JP2024007815A - ミラー駆動装置、光源装置、光走査装置、補正方法 - Google Patents

ミラー駆動装置、光源装置、光走査装置、補正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】駆動条件や環境温度によらず、ミラーと光源の応答時間や駆動制御の遅延を精度良く補正することができるミラー駆動装置を提供する。【解決手段】本発明のミラー駆動装置10は、MEMSミラー20と、MEMSミラー20に駆動信号を出力して駆動させるMEMS駆動部30と、MEMSミラー20の振れ角に対応したセンサ信号を出力するMEMSセンサ部40と、MEMSセンサ部40と同一の応答遅延時間を有するMEMSセンサ補正回路126と、MEMSセンサ補正回路126に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する遅延処理部110を備えている。【選択図】図1

Description

本発明は、MEMSミラーを駆動させるミラー駆動装置、光源を発光させる光源装置、当該ミラー駆動装置及び当該光源装置を備える光走査装置、ミラー駆動タイミングの補正方法、光源駆動タイミングの補正方法に関する。
従来、光を走査して映像を投影する光偏向器において、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術で製造されたミラー部を有するものが知られている。投影の際、光源は、ミラー部の変位に応じて点灯又は消灯するように制御している。
また、ミラー部の駆動信号に対する応答の遅延、そして光源の制御信号に対する応答の遅延を各種センサによって検出し、遅延を補正する技術もよく知られている。
例えば、特許文献1の画像投影装置は、筐体の内部にLDモジュール、光走査部及び光学系の他、補償回路、光センサ及び温度センサを備えている。光学系は、3つの反射ミラー、凹面ミラーからなる。
補償回路の検出部は、光センサによって検出された第1のピクセル(レーザ光の水平走査の往路において、光センサによって検出されたピクセル)の所望値からのずれと、光センサによって検出された第2のピクセル(同復路往路において、光センサによって検出されたピクセル)の所望値からのずれに応じて、レーザ光の水平走査方向の位相ずれと、MEMSミラーの振れ角変動をそれぞれ検出している(特許文献1/段落0016,0026,0027,0036、図2,図4)。
特許第6978659号
ミラー部の駆動とレーザ光の点灯タイミングを補正するためには、まず光センサでレーザ光を検出し、その情報を元にレーザ光の点灯タイミングを調整する必要がある。ここで、ミラー部の駆動状態を検出するセンサから取得されるミラーの駆動状態の情報には、センサ自体の応答の遅れが含まれる。
同様に、レーザ光の点灯タイミングを検出するセンサから取得される点灯タイミングの情報には、センサ自体の応答の遅れが含まれる。
また、光センサやセンサ回路は個別の応答特性を有しており、当該応答の遅れは、装置の動作周波数や環境温度によっても変動することがある。そのため、その変動が点灯タイミングの補正に影響を及ぼすことがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動条件や環境温度によらず、ミラーと光源の応答時間や駆動制御の遅延を精度良く補正することができるミラー駆動装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のミラー駆動装置は、光を走査するミラーを有する光走査器と、前記光走査器に駆動信号を出力して駆動させる光走査器駆動部と、前記光走査器の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力する光走査器センサ部と、前記光走査器センサ部と同一の応答遅延時間を有する光走査器センサ補正部と、前記光走査器センサ補正部に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する遅延処理部と、を備えていることを特徴とする。
