JPH03223630A - ビームスポットの形状検出方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、製版用スキャナ、レーザプリンタ、レーザプ
ロッタなどのように、光ビームを光学的に走査すること
によって、走査面上の原稿の画像情報を読み取ったり、
あるいは走査面上の感光材料に所要のパターンを記録す
る走査式光学装置に係り、特に、走査面上のビームスポ
ットの形状を検出するための方法に関する。

〈従来の技術〉 この種の走査式光学装置において、例えば光学系の誤差
などにより、走査面上のビームスボンドの形状が目標値
から外れると、記録されたパターンのエツジがぼけたり
、走査線われが生じたりする（走査線間に隙間が生じる
）ことが知られている。そのため、従来、走査面上のビ
ームスポットの形状を検出するために、次のような手法
が提案実施されている。

第１の手法を第７図を参照して説明する０等速回転する
ドラム１の周壁に、回転方向に対してそれぞれ正負に４
５″傾いた２つのスリット２，３が形成されている。光
ビームはドラム１の外側から周壁に対して垂直に照射さ
れる。ドラム１の周面上に形成されるビームスポットＢ
Ｓに対向するように、ドラム１の内側に光検出器４が設
けられている。

第８図（ａ）に示すように、第１のスリット２が楕円形
状のビームスボンドＢＳを横切るとき、光検出器４は同
図にＳＸで示したような検出信号を出力する。この検出
信号ｓｘが予め定められたレベル以上になる期間（ｔ６
−Ｌｌ）にわたって、クロックパルスＣＫを計数するこ
とによって、第１のスリット２がビームスポットＢＳを
横切るのに要する時間を求める。その計数値をＮイとす
ると、ビームスボンドＢＳのＸ方向（すなわち、第１の
スリット２に対して垂直方向）の長さは、ＮＸ×ｓｉｎ
　４５°で与えられる。同様に、ビームスポットＢＳの
Ｙ方向（すなわち、第２のスリット３に対して垂直方向
）の長さは、第８図い）に示すように、Ｎｙ　Ｘ５ｉｎ
　４５”で与えられる。

第２の手法をしては、特開昭６４−１３５１４号公報に
記載されたような手法がある。この手法は、光源からの
光学的距離が走査面と等価なスリットを設け、このスリ
ットを横切るように光ビームを走査し、スリットを通過
した光を検出することによって、ビームスボンドＢＳの
形状を検出している。

具体的には、光ビームの走査方向に対して傾斜した第】
のスリットと、前記走査方向に対して垂直な第２のスリ
ットを使い、ビームスポットが各スリットを横切るのに
要する時間を計測することに基づいて、各スリットに対
して垂直な方向のビームスポット径を求めている。

第３の手法は、ＣＣＤのような２次元撮像素子上にビー
ムスボンドを拡大照射し、その画像からビームスボンド
径を直接的に計測する。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上述した従来例には、次のような問題点
がある。

２つのスリットを用いてビームスポット径を求めている
第１および第２の手法は、要するに、第９図に示すよう
に、第１および第２スリツトと同じ傾斜を持ち、かつビ
ームスポットＢＳに外接する平行四辺形ＡＢＣＤを決定
し、対向する辺間の距＃Ｘ、Ｙに基づきビームスポット
ＢＳの形状を求めるものである。辺ＢＣ，ＡＤは、例え
ば第８図（ａ）の第１のスリット２によっζ決まる平行
線であり、辺ＡＢ、ＤＣは第８図（ｂ）の第２のスリッ
ト３によって決まる平行線である。

ところで、走査面上のビームスポットは、通常、楕円形
状であり、平行四辺形ＡＢＣＤに内接する楕円形状は一
義的に定まるものではなく無数に存在する。例えば、第
９図に鎖線で示したようなビームスボンドＢＳ’　も、
平行四辺形ＡＢＣＤに内接している。換言すれば、第１
および第２の手法によれば、形状の異なるビームスポッ
トＢＳ、ＢＳ′を同じ形状であると誤って検出してしま
い、ビームスポットの楕円形状の判別が不可能である。

第９図のビームスポットＢｓとＢＳ’　とでは、副走査
方向のビーム幅が異なるから、例えばビームスポットＢ
Ｓでは第１０図（ａ）に示すように正常に走査記録でき
たとしても、ビームスポットＢＳ’では第１０図（ｂ）
に示すように走査線われが生じるおそれもある。

