JPH04234015A - 螺旋形のライン走査装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は広くはラインスキャナー
、特に読み取り／書き込み機能を持つ螺旋状ラインスキ
ャナーに係わる。

【０００２】

【従来の技術】螺旋形ライン・スキャナーは当該技術分
野において公知な装置である。米国特許第３，５２３，
１６０号および第４，４９４，８２１号には回転円筒形
ドラムに形成した板状の螺旋状面を有するリフレクター
を利用した光学走査装置が記載されている。このような
装置は回転螺旋面リフレクターの面から光ビームを反射
することで走査媒体上の線を走査する。

【０００３】螺旋面リフレクターには従来技術によるス
キャナーに欠ける数々の長所が有る。レオ・バイザによ
る論文“レーザースキャナーの解像度に関する一般方程
式（「応用光学」１９８３年１０月１５日、第２２巻、
ページ３１４９〜３１５０）に記載されているように、
従来のスキャナーには、本来、フォーマットおよび解像
度上の制約をうける回転式角錐体状または多角形体ミラ
ーが使われている。螺旋面リフレクターにはこうした制
約は存在しない。

【０００４】単一螺旋面リフレクターは製造時の誤差発
生が少なく、このため特別な手段の方法を労さずに走査
を行なうことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、その構造的な
性質上、平状螺旋面は完全な平坦面になり得ない。事実
、この螺旋面には本来サドル関数により規定される形状
を有する。従がって、このような螺旋面から反射して帰
ってくる視準光ビームは拡散される。

【０００６】米国特許第３，５２３，１６０号の明細書
に記載する光学装置では螺旋面に後続する位置にレンズ
を設備し、以上のように拡散された光の再合焦を行なっ
ている。米国特許第４，４９４，８２１号における光学
走査装置は巾の狭いスリットを導入することにより光ビ
ームの拡散を軽減するため、米国特許第３，５２３，１
６０号の装置に改良を加えたものである。この巾狭なス
リットを採用すると平行四辺形の形上の比較的大きなス
ポットが形成されるため、この構成を長所と評価するこ
とはできない。

【０００７】遺憾ながら、従来の螺旋面リフレクターは
それ自身自らの収差を補正できない。補正には他の（追
加的）光学エレメントが必要であるーーたとえば米国特
許第４，４９４，８２１号記載の狭いスリットか第３，
５２３，１６０号のレンズである。

【０００８】走査媒体に垂直な光ビームを形成するため
、螺旋軸に対し傾斜させた反射面が必要になる。この傾
斜角をピッチ角度と呼ぶ。

【０００９】当該技術分野において公知の如く、総べて
の螺旋はピッチ角度を持ち、このピッチ角度は螺旋面と
螺旋軸とで形成されるものである。ピッチ角度は、以下
のように、螺旋の長さ“Ｌ”と螺旋直径“Ｄ”の関数で
ある：ｔａｎα　　＝　　πＤ／Ｌ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　（１）必要とされる走
査長さが長くなればなる程、必須の螺旋直径は大きなも
のになり、この場合、前文に述べた装置に用いられてい
るような４５０のピッチ角度に対し、螺旋直径は普通、
走査長さの１／３にせねばならない。従がって、上述装
置の長尺走査形の構造の構成は複雑なものになる。

【００１０】本発明の目的は、読み取りと書き込みに用
いるもので、付加的な光学エレメントも設備する必要な
く、ビームの形状セッティング機能と収差補正機能とを
備えた螺旋面走査装置を開示、提供することである。本
発明の第二の目的は高解像度をもって、平坦なフォーマ
ット面と、湾曲した大形フォーマット面とを走査するこ
とができる装置を開示、提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】従がって、本発明の一実
施例によれば、少なくとも一本の光ビームを形成する光
源と、該光ビームを受光する媒体、及び、該光ビームを
連続して受光し、該光ビームの方向を該媒体に向けて設
定するため、該光源と該媒体との間に配した二つの螺旋
光学装置を含む走査装置が提供される。

【００１２】さらに、本発明の一実施例によれば、該二
つの螺旋光学装置には第一、第二鏡面状反射螺旋面が具
備される。該第一螺旋面は該光源からの光ビームを受光
し、該光ビームの方向を該第二螺旋面に向ける働らきが
あり、該第二螺旋面は該第一螺旋面からの該光ビームを
受光し、該光ビームの方向を該媒体に向ける働らきを果
たす。該第一、第二螺旋面には夫々異なる直径を持たせ
ることができ、あるいは、一般に同一なサイズを与える
ことができる。その上、該第一螺旋面は走査サイクル毎
に完全に一回転するのが好ましい。

【００１３】さらにまた、本発明の一実施例によれば、
該第一、第二鏡面状反射面は平坦である。これとは別様
に、該第一、第二鏡面状反射面の各々に一定の曲率半径
を与えたり、二次曲線よりも高次の曲線で規定する曲率
を与えることができる。

【００１４】また、本発明の別な実施例によれば、該二
つの螺旋光学装置には一つの螺旋面光学エレメントに結
合された二つの鏡状反射螺旋面が含まれる。この別な実
施例の装置には付加的なプリズムと二つのミラーを含む
ことができる。

