JP2530749B2 - 光ビ―ムプロファイル測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、画像記録装置、画像読取装置等における光
ビームの径等を測定し、この光ビームのプロファイルを
測定する光ビームプロファイル測定装置に関する。

〈従来の技術〉 各種の画像記録装置、画像読取装置、光ビーム走査型
顕微鏡等において、記録材料、原稿画像、被検体等の被
走査体を走査用光ビームで２次元的に走査する、光ビー
ム走査装置が用いられている。

このような光ビーム走査装置は、レーザビーム等を走
査用の光ビームとしてガルバノメータミラー、ポリゴン
ミラー等の光偏向器によって主走査方向に偏向すると共
に、記録材料等の被走査体を主走査方向と略直交する副
走査方向に移動（搬送）することにより、前記光ビーム
で被走査体を２次元的に走査し、画像の記録あるいは読
み取りを行うものである。

このような光ビーム走査装置において、被走査体上に
おける光ビームのプロファイル、特に光ビームの径（以
下、ビーム径とする）は、画像記録密度や、読み取りあ
るいは測定における分解能を決定するものであるので、
良好な画像記録等を行うためには、光ビームのビーム径
を正確に調整しなければならない。そのため被走査体上
におけるビーム径を正確に測定する必要があり、各種の
ビーム径の測定方法が提案され、また装置として実用化
されている。

このような光ビームのビーム径の測定は、従来、スリ
ットやピンホールあるいはロンキルーリング等の遮光物
を用い、これを透過（通過）した光ビームの光量変化を
測定することにより行われていた。これらの方法では、
スリット板等の遮光物と光ビームとを相対的に移動する
ことにより、この遮光物により徐々に光ビームを遮光
し、あるいは透過させ、この際の遮光物を透過した光ビ
ームの光量の変化を測定することによりこの光ビームの
ビーム径を計測するものである。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところが、このようなビーム径の測定装置では、画像
記録装置等の実装置上、特に被走査体上における光ビー
ムのビーム径を測定することができない。

前述のように、これらのビーム径の測定方法は、スリ
ット等の遮光物を透過した光ビームの光量を測定するこ
とによりビーム径を測定するものである。従って、光ビ
ームの走査位置に対応して前述の遮光物を配置し、この
遮光物を通過した光ビームの光量を測定、すなわち被走
査体の副走査搬送位置に対して光ビーム進行方向の下流
側で光ビーム光量を測定する必要がある。

しかしながら、被走査体の副走査搬送位置には、ベル
トコンベアや主走査線を挟んで配置されるニップローラ
等の副走査搬送手段と、走査位置に被走査体を正確に規
定するためのガイド部材等とからなる副走査搬送装置、
あるいは被走査体を走査位置に規定しつつ副走査搬送す
るための露光ドラムと、この露光ドラムと共に被走査体
を挟持搬送するためのニップローラとからなる副走査搬
送装置、等が配備されており、光ビームの走査位置に対
して下流側に光検出手段を配することは極めて困難であ
り、従って、実際に画像記録装置、読取装置等の実装置
上においてビームスポット系を測定することはできなか
った。

そのため、従来のビーム径の測定装置では、測定対象
となる装置と同様の光学系を作製し、これを用いて走査
線上におけるビーム径を測定していた。しかしながら、
この方法で測定できるビーム径は、あくまで疑似的なも
のでしかない。

一方、反射率の異なる２つの鏡面状のシートの端面を
突き合わせることによりエッジを形成し、このエッジと
光ビームとを相対的に移動させ、前記光ビームの反射光
の鏡面の境界における回折波の光量変化を測定すること
により光ビームのビーム径を測定する方法も提案されて
いる。この方法によれば、検出するのは鏡面状のシート
に反射された反射光であるので、光検出器の配置位置が
被走査体の上部となり、装置上において光ビームのビー
ム径の測定を行うことが可能である。

しかしながら、この方法によって計測するのは、前述
のように突き合わされた２枚の反射率の異なる鏡面状シ
ートの境界面における境界回折波であるため、その光量
は低く、しかも光量変化も極めて微弱であるため、高精
度の光検出器が必要となってしまい、また、ノイズの影
響を受けやすいために正確な光ビームのビーム径の測定
を行うのが困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決するこ
とにあり、光ビーム走査装置における光ビームのビーム
径等、光ビームプロファイルの測定方法であって、画像
記録装置、画像読取装置、光ビーム走査型顕微鏡等の光
ビーム走査装置を適用する実装置上の走査位置におい
て、容易に光ビームプロファイルを測定することがで
き、しかも、ノイズの影響が少ない、極めて精度の高い
測定が可能で、さらに構成も簡単な光ビームプロファイ
ル測定方法を提供することにある。

