JP2005242037A - Light deflector, detection unit and method for detecting deflection timing of deflecting means in the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を偏向させる偏向手段の、これへの駆動信号に対する偏向タイミングを検出する装置ないし方法、これを利用した光偏向器等に関する。 The present invention relates to an apparatus or method for detecting a deflection timing of a deflecting means for deflecting light with respect to a drive signal thereto, an optical deflector using the same.
従来の光偏向器の一例として、図17に示すガルバノミラーがある(特許文献1参照)。これは、電磁力で可動部を駆動するガルバノミラーである。可動部上にミラーを配置し、その可動部は、軸を中心に揺動するようにトーションバーにより本体部から支持される構成になっている。図17中、符号50はシリコン基板、符号51は上側ガラス基板、符号52は下側ガラス基板を示す。また、符号53は可動板、符号54はトーションバー、符号55は平面コイル、符号56は全反射ミラー、符号57は電極端子、符号60〜63は永久磁石である。この光偏向器は、平面コイル55に駆動電流を流し、永久磁石60〜63とのロ−レンツ力を利用して駆動する電磁型である。しかし、特許文献1の例は、可動板53の共振周期が温度などによりドリフトするという点には何ら着目していない。
As an example of a conventional optical deflector, there is a galvanometer mirror shown in FIG. 17 (see Patent Document 1). This is a galvanometer mirror that drives a movable part with electromagnetic force. A mirror is disposed on the movable portion, and the movable portion is configured to be supported from the main body portion by the torsion bar so as to swing around the axis. In FIG. 17,
他方、この点に着目した電磁アクチュエータがある(特許文献2参照)。電磁アクチュエータ(可動部)の共振周期は温度的又は経年的にドリフトしていくのが通例であり、予め設定した共振周波数の電流を平面コイルに供給し続けるのでは、温度変化や時間経過に従って可動部の振れ角が一定に制御されないという問題が生じることに、特許文献2の例は注目している。これは、電磁力によって可動部が揺動する意味で、上記特許文献1の例と同じであり、また、特許文献2の例の電磁アクチュエータも、可動部に全反射ミラーを有している。この特許文献2の例は、別段の検出手段を設けることなく電磁アクチュエータを共振周期で往復駆動できたり、その振れ角を制御できたりする電磁アクチュエータ等を提供するとしている。その解決手段として、コイルを可動部の励振用として利用すると共に検出用としても利用している。この検出には、コイルに生じる誘導起電圧又は誘導起電流を用いている。
しかし、特許文献2の例では、検出手段であるコイルは常に励起用として用いられているため、電磁アクチュエータ(可動部)の駆動信号の印加期間に制約がある。 However, in the example of Patent Document 2, since the coil as the detection means is always used for excitation, the application period of the drive signal of the electromagnetic actuator (movable part) is limited.
上記課題に鑑み、本発明の検出装置は、光源からの光を往復偏向させ該偏向光を走査する偏向手段を有する光偏向器における偏向手段の偏向タイミングを検出する検出装置であって、往復偏向される偏向光を受光できる位置に受光素子(リニアセンサ、エリアセンサなどのイメージセンサ等)が配置され、第1の変調タイミングで光源が変調されるときに、偏向光が一方向に移動する往路において受光素子上に形成される光量の位置的分布を測定すると共に、第2の変調タイミングで光源が変調されるときに、偏向光が前記一方向とはほぼ逆方向に移動する復路において受光素子上に形成される光量の位置的分布を測定する測定手段と、前記変調タイミングとそれに対応する光量の位置的分布のデータに基づいて偏向手段の駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミングを検出する検出手段を有することを特徴とする。本明細書では、偏向手段への駆動信号に対する、偏向手段の運動(偏向)の時間ずれを偏向タイミングないし運動タイミングと呼ぶ。また、光源の変調とは、点消灯など、発光量の変化を含む広い意味で用いる。 In view of the above problems, the detection apparatus of the present invention is a detection apparatus for detecting the deflection timing of the deflection means in an optical deflector having deflection means for reciprocally deflecting light from a light source and scanning the deflected light. When a light receiving element (an image sensor such as a linear sensor or an area sensor) is disposed at a position where the deflected light can be received, and the light source is modulated at the first modulation timing, the forward light travels in one direction. And measuring the positional distribution of the amount of light formed on the light receiving element in the optical path, and when the light source is modulated at the second modulation timing, the light receiving element in the return path in which the deflected light moves in a direction almost opposite to the one direction. Measuring means for measuring the positional distribution of the amount of light formed on the basis of the modulation timing and the data of the positional distribution of the amount of light corresponding to the modulation timing; Characterized in that it has a detection means for detecting the deflection timing of deflecting means. In this specification, the time lag of the movement (deflection) of the deflection unit with respect to the drive signal to the deflection unit is referred to as deflection timing or movement timing. Further, the modulation of the light source is used in a broad sense including a change in the amount of light emission such as turning on and off.
本発明では、光源を所望の変調タイミングで変調したときに、光源からの光が偏向手段で偏向走査されて受光素子に到達し、受光素子上で変調スポット位置が検出されることを利用する。この変調スポット位置に対応した光源の変調信号部分のタイミング(時間)は分かっているので、偏向走査の往路と復路において夫々少なくとも1つの変調スポット位置が求められるように光源を変調して、こうした対応関係を複数組測定する。こうして得られた変調スポット位置とこれに対応した光源の変調信号部分のタイミング(時間)のデータを基に、駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミング(より具体的には、駆動信号に対する、偏向手段の往復運動の方向が変化する折り返し時間)を検出する。 In the present invention, when the light source is modulated at a desired modulation timing, the light from the light source is deflected and scanned by the deflecting means and reaches the light receiving element, and the modulation spot position is detected on the light receiving element. Since the timing (time) of the modulation signal portion of the light source corresponding to this modulation spot position is known, the light source is modulated so that at least one modulation spot position is obtained in each of the forward path and the return path of the deflection scanning, and this correspondence is achieved. Measure multiple sets of relationships. Based on the modulation spot position thus obtained and the timing (time) data of the modulation signal portion of the light source corresponding thereto, the deflection timing of the deflection means with respect to the drive signal (more specifically, the deflection means with respect to the drive signal) The turn-back time during which the direction of reciprocating motion changes) is detected.
また、上記課題に鑑み、本発明の検出方法は、光源からの光を往復偏向させ該偏向光を走査する偏向手段を有する光偏向器における偏向手段の偏向タイミングを検出する検出方法であって、往復偏向される偏向光を受光できる位置に受光素子を配置し、第1の変調タイミングで光源が変調されるときに、偏向光が一方向に移動する往路において受光素子上に形成される光量の位置的分布を測定すると共に、第2の変調タイミングで光源が変調されるときに、偏向光が前記一方向とはほぼ逆方向に移動する復路において受光素子上に形成される光量の位置的分布を測定し、前記変調タイミングとそれに対応する光量の位置的分布のデータに基づいて偏向手段の駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミングを検出することを特徴とする。 Further, in view of the above problems, the detection method of the present invention is a detection method for detecting the deflection timing of the deflecting means in the optical deflector having the deflecting means for reciprocally deflecting the light from the light source and scanning the deflected light, When the light receiving element is arranged at a position where the deflected light deflected back and forth can be received, and the light source is modulated at the first modulation timing, the amount of light formed on the light receiving element in the forward path in which the deflected light moves in one direction When the light source is modulated at the second modulation timing while measuring the positional distribution, the positional distribution of the light amount formed on the light receiving element in the return path in which the deflected light moves in the direction almost opposite to the one direction. , And the deflection timing of the deflection means with respect to the drive signal of the deflection means is detected based on the data of the modulation timing and the positional distribution of the light quantity corresponding thereto.
この様に、本発明は、例えば、偏向手段の運動状態を制御するにあたり、偏向手段の往復運動(揺動運動)により偏向されて受光素子上を往復走査される偏向光を利用することに着目した。 Thus, for example, in controlling the movement state of the deflecting unit, the present invention focuses on using the deflected light that is deflected by the reciprocating motion (oscillating motion) of the deflecting unit and reciprocally scanned on the light receiving element. did.
また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器は、上記の検出装置、これで検出した偏向タイミングを基に所望の偏向タイミングで偏向されるように偏向手段を制御する制御手段を有することを特徴とする。 Further, in view of the above problems, an optical deflector of the present invention includes the above-described detection device and a control unit that controls the deflection unit so that the deflection unit is deflected at a desired deflection timing based on the deflection timing detected thereby. Features.
また、上記課題に鑑み、本発明の一次元または二次元の画像形成(画像表示をも含む広い意味で用いる)装置は、上記の光偏向器を備え、非画像形成期間に偏向手段の制御を行うことを特徴とする。 In view of the above problems, a one-dimensional or two-dimensional image forming apparatus (used in a broad sense including image display) of the present invention includes the optical deflector described above, and controls the deflection means during a non-image forming period. It is characterized by performing.
