JPWO2005124426A1 - 光ビーム走査装置 - Google Patents

Abstract

光ビーム走査装置（１）は、光ビームを出射する光源装置（２）と、光源装置（２）から出射された光ビームを屈折させる円盤状の屈折光学素子（３）と、この屈折光学素子（３）を回転駆動する駆動モータ（４）とを備えている。光ビーム走査装置（１）において、屈折光学素子（３）を回転させた状態で、光源装置（２）から出射された光ビームを屈折光学素子（３）に入射させると、光ビームは、屈折光学素子（３）への入射位置により所定の方向に屈折し、走査される。このような光ビーム走査装置（１）では、光ビームの走査を高分解能で行う場合でも装置の小型化を図ることができる。また、光ビーム走査装置（１）は、温度特性に優れているので、安定した強度の光ビームを走査することができる。

Description

本発明は、光ビームを所定の方向に走査する光ビーム走査装置に関するものである。

光ビーム走査装置は、レーザプリンタ、デジタル複写機、ファクシミリ等の画像形成装置や、バーコード読取装置、車間距離測定装置などに幅広く利用されている。この種の光ビーム走査装置では、従来、光源装置から出射された光ビームをポリゴンミラーで偏向させることにより、光ビームを所定の方向に走査している（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の光ビーム走査装置では、ポリゴンミラーを設置するための大きなスペースが必要であるため、光ビーム走査装置の小型化を図る上で大きな障害となっている。

かかる問題を解決して光ビーム走査装置の小型化を図るための構成として、光源装置から出射された光ビームを回折する機能を備えた偏向ディスクと、この偏向ディスクを回転駆動する駆動用モータとを備えた光ビーム走査装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載の光ビーム走査装置では、偏向ディスクの周方向に異なる回折角度を有する複数の回折格子を形成しておき、駆動用モータによって偏向ディスクを回転させた状態で、光源装置から出射された光ビームを偏向ディスクに入射させる。その結果、光ビームは、偏向ディスクを透過する際に回折され、所定の方向に走査される。
特開２００３−３１５７２０号公報 特開平１１−２３１２３８号公報

しかしながら、回折機能によって光ビームを走査する偏向ディスクを用いた光ビーム走査装置には、以下の問題点がある。

まず、光ビームの走査の分解能を上げるためには、偏向ディスクのディスク径を大きくしなければならないといった問題がある。すなわち、光ビームの走査範囲が一定であるとした場合に、光ビームの走査の分解能を上げるためには、偏向ディスクの周方向に沿って、互いに異なる回折角度を有する多数の回折領域を形成する必要がある。また、回折効果を得るためには、各回折領域に複数の格子溝を形成する必要がある。例えば、光ビームの走査範囲を±１０°、光ビームの走査の分解能を０．１°として、偏向ディスクの１回転でこの走査範囲を走査するために、等角度間隔で２００の異なる回折効率を有する多数の回折領域を偏向ディスク上に形成した場合を考える。この場合、光源装置からの光ビームの波長を８８０ｎｍとすると、最大で格子溝ピッチが０．５ｍｍとなる回折格子を形成する必要がある。また、回折効果を得るためには、各回折領域に、例えば１０本の格子溝を形成する場合、この回折格子の幅は、５．０ｍｍとなる。そのため、光ビームが通過する部分のディスク径は、
５．０×２００／π＝３１８．３（ｍｍ）
となってしまう。このように、光ビームの走査の分解能を上げていくと、偏向ディスクのディスク径が大きくなってしまい、光ビーム走査装置のさらなる小型化を考えた場合には、回折機能によって光ビームを走査する偏向ディスクを用いた光ビーム走査装置では問題がある。

一方、格子溝ピッチは最小で５．１μｍとなり、１次回折効率が最大となる段差高さ１．７μｍの３倍程度の値である。このように段差が格子溝ピッチに対して無視できない高さになると、１次回折効率が著しく低下する。従って、走査角度が大きくなると回折効率が低下するという問題点もある。

また、回折格子での回折角度と回折効率は、入射する光の波長に依存し、回折効率は透過率に直接影響する。そのため、光源装置から出射される光ビームに波長のばらつきが生じると、回折領域での回折角度と回折効率がともに変動し、各走査角度における光ビームの強度が安定しないという問題がある。さらに、温度変動があると回折領域の屈折率変化に起因して回折効率が変動するため、一層、各走査角度における光ビームの強度が安定しないという問題もある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、光ビームの走査を高分解能で行う場合でも装置の小型化を図ることができる光ビーム走査装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、温度特性に優れ、安定した強度の光ビームを走査することができる光ビーム走査装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では、光ビームを所定の方向に走査する光ビーム走査装置において、屈折方向が周方向の位置によって変化する屈折光学素子と、該屈折光学素子に向けて光ビームを出射する光源装置と、前記屈折光学素子を回転させて前記屈折光学素子に対する光ビームの入射位置を周方向で移動させる回転駆動機構とを有していることを特徴とする。

本発明では、回転駆動機構によって屈折光学素子を回転させた状態で、光源装置から出射された光ビームをディスク状の屈折光学素子に入射させる。その結果、光ビームは、屈折光学素子によって屈折し、所定の方向に走査される。このように、本発明に係る光ビーム走査装置では、屈折光学素子の屈折機能によって光ビームを走査する。そのため、例えば、屈折角が互いに異なる傾斜面を周方向に隣接するように多数形成すれば、ディスク状の屈折光学素子を１回転させるだけで、光ビームを所定の走査範囲で走査させることができる。従って、１つの走査角度へ光ビームを出射させるために１つの屈折角を有する傾斜面を屈折光学素子に形成してやればよく、回折機能を備えた偏向ディスクを用いた場合と違って、１つの走査角度へ光ビームを出射するために複数の格子溝を設ける必要がない。それ故、本発明によれば、光ビームの走査の分解能を高めた場合であっても、屈折光学素子の径を小さくすることができるので、光ビーム走査装置の小型化を図ることができる。

