JPH01145621A - 多波長光ビーム光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、同一光軸上に複数の波長成分を含むレーザ等
の光ビームの走査により、低感度感光体上に直接画像を
形成する高速描画装置等に用いられる多波長光ビーム光
学系に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、感光体の感度が非常に低いにもかかわらず高速で
の画像形成を要求されるような場合には、エネルギー密
度を高めるために、複数の波長成分を同時に含むレーザ
光を同一光軸上に導いて走査させる多波長光ビーム光学
系が用いられている。

複数の波長成分を含むレーザ光を同一光軸上に発振でき
るレーザ光源としては、例えばＡｒ”レーザが知られて
おり、同一光軸上に、同時に４８８　ｎｍ、　５１５　
ｎｍを含む複数波長のレーザ光を発振することができ、
同じ大きさ、同じ消費電力で単一波長の場合の数倍の出
力のレーザ光を得ることができる。

しかしながら、画像形成を行う光学系内で光ビームの変
調に用いられる音響光学素子は、一般には光学結晶中の
超音波の進行波面による光の回折現象を利用した素子で
あり、入射レーザ光が複数の波長成分を含む場合には、
各波長によって回折角が異なり、射出レーザ光が回折の
方向に広がってしまう。これを波長分散と呼ぶことにす
る。

このことを数式を用いて説明する。音響光学変調器や音
響光学偏向器のような音響光学素子は、第６図のような
構成になっていて、ガラスまたは光学結晶のような超音
波媒質（１１）にトランスデユーサ（１３）から超音波
（超音波波面（１４））を入射する。

媒質中の音速をＶ、超音波の周波数をＦとすると媒質の
中に波長Ｖ／Ｆの進行波が生じ、その波面によって回折
格子のように入射光ビーム（ＬＢ）を回折する。回折角
θは入射光ビームの波長をλとすると（１）式のように
あられされる。

入射光ビーム（ＬＢ）が例えば２つの波長成分を含んで
いる場合は（１）式から明らかのようにそれぞれが異な
った回折角で射出されるので第６図め（ＬＢＩ）　、　
　（１Ｂ２）のように光ビームは分離してしまう。

一般的には入射光ビームが△λの波長幅をもつ場合には
、（１）式より、（２）式で表わされる回折角の広がり
をもって射出されることになる。

このため、他の光学系の色収差がよく補正されていても
、音響光学素子で生じる波長分散は残留し、最終的に得
られるビームスポットの品質を著しく低下させることに
なる。

従来、（２）式で示される音響光学素子の波長分散を補
償する方法として特開昭６１−１９３１３０号公報に開
示されたような方法が知られている。

この従来の方法においては、第４図に示すように音響光
学素子（１１）によフて生じる波長分散に対応する波長
分散を生じる分散光学系（プリズム（５）、リレーレン
ズ系（４２））を１つの音響光学素子に対して少なくと
も１つ配置し、リレーレンズ系（４２）によって両者を
共役な関係にすることにより、・音響光学素子（１１）
による波長分散を対応する分散光学系（プリズム（５）
、リレーレンズ系（４２））による波長分散で補償して
いる。

すなわち、プリズム（５）による偏向角ψは頂角なα、
ガラスの屈曲率をｎとして、 （ｐ＃（ｎ−１）α　・・・（３） 入射光の波長幅へλに対するガラスの屈折率差を△ｎと
するとプリズム（５）によって入射光が受ける波長分散
の量は（４）式のように書ける。

△ψ＝△ｎ・α・・・（４） リレーレンズ系（４２）をプリズム（５）と音響光学素
子（１１）が共役になるように配置すると、波長分散を
補償する条件は（２）式、（４）式により（５）式のよ
うにあられされる。

Δθ＋△ψ＝　０ 角度は反時計回りを正として、符号を考慮しである。

ところで、実際のこの種の描画装置では、光ビームの走
査を回転多面鏡（ポリゴンミラー）によフて行うことが
多い。この回転多面鏡の各反射面は回転面内に正しく垂
直であるとは限らず、各面間で面倒れ誤差を多少なりと
も含んでいるのが普通である。

