JPH04123017A - 位相シフト素子及びそれを用いたレーザ装置 - 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） 本発明は位相シフト素子及びそれを用いたレーザ光学装
置に関し、特にレーザビームを用いて高密度に画像情報
の記録（形成）や再生等の人出方を行う装置、例えばレ
ーザビームプリンタ、レーザ加工機、レーザ顕微鏡、光
メモリ装置等に好適な位相シフト素子及びそれを用いた
レーザ光学装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、レーザ光を用いて画像情報の入出力を行うように
したレーザ光学装置においては高解像力で画像情報の形
成や再生が出来ることが要望されている。

一般に画像情報の形成や再生を高解像力で行う為には、
例えば人出力の際のレーザビームのビームスポット径を
小さくすれば良い。ビームスポット径を小さくするには
ＮＡ（開口数）の大きな光学系を用いれば良いことが知
られている。

第８図は従来のレーザプリンタ等に利用されている光走
査装置の要部概略図である。

第８図に於いて１１はレーザ等から成る光源部であり、
該光源部１１から射出されたレーザど一ムはコリメータ
レンズ１２により略平行光とされ回転多面鏡１７に入射
する。該回転多面鏡１７は矢印の方向に等速で高速回転
しており、回転多面鏡１７の反射面１７ａの点Ｐに入射
した該レーザビームは反射されて主走査断面において偏
光走査されｆ−θレンズ系１８に入射する。ｆ−θレン
ズ系１８を通過したレーザビームは被走査面１９上に結
像されてその面上な略等速度直線運動で光走査する。

ここで例えば感光体等の被走査面上に画像形成を行う際
の高解像化を図るにはｆ−θレンズ系１８のＮＡを大き
くし被走査面１９上に結像するビームスポット径を小さ
くすれば良い。

しかしながらＮＡの大きい光学系を構成するのは非常に
困難であり、理論的に見ても空気中の光学系はＮＡ＝　
１を越えることができない。又ＮＡが大きくなると焦点
深度か急激に小さくなる為、像面の設定誤差が厳しくな
り装置の製造や調整が困難になる。

一般にレーザ光源を用いた光学装置の像面上でのビーム
スポット径と焦点深度は次式により表わされる。

スポット直径＝にλ／（２・ＮＡ）・・・・・（１）焦
点深度＝±λ／（２・ＮＡ２）　　・・・・・（２）こ
こでλは波長、ｋは結像光学系の瞳周辺部にあけるビー
ム強度の程度を表わす定数（ｋ≧１．６４）であり、ス
ポット直径はピーク強度の１／ｅ２値である。

（１）〜（２）式において、波長λ＝０．７８μｍ、定
数に＝１．７と仮定して算出した種々のＮ−Ａに対する
被走査面上のビームスポット径と焦点深度との関係を表
−１に示す。

表−１ （発明か解決しようとする問題点） 前記表−１から明らかなようにレーザプリンタ等のレー
ザ光学装置に関してはＮＡを０．０２以上、即ちスポッ
ト径か３３μｍ以下になると焦点深度が±１ｍｍを下ま
わる。この為感光体の位置の設定や感光体の平面性等が
問題と成り製造か大変困難となる。従って一般にはＮＡ
を０．０２以上大きくすることはできない。

又、光デイスク対物レンズや顕微鏡対物レンズ等の関し
ては大体ビームスポット径０．７μｍか限界であり、そ
れ以下のスポット径を得ることは理論的に見て困難であ
る。

このような問題点を解決する為、本発明はレーザビーム
の通過する領域を複数に分は各々の領域を通過するレー
ザビーム内に所定の位相差を付与するようにした位相シ
フト素子とそれを利用することにより、光学系のＮＡを
変えずに焦点深度を大きく保ったままより小さなビーム
スポット径を実現することか可能なレーザ光学装置の提
供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位相シフト素子は、所定波長の光に対して透明
な第１の透明領域と前記第１の透明領域の周囲に該所定
の波長の光に不透明な第１の遮光領域を該第１の遮光領
域の周囲に該所定の波長の光に対して透明な第２の透明
領域をそして前記第２の透明領域の周囲に該所定の波長
の光に対して不透明な第２の遮光領域とを設け、前記第
１の透明領域と第２の透明領域を通過する光束間に所定
の位相差を付与させるように構成したことを特徴として
いる。

