JPH11512187A - 少なくとも５つの自由度の物体に対する位置検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも５つの自由度の物体（２０）の移動を検出する位置検出システム（８０）が放射源（３３）と、第１の測定用サブビーム（４５）及び第２の測定用サブビーム（５０）を形成するビームスプリッタ（３６）と、これら測定用サブビーム（４５，５０）のうちの一方の光路中に配置された反射器（３８）と、複合放射感応検出システム（６０）とを有する。第１の測定用サブビーム（４５）を用いて３つの互いに直交する軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に沿う変位を検出し、第２の測定用サブビーム（５０）を用いてこれらの軸のうちの少なくとも２つの軸を中心とする回転を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】 少なくとも５つの自由度の物体に対する位置検出システム 本発明は、位置検出システムであって、この位置検出システムは直角座標系の ３つの軸に沿う物体の、この位置検出システムに対する変位と、これら３つの軸 のうちの２つの軸を中心とするこの物体の回転とを検出し、前記物体は球状体素 子が設けられている反射性の基準面を有し、位置検出システムは、測定用ビーム を生じる放射源と、球状体素子の曲率中心に集束され、前記の変位を測定する第 １の測定用サブビーム及び基準面上で球状体素子の実質上外部に入射され、前記 の回転を測定する第２の測定用サブビームを形成する光学系と、基準面により反 射され前記光学系を通る測定用サブビームの光路中に配置された放射感応検出シ ステムとを具えており、この放射感応検出システムは第１の測定用サブビームに 対する第１検出器と第２の測定用サブビームに対する第２検出器とを具えており 、前記光学系にはビームスプリッタが設けられている当該位置検出システムに関 するものである。 本発明は又、上述したような位置検出システムが設けられた媒体走査用光学装 置にも関するものである。本発明は更に、位置検出システムや光学装置における 物体として用いられるミラー多角形体（多面鏡）にも関するものである。 上記の言葉“媒体”とは広い意味で解釈すべきであり、例えばテープ状記録担 体、プリンタにおける光感応層、又は電磁放射によって書込みが行なわれ、書込 まれた画像を以って情報を構成する画像表示パネルを含むものである。 デジタル光記録技術が導入されて以来、使用する媒体の蓄積容量を高めて、例 えばデジタルビデオ信号をこのような媒体上に蓄積しうるようにする必要性が高 まりつつある。既知のオーディオディスクやコンパクトディスク（ＣＤ）及びこ れらから派生する媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｉ等では、蓄積容量はこれ ら媒体の情報平面に形成される走査スポットの大きさによって決定され、この走 査スポットが走査装置の解像度、従って情報ディテール、例えば依然として別々 に検出しうる情報ピットの最小寸法を決定する。使用する走査ビームの波長を減 少させるか、或いは走査スポットを形成する対物レンズ系の開口数を高めるか、 或いはこれらの双方を行なうことにより走査スポットの寸法を減少せしめうるも 、このようにするのは制限された範囲内で可能となるにすぎず、蓄積容量を１０ 倍以上に高めることができない。 文献 SPIE，Vol．2338 Optical Data Storage，1994 の第８〜１４頁の論文“ A Compact Optical Tape Recording System”に記載されているように、テープ 状記録担体を用い、このテープ状記録担体をその長手方向で見て光学走査装置に 沿って移動させ、且つ情報をテープ状記録担体の長手方向に対し垂直な方向に延 在する情報トラック内に設けることにより、通常の走査スポットの寸法を保って 、蓄積容量及び走査速度を数桁高めることができる。これらの情報トラックを走 査するために、走査装置は、例えば６つのミラー面、すなわち小平面を有するミ ラー多角形体の形態の走査素子を有する。このミラー多角形体を回転させると、 順次のミラー小平面の各小平面が情報トラックの走査を達成し、従って情報トラ ックの書込み又は読出しが行なわれる。 前記の文献ＳＰＩＥの論文に記載された走査装置では、ミラー多角形体は支承 されており、電磁的に駆動される。５つの自由度のミラー多角形体の位置は連続 的に検出され、必要に応じ補正される。この目的のために、既知の装置は、放射 ビームを発生させ、この放射ビームの一部をビームスプリッタにより、基準面と して機能するミラー多角形体の上面に向けて測定ビームとして反射させるように した位置検出システムを有している。ビームスプリッタと基準面との間には、基 準面の中央部分に設けられた球状体素子の曲率中心に測定ビームの周縁部分を集 束させる特別なレンズが設けられている。この周縁部分が第１の測定用サブビー ムを構成する。第２の測定用サブビームは測定用ビームの中央部分を以って構成 され、この中央部分に対してはレンズがレンズ作用を実行せずにこの第２の測定 用サブビームの主光線のみに第１の測定用サブビームの主光線の方向とは異なる 方向を与える。基準面により反射された第１及び第２の測定用サブビームはビー ムスプリッタを通って第１及び第２検出器にそれぞれ到達し、これら検出器がビ ームを電気信号に変換する。これら検出器の各々は象限検出器、すなわち４つの 異なる象限に配置した４つの検出器片より成る検出器を以って構成されている。 既知の位置検出システムでは、測定用ビーム放射の一部分、例えば半分のみが 基準面の方向に反射されて測定用に用いられ、この放射の他の部分は失われる。 更に、測定用ビームを集束させるのに用いられるレンズは製造するのが困難な極 めて不定形なレンズであり、これによりシステムを高価にする。更に、この検出 システムではＸ及びＹ軸を中心とする回転のみが測定されるものであり、Ｚ軸す なわち所望の走査を達成するためにミラー多角形体を回転させる中心軸を中心と する回転は測定されない。 本発明の目的は、集束に通常のレンズを用いることができ、得られる測定用ビ ーム放射を一層良好に用いるようにした位置検出システムを提供せんとするにあ る。 