(57)【要約】  本発明による走査光学系は、可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆを最小値ｆＭＩＮから最大値ｆＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、  ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ３として、以下の式を満足する。2014162922.tif 000064
2014162922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、
該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆを最小値ｆＭＩＮから最大値ｆＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、
ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２
のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ３として、
【数１】
2014162922.tif 000055
を満足する走査光学系。
【請求項２】
【数２】
2014162922.tif 000056
【数３】
2014162922.tif 000057
をさらに満足する請求項１に記載の走査光学系。
【請求項３】
【数４】
2014162922.tif 000058
としたときに
【数５】
2014162922.tif 000059
をさらに満足する請求項１または２に記載の走査光学系。
【請求項４】
前記面が平面であり、該平面上の走査線の中央から端までの高さをＨ、前記結像レンズのビームを走査する方向である主走査断面における焦点距離をｆ２、
【数６】
2014162922.tif 000060
としたときに
【数７】
2014162922.tif 000061
ただし、
【数８】
2014162922.tif 000062
【数９】
2014162922.tif 000063
をさらに満足する請求項１から３のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項５】
前記ビームを前記面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを、前記結像レンズの前記光源側にさらに含み、移動範囲の中央に前記集光レンズと仮想可変焦点素子が固定されていると仮定し、前記集光レンズが移動することによる前記集光レンズ後の虚像位置の変化を実現するように、前記仮想可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの最小値ｆＭＩＮ及び最大値ｆＭＡＸを定め、前記仮想可変焦点素子を前記可変焦点素子とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項６】
前記結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離が異なる、請求項１乃至５のいずれかに記載の走査光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点素子を使用する走査光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザープリンタの描画装置や測定装置において、半導体レーザーなどの光源から発光されたビームを、集光レンズを通過させ、ポリゴンミラーや揺動ミラーなどの偏向器によって偏向し、走査像面上に結像させる走査光学系が使用されている。たとえば、レーザープリンタの走査光学系の場合、結像スポット径が走査像面上の走査領域（走査ライン）の全体にわたり均一であることが、高品位な描画を実現するのに重要である。【０００３】
従来、走査ラインの全体にわたり均一なスポット径を実現するために、偏向器と走査像面との間に長尺の走査結像レンズを配することが一般的であった。しかし、長尺の結像レンズは高価なだけでなく、配置に大きな空間が必要となるので走査光学系を含む装置が大型化する。【０００４】
そこで、長尺の結像レンズを使用せずに、ビームを走査像面上に結像させるために、走査に同期して焦点位置を変化させることのできる可変焦点素子を使用した走査光学系が提案されている（たとえば、特許文献１）。また、可変焦点素子としては、電気光学結晶に電圧を印加することで屈折率を変化させるようにした可変焦点素子、圧電素子バイモルフの表面を鏡面とした可変焦点ミラー、屈折率の異なる液体の界面の形状を電気的に制御できるようにした可変焦点レンズ、リニアモーターや圧電素子などを用いてレンズの位置を直接移動させるようにしたものなどが公知である（たとえば、特許文献２）。【０００５】
ここで、走査像面と主光線との交点において主光線に垂直な面でのスポット径ω’は、光源の波長λ及び開口数ＮＡと以下の関係を有する。
【数１】
2014162922.tif 000003
