JP2574400B2

JP2574400B2 - 走査光の歪補正装置

Info

Publication number: JP2574400B2
Application number: JP13665188A
Authority: JP
Inventors: 義一柿木; 雅人中島; 哲男肥塚; 規之平岡; 博之塚原; 嘉規須藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-06-04
Filing date: 1988-06-04
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JPH01306813A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕レーザビームを用いた光走査装置における走査光の歪
を補正する走査に関し、放物面鏡を用いた走査光学系において、投影面上での
走査ビームが略直線状の軌跡を描くように補正すること
を目的とし、回転偏向ミラーによる偏向ビームを放物面鏡により所
定方向に走査するビーム走査光学系において、偏向ミラ
ーの回転軸線に対し所定の入射角度で斜め方向からビー
ムを入射し、その結果得られる偏向ビームの軌跡が放物
面鏡による走査ビームの湾曲軌跡を実質上相殺する軌跡
を描くように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はレーサビームを用いたレーザ記録、レーザ画
像読み取り、レーザ加工、レーザ表面検査装置等に使用
される光走査装置に関し、特にその走査光の湾曲歪を補
正する装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、集光されたレーザビームを走査する光学系で
は、レーザ光源からのレーザビームを回転多面鏡（ポリ
ゴンミラー）により走査し、Ｆ・Θレンズ系により記録
媒体上に収束する。一方、高価なＦ・Θレンズ系の代わ
りに、放物面鏡（パラボリックミラー）を用いた光学系
も開発、実用されている（例、特開昭52−4109号公報、
同52−56547号公報、同56−155916号公報、あるいは阿
部、松田共著、「放物面鏡による光ビーム走査偏差補正
法」、光学p67〜74、1977年４月発行、等）。

放物面鏡を用いた光学系は周知の如く、Ｆ・Θレンズ
系を用いた光学系に比較し次の如き利点がある。

（１）鏡であるため波長には左右されず、従って色収
差がない。

（２）比較的大きな走査長を簡単に得ることができ
る。

（３）高性能システムを比較的廉価に実現出来る。

（４）多量の反射光を検出することが可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、その反面、放物面鏡を用いた光学系に
おいては、入射ビームの光軸と反射ビームの光軸とをず
らす必要があるため、即ち、両ビーム間に所謂、軸外し
角を付す必要があるため（さもなければ、反射ビームは
入射ビームに一致してしまい検出出来ない）、投影面上
で走査ビームが湾曲するという欠点がある。

第13、14図は走査ビームの湾曲を説明するための図で
ある。同図において、レーザビーム10は水平面（Ｚ軸に
平行な平面）内の所定方向から照射され、回転鏡（ポリ
ゴンミラー、ガルバノミラー等）13により所定方向に反
射、走査される。放物面鏡11に照射したビーム10はそこ
で反射され、走査面（投影面）17上に結像する。

走査ビームは回転鏡11の回転に伴い放物面鏡11への入
射位置が順次変化するが、放物面鏡11はパラボナアンテ
ナの如き３次元湾曲形状を呈するために第14図に10A,1
0'で示す如く放物面鏡11での反射位置に応じて投影面17
からの光学距離が連続的に変化し、その結果、投影面17
上での結像位置がずれ、10Cで示す如き湾曲する。この
湾曲度は走査ビームの高低差ｄで表わされる。尚、Θ
（第14図）は軸外し角である。

走査ビームの湾曲は例えば、POSシステムにおけるビ
ームスキャナとして用いられる場合には読み取り誤差の
要因となったり、あるいはリーザプリンタにおけるビー
ムスキャナとして用いられる場合には印字不良等の要因
となる等、種々の悪影響を及ぼす。

本発明の目的は投影面上でのこのような走査ビームの
湾曲を補正して直線走査を実現し得る光学系を実現する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

本願発明者は上記の問題点が偏向ミラー（回転鏡）の
回転軸に対しビームを垂直に入射しているために生じる
ことに着眼した。即ち、放物面鏡による反射光が投影面
17上での湾曲ビーム10Cに対応する湾曲軌跡を描くため
である。そこで、この問題を解決するためには、投影面
上でのビームの湾曲を打ち消す軌跡を描くような放物面
鏡による反射光を作りだすことにより解決されることに
なる。そこで本発明では、基本的には偏向ミラーの光軸
線に対し斜め方向から入射するようにしたことを最大の
特徴とする。

