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【発明の名称】 走査レーザビーム位置検出装置
【発明者】 【氏名】▲高▼野 裕

【要約】 【課題】位置検出対象の走査レーザビームを使用して走査レーザビーム位置とレーザパワー差との特性テーブルを事前に作成することにより、正確な走査レーザビーム位置の検出を可能とする。

【解決手段】ポリゴンスキャナ7で反射された走査レーザビームは、シリンダレンズ11で測定範囲に応じたビーム径に変換され、ナイフエッジプリズム12の直角稜を挟む2面で2つに分割され、拡散板14a,14bでビーム径を拡大されてから受光センサ15a,15bにそれぞれ入射される。受光センサ15a,15bを含むセンサユニット1を電動ステージ2上に設置して所定ピッチで受光センサ15a,15bの受光電流値I,Iを測定する。また、電動ステージ2に取り付けたリニアスケール3により、センサユニット1の位置を測定する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】走査レーザビームを分割するナイフエッジプリズムと、このナイフエッジプリズムにより分割された2つの走査レーザビームをそれぞれ受光する2つの光電子増倍型受光素子とを有するセンサユニットが、リニアスケールを備える電動ステージ上に配置され、前記電動ステージを所定ピッチずつ移動した場合のリニアスケール位置と前記光電子増倍型受光素子で受光された走査レーザビームのレーザパワー差との特性テーブルを事前に作成し、位置検出時には前記光電子増倍型受光素子で受光された走査レーザビームのレーザパワー差により前記特性テーブルを検索して走査レーザビームの位置を検出することを特徴とする走査レーザビーム位置検出装置。
【請求項2】前記ナイフエッジプリズムの入射側に走査レーザビーム径を拡大するアナモルフィック光学素子を配置した請求項1記載の走査レーザビーム位置検出装置。
【請求項3】前記ナイフエッジプリズムと前記光電子増倍型受光素子との間に光拡散素子を配置した請求項1または2記載の走査レーザビーム位置検出装置。
【請求項4】前記ナイフエッジプリズムと前記光拡散素子との間に走査レーザビームの入射角度による位置変化を補償するアナモルフィック光学素子を配置した請求項3記載の走査レーザビーム位置検出装置。
【請求項5】リニアスケール位置とレーザパワー差との特性テーブルの作成時にポリゴンスキャナにおいて1回転分の測定結果から最大値および最小値を除いた測定結果の平均値を所定ピッチずつ移動した場合の測定結果とする請求項1,2,3または4記載の走査レーザビーム位置検出装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は走査レーザビーム位置検出装置に関し、さらに詳しくはレーザプリンタ,デジタルPPC(Plain Paper Copy)に使用される高速の機械スキャナやレーザ走査ユニットから出射される走査レーザビームの走査面からのずれ位置(反射面の面倒れ量に対応)を検出するための走査レーザビーム位置検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、レーザプリンタ,デジタルPPCにおいて高速化が進み、ポリゴンスキャナでの回転数が30000rpmを超えるようになり、走査周波数も3KHz以上となりつつある。また、解像度も上がっており、走査精度の向上も要求されている。
【0003】従来、この種のレーザビーム位置検出方法には、CCD(Charge Coupled Device)センサを用いるもの,PSD(Position Sensing Device)素子を用いるもの,ナイフエッジを用いるもの,ナイフエッジプリズムを用いるものなどがあった。
【0004】従来のCCDセンサおよびPSD素子を用いるレーザビーム位置検出方法では、CCDセンサおよびPSD素子の応答速度がμsオーダであり、30000rpmを超えるような高速スキャンには使用できなかった。
【0005】また、従来のナイフエッジを用いるレーザビーム位置検出方法では、反射面の反射率バラツキが誤差になるという不具合があった。
