JPH10197818A

JPH10197818A - 光ビーム径測定装置

Info

Publication number: JPH10197818A
Application number: JP9002876A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Oishi; 篤大石
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1997-01-10
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 1998-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】基本クロックを高める事の無い簡単な構成
でありながら、極めて高速で走査する光ビームのビーム
走査状態でのビーム走査方向と直交方向のビーム径を正
確に測定し得る光ビーム径測定装置を提供する。【解決手段】走査状態の光ビームが通過するスリット
部と、前記スリット部を通過した走査光を受光し光電変
換して通過光量に応じた光量信号を出力する光電変換部
と、前記光量信号を２値化して前記光電変換の所要時間
に対応した幅を持つパルス波を出力する２値化部と、前
記パルス波の出力中に発生したクロック信号を計数して
得たカウント値を出力するカウンタ部とを有する光ビー
ム径測定装置において、前記クロック信号にランダムな
位相ジッターを付加するジッター付加部と、前記位相ジ
ッターが付加されたクロック信号により前記計数を複数
回行い、複数のカウント値を求めてその平均値を演算し
て該平均値をビーム径データとして出力する演算部とを
有する事を特徴とする光ビーム径測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザープリン
タ、複写機、ファクシミリ装置など光ビームを走査して
必要な情報を読み書きする走査光学系を有する装置や、
光ビームの強度形状及び径を測定する光ビーム径測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような走査光学系では、光ビームの
強度形状（ビーム強度形状とも言う）及び径が設定値か
らずれると、記録された画像のエッジがぼけたり、走査
線われが生じたりして出力画像が乱れ、画質が低下する
ことが知られている。従って、光ビームの強度形状及び
径を正確に測定することが必要であり、従来、次のよう
な手法が提案されている。

【０００３】第１に、ポリゴンの回転を止め、静止ビー
ムに対して測定する手法として、スリットやピンホール
をビームを横切るように動かし、スリットやピンホール
を透過した光の強度分布を検出し、この光強度分布に基
づいて光ビームの強度形状及び径を測定する手法が知ら
れている。この手法では、スリットやピンホールを動か
す方向を制御することにより、ビーム走査方向及びビー
ム走査直角方向のビーム強度形状及び径を求めることが
できる。

【０００４】第２に、走査状態の光ビームの強度形状及
び径を測定する手法として、光ビームを照射面と光学的
に等しい距離にあり走査軸に対して傾斜したスリットを
通過させ、光ビームが通過する所要時間に応じて変化す
る光強度を基に楕円状強度分布をもつ光ビームの径を求
める手法が知られている（特開昭６４−１３５１４号公
報）。

【０００５】更に、ビーム走査方向に対して４５度傾斜
した第１のスリットと、ビーム走査方向に対して直角な
第２のスリットとを設け、走査直角方向に長軸をもち、
かつ楕円状強度分布をもつ光ビームに対して、ビーム走
査方向のビーム径とともにビーム走査直角方向の径を求
める手法も知られている（特開平３−１２０４２６号公
報）。

【０００６】更に、ビーム走査方向に対して０°より大
きく１２°以下となるように形成されたスリットを通過
した光信号を周波数Ｍのクロックでカウントして走査方
向の光ビームの強度形状及び径を測定し、周波数Ｍ／ｎ
のクロックでカウントして走査方向と直交方向の光ビー
ムの強度形状及び径を測定する手法も知られている（特
開平５−３４６３１８号公報）。ここでｎは整数であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、静止状態のビ
ーム形状及び径を測定する手法では、ポリゴンを任意の
位置に静止させるのが困難である、ビーム走査全幅に渡
って連続的に測定するのが困難である、実際に装置とし
て駆動する場合のビーム走査状態におけるビーム形状及
び径の評価が得られないなどといった多くの問題があっ
た。

【０００８】また、特開昭６４−１３５１４号公報の技
術では走査方向のビーム径を得ることは可能であるが、
走査方向に直交方向のビーム径を得られない。従って、
迅速にビーム径を得るために、一回の走査で走査方向と
走査方向に直交方向の両方のビーム径を求めたいという
要望は満たせないという問題があった。

【０００９】また、特開平３−１２０４２６号公報の技
術では、ビーム走査方向のビーム強度形状及び径の両方
について、ビーム走査方向に直角にスリットを配置する
ことで、その透過光信号に基づいて簡単に測定すること
ができるが、ビーム走査直角方向のビーム径測定につい
ては、ビーム径を測定するために複雑な演算手段を設け
る必要があった。即ち、一般に、図１０において、スリ
ットＳ、光ビームＢ、光ビームＢの長径２ａ、短径２
ｂ、ビーム走査方向に対するスリットＳの傾斜角α、光
ビームＢがスリットＳを横切り始めて横切り終わるまで
の移動距離のｓｉｎα倍を２Ｗ、光ビームＢの長径とビ
ーム走査直角方向とのなす角をα₀とすると、ｗ²＝ａ²ｃｏｓ²（α−α₀）＋ｂ²ｓｉｎ²（α−α₀）が成り立つ。そこで、特開平３−１２０４２６号公報の
技術では、α₀＝０であるため、２つの変数ａ、ｂをビ
ーム走査に直角なスリットと４５°傾斜したスリットか
らの光強度信号に基づいて求めているが、複雑な演算手
段が必要となる。このように複雑な演算手段が必要とな
るため、高価となり、更に演算時間もかかるので応答性
の速いビーム径測定ができないという問題があった。

【００１０】また、走査直角方向のビーム強度形状測定
については、スリットを用いると、スリットに直角方向
の強度形状が測定されるので、設定するスリットの傾斜
角度によっては正しく測定できない場合があった。

