專利名稱：光束掃描裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種向規(guī)定方向掃描光束的光束掃描裝置。
背景技術：
光束掃描裝置廣泛地應用于激光打印機、數(shù)字式復印機、傳真機等圖像形成裝置和條形碼讀取裝置、車間距測量裝置等中。在這種光束掃描裝置中，以往用多角鏡使從光源裝置射出的光束偏轉，以向規(guī)定方向掃描光束(例如，參照專利文獻1)。
然而，在專利文獻1所述的光束掃描裝置中，由于設置多角鏡需要較大的空間，故對實現(xiàn)光束掃描裝置的小型化產(chǎn)生了較大的障礙。
作為解決該問題以實現(xiàn)光束掃描裝置的小型化的結構，公開了一種光束掃描裝置，其包括具有使從光源裝置射出的光束衍射的功能的偏轉盤、以及驅動該偏轉盤旋轉的驅動用電動機(例如，參照專利文獻2)。
在專利文獻2所述的光束掃描裝置中，在偏轉盤的周向上預先形成有具有不同的衍射角度的多個衍射光柵，在利用驅動用電動機使偏轉盤旋轉的狀態(tài)下，使從光源裝置射出的光束入射到偏轉盤上。其結果是，光束在透射偏轉盤時進行衍射，從而向規(guī)定方向進行掃描。
專利文獻1日本專利特開2003-315720號公報專利文獻2日本專利特開平11-231238號公報發(fā)明的公開發(fā)明所要解決的技術問題然而，使用了利用衍射功能掃描光束的偏轉盤的光束掃描裝置存在以下問題。
首先，為了提高光束掃描的分辨率，存在必須增大偏轉盤的盤徑的問題。即，在光束掃描范圍一定的情況下，為了提高光束掃描的分辨率，需要沿著偏轉盤的周向形成相互具有不同的衍射角的大量衍射區(qū)域。另外，為了取得衍射效果，需在各衍射區(qū)域中形成多個光柵槽。例如，令光束的掃描范圍為±10°，令光束的掃描分辨率為0.1°，那么為了在偏轉盤旋轉一周時掃描該掃描范圍，需要在偏轉盤上等角度間隔地形成具有200個不同衍射效率的大量衍射區(qū)域。這種情況下，若令來自光源裝置的光束的波長為880nm，則需要形成最大光柵槽間距為0.5mm的衍射光柵。另外，為了取得衍射效果，在各衍射區(qū)域內例如形成有十個光柵槽，那么該衍射光柵的寬度為5.0mm。因此，光束穿過的部分的盤徑將變?yōu)?.0×200/π＝318.3(mm)。這樣，若要提高光束掃描的分辨率，則偏轉盤的盤徑便會變大，如果考慮光束掃描裝置的進一步小型化，那么使用了利用衍射功能掃描光束的偏轉盤的光束掃描裝置便會出現(xiàn)問題。
另一方面，光柵槽間距最小為5.1μm，其是一次衍射效率最大的臺階高度、即1.7μm的三倍左右。這樣，若臺階高度相對于光柵槽間距無法忽略，那么一次衍射效率便會顯著下降。由此，若掃描角度變大，則還存在衍射效率下降的問題。
另外，衍射光柵處的衍射角度和衍射效率依賴于入射光的波長，且衍射效率直接影響透射系數(shù)。因此，若從光源裝置射出的光束存在波長不均，那么在衍射區(qū)域內的衍射角度和衍射效率便會一起變化，從而存在各掃描角度的光束強度不穩(wěn)定的問題。另外，若存在溫度變化，那么衍射區(qū)域的折射率變化便會引起衍射效率的變化，故還存在各掃描角度的光束強度不穩(wěn)定的問題。
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種即使在高分辨率下進行光束掃描也可實現(xiàn)裝置小型化的光束掃描裝置。
另外，本發(fā)明的目的還在于提供一種具有出色的溫度特性、可掃描強度穩(wěn)定的光束的光束掃描裝置。
解決技術問題所采用的技術方案為了解決上述問題，本發(fā)明的光束掃描裝置，向規(guī)定方向掃描光束，其特征在于，包括折射方向根據(jù)周向的位置進行變化的折射光學元件；向著該折射光學元件射出光束的光源裝置；以及使所述折射光學元件旋轉從而使光束相對于所述折射光學元件的入射位置在周向上移動的旋轉驅動機構。
在本發(fā)明中，在利用旋轉驅動機構使折射光學元件旋轉的狀態(tài)下，使從光源裝置射出的光束入射到盤狀的折射光學元件上。其結果是，光束被折射光學元件折射，從而向規(guī)定方向掃描。這樣，在本發(fā)明的光束掃描裝置中，利用折射光學元件的折射功能來掃描光束。因此，例如，若以周向相鄰的狀態(tài)形成大量折射角互不相同的傾斜面，那么只需使盤狀的折射光學元件旋轉一周，便可以使光束在規(guī)定的掃描范圍內進行掃描。由此，為了向一個掃描角度射出光束，只需將具有一個折射角的傾斜面形成在折射光學元件上即可，與使用具有衍射功能的偏轉盤的情況不同，不必為向一個掃描角度射出光束而設置多個光柵槽。因此，采用本發(fā)明，即使是在提高光束掃描的分辨率時也可以減小折射光學元件的直徑，故可以實現(xiàn)光束掃描裝置的小型化。
另外，由于折射光學元件的折射角及透射系數(shù)幾乎不受入射光束的波長的影響，故可以掃描強度穩(wěn)定的光束。另外，由折射光學元件的溫度變化引起的透射系數(shù)的變化與衍射效率的變化相比極小。因此，可在幾乎不受溫度變化的影響的狀態(tài)下掃描強度穩(wěn)定的光束。
在本發(fā)明中，所述折射光學元件最好是使從一側的端面入射的來自所述光源裝置的光束透射，并從另一側的端面出射。若這樣構成，那么即使盤狀的折射光學元件出現(xiàn)旋轉振動或面振動，折射角也幾乎不變化，因此光束的掃描抖動特性良好。與此相對，在使用了多角鏡或利用衍射功能的偏轉盤的光束掃描裝置中，旋轉振動和面振動會直接影響光束的掃描角度，故采用本發(fā)明的光束掃描裝置，光束的掃描抖動特性可大幅度提高。
