JP6012276B2 - リサージュ走査を行うスキャナ用の偏向装置 - Google Patents

Description

本発明は主請求項の前段に記載するリサージュ走査を行うスキャナ用の偏向装置に関する。

マイクロミラーを有するスキャナ（ＭＥＭＳスキャナ）は多くの場合、１つ以上の軸で動くことができるよう、バネによって懸架したミラープレートを含み、該ミラープレートを静電的、電磁的、熱的、若しくは圧電的に力を伝えることによって駆動する。このタイプのレーザスキャナは、例えば顕微鏡、光コヒーレンストモグラフィ、光バリア、距離測定、表面形状測定装置、指紋センサ等の計測工学の分野で使用されているが、例えばレーザビデオプロジェクタ、携帯電話、ノート型パソコン、及びＭＰ３プレーヤ等の民生用アプリケーションでも使用されている。

１つの非常に有利なタイプのレーザ投影は、ＭＥＭＳスキャナの共鳴動作に基づくものであるが、それはこの場合にミラーの振動振幅の好ましい増幅を同時に低い電力消費で利用することができるためである。このことは、単軸及び複数軸両方のＭＥＭＳスキャナに当てはまる。

かかる共鳴ＭＥＭＳスキャナの１つの特に有利な構成では、減圧（真空）下でアクチュエータを動作させるが、それは、そのよう動作させることで、減衰を実質的に減少させることができるためである。このことを利用すれば、スキャナを最少の電力消費で動作させることができ、これは全てのモバイルアプリケーション（携帯電話、ＭＰ３プレーヤ等）にとって非常に重要なことである。低減衰であることで、大気圧で動作する従来の共鳴器の場合よりも、スキャナの共鳴振幅を実質的に高くすることができる。パッケージしないスキャナをしのぐ、真空で動作するＭＥＭＳレーザスキャナの利点は、走査角をより大きくできること、電力消費を桁違いに低くすることができること、使用する走査周波数がより高いこと、（静電又は圧電アクチュエータを使用して）駆動電圧がより低いこと、である。

通例複数のシリコンウエハとして製造するスキャナの各々に対してこのタイプの真空を作り出すには、ウエハのラミネート構造の内部にスキャナを密封する。言い換えれば、チップに分離する前に、あるガラスウエハをＭＥＭＳウエハの前面に接着し、第２のウエハをＭＥＭＳウエハの裏面に接着することによって、スキャナを密封することができる。このように作り出した空洞内にゲッタを封入する、例えばチタン層を後部ウエハに堆積させるが、これは適切な温度で動作させることによって封入された気体分子の大部分と化学的に結合することで、ガス圧を最小とすることができるものである。これは実質的には、ヘリウムを通すガラスカバーを通して周囲空気中に含まれる天然のヘリウムの拡散によってのみ制限される。結局、これは天然ヘリウム分圧の空洞における確立となる。

上述したように、このタイプの真空状態で実装する共鳴ＭＥＭＳレーザスキャナは、携帯電話のモバイルレーザ投影型ディスプレイにとって関心の高いものであるが、（例えば動画再生のために、必要に応じて投影による再生時間を可能な限り長くする等）主な目標は、スキャナの電力消費を可能な限り低く抑えることである。かかるＭＥＭＳに基づくレーザ投影型ディスプレイを実行する際には、これまでは大抵、１つの双軸スキャナ又は一列に配置した２つの単軸スキャナに、共鳴作用と非共鳴作用の両方により動作する走査軸を備えたラスタタイプの走査方法によるものだったが、真空実装型ＭＥＭＳスキャナを用いた有利な省電力動作は、両方の走査軸を共鳴的に動作させることでのみ達成することができる。結果としてこれは、一般に画素を読み出さずに、画素が画像メモリに到達した順に画像メモリから投影するリサージュタイプの走査方法となる。

