WO2005106566A1 - ビーム整形光学系およびレーザービームプリンタの光学系 - Google Patents

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WO2005106566A1
WO2005106566A1 PCT/JP2005/008224 JP2005008224W WO2005106566A1 WO 2005106566 A1 WO2005106566 A1 WO 2005106566A1 JP 2005008224 W JP2005008224 W JP 2005008224W WO 2005106566 A1 WO2005106566 A1 WO 2005106566A1
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optical system
beam shaping
plane
light source
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PCT/JP2005/008224
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French (fr)
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Daisuke Seki
Kouei Hatade
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Nalux Co., Ltd.
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
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    • B41J2/47—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of radiation to a printing material or impression-transfer material using the combination of scanning and modulation of light
    • B41J2/471—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of radiation to a printing material or impression-transfer material using the combination of scanning and modulation of light using dot sequential main scanning by means of a light deflector, e.g. a rotating polygonal mirror
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    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G02B19/0014—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only at least one surface having optical power
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    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0052—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a laser diode
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms

Definitions

  • the present invention relates to a beam shaping optical system having an axially asymmetrical profile and shaping the shape of a beam from a light source, and a beam shaping having an axially asymmetrical profile and shaping the shape of a light source power beam.
  • the present invention relates to an optical system of a laser beam printer including an element.
  • the present invention particularly relates to a beam shaping optical system and an optical system of a laser beam printer, each including a diffraction grating surface having a phase function defined so as to minimize astigmatism.
  • Devices using a semiconductor laser as a light source include an optical pickup device for an optical recording medium, a scanning optical system such as a laser printer, a laser processing machine, and an optical communication device.
  • a scanning optical system such as a laser printer, a laser processing machine
  • an optical communication device In these devices, from the viewpoint of energy efficiency and aberration reduction, the portion where the ratio of the energy value in the beam cross section perpendicular to the optical axis to the peak value is a certain value or more is an axisymmetric circle or an ellipse with a small aspect ratio. It is preferred that the shape be used, in many cases.
  • the width and thickness of an active layer corresponding to a beam waist position of a semiconductor laser as a light source are greatly different.
  • the spread angle of the radiated light beam in the plane direction parallel to the active layer is about 1/3 to 1/6 times the spread angle in the vertical direction
  • the peak value of the energy value in the beam section perpendicular to the optical axis is The portion where the ratio to is equal to or greater than a certain value has an elliptical shape.
  • this light beam is converted into a parallel light beam using an axisymmetric collimator, for example, the portion where the ratio of the energy value in the beam cross section perpendicular to the optical axis of the resulting parallel beam to the peak value is equal to or greater than a certain value is reduced. It remains elliptical.
  • An elliptical beam emitted from such a semiconductor laser is shaped into a circle or an ellipse having an arbitrary ratio between a long axis and a short axis while suppressing wavefront aberration so as to conform to the optical characteristics of a device to which the semiconductor laser is applied.
  • an axially asymmetric beam shaping element has different refractive powers in the X-axis direction and the y-axis direction when the optical axis is the z-axis. For this reason, an axially asymmetric beam shaping element has different optical characteristics in the X-axis direction and the y-axis direction with respect to the refractive index fluctuation caused by external factors such as the wavelength fluctuation of the light source and the environmental temperature. There is a problem that large astigmatism is caused.
  • FIG. 1 is an optical path diagram of a beam shaping element in a cross section parallel to an active layer of a semiconductor laser as a light source
  • FIG. 2 is an optical path diagram of a beam shaping element in a cross section perpendicular to the active layer.
  • the light beam from the active layer of the semiconductor laser passes through the beam shaping element, so that the opening angle in the parallel direction and the opening angle in both the vertical direction change.
  • the wavefront aberration of the emitted light beam is sufficiently low and the beam is generally shaped so as to form a spherical wave. Therefore, the virtual image point of the emitted light beam on a plane parallel to the active layer and the virtual image point of the emitted light beam on a plane perpendicular to the active layer coincide on the optical axis.
  • the emitted light beam is a particularly collimated plane wave, the virtual image points coincide at infinity.
  • the virtual image point When a change in the refractive index occurs due to a change in the light source wavelength or a change in the external environment, the virtual image point also moves in accordance with the change in the refractive power.
  • a large amount of astigmatism is generated because the amounts of shift of the virtual image points in the parallel and vertical sections are different.
  • an external factor such as a change in the wavelength of the light source or a change in the environmental temperature.
  • a beam shaping optical system includes a beam shaping element that has an axially asymmetric profile and shapes the shape of a beam from a light source.
  • the beam shaping optical system according to the present invention when the optical axis is the z-axis and the plane perpendicular to the optical axis is the xy plane, the light source power in the xz plane with respect to the wavelength change of the light source up to the imaging point or virtual image point Diffraction grating with X- and y-axis phase functions so that astigmatism is minimized by making the change in the reciprocal of the distance equal to the change in the reciprocal of the distance in the yz plane.
  • a surface when the optical axis is the z-axis and the plane perpendicular to the optical axis is the xy plane, the light source power in the xz plane with respect to the wavelength change of the light source up to the imaging point or virtual image point Diffraction grating with X- and y-axis phase functions so that astig
  • the light source force on the xz plane changes the reciprocal of the distance to the imaging point or virtual image point and the reciprocal of the distance on the yz plane.
  • the change can be made equal, and astigmatism caused by a change in the reciprocal of the distance can be minimized.
  • a beam shaping optical system includes a beam shaping element having an axially asymmetric profile and shaping the shape of a beam from a light source.
  • the beam shaping optical system according to the present invention when the optical axis is the z-axis and the plane perpendicular to the optical axis is the xy plane, the light source force on the xz plane also changes from the imaging point or the virtual image point to the temperature change. Diffraction with phase functions in the X-axis and y-axis directions so that astigmatism is minimized by making the change in the reciprocal of distance equal to the change in the reciprocal of the distance in the yz plane. It has a lattice plane.
  • the light source power on the xz plane changes the reciprocal of the distance to the imaging point or virtual image point, and changes the reciprocal of the distance on the yz plane.
  • the beam shaping optical system further includes: a change in the wavelength of the light source or a change in the temperature; a change in the light source power in the xz plane; The phase functions in the x-axis direction and the y-axis direction are determined so that the change in the reciprocal of the distance on the plane is minimized.
  • the wavelength change or temperature change of the light source can be minimized.
  • the beam shaping optical system further includes an X-axis direction and a y-axis direction so that the amount of spherical aberration with respect to a wavelength change or a temperature change of the light source is minimized.
  • the correlation number is determined.
  • spherical aberration can be minimized with respect to a wavelength change or a temperature change of a light source.
  • a beam shaping optical system includes a term that is also an even function force of one or both of the phase function force and y of the diffraction grating.
  • the light source is a semiconductor laser
  • the active layer of the semiconductor laser is parallel to the xz cross section.
  • a beam whose ratio of intensity to peak intensity is equal to or greater than a predetermined value can be represented by an ellipse is shaped into a beam whose ratio is equal to or greater than a predetermined value can be represented substantially by a circle.
  • a beam shaping optical system according to another embodiment of the present invention is used in an optical pickup device.
  • the beam from the laser light source where the ratio of the intensity on the plane perpendicular to the optical axis to the peak intensity is equal to or greater than the predetermined value, can be represented by an ellipse, the ratio is equal to or higher than the predetermined value.
  • the astigmatism can be minimized with respect to a change in the wavelength or temperature of the light source, and the effect is minimized even in a short wavelength range used for a blue-ray disc.
  • the light source is a semiconductor laser
  • the active layer of the semiconductor laser is parallel to the xz cross section
  • the light from the laser light source is perpendicular to the optical axis.
  • a beam whose ratio of the intensity to the peak intensity is equal to or greater than a predetermined value is represented by an ellipse
  • a beam whose ratio is equal to or greater than a predetermined value is represented by an ellipse having a ratio of a major axis to a minor axis different from the ellipse.
  • a beam shaping optical system according to another embodiment of the present invention is used in an optical system of a laser beam printer.
  • a portion where the ratio of the intensity from the laser light source on the plane perpendicular to the optical axis to the peak intensity is equal to or greater than a predetermined value is an ellipse. While the beam whose ratio is equal to or more than a predetermined value is shaped into a beam that can be represented by an ellipse having a ratio of the major axis to the minor axis different from the ellipse, the beam can be astigmatized with respect to the wavelength change or temperature change of the light source. Aberration can be minimized, and a shift in the imaging position in a direction parallel to the scanning direction and a direction perpendicular to the scanning direction can be prevented.
  • a beam shaping optical system includes a single lens. Therefore
  • the structure is simple and the dimensions can be reduced.
  • the diffraction grating surface is separated from the beam shaping element.
  • a diffraction grating surface having an axisymmetric phase function is separated from a diffraction grating surface having a phase function in which only the X term or only the y term has a force. ing.
  • the mold is easy to manufacture and easy to manufacture.
  • a diffraction grating surface having an axisymmetric phase function is superimposed on an axisymmetric refraction surface.