在本發(fā)明中，所述光源裝置包括射出光束的發(fā)光元件、以及使從該發(fā)光元件射出的光束的發(fā)散角變化的透鏡，并向相對于所述折射光學元件的旋轉平面大致正交的方向射出光束。
在本發(fā)明中，所述光源裝置也可采用如下結構包括射出光束的發(fā)光元件、以及使從該發(fā)光元件射出的光束變?yōu)槠叫泄獾臏手蓖哥R，并向相對于所述折射光學元件的旋轉平面平行的方向或傾斜的方向射出光束。這種情況下，對于從所述光源裝置射出的光束，配置有使該光束向相對于所述折射光學元件的旋轉平面大致正交的方向反射從而入射到所述折射光學元件上的鏡子。在光源裝置具有準直透鏡時，從發(fā)光元件到折射光學元件之間要有規(guī)定的距離。即，要調整光束的大小，則需調整準直透鏡與發(fā)光元件的距離，從發(fā)光元件到折射光學元件要有規(guī)定的距離。因此，通過構成為從光源裝置通過鏡子向折射光學元件入射光束，可以確保在發(fā)光元件到折射光學元件之間具有規(guī)定的距離。另外，如果構成為向相對于折射光學元件的旋轉平面平行的方向或傾斜的方向射出光束，則可以實現(xiàn)光束掃描裝置的薄化。
另外，在本說明書中，“相對于折射光學元件的旋轉平面平行的方向或傾斜的方向”是指與旋轉平面正交的方向之外的方向，在使光束向該方向射出時，與配置有向與旋轉平面正交的方向射出光束的光源裝置時相比，可以實現(xiàn)光束掃描裝置的薄化。另外，作為發(fā)光元件，可列舉有激光二極管、發(fā)光二極管、激光振蕩器等。
在本發(fā)明中，所述折射光學元件可采用如下結構具有在周向上分割出的多個分割區(qū)域，在這些多個分割區(qū)域的各個區(qū)域內形成有使入射的光束向規(guī)定方向折射的傾斜面。即，最好是將折射光學元件沿周向分割成多個放射狀的分割區(qū)域，在這些分割區(qū)域內分別形成使入射光束折射的傾斜面。若采用這種結構，則能以簡單的結構形成圓盤狀的折射光學元件。另外，在本說明書中，傾斜面也包括傾斜角度為0°的傾斜面在內。
在本發(fā)明中，最好是在所述多個分割區(qū)域的各個區(qū)域內，所述傾斜面具有一定的傾斜角度，在周向上排列的所述多個分割區(qū)域內，所述傾斜面的傾斜角度連續(xù)地變化。即，最好構成為在各個分割區(qū)域內，傾斜面的傾斜角度一定，在相鄰分割區(qū)域內，傾斜面的傾斜角度增加或減少。
在本發(fā)明中，所述分割區(qū)域最好是大致等角度間隔地進行分割的。若采用這種結構，那么從光源裝置射出一定間隔的脈沖狀光束即可，故光源裝置的控制較為容易。另外，只需從光源裝置射出一定間隔的脈沖狀光束，便可以將光束入射到分割區(qū)域周向的中心位置上。這種情況下，可以用折射光學元件按計劃地折射光束，故可以進行合適的光束掃描。
在本發(fā)明中，所述傾斜面最好只形成在所述折射光學元件的一個面?zhèn)取＿@種情況下，在令所述傾斜面相對于所述折射光學元件的旋轉平面的傾斜角度為θw、令從所述折射光學元件射出的光束的掃描角度為θs、令所述折射光學元件的折射率為n時，構成為滿足sin(θw+θs)＝n·sinθw的關系即可。在只有折射光學元件的一個面?zhèn)刃纬捎袃A斜面時，折射光學元件的加工較為容易。
在本發(fā)明中，最好采用在所述折射光學元件上形成有在周向上連續(xù)的傾斜面、且該傾斜面的傾斜角度在周向上連續(xù)地變化的結構。若采用這種結構，則可以進行高分辨率的掃描。這種情況下，所述傾斜面最好也只形成在所述折射光學元件的一個面?zhèn)取＿@種情況下，在令所述傾斜面相對于所述折射光學元件的旋轉平面的傾斜角度為θw、令從所述折射光學元件射出的光束的掃描角度為θs、令所述折射光學元件的折射率為n時，構成為滿足sin(θw+θs)＝n·sinθw的關系即可。在只有折射光學元件的一個面?zhèn)刃纬捎袃A斜面時，折射光學元件的加工較為容易。
在本發(fā)明中，最好是對所述折射光學元件的至少光束入射側的端面實施防反射處理。采用這種結構，可以減少可能引起光源裝置的輸出不穩(wěn)定的返回光源裝置的光。另外，若進行防反射處理，那么透射系數(shù)便會上升，其結果是，可以減少來自光源的光量的損失。
在本發(fā)明中，所述折射光學元件可以用樹脂形成。另外，還可以用玻璃形成。在用樹脂形成時，生產(chǎn)性出色，且可以實現(xiàn)輕量化、低成本化。另外，即使在用樹脂形成時，例如若存在±50℃左右的溫度變化則掃描角度的變化也極小，幾乎不影響掃描性能。另一方面，在用玻璃形成時，由于幾乎不受溫度變化的影響，故溫度特性穩(wěn)定，且在高溫環(huán)境下也可使用光學掃描裝置。
在本發(fā)明中，所述傾斜面可采用在周向上傾斜的結構及在半徑方向上傾斜的結構中的任一種。
在本發(fā)明中，最好是包括對所述折射光學元件的旋轉位置進行檢測的位置檢測構件，并根據(jù)該位置檢測構件的檢測結果來對所述旋轉驅動機構驅動的所述折射光學元件的旋轉及光束從所述光源裝置的射出進行控制。采用這種結構，根據(jù)折射光學元件的旋轉位置來反饋控制旋轉驅動機構的旋轉動作及光源裝置的發(fā)光動作，可以正確地實現(xiàn)光源裝置的發(fā)光時間與折射光學元件的旋轉位置的同步，從而進行合適的光束掃描。