また、屈折光学素子の屈折角および透過率は、入射する光ビームの波長の影響をほとんど受けないため、安定した強度の光ビームを走査することができる。さらに、屈折光学素子における温度変動による透過率の変動は、回折効率の変動に比してわずかである。そのため、温度変動の影響をあまり受けることなく安定した強度の光ビームを走査することができる。

本発明において、前記屈折光学素子は、一方の端面から入射した前記光源装置からの光ビームを透過させて他方の端面から出射することが好ましい。このように構成すると、ディスク状の屈折光学素子に回転ぶれや面ぶれが生じても屈折角はほとんど変化しないため、光ビームの走査ジッター特性が良好である。これに対して、ポリゴンミラーあるいは回折機能を利用した偏向ディスクを用いた光ビーム走査装置では、回転ぶれや面ぶれがそのまま光ビームの走査角度に影響するため、本発明に係る光ビーム走査装置によれば、光ビームの走査ジッター特性が格段に向上する。

本発明において、前記光源装置は、光ビームを出射する発光素子と、該発光素子から出射された光ビームの発散角を変えるレンズとを備えるとともに、前記屈折光学素子の回転平面に対して略直交する方向に光ビームを出射する。

本発明において、前記光源装置は、光ビームを出射する発光素子と、該発光素子から出射された光ビームを平行光化するコリメートレンズとを備えるとともに、前記屈折光学素子の回転平面に対して平行方向あるいは斜め方向に向かって光ビームを出射する構成を採用してもよい。この場合、前記光源装置から出射された光ビームに対しては、当該光ビームを前記屈折光学素子の回転平面に対して略直交する方向に反射して前記屈折光学素子に入射させるミラーが配置される。光源装置がコリメートレンズを備えている場合には、発光素子から屈折光学素子までの間に所定の距離が必要になる。すなわち、光ビームの大きさを調整するには、コリメートレンズと発光素子との距離を調整する必要があり、発光素子から屈折光学素子までに所定の距離が必要となる。そのため、光源装置から、ミラーを経由して屈折光学素子に光ビームが入射するように構成することにより、発光素子から屈折光学素子までの間に所定の距離を確保することができる。また、屈折光学素子の回転平面に対して平行方向あるいは斜め方向に向かって光ビームが出射されるように構成すれば、光ビーム走査装置の薄型化を図ることが可能となる。

尚、本明細書において、「屈折光学素子の回転平面に対して平行方向あるいは斜め方向」とは、回転平面に直交する方向以外の方向をいい、この方向に光ビームが出射されるようにした場合には、回転平面に直交する方向に向かって光ビームが出射されるように光源装置を配設した場合と比較して、光ビーム走査装置の薄型化を図ることができる。また、発光素子としては、レーザダイオード、発光ダイオード、レーザ発振器等が挙げられる。

本発明において、前記屈折光学素子は、周方向で分割された複数の分割領域を備え、当該複数の分割領域の各々には、入射した光ビームを所定方向に屈折させる傾斜面が形成されている構成を採用することができる。すなわち、屈折光学素子を周方向において複数の放射状の分割領域に分割し、当該分割領域のそれぞれに、入射された光ビームを屈折させる傾斜面を形成することが好ましい。このように構成すると、簡易な構成で円盤状の屈折光学素子を形成することができる。また、本明細書においては、傾斜面には、傾斜角度が０°のものも含まれるものとする。

本発明において、前記複数の分割領域の各々では、前記傾斜面が一定の傾斜角度を有しており、周方向に並ぶ前記複数の分割領域において、前記傾斜面の傾斜角度が連続的に変化していることが好ましい。すなわち、各分割領域の各々において、傾斜面の傾斜角度は一定であり、隣接する分割領域において、傾斜面の傾斜角度が増加または減少するように構成することが好ましい。

本発明において、前記分割領域は、略等角度間隔に分割されていることが好ましい。このように構成すると、光源装置からは、一定間隔のパルス状の光ビームを出射すればよいので、光源装置の制御が容易である。また、光源装置から一定間隔のパルス状の光ビームを出射するだけで、分割領域の周方向における中心位置に光ビームを入射させることができる。この場合には、屈折光学素子で目論見通りに光ビームを屈折させることができるため、適切な光ビームの走査を行うことができる。

本発明において、前記傾斜面は、前記屈折光学素子の片面側にのみ形成されていることが好ましい。この場合、前記傾斜面の前記屈折光学素子の回転平面に対する傾斜角度をθｗ、前記屈折光学素子から出射される光ビームの走査角度をθｓ、前記屈折光学素子の屈折率をｎとしたとき、
ｓｉｎ（θｗ＋θｓ）＝ｎ・ｓｉｎθｗ
の関係を満たすように構成すればよい。傾斜面を屈折光学素子の片面側にのみ形成した場合には、屈折光学素子の加工が容易である。

本発明において、前記屈折光学素子には、周方向に連続した傾斜面が形成され、当該傾斜面の傾斜角度が周方向で連続的に変化している構成を採用することが好ましい。このように構成すると、分解能の高い走査を行うことができる。この場合も、前記傾斜面は、前記屈折光学素子の片面側にのみ形成されていることが好ましい。この場合、前記傾斜面の前記屈折光学素子の回転平面に対する傾斜角度をθｗ、前記屈折光学素子から出射される光ビームの走査角度をθｓ、前記屈折光学素子の屈折率をｎとしたとき、
ｓｉｎ（θｗ＋θｓ）＝ｎ・ｓｉｎθｗ
の関係を満たすように構成すればよい。傾斜面を屈折光学素子の片面側にのみ形成した場合には、屈折光学素子の加工が容易である。