  • the optical system of the laser beam printer according to the present invention includes a beam shaping element having an axially asymmetric profile and shaping the shape of a beam from a light source.
  • the optical system of the laser beam printer according to the present invention when the optical axis is the z-axis and the plane perpendicular to the optical axis is the xy plane, the light source power in the xz plane with respect to the temperature change.
  • a diffraction grating surface with phase functions in the X-axis and y-axis directions is provided so that astigmatism is minimized by making the reciprocal change equal to the reciprocal change of the distance in the yz plane. I can.
  • the light source power in the xz plane with respect to a temperature change can be equal to the change in the reciprocal of the distance in the yz plane, and the change in the reciprocal of the distance Can be minimized.
  • the optical system of the laser beam printer further includes a light source power in the xz plane, a change in the reciprocal of a distance to an image point, and a change in the yz plane in response to a temperature change.
  • the phase function is determined so that the change in the reciprocal of the distance is minimized.
  • the movement of the focal point (defocus) with respect to the temperature change can be minimized.
  • the beam shaping element includes a portion where the ratio of the peak intensity to the peak intensity in a plane perpendicular to the optical axis from the laser light source is equal to or more than a predetermined value. Is shaped into a beam that can be represented by an ellipse where the ratio of the major axis to the minor axis is different from that of the ellipse.
  • a beam from the laser light source where the ratio of the intensity on the plane perpendicular to the optical axis to the peak intensity is equal to or greater than a predetermined value, can be represented by an ellipse, While the portion having a predetermined value or more is shaped into a beam that can be represented by an ellipse whose major axis and minor axis are different from the ellipse, astigmatism can be minimized with respect to a wavelength change or a temperature change of the light source.
  • the diffraction grating surface is separated from the beam shaping element.
  • the mold is easy to manufacture and easy to manufacture.
  • a diffraction grating surface having an axially symmetric phase function is superimposed on an axially symmetric refraction surface.
  • the die can be turned on a lathe, which facilitates manufacture.
  • FIG. 1 is an optical path diagram of a beam shaping element in a cross section parallel to an active layer of a semiconductor laser.
  • FIG. 2 is an optical path diagram of a beam shaping element in a cross section perpendicular to an active layer of a semiconductor laser.
  • FIG. 3 is an optical path diagram in the xz section of the beam shaping element of Numerical Example 1.
  • FIG. 4 is an optical path diagram in a yz section of the beam shaping element of Numerical Example 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between wavelength fluctuation and aberration of a beam shaping element having no astigmatism correction function.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between wavelength fluctuation and aberration of the beam shaping element of Numerical Example 1.
  • FIG. 7 is an optical path diagram in the xz section of the beam shaping element of Numerical Example 2.
  • FIG. 8 is an optical path diagram in a yz section of the beam shaping element of Numerical Example 2.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between temperature fluctuation and aberration of a beam shaping element having no astigmatism correction function.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between temperature fluctuation and aberration of the beam shaping element of Numerical Example 2.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a laser beam printer optical system.
  • FIG. 12 is an optical path diagram in a scanning direction cross section of an incident optical system of a conventional laser beam printer.
  • FIG. 13 is an optical path diagram in a cross section in the sub-scanning direction of an incident optical system of a conventional laser beam printer.
  • FIG. 14 is an optical path diagram in a scanning direction cross section of an incident optical system of a laser beam printer using the beam shaping element of Numerical Example 2.
  • FIG. 15 is an optical path diagram in a sub-scanning direction cross section of an incident optical system of a laser beam printer using the beam shaping element of Numerical Example 2.
  • FIG. 16 is an optical path diagram in the xz section of the beam shaping optical system of Numerical Example 3.
  • FIG. 17 is an optical path diagram in a yz section of the beam shaping optical system of Numerical Example 3.
  • FIG. 18 is an optical path diagram of the beam shaping optical system of Numerical Example 4 in the xz section.
  • FIG. 19 is an optical path diagram in a yz section of a beam shaping optical system of Numerical Example 4.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration of a laser beam printer optical system according to Numerical Example 5.
  • FIG. 21 is an optical path diagram in the xz section of the beam shaping optical system of Numerical Example 5.
  • FIG. 22 is an optical path diagram in a yz section of the beam shaping optical system of Numerical Example 5.
  • FIG. 23 is a diagram showing the amounts of astigmatism and total wavefront aberration of the optical system of the laser beam printer of Numerical Example 5.
  • Equation (5) the small change in Equation (5) can be expressed as a function of ⁇ . Assuming that n, d, Pl, and P2 of the beam shaping element are determined and leaving only the distribution ratio of the refraction power and diffraction power on the exit surface as the degree of freedom, the equation is obtained by ignoring the high-order term of the minute change. (5)
  • the virtual image points in each of the xz and yz sections may be similarly changed with respect to environmental changes.
  • the suffix X represents the XZ section
  • the subscript y represents the yz section, and the quadratic coefficients qx and qy of the phase function may be selected so as to satisfy the following equation (11). Generally at this time
  • astigmatism is reduced by making the light source power in the xz plane and the change in the distance to the image point or the virtual image point equal to the change in the distance in the yz plane with respect to the temperature change.
  • minimization has been described.
  • the same formula is used in consideration of only the refractive index change due to the wavelength change by the following formula instead of formulas (3) and (4). be able to.
  • the energy distribution of the light beam cross section perpendicular to the optical axis after passing through the optical element is almost axially symmetric, and the astigmatism and spherical aberration due to the change in the light source wavelength at the best focus are obtained. Optimized to reduce the occurrence of Therefore, it is suitable for a pickup of a Blu-ray optical storage or the like.
  • FIGS. 3 and 4 are optical path diagrams of the beam shaping element of Numerical Example 1 in the xz section and the yz section.
  • the beam shaping element according to Numerical Embodiment 1 has a free-form surface represented by Expression (12) as the first surface and the second surface.
  • This free-form surface is a so-called biconic having a different curvature and a different conic coefficient in a horizontal section (xz section) and a vertical section (yz section), and is a free-form surface obtained by superimposing x and y polynomials as correction terms.
  • another surface such as an anamorphic aspherical surface may be used instead of the curved surface in Expression (12).
  • the lens data is as follows.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between wavelength fluctuation and aberration at best focus after emission from a beam shaping element having no astigmatism correction function.
  • the vertical axis represents the total wavefront aberration and the astigmatism
  • the horizontal axis represents the wavelength variation.
  • the above-described beam shaping element having no astigmatism correction function has optical characteristics similar to those of the numerical example 1 except for chromatic aberration correction by the diffraction grating.
  • a wavefront aberration of about 30 m is generated for a wavelength variation of 0.005, and most of the components are astigmatism.
  • FIG. 6 shows the relationship between the wavelength variation and the aberration of the beam shaping element of Numerical Example 1 as a similar graph.
  • the generation of astigmatism is well suppressed, and the spherical aberration component is also slightly suppressed by the axially symmetric grating component! Absent.
  • the optical pickup system includes an actuator mechanism for moving the optical element at any time so as to cancel the defocus component. There is no need to cancel the defocus component. Therefore, even in Numerical Example 1, optimization is performed so as to leave the defor- mation force component. The aberration is also evaluated on the best focus surface. Utilizing this remaining degree of freedom, it is possible to reduce the variation in spherical aberration due to the change in the wavelength of the light source. If necessary, it is also possible to design to cancel the defocus component.
  • the beam shaping element according to Numerical Example 2 is designed not only to generate astigmatism with respect to temperature change but also to prevent defocus.
  • the shaped beam is collimated light, and its cross-sectional energy distribution is an elliptical shape with a small aspect ratio of 4: 3, making it ideal for a laser printer light source, for example.
  • the refractive index is 1.486 for one wavelength of 780 nm.
  • FIGS. 7 and 8 are optical path diagrams of the beam shaping element of Numerical Example 2 in the xz section and the yz section.
  • the beam shaping element according to Numerical Example 2 superimposes the incident surface that can be expressed as a free-form surface of Expression (1) and the lattice surface of the phase difference represented by Expression (2) on the free-form surface of Expression (1). This is a beam shaping element with a reduced exit surface force.
  • the coefficients of Numerical Example 2 are as follows.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between temperature fluctuation and aberration of a beam shaping element having no astigmatism correction function.
  • the vertical axis represents the total wavefront aberration and the astigmatism at the fixed image plane position after the beam shaping element emission, and the horizontal axis represents the wavelength variation.
  • the shaping element having no astigmatism correction function has the same optical characteristics as the beam shaping element of Numerical Example 2 except for the temperature compensation function by the diffraction grating.
  • the relationship between the refractive index, the light source wavelength and the temperature is as shown in the following relational expression.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between temperature fluctuation and aberration of the beam shaping element of Numerical Example 2. The generation of wavefront aberration including astigmatism is suppressed very well.
  • the LBP optical system basically includes an incident optical system for parallelizing diffused light from a light source and adjusting to an arbitrary ellipticity, and a deflecting element (polygon) for changing the direction of a light beam. And a scanning optical system for forming an image at a desired position on the image plane.
