CN107533220B - 光扫描控制装置 - Google Patents

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Abstract

本光扫描控制装置具有：扫描单元，其根据视频信号扫描从激光器发射的光，并在屏幕上成像；第一光检测单元，其检测由上述扫描单元进行扫描后的光；第二光检测单元，其检测由上述扫描单元进行扫描后的光；以及控制单元，其根据上述第一光检测单元的输出与上述第二光检测单元的输出之间的时间差来控制上述扫描单元的摆角。

Description

光扫描控制装置
技术领域
本发明涉及光扫描控制装置。
背景技术
已知一种扫描激光来显示图像的光扫描控制装置。该光扫描控制装置具备不经由光学系统而直接检测从光源发出的光的第一检测单元、经由光学系统来检测从光源发出的光的第二检测单元。并且，根据第一检测单元和第二检测单元的检测结果的组合，能够进行异常判定等(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-11852号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在扫描激光的光扫描控制装置中，例如在扫描激光的光扫描部设置检测扫描光的面镜的倾斜程度的位移传感器，根据位移传感器的输出来进行面镜的摆角控制。
但是，当位移传感器中有温度特性时，或者有老化、时间变化等情况时，会有不能够进行正确的摆角控制的问题。
本发明是鉴于以上问题点进行的，课题为提供一种能够进行正确的摆角控制的光扫描控制装置。
用于解决课题的手段
本光扫描控制装置(1)具有：扫描单元(310)，其根据视频信号扫描从激光器(211R、211G、211B)发射的光，在屏幕(50)上成像；第一光检测单元(61)，其检测由上述扫描单元(310)进行扫描后的光；第二光检测单元(62)，其检测由上述扫描单元(310)进行扫描后的光；以及控制单元(12)，其根据上述第一光检测单元(61)的输出与上述第二光检测单元(62)的输出之间的时间差(τ)来控制上述扫描单元(310)的摆角。
另外，上述括号内的参照符号是为了容易理解而标注的，不过是一个例子，不限定图示的方式。
发明效果
根据公开的技术，能够提供一种能够进行正确的摆角控制的光扫描控制装置。
附图说明
图1是例示本实施方式的光扫描控制装置的框图。
图2是例示构成光扫描控制装置的光扫描部的俯视图。
图3A是例示本实施方式的光扫描控制装置的外观图(之一)。
图3B是例示本实施方式的光扫描控制装置的外观图(之一)。
图4A是例示本实施方式的光扫描控制装置的外观图(之二)。
图4B是例示本实施方式的光扫描控制装置的外观图(之二)。
图5是本实施方式的光扫描控制装置的摆角控制的流程图的一例。
图6A是说明光检测传感器的配置和使激光器发光的定时的图。
图6B是说明光检测传感器的配置和使激光器发光的定时的图。
图7是例示光检测传感器的输出波形等的图。
图8是例示温度和水平方向的摆角之间的关系的图。
图9是说明图像的宽度根据温度而伸缩的情况的图。
图10是说明光检测传感器的最佳配置的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明用于实施发明的方式。在各图中，有时对相同结构部分标注相同符号，并省略重复的说明。
图1是例示本实施方式的光扫描控制装置的框图。图2是例示构成光扫描控制装置的光扫描部的俯视图。图3A、图3B、图4A以及图4B是例示本实施方式的光扫描控制装置的外观图。
(光扫描控制装置的概略结构)
首先，参照图1～图4B说明光扫描控制装置1的概略结构。作为主要结构要素，光扫描控制装置1具有电路部10、光源部20、光扫描部30、光学部40、屏幕50、光检测传感器61以及62，这些被收纳在机箱100中。光扫描控制装置1例如是激光扫描型投影仪。
