走査位置測定装置

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【発明の名称】	走査位置測定装置
【発明者】	【氏名】上田健
【要約】	【課題】装置の構成上不可避的に取り込まれるノイズによる測定結果の揺らぎを防止し高精度な走査位置測定装置を提供する。【解決手段】走査光学系の被走査面上にラインセンサ１１を有する受光装置５と、該受光装置５を所望の主走査位置へ配備するガイド８等からなるセンサ配備手段と、上記ラインセンサ１１への受光処理によって出力される光強度に基づいて走査される光スポットの副走査方向における光重心位置を演算する制御演算手段と、を有し、該制御演算手段は、所望の測定ポイントに配備した受光装置に対し複数回の受光処理を行って光強度の平均値を求め、該平均化された光強度データから重心位置を演算する構成である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】レーザ光束を被走査面上に光スポットとして集光し該光スポットを走査する走査光学系の、上記被走査面における光スポットの副走査位置を測定する測定装置であって、上記被走査面上の少なくとも副走査方向に光強度の検出分解能を形成するように画素列を備えた受光装置と、該受光装置の受光面を光スポットの移動軌跡上であって被走査面上の所望の主走査位置へ配備するためのセンサ配備手段と、上記受光装置に光スポットを走査して受光処理を行うとともに、該受光装置の画素列から出力される光強度に基づいて光スポットの副走査方向の光重心位置を演算する制御演算手段と、を有し、該制御演算手段は、同一の主走査位置に位置する同一の受光装置に対し複数回の上記受光処理を行うとともに、これら複数回の受光処理につき出力された光強度の平均値を求め、該平均化された光強度に基づき光スポットの光重心位置を演算することを特徴とする走査位置測定装置。
【請求項２】上記制御演算手段は、上記センサ配備手段により受光装置を主走査位置の少なくとも３箇所に順次変位させ、各箇所にて受光装置に対し上記複数回の受光処理を行うことを特徴とする請求項１記載の走査位置測定装置。
【請求項３】上記制御演算手段は、上記受光装置の各画素から出力される光強度に対して所定の閾値を設定することにより、該所定の閾値以上の光強度に基づいて光重心位置を演算することを特徴とする請求項１又は２記載の走査位置測定装置。
【請求項４】上記制御演算手段は、上記所定の閾値以上である光強度からその閾値分を差し引き、該差し引いた後の光強度に基づいて光重心位置を演算することを特徴とする請求項３記載の走査位置測定装置。
【請求項５】上記制御演算手段は、上記閾値に一定の下限を設けるとともに上記画素列から出力される光強度分布のピーク値に比例する閾値を設定可能としたことを特徴とする請求項３又は４記載の走査位置測定装置。
【請求項６】上記制御演算手段は、上記閾値を差し引いた後の光強度分布にピークが２以上あるときは、光強度分布の面積が大きい方のピークのみに基づいて光重心位置を演算することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の走査位置測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ走査により静電画像の書込又は読み取りを行う走査光学系の、被走査面上におけるレーザ走査位置を測定する測定装置に関し、特にＣＣＤ等の受光素子から出力される光強度分布から光重心位置を求める測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ走査により静電画像の書き込み等を行う走査光学系には、レーザプリンタやデジタル複写機といった各種の画像形成装置に関し広く知られており、これらは一般に、ポリゴンミラーとｆθレンズなどの組み合わせによりレーザ光束を被走査面上に光スポットとして集光させ偏向走査するものである。特に近年、走査光学系による走査の「高密度化やマルチビーム化」が意図され、光スポットの走査位置等の計測には、より高精度・自動化が要求されるようになってきている。
