(57)【要約】【課題】高い周波数で高い解像度が得られる光走査装置を提供すること。【解決手段】外部から入射した光束を所望する方向である走査方向に走査して出射する光走査装置１０を、光束を反射する走査ミラー１１と、該走査ミラー１１を回転する走査ミラー回転手段１６と、上記走査ミラー１１で反射した光束を上記走査ミラーに再入射させるビームスプリッタ１７とによって構成する。ここで、ビームスプリッタ１７は、上記走査ミラー１１に初めに入射した光束の反射光が走査する走査角度よりも、上記走査ミラー１１に再入射した光束の反射光が走査する走査角度の方が大きくなるように再入射させると共に、上記走査ミラー１１に初めに入射した光束の入射領域の中心と上記走査ミラー１１に再入射した光束の再入射領域とが、上記走査ミラー上の上記走査方向において重なるように配置構成する。【選択図】　　図１
2004013104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入射した光束を所望する方向である走査方向に走査して出射する光走査装置において、
光束を反射する走査ミラーと、
前記走査ミラーを回転する走査ミラー回転手段と、
前記走査ミラーで反射した光束を前記走査ミラーに再入射させる光再帰手段と、
を具備し、
前記光再帰手段は、
前記走査ミラーに初めに入射した光束の反射光が走査する走査角度よりも、前記走査ミラーに再入射した光束の反射光が走査する走査角度の方が大きくなるように再入射させると共に、
前記走査ミラーに初めに入射した光束の入射領域の中心と前記走査ミラーに再入射した光束の再入射領域とが、前記走査ミラー上の前記走査方向において重なるようにする、
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記光再帰手段は、外部から入射した光束を透過して前記走査ミラーで反射した光束を反射するビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記ビームスプリッタを、前記走査ミラー上で前記走査方向と直交する線に対し非平行に配置したことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
外部から入射した光束が前記ビームスプリッタを透過し前記走査ミラーに入射するまでの光路長をｇ、光束の走査に有効な前記走査ミラーの有効回転角の半角をθ、前記走査ミラーに入射する光束の前記走査方向の半径をｗとするとき、
【数１】
2004013104.tif 000005
で表わされる関係を満たすようにしたことを特徴とする請求項２又は３に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記再入射が複数回であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記光再帰手段は、レンズと反射ミラーとを含むことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記反射ミラーは、前記レンズを介して前記走査ミラーと共役な位置に配置したことを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記レンズは、焦点距離ｆ１を有する第１レンズと焦点距離ｆ２を有する第２レンズとからなり、
前記第１レンズと前記第２レンズとは、互いの焦点位置が重なるように前記焦点距離ｆ１と前記焦点距離ｆ２とを加えた間隔を隔てて配され、
前記走査ミラーは、前記第１レンズに対して前記第２レンズとは反対側で且つ前記第１レンズの焦点位置に配され、
前記反射ミラーは、前記第２レンズに対して前記第１レンズとは反対側で且つ前記第２レンズの焦点位置に配される、
ことを特徴とする請求項７に記載の光走査装置。
【請求項９】
前記反射ミラーは、第１反射ミラーと第２反射ミラーとからなり、
前記走査ミラーと前記第１反射ミラーは、前記レンズに対して同じ側で前記レンズの焦点位置に配されると同時に、前記レンズの光軸に対して互いに反対方向に偏心した位置に配され、
前記第２反射ミラーは、前記レンズに対して前記走査ミラー及び前記第１反射ミラーと反対側で且つ前記レンズの焦点位置に配される、
ことを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を所望する方向に走査する光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光走査装置の一例として、シリコンマイクロマシニング技術を応用し、シリコン基板とねじりバネとを用いて、電磁力や静電力によって反射鏡を揺動して光を走査する小型の光偏向器が知られており、例えば、特許第２７２２３１４号公報、特開平１０−１２３４４９号公報、特開２００２−４８９９８号公報に開示されている。ここで、ミラーを揺動させる機構としては、上記特許第２７２２３１４号公報や特開平１０−１２３４４９号公報には電磁力を用いたものが開示され、上記特開２００２−４８９９８号公報には静電力を用いたものが開示されている。
【０００３】
図６の（Ａ）は、上記特許第２７２２３１４号公報に開示されているガルバノミラーの構成を示す図である。ここで、シリコン基板１０１は、シリコンマイクロマシニング技術を利用して、走査ミラー１０２と２本のねじりバネ１０３が一体形成されている。また、走査ミラー１０２の中央部にはアルミニウム蒸着により反射面１０４が形成されており、上面周辺部には通電により磁界を発生する銅薄膜からなる平面コイル１０５が絶縁皮膜で覆われて設けられている。さらに、走査ミラー１０２の対辺の平面コイル１０５部分には、磁界を作用させる互いに対を成す永久磁石１０６Ａ，１０６Ｂと１０７Ａ，１０７Ｂとが配置されている。なお、永久磁石１０６Ａ，１０６Ｂと１０７Ａ，１０７Ｂは、走査ミラー１０２の平面に沿って平面コイル１０５を横切るような方向で、互いに磁界の向きが逆方向になるように配置されている。
