JPH09281424A - 球面射出窓を有する光学式走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 風乱流、高騒音、ウォッブル、走査光学部品
の汚染、および走査光学部品の摩耗を有効に防止すると
同時に、非対称収差のない最大３６０度の広角走査角度
能力を有する光学式走査装置を提供する。 【解決手段】 入射窓と球面射出窓を有し、回転式走査
光学部品の反射面が入射窓に隣接し、球面射出窓の中心
と中心を合わせて配置され、光ビームは回転式走査光学
部品から反射された後で球面射出窓に入射して通過し、
回転式走査光学部品の反射面は、入射窓と回転式走査光
学装置と、球面射出窓とによって画定されたチャンバに
よって境界を画されている光学式走査装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非対称光学収差の
なく最大３６０度の走査角度が望ましい円筒形フィール
ド撮像用途およびその他の広角走査撮像用途向けの、回
転式走査光学部品を球面射出窓が対称に囲む高速光学式
走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的なレーザ撮像用途では、ヘリウム
・ネオン・ガス・レーザやレーザ・ダイオードなどのレ
ーザ光源によって発生された光ビームが、光学式走査装
置の回転式走査光学部品の反射面から、感光紙または感
光フィルムなどの感光材料で裏打ちされた撮像面に反射
される。その結果、光ビームによって感光材料上に一連
の小さな点から成る２次元像が形成される。

【０００３】撮像面自体は、使用する特定の光学式走査
装置の光学設計構成に応じて平面の場合も曲面の場合も
ある。典型的な円筒形フィールド撮像用途では、たとえ
ば感光材料をまず中空の円筒状ドラムの内表面上に装填
する。次に、ドラムの表面に装着された感光材料が走査
され、光学式走査装置の回転式走査光学部品によって反
射された光ビームに露光されるようにして、光学式走査
装置をドラムの中心軸に沿って一定速度でレールに沿っ
て精確に移動させる。感光材料自体は、ドラムが透明材
料で構成されている場合にはドラムの外面上に保持して
もよく、そうでなければドラムの内面上に保持すること
ができる。しかし、ある別種の円筒形フィールド撮像応
用例では、走査光学部品が非回転式のものもある。その
ような別種の応用例では、ドラムの表面上に保持される
感光材料は、光学式走査装置がドラムの中心軸に沿って
移動するに従って、非回転式走査光学部品を中心とする
ドラムの回転によって首尾よく走査される。

【０００４】光学式走査装置の回転式走査光学部品は一
般に１枚の反射鏡、複数の反射鏡から成るアセンブリ、
またはガラス・プリズムで構成される。回転式走査光学
部品は、一般に、ラジアル軸受およびスラスト軸受など
ある種の軸受アセンブリによって支持されたシャフト上
に取り付けられる。シャフト自体は、制御電子システム
によって駆動されるモーターによって最終的に回転す
る。たとえば、イワマ等の米国特許第４７２６６４０号
は、走査動作中に回転式走査光学部品が回転するときの
回転式走査光学部品の回転軸におけるウォッブルと、複
雑な溝付け作業および動圧空気軸受アセンブリにしばし
ば伴うきわめて精確な機械加工を必要とする精密製造固
定シャフトおよび回転シャフトの製作に伴う非常な困難
さおよび高コストと、動圧軸受アセンブリに一般に付随
する各走査動作の始めと終わりの摩擦接触による部品の
摩耗の問題と、回転式走査光学部品とその軸受アセンブ
リのバランスを維持するのに伴う非常な困難さおよび高
コストと、装置の全体的なコンパクトさの実現の問題を
扱っている。これらの問題を克服するために、イワマ等
は、ラジアル軸受として動圧空気軸受を組み込み、スラ
スト軸受として磁気軸受を組み込んだ光学式走査装置を
教示している。具体的には、開示されている装置は、固
定シャフトの外縁と回転シャフトの内縁とが協調的に動
圧空気軸受を構成する、回転式走査光学部品と一体とな
った中空の回転シャフトと回転シャフト内に配置された
固定シャフトと、回転シャフトの下端付近の回転シャフ
トの外縁に取り付けられ、円周方向に順次に異なる極性
に磁化される環状ロータ磁気アセンブリと、第１の回転
磁石と第１の固定磁石がその間に働く反発力作用によっ
てスラスト磁気軸受を構成する、回転シャフトの上端部
に取り付けられた第１の回転磁石と固定シャフトの上端
部に取り付けられた第１の固定磁石とを教示している。

【０００５】タナカ等の米国特許第４８０５９７２号
は、ウォッブルの問題に対処するために動圧ガス軸受を
使用する装置である。具体的にはこのような軸受アセン
ブリにおけるウォッブルは、玉軸受の機械加工の際の誤
差、玉軸受アセンブリ内の玉の通過による振動、保持器
によって引き起こされる振動、または玉軸受アセンブリ
内に封入されたグリースによって引き起こされる回転の
不規則性によって生じる。このようなウォッブルの結
果、回転式走査光学部品が非常に高速で回転するときに
さらされる摩擦によって玉軸受の寿命が短くなる。もう
１つの問題は、回転式走査光学部品の反射面を汚す、玉
軸受アセンブリ内で使用されるグリースなどの潤滑油に
関する。これらの問題を克服するために、タナカ等は、
玉軸受の代わりに動圧ガス軸受をスラスト軸受およびラ
ジアル軸受として組み込むことを教示している。具体的
には、開示されている装置は、片持ちばり状に固定され
たシャフト上に配置された回転部材が、固定シャフトと
回転部材との間に形成された動圧溝によって発生された
作動ガスが固定シャフトと回転部材の間の圧力チャンバ
に送られて回転部材をスラスト方向に支持し、圧力チャ
ンバ内の圧力が固定シャフト内または回転部材内に形成
された穴によって調整されるように設計された、動圧ガ
ス軸受装置を教示している。

