JPS61109015A - レ−ザ−光用結像光学系 - 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】 １皿立更 本発明は、光ディスクやレーザービームプリンター等レ
ーザー光を光源に用いて結像レンズにより光を絞り込ん
で点像を得るレーザー光用結像光学系に関する。

とその間　１、 光ディスクやレーザービームプリンター等の結像光学系
では、回折限界に近い性能を持つ結像レンズによりレー
ザー光を絞り込んでスポットを得る。この場合、該スポ
ットのサイズＳは、入射する光ビームのビーム径りと結
像レンズの焦点距離ｆによって定まる光ビームのＦナン
バー（Ｆ＝ｆ　／Ｄ）により。

Ｓ＝ｋ・λ・Ｆ　　　（ｋ：定数、　λ：波長）・・・
（１）で与えられる。

従来では、上記結像光学系の光源としては、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザー、　Ａｒレーザー等が用いられていたが、近年
、小型軽量であり且つ出力光の強度を直接変調できると
いう利点を持った半導体レーザーを光源とする結像光学
系が多くなってきている。

半導体レーザーはビーム状ではなく広がった光として発
光されるため、かかる結像光学系は、第６図（ａ）に示
す如く、射出されたレーザー光を、まず、コリメートレ
ンズ１により平行光とした後。

結像レンズ２でスポットに絞り込むという光学的な構成
が採られるのが普通であるが、半導体レーザーは、その
構造上、第５図に示す如く、接合面Ａに垂直な方向（以
下、■方向という、）と平行な方向（以下、■方向とい
う。）とで広がり角（θ！、θｍ）が異なり、また、レ
ーザー光自体の射出点も、■方向と■方向とではずれ、
いわゆる非点換差ａｓをもった状態になっている。

従って、上記結像光学系の光源として半導体レーザーを
使用する場合には、第１に、半導体レーザー特有の広が
り角の非等方性により、コリメートレンズ１によって平
行光となった後のビームは必然的に楕円形状になるので
、前記（１）式に従えば結像レンズ２によって絞り込ま
れるスポットの形状もまた楕円形状になってしまうとい
う欠点を有する。

即ち、具体的には、 θＩ〉θ■　　よって り、＞Ｄ。

＠Ｆｌｌ　　５１＝ｋ・λ・ｆ　／　Ｄ　ｘ　＜　ｋ・
λ・ｆ　／　Ｄ　ｒｔ　＝　Ｓ　ｎここで。

θＩは、！方向の広がり角 θ■は、■方向の広がり角 ＤＩは、コリメートされた１方向のビーム径り、は、コ
リメートされた■方向のビーム径Ｓ！は、■方向のスポ
ット径 Ｓ１１は、■方向のスポット径 となる。

また、第２に、■方向のレーザー光の射出点は、■方向
のレーザー光の射出点より非点隔差ａｓだけ半導体レー
ザーの奥から出射されるため、■方向のレーザー光の像
点と１方向のレーザー光の像点とはずれてしまうという
欠点も有する。

即ち、前記結像光学系の倍率をｍとするとｍ　＝　ｆ　
Ｌ　／　ｆ　ｃ　　　　　・・・・（２）ここで　ｆＬ
：結像レンズ１の焦点距離ｆｃ：コリメートレンズ２の
焦点距離　　・で与えられるが、縦倍率はｍ２であるの
で半導体レーザーの非点隔差をａｓとし、！方向のレー
ザー光の像点を基準とすると、■方向のレーザー光の像
点は第６図（ｂ）に示す如＜ｍ”・ａｓだけ物点側にず
れてしまい、■方向のレーザー光の像点を基準と考えれ
ば、■方向のレーザー光の像点は。

第６図（ｃ）に示す如＜ｒｒ、′・ａｓだけ像点側にず
れてしまうことになる。

上記第１の欠点については種々提案がなされ解決が図ら
れている。即ち、半導体レーザーの広がり角の非等方性
を補正し、スポット形状を円又は必要に応じである比率
をもった楕円にするためには、次の様な２つの方法があ
る。

第１の方法は、結像光学系の任意の場所にスリットを設
けるか又はコリメートレンズの開口を小さくして広がり
角の広いＩの方向のレーザー光をけってしまう方法であ
るが、この方法は、簡易ではあるがエネルギー効率が悪
くなってしまう。

