JP4595618B2

JP4595618B2 - 光走査装置及び光走査方法

Info

Publication number: JP4595618B2
Application number: JP2005090913A
Authority: JP
Inventors: 宏丞林; 裕司小野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006276133A

Description

本発明は、プリンタや複写機、及びレーザスキャン方式の計測器等に用いられる、回転多面鏡を有する光走査装置に関するもので、より詳細には走査同期信号の取得手段に関するものである。

従来技術に係わる光走査装置の一例を図４に示す。この光走査装置２１は、レーザ光源部２２から発せられるレーザ光を、高速回転する回転多面鏡２３により主走査方向に走査し、さらに該走査光を走査レンズ２４により走査対象面上に集光させている。ここで、回転多面鏡２３には１回転毎の回転検出出力機能が付属されているものもあるが、これを走査同期信号として利用した場合、面倒れや回転ぶれによりタイミングずれが発生し同期の精度は低い。そのため、より精度良く回転多面鏡の各鏡面における走査毎の同期を取る目的で、同期信号検出光学系と同期信号検出受光素子が別途設けられる。一般的には、走査領域の外側に設置した反射部材２５により走査光の一部を反射させ、該反射光を補正光学系２６を経て受光素子２７に導いて検出し走査同期信号を得ている。

従来技術として、レーザ光源部に同期信号検出系を併設して同期信号を得る技術（例えば、特許文献１）や、同期信号光の反射部材に凹面鏡を用いて同期信号を得る技術（特許文献２）が開示されている。
特開２０００−５６２４５号公報登録実用新案第３０４８１６９号公報

しかし、上記従来技術の光走査装置は、走査同期信号を得るために、回転多面鏡を反射したレーザ光を走査レンズ、反射部材、及び補正光学系を経て受光素子に入射するように構成しているので、構成部材が多くなってしまう。また、反射部材、補正光学系、及び受光素子の位置関係を別途調整しなければならず、光走査装置をコンパクトに構成できないという問題がある。

また、外力や温度変化、あるいは回転多面鏡の面倒れや回転ぶれにより、レーザ光軸が主走査方向と垂直な方向に変位、偏向した場合には同期信号光が受光素子へ入射せず走査同期信号が取得できない恐れがある。

本発明は、これらの課題を解決するもので、走査同期信号の検出手段を簡略化して低コストでコンパクトな光走査装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の光走査装置は、レーザ光源部と、該レーザ光源部から発するレーザ光を反射して主走査方向にレーザ光を走査する回転多面鏡と、前記反射されたレーザ光を走査対象面上に垂直に投光して集光させる走査レンズと、該走査対象面から該投光方向と逆方向に垂直に反射され前記走査レンズを透過し前記回転多面鏡で再び反射される反射光を受光する受光素子とを備える光走査装置において、前記回転多面鏡により反射されるレーザ光の一部を直角プリズムにて全反射させ、該全反射光を前記回転多面鏡で再び反射させて前記受光素子で受光し、主走査方向の所定の走査位置を示す走査同期信号を取得することを特徴としたものである。

また、本発明の光走査装置は、レーザ光源部と、該レーザ光源部から発するレーザ光を素通りさせる穴を有する穴あきミラーと、前記穴あきミラーを通過した前記レーザ光を反射して主走査方向にレーザ光を走査する回転多面鏡と、前記反射されたレーザ光を走査対象面上に垂直に投光して集光させる走査レンズと、該走査対象面から該投光方向と逆方向に垂直に反射され前記走査レンズを透過し前記回転多面鏡で再び反射される反射光を受光する受光素子と、前記回転多面鏡により反射されるレーザ光の一部を全反射させる直角プリズムとを備え、前記直角プリズムにて全反射された光を前記回転多面鏡で再び反射させた後、この反射光を前記穴あきミラーの穴部周辺ミラー部にて反射させ、当該反射光を前記受光素子で受光し、主走査方向の所定の走査位置を示す走査同期信号を取得することを特徴としたものである。

また、本発明の光走査方法は、穴あきミラーの穴部を通過するレーザ光を反射して主走査方向にレーザ光を走査する回転多面鏡と、前記反射されたレーザ光を走査対象面上に垂直に投光して集光させる走査レンズと、該走査対象面から該投光方向と逆方向に垂直に反射され前記走査レンズを透過し前記回転多面鏡で再び反射される反射光を受光する受光素子と、前記回転多面鏡により反射されるレーザ光の一部を全反射させる直角プリズムとを備え、前記直角プリズムにて全反射された光を前記回転多面鏡で再び反射させた後、この反射光を前記穴あきミラーの穴部周辺ミラー部にて反射させ、この反射光を前記受光素子で受光し、主走査方向の所定の走査位置を示す走査同期信号を取得することを特徴としたものである。

