JP3435231B2 - 焦点検出機能を有する走査式光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザー光を走査し
て描画するレーザープロッター等の走査式光学装置に関
し、より詳細には描画面に対する結像光学系の合焦状態
を検出することができる走査式光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高い描画精度が要求される走査式光学装
置では、描画用光束のスポットを描画面に一致させるた
め、自動焦点調節装置が用いられており、この自動焦点
調節装置を制御するために焦点検出手段が設けられてい
る。

【０００３】例えば、特開平5-173087号公報には、描画
用光束と焦点検出用光束とをビームスプリッターにより
合成し、偏光器、結像光学系を介して描画面上にスポッ
トを形成すると共に、この描画面から反射された焦点検
出用光束の状態から結像光学系の描画面に対する合焦状
態を検出する装置が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
公報に記載された光学系では、描画用光束と焦点検出用
光束とが共に平行光束として結像光学系に入射している
ため、これらの光束の波長が互いに異なる場合には、結
像光学系が色収差を持つとそれぞれの光束の結像位置に
ずれが生じる。

【０００５】そして、焦点検出用光束のスポット位置が
描画面から光軸方向に離れている場合には、描画面が全
体的、あるいは部分的に傾いている場合に、描画面から
反射された焦点検出用光束の中心点が焦点検出光学系の
受光素子上で合焦時とは異なる位置にシフトする。した
がって、非点収差法等を用いて反射光束の光量分布によ
り焦点を検出する場合には、描画面の傾きが焦点検出に
対するノイズとして影響し、正確な検出ができない可能
性がある。

【０００６】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、描画用光束と焦点検出用光束との波長が
異なり、かつ、結像光学系が色収差補正されていない場
合にも、これらの光束により形成される描画面上のスポ
ットの光軸方向の位置を一致させることができる焦点検
出機能を有する走査式光学装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる焦点検
出機能を有する走査式光学装置は、上記の目的を達成さ
せるため、描画用光束を発する描画用光源と、描画用光
束とは波長が異なる焦点検出用光束を発する焦点検出用
光源と、描画用光束および焦点検出用光束を合成する光
束合成手段と、少なくとも描画用光束を偏向、走査させ
る偏向器と、偏向器により偏向される描画用光束と、光
束合成手段により描画用光束に合成された焦点検出用光
束とを描画面上に向けて収束、結像させる結像光学系
と、描画面から反射する焦点検出用光束を受光して描画
面に対する結像光学系の合焦状態を検出する焦点検出手
段とを備え、描画用用光束と焦点検出用光束とが描画面
側で形成するスポットの光軸方向の位置が一致するよう
に、光束合成手段により合成される焦点検出用光束と描
画用光束との収束度を異らせて設定したことを特徴とす
る。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図1は、この発明にかかる走査式光学装置の実
施例１を示す。

【０００９】描画用光源としてのガスレーザー10から発
した描画用光束は、収束レンズ11により収束されて変調
器としてのA／O変調器12に入射してON/OFF変調され、コ
リメートレンズ13により平行光束とされる。描画用光束
は、ポリゴンミラー20により反射、偏向され、結像光学
系としての描画面側にテレセントリックなｆθレンズ40
により描画面30上にスポットを形成する。

【００１０】ポリゴンミラー20は図中の矢印Ｒ方向に回
転し、描画面30上のスポットは主走査方向Ｐに走査され
る。

【００１１】焦点検出手段50は、描画用光束とは異なる
波長の焦点検出用光束を発し、この焦点検出用光束を描
画用光束と重ね合わせて共に描画面30上を走査させ、描
画面からの反射光を受光して描画面30に対するｆθレン
ズ40の合焦状態を検出する。

【００１２】焦点検出用光源としての半導体レーザー51
から発した直線偏光の発散光束は、コリメートレンズ52
により平行光束とされ、偏光ビームスプリッター53を透
過してλ/4板54により円偏光に変換されると共に、収束
度変更素子としての弱い正のパワーを持つ収束レンズ55
により収束光とされる。

【００１３】この実施例では、光束合成手段として機能
するダイクロイックプリズム56が描画用光源であるガス
レーザー10と偏向器であるポリゴンミラー20との間に設
けられている。ダイクロイックプリズム56は、波長λ1
(488nm)の描画用光束を透過させ、波長λ2(780nm)の焦
点検出用光束を反射する波長選択性を有し、両光束を重
ね合わせてポリゴンミラー20へ入射させる。

【００１４】ポリゴンミラー20で描画用光束と共に反
射、偏向された焦点検出用光束は、ｆθレンズ40を介し
て描画面30にスポットを形成し、描画面30で反射されて
円偏光の回転の向きが入射時とは逆になる。

