JP2022085870A - 光学装置、距離測定装置および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲に変化させること。【解決手段】本発明の一態様に係る光学装置は、レーザ光を発する光学装置であって、発光部と、該発光部を挟んで対向する第１反射部および第２反射部と、前記発光部と前記第２反射部の間に間隔がある状態で前記第２反射部を保持する基部と、印加される駆動電圧に応じて変形する圧電部材と、を有し、前記基部は、第１領域と、前記第１領域よりも剛性が低い第２領域とを含み、前記第２反射部および前記圧電部材が前記第２領域に設けられ、前記駆動電圧の印加により前記圧電部材が前記第２領域を変形させて前記第２反射部を駆動させ、前記第１反射部および前記第２反射部の距離に応じて波長が変化するレーザ光を発する。【選択図】図１

Description

本願は、光学装置、距離測定装置および移動体に関する。

従来から、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ（Frequency-Modulated Continuous Wave Light Detection and Ranging）装置等の光源として用いられる波長可変レーザが知られている。

また、第１及び第２のミラーを含む光共振器と、第１及び第２のミラーの間に介在するゲイン領域と、静電駆動方式のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）駆動機構とを備え、第１及び第２のミラーの間の空隙をＭＥＭＳ駆動機構により調節する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の構成では、レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲で変化させることに改善の余地がある。

本発明は、レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲に変化させることを課題とする。

本発明の一態様に係る光学装置は、レーザ光を発する光学装置であって、発光部と、該発光部を挟んで対向する第１反射部および第２反射部と、前記発光部と前記第２反射部の間に間隔がある状態で前記第２反射部を保持する基部と、印加される駆動電圧に応じて変形する圧電部材と、を有し、前記基部は、第１領域と、前記第１領域よりも剛性が低い第２領域とを含み、前記第２反射部および前記圧電部材が前記第２領域に設けられ、前記駆動電圧の印加により前記圧電部材が前記第２領域を変形させて前記第２反射部を駆動させ、前記第１反射部および前記第２反射部の距離に応じて波長が変化するレーザ光を発する。

本発明によれば、レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲に変化させることができる。

第１実施形態に係る光源装置の構成例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ'切断線に沿う断面図である。 基部周辺の構成例を示す拡大断面図である。 ＶＣＳＥＬ素子の構成例を示す断面図である。 第２領域の動作例を示す図であり、（ａ）は応力の発生を示す図、（ｂ）は第２領域の変形を示す図である。 第２領域の動作の他の例を示す図であり、（ａ）は応力の発生を示す図、（ｂ）は第２領域の変形を示す図である。 第２領域の振動例を示す図である。 駆動電圧と第２反射部の変位量との関係例を示す図である。 反射部間距離と波長の関係例の図である。 圧電素子の駆動電圧と光源装置から射出されるレーザ光の波長の関係を示す図である。 第２領域周辺の構成の変形例を示す拡大断面図であり、（ａ）は第１例の図、（ｂ）は第２例の図である。 基部の第１変形例を示す平面図である。 図１１のＡ－Ａ'断面図である。 基部の第２変形例を示す平面図である。 図１３のＢ－Ｂ'断面図である。 基部の第３変形例を示す平面図である。 図１５のＣ－Ｃ'断面図である。 第２実施形態に係る光源装置の構成例を示す平面図である。 第３実施形態に係る光源装置の構成例を示す平面図である。 第４実施形態に係るレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 比較例に係る光源装置の駆動電圧と反射部変位量との関係例の図である。 第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

また以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための光学装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の形状、その相対的配置、パラメータの値等は特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。

実施形態に係る光学装置は、発光部と、該発光部を挟んで対向する第１反射部および第２反射部と、発光部と第２反射部の間に間隔がある状態で第２反射部を保持する基部と、印加される駆動電圧に応じて変形する圧電部材と、を有し、基部は、第１領域と、第１領域よりも剛性が低い第２領域とを含み、第２反射部および圧電部材が第２領域に設けられている。

発光部を挟む第１反射部と第２反射部との間の反射部間距離は共振器長に該当する。光学装置は、駆動電圧の印加により圧電部材が第２領域を変形させて前記第２反射部を駆動させ、第１反射部および前記第２反射部の距離に応じて波長が変化するレーザ光を発する。

例えば静電駆動により可動部を駆動させて共振器長を変化させる方式では、可動部の共振周波数又はばね定数等の制限により、高速且つ大きな変位量での可動部の駆動が制限される。そのため、高速且つ広い波長範囲でレーザ光の波長を変化させることに改善の余地がある。

実施形態では、薄肉の第２領域を圧電部材で変形させることで、高速且つ大きな変位量で第２反射部を駆動させて共振器長を変化させる。これにより、レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲に変化可能にする。

以下では、複数の波長のレーザ光を並行に発する光源装置を、光学装置の一例として、実施形態を説明する。なお、以下に示す図では、第１反射部の反射面に平行な平面内における所定方向をＸ軸方向とし、第１反射部の反射面に平行な平面内でＸ軸と直交する方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸の両方に直交する方向をＺ軸方向とする。光源装置はＺ軸方向に沿ってレーザ光を発するものとする。

但し、これらの各軸は説明の便宜のためのものであり、光学装置の向きに特段の制限はなく、任意の向きで光学装置を使用できる。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る光源装置について説明する。

＜光源装置１の構成例＞
（全体構成例）
まず図１を参照して、光源装置１の全体構成を説明する。

図１は、光源装置１の全体構成の一例を説明する図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ'切断線に沿う断面図である。図１に示すように、光源装置１は、基部１０と、接合部１３と、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）素子２０とを有する。

