JP4340371B2 - 光学走査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転するポリゴンミラーやガルバノミラーの回転制御や走査タイミング信号の生成に必要な回転ミラーの回転角度基準位置を示す信号を生成して回転角速度の計測を行う機能を有する光学走査装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学走査装置の例を図１４に示す。
図１４において、投光ビーム生成部１から射出された投光ビーム９は回転ミラー２により偏向される。投光ビーム９により走査する対象物（図示省略）が置かれる、回転ミラー２の走査有効領域を円弧Ｅで示す（以下、走査有効領域Ｅという）。投光ビーム９で走査された対象物からの反射光９Ａはハーフミラー４９で反射されて光電検出部５０で検出される。走査有効領域Ｅ外の円弧Ｅ１で示す角度領域に、前記の回転ミラー２により偏向された投光ビーム９を集光させるための光学素子４１と光検出部としての光電変換素子４２とを配置し、投光ビーム９を検出する。光電変換素子４２の出力信号を２値化部４３により２値化して回転角度基準位置信号を生成する。さらに連続する２つの回転角度基準位置信号の時間間隔を信号時間間隔計測部４４により計測することにより回転角速度信号を求める。
一般に前記光学素子４１の前後には、光学的境界点を明確にする目的でナイフエッジ４５やスリット等が配置され、さらに、投光ビーム９が集光される焦点位置近傍には、ピンホール等の絞り４６が配置されている。
これらの光学素子や光電変換素子を配置する場合において、スペースの制約により所望の位置に配置する事が困難な場合がある。このような場合には点線で示した位置に設けた反射ミラー４７によって投光ビーム９を偏向させて別の位置に導き、その位置に前記光学素子４１Ａと光電変換素子４２Ａを配置することもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来技術では、対象物からの反射光を検出する光電検出部５０に加えて、回転ミラーの回転制御信号や走査タイミング信号を生成するための原信号を得るために専用の前記光学素子４１および光電変換素子４２が用いられている。これら２組の光学系を構成する光学部品や受光素子の組立時には、計測器や専用治具などを使用する調整作業が必要であるために、組立工程が複雑であった。そのため組立て調整工程の簡略化が課題であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学走査装置は、光学走査用の投光ビームを発生させるための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光路を偏向させて光学走査をするための回転ミラー、前記回転ミラーによって偏向された投光ビームを反射させて再び前記回転ミラーに入射するように配置した反射部、前記回転ミラーにより再び偏向された前記反射部からの反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した、走査有効領域での被走査物体からの反射光および前記反射部からの反射光を受けて光電変換する光電変換部、前記光電変換部から出力される電気信号の中から前記反射部によって反射された光による電気信号を抽出するための信号抽出部、前記抽出された電気信号から回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転ミラーの回転角で定義される回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び前記回転角度基準位置信号に基づいて回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を備える事を特徴としたものである。
本発明によれば、回転角度基準位置信号の生成または回転角速度を計測のための専用の光学素子および光電変換素子を設けず、被走査物体からの反射光のうち投光ビーム光軸近傍の反射光を受光するための光学素子および光電変換素子を利用して検出する。これにより部品点数の削減とこれに付随する組立て調整工程の削減が可能となる。
【０００５】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記反射部として円筒形の物体の光沢表面を用いる事を特徴としたものである。これにより、反射鏡などの高価な光学部品を使用せずに、同等の機能を実現できる。
【０００６】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記反射部を複数個備えている事を特徴としたものである。これにより、回転角速度を計測するための時間を短くできる。
【０００７】
本発明の他の観点の光学走査装置は、光学走査用の投光ビームを発生させるための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光軸と回転軸が略垂直になるように配置した回転ミラー、前記回転ミラーにより反射される反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した光電変換部、前記光電変換部より出力される電気信号の中から、前記投光ビームの光軸、前記回転ミラーの反射面とが垂直となるときの反射光による電気信号を抽出するための信号抽出部、前記抽出された電気信号から回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び前記回転角度基準位置信号に基づいて、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を有することを特徴としたものである。これにより、前記の反射部を用いなくとも回転角速度の計測を行うことが可能となり、さらに部品点数を減らすことができる。
【０００８】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部として前記反射光のうち前記投光ビームの光軸に対して所定の角度をなす光軸近傍の反射光を受光するように配置した光電変換部を備え、走査有効領域での被走査物体からの反射光および前記反射部からの反射光を光電変換する機能を兼ねて備えることを特徴とする。これにより、専用の光学素子および受光素子を用いることなく被走査物体からの反射光のうち投光ビームの光軸に対して所定の角度範囲の反射光を受光するための光学素子および光電変換素子を利用することによって、所望の信号が得られる。
【０００９】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記投光ビーム発生部として半導体レーザーを光源とする投光ビーム発生部を備え、前記光電変換部として前記投光ビーム発生部の中に内臓されているバックモニタを利用する事を特徴とする。投光部に内臓されている投光ビームを生成する光学素子と、半導体レーザーの光出力制御を行う場合に光出力モニタとして使用される光検出器であるバックモニタを光電変換素子として利用することによって、専用光学素子および受光素子を必要としない。
【００１０】
本発明の他の観点の光学走査装置は、光電変換部と信号抽出と回転角度基準位置信号生成部との組を少なくとも２組備え、それぞれの組により生成された複数の回転角度基準位置信号から所望の回転角度基準位置信号を選択するかまたは複数の回転角度基準位置信号を合成する回路を備えることを特徴とする。これにより、より安定した回転角度基準位置信号を生成できる。
【００１１】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記回転角度基準位置信号生成部は前記光電変換部または前記信号抽出部からの出力を２値化するための２値化部を備え、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される信号を、予め設定している電圧をしきい値として２値化する事により回転角度基準位置信号を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号生成部を最も簡単な構成で実現できる。
【００１２】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される信号の時系列データを保持するためのデータ保持部、前記データ保持部に保持された時系列データの微分演算を行うための微分演算部、及び前記微分演算部からの出力の極性変化点を検出するための極性変化検出部を備え、前記回転角度基準位置信号生成部が、前記極性変化検出部の出力により前記反射部を前記投光ビームが横切る時の前記回転ミラーの回転角度基準位置を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号のタイミングに高い精度が要求される場合、時系列データ全体に対して所定の演算処理を行う事によって、より精度良く回転角度基準位置信号を生成することが可能となる。
【００１３】
本発明の他の観点の光学走査装置は、さらに、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される時系列データを保持するためのデータ保持部、前記データ保持部に保持された時系列データを積分演算を行うための積分演算部、及び前記積分演算部で求められる積分演算結果が全波形積分値の１／２値となる位置を求めるための１／２積分値検出部を備え、前記回転角度基準位置信号生成部が前記１／２積分値検出部の出力により前記反射部を前記投光ビームが横切る時の前記回転ミラーの回転角度基準位置を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号のタイミングに高い精度が要求される場合、時系列データ全体に対して所定の演算処理を行う事によって、より精度良く回転角度基準位置信号を生成することが可能である。
