JP2001221614A - 走査レーザビームのビーム径測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査レーザビームのビーム径を低コストで、
かつ効率よく測定する。 【解決手段】 照射制御手段がレーザビームの走査に同
期してレーザ光源をオン・オフ制御する結果、ＣＣＤ１
８の撮像面２０に光スポットが間隔をおいて形成され
る。光スポット３４、３６、３８、４０においては、隣
接する２つの光スポットは、列の方向３０に対して、そ
れぞれ光センサ２２の配列ピッチＬＰの１／４だけずれ
た状態で光センサ２２上に位置していることになる。演
算装置は、これら４つの光スポットに対応する各光セン
サの画素値に基づいて光センサの配列ピッチが１／４と
なった場合に相当する画素値を演算し、これら演算され
た画素値に基づいて光スポットを合成し、この合成され
た光スポットの大きさを算出し、この算出結果を前記レ
ーザビームの径として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム走査
装置などにより生成されたレーザビームのビーム径を測
定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザプリンタやファクシミリ装置は、
走査レーザビームを用いて文字や図形を形成しており、
そのためレーザビームの生成および走査を行うレーザビ
ーム走査装置を備えている。レーザビーム走査装置は一
般にレーザ光源やポリゴンミラーにより構成され、レー
ザ光源で発生させたレーザビームをポリゴンミラーによ
り偏向することでレーザビームを走査している。

【０００３】ところで、レーザプリンタやファクシミリ
装置で高精細に文字や図形を描画するためには、レーザ
ビームが十分に絞られている必要があり、したがって製
造時に、レーザビーム走査装置により生成されたレーザ
ビームの径を測定して、規定条件を満たしているか否か
が検査される。このレーザビームの径の測定は従来、機
械的な方法を用いて行われていた。すなわち、スリット
をレーザビームの光路の途中に配置し、スリットをレー
ザビームを横断する方向に一定速度で移動させる。そし
て、その際、スリットを通過したレーザビームの光量を
センサにより連続的に、あるいは十分に短い時間間隔で
測定する。その結果、レーザビームを横断する方向のレ
ーザビームの強度分布が得られ、強度分布より、決めら
れた定義にもとづいてレーザビームの径を算出すること
ができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の技術では、上記スリットはきわめて精密に移動させ
る必要があり、この方式の測定装置は非常に高価であっ
た。また、レーザビーム径の測定は走査範囲内の複数箇
所で行う必要があるが、装置が高価であるため、１台の
装置を順次位置を変えて測定するのが通常であり、一度
に複数箇所での測定を行えないことから測定に時間がか
かっていた。このような問題を解決する１つの方法とし
て、固体撮像素子（ＣＣＤ）を用い、その撮像面にレー
ザビームによる光スポットを形成して、その光スポット
の径を測定するという方法を採ることができる。ところ
で、ＣＣＤを構成する光センサの画素サイズは通常、９
μｍ程度と大きく、したがって必要な測定精度を確保す
るためにはＣＣＤの前方に顕微鏡レンズなどの拡大光学
系を配置し、拡大した光スポットがＣＣＤの撮像面に形
成されるようにする必要がある。

【０００５】しかし、このような光学系を用いると、光
学系を構成するレンズなどにおける内面反射により撮像
面に干渉縞が形成されてしまい光ビーム径を高精度に測
定することは困難であった。また、拡大光学系を用いる
ことで測定装置全体が大型化すると共にコスト高になる
という問題があった。本発明はこのような問題を解決す
るためになされたもので、その目的は、走査レーザビー
ムのビーム径を低コストで、かつ効率よく測定できる走
査レーザビームのビーム径測定装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、一定方向に走
査されるレーザビームのビーム径を測定する装置であっ
て、撮像面に多数の光センサを行および列を成してマト
リクス状に配列した撮像素子を含み、前記レーザビーム
が前記撮像素子の前記撮像面に入射して前記撮像面上に
光スポットを形成する撮像装置と、前記レーザビーム
の、前記撮像面に対する照射、非照射を制御する照射制
御手段とを備え、前記光センサの前記行の方向と前記レ
ーザビームの走査方向とは鋭角を成し、前記照射制御手
段は、前記レーザビームの走査に応じ前記レーザビーム
を間欠的に照射して前記撮像面上に複数の前記光スポッ
トを間隔をおいて形成するように前記レーザビーム照射
の時間間隔を制御するように構成され、前記照射制御手
段による前記時間間隔の制御は、前記光スポット間の距
離が前記光センサの前記行の方向において前記光センサ
の配列ピッチの非整数倍の長さとなり、かつ、前記列の
方向において前記光センサの配列ピッチの整数倍となる
ように前記レーザビーム照射における時間間隔を設定す
る第１の制御と、前記光スポット間の距離が前記光セン
サの前記列の方向において前記光センサの配列ピッチの
非整数倍の長さとなり、かつ、前記行の方向において前
記光センサの配列ピッチの整数倍となるように前記レー
ザビーム照射における時間間隔を設定する第２の制御と
を含むことを特徴とする。

