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テクニカルハンドブック
スキャン計測２０２３年５月〒176-0014東京都練馬区豊玉南 １－２１－１０
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目次

１．ガルバノスキャナの特徴と応用
光アライアンス２０２３年５月
２．光 MEMS スキャナのダイナミック平面度計測
光アライアンス２０１７年１月
３．走査ビームのプロファイル計測と光 MEMS スキャナへの応用
光アライアンス２０１６年１月
４．ダイナミックビーム計測へのアプローチ
光アライアンス２０１５年１月
５．走査レーザビームの計測
光アライアンス２０１３年１月
６．２次元走査 LRF
光アライアンス２０１２年４月
７．光 MEMS スキャナの計測
光アライアンス２０１２年１月
８．レーザスキャンと光 MEMS スキャナ
光アライアンス２０１０年８月
９．光 MEMS スキャナの評価・検査システムOｐｌｕｓＥ

２０１２年１月

１０．レーザビーム径の測定
光アライアンス２０１０年１月
１１．レーザ走査による外形測定器の試作
トランジスタ技術２００９年１２月
１２．産業界で使用されているビームプロファイラー
光アライアンス２００９年１月
１３．ＭＥＭＳスキャナの測定
光アライアンス２００８年１月

光 MEMS スキャナーの評価・検査システム― モデル ALT–9A44 ―エーエルティー株式会社

1. はじめに植村 洋一郎対する開発は継続して行われているが，基本的な評価・検査方法はほぼ確立されている。

米国以外にもアジア・欧米の各企業がプロジェクター

当社は，従来からユーザーの要望に応じて光 MEMSの軽量化に乗り出ししのぎを削っている。そのような中スキャナーの検査機を少しずつ手がけてきたが，2007

で，パーソナルプレーヤーや携帯電話などのモバイル機

年よりポリゴンミラースキャナーの評価方法をベースに器に接続して使用する手のひらサイズの超小型プロジェ

光 MEMS ス キ ャ ナ ー の 標 準 的 な 検 査 装 置 で あ る 光クター（ピコプロジェクター）が注目を集めていMEMS スキャナー検査システム（ALT–9A44）の販売る。現在，超小型プロジェクターで実用化されているもを開始し，積極的に営業展開を進めている。のには 3 つの方式がある。
（1）LCOS 方式

このような経緯から当社はポリゴンミラースキャナーの評価方法を参考に，光 MEMS スキャナーの標準機と主に光源は LED が使用され，スキャンデバイスとしして評価していただくことを目標として評価方法の標準てはシリコン基板の上に液晶を形成し，光を反射また化を図り，評価・検査装置の開発・供給を行っている。

は透過させて表示させる方式の LCOS を用いている。
（2）DLP の方式
CMOS 半導体上に独立して動くミラーが 48 万〜

3. 測定対象：標準機「光 MEMS スキャナー検査システム（ALT–9A44）」

200 万 個 敷 き 詰 め ら れ た 構 造 で ， DLP チ ッ プ にLED やレーザー光をあてて，ミラーに反射した光を投影し表示する。
※（1），（2）はデバイスの分解能が画像分解能になるため，現状の表示分解能としては VGA 程度。

（3）光 MEMS スキャナー方式
光源に小型で高出力，高効率な半導体レーザー光を用い，微小な 2 次元スキャンできる一枚ミラーの光
MEMS スキャナーでレーザー光をスキャンする方式。この方式では高分解能が可能なこととフォーカスフリーが可能という特徴がある。
エーエルティーでは，今後の開発が期待される光

図 1 光 MEMS スキャナー検査システム ALT–9A44＜仕様＞
対象品種： 1 軸 MEMS（2 軸 MEMS も可能，後述）

MEMS スキャナーの開発に欠かせない評価装置を供給

対象方式：電磁駆動，静電駆動，ピエゾ駆動しており，今回その詳細を紹介する。

光学振り角： ±15 °以上（±15 °以下はセンサーユニ

2. 評価の基準ットを変更することで対応可能）
ミラーサイズ： 1.2 ≈ 1.2mm 以上（基準の光源の変更

光 MEMS スキャナーは現在注目の開発途上のデバイが可能，応相談）スであり，評価の方法が確立しているわけではない。当駆動周波数： 60 〜 30KHz（30KHz 以上も応相談）

