JP3299186B2 - 走査位置検出機能を有する光走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源から放射され
る光ビームを周期的に偏向して走査を行なうようにした
光走査装置、特に走査用の光ビームを放射する走査用光
源手段と、この走査用光ビームを偏向して走査面に投射
する共振型の光偏向手段とを具え、走査用光ビームによ
って走査している位置を検出する機能を有する光走査装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査用光ビームを周期的に偏向して走査
を行なうようにした光走査装置は種々の型式のものが提
案されている。例えば、レーザ光源から放射されるレー
ザビームを光−音響偏向素子に通し、この素子にのこぎ
り波状の駆動信号を供給して偏向させるようにした光走
査装置が提案されている。このような光走査装置では、
光−音響変換素子を駆動するのこぎり波状の駆動信号か
ら光ビームによる走査位置の情報を取り出すことができ
る。しかしながら、このような光−音響偏向素子を用い
る光走査装置は、使用できる波長の制限を受ける問題が
ある。例えば、モリブデン酸鉛や２酸化テルルを用いる
ものでは450nm および380nm よりも短い波長の光に対す
る透過率がきわめて小さくなり、石英を用いるものでは
さらに短波長の光を透過するが、性能指数がきわめて低
いという問題がある。さらに、光−音響偏向素子やその
駆動回路の温度変化による変動が大きいという問題もあ
る。

【０００３】一方、光源から放射される光ビームを受
け、これを所定の走査面に向けて反射する反射ミラーを
振動させて偏向させるようにした機械的な光走査装置も
提案されている。このような反射ミラーを用いる光偏向
装置においては、走査速度が走査範囲に亘って一定とな
らず、一般に走査範囲の両端で遅く、中央で最も速くな
る。このような走査むらがあると、図１Ａに示すような
格子パターンを走査した場合、走査して得られる画像信
号を表示すると図１Ｂに示すように格子のピッチが画面
の端から中央部に向けて小さくなってしまう。このよう
な走査むらを解消するために、反射ミラーの角度位置
を、例えばサーボモータの出力軸に取り付けられたアー
ムを有する摺動抵抗器によって電気的に検出し、これに
基づいてサーボ制御を行なうことにより走査を正確に行
なうようにしている。しかしながら、このような光走査
装置においては、サーボ制御の応答速度の点から、走査
の繰り返し周波数は数百Ｈｚ程度に制限され、それ以上
の高速の走査を行なうことができない。

【０００４】さらに、高速の走査を行なうことができる
光走査装置として共振型ガルバノスキャナと呼ばれるも
のが提案されている。このような光走査装置において
は、発振器からの、例えば正弦波状の駆動信号をトーシ
ョンバーと共に機械的な共振系を構成する電磁駆動素子
のコイルに流し、トーションバーに固着されたミラーを
周期的に振動させるようにしている。この共振型ガルバ
ノスキャナでは、サーボ制御を行っていないので、数Ｋ
Ｈｚの高速走査が可能である。しかし、駆動信号の位相
と振動位置とは一致しないので、駆動信号を処理しても
走査位置を知ることはできず、図１に付き上述したよう
な走査むらを解消することはできない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したような共振型
ガルバノスキャナにおいて、光ビームのよる走査位置情
報を取り出すために、従来種々の機構が提案されてい
る。図２はそのような走査位置検出機能を有する従来の
光走査装置の一例を示すものである。光源手段１１から
放射される走査用光ビームを電磁駆動手段１２によって
所定の周波数で振動されるガルバノミラー１３で反射さ
せ、コンデンサレンズ１４によって被観察物体１５に投
射し、この被観察物体を光ビームによって走査するよう
にしている。この走査は通常主走査といわれるもので、
この主走査方向と直交する方向の副走査は、例えば被観
察物体１５を保持するステージを移動させて行なうこと
ができる。

【０００６】被観察物体１５を透過した光ビームを対物
レンズ１６によって光検出器１７に入射させ、この光検
出器から被観察物体の光学的特性を表す信号を出力する
ようにしている。例えば、被観察物体１５の映像情報を
表す画像信号はアンプ１８を経てフレームメモリ１９に
書き込むようにしている。上述したようにこのような共
振型ガルバノスキャナにおいては、光ビームによる走査
速度は主走査幅全体に亘って均一ではなく、変化してい
るので、画像信号をフレームメモリ１９に書き込むタイ
ミングは、光ビームによる被観察物体１５の走査位置に
対応したものとする必要があり、そのためには光ビーム
による走査位置を検出する必要がある。

