JP2016031522A - Laser scanning device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査ミラーを用いるレーザ走査装置に関する。 The present invention relates to a laser scanning device using a scanning mirror.
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）走査ミラーなどの共振走査ミラーにレーザ光を照射して光走査するレーザ走査装置が知られている。 2. Description of the Related Art A laser scanning device that performs optical scanning by irradiating a resonant scanning mirror such as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) scanning mirror with laser light is known.
共振走査ミラーは、走査振幅を稼ぐために共振を利用する。共振走査ミラーは、駆動信号の周波数が、ＭＥＭＳ構造体が有する共振周波数（固有振動数）の近傍になると急激に走査振幅が増大し、駆動信号の周波数が、共振周波数からずれると急激に走査振幅が減少するという特徴を持つ。これにより、共振走査ミラーでは、厳密な駆動信号の周波数調整が必要になる。また、この共振周波数は、製造バラツキ、温度及び気圧などによって変化するため、起動時及び動作中における駆動信号の調整が必要になる。 A resonant scanning mirror uses resonance to gain scanning amplitude. In the resonant scanning mirror, the scanning amplitude suddenly increases when the frequency of the driving signal is close to the resonant frequency (natural frequency) of the MEMS structure, and rapidly when the frequency of the driving signal deviates from the resonant frequency. It has the feature that decreases. As a result, the resonant scanning mirror requires strict drive signal frequency adjustment. In addition, since this resonance frequency changes depending on manufacturing variations, temperature, atmospheric pressure, and the like, it is necessary to adjust the drive signal at the time of startup and during operation.
これに対して、自励発振方式を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ走査装置は、ＭＥＭＳ振動体を支持するトーションバー近傍に配置された静電センサ又は圧電センサを備える。当該レーザ走査装置では、これらのセンサで得られたセンサ検出信号が帰還してＭＥＭＳ振動体の駆動信号として用いられることで自励発振動作が行われる。 On the other hand, a method using a self-excited oscillation method is known (for example, see Patent Document 1). The laser scanning device described in Patent Document 1 includes an electrostatic sensor or a piezoelectric sensor arranged in the vicinity of a torsion bar that supports the MEMS vibrating body. In the laser scanning device, the sensor detection signal obtained by these sensors is fed back and used as a drive signal for the MEMS vibrator, so that self-oscillation operation is performed.
しかしながら、特許文献１記載の技術では、微小なＭＥＭＳ構造体に振動体とセンサ部との２つの要素を配置する必要があるので、製造工程が複雑化する。これにより、歩留まりが低下するとともに、製造バラツキが生じやすくなる。この製造バラツキによるセンサ部の感度変化により、精度の高い自励発振の制御が難しいといった課題がある。 However, in the technique described in Patent Document 1, since it is necessary to dispose two elements of the vibrating body and the sensor unit in a minute MEMS structure, the manufacturing process is complicated. As a result, the yield is reduced and manufacturing variations are likely to occur. There is a problem that it is difficult to control self-excited oscillation with high accuracy due to a change in sensitivity of the sensor unit due to this manufacturing variation.
そこで、本発明は、自励発振の精度を向上できるレーザ走査装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a laser scanning device that can improve the accuracy of self-excited oscillation.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を走査する走査ミラーと、前記走査ミラーに駆動信号を印加することで、前記走査ミラーを駆動する駆動部と、前記走査ミラーにより走査されたレーザ光が走査する領域に配置され、前記レーザ光を検出した際に検知信号を生成するフォトセンサと、前記検知信号の生成タイミングに位相同期する同期信号を生成する信号生成部とを備え、前記駆動部は、前記同期信号に基づき、前記駆動信号を生成する。 In order to achieve the above object, a laser scanning device according to an aspect of the present invention includes a laser light source, a scanning mirror that scans laser light from the laser light source, and a drive signal applied to the scanning mirror. A driving unit that drives the scanning mirror, a photosensor that is disposed in a region where the laser light scanned by the scanning mirror scans, and that generates a detection signal when the laser light is detected, and generation timing of the detection signal And a signal generation unit that generates a synchronization signal that is phase-synchronized with each other, and the drive unit generates the drive signal based on the synchronization signal.
この構成によれば、ＭＥＭＳ構造体等にセンサ部等を形成する必要がないので、簡易な構成のレーザ走査装置を実現できる。これにより、製造バラツキ等を抑制できるので、自励発振の精度を向上できる。 According to this configuration, since it is not necessary to form a sensor unit or the like in the MEMS structure or the like, a laser scanning device with a simple configuration can be realized. Thereby, manufacturing variations and the like can be suppressed, so that the accuracy of self-excited oscillation can be improved.
例えば、前記信号生成部は、自励発振動作が行われるように前記同期信号の位相をシフトした移相信号を生成し、前記駆動部は、前記移相信号に基づき、前記駆動信号を生成してもよい。 For example, the signal generation unit generates a phase shift signal obtained by shifting the phase of the synchronization signal so that a self-excited oscillation operation is performed, and the drive unit generates the drive signal based on the phase shift signal. May be.
この構成によれば、当該レーザ走査装置は、移相調整が必要な場合であっても自励発振を実現できる。 According to this configuration, the laser scanning device can realize self-oscillation even when phase shift adjustment is necessary.