上述したような本発明によれば、特許文献2とは異なる着想をして、検出手段をアクチュエータの駆動部とは別体にすることで、アクチュエータである偏向手段の駆動方法に対して制約を与えることなく偏向手段の偏向タイミングを検出できる。従って、偏向手段の特性が環境などによりずれている場合でも、偏向手段の動作を観察することで偏向手段を適切に制御できる様になる。また、往路・復路において変調した偏向光を受光素子で検出し、往復走査のタイミング(偏向タイミング)の変化を、変調タイミング(発生時間)が分かっている変調スポットの受光素子上の走査位置情報として測定するので、光検出回路の遅延などの影響による検出精度の低下が発生せず、走査状態(偏向タイミング)の変化を高精度に検出することができる。 According to the present invention as described above, the concept is different from that of Patent Document 2, and the detection unit is separated from the actuator drive unit, thereby limiting the driving method of the deflection unit that is an actuator. The deflection timing of the deflection means can be detected without giving. Therefore, even when the characteristics of the deflecting means are deviated due to the environment or the like, the deflecting means can be appropriately controlled by observing the operation of the deflecting means. Also, the deflection light modulated in the forward and return paths is detected by the light receiving element, and the change in the reciprocating scanning timing (deflection timing) is used as the scanning position information on the light receiving element of the modulation spot whose modulation timing (generation time) is known. Since measurement is performed, a change in scanning state (deflection timing) can be detected with high accuracy without causing a decrease in detection accuracy due to the influence of delay or the like of the light detection circuit.
(第1の実施の形態)
本発明は、偏向手段の偏向タイミングを検出して、例えば、偏向手段を制御するにあたり、上述したように、偏向手段の往復運動(揺動運動)により偏向手段で偏向され往復走査される偏向光を利用することに着目した。本実施の形態では、具体的には、光源を点消灯するタイミングを変化させることで往路と復路における偏向光を受光素子によって検出し、受光素子上の同じ位置となる往路と復路の偏向光の時間を検出し、それらの時間から算出される偏向タイミングの情報を基に、例えば、所望の偏向タイミングで偏向されるように制御手段を介して偏向手段を制御する。
(First embodiment)
The present invention detects the deflection timing of the deflecting means and controls the deflecting means, for example, as described above, the deflected light deflected by the deflecting means by the reciprocating motion (oscillating motion) of the deflecting means and reciprocally scanned. Focused on using. In the present embodiment, specifically, the deflection light in the forward path and the return path is detected by the light receiving element by changing the timing of turning on and off the light source, and the deflection light of the forward path and the return path at the same position on the light receiving element is detected. Based on the information on the deflection timing calculated from the times, for example, the deflection means is controlled via the control means so as to be deflected at a desired deflection timing.
図1は、本発明の第1の実施の形態に係わる光偏向器の、偏向手段で偏向された偏向光を含む平面における断面図である。図1において、201は光源、202は偏向手段、203は光源201から出射された光線、204、205は偏向手段202により偏向される最大偏向角での光線、206は偏向手段202の光偏向中心軸、207は偏向手段202からLの距離にある平面P(光偏向中心軸206と垂直な関係にある平面)での偏向光の走査軌跡である。光源201から出射された光線203は、偏向手段202に入射し、ここで偏向されて平面P上を走査される。光源201としては、半導体レーザのような変調可能な光源を用いる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the optical deflector according to the first embodiment of the present invention in a plane including deflected light deflected by deflecting means. In FIG. 1, 201 is a light source, 202 is a deflecting means, 203 is a light beam emitted from the
偏向手段202には反射面が設けられ(図17の構成を参照)、偏向手段202が往復揺動することで、光線203は、最大偏向角での光線204、205の範囲で偏向させられる。この最大偏向角の大きさをθとする。以下、説明のため、偏向手段202が揺動していない状態(中立状態)での反射光線は、光偏向中心軸206と一致するとする。回転軸を中心として回転往復運動をする偏向手段202の駆動手段には、周期的な駆動波形が印加される。
The
図2は、本実施の形態に係わる光偏向器の、偏向手段202から偏向(反射)された偏向光が受光素子101上を移動する様子をその軌跡と共に表す模式図である。図2において、102と103は偏向光、104は偏向光の走査軌跡、105は受光素子(ラインセンサ)101の複数の受光領域である。説明の簡単化のため、ここでは、偏向光102は一次元的に走査されるとして、図2(a)で示すように方向Aの方向に軌跡104に沿って移動し、偏向光103は図2(b)で示すように方向Bの方向(方向Aの逆方向)に軌跡104に沿って移動するとする。この方向Aへの移動と方向Bへの移動を周期的に繰り返す(偏向手段202が周期的に往復運動している)とする。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which the deflected light deflected (reflected) from the
受光素子101は、受光素子101上の所定位置Xで偏向光を検出できる(受光できる)位置に配置される。図2(a)に図示されるように、往路において或る所定位置Xに偏向光102が位置する時間をTAと呼ぶ。また、図2(b)に図示されるように、復路において或る所定位置Xに偏向光103が位置する時間をTBと呼ぶ。このTAとTBを検出することにより、偏向手段202の駆動信号(周期的な繰り返し信号)の変調タイミングに対する偏向手段の往復運動の運動タイミング(偏向タイミング)を算出することができる。
The light receiving
本実施の形態では、TAとTBを検出するために、光源201の光量を変化(変調)させ、受光素子101により光量の分布を検出することにより、偏向光の位置を検出する。この偏向光の位置を検出すれば、光量を変調するタイミングは分かっているので、或る所定位置Xに偏向光が位置する時間TAとTBを検出できることになる。
In this embodiment, in order to detect TA and TB, the light amount of the
以下、詳細に述べる。まず、本実施の形態の偏向手段202による光偏向の偏向タイミングとその算出方法について述べる。 Details will be described below. First, the deflection timing of light deflection by the deflection means 202 of the present embodiment and the calculation method thereof will be described.
第1に、偏向タイミングについて述べる。図3に、偏向手段202の駆動手段に印加する駆動信号波形(電流波形)の一例を示す。横軸に印加時間(t)、縦軸に印加信号の大きさを示す。(a)が三角波状波形、(b)が正弦波状波形である。偏向手段202の偏向角は、これらの印加信号の波形と同様に変化する。偏向手段202を、図3で示したような周期的な印加信号により往復揺動させると、偏向手段202からLの距離にある平面P上での偏向光の走査(平面上での偏向光の移動を走査と呼ぶ)位置は、図1に符号207で示すような走査軌跡上を往復移動する。
First, the deflection timing will be described. FIG. 3 shows an example of a drive signal waveform (current waveform) applied to the drive unit of the
この走査位置h(偏向手段202からLの距離にある平面P上での光偏向中心軸206からの距離)は、
h=L×tan(θ(t))・・・式(1)
の式で表すことができる。ここで θ(t)は、或る時点で偏向手段202により光線が光偏向中心軸206から偏向される偏向角である。
This scanning position h (distance from the optical deflection
h = L × tan (θ (t)) (1)
It can be expressed by the following formula. Here, θ (t) is a deflection angle at which a light beam is deflected from the optical deflection
偏向手段202は、温度変化による構成部材の変化や駆動手段の遅延などにより、走査(偏向)特性が異なる。そのため、同じ印加駆動波形を用いても、偏向手段の偏向タイミング(印加波形に対する遅れ時間)は、一定にはならない。図4に偏向手段へ印加する波形と、偏向手段の偏向タイミングの一例を示す。図4(a)の横軸に印加時間、縦軸に印加信号の大きさを示す。図4(b)の横軸に図4(a)と同じ印加時間t、縦軸に偏向角θ(t)を示す。印加波形に対する偏向タイミングの時間遅れ(ズレ)を遅延時間Dcとする。前述したように、この遅延時間Dcは、環境等により変化する。 The deflecting means 202 has different scanning (deflection) characteristics due to changes in constituent members due to temperature changes, delays in the driving means, and the like. For this reason, even when the same applied drive waveform is used, the deflection timing (delay time with respect to the applied waveform) of the deflecting means is not constant. FIG. 4 shows an example of a waveform applied to the deflection unit and a deflection timing of the deflection unit. In FIG. 4A, the horizontal axis represents the application time, and the vertical axis represents the magnitude of the applied signal. The horizontal axis of FIG. 4B shows the same application time t as in FIG. 4A, and the vertical axis shows the deflection angle θ (t). A time delay (deviation) of the deflection timing with respect to the applied waveform is defined as a delay time Dc. As described above, the delay time Dc varies depending on the environment.
次に、この偏向タイミング(のズレ)の検出方法について述べる。この遅延時間Dcを測定するためには、例えば、偏向手段が最大の偏向角(揺動角)になる時間を計測する方法や、ゼロクロス点(偏向手段が揺動していない点、又は最大振幅の中点)の揺動角になる時間を検出する方法が考えられる。しかし、光学的な検出を行う場合、全走査を検出するために大きく全ての走査光を遮蔽(カバー)する光学センサを用いる必要があったり、一部の走査を検出する場合は光偏向の軸と光学センサの位置合わせを精度良く行う必要がある。 Next, a method for detecting this deflection timing (deviation) will be described. In order to measure this delay time Dc, for example, a method of measuring the time when the deflection means reaches the maximum deflection angle (oscillation angle), a zero cross point (a point where the deflection means does not oscillate, or the maximum amplitude). It is conceivable to detect the time at which the rocking angle at (midpoint) is reached. However, when optical detection is performed, it is necessary to use an optical sensor that largely shields (covers) all scanning light in order to detect all scanning, or when a part of scanning is detected, the optical deflection axis. It is necessary to accurately align the optical sensor.
