JPS5981617A - 光学走査装置に用いるビ−ム位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は照準した放射エネルギ・ビームを用いた光学走
査装置に関係し、特にそれに用いろビーム位置検出装置
に関係する。

近年、複写器、ファクシミリ送信装置、レーザー記録投
射装置のような光学走査装置が広範囲に用いられ、その
−例は１９８２年８月１７日のＲ，Ｏ，ＴｓａｉとＷ、
　、Ｔ、　Ｋｉｄｗｅｌｌに出された米国特許第４．６
４５，２５８号に開示されている。これらの走査装置で
は、標準的にはレーザー発生光である照準光吹がガルバ
ノメータ取付鏡により表面上を走査される又は偏向され
る。このような装置では、ビームが表面を走査する間そ
の瞬間位置を決定可能であることがしばしば必要である
。それ数本発明の主要な目的は光学走査装置に用いるビ
ーム位置検出装置を提供することである。

従来の方法の１つは、主ビームと同期したグレーティン
グ上を走査する１対のビームを用いろことである。２本
のビームはグレーティングの面に収束されて、この面で
グレーティング周期の４に等しい距離だけ分離される。

主ビームが第１方向へ移動していると、２本のビームの
内の一方がまずグレーティングにより阻止され、主ビー
ムが反対方向に移動していると、２本のビームの内の他
方がまずグレーティングにより阻止される。２本のビー
ムは別々の検出素子、例えば異なる周波数で検出され、
検出素子の出力を解釈して移動方向を決定すると共に計
数パルスを発生して増分距離を与える。このような装置
は有効ではあるが、実装は困難かつ高価であり、２本の
精密に位置決めしたレーザー光線を必要とする。加えて
、このような装置はグレーティングの劣化による雑音を
受けやすい。従って本発明の別な目的は比較的安価で実
装が簡単なビーム位置検出装置を提供することである。

以上の及び他の目的は、放射エネルギの第１照準ビーム
と第１ビームを横切る所定路に沿って第１ビームを偏向
させる走査装置とを有する光学走査装置に用いるビーム
位置検出装置を提供することにより本発明の原理に従っ
て達成される。位置検出装置は第１焦点距離を有する第
ルンズと第２焦点距離を有する第２レンズとを含む。第
１及び第２のレンズは、レンズの光軸が一致し、かつ第
ルンズの後焦点面と第２レンズの前焦点面とが一致する
ように位置決めされている。この装置は、第１ビームと
同期して走査する放射エネルギの第２照準ビームを発生
し、光軸の第ルンズの前焦点面が第２ビーム走査装置の
中心に来るように配置されている装置をさらに含む。平
面状のグレーティング部材は第ルンズの後焦点面と第２
レンズの前焦点面との一致面から一定距離はなれた第１
、第２レンズ間に配置され、この平面状グレーティング
部材は光軸に対して実質的に直角で、かつ第２ビーム走
査方向に対して実質的に直角な複数本の等間隔平行線要
素を有している。１対の放射エネルギ感光素子が第２ビ
ーム走査方向に対して光軸の両側の第２レンズの後焦点
面に配置されている。

本発明の特徴によると、第２ビーム発生装置は偏向第１
ビームの少なくとも一部をビーム位置検出装置へ回ける
装置を含んでいる。

本発明の別な特徴によると、グレーティング部材は第２
レンズの前焦点面と第２レンズとの間にある。

本発明の他の特徴によると、放射エネルギ感光素子は各
々光軸から等距離にある。

以上は図面と関連して以下の説明を読むことにより容易
に明らかとなる。

図面を参照すると、異なる図面で同様の素子は同じ参照
文字が与えられており、第１図は本発明の原理を用いた
１次元ビーム位置検出装置を概略的に図示する。図示の
装置は第ルンズ１２と第２レンズ１４を含む。図示用に
レンズ１２．１４はテレセントリック糸用であるのが図
示されているが、他の型式のレンズも使用できる。レン
ズ１２．１４はその光軸が（線１６に沿って）一致する
ように配置されている。第ルンズ１２Ｇｉ焦点長Ｆ１で
第２レンズ１４は焦点長Ｆ２を有する。

第ルンズ１２の後焦点面と第２レンズ１４の前焦点面は
（線１８に沿って）一致するようにレンズ１２．１４は
位置決めされている。この装置はさらに一致焦点面１８
から距離りの所に配置された平面状のグレーティング部
材２０を含む。第１因に示すように、グレーティング部
材２０番才紙面に直角に延びる複数本の等間隔平行線状
要素又はバー２２を有する。バー２２の各々の幅は隣接
するバー間の間隔に等しく、又バー２２は第１図に示す
ようにＰで指定する間隔周期を有する。