例えば、前記信号生成部は、前記同期信号を生成するためのＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路を備え、前記ＰＬＬ回路は、リング状に接続された奇数個のインバータを含む電圧制御発振器を備え、前記信号生成部は、前記奇数個のインバータの出力信号のうちいずれかを前記移相信号として出力してもよい。 For example, the signal generation unit includes a PLL (Phase Locked Loop) circuit for generating the synchronization signal, and the PLL circuit includes a voltage-controlled oscillator including an odd number of inverters connected in a ring shape, The signal generation unit may output any one of the output signals of the odd number of inverters as the phase shift signal.
この構成によれば、電圧制御発振器を移相回路として流用できるので、回路規模を縮小できる。 According to this configuration, since the voltage controlled oscillator can be used as a phase shift circuit, the circuit scale can be reduced.
例えば、前記レーザ走査装置は、さらに、（１）前記駆動部に、前記同期信号とは異なる信号に基づき、前記走査ミラーの共振周波数にオフセットを与えた初期周波数の前記駆動信号を生成させ、（２）前記駆動信号の周波数を前記共振周波数に近づくようにスイープさせ、（３）前記検知信号が生成された場合に、前記駆動部に、前記同期信号に基づく前記駆動信号を生成させる制御部を備えてもよい。 For example, the laser scanning device further (1) causes the driving unit to generate the driving signal having an initial frequency obtained by adding an offset to the resonance frequency of the scanning mirror based on a signal different from the synchronization signal. 2) sweeping the frequency of the drive signal so as to approach the resonance frequency; and (3) a control unit that causes the drive unit to generate the drive signal based on the synchronization signal when the detection signal is generated. You may prepare.
この構成によれば、簡易な構成で高精度な自励発振を実現できる。 According to this configuration, high-accuracy self-oscillation can be realized with a simple configuration.
例えば、前記信号生成部は、前記駆動信号が二値化されることで得られた二値化駆動信号が第１論理値の区間において前記検知信号が最初に生成されてから前記区間の終了まで第２論理値となる検出パルス信号を生成し、前記検出パルス信号に位相同期する前記同期信号を生成してもよい。 For example, the signal generation unit may generate the binarized drive signal obtained by binarizing the drive signal from the first generation of the detection signal in the first logical value interval until the end of the interval. A detection pulse signal having a second logic value may be generated, and the synchronization signal that is phase-synchronized with the detection pulse signal may be generated.
この構成によれば、ノイズ等による誤動作を防止できる。 According to this configuration, malfunction due to noise or the like can be prevented.
なお、本発明は、このような特徴的な処理部を備えるレーザ走査装置として実現することができるだけでなく、レーザ走査装置に含まれる特徴的な処理部が実行する処理をステップとするレーザ走査方法として実現することができる。また、レーザ走査装置に含まれる特徴的な処理部としてコンピュータを機能させるためのプログラムまたはレーザ走査方法に含まれる特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現することもできる。そして、そのようなプログラムを、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ−Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等のコンピュータ読取可能な非一時的な記録媒体やインターネット等の通信ネットワークを介して流通させることができるのは、言うまでもない。 The present invention can be realized not only as a laser scanning device including such a characteristic processing unit, but also as a laser scanning method including steps executed by the characteristic processing unit included in the laser scanning device. Can be realized. It can also be realized as a program for causing a computer to function as a characteristic processing unit included in the laser scanning device or a program for causing a computer to execute characteristic steps included in a laser scanning method. Such a program can be distributed via a computer-readable non-transitory recording medium such as a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) or a communication network such as the Internet. .
本発明は、自励発振の精度を向上できるレーザ走査装置を提供できる。 The present invention can provide a laser scanning device capable of improving the accuracy of self-excited oscillation.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that each of the embodiments described below shows a comprehensive or specific example. The numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connecting forms of the constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims are described as arbitrary constituent elements.
（実施の形態１）
［レーザ走査装置の構成］
図１は、本実施の形態に係るレーザ走査装置の概略構成を示す図である。
(Embodiment 1)
[Configuration of laser scanning device]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser scanning device according to the present embodiment.
