JPS6314328B2 - - Google Patents
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Description
本発明は実質上シングルモードを有する半導体
レーザーを光源とする半導体レーザ光学装置に関
するものである。 従来、この種の光学系は、走査装置に用いる場
合第１図に示すように、He−Neレーザーあるい
はArレーザーなどレーザー光源１と、このビー
ムを変調する変調装置２と、変調されたビームを
偏向する回転多面鏡の如き偏向手段３と走査用レ
ンズ４と感光媒体５とから成つていた。従来のこ
の装置においては、レーザー光源自体高価なもの
で、その上、変調装置も高価なものであつた。ま
た、レーザー光源自体大きいだけでなく、光路中
に変調装置を配置するスペースも200mm〜300mm必
要であり、装置全体に対してレーザー光源と変調
装置が占めるスペースの割合は無視できなかつ
た。 これに対して本発明は、直接変調が可能な半導
体レーザーを光源とする低価格でコンパクトな記
録光学系を従来装置と同程度の性能で達成し得る
ものである。 本発明のように半導体レーザーを光源とする光
学系はRCA Review vol.35September1974P335
〜P340や、RCA Review
vol.36December1975P744〜P758に掲載されてい
るが、それらの文献で扱つているレーザーは電流
値の変化に伴つてレーザーのモードが大巾に変化
する。これに伴つて結像スポツトの大きさも大巾
に変化する。このようなマルチモードの光源を記
録系に使用する場合、良質な画像を得ることが困
難である。 本発明は上記のようなマルチモードの半導体レ
ーザーではなく実質上シングルモードの半導体レ
ーザーを使用した場合、それに適した比較的簡単
な構成の光学系を用いて良好な結像性能を得、且
つ感光媒体上に必要光量を伝達し得るものであ
る。 本発明において使用する半導体レーザーは、上
記文献のような電流値によつてモードがマルチ化
せず、常にシングルモードが保持されるいわゆる
コヒーレント光源として扱えるものである。た
だ、この半導体レーザーはその接合面に平行な方
向と、垂直な方向とで、ビームウエスト位置が一
般に異なるいわゆる非点隔差のある光源である。 本発明の目的は上記の非点隔差が存在しても感
光媒体上に必要な光量を伝達することを満足させ
て、実質上回折限界程度の結像性能を有する半導
体レーザ光学装置を提供するものである。 第２図は本発明において使用する半導体レーザ
ーの光束の放射状況の模式図で６ａはレーザーの
接合面に垂直方向の面Ｓ内のビームウエスト位置
で、６ｂはレーザーの接合面に平行な面Ｊ内のビ
ームウエスト位置である。 半導体レーザーは高周波で変調することが可能
で、走査系にこれを用いると高速記録が達成され
る利点があるので、本発明は走査系について述べ
る。 第３図は本発明の光学装置のを走査系に用いた
配置図で、レーザー７の接合面に垂直面内のビー
ムウエスト位置６ａと、接合面に平行な面内のビ
ームウエスト位置６ｂからの放射される光束を対
物レンズ８で受光し、シリンドリカルレンズ系９
によつて対物レンズ８から出射する光束を平行化
する。また、シリンドリカルレンズ系９はレーザ
ー７の接合面に平行な方向に屈折力を有し、接合
面に垂直方向には屈折力を有しないもので、接合
面に平行方向の光束径を拡大する機能を有する。 対物レンズ８の焦点はレーザー７の接合面と垂
直方向のビームウエスト位置と一致し、レーザー
７の接合面に平行な面内での対物レンズ８とシリ
ンドリカルレンズ系９の合成系の焦点はレーザー
の接合面に平行な面内のビームウエスト位置に対
して回折限界の範囲内の位置に存在する。 この点に関しさらに詳細に述べる。上記シリン
ドリカルレンズ系９は、レーザー７の接合面に平
行な面内で第４図ａのような構成で、光束の入射
側に負の屈折力を有し、入射側に凹面を向け、出
射側の面は平面である平凹のシリンドリカルレン
ズ９ａと光束の入射側が平面で、出射側の面が凸
面である平凸のシリンドリカルレンズ９ｂとから
成つている。そして平凹シリンドリカルレンズ９
ａと平凸シリンドリカルレンズ９ｂの焦点は一致
し、シリンドリカル平凹レンズ９ａに平行光束を
入射させたときシリンドリカル平凸レンズ９ｂか
ら出射する光束は平行となるアフオーカル系であ
る。 レーザーの接合面に垂直な面内では、このシリ
ンドリカルレンズ系９は第４図ｂのように屈折力
をもたず、入射光束はそのまま出射光束となる。 上記のシリンドリカルレンズ系９を出射した光
束は第３図の偏向ミラー１０で偏向され走査用レ
ンズ１１によつて感光媒体１２上に結像される。
この感光媒体１２は走査用レンズ１１の焦点面近
傍に配置する。このとき、前述の直交方向のビー
ムウエスト位置の非点隔差が第２図のようにある
とき、対物レンズ８、シリンドリカルレンズ系９
及び走査用レンズ１１の全光学系によつて、レー
ザー７の接合面に対して垂直面内のビームウエス
ト位置から放射する光束が結像される位置とレー
ザー７の接合面に平行な面内のビームウエスト位
置から放射する光束が結像される位置６a′，６
b′は異なる。この位置の隔差を△S′とし、第３図
における光束径を制限するアパーチヤー１３の、
レーザーの接合面と平行な方向の径をDJとし、
レーザーの接合面と垂直な方向の径をDSとし、
走査用レンズ１１の焦点距離をf11とし、レーザ
ーの発光波長をλとするとき △S′≦2.44λ｛（１／DS）2＋（１／DJ）2｝f2 11(1) なる条件を満足し、且つ前記の隔差を有する二つ
の結像位置の適切な位置に感光媒体を配置すれば
