JP2005517212A - 共振振動子の測定及びその制御のための装置と方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、共振振動子の測定のための装置と方法に関する。共振振動子は、継続時間周期（Ｔ）で振動軸（２）を中心にして変位するミラー面（８）と、第１ミラー面（８）に測定光（３）を発するレーザダイオード（４）と、を有し、これによって、測定光（３）の光軸（２１）は、振動軸（２）と交差する。受光器（６）は、光軸（２１）から距離（ａ）において、また、ミラー面（８）から距離（ｂ）において、第１ミラー面（８）に対向して配置される。偏向測定光（５）は、振動の周期（０、・・・、Ｔ／４）の１／４内において、また、この周期の後続の１／４（Ｔ／４、・・・、Ｔ／２）内において、受光器（６）上を移動する。受光器（６）は、分析回路（１１）に接続され、分析回路（１１）は、受光器（６）のパルスから時点（ｔ_１、ｔ_２）を算出し、また、上記から半波内での期間（△ｔ＝ｔ_２−ｔ_１）を算出する。分析回路（１１）は、式（１）で最大振幅の実際値を算出する。継続時間△ｔは、映像画像の連続ラインを書込み時の帰線消去時間に対応する。

Description

本発明は、共振振動子の測定及びその制御のための装置と方法に関する。

本発明に関連して、共振振動子は、一方では、ねじり紐によって懸架された回転振動可能な板であると理解されている。他方では、一端がクランプされた回転振動可能なねじり棒もまた共振振動子である。特に、光ビーム偏向の目的に供するミラーは、振動機能部位として用いられる。共振振動子は、光ビームを偏向するために用いられる場合、共振ミラー又は共振スキャナとも呼ばれる。更に、共振振動子は、センサとしても用いられる。本発明は、この応用分野も対象にしている。

ライッヒ・シュタン（Ｒｅｉｃｈ，Ｓｔａｎ）、“電子機械式ミラー走査装置の用途”、ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．８６、レーザ走査構成要素及び手法（１９７６年、ｐ４７−５８）は、固定振動周波数を有するスキャナについて述べている。更に、内部及び外部センサが概略的に提案されている。

共振振動子は、固有共振（機械的自然振動）を有し、適当に励起されるとこの固有共振において振動する。
好都合なことに、共振振動子用の駆動ユニットは、周期的に働く力が固有共振の周波数内又はその付近で振動子に作用するように、電子制御ユニットに接続されている。所定振幅の振動を発生させるものである。

共振振動子の励起は、電磁力又は静電気力によって行なわれることが多い。しかしながら、圧電力、気体流、又は液体流を用いる解決策も存在する。
しかしながら、干渉や外乱の結果、共振スキャナの固有共振は、変動し易い。また、共振スキャナの振幅は、動作条件や環境条件が変化した時、大きな変動を受け易い。

ブゼル＿ルドルフ．Ａ（Ｂｕｓｅｒ＿Ｒｕｄｏｌｆ）、“シリコン単結晶共振構造に関する理論的及び実験的調査”、博士論文、ノイハテル（Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ）大学（１９８９年、ｐ１７８）では、静電気駆動共振振動子に対して、５時間で、０．７Ｈｚの周波数ドリフト及び８３，０００だけのＱ因子の変化を測定している。

共振振動子の重要な応用分野は、光ビームの偏向であり、特に、例えば、画像を生成するためのレーザ光ビームの偏向である。この目的のために、振動子の可動面は、光ビームの波長で反射するように構成されている。前記光ビームの強度変調は、画像を生成するために行なわれ、前記変調は、各画像点の瞬間的ミラー位置と同期化されている。ライン開始の定義と画素クロックの生成とが必要である。

米国特許第５，１２１，１３８Ａ１号では、詳述してはいないが、共振振動ミラーの瞬間速度を測定することによって画素クロックを得ることが記載されている。画素クロックは、ミラー面の偏向速度に比例する画素幅に対応する。従って、ミラー面の不均一な運動にも関わらず、等しい画素幅、そして、その結果、等しい画素間隔を実現することを目的としている。更に、ミラーの現在の速度とは独立に等しい画像コンテンツが同じ輝度で表示されるように、光ビームの強度も速度の関数である状態での光ビームの出力変調が提案されている。

ドイツ国特許第１００＿０２＿１９６Ａ１号は、ミラー位置を光学的に決定することに
よって、回転ミラーの位置を求める方法について述べている。ミラー位置は、ダイオードラインによって、また、測定光の偏向を介して、求められる。制御値は、ダイオードライン上の測定光の位置を所望の位置と比較することによって生成され、前記制御値は、ミラーを制御する閉ループ制御回路に入力される。この場合、回転ミラーの角度位置が調整可能なことが必須である。

本明細書における本発明の主題の一部を形成する共振振動子では、角度位置の調整は、その動きが正弦関数に厳密に従うことから、原理的に可能ではない。しかしながら、その位置の光学的測定は可能である。

