JP2007292918A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向器を備えた光走査装置において、光線の走査速度分布により生じる光量の強度変化を抑制するとともに画素サイズを均一化することにより、高品位な画像を形成することが可能な光走査装置を提供する。
【解決手段】光を出射する光源と、光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる光偏向器と、を備えた光走査装置において、光源の作動を制御する制御部と、対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、光偏向器による光の走査区間を検出する走査区間検出手段と、を有し、制御部は、走査区間検出手段が検出した走査区間に基づいて、光源の発光時間を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に光を走査させる光走査装置に関する。

光走査装置は、光学素子を用いてレーザ光等の光線の向きを走査するもので、デジタル複写機やレーザプリンタ等の書き込み系、レーザディスプレイや網膜ディスプレイ等の表示系の他、バーコードリーダ、レーザ顕微鏡、レーザ加工装置、三次元計測器等種々の用途に用いられている。

この様な光走査装置には、従来から、多面鏡を回転させるポリゴンスキャナや半導体の製造技術（ウェハプロセス）を用いた薄板状の共振スキャナ等の光偏向器が用いられている。

ポリゴンスキャナは、等角速度回転を行い、回転質量の慣性により速度変動を抑制している。

共振スキャナは、ねじり梁と単一のミラーを組み合わせて、ねじり梁の復元力とミラーの慣性モーメントでねじれ振動系を形成している。この系の共振周波数で駆動を行うことにより、高い偏向速度と大きな偏向角を両立させている。また、可動部の質量が小さい為必要なエネルギーが少ない、軸受け等の摺動部分がない為寿命が長い、等の特徴を備えている。また、速度分布は、正弦波状となり、共振により速度変動を抑制している。

ところで、書き込み系や表示系においては、通常、走査対象物の走査面は平面が形成されていることから、ポリゴンスキャナ、共振スキャナ等いずれの光偏向器においても、走査面における光線の走査速度は走査位置により変化する。この為、走査位置により光量の強度変化が生じ、高品位な画像形成に大きく影響を及ぼしている。そこで、この様な走査位置による光量の強度変化を軽減する技術が種々検討されてきた。

例えば、一走査ラインを光線が走査する走査時間を、均等な単位時間毎に複数の時間区間に分割し（所謂、画素）、分割した時間区間に応じて光線の光量を調整することにより光量の強度変化を補正する周知の技術や、レンズの歪曲を利用したｆθレンズを用いて走査面における光線の走査速度を一定にする周知の技術。また、一走査ラインに対応した液晶アレイの透過率を光線の走査位置に応じて制御することにより光量の強度変化を補正する技術（例えば、特許文献１参照）や、光偏向器の偏向角度に応じて光源である半導体レーザーの強度を調整することにより光量の強度変化を補正する技術（例えば、特許文献２参照）が開示されている。
特開平６−９０３３１号公報 特開２００５−１０７０７０号公報

ところで、ポリゴンスキャナ、共振スキャナ等の光偏向器においては、走査面における光線の走査速度が走査位置により変化することにより光量の強度変化が生じる、と共に画素の大きさにも変化が生じる。例えば、ポリゴンスキャナの様な等角速度回転においては、一走査ラインの中心は明るく、画素サイズは小さくなり、周辺に向かうに伴い暗く、画素サイズは大きくなる。また、共振スキャナの様な正弦波状の速度分布においても、走査位置により明るさや画素サイズが変化する。

上述の一走査ラインを光線が走査する走査時間を、均等な単位時間毎に複数の画素に分割して、分割した画素に応じて光線の光量を調整する技術においては、走査面における光線の走査速度が走査位置により変化することにより生じる画素サイズの変化を補正する技術を示唆するものではなかった。

また、ｆθレンズを用いて走査面における光線の走査速度を一定にする技術においては、一走査ライン全域に対応する光学系が必要となり、装置の複雑化と高価格化を招く恐れがある。

また、特許文献１に開示されている技術においても、一走査ライン全域に対応する液晶アレイが必要となり、装置の複雑化と高価格化を招く恐れがある。また、液晶の応答速度に制約があり走査速度の高速化を阻害したり、液晶による透過率の低下分が光量のロスを招く、といった問題が懸念される。また、走査面における光線の走査速度が走査位置により変化することにより生じる画素サイズの変化を補正する技術を示唆するものではなかった。

