【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は微小スポットで且つ大きい焦点深度を持つレ−ザビ−ム発生方法及びそれを用いた装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来レ−ザビ−ムは一般にガウスビ−ムとして取り扱われ、その伝播特性に基づく制約を受けてきた。しかしながら近年、非常に深度が大きく、且つスポット径が比較的小さいレ−ザビ−ムとしてベッセルビ−ム（Ｊ0 ビ−ム、或は非回折ビ−ム）が注目されている。ベッセルビ−ムの詳細は例えば Durnin: J. Opt. Soc. Am. A,vol.4,No.4, p.651 (1987)に記述されている。このビ−ムの特徴は伝播方向に垂直な断面内での光振幅分布が第１種の０次ベッセル関数に比例するものになっていることである。即ち光軸からの距離を rとしたとき、ベッセルビ−ムの振幅分布Ｕ(r) は
Ｕ(r) ＝A Ｊ0(αr) ‥‥‥(1)
で表される。ここで A及びαは定数である。
【０００３】
ベッセルビ−ムを近似的に得る方法としては Durnin 他による細いリング開口とレンズを用いて形成する方法や（ Phys. Rev. Letters,vol.58,No.15,p.1499 (1987)) 、河田、有本による円錐プリズムを用いて形成する方法（春季応用物理学会講演予稿集、p.829、30p-A-4 (1991)) などが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらベッセルビ−ムはＪ0(r)の挙動から明らかなように、回折リングのサイドロ−ブの強度が大きいという取り扱いにくさを持っている。即ち第１リングの強度は中心ピ−クの16% 、第２リングの強度は 9% もあり、この副極大の存在がベッセルビ−ムの実際の装置への適用、例えば記録装置への適用を困難としていた。
【０００５】
本発明は上記従来のベッセルビ−ムの持っていた特性である小さなスポット径と大きな深度という特性を保ったまま、副極大を押さえ実際の光学装置に適用するのに好適なレ−ザビ−ムを提供すること、及び該レ−ザビ−ムを適用した光学装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため本発明では２種類の互いに径の大きさ、即ち副極大の位置の異なるベッセルビームを干渉（振幅的な重ね合わせ）させ、全体として本来のベッセルビームの特徴を保ったまま、副極大が抑えられたビーム形状を提供することを特徴とする。このように２つのベッセルビームを干渉させることによって得られたビームを本願では２重ベッセルビームと呼ぶことにする。
【０００７】
副極大が抑えられた結果、２重ベッセルビームは従来のベッセルビームよりよりガウスビームに近い形状となる。このためベッセルビームの特性を保ったままガウスビームの場合よりも深度の大きい光学系が可能となり、広い範囲での応用が可能となった。
【０００８】
【実施例】
本発明で導入された２重ベッセルビームを形成するための光学系の実施例１を示したのが図１である。図１の光学系は等価的に２重ベッセルビーム形成の基本型としての意味を持っている。そのためここでは先ず図１を例として本２重ベッセルビームの基本的なパラメータについて説明し、好適な２重ベッセルビームを得るための条件を明確化する。
【０００９】
図１において１は同心の２重リング開口、２はレンズ、３はレンズ２の像側焦点面、４は焦点面から zだけデフォ−カスした位置に設けられた観測面である。同心リング開口１の回転対称軸はレンズ２の光軸と一致して配置されている。１を回転対称軸方向から見た様子を示したのが図２である。図２（ａ）に示すようにリング開口は基本的には２つの細いリング部分から構成される。図中、斜線部分が遮光部を表し、内側の透過開口リングの半径が a1 、外側の透過開口リングの半径が a2 となっている。図より明らかに
a2 ＞a1＞ 0 ‥‥‥(2)
で、各リングの幅は十分小さいものとする。
【００１０】
図２（ａ）に示した同心２重リング開口１は、例えば精密平面研磨したガラス基板の上に形成することができる。遮光は開口部以外の部分に光吸収材料を塗布したり、光反射材料を蒸着したりするなどの公知の方法によって容易に実現させることができる。
【００１１】
またガラス基板を用いる代わりに、リング開口を安価に型抜き開口として製作することも可能である。この場合には保持上の問題から完全なリングとはならず、図２（ｂ）に示したような回転対称性の崩れた近似２重リング開口となる。図２（ｂ）ではこの開口を１’と示しているが、実用上は１’を１の代わりに用いてもなんら差し支えない。
【００１２】
次いで光学系の作用について説明し、合わせて本発明の２重ベッセルビ−ムのパラメ−タ依存性について説明する。図１においてレ−ザ光Ｌは平行光として同心２重リング開口１を照明する。１を出射したレ−ザ光は２つのリング状の光となってレンズ２を通過し、レンズ２の像側焦点面上で重なり合う。２つのリング状の光は焦点面上で互いに異なる径と分布を持ったベッセルビ−ムとなり、コヒ−レントなため互いに干渉しあって２重ベッセルビ−ムを形成する。
【００１３】
像側焦点面３上に形成されるこの２重ベッセルビ−ムの振幅分布は同心２重リング１のフラウンホ−ファ回折を計算することによって求めることができる。周知のように回転対称系では、開口面上での中心軸である光軸からの距離をρ、開口の振幅分布を表わす瞳関数をＧ（ρ）、波数を k（＝2π／λ：λは波長) としたとき、光軸となす角の正弦が wとなる方向へ回折される光の振幅Ｕ(w) は
【００１４】
【数１】
で与えられる。開口のリング幅が無限に小さい理想的な場合を仮定すると、瞳関数Ｇ（ρ）は
Ｇ（ρ）＝δ（ρ−ａ１） ＋δ（ρ−ａ２） ‥‥‥（４）
である。（4)を (3)式に代入して求められるのが無限遠に形成される２重ベッセルビ−ムの振幅Ｕ(w) で
Ｕ(w) ＝ 2π[ a1Ｊ0(ka1w) ＋ a2 Ｊ0(ka2w) ] ‥‥‥(5)
である。
【００１５】
レンズ２の焦点面３上の振幅分布は２重ベッセルビ−ムの無限遠の強度分布と相似となる。即ちレンズの焦点距離を f、焦点面上での光軸からの距離を先に置いたように rとすると、 w＝ r/fより(5) 式は
Ｕ(r) ＝ 2π[ a1Ｊ0(ka1r/f) ＋ a2 Ｊ0(ka2r/f) ] ‥‥‥(6)
と変換される。ここで本発明の２重ベッセルビ−ム形成に対する条件を明確にするため、新たなパラメ−タとしてリング径の比εを導入し、更に系の Fナンバ−Fを外側のリングの有効径より次のように定義する。