社では，ポリゴンミラースキャナーの評価装置・検査装測定用光源： 670nm，2mW（他波長，出力対応可能）

置を多数のレーザープリンターや複写機のメーカーに幅広く，かつ数多く供給している実績を持つ。
ポリゴンミラースキャナーの場合，大規模な生産が行われており，高速化や多色化などに関する新しい技術にVol. 32, No. 5 ・ O plus E

4. 測定仕様以 下 ， 光 MEMS ス キ ャ ナ ー 検 査 シ ス テ ム （ ALT–9A44）の測定仕様とその特徴を説明する。
1

■ 製品紹介 ■レーザーの基準光源からコリメーションレーザー光をを狭く設定する必要がある。このために，10mm もしMEMS のミラーに照射し，反射光が走査（スキャン）

くはそれ以下の間隔で 2 点のジッタセンサーを配置したされる状態において 2 個のジッタセンサーおよび 1 個のセンサーを用意している。

ウォブルセンサーでビームスキャン検出時間を測定する

4.2 簡易光学振り角測定方法についてことが基本動作となっている。

（前項に上げた簡易光学振り角測定方法の詳細を示す）

4.1 周波数特性，共振周波数測定，振幅測定（センサー： 2 ポジションのジッタセンサーを使用，測定分解能： 0.1ns）

図 1 のように，レーザーをスキャンさせた時のスキャン角度（レーザー光の広がり角度）を光学振り角と定義する。図 2 のセンサー配置のように，光 MEMS スキャ

周波数特性（周波数−振角特性）は，設定した条件にナーにより走査されたレーザー光を距離 L の位置に設て周波数を変化させ振れ角を測定する。設定される計測置したジッタセンサーで受光する。光 MEMS スキャナ

条件は電圧／電流，変化する周波数範囲，周波数ピッチーの走査速度は，半径 L の位置での円弧上をほぼ正弦などである。

波で変化するので，それを半径 R の等速円運動と仮定実用的な測定を高速に行えるように，当社独自の方式して，それぞれの時間から光学振り角を計算する。このとして，2 点のジッタセンサー信号の時間間隔から振幅時，光 MEMS スキャナーの動作周波数 f と等速円運動を計算する簡易光学振り角測定方法を採用している（ビの角速度 w は，w=2pf の関係がある。

ーム走査が基本的に正弦波の動作であるということを前提に，特許取得）。この方式を採用することで，周波数

図 3（光学振り角計算 1）より，円弧の長さ R1 は，
R1=2pL ≈ (q1/360)①

特性測定，共振周波数測定はストレスを感じない速度でとなる。同様に，図 3（光学振り角計算 1）より，円弧計測が可能である。また，電圧・電流の設定を変えてのの長さ 2R は，周波数特性が測定できるだけでなく，目標とする振幅を設定し，適切な周波数や電圧・電流をサーチするような動作も可能である。多くの実績から，ビーム走査が基本的に正弦波の動作であるということを前提とした計測に2R=2pL ≈ (q1 + q2 + qc + qd)/360と表せ，
R=pL ≈ (q1 + q2 + qc + qd)/360②となる。
また，図 3（光学振り角計算 1）の円弧長 2R を直径よる疑義はほとんど無視できると考えられる。
また，得られた周波数特性のプロファイルから共振周波数を求めることができる。周波数特性のプロファイルに関しては，共振周波数から比較的離れた周波数での特とする円周上を等速運動すると仮定するので，図 4（光学振り角計算 2）のように定義する。
図 4（光学振り角計算 2）より，余弦の長さ R - R1 は，性も把握したい場合には，2 点のジッタセンサーの間隔
31a10302231a