电路部10是控制光源部20、光扫描部30的部分，例如能够通过系统控制器11和CPU(Central Processing Unit中央处理单元)12、各种驱动电路等来构成。另外，系统控制器11和CPU12能够构成为双向传输信息。
光源部20具有LD模块21、温度控制部22、温度传感器23、减光滤波器24。
LD模块21具备发射的光量根据电流值而变化的激光器211R、211G以及211B或监视激光器211R、211G和211B的各自最近(激光发射之后)的光量的光量检测传感器215等。激光器211R例如是红色半导体激光器，能够发射波长λR(例如640nm)的光。激光器211G例如是绿色半导体激光器，能够发射波长λG(例如530nm)的光。激光器211B例如是蓝色半导体激光器，能够发射波长λB(例如445nm)的光。作为光量检测传感器215，例如能够使用光电二极管等。光量检测传感器215能够配置在能够检测出通过光扫描部30进行扫描前的光量的任意的位置。
温度控制部22能够将激光器211R、211G以及211B控制为预定的温度。温度传感器23能够检测激光器211R、211G以及211B各自的温度。作为温度控制部22，例如能够使用珀耳帖元件。作为温度传感器23，例如能够使用热敏电阻。
光扫描部30例如是通过压电元件驱动面镜310的MEMS(Micro ElectroMechanical System：微机电系统)。面镜310作为以下的扫描单元发挥功能，即反射从激光器211R、211G以及211B发射的光(合成后的光)，根据视频信号在水平方向以及垂直方向二维地扫描入射光并在屏幕50上成像。
具体地说，如图2所示，由构成轴(水平摇动用垂直轴)的扭梁331以及332从两侧支承面镜310。在与扭梁331以及332正交的方向成对地设置驱动梁351以及352来夹住面镜310。通过在驱动梁351以及352各自的表面形成的压电元件，将扭梁331以及332作为轴，能够使面镜310围绕轴而摇动。以后将面镜310围绕扭梁331以及332的轴进行摇动的方向称为水平方向。驱动梁351以及352进行的水平驱动例如使用共振振动，能够高速地驱动面镜310。水平位移传感器391是检测面镜310在水平方向摇动的状态的面镜310的水平方向的倾斜程度的传感器。
另外，在驱动梁351以及352的外侧成对地设置驱动梁371以及372。通过在驱动梁371以及372各自的表面上形成的压电元件，能够使面镜310在与水平方向正交的方向即垂直方向摇动。垂直位移传感器395以及396是检测面镜310在垂直方向摇动的状态下的面镜310的垂直方向的倾斜程度的传感器。另外，光扫描部30例如在单元150(参照图3B)中与驱动电路等一起被搭载到陶瓷封装上，被陶瓷盖覆盖。
光学部40是用于将被光扫描部30扫描的光投射到屏幕50上的光学系统，例如如图3B等所示，包括反射镜41、反射镜42、反射镜43、凹面镜44等。从光扫描部30入射到光学部40的光通过凹面镜44而成为略平行光并在屏幕50上成像，在屏幕50上描绘与视频信号对应的图像。屏幕50最好具备去除看起来是被称为斑点的粒状的图像噪音(微透镜阵列)的功能。
光检测传感器61以及62配置在能够检测出通过光扫描部30进行扫描后的光的任意位置。作为光检测传感器61以及62，例如能够使用光电二极管等。另外，光检测传感器61是本发明第一光检测单元的代表一例，光检测传感器62是本发明第二光检测单元的代表一例。
(光扫描控制装置的概略动作)
接着，说明光扫描控制装置1的概略动作。系统控制器11例如能够进行面镜310的摆角控制。系统控制器11例如能够经由缓冲电路13监视通过水平位移传感器391、垂直位移传感器395以及396得到的面镜310的水平方向以及垂直方向的倾斜，并能够将角度控制信号提供给面镜驱动电路14。并且，面镜驱动电路14能够根据来自系统控制器11的角度控制信号将预定的驱动信号提供给驱动梁351以及352、驱动梁371以及372，并能够在预定角度驱动(扫描)面镜310。