在本發(fā)明中，最好是所述旋轉驅動機構使所述折射光學元件以一定速度旋轉，所述光源裝置以一定間隔向所述折射光學元件射出脈沖狀的光束。若采用這種結構，則可省去反饋控制這類復雜的控制，從而使電路結構簡單化。另外，作為以一定間隔向折射光學元件入射脈沖狀光束的結構，以一定間隔使脈沖狀的光束從光源裝置射出即可。另外，也可以從光源裝置連續(xù)地射出光束，并在光路的途中設置遮光板而以一定間隔遮蔽該光束，從而使脈沖狀的光束以一定間隔入射到折射光學元件上。
在本發(fā)明中，當在所述折射光學元件上形成有周向連續(xù)的傾斜面、且該傾斜面的傾斜角度在周向上連續(xù)地變化時，也可以采用所述旋轉驅動機構使所述折射光學元件以一定速度旋轉、且所述光源裝置向所述折射光學元件連續(xù)地射出光束的結構。


圖1是表示本發(fā)明的實施形態(tài)1的光束掃描裝置的概略結構的立體圖。
圖2是示意地表示圖1所示光束掃描裝置的概略結構的概略側視圖。
圖3是示意地表示圖1所示光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。
圖4是圖3所示折射光學元件的俯視圖。
圖5(A)、圖5(B)、圖5(C)分別是圖4的X-X剖視圖、Y-Y剖視圖、Z-Z剖視圖。
圖6是在圖3及圖4所示折射光學元件的傾斜面中包含有傾斜角度為0°的傾斜面的情況的說明圖。
圖7是示意地表示本發(fā)明的實施形態(tài)2的光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。
圖8是本發(fā)明的實施形態(tài)3的光束掃描裝置的結構圖。
圖9是示意地表示圖8所示光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。
圖10是圖9所示折射光學元件的俯視圖。
圖11是表示圖9的W-W截面的剖視圖。
圖12是示意地表示本發(fā)明的實施形態(tài)4的光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。
圖13是示意地表示本發(fā)明的另一實施形態(tài)的光束掃描裝置的概略結構的概略側視圖。
圖14是示意地表示本發(fā)明的又一實施形態(tài)的光束掃描裝置的概略結構的概略側視圖。
(元件符號說明)1光束掃描裝置2光源裝置3折射光學元件4驅動電動機(旋轉驅動機構)5鏡子6光學編碼器(位置檢測構件)21激光二極管(發(fā)光元件)22準直透鏡32分割區(qū)域33傾斜面具體實施方式

下面參照附圖，對本發(fā)明的最佳實施形態(tài)進行說明。
(光束掃描裝置的概略結構)圖1是表示本發(fā)明的實施形態(tài)1的光束掃描裝置的概略結構的立體圖。圖2是示意地表示圖1所示光束掃描裝置的概略結構的概略側視圖。
圖1及圖2所示的光束掃描裝置1包括射出光束的光源裝置2、使從光源裝置2射出的光束折射的圓盤狀的折射光學元件3、作為驅動折射光學元件3旋轉的旋轉驅動機構的驅動電動機4、使從光源裝置2射出的光束向折射光學元件3豎起的鏡子5、以及作為對折射光學元件3的旋轉位置進行檢測的位置檢測構件的光學編碼器6。在該光束掃描裝置1中，如下所述，折射光學元件3在周向上的折射方向變化。因此，在使折射光學元件3旋轉的狀態(tài)下，使從光源裝置2射出的光束入射到折射光學元件3上，并用折射光學元件3折射光束，從而向規(guī)定方向掃描光束。尤其是在本形態(tài)中，從光源裝置2射出的光束透射折射光學構件3，折射光學元件3使從一側的端面入射的來自光源裝置2的光束透射、并從另一側的端面射出。驅動電動機4、鏡子5以及光學編碼器6直接配置在框架8上，光源裝置2通過支撐架9設置在框架8上。
光源裝置2由作為射出光束的發(fā)光元件的激光二極管21和使從激光二極管21射出的光束變?yōu)槠叫泄獾臏手蓖哥R22一體地構成。從激光二極管21射出例如880nm的激光。如圖2所示，從光源裝置2向與驅動電動機4的轉軸正交的平面、換句話說即與折射光學元件3的旋轉平面平行的方向射出光束。
鏡子5使從光源裝置2射出的光束沿驅動電動機4的軸向豎起，使光束以與折射光學元件3的旋轉平面大致正交的形態(tài)入射到折射光學元件3上。鏡子5例如為全反射鏡，配置在光源裝置2的出射側。
在鏡子5的側方配置有驅動電動機4。本形態(tài)中的驅動電動機4為可高速旋轉的無刷電動機，例如可以進行10,000(rpm)左右的旋轉。另外，驅動電動機4并不局限于無刷電動機，也可以使用步進電機等各種電動機。另外，也可以省去鏡子5等，將從光源裝置2射出的光直接引向折射光學元件3。
在折射光學元件3上形成有中心孔31，該中心孔31固定在驅動電動機4的轉子上。由此，折射光學元件3能以驅動電動機4的軸線(折射光學元件3的中心)為中心進行旋轉驅動。折射光學元件3的詳細結構在后面敘述。
光學編碼器6配置成在驅動電動機4的軸向上與折射光學元件3相對。在與光學編碼器6相對的折射光學元件3的相對面上形成有光柵(未圖示)，光學編碼器6通過檢測該光柵來檢測折射光學元件3的旋轉位置。在本形態(tài)的光束掃描裝置1中，根據(jù)光學編碼器6的檢測結果來控制驅動電動機4的旋轉動作。另外，還根據(jù)光學編碼器6的檢測結果來控制激光二極管21的發(fā)光動作。另外，為了檢測折射光學元件3的角度位置，也可以使用光電耦合器或磁性檢測傳感器來代替光學編碼器6。
