レーザ光スキャナ
【課題】、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができるレーザ光スキャナを提供する。
【解決手段】レーザ光スキャナ１０を、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０を有する光結合光学ユニット１９を備えた構成とし、コリメート光学ユニット１８を、光入射側から順にコリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を配置した構成としている。コリメートレンズ２６は、光入射側から順に、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４を配列した構成である。
【解決手段】レーザ光スキャナ１０を、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０を有する光結合光学ユニット１９を備えた構成とし、コリメート光学ユニット１８を、光入射側から順にコリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を配置した構成としている。コリメートレンズ２６は、光入射側から順に、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４を配列した構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を走査するレーザ光スキャナは、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等、様々な分野で用いられている。レーザ光スキャナは、一般的に、光源と、光源から出射したレーザ光を走査する光偏向素子から構成されている。さらに必要に応じて、光源から出射したレーザ光を光偏光素子に応じた発光ビームプロファイルに成形する光結合光学系や、光偏向素子から出力された発光ビームプロファイルの成形や偏向角を調整する出力光学系を備えた構成も知られている。
【０００３】
上記光偏光素子として、光を伝播するコア層をクラッド層で挟んだ構成の光導波路を備えた光偏光素子を用いた場合には、光偏光素子に入射したレーザ光は、コア層を伝播する。そして、コア層には、印加された電圧に応じて光屈折率の変化する屈折率変化領域が設けられており、この屈折率変化領域に印加された電圧に応じてレーザ光が偏向する。このため、光源から出射したレーザ光を光偏向素子に光結合させるためには、レーザ光を、コア層の厚みに応じた幅に集光する必要がある。また、コア層の光伝播方向及び厚み方向に垂直な方向におけるレーザ光の幅を、コア層の屈折率変化領域の該方向の幅に応じて調整する必要がある。さらに、レーザ光における、該方向成分の光は、コア層における光伝播方向に平行な光束に成形する必要がある。
【０００４】
すなわち、光源から出射したレーザ光は、光偏向素子に光結合した時には、光偏向素子におけるコア層の厚み方向の成分については該厚み方向に集光した集光光束であり、且つ、光伝播方向及びコア層の厚み方向に垂直な方向の成分についてはコア層における光伝播方向に平行な平行光束であることが要求される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、レーザダイオードから出射した二次元アレイ状のレーザ光群を、１本の光ファイバに光結合することが開示されている。具体的には、特許文献１では、レーザダイオードから出射したレーザ光群の速軸成分を平行にした後に、ビーム変換器によって該レーザ光群の断面を９０°回転させ、さらにコリメートした後に集光することが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によれば、遅軸方向成分に比べて品質の良い速軸方向成分を集光するため、高光効率が得られると考えられる。しかしながら、特許文献１によれば、ビーム変換器を通過することによって、レーザ光に含まれる速軸方向成分に遅軸方向成分が含まれることとなり、光偏向素子から出射するレーザ光の解像点数が低い。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができるレーザ光スキャナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を第１ビーム幅の平行光束に変換する第１コリメートレンズと、前記第１コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する第２コリメートレンズと、前記遅軸方向を厚み方向とし前記速軸方向を光偏向方向とするコア層及び前記コア層を挟む一対のクラッド層を有する光偏向素子と、前記第２コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させて該レーザ光を前記コア層の光入射側端面に光結合させる集光レンズと、を備え、前記第１コリメートレンズは、光入射側が平面に形成され且つ光出射側が球面に形成された半球レンズと、前記半球レンズの光出射側に設けられたメニスカスレンズと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施の形態にかかるレーザ光スキャナの構成を示す模式図であり、（Ａ）は、レーザ光スキャナのＸ−Ｚ平面図であり、（Ｂ）はレーザ光スキャナのＹ−Ｚ平面図である。
【図２】図２は、光源から出射したレーザ光の発レーザ光プロファイルを示す模式図である。
【図３】図３は、光偏向素子を示す模式図であり、（Ａ）は、光偏向素子を示す斜視図であり、（Ｂ）は、コア層を示す斜視図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態にかかるレーザ光スキャナの構成を示す模式図であり、（Ａ）は、レーザ光スキャナのＸ−Ｚ平面図であり、（Ｂ）はレーザ光スキャナのＹ−Ｚ平面図である。
【図５】図５は、実施例における、半球レンズ、メニスカスレンズ、及びコリメートレンズの具体的な仕様の一例を示す表である。
【図６】図６は、実施例における、非球面シリンドリカルレンズ及び半円柱レンズの具体的な仕様の一例を示す表である。
【図７】図７は、実施例におけるレーザ光スキャナの構成の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、実施例におけるコリメートレンズの構成の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、実施例におけるコリメートレンズ及び集光レンズの構成の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、従来のレーザ光スキャナの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ光スキャナの一の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１には、本実施の形態にかかるレーザ光スキャナ１０の構成の一例を示した。なお、図１（Ａ）は、レーザ光スキャナ１０のＸ−Ｚ平面図である。図１（Ｂ）は、レーザ光スキャナ１０のＹ−Ｚ平面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０は、光源１２と、光結合光学ユニット１９と、光偏向素子１４と、出力光学ユニット１６と、を含んでいる。
【００１４】
光源１２は、レーザ光を出射する半導体レーザである。光源１２としては、レーザダイオードが挙げられる。具体的には、図２に示すように、光源１２は、略直方体状に形成され、その光出射端面となる一側面に、光出射領域となる活性層１２Ａが露出している。そして、この活性層１２Ａの露出端面は、活性層１２Ａの厚み方向（図２中、Ｘ軸方向参照）に直交する方向（図２中、Ｙ軸方向参照）に長い長方形状である。すなわち、この活性層１２Ａの露出端面は、厚み方向（Ｘ軸方向）の長さが、該露出端面における厚み方向に直交する方向（以下、単に「幅方向」と称する場合がある）（Ｙ軸方向）の長さより短い形状である。光源１２では、詳細は後述するが、この活性層１２Ａの露出端面における長辺方向であるＹ軸方向の長さを、短辺方向であるＸ軸方向の長さに対して長くすることによって、発光強度を大きくなるように調整することができる。
【００１５】
なお、本実施の形態では、活性層１２Ａの厚み方向をＸ軸方向とする。また、活性層１２Ａの露出端面における幅方向をＹ軸方向とする。また、この活性層１２Ａの露出端面に直交する方向をＺ軸方向とする。
【００１６】
レーザ光は、この活性層１２Ａの露出端面から、広がり角をもって出射する。ここで、上述のように、活性層１２Ａの露出端面の形状は長方形状であり、そのアスペクト比が異なることから、レーザ光は、この活性層１２Ａの露出端面からＹ軸方向及びＸ軸方向に異なる広がり角をもって出射する。このため、光源１２から出射するレーザ光では、Ｘ軸方向の広がり角がＹ軸方向の広がり角より大きい。すなわち、光源１２から出射するレーザ光の発レーザ光プロファイルは、図２の発光ビームプロファイルＰに示されるようなプロファイルとなる。
【００１７】
本実施の形態では、この活性層１２Ａにおける露出端面（光出射領域）の厚み方向、すなわち短手方向である上記Ｘ軸方向を「速軸方向」と称する。また、この活性層１２Ａにおける露出端面の幅方向、すなわち長手方向である上記Ｙ軸方向を「遅軸方向」と称する。
【００１８】
図１に戻り、光源１２から出射したレーザ光は、光結合光学ユニット１９を通過した後に、光偏向素子１４に光結合する。光結合光学ユニット１９の詳細は後述する。
【００１９】
図３には、光偏向素子１４の一例を示した。図３（Ａ）に示すように、光偏向素子１４は、光導波路３１を含んでいる。光導波路３１は、一対の電極層（電極層３８及び電極層３６）によって挟まれている。
【００２０】
光導波路３１は、屈折率の高いコア層３０を、コア層３０より屈折率の低い一対のクラッド層（クラッド層３４及びクラッド層３２）で挟んだ構成の、所謂、スラブ型の光導波路である。
【００２１】
コア層３０は、電気光学効果を有する材料から構成されている。コア層３０を構成する電気光学材料としては、具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＳＢＮ、ＫＴＮ、のような非線形光学結晶を挙げることができる。これらの非線形光学結晶は、支持基板上に層状に形成した後に研磨を施すことにより、結晶の電気光学性能を保ったまま薄膜化することが可能である。
【００２２】
なお、コア層３０の厚みは限定されないが、具体的には、コア層３０の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。コア層３０の厚みが上記範囲であると、クラッド層３２及びクラッド層３４による電圧降下の影響を抑制しつつ、且つ、より低電圧の印加で有意の屈折率変化を発生させることができる。
【００２３】
クラッド層３２及びクラッド層３４は、コア層３０を挟むように設けられ、コア層３０より屈折率の低い材料から構成されている。このため、コア層３０に入射したレーザ光は、コア層３０内を伝播する。クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としては、具体的には、一般的なガラス材料である二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の誘電体および、これらの混合ガラスを挙げることができる。また、クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としては、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）も用いることができる。
【００２４】
電極層３８及び電極層３６は、これらのクラッド層３２及びクラッド層３４の各々の外側に対向して設けられている。光偏向素子１４では、これらの電極層３８及び電極層３６に電圧を印加することによって、コア層３０の厚み方向に電界が形成される。
【００２５】
電極層３８及び電極層３６の構成材料としては、具体的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒのような金属材料の他、ＩＴＯ等の透明電極を挙げることができる。
【００２６】
本実施の形態では、図３（Ｂ）に示すように、コア層３０には、分極反転領域３０Ａが設けられている。コア層３０における分極反転領域３０Ａと、該分極反転領域３０Ａ以外の領域と、では、コア層３０を構成する電気光学材料の結晶軸（分極軸）の向きが反転している。本実施の形態では、分極反転領域３０Ａは、複数のプリズム部３０Ａ１をＺ軸方向に並べた領域である場合を説明する。なお、各プリズム部３０Ａ１は、プリズム形状（三角柱状）の領域である。
【００２７】
分極反転領域３０Ａの幅（分極反転領域３０ＡにおけるＸ軸方向（速軸方向）の幅（図３（Ｂ）中、幅Ｄ参照、以下単に「幅Ｄ」と称する場合がある））は限定されないが、例えば、１ｍｍ等が挙げられる。
【００２８】
なお、上記電極層３８及び電極層３６は、詳細には、光導波路３１における上記分極反転領域３０Ａを覆う領域に設けられている。これらの電極層３８及び電極層３６に電圧を印加することによって、コア層３０に電圧を印加すると、コア層３０における分極反転領域３０Ａと該分極反転領域３０Ａ以外の領域とで屈折率変化量の符号が逆転する。このため、光偏向素子１４は、コア層３０の内部に複数のプリズム構造を作りだすことができる構造となっている。
【００２９】
ここで、一般的に、光は屈折率の異なる領域同士の界面で屈折（偏向）する。このため、電圧の印加された領域と、電圧の印加されていない領域との界面で、レーザ光は屈折することとなる。従って、分極反転領域３０Ａを構成する各プリズム部３０Ａ１の界面を通過する度にレーザ光は屈折する。また、分極反転領域３０Ａの屈折率変化量Δｎは、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧によって変化する。このため、該界面における屈折率もまた、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧によって変化する。
【００３０】
このため、本実施の形態における光偏向素子１４は、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧を調整することによって、分極反転領域３０Ａを伝播するレーザ光の偏向角θを調整することができる。
【００３１】
詳細には、分極反転領域３０Ａの幅Ｄ（図３（Ｂ）中、幅Ｄ参照）が一定である場合、光偏向素子１４から出射するレーザ光の偏向角θ（出射角）は、下記式（１）によって示すことができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
上記式（１）中、Δｎはコア層３０の屈折率変化量を示し、Ｄは分極反転領域３０ＡにおけるＸ軸方向（速軸方向）の幅を示す。また、式（１）中、Ｌは、複数のプリズム部３０Ａ１全体のＺ軸方向の長さ（すなわち分極反転領域３０ＡのＺ軸方向の長さ）を示す。
【００３４】
そして、上記屈折率変化量（Δｎ）は、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧で制御することができるため、光偏向素子１４は、レーザ光の偏向角θを調整することができ、入射したレーザ光を偏向する光偏向素子として機能する。
【００３５】
なお、一般的に、光偏向素子１４のコア層３０を構成する電気光学材料の屈折率変化量は非常に小さく、光偏向素子１４を動作させる際には１０ｋＶ／ｍｍ以上の電界を形成する必要がある。しかし、光導波路３１として、スラブ型の光導波路を用いることによって、電極層３６と電極層３８との電極間の距離を接近させることができ、動作電圧の低下を図ることができる。
