JP3050996B2 - 光ビーム形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザープリンタ、複
写機、ファクシミリ装置など光ビームを走査して必要な
情報を読み書きする走査光学系を有する装置に関し、特
に光ビームの強度形状および径を測定する光ビーム形状
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような走査光学系では、光ビームの
強度形状および径が設定値からずれると、記録された画
像のエッジがぼけたり、走査線われが生じたりして出力
画像が乱れ、画質が低下することが知られている。従っ
て、光ビームの強度形状および径を正確に測定すること
が必要であり、従来、次のような手法が提案されてい
る。

【０００３】第１に、ポリゴンの回転を止め、静止ビー
ムに対して測定する手法として、スリットやピンホール
をビームを横切るように動かし、スリットやピンホール
を透過した光の強度分布を検出し、この光強度分布に基
づいて光ビームの強度形状および径を測定する手法が知
られている。この手法では、スリットやピンホールを動
かす方向を制御することにより、ビーム走査方向および
ビーム走査直角方向のビーム強度形状および径を求める
ことができる。

【０００４】第２に、走査状態の光ビームの強度形状お
よび径を測定する手法として、光ビームの走査方向に対
してそれぞれ異なる角度で傾斜した３つのスリットを使
用し、楕円状強度分布をもつ光ビームの傾き角度と長径
と短径とを求める手法が知られている（特開平３−１６
０３２９号公報）。

【０００５】さらに、ビーム走査方向に対して４５度傾
斜した第１のスリットと、ビーム走査方向に対して直角
な第２のスリットとを設け、走査直角方向に長軸をも
ち、かつ楕円状強度分布をもつ光ビームに対して、ビー
ム走査方向のビーム径とともにビーム走査直角方向の径
を求める手法も知られている（特開平３−１２０４２６
号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、静止状態のビ
ーム形状を測定する手法では、ポリゴンを任意の位置に
静止させるのが困難である、ビーム走査全幅に渡って連
続的に測定するのが困難である、実際に装置として駆動
する場合のビーム走査状態におけるビーム形状の評価が
得られないなどといった多くの問題があった。

【０００７】また、走査状態のビーム形状を測定する手
法においては、特開平３−１６０３２９号公報、特開平
３−１２０４２６号公報とも、ビーム走査方向のビーム
強度形状および径の両方について、ビーム走査方向に直
角にスリットを配置することで、その透過光信号に基づ
いて簡単に測定することができるが、ビーム走査直角方
向のビーム測定については、ビーム径を測定するために
複雑な演算手段を設ける必要があった。すなわち、一般
に、図１５において、スリットＳ、光ビームＢ、光ビー
ムＢの長径２ａ、短径２ｂ、ビーム走査方向に対するス
リットＳの傾斜角α、光ビームＢがスリットＳを横切り
始めて横切り終わるまでの移動距離のｓｉｎα倍を２
ｗ、光ビームＢの長径とビーム走査直角方向とのなす角
α₀ とすると、

【０００８】

【数１】 ｗ² ＝ａ² ｃｏｓ² （α−α₀ ）＋ｂ² ｓｉｎ² （α−α₀ ） が成り立つ。そこで、特開平３−１６０３２９号公報で
は、異なる傾斜角をもつ３つのスリットからの光強度信
号に基づいて、数式１における３つの変数ａ、ｂ、α₀
を求めているが、これらの変数を求めるために複雑な演
算手段が必要であった。また、特開平３−１２０４２６
号公報では、α₀ ＝０であるため、２つの変数ａ、ｂを
ビーム走査に直角なスリットと４５°傾斜したスリット
からの光強度信号に基づいて求めているが、この場合に
も複雑な演算手段が必要となる。このように複雑な演算
手段が必要となるため、高価となり、さらに演算時間も
かかるので応答性の速いビーム径測定ができないという
問題があった。

【０００９】また、走査直角方向のビーム強度形状測定
については、両公報とも走査方向に傾斜するスリットを
用いているが、スリットに直角方向の強度形状が測定さ
れるので、設定するスリットの傾斜角度によっては正し
く測定できない場合があった。

【００１０】本発明は、このような事情の下になされた
もので、その目的は、ビーム走査状態でのビーム走査直
角方向のビーム強度形状およびビーム径を簡単な構成で
正確に測定し得る光ビーム形状測定装置を提供すること
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、走査光学系に使用され走査方向と略直交
する方向に長軸をもつ楕円状光ビームの形状を測定する
光ビーム形状測定装置において、少なくとも光ビームの
走査方向に対する傾斜角が０°より大きく１２°以下で
ある直線状の傾斜エッジを有するマスクパターンが形成
されてなるマスクパターン形成体と、少なくとも光ビー
ム走査時に前記マスクパターンを透過した光信号に基づ
いてビーム走査直角方向の光ビームの強度形状および径
を測定する測定手段を備えている。

【００１２】

【作用】今、マスクパターン形成体には直線状の傾斜エ
ッジを有するマスクパターンとして被測定ビーム径に比
し十分小さい巾をもつスリットが形成されているものと
する。

【００１３】図１６（ａ）に示したように、ビーム走査
方向Ｘに対するスリットＳの傾斜角αが０°より大きく
１２°以下と微小角度の場合、光ビームＢを本来のビー
ム走査方向Ｘに走査しても、等価的には図１６（ｂ）の
ように、光ビームＢをスリットＳに対して直角に走査し
たのと同じほぼ状況になる。