経験上ほぼ回折限界程度の良好な結像性能を得る
ことができる。更に、第４図ａにおいてシリンド
リカル平凹レンズの焦点距離をf9a、シリンドリ
カル平凸レンズの焦点距離をf9b、第９図の対物
レンズ８の焦点距離をf8とすると回折限界程度の
結像性能を得るための許容できる半導体レーザー
の直交方向のビームウエスト位置の隔差△Ｓは △Ｓ≦（f9b／f9a）2・（f8／f11）2・△S′ (2) を満足すればよいので(1)、(2)式より を得る。すなわちアフオーカルシリンドリカルレ
ンズ系９を構成する２枚のレンズの焦点距離比が
(3)式を満足するとき第３図に示すような走査光学
系において感光媒体位置を適切な位置に配置する
ことによつて、回折限界程度の良好な結像性能を
得ることが可能である。 一方感光媒体上に到達すべき必要な最小光量を
εとして、半導体レーザーが感光媒体の方向へ放
射する全光量をE0とするとき、本発明の光学系
によつて感光媒体上へ伝達される光量E′は E′≧γ0・E0 但しγ0≡ε／E0 (4) なる条件を満足すれば良い。 ここで半導体レーザーから放射される光束はそ
の放射角度に対して実質上ガウス分布として近似
することができ、レーザーの接合面に垂直、平行
それぞれの面内の分布の分散をσ2 S、σ2 Jとする。こ
のレーザーから放射する光束を光学系でそれぞれ
の面内で−θS〜θS、−θJ〜θJの範囲で受光するとす
る。そのときそれぞれの面内での受光率γS、γJは である。 今、 γ≡γS・γJ (7) として、γを全立体角に放射されるレーザー光量
に対する光学系で受光する光量の比とみなす。こ
のとき、前述のγ0に対し γ＞γ0 (8) なる関係を満足させれば感光媒体上に到達すべき
必要光量を確保できる。 ここで(5)式を図示すると第５図のようになる。
横軸はθS／σS、たて軸はγSを表わす。 同様に(6)式を図示すると第６図のようになる。
横軸はθJ／σJ、たて軸はγJを表わす。 これらの曲線から半導体レーザーのガウス分布
の分散σ2 S、σ2 J及び受光角θS、θJを設定すればγS
γJ
が求まり(7)式からγを計算することができる。
今、光学系を設定する手順として、半導体レーザ
ーの接合面に垂直面内のアパーチヤー１３の径
DSと対物レンズ８の焦点距離f8を決めたとする
と、この面内の受光角θSがθS＝sin-1（DS／2f8）より 決まるので図５からγSを求められる。さらにγJ＝
γ0／γSを満足するθJを第６図より求める。このθJの
値 をθJ0とすると実際に光学系で受光する光量比γ
がγ0より大きくなるためには、半導体レーザーの
接合面に平行な面内での受光角θJは θJ＞θJ0 (9) であればよい。 このとき、この面内のアパーチヤー１３の径
DJは DJ＝２・｜f9b／f9a｜・f8sinθJ (10) であるから(9)、(10)式から ｜f9b／f9a｜＜DJ／2f8sinθJ0 (11) を得る。 すなわち、前述の(3)式と（13）式からシリンド
リカルレンズ系９の構成レンズの焦点距離比｜
f9b／f9a｜を の範囲に入るようにすれば、回折限界程度の良好
な結像性能を得、且つ、記録に必要な光量を感光
媒体上に伝達することが可能である。 ここでシリンドリカルレンズ系９において、シ
リンドリカル平凹レンズの平面を光束の入射側に
設けなかつた理由は、その面での反射光がレーザ
ーの内部に逆進するのを防ぐためである。反射光
がレーザー内部に逆進するといわゆる自己カツプ
リングなる現象が生じ、レーザーの発光特性が変
化し、好ましくない。 次に第３図にてレーザー接合面と平行方向のア
パーチヤー径DJと、第４図ａにおけるシリンド
リカル平凸レンズの焦点距離f9bとの間に f9b／DJ＞５ （13） なる関係を満足させると、このシリンドリカルレ
ンズ９の構成において出射する光束の平行性を良
好にすることができる。 第４図ａにおいて、入射平行光束に対してシリ
ンドリカル平凹レンズにて、補正過剰の球面収差
が発生し、シリンドリカル平凸レンズにて補正不
足の球面収差が発生する。前記の(4)式の関係を満
足すると、個々のレンズでの球面収差発生量を少
くでき、両者レンズの合成系で球面収差が良好に
補正することが可能である。前記（13）式を満足
しないと、個々のレンズの収差発生量が多くなり
両者レンズの合成系で球面収差を良好に補正する
ことが困難となる。 以上の本発明の光学装置において、たとえば、
対物レンズ８の焦点距離f8をf8＝10mm走査用レン
ズ１１の焦点距離f11をf11＝500mmレーザー接合面
の垂直方向のアパーチヤー径DSをDS＝10mmとし、
直交方向のそれぞれのビームウエスト位置の隔差
△Ｓが △Ｓ＝0.02mm で、シングルモードの波長λが λ＝8000Å の半導体レーザーを用いたとき、(3)式に従つてレ
ーザー接合面に平行な方向のアパーチヤー径DJ
とシリンドリカルレンズ系９を構成するシリンド
リカル平凸レンズとシリンドリカル平凹レンズの
それぞれの焦点距離比の絶対値｜f9b／f9a｜の最小値 との関係を図示すると第７図の曲線ａとなる。 さらに、半導体レーザーの分布をその接合面に
垂直方向の分散をσS 2＝（15゜）2、平行方向の分散を
σJ 2＝（40゜）2として、感光媒体上に記録するための
最小必要光量比γ0をγ0＝0.8とする。レーザー接
合面に垂直面内の受光角θSはθS＝sin-1（DS／2f8）＝
30゜ であるからθS／σS＝２であり、第６図よりγS＝
0.955を求められる。このとき、感光媒体上に到
達すべき必要光量を確保するためには前述の(7)、