【００３６】
例えば、コア層３０の厚さを２０μｍとし、分極反転領域３０Ａの幅Ｄを２．０ｍｍとし、分極反転領域３０ＡのＺ軸方向長さ（図３（Ｂ）中、長さＢ参照）を２０ｍｍとした場合には、電極層３６と電極層３８との電極間に±３００Ｖの電圧を印加することによって、全角で４°程度の偏向角が得られる。なお、この偏向角を増大させるためには、分極反転領域３０Ａにおける各プリズム部３０Ａ１のプリズム幅（三角柱形状における、Ｚ軸方向の最大長）をさらに狭めることが有効である。このプリズム幅としては、例えば、０．５ｍｍから５ｍｍ程度の範囲を挙げることができる。
【００３７】
次に、光結合光学ユニット１９について説明する。
【００３８】
光結合光学ユニット１９は、光源１２から出射したレーザ光を、光偏向素子１４のコア層３０における分極反転領域３０Ａの光入射側端面に光結合させる光学系である。
【００３９】
本実施の形態では、光結合光学ユニット１９は、光源１２側から順に、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０を備えている。
【００４０】
コリメート光学ユニット１８は、光入射側から順に、コリメートレンズ２６、及びコリメートレンズ２８を配列した構成である。
【００４１】
コリメートレンズ２６は、光源１２から出射したレーザ光に含まれる速軸方向（Ｘ軸方向）成分をコリメート（平行に）して、第１ビーム幅の平行光束に変換する。なお、この第１ビーム幅とは、レーザ光における速軸方向の幅を示している。
【００４２】
このコリメートレンズ２６は、光入射側から順に、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４を順に配列した構成である。
【００４３】
半球レンズ２２は、入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換するレンズである。半球レンズ２２は、光入射側の面を平面とし、光出射側の面を球面とした半球状のレンズであり、入射するレーザ光の速軸方向および遅軸方向に曲率を有する。なお、以下では、光入射側の面は、単に、光入射面と称し、光出射側の面は、単に、光出射面と称して説明する場合がある。
【００４４】
具体的には、半球レンズ２２は、半球レンズ２２の材料をＳ-ＴＩＨ５３、出射面の曲率半径を３．０ｍｍとし、レーザの露出端面と半球レンズ２２の入射面との距離を１．５ｍｍとした構成とすることによって、光入射面から入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換する、といった特性を有する。
【００４５】
半球レンズ２２は、レーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換するレンズであればよく、中心肉厚（半球レンズ２２における光通過方向の最短長）、球面である光出射面の曲率半径、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
【００４６】
具体的には、半球レンズ２２の光出射側の面（球面）の曲率半径は、レンズの材質の屈折率に応じて速軸方向成分が平行光束となるように調整すればよい。例えば、レンズの材質の屈折率が１．７０から１．９０の範囲である場合には、半球レンズ２２の曲率半径としては、２．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下の範囲が挙げられる。
【００４７】
半球レンズ２２の材質は、光源の波長において透明であればよく、限定されないが、例えば、特に高屈折率高分散で高透過率を示すことから、株式会社オハラ社製のＳ−ＴＩＨ５３や、Ｓ−ＮＰＨ５３等が挙げられる。
【００４８】
メニスカスレンズ２４は、半球レンズ２２から出射した、速軸方向成分を平行光束に変換されたレーザ光における該速軸方向のビーム幅を、分極反転領域３０ＡにおけるＸ軸方向（速軸方向）の幅Ｄ（図３（Ｂ）参照）に応じた幅（第１ビーム幅）に調整する。
【００４９】
なお、メニスカスレンズ２４は、半球レンズ２２から出射したレーザ光における、速軸方向のビーム幅を、上記幅Ｄに応じた幅に調整すればよいが、メニスカスレンズ２４は、該速軸方向のビーム幅を、上記幅Ｄ以下で且つ該幅により近い値に調整することが好ましい。具体的には、分極反転領域３０Ａの幅Ｄが２．０ｍｍの場合には、該ビーム幅を０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲に調整することが好ましく、１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲に調整することが更に好ましい。
【００５０】
メニスカスレンズ２４は、詳細には、光入射面及び光出射面の双方が光入射側に突出した曲面の非球面レンズである。なお、このメニスカスレンズ２４の光入射側の端部と、半球レンズ２２の光入射側の端部とは、接触して配置されていてもよいし、非接触に配置されていてもよく、これらのレンズ間の距離は、レンズを固定する際の組付けホルダ機構に応じて調整すればよい。
【００５１】
半球レンズ２２の光出射側に、非球面レンズであるメニスカスレンズ２４を配置することによって、半球レンズ２２に入射したレーザ光は、半球レンズ２２によって速軸方向成分をコリメートされた後に、メニスカスレンズ２４によって上記幅Ｄに応じたビーム幅の平行光束に変換される。
【００５２】
なお、半球レンズ２２を通過したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、半球レンズ２２の球面収差によって完全な平行光束にならない場合がある。このため、メニスカスレンズ２４は、半球レンズ２２の球面収差を相殺するように設計することが好ましい。
【００５３】
すなわち、メニスカスレンズ２４は、メニスカスレンズ２４の光入射面の曲面によって形成される凸レンズの焦点距離が、光出射面の曲面によって形成される凹レンズの焦点距離より長くなるように調整することによって、半球レンズ２２から出射したレーザ光の速軸方向のビーム幅を、上記幅Ｄに応じた幅に調整する、といった特性を有するレンズとなっている。また、メニスカスレンズ２４は、メニスカスレンズ２４の光入射面の曲面形状を、光入射面を通過した後の光線が単一の焦点に集束するように調整することによって、半球レンズ２２の球面収差を相殺するように設計されている。
【００５４】
メニスカスレンズ２４は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（メニスカスレンズ２４における光通過方向の最短長）、光入射面及び光出射面の曲率半径、光入射面及び光出射面の有効径、光入射面及び光出射面のコーニック定数、光入射面及び光出射面の非球面定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
【００５５】
また、メニスカスレンズ２４の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ等が挙げられる。
【００５６】
次に、コリメートレンズ２８について説明する。
【００５７】
コリメートレンズ２８は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコリメートするレンズである。
【００５８】
光源１２から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、上記コリメートレンズ２６によってコリメートされて上記第１ビーム幅の平行光束に変換されるが、この変換されたレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、コリメートされていない。このため、コリメートレンズ２６の光出射側に、コリメートレンズ２８を配置することによって、コリメートレンズ２６から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換することができる。
【００５９】
コリメートレンズ２８は、具体的には、光入射面が平面状であり、光出射面が光出射側に突出した曲面である非球面レンズである。そして、コリメートレンズ２８の光出射側の曲面で遅軸方向成分にのみ凸レンズの機能を持たせることによって、コリメートレンズ２８は、遅軸方向成分をコリメートするといった特性を有するレンズとなっている。
【００６０】
コリメートレンズ２８は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（コリメートレンズ２８における光通過方向の最短長）、光出射面の曲率半径、光出射面の有効径、光出射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
【００６１】
また、コリメートレンズ２８の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ等が挙げられる。
【００６２】
次に、集光レンズ２０について説明する。
【００６３】
集光レンズ２０は、コリメート光学ユニット１８の光出射側に設けられている。集光レンズ２０は、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させ、コア層３０の光入射側端面に光結合させる。
【００６４】
本実施の形態では、集光レンズ２０として、シリンドリカルレンズを用いている。該シリンドリカルレンズは、光入射面が光入射側に突出した曲面であり、光出射面が平面のレンズである。そして、本実施の形態では、このシリンドリカルレンズのＮＡをコリメートレンズ２６のＮＡより大きくすることによって、レーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光する、といった特性を有するレンズとしている。
【００６５】
集光レンズ２０は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（集光レンズ２０における光通過方向の最短長）、光入射面の曲率半径、光入射面の有効径、光入射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
【００６６】
なお、集光レンズ２０は、レーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の厚み（コア層３０のＹ軸方向の長さ）に応じたビーム幅（遅軸方向の幅）で、コア層３０の光入射側端面に光結合させることが好ましい。
【００６７】
なお、コア層３０の厚みに応じたビーム幅（遅軸方向の幅）とは、具体的には、コア層３０の厚みの１．５倍以下であることが好ましく、コア層３０の厚み以下であることが更に好ましい。また、更には、該コア層３０の厚みに応じたビーム幅は、コア層３０の厚みと一致することが特に好ましい。
【００６８】
このコア層３０の光入射側端面に光結合したときの、レーザ光に含まれる遅軸方向成分の幅（遅軸方向の幅）は、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）を調整することによって制御することができる。
【００６９】
詳細は後述するが、レーザ光に含まれる遅軸方向成分はマルチモード発振している。しかしながら、特定の開口数（ＮＡ）を持つシリンドリカルレンズを集光レンズ２０として用いることによって、コア層３０の厚みに応じたビーム幅に、遅軸方向成分を集光させることができる。
【００７０】
この集光レンズ２０に求められる開口数（ＮＡ）は、光源１２から出射するレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角と、該レーザ光のビーム幅（遅軸方向の幅）と、から以下の式（２）を用いて求めることができる。
【００７１】
【数２】
【００７２】
上記式（２）中、θｂは、光源１２から出射するレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角を示す、また、Ｗｂは、光源１２から出射するレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）のビーム幅を示す。また、θcは、光偏向素子１４のコア層３０に光結合したときのレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角を示す。また、ｄは、光偏向素子１４のコア層３０に光結合したときのレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の幅を示す。
【００７３】
例えば、上記θｂを１０°、上記Ｗｂを２００μｍ、上記ｄを２０μｍとする。この場合には、上記式（２）より、θcは約１２０°となる。
【００７４】
集光レンズ２０に求められる集光能力は、この広がり角θcを有するレーザ光を平行光束に変換する能力と同じであることから、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）は、下記式（３）を満たす値であればよい。
【００７５】
【数３】
【００７６】
上述のように、例えば、θcが１２０°である場合には、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）である０．８７を超える値とすることによって、集光レンズ２０は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコア層３０の厚みに応じたビーム幅に集光させることができる。
【００７７】
次に、出力光学ユニット１６について説明する。
【００７８】
出力光学ユニット１６は、光偏向素子１４の光出射側に設けられており、光偏向素子１４から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する。本実施の形態では、出力光学ユニット１６として、シリンドリカルレンズを用いている。出力光学ユニット１６に用いられるシリンドリカルレンズは、光入射面が平面状であり、光出射面が光出射側に突出した曲面状のレンズである。そして、本実施の形態では、このシリンドリカルレンズの光出射面の曲面形状を非球面形状とすることによって、出力光学ユニット１６は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換するといった特性を有するレンズとしている。
【００７９】
この出力光学ユニット１６は、上記特性を満たすレンズであれば、いかなるレンズであってもよく、中心肉厚（出力光学ユニット１６における光通過方向の最短長）、光出射面の曲率半径、光出射面の有効径、光出射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
【００８０】
なお、出力光学ユニット１６としては、上記集光レンズ２０と同じレンズを用いることが好ましい。そして、上記集光レンズ２０における光入射面側を光出射面とするように配置すればよい。
【００８１】
出力光学ユニット１６のシリンドリカルレンズとして、集光レンズ２０と同じレンズを用いることによって、出力光学ユニット１６から出射したレーザ光の発光ビームプロファイルを、光偏向素子１４に入射するレーザ光の発光ビームプロファイルとほぼ同じにすることができる。
【００８２】
次に、レーザ光スキャナ１０における作用を説明する。
【００８３】
上述のように構成されたレーザ光スキャナ１０では、光源１２から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を通過することによって、速軸方向成分が幅Ｄのレーザ幅の平行光束に変換された後に、遅軸方向成分が平行光束に変換される。すなわち、光源１２から出射したレーザ光は、コリメート光学ユニット１８を通過することによって、遅軸方向成分及び速軸方向成分の双方について平行光束に変換され、且つ速軸方向成分の幅が、分極反転領域３０Ａの幅Ｄに応じた幅に変換される。