特に消費者製品の分野での用途に対するレーザ投影型ディスプレイの目的は、極めて経済的なシステムを考案することであるため、できる限り小さい構成要素を考案する一方で、他の光学的／電気的／機械的要件は全て維持しなければならない。（ＭＥＭＳスキャナチップの）構成要素を小さくすればするほど、１つのシリコンウエハ上により多くの構成要素を取り付けられるため、より経済的に構成要素を製造することができる。このために、１つのチップ上に走査軸の両方を収めることが得策である。このため、従来の２Ｄスキャナチップにミラープレートを備える際には、ミラープレートを第２のフレームに可動式に懸架し、この第２のフレームも同様に可動式に懸架する。この構成をしばしば技術用語で「ジンバル搭載型スキャナ」と称し、これは「ジンバル懸架」という用語に略対応する。２つの走査軸は互いに直交するよう配向する。ジンバルアセンブリでは、両方の軸を通常効果的に互いに独立した形でセット動作させることができる。これは、各々の軸がそれぞれ他方の軸の動作にほとんど影響されることなく、別個に動作することができることを意味する。レーザ投影型ディスプレイは一般に、画像データを順次ライン方向に処理するため、通常は水平偏向（「直線掃引」）に影響する速軸と、より低い周波数で垂直偏向を生成する走査軸が存在する。従って、通常ミラーの内部の懸架を設計する際には、共鳴周波数が１６ｋＨｚから３２ｋＨｚとなるようにする一方で、ミラーを囲むフレームが走査遅軸を形成して実質的により低い共鳴周波数を有するように設計する（「小型のレーザ投影型ディスプレイ用のウエハレベル真空パッケージマイクロスキャンミラー」、写真・光学計測技術者協会議事録、２００８年、第６８８７巻、６８８７０６−１から６８８７０６−１５（Wafer-level vacuum packed micro-scanning mirror for compact laser projection displays”, PROC.SPIE, 2008, Vol. 6887, 688706-1 to -15））。しかし、このジンバル懸架型の双軸共鳴動作ジンバルスキャナには、決定的に不利な点がある。

１．ミラープレートを囲むフレームが可動であるため、スキャナに必要なスペースが、懸架式に搭載しただけのミラープレートの場合に比べて必然的に相当大きくなる。このことは非常に高解像度のスキャナの場合に特に問題である。なぜなら、スキャナが高解像度であるということは、非常に大きい走査角を必要とすることを意味しており、非常に大きい走査角は長い懸架搭載部によってのみ実現できるものであり、懸架状態に機械的ストレスがかかるためである。取り囲むジンバルについても、それに応じて大きく設計する必要がある。従って、ジンバルスキャナはその応用に非常にコストのかかる設計となる可能性がある。

２．高解像度の要件は、速軸の振動振幅が高いことと、速軸の走査周波数が非常に高いことの両方である。典型的に、高解像度リサージュ投影には３０ｋＨｚより大きい周波数が必要である。このような高い走査周波数で走査角が大きいということは、高い回転加速が生じるということに等しく、角運動量の維持の結果、周囲の可動フレームに対して、実質的に機械的にオーバーカップリングする場合が多い。内部ミラー軸の高速回転動作は、ジンバル構造に多大な復元モーメントを伝えるため、前記構造は垂直方向に反対方向、即ち逆位相的に共鳴することとなる。この共鳴の結果、ジンバルの可動駆動電極も、その設定された位置を外れて上昇し、駆動ポテンシャルが作用すると、可動駆動電極は、実際意図したものとは異なる静電トルクを生成する。多くの場合、この機械的／電気的なオーバーカップリングメカニズムによって、アクチュエータの挙動が不安定となると共に、その動作が設定機能から逸脱することとなるが、位置検出システムはそのことを不正確にしか検出できないため、映像妨害が可視化される結果となる。ジンバルのこのように望ましくないオーバーカップリング動作の振幅がより大きくなると、ジンバルの慣性モーメントはより小さくなる。そのため、振幅を極わずかに低く保つために、直径が十分に大きく、質量が大きく、及び／又は慣性モーメントの高いジンバル構造が必要となる。結局、これも好ましくない大きさであると共に、コストのかかるチップであることを意味する。

３．機械的なオーバーカップリングを最小化するという必要に応じてジンバルの質量を大きくすることで、外部からの振動に対する感度と衝撃効果が高まり、ＭＥＭＳの堅牢性が低下する。従って、ジンバル懸架構造を有するＭＥＭＳスキャナは常に、堅牢性とオーバーカップリングと最小化とを折衷した形を示す。

４．高いトルクレベルを生成するには、静電駆動の櫛型電極を回転軸から最大の距離の所に取り付けなければならない。しかし、ジンバルスキャナの場合にその取り付けを行うと、たとえ走査角が比較的小さい場合でも、ステータ電極とロータ電極の電極領域を重複させることになり、少量の電力しか伝わらない。原則として、必要な電力及び／又はトルクを断続的に生成している間は、電極間の距離が小さい構成がより有利である。

５．設計に関しては、ジンバルＭＥＭＳスキャナは複数の寄生固有モードを有しており、これらは達成する走査角、即ちアクチュエータの偏向がより大きくなればなるほど、所望のセット動作に影響する。それはなぜなら、走査角を大きくするには、懸架構造を長くする必要があるが、懸架構造を長くすると、短い懸架構造の場合に比べて有効な振動の周辺で固有モードの乱れがより多く生じるためである。２つの共鳴器を蛇腹式に配置すること、そして必要に応じて大きい寸法とすることにより、外側の共鳴器の部分と内部の共鳴器の部分を組み合わせて含むジンバル懸架は多数の寄生モードを示すこととなる。従ってＭＥＭＳの設計者は常に、特性周波数スペクトルはさほど好ましくなくとも、走査軸に対する干渉が最小限である２つの有用な固有モードを提供する適切な調整を見出すことが求められる。

