ２す
るものが報告されている。しかしながら、表面が凹凸形
状をなすホログラムは回折効率が３０％以下と低いとい
う問題があり、また体積ホログラムは回折効率は高いが
、そのｊＩ′Ｉ成材料色材料一般に用いられるグイクロ
メート・ゼラチンは湿気に弱く、取扱いに難があるとい
う問題がある。

〔り１１明の「１的〕 本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その［］的
とするところは、従来の光走査器における上述の如き問
題を解消し、安価で高効率、かつ取扱いの容、易な光走
査器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の要点はレーザ光を照射する光源と、該光源から
照射されるレーザ光の光路に複数のレンズを順次挿入す
る回転円盤とを有するレンズ光走査器において、前記レ
ンズの少なくとも１面を非球面形状とした点にある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細にｎち１明
する。

ｊｔ’Ｇ　２図は、本発明の一実施例であるレンズ光走
査器を示すものである。図において、凸はレーザ光源、
６はレンズ、７はミラー、８は非球面レンズ９１，９□
、・・・・（以下、単に［レンズ９．．９２．・・・」
という。）を保持するディスク、１０は該ディスク８を
矢印Ｂ方向に回転させるためのモータ、１１は被走査面
、１２は被走査面１１がらの散乱光１゜を集光する光学
素子、そして１３は光検出器である。また、］、４．１
５は、それぞれ異なったレンズ９９　・・・を通ったレ
ーザ光の光路であり、１１　　　２　フ Ｍｌｒ　Ｍ２はそれぞれ前記光路１４．１５に対応して
設けられている組合わせミラーである。

本実Ｍｖ　個装ｆＥ’ｆに用いられているレンズ９１，
９゜。

・・・は後述する如く、−面が非球面形状をなすレンズ
であり、該レンズ９９　・・・　は前記ディス１２１ り８上に螺旋状に配置されている。

上述の如く構成された本実施例装置の動作について以下
説明する。

レーザ光源５から照射されるレーザ光は、レンズ６によ
り発散ビームとなって、ミラー７を介して、ディスク８
上のレンズ９１，９□、・・・に入射する。

該レンズ９１，９□、・・・は前述の如く、ディスクδ
上に螺旋状に配Ｍ″さされているため、その出射光は組
合わせミラーＭ１　　を通る光路１４に進むものと、組
合わせミラーＭ２　　を通る光路１５に准むものとに分
けられる。この結果、モータ１ｏによるディスク８０回
転に伴なって、レーザビームは被走査面１１上で図の如
く交叉する複数の走査パターンを発乙１三する。また、
最も重要なことは、レンズ９．９　・・・　は前述の如
くその一面が非球面形状１　　　　２＋ をなしているため、上記各走査レーザビームは拡がりの
少ない微小光スポットを構成していることである。この
ため、被走査面１１に置かれたバーコード／＄ハ、その
散乱光１Ｇが光学素子１２により光検出器１３に集光さ
れ、効率よく検出される。

以下、上記レンズ９９　・・・の形状について１１　　
２＋ ｆｆＮ述する。

第３図は本発明の基本となる関係を示すものであり、図
において、Ｃ点に収束点を有するレーザ光２０を前記デ
ィスク８」二のレンズ９□　に入射さぜた場合を示して
いる。今、レンズ９、の中心をＤどし、レンズ９１　　
が入射レーザ光の光ｉＰＪ＋がらｙ。

だけｙ方向に変位したとする。このとき、レンズ９□　
から出射するレーザ光２１のスクリーン２２上での結像
点は、近似的に ｙｌ　″　ｍ　　７゜ となる。但し、ｆはレンズ９．の焦点距離、レンズ９□
　とスクリーン２２との間の距臨をｍｆ　　とする。従
って、レンズ９□の並進量のｍ倍に拡張された走査幅を
もつ光走査がスクリーン２２上で得られることになる。

ところで、前記レンズ９１　　によりスクリーン２２上
に微小光スポットを得るための条件について、第４図、
第５図により説明する。なお、以下の説明については、
松居吉哉著「レンズ設計法」　（共立出版、１９７２年
）を基にしている。

第４図において、物点Ｃがレンズ９１　　の光軸（Ｘ軸
よりもｙ。だけｙ方向に変位しているものとする。この
ときの半画角をωとする。レンズ９□　の物点側主平面
Ｉ−ｉを照射する光パターンを第５図に示した。第５図
において、ｙ、−！はそれぞれ前記レンズσ１　の物点
側主平面）−Ｉにおける照射光の光軸を中心として設り
た軸である。

