JP3371478B2

JP3371478B2 - 振動光学要素の振幅制御装置

Info

Publication number: JP3371478B2
Application number: JP22051693A
Authority: JP
Inventors: 真山崎; 義典黒岩
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 2003-01-27
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JPH0756106A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動光学要素の振幅制
御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の入射した光線を振動させて射出す
るレゾナントミラーのような振動光学要素の振幅制御装
置に関する技術としては、例えば図１０及び図１１に示
すようなものがある。図１０に示すものは、予め定めた
増幅率により補正するものであり、正弦波発生回路１か
ら出力した正弦波は増幅率が可変な増幅回路２で増幅さ
れ、適当な増幅率で増幅されてから、ミラー駆動回路３
で駆動出力に変換され、光源４から射出しレゾナントミ
ラー５に入射した光は、レゾナントミラー５の振動角度
に応じた振幅で振動しながら反射していた。増幅回路２
の増幅率は増幅率制御回路６により制御されており、増
幅率制御回路６は温度等の条件変化に応じてレゾナント
ミラー５ができるだけ安定して振動するよう増幅回路２
の増幅率を決めていた。

【０００３】図１１に示すものは、レゾナントミラー５
にスポット光を照射、反射波の振幅を検出してその結果
により補正するものである。すなわち、正弦波発生回路
１から出力した正弦波は、増幅率が可変な増幅回路２で
増幅され、適当な増幅率で増幅されてからミラー駆動回
路３で駆動出力に変換され、レゾナントミラー５が振動
駆動され、スポット光の光源４からレゾナントミラー５
に入射した光はレゾナントミラー５の振動角度に応じた
振幅で振動しながら反射していた。設定された反射光の
振幅の両端にディテクタ８が配置され、ディテクタ８の
出力を受けた比較回路９は設定値と比較して信号強度出
力をＣＰＵ１０に出力し、ＣＰＵ１０は比較回路９の出
力を基準として増幅回路２が適当な増幅率になるよう制
御する。これらの設定値は、温度などの環境変化によっ
て固有振動数が変動するので、これを補正する手段が付
置されている。

【０００４】このような従来の技術の内、前者は、あら
かじめ定めた増幅率により補正しているが、条件変化に
対してあらかじめ定める増幅回路２の増幅率の設定精度
を向上させるのが困難であり、制御信号に対してレゾナ
ントミラー５の振幅が正確に設定した通りにならず、制
御精度が悪いという問題点があった。

【０００５】また、後者は、振幅の両端に走査端検出用
のディテクタ８が配置され、最低２個の複数のディテク
タが必要であった。そして振幅の設定が固定的であり、
複数の振幅を変更設定しようとすると複数のディテクタ
を順次配置しなければならず、部材の配置が煩雑で処理
も複雑になるという問題点があった。

【０００６】これらの問題点を解決し、レゾナントミラ
ーの振幅を正確に制御し、かつ複数の振幅の設定が容易
にできる振動光学要素の振幅制御装置及び制御方法が特
開平５−１２７１０９号公報に開示されている。この技
術は図１２に示すように、光源４、マスク１２、ディテ
クタ１３及び計時回路１４を用いて振動光学要素の振幅
に対応する時間間隔を検出し、制御部１５において、検
出した時間間隔をあらかじめ求めてある基準時間と比較
して補正するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし特開平５−１２
７１０９号に開示された技術は、制御系において時間遅
れが発生して応答性が低く、振動光学要素の振幅を正確
に安定させることが困難であり、又温度変化、光学的あ
るいは電気的なノイズ等の外乱による影響等を受けやす
いという問題点があった。又Ｑ値が大きいレゾナントミ
ラーでは振幅を制御するための増幅率の変動が大きく、
このために増幅率が大きくなり過ぎるから、増幅率の幅
に実用上制限があると言う問題があった。

