JP4316271B2 - 光走査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置に関し、特に、光ビームの走査線の湾曲（ボーという）を補正する機能を備えた光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリゴンミラーやガルバノミラー等の偏向器を用いてレーザ光を走査する光走査装置では、例えば１次元光走査装置の場合、図７の矢印Ａのように、偏向器１の反射ミラーを設けた可動部２を揺動可能に軸支する一対の走査軸３の軸方向に対して光ビームを垂直方向から入射する場合には、走査線は図８の実線ａで示すように直線となるが、図７の矢印Ｂのように光ビームを斜め方向から入射すると、走査線が図８の破線ｂで示すように湾曲することが知られている。
【０００３】
１次元光走査装置では、光ビームの入射方向が走査軸に対して垂直となるように光源と偏向器を配置すれば湾曲は生じないが、実際には光源と偏向器の取付け誤差や偏向器のウォブル、面倒れ等により走査線の湾曲が生じる。２次元光走査装置の場合は、光ビームの入射方向と走査軸との角度関係が常に変化するため、光ビームの入射方向に関係なく必ず走査線の湾曲が生じる。
【０００４】
このような走査線の湾曲を補正するための従来の方法としては、レンズやミラーの形状等を工夫したり、光学系に湾曲補正用の機構を設ける等の方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３１１３６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような補正方法では、部品自体が高価となり、装置も複雑になるという問題がある。
【０００７】
尚、実測により湾曲量を求めて補正する方法や光学シミュレータ等を用いて光線追跡を行い湾曲量を求めて補正する方法等もあるが、いずれの方法も手間と時間がかかる。
【０００８】
また、光ビームの走査線の湾曲を補正したときに、光ビームの各照射位置における光量が略均一となるよう、光ビームの走査角毎によって発光量を制御することが望ましい。
【０００９】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、安価で且つ容易に走査線の湾曲を補正して歪みや光量むらの少ない画像を描画可能な光走査装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明は、光ビームを発射する発光部と、前記光ビームを反射走査する光走査部と、前記光走査部の走査角を検出する走査角検出部と、前記光走査部による反射光ビームの走査線が湾曲しないものとして各走査角毎に予め記憶させた出射角データと前記走査角検出部の検出した走査角とに基づいて前記発光部の光ビーム発射タイミングを制御する発光タイミング制御部と、を備え、前記光ビームを反射走査して画像を描画する光走査装置であって、前記発光部と前記光走査部の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する光走査部の走査軸の傾きと前記光走査部の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を算出し、算出した前記実際の光ビーム出射角と前記予め記憶させた出射角データとのずれを各走査角毎に補正するための補正データを作成する補正部を設け、該補正部の補正データに基づいて前記発光タイミング制御部で制御する光ビーム発射タイミングを補正する構成とした。
【００１１】
かかる構成では、補正部で、発光部と光走査部の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する光走査部の走査軸の傾き、言い換えれば、光ビームの入射角と光走査部の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を算出し、算出した実際の光ビーム出射角と反射光ビームの走査線が湾曲しないものとして予め記憶させた出射角データとのずれを各走査角毎に補正するための補正データを作成する。予め記憶させた出射角データと走査角検出部の検出した実際の走査角とに基づいて発光部の光ビーム発射タイミングを制御する発光タイミング制御部は、補正部の補正データに基づいて発光すべき走査角のずれを補正し、画像データに基づく出射角データで指定された位置に光ビームが照射されるよう光ビーム発射タイミングを補正する。
【００１２】
請求項２のように、前記補正部は、各走査角毎に算出された実際の光ビーム出射角と、対応する走査角と、を対応付けた前記補正データを記憶部に記憶し、前記発光タイミング制御部は、前記予め記憶されている出射角データと同一の実際の光ビーム出射角を、前記補正データから検索し、この検索した実際の光ビーム出射角に対応付けられた走査角と前記走査角検出部で検出した走査角とが一致したときに前記発光部を発光駆動する構成とするとよい。
【００１３】
かかる構成では、記憶部から補正データを読み出すだけで、発光タイミングの補正が容易にできるようになる。
前記補正部は、具体的には請求項３のように、前記光走査部で反射走査する光ビームについて、回転行列式を用いて各走査角における前記実際の光ビーム出射角を算出する構成とするとよい。
【００１４】
また、請求項４の発明は、前記光走査部の走査領域内における各照射位置の光量が略均一となるよう、前記光走査部の各走査角での前記発光部の発光量データを予め記憶させた発光量データ記憶部と、該発光量データ記憶部の記憶データに基づいて前記発光部の発光量を制御する発光量制御部とを備え、前記補正部の補正データに基づいて前記発光量制御部で制御する発光量を補正する構成とした。
【００１５】
かかる構成では、補正された発光タイミングで出射された光ビームの発光量が補正されるので、補正された画像における各照射位置の光量も均一に補正されるようになる。
【００１６】