【００１１】また特開平５−３４６３１８号公報の技術
では、特開平３−１２０４２６号公報の技術の問題は解
決出来るものの、高速で走査する光ビームの径を測定使
用とすると非常に高いクロックで動作する必要があり、
実現が困難であるという問題がある。例えば、７００ｍ
／ｓで走査する長径１００μｍの光ビームの径を１パー
セントの分解能で計測する場合はクロックは７００ＭＨ
ｚが必要となり、技術的に実現が困難である。

【００１２】本発明は、このような事情の下になされた
もので、その目的は、基本クロックを高める事の無い簡
単な構成でありながら、極めて高速で走査する光ビーム
のビーム走査状態でのビーム走査方向と直交方向のビー
ム強度形状及びビーム径を正確に測定し得る光ビーム径
測定装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の課題は、走査状態
の光ビームが通過するスリット部と、前記スリット部を
通過した走査光を受光し光電変換して通過光量に応じた
光量信号を出力する光電変換部と、前記光量信号を２値
化して前記光電変換の所要時間に対応した幅を持つパル
ス波を出力する２値化部と、前記パルス波の出力中に発
生したクロック信号を計数して得たカウント値を出力す
るカウンタ部とを有する光ビーム径測定装置において、
前記クロック信号にランダムな位相ジッターを付加する
ジッター付加部と、前記位相ジッターが付加されたクロ
ック信号により前記計数を複数回行い、複数のカウント
値を求めてそれらの平均値を演算して該平均値をビーム
径データとして出力する演算部とを有する事を特徴とす
る光ビーム径測定装置によって解決できた。

【００１４】この光ビーム径測定装置では、光電変換の
所要時間に対応した幅を持つパルス波は光ビームの径に
対応した幅をもっている。従って該パルス波の幅を一定
周期のクロック信号にてカウントして光ビーム径を測定
するのだが、前記クロック信号にランダムな位相ジッタ
ーを付加している。ランダムな位相ジッターを付加した
クロックで計数を行うことで、各サンプルの係数の結果
は２つの値の一方をとるようにばらつくが、その平均が
ビーム径パルスの幅／クロック周期となるように求めら
れることとなる。そして、これらのサンプルの平均値は
実際のビーム径に対応した数値に収斂するので、基本ク
ロックの周期で計数したよりも高精度なビーム径データ
を得ることが出来る。

【００１５】従って、この光ビーム径測定装置によれ
ば、基本クロックを高める事の無い簡単な構成でありな
がら、極めて高速で走査する光ビームのビーム走査状態
でのビーム走査方向と直交方向のビーム強度形状及びビ
ーム径を正確に測定することが可能となる。

【００１６】また前記の課題は、走査状態の光ビームが
通過するスリット部と、前記スリット部を通過した走査
光を受光し光電変換して通過光量に応じた光量信号を出
力する光電変換部と、前記光量信号を２値化して前記光
電変換の所要時間に対応した幅を持つパルス波を出力す
る２値化部と、前記パルス波の出力中に発生したクロッ
ク信号を計数して得たカウント値を出力するカウンタ部
とを有する光ビーム径測定装置において、前記クロック
信号にランダムな位相ジッターを付加するジッター付加
部と、前記位相ジッターが付加されたクロック信号によ
り前記計数を複数回行い、複数のカウント値を求めてそ
の合計値を演算して該合計値をビーム径データとして出
力する演算部とを有する事を特徴とする光ビーム径測定
装置によって解決できた。

【００１７】この光ビーム径測定装置では、光電変換の
所要時間に対応した幅を持つパルス波は光ビームの径に
対応した幅をもっている。従って該パルス波の幅を一定
周期のクロック信号にてカウントして光ビーム径を測定
するのだが、前記クロック信号にランダムな位相ジッタ
ーを付加している。ランダムな位相ジッターを付加した
クロックで計数を行うことで、各サンプルの係数の結果
は２つの値の一方をとるようにばらつくが、その平均が
ビーム径パルスの幅／クロック周期となるように求めら
れることとなる。そして、これらのサンプルの合計値は
実際のビーム径の倍数に対応した数値に収斂するので、
基本クロックの周期で計数したよりも高精度なビーム径
データを得ることが出来る。

【００１８】従って、この光ビーム径測定装置によれ
ば、基本クロックを高める事の無い簡単な構成でありな
がら、極めて高速で走査する光ビームのビーム走査状態
でのビーム走査方向と直交方向のビーム強度形状及びビ
ーム径を正確に測定することが可能となる。

【００１９】またこの光ビーム径測定装置は、前記合計
値が前記ビーム径の１０ⁿ倍（但しｎは自然数）となる
様に前記計数を実行する回数をプリセットするプリセッ
ト部を有しても良い。

【００２０】また、これらの光ビーム径測定装置は、前
記スリット部と前記光電変換部の受光面とを設けた光ビ
ーム検出部と、前記スリット部が前記光ビームの被測定
断面上で回動可能となるように前記光ビーム検出部を保
持するベース部と、前記光ビームの走査方向に対する前
記スリット部の傾きαを調整可能であって、前記光ビー
ムの走査方向と直交する方向の径を測定する場合は１／ｓｉｎ（α）≒１０を満たし、前記光ビームの走査方向の径を測定する場合
はα＝９０°とする様に前記光ビーム検出部を調整する
調節部とを有してもよい。

【００２１】またこれらの光ビーム径測定装置は前記光
ビーム検出部の回動の中心を通る任意の直線と前記光ビ
ームの走査方向が一致した場合に一致信号を出力する走
査方向検出部を有し、前記任意の直線に対する前記スリ
ット部の傾きβが、１／ｓｉｎ（β）≒１０を満たしてもよい。