【０００８】本発明は上記の課題に鑑み、外乱や制御系
の遅延による影響を抑制し、レゾナントミラーの振幅を
容易に正確かつ安定に制御できる振動光学要素の振幅制
御装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、可変の振幅で
振動することにより光源から入射する光線を任意の振れ
角で振動させて射出する振動光学要素と、前記振動光学
要素を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を駆動する正
弦波を発生する正弦波発生回路と、前記振動光学要素か
ら射出する光線を光電検出し、検出信号を出力する光電
検出手段と、前記検出信号に基づいて前記振動光学要素
の振れ角を測定し、前記振れ角に関連する振れ角信号を
出力する振れ角測定手段と、前記振れ角測定手段からの
振れ角信号を受けて、前記正弦波の周波数を制御する周
波数制御信号を前記正弦波発生回路に出力する周波数制
御手段とを具備し、前記周波数を制御することにより前
記振幅の制御を行うものである。

【００１０】前記周波数制御手段は、複数の前記時間間
隔の計測値の積算値を算出し、積算値信号を出力する積
算手段と、前記振幅に対応する判定値を記憶し、判定値
信号を出力する記憶手段と、前記積算値信号及び前記判
定値信号を受け、両者の大小関係を判定し、その判定結
果に基づき前記正弦波発生回路に前記周波数制御信号を
出力する判定手段とからなるものも好ましい。

【００１１】前記判定手段は、所定の前記振幅ごとに、
大きい順に第１、第２、第３及び第４の判定値を記憶
し、前記周波数制御手段は、前記積算値が前記第２の判
定値と前記第３の判定値の間にあると判定されたとき
は、前記周波数を維持するように、前記積算値が前記第
１の判定値を超えると判定されたとき及び前記積算値が
前記第４の判定値に満たないと判定されたときは、前記
周波数を変更するようにそれぞれ周波数制御信号を前記
正弦波発生回路に出力し、前記積算値が前記第１の判定
値と前記第２の判定値の間にあるか、又は前記第３の判
定値と前記第４の判定値の間にあると判定されたとき
は、前記周波数を変更する周波数制御信号を出力しない
ものが望ましい。

【００１２】可変の振幅で振動することにより光源から
入射する光線を任意の振れ角で振動させて射出する振動
光学要素と、前記振動光学要素を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を駆動する正弦波を発生する正弦波発生回
路と、前記正弦波を可変な増幅率で増幅して前記駆動手
段に出力する増幅回路と、前記振動光学要素から射出す
る光線を光電検出し、検出信号を出力する光電検出手段
と、前記検出信号に基づいて前記振動光学要素の振れ角
を測定し、前記振れ角に関連する振れ角信号を出力する
振れ角測定手段と、前記振れ角測定手段からの振れ角信
号を受けて、前記増幅率を制御する増幅率制御信号を前
記増幅回路に出力する増幅率制御手段とを具備する振動
光学要素の振幅制御装置において、前記振れ角測定手段
からの振れ角信号を受けて、前記正弦波の周波数を制御
する周波数制御信号を前記正弦波発生回路に出力する周
波数制御手段を具備し、前記増幅率及び周波数を制御す
ることにより前記振幅の制御を行うものも好ましい。

【００１３】

【作用】光源からの光線が振動光学要素により振動する
と、その振幅に対応した時間間隔が計測される。時間間
隔をあらかじめ設定された基準時間と比較した判定結果
に基づいて周波数が可変に制御され、振動光学要素の振
動の振幅、即ち光線の走査範囲が制御される。

【００１４】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１乃至図３により
説明する。図１にブロック図を示すように、光源４はレ
ーザ光１１を射出する光源である。レゾナントミラー５
はレーザ光１１を可変の振幅で振動させて射出する振動
光学要素である。正弦波発生回路１はレゾナントミラー
５の共振周波数の正弦波を発生させる回路、増幅回路２
は増幅率が可変で、正弦波を増幅してミラー駆動回路３
に出力する回路、ならびにミラー駆動回路３はレゾナン
トミラー５を駆動し振動させる回路である。