【0006】一方、ナイフエッジプリズムを用いるレーザビーム位置検出方法では、図10に示すように、レーザビームの中心(最大レーザパワー分布位置)がナイフエッジプリズム12の直角稜に一致していて、実線のようにレーザビームのビーム位置ずれがない場合には、上下の受光センサ15a,15bにレーザパワーが均等に分けられるが、ビーム位置ずれが生じた場合には、レーザビームが点線の状態となって、上の受光センサ15aヘのレーザパワーが増え、下の受光センサ15bヘのレーザパワーが減るので、レーザビームの位置ずれに対する上下の受光センサ15a,15bのレーザパワーの差を解析することにより、レーザビームの位置検出を行うことができる。
【0007】詳しくは、ナイフエッジプリズム12により上下に分けられたレーザビームの受光電流値をそれぞれI,Iとすると、その差の正規化量をレーザパワー差W=(I−I)/(I+I)と定義する。レーザパワー差Wは、レーザビームのレーザパワー分布がガウス分布であるとすると、数1のように記述することができる。ただし、rはビーム半径である。
【0008】
【数1】

【0009】レーザパワー差Wは、図10に示すように、レーザビームの中心(最大レーザパワー分布位置)がナイフエッジプリズム12の直角稜からずれた位置Lに応じて、図11に示すように変化する。
【0010】このため、従来のナイフエッジプリズムを用いるレーザビーム位置検出方法では、図11に示すような位置Lに対するレーザパワー差Wの特性曲線をあらかじめテーブル形式(以下、このテーブルを特性テーブルという)で作成し、位置検出対象のレーザビームの上下の受光センサ15a,15bでの受光電流値I,Iを測定し、レーザパワー差Wを算出して、上記特性テーブルを参照することにより位置Lを検出するようにしていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来のナイフエッジプリズムを用いるレーザビーム位置検出方法では、検出素子がPINフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードを使用していたので、応答速度を上げる場合には素子面積を小さくしなければならず、検出範囲が小さくなるという問題点やビーム径によって測定範囲が制限されるという問題点があった。特に、高速スキャンにおいて高精度な走査レーザビームの位置検出を行うためには、受光量が安定していることが必要であり、そのためには、高速応答の受光素子が必要で、かつデータの取込タイミングを立ち上がり後の安定した状況で行う必要がある。たとえば、走査レーザビームの走査速度を4000m/sとすると、受光エリアφ5mmの場合でビーム径1mmのとき、受光センサ15a,15b上での受光時間は約1μsとなり、応答速度の速いセンサが必要である。
【0012】また、レーザパワー差Wは走査レーザビームを2分割して測定するので、走査レーザビームのビーム径や走査位置よって受光面積が決まるため、受光センサ15a,15bを移動させて測定する場合には、さらに走査レーザビームの光学系への入射角度に応じた受光面積が必要となってくる。
【0013】さらに、従来のナイフエッジプリズムを用いたレーザビーム位置検出方法では、レーザビームの位置検出の基準となる特性テーブル(特性曲線)についてレーザビームを動かさない状態で受光電流値I,Iを測定して作成していたが、走査ユニットではレーザビームの形状がビーム径や走査位置に応じて変化するので、各測定ポイントであらかじめ測定し、それぞれのレーザビーム位置とレーザパワー差との特性を記憶しておく必要があった。
【0014】本発明の目的は、上述の点に鑑み、位置検出対象である走査レーザビームを実際に使用して特性テーブル(特性曲線)を作成し、走査レーザビームの正確な位置を検出できるようにした走査レーザビーム位置検出装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の走査レーザビーム位置検出装置は、走査レーザビームを分割するナイフエッジプリズムと、このナイフエッジプリズムにより分割された2つの走査レーザビームをそれぞれ受光する2つの光電子増倍型受光素子とを有するセンサユニットが、リニアスケールを備える電動ステージ上に配置され、前記電動ステージを所定ピッチずつ移動した場合のリニアスケール位置と前記光電子増倍型受光素子で受光された走査レーザビームのレーザパワー差との特性テーブルを事前に作成し、位置検出時には前記光電子増倍型受光素子で受光された走査レーザビームのレーザパワー差により前記特性テーブルを検索して走査レーザビームの位置を検出することを特徴とする。
