WO2010016142A1 - 位相シフト板および位相シフト板を備えた光学系 - Google Patents

位相シフト板および位相シフト板を備えた光学系 Download PDF

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大介 関
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    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat

Definitions

  • the present invention relates to a laser light phase shift plate and a laser light optical system including the phase shift plate.
  • Laser scanning optical systems are used in many printers, copiers, facsimiles and other image forming apparatuses.
  • an image is formed on the scanning surface by the focused laser beam irradiating the scanning surface.
  • the spot diameter of the laser beam on the image plane is proportional to the wavelength of the laser beam and inversely proportional to the numerical aperture (NA) of the condenser lens (f- ⁇ lens). Therefore, in order to reduce the spot diameter of the laser beam, the wavelength of the laser beam can be shortened and the NA can be increased.
  • the focal depth of the condensing lens is proportional to the wavelength of the laser light and inversely proportional to the square of the numerical aperture (NA). That is, if the NA is increased in order to reduce the spot diameter of the laser beam, the focal depth becomes shallow.
  • the spot diameter of the laser beam it is necessary to set the spot diameter of the laser beam to a certain value or more in order to ensure a predetermined depth of focus.
  • Patent Document 1 discloses that the laser beam spot diameter is reduced in the vicinity of the light emission end face of the laser light source, in the vicinity of a position conjugate with the light emission end face, or in the vicinity of the beam waist of the laser light emitted from the laser light source.
  • a laser device in which a phase shift element having a first region transparent to light and a second region having a predetermined phase difference with respect to laser light passing through the first region is disposed around the first region Is disclosed.
  • the configuration of the laser device becomes complicated due to restrictions on the arrangement location of the phase shift element.
  • the size of the phase shift element needs to be about the same as the diffraction limit of the beam waist, etc., it is difficult to manufacture such a phase shift element, install it in the optical system, and actually use it. is there.
  • phase shift element including a diffraction grating designed based on such a complicated calculation is required (for example, Patent Document 2).
  • coma accounts for a large proportion as a component of wavefront aberration of a light beam formed on the image plane of the scanning optical system.
  • the coma aberration causes a side lobe, so that, for example, a black streak occurs in a laser beam printer, which degrades the image quality.
  • the phase shift plate according to the present invention is used for laser beams that are substantially parallel.
  • the phase shift plate according to the present invention is configured to give a phase difference of ⁇ to at least a part of the peripheral edge of the region through which the laser beam passes.
  • the phase shift plate according to the present invention is configured to be used for collimated laser light, it can be easily used in an actual optical system. Further, by giving a phase difference of ⁇ to at least a part of the peripheral portion of the region through which the laser beam passes, the spot diameter of the laser beam is reduced while maintaining a predetermined depth of focus, and coma aberration is reduced. be able to.
  • phase shift plate for defocusing. It is a figure which shows the relationship between defocus and the peak intensity of a laser spot. It is a figure which shows the relationship between defocus and the normalized peak intensity of a laser spot. It is a figure which shows the relationship between a defocus and the diameter of a laser spot. It is a figure which shows the structure of the phase shift plate for coma aberration. It is a figure which shows the relationship between a coma aberration and the peak intensity of a laser spot.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser scanning optical system.
  • the laser light emitted from the light source 101 is made almost parallel light by the collimator lens 103, passes through the phase shift plate 105 and the cylinder lens 107, is reflected by the folding mirror 109, and reaches the polygon mirror 111.
  • the laser beam that has been made substantially parallel light is deflected in the scanning direction by the rotating polygon mirror 111.
  • the deflected laser beam is condensed on the scanning image plane 115 by the f- ⁇ lens 113 including the lens 1131 and the lens 1133.
  • the phase shift plate 105 may be installed between the cylinder lens 107 and the folding mirror 109 or between the folding mirror 109 and the polygon mirror 111.
  • the phase shift plate 105 may be installed at any position of the laser beam that is made to be substantially parallel light, so that it can be easily used in an actual optical system.
  • the collimator lens 103 and the phase shift plate 105 can be formed as one module using a frame such as a lens frame.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the phase shift plate 105.
  • the phase shift plate 105 includes a region 105a through which laser light is transmitted, a region 105b in which the phase of the laser light transmitted through the region 105a is delayed by ⁇ , and a region 105c through which laser light is shielded.
  • a circle 201 at the boundary between the region 105a and the region 105b and a circle 203 at the boundary between the region 105b and the region 105c form concentric circles.
  • the wavelength of the laser beam is ⁇
  • the refractive index of the material of the phase shift plate 105 is n
  • the thickness of the region 105b is From the thickness of the region 105a, ⁇ / 2 (n-1) Only thicken.
  • Such a shape can be easily manufactured by, for example, plastic injection molding.
  • the thickness of the material is t1 and the refractive index is n1
  • the phase change caused by transmission through the material is (T1 ⁇ n1) / ⁇ It is. Therefore, from the above relationship, the material and thickness of the region 105a and the region 105b may be determined so that the phase of the laser light transmitted through the region 105b is delayed by ⁇ with respect to the laser light transmitted through the region 105a.
  • the region 105c that shields the laser beam may be manufactured by, for example, applying a light-absorbing paint.
