JP2001223413A

JP2001223413A - コリメート測定装置及び測定方法

Info

Publication number: JP2001223413A
Application number: JP2000034241A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Oguma; 信夫小熊
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザの焦点位置を高精度に検出可能なコリ
メート測定装置を提供する。【解決手段】本発明は、コリメート手段２ｂを備えた
光源ユニット２からの出射レーザを集光レンズ系３を介
して集光し、該レーザＬの焦点位置前後に離間した光軸
位置の各々に、異なる幅の遮光片１４，１５を繰り出し
断続的に遮光を行う。遮光されるレーザＬは光センサ５
で受光し、該光センサ５からの出力をオシロスコープ７
により計測し、マイクロコンピュータ８が、各計測値を
光軸位置別に分離し積算して比較可能とした構成であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザの焦点位置
につき、ずれ方向を含めて精度良く検出可能なコリメー
ト測定装置及び測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】複写機等に組み込まれる光走査装置で
は、さらなる画質向上を図るためにレーザビーム（以
下、レーザと称する）の高密度化が進み、このためレー
ザの被走査面における焦点深度が極めて浅くなってきて
いる。レーザの集光状態の調整は、例えばコリメートレ
ンズ等の光学素子の位置調整に依るところであるが、レ
ーザを所望の被走査面（或いはこの面に同等な被測定
面）へ合焦させるには、その焦点位置について、要求さ
れる合焦位置からの「ずれ」の方向も含めた正確な集光
状態の測定が必要とされる。

【０００３】従来では、上記レーザの集光状態の測定に
関して、特開平４−１５５３０４号に示される焦点位置
検出装置のように、ナイフエッジ法を用いたものが提案
されている。図１０にそのナイフエッジ法による焦点位
置の測定手段を示す。このものは、主走査方向に走査さ
れるレーザＬの焦点位置Ｏを被測定面１６に合わせるた
めに、走査レーザを検知するものである。被走査面１６
の延長線上、つまり理想的な合焦位置から光軸方向の前
後に離間した第１のナイフエッジ１７と第２のナイフエ
ッジ１８が設けられ、双方のエッジ間は主走査方向でレ
ーザ径以上に離間している。この一対のナイフエッジ１
７，１８の後方に光センサ５が設けられている。レーザ
Ｌは主走査方向へ角度偏向されエッジ間を走査する。こ
のときの光センサ５からの出力が増幅され、この出力は
図示しない演算手段に取り込まれる。一回の走査による
光センサ５からの出力電位は、経時的には図１１（ａ）
の出力波形として捉えることができる。この波形の立ち
上がりは、第２のナイフエッジ１８からレーザが入射す
る段階に生じ、立ち下がりは第１のナイフエッジ１７に
より遮光される段階に生じるものである。

【０００４】図１１に示すように、光センサ５の出力波
形を微分する。この微分値波形において、入射段階に生
じるピークは第２のナイフエッジ１８の位置におけるレ
ーザの強度分布に相当し、また、入射状態から遮光され
る段階のピークは第１のナイフエッジ１７の位置におけ
る強度分布に相当する。ここで極性は異なっても、２つ
の微分値波形が同一であれば、各々の光軸位置における
ビーム径も等しいという結果を得ることができる。した
がって、図１１の例では、第２のナイフエッジ１８を走
査する際のピークが、第１のナイフエッジ１７を走査す
る際のピークよりも大であるから、この場合、レーザＬ
の焦点位置は、第１のナイフエッジ１７側に寄ってい
る。すなわち後ピント状態であることがわかる。こうし
て焦点位置を「ずれ方向」も含めて判定するので、レー
ザＬの良好な焦点調整がなされるといった具合である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の測定手段では、つぎのような点を解決することがで
きない。まず、検知対象であるレーザＬが移動する、つ
まりエッジ間を走査する構成でなければならない。一般
に光走査装置等では光偏向手段を介して出射レーザを走
査するが、例えば、光源ユニットのコリメートレンズ調
整を目的として、光偏向手段を介さずに出射光を測定す
るようなコリメート測定には適用することができない。