図１に示すレーザ走査装置１００は、レーザ光源１０１と、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２と、フォトセンサ１０３とを備える。
A
レーザ光源１０１は、レーザ光１２１を照射する。
The
ＭＥＭＳ走査ミラー１０２は、共振走査ミラーであり、レーザ光１２１を反射する。また、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２は、レーザ光１２１を走査する。また、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２で反射されたレーザ光１２２は、走査領域１２３を走査する。
The
フォトセンサ１０３は、走査領域１２３に配置され、レーザ光１２２を検知する。
The
また、図２に示すように、レーザ光１２２が走査領域１２３を一往復する１回（１周期）の走査において、レーザ光１２２は、フォトセンサ１０３上を２回通過する。
In addition, as shown in FIG. 2, in one scanning (one cycle) in which the
図３は、本実施の形態に係るレーザ走査装置１００のブロック図である。図３に示すレーザ走査装置１００は、レーザ光源１０１と、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２と、フォトセンサ１０３と、発振器１０４と、駆動部１０５と、信号生成部１０６と、スイッチ１０７と、制御部１０８とを備える。
FIG. 3 is a block diagram of the
フォトセンサ１０３は、レーザ光１２２を検出した際に検知信号１２４を生成する。
The
発振器１０４は、所定の周波数の基準信号１２５を生成し、当該基準信号１２５をスイッチ１０７に供給する。
The
信号生成部１０６は、検知信号１２４の生成タイミングに位相同期する同期信号を生成し、自励発振動作が行われるように同期信号の位相をシフトした移相信号１２８を生成する。
The
スイッチ１０７は、基準信号１２５及び移相信号１２８の一方を選択し、選択した信号を駆動部１０５に供給する。
The
駆動部１０５は、駆動信号１２６をＭＥＭＳ走査ミラー１０２に印加することでＭＥＭＳ走査ミラー１０２を駆動する。具体的には、駆動部１０５は、スイッチ１０７から供給される基準信号１２５又は移相信号１２８を用いて、駆動信号１２６を生成する。より具体的には、駆動部１０５は、基準信号１２５又は移相信号１２８と同じ周波数及び振幅を有する駆動信号１２６を生成する。駆動部１０５は、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２に駆動信号１２６を印加することで、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２にレーザ光１２２を走査偏向させる。
The driving
また、駆動部１０５は、駆動信号１２６を二値化した二値化駆動信号１２７を生成し、当該二値化駆動信号１２７を信号生成部１０６に供給する。なお、駆動部１０５は、駆動信号１２６を信号生成部１０６に供給し、信号生成部１０６が二値化駆動信号１２７を生成してもよい。
Further, the
制御部１０８は、発振器１０４が生成する基準信号１２５の周波数及びスイッチ１０７を制御する。
The
図４は、信号生成部１０６のブロック図である。図４に示すように信号生成部１０６は、検出パルス生成部１１１と、同期信号生成部１１２と、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１１３と、トグル信号生成部１１４と、走査振幅検出部１１５と、振幅制御部１１６と、移相部１１７とを備える。
FIG. 4 is a block diagram of the
検出パルス生成部１１１は、検知信号１２４の生成タイミングに位相同期する検出パルス１３１を生成する。具体的には、検出パルス生成部１１１は、二値化駆動信号１２７がハイレベル（第１論理値）の区間において検知信号１２４が最初に生成されてから当該区間の終了までハイレベル（第２論理値）となる検出パルス１３１（検出パルス信号）を生成する。
The
同期信号生成部１１２は、検知信号１２４の生成タイミングに位相同期する同期信号１３２を生成する。具体的には、同期信号生成部１１２は、検出パルス１３１に位相同期する同期信号１３２を生成する。この同期信号生成部１１２は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路１４１と、分周器１４２とを備える。ＰＬＬ回路１４１は、位相比較器１４３と、チャージポンプ１４４と、ループフィルタ１４５と、電圧制御発振器１４６とを備える。
The
ＰＬＬ回路１４１は、ＰＬＬ動作を行う。分周器１４２は、例えば１／２分周器である。なお、ＰＬＬ動作は一般的な技術であるため各処理部の詳細な説明は省略するが、この回路構成により、検出パルス１３１に位相同期する同期信号１３２が生成される。言い換えると、同期信号１３２の周波数は、検出パルス１３１の周波数と同じである。
The
ＢＰＦ１１３は、同期信号１３２の高周波成分を除去することで同期信号１３３を生成する。
The
トグル信号生成部１１４は、検知信号１２４を用いて、検知信号１２４が生成される間隔を示すトグル信号１３４を生成する。具体的には、トグル信号１３４は、検知信号１２４が生成されるごとに論理値が反転する信号である。例えば、トグル信号１３４は、各周期において、１つ目の検知信号１２４が生成されてから、２つ目の検知信号１２４が生成されるまでの区間においてハイレベルとなる信号である。
The toggle
走査振幅検出部１１５は、トグル信号１３４のハイレベルの区間の幅である、検知信号１２４の生成間隔を計数し、得られた計数値１３５を振幅制御部１１６に通知する。
The
振幅制御部１１６は、計数値１３５が予め定められた目標値に近づくように同期信号１３３の振幅を調整することで同期信号１３６を生成する。つまり、振幅制御部１１６は、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅が予め定められた目標値に近づくように同期信号１３３の振幅を調整する。
The
移相部１１７は、自励発振動作が行われるように同期信号１３６の位相をシフトすることで移相信号１２８を生成する。
The
［ＭＥＭＳ走査ミラーの特性］
ＭＥＭＳ走査ミラー１０２は、走査振幅を稼ぐため共振を利用する共振走査ミラーである。このような共振走査ミラーは、高いＱ値を持つ。図５は、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の駆動信号１２６の周波数に対する走査振幅の特性を示す図である。図５に示すように、駆動信号１２６の周波数が、ＭＥＭＳ構造体が有する共振周波数（固有振動数）付近の場合に、急激に振幅が増大する。一方で、駆動信号１２６の周波数が共振周波数からずれると急激に走査振幅が減少する。このような特性により、駆動信号１２６の周波数を高い精度で調整する必要がある。
[Characteristics of MEMS scanning mirror]
The
この共振周波数は、製造バラツキと、温度変化及び気圧変化などの環境変化とにより、図５に示すＭ１〜Ｍ３のように変化する。特に製造バラツキによる共振周波数のバラツキは大きい。製造プロセスにも依るが１５％程度共振周波数がばらつく場合がある。 This resonance frequency changes as shown by M1 to M3 in FIG. 5 due to manufacturing variations and environmental changes such as temperature changes and atmospheric pressure changes. In particular, there is a large variation in resonance frequency due to manufacturing variations. Depending on the manufacturing process, the resonance frequency may vary by about 15%.
