JP2008310204A

JP2008310204A - Light beam scanning optical device, two-dimensional scanning mirror device and optical scanner using the same

Info

Publication number: JP2008310204A
Application number: JP2007159756A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Kenno; 孝吉研野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2008-12-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light beam scanning optical element capable of scanning the whole space of omnidirectional 360° and vertical direction 90° or more, to provide a two-dimensional scanning mirror device, and to provide an optical scanner using the same. <P>SOLUTION: The optical scanner comprises: a light beam source unit 2 which generates a light beam; a two-dimensional optical scanning means 3 arranged on a center axis 1 serving on a propagation axis of the light beam; and a scanning angle transforming means 4 which is scanned by the two-dimensional optical scanning means 3 and magnifies a scanning angle in a direction along the center axis 1 of the light beam, whereby the optical scanner can scan 360° around the center axis 1 and 90° or more in cross-section including the center axis 1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光走査光学素子、２次元走査ミラー装置及びそれを用いた光走査装置に関し、特に、小さい走査角を広い走査角に変換することが可能な走査角変換機能を有した光走査光学素子とそれを用いた光走査装置、その光走査装置に用いる２次元走査ミラー装置に関するものである。 The present invention relates to an optical scanning optical element, a two-dimensional scanning mirror device, and an optical scanning device using the same, and in particular, an optical scanning optical having a scanning angle conversion function capable of converting a small scanning angle into a wide scanning angle. The present invention relates to an element, an optical scanning device using the element, and a two-dimensional scanning mirror device used in the optical scanning device.

光源から発せられた光ビームを走査することにより、対象物からの反射光を受光し、対象物の情報を検出する光走査光学系が広く用いられている。そのような光走査光学系として２次元の走査を行うものとして例えば特許文献１〜３に記載のものがある。
特開平６−２７４０１号公報特開２００５−２４１９３６号公報特開２００３−１２１７６４号公報米国特許第５，９２０，４１７号明細書 2. Description of the Related Art Optical scanning optical systems that receive reflected light from an object by scanning a light beam emitted from a light source and detect information on the object are widely used. Examples of such optical scanning optical systems that perform two-dimensional scanning include those described in Patent Documents 1 to 3.
JP-A-6-27401 JP-A-2005-241936 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-121864 US Pat. No. 5,920,417

しかしながら、水平方向全方位であって垂直方向を９０°以上、なかんづく１８０°以上の広い範囲を走査することが可能なものは今まで提案されていない。 However, there has not been proposed so far that it is possible to scan a wide range of all directions in the horizontal direction and 90 ° or more in the vertical direction, especially 180 ° or more.

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、全方位３６０°であって垂直方向９０°以上、好ましくは１８０°以上の全空間を走査することが可能な光走査光学素子、２次元走査ミラー装置及びそれを用いた光走査装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and its purpose is to scan the entire space of 360 ° in all directions and 90 ° or more in the vertical direction, preferably 180 ° or more. An optical scanning optical element, a two-dimensional scanning mirror device, and an optical scanning device using the same.

上記目的を達成する本発明の光走査装置は、光ビームを発生する光源ユニットと、前記光ビームの伝播軸上であって中心軸上に配置された２次元光走査手段と、前記２次元光走査手段により走査され光ビームの前記中心軸に沿う方向の走査角を拡大する走査角変換手段とを含み、前記中心軸の周り３６０°、前記中心軸を含む断面内９０°以上を走査可能なことを特徴とするものである。 The optical scanning device of the present invention that achieves the above object includes a light source unit that generates a light beam, a two-dimensional light scanning unit disposed on a propagation axis of the light beam and on a central axis, and the two-dimensional light. Scanning angle conversion means for enlarging the scanning angle of the light beam in the direction along the central axis scanned by the scanning means, and capable of scanning 360 ° around the central axis and 90 ° or more in the cross section including the central axis It is characterized by this.

この場合、前記走査角変換手段は前記中心軸に対して回転対称な面より構成されていて、少なくとも１面の内部反射面を有するものである。 In this case, the scanning angle conversion means is composed of a rotationally symmetric surface with respect to the central axis, and has at least one internal reflection surface.

また、前記走査角変換手段は、被走査側から順に、第１透過面、少なくとも１つの内部反射面、第２透過面を備えており、前記第１透過面は前記中心軸に沿う方向の外周面からなるものとすることができる。 Further, the scanning angle conversion means includes, in order from the scanned side, a first transmission surface, at least one internal reflection surface, and a second transmission surface, and the first transmission surface is an outer periphery in a direction along the central axis. It can consist of surfaces.

また、走査対象物からの光であって、走査される光ビームと逆の光路をたどって進む光を前記光源ユニットと前記２次元光走査手段との間で分離して検出する光検出手段を備えているようにすることができる。 A light detection means for separating and detecting light from the scanning object that travels along an optical path opposite to the scanned light beam between the light source unit and the two-dimensional light scanning means; Can be provided.

また、前記２次元光走査手段としては２次元走査ミラーが用いられる。 A two-dimensional scanning mirror is used as the two-dimensional light scanning means.

本発明の光走査光学素子は、中心軸に対して回転対称な面より構成された透明媒体からなり、第１透過面、少なくとも１つの内部反射面、第２透過面を備えており、前記中心軸上の１点から前記中心軸に沿う方向に偏向された光ビームが前記第２透過面、前記内部反射面、前記第１透過面の順に経て、前記中心軸に沿う方向の走査角が拡大されて射出することを特徴とするものである。 The optical scanning optical element of the present invention is made of a transparent medium composed of a rotationally symmetric surface with respect to the central axis, and includes a first transmission surface, at least one internal reflection surface, and a second transmission surface, and the center. A light beam deflected in a direction along the central axis from one point on the axis passes through the second transmission surface, the internal reflection surface, and the first transmission surface in this order, and the scanning angle in the direction along the central axis is enlarged. It is characterized by being injected.

この場合、光学面の少なくとも１つが前記中心軸を中心とするトーリック面又は拡張回転自由曲面からなることが望ましい。 In this case, it is desirable that at least one of the optical surfaces is a toric surface or an extended rotation free-form surface centered on the central axis.

また、２面以上の内部反射面を備えており、前記中心軸を含む断面内で前記第１透過面から前記第２透過面に至る光路がＺ字状のジクザク光路をとることが望ましい。 In addition, it is preferable that two or more internal reflection surfaces are provided, and an optical path from the first transmission surface to the second transmission surface is a Z-shaped zigzag optical path in a cross section including the central axis.

また、前記中心軸を含む断面内での走査角拡大倍率をβωとするとき、
２＜βω ・・・（１）
なる条件を満足することが望ましい。 When the scanning angle magnification within the cross section including the central axis is βω,
2 <βω (1)
It is desirable to satisfy the following conditions.

また、前記光走査光学素子外径をｄとするとき、
ｄ＜５０（ｍｍ）・・・（２）
なる条件を満足することが望ましい。 When the outer diameter of the optical scanning optical element is d,
d <50 (mm) (2)
It is desirable to satisfy the following conditions.

また、前記光走査光学素子外径をｄ、光線の通る順に、前記第１透過面に至る前の反射面の前記中心軸を含む断面内でのパワーをｐｍ１（１／ｍｍ）とするとき、
−０．０１＜ｐｍ１／ｄ（ｍｍ^-2）・・・（３）
なる条件を満足することが望ましい。 Further, when the outer diameter of the optical scanning optical element is d and the power in the cross section including the central axis of the reflection surface before reaching the first transmission surface is pm1 (1 / mm) in the order in which the light beam passes,
−0.01 <pm1 / d (mm ⁻² ) (3)
It is desirable to satisfy the following conditions.

