专利名称：光束扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种向规定方向扫描光束的光束扫描装置。
背景技术：
光束扫描装置广泛地应用于激光打印机、数字式复印机、传真机等图像形成装置和条形码读取装置、车间距测量装置等中。在这种光束扫描装置中，以往用多角镜使从光源装置射出的光束偏转，以向规定方向扫描光束(例如，参照专利文献1)。
然而，在专利文献1所述的光束扫描装置中，由于设置多角镜需要较大的空间，故对实现光束扫描装置的小型化产生了较大的障碍。
作为解决该问题以实现光束扫描装置的小型化的结构，公开了一种光束扫描装置，其包括具有使从光源装置射出的光束衍射的功能的偏转盘、以及驱动该偏转盘旋转的驱动用电动机(例如，参照专利文献2)。
在专利文献2所述的光束扫描装置中，在偏转盘的周向上预先形成有具有不同的衍射角度的多个衍射光栅，在利用驱动用电动机使偏转盘旋转的状态下，使从光源装置射出的光束入射到偏转盘上。其结果是，光束在透射偏转盘时进行衍射，从而向规定方向进行扫描。
专利文献1日本专利特开2003-315720号公报专利文献2日本专利特开平11-231238号公报发明的公开发明所要解决的技术问题然而，使用了利用衍射功能扫描光束的偏转盘的光束扫描装置存在以下问题。
首先，为了提高光束扫描的分辨率，存在必须增大偏转盘的盘径的问题。即，在光束扫描范围一定的情况下，为了提高光束扫描的分辨率，需要沿着偏转盘的周向形成相互具有不同的衍射角的大量衍射区域。另外，为了取得衍射效果，需在各衍射区域中形成多个光栅槽。例如，令光束的扫描范围为±10°，令光束的扫描分辨率为0.1°，那么为了在偏转盘旋转一周时扫描该扫描范围，需要在偏转盘上等角度间隔地形成具有200个不同衍射效率的大量衍射区域。这种情况下，若令来自光源装置的光束的波长为880nm，则需要形成最大光栅槽间距为0.5mm的衍射光栅。另外，为了取得衍射效果，在各衍射区域内例如形成有十个光栅槽，那么该衍射光栅的宽度为5.0mm。因此，光束穿过的部分的盘径将变为5.0×200/π＝318.3(mm)。这样，若要提高光束扫描的分辨率，则偏转盘的盘径便会变大，如果考虑光束扫描装置的进一步小型化，那么使用了利用衍射功能扫描光束的偏转盘的光束扫描装置便会出现问题。
另一方面，光栅槽间距最小为5.1μm，其是一次衍射效率最大的台阶高度、即1.7μm的三倍左右。这样，若台阶高度相对于光栅槽间距无法忽略，那么一次衍射效率便会显著下降。由此，若扫描角度变大，则还存在衍射效率下降的问题。
另外，衍射光栅处的衍射角度和衍射效率依赖于入射光的波长，且衍射效率直接影响透射系数。因此，若从光源装置射出的光束存在波长不均，那么在衍射区域内的衍射角度和衍射效率便会一起变化，从而存在各扫描角度的光束强度不稳定的问题。另外，若存在温度变化，那么衍射区域的折射率变化便会引起衍射效率的变化，故还存在各扫描角度的光束强度不稳定的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种即使在高分辨率下进行光束扫描也可实现装置小型化的光束扫描装置。
另外，本发明的目的还在于提供一种具有出色的温度特性、可扫描强度稳定的光束的光束扫描装置。
解决技术问题所采用的技术方案为了解决上述问题，本发明的光束扫描装置，向规定方向扫描光束，其特征在于，包括折射方向根据周向的位置进行变化的折射光学元件；向着该折射光学元件射出光束的光源装置；以及使所述折射光学元件旋转从而使光束相对于所述折射光学元件的入射位置在周向上移动的旋转驱动机构。
在本发明中，在利用旋转驱动机构使折射光学元件旋转的状态下，使从光源装置射出的光束入射到盘状的折射光学元件上。其结果是，光束被折射光学元件折射，从而向规定方向扫描。这样，在本发明的光束扫描装置中，利用折射光学元件的折射功能来扫描光束。因此，例如，若以周向相邻的状态形成大量折射角互不相同的倾斜面，那么只需使盘状的折射光学元件旋转一周，便可以使光束在规定的扫描范围内进行扫描。由此，为了向一个扫描角度射出光束，只需将具有一个折射角的倾斜面形成在折射光学元件上即可，与使用具有衍射功能的偏转盘的情况不同，不必为向一个扫描角度射出光束而设置多个光栅槽。因此，采用本发明，即使是在提高光束扫描的分辨率时也可以减小折射光学元件的直径，故可以实现光束扫描装置的小型化。
另外，由于折射光学元件的折射角及透射系数几乎不受入射光束的波长的影响，故可以扫描强度稳定的光束。另外，由折射光学元件的温度变化引起的透射系数的变化与衍射效率的变化相比极小。因此，可在几乎不受温度变化的影响的状态下扫描强度稳定的光束。