【００１５】レゾナントミラー５で反射したレーザ光１
１の光路上にマスク１２が配設され、レーザ光１１の光
束は図示されていない集光レンズにより、マスク１２上
にスポット光を形成するようになっている。マスク１２
は、その一定位置で一方向に移動するレーザ光１１を遮
断し、又その位置を反対方向に移動するレーザ光１１を
通過させて、透過光に強度変調を与える遮断板である。
ディテクタ１３はマスク１２を透過したレーザ光１１を
受光する位置に配設された光電変換素子である。

【００１６】計時回路１４はディテクタ１３から検出信
号を受け、マスク１２の上記した一定位置をレーザ光１
１のスポット光がある方向に移動した時点から、次に再
び同方向に移動する時点までの時間間隔を計測する回路
である。制御部１５は時間間隔の計測値に基づき正弦波
発生回路から発生する正弦波の周波数を制御する周波数
制御信号を出力する。

【００１７】次にマスク１２について詳述する。図２に
示すように、マスク１２は透明板２１の中央部に設けら
れた遮断部２２と透過部２３とから構成されている。遮
断部２２と透過部２３との境界２４ａ、２４ｂは、スポ
ット光１９の走査する方向に対して直角の方向に設けら
れている。境界２４ａと境界２４ｂとの間の遮断部２２
が制御すべきスポット光１９の振幅に対応している。境
界２４ａと境界２４ｂとの間の遮断部２２の幅が異なる
マスクにより、異なる振幅に対応できる。

【００１８】次に動作について説明する正弦発生回路１
はレゾナントミラー５の共振周波数の正弦波を発振し、
正弦発生回路１から出力した正弦波は増幅回路２で適当
な増幅率で増幅されてからミラー駆動回路３に入力す
る。ミラー駆動回路３はレゾナントミラー５を駆動する
のに適切な出力をレゾナントミラー５に入力し、レゾナ
ントミラー５は正弦波により共振周波数で振動駆動され
る。レーザ光１１はレゾナントミラー５の振動角度に応
じた振幅で振動しながら反射する。レーザ光１１は集光
されてスポット光１９となる。

【００１９】スポット光１９は、マスク１２に入射しマ
スク１２上を、マスク１２の境界２４ａ、２４ｂを越え
ながら透過部２３の位置ａ１と位置ａ２の間を水平方向
に往復運動しながら振動する。スポット光１９は、境界
２４ａの外側の透過部２３の位置ａ１では透過し、境界
２４ａの内側の遮断部２２の位置ａ３では透過せず、境
界２４ｂを越えて外側の透過部２３の位置ａ２では再び
透過する。スポット光１９が境界２４ａ、２４ｂを越え
るごとに透過と遮断が反復され、透過光はディテクタ１
３に入射する。

【００２０】したがって、マスク１２を透過するレーザ
光１１の強度は、スポット光１９が境界２４ａ、２４ｂ
を越えるごとに強弱が反復し、透過光を受けてディテク
タ１３から出力する検出信号の大きさは、マスク１２上
を移動するスポット光の位置に対応して変動する。図３
に時間ｔ−検出信号強度Ｉの関係を示すように、スポッ
ト光１９が遮断部２２を照射している時は、検出信号強
度Ｉは０であり、スポット光１９が透過部２３を照射し
ている時は、検出信号強度ＩはＩ₁である。スポット光
１９が境界２４ａと境界２４ｂを越えるごとに検出信号
強度Ｉが変化する。参照強度Ｉ₀を設け、検出信号強度
ＩがＩ₁となる時間間隔即ち光線が遮断部２２を横断す
る時間である時間間隔を計測することができる。時間間
隔の情報は計時回路１４から制御部１５に出力する。

