JPS6029087B2

JPS6029087B2 - 焦点位置検出方式

Info

Publication number: JPS6029087B2
Application number: JP51047446A
Authority: JP
Inventors: 雅人中島; 勝美藤原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1976-04-26
Filing date: 1976-04-26
Publication date: 1985-07-09
Also published as: JPS52130338A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光走査面での光ビームの焦点位置の変動を検出
する焦点位置検出方式に関するものである。

光ビームで走査面上を走査する光走査装置は、プリンタ
、ディスプレイ等のパターン描画装置や物体表面検査、
文字読取等に広く利用されている。

この光走査装置では、光源からの光を微小光スポットに
絞り、径を一定に保つたまま面上に走査するものである
から、走査面の変動はスポット径に顕著に影響し、この
種の装置の性能を著しく阻害する。

従来、この種の焦点位置の検出のため、空間的に複数個
の光検出器を配置するものや、スリット・ピンホールを
用いるもの等が提案されているが、いずれも構成が複雑
であったり、可動部を必要とするため検出精度が良好で
ないという欠点があった。

本発明は上述の如き従来の欠点を改善する新規な発明で
あり、その目的は構成が簡単で且つ検出精度が高い焦点
位置検出方式を提供することにある。

その目的を達成するため、本発明焦点位置検出方式は、
光が走査される光走査面に対し、所定角度傾けて設けら
れた格子板と、前記格子板からの光を検出する光検出器
とを設け、前記光検出器の出力波形の振幅パターンの最
大値の位置から焦点位置を得ることに特徴とするもので
あり、以下実施例について詳細に説明する。

第１図は本発明方式を用いた光走査装置の説明図、第２
図は本発明の格子板配置図を示し、図中、１はしーザー
光源、２は反射鏡、３はビーム拡大レンズ、４は平行レ
ンズ、５は走査鏡、６は走査レンズ、７はハーフミラー
、８は走査面、９は仮調走査面、１川ま格子板、１１‘
ま光検知器を示す。

レーザー光源１からのレーザー光は反射鏡２で９び回転
され、ビーム拡大レンズ３で拡大され、平行レンズ４で
平行光線にされ、走査鏡５を介し走査レンズ６を通し走
査面８で集東する。

そして走査鏡５の回転により走査面８上で光スポットを
移動させて走査線を描せる。これとともにハーフミラー
７を介し、同じ光スポットにより仮想走査面９上を走査
させる。この仮想走査面９に対し所定角８傾けられた格
子板１０が設けられ、格子板１０からの透過光が光検知
器１１で受光される。ここでは、走査と同時に焦点位置
を検出できるように仮想走査面９に格子板１０を設けた
が、走査面８に格子板１０を設け、ハーフミラー７を取
り除き、光検知器１１を走査面８の後方に設けてものよ
い。格子板１０は格子パターンがビーム径とほぼ同一の
大きさの間隔で設けられている。

ここで、本発明の原理について説明する。

走査面８上を走査しているビームスポット径を２ａ（エ
ネルギー値１／ｅ２で定義）、格子板１０の格子間隔を
ｂ、走査面８（又は９）と格子板１０のＸ軸を回転軸と
した回転角を８とする。

そして、ビーム径２ａの値と格子間隔ｂの値とを、光検
出信号波形のピーク値が最も鋭敏となる様に選択する。
光ビームの分布がガウス状で、文、ｙを座標軸に関する
ビーム径の係数、ｃを定数とすると、光量分布Ｕｏは下
記の如く表わされる。

Ｕ。

（Ｘ、ｙ、ａ）＝Ｃ（ｅ）Ｘ２毒ｙ２）‐‐‐‐‐‐‐
‐‐ｍ従って、これを格子板１０‘こ投影した際のスリ
ットを通る透過光量ｕは、１つのスリットについてｘ方
向に十１／沙から−１／沙までの範囲と、ｙ方向に−の
から十のまでの範囲を積分して、これを全スリットにつ
いて加算したものであり、下記の如く表わされる。Ｎｕ
（ｘ、ｙ、ａ）＝ｃ２（１十（一１）ｎ）ｎ＝＝０／十
のノをごミ旨ｅ−２×２芋腕ｙ…■ （但し、ｎは格子板の格子数に関する関数とする）又、
ビーム径２ａは焦点深度方向、即ちＺ軸方向への関数と
なっており、篤ｖ点‘こおけるビーム半径をａｏとする
と、焦点からＺ軸方向にｚ隔たった点のビーム半径ａは
下記の如き表わされる。