  • the incident optical system generally includes a cylindrical lens having power only in a direction perpendicular to the scanning direction (sub-scanning direction). The purpose of this is to provide an optical system that forms an image on a polygon mirror only in the sub-scanning direction, and has the effect of relaxing the vertical accuracy tolerance of the polygon mirror surface (the permissible amount for any surface tilt).
  • FIGS. 12 and 13 show optical path diagrams of cross sections in the scanning direction and the sub-scanning direction of a conventional incident optical system.
  • 14 and 15 are optical path diagrams of a cross section in the scanning direction and the sub-scanning direction of the incident optical system including the beam shaping element of Numerical Example 2.
  • the refractive lens and the diffraction grating are separated, and the diffraction grating is disposed on a plate-like element. Therefore, as compared with the case where the diffraction grating is arranged on the surface of the refractive lens, the mold is easily manufactured and the manufacturing is easy.
  • the beam shaping element according to Numerical Example 3 is designed not only to generate astigmatism with respect to a temperature change but also to prevent defocus.
  • the shaped beam is collimated light, and its cross-sectional energy distribution is elliptical with a small aspect ratio of 4 to 3.
  • the refractive index is 1.486 for a laser wavelength of 780 nm.
  • FIGS. 16 and 17 are optical path diagrams of the beam shaping optical system of Numerical Example 3 in the xz section and the yz section.
  • the beam shaping element according to Numerical Example 3 includes an incident surface that can be expressed as a free-form surface of Expression (1), a beam shaping device that also has an exit surface force that can be expressed as a free-form surface of Expression (1), and Expression (2)
  • the diffraction plate force provided with the phase correlation number on the second surface also becomes.
  • the coefficients of Numerical Example 3 are as follows.
  • the design temperature is 10 to 40 ° C.
  • the relationship between the refractive index, the wavelength of the light source, and the temperature is represented by the following relationship.
  • the beam shaping optical system according to Numerical Example 4 includes two beam shaping elements.
  • the first beam shaping element is a refractive lens having axially asymmetric refracting surfaces on both surfaces, and has a beam shaping function.
  • a diffraction grating surface having an axially asymmetric phase function is arranged on the first surface of the second beam shaping element, and a diffraction grating surface having an axially symmetric phase function is arranged on the second surface.
  • the second surface of the second beam shaping element is an axially symmetric refraction surface, on which a diffraction grating surface having an axially symmetric phase function is superimposed.
  • beam shaping and astigmatism correction are performed up to the first surface of the first and second optical elements, and collimation and defocusing of the light beam are performed on the final surface. Is corrected.
  • the beam shaping element according to Numerical Example 4 is designed not only to generate astigmatism with respect to a temperature change but also to prevent defocus.
  • the shaped beam is collimated light, and its cross-sectional energy distribution is elliptical with a small aspect ratio of 11:10.
  • the refractive index is 1.486 for a laser wavelength of 780 nm.
  • FIGS. 18 and 19 show the beam shaping optical system of Numerical Example 4 on the xz section and the yz section, respectively.
  • FIG. 18 shows the beam shaping optical system of Numerical Example 4 on the xz section and the yz section, respectively.
  • the beam shaping optical system according to Numerical Example 4 has an incident surface that can be expressed as a free-form surface of Expression (1) and an exit surface force that can be expressed as a free-form surface of Expression (1). And a second optical element.
  • the second optical element has a diffraction grating on the first surface, which can be expressed by the phase function of Expression (2), where r is the distance from the optical axis, and the bending surface of Expression (14) and Expression (15) below.
  • a diffraction grating that can be represented by a phase function is provided on the second surface.
  • the phase function of Expression (2) which is arranged on the first surface of the second optical element, is a force only in the X term, has power only in the X direction, and is axially asymmetric.
  • the refractive surface of the second optical element in equation (14) and the phase function in equation (15) are axially symmetric. As described above, correction of astigmatism is performed on the first surface of the second optical element, and collimation of light and correction of defocus are performed on the second surface of the second optical element.
  • the design wavelength is 780 nm
  • the design temperature is 10 to 40 ° C.
  • the relationship between the refractive index, the light source wavelength, and the temperature is represented by the following relational expression.
  • FIG. 20 shows the configuration of the optical system of the laser beam printer of Numerical Example 5.
  • the optical system of the laser beam printer of Numerical Example 5 includes two beam shaping elements 1 and 2, a cylindrical lens, a polarizing element, and two scanning lenses 1 and 2.
  • FIGS. 21 and 22 are optical path diagrams of the beam shaping optical system in the optical system of the laser beam printer of Numerical Example 5 in the xz section and the yz section.
  • the beam shaping optical system in Numerical Embodiment 5 is similar to Numerical Embodiment 4 in that the entrance surface that can be expressed as a free-form surface of Expression (1) and the exit surface that can be expressed as a free-form surface of Expression (1) And a first optical element and a second optical element having a beam shaping function.
  • the optical element 2 has a diffraction grating on the first surface that can be expressed by the phase function of equation (2), and can be expressed by the refraction surface of equation (14) and the phase function of equation (15), where r is the distance from the optical axis.
  • a diffraction grating is provided on the second surface.
  • phase function of Expression (2) which is arranged on the first surface of the second optical element, is a force only in the X term, has power only in the X direction, and is axially asymmetric.
  • the refracting surface of the second optical element in equation (14) and the phase function in equation (15) are axially symmetric.
  • beam shaping and astigmatism correction are performed up to the first surface of the first optical element and the second optical element, and collimation and defocusing of the light beam are performed on the final surface.
  • the correction of astigmatism and the correction of focus include correction for a cylindrical lens and two scanning lenses.
  • the configuration and each coefficient of the scanning optical system of Numerical Example 5 are as follows.
  • Raw material PMMA NA before injection (parallel) 0.0958, NA before injection (vertical) 0.233 Beam radius after injection (parallel) 2.183 Beam radius after injection (vertical) 2.268 Surface shape factor
  • the surface shape of the toroidal surface in the cross section of the scanning surface including the optical axis that is, the shape of the generating line in the present embodiment is expressed by the following equation (16).
  • the coefficient r in the toroidal surface shape data is the radius of gyration for rotating the generatrix.
  • the design wavelength is 780 nm
  • the design temperature is 10 to 40 ° C.
  • the refractive index is 1.486 for a laser wavelength of 780 nm
  • the relationship between the refractive index, the light source wavelength, and the temperature is as follows.
  • the refractive index is 1.511 for the laser wavelength of 780 nm, and the relationship between the refractive index, the light source wavelength and the temperature is as follows. To do.
  • FIG. 23 shows the amounts of astigmatism and total wavefront aberration of the optical system of the laser beam printer of Numerical Example 5.
  • the change in the aberration amount is very small with respect to the change in the environmental temperature.
  • a resin beam shaping element with a temperature compensation mechanism is inserted immediately after the light source of an optical system with a high image magnification used for a laser beam printer, astigmatism and defocus may occur.
  • the image formation position where the occurrence is remarkable is shifted by several mm or more in the optical axis direction, which is not practical.
  • the optical element according to the present invention is manufactured by injection molding.
  • a die can be cut by a three-dimensional kneading machine having a plurality of processing axes.
  • Examples of the material of the optical element include PMMA (polymethyl methacrylate, acrylic resin) and the like. Use fat. Further, flint glass or the like may be used. In Numerical Example 1, flint glass was used, and in Numerical Examples 2 to 5, PMMA was used.