【００２２】またこれらの光ビーム径測定装置は、前記
走査方向検出部は、前記任意の直線上に２分割フォトダ
イオードを少なくとも２つ備えていて、それぞれの前記
２分割フォトダイオードの２つの受光面の境界線は前記
任意の直線と平行となる様にしてもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
説明する。本発明は本項の記載によってなんら限定され
ない。

【００２４】図１は、本発明の実施の形態による光ビー
ム径測定装置の構成図である。本実施の形態は、平面走
査式光学装置に適用した例であるが、本発明は、回転走
査式光学装置にも適用できる。また、記録システム、読
取システムのいずれにも適用できる。図１において、レ
ーザ光源１から照射された光ビーム（レーザビーム）
は、ポリゴン２の回転により偏向され、ｆθレンズ３に
入射される。ｆθレンズ３は、ポリゴン２により偏向さ
れたレーザービームを収束し、走査面上で等速度となる
ようにして出射する。

【００２５】走査面となるべき位置には、センサーヘッ
ド１００が設置されている。センサーヘッド１００には
マスクパターン形成体としてスリット形成板４が設けら
れ、このスリット形成板４の裏側（ポリゴン２やｆθレ
ンズ３とは反対の側）には、光電変換素子、例えばフォ
トダイオード５（図５参照）が密着されている。スリッ
ト形成板４はスリット部Ｓ１以外は光を透過しない材質
となっている。スリット部Ｓ１は光が通過する様にして
あれば良く、例えば光が透過する材料で充填されていて
も良いし、孔として貫通していてもよい。このスリット
部Ｓ１については後で詳細に説明する。スリット形成板
４とフォトダイオード５（図５参照）とは回転可能なセ
ンサーパネルＳＰ上に設けられている。センサーパネル
ＳＰは本発明の光ビーム検出部の一例である。スリット
形成板４はセンサーパネルＳＰの回転に従って、走査面
内で矢印Ａの如く回転する。この回転によってスリット
部Ｓｔと光ビームの走査方向の傾斜角αは、９０°又は
５．７３９°に設定される。更に、スリット形成板４と
フォトダイオード５とは一体で、走査面内で微小角度の
回転調整を実行して定位させる事を可能とするようにセ
ンサーパネルＳＰ上に取付けられている。またセンサー
パネルＳＰはビーム走査直角方向に矢印Ｂの如く移動可
能に構成されている。本実施の形態では矢印Ｂの方向は
光ビーム径測定装置の上下の方向と一致している。

【００２６】ｆθレンズ３から出射されたレーザビーム
は、スリット部Ｓ１は通過するものの、それ以外の部分
では遮光される。そして、スリット部分を通過したレー
ザビームは、フォトダイオード５にて光電変換され、ア
ンプ６にて増幅されて光強度信号として処理回路７に入
力される。処理回路７は、入力された光強度信号に基づ
いてレーザビームの強度形状及び径を求め、表示器８に
表示する。センサーパネルＳＰは回転して光ビームの走
査方向の径を測定する際には走査方向に対するスリット
部Ｓ１の傾斜角αが９０°となるように、また走査方向
と直交方向の径を測定する際には傾斜角αが５．７３９
°となるようにする。

【００２７】次に図２から図４を用いてセンサーヘッド
１００の構成を説明する。図２はセンサーヘッド１００
の側面図で、図１中の矢印アの方向からみたものであ
る。図３と図４はセンサーヘッド１００の正面図で、図
３は図２中の矢印イの面を示し、図４は図２中の矢印ウ
の面を示したものである。

【００２８】図２でベース部１１０はセンサーパネルＳ
Ｐを走査面上で回転可能に保持するベース部である。図
中右側からスリット形成板４に光ビームが入射する。

【００２９】ベース部１１０はベーススライド部１１１
を備えている。ベーススライド部１１１は山形の案内面
に加工してあり、ヘッドホルダー１２０に設けた谷形ス
ライドウエー１２１に沿ってスライド可能となってい
る。高さ調整ノブ１２２はヘッドホルダー１２０に設け
た孔に嵌入している。更に高さ調整ノブ１２２のスピン
ドル部１２２ａにはネジが切ってあり、ベース部１１０
の上面に螺合している。コイルバネ１２３はベース部１
１０の底面とヘッドホルダー１２０の間に嵌入してあ
り、ベース部１１０を図中上方に押し上げる向きの力を
与えている。矢印Ｂが上方の向きを指し示している。高
さ調整ノブ１２２は矢印Ｃの様に両方向に回転させう
る。高さ調整ノブ１２２の回転に伴って、ベース部１１
０は矢印Ｂと平行な向きに任意に移動させうるので、光
ビームに対する高さ調節が可能となっている。

【００３０】高さ調整ノブ１２２を回転させることでベ
ース部１１０の光ビームに対する高さの調節が可能であ
り、これによってスリットＳ１の光ビームに対する高さ
に狂いが生じたときの補正を行う。高さ調整については
後で詳細に説明する。

【００３１】外リング１１３はベース部１１０に固定し
た円筒形の部材である。図４に示すように外リング１１
３の内周には、スリットＳ１の傾斜角αの微調整に使用
する為の中リング１３０が備えられている。中リング１
３０の内周には、スリットＳ１を走査面に対して直交す
る向きから走査方向に対して５．７３９°傾いた向きま
での略９０°に及ぶ角度変更をさせる為に使用する為の
内リング１４０が同軸に備えられている。

【００３２】傾斜角微調整ノブ１１５はスピンドル１１
６を同軸に備えている。スピンドル１１６には雄ネジ部
が設けてあり、傾斜角微調整ノブ支持板１１４が備える
雌ネジ部に螺合している。中リングバー１３１は中リン
グ１３０からその直径方向に突出したバーで、中リング
１３０に固定してある。コイルバネ１１７は中リングバ
ー１３１を上方に引き上げる向きの力を加えていて、ス
ピンドル１１６と中リングバー１３１を常時接触させ
る。