基部１０は、第１領域１１と、第２領域１２とを有し、平面視が四角形状に形成された板状部材である。第２領域１２は、基部１０の中央付近に設けられた平面視が略円形状の領域であり、可動部として機能する。第２領域１２は、第１領域１１と比較して厚み（Ｚ軸方向の長さ）が薄く形成されている。第１領域１１は、基部１０における第２領域以外の領域に対応し、支持部として機能する。

第２領域１２は、Ｚ軸負方向側の面に、第２反射部１２１と、圧電素子１２２とを含んでいる。第２領域１２のＺ軸方向側の面は、次述する発光部２１１に向き合うため、第２領域における発光部２１１に対向する面に該当する。

第２反射部１２１は、第２領域１２の中央付近に形成され、平面視が略円形状の構成部である。圧電素子１２２は、第２反射部１２１の周囲に設けられた圧電部材の一例である。圧電素子１２２は、第２反射部１２１の周囲に円環状に設けられている。なお、圧電素子１２２は、第２反射部１２１の周囲に設けられれば、必ずしも円環状ではなくてもよい。

圧電素子１２２は、電極を介して印加される駆動電圧に応じて変形（例えば伸縮）する。圧電素子１２２の変形に応じて第２領域１２が弾性変形することにより、第２反射部１２１がＺ軸方向に変位可能になっている。

光源装置１は、基部１０のＺ軸負方向側に、接合部１３を介在させてＶＣＳＥＬ素子２０を配置している。接合部１３は、基部１０とＶＣＳＥＬ素子２０とを原子拡散接合法等により接合固定している。

ＶＣＳＥＬ素子２０は、メサ２１と、第１反射部２２とを含んでいる。メサ２１は、発光部２１１を含む島状の構造物である。ＶＣＳＥＬ素子２０は、発光部２１１を挟んで第２反射部１２１とは反対側（Ｚ軸負方向側）に第１反射部２２を配置している。

発光部２１１は、電極を通じて注入された電流により光を発する。第１反射部２２と第２反射部１２１は、発光部２１１を介して共振器を構成しており、各発光部２１１が発した光は、第１反射部２２と第２反射部１２１により反射され、第１反射部２２と第２反射部１２１との間を往復して増幅される。

より詳しくは、発光部２１１が発した光は、第１反射部２２の反射面２２Ａと、第２反射部１２１の反射面１２１Ａのそれぞれにより反射され、反射面２２Ａと反射面１２１Ａとの間を往復しながら増幅される。

増幅された光は、利得と損失が釣り合った際にレーザ光として発振し、発光部２１１は、レーザ光を発することができる。光源装置１は、第２反射部１２１と第１反射部２２のうちの反射率が低い側からレーザ光を放出する。光源装置１は、第２反射部１２１の反射率が低い場合には、図１（ｂ）の放出方向３１側からレーザ光を放出し、第１反射部２２の反射率が低い場合には、図１（ｂ）の放出方向３２側からレーザ光を放出する。

圧電素子１２２に駆動電圧が印加されると、第２領域１２の弾性変形に応じて第２反射部１２１がＺ軸方向に変位する。これにより第１反射部２２と第２反射部１２１との間の距離が変化し、共振器長が変化する。発光部２１１は、共振器長の変化に応じて波長が変化するレーザ光を発することができる。

（基部１０の構成例）
次に図２を参照して、基部１０周辺の構成について説明する。図２は、基部１０周辺の構成の一例を説明する拡大断面図である。

基部１０は、１枚のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板にエッチング処理等を施すことにより加工し、加工された基板上に第２反射部１２１と、圧電素子１２２を形成することにより製造される。

図２に示すように、第１領域１１は、支持層１１１、酸化絶縁層１１２及びシリコン活性層１１３等から構成されている。第２領域１２を構成する部材は、ＳＯＩ基板から支持層１１１及び酸化絶縁層１１２をエッチング除去することにより、シリコン活性層１１３のみから構成されているいてもよく、シリコン活性層に加えて酸化絶縁層や支持層から構成されてもよい。

第２領域１２はＸ軸方向又はＹ軸方向の長さに対してＺ軸方向への厚みが小さいため、Ｚ軸方向に剛性が低く、弾性を有する。第２領域１２は、圧電素子１２２の変形により可動である。第１領域１１は、第２領域１２に対して高剛性であるため、圧電素子１２２が変形しても第１領域１１の変形は小さく、第２領域１２を支持することができる。

第２反射部１２１は、第１領域１１のＺ軸負方向側の面に設けられている。第２反射部１２１は、第２領域１２を構成する部材上に形成された、屈折率差を持つ２種類以上の薄膜を交互に積層した多層膜ミラーや金属薄膜、又は、第２領域１２を構成する部材に波長と同等の厚みの周期構造を形成したＨＣＧ（High Contrast Grating；高コントラスト回折格子)等の、レーザ発振に要求される反射率を有する構成を含んでいる。

圧電素子１２２は、下部電極１２２Ａ、圧電部１２２Ｂ及び上部電極１２２Ｃを第２領域１２上に積層することにより形成される。上部電極１２２Ｃ上には圧電素子１２２を保護するための保護膜１２２Ｄが設けられている。

上部電極１２２Ｃ及び下部電極１２２Ａは、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等からなる。圧電部１２２Ｂは、例えば圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。圧電素子１２２間での短絡を防ぐために、圧電素子と圧電素子の間に絶縁層が形成してもよい。圧電部１２２Ｂは、分極方向に正又は負の電圧が印加されると印加電圧の電位に比例した変形（例えば伸縮）が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。