【０００６】また、上述のナイフエッジ法では、微分値
のピークを比較して焦点位置のずれ量や方向を判定する
が、レーザＬの集光状態が良くなると比較すべきピーク
が互いに同一波形へ近づき、近づくほどにレンズ調整に
とって有意なデータが検出されなくなる。このような場
合、多数回の計測値につき積算処理することによって、
さらに高精度な測定を達成することが望まれる。上述の
ナイフエッジ法等では、多数回の計測やその演算処理に
不向きな構成である。

【０００７】そこで、本発明の第１の目的は、上記コリ
メート手段からの出射されたレーザの集光状態、特にコ
リメート手段による調整方向も含めて焦点位置を測定可
能なコリメート測定装置及び測定方法を提供することに
ある。

【０００８】また、本発明の第２の目的は、レーザの集
光状態が良い場合でも焦点位置を演算可能で高精度な測
定を達成でき、さらには、そのレーザの主走査方向や副
走査方向を含めた種々の方向についての集光状態を測定
できるコリメート測定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のコリメート測定装置は、光源及びコリメー
ト手段からなる光源ユニット、及び該光源ユニットから
の出射レーザを集光させる集光レンズ系を載置する測定
台と、上記レーザの焦点位置から互いに離間した複数の
光軸位置へ駆動される複数のスリット又は遮光片と、上
記複数の光軸位置各々を通る各軌道上へスリット又は遮
光片を並べて回転させ、レーザを各光軸位置でほぼ交互
に射出又は遮光する回転手段と、該回転手段を介して入
射したレーザを受光する光センサと、該光センサからの
出力を上記複数の光軸位置間につき比較することにより
レーザの集光状態を演算する演算手段と、を有すること
を第１の特徴としている。

【００１０】また、本発明のコリメート測定装置におい
て、上記各スリット又は遮光片は、駆動される光軸位置
別にスリット幅又は遮光幅が異なる構成としたことを第
２の特徴としている。

【００１１】また、上記コリメート測定装置において好
適には、上記演算手段は、上記光センサの受光量を計測
するデジタルオシロスコープを介して、上記光センサの
出力を取り込むようにした構成である。

【００１２】また、上記回転手段は、上記レーザの光軸
を中心にその回転軸を回動可能とした構成が望ましい。

【００１３】本発明の測定方法は、光源からの出射レー
ザをコリメート手段及び集光レンズ系を介して集光し、
該レーザの理想焦点位置から互いに離間した複数の光軸
位置へ、光軸位置別に異なる幅のスリット又は遮光片を
駆動して断続的な入射又は遮光を行い、入射又は遮光さ
れるレーザを光センサで受光し、該光センサからの出力
をデジタルオシロスコープにより計測し、該計測して得
られる出力波形を演算手段に取り込むとともに、各出力
波形の計測値を光軸位置別に分離して積算し、積算され
た計測値を光軸位置間にて比較することによりレーザの
集光状態を測定することを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を適
用したコリメート測定装置の実施例を説明する。図１
は、本実施例のコリメート測定装置の全体構成図であ
る。このコリメート測定装置の構成の概略は、測定台１
と、この上に載置する光源ユニット２及び集光レンズ系
３と、レーザＬを断続的に遮光する回転手段としての回
転板４と、回転板４を介してレーザＬを受光する光セン
サ５と、回転板４を支持するハウジング６と、光センサ
５に接続されたデジタルオシロスコープ７と、デジタル
オシロスコープ７に接続さた演算手段としてのマイクロ
コンピュータ８等とからなっている。測定台１とハウジ
ング６は定盤９上に保持されている。

【００１５】上記光源ユニット２は、フォトダイオード
等を用いた光源２ａと、カップリングレンズ２ｂとから
なり、カップリングレンズ２ｂは光源２ａから出射され
拡散するレーザを平行光束に変換するためのコリメート
手段を構成している。光源ユニット２は、測定台１上の
所定の位置に設置され、光源２ａは電源１０に接続され
発光が制御される。光源ユニット２から平行光束となっ
て出射されたレーザＬは、測定台１上の規定位置に設置
された集光レンズ系３を介して焦点位置Ｏに集光するよ
うになっている。

