JP2008139886A - ２次元マイクロ光スキャナー - Google Patents

Abstract

【課題】２次元マイクロ光スキャナーを提供する。
【解決手段】第１揺動方向に揺動する第１反射鏡１１を備える第１スキャナー１０と、第２揺動方向に揺動する第２反射鏡２１を備える第２スキャナー２０と、第１スキャナー１０により走査された光を第２スキャナー２０に入射させるものであって、曲面反射面を有する光路変換部材３０と、を備える２次元マイクロ光スキャナーである。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ光スキャナーに係り、特に二つの反射鏡を異なる方向に揺動させることによって、光を２次元的に走査する２次元マイクロ光スキャナーに関する。

マイクロ光スキャナーは、光スキャンを利用するディスプレイ装置、プリンタ、測定装備及び精密加工分野に広く利用される。マイクロ光スキャナーは、一般的にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して光を反射させる反射鏡と、この反射鏡を支持する支持軸と、反射鏡を揺動させるための駆動手段と、を単一のチップ形態で構成したものを指す。

光を２次元的に走査するための２次元マイクロ光スキャナーは、一つの反射鏡を垂直及び水平方向に揺動させる構造を有する。かかる構造の２次元マイクロ光スキャナーは、小型化が可能であるという長所を有する一方、反射鏡の水平及び垂直方向の揺動間のカップリングが発生して精密な制御が困難である。したがって、高速、広角駆動及び高解像度の駆動に不利である。

また、２次元マイクロスキャナーは、水平と垂直方向にそれぞれ揺動する二つの反射鏡（水平反射鏡と垂直反射鏡）を備える。かかる構造を有することによって、反射鏡の水平及び垂直方向の揺動間のカップリング問題を解決できるが、水平方向に発散された光を再び垂直方向に発散させねばならないため、垂直反射鏡のサイズが大きくなる。したがって、光スキャナー自体のサイズが大きくなるだけでなく、垂直反射鏡の慣性が高いため、高い駆動電圧が必要である。また、外部から加えられる衝撃により垂直反射鏡の支持軸が破損される恐れも高くなる。
特開２００５−１８９８２５号公報 特開２００４−１１０００５号公報 特開２００４−０１３１０４号公報 特開平１１−２０３３８３号公報 特開２００３−２７０５５５号公報

本発明の目的は、前記問題点を解決するためのものであって、小型化が可能な信頼性の高い２次元マイクロ光スキャナーを提供するところにある。

前記目的を達成するための本発明の２次元マイクロ光スキャナーは、第１揺動方向に揺動する第１反射鏡を備える第１スキャナーと、第２揺動方向に揺動する第２反射鏡を備える第２スキャナーと、前記第１スキャナーにより走査された光を前記第２スキャナーに入射させるために前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間の光路内に設けられるものであって、曲面反射面を有する光路変換部材と、を備える。

一実施形態として、前記曲面反射面は、前記第１スキャナーにより走査された光の走査角を小さくして前記第２反射鏡に入射させる。

一実施形態として、前記曲面反射面は、前記第１スキャナーにより走査される光を前記第２反射鏡に集光させる。前記曲面反射面は、円筒形である。前記円筒形の曲面反射面の中心軸は、前記第１反射鏡の揺動軸と一致する。

前記目的を達成するための本発明の２次元マイクロ光スキャナーは、同じ基板上に形成され、異なる方向に揺動する第１及び第２反射鏡と、前記第１反射鏡により走査された光の走査角を小さくして前記第２反射鏡に入射させる曲面反射面と、を備える。

一実施形態として、前記曲面反射面は、前記第１スキャナーにより走査される光を前記第２反射鏡に集光させる円筒形の反射面である。

一実施形態として、前記円筒形の曲面反射面の中心軸は、前記第１反射鏡の揺動軸と一致する。

本発明による２次元マイクロ光スキャナーによれば、次のような効果が得られる。

第１に、第１スキャナーにより走査された光の走査角を小さくすることによって、第２反射鏡の長さを短くすることができる。したがって、第１及び第２スキャナーの広角駆動が可能であり、高解像度の２次元光スキャナーを具現できる。