ここで、偏向手段による偏向角の変化が、図4(b)で表すように周期的に最大偏向角に対して線対称な波形が繰り返される態様(往復運動。例えば、正弦波状波形、三角波状波形)であるとする。この前提があれば、或る偏向角θXとなる時間TAとTBの中点が、往復運動の方向が変化する折り返し時間と一致する。このことを利用すると、往復方向夫々で、或る偏向角θXとなる時間TAとTBを検出し、式(2)の如くTAとTBの中点となる時間TCを算出し、印加駆動波形の同期時間(基準点での時間)との差を計算することにより、遅延時間Dcを算出できる。 Here, as shown in FIG. 4B, the change in the deflection angle by the deflection means is a mode in which a waveform symmetrical with respect to the maximum deflection angle is periodically repeated (reciprocating motion. For example, sinusoidal waveform, triangular waveform Waveform). With this premise, the midpoint between the times TA and TB at which a certain deflection angle θX is reached coincides with the turnaround time during which the direction of reciprocation changes. Using this, the time TA and TB at which a certain deflection angle θX is detected in each of the reciprocating directions are detected, and the time TC at the midpoint between TA and TB is calculated as in equation (2), and the applied drive waveform The delay time Dc can be calculated by calculating the difference from the synchronization time (time at the reference point).
この方法では、或る偏向角θXに寄らず、遅延時間Dcを算出することができるため、光学センサの配置精度に対する制約が無くなる。また、或る偏向角θXでの偏向光(すなわち、受光素子上の或る位置の偏向光)を検出するだけでよいため、他の部分の偏向光を検出以外の用途に用いることができる。本実施の形態によると、任意の偏向角での偏向光のみを検出することで(これを検出すれば、光源の変調タイミングが分かっているのでその偏向角での偏向光の時間(タイミング)が分かる)、駆動信号に対する偏向手段の遅延時間(偏向タイミングのズレ)を検出することができる。 In this method, the delay time Dc can be calculated without depending on a certain deflection angle θX, and thus there is no restriction on the placement accuracy of the optical sensor. Further, since it is only necessary to detect deflected light at a certain deflection angle θX (that is, deflected light at a certain position on the light receiving element), the deflected light at other portions can be used for purposes other than detection. According to the present embodiment, by detecting only the deflected light at an arbitrary deflection angle (if this is detected, the modulation timing of the light source is known, so the time (timing) of the deflected light at that deflection angle is It is possible to detect the delay time (deflection of deflection timing) of the deflection means with respect to the drive signal.
次に、或る偏向角θXとなる時間TA、TBの検出方法について述べる。まず、或る偏向角θXとなる時間TAの検出方法について述べる。本実施の形態では、複数の或る時間tn、tn+1での偏向角θ(tn)、θ(tn+1)の関係から、或る偏向角θXとなる時間TAを検出する。 Next, a method for detecting times TA and TB at which a certain deflection angle θX is obtained will be described. First, a method for detecting the time TA at which a certain deflection angle θX is obtained will be described. In the present embodiment, a time TA at which a certain deflection angle θX is obtained is detected from the relationship between the deflection angles θ (tn) and θ (tn + 1) at a plurality of certain times tn and tn + 1.
図5は、或る期間での偏向手段による偏向角の変化を示したグラフである。図5の横軸に時間t、縦軸に偏向角θ(t)を示す。図5に示すように、偏向角θ(tn)とθ(tn+1)の角度間に、或る偏向角θX(時間TA)の角度があるとする。この3つの偏向角と時間の関係は、偏向手段への印加波形の一部を取り出した波形となる(厳密には偏向手段による偏向角の変化の波形の一部であるが、両者は、位相が異なるが相似形状と考えうるので、こうできる)。そのため、印加波形が三角波状波形の場合、3点の関係は線形となる。また、印加波形が正弦波状波形の場合、3点の関係は線形と異なる場合もある。しかし、時間tnとtn+1の時間間隔が、偏向手段の周期に対して十分小さい場合を考えると、3点の関係は線形とみなすことができる。尚、3点の関係がこうした条件を満たせば、偏向角θ(tn)とθ(tn+1)の角度の外側に、或る偏向角θX(時間TA)の角度があっても、同様に扱える。 FIG. 5 is a graph showing changes in the deflection angle by the deflection means during a certain period. In FIG. 5, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents the deflection angle θ (t). As shown in FIG. 5, it is assumed that there is a certain deflection angle θX (time TA) between the deflection angles θ (tn) and θ (tn + 1). The relationship between these three deflection angles and time is a waveform obtained by extracting a part of the waveform applied to the deflection means (strictly, it is a part of the waveform of the change in the deflection angle by the deflection means, Is different, but it can be thought of as a similar shape. Therefore, when the applied waveform is a triangular waveform, the relationship between the three points is linear. In addition, when the applied waveform is a sinusoidal waveform, the relationship between the three points may be different from linear. However, considering the case where the time interval between time tn and tn + 1 is sufficiently small with respect to the period of the deflection means, the relationship between the three points can be regarded as linear. If the relationship between the three points satisfies these conditions, even if there is a certain deflection angle θX (time TA) outside the deflection angles θ (tn) and θ (tn + 1), the same applies. Can handle.
本実施の形態では、図5(a)に示すように、この3点の関係が線形とみなすことができるような、時間tn、tn+1を設定することとする。この3点が線形の関係にあることを利用して、或る偏向角θXとなる時間TAは、以下の式で算出できる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the times tn and tn + 1 are set such that the relationship between the three points can be regarded as linear. Utilizing the fact that these three points are in a linear relationship, a time TA at which a certain deflection angle θX is obtained can be calculated by the following equation.
同様に、図5(b)に示すように、偏向角θ(tm)とθ(tm+1)の角度間に、或る偏向角θX(時間TB)の角度がある場合に、同様な方法を用いて、或る偏向角θXとなる時間TBを算出する。 Similarly, as shown in FIG. 5B, when there is a certain deflection angle θX (time TB) between the deflection angles θ (tm) and θ (tm + 1), a similar method is used. Is used to calculate a time TB at which a certain deflection angle θX is obtained.
以上説明した式(3)、(4)を用いることで、或る偏向角θXとなる時間TA、TBを検出することができるが、本発明による偏向光を光学的に検出する方法では、偏向角は直接検出しないで、次に説明する偏向光の走査位置hを検出することを介して行う。 By using the expressions (3) and (4) described above, the times TA and TB at which a certain deflection angle θX is obtained can be detected. However, in the method for optically detecting deflected light according to the present invention, the deflection is performed. The angle is not detected directly, but is detected by detecting the scanning position h of the deflected light described below.
偏向角θと受光素子上での偏向光の位置の関係について述べる。偏向角θと走査位置hの関係は、下記の式(5)で表すことができる。ここで、受光素子上の走査方向を座標軸に取り、或る偏向角θでの受光素子での偏向光の位置をPとする。受光素子上の座標の原点が、L=L’の位置にあるとすると、或る偏向角θの偏向光の受光素子上での位置Pは、以下の式で表すことができる。
P=L×tan(θ(t))−L’ ・・・式(5)
The relationship between the deflection angle θ and the position of the deflected light on the light receiving element will be described. The relationship between the deflection angle θ and the scanning position h can be expressed by the following equation (5). Here, the scanning direction on the light receiving element is taken as a coordinate axis, and the position of the deflected light at the light receiving element at a certain deflection angle θ is P. Assuming that the origin of coordinates on the light receiving element is at the position of L = L ′, the position P on the light receiving element of the deflected light having a certain deflection angle θ can be expressed by the following equation.
P = L × tan (θ (t)) − L ′ (5)
ここで、偏向角θn、θmの受光素子上での位置をPn、Pmとし、同様にθn+1、θm+1の時の位置をPn+1、Pm+1とし、θXの時の位置をPXとする。この3点の関係はtanの関係式となるが、偏向角θnとθn+1の間が十分小さければ、この3点は線形の関係にあるといえる。本実施の形態では、この3点が線形とみなせるように偏向角θnとθn+1を設定することとする。この3点が線形の関係にあることを利用して、或る偏向角θXの受光素子上の位置Pとなる時間TAは、以下の式で算出できる。 Here, the positions of the deflection angles θn and θm on the light receiving element are Pn and Pm. Similarly, the positions at θn + 1 and θm + 1 are Pn + 1 and Pm + 1, and the positions at θX are PX. The relationship between the three points is a tan relational expression. If the deflection angle θn and θn + 1 are sufficiently small, it can be said that the three points are in a linear relationship. In the present embodiment, the deflection angles θn and θn + 1 are set so that these three points can be regarded as linear. Utilizing the fact that these three points are in a linear relationship, a time TA at which the position P on the light receiving element at a certain deflection angle θX is obtained can be calculated by the following equation.
同様に時間TBは、以下の式で算出できる。 Similarly, the time TB can be calculated by the following equation.