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Abstract

　光源の波長変動や環境温度の変化のような外的要因に伴う屈折率変動に対して、非点収差を引き起こさない、軸非対称なビーム整形光学系を提供する。光軸をｚ軸とし、光軸に垂直な平面をｘｙ平面とした場合に、光源の波長変化に対して、ｘｚ平面における光源から結像点または虚像点までの距離の変化とｙｚ平面における当該距離の変化とが等しくなるようにすることにより非点収差を最小化するように、ｘ軸方向およびｙ軸方向の位相関数を定めた回折格子面を備える。また、温度変化に対して、ｘｚ平面における光源から結像点または虚像点までの距離の変化とｙｚ平面における当該距離の変化とが等しくなるようにすることにより非点収差を最小化するように、ｘ軸方向およびｙ軸方向の位相関数を定めた回折格子面を備える。

Description

明 細 書
ビーム整形光学系およびレーザービームプリンタの光学系
技術分野
[0001] 本発明は、軸非対称なプロファイルを有し、光源からのビームの形状を整形するビー ム整形光学系および軸非対称なプロファイルを有し、光源力 のビームの形状を整 形するビーム整形素子を含むレーザービームプリンタの光学系に関する。
[0002] 本発明は、特に、非点収差を最小化するように、位相関数を定めた回折格子面を 備える、ビーム整形光学系およびレーザービームプリンタの光学系に関する。
背景技術
[0003] 半導体レーザーを光源として用いるデバイスとして、光学記録媒体用の光ピックアツ プ装置、レーザープリンターのような走査光学系、レーザー加工機、あるいは光通信 デバイスなどがある。これらのデバイスにおいては、エネルギー効率や収差低減の観 点から、光軸に垂直なビーム断面におけるエネルギー値の、ピーク値に対する比率 が一定値以上の部分は軸対称の円形、あるいはアスペクト比の小さい楕円形状であ ることが好まし 、場合が多 、。
[0004] 一方、光源である半導体レーザーのビームウェスト位置に相当する活性層の幅と厚 みが大きく異なる。このため、活性層に平行な面方向の放射光束の広がり角は垂直 方向の広がり角の約 1/3から 1/6倍であり、光軸に垂直なビーム断面におけるェネル ギー値の、ピーク値に対する比率が一定値以上の部分は楕円形状である。この光束 を軸対称なコリメータを用いて、たとえば平行光束とした場合、結果として得られる平 行ビームの光軸に垂直なビーム断面におけるエネルギー値の、ピーク値に対する比 率が一定値以上の部分は楕円形状のままである。
[0005] このような半導体レーザーより射出される楕円ビームを、適用するデバイスの光学 特性に沿うように、波面収差を抑えたまま円形あるいは任意の長軸と短軸の比率の 楕円へのビーム整形を行う軸非対称なビーム整形素子が知られている。たとえば、以 下の文献を参照されたい。
[0006] (1)特開昭 61— 254915号公報 (2)特開平 6— 294940号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] しかしながら、軸非対称なビーム整形素子は、光軸を z軸とした場合に、 X軸方向と y 軸方向での屈折パワーが異なる。このため、光源の波長変動や環境温度の変化のよ うな外的要因に伴う屈折率変動に対して、軸非対称なビーム整形素子は、 X軸方向と y軸方向の光学特性の変動が異なり、大きな非点収差が引き起こされるという問題点 がある。
[0008] 図 1は、光源である半導体レーザーの活性層と平行な断面におけるビーム整形素 子の光路図であり、図 2は、活性層と垂直な断面におけるビーム整形素子の光路図 である。
[0009] 図 1および 2に示すように、半導体レーザーの活性層からの光束はビーム整形素子 を通過することで、平行方向の開き角と垂直両方向の開き角が変化する。このとき射 出後の光束の波面収差は十分に低ぐ一般的には球面波をなすようにビーム整形が 行われている。したがって、活性層に平行な平面上の射出光束の虚像点と、垂直な 平面上の射出光束の虚像点は光軸上で一致する。あるいは、射出光束が特にコリメ ートされた平面波であれば虚像点は無限遠方で一致する。
[0010] 光源波長の変化や外的環境変化に伴って屈折率変化が生じた場合、屈折パワー の変化に従って虚像点も移動する。このように平行、垂直方向でパワーが異なる軸非 対称な光学素子においては、平行、垂直それぞれの断面での虚像点のずれ量が異 なるので大きな非点収差を生じることとなる。
[0011] 特に、ブルーレイディスクに用いるような短波長域では光源の発振周波数が変動し た場合の色収差の影響が無視できないほど大きくなる。また、レーザービームプリン タの様に像倍率の大きい走査光学系では、環境変動による非点収差の発生が走査 方向に平行な方向と垂直な方向での結像位置ずれにつながる。このため、レーザー ビームプリンタの光学系にお 、て、軸非対称なビーム整形素子を使用することはでき なかった。
[0012] したがって、光源の波長変動や環境温度の変化のような外的要因に伴う屈折率変 動に対して、非点収差を引き起こさない、軸非対称なビーム整形光学系に対する二 ーズがある。
課題を解決するための手段
[0013] 本発明によるビーム整形光学系は、軸非対称なプロファイルを有し、光源からのビ ームの形状を整形するビーム整形素子を含む。本発明によるビーム整形光学系は、 光軸を z軸とし、光軸に垂直な平面を xy平面とした場合に、光源の波長変化に対して 、xz平面における光源力 結像点または虚像点までの距離の逆数の変化と yz平面 における当該距離の逆数の変化とが等しくなるようにすることにより非点収差を最小 化するように、 X軸方向および y軸方向の位相関数を定めた回折格子面を備える。
[0014] したがって、軸非対称なビーム整形素子において、光源の波長変化に対して、 xz 平面における光源力 結像点または虚像点までの距離の逆数の変化と yz平面にお ける当該距離の逆数の変化とが等しくすることができ、当該距離の逆数の変化に起 因する非点収差を最小化することができる。
[0015] 本発明によるビーム整形光学系は、軸非対称なプロファイルを有し、光源からのビ ームの形状を整形するビーム整形素子を含む。本発明によるビーム整形光学系は、 光軸を z軸とし、光軸に垂直な平面を xy平面とした場合に、温度変化に対して、 xz平 面における光源力も結像点または虚像点までの距離の逆数の変化と yz平面におけ る当該距離の逆数の変化とが等しくなるようにすることにより非点収差を最小化するよ うに、 X軸方向および y軸方向の位相関数を定めた回折格子面を備える。
[0016] したがって、軸非対称なビーム整形素子において、温度変化に対して、 xz平面に おける光源力 結像点または虚像点までの距離の逆数の変化と yz平面における当 該距離の逆数の変化とが等しくすることができ、当該距離の逆数の変化に起因する 非点収差を最小化することができる。
[0017] 本発明の 1実施形態によるビーム整形光学系は、さらに、光源の波長変化または温 度変化に対して、 xz平面における光源力 結像点または虚像点までの距離の逆数 の変化と yz平面における当該距離の逆数の変化が最小となるように、x軸方向およ び y軸方向の位相関数を定めて!/ヽる。
[0018] したがって、軸非対称なビーム整形素子において、光源の波長変化または温度変 化に対して、焦点の移動 (デフォーカス)を最小とすることができる。
[0019] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、さらに、光源の波長変化また は温度変化に対して、球面収差量が最小となるように、 X軸方向および y軸方向の位 相関数を定めている。
[0020] したがって、軸非対称なビーム整形素子において、光源の波長変化または温度変 化に対して、球面収差を最小とすることができる。
[0021] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、回折格子の位相関数力 また は yのいずれか一方または双方の偶関数力もなる項を含む。
[0022] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、光源が半導体レーザーであり 、半導体レーザーの活性層が xz断面と平行であり、レーザー光源からの、光軸に垂 直な平面における強度のピーク強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円で表 せるビームを、当該比率が所定値以上の部分がほぼ円で表せるビームに整形する。
[0023] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、光ピックアップ装置において 使用される。
[0024] したがって、光ピックアップ装置において、レーザー光源からの、光軸に垂直な平 面における強度のピーク強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円で表せるビ ームを、当該比率が所定値以上の部分がほぼ円で表せるビームに整形しながら、光 源の波長変化または温度変化に対して、非点収差を最小とすることができ、ブルーレ ィディスクに用いるような短波長域でも影響を最小化できる。
[0025] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、光源が半導体レーザーであり 、半導体レーザーの活性層が xz断面と平行であり、レーザー光源からの、光軸に垂 直な平面における強度のピーク強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円で表 せるビームを、当該比率が所定値以上の部分が、長軸と短軸の比率が前記楕円と異 なる楕円で表せるビームに整形する。
[0026] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、レーザービームプリンタの光 学系において使用される。
