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JPH0513286B2 - - Google Patents
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JPH0513286B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0513286B2
JPH0513286B2 JP60206050A JP20605085A JPH0513286B2 JP H0513286 B2 JPH0513286 B2 JP H0513286B2 JP 60206050 A JP60206050 A JP 60206050A JP 20605085 A JP20605085 A JP 20605085A JP H0513286 B2 JPH0513286 B2 JP H0513286B2
Authority
JP
Japan
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lens
laser
light
scanning
semiconductor laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP60206050A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS6193466A (en
Inventor
Kazuo Minora
Takashi Kitamura
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP20605085A priority Critical patent/JPS6193466A/en
Publication of JPS6193466A publication Critical patent/JPS6193466A/en
Publication of JPH0513286B2 publication Critical patent/JPH0513286B2/ja
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  • Dot-Matrix Printers And Others (AREA)
  • Laser Beam Printer (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、レーザーを光源とする記録光学系に
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は偏向手段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い無視できなかつ
た。 これに対して、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。このように半導体レーザーを光源とする光学
系は RCA Review vol.35 September 1974
P335〜P340や、RCA Review vol.36 December
1975 P744〜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。 本発明の目的は、レーザーを光源とする記録光
学系に於いて、良好に記録が行なえるビームスポ
ツトを得ることが出来る記録光学系を提供するこ
とにある。 本発明に係る記録光学系に於いては、感光媒体
を走査するビームスポツトの形状が、走査方向の
長さに比して走査方向と直交する方向の長さが長
くなる様に、結像光学系でレーザー光源からの光
束を感光媒体上に形成するものである。以下、本
発明について詳述する。 第2図は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。 第3図は半導体レーザーを光源として走査系に
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ΔS′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として、
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、 ΔS′≦2.44λ{(1/DS2+(1/DJ2}f11 2 (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においてトリンド
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ΔSは ΔS≦(f9b/f9a)2・(f8/f112・ΔS′(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Eoとするとき、上述した光学系
によつて感光媒体上へ伝達される光量E′は E′≧γo・Eo 但し γo≡ε/Eo (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σS 2,σJ 2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。そのてきそれぞれの面内での受光率γS,γJ
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γoに対し γ>γo (8) と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
のの分散σS 2,σJ 2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
γo/γSを満足するθJを第6図より求める。このθJの 値をθJoとすると実際に光学系で受光する光量比
γがγo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>θJo (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/2f8sinθJo (11) を得る。 即ち、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
なくでき、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、個々のレンズで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。 以上の光学系において、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ΔSが ΔS=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
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γoをγo=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>γo/γS=0.838 であればよい。すなわち第6図より θJo=1.4×σJ=5.6° が求められる。 以上求められた数値(11)式の右辺に代入し、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、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
はなくても良い条件はDJの値が 但し κ≡(f8/DS2・2.44λ/ΔS の値のときである。 即ち、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
結像性能を得る事が可能である。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。 或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φoで正弦振動をするガルブアノミ
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′=2φofsin-1
(θ/2φo);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。 本発明においては、走査系において、例えば第
19図に示すように、感光媒体上のスポツト13
がy′の方向に走査されるとき、その方向のスポツ
ト径py′をy′方向と直角方向のz′方向のスポツト
径pz′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
になり、良好な記録が出来る。 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ブアーラツプさせ、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。 以下に本発明の実施例を詳述する。 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。

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。 こ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実現し得る。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。或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γoをγo=0.686とするシリドリカルレンズ
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 の間に入いればよい。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。 或いは、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
差と像面湾曲を示す。 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
ル断面内の像面湾曲を示す。 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図のシレ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。
The present invention relates to a recording optical system using a laser as a light source. Conventionally, when this type of optical system is used in a scanning device, as shown in FIG. The rotating polygon mirror for deflection consisted of a deflecting means 3, a scanning lens 4, and a photosensitive medium 5. In this conventional device, the laser light source itself was expensive, and the modulation device was also expensive. In addition, not only is the laser light source itself large, but a space of 200 mm to 300 mm is required for arranging the modulator in the optical path, and the ratio of the space occupied by the laser light source and the modulator to the entire device cannot be ignored. On the other hand, it is possible to achieve a low-cost, compact recording optical system using a semiconductor laser that can be directly modulated as a light source with performance comparable to that of conventional devices. In this way, an optical system using a semiconductor laser as a light source was introduced in RCA Review vol.35 September 1974.