【００１５】さらに別な実施例によれば、該螺旋光学装
置には螺旋を形成するために撚り加工した円筒レンズに
納めた螺旋面光学エレメントが含まれる。

【００１６】また、本発明の別な実施例によれば、走査
装置には少なくとも一本の光ビームを形成する光源と、
該光ビームを受光し、反射する一つの螺旋面と、該一つ
の螺旋面上の第一位置からの該光ビームを受光し、該光
ビームを該一つの螺旋面上の第二位置に該光ビームを反
射するため、通常、該一つの螺旋面の近傍に配した反射
装置が含まれる。該走査装置にはさらに、該第二位置か
らの光ビームを受光する媒体が含まれる。該走査装置に
は普通、一個のプリズムと二つのミラーが含まれるが、
相互に対し必ずしも直角に配列する構成ではない。

【００１７】さらに、本発明によれば、該第二位置から
光ビームを受光する媒体は透明であり、該走査装置には
また、該走査媒体を通過した光を検出する該受光のため
の媒体の近傍に配した光検出装置が含まれる。

【００１８】さらにまた、本発明の別な実施例によれば
、該光ビームを受光する該媒体は不透明であり、該走査
装置には該走査媒体からの反射光を検出する該媒体の近
傍に配した検出装置が含まれる。

【００１９】本発明の一実施例によれば、少なくとも一
本の光ビームを形成するステップと、該光ビームを第一
螺旋光学装置上で受光し、該光ビームを反射し、第二螺
旋光学装置に合わせて該光ビームの形状セッティングを
するステップと、該第二螺旋光学装置上に該光ビームを
受光し、該受光した該光ビームを反射し、該走査媒体に
合わせて該光ビームの形状セッティングをするステップ
と、該光ビームを形成する該ステップと、該第一、第二
螺旋光学装置を同一方向に回転させながら該第一螺旋面
光学装置と該第二螺旋光学装置からの夫々の光ビームを
受光する両ステップを繰り返すステップとを含む、媒体
を走査する方法が提供される。

【００２０】さらに、本発明の別な実施例によれば、該
第一螺旋光学装置は該第二螺旋光学装置の内部に配され
る構成になる。該繰り返しステップは該第一、第二螺旋
光学装置を相反する方向に回転させながら実行する。

【００２１】最後に、本発明のさらに別な実施例によれ
ば、ある媒体を走査する方法には、少なくとも一本の光
ビームを形成するステップと、螺旋面上に該光ビームを
受光し、一つの該螺旋面上の第一位置からの光ビームを
該一つの螺旋面に一般に極く近い位置に配した反射装置
に向けて反射するステップと、該反射装置からの光ビー
ムを該一つの螺旋面上の第二位置に向けて反射するステ
ップと、該走査媒体上の第二位置からの光ビームを受光
するステップとを含む方法が提供される。第二位置は普
通、第一位置に一致する。

【００２２】

【実施例】図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂにより説
明する。

【００２３】本発明の走査装置は、普通には視準される
が、必ずしも視準されておらぬ光ビームを形成する例え
ばレーザーのような光源１０と、夫々、該光ビーム１１
を受光し、該光ビームを媒体２０へ反射する鏡面状の反
射螺旋面１６と１８を有する二つの螺旋面光学エレメン
ト１２、１４とを含む。

【００２４】これとは別に、光源１０は相互間に僅かな
角度を持たせた複数の光ビームを形成する複数の光源で
構成することができる。以下に、一本の光ビーム１１を
用いた本発明装置の動作を詳細に説明するが、一本の光
ビーム１１には汎用性を損なうことなく複数の光ビーム
に代えることができる。

【００２５】光ビーム１１は、通常、互いに平行である
ことが好ましい螺旋面光学エレメント１２と１４の夫々
の対称軸１３と１５に通常、平行な一軸に沿って伝達さ
れる。光ビーム１１に代えて複数の光ビームを用いる構
成にすると、光ビームの中心軸と軸１３、１５とは平行
である。

【００２６】一般に、光ビーム１１の軸と、軸１３と１
５は同一面内には無く、光ビーム１の軸は軸１３と１５
との間のライン２９に対し、角度φを成している。角度
φは螺旋面１６上における光ビーム１１の動作点として
知られる。

【００２７】光ビーム１１は螺旋面１６に入射し、該螺
旋面から反射し、螺旋面１８上にビーム２２として入射
する。次いで、螺旋面１８からビーム２２は反射され、
媒体２０上にビーム２４として入射する。

【００２８】ビーム２４は、矢印２６で示す同一方向に
螺旋面光学エレメント１２と１４を回転させることによ
り、媒体２０上の一本のラインに沿って走査される。該
螺旋面光学エレメント１２と１４が共に同一方向に回転
する構成である限り、どちらの方向にも回転させること
ができる。