【０００７】図２に示す従来の走査装置においては、こ
のように光ビームによる走査位置を検出するために、走
査位置検出用の光ビームを放射する光源手段２０を設
け、この光ビームをガルバノミラー１３の裏面で反射さ
せてロンキー（Ronchi) 格子２１に入射させ、このロン
キー格子を透過した光ビームを受光器２２によって受光
するようにしている。ロンキー格子２１は、開口部の幅
と遮光部の幅とが等しいものであるから、ガルバノミラ
ー１３によって走査位置検出用の光ビームが偏向される
のに応じて、ロンキー格子２１を透過する光量はほぼ正
弦波状に変化することになる。この走査位置検出用の光
ビームはガルバノミラー１３で反射されるので、その偏
向の状態は、被観察物体１５に投射される走査用光ビー
ムの偏向状態と１：１に対応したものとなる。したがっ
て、受光器２２の出力信号を波形成形回路を含む信号処
理手段２３によって処理することにより、走査用光ビー
ムの走査位置を表す情報を検出することができる。この
走査位置情報に基づいてフレームメモリ１９の書き込み
信号を作成することによって、ガルバノミラー１３の振
動速度の変動を補償して画像信号を所定の画素位置に書
き込むことができ、したがって、このフレームメモリ１
９から読み出した画像信号をモニタ２４において表示す
ることによってガルバノミラー１３の走査むらの影響を
受けない正確な画像を表示することができる。

【０００８】図２に示した従来の光走査装置において
は、位置検出信号の精度が高い利点があるが、位置検出
の分解能が低いとともに走査位置の変化の方向が判別で
きないという問題がある。ここで、位置検出の分解能を
向上するために、受光器２２の出力信号を処理して得ら
れるパルス信号を逓倍することも考えられるが、このパ
ルス信号の周期は、上述した走査むらのために変化する
ものであるから、正確な逓倍を行なうことは面倒であ
り、複雑な回路が必要となる。

【０００９】図３は共振型の偏向手段を用いる従来の光
走査装置の他の例を示すものであり、図２に示した光走
査装置と同じ部分には同じ符号を付けて示し、その説明
は省略する。この従来例においては、光ビームの走査位
置情報を検出するために、光源手段２０から放射される
走査位置検出用の光ビームをガルバノミラー１３の裏面
で反射させた後、半導体素子によって構成されている位
置検出装置(PSD:Position Sensing Device) ２５に入射
させ、この位置検出装置からの出力信号をアナログ演算
部２６に供給し、このアナログ演算部からの出力信号を
Ａ／Ｄ変換器を含む信号処理手段２７に供給し、光ビー
ムの走査位置情報によって補償した書き込みアドレス信
号を作成し、これに基づいて画像信号のフレームメモリ
１９への書き込みタイミングを制御するようにしてい
る。

【００１０】このような従来の光走査装置においては、
位置検出装置２５として高精度のものを使用することに
よって位置検出の分解能をある程度高くすることができ
るとともに走査位置の変化の方向を知ることができる
が、位置検出装置２５やアナログ演算部２６の特性が温
度変化によって大きく影響を受け、光ビームの走査位置
の検出精度が非常に低いという問題がある。恒温手段を
設けることによって、このような温度変化の問題を解決
することもできるが、光走査装置全体の構成が複雑かつ
大型になるとともに高価となってしまう。

【００１１】本発明の目的は、上述した従来の光走査装
置の問題を解決し、高い分解能および高い精度が得られ
るとともに構成が簡単で、安価とすることができる走査
位置検出機能を有する光走査装置を提供しようとするも
のである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による、走査位置
検出機能を有する光走査装置は、走査用の光ビームを放
射する走査用光源手段と、この走査用光ビームを偏向し
て走査面に投射する共振型の光偏向手段と、周期的な位
置検出用の光を放射する位置検出用の光源手段と、この
位置検出用の光を前記光偏向手段またはそれと一体的に
振動する手段を介して所定の結像面に投射するレンズ手
段と、この所定の結像面において、所定のピッチで配置
された少なくとも２個の開口を有し、モアレ縞を形成す
るモアレ縞形成手段と、このモアレ縞形成手段によって
形成されるモアレ縞を受光する受光手段と、この受光手
段の出力信号を処理して、前記光偏向手段によって偏向
される走査用光ビームの位置を検出する信号処理手段
と、を具えることを特徴とするものである。

