JP2008224572A - Device and method for measuring deflection angle of optical deflection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光走査型の画像表示装置の光走査部品として使用される光偏向デバイスの性能を、高精度で測定するために用いられる光偏向デバイスの偏向角度測定装置及び偏向角度測定方法に関するものである。 The present invention relates to a deflection angle measuring apparatus and a deflection angle measuring method for an optical deflection device used for measuring the performance of an optical deflection device used as an optical scanning component of an optical scanning type image display apparatus with high accuracy. It is.
光走査型の画像表示装置は、レーザ光線等を水平方向に偏向する光偏向デバイスと、垂直方向に偏向する光偏向デバイスとを備え、それぞれの光偏向デバイスの駆動周波数を制御することによって光線を走査し、画像を形成する装置である。画像のちらつき(乱れ)をなくすために、これらの光偏向デバイスには駆動信号に対する振れ角が正確であることが求められ、振れ角にばらつきがあると画像がちらつくこととなる。 The optical scanning type image display apparatus includes an optical deflection device that deflects a laser beam or the like in the horizontal direction and an optical deflection device that deflects the beam in the vertical direction, and controls the driving frequency of each optical deflection device to emit the light beam. An apparatus that scans and forms an image. In order to eliminate the flicker (disturbance) of the image, these optical deflection devices are required to have an accurate shake angle with respect to the drive signal. If the shake angle varies, the image will flicker.
画像のちらつきは解像度と画角の関係により決まる。例えば解像度が800ドット×600ドット、画角を20°×15°とし、光偏向デバイスを水平方向(800ドット、20°)で使用する場合を想定すると、一般に画像のちらつきは1/4ドットの角度ばらつきで生ずるとされているので、画像のちらつきは20°/(800ドット×4)=0・00625°で生ずることとなる。このため、光偏向デバイスの偏向角度測定装置には、少なくとも0.01°の分解能が必要である。しかしこのような高分解能の偏向角度測定装置の開発は現状では困難であるため、本発明ではまず、最大振れ角0.5%の測定精度で測定できる技術の開発を目的とした。 Image flicker is determined by the relationship between resolution and angle of view. For example, assuming that the resolution is 800 dots × 600 dots, the angle of view is 20 ° × 15 °, and the light deflection device is used in the horizontal direction (800 dots, 20 °), the image flicker is generally 1/4 dot. Since it is supposed to be caused by angular variation, the image flickering occurs at 20 ° / (800 dots × 4) = 0.006255 °. For this reason, the deflection angle measuring apparatus of the optical deflection device needs to have a resolution of at least 0.01 °. However, since it is difficult to develop such a high-resolution deflection angle measuring apparatus at present, the present invention aims to develop a technique capable of measuring with a measurement accuracy of a maximum deflection angle of 0.5%.
このような光偏向デバイスの測定装置として、特許文献1には光偏向ミラーの光軸方向に光受光器を近接・離隔可能に設け、光偏向ミラーの偏向角に応じて光偏向ミラーと光受光器との距離を自動的に最適に制御しつつ、周波数応答特性を測定するものが開示されている。
As a measuring device for such an optical deflection device,
この特許文献1の発明の目的は、広いダイナミックレンジにわたって測定可能な装置を提供することであり、光偏向ミラーの偏向角が広い場合には光受光器を光偏向ミラーに接近させ、狭い場合には離隔させて振幅の測定を行う。しかし光受光器上のPSD素子(光位置検出素子)やCCD素子(電荷結合素子)の画素数は一定であるため、この装置では測定精度を0.5%にまで高めることは困難であると考えられる。
An object of the invention of this
また特許文献2には、光偏向ミラーの光軸上に受光器を固定し、反射光がこの受光器で受光されることによって発生するパルス信号を分析して最大振れ角を算出し、偏向角度測定を行う装置が開示されている。
In
しかしこの特許文献2の装置は受光器が光軸上に固定されているため、振動する光偏向ミラーからの反射光が最大スピードで受光器を横切る瞬間を測定することとなる。従って受光器の応答時間遅れ特性によって測定精度が大きく左右され、最大振れ角が大きくなるほど測定精度が低下すると考えられる。
従って本発明の目的は、最大振れ角の大小にかかわらず、最大振れ角の0.5%以下の測定精度で、光偏向デバイスの偏向角度や周波数特性を測定することができる光偏向デバイスの偏向角度測定装置及び偏向角度測定方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to deflect the optical deflection device capable of measuring the deflection angle and frequency characteristics of the optical deflection device with a measurement accuracy of 0.5% or less of the maximum deflection angle regardless of the maximum deflection angle. An angle measuring device and a deflection angle measuring method are provided.