本発明の光走査装置及び光走査方法によれば、同期信号光を得るための反射部材と同期検出光学系との位置調整を簡略化でき、かつ付属の受光系を併用し走査同期信号を検出することで構成部材点数を削減し、低コストでコンパクトな光走査装置を実現する事ができる。

以下に、本発明における光走査装置及び光走査方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１における光走査装置全体の概略構成図、図２は本発明の実施例１における光走査装置を説明するための原理図、図３は本発明の実施例１における光走査装置の直角プリズムを説明するための図である。図１、図２、及び図３を用いて、実施例の光走査装置について説明する。

図１において、レーザ光源部１から発せられる投光レーザ光２は、図示されていないコリメータレンズにより平行ビーム化されており、穴あきミラー９の穴を完全に通過する。穴あきミラー９を通過した投光レーザ光２は、高速回転する回転多面鏡３により反射偏向され、走査レンズ６に入射した後、光走査対象面７に対し垂直に照射され１点に集光される。

そして、走査レンズ６は入射する光の角度成分を座標成分へと、あるいは座標成分を角度成分へと変換する機能を果たすため、光走査対象面７上の投光レーザの集光点から垂直方向へ拡散反射された光は、再び走査レンズ６を透過すると、元の回転多面鏡３で偏向された投光レーザ２と同じ光軸角度を持つ光束へと変換される。また、回転多面鏡３の回転速度は光の速度より遥かに遅いため、この光の往復時間に対しては、鏡面は止まっていると見なすことができる。従って、光走査対象面７上の集光点から逆方向へ垂直に反射された光は、走査レンズ６及び、回転多面鏡３を経て、投光と同じ光軸、光路を辿り戻ってくる。この投光光軸と同じ光軸をもつ光走査対象面７からの反射光を、ここでは落射反射光８と呼ぶ。落射反射光８の光束は、投光レーザ光２よりはるかに微弱であるがビーム径が大きく、穴あきミラー９の穴を通過せず穴部周辺のミラー面で反射される成分がある。この穴あきミラー９で反射されたドーナツ状の落射反射光８を、偏向ミラー１０で偏向し集光レンズ１１で集光して、受光素子１２にて落射信号として検出する。

ちなみに、こうして得られる落射信号は、光走査対象面７上の平面の傾斜具合を輝度で示すものであり、走査対象が鏡面に近い金属平面などである場合に最も明るく、斜面になるほど垂直方向への反射が弱くなるため暗い信号となる。また、レーザ三角測量方式の三次元計測器においては、走査対象面上の高さ計測のため、落射受光系の他にＰＳＤ１４（位置検出素子）、高さ信号受光光学系１３も別途配置される。

さて、本図１では回転多面鏡３の回転方向を反時計回りとしているため、回転多面鏡３により偏向される投光レーザ光２は、図中の左側から右側へ向けての高速移動を、回転多面鏡３の反射鏡面が切り替わる毎に繰り返す。この時、光走査対象面７上に照射されるレーザ光、つまり「光走査」目的で使用されるレーザ光は、走査レンズ６に入射し、透過した光のみである。そこで、回転多面鏡３により偏向される投光レーザ光２のうち、「光走査」目的で使用しない光の一部を同期信号光５として利用することができる。本実施例では、走査レンズ６上方の走査開始側に設置した直角プリズム４の２つの底面での２回全反射を利用することで、反射した同期信号光５を落射受光系へ導き、受光素子１２での同期信号検出を可能とする。

なお、落射受光系を併用し走査同期信号を取得するという点においては、同期信号光５の反射部材に通常のミラーを用い、穴あきミラー９をハーフミラーやビームスプリッタ等に置換してもよい。但し、その場合は同期信号光５を反射させるミラーの入射面と垂直な方向の角度調整作業が必要になる。また、ハーフミラー等を落射受光系との光路分離手段として用いると、投光レーザ２の光効率に必ず損失を与える。穴あきミラー８であれば、レーザ光を減衰させることなく１００％通過させるため、光走査装置のレーザ光効率、寿命の向上の点において非常に有利である。

次に、本実施例における光走査装置及び光走査方法の詳細な原理について、図２を用いて説明する。

図２（ａ）は、図１を平面的配置に変換して描いたものである。光学的には、透過・反射が生ずる媒質境界面の法線と光線を含む面が「入射面」と定義されるので、図２（ａ）においてはＸＺ平面が回転多面鏡３の走査における入射面に相当する。