  • the phase shift plate 105 is configured to shield the laser light.
  • an aperture plate may be installed at a position from the light source of the phase shift plate 105, and the laser beam may be shielded by a portion outside the aperture of the aperture plate.
  • the opening of the aperture plate is a circle at the boundary 203.
  • the region 105c need not be shielded from laser light, and thus may be formed using a material similar to the material of the region 105b.
  • FIG. 3 is a view for explaining the principle of the phase shift plate 105 according to the present invention.
  • the horizontal axis of FIG. 3 represents the normalized x in FIG.
  • the center of the concentric circle composed of the circle 201 and the circle 203 is zero.
  • the vertical axis represents the phase difference.
  • the diameter of the circle 203 is a
  • the diameter of the circle 201 is 0.9a.
  • the value on the horizontal axis is a value normalized by a.
  • On the horizontal axis -0.9 ⁇ x / a ⁇ 0.9 corresponds to the area 105a, -1.0 ⁇ x / a ⁇ -0.9 and 0.9 ⁇ x / a ⁇ 1.0 This area corresponds to the area 105b.
  • the phase of the region 105b is delayed by ⁇ compared to the phase of the region 105a.
  • FIGS. 4 to 6 are diagrams showing a phase difference (phase shift) and a phase change state by the phase shift plate when a focal position shift (hereinafter referred to as defocus) occurs in the optical axis direction.
  • the horizontal axis in FIGS. 4 to 6 represents the normalized x in FIG.
  • the center of the concentric circle composed of the circle 201 and the circle 203 is zero.
  • the vertical axis represents the phase difference.
  • the phase difference due to defocus is caused by a wavefront shift from the reference spherical surface.
  • the phase difference at a certain point, that is, the wavefront shift amount differs depending on the path of the light beam.
  • the magnitude of defocusing here is expressed by a value (PV value, Peak-to-Valley) obtained by subtracting the minimum wavefront shift amount from the maximum wavefront shift amount for all light ray paths.
  • PV value Peak-to-Valley
  • the defocused state is represented by a quadratic function shape having the centers of the concentric circles 201 and 203 as vertices. Therefore, if there is no phase shift plate, the phase difference is maximum on the circle 203.
  • phase shift due to defocusing and the phase shift due to the phase shift plate 105 show a case where the phase shift due to defocusing and the phase shift due to the phase shift plate 105 are opposite to each other.
  • FIG. 6 shows a case where the phase shift due to defocusing and the phase shift due to the phase shift plate 105 are in the same direction.
  • the phase shift plate 105 causes the phase shift at the periphery of the circle 203 to be about 2 ⁇ , that is, about 0. Therefore, also in this case, the phase shift plate 105 improves the phase shift at the periphery of the circle 203.
  • FIG. 7 is a diagram showing a phase difference (phase shift) when a coma aberration in the + x direction occurs and a state of phase change by the phase shift plate.
  • the horizontal axis of FIG. 7 represents the normalized x of FIG.
  • the center of the concentric circle composed of the circle 201 and the circle 203 is zero.
  • the vertical axis represents the phase difference.
  • the phase difference due to coma is caused by a wavefront shift from the reference spherical surface.
  • the phase difference at a certain point, that is, the wavefront shift amount differs depending on the path of the light beam.
  • the magnitude of the coma aberration here is expressed by a value (PV value, Peak-to-Valley) obtained by subtracting the minimum wavefront shift amount from the maximum wavefront shift amount for all light ray paths.
  • PV value Peak-to-Valley
  • the phase shift plate 105 improves the phase shift at the periphery of the circle 203.
  • phase shift plate 105 is not limited to the phase shift plate 105 shown in FIG. 2, and a phase shift plate having the same shape in the uniaxial direction, that is, a phase difference of ⁇ is applied to at least a part of the peripheral portion of the region through which the laser beam passes.
  • the phase shift plate configured to be applied can be widely and generally applied.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the defocusing phase shift plate 1051.
  • the phase shift plate 1051 has a shape similar to that of the phase shift plate 105 shown in FIG. That is, the phase shift plate 1051 includes a region 1051a through which laser light is transmitted, a region 1051b in which the phase of the laser light transmitted through the region 1051a is delayed by ⁇ , and a region 1051c through which laser light is shielded.
  • a circle 2011 at the boundary between the region 1051a and the region 1051b and a circle 2031 at the boundary between the region 1051b and the region 1051c form concentric circles.
  • the radius of the circle 2011 is represented by r1
  • the radius of the circle 2031 is represented by R1.
  • t (R1-r1) / R1 Define
  • R1 0.5mm
  • the focal length in the scanning direction of the scanning lens (f- ⁇ lens) is 50 mm.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between defocus and the peak intensity of the laser spot.
  • the horizontal axis represents the defocus amount (PV value) expressed in wavelength units.
  • the vertical axis represents the peak intensity normalized with the peak intensity of the aberration-free optical system, that is, the Strehl ratio.
  • the relationship between defocus and laser spot peak intensity is shown. These data were obtained by simulation of light behavior.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between defocus and the normalized peak intensity of the laser spot.
  • the horizontal axis represents the defocus amount (PV value) expressed in wavelength units.