結局、以上説明したように、偏向周期に対して、時間tnとtn+1の時間間隔が十分小さい場合を考えると、偏向角θnとθn+1の間も十分小さくなって、3点の関係は線形とみなせるようになり、式(6)、(7)を用いることで、或る偏向角θXの偏向光が受光素子上の位置PXとなる時間TA、TBを検出できることになる。なお、同じ位置Xの周辺で3つ以上の変調スポットが形成される場合でも、上記算出を繰り返すことで、或る偏向角θXの偏向光が受光素子上の位置PXとなる時間TA、TBを検出できる。 Eventually, as described above, when the time interval between the times tn and tn + 1 is sufficiently small with respect to the deflection cycle, the deflection angle θn and θn + 1 are sufficiently small, and the relationship between the three points. Can be regarded as linear, and by using the equations (6) and (7), it is possible to detect the times TA and TB when the deflected light of a certain deflection angle θX becomes the position PX on the light receiving element. Even when three or more modulation spots are formed around the same position X, by repeating the above calculation, the times TA and TB at which the deflected light with a certain deflection angle θX becomes the position PX on the light receiving element are obtained. It can be detected.
偏向角を直接検出しない方法を次に説明する。或る時間tでの偏向光の受光素子上の位置Pを検出する方法について述べる。先ず、受光素子で偏向光の位置を検出するための光源による変調スポットの生成について述べる。受光素子101は、偏向手段202からLの距離にある平面P上の走査軌跡207上に配置される。配置される位置は、走査軌跡207内であればよい。ここでは説明の簡単化のため、ほぼ走査中心に配置するとする。
A method for not directly detecting the deflection angle will be described next. A method for detecting the position P of the deflected light on the light receiving element at a certain time t will be described. First, generation of a modulation spot by a light source for detecting the position of deflected light by a light receiving element will be described. The
所定時間範囲での往路と復路の偏向光の受光素子上位置を検出するには、所望の変調タイミングで光源を点灯・消灯させて形成された変調光を偏向して、受光素子101で光の輝度(光量)分布が或る領域(変調スポット)を形成するようにし、この変調スポットの位置情報を測定する方法を用いる。具体的には、図5で示したように、受光素子101上で往路方向に走査される期間と復路方向に走査される期間夫々において、或る所定の時間(タイミング)で光源の点灯を2回ずつ行い、受光素子101上に、往路と復路夫々におけるこれらの時間に対応したスポット(走査光により生成される輝度の高い部分)102、103を形成する。
In order to detect the position of the deflected light on the light receiving element on the forward path and the return path in the predetermined time range, the modulated light formed by turning on and off the light source at a desired modulation timing is deflected, and the
これにより、受光素子101上で光により誘導された電荷の総量の分布を見ることにより、或る所定の位置での偏向光の時間が受光素子上で検出でき、これらのデータから上記式を用いて受光素子上の位置PXとなる時間TA、TBを検出することができるようになる。よって、夫々のスポット102、103の受光素子101上での位置を測定できるような信号を出力する受光素子101を用いることで、駆動信号に対する偏向手段の遅延時間(偏向タイミングのズレ)を測定できる。
Thus, by observing the distribution of the total amount of charges induced by light on the
次に、受光素子101上での間隔を測定できる信号を出力する受光素子について述べる。本実施の形態で用いる受光素子101は、変調した偏向光の位置を位置情報として検出し、その位置間隔を検出できる受光素子101である必要がある。本実施の形態において、受光素子101には、複数の受光領域105から構成されたラインセンサ(イメージセンサ)が用いられる。そのような構成の場合、光電変換部である受光素子と、光電変換された電荷の蓄積部と、蓄積した電荷の転送部を備えている必要がある。
Next, a light receiving element that outputs a signal that can measure the interval on the
この場合、複数の受光領域毎に偏向光(変調スポット)の光量を検出することができるので受光素子上における偏向光の位置を精度良く特定できる。この際、蓄積した電荷の転送は、走査速度に合わせて高速に行う必要は無く、受光素子101上で往復の変調スポットが生成された後に(これらの変調スポットは重ならないようにする)、より低速な転送を行うことができる。そのため、受光素子101上での走査速度vが高速になっても(例えば、印加駆動波形の1周期が短くなっても)、変調スポットの受光素子上位置の検出を行うことができるため、好ましい。
In this case, since the light quantity of the deflected light (modulated spot) can be detected for each of the plurality of light receiving areas, the position of the deflected light on the light receiving element can be specified with high accuracy. At this time, it is not necessary to transfer the accumulated charges at a high speed in accordance with the scanning speed, and after the reciprocating modulation spots are generated on the light receiving element 101 (they do not overlap these modulation spots), A low-speed transfer can be performed. Therefore, even if the scanning speed v on the
本受光素子を用いれば、変調スポットの受光素子101上での光量分布を電荷として蓄積し、複数の受光領域105毎の位置情報として出力される。そのため、走査(偏向)タイミングを直接検出する方法で問題となる検出回路の遅延の変化などによる検出精度の低下は発生しなく、高精度に変調スポットの位置を検出できて、結局、この位置データと光源の変調タイミングのデータから駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミングを高精度で検出することができる。
If this light receiving element is used, the light amount distribution of the modulation spot on the
次に、偏向手段を所望の偏向タイミングで動作するように制御する方法について述べる。図6は、本実施の形態に係わる光偏向器の制御手段を模式的に表す図である。図6において、208は偏向手段202からの偏向された光線、301は光源201の変調信号発生手段、305は光源201の変調信号、306は受光素子101からの検出信号、302は信号変換手段、307は偏向タイミング検出信号、303は制御信号発生手段、308は偏向手段202の制御信号、304は偏向手段202の駆動手段、309は偏向手段202の駆動信号である。
Next, a method for controlling the deflection means to operate at a desired deflection timing will be described. FIG. 6 is a diagram schematically showing the control unit of the optical deflector according to the present embodiment. In FIG. 6, 208 is a deflected light beam from the deflecting means 202, 301 is a modulation signal generating means for the
光源201は、変調信号発生手段301からの点灯と消灯の信号である変調信号305により、点灯と消灯が繰り返される(所望の変調タイミングで変調される)。この変調信号305で変調された光線203が偏向手段202により偏向走査されて、変調した偏向光208が受光素子101で検出される。なお、変調信号305は、図2で示す往路と復路の両方向の走査において、夫々、同じ位置Xの周辺で複数の変調スポット102、103が検出されるように、生成される。受光素子101により検出された往路と復路の複数の変調スポットの情報は、出力信号306として、信号変換手段302に送られる。
The
信号変換手段302は、受光素子からの検出信号306及び変調信号発生手段301からの変調信号305の変調タイミングと駆動手段304からの駆動信号309のタイミングのデータを基に、偏向手段202の偏向タイミングを算出し、偏向タイミング信号として走査位置ズレ信号307を出力する。制御信号発生手段303は、偏向タイミング信号307を基に、偏向手段202の偏向タイミングが所望の偏向タイミングになるように、偏向手段202の制御信号308を変化させる。偏向手段202の制御信号308は、偏向手段202が有するミラー(可動板)の偏向タイミングを変化させるために、可動板の揺動数(周波数)、位相などを変化させるように設定される。
The signal conversion means 302 is based on the
駆動手段304は、上記制御信号308を基に駆動信号309の周期、位相などを設定し、この駆動信号を偏向手段202に印加する。この様に、本実施の形態に係わる光偏向器は、変調した偏向光208を受光素子101で検出することにより、偏向タイミングを所望のものにする制御を行うことができる。こうした制御の方法は、例えば、光源からの光を往復偏向させ該偏向光を走査する偏向手段を有する光偏向器の信号変換手段302や制御信号発生手段303に、上記手順を実行するためのプログラムを実装することでソフト的に実現できる。
The driving
本実施の形態においては、以下の様な形態も可能である。
例えば、受光素子101上で往路の変調スポットを生成した後に、蓄積した電荷の転送を行い、この転送後に復路の変調スポットを生成し、その後、電荷の転送を行うこともできる。その場合は、偏向手段の走査状態が短い期間(電荷の転送時間の二倍以上の期間)内で安定している必要がある。これにより、往路・復路の変調スポットを分離して検出することができるため、偏向タイミングの検出のアルゴリズムを簡単なものにできる。
In the present embodiment, the following forms are also possible.
For example, after generating a forward modulation spot on the
また、本実施の形態では、受光素子101を走査軌跡上に配置していたが、反射ミラーなどを用いて、走査軌跡の偏向光を反射して取り出して受光素子に導いて検出してもよい。それにより、受光素子101の配置に対する制約が少なくなり、光偏向器を用いた装置を小型に構成することができる。また、本実施の形態では、光源を1つ例示したが、本発明は例えば複数の光源を有する光偏向器にも適用できる。この際、複数の光源からの光線が共通の偏向手段で偏向されるのであれば、その複数の光源の内、1つを用いて上記の検出を行なえばよい。また、本実施の形態では、光源として、半導体レーザの他に、LED、あるいはAOM(音響光学変調器)などの外部変調手段を有した固体レーザ、ガスレーザなど、出射光を変調できるものであればどの様なものでも用いられる。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、偏向光が往路と復路で同一軌跡上を通過する1次元の光走査を例示して説明したが、本発明は、その他に復路の軌跡が往路の軌跡と走査方向に垂直な方向において若干異なる部分を通過し、該垂直な方向の位置において往路と復路の軌跡が異なる所謂2次元の光走査にも適用できる。また、本実施の形態では、偏向光を1次元に走査する形態を示したが、その場合、回転する円筒状の感光体の長尺方向に偏向光を走査することで、感光体表面で2次元的に偏向光を走査して静電潜像を得る所謂電子写真方式の画像形成装置の感光体への露光装置として適用することができる。また、本実施の形態は、偏向光を2次元に走査することで、プロジェクタ等の画像表示装置(投影装置)に適用することもできる(これについては、後述の実施の形態を参照)。 In this embodiment, the one-dimensional optical scanning in which the deflected light passes on the same path in the forward path and the return path has been described as an example. However, in the present invention, in addition, the path of the return path is the path of the forward path and the scanning direction. The present invention can also be applied to so-called two-dimensional optical scanning that passes through a slightly different portion in the direction perpendicular to the direction and in which the trajectory of the forward path and the backward path differ in the position in the perpendicular direction. In the present embodiment, the deflected light is scanned one-dimensionally. In that case, the deflected light is scanned in the longitudinal direction of the rotating cylindrical photoconductor, so that 2 on the surface of the photoconductor. The present invention can be applied as an exposure device for a photoreceptor of a so-called electrophotographic image forming apparatus that obtains an electrostatic latent image by scanning deflected light dimensionally. The present embodiment can also be applied to an image display device (projection device) such as a projector by scanning the deflected light two-dimensionally (see the later-described embodiment).
