JP2015022041A - 光ビームの走査速度の検知方法及び検知機構 - Google Patents
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Abstract
Description
Detector)素子といった光検出器を配置して、光ビームのスポットの動きを検知することによって計測する方法がある。
なお、レーザプリンタには、レーザビームの走査域に数個の光センサを配置し、レーザ光が通過するタイミングを検知してレーザ光の速度を検出して印刷制御する機構を備えたものがある(特許文献1、2)。また、光を利用して対象物の動き(軸の振動)を検知する方法として、軸の外周囲にグリッドラインを設け、反射光から検知する方法(特許文献3)、三角スリットを利用する方法(特許文献4)等がある。
ところで、走査角度60度、10kHzといった広角度、高速で光ビームを走査する場合に、測定精度0.1度といった高精度での計測を可能にするには、6MHz程度の応答周波数が必要である。
しかしながら、CCDラインセンサを使用する場合は、一回の測定で、数百個または数万画素のデータ転送が必要となるから、応答周波数を数100kHz以上にすることは困難である。また、PSD素子では走査角度が大きくなると大きな受光面を備えるPSDが必要となり、PSD素子の電極間抵抗と端子間容量が大きくなるために応答が遅くなり、応答周波数は数MHzが限界である。
また、変調フィルタを用いて光ビームに変調を加えることにより、光センサにより検知される信号が走査情報を含む信号(走査信号)となり、走査信号を検知することによって光ビームの走査速度を検知することができる。
光ビームを集光する集光光学系は走査ビームを光センサに集光させるためのものであり、集光光学系の構成が限定されるものではない。集光光学系は、走査範囲の光ビームをすべて集光させる配置として全走査範囲での速度分布を検出することもできるし、走査範囲内の光ビームを部分的に集光して部分的な速度分布を検出することも可能である。
集光光学系と変調フィルタとの配置位置関係はとくに限定されるものではない。集光レンズ等からなる集光光学系の前後位置のいずれに変調フィルタを配置してもよく、複数の集光光学系の中間位置に変調フィルタを配置することもできる。
変調フィルタは、走査される光ビームが透過する位置に設ける。変調フィルタは光ビームの光路中であれば適宜位置に配置することができる。
また、等間隔パターンフィルタを使用して速度分布を検知する方法として、走査信号をフーリエ変換して得られた走査信号の周波数分布から位相分布を求め、位相分布を微分して速度分布を検知することも可能である。
図1は、本発明に係る光ビームの走査速度の検知機構について第1の構成例を示す。
光ビームを所定角度範囲にわたって往復走査する光ビームの走査機構は、レーザ光源10とレーザ光源10から射出された光ビーム(レーザ光束)を反射する振動ミラー12とを備える。光ビームの走査角度は振動ミラー12の回転角によって決まる。図示例の走査機構での光ビームの走査角度は60度である。
集光レンズ14は、振動ミラー12によって反射される走査領域内の光ビームがすべて透過するように、光ビームが走査される範囲を横切る配置に設ける。
レーザ光源10から出射されたレーザ光は、振動ミラー12により反射され、可変濃度フィルタ18を透過し、集光レンズ14により集光されて光センサ16により検知される。レーザ光が可変濃度フィルタ18を透過して、光センサ16によって受光されるから、光センサ16は可変濃度フィルタ18を透過する位置によって異なる光強度の光を検知することになる。光センサ16には検知された走査信号を解析する検出部20が接続される。
したがって、光センサ16の受光強度と光ビームの線速度とを対応させるには、透過率Tにより受光強度を補正する必要がある。
図3は1回のスキャン例であるが、繰り返しスキャンすることによって、光ビームの走査速度のばらつきや、走査時の速度のゆらぎ、走査の安定性などを検知することができる。
検出部20では、光学的に変調された走査信号に基づいて、走査速度の揺らぎやばらつきを検出することができる。走査速度についての測定データを微分することにより、走査加速度を検知することも可能である。
図4は、図1に示した光ビームの測定系において変調フィルタとして使用した可変濃度フィルタ18を等間隔パターンフィルタ19に置き換えて構成した検知機構を示す。光ビーム(レーザ光束)の走査機構としてレーザ光源10及び振動ミラー12を備えること、光ビームの走査速度の測定系として、集光レンズ14、光センサ16、検出部20を備えることは第1の実施の形態と同様である。
光センサ16によって得られる明暗パターンに基づいて光ビームの走査速度を検出する一つの方法は、図5に示すように、光信号の極小値または極大値を検出し、隣り合った極小値同士間、または極大値同士間、または極小値と極大値間の時間間隔を計算して走査速度を求める方法である。