  • the vertical axis represents the peak intensity normalized with the peak intensity with zero defocus for each t.
  • the peak intensity does not change with respect to the change of the defocus amount.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between defocus and the diameter of the laser spot.
  • the horizontal axis represents the defocus amount (PV value) expressed in wavelength units.
  • the vertical axis represents the diameter of the region of half or more of the peak value of the laser spot.
  • the relationship between defocus and laser spot diameter is shown for various values of t. These data were obtained by simulation of light behavior.
  • the diameter of the laser spot remains small with respect to the change in the defocus amount.
  • the region where the change in the peak intensity is small while the diameter of the laser spot remains relatively small with respect to the change in the defocus amount is It is. further, It is particularly preferred that
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of a defocusing phase shift plate 1053 according to another embodiment.
  • the phase shift plate 1053 includes a region 1053a through which laser light is transmitted, a region 1053b in which the phase of the laser light transmitted through the region 1053a is delayed by ⁇ , and a region 1053c through which laser light is shielded.
  • a circle 2013 at the boundary between the region 1053a and the region 1053b and a circle 2033 at the boundary between the region 1053b and the region 1053c form an ellipse.
  • the radius in the major axis direction of the circle 2013 is represented by r3
  • the radius in the major axis direction of the circle 2013 is represented by R3.
  • t (R3-r3) / R3
  • R3 0.5mm
  • the focal length in the scanning direction of the scanning lens (f- ⁇ lens) is 50 mm.
  • phase shift plate shown in FIG. 16 results similar to those not shown in FIGS. 9 to 11 are obtained. Therefore, the area where the laser spot diameter remains relatively small and the peak intensity change is small with respect to the change in the defocus amount. It is. further, It is particularly preferred that
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration of the phase shift plate 1052 for coma aberration.
  • the phase shift plate 1052 includes a region 1052a through which laser light is transmitted, a region 1052b in which the phase of the laser light transmitted through the region 1052a is delayed by ⁇ , and a region 1052c through which laser light is shielded.
  • a boundary between the region 1052a and the region 1052b forms a part 2012 of a circle.
  • the boundary between the region 1052c and the regions 1052a and 1052b forms an ellipse 2032.
  • the radius of the ellipse 2032 in the major axis direction is represented by R2
  • the radius of a portion 2012 of the circle is represented by r2.
  • t (R2-r2) / R2
  • the cross-sectional shape of the laser beam is represented by an ellipse 2032.
  • the boundary between the region 1052a through which the laser beam is transmitted and the region 1052b in which the phase of the laser beam to be transmitted is delayed by ⁇ with respect to the laser beam transmitted through the region 1052a is represented by a part 2012 of a circle. Since coma increases with the distance from the center of the lens, the boundary between the region 1052a and the region 1052b is formed as a part of a circle.
  • the aperture radius (R2) in the major axis direction is 0.5 mm
  • the aperture radius in the end axis direction is 0.25 mm
  • the focal length in the scanning direction of the scanning lens (f- ⁇ lens) is 50 mm
  • the focal length in the sub-scanning direction is 100 mm.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between coma aberration and the peak intensity of a laser spot.
  • the horizontal axis represents coma aberration (PV value) expressed in wavelength units.
  • the vertical axis represents the peak intensity normalized with the peak intensity of the aberration-free optical system, that is, the Strehl ratio.
  • the relationship between defocus and laser spot peak intensity is shown. These data were obtained by simulation of light behavior.
  • FIG. 14 is a diagram showing a relationship between coma aberration and normalized peak intensity of a laser spot.
  • the horizontal axis represents coma aberration (PV value) expressed in wavelength units.
  • the vertical axis represents the peak intensity normalized with the peak intensity at which the coma aberration is zero for each t.
  • the peak intensity does not change with respect to the change of coma aberration.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between coma aberration and side lobe intensity.
  • the horizontal axis represents coma aberration (PV value) expressed in wavelength units.
  • the vertical axis represents the side lobe intensity for each t.
  • the side lobe intensity is a ratio of the intensity of the second largest peak of the PSF (point spread function) coma aberration direction cross section to the maximum peak intensity.
  • the phase shift plate according to the embodiment of the present invention is a polar coordinate of the plate surface Above, the area where the laser passes And when Is configured to give a phase difference of ⁇ .
  • the peak intensity can be changed while keeping the diameter of the laser spot relatively small with respect to the change in the defocus amount. Can be small.
  • a phase shift plate includes: Is configured to give a phase difference of ⁇ .
  • the change in the diameter and the peak intensity of the laser spot can be further reduced by setting the region giving the phase difference to the above range.
  • the phase shift plate according to the embodiment of the present invention is a polar coordinate of the plate surface Above, the area where the laser passes And when the maximum value is a, Is configured to give a phase difference of ⁇ .
  • the change in the peak intensity can be reduced with the side lobe intensity kept at a relatively small value with respect to the change in the coma aberration. Can do.
  • Is configured to give a phase difference of ⁇ .
  • the change in the side lobe intensity and the peak intensity can be further reduced by setting the region that gives the phase difference to the above range.
  • a phase shift plate according to another embodiment of the present invention is installed between a collimator lens and a polygon mirror in an optical system of a laser beam printer.