在本发明中，所述折射光学元件最好是使从一侧的端面入射的来自所述光源装置的光束透射，并从另一侧的端面出射。若这样构成，那么即使盘状的折射光学元件出现旋转振动或面振动，折射角也几乎不变化，因此光束的扫描抖动特性良好。与此相对，在使用了多角镜或利用衍射功能的偏转盘的光束扫描装置中，旋转振动和面振动会直接影响光束的扫描角度，故采用本发明的光束扫描装置，光束的扫描抖动特性可大幅度提高。
在本发明中，所述光源装置包括射出光束的发光元件、以及使从该发光元件射出的光束的发散角变化的透镜，并向相对于所述折射光学元件的旋转平面大致正交的方向射出光束。
在本发明中，所述光源装置也可采用如下结构包括射出光束的发光元件、以及使从该发光元件射出的光束变为平行光的准直透镜，并向相对于所述折射光学元件的旋转平面平行的方向或倾斜的方向射出光束。这种情况下，对于从所述光源装置射出的光束，配置有使该光束向相对于所述折射光学元件的旋转平面大致正交的方向反射从而入射到所述折射光学元件上的镜子。在光源装置具有准直透镜时，从发光元件到折射光学元件之间要有规定的距离。即，要调整光束的大小，则需调整准直透镜与发光元件的距离，从发光元件到折射光学元件要有规定的距离。因此，通过构成为从光源装置通过镜子向折射光学元件入射光束，可以确保在发光元件到折射光学元件之间具有规定的距离。另外，如果构成为向相对于折射光学元件的旋转平面平行的方向或倾斜的方向射出光束，则可以实现光束扫描装置的薄化。
另外，在本说明书中，“相对于折射光学元件的旋转平面平行的方向或倾斜的方向”是指与旋转平面正交的方向之外的方向，在使光束向该方向射出时，与配置有向与旋转平面正交的方向射出光束的光源装置时相比，可以实现光束扫描装置的薄化。另外，作为发光元件，可列举有激光二极管、发光二极管、激光振荡器等。
在本发明中，所述折射光学元件可采用如下结构具有在周向上分割出的多个分割区域，在这些多个分割区域的各个区域内形成有使入射的光束向规定方向折射的倾斜面。即，最好是将折射光学元件沿周向分割成多个放射状的分割区域，在这些分割区域内分别形成使入射光束折射的倾斜面。若采用这种结构，则能以简单的结构形成圆盘状的折射光学元件。另外，在本说明书中，倾斜面也包括倾斜角度为0°的倾斜面在内。
在本发明中，最好是在所述多个分割区域的各个区域内，所述倾斜面具有一定的倾斜角度，在周向上排列的所述多个分割区域内，所述倾斜面的倾斜角度连续地变化。即，最好构成为在各个分割区域内，倾斜面的倾斜角度一定，在相邻分割区域内，倾斜面的倾斜角度增加或减少。
在本发明中，所述分割区域最好是大致等角度间隔地进行分割的。若采用这种结构，那么从光源装置射出一定间隔的脉冲状光束即可，故光源装置的控制较为容易。另外，只需从光源装置射出一定间隔的脉冲状光束，便可以将光束入射到分割区域周向的中心位置上。这种情况下，可以用折射光学元件按计划地折射光束，故可以进行合适的光束扫描。
在本发明中，所述倾斜面最好只形成在所述折射光学元件的一个面侧。这种情况下，在令所述倾斜面相对于所述折射光学元件的旋转平面的倾斜角度为θw、令从所述折射光学元件射出的光束的扫描角度为θs、令所述折射光学元件的折射率为n时，构成为满足sin(θw+θs)＝n·sinθw的关系即可。在只有折射光学元件的一个面侧形成有倾斜面时，折射光学元件的加工较为容易。
在本发明中，最好采用在所述折射光学元件上形成有在周向上连续的倾斜面、且该倾斜面的倾斜角度在周向上连续地变化的结构。若采用这种结构，则可以进行高分辨率的扫描。这种情况下，所述倾斜面最好也只形成在所述折射光学元件的一个面侧。这种情况下，在令所述倾斜面相对于所述折射光学元件的旋转平面的倾斜角度为θw、令从所述折射光学元件射出的光束的扫描角度为θs、令所述折射光学元件的折射率为n时，构成为满足sin(θw+θs)＝n·sinθw的关系即可。在只有折射光学元件的一个面侧形成有倾斜面时，折射光学元件的加工较为容易。
在本发明中，最好是对所述折射光学元件的至少光束入射侧的端面实施防反射处理。采用这种结构，可以减少可能引起光源装置的输出不稳定的返回光源装置的光。另外，若进行防反射处理，那么透射系数便会上升，其结果是，可以减少来自光源的光量的损失。
在本发明中，所述折射光学元件可以用树脂形成。另外，还可以用玻璃形成。在用树脂形成时，生产性出色，且可以实现轻量化、低成本化。另外，即使在用树脂形成时，例如若存在±50℃左右的温度变化则扫描角度的变化也极小，几乎不影响扫描性能。另一方面，在用玻璃形成时，由于几乎不受温度变化的影响，故温度特性稳定，且在高温环境下也可使用光学扫描装置。
在本发明中，所述倾斜面可采用在周向上倾斜的结构及在半径方向上倾斜的结构中的任一种。
在本发明中，最好是包括对所述折射光学元件的旋转位置进行检测的位置检测构件，并根据该位置检测构件的检测结果来对所述旋转驱动机构驱动的所述折射光学元件的旋转及光束从所述光源装置的射出进行控制。采用这种结构，根据折射光学元件的旋转位置来反馈控制旋转驱动机构的旋转动作及光源装置的发光动作，可以正确地实现光源装置的发光时间与折射光学元件的旋转位置的同步，从而进行合适的光束扫描。