【０００７】本発明の走査レーザビームのビーム径測定
装置では、照射制御手段がレーザビームの走査に応じレ
ーザビームを間欠的に照射して撮像面上に複数の光スポ
ットを間隔をおいて形成するようにレーザビーム照射の
時間間隔を制御する。そして、照射制御手段は、光スポ
ット間の距離が光センサの行の方向において光センサの
配列ピッチの非整数倍の長さとなり、かつ、列の方向に
おいて光センサの配列ピッチの整数倍となるようにレー
ザビーム照射における時間間隔を設定する第１の制御
と、光スポット間の距離が光センサの列の方向において
光センサの配列ピッチの非整数倍の長さとなり、かつ、
行の方向において前記光センサの配列ピッチの整数倍と
なるようにレーザビーム照射における時間間隔を設定す
る第２の制御とを行う。したがって、各光スポットの前
記光センサに対する相対的な位置は光センサの配列ピッ
チの１／Ｎ（但しＮは１より大きな自然数）ずつずれる
ことになり、各光スポットのたとえば中心を位置の基準
とした場合、光スポット下の各光センサの位置は、光ス
ポットごとに光センサの配列ピッチより短い距離で変位
したものとなる。そのため、Ｎ個の光スポットに対応す
る各光センサの画素値に基づいて配列ピッチが光センサ
の配列ピッチの１／Ｎとなった場合に相当する画素値を
演算し、これら演算された画素値に基づいて光スポット
を合成し、この合成された光スポットの大きさを算出
し、この算出結果を前記レーザビームの径として出力す
ることが可能となる。つまり、光センサの実際の画素サ
イズより小さい画素サイズの光センサを配列した場合と
同等の検出結果が得られ、光スポットの大きさ、したが
ってレーザビームの径を高精度で測定することが可能と
なる。

【０００８】また、前記撮像装置が出力する、前記光ス
ポットの撮像結果を表す電気信号にもとづき、各光スポ
ットごとに、各光スポットに対応する、各光センサの画
素の値を取得し、取得した画素値により各光スポットの
大きさを算出する第１の演算手段と、前記第１の演算手
段が算出した各光スポットの大きさの平均値を算出し、
算出結果を前記レーザビームの径として出力する第２の
演算手段とを備える構成とした場合には、各光スポット
ごとに求めた光スポットの大きさは、光スポットと光セ
ンサとの位置関係が光スポットごとに異なることから、
各光スポットごとに若干異なったものとなる。したがっ
て、各光スポットごとに算出された光スポットの大きさ
を平均化することで正確な光スポットの大きさを得るこ
とができる。

【０００９】また、本発明は、走査レーザビームのビー
ム径を測定する装置であって、撮像面に多数の光センサ
を配列した撮像素子を含み、レーザビームが前記撮像素
子の前記撮像面に入射して前記撮像面上に光スポットを
形成する撮像装置と、前記レーザビームの、前記撮像面
に対する照射、非照射を制御する照射制御手段とを備
え、前記照射制御手段は、前記レーザビームの走査に応
じて前記レーザビームを間欠的に照射して前記撮像面上
に複数の前記光スポットを形成することを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明による走査レ
ーザビームのビーム径測定装置の一例によりレーザビー
ム径を測定する原理を説明するためのＣＣＤ撮像面の一
部を拡大した状態を示す模式部分平面図、図２はレーザ
ビーム径を測定する原理を説明するためのＣＣＤ撮像面
の一部を図１よりも広い範囲で示した模式部分平面図、
図３は実施の形態例のビーム径測定装置を含む測定系全
体を示す構成図、図４は実施の形態例のビーム径測定装
置の構成を示すブロック図である。

【００１１】本実施の形態例の走査レーザビームのビー
ム径測定装置を用いた測定系では、図３に示したよう
に、架台２上にレーザビーム走査装置４が載置され、架
台２の下面部に実施の形態例の走査レーザビームのビー
ム径測定装置６を構成する撮像装置８が設置されてい
る。

【００１２】レーザビーム走査装置４は、不図示のレー
ザ光源、ポリゴンミラー、撮像面にレーザビームを結像
させるためのｆθレンズなどにより構成され、レーザ光
源で発生させたレーザビームをポリゴンミラーにより偏
向走査する。ポリゴンミラーで走査されたレーザビーム
１０は、レーザビーム走査装置４の筐体下部より出射
し、架台２に形成された開口１２を通じて撮像装置８に
入射する。なお、レーザビーム１０は図３の紙面にほぼ
直交する一定方向に走査され、撮像装置８は架台２の下
面で支持台９を介して支持されている。

【００１３】走査レーザビームのビーム径測定装置６
は、図４に示したように、上記撮像装置８の他に、照射
制御手段１４および演算装置１６を含んで構成されてい
る。撮像装置８は、具体的には撮像素子としてＣＣＤ１
８を含み、ＣＣＤ１８の撮像面はレーザビーム１０に対
向して配置されている（図３）。

【００１４】図１に示したように、ＣＣＤ１８は、撮像
面２０に多数の光センサ２２を行および列を成してマト
リクス状に配列して構成され、ＣＣＤ１８にレーザビー
ム１０が入射することでこの撮像面２０に光スポット３
４、３６、３８、４０、……が形成される。各行を構成
する光センサ２２の数はたとえば６４０であり、一方、
各列を構成する光センサ２２の数は４８０である。な
お、図１では撮像面２０の一部のみが示されている。