【００１３】本発明による光走査装置の好適な実施例に
おいては、前記受光手段に、モアレ縞の移動方向にｎ個
（ｎは２以上の整数）の受光器を設け、これらの受光器
を、モアレ縞の周期の１／ｎの距離だけ互いに等間隔に
離間して配置する。また、前記位置検出用の光を放射す
る位置検出用の光源手段に第１のロンキー格子を設ける
とともに前記モアレ縞形成手段に第２のロンキー格子を
設け、これら第１および第２のロンキー格子を結ぶ光路
内に、第１のロンキー格子の像を第２のロンキー格子上
に投影する光学系を設けるのが好適である。

【００１４】このような光走査装置においては、前記第
２のロンキー格子上に投影される前記第１のロンキー格
子の像の格子ピッチと第２のロンキー格子とのピッチを
相違させるとともに互いに平行に配置し、前記ｎ個の受
光器を、ロンキー格子の延在方向と直交する方向に離間
して配置するか、前記第２のロンキー格子上に投影され
る前記第１のロンキー格子の像の格子ピッチと第２のロ
ンキー格子とのピッチを等しくするとともに互いに僅か
に傾斜させ、前記ｎ個の受光器を、第２のロンキー格子
の延在方向と平行な方向に離間して配置することができ
る。

【００１５】特に前者の構成を採る場合には、前記光学
系に、ズームレンズを設け、その倍率を調整することに
よって第２のロンキー格子上に投影される第１のロンキ
ー格子の大きさ、したがってそのピッチを微妙に調整す
ることができる。この場合、第１および第２のロンキー
格子を等しいピッチのものとし、ズームレンズを調整し
て、第２のロンキー格子上に投影される第１のロンキー
格子の像の大きさを調整して、これらの格子ピッチを微
少に相違させるようにするのが好適である。さらに、本
発明の叱り走査装置の好適な実施例においては、複数の
受光器を設けるとともに前記信号処理手段を、走査用光
ビームの位置を検出するとともに走査用光ビームの移動
方向をも検出するように構成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図４は本発明による走査位置検出
機能を有する光走査装置の一実施例の構成を示す線図で
あり、図２および３に付き上述した従来の光走査装置と
同じ部分には同じ符号を付けて示し、その詳細な説明は
省略する。本例でも、光走査機構の部分の構成は従来の
ものと全く同様である。本例では、光ビームの走査位置
の情報を検出するために、走査位置検出用の光を放射す
る光源手段３１を設け、この光源手段から放射され光を
第１のロンキー格子３２に入射させ、この第１のロンキ
ー格子を透過した光をズームレンズ３３、ガルバノミラ
ー１３の裏面および固定焦点レンズ３４を経て第２のロ
ンキー格子３５に投射する。このようにして、第１のロ
ンキー格子３２の像を第２のロンキー格子３５上に投影
する。

【００１７】本例では、第１のロンキー格子３２のピッ
チを第２のロンキー格子３５のピッチと僅かに相違させ
るとともにこれらの格子を互いに平行に配置する。した
がって、図５に示すように第１のロンキー格子３２の投
影像３２Ｉの格子ピッチと、第２のロンキー格子３５の
格子ピッチとは僅かに相違したものとなり、格子の延在
方向に延在し、格子の延在方向と直交する方向に移動す
るモアレ縞が形成されることになる。本例では、このモ
アレ縞の移動を光電的に検出するために、第１〜第４の
受光器３６Ａ〜３６Ｄを、モアレ縞の移動方向に、モア
レ縞のピッチの１／４の間隔だけ離間して配置する。

【００１８】上述した第１〜第４の受光器３６Ａ〜３６
Ｄの出力信号を波形成形回路を含む信号処理回路３７に
供給し、ここで、モアレ縞の移動量および移動方向を表
す情報を検出する。周知のように、モアレ縞は、２つの
格子の相対的な移動量を拡大したものとなるので、モア
レ縞の移動量を検出することによって、ガルバノミラー
１３の回動位置、すなわち走査位置を高い分解能を以て
検出することができる。したがって、信号処理回路３７
からは、ガルバノミラー１３による走査むらを補償した
書き込みアドレス信号が発生され、このアドレス信号に
基づいて、フレームメモリ１９への画像信号の書き込み
を行なうことによってガルバノミラー１３による走査む
らを補償した画像を得ることができる。

