JPS5815769B2 - ソウサコウガクケイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高速かつ、広い走査領域が得られる回転多面鏡
を使用した放射ビームを走査させる走査光学系に関する
ものである。

電子計算機等からの図形、文字情報を高速にプリントア
ウトする記録装置や、ホログラムプレイからの高速読み
出し、物体の表面欠陥検査等に於いては高速で、コンパ
クトで、安定性、精度の良い放射ビームの走査光学系が
要求される。

放射ビームを走査させる走査光学系の１つとして回転多
面鏡が従来より知られている。

そしてこの回転多面鏡を使用した走査光学系で放射ビー
ムの走査速度を高めるための方法として、回転多面鏡を
高速回転させる方法又は回転多面鏡の反射面数を増加す
る方法が知られている。

しかしながら、回転速度を高めることは空気抵抗の増大
を招き駆動装置のパワーの増大や騒音を発生したり、又
コンパクト、安定性、精度の点で悪い結果を生ぜさせる
恐れが有る。

又、回転多面鏡の反射面をその反射面の大きさを変えず
多くした場合は、回転多面鏡の直径が大きくなり、この
場合も駆動装置のパワーの増大や騒音を発生したり、又
コンパクト、安定性、精度の点で悪い結果を生ぜさせる
恐れが有る。

又、更に、回転多面鏡の直径を変えずに反射面の数を多
くし、すなわち反射面の大きさを小さくし、同一の径の
放射ビームを入射させた場合、走査ビームのエネルギー
量が変化しない走査ビームの振れ角は反射面の大きさを
変えなかった場合に比べて小さくなるという欠点を有し
ている。

すなわち逆に言うと、同一径の放射ビームを使用し、反
射面の大きさを小さくし、同じ走査ビーム振れ角を得よ
うとした場合、振れ角領域の周辺部と中心部との走査ビ
ームではエネルギー量が異なってしまう恐れが有った。

これは放射ビームの断面の大きさに比べて反射面が小さ
くなったため反射面の端部では放射ビームの一部が他の
反射面に入射するために生じる。

以下、更にこの反射面の数を多くし、放射ビームの走査
速度を高める方法で、前記欠点を鑑みなされた方法を説
明する。

まず第１に考えられる方法は、収斂光学系を使用して回
転多面鏡の反射面上に放射ビームを収斂する方法である
。

すなわち、反射面が小さくしたのに対応して放射ビーム
の断面を小さくする方法である。

しかしながら、この方法は次の様な欠点を有する。

すなわち、収斂光学系ｉ？斂されたビームは再び発散し
てしまうため、走査面で巾広いビームになってしまう恐
れが有る。

このためにこの発散ビームを再び収斂光学系、又はコリ
メート光学系等により、収斂ビーム、又は平行ビーム等
にしてやる必要が有る。

そしてこの収斂光学系又はコリメート光学系は走査面の
大きさが犬きくなるにつれて、増々犬口径の光学系を使
用する必要が有る。

この理由は例えば回転多面鏡の反射面を中心にして振れ
ている走査ビーム中にコリメート光学系を配した場合、
このコリメート光学系の焦点を前記収斂点に合致させな
げればならないため、得られた平移動する走査ビームの
移動量はコリメート光学系の瞳の大きさに対応すること
より容易に理解出来るであろう。

更に特公昭４９−１６８２４号明細書には回転多面鏡の
反射面を小さくした場合の前記不都合を除去する方法が
記載されている。

この方法は回転多面体が回転する方向に正弦波又は鋸歯
状波に類する波形をもって周期的に振動する光ビームを
該回転多面体の回転に同期して回転多面体の反射面に入
射することによって、即ち、反射面の回転に共なって、
光ビームの入射方向を変えることによって、光ビームが
他の反射面に相対的に移動することを防止し、光ビーム
の無効走査期間を縮少している。

しかしながら、この方法は光ビームを周期的に振動させ
ているため、光ビームの戻りの際、即ち回転多面体の回
転逆方向への光ビーム振れの際、走査面を再び逆方向に
走査してしまうという欠点を有している。

更に光ビームの位置を振動させているため、多面鏡の移
動方向と光ビームの移動方向が逆になる期間を光ビーム
の振動周期に比し短かくすることが困難で、もしこれを
実現しようとする時には、鋭い立下りを有する鋸歯状振
動ミラーなどの著しく高い応答性能を有する。