上記の課題を解決するためになされた請求項1の発明は、光偏向デバイスの偏向角度を光センサにより測定する偏向角度測定装置であって、光偏向デバイスのミラー部にレーザ光線を発射するレーザ光源と、光偏向デバイスを駆動する駆動信号発生部と、光偏向デバイスのミラー部により反射されたレーザ光線を受光する光センサと、この光センサを反射光の振幅方向に移動できる光センサ位置制御部と、光センサのレーザ往復時間計測部と、演算制御部とからなり、光センサ位置制御部が最大振れ角の70%以上の位置に光センサを自動的に移動させる機能を備えたものであることを特徴とするものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
また請求項2の発明は、請求項1の発明において、演算制御部が、光センサのレーザ往復時間計測部からの信号を利用して光センサ位置を原点に復帰させる機能を備えたものであることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the arithmetic control unit has a function of returning the optical sensor position to the origin by using a signal from the laser round-trip time measuring unit of the optical sensor. It is characterized by this.
また請求項3の発明は、請求項1の発明において、光センサ位置制御部が、反射光の振幅方向に延びるレールと、このレール上で光センサを移動させるステッピングモータと、光センサの位置を出力するリニアエンコーダとを備えたものであることを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the optical sensor position controller includes a rail that extends in the amplitude direction of the reflected light, a stepping motor that moves the optical sensor on the rail, and the position of the optical sensor. And a linear encoder for output.
請求項4の発明は、請求項1記載の偏向角度測定装置を用いた光偏向デバイスの偏向角度測定方法であって、光偏向デバイスを駆動しながら光センサ位置を変更し、往復する反射光が光センサにより検出される時間間隔が周期の1/2となる原点位置を探し出す第1ステップと、駆動信号の電圧を高めて振れ角を大きくするとともに、最大振れ角の70%以上の位置まで光センサを移動させる第2ステップと、振れ角が最大となるように周波数を制御する第3ステップと、得られた最大振れ角の70%以上の位置まで光センサ位置を移動させる第4ステップと、その位置で再度振れ角の測定を行う第5ステップとからなることを特徴とするものである。 A fourth aspect of the invention is a method of measuring a deflection angle of an optical deflection device using the deflection angle measuring apparatus according to the first aspect, wherein the reflected light traveling back and forth is changed by changing the position of the optical sensor while driving the optical deflection device. First step to find the origin position where the time interval detected by the optical sensor is ½ of the period, and increase the drive signal voltage to increase the deflection angle and light up to the position of 70% or more of the maximum deflection angle A second step of moving the sensor, a third step of controlling the frequency so as to maximize the deflection angle, a fourth step of moving the optical sensor position to a position of 70% or more of the obtained maximum deflection angle, The fifth step is to measure the deflection angle again at that position.