［自励発振動作］
まず、同期信号１３２の生成処理について説明する。図６は、本実施の形態に係る各種信号のタイミングチャートである。なお、図６では、駆動信号１２６の周期Ｔ０（偏向走査の周期）及び、駆動信号１２６の振幅Ａ０は一定であり、走査振幅Ｂ０も一定である。
[Self-excited oscillation]
First, the generation process of the
検出パルス生成部１１１は、フォトセンサ１０３からの検知信号１２４を二値化して二値化検知信号を生成する。ここで、図２に示すように、ＭＥＭＳ走査ミラーの一周期で往路と復路の２回、レーザ光１２２がフォトセンサ１０３を横切るため、検知信号１２４は２個発生する。
The detection
検出パルス生成部１１１は、二値化駆動信号１２７のハイ区間における二値化検知信号の最初の立ち上がりでハイレベルになり、二値化駆動信号１２７がローレベルになるとローレベルになる検出パルス１３１を生成する。
The
同期信号１３２は、検出パルス１３１に位相同期した信号であり、検出パルス１３１と同じ周波数を有する。また、同期信号１３２のデューティ比は、例えば５０％である。
The
次に、同期信号１３２から移相信号１２８を生成する処理について説明する。図７は、本実施の形態に係る各種信号のタイミングチャートである。
Next, a process for generating the
ＭＥＭＳ走査ミラー１０２に共振周波数近傍の周波数の駆動信号１２６が与えられると、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２による偏向走査が始まり、検知信号１２４が生成される。また、上述したように検知信号１２４に応じて同期信号１３２が生成される。また、図７に示すように、ＢＰＦ１１３により同期信号１３２から同期信号１３３が生成される。
When the
ここで、駆動信号１２６と、ＭＥＭＳ走査角との間には、応答遅れに起因する時間差Ｄ１が存在する。また、ＭＥＭＳ走査角と、検知信号１２４の生成タイミングとの間には時間差Ｄ２が存在するので、ＭＥＭＳ走査角と同期信号１３３との間には時間差Ｄ２が存在する。
Here, a time difference D1 due to a response delay exists between the
よって、自励発振動作を実現するために、移相部１１７は、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３≒３６０°（＝０°）を満たす時間Ｄ３だけ、同期信号１３３の位相をずらすことで移相信号１２８を生成する。例えば、移相部１１７は、同期信号１３３を遅延させることで移相信号１２８を生成する。また、時間Ｄ３は、例えば、予め定められた固定値であり、時間差Ｄ１及びＤ２の推定値等に基づき予め算出される。
Therefore, in order to realize the self-excited oscillation operation, the
これにより、駆動信号１２６に一巡ループの位相が３６０°（＝０°）の移相信号１２８が生成される。そして、この移相信号１２８が駆動信号１２６としてＭＥＭＳ走査ミラー１０２に供給されることで、正帰還ループにより自励発振動作が実現される。この自励発振動作により、温度変化又は気圧変化などの環境変化による共振周波数の変化に追従して駆動信号１２６の周波数も変化するため、常に最適な状態でＭＥＭＳ走査ミラー１０２が駆動される。
As a result, a
なお、時間Ｄ３は、厳密にＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３≒３６０°（＝０°）の関係を満たす必要はなく、ある程度（例えば２０〜３０°程度）のずれがあっても自励発振動作は行われる。 Note that the time D3 does not need to satisfy the relationship of D1 + D2 + D3≈360 ° (= 0 °) strictly, and the self-oscillation operation is performed even if there is a certain amount of deviation (for example, about 20 to 30 °).