光を振動させるだめの光学系を必要とする、従って実際
上は前記発明による場合には前記振動をさせるための光
学系の性能が隘路となって無効走査期間を充分に減少さ
せることは困難である。

本発明の第１の目的はこの戻り走査ビームがなく、無効
走査期間の少ない高速走査光学系を提供することである
。

そしてこの第１の目的は回転多面鏡の回転に同期して、
該回転の方向に溢って断続的に一方向に走査する放射ビ
ームを回転多面鏡に入射させることによって達成されて
いる。

尚、断続的に一方向に走査する放射ビームとは、ある始
端からある終端まで放射ビームが走行した後、再び始端
から走行することを言う。

本発明の第２の目的は前記断続的に一方向に走査する放
射ビームが容易に得られる高速走査光学系を提供するこ
とである。

この第２の目的は第２の回転多面鏡を使用することによ
って達成出来る。

本発明の第３の目的は前記回転多面鏡の回転に同期して
、断続的に一方向に走査する放射ビームが容易に得られ
る高速走査光学系を提供することである。

この目的は、１つの回転多面鏡で得られた断続的に振れ
る放射ビームを再びこの回転多面鏡に入射することによ
って達成できる。

本発明の他の目的、及び特徴＋２以下の実施例の説明に
よって明らかになる。

第１図及び第２図は本発明の走査光学系の第１実施例を
説明する図である。

この第１実施例の走査光学系は、２つのサブシステムよ
り成っている。

第１のサブシステムは、断続的に一方向に走査する放射
ビームを形成し、第２のサブシステムは第１のサブシス
テムからの放射ビームを走査させる。

第１のサブシステムは、放射ビーム源（不図示）からの
放射ビーム１を焦点又は結像点へ収斂させる収斂光学系
２、前記焦点又は結像点がその反射面上に有し不図示の
軸を中心に回転する第１の回転多面鏡３、回転多面体３
からの発散ビームを平行ビームにするコリメート光学系
４、及びコリメート光学系４からの放射ビームの進行方
向を変えるだめの反射ミラー５及び二枚鏡６より成って
いる。

尚７，８，９はコリメート光学系４の方向から見た第１
の回転多面鏡３０回転によって得られる断続的に一方向
に走査される放射ビームの振れ範囲の両端部及び中央部
の放射ビームを示す。

又矢印Ａは第１の回転多面鏡の回転方向を示す。

第１のサブシステムは、上述の如く構成されているため
、放射ビーム源からの放射ビーム１は収斂光学系２によ
って第１の回転多面体３上の一つの反射面上に収斂され
る。

第１の回転多面体３０回転によってその反射面は傾きを
変える。

従って放射ビーム１はある振れ角を持って反射される。

そしてこの放射ビーム７．８，９はコリメート光学系４
によって夫々平行放射ビーム１０，１１゜１２になる。

そしてこの平行放射ビーム１０゜１１．１２はミラー５
，６によって第２のサブシステムに指向される。

尚矢印１３はビーム１０゜１１．１２の振れ角を示す。

次で、第２のサブシステムは主として第２の回転多面鏡
より構成されている。

この第２の回転多面鏡は第１のサブシステムの第１の回
転多面鏡３と同期して回転することが望まれる。

従って、この同期を取る必要性を除去するために本実施
例に於いては、第１の回転多面鏡３を共用した。

従って以下筒２の回転多面鏡は符号３′を付して説明す
る。

第１のサブシステムからの平行に移動する平行放射ビー
ム１０，１１，１２は第２の回転多面鏡３′の反射面に
入射する。

そしてこの平行放射ビーム１０，１１，１２は図に示す
様に第２の回転多面鏡３′の回転方向Ａに泪って平行移
動するため、回転多面鏡３′が回転しても反射面のほぼ
同一個所、例えば反射面の中心部に入射している。

そしてこれ等の入射ビーム１０，１１，１２はそれらの
入射点よりそれぞれ反射して矢印１４で示す方向に振れ
る走査ビーム１５，１６，１７となる。

この状態は更に第２図に詳細に示されている。

１８は、第２の回転多面鏡３′の一つの反射面である。

１９，２０，２１はそれぞれ、第２の回転多面体が回転
した際の反射面１８の傾を示すものである。

そして反射面１８が１９の傾である時、平行放射ビーム
１０が入射し、２０の傾の時は放射ビーム１１，２１０
時は放射ビーム１２が入射する。

図より明らかな様に反射面が移動しても反射面の常にほ
ぼ一定位置に放射ビーム１０，１１゜１２は入射してい
るため、放射ビームは他の反射面に移動せず、従ってケ
ラレをおこすことはない。