【０００４】
平面コイル１０５に一方向の電流を流すと、走査ミラー１０２の両側では永久磁石１０６Ａと１０６Ｂ、１０７Ａと１０７Ｂによって作られる磁界と電流の作用によって磁気力を受け、走査ミラー１０２はねじりバネ１０３を回転軸として回動し、ねじりバネ１０３で発生したバネ力と釣り合う位置で停止する。平面コイル１０５に流す電流を制御することで走査ミラー１０２の変位角を制御することができるので、入射する光ビームの反射方向を自由に制御できる。また、連続的に反復動作させることで、入射ビームの連続的な走査ができる。
【０００５】
上記特開平１０−１２３４４９号公報の光スキャナには、大きな機械振れ角で走査ミラーを振動する方法として、ねじりバネ部分をポリイミド膜などの有機膜で構成する方法が開示されている。また、走査ミラーのねじり振動の共振周波数と同じ周波数の交流電流を印加することによって、加えた電流値に対する最大の振幅で振動することが記載されている。
【０００６】
一方、上記特開２００２−４８９９８号公報に記載されている光走査モジュールでは、静電駆動型の場合に大きな静電引力を得るために電極間距離を短くするとミラー部の機械振れ角が電極に接触しない程度に制限され、反射した光ビームの走査角が大きく取れないという問題に対して、偏向面と対向して反射面を一体的に設け、反射面と偏向面の間から斜めに入射した光ビームを反射面と偏向面との間で複数回反射させて走査角を拡大する方法が開示されている。
【０００７】
図６の（Ｂ）にその構成を示す。即ち、第１のシリコン基板２０１をマイクロマシニング技術で加工し、フレーム２０２、２本のねじりバネ２０３、走査ミラー２０４が一体成形され、走査ミラー表面には反射面２０５として金属膜が形成されている。第２のシリコン基板２０６は、開口部２０８，２０９が設けられ、中央の対向反射面２０７には金属膜が形成されている。第１のシリコン基板２０１と第２のシリコン基板２０６の間には、反射面２０５と対向反射面２０７の距離を規定するガラス基板２１０が設けられている。
【０００８】
第２のシリコン基板２０６の開口部２０８を通り、ねじりバネ２０３を回転軸として往復振動する走査ミラー２０４の反射面２０５に入射した光ビームは、反射面２０５と対向反射面２０７との間で４回往復した後、第２のシリコン基板２０６の開口部２０９を通って出射される。その際に、出射された光ビームの走査角は、反射面２０５で１回に反射される角度の４倍の角度に拡大される。なお、入射した光ビームの光束の直径を２ｗ、ミラー回転軸方向への入射角をβ、反射面２０５と対向反射面２０７の間隔をｇとしたとき、
ｇ・ｔａｎβ＞ｗ
なる関係を満たすようにして、入射した光ビームがケラレずにミラー回転軸方向へ順次移動して出射するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光走査装置は、例えば、レーザ光を光走査装置で偏向走査して対物レンズを介して試料面に照射し、その反射光を検出して試料の表面状態を測定するレーザ走査型顕微鏡や、映像信号に応じて変調されたレーザ光を光走査装置で二次元方向に偏向走査して直接または投影レンズを介してスクリーン上に映像を表示するレーザ走査型プロジェクタなどに利用されている。
【００１０】
このような用途では、試料やスクリーン上を光スポットが走査する長さに対して、光スポットのスポット径を小さくするほど高い解像度での測定や表示が可能になる。従って、使用される光走査装置としては解像度が高いものが望まれ、同時に、試料の測定時間を短縮したり、高解像の映像をちらつき無く表示するために高速走査できるものが望まれる。
【００１１】
しかしながら、従来の光走査装置を開示する上記各公報には、そのような解像度や高速走査といった観点については記載されていない。
【００１２】
ここで、光走査装置の解像度について説明する。例えば、波長λの光ビームが光走査装置に入射し、走査ミラーから距離ｄの位置で集光する収束光である場合、走査ミラー面における光ビームの光束の直径を２ａとすると、集光した光スポットの直径２ｗには、
２ｗ∝λ×ｄ／ａ
の関係があり、走査ミラーで反射した光ビームの走査角を±Θとすると、走査ミラーから距離ｄの位置におけるスポットの全走査長さ２Ｌは、
２Ｌ＝２×ｄ×Θ
であるので、全走査長さを光スポットの直径で割った解像度Ｎは、
Ｎ＝２Ｌ／２ｗ
∝２×Θ×ａ／λ
と表せる。従って、走査ミラーで反射された光ビームの走査角と光束径との積［Θａ積］が大きいほど解像度が高くできる。
【００１３】
しかし、図６の（Ａ）に示す上記特許第２７２２３１４号公報のガルバノミラーの構成では、走査ミラー１０２の両端が永久磁石１０６Ａ，１０６Ｂと１０７Ａ，１０７Ｂで挟まれており、磁界の方向を走査ミラー１０２の平面に沿わせるためには永久磁石１０６Ａ，１０６Ｂと１０７Ａ，１０７Ｂの間隔を狭くする必要があるので、走査ミラー１０２の機械振れ角が制限されてしまい、反射した光ビームの走査角も制限される。また、走査ミラー１０２の一方の面に平面コイル１０５と反射面１０４が形成されているので、走査ミラー１０２の大きさに対して反射面１０４の面積が小さく、反射した光ビームの光束径もこの反射面１０４の大きさで制限される。従って、上記Θａ積を十分に大きくすることができない。さらに、反射面１０４の大きさに対して走査ミラー１０２が大きく、走査ミラー１０２の回転モーメントが大きくなるので、高速に光ビームを走査することが難しい。
【００１４】
また、上記特開平１０−１２３４４９号公報の光スキャナでは、可動部の共振を利用してコイルに流す電流に対する可動部の振幅を大きくしているが、振幅を大きくするためにねじりバネ部分を軟らかいポリイミド膜などの有機膜で構成しているため、共振周波数を高くすることが難しく、高速に光ビームを走査することが難しい。
【００１５】