これら画像形成装置あるいは画像表示装置においては、画像を構成する画素に対応するように光が点灯あるいは消灯する。1画素の大きさは特に指定はなく、形成したい画像により決定される。走査スピードにもよるが、発光点が点灯期間中に一方向に移動するために、1画素は実際の走査スポット径に加えて、走査距離の分だけ形状が変化する。発光点の中心と周辺部とにおいて光量が異なる(例えば、ガウシアン分布のような異なり方)光源を用いる場合、点灯期間中に一方向に移動しても、実質的な画素の大きさは光量の大きな領域分だけ(例えば、最大光量の半値や1/e2の領域)とみなしてもよい。例えば、人の目で直接画像を見ることができるプロジェクタであれば、人の視覚に応じて適宜その様にみなして、点灯期間中に移動する画素の大きさを規定すればよい。 In these image forming apparatuses or image display apparatuses, light is turned on or off so as to correspond to the pixels constituting the image. The size of one pixel is not particularly specified, and is determined by an image to be formed. Although depending on the scanning speed, since the light emitting point moves in one direction during the lighting period, the shape of one pixel is changed by the scanning distance in addition to the actual scanning spot diameter. When using a light source with a different light quantity at the center and the peripheral part of the light emitting point (for example, different ways such as Gaussian distribution), even if the light source moves in one direction during the lighting period, the substantial pixel size is the light quantity. Only a large area (for example, a half value of the maximum light amount or a 1 / e 2 area) may be considered. For example, in the case of a projector that can directly see an image with the human eye, the size of the pixel that moves during the lighting period may be defined as appropriate according to the human vision.
また、本実施の形態に係わる光偏向器では、受光素子上を往復方向に移動する往路・復路の偏向光の走査タイミングが一定になるように制御することにより、偏向手段202の偏向タイミングの変化の影響を受けずに、投影(光線走査)面での往路方向の変調パターンと復路方向の変調パターンの位置ズレをなくすことができる。そのため、電子写真方式の画像形成装置の感光体への露光装置や、2次元状に画像を表示する画像表示装置において、往復両方向の走査光を用いて所望の画像を表示することができるため、露光速度や表示速度を向上させられる。 In the optical deflector according to the present embodiment, the deflection timing of the deflecting means 202 is changed by controlling the scanning timing of the forward and backward deflection light that moves in the reciprocating direction on the light receiving element to be constant. Thus, the positional deviation between the modulation pattern in the forward direction and the modulation pattern in the backward direction on the projection (ray scanning) plane can be eliminated. Therefore, in an exposure device for a photosensitive member of an electrophotographic image forming apparatus and an image display device that displays an image in a two-dimensional manner, a desired image can be displayed using scanning light in both directions. The exposure speed and display speed can be improved.
さらに、以下の様な偏向手段の偏向タイミングの検出方法も可能である。
例えば、走査往路において受光素子上に少なくとも1つの変調スポットを形成する変調タイミングで光源を変調し、走査復路において受光素子上に少なくとも1つの変調スポットを形成する変調タイミングで光源を変調してもよい。この場合、各変調タイミングが、前記往路と復路において受光素子上の走査方向に関する同じ位置に変調スポットを形成する変調タイミングとなるように、偏向手段への駆動信号に対する光源の点消灯タイミングを少しずつ漸進的に変化させる(例えば、時間間隔を一定に保った2つの点灯タイミングを全体的に少しずつずらしていって、同じ位置に変調スポットが形成される変調タイミングとなるまで続ける)。これにより、上記式に従って偏向手段への駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミングを算出し、この偏向タイミングの情報を基に所望の偏向タイミングで偏向されるように制御手段を介して偏向手段を制御する。
Further, the following deflection timing detection method is also possible.
For example, the light source may be modulated at a modulation timing for forming at least one modulation spot on the light receiving element in the scanning forward path, and the light source may be modulated at the modulation timing for forming at least one modulation spot on the light receiving element in the scanning backward path. . In this case, the on / off timing of the light source with respect to the drive signal to the deflecting means is little by little so that each modulation timing is a modulation timing for forming a modulation spot at the same position in the scanning direction on the light receiving element in the forward path and the return path. It is gradually changed (for example, two lighting timings with a constant time interval are shifted little by little as a whole and continued until the modulation timing at which a modulation spot is formed at the same position). Thus, the deflection timing of the deflection means relative to the drive signal to the deflection means is calculated according to the above formula, and the deflection means is controlled via the control means so that the deflection timing is deflected based on the information on the deflection timing. .
また、走査往路と復路の一方における光源の変調タイミングは、受光素子上に少なくとも2つの変調スポットを形成する変調タイミングとし、他方の変調タイミングは、受光素子上に1つの変調スポットを形成する変調タイミングとしてもよい。この場合にも、往路と復路において受光素子上の走査方向に関する同じ位置(上記他方の変調タイミングで1つの変調スポットが形成される受光素子上の位置)に変調スポットが形成されるタイミングを検出できる。これにより、同じく、上記式に従って偏向手段への駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミングを算出し、この偏向タイミングの情報を基に所望の偏向タイミングで偏向されるように制御手段を介して偏向手段を制御する。 Also, the modulation timing of the light source in one of the scanning forward path and the backward path is a modulation timing for forming at least two modulation spots on the light receiving element, and the other modulation timing is a modulation timing for forming one modulation spot on the light receiving element. It is good. Also in this case, it is possible to detect the timing at which the modulation spot is formed at the same position in the scanning direction on the light receiving element (the position on the light receiving element where one modulation spot is formed at the other modulation timing) in the forward path and the return path. . Thus, similarly, the deflection timing of the deflection means with respect to the drive signal to the deflection means is calculated according to the above formula, and the deflection means is controlled via the control means so as to be deflected at a desired deflection timing based on this deflection timing information. Control.
往路と復路において夫々1つの変調スポットを形成する形態も、次の様な条件を満たせば、可能である。すなわち、これら変調スポットの形成位置がずれていても、偏向光の受光素子上での速度が分かれば、受光素子上の走査方向に関する同じ位置での往路と復路における変調スポットのタイミングが算出できて、偏向手段の偏向タイミングを上記方法で検出できるので、こうした形態が可能である。偏向手段と受光素子までの距離が定まっていて偏向手段の運動状態が印加駆動信号から求められ場合には、こうした形態を採り得る。 A form in which one modulation spot is formed in each of the forward path and the return path is also possible if the following conditions are satisfied. In other words, even if the modulation spot formation positions are deviated, if the speed of the deflected light on the light receiving element is known, the timing of the modulation spot in the forward and return paths at the same position in the scanning direction on the light receiving element can be calculated. This is possible because the deflection timing of the deflection means can be detected by the above method. When the distance between the deflecting means and the light receiving element is fixed and the movement state of the deflecting means is obtained from the applied drive signal, such a form can be adopted.
(第2の実施の形態)
本実施の形態は、複数の受光領域105から構成された受光素子(ラインセンサ)101上での、変調された偏向光(変調スポット)の位置(中心位置)を特定する方法に関する。その他は第1の実施の形態と同じである。
(Second Embodiment)
The present embodiment relates to a method for specifying the position (center position) of modulated deflected light (modulated spot) on a light receiving element (line sensor) 101 composed of a plurality of light receiving
図7は本実施の形態を説明する図である。図7(a)は、受光素子101上に変調スポット102が1つ形成された位置と複数の受光領域105の位置関係を示す図である。偏向光は、紙面に対して左(右)方向に走査される。以下、説明のために受光素子101上の変調スポットを1つとして説明する。勿論、複数のスポットに対しても同様の処理を複数行うことにより本実施の形態を構成できる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the present embodiment. FIG. 7A is a diagram showing a positional relationship between a position where one
図7(b)は、図7(a)で示した位置関係のとき、受光素子101上に照射される光量の分布を示す図である。横軸が受光素子101上の位置、縦軸が光量である。このように、変調スポットは、最も光量の大きな位置に対して左右対称な分布(一例として、中心が明るく周辺が暗い所謂ガウシアン分布型)を取る。
FIG. 7B is a diagram showing the distribution of the amount of light irradiated on the
図7(c)は、図7(a)で示した位置関係のとき、複数の受光領域105の各領域から検出される信号を示したものである。横軸が、受光素子101上の位置と対応するように示した複数の受光領域105の位置、縦軸が、検出される信号の大きさである。以下、図7において、複数の受光領域105の走査方向に対する幅をwとし、左から順にn番目の受光領域と呼び、n番目の受光領域で検出される光量をPnとする。
FIG. 7C shows signals detected from each of the plurality of light receiving
図7を用いて、本実施の形態における2つの位置特定方法を説明する。
第1の位置特定方法では、複数の受光領域において最大受光量を得た受光領域105の位置をもって変調スポット102の位置座標とみなす。例えば、図7(c)においては、5番目の受光領域105を位置座標とみなし、受光素子101の左端から「(5−0.5)×w」の位置に変調スポット中心があると検出する。ここで、受光素子101上での走査速度vと、受光素子101が有する複数の受光領域105の走査方向に対する幅wの関係により、検出精度が決まる。走査速度vが一定の場合には、複数の受光領域105の走査方向に対する幅wが小さいほど検出精度が向上する。
Two position specifying methods in the present embodiment will be described with reference to FIG.