另外，系统控制器11例如能够将数字的视频信号提供给激光器驱动电路15。然后，激光器驱动电路15根据来自系统控制器11的视频信号将预定的电流提供给激光器211R、211G以及211B。这样，激光器211R、211G以及211B根据视频信号发出被调制的红色、绿色以及蓝色的光，并将其合成，由此能够形成彩色的图像。
CPU12例如通过光量检测传感器215的输出来监视激光器211R、211G以及211B的根源的(激光发射之后)的发射光量，并将光量控制信号提供给LD模块21。激光器211R、211G以及211B根据来自CPU12的光量控制信号进行电流控制，使得成为预定的输出(光量)。
另外，光量检测传感器215能够是包括独立检测激光器211R、211G以及211B的发射光量的3个传感器的结构。或者，光量检测传感器215也可以只由一个传感器构成。此时，依次使激光器211R、211G以及211B发光，由一个传感器依次进行检测，由此能够控制激光器211R、211G以及211B的发射光量。
另外，CPU12通过温度传感器23的输出来监视激光器211R、211G以及211B的温度，并将温度控制信号提供给温度控制电路16。并且，温度控制电路16根据来自CPU12的温度控制信号将预定的电流提供给温度控制部22。这样，能够控制加热或冷却温度控制部22，使各个激光器成为预定的温度。
从激光器211R、211G以及211B发射的各个波长的光由分色镜等进行合成，通过减光滤波器24减光到预定的光量后入射到面镜310。面镜310二维地扫描射入光，并且扫描光经由光学部40照射到屏幕50，并在屏幕50形成二维图像。另外，关于光检测传感器61以及62的功能在后面描述。
(光扫描部的摆角控制)
如上所述，根据水平位移传感器391、垂直位移传感器395以及396的输出值，通过系统控制器11进行面镜310的摆角控制。但是，当水平位移传感器391、垂直位移传感器395以及396有温度特性时，或者由于老化、时间变化以及其他原因摆角发生变动时，仅靠来自水平位移传感器391、垂直位移传感器395以及396的信息不能够进行正确的摆角控制。特别是如果来自水平位移传感器391的信息不正确，则会有不能够进行正确的摆角控制，在屏幕50中描绘的图像宽度不能固定的问题。
因此，在光扫描控制装置1中，设置检测通过光扫描部30进行扫描后的光的光检测传感器61以及62。光检测传感器61以及62的检测结果被输入CPU12，通过CPU12计算必要的角度控制量，计算结果被发送给系统控制器11。系统控制器11能够根据来自CPU12的信息将角度控制信号提供给面镜驱动电路14。这样，即使在水平位移传感器391中有温度特性等情况下，也能够检测出面镜310的水平方向的正确角度，因此能够进行面镜310的水平方向的正确的角振动控制。
以下，参照图5～图7进一步详细地说明使用了光扫描控制装置1的光检测传感器61以及62的摆角控制。图5是使用了光检测传感器61以及62的摆角控制的流程图的一例。首先，在步骤S501中，CPU12计算面镜310的期待摆角。
接着，在步骤S502中，CPU12使激光器发光，实际测量光检测传感器61的输出(脉冲信号)与光检测传感器62的输出(脉冲信号)之间的时间差，并将实际测量到的时间差换算为面镜310的摆角。另外，目的是实际测量光检测传感器61的输出与光检测传感器62的输出之间的时间差，所以CPU12不需要使激光器211R、211G以及211B所有都发光，使任意一个以上发光即可。
这里，参照图6A和图6B说明光检测传感器61以及62的配置、CPU12使激光发光的定时。如图6A所示，光检测传感器61以及62配置在光扫描部30的面镜310与屏幕50之间。摆角检测用的激光L与视频没有关系，因此最好在光检测传感器61以及62上设置防止杂散光的覆盖装置121以及122。