この目的のために、本発明による位置検出システムでは、前記光学系に更に、 前記ビームスプリッタを通過する前記測定用ビームの部分を前記測定用サブビー ムの一方として前記基準面に向かって反射させる反射器が設けられており、前記 ビームスプリッタは前記測定用ビームの他の部分を他方の測定用サブビームとし て前記基準面に向けて反射させるようになっていることを特徴とする。 この位置検出システムでは、測定用サブビームが特別な形状を有するレンズに よらずビームスプリッタにより形成される為、二重の機能が得られ、特別に形成 するレンズを使用しないですむ。更に、本発明では、測定用ビームの最大放射量 を測定に用いる為、大きな測定信号が得られる。ビームスプリッタは偏光−ニュ ートラルビームスプリッタとすることができるも、放射感応ビームスプリッタと ４分の１波長板との組合わせを以って構成することもできる。 位置検出システムの好適例では、前記第２の測定用サブビームが第３の軸を中 心とする物体の回転をも測定し、この目的のために前記基準面に少なくとも１つ の領域が設けられ、この領域の反射がその周囲の反射と異なるようになっている ことを特徴とする。 この例は特にテープ状記録担体に対する走査装置において重要である。この位 置検出システムはＺ軸、すなわちミラー多角形体の回転軸線を中心とする回転を 表す測定信号をも生じる為、この信号を発生する別の検出システムを用いる必要 がない。 本発明による位置検出システムの例では、前記反射器は、この反射器により反 射された測定用サブビームが前記基準面上にその法線に対し鋭角を成して入射さ れるような、前記測定用ビームの主光線に対する角度で延在しており、反射器に より反射された前記測定用サブビームが前記第２の測定用サブビームであり、ビ ームスプリッタにより基準面に向けて反射される第１の測定用サブビームの光路 中に集光レンズ系が配置されていることを特徴とする。 第２の測定用サブビームは基準面にその法線に対し小さな角度で入射される為 、この第２の測定用サブビームの主光線は基準面によって反射された後に第１の 測定用サブビームの主光線とは異なる方向に進み、従ってこれらビームは検出平 面において充分に分離され、これらビームを別々の検出器に入射させることがで きる。 この例よりも大きな捕獲範囲（キャプチュアレンジ）を有する位置検出システ ムの好適例では、ビームスプリッタのビーム分割面は、このビーム分割面により 反射された測定用サブビームが前記基準面上にその法線に対し鋭角を成して入射 されるような、前記測定用ビームの主光線に対する角度で延在し、ビーム分割面 で反射された前記測定用サブビームが前記第２の測定用サブビームであり、反射 器により反射される第１の測定用サブビームの光路中に集光レンズ系が配置され ていることを特徴とする。 本例では、双方の測定用サブビームがビームスプリッタによる反射後にシステ ムを斜めに通過する為、この前の例に比べて、検出平面内でビームにより形成さ れる放射スポット間の距離が２倍となり、システム中のレンズ素子に関する口径 食が生じることなく捕獲範囲を大きくすることができる。 本発明は、媒体を電磁的に走査する光学装置であって、この光学装置には、動 作中電磁放射スポットにより少なくとも一方向で前記媒体を走査する光学走査装 置と、回転走査素子と、この回転走査素子に対する位置検出システムとが設けら れている当該光学装置にも関するものである。この光学装置では、位置検出シス テムを前述したシステムとし、物体を前記回転走査素子としたことを特徴とする 。 この光学装置は例えば、まず最初に走査レーザビームを用いて符号、記号又は グラフィック表示を光感応層に与え、次にこの光感応層をインク浴中に通し、次 に紙上に印刷を行なうレーザプリンタとするができる。このレーザプリンタでは 、走査スポットが順次のライン上を移動し、放射スポット走査方向に対し垂直な 方向で光感応層をより遅い速度で移動させることにより第１のラインから次のラ インへの遷移が達成される。 この装置は、光導電層を有する少なくとも１つの反射式液晶画像表示パネルが 設けられた画像ディスプレイ装置とすることもできる。表示すべき画像は走査ス ポットによりマトリックスパターンに応じて光導電層を走査することにより書込 まれ、走査スポットを形成するビームは表示すべき画像情報に応じて変調される 。第１方向で高速度で走査を行なうには、前述した高速の走査素子を用い、これ に対する位置は前述した位置検出システムにより制御する。第２方向でより遅い 走査を行なうには他の走査装置、例えば振動ミラーを用いることができる。 本発明では、前記媒体が、光学的に検出しうる情報領域の構造を記録するテー プ状光学記録担体であり、この情報領域の構造はテープ状光学記録担体の長手方 向に対し垂直な第１の方向に延在する情報トラック内に配置されている装置であ って、この装置には、テープ状光学記録担体をその長手方向である第２の方向に 送給するための供給リール及び巻取りリールと、走査ビームを生じる放射源とが 設けられ、前記回転走査素子が回転可能なミラー多角形体を以って構成され、こ のミラー多角形体はその周囲を囲んで配置されたミラー小平面を有し、走査ビー ムを前記第１の方向で走査移動させるようになっている当該装置に対する特別な 適用を見い出した。このミラー多角形体の位置は前述した位置検出システムによ り制御される。 本発明は、前述した位置検出システム又は光学装置における物体として用いる ミラー多角形体であって、このミラー多角形体の側面が反射性の小平面を以って 構成され、測定用の前記基準面として用いられる、このミラー多角形体の上面又 は下面が反射性となっているとともに球状体素子が設けられている当該ミラー多 角形体にも関するものである。本発明によれば、前記基準面に少なくとも１つの 領域が設けられ、この領域の反射がその周囲の反射と異なるようにする。 領域又は１つの細条又は複数の細条のパターンに基準面上で異なる反射特性を 与えることにより、第２の測定用サブビームにより発生される検出器信号が周期 的に変調され、これにより回転速度又は周波数を取り出すことができる。 本発明の上述した及びその他の特徴は以下の実施例に関する説明から明らかと なるであろう。