第２に、第２反射鏡の慣性が小さくなるので、第２反射鏡の高速駆動が可能であり、第２反射鏡の駆動制御が容易であり、駆動にかかる電力消費を減らすことができる。

第３に、第２反射鏡の慣性が小さくなるので、第２反射鏡を支持する支持軸の衝撃による破損危険を減らし、光スキャナーの機械的信頼性を向上させる。

第４に、２次元マイクロ光スキャナーの製造において、ウェーハ当たりのチップ数が増加するので、コスト競争力が強化する。

第５に、チップ形態の２次元マイクロ光スキャナーパッケージ内にイメージ補正のための光学手段を共に備えることによって、さらにコンパクトな２次元マイクロ光スキャナーの具現が可能である。

以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明による２次元マイクロ光スキャナーの一実施形態を示す概略的な斜視図である。図１には、第１スキャナー１０及び第２スキャナー２０が開示されている。第１スキャナー１０は、第１反射鏡１１と第１支持軸１２とを備える。第２スキャナー２０は、第２反射鏡２１と第２支持軸２２とを備える。第１反射鏡１１は、第１支持軸１２を揺動軸として第１揺動方向Ｈに揺動し、第２反射鏡２１は、第２支持軸２２を揺動軸として第２揺動方向Ｖに揺動する。光路変換部材３０は、第１反射鏡１１と第２反射鏡２１との間の光路内に設けられ、第１反射鏡１１で反射された光を第２反射鏡２１に入射させる。上部カバー６０には、第１光窓６１及び第２光窓６２が設けられる。第１光窓６１を通じて入射された光Ｌは、第１スキャナー１０により、例えば水平スキャンされ、光路変換部材３０により第２スキャナー２０に入射された後に垂直スキャンされて第２光窓６２を通じて出射される。

図２は、第１反射鏡１１及び第２反射鏡２１を揺動させるための構造の一例を示す平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′線の断面図である。以下では、静電気力を利用して第１反射鏡１１を揺動させる例に関して説明する。

図１、図２及び図３に示すように、フレーム４０は、基板５０上に順次に積層された第１導電層４１、絶縁層４２、第２導電層４３で構成される。第１反射鏡１１、第１支持軸１２及び複数の駆動電極１３は、第２導電層４３に基づいて形成される。例えば、第２導電層４３を所定の形態にエッチングして、図２に示したような形態の第１反射鏡１１、第１支持軸１２及び複数の駆動電極１３を形成する。これにより、第１反射鏡１１は、第１支持軸１２によりフレーム４０に支持された形態となる。複数の固定電極５１は、第１導電層４１に基づいて形成される。例えば、第１導電層４１を所定の形態にエッチングして、複数の駆動電極１３と交互に配列された複数の固定電極５１を形成できる。

複数の固定電極５１には、第１導電層４１を通じて駆動電圧が印加される。複数の駆動電極１３には、第２導電層４３及び第１支持軸１２を通じて駆動電圧が印加される。例えば、複数の駆動電極１３には、直流駆動電圧が印加され、複数の固定電極５１には、交流電圧が印加される。これにより、複数の固定電極５１と複数の駆動電極１３との間の静電気力により、第１反射鏡１１が数ｋＨｚないし数十ｋＨｚの高周波でシーソー運動を行う。第１支持軸１２は、第１反射鏡１１の揺動軸の役割を行うと共に、第１反射鏡１１に弾性復原力を付与する。かかる構成により、第１反射鏡１１を第１揺動方向Ｈに揺動させて光を水平スキャンすることができる。

第２反射鏡２１を揺動させるための構造も前述した通りである。前述した反射鏡を揺動させる構造により、本発明の範囲が限定されるものではない。反射鏡を揺動させるためには、例えば圧電素子を利用する方法、電磁力を利用する方法など多様な方法が適用される。