〈課題を解決するための手段〉 前記目的を達成するために、本発明は、光ビームと少
なくとも一部に回折格子を有するシートとを、前記光ビ
ームが前記回折格子の端部を通過するように相対的に移
動して、前記回折格子による前記光ビームの回折光の光
量を測定し、この光量の変化より前記光ビームのプロフ
ァイルを測定することを特徴とする光ビームプロファイ
ル測定方法を提供する。

また、前記回折格子は、反射型のホログラムであるの
が好ましい。

〈発明の作用〉 本発明の光ビームプロファイル測定方法は、光ビーム
進行方向の走査位置近傍に少なくとも一部に回折格子を
有するシートを配し、光ビームと前記シートとを、この
シートの端部を光ビームが通過するように相対的に移動
して、回折格子によって回折された光ビームの光量を測
定し、この光量変化よりこの光ビームのビーム径等、光
ビームとシートとの相対移動方向の光ビーム長を測定
し、光ビームのプロファイルを測定する。

このような本発明の測定方法によれば、回折格子によ
る回折光の光量を測定することによりビーム径等を測定
するので、従来の透過光を適用する方法とは異なり、被
走査体上の適当な位置に前記シートを配置して光検出器
を被走査体の上方に配置することができるので、画像記
録装置、画像読取装置等の実装置上の光ビームの走査位
置においてビーム径等を測定し、光ビームプロファイル
を測定することができる。

また、回折格子を用いて光ビームを回折させ、この回
折光を測光するので、十分な光量でビーム径等の測定を
行うことができ、ノイズ等の影響の少ない正確な測定が
可能である。特にリップマンホログラム等の反射型ホロ
グラムを回折格子として適用することにより、より良好
な測定ができる。

しかも、前記シートを被走査体上に載置して、あるい
は副走査手段に供して光ビームを主走査することによ
り、あるいは被走査体あるいはシートを副走査搬送する
ことにより測定を行うことができるので、通常の光ビー
ム走査と同様にして測定を行うことができ、画像記録装
置等を変更あるいは改良する必要がなく、また本発明の
光ビームプロファイル測定方法を実行する装置も簡単な
構成とすることができる。

〈実施態様〉 以下、本発明の光ビームプロファイル測定方法につい
て添付の図面に示される好適実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図に、本発明の光ビームプロファイル測定方法の
実施例を示す概略図が示される。

本発明の光ビームプロファイル測定方法（以下、測定
方法とする）は、少なくとも一部に回折格子を有するシ
ートと光ビームとを相対的に移動させ、回折格子の回折
光の光量変化を計測することにより光ビームの径（以
下、ビーム径とする）等を測定して光ビームプロファイ
ルを測定するものである。なお、以下の説明は、光ビー
ムのビーム径を測定する場合において行う。

第１図に示される例ではシート10は回折格子12と反射
面14とから構成されるものであり、光ビーム16を、ある
いはこのシート10を矢印ｘ方向に移動することにより、
光ビーム16が回折格子の端部、すなわち回折格子12と反
射面14との端部18を通過するように、両者を相対的に移
動して、回折格子12によって回折された回折光20の光量
を光検出器22によって測定し、この回折光20の光量変化
より光ビーム16のビーム径を測定するものである。

つまり、例えばシート10を矢印ｘ方向に移動して測定
を行う場合には、最初は光ビーム16は反射面14上に照射
されているので、上方に反射されている。シート10が移
動して光ビーム16が端部18にかかると、回折格子12を照
射する光ビーム16が回折され、その回折光20が光検出器
22によって測光される。

シート10の矢印ｘ方向への移動が進むにつれ、光ビー
ム16の回折格子12への照射量が増加し、従って、光検出
器22に検出される回折光20の光量は、第２図に概念的に
示されるように増加する。なお、第２図においては横軸
はシートの矢印ｘ方向への移動量を、縦軸は回折光の光
量Ｉを示すものである。本発明の測定方法は、この回折
光20の光量変化より光ビーム16の径等を測定し、光ビー
ム16のプロファイルを測定するものである。なお、光ビ
ーム16を移動することにより得られる回折光の光量変化
の曲線は、第３図に概念的に示されるように、第２図に
示される例と逆の状態となる。