(折射光學元件的結構)圖3是示意地表示圖1所示光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。圖4是圖3所示折射光學元件的俯視圖。圖5(A)、圖5(B)、圖5(C)分別是圖4的X-X剖視圖、Y-Y剖視圖、Z-Z剖視圖。圖6是在圖3及圖4所示折射光學元件的傾斜面中包含有傾斜角度為0°的傾斜面的情況的說明圖。
如圖2、圖3及圖4所示，折射光學元件3形成為在中心具有中心孔31的扁平的圓盤狀，在本形態(tài)中，用透明的樹脂形成。在折射光學元件3上形成有以中心孔31為中心在周向上分割出的多個放射狀的分割區(qū)域32a、32b、32c…(下面作為分割區(qū)域32)。在本形態(tài)中，分割區(qū)域32是以中心孔31為中心大致等角度間隔地在周向上分割出的區(qū)域。
分割區(qū)域32的數(shù)目由光束掃描裝置的掃描點數(shù)來確定，在本形態(tài)中，折射光學元件3由201個分割區(qū)域32形成。由此，例如在令光束的掃描范圍為±10°時，光束的掃描分辨率為0.1°。另外，例如令處于光束透射位置的折射光學元件3的直徑為40mm，那么一個分割區(qū)域32的周向的寬度尺寸則為0.63mm。另外，為了便于說明，在圖3及圖4中減少了分割區(qū)域32的數(shù)目。
在各個分割區(qū)域32內，在半徑方向上傾斜地形成有使入射光束折射的傾斜面33a、33b、33c…(下面作為傾斜面33)。在本形態(tài)中，傾斜面33只形成在折射光學元件3的出射側的面(圖1、圖2中的頂面)的整個周長上，入射側的面(圖1、圖2中的底面)形成為與驅動電動機4的軸正交的平面形狀。另外，傾斜面33在各個分割區(qū)域32中形成為具有一定角度。即，如圖5所示，各分割區(qū)域32的徑向的截面形成為楔形形狀。更具體地，各分割區(qū)域32的徑向的截面形成為內周側與外周側平行的梯形形狀。另外，傾斜面33的傾斜角度在周向上排列的多個分割區(qū)域32的各個區(qū)域中連續(xù)地變化。另外，在本形態(tài)的傾斜面33中包含有像圖6所示的分割區(qū)域32e的傾斜面33e那樣的傾斜角度為0°的傾斜面。
另外，在本形態(tài)中，在令傾斜面33的傾斜角度(傾斜面3相對于折射光學元件3的旋轉平面的傾斜角度)為θw、令從折射光學元件3射出的光束的掃描角度為θs(參照圖2)、令折射光學元件3的折射率為n時，傾斜面33形成為滿足sin(θw+θs)＝n·sinθw的關系。例如，在令n＝1.51862、令掃描角度θs為10°時，使傾斜角度θw為18.02°即可。
另外，在本形態(tài)中，相鄰分割區(qū)域32的傾斜面33的傾斜角度θw形成為依次增加或減少。例如，如圖5(A)～(C)所示，相鄰分割區(qū)域32a、32b、32c各自的傾斜面33a、33b、33c的傾斜角度θwa、θwb、θwc形成為依次增加。
另外，如圖6所示，在折射光學元件3的整個周長上看時，分割區(qū)域32d的傾斜面33d向內周傾斜，分割區(qū)域32f的傾斜面33f向外周傾斜。另外，在分割區(qū)域32d與分割區(qū)域32f之間，存在傾斜面33e的傾斜角度為0°的分割區(qū)域32e。即，在令向內周的傾斜角、向外周的傾斜角分別為正傾斜角、負傾斜角時，傾斜面33的傾斜角度θw在周向上從正傾斜角依次地減小而變?yōu)樨搩A斜角，之后，傾斜角進一步依次地減小，并在達到一周時變回正傾斜角。另外，傾斜面33也可以形成為從正傾斜角依次地減小而變?yōu)樨搩A斜角，之后，反過來從負傾斜角依次地增加而變?yōu)檎齼A斜角，正傾斜角與負傾斜角在周向上反復。
另外，對折射光學元件3的至少光束入射側的端面實施防反射處理。在本形態(tài)中，對折射光學元件3的整個表面利用薄膜或微細結構等實施防反射處理。
(折射光學元件的制造方法)本形態(tài)的折射光學元件3可以用透明樹脂直接通過切削等超精密加工來進行制造，考慮到制造成本，也可以用金屬模具進行制造。下面，對直接切削加工折射光學元件3的情況進行說明，但切削金屬模具的情況也一樣。
折射光學元件3被用快速切削或牛頭刨床切削進行切削加工。由于本形態(tài)中的傾斜面33形成為在徑向上傾斜，因此將切削加工中使用的刀尖的前進方向設定為折射光學元件3的徑向。更具體地，將刀尖的前進方向設定為從折射光學元件3的中心向外周側或從外周側向中心。
接著，在軸向上一邊進給折射光學元件3的原材料一邊進行切削加工，以形成一個分割區(qū)域32的傾斜面33。之后，將折射光學元件3在周向上旋轉規(guī)定角度，并同樣地在軸向上一邊進給折射光學元件3的原材料一邊進行切削加工，從而形成相鄰分割區(qū)域32的傾斜面33。通過在一周上反復進行該動作，形成折射光學元件3。另外，折射光學元件3的原材料的軸向進給在NC數(shù)據(jù)上進行預先設定，由此，以相鄰分割區(qū)域32的傾斜面33的傾斜角度θw依次增加或依次減小的形態(tài)形成傾斜面33。
(光束的掃描方法)下面對本形態(tài)的光束掃描裝置1的光束的掃描方法進行說明。