一般に、このようなねじり振動型光走査装置では、光を走査する所望の周波数が高いほど走査ミラーの共振周波数を高める必要があるので、ねじりバネを硬くしたり、走査ミラーの慣性モーメントを小さくしたりする必要がある。即ち、ねじりバネを硬くするには、ねじりバネの長さを短くし、ねじりバネの幅や厚みを増やしたりする必要がある。しかし、ねじりバネを硬くすると、偏向ミラーの機械振れ角が同じでもねじりバネに発生する最大ひずみが増加するので、最大ひずみが限界値を超えないように機械振れ角を小さくしなければならない。一方、慣性モーメントを小さくするには、走査ミラーの回転軸に直交する方向の幅を減らす必要がある。
【００１６】
一方、図６の（Ｂ）に示す上記特開２００２−４８９９８号公報では、前述したように走査ミラー２０４の機械振れ角を変えずに光ビームの走査角を拡大することができ、走査周波数を高めるために共振周波数を上げると走査ミラー２０４の機械振れ角が縮小する分を補うように反射回数を増やすことで対応できるという記載があるが、この方法では、反射回数を増やすほど走査ミラー２０４が大きくなり、共振周波数が低くなってしまう問題がある。
【００１７】
実際この方法では、対向反射面２０７と走査ミラー２０４の間から斜めに光束を入射させているため、入射する光束径と入射角に応じて対向反射面２０７と走査ミラー２０４の間隔を広げないと光束のケラレが発生するので、光束径を一定にすると、ケラレを防ぐためには対向反射面２０７と走査ミラー２０４の間隔を広げるか、光束の入射角度を大きくする必要がある。対向反射面２０７と走査ミラー２０４の間隔を広げた場合には、走査ミラー２０４が中立でないとき、多重反射した光束が走査ミラー２０４の回転軸から順次遠ざかるように変位して走査ミラー２０４に入射するため、多重反射の回数が多いほど走査ミラー２０４の回転軸に直交する方向の幅を大きくする必要が生じる。また、ケラレを防ぐために光束の入射角度を大きくすると、走査ミラー２０４の回転方向の成分が実質的に減るため、１回の反射での光束の偏向角が、垂直に入射した場合に比べて小さくなる。例えば、入射角４５度では光束の偏向角が約７０％に減ってしまい、最終的な光束の偏向角を確保するためには、多重反射の回数を約１．５倍に増やす必要があるので、結局、多重反射の回数が多くなり走査ミラー２０４の回転軸に直交する方向の幅を大きくする必要が生じる。
【００１８】
従って、光束の走査角を拡大することができても、走査ミラー２０４の回転軸に直交する方向の幅も大きくする必要があるため回転モーメントが大きくなり、走査ミラー２０４と対向した対向反射面２０７を設けない場合に比べて、光を走査する周波数が低下してしまう。
【００１９】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、高い周波数で高い解像度が得られる光走査装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明による光走査装置は、外部から入射した光束を所望する方向である走査方向に走査して出射する光走査装置において、光束を反射する走査ミラーと、上記走査ミラーを回転する走査ミラー回転手段と、上記走査ミラーで反射した光束を上記走査ミラーに再入射させる光再帰手段とを具備し、上記光再帰手段は、上記走査ミラーに初めに入射した光束の反射光が走査する走査角度よりも、上記走査ミラーに再入射した光束の反射光が走査する走査角度の方が大きくなるように再入射させると共に、上記走査ミラーに初めに入射した光束の入射領域の中心と上記走査ミラーに再入射した光束の再入射領域とが、上記走査ミラー上の上記走査方向において重なるようにすることを特徴とする。
【００２１】
即ち、請求項１に記載の発明の光走査装置によれば、光再帰手段により、走査ミラーの少ない回転角でより大きな走査角を持つ光束を出射できると同時に、走査ミラーに初めて入射する光束の入射領域と再入射する光束の再入射領域のずれを小さくすることができるので、光走査装置の走査速度の低下を抑えながらより高い解像度を得ることができる。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明による光走査装置は、請求項１に記載の発明による光走査装置において、上記光再帰手段は、外部から入射した光束を透過して上記走査ミラーで反射した光束を反射するビームスプリッタを含むことを特徴とする。
【００２３】
即ち、請求項２に記載の発明の光走査装置によれば、光再帰手段の部品数が少なく構成できるため、光走査装置を小型に構成することができる。
【００２４】
また、請求項３に記載の発明による光走査装置は、請求項２に記載の発明による光走査装置において、上記ビームスプリッタを、上記走査ミラー上で上記走査方向と直交する線に対し非平行に配置したことを特徴とする。
【００２５】
即ち、請求項３に記載の発明の光走査装置によれば、ビームスプリッタで発生する不要光と、走査して出射する光束を分離できるので、品質の良い走査光束を得ることができる。
【００２６】
また、請求項４に記載の発明による光走査装置は、請求項２又は３に記載の発明による光走査装置において、外部から入射した光束が上記ビームスプリッタを透過し上記走査ミラーに入射するまでの光路長をｇ、光束の走査に有効な上記走査ミラーの有効回転角の半角をθ、上記走査ミラーに入射する光束の上記走査方向の半径をｗとするとき、
【数２】
2004013104.tif 000003
で表わされる関係を満たすようにしたことを特徴とする。
【００２７】
即ち、請求項４に記載の発明の光走査装置によれば、走査ミラーで反射された光ビームの走査角と光束径との積［Θａ積］を保ちながら、走査ミラーを小さくすることができる。
【００２８】
また、請求項５に記載の発明による光走査装置は、請求項２又は３に記載の発明による光走査装置において、上記再入射が複数であることを特徴とする。
【００２９】
即ち、請求項５に記載の発明の光走査装置によれば、走査ミラーの回転角に対する出射光束の走査角を大きくすることができる。