【００１４】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記微分演算部、極性変化検出部、積分演算部、及び１／２積分値検出部を備え、前記極性変化検出部および１／２積分値検出部の出力のいずれかを選択するかまたは両者を合成することにより回転角度基準位置信号を生成する事を特徴とする。これにより、さらに安定した回転角度基準位置信号を生成できる。
【００１５】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持している２つの時系列データの相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互相関値を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる事を検出する相関最大検出部を備え、前記回転角度基準位置信号生成部が、前記相関最大検出部により相関最大値を検出した時における前記相対的遅延時間変化部の状態に基づいて、前記反射部を前記投光ビームが横切る時の前記回転ミラーの回転角度基準位置を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号のタイミングに高い精度が要求され、１つの信号の処理では精度良く回転角度基準位置信号を生成できない場合、２つの時系列データの相互相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角度基準位置信号を生成することが可能である。
【００１６】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記回転角速度計測部として回転角度基準位置信号生成部において生成される回転角度基準位置信号の時間間隔を測定する手段を備え、得られる時間間隔データより前記回転ミラーの回転角速度を計測する事を特徴としたものである。これにより、回転速度を計測する手段が比較的簡単な構成で実現できる。
【００１７】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持している２つの時系列データの相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互の相関値を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる事を検出する相関最大検出部を備え、前記回転速度計測部が、前記相関最大検出部により相関最大値を検出した時における前記相対的遅延時間変化部の状態に基づいて、前記反射部を前記投光ビームが横切る時間間隔を計測する事を特徴とする。これにより、回転角速度に高い計測精度が要求されるにもかかわらず、精度の良い回転角度基準位置信号を生成できない場合、２つの時系列データの相互の相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角速度を計測することが可能である。
【００１８】
本発明の他の観点の光学走査装置は、１つの信号の処理では高い精度で回転角度基準位置信号を生成できない場合、２つの時系列データの相互の相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角度基準位置信号を生成することが可能である。さらに、回転角速度に高い計測精度が要求される場合、２つの時系列データの相互の相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角速度を計測することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例について、図１から図１３を参照して説明する。
《実施例１》
図１は本発明の実施例１における光学走査装置の構成を示すブロック図であり、図２は本発明の実施例１における主要な信号の波形図である。
走査に用いる投光ビーム９を発生させるための投光ビーム発生部１は、例えば、半導体レーザーまたはガスレーザーなどの光源と投光ビームを形成するための光学素子から構成される。
投光ビーム９を偏向させるための回転ミラー２はポリゴンミラーやガルバノミラーが一般に用いられる。
走査対象物（図示省略）が置かれる、円弧Ｅで示す走査有効領域（以下、走査有効領域Ｅという）の外部に配置した反射部３ａは、回転ミラー２により偏向された投光ビーム９を反射し、再び回転ミラー２に入射するように配置した反射部材である。この反射部３ａは、光学的な平面反射ミラーであれば理想的であるが、これに限らず、円筒面鏡、球面鏡など一方向に光を反射するものであれば使用可能である。また、表面を研磨したピンや金属などの切削面、研磨面などでもよい。
【００２０】
反射部３ａを１つだけ用いても本実施例の効果を得ることが可能であるが、更に反射部３ｂまたは３ｃを追加してもよい。反射部３ａと３ｂのように走査有効領域Ｅ外の一方の領域に複数配置してもよい。また、反射部３ａと３ｃのように走査有効領域Ｅ外の両側にそれぞれ配置してもよい。反射部３ａ〜３ｃを複数個設けることにより、後で詳しく説明するように、回転角速度の計測に要する時間が短縮される。反射部３ａ、３ｂ、３ｃの反射面の一部分に、光学的な境界点をより明確にするために既知のナイフエッジやスリットなどを配置することも有効である。
【００２１】
投光ビーム９と同一の光軸上を戻ってくる反射光を偏向させるための偏向部４は、ハーフミラーや穴あきミラーなどで実現できる。
光電変換部５は、偏向部４からの反射光のうち投光ビーム９の光軸の近傍を通る反射光を受光し電気信号に変換する装置であり、受光用の光学素子、光電変換素子及び増幅回路で構成される。図２の（ａ）の波形は、光電変換部５の入力光の強度を示す波形であり、（ア）の部分が反射部３ａによる反射光の強度を示す波形であり、（イ）の部分が走査有効領域Ｅに置かれた対象物である被走査物体（図示省略）からの反射光の強度を示す波形である。（ウ）の部分が反射部３ｃによる反射光の強度を示す波形である。図２の（ｂ）の波形は、光電変換部５の出力波形を表わしている。本実施例では、１個の光電変換部５により、反射部３ａ、３ｃの反射光と、被走査物体の反射光の両方を検出する。
【００２２】
信号抽出部６は、光電変換部５からの出力に含まれている走査有効領域Ｅ内の被走査物体からの反射光による信号と、反射部３ａ、３ｃからの反射光による信号とを分離し、後者を抽出するための回路である。信号抽出部６の最も簡単な構成としては、既知のマスク処理回路を用いて走査有効領域Ｅ内を走査中の信号をマスクキングし、走査有効領域Ｅ外を走査中の信号を取り出す方法がある。図２の（ｃ）の波形は走査有効領域Ｅの信号波形をマスクキングし、反射部３ａ、３ｃによる信号のみを抽出した後の信号波形である。フィルタ処理によっても反射部３ａ、３ｂ、３ｃからの反射光による信号を抽出することができる。反射光が複数の反射部３ａ、３ｂ、３ｃのうちのどの反射部からの信号であるかは、検出信号のタイミングから判別することができる。
【００２３】
回転角度基準位置信号生成部７は、投光ビーム９が反射部３ａ、３ｂ、３ｃを横切る位置から一意的に決まり、かつ走査有効領域Ｅ内の走査開始位置または走査開始タイミングを決定するための基準となる信号を生成する。例えば、信号抽出部６の出力を所定の電圧をしきい値として２値化することにより図２の（ｄ）の波形ような回転角度基準位置信号を生成する事ができる。図1では、回転角度基準位置信号は信号抽出部６の出力を回転角度基準位置生成部７にて処理して生成されるが、先に回転角度基準位置生成部７で処理した後、信号抽出部６で回転角度基準位置信号を抽出しても同じ信号が得られる。
回転ミラーの回転角速度計測部８の計測値は走査タイミング信号や回転角度基準位置信号の生成を行ったり、回転ミラー２の状態を監視するのに用いられる。例えば、カウンタと基準クロックを用いて、回転角度基準位置信号によってカウンタのクリアとカウンタ計測値のデータ保持を行う事により、図２の（ｅ）のように回転角度基準位置信号の時間間隔を測定することができる。この時間間隔に基づいて回転角速度を計測する。
実施例１によれば、走査有効領域Ｅに置かれた走査対象物と、走査有効領域Ｅ外に配置された反射部３ａ〜３ｃとで反射された投光ビーム９の反射光を１個の光電変換部５で検出する。検出された信号から、反射部３ａ〜３ｃの反射光に基づく信号を信号抽出部６で分離して抽出し、抽出した信号から回転ミラー２の回転角速度を計測することができる。
【００２４】
《実施例２》
次に、本発明の実施例２の光学走査装置について図３を用いて説明する。実施例１と同じ構成要素については同じ符号を用い重複する説明を省略する。
投光ビーム発生部1および回転ミラー２は、実施例１と同じ構成であるが、実施例２においては、回転ミラー２に対する投光ビーム発生部１と光電変換部５の位置関係が実施例１と異なる。
【００２５】
図３に示すように、前記の位置関係と、回転ミラー２が回転して回転ミラー２の反射面が投光ビーム９の光軸に垂直になったとき、投光ビーム発生部１より射出される投光ビーム９が、回転ミラー２の反射面で反射し前記投光ビーム９の光軸に沿って戻るようにする。戻ってきた反射光は偏向部４で偏向されて光電変換素子５に入射し光電変換される。図３において、投光ビーム９の光軸と、回転ミラー２からの反射光の光軸１３とは一致している。