ただし、明暗パターンの極値データに基づいて解析するから、解析精度が等間隔パターンフィルタ19のパターン精度と分解能に依存する。分解能を上げるためには等間隔パターンフィルタ19のパターンをより精細に(高密度に)形成する必要があり、より細いレーザビームを使用する必要がある。
変調フィルタ関数f(x)によって変調された光ビームの走査信号g(x)は、次式で表すことができる。
g(x)=0.5×[1+cos(f0x+s(x))]
位相φ(x)=f0x+s(x)。s(x)は光ビームの走査スポットの移動量。
G(fx)=F(g(x))=F[0.5 + 0.5×(ejφ(x) + e-jφ(x))/2]
=0.5+1/4F[ejφ(x)]+1/4F[e-jφ(x)] (1)
上記(1)式の第1項は信号の直流成分であり、第2項と第3項は位相成分の周波数応答部分で、第2項は負の周期成分、第3項は正の周期成分に対応する。
図8に、図7に示した走査信号g(x)をフーリエ変換した後の周波数分布G(fx)を示す。位相成分の負の周期成分と正の周期成分が対称に表れている。
図9は図8に示した周波数分布G(fx)から正の周期成分をすべて抽出して求めた位相分布φ(x)である。
1/4 F-1 [F(e-jφ(x))]=1/4 (e-jφ(x))=1/4 e-j(f0x+s(x))
位相を信号から分離することにより、ビームスポットの移動量s(x)が得られる。
s(x)=φ(x)−f0x (2)
光ビームの走査速度v(x)は(2)式を微分したものである。
v(x)=s'(x)=φ'(x)-f0
光ビームの走査加速度a(x)
a(x)=s''(x)=φ''(x)
図10は、図9の位相分布φ(x)を微分した結果、すなわち光ビームの走査速度v(x)を示す。図10は、振動ミラー12の反転に伴って光ビームの走査速度(線速度)が周期的に変化する様子を示す。
たとえば、サンプリングレートが500kHzで走査角度60度とすると、サンプリング数は4720となり、理論的な分解能は0.0127度となる。サンプリングレートをさらに高くする(例えば2GHzのオシロスコープを使用する)ことにより、分解能をさらに高くすることができる。
測定に際しては、振動ミラー12からできるだけ離れた位置に集光レンズ14と可変濃度フィルタ18、等間隔パターンフィルタ19を配置するようにし、光ビームが通過する範囲を大きくすることによって、より高精度に光ビームの走査速度を検知することができる。
12 振動ミラー
14 集光レンズ
16 光センサ
18 可変濃度フィルタ
19 等間隔パターンフィルタ
20 検出部
Claims (6)
- 光ビームの走査速度を検知する方法であって、
変調フィルタを使用して光学的な変調が加えられた光ビームを集光し、
光ビームの集光位置に配置した光センサにより検知される前記変調フィルタにより変調された走査信号に基づき、光ビームの走査速度を検出することを特徴とする光ビームの走査速度の検知方法。 - 光ビームの走査速度を検知する検知機構であって、
光ビームを光学的に変調させる変調フィルタと、光ビームを集光する集光光学系と、光ビームの集光位置に配置した光センサと、
前記光センサにより検知される前記変調フィルタにより変調された走査信号に基づき、光ビームの走査範囲における速度分布を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする光ビームの走査速度検知機構。 - 前記変調フィルタとして、光ビームの走査方向に濃度が連続的に変化する可変濃度フィルタを使用し、
前記検出においては、前記光センサの受光強度の変化に基づいて光ビームの走査速度を検知することを特徴とする請求項2記載の光ビームの走査速度検知機構。 - 前記変調フィルタとして、光ビームの走査方向に等間隔に濃淡パターンが設けられた等間隔パターンフィルタを使用し、
前記検出部においては、前記光センサにより受光される明暗パターンの極値間の時間間隔に基づいて、光ビームの走査速度を検知することを特徴とする請求項2記載の光ビームの走査速度検知機構。 - 前記変調フィルタとして、光ビームの走査方向に等間隔に濃淡パターンが設けられた等間隔パターンフィルタを使用し、
前記検出においては、前記等間隔パターンフィルタにより変調された走査信号をフーリエ変換して得られた走査信号の周波数分布から位相分布を求め、位相分布を微分して速度分布を検出することを特徴とする請求項2記載の光ビームの走査速度検知機構。 - 光ビームを往復走査する光ビームの走査機構を備える装置であって、
前記光ビームの走査速度検知機構として、光ビームを光学的に変調させる変調フィルタと、光ビームを集光する集光光学系と、光ビームの集光位置に配置した光センサと、前記光センサにより検知される前記変調フィルタにより変調された走査信号に基づき、光ビームの走査範囲における速度分布を検出する検出部とを備えることを特徴とする装置。
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2013
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