JP4555905B2

JP4555905B2 - スキャナ駆動部のための方向制御システム

Info

Publication number: JP4555905B2
Application number: JP02934098A
Authority: JP
Inventors: ミューラーグンター; ショッペギュンター; ティツレセバスチャン
Original assignee: カールツアイスマイクロイメージングゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JPH11231253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光線束の線形振動偏向のために役立つ旋回ミラーを駆動するためのスイング・モータと、方向制御周波数、周波数曲線、および振幅に関して変更可能な励磁電流でスイング・モータを給電するための方向制御ユニットと、方向制御ユニットに結合された関数発生器と、旋回ミラーの偏向位置についての情報の結果を得るための測定値受信器とを有する、スキャナ駆動部のため、特にレーザ走査顕微鏡のための方向制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この技術分野では、走査装置を有する光学装置（以下レーザ走査顕微鏡という）が周知である。光線源としては、特性上、光を光線経路に沿って一つの小さな光点に一般にピクセルとして示して画面に焦点合せする、レーザが使用される。
この方式で、レーザ光のほとんど全部がこの単一の目標点に導かれる。
【０００３】
その上、このような装置の走査装置は、レーザからくる光ならびに対象物面から反射される光を線形に偏向し、しかも光点を画面の中および対象物面の中で動かすために使用される。スキャナと同期して方向制御されるラスタ走査装置は、結果として得られる検知器出力信号を画像情報として出力する。
【０００４】
Ｘ軸として示されるべき軸の方向に目標点が動かされるように、光線経路の振動偏向用に電気機械的に駆動されるミラーを予め備えて、光線経路を偏向することは周知である。この際、ミラーはレーザ束を同じ方式で駆動される第２ミラーに向け、第２ミラーは目標点の垂直軸方向すなわちＹ軸方向への動きを生じさせる。
【０００５】
次に、Ｘ軸における偏向をさらに詳しく考察する。適用される偏向ミラーは小型であり、したがって質量も小さいとはいえ、短い画像形成時間で良好な画像線形性を目的として急速で正確な動きをミラーに生じさせるには、この種の走査装置では常に困難性がある。この原因は、ミラーの動きと光線経路が方向制御ユニットから出される駆動信号に基づいて様々な妨害影響に、程度の差こそあれ、忠実に追従してしまうことである。これは高性能の走査装置には十分ではなく、この場合、高い走査頻度の要求を満たすこと、ならびに目標点が偏向段階全体にわたって一定の速度を維持せねばならないという必要が常にある。
【０００６】
できるだけ線形の駆動特性を偏向ミラーのために保持するために、方向制御ユニットにおいて三角波を有する方向制御信号が作られる。このような方向制御信号の位相と振幅は、偏向が時間に応じて目標点の線形動作に近似するという、そのための基本的前提を形成する。
【０００７】
三角波の結果的な近似を目的として、周知の技術状況では調波分析、すなわちフーリェ係数による計算が用いられる。付属の方向制御ユニットを有するこのような走査装置は、例えばＤＥ−ＯＳ４３２２６９４に記載されている。この場合、方向制御信号はフーリェ成分のうちの二つを基礎にして作られ、三角波への比較的良好な近似という成果を伴う。しかし欠点として、ここに示す種類の方向制御は、スキャナの両周波数が振幅と位相とによって区別して取り扱われるので、満足させるような結果には到達しない。これは、基礎周波数のさらなる調波がさらなる修正に使用される場合でもそうである。言い換えれば、所望の線形化を実現するというここに提案された解決法は適しない。
【０００８】
前述の開示では、Ｘ軸におけるレーザ光線の偏向のために、二つの共振スキャナと一つのガルバノメータ・スキャナが計画され、ガルバノメータ・スキャナは直流スイング動作を共振スキャナが供給する共振動作に重ねるために使用される。周知のように、共振スキャナのスイング動作はさらに、特にミラーの質量の動きとこの質量が固定されている弾性部材（例えばばね）の偏向との間のエネルギー交換に起因する。
【０００９】
