(57)【要約】【課題】スキャナの駆動特性の評価装置及びその評価方法を提供する。【解決手段】ビームを照射する光源１０１と、光源とスキャニングミラー１００との間に配置されスキャニングミラー上に焦点を有する対物レンズ１０９と、スキャニングミラーで反射されて対物レンズを透過した反射ビームを受光して、スキャニングミラーの回転角の変化を感知する位置感知素子１１５と、位置感知素子で感知された信号を処理する信号処理部１２１、１２５とを備え、スキャニングミラーの回転角の変化にかかわらず反射ビームを光源から照射されて対物レンズに入射されるビームに対して平行なビームにする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャニングミラーの水平回転角及び垂直回転角の変化によってスキャナの駆動特性を測定するスキャナの駆動特性の評価装置において、
ビームを照射する光源と、
前記光源と前記スキャニングミラーとの間に配置され、前記スキャニングミラー上に焦点を有する対物レンズと、
前記スキャニングミラーで反射されて前記対物レンズを透過した反射ビームを受光して、前記スキャニングミラーの回転角の変化を感知する位置感知素子と、
前記位置感知素子で感知された信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記スキャニングミラーの回転角の変化にかかわらず、前記反射ビームを、前記光源から照射されて前記対物レンズに入射されるビームに対して平行なビームにすることを特徴とするスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項２】
前記対物レンズの焦点位置に前記スキャニングミラーが位置するように、前記対物レンズを駆動するアクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項３】
前記光源と前記対物レンズとの間に配置されるものであって、入射ビームの進行経路を変更する第１光路変換部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項４】
前記反射ビームの一部を受光して前記反射ビームの前記スキャニングミラーの水平回転角及び垂直回転角の変化に基づく動的状態及び前記対物レンズの焦点位置に基づく静的状態を測定するカメラと、
前記カメラで測定された反射ビームの状態をモニターリングするモニターと、をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれかに記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項５】
前記カメラで測定された反射ビームの情報が入力され、前記反射ビームの情報に基づき前記対物レンズの焦点位置に前記スキャニングミラーが位置するように前記アクチュエータを制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項６】
前記第１光路変換部材と、
前記位置感知素子と前記カメラとの間に配置され、前記スキャニングミラーで反射されるビームを前記位置感知素子及び前記カメラに分岐させる第２光路変換部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項７】
前記第２光路変換部材と前記カメラとの間に配置され、前記第２光路変換部材から入射されたビームを集束する集束レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれかに記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項８】
前記光源から照射されたビームを集束させてビームを平行にするコリメータと、
前記コリメータを透過したビームのサイズを制限するピンホールと、をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうちいずれかに記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項９】
前記信号処理部は、
前記位置感知素子で光電変換された信号を増幅し前記光源を駆動する駆動回路にビームパワーを制御するフィードバック信号を伝達する位置感知素子増幅器と、
前記位置感知素子増幅器から信号が入力され前記スキャニングミラーの駆動特性を計測する計測器と、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のうちいずれかに記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項１０】
前記計測器は、
前記位置感知素子増幅器から入力された信号波形を入力され、前記スキャニングミラーの水平及び垂直回転角及び時間応答を計測するオシロスコープと、
前記位置感知素子増幅器から入力された信号を分析し、前記スキャニングミラーの水平及び垂直共振周波数及びＱ値を算出する信号分析器と、を備えることを特徴とする請求項９に記載のスキャナの駆動特性の評価装置。
【請求項１１】
スキャニングミラーの水平回転角及び垂直回転角の変化に基づくスキャナの駆動特性の評価方法において、
対物レンズを通じて光源から照射されたビームを集束させ前記スキャニングミラーに照射するステップと、
前記スキャニングミラーで反射されたビームと、前記光源から照射され前記対物レンズに入射されるビームとを平行にするために、前記スキャニングミラーが前記対物レンズの焦点に位置するように前記対物レンズを駆動するステップと、
前記スキャニングミラーで反射されたビームを位置感知素子及びカメラのそれぞれを通じて受光して前記スキャニングミラーの駆動特性を計測するステップと、
前記位置感知素子の測定誤差を補正するステップと、