可変焦点素子によってビームを走査像面上に結像させた場合に、偏向器から走査ラインの中央の結像点までのビームの経路に沿った距離は、偏向器から走査ラインの端部の結像点までのビームの経路に沿った距離よりも小さい。したがって、走査ラインの中央の結像点における開口数ＮＡは、走査ラインの端部の結像点における開口数ＮＡよりも大きい。この結果、走査ラインの端部の結像点におけるスポット径ω’（端部）は、走査ラインの中央の結像点におけるスポット径ω’（中央）よりも大きくなり、描画品位が低下する。【０００６】
上述の走査ラインの端部でのスポットの径の肥大化を防止する手段として、可変焦点のレンズ系と固定焦点のレンズ系を固定焦点のレンズ系の焦点距離に相当する距離だけ離して配置する光学系が提案されている（たとえば、特許文献３）。【０００７】
しかし、この従来技術の光学系では走査結像レンズとは別に多数の固定焦点レンズと可変焦点レンズを組み合わせた焦点位置可変光学系が採用されているので、構成が複雑でコストが高い。また、走査像面への結像レンズを上記の固定焦点レンズと兼用として簡易にする構成も考えられるが、固定焦点レンズの焦点距離が大きくなり、可変焦点レンズと固定焦点レンズの間隔を広げなければならなくなるので、装置が大型化してしまう。【０００８】
上記の走査光学系では、スポット径ω’は偏向角によらず均一となる。しかし、描画品位に直接影響のある走査像面上でのスポット径ωは、ビームが走査像面に入射角φで斜入射していることを考慮すると、以下の式で表現される。
【数２】
2014162922.tif 000004
したがって、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とするには、走査ラインの端部における開口数ＮＡ（端部）を、走査ラインの中央における開口数ＮＡ（中央）よりも大きくする必要がある。【０００９】
従来技術において、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とすることのできるコンパクトな走査光学系は開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平２−２９３８０９号公報（特許２７９０８５１号）
【特許文献２】特開昭６１−１８５７１６号公報
【特許文献３】特開平７−２２５３４９号公報（特許３４４２８４５号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とすることのできるコンパクトな走査光学系に対するニーズがある。本発明の技術的課題は、走査像面上でのスポット径ωを走査ラインの全体にわたり均一とすることのできるコンパクトな走査光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による走査光学系は、可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆを最小値ｆＭＩＮから最大値ｆＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、
ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２
のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ３として、
【数３】
2014162922.tif 000005
を満足する。【００１３】
本発明によれば、式（１）を満足することによって、走査ラインの端部における開口数を走査ラインの中央における開口数よりも大きくすることができる。したがって、走査ラインの端部における斜入射によるスポット径の増加を相殺することができる。【００１４】
本発明の第一の実施形態による走査光学系は、
【数４】
2014162922.tif 000006
【数５】
2014162922.tif 000007
をさらに満足する。【００１５】
本実施形態によれば、式（２）及び式（３）を満足することによって、走査光学系のサイズを小さくすることができる。【００１６】
本発明の第二の実施形態による走査光学系は、
【数６】
2014162922.tif 000008
としたときに
【数７】
2014162922.tif 000009
をさらに満足する。【００１７】
本実施形態によれば、式（５）を満足することによって、走査ラインの端部における開口数の、走査ラインの中央における開口数に対する倍率を適切に定めることができる。【００１８】
本発明の第三の実施形態による走査光学系は、  前記面が平面であり、該平面上の走査線の中央から端までの高さをＨ、前記結像レンズのビームを走査する方向である主走査断面における焦点距離をｆ２、
【数８】
2014162922.tif 000010
としたときに
【数９】
2014162922.tif 000011
ただし、
【数１０】
2014162922.tif 000012
【数１１】
2014162922.tif 000013
をさらに満足する。【００１９】
本実施形態によれば、式（６）を満足することによって、走査ラインの端部において、開口数ＮＡを増加させることにより、斜入射角φの増加によるスポット径に増加分を相殺し、走査ラインの全体にわたり、スポット径の変化率を５％より小さくすることができる。【００２０】