本発明の２次元走査ミラー装置は、基板表面に弾性撓み可能な柱が立っており、前記柱の先端に反射鏡が取り付けられ、前記反射鏡を中心としてその周辺から前記基板の表面に平行な方向に放射状に３本の腕部材が相互に１２０°をなすように前記反射鏡に一体に取り付けられ、前記腕部材各々の先端部直下の前記基板表面部に電極が配置され、前記電極に、相互に位相が１２０°ずれた三相交流にその振幅分の直流を重畳してなる交番電圧であって、その交番電圧の振幅が時間と共に可変な交番電圧が印加可能になっていることを特徴とするものである。 In the two-dimensional scanning mirror device of the present invention, an elastically deflectable column stands on the surface of the substrate, a reflecting mirror is attached to the tip of the column, and the periphery of the reflecting mirror is parallel to the surface of the substrate. Three arm members radially attached to the direction are integrally attached to the reflecting mirror so as to form 120 ° to each other, and an electrode is disposed on the surface of the substrate immediately below the tip of each of the arm members. It is an alternating voltage obtained by superimposing a direct current corresponding to the amplitude on a three-phase alternating current whose phase is shifted by 120 °, and an alternating voltage whose alternating voltage amplitude is variable with time can be applied. It is what.

以上の本発明によると、２次元の走査を行う例えばマイクロミラーデバイス等と組み合わせて用いることにより、全方位３６０°であって垂直方向９０°以上、好ましくは１８０°以上の全空間を走査することが可能な装置を提供することができる。 According to the present invention described above, by using in combination with, for example, a micromirror device that performs two-dimensional scanning, the entire space of 360 ° in all directions and 90 ° or more in the vertical direction, preferably 180 ° or more is scanned. It is possible to provide a device capable of performing the above.

以下、実施例に基づいて本発明の光走査光学素子、２次元走査ミラー装置と光走査装置について説明する。 The optical scanning optical element, the two-dimensional scanning mirror device, and the optical scanning device of the present invention will be described below based on examples.

図１に、本発明の実施例１の光走査装置の中心軸１を含む断面図（ａ）と中心軸１上にあるＺ軸に沿ってＺ軸正方向から見た光路図（ｂ）を示す。 FIG. 1 is a cross-sectional view (a) including the central axis 1 of the optical scanning device according to the first embodiment of the present invention and an optical path diagram (b) viewed from the positive direction of the Z axis along the Z axis on the central axis 1. Show.

本実施例の光走査装置は、中心軸１に配置された光源２と、同様に中心軸１に配置されたマイクロミラーデバイス等からなる２次元走査ミラー３と、中心軸１を回転対称軸とする走査角変換素子４とからなる。 The optical scanning device of the present embodiment includes a light source 2 disposed on the central axis 1, a two-dimensional scanning mirror 3 composed of a micromirror device or the like similarly disposed on the central axis 1, and the central axis 1 as a rotationally symmetric axis. And a scanning angle conversion element 4 to be used.

光源２は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）等で構成され、光源２からの発散光は走査角変換素子４の中心部に設けられた第３透過面１５と第２透過面１４を順に通過後、略平行な光束となり、２次元走査ミラー３で反射される。このとき、２次元走査ミラー３により中心軸１周りの所定の方位角（水平角）と中心軸１に沿った方向の垂直角（中心軸１に直交する方向を０°とする。）の方向に偏向される。偏向された光束は走査光束となり、再度走査角変換素子４の第２透過面１４から素子内に入射し、正のパワーを有する第２反射面１３、負のパワーを有する第１反射面１２で順に反射され、第１透過面１１で屈折されて走査角変換素子４の外に射出し、２次元走査ミラー３から出た走査光束の走査角が拡大されて、走査対象物を走査する。２次元走査ミラー３の反射点は中心軸１上に位置するため、第２透過面１４、第２反射面１３、第１反射面１２、第１透過面１１を順に経た走査光束の中心光線（主光線）は中心軸１と２次元走査ミラー３の法線を含む断面（メリジオナル断面）内に位置し、その断面と交差する対象物位置を走査することになる。なお、走査角変換素子４の、透過面１１、１４、１５、反射面１２、１３の番号は逆光線追跡の順による。以下、同じ。 The light source 2 is composed of, for example, a laser diode (LD) or the like, and divergent light from the light source 2 passes through a third transmission surface 15 and a second transmission surface 14 provided in the center of the scanning angle conversion element 4 in order, It becomes a substantially parallel light beam and is reflected by the two-dimensional scanning mirror 3. At this time, a direction of a predetermined azimuth angle (horizontal angle) around the central axis 1 and a vertical angle along the central axis 1 (a direction orthogonal to the central axis 1 is set to 0 °) by the two-dimensional scanning mirror 3. To be biased. The deflected light beam becomes a scanning light beam, which is incident again into the element from the second transmission surface 14 of the scanning angle conversion element 4, and is reflected by the second reflection surface 13 having positive power and the first reflection surface 12 having negative power. Reflected in order, refracted by the first transmission surface 11 and emitted out of the scanning angle conversion element 4, the scanning angle of the scanning light beam emitted from the two-dimensional scanning mirror 3 is enlarged, and the scanning object is scanned. Since the reflection point of the two-dimensional scanning mirror 3 is located on the central axis 1, the central ray of the scanning light beam (sequentially passing through the second transmission surface 14, the second reflection surface 13, the first reflection surface 12, and the first transmission surface 11 ( The principal ray) is located in a cross section (meridional cross section) including the central axis 1 and the normal line of the two-dimensional scanning mirror 3, and the object position intersecting the cross section is scanned. Note that the numbers of the transmission surfaces 11, 14, 15 and the reflection surfaces 12, 13 of the scanning angle conversion element 4 depend on the order of back ray tracing. same as below.

この実施例の走査角変換素子４の第３透過面１５は球面、第２透過面１４は非球面、第２反射面１３と第１反射面１４はトーリック面、第１透過面１１はシリンドリカル面で構成され、何れも中心軸１を回転対称軸とする。 In the scanning angle conversion element 4 of this embodiment, the third transmission surface 15 is a spherical surface, the second transmission surface 14 is an aspheric surface, the second reflection surface 13 and the first reflection surface 14 are toric surfaces, and the first transmission surface 11 is a cylindrical surface. In any case, the central axis 1 is a rotationally symmetric axis.

この実施例において、２次元走査ミラー３のメリジオナル断面内での振り角範囲は１７．０９°〜３７．８１°の２０．７２°であり、走査角変換素子４を出た走査光束のメリジオナル断面内での走査角は１８０°であり、走査角拡大倍率βωは４．３４である。 In this embodiment, the swing angle range in the meridional section of the two-dimensional scanning mirror 3 is 20.72 ° from 17.09 ° to 37.81 °, and the meridional section of the scanning light beam exiting the scanning angle conversion element 4. The scan angle is 180 °, and the scan angle magnification βω is 4.34.

したがって、２次元走査ミラー３をその法線がメリジオナル断面内で２０．７２°の振り角で振りながら中心軸１の周りでその法線を回転するようにすることで、方位角（水平角）３６０°、垂直角±９０°（＋は仰角、−は俯角）の範囲の全空間を走査することができる。 Therefore, the azimuth angle (horizontal angle) is obtained by rotating the normal line around the central axis 1 while swinging the two-dimensional scanning mirror 3 with a swing angle of 20.72 ° within the meridional section. The entire space in a range of 360 ° and a vertical angle of ± 90 ° (+ is an elevation angle and − is a depression angle) can be scanned.