本発明のミラー駆動装置は、光走査器を駆動させて光を走査する。ここで、ミラー駆動装置は、光走査器センサ部と、光走査器センサ補正部と、遅延処理部を備えている。光走査器センサ部は、光走査器(ミラー)の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力するので、動作中のミラーの振れ角を検出することができる。
遅延処理部は、光走査器センサ補正部に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する。光走査器センサ補正部は、光走査器センサ部と同一の応答遅延時間を有している。ここでいう「同一の応答遅延時間」は完全に同一の時間に限られず、実質的に同一の時間が含まれる。
遅延処理部により演算された遅延時間を利用することで、駆動条件や環境温度によらず、光走査器の応答時間の遅延を精度良く補正することができる。
また、本発明の光源装置は、光源と、前記光源に駆動信号を出力して発光させる光源駆動部と、前記光源からの光を検出して光センサ信号を出力する光センサ部と、前記光センサ部と同一の応答遅延時間を有する光センサ補正部と、前記光センサ補正部に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する遅延処理部と、を備えていることを特徴とする。
本発明の光源装置は、光源駆動部が光源に対して駆動信号を出力して発光させる。光源装置は、光センサ部と、光センサ補正部と、遅延処理部を備えている。光センサ部は、光源からの光を検出して光センサ信号を出力するので、発光のタイミングを検出することができる。
遅延処理部は、光センサ補正部に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する。光センサ補正部は、光センサ部と同一の応答遅延時間を有しているため、遅延処理部により演算された遅延時間を利用することで、駆動条件や環境温度によらず、光源の応答時間の遅延を精度良く補正することができる。
また、本発明の光走査装置は、
光を走査するミラーを有する光走査器と、前記光走査器に駆動信号を出力して駆動させる光走査器駆動部と、前記光走査器の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力する光走査器センサ部と、前記光走査器センサ部と同一の応答遅延時間を有する光走査器センサ補正部と、
光源と、前記光源に光源駆動信号を出力して発光させる光源駆動部と、前記光源からの光を検出して光センサ信号を出力する光センサ部と、前記光センサ部と同一の応答遅延時間を有する光センサ補正部と、前記光走査器センサ補正部と前記光センサ補正部の少なくとも何れか一方に遅延検出信号を入力し、それぞれに対する出力の遅延を演算する遅延処理部と、を備えていることを特徴とする。
本発明の光走査装置は、光走査器駆動部で光走査器を駆動させて、光源からの光を走査する。光走査器センサ部は、光走査器(ミラー)の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力するので、動作中のミラーの振れ角を検出することができる。また、光センサ部は、光源からの光を検出して光センサ信号を出力するので、発光のタイミングを検出することができる。
遅延処理部は、光走査器センサ補正部と光センサ補正部の少なくとも何れか一方に遅延検出信号を入力し、それぞれに対する出力の遅延を演算する。ここで、光走査器センサ補正部、光センサ補正部は、それぞれ光走査器センサ部、光センサ部と同一の応答遅延時間を有しているため、演算した遅延時間を利用して補正を行う。すなわち、駆動条件や環境温度によらず、光走査器と光源の応答時間や駆動制御の遅延を精度良く補正することができる。
また、本発明のミラー駆動タイミングの補正方法は、光を走査するミラーを有する光走査器と、前記光走査器に光走査器駆動信号を出力して駆動させる光走査器駆動部と、前記光走査器の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力する光走査器センサ部とを備えた装置のミラー駆動タイミングの補正方法であって、
前記光走査器駆動信号の出力から前記光走査器センサ信号の出力までの時間を取得するステップと、前記光走査器センサ部による応答遅延を再現した光走査器センサ再現応答遅延時間を取得するステップと、前記光走査器センサ再現応答遅延時間を、前記光走査器駆動信号の出力から前記光走査器センサ信号の出力までの時間より減ずることで、前記光走査器が前記光走査器駆動信号に対応した振れ角に達するまでの応答時間を算出するステップと、を有することを特徴とする。