在本发明中，最好是所述旋转驱动机构使所述折射光学元件以一定速度旋转，所述光源装置以一定间隔向所述折射光学元件射出脉冲状的光束。若采用这种结构，则可省去反馈控制这类复杂的控制，从而使电路结构简单化。另外，作为以一定间隔向折射光学元件入射脉冲状光束的结构，以一定间隔使脉冲状的光束从光源装置射出即可。另外，也可以从光源装置连续地射出光束，并在光路的途中设置遮光板而以一定间隔遮蔽该光束，从而使脉冲状的光束以一定间隔入射到折射光学元件上。
在本发明中，当在所述折射光学元件上形成有周向连续的倾斜面、且该倾斜面的倾斜角度在周向上连续地变化时，也可以采用所述旋转驱动机构使所述折射光学元件以一定速度旋转、且所述光源装置向所述折射光学元件连续地射出光束的结构。
图1是表示本发明的实施形态1的光束扫描装置的概略结构的立体图。
图2是示意地表示图1所示光束扫描装置的概略结构的概略侧视图。
图3是示意地表示图1所示光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。
图4是图3所示折射光学元件的俯视图。
图5(A)、图5(B)、图5(C)分别是图4的X-X剖视图、Y-Y剖视图、Z-Z剖视图。
图6是在图3及图4所示折射光学元件的倾斜面中包含有倾斜角度为0°的倾斜面的情况的说明图。
图7是示意地表示本发明的实施形态2的光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。
图8是本发明的实施形态3的光束扫描装置的结构图。
图9是示意地表示图8所示光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。
图10是图9所示折射光学元件的俯视图。
图11是表示图9的W-W截面的剖视图。
图12是示意地表示本发明的实施形态4的光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。
图13是示意地表示本发明的另一实施形态的光束扫描装置的概略结构的概略侧视图。
图14是示意地表示本发明的又一实施形态的光束扫描装置的概略结构的概略侧视图。
(元件符号说明)1光束扫描装置2光源装置3折射光学元件4驱动电动机(旋转驱动机构)5镜子6光学编码器(位置检测构件)21激光二极管(发光元件)22准直透镜32分割区域33倾斜面具体实施方式
下面参照附图，对本发明的最佳实施形态进行说明。
(光束扫描装置的概略结构)图1是表示本发明的实施形态1的光束扫描装置的概略结构的立体图。图2是示意地表示图1所示光束扫描装置的概略结构的概略侧视图。
图1及图2所示的光束扫描装置1包括射出光束的光源装置2、使从光源装置2射出的光束折射的圆盘状的折射光学元件3、作为驱动折射光学元件3旋转的旋转驱动机构的驱动电动机4、使从光源装置2射出的光束向折射光学元件3竖起的镜子5、以及作为对折射光学元件3的旋转位置进行检测的位置检测构件的光学编码器6。在该光束扫描装置1中，如下所述，折射光学元件3在周向上的折射方向变化。因此，在使折射光学元件3旋转的状态下，使从光源装置2射出的光束入射到折射光学元件3上，并用折射光学元件3折射光束，从而向规定方向扫描光束。尤其是在本形态中，从光源装置2射出的光束透射折射光学构件3，折射光学元件3使从一侧的端面入射的来自光源装置2的光束透射、并从另一侧的端面射出。驱动电动机4、镜子5以及光学编码器6直接配置在框架8上，光源装置2通过支撑架9设置在框架8上。
光源装置2由作为射出光束的发光元件的激光二极管21和使从激光二极管21射出的光束变为平行光的准直透镜22一体地构成。从激光二极管21射出例如880nm的激光。如图2所示，从光源装置2向与驱动电动机4的转轴正交的平面、换句话说即与折射光学元件3的旋转平面平行的方向射出光束。
镜子5使从光源装置2射出的光束沿驱动电动机4的轴向竖起，使光束以与折射光学元件3的旋转平面大致正交的形态入射到折射光学元件3上。镜子5例如为全反射镜，配置在光源装置2的出射侧。
在镜子5的侧方配置有驱动电动机4。本形态中的驱动电动机4为可高速旋转的无刷电动机，例如可以进行10,000(rpm)左右的旋转。另外，驱动电动机4并不局限于无刷电动机，也可以使用步进电机等各种电动机。另外，也可以省去镜子5等，将从光源装置2射出的光直接引向折射光学元件3。
在折射光学元件3上形成有中心孔31，该中心孔31固定在驱动电动机4的转子上。由此，折射光学元件3能以驱动电动机4的轴线(折射光学元件3的中心)为中心进行旋转驱动。折射光学元件3的详细结构在后面叙述。