従って、この種の装置の光学系内には、さらにもう１つ
の音響光学素子が前記面倒れ誤差の補償のために必要で
あり、それに対する波長分散の補償系も必要である。

第５図は特開昭６１−１９３１３０号公報に開示された
方法によって、同一光軸上に配置された２つの音５光学
素子の波長分散を補償した多波長光ビーム走査光学系の
構成模式図である。

図において、例えば画像データによる変調を行うための
音響光学変調器（３）に対してプリズム（５Ａ）とリレ
ーレンズ系（４２Ａ）が（５）式を満たすように配置さ
れていて音響光学変調器（３）が生じる波長分散を補償
している。

同様に例えば前述面倒れ誤差補償用の音響光学偏向器（
６）が生じる波長分散を補償するように別のプリズム（
５Ｂ）とリレーレンズ系（４２Ｂ）が配置されている。

また、（４）はレーザビームを適当なビーム系に成形す
るためのリレーレンズ系である。

〔発明が解決しようとする問題点〕 上記のような従来の多波長光ビーム光学系においては、
個々の音響光学素子の波長分散を補償するには、一つの
音響光学素子に対して少なくとも一つの補償用分散光学
系が必要であり、複数の音響光学素子を含む合成系にお
いては、プリズム等の分散光学部材、それぞれの音響光
学素子と該分散光学部材を共役な関係とするためのリレ
ーレンズ系等の部品点数の多い複雑な構成となってしま
うという問題点を有している。

ここで、部品点数が多くなることは単に保守管理に手間
が掛かるということだけでなく、レンズ透過面の増加に
よるエネルギー損失の増大につながり、特に低感度の感
光体に高速で画像を形成する場合等においては、重大な
欠点となる。

また、装置全体のコンパクト化が望まれている中にあっ
て、この種の光学系においては、色収差補正の限界や音
響光学素子の回折光を分解する等の関係からリレーレン
ズの焦点距離を比較的長く取らなければならないため、
リレーレンズ系を多用することは光路長を非常に長いも
のにしてしまうという問題を引き起こすものである。

この発明は、これらの点を鑑みてなされたもので、より
簡単な構成で複数の音響光学素子の波長分散を補償する
ことによって、エネルギー効率が高く、かつ装置のコン
パクト化も期待できる多波長光ビーム光学系を提供する
ことをその目的とするものである。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 この発明においては、複数の音響光学素子にそれぞれ生
じる波長分散を合成系として補償する分散光学系を配置
したことよって上記の問題点を解決したものである。

（作用） この発明においては、複数の音響光学素子の波長分散を
合成系として分散光学系で補償するので、補償用分散光
学部材の数を減らすことができる。

また、分散光学系が共用されていることから、各音響光
学素子と分散光学系内の分散光学部材とを共役な関係に
保つためのリレーレンズ系の数も減じることができる。

このようにして、光学系の部品点数が減り、光路長も短
くなることから、光学系のエネルギー損失が少なくなり
、かつ光学系全体を非常にコンパクトにまとめることが
できる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。

実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例の構成模式図であり、分
散光学部材としてプリズムを用いた場合の例である。

この例では、分散光学系は、単一のプリズム（５）とそ
の入出射側にそれぞれ配置されたリレーレンズ系（４１
）、　　（４２）とを含んで成る。

図において、複数波長λ１．λ２　（λ、≠λ２）を含
むレーザビーム（ＬＢ）が、音響光学変調器（３）に入
射する。音響光学変調器（３）の媒質内の音速を■１、
超音波周波数をＦｌとすると（１）式から波長λ＋（ｉ
＝ｔ、ｚ・・・）のレーザビームの回折角は入射レーザ
ビーム（ＬＢ）の方向を基準に反時計回りを正どして 第１図に示すように、音響光学変調器（３）に入射した
レーザビーム（Ｆ８）は（６）式に従って波長λ１．λ
２に対してそれぞれ（ＬＢＩ）　　（ＬＢ２）のように
分離して射出される。