図中、 図１は、光テープを走査する装置の線図を示し、 図２は、この装置に用いる放射源検出ユニットの一実施例を示し、 図３は、この装置におけるミラー多角形体の位置を検査する本発明による光検 出システムの原理を示し、 図４は、基準面上に設けるべき細条パターンの一実施例を示し、 図５は、このパターンにより得られる回転速度信号を示し、 図６及び７は、本発明による位置検出システムの異なる実施例を示し、 図８は、位置検出システムを用いうるレーザプリンタの線図を示し、 図９は、放射によって書込みを行なうことができ且つ位置検出システムを用い ることができる画像表示パネルを有する画像ディスプレイ装置を示す線図であり 、 図１０は、このようなパネルの構成を示す。 図１において、符号１はテープ状記録担体を示す。この記録担体は供給リール ３から固定の案内素子４を通って巻取りリール２に直接送給される。図１の装置 は他のいかなるテープ案内素子も有する必要がない。これら双方のリールは別々 のモータ（図示せず）により駆動される。これらのモータは、テープの張りが一 定に維持されるように駆動させることができる。テープ送給方向を矢印５で示す 。 図１の装置の走査装置は、走査ビームｂを生じる放射源検出ユニット１０と、 例えば平行のこの走査ビームを対物レンズ３０に向けて反射させる回転ミラー多 角形体（回転多面鏡）２０とを有し、対物レンズ３０はビームをテープ上で放射 スポットＶに集束させる。ミラー多角形体は、例えばこのミラー多角形体の回転 軸線に対し平行とした、例えば１０個のミラー小平面ｆ₁〜ｆ₁₀を有する。動作 中この多角形体は矢印２２の方向に回転する。ビームの放射路中に回転する各小 平面、図１では小平面ｆ₂がビームを、テープ送給方向５に対し垂直な矢印２５ の方向で対物レンズの入射ひとみを横切るように動かす。従って、このレンズに より形成される放射スポットＶが、方向５に対し垂直な方向に延在するトラック を走査する。小平面ｆ₁，ｆ₁₀等により、第２，第３等のトラックが順次に走査 される。 ユニット１０から生じてミラー小平面に入射されるビームはミラー多角形体か ら生じる走査ビームによって規定される平面内に位置し、且つ例えば４８°の角 度に亘って移動する走査ビームの中央位置に対し例えば３８°の角度で延在する 。ｆ−θレンズの形態の対物レンズは、例えば１．２５ｍｍの実行焦点距離及び ０．４５の開口数を有する。この場合、走査スポットを例えば垂直方向で１ｍｍ の距離に亘って移動させることができる。従って、テープ送給方向に対し垂直な 方向で１ｍｍの長さを有するトラックに書込んだり、これらトラックを読出した りすることができる。 垂直情報トラックの複数の水平細条をテープ上に書込むことができる。この目 的のために、１ｍｍの長さを有するトラックをまず最初にテープの開始端から終 了端まで書込む。次に、テープの送給方向を反転させ、テープ及び光学系を互い に１ｍｍよりもわずかに長い距離に亘って変位させ、垂直トラックの次の水平細 条を書込む。この場合、１２．７ｍｍの幅を有するテープ上に、情報トラックの １２個の細条を与えることができる。図１の装置は８ｍｍの幅を有するテープに 記録をするのにも適している。書込まれたテープを読出すのは書込みの方法に類 似する方法で行なわれる。この場合、テープから反射されたビームが同じ光路を 逆方向で通って放射源検出ユニットに至る。情報信号と、集束（合焦）エラー信 号と、トラッキングエラー信号とは光オーディオディスク（ＣＤ）プレーヤにお けるのと同様にして得られる。 放射源検出ユニットは、例えば７８０ｎｍの波長を有する高出力ダイオードレ ーザを具えている。対物レンズが０．４５の開口数（ＮＡ）を有する場合には、 コンパクトディスクシステムの分解能に匹敵しうる分解能が得られる。この場合 １ビット／μｍの情報密度を得ることができ、幅が１２．７ｍｍで長さが４２ｍ のテープが５０ゲガバイトの情報を有しうる。 トラック方向の情報密度は例えば０．６μｍ／ビットである為、１トラックは 約１６００ビットを有しうる。ミラー多角形体の公称回転周波数は例えば２００ ０回転／秒である。この場合、１０個の小平面を有するミラー多角形体の走査周 波数は２０ＫＨｚである。１６００ビット／トラックで、３２メガビット／秒の ビットレートが得られる。トラック周期は例えば１．６μｍ程度である。２０Ｋ Ｈｚの走査周波数の場合、読出し及び書込み中のテープ速度は３．２ｃｍ／秒で ある。この速度は比較的遅い為、複雑なテープ送給機構を必要としない。 図２は、放射源検出ユニット１０の実施例の断面図を示す。本例の構成はコン パクトディスクシステムに用いられる構成に類似する。このユニットは、発散ビ ームｂを生じるダイオードレーザの形態の放射源１１を有する。このビームは回 折格子１２により、情報を書込んだり読出したりするのに用いる中央主ビームと 、トラッキングに用いる２つの補助ビーム（図示せず）とに分割される。これら のビームは偏光感応ビームスプリッタ１３を通り且つコリメータレンズ１４によ り平行ビームに変換される。ビームは４分の１波長板１６を介して放射源検出ユ ニットから放出されてミラー多角形体２０に至る。このユニットの長さを減少さ せるための折り曲げ用ミラー１５をコリメータレンズ１４と４分の１波長板１６ との間に配置することができる。必要に応じ、対物レンズ１７とコリメータレン ズ１８とより或る望遠鏡システムを４分の１波長板１６の後方に配置し、ビーム の直径を例えば１．１ｍｍの所望値に減少させることができる。ビームはミラー 多角形体での反射後に対物レンズ３０によりテープ１６上に集束され、主スポッ ト又は走査スポットや２つの補助スポットがこのテープ上に生ぜしめられる。 テープにより反射されたビームは対物レンズ３０を通過した後ミラー多角形体 によりユニット１０に向けて反射され、ビームスプリッタ１３に至るまでこのユ ニットを逆方向で通る。このビームスプリッタ１３でビームは直進ビームの通路 から図面の平面に対し垂直な方向で反射され、放射感応検出システム６０に到達 する。特に主ビームに非点収差を与え得るシリンドリカルレンズ１９をビームス プリッタ１３とシステム６０との間に配置する。このビームは、検出平面内に形 成される主スポットの形状を決定しうる四象限検出器に入射される。この主スポ ットの形状はテープ上のビームの集束程度によって決定される。トラッキングの 場合、本例では、別々の検出器とそれぞれ協同する２つの補助ビームを用いる。 