前記カメラを通じて受光された信号から前記対物レンズの焦点位置を調節するステップと、を含むことを特徴とするスキャナの駆動特性の評価方法。
【請求項１２】
前記位置感知素子の測定誤差を補正するステップは、
前記カメラ及び前記位置感知素子のそれぞれを通じて前記スキャニングミラーの駆動角を計測するステップと、
前記スキャニングミラーの計測駆動角を、１次関数式を利用してスキャニングミラーの実際の駆動角にキャリブレーションするステップと、
前記カメラ及び前記位置感知素子のそれぞれを通じた前記スキャニングミラーの駆動角の測定値をキャリブレーションした最初の値の差が最小誤差範囲内であるか否かを判別するステップと、
最小誤差範囲から逸脱した場合、前記１次関数式の媒介変数をアップデートし、再度キャリブレーションした値の差を再判別するステップと、を含むことを特徴とする請求項１１に記載のスキャナ駆動特性評価方法。
【請求項１３】
前記対物レンズの焦点位置を調節するステップは、
前記カメラを通じて前記スキャニングミラーで反射されたビームを受光してＣＣＤ画像を獲得するステップと、
獲得された画像の中心を算出し、輝度データを読み取るステップと、
ガウスフィッティングにより標準偏差を算出して、前記対物レンズの焦点位置に前記スキャニングミラーが位置したか否かを判断するステップと、
焦点位置から逸脱した場合、焦点位置に前記スキャニングミラーが位置するように前記対物レンズを駆動するステップと、を含むことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のスキャナの駆動特性の評価方法。
【請求項１４】
前記対物レンズの焦点位置の調節ステップは、
前記ＣＣＤ画像を獲得するステップ以前に、前記スキャニングミラーの駆動信号を発生させる関数発生器をオフにするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のスキャナの駆動特性の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキャニングミラーを駆動することにより光を走査するスキャナの駆動特性を評価するスキャナの駆動特性の評価装置及びその評価方法に係り、さらに詳細には、約±１２°の大きな回動角で駆動されるスキャニングミラーの駆動角を精密測定できるスキャナの駆動特性の評価装置及びその評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、レーザを利用して大画面・高画質の画像を提供するレーザディスプレイ装置が開発されている。このレーザディスプレイ装置は、レーザから照射されるレーザビームを利用して２次元の大画面画像を具現するために、約±１２°の大きな角度で駆動されるスキャニングミラーを備えたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）スキャナが要求される。
【０００３】
図１は、一般的な２軸ＭＥＭＳスキャナを示す概略的な斜視図である。
【０００４】
図１に示すように、２軸ＭＥＭＳスキャナは、ベース１と、このベース１に対して垂直駆動ｄｖ自在に設置された作動板３と、前記作動板３に対して水平駆動ｄｈ自在に設置されて入射されたレーザビームＢＬを走査線Ｓに沿って２軸にスキャニングして画像Ｉを形成するスキャニングミラー１１と、を備える。
【０００５】
ここで、前記作動板３を前記ベース１に対して垂直駆動ｄｖさせるために、前記作動板３の両端は、ねじりスプリング５によって前記ベース１に連結されている。そして、前記ベース１及び作動板３にわたって形成された第１コム電極構造体７が設けられている。前記第１コム電極構造体７は、前記ベース１に対してくし状の構造に形成された複数の第１固定コム電極７ａと、前記作動板３に対してくし状の構造に形成されたものであって、前記第１固定コム電極７ａと交互に形成された複数の第１可動コム電極７ｂとを備える。したがって、前記第１固定コム電極７ａと前記第１可動コム電極７ｂとの間の相互静電気力によって、前記ねじりスプリング５によって回転支持される前記作動板３が、画像Ｉの垂直方向に対応する垂直方向に最大垂直角度２θｖの０.５倍の回動角範囲内で回動される。そして、駆動電源が印加されていないときには、前記ねじりスプリング５の復原力によって原位置に戻る。
【０００６】
また、前記スキャニングミラー１１を前記作動板３に対して水平駆動ｄｈさせるために、前記スキャニングミラー１１の両端は、共振スプリング１３によって前記作動板３に連結されている。そして、前記作動板３及び前記スキャニングミラー１１にわたって形成された第２コム電極構造体１５が設けられている。前記第２コム電極構造体１５は、前記作動板３に対してくし状の構造に形成された複数の第２固定コム電極１５ｂと、前記スキャニングミラー１１に対してくし状の構造に形成されたものであって、前記第２固定コム電極１５ｂと交互に形成された複数の第２可動コム電極１５ａとを備える。
【０００７】
したがって、前記第２固定コム電極１５ｂと前記第２可動コム電極１５ａとの間の相互静電気力によって、前記共振スプリング１３によって回転支持される前記スキャニングミラー１１が、画像Ｉの水平方向に対応する水平方向に最大水平角度２θｈの０.５倍の回転角範囲内で共振しつつ回転される。そして、駆動電源が印加されていないときには、前記共振スプリング１３の復元力によって原位置に戻る。
【０００８】
図２Ａ及び図２Ｂのそれぞれは、図１に示す２軸ＭＥＭＳスキャナの水平駆動及び垂直駆動をそれぞれ示す概略的なグラフである。
【０００９】
図２Ａに示すように、時間Ｔが経過しつつ、前記ＭＥＭＳスキャナの水平駆動ｄｈの回転角θｈが、正の最大水平角度＋θｈ＿ｍａｘと負の最大水平角度−θｈ＿ｍａｘとの間で周期的に変化するように共振駆動される。
【００１０】
