JPS61254915A - 光束径調整用の光学系 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は光束径調整用の光学系に関し、特に水平方向と
垂直方向での光束の放射発散角が各々異なる光源、例え
ば半導体レーザー等を用い次光学系において光源からの
光束の有効利用を図り装置全体の小型化及び簡素化を図
つ友光束径ｙ４整用の光学系に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体レーザーは小型軽量でしかも高出力が比
較的容易に得うれる為に照明系に用い几り、元ディスク
の検出系に用い九り、レーザービームプリンターの光学
系等の各種の光学装［Ｋ用いられている。しかしながら
半導体レーザーはその構成より光束の放射発散角が回転
対称になっていない。即ち出射面である半導体素子の接
合面に対して平行方向である水平方向と、これと直交す
る垂直方向とで光束の放射発散角が各々異なっている。

第２図は半導体レーザーからの光束の放射発散角の一例
を示す説明図である。同図囚は半導体レーザー１の平面
図、同図（６）は側面図である。

図中２は半導体素子の接合面、３は半導体レーザーから
放射される光束である。　θ□は半導体素子の接合面に
対して平行な方向、即ち水平方向の半値全幅（中心強度
に対して強度が半分になる角度）、　θＶは半導体素子
の接合面に対して垂直な方向、即ち垂直方向の半値全幅
である。

一般に多くの半導体レーザーにおいては双方の半値全幅
θ■、θＨとの間にはｅｖ−２〜３θＨなる関係がある
。このような半導体レーザーを回転対称な列えば口径ａ
なる光学系に導光し、平行光束とすると、その光束断面
の強度分布は第３図囚、＠のようになる。第３１囚は水
平方向、第３図（ロ）は垂直方向の強度分布である。こ
のような強度分布の平行光束を用いて光学系で収斂若し
くは発散させたりすると例えば収斂させ九ときは、その
結像面近傍での光束は回折の影響を受は水平方向へ長軸
を持ち垂直方向へ短軸を持つ楕円形状となる。従ってこ
のような状態の光束全光ディスク用の光学系に用いれば
情報密度の低下をき友し、又レーザー走査光学系に用い
れば解像力の低下金キたす原因となってくる。

この為従来より例えば第４図、第５図に示す構成により
水平方向と垂直方向の光束径の強度分布を等しくする方
向がなされている。

第４図はシリンドリカルレンズを用い友方式である。第
４１囚は水平方向、第４図囚は垂直方向の光学系の概略
図である。同図囚、（２）において半導体レーザー１か
らの光束を回転対称なコリメーターレンズ４と水平方向
に屈折力を有する２つのシリンドリカルレンズ５．６よ
構成るシリンドリカルビームエキスパンダー７とを介し
水平方向と垂直方向の強度分布を調整しつつ平行光とし
ている。特にシリンドリカルビームエキスパンダー７を
用いるととＫより水平方向の光束径を任意に調整してい
る。

しかしながらこの方式はコリメーターレンズ４の後に２
つのシリンドリカルレンズ５．６ｉ所定の間隔金隔てて
配置する為に光路長が増大し、装置全体の小型化を図る
のが難しくなるという欠点があつ九。

第５図はプリズムを用い几一方式、である。第５図（２
）は水平方向、第５図（６）は垂直方向の光学系の概略
図である。半導体レーザー１からの光束を回転対称なコ
リメーターレンズ４で平行光とし水平方向に楔角を有す
るプリズム８に導光し、プリズム８への入射角を制御す
ることＫより射出光束径、即ち水平方向の光束径の調整
を行っている。しかしながらこの方式はコリメーターレ
ンズ４の後にプリズム８を配置し光路を曲げている為に
光学系全体を簡単圧しかも小型に構成するのが難しくな
るという欠点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は水平方向と垂直方向の光束の放射発散角が各々
異なる光源、例えば半導体レーザーを用い友ときに、水
平方向と垂直方向の光束の放射発散角上任意に変え光束
の強度分布を調整することのできる藺易な構成の光束径
調整用の光学系の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 水平方向と垂直方向の放射発散角が各々異なる光束を水
平方向と垂直方向に各々所定の異つた屈折力を有する第
１の光学要素と水平方向若しくは垂直方向の少なくとも
一方向に屈折力を有する光学的に回転非対称な第２の光
学要素の少なくとも２つの光学要素を介した後、該光束
の水平方向と垂直方向の放射発散角を調整し九ことであ
る。

