JPH04136506U - 回転変位量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定感度を向上させたコンパクトな回転変位
量検出装置の提供を目的としている。 【構成】 第１の光学系２とミラー４０２の間で且つ第
２の光学系４とミラー４０２の間である位置にビームエ
キスパンダ３を設けることにより、発振器１の出射方向
変動によるレーザビームＬs の偏向角を拡大せずに被検
出体４０２の回転変位による偏向角を拡大し、もってＰ
ＳＤ５における位置変位の検出感度を向上させている。 【効果】 誤差要因を相対的に小さくした状態で測定感
度を向上させることができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、光ビーム走査記録装置に用いられる光学素子の微動機構、精密ス テージ、あるいは角度測定装置において、被検出体の回転変位量を検出するため に設けられる回転変位量検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

所望の画像を白／黒の２値画像として感材上に記録するレーザプロッタや、網 点を用いた階調画像として感材上に記録する製版用スキャナなどの光ビーム走査 記録装置においては、描画時間の短縮を目的として、複数のレーザビームを用い た走査光学系が使用される。こうした走査光学系として例えば特開平２−２６７ ５１５号公報に開示されるものがある。

【０００３】 ところで、上記のような光ビーム走査記録装置では描画密度に応じて光ビーム の間隔を変更させる必要があり、このため、特開平２−２６７５１５号公報に開 示される光ビーム走査記録装置は、図６に示すようなビーム間隔調整原理に基づ いて光ビームの間隔を調整する光ビーム間隔調整装置を備えている。この特開平 ２−２６７５１５号に開示される光ビーム間隔調整装置の調整原理は以下のよう なものである。

【０００４】 まず、ほぼ直交する２つのビームＢ1 ，Ｂ2 をビームスプリッタと同構成のビ ーム方向転換素子３０１に入射すると、第１のビームＢ1 の一部がこのビーム方 向転換素子３０１のハーフミラー面３０２を透過して直進ビームＢa となるとと もに、第２のビームＢ2 の一部がハーフミラー面３０２で反射して反射ビームＢ b となる。したがって、ビーム方向転換素子３０１に所定の回転変位を与えてお くことにより、２つのビームＢa ，Ｂb はビーム方向転換素子３０１の後段側交 差点Ｐc において交差角θで交差する。交差点Ｐc には、前記２つのビームＢa ，Ｂb を周期的に偏向するためのＡＯＤ（音響光学偏向器）３０３が配置されて おり、ＡＯＤ３０３による偏向を受けた後のビームＢa ，Ｂb が、走査レンズ３ ０４によって平行ビーム群に変換される。交差点Ｐc と走査レンズ３０４の間の 距離は、走査レンズ３０４の焦点距離ｆと同一に設定されている。

【０００５】 この図６から分かるように、走査レンズ３０４後段側の平行ビームＢa ，Ｂb の間隔ｌ0 ，交差角θ、および走査レンズ３０４の焦点距離ｆの間には数１の式 が成立する。

【０００６】

【数１】

【０００７】 したがって、交差角θを変更することによって平行ビームＢa ，Ｂb の間隔ｌ0 を適当に調整することができる。但し、この場合、交差角θを変更したとしても 両ビームＢa ，Ｂb が常にＡＯＤ３０３内を通過するように、両ビームＢa ，Ｂ b を交差点Ｐc で交わるようにしなければならない。上記特開平２−２６７５１ ５号公報には、両ビームＢa ，Ｂb が常にＡＯＤ３０３内を通過するように交差 角θを変更するには、ＡＯＤ３０３後方の所定位置に設定した回転中心の回りに ビーム方向転換素子３０１を回転させることにより、このビーム方向転換素子３ ０１を並進および回転運動させればよいことが開示されている。