(8)式より γJ＞γ0／γS＝0.838 であればよい。すなわち第６図より θJ0＝1.4×σJ＝5.6゜ が求められる。 以上求められた数値を(11)式の右辺に代入して、
半導体レーザーの接合面に平行な方向のアパーチ
ヤー径DJに対するシリンドリカルレンズ系９を
構成するレンズの焦点距離比｜f9b／f9a｜の最大限は 第７図の直線ｂで示される。 すなわち本発明の目的を達成するためには、前
記焦点距離比｜f9b／f9a｜の値は第７図の斜線部内に あればよい。 ここでDJ＝3.33mmのとき｜f9b／f9a｜＝１となり、 シリンドリカルレンズ系９はその機能を果さなく
なり、シリンドリカルレンズ系９はなくても良い
結果になる。一般に、シリンドリカルレンズ系９
がなくても良い条件はDJの値が 但しｋ≡（f8／DS）2・2.44λ／△Ｓ の値のときである。 すなわち、レーザー接合面に平行な方向のアパ
ーチヤー径DJの値をほぼ（14）式の右辺の値に
すればシリンドリカルレンズ系９がなくても比較
的良好な結像性能を得ることが可能である。DJ
＜3.33の値に対しては｜f9b／f9a｜の値は１より小さ くなる。これは第４図ａの構成では実現困難であ
るので、ここでは考慮の対象から外す。 以上のような記録光学系を走査装置に用いると
高周波数で直接変調が可能な半導体レーザーの利
点が活かされる。すなわち、第３図に示すよう
に、偏向手段として等角速度回転をする回転多面
鏡を用いて半導体レーザーからの光束を偏向し、
感光媒体上を走査するような場合、高速記録を達
成することが可能になる。この場合、走査用結像
レンズ１１としてfθレンズ（y′＝f11θ；y′は光軸
から走査位置迄の距離、f11は該レンズの焦点距
離、θは該レンズに入射する偏向光束が該レンズ
の光軸となす角度）を用いれば感光媒体上の走査
速度を一定にすることができ、半導体レーザーに
与える種々の変調信号周波数と基本のクロツク周
波数との比を整数比にすることができ電気回路の
単純化が可能になる。 あるいは、前記の等角速度回転鏡の代わりに時
間ｔに対し、振巾φ0で正弦振動をするガルヴア
ノミラーの如き偏向手段を用いたとき、前記fθレ
ンズの代わりにアークサインレンズ（y′＝
2φ0fsin-1（θ／2φ0）；y′、θの意味は前述のとお
り） を用いることにより前述と同じ効果が得られる。
それらの走査において、前述のアパーチヤーの径
DS、DJを適当に選ぶことにより感光媒体上に形
成されるスポツトを所望の形状にできる。走査系
において、たとえば第１９図に示すように、感光
媒体上のスポツト１３がy′方向に走査されると
き、その方向のスポツト径ρy′をy′方向と直角方
向のz′方向のスポツト径ρz′より小さくしてやる
と１画素の変調時間内にスポツトは第２０図のよ
うに１３から１３′へシフトし、その間に記録さ
れるスポツトは１４の如く大きくなる。その結
果、１画素の記録スポツトの大きさをy′、z′方向
で等しくすることが可能になる。 あるいは、上記例の場合より高周波数で半導体
レーザーを変調して、第２１ａ図、第２１ｂ図の
如く複数画素をオーヴアーラツプさせ、走査方向
あるいは、それと垂直方向にコントラストの高い
画質を得ることが可能である。 以上のように走査系においてアパーチヤー径を
えらぶことによつて画質の制御を種々試みること
ができるようになる。 但し、このような場合もシリンドリカルレンズ
系の構成レンズの焦点距離比｜f9b／f9a｜の値は(12)式 の条件を満足してはじめて良好な画像を得ること
ができる。たとえば前述の数値例において図示し
た第７図の斜線部内に存在するアパーチヤー径
DJと｜f9b／f9a｜の値の組合わせを行うことによつて 上記のような良好な画像を得ることが可能であ
る。 以下に本発明の実施例を記述する。 第８図は本発明に使用した半導体レーザーの配
光特性を示すもので、横軸に広がり角度、たて軸
に強度を示す。記号Ｓはレーザー接合面に垂直方
向、記号Ｊはレーザー接合面に平行な方向の配光
特性分布を示す。その分布特性は、レーザー接合
面に垂直方向、平行な方向ともにそれぞれほぼガ
ウス分布に一致しており、それぞれの方向の分散
をσS 2、σJ 2とするときσS≒15゜、σJ≒4゜である。
ま
たこのレーザーの発光波長λはλ≒8000Åで、シ
ングルモードを有し、直交方向のそれぞれのビー
ムウエスト位置の隔差は約0.02mmである。 第９図は、対物レンズ８、第１０図はシリンド
リカルレンズ系９、第１１図は走査用レンズ１１
の構成断面を示す。表１にそれらの構成値を掲げ
る。Ri、di、li、Niはそれぞれｉ番目の面の曲率
半径、レンズ軸上厚、空気間隔、レンズの屈折率
である。 表１の対物レンズは光束の出射側に負の屈折力
を有した凹レンズを配置させ、いわゆるレトロフ
オーカスタイプのレンズで、これはレーザーの発
光面と対物レンズとのワーキングデイスタンスを
長くするために設けたものである。これは対物レ
ンズの焦点距離が短かくなつたときその焦点距離
に比してワーキングデイスタンスを長くするため
に有効である。しかし、その焦点距離が長くてよ
い場合には、第１２図のように出射側の凹レンズ
をなくすことが可能である。この数値を表２に示
す。 また、第１３図のように１枚の非球面レンズを
対物レンズとすることも可能である。この構成数
値を表３に示す。 その非球面の形状は次式で表わす。 但し、この場合 R24＝−7.833 Ａ＝1.44747×10-4 Ｂ＝3.52553×10-6 である。 また、シリンドリカルレンズ系は第１４図のよ
うに一つのレンズでも第１０図の系と等価なもの
が得られる。この構成データを表４に示す。この
とき前述のf9a、f9bは第25面、第26面のそれぞれ
の焦点距離に等しい。上記の各種対物レンズとシ