光路

光学振り角10：MEMSスキャナー
22：光路30：ウォブルセンサー

31a：ジッタセンサー131b：ジッタセンサー2MEMS
図12

図 2 センサー配置図O plus E ・ 2010 年 5 月

■ 製品紹介 ■ジッタセンサー 1

R

ジッタセンサー 2R1

R - R1

円弧長2R
円弧長長R c
円弧1wT
11TT2qdqq21qc

LR2

円

長弧長

弧円

Td

TcRRd

図 3 光学振り角計算 1
図 4 光学振り角計算 2

R - R1=R cos(2pfT1)と表せ，
R1={1 - cos(2pfT1)} ≈ R

これにより，⑧式に時間 T1 と T2 を代入すれば，q1 が③q2 が求まる。となる。③式と②式より，q1=A ≈ (q2 + qc + qd）求まる。また，⑦式に時間 T1，T2 と q1 を代入すれば，④となる。ただし，A={1-cos(2pfT1)}/{1+cos(2pfT1)}
また，前記と同様に R2 について計算すると，図 3（光学振り角計算 1）より円弧の長さ R2 は，最終的に，図 3（光学振り角計算 1）において左右の光学振り角は，左側の光学振り角 =q1 + qc
右側の光学振り角 =q2 + qd⑤で計算できる。となる。同様に，図 3（光学振り角計算 1）より円弧の4.3 ジッタ測定

R2=2pL ≈ (q2/360)
長さ 2R から R を求めると，
R=pL ≈ (q1 + q2 + qc + qd)/360（センサー： 2 分割 PIN フォトダイオード 2 個，受②

光範囲：走査位置から上下 ±1mm，測定距離：ミラー位置より距離 100 〜 150mm，設定位置：任意となる。
また，図 3（光学振り角計算 1）の円弧長 2R を直径とする円周上を等速運動すると仮定するので，図 4（光設定（±55˚ 以上），センサー位置調整範囲：副走査方向 ±4mm，測定分解能： 0.1ns）

学振り角計算 2）のように定義する。図 4（光学振り角ジッタとは，ある 2 ポイント間のレーザー走査時間のバ計算 2）と，余弦の長さ R - R2 より，
R2={1 - cos(2pfT2)} ≈ R⑥となり，⑥式，⑤式，②式より，
q2=B ≈ (q1 + qc + qd)

ラツキ量であり，ジッタセンサー 2 点間のビームスキャン時間の測定を行い，そのジッタを評価・検査する（図 5）。

⑦

光 MEMS スキャナーはミラーが振れることにより，となる。ただし，B={1- cos(2pfT2)}/{1+cos(2pfT2)}行きのスキャンと帰りのスキャンが発生するが，行きの④式と⑦式より，スキャンを CW，帰りのスキャンを CCW と呼ぶ。

q1=AB q1 + A(1 + B)(qc + qd)④

測定は，ビームディテクタ 2 点間の CW 方向の時間となる。

測定を行い，続けて CCW 方向の時間測定を行い，次にゆえにCW 方向の時間測定を行うという動作をあらかじめ設定

q1=A(1 + B)(qc + qd)/(1 - AB)である。
Vol. 32, No. 5 ・ O plus E⑧

した測定条件に基づいて，例えば 1000 回の往復動作での測定を連続測定する。その後，CW および CCW それ3ことで，走査位置のバラツキ量である。

光路
ジッタセンサー 1

測定は CW 方向の走査位置測定を行い，続けて CCW

ジッタセンサー 2方向の走査位置測定を行い，次に CW 方向の走査位置測定を行うという動作を，予め設定した測定条件に基づき連続測定する。例えば，1000 回の設定の場合，1000回の往復動作を連続測定し，その後 CW および CCW それぞれの計測値の値をグラフ化すると共に平均に対する変動の計算を行う。
変動は，P − P（ピーク・トゥ・ピーク）では測定回数（例では 1000 回）の最大値と最小値，F − F（フェイス・トゥ・フェイス）では隣り合ったデータ差の最大MENS値と最小値を求める。