【００１５】図１、図２において一点鎖線２９は光セン
サ２２の行の方向２４と平行な直線を表している。すな
わち、光センサ２２の行の方向２４とレーザビーム１０
の走査方向２６とは鋭角を成し、詳しくは本実施の形態
例では、レーザビーム１０の走査方向２６と、光センサ
２２の行の方向２４とが成す角度２８（以下、チルト角
度という）は、光スポット３４、３６、３８、４０、…
…の、列の方向３０における配列ピッチが、列の方向３
０における光センサ２２の配列ピッチの非整数倍の長さ
となるように設定されている。本実施の形態では、光ス
ポット３４、３６、３８、４０、……の、列の方向３０
における配列ピッチが、列の方向３０における光センサ
２２の配列ピッチ（画素サイズに相当）の１／４ずつず
れるように（図１では１／４画素、２／４画素、３／４
画素と記載）チルト角度２８が設定されている。なお、
本実施の形態例では、光スポット３４、３６、３８、４
０、……の、列の方向３０における配列ピッチが、列の
方向３０における光センサ２２の配列ピッチＬＰより小
さくなるように設定されているが、上記列の方向３０に
おける配列ピッチＬＰより大きくなるように設定しても
かまわない。

【００１６】照射制御手段１４は、図４に示したよう
に、レーザビーム走査装置４が内部で発生する同期信号
にもとづいて、レーザビーム走査装置４のレーザ光源３
２をオン・オフ制御する。そして、レーザビーム１０の
走査に応じてレーザビーム１０を間欠的に照射して、図
１、図２に示したように、撮像面２０上に複数の光スポ
ット３４、３６、３８、４０、……などを間隔をおいて
形成する。

【００１７】照射制御手段１４によるレーザビーム走査
装置４のレーザ光源３２をオン・オフする時間間隔の制
御は次に示すように行なわれる。すなわち、照射制御手
段１４は、光スポット間の距離が光センサ２２の行の方
向２４において光センサ２２の配列ピッチの非整数倍の
長さとなり、かつ、列の方向３０において光センサ２２
の配列ピッチの整数倍となるようにレーザビーム照射に
おける時間間隔を設定する第１の制御と、光スポット間
の距離が光センサ２２の列の方向３０において光センサ
２２の配列ピッチの非整数倍の長さとなり、かつ、行の
方向２４において光センサ２２の配列ピッチの整数倍と
なるようにレーザビーム照射における時間間隔を設定す
る第２の制御とを行う。

【００１８】すなわち、図１と図２における光スポット
３４、３６、３８、４０が上記第１の制御に対応してい
る。つまり、光スポット３４、３６、３８、４０のそれ
ぞれの間では、列の方３０における配列ピッチが光セン
サ２２の配列ピッチＬＰの１／４ずつずれている。この
際、光スポット３４、３６、３８、４０のそれぞれの間
では、行の方向２４における配列ピッチはずれていな
い。一方、図１と図２における光スポット４２、４４、
……が上記第２の制御に対応している。なお、図２では
図示されていないが、光スポット４４の後に２つの光ス
ポットが照射されるようになっており、これら２つの光
スポットを含む４つの光スポット４２、４４、……の行
の方向２４における配列ピッチが光センサ２２の配列ピ
ッチＬＰの１／４ずつずれている。この際、光スポット
４２、４４、……のそれぞれの間では、列の方向３０に
おける配列ピッチはずれていない。また、光ビームの走
査毎に上記第１、第２の制御の双方が行なわれるように
なっている。

【００１９】なお、レーザビーム走査装置４は、レーザ
ビーム１０が走査範囲の一方の端部に移動したことを検
出する同期センサ（図示せず）を備えており、上記同期
信号はこのセンサの出力信号にもとづいて生成される。
したがって、照射制御手段１４はレーザビーム１０が走
査範囲の一方の端部側に移動し、反対側の端部へと走査
を開始するタイミングを基準にして、レーザ光源３２を
オン・オフ制御する。

【００２０】演算装置１６は、撮像装置８が出力する、
光スポットの撮像結果を表す電気信号にもとづき、各光
スポットごとに、各光スポットに対応する、各光センサ
２２の画素の値を取得し、後で詳述する原理に基づいて
各光スポットの画素値に基づいて１つの光スポットを合
成し、この合成された光スポットの大きさを算出し、算
出結果をレーザビーム１０の径として出力する。なお、
その際、演算装置１６は、光スポットの大きさとして、
レーザビーム１０の走査方向２６における大きさと、レ
ーザビーム１０の走査方向２６に直交する方向における
大きさを算出することができるが、算出される光スポッ
トの大きさはこれらの方向に限定されるものではなく、
全ての方向における光スポットの大きさを算出できるこ
とはもちろんである。演算装置１６は、たとえばＣＰＵ
やメモリを含むマイクロコンピュータにより構成するこ
とができ、メモリに所定のプログラムを格納し、前記Ｃ
ＰＵを同プログラムにもとづいて動作させることで、上
記演算装置１６の機能を実現できる。

【００２１】次に、このように構成された走査レーザビ
ームのビーム径測定装置６の動作について説明する。レ
ーザビーム走査装置４は、上記レーザ光源３２で発生さ
せたレーザビーム１０をポリゴンミラーにより偏向走査
する。ポリゴンミラーで走査されたレーザビーム１０
は、レーザビーム走査装置４の筐体下部より出射し、架
台２に形成された開口１２を通じて撮像装置８に入射す
る。