また、Ｄ１及びＤ２の値によっては、Ｄ３＝０°であっても自励発振動作が行われる場合もある。このような場合には、移相部１１７を設ける必要はなく、移相信号１２８の代わりに同期信号１３６が駆動部１０５に供給される。つまり、駆動部１０５は、同期信号１３６に基づき、駆動信号１２６を生成してもよい。
Further, depending on the values of D1 and D2, the self-excited oscillation operation may be performed even when D3 = 0 °. In such a case, it is not necessary to provide the
［走査振幅の検出動作］
本実施の形態に係るレーザ走査装置１００は、自励発振による駆動信号１２６の周波数の調整に加え、駆動信号１２６の振幅を調整することで、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅を調整する。具体的には、レーザ走査装置１００は、現在のＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅を検出し、検出結果を用いて、走査振幅が目標値に近づくように、駆動信号１２６の振幅を調整する。
[Scanning amplitude detection operation]
The
まず、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅を検出する処理について説明する。
First, processing for detecting the scanning amplitude of the
図８は、本実施の形態に係る各種信号のタイミングチャートである。なお、図８では、駆動信号１２６の周期Ｔ０（偏向走査の周期）及び、駆動信号１２６の振幅Ａ０は一定である。また、環境変化により走査振幅がＢ１〜Ｂ３に変化している。
FIG. 8 is a timing chart of various signals according to the present embodiment. In FIG. 8, the period T0 (deflection scanning period) of the
トグル信号生成部１１４は、二値化検知信号の１回目のパルスの立ち上がりエッジでセットされ、２回目のパルスの立ち上がりでリセットされるトグル信号１３４を生成する。言い換えると、トグル信号１３４は、検知信号１２４が生成されるごとに論理値が反転する信号である。
The toggle
また、信号生成部１０６は、二値化駆動信号１２７がハイレベルである有効期間にのみ、二値化検知信号に応じてトグル信号１３４の論理値を反転させ、二値化駆動信号１２７がローレベルである無効期間では、ローレベルのトグル信号１３４を生成する。これにより、ノイズ等に起因して誤ったトグル信号１３４が生成されることを抑制できる。なお、ここでは、有効期間は二値化駆動信号１２７がハイレベルの期間であるが、これは、二値化駆動信号１２７がハイレベルの期間において、レーザ光１２２がフォトセンサ１０３を通過するからである。つまり、有効期間は、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査の１周期の一部の期間であり、かつ、レーザ光１２２がフォトセンサ１０３を通過する期間であればよい。言い換えると、有効期間は、フォトセンサ１０３の位置に応じて設定される。
In addition, the
走査振幅検出部１１５は、トグル信号１３４のパルス幅、つまり、検知信号１２４の生成間隔を計数クロック１３０で計数する。具体的には、走査振幅検出部１１５は、トグル信号１３４がハイレベルになってからローレベルになるまでの間の固定クロックのクロック数をカウントすることで計数値１３５を得る。例えば、固定クロックは、発振器１０４により生成される。
The
また、図８に示すように、走査振幅がＢ１、Ｂ２、Ｂ３と大きくなるに伴い、トグル信号１３４のパルス幅は、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と大きくなる。また、パルス幅の増加に伴い計数値１３５も増加する。
As shown in FIG. 8, the pulse width of the
振幅制御部１１６は、得られた計数値１３５が目標値と等しくなるように同期信号１３３の振幅を制御する。
The
図９は、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅と計数値１３５との関係を示す図である。図１に示すようにフォトセンサ１０３を走査領域１２３の端部に配置した場合、走査振幅が小さくレーザ光１２２がフォトセンサ１０３を横切らない時は計数値１３５が得られないが、レーザ光１２２がフォトセンサ１０３を横切るようになると、正常に計数値１３５が得られるようになる。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the scanning amplitude of the
このように、レーザ走査装置１００は、上述した自励発振動作により駆動信号１２６の周波数を調整する動作に加え、駆動信号１２６の振幅を調整することで、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅を調整する。これにより、レーザ走査装置１００は、走査振幅を高精度に制御できる。
As described above, the
なお、以下の方法により走査振幅を検出してもよい。図１０は、この場合の各種信号のタイミングチャートである。図１０に示すように、走査振幅検出部１１５は、トグル信号１３４のハイ区間で一定の割合で増加するランプ波を生成する。また、走査振幅検出部１１５は、トグル信号１３４の立ち下がりエッジでランプ波のレベルをサンプルホールドするとともに、ランプ波をゼロレベルにリセットする。
The scanning amplitude may be detected by the following method. FIG. 10 is a timing chart of various signals in this case. As shown in FIG. 10, the
また、図１０に示すように、走査振幅がＢ１、Ｂ２、Ｂ３と大きくなるに伴い、トグル信号１３４のパルス幅は、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と大きくなる。また、パルス幅の増加に伴いサンプルホールド値も増加する。
As shown in FIG. 10, as the scanning amplitude increases to B1, B2, and B3, the pulse width of the