【０００３】この種の走査光学系は、光源から出射されたレーザ光束をポリゴンミラーで反射させｆθレンズを介して感光体ドラム等の上にほぼスポット状に結像させ、上記ポリゴンミラーの回転によりこの光スポットを走査させることにより原稿の静電画像を感光体上に形成する。この光スポットの走査位置を測定する場合、感光体面と等価な被走査面が測定面となる。すなわち、ここで言う「被走査面」は仮想的な平面であり、実体的には光導電性の感光体の感光面である。また、走査される光スポットの理想的な移動方向を主走査方向と呼び、その主走査方向に直交する方向を副走査方向と呼ぶことは周知の通りである。また、その光スポットの被走査面上の軌道を「主走査ライン」と呼ぶ。この主走査ラインは正確な直線であることが理想であるが、実際には種々の要因で厳密には直線にならず、僅かな曲がりが生じる。例えばｆθレンズがたわんでいると走査線が曲がり、このような曲がった走査線では最終的に形成される原稿の画像に歪みが生じることとなる。したがって、走査光学系の走査する光スポットの副走査位置を特定し、走査線の曲がり等を正確に評価することが必要なのである。
【０００４】従来、走査線の曲がり等を評価するために、被走査面上にＣＣＤ等の受光装置を配置し、受光処理により電荷を蓄電した画素からの光情報信号を用いて光スポット位置を検出していた。また、ＣＣＤの画素ピッチ以上の位置精度を得るために、画素からの出力される光強度を用いて重心を計算する測定技術を提供している（例えば、特開平１１－２３０８５８号）。
【０００５】しかし、上記のようにＣＣＤ等のセンサ手段を用いた光強度の検知においては、レーザ発光電流のゆらぎや、フレア光の入射などの外乱があり、さらにはＣＣＤ自体の持つ雑音、ＣＣＤからコンピュータの演算手段へ至る間に入り込む電気的ノイズ等がある。したがって、このような要因によって受光処理毎に測定結果の揺らぎが生じるといった問題が不可避であった。
【０００６】そこで、本発明の目的は、測定装置の構成上不可避なノイズに起因する測定結果の揺らぎの問題を解消し、さらに高精度な走査位置測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明の走査位置測定装置は、レーザ光束を被走査面上に光スポットとして集光し該光スポットを走査する走査光学系の、上記被走査面における光スポットの副走査位置を測定する測定装置であって、上記被走査面上の少なくとも副走査方向に光強度の検出分解能を形成するように画素列を備えた受光装置と、該受光装置の受光面を光スポットの移動軌跡上であって被走査面上の所望の主走査位置へ配備するためのセンサ配備手段と、上記受光装置に光スポットを走査して受光処理を行うとともに、該受光装置の画素列から出力される光強度に基づいて光スポットの副走査方向の光重心位置を演算する制御演算手段と、を有し、該制御演算手段は、同一の主走査位置に位置する同一の受光装置に対し複数回の上記受光処理を行うとともに、これら複数回の受光処理につき出力された光強度の平均値を求め、該平均化された光強度に基づき光スポットの光重心位置を演算する構成を特徴としている。なお、上記受光処理とは、所望の主走査位置に受光装置を配備して光スポットを走査し、その画素列に光スポットを受光させる制御のことをいう。
【０００８】また、上記制御演算手段は、上記センサ配備手段により受光装置を主走査位置の少なくとも３箇所に順次変位させ、各箇所にて受光装置に対し上記複数回の受光処理を行う構成とすることができる。
【０００９】また、上記制御演算手段は、上記受光装置の各画素から出力される光強度に対して所定の閾値を設定することにより、該所定の閾値以上の光強度に基づいて光重心位置を演算する構成とするよい。この構成では、さらに上記制御演算手段は、上記所定の閾値以上である光強度からその閾値分を差し引き、該差し引いた後の光強度に基づいて光重心位置を演算するとしてもよい。
【００１０】さらに、上記制御演算手段は、上記閾値に一定の下限を設けるとともに上記画素列から出力される光強度分布のピーク値に比例する閾値を設定可能とした構成が望ましい。
【００１１】さらに、上記制御演算手段は、上記閾値を差し引いた後の光強度分布にピークが２以上あるときは、光強度分布の面積が大きい方のピークのみに基づいて光重心位置を演算する構成とすることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。図1は、本実施例の走査位置測定装置の構成を示す図である。同図において光源部１、シリンドリカルレンズ２、回転多面鏡３及びｆθレンズ４は、この走査光学系の要部を構成する。光源部１は半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光束を以後の光学系にカップリングするカップリングレンズと、により構成される。カップリングレンズは、該半導体レーザからの発散性のレーザ光束を「平行光束」とすることも「弱い発散性もしくは弱い集束性光束」とすることもできる。ここではカップリングレンズからは平行光束化されたレーザ光束が射出するものとして説明する。