光学编码器6配置成在驱动电动机4的轴向上与折射光学元件3相对。在与光学编码器6相对的折射光学元件3的相对面上形成有光栅(未图示)，光学编码器6通过检测该光栅来检测折射光学元件3的旋转位置。在本形态的光束扫描装置1中，根据光学编码器6的检测结果来控制驱动电动机4的旋转动作。另外，还根据光学编码器6的检测结果来控制激光二极管21的发光动作。另外，为了检测折射光学元件3的角度位置，也可以使用光电耦合器或磁性检测传感器来代替光学编码器6。
(折射光学元件的结构)图3是示意地表示图1所示光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。图4是图3所示折射光学元件的俯视图。图5(A)、图5(B)、图5(C)分别是图4的X-X剖视图、Y-Y剖视图、Z-Z剖视图。图6是在图3及图4所示折射光学元件的倾斜面中包含有倾斜角度为0°的倾斜面的情况的说明图。
如图2、图3及图4所示，折射光学元件3形成为在中心具有中心孔31的扁平的圆盘状，在本形态中，用透明的树脂形成。在折射光学元件3上形成有以中心孔31为中心在周向上分割出的多个放射状的分割区域32a、32b、32c…(下面作为分割区域32)。在本形态中，分割区域32是以中心孔31为中心大致等角度间隔地在周向上分割出的区域。
分割区域32的数目由光束扫描装置的扫描点数来确定，在本形态中，折射光学元件3由201个分割区域32形成。由此，例如在令光束的扫描范围为±10°时，光束的扫描分辨率为0.1°。另外，例如令处于光束透射位置的折射光学元件3的直径为40mm，那么一个分割区域32的周向的宽度尺寸则为0.63mm。另外，为了便于说明，在图3及图4中减少了分割区域32的数目。
在各个分割区域32内，在半径方向上倾斜地形成有使入射光束折射的倾斜面33a、33b、33c…(下面作为倾斜面33)。在本形态中，倾斜面33只形成在折射光学元件3的出射侧的面(图1、图2中的顶面)的整个周长上，入射侧的面(图1、图2中的底面)形成为与驱动电动机4的轴正交的平面形状。另外，倾斜面33在各个分割区域32中形成为具有一定角度。即，如图5所示，各分割区域32的径向的截面形成为楔形形状。更具体地，各分割区域32的径向的截面形成为内周侧与外周侧平行的梯形形状。另外，倾斜面33的倾斜角度在周向上排列的多个分割区域32的各个区域中连续地变化。另外，在本形态的倾斜面33中包含有像图6所示的分割区域32e的倾斜面33e那样的倾斜角度为0°的倾斜面。
另外，在本形态中，在令倾斜面33的倾斜角度(倾斜面3相对于折射光学元件3的旋转平面的倾斜角度)为θw、令从折射光学元件3射出的光束的扫描角度为θs(参照图2)、令折射光学元件3的折射率为n时，倾斜面33形成为满足sin(θw+θs)＝n·sinθw的关系。例如，在令n＝1.51862、令扫描角度θs为10°时，使倾斜角度θw为18.02°即可。
另外，在本形态中，相邻分割区域32的倾斜面33的倾斜角度θw形成为依次增加或减少。例如，如图5(A)～(C)所示，相邻分割区域32a、32b、32c各自的倾斜面33a、33b、33c的倾斜角度θwa、θwb、θwc形成为依次增加。
另外，如图6所示，在折射光学元件3的整个周长上看时，分割区域32d的倾斜面33d向内周倾斜，分割区域32f的倾斜面33f向外周倾斜。另外，在分割区域32d与分割区域32f之间，存在倾斜面33e的倾斜角度为0°的分割区域32e。即，在令向内周的倾斜角、向外周的倾斜角分别为正倾斜角、负倾斜角时，倾斜面33的倾斜角度θw在周向上从正倾斜角依次地减小而变为负倾斜角，之后，倾斜角进一步依次地减小，并在达到一周时变回正倾斜角。另外，倾斜面33也可以形成为从正倾斜角依次地减小而变为负倾斜角，之后，反过来从负倾斜角依次地增加而变为正倾斜角，正倾斜角与负倾斜角在周向上反复。
另外，对折射光学元件3的至少光束入射侧的端面实施防反射处理。在本形态中，对折射光学元件3的整个表面利用薄膜或微细结构等实施防反射处理。
(折射光学元件的制造方法)本形态的折射光学元件3可以用透明树脂直接通过切削等超精密加工来进行制造，考虑到制造成本，也可以用金属模具进行制造。下面，对直接切削加工折射光学元件3的情况进行说明，但切削金属模具的情况也一样。
折射光学元件3被用快速切削或牛头刨床切削进行切削加工。由于本形态中的倾斜面33形成为在径向上倾斜，因此将切削加工中使用的刀尖的前进方向设定为折射光学元件3的径向。更具体地，将刀尖的前进方向设定为从折射光学元件3的中心向外周侧或从外周侧向中心。
接着，在轴向上一边进给折射光学元件3的原材料一边进行切削加工，以形成一个分割区域32的倾斜面33。之后，将折射光学元件3在周向上旋转规定角度，并同样地在轴向上一边进给折射光学元件3的原材料一边进行切削加工，从而形成相邻分割区域32的倾斜面33。通过在一周上反复进行该动作，形成折射光学元件3。另外，折射光学元件3的原材料的轴向进给在NC数据上进行预先设定，由此，以相邻分割区域32的倾斜面33的倾斜角度θw依次增加或依次减小的形态形成倾斜面33。