【００３３】傾斜角微調整ノブ１１５を矢印Ｄの様に回
転させると、傾斜角微調整ノブ支持板１１４に螺合した
スピンドル１１６は矢印Ｂと平行の方向に移動する。中
リングバー１３１はコイルバネ１１７によってスピンド
ル１１６と常時接触するように付勢されているので、中
リング１３０は外リング１１３の内周に沿って回転動作
する。

【００３４】次に図４によって、光ビームの走査方向に
対するスリット部Ｓ１（図３参照）の傾斜角αの調整に
ついて説明する。スリット部Ｓ１は光ビームの走査方向
の径を測定するときは走査面に対してα＝９０°の角度
をなし、一方走査方向と直交する方向の径を測定すると
きは走査面に対してα＝５．７３９°の角度をなす様に
調整する。

【００３５】内リング１４０はベース部１１０に回転可
能に軸支してある。更に内リング１４０の回転軸は外リ
ング１１３の円筒形状の中心と一致させた。傾斜角調整
ハンドル１４１は内リング１４０から直径方向に延びた
ハンドルである。スピンドル１４２は傾斜角調整ハンド
ル１４１に備えられていて、先端に雄ネジ部１４３を備
えている。雄ネジ部１４３は内リング１４０に設けた雌
ネジ部と螺合している。また外リング１１３と中リング
１３０にはそれぞれ溝１１３ａと溝１３０ａが設けてあ
り、傾斜角調整ハンドル１４１はこれらの溝１１３ａと
溝１３０ａを通って内リング１４０に螺合している。

【００３６】センサーパネルＳＰは内リング１４０に固
定されている。更にスリット形成板４はセンサーパネル
ＳＰに設けてあるので、内リング１４０の回転に従って
光ビームの走査方向に対するスリットＳ１の傾斜角αを
調整させる事ができる。傾斜角αを５．７３９°から９
０°に、又はその逆に切り換える時は、傾斜角調整ハン
ドル１４１を持って矢印Ａの様に動かして、スリットＳ
１をα＝５．７３９°若しくはα＝９０°の位置を取る
ように調整する。但し、傾斜角調整ハンドル１４１での
角度調節は、変速比１：１であるから微調整は難しい。

【００３７】中リング１３０は中リングバー１３１が取
り付けてあるものの、他の部材には固定されておらず、
外リング１１３の内周と内リング１４０の外周の間にク
リアランスを設けて落とし込んである。ノブ１４４を図
中矢印Ｆの方向に捩じると内リング１４０と螺合してい
るスピンドル１４２は進退する。溝１１３ａはスピンド
ル１４２が矢印Ａの方向に移動するときの進路に沿って
外リング１１３に設けた溝である。溝１１３ａは外リン
グ１１３の略１００°の角度に渡って設けられている。
本実施の形態ではスリットＳ１の傾斜角αはｘ軸に対し
て５．７３９°又は９０°の状態で切替えて使用するた
め、溝１１３ａはスピンドル１４２の太さ分も合わせ
て、１００°の角度の円弧状に設けた。

【００３８】スピンドル１４２には段差部１４５が設け
てあり、段差部１４５を挟んで雄ネジ部１４３の側がノ
ブ１４４の側よりも細くしてある。段差部１４５はスピ
ンドル１４２の進退に従って中リング１３０を内リング
１４０に押しつけ、又は押し付けを解除する。溝１３０
ａは中リング１３０に溝１１３ａと同様に設けた溝であ
る。但し溝１３０ａの幅は溝１１３ａに比較して狭くし
た。溝１１３ａは段差部１４５よりノブ１４４に近い部
分のスピンドル１４２の太さに対して十分なクリアラン
スを保たせてある。一方、溝１３０ａは段差部１４５よ
り雄ネジ部１４３に近い部分の雄ネジ部１４３の太さに
対して十分なクリアランスを保たせてあるが、ノブ１４
４に近いスピンドル１４２の部分の太さよりも狭い幅に
設定設定してある。従って、スピンドル１４２が内リン
グ１４０の中心に向かって進むと確実に段差部１４５に
よって中リング１３０が内リング１４０に対して押圧さ
れる。またスピンドル１４２が、内リング１４０の中心
から退く向きに移動すると、次第に押圧が解除される。

【００３９】中リング１３０が内リング１４０に対して
押圧されている状態では、中リングバー１３１の動作に
従って中リング１３０と内リング１４０が一体的に回転
する。先に説明したようにスピンドル１１６の上下動作
に従って中リングバー１３１が動作するので、中リング
１３０が内リング１４０に対して押圧されている状態で
は傾斜角微調整ノブ１１５を矢印Ｄのように捩じること
により傾斜角αの微調整が可能である。また、中リング
１３０と内リング１４０の押圧が解除されている状態で
は、傾斜角調整ハンドル１４１を動かしても中リング１
３０は一体的に回転する事はない。

【００４０】図３はスリット部Ｓ１の傾斜角α＝５．７
３９°の状態、即ち光ビームの走査方向と直交方向のビ
ーム径を測定する状態を示している。この状態から光ビ
ームの走査方向のビーム径を測定する状態に切り換える
手順は、先ずノブ１４４（図４参照）を廻して中リング
１３０と内リング１４０の押圧を解除し、解除されたの
ちに傾斜角調整ハンドル１４１を図中で反時計回りに回
して、スリット部Ｓ１がｙ軸と重なる位置で止めればよ
い。

【００４１】またこうして傾斜角α＝９０°の状態から
傾斜角α＝５．７３９°の状態に戻すには、中リング１
３０と内リング１４０の押圧の解除を確認し、傾斜角調
整ハンドル１４１を図中時計回りに回して図４に示す位
置に戻し、更にノブ１４４を捩じって中リング１３０と
内リング１４０が一体に回転するようにさせたうえで、
傾斜角微調整ノブ１１５を捩じって傾斜角αの微調整を
行えばよい。