【００１６】上記ハウジング６にはアーム１１が支持さ
れている。アーム１１はレーザＬの光軸Ｘを中心に回動
自在に支持され、その回動を駆動するモータ部はモータ
ドライバ１３を介してマイクロコンピュータ８に接続さ
れている。また、上記アーム１１の先端側に回転板４が
支持されている、回転板４は、その回転軸Ｐを中心に回
転モータ部１２を介して支持され、この回転モータ部１
２はモータドライバ１３を介してマイクロコンピュータ
８に接続されている。こうして回転板４は、マイクロコ
ンピュータ８の制御信号によって、回転軸Ｐにて回転駆
動されるとともに、さらに、その回転軸Ｐの光軸Ｘを中
心にした回動によって位置制御されるようになってい
る。

【００１７】図１において、レーザＬの光軸Ｘと、回転
板４の回転軸Ｐとは平行で、回転軸Ｐから光軸Ｘまでの
距離Ｙは、アーム１１が回動しても常に一定である。距
離Ｙは、回転板４の半径長より短く、この距離Ｙに遮光
片の回転軌道が形成される。そして、光軸位置の異なる
回転板４の各側壁、すなわち肉厚方向における両端各々
の軌道上に、第１の遮光片１４と、第２の遮光片１５と
が設けられている。第１の遮光片１４は、焦点位置Ｏか
ら入射側寄りの光軸位置へ駆動されレーザＬの後ピント
位置を遮光するように、また、第２の遮光片１５は、焦
点位置Ｏから射出側寄りの光軸位置へ駆動されレーザＬ
の前ピント位置を遮光するようになっている。この実施
例では、第１の遮光片１４及び第２の遮光片１５による
２つの遮光地点の中央位置が理想焦点位置に設定されて
いる。

【００１８】上記光センサ５は、入射光量に応じて起電
力を生じるフォトダイオード等の素子が用いられる。こ
の光センサ５は、入射されるスポット径以上の受光面を
もち、回転板４の後方へ配置される。図示の例では、ア
ーム１１の基端部へ設置され、その受光面は光軸Ｘに垂
直で且つ回転対称な領域である。上記光センサ５は、デ
ジタルオシロスコープに接続されており、レーザＬの入
射による瞬時の電圧変化につき出力波形がモニタされる
ようになっている。このデジタルオシロスコープ７には
マイクロコンピュータ８が接続され、マイクロコンピュ
ータ８がデジタルオシロスコープ７から出力波形を取り
込むとともに後述の集光位置検出の演算処理を行う。こ
のためマイクロコンピュータ８は、回転板４等の駆動制
御、及び集光位置検出等の演算に必要なプログラムを有
している。

【００１９】図２は、図１の回転板４をＡ方向から見た
正面図で、図３はこの回転板４の光軸Ｘを中心とした回
動動作を示す正面図である。図４は、図３の遮光片１
４，１５近傍の拡大図である。

【００２０】これらの図に示すように、本実施例では、
遮光片は回転板４の各側面（回転軌道）につき一個であ
り、各遮光片１４，１５は、その長尺方向が半径方向に
沿って設けられている。また、互いが回転対称に配置さ
れている。回転板４が回転すると、遮光幅Ｄ１と、遮光
幅Ｄ２とによる各々の遮光動作は経時的に離散し、回転
が等速ならば一定時間間隔で断続的に行われる。この例
では第１の遮光片１４による遮光と、第２の遮光片１５
による遮光とが、１回ずつ交互に行われるようになって
いる。

【００２１】図３（ａ）はアーム１１の回動前、同図
（ｂ）は回動後の状態を示す。この図に示すように、ア
ーム１１が回動すると、上記各遮光片１４，１５によ
る、光軸Ｘに対する遮光方向が変化する。遮光方向の変
化量はアーム１１の回動角αと同等である。図３（ｂ）
のようにアーム１１の回動角αを９０゜とすれば、主走
査方向と、副走査方向の双方について集光状態を測定す
ることができる。もちろん、その中間の各角度で集光状
態を測定することもできる。