この池水発明の特徴は実施列において記載されている。

（実施列） 第６図囚、＠は本発明の光学系の原理を示す説明図であ
る。第６１囚は水平方向、第６図の）は垂直方向の光学
系の近軸屈折力配置を示す。

同図において１．ＩＩは各々第１、第２の光学要素であ
る。第１の光学要素ｌは水平方向及び垂直方向く各々異
った屈折力９□Ｈ２ψＩＶ　を有している。又第２の光
学要素Ｉは水平方向若しくは垂直方向の少なくとも一方
向に屈折力を有した光学的に回転非対称の構成より成っ
ている。以下第２の光学要素の水平方向と垂直方向の屈
折力を各々９２Ｈ’ψ２ｖとして説明する。

第１の光学要素ｌと第２の光学要素亘との空気換算面間
隔を＠’、水平方向と垂直方向のバックフォーカスを各
々ｓ）ｆ、ｓ、４．第１と第２の光学要素の総合の水平
方向と垂直方向の屈折力を各々ΦＨ２ΦＶとすると となる。又バックフォーカスＳ）ｆ、　Ｓ、ｊは各々と
なる。又αを比例常数とすれば屈折力　Φ□。

ΦＶは ΦＨ−αΦＶ　　　　　　　　　　　・・・−・−・・
（３）とおくことができる。

第１、第２の光学要素Ｉ、■を通過したとき水平方向及
び垂直方向の光束が共に所定の大きさの光束径を有し、
しかも平行光となる為には、光の可逆性の性質より平行
光束′に第１、第２の光学要素を逆に入射させたとき水
平方向と垂直方向のバックフォーカスが一致するように
すれば良いから ＳＫ′−−８Ｈ−Ｓ、Ｊ より ψ、Ｈ−（１・−α）／ｅ′＋αψ□■　　　　・・・
・・−・・（４）となる。即ち第１の光学要素の水平方
向と垂直方向の屈折力ψ　、ψ　金穴（４）の関係を有
するＩＨＩＶ ように構成すれば水平方向と垂直方向の直交する２方向
で焦点距離が異なるに本かかわらず双方のパックフォー
カス舷を等しくすることが可能となる。

又このことは換言すれば水平方向と垂直方向の光束の放
射発散角が異なる光束径を式（４）を満足する少なくと
も２つの光学要素を用いれば任意の形状に調整すること
ができることを示している。

例えば具体的には第１の光学要素をトーリック面を有す
る光学部材で、第２の光学要素をトーリック面若しくは
シリンドリカル面の光学的に回転非対称の光学部材で構
成しても艮い。又は第１の光学要素を水平方向と垂直方
向で中心から周辺にいくに従い屈折率分布を異圧する光
学的に回転非対称の所浦グラジエンドインデツクス分布
を有する光学部材（別名セルポックレンズとも言う。）
で構成し、第２の光学要素をトーリック面若しくはシリ
ンドリカル面で構成するようにしても良い。

尚このときトーリック面若しくはシリンドリカル面をグ
ラジエンドインデツクス分布を有する光学部材の光束の
入射面若しくは射出面の少なくとも一万に構成しても良
く、このような構成にすれば光学要素全体の簡素化を図
ることができるので好ましい・又第１、第２の光学要素
を共に屈折率分布の異なるグラジエンドインデツクス分
布の光学部材より構成するようにしても良い。

水平方向と垂直方向との屈折率分布の異なるグラジエン
ドインデツクス分布を有する光学部材は例えば屈折率分
布構成の要因となる材質中のイオンを各々水平方向と垂
直方向で適当に異つ次状態で交換すれば容易に達成する
ことができる。

その池槽円形状のロッドを液浸させ材質中の物質に対し
イオン交換を行い水平方向と垂直方向との屈折率分布を
変えるようＫしても良い。

尚本案絶倒においては第１、第２の光学要素の配置順は
任意に構成しても本発明の目的を達成することができる
。

第１図囚、＠は本発明の一実施例の光学系の概略図であ
る。同図囚は水平方向、同図の）は垂直方向の光学系の
状態を示す。同図において１は半導体レーザー、１０は
第１の光学要素と第２の光学要素を共にトーリック面で
構成し、双方を合体した光学部材である。第１図（４）
、＠においてＲ工□、Ｒｌｖは各々第１の光学要素のト
ーリック面の水平方向と垂直方向の曲率半径、”２Ｈ’
Ｒ２Ｖは各々第２の光学要素のトーリック面の水平方向
と垂直方向の曲率半径、Ｎは光学部材１０の材質の屈折
率、ｄは厚さ、Ｄは口径である。