例示的にはガルバノメータ取付鏡である走査機構２４は
レンズ２４の入口どう孔内に配置されているため、その
走査中心は光軸（文字、１で記す）上の第２レンズ１４
の前焦点面上にある。光源２６は走査機構２４へ向けら
れた放射エネルギの照準ビームを与える。光源２６はレ
ーザーでよい。

走査機構２４はその位置を検出したいビームと同期して
動作する。（第３図を参照して以下に示すように、この
ビームは主ビームの一部を第１図の装置へ向けることに
より得られる。）位置検出装置は又走査方向に対して光
軸１６の対向面上の第２レンズ１４の後焦点面に配置さ
れた１丸の放射エネルギ感光素子２８．３０を含む。放
射エネルギ感光素子２８．３０は光源２６により発生さ
れたビームの特別な放射エネルギに感光し、公知のよう
に感光する放射エネルギの入射に応答して出力信号を利
用装置３２へ与える。

当該技術において公知のように、レンズとその位置決め
の特別な選択のため、ｄ−ｈは入口どう孔ａ−ｅの像で
ある。従って、走査機構２４が点１のまわりに枢動する
と、第２レンズ１４を出た照準ビームは点ｍのまわりに
枢動するが、走査機構２４が移動しなければ走行しない
。グレーティング部材２０が一致焦点面から距Ｎｕ　Ｄ
だけずれている結果として、光線ａ−ｂ−ｃ−ｄはグレ
ーティング２０のバーにより阻止され、一方光線θ−ｆ
−ｇ−ｈはセンサ２８に到達する。走査機構２４が時計
回り方向に枢動するにつれて、光！ａ−ｂ−ｃ−ｄとｅ
−ｆ−ｇ−ｈの両方がグレーティング・バーにより阻止
され、走査機構２４がさらに枢動するにつれて光源ａ　
−ｂ　−ｃ　−ｄはセンサ３０に到達し、一方光線ｅ−
ｆ−ｇ−ｈはグレーティング・バーにより阻止されてい
る。走査機構２４をざらに時計回り方向に枢動させると
、光線ａ−ｂ−ｃ−ｄとｅ−ｆ−ｇ−ｈの両方がその各
各のセンサ３０，２８に到達する。この結果を得るため
、グレーティング部材２０を一致焦点面１８から偏位さ
ぜる距離りは、グレーティング・バーが実質的に全ビー
ムを阻止するように選択されている。この距離りは以下
のように計算される、Ｄ＝ＦＮＸＰ／２ ここではＰはグレーティング・バーの周期で、ＦＮはレ
ンズ１２のｆ番号で、これは装置入口どう孔に対するレ
ンズ１２の焦点距離Ｆ１の比として定義されろ。従って
、グレーティング部材２０がインチ（２，５４ｃＩｎ）
当り３００Ｍでレンズ１２のｆ番号が６に等しい場合、
グレーティング部材２０を一致焦点面１８から偏位させ
る距離りは上記公式より１０ミルと計算される。

センサ素子２８，３０に対する光入射の上記シーケンス
は第２ＡＩ２Ｂ、２０．２Ｄ図に図示され、ここで暗い
バンドは光の阻止を表わしている。

第２Ａ図から第２Ｄ図は第１図の右側からセンサ素子２
８．３０の方向へ見た場合に何が見えるかを表わし、暗
いバンドはグレーティング部材２０のグレーティング・
バー２２による照準ビームの阻止を表わす。第２Ａ図か
ら第２Ｄ図に示すシーケンスはビームが下方へ移動する
場合、すなわち走査機構２４が時計回り方向へ移動する
場合を表わす。第２Ａ図に示す第１段階は、ビームがグ
レーティング部材２０のバー２２間を通過する場合であ
る。従って、センサ素子２８．３０の両方がビームから
の放射エネルギに露光される。走査機構２４０時計回り
枢動のためビームがグレーティング部材２０の下へ移動
するにつれ、第２Ｂ図に示すようにセンサ３０は入射光
から阻止されてくる。次いで、第２０１１に示すように
、センサ素子２８．３０の両方で輻射線が入射すること
を阻止される。第２Ｄ図に示すように、最終段階はセン
サ素子３０には輻射線が入射し一部センサ素子２Ｂには
そうなっていない段階である。これらの段階は繰返し、
次の段階は第２Ａ図に示すものである。プログラム済コ
ンピュータ又はハードヮイヤド回路である利用装置３２
（第１図）はセンサ素子２８．３０により発生された信
号を受信し、センサ２８．３０からの信号間の位相相胸
を試験することによりビームの移動方向を決定する。従
って、センサ２８．３０からの信号が２進形式でディジ
タル化された場合、その出力はビームの移動方向を決定
するために試験可能な２ビツト・グレイ・コードを表わ
す。加えて、利用装置３２はセンサ素子２Ｂ、３０から
の信号に応答するアップ／ダウン・カウンタを含み、ビ
ームの絶対位置を得るためのカウントを累計可能である
。