本発明において、前記屈折光学素子の少なくとも光ビームの入射側の端面には、反射防止処理が施されていることが好ましい。このように構成すると、光源装置の出力のばらつきの原因となり得る光源装置への戻り光を少なくすることができる。また、反射防止処理を行えば、透過率が上がり、その結果、光源装置からの光量のロスを低減させることができる。

本発明において、前記屈折光学素子は樹脂で形成することができる。また、ガラスで形成することもできる。樹脂で形成した場合には、生産性に優れ、軽量化、低コスト化が可能である。尚、樹脂で形成した場合でも、例えば±５０℃程度の温度変動であれば走査角度の変動はわずかであり、走査性能への影響はほとんどない。一方、ガラスで形成した場合には、温度変動の影響をほとんど受けないため、温度特性が安定するとともに、高温環境下でも光ビーム走査装置の使用が可能となる。

本発明において、前記傾斜面は、周方向で傾斜している構成、および半径方向で傾斜している構成のいずれを採用してもよい。

本発明において、前記屈折光学素子の回転位置を検出する位置検出手段を備え、
該位置検出手段の検出結果に基づいて、前記回転駆動機構による前記屈折光学素子の回転および前記光源装置からの光ビームの出射が制御されることが好ましい。このように構成すれば、屈折光学素子の回転位置に基づいて回転駆動機構の回転動作及び光源装置の発光動作がフィードバック制御されることになり、光源装置の発光タイミングと屈折光学素子の回転位置との同期を正確に取ることができ、適切な光ビームの走査を行うことができる。

本発明において、前記回転駆動機構は、一定速度で前記屈折光学素子を回転させ、前記光源装置は、前記屈折光学素子に向けて一定間隔でパルス状の光ビームを出射することが好ましい。このように構成すると、フィードバック制御といった複雑な制御が不要になり、回路構成が簡素化される。尚、屈折光学素子に一定間隔でパルス状の光ビームが入射される構成としては、光源装置から一定間隔でパルス状の光ビームが出射されるようにしてやればよい。また、光源装置から光ビームを連続的に出射する一方、光路の途中に遮光板を設けてこの光ビームを一定間隔で遮光させるようにして屈折光学素子に一定間隔でパルス状の光ビームが入射されるようにしてもよい。

本発明において、前記屈折光学素子に、周方向に連続した傾斜面が形成され、当該傾斜面の傾斜角度が周方向で連続的に変化している場合、前記回転駆動機構は、一定速度で前記屈折光学素子を回転させ、前記光源装置は、前記屈折光学素子に向けて光ビームを連続出射する構成を採用してもよい。

本発明の実施の形態１に係る光ビーム走査装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示す光ビーム走査装置の概略構成を模式的に示す概略側面図である。 図１に示す光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図３に示す屈折光学素子の平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図４のＸ−Ｘ断面図、Ｙ−Ｙ断面図、Ｚ−Ｚ断面図である。 図３および図４に示す屈折光学素子の傾斜面に傾斜角度が０°の傾斜面が含まれている場合の説明図である。 本発明の実施の形態２に係る光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る光ビーム走査装置の構成図である。 図８に示す光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図９に示す屈折光学素子の平面図である。 図９のＷ−Ｗ断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る光ビーム走査装置の概略構成を模式的に示す概略側面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る光ビーム走査装置の概略構成を模式的に示す概略側面図である。

符号の説明

１ 光ビーム走査装置
２ 光源装置
３ 屈折光学素子
４ 駆動モータ（回転駆動機構）
５ ミラー
６ 光学式エンコーダ（位置検出手段）
２１ レーザダイオード（発光素子）
２２ コリメートレンズ
３２ 分割領域
３３ 傾斜面

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

［実施の形態１］
（光ビーム走査装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ビーム走査装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す光ビーム走査装置の概略構成を模式的に示す概略側面図である。

図１および図２に示す光ビーム走査装置１は、光ビームを出射する光源装置２と、光源装置２から出射された光ビームを屈折させる円盤状の屈折光学素子３と、屈折光学素子３を回転駆動する回転駆動機構としての駆動モータ４と、光源装置２から出射された光ビームを屈折光学素子３へ向けて立ち上げるミラー５と、屈折光学素子３の回転位置を検出する位置検出手段としての光学式エンコーダ６とを備えている。この光ビーム走査装置１において、屈折光学素子３は、後述するように、周方向で屈折方向が変化している。このため、屈折光学素子３を回転させた状態で、光源装置２から出射された光ビームを屈折光学素子３に入射させ、屈折光学素子３で光ビームを屈折させることにより、光ビームを所定の方向に走査する。特に、本形態においては、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３を透過するように構成されており、屈折光学素子３は、一方の端面から入射した光源装置２からの光ビームを透過させて他方の端面から出射する。駆動モータ４とミラー５と光学式エンコーダ６はフレーム８に直接配設され、光源装置２はホルダー９を介してフレーム８に配設されている。

光源装置２は、光ビームを出射する発光素子としてのレーザダイオード２１と、レーザダイオード２１から出射された光ビームを平行光化するコリメートレンズ２２とが一体となって構成されている。レーザダイオード２１からは例えば８８０ｎｍのレーザ光が出射される。光源装置２からは、図２に示すように、駆動モータ４の回転軸に直交する平面、言い換えると、屈折光学素子３の回転平面に対して平行方向に向かって光ビームが出射されるようになっている。

ミラー５は、光源装置２から出射された光ビームを駆動モータ４の軸方向に立ち上げて、屈折光学素子３の回転平面に対して略直交するように、光ビームを屈折光学素子３へ入射させる。ミラー５は、例えば、全反射ミラーであり、光源装置２の出射側に配設されている。

ミラー５の側方には、駆動モータ４が配設されている。本形態における駆動モータ４は、高速回転可能なブラシレスモータであり、例えば１０，０００（ｒｐｍ）程度の回転が可能に構成されている。尚、駆動モータ４はブラシレスモータには限定されず、ステッピングモータなど、種々のモータを適用することができる。尚、ミラー５などを省略して光源装置２から出射された光を直接、屈折光学素子３に導いてもよい。