第４図に、このような測定方法を概念図に示す。

第４図に示される例において、光ビーム16をｕ（ｓ）
とすると、この光ビームｕ（ｓ）は、反射面14にある部
分ｕ（ｍ）と回折格子12にある部分ｕ（ｄ）との２つの
部分に分けて考えることができる。

ここで、反射面14に入射する部分ｕ（ｍ）は、前述の
ように反射面14によって正反射されるため、光検出器22
に入射することはない。

一方、回折格子12に入射する部分ｕ（ｄ）は、回折格
子12によって回折される。ここで、回折格子12の関数を
ｆ（x,y）とすると、回折光20の入力関数ｇ（x,y）は、
次式によって表される。

ｇ（x,y）＝ｕ（ｄ）・ｆ（x,y） ここで、光検出器22に入射した回折光20の観測面（回
折像）がフラウンホーファ回折の領域にある仮定する
と、この面における回折光の分布関数Ｇ（X,Y）は、前
記ｇ（x,y）のフーリエ変換より求めることができる。

Ｇ（X,Y）＝Ж｛ｇ（x,y）｝ ＝Ж｛ｕ（ｄ）・ｆ（x,y）｝ Ｕ（Ｄ）＊Ｆ（X,Y） ただし、上記式において、 Ｕ（Ｄ）＝Ж｛ｕ（ｄ）｝ Ｆ（X,Y）＝Ж｛ｆ（x,y）｝ Ж；フーリエ変換 ＊；コンボリューション ｕ（ｄ）がガウス分布の場合、Ｇ（x,y）の積分値は
入射光量に比例対応する。それゆえ光ビーム16を相対移
動させたときのＧ（x,y）の積分強度を測定することよ
り、光ビーム16のビーム径を算出することができる。

本発明に適用される回折格子12には特に限定はなく、
各種の公知のものが適用可能であるが、より高感度（高
効率）での測定を可能とするためにリップマンホログラ
ム等の反射型ホログラムを適用するのが好ましい。

また、シート10の反射面14にも特に限定はなく、各種
の金属蒸着膜、金属薄膜等、公知の反射面がいずれも適
用可能である。なお、シート10における回折格子12以外
の部分は必ずしも反射面14である必要はなく、光ビーム
16を透過可能な材質や、光吸収部材等によって構成され
ていてもよい。ただし、反射面14である場合も含めて、
光ビーム16の乱反射等によって回折光20以外の光が光検
出器22に入射しない構成とする必要がある。

このようなシート10の厚さは限定はないが、好ましく
は被走査体と同じ厚さを有するのが好ましい。シート1
0、特に回折格子12を被走査体と等しくすることによ
り、実際の光ビーム16の走査位置とほとんど同じ位置で
の測定を行うことが可能となり、より正確な測定を行え
る点で好ましい結果を得る。

本発明に適用される光検出器22には特に限定はなく、
ピンフォトダイオード、フォトマルチプライヤー、フォ
トダイオード等の公知の各種の光検出器がいずれも適用
可能である。中でも、高速で光ビーム16あるいはシート
10を移動した際にも、十分な応答性での回折光20の光量
測定が可能である点より、ピンフォトダイオードが好適
に適用される。

この光検出器22の配置位置は、回折格子22の特性に応
じて、シート10を移動する場合には光ビーム16の照射位
置に対応して、また、光ビーム16を移動する場合には、
端部18に対応して、回折光20を好適に受光できる位置に
配置される。

第１図に示される例においては、シート10あるいは光
ビーム16を矢印ｘ方向に移動することにより、光ビーム
16が端部18を通過するようにして両者を相対的に移動す
る。

光ビーム16を移動する場合には、適用する装置におけ
る光ビーム16の走査をそのまま適用すればよく、この場
合は、光ビーム16の主走査方向のビーム径を測定するこ
とができる。一方、シート10を移動する方法としては、
ベルトコンベア、搬送ローラ等の公知の各種の方法が適
用可能である。この場合には、シート10の移動方向に応
じて、光ビーム16の主走査方向あるいは副走査方向のい
ずれのビーム径も測定することができる。

また、より容易なシート10の移動方法として適用する
装置の副走査搬送手段によってシート10を移動、あるい
は、シート10を被走査体上に載置してこれを副走査搬送
することによりシート10を移動してもよい。この場合に
は光ビーム16の副走査方向のビーム径を測定することが
できる。