前記光走査部は、請求項５のように、一対の外側トーションバーで揺動可能に軸支された枠状の外側可動部と、該外側可動部に前記外側トーションバーと軸方向が直交する一対の内側トーションバーで揺動可能に軸支され光ビームを反射するミラーを備えた内側可動部と、外側及び内側可動部にそれぞれ設けられ通電により磁界を発生する平面コイルと、該平面コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段と、を備え、前記平面コイルに供給する電流量を制御して各可動部の回動角を制御し、光ビームを走査する構成とするとよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係る光走査装置の第１実施形態の構成図を示す。
【００１８】
図１において、本実施形態の光走査装置１０は、例えばレーザ光を発光するレーザ光源１１と、レーザ光源１１を駆動する発光駆動部１２と、例えば半導体ガルバノミラーからなりレーザ光を走査する光走査部としての走査ミラー１３と、走査ミラー１３を駆動制御する走査ミラー駆動部１４と、走査ミラー１３の走査角度を検出する走査角度検出部１５と、発光駆動部１２を駆動制御してレーザ光源１１の発光タイミングを制御する発光タイミング制御部１６と、走査ミラー１３により描画する画像データが予め記憶されている画像データベース１７と、走査ミラー１３の走査線の湾曲を補正するための補正データを作成する補正部としての湾曲補正部１８と、レンズ等からなる光学系１９，１９′と、を備えて構成される。ここで、前記レーザ光源１１と発光駆動部１２で発光部が構成される。
【００１９】
前記発光駆動部１２は、発光タイミング制御部１６からの駆動出力の入力によりレーザ光源１１に送光パルスを出力する。これにより、レーザ光源１１は送光パルスの入力毎にレーザ光を走査ミラー１３に対して発射する。発射されたレーザ光はレンズ等で構成された光学系１９を通り走査ミラー１３に照射される。そして、走査ミラー１３によって偏向されたレーザ光がレンズ等で構成された光学系１９′を通り走査面に照射される。尚、光学系１９，１９′は、光ビームの形状や集光、拡散の程度を調整するために適宜使用されるものである。
【００２０】
前記走査ミラー１３としては、例えば本出願人が先に特許第２７２２３１４号等で提案した半導体マイクロマシン技術を応用して製造される２次元半導体ガルバノミラーを用いる。この半導体ミラーの構造は特許第２７２２３１４号等で詳述されているので、ここでは図２に従ってその構造を簡単に説明する。
【００２１】
図２は本実施形態で使用する２次元の半導体ミラー１３の平面図である。
走査ミラー１３は、互いに直交するそれぞれ一対の内側及び外側トーションバー２１，２１と２２，２２及びこれら一対のトーションバー２１，２１と２２，２２によりそれぞれ軸支される内側及び外側可動部２３，２４が、枠状の固定部２５と一体に半導体基板に形成されている。内側可動部２３の表面には反射ミラー２６を有し、内側可動部２３の反射ミラー２６周囲及び枠状の外側可動部２４上には、それぞれ駆動コイル（図示せず）を有し、これら駆動コイルは、トーションバー部分を介して固定部２５側に引き出されて電極端子（図示せず）に接続して駆動電流が供給されるようになっている。また、固定部２５の外側に対向配置した例えば一対の永久磁石（図示せず）により、各可動部２３，２４の駆動コイルに対して静磁界を作用させる構成である。
【００２２】
この走査ミラー１３の駆動原理は特許第２７２２３１４号等で詳述されており、ここでは簡単に説明する。
例えば内側可動部２３上の駆動コイルに電流を流すと磁界が発生し、この磁界と永久磁石による静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、内側トーションバー２１，２１と平行な可動部２３の対辺部に互いに逆方向の回転力が発生し、内側可動部２３が内側トーションバー２１，２１のばね力と発生した回転力とが釣合う位置まで回動する。駆動コイルに交流電流を流せば内側可動部２３は揺動しレーザ光を走査できる。そして、発生する回転力は、駆動コイルに流す電流値に比例するので、駆動コイルの電流値を制御することにより走査ミラー１３の揺動角度（レーザ光の走査角度）を制御できる。同様にして、外側可動部２４上の駆動コイルに電流を流せば外側可動部２４が外側トーションバー２２，２２を中心として回動する。従って、両駆動コイルへの電流供給を制御することにより、走査ミラー１３でレーザ光を２次元走査することが可能である。
【００２３】
尚、本発明における走査ミラーとしては、上述の半導体ミラーに限らず従来と同様のポリゴンミラーや機械的なガルバノミラー等を用いてもよい。
前記走査ミラー駆動部１４は、走査ミラー１３の駆動コイルに供給する駆動電流を制御して走査ミラー１３を駆動制御するものである。
【００２４】
前記走査角度検出部１５は、走査ミラー駆動部１４の供給駆動電流値に基づいて走査ミラー１３の走査位置情報、即ち、走査角度を検出するものである。尚、走査ミラー１３の走査角度の検出は、例えば走査ミラー１３の裏面側にミラーを設けてその反射光を受光素子アレイ等で受光しその受光位置から検出する等、その他の公知の検出方法を用いることができる。
【００２５】
発光タイミング制御部１６は、画像データベース１７に予め記憶された画像データ、走査角度検出部１５から入力する走査ミラー１３の走査角度情報及び後述する湾曲補正部１８の補正データに基づいて、画像データによる発光駆動部１２の駆動タイミング、即ち、レーザ光源１１のレーザ光の発射タイミングを補正制御するものである。
【００２６】
画像データベース１７は、例えば描画する画像データに基づいて光ビームの発射タイミングデータが予め記憶されている。発射タイミングデータは、光ビームの走査線が湾曲しないとして例えば走査ミラー１３の走査角から予測される出射角度データである。
【００２７】