本発明の第四の実施形態による走査光学系は、前記ビームを前記面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを、前記結像レンズの前記光源側にさらに含み、移動範囲の中央に前記集光レンズと仮想可変焦点素子が固定されていると仮定し、前記集光レンズが移動することによる前記集光レンズ後の虚像位置の変化を実現するように、前記仮想可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの最小値ｆＭＩＮ及び最大値ｆＭＡＸを定め、前記仮想可変焦点素子を前記可変焦点素子とする走査光学系である。【００２１】
本実施形態によれば、ビームを受光面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを使用して、走査ラインの端部における斜入射によるスポット径の増加を相殺することができる。【００２２】
本発明の第四の実施形態による走査光学系は、前記結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離が異なる。【００２３】
本実施形態によれば、結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離を変えることにより、偏向器の反射面上で線上に結像させて面倒れ補正したり、偏向器のミラーを小型化したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１の走査光学系の構成を示す図である。
【図２】可変焦点素子の機能を説明するための図である。
【図３】可変焦点素子による結像面の補正を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例２の走査光学系の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例３の走査光学系の構成を示す図である。
【図６】本発明の比較例の走査光学系の構成を示す図である。
【図７】ビームによって形成される受光面１０８上のスポットの、位置と径との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態（後で説明する実施例１）の走査光学系１００Ａの構成を示す図である。走査光学系１００Ａは、集光レンズ１０３Ａと、アパーチャ１０４Ａと、可変焦点素子１０５Ａと、結像レンズ１０６Ａと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ａによって、所定の発散ビームとされた後、結像レンズ１０６Ａを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図１の水平方向に走査するように偏向される。可変焦点素子１０５Ａは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図１において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。
【００２６】
図２は、可変焦点素子の機能を説明するための図である。図２において、集光レンズ、アパーチャ及び偏向器は省略されている。図２において、Ｐ１は発散ビームの虚像点、Ｐ２は可変焦点素子１０５の入射側主点、Ｐ３は可変焦点素子１０５の出射側主点、Ｐ４は結像レンズ１０６の入射側主点、Ｐ５は結像レンズ１０６の出射側主点、Ｐ６はビームの結像点を示す。
【００２７】
可変焦点素子１０５の焦点距離ｆを最小値ｆＭＩＮから最大値ｆＭＡＸまで変化させて走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御するとして、
ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２＝ｆＭＥＡＮ
のときに、発散ビームの虚像点Ｐ１から可変焦点素子１０５の入射側主点Ｐ２までの距離をｘ１、可変焦点素子１０５の射出側主点Ｐ３から結像レンズ１０６の入射側主点Ｐ４までの距離をｘ２、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ３とする。
【００２８】
図２（ａ）は、ｆ＝ｆＭＥＡＮの状態を示す図である。
【００２９】
図２（ｂ）は、ｆ＝ｆＭＡＸの状態を示す図である。この状態で、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ３＋とする。ｘ３＋は、図１において、結像レンズ１０６Ａの射出側主点から受光平面１０８の走査ラインの中央Ｃまでのビームの主光線の経路に沿った距離に相当する。
【００３０】
図２（ｃ）は、ｆ＝ｆＭＩＮの状態を示す図である。この状態で、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ３−とする。ｘ３−は、図１において、結像レンズ１０６Ａの射出側主点から受光平面１０８の走査ラインの端部Ｅまでのビームの主光線の経路に沿った距離に相当する。
【００３１】