[0027] したがって、レーザービームプリンタの光学系にお 、て、レーザー光源からの、光軸 に垂直な平面における強度のピーク強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円 で表せるビームを、当該比率が所定値以上の部分が、長軸と短軸の比率が前記楕 円と異なる楕円で表せるビームに整形しながら、光源の波長変化または温度変化に 対して、非点収差を最小とすることができ、走査方向に平行な方向と垂直な方向での 結像位置ずれを防止することができる。
[0028] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、単レンズからなる。したがって
、構造が簡単で、寸法も小さくできる。
[0029] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、回折格子面がビーム整形素 子と分離されている。
[0030] したがって、回折格子をビーム整形素子の屈折レンズの面上に配置する必要が無 ぐ金型の製作が容易であり、製造が容易である。
[0031] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系は、軸対称な位相関数を有する 回折格子面と Xの項のみまたは yの項のみ力もなる位相関数を有する回折格子面と が分離されている。
[0032] したがって、金型の製作が容易であり、製造が容易である。
[0033] 本発明の他の実施形態によるビーム整形光学系においては、軸対称な位相関数 を有する回折格子面が、軸対称な屈折面に重畳される。
[0034] したがって、金型を旋盤加工することができるので、製造が容易である。
[0035] 本発明によるレーザービームプリンタの光学系は、軸非対称なプロファイルを有し、 光源からのビームの形状を整形するビーム整形素子を含む。本発明によるレーザー ビームプリンタの光学系は、光軸を z軸とし、光軸に垂直な平面を xy平面とした場合 に、温度変化に対して、 xz平面における光源力 結像点までの距離の逆数の変化と yz平面における当該距離の逆数の変化とが等しくなるようにすることにより非点収差 を最小化するように、 X軸方向および y軸方向の位相関数を定めた回折格子面を備 える。
[0036] したがって、軸非対称なプロファイルを有し、光源からのビームの形状を整形するビ ーム整形素子を含むレーザービームプリンタの光学系において、温度変化に対して 、xz平面における光源力 結像点または虚像点までの距離の逆数の変化と yz平面 における当該距離の逆数の変化とが等しくすることができ、当該距離の逆数の変化 に起因する非点収差を最小化することができる。
[0037] 本発明の 1の実施形態によるによるレーザービームプリンタの光学系は、さらに、温 度変化に対して、 xz平面における光源力 結像点までの距離の逆数の変化と yz平 面における当該距離の逆数の変化が最小となるように位相関数を定めている。
[0038] したがって、レーザービームプリンタの光学系において、温度変化に対して、焦点 の移動（デフォーカス）を最小とすることができる。
[0039] 本発明の他の実施形態によるによるレーザービームプリンタの光学系においては、 ビーム整形素子が、レーザー光源からの、光軸に垂直な平面における強度のピーク 強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円で表せるビームを、当該比率が所定 値以上の部分が、長軸と短軸の比率が前記楕円と異なる楕円で表せるビームに整形 する。
[0040] したがって、レーザービームプリンタの光学系にお 、て、レーザー光源からの、光軸 に垂直な平面における強度のピーク強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円 で表せるビームを、当該比率が所定値以上の部分が、長軸と短軸の比率が前記楕 円と異なる楕円で表せるビームに整形しながら、光源の波長変化または温度変化に 対して、非点収差を最小とすることができ、走査方向に平行な方向と垂直な方向での 結像位置ずれを防止することができる。
[0041] 本発明の他の実施形態によるによるレーザービームプリンタの光学系においては、 回折格子面がビーム整形素子と分離されて!、る。
[0042] したがって、回折格子をビーム整形素子の屈折レンズの面上に配置する必要が無 ぐ金型の製作が容易であり、製造が容易である。
[0043] 本発明の他の実施形態によるによるレーザービームプリンタの光学系においては、 軸対称な位相関数を有する回折格子面と Xの項のみまたは yの項のみ力 なる位相 関数を有する回折格子面とが分離されている。
[0044] したがって、金型の製作が容易であり、製造が容易である。
[0045] 本発明の他の実施形態によるレーザービームプリンタの光学系においては、軸対 称な位相関数を有する回折格子面が、軸対称な屈折面に重畳される。
[0046] したがって、金型を旋盤カ卩ェすることができるので、製造が容易である。 図面の簡単な説明
圆 1]ビーム整形素子の、半導体レーザーの活性層と平行な断面における光路図で ある。
圆 2]ビーム整形素子の、半導体レーザーの活性層と垂直な断面における光路図で ある。
[図 3]数値実施例 1のビーム整形素子の、 xz断面における光路図である。
[図 4]数値実施例 1のビーム整形素子の、 yz断面における光路図である。
圆 5]非点収差補正機能を有さないビーム整形素子の、波長変動と収差との関係を 示す図である。
圆 6]数値実施例 1のビーム整形素子の、波長変動と収差との関係を示す図である。
[図 7]数値実施例 2のビーム整形素子の、 xz断面における光路図である。
[図 8]数値実施例 2のビーム整形素子の、 yz断面における光路図である。
[図 9]非点収差補正機能を有さないビーム整形素子の、温度変動と収差との関係を 示す図である。
圆 10]数値実施例 2のビーム整形素子の、温度変動と収差との関係を示す図である
[図 11]レーザービームプリンタ光学系の構成を示す図である。
[図 12]従来のレーザービームプリンタの入射光学系の、走査方向断面における光路 図である。
[図 13]従来のレーザービームプリンタの入射光学系の、副走査方向断面における光 路図である。
[図 14]数値実施例 2のビーム整形素子を使用した、レーザービームプリンタの入射光 学系の、走査方向断面における光路図である。
[図 15]数値実施例 2のビーム整形素子を使用した、レーザービームプリンタの入射光 学系の、副走査方向断面における光路図である。
[図 16]数値実施例 3のビーム整形光学系の、 xz断面における光路図である。
[図 17]数値実施例 3のビーム整形光学系の、 yz断面における光路図である。
[図 18]数値実施例 4のビーム整形光学系の、 xz断面における光路図である。 [図 19]数値実施例 4のビーム整形光学系の、 yz断面における光路図である。
[図 20]数値実施例 5のレーザービームプリンタ光学系の構成を示す図である。
[図 21]数値実施例 5のビーム整形光学系の、 xz断面における光路図である。
[図 22]数値実施例 5のビーム整形光学系の、 yz断面における光路図である。
[図 23]数値実施例 5のレーザービームプリンタの光学系の非点収差及び総合波面収 差の量を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0048] 軸非対称単レンズの射出面に回折格子を重畳したビーム整形素子において、環境 変化による非点収差の変動について考える。
[0049] 焦点距離 fのビーム整形素子に対し、像側焦点から zの距離に光源を定めた場合、 物体側焦点から虚像 (結像)点までの距離 z'は
[数 1]
Figure imgf000010_0001
と表せる。今、光源カゝらビームシエイパー入射面までの距離を 1、光源から虚像点まで の距離を 1，、ビームシエイパー入射面力も像側主点までの距離を hとおくと
[数 2]
= z + 2f + z' ^ i- · · · ( 2 )
z
{l + hf
l + - f となる。ビームシエイパーにコリメート機能を持たせた無限共役系では Γが発散してし まうので Γの逆数に注目する。外的要因（温度) Τの微小変化によって屈折率 ηと光源 の波長 λが微小変化し、 fと hの変動により虚像位置が変化する。この変化は、以下の 式によって表せる。
[0050] [数 3] λ + Αλ = λ +—^Τ ( 3 )
dT
. ,dn dn dA. A _
n + An = n + (—— H )AT (4 )
dT d dT
1 1
( 5 )
Ι'+Αί' l + h + Ah (l + h + Ah)2
[0051] 入射面の中心曲率 cl、射出面の中心曲率 c2、ビーム整形素子厚み d、射出面の位 相関数 2次係数 q、入射面の屈折パワー Pl、射出面の屈折および回折総パワー P2と 、それぞれおいた場合に、微小変化 Δえ、 Δηと Af、 Ahの関係は、次の式 (6)乃至（ 9)力ら得ることができる。なお、ここでは、パワーへの影響が最も大きい位相関数の 2 次項の係数のみを考慮する。
[0052] [数 4]
Figure imgf000011_0001
dR
Figure imgf000011_0002
( 8)
P2 = (1 - «) c2 +— ( 9)
[0053] ここで、式（3)乃至（9)より、式（5)の の微小変化は ΔΤの関数として表すことがで きる。ビーム整形素子の n、 d、 Pl、 P2が決まっていて、自由度としては射出面の屈折 パワーおよび回折パワーの配分比率のみを残しているとして、微小変化の高次の項 を無視すれば式 (5)は、
[数 5] —i— = - + F(q)AT · · · ( 1 0 )
/'+Δ/' /' と表現でき、虚像点までの距離の逆数の微小変化は式 (3)乃至 (9)で規定される関 数 F(q)と微小変化 Δ Tの積となる。