スクリーン２２に絞り込むＦ数Ｆ−２５０に設定すると
、前記レンズ９１　　の物点側主平面）Ｉ上でのビーム
半径Ｒは次式で与えられる。

ｆｌ’９４−図に示した光学系においで、３？′Ｘの収
差展１１ｉｉ１係Ｘ′ｋによ２・子牛方向（ｙ方向）１
球欠方向（２方向）の光線の横収差△ｙ、△２は次式で
与えられる。

＋　（３１１１＋　Ｐ　）　ｔａｎ２ωＲｃｏｓφ＋Ｖ
ｔａｎ”ω）、　、　、　、　・（１）＋　（ＩＩＩ　
−４−Ｐ　）　ｔａｎ　　ω１（８１ｎφ）　　　　　
　　　−−−・・（２）ここで、■は球面収差、■はコ
マ収差、■は非点収差、Ｐはペッツバール係数、５は歪
曲収差、α′は係数である。

△ｙ、△２が２００μまで許容できるとし、ハ１゛容さ
れる各収差係数Ｉ、ＴＩ、ＴＩＩの値を求めてみる。

（歪曲収差Ｖについては解像度に影響しないので無視す
る。）但し、レンズ焦点距ｔ’＋ｆｆｆ　−６０ｎｔｍ
　、走吉倍率ｍ−ＩＱ、半画角ω−ＩＣＰ　％　Ｆ　ｌ
＜Ｑ　Ｆ−２５０とする。また、前記係数α′は近似的
に１７ｍ　ｆで与えられる。また、結果はｆ−１として
ノーマライズした形で示すと、 ＩＩ＋≦４１．　（３７・・・・・（３）１１ＴＩ≦］
０．６　　　　　　　　　　　　・・・・・（句ＩＩ旧
≦０，１８　　　　　　　　　　　　　・・・・・（５
）となる。−り記結果から、球面収差Ｉの許容値は大き
いのでここでは、コマ収差■、非点収量　ｍ　ニラいて
次式を満足することを考える。

収差論によると球「ｍからなる薄肉１１ルンズのレンズ
面形状を変化させることによって得られる収差に対する
白山度はｌである。しかし、ここでは上述の如く、補正
すべき収差は、コマ収差肛、非点収差■１の２つなので
、レンズを非球面単レンズとする。

非球面νは第６図に示す如き定−儀に基づき、以ここで
、）Ｉ、”三九２千４２、またＡＶ、ＢＶは基準球面か
らのずれを与える非球面係数、γ、は非球面νの曲率半
径である。

ここで、γ１は近軸曲率半径、ｂｌ、は非球面係数であ
り、式（８）２式（９）のパラメータ間には欣の凹係が
ある。

薄肉単レンズの固有係数Ｕ。ＢｏおよびＰ。は次のよう
に↑１くことができる。

ここで、Ｎはレンズを’８１１成する物）ｊ−の屈折率
、γ１　は単レンズの前側面の近軸曲率半径を示す。

上記固有係数を用いて、前記光学系のコマ１１．Ｖ差■
、非点収差１１１の３次収差係数を表わすと次のように
なる。

ＩＩ−ａＩｆＵｏ　＋　ｂＪＬ）３０　＋Ｃ■＋　ａＴ
ｌψ＝Ｏ・・・・・０υ■”　ａｌ、ｐ、Ｕｏ　＋　ｂ
Ｔ＋Ｉ”Ｑ　＋ＣＩＨ＋　ａＢ１ψ−０・・・・・α０
）ここで、”ＩＦ　ｌ　ｂＩＩ　Ｉ　ＣＩＴ　ｌ　ａＩ
ＩＩ　、ｂＩｆｆ　ｌ　ＣＪＩＩＩは定数、ψは非球面
を表わすパラメータで次式で表わされる。

２゜ ψ−Ｚ　（Ｎ、　−Ｎ、）　ｂ、　　　　　　　　　　
　・・・・・（至）Ｉ／＋１ ここで、Ｎ、ＩＮ、はそれぞれ薄肉ηルンズの後側およ
び前側の聾、質の屈折率である。