【００８４】
そして、コリメート光学ユニット１８を通過したレーザ光は、集光レンズ２０を通過することによって、該レーザ光に含まれる遅軸方向成分が集光され、コア層３０の光入射側端面に光結合する。
【００８５】
このため、光偏向素子１４のコア層３０の光入射側端面には、遅軸方向成分の該遅軸方向がコア層３０の厚み方向と一致し（Ｙ軸方向）、速軸方向成分の該速軸方向がコア層３０の分極反転領域３０Ａの幅Ｄ方向（Ｘ軸方向）と一致するレーザ光が光結合する。また、該コア層３０の光入射側端面には、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束とされた後に、遅軸方向成分についてコア層３０の厚み方向に集光させたレーザ光が、光結合する。
【００８６】
そして、光偏向素子１４のコア層３０の光入射側端面に光結合したレーザ光は、光偏向素子１４によって偏向され、出力光学ユニット１６を介して出射する。
【００８７】
ここで、光源１２としての半導体レーザにおける、活性層１２Ａの露出端面は、厚み方向（Ｘ軸方向（速軸方向））の長さが、該露出端面における厚み方向に直交する方向（幅方向）（Ｙ軸方向（遅軸方向））の長さより短い長方形状である。
【００８８】
このため、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向（Ｘ軸方向）のビーム幅は、遅軸方向（Ｙ軸方向）のビーム幅に比べて小さい。また、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向（Ｘ軸方向）の広がり角は、遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角に比べて大きい（図２参照）。
【００８９】
光源１２の構成にもよるが、例えば、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向のビーム幅は１μｍ、速軸方向の広がり角は３０°程度である。また、例えば、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光における、遅軸方向のビーム幅は４０μｍ〜４００μｍ、遅軸方向の広がり角は１０°程度である。
【００９０】
このように、活性層１２Ａの露出端面から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、遅軸方向成分に比べて狭い領域から出射するので、シングルモード発振する。一方、活性層１２Ａの露出端面から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、速軸方向成分に比べて広い領域から出射するので、レーザ光の波長に比べてビーム幅が大きくなり、マルチモード発振する。また、光源１２の発光強度は、活性層１２Ａの露出端面における長辺側である遅軸方向（Ｙ軸方向）の長さを長くすることによって大きくすることが行われており、発光強度を大きくするほど、遅軸方向成分は、よりマルチモード発振しやすい。具体的には、発光強度を高める観点から、特に、活性層１２Ａの露出端面における遅軸方向（Ｙ軸方向）の幅を、４０μｍから４００μｍといった長さにすると、遅軸方向成分はマルチモード発振となる。
【００９１】
なお、シングルモード発振とは、レーザ光束の横断面における強度分布が、中心で大きく周辺で確率分布的に小さくなるモードのレーザ発振を示す。また、マルチモード発振とは、レーザ光束の横断面における強度分布が、上記シングルモード以外のモードである発振を示す。そして、このマルチモード発振のレーザ光では、コヒーレンスが低下するため、集光性が悪く、シングルモード発振に比べてビーム品質に劣る。
【００９２】
そして、光源１２から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、シングルモード発振することから、速軸方向成分の発光ビームプロファイルはガウシアンビームに近い。一方、光源１２から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、マルチモード発振するため発光ビームプロファイルを特定の関数では表すことはできない。
【００９３】
以上の理由から、従来では、光源１２から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の光入射端面における厚み方向に直交する方向と一致させて、遅軸方向成分を平行光束に変換すると、遅軸方向成分が光偏向素子１４における光偏向方向を担うことになり、光偏向素子１４から出射する偏向したレーザ光の解像点数の低下を招いていた。
【００９４】
また、従来では、反対に、光源１２から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、光偏向素子１４の厚み方向と一致させ、遅軸方向成分をコア層３０の厚み方向に集光させた場合には、速軸方向成分に比べてビーム品質に劣る遅軸方向成分を集光させる必要があり、光利用効率の低下が生じていた。
【００９５】
一方、本実施の形態では、上述のように、レーザ光スキャナ１０では、レーザ光スキャナ１０を、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０を有する光結合光学ユニット１９を備えた構成とし、コリメート光学ユニット１８を、光入射側から順にコリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を配置した構成としている。
【００９６】
このため、光偏向素子１４のコア層３０の光入射側端面には、遅軸方向成分の該遅軸方向がコア層３０の厚み方向と一致し（Ｙ軸方向）、速軸方向成分の該速軸方向がコア層３０の分極反転領域３０Ａの幅Ｄ方向（Ｘ軸方向）と一致するレーザ光が光結合する。
【００９７】
また、本実施の形態では、コリメートレンズ２６は、光入射側から順に、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４を配列した構成である。
【００９８】
ここで、レーザ光に含まれる速軸方向成分を、光偏向素子１４における分極反転領域３０Ａの幅Ｄに応じたビーム幅の平行光束に変換しようとすると、該幅Ｄに応じて、光源１２の光出射側端面とコリメートレンズ２６の光入射側端面とを極めて接近させて配置する必要がある。このため、コリメートレンズ２６をレンズ一枚で構成することは実質的には困難である。
【００９９】
しかし、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、コリメートレンズ２６を、半球レンズ２２とメニスカスレンズ２４を含む構成とし、半球レンズ２２でレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換した後に、メニスカスレンズ２４によって速軸方向の幅を調整している。また、半球レンズ２２の球面収差をメニスカスレンズ２４によって相殺する。このため、コリメートレンズ２６に入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を、上記幅Ｄに応じた平行光束に変換することができる。従って、光偏向素子１４の解像点数を高くすることができる。
【０１００】
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、コリメートレンズ２６の光出射側に、コリメートレンズ２８が設けられている。また、コリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を有するコリメート光学ユニット１８の光出射側に、集光レンズ２０が設けられている。
【０１０１】
このため、本実施の形態におけるレーザ光スキャナ１０では、コア層３０の光入射側端面には、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束に変換された後に、遅軸方向成分についてコア層３０の厚み方向に集光されたレーザ光が、光結合する。このため、高い光利用効率を実現することができる。
【０１０２】
従って、本実施の形態の、レーザ光スキャナ１０では、高い光利用効率及び高い解像点数を実現することができる。
【０１０３】
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、発光強度を大きくするために光源１２における活性層１２Ａの遅軸方向の幅をより大きくすることで、遅軸方向成分のマルチモード発振の度合が強くなった場合であっても、高い光利用効率及び高い解像点数を実現することができる。
【０１０４】
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、上述した光結合光学ユニット１９を備えた構成とすることによって、レーザ光スキャナ１０の小型化を図ることが出来る。
【０１０５】
なお、さらに、コリメート光学ユニット１８を通過したレーザ光は、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束となっていることから、コリメート光学ユニット１８と集光レンズ２０との間で、レーザ光の光路をミラーなどで折り返し、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光を該ミラーで折り返して集光レンズ２０に入射させる構成としてもよい。
【０１０６】
このような構成とすることで、レーザ光スキャナ１０のさらなる小型化を図ることができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、光偏向素子１４におけるコア層３０と、クラッド層３２及びクラッド層３４と、は、屈折率が異なっていることを説明したが、好ましくは、コア層３０と、クラッド層３２及びクラッド層３４と、の屈折率は、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）以上の開口数（ＮＡ）を有する光導波路３１となるように調整することが好ましい。
【０１０８】
なお、光導波路３１の開口数（ＮＡ）は、以下の式（４）で示すことができる。
【０１０９】
【数４】
【０１１０】
上記式（４）中、ｎ１は、コア層３０の屈折率を示す。また、ｎ２は、クラッド層３２及びクラッド層３４の屈折率を示す。
【０１１１】
例えば、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）が１．０に近い高ＮＡレンズである場合には、光導波路３１の開口数（ＮＡ）が１．０以上となるように、コア層３０、クラッド層３２、及びクラッド層３４の屈折率を調整すればよい。この屈折率の調整は、これらの層の構成材料を適宜選択することによって行えばよい。例えば、コア層３０の構成材料として、屈折率２．２のニオブ酸リチウムを用いた場合には、クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としては、屈折率１．９６以下の材料を選択すればよい。
【０１１２】
このように、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）以上の開口数（ＮＡ）を有する光導波路３１となるように、コア層３０、クラッド層３２、及びクラッド層３４の屈折率を調整することによって、集光レンズ２０を介してコア層３０の光入射側端面に光結合したレーザ光が、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との界面で反射されずに、光導波路３１の外部へと漏れることを抑制することができる。
【０１１３】
すなわち、集光レンズ２０によって遅軸方向成分を集光されたレーザ光は、大きな入射角度でコア層３０の光入射側端面に光結合する。このため、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との屈折率差が小さく、光導波路３１の開口数（ＮＡ）が集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）より小さいほど、コア層３０内を伝播可能な角度より大きな伝播角度のレーザ光がコア層３０の光入射側端面に光結合することとなる。このような光は、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との全反射条件を満たさないため、光導波路３１の外部へと漏れてしまう。
【０１１４】
しかし、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）以上の開口数（ＮＡ）を有する光導波路３１となるように、コア層３０、クラッド層３２、及びクラッド層３４の屈折率を調整することによって、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との界面で反射されずに、光導波路３１の外部へと漏れることを抑制することができる。このため、更に、高い光利用効率を実現することができる。
【０１１５】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、集光レンズ２０が１枚のレンズである場合を説明した。一方、本実施の形態では、集光レンズ２０が複数のレンズで構成されている場合を説明する。
【０１１６】
図４には、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａの構成を模式的に示した。
【０１１７】
図４に示すように、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａは、光源１２、光結合光学ユニット１９Ａ、光偏向素子１４、及び出力光学ユニット１６を含んでいる。光結合光学ユニット１９Ａは、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０Ａを含んでいる。
【０１１８】
なお、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａは、第１の実施の形態で説明したレーザ光スキャナ１０における集光レンズ２０（図１参照）に変えて、集光レンズ２０Ａを設けた以外は、レーザ光スキャナ１０と同じ構成である。このため、レーザ光スキャナ１０Ａにおいて、レーザ光スキャナ１０と同じ機能及び構成である部材については同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
【０１１９】
集光レンズ２０Ａは、コリメート光学ユニット１８の光出射側に設けられており、集光レンズ２０と同じ特性を有する。すなわち、集光レンズ２０Ａは、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の厚みに応じたビーム幅（遅軸方向の幅）で、コア層３０の光入射側端面に集光させる。
【０１２０】
本実施の形態では、集光レンズ２０Ａは、光入射側から順に、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３を配列した構成である。
【０１２１】
半円柱レンズ２３は、非球面シリンドリカルレンズ２１と光偏向素子１４との間に設けられており、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の厚み以下のビーム幅でコア層３０の光入射側端面に集光させる。
【０１２２】
半円柱レンズ２３は、光入射面を、入射するレーザ光の遅軸方向に曲率を有する球面とし、光出射面を平面とした、半円柱状のレンズである。なお、半円柱レンズ２３の光入射面は、光入射側に突出した曲面である。