【００１６】
ε＝ a1/a2 ‥‥‥(7)
F ＝ f/(2a2) ‥‥‥(8)
このεとＦを (6)式に代入し、無関係な比例定数を省略すると、レンズ２の焦点面３上の振幅分布Ｕ(r) 及び強度分布Ｉ(r) は結局、
Ｕ(r) ＝εＪ0(επr/λF ) ＋Ｊ0(πr/λF ) ‥‥‥(9）
Ｉ(r) ＝ |Ｕ(r) |2 ‥‥‥(10)
と表される。
【００１７】
(5),(6),(9) 式は同じ分布をパラメ−タ変換したにすぎないが、これらの式は２重ベッセルビ−ムの振幅が互いにスケ−ルの異なる２つのベッセルビ−ムの振幅の和で与えられるということを意味している。両者が振幅の和の形で互いに影響しあうことによって、従来単一のベッセルビ−ムでは不可能であったビ−ム形状のコントロ−ルが可能となった。パラメ−タεは図１の場合は２つのリングの径の比であるが、これはとりもなおさず２つのベッセルビ−ムの径の比と等しい。以降別の実施例においてもパラメ−タεが用いられるが、その場合にはεをビ−ム径の比として考えれば良い。
【００１８】
ここで具体的に２重ベッセルビ−ムにしたことによって得られる効果につき、波長λとＦナンバ−を固定した状態で説明を行う。パラメ−タはリング径比εで、εの変化に対する焦点面上でのスポット形状の変化を示したのが図３〜図６である。与えたパラメ−タは波長としてHeNeレ−ザのλ＝632.8nm 、Ｆナンバ−はＦ＝10とした。各図において横軸は焦点面上での光軸からの距離 rをmm単位で表したもの、縦軸は強度分布で中心ピ−クを１として正規化したものである。
【００１９】
図３から図６にεの値により２重ベッセルビ−ムの形状がどう変化するかを示した。図３にはεが 0と0.1 、図４には 0.2〜0.4 、図５には 0.5〜0.7 、図６には 0.8〜1.0 の場合が示されている。図３に示されているε＝0 は内側のリングが無い場合に対応するので、強度分布は従来のベッセルビ−ムそのものである。
【００２０】
従来技術で説明したように、第１回折リングの強度は中心強度の約 16%にも当たる。εの値が 0.1から 0.2と増加していくと第１回折リングの強度が減少するものの、第２回折リングの強度が増加し第１回折リングより大きくなる。しかしながらεが 0.2になっても大きいほうの第２回折リングの最大強度は 12%に押さえられており、従来のベッセルビ−ムの 16%に対し改善が認められる。
【００２１】
ε＝0.3 及び 0.4では今度は第２リングが減少を始め、最大強度を示す回折リングが第３リングに移っていく。即ちここまでのεの増加に伴う変化の過程は、最大強度を示す回折リングが段々外側の高い次数に移っていく現象を示している。外側に行くに従い最も大きい強度を示す回折リングの強度は減少し、中心に対し 7〜8%と低減化される。
【００２２】
ε＝0.5 及び 0.6は回折リングの最大強度が最も低減される状態である。強度の大きくなる次数が外側に行く傾向が続く中で、第１回折リングの強度が成長を始め、両者のバランスが取れて全体として副極大のピ−ク値が最も小さくなるのがこの条件である。この場合の回折光の最大強度は約6%で、従来のベッセルビ−ムの1/3 程度にまでなる。
【００２３】
ε＝0.7 以降は第１次回折リングが更に成長して、その影響が支配的になってくる過程である。第１次リングの強さはε＝0.7 で10% 、ε＝0.8 で13% 、ε＝0.9 で15% となる。ε＝1.0 では内側のリングと外側のリングが一致してしまうためもとのベッセルビ−ムそのものとなり、リングの最大強度は16% に戻ってしまう。
【００２４】
本発明の２重ベッセルビ−ムのスポット形状はεによりこのように変化する。従来のベッセルビ−ムで問題であった回折リングの低減化は２つのリングの半径の比εが 0.5〜0.6 の時が最適であり、実質的には
0.3 ≦ε≦ 0.7 ‥‥‥(11)
の範囲に納まれば良いことが分かった。
【００２５】
ベッセルビ−ムの特徴の一つは大きな焦点深度であった。２重ベッセルビ−ムにしてビ−ム形状を改善することにより、ベッセルビ−ム本来の特性がどのように変化するかを次に説明する。２重ベッセルビ−ムのデフォ−カス特性は(9) 式の振幅分布のフレネル回折を計算して求めることができる。フレネル回折積分を行った結果を全体の比例定数となる項を省略した形で示すと、デフォ−カス量 zを導入した振幅分布Ｕ(r,z) 及び強度分布Ｉ(r,z) は
Ｕ(r,z) ＝ε・exp[ik(1-ε2)z/8F2]・ Ｊ0(επr/λF)＋Ｊ0(πr/λF)‥‥‥(12)
Ｉ(r,z) ＝| Ｕ(r,z) |2 ‥‥‥(13)
となる。ここで zは図１に示されているレンズの像側焦点位置を原点とした円筒座標系の光軸方向の座標である。
【００２６】
図３以下に示したのと同じように波長λ＝632.8nm 、 F＝10とし、ビ−ム形状のパラメ−タを最適条件であるε＝0.5 として(12),(13)を計算した結果を図７、図８に示す。
【００２７】
図７の(a),(b),(c) はそれぞれデフォ−カス量が0mm、0.1mm、0.2mm の時のビ−ムの強度分布である。図３〜図６と同じく横軸は rで光軸からの距離、縦軸はデフォ−カス 0の場合の中心ピ−ク強度を１と正規化した強度を示している。
【００２８】
図７(a) は回折リング強度の低減化された２重ベッセルビ−ムのデフォ−カスがない z＝0 の場合で、図５のε＝0.5 と同じものである。これを図７及び図８の基準状態とする。通常のガウスビ−ムと同様に中心強度の 1/e2 でスポットの直径を定義すると、径は 8.4μｍに相当する。図７(b) のように 0.1mmのデフォ−カスを行うと、中心のピ−ク強度は約 80%、図７(c) のように 0.2mm のデフォ−カスを行うと、中心のピ−ク強度は約 40%にまで低下する。
【００２９】
図７の計算結果に示されるように、回折リング強度の低減化された２重ベッセルビ−ムには従来のベッセルビ−ムの超長深度という性質はない。しかし絶対値に着目すれば、２重ベッセルビ−ムは同一のスポット径のガウスビ−ムに比べ約2倍、エアリパタ−ンと比べ約 1.2倍の焦点深度を持っている。
【００３０】
一方で２重ベッセルビ−ムは２光束干渉から来る特徴的なデフォ−カス特性を持っている。図８はそれを示すものでデフォ−カス量を更に大きくした場合、即ちデフォ−カス量 zが 0.3mm,0.5mm,0.7mmになった場合のビ−ム強度分布を示したものである。
【００３１】