その理由は、このようにすることにより、トラック中の情報ビットの特性に依存 せずに満足なトラッキングエラー検出を実現しうる為である。ミラー多角形体の 小平面はこの多角形体の回転軸線に対し平行である為、補助スポットは主スポッ トが通る通路に対し平行な直線に沿って移動する。従って、コンパクトディスク システムに用いられている標準の３スポットトラッキングシステムを用いること ができる。 図２に示す放射源検出ユニットは複数の可能な実施例のうちの１つにすぎない ことに注意すべきである。このユニットにはコンパクトディスク技術から既知の 種々の方法で変更を加えることができる。例えば集束検出の場合、シリンドリカ ルレンズの代わりに屋根形プリズムを用い、このプリズムによりテープから反射 されたビットを２つのサブビームに分割し、各サブビームが検出器対と協同する ようにすることができる。この場合、関連の検出器対に対する各サブビームの位 置が集束の目安となる。トラッキング信号は２つの補助スポットを用いることに より発生させることができるばかりではなく、走査ビームに対する検出器を２部 分に分割することによりこの走査ビームのみから発生させることもできる。検出 器の信号を互いに減算することにより、トラッキング信号が得られる。この方法 はプッシュ・プル法として知られている。又、ビームスプリッタ１３の代わりに 回折格子を用い、この回折格子によりテープから反射された走査ビームを検出シ ステムに向けて偏向させることができる。この回折格子は２部分に分割するか或 いは非点収差構造を有するようにしうる。 対物レンズ又は走査レンズ３０をアクチュエータ（図示せず）内に配置してこ のレンズが２方向に移動しうるようにし、一方向の移動が集束設定のための作用 をし、他方向の移動がトラッキングのための作用をするようにしうる。平均集束 位置を規定するために、テープを案内素子４を介して送給する。しかし、例えば テープ厚の変動の為にテープ面とレンズ３０との間の距離の低周波変化が依然と して生じるおそれがある。この変化を前記の一方の方向の移動により補償し、レ ンズの焦点面が常にテープ面と一致するようにレンズとテープ面との間の距離を 変えるようにすることができる。この集束制御の帯域幅は極めて小さくすること ができる。レンズ３０の焦点面がテープ面に対して傾いている場合には、集束傾 き補正を行なう必要がある。この目的のために、案内素子を傾き可能な構成を有 するようにしうる。 空テープに書込みを行なう場合、対物レンズを静止状態に固定する。システム は、一定のトラック周期を有する直線トラックに完全に書込みを行なう充分高い 安定性を有する。このシステムでは走査周波数程度の周波数での振動は生じない 。 書込まれたテープを読出す場合、走査スポットと走査トラックとの３つの不所 望な相対移動が生じるおそれがある。第１の移動はトラック方向に対し平行な方 向でのテープの移動である。この移動は問題とならない。その理由は、走査路の 長さがトラックの長さよりも長く選択されるためである。これにより、トラック が常に走査領域内に維持されるようにする。この移動の唯一の影響は、読出され た信号にわずかな遅延が生じるということである。第２の不所望な移動はテープ の送給速度のわずかな変動により生ぜしめられる。これらの変動が平均トラッキ ングエラーとなるおそれがある。このエラーは、テープの読出し及び再書込み中 に、レンズアクチュエータにより可能となるレンズの第２の移動、すなわちこの レンズの後焦点面に対し平行な、好ましくはこの後焦点面内にある軸線を中心と するこのレンズの回転により補償しうる。この軸線はトラックの方向に対し平行 な方向を有する。このようにして、前記のトラッキングエラーを補償する目的で 走査路をトラック方向に対し垂直な方向で変位させることができる。第３の不所 望な移動は走査路に対するトラックの傾きにより生ぜしめられる。これを補償す るために、これに対応してミラー多角形体を傾けることにより走査路を傾けるこ とができる。 このようにして、あらゆる不規則なテープの移動を能動的なサーボ制御により 補償することができる為、極めて正確なテープの案内システムは必要とならない 。テープ送給機構は極めて簡単である。すなわち、テープは一方のリールから１ つの案内素子４のみを経て他方のリールに直接送給される。 ミラー多角形体は電磁的に支承されており、６つの自由度で移動しうる。これ らの移動を検出してこれらの移動を必要に応じ補正しうるようにする必要がある 。本発明は、３つの軸線に沿うミラー多角形体の移動及びこれら軸線のうちの２ つの軸線を中心とする傾きを測定しうる位置検出システムを提供する。このシス テムは、ミラー多角形体の軸線を中心とするこのミラー多角形体の回転を測定す ることもできる。このシステムのセットアップは簡単であり、得られる測定用放 射を有効に用いて最大強度を有する測定信号を得る。 図３は位置検出システム８０の原理を示す。このシステムは、球状体素子２３ （図１参照）が存在するミラー多角形体の側に配置される。図３では、符号３３ が放射ビーム４０を放出するダイオードレーザを示す。このビームはまず最初コ リメータレンズ３５により平行ビームに変換される。次に、ビーム４０がビーム 分割面３７を有する立方体のビームスプリッタ３６に入射され、このビーム分割 面３７が測定用ビーム４０の一部を、多角形体に向かう測定用サブビーム５０と して反射させる。この多角形体を面３１で示しており、この面は図１で見うるも のであり以前に基準面として表されている。この面３１は反射性であり、その中 央には、図１にも示され同じく反射性である半球状体素子２３が設けられている 。ビームスプリッタ３６により反射されない測定用ビーム４０の部分は反射器３ ８に向けてこのビームスプリッタを通過し、この反射器３８がこの部分を基準面 ３１上の球状体素子２３に向かう測定用サブビーム４５として反射させる。この 第１の測定用サブビームは対物レンズ３９により球状体素子２３の曲率中心に集 束される。この球状体素子２３により反射された測定用サブビームは対物レンズ ３９を再び通過し、反射器３８によりビームスプリッタ３６に向けて反射され、 このビームスプリッタがビーム４５の一部を、複数の検出素子を有する放射感応 検出システム６０に向けて反射させる。このビームスプリッタと検出システム６ ０との間には、測定用サブビームを集光ビーム５５に変換するレンズ４１が配置 されている。