一方、垂直駆動の場合には、図２Ｂに示すように、一画面の２次元画像を具現するｔ１時間の間にスキャナの垂直角度θｖの値が増大し続けて最大垂直角度＋θｖ＿ｍａｘに到達した後、一画面の画像の具現が完了した後、本来の角−θｖ＿ｍａｘに復元される非共振駆動される。ここで、垂直角度の増大及び復元は、１／６０秒の周期で行われうる。
【００１１】
前記のように構成された２軸ＭＥＭＳスキャナにおいて、スキャナの駆動特性のうち、主要評価項目としては、（１）水平共振駆動の最大角度（例えば、±θｈ＿ｍａｘ＝±１２°）、（２）垂直駆動の最大角度（例えば、± θｖ＿ｍａｘ＝±６.８°）、（３）水平及び垂直共振周波数、（４）Ｑ値、（５）応答速度などがある。一方、前記した評価項目のうち、項目（１）、（２）についての評価が最も重要であり、他の評価項目に比べて先行されねばならない。
【００１２】
図３は、従来の一例による２次元位置感知素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ；以下、ＰＳＤという）を利用してスキャニングミラーの２次元駆動を評価するスキャナの駆動特性の評価装置の光学的配置を示す概略的な図面である。
【００１３】
図３に示すように、従来のスキャナの駆動特性の評価装置は、入射光軸に対して傾斜して配置されるステージ２９に評価対象であるスキャニングミラー２０を設置した後、前記スキャニングミラー２０に対してレーザビームを照射する。そのために、レーザビームを照射するヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ２１、光度を減衰させる減衰器２３、減衰されたレーザビームを拡張させるビーム拡張器２５、及び前記スキャニングミラー２０にレーザビームを集束させる対物レンズ２７を備える。
【００１４】
そして、前記ステージ２９を２次元方向に駆動して、前記スキャニングミラー２０で反射されたレーザビームの反射角を変化させつつ、ＰＳＤ３１を通じて入射されたレーザビームを受光する。この受光されたレーザビームの光信号は、光電変換され、電流−電圧変換回路３３で電圧信号に変換された後、オシロスコープ３５に入力される。前記オシロスコープ３５は、前記ＰＳＤ３１に結ばれたレーザビームの変位を測定する。このとき、前記スキャニングミラー２０上にマイクロスコープ４１を備えて、前記スキャニングミラー２０を撮影してモニター４５に提供することによって、前記スキャニングミラー２０の配置状態をモニターリングしうる。
【００１５】
一方、前記のように構成されたスキャナの駆動特性の評価装置は、スキャニングミラー２０が光路上に傾斜配置されるので、スキャニングミラー２０の回転角が大きい場合には、その測定が難しいという問題点がある。すなわち、前記ＰＳＤは、その特性上、所定のサイズ以上では線形性が悪くなるため、そのサイズの制約があり、以下の問題点がある。すなわち、図４Ａは、スキャニングミラー２０に対する所定のサイズを有するＰＳＤ３１が傾斜配置された場合を示す図面であるが、点線で図示されたように、スキャニングミラー２０が可動する時、前記スキャニングミラー２０での反射されたレーザビームは、スキャニングミラー２０の駆動角の２倍の範囲で走査される。したがって、サイズの制約を有するＰＳＤ３１を通じて反射ビームを受光しようとする場合、入射ビームの一部がＰＳＤ３１から逸脱するという問題点がある。
【００１６】
また、前記のように構成されたスキャナの駆動特性の評価装置は、図４Ｂに示すように、スキャニングミラー２０が入射光軸に対して傾斜配置されるので、前記ＰＳＤに入射される光をＰＳＤ３１の平面に垂直するための光学要素の光学的配置及びキャリブレーションが難しいという問題点がある。
【００１７】
また、高さの偏差によって角度誤差があり、デフォーカシングによりレーザビームが不鮮明となるので、ＰＳＤの位置誤差を誘発する。そして、レーザビームがスキャニングミラーに傾斜入射される場合、スキャニングミラーの回転角によるレーザビームの軌跡歪曲、すなわち、ピンクッション誤差が発生して、測定の線形性が低下するという問題点がある。
【００１８】
図５は、従来の他の例による２次元ＰＳＤを利用してスキャニングミラーの２次元駆動を評価するスキャナの駆動特性の評価装置の光学的配置を概略的概略的に示したものである。
【００１９】
図５に示すように、従来のスキャナの駆動特性の評価装置は、入射光軸に対して垂直配置されて駆動されるステージ５７に評価対象であるスキャニングミラー５０を設置した後、前記スキャニングミラー５０に対してレーザビームＢＬを照射する。そのために、レーザビームを照射するＨｅ−Ｎｅレーザ５１、集束レンズ５３、入射光を偏光方向によって透過または反射させて光路を変える偏光ビームスプリッタ５５及びＰＳＤ５９を備える。
【００２０】
したがって、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ５１から照射されたレーザビームは、前記集束レンズ５３で集束され、前記偏光ビームスプリッタ５５で反射されて前記スキャニングミラー５０に入射される。そして、前記スキャニングミラー５０で反射された光は、前記偏光ビームスプリッタ５５を透過して前記ＰＳＤ５９に入射される。前記ＰＳＤ５９は、入射光を光電変換して出力する。ここで、前記スキャニングミラー５０は、関数発生器６５から提供される信号が入力される高電圧増幅器６７により回転駆動制御される。また、前記ＰＳＤ５９から出力され、ＰＳＤ増幅器６１で増幅された信号と、前記関数発生器６５から出力された基準信号とがオシロスコープ６３に入力される。したがって、オシロスコープ６３を通じてスキャニングミラーの過渡応答特性の測定が容易である。また、入射光軸に対してスキャニングミラー５０及びＰＳＤ５９を垂直配置するので、図３に示す評価装置とは異なり、キャリブレーションが容易である。
【００２１】