【００３０】
また、請求項６に記載の発明による光走査装置は、請求項１に記載の発明による光走査装置において、上記光再帰手段は、レンズと反射ミラーとを含むことを特徴とする。
【００３１】
即ち、請求項６に記載の発明の光走査装置によれば、光再帰手段がレンズや反射ミラーで構成されるので損失が少なく、光再帰手段の光効率を高くすることができる。
【００３２】
また、請求項７に記載の発明による光走査装置は、請求項６に記載の発明による光走査装置において、上記反射ミラーは、上記レンズを介して上記走査ミラーと共役な位置に配置したことを特徴とする。
【００３３】
即ち、請求項７に記載の発明の光走査装置によれば、走査ミラーに初めに入射する光束の入射領域と走査ミラーに再入射する光束の再入射領域を一致させることができるので、走査ミラーの大きさを変える必要が無く、走査ミラーの走査周波数を変えずに解像度を高くすることができる。
【００３４】
また、請求項８に記載の発明による光走査装置は、請求項７に記載の発明による光走査装置において、上記レンズは、焦点距離ｆ１を有する第１レンズと焦点距離ｆ２を有する第２レンズとからなり、上記第１レンズと上記第２レンズとは、互いの焦点位置が重なるように上記焦点距離ｆ１と上記焦点距離ｆ２とを加えた間隔を隔てて配され、上記走査ミラーは、上記第１レンズに対して上記第２レンズとは反対側で且つ上記第１レンズの焦点位置に配され、上記反射ミラーは、上記第２レンズに対して上記第１レンズとは反対側で且つ上記第２レンズの焦点位置に配されることを特徴とする。
【００３５】
即ち、請求項８に記載の発明の光走査装置によれば、第１レンズと第２レンズの焦点距離ｆ１、ｆ２により、第１レンズと第２レンズの間隔、及び、走査ミラー、反射ミラーの位置、を決めているので、入射する光束に対して出射する光束の平行度を保つことができる。
【００３６】
また、請求項９に記載の発明による光走査装置は、請求項６に記載の発明による光走査装置において、上記反射ミラーは、第１反射ミラーと第２反射ミラーとからなり、上記走査ミラーと上記第１反射ミラーは、上記レンズに対して同じ側で上記レンズの焦点位置に配されると同時に、上記レンズの光軸に対して互いに反対方向に偏心した位置に配され、上記第２反射ミラーは、上記レンズに対して上記走査ミラー及び上記第１反射ミラーと反対側で且つ上記レンズの焦点位置に配されることを特徴とする。
【００３７】
即ち、請求項９に記載の発明の光走査装置によれば、走査ミラーに再入射する光束の平行度が保たれるので、外部から入射した光束と走査して出射する光束の平行度を保つことができる。また、光再帰手段に使用するレンズを少なく構成できるので、光走査装置を小型に構成することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００３９】
［第１の実施の形態］
図１の（Ａ）乃至図２の（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光走査装置の構成を示す図である。本実施の形態に係る光走査装置は、一次元の光束の走査を行うことができるものである。ここで、図１の（Ａ）はこの光走査装置の構成を示す走査方向の断面図、図１の（Ｂ）は走査ミラーと走査ミラー回転手段の構成を示す斜視図、図２の（Ａ）は走査ミラーとビームスプリッタの位置関係を示す走査方向の断面図であり、図２の（Ｂ）は走査ミラーとビームスプリッタの位置関係を示す走査方向を側面から見た断面図である。
【００４０】
本第１の実施の形態に係る光走査装置１０は、走査ミラー１１と、コイル１２，ねじりバネ１３，磁石“Ａ”１４Ａ，磁石“Ｂ”１４Ｂ，及びヨーク１５からなる走査ミラー回転手段１６と、ビームスプリッタ１７からなる光再帰手段と、から構成されている。
【００４１】
即ち、上記ビームスプリッタ１７は、上記走査ミラー１１に対向するように配置され、上記走査ミラー側の面は光束を透過したり反射したりするための分離面１８であり、アルミニウムなどの金属膜や誘電体膜により所定の反射率を有する薄膜が形成されている。一方、図１の（Ｂ）に示すように、上記走査ミラー１１のビームスプリッタ側の面は光束を反射するための反射面１９であり、アルミニウムなどの金属膜やＳｉＯ２やＴｉＯ２などの誘電体を積層した誘電体多層膜などの反射膜が形成され、反対の面には、当該走査ミラー１１を電磁力によって回転させるための上記コイル１２が形成されている。また、上記走査ミラー１１の回転軸支を兼ねた上記ねじりバネ１３がマイクロマシニング技術を応用して上記走査ミラー１１と一体に形成され、上記ねじりバネ１３の他端は上記ヨーク１５に固定されている。さらに、上記ヨーク１５には上記磁石“Ａ”１４Ａ及び磁石“Ｂ”１４Ｂが上記走査ミラー１１の両側に対向するように取り付けられている。
【００４２】
ここで、上記走査ミラー回転手段１６の動作について説明する。
即ち、上記磁石“Ａ”１４Ａ及び磁石“Ｂ”１４Ｂと上記ヨーク１５とは磁気回路を構成しており、上記磁石“Ａ”１４Ａと上記磁石“Ｂ”１４Ｂの間に磁界を発生させる。上記走査ミラー１１のコイル１２は、上記磁石“Ａ”１４Ａから上記磁石“Ｂ”１４Ｂの方向に発生する磁界中に位置しているので、上記コイル１２に一方向の電流を流すと、該コイル１２の上記磁石“Ａ”１４Ａに近い部分と上記磁石“Ｂ”１４Ｂに近い部分とで逆方向の電磁力が発生し、上記走査ミラー１１が上記ねじりバネ１３を軸とした回転方向の力を受ける。従って、上記コイル１２に流す電流の極性を連続的に切り替えることにより、上記走査ミラー１１の回転方向を所望の周波数で連続的に切り替えて揺動することができる。上記走査ミラー１１が揺動する回転角は、電流値や電流を切り替える周波数、磁界の強さ、上記ねじりバネ１３の定数、上記走査ミラー１１の回転方向の慣性モーメント、などによって決まるので、より高い周波数でより大きい回転角を得るために、共振周波数を高く設定し、共振周波数における高いＱ値を利用するようにしている。従って、上記ねじりバネ１３のバネ定数を大きく、上記走査ミラー回転手段１６の共振周波数におけるＱ値を高く設計し、図示しない駆動回路により上記走査ミラー１１の共振周波数と同じ周波数で上記コイル１２に流す電流の極性を切り替えている。