【００２２】ここで照射制御手段１４は、レーザビーム
走査装置４が内部で発生する同期信号をタイミングの基
準にし、レーザビーム走査速度にもとづき、レーザビー
ム走査装置４のレーザ光源３２をオン・オフ制御して、
レーザビーム１０を間欠的に照射する。その結果、図
１、図２に示したように、ＣＣＤ１８の撮像面２０上に
は複数の光スポット３４、３６、３８などが間隔をおい
て形成される。

【００２３】本実施の形態例では、光スポット３４、３
６、３８、４０下の各光センサ２２の位置は、列の方向
３０において光スポットごとに光センサ２２の配列ピッ
チＬＰの１／４（画素サイズ１／４に相当）で変位した
ものとなる。また、光スポット４２、４４、……下の各
光センサ２２の位置は、行の方向２４において光スポッ
トごとに光センサ２２の配列ピッチＬＰの１／４（画素
サイズ１／４に相当）で変位したものとなる。すなわ
ち、光スポット３４、３６、３８、４０においては、隣
接する２つの光スポットは、列の方向３０に対して、そ
れぞれ光センサ２２の配列ピッチＬＰの１／４だけずれ
た状態で光センサ２２上に位置していることになる。一
方、光スポット４２、４４、……においては、隣接する
２つの光スポットは、行の方向２４に対して、それぞれ
光センサ２２の配列ピッチＬＰの１／４だけずれた状態
で光センサ２２上に位置していることになる。つまり、
隣接する２つの光スポット間で光センサ２２の位置が行
の方向または列の方向にそれぞれ光センサ２２の配列ピ
ッチＬＰの１／４だけずれた状態で位置していることと
同じ状態となるようにしている。

【００２４】ＣＣＤ１８を構成する各光センサ２２はレ
ーザビーム１０が照射された場合にはその輝度に応じた
大きさの電気信号を出力し、撮像装置８は光センサ２２
の出力信号をデジタル信号に変換して時系列的に演算装
置１６に出力する。演算装置１６は、撮像装置８の出力
信号にもとづき、各光スポットごとに、各光スポットに
対応する、各光センサ２２の画素の値、すなわち輝度を
表す値を取得する。ＣＣＤ１８の撮像面２０に形成され
る各光スポットの位置は、演算装置１６によって上記各
光センサ２２の画素の値（輝度を表す値）に基づく重心
計算が行なわれることで算出される。

【００２５】そして、演算装置１６は、以下に示す原理
に基づいて各光スポットを表す画素値に基づいて１つの
光スポットを合成し、この合成された１つの光スポット
の大きさを算出し、算出結果をレーザビーム１０の径と
して出力する。なお、その際、演算装置１６は、たとえ
ば光スポットの、レーザビーム１０の走査方向２６にお
ける大きさと、レーザビーム１０の走査方向２６に直交
する方向における大きさを算出する。

【００２６】ここで、光センサ２２の列の方向３０を例
に、演算装置１６によって光スポットの大きさを求める
原理について説明する。図５は測定対象となる光スポッ
トの輝度分布図、図６は以下に説明する原理で合成され
た光スポットの輝度分布図である。図７は光センサの境
界（画素の境界）にピークがある状態における各光セン
サの出力と図５に示されている光スポットの輝度分布を
比較して示す輝度分布図である。図８は光センサの境界
（画素の境界）から光センサの配列ピッチの１／４（図
中２．５μｍと記載）ずれた位置にピークがある状態に
おける各光センサの出力と図５に示されている光スポッ
トの輝度分布を比較して示す輝度分布図である。図９は
光センサの境界（画素の境界）から光センサの配列ピッ
チの２／４（図中５μｍと記載）ずれた位置にピークが
ある状態における各光センサの出力と図５に示されてい
る光スポットの輝度分布を比較して示す輝度分布図であ
る。図１０は光センサの境界（画素の境界）から光セン
サの配列ピッチの３／４（図中７．５μｍと記載）ずれ
た位置にピークがある状態における各光センサの出力と
図５に示されている光スポットの輝度分布を比較して示
す輝度分布図である。

【００２７】図５、図７乃至図１０において、横軸は光
センサの配列を示し、縦軸方向に等間隔をおいて延在す
る縦線は各光センサの区分を示している。本例では光セ
ンサの配列ピッチが１０μｍとして示している。また、
縦軸は光センサの出力（画素値に相当）を％単位で示し
ており、ピーク値が１００％となるように設定してい
る。また、図６において、横軸は光センサの配列を示
し、縦軸方向に等間隔をおいて延在する縦線は各光セン
サを１／４ずつ分割した区分を示している。縦軸は上記
図５、図６乃至図１０と同じである。図７乃至図１０に
示されている各光スポットは、前述したように例えば列
方向３０において光センサの配列ピッチの１／４ずつず
れた状態を示している。

【００２８】図６に示されているように、光センサ２２
の配列ピッチを１／４ずつ区分した状態において、たと
えば、図７に示されているように、光スポットにおいて
列の方向３０に配列される各光センサ２２の出力値を順
次ＡＰ０、ＡＰ１、ＡＰ２、……、ＡＰ１０とする。一
方、図５に示されているように、光スポットを列の方向
に上記光センサ２２の配列ピッチの１／４で分割した場
合の出力値が０、０、０、０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ４、Ｘ
５、……であったとする。すると、各出力値ＡＰ０、Ａ
Ｐ１、ＡＰ２（ＡＰ３以降は省略する）は次に示すよう
な式（１）乃至式（３）で示される。 ＡＰ０＝０＋０＋０＋０ （１−１） ＡＰ１＝Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４ （１−２） ＡＰ２＝Ｘ５＋Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８ （１−３）