In the first position specifying method, the position of the
第1の位置特定方法によると、受光素子101上でのスポット位置の特定の処理が簡単なものにでき、処理にかかる時間や、処理を行う部分への負荷を低減することができる。また、走査方向に対する複数の受光領域105の幅wを短くすることにより、検出精度を向上させられる。
According to the first position specifying method, the process of specifying the spot position on the
第2の位置特定方法は、複数の受光領域105での検出信号の分布からスポット位置を特定する方法である。受光素子101で検出される変調スポットの光量分布は、最も光量の大きな位置Cに対して左右対称な分布になるとみなすことができる。そのため、最も光量の大きな位置Cが、受光領域105の中心又は受光領域105の境界と一致しない場合は、各受光領域105からの検出信号は左右非対称なものになる(一例として、図7(c)での検出信号)。これを利用し、各受光領域の位置座標「(n−1)×w」と受光量Pnとを積算し、スポット102が存在する受光領域105を対象にその積算値「Σ(n−1)×w×Pn」を総和する。そして、その総和を、スポットが存在する受光領域における総受光量「ΣPn」により除算すること((Σ(n−1)×w×Pn)/ΣPn)で、位置座標を特定する。これにより、複数の受光領域幅w以下の位置分解能でスポット中心の検出を行うことができる。なお本方法では、偏向光が複数の受光領域105にまたがる構成において、偏向光スポットの位置を特定するにあたり好ましい。勿論、最も光量の大きな位置Cが、複数の受光領域105の中心又は受光領域105の境界と一致する場合でも、本方式は用いられる。
The second position specifying method is a method for specifying the spot position from the distribution of detection signals in the plurality of light receiving
第2の位置特定方法によると、複数の受光領域105の幅w以下の位置分解能を実現できるため、複数の受光領域105の幅wが広い(検出されるスポット幅よりは小さい)受光素子101を用いても高精度に位置を特定できる。
According to the second position specifying method, since the position resolution equal to or less than the width w of the plurality of light receiving
(第3の実施の形態)
本実施の形態は、複数の受光領域105を2次元に配列した受光素子(エリアセンサ)101を用いた例である。その他は第1ないし第2の実施の形態と同じである。
(Third embodiment)
This embodiment is an example using a light receiving element (area sensor) 101 in which a plurality of light receiving
図8は、本実施の形態に係わる受光素子が有する複数の受光領域105を説明するための模式図である。図8において、受光素子101は、等間隔に2次元状に縦横(軌跡方向104とこれに直交する方向)に揃って配置されている複数の受光領域105を有している。
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a plurality of light receiving
本実施の形態のように、複数の受光領域105を2次元状に配置することで、変調スポット102の光量分布を2次元的に検出することができるため、変調スポットの形状をより正確に把握でき、また第2の実施の形態の位置特定方法などを用いる際に対象となるデータ数が増えることになる。そのため、本実施の形態を用いると、より高精度に変調スポットの位置を特定することができる。
As in the present embodiment, by arranging a plurality of light receiving
本実施の形態の受光素子101は、画像撮影用に用いられる汎用のCCDエリアセンサや、CMOSエリアセンサを用いることができるため、特別なセンサを設計する必要がなく、この点において低コストで実現できる。
The
本実施の形態では、2次元状に配置した受光領域として縦横に揃って配置された受光領域を挙げたが、その他に、受光領域をハニカム状として夫々を配置した構成、走査軌跡方向あるいは軌跡に交差する方向において受光領域の列及び行が入れ子にずれた構成、あるいは受光領域が円形状、平行四辺形形状、三角形形状、ひし形形状、台形形状、その他多角形形状を有する構成でも用いることができる。 In the present embodiment, the light receiving areas arranged in the vertical and horizontal directions are given as the light receiving areas arranged two-dimensionally. However, in addition to the configuration in which the light receiving areas are arranged in a honeycomb shape, the scanning locus direction or the locus It is also possible to use a configuration in which the columns and rows of the light receiving areas are nested in the intersecting direction, or a structure in which the light receiving areas have a circular shape, a parallelogram shape, a triangular shape, a rhombus shape, a trapezoidal shape, and other polygonal shapes. .
(第4の実施の形態)
本実施の形態は、受光素子に入光する偏向光をレンズで集光する形態である。それ以外は第1から第3の実施の形態のいずれかと同じである。図9は、本実施の形態に係わる光偏向器の、偏向手段から偏向された偏向光を含む平面の断面図である。図9において、209はレンズである。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, the deflected light entering the light receiving element is collected by a lens. The rest is the same as any one of the first to third embodiments. FIG. 9 is a cross-sectional view of a plane including the deflected light deflected from the deflecting means of the optical deflector according to the present embodiment. In FIG. 9,
レンズ209は、距離Lの位置に配置される。受光素子101は、レンズ209の焦点距離fの位置に配置される。偏向手段202により偏向された光は、レンズ209により集光され変調スポットの幅が縮小される。加えて、レンズ209により更に偏向されるため、変調スポットの中心位置が、第1の実施の形態に比べて変化する。
The
受光素子101上の走査位置hと、ある時点での偏向角θtは、
h=f×tan(θt)・・・式(8)
の式で表すことができる。式(8)から、Lの距離に関係なく、レンズ209の焦点距離fを大きくすることにより、受光素子101上での走査速度vを速くすることができる。そのため、往復路走査における変調スポットの位置変化が大きくなるため、位置検出精度が向上する。
The scanning position h on the
h = f × tan (θt) (8)
It can be expressed by the following formula. From equation (8), the scanning speed v on the
また、Lの距離にスポット位置が依存しないので、Lを短くし焦点距離fの長いレンズ209を用いることにより、各要素の配置が容易となり小型化できる。なお、レンズを本実施の形態の光偏向器の構成要素としてもよい。すなわち、光偏向器の筺体などの光通過部の所にレンズを据え付けてもよい。或いは、レンズを受光素子上に一体に設けてもよい。本実施の形態のようにレンズ209を用いて受光素子101に偏向光を集光すれば、上述したように、受光素子101が偏向光の位置を精度良く特定することができる。さらには、偏向器全体を小型化することができる。
In addition, since the spot position does not depend on the distance L, the use of the
(第5の実施の形態)
本実施の形態は、共振現象を用いた偏向手段202を用いた光偏向器に係わる。その他は、第1の実施の形態と同じである。
(Fifth embodiment)
The present embodiment relates to an optical deflector using a deflecting means 202 using a resonance phenomenon. Others are the same as those in the first embodiment.
偏向手段202に共振型の偏向器を用いると、共振型偏向器の機械的共振周波数fcと駆動周波数fdを一致させることにより、同じ駆動エネルギーでも広い偏向角を得ることができる。しかし、偏向器の機械的共振周波数fcは、温度などの偏向器の環境の変化により大きく変化し、偏向器202の走査(偏向)タイミングが変化する。そのため、走査状態を一定に保つためには、共振型光偏向器の共振周波数fcと駆動周波数fdを一致させる制御を行う必要がある。
When a resonance type deflector is used for the deflecting means 202, a wide deflection angle can be obtained with the same drive energy by matching the mechanical resonance frequency fc of the resonance type deflector with the drive frequency fd. However, the mechanical resonance frequency fc of the deflector changes greatly due to changes in the deflector environment such as temperature, and the scanning (deflection) timing of the
図10は、共振型偏向器の周波数特性を示すグラフである。図10(a)で、横軸は共振型偏向器を揺動させる駆動信号の周波数fd、縦軸は共振型偏向器の偏向角(揺動角)の振れ幅(最大偏向角)である。この図で、最大偏向角が最大の値を取る周波数が共振周波数fcである(偏向手段202の駆動回路等での遅延を考えない理想的な場合とする)。 FIG. 10 is a graph showing the frequency characteristics of the resonant deflector. In FIG. 10A, the horizontal axis represents the frequency fd of the drive signal for oscillating the resonant deflector, and the vertical axis represents the deflection width (maximum deflection angle) of the deflection angle (oscillation angle) of the resonant deflector. In this figure, the frequency at which the maximum deflection angle takes the maximum value is the resonance frequency fc (an ideal case where no delay in the drive circuit of the deflecting means 202 is considered).