【００１４】そこで、図１６（ａ）のように、被測定ビ
ームである光ビームＢが本来のビーム走査方向Ｘに走査
されているとき、ビーム走査方向に対する傾斜角αが０
°より大きく１２°以下の傾斜スリットＳを、光ビーム
ＢがＴ１のタイミングで横切り始め、Ｔ２のタイミング
で横切り終えたものとすると、測定手段は、まず、光ビ
ームＢが前記傾斜スリットを通過するのに要する通過所
要時間Ｔ（Ｔ２−Ｔ１）を計測する。この場合、ビーム
走査直角方向の光ビームＢの径は、光ビームＢの走査速
度をＶとすると、ほぼＴ・Ｖ・ｓｉｎαとなる。そこ
で、もし、光ビームＢの走査速度Ｖが予め分かっておれ
ば、Ｖ・ｓｉｎαは定数となるので、測定手段は、計測
した通過所要時間Ｔと定数（Ｖ・ｓｉｎα）とを乗算す
ることにより、光ビームＢのビーム走査直角方向の径を
測定する。

【００１５】この場合、傾斜スリットＳは、傾斜角αは
０°より大きく１２°以下に設定されているので、測定
手段による測定結果においては、光ビームＢの走査方向
に対して傾斜スリットＳを傾斜させたことによる測定誤
差は低く抑えられる。また、傾斜スリットＳを透過した
光信号は、ほぼビーム走査直角方向のビーム強度形状を
示している。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【００１７】図１は、本発明の実施例による光ビーム形
状測定装置の構成図である。本実施例は、平面走査式光
学装置に適用した例であるが、本発明は、回転走査式光
学装置にも適用できる。また、記録システム、読取シス
テムのいずれにも適用できる。

【００１８】図１において、レーザ光源１から照射され
た光ビーム（レーザビーム）は、ポリゴン２の回転によ
り偏向され、ｆθレンズ３に入射される。ｆθレンズ３
は、ポリゴン２により偏向されたレーザービームを収束
し、走査面上で等速度となるようにして出射する。

【００１９】走査面となるべき位置には、マスクパター
ン形成体としてスリット形成板４が設けられ、このスリ
ット形成板４の裏側（ポリゴン２やｆθレンズ３とは反
対の側）には、光電変換素子、例えばフォトダイオード
５が密着されている。スリット形成板４はスリット部以
外は光を透過しない材質となっており、図２に示したよ
うな８つのスリットが形成されている。このスリットに
ついては後で詳細に説明する。スリット形成板４とフォ
トダイオード５とはステージＳｔ上に設けられ、ビーム
走査方向およびビーム走査直角方向に移動可能に構成さ
れている。また、スリット形成板４とフォトダイオード
５とは一体で、走査面内で微小角度だけ回転調整して固
定できるようステージＳｔ上に取付けられている。

【００２０】ｆθレンズ３から出射されたレーザビーム
は、スリット部分でのみ通過し、それ以外の部分では遮
光される。そして、スリット部分を通過したレーザビー
ムは、フォトダイオード５にて光電変換され、アンプ６
にて増幅されて光強度信号として処理回路７に入力され
る。処理回路７は、入力された光強度信号に基づいてレ
ーザビームの強度形状および径を求め、表示器８に表示
する。

【００２１】スリット形成板４に形成された８つのスリ
ットは、次のようになっている。すなわち、スリットＳ
１、Ｓ４は、ビーム走査方向に対して直角に形成され、
その高さ位置は同一となっている。また、スリットＳ
２、Ｓ３は、ビーム走査方向に対してそれぞれ微小角度
α、−αだけ傾斜して「ハ」の字状に並べられ、その高
さ位置が同一となるようにしてスリットＳ１、Ｓ４の間
に形成されている。スリットＳ１、Ｓ４の長さは、レー
ザビームのビーム走査直角方向の長さより十分長くして
あり、レーザビームの全体がスリットＳ１、Ｓ４を横切
ってビーム走査方向の強度形状及び径を測定できるよう
になっている。また、スリットＳ２、Ｓ３の長さをＬと
すると、その長さＬは、Ｌ・ｓｉｎ｜α｜の値がレーザ
ビームのビーム走査直角方向の長さより十分長くなるよ
うな値にして、レーザビームの全体がスリットＳ２、Ｓ
３を横切ってビーム走査直角方向の強度形状およひ径を
測定できるようになっている。

【００２２】スリットＳ５、Ｓ６はスリットＳ１の右下
に、スリットＳ７、Ｓ８はスリットＳ４の右下に形成さ
れている。スリットＳ５〜Ｓ８は、いずれもビーム走査
方向と平行になっている。また、スリットＳ５とＳ６、
およびスリットＳ７とＳ８のビーム走査直角方向の間隔
は光ビームのビーム走査直角方向の径より狭く、かつビ
ーム走査方向の間隔は互いにオーバーラップしない程度
に近接している。

【００２３】スリットＳ１〜Ｓ８の各スリットのスリッ
ト幅は、レーザービームの長径（約１２０ミクロン）及
び短径（約８０ミクロン）に比し十分小さい値である５
ミクロンに設定した。スリット幅をレーザービームの６
％程度以下としたのは、この程度のスリット幅であれば
測定誤差は０．３％以下にでき、ほぼ無視できるからで
ある。

