JP4471756B2

JP4471756B2 - 走査レーザビーム径測定装置

Info

Publication number: JP4471756B2
Application number: JP2004204777A
Authority: JP
Inventors: 裕高野
Original assignee: エーエルティー株式会社
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-07-12
Also published as: JP2006029806A

Description

本発明は走査レーザビーム径測定装置に関し、さらに詳しくはレーザプリンタ，デジタルＰＰＣ（Plain Paper Copy）等（以下、プリンタ等と総称する）で使用される高速の機械スキャナやレーザ走査ユニットから出射される走査レーザビームの径を測定するための走査レーザビーム径測定装置に関する。

近年、プリンタ等において高速化が進み、ポリゴンスキャナでの回転数が３００００ｒｐｍを超えるようになり、走査周波数も３ＫＨｚ以上となりつつある。また、解像度も上がっており、走査精度の向上も要求されている。このため、走査レーザビームのレーザビーム径を正確に測定する必要が生じてきている。

従来のレーザビーム径測定装置の一例として、レーザビームを多数の方向から切断し、その各断面の信号を合成してレーザビームの二次元プロファイルを得、二次元プロファイルをマッピング加算することにより三次元プロファイルを得、レーザビームがガウス分布に従う強度分布を持つことを前提として、ピーク値を１とするときに強度が１／ｅ^２（＝０．１３５）となる部分の幅をレーザビーム径として得るものがあった（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
特開昭５８−１６８９２１公報特開平７−１１３６８６公報

しかしながら、上述した従来のレーザビーム径測定装置では、ポリゴンスキャナを停止して、つまりレーザビームの走査を停止して、走査ライン上の数カ所でレーザビーム径を測定していたので、プリント速度が速くポリゴンスキャナが高回転のプリンタ等では、走査を停止しているレーザビームと走査中のレーザビームとでは、レーザビーム径が異なってきて、正確な走査レーザビーム径を測定することができないという問題点があった。

特に、従来のレーザビーム径測定装置では、走査ラインの中央付近でレーザビームを停止してレーザビーム径を測定しても、走査ラインの終縁付近でレーザビームを停止してレーザビーム径を測定しても、同じレーザビーム径が得られていたが、実際には、走査レーザビームは、走査ラインの中央付近と走査ラインの終縁付近とでは走査速度が大きく異なっており、このために走査レーザビーム径が大きく異なるはずであるにも拘わらず、同じレーザビーム径しか得られないという問題点があった。

また、走査中のレーザビーム径はポリゴンスキャナに遠心力が働き歪みが生じて、停止中のレーザビーム径とは異なってくるという問題点があった。

さらに、ポリゴンスキャナを回転駆動するモータパワーにより、空気が暖められ、屈折率が変化して、ポリゴンスキャナの回転を停止したときと比べて、レーザビーム径が変化するという問題点があった。

本発明の目的は、上述の点に鑑み、レーザビーム径をレーザビームの走査中に測定できるようにした走査レーザビーム径測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