リンドリカルレンズ系の組合わせはどのように組
合わせてもよい。 特に、第１３図の非球面単レンズの対物レンズ
と第１４図の１枚シリンドリカルレンズとの組合
わせで用いると構成が単純になり、組立調整が簡
単になり低価格化を自現し得る。また構成面数が
少なくなると光量透過率も多くなり、感光媒体上
に伝達される光量は多くなり有利である。 本実施例において使用したアパーチヤーは、対
物レンズとして第９図の４枚構成のものを使用し
たとき、φ9.3mmである。あるいはレーザーの接合
面と垂直方向を9.3mm、平行な方向を16.8mmとし
ても良好な結像性能が得られる。 φ9.3mmのアパーチヤーを用い記録に必要な最小
光量比γ0をγ0＝0.686とするとシリンドリカルレ
ンズ系の焦点距離比｜f9b／f9a｜の値は前述の(12)式か ら 2.1≦｜f9b／f9a｜＜6.0 の間に入ればよい。本実施例において、第１０図
と表１に示したシリンドリカルレンズは ｜f9b／f9a｜＝4.13 であり、第１４図と表４に示したシリンドリカル
レンズは ｜f9b／f9a｜＝3.83 である。 あるいは、レーザーの接合面と垂直方向を9.3
mm、平行な方向を16.8mmとしたとき(12)式に従い、
同様に計算すると、この時 2.6≦｜f9b／f9a｜＜10.8 であればよい。この時も上記実施例は満足する。
第１５図は第９図と表１に示す対物レンズのコリ
メート性能を示す。 第１６図は第１０図と表１に示すシリンドリカ
ルレンズの出射平行光束の性能を示す。 第１７図ａ，ｂは第１１図と表１に示す走査用
レンズの性能を示し、ａは球面収差、ｂは非点収
差と像面彎曲を示す。 第１８図は、第１２図と表２に示す対物レンズ
の性能を示す。 第１５，１６，１８図において横軸は波長収差
で1λ＝0.8×10-3mm、たて軸は出射光線の高さを
示す。第１７ｂ図のたて軸は走査用レンズに入射
する偏向された光束の光軸となす角度である。
Ｍ，Ｓは、それぞれメリデイオナル断面、サジタ
ル断面内の像面彎曲を示す。 第１３図の対物レンズ、第１４図のシリンドリ
カルレンズの性能はそれぞれ第９図の対物レン
ズ、第１０図のシリンドリカルレンズの性能とほ
ぼ同程度であるので省略する。図示した各レンズ
の性能をみて明らかなように、回折限界程度の良
好な性能である。
レーザーを光源とする半導体レーザ光学装置に関
するものである。 従来、この種の光学系は、走査装置に用いる場
合第１図に示すように、He−Neレーザーあるい
はArレーザーなどレーザー光源１と、このビー
ムを変調する変調装置２と、変調されたビームを
偏向する回転多面鏡の如き偏向手段３と走査用レ
ンズ４と感光媒体５とから成つていた。従来のこ
の装置においては、レーザー光源自体高価なもの
で、その上、変調装置も高価なものであつた。ま
た、レーザー光源自体大きいだけでなく、光路中
に変調装置を配置するスペースも200mm〜300mm必
要であり、装置全体に対してレーザー光源と変調
装置が占めるスペースの割合は無視できなかつ
た。 これに対して本発明は、直接変調が可能な半導
体レーザーを光源とする低価格でコンパクトな記
録光学系を従来装置と同程度の性能で達成し得る
ものである。 本発明のように半導体レーザーを光源とする光
学系はRCA Review vol.35September1974P335
〜P340や、RCA Review
vol.36December1975P744〜P758に掲載されてい
るが、それらの文献で扱つているレーザーは電流
値の変化に伴つてレーザーのモードが大巾に変化
する。これに伴つて結像スポツトの大きさも大巾
に変化する。このようなマルチモードの光源を記
録系に使用する場合、良質な画像を得ることが困
難である。 本発明は上記のようなマルチモードの半導体レ
ーザーではなく実質上シングルモードの半導体レ
ーザーを使用した場合、それに適した比較的簡単
な構成の光学系を用いて良好な結像性能を得、且
つ感光媒体上に必要光量を伝達し得るものであ
る。 本発明において使用する半導体レーザーは、上
記文献のような電流値によつてモードがマルチ化
せず、常にシングルモードが保持されるいわゆる
コヒーレント光源として扱えるものである。た
だ、この半導体レーザーはその接合面に平行な方
向と、垂直な方向とで、ビームウエスト位置が一
般に異なるいわゆる非点隔差のある光源である。 本発明の目的は上記の非点隔差が存在しても感
光媒体上に必要な光量を伝達することを満足させ
て、実質上回折限界程度の結像性能を有する半導
体レーザ光学装置を提供するものである。 第２図は本発明において使用する半導体レーザ
ーの光束の放射状況の模式図で６ａはレーザーの
接合面に垂直方向の面Ｓ内のビームウエスト位置
で、６ｂはレーザーの接合面に平行な面Ｊ内のビ
ームウエスト位置である。 半導体レーザーは高周波で変調することが可能
で、走査系にこれを用いると高速記録が達成され
る利点があるので、本発明は走査系について述べ
る。 第３図は本発明の光学装置のを走査系に用いた
配置図で、レーザー７の接合面に垂直面内のビー
ムウエスト位置６ａと、接合面に平行な面内のビ
ームウエスト位置６ｂからの放射される光束を対
物レンズ８で受光し、シリンドリカルレンズ系９
によつて対物レンズ８から出射する光束を平行化
する。また、シリンドリカルレンズ系９はレーザ
ー７の接合面に平行な方向に屈折力を有し、接合
面に垂直方向には屈折力を有しないもので、接合
面に平行方向の光束径を拡大する機能を有する。 対物レンズ８の焦点はレーザー７の接合面と垂
直方向のビームウエスト位置と一致し、レーザー
７の接合面に平行な面内での対物レンズ８とシリ