【００２９】これと同様のことを図８の光スポットで考
える。図８の光スポットにおいて列の方向３０に配列さ
れる各光センサ２２の出力値を順次ＢＰ０、ＢＰ１、Ｂ
Ｐ２、……、ＢＰ１０とする。すると、各出力値ＢＰ
０、ＢＰ１、ＢＰ２（ＢＰ３以降は省略する）は次に示
すような式（２−１）乃至式（２−３）で示される。 ＢＰ０＝０＋０＋０＋Ｘ１ （２−１） ＢＰ１＝Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４＋Ｘ５ （２−２） ＢＰ２＝Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＋Ｘ９ （２−３）

【００３０】同様に図９の光スポットで考える。図９の
光スポットにおいて列の方向３０に配列される各光セン
サ２２の出力値を順次ＣＰ０、ＣＰ１、ＣＰ２、……、
ＣＰ１０とする。すると、各出力値ＣＰ０、ＣＰ１、Ｃ
Ｐ２（ＣＰ３以降は省略する）は次に示すような式（３
−１）乃至式（３−３）で示される。 ＣＰ０＝０＋０＋Ｘ１＋Ｘ２ （３−１） ＣＰ１＝Ｘ３＋Ｘ４＋Ｘ５＋Ｘ６ （３−２） ＣＰ２＝Ｘ７＋Ｘ８＋Ｘ９＋Ｘ１０ （３−３）

【００３１】同様に図１０の光スポットで考える。図１
０の光スポットにおいて列の方向３０に配列される各光
センサ２２の出力値を順次ＤＰ０、ＤＰ１、ＤＰ２、…
…、ＤＰ１０とする。すると、各出力値ＤＰ０、ＤＰ
１、ＤＰ２（ＤＰ３以降は省略する）は次に示すような
式（４−１）乃至式（４−３）で示される。 ＤＰ０＝０＋Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３ （４−１） ＤＰ１＝Ｘ４＋Ｘ５＋Ｘ６＋Ｘ７ （４−２） ＤＰ２＝Ｘ８＋Ｘ９＋Ｘ１０＋Ｘ１１ （４−３）

【００３２】上述した式（１−１）乃至（４−３）に基
づいて、図７乃至図１０に示される各光スポットの各光
センサの出力値ＡＰｎ乃至ＤＰｎを表す一般式を求める
と、次に示す式（５）乃至式（８）となる。 ＡＰｎ＝Ｘ_(n-1)*4+1＋Ｘ_(n-1)*4+2＋Ｘ_(n-1)*4+3＋Ｘ_(n-1)*4+4 （５） ＢＰｎ＝Ｘ_(n-1)*4+2＋Ｘ_(n-1)*4+3＋Ｘ_(n-1)*4+4＋Ｘ_(n-1)*4+5 （６） ＣＰｎ＝Ｘ_(n-1)*4+3＋Ｘ_(n-1)*4+4＋Ｘ_(n-1)*4+5＋Ｘ_(n-1)*4+6 （７） ＤＰｎ＝Ｘ_(n-1)*4+4＋Ｘ_(n-1)*4+5＋Ｘ_(n-1)*4+6＋Ｘ_(n-1)*4+7 （８） ただし、ｎは各光センサに付した画素番号であり、１以
上の自然数で示される。また、Ｘは１／４に分割した画
素値を示す。

【００３３】したがって、上記式（５）乃至（８）に基
づいて光センサの配列ピッチの１／４に分割した画素値
を表す一般式を求めると、次に示す式（９）乃至式（１
２）となる。 Ｘ_(n-1)*4+5＝ＢＰｎ−ＡＰｎ＋Ｘ_(n-1)*4+1 （９） Ｘ_(n-1)*4+6＝ＣＰｎ−ＢＰｎ＋Ｘ_(n-1)*4+2 （１０） Ｘ_(n-1)*4+7＝ＤＰｎ−ＣＰｎ＋Ｘ_(n-1)*4+3 （１１） Ｘ_(n-1)*4+8＝ＡＰ_(n+1)−ＤＰｎ＋Ｘ_(n-1)*4+4 （１２）

【００３４】したがって、図７乃至図１０に示されてい
る光センサの配列ピッチを１／４ずつずらした各光スポ
ットの画素値から上記式（９）乃至式（１２）を用いて
光センサの配列ピッチの１／４に分割した画素値を求め
ることができ、これら画素値に基づいて図６に示されて
いる光スポットの輝度分布を合成することができる。表
１は、上記式（９）乃至式（１２）を用いて求められた
光センサの配列ピッチの１／４に分割した画素値Ｘｎの
計算例を示す。

【表１】 なお、表１において、画素値ｎは４Ｎ＋Ｌで表され、Ｎ
は１０個の光センサに対応して付された０乃至９までの
値を示し、Ｌは光スポットを光センサの配列ピッチの１
／４ずつずらしたことに対応した１から４までの値を示
す。

【００３５】表１のように計算された画素値から図６に
示されている光スポットが合成される。ただし、図６
は、表１の数値を換算して％単位で表示した数値で示さ
れている。この合成された光スポットの大きさからレー
ザビームのビーム径を算出するには、例えば光スポット
のピークにおける画素値の１／ｅ²の値となる位置の
幅、すなわち光スポットのピークを１００％としたとき
に約１３．５％の値となる位置の幅として定義すること
ができる。実際に比較してみると、図５に示されている
ビーム径が２４．４μｍであり、図６に示されている合
成されたビーム径が２５．５μｍであり、両者はよく一
致しているといえる。