【００１５】この実施例１では、ｆθレンズ40は色収差
が補正されていない正レンズである。図2は、このｆθ
レンズに平行光を入射させた場合の波長とスポット位置
との関係を示している。縦軸の0のラインは描画面30を
示し、(+)側は描画面より遠い側を示し、(-)側は描画面
よりｆθレンズ側を示す。図2から明らかなように、光
束が同一の収束度で入射する場合には、波長が長い光束
がより遠くにスポットを形成する。

【００１６】そこで、上記のように波長の短い描画用光
束を平行光束とし、波長の長い焦点検出用光束を収束光
として入射させている。これにより、ｆθレンズ40が持
つ色収差による影響を相殺し、両光束によるスポット位
置を描画面30上で一致させることができる。

【００１７】ｆθレンズ40は描画面側にテレセントリッ
クであるため、光束は描画面30に対して垂直に入射す
る。したがって、描画面30から反射された焦点検出用光
束は、入射時と同一の光路を通って光源側に戻り、ダイ
クロイックプリズム56で反射される。

【００１８】ダイクロイックプリズム56で反射された光
束は、λ/4板54を透過して射出時とは垂直な直線偏光に
変換されて偏光ビームスプリッター53で反射され、アナ
モフィックな集光レンズ57を介して受光素子58上に集光
される。

【００１９】集光レンズ57は、光軸を法線とする面内の
直交する2方向について異なるパワーを有しており、光
束に非点収差を与え、第1の方向の集光点と第2の方向の
集光点とを光軸上で互いに異なる位置に形成する。この
例では、両方向にパワーを持つトーリックレンズ等の単
一のレンズとして示されているが、シリンドリカルレン
ズと球面レンズとを組み合せて使用してもよい。

【００２０】受光素子58は、ｆθレンズ40が描画面30に
対して合焦している際の第1、第2の集光点の中間位置に
設けられている。焦点検出の原理は、光ディスク装置に
おける非点収差法によるフォーカシングエラー検出と同
様であり、描画面とスポットとの光軸方向の位置関係に
より、第1、第2の集光点が共に光軸方向に移動し、受光
素子上のスポットの形状、大きさが変化することを利用
している。

【００２１】受光素子57により検出された合焦状態に関
する信号は、焦点調節手段60に入力される。この例で
は、焦点調節手段60がｆθレンズ40を光軸方向zに駆動
することにより焦点を調節する。駆動の対象は、ｆθレ
ンズ40全体でもよいが、ｆθレンズが複数の群から構成
される場合にはその一部を対象としてもよい。また、描
画面30側を駆動することも可能である。

【００２２】実施例１の装置によれば、描画用光束のス
ポットと焦点検出用光束のスポットとを共に描画面30上
に形成することができる。したがって、図3(A)に示した
ように、描画面で反射された焦点検出用光束は、描画面
が傾いていない場合(実線)と、傾いた場合(破線)とで経
路は変化するものの受光素子58側での集光位置は変化し
ない。したがって、受光素子の出力にノイズが混入しな
い。

【００２３】これに対し、描画面側でのスポットが描画
面に一致しない場合、例えば描画面より後方に位置する
場合には、図3(B)に示されるように、反射光は描画面が
傾いていない場合(実線)には光軸に沿って戻り、受光素
子58に入射するが、描画面が傾いた場合(破線)には、受
光素子58側での集光位置が光軸と垂直な方向にシフトす
る。したがって、このシフトが受光素子の出力にノイズ
として混入することとなり、正確な焦点検出ができなく
なる。

【００２４】また、実施例１の装置によれば、焦点検出
用光束の波長を描画面の露光感度外に設定することによ
り、描画質に影響を与えずに合焦状態を検出できる。ま
た、描画用光源が発光していないときにも検出が可能で
ある。さらに、描画用のスポットと焦点検出用のスポッ
トとが描画面上の同一位置を同時に走査するため、描画
面の微少領域における光軸方向のずれも正確に検出する
ことができ、走査領域の全体に亙って合焦精度を保つこ
とができる。

【００２５】なお、上記の例とは逆に描画用光束の波長
λ1が焦点検出用光束の波長λ2よりも大きい場合には、
上記の収束レンズ55に代えて、図4に示すように発散レ
ンズ55aを設ければよい。