【００２９】媒体２０上の別なラインを走査するため、
当該技術分野において公知のリードねじ、リニヤモータ
および回転ドラムのような移動手段（図示省略）により
、通常、走査方向に垂直に一本のラインの巾だけ移動す
る。これとは別様に、複数の光源を有する走査装置の場
合、媒体２０を光源の数に等しい本数のラインの巾だけ
移動する。これとは別な実施例の場合、媒体２０を固定
し、該二つの螺旋面光学エレメント１２と１４から成る
該走査装置は必要に応じ、移動できる構成である。

【００３０】媒体２０は必ずしも平らな形状ではなく、
走査したラインを該走査装置から定距離の位置に保持せ
ねばならないだけである。

【００３１】螺旋面光学エレメント１２と１４は“閉”
サーボループを持つ例えばギヤモータまたはモータのよ
うな公知の回転手段２５により回転され、同期がとられ
る。

【００３２】複数の光源を有する構成において、一本ま
たは数本のラインを走査するには、螺旋面１６を規制し
一回転の螺旋面を形成するか、必要であれば、螺旋面光
学エレメント１２の長さＬにわたり一回転よりも僅かに
少ない螺旋を形成する。他方、螺旋面１８は複数Ｍ回転
により、長さＬに亙り一本の螺旋によって形成すること
ができ、この場合、Ｍは一回転分の螺旋面１６の部分の
整数倍値である。従がって、螺旋面１４の角速度は螺旋
面光学エレメント１２の角速度のＭ倍である。図１に記
載してはいないが、該第二螺旋光学エレメント１４は長
さＬ以上であるか、等しい長さにすることができる。

【００３３】螺旋面１６と１８は夫々ピッチ角α１　と
α２　を有し、このピッチα１　とα２　は反射点にお
いて、夫々の反射面が通常、相互に直角になるよう規定
される。 このピッチ角により、螺旋面１６が平坦でないためにビ
ームに生ずる収差の一部補正が行なわれる。この構成は
光ビーム２２の軸に沿った螺旋面１６と１８の投影部１
７と１９の断面図である図２に詳細に記載されている。 投影部１７と１９との間に形成される角度θは最大値を
９０°とするが、できるだけ大きな値に設定する。

【００３４】ピッチ角α１　とα２　とを持つのに加え
、螺旋面１６と１８は相互に位相シフトさせている。こ
の位相シフトのサイズは光ビーム２２が螺旋面１８に入
射し、螺旋面１６と１８の外形に依存する条件と、軸１
３と１５相互間の距離（Ｓ３　）に従がい規定される。

【００３５】螺旋面１６の長さＬとピッチ角α１　は該
螺旋面の直径Ｄ１　を規定する。角度θをできるだけ大
きな値にするという図１Ｂに示す条件に従い、螺旋面１
８のピッチ角α２　が規定される。ピッチ角α２　は螺
旋面の回転数Ｍと長さＬと共に以下の式に従がい螺旋面
１４の直径Ｄ２　を規定する。

【００３６】 ｔａｎ　　α２　＝ＭπＤ２　／Ｌ　　　　　　　　　
　　　（２）Ｍ値が大きければ大きい程、Ｄ２は小さく
なる。図１Ａの場合、直径Ｄ１　とＤ２はピッチ角α１
　とα２と同様に同一である。

【００３７】光ビーム２２は通常、軸１３と１５に対し
垂直な方向に距離Ｓ３　を横切ることはない。従がって
、螺旋面光学エレメント１４は螺旋面１２から距離Ｓ４
　だけシフトされる。

【００３８】本発明の実施例によれば、図２Ａと図２Ｂ
に記載するように、各螺旋面１６または１８は普通、各
螺旋面光学エレメント１４と１６の半径線の延長線３０
に対し傾斜角βｉだけ傾斜し、ここでｉは１または２で
ある。β１　は螺旋面１６の傾斜角であり、β２　は螺
旋面１８の傾斜角である。β１　およびβ２　は便宜上
、軸１３と１５に垂直な面内において規定される。この
二つの傾斜角は異なる値にすることができる。

【００３９】傾斜角β１　とβ２　を結合することによ
り光ビーム２２を螺旋面１８に入射させるべく該ビーム
の方向設定し、光ビーム２４を軸１５に通常垂直な螺旋
面１８から放射させることができ、その結果、最大の収
差軽減を達成し得る方向に沿い、媒体２０上に光ビーム
２４を入射させることができる。

【００４０】図４Ａ−４Ｄに関し更に詳細に説明した図
２Ｂに示す本発明の別な実施例によれば、螺旋面１６と
１８を凹面にし、これにより光ビーム１１または２２の
焦点を合わすことができる。螺旋面１６と１８には、図
２Ｂに示すように固定曲率半径Ｒｉを与えることができ
、あるいは、この曲率は二次曲線よりも高次にすること
ができる。本実施例における傾斜角β１　は凹面１６ま
たは１８の中間点における該凹面１６または１８に対す
る接線３１と延長線３０との間の角度として規定される
。

【００４１】図３Ａ−３Ｄと図４Ａ−４Ｄを参照する。 図２Ａに記載されているような平坦面を有する螺旋面か
ら反射するときの入力光ビームの光路４０が図３Ａに詳
細に記載されている。螺旋面１６と１８は面４２と４４
で示している。