図5

4.5 ウォブルセンサーについてぞれの計測値の値をグラフ化すると共に平均に対する変動の計算を行う。

前項で取り上げたウォブルセンサーについてその測定原理（図 6）を説明する。ウォブルセンサーはいろいろ① 総合（PP）：連続測定での（最大―最小）の値を全平均で割った値（％）

てる。

② 隣接（FFmax）:（隣り合ったデータの差）／全平

構造的には図 7,8 に示す構造図のように，PD 受光センサーの前に三角形のスリットを配置し，スキャン中の均 ≈ 100（％）の最大値③ 標準偏差（s）：データ数 n，n 番目のデータ値 Xn，平均値 m とすると， s = 1 / n × ∑ (X n − m )な方式があるが，本装置では三角スリット方式を採用しレーザービームが三角スリットを横切ると，スリットを通過するレーザービームのみが受光センサーに入射する

2ジッタの測定は 2 点のジッタセンサーを最大振り角のようになっている。このためセンサーは，レーザービー60 ％程度の角度で左右対称に設定して測定されることがムがスリットを通過した時間と同じ時間幅のパルス信号一般であるが，ジッタセンサー 2 点間の距離を 10 〜を出力する。

20mm 程度に短くし，振り位置においてジッタの変動をスリットが三角形をしているため，走査位置が変化す評価することもミラーの挙動を把握するには有用である。
三角スリット4.4 ウォブル測定（センサー： PD センサー（3 角スリットタイプ），測定距離：ミラー位置より距離 100 〜 150mm，設定 位 置 ： 任 意 設 定 （ ±40˚）， 測 定 ビ ー ム 速 度 ：受光センサー

走査位置A
走査位置B
パルスA

10,000m/S 以下，受光範囲： ±1.5mm，測定分解

パルスB

能： 1mm）

図7

ウォブルとは，ポリゴンスキャナーでいう面倒れ量の走査位置

スキャナー

計量特性

走査位置B面倒れ走査高さのズレ

角度q

パルスA

2q

パルスB パルス幅

走査位置A

図64

図8O plus E ・ 2010 年 5 月

るとスリット幅が変わり，センサーのパルス信号幅が変ン位置の測定を行う。基本的な考え方は，測定に使用し化する。このパルス幅を測定すれば走査位置が変化したているレーザー光源を水平走査に同期して ON ／ OFFことが分かるが，これだけでは「どれだけ走査位置が変制御し，測定したいポジションの任意の水平スキャンラ化したか」が分からない。そこで，三角スリットをマイインのみ発光を行うことで，前述した方法でウォブル，クロステージで動かし，各位置のパルス幅を測定して，およびジッタを測定する。

直線近似した値を計量特性としている。

また，大型の高応答度 PSD（45mm 角）センサーなど

この計量特性は，時間を測定しているため，スキャンを使用し，2 次元像面での位置偏差の測定も可能である。

速度が変化すると計量特性を設定する必要がある。
なお，

2 次元光 MEMS スキャナーの評価・計測は，アプリ

走査位置は下記の式で求められる。
走査位置＝（計量特性） ≈ （センサーのパルス幅）
上記の方法で走査位置を測定するが，ミラー面の倒れ角として測定する場合は走査位置偏差量と測定距離のタンジェントで計算を行う。

ケーションの要求に応じた各種検出方法があり，一般性は得にくくなる傾向がある。

7. 環境試験
光 MEMS スキャナーは温度，気圧等の環境の変化に

また，光 MEMS スキャナーは測定する場所や振り角に対してパラメーターの変動が大きく発生する傾向があよりウォブルセンサーにおけるスキャン速度が変化するる。通常の環境試験器では十分な対応できないことが多ため，そのつど，計量特性を測定し直す必要がある（こく，専用の環境試験装置の要求が多々ある。のため，ウォブル測定の際は測定の前に計量特性を自動（1） 温度試験で測定する）。