P335~P340 and RCA Review vol.36 December
1975 P744 to P758, but the laser mode covered in those documents changes drastically as the current value changes. Along with this, the size of the imaging spot also changes drastically. When such a multimode light source is used in a recording system, it is difficult to obtain a high quality image. An object of the present invention is to provide a recording optical system that uses a laser as a light source and can obtain a beam spot for good recording. In the recording optical system according to the present invention, the imaging optical system is configured such that the shape of the beam spot that scans the photosensitive medium is longer in the direction perpendicular to the scanning direction than the length in the scanning direction. The system forms a beam of light from a laser light source onto a photosensitive medium. The present invention will be explained in detail below. Figure 2 is a schematic diagram of the radiation situation of the light beam of the semiconductor laser, and 6a is the plane S perpendicular to the laser bonding surface.
6b is the beam waist position in the plane J parallel to the joining surface of the laser. Semiconductor lasers can be modulated at high frequencies, and their use in scanning systems has the advantage of achieving high-speed recording. FIG. 3 is a layout diagram of a scanning system using a semiconductor laser as a light source, in which the laser beam 7 is emitted from a beam waist position 6a in a plane perpendicular to the bonding surface and a beam waist position 6b in a plane parallel to the bonding surface. The objective lens 8 receives the light beam, and the cylindrical lens system 9 collimates the light beam emitted from the objective lens 8. In addition, the cylindrical lens system 9 has a refractive power in a direction parallel to the cemented surface of the laser 7, but has no refractive power in a direction perpendicular to the cemented surface, and has a function of expanding the beam diameter in the direction parallel to the cemented surface. has. The focal point of the objective lens 8 coincides with the beam waist position in the direction perpendicular to the cemented surface of the laser 7, and the focal point of the composite system of the objective lens 8 and the cylindrical lens system 9 in a plane parallel to the cemented surface of the laser 7 is the focal point of the combined system of the objective lens 8 and the cylindrical lens system 9. It exists at a position within the diffraction limit range with respect to the beam waist position in a plane parallel to the cemented surface. This point will be discussed in more detail. The cylindrical lens system 9 has a configuration as shown in FIG. It consists of a plano-concave cylindrical lens 9a whose surface is flat and a plano-convex cylindrical lens 9b whose light beam incident side is flat and whose exit side is convex. and plano-concave cylindrical lens 9
The focal point of the plano-convex cylindrical lens 9b coincides with that of the cylindrical plano-convex lens 9b, and when a parallel light beam is incident on the cylindrical plano-concave lens 9a, the light beam exiting from the cylindrical plano-convex lens 9b is an afocal system. In a plane perpendicular to the laser junction surface, this cylindrical lens system 9 has no refractive power as shown in FIG. 4b, and the incident light beam becomes the output light beam as it is. The light beam emitted from the cylindrical lens system 9 is deflected by a deflection mirror 10 shown in FIG. 3, and imaged on a photosensitive medium 12 by a scanning lens 11.