【００２６】さらに、ｆθレンズ40の色収差が焦点検出
用光束の波長λ2とは異なる描画用光束の波長λ1と他の
波長λ3との2波長で補正されている場合には、スポット
位置と波長との関係は図5に示すように2次関数的とな
る。したがって、焦点検出用光束の波長λ2がλ2＜λ
1、または、λ2＞λ3の場合には収束レンズを設けて焦
点検出用光束を収束光として入射させ、λ1＜λ2＜λ3
の場合には、発散レンズを設けて焦点検出用光束を発散
光として入射させることにより、描画面上で両光束のス
ポット位置を一致させることができる。

【００２７】ｆθレンズ40は、描画用光束によるスポッ
トを描画面30上に形成するよう設計されているため、一
般的には、上記のように、ほぼ平行光束として入射する
描画用光束に対し、焦点検出用光束を収束光、または発
散光としてｆθレンズ40に入射させることが望ましい。

【００２８】ただし、収束度変更素子は、ｆθレンズ40
に入射する位置で描画用光束と焦点検出用光束との収束
度を相対的に異ならせ、描画面30上での光軸方向のスポ
ット位置を一致させれば足りるため、焦点検出用光束を
平行光束として入射させ、描画用光束を収束光、あるい
は発散光としてｆθレンズ40に入射させてもよい。

【００２９】図6および図7は、この発明にかかる焦点検
出機能を有する走査光学装置の実施例2を示し、図6は主
走査方向の説明図、図7は副走査方向の説明図である。

【００３０】この例では、光束合成手段としてのダイク
ロイックプリズム56を、偏向器であるポリゴンミラー20
と結像光学系としてのｆθレンズ40との間で走査範囲の
全域に亙って設け、図7に示すように焦点検出用光束を
副走査方向からダイクロイックプリズム56aに入射させ
る構成としている。焦点検出手段50の構成は実施例1と
同様であり、受光素子58で検出された信号に基づいて駆
動手段60がｆθレンズ40を光軸方向に移動させて合焦さ
せる。

【００３１】描画用光束は、ポリゴンミラー20で反射、
偏向された後にダイクロイックプリズム56ａを介して平
行光束としてｆθレンズ40に入射し、描画面30上に走査
するスポットを形成する。焦点検出用光束は、収束光と
してダイクロイックプリズム56ａに入射し、ここで反射
されてｆθレンズ40に入射し、描画面上に静止したスポ
ットを形成する。

【００３２】実施例2の構成では、焦点検出用光束がポ
リゴンミラー20により偏向されることなく描画面30に到
達するため、受光素子58からの焦点検出信号は、実施例
1のようにポリゴンミラー20の反射面の境目で途切れる
ことなく連続して出力される。また、描画面に対するｆ
θレンズ40の光軸上での合焦状態のみを検出するため、
ｆθレンズ40が焦点検出用光束の波長に対して像面湾曲
を有する場合にも、像面湾曲に影響されることなく合焦
状態を検出することができる。

【００３３】ダイクロイックプリズム56aは、焦点検出
用光束を反射させるという機能のみに着目すれば、焦点
検出用光束が入射する部分についてのみ設ければ足り
る。しかしながら、ダイクロイックプリズム56aを走査
範囲の一部にのみ設けた場合には、プリズムに入射する
部分としない部分とで描画用光束に与える影響が異なる
ため、実施例2では走査範囲の全域に亙るよう配置して
いる。ただし、ダイクロイックミラーとして機能する部
分は、少なくとも焦点検出用光束が入射する部分にのみ
形成されていれば足りるため、他の部分はミラー面を有
さない単なるガラスブロックとしてもよい。

【００３４】なお、光束の収束度を異ならせるために
は、上述した各実施例のように独立の素子として収束レ
ンズ55、発散レンズ55aを設けるのみでなく、既存の素
子、例えばコリメートレンズ52,13等のパワーを調整す
ることにより描画用光束と焦点検出用光束との収束度を
相対的に異ならせてもよい。

【００３５】

【効果】以上説明したように、この発明によれば、波長
が異なる描画用光束と焦点検出用光束とのスポットの光
軸方向の位置を描画面上で一致させることができるた
め、描画面が傾いた場合にも焦点検出用光束の戻り位置
を一定に保つことができ、非点収差法等を用いて焦点検
出をする場合にも、描画面の傾きがノイズとして混入す
るのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例1にかかる走査式光学装置の説明図で
ある。