屈折光学素子３には中心孔３１が形成されており、この中心孔３１が駆動モータ４の回転子に固定されている。従って、屈折光学素子３は、駆動モータ４の軸線（屈折光学素子３の中心）を中心に回転駆動可能に構成されている。屈折光学素子３の詳細な構成については後述する。

光学式エンコーダ６は、駆動モータ４の軸方向で屈折光学素子３と対向するように配設されている。光学式エンコーダ６と対向する屈折光学素子３の対向面には格子（図示せず）が形成されており、この格子を光学式エンコーダ６が検出することにより、屈折光学素子３の回転位置の検出が行われている。本形態の光ビーム走査装置１では、光学式エンコーダ６の検出結果に基づいて駆動モータ４の回転動作が制御されるようになっている。また、光学式エンコーダ６の検出結果に基づいてレーザダイオード２１の発光動作が制御されるようになっている。尚、屈折光学素子３の角度位置の検出には、光学式エンコーダ６に代えて、フォトカプラや磁気センサを用いてもよい。

（屈折光学素子の構成）
図３は、図１に示す光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。図４は、図３に示す屈折光学素子の平面図である。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図４のＸ−Ｘ断面図、Ｙ−Ｙ断面図、Ｚ−Ｚ断面図である。図６は、図３および図４に示す屈折光学素子の傾斜面に傾斜角度が０°の傾斜面が含まれている場合の説明図である。

図２、図３および図４に示すように、屈折光学素子３は、中心に中心孔３１を備える扁平な円盤状に形成されており、本形態では、透明な樹脂で形成されている。屈折光学素子３には、中心孔３１を中心として周方向に分割された複数の放射状の分割領域３２ａ、３２ｂ、３２ｃ・・・（以下、分割領域３２とする）が形成されている。本形態では、分割領域３２は、中心孔３１を中心として、略等角度間隔で周方向に分割された領域である。

分割領域３２の数は、光ビーム走査の走査点数によって決まるが、本形態では、屈折光学素子３は、２０１個の分割領域３２から形成されている。従って、例えば、光ビームの走査範囲を±１０°とした場合には、光ビームの走査の分解能は０．１°となる。また、例えば、光ビームが透過する位置における屈折光学素子３の直径を４０ｍｍとすると、１つの分割領域３２における周方向の幅寸法は、０．６３ｍｍになる。尚、図３および図４では、説明の便宜上、分割領域３２の数を減らして図示している。

分割領域３２のそれぞれには、入射された光ビームを屈折させる３３ａ、３３ｂ、３３ｃ・・・（以下、傾斜面３３とする）が半径方向に傾斜するように形成されている。本形態では、傾斜面３３は、屈折光学素子３の出射側の面（図１、２における上面）にのみ全周にわたって形成され、入射側の面（図１、２における下面）は、駆動モータ４の軸に直交する平面状に形成されている。また、傾斜面３３は、分割領域３２のそれぞれにおいて、一定角度を持って形成されている。すなわち、図５に示すように、各分割領域３２の径方向の断面は楔形状に形成されている。より具体的には、各分割領域３２の径方向の断面は、内周側と外周側を平行とする台形状に形成されている。また、傾斜面３３の傾斜角度は、周方向に並ぶ複数の分割領域３２の各々で連続的に変化している。尚、本形態における傾斜面３３には、図６に示す分割領域３２ｅの傾斜面３３ｅのように、傾斜角度が０°のものも含まれるものとする。

また、本形態では、傾斜面３３の傾斜角度（傾斜面３の屈折光学素子３の回転平面に対する傾斜角度）をθｗ、屈折光学素子３から出射される光ビームの走査角度をθｓ（図２参照）、屈折光学素子３の屈折率をｎとしたとき、
ｓｉｎ（θｗ＋θｓ）＝ｎ・ｓｉｎθｗ
の関係を満足するように、傾斜面３３が形成されている。例えば、ｎ＝１．５１８６２とすると、走査角度θｓを１０°とする場合には、傾斜角度θｗを１８．０２°とすればよい。

さらに、本形態では、隣接する分割領域３２の傾斜面３３の傾斜角度θｗは、次第に増加または減少するようになっている。例えば、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、隣接する分割領域３２ａ、３２ｂ、３２ｃのそれぞれの傾斜面３３ａ、３３ｂ、３３ｃの傾斜角度θｗａ、θｗｂ、θｗｃが次第に増加するようになっている。

また、屈折光学素子３の全周でみた場合には、図６に示すように、分割領域３２ｄの傾斜面３３ｄは内周に向かって傾斜し、分割領域３２ｆの傾斜面３３ｆは外周に向かって傾斜している。そして、分割領域３２ｄと分割領域３２ｆとの間には、その傾斜面３３ｅの傾斜角度が０°なる分割領域３２ｅが存在する。すなわち、内周に向かう傾斜角、外周に向かう傾斜角をそれぞれ、正の傾斜角、負の傾斜角とした場合、傾斜面３３の傾斜角度θｗは、周方向で、正の傾斜角から次第に減少して負の傾斜角となり、その後、さらに傾斜角が次第に減少して１周すると、正の傾斜角に戻るようになっている。尚、正の傾斜角から次第に減少して負の傾斜角となり、その後、逆に負の傾斜角から次第に増加して正の傾斜角となるように、正の傾斜角と負の傾斜角が周方向で繰り返すように傾斜面３３を形成してもよい。

また、屈折光学素子３では、少なくとも光ビームの入射側の端面に反射防止処理が施されている。本形態では、屈折光学素子３の全面に薄膜あるいは微細構造などによって反射防止処理が施されている。

（屈折光学素子の製造方法）
本形態の屈折光学素子３は、透明な樹脂を直接、切削などの超精密加工で製造してもよいし、製造コストを考慮して、金型を用いて製造してもよい。以下、屈折光学素子３を直接、切削加工する場合を説明するが、金型を切削する場合も同様である。