信号抽出回路６、回転角度基準位置信号生成部７及び回転角速度計測部８の動作は実施例１と実質的に同じである。実施例２によれば、回転ミラー２の反射面が投光ビーム９の光軸に垂直になったときの光電変換素子５の検出出力から回転角度基準位置信号を生成する。回転角度基準位置信号から実施例１と同様にして、回転ミラー２の回転角速度を計測できる。回転角度基準位置信号を得るために、走査有効領域Ｅ外の領域に反射部材を設ける必要がないので、構成が簡単であり、製造コストも安価である。
【００２６】
《実施例３》
本発明の実施例３の光学走査装置について図４を用いて説明する。実施例１及び２と同じ構成要素については同じ符号を用い、重複する説明を省略する。
図４は、本発明の実施例３における光学走査装置の構成を示すブロック図である。
図４において、受光用の光学素子、光電変換素子及び増幅回路を有する光電変換部１１は、回転ミラー２からの反射光のうち、投光ビーム９の光軸に対して所定の角度をなす光軸の近傍を通る反射光１２を受光し、電気信号に変換する。光電変換素子は、単に受光光を電気信号に変換する場合には、一般にフォトダイオードやＣＣＤなどが用いられる。特に、光学走査装置が、被走査物体の反射点の位置を三角測量の原理を用いて測定するような用途の装置である場合には、受光用の光学素子に既知の受光位置検出素子（ＰＳＤ）を用いる。このような受光位置検出素子（ＰＳＤ）は複数の受光素子を有する。従って受光位置検出素子（ＰＳＤ）を用いる場合には、複数の光電変換出力信号が出力されるが、それらのいずれか１つを選択してもよいし、複数の信号の和を用いても構わない。何れの光電変換素子の出力を用いても、図２の（ｂ）に示す波形の光電変換出力が得られる。
【００２７】
反射光１２は反射部３ａからの反射光を表わしている。信号抽出回路６、回転角度基準位置信号生成部７及び回転角速度計測部８の動作は実施例１と実質的に同じである。
実施例３によれば、光電変換部１１を、投光ビーム９の光軸に対して所定の角度をなす反射光を受光する位置に配置する。これにより、図１に示す偏向部４を用いることなく、反射部３ａ〜３ｃからの反射光を光電変換部５に入射することができる。光電変換部５の検出出力から前記各実施例を同様にして回転ミラー２の回転角速度を計測することができる。
【００２８】
《実施例４》
本発明の実施例４について図５を用いて説明する。前記の各実施例１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図５は、本発明の実施例４における光学走査装置の構成を示すブロック図である。
図５において、半導体レーザーを用いた投光ビーム発生部１４は、光源となる半導体レーザーチップ１５、半導体レーザーチップ１５が出射する光から投光ビームを形成するための光学素子１６、及び半導体レーザーチップ１５の光出力を検出し、光出力の制御をするための受光素子である既知のバックモニタ１７を内蔵している。バックモニタ１７の検出帯域は、反射部３ａからの反射光による信号を通過させる事ができるように十分広くなされている。また、半導体レーザーチップ１５の光出力制御用の回路は、反射光を検出するバックモニタ１７のフィードバックによって光出力変動の誤差が許容範囲になるように設計されている。
【００２９】
本実施例の場合、バックモニタ１７の出力は、半導体レーザーの光出力値に応じた光電変換値と反射部３ａからの反射光の光電変換値の和で表わされる。この和を示す信号波形は、図２の（ｃ）の信号波形に半導体レーザーの光出力値に応じた光電変換値分だけオフセット値が加算された波形となる（図示省略）。従って実施例１と同じ回転角度基準位置信号生成回路および回転角速度計測回路を用いることにより、回転ミラー２の回転角速度を計測することができる。実施例４によれば、走査有効領域Ｅの対象物（図示省略）及び反射部３ａ〜３ｃからの反射光が投光ビーム発生部１４のバックモニタ１７で検出されるので、前記反射光を検出するために前記の各実施例における光電変換部５を設ける必要はない。従って構成が簡略化され、製造コストが低減される。
【００３０】
《実施例５》
本発明の実施例５について図６を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い重複する説明を省略する。
図６は、本発明の実施例５における信号処理部のブロック図を示している。実施例１から４の各光学走査装置では、回転ミラー２に対する配置位置がそれぞれ異なる光電変換部５、１１又はバックモニタ１７のいずれか１個のみが設けられている。光学走査装置を用いてプリント基板等立体の対象物を検査する場合には、対象物の様々な形状に対応できるように、１つの光学走査装置に３個の光電変換部５、１１及び１７を組み込んだものが必要になる場合がある。本実施例の信号処理部はそれぞれ配置位置の異なる３個の光電変換部５、１１、１７に対して独立に、それぞれ信号抽出部６ａ、６ｂ、６ｃと回転角度基準位置信号部７ａ、７ｂ、７ｃ、が備えられている。生成される３つの回転角度基準位置信号から本光学走査装置の制御に必要な回転角度基準位置信号を得るために、回転角度基準位置信号部７ｄにおいて選択または合成処理を行う。
具体的な処理の例を以下に説明する。第１の方法では、得られた３つの回転角度基準位置信号を時系列に並べて中間時点の信号を選択して回転角度基準位置信号とする。また第２の方法では得られた３つの回転角度基準位置信号の平均値を演算して求め、その平均値に対応する角度位置での回転角度基準位置信号を生成する。回転角速度計測部は、回転角度基準位置信号部７ｄの出力信号の時間間隔を測定して回転ミラー２の回転速度を求めることができる。
【００３１】
《実施例６》
本発明の実施例６について図７および図８を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い重複する説明を省略する。
図７は、本発明の実施例６における信号処理部のブロック図を示し、図８は、主要な信号の波形図を示している。
図７において、光電変換部は、実施例１から４の光電変換部５、１１、またはバックモニタ１７の何れか一つを示している。図８の（ａ）の波形は、光電変換部５，１１又は１７から出力され、信号抽出部６により抽出された、回転角度基準位置信号を生成するための原信号となる受光信号である。データ保持部２１は、信号抽出部６により抽出された受光信号の時系列信号のデータである時系列データを保持する。保持されている時系列データに対して微分演算部２２により微分演算処理を行い、図８の（ｂ）に示す微分波形を得る。さらに、微分演算処理後の波形の極性変化点すなわちゼロクロス点を極性変化検出部２３により検出する処理を行うと、図８の（ｃ）に示すような出力が得られる。この信号をもとに、回転角度基準位置信号生成部７により、図８の（ｄ）に示す回転角度基準位置信号を生成する。回転角度基準位置信号から、回転角速度計測部８により回転ミラー２の回転角速度を検出する。
実施例６によれば、受光信号を微分演算部２２で微分することにより、受光信号のレベルが変動する場合でも、受光信号のピーク値の時点を正確に検出することができる。ピーク値の時点に基づいて回転角度基準位置信号を生成するので受光信号のレベル変動の影響を受けずに回転角速度を計測することができる。
【００３２】
《実施例７》
本発明の実施例７について図９および図１０を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素には同じ符号を用い重複する説明を省略する。
図９は、実施例７における信号処理部のブロック図を示し、図１０は、実施例７における主要な信号の波形図を示している。
図９において、光電変換部は、実施例１から４の光電変換部５、１１、またはバックモニタ１７の何れか一つを示している。図１０の（ａ）の波形は、光電変換部５，１１又は１７から出力される受光信号の信号波形を表わしている。光電変換部５、１１又は１７により得られた出力から、信号抽出部６により、回転角度基準位置信号を生成するための原信号となる受光信号を抽出する。データ保持部２１により、信号抽出部６により抽出された時系列の信号のデータである時系列データを保持する。保持されている時系列データに対して積分演算部２４により微分演算処理を行い、図１０の（ｂ）に示す積分波形を得る。さらに、１／２積分値検出部２５により、積分処理後の波形において、全積分値の１／２となる点を検出する処理を行うと、図１０の（ｃ）に示すような出力が得られる。この信号をもとに、回転角度基準位置信号生成部７により、図１０の（ｄ）に示す回転角度基準位置信号を生成することができる。回転角度基準位置信号から回転角速度計測部８により回転ミラー２の回転角速度を検出する。
実施例７によれば、受光信号を積分演算部２４で積分することにより、受光信号に高レベルのノイズが混入した場合でも、ノイズに影響されない回転角度基準位置信号が生成される。
【００３３】
《実施例８》
本発明の実施例８について図１１を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。
図１１は本発明の実施例８における信号処理部のブロック図を示している。実施例８における主要な信号の波形図は、図８および図１０と同様である。
図１１において、回転角度基準位置信号生成部７ｅは、極性変化検出部２３の出力から回転角度基準位置信号を生成する（図８の（ａ）から（ｄ）を参照）。また回転角度基準位置信号生成部７ｆは、１／２積分値検出部の出力から回転角度基準位置信号を生成する（図１０の（ａ）から（ｄ）を参照）。以上のようにそれぞれ独立に生成された２つの回転角度基準位置信号を回転角度基準位置信号生成部７ｇに入力して合成処理をすることにより、光学走査装置に必要な回転角度基準位置信号を生成する。合成処理の具体的例としては、得られる２つの回転角度基準位置信号のちょうど中間値を回転角度基準位置信号とする方法がある。実施例８は、前記の実施例６と７を組み合わせた回路構成を有するので両者のそれぞれの特徴を備えたものとなる。