【0016】また、本発明の走査レーザビーム位置検出装置は、前記ナイフエッジプリズムの入射側に走査レーザビーム径を拡大するアナモルフィック光学素子を配置したことを特徴とする。
【0017】さらに、本発明の走査レーザビーム位置検出装置は、前記ナイフエッジプリズムと前記光電子増倍型受光素子との間に光拡散素子を配置したことを特徴とする。
【0018】さらにまた、本発明の走査レーザビーム位置検出装置は、前記ナイフエッジプリズムと前記光拡散素子との間に走査レーザビームの入射角度による位置変化を補償するアナモルフィック光学素子を配置したことを特徴とする。
【0019】また、本発明の走査レーザビーム位置検出装置は、リニアスケール位置とレーザパワー差との特性テーブルの作成時にポリゴンスキャナにおいて1回転分の測定結果から最大値および最小値を除いた測定結果の平均値を所定ピッチずつ移動した場合の測定結果とすることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0021】図1および図2は、本発明の第1の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置を含む測定システムの構成を示す側面図および平面図である。
【0022】図1および図2において右手に配設されたテーブル5上には、本実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置による位置検出対象の走査レーザビームを出射する、レーザ光源ユニット6と、ポリゴンスキャナ7とが配設されている。
【0023】レーザ光源ユニット6は、テーブル5上にポリゴンスキャナ7に対して所定角をなすように配置されており、レーザ光源および集光レンズ系を含み、スポット状に絞られたレーザビームを出射する。
【0024】ポリゴンスキャナ7は、8角形板状に形成され周面が鏡面加工された多面鏡71と、多面鏡71を回転軸に枢着する電動モータ72とから構成されており、多面鏡71に入射されたレーザビームを多面鏡71の回転に伴って走査レーザビームとして走査させる。なお、本実施の形態では、多面鏡71を8角形板状としたが、多面鏡71の鏡面の数は8つに限られるものではなく、6,12,16等のその他の数であってもよいものである。
【0025】第1の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置は、センサユニット1と、センサユニット1を搭載し上下方向に移動させる電動ステージ2と、電動ステージ2に取り付けられリニアスケールセンサ3aによりセンサユニット1の移動位置を計測するリニアスケール3とから、その主要部が構成されている。
【0026】センサユニット1は、シリンダレンズ11と、ナイフエッジプリズム12と、拡散板14a,14bと、受光センサ15a,15bとから、その主要部が構成されている。
【0027】シリンダレンズ11は、ナイフエッジプリズム12の直角稜と長手方向が一致するようにナイフエッジプリズム12の入射側に配置されており、ナイフエッジプリズム12に入射する走査レーザビームを直角稜と直交する方向にのみ折曲させるアナモルフィック光学素子である。このシリンダレンズ11の存在により、走査レーザビームのビーム径が拡大され、走査レーザビームのビーム径によって測定範囲が制限されるという問題が解消される。
【0028】ナイフエッジプリズム12は、断面が直角二等辺三角形であるガラスプリズムの直角稜を挟む2面にアルミニュームコーティングを施したもので形成され、その直角稜がナイフエッジとしての役目をするように走査レーザビームの入射側に水平方向に配置されている。
【0029】拡散板14a,14bは、すりガラス,ピトロガラス,マイクロレンズアレイ等で形成された光拡散素子であり、ナイフエッジプリズム12で上下方向に分割された2つの走査レーザビームのビーム径を拡大するために、ナイフエッジプリズム12の上位および下位にそれぞれ配置されている。拡散板14a,14bの存在により、受光センサ15a,15bとして用いられる光電子増倍型受光素子があまり小さなビームが入射すると応答特性が悪くなるという問題が解消される。