６．特にビデオレーザ投影の場合に、走査用レーザによって交互に熱負荷が生じる結果、ＭＥＭＳミラーの共鳴周波数が非常に短い時間でシフトして位相及び振幅の矯正が行われ、ついには画像の欠陥を生じるおそれがある。ジンバルスキャナの場合には、断熱効果が比較的高いため、吸収した熱が細いねじりバネに蓄積し、好ましくない。この理由は、堅固なチップフレームに熱伝導によって放熱できる前に、２つの懸架対、即ちミラーとジンバルの懸架対を直列に繋いでいることである。速軸と遅軸を互いに組み合わせることにより、一般的にこの問題はさらに大きくなる。遅軸は通常非常に薄い、非剛性のバネ懸架となり、これが熱の除去を妨げる。振幅と位相の変動を避けるためには、ミラープレートとチップフレームの間の全体的な断面はより大きく、距離はより短くする方が、いっそう有利となろう。

「小型のレーザ投影型ディスプレイ用のウエハレベル真空パッケージマイクロスキャンミラー」、写真・光学計測技術者協会議事録、２００８年、第６８８７巻、６８８７０６−１から６８８７０６−１５（Wafer-level vacuum packed micro-scanning mirror for compact laser projection displays", PROC.SPIE, 2008, Vol. 6887, 688706-1 to -15）

従って、本発明の取り組む課題は、上記問題を最小化又は回避し、リサージュ走査であっても効果的な画像重複や走査解像度を提供する、リサージュ走査及び共鳴動作を有するスキャナ用偏向装置を提供することである。

本発明では、主請求項の前段の特徴と特徴部分の特徴を組み合わせることによって、この問題を解決する。

従属請求項で特定する方法により、さらなる有利な展開と改良が可能である。

本発明によれば、リサージュ走査を行うスキャナ用偏向装置は、少なくとも２つの偏向軸において振動すると共に、フレームと、懸架搭載部によって可動式に配置したミラープレートとを有するマイクロミラーと、前記少なくとも２つの偏向軸において前記マイクロミラーの共鳴動作に対する制御信号を生成する制御装置と、含み、前記ミラープレートの前記懸架搭載部が少なくとも１つのバネを有し、前記バネの一端を前記ミラープレートに取り付け、前記バネの他端を固定の前記フレームに取り付け、前記マイクロミラーの前記共鳴動作に対する前記制御信号の制御周波数が、前記少なくとも２つの偏向軸において略等しく、そのレベルを所定の走査解像度と所定の走査反復率によって決定するが、それらは少なくとも前記所定の走査反復率に関して異なる。

本発明では、従来のジンバル懸架型リサージュスキャナの問題を回避できるが、それは、最も単純な場合、懸架搭載を行うのは固定フレームに取り付けるミラープレートと少なくとも１つのバネに限定するためである。周囲の可動フレームをなくしたことで、寸法を小さくすることができる、即ち、上記スペースの問題が解決する。さらに、チップの大きさはほとんどミラープレートの直径に必要な大きさによってのみ決まるが、それは光学的な境界条件によってであり、これにより効率的な構成要素が可能となる。

原則として、スキャナ及び／又は偏向装置の最も単純な形態では、直交走査に使用するのはバネ一つのみであるため、偏向又は走査軸では曲げバネとして、そして他方の偏向軸ではねじりバネとして、同一のバネを使用することができる。ただし通常は、性能が比較的低い場合にこれを受け入れられなくてはならない。懸架搭載部は複数のバネを含むことが好ましく、好適には３つであるが、用途によってはより多くのバネを使用してもよい。