図２の簡略化された光学系の近軸計算に基づいて、本発明の走査光学系の機能を説明する。可変焦点素子１０５の焦点距離はノンパワー（焦点距離は無限大）を規準として、＋Δｆ（ｆ＝ｆＭＡＸに相当）から−Δｆ（ｆ＝ｆＭＩＮに相当）までの範囲を取るものとする。
【００３２】
虚像側のＮＡをＮＡｏ、結像側のＮＡをＮＡｉ、可変焦点素子での倍率をβ１、結像レンズでの倍率をβ２とする。ＮＡｉとＮＡｏの関係は以下の式で表せる。
【数１２】
2014162922.tif 000014
【数１３】
2014162922.tif 000015
ここで、Ｍは、虚像側の開口数ＮＡｏを基準とした結像側の開口数ＮＡｉの倍率である。
【００３３】
可変焦点素子の焦点距離をΔｆ、結像レンズの焦点距離をｆ２とすると、可変焦点素子での倍率をβ１及び結像レンズでの倍率をβ２は以下の式で表せる。なお、式（１２）の第２項は、第３項に、後で説明する式（７）を代入して得られる。
【数１４】
2014162922.tif 000016
【数１５】
2014162922.tif 000017
【００３４】
可変焦点素子の焦点距離が＋Δｆのときの倍率をＭ＋、−Δｆのときの倍率をＭ−とすると、受光平面１０８の走査ラインの中央Ｃにおける倍率Ｍ＋から端部Ｅにおける倍率Ｍ−へのＭの変化率Ｋは、以下の式で表せる。
【数１６】
2014162922.tif 000018
式（１０）乃至（１２）を用いて整理すると、
【数１７】
2014162922.tif 000019
【００３５】
中央Ｃよりも端部ＥでＮＡｉが大きくなるにはＫが正であれば良い。今、ｘ１とΔｆもまた正なので、以下の式がＫを正にする条件式となる。
【数１８】
2014162922.tif 000020
式（１５）を変形して以下の式が得られる。
【数１９】
2014162922.tif 000021
【００３６】
走査光学系全体の小型化にはレンズ間隔のｘ２を小さくすることが効果的であるが、可変焦点素子直後のビームが平行光に近いとｘ１が非常に大きくなり、ｘ２はｘ３よりも小さな値を取ることができなくなる。よって、装置の小型化にはｘ１を小さくして可変焦点素子直後のビームの発散度を上げることが効果的である。ｘ１の絶対値をｘ３の３．２倍未満とすることで、ｘ２を効果の見られる程度（ｘ３の０．８倍）まで小さくすることができる。
【数２０】
2014162922.tif 000022
【数２１】
2014162922.tif 000023
【００３７】
偏向器の制約などもあり、走査像面への斜入射角φは最大でも６０度程度である。逆に斜入射角φが小さくなり過ぎ１５度を下回ると、光路長や集光レンズサイズが大きくなり、装置全体が大きくなってしまう。このとき、補正に必要なＮＡｉの変化率Ｋの範囲は以下の式（１６）で表される。式（１６）を満たさないｋの範囲では補正が過剰で、周辺のスポット径が小さくなりすぎてしまう。
【数２２】
2014162922.tif 000024
【００３８】
式（１６）に式（１４）を代入して以下の式が導かれる。
【数２３】
2014162922.tif 000025
【００３９】
走査像面での結像位置ｘ３は可変焦点素子の焦点距離の＋Δｆから−Δｆまでの変動に伴い、ｘ３＋とｘ３−との間で変化する。
【数２４】
2014162922.tif 000026
【数２５】
2014162922.tif 000027
【００４０】
一般的に、レンズの焦点距離ｆと物体からレンズの入射側主点までの距離ｘが決まると、射出側主点から結像面までの距離ｘ’が、以下の式によって定まる。
（ｆ／（ｘ−ｆ）＝−（ｘ’−ｆ）／ｆ）
そこで、図２において、虚像の可変焦点素子１０５による像の位置を求めて、さらに、その像の結像レンズ１０６による像の位置を計算すれば、式（７）及び（８）が導出できる。
【００４１】
図３は可変焦点素子による結像面の補正を説明するための図である。図３において、ｌは、ビームの主光線が走査ラインの中央Ｃに到達するときの、偏向器の反射点から走査ラインの中央Ｃまでの距離を表す。また、Ｈは走査ラインの中央Ｃから端部Ｅまでの距離を表す。今、可変焦点素子により結像面の湾曲が補正されていると仮定すると、以下の式が成立する。
【数２６】
2014162922.tif 000028
【００４２】
よって、ビームの走査像面（受光面）に対する入射角がφである場合のスポットサイズの変動を表すｃｏｓφは、式（１７）を使用して以下の式で表される。
【数２７】
2014162922.tif 000029
【００４３】
走査ライン中央から端部にかけての斜入射の影響の変化率Ｊは、式（１８）を使用して以下の式で表される。
【数２８】
2014162922.tif 000030
【００４４】
式Ｂによると、走査ライン上でのスポットサイズが均一となるのは、Ｍ、すなわちＮＡの増加率（Ｋの正の値）と斜入射角φの増加によるｃｏｓφの減少率（Ｊの負の値）とが打ち消しあう場合、すなわち、以下の式が成立する場合である。
【数２９】
2014162922.tif 000031
【００４５】
スポットサイズの変動を±５％まで許容するとすれば、以下の式を満たせば良い。
【数３０】
2014162922.tif 000032
式（２１）に式（１９）及び式（１４）を代入すると以下の式が得られる。
【数３１】
2014162922.tif 000033
