JP2005031457A - フォトニック結晶を用いたミラーを有するビームスキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】金属蒸着などの方法によるミラーよりも反射が高効率であるミラーを有する光ビームスキャナである。
【解決手段】基板104に対して可動板102が揺動可能に支持されたミラー型光ビームスキャナである。ビーム光を反射する可動板102の反射面にフォトニック結晶101を用いたミラーが形成されている。フォトニックバンドギャップを持つフォトニック結晶101をミラー型の光ビームスキャナに用いて、金属蒸着などの方法によるミラーよりも反射が高効率となり、より光量の少ない光源で明るい走査光を得ることが出来るようになる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、光源からの光ビームを光偏向ミラーによって光偏向して、投影し画像を表示する画像表示用などに用いる光ビームスキャナに関するものである。

近年の半導体加工技術の進歩によって、ディスプレイなどに応用されるマイクロミラータイプのレーザースキャナが実現されてきている。その駆動方法は、ガルバノミラーのように磁界中に置いたコイルに電流を流すことによって生じる電磁力によるもの（特許文献１参照）、静電力を利用するもの（特許文献２参照）、圧電素子のようなアクチュエータ素子を用いるもの等様々である。

また、一方、フォトニック結晶は、光の波があたかも“固体中の電子の波（ド・ブロイ波）”の様に振る舞う光学的結晶体であり、屈折率の異なる物質が周期的に並ぶことによって形成されており、通常の光素子に発生する光学現象と全く異なる現象を示す。この分野は、新しい光学素子などへの応用が期待されており、近年盛んに研究・開発が進んでいる。
特開平6-82711号公報 特許2924200号公報

上述の従来型の走査に用いられるミラーは概ね金属、とりわけアルミの蒸着などによって構成されることが多い。しかしながら、これら金属の蒸着によるミラーにおいては、半導体プロセスに組み込むことにより手軽に構成できる反面、反射率が９５％程度であるためにレーザー光の損失が大きく、ディスプレイに用いる場合には、適度な明るさを確保するためにより強力なレーザーを用いる必要があった。また、加えて、光のエネルギーによってミラー自体の温度上昇を引き起こし、ミラーの機械的なパラメータの変動やミラー上に形成されている電気的な素子などの特性を大きく変化させてしまい、走査周波数や駆動エネルギーの変動を引き起こしていた。

本発明のビームスキャナは、基板に対して可動板が揺動可能に支持されたミラー型光ビームスキャナであり、ビーム光を反射する可動板の反射面にフォトニック結晶を用いたミラーを有することを特徴とする。この基本構成に基づいて、以下のごとき態様が可能である。基板に平板状の可動板と該可動板を基板に対して基板表面に垂直な方向に揺動可能に支持するトーションバーとを一体で形成し、外力によって該可動板をトーション運動させる。前記フォトニック結晶ミラーには、使用する光の周波数においてフルバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶や、使用する光の周波数において使用する入射方向に於いてバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を用い得る。揺動するミラーに照射させるビーム光の波長はフォトニック結晶のバンドギャップ中にある必要があり、十分なパワー密度を有するのが好ましいので、ビーム光はコヒーレントなレーザー光が好適である。

本発明によれば、フォトニックバンドギャップを持つフォトニック結晶をミラー型の光ビームスキャナに用いることによって、金属蒸着などの方法によるミラーよりも反射が高効率となり、それによって、より光量の少ない光源で明るい走査光を得ることが出来るようになった。また加えて、この高効率化により、ミラーを含む部材の温度上昇が抑えられるため、可動板の走査周波数や駆動信号（駆動エネルギー）などの安定化が容易になる。

本発明の好適な実施の形態について、図を用いて説明する。
図１に示したものが、本発明をガルバノミラーに適用した場合の一実施形態の図である。半導体プロセスを用いて、コイル105、トーションバー103を持つ可動板102の形に成形されている。その際、材料としては一般的にSiO₂薄膜を用いることが出来る。104は支持基板の部分を示している。ここで、薄膜101は本発明の特徴的なところであるフォトニック結晶を用いて構成されている。

フォトニック結晶（以下ＰＣ）は誘電率の高い微小構造を誘電率の低い背景媒質中（或いは、その逆）に光の波長程度の間隔で周期的に配列したものである。こうした構造を持つＰＣの特性は、丁度、固体物理に於ける結晶構造中の電子の振舞いと類似した性質を示す。すなわち、電子に於ける禁制帯（バンドギャップ）の様な構造を作ることが可能となる。例えば、図４に示したものは、ダイヤモンド構造のフォトニックバンドを示した一例であるが、フォトニックバンドギャップが格子模様部分に生じているのが分かる。横軸は波数で３次元的な方向により分けられており、縦軸は格子間隔で規格化された光の周波数である。この図は、規格化周波数にして０．４弱から０．４５弱の付近の周波数に、全方向にわたってフルバンドギャップが生じていることを示しているが、これは、すなわち、この領域のエネルギーの光はどの方向についてもこのＰＣを伝搬することが無いということを示している。

たとえば、このような結晶に、丁度、バンドギャップに入るエネルギーの光を外部から照射した場合は、この照射光は結晶内部に進入することが出来ない。すなわち、高い反射率によって反射される。

このような効果を狙ったＰＣの場合は、ＰＣにおいてポテンシャルとして考えられる誘電率の繰り返し単位を〔（波長サイズ）×（ギャップ内の規格化周波数）〕とすることが必要である。ここで、波長は一般的に１ｎｍ〜数μｍのものを扱うが、本発明の典型的な場合は、レーザー光線を用いたディスプレイ用ビームスキャナを構成させるため、扱う波長は可視光の領域のものである。