請求項１記載の走査レーザビーム径測定装置は、走査レーザビームの走査ライン上に配置されたフォトセンサと、前記走査レーザビームの走査ライン上の前記フォトセンサを挟んで対応する位置に配設された一対のビームディテクタと、前記フォトセンサの前方位置に該フォトセンサの中心と一致する軸を中心として回動可能に、かつ該フォトセンサの前方から見てナイフエッジが該フォトセンサの中央を通過するように配置された回転ナイフエッジと、前記走査レーザビームが前記ビームディテクタ間を走査する走査時間を測定して前記ビームディテクタ間の間隔を前記走査時間で割ることによりレーザビーム速度を計算し、前記回転ナイフエッジが前記一対のビームディテクタの前方を遮らない角度範囲で前記回転ナイフエッジの回転角を所定の角度ずつ変化させて前記フォトセンサの出力信号を入力し、前記出力信号を微分して前記走査レーザビームの二次元プロファイル信号を得、前記二次元プロファイル信号のマッピング加算処理を繰り返すことにより前記走査レーザビームの三次元プロファイルを得、前記三次元プロファイルのピーク値を１とするときに１未満の所定値となる部分をスライスとして切り出し、切り出されたスライス上での時間幅を読み出して前記レーザビーム速度を乗算することにより前記走査レーザビームの走査レーザビーム径を算出する制御部とを備えることを特徴とする。請求項１記載の走査レーザビーム径測定装置によれば、走査レーザビームの走査ライン上のフォトセンサを挟んで対応する位置に一対のビームディテクタを設けたので、走査レーザビームのビームディテクタ間の走行時間を測定することにより、走査レーザビーム速度を知ることができる。また、フォトセンサの前方位置にフォトセンサの中心と一致する軸を中心として回動可能に、かつフォトセンサの前方から見てナイフエッジがフォトセンサの中央を通過するように配置された回転ナイフエッジを設け、回転ナイフエッジが一対のビームディテクタの前方を遮らない角度範囲で回転ナイフエッジの回転角を所定の角度ずつ変化させてフォトセンサの出力信号を入力し、出力信号を微分して走査レーザビームの二次元プロファイル信号を得、二次元プロファイル信号のマッピング加算処理を繰り返すことにより走査レーザビームの三次元プロファイルを得ることができる。さらに、三次元プロファイルのピーク値を１とするときに１未満の所定値となる部分をスライスとして切り出し、切り出されたスライス上での時間幅を読み出してレーザビーム速度を乗算することにより走査レーザビームの走査レーザビーム径を算出することができる。そして、上記一連の測定処理を制御部により自動的に行なうことができる。

請求項２記載の走査レーザビーム径測定装置は、請求項１記載の走査レーザビーム径測定装置において、前記制御部が、前記三次元プロファイルのピーク値を１とするときに１未満の所定値となる部分をスライスとして切り出し、切り出されたスライス上での前記走査ラインの走査方向および前記走査方向とは直交する副走査方向の時間幅を読み出して前記レーザビーム速度を乗算することにより前記走査レーザビームの前記走査方向および前記副走査方向の走査レーザビーム径を算出することを特徴とする。請求項２記載の走査レーザビーム径測定装置によれば、スライス上での走査方向（ｘ方向）および副走査方向（ｙ方向）の時間幅を読み出してレーザビーム速度を乗算することにより、走査レーザビームの走査方向および副走査方向の走査レーザビーム径を算出することができる。

請求項３記載の走査レーザビーム径測定装置は、請求項１または２記載の走査レーザビーム径測定装置において、前記１未満の所定値が、１／ｅ ^２であることを特徴とする。請求項３記載の走査レーザビーム径測定装置によれば、ガウス分布のビーム径を定義するのに一般的に用いられる１／ｅ ^２（１３．５％）を走査レーザビーム径を決定するのに用いることができる。

走査レーザビームの走査ライン上にフォトセンサを挟んで対応する位置に一対のビームディテクタを配設することにより、フォトセンサ位置での走査レーザビームの走査速度を知ることができ、走査速度と時間とから走査レーザビーム径を測定することを可能にした。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１，図２および図３は、本発明の実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置１の正面図，平面図および背面図である。

本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置１は、横長の直方体状に形成されており、正面中程の右寄りには、測定窓１ａが穿設されている。この測定窓１ａからは、後述する回転ナイフエッジ２５，フォトセンサ３３，および一対のビームディテクタ３４，３５が外部に露呈している。また、走査レーザビーム径測定装置１の左側面からは３つのインターフェースコネクタ１１，１２，１３と、後述するインタフェースケーブル２２が導出されている。また、走査レーザビーム径測定装置１の背面壁の前記測定窓１ａに対応する位置には、回転ナイフエッジ２５を回動させるためのステッピングモータ（図示せず）が内蔵されたモータボックス１ｂが突設されている。

図４，図５および図６は、走査レーザビーム径測定装置１内に内蔵されている測定装置本体２を示す正面図，平面図および側面図である。

測定装置本体２は、回転機構を内蔵する回転ステージ２１と、回転ステージ２１から導出されたインタフェースケーブル２２と、回転ステージ２１の左右位置を調整するための位置調整用ノブ２３と、回転ステージ２１に固定された回転ナイフエッジホルダ２４と、回転ナイフエッジホルダ２４に取り付けられた回転ナイフエッジ２５と、回転ステージ２１を載置固定するセンサ基板ホルダ３１と、センサ基板ホルダ３１に固定されたセンサ基板３２と、センサ基板３２の上端寄り中央に配設されたフォトセンサ３３と、センサ基板３２のフォトセンサ３３を挟んで対応する左右位置に配設された一対のビームディテクタ３４，３５とから、その主要部が構成されている。