ミラー多角形体を図面の平面内のＸ方向に、又図面の平面に対し垂 直なＹ方向に移動させると、検出平面内で第１の測定用サブビームにより形成さ れる放射スポットが検出システム６０の検出素子に対してそれぞれＸ及びＹ方向 に移動する。検出素子の出力信号を既知のようにして組合わせることによりこの 移動を測定することができる。シリンドリカルレンズ３４は、図面の平面内のＺ 方向での多角形体の移動を測定するために放射路中に配置されている。このレン ズはダイオードレーザビームを非点収差ビームに変換する。このようなビームは 基準面による反射後検出平面内で放射スポットを形成し、このスポットは、ビー ムが球状体素子２３の曲率中心に集束（焦合）される程度に依存する形状を有す る。ビームがこの曲率中心の点に鮮明に集束されると、すなわち基準面３１が位 置検出システムに対して正しい位置になると、前記の放射スポットは円形となる 。基 準面の位置が所望位置からずれると、すなわちビームが前記の曲率中心で鮮明に 集束されないと、前記の放射スポットは楕円形となる。放射スポットの形状、従 ってミラー多角形体の基準面のＺ方向位置は、検出システム６０内に設けられて いる四象限検出器により既知のようにして検出しうる。 シリンドリカルレンズ３４は、放射源３３とビームスプリッタ３６との間では なく、ビームスプリッタと検出システム６０との間に配置することもできる。又 、ニュートラルビームスプリッタ３６の代わりに偏光感応ビームスプリッタと４ 分の１波長板との組合わせを用いることもできる。この場合、原理的に、基準面 ３１からのすべての放射が検出システム６０に向けて上記の組合わせを通過する 。偏光感応性の又は偏光非感応性の立方体ビームスプリッタを用いる代わりに、 偏光感応性又は偏光非感応性の分離層を有する平行平面板をビーム４０の主光線 に対し４５°の角度で配置することができる。このような平行平面板もビームに 非点収差を導入し、従ってシリンドリカルレンズ３４はもはや不必要となる。 ビームスプリッタにより反射された第２の測定用サブビーム５０は基準面３１ の平坦部分上に平行ビームとして入射される。このビームが基準面により反射さ れ、その一部がビームスプリッタを通過して検出システム６０に到達し、このビ ームも、レンズ４１により集光される。ミラー多角形体及び基準面３１をＸ及び Ｙ軸の双方又はいずれか一方を中心として傾けると、検出平面内で第２の測定用 ビームにより形成される放射スポットがシステム６０の検出素子を横切ってＸ及 びＹ方向の双方又はいずれか一方に移動し、従ってこれらの傾きを測定しうる。 図１で細条２４によって示すように、基準面の平坦部分のある領域又は細条に 、この基準面の他の部分よりも低い又は高い反射係数を与えることにより、第２ の測定用ビームの強度を短期間の間減少又は増大させ、検出システムに対し他の 測定の可能性を与えるようにすることができる。反射係数の相違する１つの領域 が存在する場合には、第２の測定用ビームの強度はミラー多角形体の１回転当た り１回増大又は減少し、このビームにより発生された検出器信号が１回転当たり 最大又は最小値を有するようになる。前記の領域又は細条は暗色領域又は暗色細 条を以って構成するか、或いは粗面化により又は格子を設けることにより得た拡 散領域を以って構成することができる。この領域の寸法は、最大効果が得られる よ うに第２の測定用サブビームの断面積に等しくするのが好ましい。 基準面の平坦部分上には、１つの領域又は細条の代わりに、複数の径方向に変 化する細条又はラインを設けることができる。この場合、第２の測定用サブビー ムによって発生される検出器信号は１回転当たり対応する個数の最小値又は最大 値を有する。この場合、ミラー多角形体の相対的な回転角度を測定しうる。細条 の個数は、回転角度を測定する必要がある所望の精度及び第２の測定用サブビー ムにより基準面上に形成される放射スポットの寸法によって決定される。各細条 は暗色ライン又は拡散用の溝を以って構成することができる。 回転速度を測定する目的では、基準面における反射係数を相違させる１つの細 条又は複数の細条を設ける代わりに、３６０°に亘って反射係数が単調に線形的 に変化するように基準面を構成することができる。この場合、検出器信号は１回 転に相当する周期を有するのこぎり波状信号となる。暗色程度を直線的に変える か、或いは基準面にその３６０°に亘って細条を設ける場合、細条の密度を直線 的に変えることにより、反射係数を直線的に増大又は減少させることができる。 図４は、回転速度を測定するために基準面上に設けた細条パターンを示し、こ れは、前記の文献ＳＰＩＥ，ＶＯＬ２３３８，Optical Data Storage，１９９４ の第８〜１４頁の論文“Ａ Compact Optical Tape Recording System”に記載さ れた多角形体駆動モータであって、各層当たり４つの磁気コイルを有する２つの 層が設けられているモータと組合わせるのに特に適している。図４に示すように 、細条構造は細条の２つの群８５及び８６を有し、各群は１８０°に亘って延在 している。各群では、細条８７の密度は最初増大させてゆき、次に減少させてい く。このような細条パターンが第２の測定用ビームの下で回転すると、このビー ムの強度が変化し、従ってこのビームにより図５に示すような検出器信号が発生 される。この図５においては、時間ｔが横軸にプロットされ、検出器信号Ｓ₀の 値が任意の単位で縦軸にプロットされている。縦線８３及び８４間の時間間隔が １回転に相当する。正弦波信号Ｓ₀はその符号を１回転中４回変化させる。この 信号はＳＰＩＥの前記論文に記載された多角形体のモータを直接駆動するのに極 めて適している。 本発明による位置検出システムでは、第１の測定用サブビーム４５を用いて３ つの軸Ｘ，Ｙ及びＺに沿う変位を検出し、第２の測定用サブビーム５０を用いて これら３つの軸を中心とする回転を測定するものであり、この場合ビームスプリ ッタによって反射される放射とビームスプリッタを透過する放射との双方を用い る。この場合、ミラー多角形体の相対的回転角を測定する個別の検出システムは もはや必要でなくなる。 第１及び第２の測定用サブビームを互いに分離させるために、図６の実施例を 用いる。本例では、第１の測定用サブビーム４５をビームスプリッタ３６により 球状体素子２３に向けて反射させ、第２の測定用サブビーム５０をビームスプリ ッタに通して反射器３８に向ける。