在图6B中，示意地表示在屏幕50上描绘的图像等。在图6B中，用灰色表示的Hb以及Vb分别是水平消隐区间以及垂直消隐区间。水平消隐区间Hb以及垂直消隐区间Vb被机箱100遮盖，因此能够识别为实际在屏幕50描绘的图像只是用虚线包围的区域A内。
因此，在图6B的激光L的轨迹中，在水平消隐区间Hb或垂直消隐区间Vb中，如果能够进行摆角检测用的激光的发光，则能够对在屏幕50中描绘的图像不产生影响而实际测量光检测传感器61以及62的输出。
特别是光检测传感器61以及62最好配置在除了水平消隐区间之外的垂直消隐区间。不希望将光检测传感器61以及62配置在水平消隐区间是由于水平消隐区间接近驱动波形的正弦波的返回点(扫描速度慢)，因此检测精度下降。
例如，如图6B所示，在将光检测传感器61以及62配置在除了水平消隐区Hb之外的下侧的垂直消隐区间Vb中时，在图7表示激光L通过了光检测传感器61以及62上时的光检测传感器61以及62的输出。另外，将光检测传感器61以及62配置在除了水平消隐区Hb之外的上侧的垂直消隐区间Vb中的情况也同样。
图7中，M表示面镜310的驱动波形、S1表示光检测传感器61检测摆角的区间、S2表示光检测传感器62检测摆角的区间。在驱动波形M与区间S1重叠的定时T1发射激光，由此与定时T1同步地从光检测传感器61输出输出P1(脉冲)。另外，在驱动波形M与区间S2重叠的定时T2发射激光，由此与定时T2同步地从光检测传感器62输出输出P2(脉冲)。
CPU12实际测量光检测传感器61的输出P1与光检测传感器62的输出P2之间的时间差τ，根据实际测量到的时间差τ来计算实际的摆角。另外，光检测传感器61以及62配置在垂直消隐区间Vb中，因此从定时T1到T2可以连续地发射激光。
这里，表示根据时间差τ来计算实际的摆角(相位差φ)的方法的一例。首先，面镜310的水平方向的驱动是共振引起的，因此将驱动波形(例如图7的M)是正弦波作为前提。如果将水平方向的驱动波形的频率设为f[Hz]，则驱动频率f由系统控制器11控制而成为最优的频率(面镜310的共振频率)，因此虽然变化但对系统控制器11来说是已知的值。
对于光检测传感器61以及62，如果面镜310的摆角是固定的，则成为针对水平方向的驱动波形(正弦波)而决定的相位差。例如，在摆角是设定值的情况下，在将光检测传感器61以及62分别设置在与正弦波的顶点位置对应的位置(恰好是正弦波的振幅的位置)上时，相位差φ为半周期的π[rad]。
因此，激光(扫描光)通过光检测传感器61以及62的时间差τ[sec]是驱动频率f的倒数的一半，τ＝1/2f。但是，光检测传感器61以及62没有设置为恰好是正弦波的振幅。如果将光检测传感器61以及62恰好设置为正弦波的振幅，则在视角变窄时，激光不通过光检测传感器61以及62而什么都不能够检测出来。
即，如后述的图10所示，最好将光检测传感器61以及62设置在即使视角狭窄也能够恰好进行检测的地方(设为φOPT)，此时的时间差τ为τ＝(1/f)×(φOPT/2π)。该公式表示如果实际测量时间差τ而求出相位差φ。另外φOPT与在步骤S501所说明的期待摆角对应。
即，由CPU12实际测量时间差τ，从而能够根据实际测量到的时间差τ来计算实际的摆角(相位差φ)，另外，以上的计算方法是一例，不限于该计算方法。
返回图5的说明，接着在步骤S503中，CPU12计算在步骤S501计算出的期待摆角与在步骤S502计算出的实际摆角(根据时间差进行换算的摆角)之间的差异。接着，在步骤S504中，CPU12计算在步骤S503计算出的差异为零的(换算后的摆角与期待的摆角一致的)角度控制量，并将计算结果发送给系统控制器11。
接着，在步骤S505中，系统控制器11根据来自CPU12的信息将变更后的角度控制信号提供给面镜驱动电路14。面镜驱动电路14根据来自系统控制器11的角度控制信号将预定的驱动信号提供给驱动梁351以及352，并将面镜310驱动为预定角度。这样，面镜310例如在步骤S502中进行控制，使得当相位差φ>φOPT时，摆角变小。相反，进行控制使得当相位差φ<φOPT时，摆角变大。