5. その他データ測定

前述の基本特性に関し，温度による変動を測定したい
場合は，全体の測定装置全体を恒温槽に入れるわけにはいかず，また，通常 MEMS をベアの状態で評価するこ（1）像面位置，深度位置での測定：その他のデータ測とになるため，空気の流れが発生しないように万全を尽定として最も多いのは，前項までの基本特性を像面のくす必要がある。このため，ファンなどによる空気の流各位置および深度方向位置で評価・測定の要求であれが発生しない特殊な小型チャンバーを用意している。

る。この場合は，同時に全自動で各ポジションでの測

通常は常温から 80 ℃程度の高温に対する恒温チャン定が必要になるため全自動の測定となる。
（2）インターバル測定：一定のインターバル時間間隔にて前項までの基本特性を自動測定し，経時変化による特性変化の評価計測が可能。

バーが一般的であるが， - 20 ℃，120 ℃の対応も可能である。
（2）減圧・真空試験
前項に示したチャンバーを使用し，減圧状態での試験（3）位相測定：駆動信号に対してのミラー挙動の位相も可能である。通常は大気圧から 10Pa 程度が一般的で測定，加えて MEMS センサー自身がモニターセンサある。また，他の気体の充填雰囲気での評価試験も可能

ーを搭載している場合は，その出力との位相差の測定。

である。

（4）駆動電圧，電流の位相差：光 MEMS スキャナーの駆動方式から要求される各種評価・規則に対応。

6. 2 次元光 MEMS スキャナーの測定

8. 耐久試験
5 章でご紹介したインターバル試験とは異なり，より長時間の耐久試験が可能である。複数台の光 MEMS ス

2 次元光 MEMS スキャナーの評価・計測は一方向をキャナーを一定振幅動作等の制御駆動を行うと同時に常測定した後 90 °本体を回転し，他の一方を評価・測定

時動作状況をモニターし，不具合が発生した際の動作状することが基本であるが，一般に 2 次元 MEMS の場合況を評価・計測することができる。

はラスタースキャン動作を行うことが多い。
この場合，片軸を固定した状況で一方を評価するのでは実際のアプリケーションに対し，十分な評価・測定と耐久加速のために光 MEMS スキャナーを小型恒温槽に収納した測定も可能であるだけでなく，より簡単に簡易バーンインユニットを使用することもできる。

はいえない場合がある。そこでラスタースキャンを行っまた，動作状況のモニターの必要がなく，一定条件でている状態で像面における任意のポジションでのスキャの動作を前提にした耐久試験の場合は，複数チャンネルVol. 32, No. 5 ・ O plus E

5の周波数発生モジュールと複数チャンネルの簡易アンプでの光スキャナーシステムの応用を広げる大きな可能性での駆動もできる。

をもっている。その一つの方向としてスキャン系のレー

9. その他評価（1）ミラー面傷，異物検査：画像処理システムで傷，異物の検出が可能。
（2）ミラー反射率測定： RGB 各波長における反射率を測定（入射角，偏光方向可変可能）。

ザーレーダーの応用がある。TOF（タイムオブフライト）方式により，中距離から遠距離の 2 次元エリアの距離計測（3 次元把握）が可能であり，自動車を始めとする移動物体の眼もしくは安全に関する用途の展開が期待されてる。この他にも，いろいろな用途に関する相談がユーザーからあり，今後の発展が期待される。

10. 最後に
光 MEMS スキャナーは超小型プロジェクターの発売が始まり脚光を浴びているが，それだけでなく，これま6参考文献◇ 井上裕幸（エーエルティー㈱）： MEMS スキャナーの測定 ，光アライアンス（2007 年 10 月）

O plus E ・ 2010 年 5 月