バネは好適には曲げバネ及び／又はねじりバネであり、好適にはミラープレートの周りの円軌道部分として具現化する。これによってもスペースの節約になる。

より詳細には、例えば３，０００より大きい品質係数を有する高品質のマイクロミラーを使用する場合には、その振幅応答は大きな共鳴増大を有し、対応する位相応答は大きな減少を有する、即ち勾配が急である。そのために、制御周波数及び／又は発振周波数を維持された、かかる高品質のマイクロミラーは、たとえわずかな共鳴周波数の変化でも、その振幅が極めて大きな変化を受けることになる。すなわち、偏向装置及び／又はマイクロミラーを共鳴から外すには、例えば小さい温度変化で十分である。そのような場合、一定の制御周波数を有する制御信号では加速度効果は生まれずに、減速効果が生じる。従って、１つの有利な実施形態の例では、制御装置は制御ループを有し、この制御ループは、互いに独立している第１偏向軸及び／又は第２偏向軸の制御信号の周波数を、マイクロミラーの振動の測定した位相位置によって制御し、急激な位相低下及び／又は振動の最大振幅を、マイクロミラーの共鳴範囲内に保持するようにする、即ち位相及び／又は振幅を実質的に一定に保つようにするものである。互いに独立した２つの位相制御ループを提供してもよい。従って制御周波数は一定ではなく、絶えず変動する。それらは生じるミラーの共鳴周波数のすべてのシフトに反応する。瞬間的に生じるミラーの共鳴周波数に制御周波数が絶えず適応することにより、閉じることがなく、また不動ではなく動き続けるリサージュ軌道を描くこととなり、投影スクリーン上の全ての領域に画像データが描かれる、即ち良好な画像重複が達成される。例えば３００を超えるような比較的品質の低いマイクロミラーの場合には、温度誘発型の位相制御も適切であることが分かった。

振幅の許容可能な変更範囲に対する所定のパラメータは、偏向要素の特性によって、そして視野の解像度によって決定される。例えば、変更範囲は軸における最小解像度の逆数までと事前に定義する。画素を用いて定義する場合には、好適には振幅の変化は１「ピクセル幅」未満とすべきである。例えば、最小解像度が４８０×６４０ピクセルである場合には、偏向要素の振幅の変化は、１／４８０（０．００２８３）と１／６４０（０．００１４６）未満とすべきである。好適には、振幅の変化は１％未満、より好ましくは０．５％未満、そしてさらに好ましくは０．３％未満とすべきである。

上述したように、本発明によれば、マイクロミラーの共鳴動作に対する制御信号の制御周波数は２つの偏向軸において略等しく、およそ所定の走査反復率によって異なる。すなわち、２つの偏向軸に対する高い共鳴周波数は互いに近い値であり、そのレベルは、所定の解像度と所定の走査反復率によって決定される。

共鳴周波数の最小レベルは、双方向投影ディスプレイに対して選択すべきであり、その際ミラー振動の前方移動及び後方移動の両方において、データを以下のように投影する。以下では、レーザ投影スキャナを用途の一例として選択したため、走査反復率を画像反復率と称する。

ｆ₁＝画像反復率×（１画像あたりのライン数）／２＋差動周波数
ｆ₂＝画像反復率×（１画像あたりのライン数）／２

周波数要求を強化して式にすることができるが、これは、それぞれより大きいフォーマット特徴、換言すればライン数ではなく、１ラインあたりの画素数を適用する。

ｆ₁＝画像反復率×（１ラインあたりの画素数）／２＋差動周波数
ｆ₂＝画像反復率×（１ラインあたりの画素数）／２

ここでライン数及び／又は画素数は、画像解像度及び／又は走査解像度の測定である。画像反復率は最低でも３０Ｈｚとするが、一層便宜的には６０Ｈｚである。理想的には、差動周波数は画像反復率に等しい。しかし、プロジェクションスキャナの偏向装置は、入射するレーザパワーによって、典型的にはその共鳴周波数を＋／−０．１％変化させる可能性があるため、制御ループ（位相ロックループ）ごとに互い独立して、両方の軸における制御信号の周波数を適宜追跡する必要がある。このよりわずかな周波数の変動は、偏向装置の動作範囲の温度に依存した周波数帯域幅を倍にして共鳴周波数の最小値に付加することによって、適切な共鳴周波数を選択する際に計上することができるが、それはなぜなら、数学的にあまり好ましくなく、またほとんど実用的でないケースでは、２つの軸の周波数ずれは、逆の符号を有する場合があるためである（一方レーザ誘起加熱は、１つのモードは増大させないが、それと同時に他方のモードを減少させる）：
ｆ₁＝画像反復率×（１画像あたりのライン数）／２＋差動周波数＋２×帯域幅
ｆ₂＝画像反復率×（１画像あたりのライン数）／２＋２×帯域幅

具体的に言えば、ＨＤ１０８０解像度（１９２０画素あたり１０８０ライン）と６０Ｈｚの画像反復率を有するレーザプロジェクタスキャナの場合、最低限必要な共鳴周波数を以下のように計算することができる：

ｆ₁＝６０Ｈｚ×１０８０／２＋６０Ｈｚ＋２×０．００１×（６０Ｈｚ×１０８０／２＋６０Ｈｚ）＝３２５２５Ｈｚ
ｆ₂＝６０Ｈｚ×１０８０／２＋２×０．００１×（６０Ｈｚ×１０８０／２）＝３２４６５Ｈｚ
従って、最小差動周波数はｆ₁−ｆ₂＝６０Ｈｚとなる。