【００４６】
本発明の実施例及び比較例について以下に説明する。
【００４７】
実施例１
図１は、実施例１の走査光学系１００Ａの構成を示す図である。走査光学系１００Ａは、集光レンズ１０３Ａと、アパーチャ１０４Ａと、可変焦点素子１０５Ａと、結像レンズ１０６Ａと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ａによって、所定の発散ビームとされた後、可変焦点素子１０５Ａ及び結像レンズ１０６Ａを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図１の水平方向に走査するように偏向される。可変焦点素子１０５Ａは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図１において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。
【００４８】
表１は、実施例１の走査光学系１００Ａの数値データを示す表である。表１及び以下の表の間隔・厚みについて、たとえば、光源原点の間隔・厚みは、光源原点から隣接する集光レンズ入射面までの間隔を示し、集光レンズ入射面の間隔・厚みは、集光レンズの厚みを示す。また、間隔・厚みは、光源原点から受光面上の走査ラインの中央の点Ｃに到達する点に到達する光の経路に沿った間隔・厚みである。
【００４９】
可変焦点素子は、厚みが０である仮想的なものを想定している。ただし、図１における可変焦点素子１０５Ａはわかりやすくする目的で所定の厚みで記載している。
【表１】
2014162922.tif 000034
【００５０】
集光レンズ１０３Ａ及び結像レンズ１０６Ａの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。
【００５１】
集光レンズ１０３Ａの入射面、結像レンズ１０６Ａの入射面及び射出面は、球面または平面である。集光レンズ１０３Ａの射出面は、以下の式で定義される。
【数３２】
2014162922.tif 000035
【数３３】
2014162922.tif 000036
ここで、ｒは光軸からの距離を表し、ｚは、光軸と集光レンズ１０３Ａの射出面との交点を基準とした、光軸方向の距離である。ｃは中心曲率、Ｒは中心曲率半径を表す。また、ａは非球面係数を表し、ｎは整数を表す。
【００５２】
ここで、実施例及び比較例において、光軸は各光学素子の光学中心を結んだ線であり、走査ラインの中央Ｃに至るビームの主光線の経路と一致する。
【００５３】
表２は、実施例１の集光レンズ１０３Ａの射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。集光レンズ１０３Ａの焦点距離は６．１ミリメータである。
【表２】
2014162922.tif 000037
【００５４】
実施例２
図４は、本発明の実施例２の走査光学系１００Ｂの構成を示す図である。走査光学系１００Ｂは、集光レンズ１０３Ｂと、アパーチャ１０４Ｂと、結像レンズ１０６Ｂと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ｂによって、所定の発散ビームとされた後、結像レンズ１０６Ｂを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図４の水平方向に走査するように偏向される。ここで、集光レンズ１０３Ｂは、偏向器１０７による走査と同期して、光軸方向に所定の範囲で移動させられる。集光レンズ１０３Ｂが光軸方向に移動することにより、ビームの光軸上における結像位置は変化する。集光レンズ１０３Ｂの位置は、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。集光レンズ１０３Ｂの光軸方向の移動距離は２２９マイクロメータである。図４において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。
【００５５】
表３は、実施例２の走査光学系１００Ｂの数値データを示す表である。
【表３】
2014162922.tif 000038
【００５６】
集光レンズ１０３Ｂ及び結像レンズ１０６Ｂの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。
【００５７】
集光レンズ１０３Ｂの入射面、結像レンズ１０６Ｂの入射面及び射出面は、球面または平面である。集光レンズ１０３Ｂの射出面は、以下の式で定義される。
【数３４】
2014162922.tif 000039
【数３５】
2014162922.tif 000040
【００５８】
表４は、実施例１の集光レンズ１０３Ｂの射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。集光レンズ１０３Ｂの焦点距離は６．１ミリメータである。
【表４】
2014162922.tif 000041
【００５９】
実施例３