屈折光学素子３は、フライカットあるいはシェイパーカットで切削加工される。本形態
における傾斜面３３は径方向に傾斜するように形成されていることから、切削加工に用いる刃先の進む方向を屈折光学素子３の径方向に設定する。より具体的には、屈折光学素子３の中心から外周側に向かって、あるいは外周側から中心に向かって、刃先の進む方向を設定する。

そして、軸方向に屈折光学素子３の素材を送りながら切削加工をして、１つの分割領域３２の傾斜面３３を形成する。その後、屈折光学素子３を周方向に所定の角度回転させ、同様に、軸方向に屈折光学素子３の素材を送りながら切削加工をして、隣接する分割領域３２の傾斜面３３を形成する。この動作を１周分、繰り返すことにより、屈折光学素子３が形成される。尚、屈折光学素子３の素材の軸方向の送りはＮＣデータ上で設定されており、これによって、隣接する分割領域３２の傾斜面３３の傾斜角度θｗが次第に増加または減少するように、傾斜面３３が形成されていく。

（光ビームの走査方法）
本形態の光ビーム走査装置１における光ビームの走査方法を以下に説明する。

まず、屈折光学素子３は、駆動モータ４に駆動されて所定の回転数で回転する。この状態で、光ビームがレーザダイオード２１から出射され、コリメートレンズ２２で平行光化される。そして、光ビームは、ミラー５によって立ち上げられて屈折光学素子３の入射側の端面に略直交するように入射する。より具体的には、光ビームは、１つの分割領域３２の周方向における中心位置に向かって入射する。

ここで、屈折光学素子３に入射する光ビームの有効径は、１つの分割領域３２の周方向幅以下であることが望ましい。但し、屈折光学素子３に入射する光ビームの有効径が１つの分割領域３２の周方向幅以上であり、複数の分割領域３２に跨って入射するようになっていても構わない。光ビームを入射させたい分割領域３２に隣接する分割領域３２（さらには、これに隣接する分割領域３２）に入射した光ビームは、光ビームを入射させたい分割領域３２を透過した光ビームとは離れる方向に向かって出射されていくからである。そのため、光ビームの有効径が１つの分割領域３２の周方向幅以上であっても、ノイズの原因になることはない。

以下では、説明の便宜上、屈折光学素子３に入射する光ビームの有効径は、１つの分割領域３２の周方向幅以下であるとする。

屈折光学素子３の分割領域３２に入射した光ビームは、屈折光学素子３を透過する際に、傾斜面３３で屈折されて出射される。例えば、図２に示すように、ある分割領域３２で走査角度θｓ１の方向に屈折されて出射される。ここで、隣接する分割領域３２の傾斜面３３の傾斜角度θｗは、次第に増加または減少するようになっているため、隣接する分割領域３２では、例えば、走査角度θｓ１と０．１°の角度差がある走査角度θｓ２の方向に屈折されて出射される。このようにして、光ビームは、例えば０．１°間隔で順次出射されて所定の走査範囲で走査される。因みに、分割領域３２ｅ（図６参照）では、光ビームは屈折せずに出射される。

尚、本形態では、光学式エンコーダ６による屈折光学素子３の回転位置の検出結果に基づいて駆動モータ４の回転動作及びレーザダイオード２１の発光動作が制御されるようになっている。すなわち、光学式エンコーダ６での検出結果に基づいて、レーザダイオード２１から発光された光ビームが１つの分割領域３２の周方向の中心位置に向かって入射するように、駆動モータ４の回転及びレーザダイオード２１の発光タイミングが制御されている。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の光ビーム走査装置１では、駆動モータ４を回転させた状態で、光源装置２から出射された光ビームを屈折光学素子３に入射させ、屈折光学素子３で光ビームを屈折させて、光ビームを所定の方向に走査している。すなわち、屈折機能によって光ビームを走査している。そのため、屈折角が互いに異なる傾斜面３３を周方向に多数形成してやることにより、屈折光学素子３を１回転させれば、所定の走査範囲を走査することができる。すなわち、１つの走査角度へ光ビームを出射させるために１つの屈折角度θｗを有する傾斜面３３を屈折光学素子３に形成してやればよく、回折機能を備えた偏向ディスクのように１つの走査角度へ光ビームを出射させるために複数の格子溝を設ける必要がない。従って、光ビームの走査の分解能を上げていった場合であっても、屈折光学素子３の径を小さくすることができ、その結果、装置の小型化を図ることができる。

また、屈折光学素子３は扁平な円盤状であるため、装置の薄型化を図ることも可能である。尚、上述した例では、分割領域３２の光ビームの透過位置での周方向幅は、０．６３ｍｍであるから、傾斜面３３を十分に形成することが可能である。

また、本形態で用いた屈折光学素子３では、その屈折作用を利用しており、屈折角は、入射する光ビームの波長の影響をほとんど受けない。そのため、本形態の光ビーム走査装置１では、安定した強度の光ビームを走査することができる。さらに、屈折光学素子３は温度変動があっても、温度変動による透過率の変動は、回折効率の変動に比してわずかである。従って、温度変動の影響をあまり受けることなく安定した強度の光ビームを走査することができる。

また、本形態では、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３を透過するように構成されている。そのため、駆動モータ４で回転させた屈折光学素子３に回転ぶれや面ぶれが生じても屈折角はほとんど変化しない。そのため、光ビームの走査ジッターが良好である。