【０１２３】
なお、半円柱レンズ２３は、半円柱レンズ２３の光入射面の遅軸方向成分のみを球面とした構成とすることによって、光入射面から入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコア層３０の厚みに応じたビーム幅（遅軸方向の幅）で、コア層３０の光入射側端面に集光させる、といった特性を有するレンズとなっている。
【０１２４】
なお、半円柱レンズ２３は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（半円柱レンズ２３における光通過方向の最短長）、光入射面の曲率半径、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０Ａの構成に応じて上記特性を満たすように適宜調整する。
【０１２５】
具体的には、半円柱レンズ２３の光入射面の曲率半径は、レンズ材料の屈折率と集光レンズのＮＡの値に応じて、光束がレンズの有効径内に収まるように調整すればよい。例えば、集光レンズのＮＡが０．９を超える場合には、半円柱レンズ２３の曲率半径としては、２．０ｍｍ以下の範囲が挙げられる。
【０１２６】
半円柱レンズ２３の材質は、光源波長において透明でかつ、屈折率が１．６０以上程度の高屈折率材料であればよく、限定されないが、例えば、特に高屈折率高分散で高透過率を示すことから、株式会社オハラ社製のＳ−ＴＩＨ５３や、Ｓ−ＮＰＨ５３等が挙げられる。
【０１２７】
非球面シリンドリカルレンズ２１は、コリメート光学ユニット１８の光出射側で、且つ半円柱レンズ２３の光入射側に設けられている。非球面シリンドリカルレンズ２１は、半円柱レンズ２３の球面収差を取り除く（相殺する）機能を有する。
【０１２８】
具体的には、非球面シリンドリカルレンズ２１は、光入射面を遅軸方向に曲率を有する曲面とし、光出射面を平面とした、非球面シリンドリカルレンズである。
【０１２９】
そして、この非球面シリンドリカルレンズ２１の光入射面から入射した光束が集光レンズ２０Ａを通過した後、光偏向素子１４の入射端面において微小領域に集光されるように非球面シリンドリカルレンズ２１の曲面を調整することによって、非球面シリンドリカルレンズ２１は、半円柱レンズ２３の球面収差を相殺するように設計されている。
【０１３０】
非球面シリンドリカルレンズ２１は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（非球面シリンドリカルレンズ２１における光通過方向の最短長）、光入射面の曲率半径、光入射面の有効径、光入射面のコーニック定数、光入射面の非球面係数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０Ａの構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
【０１３１】
また、非球面シリンドリカルレンズ２１の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ等が挙げられる。
【０１３２】
以上説明したように、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａでは、集光レンズ２０Ａが、非球面シリンドリカルレンズ２１と半円柱レンズ２３とから構成されている。
【０１３３】
ここで、マルチモード発振する遅軸方向成分を、光偏向素子１４のコア層３０といった微小な領域に集光させるためには、非常に大きな開口数（ＮＡ）のシリンドリカルレンズを集光レンズ２０Ａとして採用することが求められる。このため、このような大きな開口数のレンズを、１枚のレンズによって構成すると、非球面の曲面が急となり、加工や面精度の点で難易度が高い場合がある。
【０１３４】
一方、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａでは、集光レンズ２０Ａを、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３の２枚のレンズで構成する。そして、半円柱レンズ２３によってレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させ、非球面シリンドリカルレンズ２１によって半円柱レンズ２３の曲面収差を相殺する。
【０１３５】
この半円柱レンズ２３は、光入射面が曲面で一定の曲率半径を有するレンズであるため、容易に加工を行うことができる。また。半円柱レンズ２３の光入射側に置かれた非球面シリンドリカルレンズ２１は、半円柱レンズ２３の球面収差を相殺するレンズであるため、その曲面は比較的緩い傾斜の面であり、加工が容易である。
【０１３６】
このため、本実施の形態では、上記特性を有する集光レンズ２０Ａを、容易に実現することができる。
【０１３７】
なお、本実施の形態では、集光レンズ２０Ａを、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３の２枚のレンズから構成した場合を示したが、出力光学ユニット１６についても２枚のレンズから構成してもよい。
【０１３８】
この場合には、出力光学ユニット１６を、光入射側から順に、半円柱レンズ２３及び非球面シリンドリカルレンズ２１を配列した構成とすればよい。そして、半円柱レンズ２３の平面側を光入射面とし、非球面シリンドリカルレンズ２１の平面側を光入射面として配置すればよい。
【０１３９】
このようにすれば、出力光学ユニット１６についても集光レンズ２０Ａと同様に、出力光学ユニット１６の上述した特性を有するレンズとすることができる。
【実施例】
【０１４０】
以下に、上記実施の形態で説明したレーザ光スキャナ１０Ａについて、実施例により説明するが、レーザ光スキャナ１０Ａは、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【０１４１】
（実施例１）
図７には、上記実施の形態で説明したレーザ光スキャナ１０Ａの具体的な構成の一例を示した。また、図８には、図７におけるコリメートレンズ２６を拡大して示した。また、図９には、図７におけるコリメートレンズ２８及び集光レンズ２０Ａを拡大して示した。
【０１４２】
光源１２には、波長８７０ｎｍのレーザ光を出射するマルチモードＬＤ（レーザ・ダイオード）を用いた。なお、該光源１２の活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向のビーム幅は１μｍ、速軸方向の広がり角は３０°程度であった。また、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光における、遅軸方向のビーム幅は２００μｍ、遅軸方向の広がり角は１０°であった。
【０１４３】
光偏向素子１４の光導波路３１には、コア層３０の構成材料としてニオブ酸リチウムを用い、クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としてＳｉＯ２を用いた。また、コア層３０の厚みは、２０μｍとした。
【０１４４】
また、コア層３０における分極反転領域３０Ａの幅Ｄ（図３（Ｂ）参照）は、２．０ｍｍであった。
【０１４５】
なお、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４は、図５に示す仕様のレンズを用いた（図５における「半球レンズ」及び「メニスカスレンズ」の行参照）。また、コリメートレンズ２８についても、図５に示す仕様のレンズを用いた（図５における「遅軸方向コリメートレンズ」の行参照）。なお、メニスカスレンズ２４の光入射面の形状は、光源１２から１５ｍｍの地点で完全集光するように設計した。
【０１４６】
また、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３としては、図６に示す仕様のレンズを用いた（図６における「非球面シリンドリカルレンズ」及び「半円柱レンズ」の行参照）。
【０１４７】
そして、各レンズ間の距離は、図７〜図９に示す距離とした。
【０１４８】
具体的には、光源１２の光出射側端面と半球レンズ２２との距離は、１．６ｍｍとした。また、半球レンズ２２の光入射側端面とメニスカスレンズ２４の光出射側端面との距離を、１０．２ｍｍ（１１．８−１．６＝１０．２）とした。また、メニスカスレンズ２４の光出射側端面とコリメートレンズ２８との距離を１８．２ｍｍ（３０．０−１１．８＝１８．２）とした。また、コリメートレンズ２８の光入射側端面と非球面シリンドリカルレンズ２１の光入射側端面との距離を５ｍｍとした。また、非球面シリンドリカルレンズ２１の光入射側端面と半円柱レンズ２３の光出射側端面との距離を５．３ｍｍとした。そして、半円柱レンズ２３の光出射側端面と、出力光学ユニット１６の光出射側端面との距離を、２５．３ｍｍとした。同様にして、各レンズ間の距離を、図８及び図９に示す関係に定めた。
【０１４９】
図５〜図９に示す構成のレーザ光スキャナ１０Ａの、光源１２からレーザ光を出射すると、図７及び図８に示すように、レーザ光は、半球レンズ２２を通過することによって速軸方向成分を平行光束に変換されて、速軸方向のビーム幅３．０ｍｍの平行光束となった。そして、さらに、メニスカスレンズ２４を通過することによって、速軸方向のビーム幅１．４ｍｍの平行光束となった（図８参照）。
【０１５０】
一方、コリメートレンズ２６を通過したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、図７に示すように、平行光束とはならず、広がり角をもっていた。
【０１５１】
そして、コリメートレンズ２６を通過したレーザ光は、光源１２から３０ｍｍ離れた位置に設置されたコリメートレンズ２８を通過することによって、遅軸方向成分もまた平行光束に変換された（図７及び図９参照）。そして更に、集光レンズ２０Ａを通過することによって、レーザ光に含まれる遅軸方向成分が、遅軸方向成分のビーム幅２０μｍ程度に集光されて、光偏向素子１４のコア層３０に光結合した（図７及び図９参照）。
【０１５２】
なお、光偏向素子１４の光利用効率を、光線追跡シミュレーションによって算出したところ、９４％であった。
【０１５３】
また、光偏向素子１４の解像点数を式（１）で与えられる光偏向の偏向角を速軸方向成分のビーム広がり角で割ることによって算出したところ、Ｌ＝２０ｍｍ、Δｎ＝３．７×１０−３、速軸方向成分のビーム幅＝１．５ｍｍのとき、解像点数は１００点であった。
【０１５４】
このため、高い光利用効率及び高い解像点数の実現を確認することができた。
【０１５５】
また、本実施例１においては、図７〜図９に示すように、光源１２から出射したレーザ光が出力光学ユニット１６から出力されるまでの距離は、６５．６ｍｍである。このため、この光学系を含むレーザ光スキャナ１０Ａのモジュールサイズは実用上問題ない程度の大きさであることを確認することができた。
【０１５６】
（比較実施例１）
図１０に一般的な従来構成のレーザ光スキャナの概略図を示した（図１０の、レーザ光スキャナ１００参照）。図１０に示すように、比較実施例１では、実施例１における半球レンズ２２及びメニスカスレンズ２４に代えて、コリメートレンズ１０２を用いた。また、実施例１におけるコリメートレンズ２８に代えて、集光シリンドリカルレンズ１０４を用いた。光変更素子１４としては、実施例１と同じものを用いた。また、出力光学ユニット１０６としては、実施例１と同じ出力光学ユニット１６を用いた。
【０１５７】
また、レーザダイオードについては、実施例１で用いたレーザダイオードと同じものを用いた。
【０１５８】
比較実施例１におけるレーザ光スキャナ１００をこのように構成することによって、本比較実施例１では、レーザダイオードから放出された発散光は、コリメートレンズ１０２によって平行光束に変換され、集光シリンドリカルレンズ１０４によって遅軸方向成分のみを集光されて、光導波路構造からなる光偏向素子１４内部に導かれることが確認された。また、光偏向素子１４から出力された光は遅軸方向に大きな広がり角を有するが、出力光学系１０６により平行光束に変換され、レーザ光スキャナ１００からの出力として放出されることが確認された。
【０１５９】
ここで、比較実施例１におけるレーザダイオードから出力された速軸方向成分の広がり角を３０°と仮定すると、３．０ｍｍの焦点距離を有するレンズをコリメートレンズ１０２として採用すると、速軸方向のビーム幅は約１．６ｍｍとなり、分極反転領域の幅（図３（Ｂ）中、幅Ｄ参照）に対して好適であった。しかし、遅軸方向成分は完全には平行光束に変換されず、ある程度の広がり角を持つ。この遅軸方向成分は、集光シリンドリカルレンズ１０４によって集光されるが、集光シリンドリカルレンズ１０４では、平行光束ではない遅軸方向成分を集光することになるため、光偏向素子１４を構成する光導波路のコア厚に相当するような微小領域に集光することは困難であることが確認された。
【０１６０】
すなわち、比較実施例１においては、光偏向素子１４の光利用効率を、光線追跡シミュレーションによって算出したところ、２０％以下であった。
【０１６１】
なお、比較実施例１の構成のレーザ光スキャナ１００において、速軸方向成分を導波路のコア厚方向に設定することにより光利用効率を向上させることも可能であるが、この場合には、ビーム品質の劣悪な遅軸方向成分がビーム偏向される方向となる。一般的にマルチモード発振レーザダイオードについてはそのビーム広がり角がシングルモード発振のビーム広がり角の１０〜１００倍程度と大きいことが知られている。これはレーザ光スキャナの解像点数を１／１０〜１／1００程度に低減させることに等しい。すなわち、実施例１におけるレーザ光スキャナの解像点数が１００点程度であったの対して、比較実施例１の構成では解像点数が１点〜１０点程度と低減するといえる。
【０１６２】
従って、比較実施例１の構成のレーザ光スキャナは、実施例１の構成のレーザ光スキャナに比べて、高光利用効率と高解像点数を両立することは出来ないといえる。
【符号の説明】
【０１６３】
１０、１０Ａ レーザ光スキャナ
１２ 光源
１４ 光偏向素子
１８ コリメート光学ユニット
１９ 光結合光学ユニット
２０、２０Ａ 集光レンズ
２２ 半球レンズ
２４ メニスカスレンズ
２６ コリメートレンズ
２８ コリメートレンズ
３０ コア層
３０Ａ 分極反転領域
３１ 光導波路
３２、３４ クラッド層
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１６４】
【特許文献１】特許第４４２７２８０号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を走査するレーザ光スキャナは、レーザプリンタ、レーザ加工、ディスプレイ、計測、光通信等、様々な分野で用いられている。レーザ光スキャナは、一般的に、光源と、光源から出射したレーザ光を走査する光偏向素子から構成されている。さらに必要に応じて、光源から出射したレーザ光を光偏光素子に応じた発光ビームプロファイルに成形する光結合光学系や、光偏向素子から出力された発光ビームプロファイルの成形や偏向角を調整する出力光学系を備えた構成も知られている。
【０００３】
上記光偏光素子として、光を伝播するコア層をクラッド層で挟んだ構成の光導波路を備えた光偏光素子を用いた場合には、光偏光素子に入射したレーザ光は、コア層を伝播する。そして、コア層には、印加された電圧に応じて光屈折率の変化する屈折率変化領域が設けられており、この屈折率変化領域に印加された電圧に応じてレーザ光が偏向する。このため、光源から出射したレーザ光を光偏向素子に光結合させるためには、レーザ光を、コア層の厚みに応じた幅に集光する必要がある。また、コア層の光伝播方向及び厚み方向に垂直な方向におけるレーザ光の幅を、コア層の屈折率変化領域の該方向の幅に応じて調整する必要がある。さらに、レーザ光における、該方向成分の光は、コア層における光伝播方向に平行な光束に成形する必要がある。