【００４２】図３Ｂは螺旋面４２から光ビーム４０が反
射する前における該ビームの断面を示す。該断面は通常
、円形である。光ビーム４０は図３Ｃに断面を示す光ビ
ーム４６として面４２から反射される。前に述べたよう
に、螺旋面４２はサドル形状をしているため、この螺旋
面によりこれから反射する光ビームに拡散が生ずる。 従がって、光ビーム４６の断面は発散楕円となる。

【００４３】本発明によれば、図３Ｃに示す拡散は普通
、媒体２０に入射する光ビーム４８として光ビーム４６
が螺旋面４４から反射されるとキャンセルされる。螺旋
面４４のために光ビーム４６には、螺旋面４２によって
生じる拡散に対し垂直な方向に拡散が生じる。これによ
り生じる断面は、図３Ｄに記載するように、光ビームの
断面はビーム４０よりも大きな直径を有し、概略視準さ
れたビーム４８である。

【００４４】図２Ｂに関し説明した湾曲凹面を持つ螺旋
面１６と１８から入力光ビーム５０が反射する時の経路
および断面形状は、図２Ａに記載する通常は平坦な面の
場合に似たもので、図４Ａ−４Ｄに示す。螺旋面１６と
１８は面５２と５４で夫々示してある。

【００４５】図４Ｂは光ビーム５０が螺旋面５２から反
射する以前におけるその断面を示している。図４Ｃに断
面を示す光ビーム５６として面５２から光ビーム５０は
反射される。螺旋面５２は凹面であるため、第一方向に
おいて光ビーム５６は通常、楕円形状の断面をしたビー
ムになる。

【００４６】本発明によれば、螺旋面５４は光ビーム５
６を通常、該第一方向での形状とは異なり、普通は該第
一方向に直角な第二の方向に形成し、したがって、図４
Ｄに示すように小さく、通常円形断面のスポットに変化
する。このダイナミックな形成により、走査用光ビーム
の収差が減じられる。反射面５２と５４は螺旋面である
ため、このダイナミックな形成は走査線全体に等しく生
ずる。

【００４７】螺旋面５２と５４の各焦点距離は、媒体２
０上における光ビームの断面が最小になるように媒体２
０からの螺旋面５２と５４からの距離に従がい規定され
る。図４Ａに記載するように、螺旋面５２と媒体２０と
の間の距離は二つの螺旋面５２と５４相互間の距離Ｓ１
　と、螺旋面５４と媒体２０相互間の距離Ｓ２　との和
である。螺旋面５４から媒体２０までの距離は正にＳ２
　である。

【００４８】当該技術分野において公知のように、螺旋
面５２と５４の焦点距離により夫々の曲率が規定される
。曲率半径Ｒｉが一定の場合、螺旋面５２の曲率半径Ｒ
１　は通常、螺旋面５４の曲率半径Ｒ２　よりも大きい
。

【００４９】螺旋面光学エレメント１２または１４はダ
イヤモンド旋削加工法により、たとえばアルミのような
材料で製作するか、機械加工と研摩加工により、アルミ
シリンダーに螺旋面を形成することで達成される。

【００５０】これとは別様に、螺旋面光学エレメント１
２または１４の型はダイヤモンド旋削加工法により製作
することができる。その後の螺旋面光学エレメント１２
または１４はダイヤモンド旋削加工法で作られた型を使
ってプラスチックにより製作することができる。

【００５１】プラスチック螺旋面光学エレメントには次
いで、鏡面状反射材でメッキ処理が施される。これ以外
に機械加工、研摩加工して螺旋構造体を形成する様々な
方法が当該技術に精通した者にとっては夫々公知である
。

【００５２】必要な螺旋面長さＬを有し、本発明による
走査装置を設計する方法をフローチャートで示す図９を
参照する。前に説明したように、ピッチ角αｉは普通、
螺旋面光学エレメント１２と１４に対し利用可能なスペ
ースの大きさに従がって選択する。また既に説明したよ
うに、ピッチ角α１　に従がい、螺旋面１８の直径Ｄｉ
と回転数Ｍが決められている。

【００５３】次いで、本発明の走査装置の出力ビームで
ある光ビーム２４が軸１５に対し垂直になるよう傾斜角
度βｉを決める。このため、各Γ１角度（図示省略）の
計算をする。この場合、Γ１とΓ２は以下のように決め
る：Γ１は螺旋面１６の軸１３と光ビーム２２のスキュ
ウ（ｓｋｅｗ）角度である。Γ２は光ビーム２２と、軸
１５と出力ビーム２４との間に必要とされる反射角を形
成する螺旋面１８の軸１５との間の角度である。Γ１と
Γ２は等しくなければならない。Γ１とΓ２が等しくな
ければ、β２　の新しい値を選び、Γ１とΓ２が等しく
なる迄計算を繰り返す。β２　のみを変えることにより
解が得られないことが確認されたならば、α１　とβｉ
に代わる夫々の新しい値を選ぶ。

【００５４】次に、前の説明のように決めた角度から、
螺旋面１６上の光ビーム１１の動作点または動作角度ｆ
を計算する。動作角度ｆの値をチェックし、その値が９
０°に充分近くなければ、以上の全ステップを繰り返え
す。