首先，折射光學元件3被驅動電動機4驅動，以規(guī)定轉速進行旋轉。在這種狀態(tài)下，光束從激光二極管21射出，利用準直透鏡22變?yōu)槠叫泄?。接著，光束被鏡子5豎起，以與折射光學元件3的入射側的端面大致正交的形態(tài)入射。更具體地，光束向著一個分割區(qū)域32的周向上的中心位置入射。
在此，入射到折射光學元件3上的光束的有效直徑最好是在一個分割區(qū)域32的周向寬度以下。但是，入射到折射光學元件3上的光束的有效直徑也可以在一個分割區(qū)域32的周向寬度以上而橫跨多個分割區(qū)域32地入射。這是因為入射到與想要入射光束的分割區(qū)域32鄰接的分割區(qū)域32(甚至與其鄰接的分割區(qū)域32)內的光束與透射想要入射光束的分割區(qū)域32的光束會向著分離的方向出射。因此，即使光束的有效直徑在一個分割區(qū)域32的周向寬度以上也不會成為干擾。
下面，為了便于說明，令入射到折射光學元件3上的光束的有效直徑在一個分割區(qū)域32的周向寬度以下。
入射到折射光學元件3的分割區(qū)域32內的光束在透射折射光學元件3時由傾斜面33折射并出射。例如，如圖2所示，在某個分割區(qū)域32內向掃描角度θs1的方向折射并出射。在此，由于相鄰分割區(qū)域32的傾斜面33的傾斜角度θw依次增加或依次減小，故在相鄰的分割區(qū)域32內例如向著與掃描角度θs1存在0.1°的角度差的掃描角度θs2的方向折射并出射。這樣，光束例如以0.1°的間隔依次出射，從而在規(guī)定的掃描范圍內進行掃描。另外，在分割區(qū)域32e(參照圖6)內，光束未折射便出射。
另外，在本形態(tài)中，基于光學編碼器6得到的折射光學元件3的旋轉位置的檢測結果來控制驅動電動機4的旋轉動作及激光二極管21的發(fā)光動作。即，基于光學編碼器6的檢測結果來控制驅動電動機4的旋轉及激光二極管21的發(fā)光時間，以使從激光二極管21發(fā)出的光束向著一個分割區(qū)域32的周向上的中心位置入射。
(本形態(tài)的主要效果)如上所述，在本形態(tài)的光束掃描裝置1中，在使驅動電動機4旋轉的狀態(tài)下使從光源裝置2射出的光束向折射光學元件3入射，并用折射光學元件3折射光束，從而使光束向規(guī)定方向掃描。即，利用折射功能來掃描光束。因此，由于在周向上形成許多折射角互不相同的傾斜面33，從而只要使折射光學元件3旋轉一圈便可以掃描規(guī)定的掃描范圍。即，為了向一個掃描角度射出光束，將具有一個折射角度θw的傾斜面33形成在折射光學元件3上即可，而不像具有衍射功能的偏轉盤那樣，為了向一個掃描角度射出光束而需要設置多個光柵槽。由此，即使在提高光束掃描的分辨率時，也可以減小折射光學元件3的直徑，其結果是，可以實現(xiàn)裝置的小型化。
另外，由于折射光學元件3為扁平的圓盤狀，故可以實現(xiàn)裝置的薄化。另外，在上述例子中，由于分割區(qū)域32在光束透射位置處的周向寬度為0.63mm，故足可以形成傾斜面33。
另外，本形態(tài)中使用的折射光學元件3利用了它的折射作用，折射角幾乎不受入射光束的波長的影響。因此，在本形態(tài)的光束掃描裝置1中，可以掃描強度穩(wěn)定的光束。另外，即使折射光學元件3存在溫度變化，由溫度變化引起的透射系數(shù)的變化與衍射效率的變化相比也極小。由此，可以在幾乎不受溫度變化的影響的狀態(tài)下掃描強度穩(wěn)定的光束。
另外，在本形態(tài)中，從光源裝置2射出的光束透射折射光學元件3。因此，即使用驅動電動機4轉動的折射光學元件3出現(xiàn)旋轉振動和面振動，折射角也幾乎不變化。因此，光束的掃描抖動特性良好。
另外，在本形態(tài)中，光源裝置2包括射出光束的激光二極管21、以及準直透鏡22。另外，從光源裝置2向與折射光學元件3的旋轉平面平行的方向射出光束，且射出的光束由鏡子5呈直角地豎起，從而以與折射光學元件3的旋轉平面大致正交的形態(tài)入射到折射光學元件3上。在此，在光源裝置2包括準直透鏡22時，為了調整光束的大小，需要調整準直透鏡22與發(fā)光元件21的距離，故從發(fā)光元件21到折射光學元件3之間要有規(guī)定的距離，但在本形態(tài)中，由于從光源裝置2射出的光束經(jīng)由鏡子5入射到折射光學元件3上，故可以確保在發(fā)光元件21到折射光學元件3之間具有規(guī)定的距離。另外，由于向與折射光學元件3的旋轉平面平行的方向射出光束，故可以實現(xiàn)光束掃描裝置1的薄化。
在本形態(tài)中，折射光學元件3由在周向上分割出的多個放射狀的分割區(qū)域32構成，在各個分割區(qū)域32內形成有使入射光束折射的傾斜面33。因此，能以簡單的結構形成折射光學元件3。
另外，在各個分割區(qū)域32內形成有一定角度的傾斜面33，且相鄰分割區(qū)域32的傾斜面33的傾斜角度θw依次增加或依次減小。因此，能以簡單的結構向各掃描角度θs依次地射出光束。另外，分割區(qū)域32是以中心孔31為中心、大致等角度間隔地在周向上分割出的區(qū)域。因此，若驅動電動機4的轉速一定，那么從光源裝置2以一定間隔射出脈沖狀光束即可，故光源裝置2的控制較為容易。
在本形態(tài)中，傾斜面33只形成在折射光學元件3的出射側的面上，入射側的面形成為平面形狀。因此，在用金屬模具制造折射光學元件3時，只要對一個面進行金屬模具的模型加工即可，故金屬模具的制作容易。另外，在通過直接切削加工透明樹脂來制造折射光學元件3時，由于入射側的面為平面形狀，故易于固定原材料，加工容易。