国際特許公開公報第９８／１３７１９Ａ１号は、共振振動ミラー面と共に動く２つの圧電センサを用いる。ねじりの結果としての運動によって生成される電気信号の計測値が評価される。

ドイツ国特許第１９７＿０９＿９１３＿Ｃ２号は、微小機械ミラー組立体におけるねじり紐の電気的特性変化を偏向測定に用いる。
米国特許第３，６０９，４８５号、米国特許第３，６４２，３４４号、及び米国特許第４，０４４，２８３号は、電磁気検出器を用いて、共振振動子の振幅及び位相を求め、また、前記振幅を閉ループ制御する。
米国特許第５，１２１，１３８Ａ１号 ドイツ国特許第１００＿０２＿１９６Ａ１号 国際特許公開公報第９８／１３７１９Ａ１号 ドイツ国特許第１９７＿０９＿９１３＿Ｃ２号 米国特許第３，６０９，４８５号 米国特許第３，６４２，３４４号 米国特許第４，０４４，２８３号 ライッヒ・シュタン（Ｒｅｉｃｈ，Ｓｔａｎ）、"電子機械式ミラー走査装置の用途"、ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．８６、レーザ走査構成要素及び手法（１９７６年、ｐ４７−５８） ブゼル＿ルドルフ．Ａ（Ｂｕｓｅｒ＿Ｒｕｄｏｌｆ）、"シリコン単結晶共振構造に関する理論的及び実験的調査"、博士論文、ノイハテル（Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ）大学（１９８９年、ｐ１７８）

本発明の目的は、共振振動子における共振周波数、位相、及び最大振幅を極めて高い精度で求めることである。特に、プリンタや露光システムにおける共振スキャナとして、また、映像投射システムにおける共振偏向ミラーとして、共振振動子を用いる場合、共振周波数と、印字、露出、又は映像標準との間の関係が、できるだけ一定であることが必要である。更に、前記偏向（速度及び位相）の時間過程は、高解像度で求められ、また、必要に応じて、振幅が制御される。更に、走査ラインのライン開始は、画素の精度で求め得る。更に、ミラー面の振動条件の測定から、画素クロック用の信号、また従って、画素幅調整用の信号を求めることが可能である。

本発明によれば、この目的を実現する装置において、共振振動子は、駆動ユニットが振動軸を中心に周期Ｔで振動させる第１ミラー面と、第１ミラー面に対向して配置されて第１ミラー面に測定光を発するレーザダイオードであって、測定光の光軸が、振動軸と交差し、また、共振振動子の第１ミラー面の静止位置を基準にして角度γで延在する前記レーザダイオードと、を有する。更に、受光器は、測定光によって画成される面内に配置され
るように、測定光の光軸から既知の距離“ａ”において、また、第１ミラー面から既知の距離“ｂ”において、第１ミラー面に対向して配置される。偏向測定光は、振動の周期の象限（０、・・・、Ｔ／４又は０、・・・、π／２）内において、また、前記周期の後続の象限（Ｔ／４、・・・、Ｔ／２又はπ／２、・・・、π）内において、受光器上を移動する。前記受光器は、被照射状態の関数としてパルスを発生する評価電子回路に接続される。前記パルスは、共振振動子の偏向が、振動の最大振幅（ｎ＊２π＋π／２；ｎ＝０、１、２、３、・・・）でなく、また、振動のゼロ交差（ｎ＊π；ｎ＝０、１、２、３、・・・）でもない時点（ｔ１、ｔ２、・・・）で生成される。評価電子回路は、更に、受光器からのパルスを用いて時点（ｔ_１、ｔ_２）を算出し、また、後者を用いて、前記半波内における２つの時間信号（ｔ_１、ｔ_２）間の時間間隔△ｔを△ｔ＝ｔ_２−ｔ_１として算出し、最大振幅の実際値が、評価電子回路において、式Φ_ＩＳＴ＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）／ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）によって算出される。

正弦振動の周期Ｔは、本明細書では既知であると仮定し、また、充分に一定であると見なすため、最大振幅の算出した実際値の精度は、数多くの用途に対して充分である。
レーザダイオードからの平行測定光線は、測定には充分である。測定の精度を改善するために、スポットが受光ダイオードの検出面上を掃引するように、レーザ光の焦点を合わせる。

本発明に関しては、構成要素として、受光ダイオード及びレーザダイオードを用いることが必須ではない。むしろ、上述した構成要素は、現在最先端の技術によって、本発明に関連する要件を最も精度良く満たすものである。

レーザダイオードは、他のレーザによって、又は、例えば、発光ダイオードもしくは適切な測定光を生成する他の光源によって、置き換え得る。受光ダイオードは、他の感光性構成要素、例えば、受光トランジスタ又は受光抵抗器によって置き換え得る。ここで重要なことは、感光性構成要素が、評価のために、充分に精度が高く再生可能な信号を評価電子回路に供給することである。