This photosensitive medium 12 is placed near the focal plane of the scanning lens 11. At this time, when the astigmatism difference in the beam waist position in the orthogonal direction is as shown in FIG. 2, the objective lens 8 and the cylindrical lens system 9
And, by the entire optical system of the scanning lens 11, the position where the light beam emitted from the beam waist position in the plane perpendicular to the cemented surface of the laser 7 is imaged, and the position in the plane parallel to the cemented surface of the laser 7 are focused. Positions 6a', 6 where the beam radiated from the beam waist position is imaged
b′ is different. Let the distance at this position be ΔS', and let the diameter of the aperture 13 that limits the beam diameter in FIG. 3 in the direction parallel to the laser junction surface be D J ,
Let D S be the diameter in the direction perpendicular to the laser bonding surface,
When the focal length of the scanning lens 11 is f 11 and the emission wavelength of the laser is λ, ΔS′≦2.44λ {(1/D S ) 2 + (1/D J ) 2 }f 11 2 (1) Experience has shown that if the following conditions are satisfied and the photosensitive medium is placed at an appropriate position between the two imaging positions having the above-mentioned difference in distance, good imaging performance almost at the diffraction limit can be obtained. Furthermore, if the focal length of the trindrical plano-concave lens in FIG. 4a is f 9 a, the focal length of the cylindrical plano-convex lens is f 9 b, and the focal length of the objective lens 8 in FIG. The permissible difference ΔS in the beam waist position of the semiconductor laser in the orthogonal direction to obtain good performance must satisfy ΔS≦(f 9 b/f 9 a) 2・(f 8 /f 11 ) 2・ΔS′(2). Therefore, from equations (1) and (2), get. In other words, the focal length ratio of the two lenses constituting the afocal cylindrical lens system 9 is
When formula (3) is satisfied, it is possible to obtain good imaging performance at the diffraction limit level by arranging the photosensitive medium at an appropriate position in a scanning optical system as shown in Figure 3. . On the other hand, when the minimum amount of light required to reach the photosensitive medium is ε, and the total amount of light emitted by the semiconductor laser in the direction of the photosensitive medium is Eo, the amount of light transmitted onto the photosensitive medium by the optical system described above is E. ′ should satisfy the condition E′≧γo・Eo, where γo≡ε/Eo (4). Here, the luminous flux emitted from the semiconductor laser can be approximated as a Gaussian distribution with respect to its radiation angle, and the dispersion of the distribution in the planes perpendicular and parallel to the laser junction plane can be expressed as σ S 2 , σ J 2 .
It is assumed that the optical system receives the light beam emitted from this laser in the ranges of -θ S to θ S and -θ J to θ J in each plane. Then, the light receiving rate in each plane γ S , γ J
teeth It is. Now, γ≡γ S・γ J (7) Let us consider γ as the ratio of the amount of light received by the optical system to the amount of laser light emitted over the entire solid angle. At this time, if the above-mentioned relationship γ>γo (8) is satisfied for γo, the necessary amount of light to reach the photosensitive medium can be secured. Here, equation (5) is illustrated as shown in Fig. 5.
The horizontal axis represents θ SS and the vertical axis represents γ S. Similarly, when formula (6) is illustrated, it becomes as shown in FIG.
The horizontal axis represents θ JJ and the vertical axis represents γ J. From these curves, by setting the dispersion σ S 2 , σ J 2 and acceptance angles θ S , θ J of the Gaussian distribution of the semiconductor laser, γ S , γ J can be found, and γ can be calculated from equation (7). . Now, as a procedure for setting up the optical system, if we determine the diameter D S of the aperture 13 in a plane perpendicular to the cemented surface of the semiconductor laser and the focal length f 8 of the objective lens 8, the acceptance angle θ S in this plane is θ Since it is determined from S = sin -1 (D S /2f 8 ), γ S can be obtained from FIG. Furthermore, γ J =
Find θ J that satisfies γo/γ S from Figure 6. If the value of θ J is θ J o, in order for the light quantity ratio γ actually received by the optical system to be larger than γo, the acceptance angle θ J in the plane parallel to the junction surface of the semiconductor laser must be θ J > θ J o (9) is sufficient. At this time, the diameter of the aperture 13 in this plane