ンドリカルレンズ系９の合成系の焦点はレーザー
の接合面に平行な面内のビームウエスト位置に対
して回折限界の範囲内の位置に存在する。 この点に関しさらに詳細に述べる。上記シリン
ドリカルレンズ系９は、レーザー７の接合面に平
行な面内で第４図ａのような構成で、光束の入射
側に負の屈折力を有し、入射側に凹面を向け、出
射側の面は平面である平凹のシリンドリカルレン
ズ９ａと光束の入射側が平面で、出射側の面が凸
面である平凸のシリンドリカルレンズ９ｂとから
成つている。そして平凹シリンドリカルレンズ９
ａと平凸シリンドリカルレンズ９ｂの焦点は一致
し、シリンドリカル平凹レンズ９ａに平行光束を
入射させたときシリンドリカル平凸レンズ９ｂか
ら出射する光束は平行となるアフオーカル系であ
る。 レーザーの接合面に垂直な面内では、このシリ
ンドリカルレンズ系９は第４図ｂのように屈折力
をもたず、入射光束はそのまま出射光束となる。 上記のシリンドリカルレンズ系９を出射した光
束は第３図の偏向ミラー１０で偏向され走査用レ
ンズ１１によつて感光媒体１２上に結像される。
この感光媒体１２は走査用レンズ１１の焦点面近
傍に配置する。このとき、前述の直交方向のビー
ムウエスト位置の非点隔差が第２図のようにある
とき、対物レンズ８、シリンドリカルレンズ系９
及び走査用レンズ１１の全光学系によつて、レー
ザー７の接合面に対して垂直面内のビームウエス
ト位置から放射する光束が結像される位置とレー
ザー７の接合面に平行な面内のビームウエスト位
置から放射する光束が結像される位置６a′，６
b′は異なる。この位置の隔差を△S′とし、第３図
における光束径を制限するアパーチヤー１３の、
レーザーの接合面と平行な方向の径をDJとし、
レーザーの接合面と垂直な方向の径をDSとし、
走査用レンズ１１の焦点距離をf11とし、レーザ
ーの発光波長をλとするとき △S′≦2.44λ｛（１／DS）2＋（１／DJ）2｝f2 11(1) なる条件を満足し、且つ前記の隔差を有する二つ
の結像位置の適切な位置に感光媒体を配置すれば
経験上ほぼ回折限界程度の良好な結像性能を得る
ことができる。更に、第４図ａにおいてシリンド
リカル平凹レンズの焦点距離をf9a、シリンドリ
カル平凸レンズの焦点距離をf9b、第９図の対物
レンズ８の焦点距離をf8とすると回折限界程度の
結像性能を得るための許容できる半導体レーザー
の直交方向のビームウエスト位置の隔差△Ｓは △Ｓ≦（f9b／f9a）2・（f8／f11）2・△S′ (2) を満足すればよいので(1)、(2)式より を得る。すなわちアフオーカルシリンドリカルレ
ンズ系９を構成する２枚のレンズの焦点距離比が
(3)式を満足するとき第３図に示すような走査光学
系において感光媒体位置を適切な位置に配置する
ことによつて、回折限界程度の良好な結像性能を
得ることが可能である。 一方感光媒体上に到達すべき必要な最小光量を
εとして、半導体レーザーが感光媒体の方向へ放
射する全光量をE0とするとき、本発明の光学系
によつて感光媒体上へ伝達される光量E′は E′≧γ0・E0 但しγ0≡ε／E0 (4) なる条件を満足すれば良い。 ここで半導体レーザーから放射される光束はそ
の放射角度に対して実質上ガウス分布として近似
することができ、レーザーの接合面に垂直、平行
それぞれの面内の分布の分散をσ2 S、σ2 Jとする。こ
のレーザーから放射する光束を光学系でそれぞれ
の面内で−θS〜θS、−θJ〜θJの範囲で受光するとす
る。そのときそれぞれの面内での受光率γS、γJは である。 今、 γ≡γS・γJ (7) として、γを全立体角に放射されるレーザー光量
に対する光学系で受光する光量の比とみなす。こ
のとき、前述のγ0に対し γ＞γ0 (8) なる関係を満足させれば感光媒体上に到達すべき
必要光量を確保できる。 ここで(5)式を図示すると第５図のようになる。
横軸はθS／σS、たて軸はγSを表わす。 同様に(6)式を図示すると第６図のようになる。
横軸はθJ／σJ、たて軸はγJを表わす。 これらの曲線から半導体レーザーのガウス分布
の分散σ2 S、σ2 J及び受光角θS、θJを設定すればγS
γJ
が求まり(7)式からγを計算することができる。
今、光学系を設定する手順として、半導体レーザ
ーの接合面に垂直面内のアパーチヤー１３の径
DSと対物レンズ８の焦点距離f8を決めたとする
と、この面内の受光角θSがθS＝sin-1（DS／2f8）より 決まるので図５からγSを求められる。さらにγJ＝
γ0／γSを満足するθJを第６図より求める。このθJの
値 をθJ0とすると実際に光学系で受光する光量比γ
がγ0より大きくなるためには、半導体レーザーの
接合面に平行な面内での受光角θJは θJ＞θJ0 (9) であればよい。 このとき、この面内のアパーチヤー１３の径
DJは DJ＝２・｜f9b／f9a｜・f8sinθJ (10) であるから(9)、(10)式から ｜f9b／f9a｜＜DJ／2f8sinθJ0 (11) を得る。 すなわち、前述の(3)式と（13）式からシリンド
リカルレンズ系９の構成レンズの焦点距離比｜
f9b／f9a｜を の範囲に入るようにすれば、回折限界程度の良好
な結像性能を得、且つ、記録に必要な光量を感光
媒体上に伝達することが可能である。 ここでシリンドリカルレンズ系９において、シ
リンドリカル平凹レンズの平面を光束の入射側に
設けなかつた理由は、その面での反射光がレーザ
ーの内部に逆進するのを防ぐためである。反射光
がレーザー内部に逆進するといわゆる自己カツプ
リングなる現象が生じ、レーザーの発光特性が変
化し、好ましくない。 次に第３図にてレーザー接合面と平行方向のア