まず、この入射面上、つまりＸＹ平面上についての原理を述べる。ここでも、回転多面鏡３は反時計回りとしているため、走査光は左側から右側へ向けて偏向されていく。その際、走査レンズ６に入射する前に、まず走査開始端に設置した直角プリズム４へ入射し始める。直角プリズム４に入射した光はプリズム底面で反射され、再び回転多面鏡３側へ返っていく。そして、後述する入射面と垂直な方向、つまりＹ軸方向への光路変位の作用があり、プリズム底面で反射された光の一部は、穴あきミラー９の穴部周辺で反射され落射受光系へと入射し、回転多面鏡３の回転に伴って受光素子１２上を高速で横切る。このとき、プリズム設置角度θとプリズム入射光軸が平行、つまり直角プリズム４への入射角がプリズム底面に対し垂直入射となった瞬間、プリズム底面からの反射光の入射面上の光軸角度は元の投光光軸に一致し、すなわち落射受光系の受光光軸角度にも一致するため、穴あきミラー９の穴部周辺にて反射され当該反射光が受光素子１２で同期信号として検出され、検出された信号パルスの立ち上がりを回転多面鏡３の走査の同期信号として認知する。つまり、レーザ光源部１から発する投光レーザ光２の光軸と走査レンズ６の走査中央垂線がなす投光基準反射角をｐとすると、回転多面鏡３の各鏡面の角度ｒが（θ＋ｐ）／２になった瞬間毎に、同期信号が出力されることになる。

次に、回転多面鏡３の走査における入射面と垂直な方向、つまりＹ軸方向についての原理を述べる。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ矢視図である。図２（ｂ）に示すように、直角プリズム４は、回転多面鏡３に対して直角である頂角を背にするようにし、またレーザ光源１から発せられる投光レーザ光２の光軸高さに対して、Ｙ軸方向に距離ｄだけずらして配置する。ここで、通常の石英ガラスの屈折率ｎは１．５程度であり、臨界角の公式「ｓｉｎθ_in＝１／ｎ」より、全反射が生じる臨界角は約４１°となる。従って、プリズム底面への入射角が４５°であれば全反射を十分に起こすことが可能である。

これにより、直角をなす２つの底面において２回の全反射が起こり、反射光は入射光に対して２ｄだけＹ軸方向に平行移動した状態で返される。さらに、直角プリズム４への入射光の光軸角度がα°ずれた場合でも、反射光の光軸角度は入射光軸には依存せず、直角プリズム４の直角度βで決まり、その精度は±２βとなる。よって、部材寸法公差の累積や組立誤差、レーザ光源部１の光軸のふらつき、及び回転多面鏡３の回転ぶれや面倒れ等により、直角プリズム４に対する同期信号光５の入射光軸がずれたとしても、その反射光は常に１８０°±２β°の精度で反射させることができる。ここで、市販の一般的な直角プリズムの直角度公差は３０秒〜３分（０．００８〜０．０５０°）程度である。この反射部材を、直角をなす２枚のミラーで構成しても同様の効果を得ることができるが、容易にこれだけの安定した直角度を得ることは難しい。ここに、同期信号光５の反射部材として直角プリズム４を用いる利点がある。

そして、図２（ｃ）のように、直角プリズム４で反射した同期信号光５は、上述のように、Ｙ軸方向に２ｄだけ光路変位量をもつ。ここで、穴あきミラー９の穴径をΦ、投光レーザ光２のビーム径をｅとすると、この２つの径のマージン（Φ−ｅ）／２より光路変位量２ｄが大きくなるように、直角プリズム４の光軸高さからのずらし量ｄを設定しておけば、穴あきミラー９の穴部周辺のミラー面で反射される成分が必ず生ずる。この反射光は三日月状であり、ドーナツ状となる落射反射光８より光束の断面積上では小さいが光強度（密度）では遥かに強く、受光素子１２で信号検出が十分可能である。以上のような原理で、回転多面鏡３の各鏡面での各々の光走査に対し走査同期信号が得られる。

最後に、本実施例における光走査装置及び光走査方法の直角プリズムについて図３を用いて説明する。図３（ｂ）に示すように、三角プリズムには５つの面があるが、走査同期信号を取得するための反射部材として機能するのは、そのうちの３つの面である。まず、同期信号光５を入射、透過させる面Ｌ、そして２回の全反射をもたらす直角をなす２つの底面Ｊ及びＫである。それ以外の側面Ｍと側面Ｎは、意図する機能を果たすものではない。そればかりか逆に、図３（ａ）に示したように、この２つの側面も底面に対して直角をなしているため、底面と側面での２回反射が起こる可能性があり、その反射光が迷光となる恐れがある。