Since D J is D J =2・|f 9 b/f 9 a|・f 8 sinθ J (10), from equations (9) and (10), |f 9 b/f 9 a|<D J / We get 2f 8 sinθ J o (11). That is, from the above equations (3) and (13), the focal length ratio of the constituent lenses of the cylindrical lens system 9 |f 9 b/f 9 a | If it falls within this range, it is possible to obtain good imaging performance on the order of the diffraction limit and to transmit the amount of light necessary for recording onto the photosensitive medium. In the cylindrical lens system 9, the reason why the plane of the cylindrical plano-concave lens is not provided on the incident side of the light flux is to prevent the reflected light from that plane from traveling backward into the laser. When the reflected light travels back into the laser, a so-called self-coupling phenomenon occurs, which changes the emission characteristics of the laser, which is undesirable. Next, in Fig. 3, between the aperture diameter D J in the direction parallel to the laser bonding surface and the focal length f 9 b of the cylindrical plano-convex lens in Fig. 4 a, f 9 b/D J > 5 (13). When the relationship is satisfied, the parallelism of the emitted light beam can be improved in the configuration of the cylindrical lens 9. In FIG. 4a, over-corrected spherical aberration occurs in the cylindrical plano-concave lens with respect to the incident parallel light beam, and under-corrected spherical aberration occurs in the cylindrical plano-convex lens. When the relationship of equation (4) above is satisfied, the amount of spherical aberration generated in each lens can be reduced, and it is possible to satisfactorily correct spherical aberration in a composite system of both lenses. If the above formula (13) is not satisfied, the amount of aberration generated in each lens increases, making it difficult to satisfactorily correct spherical aberration with a composite system of both lenses. In the above optical system, for example, the focal length f 8 of the objective lens 8 is f 8 = 10 mm, the focal length f 11 of the scanning lens 11 is f 11 = 500 mm, the aperture diameter D S in the vertical direction of the laser cemented surface is D S = 10 mm, the difference ΔS between the respective beam waist positions in the orthogonal direction is ΔS = 0.02 mm, and a semiconductor laser with a single mode wavelength λ of λ = 8000 Å is used. According to equation (3), the distance between the beam waist positions is parallel to the laser bonding surface. Aperture diameter D J
The relationship between the absolute value |f 9 b/f 9 a| of the focal length ratio of each of the cylindrical plano-convex lens and the cylindrical plano-concave lens constituting the cylindrical lens system 9 is illustrated as a curve a in FIG. 7. Furthermore, the distribution of the semiconductor laser is determined by assuming that the dispersion perpendicular to the junction plane is σ S 2 = (15°) 2 and the dispersion parallel to it is σ J 2 (40°) 2 , and the minimum required for recording on the photosensitive medium. The required light amount ratio γo is set to γo=0.8. The acceptance angle θ S in the plane perpendicular to the laser bonding surface is θ S = sin -1 (D S /2f 8 ) =
30°, so θ SS = 2, and from Fig. 6, γ S =
0.955 is required. At this time, in order to ensure the necessary amount of light to reach the photosensitive medium, the above-mentioned (7),
From equation (8), it is sufficient if γ J > γo/γ S = 0.838. That is, from FIG. 6, θ J o=1.4×σ J =5.6° is obtained. Substituting the above obtained values into the right side of equation (11), the focal length ratio of the lenses constituting the cylindrical lens system 9 to the aperture diameter D J in the direction parallel to the cemented surface of the semiconductor laser | f 9 b / f 9 a The maximum of | is shown by straight line b in FIG. That is, the value of the focal length ratio |f 9 b/f 9 a| should be within the shaded area in FIG. Here, when D J =3.33 mm, |f 9 b/f 9 a|=1, the cylindrical lens system 9 no longer performs its function, and the result is good even without the cylindrical lens system 9. Generally, cylindrical lens system 9
The condition that can be omitted is that the value of D J is However, when the value is κ≡(f 8 /D S ) 2・2.44λ/ΔS. That is, if the value of the aperture diameter D J in the direction parallel to the laser bonding surface is approximately the value on the right side of equation (14), it is possible to obtain relatively good imaging performance even without the cylindrical lens system 9. be. For values of D J <3.33, the value of |f 9 b/f 9 a| becomes less than 1. Since this is difficult to achieve with the configuration shown in FIG. 4a, it is excluded from consideration here. When the recording optical system as described above is used in a scanning device, the advantage of a semiconductor laser that can be directly modulated at a high frequency can be utilized. That is, as shown in FIG. 3, the light beam from the semiconductor laser is deflected using a rotating polygon mirror that rotates at a constant angular velocity as a deflecting means.