図５は、本発明の実施例３の走査光学系１００Ｃの構成を示す図である。走査光学系１００Ｃは、集光レンズ１０３Ｃと、アパーチャ１０４Ｃと、可変焦点素子１０５Ｃと、結像レンズ１０６Ｃと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ｃによって、所定の発散ビームとされ、可変焦点素子１０５Ｃを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図５の水平方向に走査するように偏向される。その後、結像レンズ１０６Ｃを通過する。可変焦点素子１０５Ｃは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図５において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。
【００６０】
表５は、実施例３の走査光学系１００Ｃの数値データを示す表である。
【００６１】
可変焦点素子は、厚みが０である仮想的なものを想定している。ただし、図５における可変焦点素子１０５Ｃはわかりやすくする目的で所定の厚みで記載している。
【表５】
2014162922.tif 000042
【００６２】
集光レンズ１０３Ｃ及び結像レンズ１０６Ｃの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。
【００６３】
集光レンズ１０３Ｃの入射面は球面である。集光レンズ１０３Ｃの射出面は、以下の式で定義される。
【数３６】
2014162922.tif 000043
【数３７】
2014162922.tif 000044
【００６４】
表６は、実施例３の集光レンズ１０３Ｃの射出面の数値データを示す表である。集光レンズ１０３Ｃの焦点距離は６．１ミリメータである。
【表６】
2014162922.tif 000045
【００６５】
結像レンズ１０６Ｃの入射面及び射出面は、以下の定義式の母線形状を半径Ｒｒで回転させたトロイダル面である。
【数３８】
2014162922.tif 000046
【００６６】
表７は、実施例３の結像レンズ１０６Ｃの入射面及び射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。
【表７】
2014162922.tif 000047
【００６７】
比較例
図６は、本発明の比較例の走査光学系１００Ｘの構成を示す図である。走査光学系１００Ｘは、集光レンズ１０３Ｘと、アパーチャ１０４Ｘと、可変焦点素子１０５Ｘと、結像レンズ１０６Ｘと、ポリゴンミラーなどの偏向器１０７と、を含む。レーザダイオード光源１０１から射出された光（波長７８０ｎｍ）は、集光レンズ１０３Ｘによって、所定の発散ビームとされ、可変焦点素子１０５Ｘ及び結像レンズ１０６Ｘを通過した後、偏向器１０７によって受光平面１０８を、図６の水平方向に走査するように偏向される。可変焦点素子１０５Ｘは、走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御される。図６において、受光平面１０８上の走査ラインの中央をＣで表し、両端部をＥで表す。
【００６８】
表８は、比較例の走査光学系１００Ｘの数値データを示す表である。
【００６９】
可変焦点素子は、厚みが０である仮想的なものを想定している。ただし、図６における可変焦点素子１０５Ｘはわかりやすくする目的で所定の厚みで記載している。
【表８】
2014162922.tif 000048
【００７０】
集光レンズ１０３Ｘ及び結像レンズ１０６Ｘの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。
【００７１】
集光レンズ１０３Ｘの入射面及び射出面、結像レンズ１０６Ａの入射面及び射出面は球面または平面である。集光レンズ１０３Ｘの焦点距離は１１．６ミリメータである。
【００７２】
実施例と比較例との対比
表９は、実施例１乃至実施例３及び比較例の主要なパラメータを示す表である。
【表９】
2014162922.tif 000049
【００７３】
図２に関連して説明したように、可変焦点素子１０５の焦点距離ｆを最小値ｆＭＩＮから最大値ｆＭＡＸまで変化させて走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御するとして、
ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２＝ｆＭＥＡＮ
のときに、発散ビームの虚像点Ｐ１から可変焦点素子１０５の入射側主点Ｐ２までの距離をｘ１、可変焦点素子１０５の射出側主点Ｐ３から結像レンズ１０６の入射側主点Ｐ４までの距離をｘ２、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ３とする。また、
ｆＭＡＸ＝Δｆ
ｆＭＩＮ＝−Δｆ
とする。
【００７４】
ここで、実施例２についてさらに説明する。実施例２の走査光学系１００Ｂは、可変焦点素子を含まない。実施例２の走査光学系１００Ｂにおいては、集光レンズ１０３Ｂを光軸方向に移動させることにより、走査中にビームが常に受光面上に結像するようにビームの光軸上における結像位置を変化させている。そこで、集光レンズ１０３Ｂの光軸方向の移動範囲の中央位置に、集光レンズ１０３Ｂ及び仮想可変焦点素子１０５’を固定し、仮想可変焦点素子１０５’の焦点距離の最小値ｆＭＩＮ及び最大値ｆＭＡＸは、集光レンズ１０３Ｂの光軸方向の移動による結像位置の変化を再現するように定める。表９において、焦点距離の最小値ｆＭＩＮ（−Δｆ）及び焦点距離の最大値ｆＭＡＸ（Δｆ）は、上記のようにして定めた値である。