【０００６】やはりタナカ等の米国特許第４９３４８３
６号は、回転式走査光学部品とその軸受アセンブリの重
量を半径方向にバランスさせることと、シャフト・アセ
ンブリを精密な機械加工精度で機械加工し、スラスト負
荷を低減し、走査動作の始めと終わりの軸受アセンブリ
のラジアル軸受面とスラスト軸受面の摩擦接触を少なく
することに伴う非常な困難さと高コストの問題を扱って
いる。これらの問題を克服するために、タナカ等はスラ
スト負荷を低減するために軽量化した回転部材と、動圧
型流体軸受であるラジアル／スラスト軸受とを教示して
いる。具体的には、開示されている装置は、内縁面上に
形成されたラジアル軸受面と、円筒形内腔の底部内面上
に形成されたスラスト軸受面と、を備えた垂直方向に延
びた円筒形内腔を有するハウジングを教示している。ハ
ウジング内の円筒形内腔内に回転可能に支持されたシャ
フト部材が、それぞれ外縁面と底面上に形成されたラジ
アル受入面とスラスト受入面を有する。ラジアル軸受面
とラジアル受入れ面の少なくとも一方に螺旋状の動圧発
生溝が形成されている。シャフト部材が回転すると、ハ
ウジング内のガスが動圧発生溝のポンプ作用によって吸
引され、ラジアル軸受面とラジアル受入れ面との間の放
射状空間を通ってスラスト軸受面とスラスト受入れ面と
の間の圧力チャンバに流れ込む。このようにして圧力チ
ャンバ内の圧力によってシャフト部材を所定の垂直方向
の高さの浮動位置に保持することができる。

【０００７】キルシ等の米国特許第５０４６７９７号
は、回転式走査光学部品の反射面を汚すオイル・ミスト
に関連する問題を克服するために、ラジアル空気軸受と
磁気保護カバーを使用する。

【０００８】最後に、イタミ等の米国特許第５０６９５
１５号は、スラスト軸受の弱い剛性の修正、光学式走査
装置がコンパクトになるような軸受アセンブリの製作、
回転シャフトの調製／加工に要する長い時間と困難さの
軽減、装置全体のコストと不要部品の削減の問題を扱っ
ている。これらの問題を克服するために、イタミ等は、
光学式走査装置の軸方向の長さを短くすることによって
装置のコンパクトさを実現し、部品を削減し、固定シャ
フトの上部にラジアル空気軸受と３磁石スラスト軸受ま
たは動圧スラスト空気軸受を備えた中空の回転シャフト
を教示することによって弱いスラスト軸受と、回転シャ
フトの調製の困難さを克服する方法を教示している。具
体的には、この参照文献は、固定シャフトと、固定シャ
フトに取り付けられた空洞部を有する回転シャフトと、
固定シャフトの端部とその反対側の空洞部の端部との間
に配置されて回転シャフトをその軸方向に支持する支持
装置と、空洞部の内周面と固定シャフトの外周面との間
に形成されたラジアル空気軸受と、回転シャフトに固定
された多角形反射鏡と、回転軸を回転させる駆動装置
と、駆動装置を使用して回転シャフトを回転させること
によって多角形反射鏡に照射された光を偏向させる装置
とを有する空気軸受型の光学式デフレクタを教示してい
る。支持装置は、固定シャフトの端面に直接取り付けら
れた第１の磁石と、第１の磁石の反対側にあり、回転シ
ャフトの空洞部に装着された第２の磁石と、第２の磁石
の反対側にあり、多角形反射鏡を被うケーシングに装着
された第３の磁石とを有する。第１、第２、および第３
の磁石の磁極は、互いに逆になっており、それによって
磁気反発力が生じる。

【０００９】所与の撮像面上で高解像度の像をできるだ
け短時間で得るために、光学式走査装置の回転式走査光
学部品を１分間２０，０００ｒｐｍ程度以上のきわめて
高速の回転速度で回転させることが必要になる。光学式
走査装置の走査光学部品の回転速度は一般に、その装置
の「走査速度」と呼ばれる。したがって、所与の光学式
走査装置の画像生成生産性は、装置の走査光学部品の走
査速度に大きく依存し、走査速度が速いほど高解像度画
像が速く生成される。しかし、走査速度の高速化によっ
て多くの望ましくない副作用が生じ、回転速度が２０，
０００ｒｐｍを超えて上昇すると大きくなる。

【００１０】このような望ましくない副作用のうち最悪
のものとしては、高い騒音、過度のウォッブル、走査光
学部品の汚染、走査光学部品の摩耗などがある。高騒音
の問題は、高速の回転速度で回転する走査光学部品によ
って過度の風乱流が生じると発生する。このような風乱
流はしばしば高ピッチ騒音を引き起こし、それによって
光学式走査装置の操作者をかなりいらいらさせる場合が
ある。過度のウォッブルの問題は、高速の回転速度で回
転する走査光学部品が引き起こす過度の風乱流によって
走査光学部品の回転軸に不規則なジッタまたはウォッブ
ルが生じると発生する。このようなウォッブルはしばし
ば、撮像面に形成される走査線に望ましくない揺れを生
じさせ、それによって画像全体の品質を低下させる。走
査光学部品汚染の問題は、高速の回転速度で回転する走
査光学部品が引き起こす過度の風乱流によって埃および
その他の異物が渦巻いて回転式走査光学部品の反射面に
蓄積すると発生する。このような異物は、画像品質全体
を低下させることがある。走査光学部品の摩耗の問題は
時間の経過と共に発生し、走査光学部品に高速で衝突す
る渦巻く埃およびその他の異物によって反射面が摩耗す
る。最終的に、このような衝突の累積作用によって反射
面が劣化し、同様に、全体的な画像品質を低下させるこ
とがある。要するに、これらの問題は光学式走査装置の
走査速度が上昇するにしたがって漸増する。