一方、このようにスキャナの駆動特性の評価装置を構成する場合、スキャニングミラー５０の回転角が大きくなれば、反射されるレーザビームがＰＳＤ５９の感知領域を逸脱するので、約±１２°以上の大変位角度の測定が難しいという問題点がある。また、レーザビームのフォーカシング如何を確認し難いという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、約±１２°の大きい回動角で駆動されるスキャニングミラーの駆動角をリアルタイムで精密測定できるスキャナの駆動特性の評価装置及びその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記目的を解決するための本発明であるスキャナの駆動特性の評価装置は、スキャニングミラーの水平回転角及び垂直回転角の変化によってスキャナの駆動特性を測定するスキャナの駆動特性の評価装置において、ビームを照射する光源と、前記光源と前記スキャニングミラーとの間に配置され、前記スキャニングミラー上に焦点を有する対物レンズと、前記スキャニングミラーで反射されて前記対物レンズを透過した反射ビームを受光して、前記スキャニングミラーの回転角の変化を感知するＰＳＤと、前記ＰＳＤで感知された信号を処理する信号処理部と、を備え、前記スキャニングミラーの回転角の変化にかかわらず、前記反射ビームを、前記光源から照射されて前記対物レンズに入射されるビームに対して平行なビームにすることを特徴とする。
【００２４】
さらに望ましくは、前記反射ビームの一部を受光して前記反射ビームの前記スキャニングミラーの水平回転角及び垂直回転角の変化に基づく動的状態及び前記対物レンズの焦点位置に基づく静的状態を測定するカメラと、前記カメラで測定された反射ビームの状態をモニターリングするモニターと、前記カメラで測定された反射ビームの状態を入力されて、前記対物レンズの焦点位置に前記スキャニングミラーが位置するように前記アクチュエータを制御する制御部と、をさらに備える。
【００２５】
また、本発明であるスキャナの駆動特性の評価方法は、スキャニングミラーの水平回転角及び垂直回転角の変化に基づくスキャナの駆動特性の評価方法において、対物レンズを通じて光源から照射されたビームを集束させ前記スキャニングミラーに照射するステップと、前記スキャニングミラーで反射されたビームと、前記光源から照射されて前記対物レンズに入射されるビームとを平行にするために、前記スキャニングミラーが前記対物レンズの焦点に位置するように前記対物レンズを駆動するステップと、前記スキャニングミラーで反射されたビームをＰＳＤ及びカメラのそれぞれを通じて受光して前記スキャニングミラーの駆動特性を計測するステップと、前記ＰＳＤの測定誤差を補正するステップと、前記カメラを通じて受光された信号から前記対物レンズの焦点位置を調節するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るスキャナの駆動特性の評価装置及び方法は、対物レンズの焦点位置にスキャニングミラーの反射部分が位置するように対物レンズの焦点を調節することによって、スキャニングミラーの駆動角にかかわらずスキャナミラーで反射されたビームをスキャニングミラーに入射されたビームと平行に維持させうる。したがって、従来の評価装置に比べて、ＰＳＤのサイズを拡大させずとも、約±１２°以上の駆動角で駆動されるスキャニングミラーの駆動特性を精密にリアルタイムで評価できる。
【００２７】
また、ＰＳＤの入射面に対して入射ビームが実質的に直角をなすので、ピンクッション歪曲現象を根本的に防止しうる。
【００２８】
また、ＰＳＤ及びカメラを利用して同時にスキャニングミラーの駆動角を測定し、二つの素子のそれぞれを通じて測定された駆動角に基づいて前記ＰＳＤの測定誤差が補正可能であるので、さらに正確な駆動評価が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態に係るスキャナの駆動特性の評価装置及びその方法を詳細に説明する。
【００３０】
図６は、本発明の実施形態に係るスキャナの駆動特性の評価装置の光学的な配置を概略的に示したものある。
【００３１】
図６に示すように、本発明に係る評価装置は、評価対象であるスキャニングミラー１００の水平回転角及び垂直回転角の変化による駆動特性を評価するものであって、ビームを照射する光源１０１、対物レンズ１０９、この対物レンズ１０９を駆動するアクチュエータ１１１、ＰＳＤ１１５及び前記ＰＳＤ１１５で感知された信号を処理する信号処理部を備える。
【００３２】
前記スキャニングミラー１００は、関数発生器１２７で発生し、高電圧増幅器１２９で増幅された電圧波形を入力されて水平及び垂直回転駆動される。ここで、前記関数発生器１２７から提供される電圧波形の例としては、図２Ａ及び図２Ｂのそれぞれに示すような類型の交流波形でありうる。すなわち、水平回転駆動は、図２Ａに示すようなサイン交流波形であり、垂直回転駆動は、図２Ｂに示すような三角交流波形でありうる。
【００３３】
前記光源１０１は、前記ＰＳＤ１１５と後述するカメラ１１９とで何れも感知しやすい赤色系列のビームを照射することが望ましい。そのために、前記光源１０１は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）またはレーザダイオードから構成されうる。
【００３４】
前記対物レンズ１０９は、前記光源１０１と前記スキャニングミラー１００との間に配置されたものであって、約０.５以上の開口数、約５０倍の高配率及び１０ｍｍ以上の作動距離を有することが望ましい。これは、駆動角が約±１２°以上であるスキャニングミラー１００に対しても駆動特性を評価できるように約±２４°以上の光角を有する光学系を具現するためである。
【００３５】