好適には、第１ミラー面は、レーザダイオードが発する放射光の波長に対して、反射が大きい平面ミラーとして提供される。
最大振幅の実際の値は、共振振動子の振動軸が、ミラー面内に高い精度で配置される場合にのみ、ミラー面からの受光ダイオードの距離“ｂ”から正確に算出される。実際には、このことは、稀なケースであり、また、ミラー面は、角度偏向に加えて、円の円弧に沿ってわずかに回転運動するが、このオフセット（ミラー厚の半分）を計算上考慮する必要はない。ミラー面を担う振動板の厚さの半分（例えば、３０μｍ）は、フォトダイオード（例えば５ｃｍ）からの距離“ｂ”に対して極めて小さいことから、そこから生じる誤差は、実用的な目的に対しては、問題にならない。角度γは、好適には、３０°から９０°の範囲内である。角度γが９０°に等しい場合、構造が特に小型化される。

本発明の実施形態の利点は、第２受光器が、測定光によって画成される面内において、測定光の光軸を基準にして、第１受光器に対称に配置されていることである。この構成によって、２つの等しい測定信号が１／２周期内で得られ、これら２つの信号は、有利なことに、計算及び測定装置の調整に用いられる。このことについては、更に詳細に図の説明において述べる。共振振動子は、有用な光ビームを偏向するためのミラーとして用いられる場合、第１ミラー面と対向して第配置される２ミラー面を有する。

しかしながら、この装置の用途は、光ビームを偏向する用途のみに限定されない。むしろ、本発明の原理は、一般的に、例えば、振動標準として又はセンサとして用いられる共振振動子に適用可能である。

本発明の実施形態の更なる利点は、入射測定光及び偏向測定光が、互いに対して固定角度δで延在し、この角度は、偏向角度αに直交することである。従って、角度δは、好適には、０°より大きく、δ＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｂ）と算出される。この施策によって、偏向測定光の逆反射光のレーザダイオードへの入射が防止される。

また、本発明には、最大振幅の実際値を振幅制御に用いることが含まれる。この目的のために、評価電子回路が、閉ループ制御手段に接続され、閉ループ制御手段は、共振振動子のための駆動ユニットに接続される。更に、評価電子回路は、演算回路とメモリ装置とを含む映像電子回路に接続してよい。映像電子回路自体は、駆動電子回路に接続され、駆動電子回路は、変調可能で有用な光ビームを生成するレーザ光源に接続される。

映像電子回路に映像信号を供給する場合、本発明による装置は、ミラー偏向と同期して変調される光ビームを提供する。偏向された有用な光ビームが、投射面に入射すると、画像がライン毎に書込まれる。

本発明によれば、上記目的を実現する本発明による方法では、共振振動子が振動軸を中心に周期Ｔで振動し、パルス及び時点（ｔ_１、ｔ_２）が半波の所定偏向（β_１）の各象限内で決定され、前記所定偏向は、振動の最大（ｎ＊２π＋π／２；ｎ＝０、１、２、３、・・・）及び振動のゼロ交差（ｎ＊π；ｎ＝０、１、２、３、・・・）のいずれでもない位置で特定され、時点（ｔ_１、ｔ_２）を用いて前記半波内における時間間隔△ｔ＝ｔ_２−ｔ_１を算出し、最大振幅の実際値を、式Φ_ＩＳＴ＝２β_１／ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）に基づき算出する。

本方法は、偏向運動の関数過程が既知である場合、同じ又は異なる偏向における少なくとも２つの関数値間での時間測定の原理に基づく。測定を２つの関数値においてのみ行なうならば、周期Ｔは、追加的に測定もしくは計算するか又は既知であるべきである。対称関数の場合、値Ｔ／２で充分である。

上述の原理は、特に、振動周期Ｔ及び同じ偏向に位置する少なくとも２つの既知のポイント間における時間差△ｔを求めることによって、映像投射システムの共振動作ライン生成ミラーの振幅測定に適用される。

本方法の実施形態の利点は、振動の後続の周期において測定及び計算を繰返す段階と、互いに連続する２つの周期において所定偏向（β_１）で測定される２つの時点（ｔ_１、ｔ_３）間の時間差に基づき、評価電子回路によって周期ＴをＴ＝ｔ_３−ｔ_１として算出する段階を含むことである。

更に、本発明は、最大振幅の実際値を、開ループ又は閉ループ振幅制御に用いることに関する。この目的のために、最大振幅の実際値が、共振振動子における最大振幅の所望の値を調整するための閉ループ制御手段に供給される。閉ループ制御手段は、駆動ユニットを制御する。閉ループ振幅制御は、電圧、電流、デューティサイクル、又は周波数を変化することによって実施し得る。

本方法を映像投射システム、フィルム露出システム又はプリンタに適用する際、算出される時間△ｔが、画像の後続ラインの書込み時、帰線消去間隔に対応するように、角度α＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）の大きさが決定される。

この場合、“対応する”という意味は、時間が映像標準又は他の標準の帰線消去間隔に等しいということである。しかしながら、ラインの書込みが、前記ラインの全ての画像ポ
イントを含む所望の幅で保証される場合、時間△ｔも、標準化された消去間隔から正又は負の方向に偏差する。このことによって、通常、メモリを映像データ用に用いることが必要になり、このため、入力映像データ及び出力映像データは、時間的に分離される。