前記湾曲補正部１８は、補正データ演算部１８ａ及び該補正データ演算部１８ａで演算されたデータに基づいた補正データを記憶する補正データ記憶部１８ｂで構成される。前記補正データ演算部１８ａは、光ビームの実際の出射角と走査角度から予測される計算上の出射角度とのずれを補正する補正データを作成するもので、レーザ光源１１と走査ミラー１３の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する走査ミラー１３の走査軸（トーションバー軸方向）の傾きと走査ミラー１３の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を後述するように回転行列を用いて算出し、各走査角毎に算出した実際の光ビーム出射角と対応する走査角度とを対応付けた補正データを作成するものである。前記補正データ記憶部１８ｂは、補正データ演算部１８ａで作成された補正データを記憶するものである。
【００２８】
ここで、前記補正データ演算部１８ａにおける補正データの作成方法について詳述する。
図３のような３次元の座標系において、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸を原点方向から見たときにそれぞれ左回りを正とする。任意ベクトル（以下、軸ベクトルとする）Ｒ0（Ｒｘ0，Ｒｙ0，Ｒｚ0）を軸としてθ0度（ラジアン）回転する行列Ｐ0は、以下の数１の式の通りとなる。
【００２９】
【数１】
例えば、ＸＹ平面（Ｚ軸が回転軸）に対してθ0度回転するときの回転行列Ｐ0は、軸ベクトルＲ0（Ｒｘ0，Ｒｙ0，Ｒｚ0）＝（０，０，１）、回転角θ0度を数１の式に代入して、数２の式のようになる。
【００３０】
【数２】
例えば、図４のようにＸＹ平面に対してベクトルＡ0（ｘ0，ｙ0，ｚ0）をθ0度回転したベクトルＡ1（ｘ1，ｙ1，ｚ1）は、
Ａ1＝Ｐ0Ａ0
を計算すれば求まる。
【００３１】
補正データ演算部１８ａでは、上述の回転行列を用いて各走査角毎の実際の光ビーム出射角度を算出する。
まず、本実施形態では、図２に示すように、走査ミラー１３の初期状態（走査角度が０度のとき）における走査ミラー１３の内側トーションバー２１，２１の軸をＹ軸、外側トーションバー２２，２２の軸をＸ軸とし、各走査角度毎に走査ミラー１３の法線ベクトル（Ｚ軸方向）を算出する。
【００３２】
内側可動部２３による法線ベクトルの回転を先に計算する場合は、まず、ミラーの法線ベクトルを数１の回転行列でＹ軸を中心に回転させる。次に、回転させた後の法線ベクトルをＸ軸を中心に回転させることで、外側可動部２４による回転を計算する。上記演算により、走査ミラーの各走査角度毎の法線ベクトルを算出することができる。
【００３３】
逆に、外側可動部２４による法線ベクトルの回転を先に計算する場合は、まず、ミラーの法線ベクトルを数１の回転行列でＸ軸を中心に回転させる。次に、回転させた後の法線ベクトルを内側トーションバー軸の軸ベクトルを中心に回転させるが、外側可動部２４の回転によって内側可動部２３が一緒に回転しているため、内側トーションバー軸はＹ軸と一致しなくなっている。よって、外側可動部２４の回転と同様にＹ軸をＸ軸を中心に回転させることで、回転後の内側トーションバー軸の軸ベクトルを算出する。これで得られた内側トーションバー軸の軸ベクトルを中心として、先に計算した法線ベクトルを回転させることで、内側可動部２３による回転を計算する。上記演算により、走査ミラーの各走査角度毎の法線ベクトルを算出することができる。尚、内側可動部２３、外側可動部２４のいずれによる法線ベクトルの回転を先に計算する場合でも、得られる法線ベクトルは同一となる。
【００３４】
また、走査ミラー１３とレーザ光源１１の取付け位置関係で決まる走査ミラー１３の走査軸の傾きがあれば、回転軸を設定して数１の回転行列のθ0に傾き角度を代入して上述で演算した法線ベクトルに対して回転行列を用いて最終の法線ベクトルを算出する。上述の演算を、数１の回転行列においてθ0に各走査角度を代入して実行し、各走査角度におけるミラーの法線ベクトルをそれぞれ演算する。
【００３５】
次に、上述の演算で得られた各法線ベクトルを軸として入射ベクトルを１８０度回転させ、得られた各ベクトルに（−１）をそれぞれ乗算すれば、それぞれの入射ベクトルに対する出射ベクトルが得られる。これら得られた出射ベクトルが、各走査角度毎の実際の出射方向を示し、走査ミラー１３の各走査角度に対する実際の光ビーム出射角度が得られる。尚、入射ベクトルは、走査ミラー１３の初期状態（走査角度が０度のとき）の光ビームの入射方向を示すもので、走査ミラー１３とレーザ光源１１の取付け位置関係で決まり、予め得られる固定データである。
【００３６】
このようにして、補正データ演算部１８ａでは、走査ミラー１３とレーザ光源１１の取付け位置関係で決まる固定の入射角度データと走査ミラー１３の２次元走査における各走査角度データを与えることにより、各走査角度データに対応した実際の光ビーム出射角度が演算される。そして、これら各走査角度データと実際の光ビーム出射角度データを互いに対応付けて補正データとし、補正データ記憶部１８ｂに記憶されている。尚、補正データの記憶は、予め演算した補正データを記憶させておいてもよく、実際の動作時にリアルタイムで補正データを演算して記憶させるようにしてもよい。
【００３７】
次に、第１実施形態の光走査装置の動作を説明する。
電源投入により、走査ミラー駆動部１４から走査ミラー１３の各駆動コイルに対して所定周期の駆動電流が供給される。これにより、走査ミラー１３の内側可動部２３と外側可動部２４がそれぞれ揺動する。走査角度検出部１５は、走査ミラー駆動部１４の駆動電流値から走査ミラー１３の走査角度を検出し、検出した走査角度情報を発光タイミング制御部１６に送る。発光タイミング制御部１６は、画像データベース１７に記憶されている出射角度データと湾曲補正部１８の補正データ記憶部１８ｂの補正データに基づいて発光すべき走査角度のずれを補正し、補正後の発光すべき走査角度に対応する走査角度情報が走査角度検出部１５から入力したときに、発光駆動部１２を駆動してレーザ光源１１から光ビームを発射させる。