さらに、本形態において、光源装置２は、光ビームを出射するレーザダイオード２１とコリメートレンズ２２とを備えている。また、光源装置２から、屈折光学素子３の回転平面に対して平行方向に向かって光ビームが出射されるとともに、出射された光ビームは、ミラー５によって直角に立ち上げられて屈折光学素子３の回転平面に対して略直交するように屈折光学素子３へ入射される。ここで、光源装置２がコリメートレンズ２２を備えている場合には、光ビームの大きさを調整するためにコリメートレンズ２２と発光素子２１との距離を調整する必要があり、発光素子２１から屈折光学素子３まで間に所定の距離が必要になるが、本形態では、光源装置２から出射された光ビームは、ミラー５を経由して屈折光学素子３に入射するように構成されているため、発光素子２１から屈折光学素子３まで間に所定の距離を確保することができる。また、屈折光学素子３の回転平面に対して平行方向に向かって光ビームが出射されるため、光ビーム走査装置１の薄型化を図ることができる。

本形態では、屈折光学素子３は、周方向に分割された複数の放射状の分割領域３２から構成され、分割領域３２のそれぞれに、入射された光ビームを屈折させる傾斜面３３が形成されている。そのため、簡易な構成で屈折光学素子３を形成することができる。

また、分割領域３２のそれぞれには一定角度の傾斜面３３が形成されるとともに、隣接する分割領域３２の傾斜面３３の傾斜角度θｗは、次第に増加または減少するようになっている。そのため、簡易な構成で、各走査角度θｓに順次、光ビームを出射することができる。さらに、分割領域３２は、中心孔３１を中心として、略等角度間隔で周方向に分割された領域である。そのため、駆動モータ４の回転数が一定であれば、光源装置２からは、一定間隔でパルス状の光ビームを出射すればよいから、光源装置２の制御が容易になる。

本形態では、傾斜面３３が、屈折光学素子３の出射側の面にのみ形成されており、入射側の面は平面状に形成されている。そのため、金型を用いて屈折光学素子３を製造する場合には、金型の駒加工が１面のみでよいため、金型の製作が容易になる。また、透明な樹脂を直接、切削加工して製造して屈折光学素子３を製造する場合には、入射側の面が平面状であるため、素材を固定しやすく、加工が容易になる。

本形態では、屈折光学素子３には、反射防止処理が施されている。そのため、光源装置２の出力のばらつきの原因となり得る光源装置２への戻り光を少なくすることができる。また、透過率が向上するため光源装置２からの光量のロスを低減させることができる。尚、光ビーム走査装置１が使用される上位装置で要求される光量が得られるのであれば、屈折光学素子３に反射防止処理を施す必要はない。この場合には、屈折光学素子３の構成を簡素化でき、その製造が容易になる。

本形態では、屈折光学素子３は樹脂で形成されている。そのため、屈折光学素子３は生産性に優れ、また、光ビーム走査装置１の軽量化、低コスト化が可能である。尚、例えば±５０℃程度の温度変動があっても、走査角度θｓの変動率は１％以下であり、走査性能への影響はほとんどない。

本形態では、レーザダイオード２１から発光された光ビームが１つの分割領域３２の周方向幅の中心位置に向かって入射するように、駆動モータ４の回転及びレーザダイオード２１の発光タイミングが制御されている。そのため、レーザダイオード２１の発光タイミングと屈折光学素子３の回転位置との同期を正確に取ることができ、適切な光ビームの走査を行うことができる。

［実施の形態２］
図７は、本発明の実施の形態２に係る光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。尚、本形態の光ビーム走査装置および屈折光学素子の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの詳細な説明を省略する。

実施の形態１に係る屈折光学素子３では、周方向に複数の分割領域３２が形成され、これらの分割領域３２の各々に傾斜面３３が形成されていたが、図７に示すように屈折光学素子３を構成してもよい。この屈折光学素子３には、周方向に連続した傾斜面３３が形成され、この傾斜面３３は、半径方向に対する傾斜角度が周方向で連続的に変化している。

このように構成した屈折光学素子３は、図４と同様、図７に示すＸ−Ｘ線、Ｙ−Ｙ線、Ｚ−Ｚ線で切断したときの断面は、図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように表され、半径方向における傾斜角度θｗは、周方向で次第に増加または減少するようになっている。このため、屈折光学素子３を回転させながら、屈折光学素子３に光ビームを入射させると、光ビームは、屈折光学素子３を透過する際に、傾斜面３３で屈折されて走査される。この場合は、レーザは連続発振させて分解能を最大限まで上げることが可能である。

尚、屈折光学素子３の傾斜面３３は、周方向にも連続的に傾斜角度が変化しているが、入射するビーム径が小さいためこの方向の傾き変化は無視できるため、屈折光学素子３の接線方向への走査は無視できる。

［実施の形態３］
図８は、本発明の実施の形態３に係る光ビーム走査装置の構成図である。図９は、図８に示す光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。図１０は、図９に示す屈折光学素子の平面図である。図１１は、図９のＷ−Ｗ断面を示す断面図である。本形態は、基本的な構成が実施の形態１と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

上記の実施の形態１、２では、入射された光ビームを屈折させる傾斜面３３が半径方向に傾斜するように形成されていたが、傾斜面３３の傾斜方向は、半径方向には限定されない。例えば、図８、図９、図１０および図１１に示すように、屈折光学素子３を構成する分割領域３２のそれぞれには、一定角度で周方向に傾斜する傾斜面３３を形成してもよい。この形態でも、傾斜面３３は、屈折光学素子３の出射側の面にのみ形成されており、各分割領域３２の断面は楔形状になっている。より具体的には、各分割領域３２の断面は、隣接する分割領域３２との隣接面を平行とする台形状に形成されている。尚、この形態でも、傾斜面３３には、傾斜角度が０°のものも含むものとする。