リレーレンズ系（４１）の倍率をｍｌとする。リレーレ
ンズ系（４１）は入射径Φの平行ビームを１ｍ＋Φ１の
径の平行ビームで射出し、かつ音響光学変調器（３）と
プリズム（５）を共役にするように配置されているので
レーザビーム（ＬＢＩ）（ＬＢ２）はプリズム（５）上
で再び同じ位置に到達する。このとき、レーザビーム角
度は入射ビーム（ＬＢ）の方向を基準に 波長λ１に対するプリズムを構成するガラスの屈折率を
ｎｌ　（ｉ　＝１．２・・・）プリズムの頂角をαとす
ると入射光は（８）式で表わされるふれ角δ１を与えら
れて射出する。

δ＋　＝　（ｎ＋−１）α　　・・・（８）従って、プ
リズム射出後のレーザビームは入射ビーム（シＢ）の方
向を基準にするとδ＋＋９０＋の方向に射出される。

リレーレンズ系（４２）は、その倍率をｍ２とするとリ
レーレンズ系（４１）と同様に入射径Φの平行ビームを
径１　ｍ　２Φ１の平行ビームで射出し、かつプリズム
（５）と音響光学偏向器（６）を共役にするように配置
されている。

リレーレンズ系（４２）射出後のレーザビームの角度は
、入射ビーム（ＬＢ）の方向を基準としてプリズム（５
）により再び波長λ１の（ＬＢＩ）と波長λ２の（ＬＢ
２）に分離されたレーザビームはリレーレンズ系（４２
）により再び超音波偏向器（６）上の同じ位置に到達す
る。

音響光学偏向器（６）が入射ビームに対して与える回折
角ε１は、媒質中の音速をＦ２、超音波周゛　波数をＦ
２として、回折方向を音響光学変調器（３）と逆になる
ように回折光の方向を考慮すると従って音響光学偏向器
（６）を射出後のレーザビームは入射ビーム（ＬＤ）の
方向を基準にすると（９）　　（１０）式より（１１）
式のように表わされる。

χ１＝ε１＋τ１　　・・・（１１） 以上の（６）弐〜（１１）式を整理すると、波長λム（
ｉ　＝　１．２・・・）のレーザビームは入射レーザビ
ーム（ＬＢ）の方向に対して（１２）式であられされる
角だけ偏向して音響光学偏向器（６）から射出される。

波長λ１、λ２に対する偏向角の差は（１２）式より（
１３）式で△χ＝０となるようにしてやれば少なくとも
波長λ０．λ２のレーザビームは図１の光学系を射出後
間−光軸上に重なる。

（１３）式の各パラメータのうちＦ　ｒ　、　　Ｖ　ｌ
。

Ｆ２．Ｆ２は音響光学素子の材質、構造にかかわり素子
の他の性能に対しても影響を与えるパラメータであるか
ら任意の値を選ぶことは設計上難しい。

またｎｌ＋　　０２はプリズムのガラスの定数であり自
由に変更することは困難である。

そこで△χ＝０なる条件は主にα１ｍ１゜ｍｌの値を調
整することによって得る。αについて解くと波長補償の
条件は ここで、プリズムの頂角であるαを任意の値にコントロ
ールすることは困難であるので、設計上はリレーレンズ
系の倍率ｍ、、ｍ３を頂角αが加工上無理のない値にな
るように設定する。

（１４）式によると（λ２−λＩ）／（ｎ、−０２）の
項はプリズムを構成するガラスの屈折率が波長の一次関
数で表わされるならば、すなわちｎ＝ａλと書けるなら
ば、（１４）式は波長に依存しなくなり、λ１λ２以外
の広い波長域で（１４）式が成りたつ。すなわち波長分
散が完全に補償出来ることを示している。また、もしプ
リズムの頂角が製造誤差等により指定通りに出来ておら
ず（１４）式の条件をみたしてない場合には、最終調整
段階において音り光学偏向器（６）の超音波周波数Ｆ、
を微小量変化させて（１４）式をみたすようにすること
もできる。

しかし、一般にガラスの屈折率は分散式であられされる
ように波長に対して非線型であるから、λ０．λ２以外
の波長のレーザビームに対しては若干の残留分散を生じ
る。その量は（１２）式及び（１４）式により波長λ１
（ｉ−ｉ、２・・・）に対して波長分散を補償すべき波
長λ１．λ２はその他の波長λ１（ｔ＝３．４・・・）
に対する（１５）式の値を考慮して決めればよい。