本発明の適用は、上述のシステムに限定されない。逆に、本発明は、例えば、画像記録、レーダ、測量技術、測定技術等、共振振動子を用いる他の技術分野に移行し得る。
上述の用途の１つでは、パルスが、振動の周期内で、時点（ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６、・・・）における象限（１つ又は複数）ＩＩ及び／又はＩＶ内に生成され、このパルスは、例えば、映像画像又はプリンタにおける１ラインの最初の画素及び後続ラインの最終画素の書込み開始点を提供する。

現段階で求められた運動関数の既知の振動曲線β＝ｆ（ｔ）＝β_ｍａｘ＊ｓｉｎ（ωｔ）＝β_ｍａｘ＊ｓｉｎ（ｔ_ｘ＊２π／Ｔ）に基づき、ｔ_ｘ＝０、．．．、Ｔとした場合、速度曲線の量は、|ｖ|＝ｆ（ｔ）＝ｖ_ｍａｘ＊｜ｃｏｓ（ωｔ）｜＝ｖ_ｍａｘ＊｜ｃｏｓ（ｔ_ｘ＊２π／Ｔ）｜として算出される。一般的に、ｔ_ｘは、０とＴとの間の任意の所望の時点であってよく、|ｖ_ｘ|＝｜ｃｏｓ（ωｔ_ｘ）｜は、時点ｔ_ｘにおける走査速度である。

速度曲線は、偏向光ビーム変調用の制御信号及び画素クロック補正のための値を生成するために実際に用いられる。画素幅もこれによって制御される。これらの処置は、画像を形状的に補正するために、また、高い画像解像度並びに均一輝度のラインを得るために必要である。

以下、本発明について、一例として映像投射システムを用いて、図面を参照し更に詳細に説明する。
図１及び図２に与えられた例において、共振振動子は、２つの対向する平行且つ平面ミラー面８及び９を有するミラー１である。ミラー１は、正弦波の振動を行なう。これは、例えば、電磁気的に又は静電気的に励振し得る。その懸架は、例えば、振動軸２を形成する引き紐又はねじり棒によって行ない得る。

レーザダイオード４の測定光３は、ミラー１の第１ミラー面８に導かれる。測定光３の方向は、その静止位置においてミラー１の面法線と同じであり、前記面法線は、ミラー１の振動軸２と交差する。レーザダイオード４から離れた位置に、受光器６は、測定光３がミラー１によって偏向される面内に配置されている。角度βだけミラー１を偏向すると、偏向測定光５が、受光器６を照射する。

図１において、
ｂは、振動軸２に沿うミラー１からの受光器６の距離であり、
ａは、レーザダイオード４の測定光３からの受光器６の距離であり、
αは、レーザダイオード４の測定光３と、受光器６とα＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）のミラー１との間の経路と、の間の角度であり、
γは、振動面におけるミラー１の静止位置と、測定光３の光軸２１との間の角度である。

共振ミラー１の既知の周期に対する振幅を決定するには、半波内において同じ偏向β_１で測定される２つの時間ｔ_１及びｔ_２を求めることだけが必要であり、これらの偏向は、振幅と“０”偏向（ミラーの静止位置）との間である。これらの測定から、△ｔ_Ａ＝ｔ_２−ｔ_１が算出される。

このような共振振動子の振動は、ミラーの静止位置に対して対称であることから、後述するように、任意の所望の時点ｔにおける振幅を含み、他の任意の偏向を算出するために、半波内においてこれら２つの値を求めると充分である。実用的な目的のためには、振幅の瞬時値を知ることは、この値が、最大振幅の所望の値を閉ループ制御するために用いられるため、大きな関心事である。

それぞれの測定がなされる際の偏向量は、静止位置と最大振幅との間に位置するように選択し得るが、この場合、これら２つの値及びそれらの直近の箇所が許容不可能又は測定に適さない状態である。

実際、測定がなされる際の偏向量は、特に、以下に述べる基準の１つに基づき選択される。即ち、
ａ）他の境界条件を考慮して測定誤差が最小である偏向、又は
ｂ）△ｔが映像標準の帰線消去間隔に対応すること、又は
ｃ）線形誤差が特定の大きさを超えない場合、範囲を制限する値。

本発明の手順に基づき、ミラー１における振動周期Ｔの長さの測定は、正弦波振動の後続の同様な象限内において、同一角度偏向における時間差ｔ_３−ｔ_１＝Ｔの２つの後続の測定によって行なわれる。図１及び２に示す例において、これらの値の測定は、正弦波振動の後続の象限Ｉにおいて行なわれる。