【００３４】
《実施例９》
本発明の実施例９について図１２および図１３を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図１２は、本発明の実施例９における信号処理部のブロック図を示し、図１３は、本発明の実施例９における主要な信号の波形図を示している。
図１２において、光電変換部は、実施例１から４の光電変換部５、１１、またはバックモニタ１７の何れか一つを示している。信号抽出部６により、回転角度基準位置信号を生成するための原信号となる受光信号を抽出する。信号抽出部６から出力される反射部３ａの反射光による信号のうち、例えば、現在に最も近い信号の時系列データをデータ保持部３１によって保持し、その１つ前の時系列データをデータ保持部３２にて保持する。データ保持部３２を基準として相対的遅延時間変化部３３によって、保持部３１の時系列データを所定の単位時間ずつ遅延時間を変化させて、各々の場合の相関値を相関値演算部３４によって演算する。相関最大検出部３５によって相関値が最大となる遅延時間を検出し、回転角度基準位置信号生成部３６にて回転角度基準位置信号を生成する。また、回転角速度計測部３７では、相関最大検出部３５によって相関値が最大となる遅延時間を検出したときの相対的遅延時間変化部３３の状態により信号時間間隔を計測し、回転角速度を求めることが可能である。
【００３５】
相対的遅延時間変化部３３は、シフトレジスタで構成する事も可能であるが、データ保持部からの読み出し経路をセレクタで切り替えるような構成でも実現可能である。またマイクロプロセッサなどを用いて、データ保持部３１，３２からの読み出し方を変えることによっても実現できる。
また、相関値演算部３４の簡単な例としては、減算部、絶対値演算部及び積分部で構成することが可能である。この場合積分演算結果が小さいほど相関が強く、零の場合は完全に一致したことを示す。
【００３６】
図１３は、相関値演算部３４、回転角度基準位置信号生成部３６、および回転角速度計測部３６のそれぞれの動作を説明するための各データを示す波形図である。
図１３の（ａ）の波形は、データ保持部３２が保持している基準波形であり、例えば、現在に最も近いデータの１つ前の時点の時系列データを表わしている。図１３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、データ保持部３１に保持している例えば、現在に最も近い時系列データを示す波形であり、相対的遅延時間変化部３３によってΔｔずつ遅延させた遅延時間が異なるものを表わしている。それぞれの波形の遅延時間は、（ｂ）：Ｔ(n)−２×Δｔ、（ｃ）：Ｔ(n)−Δｔ、（ｄ）：Ｔ(n)、 （ｅ）：Ｔ(n)＋Δｔ、（ｆ）：Ｔ(n)＋２×Δｔである。
ここでＴ(n)はｎ−１番目からｎ番目までの信号の時間間隔すなわち周期を表わしている。
また、図１３の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）及び（ｋ）は、図１３の（ａ）の基準時系列データから、図１３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）の各時系列データを減算して絶対値をとったデータの波形である。
【００３７】
各相対遅延時間毎の相関値は、図１３の（ｇ）〜（ｋ）の波形の積分値、すなわち波形のなす面積であり、これが一番小さいデータ（ｉ）が最大の相関値となっていることを表わしている。実際には、これらの相関値演算処理は、Δｔ毎の時間順序で行われる。この場合、Δｔ毎の各相対的遅延時間における相関値を図１３の（ｌ）の波形のように時系列信号に並べ替え、その値が最小となるタイミングで図１３の（ｍ）に示す波形の回転角度基準位置信号を生成させこともできる。
さらに、図１３の（ｎ）のように、最大の相関値を検出したときの相対的遅延時間Ｔ(n)を信号時間間隔データとして保持する。この信号時間間隔データに所定の係数をかければ回転角速度信号が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
各実施例で詳細に説明したように、本発明によれば、回転角度基準位置信号の生成または回転角速度を、専用の光学素子および光電変換素子を用いずに走査装置において走査光を検出するための光学素子および光電変換素子を利用して計測する。これにより光学走査装置の部品点数が削減され付随する組立て調整工程がなくなるので、構造の簡略化とコストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施例１における光学走査装置の動作を示す主要な信号の波形図
【図３】本発明の実施例２における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施例３における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施例４における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施例５における信号処理部のブロック図
【図７】本発明の実施例６における信号処理部のブロック図
【図８】本発明の実施例６における動作を示す主要な信号の波形図
【図９】本発明の実施例７における信号処理部のブロック図
【図１０】本発明の実施例７における動作を示す主要な信号の波形図
【図１１】本発明の実施例８における信号処理部のブロック図
【図１２】本発明の実施例９における信号処理部のブロック図
【図１３】本発明の実施例９における動作を示す主要な信号の波形図
【図１４】従来の技術における光学走査装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ 投光ビーム発生部
２ 回転ミラー
３ａ、３ｂ、３ｃ 反射部
４、４７ 偏向部
５、１１ 光電変換部
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 信号抽出部
７、７ａ、７ｂ、７ｃ 回転角度基準位置信号生成部
７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ 回転角度基準位置信号生成部
８ 回転角速度計測部
９ 投光ビーム光軸
１０、１２、１３、１８ 反射光の光軸
１４ 投光ビーム発生部
１５ 半導体レーザーチップ
１６ 光学素子
１７ バックモニタ
２１、 ２１ａ、２１ｂ、３１、３２ データ保持部
２２ 微分演算部
２３ 極性変化検出部
２４ 積分部
２５ １／２積分値検出部
３３ 相対的遅延時間変化部
３４ 相関値演算部
３５ 相関最大検出部
４１ 光学素子
４２ 光電変換素子
４３ ２値化部
４４ 信号時間間隔測定部
４５ ナイフエッジ
４６ 絞り
３６ 回転角度基準位置信号生成
３７ 回転角速度計測部
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転するポリゴンミラーやガルバノミラーの回転制御や走査タイミング信号の生成に必要な回転ミラーの回転角度基準位置を示す信号を生成して回転角速度の計測を行う機能を有する光学走査装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学走査装置の例を図１４に示す。
図１４において、投光ビーム生成部１から射出された投光ビーム９は回転ミラー２により偏向される。投光ビーム９により走査する対象物（図示省略）が置かれる、回転ミラー２の走査有効領域を円弧Ｅで示す（以下、走査有効領域Ｅという）。投光ビーム９で走査された対象物からの反射光９Ａはハーフミラー４９で反射されて光電検出部５０で検出される。走査有効領域Ｅ外の円弧Ｅ１で示す角度領域に、前記の回転ミラー２により偏向された投光ビーム９を集光させるための光学素子４１と光検出部としての光電変換素子４２とを配置し、投光ビーム９を検出する。光電変換素子４２の出力信号を２値化部４３により２値化して回転角度基準位置信号を生成する。さらに連続する２つの回転角度基準位置信号の時間間隔を信号時間間隔計測部４４により計測することにより回転角速度信号を求める。
一般に前記光学素子４１の前後には、光学的境界点を明確にする目的でナイフエッジ４５やスリット等が配置され、さらに、投光ビーム９が集光される焦点位置近傍には、ピンホール等の絞り４６が配置されている。
これらの光学素子や光電変換素子を配置する場合において、スペースの制約により所望の位置に配置する事が困難な場合がある。このような場合には点線で示した位置に設けた反射ミラー４７によって投光ビーム９を偏向させて別の位置に導き、その位置に前記光学素子４１Ａと光電変換素子４２Ａを配置することもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来技術では、対象物からの反射光を検出する光電検出部５０に加えて、回転ミラーの回転制御信号や走査タイミング信号を生成するための原信号を得るために専用の前記光学素子４１および光電変換素子４２が用いられている。これら２組の光学系を構成する光学部品や受光素子の組立時には、計測器や専用治具などを使用する調整作業が必要であるために、組立工程が複雑であった。そのため組立て調整工程の簡略化が課題であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学走査装置は、光学走査用の投光ビームを発生させるための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光路を偏向させて光学走査をするための回転ミラー、前記回転ミラーによって偏向された投光ビームを反射させて再び前記回転ミラーに入射するように配置した反射部、前記回転ミラーにより再び偏向された前記反射部からの反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した、走査有効領域での被走査物体からの反射光および前記反射部からの反射光を受けて光電変換する光電変換部、前記光電変換部から出力される電気信号の中から前記反射部によって反射された光による電気信号を抽出するための信号抽出部、前記抽出された電気信号から回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転ミラーの回転角で定義される回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び前記回転角度基準位置信号に基づいて回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を備える事を特徴としたものである。