【００２４】また、スリットＳ５とＳ６、スリットＳ７
とＳ８との直角方向の間隔は、レーザービームの長径の
約１／２となっている。

【００２５】上記各スリットのうち、スリットＳ１、Ｓ
４を利用して、ビーム走査速度、およびビーム走査方向
のレーザービームの強度形状と径とが測定される。ま
た、スリットＳ１、Ｓ５、Ｓ６からなるスリット群、お
よびスリットＳ４、Ｓ７、Ｓ８からなるスリット群を利
用して、レーザービームの走査方向が測定される。ま
た、スリットＳ２、Ｓ３を利用してビーム走査直角方向
のレーザービームの強度形状と径とが測定される。

【００２６】次に、スリットＳ２、Ｓ３の傾斜角度｜α
｜を１２°以下とした意義について説明する。

【００２７】ビーム走査直角方向に長径をもつ楕円状ビ
ームの長径方向のビーム径測定では、一般にビーム走査
方向に対してエッジが傾くと−方向に誤差が発生する。

【００２８】図３は、被測定ビームのビームの楕円比
（短径／長径）が０．１〜１．０の範囲をとるとしたと
きの、ビーム走査直角方向のビーム径を測定するための
エッジの傾斜角とビーム走査直角方向の測定誤差との関
係を示している。

【００２９】一般に被測定ビームのレーザービームはレ
ーザーダイオードの場合などで楕円ビームとなるが、そ
の楕円比は０．３以上である。また走査光学系では、高
品質画像を形成するためには、ビーム走査直角方向のビ
ーム径の測定誤差は約２％以下すなわち±１％程度以下
の精度が望まれている。

【００３０】図３から明らかなように、楕円比が０．３
以上で、測定誤差を約２％以内に抑えるためにはエッジ
の傾斜角を１２°以下に設定すればよいことがわかる。

【００３１】本実施例では、エッジとしてスリットを用
いているが、この場合スリットの巾はビーム径測定に於
て＋方向の誤差を発生させる原因となる。図４は被測定
ビームのビーム走査直角方向のビ−ム径が１１０〜１３
０ミクロン、ビーム走査方向のビーム径が７０〜９０ミ
クロンの範囲をとるとしたときの、ビーム走査直角方向
のビーム径を測定するためのスリットの傾斜角および巾
と最大測定誤差の関係を示している。なおスリットの傾
斜角α＝０°における測定誤差は図１６（ｂ）のように
被測定ビームの長軸方向と直交するスリットを被測定ビ
ームの長軸方向に走査する従来の手法の場合の被測定ビ
ームの長軸（ビーム走査直角方向のビーム径）の最大測
定誤差を示している。

【００３２】図４より明らかなようにスリット巾が十分
小さい場合（２．５ミクロンや５ミクロン）、傾き角１
２°以下で誤差２％程度以内に抑えられている。また特
に、スリット巾による誤差の効果により、傾斜角α＝０
°つまり、従来のスリット測定手法によるビーム径測定
誤差よりも測定誤差が小さくなる傾斜角の範囲があり、
この範囲に傾斜角を設定すれば従来手法より誤差を低減
できることがわかる。

【００３３】以上のことを考慮すると、測定誤差が２％
以下となる範囲、より好ましくは前記図１６（ｂ）のよ
うに傾斜角α＝０°のスリットで走査した場合より測定
誤差が小さくなる範囲で、スリットＳ２、Ｓ３のスリッ
ト幅と傾斜角を設定することが望ましい。

【００３４】本実施例では、スリット幅は５ミクロン設
定されている。これは、ビーム走査直角方向のビーム径
に対してスリット幅が狭すぎると透過光信号のＳ／Ｎが
悪くなり、逆にスリット巾が広すぎると、強度形状の測
定分解能やビーム径測定の精度が劣化するため、本実施
例では５ミクロン前後が妥当であったためである。

【００３５】さて、ビーム走査方向とビーム走査直角方
向とのビーム強度形状および径をただ１度のビーム走査
で同時に測定できることが望ましく、この実施例でも上
記の向のビーム強度形状および径を測定するスリットを
設けている。そのため、スリットＳ２、Ｓ３の傾斜角α
は、１／ｓｉｎαの値が整数ｎとなるように設定してあ
る。これは、図５に示したように、ビーム走査方向のビ
ーム径を測定する場合、スリットＳ１からの信号Ａの出
力信号を周波数Ｍのクロックでカウントして、スリット
Ｓ２からの信号Ｂの出力信号を周波数Ｍ／ｎのクロック
でカウントすると、ビーム走査方向とビーム走査直角方
向のビーム径を双方ともに簡単に求められるからであ
る。すなわち、１／ｓｉｎαの値が整数ｎであれば、周
波数Ｍ／ｎのクロックが簡単に作成できる。また、周波
数Ｍ／ｎのクロックを用いてスリットＳ２からの信号Ｂ
の出力信号をカウントすることは、信号Ｂの出力信号に
ｓｉｎαを乗算したことと等しくなり、両方の出力信号
とも１クロックに相当する距離が等しくなり、ビーム走
査直角方向のビーム径もビーム走査方向のビーム径と同
様に、単にカウント値に速度を乗算するだけで求めるこ
とが可能となる。

【００３６】なお、実際には、スリットＳ２、Ｓ３の傾
斜角｜α｜は、４．１°、または３．８°に設定してい
る。これは、

【００３７】

【表１】 ｜α｜ ｎ ４．１° １４ ３．８° １５ のように、傾斜角｜α｜が４．１°、３．８°の場合に
１／ｓｉｎαが整数になり、かつ図４に示したように、
本実施例で設定したビーム走査直角方向のビーム径に対
するスリット幅が５ミクロンの場合に、測定誤差が極小
となる付近だからである。