【００２２】図４（ａ）は幅の小さい第１の遮光片１４
の正面図、同図（ｂ）は（ａ）の斜視図である。また、
図５（ａ）は幅の大きい第２の遮光片１５の正面図、同
図（ｂ）は（ａ）の斜視図である。なお、これらの図に
おいて各遮光片は光軸Ｘを遮光する時点で示している。
各遮光片１４，１５は、光軸Ｘを横切るような軌道上に
設けられた孔部に形成されている。また、第１の遮光片
１４の遮光幅はＤ１、第２の遮光片１５の遮光幅はＤ２
であり、Ｄ１＜Ｄ２の関係になっている。

【００２３】また、図４及び図５の（ｂ）に示すよう
に、第１の遮光片１４は孔部の手前側、つまり光軸Ｘ方
向における焦点位置Ｏから入射方向側へ形成され、ま
た、第２の遮光片１５は孔部の奥側、つまり光軸Ｘ方向
における焦点位置Ｏから射出方向側へ形成されている。
そして回転板４の回転駆動により双方の遮光片１４，１
５は同一速度で回転軌道Ｐ′を移動する。

【００２４】図６及び図７には、上記遮光片１４，１５
と代替可能な形態例としてスリットを示す。各図（ａ）
はスリットの正面図、各図（ｂ）は（ａ）の断面図であ
る。この例では、第１のスリット１４′の幅がＤ１であ
り、第２のスリット１５′の幅がＤ２である。上記遮光
片と同様にＤ１＜Ｄ２の関係にある。各図（ｂ）に示す
ように、第１のスリット１４′は、回転板４の射出側に
穴部を設け、入射側に成形された壁面４ａに形成され、
また、第２のスリット１５′は、回転板４の入射側に穴
部を設け、その射出側に成形された壁面４ｂに形成され
ている。上記の遮光片１４，１５によるものは遮光動作
となるが、このようなスリット１４′，１５′の形態に
よれば、各スリット幅に応じた入射動作が繰り返される
こととなる。

【００２５】図８は、回転板４と代替可能な回転手段の
他の形態例を示している。上記回転板４の変わりに円筒
状の回転機構を用いることもできる。この場合、つぎの
ように構成するとができる。円筒４′内に光センサ５を
設け、遮光片１４，１５は円筒面に設けられ共通の軌道
をもつ。この遮光片１４，１５の一の軌道に向けレーザ
を照射し、レーザが円筒４′の肉厚内で焦点を結ぶよう
になっている。そして、２つの遮光片１４，１５は、互
いに円筒面の裏側と表側とに離間しており、この２つの
軌道上を回転させられ、焦点位置を挟んだ２つの光軸位
置にて断続的な遮光が行われる。また、同図（ｂ）に示
すように、この円筒４′を、その回転軸Ｐ′でもって光
軸Ｘの線対称に回動すれば、図３の例と同様にレーザ径
に対する遮光動作方向が可変となる。

【００２６】つぎに、図８に基づいて、遮光片を用いた
本実施例による集光状態の検出を説明する。図８（ａ）
は、遮光動作に基づく光センサ５の出力波形を示してい
る。同図（ｂ）は、その各出力波形の微分値を示してい
る。

【００２７】電源１０のＯＮにより光源２ａからレーザ
が出射され、このレーザは拡散方向にあるが、コリメー
ト手段により平行光束となる。平行光束は検査用の集光
レンズ系３によって理想焦点位置の近傍に焦点を結ぶ。
回転板４を一定の速度で回転させると、光センサ５には
各遮光片１４，１５で断続的に遮光されたレーザＬが入
射する。いずれかの遮光片１４，１５により遮光される
度に光センサ５の出力は変化する。この遮光動作は断続
的であるから、光センサ５の出力する電圧値変化は経時
的に離散し、各遮光時近傍の出力は、図８（ａ）に示す
ように、デジタルオシロスコープ７で電圧値の波形とし
て捕捉される。この波形の立ち上がりは、遮光片１４，
１５により遮光されるときの出力であり、立ち下がり
は、遮光片１４，１５による遮光状態が解除されるとき
の出力である。