【００４３】
次に、光束の経路について説明する。
図２の（Ａ）は、上記走査ミラー１１と上記ビームスプリッタ１７の位置関係を示す走査方向の断面図であり、上記走査ミラー１１は有効回転角θだけ中立状態（破線で示す状態）から回転した状態を示している。ここで、有効回転角とは、出射した光束が利用される最大の走査角を与える走査ミラーの回転角のことであり、上記走査ミラー１１の最大回転角以下の回転角である。
【００４４】
外部から入射した走査方向の直径が２ｗの光束は、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８を透過し、上記走査ミラー１１の反射面１９上の入射領域２０で表す領域に入射する。この走査ミラー１１で反射した光束は、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８で反射され、該走査ミラー１１の反射面１９上の再入射領域２１で表す領域に再入射する。この再入射領域２１は、上記走査ミラー１１の回転に応じて、該走査ミラー１１の反射面１９上を移動する。上記再入射領域２１で反射した光束は、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８を透過して、走査角４θで出射される。
【００４５】
走査方向において、上記再入射領域２１は、上記走査ミラー１１に初めに入射する光束の入射領域２０の中心に重なるようにしており、上記走査ミラー１１の大きさは、上記再入射領域２１の移動範囲を全て含む大きさとしている。
【００４６】
このように上記再入射領域２１が上記走査ミラー１１に初めに入射する光束の入射領域２０の中心に重なるようにするためには、具体的には、外部から入射した光束の中心が上記ビームスプリッタ１７の分離面１８を透過し上記走査ミラー１１の反射面１９に入射するまでの光路長をｇとすると、上記入射領域２０の中心から上記再入射領域２１の最も遠い位置までの距離ｄが
ｄ＜２ｗ
となるようにしている。即ち、
【数３】
2004013104.tif 000004
の関係が成り立つように、有効回転角θ、外部から入射した光束の直径２ｗに適するように上記走査ミラー１１とビームスプリッタ１７との間の間隔を設定している。
【００４７】
この構成によると、出射した光束の走査角が、ビームスプリッタ１７からなる光再帰手段を用いない場合の２倍になるので、外部から入射する光束の光束径を上記光再帰手段を用いない場合の１／２に縮小しても同じ解像度を保つことができる。また、上記走査ミラー１１の大きさは、上記光再帰手段を用いない場合の１／２の光束径に対して２倍より小さくできるので、上記光再帰手段を用いない場合よりも走査ミラー１１の大きさが小さくできることになり、より高い周波数で出射した光束を走査することができる。
【００４８】
即ち、本第１の実施の形態では、前述した走査ミラーで反射された光ビームの走査角と光束径との積［Θａ積］を保ったまま、走査ミラー１１のサイズを小さくすることができる。
【００４９】
図２の（Ｂ）は、上記走査ミラー１１と上記ビームスプリッタ１７の位置関係を示す走査方向を側面から見た断面図である。上記走査ミラー１１は２本のねじりバネ１３により回転軸支されており、該走査ミラー１１の反射面１９上で走査方向と直交する線Ｃ−Ｃに対して、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８を角度φだけ傾けて配置している。
【００５０】
外部から入射した光束は、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８で一部が反射して不要光Ｄとなる。また、初めに入射した光束が上記走査ミラー１１で反射した光束の一部は、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８で透過して不要光Ｅとなる。さらに、出射する光束が上記ビームスプリッタ１７を透過する際に反射した一部の光束が上記走査ミラー１１と上記ビームスプリッタ１７の間を多重反射する再に、不要光Ｆなどが発生する。
【００５１】
この図２の（Ｂ）に示すような構成によると、上記線Ｃ−Ｃに対して、上記ビームスプリッタ１７の分離面１８を角度φだけ傾けて配置しているので、出射する光束に対してそれぞれ上記不要光Ｄは４φ、上記不要光Ｅは２φ、上記不要光Ｆは２φだけ異なる角度を持つ。従って、出射する光束と不要光とが分離され、品質の良い出射光束が得られる。
【００５２】
なお、この第１の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００５３】
第１の実施の形態では、上記ビームスプリッタ１７として所定の反射率を有するものを使用したが、例えば、図３に示すように、入射光の偏光方向によって反射特性が変化する偏光分離膜２２を分離面に使用し、ビームスプリッタ１７’と走査ミラー１１の間に１／４波長板２３を配置する構成としても良い。この場合、１／４波長板２３とビームスプリッタ１７’とで光再帰手段を構成する。なお、上記偏光分離膜２２は、所定の偏光方向の光を透過し且つそれと直交する偏光方向の光を反射する特性を持ち、例えば分子の配列が一方向に揃うようにした高分子のフィルムを応用したものであり、液晶表示パネルのバックライトで光を再利用するシートなどに利用されているものである。
【００５４】