【００３８】
発光タイミング制御部１６の補正動作について図５を参照して詳述する。
例えば、走査領域Ｓの点Ａに光ビームを照射するものとする。走査線の湾曲を想定しないときの前記点Ａに照射するための走査角度データが例えばＸ−Ｙ座標系で（２０，２０）であるとする。しかし、走査角度（２０，２０）で光ビームを発射すると走査線の湾曲により実際には走査領域Ｓの点Ｂに光ビームが照射されてしまう。そこで、発光タイミング制御部１６では、画像データベース１７に記憶されている光ビームが点Ａに照射する出射角度データと、この出射角度データと同一の出射角度データを補正データ記憶部１８ｂの補正データから検索し、検索した出射角度データに対応付けられた走査角度データ（走査線が湾曲する場合に点Ａに光ビームが照射される実際の走査角度データとなる）を取得する。この走査角度データを例えば（１６，２２）とする。発光タイミング制御部１６は、この走査角度のずれを補正すべく、補正データ記憶部１８ｂから取得した走査角度データ（１６，２２）と同一の走査角度情報が走査角度検出部１５から入力したときに、発光駆動部１２に駆動信号を出力してレーザ光源１１から光ビームを発射させる。このように、発光タイミングを補正することにより、走査領域Ｓ内に歪みのない所望の画像が描画できる。また、発光タイミングの制御により描画する画像の画素間の距離も略均一に補正することも可能である。
【００３９】
かかる構成によれば、演算により走査線の湾曲を精度よく補正できるので、従来のような高価なレンズやミラー或いは光学系を使用しなくて済み、歪みのない画像を描画できる安価な光走査装置を提供できる。また、演算により補正データが得られるので、走査線の歪み補正の手間も時間もかけずにできるようになる。
【００４０】
次に、図６に本発明の第２実施形態の構成図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態は、走査領域の各照射位置の光量が略均一となるよう出射光量を制御するものである。
【００４１】
図６において、本実施形態の光走査装置３０では、第１実施形態の構成に加えて発光量制御部３1及び発光量データ記憶部としての発光量データベース３２を設けて構成される。
【００４２】
前記発光量制御部３１は、発光量データベース３２に記憶された発光量データと発光タイミング制御部１６からの発光時の走査角度データとに基づいて発光駆動部１２を制御し、各照射点の光量が略均一となるようレーザ光源１１からの出射光量を補正制御するものである。
【００４３】
前記発光量データベース３２は、走査ミラー１３の走査角毎の発光量を記憶するものである。
かかる第２実施形態の光走査装置３０は、第１実施形態と同様にして発光タイミング制御部１６で発光タイミングを補正する。更に、発光タイミング制御部１６から発光時の走査角度データが発光量制御部３１に出力される。発光量制御部３１は、発光タイミング制御部１６から入力した走査角度に対応した発光量データを、発光量データベースから検索し、検索した発光量データに対応する発光量が得られるように発光駆動部１２を駆動制御する。
【００４４】
かかる構成によれば、補正された照射点に対するレーザ光源１１の出射光量も補正され、光ビームが照射される各照射点の光量が略均一にできるようになる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光走査部の走査軸の傾きと光ビームの走査角とに基づいて実際の光ビームの出射角を計算して走査線の湾曲を補正するようにしたので、歪みのない画像を描写できると共に、従来のような高価な光学部品が不要となり、安価な光走査装置を提供できる。
【００４６】
また、走査線の湾曲補正と共に各照射位置の光量を略均一となるよう補正する構成とすれば、歪みが無く光量むらの少ない見易い明瞭な画像の描写が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光走査装置の第１実施形態を示す構成図
【図２】同上実施形態の走査ミラーに用いる半導体ミラーの平面図
【図３】同上実施形態に適用する回転行列の座標系の説明図
【図４】回転行列の説明図
【図５】同上実施形態の湾曲補正の例示図
【図６】本発明に係る光走査装置の第２実施形態を示す構成図
【図７】従来の問題点の説明図
【図８】図７の光ビーム入射方向による走査線の相違を示す図
【符号の説明】
１０，３０ 光走査装置
１１ レーザ光源
１３ 走査ミラー
１４ 走査ミラー駆動部
１５ 走査角度検出部
１６ 発光タイミング制御部
１７ 画像データベース
１８ 湾曲補正部
３１ 発光量制御部
３２ 発光量データベース
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置に関し、特に、光ビームの走査線の湾曲（ボーという）を補正する機能を備えた光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリゴンミラーやガルバノミラー等の偏向器を用いてレーザ光を走査する光走査装置では、例えば１次元光走査装置の場合、図７の矢印Ａのように、偏向器１の反射ミラーを設けた可動部２を揺動可能に軸支する一対の走査軸３の軸方向に対して光ビームを垂直方向から入射する場合には、走査線は図８の実線ａで示すように直線となるが、図７の矢印Ｂのように光ビームを斜め方向から入射すると、走査線が図８の破線ｂで示すように湾曲することが知られている。
【０００３】
１次元光走査装置では、光ビームの入射方向が走査軸に対して垂直となるように光源と偏向器を配置すれば湾曲は生じないが、実際には光源と偏向器の取付け誤差や偏向器のウォブル、面倒れ等により走査線の湾曲が生じる。２次元光走査装置の場合は、光ビームの入射方向と走査軸との角度関係が常に変化するため、光ビームの入射方向に関係なく必ず走査線の湾曲が生じる。
【０００４】