図８(a) に示したデフォ−カス量が 0.3mmの場合は図７(c) の 0.2mmの場合よりも一段と中心強度が低下し、基準状態の約 14%の中心ピ−ク強度となる。しかしながら図８(b) のデフォ−カス量 0.5mmになると逆に強度が増加し、中心ピ−クは約 50%に、図８(c) のデフォ−カス 0.7mmではビ−ム形状は更に修正されて基準状態と殆ど同じ強度分布になる。
【００３２】
図８に示したビ−ム形状の回復現象は(12)式により説明される。(12)式においてデフォ−カスzによって変化するのは第１項のエックスポネンシャルの肩の項のみである。この指数項は exp(i・p・z) の型をしているのでデフォ−カス量 zの変化に対し周期的に変化を行う。特に zに関しては１次の形をしているため一定のピッチの z毎に指数項の括弧の中が同じ値となり、強度分布が同一になる、即ち一定ピッチ毎に同じ強度分布が繰り返し現われることになる。
【００３３】
光軸方向に同じパターンが繰り返し現われるという現象は回折格子を単色光で照明したときに一定ピッチで格子像が現われるフーリエイメージと呼ばれる現象と類似する。フーリエイメージが複数個の明確に分離した回折光の伝播に伴う相互干渉現象として説明されるのと同様に、本発明の２重ベッセルビームのデフォーカス特性も２つのベッセルビームの干渉現象として説明することができる。言い換えれば２重ベッセルビームのデフォーカス特性は微小スポットのフーリエイメージと見ることも可能である。
【００３４】
２重ベッセルビ−ムのフ−リエイメ−ジのピッチ zp は(12)式より
k( 1−ε2) zp/8F2 ＝ 2π ‥‥‥(14)
を解くことで、
zp ＝ 8λF2/( 1−ε2) ‥‥‥(15)
と求められる。図７及び図８で計算した条件であるλ＝632.8nm 、 F＝10、ε＝0.5 を(15)式に代入すると zp ＝0.675mm となる。図８(c) の 0.7mmデフォ−カスでのビ−ム形状の回復はこの計算結果と一致している。
【００３５】
以上図１の光学系を用いて２重ベッセルビ−ムの基本的な性質を説明したが、２重ベッセルビ−ムは他の方法によっても形成することが可能である。
【００３６】
図９はその一例で、図９(a) は２重円錐プリズム５を用いたものである。プリズムを利用した発生法は光の利用効率が図１の方式に比べ高いという利点がある。５の片一方の面は第１の頂角を持つ円錐面６と、前記第１の頂角とは異なる第２の頂角を持つ円錐面７から構成されており、２つの円錐面と対抗する面は平面となっている。この２重円錐プリズム５の平面側に不図示のレ−ザ光源から出射して平行光に変換されたレ−ザ光Ｌを入射させる。
【００３７】
５を通過したレ−ザ光Ｌのうちの一部は第１の頂角を持つ円錐面６から出射し、残りは第２の頂角を持つ円錐面７から出射する。それぞれの円錐面から出射したレ−ザ光が互いに交わる領域に観測面８を設定すると本発明の２重ベッセルビ−ムが形成される。
【００３８】
図９(a) は第１の頂角を持つ円錐面６と第２の頂角を持つ円錐面７との境界線に段差が生じない構成例となっているが、図９(b) のように段差のある２重円錐プリズム５’を用いることも可能である。この場合も２つの円錐面を通過した光が交差する領域８で相互の干渉により２重ベッセルビ−ムを発生させることができる。
【００３９】
図１０は物理光学素子を用いて２重ベッセルビ−ムを発生させる実施例を示したものである。同図において９は振幅型の位相フィルタ−で、その振幅透過率（透過関数）F(r)は、
F(r)＝ε・exp[ik(1-ε2)z0/8F2]・Ｊ0(επr/λF)＋Ｊ0(πr/λF)‥‥‥(16)
で与えられる。(16)式は z0 ＝0 と置いて簡単にすると、
F(r)＝ε・ Ｊ0(επr/λF)＋Ｊ0(πr/λF) ‥‥‥(17)
となり(9) 式と一致する。ここで rは光軸からの距離、ε,F,z0 は定数である。
【００４０】
振幅位相フィルタ９に入射する平行レ−ザビ−ムＬの振幅を１とすれば、フィルタ９出射直後の振幅分布は(16)または(17)式そのものになり、２重ベッセルビ−ムを形成させることができる。図１０で示されるフィルタ９は図１の光学系や図９の２重円錐プリズムに比べて光軸方向の厚みが小さく、且つ一つの素子で済むので最もコンパクトな２重ベッセルビ−ム発生素子となる。
【００４１】
図１１は(17)式の振幅透過率を持つ振幅位相フィルタ９によって形成される２重ベッセルビ−ム発生の様子を示すもので、微小スポットのフ−リエイメ−ジの様子を強調して示したものである。パラメ−タεは 0.5近傍の値である。
【００４２】
図１１においてＬはレ−ザからの平行ビ−ム、９は振幅位相フィルタ、Ｓ0,Ｓ1,Ｓ2,Ｓ3、…は振幅位相フィルタ９の出射面からの距離がそれぞれ 0,zp,2zp,3zp,…の位置に形成された微小スポットを示す。 図のように微小スポットがフ−リエイメ−ジの原理より光軸方向に等間隔に並ぶ。zpの値は(15)式で与えられる。フィルタ−９の代わりに図１や図９の光学系を用いても同様なzp毎の微小スポットが形成されるが、形成される領域は２つのビ−ムが重なり合う領域に限定される。
【００４３】
２重ベッセルビ−ムは以上のように簡単に発生させることができて、従来のベッセルビ−ムで生じる余計な干渉パタ−ンが抑制されており、しかもガウスビ−ムより焦点深度が大きいため、多方面に応用が可能である。図１２はその一例で光走査装置に２重ベッセルビ−ムを適用したものである。
【００４４】
図１２において１０は光源の半導体レ−ザ、１１はコリメ−タレンズ、９は２重ベッセルビ−ムを発生させる振幅位相フィルタ−、１２はその前側焦点面をフィルタ−９の出射面に一致させたレンズ、１３は回転ポリゴンミラ−、１４はｆθレンズ、１５は被走査面である。Ｓ0,Ｓ1,Ｓ2,…は振幅位相フィルタ−９の近傍に形成される微小スポットのフ−リエイメ−ジ、…Ｓ-2',Ｓ-1',Ｓ0',Ｓ1', Ｓ2', …は被走査面１５近傍に形成される微小スポットのフ−リエイメ−ジをそれぞれ強調して示したものである。
【００４５】
半導体レ−ザ１０から出射したレ−ザビ−ムはコリメ−タレンズ１１で平行ビ−ムとなり、振幅位相フィルタ−９に入射する。振幅位相フィルタ−９は図１１に示したとおりで、出射後のビ−ムは２重ベッセルビ−ムとなって微小スポットのフ−リエイメ−ジＳ0,Ｓ1,Ｓ2,…を９の近傍に形成する。光学系の基本量を決定するスポットＳ0 について着目すると、Ｓ0 から出射した発散ビ−ムはレンズ１２により平行ビ−ムに変換され、レンズ１２の後側焦点面近傍に配置された回転ポリゴンミラ−１３のミラ−反射面によって反射偏向される。反射されたビ−ムはｆθレンズ１４を通過後、被走査面１５上にビ−ムスポットＳ0'を形成する。
