(57)【要約】【課題】全方位３６０°であって垂直方向９０°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。【解決手段】光ビームを発生する光源ユニット２と、光ビームの伝播軸上であって中心軸１上に配置された２次元光走査手段３と、２次元光走査手段３により走査され光ビームの中心軸１に沿う方向の走査角を拡大する走査角変換手段４とを含み、中心軸１の周り３６０°、中心軸１を含む断面内９０°以上を走査可能な光走査装置。【選択図】図１
2008310204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開平６−２７４０１号公報
【特許文献２】特開２００５−２４１９３６号公報
【特許文献３】特開２００３−１２１７６４号公報
【特許文献４】米国特許第５，９２０，４１７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
以下の実施例についても同様である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
実施例１〜３の条件式（１）〜（３）の値は次の通りである。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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                                          。
【００７０】
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                                          。
【００７１】
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                                          。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】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。
【図２】実施例１の光学系の横収差図である。
【図３】実施例１の変形例の図１（ａ）と同様の図（ａ）、（ｂ）である。
【図４】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。
【図５】実施例２の光学系の横収差図である。
【図６】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。
【図７】実施例３の光学系の横収差図である。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
【００７９】
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
【図１】
2008310204.tif 000003
【図２】
2008310204.tif 000004
【図３】
2008310204.tif 000005
【図４】
2008310204.tif 000006
【図５】
2008310204.tif 000007
【図６】
2008310204.tif 000008
【図７】
2008310204.tif 000009
【図８】
2008310204.tif 000010
【図９】
2008310204.tif 000011