【００２１】制御部１５は計時回路１４からの時間間隔
の情報を受けて、あらかじめ設定された判定値に基づき
判定を行う。

【００２２】正弦波発生回路１は制御部１５からの周波
数制御信号に基づき周波数を増減し、適切な周波数で正
弦波を発生する。ミラー駆動回路３は補正された周波数
の正弦波でレゾナントミラー５を駆動し、レゾナントミ
ラー５は正確な振幅で振動する。所定時間ごとに制御を
行うことにより、レゾナントミラー５の振幅は正確に保
たれる。

【００２３】本実施例において、光を遮断するマスクを
使用したが、光を反射し又は強度以外の変調を光に与え
るように構成したマスクを使用することもできる。又振
幅の両端で透過するマスクを図２に示したが、遮断部と
透過部を逆に配置してもよい。なお、本実施例によれ
ば、判定値及びマスクを変更することで振幅の変更を行
うことができる。

【００２４】次に第２の実施例について、図４及び図５
により説明する。第２の実施例にかかるマスク２５は、
透過部２６に一定の周期で刻線を列設したリニアスケー
ルであり、刻線部分が反射部２７を形成している。スポ
ット光１９は列設された刻線上横切るように移動する。
スポット光１９が位置ｃ１、ｃ２の間の振幅で振動する
と、図５に示すように、位置ｃ１、ｃ２に対応する時間
に検出信号ｄ１、ｄ２が発生する。又反射部２７を形成
する刻線と刻線間の透過部とで、交互に透過と反射が繰
り返される。参照強度Ｉ₀₁及びＩ₀₂を設け、その間の強
度の検出信号を出力すると、刻線に対応した走査信号ｅ
となる。走査信号ｅは例えば画像情報入力用の走査クロ
ック信号の形成に利用される。

【００２５】次に第３の実施例について、図６乃至図８
により説明する。本実施例は時間間隔の係数値の積算値
を算出することにより、時間間隔の精度を向上させるも
のである。図６に示すように、制御部１５は、複数の時
間間隔の計測値の積算値を算出し、積算値信号を出力す
る積算回路１６、スポット光１９の振幅の基準時間に対
応する判定値を記憶し、判定値信号を出力するメモリ１
７及び積算値信号及び前記判定値信号を受け、両者の大
小関係を判定し、その判定結果に基づき増幅回路に増幅
率制御信号を出力する判定回路１８から構成されてい
る。

【００２６】制御部１５におけるこの処理を図７に示す
フローチャートにより説明する。ステップ１で処理が開
始し，ステップ２で積算値をクリアする。ステップ３で
計時回路１４から時間間隔の計時値が入力し、ステップ
４で積算値が計算される。積算値は式１に従って予め定
められた指定回数分繰り返し求める。Ｉ_n+1＝Ｉ_n−（Ｉ_n×ｗ）＋（Ｔ×ｗ）・・（１）ただし、Ｉ_n+1：（ｎ＋１）回積算した積算値Ｉ_n ：ｎ回積算した積算値Ｔ：（ｎ＋１）回目に検出した時間間隔ｗ：重み係数

【００２７】ステップ５で指定回数分積算したか否かを
見る。指定回数分積算したらステップ６に進み、否であ
れば指定回数になるまで、ステップ３、ステップ４を繰
り返す。ステップ６で積算値が判定値ｊ３より大きいか
否かを見て、積算値が判定値ｊ３より大きければ、ステ
ップ７に進み、否であればステップ１２に進む。ステッ
プ７で積算値が判定値ｊ２より大きいか否かを見て、積
算値が判定値ｊ２より大きければ、ステップ８に進み、
否であればステップ１１に進む。ステップ８で積算値が
判定値ｊ１より大きいか否かを見て、積算値が判定値ｊ
１より大きければ、ステップ９に進み、否であればステ
ップ１０に進む。ステップ９で積算値が範囲ｒ１にある
ことを判定し、記憶する。ステップ１０で積算値が範囲
ｒ２にあることを判定し、記憶する。ステップ１１で積
算値が範囲ｒ３にあることを判定し、記憶する。ステッ
プ１２で積算値が判定値ｊ４より大きいか否かを見て、
積算値が判定値ｊ４より大きければ、ステップ１３に進
み、否であればステップ１４に進む。ステップ１３で積
算値が範囲ｒ４にあることを判定し、記憶する。ステッ
プ１４で積算値が範囲ｒ５にあることを判定し、記憶す
る。