このような構成においては、直線偏光で入射した光束は、上記ビームスプリッタ１７’の偏光分離膜２２を透過し、上記１／４波長板２３を通過して円偏光となる。上記走査ミラー１１で反射された光束は、上記１／４波長板２３を通過すると、初めの入射光束とは直交する直線偏光となるので、上記偏光分離膜２２で反射され、再び上記１／４波長板２３を通過し上記走査ミラー１１に再入射する。この走査ミラー１１で再び反射された光束は、上記１／４波長板２３を透過して初めの入射光束と同じ直線偏光となるので、上記偏光分離膜２２を透過して出射される。
【００５５】
このような構成によれば、分離面での透過や反射の効率が高くできるので、入射する光束に対して走査して出射する光束の光量の低下を小さくできる。また、不要光の発生も少なくできるので、走査ミラー１１上で走査方向と直交する線とビームスプリッタ１７’を非平行に配置しなくても品質の良い出射光束が得られる。勿論、入射する光束と走査して出射する光束の分離を容易にするように非平行に配置しても良い。
【００５６】
さらに、本第１の実施の形態では、上記走査ミラー１１に対する再入射の回数が１回であったが、再入射の回数を複数回としても良く、走査ミラー１１の回転角をθとすると、走査ミラー１１にｎ回再入射した後に出射する光束の走査角は２ｎ＋１・θとなるので、より走査角を大きくできる。
【００５７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００５８】
図４の（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光走査装置の構成を示す図である。本実施の形態に係る光走査装置は、一次元の光束の走査を行うことができるものである。ここで、図４の（Ａ）はこの光走査装置の構成を示す走査方向の断面図であり、図４の（Ｂ）は走査方向に垂直な方向の断面図である。なお、図４の（Ａ）、（Ｂ）ともに走査ミラー回転手段の構成は、上記第１の実施の形態における上記走査ミラー回転手段１６と同じであるので、その図示を省略している。
【００５９】
本第２の実施の形態に係る光走査装置３０は、走査ミラー３１と、図示しない走査ミラー回転手段と、第１リレーレンズ３２，第２リレーレンズ３３，及び反射ミラー３４からなる光再帰手段と、で構成されている。
【００６０】
即ち、上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３はそれぞれ焦点距離ｆ１及びｆ２の正のパワーを持つ、単レンズまたはレンズ群である。上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３は、互いの焦点位置が重なるようにｆ１＋ｆ２の距離を隔てて配置し、上記反射ミラー３４は、上記第１リレーレンズ３２とは反対側の上記第２リレーレンズ３３の焦点位置に配置している。また、上記走査ミラー３１は、上記第２リレーレンズ３３とは反対側の上記第１リレーレンズ３２の焦点位置に配置している。
【００６１】
なお、上記反射ミラー３４は、上記第１リレーレンズ３２と上記第２リレーレンズ３３とを結ぶ光軸Ｈ−Ｈ上に、当該反射ミラー３４の法線方向が上記光軸Ｈ−Ｈに平行になるように配置している。一方、上記走査ミラー３１は、上記光軸Ｈ−Ｈ上に、走査方向に垂直な断面における当該走査ミラー３１の法線方向が上記光軸Ｈ−Ｈに対して角度φを成すように配置すると共に、上記第１リレーレンズ３２及び上記第２リレーレンズ３３は、走査方向に垂直な断面で光束の入射しない領域を切除して（図４の（Ｂ）に切除部分３５として示す）、入射する光束や出射する光束とそれらリレーレンズ３２，３３との干渉を防いでいる。なお、走査方向に垂直な断面の入射角φのとき、入射する光束に対する上記走査ミラー３１の実質的な回転角は、機械的な回転角におよそｃｏｓφを乗じた回転角に減少するので、入射角φは、上記リレーレンズ３２，３３と入射や出射する光束との干渉を防ぐ程度に小さくすることが好ましい。
【００６２】
図４の（Ａ）に示すように、走査方向の断面において、この光走査装置３０に入射する平行光束は、上記走査ミラー３１の回転角がθのとき、矢印ｂ１で示すように上記光軸Ｈ−Ｈと平行に上記走査ミラー３１に入射角θで入射して、反射する。この反射した光束は、上記第１リレーレンズ３２に対して矢印ｂ２で示すように角度２θで入射して、矢印ｂ３で示す上記光軸Ｈ−Ｈに平行な方向に、上記第１リレーレンズ３２及び上記第２リレーレンズ３３の焦平面で一旦集束したのち発散するように進むので、上記第２リレーレンズ３３を通過した光束は再び平行光束となり、矢印ｂ４で示すように、上記光軸Ｈ−Ｈ上に配置された上記反射ミラー３４に向けて進む。この反射ミラー３４で反射された光束は、上記光軸Ｈ−Ｈに関して上下対称で且つ逆方向に矢印ｂ５、矢印ｂ６、矢印ｂ７で示す順に進み、平行光束となって上記走査ミラー３１に対して入射角３θで再入射する。このとき、上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３を介して、この走査ミラー３１と上記反射ミラー３４とが共役な位置に配置されているので、この走査ミラー３１に初めに光束が入射する領域と、上記のような光再帰手段を経て再入射する領域とは、入射角θに関係無く一致する。この走査ミラー３１に入射角３θで再入射した光束は、上記光軸Ｈ−Ｈに対して４θとなる方向に反射され、当該光走査装置３０から出射される。従って、図示しない走査ミラー回転手段によって上記走査ミラー３１を±θ回転すると、出射する光束を±４θの走査角で走査することができる。
【００６３】
一方、図４の（Ｂ）に示すように、走査方向に垂直な断面において、この光走査装置３０に入射する光束は、矢印ｂ１で示す方向から上記走査ミラー３１に入射角φで入射し、矢印ｂ２、矢印ｂ３、矢印ｂ４、矢印ｂ５、矢印ｂ６、矢印ｂ７で示す順に上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３を挟んで、上記走査ミラー３１と上記反射ミラー３４の間を往復し、上記走査ミラー３１に再入射する。このとき、上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３を介して、上記走査ミラー３１と上記反射ミラー３４とが共役な位置に配置されているので、上記走査ミラー３１に初めに光束が入射する領域と、上記光再帰手段を経て再入射する領域とは、入射角φに関係無く一致する。