また、第２の方法としては、コリメートレンズと結像レ
ンズとの間にアフォーカルなアナモフィック光学系を配
するとか、アナモフィックな結像レンズを用いて、結像
光学系全体をアナモフィックな構成にし、結像するレー
ザー光のＦナンバーを１の方向と■の方向とで調整する
ものであり。

この方法では、アナモ比を調整することで任意の楕円比
をもつスポット形状を得ることができる。

しかしながら、これらの方法では、前記第２の欠点即ち
、半導体レーザーなどのレーザー光が有する非点隔差に
よって生ずる像点のずれを解決することはできない。

る方法があり、これは半導体レーザーとコリメートレン
ズの間又はコリメートレンズの後に、補正用シリンに一
レンズを配し、■の方向と■の方向きくなって製作が困
難であり、シリンダーレンズを入れたことにより収差を
発生してしまうという難点がある。

豆−一敗 本発明は、上記問題点に鑑みて為されたものであり、ア
ナモフィックな結像光学系を前提として補正用シリンダ
ーレンズによらず特異なやり方で上記第２の欠点を解決
したレーザー光用結像光学系を提供せんとするものであ
る。

■−−底 以下、図面に従って本発明の基本的な構成について説明
する。

半導体レーザー等のレーザー光の射出点は、前に述べた
ように点光源として購えず■方向の射出点は、■方向の
射出点より奥から射出され光源として非点隔差をもつ形
になったものが多い。

一方、アナモフィックな結像系≠壽棲＃＃苧学において
は、ある 方向（以下、■方向という。）とそれに直交する方向（
以下、■方向という、）とで横倍率ｍｌ。

ｍｌが異なっているが、一般的には、第１図（ａ）に示
す如く、基準位置において物点と像点とは、夫々の断面
で一致する配置になっている。

ところが、この基準物点位置から光源がずれるとアナモ
フィックな結像系は、上述の如く■方向と■方向とで横
倍率ｍ　１　、　ｍｌが異なるので、第１図（ｂ）に示
す如く、物点が基準物点位置からχだけずれると、夫々
の方向の像点は基準像点位置からｍｌ”　１１ｍｌ２χ
だけずれ、相互の像点は（ｍｌ　”　−ｍｌ　”　）χ
だけずれてしまう。

半導体レーザー等のように光源が■の方向の射出点と■
の方向の射出点とで非点隔差ａｓだけずれがある場合、
上記アナモフィックな結像系の■方向。

■方向を該半導体レーザー等の■方向、■方向に夫々対
応させると、■の方向の射出点を基準物点に一致させる
場合には、第１図（ｃ）に示す如く、■方向の射出点は
−ａｓ　（尚、以下、光軸上の物点より像点をみた方向
を正と考える。）だけずれ、その像点け、−ａｓ　’　
ｍｌ　”だけ基準像点よりずれてしまい、また、■の方
向の射出点を基準物点に一致させる場合には、第１図（
ｄ）に示す如く、！の方向の射出点は、ａｓだけずれ、
その像点は、ａ５’ｍ％だけ基準像点よりずれてしまう
ことになる。

そこで、半導体レーザーのＩの方向の射出点をアナモフ
ィックな結像光学系の基準物点よりαだけずらすと、■
の方向の射出点は、基準物点よりα−ａｓだけずれるこ
とになり、よって像点もｍ　１２　α、ｍ２”（α−ａ
ｓ）だけ基準像点からずれ、■の方向の像点からみた■
の方向の像点のずれは。

ｍｌ　”　　（α−ａｓ）　　−ｍｌ　”　　ａ　　　
　　　＝−”（Ａ）となる。

また、逆に、半導体レーザーの■の方向の射出点をアナ
モフィックな結像光学系の基準物点よりβだけずらすと
、■の方向の射出点は、基準物点よりβ＋８５だけずれ
ることになり、よって像点もｍｌ”　β、ｍＳ（β十ａ
ｓ）だけ基準像点カラスれ、■の方向の像点からみたＩ
の方向の像点のずれは。

ｍ１′（β＋ａｓ）　−ｍｌ”　β　　　　・・・・・
・（Ｂ）となる。

尚、上記（Ａ）式及び（Ｂ）式は、■の方向或は■の方
向の像点を基準にするかの違ｂ〈であり、α＝β＋ａｓ
の関係を用いれば（Ａ）式及び（Ｂ）式の絶対値は一致
する。