また、スリットを使用する第１．第２の手法は、光量検
出信号の立ち上がり、立ち下がりのタイミングが、スリ
ットの幅の影響を受けるので、ビームスポットの形状を
精度よく検出しようとすれば、スリット幅に応じた補正
を施す必要がある。また、スリット幅が大きいと外乱光
の影響で光量検出信号に含まれるノイズ成分が多くなり
、逆に、スリット幅をあまり小さくすると、スリット透
過光量が極端に小さくなり、光量検出信号のレベルが低
下して光量検出器の内部雑音の影響を受けやすくなるの
で、いずれの場合にも測定精度が低下するという不都合
を招く。

一方、第３の手法によれば、楕円形状の判別は可能であ
るが、ビームスポットを拡大照射させるための光学系の
調整が煩雑であり、装置が大損がりになるという問題点
や、ブルーミング、クロストークなどの影響も考慮する
必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、ビームスポットの形状を正確に、しかも簡単に検出
することができるビームスポットの形状検出方法を促供
することを目的としている。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、このような目的を達成するために、次のよう
な構成をとる。

即ち、請求項（１）に記載の発明は、走査式光学装置に
おける走査面上のビームスポットの形状を検出する方法
であって、 光ビームと、直線的遮光・透光境界であるナイフェツジ
との相対的な移動速度が予め分からない場合に、光ビー
ムとナイフェツジとの相対的な移動方向に対してそれぞ
れ異なる傾斜角度を有する少なくとも３つのナイフェツ
ジと、前記３つのナイフェツジのうちの１つと同し傾斜
角度を有する１つのナイフェツジとを使用して、前記各
ナイフェツジを通過した光ビームの光量を検出し、前記
検出された光量を微分処理し、 同じ傾斜角度の２つのナイフェツジに係る検出光量の微
分値に基づき、光ビームとナイフェツジとの相対的な移
動速度を求め、 また、異なる傾斜角度の３つのナイフェツジに係る検出
光量の微分値に基づき、光ビームがそれぞれのナイフェ
ツジを横切るのに要する時間を求め、 前記移動速度と前記各時間とに基づき、光ビームが前記
３つのナイフェツジをそれぞれ横切るのに要した相対的
な移動距離を算出し、 前記３つの移動距離に基づき、ビームスポットの形状を
求めるものである。

一方、請求項（２）に記載の発明は、走査式光学装置に
おける走査面上のビームスポットの形状を検出する方法
であって、 光ビームと、直線的遮光・透光境界であるナイフェツジ
との相対的な移動速度が予め分かっている場合に、光ビ
ームとナイフェツジとの相対的な移動方向に対してそれ
ぞれ異なる傾斜角度を有する３つのナイフェツジを使用
して、前記各ナイフェツジを通過した光ビーｌ、の光量
を検出し、前記検出された光量を微分処理し、 各検出光量の微分値に基づき、光ビームがそれぞれのナ
イフェツジを横切るのに要する時間を求め、 前記光ビームとナイフェツジとの相対的な移動速度と前
記各時間とに基づき、光ビームが前記３つのナイフェツ
ジをそれぞれ横切るのに要した相対的な移動距離を算出
し、 前記３つの移動距離に基づき、ビームスポットの形状を
求めるものである。

く作用〉 上記各請求項の発明によれば、傾斜角度がそれぞれ異な
る３つのナイフェツジを光ビームが横切るのに要する時
間を求め、光ビームとナイフェツジとの相対的な移動速
度と前記各時間とに基づき、光ビームが前記３つのナイ
フェツジを横切るのに要した相対的な移動距離を算出す
ることができる。

このような移動距離が求まると、ビームスポットに外接
し、対向辺が平行な６角形が定まる。この６角形に内接
する楕円形状は１つであるから、上記３つの移動距離に
基づき、ビームスポットの形状、具体的には、楕円形状
のビームスポットの長径、短径、およびビーム長軸のビ
ーム移動方向に対する角度が一義的に求められる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

進上実施撚 第１図は本発明方法を平面走査式光学装置のビームスポ
ットの形状検出に適用した例を示した概略ブロック図で
ある。ただし、本発明は、平面走査式光学装置に限らず
、回転走査式光学装置にも適用することができ、また、
記録システム、読み取りシステムにかかわらず通用する
ことができる。

第１図に示した平面走査式光学装置は、レーザ光源１０
♂、このレーザ光源】Ｏから照射された光ビームＢを偏
向させる手段としてのポリゴンミラー１１と、入射光ビ
ームを収束させるとともに、等角速度の入射光ビームを
等速度の光ビームとして出射するｆθレンズ１２と、こ
のｒθレンズ１２から出射された光ビームを走査面１４
に向けて反射する反射ミラー１３などを備えている。走
査面１４は、図示しないフラットテーブルに載置された
感光材料の面に相当する。ポリゴンミラーｌｌの回転に
より、光ビームのビームスポットは走査面１４の上を主
走査方向に移動し、また、前記フラットテーブルの移動
により、ビームスポットは走査面１４の上を前記主走査
方向と直交する副走査方向に相対移動する。