【０００８】 上述のように、ビームＢa ，Ｂb 間の間隔を変更するためには、ビーム方向転 換素子３０１を所望量だけ回転変位させる必要がある。本願出願人は、この出願 に先立って出願した特願平２−１９７４４９号に、前記回転変位を正確に設定す るための図５に示すような回転角制御部４００を備える光ビーム走査記録装置を 記載している。

【０００９】 この回転角制御部４００は、ミラー４０２の回転変位量を検出する回転変位量 検出装置４０１を備えている。このミラー４０２は、図４に示すように、前記ビ ーム方向転換素子３０１（図４には不図示）に回転変位を与える一体型切り欠き リンク機構４０３に設けられたビーム方向転換素子３０１の取付部４０４に固定 されている。このリンク機構４０３は、図４に仮想線で示すように、リンク変形 することによってビーム方向転換素子３０１を矢符Ｘ方向に並進移動させるとと もに、このリンク変形に伴って板ばね４０５を撓ませることによってビーム方向 転換素子３０１を矢符Ｒ方向に回転変位させることができるものである。このリ ンク機構４０３はピエゾ素子等の駆動源を活性化させることによりリンク変形す る。前記取付部４０４はビーム方向転換素子３０１と一体的に同変位量回転し、 したがって、ビーム方向転換素子３０１が回転角γだけ回転すると取付部４０４ に固定されたミラー４０２も回転角γだけ回転する。なお、リンク機構４０３は その下部が保持基部４０６に固定されている。

【００１０】 図４に示すように、回転変位量検出装置４０１は、レーザ発振器４０７、偏光 ビームスプリッタ４０８、1/4 波長板４０９、レンズ４１０、プリズム４１１， １１２を備えており、これらは前記保持基部４０６に固設された断面Ｌ字形状の 支持部材４１３に取り付けられている。レーザ発振器４０７は半導体レーザ素子 とコリメータレンズを含む。回転変位量検出器４０１はまたＰＳＤ（Position S ensing Device ）４１４を備えている。このＰＳＤ４１４は前記保持基部４０６ に固定された支持部材４１５に固定されている。

【００１１】 この回転変位量検出装置４０１のレーザ発振器４０７から出射したレーザビー ムＬs は、偏光ビームスプリッタ４０８および1/4 波長板４０９を透過した後に 、回転変位の被検出体であるミラー４０２に到達する。ミラー４０２で反射した レーザビームＬs は、1/4 波長板４０９を介して偏光ビームスプリッタ４０８に 入射される。この時、レーザビームＬs は1/4 波長板４０９を２度通過すること により偏光面が９０度ずれている。したがって、再度偏光ビームスプリッタ４０ ８に入射したレーザビームＬs はこの偏光ビームスプリッタ４０８のハーフミラ ー面で反射してレンズ４１０に入射する。レンズ４１０を通過したレーザビーム Ｌs は、プリズム４１１、４１２に反射されて、ＰＳＤ４１４へ入射する。

【００１２】 上記回転変位量検出装置４０１によると、レーザ発振器４０７から出射したレ ーザビームＬs が上記のような光路を経てＰＳＤ４１４に入射することにより、 ミラー４０２すなわちビーム方向転換素子３０１の回転変位量γを検出すること ができる。すなわち、図５に示すように、ミラー４０２すなわちビーム方向転換 素子３０１が矢符Ｒ方向に回転すると、ＰＳＤ４１４の一対の電極から出力され る一対の検出信号Ｓ1 ，Ｓ2 に基づき、ＰＳＤ処理回路４１５において周知の方 法で基準位置に対するレーザービームＬs の位置変位Δｔが演算される（なお、 図５では簡略のため前記プリズム４１１，４１２を省略して示している）。上記 数１の式と同様の関係式を適用することにより、前記位置変位Δｔをレンズ４１ ０の焦点距離ｆ1 で除することでレーザビームＬs の偏向角２γを求めることが できる。そして、この偏向角２γを２で割ることにより回転変位γを求めること ができる。したがって、除算器４１６において次の数２の演算を行うことにより ビーム方向転換素子３０１の回転変位γを求めることができる。