この実施例の構成パラメータは後記するが、図１に示すように、遠方の対象物（物体面）から走査角変換素子４の第１透過面１１、第１反射面１２、第２反射面１３、第２透過面１４、２次元走査ミラー（絞り面）３、第２透過面１４、第３透過面１５、光源（像面）２に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。 The configuration parameters of this embodiment will be described later. As shown in FIG. 1, the first transmission surface 11, the first reflection surface 12, and the second reflection surface 13 of the scanning angle conversion element 4 from a distant object (object surface). The second transmission surface 14, the two-dimensional scanning mirror (diaphragm surface) 3, the second transmission surface 14, the third transmission surface 15, and the result of the back ray tracing to the light source (image surface) 2.

座標系は、逆光線追跡において、図１に示すように、中心軸１に直交する方向に走査する光束の中心光線１０の延長線と中心軸１が交差する点を原点として、回転対称軸（中心軸）１の光源（像面）２と反対方向（実施例２、３では光源２の方向）をＺ軸正方向とし、図１の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、図１の面の紙面の表から裏に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸正方向とする。 As shown in FIG. 1, the coordinate system has a rotationally symmetric axis (center) with the origin at the point where the extension line of the central ray 10 of the light beam scanned in the direction orthogonal to the central axis 1 and the central axis 1 intersect. A direction opposite to the light source (image plane) 2 of (axis) 1 (the direction of the light source 2 in the second and third embodiments) is a positive Z-axis direction, and the inside of FIG. 1 is a YZ plane. A direction from the front side to the back side of the plane of FIG. 1 is defined as an X-axis positive direction, and an axis constituting the X-axis, Z-axis and right-handed orthogonal coordinate system is defined as a Y-axis positive direction.

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。 For the decentered surface, the amount of decentering from the center of the origin of the optical system in the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and the optical system The inclination angles (α, β, γ (°), respectively) of the coordinate system defining each surface centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin are given. In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis. Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by β and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by γ. It is.

また、光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。 In addition, when a specific surface and subsequent surfaces of the optical working surface constituting the optical system constitute a coaxial optical system, a surface interval is given. In addition, the curvature radius of the surface and the refractive index of the medium are given. , Abbe numbers are given according to idioms.

なお、後記の構成パラメータ中にデータの記載されていない非球面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、絞り面中心からの偏心量で表わす。 It should be noted that a term relating to an aspheric surface for which no data is described in the constituent parameters described later is zero. The refractive index and the Abbe number are shown for the d-line (wavelength 587.56 nm). The unit of length is mm. The eccentricity of each surface is expressed by the amount of eccentricity from the center of the diaphragm surface as described above.

なお、非球面は、以下の定義式で与えられる回転対称非球面である。 The aspheric surface is a rotationally symmetric aspheric surface given by the following definition.

Ｚ＝（Ｙ²／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）Ｙ²／Ｒ²｝^{1 /2}］
＋ａＹ⁴＋ｂＹ⁶＋ｃＹ⁸＋ｄＹ¹⁰＋・・・
・・・（ａ）
ただし、Ｚを軸とし、Ｙを軸と垂直な方向にとる。ここで、Ｒは近軸曲率半径、ｋは円錐定数、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。 ^{Z = (Y 2 / R)} / [1+ {1- (1 + k) Y 2 / R 2} 1/2]
+ AY ⁴ + bY ⁶ + cY ⁸ + dY ¹⁰ +...
... (a)
However, Z is taken as an axis, and Y is taken in a direction perpendicular to the axis. Here, R is a paraxial radius of curvature, k is a conic constant, a, b, c, d,... Are fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspherical coefficients, respectively. The Z axis of this defining formula is the axis of a rotationally symmetric aspherical surface.

また、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。 The extended rotation free-form surface is a rotationally symmetric surface given by the following definition.

まず、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ｂ）が定められる。 First, the following curve (b) passing through the origin on the YZ coordinate plane is determined.

Ｚ＝（Ｙ²／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ₁＋１）Ｙ²／ＲＹ²｝^{1 /2}］
Ｃ₂Ｙ＋Ｃ₃Ｙ²＋Ｃ₄Ｙ³＋Ｃ₅Ｙ⁴＋Ｃ₆Ｙ⁵＋Ｃ₇Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ₂₁Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃ_n+1Ｙⁿ＋・・・・
・・・（ｂ）
次いで、この曲線（ｂ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。 ^{Z = (Y 2 / RY)} / [1+ {1- (C 1 +1) Y 2 / RY 2} 1/2]
C ₂ Y + C ₃ Y ² + C ₄ Y ³ + C ₅ Y ⁴ + C ₆ Y ⁵ + C ₇ Y ⁶
+ ··· + C ₂₁ Y ²⁰ + ··· + C _{n + 1} Y ⁿ + ····
... (b)
Next, a curve F (Y) obtained by rotating the curve (b) in the positive direction of the X-axis and turning it counterclockwise is defined as an angle θ (°). This curve F (Y) also passes through the origin on the YZ coordinate plane.

その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｒ（負のときはＺ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。 The curve F (Y) is translated in the Y positive direction by a distance R (Z negative direction when negative), and then the rotationally symmetric surface formed by rotating the translated curve around the Z axis is expanded and rotated. Let it be a free-form surface.

その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。 As a result, the extended rotation free-form surface becomes a free-form surface (free-form curve) in the YZ plane and a circle with a radius | R | in the XY plane.

この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸）となる。 From this definition, the Z-axis becomes the axis of the extended rotation free-form surface (rotation symmetry axis).

ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ₁は円錐定数、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄、Ｃ₅…はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。 Where RY is the radius of curvature of the spherical term in the YZ section, C ₁ is the conic constant, C ₂ , C ₃ , C ₄ , C ₅ . Aspheric coefficient.

以下の実施例についても同様である。 The same applies to the following embodiments.

図２に、この実施例の光学系の横収差を示す。この横収差図において、中央に示された角度は走査角を示し、中心軸１に直交する方向を０°とし、Ｘ軸の正方向に対して反時計回りを正、時計回りを負とし、逆光線追跡で遠方の対象物（物体面）から光源（像面）２に至る光束のＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。以下、同じ。 FIG. 2 shows the lateral aberration of the optical system of this example. In this lateral aberration diagram, the angle shown at the center indicates the scanning angle, the direction orthogonal to the central axis 1 is 0 °, the counterclockwise direction is positive with respect to the positive direction of the X axis, and the clockwise direction is negative. The lateral aberrations in the Y direction (meridional direction) and X direction (sagittal direction) of the light beam from the far object (object surface) to the light source (image surface) 2 by reverse ray tracing are shown. same as below.

上記実施例の変形例の図１（ａ）と同様の図を図３（ａ）、（ｂ）に示す。図３（ａ）の実施例は、走査角変換素子４に光源２のからの発散光束をコリメートする機能を持たせない場合（第３透過面１５と第２透過面１４からなる系に集光機能を持たせない場合）の変形例であり、第３透過面１５と第２透過面１４の曲率を等しくしてパワーを略０とし、別素子として図３（ａ）中両矢符で略図として示すコリメータレンズ５を配置する例である。また、走査角変換素子４の２次元走査ミラー３まで間の光路はこの場合パワー０なので、必ずしも必要なく、走査角変換素子４の中心軸１近傍を中空構造にすることも可能である。 3A and 3B are views similar to FIG. 1A of the modified example of the above embodiment. In the embodiment of FIG. 3A, the scanning angle conversion element 4 is not provided with a function of collimating the divergent light beam from the light source 2 (the light is condensed on the system composed of the third transmission surface 15 and the second transmission surface 14). 3), the power of the third transmission surface 15 and that of the second transmission surface 14 are made equal to each other so that the power is substantially zero. It is an example which arrange | positions the collimator lens 5 shown as. Further, since the optical path between the scanning angle conversion element 4 and the two-dimensional scanning mirror 3 is zero in this case, it is not always necessary, and the vicinity of the central axis 1 of the scanning angle conversion element 4 can have a hollow structure.