在本形態(tài)中，對折射光學元件3實施防反射處理。因此，可以減少可能引起光源裝置2的輸出不穩(wěn)定的返回光源裝置2的光。另外，由于透射系數(shù)提高，故可以減小來自光源裝置2的光量的損失。另外，若可以得到使用光束掃描裝置1的上位裝置所需的光量，那么就不必對折射光學元件3實施防反射處理。這種情況下，可以使折射光學元件3的結構簡單化，從而使其制造變得容易。
在本形態(tài)中，折射光學元件3用樹脂形成。因此，折射光學元件3的生產(chǎn)性出色，另外，還可以實現(xiàn)光束掃描裝置1的輕量化、低成本化。另外，即使存在例如±50℃左右的溫度變化，掃描角度θs的變化率也在1％以下，對掃描性能幾乎沒有影響。
在本形態(tài)中，對驅動電動機4的旋轉及激光二極管21的發(fā)光時間進行控制，以使從激光二極管21發(fā)出的光束向一個分割區(qū)域32的周向寬度的中心位置入射。因此，可以正確地實現(xiàn)激光二極管21的發(fā)光時間與折射光學元件3的旋轉位置的同步，從而可進行合適的光束掃描。
圖7是示意地表示本發(fā)明的實施形態(tài)2的光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。另外，由于本形態(tài)的光束掃描裝置及折射光學元件的基本結構與實施形態(tài)1相同，因此共有的部分使用相同的符號標記，并省去它們的詳細說明。
在實施形態(tài)1的折射光學元件3中，在周向上形成有多個分割區(qū)域32，且在這些各個分割區(qū)域32中形成有傾斜面33，但也可以像圖7那樣構成折射光學元件3。在該折射光學元件3上形成有周向連續(xù)的傾斜面33，且該傾斜面33相對于半徑方向的傾斜角度在周向上連續(xù)地變化。
這樣構成的折射光學元件3與圖4一樣，其沿圖7所示的X-X線、Y-Y線、Z-Z線截斷時的截面如圖5(A)、圖5(B)、圖5(C)所示，在半徑方向上的傾斜角度θw在周向上依次地增加或減小。因此，若一邊使折射光學元件3旋轉一邊向折射光學元件3入射光束，那么在光束透射折射光學元件3時，會由傾斜面33折射，以進行掃描。這種情況下，可以使激光連續(xù)振蕩，從而將分辨率提高到最大值。
另外，在折射光學元件3的傾斜面33的周向上傾斜角度也連續(xù)地進行變化，但由于入射光束直徑較小，故可以忽略該方向上的傾斜變化，從而可以忽略向折射光學元件3的切線方向的掃描。
圖8是本發(fā)明的實施形態(tài)3的光束掃描裝置的結構圖。圖9是示意地表示圖8所示光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。圖10是圖9所示折射光學元件的俯視圖。圖11是表示圖9的W-W截面的剖視圖。由于本形態(tài)的基本結構與實施形態(tài)1相同，因此共有的部分使用相同的符號標記，并省去它們的說明。
在上述實施形態(tài)1、2中，使入射光束折射的傾斜面33形成為在半徑方向上傾斜，但傾斜面33的傾斜方向并不局限于半徑方向。例如，如圖8、圖9、圖10及圖11所示，也可以在構成折射光學元件3的各個分割區(qū)域32內形成以一定角度在周向上傾斜的傾斜面33。這種形態(tài)中，傾斜面33也只形成在折射光學元件3的出射側的面上，各分割區(qū)域32的截面形成為楔形形狀。更具體地，各分割區(qū)域32的截面形成為使與相鄰的分割區(qū)域32的鄰接面平行的梯形形狀。另外，在該形態(tài)中，傾斜面33中也包含有傾斜角度為0°的傾斜面。
另外，與上述形態(tài)相同，在令傾斜面33的傾斜角度為θw、令從折射光學元件3射出的光束的掃描角度為θs、令折射光學元件3的折射率為n時，傾斜面33形成為滿足sin(θw+θs)＝n·sinθw的關系，而且，如圖11所示，相鄰的分割區(qū)域32g、32h、32i各自的傾斜面33g、33h、33i的傾斜角度θwg、θwh、θwi依次地增加。另外，傾斜面33也可以是向圖11所示傾斜方向的相反側傾斜的傾斜面33。即，在圖11中，也可以令中心左側的傾斜面33為向左下傾斜的傾斜面，令中心右側的傾斜面為向右下傾斜的傾斜面。
在這樣構成的折射光學元件3中，由于折射方向在周向上變化，故若一邊使折射光學元件3旋轉一邊向折射光學元件3入射光束，那么在光束透射折射光學元件3時，會由傾斜面33折射，并在折射光學元件3的切線方向上進行掃描。
這樣，具有在周向上傾斜的傾斜面33的折射光學元件3也可以與上述形態(tài)1、2一樣，用透明樹脂直接通過切削等超精密加工進行制造，考慮到制造成本，也可以使用金屬模具進行制造。在用切削加工制造折射光學元件3或金屬模具時，將切削加工中使用的刀尖的前進方向設定為折射光學元件3的徑向，從而形成一個傾斜面33，并一邊改變刀尖的傾斜方向一邊使折射光學元件3在周向上旋轉規(guī)定角度，從而形成相鄰的分割區(qū)域32的傾斜面33。
圖12是示意地表示本發(fā)明的實施形態(tài)4的光束掃描裝置所使用的折射光學元件的概略結構的立體圖。另外，由于本形態(tài)的光束掃描裝置及折射光學元件的基本結構與實施形態(tài)3相同，因此共有的部分使用相同的符號標記，并省去它們的詳細說明。