【００６４】
前述したように、本第２の実施の形態では、上記走査ミラー３１と上記反射ミラー３４とが上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３に関して共役な位置に配置しているので、上記走査ミラー３１の入射領域と再入射領域とが一致するので、上記走査ミラー３１の大きさを大きくすること無く、出射する光束の走査角を、光再帰手段が無い場合の２倍にすることができる。さらに、この実施の形態では、上記第１リレーレンズ３２と上記第２リレーレンズ３３の間隔と、上記走査ミラー３１と上記反射ミラー３４の位置を、上記第１リレーレンズ３２及び第２リレーレンズ３３の焦点距離に基づいて設定しているため、入射した光束の平行度を保ったまま光束を走査して出射することができる。
【００６５】
従って、本第２の実施の形態では、走査ミラーのサイズを変えることなく、前述した走査ミラーで反射された光ビームの走査角と光束径の積［Θａ積］を２倍にすることができる。
【００６６】
なお、この第２の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００６７】
例えば、本第２の実施の形態では、走査方向に垂直な断面において、該光走査装置３０に入射する光束の走査ミラー３１に対する入射角をφと等しくしているが、入射角をφと異ならせても良い。この場合、入射角がφ＋Δφとすれば、出射する光束と入射する光束の角度差が２Δφとなり、入射する光束と走査して出射する光束を容易に分離できるようになる。
【００６８】
また、本第２の実施の形態では、光再帰手段の構成要素である上記第１リレーレンズ３２、第２リレーレンズ３３、及び反射ミラー３４を直線的に配列しているが、上記走査ミラー３１と上記反射ミラー３４との間の光路上に折り返しミラーを配置して光再帰手段の光路を折り曲げても良く、この場合、光走査装置の長さを短くできるようになる。
【００６９】
さらに、本第２の実施の形態では、反射ミラーを固定ミラーとしているが、反射ミラーを別な回転手段により走査方向に垂直な面で回転させても良く、この場合、出射する光束を二次元走査することができる。
【００７０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００７１】
図５の（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光走査装置の構成を示す図である。本実施の形態に係る光走査装置は、一次元の光束の走査を行うことができるものである。ここで、図５の（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれこの光走査装置の構成を示す走査方向の断面図であり、図５の（Ｃ）は走査方向に垂直な方向の断面図である。なお、これらの図において、走査ミラー回転手段の構成は前述の第１の実施の形態における上記走査ミラー回転手段１６と同じであるので、その図示を省略している。
【００７２】
本第３の実施の形態に係る光走査装置４０は、走査ミラー４１と、図示しない走査ミラー回転手段と、リレーレンズ４２，第１反射ミラー４３，及び第２反射ミラー４４からなる光再帰手段と、で構成されている。
【００７３】
ここで、上記リレーレンズ４２は、焦点距離ｆ１の正のパワーを持つ単レンズまたはレンズ群である。図５の（Ｃ）に示すように、走査方向に垂直な断面において、上記第２反射ミラー４４は、このリレーレンズ４２の焦点位置に配置され、上記走査ミラー４１及び上記第１反射ミラー４３は、このリレーレンズ４２の光軸Ｊ−Ｊから反対方向にそれぞれ距離δだけ離れた位置で、且つ、上記第２反射ミラー４４とは反対側の上記リレーレンズ４２の焦平面上に配置されている。また、走査方向に垂直な断面において、上記走査ミラー４１の法線方向は上記光軸Ｊ−Ｊに対して上記リレーレンズ４２の外側を向くように角度φを成すように配置され、上記第１反射ミラー４３は、法線方向が上記光軸Ｊ−Ｊに平行になるように配置されている。さらに、上記リレーレンズ４２は、走査方向に垂直な断面で光束の入射しない領域を切除して（図５の（Ｃ）に切除部分４５として示す）、入射する光束や出射する光束と上記リレーレンズ４２との干渉を防いでいる。なお、走査方向に垂直な断面の入射角φのとき、入射する光束に対する上記走査ミラー４１の実質的な回転角は、機械的な回転角におよそｃｏｓφを乗じた回転角に減少するので、入射角φは、上記リレーレンズ４２と入射や出射する光束との干渉を防ぐ程度に小さくすることが好ましい。
【００７４】
図５の（Ａ）は、入射光束、出射光束、及び上記走査ミラー４１と第２反射ミラー４４との間の光束の状態と構成を示し、図５の（Ｂ）は、上記第２反射ミラー４４と第１反射ミラー４３との間の光束と構成を示す走査方向の断面図である。
【００７５】
ここで、上記走査ミラー４１の回転角がθのとき、この光走査装置４０に入射した平行光束は、図５の（Ａ）乃至（Ｃ）に示す矢印ｃ１乃至矢印ｃ９の順に、上記走査ミラー４１，上記リレーレンズ４２，上記第２反射ミラー４４，上記リレーレンズ４２，及び上記第１反射ミラー４３の間を往復し、再び平行光束となって上記走査ミラー４１に対して入射角３θで再入射する。このとき、上記リレーレンズ４２及び第２反射ミラー４４を介して、上記走査ミラー４１と上記第１反射ミラー４３とが共役な位置に配置されているので、上記走査ミラー４１に初めに光束が入射する領域と、上記光再帰手段を経て再入射する領域とは、入射角θに関係無く一致する。上記走査ミラー４１に入射角３θで再入射した光束は、矢印ｃ１０で示すように、上記光軸Ｊ−Ｊに対して４θとなる方向に反射され、この光走査装置４０から出射される。従って、図示しない走査ミラー回転手段によって上記走査ミラー４１を±θ回転すると、出射する光束を±４θの走査角で走査することができる。