【００３８】次に、スリットＳ２とスリットＳ３とを正
負にα°傾斜させて「ハ」の字形に形成した意義につい
て説明する。これは、スリットＳ２、Ｓ３の傾斜｜α｜
は、上記のように４．１°、または３．８°と非常に小
さいので、ビーム走査方向が設定よりずれた場合の測定
誤差が大きくなるため、そのずれに基づく測定誤差を解
消する必要があるからである。

【００３９】すなわち、図６に示したように、ビーム走
査方向が設定通りの場合のスリットＳ２とビーム走査方
向とのなす角をα、ビームがスリットＳ２を横切るのに
要する時間をｔとする。この場合、ビーム走査方向が設
定からα₁ 度だけずれると、スリットＳ２とビーム走査
方向とのなす角は（α−α₁ ）と小さくなるため、ビー
ムがスリットＳ２を横切るのに要する時間はｔよりも長
いｔ₁ と長くなる。一方、ビーム走査方向が設定からα
₁ 度だけずれると、スリットＳ３とビーム走査方向との
なす角は（α＋α₁ ）と大きくなるため、ビームがスリ
ットＳ３を横切るのに要する時間はｔよりも短いｔ₂ と
なる。従って、ビームがスリットＳ２を横切るのに要す
る時間ｔ₁ とビームがスリットＳ３を横切るのに要する
時間ｔ₂との平均値をとれば、ビーム走査方向が設定通
りの場合のビームのスリット通過所要時間ｔとほぼ等し
くなり、ビーム走査方向が設定からずれた場合の測定誤
差を解消できる。すなわち、ビーム走査方向のずれ角度
α₁ が小さいとき、

【００４０】

【数２】 ｔ₁ ＋ｔ₂ ≒２ａ〔｛１／（α−α₁ ）｝＋｛１／（α＋α₁ ｝〕 ＝４ａα／｛（α−α₁ ）（α＋α₁ ）｝ ＝４ａ／｛α−（α₁ ²／α）｝≒４ａ／α＝２ｔ となり、ｔ₁ ＋ｔ₂ の平均である（ｔ₁ ＋ｔ₂ ）／２
は、ｔとほぼ等しくなる。

【００４１】ビーム走査速度は、［作用］の項で説明し
たようにビーム径を求めるための必須要件となるので、
ビーム走査速度が不明の場合はスリットＳ１とＳ４によ
り、ビーム走査速度を求める。すなわち、図７に示した
ように、スリットＳ１とＳ４の間隔は一定（ｘ）である
ので、スリットＳ１とＳからの信号のピーク値の時間間
隔Ｔを計測し、この時間間隔ＴでスリットＳ１とＳとの
間隔ｘを割ることにより、光ビームＢのビーム走査速度
を求めることができる。

【００４２】図８は処理回路７の詳細を示すブロック図
であり、第１の２値化回路７０、タイミング発生回路７
１、サンプルホールド回路７２、差演算回路７３、ビー
ム走査方向表示制御部７４、速度測定用エッジ作成回路
７５、速度測定回路７６、乗算回路７７、ビーム径表示
制御回路７８、第１の閾値設定回路７９、第２の２値化
回路８０、第１のゲート回路８１、第１のビーム径カウ
ント回路８２、プロファイル出力回路８３、第２の閾値
設定回路８４、第３の２値化回路８５、第２のゲート回
路８６、第２のビーム径カウント回路８７、およびクロ
ック発生回路８８を有している。なお、第１の閾値設定
回路７９、第２の２値化回路８０、第１のゲート回路８
１、第２の閾値設定回路８４、第３の２値化回路８５、
および第２のゲート回路８６には、同一機能の回路がそ
れぞれ２系統ずつ含まれており、２系統の回路を区別し
て説明する必要がある場合には、例えば第１の閾値設定
回路７９ａ、第１の閾値設定回路７９ｂのように数字の
後にａ、ｂを付加して説明する。

【００４３】アンプ６にて増幅されたフォトダイオード
５からの光強度信号は、第１の２値化回路７０、サンプ
ルホールド回路７２、速度測定用エッジ作成回路７５、
第１の閾値設定回路７９、第２の２値化回路８０、プロ
ファイル出力回路８３、第２の閾値設定回路８４、およ
び第３の２値化回路８５に並列に入力される。そして、
第１の２値化回路７０とタイミング発生回路７１とによ
り、各種のタイミング信号が発生される。また、サンプ
ルホールド回路７２と、差演算回路７３と、ビーム走査
方向表示制御部７４とにより、ビーム走査方向が検定さ
れる。

【００４４】なお、ビーム走査方向を検出する場合は、
スリット形成板４を上下方向に移動してビームがスリッ
トＳ５とＳ６、およびスリットＳ７とＳ８のほぼ真ん中
になるように位置決めして、ビームを走査する。そし
て、ビーム走査方向を検定した結果、ビーム走査方向が
ずれているとき、すなわちスリットＳ５、Ｓ６の部分で
はビームがほぼ真ん中を通るのに、スリットＳ７、Ｓ８
の部分では間ではビームが真ん中を通らないような場合
は、上記各部分でビームがほぼ真ん中を通るようスリッ
ト形成板４とフォトダイオード５を一体として微小角度
回転させる。或は、ビーム走査方向を示す差信号（差演
算回路７３の出力）を図示しないメモリに記憶し、それ
に対応するビーム径の補正値を乗算回路７７に出力して
乗算して補正するようにしてもよい。そして、この作業
が終わった後、ビーム径やビーム速度を測定すべく、ス
テージＳｔを上下動させてビームがスリットＳ２、Ｓ３
の中央の位置にくるよう高さを調節する。