【０００４】
すなわち、光源から出射したレーザ光は、光偏向素子に光結合した時には、光偏向素子におけるコア層の厚み方向の成分については該厚み方向に集光した集光光束であり、且つ、光伝播方向及びコア層の厚み方向に垂直な方向の成分についてはコア層における光伝播方向に平行な平行光束であることが要求される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、レーザダイオードから出射した二次元アレイ状のレーザ光群を、１本の光ファイバに光結合することが開示されている。具体的には、特許文献１では、レーザダイオードから出射したレーザ光群の速軸成分を平行にした後に、ビーム変換器によって該レーザ光群の断面を９０°回転させ、さらにコリメートした後に集光することが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によれば、遅軸方向成分に比べて品質の良い速軸方向成分を集光するため、高光効率が得られると考えられる。しかしながら、特許文献１によれば、ビーム変換器を通過することによって、レーザ光に含まれる速軸方向成分に遅軸方向成分が含まれることとなり、光偏向素子から出射するレーザ光の解像点数が低い。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができるレーザ光スキャナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を第１ビーム幅の平行光束に変換する第１コリメートレンズと、前記第１コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する第２コリメートレンズと、前記遅軸方向を厚み方向とし前記速軸方向を光偏向方向とするコア層及び前記コア層を挟む一対のクラッド層を有する光偏向素子と、前記第２コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させて該レーザ光を前記コア層の光入射側端面に光結合させる集光レンズと、を備え、前記第１コリメートレンズは、光入射側が平面に形成され且つ光出射側が球面に形成された半球レンズと、前記半球レンズの光出射側に設けられたメニスカスレンズと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高利用効率と高解像点数の両立を図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施の形態にかかるレーザ光スキャナの構成を示す模式図であり、（Ａ）は、レーザ光スキャナのＸ−Ｚ平面図であり、（Ｂ）はレーザ光スキャナのＹ−Ｚ平面図である。
【図２】図２は、光源から出射したレーザ光の発レーザ光プロファイルを示す模式図である。
【図３】図３は、光偏向素子を示す模式図であり、（Ａ）は、光偏向素子を示す斜視図であり、（Ｂ）は、コア層を示す斜視図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態にかかるレーザ光スキャナの構成を示す模式図であり、（Ａ）は、レーザ光スキャナのＸ−Ｚ平面図であり、（Ｂ）はレーザ光スキャナのＹ−Ｚ平面図である。
【図５】図５は、実施例における、半球レンズ、メニスカスレンズ、及びコリメートレンズの具体的な仕様の一例を示す表である。
【図６】図６は、実施例における、非球面シリンドリカルレンズ及び半円柱レンズの具体的な仕様の一例を示す表である。
【図７】図７は、実施例におけるレーザ光スキャナの構成の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、実施例におけるコリメートレンズの構成の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、実施例におけるコリメートレンズ及び集光レンズの構成の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、従来のレーザ光スキャナの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ光スキャナの一の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１には、本実施の形態にかかるレーザ光スキャナ１０の構成の一例を示した。なお、図１（Ａ）は、レーザ光スキャナ１０のＸ−Ｚ平面図である。図１（Ｂ）は、レーザ光スキャナ１０のＹ−Ｚ平面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０は、光源１２と、光結合光学ユニット１９と、光偏向素子１４と、出力光学ユニット１６と、を含んでいる。
【００１４】
光源１２は、レーザ光を出射する半導体レーザである。光源１２としては、レーザダイオードが挙げられる。具体的には、図２に示すように、光源１２は、略直方体状に形成され、その光出射端面となる一側面に、光出射領域となる活性層１２Ａが露出している。そして、この活性層１２Ａの露出端面は、活性層１２Ａの厚み方向（図２中、Ｘ軸方向参照）に直交する方向（図２中、Ｙ軸方向参照）に長い長方形状である。すなわち、この活性層１２Ａの露出端面は、厚み方向（Ｘ軸方向）の長さが、該露出端面における厚み方向に直交する方向（以下、単に「幅方向」と称する場合がある）（Ｙ軸方向）の長さより短い形状である。光源１２では、詳細は後述するが、この活性層１２Ａの露出端面における長辺方向であるＹ軸方向の長さを、短辺方向であるＸ軸方向の長さに対して長くすることによって、発光強度を大きくなるように調整することができる。
【００１５】
なお、本実施の形態では、活性層１２Ａの厚み方向をＸ軸方向とする。また、活性層１２Ａの露出端面における幅方向をＹ軸方向とする。また、この活性層１２Ａの露出端面に直交する方向をＺ軸方向とする。
【００１６】
レーザ光は、この活性層１２Ａの露出端面から、広がり角をもって出射する。ここで、上述のように、活性層１２Ａの露出端面の形状は長方形状であり、そのアスペクト比が異なることから、レーザ光は、この活性層１２Ａの露出端面からＹ軸方向及びＸ軸方向に異なる広がり角をもって出射する。このため、光源１２から出射するレーザ光では、Ｘ軸方向の広がり角がＹ軸方向の広がり角より大きい。すなわち、光源１２から出射するレーザ光の発レーザ光プロファイルは、図２の発光ビームプロファイルＰに示されるようなプロファイルとなる。
【００１７】
本実施の形態では、この活性層１２Ａにおける露出端面（光出射領域）の厚み方向、すなわち短手方向である上記Ｘ軸方向を「速軸方向」と称する。また、この活性層１２Ａにおける露出端面の幅方向、すなわち長手方向である上記Ｙ軸方向を「遅軸方向」と称する。
【００１８】
図１に戻り、光源１２から出射したレーザ光は、光結合光学ユニット１９を通過した後に、光偏向素子１４に光結合する。光結合光学ユニット１９の詳細は後述する。
【００１９】
図３には、光偏向素子１４の一例を示した。図３（Ａ）に示すように、光偏向素子１４は、光導波路３１を含んでいる。光導波路３１は、一対の電極層（電極層３８及び電極層３６）によって挟まれている。
【００２０】
光導波路３１は、屈折率の高いコア層３０を、コア層３０より屈折率の低い一対のクラッド層（クラッド層３４及びクラッド層３２）で挟んだ構成の、所謂、スラブ型の光導波路である。
【００２１】
コア層３０は、電気光学効果を有する材料から構成されている。コア層３０を構成する電気光学材料としては、具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、ＳＢＮ、ＫＴＮ、のような非線形光学結晶を挙げることができる。これらの非線形光学結晶は、支持基板上に層状に形成した後に研磨を施すことにより、結晶の電気光学性能を保ったまま薄膜化することが可能である。
【００２２】
なお、コア層３０の厚みは限定されないが、具体的には、コア層３０の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。コア層３０の厚みが上記範囲であると、クラッド層３２及びクラッド層３４による電圧降下の影響を抑制しつつ、且つ、より低電圧の印加で有意の屈折率変化を発生させることができる。
【００２３】
クラッド層３２及びクラッド層３４は、コア層３０を挟むように設けられ、コア層３０より屈折率の低い材料から構成されている。このため、コア層３０に入射したレーザ光は、コア層３０内を伝播する。クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としては、具体的には、一般的なガラス材料である二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の誘電体および、これらの混合ガラスを挙げることができる。また、クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としては、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）も用いることができる。
【００２４】
電極層３８及び電極層３６は、これらのクラッド層３２及びクラッド層３４の各々の外側に対向して設けられている。光偏向素子１４では、これらの電極層３８及び電極層３６に電圧を印加することによって、コア層３０の厚み方向に電界が形成される。
【００２５】
電極層３８及び電極層３６の構成材料としては、具体的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒのような金属材料の他、ＩＴＯ等の透明電極を挙げることができる。
【００２６】
本実施の形態では、図３（Ｂ）に示すように、コア層３０には、分極反転領域３０Ａが設けられている。コア層３０における分極反転領域３０Ａと、該分極反転領域３０Ａ以外の領域と、では、コア層３０を構成する電気光学材料の結晶軸（分極軸）の向きが反転している。本実施の形態では、分極反転領域３０Ａは、複数のプリズム部３０Ａ１をＺ軸方向に並べた領域である場合を説明する。なお、各プリズム部３０Ａ１は、プリズム形状（三角柱状）の領域である。
【００２７】
分極反転領域３０Ａの幅（分極反転領域３０ＡにおけるＸ軸方向（速軸方向）の幅（図３（Ｂ）中、幅Ｄ参照、以下単に「幅Ｄ」と称する場合がある））は限定されないが、例えば、１ｍｍ等が挙げられる。
【００２８】
なお、上記電極層３８及び電極層３６は、詳細には、光導波路３１における上記分極反転領域３０Ａを覆う領域に設けられている。これらの電極層３８及び電極層３６に電圧を印加することによって、コア層３０に電圧を印加すると、コア層３０における分極反転領域３０Ａと該分極反転領域３０Ａ以外の領域とで屈折率変化量の符号が逆転する。このため、光偏向素子１４は、コア層３０の内部に複数のプリズム構造を作りだすことができる構造となっている。
【００２９】
ここで、一般的に、光は屈折率の異なる領域同士の界面で屈折（偏向）する。このため、電圧の印加された領域と、電圧の印加されていない領域との界面で、レーザ光は屈折することとなる。従って、分極反転領域３０Ａを構成する各プリズム部３０Ａ１の界面を通過する度にレーザ光は屈折する。また、分極反転領域３０Ａの屈折率変化量Δｎは、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧によって変化する。このため、該界面における屈折率もまた、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧によって変化する。
【００３０】
このため、本実施の形態における光偏向素子１４は、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧を調整することによって、分極反転領域３０Ａを伝播するレーザ光の偏向角θを調整することができる。
【００３１】
詳細には、分極反転領域３０Ａの幅Ｄ（図３（Ｂ）中、幅Ｄ参照）が一定である場合、光偏向素子１４から出射するレーザ光の偏向角θ（出射角）は、下記式（１）によって示すことができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
上記式（１）中、Δｎはコア層３０の屈折率変化量を示し、Ｄは分極反転領域３０ＡにおけるＸ軸方向（速軸方向）の幅を示す。また、式（１）中、Ｌは、複数のプリズム部３０Ａ１全体のＺ軸方向の長さ（すなわち分極反転領域３０ＡのＺ軸方向の長さ）を示す。
【００３４】
そして、上記屈折率変化量（Δｎ）は、電極層３６及び電極層３８に印加する電圧で制御することができるため、光偏向素子１４は、レーザ光の偏向角θを調整することができ、入射したレーザ光を偏向する光偏向素子として機能する。
【００３５】
なお、一般的に、光偏向素子１４のコア層３０を構成する電気光学材料の屈折率変化量は非常に小さく、光偏向素子１４を動作させる際には１０ｋＶ／ｍｍ以上の電界を形成する必要がある。しかし、光導波路３１として、スラブ型の光導波路を用いることによって、電極層３６と電極層３８との電極間の距離を接近させることができ、動作電圧の低下を図ることができる。
【００３６】
例えば、コア層３０の厚さを２０μｍとし、分極反転領域３０Ａの幅Ｄを２．０ｍｍとし、分極反転領域３０ＡのＺ軸方向長さ（図３（Ｂ）中、長さＢ参照）を２０ｍｍとした場合には、電極層３６と電極層３８との電極間に±３００Ｖの電圧を印加することによって、全角で４°程度の偏向角が得られる。なお、この偏向角を増大させるためには、分極反転領域３０Ａにおける各プリズム部３０Ａ１のプリズム幅（三角柱形状における、Ｚ軸方向の最大長）をさらに狭めることが有効である。このプリズム幅としては、例えば、０．５ｍｍから５ｍｍ程度の範囲を挙げることができる。
【００３７】
次に、光結合光学ユニット１９について説明する。
【００３８】
光結合光学ユニット１９は、光源１２から出射したレーザ光を、光偏向素子１４のコア層３０における分極反転領域３０Ａの光入射側端面に光結合させる光学系である。
【００３９】
本実施の形態では、光結合光学ユニット１９は、光源１２側から順に、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０を備えている。
【００４０】
コリメート光学ユニット１８は、光入射側から順に、コリメートレンズ２６、及びコリメートレンズ２８を配列した構成である。
【００４１】
コリメートレンズ２６は、光源１２から出射したレーザ光に含まれる速軸方向（Ｘ軸方向）成分をコリメート（平行に）して、第１ビーム幅の平行光束に変換する。なお、この第１ビーム幅とは、レーザ光における速軸方向の幅を示している。
【００４２】
このコリメートレンズ２６は、光入射側から順に、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４を順に配列した構成である。
【００４３】
半球レンズ２２は、入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換するレンズである。半球レンズ２２は、光入射側の面を平面とし、光出射側の面を球面とした半球状のレンズであり、入射するレーザ光の速軸方向および遅軸方向に曲率を有する。なお、以下では、光入射側の面は、単に、光入射面と称し、光出射側の面は、単に、光出射面と称して説明する場合がある。
【００４４】
具体的には、半球レンズ２２は、半球レンズ２２の材料をＳ-ＴＩＨ５３、出射面の曲率半径を３．０ｍｍとし、レーザの露出端面と半球レンズ２２の入射面との距離を１．５ｍｍとした構成とすることによって、光入射面から入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換する、といった特性を有する。