前記アクチュエータ１１１は、前記対物レンズ１０９の焦点位置に前記スキャニングミラー１００が位置するように前記対物レンズ１０９を駆動する。ここで、前記アクチュエータ１１１は、前記対物レンズ１０９を光軸方向に微小駆動可能になったものであって、圧電駆動素子または小型線形モータからなることが望ましい。したがって、前記アクチュエータ１１１を手動操作するか、または自動焦点構造を利用して前記対物レンズ１０９を駆動することによって、前記対物レンズ１０９の焦点に測定対象であるスキャニングミラー１００を位置させうる。ここで、自動焦点構造及び方法については後述する。
【００３６】
前記のように、対物レンズ１０９及びスキャニングミラー１００を配置した場合には、図７に示すように、前記光源１０１から照射されて前記対物レンズ１０９に入射される入射ビームＬｉと、前記スキャニングミラー１００で反射されて前記対物レンズ１０９を透過した反射ビームＬＲとを、前記スキャニングミラー１００の回転角θの変化にかかわらず相互平行なビームにする。すなわち、入射ビームＬｉは、前記対物レンズ１０９の焦点Ｆ位置のスキャニングミラー１００上で反射される。ここで、前記スキャニングミラー１００の回転角がθである場合、前記スキャニングミラー１００で反射されたビームは、入射ビームＬｉに対して回転角θの２倍である２θの角度で反射され、前記対物レンズ１０９を通過しつつ入射ビームＬｉと平行な反射ビームＬＲとなる。
【００３７】
前記のように、入射ビームＬｉと反射ビームＬＲとを平行なビームにする場合、前記スキャニングミラー１００の回転角θが変化する場合、二つの平行ビーム間の間隔Δｘのみが変化し、平行状態は維持される。ここで、間隔Δｘ及び角２θは、数式１の関係を満たす。
【００３８】
【数１】
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【００３９】
したがって、前記スキャニングミラー１００の回転程度にかかわらず前記ＰＳＤ１１５に入射されるビームは、前記ＰＳＤ１１５の受光面（図８の１１５ａ）に実質的に垂直となる。したがって、図４Ａを参照して前述した問題点をもたらさないため、スキャニングミラー１００が大きい回転角、例えば、±１２°以上の角度で回転する場合にも、従来の評価装置に採用されたＰＳＤほどのサイズでもこれを測定しうる。また、照射されたビームの軌跡歪曲、すなわち、ピンクッション誤差が発生しないため、前記ＰＳＤ１１５を通じた測定の線形性を維持しうる。
【００４０】
また、本発明の実施形態に係るスキャナの駆動特性の評価装置は、入射ビームの進行経路を変換する第１光路変換部材１０７をさらに備えることが望ましい。この第１光路変換部材１０７は、前記光源１０１と前記対物レンズ１０９との間に配置されるものであって、前記光源１０１側から入射されたビームは、前記対物レンズ１０９の方向に向わせ、前記スキャニングミラー１００で反射されたビームは、前記ＰＳＤ１１５の方向に進ませる。前記第１光路変換部材１０７は、入射ビームを所定の光量比で分割して、一部は透過させ、その残りは反射させるビームスプリッタ、または入射ビームのうち特定の偏光のビームは反射させ、他の偏光のビームは透過させる偏光ビームスプリッタから構成されうる。また、前記第１光路変換部材１０７は、六面体形状の箱形ビームスプリッタまたは平板状のプレート型ビームスプリッタを採用できる。
【００４１】
また、本発明は、前記光源１０１と前記第１光路変換部材１０７との間にコリメータ１０３及びピンホール１０５をさらに備えることが望ましい。ここで、前記コリメータ１０３は、前記光源１０１で照射されたビームを集束させて平行ビームにする。そして、前記ピンホール１０５は、前記コリメータ１０３と前記第１光路変換部材１０７との間に配置されて、前記コリメータ１０３を透過したビームのサイズを規制して、ビームの直径の非常に小さい入射ビームを前記スキャニングミラー１００に入射させる。
【００４２】
また、本発明は、前記スキャニングミラー１００で反射されたビームの一部を受光して、前記反射ビームＬＲの前記スキャニングミラー１００の水平回転角及び垂直回転角の変化に基づく動的状態及び前記対物レンズ１０９の焦点位置に基づく静的状態を測定するカメラ１１９と、前記カメラ１１９で測定された反射ビームの状態をモニターリングするモニター１３７とをさらに備えうる。また、このようにカメラ１１９をさらに備えた場合、前記第１光路変換部材１０７、前記ＰＳＤ１１５及び前記カメラ１１９の間に第２光路変換部材１１３をさらに備えることが望ましい。前記第２光路変換部材１１３は、前記第１光路変換部材１０７を経て入射されたビームを前記ＰＳＤ１１５と前記カメラ１１９とに分岐させる。したがって、前記第２光路変換部材１１３で分岐されたビームは、前記ＰＳＤ１１５と前記カメラ１１９とに同時に入力される。
【００４３】
また、本発明は、前記第２光路変換部材１１３と前記カメラ１１９との間に配置されて、入射された平行ビームを集束する集束レンズ１１７をさらに備えうる。
【００４４】
前記カメラ１１９は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）などから構成されるものであって、前記スキャニングミラー１００で反射されたビームを感知する。すなわち、前記カメラ１１９は、前記スキャニングミラー１００で反射されたビームの水平方向の挙動及び垂直方向の挙動のモニターリングに使用され、１５Ｈｚ以下の低速駆動では、前記カメラ１１９に結ばれるビームの中心座標を計測して前記スキャニングミラー１００の垂直駆動角度を測定できる。したがって、前記カメラ１１９で感知された情報信号に基づいて、前記対物レンズ１０９の焦点位置の自動調整及び、前記ＰＳＤ１１５の測定誤差の補正を行える。
【００４５】