【００１３】

【数２】

【００１４】 図５の回転角制御部４００は、上記のようにしてなる回転変位量検出装置４０ １に加え、指令値発生回路４１７、ＰＩＤ制御回路４１８、および駆動回路４１ ９を備えている。指令値発生回路４１７は、外部から与えられたビーム間隔指令 値に基づいて指令回転変位γ0 を演算する。ＰＩＤ制御回路４１８は、上記のよ うにして検出した回転変位γと指令回転変位γ0 の偏差Δγ＝（γ0 −γ）を演 算し、この偏差ΔγについてのＰＩＤ制御信号を形成する。駆動回路４１９は、 前記ＰＩＤ制御信号によって前記リンク機構４０３の駆動源（例えばピエゾ素子 ）を活性化させてリンク機構４０３をリンク変形させる。

【００１５】 上述のような、レーザ発振器４０７、偏光ビームスプリッタ４０８、1/4 波長 板４０９、レンズ４１０およびＰＳＤ４１４を備える回転変位量検出装置は、上 記のような光ビーム走査記録装置ばかりではなく、精密ステージにおける姿勢補 正用の回転変位量検出のような他の装置の回転偏位量の検出にも採用することが できる。

【００１６】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記のような従来の回転変位量検出装置では、測定感度を向上 させたい場合に以下のような不都合が発生するという問題があった。

【００１７】 まず、測定感度を向上させる最も簡単な手段として、焦点距離の大きなレンズ ４１０を採用し、このレンズ４１０とＰＳＤ４１４の間隔を大きくすることが考 えられる。しかし、このようにすると、レンズ４１０とＰＳＤ４１４の間の距離 を確保するために大きなスペースを必要とし、装置が大型化するという問題があ る。また、レンズ４１０とＰＳＤ４１４の間隔を大きくして光路を長くすると、 空気のゆらぎにより光ビームが屈折し、それによって検出誤差が生じるという問 題も生じる。さらに、上記図４および図５の回転変位量検出装置に光源として用 いたレーザ発振器４０７は、レーザビームＬs の出射方向がわずかに変動する場 合があるが、レンズ４１０とＰＳＤ４１４の間隔を大きくすると、前記のような 出射方向変動も増幅されてしまい、このことによっても検出誤差が大きくなると いう問題がある。

【００１８】 また、図４および図５の回転変位量検出装置において測定感度を向上させる他 の手段として、レンズ４１０を凹凸レンズを組み合わせてなる複数のレンズ群に 置換する手段がある。このようにすると、光路長が短いまま焦点距離を伸ばすこ とができるため、大きなスペースを必要とすることなく測定感度を向上させるこ とができる。しかし、複数のレンズを用いて光ビームのスポットをＰＳＤ４１４ の上に形成しようとすると、スポット部分での光線と光軸間の角度が小さくなる ため、スポットの大きさを小さくすることが難しいという問題があった。このよ うに、ＰＳＤ４１３上の光スポット径が大きいと、被検出体の回転変位以外の要 因による誤差が入り込みやすく、結果として検出誤差が大きくなるという問題が ある。また、この場合も、レーザ発振器４０７の出射方向変動の誤差が増幅され る問題が生じる。

【００１９】 この考案は上記のような事情に鑑みなされたものであって、大きなスペースを 必要とすることがなく、しかも微小な変動を精度良く確実に検出することができ る回転変位量検出装置を提供することを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】

この考案の回転変位量検出装置は、被検出体の回転変位量を検出する回転変位 量検出装置であって、光源と、基準位置に対する光スポットの位置変位量を検出 する位置検出器と、検出された位置変位量に基づいて回転変位量を得る演算手段 と、前記光源から出射された光ビームを被検出体に向ける第１の光学系と、被検 出体に当たって反射した光ビームの光スポットを位置検出器上に形成する第２の 光学系と、第１の光学系と被検出体の間であるとともに第２の光学系と被検出体 の間である位置に配設され、且つ被検出体側の光ビームの径を第１および第２の 光学系側の光ビームの径よりも大きくするビームエキスパンダとを備えることを 特徴としている。

