JP4293251B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
特開２００５−３２１４８４号公報 特表２００５−５１７２１２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

光センサ７は、時間原点からｔ_１を経過した瞬間に反射光の通過を検出し、その後Ｔ_１を経過した瞬間及びＴ_２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Ｔ_１＋Ｔ_２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/（Ｔ_１＋Ｔ_２）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(2πｆｔ_１)であるから、Ａ＝Ｂ/sin(2πｆｔ_１)となり、ｔ_１＝（１/４ｆ）−（Ｔ_１/2）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。

（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。

（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Ｔ_１とＴ_２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Ｔ_１＝Ｔ_２となる位置、すなわち往復する反射光の検出時間間隔Ｔ_１とＴ_２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。

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。

（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、ｔ_１、Ｔ_１、Ｔ_２を測定し、前記したＡ＝Ｂ/sin(2πｆｔ_１)、ｔ_１＝（１/４ｆ）−（Ｔ_１/2）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。

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。

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。

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。

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。

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Ｔ_１、Ｔ_２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。
Ｔ_１＝〔２Arcsin(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Ｔ_１、Ｔ_２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、Ｔ_１とＴ_２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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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る。 本発明の光偏向デバイスの構成を示すブロック図である。 本発明の測定原理の説明図である。 初期状態における反射光の波形図である。 第１ステップを示す斜視図である。 第１ステップにおける反射光の波形図である。 原点位置ずれと測定誤差との関係を示すグラフである。 第２ステップにおける反射光の波形図である。 第２ステップを示す斜視図である。 光センサの測定誤差と、光センサの設置位置と、測定誤差との関係を示すグラフである。 光センサの測定時間誤差を５０ｎｓｅｃとした場合の光センサの配置位置と測定誤差との関係を示すグラフである。 振れ角と駆動周波数ｆとの関係を示すグラフである。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 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光偏向デバイスの偏向角度測定装置。
2. 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請求項１記載の光偏向デバイスの偏向角度測定装置。
3. 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請求項１記載の光偏向デバイスの偏向角度測定装置。
4. 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光偏向デバイスの偏向角度測定方法。
5. 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請求項４記載の光偏向デバイスの偏向角度測定方法。
6. 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請求項４記載の光偏向デバイスの偏向角度測定方法。
7. 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請求項４記載の光偏向デバイスの偏向角度測定方法。

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