また請求項5の発明は、請求項4の発明の第2ステップ及び第4ステップにおいて、光センサを最大振れ角の70%〜90%の位置に移動させることを特徴とするものである。
The invention of
また請求項6の発明は、請求項4の発明において、駆動信号発生部に加える電圧を変更し、第3ステップ〜第5ステップを繰り返すことを特徴とするものである。
The invention of
さらに請求項7の発明は、請求項4の発明において、最大振れ角をレーザ往復時間計測部からの時間信号を用いて演算することを特徴とするものである。
Further, the invention of
請求項1の発明によれば、光偏向デバイスを駆動させながら光偏向デバイスにレーザ光線を発射し、光センサ位置制御部が最大振れ角の70%以上の位置に光センサを自動的に移動させてレーザ往復時間計測を行う。このため光偏向デバイスの最大振れ角の大小にかかわらず、測定可能である。また最大振れ角の70%以上の位置では正弦波駆動される反射光の移動速度が低下するので、最大振れ角の0.5%以下の測定精度を確保することができる。 According to the first aspect of the present invention, a laser beam is emitted to the optical deflection device while driving the optical deflection device, and the optical sensor position control unit automatically moves the optical sensor to a position of 70% or more of the maximum deflection angle. To measure the laser round-trip time. Therefore, measurement is possible regardless of the maximum deflection angle of the optical deflection device. In addition, since the moving speed of reflected light driven by a sine wave decreases at a position of 70% or more of the maximum deflection angle, it is possible to ensure measurement accuracy of 0.5% or less of the maximum deflection angle.
請求項2の発明によれば、演算制御部が光センサのレーザ往復時間計測部からの信号を利用して光センサ位置を自動的に原点に復帰させる。このため従来の目視による場合よりもはるかに高い精度で原点出しを行うことができ、0.5%以下の測定精度を確保する上で効果的である。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、光センサ位置制御部が、反射光の振幅方向に延びるレール上で光センサをステッピングモータにより移動させ、リニアエンコーダでその位置を検出する。このため高い精度で光センサの位置を制御でき、0.5%以下の測定精度を確保する上で効果的である。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、原点位置を正確に探し出し、駆動信号発生部に所望の電圧を加え、振れ角が最大となるように周波数を制御したうえで最大振れ角の70%以上の位置まで光センサ位置を移動させ、その位置で振れ角の測定を行う。このようなステップを踏むことによって、最大振れ角の大小にかかわらず、最大振れ角の0.5%以下の測定精度で、光偏向デバイスの偏向角度や周波数特性を測定することができる。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、光センサを最大振れ角の70%〜90%の位置に移動させて測定を行う。この領域では正弦波駆動される光偏向デバイスからの反射光の移動速度が比較的遅く、レーザ往復時間計測に最適となる。このため0.5%以下の測定精度を確保する上で効果的である。
According to invention of
請求項6の発明によれば、駆動信号発生部に加える電圧を変更して計測を繰り返す。これにより様々な電圧における光偏向デバイスの特性計測が可能となる。
According to the invention of
請求項7の発明によれば、最大振れ角をレーザ往復時間計測部からの時間信号を用いて演算する。このため、光偏向デバイスを最大振幅位置まで移動させることなく、最大振れ角の測定を行うことができる。
According to the invention of
以下に本発明の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は本発明の光偏向デバイスの偏向角度測定装置の実施形態を示す斜視図であり、図2はその構成を示すブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a deflection angle measuring apparatus for an optical deflection device of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing the configuration thereof.
(装置構成)
図1において、1は測定対象となる光偏向デバイス、2はその側方に設置され光偏向デバイス1のミラー部に線状のレーザ光線を発射するレーザ光源である。レーザ光源2は第1ベース板3上に設置されており、測定対象となる光偏向デバイス1は第1ベース板3上にセットされる。図2に示されるように、光偏向デバイス1は電力増幅器4とファンクションジェネレータ5とからなる駆動信号発生部に接続されており、ファンクションジェネレータ5により生成される信号によって、光偏向デバイス1のミラー部が水平面内で駆動されるようになっている。
(Device configuration)
In FIG. 1,
光偏向デバイス1は駆動信号がゼロであるとき、即ちミラー部が原点にあるとき、レーザ光源2から発射されるレーザ光線に対してミラー部が45°の角度を取るように設置され、レーザ光線を直角方向に反射する。そしてミラー部が駆動されることによって、左右方向、即ち振幅方向にレーザ光線を反射する。
When the drive signal is zero, that is, when the mirror portion is at the origin, the