(光束的扫描方法)下面对本形态的光束扫描装置1的光束的扫描方法进行说明。
首先，折射光学元件3被驱动电动机4驱动，以规定转速进行旋转。在这种状态下，光束从激光二极管21射出，利用准直透镜22变为平行光。接着，光束被镜子5竖起，以与折射光学元件3的入射侧的端面大致正交的形态入射。更具体地，光束向着一个分割区域32的周向上的中心位置入射。
在此，入射到折射光学元件3上的光束的有效直径最好是在一个分割区域32的周向宽度以下。但是，入射到折射光学元件3上的光束的有效直径也可以在一个分割区域32的周向宽度以上而横跨多个分割区域32地入射。这是因为入射到与想要入射光束的分割区域32邻接的分割区域32(甚至与其邻接的分割区域32)内的光束与透射想要入射光束的分割区域32的光束会向着分离的方向出射。因此，即使光束的有效直径在一个分割区域32的周向宽度以上也不会成为干扰。
下面，为了便于说明，令入射到折射光学元件3上的光束的有效直径在一个分割区域32的周向宽度以下。
入射到折射光学元件3的分割区域32内的光束在透射折射光学元件3时由倾斜面33折射并出射。例如，如图2所示，在某个分割区域32内向扫描角度θs1的方向折射并出射。在此，由于相邻分割区域32的倾斜面33的倾斜角度θw依次增加或依次减小，故在相邻的分割区域32内例如向着与扫描角度θs1存在0.1°的角度差的扫描角度θs2的方向折射并出射。这样，光束例如以0.1°的间隔依次出射，从而在规定的扫描范围内进行扫描。另外，在分割区域32e(参照图6)内，光束未折射便出射。
另外，在本形态中，基于光学编码器6得到的折射光学元件3的旋转位置的检测结果来控制驱动电动机4的旋转动作及激光二极管21的发光动作。即，基于光学编码器6的检测结果来控制驱动电动机4的旋转及激光二极管21的发光时间，以使从激光二极管21发出的光束向着一个分割区域32的周向上的中心位置入射。
(本形态的主要效果)如上所述，在本形态的光束扫描装置1中，在使驱动电动机4旋转的状态下使从光源装置2射出的光束向折射光学元件3入射，并用折射光学元件3折射光束，从而使光束向规定方向扫描。即，利用折射功能来扫描光束。因此，由于在周向上形成许多折射角互不相同的倾斜面33，从而只要使折射光学元件3旋转一圈便可以扫描规定的扫描范围。即，为了向一个扫描角度射出光束，将具有一个折射角度θw的倾斜面33形成在折射光学元件3上即可，而不像具有衍射功能的偏转盘那样，为了向一个扫描角度射出光束而需要设置多个光栅槽。由此，即使在提高光束扫描的分辨率时，也可以减小折射光学元件3的直径，其结果是，可以实现装置的小型化。
另外，由于折射光学元件3为扁平的圆盘状，故可以实现装置的薄化。另外，在上述例子中，由于分割区域32在光束透射位置处的周向宽度为0.63mm，故足可以形成倾斜面33。
另外，本形态中使用的折射光学元件3利用了它的折射作用，折射角几乎不受入射光束的波长的影响。因此，在本形态的光束扫描装置1中，可以扫描强度稳定的光束。另外，即使折射光学元件3存在温度变化，由温度变化引起的透射系数的变化与衍射效率的变化相比也极小。由此，可以在几乎不受温度变化的影响的状态下扫描强度稳定的光束。
另外，在本形态中，从光源装置2射出的光束透射折射光学元件3。因此，即使用驱动电动机4转动的折射光学元件3出现旋转振动和面振动，折射角也几乎不变化。因此，光束的扫描抖动特性良好。
另外，在本形态中，光源装置2包括射出光束的激光二极管21、以及准直透镜22。另外，从光源装置2向与折射光学元件3的旋转平面平行的方向射出光束，且射出的光束由镜子5呈直角地竖起，从而以与折射光学元件3的旋转平面大致正交的形态入射到折射光学元件3上。在此，在光源装置2包括准直透镜22时，为了调整光束的大小，需要调整准直透镜22与发光元件21的距离，故从发光元件21到折射光学元件3之间要有规定的距离，但在本形态中，由于从光源装置2射出的光束经由镜子5入射到折射光学元件3上，故可以确保在发光元件21到折射光学元件3之间具有规定的距离。另外，由于向与折射光学元件3的旋转平面平行的方向射出光束，故可以实现光束扫描装置1的薄化。
在本形态中，折射光学元件3由在周向上分割出的多个放射状的分割区域32构成，在各个分割区域32内形成有使入射光束折射的倾斜面33。因此，能以简单的结构形成折射光学元件3。
另外，在各个分割区域32内形成有一定角度的倾斜面33，且相邻分割区域32的倾斜面33的倾斜角度θw依次增加或依次减小。因此，能以简单的结构向各扫描角度θs依次地射出光束。另外，分割区域32是以中心孔31为中心、大致等角度间隔地在周向上分割出的区域。因此，若驱动电动机4的转速一定，那么从光源装置2以一定间隔射出脉冲状光束即可，故光源装置2的控制较为容易。