なお、フォトセンサ３３とビームディテクタ３４，３５とは、走査レーザビームの走査ライン上で一直線となるように配置されており、既述したように、走査レーザビーム径測定装置１の測定窓１ａから外部に露呈されている。

回転ナイフエッジ２５は、金属板体等で羽状に形成されていて、そのナイフエッジ（図４で右側エッジ）がフォトセンサ３３の中央を通過するように回転ナイフエッジホルダ２４に取り付けられている。このため、回転ステージ２１の回転に伴って回転ナイフエッジホルダ２４が回転すると、回転ナイフエッジ２５のナイフエッジは、後述するようにフォトセンサ３３が回転ステージ２１の回転中心と一致するように配置されているので、フォトセンサ３３の前方位置でフォトセンサ３３の中心と一致する軸を中心として回動するようになっている。図４中には、回転角θ＝０°位置の回転ナイフエッジ２５とともに、回転角θ＝＋６０°位置および回転角θ＝−６０°位置での回転ナイフエッジが二点鎖線で図示されているが、回転ナイフエッジ２５は、任意の角度位置で停止させることが可能である。

図７は、本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置１の接続態様を示すブロック図である。

回転ナイフエッジ２５を含む測定装置本体２は、回転ステージ２１を回転駆動するステッピングモータ（図示せず）等とともに、インタフェースケーブル２２を介してナイフエッジコントローラ８に接続されており、ナイフエッジコントローラ８はコンピュータ９に接続されている。

フォトセンサ３３は、電流検出用絶縁形電流センサで形成されていて、その中心が回転ステージ２１の回転中心と一致するように、センサ基板３２に配置されている。フォトセンサ３３は、アンプ５を介してＡ／Ｄボード６に接続されており、Ａ／Ｄボード６はコンピュータ９に接続されている。

ビームディテクタ３４および３５は、走査レーザビームの有無を検知するだけでよいので、フォトセンサ３３に比べて低性能の光電変換素子で形成されていてよい。ビームディテクタ３４および３５は、ＴＩＡ（Time Interval Analyzer）ボード７に接続されており、ＴＩＡボード７はコンピュータ９に接続されている。

図８は、本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置１を使用する測定システムの配置図である。この測定システムは、走査レーザビーム径測定対象のレーザビームを出射するレーザ光源ユニット４１と、レーザ光源ユニット４１から出射されたレーザビームを反射して走査させるポリゴンスキャナ４２と、ポリゴンスキャナ４２により走査される走査レーザビームのビーム径を測定する本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置１とから構成されている。

レーザ光源ユニット４１は、ポリゴンスキャナ４２に対して所定角をなすように配置されており、レーザ光源および集光レンズ系を含み、スポット状に絞られたレーザビームを出射する。

ポリゴンスキャナ４２は、多角形（図示は８角形）の板状に形成され周面が鏡面加工された多面鏡４３と、多面鏡４３を回転軸に枢着する電動モータ４４とから構成されており、多面鏡４３に入射されたレーザビームを多面鏡４３の回転に伴って走査レーザビームとして走査させる。なお、実施例１では、多面鏡４３を８角形板状としたが、多面鏡４３の鏡面の数は８つに限られるものではなく、６，１２，１６等のその他の数であってもよいものである。

図９（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、本実施例１の走査レーザビーム径測定装置１の測定原理を説明する図である。いま、図９（ａ）に示すように、回転ナイフエッジ２５が、ナイフエッジを垂直方向とする位置（回転角θ＝０°位置）にある状態で、走査レーザビームが走査速度ｖで回転ナイフエッジ２５およびフォトセンサ３３を横切ったとすると、フォトセンサ３３からは図９（ｂ）に示すような台形上の出力信号Ｉが得られる。この出力信号Ｉを微分すると、図９（ｃ）に示すような走査レーザビームの二次元プロファイルを示すプロファイル信号が得られ、これをコンピュータ９のメモリ上にマッピング（記憶）する。

