JPH0513286B2 - - Google Patents
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- 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
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Description
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／DS）2＋（１／DJ）2｝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／f11）2・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
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／DS）2・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。
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。
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／DS）2＋（１／DJ）2｝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／f11）2・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
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／DS）2・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。
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。
【表】
【表】
【表】
【表】
【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。
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。
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。
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。
Claims (1)
- 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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20605085A JPS6193466A (ja) | 1985-09-18 | 1985-09-18 | 記録光学系 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20605085A JPS6193466A (ja) | 1985-09-18 | 1985-09-18 | 記録光学系 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5184878A Division JPS54143661A (en) | 1978-04-28 | 1978-04-28 | Recording optical system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6193466A JPS6193466A (ja) | 1986-05-12 |
| JPH0513286B2 true JPH0513286B2 (ja) | 1993-02-22 |
Family
ID=16517045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20605085A Granted JPS6193466A (ja) | 1985-09-18 | 1985-09-18 | 記録光学系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6193466A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6461720A (en) * | 1987-09-02 | 1989-03-08 | Mitsubishi Electric Corp | Laser beam condensing device |
-
1985
- 1985-09-18 JP JP20605085A patent/JPS6193466A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6193466A (ja) | 1986-05-12 |
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