第１図は本発明における湾曲補正の基本原理を示すも
のである。

一般的に、偏向ミラーＭの回転軸線Ｏに対し光ビーム
を垂直に入射すると、第１図（１）に示す如く、その偏
向ビームの軌跡B_oは投影面Ｓで観察した場合直線とな
る。他方、ミラー回転軸線Ｏに対し斜め方向からビーム
を入射すると、偏向ビームの軌跡B₀は光路長が同一とな
らなくなるために第１図（２）、（３）に示す如く弧状
に湾曲するという現象が見られる。第１図（２）は斜め
上方から入射した場合、同図（３）は斜め下方から入射
した場合を夫々示す。湾曲度はビーム入射角に左右され
る。即ち、ビーム入射角を適当な値に設計することによ
り偏向ビームの軌跡B_oをほぼ所望の湾曲線とすることが
出来る。

本発明ではこの原理を利用している。

即ち、この偏向ビーム（反射ビーム）の湾曲によっ
て、後に生じる放物面鏡による湾曲を相殺するという思
想に立脚している。

上記の目的を達成するために、本発明に係る歪補正装
置によれば、偏向ミラーの回転軸線に対し所定の入射角
度で斜め方向からビームを入射し、その結果得られる偏
向ビームの軌跡が放物面鏡による走査ビームの湾曲軌跡
を実質上相殺する軌跡を描くことを構成上の特徴とす
る。

好ましくは、放物面鏡には所定の軸外し角が付与さ
れ、偏向ミラーへのビーム入射角は放物面鏡の軸外し角
の略0.65倍に設定される。

また、好ましくは、偏向ミラーへの入射ビームは偏向
ミラーが放物面鏡に対し正面を向いた時の偏向ミラーの
正面から入射せしめられる。

好ましくは、偏向ミラーの回転軸線を放物面鏡の光軸
の垂線に対し、偏向ミラーへのビーム入射角と同一の角
度だけ傾斜せしめられる。

〔作用〕ビームが偏向ミラーに斜め方向から入射すると上述の
如く、その偏向ビームは湾曲軌跡を描く。

一方、放物面鏡による走査ビームも前述の如く必然的
に湾曲軌跡を描く。

偏向ミラーによる偏向ビームの湾曲軌跡は放物面鏡に
よる走査ビームの湾曲軌跡と相殺する方向の曲線である
ので、結果として最終的に走査面上での走査線は実質上
直線となる。

偏向ミラーへのビーム入射角を放物面鏡の軸外し角の
略0.65倍に設定すると走査ビームの直線性が最も良好な
ことが確認されている。

偏向ミラーへの入射ビームを偏向ミラーが放物面鏡に
対し正面を向いた時の偏向ミラーの正面から入射せしめ
れば、偏向ミラーはその中心部のみの小領域で必要な範
囲の偏向角をカバーすることが出来、偏向ミラーの小型
化が図れる。

偏向ミラーの回転軸線を放物面鏡の光軸に垂直な線に
対し、偏向ミラーへのビーム入射角と同一の角度だけ傾
斜せしめることにより、偏向ミラーの反射光は放物面鏡
の光軸に平行になる。

〔実施例〕以下、本発明の実施例を説明する。

まず初めに、本発明に係る光学系の各要素の具体的な
配置構成の決定方法について説明する（第２、３、４
図）。

1.偏向ミラーＭの法線ベクトルの導出偏向ミラー（回転ミラー）Ｍへのビーム10の入射角β
（以下、「湾曲補正角」と呼ぶ）は放物面鏡Ｐの焦点距
離、軸外し角、走査長、偏向位置から、図示の直交３次
元Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系内において幾何学的計算により求め
られる。

偏向ミラーＭの回転角をＸ軸方向（放物面鏡の光軸方
向）から見て左回り（反時計方向）にαとする。偏向ミ
ラーＭの回転軸Ｏ−Ｏの傾きをＹ軸方向（放物面鏡の光
軸に直交する垂直平面方向）から見て右回り（時計方
向）にβとする。