【００４６】
スポットＳ0'は回転ポリゴンミラー１３の回転に伴って被走査面上を走査する。他のスポットＳ1,Ｓ2,…も同様の光路を通り被走査面１５からデフォ−カスした位置でスポットＳ1',Ｓ2', …を形成する。また振幅位相フィルタ−９の前側に虚像として形成されている微小スポットＳ-1,Ｓ-2, …も同様の光路を通って被走査面１５からデフォ−カスした位置にスポットＳ-1',Ｓ-2',…を形成する。これら全てのスポット群…Ｓ-2',Ｓ-1',Ｓ0',Ｓ1',Ｓ2',…が被走査面１５上もしくはその近傍にビ−ムの伝播方向に沿って一直線上に形成され、回転ポリゴンミラー１３の回転とともに走査が行われる。
【００４７】
このようなスポット群の形成は光学系の組み立て調整上多大な利点がある。図１２の配置では被走査面上に丁度スポットＳ0'が来ているが、実際に装置を組み立てる際にはレンズの曲率半径、各光学要素間の面間隔の誤差、屈折率の誤差などにより、設計値通り組み立ててもスポットＳ0'は必ずしも被走査面１５と合致せず光軸方向にずれてばらつく。このようなばらつきを吸収するため、従来のガウスビ−ムスポットやエアリ−パタ−ンスポットなどの単一スポット形成システムではレンズ間の距離や、物体面或は像面の位置を大きく変化させて、被走査面１５上にスポットを結像させるように調整を行う必要があった。
【００４８】
しかしながら図１２のような本発明の２重ベッセルビ−ムを適用した光走査装置ではビ−ムの伝播方向にスポットが多重に結像点を持っているため複雑な調整は必要としない。例えばスポットＳ2'が被走査面１５の近傍に位置していれば、スポットＳ0'の代わりにＳ2'を１５の位置に持ってきてＳ2'を走査スポットとして使用すれば良い。このように２重ベッセルビ−ムを用いることで光学系の組み立て調整は大幅に簡易化される。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように２重ベッセルビ−ムは簡単な光学系で実現でき、スポット形状と深度の関係において従来知られているビーム径の持っている利点を合わせ持った効果を実現することができる。ベッセルビ−ムに比べた場合、回折リング（サイドロ−ブ）の低減された走査スポットが得られるため、より高画質な出力パタ−ンを得られることがあげられる。またガウスビ−ムやエアリ−パタ−ンに比べた場合には深度の深い走査ビ−ムスポットが得られるため、装置全体としてのシステム構成、設計上の誤差配分などの点で有利になる。第３にフ−リエイメ−ジを利用できる結果、光学系の組立調整が容易化できるなどといった点も有利な点である。
【００５０】
このように２重ベッセルビ−ムは扱いやすいビ−ム形状であって、なおかつ深度が大きいため光走査装置、光記憶装置等の光学装置全般の広い範囲で応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２重ベッセルビ−ムを発生させる実施例１の２重リング
開口を用いた光学系を示す図
【図２】本発明の実施例１の２重開口リングを示す図
【図３】２重ベッセルビ−ムのパラメ−タε(0〜0.1)依存性を示す図
【図４】２重ベッセルビ−ムのパラメ−タε(0.2〜0.4)依存性を示す図
【図５】２重ベッセルビ−ムのパラメ−タε(0.5〜0.7)依存性を示す図
【図６】２重ベッセルビ−ムのパラメ−タε(0.8〜1.0)依存性を示す図
【図７】２重ベッセルビ−ムのデフォ−カス依存性を示す図
【図８】２重ベッセルビ−ムのデフォ−カス依存性を示す図
【図９】本発明の実施例２の２重円錐プリズムを用いた光学系を示す図
【図１０】本発明の実施例３の振幅位相フィルタ−を用いた光学系の図
【図１１】振幅位相フィルタ−でのフ−リエイメ−ジの発生を示す図
【図１２】本発明の２重ベッセルビ−ムを光走査装置に応用した実施例
【符号の説明】
１ ２重リング開口
２ レンズ
３ レンズ２の焦点面
４ 観測面
５，５’ ２重円錐プリズム
６ 第１の頂角を持った円錐プリズム
７ 第２の頂角を持ったた円錐プリズム
８ 観測面
９ 振幅位相フィルタ−
１０ 半導体レ−ザ
１１，１２，１４ レンズ
１３ 回転ポリゴン
１５ 被走査面[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a laser beam generating method having a small spot and a large depth of focus and an apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a laser beam is generally treated as a Gaussian beam and has been restricted based on its propagation characteristics. In recent years, however, a Bessel beam (J0 beam or non-diffracting beam) has attracted attention as a laser beam having a very large depth and a relatively small spot diameter. The details of the vessel beam are described in, for example, Durnin: J. Opt. Soc. Am. A, vol. 4, No. 4, p. 651 (1987). The characteristic of this beam is that the light amplitude distribution in a section perpendicular to the propagation direction is proportional to the first-order zero-order Bessel function. That is, when the distance from the optical axis is r, the amplitude distribution U (r) of the Bessel beam is U (r) = AJ0 (αr) α (1)
It is represented by Where A and α are constants.