【００５５】螺旋面１６と１８が凹状湾曲面であれば、
距離Ｓ１　とＳ２　が決まり、従がって、夫々の曲率半
径Ｒｉまたは各曲率を規定する二次曲線関数が決まる。

【００５６】最後に、スポットサイズのチェックが行な
われ、必要な解の条件を確実に満たし得るようなスポッ
トサイズにし、距離Ｓ３　とＳ４と螺旋面に対する媒体
２０の相対位置が決められる。距離Ｓ３　とＳ４　が決
まると、螺旋面１８に確実に光ビームを入射させ得るよ
う光線追跡により位相角が見出される。

【００５７】前に詳しく述べた計算が繰り返され、当該
走査装置に対し規定した操作条件に従がい、最良の構成
が決定される。

【００５８】付属書Ａには特定の例に対し角度α１　と
β１　が与えられた場合の鏡面式を規定する計算の詳細
が記載されている。付録Ｂには前文に説明した条件を満
たす二つの螺旋構造の位置を計算する夫々の式の詳細が
記載されている。角度τとχは螺旋面１６と１８上の各
反射点における回転角であり、φに等価である。付属書
Ｂに記載する計算の結果がシステムを構成する上で物理
的に実用に耐えぬようであれば、角度αｉとβｉに対す
る新値が選択され、計算が繰り返えされる。

【００５９】例えば、図１Ａに記載する装置の場合、α
ｉは４５°、βｉは５４．７３５６１°、φは３５．２
６４４°である。螺旋面直径は２８９．６６ｍｍ、距離
Ｓ３　は７３ｍｍ、Ｓ４　は１５０ｍｍである。曲率半
径Ｒｉは各種の光線追跡法に従がい計算する。

【００６０】夫々異なる直径Ｄ１　とＤ２　を有するが
、同一のピッチ角（α＝４５°）を与えた二つの螺旋面
光学エレメント１００と１１０を用いた本発明の別な一
実施例を記載した図５を参照する。Ｄ１　はＤ２　の２
倍であるため、螺旋面光学エレメント１１０には巻き数
が２つの螺旋面１１２が有り、螺旋面光学エレメント１
００が１回転する度に二回、回転する。従がって、例え
ば、回転手段２５が複数のギヤ１１３を含むと、螺旋面
光学エレメント１１０を回転させるギヤ１１３ｃのサイ
ズはギヤ１１３ａの１／２である。

【００６１】図５に記載する実施例には図１Ａにおける
実施例に対しサイズ上の長所が有る。二つの螺旋面光学
エレメント１００と１１０にピッチ角度４５°を維持す
ることが望ましいが、当該光学装置に対し利用できるス
ペースに制約がある場合、螺旋面光学エレメント１１０
の直径Ｄ２　は本実施例と式２に従がって減じることが
できる。

【００６２】図５に示す装置は媒体２０上の映像を読み
取る構成である。本実施例の場合、光ビーム２４により
、走査しようとする媒体２０の照明が行なわれる。伝達
光または反射光は帯状感光材のような検出装置１００に
より検出される。

【００６３】図１Ａに記載する本発明のさらにもう一つ
の実施例を示す図６を参照する。本実施例の場合、螺旋
面光学エレメント１２０と１２２の直径は同一であり、
Ｄで表わされるがピッチ角度α１　とα２　は互いに異
なる値である。本実施例において、α１　は３０°、α
２　は６０°、β１　は３４°、β２　は４９°、φは
５６°である。螺旋面光学エレメント１２２の螺旋面１
２３の回転数は３であり、このため、螺旋面光学エレメ
ント１２２の回転速度は螺旋面光学エレメント１２０の
三倍である。

【００６４】同一のピッチ角度（α＝４５°）を有する
湾曲螺旋面１３４と１３６からなる単一ドラム１３０と
一個のプリズム１３２を用いた本発明の走査装置の別な
実施例の側面と端面を示す図７Ａと図７Ｂを参照する。 螺旋面１３６はドラム１３０とプリズム１３２との間の
距離Ｓ３　に従がい規定される螺旋面１３４から位相シ
フトする。必ずしも必要ではないが、プリズム１３２は
通常、９０°プリズムである。このプリズムは普通二組
のミラーで代用することができるが、この二つのミラー
の配列は必ずしも相互に直角にセッティングする必要は
ない。

【００６５】図７Ａと図７Ｂに記載する走査装置は以下
のように動作する：光ビーム１４０は螺旋面１３４から
光ビーム１４２としてプリズム１３２へ向かって反射さ
れる。プリズム１３２の面１４４と１４６から該プリズ
ムの内部に進入した光ビーム１４２はビーム１４８と１
５０として反射される。ビーム１５０はドラム１３０の
螺旋面１３６で反射され、ビーム１５２として媒体２０
に向けて反射される。こうして、プリズム１３２が光ビ
ーム１４２をドラム１３０に戻すべく反射する。このよ
うにして一個のドラム１３０を用い、先行の各実施例の
条件を除くことができ、二つの螺旋面がある長所を維持
しながら二つの螺旋面の回転に正確に合わせることがで
きるようになる。