この反射器はビーム４０の主光線に対し４５ °とは異なる角度で配置し、第２の測定用サブビーム５０が９０°とは異なる角 度で基準面３１に入射されるようにする。この基準面により反射されたビーム５ ０はシステムを斜めに通過して検出システム６０に至るものであり、このビーム はレンズ４１により検出平面上で放射スポット６２に集束される。第１の測定用 サブビーム４５は球状体素子に垂直に入射され、反射されたビーム４５はレンズ ４１により検出平面内で放射スポット６３に集束される。ビーム４５はシステム をまっすぐに通過し、ビーム５０はシステムを斜めに通過し、特にこれらビーム ４５及び５０はレンズ４１にそれぞれ垂直及び斜めに入射し、放射スポット６２ 及び６３は互いに分離される為、これらビームに対する別々の検出器を互いにあ る距離だけ離して配置することができる。 種々の測定用信号に対する捕獲範囲を充分に大きくするためには、システム６ ０の検出素子が所定の寸法を有し、放射スポット６２及び６３が互いに充分に離 間されるようにする必要がある。レンズ４１の位置におけるビーム４５及び５０ 間の距離が長くて口径食がこのレンズで生じるのを回避するために、図７の実施 例を用いるのが好ましい。 本例ではその大部分が図３の例に対応するも、本例ではビームスプリッタ３６ が放射路中で斜めに配置され、ビーム分割面３７がビーム４０の主光線に対し４ ５°とは異なる角度で延在するようにしている。これにより、ビームスプリッタ により反射される第２の測定用サブビーム５０が基準面３１の平坦部分上に９０ °とは異なる角度で入射されるようになる。従って、反射されたビーム５０はシ ス テムを斜めに通過し、レンズ４１がシステム軸線の左側に位置する放射スポット ６２に集束させる。第１の測定用サブビーム４５は球状体素子２３に垂直に入射 される。反射されたビーム４５はビームスプリッタ３６の分離面３７上に斜めに 入射され、従って右側に偏向され、このビームもレンズ４１に斜めに入射される 。その結果、このビームにより検出平面内に形成される放射スポット６３はシス テム軸線の右側に位置する。従って、放射スポット６２及び６３は、充分に大き な捕獲範囲が得られる程度に互いに分離され、ビーム４５及び５０は依然として レンズ４１のエッジから充分離れてこのレンズに入る。 検出システム６０は図７の上部に底面図で示してある。この検出システムは２ つの象限検出器７０及び７５を有し、これら検出器はそれぞれ検出素子７１，７ ２，７３，７４及び７６，７７，７８，７９を有する。検出素子７１，７２，７ ３及び７４の信号をａ，ｂ，ｃ及びｄで表し、検出素子７６，７７，７８及び７ ９の信号をｐ，ｑ，ｒ及びｓで表すと、Ｘ，Ｙ及びＺ方向の変位量Ｍ_x，Ｍ_y及び Ｍ_zは Ｍ_x＝（ｐ＋ｓ）−（ｑ＋ｒ） Ｍ_y＝（ｐ＋ｑ）−（ｒ＋ｓ） Ｍ_z＝（ｐ＋ｒ）−（ｑ＋ｓ） で与えられ、Ｘ，Ｙ及びＺ軸を中心とする回転量φ_x，φ_y，φ_zは φ_x＝（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ） φ_y＝（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ） φ_z＝ ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ で与えられる。ここで、信号φ_zは例えば、反射係数が減少されている細条がビ ーム５０の下側を通過している個所で飛上がりを有しているか或いはこの信号は 正弦波状の変化を有する。 ビームスプリッタ３６は図７に示すようにＹ軸を中心として傾けるのではなく 、ビーム４０の主光線を中心として傾けて放射スポット６２及び６３が互いに充 分に離れるようにすることもできる。 本発明はテープ走査装置に用いるばかりではなく、６つの自由度で移動しうる 回転ミラー多角形体を用いたいかなる走査装置にも用いることができる。その例 としては、レーザプリンタ及び画像ディスプレイ装置がある。 図８はレーザプリンタ９０の原理を示す。このようなプリンタでは、まず最初 に走査用のレーザビームによって光感応層に書込みが行なわれる。次に、この層 をインク浴中に通し、次に紙への印刷が行なわれる。光感応層９２は、順次のラ インを描くために軸９３を中心に回転するロール９１に巻くことができる。ライ ン走査は、例えば６つの反射小平面ｆを有するミラー多角形体２０の回転により 達成される。符号３０は例えばこの場合もｆ−θレンズとする対物レンズを示し 、このレンズにより、放射源１１、例えば高出力ダイオードレーザから生じてミ ラー小平面により反射された放射を光感応層９２上で放射スポットＶに集束させ る。レーザビームの強度は、ダイオードレーザを流れる電流を変調することによ り或いは個別の変調器、例えば音響光学変調器又は電気光学変調器９６により、 書込むべき情報に応じて変調される。６つの自由度のミラー多角形体の位置を検 出するために、プリンタには図３，６及び７につき説明したようにして構成した 位置検出システム８０が設けられている。 図９は、画像ディスプレイ装置１００の線図であり、画像は反射性で、放射感 応性、すなわち放射によるインスクライブが可能な画像表示パネル１１０により 発生される。画像プロジェクション装置にこのようなパネルを用いることは欧州 特許出願第 0,517,517号明細書に開示されている。通常のアクティブマトリック スパネルに比べた、放射によるインスクライブが可能なパネルの利点は、これに より光の効率を高めることができるということである。その理由は、パネルの表 面上に電子スイッチ及び導通電極のマトリックスを設ける必要がなく、このパネ ルはいかなる放射も殆ど吸収しない為である。 図１０は、放射によるアドレス可能なパネル１１０の構造を示す。このパネル は書込み放射１３０の側から見て、例えばガラスより成る第１透明基板１１１と 、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を以って構成するのが好ましい透明導電性層１ １２と、暗やみ中で高抵抗を有し、露光されると導電性が良くなり、シリコンを 以って構成するのが好ましい光導電性層１１３と、光遮断可能層１１４と、４分 な１波長の厚さを有する誘電体層積層体を以って構成するのが好ましい光反射層 １１５と、第１配向層１１６と、液晶材料層１１７と、第２配向層１１８と、第 ２ 透明導電性層１１９と、第２透明基板１２０とを有する。 