導入する非球面故は１面でも２面でも良く、独立量は前
記式０７）で与えられるψである。ところで、前記固有
係数Ｕ。はＢ。に従属している。すなわち、弐〇２）〜
式αりからγ１　を消去すると、・・・・・α８） となる。従って、弐〇〇ど式ＣＬ６）においてコマ収差
■と非点収差■を決定する独立量はψとＢ。の２つであ
る。そこで、コマ収差１丁、非点収差用の１１標値をそ
れぞれ■［。、■ｏとするど、非球面レンズの形状は次
の」こうに算出できる。

上式に１５いて、ｎｏ−０，１ｎｏ−０とし、Ｊ′ｊｌ
（折率Ｎを１．４≦Ｎ≦１８９、走査倍率ｍを２≦ｍ≦
３０の範囲で解を算出すると、次の結果が？４７られる
。但し、レンズの焦点距離は１どしている。

−３，０１９１≦ψ≦−〇、　’７０５８　　　　　　
　・・・・・に２■この結果に基づく前記実施例装置ｆ
ｉのレンズ９１゜９２、・・・の仕様は次の通りである
。

魚点距蘭　　ｆ−（３Ｑｍｍ 走査倍率　　ｍ　−１０ 使用波長　　　λ−０．６３３μ（ヘリウム・ネλン・
レーザ）Ｆ　　　数　　　Ｆ　−２５０ 材　　　質　　　アクリル樹脂（屈折率Ｎ＝１．４８８
５）曲率半径　　苦−５４−、２５６４ ち−−３７，９４１９ 非球面係数　　　Ａ、−０ Ａ２＝　０．４５８３３　Ｘ　１０−２］３□−０ ノー０．４８７２９　Ｘ　１０−５ レンズＦＪｔみ　　　ｄ　−１４−、４４９２ｍｍ　　
、なお、ｆ−１に７−マライズした場合、前記−γＩ およびψ番：Ｌそれぞれ次の」：うになる。

−−］、、　ｉｏｂ、ｐ ン゛１ φ　−−２，７１７５ 第７図に上記レンズ９□、９□、・・・の特徴を示ｉＪ
−〇△ｙ１はｙ方間のスポットの拡がり、△ｚ１は２方
向のスポットの拡がりをしており、前述の如く、スポッ
トの拡がりを２００μまで許容するものとすると、スク
リーン上で最大３００ｎｏ＋＋までの走査を効率良く行
うことが可能であることがわかる。

第８図は本発明の他の実施例であるレンズ光走査器を示
すものである。第２図に示した実施例装置と只なるとこ
ろは、本実施例は直線走査型としたためレンズ光走査器
とを６（、、ｌ脊面との間に円Ｒ’ｉｉレンズを配置−
（した点に１（゛）る。ず々゛わち、レーザ光源５から
照射されるレーザ光の光路に、コンデンサレンズ７Ａ、
７Ｂを配置すると回時に、ディスク８に螺旋状に配置さ
れたレンズｇ、／、ｇ２／・・・　と被毒３す：面１１
との間に円筒レンズ］、′ｒを配置ｉ：ｆｉしたもので
あイ）０ このように４ｒｌ！戊することにより１．レーザ光源５
から１１α射されるレーザ光はレンズ６、コンデンサレ
ンズ７Ａ、７Ｂにより第８図の上下方向にのみ発散した
ビームとなって、ディスクδ上のレンズ９１′９２１・
・・　に入射する。該レンズ９１′、９２′５００．ノ
出射光は円筒レンズ１７により上下方向に集光され、（
１叉小光スポツトとなって被走査面１１」ユに略直線状
の光走査線１８を形成する。

以上、本実施例装置に用いられるレンズ９□／、９２ｔ
・・・の形状について詳細に；１ラツ明する。１１１（
述のＵｌｌ＜、本実施例装置ｒｅ／においてＥｌｆ円筒
レンズ１７が配されているので、第８図の上下方向の光
スポットの拡がりを問題にしなくて良いという利点があ
る。