[0003]
As a method for approximately obtaining a Bessel beam, a method using a thin ring aperture and a lens by Durnin et al. (Phys. Rev. Letters, vol. 58, No. 15, p. 1499 (1987)), Kawata A method using Arimoto's conical prism (Proceedings of the Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, p.829, 30p-A-4 (1991)) is known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, as is apparent from the behavior of J0 (r), the Bessel beam has difficulty in handling such that the strength of the side lobe of the diffraction ring is large. That is, the strength of the first ring is 16% of the center peak and the strength of the second ring is 9%, and the existence of this sub-maximum makes it possible to apply the Bessel beam to an actual apparatus, for example, to a recording apparatus. It was difficult.
[0005]
The present invention provides a laser beam suitable for applying to an actual optical device while suppressing the sub-maximal value while maintaining the characteristics of the conventional Bessel beam such as a small spot diameter and a large depth. And an optical device to which the laser beam is applied.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, two types of Bessel beams having different diameters, that is, different positions of the sub-maximum are caused to interfere with each other (overlapping in terms of amplitude), and the sub-maximum is maintained while maintaining the characteristics of the original Bessel beam as a whole. It is characterized by providing a suppressed beam shape. The beam obtained by causing the two Bessel beams to interfere with each other in this manner is referred to as a double Bessel beam in the present application.
[0007]
As a result of suppressing the sub-local maximum , the double Bessel beam has a shape closer to a Gaussian beam than the conventional Bessel beam. For this reason, an optical system having a greater depth than that of the Gaussian beam can be obtained while maintaining the characteristics of the Bessel beam , and application in a wide range is possible.
[0008]
【Example】
FIG. 1 shows Embodiment 1 of an optical system for forming a double Bessel beam introduced by the present invention. The optical system of FIG. 1 equivalently has a meaning as a basic type of double Bessel beam formation. Therefore, here, first, basic parameters of the present double Bessel beam will be described with reference to FIG. 1 as an example, and conditions for obtaining a suitable double Bessel beam will be clarified.
[0009]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a concentric double ring aperture, 2 denotes a lens, 3 denotes an image-side focal plane of the lens 2, and 4 denotes an observation plane provided at a position defocused by z from the focal plane. The rotationally symmetric axis of the concentric ring opening 1 is arranged so as to coincide with the optical axis of the lens 2. FIG. 2 shows a view of No. 1 from the direction of the rotationally symmetric axis. As shown in FIG. 2A, the ring opening is basically composed of two thin ring portions. In the figure, the shaded portion represents the light shielding portion, and the radius of the inner transmission opening ring is a1 and the radius of the outer transmission opening ring is a2. Clearly from the figure
a2>a1> 0 ‥‥‥ (2)
It is assumed that the width of each ring is sufficiently small.
[0010]
The concentric double ring opening 1 shown in FIG. 2A can be formed, for example, on a glass substrate that has been subjected to precision plane polishing. The light shielding can be easily realized by a known method such as applying a light absorbing material to a portion other than the opening or depositing a light reflecting material.
[0011]
Instead of using a glass substrate, it is also possible to manufacture the ring opening as a die-cut opening at low cost. In this case, a complete ring is not formed due to a problem in holding, and an approximate double ring opening with a rotational symmetry broken as shown in FIG. 2B. In FIG. 2B, this opening is shown as 1 ', but 1' may be used in place of 1 in practical use.
[0012]
Next, the operation of the optical system will be described, and the parameter dependence of the double vessel beam of the present invention will be described. In FIG. 1, laser light L illuminates a concentric double ring opening 1 as parallel light. The laser light emitted from the lens 1 becomes two ring-shaped lights, passes through the lens 2, and overlaps on the image-side focal plane of the lens 2. The two ring-shaped lights become Bessel beams having different diameters and distributions on the focal plane, and because they are coherent, they interfere with each other to form a double Bessel beam.
[0013]
The amplitude distribution of this double Bessel beam formed on the image side focal plane 3 can be obtained by calculating the Fraunhofer diffraction of the concentric double ring 1. As is well known, in a rotationally symmetric system, the distance from the optical axis which is the central axis on the aperture plane is ρ, the pupil function representing the amplitude distribution of the aperture is G (ρ), and the wave number is k (= 2π / λ: λ). Is the wavelength), the amplitude U (w) of the light diffracted in the direction in which the sine of the angle formed by the optical axis becomes w is
(Equation 1)
Given by Assuming an ideal case where the ring width of the aperture is infinitely small, the pupil function G (ρ) is G (ρ) = δ (ρ-a1) + δ (ρ-a2) ‥‥‥ (4)
It is. What is obtained by substituting (4) into equation (3) is the amplitude U (w) of the double Bessel beam formed at infinity, where U (w) = 2π [a1J0 (ka1w) + a2J0 (ka2w) ) ] ‥‥‥(Five)
It is.
