JP2009139610A - 位置決め装置、レーザモジュールおよび画像出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウォブリングを行っても、出力に干渉やちらつき、振動など発生しない位置決め装置を提供する。
【解決手段】駆動装置によって移動させられる移動部材と、移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、検出出力に応じて駆動装置を制御する制御手段とを有する位置決め装置において、制御手段は、ランダムな周期で、移動部材を所定の微少量だけ前後に移動させて、検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、ウォブリング制御における検出出力の偏差に比例して移動部材を移動させる調芯制御とを行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、位置決め装置、レーザモジュールおよび画像出力装置に関する。

例えば、特許文献１に、レーザ発振器などの投光部から発せられたレーザ光をレンズなどの光学部材（移動部材）によって、光ファイバのような受光部材に芯合わせして導くレーザ装置が記載されている。特許文献１では、光学部材を一定振幅で微小振動させ、光ファイバにおけるレーザ光の強度の変化を測定して、レーザ光の芯ずれ量を検出するウォブリング（wobbling）を行い、レーザ光を光ファイバに対して位置決めしている。

ウォブリングを行ってレーザ光を調芯するレーザモジュールを光源とするプロジェクタのような画像出力装置では、定期的に実施されるウォブリングによって、画像にちらつきや干渉パターンが生じることがある。また、ウォブリング周期が装置の固有振動数に一致すると大きな振動を生じる可能性もある。

特開２００３−３３８７９５号公報 特開平６−２６５７５９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、ウォブリングを行っても、出力に干渉やちらつき、振動など発生しない位置決め装置、レーザモジュールおよび画像出力装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による位置決め装置の第１の態様は、駆動装置によって移動させられる移動部材と、前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、前記検出出力に応じて前記駆動装置を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、ランダムな周期で、前記移動部材を所定の微少量だけ前後に移動させ、前記検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、前記ウォブリング制御における前記検出出力の偏差に比例して前記移動部材を移動させる調芯制御とを行うものとする。

この構成によれば、ウォブリングの周期がランダムであるため、ウォブリングの微動が共振や干渉によって顕在化しない。

また、本発明の第１の態様の位置決め装置において、前記ランダムな周期は、ＰＮ系列符号パターンで決定してもよい。

この構成によれば、通常のマイコン制御によって容易に実現できる。

また、本発明による位置決め装置の第２の態様は、駆動装置によって移動させられる移動部材と、前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、前記検出出力に応じて前記駆動装置を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、一定の周期で、前記移動部材を所定の微少量だけ、現在の位置を基準に正負いずれかの方向にランダムに、２回移動させ、前記２回の移動時の前記検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、前記ウォブリング制御における前記検出出力の偏差に比例して前記移動部材を移動させる調芯制御とを行うものとする。

この構成によれば、ウォブリングの微動の方向がランダムであるので、微動の影響が互いに打ち消し合い、共振や干渉によって悪影響を与えない。

また、本発明の第２の態様の位置決め装置において、前記微少量の移動方向は、ＰＮ系列符号パターンで決定してもよい。

この構成によれば、通常のマイコン制御によって容易に実現できる。

また、本発明による位置決め装置の第３の態様は、駆動装置によって移動させられる移動部材と、前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、前記検出出力に応じて前記駆動装置を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、一定の周期で、前記移動部材を所定の微少量だけ、現在の位置を基準に、ランダムな順番で正負両方向に移動させ、前記正負両方向の移動時の前記検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、前記ウォブリング制御における前記検出出力の偏差に比例して前記移動部材を移動させる調芯制御とを行うものとする。

この構成によっても、ウォブリングの微動の方向がランダムであるので、微動の影響が互いに打ち消し合い、共振や干渉などによって悪影響を与えない。

また、本発明によるレーザモジュールは、前記第１から第３の態様の位置決め装置のいずれかを有し、前記位置決め装置の前記移動部材はレーザ光を受光部材に対して位置決めする光学部材を含み、前記位置決め装置の前記位置検出手段は、前記受光部材の出力を検出するセンサであるものとする。