本発明のミラー駆動タイミングの補正方法では、まず、光走査器駆動信号が出力されてから光走査器センサ信号が出力されるまでの時間(時間T1)を取得する。次いで、光走査器センサ部による応答遅延を再現した光走査器センサ再現応答遅延時間(時間T2)を取得する。
最後に、光走査器センサ再現応答遅延時間(時間T2)を、光走査器駆動信号が出力されてから前記光走査器センサ信号が出力されるまでの時間(時間T1)より減ずる。これにより、光走査器(ミラー)が光走査器駆動信号に対応した振れ角に達するまでの応答時間(時間T1-T2)を算出することができるので、駆動条件や環境温度によらず、光走査器の応答時間の遅延を精度良く補正することができる。
また、本発明の光源駆動タイミングの補正方法は、光源と、前記光源に光源駆動信号を出力して発光させる光源駆動部と、前記光源からの光を検出して光センサ信号を出力する光センサ部とを備えた装置の光源駆動タイミングの補正方法であって、
前記光源駆動信号の出力から前記光走査器センサ信号の出力までの時間を取得するステップと、前記光センサ部による応答遅延を再現した光センサ再現応答遅延時間を取得するステップと、前記光センサ再現応答遅延時間を、前記光源駆動信号の出力から前記光センサ信号の出力までの遅延時間より減ずることで、前記光源が前記光源駆動信号によって発光するまでの応答時間を算出するステップと、を有することを特徴とする。
本発明の光源駆動タイミングの補正方法では、まず、光走査器駆動信号の出力から光走査器センサ信号が出力されるまでの時間(時間T3)を取得する。次いで、光センサ部による応答遅延を再現した光センサ再現応答遅延時間(時間T4)を取得する。
最後に、光センサ再現応答遅延時間(時間T4)を、光走査器駆動信号の出力から光走査器センサ信号が出力されるまでの時間(時間T3)より減ずる。これにより、光源が前記光源駆動信号によって発光するまでの応答時間(時間T3-T4)を算出することができるので、駆動条件や環境温度によらず、光源の応答時間の遅延を精度良く補正することができる。
本発明の光走査装置の概略図である。 光走査装置の光学系のブロック図である。 遅延処理部とセンサ補正部の詳細を説明する図である。 本発明の光走査装置(変更形態)の概略図である。
以下では、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付して説明する。
[実施形態]
図1は、本発明の実施形態に係る光走査装置1の概略図を示している。また、図2は、光走査装置1の光学系のブロック図である。光走査装置1は、主にミラー駆動装置10と光源装置50とで構成されている。
図1に示すように、ミラー駆動装置10は、MEMSミラー20と、MEMS駆動部30と、MEMSセンサ部40と、統合制御部100と、駆動信号生成部105と、遅延処理部110と、センサ補正部120とからなる。なお、統合制御部100、駆動信号生成部105及び遅延処理部110からなる部分は、制御回路150と呼ぶことがある。
MEMSミラー20は、一定方向から入射するレーザ光を反射して走査する回動ミラーである。MEMSミラー20は光偏向器25に備えられ、少なくとも1つの軸線の周りを往復回動するものであればよい。
本実施形態の光偏向器25は、半導体プロセスやMEMS技術を利用して作製されるデバイスである。光偏向器25は、例えば、MEMS駆動部30(本発明の「光走査器駆動部」)を構成する半環状圧電アクチュエータ、トーションバー、蛇腹型圧電アクチュエータを有している。この場合、半環状圧電アクチュエータの共振駆動(水平方向)と、蛇腹型圧電アクチュエータの非共振駆動(垂直方向)により、入射光を互いに垂直な2軸方向に走査することができる。
統合制御部100は、駆動信号生成部105にMEMSミラー20の駆動信号を生成させてMEMS駆動部30に送信し、MEMSミラー20を動作させる。動作中のMEMSミラー20にレーザ光が入射するとレーザ光が走査され、映像が投影される。