在本形态中，倾斜面33只形成在折射光学元件3的出射侧的面上，入射侧的面形成为平面形状。因此，在用金属模具制造折射光学元件3时，只要对一个面进行金属模具的模型加工即可，故金属模具的制作容易。另外，在通过直接切削加工透明树脂来制造折射光学元件3时，由于入射侧的面为平面形状，故易于固定原材料，加工容易。
在本形态中，对折射光学元件3实施防反射处理。因此，可以减少可能引起光源装置2的输出不稳定的返回光源装置2的光。另外，由于透射系数提高，故可以减小来自光源装置2的光量的损失。另外，若可以得到使用光束扫描装置1的上位装置所需的光量，那么就不必对折射光学元件3实施防反射处理。这种情况下，可以使折射光学元件3的结构简单化，从而使其制造变得容易。
在本形态中，折射光学元件3用树脂形成。因此，折射光学元件3的生产性出色，另外，还可以实现光束扫描装置1的轻量化、低成本化。另外，即使存在例如±50℃左右的温度变化，扫描角度θs的变化率也在1％以下，对扫描性能几乎没有影响。
在本形态中，对驱动电动机4的旋转及激光二极管21的发光时间进行控制，以使从激光二极管21发出的光束向一个分割区域32的周向宽度的中心位置入射。因此，可以正确地实现激光二极管21的发光时间与折射光学元件3的旋转位置的同步，从而可进行合适的光束扫描。
图7是示意地表示本发明的实施形态2的光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。另外，由于本形态的光束扫描装置及折射光学元件的基本结构与实施形态1相同，因此共有的部分使用相同的符号标记，并省去它们的详细说明。
在实施形态1的折射光学元件3中，在周向上形成有多个分割区域32，且在这些各个分割区域32中形成有倾斜面33，但也可以像图7那样构成折射光学元件3。在该折射光学元件3上形成有周向连续的倾斜面33，且该倾斜面33相对于半径方向的倾斜角度在周向上连续地变化。
这样构成的折射光学元件3与图4一样，其沿图7所示的X-X线、Y-Y线、Z-Z线截断时的截面如图5(A)、图5(B)、图5(C)所示，在半径方向上的倾斜角度θw在周向上依次地增加或减小。因此，若一边使折射光学元件3旋转一边向折射光学元件3入射光束，那么在光束透射折射光学元件3时，会由倾斜面33折射，以进行扫描。这种情况下，可以使激光连续振荡，从而将分辨率提高到最大值。
另外，在折射光学元件3的倾斜面33的周向上倾斜角度也连续地进行变化，但由于入射光束直径较小，故可以忽略该方向上的倾斜变化，从而可以忽略向折射光学元件3的切线方向的扫描。
图8是本发明的实施形态3的光束扫描装置的结构图。图9是示意地表示图8所示光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。图10是图9所示折射光学元件的俯视图。图11是表示图9的W-W截面的剖视图。由于本形态的基本结构与实施形态1相同，因此共有的部分使用相同的符号标记，并省去它们的说明。
在上述实施形态1、2中，使入射光束折射的倾斜面33形成为在半径方向上倾斜，但倾斜面33的倾斜方向并不局限于半径方向。例如，如图8、图9、图10及图11所示，也可以在构成折射光学元件3的各个分割区域32内形成以一定角度在周向上倾斜的倾斜面33。这种形态中，倾斜面33也只形成在折射光学元件3的出射侧的面上，各分割区域32的截面形成为楔形形状。更具体地，各分割区域32的截面形成为使与相邻的分割区域32的邻接面平行的梯形形状。另外，在该形态中，倾斜面33中也包含有倾斜角度为0°的倾斜面。
另外，与上述形态相同，在令倾斜面33的倾斜角度为θw、令从折射光学元件3射出的光束的扫描角度为θs、令折射光学元件3的折射率为n时，倾斜面33形成为满足sin(θw+θs)＝n·sinθw的关系，而且，如图11所示，相邻的分割区域32g、32h、32i各自的倾斜面33g、33h、33i的倾斜角度θwg、θwh、θwi依次地增加。另外，倾斜面33也可以是向图11所示倾斜方向的相反侧倾斜的倾斜面33。即，在图11中，也可以令中心左侧的倾斜面33为向左下倾斜的倾斜面，令中心右侧的倾斜面为向右下倾斜的倾斜面。
在这样构成的折射光学元件3中，由于折射方向在周向上变化，故若一边使折射光学元件3旋转一边向折射光学元件3入射光束，那么在光束透射折射光学元件3时，会由倾斜面33折射，并在折射光学元件3的切线方向上进行扫描。
这样，具有在周向上倾斜的倾斜面33的折射光学元件3也可以与上述形态1、2一样，用透明树脂直接通过切削等超精密加工进行制造，考虑到制造成本，也可以使用金属模具进行制造。在用切削加工制造折射光学元件3或金属模具时，将切削加工中使用的刀尖的前进方向设定为折射光学元件3的径向，从而形成一个倾斜面33，并一边改变刀尖的倾斜方向一边使折射光学元件3在周向上旋转规定角度，从而形成相邻的分割区域32的倾斜面33。