In cases such as scanning over photosensitive media, it becomes possible to achieve high speed recording. In this case, the scanning imaging lens 11 is an fθ lens (y' = f 11 θ; y' is the distance from the optical axis to the scanning position, f 11 is the focal length of the lens, and θ is the deflection incident on the lens. By using the angle that the light beam makes with the optical axis of the lens, the scanning speed on the photosensitive medium can be made constant, and the ratio of the various modulation signal frequencies given to the semiconductor laser and the fundamental clock frequency can be made into an integer ratio. This makes it possible to simplify the electrical circuit. Alternatively, instead of the constant angular velocity rotating mirror described above, the time t
On the other hand, when using a deflection means such as a galvano mirror that oscillates sinusoidally with an amplitude φo, an arcsine lens (y′=2φofsin −1
(θ/2φo); the meanings of y' and θ are as described above), the same effect as described above can be obtained. In these scans, the spot formed on the photosensitive medium can be formed into a desired shape by appropriately selecting the aperture diameters D S and D J described above. In the present invention, in the scanning system, for example, as shown in FIG.
When the image is scanned in the y' direction, if the spot diameter py' in that direction is made smaller than the spot diameter pz' in the z' direction, which is perpendicular to the y' direction, the spot will be scanned within the modulation time of one pixel as shown in Fig. 20. The spot is shifted from 13 to 13', and the recorded spot becomes larger, like 14. As a result, it becomes possible to make the size of the recording spot of one pixel equal in the y' and z' directions, and good recording is possible. Alternatively, it is possible to modulate the semiconductor laser at a higher frequency than in the above example and overlap multiple pixels as shown in Figures 21a and 21b to obtain image quality with high contrast in the scanning direction or in the direction perpendicular to it. be. As described above, by selecting the aperture diameter in the scanning system, it becomes possible to try to control the image quality in various ways. Examples of the present invention will be described in detail below. FIG. 8 shows the light distribution characteristics of the semiconductor laser used in the present invention, with the horizontal axis showing the spread angle and the vertical axis showing the intensity. The symbol S indicates the light distribution characteristic distribution in the direction perpendicular to the laser bonding surface, and the symbol J indicates the light distribution characteristic distribution in the direction parallel to the laser bonding surface. The distribution characteristics correspond to almost a Gaussian distribution in both directions perpendicular and parallel to the laser bonding surface, and when the dispersion in each direction is σ S 2 and σ J 2 , σ S ≒1 5 °, σ J ≒4°.
Further, the emission wavelength λ of this laser is λ≒8000 Å, it has a single mode, and the difference between the respective beam waist positions in the orthogonal direction is about 0.02 mm. 9 shows the objective lens 8, FIG. 10 shows the cylindrical lens system 9, and FIG. 11 shows the scanning lens 11.