図2に示すように、MEMSセンサ部40(本発明の「光走査器センサ部」)は、光偏向器25に設けられた圧電センサ27と、MEMSセンサ信号処理回路45(本発明の「光走査器センサ信号処理回路」)とからなる。MEMSセンサ部40は、MEMSミラー20の振れ角を圧電センサ27で検出し、振れ角に対応したセンサ信号をMEMSセンサ信号処理回路45で生成する。さらに、MEMSセンサ信号処理回路45は、センサ信号を制御回路150(遅延処理部110)に出力する。
詳細は後述するが、遅延処理部110は、センサ補正部120のMEMSセンサ補正回路126(本発明の「光走査器センサ補正部」)に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する。
MEMSセンサ補正回路126は、MEMSセンサ部40と等価な応答特性(特に、同一の遅延時間)を有している。なお、本明細書における「同一の遅延時間」は、遅延時間が完全に同一の場合に限られない。この「同一の遅延時間」には、センサ回路等の入力信号に対する出力信号の応答時間に対して無視し得る程度の遅延時間、又は一定の誤差範囲内の実質的に同一の遅延時間が含まれる(以下同じ)。
MEMSセンサ補正回路126は、例えば圧電センサ27と応答特性の等価な回路と、MEMSセンサ信号処理回路45と応答特性の等価な電気回路を統合したものからなる。なお、本明細書における「応答特性の等価な回路」には、駆動条件、環境温度等に対する応答の特性の変化が等価な回路が含まれる。
このため、MEMSセンサ補正回路126は、MEMSミラー20の駆動信号と圧電センサ27のセンサ信号との位相差を補正することができる。すなわち、駆動条件や環境温度によらず、MEMSミラー20の応答時間や駆動制御の遅延を精度良く補正することができる。
本実施形態の光源60は、パルス発光するレーザダイオードが用いられている。レーザ光の色は、単色でも多色混合でもよい。統合制御部100は、制御信号を光源駆動部70に送信し、光源駆動部70が光源60を発光させる。
詳細には、光源60から出射されたレーザ光は、ハーフミラー65を通過して、MEMSミラー20に入射する(図2参照)。MEMSミラー20は、入射光を走査することで、スクリーンSに像を投影する。
光センサ部80は、光検出器82と、光センサ信号処理回路85とからなる。ハーフミラー65で反射されたレーザ光は、光検出器82で検出される。光センサ部80は、レーザ光の検出タイミングに対応した光センサ信号を光センサ信号処理回路85で生成し、制御回路150(遅延処理部110)に出力する。
図3は、遅延処理部110とセンサ補正部120の詳細を示している。
遅延処理部110は、状態監視部111と、光遅延測定部112と、MEMS遅延測定部113と、遅延演算部114と、光センサ補正処理部115と、MEMSセンサ補正処理部116とからなる。
状態監視部111は、統合制御部100から発光タイミング信号の入力を監視する。発光タイミング信号とは、例えば、レーザ光の発光が指示されたのと同時、又はその直後に生成される信号である。そして、状態監視部111は、発光タイミング信号を光遅延測定部112に送信する。
前記発光タイミング信号は、発光が指示されたタイミングとの遅延時間が既知であればよく、レーザ光の発光が指示されたのと同時、又はその直後に生成されたものに限られない。
光遅延測定部112は、発光タイミング信号と、光センサ部80からの光センサ信号とを受信する。これにより、光遅延測定部112は、発光の指示から光センサ部80で光が検出されるまでの遅延時間t1を測定することができる。
一方で、MEMS遅延測定部113は、MEMS駆動信号とMEMSセンサ信号を受信することで、その遅延時間t2を測定する。遅延時間t1,t2は、共に遅延演算部114に送信される。
また、光センサ補正処理部115は、センサ補正部120の光センサ補正回路125(本発明の「光センサ補正部」)に信号(例えば、パルス信号)を出力して、信号が返ってくるまでの遅延時間t3(本発明の「光センサ再現応答遅延時間」)を測定する。
ここで、光センサ補正回路125は、光センサ部80と等価な応答特性を有しているため、入力された信号に対して光センサ部80と同じ位相差の信号が出力される。よって、遅延時間t3は、光センサ部80の遅延時間と同じ値とみなすことができる。
光センサ補正回路125は、例えば、光検出器82と応答特性の等価な回路と、光センサ信号処理回路85と応答特性の等価な電気回路を統合したものからなる。