接合部１３は、Ｚ軸の正方向から負方向に沿って接着層、拡散防止層及び接合層を積層して形成されている。接合層にはチタン（Ｔｉ）、拡散防止層には白金（Ｐｔ）、接着層には金（Ａｕ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ）等をそれぞれ使用できる。

なお、第２領域１２の平面視形状は円形状に限定されるものではなく、四角形状、三角形状、楕円形状又は非対称形状等であってもよい。第２反射部１２１及び圧電素子１２２は、全部を第２領域１２の領域内に形成しなくてもよく、一部が第１領域１１の領域内に含まれてもよい。

また本実施形態では、圧電素子１２２を挟んで２つの接合部１３を設ける構成を例示するが、接合部１３は少なくとも１つが設けられればよい。接合部１３が１つである場合には、圧電素子１２２を囲むことにより形状の対称性を高め、ＶＣＳＥＬ素子２０と接合した際の基部１０とＶＣＳＥＬ素子２０の間の傾きを抑制できる。この場合には、圧電素子１２２を駆動するための配線を接合部１３の外側に引き出すために、接合部１３の一部を開放することが好ましい。

接合部１３を２つ以上設ける場合には、第２反射部１２１の平面内において、第２反射部１２１の中心に対して対称となるように配置すると、基部１０とＶＣＳＥＬ素子２０の間の傾きを抑制できるため、好適である。例えば、３つの接合部１３を設ける場合には、第２反射部１２１の中心に対して１２０度の位置に配置することが好ましい。４つの接合部１３を設ける場合には、第２反射部１２１の四方に配置することが好ましい。

また圧電素子１２２と接合部１３を電気的に接続することにより、接合部１３を電極として機能させることもできる。

円環状に設けた圧電素子１２２の中心付近に第２反射部１２１を設けると、両者がＺ軸方向に重ならないため、第２反射部１２１の反射率の低下等を防ぐことができる。

（ＶＣＳＥＬ素子２０の構成例）
次に図３を参照して、ＶＣＳＥＬ素子２０の構成について説明する。図３は、ＶＣＳＥＬ素子２０の構成の一例を説明する断面図である。

なお、光源装置１は、ＶＣＳＥＬ素子２０が有する第１反射部２２と、ＶＣＳＥＬ素子２０とは別に設けられた第２反射部１２１とにより共振器を構成する。従って、ＶＣＳＥＬ素子２０は、共振器のうちの一方の反射部のみを有する面発光型半導体レーザであるため、ｈａｌｆ－ＶＣＳＥＬと称することができる。

図３に示すように、ＶＣＳＥＬ素子２０は、メサ２１と、第１反射部２２と、半導体基板２３と、反射防止膜２４と、溝部２５とを有する。半導体基板２３のＺ軸正方向側に、第１反射部２２、スペーサ層２２１及びメサ２１を積層形成し、半導体基板２３のＺ軸負方向側に反射防止膜２４を形成している。溝部２５は、メサ２１の周囲のスペーサ層２２１及び第１反射部２２をエッチング除去して設けられている。

第１反射部２２は、ｎ－ＧａＡｓ基板等の半導体基板２３上に形成された半導体多層膜反射鏡である。第１反射部２２は、例えば、ｎ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ－Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる高屈折率層とを有する。

第１反射部２２の各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた、例えば厚さが２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。各屈折率層の膜厚は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、波長をλとするとλ／４の光学厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

スペーサ層２２１は、例えば、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰ層であり、第１反射部２２上に形成されている。

メサ２１は、発光部２１１と、スペーサ層２１２と、選択酸化層２１３と、１対の半導体多層膜反射鏡２１４と、コンタクト層２１５と、絶縁層２１６と、電極２１７とを含んでいる。

スペーサ層２１２は発光部２１１上に形成されている。スペーサ層２１２は、例えば、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰ層である。

スペーサ層２１２と発光部２１１を含む部分は、共振器構造体（共振器領域）とも称され、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、その厚さが１波長（λ）の光学的厚さとなるように設定されている。

メサ２１は、スペーサ層２２１とスペーサ層２１２の間に発光部２１１を設けている。発光部２１１は、電流の注入により光を発し、また共振器を構成する第１反射部２２と第２反射部１２１との間を往復する光を増幅する。発光部２１１は活性層と称することもできる。発光部２１１は、３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有する３重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層等であり、各障壁層はＡｌＧａＡｓ層等である。発光部２１１は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられる。

選択酸化層２１３は、酸化領域２１３ａと非酸化領域２１３ｂとを含んでいる。選択酸化層２１３はｐ－ＡｌＡｓ等を含み、３０ｎｍの厚さで１対の半導体多層膜反射鏡２１４間に挿入されている。挿入位置は、スペーサ層２１２から数えて２つ目の高屈折率層と低屈折率層のペア内とすることができる。なお、選択酸化層２１３は、上下に組成傾斜層や中間層等の層を含んでいてもよく、ここでは実際に酸化される層を合わせて選択酸化層と称する。

コンタクト層２１５は、半導体多層膜反射鏡２１４上に形成されている。コンタクト層２１５はｐ－ＧａＡｓ層等である。

コンタクト層２１５、半導体多層膜反射鏡２１４、スペーサ層２１２及び発光部２１１の一部をエッチングにより除去することでメサ２１及び溝部２５を形成することができる。

メサ２１は表面に絶縁層２１６を含んでいる。絶縁層２１６の材料としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２等を用いることができる。絶縁層２１６は、メサ２１のコンタクト層２１５の一部を露出する開口部２１８を含んでいる。絶縁層２１６は、平面視で非酸化領域２１３ｂと重なる位置に開口部２１８を含んでいる。