【００１３】上記光源部１のカップリングレンズから射出した平行なレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２により光源から測定面に至る光路上で副走査方向に対応する方向（図1で図面に直交する方向）にのみ集束され、これは光偏向器である回転多面鏡３の偏向反射面近傍では、主走査対応方向（光源から測定面に至る光路上で主走査方向に対応する方向）に長い線像として結像する。この回転多面鏡３の偏向反射面により反射されたレーザ光束は、回転多面鏡３の回転により等角速度的に偏向されて走査結像光学系としてのｆθレンズ４に入射し、同レンズ４の作用により測定面上に光スポットとして集光されるとともに、被走査面としての測定面を走査する。受光装置５は、ガイド８に沿って図の左右方向に変位可能に設けられている。ガイド８の長手方向は「主走査方向に平行」である。受光装置５は光スポットを受光するラインセンサ１１を有する。
【００１４】図１において、測定面は図示されないが、これは走査光学系が実際に画像形成装置内で走査を行うときの被走査面と等価な位置に設定されるもので、図面に直交する平面である。すなわち、図１における受光装置５がガイド８で案内され主走査領域の一端から他端に変位するとき、上記ラインセンサ１１の受光面により掃引される平面が「測定面」となる。
【００１５】受光装置５は、ＣＣＤ等の画素がアレイ状に並んだラインセンサ１１の画素配列方向を紙面に対して略垂直方向（副走査方向）にして有し、副走査方向に並ぶ画素ピッチレベルで光強度の検出分解能を形成するものである。この受光装置５は、図１に実線で示す位置（左端の位置）と、破線で示す位置（右端の位置）との間、つまり主走査領域で変位可能であり、且つ走査領域の任意の位置に停止可能で、これによりラインセンサを「所望の主走査位置」に位置させることができる。上記ガイド８は、この実施例において「螺子棒」であって受光装置５と螺合されており、正逆回転可能なステッピングモータＳＭでガイド８を回転させることにより、受光装置５をガイド８の長手方向、即ち主走査方向に変位させる。こうして本実施例では螺子棒であるガイド８とステッピングモータＳＭとが、一の受光装置５を所望の主走査位置に配備するセンサ配備手段を構成している。
【００１６】コンピュータ７には、受光処理に必要な各種動作（受光装置５の変位等）や演算処理内容がプログラムされており、これが制御演算手段を構成している。つまり、コンピュータ７は画像入力ボード６やステッピングモータＳＭの動作を制御し、主走査領域内に割り振った所望の測定ポイントにラインセンサ１１を移動して配備し、上記光学系の光スポット走査により、各箇所にてラインセンサ１１へ受光させ、また、走査位置を測定するために必要な他の制御を実行する。
【００１７】図２から図９に示される各データは、上記ラインセンサ１１への受光処理によって計測される光強度分布に関するものである。これらの図において、縦軸は光強度レベル、横軸はラインセンサ１１の画素列方向である。上記光スポットによる走査でラインセンサ１１の各画素に蓄積される電荷の情報は、画像入力ボード６により取り出され、受光情報信号としてコンピュータ７に入力される。本実施例のように副走査方向に各画素（受光エレメント）の並ぶラインセンサ１１では、この副走査方向を横軸に取り、その各画素位置における各光強度レベルを縦軸に取ると、光スポットの受光情報は図に示すような「釣り鐘型」の光強度分布として出力されるのである。そして、コンピュータ７では、そのような受光情報信号に基づいて、光スポットの走査位置を決定するのに必要な、下記の平均化、閾値処理、ピーク選択等の演算を実行するようになっている。
【００１８】つぎに本実施例における走査位置を測定するためのフローを説明する。コンピュータ７からの命令により、ステッピングモータＳＭを駆動し、ガイド８を回転させ受光装置５を所望の主走査位置へ移動する。ラインセンサ１１の各画素に蓄積された電荷の情報を画像入力ボード６により取り出してコンピュータ７に受光情報信号として渡すが、本発明に係わるコンピュータ７では、ある一の測定ポイントに配備された受光装置５に対し、この受光装置５を移動せずにほぼ同一の条件下で複数の走査、すなわち複数回の受光処理が行われる。この一の受光装置５に対する複数の受光処理によりコンピュータ７には走査毎の受光情報信号が格納される。