また、特許文献２に開示されている技術においては、半導体レーザーの出力は、温度による影響を受け易いことから、駆動電流を制御して光量を精度良く調整することは困難なものと考えられる。また、走査面における光線の走査速度が走査位置により変化することにより生じる画素サイズの変化を補正する技術を示唆するものではなかった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、光偏向器を備えた光走査装置において、装置の複雑化や高価格化を招くことなく、走査面における光線の走査速度分布により生じる光量の強度変化を抑制するとともに画素サイズを均一化することにより、高品位な画像を形成することが可能な光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至５のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる光偏向器と、を備えた光走査装置において、
前記光源の作動を制御する制御部と、
前記対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、前記光偏向器による光の前記走査区間を検出する走査区間検出手段と、を有し、
前記制御部は、前記走査区間検出手段が検出した前記走査区間に基づいて、前記光源の発光時間を調整することを特徴とする光走査装置。

２．前記走査区間検出手段は、前記光偏向部による光の走査時間を計時する計時部を有し、
前記制御部は、前記走査区間に対応して予め設定された走査時間区間と前記計時部によって計時された走査時間とに基づいて、前記光源の発光時間を調整することを特徴とする前記１に記載の光走査装置。

３．前記光偏向器は、前記光源から出射された光を反射するミラーを備え、
前記走査区間検出手段は、前記ミラーの偏向角度を検出する角度検出部を有し、
前記制御部は、前記走査区間に対応して予め設定された偏向角度区間と前記角度検出部によって検出された偏向角度とに基づいて、前記光源の発光時間を調整することを特徴とする前記１に記載の光走査装置。

４．前記光偏向器は、共振スキャナであることを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。

５．前記光偏向器は、ポリゴンスキャナであることを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。

本発明によれば、対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、制御部は、走査区間検出手段が検出した走査区間に基づいて、光源の発光時間を調整する様にした。すなわち、制御部は、均等な間隔の走査区間毎に光源の発光時間を調整する様にした。したがって、走査面における光線の走査速度分布により生じる光量の強度変化を補正することができ、また、画素サイズを均一にすることができる。

また、制御部は、走査区間に対応して予め設定された走査時間区間と計時部によって計時された光線の走査時間とに基づいて、光源の発光時間を調整する様にした。したがって、走査面における光線の走査速度分布により生じる光量の強度変化を精度良く補正することができ、また、画素サイズを均一にすることができる。

また、制御部は、走査区間に対応して予め設定された偏向角度区間と角度検出部によって検出されたミラーの偏向角度とに基づいて、光源の発光時間を調整する様にした。したがって、走査面における光線の走査速度分布により生じる光量の強度変化を精度良く補正することができ、また、画素サイズを均一にすることができる。

また、光偏向器には、共振スキャナを用いる様にしたので、高い偏向速度と大きな偏向角を得ることができる。

また、光偏向器には、複数のミラーを備えたポリゴンスキャナを用いる様にしたので、走査速度をより高速化することができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る光走査装置の代表的な実施形態の１つである共振スキャナを備えた光走査装置について説明する。

最初に、光走査装置１の構成を図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る光走査装置１の全体構成を示す図である。

光走査装置１は、図１に示す様に、共振スキャナ１０、半導体レーザ２０、制御部３０等を有する。

半導体レーザ２０は、本発明における光源に該当し、コーヒレンスの高い、例えば、赤色のレーザ光を出射する。

共振スキャナ１０は、本発明における光偏向器に該当し、内部に設けられた後述のミラー１０１を、回転軸Ｋ１を中心に矢印Ｒ方向に振動させつつ、該ミラー１０１に半導体レーザ２０から出射された光線を照射することにより、その反射光を対象物、例えば、図１では感光ドラム５に往復走査させるものである。

制御部３０は、マイクロコンピュータからなり、共振スキャナ１０や半導体レーザ２０で行われる動作を統括的に制御するものである。

また、制御部３０は、共振スキャナ１０による光の走査時間を計時する、図示しない計時部を備え、光線の走査区間に対応して予め設定しておいた走査時間区間と、計時部によって計時された走査時間とに基づいて、半導体レーザ２０の発光時間を調整する。

また、制御部３０は、光線の走査区間に対応して予め設定しておいた偏向角度区間と、後述の検出素子１０６によって検出されたミラー１０１の偏向角度とに基づいて、半導体レーザ２０の発光時間を調整することもできる。

尚、制御部３０による、光線の走査時間やミラー１０１の偏向角度に基づく半導体レーザ２０の発光時間制御の詳細については後述する。

次に、共振スキャナ１０の構成を、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、共振スキャナ１０を、正面斜め右から見た斜視図、図２（ｂ）は、共振スキャナ１０の駆動時の形状を、正面右から見た側面図である。

図２（ａ）に示す様に、共振スキャナ１０は、ミラー１０１、ねじり梁１０２、駆動片１０３、突起部１０４、保持部１０５、及び駆動素子１０６、検出素子１０７等を有し、ミラー１０１を中心に左右対称の形状を形成している。