【００４５】
半球レンズ２２は、レーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換するレンズであればよく、中心肉厚（半球レンズ２２における光通過方向の最短長）、球面である光出射面の曲率半径、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
【００４６】
具体的には、半球レンズ２２の光出射側の面（球面）の曲率半径は、レンズの材質の屈折率に応じて速軸方向成分が平行光束となるように調整すればよい。例えば、レンズの材質の屈折率が１．７０から１．９０の範囲である場合には、半球レンズ２２の曲率半径としては、２．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下の範囲が挙げられる。
【００４７】
半球レンズ２２の材質は、光源の波長において透明であればよく、限定されないが、例えば、特に高屈折率高分散で高透過率を示すことから、株式会社オハラ社製のＳ−ＴＩＨ５３や、Ｓ−ＮＰＨ５３等が挙げられる。
【００４８】
メニスカスレンズ２４は、半球レンズ２２から出射した、速軸方向成分を平行光束に変換されたレーザ光における該速軸方向のビーム幅を、分極反転領域３０ＡにおけるＸ軸方向（速軸方向）の幅Ｄ（図３（Ｂ）参照）に応じた幅（第１ビーム幅）に調整する。
【００４９】
なお、メニスカスレンズ２４は、半球レンズ２２から出射したレーザ光における、速軸方向のビーム幅を、上記幅Ｄに応じた幅に調整すればよいが、メニスカスレンズ２４は、該速軸方向のビーム幅を、上記幅Ｄ以下で且つ該幅により近い値に調整することが好ましい。具体的には、分極反転領域３０Ａの幅Ｄが２．０ｍｍの場合には、該ビーム幅を０．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲に調整することが好ましく、１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲に調整することが更に好ましい。
【００５０】
メニスカスレンズ２４は、詳細には、光入射面及び光出射面の双方が光入射側に突出した曲面の非球面レンズである。なお、このメニスカスレンズ２４の光入射側の端部と、半球レンズ２２の光入射側の端部とは、接触して配置されていてもよいし、非接触に配置されていてもよく、これらのレンズ間の距離は、レンズを固定する際の組付けホルダ機構に応じて調整すればよい。
【００５１】
半球レンズ２２の光出射側に、非球面レンズであるメニスカスレンズ２４を配置することによって、半球レンズ２２に入射したレーザ光は、半球レンズ２２によって速軸方向成分をコリメートされた後に、メニスカスレンズ２４によって上記幅Ｄに応じたビーム幅の平行光束に変換される。
【００５２】
なお、半球レンズ２２を通過したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、半球レンズ２２の球面収差によって完全な平行光束にならない場合がある。このため、メニスカスレンズ２４は、半球レンズ２２の球面収差を相殺するように設計することが好ましい。
【００５３】
すなわち、メニスカスレンズ２４は、メニスカスレンズ２４の光入射面の曲面によって形成される凸レンズの焦点距離が、光出射面の曲面によって形成される凹レンズの焦点距離より長くなるように調整することによって、半球レンズ２２から出射したレーザ光の速軸方向のビーム幅を、上記幅Ｄに応じた幅に調整する、といった特性を有するレンズとなっている。また、メニスカスレンズ２４は、メニスカスレンズ２４の光入射面の曲面形状を、光入射面を通過した後の光線が単一の焦点に集束するように調整することによって、半球レンズ２２の球面収差を相殺するように設計されている。
【００５４】
メニスカスレンズ２４は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（メニスカスレンズ２４における光通過方向の最短長）、光入射面及び光出射面の曲率半径、光入射面及び光出射面の有効径、光入射面及び光出射面のコーニック定数、光入射面及び光出射面の非球面定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
【００５５】
また、メニスカスレンズ２４の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ等が挙げられる。
【００５６】
次に、コリメートレンズ２８について説明する。
【００５７】
コリメートレンズ２８は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコリメートするレンズである。
【００５８】
光源１２から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、上記コリメートレンズ２６によってコリメートされて上記第１ビーム幅の平行光束に変換されるが、この変換されたレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、コリメートされていない。このため、コリメートレンズ２６の光出射側に、コリメートレンズ２８を配置することによって、コリメートレンズ２６から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換することができる。
【００５９】
コリメートレンズ２８は、具体的には、光入射面が平面状であり、光出射面が光出射側に突出した曲面である非球面レンズである。そして、コリメートレンズ２８の光出射側の曲面で遅軸方向成分にのみ凸レンズの機能を持たせることによって、コリメートレンズ２８は、遅軸方向成分をコリメートするといった特性を有するレンズとなっている。
【００６０】
コリメートレンズ２８は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（コリメートレンズ２８における光通過方向の最短長）、光出射面の曲率半径、光出射面の有効径、光出射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
【００６１】
また、コリメートレンズ２８の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ等が挙げられる。
【００６２】
次に、集光レンズ２０について説明する。
【００６３】
集光レンズ２０は、コリメート光学ユニット１８の光出射側に設けられている。集光レンズ２０は、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させ、コア層３０の光入射側端面に光結合させる。
【００６４】
本実施の形態では、集光レンズ２０として、シリンドリカルレンズを用いている。該シリンドリカルレンズは、光入射面が光入射側に突出した曲面であり、光出射面が平面のレンズである。そして、本実施の形態では、このシリンドリカルレンズのＮＡをコリメートレンズ２６のＮＡより大きくすることによって、レーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光する、といった特性を有するレンズとしている。
【００６５】
集光レンズ２０は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（集光レンズ２０における光通過方向の最短長）、光入射面の曲率半径、光入射面の有効径、光入射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
【００６６】
なお、集光レンズ２０は、レーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の厚み（コア層３０のＹ軸方向の長さ）に応じたビーム幅（遅軸方向の幅）で、コア層３０の光入射側端面に光結合させることが好ましい。
【００６７】
なお、コア層３０の厚みに応じたビーム幅（遅軸方向の幅）とは、具体的には、コア層３０の厚みの１．５倍以下であることが好ましく、コア層３０の厚み以下であることが更に好ましい。また、更には、該コア層３０の厚みに応じたビーム幅は、コア層３０の厚みと一致することが特に好ましい。
【００６８】
このコア層３０の光入射側端面に光結合したときの、レーザ光に含まれる遅軸方向成分の幅（遅軸方向の幅）は、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）を調整することによって制御することができる。
【００６９】
詳細は後述するが、レーザ光に含まれる遅軸方向成分はマルチモード発振している。しかしながら、特定の開口数（ＮＡ）を持つシリンドリカルレンズを集光レンズ２０として用いることによって、コア層３０の厚みに応じたビーム幅に、遅軸方向成分を集光させることができる。
【００７０】
この集光レンズ２０に求められる開口数（ＮＡ）は、光源１２から出射するレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角と、該レーザ光のビーム幅（遅軸方向の幅）と、から以下の式（２）を用いて求めることができる。
【００７１】
【数２】
【００７２】
上記式（２）中、θｂは、光源１２から出射するレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角を示す、また、Ｗｂは、光源１２から出射するレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）のビーム幅を示す。また、θcは、光偏向素子１４のコア層３０に光結合したときのレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角を示す。また、ｄは、光偏向素子１４のコア層３０に光結合したときのレーザ光の遅軸方向（Ｙ軸方向）の幅を示す。
【００７３】
例えば、上記θｂを１０°、上記Ｗｂを２００μｍ、上記ｄを２０μｍとする。この場合には、上記式（２）より、θcは約１２０°となる。
【００７４】
集光レンズ２０に求められる集光能力は、この広がり角θcを有するレーザ光を平行光束に変換する能力と同じであることから、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）は、下記式（３）を満たす値であればよい。
【００７５】
【数３】
【００７６】
上述のように、例えば、θcが１２０°である場合には、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）である０．８７を超える値とすることによって、集光レンズ２０は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコア層３０の厚みに応じたビーム幅に集光させることができる。
【００７７】
次に、出力光学ユニット１６について説明する。
【００７８】
出力光学ユニット１６は、光偏向素子１４の光出射側に設けられており、光偏向素子１４から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する。本実施の形態では、出力光学ユニット１６として、シリンドリカルレンズを用いている。出力光学ユニット１６に用いられるシリンドリカルレンズは、光入射面が平面状であり、光出射面が光出射側に突出した曲面状のレンズである。そして、本実施の形態では、このシリンドリカルレンズの光出射面の曲面形状を非球面形状とすることによって、出力光学ユニット１６は、入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換するといった特性を有するレンズとしている。
【００７９】
この出力光学ユニット１６は、上記特性を満たすレンズであれば、いかなるレンズであってもよく、中心肉厚（出力光学ユニット１６における光通過方向の最短長）、光出射面の曲率半径、光出射面の有効径、光出射面のコーニック定数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０の構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整すればよい。
【００８０】
なお、出力光学ユニット１６としては、上記集光レンズ２０と同じレンズを用いることが好ましい。そして、上記集光レンズ２０における光入射面側を光出射面とするように配置すればよい。
【００８１】
出力光学ユニット１６のシリンドリカルレンズとして、集光レンズ２０と同じレンズを用いることによって、出力光学ユニット１６から出射したレーザ光の発光ビームプロファイルを、光偏向素子１４に入射するレーザ光の発光ビームプロファイルとほぼ同じにすることができる。
【００８２】
次に、レーザ光スキャナ１０における作用を説明する。
【００８３】
上述のように構成されたレーザ光スキャナ１０では、光源１２から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を通過することによって、速軸方向成分が幅Ｄのレーザ幅の平行光束に変換された後に、遅軸方向成分が平行光束に変換される。すなわち、光源１２から出射したレーザ光は、コリメート光学ユニット１８を通過することによって、遅軸方向成分及び速軸方向成分の双方について平行光束に変換され、且つ速軸方向成分の幅が、分極反転領域３０Ａの幅Ｄに応じた幅に変換される。
【００８４】
そして、コリメート光学ユニット１８を通過したレーザ光は、集光レンズ２０を通過することによって、該レーザ光に含まれる遅軸方向成分が集光され、コア層３０の光入射側端面に光結合する。
【００８５】
このため、光偏向素子１４のコア層３０の光入射側端面には、遅軸方向成分の該遅軸方向がコア層３０の厚み方向と一致し（Ｙ軸方向）、速軸方向成分の該速軸方向がコア層３０の分極反転領域３０Ａの幅Ｄ方向（Ｘ軸方向）と一致するレーザ光が光結合する。また、該コア層３０の光入射側端面には、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束とされた後に、遅軸方向成分についてコア層３０の厚み方向に集光させたレーザ光が、光結合する。
【００８６】
そして、光偏向素子１４のコア層３０の光入射側端面に光結合したレーザ光は、光偏向素子１４によって偏向され、出力光学ユニット１６を介して出射する。
【００８７】
ここで、光源１２としての半導体レーザにおける、活性層１２Ａの露出端面は、厚み方向（Ｘ軸方向（速軸方向））の長さが、該露出端面における厚み方向に直交する方向（幅方向）（Ｙ軸方向（遅軸方向））の長さより短い長方形状である。
【００８８】
このため、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向（Ｘ軸方向）のビーム幅は、遅軸方向（Ｙ軸方向）のビーム幅に比べて小さい。また、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向（Ｘ軸方向）の広がり角は、遅軸方向（Ｙ軸方向）の広がり角に比べて大きい（図２参照）。
【００８９】
光源１２の構成にもよるが、例えば、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向のビーム幅は１μｍ、速軸方向の広がり角は３０°程度である。また、例えば、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光における、遅軸方向のビーム幅は４０μｍ〜４００μｍ、遅軸方向の広がり角は１０°程度である。
【００９０】