このような走査線の湾曲を補正するための従来の方法としては、レンズやミラーの形状等を工夫したり、光学系に湾曲補正用の機構を設ける等の方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３１１３６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような補正方法では、部品自体が高価となり、装置も複雑になるという問題がある。
【０００７】
尚、実測により湾曲量を求めて補正する方法や光学シミュレータ等を用いて光線追跡を行い湾曲量を求めて補正する方法等もあるが、いずれの方法も手間と時間がかかる。
【０００８】
また、光ビームの走査線の湾曲を補正したときに、光ビームの各照射位置における光量が略均一となるよう、光ビームの走査角毎によって発光量を制御することが望ましい。
【０００９】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、安価で且つ容易に走査線の湾曲を補正して歪みや光量むらの少ない画像を描画可能な光走査装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明は、光ビームを発射する発光部と、前記光ビームを反射走査する光走査部と、前記光走査部の走査角を検出する走査角検出部と、前記光走査部による反射光ビームの走査線が湾曲しないものとして各走査角毎に予め記憶させた出射角データと前記走査角検出部の検出した走査角とに基づいて前記発光部の光ビーム発射タイミングを制御する発光タイミング制御部と、を備え、前記光ビームを反射走査して画像を描画する光走査装置であって、前記発光部と前記光走査部の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する光走査部の走査軸の傾きと前記光走査部の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を算出し、算出した前記実際の光ビーム出射角と前記予め記憶させた出射角データとのずれを各走査角毎に補正するための補正データを作成する補正部を設け、該補正部の補正データに基づいて前記発光タイミング制御部で制御する光ビーム発射タイミングを補正する構成とした。
【００１１】
かかる構成では、補正部で、発光部と光走査部の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する光走査部の走査軸の傾き、言い換えれば、光ビームの入射角と光走査部の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を算出し、算出した実際の光ビーム出射角と反射光ビームの走査線が湾曲しないものとして予め記憶させた出射角データとのずれを各走査角毎に補正するための補正データを作成する。予め記憶させた出射角データと走査角検出部の検出した実際の走査角とに基づいて発光部の光ビーム発射タイミングを制御する発光タイミング制御部は、補正部の補正データに基づいて発光すべき走査角のずれを補正し、画像データに基づく出射角データで指定された位置に光ビームが照射されるよう光ビーム発射タイミングを補正する。
【００１２】
請求項２のように、前記補正部は、各走査角毎に算出された実際の光ビーム出射角と、対応する走査角と、を対応付けた前記補正データを記憶部に記憶し、前記発光タイミング制御部は、前記予め記憶されている出射角データと同一の実際の光ビーム出射角を、前記補正データから検索し、この検索した実際の光ビーム出射角に対応付けられた走査角と前記走査角検出部で検出した走査角とが一致したときに前記発光部を発光駆動する構成とするとよい。
【００１３】
かかる構成では、記憶部から補正データを読み出すだけで、発光タイミングの補正が容易にできるようになる。
前記補正部は、具体的には請求項３のように、前記光走査部で反射走査する光ビームについて、回転行列式を用いて各走査角における前記実際の光ビーム出射角を算出する構成とするとよい。
【００１４】
また、請求項４の発明は、前記光走査部の走査領域内における各照射位置の光量が略均一となるよう、前記光走査部の各走査角での前記発光部の発光量データを予め記憶させた発光量データ記憶部と、該発光量データ記憶部の記憶データに基づいて前記発光部の発光量を制御する発光量制御部とを備え、前記補正部の補正データに基づいて前記発光量制御部で制御する発光量を補正する構成とした。
【００１５】
かかる構成では、補正された発光タイミングで出射された光ビームの発光量が補正されるので、補正された画像における各照射位置の光量も均一に補正されるようになる。
【００１６】
前記光走査部は、請求項５のように、一対の外側トーションバーで揺動可能に軸支された枠状の外側可動部と、該外側可動部に前記外側トーションバーと軸方向が直交する一対の内側トーションバーで揺動可能に軸支され光ビームを反射するミラーを備えた内側可動部と、外側及び内側可動部にそれぞれ設けられ通電により磁界を発生する平面コイルと、該平面コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段と、を備え、前記平面コイルに供給する電流量を制御して各可動部の回動角を制御し、光ビームを走査する構成とするとよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係る光走査装置の第１実施形態の構成図を示す。
【００１８】
図１において、本実施形態の光走査装置１０は、例えばレーザ光を発光するレーザ光源１１と、レーザ光源１１を駆動する発光駆動部１２と、例えば半導体ガルバノミラーからなりレーザ光を走査する光走査部としての走査ミラー１３と、走査ミラー１３を駆動制御する走査ミラー駆動部１４と、走査ミラー１３の走査角度を検出する走査角度検出部１５と、発光駆動部１２を駆動制御してレーザ光源１１の発光タイミングを制御する発光タイミング制御部１６と、走査ミラー１３により描画する画像データが予め記憶されている画像データベース１７と、走査ミラー１３の走査線の湾曲を補正するための補正データを作成する補正部としての湾曲補正部１８と、レンズ等からなる光学系１９，１９′と、を備えて構成される。ここで、前記レーザ光源１１と発光駆動部１２で発光部が構成される。