又０Ｈ１θ７は各々水平方向と垂直方向の光束の発散角
である。

第１図囚、ａ３）に示した各諸元の数値を次に示す。

ＲＩＨ−α７３５７６、　　Ｒｘｙ−１１９６３ｄ＝１
１．０５．Ｎ−１，７Ｒ２Ｈ−５，０３６６２、Ｒｚｙ
　−−７，１３７８３ｓ＜−ａｓ　１６５ 次に各諸数値を前述の記号に変換したものを数ｌｉ例１
として次に示す。

数値例１ ψＩＨ−０，０９８０７、９’ｉＶ”　０．０５４　　
　ｅ’−ａ５．　Ｎ−Ｌ７？２■暑α１０３９２３　、
　　ψＺＶ−−α１３８９８数値例１においてはθＨ＝
　１＆３ざ、θｖ−３５，８６’、水平方向のＮＡＨ−
α１６、垂直方向のＮＡｖ−α３である。

以下同様に本発明に係る数値列を前述と同様に示す。但
しα−α５．Φｖ−０，１１７６４７である。

数値例２　。

ψＩＨ−α１２２８５７．　　ψＩＶ−−０−０４　　
　　　　　　ｅ’＝５．２５．　Ｎ−１−５ψ２Ｈ■−
α１１２３４　、ψ２ｖ−０，１３８２８７数値例３ ψＩＨ−α１２５　　　　、　ψＩＶ−０４１’−６，
４、Ｎ−１−６ψ２Ｈ−α１３２３５３　、ψ２ｖ−α
１１７６４７数値列４ ９１１Ｈ−（ＬＯ６２）１１，９ｙ−−α０９８　　　
　　　ｓ’−７，２，Ｎ−Ｌ６ψ２Ｈ”−α００４５６
３．　　ψ２Ｖ−α１４９６５１数値例５ ９’ｌＨ”−α０２３０７７−　　？１ｙ−−Ｑ、２　
　　　　　　　ｅ　’−９．７５　、　Ｎ−Ｌ５９２Ｈ
’−α０７１２）８．　　？２ｖ−Ｑ、１３８１０７数
値列６ ψＩＨ−０，０４９９２３、ψＩＶ−−α０５４　　　
　ｅ’−１０，４、Ｎ−Ｌ６９２Ｈ自α０１３１７６、
　　ψ２ｖ−α１２７０５２数値例７ ｔｐｌＨ−０，０８７９２３，９）１ｙ−α０２２　　
　　　　＠’−１１，０５、Ｎ＝Ｌ７ψ２．−０．０６
７９１　．９２Ｖ−０，１１１６０７このように本発明
においては第１、第２の光学部材の水平方向及び垂直方
向の屈折力を適切に設定することＫよシ、水平方向と垂
直方向での光束の放射発散角の異なる光源を用い九とき
の光束径の強度分布を任意の形状に調整することのでき
る簡易な構成でしかも小型の光束径調整用の光学系を達
成している。

第７図は本発明を光デイスク光学系の一部分に適用し几
ときの光学系の概略図である。同図において１１は半導
体レーザーで半導体素子の接合面と水平方向に配置され
ている。半導体レーザー１１より射出し友光束は本発明
に係る第１、第２の光学要素を合体して構成した光学部
材四で平行光とされ偏光ビームスプリッタ−１４金通シ
対吻レンズ１５により光ディスク１６の媒体面１７に円
形スポットとして結像する。媒体面１７で反射し九光束
は対物レンズ１５を通り偏光ビームスプリッタ−１４で
反射し集光レンズ１８により集光され、ハーフミラ−１
９で２分割され検出子２０　を通過し検出器２）により
検出されるようＫなっている。