在實施形態(tài)3的折射光學元件3中，在周向上形成有多個分割區(qū)域32，且在這些各個分割區(qū)域32內形成有在每個分割區(qū)域內傾斜角度θw一定的傾斜面33，但在本形態(tài)中，如圖12所示，在周向上形成有多個分割區(qū)域32，且在這些各個分割區(qū)域32內形成有向周向的傾斜角度θw在周向上連續(xù)變化的傾斜面33。該面的形狀為切線方向上的二次函數(shù)，一次微分表示的斜率相對于切線方向連續(xù)地變化。在使用了這樣構成的折射光學元件3的光束掃描裝置中，在入射到折射光學元件3上的光束透射折射光學元件3時，由傾斜面33折射，并向折射光學元件3的切線方向掃描。圖12是傾斜面33只向一側傾斜的例子，但它也可以是拋物線的U形形狀，還可以是sin曲線。
上述形態(tài)是本發(fā)明的最佳形態(tài)的一例，但并不局限于此，在不改變本發(fā)明的主旨的范圍內，可以進行各種變形。
例如，在上述形態(tài)中，從光源裝置2射出的光束透射折射光學元件3，但也可像圖13所示的光束掃描裝置1那樣，使從光源裝置2射出的光束從折射光學元件3的頂面入射后在底面反射，然后從頂面出射。在此，由于折射光學元件3的頂面的折射方向在周向上變化，故光束在頂面上向規(guī)定方向折射，從而進行掃描。這種情況下，如圖13所示，光束從折射光學元件3的斜上方向入射到折射光學元件3上。另外，這種情況下無需鏡子5，從而可以使光束掃描裝置1的結構簡單化。
另外，在上述形態(tài)1～4中，傾斜面33只形成在折射光學元件3的出射側的面(圖1、圖8中的頂面)上，但也可以只形成在入射側的面上。另外，傾斜面還可以形成在出射側的面和入射側的面這兩者上。在兩個面上形成傾斜面時，例如可以令入射側的面的傾斜角度在全部的分割區(qū)域32內都為相同的角度。
另外，在上述形態(tài)中用樹脂形成折射光學元件3，但也可以用玻璃形成折射光學元件3。這種情況下，由于幾乎不受溫度變化的影響，故溫度特性穩(wěn)定，而且即使在高溫環(huán)境下也可以使用光束掃描裝置。
另外，傾斜面33不必形成在折射光學元件3的出射側的面的整個周長上，也可以在出射側的面的一部分上形成平坦的平面部。
另外，也可以利用設置在驅動電動機4內部的霍爾元件或MR元件作為位置檢測構件來代替光學編碼器6。這種情況下，可以利用驅動電動機4具有的驅動磁體或脈沖產(chǎn)生用磁體、或反電動勢產(chǎn)生脈沖，并基于該脈沖來控制激光二極管21的發(fā)光時間，以使從激光二極管21發(fā)出的光束向一個分割區(qū)域32的周向上的中心位置入射。
另外，光束掃描裝置也可以不包括位置檢測構件。當像上述實施形態(tài)1～4那樣，折射光學元件3由周向上大致等角度間隔地分割出的多個分割區(qū)域32構成時、或形成有周向連續(xù)的傾斜面時，如果進行控制使驅動電動機4以一定速度旋轉，并從光源裝置2以一定間隔射出脈沖狀的光束，那么就可以進行合適的光束掃描。
另外，也可以不設置鏡子5，使光束從光源裝置2向折射光學元件3的旋轉平面射出，從而直接入射到折射光學元件3上。另外，在設有鏡子5時，也可以將光源裝置2配置在折射光學元件3的斜下方，使光束從折射光學元件3的斜下方向入射到折射光學元件3上。
另外，在上述形態(tài)中，從光源裝置2射出的光束透射折射光學元件3，但也可以像圖14所示的光束掃描裝置那樣，使從光源裝置2射出的光束由折射光學元件3進行反射。即，從光源裝置2射出的光束在折射光學元件3的頂面上反射，在折射光學元件3的頂面上，由于反射方向在周向上變化，故光束向規(guī)定的方向掃描。這種情況下，如圖14所示，使光束從折射光學元件3的斜上方入射到折射光學元件3上。另外，這種情況下無需鏡子5，從而可以使光束掃描裝置1的結構簡單化。
工業(yè)上的可利用性在本發(fā)明的光束掃描裝置中，利用折射功能來掃描光束。因此，例如通過在折射光學元件上周向鄰接地形成許多折射角互不相同的傾斜面，那么在使圓盤狀的折射光學元件旋轉一周時，便可以掃描規(guī)定的掃描范圍。即，為了向一個掃描角度射出光束，將具有一個折射角的傾斜面形成在折射光學元件上即可，而不必像具有衍射功能的偏轉盤那樣，為了向一個掃描角度射出光束而需要設置多個光柵槽。由此，即使在高分辨率下進行光束掃描時，也可以減小折射光學元件的直徑，因此可以實現(xiàn)光束掃描裝置的小型化。
另外，折射率角及透射系數(shù)幾乎不受入射光束的波長的影響。因此，在使用折射光學元件時，可以掃描強度穩(wěn)定的光束。另外，折射光學元件的溫度變化引起的透射系數(shù)的變化極小，故還可以提高光束掃描裝置的溫度特性。
權利要求
1.一種光束掃描裝置，向規(guī)定方向掃描光束，其特征在于，包括折射方向根據(jù)周向的位置進行變化的折射光學元件；向著該折射光學元件射出光束的光源裝置；以及使所述折射光學元件旋轉從而使光束相對于所述折射光學元件的入射位置在周向上移動的旋轉驅動機構。
2.如權利要求1所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述折射光學元件使從一側的端面入射的來自所述光源裝置的光束透射，并從另一側的端面出射。
3.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述光源裝置包括射出光束的發(fā)光元件、以及使從該發(fā)光元件射出的光束的發(fā)散角變化的透鏡，并向相對于所述折射光學元件的旋轉平面大致正交的方向射出光束。