【００１９】
前記発光駆動部１２は、発光タイミング制御部１６からの駆動出力の入力によりレーザ光源１１に送光パルスを出力する。これにより、レーザ光源１１は送光パルスの入力毎にレーザ光を走査ミラー１３に対して発射する。発射されたレーザ光はレンズ等で構成された光学系１９を通り走査ミラー１３に照射される。そして、走査ミラー１３によって偏向されたレーザ光がレンズ等で構成された光学系１９′を通り走査面に照射される。尚、光学系１９，１９′は、光ビームの形状や集光、拡散の程度を調整するために適宜使用されるものである。
【００２０】
前記走査ミラー１３としては、例えば本出願人が先に特許第２７２２３１４号等で提案した半導体マイクロマシン技術を応用して製造される２次元半導体ガルバノミラーを用いる。この半導体ミラーの構造は特許第２７２２３１４号等で詳述されているので、ここでは図２に従ってその構造を簡単に説明する。
【００２１】
図２は本実施形態で使用する２次元の半導体ミラー１３の平面図である。
走査ミラー１３は、互いに直交するそれぞれ一対の内側及び外側トーションバー２１，２１と２２，２２及びこれら一対のトーションバー２１，２１と２２，２２によりそれぞれ軸支される内側及び外側可動部２３，２４が、枠状の固定部２５と一体に半導体基板に形成されている。内側可動部２３の表面には反射ミラー２６を有し、内側可動部２３の反射ミラー２６周囲及び枠状の外側可動部２４上には、それぞれ駆動コイル（図示せず）を有し、これら駆動コイルは、トーションバー部分を介して固定部２５側に引き出されて電極端子（図示せず）に接続して駆動電流が供給されるようになっている。また、固定部２５の外側に対向配置した例えば一対の永久磁石（図示せず）により、各可動部２３，２４の駆動コイルに対して静磁界を作用させる構成である。
【００２２】
この走査ミラー１３の駆動原理は特許第２７２２３１４号等で詳述されており、ここでは簡単に説明する。
例えば内側可動部２３上の駆動コイルに電流を流すと磁界が発生し、この磁界と永久磁石による静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、内側トーションバー２１，２１と平行な可動部２３の対辺部に互いに逆方向の回転力が発生し、内側可動部２３が内側トーションバー２１，２１のばね力と発生した回転力とが釣合う位置まで回動する。駆動コイルに交流電流を流せば内側可動部２３は揺動しレーザ光を走査できる。そして、発生する回転力は、駆動コイルに流す電流値に比例するので、駆動コイルの電流値を制御することにより走査ミラー１３の揺動角度（レーザ光の走査角度）を制御できる。同様にして、外側可動部２４上の駆動コイルに電流を流せば外側可動部２４が外側トーションバー２２，２２を中心として回動する。従って、両駆動コイルへの電流供給を制御することにより、走査ミラー１３でレーザ光を２次元走査することが可能である。
【００２３】
尚、本発明における走査ミラーとしては、上述の半導体ミラーに限らず従来と同様のポリゴンミラーや機械的なガルバノミラー等を用いてもよい。
前記走査ミラー駆動部１４は、走査ミラー１３の駆動コイルに供給する駆動電流を制御して走査ミラー１３を駆動制御するものである。
【００２４】
前記走査角度検出部１５は、走査ミラー駆動部１４の供給駆動電流値に基づいて走査ミラー１３の走査位置情報、即ち、走査角度を検出するものである。尚、走査ミラー１３の走査角度の検出は、例えば走査ミラー１３の裏面側にミラーを設けてその反射光を受光素子アレイ等で受光しその受光位置から検出する等、その他の公知の検出方法を用いることができる。
【００２５】
発光タイミング制御部１６は、画像データベース１７に予め記憶された画像データ、走査角度検出部１５から入力する走査ミラー１３の走査角度情報及び後述する湾曲補正部１８の補正データに基づいて、画像データによる発光駆動部１２の駆動タイミング、即ち、レーザ光源１１のレーザ光の発射タイミングを補正制御するものである。
【００２６】
画像データベース１７は、例えば描画する画像データに基づいて光ビームの発射タイミングデータが予め記憶されている。発射タイミングデータは、光ビームの走査線が湾曲しないとして例えば走査ミラー１３の走査角から予測される出射角度データである。
【００２７】
前記湾曲補正部１８は、補正データ演算部１８ａ及び該補正データ演算部１８ａで演算されたデータに基づいた補正データを記憶する補正データ記憶部１８ｂで構成される。前記補正データ演算部１８ａは、光ビームの実際の出射角と走査角度から予測される計算上の出射角度とのずれを補正する補正データを作成するもので、レーザ光源１１と走査ミラー１３の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する走査ミラー１３の走査軸（トーションバー軸方向）の傾きと走査ミラー１３の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を後述するように回転行列を用いて算出し、各走査角毎に算出した実際の光ビーム出射角と対応する走査角度とを対応付けた補正データを作成するものである。前記補正データ記憶部１８ｂは、補正データ演算部１８ａで作成された補正データを記憶するものである。
【００２８】
ここで、前記補正データ演算部１８ａにおける補正データの作成方法について詳述する。
図３のような３次元の座標系において、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸を原点方向から見たときにそれぞれ左回りを正とする。任意ベクトル（以下、軸ベクトルとする）Ｒ0（Ｒｘ0，Ｒｙ0，Ｒｚ0）を軸としてθ0度（ラジアン）回転する行列Ｐ0は、以下の数１の式の通りとなる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