安全を期して、そして高い歩留まりを可能にするために、スキャナの設計者は両軸において少なくとも３３ｋＨｚの共鳴周波数を有するミラーを設計することができる。実際の問題は、２つの固有モードが６０Ｈｚをさほど外れない値だけ互いに異なるように、妥当な設計を選択することにある。この場合も同様に、設計者は、２つの固有モードの離調に安全性を相応に付加することによって、安全域を提供することができる。この付加は、実現可能な製作公差によって確実に決定され、対応するプロセスの必要条件を必要とする。しかし、構成要素の共鳴周波数が所望の６０Ｈｚをわずかに超える差動周波数を呈するまで、設計を繰り返し最適化することができる。かかるプロセスと設計の最適化において、共鳴周波数の変動を０．１％未満とすることが可能である。温度誘発型の変動を含む場合とは違い、符号が逆であっても製作公差は２つの異なる軸の共鳴周波数に影響することができる。そのような場合、設計者は目標とする周波数に周波数公差を倍にして付加する。

ｆ₁＝画像反復率×（１画像あたりのライン数）／２＋差動周波数＋２×温度誘発帯域幅＋２×製作公差帯域幅
ｆ₂＝画像反復率×（１画像あたりのライン数）／２＋２×温度誘発帯域幅＋２×製作公差帯域幅

バネの懸架搭載部を最初は同一設計にして、その後離調に対して選択的に変更を行うことは、最適な同調を見出すための設計反復を少ない回数で行うことに有利に働く。

原則として、結果として生じる差動周波数が所望の６０Ｈｚを大きく上回るチューニングを実行することもできる。これで必ずしも重大な画像劣化が生じるとは限らない。２つの非常に速い偏向軸に基づいたこのタイプのリサージュ投影では、１／６０秒（ここで家庭する画像反復率）という積分間隔以内で、比較的均一に分配した画素細線化（走査間隙）が生じる。したがって、これらの画素位置は６０Ｈｚより低い反復率で走査される：しかし、これらの位置は広範に分布しているために、これはほとんど目で識別不能である。これは、差動周波数が数キロヘルツとなると変化する。そのような場合には、特に、ブランキング間隔がより大きい、連続した領域として生じるため、人間の目にはエリアがちらつくような感じを受ける。もし設計者が様々な理由からより高い差動周波数、例えば１００Ｈｚを許容することを望む場合には、設計者は上述の計算によってより高い共鳴周波数ｆ₁とｆ₂を同時に適宜設計することによって、これを最適に補償することができる。

上述したように、偏向装置及び／又はスキャナの目的に応じて、有利には差動周波数を少なくとも又は正確に走査反復周波数に対応させるべきであり、共鳴周波数ｆ₁の０．１５と０．０１の間の値、例えば０．０５倍、０．０３倍の値を、差動周波数の最大値として選択することができる。

一実施形態の例では、駆動装置は、一端をフレームに取り付け、他端をバネ及び／又はミラープレートに取り付けた駆動電極を有し、又は駆動装置を圧電駆動とし、そのアクチュエータをバネに配置する。上述の組み立てにより、空間を節減した構成を提供することができる。円軌道の経路部分に、小型の懸架搭載部を設けることができ、ミラープレートの周りに円状に取り付けたバネに電極を同時に取り付けると、常に小さい電極間距離を保証することができる。なぜなら、例えば櫛形電極の場合には、ジッパーのように互いに係合させて、常に重複した領域を保証できるためである。

バネはミラープレートに対して回転対称に又は鏡面対称に取り付けることが好ましく、例えば４つのバネをそれぞれ９０°間隔でミラープレートの周りに備える、又は３つのバネをミラープレートの周りにそれぞれ１２０°間隔で備えることができる。対称配置により、ｘ軸とｙ軸への割り当てをいっそう容易に達成することができる。割り当てに関しては、４腕バネ懸架搭載部が有利であるが、偏向角がより大きい場合には、３腕バネ懸架搭載部が好適である。

チップフレームにおけるミラー及び／又はミラープレートの直接懸架結果、短い距離と大きいバネ断面を有する有利な熱結合が可能となる。このように、交互に誘発される熱負荷を減少することができる。

ジンバル及び／又はジンバル懸架をなくすため、復元モーメントは第２の共鳴構造には作用せず、その代わりにねじりに強い固体チップフレームに直接作用するため、周りの共鳴構造に対して問題を含む逆の位相共鳴を提供することがない。この構成の固有モードスペクトルは常に極めて好適であるが、それはジンバルスキャナの場合にジンバルとそれをミラーに連結することによって生じる、望ましくない寄生固有モードが、この構成の場合には生じないためである。よって、本発明による非常に小型のスキャナ用偏向装置では、寄生干渉モードからの距離を実質的により大きくすることができるが、それはなぜなら、本発明による偏向装置ではジンバル懸架システムに比べてマイクロミラーの水平方向の拡がりを小さくし、振動体の数とバネ要素の数を少なくしたため、実際の使用モードからの寄生干渉モードの隔たりが改善するためである。

