JPH063616A - ポリゴンスキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、大きな偏向角を得て光走査の高速化
を図ることと装置の小型化を実現することを主な目的と
する。 【構成】本発明のポリゴンスキャナは、複数の鏡面１１
を有する回転体からなるポゴンミラー１０と、このポリ
ゴンミラー１０に入射する光を当該ポゴンミラー１０の
同一鏡面または異なる鏡面にて複数回反射させる光学系
１２〜１５とを備え、その光学系１２〜１５でポリゴン
ミラー１０に入射した光を反射させる各反射面１１ａ，
１１ｂを光学的に共役にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ走査顕微鏡、レ
ーザプリンタ等において光走査装置として用いられるポ
リゴンスキャナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より在るレーザ走査顕微鏡では、光
ビームを試料面上で集光させると共に、その集光スポッ
トをラスタ走査し、光ビームで試料を２次元走査してい
る。

【０００３】上記したような光ビーム走査を行うための
装置としてポリゴンスキャナが一般的に知られている。
ポリゴンスキャナは波長依存性がなく広範囲の波長を扱
えることから、上記レーザ走査顕微鏡の他に、レーザプ
リンタ、ファクシミリ等の広い範囲で用いることができ
る。

【０００４】この様なポリゴンスキャナにおいて、高速
走査を実現するためには複数の鏡面を持つポリゴンミラ
ーの回転数を増す方法と、ポリゴンミラーの鏡面数を増
やす方法とがある。ポリゴンミラーの回転数を増す方法
は、駆動系その中でも特にポリゴンミラーの軸受けに大
きな負担がかかることから好ましくない。

【０００５】また鏡面数を増やす方法は、(1) 鏡面数Ｎ
と光偏向角θとの間にθ＝７２０°／Ｎの関係があるた
めに鏡面の数Ｎに制限があること、(2) 鏡面数Ｎが大き
くなると各鏡面に対する内接円の半径Ｒを一定にした場
合、１つの鏡面の走査方向の長さが短くなり、いわゆる
ビームトランケーションの増大によって有効偏光角θが
小さくなること、から好ましくない。

【０００６】一方、ポリゴンミラーの回転数または鏡面
数の増加ではなく、ポリゴンミラー周辺の光学系を改良
して高速走査を実現した光走査装置が、特開昭６１−４
２６１５号公報、特開昭５９−２１６１２１号公報に記
載されている。上記各公開公報に記載された光走査装置
を、図９及び図１０に示す原理図を使って説明する。

【０００７】図９に示す光走査装置は、２つの入射光を
ポリゴンミラー１の２つの鏡面２，３にそれぞれ入射
し、各射出光を反射板４，５で反射させて各射出光で全
走査範囲を半分づつ分割走査するものである。この光走
査装置によれば、あたかも走査角を倍にしたような効果
を持たすことができる。

【０００８】また図１０に示す光走査装置は、ポリゴン
ミラー６の鏡面で一度反射した光を、その鏡面に対向配
置したミラー７で再び同一鏡面へ入射させて、偏向角を
約２倍に広げるものである。この光走査装置によれば、
ポリゴンミラー６の回転数に対して偏向角が約２倍にな
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示す光走査装置は、２つの入射光を用いていることから
ポリゴンミラー１での入射光の偏向点が２箇所存在す
る。例えば、当該光走査原理をプリンタに適用した場
合、スキャナの後段に設置する投影レンズに特別な対策
を講じないと、テレセントリックな光学系を組めないた
め、走査面上でのスポット形状が場所によって異なって
しまい、プリンタの性能を劣化させる原因となる。また
レーザ走査型顕微鏡などのスキャナとして用いた場合、
一般的にレーザ走査型顕微鏡は偏向点を対物レンズの瞳
位置に設定するので、当該光走査原理では偏向点が走査
角度の変化と共に移動するため、常に瞳を光束で満たす
ことは困難となり、分解能を低下させる原因となる。

【００１０】また図１０に示す光走査装置は、一度ポリ
ゴンミラー６で反射した光を、そのままミラー７で反射
して同一鏡面に返しており、ミラー７が入射光と反射光
との間に配置されているので、ミラー７による反射光が
再びポリゴンミラー６で反射されるには、ポリゴンミラ
ー６の反射面がある程度大きくなくてはならない。その
ため、ミラー内接円半径の小さいポリゴンミラーの場合
には、実際には２倍もの偏向角を確保することは困難で
ある。