这样，在光扫描控制装置1中，在光扫描部30的后级配置光检测传感器61以及62，由此根据光检测传感器61以及62的输出能够检测出面镜310的水平方向的正确摆角。因此，即使在水平位移传感器391中有温度特性的情况下，也能够使用光检测传感器61以及62的输出进行面镜310的水平方向的正确的摆角控制。其结果为，能够不依赖温度等而在屏幕50中描绘一定宽度的图像。
另外，将使用光检测传感器61以及62的控制与使用水平位移传感器391、垂直位移传感器395以及396的控制进行合用，由此能够进行更高精度的摆角控制。
例如，考虑通过温度传感器检测环境温度，并在接近常温时执行使用水平位移传感器391、垂直位移传感器395以及396的控制，在从常温的温度变化变大时切换为使用光检测传感器61以及62、垂直位移传感器395以及396的控制的方法等。
但是，也能够不进行使用水平位移传感器391的控制而只使用光检测传感器61以及62、垂直位移传感器395以及396进行控制。此时，面镜310的水平方向的正确摆角控制成为可能，能够不依赖温度等而在屏幕50上描绘一定宽度的图像。
另外，光检测传感器61以及62如果能够检测出由光扫描部30扫描后的光，则可以配置在任何的位置。但是，在图3B所示的反射镜41的后级(屏幕50侧)，由于激光的轨迹偏离正弦波，因此用于补偿的计算变得复杂。因此，光检测传感器61以及62配置在光扫描部30与反射镜41之间，检测入射到光学部40之前的光。
接着，表示实际温度变化时的水平方向摆角的变化与此时所描绘的图像宽度的例子。光扫描控制装置1能够搭载到车辆上，但是作为此时的动作温度范围，例如假设-40℃～85℃左右。因此测量在-40℃～85℃范围内的温度和水平方向的摆角之间的关系。其结果表示在表1中。另外，将表1图表化后表示在图8中。
[表1]
Figure GDA0001422888030000091
如表1以及图8所示，如果将25℃的摆角16.000deg设为基准，则在-40℃，摆角减少到14.005deg(基准的87.4％)。另外，在85℃，摆角增加到16.918deg(基准的105.8％)。
这样，水平方向的摆角根据温度发生变化的结果、在光扫描控制装置1的屏幕50进行描绘的图像的宽度如图9所示那样，随着温度而伸缩。即，如果将25℃的图像宽度设为基准尺寸，则在该例子中，-40℃的图像的宽度根据摆角的减少两侧各缩小6.3％，成为基准尺寸的87.4％。另外，85℃图像的宽度根据摆角的增加两侧各伸长2.9％，成为基准尺寸的105.8％。
此时，进行参照图5等所说明的摆角控制，由此能够将-40℃的图像的宽度以及85℃的图像的宽度补偿为与25℃的图像的宽度(基准尺寸)相同。
但是，为了实现这样的补偿，需要通过光检测传感器61以及62检测出在-40℃中假设的图像宽度(最小的图像宽度)所对应的面镜310的摆角。因此必须将光检测传感器61以及62配置于在-40℃假设的图像宽度所对应的面镜310的摆角的范围内。
另一方面，如果光检测传感器61与光检测传感器62之间的配置间隔窄，则图7所示的时间差τ的测量分辨率下降，因此最好尽量扩大光检测传感器61与光检测传感器62之间的配置间隔。
如果考虑这些要求事项，则如图10所示，光检测传感器61以及62在能够检测出在-40℃假设的图像宽度(假设的最小的图像宽度)所对应的面镜310的摆角的范围内(基准尺寸的大约88％)，最好配置在图像宽度方向相互离得最远的位置。
具体地说，-40℃的图像宽度是基准尺寸的大约88％，所以在默认温度时(25℃)将描绘在屏幕50中的图像的宽度设为100时，光检测传感器61以及62最好配置在图像中心左右44的位置。
以上，详细说明了优选的实施方式，但是不限于上述的实施方式，在不脱离专利请求书所述的范围的情况下，能够对上述实施方式施加各种变形以及置换。