第８図は本発明をレーザービームプリンターの一部分に
適用したときの光学系の概略図である。同図にお＾て３
１は半導体レーザーで半導体素子の接合面と垂直方向に
配置されている。半導体レーザー３１を射出した光束は
本発明に係る第１と第２の光学要素を合体した光学部材
４２により平行光とされ矢印３８の方向に回転している
回転多面鏡３７により反射しｆ−θレンズ３９にょシ被
結像ｒＭ４０（ドラム面）に結像し矢印４１方向金走査
するように構成されている。

このように第８図、第９図に示すように本発明に係る光
学部材２２　、４２　を使用すれば従来のように複数の
シリンドリカルレンズやプリズム等を使用する必要がな
いので光学系全体が簡素化され、しかも光路が簡単とな
り小型の光デイスク光学系やレーザービームプリンター
を達成することができる。

この池水発明は照明系等にも適用することができる。又
本発明は水平方向と垂直方向で光束の放射発散角が異な
る光源を使用する光学系であれば、どのような光学系に
も良好に適用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば水平方向と垂直方向の光束の放射発散角
が各々異なる光源を用いたときに簡易な構成により水平
方向と垂直方向Ｑ光束の放射発散角を任意に変え、光束
の有効利用を図った小型の光束径調整用の光学系を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図囚、（８）は本発明の一実施例の光学系の概略図
、第２図囚、＠は半導体レーザーから射出する光束の発
散状態の説明図、第３図囚、■は第２図で示す半導体レ
ーザーの光束の強度分布、第４図囚、＠と第５図囚、＠
は共に従来の半導体レーザーを用い九ときの光学系の説
明図、第６図囚、＠は本発明の光学系の原理を説明する
為の概略図、第７図囚、＠は本発明を光デイスク光学系
に適用したときの光学系の説明図、第８図は本発明をレ
ーザービームプリンターに適用したときの光学系の説明
図である。図中１１１．３１は半導体レーザー、２は半
導体素子の接合面、３は光束、４はコリメーターレンズ
、５６はシリンドリカルレンズ、８はプリズム、１゜２
２　、４２は各々本発明に係る第１、第２の光学要素を
合体した光学部材、１６は光ディスク、２）は検出器、
３９はｆ−〇レンズ、４０はドラム面である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）水平方向と垂直方向の放射発散角が各々異なる光
   束を水平方向と垂直方向に各々所定の異つた屈折力を有
   する第１の光学要素と水平方向若しくは垂直方向の少な
   くとも一方向に屈折力を有する光学的に回転非対称な第
   ２の光学要素の少なくとも２つの光学要素を介した後、
   該光束の水平方向と垂直方向の放射発散角を調整したこ
   とを特徴とする光束径調整用の光学系。
2. （２）前記第１の光学要素をトーリツク面より構成し、
   前記第２の光学要素をトーリツク面若しくはシリンドリ
   カル面より構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光束径調整用の光学系。
3. （３）前記第１の光学要素をグラジエンドインデツクス
   分布の光学部材より構成し、前記第２の光学要素をトー
   リツク面若しくはシリンドリカル面より構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光束径調整用の
   光学系。
4. （４）前記第１の光学要素をグラジエンドインデツクス
   分布の光学部材より構成し、該光学部材への光束の入射
   面若しくは射出面の少なくとも一方に前記第２の光学要
   素を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の光束径調整用の光学系。
5. （５）前記第１の光学要素と第２の光学要素の水平方向
   と垂直方向の総合の焦点距離のうち前記光束の放射発散
   角が大きい方向の焦点距離をＦ、小さい方向の焦点距離
   をＦ′としたとき Ｆ＜Ｆ′ を満足するように構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光束径調整用の光学系。
6. （６）前記第１の光学要素の水平方向と垂直方向の屈折
   力を各々ψ＿１＿Ｈ、ψ＿１＿Ｖ、前記第２の光学要素
   の水平方向と垂直方向の屈折力を各々ψ＿２＿Ｈ、φ＿
   ２＿Ｖ、前記第１の光学要素と第２の光学要素の空気換
   算面間隔をｅ′、水平方向と垂直方向の総合の屈折力を
   各々Φ＿Ｈ、Φ＿Ｖとし、α＝Φ＿Ｈ／Φ＿Ｖとおいた
   とき ψ＿１＿Ｖ＝（１−α）／ｅ′＋αφ＿１Ｈなる条件を
   満足するように構成したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の光束径調整用の光学系。