ベース板3に隣接して第2ベース板6が設けられており、その端部には光センサ7を搭載した光センサ位置制御部が設けられている。この光センサ位置制御部はレール8と、そのレール8上で光センサ7を移動させるステッピングモータ9と、光センサ7の位置を出力するリニアエンコーダ10とを備えたものである。レール8は光偏向デバイス1に向けて発射されるレーザ光源2に対して平行に、即ち反射光の振幅方向に設置されている。ステッピングモータ9はこのレール8の側方に設けられた送りねじ11を駆動し、光センサ7を搭載した台車12を移動させる。その移動手順の詳細については後述する。なお第2ベース板6は、光偏向デバイス1のミラー部の高さに対応させて、ベース板3よりもやや上方位置に設けられている。
A
光センサ7は光偏向デバイス1により反射されたレーザ光線を受光し、反射光が光センサ7を横切る時間をレーザ往復時間計測部(タイムインターバルアナライザ)13により測定する。上記したファンクションジェネレータ5、ステッピングモータ9、リニアエンコーダ10、レーザ往復時間計測部13は全て演算制御部(パソコン)14に接続され、演算制御部14の制御下において以下に説明する手順で光偏向デバイス1の偏向角度測定を行う。
The
(測定原理)
先ず本発明における測定原理を図3を用いて説明する。
本発明では、光偏向デバイス1をファンクションジェネレータ5によって正弦波駆動させながら、そのミラー部によってレーザ光線を反射させ、反射光が光センサ7を横切る時間をレーザ往復時間計測部13により測定する。図3中の正弦波のグラフは反射光の動きを示し、横軸が時間、縦軸がミラー部の振れ角である。ここでは仮に光センサ7が図示の線で示される位置にあるとする。
(Measurement principle)
First, the measurement principle in the present invention will be described with reference to FIG.
In the present invention, while the
光センサ7は、時間原点からt1を経過した瞬間に反射光の通過を検出し、その後T1を経過した瞬間及びT2を経過した瞬間にもそれぞれ反射光の通過を検出する。その反射光の移動周期はT1+T2であるから、光偏向デバイス1の駆動周波数(共振周波数)fは、f=1/(T1+T2)となる。また光偏向デバイス1の最大振れ角をA(deg)、光センサ7の配置位置をB(deg)とすると、B=Asin(2πft1)であるから、A=B/sin(2πft1)となり、t1=(1/4f)−(T1/2)という関係が成立する。本発明ではこれらの関係を利用し、光センサ7の位置Bを変化させながら反射光が通過する時間を測定し、共振周波数fや最大振れ角Aの値を精度良く測定する。
The
(具体的手順)
本発明の具体的手順は次の通りである。
最初に図1に示すように測定対象となる光偏向デバイス1をセッティングし、レーザ光源2からレーザ光線をミラー部に発射する。前記したように、ミラー部は駆動信号が入力されない初期状態ではレーザ光線に対して45°の角度でセットされるので、反射光は直角方向に向かう。しかしこの状態では、光センサ7の位置を正確にセットする必要はない。この状態では反射光は静止しているので、波形図は図4の通りである。
(Specific procedure)
The specific procedure of the present invention is as follows.
First, as shown in FIG. 1, the
(第1ステップ)
次に図5に示すように、駆動信号発生部から光偏向デバイス1に駆動信号を入力し,ミラー部を正弦波駆動させる。このとき適宜の振れ角が得られる周波数に駆動信号を調整する。この状態で往復する反射光の検出時間間隔であるT1とT2を測定し、ステッピングモータ9により光センサ7の位置を僅かずつ動かし、図6に示すようにT1=T2となる位置、すなわち往復する反射光の検出時間間隔T1とT2が周期fの1/2となる位置を探し出し、その位置を光センサ7の原点とする。なおここでは光センサ7の原点復帰を目的としているため、光偏向デバイス1の振れ角は小さくても差し支えない。
(First step)
Next, as shown in FIG. 5, a drive signal is input from the drive signal generator to the
従来の目視による原点位置の決定方法では、数100μm〜1mm程度の誤差が生ずる可能性があった。図7は原点位置ずれと測定誤差との関係を示すグラフであり、本発明における要求測定精度0.5%を達成するためには、原点位置ずれによる測定誤差を0.1%以内に抑えることが必要である。しかし目視によっては、原点位置ずれによる測定誤差が0.1%を越える可能性がある。これに対して上記した第1ステップの自動原点復帰法を取れば、原点位置ずれを数μm以下に抑えることができ、原点位置ずれによる測定誤差を0.1%以内に抑えることが可能となる。 In the conventional method for determining the origin position by visual observation, there is a possibility that an error of about several hundreds μm to 1 mm occurs. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the origin position deviation and the measurement error. In order to achieve the required measurement accuracy of 0.5% in the present invention, the measurement error due to the origin position deviation is suppressed to within 0.1%. is required. However, depending on the visual observation, there is a possibility that the measurement error due to the origin position deviation exceeds 0.1%. On the other hand, if the automatic origin return method of the first step described above is used, the origin position deviation can be suppressed to several μm or less, and the measurement error due to the origin position deviation can be suppressed to within 0.1%. .