【数２】
Ａ1＝Ｐ0Ａ0
を計算すれば求まる。
【００３１】
補正データ演算部１８ａでは、上述の回転行列を用いて各走査角毎の実際の光ビーム出射角度を算出する。
まず、本実施形態では、図２に示すように、走査ミラー１３の初期状態（走査角度が０度のとき）における走査ミラー１３の内側トーションバー２１，２１の軸をＹ軸、外側トーションバー２２，２２の軸をＸ軸とし、各走査角度毎に走査ミラー１３の法線ベクトル（Ｚ軸方向）を算出する。
【００３２】
内側可動部２３による法線ベクトルの回転を先に計算する場合は、まず、ミラーの法線ベクトルを数１の回転行列でＹ軸を中心に回転させる。次に、回転させた後の法線ベクトルをＸ軸を中心に回転させることで、外側可動部２４による回転を計算する。上記演算により、走査ミラーの各走査角度毎の法線ベクトルを算出することができる。
【００３３】
逆に、外側可動部２４による法線ベクトルの回転を先に計算する場合は、まず、ミラーの法線ベクトルを数１の回転行列でＸ軸を中心に回転させる。次に、回転させた後の法線ベクトルを内側トーションバー軸の軸ベクトルを中心に回転させるが、外側可動部２４の回転によって内側可動部２３が一緒に回転しているため、内側トーションバー軸はＹ軸と一致しなくなっている。よって、外側可動部２４の回転と同様にＹ軸をＸ軸を中心に回転させることで、回転後の内側トーションバー軸の軸ベクトルを算出する。これで得られた内側トーションバー軸の軸ベクトルを中心として、先に計算した法線ベクトルを回転させることで、内側可動部２３による回転を計算する。上記演算により、走査ミラーの各走査角度毎の法線ベクトルを算出することができる。尚、内側可動部２３、外側可動部２４のいずれによる法線ベクトルの回転を先に計算する場合でも、得られる法線ベクトルは同一となる。
【００３４】
また、走査ミラー１３とレーザ光源１１の取付け位置関係で決まる走査ミラー１３の走査軸の傾きがあれば、回転軸を設定して数１の回転行列のθ0に傾き角度を代入して上述で演算した法線ベクトルに対して回転行列を用いて最終の法線ベクトルを算出する。上述の演算を、数１の回転行列においてθ0に各走査角度を代入して実行し、各走査角度におけるミラーの法線ベクトルをそれぞれ演算する。
【００３５】
次に、上述の演算で得られた各法線ベクトルを軸として入射ベクトルを１８０度回転させ、得られた各ベクトルに（−１）をそれぞれ乗算すれば、それぞれの入射ベクトルに対する出射ベクトルが得られる。これら得られた出射ベクトルが、各走査角度毎の実際の出射方向を示し、走査ミラー１３の各走査角度に対する実際の光ビーム出射角度が得られる。尚、入射ベクトルは、走査ミラー１３の初期状態（走査角度が０度のとき）の光ビームの入射方向を示すもので、走査ミラー１３とレーザ光源１１の取付け位置関係で決まり、予め得られる固定データである。
【００３６】
このようにして、補正データ演算部１８ａでは、走査ミラー１３とレーザ光源１１の取付け位置関係で決まる固定の入射角度データと走査ミラー１３の２次元走査における各走査角度データを与えることにより、各走査角度データに対応した実際の光ビーム出射角度が演算される。そして、これら各走査角度データと実際の光ビーム出射角度データを互いに対応付けて補正データとし、補正データ記憶部１８ｂに記憶されている。尚、補正データの記憶は、予め演算した補正データを記憶させておいてもよく、実際の動作時にリアルタイムで補正データを演算して記憶させるようにしてもよい。
【００３７】
次に、第１実施形態の光走査装置の動作を説明する。
電源投入により、走査ミラー駆動部１４から走査ミラー１３の各駆動コイルに対して所定周期の駆動電流が供給される。これにより、走査ミラー１３の内側可動部２３と外側可動部２４がそれぞれ揺動する。走査角度検出部１５は、走査ミラー駆動部１４の駆動電流値から走査ミラー１３の走査角度を検出し、検出した走査角度情報を発光タイミング制御部１６に送る。発光タイミング制御部１６は、画像データベース１７に記憶されている出射角度データと湾曲補正部１８の補正データ記憶部１８ｂの補正データに基づいて発光すべき走査角度のずれを補正し、補正後の発光すべき走査角度に対応する走査角度情報が走査角度検出部１５から入力したときに、発光駆動部１２を駆動してレーザ光源１１から光ビームを発射させる。
【００３８】
発光タイミング制御部１６の補正動作について図５を参照して詳述する。
例えば、走査領域Ｓの点Ａに光ビームを照射するものとする。走査線の湾曲を想定しないときの前記点Ａに照射するための走査角度データが例えばＸ−Ｙ座標系で（２０，２０）であるとする。しかし、走査角度（２０，２０）で光ビームを発射すると走査線の湾曲により実際には走査領域Ｓの点Ｂに光ビームが照射されてしまう。そこで、発光タイミング制御部１６では、画像データベース１７に記憶されている光ビームが点Ａに照射する出射角度データと、この出射角度データと同一の出射角度データを補正データ記憶部１８ｂの補正データから検索し、検索した出射角度データに対応付けられた走査角度データ（走査線が湾曲する場合に点Ａに光ビームが照射される実際の走査角度データとなる）を取得する。この走査角度データを例えば（１６，２２）とする。発光タイミング制御部１６は、この走査角度のずれを補正すべく、補正データ記憶部１８ｂから取得した走査角度データ（１６，２２）と同一の走査角度情報が走査角度検出部１５から入力したときに、発光駆動部１２に駆動信号を出力してレーザ光源１１から光ビームを発射させる。このように、発光タイミングを補正することにより、走査領域Ｓ内に歪みのない所望の画像が描画できる。また、発光タイミングの制御により描画する画像の画素間の距離も略均一に補正することも可能である。
【００３９】