パーチヤー径DJと、第４図ａにおけるシリンド
リカル平凸レンズの焦点距離f9bとの間に f9b／DJ＞５ （13） なる関係を満足させると、このシリンドリカルレ
ンズ９の構成において出射する光束の平行性を良
好にすることができる。 第４図ａにおいて、入射平行光束に対してシリ
ンドリカル平凹レンズにて、補正過剰の球面収差
が発生し、シリンドリカル平凸レンズにて補正不
足の球面収差が発生する。前記の(4)式の関係を満
足すると、個々のレンズでの球面収差発生量を少
くでき、両者レンズの合成系で球面収差が良好に
補正することが可能である。前記（13）式を満足
しないと、個々のレンズの収差発生量が多くなり
両者レンズの合成系で球面収差を良好に補正する
ことが困難となる。 以上の本発明の光学装置において、たとえば、
対物レンズ８の焦点距離f8をf8＝10mm走査用レン
ズ１１の焦点距離f11をf11＝500mmレーザー接合面
の垂直方向のアパーチヤー径DSをDS＝10mmとし、
直交方向のそれぞれのビームウエスト位置の隔差
△Ｓが △Ｓ＝0.02mm で、シングルモードの波長λが λ＝8000Å の半導体レーザーを用いたとき、(3)式に従つてレ
ーザー接合面に平行な方向のアパーチヤー径DJ
とシリンドリカルレンズ系９を構成するシリンド
リカル平凸レンズとシリンドリカル平凹レンズの
それぞれの焦点距離比の絶対値｜f9b／f9a｜の最小値 との関係を図示すると第７図の曲線ａとなる。 さらに、半導体レーザーの分布をその接合面に
垂直方向の分散をσS 2＝（15゜）2、平行方向の分散を
σJ 2＝（40゜）2として、感光媒体上に記録するための
最小必要光量比γ0をγ0＝0.8とする。レーザー接
合面に垂直面内の受光角θSはθS＝sin-1（DS／2f8）＝
30゜ であるからθS／σS＝２であり、第６図よりγS＝
0.955を求められる。このとき、感光媒体上に到
達すべき必要光量を確保するためには前述の(7)、
(8)式より γJ＞γ0／γS＝0.838 であればよい。すなわち第６図より θJ0＝1.4×σJ＝5.6゜ が求められる。 以上求められた数値を(11)式の右辺に代入して、
半導体レーザーの接合面に平行な方向のアパーチ
ヤー径DJに対するシリンドリカルレンズ系９を
構成するレンズの焦点距離比｜f9b／f9a｜の最大限は 第７図の直線ｂで示される。 すなわち本発明の目的を達成するためには、前
記焦点距離比｜f9b／f9a｜の値は第７図の斜線部内に あればよい。 ここでDJ＝3.33mmのとき｜f9b／f9a｜＝１となり、 シリンドリカルレンズ系９はその機能を果さなく
なり、シリンドリカルレンズ系９はなくても良い
結果になる。一般に、シリンドリカルレンズ系９
がなくても良い条件はDJの値が 但しｋ≡（f8／DS）2・2.44λ／△Ｓ の値のときである。 すなわち、レーザー接合面に平行な方向のアパ
ーチヤー径DJの値をほぼ（14）式の右辺の値に
すればシリンドリカルレンズ系９がなくても比較
的良好な結像性能を得ることが可能である。DJ
＜3.33の値に対しては｜f9b／f9a｜の値は１より小さ くなる。これは第４図ａの構成では実現困難であ
るので、ここでは考慮の対象から外す。 以上のような記録光学系を走査装置に用いると
高周波数で直接変調が可能な半導体レーザーの利
点が活かされる。すなわち、第３図に示すよう
に、偏向手段として等角速度回転をする回転多面
鏡を用いて半導体レーザーからの光束を偏向し、
感光媒体上を走査するような場合、高速記録を達
成することが可能になる。この場合、走査用結像
レンズ１１としてfθレンズ（y′＝f11θ；y′は光軸
から走査位置迄の距離、f11は該レンズの焦点距
離、θは該レンズに入射する偏向光束が該レンズ
の光軸となす角度）を用いれば感光媒体上の走査
速度を一定にすることができ、半導体レーザーに
与える種々の変調信号周波数と基本のクロツク周
波数との比を整数比にすることができ電気回路の
単純化が可能になる。 あるいは、前記の等角速度回転鏡の代わりに時
間ｔに対し、振巾φ0で正弦振動をするガルヴア
ノミラーの如き偏向手段を用いたとき、前記fθレ
ンズの代わりにアークサインレンズ（y′＝
2φ0fsin-1（θ／2φ0）；y′、θの意味は前述のとお
り） を用いることにより前述と同じ効果が得られる。
それらの走査において、前述のアパーチヤーの径
DS、DJを適当に選ぶことにより感光媒体上に形
成されるスポツトを所望の形状にできる。走査系
において、たとえば第１９図に示すように、感光
媒体上のスポツト１３がy′方向に走査されると
き、その方向のスポツト径ρy′をy′方向と直角方
向のz′方向のスポツト径ρz′より小さくしてやる
と１画素の変調時間内にスポツトは第２０図のよ
うに１３から１３′へシフトし、その間に記録さ
れるスポツトは１４の如く大きくなる。その結
果、１画素の記録スポツトの大きさをy′、z′方向
で等しくすることが可能になる。 あるいは、上記例の場合より高周波数で半導体
レーザーを変調して、第２１ａ図、第２１ｂ図の
如く複数画素をオーヴアーラツプさせ、走査方向
あるいは、それと垂直方向にコントラストの高い
画質を得ることが可能である。 以上のように走査系においてアパーチヤー径を
えらぶことによつて画質の制御を種々試みること
ができるようになる。 但し、このような場合もシリンドリカルレンズ
系の構成レンズの焦点距離比｜f9b／f9a｜の値は(12)式 の条件を満足してはじめて良好な画像を得ること
ができる。たとえば前述の数値例において図示し
た第７図の斜線部内に存在するアパーチヤー径
DJと｜f9b／f9a｜の値の組合わせを行うことによつて 上記のような良好な画像を得ることが可能であ