従って、上記（Ａ）式及び（Ｂ）式かられかる様に、と
すれば、■の方向の像点と■の方向の像点とは、基準像
点より で一致する。

更に、（Ｃ）式より、 ｍＩ）ｍ２であれば αく０．βく０ となり、この場合には、第１図（ｅ）に示す如く半導体
レーザー等の光源を結像光学系から上記の量だけ離す方
向にずらすことになり、 ｍｌ（ｍ２であれば α〉０．β〉０ となり、この場合には第１図（ｆ）に示す如く半導体レ
ーザー等の光源を結像光学系から上記の量だけ近づける
方向にずらせば良い。

このように、本発明は、半導体レーザーの如く接合面に
垂直な方向と接合面に平行な方向とで広がり角が異なり
且つ非点隔差をもつ光源と、該光源から射出されたレー
ザー光をスポットに絞り込むアナモフィックな結像系と
からなるレーザービーム用結像光学系において、半導体
レーザー等の光源の接合面に垂直な方向とアナモフィッ
クな結像系の倍率の高い方向とが一致する場合には、接
合面に垂直な方向の射出点を上記結像光学系の基準物点
位置よりも上記光学系から離れる方向にずらし、半導体
レーザー等の光源の接合面に平行な方向とアナモフィッ
クな結像系の倍率の高い方向とが一致する場合には、接
合面に平行な方向の射出点を基準物点位置よりも上記光
学系に近づく方向にずらしたことを特徴とするものであ
り、このような構成によって上記欠点が解消できたもの
である。

茅Ｕ嵐刺ＩＬ隨 第２図は１本発明の第１実施例を示す光学系の配置図で
あり、該光学系は物点側から半導体レーザー１０と、半
導体レーザー１０からの光を平行光にするコリメートレ
ンズ１１と、ビーム整形のためのアフォーカルアナモ系
１２と結像レンズ１３とから成るアナモフィックな結像
光学系である。尚、この実施例をレーザープリンター用
光学系に用いた場合には、第２図の点線の位置にポリゴ
ンミラーが入り得る可能性がある。

このアナモフィックな結像光学系においては、Ｉの方向
にアフォーカルアナモの作用しない方向。

■の方向には、アフォーカルアナモの作用する方向を配
しである。

ここで、■の方向の広がり角θ！は■の方向の広がり角
θ■よりも大きいので、例えば１円形のスポットを得る
ためには、アフォーカルアナモの入射ビーム径に対する
射出ビーム径の比率であるアナモ比Ωを とし、その作用する方向においてビーム拡大系にすれば
よい。

本実施例においては、■の方向の射出点或は、■の方向
の射出点をコリメートレンズ１１の前側焦点位置よりも なる量だけずらして配置することを特徴とする。

以下、具体的に説明すると、光源が点光源であり、且つ
コリメートレンズ１１の前側焦点にある場合。

コリメートレンズ１１を射出した光は、Ｉの方向。

■の方向とも完全な平行光となり、ともに結像レンズの
後側焦点に結像する。この状態における物点、像点を基
準物点、基準像点とする。ここで、コリメートレンズ１
１の焦点距離をｆｃ、結像レンズ１３の焦点距離をｆＬ
とし、アフォーカルアナモフインクの作用する方向の倍
率をｍ（、作用しない方向の倍率をｍＨとすると で与えられる。

ｌの方向の射出点を基準物点に配すると、■の方向の射
出点は−ａｓだけずれるのでその像点はだけ基準像点よ
りずれ。

逆に、■の方向の射出点を基準物点に配すると。

■の方向の射出点は、ａｓだけずれるので、その像点は
、 たけ基準像点よりずれる。

ここで、ｌの方向の射出点を基準物点に合わせた状態か
らさらにαだけずらすと、ｌの方向の射出点はα、■の
方向の射出点は、α−ａｓだけ基準点からずれるのでそ
れぞれの像点は、 たけ基準像点からずれるが、■の方向に対する■の方向
の相対的な像点のずれは、 である。

よって■の方向の射出点を、ずらし量α＝力方向像点と
は、基準像点から ｆ　Ｌ　”　　　　ａｓ ｆｃ”　　　　１−１” たけずれた位置で一致する。

また、■の方向の射出点を基準物点に合わせた状態から
βだけずらすと、■の方向の射出点はβ。

■の方向の射出点はβ＋ａｓだけ基準物点からずれるの
で、それぞれの像点は。

たけ基準像点からずれるが、■の方向に対する■の方向
の相対的な像点のずれは、 である。

よって、■の方向の射出点をずらし量β＝Ｓ □　たけずらせば、■の方向の像点と １／Ｑ”−１ ■の方向の像点とは、基準像点から ｆ　Ｌ　”　　　　　　ａｓ だけずれた位置で一致する。