メサ２１上の絶縁層２１６は、開口部２１８を通じてコンタクト層２１５に電気的に接続された電極２１７を設けている。電極２１７には、例えば、絶縁層２１６側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した積層膜を用いることができる。

溝部２５は表面に絶縁層２１６を設け、また絶縁層２１６に半導体基板２３の一部を露出する開口部２５２を含んでいる。

溝部２５上の絶縁層２１６は、開口部２５２を通じてコンタクト層２１５に電気的に接続された電極２５１を含んでいる。電極２５１には、例えば、半導体基板２３側から順にゲルマニウム合金（ＡｕＧｅ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）を積層した積層膜を用いることができる。

配線２１９は、電極２１７及び２５１のそれぞれに電気的に接続している。配線２１９には、例えば半導体基板側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した積層膜を用いることができる。

＜光源装置１の動作例＞
（第２領域１２の動作例）
図４は、第２領域１２の動作の一例を説明する図である。図４（ａ）は応力の発生を説明する図、図４（ｂ）は第２領域の変形を説明する図である。

第２領域１２に設けられた圧電素子１２２に、圧電素子１２２が収縮するように駆動電圧を印加すると、圧電素子１２２は収縮する。第２領域１２の端部は第１領域１１に接続されているため、圧電素子１２２が変形しても第２領域１２の端部はＺ方向に変位しない。

圧電素子１２２は第２領域１２に接着しているため、収縮応力Ｓは第２領域１２に伝達される。第２領域１２内のＺ軸方向における所定位置には中立軸Ｎが存在する。第２領域１２における中立軸Ｎより圧電素子１２２側では圧縮応力Ｔａが発生し、中立軸Ｎを挟んで圧電素子１２２とは反対側では引張応力Ｔｂが発生する。圧縮応力Ｔａ及び引張応力Ｔｂに応じて第２領域１２が弾性変形し、図４（ｂ）に示すように、第２領域１２が撓んで第２領域１２の面がＺ軸負方向側に変位する。

反対に、圧電素子１２２が膨張するように駆動電圧を印加すると、第２領域１２における中立軸Ｎより圧電素子１２２側では引張応力が発生し、中立軸Ｎを挟んで圧電素子１２２とは反対側では圧縮応力が発生する。この応力に応じて第２領域１２が弾性変形し、第２領域１２が撓んで第２領域１２の面がＺ軸正方向側に変位する。

次に図５は、第２領域１２の動作の他の例を説明する図である。図５（ａ）は応力の発生を説明する図、図５（ｂ）は第２領域１２の変形を説明する図である。図５に示すように、第２領域１２のＺ軸正方向側の面には、２つの圧電素子１２２Ｅ及び１２２Ｆが設けられている。

圧電素子１２２Ｅ及び１２２Ｆがそれぞれ収縮するように駆動電圧を印加すると、図４（ａ）と同様に第２領域１２が変形する。圧電素子１２２Ｅ及び１２２Ｆが形成されていない領域では、圧電素子１２２Ｅ及び１２２Ｆの直下の応力とは反対方向の応力が発生する。その結果、図５（ｂ）に示すように、第２領域１２の一部の領域がＺ軸正方向側に突出するように撓む。この領域の変位量は、平面内方向の寸法に応じて異なる。つまり、圧電素子１２２Ｅ及び１２２Ｆが形成されていない領域では、領域の面積に応じて変位量が異なる。

図６は、第２領域１２の振動の一例を説明する図である。圧電素子１２２に駆動電圧を印加し、第２領域１２の寸法及び形状等により決定される共振周波数で第２領域１２を加振すると、第２領域１２の運動方程式を満たす状態で第２領域１２は振動する。

第２領域１２が半径ａの円形状の領域であり、第２領域１２の外周部が全て固定されているとすると、第２領域１２の中心からの位置ｒ、角度φ及び時間tにおけるＺ軸方向における変位量ｕ（ｒ、φ、ｔ）は、次の（１）乃至（３）式で表される。

（１）式のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは定数を表し、Ｊｍｎはベッセル関数を表し、ｍ（＝０、１、２、・・・)はベッセル関数の次数を表す。ｎ（ｎ＝１、２、３、・・・)はベッセル関数の値が０になるｎ番目のrを意味する。（２）式のＴは内部応力を表し、ρは密度を表し、ｈは第２領域１２の厚みを表す。

第２領域１２の外周部は固定されているため、全ての時間ｔでＺ軸方向への変位量は０である。例えば１次共振では、外周部以外において変位が常に０となる点は第２領域１２上に存在しない。従って、１次共振では半径ａがベッセル関数における１番目のゼロ点に該当する。

また、ベッセル関数のゼロ点の値は予め決まっている。１番目は２．４０５であり、２番目は５．５２０である。つまり、任意の位置ｒ（ｒ≦ａ）におけるベッセル関数の値は、１次共振時は以下の値となる。

第２反射部１２１の寸法や応力情報、共振周波数等により決定される時間tを上式ｕ（ｒ、φ、ｔ）に代入することにより、共振時の第２反射部１２１の時間ごとの変位量を推測できる。

図６では、第２領域１２が共振振動している。これにより、第２領域１２に設けられた第２反射部１２１のＺ軸方向における位置が変化することにより、共振器長が変化する。共振器長の変化に応じて発光部２１１が発するレーザ光の波長が変化する。

圧電素子１２２への駆動電圧に対してレーザ光の波長を線形に変化させるためには、第２領域１２の寸法及び周波数により決定される時間ごとの変位量に基づき、駆動電圧を決定することが好ましい。