【0030】受光センサ15a,15bは、受光面積が大きく高感度でかつ高速応答性を有するメタルパッケージ光電子増倍管等の光電子増倍型受光素子で形成されていて、拡散板14a,14bでビーム径が拡大された2つの走査レーザビームを受光するように、拡散板14a,14bの上位および下位にそれぞれ配置されている。
【0031】電動ステージ2は、ステッピングモータ,リニアモータ等により上下方向に移動するステージである。
【0032】リニアスケール3は、センサユニット1を電動ステージ2上に設置して所定ピッチで2つの受光センサ15a,15bの受光電流値I,Iを測定する際に上記所定ピッチがμm単位となり、電動ステージ2だけでは精度が出ないので、実際の移動ピッチを読み取るために電動ステージ2に取り付けられている。
【0033】図3を参照すると、本実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置の回路系は、受光センサ15a,15bと、電動ステージ2と、リニアスケール3と、受光センサ15a,15bの出力電流を増幅するアンプ16a,16bと、アンプ16a,16bのアナログ出力を高速にA/D(Analog/Digital)変換する高速A/D変換器17a,17bと、電動ステージ2を制御するコントローラ18と、リニアスケール3を制御するコントローラ19と、高速A/D変換器17a,17b,コントローラ18,およびコントローラ19に接続されたバス20と、バス20に接続されたCPU(Central Processing Unit)21と、CRT(Cathode Ray Tube),KB(KeyBoard)等からなる入出力装置22とから構成されている。
【0034】図4を参照すると、CPU21内のメモリ上に作成される特性テーブルは、リニアスケール位置Lおよびレーザパワー差Wからなる複数(本実施の形態では300)のエントリで構成されている。
【0035】図5を参照すると、特性テーブル作成時の処理は、センサユニットレーザビーム中心移動ステップS101と、センサユニット−150μm移動ステップS102と、カウンタnインクリメントステップS103と、受光電流値Ian,I収集ステップS105と、リニアスケール位置L収集ステップS106と、特性テーブルへの転送ステップS107と、センサユニット+1μm移動ステップS108と、n=300判定ステップS109とからなる。
【0036】図6を参照すると、走査レーザビーム位置検出時の処理は、受光電流値I,I収集ステップS201と、レーザパワー差W算出ステップS202と、特性テーブルエントリ検索ステップS203と、エントリ内ウェイト値η計算ステップS204と、走査レーザビーム位置L算出ステップS205とからなる。
【0037】なお、CPU21は、図7に示すように、受光センサ15a,15bからの出力電流値を、アンプ16a,16bおよび高速A/D変換器17a,17bを通じて、受光レベルLlを越えた時点より遅れtlが経過した時点で取り込み、さらに受光レベルL1から大きく低下したt2の時点でバックグラウンドの光量による電流値として取り込み、前者から後者を差し引いて受光電流値Iとする。
【0038】ただし、実際の走査レーザビームは位置検出対象でもあるために動いているので、レーザビーム位置とレーザパワー差との特性を正確に測定することは難しい。ポリゴンスキャナ7の場合に実際にレーザビーム位置のずれの様子を観察してみると、その成分は1回転ごとに生ずる成分と、長い時間にかかわる成分とがある。1回転成分は多面鏡71の加工精度によるもので、通常はサインカーブのように1回転で極大,極小を持つ形となっており、長期成分についてはベアリング軸受けの場合にはボールの転がりやグリスの移動があり、空気軸受けの場合には加工不均一による首振り運動が考えられる。上記の状況で1回転成分については、最大値および最小値を除くことによって走査レーザビーム位置とレーザパワー差との特性のバラツキは軽減され、さらにこの値を平均することで繰り返し特性の良いレーザビーム位置とレーザパワー差との特性が得られるようになる。詳しくは、CPU21は、多面鏡71の回転に伴って多面鏡71の各周面により8回の走査が行われ、図8に示すように、1回転につき8つの受光電流値が測定結果として得られるので、測定結果中の最大および最小の測定結果を除いて平均した値を受光電流値Iとする。