【００３６】以上詳述したように、各光スポットの前記
光センサに対する相対的な位置は光センサの配列ピッチ
の１／Ｎ（但しＮは１より大きな自然数）ずつずれるこ
とになり、各光スポットのたとえば中心を位置の基準と
した場合、光スポット下の各光センサの位置は、光スポ
ットごとに光センサの画素サイズより短い距離で変位し
たものとなる。そのため、Ｎ個の光スポットに対応する
各光センサの画素値に基づいて配列ピッチが光センサの
配列ピッチの１／Ｎとなった場合に相当する画素値を演
算し、これら演算された画素値に基づいて光スポットを
合成し、この合成された光スポットの大きさを算出し、
この算出結果を前記レーザビームの径として出力するこ
とが可能となる。つまり、光センサの実際の画素サイズ
より小さい画素サイズの光センサを配列した場合と同等
の検出結果が得られ、光スポットの大きさ、したがって
レーザビームの径を高精度で測定することが可能とな
る。よって、たとえばＣＣＤを備えた撮像装置を用いて
低コストの走査レーザビームのビーム径測定装置を構成
することができ、しかも顕微鏡レンズなどの拡大光学系
は不要であるから小型に形成できる。さらに、低コスト
かつ小型であることから、レーザビームの走査範囲内に
複数台を配置して、複数箇所における測定を一度の走査
で完了することもでき、効率よく測定作業を行える。

【００３７】また、上記の例では、光センサ２２の列の
方向３０に光スポットの配列ピッチをずらすことでレー
ザビームの走査方向と直交する方向におけるビーム径が
算出されることについて説明したが、光センサ２２の行
の方向２４についても同様の演算を行って光スポットを
合成することでレーザビームの走査方向におけるビーム
径が算出されることはもちろんである。また、光ビーム
の走査毎に上記第１、第２の制御の双方が行なわれるこ
とにより、レーザビームの走査方向と該走査方向と直交
する方向のビーム径を短時間に求めることができる。

【００３８】また、光センサ２２の行の方向２４とレー
ザビーム１０の走査方向２６との成すチルト角度２８を
さらに小さく設定して光センサの列の方向３０でもさら
に分解能を高め、光スポットの大きさの測定精度、した
がってレーザビーム径の測定精度をいっそう向上させる
ことができる。

【００３９】次に、本発明の第２の実施の形態例につい
て説明する。第２の実施の形態例では、前述した実施の
形態例と同様に、レーザビームの走査に応じてレーザビ
ームを間欠的に照射して光センサの撮像面上に複数の光
スポットを形成するが、隣接する光スポット間の距離に
ついては特に設定しない。そして、第２の実施の形態例
の走査レーザビームのビーム径測定装置が上記走査レー
ザビームのビーム径測定装置６と異なるのは演算装置１
６における演算処理の内容の点においてである。すなわ
ち、第２の実施の形態例では、演算装置１６は、まず本
発明に係わる第１の演算手段として動作して、撮像装置
８が出力する、光スポットの撮像結果を表す電気信号に
もとづき、各光スポットごとに、各光スポットに対応す
る、各光センサ２２の画素の値を取得し、取得した画素
値により各光スポットの行および列の方向２４、３０に
おける大きさを算出する。つづいて、演算装置１６は、
本発明に係わる第２の演算手段として動作し、上述のよ
うに算出した各光スポットの大きさの平均値を行および
列の方向２４、３０ごとに算出し、算出結果をレーザビ
ーム１０の径として出力する。

【００４０】この場合、各光スポットごとに求めた光ス
ポットの大きさは、光スポットと光センサ２２との位置
関係が光スポットごとに異なることから、各光スポット
ごとに若干異なったものとなる。したがって、各光スポ
ットごとに算出された光スポットの大きさを平均化する
ことで正確な光スポットの大きさを得ることができる。
そのため、この第２の実施の形態例においても、上記実
施の形態例の場合と同様の効果を得ることができる。

【００４１】さらに、第２の実施の形態例では、光スポ
ットが出力する電気信号にノイズが含まれており、その
ノイズが原因で各光スポットごとに求める光スポットの
大きさの精度が低下したとしても、上述のように複数の
値の加算平均を算出するので、ノイズの影響を緩和する
ことができる。