また、共振周波数から十分離れた周波数で第２領域１２を振動させて、レーザ光の波長を変化させることもできる。この場合、共振駆動の場合と同等の大きな変位量を得ることはできないが、周波数の変動により変位量が大きく変動しないため、様々な周波数でレーザ光の波長を変化させることができる点において好適である。

駆動電圧と変位量が線形の関係を有する場合には、駆動電圧が時間に応じて線形に変化すれば変位量も時間に対して線形に変化する。これを利用し、共振駆動時と比べて波長の制御を容易に行うことができる。

ここで図７は、圧電素子１２２の駆動電圧と第２反射部１２１の変位量との関係の一例を示す図である。図７に示すように、圧電素子１２２の駆動電圧と第２反射部１２１の変位量は線形の関係を有する。

（反射部間距離と波長の関係例）
次に図８は、第１反射部２２と第２反射部１２１との間の反射部間距離と、発光部２１１が発するレーザ光の波長の関係の一例を示す図である。図８に示すように、反射部間距離が長く、つまり共振器長が長くなると、発光部２１１が発するレーザ光の波長も長くなる。反対に、反射部間距離が短くなると、レーザ光の波長も短くなる。

レーザ光の波長の時間に対する線形性は、圧電素子１２２への駆動電圧に対するＺ軸方向への変位量の線形性、及び共振器長に対するレーザ光の波長の線形性等により決定される。例えば、駆動電圧に対してＺ軸方向への変位量が線形な関係を有すると、共振器長も同様に駆動電圧に対して線形に変化する。

また、図８において、反射部間距離の長さに対して比較的線形にレーザ光の波長が変化する領域で反射部間距離を変化させると、駆動電圧に対してレーザ光の波長を線形に変化させることができる。

また、第２領域１２の共振周波数から離れた周波数により駆動させると、駆動電圧と変位量との関係は極めて線形に近くなる。従って、反射部間距離とレーザ光の波長が線形に変化する領域を選択すれば、駆動電圧を非線形に歪ませることなく、レーザ光の波長を時間に対して線形に変化させることができる。

＜光源装置１の作用効果＞
次に、光源装置１の作用効果について説明する。

従来から、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置等の光源として用いられる波長可変レーザが知られている。また、第１及び第２のミラーを含む光共振器と、第１及び第２のミラーの間に介在するゲイン領域と、静電駆動方式のＭＥＭＳ駆動機構とを備え、第１及び第２のミラーの間の空隙をＭＥＭＳ駆動機構により調節する構成が開示されている。

しかし、静電駆動方式では、空隙を挟むように配置された平行平板間に働く静電引力と、平行平板に接続された可動部による復元力とのつり合いにより、変位量と駆動速度（共振周波数）が決定する。

例えば、平行平板のうちの一方の平板は固定部に固定され、他方は可動部を介して支持部に接続されるとすると、静電引力は平行平板の面積Ｗ、真空誘電率ε、駆動電圧Ｖ及び変位ｘに依存し、ばね復元力はばね定数ｋと変位ｘに依存する。駆動電圧を印加すると、静電引力とばね復元力がつり合うような変位ｘが得られる。

また平行平板の共振周波数ｆは、ばね定数ｋと定数ｃ、平行平板の質量ｍを用いて表すことができる。これらの関係に基づくと、ばね定数を大きくするほど変位量ｘは小さくなり、また共振周波数ｆは大きくなる。さらに質量ｍは、面積Ｗ、厚みｈ及び密度ρの積で表される。

以上の関係から、ばね定数によって制限された共振周波数と変位量の関係を示す曲線を高速（高周波数）で大きい変位量側にシフトさせるには、密度を小さく、厚みを薄く、駆動電圧を高くすればよいことが分かる。

例えば、共振周波数を１０倍にするためには、他の変数を固定すると、密度は１／１００、 厚みは１／１００、電圧は１０倍にすることが要求される。密度を１／１００にするには新たな材料開発が必要になり、また可動部の厚みを薄くするにも新たな材料開発が必要になる。このような材料開発は容易ではない。また駆動電圧の高電圧化は、光源装置等の光学装置のサイズ、動作信頼性及び消費電力等の仕様に制限される場合がある。

以上のことから、静電駆動方式では、平行平板を高速且つ大きな変位量で駆動させて共振器長を変化させることが困難であり、レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲で変化させることに改善の余地がある。

本実施形態では、光源装置１は、発光部２１１と、発光部２１１を挟んで対向する第１反射部２２および第２反射部１２１と、発光部２１１と第２反射部１２１の間に間隔がある状態で第２反射部１２１を保持する基部１０と、印加される駆動電圧に応じて変形する圧電素子１２２（圧電部材）と、を有し、基部１０は、第１領域１１と、第１領域１１よりも剛性が低い第２領域１２とを含み、第２反射部１２１および圧電素子１２２が第２領域１２に設けられ、駆動電圧の印加により圧電素子１２２が第２領域１２を変形させて第２反射部１２１を駆動させ、第１反射部２２および第２反射部１２１の距離に応じて波長が変化するレーザ光を発する。

剛性は、物体の寸法（長さ、厚さ等）や、物体を構成する材料の弾性率等により変化する。本実施形態では、第１領域１１よりも第２領域を薄肉に形成することにより、相対的に高剛性の第１領域１１と低剛性の第２領域１２を実現している。可動部の共振周波数はその寸法や構成される材料の機械特性で決定される。構成材料が一定であれば、可動部の寸法が大きくなるほどばね定数が低下し、ばね定数と比例関係にある共振周波数が低下してしまう。しかし、可動部の周辺に可動部よりも高剛性の支持部を設けると、可動部の実質的な固定端を、低剛性の領域と高剛性の領域の境界近傍に近似することができる。つまり、第１領域１１と第２領域１２の境界近傍を、第２領域１２の実質的な固定端とすることができる。一方、第１領域１１を構成する材料として第２領域よりも高剛性の材料を用いることにより、第１領域１１を厚くすることなく、相対的に高剛性の第１領域１１と低剛性の第２領域１２を実現することも可能である。