このような光学装置における走査面１４上のビームスポ
ットの形状を検出するために、走査面１４と同一面上の
適当な位置に、Ｍ字形に配置されたナイフェツジ（すな
わち、直線的な遮光・透光境界）をもったマスク２０が
配置される。マスク２０は、第２図（ａ）に示すように
、遮光領域Ｈ内に、三角形状の二つの透光領域Ｇ＋　、
Ｇ−を備え、各透光領域Ｑ、、Ｇｘの垂直エツジと傾斜
エツジとがＭ字形に配設されたナイフェツジ２１．２２
．２３．２４を形成している。このうちビームスポット
ＢＳの形状検出に係る３つのナイフェツジ２１〜２３は
、ビームスボン１−ＢＳの移動方向（主走査方向）に対
して、例えば９０°、１５０ａ、３０＠の異なる傾斜角
度になっている。また、ビームスポットＢＳの移動速度
の検出に係るナイフェツジ２Ｉおよび２４は、同じ傾斜
角度になっており、その離間距離ｄは例えば、１ｍｍに
設定されている。

マスク２０の下には、各透光領域Ｃ，，Ｃ，を通過した
光ビームの光量を検出するフォトダイオード２５のよう
な光検知器が設けられている。フォトダイオード２５は
、マスク２０の透光領域Ｇ、　、　（１；。

よりも少し大きな単一形状のものであってもよいし、あ
るいは各ナイフェツジ２１〜２４に対向配設したセグメ
ント状の４個のフォトダイオードで構成してもよい。

このマスク２０を、第２図（ａ）に示すような楕円形状
のビームスボンドＢＳが横切った場合、フォトダイオー
ド２５は、第２図ら）に示すような光量検出信号を出力
する。

フォトダイオード２５の検出信号は、増幅器２６で増幅
された後、Ａ／Ｄ変換器２７でデジタル信号に変換され
て、メモリ２８に記憶される。ＣＰＵ２９は、メモリ２
８に記憶された光量データを読み出して、微分処理を施
すことにより、第２図（Ｃ）に示すような光量微分値を
算出する。この光量微分値に対して、演算処理を行うこ
とにより、ビームスポットＢＳの長径、短径、およびビ
ーム長軸のビーム進行方向に対する角度をそれぞれ算出
し、その結果を表示器３０などに出力する。

以下、ＣＰＵ２９で行われる演算処理について説明する
。

第２図（Ｃ）に示すように、光量微分値データ中から、
ナイフェツジ２１．２２．２３に対応し夫３１．Ｓ２、
Ｓ３の各ピーク値Ｐ、。＋　　Ｐ　１８０　＋　　Ｐ　
１゜を検出し、これらのピーク値に対して一定の係数Ｃ
を乗じた光量レヘルＣ・［）、。、Ｃ−Ｐ＋ｓ。、ｃ−
ｐ、。

（但し、光量レヘルｃ−ｐ、。、Ｃ−Ｐ３ｏの組と、Ｃ
・ＰＩＳ。とは符号が異なる）をそれぞれに設定する。

ここで、係数Ｃは、光量が正規分布をもつ光ビームのビ
ームスポット径を決定するための係数で、例えば、Ｉ　
／　ｅ　′（ｅ　＝２．７１８２８・・・）に設定され
る。このような光量レー・ルＣ−Ｐ、。、Ｃ・１）、、
、　、　　Ｃ−Ｔゝ、０を越える各ビーク５１．５２Ｓ
３の時間ｔ、。、ｔ、、、。、　　ｔｉ。を求める。な
お、Ｌ、。は、ビークＳ１、Ｓ４の平均値を用いるよう
にしてもよい。

このようにし、て求めたり、。ｒ　　ＬｌｓＯ＋　　ｔ
、。は、ビームスポットＢＳが第１のナイフェツジ２１
．第２のナイフェツジ２２．第３のナイフェツジ２３を
横切るのに要する時間に相当している。次に、第１のビ
ークＳ１と、第４のビークＳ４との間の時間り、を求め
る。

第１のナイフェツジ２１と第４のナイフェツジ２４との
間隔ｄは既知であるから、ａ／ｌＰより、ビームスポッ
トＢＳの移動速度を算出する。この移動速度と前記も、
。＋　　ＬＩＳＯ＋　　Ｌ３゜とをそれぞれ乗算するこ
とにより、第３図に示すように、ビームスボンドＢＳが
各ナイフエ・ンジ２１．２２．２３をそれぞれ横切るの
に要した移動路＃２Ｔ、。、２Ｔ＋ｓ。。