  • the present embodiment it can be easily used in an actual optical system by being installed between the collimator lens and the polygon mirror.
  • the phase shift plate according to the embodiment of the present invention includes a laser beam shielding portion that defines a region through which the laser beam passes.
  • the above effect can be achieved by a single optical element.
  • An optical system is an optical system including a collimator lens, an aperture plate, and a phase shift plate according to any of the embodiments of the present invention, and is a laser made substantially parallel by the collimator lens. After the light passes through the aperture plate, the phase shift plate is irradiated with light.
  • the above effect can be easily achieved by an optical system including an aperture plate and a phase shift plate having a simple structure.
  • An optical element includes a collimator lens, a phase shift plate according to any of the embodiments, and a frame that holds the collimator lens and the phase shift plate.
  • the collimator lens and the phase shift plate are integrally formed, it can be easily installed in an optical system such as a laser beam printer.
  • a laser beam printer includes the phase shift plate according to any of the embodiments, the optical system according to the above embodiment, or the optical element according to the above embodiment.
  • the laser beam printer according to the present embodiment can reduce the spot diameter of the laser beam while ensuring a predetermined depth of focus, can reduce coma, and can be easily manufactured.

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Abstract

　所定の焦点深度を確保しながらレーザ・ビームのスポット径を小さくし、また、コマ収差を小さくすることができ、実際の光学系において容易に使用することのできる光学素子を提供する。本発明による位相シフト板は、ほぼ平行とされたレーザ光に使用される位相シフト板であって、レーザ光が通過する領域の周縁部の少なくとも一部にπの位相差を与えるように構成されている。

Description

位相シフト板および位相シフト板を備えた光学系
　本発明は、レーザ光用位相シフト板および該位相シフト板を備えたレーザ光用光学系に関する。
　多くのプリンタ、複写機、ファクシミリなどの画像形成装置には、レーザ走査光学系が使用されている。レーザ走査光学系においては、集光されたレーザ・ビームが走査面を照射することにより走査面上に画像が形成される。
　ここで、形成される画像の解像度を向上するには、走査面に照射されるレーザ・ビームのスポット径を小さくする必要がある。一般に、像面におけるレーザ・ビームのスポット径は、レーザ光の波長に比例し、集光レンズ（ｆ－θレンズ）の開口数（ＮＡ）に反比例する。したがって、レーザ・ビームのスポット径を小さくするには、レーザ光の波長を短くし、ＮＡを大きくすればよい。他方、集光レンズの焦点深度は、レーザ光の波長に比例し、開口数（ＮＡ）の二乗に反比例する。すなわち、レーザ・ビームのスポット径を小さくするために、ＮＡを大きくすると、焦点深度が浅くなってしまう。このように、レーザ走査光学系において、レーザ・ビームのスポット径を小さくすることと焦点深度を深くすることとはトレード・オフの関係にある。
　したがって、従来の走査光学系においては、所定の焦点深度を確保するために、レーザ・ビームのスポット径を一定値以上とする必要があった。
　特許文献１は、レーザ・ビームのスポット径を小さくするように、レーザ光源の光出射端面近傍又は該光出射端面と共役な位置近傍又は該レーザ光源から出射したレーザ光のビームウエスト近傍に該レーザ光に対して透明な第１領域と該第１領域の周囲に該第１領域を通過するレーザ光に対して所定の位相差を有する第２領域とを有する位相シフト素子を配置した、レーザ装置を開示している。本装置の位相シフト素子は、レーザ光のビームウエスト近傍などに配置することにより、位相シフト素子における位相振幅と像面における位相振幅がほぼ同一となり、位相シフト素子による位相の調整が容易となる。しかし、位相シフト素子の配置場所の制約により、レーザ装置の構成が複雑となる。また、位相シフト素子のサイズは、ビームウエスト部などの回折限界と同程度にする必要があるので、このような位相シフト素子を製造し、光学系に設置し、実際に使用するのは困難である。