ただし、シート10を移動する場合には、いかなる方法
を用いた際にもリニアエンコーダ等を用いてシート10の
位置を検出し、その移動速度を正確に制御するのが好ま
しいものはもちろんである。

また、光ビーム16の入射角度等、回折格子への入射状
態には特に限定はなく、例えば実装置上においてビーム
径を測定する場合には、装置の光学系による被走査体へ
の光ビームの入射状態に応じればよく、またビームウエ
ストを測定する場合には、光ビームを回折格子に垂直に
入射するのが好ましい。

このようにして光検出器22によって検出された回折光
20の光量変化は、オシロスコープ24等により可視像化さ
れた後、あるいは処理装置26に転送されて解析され、光
ビーム16のビーム径が計測される。

第５図に、本発明の測定方法に適用されるシートの別
の例が示される。

前述のシート10は、回折格子12と反射面14を半々に有
する、一つの端部18を有するものであったが、第５図に
示されるシート30は、中心に配される反斜面32と、これ
を挟んで設けられる２つの回折格子34および36とから構
成されるものである。この場合にはシート30と光ビーム
16との相対移動によって得られる回折光の光量変化は、
第６図に概念的に示されるようになる。

この際における反射面32の矢印ｘ方向の幅には特に限
定はないが、ビーム径等の測定長に比べて十分に小さい
のが好ましい。このような構成とすることにより、微分
処理等を行なわなくてもビーム径を測定できる等の点で
好ましい結果を得る。

上述のシート10および30は、直線的に移動するもので
あったが、本発明に適用される少なくとも一部に回折格
子を有するシートはこれに限定されるものではなく、第
７図および第８図に示されるシート40および42のよう
に、自らが回転することにより、このシート上の一点を
照射する（光ビームの照射位置は固定）光ビーム16が回
折格子の端部を通過するように、回折格子と光ビームと
を相対的に移動するものであってもよい。

第７図に示されるシート40は、円形形状を有するもの
であって扇形状の反射面44と、それ以外の回折格子46と
から形成され、回転軸48を中心として回転可能に構成さ
れる。一方、第８図に示されるシート42は、同様に円形
形状を有し、扇状の反射面50,52と、やはり扇状の回折
格子54,56とを有し、反射面と回折格子とを交互に配置
して形成され、回転軸58を中心に回転可能に構成され
る。

第７図および第８図に示されるシート40および42は、
例えば図示されるような、光ビーム16が回折格子の端部
（回折格子と反射面との端部）を通過するような、任意
の位置に光ビーム16が照射されるように配置され、前述
の回転中心を軸に回転することにより光ビームと相対的
に移動し、光検出器に入射する光ビーム16の回折光量を
変化させるものである。なお、シート40を適用した際に
は第６図に概念的に示されるように、また、シート42を
適用した際には、第２図に概念的に示されるように回折
光量が変化する。

シート40および42の回転駆動源としては特に限定はな
いが、回転速度の精度はビーム径の測定精度に大きな影
響を与えるので、ステップモータ、ブラシレスモータ等
や、これらのサーボモータ等、高精度での回転が可能な
ものを適用するのが好ましい。また、シート40および42
の回転は、ロータリーエンコーダ等によって制御される
のが好ましい。

第９図に、一回の作業で光ビーム16の主走査方向のビ
ーム径および副走査方向のビーム径を測定することがで
きるシートの例が示される。

上述した各種のシートでは、一回の作業で計測できる
のは光ビーム16の主走査あるいは副走査等、一方向のビ
ーム径であった。これに対し、第９図に示されるシート
60を適用することにより、一回の作業で主走査および副
走査方向のビーム径を測定することができる。

シート60は、回折格子62と、この回折格子62を挟んで
配置される反射面64および66とを有するものであり、光
ビーム16を矢印ｘ方向（主走査方向）に移動することに
より、シート60と光ビーム16とを相対的に移動するもの
である。ここで、シート60においては、回折格子62は矢
印ｘ方向の上流側の端部68は矢印ｘ方向（主走査方向）
に対して垂直の角度で形成されるが、下流側の端部70は
矢印ｘ方向に対して45°の角度を有するものである。

このようなシート60においては、光ビーム16が端部68
を通過する際に、光検出器72によって回折光74を測定し
て光ビーム16の主走査方向のビーム径を測定した後、次
いで光ビーム16が端部70を通過する際に、光検出器76に
よって回折光78を計測し、先の回折光74の計測結果と合
わせることにより副走査方向のビーム径も計測するもの
である。