第９図は前記ディスク８上のレンズ９□′にレーザ光２
０を入射させたときの光走査特性を示すものである。な
お、レンズ９□′の中心をＤとし、レンズ９１′が入射
レーザ光２０の光軸からｙ。だけｙ方向に変位している
ものとする。ディスク８が矢印Ｂ方向に回転すると、円
筒レンズ１７がなければ、光走査線は破線１８Ａで示さ
れる如く、彎曲したものになるが、円筒レンズ１７を配
置することにより、光走査線は実線１６で示される如く
大幅にその位＆ｔが匡正される。なお、実線１８で示さ
れる光走査線も完全な直線ではなく、わずかではあるが
、最大△のずれを示している。また、Ｑはディスク８の
回転中心である。

上述の如き位置関係にあるレンズ９□′によりスクリー
ン２２上に微小光スポットを得るための条件について説
明する。なお、以下の説明においては、先に示した実施
例の説明と重複する部分の説明を＋’７ｉ略化し−Ｃい
る。

第４図に示す如き光学系を考えた場合、レンズ９１　　
の物点側主平面Ｈを照射する光パターンを第１０しｊｌ
に示ず。ｙ方向のビーム幅２　Ｈ，はレンズ９１′によ
りスクリーン２２上にＦ数Ｆを１２．５で絞り込むよう
に設定する。一方、Ｉ方向のビーム幅２Ｉ−Ｉ　、は回
折の影響で、レンズ９□′では十分精度良く絞り込むこ
とはできず、実質上、レンズ９、′の出射ビームが平行
ビームとなるように設定することにＸ「る。

レンズ９１　　の焦点距離をｆルンズ９１′　とスクリ
ーン２２との間の距離をｍｆとすると、Ｈ，，１１゜は
次式で−ｑ・えられる。

ここで、前記５次の収差展開係数による子牛方向（ｙ方
向）、球欠方向（２方向）の光線の］）″；ｌ収差△ｙ
、△２　（式（１）９式（２）８照）を１００μ（±５
０μ）まで６１容できるとして各収差係数の値を求めて
みる。但し、レンズ焦点組部ｆｍ５５ｍｍ、走査倍率ｍ
−１０，半画角ω−１０°、Ｆｉｆ＆Ｆ−１２５とする
。

また、結果ＧＪ：　ｆ　−１としてノーマライズした形
で示すと、 ＋■＋：２．＋　　　　　　　　　　　　　・・・・・
（２４１１旧≦０．１８　　　　　　　　　・・・・・
（２５）＋３１１１＋Ｐに０．１２４　　　　　　　　
　・・・・・ＣＧ）＋１１１＋Ｐ　ｌ　、、、；　１．
２４　　　　　　　　　　・・・・・（２７１となる。

、なお、歪曲収差■についでは前と同じ理由で無視して
いる。上記結果から、球面収差Ｉとｍ＋Ｐの収差は許容
値が大きいので、ここではコマ収差■と３１ＴＩ＋　Ｐ
の収差について次式を満足することを考える。

前ど同様の理由により、レンズを非球面単しン倍率ｍを
５≦ｍ≦３０の範囲で解を鈴出すると次の結果が得られ
る。（、＋ｊｌ、　、レンズの焦点距剛【は１としてい
る。

ｐｒｓ　１１図、第１２図は本実施例装置の光学パラメ
ータを示すものである。）ｉ、　、　Ｈ，’はレンズの
主平面である。なお、Ｓについては次式で求めることが
できる。

第１２図は第１０図とはｙ方向、ダ方向が異なった形に
表現されている点に注意が必要である。

この結果に基づく、レンズ（Ｊ、／、９２／・・・の仕
様は次の通りである。

焦点距葭　　ｆ−６５ｍｍ 走査倍率　　ｍ−１０ 使用波長　　　λ−０，６３３μ（ヘリウム・ネ副ン・
レーザ）Ｆ　　　数　　　Ｆ−１２５ 材　　　質　　　ガラス（ＢＫＴ、屈折率Ｎ−１，５１
５２）曲率半径　　バー６２．２３４３ ち−−４７，９６５８ 非球面係数　　　Ａ１−０ Ａ２−０．３０８２５　Ｘ　１Ｏ−２ Ｂ□　−〇 Ｂ２−０．２６８０８Ｘ　１０　’ レンズ厚み　　　ｄ、−１１，０９５５ｍｍまた、円筒
レンズ１７については、 焦点距脳　　ｆ。−５５ｍｍ 材　　　質　　　ガラス０３に７．屈折率Ｎ−１，５１
５２）レンズ厚み　　　ｄ　　−５，５ｍｍ となる。このレンズおよび円筒レンズを用いた光走査器
の特性を第１３図、第１４図に示す。