この構成によれば、ウォブリングによるレーザ光の調芯が、出力光に干渉パターンやちらつきを生じさせない。

また、本発明による画像出力装置は、前記レーザモジュールを有するものとする。

この構成によれば、出力画像にちらつきや干渉パターンが生じない。

本発明によれば、位置決めのウォブリングをランダムな周期またはランダムな方向に行うので、ウォブリング動作による共振や干渉を防止できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態のプロジェクタ（画像出力装置）１の概略を示す。プロジェクタ１は、レーザ光を発生するレーザダイオード２と、固定された投光レンズ３と、駆動装置４によってレーザ光に直交するＸ−Ｙの２方向に移動可能な移動レンズ（移動部材）５と、レーザ光が投光レンズ３および移動レンズ５を介して入射する第二高調波発生素子（Second Harmonic Generation）６と、第二高調波発生素子６の出力を拡大して射出する射出レンズ７と、縦横に配列されてそれぞれ姿勢制御される多数の反射鏡を備えるデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）８と、第二高調波発生素子６の出力を分光するハーフミラー９と、分光した第二高調波発生素子６の出力レベルを電圧信号（検出出力）に変換するパワーモニタ（位置検出手段）１０と、パワーモニタ１０の検出出力に応じて、移動レンズ４をＹ−Ｙ方向に移動させる制御回路（制御手段）１１とを有している。デジタルミラーデバイス８によって反射された出力光は、スクリーン１２に投影されて画像を映し出す。

第二高調波発生素子６は、受光部の口径が１〜３μｍ程度である。移動レンズ５は、レーザ光を第二高調波発生素子６の受光部と同程度の径になるように集光するとともに、第二高調波発生素子６の受光部の中心にレーザ光の光軸を芯合わせする。移動レンズ５によってレーザ光の光軸が第二高調波発生素子６の中心に一致している場合、レーザ光のエネルギーが全て第二高調波発生素子６に入力されるので、第二高調波発生素子６の出力が最大になり、パワーモニタ１０の検出出力も最大になる。

図２に、移動レンズ５を駆動する駆動装置４の構成を示す。駆動装置４は、筐体１３に固定されたＸ軸アクチュエータ１４と、Ｘ軸アクチュエータ１４によってＸ軸方向に移動させられ、Ｙ軸方向に移動レンズ５を移動させるＹ軸アクチュエータ１５とからなっている。Ｘ軸アクチュエータ１４は、筐体１３に一端が固定され、電圧が印加されるとＸ軸方向に伸縮するＸ軸圧電素子１６と、Ｘ軸圧電素子１６の伸縮によってＸ軸方向に往復移動するＸ軸駆動軸１７と、Ｘ軸駆動軸１７に摩擦係合するＸ軸摩擦係合部材１８と、Ｘ軸駆動軸１７の先端に設けられたＸ軸ストッパ１９とからなる。Ｙ軸アクチュエータ１５は、Ｘ軸摩擦係合部材１８に一端が固定され、電圧が印加されるとＹ軸方向に伸縮するＹ軸圧電素子２０と、Ｙ軸圧電素子２０の伸縮によってＹ軸方向に往復移動するＹ軸駆動軸２１と、Ｙ軸駆動軸２１に摩擦係合するＹ軸摩擦係合部材２２と、Ｙ軸駆動軸２１の先端に設けられたＹ軸ストッパ２３とからなり、Ｙ軸摩擦係合部材２２が移動レンズ５を保持している。Ｘ軸摩擦係合部材１８は、Ｘ軸圧電素子１６とＸ軸ストッパ１９との間を可動範囲として移動可能であり、Ｙ軸摩擦係合部材２２は、Ｙ軸圧電素子２０とＹ軸ストッパ２３との間を可動範囲として移動可能である。