【００６６】ドラム１３０の直径に対し距離Ｓ３　が充
分小さな値であれば、必要な螺旋面１４４は僅かに一つ
である。

【００６７】図７Ａと図７Ｂにおける実施例には以下の
ような角度が与えられる。すなわち、φは３５．２６°
、βｉ　は５５．７３５６°、αｉは４５°である。

【００６８】内部および外部螺旋面光学エレメント１６
０と１６２を用いた本発明の実施例の実物大図である図
８を参照する。内部螺旋面光学エレメント１６０は直径
Ｄ１　と凹状螺旋面１６４を有し、図１Ａのエレメント
１２と１４に似たエレメントである。外部螺旋面光学エ
レメント１６２は普通、中空ドラム１６５に固定した直
径Ｄ１　よりも大きな直径Ｄ２　の螺旋面構造を形成す
るべく撚り加工した円筒レンズ１６３で形成する。

【００６９】本実施例の場合、光ビーム１７４は水平ラ
イン１７６に対し角度ｆをなす位置で螺旋面１６４上に
入射する。螺旋面１６４は、通常、螺旋面１６０の軸１
６７に垂直な方向において、光ビーム１７４を光ビーム
１７８として反射する。光ビーム１７８は円筒レンズ１
６２に入射し、媒体２０上において焦点が合わされる。 円筒レンズ１６２は、必要であれば、光ビームの焦点合
わせと、光ビームをある角度だけ偏位させるべく機能す
る。図８に示し、Ｆで指示する円筒レンズ１６２の焦点
距離は曲率半径Ｒ２　と、レンズの製造に用いる材料に
よって変化する。光ビーム１７８が円筒レンズ１６２の
中心から外れた点に入射すると、光ビーム１７８の角偏
位は補正される。

【００７０】各ピッチ角度αｉは、光ビーム１７４の軸
に沿った投影相互間の角度θをできるだけ大きく、最大
を９０°にするとの条件に従がい、先行の各実施例の場
合のように同一であっても、互いに異なる値にもするこ
とができる。先行の各実施例における如く、螺旋面１６
４は角度ｂ１　だけ傾斜させる。レンズ１６３は傾斜さ
せないが、該レンズの内面１８０は光ビーム１７８を整
形すべく湾曲させたり、あるいは平坦にすることができ
る。

【００７１】本実施例の場合、螺旋面１６４の撚れ方向
と回転方向は、螺旋面光学エレメント１６２の撚れ方向
と回転方向は夫々逆である。夫々の該回転方向は矢印１
７０と１７２で示している。

【００７２】二つの螺旋面光学エレメント１６０と１６
２の回転軸１６７と１６９は普通、一致しない。これは
光ビーム１７８は円筒レンズ１６３上に確実に入射する
ようにするためである。

【００７３】図８の実施例の場合、螺旋面光学エレメン
ト１６０のピッチ角度α１　は右撚りであり、螺旋面光
学エレメント１６２のピッチ角度α２　は左撚りである
。ピッチ角度α１　の一例を挙げると５５°であり、傾
斜角β１　は４５°、α２　は７０°、φは４５°であ
る。

【００７４】先行の各実施例の場合のように、螺旋面１
６４とレンズ１６３は、光ビーム１７８が、螺旋面１６
４から放射されると、レンズ１６３に確実に入射できる
よう、相互に位相シフトしてある。光ビーム１７８がラ
イン１６９に対し垂直な方向に円筒レンズ１６３から放
射されるよう角度β１　とφが設定される。

【００７５】螺旋面１６２は、螺旋面状に撚りをかけた
円筒レンズ１６３を取り付けるドラム１６５の内部に螺
旋状の切り込みを形成することにより製作することがで
きる。このようなドラムと円筒レンズは光透過性プラス
チックまたは他の適切な物質で製作することができる。 これとは別様に、螺旋面光学エレメント１６２はプラス
チック成形加工術により形成することができる。

【００７６】当該技術分野に精通した人であれば、光ビ
ームの形状と焦点合わせ性能を改善するため、光路に沿
った任意の位置に複数の光学エレメントを付加すること
は本発明の枠内において可能である。さらにまた、当該
技術分野に精通した人であれば、本発明は前に特に記載
し説明をしたものに限定されるものではなく、各請求項
にのみ従がって規定される。