このパネルは、放射源、好ましくはレーザとビーム整形光学系とを収容するユ ニット１２５から生じる書込みビーム１３０によりライン順次に走査され、表示 すべき情報、例えばビデオ信号がレーザに与えられ、従ってレーザビームはこの 情報に応じて強度変調される。レーザビーム１３０は高速回転するミラー多角形 体２０に入射され、次に、より一層低速で動かされ、例えば振動平面ミラー又は 他のミラー多角形体より成る走査素子１３１に入射される。この走査素子１３１ はビームをパネル１１０に向けて反射させる。ミラー多角形体２０は、パネルの 光感応層上に形成される放射スポットがラインを描くように集光ビーム１３０を 反射させる。走査素子１３１はライン方向に対し垂直な方向にこの放射スポット を比較的ゆっくり移動させる。従って、パネル１１０の光感応層１１３は２方向 で走査され、画素の二次元マトリックスが書込まれる。書込みビームにより画像 表示パネルを走査するのにミラー多角形体を使用することは、特開昭６２−５６ ９３１号の英文抄録から既知である。 電極１１２及び１１９は電圧源１２１に接続されている。光導電性層が暗くな っている限り、電極１１２は液晶材料層１１７から分離されている。高強度レベ ルで切換わるビーム１３０が順次に入射される光導電性層１１３のいかなる位置 においても、この層は導電性となり、液晶材料層にまたがって電界が局部的に生 じ、この層における分子の配向が局部的に変化し、従って左側から入射される読 出し又はプロジェクションビーム１４５の対応部分の偏光状態が変化する。この 偏光の変化が既知のように偏光検光子により、パネルから反射されるビーム１４ ６中の強度変化に変換される。 図９に示すように、書込みシステムを有するパネル１１０は画像プロジェクシ ョン装置に用いることができる。この装置には、放射源１４０及びビーム整形光 学系１４１を有する照明ユニットが設けられ、このユニットが照明ビーム１４５ を供給する。このビームが偏光感応ビームスプリッタ１４２を介してパネル１１ ０を照明する。このパネル中に形成された画像は、このパネルにより反射された ビーム１４６及びプロジェクションレンズ１４３によりプロジェクションスクリ ーン１４４上に投写される。 書込みシステムを有するインスクライブ可能なパネルは、視聴者がこのパネル を直接見る直視式装置に用いることもできる。 ６つの自由度のミラー多角形体２０の移動を決定するために、図３，６及び７ につき前述した位置決定システム８０を用いることができる。 １つの走査レーザビームにより又はカラー画像の場合３つのレーザビームによ りプロジェクションスクリーン上に又はスクリーンとして機能する壁面上に画像 を直接書込む（投写する）レーザテレビジョンとして既知の画像ディスプレイシ ステムにおいても、ミラー多角形体に対する位置検出システムを用いることがで きる。レーザテレビジョン装置は例えば欧州特許出願第 0,374,857号明細書に記 載されている。このような装置では、走査を高速度で行なう必要がある為、この 場合も前記の文献ＳＰＩＥの論文に記載されているように高速度で回転し真空中 で自由に浮動する小型のミラー多角形体を用いるのが好ましい。レーザテレビジ ョン装置におけるミラー多角形体の位置も高精度で決定する必要があり、この場 合も本発明による位置検出システムを用いることができる。 本発明は、レーザ走査を用いるヘッドマウント式又はヘルメットマウント式デ ィスプレイに採用することもできる。このようなディスプレイでは、表示すべき 情報によって変調された単色又は多色ビームをユーザの目上で走査する。ヘッド マウント式ディスプレイは例えばＰＣＴ特許出願９３／２３７８３号、欧州特許 出願第０４７３３４３号及び第０５６２７４２号に開示されており、ヘルメット マウント式ディスプレイは米国特許第 5,091,719号に開示されている。これらの ディスプレイでは、走査を高速度で行なう必要がある為、高速度で回転するミラ ー多角形体をこれらのディスプレイに用いるのが好ましい。小型で軽量なミラー 多角形体の位置は最大の精度で決定する必要がある為、本発明をこれらのディス プレイにも用いて有利である。 本発明の他の利用分野は、対物レンズにより形成されるシーン又は被写体の画 像を１つの検出器又は複数の検出器の列を横切るように移動させる走査式カメラ 、特に赤外線カメラの分野である。このようなカメラは例えば米国特許第3,706, 484 号明細書に開示されている。高速回転ミラー多角形体は検出器を横切るよう に画像をライン順次に移動させるのに用いる。本発明による位置検出システムは こ の多角形体の位置を測定するのに用いて極めて有利である。 ミラー多角形体は、物体又はワークピースをインスペクトする装置においても その製造中又はその製造後に用いられ、例えば物体上のコード、例えばバーコー ドを読取るのに用いられる為、本発明による位置検出システムをこれらの装置に 用いることもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．位置検出システムであって、この位置検出システムは直角座標系の３つの軸 に沿う物体の、この位置検出システムに対する変位と、これら３つの軸のうちの ２つの軸を中心とするこの物体の回転とを検出し、前記物体は球状体素子が設け られている反射性の基準面を有し、位置検出システムは、測定用ビームを生じる 放射源と、球状体素子の曲率中心に集束され、前記の変位を測定する第１の測定 用サブビーム及び基準面上で球状体素子の実質上外部に入射され、前記の回転を 測定する第２の測定用サブビームを形成する光学系と、基準面により反射され前 記光学系を通る測定用サブビームの光路中に配置された放射感応検出システムと を具えており、この放射感応検出システムは第１の測定用サブビームに対する第 １検出器と第２の測定用サブビームに対する第２検出器とを具えており、前記光 学系にはビームスプリッタが設けられている当該位置検出システムにおいて、 前記光学系に更に、前記ビームスプリッタを通過する前記測定用ビームの部 分を前記測定用サブビームの一方として前記基準面に向かって反射させる反射器 が設けられており、前記ビームスプリッタは前記測定用ビームの他の部分を他方 の測定用サブビームとして前記基準面に向けて反射させるようになっていること を特徴とする位置検出システム。 ２．請求の範囲１に記載の位置検出システムにおいて、前記第２の測定用サブビ ームが第３の軸を中心とする物体の回転をも測定し、この目的のために前記基準 面に少なくとも１つの領域が設けられ、この領域の反射がその周囲の反射と異な るようになっていることを特徴とする位置検出システム。 ３．請求の範囲１又は２に記載の位置検出システムにおいて、前記反射器は、こ の反射器により反射された測定用サブビームが前記基準面上にその法線に対し鋭 角を成して入射されるような、前記測定用ビームの主光線に対する角度で延在し ており、反射器により反射された前記測定用サブビームが前記第２の測定用サブ ビームであり、ビームスプリッタにより基準面に向けて反射される第１の測定用 サブビームの光路中に集光レンズ系が配置されていることを特徴とす る位置検出システム。 ４．請求の範囲１又は２に記載の位置検出システムにおいて、ビームスプリッタ のビーム分割面は、このビーム分割面により反射された測定用サブビームが前記 基準面上にその法線に対し鋭角を成して入射されるような、前記測定用ビームの 主光線に対する角度で延在し、ビーム分割面で反射された前記測定用サブビーム が前記第２の測定用サブビームであり、反射器により反射される第１の測定用サ ブビームの光路中に集光レンズ系が配置されていることを特徴とする位置検出シ ステム。 ５．媒体を電磁的に走査する光学装置であって、この光学装置には、動作中電磁 放射スポットにより少なくとも一方向で前記媒体を走査する光学走査装置と、回 転走査素子と、この回転走査素子に対する位置検出システムとが設けられている 当該光学装置において、 前記位置検出システムが請求の範囲１〜４のいずれか一項に記載の位置検出 システムであり、前記物体が前記回転走査素子であることを特徴とする光学装置 。 ６．請求の範囲５に記載の光学装置において、前記媒体が、光学的に検出しうる 情報領域の構造を記録するテープ状光学記録担体であり、この情報領域の構造は テープ状光学記録担体の長手方向に対し垂直な第１の方向に延在する情報トラッ ク内に配置され、前記光学装置には、テープ状光学記録担体をその長手方向であ る第２の方向に送給するための供給リール及び巻取りリールと、走査ビームを生 じる放射源とが設けられ、前記回転走査素子が回転可能なミラー多角形体を以っ て構成され、このミラー多角形体はその周囲を囲んで配置されたミラー小平面を 有し、走査ビームを前記第１の方向で走査移動させるようになっていることを特 徴とする光学装置。 ７．視覚的に読取りうる符号をラインパターンに応じて放射感応層に書込む請求 の範囲５に記載の光学装置において、この光学装置に、書込みビームを生じる放 射源と、書込むべき情報に応じて前記書込みビームを変調する手段とが設けられ 、前記回転走査素子によりライン走査が行なわれ、この回転走査素子は回転可能 なミラー多角形体を以って構成され、このミラー多角形体はその周囲を 囲んで配置されたミラー小平面を有し、走査スポットをライン方向で走査移動さ せうるようになっていることを特徴とする光学装置。 ８．光導電層が設けられた反射性の画像表示パネルに電磁的に書込みを行なう請 求の範囲５に記載の光学装置において、この光学装置に、書込みビームを生じる 放射源と、書込むべき情報に応じて書込みビームを変調する手段とが設けられ、 前記回転走査素子は前記光導電層をライン順次に走査するものであり、この回転 走査素子は回転可能なミラー多角形体を以って構成され、このミラー多角形体は その周囲を囲んで配置されたミラー小平面を有し、走査ビームをライン方向に走 査移動させるようになっていることを特徴とする光学装置。 ９．プロジェクションスクリーンまたはスクリーンとして機能する面上にライン パターンに応じて可視画像を書込む請求の範囲５に記載の光学装置において、こ の光学装置に、書込みビームを生じる放射源と、書込むべき情報に応じて書込み ビームを変調する手段とが設けられ、前記回転走査素子は前記スクリーンをライ ン順次に走査するものであり、この回転走査素子は回転可能なミラー多角形体を 以って構成され、このミラー多角形体はその周囲を囲んで配置されたミラー小平 面を有し、書込みビームをライン方向に走査移動させるようになっていることを 特徴とする光学装置。 10．シーンの画像を電気信号に変換する請求の範囲５に記載の光学装置において 、前記媒体が放射感応検出器であり、前記回転走査素子は前記検出器を横切るよ うに前記画像をライン順次に移動させるものであり、この回転走査素子は回転可 能なミラー多角形体を以って構成され、このミラー多角形体はその周囲を囲んで 配置されたミラー小平面を有し、前記画像をライン方向に移動させうるようにな っていることを特徴とする光学装置。 11．請求の範囲１〜４のいずれか一項に記載の位置検出システム又は請求の範囲 ５〜１０のいずれか一項に記載の光学装置で物体として用いられるミラー多角形 体であって、このミラー多角形体の側面が反射性の小平面を以って構成され、測 定用の前記基準面として用いられる、このミラー多角形体の上面又は下面が反射 性となっているとともに球状体素子が設けられている当該ミラー多角形体におい て、 前記基準面に少なくとも１つの領域が設けられ、この領域の反射がその周囲 の反射と異なるようになっていることを特徴とするミラー多角形体。 12．請求の範囲１１に記載のミラー多角形体において、前記基準面の反射は３６ ０°に亘って単調に連続的に変化するようになっていることを特徴とするミラー 多角形体。 13．請求の範囲１１に記載のミラー多角形体において、前記基準面には３６０° に亘って細条のパターンが設けられ、これら細条の反射はこれらの周囲の反射と は異なるようになっており、前記パターンは２つのサブパターンに分割され、各 サブパターンは１８０°に亘って延在し、各サブパターンの細条密度は変化して いることを特徴とするミラー多角形体。 14．レーザビーム走査によりユーザの目に画像を与える請求の範囲７に記載の光 学装置において、この光学装置がヘッドマウント式装置であり、この装置に、レ ーザビームを生じるレーザ源と、与えるべき画像に応じてレーザビームを変調す る手段とが設けられ、走査装置は目をライン順次に走査するものであることを特 徴とする光学装置。