第１図はグレーティング部材２０が一致焦点面１８と第
２レンズ１４間にある場合を示している。

本発明の原理はグレーティング部材２０が第２レンズ１
４と一致焦点面１８との間にある時にも適ＪＨでき、焦
点面１８からの距離は上述のように計示すシーケンスと
は反対となり、利用装置３２はそれに従って配置される
。

グレーティング部材２０が一致焦点面１８から偏位して
いる上述の配置は、グレーティング部材２０の焦点を外
してグレーティング劣化の効果を大きく減少させる。

第１図を参照して記述した装置は別々のビーム源２６を
示している。実際の光学走査装置に適用する時には、主
ビームの一部を検出装置へ向けることにより検出ビーム
を発生することが望ましい。

この検出ビームは本質的に主ビームと同期している。第
１図に図示したような検出装置を含む２次元走査装置が
第３図に図示されている。第３図に図示する光学走査装
置は上述の米国特許第４，３４５，２５８号開示の型式
を図示するもので、該特許の開示は引用により本明細書
に完全に記述されたものとして含まれる。要約すると、
図示装置ｉ１Ｇ；ｉ：、ｒＰＪ及び「Ｓ」偏光面のその
エネルギ分布が半波長後退板５２により制御されるレー
ザー５０からの変調レーず−ビームを用いた投影表示装
置である。レーザービームはＸ及びＹ軸に沿って偏向さ
れ、ダイクロニック偏光キューブ５４を通過し、この偏
光キューブはビームを分割してＰチャネル・スメトリッ
ク液晶セル５６とＳチャネル・スメトリック液晶セル５
８上に焦点を合せて表示セルの一方又は両方に像を選択
的に形成する。

同時に、第２のダイクロニック・キューブ６２により２
色光ビームに分割され、表示セルの各々の像の後に光を
当てるよう反射されるランプ６ｏからの光を用いて形成
された像が投影される。投影ビームは次いで第１のダイ
クロニック・キューブ５４へ戻って通過し、ここで再結
合されて投影レンズ系６４から適当な表示スクリーンへ
通過していく。表示セル５６．５８のどちらがの情報を
選択的に消去するため、交流バイアスをレーサ゛−走食
の間表示セルにｒ：＋７加する。上述の操作はプログラ
ムされたコンピュータの形式をとる制御回路６６の制御
下で行なわれる。

後退板５２とビーム・エクスパンダ６８をｄ過した後、
ビームがリレーレンズ７４へ入るように制御回路６６の
制御下にあって水平方向に沿ったレーザービームを偏向
させるＸ偏向ガルバノメータ７２上に取付けた鏡γ０へ
適切に偏光したレーザービームを向けることにより走査
は実行される。

リレーレンズ７４は鏡７０からのＸ偏向レーザービーム
をＹ偏向ガルバノメータ７８の鏡Ｔ６上に収束させるよ
う動作する。走査レーザービームはダイクロニック偏光
キューブ５４を通過する前に収束レンズ８０により収束
されろ。

本発明の原理に従って、走査され収束されたレーザービ
ームが収束レンズ８０を通過した俵、かつダイクロニッ
ク偏光キューブ３６に到達する前に、レーザービームは
走査レーザービームの一部ヲヒーム位置検出装置へ向け
るように動作するビーム・スプリッタ８２を通過する。