　他方、コリメート光に使用される位相シフト素子上の位相振幅から像面上の位相振幅を求めるには、フーリエ変換などの複雑な計算が必要である。したがって、このような複雑な計算に基づいて設計された回折格子など備える位相シフト素子が必要とされる（たとえば、特許文献２）。
　このように、所定の焦点深度を確保しながらレーザ・ビームのスポット径を小さくすることができ、実際の光学系において容易に使用することのできる光学素子は開発されていなかった。
　また、走査光学系の像面に結像される光束の波面収差の成分としてコマ収差が大きな割合を占める。コマ収差は、サイドローブを発生させるので、たとえば、レーザ・ビーム・プリンタにおいては黒筋などが生じ、画像の品質を劣化させる。
　コマ収差を小さくすることができ、実際の光学系において容易に使用することのできる光学素子は開発されていなかった。
特許２９２４１４２号 特許３９２０４８７号
　したがって、所定の焦点深度を確保しながらレーザ・ビームのスポット径を小さくし、また、コマ収差を小さくすることができ、実際の光学系において容易に使用することのできる光学素子に対するニーズがある。
　本発明による位相シフト板は、ほぼ平行とされたレーザ光に使用される。本発明による位相シフト板は、レーザ光が通過する領域の周縁部の少なくとも一部にπの位相差を与えるように構成されている。
　本発明による位相シフト板は、コリメートされたレーザ光に使用されるように構成されているので、実際の光学系において容易に使用することができる。また、レーザ光が通過する領域の周縁部の少なくとも一部にπの位相差を与えることによって、所定の焦点深度を確保しながらレーザ・ビームのスポット径を小さくし、また、コマ収差を小さくすることができる。
レーザ走査光学系の構成を示す図である。 位相シフト板の構成の一例を示す図である。 本発明による位相シフト板の原理を説明するための図である。 光軸方向の焦点の位置ずれが生じた場合の位相差と位相シフト板による位相変化の状態を示す図である。 光軸方向の焦点の位置ずれが生じた場合の位相差と位相シフト板による位相変化の状態を示す図である。 光軸方向の焦点の位置ずれが生じた場合の位相差と位相シフト板による位相変化の状態を示す図である。 コマ収差が生じた場合の位相差と位相シフト板による位相変化の状態を示す図である。 デフォーカス用の位相シフト板の構成を示す図である。 デフォーカスとレーザ・スポットのピーク強度との関係を示す図である。 デフォーカスとレーザ・スポットの規格化されたピーク強度との関係を示す図である。 デフォーカスとレーザ・スポットの直径との関係を示す図である。 コマ収差用の位相シフト板の構成を示す図である。 コマ収差とレーザ・スポットのピーク強度との関係を示す図である。 コマ収差とレーザ・スポットの規格化されたピーク強度との関係を示す図である。 コマ収差とサイドローブ強度との関係を示す図である。 他の実施形態によるデフォーカス用の位相シフト板の構成を示す図である。
　図１は、レーザ走査光学系の構成を示す図である。
　光源１０１から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１０３によってほぼ平行光とされ、位相シフト板１０５およびシリンダレンズ１０７を通過し、折り返しミラー１０９によって反射されてポリゴンミラー１１１に至る。ほぼ平行光とされたレーザ・ビームは、回転するポリゴンミラー１１１によって走査方向に偏向される。偏向されたレーザ・ビームは、レンズ１１３１およびレンズ１１３３からなるｆ－θレンズ１１３によって走査像面１１５上に集光される。他の実施形態において、位相シフト板１０５は、シリンダレンズ１０７と折り返しミラー１０９との間あるいは折り返しミラー１０９とポリゴンミラー１１１との間に設置してもよい。このように、位相シフト板１０５は、ほぼ平行光とされたレーザ・ビームのいずれの位置に設置してもよいので、実際の光学系において容易に使用することができる。
　なお、図１において、コリメータレンズ１０３と位相シフト板１０５とを、鏡枠などのフレームを使用して一つのモジュールとして形成することができる。
　図２は、位相シフト板１０５の構成の一例を示す図である。位相シフト板１０５は、レーザ光を透過させる領域１０５ａ、領域１０５ａを透過するレーザ光に対して、透過させるレーザ光の位相をπだけ遅らせる領域１０５ｂおよびレーザ光を遮光する領域１０５ｃからなる。領域１０５ａと領域１０５ｂの境界の円２０１および領域１０５ｂと領域１０５ｃの境界の円２０３は、同心円を形成する。領域１０５ａと領域１０５ｂを同じ材料で形成し、レーザ光の位相をπだけ遅らせるには、レーザ光の波長をλ、位相シフト板１０５の材料の屈折率をｎとして、領域１０５ｂの厚さを、領域１０５ａの厚さより、
　λ／２（ｎ－１）
だけ厚くすればよい。このような形状は、たとえばプラスチック射出成形により簡単に製造することができる。一般的に、材料の厚さをｔ１、屈折率をｎ１とすれば、該材料を透過することによる位相変化は、
　（ｔ１・ｎ１）／λ
である。したがって、上記の関係から、領域１０５ａを透過するレーザ光に対して、領域１０５ｂを透過するレーザ光の位相をπだけ遅らせるように、領域１０５ａと領域１０５ｂの材料および厚さを定めればよい。
　レーザ光を遮光する領域１０５ｃは、たとえば、光吸収性の塗料を塗ることにより製造してもよい。
　本実施形態においては、位相シフト板１０５でレーザ光を遮蔽するように構成した。他の実施形態において、位相シフト板１０５の、光源よりの位置に開口板を設置し、開口板の開口の外側の部分によってレーザ光を遮蔽するようにしてもよい。開口板の開口は境界２０３の円とする。この場合に領域１０５ｃは、レーザ光を遮光する必要がないので、領域１０５ｂの材料と同様の材料で形成してもよい。