【００２１】

【作用】

この考案による回転変位量検出装置では、光源から出射された光ビームは第１ の光学系およびビームエキスパンダを経て被検出体に入射される。被検出体に当 たって反射する光ビームはビームエキスパンダおよび第２の光学系を経て位置検 出器に光スポットを結ぶ。光源の出射方向変動による偏向角は第１の光学系から ビームエキスパンダを経て被検出体に至る光路において縮小され、光ビームが被 検出体で反射した後、再度ビームエキスパンダを通過することにより元の角度に 復元される。これに対し、被検出体の回転変位による偏向角は被検出体で反射し た光ビームがビームエキスパンダを通過することにより拡大される。したがって 、位置検出器により検出される光スポットの位置変位は、被検出体の回転変位に よる偏向角分のみが拡大された変位となり、この変位に基づいて演算手段により 回転変位量を得る。

【００２２】

【実施例】

図１の回転変位量検出装置は、図４の回転変位量検出装置と同様、図６の方向 転換素子３０１の回転変位を検出するために構成されたものである。したがって 、この回転変位量検出装置は、前記方向転換素子３０１の取付部４０４に固定さ れたミラー４０２を被検出体とし、その回転変位量を検出する。この回転変位量 検出装置は、レーザ発振器１、第１の光学系２、ビームエキスパンダ３、第２の 光学系４およびＰＳＤ５を備えている。レーザ発振器１は半導体レーザ素子とコ リメータレンズとから成る。

【００２３】 第１の光学系２は、プリズム６、偏光ビームスプリッタ７および1/4 波長板８ からなる。この第１の光学系２はレーザ発振器１から出射された光ビームを被検 出体であるミラー４０２に向ける光学系である。一方、第２の光学系４は、1/4 波長板８、偏光ビームスプリッタ７、レンズ９およびプリズム１０，１１からな る。すなわち、この第２の光学系４は偏光ビームスプリッタ７と1/4 波長板８を 前記第１の光学系と兼用している。この第２の光学系４は、ミラー４０２で反射 した光ビームをＰＳＤ５に向け、このＰＳＤ５上で光スポットを結ぶ光学系であ る。この第２の光学系４のレンズ９からプリズム１０→プリズム１１→プリズム １０を経てＰＳＤ５に至る光路長は、レンズ９の焦点距離ｆ2 と致するように設 定されている。

【００２４】 ビームエキスパンダ３は、1/4 波長板８と被検出体であるミラー４０２との間 において、前記第１の光学系２を経てミラー４０２に至る光ビームの径を拡大す る状態で配置されている。

【００２５】 この回転変位量検出装置では、レーザ発振器１、第１の光学系２、ビームエキ スパンダ３および第２の光学系４は支持部材１２に固定されている。この支持部 材１２は、図４の回転変位量検出装置における支持部材４１３と同様、方向転換 素子３０１に回転変位を与えるために設けられたリンク機構（図１では省略）の 下部に一体的に固定されている。但し、この図１の支持部材１２は、リンク機構 の下部に固定された保持基部４０６と一体に形成されている。レーザ発振器１、 偏光ビームスプリッタ７、1/4 波長板８およびレンズ９は支持部材１２に固定さ れた保持ブロック１３に取り付けられている。保持ブロック１３は、レーザ発振 器１からのレーザビームＬs の正規の出射方向（変動がない場合の出射方向）と 偏光ビームスプリッタ７のハーフミラー面とが４５°で交差し、前記出射方向と レンズ９の中心軸が平行になるようにレーザ発振器１、偏光ビームスプリッタ７ 、レンズ９を固定している。また、ビームエキスパンダ３は取付部材１４を介し て前記支持部材１２に固設されている。前記支持部材１２の後端に、この支持部 材１２および前記保持基部４０６と一体形成された支持部材１５が設けられてい る。この支持部材１５には第２の光学系４からＰＳＤ５に向かう光ビームの通路 孔１５ａが形成されている。また、この支持部材１５の後方で且つ通路孔１５ａ に対応する位置に前記ＰＳＤ５が配設されている。ＰＳＤ５は、このＰＳＤ５を 装着した取付部１６を介して支持部材１５に固定されている。