【００４５】速度測定用エッジ作成回路７５と速度測定
回路７６とにより、ビーム速度が測定されて乗算回路７
７に出力される。

【００４６】第１の閾値設定回路７９と、第２の２値化
回路８０と、第１のゲート回路８１と、第１のビーム径
カウント回路８２とは、スリットＳ１、Ｓ４に対応する
光強度信号により、ビーム走査方向のビーム径を測定す
るために活用される。

【００４７】プロファイル出力回路８３は、ビーム強度
形状をオシロスコープ等で見るためのアナログ波形を出
力する。第２の閾値設定回路８４と、第３の２値化回路
８５と、第２のゲート回路８６と、第２のビーム径カウ
ント回路８７とは、スリットＳ２、Ｓ３に対応する光強
度信号により、ビーム走査直角方向のビーム径を測定す
るために活用される。

【００４８】次に、上記各回路の動作を図９、図１０、
図１１のタイムチャートに基づいて説明する。

【００４９】図９は、ビーム径を測定する場合のタイミ
ング発生回路７１の動作概略を示すタイムチャートであ
り、ステージを上下動させてビームがスリットＳ２、Ｓ
３の中央部に対応するようマスクパターン形成体４の高
さを調節し、ビームを走査すると、図９（ａ）に示した
ような光強度信号がアンプ６を介してフォトダイオード
５から出力される。ここで、図９（ａ）に丸で囲った各
信号群は、その１つ１つがマスクパターン形成体４を１
回走査した場合に対応している。すなわち、例えば１０
回等の設定した回数の測定を行うため、図９（ｃ）に示
した測定スタート信号がスイッチやパソコン等の外部か
ら入力されると、タイミング発生回路７１は、図９
（ｄ）に示したように、測定中信号をアクティブにし、
かつ図９（ａ）の光強度信号群に対応する図９（ｂ）の
ようなパルス群を発生する。さらに、タイミング発生回
路７１は、図９（ｂ）、および（ｄ）の信号が共に
「Ｈ」の期間だけ後述の各種タイミング信号を発生す
る。

【００５０】フォトダイオード５から出力され、アンプ
６にて増幅された光強度信号ａは、ビーム走査直角方向
が長軸の楕円状ビームの場合、たとえば図１０の（ａ）
に示したように、スリットＳ１、Ｓ４に対応する部分Ｓ
１ａ、Ｓ４ａでレベルが最も高く、スリットＳ２、Ｓ３
に対応する部分Ｓ２ａ、Ｓ３ａもレベルが高くなってい
る。この光強度信号を第１の２値化回路７０が所定の閾
値で２値化すると、図１０（ｂ）に示した２値信号ｂが
得られる。すると、タイミング発生回路７１は、２値信
号ｂに基づいて、図１０（ｂ１）〜図１０（ｂ５）、図
１０（ｅ）、図１０（ｇ）、図１１（ｋ）に示したよう
な各種のタイミング信号を発生し、対応の回路に出力す
る。

【００５１】速度測定用エッジ作成回路７５は、アンプ
６にて増幅された光強度信号（ａ）のうち、スリットＳ
１に対応するピーク値を検出した後スリットＳ４に対応
するピーク値を検出するまでの期間Ｔだけ「Ｈ」となる
図１０（ｃ）の信号を作成する。そして、速度測定回路
７６は、図１０（ｃ）の期間Ｔと、スリットＳ１とスリ
ットＳ４との間の距離とに基づいてビーム走査速度を計
算し、そのビーム走査速度を乗算回路７７に出力する。

【００５２】第１の閾値設定回路７９ａ、７９ｂは、各
々図１０（ｂ１）、（ｂ４）のタイミング信号に基づい
て、図１０（ａ）のスリットＳ１、Ｓ４に対応する信号
Ｓ１ａ、Ｓ４ａのピーク値を検出し、それぞれα倍（α
＜１）して閾値を作成し、第２の２値化回路８０ａ、８
０ｂに出力する。第２の２値化回路８０ａ、８０ｂは、
スリットＳ１〜Ｓ４に対応する光強度信号の全てを、各
々第１の閾値設定回路７９ａ、７９ｂから与えられた閾
値に基づいて２値化し（図１０（ｄ）参照）、各々第１
のゲート回路８１ａ、８１ｂに出力する。なお、第２の
２値化回路８０ａ、８０ｂからそれぞれ出力される２値
信号は、厳密には異なっているがその差は小さく図面上
で区別することは困難なので、図１０（ｄ）のように１
つだけ示した。また、図１０（ｄ）は、第３の２値化回
路８５ａ、８５ｂからそれぞれ出力される２値信号をも
同様に示している。

【００５３】ところで、第２の２値化回路８０ａ、８０
ｂは、上記説明から明らかなように、スリットＳ１〜Ｓ
４に対応する４つの光強度信号Ｓ１ａ〜Ｓ４ａとも全
て、各々第１の閾値設定回路７９ａ、７９ｂから１つず
つ与えられた閾値に基づいて２値化して出力している
が、本実施例では、例えばスリットＳ１に対応する２値
信号としては、そのスリットＳ１に対応する光強度信号
Ｓ１ａのピーク値をα倍した閾値に基づいて２値化され
たものを使用するといったように、自己の光強度信号の
ピーク値をα倍した閾値に基づいて２値化することによ
り、２値化対象の光強度信号Ｓ１ａ〜Ｓ４ａの大小に拘
らず、その光強度信号Ｓ１ａ〜Ｓ４ａから有効な信号範
囲として切り出す割合を一定にして正確を期すことを意
図している。しかし、上記説明から推測できるように、
第２の２値化回路８０ａ、８０ｂからの図１０（ｄ）に
示した２値信号中には、自己の光強度信号のピーク値を
α倍した閾値に基づいて２値化されたものは１つだけで
あり、残りの３つは他の光強度信号のピーク値をα倍し
た閾値に基づいて２値化されたものである。