图12是示意地表示本发明的实施形态4的光束扫描装置所使用的折射光学元件的概略结构的立体图。另外，由于本形态的光束扫描装置及折射光学元件的基本结构与实施形态3相同，因此共有的部分使用相同的符号标记，并省去它们的详细说明。
在实施形态3的折射光学元件3中，在周向上形成有多个分割区域32，且在这些各个分割区域32内形成有在每个分割区域内倾斜角度θw一定的倾斜面33，但在本形态中，如图12所示，在周向上形成有多个分割区域32，且在这些各个分割区域32内形成有向周向的倾斜角度θw在周向上连续变化的倾斜面33。该面的形状为切线方向上的二次函数，一次微分表示的斜率相对于切线方向连续地变化。在使用了这样构成的折射光学元件3的光束扫描装置中，在入射到折射光学元件3上的光束透射折射光学元件3时，由倾斜面33折射，并向折射光学元件3的切线方向扫描。图12是倾斜面33只向一侧倾斜的例子，但它也可以是抛物线的U形形状，还可以是sin曲线。
上述形态是本发明的最佳形态的一例，但并不局限于此，在不改变本发明的主旨的范围内，可以进行各种变形。
例如，在上述形态中，从光源装置2射出的光束透射折射光学元件3，但也可像图13所示的光束扫描装置1那样，使从光源装置2射出的光束从折射光学元件3的顶面入射后在底面反射，然后从顶面出射。在此，由于折射光学元件3的顶面的折射方向在周向上变化，故光束在顶面上向规定方向折射，从而进行扫描。这种情况下，如图13所示，光束从折射光学元件3的斜上方向入射到折射光学元件3上。另外，这种情况下无需镜子5，从而可以使光束扫描装置1的结构简单化。
另外，在上述形态1～4中，倾斜面33只形成在折射光学元件3的出射侧的面(图1、图8中的顶面)上，但也可以只形成在入射侧的面上。另外，倾斜面还可以形成在出射侧的面和入射侧的面这两者上。在两个面上形成倾斜面时，例如可以令入射侧的面的倾斜角度在全部的分割区域32内都为相同的角度。
另外，在上述形态中用树脂形成折射光学元件3，但也可以用玻璃形成折射光学元件3。这种情况下，由于几乎不受温度变化的影响，故温度特性稳定，而且即使在高温环境下也可以使用光束扫描装置。
另外，倾斜面33不必形成在折射光学元件3的出射侧的面的整个周长上，也可以在出射侧的面的一部分上形成平坦的平面部。
另外，也可以利用设置在驱动电动机4内部的霍尔元件或MR元件作为位置检测构件来代替光学编码器6。这种情况下，可以利用驱动电动机4具有的驱动磁体或脉冲产生用磁体、或反电动势产生脉冲，并基于该脉冲来控制激光二极管21的发光时间，以使从激光二极管21发出的光束向一个分割区域32的周向上的中心位置入射。
另外，光束扫描装置也可以不包括位置检测构件。当像上述实施形态1～4那样，折射光学元件3由周向上大致等角度间隔地分割出的多个分割区域32构成时、或形成有周向连续的倾斜面时，如果进行控制使驱动电动机4以一定速度旋转，并从光源装置2以一定间隔射出脉冲状的光束，那么就可以进行合适的光束扫描。
另外，也可以不设置镜子5，使光束从光源装置2向折射光学元件3的旋转平面射出，从而直接入射到折射光学元件3上。另外，在设有镜子5时，也可以将光源装置2配置在折射光学元件3的斜下方，使光束从折射光学元件3的斜下方向入射到折射光学元件3上。
另外，在上述形态中，从光源装置2射出的光束透射折射光学元件3，但也可以像图14所示的光束扫描装置那样，使从光源装置2射出的光束由折射光学元件3进行反射。即，从光源装置2射出的光束在折射光学元件3的顶面上反射，在折射光学元件3的顶面上，由于反射方向在周向上变化，故光束向规定的方向扫描。这种情况下，如图14所示，使光束从折射光学元件3的斜上方入射到折射光学元件3上。另外，这种情况下无需镜子5，从而可以使光束扫描装置1的结构简单化。
工业上的可利用性在本发明的光束扫描装置中，利用折射功能来扫描光束。因此，例如通过在折射光学元件上周向邻接地形成许多折射角互不相同的倾斜面，那么在使圆盘状的折射光学元件旋转一周时，便可以扫描规定的扫描范围。即，为了向一个扫描角度射出光束，将具有一个折射角的倾斜面形成在折射光学元件上即可，而不必像具有衍射功能的偏转盘那样，为了向一个扫描角度射出光束而需要设置多个光栅槽。由此，即使在高分辨率下进行光束扫描时，也可以减小折射光学元件的直径，因此可以实现光束扫描装置的小型化。
另外，折射率角及透射系数几乎不受入射光束的波长的影响。因此，在使用折射光学元件时，可以扫描强度稳定的光束。另外，折射光学元件的温度变化引起的透射系数的变化极小，故还可以提高光束扫描装置的温度特性。
权利要求
1.一种光束扫描装置，向规定方向扫描光束，其特征在于，包括折射方向根据周向的位置进行变化的折射光学元件；向着该折射光学元件射出光束的光源装置；以及使所述折射光学元件旋转从而使光束相对于所述折射光学元件的入射位置在周向上移动的旋转驱动机构。