【００２６】 図３に示すように、ＰＳＤ５の検出信号Ｓ1 ，Ｓ2 はＰＳＤ処理回路１７に送 られる。ＰＳＤ処理回路１７は図５のＰＳＤ処理回路４１５と全く同様の周知の 方法でＰＳＤ５上の基準位置に対する光スポットの位置変位Δｔを演算する。ま た、演算された位置変位Δｔは除算器１８に送られる。この除算器１８も図５の 除算器４１６と全く同様にして回転変位γを演算する。

【００２７】 以上のような回転変位量検出装置においては、レーザ発振器１から出射したレ ーザビームＬs はプリズム６で反射して直角に方向を変え、偏光ビームスプリッ タ７に入射する。偏光ビームスプリッタ７に入射したレーザビームＬs は、この 偏光ビームスプリッタ７のハーフミラー面を透過して1/4 波長板８に至る。1/4 波長板８を通過したレーザビームＬs はビームエキスパンダ３を介してミラー４ ０２に到達し、このミラー４０２で反射する。ミラー４０２で反射したレーザビ ームＬs は再びビームエキスパンダ３および1/4 波長板８を通過して偏光ビーム スプリッタ７に入射する。この時点でレーザビームＬs は1/4 波長板８を２度通 過しており偏光面が９０度ずれている。このため、1/4 波長板８を通過して偏光 ビームスプリッタ７に入射したレーザビームＬs は、この偏光ビームスプリッタ ７のハーフミラー面で反射し直角に進行方向を変える。このようにして偏光ビー ムスプリッタ７のハーフミラー面で反射したレーザビームＬs はレンズ９に向い 、このレンズ９を通過した後プリズム１０，１１で反射されてＰＳＤ５へと至る 。

【００２８】 ところで、第１の光学系２を出てミラー４０２に向かうレーザビームＬs は、 この間に配置されたビームエキスパンダ３によりビーム径が拡大される。同時に 、第１の光学系２を出てミラー４０２に向かうレーザビームＬs が正規の進行方 向から偏向している場合、その偏向角はビームエキスパンダ３を通過することに よって縮小される。この場合、ビーム径の拡大率がｍであるとき、偏向角の縮小 率は１／ｍである。一方、ミラー４０２で反射して第２の光学系４に向かうレー ザビームＬs はビームエキスパンダ３によりビーム径ｄ（図２参照）が１／ｍ倍 に縮小されるとともに、ビームエキスパンダ３への入射角に対して出射角がｍ倍 に拡大される。すなわち、ミラー４０２の回転変位による偏向角がｍ倍に拡大さ れる。

【００２９】 以上から明らかなように、ビーエキスパンダ３を出て第２の光学系４に向かう レーザビームＬs のビーム径は、第１の光学系２からビームエキスパンダ３に向 かうレーザビームＬs のビーム径と等しくなる。また、レーザ発振器１の出射方 向変動等により、第１の光学系２からビームエキスパンダ３に向かうレーザビー ムＬs が正規の進行方向に対して偏向していても、この偏向を伴ったレーザビー ムＬs はＰＳＤ５に到達するまでにビームエキスパンダ３を往復するため、前記 変動によるレーザビームＬs の偏向角は拡大されることはない。