【００１９】本実施例では、第１のロンキー格子３２の
像を第２のロンキー格子３５の上に投影する光学系にズ
ームレンズ３３を設けたので、この倍率を変えることに
よって投影倍率を調整することができる。したがって、
例えば、第１および大２のロンキー格子３２および３５
として同一のピッチのものを使用し、ズームレンズ３３
の倍率を調整して第２のロンキー格子３５上に投影され
る第１のロンキー格子３２のピッチを第２のロンキー格
子のピッチと相違させることができる。この場合、第１
〜第４の受光器３６Ａ〜３６Ｂの間隔にモアレ縞のピッ
チを合わせる調整作業もズームレンズ３３を調整して行
うことができる。

【００２０】図６は本発明による走査位置検出機能を有
する光走査装置の他の実施例のロンキー格子の構成を示
す線図である。本例では、第２のロンキー格子３５上に
投影される第１のロンキー格子３２の像３２Ｉの格子ピ
ッチと、第２のロンキー格子３５の格子ピッチとを等し
くし、これらを互いに傾斜させたものである。このよう
な格子の組合せを使用する場合には、モアレ縞はロンキ
ー格子の延在方向と直交する方向に延在し、ロンキー格
子の延在方向と平行な方向に移動するので、第１〜第４
の受光器３６Ａ〜３６Ｄは、ロンキー格子の延在方向に
おいて互いに離間させて配置する。この場合にも、第１
〜第４の受光器３６Ａ〜３６Ｄはモアレ縞のピッチの１
／４の距離だけ離間させる。

【００２１】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例においては、モアレ縞の移動を検出
するのに４個の受光器３６Ａ〜３６Ｄをモアレ縞のピッ
チの１／４の距離だけ離間して配置したが、２個の受光
器をモアレ縞のピッチの１／４の距離だけ離間して配置
することもできる。さらに、本発明によれば１個の受光
器を配置したり、５個以上の受光器を配置することもで
きる。特に、３個以上の受光器を配置する場合には、こ
れらの受光器をモアレ縞の１ピッチの中に等間隔で配置
することができる。本発明によれば、このように受光器
の個数を増やせば増やすほど走査位置検出の分解能を向
上することができるが、その個数はモアレ縞のピッチ、
受光器の開口の大きさや配置などによって制限される。

【００２２】さらに、上述した実施例では、２個のロン
キー格子を用いたが、例えば第１のロンキー格子を用い
る代わりに、図７に示すように、光源４１から放射され
るレーザビームをエキスパンダ４２で拡大し、これを回
折パターン発生器４３に入射させて、複数の光スポット
４４−１〜４４−ｍを発生させることもできる。また、
このような回折パターン発生器４３を用いる代わりに、
複数の半導体レーザを配列したレーザアレイを用いるこ
ともできる。

【００２３】また、上述した実施例においては、走査位
置を検出するための光をガルバノミラーの裏面で反射さ
せる構成としたが、走査用の光ビームと区別することが
できれば、ガルバノミラーの表面で反射させることもで
き、さらにはこのガルバノミラーと一体的に振動する別
個の反射ミラーで反射させることもできる。

【００２４】

【発明の効果】上述した本発明による走査位置検出機能
を有する光走査装置においては、ガルバノミラーのよう
な共振型の光偏向手段を用いる光走査装置において、周
期的な位置検出用の光を光偏向手段またはそれと一体的
に振動する手段を介して所定の結像面に投射し、この結
像面において、所定のピッチで配置された少なくとも２
個の開口を有するモアレ縞形成手段によってモアレ縞を
形成し、このモアレ縞を受光手段で受光してモアレ縞の
移動を検出することによって、光偏向手段により偏向さ
れる走査用光ビームの位置を検出することができる。モ
アレ縞は移動量を拡大する作用を有するので、走査位置
を高い分解能で検出することができる。さらに、図３に
示したような温度変化に敏感な位置検出装置やアナログ
演算部を用いていないので、走査位置の検出が温度変化
によって影響されることがなく、高精度の検出ができ、
しかも恒温手段も必要としないので、構成は簡単とな
り、安価となる。さらに、モアレ縞の移動方向を検出す
ることによって、走査方向をも検出することができの
で、走査位置および走査方向に関する有用な情報を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はＡおよび１Ｂは、共振型の光偏向手段に
よる走査での走査むらを説明するための線図である。