2.如权利要求1所述的光束扫描装置，其特征在于，所述折射光学元件使从一侧的端面入射的来自所述光源装置的光束透射，并从另一侧的端面出射。
3.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，所述光源装置包括射出光束的发光元件、以及使从该发光元件射出的光束的发散角变化的透镜，并向相对于所述折射光学元件的旋转平面大致正交的方向射出光束。
4.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，所述光源装置包括射出光束的发光元件、以及使从该发光元件射出的光束变为平行光的准直透镜，并向相对于所述折射光学元件的旋转平面平行的方向或倾斜的方向射出光束，对于从所述光源装置射出的光束，配置有使该光束向相对于所述折射光学元件的旋转平面大致正交的方向反射从而入射到所述折射光学元件上的镜子。
5.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，所述折射光学元件具有在周向上分割出的多个分割区域，在这些多个分割区域的各个区域内形成有使入射的光束向规定方向折射的倾斜面。
6.如权利要求5所述的光束扫描装置，其特征在于，在所述多个分割区域的各个区域内，所述倾斜面具有一定的倾斜角度，在周向上排列的所述多个分割区域内，所述倾斜面的倾斜角度连续地变化。
7.如权利要求5所述的光束扫描装置，其特征在于，所述分割区域是大致等角度间隔地进行分割的。
8.如权利要求7所述的光束扫描装置，其特征在于，所述光源装置通过以规定间隔射出光束，使光束入射到所述分割区域的周向上的中心位置上。
9.如权利要求5所述的光束扫描装置，其特征在于，所述倾斜面只形成在所述折射光学元件的一个面侧，在令所述倾斜面相对于所述折射光学元件的旋转平面的倾斜角度为θw、令从所述折射光学元件射出的光束的扫描角度为θs、令所述折射光学元件的折射率为n时，满足sin(θw+θs)＝n·sinθw的关系。
10.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，在所述折射光学元件上形成有在周向上连续的倾斜面，所述倾斜面的倾斜角度在周向上连续地变化。
11.如权利要求10所述的光束扫描装置，其特征在于，所述倾斜面只形成在所述折射光学元件的一个面侧，在令所述倾斜面相对于所述折射光学元件的旋转平面的倾斜角度为θw、令从所述折射光学元件射出的光束的扫描角度为θs、令所述折射光学元件的折射率为n时，满足sin(θw+θs)＝n·sinθw的关系。
12.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，对所述折射光学元件的至少光束入射侧的端面实施防反射处理。
13.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，所述折射光学元件用树脂形成。
14.如权利要求2所述的光束扫描装置，其特征在于，所述折射光学元件用玻璃形成。
15.如权利要求5至11中任一项所述的光束扫描装置，其特征在于，所述倾斜面向周向倾斜。
16.如权利要求5至11中任一项所述的光束扫描装置，其特征在于，所述倾斜面向半径方向倾斜。
17.如权利要求1至14中任一项所述的光束扫描装置，其特征在于，还包括对所述折射光学元件的旋转位置进行检测的位置检测构件，根据所述位置检测构件的检测结果来对所述旋转驱动机构驱动的所述折射光学元件的旋转及光束从所述光源装置的射出进行控制。
18.如权利要求7或10所述的光束扫描装置，其特征在于，所述旋转驱动机构使所述折射光学元件以一定速度旋转，所述光源装置以一定间隔向所述折射光学元件射出脉冲状的光束。
19.如权利要求10所述的光束扫描装置，其特征在于，所述旋转驱动机构使所述折射光学元件以一定速度旋转，所述光源装置向所述折射光学元件连续地射出光束。
全文摘要
光束扫描装置(1)包括射出光束的光源装置(2)、使从光源装置(2)射出的光束折射的圆盘状的折射光学元件(3)、驱动该折射光学元件(3)旋转的驱动电动机(4)。在光束扫描装置(1)中，若在使折射光学元件(3)旋转的状态下，使从光源装置(2)射出的光束入射到折射光学元件(3)上，那么光束便可以从折射光学元件(3)上的入射位置起向规定方向折射，从而进行扫描。在这种光束扫描装置(1)中，即使在高分辨率下进行光束扫描也可以实现装置的小型化。另外，由于光束扫描装置(1)具有出色的温度特性，故还可以扫描强度稳定的光束。
文档编号B41J2/44GK1969218SQ200580020219
公开日2007年5月23日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月21日
发明者林贤一, 小沢健 申请人:日本电产三协株式会社