因みに、傾斜面３３の傾斜角度をθｗ、屈折光学素子３から出射される光ビームの走査角度をθｓ、屈折光学素子３の屈折率をｎとしたとき、
ｓｉｎ（θｗ＋θｓ）＝ｎ・ｓｉｎθｗ
の関係を満足するように、傾斜面３３が形成されている点、また、図１１に示すように、隣接する分割領域３２ｇ、３２ｈ、３２ｉのそれぞれの傾斜面３３ｇ、３３ｈ、３３ｉの傾斜角度θｗｇ、θｗｈ、θｗｉが、次第に増加するようになっている点も上述した形態と同じである。尚、傾斜面３３は、図１１に示す傾斜方向と反対側に向かって傾斜する傾斜面３３であってもよい。すなわち、図１１において、中心より左側の傾斜面３３を左下がりの傾斜面とし、中心より右側の傾斜面を右下がりとしてもよい。

このように構成した屈折光学素子３でも、屈折方向が周方向で変化しているため、屈折光学素子３を回転させながら、屈折光学素子３に光ビームを入射させると、光ビームは、屈折光学素子３を透過する際に、傾斜面３３で屈折されて、屈折光学素子３の接線方向において走査される。

このように、周方向に傾斜する傾斜面３３を備えた屈折光学素子３も、上述した形態１、２と同様に、透明な樹脂を直接、切削などの超精密加工で製造してもよいし、製造コストを考慮して、金型を用いて製造してもよい。切削加工で、屈折光学素子３あるいは、金型を製造する場合には、切削加工に用いる刃先の進む方向を屈折光学素子３の径方向に設定して、１つの傾斜面３３を形成するとともに、刃先の傾き方向を変えつつ、屈折光学素子３を周方向に所定の角度回転させて隣接する分割領域３２の傾斜面３３を形成してやればよい。

［実施の形態４］
図１２は、本発明の実施の形態４に係る光ビーム走査装置に用いた屈折光学素子の概略構成を模式的に示す斜視図である。尚、本形態の光ビーム走査装置および屈折光学素子の基本的な構成は、実施の形態３と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの詳細な説明を省略する。

実施の形態３に係る屈折光学素子３では、周方向に複数の分割領域３２が形成され、これらの分割領域３２の各々には、分割領域毎に傾斜角度θｗが一定の傾斜面３３が形成されていたが、本形態では、図１２に示すように、周方向に複数の分割領域３２が形成され、これらの分割領域３２の各々には、周方向への傾斜角度θｗが周方向で連続的に変化している傾斜面３３が形成されている。この面の形状は接線方向の２次関数となっており、１次微分で表される傾きが接線方向に対して連続して変化するようになっている。このように構成した屈折光学素子３を用いた光ビーム走査装置でも、屈折光学素子３に入射した光ビームは、屈折光学素子３を透過する際に、傾斜面３３で屈折されて、屈折光学素子３の接線方向に走査されることになる。図１２では傾斜面３３が片側のみに傾斜している例であったが、放物線のＵ形状としてもよいし、ｓｉｎカーブにしてもよい。

［他の実施の形態］
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形可能である。

例えば、上述した形態では、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３を透過するように構成されていたが、図１３に示す光ビーム走査装置１のように、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３の上面から入射した後、下面で反射し、しかる後に上面から出射される。ここで、屈折光学素子３の上面では、周方向で屈折方向が変化しているため、光ビームは、上面で所定の方向に屈折し、走査される。この場合には、図１３に示すように屈折光学素子３の斜め上方から、屈折光学素子３に光ビームが入射するようになる。また、この場合には、ミラー５が不要となり、その点で光ビーム走査装置１の構成を簡素化することができる。

また、上述した形態１〜４では、傾斜面３３が屈折光学素子３の出射側の面（図１、図８における上面）にのみ形成されていたが、入射側の面にのみ形成するようにしてもよい。また、出射側の面と入射側の面の両面に傾斜面が形成されてもよい。両面に傾斜面を形成する場合には、例えば、入射側の面の傾斜角度は、全ての分割領域３２で同じ角度としてやればよい。

さらに、上述した形態では、屈折光学素子３を樹脂で形成したが、屈折光学素子３をガラスで形成してもよい。この場合には、温度変動の影響をほとんど受けないため、温度特性が安定するとともに、高温環境下でも光ビーム走査装置の使用が可能となる。

さらにまた、傾斜面３３は、必ずしも屈折光学素子３の出射側の面の全周にわたって形成される必要はなく、出射側の面の一部に平坦な平面部を形成してもよい。

また、光学式エンコーダ６に替えて、駆動モータ４の内部に設けられたホール素子あるいはＭＲ素子を位置検出手段として利用してもよい。この場合、駆動モータ４が有する駆動マグネットあるいは、パルス発生用のマグネット、さらには逆起電力からパルスを作り、このパルスに基づいて、レーザダイオード２１から発光された光ビームが１つの分割領域３２の周方向の中心位置に向かって入射するように、レーザダイオード２１の発光タイミングが制御してやればよい。

さらに、光ビーム走査装置は、位置検出手段を備えていなくともよい。上述した実施の形態１〜４のように、屈折光学素子３が、周方向に略等角度間隔で分割された複数の分割領域３２から構成されている場合や、周方向で連続した傾斜面が形成されている場合には、駆動モータ４が一定速度で回転するように制御され、光源装置２から一定間隔でパルス状の光ビームが出射されれば、適切な光ビームの走査を行うことは可能である。

さらにまた、ミラー５を設けずに、光源装置２から屈折光学素子３の回転平面に向かって光ビームを出射し、直接、屈折光学素子３に入射するように構成してもよい。また、ミラー５を設けた場合に、光源装置２を屈折光学素子３の斜め下方に配置して、屈折光学素子３の斜め下方から光ビームが、屈折光学素子３に入射するように構成してもよい。

また、上述した形態では、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３を透過するように構成されていたが、図１４に示す光ビーム走査装置のように、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３で反射されるように構成してもよい。すなわち、光源装置２から出射された光ビームが屈折光学素子３の上面で反射するが、屈折光学素子３の上面では、周方向で反射方向が変化しているため、光ビームは、所定の方向に走査される。この場合には、図１４に示すように屈折光学素子３の斜め上方から、屈折光学素子３に光ビームが入射するようになる。また、この場合には、ミラー５が不要となり、その点で光ビーム走査装置１の構成を簡素化することができる。