【００４２】なお、ＣＣＤ１８を、撮像面２０に平行な
面内で揺動可能に支持し、また同面内で揺動させる機構
を設けて、レーザビーム１０の走査方向２６と、光セン
サ２２の行の方向２４とが成すチルト角度２８を調整で
きる構成とすることも有効である。そのような構成とし
た場合には撮像装置８の設置状態や、照射制御手段１４
によるオン・オフ制御のタイミングに応じて上記チルト
角度２８を容易に的確な角度に設定することができ、測
定作業の効率向上を図ることができる。また、上記実施
の形態例では、レーザビーム１０の走査方向２６がおお
むね光センサ２２の行の方向２４であるとしたが、マト
リクス状に配列された光センサ２２の行および列をどの
ように決めるかは任意であり、行と列とを置き換えてレ
ーザビーム１０の走査方向２６がおおむね光センサ２２
の列の方向３０であるとしても何ら差し支えない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、レーザビ
ームが撮像素子の撮像面に入射して撮像面上に光スポッ
トを形成する撮像装置と、レーザビームの、撮像面に対
する照射、非照射を制御する照射制御手段とを備え、光
センサの行の方向とレーザビームの走査方向とは鋭角を
成し、照射制御手段は、レーザビームの走査に応じレー
ザビームを間欠的に照射して撮像面上に複数の光スポッ
トを間隔をおいて形成するようにレーザビーム照射の時
間間隔を制御するように構成され、照射制御手段による
時間間隔の制御は、光スポット間の距離が光センサの行
の方向において光センサの配列ピッチの非整数倍の長さ
となり、かつ、列の方向において光センサの配列ピッチ
の整数倍となるようにレーザビーム照射における時間間
隔を設定する第１の制御と、光スポット間の距離が光セ
ンサの列の方向において光センサの配列ピッチの非整数
倍の長さとなり、かつ、行の方向において光センサの配
列ピッチの整数倍となるように前記レーザビーム照射に
おける時間間隔を設定する第２の制御とを含む構成とし
た。

【００４４】そのため、各光スポットの前記光センサに
対する相対的な位置は光センサの配列ピッチの１／Ｎ
（但しＮは１より大きな自然数）ずつずれることにな
り、各光スポットのたとえば中心を位置の基準とした場
合、光スポット下の各光センサの位置は、光スポットご
とに光センサの配列ピッチより短い距離で変位したもの
となる。これにより、Ｎ個の光スポットに対応する各光
センサの画素値に基づいて配列ピッチが光センサの配列
ピッチの１／Ｎとなった場合に相当する画素値を演算
し、これら演算された画素値に基づいて光スポットを合
成し、この合成された光スポットの大きさを算出し、こ
の算出結果を前記レーザビームの径として出力すること
が可能となる。つまり、光センサの実際の画素サイズよ
り小さい画素サイズの光センサを配列した場合と同等の
検出結果が得られ、光スポットの大きさ、したがってレ
ーザビームの径を高精度で測定することが可能となる。
よって、たとえばＣＣＤを備えた撮像装置を用いて低コ
ストの走査レーザビームのビーム径測定装置を構成する
ことができ、しかも顕微鏡レンズなどの拡大光学系は不
要であるから小型に形成できる。さらに、低コストかつ
小型であることから、レーザビームの走査範囲内に複数
台を配置して、複数箇所における測定を一度の走査で完
了することもでき、効率よく測定作業を行える。

【００４５】また、前記撮像装置が出力する、前記光ス
ポットの撮像結果を表す電気信号にもとづき、各光スポ
ットごとに、各光スポットに対応する、各光センサの画
素の値を取得し、取得した画素値により各光スポットの
大きさを算出する第１の演算手段と、前記第１の演算手
段が算出した各光スポットの大きさの平均値を算出し、
算出結果を前記レーザビームの径として出力する第２の
演算手段とを備える構成とした場合には、各光スポット
ごとに求めた光スポットの大きさは、光スポットと光セ
ンサとの位置関係が光スポットごとに異なることから、
各光スポットごとに若干異なったものとなる。したがっ
て、各光スポットごとに算出された光スポットの大きさ
を平均化することで正確な光スポットの大きさを得るこ
とができ、上記と同様の効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査レーザビームのビーム径測定
装置の一例によりレーザビーム径を測定する原理を説明
するためのＣＣＤ撮像面の一部を拡大した状態を示す模
式部分平面図である。

【図２】レーザビーム径を測定する原理を説明するため
のＣＣＤ撮像面の一部を図１よりも広い範囲で示した模
式部分平面図である。

【図３】実施の形態例を含む測定系全体を示す構成図で
ある。

【図４】実施の形態例の構成を示すブロック図である。

【図５】測定対象となる光スポットの輝度分布図であ
る。

【図６】合成された光スポットの輝度分布図である。

【図７】光センサの境界（画素の境界）にピークがある
状態における各光センサの出力と図５に示されている光
スポットの輝度分布を比較して示す輝度分布図である。

【図８】光センサの境界（画素の境界）から光センサの
配列ピッチの１／４ずれた位置にピークがある状態にお
ける各光センサの出力と図５に示されている光スポット
の輝度分布を比較して示す輝度分布図である。

【図９】光センサの境界（画素の境界）から光センサの
配列ピッチの２／４ずれた位置にピークがある状態にお
ける各光センサの出力と図５に示されている光スポット
の輝度分布を比較して示す輝度分布図である。

【図１０】光センサの境界（画素の境界）から光センサ
の配列ピッチの３／４ずれた位置にピークがある状態に
おける各光センサの出力と図５に示されている光スポッ
トの輝度分布を比較して示す輝度分布図である。

【符号の説明】

２ 架台 ４ レーザビーム走査装置 ６ 走査レーザビームのビーム径測定装置 ８ 撮像装置 １０ レーザビーム １２ 開口 １４ 照射制御手段 １６ 演算装置 １８ ＣＣＤ ２０ 撮像面 ２２ 光センサ ２４ 行の方向 ２６ 走査方向 ２８ チルト角度 ３０ 列の方向 ３２ レーザ光源 ３４、３６、３８、４０、４２、４４ 光スポット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C362 AA20 2F065 AA17 AA19 AA26 AA51 BB29 CC00 DD02 DD06 FF04 GG04 GG08 HH04 JJ03 JJ08 JJ26 LL10 LL14 LL62 MM16 NN02 PP01 QQ03 QQ17 QQ21 QQ25 QQ27 QQ28 QQ34 QQ42 RR08 5B057 CA08 CA12 CA16 CB08 CB12 CB16 CC01 CE08 DB02 DB09 DC03 DC06 DC23 5C051 BA03 CA07 DA06 DB01 DB02 DB30 DE02 DE29