(第2ステップ)
次に、図8に示すように光偏向デバイス1の駆動信号の電圧を高めて振れ角を大きくするとともに、光センサ7をステッピングモータ9により原点から動かす。駆動信号の電圧を高めるのは、光偏向デバイス1が実際に使用される状態での特性を測定するためであり、原点復帰用の低電圧よりも高い電圧が印加される。これによりミラー部の振れ角が拡大するので、光センサ7をステッピングモータ9により原点から適当な位置まで仮に移動させて、t1、T1、T2を測定し、前記したA=B/sin(2πft1)、t1=(1/4f)−(T1/2)の関係式からその電圧における最大振れ角Aを算出する。
(Second step)
Next, as shown in FIG. 8, the voltage of the drive signal of the
このようにしてその駆動信号条件下における最大振れ角Aを算出したのち、図9に示すようにその70%以上の角度位置までステッピングモータ9により光センサ7を自動的に移動させる。前記した自動原点復帰とともに、この点が本発明の重要ポイントであるので、その理由を説明する。
In this way, after calculating the maximum deflection angle A under the driving signal condition, the
本発明においては光センサ7を用いて反射光を検出するが、光センサ7の仕様として±50nsecの測定時間誤差が不可避的に生じる。このため反射光の移動速度が速い位置に光センサ7を設置して測定を行うと測定時間誤差に対応する反射光の移動距離が長くなり、測定誤差が大きくなるが、反射光の移動速度が遅い位置に光センサ7を設置して測定を行うと測定時間誤差に対応する反射光の移動距離は短くなり、測定誤差は減少する。
In the present invention, the reflected light is detected by using the
図10は光センサ7の測定誤差(ナノ秒)と、光センサ7の設置位置(最大振幅の何%の位置にあるかで表示)と、測定誤差との関係を示すグラフである。この図10から、測定誤差を0.5%以内に抑えるには光センサ7の設置位置を最大振幅の70%以上の位置にしなければならないことが分る。また図11は光センサ7の測定時間誤差を±50nsecとした場合の光センサ7の配置位置と測定誤差との関係を示すグラフであり、測定誤差を0.5%以内に抑えるには光センサ7の設置位置を最大振幅の70%以上の位置にしなければならないことが示されている。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the measurement error (nanosecond) of the
なお、光センサ7の設置位置を最大振幅の100%の位置とすると反射光の移動速度はゼロとなるため、光センサ7の測定時間誤差の影響はなくなる。しかし今度はレーザ往復時間計測部(タイムインターバルアナライザ)13の最小読み取り精度の影響を受ける。この実施形態ではレーザ往復時間計測部13の最小読み取り精度が100psec、光センサ7の読み取り誤差は50nsecである。光センサ7の設置位置はこれらの点を考慮し、最大振れ角に対して70%以上、好ましくは70%〜90%の位置とすることが好ましい。
Note that if the installation position of the
なお、光センサ7の設置位置を最大振れ角に対して例えば70%に設定するには、前記したT1、T2が下記の式を満足する位置まで、ステッピングモータ9により光センサ7を自動的に移動させればよい。このとき、光センサ7の正確な位置はリニアエンコーダ10により検出され、フィードバック制御が行われることはいうまでもない。
T1=〔2Arcsin(0.7)−π〕/2πf
T2=〔3π−2Arcsin(0.7)〕/2πf
In order to set the installation position of the
T 1 = [2 Arcsin (0.7) −π] / 2πf
T 2 = [3π-2Arcsin (0.7)] / 2πf
(第3ステップ)
上記の第2ステップにより光センサ7の設置位置を決定したのち、振れ角が最大となるように駆動周波数を制御する。光偏向デバイス1のミラー部の振れ角と駆動周波数fとの間には図12に示す関係があり、共振点付近では駆動周波数fを僅かに変えるだけで振れ角が大きく変化する。本発明では駆動周波数fを変更しながらT1、T2を測定し、振れ角が最大となる駆動周波数fを見極め、最大振れ角を測定する。振れ角が最大となるポイントは、T1とT2の差が最大となる点である。このように、なお最大振れ角もレーザ往復時間計測部13からの時間信号を用いて演算する。
(Third step)