次に、前述のように音響光学偏向器（６）は回転多面鏡
の面倒れ誤差を補償するために超音波周波数Ｆ２を変化
させて、レーザビームを偏向させるのでレーザビームを
偏向させた場合（１４）式をみたさずに、若干波長分散
を生じる。変調幅を士△Ｆ２とすると音響光学偏向器（
６）の超音波周波数はＦ２±△Ｆ２と書け、（１４）式
の条件からはずれて、波長分散を生じることになる。そ
の量は（１３）式から 以上より波長λ１．λ２に対して波長分散を補償したと
きの波長λ、（ｉ＝１．２・・・）に対する残留する分
散の量は、音響光学偏向器をＦ２±ΔＦ２だけ変化させ
てレーザビームを偏向させるとして（１５）式、　　（
１６）式より ここで、例えばＡｒ＋レーザ（波長４５７．９，４７６
．５゜４８８．４９６．５，５１４．５ｎｍ−）につい
て第１図の系を考える。音響光学変調器としてＦ、　＝
１００　ＭＨｚ　。

Ｖ　、　＝　３０００ｍ　／ｓｅｃ、音響光学偏向器と
してＦ２＝４０ＭＨｚ　、　Ｖ　２＝　６００　ｍ／ｓ
ｅｃの条件を設定し、波長λ、　＝４８８　ｎｍ、　　
λ２＝　５１４．５ｎｍに対して（１４）式の補償を行
なう。

プリズムの屈折率がｎ　Ｈ＝　１．５２２２４　、　ｎ
　２　＝１．５２０４９のときｍｌ　＝−１０、ｍｌ　
＝−０，５で６勺１１．６°　となる。

このとき（１７）式で表わされる残留分散量は例えばλ
、　＝　４９６．５ｎｍに対してプリズム屈折率ｎ３＝
１．５２１６５　、ΔＦ２＝±５　ＭＨｚであるとすれ
ば、△ｚ　３　＝−５，ＩＸ　１０−’ｒａｄ干７．Ｉ
　Ｘ　１Ｏ−５ｒａｄ　となり非常に小さく出来る。

なお、（１４）式の特殊解として、 すなわち、 の場合はプリズム（５）の省略が数式上は可能である。

実施例２ 次に第１図のプリズム（５）のかわりに回折格子を使用
した場合について述べる。第３図に第１図のプリズム（
５）の位置に回折格子（５ｃ）を挿入した場合を示す。

回折格子の格子ピッチをｄ、回折方向を考慮すると（８
）式のかわりに δＩ押−λ＋／ｄ　　　・・・（８゛）それ以外の（６
）〜（１１）式は前述の第１図の場合と全く同じである
。

従って音響光学偏向器（６）を射出するレーザビームの
偏向角は入射レーザビーム（ＬＢ）に対して （１３）式と同時に △χ＝０となる条件は（１４）式と同様にして次のよう
になる。

（１４°）式は波長に依存しないので広い波長帯に対し
て波長分散を補償することができる。従って残留する波
長分散の式（１７）も次のように書ける。

第１図の構成と第３図の構成は分散光学素子としてプリ
ズムを使用するか回折格子を使用するかの差であり、プ
リズムの方が系の透過率が良く、回折格子の方か波長分
散の補償効果が高いという特徴がある。

実施例３ 第１図の実施例に示された本発明による多波長光ビーム
走査光学系をレーザ走査描画装置に応用したのが第２図
である。

図において（１）は同一光軸上に複数の波長成分を同時
に送出するレーザ光源、（３）は画像データに応じてレ
ーザ光をｏ　ｎ　／　ｏ　ｆ　ｆさせるための音響光学
変調器、（８）はレーザ光を走査する回転多面鏡、（９
）は回転多面鏡（８）で走査されたレーザ光を集光し、
かつ等速で走査するように設計されたｆ−θレンズ、（
１０）は感光体（図示せず）を載せて、レーザ光の走査
とほぼ直交する方向に等速で移動するステージである。

ここで、回転多面鏡（８）の反射面が回転面内に正しく
垂直でなく、各面間で面倒れ誤差をもっと反射されたレ
ーザ光が回転平面角からはずれ、回転多面鏡の各反射面
間によって走査されるレーザ光が描画面上に作る走査線
のピッチが等間隔に保てない、いわゆるピッチムラを生
じる。