[0054] 環境変化に対して大きな非点収差を持たないようにするには xz、 yz各断面での虚 像点が環境変化に対して同じように変化をすれば良い。添え字の Xは、 XZ断面を表し
、添え字の yは yz断面を表すとして、以下の式（11)を満たすような位相関数の二次 係数 qx、 qyを選択すればよい。一般的にはこのとき
[数 6] qx≠ qy であり、非点収差補正の為の格子は軸非対称なものになる。
[数 7]
― 1 ― 一 1―
l'x+Al'x —— / +△/ '
[0055] 上記においては、温度変化に対して、 xz平面における光源力 結像点または虚像 点までの距離の変化と yz平面における当該距離の変化とが等しくなるようにすること により非点収差を最小化する場合について説明した。光源の波長変化に対して、非 点収差を最小化する場合には、式（3)、（4)に代わり以下の式によって、波長変化に よる屈折率変化のみを考慮して、同様に取り扱うことができる。
[数 8] n + An = n -\ Αλ
άλ [0056] つぎに、数値実施例について説明する。
[0057] 数値実施例 1
本数値実施例 1によるビーム整形素子は、光学素子通過後の光軸に垂直な光束断 面のエネルギー分布がほぼ軸対称を成すとともに、ベストフォーカスでの光源波長の 変化による非点収差および球面収差の発生を抑えるように最適化して 、る。したがつ て、ブルーレイ光学ストレージのピックアップなどに好適である。
[0058] 図 3および図 4は、数値実施例 1のビーム整形素子の、 xz断面および yz断面にお ける光路図である。
[0059] 本数値実施例 1によるビーム整形素子は第 1面および第 2面として、式 (12)で表現 される自由曲面を持つ。この自由曲面は水平方向断面 (xz断面）および垂直方向断 面 (yz断面）において、それぞれ異なった曲率と円錐係数を持つ所謂バイコーニック に補正項として x、 y多項式を重畳した自由曲面である。なお、式（12)の曲面の代わ りに、アナモルフィック非球面など他の面を使用してもよ 、。
[0060] [数 9] c^x" + c„y2
z =—— y =
\ + ^\ - (\ + kx )c]x2 - (1 + ky )cy 2y2 . . . ( 1 2 )
+ a4jc4 + a6xb + asxs + a10x10 + b4y4 + b6y6 + bsys + bwy10 また、第二面には式 (13)の x、 y多項式を位相関数とする軸非対称な回折格子が重畳 してある。
[数 10]
Φ = ρ2 χ2 + Ρ4χ4 + ρ6 χ6 + G2y2 + + Q6yb - . . ( i 3 ) なお、屈折率としては設計波長え = 405 mに対して n= 1.657を用いている。レンズデ ータは以下の通りである。
[0061] 光源-第 1面間距離 1.494, レンズ面間距離 3.0
入射前 NA(x方向） 0.0958, 入射前 NA(y方向） 0.259
射出後 NA(x方向） 0.167, 射出後 NA(y方向） 0.167 第 1面自由曲面係数
cx = -3.746, kx =1.328 a4 = -4.526E-l,
a6 = 0.0, a8 = 0.0, alO = 0.0
cy = - 1.550E- 1, ky = 0.0 b4 = -2.510E-2
b6 = 0.0, b8 = 0.0, blO = 0.0
第 2面自由曲面係数
cx = -3.944E-1, kx =6.257E-1 a4 = -4.526E-1
a6 = 0.0, a8 = 0.0, alO = 0.0
cy = -2.028E-l, ky = 8.609E— 1 b4 = 7.906E-4
b6 = 0.0, b8 = 0.0, blO = 0.0
第 2面位相関数係数
p2 =— 9.393E1, p4 = 0.0, p6 = 0.0
q2 = -1.645E2, q4 = 0.0, q6 = 0.0
[0062] 図 5は、非点収差補正機能を有さないビーム整形素子射出後のベストフォーカスに おける波長変動と収差との関係を示す図である。図 5において、総合波面収差と非 点収差を縦軸に、波長変動を横軸にとっている。上記の非点収差補正機能を有さな いビーム整形素子は、回折格子による色収差補正を除けば数値実施例 1と同様の光 学特性を備えている。なお屈折率と波長の関係は dnA = -1.467E-4としてある。
[0063] 図 5において、 0.005 の波長変動に対し約 30mえの波面収差が発生しており、そ の大部分の成分は非点収差である。
[0064] これに対し図 6は数値実施例 1のビーム整形素子の波長変動と収差との関係を同 様のグラフとして示したものである。非点収差の発生がよく抑えられているのはもちろ んのこと、軸対称な格子成分により球面収差成分なども若干抑えられて!/、るために、 波長変動による波面収差の発生は殆どない。
[0065] ここで、本数値実施例 1のビーム整形素子を、光ピックアップ系に適用する場合に ついて説明する。
[0066] 一般的に光ピックアップ系はデフォーカス成分を打ち消すように光学素子を随時移 動させるァクチユエ一ター機構を備えているので、過渡状態を除いて、レンズ自体が デフォーカス成分を打ち消す必要はない。したがって、数値実施例 1でもデフォー力 ス成分を残すように最適化している。また、収差の評価もべストフォーカス面で行って いる。この残された自由度を利用して、光源の波長変化による球面収差変動を小さく することが可能となる。必要に応じて、デフォーカス成分を打ち消すように設計するこ とも可能である。
[0067] 数値実飾 12
本数値実施例 2によるビーム整形素子は、温度変化に対する非点収差の発生のみ ならず、デフォーカスが発生しないように設計している。また、整形後のビームはコリメ ート光で、その断面エネルギー分布は 4対 3の小さなアスペクト比の楕円形状であり、 例えばレーザープリンターの光源に最適なものとなっている。なお、屈折率はレーザ 一波長 780nmに対して 1.486としてある。
[0068] 図 7および 8は、数値実施例 2のビーム整形素子の、 xz断面および yz断面における 光路図である。
[0069] 数値実施例 2によるビーム整形素子は、式（1)の自由曲面として表現できる入射面 と、式（1)の自由曲面に式（2)で表される位相差の格子面を重畳した射出面力 なる ビーム整形素子である。数値実施例 2の各係数は以下の通りである。
[0070] 光源-第 1面間距離 6.024, レンズ面間距離 3.0 入射前 NA(x方向） 0.0958, 入射前 NA(y方向） 0.259 射出後ビーム半径 (X方向） 1.5, 射出後ビーム半径 (y方向) 2.0 第 1面自由曲面係数
cx = -1.474, kx = -4.680E-1 a4 = -2.805E-2,
a6 = - 1.543E- 3, a8 = 2.296E-3, alO = 0.0
cy = 9.617E-2, ky = -1.433E1 b4 = -6.962E-4
b6 = 2.099E-6, b8 = 4.996E-7, blO = 0.0
第 2面自由曲面係数
cx = -5.214E-1, kx = -2.963E-1 a4 = -1.077E-3
a6 =— 1.681E— 6, a8 = 7.919E-7, alO = 0.0
cy = - 1.049E- 1, ky = 2.087 b4 = 1.030E-4 b6 = -2.304E-7, b8 = 9.710E— 8, blO = 0.0
第 2面位相関数係数
p2 = -2.575E2, p4 = 3.139E— 2, p6 = 0.0
q2 = -1.822E2, q4 =— 6.758E— 3, q6 = 0.0
[0071] 図 9は、非点収差補正機能を有さないビーム整形素子の、温度変動と収差との関 係を示す図である。図 9において、ビーム整形素子射出後の固定像面位置での総合 波面収差と非点収差を縦軸に、波長変動を横軸にとっている。上記の非点収差補正 機能を有さな ヽ整形素子は、回折格子による温度補償機能を除けば数値実施例 2の ビーム整形素子と同様の光学特性を備えている。ただし、屈折率、光源波長と温度 の関係は次の関係式の通りとする。
dn/cU = - 1.492E- 5
dn/dT = - 1.173E- 4
ά λ /άΎ = 0.2
[0072] 図 9において、屈折率の変化が著しく波面収差の殆どがデフォーカス成分であるが 、非点収差も大きな値を持っており、仮に光源と入射面の間隔などを調整しても収差 が落ちきらないことは明らかである。
[0073] 図 10は、数値実施例 2のビーム整形素子の、温度変動と収差との関係を示す図で ある。非点収差を含め波面収差の発生が非常に良く抑えられている。
[0074] ここで、本数値実施例 2のビーム整形素子を、レーザービームプリンタ（LBP)の光 学系に適用する場合につ!、て説明する。
[0075] 図 11に示すように、 LBPの光学系は基本的に、光源からの拡散光を平行にし、任 意の楕円率に整える入射光学系と、光線の向きを変化させる偏向素子 (ポリゴンミラ 一）と、像面上の所望の位置に結像させるための走査光学系とから成り立つている。 なお、入射光学系では走査方向と垂直な向き（副走査方向）のみにパワーを持った シリンドリカルレンズを含むことが一般的である。この目的は副走査方向のみポリゴン ミラー上に結像させるような光学系にすることであり、ポリゴンミラー面の垂直精度公 差 ( ヽゎゆる面倒れに対する許容量)を緩める効果がある。
[0076] 本数値実施例 2のビーム整形素子は、入射光学系中のコリメータと置き換えるか、 コリメータの手前に挿入することになる。入射系以外の偏向素子や走査光学系は、既 存の LBPと同様のものを使用できる。図 12および 13は、従来の入射光学系の走査 方向および副走査方向断面の光路図を示す。図 14および 15は、本数値実施例 2の ビーム整形素子を備えた入射光学系の走査方向および副走査方向断面の光路図を 示す。
[0077] 数値実飾 13