ジンバルをなくした一方で機能的には十分であるにも関わらず、比較するジンバルスキャナよりかなりコンパクトな形で全体の偏向システムを実行することができるため、バネ剛性は同じでありながら動作させる質量を同時に小さくした結果として、共鳴周波数がかなり高くなり、それと同時に偏向システムの堅牢性をより高めることができる。共鳴周波数がより高いことに加えて、寄生固有モードの減少も堅牢性を高めることにつながる。

所定の画像反復又は走査反復周波数の一期間内に完全な画像を生成するために、所定のライン周波数の基準を満たすが走査反復率に関しては異なるという、ほぼ等しい値の２つの走査周波数を選択するように、リサージュ走査に対して、互いに直交する両方の偏向軸における共鳴周波数を予め定義する。ライン周波数の基準では、所望の解像度に対応する走査周波数は走査すべきライン数と少なくとも同程度とすることを決めており、これに走査又は画像率を乗算する。換言すれば、ＳＶＧＡ解像度（８００画素あたり６００ライン）の場合には、これは６０画像／秒を６００ラインに乗算して３６，０００ライン／秒ということになる。左から右へのライン動作中に画像データを投影する一方で反対の方向にも対応する動作を行う双方向投影の場合には、周波数要求は２分の１となる。

本発明によれば、幾つかのバネのうちの少なくとも１つのバネ剛性を他のバネのバネ剛性とは異なるようにする点で、共鳴周波数同士の必要な差異を非常に小さくすることができ有利である。異なるバネ剛性は異なるバネ形状によって決定することができる；例えば、バネの幅を数ミクロン変化させることで十分である。当業者は常に、バネの形状と、３つのバネ形状のうちの１つを選択的に変更することに関して、例えば構造的な幅に対する所望の変更が、製造ベースの公差を著しく上回るようにして、共鳴周波数シフトの所望の効果が、製造プロセスの統計ノイズにおいて失われないようにすることができる。互いに９０°の角度で配置した４つの直交するバネを有するミラープレートの場合に、当業者は本発明によって、１対の対向するバネを他の２つのバネに対して好適にわずかに変更することができる。すでに述べたように、この変更はバネ幅だけでなく、バネの長さに対しても行うことができる。よりコストはかかるが、バネの厚さの変更、又はバネの物質的な特性を選択的に変更することには、よりコストがかかるものの同様に実行可能である。

２つの制御周波数同士の差を調整するための更なる選択肢は、２つの偏向軸におけるミラープレートの慣性モーメントを異なるように具現化することを含む。例えば、楕円形ミラープレートによって慣性モーメントを変更することができ、バネの全ての懸架搭載部は同様に構成することができる。

２つの共鳴周波数同士を非常に近い値とすることで、非常に長い時間を経て初めて反復することのできるリサージュ図形となり、適切に選択された非常に効果的な線密度がもたらされる。周波数同士が非常に近い値であるために、線密度の低い不適切な周波数応答比のない、大きい間隔が生成される。ほとんどのジンバルスキャナが、１つの非常に遅い軸と１つの非常に速い軸を有するように設計されるのに対し、本発明では２つの速い偏向軸を備える。そのようにすることで、スペックル問題を非常に効果的に減少し得るという利点がある。スペックルはコヒーレントレーザ放射による投影の望ましくない副産物であって、投影画像の解像度を減少させるものである。唯一の対処法は、これらを統合させれば目の中で平均化が起こるため、一定時間単位あたりにできるだけ多くのスペックルパターンを提供することである。２つの非常に速い軸と大きい偏向角を有するため、一定時間単位あたり非常に多数のスペックルパターンを生成することができる。

測定目的で使用するスキャナ用の偏向装置の場合、本発明によって特定する同一の計算の規則を原則的として適用するが、かかる場合には測定技術に関する問題があり、例えば目の感度によってレーザ画像投影の際に生じる、生理学的なパラメータの欠如が生じる可能性があるために、画像反復率及び／又は走査反復率に関する要件をさほど厳しくしない。

本発明の実施形態の一例を図面に示し、以下の記載においてより詳細に述べる。

本発明による偏向装置の概略図を示す。 本発明によって使用するマイクロミラーの第１例の実施形態の概略平面図を示す。 本発明によって使用するマイクロミラーの第２例の実施形態の概略平面図を示す。 本発明によって使用するマイクロミラーの第３例の実施形態の概略平面図を示す。