【００１９】また、主走査領域に複数箇所の測定ポイントをおいた場合、例えば測定ポイントが３箇所であれば、受光装置５の位置を制御し３箇所へ順次に配備することとなるが、受光処理は各々の箇所に停止した受光装置５に繰り返されるような制御のプログラムがコンピュータ７により実行される。なお、本実施例の受光装置５の配備はステッピングモータＳＭによるが、これによらず手動としてもよいし、予め測定する箇所に同様な構成の受光装置５を複数設置してもよい。以下では、コンピュータ７に取り込まれた受光情報信号の演算処理を中心に説明し、また、上記のように測定ポイントが複数であっても各箇所における演算処理は同様のフローでよいため、本発明に係わる演算処理はある任意の一の測定ポイントで取り込まれた情報に対する処理として説明する。
【００２０】特定の測定ポイントに配備した受光装置５に受光処理を２回行うと、例えば図２及び図３のような光強度分布が得られる。本来ほぼ一定の条件下で受光処理するならば、各回とも同じ形状のピークが出現するのが理想ではあるが、これらの図を比較すれば判るように、実際にはフレア光や電気的処理等に起因する何らかのノイズを含むため各データ間で検出光強度の揺らぎが生じる。このゆらぎの影響は、比較的僅かではあるがピーク形状に変形を引き起こすのである。このような各受光処理毎に異なる一時的なノイズを含んだ受光情報信号をそのまま用いて光重心を計算すれば、計測する度に重心位置の値が異なってくる。そこで、コンピュータ７は、特定の測定ポイントに配備した受光装置５に対し、任意な回数の受光処理を繰り返し、各計測ごとに出力される光強度を積算する。ついでこの積算値を受光回数（光強度信号の取り込み回数）で割って、その受光位置における光強度の平均値を求めるといった平均化処理を行う。
【００２１】図４は、上記２回分の計測結果を平均化して得られた光強度分布である。図４に示すように、図２と図３の光強度分布につき平均化を行うと、各回のピークに含まれていたノイズは低減され、その光強度分布の形状はなめらかな山となる。特に中央のピーク値を挟んで図中の左右方向（副走査方向）にほぼ対称な形状が得られる。そして、この平均化処理によって整えられた光強度分布に基づいて、公知の光重心位置の計算を行う。これにより光重心位置の測定精度が向上するのである。なお、平均化のための受光回数は、その測定に要求される所望の測定精度を達成可能な回数とし、任意に設定すればよい。以上説明した平均化処理により光強度の揺れは相殺される傾向にあるが、さらに下記のようなノイズ除去処理が行ってから重心計算を行うと、より測定精度の向上を図ることができる。
【００２２】図５から図９は、このノイズ除去処理を説明するための図である。図４及び図５中には、平均化光強度分布に対して設定された閾値が示されている。ここで閾値とは、演算に用いる光強度データを選択するための条件値で、コンピュータ７は、その閾値を超える光強度を出力する画素についてのみ光重心を計算する。これによりフレア光やＣＣＤの暗電流等のノイズを含む裾部分をカットする。図５は閾値を超えた光強度のみが取り出された分布である。
【００２３】また、この閾値には一定の下限を設け、この一定値を下回らないことを条件に光強度のピーク値に比例した値としている。これにより光量・光強度レベルに応じて安定した精度が得られる。本実施例の閾値はピーク値の１／３としており、例えば、図中のピーク光強度はレベル２１１なので、このときの閾値はレベル７０となる。一方、ピーク光強度が低いときでもその下限を設けることによってノイズカット効果を維持するのである。つまりピーク値がレベル１５０を下回っても、閾値には強制的に一定の値、例えばレベル５０を設定するのである。