又、本発明の位相シフト素子を用いたレーザ光学装置は
レーザ光源から射出した光束の光路中の所定位置に前記
位相シフト素子を配置したことを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の位相シフト素子の一実施例を示す要部
概略図であり、第１図（Ａ）は斜視図、第１図（Ｂ）は
中心軸（光軸）を含む断面図である。

第１図において１は位相シフト素子、２は光軸な中心と
する円形状や楕円状の所定の波長の光（レーザ光Ｌ）に
対して透明な第１の透明領域、３は第１の透明領域２の
周囲に設けた楕円環状のレーザ光りに対し不透明な第１
の遮光領域、４は第１の遮光領域３の周囲に設けたレー
ザ光りに対して透明な楕円環状の第２の透明領域、５は
該第２の透明領域４の周囲をとりまくレーザ光りに対し
て不透明な第２の遮光領域である。

このように位相シフト素子１の光透過部分は第１の遮光
領域３をはさんで２つの透明領域（２，４）に分けられ
る。そして該２つの領域（２，４）を通過する２つの光
束に所定の位相差を付与している。

本実施例では第１の透明領域２を通過する光に対して第
２の透明領域４を通過した光の方が２分の１波長だけ光
路長が長くなるように設定している。即ち、該位相シフ
ト素子１により通過光束を第１の透明領域を通過した光
束と第２の透明領域を通過した２つの光束に分け、この
ときの２つの光束間に１８０°の位相差を付与している
。

このような位相シフト素子は比較的容易に製作か可能で
ある。例えば、基板として両面な鯖密に研磨した平行平
板ガラスを用い第２の透明領域のみに、屈折力ｎの蒸着
物質で厚みｄ＝λ／（２（ｎ−１））の薄膜を真空蒸着
によって形成し、遮光領域には光吸収性の塗料を塗るこ
とにより製作できる。但し人は使用する光束（レーザー
光Ｌ）の波長である。

第２図は本実施例の位相シフト素子１に平面波の光束が
入射し通過するときの波面状態を示す説明図である。こ
のような状態は例えばレーザビームのビームウェスト近
傍に位相シフト素子を配置したときに生ずる。

同図に於いては図面左側より位相シフト素子１に平面波
のレーザビームが入射したときの前記第１．第２の透明
領域（２，４）を通過する位相差を有した光束の波面を
概念的に示している。

第３図は光束が本実施例の位相シフト素子１を通過する
際の該位相シフト素子１近傍での複素振幅分布の様子と
該位相シフト素子の振幅透過率とを示す説明図である。

前記位相シフト素子１の振幅透過率Ｔ（ｘ、０）は第３
図（Ｂ）に示すように成っており、第３図（Ａ）に示す
ような複素振幅分布Ｉに　　（ｘ、０）をもつ光束が該
位相シフト素子１を通過すると第３図（Ｃ）に示すよう
な複素振幅分布Ｕ”、（ｘ、０）となって射出する。尚
同図では簡単の為にＸ軸上（ｙ＝ｏ）での分布を示して
いる。

第３図（Ｃ）に於いて６は前記第１の透明領域２を通過
した光束の複素振幅分布を、７は前記第２の透明領域４
を通過した光束の複素振幅分布を示している。

これらの値は本来複素数であるが位相が０度及び１８０
度の２値だけの複素振幅分布である為、虚数成分が零と
なり、同図のように実数軸だけで表現できる。又位相シ
フト素子射出直後の複素振幅分布は入射直前の複素振幅
分布に位相シフト素子１の振幅透過率を乗じたものであ
る。即ち、Ｕｏ（Ｘ、Ｏ）−［６（Ｘ、０）Ｘ　Ｔ（Ｘ
、０）の関係か成り立つ。

第４図は館記位相シフト素子１を物体面とみなして結像
光学系により所定面（像面）上に結像させたときの光学
系の説明図、第５図は第４図の光学系において像面９上
に形成される複素振幅分布と強度分布とを示す説明図で
ある。