【００１１】これらの問題のうちのいくつかを解決する
初期の試みにおいて、最終的に高騒音、過度のウォッブ
ル、走査光学機構の汚染、および走査光学機構の摩耗を
少なくする目的で風乱流を低減させるための解決策とし
て、流線形の回転式走査光学機構で構成された高速光学
式走査装置が開発された。さらに、回転式光学部品の周
囲の空気の流れを制御する働きをする空力シールドおよ
びバッフルも開発された。高騒音問題をさらに低減させ
ようとして消音フォームまでも使用された。しかし、こ
のような解決策を所与の光学式走査装置に組み込むと、
それぞれが装置の製造コストをかなり増大させる。これ
は、光学式走査装置の走査速度がますます高速化してい
る最近の傾向とあいまって、そのような解決策を経済的
に実現不可能なだけなく技術的にも実現不可能なものと
し、そのような解決策を組み込んだ最新の高速光学式走
査装置の製造が困難になり、現代の市場では売れないほ
ど高価になる可能性が高い。

【００１２】高速光学式走査装置に付随する周知の問題
を解決する最近の試みでは、回転式走査光学部品を筐体
にその筐体の内面が回転式走査光学部品の回転面に近接
するようにして収容することによって、光学式走査装置
の回転式走査光学部品を回転させることによって生じる
風乱流を大幅に低減することができることが証明されて
いる。たとえば、クレイマーの米国特許第４６１０５０
０号では、使用レーザ光の特定の波長、撮像面の特性、
走査長、走査解像度、および光学式走査装置自体を収容
するために使用可能な空間に左右される様々な用途には
単体装置として適合させることができない、きわめて狭
い用途専用に特別に設計された光学式走査装置の問題を
扱っている。これらの問題を克服するために、クレイマ
ーは、完全に組み立てたときに単体装置として、特定の
レーザ波長、解像度、および走査角度などの要件を含む
多様な応用分野の特定の要件を満たす、回転式光学部品
と、駆動モータと、光ビーム集束光学部品とを有する光
学式走査装置を教示している。具体的には、開示されて
いる装置は、回転式走査光学部品と、回転式走査光学部
品を回転させるモータと、偏向させたレーザ光ビームを
画像面に集束するレンズとを備えた単体アセンブリを教
示している。ベース・プレートとベース・プレートに取
り外し可能に取り付けられたカバーとを備えたハウジン
グに、回転式走査光学部品を収容する。ベース・プレー
トは、回転式走査光学部品およびレンズの位置の基準と
なる面を有する。カバーは、各レンズが光学式走査装置
の入射ひとみを基準にして正しい位置と向きを有するよ
うに、レンズを交換可能に取り付ける台を有する。回転
式走査光学部品は、モーターのシャフト上にも取り外し
可能に取り付けられ、ハウジングのベース・プレートの
基準面を基準にして精確に間隔があけられたシャフトの
肩を基準にしている。この単体アセンブリは、レーザ・
プリンタ内、またはスキャナを必要とするその他の装置
内に、ホロゴン・ディスクである回転式走査光学部品の
下のハウジング内の開口部に入射するレーザ光源の光ビ
ームと位置合わせして装着することができる。光ビーム
は回転式走査光学部品のファセットによって偏向され、
走査され、レンズによってドラムまたはベルトなどの撮
像面に集束され、走査された光ビームによってその撮像
面上に静電潜像が形成される。

【００１３】カーリド等の米国特許第５０８４８８３号
は、光学式走査装置の構成部品を交換する必要がある場
合の再位置合わせの困難さ、一般にレーザ・ダイオード
光源によって形成される不十分な光ビーム品質、軸受ア
センブリの潤滑剤粒子が回転式走査光学部品の反射面お
よび走査レンズに付着するのを防止する方法の問題を扱
っている。これらの問題を克服するために、カーリド等
は、装置構成部品を交換する必要がある場合に再位置合
わせを必要とせず、高品質撮像に使用することができる
ようにレーザ・ダイオードから放射された光ビームの操
作および修正を低費用な方式で行うことができ、レーザ
光源、回転式走査光学部品、および走査レンズを気密な
方式で支持体に取り付ける光学式走査装置を教示してい
る。支持体は、特に被加圧ガスを導き、支持体内部の正
圧を維持するために、ガス流伝達用の導管を備えること
が好ましい。これによって、軸受アセンブリからの潤滑
剤粒子が支持体に入って回転式走査光学部品の反射面や
走査レンズを汚染することがなくなる。

【００１４】筐体の内面が回転式走査光学部品の回転面
に近接するようにして光学式走査装置の回転式走査光学
部品を筐体に収容することによって、回転する走査光学
部品が発生する風乱流を大幅に減少させることができ
る。特に、このような筐体内の大気は、走査光学部品が
その回転軸を中心として回転するにつれて回転する走査
光学部品の表面と共に循環して均一に流れる傾向があ
り、したがって走査光学部品の回転軸に向けられる風乱
流が大幅に減少する。このような減少の直接の結果とし
て、騒音とウォッブルが減少し、走査光学部品汚染が無
視できる程度になり、走査光学部品の摩耗が減少する。