【0039】次に、このように構成された第1の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置の動作について説明する。
【0040】(1) 特性テーブルの作成処理【0041】ここでは、センサユニット1を300μmの範囲で1μm単位で移動して特性テーブルを作成する場合を例にとって説明する。
【0042】レーザ光源ユニット6から出射されたレーザビームは、ポリゴンスキャナ7の多面鏡71の1周面にて反射され、多面鏡71の電動モータ72による回転に伴って走査レーザビームとされる。
【0043】走査レーザビームは、シリンダレンズ11にて測定範囲に応じたビーム径に変換され、ナイフエッジプリズム12に入射されて、ナイフエッジプリズム12の直角稜によって2つに分割される。分割された2つの走査レーザビームは、拡散板14a,14bで光電子増倍型受光素子で影響の出ない約50μm以上のビーム径に拡大されてから受光センサ15a,15bにそれぞれ入射される。
【0044】この状態から、CPU21は、コントローラ18を介して電動ステージ2を駆動して、センサユニット1をレーザビーム中心に移動する(ステップS101)。詳しくは、走査レーザビームの中心とナイフエッジプリズム12の直角稜とが一致して、受光センサ15aから得られる受光電流値Iと受光センサ15bから得られる受光電流値Iとが等しくなる位置にセンサユニット1を移動する。
【0045】次に、CPU21は、コントローラ18を介して電動ステージ2を再び駆動して、センサユニット1を走査レーザビームの中心から下方に150μm(すなわち、−150μm)移動する(ステップS102)。
【0046】続いて、CPU21は、カウンタn(初期値0)を1つインクリメントし(ステップS103)、受光センサ15a,15bからの受光電流値Ian,Ibnをアンプ16a,16bおよび高速A/D変換器17a,17bを通じて収集する(ステップS104)。
【0047】次に、CPU21は、コントローラ19を介してリニアスケール3の位置Lを収集する(ステップS105)。
【0048】続いて、CPU21は、リニアスケール3の位置Lと、レーザパワー差W=(Ian−Ibn)/(Ian+Ibn)とを特性テーブルのn番目のエントリに転送する(ステップS106)。
【0049】次に、CPU21は、コントローラ18を介して電動ステージ2を上方に1μm(+1μm)移動し(ステップS107)、n=300かどうかを判定する(ステップS108)。カウンタnが300でなければ、CPU21は、ステップ103に制御を戻して、ステップS103〜S108を繰り返し、カウンタnが300になると処理を終了する。
【0050】以上の結果、CPU21内のメモリ上には、特性テーブルが完成する。この特性テーブルは、以降の走査レーザビーム位置の検出処理に利用される。
【0051】(2) 走査レーザビーム位置の検出処理【0052】レーザ光源ユニット6から出射されたレーザビームがポリゴンスキャナ7で反射されて走査レーザビームとして入射されている状態から、CPU21は、受光センサ15a,15bからの受光電流値I,Iをアンプ16a,16bおよび高速A/D変換器17a,17bを通じて収集し(ステップS201)、レーザパワー差W=(I−I)/(I+I)を算出する(ステップS202)。
【0053】次に、CPU21は、レーザパワー差Wを特性テーブルの各エントリのレーザパワー差W〜W300と大小比較し、W<W<Wn+1のエントリを検索する(ステップS203)。
【0054】W<W<Wn+1のエントリが検索されると、CPU21は、エントリ内ウェイト値η=(W−W)/(Wn+1―W)を計算する(ステップS204)。
【0055】最後に、CPU21は、特性テーブル内のリニアスケール位置L,Ln+1に対してウェイト値ηを加味(補間)した走査レーザビーム位置L=L+η(Ln+1−L)を算出する(ステップS205)。
【0056】このように、第1の実施の形態によれば、位置検出対象の走査レーザビームを実際に用いて特性テーブルを事前に作成し、位置検出時には特性テーブルを参照して走査レーザビーム位置を検出するようにしたので、走査レーザビームの位置を正確に検出することができる。