　図３は、本発明による位相シフト板１０５の原理を説明するための図である。図３の横軸は、図２におけるｘを規格化したものを表す。円２０１および円２０３からなる同心円の中心が０である。縦軸は、位相差を表す。本実施形態において、円２０３の直径をａとすると、円２０１の直径は、０．９ａである。横軸の値は、ａで規格化した値である。横軸において
　－０．９＜ｘ／ａ＜０．９
の領域が領域１０５ａに相当し、
　－１．０＜ｘ／ａ＜－０．９および０．９＜ｘ／ａ＜１．０
の領域が領域１０５ｂに相当する。領域１０５ｂの位相は、領域１０５ａの位相に比較してπだけ遅れる。
　図４乃至図６は、光軸方向の焦点の位置ずれ（以下、デフォーカスと呼称する）が生じた場合の位相差（位相ずれ）と位相シフト板による位相変化の状態を示す図である。図４乃至図６の横軸は、図２のｘを規格化したものを表す。円２０１および円２０３からなる同心円の中心が０である。縦軸は、位相差を表す。デフォーカスによる位相差は、参照球面からの波面シフトによって生じる。ある点の位相差、すなわち波面シフト量は、光線の経路によって異なる。ここでのデフォーカスの大きさは、全ての光線の経路を対象として、最大の波面シフト量から最小の波面シフト量を差し引いた値（ＰＶ値、Peak-to-Valley）で表している。図４乃至図６に示すように、デフォーカスの状態は同心円２０１および２０３の中心を頂点とする２次関数の形状で表される。したがって、位相シフト板がなければ、位相差は円２０３上で最大となる。
　図４および図５は、デフォーカスによる位相ずれと位相シフト板１０５による位相ずれが逆向きの場合を示す。図４において、デフォーカスによる位相ずれは、ｘ＝－１．０およびｘ＝１．０において－λ／４（－π／２）である。図５において、デフォーカスによる位相ずれは、ｘ＝－１．０およびｘ＝１．０において－λ／２（－π）である。デフォーカスによる位相ずれと位相シフト板１０５による位相ずれが逆向きの場合に、位相シフト板１０５によって、円２０３の周縁部における位相ずれが改善される。
　図６は、デフォーカスによる位相ずれと位相シフト板１０５による位相ずれが同じ向きの場合を示す。図６において、デフォーカスによる位相ずれは、ｘ＝－１．０およびｘ＝１．０においてλ／２（π）である。デフォーカスによる位相ずれと位相シフト板１０５による位相ずれが同じ向きの場合に、位相シフト板１０５によって、円２０３の周縁部における位相ずれは、約２π、すなわち約０である。したがって、この場合にも位相シフト板１０５によって、円２０３の周縁部における位相ずれが改善される。
　図７は、＋ｘ方向のコマ収差が生じた場合の位相差（位相ずれ）と位相シフト板による位相変化の状態を示す図である。図７の横軸は、図２のｘを規格化したものを表す。円２０１および円２０３からなる同心円の中心が０である。縦軸は、位相差を表す。コマ収差による位相差は、参照球面からの波面シフトによって生じる。ある点の位相差、すなわち波面シフト量は、光線の経路によって異なる。ここでのコマ収差の大きさは、全ての光線の経路を対象として、最大の波面シフト量から最小の波面シフト量を差し引いた値（ＰＶ値、Peak-to-Valley）で表している。図７に示すように、ｙ＝０上のコマ収差による位相ずれの絶対値は、円の中心から離れるにしたがって大きくなる。したがって、位相シフト板がなければ、位相ずれの絶対値は（ｘ＝±１．０、ｙ／ａ＝０）上で最大となる。図７において、コマ収差による位相ずれは、ｘ＝－１．０において－λ／２（－π）、ｘ＝１．０においてλ／２（π）である。位相シフト板１０５によって、円２０３の周縁部における位相ずれが改善される。
　図３乃至図７に関し、図２に示した位相シフト板１０５を使用して説明した。しかし、図３乃至図７は、一軸方向に関するものである。したがって、図２に示した位相シフト板１０５に限定されず、該一軸方向に同様の形状を有する位相シフト板、すなわち、レーザ光が通過する領域の周縁部の少なくとも一部にπの位相差を与えるように構成された位相シフト板について広く一般的に適用することができる。
　以下において、位相シフト板による効果について説明する。
　図８は、デフォーカス用の位相シフト板１０５１の構成を示す図である。位相シフト板１０５１は、図２に示した位相シフト板１０５と類似の形状を有する。すなわち、位相シフト板１０５１は、レーザ光を透過させる領域１０５１ａ、領域１０５１ａを透過するレーザ光に対して、透過させるレーザ光の位相をπだけ遅らせる領域１０５１ｂおよびレーザ光を遮光する領域１０５１ｃからなる。領域１０５１ａと領域１０５１ｂの境界の円２０１１および領域１０５１ｂと領域１０５１ｃの境界の円２０３１は、同心円を形成する。ここで、円２０１１の半径をｒ１、円２０３１の半径をＲ１で表す。また、ｒ１とＲ１との関係を表す関数として
　ｔ＝（Ｒ１－ｒ１）／Ｒ１
を定義する。
　具体的に、
　Ｒ１＝０．５ｍｍ
であり、走査レンズ（ｆ－θレンズ）の走査方向の焦点距離は、５０ｍｍである。
　図９は、デフォーカスとレーザ・スポットのピーク強度との関係を示す図である。横軸は、波長単位で表したデフォーカス量（ＰＶ値）を表す。縦軸は、無収差の光学系のピーク強度で規格化されたピーク強度、すなわち、ストレール比を表す。図９において、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 の種々のｔの値に対して、デフォーカスとレーザ・スポットのピーク強度との関係が示されている。これらのデータは、光の挙動のシミュレーションによって得たものである。
　図１０は、デフォーカスとレーザ・スポットの規格化されたピーク強度との関係を示す図である。横軸は、波長単位で表したデフォーカス量（ＰＶ値）を表す。縦軸は、それぞれのｔについてデフォーカスが０のピーク強度で規格化されたピーク強度を表す。
　図９および図１０において、デフォーカス量の変化に対して、ピーク強度が変化しないのが好ましい。
　図１１は、デフォーカスとレーザ・スポットの直径との関係を示す図である。横軸は、波長単位で表したデフォーカス量（ＰＶ値）を表す。縦軸は、レーザ・スポットのピーク値の半値以上の領域の直径を表す。図１１において、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 の種々のｔの値に対して、デフォーカスとレーザ・スポットの直径との関係が示されている。これらのデータは、光の挙動のシミュレーションによって得たものである。