[0015]
The amplitude distribution on the focal plane 3 of the lens 2 is similar to the intensity distribution at infinity of a double Bessel beam. That is, assuming that the focal length of the lens is f and r is the distance from the optical axis on the focal plane, the equation (5) is U (r) = 2π [a1J0 (ka1r) from w = r / f. / f) + a2 J0 (ka2r / f)] ‥‥‥ (6)
Is converted to Here, in order to clarify the conditions for the formation of the double vessel beam of the present invention, the ratio of the ring diameter ε is introduced as a new parameter, and the F number F of the system is set to be smaller than the effective diameter of the outer ring. Is defined as
[0016]
ε = a1 / a2 ‥‥‥ (7)
F = f / (2a2) ‥‥‥ (8)
Substituting these ε and F into equation (6) and omitting the extraneous proportional constant, the amplitude distribution U (r) and the intensity distribution I (r) on the focal plane 3 of the lens 2 are eventually
U (r) = εJ0 (επr / λF) + J0 (πr / λF) ‥‥‥ (9)
I (r) = | U (r) | 2 ‥‥‥ (10)
It is expressed as
[0017]
Equations (5), (6) and (9) are only parameter transformations of the same distribution, but these equations show that the amplitudes of the double Bessel beams are different for two Bessel beams with different scales. It means that it is given by the sum of the amplitudes. Since the two influence each other in the form of the sum of the amplitudes, it is possible to control the beam shape, which was conventionally impossible with a single Vessel beam. The parameter .epsilon. Is the ratio of the diameters of the two rings in the case of FIG. 1, which is again equal to the ratio of the diameters of the two Vessel beams. Hereinafter, the parameter ε is also used in another embodiment, in which case ε may be considered as the ratio of the beam diameter.
[0018]
Here, the effect obtained by using the double vessel beam will be specifically described with the wavelength λ and the F number fixed. The parameter is the ring diameter ratio ε, and FIGS. 3 to 6 show the change of the spot shape on the focal plane with respect to the change of ε. The given parameters were λ = 632.8 nm of HeNe laser as wavelength and F = 10 as F number. In each figure, the abscissa represents the distance r from the optical axis on the focal plane in mm, and the ordinate represents the intensity distribution normalized with the center peak as 1.
[0019]
FIGS. 3 to 6 show how the shape of the double vessel beam changes depending on the value of ε. FIG. 3 shows the case where ε is 0 and 0.1, FIG. 4 shows the case where it is 0.2-0.4, FIG. 5 shows the case where it is 0.5-0.7, and FIG. 6 shows the case where it is 0.8-1.0. Since ε = 0 shown in FIG. 3 corresponds to the case where there is no inner ring, the intensity distribution is that of a conventional Bessel beam itself.
[0020]
As described in the prior art, the intensity of the first diffraction ring is about 16% of the central intensity. As the value of ε increases from 0.1 to 0.2, the intensity of the first diffraction ring decreases, but the intensity of the second diffraction ring increases and becomes larger than the first diffraction ring. However, even when ε is 0.2, the maximum intensity of the larger second diffraction ring is suppressed to 12%, which is an improvement over the conventional Bessel beam of 16%.
[0021]
At ε = 0.3 and 0.4, the second ring starts decreasing, and the diffraction ring showing the maximum intensity shifts to the third ring. That is, the process of change with the increase of ε so far indicates a phenomenon in which the diffraction ring exhibiting the maximum intensity gradually shifts to a higher order on the outside. The intensity of the diffraction ring showing the highest intensity decreases toward the outside, and is reduced to 7 to 8% with respect to the center.
[0022]
ε = 0.5 and 0.6 are the states where the maximum intensity of the diffraction ring is reduced most. Under this condition, the intensity of the first diffraction ring begins to grow as the order of increasing intensity continues to move outward, and the two peaks are balanced and the peak value of the sub-maximum is minimized as a whole. is there. In this case, the maximum intensity of the diffracted light is about 6%, which is about one third of the conventional Bessel beam.
[0023]
After ε = 0.7, the first-order diffraction ring grows further, and its influence becomes dominant. The strength of the primary ring is 10% at ε = 0.7, 13% at ε = 0.8, and 15% at ε = 0.9. When ε = 1.0, the inner ring and the outer ring coincide with each other, so that the original Bessel beam itself is obtained, and the maximum strength of the ring returns to 16%.
[0024]
The spot shape of the double vessel beam of the present invention changes in this way depending on ε. The reduction of the number of diffraction rings, which has been a problem in the conventional Bessel beam, is optimal when the ratio ε of the radii of the two rings is 0.5 to 0.6.
0.3 ≤ε≤ 0.7 ‥‥‥ (11)
It turned out that it should be within the range of.
[0025]
One of the characteristics of Vessel Beam was a large depth of focus. The following describes how the original characteristics of the Bessel beam change by improving the beam shape by using a double Bessel beam. The defocus characteristic of the double Bessel beam can be obtained by calculating the Fresnel diffraction of the amplitude distribution of the equation (9). When the results of the Fresnel diffraction integration are shown in a form in which the term which becomes the whole proportionality constant is omitted, the amplitude distribution U (r, z) and the intensity distribution I (r, z) into which the defocus amount z is introduced are U (r, z) = ε exp [ik (1-ε 2 ) z / 8F 2 ] J0 (επr / λF) + J0 (πr / λF) ‥‥‥ (12)
I (r, z) = | U (r, z) | 2 ‥‥‥ (13)
It becomes. Here, z is a coordinate in the optical axis direction of the cylindrical coordinate system with the origin at the image side focal position of the lens shown in FIG.
[0026]
As shown in FIG. 3 et seq., The results of calculating (12) and (13) with the wavelength .lambda. = 632.8 nm, F = 10, and the beam shape parameter set to the optimum condition .epsilon. = 0.5. 7 and 8 are shown in FIGS.