同様に、MEMSセンサ補正処理部116は、センサ補正部120のMEMSセンサ補正回路126(本発明の「MEMSセンサ補正部」)に信号(例えば、同じ周波数信号)を出力して、信号が返ってくるまでの遅延時間t4(本発明の「光走査器センサ再現応答遅延時間」)を測定する。
ここで、MEMSセンサ補正回路126は、MEMSセンサ部40(MEMSセンサ信号処理回路45)と等価な応答特性を有しているため、入力された信号に対してMEMSセンサ部40と同じ位相差の信号が出力される。よって、遅延時間t4は、MEMSセンサ部40の遅延時間と同じ値とみなすことができる。
そして、遅延処理部110は、遅延時間t1~t4からMEMSミラー20の駆動と光源60の制御の補正位相量を演算して出力する。MEMSミラー20については、遅延時間t2から遅延時間t4を減じることで、MEMSセンサ部40の応答特性の影響を除いた遅延時間が得られる。
また、光源60については、遅延時間t1から遅延時間t3を減じることで、光センサ部80の応答特性の影響を除いた遅延時間が得られる。
遅延処理部110は、駆動信号生成部105と接続されている(図1参照)。駆動信号生成部105は、補正位相量に基づいてMEMSミラー20の駆動信号と、当該駆動信号に対して補正位相量と同じだけ位相をずらした光源60用の駆動信号を生成する。
光走査装置1は、上記処理により新たな駆動信号を生成して、MEMSミラー20の動作と光源60の発光のタイミングを補正する。これにより、両者の応答時間や駆動制御の時間差を高精度で調整することができる。MEMSミラー20の動作と光源60の発光のタイミングがずれている場合、例えば、片方向のみレーザ光を走査し、スクリーンS(投影領域)の中央に光像を投影しようとする場合には、光像がスクリーンSの中央からずれて投影されるが、当該タイミングのずれを補正することで当該光像がスクリーンSの中央部に現れる。
この補正処理は、光走査装置1の起動時等に定期的に実行したり、外部環境の変化に伴って実行したりしてもよい。また、光走査装置1において、MEMSミラー20の共振駆動のみが行われているとき、補正処理(光源60の発光タイミングの補正)を行う等、処理実行のタイミングは適宜決定することができる。
図4は、本発明の変更形態に係る光走査装置11の概略図を示している。
本発明は、図4に示す構成をとることもできる。図1で示した実施形態との相違点として、駆動信号生成部105は、遅延処理部119に向けてMEMSミラー20が駆動しているか否かを示す信号を送信する。
また、遅延処理部119から光源駆動部70に向けて駆動信号を送信する。これにより、光源60の発光開始のタイミングを制御することができる。
この変更態様によれば、発光開始の制御を統合制御部100等の外部要素によって行う必要がなくなる。また、外部制御装置の処理能力や通信経路の簡素化を図ることができる他、本発明のモジュール化が容易となる。
以上、本実施形態に係る光走査装置1,11について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することできる。
本発明は、主にMEMSミラーを備えるレーザスキャン型の投影装置に適用されるが、MEMSミラーを備える車両用の灯具やLiDAR装置に適用することもできる。
上述の補正処理は、単独のミラー駆動装置10に対して、また単独の光源装置50に対して、それぞれMEMSセンサ補正回路126、光センサ補正回路125を用いて実行可能である。
1,11…光走査装置、10…ミラー駆動装置、20…MEMSミラー、25…光偏向器、27…圧電センサ、30…MEMS駆動部、40…MEMSセンサ部、45…MEMSセンサ信号処理回路、50…光源装置、60…光源、65…ハーフミラー、70…光源駆動部、80…光センサ部、82…光検出器、85…光センサ信号処理回路、100…統合制御部、105…駆動信号生成部、110,119…遅延処理部、111…状態監視部、112…光遅延測定部、113…MEMS遅延測定部、114…遅延演算部、115…光センサ補正処理部、116…MEMSセンサ補正処理部、120…センサ補正部、125…光センサ補正回路、126…MEMSセンサ補正回路、150…制御回路。

Claims (8)