振幅測定及び周期測定に加えて、図１による装置は、更に、ラインミラーとして用いられる共振振動子において有用な走査角度を定義するようになっている。
例えば、図１の距離“ａ”の大きさは、測定が、最大振幅の８０％（β_１／βｍａｘ＝０．８）の偏向において共振振動ミラー上で行なわれるように設定される。このことは、図２の象限Ｉ及びＩＩにおいて太線が示すライン長に対応する。ミラー振動の最大振幅の２０％は、利用されない。この時４１％である消去間隔は、この角度範囲内に位置する。この時間の５９％は、ラインの書込みに用いられる。消去間隔が２０％であると、ラインを書込むために、角度部分β_１／βｍａｘ＝０．９５１＝９５．１％が用いられることになる。

このことによって、角度位置が次のようになる。即ち、ミラーの静止位置を中心にした振動のために、走査角度は、φ＝２｜β｜と算出される。振動周期Ｔを終える間、ミラーは、単位円を０から２πまで通過する。８０％において測定される時間差△ｔ_Ａ＝ｔ_２−ｔ_１は、βｍａｘを振動の最大振幅とすると、半波内において前記２つの条件β_１＝０．８βｍａｘ間で経過する時間に対応する。

周期Ｔを参照すると、時間差△ｔ_Ａは、△ｔ_Ａ＝△ｔ_ＡＴ／Ｔである。
単位円を参照すると、△ｔは、

が、単位円上で時間差△ｔ_Ａ内に網羅されたラジアンによる角度である場合、

のように更に適切に表現される。
△ｔ_Ａは、正弦波運動関数の共振振動ミラーの例では、π／２に対して対称であるため、次の関係が成り立つ。

（２）を（１）に代入すると、

又は、

となり、また、これと同様に、

ここで、

は、時点ｔ_１、ｔ_２・・・における単位円上のラジアンによる角度である。一般的に、単位円上の時点ｔ_ｘにおける各角度

は、それに割当てられた偏向角度β_ｘを有する。以下の計算の場合、単位円上の角度

は、偏向角度β_１に割当てられる。
８０％の有効ライン長Ｌが実現される例では、Ｌ＝０．８として、
β_１＝Ｌ＊βｍａｘ （４）
となる。これが意味することは、時点ｔ_１における単位円上の角度

の正弦が、Ｌに対応し、また、

が成立することである。従って、（３）は、

となる。
（４）及び（５）から、
β_１＝βｍａｘ＊ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）となり、βｍａｘを与えるように再構成すると、
βｍａｘ＝β_１／ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ） （６）
となる。

本発明による測定装置に基づき、有用な偏向角度β_１を固定角度αで置き換える。
レーザダイオード４の測定光３と、受光器６とミラー１との間の反射測定光５が延在する経路と、の間の角度は、ミラーの偏向により、以下の通りである。

α＝２β_１、即ち、β_１＝α／２
（６）にこれを代入すると、以下のようになる。
βｍａｘ＝α／｛２ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）｝
α＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）である場合、これによって、
βｍａｘ＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）／｛２ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）｝
ここで、βｍａｘは、共振振動子の正の振幅である（正の半波内）。

上述した測定及び計算は、共振振動子の正弦運動関数の第１及び第２象限、即ち、最初の半波に関して成立する。
共振振動子の運動関数の第１及び第２半波は、振動子の静止位置に対して対称に配置されるため、以下が成り立つ。即ち、
｜βｍａｘ｜＝｜−βｍａｘ｜
ここで、−βｍａｘは、第３及び第４象限における共振振動子の負の最大振幅である（負の半波内）。

最大正及び負最大振幅量の合計は、以下、走査角度φと呼ぶ。
φ＝｜βｍａｘ｜＋｜−βｍａｘ｜、即ち、φ＝２βｍａｘ、又は、φ＝＋／−βｍａｘ
従って、算出走査角度Φ_ＩＳＴは、時間差△ｔ_Ａの測定、即ち、ｔ_２及びｔ_１の測定から得られ、次のようになる。即ち、
Φ_ＩＳＴ＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）／ｓｉｎπ（１／２−△ｔ_Ａ／Ｔ）＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）／ｓｉｎπ｛１／２−（ｔ_２−ｔ_１）／Ｔ｝
上述の議論の結果は、振幅測定では、以下により充分なことである。即ち、
１．運動関数の時間過程ｆ（ｔ）を知ること、従って、周期を知ること、及び、
２．同じ又は異なる偏向における２つの定義された測定値間の時間差を求めること。

実際に用いる場合、通常、周期Ｔの測定が必要であるが、このことは、共振動作ミラーでは、それを一定であると見なし得ないためである。例えば、温度変動により、共振周波数が変化し、このため、ミラーの駆動周波数は、最大振幅を一定に維持するように調整する必要がある。ｔ_３が、時点ｔ_１に続く周期における偏向β_１を有する時点であるとすると、周期は、計算
Ｔ＝ｔ_３−ｔ_１
を用いて、１周期の象限Ｉにおける時間ｔ_１及び次の周期の象限Ｉにおける時間ｔ_３の測定から得られる。