第10図に、この測定方法を概念的に示す。

前述の各例と同様にして、光ビーム16は端部68を通過
して、その際の回折光の変化を測定されることにより主
走査方向のビーム径Dmが計測される。

その後、光ビームはさらに矢印ｘ方向に進行して、端
部70にさしかかる。ここで、45°傾いたエッジ部（端部
70）を走査する楕円（光ビーム16）が、このエッジ部の
直線に接する条件を解析的に求めると、下記式によって
副走査方向のビーム径Dsを求めることができる。

また、Ｌは光ビーム16が端部70に接触する位置から、
光ビーム16が端部70から完全に外れるまでの距離を示
す。

なお、上述の測定方法において、矢印ｘ方向と逆方向
に光ビーム16を移動して、先に副走査方向のビーム径
（Ds）を測定するための回折光を測光するようにしても
よい。

また、第９図に示される例においては光ビーム16を移
動することによる測定例であったが、光ビーム16の照射
位置を固定して、シート60を移動することにより測定を
行ってもよい。この場合は、光検出器は光ビーム16の照
射位置に対応して、回折光を好適に受光可能な一か所に
配置されればよい。

以上の説明は、円形、あるいは楕円のスポット形状を
有する光ビームの主走査方向および／または副走査方向
のビーム径を測定し、これにより光ビームのプロファイ
ルを測定する場合を例に行ったが、本発明はこれに限定
はされず、光ビームのスポット形状が不定形であって
も、光ビームとシートとの相対移動方向の光ビーム長の
測定を複数回行うことにより光ビームのプロファイルを
測定してもよい。

以上、本発明の光ビームプロファイル測定方法につい
て詳細に説明したが、本発明は上述の方法に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において
各種の改良や変更を行ってもよいのはもちろんである。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したとおり、本発明の測定方法によれ
ば、回折格子の回折光の光量を測光することにより光ビ
ーム径等を測定し、光ビームプロファイルを測定するの
で、被走査体上の適当な位置に前記シートを配置し、光
検出器を被走査体の上方に配置することができ、画像記
録装置、画像読取装置等の実際の光ビームの走査位置に
おいて光ビームプロファイルを測定することができる。

また、回折格子を用いて光ビームを回折させ、この回
折光を測光する構成を有するので、高い効率で光ビーム
プロファイルの測定を行うことができ、ノイズ等の影響
の少ない正確な測定が可能である。特にリップマンホロ
グラム等の反射型ホログラムを回折格子として適用する
ことにより、より良好な測定ができる。

しかも、前記シートを被走査体上に載置して、光ビー
ム主走査することにより、あるいは被走査体を副走査搬
送またはシートを副走査搬送手段に供することにより測
定を行うことができるので、通常の光ビーム走査と同様
にして測定を行うことができ、画像記録装置等を変更あ
るいは改良する必要がなく、また光ビームプロファイル
測定装置も簡単な構成とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光ビームプロファイル測定方法を説
明するための測定系の概略構成図である。 第２図および第３図は、第１図に示される光ビームプロ
ファイル測定方法によって得られる回折光光量の変化を
概念的に示すグラフである。 第４図は、本発明の光ビームプロファイル測定方法を説
明するための概念図である。 第５図、第７図および第８図は、本発明の光ビームプロ
ファイル測定方法に適用されるシートの別の例を示す概
略図である。 第６図は、第５図に示されるシートによって得られる回
折光光量の変化を概念的に示すグラフである。 第９図は、本発明の光ビームプロファイル測定方法の別
の例を説明する概略図である。 第10図は、第９図に示される光ビームプロファイル測定
方法を説明するための概念図である。 符号の説明 10,30,40,42,60……シート、12,34,36,46,54,56,62……
回折格子、14,32,44,50,52,64,66……反射面、16……光
ビーム、18,68,70……端部、20,74,78……回折光、22,7
2,76……光検出器、24……オシロスコープ、26……処理
装置、48,58……回転軸。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームと少なくとも一部に回折格子を有
   するシートとを、前記光ビームが前記回折格子の端部を
   通過するように相対的に移動して、前記回折格子による
   前記光ビームの回折光の光量を測定し、この光量の変化
   より前記光ビームのプロファイルを測定することを特徴
   とする光ビームプロファイル測定方法。