まず、α＝β＝０の時のミラーの法線単位ベクトルを
N₀とすると、 N_o＝（0,0,−１） ……（１）となる。

この時の回転行列は次のようになる。

偏向ミラーの法線単位ベクトルＮは次式で表される。

Ｎ＝N_oR_x（α）R_y（β）＝（0,sinα，−cos α）R_y（β）＝（cos αsin β,sin α，−cosαcos β） ……
（４） 2.偏向ミラーの反射光の式の導出偏向ミラーへの入射ビームのビクトルをＩ（方向はビ
ームとは逆）、反射ビームのベクトルをＲ（方向はビー
ムと同一）とすると、Ｉ＝（tan2β,0,−１） ……（５）Ａ＝Ｉ・Ｎ＝tan2βcos αsin β＋cos αcos β ……
（６） N₁＝（Ｉ・Ｎ）Ｎ＝AN ……（７）Ｒ＝2N₁−Ｉ＝2AN−Ｉ＝２（tan2βcos αsin β＋cos αcos β）ｘ（cos αsin β,sin α，−cosαcos β） −（tan2β,0,−１）＝（r_x,r_y,r_z） ……（８）そこで、偏向ミラーの反射点の座標を（m_x,m_y,m_z）と
すると、反射ビームは次式で表される。

（x,y,z）＝uR＋（m_x,m_y,m_z）＝（ur_x＋m_x,ur_y＋m_y,ur_z＋m_z） ……（９）但し、ｕは媒介変数である。

3.反射光と放物面鏡の交点の座標の導出放物面は，次式で表される。

ｚ＝（x²＋y²）／（4f） ……（13）ここで,fは放物面の焦点距離である。

（13）式を（12）式に代入すると、（x²＋y²）／（4f）＝ur_z＋m_z ……（14）が得られる。

また、（10）（11）式を（14）式に代入する。

｛（ur_x＋m_x）^２＋ur_y＋m_y）^２｝／（4f）＝ur_z＋m_z …
…（15）このときのｕをu_kとする。

α＝０のとき u_k＝（4fm_z＋m_x ²−m_y ²）／（２（r_xm_x＋r_ym_y−2fr_z）） ……（17）反射光と放物面の交点Ｋの座標（k_x,k_y,k_z）は次式で
あらわされる。

4.放物面鏡の反射光の式放物面鏡の交点Ｋにおける法線単位ベクトルN_kは次式
で得られる。

放物面の反射光のベクトルをＳとすると、Ｓ＝２（Ｒ・N_k）N_k−Ｒ S_o＝（−k_xr_x/f−k_yr_y/f＋2r_x）／（（k_x/2f）^２＋（k_y/2f）^２＋１）従って、放物面鏡の反射光は次式となる。

但し,tは媒介変数である。

5.ビーム・スポット照射位置ビーム照射平面（投影面）の座標は，次式で表され
る。

ｚ＝tanθｘ＋ｆ ……（28）（28）式を（27）式に代入する。

ｔ＝（tanθｘ＋ｆ−k_z/s_z ……（29）このｔを（25）（26）式に代入すれば，走査位置が得
られる。なお，走査面はＸ軸に対してθの傾きをもって
いるので,X位置（X_s）はcosθで割る必要がある。従っ
て、 X_s＝（s_xt＋k_x）/cosθ ……（30）以上の計算によって，走査光の軌跡（湾曲）が求められ
る。

第５、６図に本発明の一実施例に係る走査光学系の配
置構造を示す。

ハード的にみた場合、基本的には第13図に示すものと
同様である。即ち、放物面鏡11に向き合って偏向ミラー
13が回転軸13aを中心に回転自在に置かれる。回転軸13a
は例えばモータ（図示せず）等の回転駆動源に連結さ
れ、回転軸線Ｏ−Ｏを中心として回転せしめられる。偏
向ミラー13は回転ミラー（ポリゴン）であればよく、ガ
ルバノミラー等を用いることも可能である。好ましくは
偏向ミラー13の回転軸線Ｏ−Ｏは湾曲補正角βに等しい
角度だけＸ軸に対して傾斜せしめらる。これは、後述の
如く偏向ミラー13に湾曲補正角βの入射角で入射ビーム
を入射した場合にそこでの反射ビームが放物面鏡11の光
軸（Ｚ軸）に平行になるようにするためである。即ち、
放物面鏡11は平行光をその焦点（即ち、放物面鏡11から
焦点距離ｆに位置する投影面17）に収束せしめる機能を
有するので、放物面鏡11への入射ビーム、即ち、偏向ミ
ラー13による反射ビームをＺ軸に平行にするのが好まし
い。