【００４２】スリット形成板４に形成されたスリット部
Ｓ１は、次のようになっている。スリットＳ１の長さ
は、スリットＳ１の長さをＬとすると、その長さＬは、
Ｌ・ｓｉｎ｜α｜の値がレーザビームのビーム走査直角
方向の長さより十分長くなるような値にして、レーザビ
ームの全体がスリットＳ１を横切ってビーム走査直角方
向の強度形状及び径を測定できるようになっている。

【００４３】スリットＳ１の中心（長さ１／２Ｌの点）
は、スリット形成板４の回転中心と一致するようにし
た。図３でｘ軸とｙ軸の交点がスリット形成板４の回転
中心を示していて、ｘ軸は光ビームの走査方向を示し、
ｙ軸は光ビームの走査方向と直交する方向を示してい
る。なおｘ軸は図１にしめした矢印Ｂの向きに対して直
角である。

【００４４】スリット部Ｓ１のスリット幅は、レーザー
ビームの長径（約１２０ミクロン）及び短径（約８０ミ
クロン）に比し十分小さい値である５ミクロンに設定し
た。スリット幅をレーザービームの６％程度以下とした
のは、この程度のスリット幅であれば測定誤差は０．３
％以下にでき、ほぼ無視できるからである。

【００４５】また本実施の形態では、スリット幅は５ミ
クロンに設定されている。これは、ビーム走査直角方向
のビーム径に対してスリット幅が狭すぎると透過光信号
のＳ／Ｎが悪くなり、逆にスリット巾が広すぎると、強
度形状の測定分解能やビーム径測定の精度が劣化するた
め、本実施の形態では５ミクロン前後が妥当であったた
めである。

【００４６】２分割フォトダイオード１０１、１０２は
互いの受光面の境界線である分割線同士が一直線上に並
び、しかも分割線を結んだ直線とスリット部Ｓ１のなす
角度が傾斜角αと一致するようにしてある。本実施の形
態では２分割フォトダイオード１０１と１０２はスリッ
ト部Ｓ１を挟んだ両側に配置してあるが、互いの分割線
が一直線上に並び、しかも分割線を結んだ直線とスリッ
ト部Ｓ１のなす角度が傾斜角αと一致すれば、スリット
部Ｓ１の一方に纏めて配置してもよい。図３ではｘ軸と
２分割フォトダイオード１０１、１０２が重なっている
ためにｘ軸のみ示してある。

【００４７】スリット部Ｓ１の傾斜角αを切り換えて、
光ビームの走査方向及び走査方向と直交する方向のビー
ム径を測定する。また、α＝５．７３９°に設定するた
めの微調整に、走査状態の光ビームが入射した２分割フ
ォトダイオード１０１、１０２の出力を使用する。

【００４８】さて、本実施の形態ではビーム走査方向と
ビーム走査直角方向とのビーム強度形状及び径をスリッ
トの傾斜角αを切替えてそれぞれビーム走査して測定す
る。ビーム走査方向のビーム径はα＝９０°、ビーム走
査直角方向のビーム径はα＝５．７３９°に設定する。
ビーム走査方向とビーム走査直角方向とのいずれの測定
であっても光ビームの走査速度は同じとした。１／ｓｉ
ｎ５．７３９＝１０であるから、ビーム走査方向のビー
ム径を示すパルス幅とビーム走査直角方向のビーム径を
示すパルス幅の比は、１：１０となる。

【００４９】これによりビーム走査方向とビーム走査直
角方向とのビーム径の位取りが単に一桁ずれただけとな
り、ビーム径を処理回路７や表示器８は同じものを使用
する事ができ、簡単な構成で低コストの光ビーム径測定
装置が実現可能となる。

【００５０】図５は処理回路７の詳細とセンサーパネル
ＳＰに含まれるデバイスの一部を示すブロック図であ
る。

【００５１】処理回路７はアンプ６、１０ａ、１０ｂの
出力を受けて、表示部８に光ビームのビーム径に相当す
る出力を与え、また傾斜角αの設定値に対する走査状態
の光ビームとスリット部Ｓ１のズレの有無を表示する回
路であり、第一サンプルホールド回路７２ａ、第一差演
算回路７３ａ、第一ビームずれ表示制御回路７４ａ、第
二サンプルホールド回路７２ｂ、第二差演算回路７３
ｂ、第二ビームずれ表示制御回路７４ｂ、ピークホール
ド回路７８、閾値設定回路７９、２値化回路８０、ゲー
ト回路８１、カウント回路８２、プリセットカウンタ８
３、演算回路８４、表示回路８５、プロファイル出力回
路８６を有している。

【００５２】走査状態の光ビームはスリット部Ｓ１を通
過して、フォトダイオード５に入射する。この時スリッ
ト部Ｓ１の傾斜角αは既にα＝９０°又はα＝５．７３
９°に調整してある。

【００５３】なお、傾斜角αを正しくα＝５．７３９°
に設定するにはビーム走査方向を検出して走査状態の光
ビームが２分割フォトダイオード１０１、１０２の分割
線を通るようにすればよい。ビーム走査方向を検出する
場合は、高さ調整ノブ１２２を捩じってスリット形成板
４を上下方向に移動してビームが２分割フォトダイオー
ド１０１、１０２のほぼ真ん中になるように位置決めし
て、ビームを走査する。２分割フォトダイオード１０１
の出力はアンプ１０ａで増幅され、第一サンプルホール
ド回路７２ａでホールドされる。第一差演算回路７３ａ
は２分割フォトダイオード１０１の２つの受光面からの
それぞれの出力の差に対応したデータを出力し、第一ビ
ームずれ表示制御回路７４ａにて２分割フォトダイオー
ド１０１を通過するときの分割線と光ビームのズレ量が
表示される。ズレ量の表示部は第一ビームずれ表示制御
回路７４ａに含まれる。