尚、ずらす方向については、先にも述べたようにｍｘ）
ｍｌ　　即ち　Ω〉１　であれば、半導体レーザー等の
光源を結像光学系から離す方向にずらすことになり、 ｍ（（ｍｌ　即ち　ｆｌ＜１　　であれば、半導体レー
ザー等の光源を結像光学系に近づける方向にずらせば良
い。

また、上記実施例においては、半導体レーザー等の１の
方向にアフォーカルアナモの作用しない方向を、■の方
向にアフォーカルアナモの作用する方向を配した場合の
みを説明したが、■の方向にアフォーカルアナモの作用
する方向を、■の方向にアフォーカルアナモの作用しな
い方向を配した場合にも、アナモ比悲が逆数になるのみ
で他は同様である。

また、上記アフォーカルアナモ系１２の具体的な実施例
としては第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるもの
がある。

第３図（ａ）はアフォーカルアナモ系１２として使用さ
れるシリンダーレンズの一例を示す斜視図である。この
シリンダーレンズは入射光と射出光の光軸がずれないと
いう長所があるが、シリンダー面では本質的に収差が発
生し、さらにシリンダーレンズの軸ずれ９回転等がある
と収差が著しくふえてしまうため加工、取り付けに際し
て高い精度が要求される。

第３図（ｂ）はプリズム２個を用いた場合の一例を示す
側面図である１本実施例ではプリズム２個を用いること
により入射光と射出光を平行にすることができると共に
、プリズムが平面で構成されているため平面波に対して
収差を発生せず、上記シリンダーレンズを用いる場合と
比べて製作。

組み立てが容易であるという長所を有するが、入射光と
射出光が平行にずれてしまい同軸とならないという問題
がある。

第３図（ｃ）は本件出願人が先に出願した特願昭５９−
４６７４８号に記載されたプリズムの一例を示す側面図
である。本実施例は第３図（ｂ）の実施例と同じく２個
のプリズムを用いたものであるが、上記実施例の長所を
有すると共に、入射光と射出光の光軸ずれをなくしてい
る。一般にプリズムを３個以上用いるかミラーを２個の
プリズム以外に用いれば本実施例と同様の効果を得られ
るが１本実施例の場合、部品点数も少なくてすむため加
工。

取り付けに際しての工数の削減及び装置の小型化をめざ
す上でメリットがある。

茅」］０口１へ１或５ 第４図は、本発明の第２実施例を示す光学系の配置図で
あり、該光学系は物点側から半導体レーザー１０と、半
導体レーザー１０からの光を平行光にするコリメートレ
ンズ１１と、ビーム整形及び結像のためのアナモフィッ
クな結像レンズ１４とから成るアナモフィック結像光学
系である。尚。

この実施例をレーザープリンター用光学系に用いた場合
は、第４図の点線の位置にポリゴンミラーが入り得る可
能性がある。

このアナモフィックな結像光学系においては、アナモフ
ィックな結像レンズ１４は、アナモ要素に垂直及び平行
な互に直交する２方向の断面において焦点距離が異なり
、無限遠の物点に対して像点が一致している。

ここで、上記２つの方向にＩの方向及び■の方向を対向
させ、■の方向の焦点距離をｆｌ、■の方向の焦点距離
をｆｆｆとすると、例えば１円形のスポットを得るには
、 ｆｌ　　　ｓｉｎθ立 とすれば良い。

この実施例においては、■の方向の射出点或は■の方向
の射出点をコリメートレンズの前側焦点位置よりも なる量だけずらして配置することを特徴とする。

以下、具体的に説明すると、コリメートレンズ１１の焦
点位置から発した光は、コリメートレンズ１１で平行光
となりアナモフィックな結像レンズ１４の焦点に結像す
る。

これを、基準物点、基準像点とする。

ここで、コリメートレンズの焦点距離をｆｃとして、本
実施例におけるアナモフィックな光学系の倍率をＩの方
向と■の方向でｍ　１　、　ｍπとすると、ｍ　１　　
＝□ ｆｃ で与えられる。