しかしながら、図１に示す装置を実際に実現する場合、角度γを厳密に９０°に維持することは問題である。言い換えると、測定光３のビーム方向は、測定の追加誤差を回避するために、共振振動子のミラー面の静止位置における面法線と厳密に同じであることが要求される。

この問題は、装置の対称的な設計によって簡単に解決されるが、このことは、図３を参照して以下に述べる。
図３は、共振振動子の両方の半周期を測定光３の偏向に用いる測定装置を示す。この目的のために、図１の装置は、共振振動の負の半波を検出する更なる第２受光器７で補足される。

第２受光器７もまた、ミラー１から距離“ｂ”に配置されるが、レーザダイオード４の測定光３から距離“−ａ”に配置される。
図２と同様に、図４は、測定値が対応する正弦波振動を示す図である。

図１及び図２に関して行なわれる演算と同様に、

であり、以下を得る。

また、同様に、

ここで、

は、単位円上で時間差△ｔ_Ｂ内に網羅されるラジアンによる角度である。
△ｔ_Ａ及び△ｔ_Ｂのπに対する対称性並びに前記各値のπ／２又は３π／２に対する対称性のために、どの角度

又は

を、それぞれ、最大振幅βｍａｘ又は−βｍａｘの更なる計算に用いるかは、実際上、重要ではない。

しかしながら、実際には、このことは、両方の時間差△ｔ_Ａ及び△ｔ_Ｂを測定及び評価することによって行なわれる。時間差△ｔ_Ａ及び△ｔ_Ｂが等しいと分かった場合、このことによって、受光器６、７及びレーザダイオード４から構成される測定装置がミラー１に対して正しく調整されていることが証明される。

１周期内において時間測定結果△ｔ_Ａ及び△ｔ_Ｂ間に差異が存在する場合、この理由は、測定装置が、ミラーの面法線に対してその静止位置で対称に配置されていないということである。対称性は、測定された時間差△ｔ_Ａ及び△ｔ_Ｂが等しい場合に実現される。

ライン書込みのために測定光を偏向する実用的に証明された装置は、次のパラメータを有する。即ち、
ミラーの振動振幅βｍａｘが、３°であり、従って、φ＝６°である。このことにより、ライン開始はβ_１＝２．４°であり、ライン終端は−β_１＝−２．４°であるため、有効に用い得る走査角度は、４．８°である。

測定のために、受光ダイオードは、距離＋／−ａ＝＋／−６．００ｍｍ及びｂ＝７１．４５ｍｍに配置される。これによって、偏向β_１＝２．４°において、ライン開始が確実に検出される。

図５は、映像投射システムにおけるライン偏向用の共振振動ミラーが含まれる装置の概略図である。この装置は、共振振動ミラー１の駆動装置１４用の閉ループ制御回路と、電気信号ＶＩＤＥＯｉｎを有用な光ビーム１９の光信号に変換し、また、それをミラー１の瞬時角度位置βに対応させる映像信号処理ユニットと、から構成されている。

位相同期制御回路は、本発明によるトランスデューサによって形成され、また、レーザダイオード４、受光器６、７、評価電子回路、並びに、閉ループ制御手段１２、ミラー駆動装置１４、ミラー１の第１ミラー面、及び反射測定光５を含む。

映像信号処理ユニットは、映像電子回路１３、駆動電子回路１５、レーザ光源１６を含み、レーザ光源１６は変調可能である。映像電子回路１３自体は、演算回路１７及びメモリ１８を主構成要素として構成されている。

時間測定値に基づき、センサの評価電子回路１１は、瞬時振幅β_ＩＳＴと、水平偏向用の内部同期信号ＨＳＹＮＣｉｎｔとを提供する。瞬時振幅β_ＩＳＴの値は、閉ループ制御手段１２に供給される。信号ＨＳＹＮＣｉｎｔは、映像電子回路１３の演算回路１７に供給される。

時間測定値ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、・・・、及び、ミラーの正弦運動の振舞いから、演算回路１７は、各値ｄβに対するそれぞれの値を算出する。
一般的に、共振動作ミラーの関数β＝ａ＊ｓｉｎωｔを用いて、ｔからの微分を生成する。

ｖ＝β’＝ｄβ／ｄｔ＝ｄβ／（ａ＊ｃｏｓωｔ）
ｄｔに対して求める値は、ｄｔ＝ｄβ／（ａ＊ｃｏｓωｔ）である。
実際には、実現可能な値△βが、ｄβに対して定義され、例えば、角度△βは、画素の幅（又は、その一部）であり、△ｔに対するそれぞれの値が算出される。算出値△ｔは、メモリ１８に一時的に記憶されたＶＩＤＥＯｉｎ映像データの同期的読み出しに用いられる。同期入力信号ＳＹＮＣｉｎで時間に対して線形的にメモリ１８に読み込まれ記憶されたＶＩＤＥＯｉｎ映像データは、演算回路１７によって制御され、時間に対して非線形的に算出値△ｔに従って読み出され、ＶＩＤＥＯｏｕｔデータとして、駆動電子回路１５に転送される。駆動電子回路１５は、変調可能なレーザ光源１６を制御し、レーザ光源１６は、変調された有用なビーム１９を第２ミラー面９に発する。