【００２８】上記した判定値ｊ１、判定値ｊ２、判定値
ｊ３、判定値ｊ４、判定値ｊ５は、図５に示すように、
次の通りに設定されている。判定値ｊ１は範囲ｒ１の下
限及び範囲ｒ２の上限、判定値ｊ２は範囲ｒ２の下限及
び範囲ｒ３の上限、判定値ｊ３は範囲ｒ３の下限及び範
囲ｒ４の上限、判定値ｊ４は範囲ｒ４の下限及び範囲ｒ
５の上限を判断する値である。

【００２９】範囲ｒ３は振幅が正常な範囲、範囲ｒ１は
振幅が過大な範囲、範囲ｒ５は振幅が過小な範囲であ
る。又、範囲ｒ２は振幅が正常な範囲から外れているが
過大ではなく、範囲ｒ４は振幅が正常な範囲から外れて
いるが過小ではなく、それぞれ直ちに制御すると制御過
多となるので制御を停止する不感帯の範囲である。そし
て、判定回路１８は、積算値が範囲ｒ３にあると判定さ
れたときは増幅率を維持するように、積算値が範囲ｒ１
にあると判定されたとき及び積算値が範囲ｒ５にあると
判定されたときは増幅率を変更するようにそれぞれ増幅
率制御信号を増幅回路に出力し、積算値が範囲ｒ２にあ
るか、又は範囲ｒ４にあると判定されたときは前記増幅
率制御信号を変更しない。

【００３０】本実施例によれば、振幅を直接検知してお
り、最新の計測値に重みをつけて時間間隔を積算した積
算値で比較しているから、外乱の影響を受けることが少
ない。なお不感帯は速い応答が得られる場合は、必ずし
も設けなくても良く、制御過多に陥ることはない。

【００３１】次に第４の実施例について、図９により説
明する。第１実施例と同様又は類似の点の説明は省略す
る。正弦波発生回路１は正弦波を発生させる回路、増幅
回路２は増幅率が可変で、正弦波を増幅する回路であ
る。制御部１５は、計時回路１４からの時間間隔の計測
値の情報を受けて、あらかじめ設定された判定値に基づ
き判定を行う。そしてこの判定に基づき正弦波発生回路
に正弦波の周波数を制御する周波数制御信号及び増幅回
路２に正弦波の増幅率を制御する増幅率制御信号を出力
する。正弦波発生回路１は制御部１５からの周波数制御
信号に基づき周波数を増減し、適切な周波数で正弦波を
発生し、増幅回路は正弦波を適切な増幅率で増幅する。

【００３２】

【発明の効果】本発明により、振動光学要素から射出さ
れる光線をマスクに入射させ、マスクの両端で周期的に
生じる光量変化の時間間隔を検出し、振動光学要素の振
幅を直接監視するから高い精度で振幅を検出できる。振
幅は時間間隔として検出され、基準時間と比較している
から外乱の影響を受けることが少なく、安定度の高い制
御をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の振動光学要素の振幅制御装置の
ブロック図。