このため、走査ビーム１５，１６，１７は常に一定のエ
ネルギー量である。

従って、第２の回転多面鏡に入射する放射ビームが一定
の場合に比べて、走査ビームのエネルギー量が変化しな
い走査領域が大きくなる。

又、更に第１のサブシステムの走査領域に比しても大き
くなっている。

更に、第２の回転多面鏡３′に入射するビームは該回転
多面体の回転方向Ａに治って断続的に振れる放射ビーム
であるため、戻り走査光は生じない。

尚、この実施例において第１のサブシステムで第１の回
転多面鏡３′からの放射ビームはコリメータ光学系によ
り平行放射ビームとしたが、直接第１の回転多面鏡３か
らの放射ビーム７．８，９を第２のサブシステムの回転
多面体３′の反射面に入射しても同様の結果が得られる
。

文箱１、第２の回転多面鏡を共用する場合、放射ビーム
光源からの放射ビーム１と第１のサブシステムからの放
射ビーム１０，１１，１２を同一の反射面に入射しても
良い。

更に第１のサブシステムは回転多面体を使用した例を説
明したが、第２の回転多面鏡の回転に同期して、該回転
の方向に沿って断続的に振れる放射ビームが得られる手
段であればいかなるものでもよい。

例えば振動ミラーであっても良い、しかしながら振動ミ
ラーは戻り放射ビームを生じるため、戻り放射ビームが
発生する際シャッタ一手段等によりこの戻り放射ビーム
を除去し、第２のサブシステムの方向に向けない様にし
てやる必要がある。

第３図ないし、第５図は本発明の走査光学系の第２の実
施例を説明する図である。

第１図ないし第２図に示した第１実施例は第１の回転多
面鏡の反射面上、放射ビームを収斂する構成になってい
るが、その収斂点は、厳密には反射面上に必ず存在する
ものではない。

このことを第３図を使用して説明する。

２２．２３，２４はそれぞれ第１の回転多面鏡３が矢印
Ａの方向に回転した際、１つの反射面の位置状態を示す
。

放射ビーム１がレンズ２により収斂された点が反射面の
位置状態２３上にあるものとする。

この点を２５で示す。この収斂点２５はレンズ４の焦平
面２６上でかつレンズ４０光軸２７上にあるものとする
。

反射面の別の位置状態２２．２４に対しては放射ビーム
１は反射面のそれら位置状態より反射せられてそれぞれ
２８゜２９で示された位置に収斂せられる。

これら２８゜２９で示された収斂点はレンズ４の焦平面
上になくかつ光軸上よりはずれた位置にある。

このため、収斂点２５よりレンズ４へ向う放射ビームは
レンズ４より平行放射ビームでかつレンズ４０光軸２７
に対して平行に射出するが、収斂点２８゜２９よりレン
ズ４へ向う放射ビームはレンズ４より発散、あるいは収
斂状でカリレンズ４の光軸２７に対して平行でない状態
で射出する。

この様に第１の回転多面鏡の反射面より射出される放射
ビームは同一点から射出するものではなく、それぞれ異
なった点より射出するものであるため、回転多面鏡の反
射面より射出する放射ビームは反射面上の同一点より射
出したる放射ビームを考えたものからは射出方向におい
ても放射ビーム自身の平行度においても異ってくる。

このため第４図で示す様に第１実施例の走査光学系に更
に走査面３０での走査ビームの速度を一定にするための
ｆ−θレンズ３１を使用した場合でも以下の第５図に示
す様な欠点を生じる。

尚ｆ−θレンズとは、通常レンズが画角の無限遠からの
入射物体に対してその像高Ｙはレンズの焦点距離をｆと
するとＹ′＝ｆｔａｎθとなるがｙ’＝ｆ、θになる様
につくられたレンズをいう。

第５図は第４図のｆ−θレンズ３１及びその焦平面３０
近傍における図を示すものである。

即ち、第４図における反射面の一点より放射ビームが出
たものであるならば、走査角度範囲内の両端部の放射ビ
ームはｆ−θレンズ３１の焦平面３０上の３２．３３へ
、また中心部の放射ビームは３４へ収斂するが走査角度
範囲内へ出る放射ビームが第３図に示されたる如く別々
の点、例えば走査角度範囲の両端へいく放射ビームは点
２８゜２９から、また中心部へゆく放射ビームは２５か
ら出たものであるとすると中心部へゆく放射ビームは第
５図に示されたる３４点へ収斂するが両端部へゆくビー
ムは３２，３３点へは収斂せず、曲線３５上の各々３６
，３７点へ収斂する。