また、コリメーターレンズ５を用いず、光源２として、平行光束を射出するレーザー等を用いることも可能である。 Further, a laser or the like that emits a parallel light beam can be used as the light source 2 without using the collimator lens 5.

さらに、図３（ｂ）に示すように、光源２から走査角変換素子４に至る光路中にハーフミラー６を配置し、走査対象物で反射散乱された光を走査光と逆の光路を経てこのハーフミラー６に入射させ、その光をハーフミラー６で分割して受光素子８に入射させ検出することで、走査対象物の撮像をするようにすることも可能である。なお、図３（ｂ）の場合は、ハーフミラー６をコリメーターレンズ５で平行にされた光束中に配置しているため、ハーフミラー６から受光素子８に至る光路中に検出光を受光素子８に集光させる集光レンズ７を配置してある。 Further, as shown in FIG. 3B, a half mirror 6 is arranged in the optical path from the light source 2 to the scanning angle conversion element 4, and the light reflected and scattered by the scanning object passes through the optical path opposite to the scanning light. It is also possible to pick up an image of the scanning object by entering the half mirror 6 and dividing the light by the half mirror 6 and entering the light receiving element 8 and detecting the light. In the case of FIG. 3B, since the half mirror 6 is arranged in the light beam made parallel by the collimator lens 5, the detection light is received in the optical path from the half mirror 6 to the light receiving element 8. A condensing lens 7 for condensing light 8 is disposed.

図４に、本発明の実施例２の光走査装置の中心軸１を含む断面図を示す。図１（ｂ）と同様の光路図は省く。 FIG. 4 is a sectional view including the central axis 1 of the optical scanning device according to the second embodiment of the present invention. An optical path diagram similar to FIG. 1B is omitted.

光源２は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）等で構成され、光源２からの発散光は走査角変換素子４の中心部に設けられた第３透過面１５と第２透過面１４を順に通過後、集束光束となり、２次元走査ミラー３で反射される。このとき、２次元走査ミラー３により中心軸１周りの所定の方位角（水平角）と中心軸１に沿った方向の垂直角（中心軸１に直交する方向を０°とする。）の方向に偏向される。偏向された光束は走査光束となり、再度走査角変換素子４の第２透過面１４から素子内に入射し、負のパワーを有する反射面１２で反射され、第１透過面１１で屈折されて走査角変換素子４の外に射出し、２次元走査ミラー３から出た走査光束の走査角が拡大されて、走査対象物を走査する。２次元走査ミラー３の反射点は中心軸１上に位置するため、第２透過面１４、反射面１２、第１透過面１１を順に経た走査光束の中心光線（主光線）は中心軸１と２次元走査ミラー３の法線を含む断面（メリジオナル断面）内に位置し、その断面と交差する対象物位置を走査することになる。 The light source 2 is composed of, for example, a laser diode (LD) or the like, and divergent light from the light source 2 passes through a third transmission surface 15 and a second transmission surface 14 provided in the center of the scanning angle conversion element 4 in order, A focused light beam is reflected by the two-dimensional scanning mirror 3. At this time, a direction of a predetermined azimuth angle (horizontal angle) around the central axis 1 and a vertical angle along the central axis 1 (a direction orthogonal to the central axis 1 is set to 0 °) by the two-dimensional scanning mirror 3. To be biased. The deflected light beam becomes a scanning light beam, enters the element again from the second transmission surface 14 of the scanning angle conversion element 4, is reflected by the reflection surface 12 having negative power, is refracted by the first transmission surface 11, and is scanned. The scanning angle of the scanning light beam emitted from the angle conversion element 4 and emitted from the two-dimensional scanning mirror 3 is enlarged, and the scanning object is scanned. Since the reflection point of the two-dimensional scanning mirror 3 is located on the central axis 1, the central ray (principal ray) of the scanning light beam that has passed through the second transmission surface 14, the reflection surface 12, and the first transmission surface 11 in order is the central axis 1. The object position which is located in the cross section (meridional cross section) including the normal line of the two-dimensional scanning mirror 3 and intersects the cross section is scanned.

この実施例の走査角変換素子４の第３透過面１５は球面、第２透過面１４は非球面、反射面１４はトーリック面、第１透過面１１はシリンドリカル面で構成され、何れも中心軸１を回転対称軸とする。 In the scanning angle conversion element 4 of this embodiment, the third transmission surface 15 is a spherical surface, the second transmission surface 14 is an aspheric surface, the reflection surface 14 is a toric surface, and the first transmission surface 11 is a cylindrical surface. Let 1 be the axis of rotational symmetry.

この実施例において、２次元走査ミラー３のメリジオナル断面内での振り角範囲は７．０５°〜２０．８３°の１３．７８°であり、走査角変換素子４を出た走査光束のメリジオナル断面内での走査角は１８０°であり、走査角拡大倍率βωは６．５３である。 In this embodiment, the swing angle range in the meridional section of the two-dimensional scanning mirror 3 is 13.78 ° between 7.05 ° and 20.83 °, and the meridional section of the scanning light beam emitted from the scanning angle conversion element 4. The scan angle is 180 ° and the scan angle magnification βω is 6.53.

したがって、２次元走査ミラー３をその法線がメリジオナル断面内で１３．７８°の振り角で振りながら中心軸１の周りでその法線を回転するようにすることで、方位角（水平角）３６０°、垂直角±９０°（＋は仰角、−は俯角）の範囲の全空間を走査することができる。 Accordingly, by rotating the normal line around the central axis 1 while swinging the two-dimensional scanning mirror 3 with a swing angle of 13.78 ° within the meridional section, the azimuth angle (horizontal angle) The entire space in a range of 360 ° and a vertical angle of ± 90 ° (+ is an elevation angle and − is a depression angle) can be scanned.

この実施例の実施例１の場合と同様な構成パラメータは後記する。また、この実施例の図２と同様の収差図を図５に示す。 The configuration parameters similar to those in the first embodiment will be described later. FIG. 5 is an aberration diagram similar to FIG. 2 of this example.

図６に、本発明の実施例３の光走査装置の中心軸１を含む断面図を示す。図１（ｂ）と同様の光路図は省く。 FIG. 6 is a sectional view including the central axis 1 of the optical scanning device according to the third embodiment of the present invention. An optical path diagram similar to FIG. 1B is omitted.