【００１５】走査光学部品の筐体を光学式走査装置内に
組み込む努力がなされ、レーザ光源が発生した光ビーム
が筐体内に入射し、回転する走査光学部品によって反射
し、筐体から射出して像を形成することができる入射窓
と射出窓を有する走査光学部品筐体を使用する多くの最
新の光学式走査装置が設計されている。このような最新
の装置は一般に、入射窓と射出窓が平坦に設計されてい
る。しかし、平坦な窓を使用すると、光学式走査装置を
円筒形フィールド撮像用途およびその他の広角走査撮像
用途に使用する必要がある場合、特に射出窓が平面状で
ある場合重大な問題が生じる。たとえば、光学式走査装
置に平坦な射出窓を使用すると、一般に、装置は６０度
未満の小さな走査角度しか必要としない用途に限定され
る。したがって、平坦な射出窓を組み込んだ設計は、小
さい走査角度能力しか必要としない平坦な撮像用途で使
用する光学式走査装置には大抵適合できるが、円筒形フ
ィールド撮像用途および６０度から３６０度までの走査
角度を必要とするその他の広角走査用途には適合しな
い。

【００１６】広角走査能力を制限せずに走査光学部品筐
体を組み込む問題の解決策となる可能性のある設計は、
回転式走査光学部品を円筒形射出窓で囲むことであろ
う。このような設計上の解決策は、光学式走査装置に大
きな走査角度能力を与えるが、レーザ光ビームが円筒形
射出窓を通過するときに射出窓の円筒形の形状によって
レーザ光ビームに望ましくない非対称収差が生じること
になり、したがって最終的に画像品質が低下する。この
ような非対称収差は、従来の光学系では容易に補正する
ことができないため、実際に重大な問題である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】まとめると、従来の技
術では、いまだに風乱流、高騒音、ウォッブル、走査光
学部品の汚染、および走査光学部品の摩耗を有効に防止
すると同時に、非対称収差のない最大３６０度の広角走
査角度能力を有する光学式走査装置が開発されてない。
本発明の目的は、この問題に対処し、解決することであ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ光源に
よって発生された光ビームを反射する光学式走査装置に
関する。この光学式走査装置は、本質的に入射窓と、光
ビームが入射窓に連続的に入射し、入射窓を通過して回
転式走査光学部品の反射面に入射し、回転式走査光学部
品から反射されるように、回転式走査光学部品の反射面
が入射窓に近接して配置された反射面を有する回転式走
査光学部品と、回転装置が回転式走査光学部品と隣接し
て配置された回転式走査光学部品を回転させる回転装置
と、中心部、一端に入射窓が球面射出窓の中心部に面す
るように入射窓に隣接して配置された先端が切り取られ
た頂部、および他端に回転装置と隣接して配置された先
端が切り取られた底部を有する回転式走査光学部品の反
射面を囲む球面射出窓とを有し、光ビームは、回転式走
査光学部品から反射された後、球面射出窓に入射して通
過し、回転式走査光学部品の反射面は、入射窓と回転装
置と球面射出窓とによって画定されたチャンバによって
境界が画されている。本発明はさらに、別法としてチャ
ンバが、チャンバを貫きチャンバの内部とチャンバの外
部の間のガス伝達を行う真空ポートを有する前記光学式
走査装置に関する。

【００１９】本発明の第１の目的は、非対称光学収差の
問題を生じさせることなく円筒形フィールド撮像用途お
よびその他の広角走査撮像用途で使用することができる
走査光学部品筐体を有する高速光学式走査装置を提供す
ることである。本発明は、独特の球面形状の射出窓、す
なわち球面射出窓で回転式走査光学部品を囲むことによ
ってこの第１の目的を達成する。具体的には、球面射出
窓は、球面射出窓が回転式走査光学部品の回転軸を基準
にして対称となるようにして回転式走査光学部品を囲む
ように配置される。球面射出窓のこのような配置によっ
て、回転式走査光学部品は、回転式走査光学部品がその
回転軸を中心として回転するにつれて、その反射面に入
射した光ビームを反射し、最大３６０度の走査角度で球
面射出窓を通過することができるようになる。球面射出
窓の使用によって、少量の倍率（度）および球面光学収
差が生じるが、そのような光学的に対称な誤差は、他の
形状の射出窓によって生じる光学的に非対称な誤差より
もはるかに容易に補正することができる。

【００２０】本発明の第２の目的は、騒音、ウォッブ
ル、走査光学部品の汚染、および走査光学部品の摩耗の
問題をすべて本質的に解消する走査光学部品を有する高
速光学式走査装置を提供することである。本発明は、入
射窓と、回転式走査光学部品を回転させる回転装置と、
球面射出窓とによって本質的に画定されたチャンバ内に
回転式走査光学部品を収容することによってこの第２の
目的を達成する。このチャンバは、チャンバ内で走査光
学部品がその回転軸を中心として回転するにつれて、大
気流を回転式走査光学部品の面に従った一様な循環移動
に制限することによって、風乱流を大幅に減少させる。
あるいは、チャンバを貫通してチャンバの内部とチャン
バの外部との間のガス伝達を可能にする真空ポートを介
してチャンバ自体を真空排気することができる。チャン
バのこのような真空排気は、走査光学部品がチャンバ内
でその回転軸を中心として回転するときにチャンバ内お
よび回転式走査光学部品の周囲の風乱流をなくす役割を
果たす。最終的に、このような風乱流が減少または皆無
になることによって、高速で回転する回転式走査光学部
品から発生する風乱流に通常伴う前述の騒音、ウォッブ
ル、走査光学部品の汚染、走査光学部品の摩耗の問題を
防止することができる。