走査装置の内部で複数の分離したスキャナがそのつど単一の共振周波数で駆動されるところのこれまで述べた構造とは別に、単一のスキャナを複数の共振周波数で駆動することが知られている。この例としてＵＳ−ＰＡＴ４８５９８４６に一つのスキャナの作動方式が記載されており、このスキャナは一つのミラーで作動し、このスキャナのために適当な方向制御システムによって複数の共振周波数を作り出す。この方向制御システムにおいても共振スキャナ・システムが重要である。この解決法も、方向制御信号によって与えられた位置の実際の偏向位置が、例えば外部温度の影響や材料条件上の影響量などさまざまな妨害影響によって狂ってくるという欠点を排除するためには適しない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、三角波に基づいて方向制御信号の有利な発生を維持して、実際の偏向位置の正確性および偏向の線形性が向上されるように、前記の種類のスキャナ駆動のための方向制御システムをさらに形成する、という課題に基づくものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この課題は、励磁電流用の修正値を見つけるための論理ユニットを通じて測定値受信器を関数発生器に結合することによって解決される。
【００１２】
これによって旋回ミラーの実際の偏向位置に関する測定値受信器に利用可能となる情報を評価して、論理ユニットを援用して修正値を見つけることが可能となる。またこれを、偏差が減少されるかまたは完全に除去されるようにするために、関数発生器から出される方向制御周波数に影響を及ぼすために使用することができる。その限りでは、本発明による解決法を通じて走査動作の制御が遂行され、この制御は、方向制御周波数によって与えられる位置からのミラーの実際の偏向位置の偏差を把握し、旋回ミラーのさらなる方向制御に対して影響を与え、この場合に励磁電流が相応に変化される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の有利な一実施形態では、関数発生器の少なくとも一つの信号出力部を、参照信号と比較信号との伝達を目的として、論理ユニットの付け足された信号出力部に結合することが提案される。これによって、論理ユニットにおいて方向制御周波数も使用可能となり、方向制御周波数は、ミラーの実際の偏向または方向制御周波数に対するミラーの応答周波数との比較を基礎としている。
【００１４】
論理ユニットでは、旋回ミラーの偏向位置に関する情報を走査駆動部の振幅と位相とに転換するための第１の計算回路を、複数の方向制御周波数に関連して組込んでである。結果をボード線図の形で表示することができる。
【００１５】
さらに、論理ユニットでは、級数ｙ＝４／π＋［ｋ₁ｓｉｎ(ｘ＋ψ₁)−ｋ₂ｓｉｎ(３ｘ＋ψ₂）／３²＋ｋ₃ｓｉｎ(５ｘ＋ψ₃)／５²−＋・・・］
におけるフーリェ周波数のためのｋ₁・・・ｋ_nおよびψ₁・・・ψ_nの値を見つけるために、第２計算回路を組込んである。ただし、ｋ₁からｋ_nまでは修正係数であり、ｘは偏向角、そしてψ₁からψ_nまでは位相角である。この計算回路によって、偏向ミラーの応答動作を調波によって分析し、フーリェ係数ｋ₁からｋ_nまでを決定するすることが可能になる。この場合、応答周波数は純正スイング（調波スイング）の総和と一定部分とに分解される。
【００１６】
さらに、論理ユニットでは、実際に達成された偏向位置と所望の偏向位置との比較から修正された方向制御関数を標準化するために、第３計算回路を組込んである。この場合、この比較から導き出される修正値に基づいて修正された方向制御関数の標準化が行われる。さらに、小さな位相誤差の場合には係数ｋ１から例えばｋ５までが、大きな位相誤差の場合には偏差Δψ₁から例えばΔψ₅までが、方向制御関数に切り替えられる。
【００１７】
修正値を考慮して論理ユニットにおいて算出され修正された方向制御命令は、適当なデータ・セットに構成され、さらに関数発生器に導かれ、ここで先ず記憶される。この第１共振周波数から例えば第５共振周波数までのための修正値の考慮によって、方向制御周波数の高度に正確な修正が保証される。
【００１８】
本発明の別の好ましい一実施形態では、測定値受信器と論理ユニットとの間の信号路においてアナログ・ディジタル変換器を、また関数発生器と方向制御ユニットとの間の信号路においてスイング駆動部の給電のためにディジタル・アナログ変換器を準備することが計画される。アナログ・ディジタル変換器として、ディジタル信号プロセッサを挙げることができる。これによって、測定値受信器によって与えられるアナログ信号の論理ユニットが必要とするディジタル信号への変換、およびそれに応じて、関数発生器によって与えられるディジタル周波数信号の方向制御ユニットを準備するためのアナログ信号への変換が保証される。