また、拐質をアクリル樹脂（屈折率Ｎ−１，４８８５）
とした場合には、レンズ９１，９□、・・・の仕様は次
のようになる（上と異なる点だけを示した。）。

曲率半径　　乙−５９，２５２２ 鳥−−４８，８４，９４ 非球面係数　　　Ａ、−０ ２ Ａ２−０．２４６６９　Ｘ　１０ Ｂ、　−０ Ｂ２−０．２７９１４　Ｘ　１０−５ レンズ厚ｈ　　　　ｄｌ　−１０，６９９ｍｍこのレン
ズを用いた場合の光走査器の特性を第１５図、第１６図
に示す。

第１３図〜第１０図に示される通り、スポットのＪＩｉ
＼がりを１００μまで許容するものとすると、スクリー
ン上で最大３ｏｏｍｍまでの走査を効率良く行うことが
可能である。

なお、上記各実施例に示した非球面レンズは、それを保
持するディスクとともに、プラスデック材料で容易に、
大量に複製することができるので、安価に供給すること
が可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたりＩＩ＜、本発明によれば、レーザ光を照射
する光源と、該光源から照射されるレーザ光の光路に複
数のレンズを順次挿入する回転円盤とを有するレンズ光
走査器において、前記レンズの少なくとも１面を非球面
形状としたことにより、安価で高効率、かつ取扱いの容
易な光走査器を実現できるという顕著な効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光走査器の一例を示す余■視図、第２図
は本発明の一実施例を示す斜視図、第３図〜第６図は実
施例のレンズ設計にお番する考え方を説明する図、２１
１７図は実施個装ＷＺの１を性を示す図、第８図は本発
明の他の実施例の要部を示″４−オ；１視図、第９図〜
第１２図は実施例のレンズ設Ｍｉ゛にお（する考え方を
説明する図、第１３図〜第１０図瘉ま実施例装置詳の特
性を示す図である。 ５：レーザヅｒ、源、０：レンズ、７：ミラー、８：デ
ィスク、９１＋９２＋・・・＋　９１’＋　９２’＋・
・・：非球面レンズ、１０：モータ、１１：被走査１ｉ
１ｉ。 特許出願人　　株式会社日立製作所（番ま竺）名）第　
　　１　　　図 α 第　　　　　　牛　　　　　　図 １ 第　　　６　　　図 第　　　　　７　　　　　図 スクリーン走査子１”ｆ置 第８図 第　　　　　９　　　　　図 第　　１３　　図 第　　１４　１４ スクリーン走査位ｆｉ”？ 第　　１５　　図 第１６図 スクリーン走査位置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■レーザ光を照射する光源と、該光源から照射されるレ
   ーザ光の光路に、複数のレンズを順次挿入する回転円盤
   とを有するレンズ光走査器において、前記レンズの少な
   くとも１面を非球面形状としたことを特徴とするレンズ
   光走査器。 （２）前記レンズの非球面形状は、前記レンズを構成す
   る物質の屈折率Ｎを１．４≦Ｎ≦１．９、走査倍率ｍを
   ２≦ｍ≦３０とした場合、前記レンズの前側近軸曲率半
   径γ１．非球面形状を表わすパラメータψを 〈」二〈 ０．４１６５．、−　　．１．５４１７γ１ −３．０１９１≦ψ≦−０，７０５８ （但し、焦点距離を１としてノーマライズしてい句とす
   ることを特徴とする特許ｄ１７求の範囲第１項記載のレ
   ンズ光走査器。 （３）レーザ光を照射する光源と、該光源から照射され
   るレーザ光の光路に複数のレンズを順次挿入する回転円
   盤と、該レンズと被走査面との間に配された円筒レンズ
   とを有するレンズ光走査器において、前記レンズの少な
   くとも１面を非球面形状としたことを特徴とするレンズ
   光走査器。 （４）前記レンズの非球面形状は、前記レンズを構成す
   る物質の屈折率Ｎを１．４≦Ｎ≦１．９、走査倍率ｍを
   ５≦ｍ≦３０とした場合、前記レンズの前側近軸曲率半
   径γ１．非球而彰状を表わすパラメータψを −２，９０５８≦ψ≦−０，８２０３ （但し、焦点距離を１としてノーマライズしている。）
   とすることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のレ
   ンズ光走査器。