【００２４】つぎに、閾値分の差し引き処理を説明する。図６は、ピークの裾部分に閾値を少し超えたノイズが含まれた光強度分布である。このように閾値近傍レベルにある画素位置では、ちょっとしたノイズでもって閾値を超え、取り込まれてしまう。この肩部分にあるノイズの取り込みで重心位置が変動を起こす。そこで、図７に示すように、閾値を超えて演算に用いられるレベルの光強度からその閾値分を減算しカットする。こうして当初の裾部分に存在していた閾値レベル近傍の光強度は、その閾値分が差し引かれると、図７のハッチング部分となり、ノイズを含む部分は極めて小さな光強度となる。これにより全体としては重心位置の変動が抑制される。因みに本実施例では、図４の平均化分布の光重心は１１．０でありこの理想的な分布では上記のノイズ除去を行ってもその重心位置は１１．０である。これに対して、図６の光強度分布においては、閾値減算処理を行ったときの重心位置は１１．０であるが、本処理を行わないと１１．６となってしまい重心位置の変動が大きい。
【００２５】つぎに、図８のような測定対象のピークとは別のピークを生じるような比較的大きなノイズが含まれる場合はどうであろうか。この場合は、上述の閾値設定及び閾値分の減算処理を行っても、図９のハッチングで示されるように光重心位置に影響を与えるノイズピークが残ってしまうので、ピークの選択処理を行う。すなわち、コンピュータ７では、上記閾値減算後の分布に飛び値があると判断したとき、つまり２以上のピークが存在するときは双方の光強度を積分し面積を求める。この各ピークについての光強度面積を比較し、面積の大きい方を測定対象の主ピークといえる光強度分布と判定する。こうして特定した主ピークのみに基づいて演算処理を行うので、ノイズのない場合と同様の結果が得られる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る制御演算手段は、同一の主走査位置に位置する同一の受光装置に対し複数回の受光処理を行うとともに、これら複数回の受光処理につき出力された光強度の平均値を求め、該平均化された光強度に基づき光スポットの光重心位置を演算する構成なので、外乱等の影響により各回の受光処理間で生じる光強度の揺らぎを原因とした走査位置測定値の変動を抑えるので、測定精度の高い走査位置測定装置を提供できる。
【００２７】また、上記制御演算手段は、上記センサ配備手段により受光装置５を主走査位置の少なくとも３箇所に順次変位させ、各箇所にて受光装置５に対し上記複数回の受光処理を行う構成によれば、主走査方向の少なくとも３箇所の測定ポイントで走査位置測定を行う場合に、各箇所毎における走査位置測定値の変動が抑えられ、測定精度の高い走査位置測定装置を提供できる。
【００２８】また、上記制御演算手段は、上記受光装置５の各画素から出力される光強度に対して所定の閾値を設定することにより、該所定の閾値以上の光強度に基づいて光重心位置を演算する構成によれば、フレア光や受光装置の暗電流等に起因するような低レベル信号をカットし、フレア光や受光装置の暗電流等による走査位置測定値の変動を抑えるので、測定精度の高い走査位置測定装置を提供できる。
【００２９】また、上記制御演算手段は、上記所定の閾値以上である光強度からその閾値分を差し引き、該差し引いた後の光強度に基づいて光重心位置を演算する構成によれば、フレア光等に起因して閾値を超える光強度変動があっても、当該閾値レベル近傍の光強度からそのまま閾値分が差し引かれるので、走査位置測定値の変動を抑え測定精度の高い走査位置測定装置を提供できる。
【００３０】また、上記制御演算手段は、上記閾値に一定の下限を設けるとともに上記画素列から出力される光強度分布のピーク値に比例する閾値を設定可能とした構成によれば、閾値の設定に下限を設けて測定値変動の抑制効果を確保するとともに、ピーク値に比例する閾値を設定することにより、受光する光量・光強度レベルに関係なく、常に好ましいレベルの光強度信号を演算に用いるので、測定精度の高い走査位置測定装置を提供できる。
【００３１】また、上記制御演算手段は、上記閾値を差し引いた後の光強度分布にピークが２以上あるときは、光強度分布の面積が大きい方のピークのみに基づいて光重心位置を演算する構成によれば、測定すべき光強度分布としての主ピーク以外に他のピークが生じるようなノイズによる走査位置測定値の変動を抑えるので、ノイズに強く、測定精度の高い走査位置測定装置を提供できる。

【出願人】	【識別番号】０００００６７４７【氏名又は名称】株式会社リコー
【出願日】	平成１１年１２月２０日（１９９９．１２．２０）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－１７４２１６（Ｐ２００１－１７４２１６Ａ）
【公開日】	平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】	特願平１１－３６１６４８