【００２８】マイクロコンピュータ８は、デジタルオシ
ロスコープ７で観測された各出力波形を取り込み、出力
波形を微分する。微分すると、図８（ｂ）のようなピー
ク波形となる。ここで、微分値波形の遮光段階のものを
第１のピークとし、遮光解除段階のものを第２のピーク
とする。微分値に第１のピークを検知する所要のトリガ
レベルＳを設定し、各ピーク間距離に相当する時間軸上
の距離Ｔを検出する。距離Ｔは遮光幅Ｄ１，Ｄ２に比例
する。本実施例では遮光幅が２種（Ｄ１、Ｄ２）あるこ
とから、距離Ｔは、Ｔ１又はＴ２の大小２種のうち、い
ずれかに判別される。すなわち、図８に示すようにＴ１
＜Ｔ２であれば、出力Ｅ１は、小幅な第１の遮光片１４
の遮光による波形であり、出力Ｅ２は、大幅な第２の遮
光片１５の遮光による波形であることがわかる。このよ
うに、例えば距離Ｔを検出することによって各光軸位置
（遮光位置）別に出力を分離できるのである。

【００２９】上記微分波形において、各ピーク値Ｈは、
遮光された光軸位置におけるビーム径、つまり光強度分
布に左右される。したがって、例えば、焦点位置Ｏの
「ずれ量」は、第１のピーク値Ｈ１と、第２のピーク値
Ｈ２との差をとれば判る。図示の例では、焦点位置Ｏの
「ずれ方向」は、第１のピーク値Ｈ１と、第２のピーク
値Ｈ２の大小を判定することにより、焦点位置Ｏの補正
量を求めることができる。このようにして、焦点位置Ｏ
のずれ量及びずれ方向に基づいて、第１のピーク値Ｈ１
と第２のピーク値Ｈ２とを一致させるように、光源ユニ
ット２のコリメート手段を調整し、理想焦点位置にレー
ザの焦点位置Ｏを合致させる。

【００３０】また、ピーク値Ｈ１とピーク値Ｈ２とが同
一波形に近づくような良好な集光状態においては、ピー
ク値Ｈの比較演算に有意義なデータが得られるように、
遮光位置別に出力を積算処理する。上記したように、本
発明の測定装置では、遮光位置別の積算処理が確実且つ
容易であることから、従来よりもさらに高精度な集光位
置検出がなされる。

【００３１】なお、上記遮光片の代わりにスリットを用
いた場合は、光センサ５からの出力極性が異なるだけで
あり、上記と同様の手段及び手順により測定することが
できる。また、遮光等する光軸位置及び数は任意であ
る。本実施例では２つの遮光位置間中央に理想焦点位置
を設定し２つのピーク値Ｈを一致させる例を示したが、
焦点位置Ｏの理想位置からのずれと各ピーク値の相関が
明らかであればよく、本実施例の構成に限定されるもの
ではない。また、光軸位置で異なる遮光幅Ｄ１，Ｄ２や
その差（Ｄ２−Ｄ１）は、回転速度やビーム径等に対応
した適宜な値とすることができ、上記形態例に限定する
ものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は第１の特
徴として、光源及びコリメート手段からなる光源ユニッ
ト、及び該光源ユニットからの出射レーザを集光させる
集光レンズ系を載置する測定台と、上記レーザの焦点位
置から互いに離間した複数の光軸位置へ駆動される複数
のスリット又は遮光片と、上記複数の光軸位置各々を通
る各軌道上へスリット又は遮光片を並べて回転させ、レ
ーザを各光軸位置でほぼ交互に射出又は遮光する回転手
段と、該回転手段を介して入射したレーザを受光する光
センサと、該光センサからの出力を上記複数の光軸位置
間につき比較することによりレーザの集光状態を演算す
る演算手段と、を有するので、上記コリメート手段から
の出射されたレーザの集光状態、特にコリメート手段に
よる調整方向も含めて焦点位置を精度良く測定可能であ
る。