ミラーの正弦波運動及び時間に対する非線形変調のために、形状的に線形なラインが、偏向された有用な光ビーム２０で生成される。従って、ミラーの正弦波の振舞いは、電子制御によって補正される。

図６は、正弦運動関数β＝ｆ（ｔ）のグラフ化した表現を示すが、余弦速度関数｜ｖ｜＝ｆ（ｔ）及び画素クロックＰ_Ｔ＝ｆ（ｔ）は、速度関数と対応している。
図６から明らかなように、画素クロックは、最初、画像点番号１，２，３，．．．と共に減少し、ラインの中央まで増加し、その後、再度、ラインの最終画像点まで増加する。画素クロックは、ミラーの速度に比例する。また、本質的なことは、メモリ１８がそのように構成されており、また、最初のラインの画像点が、最初の半周期において、順番１，２，３，．．．，ｎ−２，ｎ−１，ｎで読み出され、次のラインの画像点が、第２の半周期において、順番ｎ，ｎ−１，ｎ−２，．．．，３，２，１で読み出されるように、映像データが読み出されることである。太線で示す曲線部分は、ラインの書込み部分を表す。

消去間隔が長くなるように選択されると、ライン書込み時における偏向された有用なビームの速度の差異が、そして、その結果、ラインに沿う輝度の差異が小さくなる。
図７は、キャリア１０に取り付けられたレーザダイオード４及び受光器６、７を含む測定装置を示す断面図である。受光器６、７は、１つの面に位置し、レーザダイオードは、前記面に対して量ｈだけオフセットしている。量ｈは、レーザダイオードの動作とのあらゆる干渉を回避するために、反射測定光によるレーザダイオードの照射を防止するのに充分な程大きく便宜的に選択される。

図８は、測定装置の他の断面図を示す。この図から明らかなことは、ビーム方向を量ｈだけオフセットするように、測定光のビーム方向が、小さい角度δ／２＝ａｒｃｔａｎ（ｈ／ｂ）でミラーのミラー面に向いていることである。

図９は、Ａ―Ａに沿う断面で測定装置の平面図を示す。ここで明らかなことは、レンズが、レーザダイオードの光学経路に配置されており、このレンズは、受光器６、７が配置されている面に反射測定光を合焦させることである。

図１０は、図３のものに対応する測定装置を示し、ここで、測定光３の光軸２１と第１ミラー面８の静止位置との間の角度γは、６０°に等しい。その結果、角度γ’も６０°である。ここでも、受光器６、７は、振動軸２から距離“ａ”及び距離“ｂ”において光軸２１に対称に配置されている。

この構成によって、光線の傾きが無い、即ち、角度δがゼロの場合（比較のために、図８は角度δ＞０を示す）であっても、レーザダイオード４に達する戻り反射光は存在しない。レーザダイオード４及び受光器６、７を傾けることによって、装置の構造的な寸法は、低減される。

受光器が含まれる測定装置を示す図。 図１による測定装置に関する項目を表示した共振振動子の運動関数を示す図。 角度γ＝９０°の２つの受光器が含まれる測定装置を示す図。 図３による測定装置に関する項目を表示した共振振動子の運動関数を示す図。 図３による測定装置を有する共振振動子の制御を示す図。 画素クロックを概略的に表した共振振動子の運動関数及び速度関数を示す図。 レーザダイオード及び２つの受光器が含まれる装置を示す図。 図７によるレーザダイオード及び２つの受光器が含まれる装置を示す横断面図。 図７によるレーザダイオード及び２つの受光器が含まれる装置を示す上面図。 角度γ＝６０°の図３に相当する測定装置を示す図。

符号の説明

１・・・ミラー、２・・・振動軸、３・・・測定光、４・・・レーザダイオード、５・・・偏向測定光、６・・・受光器、７・・・受光器、８・・・第１ミラー面、９・・・第２ミラー面、１０・・・キャリア、１１・・・評価電子回路、１２・・・閉ループ制御手段、１３・・・映像電子回路、１４・・・駆動ユニット、１５・・・駆動電子回路、１６・・・変調可能なレーザ光源、１７・・・演算回路、１８・・・メモリ、１９・・・有用な光ビーム、２０・・・偏向された有用な光ビーム、２１・・・光軸

Claims (12)