光源２は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）等で構成され、光源２からの発散光は走査角変換素子４の中心部に設けられた第３透過面１５と第２透過面１４を順に通過後、集束光束となり、２次元走査ミラー３で反射される。このとき、２次元走査ミラー３により中心軸１周りの所定の方位角（水平角）と中心軸１に沿った方向の垂直角（中心軸１に直交する方向を０°とする。）の方向に偏向される。偏向された光束は走査光束となり、再度走査角変換素子４の第２透過面１４から素子内に入射し、第３反射面１３’、正のパワーを有する第２反射面１３、負のパワーを有する第１反射面１２で順に反射され、第１透過面１１で屈折されて走査角変換素子４の外に射出し、２次元走査ミラー３から出た走査光束の走査角が拡大されて、走査対象物を走査する。２次元走査ミラー３の反射点は中心軸１上に位置するため、第２透過面１４、第３反射面１３’、第２反射面１３、第１反射面１２、第１透過面１１を順に経た走査光束の中心光線（主光線）は中心軸１と２次元走査ミラー３の法線を含む断面（メリジオナル断面）内に位置し、その断面と交差する対象物位置を走査することになる。 The light source 2 is composed of, for example, a laser diode (LD) or the like, and divergent light from the light source 2 passes through a third transmission surface 15 and a second transmission surface 14 provided in the center of the scanning angle conversion element 4 in order, A focused light beam is reflected by the two-dimensional scanning mirror 3. At this time, a direction of a predetermined azimuth angle (horizontal angle) around the central axis 1 and a vertical angle along the central axis 1 (a direction orthogonal to the central axis 1 is set to 0 °) by the two-dimensional scanning mirror 3. To be biased. The deflected light beam becomes a scanning light beam, and enters the element again from the second transmission surface 14 of the scanning angle conversion element 4. The third reflection surface 13 ′, the second reflection surface 13 having a positive power, and the negative power The first reflection surface 12 is sequentially reflected, is refracted by the first transmission surface 11, exits from the scanning angle conversion element 4, and the scanning angle of the scanning light beam emitted from the two-dimensional scanning mirror 3 is expanded to perform scanning. Scan the object. Since the reflection point of the two-dimensional scanning mirror 3 is located on the central axis 1, the second transmission surface 14, the third reflection surface 13 ', the second reflection surface 13, the first reflection surface 12, and the first transmission surface 11 are sequentially arranged. The central ray (principal ray) of the scanning light beam that has passed is located within a cross section (meridional cross section) that includes the central axis 1 and the normal line of the two-dimensional scanning mirror 3, and the object position that intersects the cross section is scanned.

この実施例の走査角変換素子４の第３透過面１５は球面、第２透過面１４は非球面、第３反射面１３’と第２反射面１３と第１反射面１４はトーリック面、第１透過面１１はシリンドリカル面で構成され、何れも中心軸１を回転対称軸とする。 In the scanning angle conversion element 4 of this embodiment, the third transmission surface 15 is a spherical surface, the second transmission surface 14 is an aspheric surface, the third reflection surface 13 ′, the second reflection surface 13, and the first reflection surface 14 are toric surfaces. 1 The transmission surface 11 is constituted by a cylindrical surface, and all have the central axis 1 as a rotationally symmetric axis.

この実施例において、２次元走査ミラー３のメリジオナル断面内での振り角範囲は１２．２１°〜２４．２０°の１１．９９°であり、走査角変換素子４を出た走査光束のメリジオナル断面内での走査角は１８０°であり、走査角拡大倍率βωは７．５１である。 In this embodiment, the swing angle range in the meridional section of the two-dimensional scanning mirror 3 is 11.99 ° of 12.21 ° to 24.20 °, and the meridional section of the scanning light beam emitted from the scanning angle conversion element 4. The scan angle is 180 °, and the scan angle magnification βω is 7.51.

したがって、２次元走査ミラー３をその法線がメリジオナル断面内で１１．９９°の振り角で振りながら中心軸１の周りでその法線を回転するようにすることで、方位角（水平角）３６０°、垂直角±９０°（＋は仰角、−は俯角）の範囲の全空間を走査することができる。 Accordingly, by rotating the normal line around the central axis 1 while swinging the two-dimensional scanning mirror 3 with a swing angle of 11.99 ° within the meridional section, the azimuth angle (horizontal angle) The entire space in a range of 360 ° and a vertical angle of ± 90 ° (+ is an elevation angle and − is a depression angle) can be scanned.

この実施例の実施例１の場合と同様な構成パラメータは後記する。また、この実施例の図２と同様の収差図を図７に示す。 The configuration parameters similar to those in the first embodiment will be described later. FIG. 7 is an aberration diagram similar to that of FIG.

本発明の走査角変換素子４のメリジオナル断面の角倍率βωは入射走査角と射出の走査角の比で求められ、その値βωは、
２＜βω ・・・（１）
なる条件を満たすことが望ましい。 The angular magnification βω of the meridional section of the scanning angle conversion element 4 of the present invention is obtained by the ratio of the incident scanning angle and the emission scanning angle, and its value βω is
2 <βω (1)
It is desirable to satisfy the following condition.

本条件式（１）の下限の２を越えると、上下（垂直）方向の走査角を±４５°以上とることができなくなる。 If the lower limit of 2 of this conditional expression (1) is exceeded, the vertical (vertical) scanning angle cannot be taken more than ± 45 °.

また、本発明の走査角変換素子４の外径（第１透過面１１のサジタル方向の外径）をｄとするとき、
ｄ＜５０（ｍｍ）・・・（２）
なる条件を満たすことが望ましい。 Further, when the outer diameter of the scanning angle conversion element 4 of the present invention (the outer diameter of the first transmission surface 11 in the sagittal direction) is d,
d <50 (mm) (2)
It is desirable to satisfy the following condition.

本条件式（２）の上限の５０ｍｍを越えると、光学素子が大型になり好ましくない。 If the upper limit of 50 mm of the conditional expression (2) is exceeded, the optical element becomes undesirably large.

本発明の走査角変換素子４の外径をｄ、第１反射面１２のメリジオナル断面でのパワーをｐｍ１（１／ｍｍ）とするとき、
−０．０１＜ｐｍ１／ｄ（ｍｍ^-2）・・・（３）
なる条件を満たすことが望ましい。 When the outer diameter of the scanning angle conversion element 4 of the present invention is d and the power at the meridional section of the first reflecting surface 12 is pm1 (1 / mm),
−0.01 <pm1 / d (mm ⁻² ) (3)
It is desirable to satisfy the following condition.

本条件式（３）の下限の−０．０１ｍｍ^-2を越えると、第１反射面１２の負のパワーが弱くなり、広い上下方向の走査角を取ることができなくなる。 When the lower limit of −0.01 mm ⁻² of the conditional expression (3) is exceeded, the negative power of the first reflecting surface 12 becomes weak, and a wide vertical scanning angle cannot be obtained.

実施例１〜３の条件式（１）〜（３）の値は次の通りである。 The values of conditional expressions (1) to (3) in Examples 1 to 3 are as follows.

実施例１実施例２実施例３
βω 4.34 6.53 7.51
ｐｍ１ -1.316 -0.443 -0.940
ｄ 9.00 7.96 12.00
ｐｍ１／ｄ -0.146 -0.056 -0.078
さらに好ましくは、第１反射面１２は２次元走査ミラー３側に凹面を向けた負のパワーを有する形状であることが重要である。凹面を２次元走査ミラー３側に向けることにより、この面で発生するコマ収差の発生を少なくすることが可能である。 Example 1 Example 2 Example 3
βω 4.34 6.53 7.51
pm1 -1.316 -0.443 -0.940
d 9.00 7.96 12.00
pm1 / d -0.146 -0.056 -0.078
More preferably, it is important that the first reflecting surface 12 has a negative power with the concave surface facing the two-dimensional scanning mirror 3 side. By directing the concave surface toward the two-dimensional scanning mirror 3, it is possible to reduce the occurrence of coma aberration occurring on this surface.

さらに好ましくは、第２反射面１３は２次元走査ミラー３側に凹面を向けた正のパワーを有する形状であることが重要である。凹面を２次元走査ミラー３側に向けることにより、第１反射面１２と組み合わせて負正の所謂レトロフォーカス型のパワー配置をとることが可能となり、走査角拡大倍率を大きくとることが可能となる。 More preferably, it is important that the second reflecting surface 13 has a shape having a positive power with the concave surface facing the two-dimensional scanning mirror 3 side. By directing the concave surface to the two-dimensional scanning mirror 3 side, it becomes possible to take a negative and positive so-called retrofocus type power arrangement in combination with the first reflecting surface 12, and to increase the scanning angle magnification. .

なお、何れの実施例においても、第１透過面１１をシリンドリカル面の代わりに走査対象物側に凸のトーリック面とすることで、メリジオナル断面内での走査角を１８０°以上にすることができる。 In any of the embodiments, the first transmission surface 11 is a toric surface convex toward the scanning object instead of the cylindrical surface, so that the scanning angle in the meridional section can be 180 ° or more. .