　図１１において、デフォーカス量の変化に対して、レーザ・スポットの直径が小さな値のままであるのが好ましい。
　図９乃至図１１の結果から、デフォーカス量の変化に対して、レーザ・スポットの直径が比較的小さな値のままで、ピーク強度の変化が小さい領域は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 である。さらに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 であるのが特に好ましい。
　図１６は、他の実施形態によるデフォーカス用の位相シフト板１０５３の構成を示す図である。位相シフト板１０５３は、レーザ光を透過させる領域１０５３ａ、領域１０５３ａを透過するレーザ光に対して、透過させるレーザ光の位相をπだけ遅らせる領域１０５３ｂおよびレーザ光を遮光する領域１０５３ｃからなる。領域１０５３ａと領域１０５３ｂの境界の円２０１３および領域１０５３ｂと領域１０５３ｃの境界の円２０３３は、楕円を形成する。ここで、円２０１３の長軸方向の半径をｒ３、円２０３３の長軸方向の半径をＲ３で表す。また、ｒ３とＲ３との関係を表す関数として
　ｔ＝（Ｒ３－ｒ３）／Ｒ３
を定義する。
　具体的に、
　Ｒ３＝０．５ｍｍ
であり、走査レンズ（ｆ－θレンズ）の走査方向の焦点距離は、５０ｍｍである。
　図１６に示した位相シフト板についても、図９乃至図１１未示した結果と同様の結果が得られる。したがって、デフォーカス量の変化に対して、レーザ・スポットの直径が比較的小さな値のままで、ピーク強度の変化が小さい領域は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 である。さらに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 であるのが特に好ましい。
　図１２は、コマ収差用の位相シフト板１０５２の構成を示す図である。位相シフト板１０５２は、レーザ光を透過させる領域１０５２ａ、領域１０５２ａを透過するレーザ光に対して、透過させるレーザ光の位相をπだけ遅らせる領域１０５２ｂおよびレーザ光を遮光する領域１０５２ｃからなる。領域１０５２ａと領域１０５２ｂの境界は、円の一部２０１２を形成する。領域１０５２ｃと、領域１０５２ａおよび領域１０５２ｂとの境界は、楕円２０３２を形成する。ここで、楕円２０３２の長軸方向の半径をＲ２、円の一部２０１２の半径をｒ２で表す。また、Ｒ２とｒ２との関係を表す関数として
　ｔ＝（Ｒ２－ｒ２）／Ｒ２
を定義する。
　本実施形態において、レーザ・ビームの断面形状は、楕円２０３２で表される。これに対して、レーザ光を透過させる領域１０５２ａ、領域１０５２ａを透過するレーザ光に対して、透過させるレーザ光の位相をπだけ遅らせる領域１０５２ｂの境界は、円の一部２０１２で表される。コマ収差は、レンズの中心からの距離にしたがって大きくなるので、領域１０５２ａと領域１０５２ｂの境界は、円の一部として形成した。
　具体的に、長軸方向のアパーチャ半径（Ｒ２）は、０．５ｍｍであり、端軸方向のアパーチャ半径は、０．２５ｍｍである。走査レンズ（ｆ－θレンズ）の走査方向の焦点距離は、５０ｍｍであり、副走査方向の焦点距離は、１００ｍｍである。
　図１３は、コマ収差とレーザ・スポットのピーク強度との関係を示す図である。横軸は、波長単位で表したコマ収差（ＰＶ値）を表す。縦軸は、無収差の光学系のピーク強度で規格化されたピーク強度、すなわち、ストレール比を表す。図１３において、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 の種々のｔの値に対して、デフォーカスとレーザ・スポットのピーク強度との関係が示されている。これらのデータは、光の挙動のシミュレーションによって得たものである。
　図１４は、コマ収差とレーザ・スポットの規格化されたピーク強度との関係を示す図である。横軸は、波長単位で表したコマ収差（ＰＶ値）を表す。縦軸は、それぞれのｔについてコマ収差が０のピーク強度で規格化されたピーク強度を表す。
　図１３および図１４において、コマ収差の変化に対して、ピーク強度が変化しないのが好ましい。
　図１５は、コマ収差とサイドローブ強度との関係を示す図である。横軸は、波長単位で表したコマ収差（ＰＶ値）を表す。縦軸は、それぞれのｔについてサイドローブ強度を表す。ここで、サイドローブ強度は、ＰＳＦ（点像分布関数）のコマ収差の方向断面の二番目に大きなピークの強度の、最大ピーク強度に対する比である。
　図１５において、コマ収差の変化に対して、サイドローブ強度が小さな値のままであるのが好ましい。
　図１３乃至図１５の結果から、コマ収差の変化に対して、サイドローブ強度が比較的小さな値のままで、ピーク強度の変化が小さい領域は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 である。さらに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 であるのが特に好ましい。
　本発明の実施形態について以下に説明する。
　本発明の実施形態による位相シフト板は、板面の極座標
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 上で、レーザが通過する領域を、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 としたときに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 の領域にπの位相差を与えるように構成されている。
　本実施形態によれば、位相差を与える領域を上記の範囲とすることで、デフォーカス量の変化に対して、レーザ・スポットの直径を比較的小さな値としたままで、ピーク強度の変化を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による位相シフト板は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 の領域にπの位相差を与えるように構成されている。