この曲線３５は走査角度範囲内の各放射ビームがｆ−θ
レンズ３１により収斂する点の軌跡を示す。

この３６．３７は、３２，３３点から各々ｆ−θレンズ
の光軸３８方向にＸｌ、Ｘ２光軸と垂直方向にｙｌ、ｙ
２位置ずれしている。

即ち、焦平面３０上の点に対してＸｌ、Ｘ２によって示
されるデフォーカスとＶｔ 、ｙ２によって示される歪
曲収差を持っている。

このため、ｆ−θレンズ３１は走査角度範囲内へ振れる
放射ビームが第３図に示されたる如く別の点から出ても
あたかも反射面上の一点から出たものの如くｆ−θレン
ズ３１の焦平面上を走査する様に前記デフォーカス、歪
曲収差を補正したものであることが要求される。

このためにはｆ−θレンズ３１はその理想結像系に対し
て故意にデフォーカス、歪曲収差を持つ様に設計された
ものであることが必要である。

即ち、理想ｆ−θレンズに対して第５図における点３６
，３７が点３９，４０に収斂するようにする。

点３９，４０はそれぞれ光軸３８上にＸｌ。Ｘ２光軸に
垂直方向に’Ｉｓ 、ｙ２、点３６，３７とは点３２，
３３に関して逆方向の位置にある。

曲線４１はこれら３９，４０点が存在するように故意に
収差を持たされたｆ−θレンズの結像面を示す。

即ち、ｆ−θレンズはその理想結像面がその焦平面３０
であるのに対して故意にその結像面が曲線３９で示され
た様に設計することにより第３図で示された如くに走査
角度範囲内へ異る点より出た放射ビームが振れる時、そ
の放射ビームが第５図に示されたるｆ−θレンズ３１の
焦平面３０上へ収斂し、この上をデフォーカス、歪曲収
差なく走査する。

この様に設計されたｆ−θレンズを使用することが本発
明の第２実施例である。

尚、上記の如きｆ−θレンズは、一般に広く用いられて
いるｆ−θレンズ設計法に従って容易に設計され得るも
のであり、ここではその構成を具体的に記載することは
省略する。

第６図は本発明第３実施例を説明する図である。

第６図において３は回転多面鏡を示し、２２゜２３．２
４は、回転多面鏡３上の一つの反射面、これを第１の反
射面と称する。

これが回転多面鏡３０回転に従って変える位置状態を示
す。

細い平行な放射ビーム４２が第一の反射面に入射する時
、第１の反射面の位置状態２２，２３，２４に従って放
射ビーム４２は反射されて４３で示された角度範囲内で
振れ、レンズ４４へ向う。

４５，４７はふれ範囲の両端部を、４６は中心部のもの
を示す。

これら放射ビーム４５，４６，４７はレンズ４４により
、その焦平面内に収斂され、それぞれスポラ）４８，４
９，５０となる。

この焦平面内には、レンズ４４の瞳をレンズ５１の瞳上
べ結像させる視野レンズ５２がある。

収斂点４８，４９゜５０よりの発散光は視野レンズ５２
、平面鏡５３を経てレンズ５１へ向う。

レンズ５１の焦平面はレンズ４４の焦平面上にあるため
レンズ５１を透過後、放射ビーム４５，４６，４７は平
行な放射ビームとなり平面鏡５４を経て回転多面鏡３の
前記第１の鏡面とは異なる誠２０反射面１８上へ入射ス
る。

尚レンズ５１からの射出ビームの径はレンズ５１の焦点
距離を変えることにより可変となりえる。

１９，２０，２１は第２の鏡面の回転多面鏡６５０回転
に従ってかえる位置状態を示すものであって１９，２０
，２１はそれぞれ第１の反射面が放射ビーム４２を反射
する時、その反射された放射ビームがそれぞれ４５，４
６，４７になる様な第１の反射面の位置状態に対応する
第２の反射面の位置状態を示す。

放射ビーム４５，４６，４７がレンズ４４によりその焦
平面内に収斂されて出来た収斂点、４８゜４９．５０は
それぞれ焦平面上のことなる位置に出来、その位置関係
はスポット５０，４９，４８の順に回転多面鏡３の回転
方向Ａにある。