る。 以下に本発明の実施例を記述する。 第８図は本発明に使用した半導体レーザーの配
光特性を示すもので、横軸に広がり角度、たて軸
に強度を示す。記号Ｓはレーザー接合面に垂直方
向、記号Ｊはレーザー接合面に平行な方向の配光
特性分布を示す。その分布特性は、レーザー接合
面に垂直方向、平行な方向ともにそれぞれほぼガ
ウス分布に一致しており、それぞれの方向の分散
をσS 2、σJ 2とするときσS≒15゜、σJ≒4゜である。
ま
たこのレーザーの発光波長λはλ≒8000Åで、シ
ングルモードを有し、直交方向のそれぞれのビー
ムウエスト位置の隔差は約0.02mmである。 第９図は、対物レンズ８、第１０図はシリンド
リカルレンズ系９、第１１図は走査用レンズ１１
の構成断面を示す。表１にそれらの構成値を掲げ
る。Ri、di、li、Niはそれぞれｉ番目の面の曲率
半径、レンズ軸上厚、空気間隔、レンズの屈折率
である。 表１の対物レンズは光束の出射側に負の屈折力
を有した凹レンズを配置させ、いわゆるレトロフ
オーカスタイプのレンズで、これはレーザーの発
光面と対物レンズとのワーキングデイスタンスを
長くするために設けたものである。これは対物レ
ンズの焦点距離が短かくなつたときその焦点距離
に比してワーキングデイスタンスを長くするため
に有効である。しかし、その焦点距離が長くてよ
い場合には、第１２図のように出射側の凹レンズ
をなくすことが可能である。この数値を表２に示
す。 また、第１３図のように１枚の非球面レンズを
対物レンズとすることも可能である。この構成数
値を表３に示す。 その非球面の形状は次式で表わす。 但し、この場合 R24＝−7.833 Ａ＝1.44747×10-4 Ｂ＝3.52553×10-6 である。 また、シリンドリカルレンズ系は第１４図のよ
うに一つのレンズでも第１０図の系と等価なもの
が得られる。この構成データを表４に示す。この
とき前述のf9a、f9bは第25面、第26面のそれぞれ
の焦点距離に等しい。上記の各種対物レンズとシ
リンドリカルレンズ系の組合わせはどのように組
合わせてもよい。 特に、第１３図の非球面単レンズの対物レンズ
と第１４図の１枚シリンドリカルレンズとの組合
わせで用いると構成が単純になり、組立調整が簡
単になり低価格化を自現し得る。また構成面数が
少なくなると光量透過率も多くなり、感光媒体上
に伝達される光量は多くなり有利である。 本実施例において使用したアパーチヤーは、対
物レンズとして第９図の４枚構成のものを使用し
たとき、φ9.3mmである。あるいはレーザーの接合
面と垂直方向を9.3mm、平行な方向を16.8mmとし
ても良好な結像性能が得られる。 φ9.3mmのアパーチヤーを用い記録に必要な最小
光量比γ0をγ0＝0.686とするとシリンドリカルレ
ンズ系の焦点距離比｜f9b／f9a｜の値は前述の(12)式か ら 2.1≦｜f9b／f9a｜＜6.0 の間に入ればよい。本実施例において、第１０図
と表１に示したシリンドリカルレンズは ｜f9b／f9a｜＝4.13 であり、第１４図と表４に示したシリンドリカル
レンズは ｜f9b／f9a｜＝3.83 である。 あるいは、レーザーの接合面と垂直方向を9.3
mm、平行な方向を16.8mmとしたとき(12)式に従い、
同様に計算すると、この時 2.6≦｜f9b／f9a｜＜10.8 であればよい。この時も上記実施例は満足する。
第１５図は第９図と表１に示す対物レンズのコリ
メート性能を示す。 第１６図は第１０図と表１に示すシリンドリカ
ルレンズの出射平行光束の性能を示す。 第１７図ａ，ｂは第１１図と表１に示す走査用
レンズの性能を示し、ａは球面収差、ｂは非点収
差と像面彎曲を示す。 第１８図は、第１２図と表２に示す対物レンズ
の性能を示す。 第１５，１６，１８図において横軸は波長収差
で1λ＝0.8×10-3mm、たて軸は出射光線の高さを
示す。第１７ｂ図のたて軸は走査用レンズに入射
する偏向された光束の光軸となす角度である。
Ｍ，Ｓは、それぞれメリデイオナル断面、サジタ
ル断面内の像面彎曲を示す。 第１３図の対物レンズ、第１４図のシリンドリ
カルレンズの性能はそれぞれ第９図の対物レン
ズ、第１０図のシリンドリカルレンズの性能とほ
ぼ同程度であるので省略する。図示した各レンズ
の性能をみて明らかなように、回折限界程度の良
好な性能である。
【表】
【表】
【表】
【表】
【表】
さて、次に本発明の光学装置を電子写真技術を
利用したレーザビーム記録装置について述べる。
この装置は第３図の装置とほぼ同様であつて良
い。ただ半導体レーザ７に変調信号を印加してこ
の半導体レーザ７の発光を制御すること、及び走
査面１２上に電子写真用の感光材、若しくは感光
ドラムを配置することが必要である。電子写真用
の感光材としてはCdS感材が望ましい。その理由
は、半導体レーザの光は近赤外光でCdS感光材の
分光感度特性にマツチしているからである。すな
わち、電子写真感光材として代表的なものとして
ZnO、非晶質Se、CdSが挙げられる。しかしなが
ら、Se感光体においては、高感度領域が短波長
側に偏つており、近赤外にはマツチングしない。
Seに、AsやTeを混入することにより、感度が長
波長側にずれることは知られている。このような
方法も利用できる。しかしAsやTeを加えること
により、暗抵抗値が下る等の電子写真感光材料と
しては好ましくない特性を示すことがあるので感
光層を２層にする等の対処をする必要がある。ま
た、ZnOにおいては、ZnOの固有の感度は350〜
400ｍμにあり、半導体レーザ光に適合するよう
に、色素増感することが可能である。その絶対感