例如，在上述实施方式中，表示了将本发明的光扫描控制装置适用于激光扫描型投影仪的例子。但是，这是一例，本发明的光扫描控制装置能够适用于最好将扫描后的摆角控制为恒定的各种设备中。作为这种设备，能够列举例如车载用上升显示器、激光打印机、激光扫描型脱毛器、激光头灯、激光雷达等。
另外，在上述的实施方式中，表示了具有3个激光的例子，但是最低有一个激光即可。此时，能够实现单色的光扫描控制装置。
另外，在上述实施方式中，将光检测传感器61以及62用于扫描光的时间差的测量，但是除此之外，也可以将光检测传感器61以及62中的任意一个或两个用于光量检测。此时，根据光亮检测用的传感器的输出，能够控制而将通过光扫描部30进行扫描后的激光的光量保持为恒定。这样，能够控制包括了减光滤波器24和光扫描部30的特性变动的激光光量，因此能够控制在屏幕50中实际显示的图像所需要的正确的光量，能够得到更加精密的色彩平衡。
符号标记的说明
1：光扫描控制装置、10：电路部、11：系统控制器、12：CPU、13：缓冲电路、14：面镜驱动电路、15：激光器驱动电路、16：温度控制电路、20：光源部、21：LD模块、22：温度控制部、23：温度传感器、24：减光滤波器、30：光扫描部、40：光学部、41、42、43：反射镜、33：凹面镜、50：屏幕、61、62：光检测传感器、100：机箱、121、122：防止杂散光的覆盖装置、150：单元、211R、211G、211B：激光器、215：光量检测传感器、310：面镜、351、352、371、372：驱动梁、391：水平位移传感器、395、396：垂直位移传感器。
以上详细描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于特定的实施方式，在专利请求书所记载的本发明主旨的范围内，能够进行各种变形、变更。
本国际申请主张基于2015年3月31日提出申请的日本国专利申请2015-071824号的优先权，这里将日本国专利申请2015-071824号的所有内容引用到本国际申请中。

Claims (4)

1.一种光扫描控制装置，其特征在于，
该光扫描控制装置具有：
扫描单元，其根据视频信号扫描从激光器发射的光，并在屏幕上成像；
第一光检测单元，其检测由上述扫描单元进行扫描后的光；
第二光检测单元，其检测由上述扫描单元进行扫描后的光；以及
控制单元，其将上述第一光检测单元的输出与上述第二光检测单元的输出之间的时间差换算为上述扫描单元的摆角，并根据换算后的摆角与期待的摆角之间的差来计算角度控制量，基于该角度控制量控制上述扫描单元的摆角使得换算后的摆角与期待的摆角一致，
上述第一光检测单元以及上述第二光检测单元配置在除了水平消隐区间之外的垂直消隐区间，
在上述屏幕中描绘的图像宽度根据温度而伸缩，
上述第一光检测单元以及上述第二光检测单元在能够检测出与假设的最小图像的宽度对应的上述扫描单元的摆角的范围内，配置在图像宽度方向相互离得最远的位置，
上述假设的最小的图像宽度是预先决定并设定在本装置中的动作温度范围的最低温度时的图像的宽度，
上述假设的动作温度范围是预先决定并设定的本光扫描控制装置能够动作的温度的范围。
2.根据权利要求1所述的光扫描控制装置，其特征在于，
在将默认温度时描绘在上述屏幕中的图像宽度设为100时，上述第一光检测单元以及上述第二光检测单元配置在上述图像的中心左右44的位置。
3.根据权利要求1所述的光扫描控制装置，其特征在于，
具有多个上述激光器，
上述控制单元使多个上述激光器中的一个发光来测量上述时间差。
4.根据权利要求1所述的光扫描控制装置，其特征在于，
在上述扫描单元与上述屏幕之间的光路上具有光学部，
上述第一光检测单元以及上述第二光检测单元检测入射到上述光学部之前的光。
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