図３に、制御回路１１の構成を示す。制御回路１１は、パワーモニタ１０の検出出力を増幅する増幅器２４と、増幅した検出出力のノイズ成分を除去するローパスフィルタ２５と、検出出力をディジタルに変換するＡ／Ｄ変換器２６と、プログラム制御されるマイコンからなり、検出出力を基にＸ軸アクチュエータ１４およびＹ軸アクチュエータ１５の駆動量を定める制御装置２７と、制御装置２７が決定した駆動量に応じた駆動電圧波形をそれぞれ生成するＸ軸パルス幅変調器２８およびＹ軸パルス変調器２９と、Ｘ軸パルス幅変調器２８およびＹ軸パルス変調器２９が生成した駆動電圧波形をそれぞれ増幅するＸ軸増幅器３０およびＹ軸増幅器３１とを有する。

図４に、制御装置２７による制御の流れを示す。先ず、制御装置２７は、ディジタル変換されたパワーモニタ１０の検出出力が予め定めた閾値以下であるかどうかを監視し、検出出力が閾値以下になったときに、駆動装置４を駆動する制御を行う。検出出力が閾値以下になると、制御装置２７は、０〜９９９９の整数の乱数Ｎを発生させる。そして、発生した乱数Ｎをタイマにセットし、Ｎミリ秒経過するのを待ってから駆動装置４のＸ軸アクチュエータ１４を駆動して、移動レンズ５を所定の微少量だけＸ方向に前進させてから元の位置に戻し、さらに、移動レンズ５を所定の微少量だけＸ方向に後退させてから元の位置に戻し、前進時および後退時の検出出力の偏差（位相検波出力）を検出するウォブリング（wobbling）を行う。制御装置２７は、ウォブリング時の検出出力の偏差に所定の計数を乗じてＸ軸アクチュエータ１４に印加すべき駆動電圧のパルス数を算出し、Ｘ軸パルス幅変調器２８に駆動方向によってデューティ比の異なる駆動波形を形成させることで、移動レンズ５をＸ方向に移動させる（調芯制御）。

こうして、Ｘ軸アクチュエータ１４の駆動が完了すると、制御装置２７は、再び０〜９９９９の整数の乱数Ｎを発生させ、Ｎミリ秒経過するのを待ってから、Ｙ軸アクチュエータ１５を微少量だけ前後に駆動するウォブリングを行う。そして、ウォブリング時の検出出力の偏差に比例してＹ軸アクチュエータ１５を駆動し、移動レンズ５をＹ方向に移動させる調芯制御を行う。こうして、Ｘ方向およびＹ方向に移動レンズ５をＸ方向に移動させたなら、プロジェクタ１が稼働中である場合は、最初に戻って、パワーモニタ１０の検出出力を監視し、検出出力が閾値より大きくなっていなければ、続けて、Ｘ方向およびＹ方向に、ウォブリング制御および調芯制御を繰り返す。

図５に、移動レンズ５の位置に対する、パワーモニタ１０の検出出力のプロファイルと、移動レンズ５を所定の微小量順送りしたときと所定の微小量逆送りしたときとの検出出力の差分である位相検波出力のプロファイルとを示す。この図は、Ｘ方向でもＹ方向でも同様である。パワーモニタ１０の検出出力のプロファイルは、移動レンズ５が位置がレーザ光の光軸中心を第二次高調波発生素子６の中心に合致させるとき、パワーモニタ１０の検出出力は最大となるガウス分布を示す。ウォブリングによる位相検波出力のプロファイルは、移動レンズ５によって位置決めされるレーザ光の光軸中心が第二次高調波発生素子６の中心近傍にあるとき、レーザ光の第二次高調波発生素子６に対するずれ量に略比例する。

よって、図６に示すように、現在の位置Ｐを基準に、移動レンズ５を所定の微小量（例えば２パルス）順送りしたときと、移動レンズ５を同じ量（例えば２パルス）逆送りしたときと所定量逆送りしたとき（ウォブリング時）との検出出力偏差（図中のハッチング領域の面積で算出）は、レーザ光の光軸中心が第二次高調波発生素子６の中心に一致する位置に対する移動レンズ５のずれ量に比例する。よって、制御回路１１は、位相検波出力（検出出力の偏差）に比例した駆動パルスを駆動装置４に入力することで、レーザ光を第二次高調波発生素子６に調芯できる（調芯制御）。