【００７６】
前述したように、本第３の実施の形態では、上記走査ミラー４１と上記第１反射ミラー４３とが上記リレーレンズ４２及び第２反射ミラー４４を介して共役な位置に配置しているので、上記走査ミラー４１の入射領域と再入射領域とが一致するので、走査ミラーの大きさを大きくすること無く出射する光束の走査角を、光再帰手段が無い場合の２倍にすることができる。さらに、この実施の形態では、上記リレーレンズ４２と上記第２反射ミラー４４との間隔、及び、上記走査ミラー４１と上記第１反射ミラー４３の位置を、上記リレーレンズ４２の焦点距離に基づいて設定しているため、入射した光束の平行度を保ったまま光束を走査して出射することができる。
【００７７】
従って、本第３の実施の形態では、走査ミラーのサイズを変えることなく、前述した走査ミラーで反射された光ビームの走査角と光束径との積［Θａ積］を２倍にすることができる。
【００７８】
また、この実施の形態では、上記第２の実施の形態に比べて、光再帰手段を小型に構成することができる。
【００７９】
なお、この第３の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００８０】
例えば、本第３の実施の形態では、上記第１反射ミラー４３を固定ミラーとしているが、この第１反射ミラーを別な回転手段により走査方向に垂直な面で回転させても良く、この場合、出射する光束を二次元走査することができる。
【００８１】
また、本第３の実施の形態では、上記第２反射ミラー４４を固定ミラーとしているが、この第２反射ミラーを別な平行移動手段や位置調整手段により、上記リレーレンズ４２の光軸Ｊ−Ｊに平行に移動可能な構成としても良く、この場合、射する光束の平行度を調整することができる。
【００８２】
以上実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００８３】
例えば、上記第１乃至第３の実施の形態では、走査ミラー回転手段を磁石とコイルによる電磁力により走査ミラーを回転する構成としたが、対向する電極間に電界をかけて電極間に発生する静電力を使った構成としても良い。さらに、バネ部材と回転軸支とを兼ねたねじりバネを使用したが、回転軸とバネ部材を別に設けても良い。
【００８４】
また、上記第１乃至第３の実施の形態では、走査ミラー回転手段として、走査ミラーを共振周波数で回転駆動する共振型としているが、ステッピングモータやサーボモータなどの位置決め動作が可能なモータを使ったガルバノメータスキャナとしても良い。このようなガルバノメータスキャナでは、非常に強い回転力を加えることで高速に走査ミラーを回転させているが、本第１乃至第３の実施の形態を適用すると、走査角の増加分だけ入射光束径を小さくして解像度を保ち走査ミラーを小さくできるので、モータの回転力を小さくすることができ、光走査装置の小型化、省電力化が図れる効果がある。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、解像度が高く、且つ、高い周波数で光束を走査することが可能な光走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る光走査装置の構成を示す走査方向の断面図であり、（Ｂ）は第１の実施の形態に係る光走査装置における走査ミラーと走査ミラー回転手段の構成を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は第１の実施の形態に係る光走査装置における走査ミラーとビームスプリッタの位置関係を示す走査方向の断面図であり、（Ｂ）は第１の実施の形態に係る光走査装置における走査ミラーとビームスプリッタの位置関係を示す走査方向を側面から見た断面図である。
【図３】第１の実施の形態の変形例を説明するための走査ミラーとビームスプリッタの位置関係を示す走査方向を側面から見た断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る光走査装置の構成を示す走査方向の断面図であり、（Ｂ）は第２の実施の形態に係る光走査装置における走査方向に垂直な方向の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る光走査装置の構成を説明するための走査方向の断面図であって、特に、（Ａ）は入射光束、出射光束、及び走査ミラーと第２反射ミラーとの間の光束の状態と構成を示す図、（Ｂ）は第２反射ミラーと第１反射ミラーとの間の光束の状態と構成を示す図であり、（Ｃ）は第３の実施の形態に係る光走査装置における走査方向に垂直な方向の断面図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ従来の光走査装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０　　　光走査装置
１１，３１，４１　　　走査ミラー
１２　　　コイル
１３　　　ねじりバネ
１４Ａ　　　磁石“Ａ”
１４Ｂ　　　磁石“Ｂ”
１５　　　ヨーク
１６　　　走査ミラー回転手段
１７，１７’　　　ビームスプリッタ
１８　　　分離面
１９　　　反射面
２０　　　入射領域
２１　　　再入射領域
２２　　　偏光分離膜
３２，３３，４２　　　リレーレンズ
３４　　　反射ミラー
３５，４５　　　切除部分
４３　　　第１反射ミラー
４４　　　第２反射ミラー
【図１】
2004013104.tif 000006
【図２】
2004013104.tif 000007
【図３】
2004013104.tif 000008
【図４】
2004013104.tif 000009
【図５】
2004013104.tif 000010
【図６】
2004013104.tif 000011