そのために、前記カメラ１１９から出力された信号を入力されて、前記カメラ１１９で測定された反射ビームの状態を前記モニター１３７にディスプレイし、前記反射ビームの状態によって前記アクチュエータ１１１を制御する制御部をさらに備える。前記制御部は、フレームグラバー１３１、コンピュータ１３３、入力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ）コンバータ１３５、及び前記Ｄ／Ａコンバータ１３５を通じて出力された駆動電圧を増幅して前記アクチュエータ１１１に提供する増幅器１３９を備える。ここで、前記フレームグラバー１３１は、前記カメラ１１９から出力された画像信号をコンピュータ１３３が処理可能な信号に変換する装置である。
【００４６】
前記のように構成された制御部をさらに備えることによって、前記カメラ１１９で測定された反射ビームの状態を入力されて、前記スキャニングミラー１００の反射位置に前記対物レンズ１０９の焦点が位置するように前記アクチュエータ１１１を自動制御できる。
【００４７】
前記ＰＳＤ１１５は、帯域幅が約１００ＫＨｚであって、高速応答性に優れているので、前記スキャニングミラー１００の最大１００ＫＨｚへの動的挙動を測定できる。このようなＰＳＤ１１５の例としては、浜松社のＤｕｏ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｔｙｐｅ２次元ＰＳＤセンサがあり、それを利用する場合、センサの線形性を向上させ、高周波交流応答が得られる。
【００４８】
以下、図８ないし図１０を参照しつつ、前記ＰＳＤ１１５を通じたスキャニングミラー１００の動的挙動測定メカニズムを説明する。
【００４９】
図８に示すように、前記ＰＳＤ１１５は、前記スキャニングミラーの２次元動的挙動を測定するために、Ｘ軸方向への動的挙動を測定する二つのアノード端子Ｘ１、Ｘ２と、Ｙ軸方向への動的挙動を測定する二つのカソード端子Ｙ１、Ｙ２とを備える。したがって、前記ＰＳＤ１１５は、前記アノード端子Ｘ１、Ｘ２及び前記カソード端子Ｙ１、Ｙ２から出力された信号を処理して、受光面１１５ａに照射されたビームスポットＳＢの入力位置を感知する。
【００５０】
図９は、Ｘ軸方向へのビームスポットの動的変位によるＸ軸座標値の算出方式を説明するための図面である。
【００５１】
図９に示すように、ビームスポットがＸ軸方向への長さＸα、Ｘβの位置、すなわち、中心軸からｘほど右側に離隔された場合において、前記アノード端子Ｘ１、Ｘ２の両端に流れる光電流ｌＸ１、ｌＸ２のそれぞれは、数式２に示すように、長さＸα、Ｘβに反比例するところ、このような関係及び数式３の関係を利用してＸ軸方向へのビームスポットの位置座標値ｘを算出しうる。
【００５２】
【数２】
2007183264.tif 000004
【００５３】
ここで、ｋは、比例定数であり、Ｉｏは、光源の放射照度を表す。
【００５４】
【数３】
2007183264.tif 000005
【００５５】
ここで、Ｌは、センサ感知領域の長さを表し、ＸαとＸβとの和（＝Ｘα＋Ｘβ）である。
【００５６】
Ｙ軸座標値も、Ｘ軸座標値と同じ方式で算出可能であり、前記数式３の関係を図１０に示すような回路図として表現できる。
【００５７】
すなわち、図１０に示すように、前記ＰＳＤで検出された信号は、アノード端子Ｘ１、Ｘ２及びカソード端子Ｙ１、Ｙ２のそれぞれを通じて出力され、この出力された信号は、第１前置増幅器ないし第４前置増幅器２５１ａ、２５１ｂ、２５１ｃ、２５１ｄで増幅された後、第１次差動増幅器２５３ａ及び第２次差動増幅器２５３ｂに送信され、差動増幅される。また、前記第３前置増幅器２５１ｃ及び第４前置増幅器２５１ｄで増幅された一部の信号は、加算器２５５で加算される。以後、前記第１次差動増幅器２５３ａ及び前記加算器２５５で加算された信号は、第１除算器２５７ａを経てｘ／Ｌの形態で出力する。また、前記第２次差動増幅器２５３ｂ及び前記加算器２５５で合算された信号は、第２除算器２５７ｂを経てｙ／Ｌの形態で出力する。したがって、前記ＰＳＤを通じて、ビームスポットの座標値（ｘ，ｙ）に比例するアナログ電圧を出力しうる。
【００５８】
図６に示すように、前記信号処理部は、前記ＰＳＤ１１５から出力されたアナログ電圧を増幅するものであって、ＰＳＤ増幅器１２１及び計測器１２５を備える。前記ＰＳＤ増幅器１２１は、前記光源１０１を駆動する駆動回路、すなわち、ＬＤ駆動回路１２３にビームパワー制御用のフィードバック信号を伝達する。このように、回路を構成した場合、前記光源１０１の変調と同期して、前記ＰＳＤ１１５から出力された信号をパルス幅変調または振幅変調などの変調方式を利用して処理しうる。この場合、前記信号処理部は、外部光の影響を最小化しうる。
【００５９】
また、前記信号処理部は、前記計測器１２５に前記スキャニングミラー１００の回転駆動角の変化によりＰＳＤ１１５に形成されたビームスポットの座標値（ｘ，ｙ）を提供する。前記計測器１２５は、前記ＰＳＤ増幅器１２１から出力された信号を入力されて、前記スキャニングミラー１００の駆動特性を計測する。そのために、前記計測器１２５は、オシロスコープ１２５ａ及び信号分析器１２５ｂを備えることが望ましい。前記オシロスコープ１２５ａは、前記ＰＳＤ増幅器１２１から信号波形を入力されて、前記スキャニングミラー１００の水平及び垂直の最大回転角と、異常挙動するスキャニングミラーの運動の分析に有用な時間応答を計測する。ここで、最大回転角は共振駆動時に発生するので、これに該当する電圧の大きさを角度に換算することによって最大回転角を測定しうる。
【００６０】
そして、前記信号分析器１２５ｂは、前記ＰＳＤ増幅器１２１から入力された信号を分析して、前記スキャニングミラー１００の水平及び垂直共振周波数及びＱ値を算出する。すなわち、前記信号分析器１２５ｂは、前記スキャニングミラー１００の駆動のために印加する電圧と前記ＰＳＤ１１５の出力信号との伝達関数をサイン波によりスイープすることによって、前記共振周波数及びＱ値が計算できる。
【００６１】