本発明によれば、回転角度基準位置信号の生成または回転角速度を計測のための専用の光学素子および光電変換素子を設けず、被走査物体からの反射光のうち投光ビーム光軸近傍の反射光を受光するための光学素子および光電変換素子を利用して検出する。これにより部品点数の削減とこれに付随する組立て調整工程の削減が可能となる。
【０００５】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記反射部として円筒形の物体の光沢表面を用いる事を特徴としたものである。これにより、反射鏡などの高価な光学部品を使用せずに、同等の機能を実現できる。
【０００６】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記反射部を複数個備えている事を特徴としたものである。これにより、回転角速度を計測するための時間を短くできる。
【０００７】
本発明の他の観点の光学走査装置は、光学走査用の投光ビームを発生させるための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光軸と回転軸が略垂直になるように配置した回転ミラー、前記回転ミラーにより反射される反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した光電変換部、前記光電変換部より出力される電気信号の中から、前記投光ビームの光軸、前記回転ミラーの反射面とが垂直となるときの反射光による電気信号を抽出するための信号抽出部、前記抽出された電気信号から回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び前記回転角度基準位置信号に基づいて、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を有することを特徴としたものである。これにより、前記の反射部を用いなくとも回転角速度の計測を行うことが可能となり、さらに部品点数を減らすことができる。
【０００８】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部として前記反射光のうち前記投光ビームの光軸に対して所定の角度をなす光軸近傍の反射光を受光するように配置した光電変換部を備え、走査有効領域での被走査物体からの反射光および前記反射部からの反射光を光電変換する機能を兼ねて備えることを特徴とする。これにより、専用の光学素子および受光素子を用いることなく被走査物体からの反射光のうち投光ビームの光軸に対して所定の角度範囲の反射光を受光するための光学素子および光電変換素子を利用することによって、所望の信号が得られる。
【０００９】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記投光ビーム発生部として半導体レーザーを光源とする投光ビーム発生部を備え、前記光電変換部として前記投光ビーム発生部の中に内臓されているバックモニタを利用する事を特徴とする。投光部に内臓されている投光ビームを生成する光学素子と、半導体レーザーの光出力制御を行う場合に光出力モニタとして使用される光検出器であるバックモニタを光電変換素子として利用することによって、専用光学素子および受光素子を必要としない。
【００１０】
本発明の他の観点の光学走査装置は、光電変換部と信号抽出と回転角度基準位置信号生成部との組を少なくとも２組備え、それぞれの組により生成された複数の回転角度基準位置信号から所望の回転角度基準位置信号を選択するかまたは複数の回転角度基準位置信号を合成する回路を備えることを特徴とする。これにより、より安定した回転角度基準位置信号を生成できる。
【００１１】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記回転角度基準位置信号生成部は前記光電変換部または前記信号抽出部からの出力を２値化するための２値化部を備え、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される信号を、予め設定している電圧をしきい値として２値化する事により回転角度基準位置信号を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号生成部を最も簡単な構成で実現できる。
【００１２】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される信号の時系列データを保持するためのデータ保持部、前記データ保持部に保持された時系列データの微分演算を行うための微分演算部、及び前記微分演算部からの出力の極性変化点を検出するための極性変化検出部を備え、前記回転角度基準位置信号生成部が、前記極性変化検出部の出力により前記反射部を前記投光ビームが横切る時の前記回転ミラーの回転角度基準位置を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号のタイミングに高い精度が要求される場合、時系列データ全体に対して所定の演算処理を行う事によって、より精度良く回転角度基準位置信号を生成することが可能となる。
【００１３】
本発明の他の観点の光学走査装置は、さらに、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される時系列データを保持するためのデータ保持部、前記データ保持部に保持された時系列データを積分演算を行うための積分演算部、及び前記積分演算部で求められる積分演算結果が全波形積分値の１／２値となる位置を求めるための１／２積分値検出部を備え、前記回転角度基準位置信号生成部が前記１／２積分値検出部の出力により前記反射部を前記投光ビームが横切る時の前記回転ミラーの回転角度基準位置を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号のタイミングに高い精度が要求される場合、時系列データ全体に対して所定の演算処理を行う事によって、より精度良く回転角度基準位置信号を生成することが可能である。
【００１４】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記微分演算部、極性変化検出部、積分演算部、及び１／２積分値検出部を備え、前記極性変化検出部および１／２積分値検出部の出力のいずれかを選択するかまたは両者を合成することにより回転角度基準位置信号を生成する事を特徴とする。これにより、さらに安定した回転角度基準位置信号を生成できる。
【００１５】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持している２つの時系列データの相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互相関値を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる事を検出する相関最大検出部を備え、前記回転角度基準位置信号生成部が、前記相関最大検出部により相関最大値を検出した時における前記相対的遅延時間変化部の状態に基づいて、前記反射部を前記投光ビームが横切る時の前記回転ミラーの回転角度基準位置を生成する事を特徴とする。これにより、回転角度基準位置信号のタイミングに高い精度が要求され、１つの信号の処理では精度良く回転角度基準位置信号を生成できない場合、２つの時系列データの相互相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角度基準位置信号を生成することが可能である。
【００１６】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記回転角速度計測部として回転角度基準位置信号生成部において生成される回転角度基準位置信号の時間間隔を測定する手段を備え、得られる時間間隔データより前記回転ミラーの回転角速度を計測する事を特徴としたものである。これにより、回転速度を計測する手段が比較的簡単な構成で実現できる。
【００１７】
本発明の他の観点の光学走査装置は、前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持している２つの時系列データの相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互の相関値を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる事を検出する相関最大検出部を備え、前記回転速度計測部が、前記相関最大検出部により相関最大値を検出した時における前記相対的遅延時間変化部の状態に基づいて、前記反射部を前記投光ビームが横切る時間間隔を計測する事を特徴とする。これにより、回転角速度に高い計測精度が要求されるにもかかわらず、精度の良い回転角度基準位置信号を生成できない場合、２つの時系列データの相互の相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角速度を計測することが可能である。