図１に示すリサージュ走査を行う本発明によるスキャナ用偏向装置はマイクロミラー１を有し、該マイクロミラー１は、固定フレーム２とバネ３によって懸架されるミラープレート４を含む。チップフレーム２の前側と後側を、それぞれガラスププレート５及び６によって密封することにより、密封状態のチャンバ７が形成され、このチャンバ７内でミラープレート４は振動することができ、またチャンバ７内は真空とすることが好ましい。バネ３によって懸架搭載部を形成することにより、ミラープレートは互いに直交するように形成した２つの偏向軸において振動するが、この振動は、固定、即ちフレーム２への接続と、可動、即ちバネ３又はミラープレート４への接続とによって生じ、駆動電極には共鳴周波数ｆ₁と共鳴周波数ｆ₂の信号が制御装置８によって供給される。このタイプの共鳴マイクロミラー１は、共鳴周波数ｆ₁及びｆ₂を有し、ミラーに光線を照射すると、１つの走査面において偏向された光線が二重周期曲線を通過し、これが実質的にリサージュ曲線として形成される。例えば、駆動に関して静電駆動に言及するが、可動駆動電極と静止駆動電極が相互に係合して静電トルクを生成する。

制御装置８は、位相ロックループとして具体化される制御ループを含む。熱を吸収した結果生じ得る共鳴周波数（１つ以上）が変化すると、前記ループは両方の軸に対する制御信号の位相と制御周波数を互いに独立に再調整するため、偏向装置は実質的に共鳴する２つの偏向軸と共に動作する。位相位置を検出するために、ミラープレート４の正弦波偏向を測定する測定装置（図示せず）を備え、制御ループは制御信号の周波数を適切に調整する。

図２は、マイクロミラー１の概略平面図を示し、３つの弓形バネ３によってミラープレート４を懸架搭載するが、このバネ３はその一端９でミラープレート４に接続し、他端１０をねじれることのない堅固なフレーム２に接続されている。さらに、バネ３の各々をミラープレート４の中心周りに１２０°の角度で回転した位置に取り付ける。

図３は、２つのバネ３を含む懸架搭載部を有するマイクロミラー１の更なる実施形態の例を示しているが、それ以外では図２の設計と同じである。

最後に、図４は４つのアームを有する鏡面対称懸架搭載部を有するマイクロミラー１を示す。バネ３は各懸架位置に二重バネとして具現化し、転換点１２を有することにより、必要なスペースが小さいということと、大きい偏向に対して必要となる非常に長いバネを同時に実現できる。

駆動及び／又は制御信号によって、ミラープレート４は少なくとも２つの振動モードの励起及び重畳によって振動し、これに基づいた、ビデオレーザ投影及び画像形成センサの役割の両方に対して使用できるリサージュ走査方法が実現される。

上述したように、リサージュ走査を行うスキャナ用の偏向装置を使用するが、リサージュ曲線は以下の式により定義する。
ｘ ＝ ｘ_０ ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋φ_０)
ｙ ＝ ｙ_０ ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ） （１）

式中、ｔは時間、φ_０は電気的に調整可能な定位相であり、ｘ₀及びｙ₀はｘ方向及びｙ方向における走査曲線の最大偏向であり、更なる記載では、ｘ₀及びｙ₀は１に正規化する。共鳴周波数は設計によって、特にバネ３によって事前に定義する。

共鳴周波数ｆ₁／ｆ₂＝ｒ＝ｐ／ｑが回転数である場合にリサージュ曲線は周期的となると知られており、ここでｐ及びｑは、公約数のない整数である。ｘの周期はＴ１＝１／ｆ₁であり、ｙの周期はＴ２＝１／ｆ₂である。Ｔ１／Ｔ２＝ｑ＝ｐであるため、ＴＬ＝ｐＴ１＝ｑＴ２がｘ及びｙの最も小さい共通周期である。ここで、ＴＬはリサージュ曲線の反復する時間である。そのため、リサージュ曲線の反復周波数は以下のようになる。

周期的なリサージュ曲線のｘ方向のノード数はｑ、そしてｙ方向のノード数はｐである。

偏向装置を用いて画像投影を行う場合の均一な照射と、本発明による走査解像度に対しては、走査面内に最大限多いノード数が存在すべきである。事前に定義した共鳴周波数ｆ₂の場合、これはｑを最も大きい整数とすべきであることを意味する。研究により、周波数応答比ｆ₁／ｆ₂が１未満であることが好ましいが、共鳴周波数ｆ₁は、共鳴周波数ｆ₂の値に近すぎる値をとることは許容できるものではなく、さもなければ走査範囲又は画像範囲が十分にカバーされないことが分かった。リサージュ図形の周期ＴＬは、画像投影の場合の画像に対して利用できる時間より長くすべきではない、即ち、画像周波数ｆ_Bが６０Ｈｚである場合には、周期ＴＬは最大でも１／６０秒とすべきである。従って最も好ましい周期は反復周波数ｆ_Lが画像周波数ｆ_Bに等しい場合であると考えられる。式（２）によって：