ａ＝ａｏ〔１十（＾ｚｍ．ａｏ２）２〕★ ．．．．
．．．．．【３，（但し、ｚはビーム焦点からの距離、
入は光の波長である。）第糊式から明らかな如く、走査
面から離れる程ビーム径は大きくなり、−ｚ、十ｚのい
ずれの方向でも、ビーム径の変化率は同様である。

又、第‘２）式において、格子板１０面上の光ビームを
走査するとすれば、Ｙ軸の積分領域が時間と共に変化し
、しかも積分範囲がピッチｂで繰返されるので、透過光
量は走査ピッチｂ進む毎に振動的変化を示す。

即ち、正弦波状の振動波形となる。そこで、格子板１０
をＸ軸を中心として回転角８だけ回転すると、焦点は、
Ｚ軸方向へ１・ｓｍｏだけずれを生ずる。

但し１は格子板１０上の原点０から焦点までの距離とす
る。この時のビーム径は第糊式にｚ＝１・ｓｉｎ８を代
入することにより、光スポットをｙ方向に走査した際に
格子板１０の走査位置に応じた光スポット径が得られる
。

この光スポット径を第｛２）式に代入することにより、
傾斜した格子板１０面での透過光量ｕ（ｘ、ｙ、ａ）が
求まる。この場合、ｘの積分範囲はｙ方向のみの走査の
時には払うことが出来る。

従って、ｕ（ｘ、ｙ、ａ）はｅｘｐ（一ｙ２ノａ２）の
函数となる。即ち、第３図に示す如く、焦点が格子板１
０の位置Ｂにある場合には、格子板１０の位置Ａ，Ｃ，
Ｄのビーム径は図の如くなり、光スポットが格子板１０
をｙ方向に走査すると第４図に示す如くの光検出信号が
得られる。正規の焦点位置からずれた点Ａ，Ｃではビー
ム径は拡大し、従って格子板を走査したときスリットを
通過して来る光量の変化は大きくなく、振幅は小さい。

一方、焦点位置Ｂではビーム径は小さく絞られており、
従ってスリットを通過して来る光量の変化は大きく、振
幅が大きくなる。襖言すれぱ、ビームスポット径が最小
の位置において光検出信号の振中は最大となり、その他
の位置のものはｅｘｐ（一ｙ２／ａ２）に応じて減衰す
る。本発明はこの原理を利用して、倉馬点位置の検出を
行なうものである。すなわち、焦点位置がＡ又はＣにず
れた場合、光検出信号は各々第５図ａ，ｂに示した如く
なる。

図においてａ図は位置Ａが焦点となった場合、ｂ図は位
置ｃが焦点となった場合を示す。そして正規の焦点位置
からの各々の．篤点位置の変位量△ａ、△ｃは、Ｂから
懐けられた格子板１０上のずれを各々ｌａ、ｌｃとすれ
ば下記の如く表わされる。△ａ＝ｌａｓｉｎ８
”””…【４１△ｃ＝ｌｃｓｉｎ８
………【５１従って、オシロス
コープ等により表示されたこれら波形から、ｌａ、ｌｃ
を測定し、△ａ、△ｃを求め、焦点位置と走査面とのず
れ量を得、走査面の位置又は走査レンズの位置を修正す
ればよい。

更に、本発明は焦点位置の変動の観測を容易にするため
、ｌａ、ｌｃを自動的に求める方式について述べる。す
なわち、格子板の格子間隔ｂによりｌａ、ｌｃを表わせ
ばよい。

このため、原点０からｌａもしくはｌｃ間に含まれる波
数を計測することにより走査面上での焦点位置ずれ量△
ａ、△ｃを求める。即ち、△ａ、△ｃは次式で表わされ
る。△ａ（又は△ｃ）＝〔ｌａ（又はｌｃ）に含まれる波数〕×ｂ・ｓｍｏ．
・・．・・．・・‘６１第６図は前述の焦点位置ずれ量
を自動的に得るためのブロック図であり、２０‘ま微分
回路、２１はピーク位置検出回路、２２，２３はホール
ド回路、２４は比較回路、２５はカウンタ回路、２６は
正規ピーク位置信号発生回路、２７は演算回路を各々示
す。