【００１８】
本発明の他の観点の光学走査装置は、１つの信号の処理では高い精度で回転角度基準位置信号を生成できない場合、２つの時系列データの相互の相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角度基準位置信号を生成することが可能である。さらに、回転角速度に高い計測精度が要求される場合、２つの時系列データの相互の相関値を演算する事によって、より高い精度で回転角速度を計測することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例について、図１から図１３を参照して説明する。
《実施例１》
図１は本発明の実施例１における光学走査装置の構成を示すブロック図であり、図２は本発明の実施例１における主要な信号の波形図である。
走査に用いる投光ビーム９を発生させるための投光ビーム発生部１は、例えば、半導体レーザーまたはガスレーザーなどの光源と投光ビームを形成するための光学素子から構成される。
投光ビーム９を偏向させるための回転ミラー２はポリゴンミラーやガルバノミラーが一般に用いられる。
走査対象物（図示省略）が置かれる、円弧Ｅで示す走査有効領域（以下、走査有効領域Ｅという）の外部に配置した反射部３ａは、回転ミラー２により偏向された投光ビーム９を反射し、再び回転ミラー２に入射するように配置した反射部材である。この反射部３ａは、光学的な平面反射ミラーであれば理想的であるが、これに限らず、円筒面鏡、球面鏡など一方向に光を反射するものであれば使用可能である。また、表面を研磨したピンや金属などの切削面、研磨面などでもよい。
【００２０】
反射部３ａを１つだけ用いても本実施例の効果を得ることが可能であるが、更に反射部３ｂまたは３ｃを追加してもよい。反射部３ａと３ｂのように走査有効領域Ｅ外の一方の領域に複数配置してもよい。また、反射部３ａと３ｃのように走査有効領域Ｅ外の両側にそれぞれ配置してもよい。反射部３ａ〜３ｃを複数個設けることにより、後で詳しく説明するように、回転角速度の計測に要する時間が短縮される。反射部３ａ、３ｂ、３ｃの反射面の一部分に、光学的な境界点をより明確にするために既知のナイフエッジやスリットなどを配置することも有効である。
【００２１】
投光ビーム９と同一の光軸上を戻ってくる反射光を偏向させるための偏向部４は、ハーフミラーや穴あきミラーなどで実現できる。
光電変換部５は、偏向部４からの反射光のうち投光ビーム９の光軸の近傍を通る反射光を受光し電気信号に変換する装置であり、受光用の光学素子、光電変換素子及び増幅回路で構成される。図２の（ａ）の波形は、光電変換部５の入力光の強度を示す波形であり、（ア）の部分が反射部３ａによる反射光の強度を示す波形であり、（イ）の部分が走査有効領域Ｅに置かれた対象物である被走査物体（図示省略）からの反射光の強度を示す波形である。（ウ）の部分が反射部３ｃによる反射光の強度を示す波形である。図２の（ｂ）の波形は、光電変換部５の出力波形を表わしている。本実施例では、１個の光電変換部５により、反射部３ａ、３ｃの反射光と、被走査物体の反射光の両方を検出する。
【００２２】
信号抽出部６は、光電変換部５からの出力に含まれている走査有効領域Ｅ内の被走査物体からの反射光による信号と、反射部３ａ、３ｃからの反射光による信号とを分離し、後者を抽出するための回路である。信号抽出部６の最も簡単な構成としては、既知のマスク処理回路を用いて走査有効領域Ｅ内を走査中の信号をマスクキングし、走査有効領域Ｅ外を走査中の信号を取り出す方法がある。図２の（ｃ）の波形は走査有効領域Ｅの信号波形をマスクキングし、反射部３ａ、３ｃによる信号のみを抽出した後の信号波形である。フィルタ処理によっても反射部３ａ、３ｂ、３ｃからの反射光による信号を抽出することができる。反射光が複数の反射部３ａ、３ｂ、３ｃのうちのどの反射部からの信号であるかは、検出信号のタイミングから判別することができる。
【００２３】
回転角度基準位置信号生成部７は、投光ビーム９が反射部３ａ、３ｂ、３ｃを横切る位置から一意的に決まり、かつ走査有効領域Ｅ内の走査開始位置または走査開始タイミングを決定するための基準となる信号を生成する。例えば、信号抽出部６の出力を所定の電圧をしきい値として２値化することにより図２の（ｄ）の波形ような回転角度基準位置信号を生成する事ができる。図1では、回転角度基準位置信号は信号抽出部６の出力を回転角度基準位置生成部７にて処理して生成されるが、先に回転角度基準位置生成部７で処理した後、信号抽出部６で回転角度基準位置信号を抽出しても同じ信号が得られる。
回転ミラーの回転角速度計測部８の計測値は走査タイミング信号や回転角度基準位置信号の生成を行ったり、回転ミラー２の状態を監視するのに用いられる。例えば、カウンタと基準クロックを用いて、回転角度基準位置信号によってカウンタのクリアとカウンタ計測値のデータ保持を行う事により、図２の（ｅ）のように回転角度基準位置信号の時間間隔を測定することができる。この時間間隔に基づいて回転角速度を計測する。
実施例１によれば、走査有効領域Ｅに置かれた走査対象物と、走査有効領域Ｅ外に配置された反射部３ａ〜３ｃとで反射された投光ビーム９の反射光を１個の光電変換部５で検出する。検出された信号から、反射部３ａ〜３ｃの反射光に基づく信号を信号抽出部６で分離して抽出し、抽出した信号から回転ミラー２の回転角速度を計測することができる。
【００２４】
《実施例２》
次に、本発明の実施例２の光学走査装置について図３を用いて説明する。実施例１と同じ構成要素については同じ符号を用い重複する説明を省略する。
投光ビーム発生部1および回転ミラー２は、実施例１と同じ構成であるが、実施例２においては、回転ミラー２に対する投光ビーム発生部１と光電変換部５の位置関係が実施例１と異なる。
【００２５】
図３に示すように、前記の位置関係と、回転ミラー２が回転して回転ミラー２の反射面が投光ビーム９の光軸に垂直になったとき、投光ビーム発生部１より射出される投光ビーム９が、回転ミラー２の反射面で反射し前記投光ビーム９の光軸に沿って戻るようにする。戻ってきた反射光は偏向部４で偏向されて光電変換素子５に入射し光電変換される。図３において、投光ビーム９の光軸と、回転ミラー２からの反射光の光軸１３とは一致している。
信号抽出回路６、回転角度基準位置信号生成部７及び回転角速度計測部８の動作は実施例１と実質的に同じである。実施例２によれば、回転ミラー２の反射面が投光ビーム９の光軸に垂直になったときの光電変換素子５の検出出力から回転角度基準位置信号を生成する。回転角度基準位置信号から実施例１と同様にして、回転ミラー２の回転角速度を計測できる。回転角度基準位置信号を得るために、走査有効領域Ｅ外の領域に反射部材を設ける必要がないので、構成が簡単であり、製造コストも安価である。
【００２６】
《実施例３》
本発明の実施例３の光学走査装置について図４を用いて説明する。実施例１及び２と同じ構成要素については同じ符号を用い、重複する説明を省略する。
図４は、本発明の実施例３における光学走査装置の構成を示すブロック図である。
図４において、受光用の光学素子、光電変換素子及び増幅回路を有する光電変換部１１は、回転ミラー２からの反射光のうち、投光ビーム９の光軸に対して所定の角度をなす光軸の近傍を通る反射光１２を受光し、電気信号に変換する。光電変換素子は、単に受光光を電気信号に変換する場合には、一般にフォトダイオードやＣＣＤなどが用いられる。特に、光学走査装置が、被走査物体の反射点の位置を三角測量の原理を用いて測定するような用途の装置である場合には、受光用の光学素子に既知の受光位置検出素子（ＰＳＤ）を用いる。このような受光位置検出素子（ＰＳＤ）は複数の受光素子を有する。従って受光位置検出素子（ＰＳＤ）を用いる場合には、複数の光電変換出力信号が出力されるが、それらのいずれか１つを選択してもよいし、複数の信号の和を用いても構わない。何れの光電変換素子の出力を用いても、図２の（ｂ）に示す波形の光電変換出力が得られる。
【００２７】
反射光１２は反射部３ａからの反射光を表わしている。信号抽出回路６、回転角度基準位置信号生成部７及び回転角速度計測部８の動作は実施例１と実質的に同じである。
実施例３によれば、光電変換部１１を、投光ビーム９の光軸に対して所定の角度をなす反射光を受光する位置に配置する。これにより、図１に示す偏向部４を用いることなく、反射部３ａ〜３ｃからの反射光を光電変換部５に入射することができる。光電変換部５の検出出力から前記各実施例を同様にして回転ミラー２の回転角速度を計測することができる。
【００２８】
《実施例４》
本発明の実施例４について図５を用いて説明する。前記の各実施例１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図５は、本発明の実施例４における光学走査装置の構成を示すブロック図である。
図５において、半導体レーザーを用いた投光ビーム発生部１４は、光源となる半導体レーザーチップ１５、半導体レーザーチップ１５が出射する光から投光ビームを形成するための光学素子１６、及び半導体レーザーチップ１５の光出力を検出し、光出力の制御をするための受光素子である既知のバックモニタ１７を内蔵している。バックモニタ１７の検出帯域は、反射部３ａからの反射光による信号を通過させる事ができるように十分広くなされている。また、半導体レーザーチップ１５の光出力制御用の回路は、反射光を検出するバックモニタ１７のフィードバックによって光出力変動の誤差が許容範囲になるように設計されている。