【００５４】同様に、２分割フォトダイオード１０２の
出力は２分割フォトダイオード１０１の出力同様の処理
を第二サンプルホールド回路７２ｂ、第二差演算回路７
３ｂ、第二ビームずれ表示制御回路７４ｂによって施さ
れ、分割線と光ビームのズレ量が表示される。こうして
得たズレ量から、ビーム走査方向がずれている事が示さ
れたとき、即ち光ビームが２分割フォトダイオード１０
１、１０２のそれぞれの受光面の境界線である分割線上
を通らないような場合は、高さ調整ノブ１２２或いは傾
斜角微調整ノブ１１５を捩じり、光ビームが前記分割線
上を通るようスリット形成板４とフォトダイオード５を
一体として微調整させる。そして、傾斜角αが正しく設
定された後、ビーム径の測定を開始させる。

【００５５】スリット部Ｓ１を通過した光ビームの強度
に応じてフォトダイオード５が出力した光強度信号は、
アンプ６にて増幅され、更にピークホールド回路７８、
２値化回路８０、プロファイル出力回路８６に並列に入
力される。プロファイル出力回路８６は、ビーム強度形
状をオシロスコープ等で見るためのアナログ波形を出力
する。

【００５６】ピークホールド回路７８、閾値設定回路７
９、２値化回路８０と、ゲート回路８１、カウント回路
８２、プリセットカウンタ８３、演算回路８４、表示回
路８５とは、スリットＳ１を通過した光強度信号によ
り、ビーム径を測定するために活用される。

【００５７】アンプ６の出力はピークホールド回路７８
に入力されてスリットＳ１に対応する光強度信号（図７
（ａ）参照）のピーク値が検出される。ピークホールド
回路７８で検出したピーク値を基に、アンプ６の出力を
２値化する為の閾値が閾値設定回路７９で設定される。
閾値設定回路７９の設定に従ってアンプ６の出力は２値
化回路８０で２値化され、光ビーム径に対応した幅の出
力パルスがえられる。

【００５８】閾値設定回路７９は、光強度信号のピーク
値をβ倍（β＜１）して閾値を作成する。本実施例で
は、ガウス分布を示すレーザービームを光ビームとして
使用しているので、慣例に従ってβ＝０．１３５とし
た。２値化回路８０は、スリットＳ１に対応する光強度
信号を、閾値設定回路７９から与えられた閾値に基づい
て２値化し（図７（ｄ）参照）、２値化信号をゲート回
路８１に出力する。

【００５９】２値化信号が出力されると、ゲート回路８
１は、２値化回路８０からの図７（Ｃ）に示した２値信
号と、クロック発生回路８８にて発生されたジッターを
付加した所定周波数Ｍのクロックパルス（ｄ）とのアン
ド信号を作成して、光ビームがスリット部Ｓ１を通過し
た際の光ビームの被測定断面のビーム径のサンプルデー
タパルス（ｅ）をカウント回路８２に出力する。

【００６０】ビーム径カウント回路８２は、図７のサン
プルデータパルス（ｅ）をカウントし、そのカウント値
（時間）を演算回路７７に出力する。演算回路７７に
て、該カウント値からビーム径を算出し、ビーム径測定
表示制御回路７８に出力する。

【００６１】ビーム径のサンプルは複数回の走査を行っ
て採集し、演算回路８４でサンプルの平均値データを算
出する。表示回路で平均値データに基づいて表示器８で
表示するための表示データを作成し、平均値がビーム径
として表示器８に表示される。プリセットカウンタ８３
は、光ビームの一回の測定に用いる走査回数、即ち光ビ
ーム径のサンプル数を設定する。

【００６２】カウント回路の動作基準となるクロックは
クロック発生回路８８によって位相ジッターが付加され
ているので、ランダムな位相ジッターを付加したクロッ
クで計数を行うことで、各サンプルの係数の結果は２つ
の値の一方をとるようにばらつくが、その平均がビーム
径パルスの幅／クロック周期となるように求められるこ
ととなる。従って走査回数を増してサンプル数を増やす
ほどに高精度にビーム径を得ることが可能となる。

【００６３】クロック発生回路８８は基本クロック出力
部とジッター付加部を備えていて、基本クロック出力部
が出力した基本クロックに位相ジッターを付加する。基
本クロックに位相ジッターを付加することで、基本クロ
ックの立ち上がりタイミングがランダムにズレを生じ
る。

【００６４】図６はクロック発生回路８８の詳細を説明
するブロック図である。

【００６５】水晶発振子８８１は５０ＭＨｚの基本クロ
ックを出力する基本クロック出力部である。モノマルチ
ＩＣ８８２、８８３はトリガパルスが入力されると出力
が安定状態から準安定状態に急に移り、接続した抵抗Ｒ
とコンデンサＣの回路定数に従って定まる一定時間後に
出力が安定状態に戻る回路がパッケージされたＩＣであ
る。別名として単安定マルチバイブレータ、ワンショッ
トマルチバイブレータなどとも呼ばれる。位相同期ＩＣ
８８４は基本クロックのクロック入力信号を外部からの
任意のトリガ信号に同期させて出力させる回路をパッケ
ージしたＩＣである。

【００６６】図６のクロック発生回路８８は、基本クロ
ック出力部８８ａとジッター付加部８８ｂを含んでい
る。クロック発生回路８８では、光ビームの一走査毎に
走査トリガ信号がモノマルチＩＣ８８２に入力される。
モノマルチＩＣ８８２は走査トリガ信号を受けると抵抗
ＲとコンデンサＣで設定された時間に渡って準安定状態
となり、本実施の形態ではＨｉレベルの信号を出力す
る。このとき抵抗ＲとコンデンサＣで設定した時間は、
一走査毎にランダムに変動する誤差を含む。