【００１９】
さらに有利に、論理ユニット、関数発生器、アナログ・ディジタル変換器ならびにディジタル・アナログ変換器が、そのつどサイクル発生器に結合される。これによって、測定値受信器によって供給される応答周波数の情報を論理ユニットに、また修正された方向制御命令を関数発生器に渡し、そして次の走査過程のための方向制御命令を同期して渡すことが可能となる。
【００２０】
スイング・モータとしては、ガルバニー駆動部を組込んである。これによって、旋回ミラーの励磁電流によって得られる決定的なスイング動作が実現可能になる。測定値受信器としては、容量性測角システムを組込んである。この測角システムは、両走査方向において、すなわちガルバニー駆動部の前進および後退のために、旋回ミラーの位置値を把握するのに使用されるように、組込まれている。
この結果として、二方向位置値がディジタル信号プロセッサを通じて論理ユニットの入力部に向かい、したがって走査過程と比較して約半分の画像形成時間でしかもただ一つの方向で実現可能であり、すなわちスキャナ動作の前進行程と後退行程とが実現可能になり、場合によってはまだ存在する小さな偏差を前進と後退とで同一にすることができる。
【００２１】
次に、本発明を一つの実施例と添付の図面によってさらに詳しく説明する。
【００２２】
【実施例】
図１に示す実施例によれば、スキャナ１の中に、ガルバニー駆動部２、機械式接続部９を通じてガルバニー駆動部２と結合された旋回ミラー３、ガルバニー駆動部２の制御入力部と連結している出力部を有する方向制御ユニット４、ならびに位相によって変わるミラー位置を探すために使用される容量性測角システム７が準備されている。さらに、信号路１６を通じてディジタル信号プロセッサ６の信号入力部に接続された関数発生器５があり、ここで信号プロセッサ６の出力部は信号路１７を通じて方向制御ユニット４の命令入力部に向かっている。容量性測角システム７の第１出力部は、調整路８を通じて方向制御ユニット４の制御入力部に接続されている。
【００２３】
方向制御ユニット４は、これがガルバニー駆動部２を励磁電流によって給電し、この励磁電流はその周波数、スイング形態、および振幅に関して可変であるように設計されている。関数発生器５は、複数の異なる周波数を出すことができ、これらの周波数は個々に選択され、信号路１６、ディジタル信号プロセッサ６、および信号路１７を通じて、方向制御ユニット４の中でガルバニー駆動部２用の制御電圧に刻印可能であるように設計されている。この場合、ガルバニー駆動部２が処理することのできる周波数のみを含む合成三角電圧（図２と図３を参照）は、制御電圧が根底となっている。具体例として、関数発生器５において最高５ｋＨｚまでの４２の異なる周波数が呼出し準備完了である例を挙げる。
【００２４】
この配置を操作する場合、そのつど基礎周波数およびすべての高調波が、付属の増幅と移相とによって変えられる応答を呼び出し、この応答は相応に変えられる旋回ミラー３の偏向位置を表し、そのつどの偏向位置は、Ｘ方向で走査された行を通る行程におけるレーザ光線の一つの位置に相当するので、ガルバニー駆動部２は、励磁電流の中または制御電圧の中に含まれる周波数の各々を機械式接続部９を通じて旋回ミラー３に伝達する。模範的には、各行程においてＸ方向を通じて１２００の偏向位置が走査され、これらの偏向位置のそれぞれに対象物面における一つの画像点が割り当てられる。
【００２５】
そのつど旋回ミラー３によって取り入れられる偏向位置は、容量性測角システム７によって示される位置値に相当し、この値は、調整路８を通じて再び方向制御ユニット４に送られ、ここで、設定されまたは理想的に所望された偏向位置からのミラー位置の目標と実際との間に偏差がある場合にはすぐに、ガルバニー駆動部２の後続の方向制御のための方向制御信号を修正するために使用される。これらの過程は周知な調整で行われる。
【００２６】
次に、特に１秒未満の範囲の非常に短い画像形成時間を実現できるようにするには、制御電圧の経過に基づいて旋回ミラー３の高度に正確な偏向が保証されるように、使用可能にされ、走査動作を開始させる合成三角電圧を、非常に広範囲にスキャナの応答挙動に、その振幅と位相とによって適合させることが問題となる。これは、応答動作に関する方向制御関数の伝達係数をできるだけ値１に近づけ、これによって、方向制御関数と応答動作との間の偏差を最少量、例えば≦０．５ピクセルに制限することを意味する。これを達成するために、方向制御周波数の調整に基づくこれまで示した方向制御システムは、本発明により、一つの論理ユニット１３によって補完されており、この論理ユニットの命令入力分は、信号路１２、第２ディジタル信号プロセッサ１１、および信号路１０を通じて、容量性測角システム７の第２出力部に接続されている。