図10(b)で、横軸は共振型偏向器を揺動させる駆動信号の周波数fd(図10(a)の横軸と対応)で、縦軸を駆動周波数fdの同期信号からの位相の遅れである。なお、駆動周波数fdの同期信号の生成の仕方により、この位相の遅れの横軸での原点(0deg)は変化する。このように、共振型の光偏向器では、駆動周波数fdと共振周波数fcが異なると位相が変化し、走査(偏向)タイミングが変化する。 In FIG. 10B, the horizontal axis is the frequency fd of the drive signal for oscillating the resonant deflector (corresponding to the horizontal axis in FIG. 10A), and the vertical axis is the phase of the phase from the synchronizing signal of the drive frequency fd. It is a delay. Note that the origin (0 deg) on the horizontal axis of this phase delay varies depending on how the synchronization signal of the drive frequency fd is generated. Thus, in the resonance type optical deflector, when the drive frequency fd and the resonance frequency fc are different, the phase changes and the scanning (deflection) timing changes.
両図の関係は、偏向器の共振周波数fcが一定の場合には維持される。温度などの環境変化により、共振周波数fcが変化した場合でも、図10の夫々の関係をほぼ維持したまま(すなわち、各曲線の傾きや幅、ピークの高さなどの曲線の相似形形状は、ほとんど変化することなく)、図10の横軸の駆動周波数fdのパラメータのみが変化する。このことを用いると、走査タイミング(位相)が常に一定になるような駆動周波数fdで共振型偏向器を駆動させる(本発明の方法で駆動信号に対する偏向タイミングを検知して、それに基づいて駆動信号の駆動周波数を変化させる)ことにより、駆動周波数fdと共振周波数fcを一致させることができる。 The relationship between both figures is maintained when the resonance frequency fc of the deflector is constant. Even when the resonance frequency fc changes due to environmental changes such as temperature, the respective relationships in FIG. 10 are substantially maintained (that is, the similar shapes of curves such as the slope and width of each curve and the height of the peak are With little change), only the parameter of the driving frequency fd on the horizontal axis in FIG. 10 changes. When this is used, the resonance type deflector is driven at a drive frequency fd such that the scanning timing (phase) is always constant (the deflection timing for the drive signal is detected by the method of the present invention, and the drive signal is based on the detected timing). The drive frequency fd and the resonance frequency fc can be made to coincide with each other.
ここで、駆動効率を表す値(共振のQ値)が大きい程、同じ周波数の差でも位相(走査タイミング)に対する影響が大きくなるため、より細かい刻みで周波数を変化させる必要がある。こうして、本実施の形態においては、往復走査の偏向タイミングを検出することにより、共振型光偏向器の共振周波数fcに駆動周波数fdを追従する制御を行い、走査タイミングを一定に保つことができる。 Here, the greater the value representing the driving efficiency (resonance Q value), the greater the influence on the phase (scanning timing), even with the same frequency difference, so the frequency must be changed in finer increments. Thus, in the present embodiment, by detecting the deflection timing of the reciprocating scan, it is possible to control the drive frequency fd to follow the resonance frequency fc of the resonance type optical deflector, and to keep the scanning timing constant.
図11は、共振型光偏向器の偏向手段202の駆動信号309と、その駆動信号309に対応した共振型光偏向器の偏向角の時間変化を示す図である。図11(a)は、横軸を時間とし、縦軸を偏向手段202の駆動信号309の信号の大きさ(例えば、電圧)としている。図11(b)は、横軸を図11(a)の横軸と対応する時間軸として、縦軸で偏向手段202の各時間での偏向角θtを表したグラフである。
FIG. 11 is a diagram showing the change over time of the
図11(a)のように、駆動波形を正弦波としたとき、駆動周波数fdと共振周波数fcが一致しているとすると、図11(b)で表すように、偏向角θtの変化には、駆動波形に対して90degの位相遅れが発生する。この際、偏向手段202の偏向角の向きの取り方(回転軸に対してどちらの方向に傾斜する場合を正或いは負と取るかによって)により、180degの位相のオフセットが発生する場合がある。この特性を利用して、共振周波数fcに駆動周波数fdを追従する制御は、上記の方法で検出される駆動波形に対する偏向タイミングがこうした位相遅れを維持するように駆動波形の周波数を制御して行なうことになる。 As shown in FIG. 11A, when the drive waveform is a sine wave, if the drive frequency fd and the resonance frequency fc coincide with each other, as shown in FIG. A phase delay of 90 deg occurs with respect to the drive waveform. At this time, a phase offset of 180 deg may occur depending on how the deflection angle of the deflecting means 202 is determined (depending on which direction the tilt is made with respect to the rotation axis is positive or negative). Using this characteristic, the control of following the drive frequency fd to the resonance frequency fc is performed by controlling the frequency of the drive waveform so that the deflection timing with respect to the drive waveform detected by the above method maintains such a phase delay. It will be.
共振型光偏向器を用いる場合には、正弦波状以外の、三角波状、矩形波状、鋸波状の駆動波形の場合にも、時間に対して偏向角θtは正弦波状に変化することとなる。そのため、往路と復路での走査(偏向)時間が等しくなるため、往路と復路の片側の走査光のみを利用すると光源201の変調に使える時間が短く(半分以下に)なり、光の利用効率が低下する。これを解決するためには、共振型光偏向器では往復の走査光を用いて変調を行う必要がある。
In the case of using a resonance type optical deflector, the deflection angle θt changes to a sine wave shape with respect to time even in the case of a triangular, rectangular, or sawtooth drive waveform other than a sine wave shape. Therefore, since the scanning (deflection) time in the forward path and the backward path becomes equal, if only the scanning light on one side of the forward path and the backward path is used, the time that can be used for modulation of the
本実施の形態を用いると、偏向手段202に共振型偏向器を用いた場合において、往路・復路の走査タイミングを一定にする制御を行うことができる。これにより、低電力で大きい偏向角を得られる共振型偏向器を、往復の走査光を利用する用途に用いることができる。その結果、低消費電力で、光の利用効率の高い光偏向器を提供できる。 When this embodiment is used, when a resonance type deflector is used as the deflecting means 202, it is possible to perform control for making the forward / return scan timing constant. As a result, the resonance type deflector capable of obtaining a large deflection angle with low power can be used for applications using reciprocating scanning light. As a result, an optical deflector with low power consumption and high light utilization efficiency can be provided.
なお、本実施の形態では、駆動周波数fdを共振周波数fcに一致させる制御について述べたが、任意の関係になるように駆動周波数と共振周波数の差を一定値に保つ制御を行うこともできる。この場合、所望の周波数からの周波数ズレに対する走査タイミングの変化の割合が小さくなるので(図10(a)のピークの所から外れた部分を用いるので、周波数ズレに対する最大偏向角の変化の割合が小さくなるので)、周波数追従制御が容易になる。 In the present embodiment, control for making the drive frequency fd coincide with the resonance frequency fc has been described. However, control for keeping the difference between the drive frequency and the resonance frequency at a constant value can be performed so as to have an arbitrary relationship. In this case, since the rate of change in scanning timing with respect to the frequency deviation from the desired frequency is small (the portion outside the peak in FIG. 10A is used, the rate of change in the maximum deflection angle with respect to the frequency deviation is Frequency follow-up control becomes easier.
(第6の実施の形態)
本実施の形態は、受光素子上で偏向光の位置を検出する為の変調スポットを生成する方法とそれを検出する方法に係わる。それ以外は、第1から第5の実施の形態のいずれかと同じである。図12は本実施の形態による変調スポットの生成方法を説明する図である。
(Sixth embodiment)
The present embodiment relates to a method for generating a modulation spot for detecting the position of deflected light on a light receiving element and a method for detecting it. The rest is the same as any one of the first to fifth embodiments. FIG. 12 is a diagram for explaining a modulation spot generation method according to this embodiment.
図12(a)は、偏向手段202に印加される駆動信号309の波形を示したものである。横軸に時間、縦軸に印加信号の大きさを示す。ここでは、一例として三角波状の駆動波形で説明する。図12(b)は、光源201を変調(点灯つまりON、消灯つまりOFF)するための変調信号305を示したものである。横軸に図12(a)の横軸に対応した時間、縦軸に変調信号305のパターンを示す。ここでは、変調信号305は、定常時ではOFF信号であり、変調を行って受光素子101上で変調スポットを生成すべき時にON信号になる。
FIG. 12A shows the waveform of the
変調信号305は、偏向手段202が受光素子101を含む平面で往復両方向に偏向されている期間毎にON信号を1回ずつ生成し、受光素子101上に変調スポット102、103を分離して生成する信号である(図2参照)。この場合、ON信号とするタイミングを少しずつずらしていって、受光素子101上の所定の同じ位置に変調スポットが来るタイミングを見つけ、それを用いて上記式(2)を用いて偏向タイミングを検出すればよい。
The
以上の方法では、駆動信号を三角波状としたが、他の駆動波形も用いられる。図13(a)、(b)に正弦波状の駆動信号309での変調信号305の一例を示す(縦・横軸は図12と同じ)。
In the above method, the drive signal is a triangular wave, but other drive waveforms are also used. FIGS. 13A and 13B show an example of the
また、往路・復路夫々において受光素子101上に生成する変調スポットの数を1つずつとして説明したが、往復走査方向毎に複数の変調スポットを用いてもよい。複数の変調スポットが受光素子101で検出される場合、複数の位置を一度に測定して用いることができる。そのため、検出速度が向上する。この場合、第1の実施の形態の所で詳述したような偏向タイミング検出法を用いればよい。
Further, although the number of modulation spots generated on the
本実施の形態の光偏向器を画像形成装置の露光装置や表示装置などに用いる場合、偏向タイミングがある所定の値のときに往復の露光または表示が正しく行われるように設定する。これにより、往復走査光を用いた高画質な画像形成などを行うことができる。 When the optical deflector of the present embodiment is used for an exposure apparatus or a display apparatus of an image forming apparatus, it is set so that reciprocal exposure or display is correctly performed when the deflection timing is a predetermined value. Thereby, high-quality image formation using reciprocating scanning light can be performed.