２Ｔ、。を知ることができる。ここで、Ｔｅａ、　　Ｔ
ｅａ。

Ｔ、。は次式で与えられる。

２　　　　　　　ｔ。

２　　　　　　　ｔ。

■〜■弐で求められたＴ、。、　ＴＩ５゜、Ｔ、。を、
次式■〜■にそれぞれ代入することにより、第３図に示
すような楕円形状のビームスボンドＢＳの長径２ａ、短
径２ｂ、および長袖のビームスポットＢＳの進行方向に
対する角度θ（０°≦θ〈９０°）を算出することがで
きる。なお、ビームスボｙ　ＬＢＳが第９図のように逆
方向に傾斜する場合、０〜０式において、２ａは短径、
２ｂは長径、θは短径の角度となる。

２　　ａ　　＝　［（１／３）（Ｔｘ＋ｓｏ＋Ｔ’ｔｏ
＋４７”ｑｏ）　＋（］／　　ｌ−７１）×（↑”＋５
ｅ−Ｔ”ｚｏ）　　（（１＋ｔａｎ”２θ）　　／ｌａ
ｎ’２θｌ　　Ｉ／！　　ｌ　　ｌ／ｆｆｉ・・・・・
・■ ２　ｂ−［（１／３）　（Ｔ’＋ｓｏ＋Ｔ”３ａ＋ＪＴ
”ｖｏ）　　（１／　Ｊコ）Ｘ　（Ｔ！１ｓｏ−Ｔ”ｓ
ｏ）　　（（１＋ｊａｎ”２θ）　　／ｌａｎ”２θ　
ｌ　　ｌ／２　　］　　１／！・・・・・・■ θ−（１，／２）　ｔａｎ−’　［１丁（Ｔ”＋５ｏ−
Ｔ”ｓｏ）／（８Ｔ’ｖｏ−Ｔ’１ｓｏ−Ｔ”ｓｏ）　
１・・・・・・■ ただし、Ｔ、。−Ｔｅａ。のとき、 θ−０，２ａ＝２Ｔｑｏ、２　ｂ　＝　２　［（Ｔ”５
ｏ−Ｔ”ｑｏ）／３第３図に示したように、対向辺がそ
れぞれ平行な６角形ＡＢＣＤＥＦに内接する楕円は１つ
であるから、上記■〜■式によりビームスボンドＢＳの
形状を正しく測定することができる。

第１図に示したような走査式光学装置の光学系は、走査
位置によってビームスポット形状が異なることがある。

上述の実施例によれば、マスク２０とフォトダイオード
２５を光ビームＢの主走査方向】 の種々の位置に設置して、それぞれの位置のビームスポ
ット形状の測定を行うことができる。

なお、ナイフェツジ２１〜２４の傾斜角度は、上記の実
施例のものに限定されず、任意に設定することができる
。また、各ナイフェツジ２１〜２４は、必ずしもＭ字形
に配置する必要はな（、例えば第４図（ａ）〜（Ｃ）に
示すように任意の配列にすることができる。さらに、第
２図（ａ）および第４図に示した各遮光領域Ｇ、、Ｇｔ
を遮光領域に、その周囲領域を透光領域にしたようなマ
スクを用いてもよい。

星Ｉ叉止割 第１実施例では、光ビームＢを走査し、マスク２０を静
止させることにより、光ビームＢとマスク２０を相対移
動させたが、光ビームＢを静止させ、マスク２０を移動
させることにより、ビームスポットＢＳの形状を検出す
ることも可能である。

例えば、第５図に示すように、マスク２０が形成された
円板３１を光ビームＢに対して垂直に配置し、この円板
３１をモータ３２で回転駆動する。光ビームＢの光路上
で円板３１の後側にフォトダイオード２５を配置し、こ
のフォトダイオード２５で各ナイフェツジを通過した光
ビームの光量を検出することにより、第１実施例と同様
にビームスポットの形状を検出することができる。

あるいは、第６図に示すように、マスク２０が形成され
たドラム３３を回転駆動し、このドラム３３の内側に設
けられたフォトダイオード２５で各ナイフェツジを通過
した光ビームの光量を検出することにより、ビームスポ
ットの形状を検出することも可能である。

なお、Ｍ字形に配列されたナイフェツジを用いた場合、
傾斜角度９０°の二つのナイフェツジ２１゜２４で、光
ビームＢとナイフェツジとの相対速度を検出しているか
ら、スリント駆動用のモータの回転速度のむらによって
、測定精度が低下することはない。