本発明にかかる光ビーム走査装置では、屈折機能によって光ビームを走査している。そのため、例えば、屈折光学素子に、屈折角が互いに異なる傾斜面を周方向に隣接するように多数形成してやることにより、円盤状の屈折光学素子を１回転させれば、所定の走査範囲を走査することができる。すなわち、１つの走査角度へ光ビームを出射させるためには、１つの屈折角を有する傾斜面を屈折光学素子に形成してやればよく、回折機能を備えた偏向ディスクのように１つの走査角度へ光ビームを出射させるために複数の格子溝を設ける必要がない。従って、光ビームの走査を高分解能で行う場合でも屈折光学素子の径を小さくすることができるので、光ビーム走査装置の小型化を図ることができる。

また、屈折率角および透過率は、入射する光ビームの波長の影響をほとんど受けない。そのため、屈折光学素子を用いた場合には、安定した強度の光ビームを走査することができる。さらに、屈折光学素子における温度変動による透過率の変動はわずかであり、光ビーム走査装置の温度特性を向上させることができる。

Claims (19)

1. 光ビームを所定の方向に走査する光ビーム走査装置において、
   屈折方向が周方向の位置によって変化する屈折光学素子と、該屈折光学素子に向けて光ビームを出射する光源装置と、前記屈折光学素子を回転させて前記屈折光学素子に対する光ビームの入射位置を周方向で移動させる回転駆動機構とを有していることを特徴とする光ビーム走査装置。
2. 請求項１において、前記屈折光学素子は、一方の端面から入射した前記光源装置からの光ビームを透過させて他方の端面から出射することを特徴とする光ビーム走査装置。
3. 請求項２において、前記光源装置は、光ビームを出射する発光素子と、該発光素子から出射された光ビームの発散角を変えるレンズとを備えるとともに、前記屈折光学素子の回転平面に対して略直交する方向に光ビームを出射することを特徴とする光ビーム走査装置。
4. 請求項２において、前記光源装置は、光ビームを出射する発光素子と、該発光素子から出射された光ビームを平行光化するコリメートレンズとを備えるとともに、前記屈折光学素子の回転平面に対して平行方向あるいは斜め方向に向かって光ビームを出射し、
   前記光源装置から出射された光ビームに対しては、当該光ビームを前記屈折光学素子の回転平面に対して略直交する方向に反射して前記屈折光学素子に入射させるミラーが配置されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
5. 請求項２において、前記屈折光学素子は、周方向で分割された複数の分割領域を備え、
   当該複数の分割領域の各々には、入射した光ビームを所定方向に屈折させる傾斜面が形成されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
6. 請求項５において、前記複数の分割領域の各々では、前記傾斜面が一定の傾斜角度を有しており、
   周方向に並ぶ前記複数の分割領域において、前記傾斜面の傾斜角度が連続的に変化していることを特徴とする光ビーム走査装置。
7. 請求項５において、前記分割領域は、略等角度間隔に分割されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
8. 請求項７において、前記光源装置は、所定の間隔で光ビームを出射することにより、前記分割領域の周方向における中心位置に光ビームを入射させることを特徴とする光ビーム走査装置。
9. 請求項５において、前記傾斜面は、前記屈折光学素子の片面側にのみ形成され、
   前記傾斜面の前記屈折光学素子の回転平面に対する傾斜角度をθｗ、前記屈折光学素子から出射される光ビームの走査角度をθｓ、前記屈折光学素子の屈折率をｎとしたとき、
   ｓｉｎ（θｗ＋θｓ）＝ｎ・ｓｉｎθｗ
   の関係を満たすことを特徴とする光ビーム走査装置。
10. 請求項２において、前記屈折光学素子には、周方向に連続した傾斜面が形成され、
    当該傾斜面の傾斜角度が周方向で連続的に変化していることを特徴とする光ビーム走査装置。
11. 請求項１０において、前記傾斜面は、前記屈折光学素子の片面側にのみ形成され、
    前記傾斜面の前記屈折光学素子の回転平面に対する傾斜角度をθｗ、前記屈折光学素子から出射される光ビームの走査角度をθｓ、前記屈折光学素子の屈折率をｎとしたとき、
    ｓｉｎ（θｗ＋θｓ）＝ｎ・ｓｉｎθｗ
    の関係を満たすことを特徴とする光ビーム走査装置。
12. 請求項２において、前記屈折光学素子の少なくとも光ビームの入射側の端面には、反射防止処理が施されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
13. 請求項２において、前記屈折光学素子は樹脂で形成されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
14. 請求項２において、前記屈折光学素子はガラスで形成されていることを特徴とする光ビーム走査装置。
15. 請求項５ないし１１のいずれかにおいて、前記傾斜面は、周方向に向かって傾斜していることを特徴とする光ビーム走査装置。
16. 請求項５ないし１１のいずれかにおいて、前記傾斜面は、半径方向に向かって傾斜していることを特徴とする光ビーム走査装置。
17. 請求項１ないし１４のいずれかにおいて、さらに、前記屈折光学素子の回転位置を検出する位置検出手段を備え、
    該位置検出手段の検出結果に基づいて、前記回転駆動機構による前記屈折光学素子の回転および前記光源装置からの光ビームの出射が制御されることを特徴とする光ビーム走査装置。
18. 請求項７または１０において、前記回転駆動機構は、一定速度で前記屈折光学素子を回転させ、
    前記光源装置は、前記屈折光学素子に向けて一定間隔でパルス状の光ビームを出射することを特徴とする光ビーム走査装置。
19. 請求項１０において、前記回転駆動機構は、一定速度で前記屈折光学素子を回転させ、
    前記光源装置は、前記屈折光学素子に向けて光ビームを連続出射することを特徴とする光ビーム走査装置。

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