After determining the installation position of the
(第4ステップ)
上記のようにして振れ角が最大となる駆動周波数fを決定したが、この段階では光センサ7は第2ステップにより定められた位置にある。そこで、その最大振れ角の70%以上となる位置まで再び光センサ7を移動させる。このように本発明では、最大振れ角の変化に応じて光センサ7を最適位置まで動かしながら測定を行う。
(4th step)
As described above, the drive frequency f at which the deflection angle is maximized is determined. At this stage, the
(第5ステップ)
以上の各ステップを実行することによって、光偏向デバイス1の最大振れ角とそのときの駆動周波数fが決定され、しかも光センサ7は最大振れ角の70%以上の位置にセットされた。そこで再度振れ角の測定を行えば、最大振れ角と、駆動周波数に対する振れ角(すなわち周波数応答特性)を0.5%以下の測定誤差で測定することが可能となる。この第5ステップの測定によって、光偏向デバイス1の性能を正確に評価することが可能となる。
(5th step)
By executing the above steps, the maximum deflection angle of the
なお、以上の説明では第2ステップ以降は設定電圧を一定としたまま測定を行ったが、電圧が変更された条件下における光偏向デバイス1の特性を測定する必要がある場合がある。その場合には第5ステップの終了後に駆動信号発生部に加える電圧を変更し、第3ステップ〜第5ステップを繰り返せばよい。
In the above description, the measurement is performed with the set voltage constant after the second step. However, there are cases where it is necessary to measure the characteristics of the
以上に説明したように、本発明では光センサ位置制御部が自動的な原点復帰動作を行い、また最大振れ角の70%以上の位置に光センサ7を自動的に移動させながら測定を行うので、従来は達成できなかった最大振れ角0.5%という高い測定精度で、光偏向デバイス1の性能評価を行うことができる。また本発明は受光器の応答時間遅れ特性及び最大振れ角を考慮して光センサ7を最適位置に移動させるので、最大振れ角が大きくなっても測定精度が低下することはない。
As described above, in the present invention, the optical sensor position control unit automatically performs an origin return operation, and performs measurement while automatically moving the
従って本発明によれば、最大振れ角の大小にかかわらず、最大振れ角の0.5%以下の測定精度で、光偏向デバイスの偏向角度や周波数特性を測定することができる。具体的には、光偏向デバイスの共振周波数を0.1Hzオーダーで測定可能であり、振れ角も0.1degオーダーで測定可能である。 Therefore, according to the present invention, the deflection angle and frequency characteristics of the optical deflection device can be measured with a measurement accuracy of 0.5% or less of the maximum deflection angle regardless of the maximum deflection angle. Specifically, the resonance frequency of the optical deflection device can be measured on the order of 0.1 Hz, and the deflection angle can also be measured on the order of 0.1 deg.
1 光偏向デバイス
2 レーザ光源
3 第1ベース板
4 電力増幅器
5 ファンクションジェネレータ
6 第2ベース板
7 光センサ
8 レール
9 ステッピングモータ
10 リニアエンコーダ
11 送りねじ
12 台車
13 レーザ往復時間計測部
14 演算制御部
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