【００５４】そこで、第１のゲート回路８１ａ、８１ｂ
は、図１０（ｂ５）、（ｅ）のタイミング信号（ゲート
信号）に基づいてゲート制御を行うことにより、第２の
２値化回路８０ａ、８０ｂからの図１０（ｄ）に示した
２値信号のうち、各々、自己の光強度信号のピーク値を
α倍した閾値に基づいて２値化された２値信号Ｄ１、Ｄ
４（各々スリットＳ１、Ｓ４に対応）のみを通過させて
第１のビーム径カウント回路８２に出力する（図１０
（ｆ）参照）。

【００５５】第１のビーム径カウント回路８２は、図１
０（ｆ）の信号について、スリットＳ１、Ｓ４に対応す
る２値信号の「Ｈ」レベルの期間を、クロック発生回路
８８にて発生された所定周波数Ｍのクロックでカウント
し、そのカウント値（時間）を乗算回路７７に出力す
る。すると、乗算回路７７は、第１のビーム径カウント
回路８２からのカウント値と、速度測定回路７６からの
ビーム速度とを乗算することにより、ビーム走査方向の
ビーム径を算出し、ビーム径測定表示制御回路７８に出
力する。

【００５６】第２の閾値設定回路８４、第３の２値化回
路８５、第２のゲート回路８６、第２のビーム径カウン
ト回路８７の動作は、各々対応する第１の閾値設定回路
７９、第２の２値化回路８０、第１のビーム径カウント
回路８２とほぼ同様であるので簡単に説明する。

【００５７】第２の閾値設定回路８４ａ、８４ｂは、各
々図１０（ｂ２）、（ｂ３）のタイミング信号に基づい
て、スリットＳ２、Ｓ３に対応する光強度信号Ｓ２ａ、
Ｓ３ａを２値化するための閾値を光強度信号Ｓ２ａ、Ｓ
３ａのピーク値から作成し、第３の２値化回路８５ａ、
８５ｂに出力する。第３の２値化回路８５ａ、８５ｂは
与えられた閾値に基づいて光強度信号Ｓ１ａ〜Ｓ４ａを
２値化し、第２のゲート回路８６ａ、８６ｂに出力す
る。第２のゲート回路８６ａ、８６ｂは、図１０（ｂ
５）、（ｇ）のタイミング信号に基づいて、スリットＳ
２、Ｓ３に対応する光強度信号Ｓ２ａ、Ｓ３ａをその光
強度信号Ｓ２ａ、Ｓ３ａから作成した閾値で２値化した
２値信号のみを第２のビーム径カウント回路８７に出力
する（図１０（ｈ）参照）。第２のビーム径カウント回
路８７は、図１０（ｈ）の信号について、スリットＳ
２、Ｓ３に対応する２値信号の「Ｈ」レベルの期間を、
クロック発生回路８８にて発生された所定周波数Ｍ／ｎ
のクロックでカウントし、そのカウント値（時間）を乗
算回路７７に出力する。すると、乗算回路７７は、第２
のビーム径カウント回路８７からのカウント値と、速度
測定回路７６からのビーム速度とを乗算することによ
り、ビーム走査直角方向のビーム径を算出し、ビーム径
測定表示制御回路７８に出力する。

【００５８】次に、ビーム走査方向検出動作を図１１に
基づいて説明する。

【００５９】今、ビームがスリットＳ５、Ｓ６の中間を
通る位置にステージの直角方向の位置を位置決めし、ビ
ームを水平方向に走査した結果、図１１（ｉ）に示した
光強度信号が得られたものとする。なお、図１１（ｉ）
に示した光強度信号中、Ｓ１ｂ、Ｓ４ｂ、Ｓ５ａ、Ｓ６
ａ、Ｓ７ａ、Ｓ８ａは、それぞれスリットＳ１、Ｓ４、
Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８に対応する部分である。この場
合、第１の２値化回路７０は、図１１（ｊ）に示したよ
うな２値信号をタイミング発生回路７１に出力する。そ
こでタイミング発生回路７１は、スリットＳ１、Ｓ４に
対応する２値信号に基づいて図１１（ｋ）に示したよう
なスリットＳ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８に対応するサンプリ
ングタイミング信号を発生し、サンプルホールド回路７
２に出力する。すると、サンプルホールド回路７２は、
そのサンプリングタイミング信号に基づいて、図１１
（ｉ）の光強度信号のうち、スリットＳ５、Ｓ６、Ｓ
７、Ｓ８に対応する部分Ｓ５ａ、Ｓ６ａ、Ｓ７ａ、Ｓ８
ａをサンプルホールドする。そこで、差演算回路７１
は、（Ｓ５ａ−Ｓ６ａ）−（Ｓ７ａ−Ｓ８ａ）の演算を
行い、ビーム走査方向を判断する。 ［第２実施例］図１２は、第２実施例による光ビーム形
状測定装置の構成図であり、第１実施例と同様のレーザ
ー光源１、ポリゴン２、ｆθレンズ３、スリット形成板
４、フォトダイオード５、アンプ６、ステージＳｔの
他、光学式リニアエンコーダ９と、第１実施例とは少し
構成の異なる処理回路７ａと、アンプ６ａとを有してい
る。