以下に、上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面、“ＡＳＳ”は非球面を示す。 The configuration parameters of Examples 1 to 3 are shown below. In the table below, “ERFS” indicates an extended rotation free-form surface, and “ASS” indicates an aspherical surface.

実施例１
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面 ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 偏心(3) 1.8348 42.7
3 ＥＲＦＳ[3] 偏心(4) 1.8348 42.7
4 ＡＳＳ[1] 偏心(5)
5 ∞（走査ミラー）偏心(6)
（絞り面）
6 ＡＳＳ[1] 偏心(5) 1.8348 42.7
7 0.81 -1.00 偏心(7)
像面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 90.00
Ｒ -4.50
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 2.29
θ 33.22
Ｒ -3.51
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 5.97
θ 5.90
Ｒ -2.42
ＡＳＳ[1]
Ｒ 4.83
ｋ -0.19423
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -∞ Ｚ 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.52
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.99
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 27.73 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 1
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ Eccentricity (1)
1 ERFS [1] Eccentricity (2) 1.8348 42.7
2 ERFS [2] Eccentricity (3) 1.8348 42.7
3 ERFS [3] Eccentricity (4) 1.8348 42.7
4 ASS [1] Eccentricity (5)
5 ∞ (scanning mirror) Eccentricity (6)
(Diaphragm surface)
6 ASS [1] Eccentricity (5) 1.8348 42.7
7 0.81 -1.00 Eccentricity (7)
Image plane ∞
ERFS [1]
RY ∞
θ 90.00
R -4.50
ERFS [2]
RY 2.29
θ 33.22
R -3.51
ERFS [3]
RY 5.97
θ 5.90
R -2.42
ASS [1]
R 4.83
k -0.19423
Eccentric [1]
X 0.00 Y -∞ Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 0.00 Z -2.52
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.99
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [6]
X 0.00 Y 0.00 Z 0.00
α 27.73 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [7]
X 0.00 Y 0.00 Z -2.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.

実施例２
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面 ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 偏心(3) 1.8348 42.7
3 ＡＳＳ[1] 偏心(4)
4 ∞（走査ミラー）偏心(5)
（絞り面）
5 ＡＳＳ[1] 偏心(4) 1.8348 42.7
6 -1.58 2.25 偏心(6)
像面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 90.00
Ｒ -3.98
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 8.27
θ 36.77
Ｒ -2.38
ＡＳＳ[1]
Ｒ 618.60
ｋ -0.19423
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -∞ Ｚ 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.98
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -5.41
α -15.83 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.90
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 2
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ Eccentricity (1)
1 ERFS [1] Eccentricity (2) 1.8348 42.7
2 ERFS [2] Eccentricity (3) 1.8348 42.7
3 ASS [1] Eccentricity (4)
4 ∞ (scanning mirror) Eccentricity (5)
(Diaphragm surface)
5 ASS [1] Eccentricity (4) 1.8348 42.7
6 -1.58 2.25 Eccentricity (6)
Image plane ∞
ERFS [1]
RY ∞
θ 90.00
R -3.98
ERFS [2]
RY 8.27
θ 36.77
R -2.38
ASS [1]
R 618.60
k -0.19423
Eccentric [1]
X 0.00 Y -∞ Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 0.00 Z -2.98
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 0.00 Z -5.41
α -15.83 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [6]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.90
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.

実施例３
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面 ∞ 偏心(1)
1 ＥＲＦＳ[1] 偏心(2) 1.8348 42.7
2 ＥＲＦＳ[2] 偏心(3) 1.8348 42.7
3 ＥＲＦＳ[3] 偏心(4) 1.8348 42.7
4 ＥＲＦＳ[4] 偏心(5) 1.8348 42.7
5 ＡＳＳ[1] 偏心(6)
6 ∞（走査ミラー）偏心(7)
（絞り面）
7 ＡＳＳ[1] 偏心(8) 1.8348 42.7
8 -1.42 2.40 偏心(9)
9 ∞
像面ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ ∞
θ 90.00
Ｒ -6.00
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ 3.91
θ 33.61
Ｒ -4.96
ＥＲＦＳ[3]
ＲＹ 9.48
θ 11.77
Ｒ -3.93
ＥＲＦＳ[4]
ＲＹ 152.64
θ 10.29
Ｒ -2.13
ＡＳＳ[1]
Ｒ -6.46
ｋ -0.19423
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ -∞ Ｚ 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.47
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.76
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -2.40
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -4.13
α -19.31 β 0.00 γ 0.00
偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.87
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ -0.87
α 0.00 β 0.00 γ 0.00 。
Example 3
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentricity Refractive index Abbe number Object surface ∞ Eccentricity (1)
1 ERFS [1] Eccentricity (2) 1.8348 42.7
2 ERFS [2] Eccentricity (3) 1.8348 42.7
3 ERFS [3] Eccentricity (4) 1.8348 42.7
4 ERFS [4] Eccentricity (5) 1.8348 42.7
5 ASS [1] Eccentricity (6)
6 ∞ (scanning mirror) Eccentricity (7)
(Diaphragm surface)
7 ASS [1] Eccentricity (8) 1.8348 42.7
8 -1.42 2.40 Eccentricity (9)
9 ∞
Image surface ERFS [1]
RY ∞
θ 90.00
R -6.00
ERFS [2]
RY 3.91
θ 33.61
R -4.96
ERFS [3]
RY 9.48
θ 11.77
R -3.93
ERFS [4]
RY 152.64
θ 10.29
R-2.13
ASS [1]
R -6.46
k -0.19423
Eccentric [1]
X 0.00 Y -∞ Z 0.00
α 90.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.01
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 0.00 Z -2.47
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.76
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [6]
X 0.00 Y 0.00 Z -2.40
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [7]
X 0.00 Y 0.00 Z -4.13
α -19.31 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [8]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.87
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [9]
X 0.00 Y 0.00 Z -0.87
α 0.00 β 0.00 γ 0.00.

なお、以上の実施例１〜３の構成パラメータにおいて、走査ミラーの偏心データ中のαの値は、中心軸１に直交する方向を走査する場合の２次元走査ミラー３の振り角（°）である。 In the configuration parameters of Examples 1 to 3 above, the value of α in the eccentric data of the scanning mirror is the swing angle (°) of the two-dimensional scanning mirror 3 when scanning in the direction orthogonal to the central axis 1. is there.

ところで、光走査手段としての２次元走査ミラー３の走査機構については、反射面の法線ベクトルを２次元的に振動させる機構であれば何れでもよいが、いくつか例示する。図８（ａ）の機構は、中心軸１の周りで回転する回転体２１に中心軸１と直角に交差する振動軸２１を設け、その軸２１が反射面内に含まれるように２次元走査ミラー３を振動軸２１に取り付けて構成し、例えば振動軸２１周りの２次元走査ミラー３の往復動を比較的高速で行い、回転体２１の中心軸１周りでの回転を比較的低速で行うことで、走査角変換素子４から射出した走査光束が中心軸１に略平行で±９０°の垂直角範囲を往復軌跡を描きながら３６０°全方位の空間を走査することになる。 By the way, the scanning mechanism of the two-dimensional scanning mirror 3 as the optical scanning unit may be any mechanism as long as it can two-dimensionally vibrate the normal vector of the reflecting surface. In the mechanism of FIG. 8A, a rotating body 21 that rotates around a central axis 1 is provided with a vibration axis 21 that intersects the central axis 1 at a right angle, and two-dimensional scanning is performed so that the axis 21 is included in the reflecting surface. For example, the reciprocating motion of the two-dimensional scanning mirror 3 around the vibration axis 21 is performed at a relatively high speed, and the rotation of the rotating body 21 around the central axis 1 is performed at a relatively low speed. As a result, the scanning light beam emitted from the scanning angle conversion element 4 scans the 360 ° omnidirectional space while drawing a reciprocating locus in a vertical angle range of ± 90 ° substantially parallel to the central axis 1.