【００１１】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、ミラー内接円半径の小さいポリゴンミラーで
あっても大きな偏向角を得ることができ、レーザ走査型
顕微鏡やプリンタ等への適用に好適なポリゴンスキャナ
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のポリゴンスキャナは、複数の鏡面を有する回
転体からなるポゴンミラーと、このポリゴンミラーに入
射する光を当該ポゴンミラーの同一鏡面または異なる鏡
面にて複数回反射させる光学系とを備え、前記光学系
が、前記ポリゴンミラーに入射した光を反射させる各反
射面を、光学的に共役な位置関係にしていることを特徴
とする。

【００１３】

【作用】本発明のポリゴンスキャナによる光走査原理
を、図５〜図８を参照して説明する。本発明では以下の
２点に着目した。

【００１４】(1) ポリゴンスキャナでは鏡面数が複数あ
るにも拘らず、基本的には１つの鏡面しか使用していな
い。そこで鏡面を複数枚使うことでポリゴンミラーを十
分に活用する。 (2) 複数の鏡面を使用する場合に、最終的に得られる光
線の偏向点が不動であるようにする。即ち、走査した光
線が１つの扇形のように広がるようにする。

【００１５】ここで、本発明ではポリゴンミラーの同一
鏡面又は異なる鏡面で光線を複数回反射させているが、
以下では原理を示すため２つの反射面で反射させる場合
について説明する。外部からの入射光が初めに入射する
反射面を第１の反射面とし、この第１の反射面で反射し
た光が再び入射する反射面を第２の反射面とする。

【００１６】図５に、第１，第２の反射面と、第１の反
射面に入射する入射光と、第２の反射面で反射された射
出光との幾何学的な関係を示す。第１，第２の反射面
が、それぞれφ１，φ２の角度を持つ場合、射出角θ
は、 θ＝２・φ２−２・φ１＋θｏ となる。第１の反射面と第２の反射面の角度φ１，φ２
は、図６に示すように、のこぎり歯状に変化するものと
する。

【００１７】第１の反射面と第２の反射面の各々の角度
の時間変化率が逆で、かつφ１＝−φ２の関係にあると
する。この様な位置関係にある第１の反射面及び第２の
反射面を使って光線を反射させると、２回の反射を終え
た光線の偏向角は、１つの面で反射させた場合の２倍に
なる。

【００１８】また、図９に示すように、第２の反射面が
第１の反射面と共に回転運動すると、射出光は扇形とな
らない。また第１の反射面の回転によって、第２の反射
面における入射点が変動するため、反射面が小さい場合
には第１の反射面での反射光が第２の反射面に入射しな
くなる可能性がある。

【００１９】そこで、図８に示すように、光学系Ｓによ
って第１の反射面における入射点と第２の反射面におけ
る入射点とを光学的に共役になるようにしている。この
様な光学系Ｓを備えることにより、第２の反射面には常
に一定の位置に光線が入射するようになるので、反射面
の面積は小さくても良いことになる。

【００２０】この原理を応用した本発明のポリゴンスキ
ャナでは、入射光がポリゴンミラーの同一鏡面または異
なる鏡面にて複数回反射されるため、大きな偏向角を得
ることができ、しかも各反射面における入射点は光学系
によって光学的に共役になっているので鏡面の回転運動
によらず常に一定位置に光が入射するものとなる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。

【００２２】図１には本発明の第１実施例に係るポリゴ
ンスキャナの構成が示されている。本実施例のポリゴン
スキャナは、多角柱形状をなすポリゴンミラー１０を備
えており、そのポリゴンミラー１０の各側面には複数の
鏡面１１が形成されている。そしてポリゴンミラー１０
の中心軸を中心にして不図示の駆動系によって定速回転
されるようになっている。

【００２３】上記ポリゴンミラー１０の側面には、不図
示の光源部から供給される光ビームが、常に一定の角度
で入射する。この光源部からの光ビームが入射するポリ
ゴンミラー１０の鏡面が第１の反射面１１ａとなる。こ
の第１の反射面１１ａとなる鏡面はポリゴンミラー１０
の回転によって１走査周期毎に順次変っていく。

【００２４】上記第１の反射面１１ａで反射偏向された
光ビームの進行路上に、当該光ビームをポリゴンミラー
１０の異なる鏡面へ反射させるための第１のミラー１
２，第２のミラー１３が配置されている。第２のミラー
１３により第１の反射面１１ａからの光ビームをポリゴ
ンミラー１０の他の側面に入射しており、この鏡面が第
２の反射面１１ｂとなる。