[0027]
FIGS. 7A, 7B and 7C are beam intensity distributions when the defocus amount is 0 mm, 0.1 mm and 0.2 mm, respectively. As in FIGS. 3 to 6, the horizontal axis represents r and the distance from the optical axis, and the vertical axis represents the intensity obtained by normalizing the center peak intensity in the case of defocus 0 to 1.
[0028]
FIG. 7 (a) shows the case where z = 0 where there is no defocus of the double Bessel beam with reduced diffraction ring intensity, which is the same as ε = 0.5 in FIG. This is referred to as a reference state in FIGS. If the diameter of the spot is defined as 1 / e 2 of the central intensity as in the case of a normal Gaussian beam, the diameter is equivalent to 8.4 μm. When the 0.1 mm defocus is performed as shown in FIG. 7B, the peak intensity at the center is about 80%, and when the 0.2 mm defocus is performed as shown in FIG. -The work strength is reduced to about 40%.
[0029]
As shown in the calculation results in FIG. 7, the double Vessel beam with reduced diffraction ring intensity does not have the ultra-long depth property of the conventional Vessel beam. However, focusing on the absolute value, the double Bessel beam has a depth of focus about twice as large as a Gaussian beam having the same spot diameter and about 1.2 times as large as an air re-pattern.
[0030]
On the other hand, the double Bessel beam has a characteristic defocus characteristic resulting from two-beam interference. FIG. 8 shows the beam intensity distribution when the defocus amount is further increased, that is, when the defocus amount z becomes 0.3 mm, 0.5 mm, and 0.7 mm.
[0031]
When the amount of defocus shown in FIG. 8 (a) is 0.3 mm, the center strength is further reduced as compared with the case of 0.2 mm in FIG. 7 (c), and the center peak strength is about 14% of the reference state. Become. However, when the defocus amount is 0.5 mm in FIG. 8B, the strength increases conversely, the center peak is about 50%, and the beam shape is further increased at the defocus amount of 0.7 mm in FIG. 8C. The corrected intensity distribution becomes almost the same as the reference state.
[0032]
The beam shape recovery phenomenon shown in FIG. 8 is explained by equation (12). In the equation (12), only the shoulder of the exponential of the first term is changed by the defocus z. Since this exponential term is of the form exp (i.p.z), it changes periodically with changes in the defocus amount z. In particular, since z has a linear form, the value in parentheses of the exponential term becomes the same for each z at a constant pitch, and the intensity distribution becomes the same, that is, the same intensity distribution appears repeatedly at every constant pitch become.
[0033]
The phenomenon that the same pattern appears repeatedly in the optical axis direction is similar to a phenomenon called a Fourier image in which a grating image appears at a constant pitch when the diffraction grating is illuminated with monochromatic light. Just as the Fourier image is described as a mutual interference phenomenon associated with the propagation of a plurality of clearly separated diffracted light beams, the defocus characteristic of the double Bessel beam of the present invention is also described as an interference phenomenon between two Bessel beams. be able to. In other words, the defocus characteristic of the double Bessel beam can be regarded as a Fourier image of a minute spot.
[0034]
The pitch zp of the free image of the double vessel beam is given by equation (12).
k (1−ε 2 ) zp / 8F 2 = 2π ‥‥‥ (14)
By solving
zp = 8λF 2 / (1−ε 2 ) ‥‥‥ (15)
Is required. Substituting the conditions λ = 632.8 nm, F = 10, and ε = 0.5, which are the conditions calculated in FIGS. 7 and 8, into the equation (15), zp = 0.675 mm. The recovery of the beam shape at the 0.7 mm defocus in FIG. 8C is consistent with this calculation result.
[0035]
The basic properties of the double Bessel beam have been described with reference to the optical system shown in FIG. 1, but the double Bessel beam can be formed by other methods.
[0036]
FIG. 9 shows an example thereof, and FIG. 9 (a) shows an example in which a double conical prism 5 is used. The generation method using a prism has an advantage that the light use efficiency is higher than that of the method of FIG. 5 has a conical surface 6 having a first apex angle and a conical surface 7 having a second apex angle different from the first apex angle. The surface to be formed is a plane. Laser light L emitted from a laser light source (not shown) and converted into parallel light is made incident on the plane side of the double-cone prism 5.
[0037]
A part of the laser light L passing through 5 is emitted from a conical surface 6 having a first apex angle, and the remaining is emitted from a conical surface 7 having a second apex angle. When the observation surface 8 is set in a region where the laser beams emitted from the respective conical surfaces intersect each other, a double vessel beam of the present invention is formed.
[0038]
FIG. 9A shows a configuration example in which no step is formed at the boundary between the conical surface 6 having the first apex angle and the conical surface 7 having the second apex angle. Thus, it is also possible to use a double conical prism 5 'having a step. Also in this case, a double Bessel beam can be generated in the region 8 where the light passing through the two conical surfaces intersects by mutual interference.
[0039]
FIG. 10 shows an embodiment for generating a double Bessel beam using a physical optical element. In the figure, reference numeral 9 denotes an amplitude type phase filter whose amplitude transmittance (transmission function) F (r) is
F (r) = ε · exp [ik (1-ε 2 ) z0 / 8F 2 ] · J0 (επr / λF) + J0 (πr / λF) ‥‥‥ (16)
Given by Equation (16) can be simplified by placing z0 = 0,
F (r) = ε · J0 (επr / λF) + J0 (πr / λF) ‥‥‥ (17)
Which is consistent with equation (9). Here, r is the distance from the optical axis, and ε, F, z0 are constants.
[0040]
Assuming that the amplitude of the parallel laser beam L incident on the amplitude phase filter 9 is 1, the amplitude distribution immediately after exiting the filter 9 becomes the formula (16) or (17) itself, and a double Bessel beam is formed. be able to. The filter 9 shown in FIG. 10 has a smaller thickness in the optical axis direction than the optical system of FIG. 1 and the double-cone prism of FIG. 9, and requires only one element. Become.
[0041]
FIG. 11 shows the state of the double Bessel beam generated by the amplitude / phase filter 9 having the amplitude transmittance of the equation (17). The state of the free image of the minute spot is emphasized. Things. The parameter ε is a value near 0.5.