また、図８（ｂ）の機構は、内側枠２２に中心軸１を通りＸ軸方向に伸びる振動軸２３を設け、その軸２３が反射面内に含まれるように２次元走査ミラー３を振動軸２３に取り付け、その内側枠２２を外側枠２４内に今度は振動軸２３が中心軸１と交差する点を通りＹ軸方向に伸びる振動軸２５に取り付け、例えば振動軸２３周りの２次元走査ミラー３の往復動を比較的高速で行い、振動軸２５周りの内側枠２２の往復動を比較的低速で行うことで、走査角変換素子４の第２透過面１４に入射する走査光束を拡大縮小する“８”の字状の軌跡を描くように走査することになり、走査角変換素子４から射出した走査光束は垂直角±９０°、水平角３６０°の範囲で曲線状の軌跡を描いて全空間を走査する。 In the mechanism of FIG. 8B, the inner frame 22 is provided with a vibration shaft 23 that passes through the central axis 1 and extends in the X-axis direction, and the two-dimensional scanning mirror 3 is vibrated so that the shaft 23 is included in the reflection surface. Attached to the shaft 23, the inner frame 22 is attached to the outer frame 24, this time to the vibration shaft 25 extending in the Y-axis direction through the point where the vibration shaft 23 intersects the central axis 1, for example, two-dimensional scanning around the vibration shaft 23 The reciprocating motion of the mirror 3 is performed at a relatively high speed, and the reciprocating motion of the inner frame 22 around the vibration axis 25 is performed at a relatively low speed, thereby expanding the scanning light beam incident on the second transmission surface 14 of the scanning angle conversion element 4. Scanning is performed so as to draw a “8” -shaped locus to be reduced, and the scanning light beam emitted from the scanning angle conversion element 4 draws a curved locus within a range of a vertical angle of ± 90 ° and a horizontal angle of 360 °. Scan the whole space.

また、図８（ｃ）の機構は、２次元走査ミラー３の反射面の法線ベクトルｎが可変の頂角φで首振り運動をするように運動を制御し、その首振り運動の頂角φを首振り運動の速度に比して比較的低速で行うことで、走査角変換素子４から射出した走査光束が垂直角±９０°の範囲で中心軸１の周りで略水平な軌跡で回転することで全空間を走査するものである。 8C controls the movement so that the normal vector n of the reflecting surface of the two-dimensional scanning mirror 3 performs a swing motion at a variable vertex angle φ, and the vertex angle of the swing motion. By performing φ at a relatively low speed compared with the speed of the swing motion, the scanning light beam emitted from the scanning angle conversion element 4 rotates in a substantially horizontal locus around the central axis 1 within a vertical angle of ± 90 °. By doing so, the entire space is scanned.

図８（ｃ）のように、２次元走査ミラー３の反射面の法線ベクトルｎが可変の頂角φで首振り運動をするための機構としては、機械的に構成することもできるが、ＭＥＭＳの技術を利用して一体型のものとして構成することができる（特許文献４）。その概略を図９の斜視図に示す。例えば半導体装置製造技術により基板３０表面の中央に弾性撓み可能な柱３１を立て、その先端に２次元走査ミラー３を取り付ける。そして、２次元走査ミラー３を中心としてその周辺から基板３０の表面に平行な方向に放射状に３本の腕部材３２₁〜３２₃が相互に１２０°をなすように２次元走査ミラー３に一体に設ける。そして、各腕部材３２₁〜３２₃の先端部直下の基板３０の表面部に電極３３₁〜３３₃を配置して２次元走査ミラー３を首振り運動させるための機構を構成する。そして、電極３３₁、３３₂、３３₃にそれぞれＡ（ｔ）｛１＋ｓｉｎ２πωｔ｝、Ａ（ｔ）｛１＋ｓｉｎ（２πωｔ−１２０°）｝、Ａ（ｔ）｛１＋ｓｉｎ（２πωｔ−２４０°）｝の位相が相互に１２０°遅れてなる三相交流に類似した交番電圧を印加することで、２次元走査ミラー３を静電的に図８（ｃ）のような首振り運動を可能にすることができる。ここで、Ａ（ｔ）は時間と共に増加又は減少する定数、ｔは時間、ωは周波数である。なお、腕部材３２₁〜３２₃は導体、誘電体何れで構成してもよいが、導体であることが望ましい。 As shown in FIG. 8C, the mechanism for swinging the normal vector n of the reflecting surface of the two-dimensional scanning mirror 3 with a variable apex angle φ can be mechanically configured. It can be configured as an integrated type using MEMS technology (Patent Document 4). The outline is shown in the perspective view of FIG. For example, a column 31 that can be elastically bent is set up at the center of the surface of the substrate 30 by a semiconductor device manufacturing technique, and the two-dimensional scanning mirror 3 is attached to the tip thereof. Then, the three arm members 32 _{1 to} 32 ₃ are integrated with the two-dimensional scanning mirror 3 so that the _three arm members 32 _{1 to} 32 ₃ form a radial direction from the periphery of the two-dimensional scanning mirror 3 in the direction parallel to the surface of the substrate 30. Provided. Then, the electrodes 33 _{1 to} 33 ₃ are arranged on the surface portion of the substrate 30 immediately below the tip portions of the arm members 32 _{1 to} 32 ₃ to constitute a mechanism for swinging the two-dimensional scanning mirror 3. Then, the phases of A (t) {1 + sin2πωt}, A (t) {1 + sin (2πωt−120 °)}, A (t) {1 + sin (2πωt−240 °)} are applied to the electrodes 33 ₁ , 33 ₂ and 33 ₃ , respectively. By applying an alternating voltage similar to a three-phase alternating current that is delayed by 120 ° from each other, the two-dimensional scanning mirror 3 can be electrostatically swung as shown in FIG. . Here, A (t) is a constant that increases or decreases with time, t is time, and ω is frequency. The arm members 32 _{1 to} 32 ₃ may be made of either a conductor or a dielectric, but are preferably conductors.

以上本発明の光走査光学素子、２次元走査ミラー装置及びそれを用いた光走査装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。 The optical scanning optical element, the two-dimensional scanning mirror device, and the optical scanning device using the same according to the present invention have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made. .

本発明の実施例１の光走査装置の中心軸を含む断面図（ａ）とＺ軸正方向に見た光路図（ｂ）である。2A is a cross-sectional view including the central axis of the optical scanning device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 実施例１の光学系の横収差図である。2 is a lateral aberration diagram of the optical system of Example 1. FIG. 実施例１の変形例の図１（ａ）と同様の図（ａ）、（ｂ）である。It is the figure (a) similar to FIG. 1 (a) of the modification of Example 1, (b). 本発明の実施例２の光走査装置の中心軸を含む断面図である。It is sectional drawing containing the central axis of the optical scanning apparatus of Example 2 of this invention. 実施例２の光学系の横収差図である。6 is a lateral aberration diagram of the optical system of Example 2. FIG. 本発明の実施例３の光走査装置の中心軸を含む断面図である。It is sectional drawing containing the central axis of the optical scanning apparatus of Example 3 of this invention. 実施例３の光学系の横収差図である。5 is a lateral aberration diagram of the optical system of Example 3. FIG. ２次元走査ミラーの走査機構の例示を説明するための図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）である。It is figure (a), (b), (c) for demonstrating the illustration of the scanning mechanism of a two-dimensional scanning mirror. ２次元走査ミラーの首振り運動をするための一体型の機構の１例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the integrated mechanism for performing the swing motion of a two-dimensional scanning mirror.