【００２１】本発明の第３の目的は、妥当なコストで製
造することができる高速光学式走査装置を提供すること
である。本発明は、騒音、ウォッブル、走査光学部品の
汚染、および走査光学部品の摩耗の問題を低減するため
の空力シールド、バッフル、消音フォームなどのコスト
の高い構造品の組込みの必要を回避することによって、
この第３の目的を達成する。

【００２２】本発明の上記およびその他の目的、特徴、
および利点は、添付図面を参照しながら以下の説明およ
び特許請求の範囲を読めば明らかになろう。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、例として円筒形フィール
ド撮像実施形態を一般的に図示した、球面射出窓４０と
平面入射窓３２と単一ファセット走査光学部品６０とを
有する光学式走査装置３０の立体分解図である。さら
に、図２は例として円筒形フィールド撮像実施形態を詳
細に図示した、球面射出窓４０と平面入射窓３２と単一
ファセット走査光学部品６０とを有する同じ光学式走査
装置３０の部分断面図である。

【００２４】図１および図２に示す円筒形フィールド撮
像実施形態は、典型的には、レーザ光源１０と光ビーム
送達システム２０と光学式走査装置３０と円筒形撮像面
９０の４個の個別構成部品を使用して実施される。本発
明の好ましい実施形態によれば、光学式走査装置自体
は、平面入射窓３２と、反射面６４を有する単一ファセ
ット走査光学部品６０と、球面射出窓４０と、モータお
よび軸受アセンブリを収容するケーシング８０とを備え
る。

【００２５】レーザ光源１０は、円形の断面と中心軸１
４とを有する光ビーム１２を発生するものであれば、ガ
ス・レーザ・タイプまたはダイオード・レーザ・タイプ
などどのようなタイプのものでもよい。光ビーム１２の
中心軸１４は、光ビームが空間およびその他の様々な媒
体を伝わるときの光ビーム１２の中心によって規定され
る。具体的には、レーザ光源１０は、光ビーム１２を発
生し、光ビーム１２が発散して光ビーム送達システム２
０に入射するように向ける。

【００２６】光ビーム送達システム２０は、１つまたは
複数のレンズから成り、レーザ光源１０が発生した光ビ
ーム１２の光路に沿って配置された１つまたは複数の反
射鏡をさらに備えることもできる。光ビーム送達システ
ム２０は、光ビーム１２を光学的に操作して、その結
果、光ビーム１２が発散しなくなるようにし、少なくと
もコリメートし、光ビーム１２を所定の光路に向けて、
光ビーム１２が光学式走査装置３０の平面入射窓３２に
入射するようにする機能を果たす。本発明の好ましい実
施形態によると、光ビーム送達システム２０は主とし
て、鏡筒内に取り付けられて収容された２つの光学品ガ
ラス・レンズから成る。レーザ光源１０と光ビーム送達
システム２０は、光ビーム１２が鏡筒に入り、鏡筒内に
配置された２枚のレンズを連続的に通過するように互い
に相対的な位置に置かれる。このようにして、光ビーム
１２はまず、鏡筒内で最初に入射した第１のレンズによ
ってコリメートされ、次に第２のレンズによって集束光
ビームに再集束される。

【００２７】光ビーム１２が光ビーム送達システム２０
を通過した後、光ビーム１２は次に光ビーム１２の所定
の光路に配置された光学式走査装置３０の平面入射窓３
２に入射して通過する。本発明の好ましい実施形態によ
ると、平面入射窓３２は典型的には可視波長において透
明で、光学品質のガラス製であるが、使用するレーザ光
源の波長によってはガラス様の光学特性を持つその他の
材料を使用することもできる。さらに光ビーム送達シス
テム２０は、光ビーム１２が平面入射窓３２に入射して
通過するときに光ビーム１２の中心軸１４が平面入射窓
３２に対して垂直になるように平面入射窓３２を基準と
して配置する必要がある。

【００２８】球面射出窓４０については、球面射出窓４
０は、一端に切り取られた頂部と、中心部４８と、他端
に切り取られた底部とを有する中空の球体のような形状
になるように製造される。幾何学的および光学的対称性
を持たせるために、球面射出窓４０は、切り取られた頂
部が円形の上縁４２を形成し、切り取られた底部が円形
の下縁４４を形成するようにして形成される。本発明の
好ましい実施形態によれば、球面射出窓４０の上縁４２
と下縁４４は、互いに平行な平面内に２つの円を描き、
各平面がその２つの円の中心を通る線に対して垂直にな
るような形状とされ、中心部４８に対して互いに対称的
な位置に配置される。このような精確な幾何学的対称性
が好ましいが、実施する特定の撮像用途によっては、こ
のような精確な幾何学的対称からのわずかな逸脱も許容
可能である。球面射出窓４０自体は典型的には可視波長
において透明であり、光学品質のガラス製であるが、使
用するレーザ光源の波長によってはガラス様の特性を持
つその他の材料を使用することもできる。

【００２９】本発明の好ましい実施形態によると、平面
入射窓３２は平面入射窓３２と球面射出窓４０の両方に
共通の入射窓取付台３４に隣接して配置され、取り付け
られる。入射窓取付台３４の外側の部分は、球面射出窓
４０の上縁４２に隣接して取り付けられる。その結果、
平面入射窓３２と入射窓取付台３４は、球面射出窓４０
の切り取られた頂部を被う役割を果たす。具体的には、
平面入射窓３２は、球面射出窓４０の上縁４２に対して
平行になるように取り付ける必要がある。