第４図に於いてレーザ等の光源（不図示）から射出した
光束を平面波の光束となるようにして位相シフト素子１
に入射させている。そして該位相シフト素子１を物体面
とみなした結像光学系８で像面９上に結像させる。この
とき該像面９上の強度分布は結像光学系８の開口数か無
限に大きい場合、物体面の複素振幅分布（第３図（Ｃ）
）かそのまま像面の複素振幅分布として再現される。但
し、結像光学系８の倍率分たけ拡大／縮小され、又中心
値で正規化されているものとする。

ところが、実際には結像光学系８の開口数は有限な為回
折による拡がりか発生して第５図（Ａ）のような複素振
幅分布Ｕ＋　　（Ｘ＋　、Ｙ＋　）が像面９上に形成さ
れる。ここで、Ｘ＋、３／＋は像面９上での座標であり
、第５図においてはＸＩＸ軸上ｙ＋　＝Ｏ）の分布を示
した。

第５図（Ａ）における振幅分布６ａ、７ａはそれぞれ第
３図における振幅分布６．７に対応するものである。振
幅分布６ａ、７ａは同一レーザから射出しており、コヒ
ーレントであるから複素振幅分布で見ると加算が行なわ
れる。加算した結果を第５図（Ｂ）に示した。加算によ
って２つの振幅分布６ａ、７ａが打ち消しあって振幅分
布の拡がりが小さくなっている。第５図（Ｃ）に強度分
布ｒ　（ｘ＋　、　ｙｔ　）のＸ、軸上での様子を示し
た。これは複素振幅分布ＩＪ＋　　（ｘ＋　、’Ｊｒ　
）の絶対値を２乗することによって求められるが、位相
シフト素子１を用いず光源からの光束を同じＮＡの結像
光学系８で像面９上に結像した場合に比べて強度分布の
拡がりが小さくなっている。

以上のことを式を使って記述すると次のようになる。物
体平面１上の座標（ｘ、ｙ）として実際の寸法に結像光
学系８の倍率が掛かったものを用いることにすると、物
体１の振幅分布Ｕ。（ｘ。

ｙ）と像面９の振幅分布ｕ＋（ｘ、ｙ）とは次式％式％ これは、ポルン、ウォルフ著「光学の原理」９゜５節（
２ａ）式に相当する。

ここでｋは結像光学系８の透過関数（点光源による像面
複素振幅分布）であり、例えば無収差の円形開口光学系
の場合にはベッセル関数を含んだ式で表現できる。

又、強度分布は前述したように、 ｒ　（ｘ＋　、　ｙ＋　）＝ｌＵ＋　　（ｘ＋　、　ｙ
＋　）Ｉ２で与えられる。

本実施例は第１．第２透明領域の通過光束に所定の光路
長差を例えば２分の１波長差とし、即ち１８０°の位相
差を付与するようにしたが、これに限らず必要な位相差
に広じて光路長差を変化させてもよい。

第６図は本発明の位相シフト素子を用いたレーザ光学装
置の第１実施例の要部概略図である。

同図において１１はレーザ等から成る光源部であり、該
光源部１１から射出した光束はコリメータレンズ１２に
より略平行光とされ、集光レンズ１３により集光される
。このとき集光位置近傍にビームウェストが形成される
。そして該ビームウェスト近傍に位相シフト素子１４を
配置し、該位相シフト素子１４を通過した光はコリメー
タレンズ１５により平行光となってシリンドリカルレン
ズ１６に入射する。該シリンドリカルレンズ１６により
光束は副走査方向に線状に結像されて回転多面鏡１７へ
人射し反射される。回転多面鏡１７で反射偏光された該
光束はｆ−θレンズ系１８を介して被走査面１９上にス
ポット２０を形成する。