例えば、ビーム・スプリッタ８２はダイクロニック偏光
キューブ５４ヘレーザービーム・エネルギの約９５へ％
を透過し、ビーム位置検出装置へレーず−ビーム・エネ
ルギの残りの５％を反射する。第６図に示すビーム位置
検出装置は一方がＸ方向で他方がＹ方向の各々が第１図
に示す型式の２個のサブシステムを用いている。従って
、ビーム位置検出装置は、５％のレーザ−エネルギの半
分をＸ方向位置検出装置へ透過し、５％のレーザーエネ
ルギの反半分をＹ方向位置検出装置へ反射する５ｏ％ビ
ーム・スプリッタ８４を含む。Ｘ方向位置検出装置は、
グレーティング部材８６、レンズ８８、出力を制御回路
６６へ送る１対のセンサ素子９０．９２を含む。同様に
、Ｙ方向位置検出装置はグレーティング９４、レンズ９
６、出力を制御回路６６へ送る１対のセンサ素子９８．
１００を含む。レンズ８８．９６の各々は第１図に示す
第２レンズ１４に対応し、装置の収束レンズ８０は第１
図に示す第２レンズ１４に対応する。リレーレンズ７４
の光学的性質のため、Ｘ偏向鏡７０とＹ偏向鏡７６の両
方は、その走査移動の中心がレンズ８０の前焦点面に来
るように光学的に配置されている。グレーティング部相
８６，９４の各々、レンズ８８゜９６の各々、収束レン
ズに対するセンサ素子９０゜９２．９８，１００の位置
決めは第１図に示す装置に関する公式と説明に従う。

適切に作動するためには、「オフ」状態にあるレーザー
ビームは、ビーム感光素子及び回路の飽和レベルに対応
する何らかの残留レベルに常になければならない。

従って、比較的安価でかつ実装が簡単な光学走査装置に
用いるビーム位置検出装置が開示された。

上述の実施例は本発明の原理の応用の単なる例示である
ことが理解できる。添附の特許請求の範囲に定められる
本発明の要旨と範囲から逸脱することなく当業者には多
数の他の実施例が工夫できる。