A cross-section of the configuration is shown. Table 1 lists their constituent values. Ri, di, li, and Ni are the radius of curvature of the i-th surface, the axial thickness of the lens, the air gap, and the refractive index of the lens, respectively. The objective lens shown in Table 1 is a so-called retrofocus type lens in which a concave lens with negative refractive power is placed on the light output side, and this is used to lengthen the working distance between the laser light emitting surface and the objective lens. It was established in This is effective for increasing the working distance compared to the focal length when the focal length of the objective lens becomes short. However, if the focal length is long enough, it is possible to eliminate the concave lens on the exit side as shown in FIG. These values are shown in Table 2. Further, as shown in FIG. 13, it is also possible to use one aspherical lens as the objective lens. The constituent values are shown in Table 3. The shape of this aspherical surface is expressed by the following equation. However, in this case, R24 = -7.833 A = 1.44747 x 10 -4 B = 3.52553 x 10 -6 . Further, in the cylindrical lens system, as shown in FIG. 14, even with a single lens, an equivalent system to the system shown in FIG. 10 can be obtained. This configuration data is shown in Table 4. At this time, the aforementioned f 9 a and f 9 b are equal to the respective focal lengths of the 25th and 26th surfaces. The various objective lenses and cylindrical lens systems described above may be combined in any manner. In particular, when used in combination with the single aspherical objective lens shown in FIG. 13 and the single cylindrical lens shown in FIG. 14, the configuration becomes simple, assembly and adjustment are easy, and costs can be reduced. Furthermore, when the number of constituent surfaces decreases, the light transmittance also increases, which is advantageous because the amount of light transmitted onto the photosensitive medium increases. The aperture used in this example has a diameter of 9.3 mm when the four-lens objective lens shown in FIG. 9 is used. Alternatively, good imaging performance can be obtained by setting the laser beam to 9.3 mm in the direction perpendicular to the joining surface and 16.8 mm in the parallel direction. The value of the focal length ratio |f 9 b / f 9 a | of a cylindrical lens system using an aperture of φ9.3 mm and the minimum light intensity ratio γo necessary for recording is γo = 0.686 is 2.1 from the above equation (12). It is sufficient if it falls between ≦|f 9 b/f 9 a|<6.0. In this example, the 10th
The cylindrical lens shown in the figure and Table 1 has |f 9 b/f 9 a|=4.13, and the cylindrical lens shown in FIG. 14 and Table 4 has |f 9 b/f 9 a|=3.83. Or, 9.3mm perpendicular to the laser joint surface.
If the parallel direction is 16.8 mm and the calculation is performed in the same manner according to equation (12), it is sufficient that 2.6≦|f 9 b/f 9 a|<10.8. In this case as well, the above embodiment is satisfied.
FIG. 15 shows the collimation performance of the objective lens shown in FIG. 9 and Table 1. FIG. 16 shows the performance of the emitted parallel light beam of the cylindrical lens shown in FIG. 10 and Table 1. 17a and 17b show the performance of the scanning lens shown in FIG. 11 and Table 1, where a shows spherical aberration, and b shows astigmatism and field curvature. FIG. 18 shows the performance of the objective lens shown in FIG. 12 and Table 2. In FIGS. 15, 16, and 18, the horizontal axis indicates wavelength aberration, 1λ=0.8×10 -3 mm, and the vertical axis indicates the height of the emitted light beam. The vertical axis in FIG. 17b is the angle formed with the optical axis of the deflected light beam incident on the scanning lens.
M and S indicate field curvature in the meridional section and sagittal section, respectively. The performance of the objective lens shown in FIG. 13 and the cylindrical lens shown in FIG. 14 is approximately the same as that of the objective lens shown in FIG. 9 and the performance of the cylindrical lens shown in FIG. 10, respectively, so their description will be omitted. As is clear from the performance of each lens shown, the performance is good at the diffraction limit.

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】 さて、次に本発明の光学系を電子写真技術を利
用したレーザー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、高感度領域か短波長
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DdS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。
[Table] Next, a laser beam recording device using an electrophotographic optical system according to the present invention will be described.
This device may be substantially similar to the device of FIG. However, it is necessary to apply a modulation signal to the semiconductor laser 7 to control the light emission of the semiconductor laser 7, and to arrange an electrophotographic photosensitive material or a photosensitive drum on the scanning surface 12. CdS photosensitive materials are desirable as photosensitive materials for electrophotography. The reason for this is that the light from the semiconductor laser is near-infrared light, which matches the spectral sensitivity characteristics of the CdS photosensitive material. In other words, as a typical electrophotographic photosensitive material,
Examples include ZnO, amorphous Se, and CdS. However, in the case of Se photoreceptors, the high sensitivity region is biased towards the short wavelength side and does not match in the near infrared.