尚、逆に、偏向ミラー（特に、ポリゴンミラーを使用
する場合）はその回転軸線が垂直になるように配置し、
他方、放物面鏡11及び投影面17を偏向ミラーに対しβだ
け相対的に傾斜させてもよいことは勿論である。

その結果、偏向ミラー13に湾曲補正角βで入射したビ
ームは同一の反射角度βで反射され、放物面鏡11に平行
光として入射する。

図示実施例では放物面鏡の焦点距離ｆを300mm（ｆ＝3
00mm）、放物面鏡の軸外し角Θを10゜（Θ＝10゜）、ビ
ーム走査長（走査ビームB_oの必要長さ）を250mmとし
た。また湾曲補正角βは6.5゜（β＝6.5゜）に選定し
た。この場合に、従来技術（偏向ミラーに垂直にビーム
入射、即ち湾曲補正角β＝０゜）では、第７図に示す如
く、約3mmの湾曲が生じていたのに対し、本発明の実施
例によれば、走査湾曲は±50μｍ以下となり、略直線と
なることを実験的に確認した。

入射ビームの入射方向は、好ましくは、偏向ミラー13
の回転角度がゼロの時、即ち、偏向ミラーが放物面鏡11
に対し真正面に向いた時の偏向ミラーに対しＺ軸あるい
はそれと平行な方向から正面入射する。この様子を第８
図（２）に示す。第８図（１）は偏向ミラーに対する従
来のビーム入射方法を示すもので、放物面鏡11の光軸に
対し90゜の方向から偏向ミラー13に入射している。その
ため、ビームを所定角度範囲にわたって走査するために
は偏向ミラー13はある程度の長さｌが必要である。つま
り、偏向ミラー13が短いと例えば、偏向ミラー13がその
回転に伴い、放物面鏡11に略平行になるように徐々に立
ってくると（徐々に垂直になってくると）、入射ビーム
が偏向ミラーの両端から外れてしまう。しかるに、本発
明の実施例によれば、入射ビームは第８図（２）に示す
如く偏向ミラー13の正面から入射せしめられるので、入
射ビームは偏向ミラー13の中心部近傍の小領域のみに照
射すればよく、従って、偏向ミラーを小さく出来る。単
純試算によれば、第８図（１）の偏向ミラーに対し、同
図（２）の偏向ミラーはその長さｌが約70％で済む。

第９図は本発明の別の実施例を示すもので、上記の実
施例とは反射ビームと入射ビームの関係が反対になって
いる。第９図においては、偏向ミラー13は放物面鏡11の
焦点に置かれ、その回転軸線は垂直方向に対し湾曲補正
角βに等しい角度で傾斜している。従って、この偏向ミ
ラー13に対し湾曲補正角βでビームを入射すると放物面
鏡11により反射される反射ビームはＺ軸に平行となる。
つまり、第９図に示す実施例は放物面鏡の光軸（Ｚ軸）
に平行な反射ビームを作り出す実施例である。

第10〜12図は本発明の効果を確認するための実験結果
を示す線図である。

この実験はｆとΘを一般的に用いられる適当な値に設
定して、βを変化させた場合の走査ビームの軌跡を計算
したものである。尚、軌跡は右半分のみ示す。

第10図は、ｆ＝300mm,Θ＝５゜の時、β＝3.2゜、3.3
゜、3.4゜と0.1゜ずつ変化させた場合の結果を示す。同
図から理解されるように、β≒3.3゜の場合にもっとも
直線に近い軌跡を描く。尚、第10図は単にβ≒3.3゜の
場合が最も良好な結果が得られたことを示すに過ぎず、
一般には湾曲度は±50μｍ程度までは実用的には問題な
く、従って、走査長が例えば130mm（片側）程度の範囲
で使用する場合にはβ≒3.2゜或いはβ≒3.4゜でもよ
い。第11図はｆ＝300mm,Θ＝10゜の時、β＝6.4゜、6.5
゜、6.6゜と0.1゜ずつ変化させた場合の結果を示す。第
11図に示す結果からは、β＝6.5゜のとき最良の結果が
得られた。この場合にも、第10図の場合と同様に、走査
長によってはあるいはその他の条件によっては、β＝6.
4゜或いはβ＝6.6゜でもよい。