【図２】図２は、従来の走査位置検出機能を有する光走
査装置の一例の構成を示す線図である。

【図３】図３は、従来の走査位置検出機能を有する光走
査装置の他の例の構成を示す線図である。

【図４】図４は、本発明による走査位置検出機能を有す
る光走査装置の一実施例の構成を示す線図である。

【図５】図５は、同じくその第１および第２のロンキー
格子の構成と、受光器の配置を示す線図である。

【図６】図６は、本発明による走査位置検出機能を有す
る光走査装置の他の実施例における第１および第２のロ
ンキー格子の構成と、受光器の配置を示す線図である。

【図７】図７は、本発明による走査位置検出機能を有す
る光走査装置のさらに他の例の操作位置検出用の光源手
段の構成を示す線図である。

【符号の説明】

１１ 走査用光源手段、 １２ 電磁駆動手段、 １３
共振型ガルバノミラー、 １４ コンデンサレンズ、
１５ 被観察物体、 １６ 対物レンズ、 １７ 光
検出器、 １８ アンプ、 １９ フレームメモリ、
２４ モニタ、３１ 走査位置検出用光源手段、 ３２
第１のロンキー格子、 ３２Ｉ 第１のロンキー格子
の像、 ３３ ズームレンズ、 ３４ レンズ、 ３５
第２のロンキー格子、 ３６Ａ〜３６Ｄ 第１〜第４
の受光器、 ３７ 信号処理回路、 ４１ レーザ光
源、 ４２ ビームエキスパンダ、 ４３ 回折パター
ン発生素子、 ４４−１〜４４−ｍ ビームスポット

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査用の光ビームを放射する走査用光源
   手段と、 この走査用光ビームを偏向して走査面に投射する共振型
   の光偏向手段と、 周期的な位置検出用の光を放射する位置検出用の光源手
   段と、 この位置検出用の光を前記光偏向手段またはそれと一体
   的に振動する手段を介して所定の結像面に投射するレン
   ズ手段と、 この所定の結像面において、所定のピッチで配置された
   少なくとも２個の開口を有し、モアレ縞を形成するモア
   レ縞形成手段と、 このモアレ縞形成手段によって形成されるモアレ縞を受
   光する受光手段と、 この受光手段の出力信号を処理して、前記光偏向手段に
   よって偏向される走査用光ビームの位置を検出する信号
   処理手段と、を具えることを特徴とする走査位置検出機
   能を有する光走査装置。
2. 【請求項２】 前記受光手段に、モアレ縞の移動方向に
   ｎ個（ｎは２以上の整数）の受光器を設け、これらの受
   光器を、モアレ縞の周期の１／ｎの距離だけ互いに等間
   隔に離間して配置したことを特徴とする請求項１に記載
   の走査位置検出機能を有する光走査装置。
3. 【請求項３】 前記位置検出用の光を放射する位置検出
   用の光源手段に第１のロンキー格子を設けるとともに前
   記モアレ縞形成手段に第２のロンキー格子を設け、これ
   ら第１および第２のロンキー格子を結ぶ光路内に、第１
   のロンキー格子の像を第２のロンキー格子上に投影する
   光学系を設けたことを特徴とする請求項２に記載の走査
   位置検出機能を有する光走査装置。
4. 【請求項４】 前記第２のロンキー格子上に投影される
   前記第１のロンキー格子の像の格子ピッチと第２のロン
   キー格子とのピッチを相違させるとともに互いに平行に
   配置し、前記ｎ個の受光器を、ロンキー格子の延在方向
   と直交する方向に離間して配置したことを特徴とする請
   求項３に記載の走査位置検出機能を有する光走査装置。
5. 【請求項５】 前記光学系に、ズームレンズを設けたこ
   とを特徴とする請求項４に記載の走査位置検出機能を有
   する光走査装置。
6. 【請求項６】 前記第２のロンキー格子上に投影される
   前記第１のロンキー格子の像の格子ピッチと第２のロン
   キー格子とのピッチを等しくするとともに互いに僅かに
   傾斜させ、前記ｎ個の受光器を、第２のロンキー格子の
   延在方向と平行な方向に離間して配置したことを特徴と
   する請求項３に記載の走査位置検出機能を有する光走査
   装置。
7. 【請求項７】 前記モアレ縞を受光する受光手段に複数
   の受光器を設け、前記信号処理手段を、走査用光ビーム
   の位置を検出するとともに走査用光ビームの移動方向を
   も検出するように構成したことを特徴とする請求項１〜
   ６の何れかに記載の走査位置検出機能を有する光走査装
   置。