【００２５】これら第１，第２のミラー１２，１３の間
の光路上に、同一焦点距離を有するレンズ１４，１５が
配置されている。レンズ１４は第１の反射面１１ａにお
ける光ビーム入射位置に焦点位置を持ち、レンズ１５は
第２の反射面１１ｂにおける光ビームの入射位置に焦点
を持っている。さらにレンズ１４とレンズ１５は、アフ
ォーカル系を形成している。すなわちレンズ１４とレン
ズ１５との間は両者の焦点距離の合計距離となってい
る。

【００２６】これら第１，第２のミラー１２，１３と、
レンズ１４，１５とから、ポリゴンミラー１０の第１，
第２の反射面１１ａ，１１ｂにおける入射点を光学的に
共役にする光学系を構成している。

【００２７】以上のように構成された本実施例では、第
１，第２のミラー１２，１３、レンズ１４，１５からな
る光学系により、第１の反射面１１ａにおける光ビーム
の入射位置と、第２の反射面１１ｂにおける入射位置と
が共役になる。

【００２８】不図示の光源部から第１の反射面１１ａに
入射した光ビームは、上記光学系を通って、第１の反射
面１１ａと光学的に共役位置にある第２の反射面１１ｂ
に入射しする。そしてポリゴンミラー１０の回転によ
り、第１の反射面１１ａに入射した光ビームはそこで偏
向され、さらに第２の反射面１１ｂで偏向される。従っ
て、前述したように１回のみ反射に比べて２倍の偏向角
となって射出する。

【００２９】この時、第１の反射面１１ａがポリゴンミ
ラー１０と共に回転するが、第１の反射面１１ａから第
２の反射面１１ｂに入射する光ビームは、上記光学系の
作用により、第２の反射面１１ｂにおける入射位置は変
化しない。

【００３０】この様に本実施例によれば、光ビームをポ
リゴンスキャナ１０の異なる鏡面である第１の反射面１
１ａと第２の反射面１１ｂとで２回反射させ、かつ第
１，第２の反射面１１ａ，１１ｂにおける入射位置を光
学的な共役位置とする光学系１２〜１５を設けたので、
１回の反射しかさせないポリゴンスキャナに比べて２倍
の偏向角を得ることができる。

【００３１】また第１，第２の反射面１１ａ，１１ｂに
おける入射位置が光学的に共役なので、反射面上の入射
位置が移動しない。そのため、第１，第２の反射面とな
る鏡面１１の走査方向の長さを短くでき、ポリゴンミラ
ーの内接円半径を小さくできる。その結果、ポリゴンス
キャナの小型化を図ることができる。

【００３２】さらに、最終的に得られた射出光は、最後
の反射面１１ｂへの入射点を中心として偏向し、偏向点
は不動であるからプリンタ，レーザ走査型顕微鏡の光走
査装置として適用することができる。次に、図２を参照
して本発明の第２実施例について説明する。

【００３３】本実施例のポリゴンスキャナは、光ビーム
をポリゴンミラー１０の同一鏡面にて複数回反射させる
例である。不図示の光源部から供給される光ビームが、
ポリゴンミラー１０の側面に常に一定の角度で入射し、
その入射位置にある鏡面を反射面１１ｃとする。

【００３４】光源部から反射面１１ｃに入射した光ビー
ムの進行路上に、光軸に対して垂直に配置されたミラー
１６がある。そしてポリゴンミラー１０の反射面１１ｃ
とミラー１６との間の光路上に、同一焦点距離を有する
レンズ１７，１８がそれぞれ配置されている。レンズ１
８は反射面１１ｃの光ビームの入射位置に焦点位置を有
する。またレンズ１７はミラー１６の光軸位置に焦点位
置を有する。さらに、レンズ１７，１８はアフォーカル
系を形成し、両者の間隔は各々の焦点距離の和となって
いる。

【００３５】これらミラー１６，レンズ１７，１８か
ら、光ビームをポリゴンミラー１０の同一鏡面で複数回
反射させ、かつ各反射面（第１回目の入射面と第２回目
の入射面は同一）を光学的に共役位置にする光学系を構
成している。