図７に、以上の制御による駆動装置４のＸ軸アクチュエータ１４およびＹ軸アクチュエータ１５にそれぞれ印加される駆動電圧の波形を例示する。図において、長周期で１サイクルの電圧変位がウォブリング制御によるもので、短周で連続する電圧変位が調芯制御によるものである。図示するように、乱数Ｎの値（Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３，Ｎ_４，Ｎ_５，Ｎ_６…）は、ランダムに変化するので、ウォブリング制御および調芯制御の実行されるタイミングが不定期になる。ウォブリングを行うと、レーザ光の出力が僅かに変動し、スクリーン１２に投影されている影像の明るさが変動するが、明るさの変動が不定期であれば観者には知覚され難い。また、レーザ光の変動がスクリーン１２の投影画像上に干渉パターンを形成したり、共振によってプロジェクタ１を大きく振動させることもない。

続いて、図８に、本発明の第２実施形態のプロジェクタ１の制御装置２７の制御の流れを示す。本実施形態は、第１実施形態と制御装置２７のプログラムが異なるだけであるので重複する説明は省略する。本実施形態でも、パワーモニタ１０の検出出力が低いと、乱数Ｎを発生し、Ｎミリ秒待機してからウォブリング制御および調芯制御を行うが、乱数Ｎが偶数であればＸ軸アクチュエータ１４を駆動するウォブリング制御および調芯制御を行い、乱数Ｎが奇数であれば、Ｙ軸アクチュエータ１５を駆動するウォブリング制御および調芯制御を行う。

図９に、本実施形態の駆動電圧波形を例示する。このように、ウォブリング制御および調芯制御を行う間隔だけでなく、Ｘ，Ｙいずれの方向に駆動するかもランダム化したことで、画像の干渉やちらつき、および、装置の振動をより確実に防止できる。

図１０に、本発明の第３実施形態のプロジェクタ１の制御装置２７の制御の流れを示す。本実施形態も、第１実施形態と制御装置２７のプログラムが異なるだけである。本実施形態では、パワーモニタ１０の検出出力が閾値以下の場合、８桁のＰＮ系列符号を取得する。制御装置２７は、ＰＮ系列符号を取得したなら、例えば、４０ミリ秒経過するのを待ち、ＰＮ系列符号が所定の配列（例えば１６進表記でＦＥ）であれば、Ｘ軸アクチュエータ１４を駆動してＸ方向のウォブリング制御および調芯制御を行い、ＰＮ系列符号が所定の配列（例えば１６進表記でＦＦ）であれば、Ｙ軸アクチュエータ１５を駆動してＹ方向のウォブリング制御および調芯制御を行う。ＰＮ系列符号は、１または０がランダムに出力される符号列であり、通常、マイコンの内部関数として用意されているため、演算負荷が低い。

さらに、図１１に、本発明の第４実施形態のプロジェクタ１の制御装置２７の制御の流れを示す。本実施形態も、第１実施形態と制御装置２７のプログラムが異なるだけである。本実施形態では、図１２に示すように、パワーモニタ１０の検出出力が閾値以下であれば、所定の周期Ｔ毎に、Ｘ方向とＹ方向とに交互に、ウォブリング制御および調芯制御が行われる。しかしながら、本実施形態では、２桁のＰＮ系列符号を取得し、各ビットが１であれば正方向、０であれば負方向として、ウォブリング時の２回の微小駆動の方向をそれぞれランダムに決定している。

本実施形態では、取得したＰＮ系列符号が（０，０）または（１，１）の場合、ウォブリング時には同一方向に微小駆動されるので、パワーモニタ１０の検出出力の偏差が０になる。この結果、続いて行われる調芯制御は、駆動パルス電圧を出力することなく終了する。また、取得したＰＮ系列符号が（０，１）または（１，０）の場合、ウォブリング時にレーザ光の芯ずれ量に比例した位相検波出力（検出出力の偏差）が得られるので、直後の調芯制御では、位相検波出力に比例する数の駆動パルスが出力される。