図１１は、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅とサンプルホールド値との関係を示す図である。図１１に示すように、走査振幅とサンプルホールド値との関係は、離散的ではなく連続的となる。よって、固定クロックで計数値１３５をカウントする場合に比べて、制御の精度を向上できる。
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the scanning amplitude of the
なお、走査振幅検出部１１５は、ＡＤ変換器を有し、当該ＡＤ変換器がサンプルホールド値を取得してもよい。
Note that the scanning
また、ここでは、自励発振動作に加え、駆動信号１２６の振幅を調整する構成を説明したが、レーザ走査装置１００は、駆動信号１２６の振幅を調整する機能を有さなくてもよい。
In addition, although the configuration for adjusting the amplitude of the
［動作の流れ］
図１２は、本実施の形態に係るレーザ走査装置１００による動作のフローチャートである。
[Flow of operation]
FIG. 12 is a flowchart of the operation of the
まず、レーザ走査装置１００は、起動時の初期動作を行う（Ｓ１０１）。具体的には、制御部１０８は、駆動部１０５にＭＥＭＳ走査ミラー１０２の共振周波数にオフセットを与えた初期周波数の駆動信号１２６をＭＥＭＳ走査ミラー１０２に印加させる（Ｓ１１１）。具体的には、発振器１０４に、初期周波数の基準信号１２５を生成する。スイッチ１０７は、基準信号１２５を駆動部１０５に供給する。駆動部１０５は、基準信号１２５を駆動信号１２６としてＭＥＭＳ走査ミラー１０２に印加する。例えば、この段階では、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２の走査振幅が小さいため、フォトセンサ１０３により検知信号１２４は生成されない。
First, the
次に、制御部１０８は、駆動部１０５に駆動信号１２６の周波数を共振周波数に近づくようにスイープさせる（Ｓ１１２）。駆動信号１２６の周波数が共振周波数に近くづくことで、走査振幅が増加する。走査振幅が所定値以上になることで、フォトセンサ１０３による検知信号１２４の生成が開始される。制御部１０８は、フォトセンサ１０３により検知信号１２４が生成されたかを確認し（Ｓ１１３）、検知信号１２４が生成された場合に、同期信号生成部１１２をオンする（Ｓ１１４）。
Next, the
以降、レーザ走査装置１００は、自励発振動作を行う（Ｓ１０２）。具体的には、制御部１０８は、同期信号生成部１１２をオンした後、駆動部１０５に、移相信号１２８を駆動信号１２６としてＭＥＭＳ走査ミラー１０２に印加させる（Ｓ１２１）。具体的には、制御部１０８は、スイッチ１０７が移相信号１２８を駆動部１０５へ出力するように制御する。
Thereafter, the
これにより、正帰還ループにより自励発振動作が行われる（Ｓ１２２）。 Thereby, a self-excited oscillation operation is performed by the positive feedback loop (S122).
［効果］
以上のように、本実施の形態では、ＭＥＭＳ構造体等にセンサ部等を形成する必要がないので、簡易な構成のレーザ走査装置１００を実現できる。これにより、製造バラツキ等を抑制できるので、製造バラツキ等に起因する自励発振の精度の低下を抑制できる。このように、レーザ走査装置１００は、自励発振の精度を向上できる。
[effect]
As described above, in this embodiment, since it is not necessary to form a sensor unit or the like in the MEMS structure or the like, the
また、このように自励発振を行うことで、レーザ走査装置１００は、高い精度で走査振幅を制御できる。
Further, by performing self-excited oscillation in this manner, the
さらに、レーザ走査装置１００は、自励発振による駆動信号１２６の周波数の調整に加え、フォトセンサ１０３で検知された検知信号１２４に基づき、駆動信号１２６の振幅を調整する。これにより、レーザ走査装置１００は、より高い精度で走査振幅を制御できる。
Further, the
（実施の形態２）
本実施の形態では、移相調整を行う別の手法について説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, another method for performing phase shift adjustment will be described.
図１３は、本実施の形態に係る信号生成部１０６Ａの構成を示すブロック図である。なお、レーザ走査装置１００の全体構成は実施の形態１と同様である。
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of
図１３に示す信号生成部１０６Ａは、図４に示す信号生成部１０６Ａに対して、同期信号生成部１１２Ａの構成が、同期信号生成部１１２と異なる。また、信号生成部１０６Ａは、図４に示す移相部１１７を備えない。
The
同期信号生成部１１２Ａは、同期信号生成部１１２の構成に加え、さらに、分周器１４２Ａを備える。また、ＰＬＬ回路１４１Ａに含まれる電圧制御発振器１４６Ａの構成が、電圧制御発振器１４６と異なる。
In addition to the configuration of the synchronization
図１４は、電圧制御発振器１４６Ａの回路図である。電圧制御発振器１４６Ａは、リング状に接続された奇数個のインバータを含む。奇数のインバータの電源電圧が変更されることにより、インバータの遅延時間が変化する。これにより、発振周波数が変化することで、同期信号１３２の周波数が変更される。
FIG. 14 is a circuit diagram of the voltage controlled
ここで、図１４に示すように、インバータの出力信号Ｓ１〜Ｓ４はそれぞれ異なる位相の信号である。本実施の形態では、電圧制御発振器１４６Ａが移相部１１７の機能を有する。例えば、インバータの出力信号１３７（Ｓ１）が分周器１４２に供給され、出力信号１３８（Ｓ３）が分周器１４２Ａに供給される。
Here, as shown in FIG. 14, the output signals S1 to S4 of the inverters are signals having different phases. In the present embodiment, voltage controlled
図１５は、本実施の形態に係る各種信号のタイミングチャートである。 FIG. 15 is a timing chart of various signals according to the present embodiment.