以上説明したようなＰＣを用いて図１に示したスキャナにおける反射面101を構成する。

以下、このスキャナの動作について図を用いて説明する。
図３は、このスキャナを用いてディスプレイを構成するための構成の概略を示したブロック図である。301は当ディスプレイに於けるスキャナであり、そのスキャナ301に照射するレーザー304がある。このレーザー304はRGBの周波数を持つ３種類のものを用いることが望ましく、それによってカラーのディスプレイが構成できる。３種類のレーザーに対しては、夫々、使用光の波長、偏光状態、入射角などに合わせて誘電率の繰り返し単位などが適切に設計されたＰＣを用いた反射面101を持つスキャナが設けられる。レーザー304は、コントローラ303からの制御信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御がされる。コントローラ303は、外部からの映像信号によって、レーザー304とスキャナ301をドライブするドライバ302への制御信号を生成し、各々へ出力している。スキャナ301はドライバ302のドライブ信号によって駆動される。

ドライバ302は、実際に図１に示す配線105に電流を駆動信号として流す。このミラー（可動板102）は磁場B中に置かれており、配線105はその中でコイルとして働く。磁界B中に置かれたコイル105に電流が流れると配線パターンにはローレンツ力が生じ、その力と方向によってミラー（可動板102）はトーションバー103をひねる様に動作させることができる。これによって反射面（薄膜101）の方向が変化する。例えば、図２に示すようにこのスキャナを用いた場合には、レーザー光を偏向し、スクリーン上に現われるレーザー照射スポットを矢印方向に動かすことが可能である。なお、ここでは電流コイル105は一巻きであるが、作製工程などが許せば、多数回巻くことによって発生力を大きくすることも可能であることは言うまでもない。

図２には実際に示されてはいないが、スキャナの走査方向とは直角な方向に副走査を行なう機能を付加することにより、スクリーン上に２次元の像を表示することが出来るようになる。この副走査の機構は、本発明によるスキャナを用いてもよいが、モータなどを利用するなど他のアクチュエータによる機構でもよい。

（第１の実施例）
更に具体的な実施例を以下に説明する。
本発明の第１実施例について図１を用いて説明する。シリコン基板表面に厚さｄ＝１５０μｍの酸化膜104を生成し、そのSiO₂層を用いてその表面にフォトニック結晶101のミラーを作製する。形状は図１に示すようなものである。酸化層上に配線パターン105を形成し、その後、スキャナパターンのエッチングとシリコン基板のバックエッチを行なって、トーション103の形状を作製する。各値は、振動板102の幅W＝２ｍｍ、長さl＝２ｍｍ、トーション長S＝１００μｍ、トーション幅t＝５０μｍであり、このときの共振周波数は２０ｋＨｚ程度となった。

本実施例において、フォトニック結晶101のミラー及び振動板102は平板状になっているが、この形状は、著しく不規則なものでなければ、若干の凹面状、凸面状などであってもよい。

フォトニック結晶を用いたミラーの作製方法は、現在各所からいろいろ報告されているが、数種の作製方法が可能である。半導体素子作製技術を用いたものに関しては２種類あり、一つは自己クローニング法、もう一つはウッドパイル法である。どちらも半導体プロセスによるものであり、前者はバイアススパッタリングによる方法で成膜とエッチングを同時に行なう方法であり、後者はプロセスにより個別に作られたロッドを並びの方向を変えながら積層していくことによって作る方法である。前者についてはElectron.Lett.,34,1260(1997)、後者についてはNature,394,251(1998)に詳しい。

また、光造形による方法も実施されている。光硬化樹脂のように、光を照射することによって硬化する材料を用いて作製する方法である。これによれば、干渉の露光による形成や２光子吸収などを用いて微小構造を周期的に作製できる（Appl.Phys.Lett.,74,786(1999)参照）。

本実施例では、ウッドパイル法によって６３５ｎｍの波長域にフルバンドギャップを形成するようなフォトニック結晶を作製してミラー部として用いたところ、反射率として９９％以上を有する光ビームスキャナを得ることが出来た。また、ミラー上の電流パスの抵抗を測定しながら温度上昇を検出すると、レーザー照射による温度上昇は抵抗変化に殆ど現われないことがわかった。本実施例の如きディスプレイなどに応用されるマイクロミラータイプのレーザースキャナでは、ミラーを含む部材の温度上昇により可動板の走査周波数や駆動信号（駆動エネルギー）などが容易に変動してしまうので、温度上昇の防止による動作の安定化は重要である。

本発明のスキャナの構造の一例を示す図である。 本発明のスキャナをディスプレイに応用する際の構成を示す構成概略図である。 本発明のスキャナを駆動させるためのシステム構成の概略を示すブロック図である。 フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを説明する図である。

符号の説明

101 フォトニック結晶（薄膜）
102 可動板（振動板）
103 トーションバー
104 基板（酸化膜）
105 コイル（配線パターン）
301 スキャナ
302 ドライバ
303 コントローラ
304 レーザー

Claims (4)

1. 基板に対して可動板が揺動可能に支持されたミラー型光ビームスキャナであり、ビーム光を反射する可動板の反射面にフォトニック結晶を用いたミラーを有することを特徴とするビームスキャナ。
2. 基板に平板状の可動板と該可動板を基板に対して基板表面に垂直な方向に揺動可能に支持するトーションバーとを一体で形成し、外力によって該可動板をトーション運動させる請求項１記載のビームスキャナ。
3. 前記フォトニック結晶ミラーに、使用する光の周波数においてフルバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を用いる請求項１または２記載のビームスキャナ。
4. 前記フォトニック結晶ミラーに、使用する光の周波数において使用する入射方向に於いてバンドギャップを有する３次元フォトニック結晶を用いる請求項１または２記載のビームスキャナ。

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