4.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述光源裝置包括射出光束的發(fā)光元件、以及使從該發(fā)光元件射出的光束變?yōu)槠叫泄獾臏手蓖哥R，并向相對于所述折射光學元件的旋轉平面平行的方向或傾斜的方向射出光束，對于從所述光源裝置射出的光束，配置有使該光束向相對于所述折射光學元件的旋轉平面大致正交的方向反射從而入射到所述折射光學元件上的鏡子。
5.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述折射光學元件具有在周向上分割出的多個分割區(qū)域，在這些多個分割區(qū)域的各個區(qū)域內形成有使入射的光束向規(guī)定方向折射的傾斜面。
6.如權利要求5所述的光束掃描裝置，其特征在于，在所述多個分割區(qū)域的各個區(qū)域內，所述傾斜面具有一定的傾斜角度，在周向上排列的所述多個分割區(qū)域內，所述傾斜面的傾斜角度連續(xù)地變化。
7.如權利要求5所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述分割區(qū)域是大致等角度間隔地進行分割的。
8.如權利要求7所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述光源裝置通過以規(guī)定間隔射出光束，使光束入射到所述分割區(qū)域的周向上的中心位置上。
9.如權利要求5所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述傾斜面只形成在所述折射光學元件的一個面?zhèn)?，在令所述傾斜面相對于所述折射光學元件的旋轉平面的傾斜角度為θw、令從所述折射光學元件射出的光束的掃描角度為θs、令所述折射光學元件的折射率為n時，滿足sin(θw+θs)＝n·sinθw的關系。
10.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，在所述折射光學元件上形成有在周向上連續(xù)的傾斜面，所述傾斜面的傾斜角度在周向上連續(xù)地變化。
11.如權利要求10所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述傾斜面只形成在所述折射光學元件的一個面?zhèn)?，在令所述傾斜面相對于所述折射光學元件的旋轉平面的傾斜角度為θw、令從所述折射光學元件射出的光束的掃描角度為θs、令所述折射光學元件的折射率為n時，滿足sin(θw+θs)＝n·sinθw的關系。
12.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，對所述折射光學元件的至少光束入射側的端面實施防反射處理。
13.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述折射光學元件用樹脂形成。
14.如權利要求2所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述折射光學元件用玻璃形成。
15.如權利要求5至11中任一項所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述傾斜面向周向傾斜。
16.如權利要求5至11中任一項所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述傾斜面向半徑方向傾斜。
17.如權利要求1至14中任一項所述的光束掃描裝置，其特征在于，還包括對所述折射光學元件的旋轉位置進行檢測的位置檢測構件，根據(jù)所述位置檢測構件的檢測結果來對所述旋轉驅動機構驅動的所述折射光學元件的旋轉及光束從所述光源裝置的射出進行控制。
18.如權利要求7或10所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述旋轉驅動機構使所述折射光學元件以一定速度旋轉，所述光源裝置以一定間隔向所述折射光學元件射出脈沖狀的光束。
19.如權利要求10所述的光束掃描裝置，其特征在于，所述旋轉驅動機構使所述折射光學元件以一定速度旋轉，所述光源裝置向所述折射光學元件連續(xù)地射出光束。
全文摘要
光束掃描裝置(1)包括射出光束的光源裝置(2)、使從光源裝置(2)射出的光束折射的圓盤狀的折射光學元件(3)、驅動該折射光學元件(3)旋轉的驅動電動機(4)。在光束掃描裝置(1)中，若在使折射光學元件(3)旋轉的狀態(tài)下，使從光源裝置(2)射出的光束入射到折射光學元件(3)上，那么光束便可以從折射光學元件(3)上的入射位置起向規(guī)定方向折射，從而進行掃描。在這種光束掃描裝置(1)中，即使在高分辨率下進行光束掃描也可以實現(xiàn)裝置的小型化。另外，由于光束掃描裝置(1)具有出色的溫度特性，故還可以掃描強度穩(wěn)定的光束。
文檔編號B41J2/44GK1969218SQ200580020219
公開日2007年5月23日 申請日期2005年6月21日 優(yōu)先權日2004年6月21日
發(fā)明者林賢一, 小沢健 申請人:日本電產(chǎn)三協(xié)株式會社