【００７７】（付属書Ａ）鏡面方程式の計算鏡面方程式

【００７８】

【数１】

【００７９】ｃｏｓα＝０．５ ｃｏｓβ＝０．７０７１０７ ｃｏｓΓ＝−０．５ ミラーに対する垂線：

【００８０】

【数２】

【００８１】第一螺旋面は５４．７３５６１０°回転し
、その垂線は以下の式を有する：

【００８２】

【数３】

【００８３】入射ビーム

【００８４】

【数４】

【００８５】反射ビーム

【００８６】

【数５】

【００８７】第二螺旋面動作点は３０５．２６４３９°
（または−５４．７３５６１０°）シフトする。

【００８８】ミラー垂線に関する式は

【００８９】

【数６】

【００９０】出力ビームに関する式は

【００９１】

【数７】

【００９２】両螺旋面光学エレメントの直径は２８９．
６６ｍｍである。該両螺旋面光学エレメント相互間の距
離を２０ｍｍと仮定すると、第一螺旋面から第二螺旋面
までの距離は８４ｍｍとなり、第二螺旋面から走査しよ
うとする媒体までの距離は１５０ｍｍとなる。従がって
、第一ミラーの必要な焦点距離は２３４ｍｍとなる。 次に第一ミラーの半径は： ｆ＝ｒ／２　　；　　Ｒ１　＝２ｆ＝２３４×２＝４６
８ｍｍ第二ミラーの半径は： ｆ＝１５０ｍｍ　　；　　Ｒ２　＝３００ｍｍ入力光ビ
ームは１：１．５６の比で行なわる第一回の反射の前に
整形されてよい。

【００９３】（付属書Ｂ）螺旋面走査装置における二つ
の螺旋面動作点の選択の方法 以下の説明は二つの静止軸を中心に回転する二つのミラ
ーから成るシステムに入射する入力ビームを仮定した時
の出力ビームの方向に対する解に関するものである。

【００９４】合衆国ＭＩ　Ｌ規格ハンドブック、“光学
設計”（ＭＩＬ−ＨＤＢＫ−１４１、１９６２年１０月
５日）の注記に従がい、以下の式で規定される一つのミ
ラーの反射マトリックスを用意した：

【００９５】

【数８】

【００９６】上式において、Ｌ、Ｍ、Ｎは夫々反射面（
反射面と反対方向を指す）に対する垂線の方向余弦であ
る。

【００９７】螺旋面の座標系は図１２のとおりでる。

【００９８】使用した各反射面はＺ軸を中心に回転する
。Ｚ軸の近傍における回転マトリックスは以下のとおり
である：

【００９９】

【数９】

【０１００】上式において、回転角をτと仮定している
。

【０１０１】第二ミラーに対しても同一の方法を適用す
る。本ミラーシステムの完全な移動関数は以下により説
明される：

【０１０２】

【数１０】

【０１０３】入力ビームは下式に従がって規定される：

【０１０４】

【数１１】

【０１０５】望ましい出力ビームはＺ軸に対し直角また
は直角に近い角度をなすべきである。

【０１０６】

【数１２】

【０１０７】出力ビームの必要な位置に関する上式の解
により螺旋面の定義ができるようになる。上式の構成と
解を単純化するため、第一螺旋面τの回転角は第二螺旋
面との回転角χに等しいと仮定することができ、両螺旋
面の回転角は等しくφになる。これを対称解と呼ぶ。こ
の回転角が等しくないとき、この解は一般解と呼ばれる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】１Ａは本発明に従がい構成し、機能する二つの
反射螺旋面光学エレメントを用いた走査装置の説明図で
ある。 １Ｂは１Ａに記載する該二つの反射螺旋面光学エレメン
ト相互間の光ビームの光路の一部に沿った図面である。

【図２】２Ａと２Ｂとは該螺旋面光学エレメントの面に
ついての二つの実施例の横断面図であり、２Ａには通常
平坦な面を記載し、２Ｂには通常湾曲した横断面を記載
してある。

【図３】３Ａは図２Ａに示す断面を持つ螺旋面光学エレ
メントを用いた、図１Ａに示す装置における光ビームの
光路の説明図である。 ３Ｂ、３Ｃ及び３Ｄは光ビームが３Ａに示す螺旋面に接
近し、そこで反射する時の光ビームの断面図である。

【図４】４Ａは図２Ｂに示す湾曲断面を持つ螺旋面光学
エレメントを用いた、図１Ａに示す装置における光ビー
ムの光路の概略図である。４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄは４Ａに
示す螺旋面に光ビームが接近し、そこで反射する時の光
ビームの断面図である。

【図５】直径は夫々異なるがピッチ角が同一な二つの螺
旋面光学エレメントを備える、図１Ａに示す装置の概略
図である。

【図６】通常、それぞれ直径は同一だが、ピッチ角が異
なる二つの螺旋面光学エレメントを備える、図１Ａに記
載する装置の概略図である。

【図７】７Ａ及び７Ｂはそれぞれ、二つの螺旋面から成
る一個の回転ドラムと一個の反射プリズムを有する、図
１Ａに示す装置の側面図及び端面図である。

【図８】内部反射螺旋面光学エレメントよりも大きな直
径を有する透明屈折螺旋面光学エレメントの内部に反射
螺旋面光学エレメントを配した構成の、図１Ａに示す装
置の概略図である。