符号の説明Explanation of symbols

１…中心軸
２…光源
３…２次元走査ミラー
４…走査角変換素子
５…コリメータレンズ
６…ハーフミラー
７…集光レンズ
８…受光素子
１０…中心軸に直交する方向に走査する光束の中心光線
１１、１２、１３、１３’、１４、１５…走査角変換素子の光学面
２１…回転体
２１…振動軸
２２…内側枠
２３…振動軸
２４…外側枠
２５…振動軸
３０…基板
３１…柱
３２₁〜３２₃…腕部材
３３₁〜３３₃…電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Central axis 2 ... Light source 3 ... Two-dimensional scanning mirror 4 ... Scanning angle conversion element 5 ... Collimator lens 6 ... Half mirror 7 ... Condensing lens 8 ... Light receiving element 10 ... Center of the light beam scanned in the direction orthogonal to a central axis Rays 11, 12, 13, 13 ', 14, 15 ... optical surface 21 of scanning angle conversion element ... rotating body 21 ... vibration shaft 22 ... inner frame 23 ... vibration shaft 24 ... outer frame 25 ... vibration shaft 30 ... substrate 31 ... Columns 32 _{1 to} 32 ₃ ... arm members 33 _{1 to} 33 ₃ ... electrodes

Claims

光ビームを発生する光源ユニットと、前記光ビームの伝播軸上であって中心軸上に配置された２次元光走査手段と、前記２次元光走査手段により走査され光ビームの前記中心軸に沿う方向の走査角を拡大する走査角変換手段とを含み、前記中心軸の周り３６０°、前記中心軸を含む断面内９０°以上を走査可能なことを特徴とする光走査装置。 A light source unit that generates a light beam, a two-dimensional light scanning unit disposed on a central axis of the light beam, and scanned along the central axis of the light beam scanned by the two-dimensional light scanning unit A scanning angle conversion means for enlarging a scanning angle in a direction, and capable of scanning 360 ° around the central axis and 90 ° or more in a cross section including the central axis.

前記走査角変換手段は前記中心軸に対して回転対称な面より構成されていて、少なくとも１面の内部反射面を有することを特徴とする請求項１記載の光走査装置。 2. The optical scanning device according to claim 1, wherein the scanning angle conversion means is composed of a rotationally symmetric surface with respect to the central axis and has at least one internal reflection surface.

前記走査角変換手段は、被走査側から順に、第１透過面、少なくとも１つの内部反射面、第２透過面を備えており、前記第１透過面は前記中心軸に沿う方向の外周面からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光走査装置。 The scanning angle conversion means includes, in order from the scanned side, a first transmission surface, at least one internal reflection surface, and a second transmission surface, and the first transmission surface extends from an outer peripheral surface in a direction along the central axis. The optical scanning device according to claim 1, wherein:

走査対象物からの光であって、走査される光ビームと逆の光路をたどって進む光を前記光源ユニットと前記２次元光走査手段との間で分離して検出する光検出手段を備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の光走査装置。 Light detection means for separating and detecting light from the scanning object that travels along an optical path opposite to the scanned light beam between the light source unit and the two-dimensional light scanning means; The optical scanning device according to claim 1, wherein the optical scanning device is provided.

前記２次元光走査手段が２次元走査ミラーからなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の光走査装置。 The optical scanning apparatus according to claim 1, wherein the two-dimensional optical scanning unit includes a two-dimensional scanning mirror.

中心軸に対して回転対称な面より構成された透明媒体からなり、第１透過面、少なくとも１つの内部反射面、第２透過面を備えており、前記中心軸上の１点から前記中心軸に沿う方向に偏向された光ビームが前記第２透過面、前記内部反射面、前記第１透過面の順に経て、前記中心軸に沿う方向の走査角が拡大されて射出することを特徴とする光走査光学素子。 The transparent medium is composed of a rotationally symmetric surface with respect to the central axis, and includes a first transmission surface, at least one internal reflection surface, and a second transmission surface. The central axis extends from one point on the central axis. The light beam deflected in the direction along the direction passes through the second transmission surface, the internal reflection surface, and the first transmission surface in this order, and the scanning angle in the direction along the central axis is enlarged and emitted. Optical scanning optical element.

光学面の少なくとも１つが前記中心軸を中心とするトーリック面又は拡張回転自由曲面からなることを特徴とする請求項６記載の光走査光学素子。 7. The optical scanning optical element according to claim 6, wherein at least one of the optical surfaces is a toric surface or an extended rotation free-form surface centered on the central axis.

２面以上の内部反射面を備えており、前記中心軸を含む断面内で前記第１透過面から前記第２透過面に至る光路がＺ字状のジクザク光路をとることを特徴とする請求項６又は７記載の光走査光学素子。 The optical path from the first transmission surface to the second transmission surface in a cross section including the central axis has a Z-shaped zigzag optical path, comprising two or more internal reflection surfaces. 8. The optical scanning optical element according to 6 or 7.

前記中心軸を含む断面内での走査角拡大倍率をβωとするとき、
２＜βω ・・・（１）
なる条件を満足することを特徴とする請求項６から８の何れか１項記載の光走査光学素子。 When the scanning angle magnification within the cross section including the central axis is βω,
2 <βω (1)
The optical scanning optical element according to claim 6, wherein the following condition is satisfied.

前記光走査光学素子外径をｄとするとき、
ｄ＜５０（ｍｍ）・・・（２）
なる条件を満足することを特徴とする請求項６から９の何れか１項記載の光走査光学素子。 When the outer diameter of the optical scanning optical element is d,
d <50 (mm) (2)
The optical scanning optical element according to claim 6, wherein the following condition is satisfied.

前記光走査光学素子外径をｄ、光線の通る順に、前記第１透過面に至る前の反射面の前記中心軸を含む断面内でのパワーをｐｍ１（１／ｍｍ）とするとき、
−０．０１＜ｐｍ１／ｄ（ｍｍ^-2）・・・（３）
なる条件を満足することを特徴とする請求項６から１０の何れか１項記載の光走査光学素子。 When the outer diameter of the optical scanning optical element is d and the power in the cross section including the central axis of the reflection surface before reaching the first transmission surface is pm1 (1 / mm) in the order that the light beam passes,
−0.01 <pm1 / d (mm ⁻² ) (3)
The optical scanning optical element according to claim 6, wherein the following condition is satisfied.

基板表面に弾性撓み可能な柱が立っており、前記柱の先端に反射鏡が取り付けられ、前記反射鏡を中心としてその周辺から前記基板の表面に平行な方向に放射状に３本の腕部材が相互に１２０°をなすように前記反射鏡に一体に取り付けられ、前記腕部材各々の先端部直下の前記基板表面部に電極が配置され、前記電極に、相互に位相が１２０°ずれた三相交流にその振幅分の直流を重畳してなる交番電圧であって、その交番電圧の振幅が時間と共に可変な交番電圧が印加可能になっていることを特徴とする２次元走査ミラー装置。 A column that can be elastically bent stands on the surface of the substrate, a reflecting mirror is attached to the tip of the column, and three arm members radially extend from the periphery of the column in the direction parallel to the surface of the substrate. Three-phase, which is integrally attached to the reflecting mirror so as to form 120 ° to each other, electrodes are disposed on the surface of the substrate immediately below the tip of each arm member, and the phases of the electrodes are shifted by 120 ° from each other. A two-dimensional scanning mirror device characterized in that an alternating voltage in which an alternating current is superimposed on an alternating current and the amplitude of the alternating voltage is variable with time can be applied.