この動作を説明すると、光検知器１１からの信号は微分
回路２０で微分され、微分出力はピーク位置検出回路２
１へ入力される。

ピーク位置検出回路２１は微分出力が０である時（即ち
、ピーク位置）、検出信号を発生する。この検出信号は
ホールド回路２２，２３のセット信号となり、ホ−ルド
回路２２は検出信号発生のタイミングで、光検知器１
１の信号をホールドし、ホールド回路２３は、ホールド
回路２２から移された信号をホールドする。比較回路２
４は両ホールド回路２２，２３のホールド値を比較し、
ホールド回路２２のホ−ルド値がホールド回路２３のホ
ールド値より大の時正の出力を、逆の時負の出力を発生
する。一方、カウンタ回路２５にはピーク位置検出回路
２１の検出出力が入力されており、比較回路２４の出力
が正の時、この検出信号を計数し、出力が負になると、
計数を停止する。つまり最大ピーク位置の座標を計数す
ることになる。このカウンタ回路２５の計数値は正規の
最大ピーク位置座標を発生する正規ピーク位置信号発生
回路２６からの値と演算回路２７で比較演算され、ずれ
量が算出される。

この正規の最大ピーク位置座標の設定には、格子板の中
心に焦点があるはずとすれば、格子数の半分の数とすれ
ばよく、又実際に走査鏡を回転させて格子板を走査し、
検出ピーク数の半分の数とすれば良い。

この算出されたずれ量が正であれば、第３図のＡに、負
であればＣ方向にずれていることがわかる。

又、実際Ｚ軸方向のずれ量は、格子間隔ｂとｓｉｎ・ひ
とをこの算出されたずれ量に秦算して得ればよい。これ
ら信号は光学系の焦点位置調整信号としてフィードバッ
クされ、レンズの位置の調整が行なわれるとともに表示
信号として表示器へ与えられる。

以上の様に、本発明によれば、格子板を預けるといった
簡単な構成で焦点位置の検出が可能となり、又、検出精
度もピークパルスを計数するため極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方式を用いた光走査装置説明図、第２図
は本発明の一実施例格子板配置図、第３図は本発明の原
理説明図、第４図、第５ａ，ｂ図は光検出信号波形図、
第６図は焦点位置ずれ量の検出ブロック図を示し、図中
、１はしーザー光源、２は反射鏡、３は拡大レンズ、４
は平行レンズ、５は走査鏡、６は走査レンズ、７はハー
フミラー、８は走査面、９は伍素想走査面、１０‘ま格
子板、１１は光検知器、２川ま微分回路、２１はピー
ク位置検出回路、２２，２３はホールド回路、２４は比
較回路、２５はカウンタ回路、２６は正規ピーク位置信
号発生回路、２７は演算回路を各々示す。第／図第２図第３図第４図第Ｓ図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

１光ビームにより走査される光走査面に対し、所定角
度傾けて設けられた格子板と、前記格子板からの光を検
出する光検出器と、該光検出器からの出力を微分する微
分回路と、該微分回路の出力が“０”のとき検出信号を
発生するピーク位置検出回路と、現在光が通過している
格子の１つ前の格子からの光信号のピーク値をホールド
する第１のホールド回路と、現在光が通過している格子
からの光信号のピーク値をホールドする第２のホールド
回路と、該第１、第２のホールド回路の出力を比較し第
１のホールド回路の出力が第２のホールド回路の出力よ
り大なるとき出力を発生する比較回路と、該比較回路か
ら出力が発生している間前記ピーク位置検出回路からの
出力をカウントするカウント回路と、正規の最大ピーク
位置座標に対応ずる信号を発生する正規ピーク位置信号
発生回路と、前記カウント回路のカウント値と前記正規
ピーク位置信号発生回路からの値とのずれを計算する演
算回路とを設けたことを特徴とする焦点位置検出方式。