従って、図解用にテレセンドリンク系用レンズを図示し
たが、他の型式のレンズも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＪＲＬ埋により構成された１次元ビー
ム位置検出装置の一部を形成する菓子を概略的に図示し
た簡略化図面である。第２Ａ図、第２３図、第２０図、
第２Ｄ図はビームを第１方向に走査する時第１図の放射
エネルギ感光素子の面に生じる一連のエネルヤ分布状態
を概略的に図示する。第３図は本発明の原理に従って構
成されたビーム位置検出装置を概略的に図示する簡略化
図面であり、例示の２次元光学走査装置を含む。 １２・・・第ルンズ、１４・・・第２レンズ、２０・・
・グレーティング、２４・・・走査機構、２６・・・光
源、２８．３０・・・感光素子、３２・・・利用装置。 代理人　浅　村　　　皓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）放射エネルギの第１照準ビームと前記ｆｌ’！　
   １ビームを４＋ｉ’ｉ切る所定路に沿って前記第１ビー
   ムを偏向さぜる走査装置ｉ′ｉとを有する光学走査装置
   において、 第１焦点長を冶する第ルンズと、 第２焦点長を有する第２レンズであって、前記第１及び
   第２レンズの光軸が一致し、かつ前記第ルンズの後焦点
   面と前記第２レンズの前焦点面とが一致するように位置
   決めされている前記第２レンズと、 １」「Ｉ記第１ビームと同期して移動する放射エネルギ
   の走査第２照準ビームを発生する装置であって、第２ビ
   ーム走査装置の中心が前記第ルンズの入口どう孔内にあ
   る前記ビーム発生装置と、前記第１及び第２レンズの間
   で前記第ルンズの後焦点面と前記第２レンズの前焦点面
   との一致面から一定距離の所に位置決めした平面状のグ
   レーティング部材であって、前記光軸に対して実質的に
   直角でかつ第２ビーム走査方向Ｇこ実質旧に直角な複数
   本の等間隔平行線状パーを有する前記グレーティング部
   材と、 前記第１及び第２レンズにより再投影されろように前記
   第ルンズ入口どう孔の低山に位ｉｆｉ決めされた１対の
   放射エネルギ感光菓子でｉ）って、第２ビーム走査方向
   に対して前記光軸のヌ１向面上にあり、かつ各々が前記
   ！４２ビームから入射する放射エネルギに応答して各々
   の出力１ｄ号を与え：／、）ｌＩｉＪ記感光素子と、 前記放射エネルギ感光素子からの出力信−υを用いて前
   記第１ビームの位置を法定する装置ｉ′１と、を含むビ
   ーム位置検出装置を有する光学走査装’ｉ：［。 （２、特許請求の範囲第１項記載の装置１−ｔにおいて
   、前記第２ビーム発生装置は偏向された第１ビームの少
   なくとも一部を前記ビーム位１にｊ検出装置αへ向ける
   装置を含む装置。 （３）特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記
   指向装置がビーム・スプリッタを含む装置。 （４）特ｇ’ｉ゛請求の範囲第１項記載の装置において
   、前記グレーティング部材が前記第２レンズの前焦点面
   と前記第２レンズとの間にある装置。 （５）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
   ビームは強度変調され、前記ビームの最低強度レベルは
   少なくとも前記放射エネルギ感光素子の感光閾値レベル
   を生じる程度には大きい装置。 （６）特許Ｉ’Ｊ求の範囲第１項記載の装置において、
   前記一定距離（Ｄ）は以下の式により与えられるＤ＝Ｆ
   ＮＸＰ／２ ここでＦＮ　＝前記第ルンズので番号、Ｐ＝前記グレー
   ティング・バーの周期 である装置。 （７）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
   放射エネルギ感光素子は前記光軸がら各々等距離にある
   装置。 （８）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
   第１及び第２レンズはテレセントリック系である装置。 （９）放射エネルギの照準ビームを与える光源装置と、
   表面と、前記ビームを前記表面へ収束させろテレセント
   リック系用レンズ装置と、＋ｊｉｆ記光源装置と前記テ
   レセントリック糸用しンズ装百との間に位置決めされて
   前記表面上の２つの相互に直交する方向に前記ビームを
   走査する偏向装置とを含む光学走査装置において、ビー
   ム位置倹１」４装置ｕは、前記テレセントリック糸用レ
   ンズ装置と前記表面との間に位置決めされて、前記表面
   から前記ビームの一部を前記ビーム位置検出装置へ向け
   るよう配置された第１のビーム・スプリッタと、前記ビ
   ームの一部分の第１部分を第１方向に、前記ビームの一
   部分の第２部分を第２方回へ向（Ｊるよう配置された第
   ２のビーム・スプリッタと、前記ビームの一部分の第１
   部分の路に位置決めされ、その前焦点面を前記テレセン
   トＩＪツク糸用レンズ装置の第１の指向された後焦点面
   と一致させ、光軸が前記テレセントリック糸用レンズ装
   置の第１の指向された光軸と一致している第１のテレセ
   ンドリンク系用レンズと、 前記第２のビーム・スプリッタと前記第１のテレセンド
   リンク系用レンズとの間で、前記第１のテレセンドリン
   ク系用レンズの前焦点面から一定Ｉｊ＋、’、離の所に
   位置決めされ、前記２つの走査方向の第１のものに実質
   的に直角の複数本の等間隔平行線状パーを有する第１の
   平面状のグレーティング部材と、 前記第１の走査方向に対する前記第１のテレセンドリン
   ク系用レンズの光軸の対向面上の前記第１テレセントリ
   ツク糸用レンズの後焦点面に位置決めされ、各々が前記
   ビームの一部分の第１恥分の入射に応答して各出力信号
   を与える第１の対の放射エネルギ感光素子と、 前記ビームの一部分の第２邪分の路に位置決めされ、そ
   の前焦点面を前記テレセンドリンク糸用レンズ装置の第
   ２の指向された後焦点面と一致さセ、光軸が前記テレセ
   ントリック系用レンズ装置　；の第２の指向された光軸
   と一致している第２のテレセントリック系用レンズと、 前記第２のビーム・スプリッタと前記第２０テレモント
   リツク系用レンズとの闇で、前記第２のテレセントリッ
   ク系用レンズの前焦点面から一定距離の所に位置決めさ
   れ、前記２つの走査方向の第２のものに実質的に直角の
   複数本の等間隔平行線状パーを有する第２の平面状のグ
   レーティング音ＩＳ材と、 前記第２の走査方向に対する前記第２のテレセン）　Ｉ
   Ｊタック糸レンズの光軸の対向面上の前記第２テレセン
   ドリンク系用レンズの後焦点面に位置決めされ、各々が
   前記ビームの一部分の第２　ｇＩＳ分の入射に応答して
   各出方信号を与える第２の対の放射エネルギ感光素子と
   、 前記第１及び第２の対の放射エネルギ感光素子からの出
   力信号を用いて前記表面上での１１ｒＪ記ビームの位置
   を決定する装置と、 を含む光学走査装置。