【００７５】
図３に関連して説明したように、ｌは、ビームの主光線が走査ラインの中央Ｃに到達するときの、偏向器の反射点から走査ラインの中央Ｃまでの距離を表す。また、Ｈは走査ラインの中央Ｃから端部Ｅまでの距離を表す。ただし、実施例３の場合において、Ｌは、受光面上の走査ライン、走査ラインの中央Ｃに向かうビームの主光線、及び走査ラインの端部Ｅに向かうビームの主光線のなす三角形の、走査ラインの中央Ｃに向かうビームの主光線に沿った辺の長さである。
【００７６】
Ａ乃至Ｅは、以下のように定義され、それぞれ式（１）乃至（３）、式（５）及び式（６）に対応する。
【数３９】
2014162922.tif 000050
【数４０】
2014162922.tif 000051
【数４１】
2014162922.tif 000052
【数４２】
2014162922.tif 000053
【数４３】
2014162922.tif 000054
【００７７】
表９によると、実施例１乃至３は、式（１）乃至（３）、式（５）及び式（６）をすべて満たす。これに対して、比較例は、式（１）乃至（３）、式（５）及び式（６）のいずれの式も満たさない。
【００７８】
図７は、ビームによって形成される受光面１０８上のスポットの、位置と径との関係を示す図である。図７の横軸は、受光面上の走査ラインの中央Ｃから走査ライン上の任意の点までの距離、すなわち、像高を表す。単位は、ミリメータである。走査ラインの２個の端部のうち、一方の方向を正とし、他方の方向を負とする。図７の縦軸はスポット径を表す。単位はマイクロメータである。
【００７９】
実施例１乃至３の場合に、横軸の全範囲にわたるスポット径の変動は、２マイクロメータよりも小さい。比較例（従来例）の場合に、横軸の全範囲にわたるスポット径の変動は７マイクロメータよりも大きい。このように、実施例１乃至３のスポット径の変動は、比較例のスポット径の変動より顕著に減少している。
【００８０】
なお、他の好ましい実施形態において、結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離を変えることにより、偏向器の反射面上で線上に結像させて面倒れ補正したり、偏向器のミラーを小型化したりすることができる。
【図１】
2014162922.tif 000065
【図２】
2014162922.tif 000066
【図３】
2014162922.tif 000067
【図４】
2014162922.tif 000068
【図５】
2014162922.tif 000069
【図６】
2014162922.tif 000070
【図７】
2014162922.tif 000071
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月29日(2015.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、
該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数を最小値１／ｆＭＩＮから最大値１／ｆＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、
１／ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２
のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ３として、
【数１】
2014162922.tif 000072
を満足する走査光学系。
【請求項２】
【数２】
2014162922.tif 000073
【数３】
2014162922.tif 000074
をさらに満足する請求項１に記載の走査光学系。
【請求項３】
【数４】
2014162922.tif 000075
としたときに
【数５】
2014162922.tif 000076
をさらに満足する請求項１または２に記載の走査光学系。
【請求項４】
前記面が平面であり、該平面上の走査線の中央から端までの高さをＨ、前記結像レンズのビームを走査する方向である主走査断面における焦点距離をｆ２、
【数６】
2014162922.tif 000077
としたときに
【数７】
2014162922.tif 000078
ただし、
【数８】
2014162922.tif 000079
【数９】
2014162922.tif 000080
をさらに満足する請求項１から３のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項５】