そのため、側面Ｍと側面Ｎは、光を散乱及び吸収させ反射を低減させる目的で、砂ずり面加工を施し、さらに外側を真っ黒く墨塗りにする。また、図３（ｃ）に示すように、透過面Ｌの開口部を制限し側面Ｍ及び側面Ｎからの反射光を遮蔽する目的で、直角プリズム４の保持部材に絞り１６を付与する。これにより、側面からの反射迷光が抑えられ、プリズム底面Ｊ及びＫで反射した正規の信号光のみを得ることができる。

以上に説明したように、落射受光系を有する光走査装置においては、直角プリズム４を所定位置に配置するだけで、落射受光系とその受光素子を併用して、回転多面鏡３の各鏡面の光走査に対する走査同期信号を安定的に取得することができる。

本発明にかかる光走査装置は、回転多面鏡により走査される光の一部を受光し走査同期信号を取得する光走査装置全般に適用できる。

本発明の実施例１における光走査装置の全体の概略構成図本発明の実施例１における光走査装置及び光走査方法の同期信号検出の原理を説明するための図本発明の実施例１における光走査装置及び光走査方法の同期信号検出に用いる直角プリズムを説明するための図従来の光走査装置の概略の平面構成図

符号の説明

１レーザ光源部
２投光レーザ光
３回転多面鏡
４直角プリズム
５同期信号光
６走査レンズ
７光走査対象面
８落射反射光
９穴あきミラー
１０偏向ミラー
１１集光レンズ
１２受光素子
１３高さ信号光受光光学系
１４ＰＳＤ（位置検出素子）
１５仮想回転多面鏡面
１６絞り
２１光走査装置
２２レーザ光源部
２３回転多面鏡
２４走査レンズ
２５反射部材
２６補正光学系
２７受光素子

Claims

レーザ光源部と、該レーザ光源部から発するレーザ光を反射して主走査方向にレーザ光を走査する回転多面鏡と、前記反射されたレーザ光を走査対象面上に垂直に投光して集光させる走査レンズと、該走査対象面から該投光方向と逆方向に垂直に反射され前記走査レンズを透過し前記回転多面鏡で再び反射される反射光を受光する受光素子とを備える光走査装置において、前記回転多面鏡により反射されるレーザ光の一部を直角プリズムにて全反射させ、該全反射光を前記回転多面鏡で再び反射させて前記受光素子で受光し、主走査方向の所定の走査位置を示す走査同期信号を取得することを特徴とする光走査装置。
レーザ光源部と、該レーザ光源部から発するレーザ光を素通りさせる穴を有する穴あきミラーと、前記穴あきミラーを通過した前記レーザ光を反射して主走査方向にレーザ光を走査する回転多面鏡と、前記反射されたレーザ光を走査対象面上に垂直に投光して集光させる走査レンズと、該走査対象面から該投光方向と逆方向に垂直に反射され前記走査レンズを透過し前記回転多面鏡で再び反射される反射光を受光する受光素子と、前記回転多面鏡により反射されるレーザ光の一部を全反射させる直角プリズムとを備え、前記直角プリズムにて全反射された光を前記回転多面鏡で再び反射させた後、この反射光を前記穴あきミラーの穴部周辺ミラー部にて反射させ、当該反射光を前記受光素子で受光し、主走査方向の所定の走査位置を示す走査同期信号を取得することを特徴とする光走査装置。
前記直角プリズムは、前記走査レンズ上部の走査開始側に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
前記直角プリズムは、直角をなす２つの底面に対する側壁面は、前記回転多面鏡からの入射光を乱反射あるいは吸収することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
穴あきミラーの穴部を通過するレーザ光を反射して主走査方向にレーザ光を走査する回転多面鏡と、前記反射されたレーザ光を走査対象面上に垂直に投光して集光させる走査レンズと、該走査対象面から該投光方向と逆方向に垂直に反射され前記走査レンズを透過し前記回転多面鏡で再び反射される反射光を受光する受光素子と、前記回転多面鏡により反射されるレーザ光の一部を全反射させる直角プリズムとを備え、前記直角プリズムにて全反射された光を前記回転多面鏡で再び反射させた後、この反射光を前記穴あきミラーの穴部周辺ミラー部にて反射させ、この反射光を前記受光素子で受光し、主走査方向の所定の走査位置を示す走査同期信号を取得することを特徴とする光走査方法。
前記直角プリズムは、前記走査レンズ上部の走査開始側に設置されることを特徴とする請求項５に記載の光走査方法。