【００６７】２段目のモノマルチ８８３は、位相同期Ｉ
Ｃ８４４を駆動する為のパルス信号ｐを生成する物だ
が、一段目のモノマルチＩＣ８８２が出力した不安定な
タイミングのトリガ信号ｍｍＴｒｇ（図８参照）によっ
て動作をすることとなる。

【００６８】位相同期ＩＣ８８４は水晶発振子８８１が
出力する５０ＭＨｚの基本クロックをモノマルチＩＣ８
８４の出力したパルス信号ｐと同期させて出力する。従
って位相同期ＩＣ８８４の出力はモノマルチＩＣ８８２
のＣＲの誤差によって基本クロックにランダムに位相が
ずれたジッターが付加されたクロック信号（図８参照）
となる。クロック発生回路８８は複数回の走査を行え
ば、走査毎に異なる位相ジッターがランダムに付加され
たクロック信号を出力する。なお、位相ジッターは少な
くともクロックの１周期以上の量でランダムに発生する
ものである必要がある。本実施の形態のクロック発生回
路は水晶発振子８８１により５０ＭＨｚの基本クロック
で動作するので、クロックの１周期は２０ｎｓｅｃであ
る。

【００６９】次に、上記各回路の動作を図７、図８のタ
イムチャートに基づいて説明する。

【００７０】図７は、処理回路７の動作概略を示すタイ
ムチャートである。センサーパネルＳＰを上下動させて
ビームがスリットＳ１の中央部に対応するようマスクパ
ターン形成体４の高さを調節し、ビームを走査すると、
図７の（ａ）に示したような光強度信号がアンプ６から
出力される。ここで、図７の（ａ）は、プリセットカウ
ンタで設定されたｎ回の走査のうち、一回目、二回目、
ｎ回目の出力及び処理回路７の動作に対応している。即
ち、例えば１００回等の設定した回数の測定を行うた
め、測定スタート信号がスイッチやパソコン等の外部か
ら入力されると、毎回の走査毎にトリガ信号ＴＲＩＧが
（ｂ）にしめしたように出力される。２値化回路８０は
この光強度信号を所定の閾値で２値化する。即ち、図７
の（ｃ）のような光強度信号を閾値設定回路７９で設定
した閾値に従って切り出して、光電変換の所要時間に対
応した幅を持つビーム径パルス波を出力する。

【００７１】先に説明したように、クロック発生回路８
８は図７の（ｄ）のようなクロック信号を、一回の走査
毎に異なる位相ジッターを付加して出力している。ゲー
ト回路８１はビーム径パルス波と位相ジッターの付加さ
れたクロックとのアンドをとって、図７（ｅ）に示すよ
うなビーム径に対応した数のサンプルデータパルスを出
力する。本図では、一回目のサンプルは、パルス数４、
２回目のサンプル数はパルス数３、ｎ回目のサンプル数
はパルス数４の例を示してある。

【００７２】プリセットカウンタでｎ回の走査が終了す
ると、サンプリング終了指令パルスを出力する。サンプ
リング終了指令パルスが出力されると、演算回路８４は
図７の例では、一回目からｎ回目までのサンプルの平均
値を演算して、此の平均値が、表示回路８５を介して表
示器８に出力される。

【００７３】図８は位相ジッターを付加したクロックに
よるビーム径パルスの幅のカウント動作を示す図であ
る。ジッターの付加されたクロックｃｌｋは、一発目の
パルス信号ｐと同期していてジッターＪ１の幅だけ基本
クロックに対して位相がずれている。更に二発目のパル
ス信号ｐにより、ジッターＪ２の幅だけ基本クロックに
対して位相がずれる。このようにランダムな位相ジッタ
ーが付加されて位相がずれたクロックと、ビーム径パル
ス波のアンドをとれば、ランダムな位相ジッターを付加
したクロックで計数を行うことで、各サンプルの係数の
結果は２つの値の一方をとるようにばらつくが、その平
均がビーム径パルスの幅／クロック周期となるように求
められることとなる。

【００７４】従って、ランダムな位相ジッターを付加し
たクロックによってビーム径パルス波とのアンドをとれ
ば、例えば、基本クロック部の出力する基本クロックの
５．７倍の幅のビーム径パルス波のサンプルを１００個
とり、該１００個のサンプルの平均値をとれば、平均値
は５．７に収斂するはずである。そしてサンプル数が多
いほどに正確のビーム径が計測できる。また走査方向の
ビーム径も走査直交方向のビーム径も同様に求められ
る。

【００７５】図９は、クロック発生回路８８の他の例を
示すブロック図である。図９で基本クロック出力部８８
ａは図６のクロック発生回路と同様に水晶発振子であ
る。ジッター付加部８８ｂは良く知られたＰＬＬ（フェ
ーズロックループ）回路であり、バイアス電圧と、位相
比較部からの帰還信号が入力されたＶＣＯ８８５にトリ
ガ信号ＴＲＩＧ一発ごとに異なる電圧ノイズを重畳す
る。するとＶＣＯ８８５と水晶発振子８８１ｂの出力を
受けた位相比較部８８６は基本クロックに位相ジッター
を付加して出力する。この位相ジッターが付加されたク
ロック信号によってカウンタ８２を動作させるようにす
ればよい。

【００７６】また、図５の処理回路７では、演算回路８
４はサンプルの平均値を求めて、表示する構成となって
いる。しかし、演算回路はサンプルの合計値を求めて表
示する様にしてもよい。このばあいの合計値はｍ回の走
査によって求めたとすれば、処理回路７でもとめた平均
値のｍ倍の値であるから、光ビームの径を反映したデー
タとなっている。