【００３３】また、第２の特徴として、上記各スリット
又は遮光片は、駆動される光軸位置別にスリット幅又は
遮光幅が異なるので、レーザの集光状態が良い状態にあ
っても、光センサからの出力を光軸位置別に確実且つ容
易に積算することができ、集光状態の高精度な検出が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のコリメート測定装置の全体構成図で
ある

【図２】図１の回転板をＡ方向から見た正面図である。

【図３】図２の回転板の回動動作を示し、同図（ａ）は
回動前、同図（ｂ）は回動後を示す図である。

【図４】遮光幅の小さい遮光片近傍を拡大して示し、同
図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は（ａ）の斜視図であ
る。

【図５】遮光幅の大きな遮光片近傍を拡大して示し、同
図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は（ａ）の斜視図であ
る。

【図６】射出幅の小さいなスリットの形態を示し、同図
（ａ）は正面図、同図（ｂ）は（ａ）の断面図である。

【図７】射出幅の大きなスリットの形態を示し、同図
（ａ）は正面図、同図（ｂ）は（ａ）の断面図である。

【図８】回転手段の他の構成例を示し、同図（ａ）は回
動前、同図（ｂ）は回動後を示す図である。

【図９】遮光時近傍の光センサの出力を示し、同図
（ａ）はオシロスコープで計測された出力波形図、同図
（ｂ）は（ａ）の微分値を示す図である。

【図１０】従来例としてナイフエッジ法による測定手段
を説明する構成図である。

【図１１】図１０の測定手段による測定方法を説明する
波形図である

【符号の説明】

１測定台２光源ユニット２ａ光源２ｂカップリングレンズ（コリメート手段）３集光レンズ系４回転手段５光センサ７デジタルオシロスコープ８マイクロコンピュータ（演算手段）１４，１５遮光片１４′，１５′ スリットＤ１，Ｄ２遮光幅ＬレーザＰ′ 軌道Ｏレーザの焦点位置Ｘレーザの光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源及びコリメート手段からなる光源ユ
ニット、及び該光源ユニットからの出射レーザを集光さ
せる集光レンズ系を載置する測定台と、上記レーザの焦
点位置から互いに離間した複数の光軸位置へ駆動される
複数のスリット又は遮光片と、上記複数の光軸位置各々
を通る各軌道上へスリット又は遮光片を並べて回転さ
せ、レーザを各光軸位置でほぼ交互に射出又は遮光する
回転手段と、該回転手段を介して入射したレーザを受光
する光センサと、該光センサからの出力を上記複数の光
軸位置間につき比較することによりレーザの集光状態を
演算する演算手段と、を有することを特徴とするコリメ
ート測定装置。
【請求項２】上記各スリット又は遮光片は、駆動され
る光軸位置別にスリット幅又は遮光幅が異なることを特
徴とする請求項１記載のコリメート測定装置。
【請求項３】上記演算手段は、上記光センサの受光量
を計測するデジタルオシロスコープを介して、上記光セ
ンサの出力を取り込むとしたことを特徴とする請求項１
又は２記載のコリメート測定装置。
【請求項４】上記回転手段は、上記レーザの光軸を中
心にその回転軸を回動可能としたことを特徴とする請求
項１から３のいずれかに記載のコリメート測定装置。
【請求項５】光源からの出射レーザをコリメート手段
及び集光レンズ系を介して集光し、該レーザの理想焦点
位置から互いに離間した複数の光軸位置へ、光軸位置別
に異なる幅のスリット又は遮光片を駆動して断続的な入
射又は遮光を行い、入射又は遮光されるレーザを光セン
サで受光し、該光センサからの出力をデジタルオシロス
コープにより計測し、該計測して得られる出力波形を演
算手段に取り込むとともに、各出力波形の計測値を光軸
位置別に分離して積算し、積算された計測値を光軸位置
間にて比較することによりレーザの集光状態を測定する
ことを特徴とするコリメート測定方法。