また、前述のように基部１０内に低剛性の領域と高剛性の領域を形成する他に、基部１０には支持層１１１等の高剛性の領域を設けず、低剛性の層（例えばシリコン活性層１１３）と接合部１３とが接続される部分を高剛性の領域として、可動部の固定端を規定してもよい。この場合は、ばね定数を低下させないために、また、低剛性の可動部の機械的強度を保つために、基部１０自体を十分に小さくすることが好ましい。

圧電素子１２２は第２反射部１２１を駆動させて、第１反射部２２と第２反射部１２１との間の反射部間距離に該当する共振器長を変化させ、発光部２１１は共振器長に応じて波長が変化するレーザ光を発する。

薄肉の第２領域１２を圧電素子１２２により変形させて第２反射部１２１を駆動させるため、高速且つ大きな変位量で第２反射部１２１を駆動させて共振器長を変化させることができる。例えば、１［ＭＨｚ］以上の駆動速度、２００［ｎｍ］以上の変位量で第２反射部１２１を駆動させることができる。これにより、レーザ光の波長を高速且つ広い波長範囲に変化させることができる。

ここで、図９は、圧電素子１２２の駆動電圧と光源装置１から射出されるレーザ光の波長の関係を示す図である。一例として、チューナブルレーザ光の波長域は９２０［ｎｍ］から９５０［ｎｍ］の範囲、駆動電圧幅は５［Ｖ］以下とする。駆動電圧に対する圧電素子の体積変形量が限りなく線形に近いため、圧電素子の変形により変位する第２領域１２および第２反射部１２１のＺ方向への変位量も線形に近くなる。さらに、図８における、反射部間距離（共振器長）に対する発振波長の変化が線形に近い領域（図８の例では発振波長が９４０ｎｍ付近）の近傍で第２反射部１２１を変位させることにより、駆動電圧に対する光源装置１から射出されるレーザ光の波長が線形に近くなる。

光源装置１や、光源装置１を搭載する装置の小型化のためには、電圧信号源の体積縮小は必須である。一般的に、電圧とその変調速度が大きくなると、電圧駆動源の体積は大きくなる傾向がある。さらに、波長の非線形性を補正する機能が必要になると、電圧駆動源の体積はさらに大きくなってしまう。光源装置１は、駆動電圧に対する波長の線形性が高く、かつ低い駆動電圧でも十分な波長変化幅を持つため、波長がＭＨｚオーダーの速さで変化するチューナブルレーザ光源装置の小型化を実現することができる。

また本実施形態では、圧電素子１２２は、第２領域１２における第２反射部１２１の周囲に円環状に設けられている。これにより、第２反射部１２１の周囲の方向から第２反射部１２１に対して均等に駆動力を付与することができ、第２反射部１２１の変位の制御を容易に行うことができる。

＜圧電素子１２２の構成の変形例＞
上述した実施形態では、圧電素子１２２が第２領域１２における発光部２１１に対向する面に設けられた構成を例示したが、これに限定されるものではない。図１０は、第２領域１２周辺の構成の変形例を示す拡大断面図である。図１０（ａ）は第１例を示す図、図１０（ｂ）は第２例を示す図である。

図１０（ａ）に示すように、光源装置１ａは、第２領域１２を挟んで第２反射部１２１とは反対側に圧電素子１２２を設け、第２反射部１２１と圧電素子１２２とが重なる領域を有するよう配置している。この構成では、圧電素子１２２の面積が第２反射部１２１に制限されないため、圧電素子１２２の大面積化が可能である。圧電素子１２２の大面積化により、圧電素子１２２が発生する応力を増大させ、第２反射部１２１をより大きく変位させることができる。

また、図１０（ｂ）に示すように、光源装置１ｂは、第２領域１２のＺ軸負方向側に圧電素子１２２を設け、圧電素子１２２のＺ軸負方向側に重ねて第２反射部１２１を積層形成している。この構成によっても、第２反射部１２１に制限されることなく圧電素子１２２を大面積化でき、また、第２領域１２の一方の面に圧電素子１２２と第２反射部１２１を形成できるため、第２領域１２の両面に成膜する手間を削減することができる。

なお、図１０（ｂ）では、第２領域１２のＺ軸負方向側に圧電素子１２２及び第２反射部１２１を設ける構成を例示したが、第２領域１２のＺ軸正方向側に圧電素子１２２及び第２反射部１２１を設けることもできる。

＜基部１０の変形例＞
図１１および図１２は、基部１０の第１変形例を示す図である。図１１は平面図、図１２は図１１のＡ－Ａ'断面図である。

図１１および図１２に示すように、基部１０の第２領域１２は、第２反射部１２１と第１領域１１とを接続する複数の可動梁３１４を含む。可動梁３１４の形状は直線状である必要はなく、曲線状であったり、折れ曲がる部分があったりしてもよい。また、可動梁３１４の本数は２本以上であればよい。２本以上の可動梁３１４は、回転対称となるように配置されていることが好ましく、これにより、第２反射部１２１と第１反射部２２との平行性を保ちつつ第２反射部１２１をＺ方向へ駆動させることが容易になる。