【００３０】 一方、ミラー４０２が回転変位することによって図２に示すようにミラー４０ ２から第２の光学系４に向かうレーザビームＬs が基準方向に対し偏向角２γだ け偏向した場合、この偏向角２γは、レーザビームＬs がミラー４０２から第２ の光学系４に向かう過程においてビームエキスパンダ３を通過することよりｍ倍 に拡大され２ｍγとなる。したがって、ＰＳＤ５の検出信号Ｓ1 ，Ｓ2 に基づい てＰＳＤ処理回路１７で演算される位置変位がΔｔである時、レンズ９の焦点距 離をｆ２とすると、除算器１８において演算されるミラー４０２の回転変位量γ は数３のようになる。

【００３１】

【数３】

【００３２】 一方、もしビームエキスパンダ３を設けていなければ前記回転変位量γは数４の ようになる。

【００３３】

【数４】

【００３４】 数３と数４を比較すれば明らかなように、ビームエキスパンダ３を設けたことに より、ｍ倍の感度で回転変位量γを測定することが可能になり、きわめて微小な 回転変位量をも検出することができる。しかも、ｍ倍されるのはミラー４０２の 回転変位による偏向角だけでありレーザ発振器１の出射方向変動による偏向角は 拡大されない。すなわち、誤差要因を相対的に小さくした状態でミラー４０２の 回転変位量を検出しているので高い検出精度を得ることができる。

【００３５】 以上のように、上記回転変位量検出装置は被検出体であるミラー４０２の回転 変位量を高い感度且つ精度良く検出することができる。しかも、ビームエキスパ ンダ３のビーム径の拡大率を調整するだけで回転変位測定の感度も調整すること ができ、この感度の調整にあたって他の部位を調整する必要はない。

【００３６】 なお、上記実施例は光ビーム走査装置における方向転換素子３０１の回転変位 を検出する場合を示したが、この考案は精密ステージ等の他の被検出体の角度を 検出する場合にも適用できることはいうまでもない。また、被検出体により反射 した光ビームの位置を検出することにより被検出体の回転偏位量を検出するもの であれば、光源および位置検出器の種類は実施例のものに限定されない。

【００３７】

【考案の効果】

以上のように、この考案の回転変位量検出装置によると、光源の出射方向変動 による偏向角に対して被検出体の回転変位による偏向角を相対的に大きくするこ とができるから、被検出体の微小な回転変位を誤差を少なく且つ確実に検出する ことができるという効果を奏する。また、測定感度を向上させることができるに も拘らず焦点距離の長いレンズを用いたりする必要がなく、コンパクトな構成と することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による回転変位量検出装置の実施例の概
略側面図である。

【図２】ビームエキスパンダの作用を示す説明図であ
る。

【図３】実施例の回転変位量検出装置の構成図である。

【図４】従来の回転変位量検出装置の概略側面図であ
る。

【図５】図３の回転変位量検出装置を備える回転角制御
装置の構成図である。

【図６】ビーム間隔調整原理の説明図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器（光源） ２ 第１の光学系 ３ ビームエキスパンダ ４ 第２の光学系 ５ ＰＳＤ １７ ＰＳＤ処理回路 １８ 除算器

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出体の回転変位量を検出する回転変
   位量検出装置であって、光源と、基準位置に対する光ス
   ポットの位置変位量を検出する位置検出器と、検出され
   た位置変位量に基づいて回転変位量を得る演算手段と、
   前記光源から出射された光ビームを被検出体に向ける第
   １の光学系と、被検出体に当たって反射した光ビームの
   光スポットを位置検出器上に形成する第２の光学系と、
   第１の光学系と被検出体の間であるとともに第２の光学
   系と被検出体の間である位置に配設され、且つ被検出体
   側の光ビームの径を第１および第２の光学系側の光ビー
   ムの径よりも大きくするビームエキスパンダと、を備え
   ることを特徴とする回転変位量検出装置。