いずれの場合にも、本願発明者はβ＝0.65Θの時に走
査線が略直線となることを確認した。

第12図はｆとΘを種々の値に設定して、走査線が略直
線となるβを求めた結果（β−Θ線図）を示すもので、
これにより、β≒0.65Θが成立することが確認された。

尚、一般には、放物面鏡の軸外し角ΘはΘ≒10゜程度
で使用されることが多い。

また、一般に偏向ミラーは放物面鏡に対しその焦点距
離ｆの2/3（2f/3）の位置に置かれる。

〔発明の効果〕

以上に記載した通り、本発明によれば、偏向ミラーに
対し所定の湾曲補正角でビームを入射することにより、
放物面鏡による走査線の湾曲が補正され実用上直線と見
做せる走査線を作り出すことが出来る。

また、偏向ミラーへのビーム入射角を放物面鏡の軸外
し角の略0.65倍に設定することにより走査線の直線性が
最良となる。

偏向ミラーの入射ビームを偏向ミラーが放物面鏡に対
し正面を向いた時の偏向ミラーの正面から入射せしめる
ことにより、偏向ミラーを小さくすることが出来る。

また、偏向ミラーの回転軸線を放物面鏡の光軸に垂線
に対し、偏向ミラーへのビーム入射角と同一の角度だけ
傾斜せしめることにより、偏向ミラーの反射光を放物面
鏡の光軸に平行にすることが出来、走査線を放物面鏡の
焦点に有効に結像させることが出来る。

【図面の簡単な説明】第１図（１）、（２）、（３）は本発明の基本原理を示
すもので、偏向ミラーに対するビーム入射角と反射ビー
ムの軌跡の関係を説明する図、第２図は本発明の基本的
な光学的座標配置を示す図解図、第３図は偏向ミラーの
反射を説明する図解図、第４図は投影面の照射スポット
の座標位置を説明する図、第５図は本発明に係る光学系
の具体的配置構造の一例を示す図解図、第６図は第５図
の正面図、第７図は本発明の湾曲補正効果を示す線図、
第８図（１）、（２）は夫々、従来及び本発明における
放物面鏡と偏向ミラーとの配置関係を説明する図、第９
図は本発明の別の実施例に係る光学系の配置を示す図、
第10図及び第11図は本発明における走査線の軌跡に関す
る実験結果を示す線図、第12図は本発明に係る湾曲補正
角と軸外し角との関係の実験結果を示す線図、第13図は
従来の走査光学系を示す図解図、第14図は第13図の正面
図。 11、Ｐ……偏向ミラー、 13、Ｍ……偏向ミラー、 Θ……軸外し角、 β……湾曲補正角。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平岡規之神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者塚原博之神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者須藤嘉規神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭52−49850（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−167118（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−4109（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転可能な偏向ミラー（13、Ｍ）による偏
向ビームを放物面鏡（11、Ｐ）により所定方向に走査す
る走査光学系において、偏向ミラーの回転軸線（Ｏ−
Ｏ）に対し所定の入射角度（β）で斜め方向からビーム
を入射し、その結果得られる偏向ビームの軌跡が放物面
鏡による走査ビームの湾曲軌跡を実質上相殺する軌跡を
描くことを特徴とする走査光の歪補正装置。
【請求項２】放物面鏡に所定の軸外し角（Θ）を付与す
ると共に、偏向ミラーへのビーム入射角を放物面鏡の軸
外し角の略0.65倍に設定することを特徴とする請求項１
記載の歪補正装置。
【請求項３】偏向ミラーへの入射ビームは偏向ミラーが
放物面鏡に対し正面を向いた時の偏向ミラーの正面から
入射せしめられることを特徴とする請求項１または２記
載の歪補正装置。
【請求項４】偏向ミラーの回転軸線を放物面鏡の光軸の
垂線に対し、偏向ミラーへのビーム入射角と同一の角度
だけ傾斜せしめることを特徴とする請求項１、２または
３記載の歪補正装置。