可動梁３１４は、ドライエッチング等の半導体プロセスにより、領域３１６の支持層１１１、酸化絶縁層１１２およびシリコン活性層１１３を取り除くことによって形成できる。領域３１６の外周の領域が第１領域１１となる。圧電素子３２２も同様に半導体プロセスにより、第２領域１２の可動梁３１４上と、第１領域１１のうち領域３１６の外周部にあたる領域上と、に形成される。可動梁３１４の寸法を調整することにより、可動梁３１４のばね定数を変化させ、第２反射部１２１の共振周波数と第２反射部１２１の共振時のＺ方向への変位量の関係を設定できる。

本変形例の基部１０は、可動梁３１４上と領域３１６の外周部の両方に圧電素子３２２を形成し、同時に電圧を印加することにより、第２反射部１２１のＺ方向への共振時変位量をより大きくすることができる。可動梁３１４上の圧電素子３２２の体積が電圧印加により変化すると、圧電素子３２２が形成されている可動梁３１４が変形し、第２反射部１２１の位置が変化する。例えば、正弦波電圧を可動梁３１４上の圧電素子３２２に印加すると、第２反射部１２１は、Ｚ方向に沿って、時間に対して正弦波状に位置が変化する。一方、可動梁３１４の共振周波数と同じ、もしくは近い周波数の電圧信号を圧電素子に印加すると、可動梁３１４は励振され共振現象が起き、非共振状態よりも大きい変位量を得ることができる。

領域３１６の外周部の圧電素子３２２に同様の正弦波電圧信号を印加すると、領域３１６の外周部近傍のシリコン活性層１１３は、可動梁３１４に対して小さい変位量において変形する。この振動が機械的に接続された可動梁３１４に伝わると、可動梁３１４は励振され共振現象が起こる。従って、高速に大きな変位量を得たい可動梁３１４と、可動梁３１４の外周に位置し、可動梁３１４が機械的に接続された領域の両者を、圧電素子３２２の収縮および膨張により変形させることにより、可動梁３１４上の第２反射部１２１を高速にかつ大変位量に運動させることができる。

図１３および図１４は、基部１０の第２変形例を示す図である。図１３は平面図、図１４は図１３のＢ－Ｂ'断面図である。

図１３および図１４に示すように、第２変形例では、第２反射部１２１として、シリコン活性層１１３の一部に周期的に空孔を空けることにより、その反射率を担保するＨＣＧ（High Contrast Grating）を有する反射鏡部３１１を用いている。一般的に、可動梁３１４の共振周波数はその質量に反比例する。複数の薄膜を重ねた多層膜ミラーや金属薄膜等で構成された反射部は、質量が大きくなる。一方、ＨＣＧはシリコンの単層で同等の反射率を実現できることから、第２反射部１２１として反射鏡部３１１を用いることにより、その共振周波数を高くすることができる。なお、反射鏡部３１１の材料は、シリコンに限定されず、光が伝播する空間の屈折率と異なる屈折率を有する材料であればよい。また、第２変形例では第１変形例に係る第２反射部１２１を、ＨＣＧを有する反射鏡部３１１とした構成としているが、第１実施形態（図１）の第２反射部１２１を、ＨＣＧを有する反射鏡部３１１としてもよい。

図１５および図１６は、基部１０の第３変形例を示す図である。図１５は平面図、図１６は図１５のＣ－Ｃ'断面図である。

図１５および図１６に示すように、第３変形例では、第１変形例とは異なり、可動梁３１４を構成する材料をシリコン活性層１１３ではなく多層膜反射鏡３１５としている。第２変形例では、シリコン活性層１１３により構成される可動梁３１４にＨＣＧを形成して反射鏡部３１１としていたが、本変形例では可動梁３１４の材料そのものを多層膜反射鏡３１５として、第２反射部１２１を構成している。多層膜ミラーや金属薄膜等で構成された反射部ではシリコン活性層３１３上に反射鏡を成膜する工程が、ＨＣＧ反射部ではシリコン活性層３１３にＨＣＧの周期構造を形成する工程がそれぞれ必要であるが、本変形例では多層膜反射鏡３１５を可動する機能と光を反射する機能が単一の構成で実現できるため、本素子の加工プロセスを省略することができる。

さらに、多層膜の層数などを調整してその反射率を制御することにより、光源装置１から放出されるチューナブルレーザ光の放出方向を選択できる。例えば第１変形例および第２変形例に係る基部１０の構成では、シリコン活性層１１３の吸収帯である波長を含むレーザ光を、シリコン活性層１１３を通過して放出させることは適当ではない。一方、本変形例に係る基部１０の構成では、シリコン活性層１１３を使用していないため、シリコン活性層１１３の吸収帯である波長を含むレーザ光であっても、第２反射部１２１側（図１（ｂ）の放出方向３１側）からレーザ光を放出することができる。なお、第３変形例では第１変形例に係る可動梁３１４を構成するシリコン活性層１１３を多層膜反射鏡３１５とした構成としているが、第１実施形態のシリコン活性層１１３を多層膜反射鏡としてもよい。

第１変形例から第３変形例では、第２領域１２の一部として、少なくとも２本の可動梁３１４を含む。一例として、可動梁３１４は、短手方向に１［μｍ］から１００［μｍ］、長手方向に１０［μｍ］から１０００［μｍ］、厚さ方向に５０［ｎｍ］から１００［μｍ］である。可動梁３１４をこのような寸法とすることにより、共振周波数の高周波数化（例えば１［ＭＨｚ］以上）および波長掃引幅の拡大を両立しつつ、装置を小型化することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る光源装置１ｃについて説明する。なお、第１実施形態で説明したものと同じ構成部には、同じ符号を付し、重複する説明を適宜省略する。この点は、以降に示す実施形態においても同様とする。