ミラー１０１、ねじり梁１０２、駆動片１０３、及び保持部１０５は、シリコンや金属の薄板を半導体ウェハプロセスにより加工して製作される。

ミラー１０１は、ねじり梁１０２により回転軸Ｋ１を中心に回転振動を行い、半導体レーザ２０から出射された光線を反射し、その反射光を対象物に往復走査させるものである。

駆動片１０３は、左右のねじり梁１０２の上下にそれぞれ一対づつ設けられている。駆動片１０３の表裏には、それぞれ、電気−機械変換素子である圧電素子からなる駆動素子１０６、検出素子１０７が接着等により貼り付けられ、駆動素子１０６の曲げ変形によりねじり梁１０２を回転振動させる。

突起部１０４は、駆動片１０３のねじれ変形を防止する為の突起である。

保持部１０５は、共振スキャナ１０を、図示しない外部筐体に固定する為の保持部である。

ここで、駆動素子１０６、及び検出素子１０７の動作について説明する。

駆動素子１０６は、単板の圧電素子を駆動片１０３に貼り付けた所謂ユニモルフ構造をであり、上述の様に、ねじり梁１０２を挟んだ上下に回転対称に配置されている。駆動素子１０６は、同位相の駆動信号が与えられることによって、図２（ｂ）に示す様に、曲げ変形を生じ、この曲げ変形によって、ねじり梁１０２を回転振動させる。この回転振動の周波数が共振スキャナ１０の全系の共振周波数と一致する時に、ミラー１０１の回転振動の振幅が最大となる。

検出素子１０７は、駆動素子１０６に対向して配置され、駆動素子１０６による曲げ変形力を受けて起電力を発生する。検出素子１０７は、駆動素子１０６と同じ寸法で表裏、線対称に配置されている為、同じ変形量で駆動信号と起電力の位相が反転する関係となる。検出素子１０７の変形量Ｄと発生する起電力とは、若干のヒステリシスはあるが略線形の関係にあることから、起電力を検出することにより、変形量Ｄを検出することができる。一方、検出素子１０７の変形量Ｄとミラー１０１の偏向角θも所定の関係にあることから、結局、検出素子１０７の起電力を検出することにより、ミラー１０１の偏向角θを検出することができる。この様に、検出素子１０７は、本発明における角度検出部として機能する。

この様な構成の共振スキャナ１０において、最初に、走査時間ｔとミラー１０１の偏向角θ（すなわち、ねじり梁１０２のねじり角θ）、角速度ｄθ／ｄｔとの関係を説明する。

ねじり梁１０２のねじり剛性をＧ、ねじり角をθとすると、ねじり梁１０２の復元モーメントは、下記（式１）で表される。

また、ねじり梁１０２の慣性モーメントをＩとすると、振動系の運動方程式は、下記（式２）で表される。

（式２）の運動方程式より、走査時間ｔとねじり角θ、角速度ｄθ／ｄｔとの関係が、それぞれ、下記（式３）、（式４）として求められる。

ここで、（式３）、（式４）より、走査時間ｔに対するねじり角θ、角速度ｄθ／ｄｔの変化の様子を図３を用いて説明する。図３（ａ）は、走査時間ｔとねじり角θ、角速度ｄθ／ｄｔとの関係を示すグラフ、図３（ｂ）は、走査時間ｔと走査位置ｘとの関係を示すグラフである。

図３（ａ）に示す様に、走査区間Ｘにおいて、ねじり角θは単調に増加し、角速度ｄθ／ｄｔは、時刻ｔ＝０を最大値としてその前後で単調に減少する。尚、図３（ａ）において、Ｔは周期である。

次に、走査時間ｔと対象物の走査面における光線の走査位置ｘとの関係を説明する。図４に示す様に、ミラー１０１から走査面Ｐまでの距離をＬ、走査面の中心から走査位置までの距離をｘとすると、ｘは、下記（式５）で表される。

そして、（式３）で求められたねじり角θを（式５）に代入することにより、走査時間ｔと走査位置ｘとの関係が、下記（式６）として求められる。

ここで、（式６）より、走査時間ｔに対する走査位置ｘの変化の様子を図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ｂ）は、偏向角θ（ねじり角θ）が０度の時を時刻ｔ＝０とした時の走査時間ｔと走査位置ｘとの関係を示すグラフである。