1. 共振振動子の振幅を測定するための装置であって、
   駆動ユニット（１４）が振動軸（２）を中心に周期Ｔで振動させる第１ミラー面（８）を有する共振振動子と、
   第１ミラー面（８）に対向して配置され、また、第１ミラー面（８）に測定光（３）を発するレーザダイオード（４）であって、測定光（３）の光軸（２１）が、振動軸（２）と交差し、また、共振振動子の第１ミラー面（８）の静止位置を基準にして角度（γ）で延在する前記レーザダイオード（４）と、
   受光器が測定光（３）と偏向測定光（５）とによって画成される面内に配置されるように、測定光（３）の光軸（２１）から既知の距離”ａ”において、また、第１ミラー面（８）から既知の距離“ｂ”において、第１ミラー面（８）に対向して配置された第１受光器（６）であって、偏向測定光（５）は、振動の周期の象限（０、・・・、Ｔ／４又は０、・・・、π／２）内において、また、この周期の後続の象限（Ｔ／４、・・・、Ｔ／２又はπ／２、・・・、π）内において、受光器（６）上を移動する前記第１受光器（６）と、が含まれ、
   前記受光器（６）は、被照射状態の関数としてパルスを発生する評価電子回路（１１）に接続され、
   前記パルスは、共振振動子の偏向が、振動の最大振幅（ｎ＊２π＋π／２；ｎ＝０、１、２、３、・・・）でなく、また、振動のゼロ交差（ｎ＊π；ｎ＝０、１、２、３、・・・）でもない時点（ｔ１、ｔ２、・・・）で生成され、
   評価電子回路（１１）は、受光器（６）のパルスを用いて、時点（ｔ_１、ｔ_２）を算出し、また、これらを基に、半波内における２つの時間信号（ｔ_１、ｔ_２）間の時間間隔△ｔを△ｔ＝ｔ_２−ｔ_１として算出し、
   最大振幅の実際値は、評価電子回路（１１）において、式Φ_ＩＳＴ＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）／ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）に基づき算出される、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   第２受光器（７）が、測定光（３）と偏向測定光（５）とによって画成される面内において、測定光（３）の光軸（２１）を基準にして、第１受光器（６）に対称に配置されていることを特徴とする装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の装置であって、
   共振振動子は、有用な光を偏向するために第１ミラー面（８）に対向して配置された第２ミラー面（９）を有することを特徴とする装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の装置であって、
   第１ミラー面（８）に入射する測定光（３）及び偏向測定光（５）は、互いの間で角度（δ）を画成し、この角度は、偏向角度αに直交することを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、
   評価電子回路（１１）は、閉ループ制御手段（１２）に接続され、閉ループ制御手段（１２）は、共振振動子（ミラー１）のための駆動ユニット（１４）に接続されていることを特徴とする装置。
6. 請求項１又は請求項５に記載の装置であって、
   評価電子回路（１１）は、演算回路（１７）とメモリ（１８）とを含む映像電子回路（１３）に接続され、同映像電子回路（１３）は駆動電子回路（１５）に接続され、同駆動電子回路（１５）は変調可能なレーザ光源（１６）に接続されていることを特徴とする装置。
7. 共振振動子の振幅を測定するための方法であって、
   共振振動子を振動軸を中心に周期Ｔで振動させ、
   パルスを生成し、時点（ｔ_１、ｔ_２）を所定の偏向（β_１）に対して半波の各象限内において決定し、該所定の偏向は、振動の最大振幅（ｎ＊２π＋π／２；ｎ＝０、１、２、３、・・・）でなく、また、振動のゼロ交差（ｎ＊π；ｎ＝０、１、２、３、・・・）でもなく、
   時間間隔△ｔ＝ｔ_２−ｔ_１を半波内における時点（ｔ_１、ｔ_２）に基づき算出し、
   最大振幅の実際値を、式Φ_ＩＳＴ＝２β_１／ｓｉｎπ（１／２−△ｔ／Ｔ）に基づき算出する、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   測定及び計算を、振動の後続の周期において繰返し、
   所定の偏向（β_１）において２つの後続の周期内で測定される２つの時点（ｔ_１、ｔ_３）間の時間差に基づき、周期ＴをＴ＝ｔ_３−ｔ_１として算出することを特徴とする方法。
9. 請求項７又は請求項８に記載の方法であって、
   最大振幅の瞬時値を、共振振動子における最大振幅の所望の値を調整するための閉ループ制御手段（１２）に供給し、制御装置出力を閉ループ制御手段によって駆動ユニット（１４）に供給することを特徴とする方法。
10. 請求項７に記載の方法であって、
    角度２β_１の大きさを、算出される時間△ｔが、映像画像の後続ラインの書込み時における帰線消去間隔に対応するように設定することを特徴とする方法。
11. １つ又は複数の前述の請求項に記載の方法であって、
    パルスを、振動の周期内で、時点（ｔ_２、ｔ_４、ｔ_６、・・・）における第ＩＩ及び／又は第ＩＶ象限（１つ又は複数）内に生成し、前記パルスは、ラインの第１画素又は後続ラインの最終画素の書込み開始を提供することを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    瞬時に決定される運動関数の既知の振動曲線β＝ｆ（ｔ）＝β_ｍａｘｓｉｎ（ｔ_ｘ＊２π／Ｔ）に基づき、速度曲線の量が、|ｖ|＝ｆ（ｔ）＝ｖ_ｍａｘ｜ｃｏｓ（ｔ_ｘ＊２π／Ｔ）｜として算出され、画素クロックが、速度曲線から求められ、映像画像の画素幅を制御することを特徴とする方法。

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