■１１施貫 第１および第２実施例では、光ビームＢとマスク２０の
相対移動速度が予め分かっていない場合に、４つナイフ
ェツジ２１〜２４を用い、９０°傾斜の２つのナイフェ
ツジ２１．２４を介して検出された光量から、前記相対
移動速度を算出した。しかし、光ビームとナイフェツジ
との相対移動速度が予め分かっている場合は、前述した
ような４つのナイフェツジを用いてビーム形状を検出す
る必要はなく、ビームスポットの相対的な移動方向に対
して傾斜角度の異なった３つのナイフェツジ２１〜２３
によって、ビームスポットの形状を検出することが可能
である。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、請求項（１）に記載の
発明によれば、光ビームとナイフェツジとの相対的な移
動速度が予め分かっていない場合に、走査面上のビーム
スポットの形状を比較的簡単に、かつ、正確に検出する
ことができる。

また、請求項（２）に記載の発明によれば、光ビームと
ナイフェツジとの相対速度が予め分かっている場合に、
走査面上のビームスポット形状を比較的簡単に、かつ正
確に検出することができる。

さらに、請求項（＋）および（２）に記載の発明によれ
ば、ナイフェツジを介して光量を検出し、その光量の微
分値に基づきビームスポットの形状を求めているから、
従来例のようにスリットの幅を補正する処理が不要であ
る。また、ナイフェツジの前後で検出される光量の変化
は、スリットを介して検出される光量の変化に比較して
大きいので、雑音の影響を受けにくい信顛性の高い形状
検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１実施例に係り、第１
図はその概略構成を示したブロック図、第２図（ａ）は
Ｍ字形に配列されたナイフェツジの説明図、第２図山）
はナイフェツジを介して検出された光量検出信号の波形
図、第２図（Ｃ）は光量検出信号の微分波形図、第３図
はビームスポットの形状検出の説明図、第４図（ａ）、
Φ）、　（Ｃ）はナイフェツジの変形例の説明図である
。 第５図は第２実施例の説明図、第６図はその変形例の説
明図である。 第７図は従来方法の要部構成を示した斜視図、第８図は
従来方法の作用説明図、第９図および第１０図は従来方
法の問題点の説明図である。 ２０・・・マスク ２１、２２．２３．２４・・・ナイフェツジ２５・・・
フォトダイオード ＢＳ・・・ビームスポット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）走査式光学装置における走査面上のビームスポッ
   トの形状を検出する方法であって、 光ビームと、直線的遮光・透光境界であるナイフエッジ
   との相対的な移動速度が予め分からない場合に、光ビー
   ムとナイフエッジとの相対的な移動方向に対してそれぞ
   れ異なる傾斜角度を有する少なくとも３つのナイフエッ
   ジと、前記３つのナイフエッジのうちの１つと同じ傾斜
   角度を有する１つのナイフエッジとを使用して、前記各
   ナイフエッジを通過した光ビームの光量を検出し、前記
   検出された光量を微分処理し、 同じ傾斜角度の２つのナイフエッジに係る検出光量の微
   分値に基づき、光ビームとナイフエッジとの相対的な移
   動速度を求め、 また、異なる傾斜角度の３つのナイフエッジに係る検出
   光量の微分値に基づき、光ビームがそれぞれのナイフエ
   ッジを横切るのに要する時間を求め、 前記移動速度と前記各時間とに基づき、光ビームが前記
   ３つのナイフエッジをそれぞれ横切るのに要した相対的
   な移動距離を算出し、 前記３つの移動距離に基づき、ビームスポットの形状を
   求めることを特徴とするビームスポットの形状検出方法
   。
2. （２）走査式光学装置における走査面上のビームスポッ
   トの形状を検出する方法であって、 光ビームと、直線的遮光・透光境界であるナイフエッジ
   との相対的な移動速度が予め分かっている場合に、光ビ
   ームとナイフエッジとの相対的な移動方向に対してそれ
   ぞれ異なる傾斜角度を有する３つのナイフエッジを使用
   して、前記各ナイフエッジを通過した光ビームの光量を
   検出し、前記検出された光量を微分処理し、 各検出光量の微分値に基づき、光ビームがそれぞれのナ
   イフエッジを横切るのに要する時間を求め、 前記光ビームとナイフエッジとの相対的な移動速度と前
   記各時間とに基づき、光ビームが前記３つのナイフエッ
   ジをそれぞれ横切るのに要した相対的な移動距離を算出
   し、 前記３つの移動距離に基づき、ビームスポットの形状を
   求めることを特徴とするビームスポットの形状検出方法
   。