図３（ｂ）に示す様に、走査位置ｘを示す曲線ｘと、原点と時刻ｔ＝Ｔ／４における走査位置とを通る直線ｍとを比較すると、前半の時刻では、曲線ｘが直線ｍより小さい値をとり、後半の時刻では、曲線ｘが直線ｍより大きい値をとる。これにより、画素サイズは、中心から周辺にかけて小、大、小の順に変化し、また、走査面の明るさは、中心から周辺にかけて、明、暗、明の順に変化する。

詳しくは、図５（ａ）を用いて説明する。図５（ａ）は、前述の図３（ｂ）と同様に、走査時間ｔと走査位置ｘとの関係を示すグラフである。図５（ａ）において、時刻ｔ１乃至ｔ６は、一走査ラインの中心から一方の終端までの走査時間を、均等な時間間隔で例えば６つの時間区間ｔｗ１乃至ｔｗ６に分割した時の時刻である。また、Ｐ１乃至Ｐ６は、時間区間ｔｗ１乃至ｔｗ６にそれぞれ対応する光線の走査区間、すなわち画素番号である。

光線の走査速度が走査位置により変化することから、時間区間ｔｗ１乃至ｔｗ６に対応する画素サイズは、図５（ａ）に示す様に、中心から終端にかけて、前半の時刻では、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３と変化し、後半の時刻では、Ｐ４＞Ｐ５＞Ｐ６と変化する。すなわち、画素サイズは、中心から周辺にかけて小、大、小の順に変化する。

一方、ｔｗ１乃至ｔｗ６は均等な時間区間であることから、それぞれの時間区間における半導体レーザ２０の発光時間は等しいものである。しかしながら、それぞれの時間区間に対応する画素サイズは異なることから、単位長当たりの光量は異なり、前半の時刻では、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３と変化し、後半の時刻では、Ｐ４＜Ｐ５＜Ｐ６と変化する。すなわち、走査面の明るさは、中心から周辺にかけて、明、暗、明の順に変化する。

そこで、本発明は、対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、分割した走査区間に対応した走査時間区間、または、ミラー１０１の偏向角度区間に応じて、半導体レーザ２０の発光時間を調整することにより、画素サイズを均一にし、また、画素毎の光量の強度変化を補正することができる様にするものである。

具体的には、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は、前述の図５（ａ）と同様に、走査時間ｔと走査位置ｘとの関係を示すグラフである。図５（ｂ）において、走査位置ｘ１乃至ｘ６は、一走査ラインの中心から一方の終端までの走査距離を、均等な走査間隔で例えば６つの走査区間Ｐ１乃至Ｐ６に分割した時の光線の走査位置である。また、ｔｗ１乃至ｔｗ６は、画素Ｐ１乃至Ｐ６にそれぞれ対応する時間区間である。

最初に、制御の単位として、画素を形成する時間区間よりも十分に小さい単位時間Δｔを設定する。次に、走査間隔が均等となる時刻の最近傍となるΔｔの刻みを選定し、画素分割の時刻とする。

すなわち、図５（ｂ）に示す様に、１番目の画素Ｐ１に対応する時間区間ｔｗ１は１０×Δｔ、２番目から５番目の画素Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に対応する時間区間ｔｗ２、ｔｗ３、ｔｗ４、ｔｗ５は４×Δｔ、６番目の画素Ｐ６に対応する時間区間ｔｗ６は８×Δｔの走査時間となる。この時間区間で画素を形成することにより、画素サイズを均一にすることができる。

次に、この様にして分割された時間区間に応じて行われる発光時間制御について表１を用いて説明する。表１は、それぞれの画素に対応して予め設定された時間区間、発光時間等の関係を示す表である。

制御部３０は、内部に設けられた図示しない記憶部に、表１に示す関係を予め記憶させておき、計時部によって計時された光線の走査時刻と半導体レーザ２０の駆動信号の諧調数、及び表１から、該時刻における半導体レーザ２０の発光時間を決定する。

ここで、書き込み系や表示系における画素の濃淡は、半導体レーザ２０の出力は一定として、その発光時間によって調整する。また、発光時間はΔｔを単位として制御する。また、１つの画素を構成するΔｔの最も少ない個数をｎ個とする。

最初に、画素の明るさが最も明るい場合（諧調；１００％）は、Δｔの個数が最も少ない画素では、ｎ個の全てのΔｔで発光させ、また、その他の画素では、複数のΔｔのうちｎ個のΔｔのみを発光させる。

また、画素の明るさが中間の場合（諧調；５０％）は、いずれの画素もｎ／２個のΔｔのみを発光させ、また、画素の明るさが最も暗い場合（諧調；０％）は、いずれの画素も発光させない。