  1. 光を走査するミラーを有する光走査器と、
    前記光走査器に駆動信号を出力して駆動させる光走査器駆動部と、
    前記光走査器の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力する光走査器センサ部と、
    前記光走査器センサ部と同一の応答遅延時間を有する光走査器センサ補正部と、
    前記光走査器センサ補正部に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する遅延処理部と、
    を備えていることを特徴とするミラー駆動装置。
  2. 前記光走査器センサ部は圧電センサと光走査器センサ信号処理回路とからなり、
    前記光走査器センサ補正部は前記圧電センサと前記光走査器センサ信号処理回路の両方と同一の応答遅延時間を有する回路である請求項1に記載のミラー駆動装置。
  3. 光源と、
    前記光源に駆動信号を出力して発光させる光源駆動部と、
    前記光源からの光を検出して光センサ信号を出力する光センサ部と、
    前記光センサ部と同一の応答遅延時間を有する光センサ補正部と、
    前記光センサ補正部に遅延検出信号を入力し、出力の遅延を演算する遅延処理部と、
    を備えていることを特徴とする光源装置。
  4. 前記光センサ部は光検出器と光センサ信号処理回路とからなり、
    前記光センサ補正部は前記光検出器と前記光センサ信号処理回路の両方と同一の応答遅延時間を有する回路である請求項3に記載の光源装置。
  5. 光を走査するミラーを有する光走査器と、
    前記光走査器に駆動信号を出力して駆動させる光走査器駆動部と、
    前記光走査器の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力する光走査器センサ部と、
    前記光走査器センサ部と同一の応答遅延時間を有する光走査器センサ補正部と、
    光源と、
    前記光源に光源駆動信号を出力して発光させる光源駆動部と、
    前記光源からの光を検出して光センサ信号を出力する光センサ部と、
    前記光センサ部と同一の応答遅延時間を有する光センサ補正部と、
    前記光走査器センサ補正部と前記光センサ補正部の少なくとも何れか一方に遅延検出信号を入力し、それぞれに対する出力の遅延を演算する遅延処理部と、
    を備えていることを特徴とする光走査装置。
  6. 前記光センサ補正部は前記光走査器が共振駆動している期間に前記出力の遅延を補正する請求項5に記載の光走査装置。
  7. 光を走査するミラーを有する光走査器と、前記光走査器に光走査器駆動信号を出力して駆動させる光走査器駆動部と、前記光走査器の振れ角に対応した光走査器センサ信号を出力する光走査器センサ部とを備えた装置のミラー駆動タイミングの補正方法であって、
    前記光走査器駆動信号の出力から前記光走査器センサ信号の出力までの時間を取得するステップと、
    前記光走査器センサ部による応答遅延を再現した光走査器センサ再現応答遅延時間を取得するステップと、
    前記光走査器センサ再現応答遅延時間を、前記光走査器駆動信号の出力から前記光走査器センサ信号の出力までの時間より減ずることで、前記光走査器が前記光走査器駆動信号に対応した振れ角に達するまでの応答時間を算出するステップと、
    を有することを特徴とするミラー駆動タイミングの補正方法。
  8. 光源と、前記光源に光源駆動信号を出力して発光させる光源駆動部と、前記光源からの光を検出して光センサ信号を出力する光センサ部とを備えた装置の光源駆動タイミングの補正方法であって、
    前記光源駆動信号の出力から前記光センサ信号の出力までの時間を取得するステップと、
    前記光センサ部による応答遅延を再現した光センサ再現応答遅延時間を取得するステップと、
    前記光センサ再現応答遅延時間を、前記光源駆動信号の出力から前記光センサ信号の出力までの遅延時間より減ずることで、前記光源が前記光源駆動信号によって発光するまでの応答時間を算出するステップと、
    を有することを特徴とする光源駆動タイミングの補正方法。
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