【００７７】特に、前記合計値が前記ビーム径の１０ⁿ
倍（但しｎは自然数）となる様に走査を実行する回数を
プリセットカウンタ８３に与えておくと良い。この構成
の一例として、例えばビーム走査直角方向のビーム径が
１２０ミクロンで、走査一回当たりのサンプルのパルス
数が平均して６．５個であったなら、１８５回の走査を
行うと、１８５（回）×６．５（個）＝１２０２．５≠
１２０×１０²（但しｎ＝２）となる。この例ではプリ
セットカウンタ８３に走査実行回数を１８５回とセット
しておくと、演算回路の出力を何ら変換することなく直
接表示器８に表示しても簡単にビーム径を知る事ができ
るので、表示回路８５の構成を簡単にする事が可能とな
る。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のビーム径
測定装置によれば、傾斜エッジの傾斜角を適切に設定す
ることにより、複雑な演算手段を用いない簡単な構成で
ビーム走査状態でビーム走査直角方向のビーム強度形状
及び径を正確に測定することができる。また、複雑な演
算手段が不要となるため、安価に製作でき、かつ応答性
の速いビーム径測定も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による光ビーム径測定装置
の構成図である。

【図２】図１中の矢印アの方向からみたセンサーヘッド
の側面図である。

【図３】図２中の矢印イの面を示したセンサーヘッド１
００の正面図である。

【図４】図２中の矢印ウの面を示したセンサーヘッド１
００の正面図である。

【図５】処理回路の詳細を示すブロック図である。

【図６】クロック発生回路８８の一例の詳細を説明する
ブロック図である。

【図７】ビーム径を測定する場合の図５の処理回路の動
作を示すタイムチャートである。

【図８】位相ジッターを付加したクロックによるビーム
径パルスの幅のカウント動作を示す図である。

【図９】クロック発生回路８８の他の一例の詳細を説明
するブロック図である。

【図１０】ビーム径測定の原理を説明するための原理説
明図である。

【符号の説明】

４スリット形成板５フォトダイオード７処理回路７２ａ第一サンプルホールド回路７３ａ第一差演算回路７４ａ第一ビームずれ表示制御回路７２ｂ第一サンプルホールド回路７３ｂ第一差演算回路７４ｂ第一ビームずれ表示制御回路７８ピークホールド回路７９閾値設定回路８０２値化回路８１ゲート回路８２カウント回路８３プリセットカウンタ８４演算回路８５表示回路８６プロファイル出力回路８８クロック発生回路８８ａ基本クロック出力部８８ｂジッター付加部Ｓ１スリットＳＰセンサーパネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査状態の光ビームが通過するスリット
部と、前記スリット部を通過した走査光を受光し光電変換して
通過光量に応じた光量信号を出力する光電変換部と、前記光量信号を２値化して前記光電変換の所要時間に対
応した幅を持つパルス波を出力する２値化部と、前記パルス波の出力中に発生したクロック信号を計数し
て得たカウント値を出力するカウンタ部とを有する光ビ
ーム径測定装置において、前記クロック信号にランダムな位相ジッターを付加する
ジッター付加部と、前記位相ジッターが付加されたクロック信号により前記
計数を複数回行い、複数のカウント値を求めてそれらの
平均値を演算して該平均値をビーム径データとして出力
する演算部とを有する事を特徴とする光ビーム径測定装
置。
【請求項２】走査状態の光ビームが通過するスリット
部と、前記スリット部を通過した走査光を受光し光電変
換して通過光量に応じた光量信号を出力する光電変換部
と、前記光量信号を２値化して前記光電変換の所要時間に対
応した幅を持つパルス波を出力する２値化部と、前記パルス波の出力中に発生したクロック信号を計数し
て得たカウント値を出力するカウンタ部とを有する光ビ
ーム径測定装置において、前記クロック信号にランダムな位相ジッターを付加する
ジッター付加部と、前記位相ジッターが付加されたクロック信号により前記
計数を複数回行い、複数のカウント値を求めてその合計
値を演算して該合計値をビーム径データとして出力する
演算部とを有する事を特徴とする光ビーム径測定装置。
【請求項３】前記合計値が前記ビーム径の１０ⁿ倍
（但しｎは自然数）となる様に前記計数を実行する回数
をプリセットするプリセット部を有する事を特徴とする
請求項２に記載の光ビーム径測定装置。
【請求項４】前記スリット部と前記光電変換部の受光
面とを設けた光ビーム検出部と、前記スリット部が前記光ビームの被測定断面上で回動可
能となるように前記光ビーム検出部を保持するベース部
と、前記光ビームの走査方向に対する前記スリット部の傾き
αを調整可能であって、前記光ビームの走査方向と直交
する方向の径を測定する場合は１／ｓｉｎ（α）≒１０を満たし、前記光ビームの走査方向の径を測定する場合
はα＝９０°とする様に前記光ビーム検出部を調整する
調節部とを有する事を特徴とする請求項１、２又は３に
記載の光ビーム径測定装置。
【請求項５】前記光ビーム検出部の回動の中心を通る
任意の直線と前記光ビームの走査方向が一致した場合に
一致信号を出力する走査方向検出部を有し、前記任意の
直線に対する前記スリット部の傾きβが、１／ｓｉｎ（β）≒１０を満たす事を特徴とする請求項４に記載の光ビーム径測
定装置。
【請求項６】前記走査方向検出部は、前記任意の直線
上に２分割フォトダイオードを少なくとも２つ備えてい
て、それぞれの前記２分割フォトダイオードの２つの受
光面の境界線は前記任意の直線と平行となる事を特徴と
する請求項５に記載の光ビーム径測定装置。