本数値実施例 3によるビーム整形光学系においては、屈折レンズと回折格子とが分 離され、回折格子は板状の素子に配置されている。したがって、回折格子を屈折レン ズの面上に配置する場合に比較して、金型の製作が容易であり、製造が容易である
[0078] 本数値実施例 3によるビーム整形素子は、温度変化に対する非点収差の発生のみ ならず、デフォーカスが発生しないように設計している。また、整形後のビームはコリメ ート光で、その断面エネルギー分布は 4対 3の小さなアスペクト比の楕円形状である。 なお、屈折率はレーザー波長 780nmに対して 1.486としてある。
[0079] 図 16および 17は、数値実施例 3のビーム整形光学系の、 xz断面および yz断面に おける光路図である。
[0080] 数値実施例 3によるビーム整形素子は、式（1)の自由曲面として表現できる入射面 と、式（1)の自由曲面として表現できる射出面力もなるビーム整形素子と、式 (2)の位 相関数を第 2面に備えた回折格子板力もなる。数値実施例 3の各係数は以下の通り である。
[0081] 光源-レンズ第 1面間距離 4.0 レンズ面間距離 3.0 レンズ第 2面-格子板第 1面間距離 7.113 格子板面間距離 1.0 入射前 NA(x方向） 0.0958, 入射前 NA(y方向） 0.259 射出後ビーム半径 (X方向） 1.5, 射出後ビーム半径 (y方向） 2.0 第 1レンズ第 1面自由曲面係数
cx = -1.414, kx = -3.672E-1 a4 =— 2.805E— 2,
a6 = - 1.543E- 3, a8 = 2.296E- 3, alO = 0.0
cy = 1.366E-1 ky = - 1.216E1 b4 = - 6.832E- 4 b6 = 5.394E-4, b8 = 0.0, blO = 0.0
第 1レンズ第 2面自由曲面係数
cx = -5.612E-1, kx = -3.477E-1 a4 = - 1.077E- 3
a6 =— 1.681E— 6, a8 = 7.919E-7, alO = 0.0
cy = -1.775E-l, ky = 4.813E- 1 b4 = 1.314E- 3
b6 =— 1.945E— 4, b8 = 0.0, blO = 0.0
格子板第 2面位相関数係数
p2 =— 1.481E2, p4 = 0.0, p6 = 0.0
q2 =— 1.403E2, q4 = 0.0, q6 = 0.0
[0082] ここで、設計温度は、 10乃至 40°Cとし、屈折率、光源波長と温度の関係は次の関 係式の通りとする。
dn/cU = - 1.492E- 5
dn/dT = - 1.173E- 4
ά λ /άΎ = 0.2
[0083] 浦¾細14
本数値実施例 4によるビーム整形光学系は、 2個のビーム整形素子を含む。第 1の ビーム整形素子は、軸非対称な屈折面を両面に有する屈折レンズであり、ビーム整 形機能を有する。第 2のビーム整形素子の第 1面には、軸非対称な位相関数を有す る回折格子面が配置され、第 2面には軸対称な位相関数を有する回折格子面が配 置される。さらに、第 2のビーム整形素子の第 2面は、軸対称屈折面であり、この面上 に軸対称な位相関数を有する回折格子面が重畳される。このビーム整形光学系に おいては、第 1の光学素子と第 2の光学素子の第 1面までで、ビーム整形と非点収差 の補正を行 ヽ、最終面で光束の平行化とデフォーカスの補正を行う。
[0084] 本数値実施例 4によるビーム整形素子は、温度変化に対する非点収差の発生のみ ならず、デフォーカスが発生しないように設計している。また、整形後のビームはコリメ ート光で、その断面エネルギー分布は 11対 10の小さなアスペクト比の楕円形状であ る。なお、屈折率はレーザー波長 780nmに対して 1.486としてある。
[0085] 図 18および 19は、数値実施例 4のビーム整形光学系の、 xz断面および yz断面に おける光路図である。
[0086] 数値実施例 4によるビーム整形光学系は、式（1)の自由曲面として表現できる入射 面と、式（1)の自由曲面として表現できる射出面力 なり、ビーム整形機能を有する 第 1の光学素子と第 2の光学素子とを備える。第 2の光学素子は、式 (2)の位相関数 で表せる回折格子を第 1面に備え、光軸からの距離を rとして、以下の式（14)の屈 折面および式（15)の位相関数で表せる回折格子を第 2面に備えている。ここで、第 2の光学素子の第 1面に配置された、式（2)の位相関数は Xの項のみ力 なり、 X方向 にのみパワーを有し、軸非対称である。第 2の光学素子の式（14)の屈折面および式 ( 15)の位相関数は、軸対称である。上述のように、第 2の光学素子の第 1面で非点 収差の補正を行 、、第 2の光学素子の第 2面で光束の平行化とデフォーカスの補正 を行う。
[数 11] z =—— . °r = + a r4 + a6r6 + aSr" + al0r10 • · · ( 1 4 )
1 + ^1 - (1 +た) cV
φ = p2r2 + p4r4 + p6r6 • · · ( 1 5 )
[0087] 数値実施例 4の各係数は以下の通りである。
[0088] 光源-レンズ第 1面間距離 2.0 第 1レンズ面間距離 3.0
第 1レンズ-第2レンズ間距離 4.068 第 2レンズ面間距離 2.0 入射前 NA(x方向） 0.0958, 入射前 NA(y方向） 0.259 射出後ビーム半径 (X方向） 2.0, 射出後ビーム半径 (y方向） 2.2 第 1レンズ第 1面自由曲面係数
cx = -3.175, kx = -1.911 a4 = -6.250,
a6 = 0.0, a8 = 0.0, alO = 0.0
cy = -1.338E-1 ky = -1.974E1 b4 = 1.716E-2
b6 = 0.0, b8 = 0.0, blO = 0.0
第 1レンズ第 2面自由曲面係数
cx = -4.260E-1 , kx = - 1.370E- 2 a4 = -6.187E-5 a6 = 0.0, a8 = 0.0, alO = 0.0
cy = - 1.709E- 1 ky = 1.077 b4 = 8.668E-4
b6 = -0.0, b8 = 0.0, blO = 0.0
第 2レンズ第 1面位相関数係数
p2 = - 1.397E1, p4 = 0.0, p6 = 0.0
q2 = 0.0, q4 = 0.0, q6 = 0.0
第 2レンズ第 2面非球面係数
c = - 1.197E- 1, k = 0.0, a4 = 2.039E-4
a6 = 3.156E-7, a8 = 7.919E-7, alO = 0.0
第 2レンズ第 2面位相関数係数
p2 = -1.407E2, p4 = 4.091E-l, p6 = 0.0
[0089] ここで、設計波長は 780nm、設計温度は 10乃至 40°Cとし、屈折率、光源波長と温度 の関係は次の関係式の通りとする。
dn/cU = - 1.492E- 5
dn/dT = - 1.173E- 4
ά λ /άΎ = 0.2
[0090] 浦¾細15
数値実施例 5のレーザービームプリンタの光学系は、ビーム整形素子のみならず走 查光学系まで含めて環境変動によるデフォーカスや非点収差が小さくなるように格子 パワーを調整している。数値実施例 5のレーザービームプリンタの光学系の構成を図 20に示す。数値実施例 5のレーザービームプリンタの光学系は、 2個のビーム整形 素子 1および 2と、シリンドリカルレンズと、偏光素子と、 2個の走査レンズ 1および 2を 含む。
[0091] 図 21および 22は、数値実施例 5のレーザービームプリンタの光学系におけるビー ム整形光学系の、 xz断面および yz断面における光路図である。
[0092] 数値実施例 5におけるビーム整形光学系は、数値実施例 4の場合と同様に、式（1) の自由曲面として表現できる入射面と、式（1)の自由曲面として表現できる射出面か らからなり、ビーム整形機能を有する第 1の光学素子と第 2の光学素子とを備える。第 2の光学素子は、式 (2)の位相関数で表せる回折格子を第 1面に備え、光軸からの 距離を rとして、式（14)の屈折面および式（15)の位相関数で表せる回折格子を第 2面に備えている。ここで、第 2の光学素子の第 1面に配置された、式（2)の位相関数 は Xの項のみ力 なり、 X方向にのみパワーを有し、軸非対称である。第 2の光学素子 の式（ 14)の屈折面および式（ 15)の位相関数は、軸対称である。
[数 12] z =—— = + a4r4 + a6r6 + a8rs + a\0rw · . · ( 1 4 )
1 + 1— (1 + ) c V
φ = p2r2 + p4r4 + p6r6 · · · ( 1 5 )
[0093] このビーム整形光学系においては、第 1の光学素子と第 2の光学素子の第 1面まで で、ビーム整形と非点収差の補正を行い、最終面で光束の平行化とデフォーカスの 補正を行う。非点収差の補正およびでフォーカスの補正は、シリンドリカルレンズおよ び 2個の走査レンズに対する補正も含む。数値実施例 5の走査光学系の構成および 各係数は以下の通りである。
[0094] [表 1]
Figure imgf000021_0001
[0095] 原料： PMMA 入射前 NA (平行） 0.0958, 入射前 NA (垂直） 0.233 射出後ビーム半径 (平行） 2.183 射出後ビーム半径 (垂直） 2.268 面形状係数
ビーム整形素子部
ビーム整形素子第 1レンズ第 1面自由曲面係数
cx = -2.453, kx = -4.443 a4 = -8.051
a6 = 0.0, a8 = 0.0, alO = 0.0
cy = - 1.450E- 1 ky = 2.525E1 b4 = 2.656E- 2
b6 = 0.0, b8 = 0.0, blO = 0.0
ビーム整形素子第 1レンズ第 2面自由曲面係数
cx = -3.458E-1, kx = -1.456 a4 = - 6.421E- 4
a6 = 0.0, a8 = 0.0, alO = 0.0
cy = - 1.283E- 1, ky = - 1.501 b4 = 1.144E- 3