本実施形態では、ウォブリングの周期は一定であるが、その方向がランダムであるので、全体的に見ると、ウォブリングによる周期的な光量の変化や振動の方向が互いに打ち消し合うため、観者に知覚可能な干渉パターンやちらつき、装置の振動などを発生させない。

本実施形態では、２桁のＰＮ系列符号を取得してウォブリング時の微小駆動の方向を決定したが、１桁のＰＮ系列符号を取得して、０および１を、正・負の順番の微小駆動によるウォブリングおよび負・正の順番の微小駆動によるウォブリングに対応させてもよい。また、３桁のＰＮ系列符号を取得して、上位の１桁をＸまたはＹを示す符号として取り扱い、Ｘ，Ｙいずれの方向にウォブリング制御および調芯制御をするかもランダム化してもよい。

本発明の第１実施形態のプロジェクタの概略構成図。 図１のプロジェクタの駆動装置の詳細構成図。 図１のプロジェクタの駆動回路の詳細構成図。 図３の駆動回路の制御装置の制御のフローチャート。 図１のプロジェクタの移動レンズの変位に伴う検出出力と位相検波出力のプロファイルを示すグラフ。 図１のプロジェクタのウォブリングによるレーザ光の調芯原理を示す図。 図１のプロジェクタの駆動電圧波形を例示するチャート。 本発明の第２実施形態のプロジェクタの制御のフローチャート。 図８の制御による駆動電圧波形を例示するチャート。 本発明の第３実施形態のプロジェクタの制御のフローチャート。 本発明の第４実施形態のプロジェクタの制御のフローチャート。 図１１の制御による駆動電圧波形を例示するチャート。

符号の説明

１…プロジェクタ
２…レーザダイオード
４…駆動装置
５…移動レンズ
６…第二次高調波発生素子（受光部材）
１０…パワーモニタ（位置検出手段）
１１…駆動回路
２７…制御装置（制御手段）

Claims (7)

1. 駆動装置によって移動させられる移動部材と、
   前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、
   前記検出出力に応じて前記駆動装置を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、ランダムな周期で前記移動部材を所定の微少量だけ前後に移動させて、前記検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、前記ウォブリング制御における前記検出出力の偏差に比例して前記移動部材を移動させる調芯制御とを行うことを特徴とする位置決め装置。
2. 前記ランダムな周期は、ＰＮ系列符号パターンで決定することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 駆動装置によって移動させられる移動部材と、
   前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、
   前記検出出力に応じて前記駆動装置を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、一定の周期で、前記移動部材を所定の微少量だけ、現在の位置を基準に正負いずれかの方向にランダムに、２回移動させ、前記２回の移動時の前記検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、前記ウォブリング制御における前記検出出力の偏差に比例して前記移動部材を移動させる調芯制御とを行うことを特徴とする位置決め装置。
4. 前記微少量の移動方向は、ＰＮ系列符号パターンで決定することを特徴とする請求項３に記載の位置決め装置。
5. 駆動装置によって移動させられる移動部材と、
   前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段と、
   前記検出出力に応じて前記駆動装置を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、一定の周期で、前記移動部材を所定の微少量だけ、現在の位置を基準に、ランダムな順番で正負両方向に移動させ、前記正負両方向の移動時の前記検出出力の偏差を検出するウォブリング制御と、前記ウォブリング制御における前記検出出力の偏差に比例して前記移動部材を移動させる調芯制御とを行うことを特徴とする位置決め装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の位置決め装置を有し、
   前記位置決め装置の前記移動部材はレーザ光を受光部材に対して位置決めする光学部材を含み、
   前記位置決め装置の前記位置検出手段は、前記受光部材の出力を検出するセンサであることを特徴とするレーザモジュール。
7. 請求項６に記載のレーザモジュールを有することを特徴とする画像出力装置。

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