JPH076836B2

JPH076836B2 - ビームスポットの形状検出方法

Info

Publication number: JPH076836B2
Application number: JP1967490A
Authority: JP
Inventors: 正道長; 康雄来栖; 国雄友久
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH03223630A

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ポットの形状が目標値
から外れると、記録されたパターンのエッジがぼけた
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。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45
°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BS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
状のビームスポットBSを横切るとき、光検出器４は同図
にS_Xで示したような検出信号を出力する。この検出信号
S_Xが予め定められたレベル以上になる期間（t₀〜t₁）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_Xとすると、ビームスポ
ット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、N_X×sin45°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（ｂ）に示
すように、N_Y×sin45°で与えられる。

第２の手法としては、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、ビームスポット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１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
スポットを拡大照射し、その画像からビームスポット径
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スリッ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
向する辺間の距離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によって決まる平行線であり、辺A
B,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ポット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BS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、装置が大掛か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提供
することを目的としている。

〈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
求めるものである。

〈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つのナイフエッ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。

第１実施例第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適用
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
と、このレーザ光源10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ｆθ
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11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エッジ（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G₁,G₂を備え、
各透光領域G₁,G₂の垂直エッジと傾斜エッジとがＭ字形
に配設されたナイフエッジ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
ナイフエッジ21〜23は、ビームスポットBSの移動方向
（主走査方向）に対して、例えば90°、150°、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エッジ21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、1m
mに設定されている。

マスク20の下には、各透光領域G₁,G₂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G₁,G₂よりも少し大きな単一形状のものであ
ってもよいし、あるいは各ナイフエッジ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
ビームスポットBSが横切った場合、フォトダイオード25
は、第２図（ｂ）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28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、
ナイフエッジ21,22,23に対応したS1,S2,S3の各ピーク値
P₉₀,P₁₅₀,P₃₀を検出し、これらのピーク値に対して一定
の係数Ｃを乗じた光量レベルＣ・P₉₀,C・P₁₅₀,C・P
₃₀（但し、光量レベルＣ・P₉₀,C・P₃₀の組と、Ｃ・P₁₅₀
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、1/e²（ｅ＝2.71
828…）に設定される。このような光量レベルＣ・P₉₀,C
・P₁₅₀,C・P₃₀を越える各ピークS1,S2,S3の時間t₉₀,t
₁₅₀,t₃₀を求める。なお、t₉₀は、ピーク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t₉₀,t₁₅₀,t₃₀は、ビームスポット
BSが第１のナイフエッジ21,第２のナイフエッジ22,第３
のナイフエッジ23を横切るのに要する時間に相当してい
る。次に、第１のピークS1と、第４のピークS4との間の
時間t_Pを求める。

第１のナイフエッジ21と第４のナイフエッジ24との間隔
ｄは既知であるから、d/t_P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t₉₀,t₁₅₀,t₃₀と
をそれぞれ乗算することにより、第３図に示すように、
ビームスポットBSが各ナイフエッジ21,22,23をそれぞれ
横切るのに要した移動距離2T₉₀,2T₁₅₀,2T₃₀を知ること
ができる。ここで、T₉₀,T₁₅₀,T₃₀は次式で与えられる。

〜式で求められたT₉₀,T₁₅₀,T₃₀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
状のビームスポットBSの長径2a,短径2b、および長軸の
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、ビームスポッ
トBSが第９図のように逆方向に傾斜する場合、〜式
において、2aは短径、2bは長径、θは短径の角度とな
る。

ただし、T₃₀＝T₁₅₀のとき、 θ＝０、2a＝2T₉₀、2b＝２｛（T² ₃₀-T² ₉₀/3｝^1/2 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
によりビームスポット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、ナイフエッジ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、各ナイフエッジ21〜24は、必ずしもＭ字形に配置す
る必要はなく、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図に示した各透光領域G₁,G₂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。

第２実施例第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で各ナイフエッ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で各ナイフエッジを通過した光ビ
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エッジを用いた場合、
傾斜角度90°の二つのナイフエッジ21,24で、光ビーム
Ｂとナイフエッジとの相対速度を検出しているから、ス
リッ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。

第３実施例第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つナイフエ
ッジ21〜24を用い、90°傾斜の２つのナイフエッジ21,2
4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、光ビームとナイフエッジとの相対移動
速度が予め分かっている場合は、前述したような４つの
ナイフエッ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つのナイフエッジ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、光ビームとナイフエッジとの相対的な移
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
ナイフエッ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（１）および（２）に記載の発明によれ
ば、ナイフエッ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、ナイフエッ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頼性の高い形状
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エッジの説明図、第２図
（ｂ）はナイフエッ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），（ｂ），（ｃ）はナイフエッジの変形例の説明
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…ナイフエッジ 25…フォトダイオード BS…ビームスポット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者友久国雄京都府京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神北町１番地の１大日本スクリーン製造株式会社内 (56)参考文献特開平３−160329（ＪＰ，Ａ) 特開平３−120426（ＪＰ，Ａ) 特開平１−314926（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、光ブ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。
【請求項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。