ＭＥＭＳ走査ミラー１０２に共振周波数近傍の周波数の駆動信号１２６が与えられると、ＭＥＭＳ走査ミラー１０２による偏向走査が始まり、検知信号１２４が生成される。また、上述したように検知信号１２４に応じて同期信号１３２及び移相信号１３２Ａが生成される。また、ＢＰＦ１１３により移相信号１３２Ａから移相信号１３３Ａが生成される。さらに、振幅制御部１１６により移相信号１３３Ａの振幅が制御されることで移相信号１２８Ａが生成され、当該移相信号１２８Ａがスイッチ１０７を介して駆動部１０５に供給される。駆動部１０５は、移相信号１２８Ａに基づき、駆動信号１２６を生成する。
When the
移相信号１３３Ａと同期信号１３２との位相差Ｄ３は、Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３≒３６０°（＝０°）の関係を満たすように設定される。なお、Ｄ１は、駆動信号１２６と、ＭＥＭＳ走査角との間の時間差であり、Ｄ２は、ＭＥＭＳ走査角と同期信号１３２との間の時間差である。
The phase difference D3 between the
以上のように、本実施の形態では、ＰＬＬ回路１４１Ａに含まれる電圧制御発振器１４６Ａを、移相回路として流用する。これにより、回路規模を縮小することができる。
As described above, in this embodiment, the voltage controlled
以上、本発明の実施の形態に係るレーザ走査装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。 The laser scanning device according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment.
例えば、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。 For example, the division of functional blocks in the block diagram is an example, and a plurality of functional blocks can be realized as one functional block, a single functional block can be divided into a plurality of functions, or some functions can be transferred to other functional blocks. May be. In addition, functions of a plurality of functional blocks having similar functions may be processed in parallel or time-division by a single hardware or software.
また、ハイ／ローにより表される論理レベル又はオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。 In addition, the logic level represented by high / low or the switching state represented by on / off is exemplified to specifically describe the present invention, and different combinations of the illustrated logic level or switching state. Therefore, it is possible to obtain an equivalent result.
また、上記の各装置は、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクドライブ、ディスプレイユニット、キーボード、マウスなどから構成されるコンピュータシステムとして構成されても良い。ＲＡＭまたはハードディスクドライブには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、各装置は、その機能を達成する。ここでコンピュータプログラムは、所定の機能を達成するために、コンピュータに対する指令を示す命令コードが複数個組み合わされて構成されたものである。 Further, each of the above devices may be specifically configured as a computer system including a microprocessor, ROM, RAM, hard disk drive, display unit, keyboard, mouse, and the like. A computer program is stored in the RAM or hard disk drive. Each device achieves its functions by the microprocessor operating according to the computer program. Here, the computer program is configured by combining a plurality of instruction codes indicating instructions for the computer in order to achieve a predetermined function.
さらに、上記の各装置を構成する構成要素の一部または全部は、１個のシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）から構成されているとしても良い。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、例えば、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムを含む。この場合、ＲＯＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。 Furthermore, some or all of the constituent elements constituting each of the above-described devices may be configured by one system LSI (Large Scale Integration). The system LSI is a super multifunctional LSI manufactured by integrating a plurality of components on one chip, and includes, for example, a computer system including a microprocessor, ROM, RAM, and the like. In this case, a computer program is stored in the ROM. The system LSI achieves its functions by the microprocessor operating according to the computer program.
さらにまた、上記の各装置を構成する構成要素の一部または全部は、各装置に脱着可能なＩＣカードまたは単体のモジュールから構成されているとしても良い。ＩＣカードまたはモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカードまたはモジュールは、上記の超多機能ＬＳＩを含むとしても良い。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、ＩＣカードまたはモジュールは、その機能を達成する。このＩＣカードまたはこのモジュールは、耐タンパ性を有するとしても良い。 Furthermore, some or all of the constituent elements constituting each of the above-described devices may be configured from an IC card that can be attached to and detached from each device or a single module. The IC card or module is a computer system that includes a microprocessor, ROM, RAM, and the like. The IC card or the module may include the super multifunctional LSI described above. The IC card or the module achieves its function by the microprocessor operating according to the computer program. This IC card or this module may have tamper resistance.
また、本発明は、上記に示す方法であるとしても良い。また、本発明は、これらの方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしても良いし、上記コンピュータプログラムからなるデジタル信号であるとしても良い。 Further, the present invention may be the method described above. Further, the present invention may be a computer program that realizes these methods by a computer, or may be a digital signal composed of the above computer program.
さらに、本発明は、上記コンピュータプログラムまたは上記デジタル信号をコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標） Ｄｉｓｃ）、半導体メモリなどに記録したものとしても良い。また、これらの非一時的な記録媒体に記録されている上記デジタル信号であるとしても良い。 Furthermore, the present invention provides a non-transitory recording medium that can read the computer program or the digital signal, for example, a flexible disk, a hard disk, a CD-ROM, an MO, a DVD, a DVD-ROM, a DVD-RAM, a BD ( It may be recorded on a Blu-ray (registered trademark) Disc), a semiconductor memory, or the like. The digital signal may be recorded on these non-temporary recording media.
また、本発明は、上記コンピュータプログラムまたは上記デジタル信号を、電気通信回線、無線または有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしても良い。 In the present invention, the computer program or the digital signal may be transmitted via an electric communication line, a wireless or wired communication line, a network represented by the Internet, a data broadcast, or the like.
また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、上記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、上記マイクロプロセッサは、上記コンピュータプログラムに従って動作するとしても良い。 The present invention may be a computer system including a microprocessor and a memory, wherein the memory stores the computer program, and the microprocessor operates according to the computer program.