第１反射鏡１１に入射された光は、第１揺動方向Ｈに揺動する第１反射鏡１１により、例えば水平方向に走査される。光路変換部材３０は、水平走査光を第２反射鏡２１に入射させる。水平走査光は、第２揺動方向Ｖに揺動する第２反射鏡２１により垂直方向に走査される。これにより、２次元光スキャナーが具現される。本発明の光路変換部材３０は、第１スキャナー１０から出射される光を反射させて第２スキャナー２０に入射させる曲面反射面３１を備えることを特徴とする。光路変換部材３０は、チップ形態の２次元マイクロ光スキャナーの上部カバー６０に設けられる。

第１スキャナー１０から出射される光を反射させて第２スキャナー２０に入射させるために、単に反射機能のみを有する平面反射鏡（図４Ａの１００）を採用できる。図４Ａ及び図４Ｂは、平面反射鏡１００を採用した場合の光路をシミュレーションした結果を示す立体図及び平面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１反射鏡１１により所定の走査角ＳＡで水平スキャンされた光を垂直スキャンするために、第２反射鏡２１ａは、所定の長さＬｖを有さねばならない。長さＬｖは、第１反射鏡１１と第２反射鏡２１ａとの間の光路の長さ及び走査角ＳＡに比例して長くなる。

本発明による２次元マイクロ光スキャナーは、曲面反射面３１を採用したことを特徴とする。曲面反射面３１は、第１反射鏡１１により走査された光の走査角ＳＡを小さくして第２反射鏡２１に入射させる役割を果たすことができる。このために、例えば曲面反射面３１は、光を収束させる凹反射面の形態でありうる。凹反射面の形態の曲面反射面３１を採用することによって、第２反射鏡２１の長さを短くすることができる。これにより、第２反射鏡２１の重量を減らし、衝撃による第２支持軸２２の破損危険性を低め、低い駆動電圧で駆動される２次元マイクロ光スキャナーの具現が可能である。また、慣性が小さくなるので、高速駆動が可能であり、第２反射鏡２１の長さを短くすることによって広角駆動が可能である。また、小型化されたチップ形態の２次元マイクロ光スキャナーの具現が可能である。また、２次元マイクロ光スキャナーは、ＭＥＭＳ技術を利用して製造されるが、ウェーハ当たりのチップ数が増加するので、コスト競争力が強化する効果が得られる。

望ましくは、曲面反射面３１は、第１スキャナー１０により走査される光を第２スキャナー２０の第２反射鏡２１に集光させるための円筒形の反射面でありうる。図５Ａ及び図５Ｂは、円筒形（円筒の一部を切り取った形態）の曲面反射面３１を採用した場合の光路をシミュレーションした結果を示す立体図及び平面図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１スキャナー１０により所定の走査角ＳＡで水平スキャンされた光は、曲面反射面３１により第２反射鏡２１に集光される。したがって、第２反射鏡２１のサイズを第１反射鏡１１とほぼ同一にできる。

第１及び第２反射鏡１１，２１は、同一平面上に位置する。したがって、円筒形の曲面反射面３１を採用する場合に光の移動距離を最小化するためには、円筒形の曲面反射面３１の中心軸は、第１反射鏡１１の揺動軸と一致することが望ましい。

図６は、平面反射鏡１００（図４Ａ参照）を備える場合及び円筒形の曲面反射面３１（図１参照）を備える場合の２次元マイクロ光スキャナーのサイズを比較するために、２次元マイクロ光スキャナーを撮影した写真である。図６に示すように、曲面反射面３１を採用した本願の２次元マイクロ光スキャナーの小型化効果が明白に確認できる。

第１スキャナー１０及び第２スキャナー２０は、同じ基板５０上に形成されることが望ましいが、第１スキャナー１０及び第２スキャナー２０は、別途に製造されて互いに組み立てられることもある。