【図２】 色収差が補正されていないｆθレンズのスポ
ット位置と波長との関係を示すグラフである。

【図３】 焦点検出用光束の戻り光を示す説明図であ
り、(A)はスポットが描画面に一致している場合、(B)は
スポットが描画面の後ろ側に位置する場合を示す。

【図４】 収束度変更素子として負レンズを用いた例を
示す走査式光学装置の焦点検出系の説明図である。

【図５】 色収差が補正されたｆθレンズのスポット位
置と波長との関係を示すグラフである。

【図６】 実施例2にかかる走査式光学装置の主走査方
向の説明図である。

【図７】 実施例2にかかる走査式光学装置の副走査方
向の説明図である。

【符号の説明】

10 ガスレーザー(描画用光源) 14 半導体レーザー(焦点検出用光源) 20 ポリゴンミラー 30 描画面 40 ｆθレンズ 50 焦点検出手段

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】描画用光束を発する描画用光源と、 前記描画用光束とは波長が異なる焦点検出用光束を発す
   る焦点検出用光源と、 前記描画用光束および前記焦点検出用光束を合成する光
   束合成手段と、 少なくとも前記描画用光束を偏向、走査させる偏向器
   と、 前記偏向器により偏向される描画用光束と、前記光束合
   成手段により前記描画用光束に合成された焦点検出用光
   束とを描画面上に向けて収束、結像させる結像光学系
   と、 前記描画面から反射する前記焦点検出用光束を受光して
   前記描画面に対する前記結像光学系の合焦状態を検出す
   る焦点検出手段とを備え、 前記描画用用光束と前記焦点検出用光束とが前記描画面
   側で形成するスポットの光軸方向の位置が一致するよう
   に、前記光束合成手段により合成される前記焦点検出用
   光束と前記描画用光束との収束度を異らせて設定したこ
   とを特徴とする焦点検出機能を有する走査式光学装置。
2. 【請求項２】前記結像光学系は、前記描画面側にテレセ
   ントリックであることを特徴とする請求項１に記載の焦
   点検出機能を有する走査式光学装置。
3. 【請求項３】前記光束合成手段は、前記描画用光源と前
   記偏向器との間に設けられていることを特徴とする請求
   項１に記載の走査光学装置。
4. 【請求項４】前記光束合成手段は、前記偏向器と前記結
   像光学系との間に設けられていることを特徴とする請求
   項１に記載の走査光学装置。
5. 【請求項５】前記描画用光束は、前記光束合成手段にほ
   ぼ平行光束として入射し、前記焦点検出用光束は、収束
   光、または発散光として前記合成手段に入射することを
   特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の焦点検
   出機能を有する走査式光学装置。
6. 【請求項６】前記描画用光束の波長をλ1、前記焦点検
   出用光束の波長をλ2として、λ1＜λ2であり、前記描
   画用光束を平行光、前記焦点検出用光束を収束光として
   合成させることを特徴とする請求項５に記載の焦点検出
   機能を有する走査式光学装置。
7. 【請求項７】 前記描画用光束の波長をλ１、前記焦点
   検出用光束の波長をλ２として、λ１＞λ２であり、前
   記焦点検出用光束を、収束光または発散光として合成さ
   せることを特徴とする請求項５に記載の焦点検出機能を
   有する走査式光学装置。
8. 【請求項８】前記光束合成手段は、前記描画用光束を透
   過させると共に、副走査方向から入射する前記焦点検出
   用光束を前記結像光学系側に反射させ、かつ、前記光束
   合成手段は、前記描画用光束の走査範囲の全域に亙って
   設けられていることを特徴とする請求項３に記載の走査
   光学装置。
9. 【請求項９】前記焦点検出用光源と前記光束合成素子と
   の間に、前記光束合成手段により合成される前記焦点検
   出用光束と前記描画用光束との収束度を異ならせる収束
   度変更素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の
   走査光学装置。
10. 【請求項１０】前記収束度変更素子は、前記光束合成手
    段にほぼ平行光束として入射する前記描画用光束に対
    し、前記焦点検出用光束を収束光、または発散光として
    前記光束合成手段に入射させることを特徴とする請求項
    ９に記載の焦点検出機能を有する走査式光学装置。
11. 【請求項１１】前記収束度変更素子は、正レンズ、また
    は負レンズであることを特徴とする請求項１０に記載の
    焦点検出機能を有する走査式光学装置。
12. 【請求項１２】前記焦点検出用光源の発光波長は、描画
    面の露光感度外であることを特徴とする請求項１に記載
    の焦点検出機能を有する走査式光学装置。
13. 【請求項１３】前記光路合成手段は、前記描画用光束と
    前記焦点検出用光束とのいずれか一方を透過させ、他方
    を反射させる波長選択性を有する素子であることを特徴
    とする請求項１に記載の焦点検出機能を有する走査式光
    学装置。