このように、活性層１２Ａの露出端面から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、遅軸方向成分に比べて狭い領域から出射するので、シングルモード発振する。一方、活性層１２Ａの露出端面から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、速軸方向成分に比べて広い領域から出射するので、レーザ光の波長に比べてビーム幅が大きくなり、マルチモード発振する。また、光源１２の発光強度は、活性層１２Ａの露出端面における長辺側である遅軸方向（Ｙ軸方向）の長さを長くすることによって大きくすることが行われており、発光強度を大きくするほど、遅軸方向成分は、よりマルチモード発振しやすい。具体的には、発光強度を高める観点から、特に、活性層１２Ａの露出端面における遅軸方向（Ｙ軸方向）の幅を、４０μｍから４００μｍといった長さにすると、遅軸方向成分はマルチモード発振となる。
【００９１】
なお、シングルモード発振とは、レーザ光束の横断面における強度分布が、中心で大きく周辺で確率分布的に小さくなるモードのレーザ発振を示す。また、マルチモード発振とは、レーザ光束の横断面における強度分布が、上記シングルモード以外のモードである発振を示す。そして、このマルチモード発振のレーザ光では、コヒーレンスが低下するため、集光性が悪く、シングルモード発振に比べてビーム品質に劣る。
【００９２】
そして、光源１２から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分は、シングルモード発振することから、速軸方向成分の発光ビームプロファイルはガウシアンビームに近い。一方、光源１２から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、マルチモード発振するため発光ビームプロファイルを特定の関数では表すことはできない。
【００９３】
以上の理由から、従来では、光源１２から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の光入射端面における厚み方向に直交する方向と一致させて、遅軸方向成分を平行光束に変換すると、遅軸方向成分が光偏向素子１４における光偏向方向を担うことになり、光偏向素子１４から出射する偏向したレーザ光の解像点数の低下を招いていた。
【００９４】
また、従来では、反対に、光源１２から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、光偏向素子１４の厚み方向と一致させ、遅軸方向成分をコア層３０の厚み方向に集光させた場合には、速軸方向成分に比べてビーム品質に劣る遅軸方向成分を集光させる必要があり、光利用効率の低下が生じていた。
【００９５】
一方、本実施の形態では、上述のように、レーザ光スキャナ１０では、レーザ光スキャナ１０を、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０を有する光結合光学ユニット１９を備えた構成とし、コリメート光学ユニット１８を、光入射側から順にコリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を配置した構成としている。
【００９６】
このため、光偏向素子１４のコア層３０の光入射側端面には、遅軸方向成分の該遅軸方向がコア層３０の厚み方向と一致し（Ｙ軸方向）、速軸方向成分の該速軸方向がコア層３０の分極反転領域３０Ａの幅Ｄ方向（Ｘ軸方向）と一致するレーザ光が光結合する。
【００９７】
また、本実施の形態では、コリメートレンズ２６は、光入射側から順に、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４を配列した構成である。
【００９８】
ここで、レーザ光に含まれる速軸方向成分を、光偏向素子１４における分極反転領域３０Ａの幅Ｄに応じたビーム幅の平行光束に変換しようとすると、該幅Ｄに応じて、光源１２の光出射側端面とコリメートレンズ２６の光入射側端面とを極めて接近させて配置する必要がある。このため、コリメートレンズ２６をレンズ一枚で構成することは実質的には困難である。
【００９９】
しかし、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、コリメートレンズ２６を、半球レンズ２２とメニスカスレンズ２４を含む構成とし、半球レンズ２２でレーザ光に含まれる速軸方向成分を平行光束に変換した後に、メニスカスレンズ２４によって速軸方向の幅を調整している。また、半球レンズ２２の球面収差をメニスカスレンズ２４によって相殺する。このため、コリメートレンズ２６に入射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を、上記幅Ｄに応じた平行光束に変換することができる。従って、光偏向素子１４の解像点数を高くすることができる。
【０１００】
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、コリメートレンズ２６の光出射側に、コリメートレンズ２８が設けられている。また、コリメートレンズ２６及びコリメートレンズ２８を有するコリメート光学ユニット１８の光出射側に、集光レンズ２０が設けられている。
【０１０１】
このため、本実施の形態におけるレーザ光スキャナ１０では、コア層３０の光入射側端面には、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束に変換された後に、遅軸方向成分についてコア層３０の厚み方向に集光されたレーザ光が、光結合する。このため、高い光利用効率を実現することができる。
【０１０２】
従って、本実施の形態の、レーザ光スキャナ１０では、高い光利用効率及び高い解像点数を実現することができる。
【０１０３】
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、発光強度を大きくするために光源１２における活性層１２Ａの遅軸方向の幅をより大きくすることで、遅軸方向成分のマルチモード発振の度合が強くなった場合であっても、高い光利用効率及び高い解像点数を実現することができる。
【０１０４】
また、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０では、上述した光結合光学ユニット１９を備えた構成とすることによって、レーザ光スキャナ１０の小型化を図ることが出来る。
【０１０５】
なお、さらに、コリメート光学ユニット１８を通過したレーザ光は、速軸方向成分及び遅軸方向成分共に平行光束となっていることから、コリメート光学ユニット１８と集光レンズ２０との間で、レーザ光の光路をミラーなどで折り返し、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光を該ミラーで折り返して集光レンズ２０に入射させる構成としてもよい。
【０１０６】
このような構成とすることで、レーザ光スキャナ１０のさらなる小型化を図ることができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、光偏向素子１４におけるコア層３０と、クラッド層３２及びクラッド層３４と、は、屈折率が異なっていることを説明したが、好ましくは、コア層３０と、クラッド層３２及びクラッド層３４と、の屈折率は、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）以上の開口数（ＮＡ）を有する光導波路３１となるように調整することが好ましい。
【０１０８】
なお、光導波路３１の開口数（ＮＡ）は、以下の式（４）で示すことができる。
【０１０９】
【数４】
【０１１０】
上記式（４）中、ｎ１は、コア層３０の屈折率を示す。また、ｎ２は、クラッド層３２及びクラッド層３４の屈折率を示す。
【０１１１】
例えば、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）が１．０に近い高ＮＡレンズである場合には、光導波路３１の開口数（ＮＡ）が１．０以上となるように、コア層３０、クラッド層３２、及びクラッド層３４の屈折率を調整すればよい。この屈折率の調整は、これらの層の構成材料を適宜選択することによって行えばよい。例えば、コア層３０の構成材料として、屈折率２．２のニオブ酸リチウムを用いた場合には、クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としては、屈折率１．９６以下の材料を選択すればよい。
【０１１２】
このように、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）以上の開口数（ＮＡ）を有する光導波路３１となるように、コア層３０、クラッド層３２、及びクラッド層３４の屈折率を調整することによって、集光レンズ２０を介してコア層３０の光入射側端面に光結合したレーザ光が、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との界面で反射されずに、光導波路３１の外部へと漏れることを抑制することができる。
【０１１３】
すなわち、集光レンズ２０によって遅軸方向成分を集光されたレーザ光は、大きな入射角度でコア層３０の光入射側端面に光結合する。このため、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との屈折率差が小さく、光導波路３１の開口数（ＮＡ）が集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）より小さいほど、コア層３０内を伝播可能な角度より大きな伝播角度のレーザ光がコア層３０の光入射側端面に光結合することとなる。このような光は、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との全反射条件を満たさないため、光導波路３１の外部へと漏れてしまう。
【０１１４】
しかし、集光レンズ２０の開口数（ＮＡ）以上の開口数（ＮＡ）を有する光導波路３１となるように、コア層３０、クラッド層３２、及びクラッド層３４の屈折率を調整することによって、コア層３０とクラッド層３２及びクラッド層３４との界面で反射されずに、光導波路３１の外部へと漏れることを抑制することができる。このため、更に、高い光利用効率を実現することができる。
【０１１５】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、集光レンズ２０が１枚のレンズである場合を説明した。一方、本実施の形態では、集光レンズ２０が複数のレンズで構成されている場合を説明する。
【０１１６】
図４には、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａの構成を模式的に示した。
【０１１７】
図４に示すように、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａは、光源１２、光結合光学ユニット１９Ａ、光偏向素子１４、及び出力光学ユニット１６を含んでいる。光結合光学ユニット１９Ａは、コリメート光学ユニット１８及び集光レンズ２０Ａを含んでいる。
【０１１８】
なお、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａは、第１の実施の形態で説明したレーザ光スキャナ１０における集光レンズ２０（図１参照）に変えて、集光レンズ２０Ａを設けた以外は、レーザ光スキャナ１０と同じ構成である。このため、レーザ光スキャナ１０Ａにおいて、レーザ光スキャナ１０と同じ機能及び構成である部材については同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
【０１１９】
集光レンズ２０Ａは、コリメート光学ユニット１８の光出射側に設けられており、集光レンズ２０と同じ特性を有する。すなわち、集光レンズ２０Ａは、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の厚みに応じたビーム幅（遅軸方向の幅）で、コア層３０の光入射側端面に集光させる。
【０１２０】
本実施の形態では、集光レンズ２０Ａは、光入射側から順に、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３を配列した構成である。
【０１２１】
半円柱レンズ２３は、非球面シリンドリカルレンズ２１と光偏向素子１４との間に設けられており、コリメート光学ユニット１８から出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を、コア層３０の厚み以下のビーム幅でコア層３０の光入射側端面に集光させる。
【０１２２】
半円柱レンズ２３は、光入射面を、入射するレーザ光の遅軸方向に曲率を有する球面とし、光出射面を平面とした、半円柱状のレンズである。なお、半円柱レンズ２３の光入射面は、光入射側に突出した曲面である。
【０１２３】
なお、半円柱レンズ２３は、半円柱レンズ２３の光入射面の遅軸方向成分のみを球面とした構成とすることによって、光入射面から入射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分をコア層３０の厚みに応じたビーム幅（遅軸方向の幅）で、コア層３０の光入射側端面に集光させる、といった特性を有するレンズとなっている。
【０１２４】
なお、半円柱レンズ２３は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（半円柱レンズ２３における光通過方向の最短長）、光入射面の曲率半径、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０Ａの構成に応じて上記特性を満たすように適宜調整する。
【０１２５】
具体的には、半円柱レンズ２３の光入射面の曲率半径は、レンズ材料の屈折率と集光レンズのＮＡの値に応じて、光束がレンズの有効径内に収まるように調整すればよい。例えば、集光レンズのＮＡが０．９を超える場合には、半円柱レンズ２３の曲率半径としては、２．０ｍｍ以下の範囲が挙げられる。
【０１２６】
半円柱レンズ２３の材質は、光源波長において透明でかつ、屈折率が１．６０以上程度の高屈折率材料であればよく、限定されないが、例えば、特に高屈折率高分散で高透過率を示すことから、株式会社オハラ社製のＳ−ＴＩＨ５３や、Ｓ−ＮＰＨ５３等が挙げられる。
【０１２７】
非球面シリンドリカルレンズ２１は、コリメート光学ユニット１８の光出射側で、且つ半円柱レンズ２３の光入射側に設けられている。非球面シリンドリカルレンズ２１は、半円柱レンズ２３の球面収差を取り除く（相殺する）機能を有する。
【０１２８】
具体的には、非球面シリンドリカルレンズ２１は、光入射面を遅軸方向に曲率を有する曲面とし、光出射面を平面とした、非球面シリンドリカルレンズである。
【０１２９】
そして、この非球面シリンドリカルレンズ２１の光入射面から入射した光束が集光レンズ２０Ａを通過した後、光偏向素子１４の入射端面において微小領域に集光されるように非球面シリンドリカルレンズ２１の曲面を調整することによって、非球面シリンドリカルレンズ２１は、半円柱レンズ２３の球面収差を相殺するように設計されている。
【０１３０】
非球面シリンドリカルレンズ２１は、上記特性を満たすレンズであればよく、中心肉厚（非球面シリンドリカルレンズ２１における光通過方向の最短長）、光入射面の曲率半径、光入射面の有効径、光入射面のコーニック定数、光入射面の非球面係数、及び材質等の仕様は、レーザ光スキャナ１０Ａの構成に応じて、上記特性を満たすように適宜調整する。
【０１３１】
また、非球面シリンドリカルレンズ２１の材質は、光源の波長において透明かつ、非線形曲面の加工が可能であればよく、限定されないが、例えば、任意形状への切削加工が容易であることから、日本ゼオン株式会社製のＺＥＯＮＥＸ−４８０Ｒ等が挙げられる。