曲面反射面３１は、２次元スキャンされた光の歪曲を補正するための補正ミラーとしての役割を果たすこともできる。例えば、図７に示したように、スクリーンに投射されるイメージは、平面ミラーを採用した場合には、一点鎖線で示したように垂直及び水平方向に歪曲される。曲面反射面３１は、この歪曲を補正するために球面または非球面形態の曲面を有する。

前記したように、本発明によれば、曲面反射面３１を備える光路変換部材３０を備えることによって、高速駆動、広角駆動、低電力駆動が可能な小型化された２次元マイクロ光スキャナーの具現が可能であるだけでなく、チップ形態の２次元マイクロ光スキャナーパッケージ内にイメージ補正のための光学手段を共に備えることによって、さらにコンパクトな２次元マイクロ光スキャナーの具現が可能である。

本発明は、前記に説明され、図面に例示された２次元マイクロ光スキャナーのみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内でさらに多くの変形例を見出すことができることはいうまでもない。

本発明は、ディスプレイ、プリンタ、測定装備、精密加工関連の技術分野に適用可能である。

本発明による２次元マイクロ光スキャナーの一実施形態の概略的な斜視図である。 反射鏡を揺動させるための構造の一例の平面図である。 図２のＡ−Ａ′線の断面図である。 平面反射鏡を採用した場合の光路をシミュレーションした結果を示す立体図である。 平面反射鏡を採用した場合の光路をシミュレーションした結果を示す平面図である。 曲面反射鏡として円筒形の反射鏡を採用した場合の光路をシミュレーションした結果を示す立体図である。 曲面反射鏡として円筒形の反射鏡を採用した場合の光路をシミュレーションした結果を示す平面図である。 平面反射鏡を採用した場合及び曲面反射鏡を採用した場合の２次元マイクロ光スキャナーのサイズを比較した平面図である。 スクリーン上で歪曲されたイメージと補正されたイメージとを示す図面である。

符号の説明

１０ 第１スキャナー
１１ 第１反射鏡
１２ 第１支持軸
２０ 第２スキャナー
２１，２１ａ 第２反射鏡
２２ 第２支持軸
３０ 光路変換部材
３１ 曲面反射面
４０ フレーム
５０ 基板
６０ 上部カバー
６１ 第１光窓
６２ 第２光窓
Ｈ 第１揺動方向
Ｖ 第２揺動方向

Claims (8)

1. 第１揺動方向に揺動する第１反射鏡を備える第１スキャナーと、
   第２揺動方向に揺動する第２反射鏡を備える第２スキャナーと、
   前記第１スキャナーにより走査された光を前記第２スキャナーに入射させるために前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間の光路内に設けられるものであって、曲面反射面を有する光路変換部材と、
   を備えることを特徴とする２次元マイクロ光スキャナー。
2. 前記曲面反射面は、前記第１スキャナーにより走査された光の走査角を小さくして前記第２反射鏡に入射させることを特徴とする請求項１に記載の２次元マイクロ光スキャナー。
3. 前記曲面反射面は、前記第１スキャナーにより走査される光を前記第２反射鏡に集光させることを特徴とする請求項１に記載の２次元マイクロ光スキャナー。
4. 前記曲面反射面は、円筒形であることを特徴とする請求項３に記載の２次元マイクロ光スキャナー。
5. 前記円筒形の曲面反射面の中心軸は、前記第１反射鏡の揺動軸と一致することを特徴とする請求項４に記載の２次元マイクロ光スキャナー。
6. 同じ基板上に形成され、異なる方向に揺動する第１及び第２反射鏡と、
   前記第１反射鏡により走査された光の走査角を小さくして前記第２反射鏡に入射させる曲面反射面と、
   を備えることを特徴とする２次元マイクロ光スキャナー。
7. 前記曲面反射面は、前記第１スキャナーにより走査される光を前記第２反射鏡に集光させる円筒形の反射面であることを特徴とする請求項６に記載の２次元マイクロ光スキャナー。
8. 前記円筒形の曲面反射面の中心軸は、前記第１反射鏡の揺動軸と一致することを特徴とする請求項７に記載の２次元マイクロ光スキャナー。