【００３０】本発明の好ましい実施形態によると、球面
射出窓４０の下縁４４は射出窓取付台４６の一端に取り
付けられる。射出窓取付台４６自体は、中空の円筒のよ
うな形状である。射出窓取付台４６の他端は、任意の適
切な方式でケーシング８０に固定される。さらに、射出
窓取付台４６は射出窓取付台４６の円筒形の壁を貫通す
る真空ポート５０を有する。真空ポート５０自体には、
真空ポート取付具５２を介して射出窓取付台４６の外側
からアクセスすることができる。平面入射窓３２と球面
射出窓４０をそれぞれの取付台３４および４６に取り付
けた後、球面射出窓４０の中心４８が、光ビーム１２の
中心軸１４と光学式走査装置３０の回転軸が一致する正
確な点で反射面６４と交わることが重要である。

【００３１】光ビーム１２は平面入射窓３２を通過した
後、次に単一ファセット走査光学部品６０の反射面６４
に入射する。反射面６４は球面射出窓４０に囲まれ、平
面入射窓３２に対して所定の角度に配置されて、光ビー
ム１２が平面入射窓３２を連続的に通過し、単一ファセ
ット走査光学部品６０の反射面６４に入射し、単一ファ
セット走査光学部品６０から反射され、球面射出窓４０
を通過するようになっている。本発明の好ましい実施形
態によれば、光ビーム送達システム２０と平面入射窓３
２と単一ファセット走査光学部品６０の反射面６４と球
面射出窓４０はすべて、光ビーム１２の中心軸１４が単
一ファセット走査光学部品６０の反射面６４からの反射
点で球面射出窓４０の中心４８と一致するようにして互
いに相対的な位置に配置する必要がある。その結果、こ
のような相対的配置によって光ビーム１２が、光ビーム
１２の中心軸１４が球面射出窓４０に対して垂直になる
ようにして球面射出窓４０に入射し、通過するように導
かれる。

【００３２】光ビーム１２は、球面射出窓４０を通過し
た後、円筒形撮像面９０上の一点で集束する。円筒形撮
像面９０は、球面射出窓４０を通過した光ビーム１２が
円筒形撮像面９０上の一点で正しく集束して最終的に円
筒形撮像面９０の感光面上に像を形成するようにして、
球面射出窓４０の外側を囲んでいる。

【００３３】前述のように、単一ファセット走査走査光
学部品６０の反射面６４は、平面入射窓３２に対して所
定の角度で配置される。このような配置によって、反射
面６４に入射した光ビーム１２は単一ファセット走査光
学部品６０から「折り曲げ角度」で反射することがで
き、それによって光ビーム１２が球面射出窓４０を通過
する。「折り曲げ角度」とは、光ビーム１２が単一ファ
セット走査光学部品６０の反射面６４に入射する直前の
光ビーム１２の中心軸１４から、光ビーム１２が単一フ
ァセット走査光学部品６０の反射面６４から離れた後の
光ビーム１２の中心軸１４までを測定した角度であると
定義される。図２には約９０度の折り曲げ角度が図示さ
れているが、代わりに他の折り曲げ角度を使用すること
もできる。実際には、光学式走査装置３０を使用する特
定の用途によっては、９０度の折り曲げ角度によって光
ビーム１２が円筒形撮像面９０上で集束し、その結果、
光ビーム１２の中心軸１４が円筒形撮像面９０に対して
垂直になり、望ましくない光が光学式走査装置３０の球
面射出窓４０内に反射して戻る場合には、９０度以外の
折り曲げ角度が好ましいことがある。球面射出窓４０に
このように光が反射して戻るのを防ぐには、折り曲げ角
度が９０度に近いが正確に９０度にはならないように、
平面入射窓３２に対する単一ファセット走査光学部品６
０の反射面６４の角度を調整する必要がある。

【００３４】単一ファセット走査光学部品６０は、ケー
シング８０から突出したシャフト７０の露出端に、単一
ファセット走査光学部品６０の反射面６４が球面射出窓
４０によって囲まれるようにして取り付ける。ケーシン
グ８０自体は、シャフト７０の他端を収容している。光
学式走査装置３０の動作中、シャフト７０は単一ファセ
ット走査光学部品６０およびその反射面６４をシャフト
７０の回転軸上で最大３６０度までの角度に回転させる
機能を果たす。本発明の好ましい実施形態によれば、シ
ャフト７０はケーシング８０内に収容されたラジアル空
気軸受とスラスト空気軸受を備えた軸受アセンブリ（図
示せず）によって支持される。しかし、玉軸受、空気／
ガス軸受、流体軸受、磁気軸受け、またはそれらの任意
の組合せなど、従来の技術で開示されている他のタイプ
の軸受アセンブリを代わりに使用することもできる。さ
らに、シャフト７０は、シャフト７０の収容端に作用す
る、同じくケーシング８０内に収容されたモータによっ
て、その回転軸を中心にして回転する。ケーシング８０
内に収容されたモータは、電子制御システムによって外
部から制御される。