b6 = -0.0, b8 = 0.0, blO = 0.0
ビーム整形素子第 2レンズ第 1面位相関数係数
p2 = - 1.220E1, p4 = -2.068, p6 = 3.830E- 2
q2 = 0.0, q4 = 0.0, q6 = 0.0
ビーム整形素子第 2レンズ第 2面非球面係数
c =— 1.143E— 1, k = 0.0, a4 = 7.957E-5
a6 = 1.599E-6, a8 = - 8.069E- 7, alO = 0.0
ビーム整形素子第 2レンズ第 2面位相関数係数
p2 =— 1.387E2, p4 =— 2.857E— 1, p6 = 2.333E— 2
シリンドリカノレレンズ
曲率半径
r = 4.7044E1
走査光学系
走査光学系第 1レンズ第 1面 (軸対称非球面）
c = - 1.469E- 2, k = -3.922, a4 = 2.346E- 6 a6 = 3.877E-9, a8 = - 9.383E- 12, alO = 3.595E- 15
走査光学系第 1レンズ第 2面（トロイダル面）
c = -2.294E-2, k = - 2.976E- 1 a4 = 2.694E-6
a6 = 4.259E-9, a8 = - 5.427E- 12, alO = 7.776E-16
r = -3.709E1
走査光学系第 2レンズ第 1面（トロイダル面）
c = 1.684E-2, k =— 2.086E— 1 , a4 = -3.159E-6
a6 = 9.659E-10, a8 = - 3.004E- 13 alO ： 3.138E-17
r = Infinite
走査光学系第 2レンズ第 2面（トロイダル面）
c = 1.656E-2, k = -2.277E-l , a4 = -3.374E-6
a6 = 1.203E-9, a8 = - 3.422E- 13, alO ： 3.473E-17
r = -2.852E1
[0096] 本実施例でのトロイダル面の光軸を含む走査面断面での面形状、すなわち母線の 形状は下記の式（16)で表現される。また、トロイダル面形状データ内の係数 rは母線 を回転させる回転半径である。
[数 13]
+ a4y + a6y6 + α8ν° + alOy ( 1 6 )
1 + 1— (1 + ) c2
[0097] ここで、設計波長は 780nm、設計温度は 10乃至 40°Cとする。 PMMA (ポリメタクリル 酸メチル、アクリル榭脂）について、屈折率はレーザー波長 780nmに対して 1.486とし 、屈折率、光源波長と温度の関係は次の関係式の通りとする。
dn/cU = - 1.492E- 5
dn/dT = - 1.173E- 4
ά λ /άΎ = 0.2
[0098] シリンドリカルレンズに使用される光学ガラス ΒΚ7について、屈折率はレーザー波 長 780nmに対して 1.511とし、屈折率、光源波長と温度の関係は次の関係式の通りと する。
dn/d l = -2.089-5
dn/dT = -2.535E-6
[0099] 数値実施例 5のレーザービームプリンタの光学系の非点収差及び総合波面収差の 量を図 23に示す。環境温度の変化に対して収差量の変化はきわめて小さい。これに 対して、レーザービームプリンタに用いるような像倍率の高い光学系の光源直後に、 温度補償機構をもたな ヽ榭脂製のビーム成型素子を挿入した場合、非点収差及び デフォーカスの発生が著しぐ結像位置が光軸方向に像面力 数 mm以上ずれてしま い実用に耐えない。
[0100] ま の ¾告 法
本発明による光学素子は、射出成型によって製造する。
φが位相関数であり、 n,mは共に整数値であるとして、 xy平面上で φ = 2πιη πとな る曲線が η番目の格子になる。したがって、たとえば、 X方向の格子間隔を Ηとおくと [数 14]
Η _ ム ιηπ
άφ
ax となる。
[0101] 具体的に、数値実施例 2の第 2面の位相関数は、
Φ =— 257.5χ2 + 0.03139χ4 - 188.2y2 - 0.006758y4
であるから、 m=lとしてレンズ中央から x=lmmの位置でのピッチは
H = 2*3.14/(257.5*2*1-0.03139*4*13) = 0.0122(mm)
となる。ただし、 *は乗算を示す。この素子の X方向有効径は 1.5mmなので端部でピッ チは 8 m程度である。このように、各々の数値実施例における回折格子の間隔は、 高々数 100乃至約 10 μ mピッチである。
[0102] したがって、曲面上にブレーズド回折格子を重畳した面であっても、複数の加工軸 を備えた 3次元カ卩工機によって金型を切削することができる。
[0103] 光学素子の材料としては、 PMMA (ポリメタクリル酸メチル、アクリル榭脂）などの榭 脂を使用する。また、フリントガラスなどを使用してもよい。数値実施例 1では、フリント ガラスを使用し、数値実施例 2乃至 5では、 PMMAを使用した。

Claims

請求の範囲
[1] 軸非対称なプロファイルを有し、光源力 のビームの形状を整形するビーム整形素 子を含むビーム整形光学系であって、光軸を z軸とし、光軸に垂直な平面を xy平面と した場合に、光源の波長変化に対して、 xz平面における光源力も結像点または虚像 点までの距離の逆数の変化と yz平面における当該距離の逆数の変化とが等しくなる ようにすることにより非点収差を最小化するように、 X軸方向および y軸方向の位相関 数を定めた回折格子面を備える、ビーム整形光学系。
[2] 軸非対称なプロファイルを有し、光源力 のビームの形状を整形するビーム整形素 子を含むビーム整形光学系であって、光軸を z軸とし、光軸に垂直な平面を xy平面と した場合に、温度変化に対して、 xz平面における光源力も結像点または虚像点まで の距離の逆数の変化と yz平面における当該距離の逆数の変化とが等しくなるように することにより非点収差を最小化するように、 X軸方向および y軸方向の位相関数を 定めた回折格子面を備える、ビーム整形光学系。
[3] さらに、光源の波長変化または温度変化に対して、 xz平面における光源力 結像 点または虚像点までの距離の逆数の変化と yz平面における当該距離の逆数の変化 が最小となるように、 X軸方向および y軸方向の位相関数を定めた請求項 1または 2に 記載のビーム整形光学系。
[4] さらに、光源の波長変化または温度変化に対して、球面収差量が最小となるように 、x軸方向および y軸方向の位相関数を定めた請求項 1または 2に記載のビーム整形 光学系。
[5] 回折格子の位相関数が Xまたは yの 、ずれか一方または双方の偶関数力もなる項 を含む請求項 1から 4のいずれか 1項に記載のビーム整形光学系。
[6] 光源が半導体レーザーであり、半導体レーザーの活性層が xz断面と平行であり、レ 一ザ一光源からの、光軸に垂直な平面における強度のピーク強度に対する比率が 所定値以上の部分が楕円で表せるビームを、当該比率が所定値以上の部分がほぼ 円で表せるビームに整形する請求項 1から 5のいずれか 1項に記載のビーム整形光 学系。
[7] 光ピックアップ装置にお!、て使用される請求項 6に記載のビーム整形光学系。
[8] 光源が半導体レーザーであり、半導体レーザーの活性層が xz断面と平行であり、レ 一ザ一光源からの、光軸に垂直な平面における強度のピーク強度に対する比率が 所定値以上の部分が楕円で表せるビームを、当該比率が所定値以上の部分が、長 軸と短軸の比率が前記楕円と異なる楕円で表せるビームに整形する請求項 1から 5 の！、ずれか 1項に記載のビーム整形光学系。
[9] レーザービームプリンタの光学系にお 、て使用される請求項 8に記載のビーム整形 光学系。
[10] 単レンズ力 なる請求項 1から 9の 、ずれか 1項に記載のビーム整形光学系。
[11] 回折格子面がビーム整形素子と分離された請求項 1から 9のいずれか 1項に記載 のビーム整形光学系。
[12] 軸対称な位相関数を有する回折格子面と Xの項のみまたは yの項のみ力 なる位相 関数を有する回折格子面とが分離された請求項 1から 9のいずれ力 1項に記載のビ ーム整形光学系。
[13] 軸対称な位相関数を有する回折格子面が、軸対称な屈折面に重畳される請求項 1 2に記載のビーム整形光学系。
[14] 軸非対称なプロファイルを有し、光源力 のビームの形状を整形するビーム整形素 子を含むレーザービームプリンタの光学系であって、光軸を z軸とし、光軸に垂直な 平面を xy平面とした場合に、温度変化に対して、 xz平面における光源力 結像点ま での距離の逆数の変化と yz平面における当該距離の逆数の変化とが等しくなるよう にすることにより非点収差を最小化するように、 X軸方向および y軸方向の位相関数を 定めた回折格子面を備える、レーザービームプリンタの光学系。
[15] さらに、温度変化に対して、 xz平面における光源力 結像点までの距離の逆数の 変化と yz平面における当該距離の逆数の変化が最小となるように位相関数を定めた 請求項 14に記載のレーザービームプリンタの光学系。
[16] ビーム整形素子が、レーザー光源からの、光軸に垂直な平面における強度のピー ク強度に対する比率が所定値以上の部分が楕円で表せるビームを、当該比率が所 定値以上の部分が、長軸と短軸の比率が前記楕円と異なる楕円で表せるビームに整 形する請求項 14または 15に記載のレーザービームプリンタの光学系。
[17] 回折格子面がビーム整形素子と分離された請求項 14から 16のいずれか 1項に記 載のレーザービームプリンタの光学系。
[18] 軸対称な位相関数を有する回折格子面と Xの項のみまたは yの項のみ力 なる位相 関数を有する回折格子面とが分離された請求項 14から 16のいずれか 1項に記載の レーザービームプリンタの光学系。
[19] 軸対称な位相関数を有する回折格子面が、軸対称な屈折面上に配置される請求 項 18に記載のレーザービームプリンタの光学系。
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