【００３６】この様な本実施例によれば、光ビームが同
一の反射面１１ｃで２回反射されて偏向角が２倍にされ
る。また、光源部からの光ビームが入射する反射面１１
ｃの入射位置と、ミラー１６で反射された来た光ビーム
の反射面１１ｃにおける入射位置とが、同一点であって
かつ光学的に共役なっているので、反射面１１ｃの入射
位置を中心にして偏向し、その際偏向点は不動である。
よって本実施例によれば、前記第１実施例と同様の効果
を得ることができる。次に、図３を参照して本発明の第
３実施例について説明する。

【００３７】なお、図１に示す第１実施例と同一部分に
ついては同一符号を付し詳しい説明は省略する。本実施
例は光ビームをポリゴンミラー１０で３回反射させるた
めに、第１実施例で説明した光学系と同一機能を持った
光学系を２組備えたものである。

【００３８】本実施例のポリゴンスキャナは、ポリゴン
ミラー１０の第２の反射面１１ｂで反射した光ビーム
を、第３，第４のミラー２０，２１で第１，第２の反射
面１１ａ，１１ｂとは異なる第３の反射面１１ｄに導
き、第３の反射面１１ｄでの反射光を光走査ビームとし
て用いるものである。

【００３９】上記第３，第４のミラー２０，２１の間の
光路上には、レンズ２２，２３が配置されており、レン
ズ１４，１５と同様な光学配置となっている。すなわ
ち、第２の反射面１１ｂの光ビームの入射位置と、第３
の反射面１１ｄの光ビームの入射位置とを光学的に共役
にしている。この様な本実施例によれば、光ビームを２
回反射させた場合よりも、さらに大きな偏向角を得るこ
とができる。次に、図４を参照して本発明の第４実施例
について説明する。

【００４０】なお、図１に示す第１実施例と同一部分に
ついては同一符号を付し詳しい説明は省略する。本実施
例のポリゴンスキャナは、第１の反射面１１ａで偏向さ
せた光ビームを第２の反射面１１ｂに導くための第１，
第２のミラー１２，１３間に、互いの焦点距離が異なっ
ているレンズ２４，２５が配置されている。なお、レン
ズ２４は第１の反射面１１ａ上に焦点位置があり、レン
ズ２５は第２の反射面１１ｂ上に焦点位置がある。本実
施例では、レンズ２４とレンズ２５の焦点距離を変える
ことにより、光学系に−１以外の横倍率を持たせてい
る。

【００４１】この様な本実施例によれば、入射光と射出
光の光束径は変化するものの、１回反射の場合の偏向角
の２倍の偏向角だけでなく、それ以外の倍率の偏向角を
得ることができる。例えば、射出光の光束を入射光の光
束よりも太くなるようにすれば、１倍〜２倍の中間の偏
向角を得ることができ、また射出光の光束を入射光の光
束よりも細くなるようにすれば、２回反射で２倍以上の
偏向角を得ることができる。なお、本発明は上記各実施
例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変形実施可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、ミ
ラー内接円半径の小さいポリゴンミラーであっても大き
な偏向角を得ることができ、しかもレーザ走査型顕微鏡
やプリンタ等への適用に好適なポリゴンスキャナを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るポリゴンスキャナの
構成図。

【図２】本発明の第２実施例に係るポリゴンスキャナの
構成図。

【図３】本発明の第３実施例に係るポリゴンスキャナの
構成図。

【図４】本発明の第４実施例に係るポリゴンスキャナの
構成図。

【図５】入射光、第１，第２の反射面、射出光の幾何学
的な関係を示す図。

【図６】第１，第２の反射面の角度と、射出光の偏向角
との関係を示す図。

【図７】第１の反射面が回転運動するときの第２の反射
面における偏向点の移動を説明するための図。

【図８】第１，第２の反射面における入射点を光学的に
共役にする光学系の構成図。

【図９】２つの鏡面を使用するポリゴンスキャナの従来
例を示す図。

【図１０】光ビームを同一鏡面で２回反射させるポリゴ
ンスキャナの従来例を示す図。

【符号の説明】

１０…ポリゴンミラー、１１…鏡面、１２…第１のミラ
ー、１３…第２のミラー、１４，１５，１７，１８ｍ２
４，２５…レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の鏡面を有する回転体からなるポゴ
   ンミラーと、このポリゴンミラーに入射する光を当該ポ
   ゴンミラーの同一鏡面または異なる鏡面にて複数回反射
   させる光学系とを備え、 前記光学系が、前記ポリゴンミラーに入射した光を反射
   させる各反射面を、光学的に共役にしていることを特徴
   とするポリゴンスキャナ。