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定方向に走査されるレーザビームのビ
   ーム径を測定する装置であって、 撮像面に多数の光センサを行および列を成してマトリク
   ス状に配列した撮像素子を含み、前記レーザビームが前
   記撮像素子の前記撮像面に入射して前記撮像面上に光ス
   ポットを形成する撮像装置と、 前記レーザビームの、前記撮像面に対する照射、非照射
   を制御する照射制御手段とを備え、 前記光センサの前記行の方向と前記レーザビームの走査
   方向とは鋭角を成し、 前記照射制御手段は、前記レーザビームの走査に応じ前
   記レーザビームを間欠的に照射して前記撮像面上に複数
   の前記光スポットを間隔をおいて形成するように前記レ
   ーザビーム照射の時間間隔を制御するように構成され、 前記照射制御手段による前記時間間隔の制御は、前記光
   スポット間の距離が前記光センサの前記行の方向におい
   て前記光センサの配列ピッチの非整数倍の長さとなり、
   かつ、前記列の方向において前記光センサの配列ピッチ
   の整数倍となるように前記レーザビーム照射における時
   間間隔を設定する第１の制御と、前記光スポット間の距
   離が前記光センサの前記列の方向において前記光センサ
   の配列ピッチの非整数倍の長さとなり、かつ、前記行の
   方向において前記光センサの配列ピッチの整数倍となる
   ように前記レーザビーム照射における時間間隔を設定す
   る第２の制御とを含む、 ことを特徴とする走査レーザビームのビーム径測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記撮像面に対する前記レーザビームの
   走査が行なわれる毎に前記第１、第２の制御の双方が行
   なわれるように構成されていることを特徴とする請求項
   １記載の走査レーザビームのビーム径測定装置。
3. 【請求項３】 前記レーザビームの走査方向と、前記光
   センサの前記行の方向とが成す角度は、前記光スポット
   の、前記列の方向における配列ピッチが、前記列の方向
   における前記光センサの配列ピッチの非整数倍の長さと
   なるように設定されていることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の走査レーザビームのビーム径測定装置。
4. 【請求項４】 前記行方向または列方向における前記光
   スポット間の距離が前記光センサの配列ピッチの非整数
   倍の長さとなることによって、前記各光スポットの前記
   光センサに対する相対的な位置は前記光センサの配列ピ
   ッチの１／Ｎ（但しＮは１より大きな自然数）ずつずれ
   ることを特徴とする請求項１、２または３記載の走査レ
   ーザビームのビーム径測定装置。
5. 【請求項５】 前記撮像装置が出力する前記光スポット
   の撮像結果を表す電気信号にもとづき、前記光センサに
   対する相対的位置が前記光センサの配列ピッチの１／Ｎ
   ずつずれたＮ個の光スポットに対応する各光センサの画
   素の値を取得し、前記Ｎ個の光スポットに対応する各光
   センサの画素値に基づいて配列ピッチが前記光センサの
   配列ピッチの１／Ｎとなった場合に相当する画素値を演
   算し、これら演算された画素値に基づいて光スポットを
   合成し、この合成された光スポットの大きさを算出し、
   この算出結果を前記レーザビームの径として出力する演
   算手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の走査レ
   ーザビームのビーム径測定装置。
6. 【請求項６】 前記演算手段によって算出される前記光
   スポットの大きさは、少なくとも前記レーザビームの走
   査方向における前記光スポットの大きさと前記レーザビ
   ームの走査方向に直交する方向における前記光スポット
   の大きさを含むことを特徴とする請求項５記載の走査レ
   ーザビームのビーム径測定装置。
7. 【請求項７】 前記撮像装置が出力する、前記光スポッ
   トの撮像結果を表す電気信号にもとづき、各光スポット
   ごとに、各光スポットに対応する、各光センサの画素の
   値を取得し、取得した画素値により各光スポットの大き
   さを算出する第１の演算手段と、前記第１の演算手段が
   算出した各光スポットの大きさの平均値を算出し、算出
   結果を前記レーザビームの径として出力する第２の演算
   手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至４に何れ
   か１項記載の走査レーザビームのビーム径測定装置。
8. 【請求項８】 前記撮像素子はＣＣＤであることを特徴
   とする請求項１乃至７に何れか１項記載の走査レーザビ
   ームのビーム径測定装置。
9. 【請求項９】 走査レーザビームのビーム径を測定する
   装置であって、 撮像面に多数の光センサを配列した撮像素子を含み、レ
   ーザビームが前記撮像素子の前記撮像面に入射して前記
   撮像面上に光スポットを形成する撮像装置と、 前記レーザビームの、前記撮像面に対する照射、非照射
   を制御する照射制御手段とを備え、 前記照射制御手段は、前記レーザビームの走査に応じて
   前記レーザビームを間欠的に照射して前記撮像面上に複
   数の前記光スポットを形成すること、 を特徴とする走査レーザビームのビーム径測定装置。