【0057】また、センサユニット1をリニアスケール3を備える電動ステージ2上に配置するようにしたので、センサユニット位置とレーザパワー差との特性テーブルをμm単位で作成することができるとともに、走査レーザビーム位置を特性テーブルを参照して補間することで算出するようにしたので、きわめて精度の高い走査レーザビームの位置検出を行うことができる。
【0058】さらに、ナイフエッジプリズム12の入射側にシリンダレンズ11を配置したので、走査レーザビームのビーム径が拡大され、走査レーザビームのビーム径によって測定範囲が制限されるという問題が解消される。
【0059】さらにまた、ナイフエッジプリズム12と受光センサ15a,15bとの間に拡散板14a,14bを配置したので、受光センサ15a,15bとして用いられる光電子増倍型受光素子があまり小さなビームが入射すると応答特性が悪くなるという問題が解消される。
【0060】また、リニアスケール位置とレーザパワー差との特性テーブルの作成時にポリゴンスキャナにおいて1回転分の測定結果から最大値および最小値を除いた測定結果の平均値を所定ピッチずつ移動した場合の測定結果とするようにしたので、走査レーザビーム位置とレーザパワー差との特性のバラツキが軽減され、さらにこの値を平均することで繰り返し特性の良いレーザビーム位置とレーザパワー差との特性が得られることになる。
【0061】次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
【0062】図9(a),(b),および(c)は、本発明の第2の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置におけるセンサユニット1’の光学系を示す側面図,正面図,および上面図である。このセンサユニット1’の光学系は、第1の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置におけるセンサユニット1の光学系に対して、ナイフエッジプリズム12と拡散板14a,14bとの間に、シリンダレンズ13a,13bを追加するようにしたものである。
【0063】シリンダレンズ13a,13bは、走査レーザビームの光学系への入射角度による位置変化を補償するために、図9(b)に示すように、曲率面をナイフエッジプリズム12側に向けて水平に配置されている。これらシリンダレンズ13a,13bは、ロッドレンズ等の他のアナモルフィック光学素子であってもよい。
【0064】なお、特に言及しないその他の部材等は、第1の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置における対応する部材等と同様に構成されて同様に配置されているので、それらの詳しい説明を割愛する。
【0065】このように構成された第2の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置によれば、図9(b)および(c)に示すように、シリンダレンズ13a,13bが走査レーザビームの走査面内での光軸の振れを補正して走査レーザビームを受光センサ15a,15bに入射させるので、第1の実施の形態に係る走査レーザビーム位置検出装置に比べて、さらに走査レーザビームの入射角度による位置変化を補償することができるという利点がある。
【0066】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、位置検出対象の走査レーザビームを実際に用いて特性テーブルを事前に作成し、位置検出時には特性テーブルを参照して走査レーザビーム位置を検出するようにしたので、走査レーザビームの位置を正確に検出することができる効果がある。
【0067】また、光電子増倍型受光素子を含むセンサユニットをリニアスケールを備える電動ステージ上に配置するようにしたので、高速の走査レーザビームについてセンサユニット位置とレーザパワー差との特性テーブルを精密に作成して、高速の走査レーザビームの位置を正確に検出することができるという効果がある。
【出願人】 【識別番号】595036194
【氏名又は名称】ライン電子株式会社
【出願日】 平成11年7月1日(1999.7.1)
【代理人】 【識別番号】100088890
【弁理士】
【氏名又は名称】河原 純一
【公開番号】 特開2001−12902(P2001−12902A)
【公開日】 平成13年1月19日(2001.1.19)
【出願番号】 特願平11−187221