前記のように、評価装置がＰＳＤ１１５及び信号処理部を備えているため、測定された水平及び垂直の共振周波数が許容範囲以内であるかどうか、スキャニングミラーの最大回転角が許容範囲内であるかどうかを基準として判定することにより前記スキャニングミラー１００が不良かどうか評価できる。また、測定された時間応答を通じて、前記ＰＳＤ１１５から出力された信号が入力信号に比例して追従しているかどうかを判定する。
【００６２】
以下、図６及び図１１ないし図１３を参照しつつ本発明の実施形態に係るスキャナの駆動特性の評価方法を詳細に説明する。
【００６３】
図６に示すように、本発明に係るスキャナの駆動特性の評価方法は、スキャニングミラー１００にビームを照射するステップと、対物レンズ１０９の焦点位置にスキャニングミラー１００が位置するように前記対物レンズ１０９を駆動するステップと、前記スキャニングミラー１００の駆動特性を計測するステップと、ＰＳＤ１１５の測定誤差を補正するステップと、対物レンズ１０９の焦点位置を調節するステップと、を含む。
【００６４】
前記スキャニングミラー１００にビームを照射するステップについて説明する。前記光源１０１から照射された拡散ビームは、コリメータ１０３で集束されて平行ビームとなり、この平行ビームの一部のみがピンホール１０５を通過して前記対物レンズ１０９側に進む。前記対物レンズ１０９は、前記光源１０１側から入射されたビームを前記スキャニングミラー１００上に集束させる。一方、前記スキャニングミラー１００に集束されたビームは、前記スキャニングミラー１００の回転角によって決まる角度に前記スキャニングミラーから反射される。ここで、前記スキャニングミラー１００の回転角をθというとき、前記スキャニングミラー１００に入射されたビームに対する反射ビームの角度は、回転角θの２倍である２θとなる。
【００６５】
前記対物レンズ１０９を駆動するステップにおいては、スキャニングミラー１００で反射され前記対物レンズ１０９で集束される反射ビームと、前記光源１０１から照射されて前記対物レンズ１０９に入射されるビームとは平行となる。そのために、前記対物レンズ１０９を駆動する過程においては、前記スキャニングミラー１００のビームが入射される位置が前記対物レンズ１０９の焦点位置に一致するように、アクチュエータ１１１を通じて前記対物レンズ１０９を駆動する。このように、対物レンズ１０９とスキャニングミラー１００との間の相対位置が調節されるため、前記スキャニングミラー１００の駆動角度の変化にかかわらず反射ビームと入射ビームとが相互に平行となる。反射ビームと入射ビームとの間の間隔Δｘの値のみが変化するので、数式１に表すような前記スキャニングミラー１００の駆動角度と間隔Δｘとの関係を利用して前記駆動角度の変化を測定しうる。
【００６６】
前記スキャニングミラー１００の駆動特性を計測するステップは、前記スキャニングミラー１００で反射されたビームをＰＳＤ及びカメラのそれぞれを通じて受光し、これを信号処理することによって行われる。特に、前記ＰＳＤ１１５から出力された信号を信号処理部を通じて処理することによって、前記スキャニングミラー１００の水平及び垂直の最大駆動角、時応答及びＱ値などを計測しうる。このようなスキャニングミラー１００の駆動特性の計測過程は既に説明したので、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
一方、前記ＰＳＤ１１５は、スキャニングミラー１００で反射されたビームのＸ軸方向及びＹ軸方向への変位量を正確に測定しうる一方、線形性及びビームスポットの中心に対する計測精度面においては、ＣＣＤなどからなるカメラ１１９に比べてその性能が多少低下するので測定誤差を有する。また、前記ＰＳＤ１１５は、電気的ノイズ及び温度変化などの外的要因による影響によって、出力信号に微小なドリフトが発生しうる。
【００６８】
一方、前記ＰＳＤ１１５を通じた測定誤差は、ＰＳＤ１１５の測定誤差を補正する過程を通じて補正可能であり、図６及び図１１を参照しつつさらに詳細に説明する。
【００６９】
図１１は、ＰＳＤ１１５の測定誤差を補正する過程を示すフローチャートである。
【００７０】
まず、前記カメラ及び前記ＰＳＤのそれぞれに形成されたビームスポットの位置から前記スキャニングミラーの駆動角を計測する（Ｓ１０）。
【００７１】
次いで、前記スキャニングミラーの計測駆動角を、数式４に表すような形式の１次関数式を利用してスキャニングミラーの実際の駆動角にキャリブレーションする（Ｓ２０）。
【００７２】
【数４】
2007183264.tif 000006
【００７３】
ここで、θｍ，ＰＳＤ及びθｍ，ＣＣＤは、ＰＳＤ及びカメラのそれぞれを通じて測定された計測駆動角のキャリブレーション値であり、ａ１、ｂ１、ａ２、ｂ２のそれぞれは、媒介変数であり、θは、スキャニングミラーの実際の駆動角である。
【００７４】
以後、前記数式４の関係を通じて１次調整された前記カメラと、前記ＰＳＤのそれぞれを通じた計測駆動角のキャリブレーション値とを比較し（Ｓ３０）、測定誤差が許容可能な最小誤差範囲内であるか否かを判別する（Ｓ４０）。ここで、測定誤差は、数式５で表現されうる。
【００７５】
【数５】
2007183264.tif 000007
【００７６】
Ｓ４０で測定誤差が最小誤差範囲から逸脱したと判断された場合、１次関数式の媒介変数ａ１、ｂ１値をアップデートし（Ｓ５０）、Ｓ２０〜Ｓ４０を繰り返しつつ、前記キャリブレーション及び測定誤差を再判別する。一方、前記判別ステップ及び再判別ステップで測定誤差が最小誤差範囲内であると判断された場合には、ＰＳＤ誤差補正を終了する（Ｓ６０）。
【００７７】
次に、前記対物レンズ１０９の焦点位置を調節するステップを、図１２及び図１３を参照しつつ詳細に説明する。
【００７８】
まず、前記カメラ１１９を通じて前記スキャニングミラー１００で反射されたビームを受光してＣＣＤ画像を獲得する（Ｓ１２０）。ここで、Ｓ１２０以前に前記スキャニングミラー１００の駆動信号を発生させる関数発生器１２７をオフにするステップ（Ｓ１１０）をさらに含みうる。
【００７９】