【０１３２】
以上説明したように、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａでは、集光レンズ２０Ａが、非球面シリンドリカルレンズ２１と半円柱レンズ２３とから構成されている。
【０１３３】
ここで、マルチモード発振する遅軸方向成分を、光偏向素子１４のコア層３０といった微小な領域に集光させるためには、非常に大きな開口数（ＮＡ）のシリンドリカルレンズを集光レンズ２０Ａとして採用することが求められる。このため、このような大きな開口数のレンズを、１枚のレンズによって構成すると、非球面の曲面が急となり、加工や面精度の点で難易度が高い場合がある。
【０１３４】
一方、本実施の形態のレーザ光スキャナ１０Ａでは、集光レンズ２０Ａを、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３の２枚のレンズで構成する。そして、半円柱レンズ２３によってレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させ、非球面シリンドリカルレンズ２１によって半円柱レンズ２３の曲面収差を相殺する。
【０１３５】
この半円柱レンズ２３は、光入射面が曲面で一定の曲率半径を有するレンズであるため、容易に加工を行うことができる。また。半円柱レンズ２３の光入射側に置かれた非球面シリンドリカルレンズ２１は、半円柱レンズ２３の球面収差を相殺するレンズであるため、その曲面は比較的緩い傾斜の面であり、加工が容易である。
【０１３６】
このため、本実施の形態では、上記特性を有する集光レンズ２０Ａを、容易に実現することができる。
【０１３７】
なお、本実施の形態では、集光レンズ２０Ａを、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３の２枚のレンズから構成した場合を示したが、出力光学ユニット１６についても２枚のレンズから構成してもよい。
【０１３８】
この場合には、出力光学ユニット１６を、光入射側から順に、半円柱レンズ２３及び非球面シリンドリカルレンズ２１を配列した構成とすればよい。そして、半円柱レンズ２３の平面側を光入射面とし、非球面シリンドリカルレンズ２１の平面側を光入射面として配置すればよい。
【０１３９】
このようにすれば、出力光学ユニット１６についても集光レンズ２０Ａと同様に、出力光学ユニット１６の上述した特性を有するレンズとすることができる。
【実施例】
【０１４０】
以下に、上記実施の形態で説明したレーザ光スキャナ１０Ａについて、実施例により説明するが、レーザ光スキャナ１０Ａは、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【０１４１】
（実施例１）
図７には、上記実施の形態で説明したレーザ光スキャナ１０Ａの具体的な構成の一例を示した。また、図８には、図７におけるコリメートレンズ２６を拡大して示した。また、図９には、図７におけるコリメートレンズ２８及び集光レンズ２０Ａを拡大して示した。
【０１４２】
光源１２には、波長８７０ｎｍのレーザ光を出射するマルチモードＬＤ（レーザ・ダイオード）を用いた。なお、該光源１２の活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光に含まれる速軸方向のビーム幅は１μｍ、速軸方向の広がり角は３０°程度であった。また、活性層１２Ａの露出端面から出射した直後のレーザ光における、遅軸方向のビーム幅は２００μｍ、遅軸方向の広がり角は１０°であった。
【０１４３】
光偏向素子１４の光導波路３１には、コア層３０の構成材料としてニオブ酸リチウムを用い、クラッド層３２及びクラッド層３４の構成材料としてＳｉＯ２を用いた。また、コア層３０の厚みは、２０μｍとした。
【０１４４】
また、コア層３０における分極反転領域３０Ａの幅Ｄ（図３（Ｂ）参照）は、２．０ｍｍであった。
【０１４５】
なお、半球レンズ２２、及びメニスカスレンズ２４は、図５に示す仕様のレンズを用いた（図５における「半球レンズ」及び「メニスカスレンズ」の行参照）。また、コリメートレンズ２８についても、図５に示す仕様のレンズを用いた（図５における「遅軸方向コリメートレンズ」の行参照）。なお、メニスカスレンズ２４の光入射面の形状は、光源１２から１５ｍｍの地点で完全集光するように設計した。
【０１４６】
また、非球面シリンドリカルレンズ２１及び半円柱レンズ２３としては、図６に示す仕様のレンズを用いた（図６における「非球面シリンドリカルレンズ」及び「半円柱レンズ」の行参照）。
【０１４７】
そして、各レンズ間の距離は、図７〜図９に示す距離とした。
【０１４８】
具体的には、光源１２の光出射側端面と半球レンズ２２との距離は、１．６ｍｍとした。また、半球レンズ２２の光入射側端面とメニスカスレンズ２４の光出射側端面との距離を、１０．２ｍｍ（１１．８−１．６＝１０．２）とした。また、メニスカスレンズ２４の光出射側端面とコリメートレンズ２８との距離を１８．２ｍｍ（３０．０−１１．８＝１８．２）とした。また、コリメートレンズ２８の光入射側端面と非球面シリンドリカルレンズ２１の光入射側端面との距離を５ｍｍとした。また、非球面シリンドリカルレンズ２１の光入射側端面と半円柱レンズ２３の光出射側端面との距離を５．３ｍｍとした。そして、半円柱レンズ２３の光出射側端面と、出力光学ユニット１６の光出射側端面との距離を、２５．３ｍｍとした。同様にして、各レンズ間の距離を、図８及び図９に示す関係に定めた。
【０１４９】
図５〜図９に示す構成のレーザ光スキャナ１０Ａの、光源１２からレーザ光を出射すると、図７及び図８に示すように、レーザ光は、半球レンズ２２を通過することによって速軸方向成分を平行光束に変換されて、速軸方向のビーム幅３．０ｍｍの平行光束となった。そして、さらに、メニスカスレンズ２４を通過することによって、速軸方向のビーム幅１．４ｍｍの平行光束となった（図８参照）。
【０１５０】
一方、コリメートレンズ２６を通過したレーザ光に含まれる遅軸方向成分は、図７に示すように、平行光束とはならず、広がり角をもっていた。
【０１５１】
そして、コリメートレンズ２６を通過したレーザ光は、光源１２から３０ｍｍ離れた位置に設置されたコリメートレンズ２８を通過することによって、遅軸方向成分もまた平行光束に変換された（図７及び図９参照）。そして更に、集光レンズ２０Ａを通過することによって、レーザ光に含まれる遅軸方向成分が、遅軸方向成分のビーム幅２０μｍ程度に集光されて、光偏向素子１４のコア層３０に光結合した（図７及び図９参照）。
【０１５２】
なお、光偏向素子１４の光利用効率を、光線追跡シミュレーションによって算出したところ、９４％であった。
【０１５３】
また、光偏向素子１４の解像点数を式（１）で与えられる光偏向の偏向角を速軸方向成分のビーム広がり角で割ることによって算出したところ、Ｌ＝２０ｍｍ、Δｎ＝３．７×１０−３、速軸方向成分のビーム幅＝１．５ｍｍのとき、解像点数は１００点であった。
【０１５４】
このため、高い光利用効率及び高い解像点数の実現を確認することができた。
【０１５５】
また、本実施例１においては、図７〜図９に示すように、光源１２から出射したレーザ光が出力光学ユニット１６から出力されるまでの距離は、６５．６ｍｍである。このため、この光学系を含むレーザ光スキャナ１０Ａのモジュールサイズは実用上問題ない程度の大きさであることを確認することができた。
【０１５６】
（比較実施例１）
図１０に一般的な従来構成のレーザ光スキャナの概略図を示した（図１０の、レーザ光スキャナ１００参照）。図１０に示すように、比較実施例１では、実施例１における半球レンズ２２及びメニスカスレンズ２４に代えて、コリメートレンズ１０２を用いた。また、実施例１におけるコリメートレンズ２８に代えて、集光シリンドリカルレンズ１０４を用いた。光変更素子１４としては、実施例１と同じものを用いた。また、出力光学ユニット１０６としては、実施例１と同じ出力光学ユニット１６を用いた。
【０１５７】
また、レーザダイオードについては、実施例１で用いたレーザダイオードと同じものを用いた。
【０１５８】
比較実施例１におけるレーザ光スキャナ１００をこのように構成することによって、本比較実施例１では、レーザダイオードから放出された発散光は、コリメートレンズ１０２によって平行光束に変換され、集光シリンドリカルレンズ１０４によって遅軸方向成分のみを集光されて、光導波路構造からなる光偏向素子１４内部に導かれることが確認された。また、光偏向素子１４から出力された光は遅軸方向に大きな広がり角を有するが、出力光学系１０６により平行光束に変換され、レーザ光スキャナ１００からの出力として放出されることが確認された。
【０１５９】
ここで、比較実施例１におけるレーザダイオードから出力された速軸方向成分の広がり角を３０°と仮定すると、３．０ｍｍの焦点距離を有するレンズをコリメートレンズ１０２として採用すると、速軸方向のビーム幅は約１．６ｍｍとなり、分極反転領域の幅（図３（Ｂ）中、幅Ｄ参照）に対して好適であった。しかし、遅軸方向成分は完全には平行光束に変換されず、ある程度の広がり角を持つ。この遅軸方向成分は、集光シリンドリカルレンズ１０４によって集光されるが、集光シリンドリカルレンズ１０４では、平行光束ではない遅軸方向成分を集光することになるため、光偏向素子１４を構成する光導波路のコア厚に相当するような微小領域に集光することは困難であることが確認された。
【０１６０】
すなわち、比較実施例１においては、光偏向素子１４の光利用効率を、光線追跡シミュレーションによって算出したところ、２０％以下であった。
【０１６１】
なお、比較実施例１の構成のレーザ光スキャナ１００において、速軸方向成分を導波路のコア厚方向に設定することにより光利用効率を向上させることも可能であるが、この場合には、ビーム品質の劣悪な遅軸方向成分がビーム偏向される方向となる。一般的にマルチモード発振レーザダイオードについてはそのビーム広がり角がシングルモード発振のビーム広がり角の１０〜１００倍程度と大きいことが知られている。これはレーザ光スキャナの解像点数を１／１０〜１／1００程度に低減させることに等しい。すなわち、実施例１におけるレーザ光スキャナの解像点数が１００点程度であったの対して、比較実施例１の構成では解像点数が１点〜１０点程度と低減するといえる。
【０１６２】
従って、比較実施例１の構成のレーザ光スキャナは、実施例１の構成のレーザ光スキャナに比べて、高光利用効率と高解像点数を両立することは出来ないといえる。
【符号の説明】
【０１６３】
１０、１０Ａ レーザ光スキャナ
１２ 光源
１４ 光偏向素子
１８ コリメート光学ユニット
１９ 光結合光学ユニット
２０、２０Ａ 集光レンズ
２２ 半球レンズ
２４ メニスカスレンズ
２６ コリメートレンズ
２８ コリメートレンズ
３０ コア層
３０Ａ 分極反転領域
３１ 光導波路
３２、３４ クラッド層
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１６４】
【特許文献１】特許第４４２７２８０号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を第１ビーム幅の平行光束に変換する第１コリメートレンズと、
前記第１コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する第２コリメートレンズと、
前記遅軸方向を厚み方向とし前記速軸方向を光偏向方向とするコア層及び前記コア層を挟む一対のクラッド層を有する光偏向素子と、
前記第２コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させて該レーザ光を前記コア層の光入射側端面に光結合させる集光レンズと、
を備え、
前記第１コリメートレンズは、光入射側が平面に形成され且つ光出射側が球面に形成された半球レンズと、前記半球レンズの光出射側に設けられたメニスカスレンズと、を有するレーザ光スキャナ。
【請求項２】
前記集光レンズは、前記第２コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させる半円柱レンズと、前記半円柱レンズの光入射側に配置され該半円柱レンズの球面収差を補正する半球面シリンドリカルレンズと、を有する請求項１に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項３】
前記光偏向素子は、前記コア層及び前記クラッド層を有する光導波路を有し、
前記光導波路の開口数は、前記集光レンズの開口数以上である請求項１または請求項２に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項４】
前記コア層は、印加された電圧に応じて光屈折率の変化する屈折率変化領域を有し、
該屈折率変化領域はプリズム形状の領域である請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項５】
前記光偏光素子から出射したレーザ光を成形する出力光学系を更に備えた請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項１】
光源から出射したレーザ光に含まれる速軸方向成分を第１ビーム幅の平行光束に変換する第１コリメートレンズと、
前記第１コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を平行光束に変換する第２コリメートレンズと、
前記遅軸方向を厚み方向とし前記速軸方向を光偏向方向とするコア層及び前記コア層を挟む一対のクラッド層を有する光偏向素子と、
前記第２コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させて該レーザ光を前記コア層の光入射側端面に光結合させる集光レンズと、
を備え、
前記第１コリメートレンズは、光入射側が平面に形成され且つ光出射側が球面に形成された半球レンズと、前記半球レンズの光出射側に設けられたメニスカスレンズと、を有するレーザ光スキャナ。
【請求項２】
前記集光レンズは、前記第２コリメートレンズから出射したレーザ光に含まれる遅軸方向成分を集光させる半円柱レンズと、前記半円柱レンズの光入射側に配置され該半円柱レンズの球面収差を補正する半球面シリンドリカルレンズと、を有する請求項１に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項３】
前記光偏向素子は、前記コア層及び前記クラッド層を有する光導波路を有し、
前記光導波路の開口数は、前記集光レンズの開口数以上である請求項１または請求項２に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項４】
前記コア層は、印加された電圧に応じて光屈折率の変化する屈折率変化領域を有し、
該屈折率変化領域はプリズム形状の領域である請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のレーザ光スキャナ。
【請求項５】
前記光偏光素子から出射したレーザ光を成形する出力光学系を更に備えた請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のレーザ光スキャナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１９４４５２（Ｐ２０１２−１９４４５２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５９５０３（Ｐ２０１１−５９５０３）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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