度は、後述のCdS感光体に比較すると10分の１以
下である。 従つてCdS感材を使用することが望ましい。更
にこのCdS感材は導電性支持体、CdS光導性層及
び絶縁層の三層構成から構成されるものが望まし
い。
利用したレーザビーム記録装置について述べる。
この装置は第３図の装置とほぼ同様であつて良
い。ただ半導体レーザ７に変調信号を印加してこ
の半導体レーザ７の発光を制御すること、及び走
査面１２上に電子写真用の感光材、若しくは感光
ドラムを配置することが必要である。電子写真用
の感光材としてはCdS感材が望ましい。その理由
は、半導体レーザの光は近赤外光でCdS感光材の
分光感度特性にマツチしているからである。すな
わち、電子写真感光材として代表的なものとして
ZnO、非晶質Se、CdSが挙げられる。しかしなが
ら、Se感光体においては、高感度領域が短波長
側に偏つており、近赤外にはマツチングしない。
Seに、AsやTeを混入することにより、感度が長
波長側にずれることは知られている。このような
方法も利用できる。しかしAsやTeを加えること
により、暗抵抗値が下る等の電子写真感光材料と
しては好ましくない特性を示すことがあるので感
光層を２層にする等の対処をする必要がある。ま
た、ZnOにおいては、ZnOの固有の感度は350〜
400ｍμにあり、半導体レーザ光に適合するよう
に、色素増感することが可能である。その絶対感
度は、後述のCdS感光体に比較すると10分の１以
下である。 従つてCdS感材を使用することが望ましい。更
にこのCdS感材は導電性支持体、CdS光導性層及
び絶縁層の三層構成から構成されるものが望まし
い。
第１図は従来の走査装置を示す図、第２図は半
導体レーザ光束の放射状況の模式図、第３図は本
発明の光学装置を走査系に適用した光学配置図、
第４図は第３図のシリンドリカル系の詳細を説明
する図、第５図及び第６図は半導体レーザからの
光を光学系で受けた場合、その受光角と受光率の
関係を示すグラフ図、第７図は第３図のシリンド
リカルレンズ平凸レンズと平凹レンズのそれぞれ
の焦点距離比の絶対値の最小値との関係を示すグ
ラフ図、第８図は半導体レーザの配光特性を示す
図、第９図は第３図の対物レンズの断面図、第１
０図は第３図のシリンドリカルレンズ系の断面
図、第１１図は第３図の走査レンズの断面図、第
１２図は第９図のレンズの変形例を示す断面図、
第１３図は変形対物レンズの断面図、第１４図は
変形シリンドリカルレンズの断面図、第１５図は
第９図の対物レンズのコリメート性能を示す図、
第１６図は第１０図のシリンドリカルレンズの出
射平行光束の性能を示す図、第１７図は第１１図
の走査レンズの性能を示す図、第１８図は第１２
図の対物レンズの性能を示す図、第１９図はスポ
ツトの状態を示す図、第２０図は第１９図のスポ
ツトの移動状態を示す図、第２１図は各スポツト
をオーバーラツプして記録する方法を示す図であ
る。 図中６は発光原点、７は半導体レーザ、８は対
物レンズ、９はシリンドリカルレンズ系、１０は
偏向器、１１は走査レンズ、１２は走査面であ
る。
導体レーザ光束の放射状況の模式図、第３図は本
発明の光学装置を走査系に適用した光学配置図、
第４図は第３図のシリンドリカル系の詳細を説明
する図、第５図及び第６図は半導体レーザからの
光を光学系で受けた場合、その受光角と受光率の
関係を示すグラフ図、第７図は第３図のシリンド
リカルレンズ平凸レンズと平凹レンズのそれぞれ
の焦点距離比の絶対値の最小値との関係を示すグ
ラフ図、第８図は半導体レーザの配光特性を示す
図、第９図は第３図の対物レンズの断面図、第１
０図は第３図のシリンドリカルレンズ系の断面
図、第１１図は第３図の走査レンズの断面図、第
１２図は第９図のレンズの変形例を示す断面図、
第１３図は変形対物レンズの断面図、第１４図は
変形シリンドリカルレンズの断面図、第１５図は
第９図の対物レンズのコリメート性能を示す図、
第１６図は第１０図のシリンドリカルレンズの出
射平行光束の性能を示す図、第１７図は第１１図
の走査レンズの性能を示す図、第１８図は第１２
図の対物レンズの性能を示す図、第１９図はスポ
ツトの状態を示す図、第２０図は第１９図のスポ
ツトの移動状態を示す図、第２１図は各スポツト
をオーバーラツプして記録する方法を示す図であ
る。 図中６は発光原点、７は半導体レーザ、８は対
物レンズ、９はシリンドリカルレンズ系、１０は
偏向器、１１は走査レンズ、１２は走査面であ
る。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 直交する方向でビームウエスト位置がΔSだ
け異なる半導体レーザからの光束を結像光学系に
より受光面上に結像する半導体レーザ光学装置に
おいて、 前記結像光学系は半導体レーザからの光束をコ
リメートする対物レンズ、該対物レンズからの光
束を受光面上に結像する結像レンズ系よりなり、
前記結像レンズ系に入る光束の半導体レーザの接
合面内のビーム径をDJ、同じく半導体レーザの
接合面と直交する面内のビーム径をDs、対物レ
ンズの焦点距離をf8、使用波長をλとすると DJ√（１−）・Ds ｋ≡（f8／Ds）2・（2.44λ／ΔS） を満足することを特徴とする半導体レーザ光学装
置。
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| JP5184878A JPS54143661A (en) | 1978-04-28 | 1978-04-28 | Recording optical system |
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