【図９】図１Ａに記載する適正な螺旋面光学エレメント
を設計する方法のフローチャートを示す図である。

【図１０】付属書Ａにおいて鏡面の式を計算する際の座
標を示す図。

【図１１】１１Ａ及び１１Ｂは付属書Ａにおいて光学エ
レメントの直径を計算する際に使用する図である。

【図１２】付属書Ｂにおける座標を示す図。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　少なくとも一本の光ビームを形成する
   一つの光源と、該少なくとも一本の光ビームを受光する
   媒体と、該光源と該媒体との間に配し、該少なくとも一
   本の光ビームを連続して受光し、該媒体に向け該少なく
   とも一本の光ビームの方向を設定する二つの螺旋状光学
   手段とを含むことを特徴とする走査装置。
2. 【請求項２】　　該二つの螺旋状光学手段には鏡面状の
   第一、第二反射螺旋面があり、該第一螺旋面は回光源か
   らの該少なくとも一本の光ビームを受光し、該第二螺旋
   面に向けて該光ビームの方向を設定すべく機能し、該第
   二螺旋面は該第一螺旋面からの該少なくとも一本の光ビ
   ームを受光し、該媒体に向けて該光ビームの方向を設定
   すべく機能する請求項１に記載する走査装置。
3. 【請求項３】　　該第一、第二螺旋面の直径は夫々異な
   る請求項２に記載する走査装置。
4. 【請求項４】　　該第一、第二螺旋面には通常同一な直
   径を持つ請求項２に記載する走査装置。
5. 【請求項５】　　該第一螺旋面は一走査サイクル毎に一
   回転する請求項２に記載する走査装置。
6. 【請求項６】　　該二つの螺旋状光学手段は一つの螺旋
   面光学エレメントに複合させた二つの鏡面状の反射螺旋
   面から成る請求項１に記載する走査装置。
7. 【請求項７】　　一つのプリズムを含みむ請求項６に記
   載する走査装置。
8. 【請求項８】　　二つのミラーを含む請求項６に記載す
   る走査装置。
9. 【請求項９】　　該螺旋状光学手段は一つの螺旋体を形
   成するため、撚り加工した一つの円筒レンズの内部に納
   めた螺旋面光学エレメントから成る請求項１に記載する
   走査装置。
10. 【請求項１０】　　該鏡面状の反射面は夫々平坦である
    請求項２に記載する走査装置。
11. 【請求項１１】　　該鏡面状の各反射面には一定の曲率
    半径を持たせた請求項２に記載する走査装置。
12. 【請求項１２】　　該鏡面状の各反射面には二次曲線よ
    りも高次の曲線で夫々規定される曲率を与えている請求
    項２に記載する走査装置。
13. 【請求項１３】　　少なくとも一本の光ビームを形成す
    る一つの光源と、該少なくとも一本の光ビームを受光し
    、反射する一つの螺旋面と、通常該一つの螺旋面の近く
    に配し、該一つの螺旋面上の第一位置からの該少なくと
    も一本の光ビームを受光し、該一つの螺旋面上の第二位
    置に向けて該少なくとも一本の光ビームを反射する反射
    手段と、該第二位置からの該少なくとも一本の光ビーム
    を受光する媒体とを含む走査装置。
14. 【請求項１４】　　該反射手段は一個のプリズムから成
    る請求項１３に記載する走査装置。
15. 【請求項１５】　　該反射手段は、必ずしもそうではな
    いが、通常、互いに直角に配した二つのミラーから成る
    請求項１３に記載する走査装置。
16. 【請求項１６】　　該媒体は透明であり、さらには、該
    媒体の内部を通過した光を検出するため、該媒体の近傍
    に配した一つの検出装置を含む請求項１３に記載する走
    査装置。
17. 【請求項１７】　　該媒体は不透明であり、さらにまた
    、該媒体からの反射光を検出するため、該媒体の近傍に
    配した一つの検出装置を含む請求項１ないし１３のうち
    のいづれか１項に記載する走査装置。
18. 【請求項１８】　　少なくとも一本の光ビームを形成す
    るステップと、第一螺旋光学手段上に該少なくとも一本
    の光ビームを受光し、該光ビームを第二螺旋光学手段に
    反射し且つ整形するステップと、該第二螺旋光学手段と
    に該少なくとも一本の光ビームを受光し、該光ビームを
    媒体に反射し且つ整形するステップと、該光ビームを形
    成する該ステップと、該第一、第二の螺旋光学手段を同
    一方向に回転させながら各該受光ステップを繰り返すス
    テップとを含む、媒体を走査する方法。
19. 【請求項１９】　　該第一螺旋光学手段は該第二螺旋光
    学手段の内部に配され、該繰り返しステップは相対する
    方向に該第一、第二螺旋光学手段を回転させながら実行
    する請求項１８に記載する方法。
20. 【請求項２０】　　少なくとも一本の光ビームを形成す
    るステップと、螺旋面上に該少なくとも一本の光ビーム
    を受光し、該一つの螺旋面上の第一位置からの該少なく
    とも一本の光ビームを該一つの螺旋面に通常極く近い位
    置に配した反射手段へ反射するステップと、該反射手段
    からの該少なくとも一本の光ビームを該一つの螺旋面上
    の第二位置に反射するステップと、該媒体上の該第二位
    置からの該少なくとも一本の光ビームを受光するステッ
    プとを含む、媒体を走査する方法。
21. 【請求項２１】　　該第二位置は通常、該第一位置に一
    致する構成である請求項２１に記載する方法。