【００３５】単一ファセット走査光学部品６０は、光ビ
ーム１２が平面入射窓３２に入射したときにシャフト７
０の回転軸が光ビーム１２の中心軸１４と同一線上にな
るようにしてシャフト７０に取り付けられている。さら
に、シャフト７０の回転軸も、光ビーム１２の中心軸１
４と光学式走査装置３０の回転軸が反射面と交わる正確
な点で、球面射出窓４０の中心４８が反射面と一致する
ように配置される。このように配置すれば、軸受アセン
ブリによって支持されたシャフト７０を介して単一ファ
セット走査光学部品６０の反射面６４が３６０度回転で
きるだけでなく、光学式走査装置３０の動作中にケーシ
ング８０内に収容された空気軸受アセンブリに接したシ
ャフト７０を介して単一ファセット走査光学部品６０が
回転すると、反射面６４が入射光ビーム１２を最大３６
０度の走査角度で球面射出窓４０を通して連続的に反射
することができる。

【００３６】本発明の好ましい実施形態によれば、図１
および図２を最後に参照すると、単一ファセット走査光
学部品６０とその反射面６４を収容する筐体またはチャ
ンバは、主として平面入射窓３２と、入射窓取付台３４
と、球面射出窓４０と、射出窓取付台４６と、シャフト
７０とケーシング８０とによって形成されている。前述
のように、チャンバは、チャンバの射出窓取付台４６を
貫通してチャンバの内部とチャンバの外部との間のガス
伝達を行う真空ポート５０も備えている。しかし、真空
ポート５０はチャンバの他の部分に配置することもでき
る。たとえば、真空ポート５０はケーシング８０内を通
すこともできる。

【００３７】図３は、例として円筒形フィールド撮像用
途を図示した、球面射出窓４０と平面入射窓３２と五角
プリズム走査光学部品６０Ａとを有する他の光学式走査
装置３０の部分断面図である。図３に図示するこの特定
の実施形態は、図１および図２に図示されている単一フ
ァセット走査光学部品６０が、プリズム取付台６２のの
上に取り付けられた五角プリズム走査光学部品６０Ａに
置き換えられており、プリズム取付台６２の底部がシャ
フト７０に取り付けられている点を除けば、図１および
図２に図示されている実施形態とまったく同様である。

【００３８】この代替実施形態によれば、五角プリズム
走査光学部品６０Ａ自体は、球面射出窓４０によって囲
まれた本体と、平面入射窓３２に面し、平面入射窓３２
と平行な入射面６６と、本体内に配置されてレーザ光ビ
ーム１２を本体を通過させるように向けさせる２つの内
部反射面６４Ａと、射出面６８が球面射出窓４０と向き
合うように入射面６６と垂直になっている射出面６８と
を有する。具体的には、内部反射面６４Ａは、入射面６
６に入射して通過する光ビーム１２を受け、反射し、光
ビーム１２が５画プリズム走査光学部品６０Ａの本体を
通るように向け、光ビーム１２が射出面６８を通過して
最終的に球面射出窓４０を通り、光ビーム１２が一点で
集束して円筒形撮像面９０の感光面上に像を形成するよ
うに向ける。しかし、最も重要なのは、光ビーム１２の
中心軸１４が球面射出窓４０の中心４８を２回通過する
点である。すなわち、入射面６６を通過した後で内部反
射面６４Ａに入射する前と、内部反射面６４Ａから反射
された後で射出面６８に入射する前の２回である。

【００３９】光学式走査装置３０に図１および図２の単
一ファセット走査光学部品６０を組み込む代わりに五角
プリズム走査光学部品６０Ａを組み込むことによる利点
は、五角プリズム走査光学部品６０Ａがその本質的な構
造上の性質のために、シャフト７０の回転軸のウォッブ
ルによって一般に円筒形撮像面９０上に形成される望ま
しくない走査線揺れを本質的に起こさないことである。
具体的には、五角プリズム走査光学部品６０Ａの内部反
射面６４Ａはそれぞれ、シャフト７０の回転軸が受ける
ウォッブルによって生じることがある望ましくない走査
線揺れが五角プリズム走査光学部品６０Ａの本体内の内
部反射面６４Ａの光学的に協調的な配置によって相殺さ
れるようにして、互いに相対的な位置に配置される。

【００４０】図４は、例として円筒形フィールド撮像用
途を図示した、球面射出窓４０と球面入射窓３２Ａと単
一ファセット走査光学部品６０とを有する光学式走査装
置３０の部分断面図である。図４に図示するこの特定の
実施形態は、図１および図２に図示されている平面入射
窓３２が球面入射窓３２Ａに置き換えられている点を除
けば、図１および図２に図示した実施形態とまったく同
様である。

【００４１】図４の実施形態によると、球面入射窓３２
Ａは入射窓取付台３４に取り付けられている。球面入射
窓３２Ａ自体は、光ビーム送達システム２０に面した凸
状の外面と、球面射出窓４０の中心４８に面した凹状の
内面と、単一ファセット走査光学部品６０とを有する。

【００４２】光学式走査装置３０に図２の平面入射窓３
２を組み込まずに球面入射窓３２Ａを組み込むことによ
る利点は、円筒形撮像面９０上に形成される像に球面射
出窓４０によってもたらされる望ましくない倍率と球面
収差を相殺するような球面入射窓３２Ａを選定すること
ができることである。具体的には、球面射出窓４０と等
量だが反対のパワーと球面収差を有する球面入射窓３２
Ａを選定して光学式走査装置３０に組み込めば、光学式
走査装置３０を、ホスト画像処理システムに望ましくな
い倍率または球面収差をもたらすことなく、どのような
ホスト画像処理システム内にでも組み込むことができ
る。それに対して、図２のように平面入射窓３２を使用
すると、球面射出窓４０によって生じる可能性のある倍
率および一次球面収差の対称的誤差を補正することがで
きない。その結果、光学式走査装置３０に平面入射窓３
２を組み込んだ場合、光学式操作装置３０が組み込まれ
たホスト画像処理システム自体が、球面射出窓４０によ
って生じた倍率および一次球面収差の対称誤差を補正し
なければならない。たとえば、倍率の対称誤差と一次球
面収差は、光ビーム送達システム２０の光学特性を変更
するか、または光ビーム１２が図２に図示する平面射出
窓３２に入射し、通過する前の光学ビーム１２の光路に
補正光学構成部品を挿入することによって補正すること
ができる。しかし、当業者なら疑いなく考えつく、倍率
と一次球面収差の対称誤差を補正するためのホスト光学
システムのその他の変更も代わりに使用することができ
る。