ｑ=ｆ₂／ｆ_B＝６００
ｐ＝ｑ−１＝５９９
ｆ₁＝ｆ₂（ｑ−１）／ｑ＝ｆ₂−ｆ_B

上記は理想化した状況に関するものであって、温度や製造によって生じる周波数の変動が生じ得ることについては考慮していない。例えば温度の変動によって１％の周波数変動が起こっても、特定周波数ｆ₁及びｆ₂により良好な解像度を利用することができる。

従って本実施形態の例では、例えば一方の偏向方向の変動に対する共鳴周波数、例えば１８０００Ｈｚと、他方の偏向方向における１８０６０Ｈｚの共鳴周波数を提供する。即ち、２つの共鳴又は制御周波数は高さについては略同じであるが、リサージュ曲線の反復周波数、即ち画像反復率に関しては明確に異なる。従って、例示するこれらの共鳴周波数は、８００画素あたり６００ラインの解像度（ＳＶＧＡ解像度）に基づき、画像反復周波数が毎秒６０画像である場合には、毎秒３６０００ラインの走査となる。走査が双方向性である場合には、周波数要求は２分の１となるため、上記の例では、１８ｋＨｚの最小ライン周波数が必要である。

図２による実施形態の例では、３つのバネ懸架搭載部のうちの少なくとも１つをわずかに選択的に変更することによって、このタイプの共鳴周波数における極わずかな差を有利に達成することができる。例えば、バネ幅を幾分変更することができる。一方、あるバネのバネ長さを幾分変更することもできる。バネの厚さを異ならせることや、バネのうちの１つの材料特性を異なるように選択することも考慮できる。

１ マイクロミラー
２ 固定フレーム
３ バネ
４ ミラープレート
５、６ ガラスプレート
８ 制御装置

Claims (9)

1. リサージュ走査を行うスキャナ用偏向装置であって、
   少なくとも２つの偏向軸において振動すると共に、フレームと、懸架搭載部によって可動式に配置したミラープレートとを有するマイクロミラーと、
   前記少なくとも２つの偏向軸において前記マイクロミラーの共鳴動作に対する制御信号を生成する制御装置と、を含み、
   前記ミラープレートの前記懸架搭載部が複数のバネを有し、前記バネの一端を前記ミラープレートに接続し、前記バネの他端を固定した前記フレームに接続し、
   前記マイクロミラーの前記共鳴動作に対する前記制御信号の周波数が、前記少なくとも２つの偏向軸において差動周波数分だけ異なっており、前記制御信号の前記周波数の値を、所定の走査解像度と所定の走査反復率によって決定し、前記差動周波数は、少なくとも、前記所定の走査反復率と等しく、
   互いの前記制御信号の周波数の間の不均衡を生じさせるために、前記複数のバネのうちの少なくとも１つのバネ剛性は残りのバネのものとは異なること、
   を特徴とする偏向装置。
2. 前記制御装置が制御ループを含み、前記マイクロミラーの振動の測定した位相によって、前記第１及び／又は前記第２の偏向軸に対する前記制御信号の周波数を制御することで、前記振動の最大振幅が前記マイクロミラーの共鳴の範囲内にあるようにすること、
   を特徴とする請求項１に記載の偏向装置。
3. 前記制御装置は、前記制御信号の周波数を制御することで、前記振動の最大振幅が前記マイクロミラーの前記共鳴の範囲内にあるようにし、そして前記振動の振幅はこれによって、最小解像度の逆数未満まで変更すること、
   を特徴とする請求項２に記載の偏向装置。
4. 前記バネが曲げバネ又はねじりバネであること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の偏向装置。
5. 前記曲げバネ又は前記ねじりバネは、前記ミラープレートの周りに円軌道部分として具現化すること、を特徴とする請求項４に記載の偏向装置。
6. 幅、長さ、厚さ等のバネ形状、及び／又は材料の特性を異ならせることによって、前記異なるバネ剛性を決定すること、を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の偏向装置。
7. 前記ミラープレートに対して回転対称又は鏡面対称となるように、前記バネを配置すること、を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の偏向装置。
8. 前記制御装置が駆動電極を含み、前記駆動電極を前記バネ及び／又は前記ミラープレートに取り付けること、又は、前記制御装置が圧電駆動手段を有し、前記手段のアクチュエータを前記バネに配置すること、を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の偏向装置。
9. 前記マイクロミラーを、真空パッケージすること、を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の偏向装置。

Images