【００６０】光学式リニアエンコーダー９は、ビームス
プリッタ９ａ、互いに平行なスリット格子が等間隔で形
成された格子形成体９ｂ、格子形成体９ｂの裏側に固着
されたフォトセンサ９ｃにより構成されている。この場
合、レーザー光源１、ポリゴン２、およびｆθレンズ３
を介してビーム走査が行われると、レーザビームはビー
ムスプリッタ９ａにより分岐され、スリット形成板４と
格子形成体９ｂとに投光される。そして、格子形成体９
ｂに投光されたレーザビームは、スリット格子の部分の
みを通過し、フォトセンサ９ｃにより光電変換される。
この光電変換された光信号は、アンプ６ａにより増幅さ
れて処理回路７ａに出力される。

【００６１】図１３は、第２実施例による処理回路７ａ
のブロック図であり、第１実施例におけるクロック発生
回路８８の代わりに、第４の２値化回路８８ａと、ＰＬ
Ｌ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）回路８８ｂ
と、１／ｎ回路８８ｃとからなるＰＬＬクロック発生回
路７ａａを有している。

【００６２】第４の２値化回路８８ａは、フォトセンサ
８ｃからの光強度信号を２値化して、ＰＬＬ回路８８ｂ
に出力する（図１４（ｂ）参照）。なお、図１４（ａ）
は、フォトダイオード５からの光強度信号を示してい
る。そして、ＰＬＬ回路８８ｂは、２値化されたビーム
径信号をてい倍して周波数がほぼＭのクロックを第１の
ビーム径カウンタ８２と、１／ｎ回路８８ｃとに出力す
る（図１４（ｃ）参照）。すると、１／ｎ回路８８ｃ
は、ＰＬＬ回路８８ｂによりてい倍された周波数Ｍのク
ロックを１／ｎし、周波数がほぼＭ／ｎのクロックを第
２のビーム径カウンタ８７に出力する（図１４（ｄ）参
照）。

【００６３】このように、第２実施例では、ビーム走査
速度を忠実に反映した信号に基づいて作成されたクロッ
クによりカウントするようにしている。このようにする
と、例えビーム走査速度が変動したとしても、正確にビ
ーム径を測定することが可能となる。

【００６４】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ことなく、例えば、スリット形成体上に、ビーム光量を
検出するための開口を形成し、この開口により１回の走
査で同時にビーム光量の計測を行えるようにし、それを
利用して２値化する際のしきい値を変更するようにして
もよい。また、スリット形成体は、レーザビームが反射
してレザー光源１に戻ったり、測定者の方向に反射した
りしないよう、レーザビームの光軸に対して微小量傾け
てもよい。さらに、ビーム走査方向の検出結果に基づい
て、スリット形成体を自動的に回転させるようにしても
よい。また上記実施例ではエッジとしてスリットを用い
ているが、エッジをナイフエッジとし、そのナイフエッ
ジから得られた信号を微分し、その微分信号を利用して
ビーム走査直角方向及びビーム走査方向の強度形状やビ
ーム径を測定するようにしてもよい。また、ビームと被
走査体とが相対的に移動する装置であればよく、ビーム
自体は一方向に投光され、被走査体の方が移動する装置
にも適用できる。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のビーム形
状測定装置によれば、傾斜エッジの傾斜角を適切に設定
することにより、複雑な演算手段を用いない簡単な構成
でビーム走査状態でビーム走査直角方向のビーム強度形
状及び径を正確に測定することができる。また、複雑な
演算手段が不要となるため、安価に製作でき、かつ応答
性の速いビーム径測定も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるビーム形状測定装置
の構成図である。

【図２】マスクパターン形成体に形成されたスリットを
示す図である。

【図３】測定対象の楕円ビームが楕円比（短径／長径）
０．１〜１．０の場合において、ビーム走査直角方向の
ビーム径を測定するためのエッジの傾斜角と測定誤差と
の関係を示す図である。