すなわち、表１に示す様に、諧調が１００％の場合は、Δｔの個数が最も少ないＰ２乃至Ｐ５の画素では、４個の全てのΔｔで発光させ、また、その他の画素、Ｐ１、Ｐ６では、それぞれ１０個、８個のΔｔのうち４個のΔｔのみを発光させる。

また、画素の明るさが中間の場合（諧調；５０％）は、いずれの画素もｎ／２個、すなわち２個のΔｔのみを発光させ、また、画素の明るさが最も暗いの場合（諧調；０％）は、いずれの画素も発光させない。

また、同じ明るさでも時間区間の長い画素、すなわちΔｔの個数の多い画素では、発光していない時間が長くなることから、時間区間において発光させるΔｔの時刻は、その分布が均等になる様に分散させる。また、時間区間において発光させるΔｔの時刻は、走査線毎に、例えばランダムに変化させるようにしてもよい、これによりモアレや固定パターンノイズ等による画像の劣化を防ぎ、滑らかな諧調を表現することができる。

また、Δｔの最小の個数は、説明の都合上４個としたが、実際には、明るさの諧調段数よりも多い値、例えば、諧調表現が８ビットの場合、少なくとも２５６個以上の値とする。

この様にして、走査面における光線の走査速度分布により生じる画素毎の光量の強度変化を精度良く補正することができる。

尚、前述の実施の形態においては、対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、分割された走査区間に対応して予め設定された走査時間区間を計時部で検出し、検出した時間区間に応じて半導体レーザ２０の発光時間を調整する様にしたが、分割された走査区間に対応して予め設定されたミラー１０１の偏向角度区間を検出素子１０７で検出し、検出した偏向角度区間に応じて半導体レーザ２０の発光時間を調整する様にしてもよい。

この様に、本発明に係る光走査装置においては、対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、分割した走査区間に対応して予め設定された走査時間区間、または、ミラー１０１の偏向角度区間に応じて、半導体レーザ２０の発光時間を調整する様にしたので、画素サイズを均一にすることができ、また、画素毎の光量の強度変化を補正するとともに諧調表現も行うことができる様になる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施形態においては、光偏向器として共振スキャナを用いたが、ポリゴンミラー等の等角速度回転をするポリゴンスキャナを用いてもよい。ミラー面が複数になることから走査速度をより高速化することができる。

また、ミラーの代わりに、面発光型レーザ等の光源を基板に配置し、該基板を回転振動させて光を偏向させる様にしてもよい。これにより、組立て調整工程の簡略化、装置の小型化、及びコストの低減等を図ることができる。

また、表示系等において、走査対象物の走査面が平面でない場合には、光偏向器から走査面までの距離を予め求めておき、前述の表１と同様にして作成した表に基づいて光源の発光時間を調整することもできる。

本発明に係る光走査装置の全体構成を示す模式図である。 本発明に係る光走査装置における共振スキャナの構成を示す模式図である。 共振スキャナの走査時刻と偏向角、角速度、及び走査位置との関係を示すグラフである。 共振スキャナの偏向角と走査位置の関係を示す模式図である。 共振スキャナの走査時間区間による画素サイズの変化の様子を示すグラフである。

符号の説明

１ 光偏向装置
１０ 共振スキャナ
１０１ ミラー
１０２ ねじり梁
１０３ 駆動片
１０４ 突起部
１０５ 駆動素子（圧電素子）
１０６ 検出素子（圧電素子）
２０ 半導体レーザ
２０１ コリメータレンズ
５ 感光ドラム

Claims (5)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を反射し、反射した光を対象物に走査させる光偏向器と、を備えた光走査装置において、
   前記光源の作動を制御する制御部と、
   前記対象物が走査される一走査ラインを均等な間隔の複数の走査区間に分割し、前記光偏向器による光の前記走査区間を検出する走査区間検出手段と、を有し、
   前記制御部は、前記走査区間検出手段が検出した前記走査区間に基づいて、前記光源の発光時間を調整することを特徴とする光走査装置。
2. 前記走査区間検出手段は、前記光偏向部による光の走査時間を計時する計時部を有し、
   前記制御部は、前記走査区間に対応して予め設定された走査時間区間と前記計時部によって計時された走査時間とに基づいて、前記光源の発光時間を調整することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記光偏向器は、前記光源から出射された光を反射するミラーを備え、
   前記走査区間検出手段は、前記ミラーの偏向角度を検出する角度検出部を有し、
   前記制御部は、前記走査区間に対応して予め設定された偏向角度区間と前記角度検出部によって検出された偏向角度とに基づいて、前記光源の発光時間を調整することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記光偏向器は、共振スキャナであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記光偏向器は、ポリゴンスキャナであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。

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