　本実施形態によれば、位相差を与える領域を上記の範囲とすることで、レーザ・スポットの直径およびピーク強度の変化をさらに小さくすることができる。
　本発明の実施形態による位相シフト板は、板面の極座標
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 上で、レーザが通過する領域を、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 とし、その最大値をaとしたときに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 の領域にπの位相差を与えるように構成されている。
　本実施形態によれば、位相差を与える領域を上記の範囲とすることで、コマ収差の変化に対して、サイドローブ強度を比較的小さな値としたままで、ピーク強度の変化を小さくすることができる。
　本発明の実施形態による位相シフト板は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
の領域にπの位相差を与えるように構成されている。
　本実施形態によれば、位相差を与える領域を上記の範囲とすることで、サイドローブ強度およびピーク強度の変化をさらに小さくすることができる。
　本発明の他の実施形態による位相シフト板は、レーザ・ビーム・プリンタの光学系において、コリメータレンズとポリゴンミラーとの間に設置される。
　本実施形態によれば、コリメータレンズとポリゴンミラーとの間に設置することにより、実際の光学系において容易に使用することができる。
　本発明の実施形態による位相シフト板は、レーザ光が通過する領域を定める、レーザ光の遮蔽部を備えている。
　本実施形態によれば、単一の光学素子によって、上記の効果を達成することができる。
　本発明の実施形態による光学系は、コリメータレンズと、開口板と、本発明のいずれかの実施形態による位相シフト板と、を備えた光学系であって前記コリメータレンズによってほぼ平行とされたレーザ光が前記開口板を通過した後、前記位相シフト板に照射されるように構成されている。
　本実施形態によれば、開口板と簡単な構造の位相シフト板とを備える光学系によって、容易に上記の効果を達成することができる。
　本発明の実施形態による光学素子は、コリメータレンズと、いずれかの実施形態による位相シフト板と、前記コリメータレンズおよび前記位相シフト板を保持するフレームと、を備えている。
　本実施形態による光学素子は、コリメータレンズおよび位相シフト板が一体として形成されているので、レーザ・ビーム・プリンタなどの光学系に容易に設置することができる。
　本発明の実施形態によるレーザ・ビーム・プリンタは、いずれかの実施形態による位相シフト板、上記の実施形態による光学系、または上記の実施形態による光学素子を備えている。
　本実施形態によるレーザ・ビーム・プリンタは、所定の焦点深度を確保しながらレーザ・ビームのスポット径を小さくし、また、コマ収差を小さくすることができる上に容易に製造することができる。

Claims (10)

  1. 　ほぼ平行とされたレーザ光に使用される位相シフト板であって、レーザ光が通過する領域の周縁部の少なくとも一部にπの位相差を与えるように構成された位相シフト板。
  2. 　板面の極座標
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     上で、レーザが通過する領域を、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     としたときに、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     の領域にπの位相差を与えるように構成された請求項１に記載の位相シフト板。
  3. Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     の領域にπの位相差を与えるように構成された請求項２に記載の位相シフト板。
  4. 　板面の極座標
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     上で、レーザが通過する領域を、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
     とし、その最大値をaとしたときに、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
     の領域にπの位相差を与えるように構成された請求項１に記載の位相シフト板。
  5. Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
     の領域にπの位相差を与えるように構成された請求項４に記載の位相シフト板。
  6. 　レーザ・ビーム・プリンタの光学系において、コリメータレンズとポリゴンミラーとの間に設置される請求項１から５のいずれかに記載された位相シフト板。
  7. 　レーザ光が通過する領域を定める、レーザ光の遮蔽部を備えた請求項１から６のいずれかに記載された位相シフト板。
  8. 　コリメータレンズと、開口板と、請求項１から６のいずれかに記載された位相シフト板と、を備えた光学系であって前記コリメータレンズによってほぼ平行とされたレーザ光が前記開口板を通過した後、前記位相シフト板に照射されるように構成された光学系。
  9. 　コリメータレンズと、請求項１から６のいずれかに記載された位相シフト板と、前記コリメータレンズおよび前記位相シフト板を保持するフレームと、を備えた光学素子。
  10. 　請求項１から７のいずれかに記載された位相シフト板、請求項８に記載された光学系、または請求項９に記載された光学素子を備えたレーザ・ビーム・プリンタ。
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