【図２】第１の実施例に使用するマスクの平面図。

【図３】第１の実施例における時間−検出出力強度図。

【図４】第２の実施例に使用するマスクの平面図。

【図５】第２の実施例における時間−検出出力強度図。

【図６】第３の実施例の振動光学要素の振幅制御装置の
ブロック図。

【図７】第３の実施例における振幅制御のフローチャー
ト。

【図８】第３の実施例における判定値の設定を示す図。

【図９】第４の実施例の振動光学要素の振幅制御装置の
ブロック図。

【図１０】従来のの振動光学要素の振幅制御装置のブロ
ック図。

【図１１】従来のの振動光学要素の振幅制御装置のブロ
ック図。

【図１２】従来のの振動光学要素の振幅制御装置のブロ
ック図。

【符号の説明】

１・・・・正弦波発生回路２・・・・増幅回路３・・・・ミラー駆動回路４・・・・光源５・・・・レゾナントミラー６・・・・増幅率制御回路１１・・・・レーザ光１２・・・・マスク１３・・・・ディテクタ１４・・・・計測回路１５・・・・制御部１６・・・・積算回路１７・・・・メモリ１８・・・・判定回路１９・・・・スポット光２１・・・・透明板２２・・・・遮断部２３・・・・透過部２４ａ、２４ｂ・・・・境界

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可変の振幅で振動することにより光源から
入射する光線を任意の振れ角で振動させて射出する振動
光学要素と、前記振動光学要素を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を駆動する正弦波を発生する正弦波発生回
路と、前記振動光学要素から射出する光線を光電検出
し、検出信号を出力する光電検出手段と、前記検出信号
に基づいて前記振動光学要素の振れ角を測定し、前記振
れ角に関連する振れ角信号を出力する振れ角測定手段
と、前記振れ角測定手段からの振れ角信号を受けて、前
記正弦波の周波数を制御する周波数制御信号を前記正弦
波発生回路に出力する周波数制御手段とを具備し、前記
周波数を制御することにより前記振幅の制御を行うこと
を特徴とする振動光学要素の振幅制御装置。
【請求項２】前記周波数制御手段は、複数の前記時間間
隔の計測値の積算値を算出し、積算値信号を出力する積
算手段と、前記振幅に対応する判定値を記憶し、判定値
信号を出力する記憶手段と、前記積算値信号及び前記判
定値信号を受け、両者の大小関係を判定し、その判定結
果に基づき前記正弦波発生回路に前記周波数制御信号を
出力する判定手段とからなることを特徴とする請求項１
に記載の振動光学要素の振幅制御装置。
【請求項３】前記判定手段は、所定の前記振幅ごとに、
大きい順に第１、第２、第３及び第４の判定値を記憶
し、前記周波数制御手段は、前記積算値が前記第２の判
定値と前記第３の判定値の間にあると判定されたとき
は、前記周波数を維持するように、前記積算値が前記第
１の判定値を超えると判定されたとき及び前記積算値が
前記第４の判定値に満たないと判定されたときは、前記
周波数を変更するようにそれぞれ周波数制御信号を前記
正弦波発生回路に出力し、前記積算値が前記第１の判定
値と前記第２の判定値の間にあるか、又は前記第３の判
定値と前記第４の判定値の間にあると判定されたとき
は、前記周波数を変更する周波数制御信号を出力しない
ことを特徴とする請求項２に記載の振動光学要素の振幅
制御装置。
【請求項４】可変の振幅で振動することにより光源から
入射する光線を任意の振れ角で振動させて射出する振動
光学要素と、前記振動光学要素を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を駆動する正弦波を発生する正弦波発生回
路と、前記正弦波を可変な増幅率で増幅して前記駆動手
段に出力する増幅回路と、前記振動光学要素から射出す
る光線を光電検出し、検出信号を出力する光電検出手段
と、前記検出信号に基づいて前記振動光学要素の振れ角
を測定し、前記振れ角に関連する振れ角信号を出力する
振れ角測定手段と、前記振れ角測定手段からの振れ角信
号を受けて、前記増幅率を制御する増幅率制御信号を前
記増幅回路に出力する増幅率制御手段とを具備する振動
光学要素の振幅制御装置において、前記振れ角測定手段
からの振れ角信号を受けて、前記正弦波の周波数を制御
する周波数制御信号を前記正弦波発生回路に出力する周
波数制御手段を具備し、前記増幅率及び周波数を制御す
ることにより前記振幅の制御を行うことを特徴とする振
動光学要素の振幅制御装置。