■の方向の射出点を基準物点に配すると■の方向の射出
点は−ａｓだけずれるのでその像点はたけ基準像点より
ずれ。

逆に■の方向の射出点を基準物点に配すると、■の方向
の射出点はａｓだけずれるのでその像点は、たけ基準像
点よりずれる。

ここで、■の方向の射出点を基準物点に合わせた状態か
らさらにαだけすらすと、■の方向の射出点はα、ｎの
方向の射出点はα−ａｓだけ基準物点からずれるのでそ
れぞれの像点は たけ基準像点からずれるが、■の方向に対する■の方向
の相対的な像のずれは である。

よってＩの方向の射出点をずらし量α＝■の方向の像点
とは基準像点から たけずれた位置で一致する。

また、■の方向の射出点を基準物点に合わせた状態から
さらにβだけずらすと、■の方向の射出点、はβ、■の
方向の射出点はβ＋ａｓだけ基準物点からずれるので、
それぞれの像点は、 たけ基準像点からずれるが、■の方向に対するＩの方向
の相対的な像点のずれは である。

よって■の方向の射出点をずらし量β＝■の方向の像点
とは、基準像点から ｆｃ”　　　ｆｌ”−ｆｌ” たけずれた位置で一致する。

尚、ずらす方向については ｆ　Ｉ＞ｆバであれば 半導体レーザー等の光源を結像光学系から離す方向へず
らすことになり、 ｆＩ＜ｆｌ　であれば 結像光学系に近づける方向にずらせば良い。

羞−一来 以上の様に構成される所から、半導体レーザー等のビー
ム整形機能を有するアナモフィックな結像光学系におい
て、補正用のシリンダーレンズを用いることなく非点隔
差を補正し良好な像性能を得ることができるものであり
、その効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　
、　（ａ）　、　（ｆ）は本発明の基本的な構成を示す
説明図、第２図は本発明の第１実施例を示す光学系の配
置図、第３図（ａ）、（ｂ）、（ｅ）は第２図に使用さ
れるアフォーカルアナモ系の具体例を示す図、第４図は
本発明の第２実施例を示す光学系の配置図、第５図は半
導体レーザーの特性を示す図、第６図（ａ）、（ｂ）、
（Ｃ）は従来例の説明図である。 ＩＯ・・・半導体レーザー １１・・・コリメートレンズ １２・・・アフォーカルアナモ系 １３・・・結像レンズ １４・・・アナモフィックな結像レンズ特許出願人　　
旭光学工業株式会社 第　１！！ｌ ｑ） 第１図 ／Ｊ（令Ｊ 第２図 ｓ３図 第４図 １５図 ＾ 手　　続　　補　　正　　書　（自発）１．事件の表示 特願昭５９−２３１０２７号 一６発明の名称 レーザー光用結像光学系 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　東京都板橋区前野町２丁目３６番９号名称　（０
５２）　　旭光学工業株式会社代表者　松本　徹 ９、代理人 居所　東京都板橋区前野町２丁目３６番９号Ｓ、補正の
対象 乙、補正の内容 （１）明細書中１発明の詳細な説明の欄第１３頁第９行
目を下記の如く補正する。 （２）仝上第２０頁第９行目を下記の如く補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　半導体レーザーの如く接合面に垂直な方向と接合面
   に平行な方向とで広がり角が異なり且つ非点隔差をもつ
   光源と、該光源から射出されたレーザー光をスポットに
   絞り込むアナモフィックな結像系とから成る結像光学系
   において、半導体レーザー等の光源の接合面に垂直な方
   向とアナモフィックな結像系の倍率の高い方向とが一致
   する場合には、接合面に垂直な方向の射出点を上記結像
   光学系の基準物点よりも該光学系から離れる方向にずら
   すことを特徴とするレーザー光用結像光学系。 ２　半導体レーザーの如く接合面に垂直な方向と接合面
   に平行な方向とで広がり角が異なり且つ非点隔差をもつ
   光源と、該光源から射出されたレーザー光をスポットに
   絞り込むアナモフィックな結像系とから成る結像光学系
   において、半導体レーザー等の光源の接合面に平行な方
   向とアナモフィックな結像系の倍率の高い方向とが一致
   する場合には、接合面に平行な方向の射出点を上記結像
   光学系の基準物点よりも該光学系から近づく方向にずら
   すことを特徴とするレーザー光用結像光学系。