論理ユニット１３の出力部は、信号路１４を通じて関数発生器５の方向制御入力部に接続されている。参照信号と比較信号とを関数発生器５から論理ユニット１３に伝達するために、関数発生器５と論理ユニット１３との間には信号路１５を通る別の結合部がある。さらに、サイクル発生器１８が組込まれており、これは信号路１９を通じて第２ディジタル信号プロセッサ１１に、信号路２０を通じて論理ユニット１３に、信号路２４を通じて関数発生器５に、そして信号路２１を通じて第１ディジタル信号プロセッサ６にそれぞれ接続されている。
【００２７】
例えばレーザ走査顕微鏡における固有の走査作業を開始する前に、方向制御システム全体をシステム誤差について検査し、旋回ミラー３の高度に正確な偏向が計画周波数に依存して可能であるように、システム誤差を考慮して補正することは、上記の接続配置によって先ず可能である。この補正として示される経過を目的として、まず次々に、関数発生器５によって提供される４２の周波数のすべてを呼び出して、これらの周波数によって走査過程を開始させる。この場合、ディジタル信号プロセッサ６、１１、関数発生器５、ならびに論理ユニット１３は、サイクル発生器１８によって同期される。論理ユニット１３によって取り入れられた応答は評価され、ボード線図の形に分析され、この場合、ボード線図はフーリェ係数の各周波数ごとに、位相角と付け足される伝達係数の探索を可能にする。探索された位相角と伝達係数に基づいて、方向制御関数の合成が広い範囲の走査周波数（１／６４Ｈｚ・・・〜６００Ｈｚ）について可能であり、これらの走査周波数は、ガルバニー駆動部２のための修正された方向制御周波数のために容量性測角システム７の方向制御周波数とともに使用される。この方法で合成された三角波の振動のためのデータ・セットは、関数発生器５の中にファイルされ、そこから周期的に呼び出すことができる。この方法で、走査システムの特質を考慮するデータ・セットは、関数発生器５における補正ステップの成果として利用可能となる。このデータ・セットによって、所望の高度に正確な周期的偏向を維持するために走査作業をどのように方向制御すべきかが確定される。
【００２８】
ここで可能性のある正確な走査作業によって、さらに、レーザ光線の１２００の偏向点の個々について、容量性測角システム７を通じた返答を評価することによって、前記の補正ステップと同様に、理想偏向位置との偏差が見つけられ、これから修正された方向制御命令が得られ、関数発生器の中にファイルされる。ここから、サイクル発生器によって与えられるサイクル周波数に応じて周期的に、修正された方向制御データ・セットの試験とさらなる処理が、高度に正確な走査位置を達成するために行われる。
【００２９】
図３に、具体的なシステムのための修正されていない制御電圧を、０．７５秒の画像形成時間を有する走査過程のための合成三角電圧の形で示す。この場合、長さｚはＸ方向に走査した行の測定量を示す。さらに、方向制御電圧のための三角波２２と応答動作のための三角波２３とを認識すべきである。明らかに、三角波２３はそのゼロ通過点をｚ／２には持たず、すなわち旋回ミラー３と、これによって偏向されたレーザ光線とは、三角波２２によって与えられる方向制御電圧に正確には従わない。
【００３０】
図２に、修正を行った後の状況を示す。応答動作の三角波２３は、特に側面における反転点の近くで平滑になっており、また今度はそのゼロ通過点をちょうどｚ／２の位置に有する。
【００３１】
この本発明による接続配置によって、高い鏡面対称性を備え、その結果高い正確性の要件を有する二方向走査を可能にする合成三角電圧が実現可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方向制御システムの接続図である。
【図２】画像形成時間を１秒未満とする修正された制御電圧変化図である。
【図３】画像形成時間を１秒未満とする修正されていない制御電圧変化図である。
【符号の説明】
１スキャナ
２ガルバニー駆動部
３旋回ミラー
４方向制御ユニット
５関数発生器
６ディジタル信号プロセッサ
７容量性測角システム
８調整路
９機械式接続部
１０信号路
１１第２ディジタル信号プロセッサ
１２信号路
１３論理ユニット
１４信号路
１５信号路
１６信号路
１７信号路
１８サイクル発生器
１９信号路
２０信号路
２１信号路
２２三角波
２３三角波
２４信号路

Claims