It is known that by mixing As or Te into Se, the sensitivity shifts toward longer wavelengths. Such a method can also be used. However, the addition of As or Te may exhibit undesirable characteristics as an electrophotographic photosensitive material, such as a decrease in dark resistance, so it is necessary to take measures such as forming a two-layer photosensitive layer. In addition, in ZnO, the inherent sensitivity of ZnO is 350 ~
400 mμ and can be dye-sensitized to be compatible with semiconductor laser light. Its absolute sensitivity is less than one-tenth that of the CdS photoreceptor described below. Therefore, it is desirable to use a DdS sensitive material. Furthermore, this CdS sensitive material preferably has a three-layer structure consisting of a conductive support, a CdS photoconductive layer, and an insulating layer.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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図は光
源として半導体レーザーを用いた走査系の光学配
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10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1
4図は変形シリンドリカルレンズの断面図、第1
5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
は本発明に係る記録光学系の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。
Fig. 1 is a diagram showing a conventional scanning device, Fig. 2 is a schematic diagram of the radiation situation of a semiconductor laser beam, Fig. 3 is an optical layout diagram of a scanning system using a semiconductor laser as a light source, and Fig. 4 is a diagram of a scanning system using a semiconductor laser as a light source. Figures 5 and 6 are graphs showing the relationship between the acceptance angle and the acceptance rate when light from a semiconductor laser is received by the optical system, and Figure 7 is a graph explaining the details of the cylindrical system shown in the figure. Figure 3 is a graph showing the relationship between the minimum absolute value of the focal length ratio of the cylindrical lens plano-convex lens and the plano-concave lens, Figure 8 is a diagram showing the light distribution characteristics of the semiconductor laser, and Figure 9 is the graph showing the relationship between the minimum absolute value of the focal length ratio of the cylindrical lens plano-convex lens and the plano-concave lens. Figure 10 is a cross-sectional view of the cylindrical lens system in Figure 3, Figure 11 is a cross-sectional view of the scanning lens in Figure 3, and Figure 12 is a modified example of the lens in Figure 9. FIG. 13 is a cross-sectional view of the deformed objective lens.
Figure 4 is a cross-sectional view of the modified cylindrical lens, the first
Figure 5 is a diagram showing the collimation performance of the objective lens in Figure 9, Figure 16 is a diagram showing the performance of the emitted parallel light beam of the cylindrical lens in Figure 10, and Figure 17 is a diagram showing the performance of the scanning lens in Figure 11. 18 is a diagram showing the performance of the objective lens in FIG. 12, FIG. 19 is a diagram showing the state of the spot in the recording optical system according to the present invention, and FIG. 20 is a diagram showing the moving state of the spot in FIG. The figure shown in FIG. 21 is a diagram showing a method of recording each spot in an overlapping manner. In the figure, 6 is a light emission origin, 7 is a semiconductor laser, 8 is an objective lens, 9 is a cylindrical lens system, 10 is a deflector, 11 is a scanning lens, and 12 is a scanning surface.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 半導体レーザ光源からの光束を対物レンズに
よりコリメートし、偏向器を介したのち走査用レ
ンズにより前記光束を感光媒体に集光する際、前
記偏向器と対物レンズの間で光束がコリメートさ
れているところに絞りを設け、この絞りにより前
記感光媒体上におけるビームスポツトの形状が、
走査方向の長さに比して走査方向と直交する方向
の長さが長くなる様にした事を特徴とする記録光
学系。
1. When a light beam from a semiconductor laser light source is collimated by an objective lens, passed through a deflector, and then focused on a photosensitive medium by a scanning lens, the light beam is collimated between the deflector and the objective lens. A diaphragm is provided at the spot, and this diaphragm changes the shape of the beam spot on the photosensitive medium.
A recording optical system characterized in that the length in the direction perpendicular to the scanning direction is longer than the length in the scanning direction.
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