かかる構成によれば、演算により走査線の湾曲を精度よく補正できるので、従来のような高価なレンズやミラー或いは光学系を使用しなくて済み、歪みのない画像を描画できる安価な光走査装置を提供できる。また、演算により補正データが得られるので、走査線の歪み補正の手間も時間もかけずにできるようになる。
【００４０】
次に、図６に本発明の第２実施形態の構成図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態は、走査領域の各照射位置の光量が略均一となるよう出射光量を制御するものである。
【００４１】
図６において、本実施形態の光走査装置３０では、第１実施形態の構成に加えて発光量制御部３1及び発光量データ記憶部としての発光量データベース３２を設けて構成される。
【００４２】
前記発光量制御部３１は、発光量データベース３２に記憶された発光量データと発光タイミング制御部１６からの発光時の走査角度データとに基づいて発光駆動部１２を制御し、各照射点の光量が略均一となるようレーザ光源１１からの出射光量を補正制御するものである。
【００４３】
前記発光量データベース３２は、走査ミラー１３の走査角毎の発光量を記憶するものである。
かかる第２実施形態の光走査装置３０は、第１実施形態と同様にして発光タイミング制御部１６で発光タイミングを補正する。更に、発光タイミング制御部１６から発光時の走査角度データが発光量制御部３１に出力される。発光量制御部３１は、発光タイミング制御部１６から入力した走査角度に対応した発光量データを、発光量データベースから検索し、検索した発光量データに対応する発光量が得られるように発光駆動部１２を駆動制御する。
【００４４】
かかる構成によれば、補正された照射点に対するレーザ光源１１の出射光量も補正され、光ビームが照射される各照射点の光量が略均一にできるようになる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光走査部の走査軸の傾きと光ビームの走査角とに基づいて実際の光ビームの出射角を計算して走査線の湾曲を補正するようにしたので、歪みのない画像を描写できると共に、従来のような高価な光学部品が不要となり、安価な光走査装置を提供できる。
【００４６】
また、走査線の湾曲補正と共に各照射位置の光量を略均一となるよう補正する構成とすれば、歪みが無く光量むらの少ない見易い明瞭な画像の描写が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光走査装置の第１実施形態を示す構成図
【図２】同上実施形態の走査ミラーに用いる半導体ミラーの平面図
【図３】同上実施形態に適用する回転行列の座標系の説明図
【図４】回転行列の説明図
【図５】同上実施形態の湾曲補正の例示図
【図６】本発明に係る光走査装置の第２実施形態を示す構成図
【図７】従来の問題点の説明図
【図８】図７の光ビーム入射方向による走査線の相違を示す図
【符号の説明】
１０，３０ 光走査装置
１１ レーザ光源
１３ 走査ミラー
１４ 走査ミラー駆動部
１５ 走査角度検出部
１６ 発光タイミング制御部
１７ 画像データベース
１８ 湾曲補正部
３１ 発光量制御部
３２ 発光量データベース
Claims (5)
- 光ビームを発射する発光部と、前記光ビームを反射走査する光走査部と、前記光走査部の走査角を検出する走査角検出部と、前記光走査部による反射光ビームの走査線が湾曲しないものとして各走査角毎に予め記憶させた出射角データと前記走査角検出部の検出した走査角とに基づいて前記発光部の光ビーム発射タイミングを制御する発光タイミング制御部と、を備え、前記光ビームを反射走査して画像を描画する光走査装置であって、
前記発光部と前記光走査部の取付け位置関係で決まる光ビーム入射方向に対する光走査部の走査軸の傾きと前記光走査部の走査角とに基づいて、各走査角における実際の光ビーム出射角を算出し、算出した前記実際の光ビーム出射角と前記予め記憶させた出射角データとのずれを各走査角毎に補正するための補正データを作成する補正部を設け、該補正部の補正データに基づいて前記発光タイミング制御部で制御する光ビーム発射タイミングを補正する構成としたことを特徴とする光走査装置。 - 前記補正部は、各走査角毎に算出された実際の光ビーム出射角と、対応する走査角と、を対応付けた前記補正データを記憶部に記憶し、前記発光タイミング制御部は、前記予め記憶されている出射角データと同一の実際の光ビーム出射角を、前記補正データから検索し、この検索した実際の光ビーム出射角に対応付けられた走査角と前記走査角検出部で検出した走査角とが一致したときに前記発光部を発光駆動する構成である請求項１に記載の光走査装置。
- 前記補正部は、前記光走査部で反射走査する光ビームについて、回転行列式を用いて各走査角における前記実際の光ビーム出射角を算出する構成である請求項１又は２に記載の光走査装置。
- 前記光走査部の走査領域内における各照射位置の光量が略均一となるよう、前記光走査部の各走査角での前記発光部の発光量データを予め記憶させた発光量データ記憶部と、該発光量データ記憶部の記憶データに基づいて前記発光部の発光量を制御する発光量制御部とを備え、前記補正部の補正データに基づいて前記発光量制御部で制御する発光量を補正する構成である請求項１〜３のいずれか１つに記載の光走査装置。
- 前記光走査部は、一対の外側トーションバーで揺動可能に軸支された枠状の外側可動部と、該外側可動部に前記外側トーションバーと軸方向が直交する一対の内側トーションバーで揺動可能に軸支され光ビームを反射するミラーを備えた内側可動部と、外側及び内側可動部にそれぞれ設けられ通電により磁界を発生する平面コイルと、該平面コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段と、を備え、前記平面コイルに供給する電流量を制御して各可動部の回動角を制御し、光ビームを走査する構成である請求項１〜４のいずれか１つに記載の光走査装置。
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