尚、回転多面鏡１７は矢印方向に等速回転している為回
転にともなってスポット２０は被走査面１９上を走査す
る。

以上のような構成により従来のように位相シフト素子１
４を用いない場合と比べ焦点深度を浅くせす小さなスポ
ットで被走査面を走査することができる。

第７図は本発明の位相シフト素子を用いたレーザ光学装
置の第２実施例の要部概略図である。

同図において２１はレーザ等から成る光源部であり、該
光源部２１から射出した光束は集光レンズ２２により集
光され集光位置近傍にど−ムウエストを形成する。該ビ
ームウェスト位置近傍に位相シフト素子２３を配置し、
該位相シフト素子２３を射出した光束は対物レンズ２５
によりて集光され光メモリ媒体２６上に位相シフト素子
２３を用いない場合よりも小さなスポットを形成する。

モして該光メモリ媒体２６からの反射光は対物レンズ２
５を通過しど一ムスプリッタ２４によって反射されて光
検出器２７に入射する。

本実施例では位相シフト素子２３．１枚をビームウェス
ト位置に配置し構成したがビームウェスト以外に配置し
ても良く位相シフト素子を１枚以上何枚配置して構成し
ても良い。

（発明の効果） 本発明によれば前述のような位相シフト素子を用いるこ
とにより、光学系のＮＡから決まるスポット径よりも小
さいスポットを所定面上に形成することかでき、例えば
該位相シフト素子なレーザ光学装置に用いることによっ
て従来と同じＮＡと焦点深度を維持しつつ高解像化が得
られるレーザ光学装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位相シフト素子の要部概略図、第２図
は本発明の位相シフト素子近傍の波面状態を示す説明図
、第３図は本発明の位相シフト素子近傍の複素振幅分布
と位相シフト素子の透過率を示す説明図、第４図は本発
明の位相シフト素子を用いた光学系の配置関係を示す説
明図、第５図は第４図の像面上の複素振幅分布と強度分
布を示す概略図、第６図は本発明の位相シフト素子を走
査光学系に適用した第１実施例の要部概略図、第７図は
本発明の位相シフト素子を光メモリ光学系に適用した第
２実施例の要部概略図、第８図は従来の光走査装置の要
部概略図である。 図中１．１４．２３は位相シフト素子、２は第１の透明
領域、３は第１の遮光領域、４は第２の透明領域、５は
第２の遮光領域、８は結像光学系、９は像面、１１．２
１は光源部、１２．１５はコリメータレンズ、１３は集
光レンズ、１６はシリンドリカルレンズ、１７は回転多
面鏡、１８はｆ−θレンズ系、１９は被走査面、２２は
集光レンズ、２４はビームスプリッタ、２５は対物レン
ズ、２６は光メモリ媒体、２７は光検出器である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定波長の光に対して透明な第１の透明領域と前
   記第１の透明領域の周囲に該所定の波長の光に不透明な
   第１の遮光領域を該第１の遮光領域の周囲に該所定の波
   長の光に対して透明な第２の透明領域をそして前記第２
   の透明領域の周囲に該所定の波長の光に対して不透明な
   第２の遮光領域とを設け、前記第１の透明領域と第２の
   透明領域を通過する光束間に所定の位相差を付与させる
   ように構成したことを特徴とする位相シフト素子。
2. （２）前記第１の透明領域を通過する光束と前記第２の
   透明領域を通過する光束との間に、２分の１波長の光路
   差を付与したことを特徴とする請求項１記載の位相シフ
   ト素子。
3. （３）レーザ光源から射出した光束の光路中の所定位置
   に請求項１記載の位相シフト素子を配置したことを特徴
   とする位相シフト素子を用いたレーザ光学装置。
4. （４）前記位相シフト素子を通過した光束を結像レンズ
   系によって所定面上に集光させるように構成したことを
   特徴とする請求項３記載の位相シフト素子を用いたレー
   ザ光学装置。
5. （５）レーザ光源から射出した光束のビームウェスト位
   置近傍に請求項１記載の位相シフト素子を配置したこと
   を特徴とする請求項３記載の位相シフト素子を用いたレ
   ーザ光学装置。
6. （６）前記ビームウェストを、レーザ光源より射出した
   光束を集光レンズで集光することにより形成したことを
   特徴とする請求項５記載の位相シフト素子を用いたレー
   ザ光学装置。