【図４】測定対象のビームが楕円の場合において、ビー
ム走査直角方向のビーム径を測定するためのスリットの
傾斜角、および幅と、測定誤差との関係を示す図であ
る。

【図５】ビーム径を測定する際にビームがスリットを通
過する通過所要時間を計測すための２つのクロックを説
明するための図である。

【図６】実施例において採用したビーム走査直角方向の
ビーム径を測定するために２つの傾斜したスリットを設
けた意義を説明するための図である。

【図７】ビーム走査速度を検出する原理を示す原理説明
図である。

【図８】第１実施例における処理回路の詳細を示すブロ
ック図である。

【図９】図８の処理回路の動作タイミング発生回路の動
作概要を示すタイムチャートである。

【図１０】ビーム径を測定する場合の図８の処理回路の
動作を示すタイムチャートである。

【図１１】ビーム走査方向を検出する場合の図８の処理
回路の動作を示すタイムチャートである。

【図１２】本発明の第２実施例によるビーム形状測定装
置の構成図である。

【図１３】第２実施例における処理回路の詳細を示すブ
ロック図である。

【図１４】ビーム走査方向を検出する場合の第２実施例
に特有な動作を示すタイムチャートである。

【図１５】ビーム走査方向に対して傾斜させたスリット
による一般的なビーム径の測定原理を説明する原理説明
図である。

【図１６】本発明の原理を説明するための原理説明図で
ある。

【符号の説明】 ４ スリット形成板 ５ フォトダイオード ７ 処理回路 ７１ タイミング発生回路 ７７ 乗算回路 ７９ 第１の閾値設定回路 ８０ 第２の２値化回路 ８１ 第１のゲート回路 ８２ 第１のビーム径カウント回路 ８３ プロファイル出力回路 ８４ 第２の閾値設定回路 ８５ 第３の２値化回路 ８６ 第２のゲート回路 ８７ 第２のビーム径カウント回路 ８８ クロック発生回路 Ｓ１〜Ｓ４ スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北村 光晴 東京都日野市さくら町１番地 コニカ株 式会社内 (56)参考文献 特開 平４−50631（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−253619（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01J 1/00 - 1/60 H04N 1/113

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査光学系に使用され走査方向と略直交
   する方向に長軸をもつ楕円状光ビームの形状を測定する
   光ビーム形状測定装置において、少なくとも光ビームの
   走査方向に対する傾斜角が０°より大きく１２°以下で
   ある直線状の傾斜エッジを有するマスクパターンが形成
   されてなるマスクパターン形成体と、少なくとも光ビー
   ム走査時に前記マスクパターンを透過した光信号に基づ
   いてビーム走査直角方向の光ビームの強度形状および径
   を測定する測定手段を備えたことを特徴とする光ビーム
   形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記マスクパターン形成体は前記傾斜エ
   ッジが傾斜スリットであるスリット形成体であって、該
   スリットの傾斜角は、前記範囲の傾斜角のうち所定の被
   測定ビーム径範囲に対してスリットを走査方向と直交す
   る方向に走査してビーム走査直角方向の光ビームの径を
   測定した場合の測定誤差よりも小さい測定誤差となる範
   囲で選択された傾斜角であることを特徴とする請求項１
   に記載の光ビーム形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記マスクパターン形成体は、光ビーム
   の走査方向に対する傾斜角が正負に同角度に設定された
   ２つの傾斜エッジが形成され、前記測定手段は、光ビー
   ムが前記２つの傾斜エッジを通過するとき得られるマス
   クパターンを透過した２つの光信号の平均値に基づいて
   ビーム走査直角方向の光ビームの強度形状および径を測
   定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   の光ビーム形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記マスクパターン形成体は、請求項
   １、請求項２または請求項３に記載の傾斜エッジの他
   に、ビーム走査方向検出用のマスクパターンをも形成
   し、前記測定手段は、該ビーム走査方向検出用のマスク
   パターンを透過した光信号に基づいてビーム走査方向を
   測定し、その測定したビーム走査方向に基づいて光ビー
   ムが前記傾斜エッジを通過するとき得られるマスクパタ
   ーンを透過した光信号に基づいて測定したビーム走査直
   角方向の光ビームの強度形状および径を補正することを
   特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載
   の光ビーム形状測定装置。
5. 【請求項５】 前記ビーム走査方向検出用のマスクパタ
   ーンは、ビーム走査直角方向に形成された垂直スリット
   と、該垂直スリットのビーム走査方向側に配置されビー
   ム走査方向と平行な２つの水平スリットであつて、ビー
   ム走査直角方向の間隔は光ビームの径より狭く、かつビ
   ーム走査方向の間隔は互いにオーバーラップしない程度
   に近接した２つの水平スリットとからなるスリット群が
   ビーム走査方向と平行する線上に２群形成されてなるこ
   とを特徴とする請求項４に記載の光ビーム形状測定装
   置。
6. 【請求項６】 前記マスクパターン形成体は、前記傾斜
   エッジの他にビーム走査方向の光ビームの強度形状およ
   び径を測定するためにビーム走査直角方向に形成された
   垂直エッジをも形成し、ビーム走査直角方向の光ビーム
   の強度形状および径を測定するための前記傾斜エッジの
   傾斜角αは、ｓｉｎαの逆数が整数ｎとなるよう設定さ
   れ、前記測定手段は、該垂直エッジを通過するとき得ら
   れるマスクパターン透過光信号を周波数Ｍのクロックで
   カウントすることによりビーム走査方向の光ビームの強
   度形状および径を測定し、前記傾斜エッジを通過すると
   き得られるマスクパターン透過光信号を周波数Ｍ／ｎの
   クロックでカウントすることによりビーム走査直角方向
   の光ビームの強度形状および径を測定することを特徴と
   する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光ビ
   ーム形状測定装置。
7. 【請求項７】 前記マスクパターン形成体は、前記傾斜
   エッジの他にビーム走査速度検出用のエッジをも形成
   し、前記測定手段は、該ビーム走査速度検出用のエッジ
   を通過するとき得られるマスクパターン透過光信号に基
   づいてビーム走査速度を測定し、測定したビーム走査速
   度と前記傾斜エッジを通過するとき得られるマスクパタ
   ーン透過光信号とを利用してビーム走査直角方向の光ビ
   ームの強度形状および径を測定することを特徴とする請
   求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光ビーム形
   状測定装置。
8. 【請求項８】前記測定手段は、ビーム走査中に分岐され
   た光ビームに基づいてビーム走査速度を検出するビーム
   走査速度検出手段を含み、測定したビーム走査速度と前
   記傾斜エッジを通過するとき得られる透過光信号とを利
   用してビーム走査直角方向の光ビームの強度形状および
   径を測定することを特徴とする請求項１から請求項６の
   いずれか１項に記載の光ビーム形状測定装置。