【００２９】
本実施例の場合、バックモニタ１７の出力は、半導体レーザーの光出力値に応じた光電変換値と反射部３ａからの反射光の光電変換値の和で表わされる。この和を示す信号波形は、図２の（ｃ）の信号波形に半導体レーザーの光出力値に応じた光電変換値分だけオフセット値が加算された波形となる（図示省略）。従って実施例１と同じ回転角度基準位置信号生成回路および回転角速度計測回路を用いることにより、回転ミラー２の回転角速度を計測することができる。実施例４によれば、走査有効領域Ｅの対象物（図示省略）及び反射部３ａ〜３ｃからの反射光が投光ビーム発生部１４のバックモニタ１７で検出されるので、前記反射光を検出するために前記の各実施例における光電変換部５を設ける必要はない。従って構成が簡略化され、製造コストが低減される。
【００３０】
《実施例５》
本発明の実施例５について図６を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い重複する説明を省略する。
図６は、本発明の実施例５における信号処理部のブロック図を示している。実施例１から４の各光学走査装置では、回転ミラー２に対する配置位置がそれぞれ異なる光電変換部５、１１又はバックモニタ１７のいずれか１個のみが設けられている。光学走査装置を用いてプリント基板等立体の対象物を検査する場合には、対象物の様々な形状に対応できるように、１つの光学走査装置に３個の光電変換部５、１１及び１７を組み込んだものが必要になる場合がある。本実施例の信号処理部はそれぞれ配置位置の異なる３個の光電変換部５、１１、１７に対して独立に、それぞれ信号抽出部６ａ、６ｂ、６ｃと回転角度基準位置信号部７ａ、７ｂ、７ｃ、が備えられている。生成される３つの回転角度基準位置信号から本光学走査装置の制御に必要な回転角度基準位置信号を得るために、回転角度基準位置信号部７ｄにおいて選択または合成処理を行う。
具体的な処理の例を以下に説明する。第１の方法では、得られた３つの回転角度基準位置信号を時系列に並べて中間時点の信号を選択して回転角度基準位置信号とする。また第２の方法では得られた３つの回転角度基準位置信号の平均値を演算して求め、その平均値に対応する角度位置での回転角度基準位置信号を生成する。回転角速度計測部は、回転角度基準位置信号部７ｄの出力信号の時間間隔を測定して回転ミラー２の回転速度を求めることができる。
【００３１】
《実施例６》
本発明の実施例６について図７および図８を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い重複する説明を省略する。
図７は、本発明の実施例６における信号処理部のブロック図を示し、図８は、主要な信号の波形図を示している。
図７において、光電変換部は、実施例１から４の光電変換部５、１１、またはバックモニタ１７の何れか一つを示している。図８の（ａ）の波形は、光電変換部５，１１又は１７から出力され、信号抽出部６により抽出された、回転角度基準位置信号を生成するための原信号となる受光信号である。データ保持部２１は、信号抽出部６により抽出された受光信号の時系列信号のデータである時系列データを保持する。保持されている時系列データに対して微分演算部２２により微分演算処理を行い、図８の（ｂ）に示す微分波形を得る。さらに、微分演算処理後の波形の極性変化点すなわちゼロクロス点を極性変化検出部２３により検出する処理を行うと、図８の（ｃ）に示すような出力が得られる。この信号をもとに、回転角度基準位置信号生成部７により、図８の（ｄ）に示す回転角度基準位置信号を生成する。回転角度基準位置信号から、回転角速度計測部８により回転ミラー２の回転角速度を検出する。
実施例６によれば、受光信号を微分演算部２２で微分することにより、受光信号のレベルが変動する場合でも、受光信号のピーク値の時点を正確に検出することができる。ピーク値の時点に基づいて回転角度基準位置信号を生成するので受光信号のレベル変動の影響を受けずに回転角速度を計測することができる。
【００３２】
《実施例７》
本発明の実施例７について図９および図１０を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素には同じ符号を用い重複する説明を省略する。
図９は、実施例７における信号処理部のブロック図を示し、図１０は、実施例７における主要な信号の波形図を示している。
図９において、光電変換部は、実施例１から４の光電変換部５、１１、またはバックモニタ１７の何れか一つを示している。図１０の（ａ）の波形は、光電変換部５，１１又は１７から出力される受光信号の信号波形を表わしている。光電変換部５、１１又は１７により得られた出力から、信号抽出部６により、回転角度基準位置信号を生成するための原信号となる受光信号を抽出する。データ保持部２１により、信号抽出部６により抽出された時系列の信号のデータである時系列データを保持する。保持されている時系列データに対して積分演算部２４により微分演算処理を行い、図１０の（ｂ）に示す積分波形を得る。さらに、１／２積分値検出部２５により、積分処理後の波形において、全積分値の１／２となる点を検出する処理を行うと、図１０の（ｃ）に示すような出力が得られる。この信号をもとに、回転角度基準位置信号生成部７により、図１０の（ｄ）に示す回転角度基準位置信号を生成することができる。回転角度基準位置信号から回転角速度計測部８により回転ミラー２の回転角速度を検出する。
実施例７によれば、受光信号を積分演算部２４で積分することにより、受光信号に高レベルのノイズが混入した場合でも、ノイズに影響されない回転角度基準位置信号が生成される。
【００３３】
《実施例８》
本発明の実施例８について図１１を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記の各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。
図１１は本発明の実施例８における信号処理部のブロック図を示している。実施例８における主要な信号の波形図は、図８および図１０と同様である。
図１１において、回転角度基準位置信号生成部７ｅは、極性変化検出部２３の出力から回転角度基準位置信号を生成する（図８の（ａ）から（ｄ）を参照）。また回転角度基準位置信号生成部７ｆは、１／２積分値検出部の出力から回転角度基準位置信号を生成する（図１０の（ａ）から（ｄ）を参照）。以上のようにそれぞれ独立に生成された２つの回転角度基準位置信号を回転角度基準位置信号生成部７ｇに入力して合成処理をすることにより、光学走査装置に必要な回転角度基準位置信号を生成する。合成処理の具体的例としては、得られる２つの回転角度基準位置信号のちょうど中間値を回転角度基準位置信号とする方法がある。実施例８は、前記の実施例６と７を組み合わせた回路構成を有するので両者のそれぞれの特徴を備えたものとなる。
【００３４】
《実施例９》
本発明の実施例９について図１２および図１３を用いて説明する。本実施例は、光学走査装置の信号処理回路に関するものである。前記各実施例と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図１２は、本発明の実施例９における信号処理部のブロック図を示し、図１３は、本発明の実施例９における主要な信号の波形図を示している。
図１２において、光電変換部は、実施例１から４の光電変換部５、１１、またはバックモニタ１７の何れか一つを示している。信号抽出部６により、回転角度基準位置信号を生成するための原信号となる受光信号を抽出する。信号抽出部６から出力される反射部３ａの反射光による信号のうち、例えば、現在に最も近い信号の時系列データをデータ保持部３１によって保持し、その１つ前の時系列データをデータ保持部３２にて保持する。データ保持部３２を基準として相対的遅延時間変化部３３によって、保持部３１の時系列データを所定の単位時間ずつ遅延時間を変化させて、各々の場合の相関値を相関値演算部３４によって演算する。相関最大検出部３５によって相関値が最大となる遅延時間を検出し、回転角度基準位置信号生成部３６にて回転角度基準位置信号を生成する。また、回転角速度計測部３７では、相関最大検出部３５によって相関値が最大となる遅延時間を検出したときの相対的遅延時間変化部３３の状態により信号時間間隔を計測し、回転角速度を求めることが可能である。
【００３５】
相対的遅延時間変化部３３は、シフトレジスタで構成する事も可能であるが、データ保持部からの読み出し経路をセレクタで切り替えるような構成でも実現可能である。またマイクロプロセッサなどを用いて、データ保持部３１，３２からの読み出し方を変えることによっても実現できる。
また、相関値演算部３４の簡単な例としては、減算部、絶対値演算部及び積分部で構成することが可能である。この場合積分演算結果が小さいほど相関が強く、零の場合は完全に一致したことを示す。
【００３６】
図１３は、相関値演算部３４、回転角度基準位置信号生成部３６、および回転角速度計測部３６のそれぞれの動作を説明するための各データを示す波形図である。
図１３の（ａ）の波形は、データ保持部３２が保持している基準波形であり、例えば、現在に最も近いデータの１つ前の時点の時系列データを表わしている。図１３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、データ保持部３１に保持している例えば、現在に最も近い時系列データを示す波形であり、相対的遅延時間変化部３３によってΔｔずつ遅延させた遅延時間が異なるものを表わしている。それぞれの波形の遅延時間は、（ｂ）：Ｔ(n)−２×Δｔ、（ｃ）：Ｔ(n)−Δｔ、（ｄ）：Ｔ(n)、 （ｅ）：Ｔ(n)＋Δｔ、（ｆ）：Ｔ(n)＋２×Δｔである。