(第7の実施の形態)
本実施の形態に係わる光偏向器は、偏向光を被投影面に2次元状に投射する光偏向器に係わる。その他については、第1乃至第6の実施の形態のいずれかと同じである。
(Seventh embodiment)
The optical deflector according to the present embodiment relates to an optical deflector that projects deflected light onto a projection surface in a two-dimensional manner. Others are the same as any one of the first to sixth embodiments.
図14は本実施の形態に係わる光偏向器を模式的に示す図である。図14において、211は第2の偏向手段、210は、偏向手段202により第2の偏向手段211の反射平面上で形成される走査軌跡、212は第2の偏向手段211により偏向される光、213は或る平面、214は或る平面213において偏向光212により走査される範囲、215は或る平面213での走査線の軌跡を模式的に表したものである。なお、図6で示した制御に用いる構成は、図14には図示していない。
FIG. 14 is a diagram schematically showing an optical deflector according to the present embodiment. In FIG. 14, 211 is a second deflecting unit, 210 is a scanning locus formed on the reflection plane of the
偏向手段202と第2の偏向手段210は、夫々が光を水平方向、垂直方向に偏向させる。したがって、偏向光212の広がる範囲が2次元領域になる。この偏向手段202と第2の偏向手段210は、偏向(揺動)速度が異なる。具体的には、図14では、2つの偏向手段を比較すると、偏向手段202は比較的高速に(高周波数で)偏向し、第2の偏向手段210は比較的低速な(低周波数で)偏向を行う。この両者の関係は、逆でもよい。
The deflecting
また、比較的高速な偏向を行う方の偏向手段として共振型偏向器を用いることにより、高精細な画像を表示できる。これは、共振型偏向器は、高速な偏向を行うことができるからである。光源201で変調され、出射された光線203は、偏向手段202により、最大偏向角の光線204と205の間において(最大偏向角で)偏向される。第2の偏向手段211は、偏向手段202により第2の偏向手段211の反射面上に走査された軌跡210を、光線212で示す様に偏向し、任意の位置に配置した平面213上に、符号214で示す範囲に広がる走査範囲を生成する。ここで、或る平面213の走査範囲214内での走査光の軌跡を模式的に示すと215の様になる。走査範囲214の所望の位置に受光素子101を配置する。具体的には、或る水平走査軌跡上に配置されればよい。
Further, a high-definition image can be displayed by using a resonance type deflector as a deflecting means for performing relatively high-speed deflection. This is because the resonant deflector can perform high-speed deflection. The
図15は、本実施の形態における走査範囲214内に配置される受光素子101と、画像形成に使用される表示領域220とを模式的に表す図である。走査範囲214は、表示領域220と受光素子101を配置する領域とを有する。偏向光212は、走査点S1から走査を開始すると、水平走査方向Xを往路・復路と移動し、次第に垂直走査方向Yに向かって走査範囲上部から下部へ走査される。走査点S2まで走査された偏向光は、再び走査点S1に戻され、同様な走査が繰り返される。走査線215上に配置された受光素子101は、偏向光212が通過するように配置されている。
FIG. 15 is a diagram schematically showing the
以上のことから本実施の形態に係わる光偏向器は、共振型偏向器を用いた2次元画像形成装置において、画像形成を行いながら、受光素子101により所望の変調タイミングで変調された変調光の光量の位置的分布を検出し、このデータに基づいて共振型偏向器の偏向タイミングを検知する。そして、これを基に共振型偏向器の駆動周波数を適当に制御して偏向タイミングを所望の状態に保つ制御を行うことができるので、共振型偏向器の往復走査を用いて高画質の画像を表示できる。
From the above, the optical deflector according to the present embodiment is a two-dimensional image forming apparatus using a resonant deflector, and the modulated light modulated by the
なお、本実施の形態では、受光素子101を走査範囲214内に配置していたが、反射ミラーなどを用いて、或る走査範囲214の走査光(偏向光)を取り出し、これを受光素子に導いて検出してもよい。また、偏向手段202と第2の偏向手段210の間の偏向光を受光素子に導いて検出してもよい。本実施の形態では、受光素子101が設けられる領域と表示領域220を別領域としたが、受光素子101または受光素子101の検出のための反射ミラーなどの存在が視覚的に画像に影響を実用上与えなければ、表示領域220内に受光素子101や検出ミラーなどが設けられる領域を設けてもよい。
In this embodiment, the
また、表示領域220以外の領域において、偏向光212は受光素子101上を通過する際にのみ発光する光であってもよい。つまり、少なくとも受光素子101上の走査軌跡上においてのみ、偏向光212は光ればよい。
Further, in a region other than the
(第8の実施の形態)
本実施の形態に係わる光偏向器は、受光素子101もその内に有することを特徴とする。その他は第1乃至第7の実施の形態のいずれかと同じである。
(Eighth embodiment)
The optical deflector according to the present embodiment has a
本実施の形態は、第7の実施の形態で示した2つの偏向手段を有し、夫々が偏向光を水平走査、垂直走査させることで2次元画像を表示する画像形成装置として光偏向器を用いた形態である。以下、主として、第7の実施の形態との差異のみを述べる。 This embodiment has the two deflecting means shown in the seventh embodiment, and an optical deflector is used as an image forming apparatus for displaying a two-dimensional image by horizontally scanning and vertically scanning the deflected light. It is the form used. Hereinafter, only differences from the seventh embodiment will be mainly described.
図16に本実施の形態に係わる光偏向器を模式的に示す。図16において、213は光偏向器の枠体、214は枠体を或る平面としたときの走査領域、220は表示領域、215は表示領域220での走査軌跡である。受光素子101は、走査領域214内の枠体213上に配置される。これにより、表示領域220を含む平面と、受光素子101を含む平面を別の平面にすることができる。
FIG. 16 schematically shows an optical deflector according to the present embodiment. In FIG. 16, 213 is a frame of the optical deflector, 214 is a scanning area when the frame is a certain plane, 220 is a display area, and 215 is a scanning locus in the
また、受光素子101と偏向手段202からの距離Lと、受光素子101が配置される位置の光偏向中心軸206からの距離を固定できるため、受光素子101上の偏向光の速度が計算できて、受光素子101上で変調パターンが生成されるタイミングを該配置から算出することが容易になる。すなわち、偏向光の受光素子上での速度が既知とできるので、往路と復路において夫々1つの変調スポットが受光素子上に形成されるような変調タイミングで光源を変調すれば、受光素子上の同じ位置での往路と復路におけるスポットのタイミングが算出できて、駆動信号に対する偏向手段の偏向タイミングを検出できる。
Further, since the distance L from the
本実施の形態によれば、表示領域220に形成された画像を、観察者が枠体213と画像との間に位置して観察できる構成であれば、本実施の形態の光偏向器をフロントタイプのプロジェクタのような画像表示装置として適用できる。
According to the present embodiment, the optical deflector according to the present embodiment is mounted on the front if the observer can observe the image formed in the
また、本実施の形態によれば、表示領域220を任意の平面に投影できるので、表示領域を任意に選択することができる。そのため、このプロジェクタは、画像表示を行う投影面に制約を与えることなく、任意の平面を選択できる装置として用いられる。また、表示領域220に形成された画像を、観察者が表示領域220の表示面とは反対側から観察できれば、本実施の形態の光偏向器をリアプロジェクタのような画像表示装置として用いることもできる。
In addition, according to the present embodiment, since
また、網膜直描型表示装置やヘッドマウントディスプレイのような画像表示装置に適用することもできる。なお、本実施の形態の光偏向器は枠体213を必須の構成とはしていないものの、受光素子101が枠体213に固定配置されていれば、受光素子101の位置決めができるので上記の理由で好ましい。
Further, it can be applied to an image display device such as a retina direct-drawing display device or a head-mounted display. Although the optical deflector of the present embodiment does not have the
また、枠体213は、表示に不必要な光を遮って表示領域220を良好に制限する上で好ましい。従って、受光素子101を配置した枠体213を本実施の形態の光偏向器の構成要素として用いるのが好ましい。
In addition, the
101 受光素子
102、103 偏向光
201 光源
202 偏向手段
203 出射された光線
208 偏向光
301 変調信号発生手段(光源の変調手段)
302 信号変換手段(検出手段)
303 制御信号発生手段(偏向手段の制御手段)
304 偏向手段の駆動手段
305 光源への変調信号
306 受光素子上に形成される光量の位置的分布の検出信号
307 偏向タイミング信号
308 偏向手段の駆動手段に対する制御信号
309 偏向手段の駆動信号
DESCRIPTION OF
302 Signal conversion means (detection means)
303 Control signal generating means (control means for deflection means)
304 Deflection means drive means 305
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