また、上記プログラムまたは上記デジタル信号を上記非一時的な記録媒体に記録して移送することにより、または上記プログラムまたは上記デジタル信号を上記ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしても良い。 Further, by recording the program or the digital signal on the non-temporary recording medium and transferring it, or transferring the program or the digital signal via the network or the like, another independent computer It may be implemented by the system.
さらに、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしても良い。 Furthermore, the above embodiment and the above modification examples may be combined.
本発明は、レーザ走査装置に適用でき、例えば、当該レーザ走査装置から対象物までの距離を測定するためのレーザレンジファインダ等に適用できる。 The present invention can be applied to a laser scanning device, for example, a laser range finder for measuring a distance from the laser scanning device to an object.
１００ レーザ走査装置
１０１ レーザ光源
１０２ ＭＥＭＳ走査ミラー
１０３ フォトセンサ
１０４ 発振器
１０５ 駆動部
１０６、１０６Ａ 信号生成部
１０７ スイッチ
１０８ 制御部
１１１ 検出パルス生成部
１１２、１１２Ａ 同期信号生成部
１１３ ＢＰＦ
１１４ トグル信号生成部
１１５ 走査振幅検出部
１１６ 振幅制御部
１１７ 移相部
１４１、１４１Ａ ＰＬＬ回路
１４２、１４２Ａ 分周器
１４３ 位相比較器
１４４ チャージポンプ
１４５ ループフィルタ
１４６、１４６Ａ 電圧制御発振器
１２１、１２２ レーザ光
１２３ 走査領域
１２４ 検知信号
１２５ 基準信号
１２６ 駆動信号
１２７ 二値化駆動信号
１２８、１２８Ａ、１３２Ａ、１３３Ａ 移相信号
１３１ 検出パルス
１３２、１３３、１３６ 同期信号
１３４ トグル信号
１３５ 計数値
１３７、１３８ 出力信号
DESCRIPTION OF
114
Claims (5)
前記レーザ光源からのレーザ光を走査する走査ミラーと、
前記走査ミラーに駆動信号を印加することで、前記走査ミラーを駆動する駆動部と、
前記走査ミラーにより走査されたレーザ光が走査する領域に配置され、前記レーザ光を検出した際に検知信号を生成するフォトセンサと、
前記検知信号の生成タイミングに位相同期する同期信号を生成する信号生成部とを備え、
前記駆動部は、前記同期信号に基づき、前記駆動信号を生成する
レーザ走査装置。 A laser light source;
A scanning mirror that scans laser light from the laser light source;
A driving unit that drives the scanning mirror by applying a driving signal to the scanning mirror;
A photo sensor that is arranged in a region to be scanned by the laser beam scanned by the scanning mirror and generates a detection signal when the laser beam is detected;
A signal generation unit that generates a synchronization signal that is phase-synchronized with the generation timing of the detection signal,
The drive unit generates the drive signal based on the synchronization signal.
前記駆動部は、前記移相信号に基づき、前記駆動信号を生成する
請求項１記載のレーザ走査装置。 The signal generation unit generates a phase-shifted signal in which the phase of the synchronization signal is shifted so that a self-excited oscillation operation is performed,
The laser scanning device according to claim 1, wherein the drive unit generates the drive signal based on the phase shift signal.
前記同期信号を生成するためのＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路を備え、
前記ＰＬＬ回路は、リング状に接続された奇数個のインバータを含む電圧制御発振器を備え、
前記信号生成部は、前記奇数個のインバータの出力信号のうちいずれかを前記移相信号として出力する
請求項２記載のレーザ走査装置。 The signal generator is
A PLL (Phase Locked Loop) circuit for generating the synchronization signal;
The PLL circuit includes a voltage controlled oscillator including an odd number of inverters connected in a ring shape,
The laser scanning device according to claim 2, wherein the signal generation unit outputs any one of output signals of the odd number of inverters as the phase shift signal.
（１）前記駆動部に、前記同期信号とは異なる信号に基づき、前記走査ミラーの共振周波数にオフセットを与えた初期周波数の前記駆動信号を生成させ、（２）前記駆動信号の周波数を前記共振周波数に近づくようにスイープさせ、（３）前記検知信号が生成された場合に、前記駆動部に、前記同期信号に基づく前記駆動信号を生成させる制御部を備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ走査装置。 The laser scanning device further includes:
(1) The drive unit generates the drive signal having an initial frequency obtained by adding an offset to the resonance frequency of the scanning mirror based on a signal different from the synchronization signal, and (2) the frequency of the drive signal is changed to the resonance. 4. The controller according to claim 1, further comprising: a controller that causes the drive unit to generate the drive signal based on the synchronization signal when the detection signal is generated. The laser scanning device according to Item.
前記駆動信号が二値化されることで得られた二値化駆動信号が第１論理値の区間において前記検知信号が最初に生成されてから前記区間の終了まで第２論理値となる検出パルス信号を生成し、
前記検出パルス信号に位相同期する前記同期信号を生成する
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ走査装置。 The signal generator is
A detection pulse that becomes a second logical value from when the detection signal is first generated in a section of the first logical value of the binarized driving signal obtained by binarizing the driving signal until the end of the section. Generate a signal,
The laser scanning device according to claim 1, wherein the synchronization signal that is phase-synchronized with the detection pulse signal is generated.
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