ここでＴ(n)はｎ−１番目からｎ番目までの信号の時間間隔すなわち周期を表わしている。
また、図１３の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）及び（ｋ）は、図１３の（ａ）の基準時系列データから、図１３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）の各時系列データを減算して絶対値をとったデータの波形である。
【００３７】
各相対遅延時間毎の相関値は、図１３の（ｇ）〜（ｋ）の波形の積分値、すなわち波形のなす面積であり、これが一番小さいデータ（ｉ）が最大の相関値となっていることを表わしている。実際には、これらの相関値演算処理は、Δｔ毎の時間順序で行われる。この場合、Δｔ毎の各相対的遅延時間における相関値を図１３の（ｌ）の波形のように時系列信号に並べ替え、その値が最小となるタイミングで図１３の（ｍ）に示す波形の回転角度基準位置信号を生成させこともできる。
さらに、図１３の（ｎ）のように、最大の相関値を検出したときの相対的遅延時間Ｔ(n)を信号時間間隔データとして保持する。この信号時間間隔データに所定の係数をかければ回転角速度信号が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
各実施例で詳細に説明したように、本発明によれば、回転角度基準位置信号の生成または回転角速度を、専用の光学素子および光電変換素子を用いずに走査装置において走査光を検出するための光学素子および光電変換素子を利用して計測する。これにより光学走査装置の部品点数が削減され付随する組立て調整工程がなくなるので、構造の簡略化とコストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施例１における光学走査装置の動作を示す主要な信号の波形図
【図３】本発明の実施例２における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施例３における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施例４における光学走査装置の構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施例５における信号処理部のブロック図
【図７】本発明の実施例６における信号処理部のブロック図
【図８】本発明の実施例６における動作を示す主要な信号の波形図
【図９】本発明の実施例７における信号処理部のブロック図
【図１０】本発明の実施例７における動作を示す主要な信号の波形図
【図１１】本発明の実施例８における信号処理部のブロック図
【図１２】本発明の実施例９における信号処理部のブロック図
【図１３】本発明の実施例９における動作を示す主要な信号の波形図
【図１４】従来の技術における光学走査装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ 投光ビーム発生部
２ 回転ミラー
３ａ、３ｂ、３ｃ 反射部
４、４７ 偏向部
５、１１ 光電変換部
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 信号抽出部
７、７ａ、７ｂ、７ｃ 回転角度基準位置信号生成部
７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ 回転角度基準位置信号生成部
８ 回転角速度計測部
９ 投光ビーム光軸
１０、１２、１３、１８ 反射光の光軸
１４ 投光ビーム発生部
１５ 半導体レーザーチップ
１６ 光学素子
１７ バックモニタ
２１、 ２１ａ、２１ｂ、３１、３２ データ保持部
２２ 微分演算部
２３ 極性変化検出部
２４ 積分部
２５ １／２積分値検出部
３３ 相対的遅延時間変化部
３４ 相関値演算部
３５ 相関最大検出部
４１ 光学素子
４２ 光電変換素子
４３ ２値化部
４４ 信号時間間隔測定部
４５ ナイフエッジ
４６ 絞り
３６ 回転角度基準位置信号生成
３７ 回転角速度計測部
Claims (3)
- 光学走査用の投光ビームを発生するための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光路を偏向させて光学走査をするための回転ミラー、
前記回転ミラーによって偏向された投光ビームを反射させて再び前記回転ミラーに入射するように配置した反射部、
前記回転ミラーにより再び反射された前記反射部からの反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した、走査有効領域での被走査物体からの反射光および前記反射部からの反射光を受けて光電変換する光電変換部、
前記光電変換部から出力される電気信号から、前記反射部によって反射された光による電気信号を抽出するための信号抽出部、
前記抽出された電気信号から、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転ミラーの回転角で定義される回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び
前記回転角度基準位置信号に基づいて、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して、前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を備え、
前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持されている２つの時系列データ間の相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互の相関を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる時点を検出する相関最大検出部、を備えたことを特徴とする光学走査装置。 - 光学走査用の投光ビームを発生するための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光軸と回転軸が略垂直になるように配置した回転ミラー、
前記回転ミラーによって偏向された投光ビームを反射させて再び前記回転ミラーに入射するように配置した反射部、
前記回転ミラーにより反射される反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した光電変換部、
前記光電変換部から出力される電気信号から、前記投光ビームの光軸と前記回転ミラーの反射面とが垂直となるときの反射光による電気信号を抽出するための信号抽出部、
前記抽出された電気信号から、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び
前記回転角度基準位置信号に基づいて、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を備え、
前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持されている２つの時系列データ間の相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互の相関を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる時点を検出する相関最大検出部、を備えたことを特徴とする光学走査装置。 - 光学走査用の投光ビームを発生するための投光ビーム発生部、前記投光ビーム発生部から射出される投光ビームの光路を偏向させて光学走査をするための回転ミラー、
前記回転ミラーによって偏向された投光ビームを反射させて再び前記回転ミラーに入射するように配置した反射部、
前記回転ミラーにより再び反射された前記反射部からの反射光のうち前記投光ビームの光軸の近傍を通る反射光を受光するように配置した、走査有効領域での被走査物体からの反射光および前記反射部からの反射光を受けて光電変換する光電変換部、
前記光電変換部から出力される電気信号から、前記反射部によって反射された光による電気信号を抽出するための信号抽出部、
前記抽出された電気信号から、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時の回転ミラーの回転角で定義される回転角度基準位置を決めるための回転角度基準位置信号を生成する回転角度基準位置信号生成部、及び
前記回転角度基準位置信号に基づいていて、回転ミラーの回転により偏向される投光ビームが前記反射部を横切る時間間隔を計測して、前記回転ミラーの回転角速度を求める回転角速度計測部を備え、
光電変換部と信号抽出部と回転角度基準位置信号生成部とを有する組を少なくとも２組備え、
前記それぞれの組により生成された複数の回転角度基準位置信号から所望の回転角度基準位置信号を選択するかまたは複数の回転角度基準位置信号を合成する回転角度基準位置信号生成部を備え、
前記光電変換部または前記信号抽出部から出力される異なる２つの信号の各時系列データを保持するために設けた第１および第２のデータ保持部、前記第１および第２のデータ保持部に保持されている２つの時系列データ間の相対的遅延時間を変化させる相対的遅延時間変化部、前記第１および第２のデータ保持部により保持されている２つの時系列データに対して相互の相関を求める演算を行う相関値演算部、及び前記相関値演算部から得られる相関値が最大となる時点を検出する相関最大検出部、を備えたことを特徴とすることを特徴とする光学走査装置。
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