図９（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示す測定を、図１０（ａ）に示すように、回転ナイフエッジ２５の回転角θを、−６０°，−３０°，０°，＋３０°，＋６０°と変えながら繰り返し、図１０（ｂ）に示すようにフォトセンサ３３の出力信号Ｉをそれぞれ微分して、図１０（ｃ）に示すような走査レーザビームの二次元プロファイル信号をコンピュータ９のメモリ上にマッピングする。

そして、得られたコンピュータ９のメモリ上の二次元プロファイル信号を全体としてマッピング加算処理すると、図１１に示すような走査レーザビームの三次元プロファイルが得られる。なお、マッピング加算処理は、医療等で用いられるコンピュータ断層投影法と同様の手法であり、回転ナイフエッジ２５の各回転角θ＝−６０°，−３０°，０°，＋３０°，＋６０°での走査レーザビームの二次元プロファイルをフーリエ変換，補間法等を用いて走査レーザビームの三次元プロファイルに再構成するものである。三次元プロファイルは、医療等で用いられるコンピュータ断層投影法では、三次元再構成トモグラフィと呼ばれるものに相当する。この三次元プロファイルのピーク値を１とするとき、強度が１／ｅ^２（＝０．１３５）となる部分の径が、走査レーザビーム径Ｌｘ，Ｌｙとなる。なお、ＬｘおよびＬｙは、図１１中のｘ方向およびｙ方向の走査レーザビーム径をそれぞれ示す。

図１２は、制御部としてのコンピュータ９における走査レーザビーム径の測定処理を示すフローチャートである。この測定処理は、回転ナイフエッジ２５の回転角θを、−６０°，−３０°，０°，＋３０°，＋６０°と変えながら、測定を５回繰り返す場合の例である。しかし、測定処理における、回転角θの初期値およびインクリメント値が任意に設定できることはいうまでもない。

次に、このように構成された実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置１の動作について、図１２のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、コンピュータ９は、走査レーザビームがビームディテクタ３４，３５間を走査する時間（走査時間）Ｔを測定する（ステップＳ１０１）。この走査時間Ｔの測定は、図４で見て、走査レーザビームが右から左へと走査された場合、走査レーザビームがビームディテクタ３４を横切ってからビームディテクタ３５を横切るまでの時間を測定すればよい。

次に、コンピュータ９は、ビームディテクタ３４，３５間の間隔（距離）Ｄ（既知）を測定された走査時間Ｔで割ることにより、レーザビーム速度ｖ＝Ｄ÷Ｔを計算する（ステップＳ１０２）。

続いて、コンピュータ９は、回転ナイフエッジ２５の回転角θを初期値の−６０°とし（ステップＳ１０３）、回転角θが終了値＋９０°であるかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。

いま、回転角θ＝−６０°であるので（ステップＳ１０４でノー）、コンピュータ９は、回転ナイフエッジ２５の回転角θでビーム強度を取り込む（ステップＳ１０５）。これにより、図９（ｂ）に示すような台形状の出力信号Iが得られる。

次に、コンピュータ９は、出力信号Iの微分処理を行なう（ステップＳ１０６）。これにより、図９（ｃ）に示すような走査レーザビームの二次元プロファイル信号が得られる。

続いて、コンピュータ９は、得られた走査レーザビームの二次元プロファイル信号のマッピング処理を行なう（ステップＳ１０７）。

次に、コンピュータ９は、回転角θを３０°だけインクリメントし（ステップＳ１０８）、回転ナイフエッジ２５を回転角θまで回転させた後に（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０４に制御を戻す。

ステップＳ１０４〜Ｓ１０９を繰り返すことにより、ステップＳ１０４でθ＝＋９０°になると、コンピュータ９は、走査レーザビームの二次元プロファイル信号のマッピング加算処理を行なう（ステップＳ１１０）。なお、マッピング加算処理は、既述したように、医療等で用いられるコンピュータ断層投影法と同様の手法であるので、また、本発明の骨子とは直接関係しないので、その詳しい説明を省略する。マッピング加算処理により、コンピュータ９のメモリ上に記憶された二次元プロファイルを回転角θ毎にメモリ上で足し込んでいくと、図１１に示すような走査レーザビームの三次元プロファイルが得られる。