[0042]
In FIG. 11, L is a parallel beam from the laser, 9 is an amplitude-phase filter, S0, S1, S2, S3,... Are distances from the emission surface of the amplitude-phase filter 9 respectively 0, zp, 2zp, 3zp. ,... Indicate the minute spots formed at the positions of. As shown in the figure, minute spots are arranged at regular intervals in the optical axis direction according to the principle of free image. The value of zp is given by equation (15). Even if the optical system shown in FIGS. 1 and 9 is used in place of the filter 9, similar small spots for each zp are formed, but the formed area is limited to an area where two beams overlap.
[0043]
As described above, the double Bessel beam can be easily generated, the unnecessary interference pattern generated in the conventional Bessel beam is suppressed, and the focal depth is larger than the Gaussian beam. It can be applied in various directions. FIG. 12 shows an example in which a double vessel beam is applied to an optical scanning device.
[0044]
In FIG. 12, reference numeral 10 denotes a semiconductor laser of a light source, 11 denotes a collimator lens, 9 denotes an amplitude / phase filter for generating a double Bessel beam, and 12 denotes a front focal plane which coincides with the exit plane of the filter 9. A lens, 13 is a rotating polygon mirror, 14 is an fθ lens, and 15 is a surface to be scanned. S0, S1, S2,... Are free images of minute spots formed in the vicinity of the amplitude / phase filter 9, and S2 ′, S-1 ′, S0 ′, S1 ′, S2 ′,. In this figure, a free image of a minute spot formed in the vicinity of the scanned surface 15 is emphasized.
[0045]
The laser beam emitted from the semiconductor laser 10 is converted into a parallel beam by the collimator lens 11, and is incident on the amplitude / phase filter 9. The amplitude-phase filter 9 is as shown in FIG. 11, and the beam after emission is a double Bessel beam, and a free spot image S0, S1, S2,... I do. Focusing on the spot S0 that determines the basic amount of the optical system, the divergent beam emitted from S0 is converted into a parallel beam by the lens 12, and the rotating polygon mirror disposed near the rear focal plane of the lens 12 It is reflected and deflected by 13 mirror-reflection surfaces. The reflected beam passes through the fθ lens 14 and forms a beam spot S0 'on the surface 15 to be scanned.
[0046]
The spot S0 'scans on the surface to be scanned with the rotation of the rotating polygon mirror 13. The other spots S1, S2,... Follow the same optical path and form spots S1 ′, S2 ′,. Are also formed as virtual images on the front side of the amplitude / phase filter 9 through spots S-1 ', S-1',. S-2 ′,... Are formed. All of these spot groups... S-2 ', S-1', S0 ', S1', S2 ',... Are formed on or near the scanned surface 15 in a straight line along the beam propagation direction. The scanning is performed together with the rotation of the rotating polygon mirror 13.
[0047]
The formation of such a spot group has a great advantage in assembling and adjusting the optical system. In the arrangement shown in FIG. 12, the spot S0 'just comes on the surface to be scanned, but when actually assembling the apparatus, the radius of curvature of the lens, the error in the surface spacing between the optical elements, the error in the refractive index, etc. Even if assembled as designed, the spot S0 'does not always coincide with the surface to be scanned 15 and varies in the optical axis direction. In order to absorb such variations, in a conventional single spot forming system such as a Gaussian beam spot or an air-reel pattern spot, the distance between lenses and the position of an object plane or an image plane are greatly changed. It was necessary to make an adjustment so that a spot was formed on the scanned surface 15.
[0048]
However, in the optical scanning apparatus to which the double Bessel beam according to the present invention as shown in FIG. 12 is applied, complicated adjustment is not required because the spot has multiple image points in the beam propagation direction. For example, if the spot S2 'is located in the vicinity of the surface 15 to be scanned, S2' may be brought to the position 15 instead of the spot S0 'and S2' may be used as a scanning spot. The use of the double vessel beam greatly simplifies the assembly and adjustment of the optical system.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, the double Bessel beam can be realized by a simple optical system, and an effect having the advantages of the conventionally known beam diameter in relation to the spot shape and the depth can be realized. Compared with the Bessel beam, a scanning spot with a reduced diffraction ring (sidelobe) is obtained, so that a higher quality output pattern can be obtained. Further, a scanning beam spot having a deeper depth can be obtained as compared with a Gaussian beam or an air-reel pattern, which is advantageous in terms of the system configuration of the entire apparatus and the distribution of design errors. Third, as a result of using the free image, the assembling and adjustment of the optical system can be facilitated.
[0050]
As described above, the double vessel beam has a beam shape that is easy to handle and has a large depth, so that it can be applied to a wide range of optical devices such as an optical scanning device and an optical storage device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an optical system using a double ring aperture according to a first embodiment of the present invention for generating a double Bessel beam according to the present invention; FIG. FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the double Bessel beam on the parameter ε (0 to 0.1). FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the double Bessel beam on the parameter ε (0.2 to 0.4). FIG. 6 shows the dependence of the double Bessel beam on the parameter ε (0.5 to 0.7). FIG. 6 shows the dependence of the double Bessel beam on the parameter ε (0.8 to 1.0). FIG. 8 is a diagram showing the dependency of a double Bessel beam on defocus. FIG. 8 is a diagram showing the dependency of a double Bessel beam on defocus. FIG. FIG. 10 is a diagram showing a system. FIG. 10 is a diagram of an optical system using an amplitude / phase filter according to a third embodiment of the present invention. FIG. 11 is a free image of the amplitude / phase filter. Double Besserubi of Figure 12 shows the present invention showing the generation - Example of application to an optical scanning apparatus beam EXPLANATION OF REFERENCE NUMERALS
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Double ring aperture 2 Lens 3 Focal plane 4 of lens 2 Observation plane 5, 5 'Double conical prism 6 Conical prism 7 having first apex angle 7 Conical prism 8 having second apex angle 8 Observation plane 9 Amplitude phase filter
Reference Signs List 10 semiconductor lasers 11, 12, 14 lens 13 rotating polygon 15 scanned surface