【００４３】まとめると、以上、円筒形フィールド撮像
用途の観点から説明したが、本発明は平面フィールド撮
像用途にも使用することができることに留意されたい。
本明細書では、非対称光学収差を生じさせることなく最
大３６０度までの像を走査することができる独特の能力
を協調するために、円筒形フィールド撮像用途の観点か
ら本発明について説明した。

【００４４】本明細書で説明した光学式走査装置のその
他の変更も可能であり、走査光学部品、入射窓、軸受ア
センブリ構成などの変形態様も組み込むことができる。
しかし、このような変更はすべて、本発明に鑑みて明ら
かであるとみなすべきである。このような変更はすべ
て、風乱流の減少、騒音の低減、ウォッブルの減少、無
視できる程度の走査光学部品の汚染、走査光学部品の摩
耗の減少、および非対称光学収差のない最大３６０度ま
での広い走査角度能力という利点を、単一の光学式走査
装置内でどのようにして実現することができるかを開示
している以上の記載から直接得られる。

【００４５】以上の説明から、本明細書に記載されてい
る光学式走査装置の多くの変形および変更は、本発明の
範囲内にあり、当業者なら疑いなく考えつくであろう。
したがって、以上の説明は例示的なものとみなすべきで
あり、本明細書の特許請求の範囲によってのみ限定され
ることを意図したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 円筒形フィールド撮像実施形態を図示する、
球面射出窓と平面入射窓と単一ファセット走査光学部品
とを有する光学式走査装置の立体分解図である。

【図２】 円筒形フィールド撮像実施形態を図示する、
球面射出窓と平面入射窓と単一ファセット走査光学部品
とを有する光学式走査装置の部分断面図である。

【図３】 円筒形フィールド撮像実施形態を図示する、
球面射出窓と平面入射窓と五角プリズム走査光学部品と
を有する光学式走査装置の部分断面図である。

【図４】 円筒形フィールド撮像実施形態を図示する、
球面射出窓と球面入射窓と単一ファセット走査光学部品
とを有する光学式走査装置の部分断面図である。

【符号の説明】

１０ レーザ光源 １２ 光ビーム １４ 中心軸 ２０ 光ビーム送達システム ３０ 光学式走査装置 ３２ 平面入射窓 ３４ 入射窓取付台 ４０ 球面射出窓 ４６ 射出窓取付台 ６０ 単一ファセット走査光学部品 ６２ プリズム取付台 ６４ 反射面 ７０ シャフト ８０ ケーシング ９０ 円筒形撮像面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブライアン・リー・ティファニー アメリカ合衆国 48307 ミシガン州・ロ チェスター ヒルズ・オニール サーク ル・1579 (72)発明者 トーマス・ジョン・ベテッセ アメリカ合衆国 48323 ミシガン州・ウ エスト ブルームフィールド・アイバーネ ス・4291 (72)発明者 マーク・スタレー・メイバーガー アメリカ合衆国 48047 ミシガン州・ニ ュー ボルチモア・ハーバー ドライヴ・ 48506 (72)発明者 ジョン・マイケル・ロジャース アメリカ合衆国 91107 カリフォルニア 州・パサディナ・カルダーウッド レー ン・865

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源によって発生された光ビーム
   を反射する光学式走査装置であって、 入射窓と、 反射面を有する前記回転式走査光学部品であって、その
   反射面が、前記光ビームが前記入射窓に連続的に入射
   し、前記入射窓を通過し、回転式走査光学部品の反射面
   に入射し、前記回転式光学部品から反射されるように、
   前記入射窓に近接して配置された前記回転式走査光学部
   品と、 前記回転式走査光学部品と隣接して配置され、前記回転
   式走査光学部品を回転させる回転手段と、 中心部と、一端にある頂部と、他端にある底部とを有す
   る球面射出窓であって、前記入射窓が前記球面射出窓の
   前記中心部に面するように、前記球面射出窓の前記頂部
   が前記入射窓に近接して配置され、前記光ビームが前記
   回転式走査光学部品から反射された後で前記球面射出窓
   に入射して通過するように前記底部が前記回転手段に隣
   接して配置され、前記回転式走査光学部品の前記反射面
   が前記入射窓と前記回転手段と前記球面射出窓とによっ
   て画定されたチャンバによって境界を画されている、前
   記回転式走査光学部品の前記反射面を囲む前記球面射出
   窓とを備える光学式走査装置。
2. 【請求項２】 前記チャンバがそのチャンバの内外を貫
   通し、ガスを通過させる真空ポートを有する光学式走査
   装置。
3. 【請求項３】 前記回転式走査光学部品を回転させる前
   記手段に前記球面射出窓を取り付ける手段をさらに備え
   る請求項１に記載の光学式走査装置。
4. 【請求項４】 前記入射窓を前記球面射出窓の前記頂部
   に取り付ける手段をさらに備える請求項１に記載の光学
   式走査装置。