前記ビームを前記面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを、前記結像レンズの前記光源側にさらに含み、移動範囲の中央に前記集光レンズと仮想可変焦点素子が固定されていると仮定し、前記集光レンズが移動することによる前記集光レンズ後の虚像位置の変化を実現するように、前記仮想可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数の最小値１／ｆＭＩＮ及び最大値１／ｆＭＡＸを定め、前記仮想可変焦点素子を前記可変焦点素子とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の走査光学系。
【請求項６】
前記結像レンズの主走査方向と副走査方向の焦点距離が異なる、請求項１乃至５のいずれかに記載の走査光学系。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明による走査光学系は、可変焦点素子と、結像レンズと、偏向器と、を含み、光源から射出されたビームによって面を走査するする走査光学系であって、該可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数を最小値１／ｆＭＩＮから最大値１／ｆＭＡＸまで変化させて該ビームを該面上に結像させるように構成され、
１／ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２
のときに、該可変焦点素子を通過した直後のビームは発散光であり、該ビームの虚像点から該可変焦点素子の入射側主点までの距離をｘ１、該可変焦点素子の射出側主点から該結像レンズの入射側主点までの距離をｘ２、該結像レンズの射出側主点から結像点までの距離をｘ３として、
【数３】
2014162922.tif 000081
を満足する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の第四の実施形態による走査光学系は、前記ビームを前記面上に結像させるように光軸方向に移動するように構成された集光レンズを、前記結像レンズの前記光源側にさらに含み、移動範囲の中央に前記集光レンズと仮想可変焦点素子が固定されていると仮定し、前記集光レンズが移動することによる前記集光レンズ後の虚像位置の変化を実現するように、前記仮想可変焦点素子の主点から焦点までの距離ｆの逆数の最小値１／ｆＭＩＮ及び最大値１／ｆＭＡＸを定め、前記仮想可変焦点素子を前記可変焦点素子とする走査光学系である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
可変焦点素子１０５の焦点距離ｆの逆数を最小値１／ｆＭＩＮから最大値１／ｆＭＡＸまで変化させて走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御するとして、
１／ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２＝１／ｆＭＥＡＮ
のときに、発散ビームの虚像点Ｐ１から可変焦点素子１０５の入射側主点Ｐ２までの距離をｘ１、可変焦点素子１０５の射出側主点Ｐ３から結像レンズ１０６の入射側主点Ｐ４までの距離をｘ２、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ３とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
表４は、実施例２の集光レンズ１０３Ｂの射出面の数値データを示す表である。表における長さの単位はミリメータである。集光レンズ１０３Ｂの焦点距離は６．１ミリメータである。
【表４】
2014162922.tif 000082
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
集光レンズ１０３Ｃの材料は、ホウ素シリカ硝子（商品名ＢＫ７）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５１１であり、アッベ数は６４．２である。結像レンズ１０６Ｃの材料は、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）である。波長７８０ｎｍの光に対して、屈折率は１．５２５である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
集光レンズ１０３Ｘの入射面及び射出面、結像レンズ１０６Ｘの入射面及び射出面は球面または平面である。集光レンズ１０３Ｘの焦点距離は１１．６ミリメータである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
図２に関連して説明したように、可変焦点素子１０５の焦点距離ｆの逆数を最小値１／ｆＭＩＮから最大値１／ｆＭＡＸまで変化させて走査中にビームが常に受光面上に結像するように制御するとして、
１／ｆ＝｛（１／ｆＭＡＸ）＋（１／ｆＭＩＮ）｝／２＝１／ｆＭＥＡＮ
のときに、発散ビームの虚像点Ｐ１から可変焦点素子１０５の入射側主点Ｐ２までの距離をｘ１、可変焦点素子１０５の射出側主点Ｐ３から結像レンズ１０６の入射側主点Ｐ４までの距離をｘ２、結像レンズ１０６の射出側主点Ｐ５から結像点Ｐ６までの距離をｘ３とする。また、
ｆＭＡＸ＝Δｆ
ｆＭＩＮ＝−Δｆ
とする。
【国際調査報告】
2014162922.tif 000083
2014162922.tif 000084
2014162922.tif 000085