このため焦平面上の収斂点４８．４９，５０より放射ビ
ーム４５．４６，４７が発散し、レンズ５２、ミラー５
３を経て、レンズ５１より平行放射ビームとなって射出
し、ミラー５４に入射する時、ミラー５４０法線に対し
ての入射角は放射ビーム４５゜４６．４７の順に鋭角に
なり、またミラー５４を切る位置は放射ビーム４５，４
６，４７の順に回転方向とは逆方向になる。

このため放射ビーム４５゜４６．４７はミラー５４より
反射後、第２の反射面１８の位置状態１９，２０，２１
へそれぞれ回転多面鏡３０回転に追随して入射しそこよ
りそれぞれ放射ビーム５６，５７，５８となって射出す
るため、第２の反射面の稜によりクランを生じることが
ない。

５９はこれら放射ビームによって振れる走査角度範囲を
示す。

尚、５９で示された走査角度範囲内で振れる放射ビーム
は回転多面鏡３の回転に共う鏡面の傾きによるものに加
えてとれら放射ビームがレンズ４４の焦平面上の各々異
る点より発することによる望ましくない角度の影響が入
っている。

このためｆ−θレンズ６０は、ｆ−θレンズ６０より射
出する放射ビームに対して望ましくない角度の影響が除
去されるように補正されている。

第２の反射面１８より反射した反射ビーム５６゜５７．
５８はｆ−θレンズ６０によりその焦千面６１上へ結ば
れそれぞれスポット６２，６３゜６４となり焦平面６１
上を走査する。

以上の如く本発明によれば、反射面への入射ビームが反
射面の回転に追随して移動するため、反射面の大きさが
入射ビームの直径に比し充分な大きさを有しない場合も
クランを生ずることなく走査を行なうことができる。

従って本発明によらない場合に比し回転多面鏡体の直径
を小さくすることができ、駆動力、騒音等の減少に著し
い効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の走査光学系の第１実施例を説
明する図、第３図、第４図、第５図は第２実施例を説明
する図、第６図は第３実施例を説明する図である。 図中、１・・・・・・反射ビーム、２・・・・・・収斂
光学系、３・・・・・・第１の回転多面鏡、３１・・・
・・・第２の回転多面鏡、４・・・・・・コリメート光
学系、５・・・・・・反射鏡、６・・・・・・二枚鏡で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射ビームを回転多面鏡により走査させる走査光学
   系に於いて、比較的小さな中径又は直径を有する放射ビ
   ームを各反射面が回転軸と反対の方向を向いた第１の回
   転多面鏡に入射させ、該第１の回転多面鏡から出射する
   放射ビームの中径又は直径を拡大し、この拡大された放
   射ビームを第１の回転多面鏡の回転に同期して回転し各
   反射面が回転軸と反対の方向を向いた第２の回転多面鏡
   に、該第２の回転多面鏡の回転の方向に沿って断続的に
   一方向に走査するように入射することを特徴とする走査
   光学系。 ２ 放射ビームを回転多面鏡により走査させる走査光学
   系に於いて、比較的小さな中径又は直径を有する放射ビ
   ームを回転多面鏡の１つの反射面に入射させ、この反射
   面からの放射ビームの中径又は直径を拡大し、この拡大
   された放射ビームを前記回転多面鏡の前記１つの反射面
   又は他の１つの反射面に、該回転多面鏡の回転の方向に
   沿って断続的に一方向に走査するように入射することを
   特徴とする走査光学系。 ３ 放射ビームを回転多面鏡により走査させる走査光学
   系に於いて、放射ビームを収斂光学系により、回転多面
   鏡の１つの反射面上に収斂させ、この反射面よりの発散
   状の放射ビームをコリメーター光学系により平行な所定
   の断面形状面積を持った放射ビームにし、この平行な放
   射ビームを前記回転多面鏡の前記１つの反射面又は他の
   １つの反射面に該回転多面鏡の回転方向に沿って平行移
   動させながら入射させることを特徴とする走査光学系。 ４ 放射ビームを回転多面鏡により走査させる走査光学
   系に於いて、比較的細く、かつほぼ平行な放射ビームを
   回転多面鏡の１つの反射面上に指向させ、その反射面か
   らの放射ビームをビームエキスパンダー光学系により所
   定の断面形状面積を有する放射ビームにし、この放射ビ
   ームを前記回転多面鏡の前記１つの反射面又は他の１つ
   の反射面に該回転多面鏡の回転方向に沿って平行移動さ
   せながら入射することを特徴とする走査光学系。