次に、コンピュータ９は、スライスの切り出しを行なう（ステップＳ１１１）。詳しくは、図１１に示す走査レーザビームの三次元プロファイルの、ピーク値を１とするときに強度が１／ｅ^２（＝０．１３５）となる部分をスライス（平面）として切り出す。

続いて、コンピュータ９は、切り出されたスライス（平面）上でのｘ軸方向およびｙ軸方向の時間幅Ｔｘ，Ｔｙを読み出し（ステップＳ１１２）、走査レーザビーム径Ｌｘ＝ｖＴｘ，Ｌｙ＝ｖＴｙを算出する（ステップＳ１１３）。

最後に、コンピュータ９は、算出された走査レーザビーム径Ｌｘ，Ｌｙを表示する（ステップＳ１１４）。

以上、本発明の実施例を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

本発明の実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置の正面図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置の平面図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置の背面図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置に内蔵される測定装置本体の正面図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置に内蔵される測定装置本体の平面図。実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置に内蔵される測定装置本体の側面図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置の接続態様を示すブロック図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置を使用する測定システムの配置図。（ａ），（ｂ），（ｃ）は本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置の測定原理を説明する図。（ａ），（ｂ），（ｃ）は本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置における回転ナイフエッジの回転角，出力信号，微分信号を説明する図。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置による測定結果として得られる走査レーザビームの三次元プロファイル。本実施例１に係る走査レーザビーム径測定装置の処理を示すフローチャート。

符号の説明

１走査レーザビーム径測定装置
１ａ測定窓
５アンプ
６Ａ／Ｄ（Analog/Digital）ボード
７ＴＩＡ（Time Interval Analyzer）ボード
８スリットコントローラ
９コンピュータ
２１回転ステージ
２４回転ナイフエッジホルダ
２５回転ナイフエッジ
３１センサ基板ホルダ
３２センサ基板
３３フォトセンサ
３４，３５ビームディテクタ
４１レーザ光源ユニット
４２ポリゴンスキャナ
４３多面鏡
４４電動モータ

Claims

走査レーザビームの走査ライン上に配置されたフォトセンサと、
前記走査レーザビームの走査ライン上の前記フォトセンサを挟んで対応する位置に配設された一対のビームディテクタと、
前記フォトセンサの前方位置に該フォトセンサの中心と一致する軸を中心として回動可能に、かつ該フォトセンサの前方から見てナイフエッジが該フォトセンサの中央を通過するように配置された回転ナイフエッジと、
前記走査レーザビームが前記ビームディテクタ間を走査する走査時間を測定して前記ビームディテクタ間の間隔を前記走査時間で割ることによりレーザビーム速度を計算し、前記回転ナイフエッジが前記一対のビームディテクタの前方を遮らない角度範囲で前記回転ナイフエッジの回転角を所定の角度ずつ変化させて前記フォトセンサの出力信号を入力し、前記出力信号を微分して前記走査レーザビームの二次元プロファイル信号を得、前記二次元プロファイル信号のマッピング加算処理を繰り返すことにより前記走査レーザビームの三次元プロファイルを得、前記三次元プロファイルのピーク値を１とするときに１未満の所定値となる部分をスライスとして切り出し、切り出されたスライス上での時間幅を読み出して前記レーザビーム速度を乗算することにより前記走査レーザビームの走査レーザビーム径を算出する制御部と
を備えることを特徴とする走査レーザビーム径測定装置。
前記制御部が、前記三次元プロファイルのピーク値を１とするときに１未満の所定値となる部分をスライスとして切り出し、切り出されたスライス上での前記走査ラインの走査方向および前記走査方向とは直交する副走査方向の時間幅を読み出して前記レーザビーム速度を乗算することにより前記走査レーザビームの前記走査方向および前記副走査方向の走査レーザビーム径を算出する請求項１記載の走査レーザビーム径測定装置。
前記１未満の所定値が、１／ｅ ^２である請求項１または２記載の走査レーザビーム径測定装置。