そして、獲得されたスポット画像（図１３のＳＢ）の中心を算出し（Ｓ１３０）、次いで、Ｘ軸及びＹ軸方向への輝度データを読み取る（Ｓ１４０）。その後、読み取られた輝度データをガウスフィッティングして（Ｓ１５０）、標準偏差σの値を算出する（Ｓ１６０）。その後、算出された値が最適の標準偏差σの範囲内であるか否か、すなわち、前記対物レンズの焦点位置に前記スキャニングミラーが位置したか否かを判断する（Ｓ１７０）。ここで、焦点位置から逸脱したと判断された場合、前記アクチュエータ１１１を通じて前記対物レンズ１０９を移動させ、対物レンズ１０９の焦点位置に前記スキャニングミラー１００の反射部分を位置させる（Ｓ１８０）。次いで、Ｓ１２０〜Ｓ１７０を繰り返しつつ対物レンズの焦点位置を調節し、その焦点調節が完了した場合に前記プロセスを終了する。
【００８０】
前記実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。
【００８１】
したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲により定められなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、スキャナ関連の技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】一般的な２軸ＭＥＭＳスキャナを示す概略的な斜視図である。
【図２Ａ】図１に示す２軸ＭＥＭＳスキャナの水平駆動を示す概略的なグラフである。
【図２Ｂ】図１に示す２軸ＭＥＭＳスキャナの垂直駆動を示す概略的なグラフである。
【図３】従来の一例による２次元のＰＳＤを利用してスキャニングミラーの２次元駆動を評価するスキャナの駆動特性の評価装置の光学的な配置を示す概略的な図面である。
【図４Ａ】スキャニングミラーに対してＰＳＤが傾斜配置された場合を示す概略的な図面である。
【図４Ｂ】スキャニングミラーに対してＰＳＤが傾斜配置された場合を示す概略的な図面である。
【図５】従来の他の例による２次元ＰＳＤを利用してスキャニングミラーの２次元駆動を評価するスキャナの駆動特性の評価装置の光学的な配置を示す概略的な図面である。
【図６】本発明の一実施形態に係るスキャナの駆動特性の評価装置の光学的な配置を示す概略的な図面である。
【図７】図６のスキャニングミラーに入射されたビーム及び反射ビームの光路変化を説明するための概略的な図面である。
【図８】本発明に係るＰＳＤを通じたスキャニングミラーの２次元動的挙動の測定を説明するための概略的な図面である。
【図９】本発明に係るＰＳＤを通じたスキャニングミラーの２次元動的挙動の測定を説明するための概略的な図面である。
【図１０】本発明に係るＰＳＤで検出された信号からビームスポットの座標値（ｘ，ｙ）に比例するアナログ電圧を出力する回路を示す図面である。
【図１１】本発明に係るＰＳＤ測定誤差の補正過程を示すフローチャートである。
【図１２】本発明に係る対物レンズの焦点位置の調節過程を示すフローチャートである。
【図１３】本発明に係るカメラに結ばれたビームスポットの形状及びガウスフィッティング曲線を示す図面である。
【符号の説明】
【００８４】
１    ベース、
３    作動板
５    ねじりスプリング、
７    第１コム電極構造体、
１１、５７    スキャニングミラー、
１３    共振スプリング、
１５    第２コム電極構造体、
２１、５１    レーザー、
２３    減衰器、
２５    ビーム拡張器、
２７    対物レンズ、
２９    ステージ、
３１、５９    ＰＳＤ、
３３    電流電圧変換回路、
３５、６３    オシロスコープ、
４１    マイクロスコープ、
４５    モニタ、
５３    集束レンズ、
５５    偏光ビームスプリッタ、
５７    ステージ、
６１    ＰＳＤ増幅器、
６５    関数発生器、
６７    高電圧増幅器、
１００    スキャニングミラー、
１０１    光源、
１０３    コリメータ、
１０５    ピンホール、
１０７    第１光路変換部材、
１０９    対物レンズ、
１１１    アクチュエータ、
１１３    第２光路変換部材、
１１５    ＰＳＤ、
１１５ａ    受光面、
１１７    集束レンズ、
１１９    カメラ、
１２１    ＰＳＤ増幅器、
１２３    ＬＤ駆動回路、
１２５    計測器、
１２５ａ    オシロスコープ、
１２５ｂ    信号分析器、
１２７    関数発生器、
１２９    高電圧増幅器、
１３１    フレームグラバー、
１３３    コンピュータ、
１３５    Ｄ／Ａコンバータ、
１３７    モニター、
１３９    増幅器、
２５３ａ    第１次差動増幅器、
２５３ｂ    第２次差動増幅器、
２５５    加算器、
Ｌｉ    入射ビーム、
ＬＲ    反射ビーム、
θ    回転角。
【図１】
2007183264.tif 000008
【図２Ａ】
2007183264.tif 000009
【図２Ｂ】
2007183264.tif 000010
【図３】
2007183264.tif 000011
【図４Ａ】
2007183264.tif 000012
【図４Ｂ】
2007183264.tif 000013
【図５】
2007183264.tif 000014
【図６】
2007183264.tif 000015
【図７】
2007183264.tif 000016
【図８】
2007183264.tif 000017
【図９】
2007183264.tif 000018
【図１０】
2007183264.tif 000019
【図１１】
2007183264.tif 000020
【図１２】
2007183264.tif 000021
【図１３】
2007183264.tif 000022