（６）はそのピッチムラを補正するために設けらた音響
光学偏向器で、回転多面鏡（８）の各面からの反射光が
回転平面内に保たれるように、面倒れ誤差に応じてあら
かじめ入射レーザ光を微小角傾ける目的で使用される。

（２）は光源から出たレーザビームを適当な径に縮小す
るリレーレンズ系、（７）はｆ−θレンズ（９）か所定
のビーム径で集光するようにあらかじめビーム径を広げ
ておくためのエキスパンダー光学系である。

本実施例においては、以上のような多波長光ビーム走査
光学系において、前記音響光学変調器（３）および音響
光学偏向器（６）において生じる波長分散を両者の間に
プリズム（５）を配置し、その入射側のリレーレンズ系
（４１）によって音響光学変調器（３）とプリズム（５
）を共役な関係にし、また出射側のリレーレンズ系（４
２）によって音響光学偏向器（６）とプリズム（５）を
共役な関係にすることにより、１つの分散光学系で合成
系全体として波長分散を補償している。

また、リレーレンズ系（４１）、　　（４２）は音う光
学素子と分散光学系を共役関係にするだけでなく、各々
適当な倍率を有して自らも波長分散を補償するのでプリ
ズム（５）の材質、頂角等を無理のない範囲で設定する
ことができる。

本実施例における描画装置においては、複雑な構成を取
ることなく、複数の音響光学素子の波長分散によるレー
ザビームの角度広がりを非常に小さく保っているので、
ステージ（１０）上に、良質のビームスポットを形成で
き、かつエネルギー効率を極めて高くできる。

かかる描画装置を用いれば感光度の低いレジスト材上に
直接微細な画像を高速で形成することができ、例えば増
々ファインパターン化が進んでいるプリント基板製造工
程等において極めて有用である。

〔発明の効果〕

この発明においては、複数の音響光学素子を含む合成系
において、それぞれの音響光学素子に生じる波長分散を
合成系として、分散光学系で補償しているので、分散光
学部材およびリレーレンズ系の部品点数を減らして、多
波長光ビーム光学系の構成を簡単なものにすることがで
き、光学系を小さくまとめることができるばかりか、光
学系のエネルギー損失をより小さくできるという極めて
優れた効果を有している。

かかる多波長光ビーム光学系を描画装置の走査光学系に
用いれば、極めて高いエネルギー密度を小型のレーザで
得られる高いので感光度の低い感光体上にも品質の高い
画像を高速で形成することができるものである。

さらに、光路長が短縮されたことから、描画装置全体を
コンパクト化でき、ランニングコストの低減が図れると
ともに保守管理も容易となるものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第１の実施例の構成模式図、第２図は
第１図に示された実施例を用いた描画装置の主要部の斜
視図、第３図は本発明の第２の実施例の構成模式図、第
４図は従来知られている波長分散補償方法の構成模式図
、第５図は従来の多波長光ビーム光学系の構成模式、第
６図は音響光学素子の構造図。 １・・・レーザ装置、４，２，４１．４２゜４２Ａ、４
２Ｂ・・・リレーレンズ系、３・・・音響光学変調器、
５，５Ａ、５Ｂ・・・プリズム、５Ｃ・・・回折格子、
６・・・音響光学偏向器、７・・・エキスパンダー光学
系、８・・・回転多面鏡、９・・・ｆ−θレンズ、１０
・・・ステージ、１１・・・音響光学素子、１２・・・
超音波媒質、１３・・・トランスデユーサ、１４・・・
超音波波面、ＬＢ・・・レーザビーム、ＬＢＩ・・・波
６λ１のレーザビーム、ＬＢ２・・・波長λ２のレーザ
ビーム。 代理人　弁理士　佐　藤　正　年

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の音響光学素子を介して、同一光軸上に複数の波長
   成分を同時に含む光ビームを送出する多波長光ビーム光
   学系において、前記複数の音響光学素子にそれぞれ生じ
   る波長分散を合成系として補償する分散光学系を備えた
   ことを特徴とする多波長光ビーム光学系。