光線束の線形振動偏向のために役立つ旋回ミラーを駆動するためのスイング・モータと、方向制御周波数、周波数曲線、および振幅に関して変更可能な励磁電流でスイング・モータを給電するための方向制御ユニットと、方向制御ユニットに結合された関数発生器と、旋回ミラーの偏向位置についての情報の結果を得るための測定値受信器とを有する、スキャナ駆動部、特にレーザ走査顕微鏡のための方向制御システムであって、
測定値受信器が、励磁電流のための修正値を見つけるために、論理ユニット（１３）を通じて関数発生器（５）に結合され、
論理ユニット（１３）には、前記測定値受信器により得られる旋回ミラー（３）の偏向位置に関する情報をスキャナ（１）の振幅と位相とに転換するための第１計算回路が、方向制御ユニットからの複数の方向制御周波数に関連して組込まれ、さらに、前記スイング・モータが処理することができる予め与えられたフーリェ級数のフーリェ周波数の修正係数および位相角の値を見つけるための第２計算回路と、実際に達成された偏向位置と所望の偏向位置との比較から修正された方向制御ユニットの方向制御関数をモデル化するための第３計算回路とが組込まれていることを特徴とする、スキャナ駆動部のための方向制御システム。
第２計算回路は、フーリェ級数
ｙ＝4／π［ｋ₁sin(ｘ＋ψ₁)−ｋ₂sin(３ｘ＋ψ₂)／３²＋ｋ₃sin(５ｘ＋ψ₃)／５²−＋・・・・］
（ただし、ｋ₁からｋ_nまでは修正係数であり、ｘは偏向角、そしてψ₁からψ_nまでは位相角、ｙは関数ｆ（ｘ）である）
におけるフーリェ周波数のためのｋ₁・・・ｋ_nおよびψ₁・・・ψ_nの値を見つけることを特徴とする、前記請求項１に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
第３計算回路によって、比較から導き出される修正値に基づいて修正された方向制御関数のモデル化が行われ、また方向制御ユニットにより出力された駆動信号の位相誤差が小さい場合には係数ｋ₁から例えばｋ₅まで、またはそれの個別の関数値が、方向制御ユニットにより出力された駆動信号の位相誤差が大きい場合には偏差Δψ₁から例えばΔψ₅までが、方向制御ユニットの方向制御関数に切り替えられることを特徴とする、前記請求項１あるいは２に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
第１計算回路の結果表示が、ボード線図にて行われることを特徴とする、前記請求項３に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
第３計算回路が、第１調和共振周波数から第２０調和共振周波数までのための修正値を見つけだすための回路構成要素を通じて、方向制御周波数に使用可能であることを特徴とする、前記請求項３に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
測定値受信器と論理ユニット（１３）との間の信号路にアナログ・ディジタル変換器を、また関数発生器と方向制御ユニットとの間の信号路に、スイング・モータの給電のためにディジタル・アナログ変換器が組込まれることを特徴とする、前記請求項１〜５のいずれか一項に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
アナログ・ディジタル変換器がディジタル信号プロセッサ（１１）であることを特徴とする、前記請求項６に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
論理ユニット（１３）、関数発生器（５）、アナログ・ディジタル変換器、ならびにディジタル・アナログ変換器が、そのつどサイクル発生器（１８）に結合されることを特徴とする、前記請求項１〜７のいずれか一項に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
スイング・モータとしてガルバニー駆動部（２）が使用されることを特徴とする、前記請求項１〜８のいずれか一項に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
測定値受信器として容量性測角システム（７）が使用されることを特徴とする、前記請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。
容量性測角システム（７）が、二方向走査方向における旋回ミラーの位置値を把握するために、すなわちガルバニー駆動部（２）の前進および後退のために設計され、二方向位置値はディジタル信号プロセッサ（１１）を通じて論理ユニット（１３）の入力部に向かうことを特徴とする、前記請求項１０に記載のスキャナ駆動部のための方向制御システム。