図１７は、光源装置１ｃの構成の一例を説明する平面図である。図１７に示すように、光源装置１ｃは、基部１０を保持する第２基部１１０を備える点で第１実施形態と異なる。第２基部１１０は、第２支持部１００と、第２可動部１３ａ及び１３ｂとを含む。第２支持部１００は第３領域の一例であり、第２可動部１３ａ及び１３ｂは、第４領域の一例である。

第２可動部１３ａは、可動梁１３１ａと可動梁１３２ａが端部１６２ａで連結し、可動梁１３３ａと可動梁１３４ａが端部１６１ａで連結する蛇行構造（ミアンダ構造）を有し、第２可動部１３ａの一端が第１接続部１５１ａを介して一端が第２支持部１００に接続し、第２可動部１３ａの他端が第２接続部１５２ａを介して他端が基部１０に接続している。可動梁１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ及び１３４ａは、それぞれ梁部材の一例である。

可動梁１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ及び１３４ａはそれぞれＺ軸負方向側の面に圧電素子１４１ａ、１４２ａ、１４３ａ及び１４４ａを含んでいる。圧電素子１４１ａ、１４２ａ、１４３ａ及び１４４ａは、それぞれ基部用駆動部の一例である。

圧電素子１４１ａ、１４２ａ、１４３ａ及び１４４ａは、それぞれ第２支持部１００に設けられた電極を介して印加される駆動電圧に応じて変形（例えば伸縮）する。圧電素子１４１ａ及び１４２ａの変形に応じて可動梁１３１ａ及び１３２ａが弾性変形し、圧電素子１４３ａ及び１４４ａの変形に応じて可動梁１３３ａ及び１３４ａが弾性変形することにより、基部１０がＺ軸方向に変位可能になっている。

また、第２可動部１３ｂは、可動梁１３１ｂと可動梁１３２ｂが端部１６１ｂで連結し、可動梁１３３ｂと可動梁１３４ｂが端部１６２ｂで連結する蛇行構造（ミアンダ構造）を有し、第２可動部１３ｂの一端が第１接続部１５１ｂを介して一端が第２支持部１００に接続し、第２可動部１３ｂの他端が第２接続部１５２ｂを介して他端が基部１０に接続している。可動梁１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ及び１３４ｂは、それぞれ梁部材の一例である。

可動梁１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ及び１３４ｂはそれぞれＺ軸負方向側の面に圧電素子１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ及び１４４ｂを含んでいる。圧電素子１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ及び１４４ｂは、それぞれ基部用駆動部の一例である。

圧電素子１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ及び１４４ｂは、それぞれ第２支持部１００に設けられた電極を介して印加される駆動電圧に応じて変形（例えば伸縮）する。圧電素子１４１ｂ及び１４２ｂの変形に応じて可動梁１３１ｂ及び１３２ｂが弾性変形し、圧電素子１４３ｂ及び１４４ｂの変形に応じて可動梁１３３ｂ及び１３４ｂが弾性変形することにより、基部１０がＺ軸方向に変位可能になっている。

可動梁１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａ、１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ及び１３４ｂは、基部１０の第１領域および第２支持部１００よりも薄肉に形成されていて、基部１０の第１領域および第２支持部１００よりも低剛性である。これにより、第１接続部１５１ａの近傍及び第２接続部１５２ａの近傍を第２可動部１３ａの実質的な固定端とし、第１接続部１５１ｂの近傍及び第２接続部１５２ｂの近傍を第２可動部１３ｂの実質的な固定端とすることができる。

第２可動部１３ａによる変位量と第２可動部１３ｂによる変位量が等しい場合には、基部１０を該変位量だけＺ軸方向に並進させることができる。また第２可動部１３ａによる変位量と第２可動部１３ｂによる変位量が異なる場合には、基部１０をＹ軸方向に沿って傾斜させることができる。

例えば、第２可動部１３ａによる変位量が第２可動部１３ｂによる変位量より小さい場合には、基部１０のＹ軸負方向側はＺ軸負方向に相対的に小さく変位し、基部１０のＹ軸正方向側はＺ軸負方向に相対的に大きく変位する。これにより、基部１０をＹ軸方向に沿って傾斜させることができる。

なお、図１７は、基部１０における第２反射部１２１が設けられた側を表示したものである。第２支持部１００のＺ軸負方向側にはＶＣＳＥＬ素子２０が配置され、接合部１３を介して第２支持部１００とＶＣＳＥＬ素子２０は接合している。

ここで、第１実施形態で示した光源装置１の製造では、ＶＣＳＥＬ素子２０と基部１０との間のＺ軸方向に沿う距離が、製造される複数の光源装置１ごとでばらつく場合がある。この距離が所望の反射部間距離からずれると、所望の波長のレーザ光を発することができない場合がある。

接合時にＶＣＳＥＬ素子２０と基部１０との間の距離を調整して、反射部間距離を補正する作業は、時間と手間がかかる。また圧電素子１２２にオフセットの駆動電圧を印加し、第２反射部１２１をＺ軸方向に並進させて反射部間距離を補正する場合には、第２反射部１２１のＺ軸方向への並進量に制限があるため、所望の反射部間距離に対するずれが大きいと、反射部間距離を補正しきれない場合がある。

本実施形態では、第２可動部１３ａ及び１３ｂの圧電素子（１４１ａ、１４２ａ、１４３ａ、１４４ａ、１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ及び１４４ｂ）にバイアス電圧をかけ、第２可動部１３ａ及び１３ｂにより基部１０をＺ軸方向に駆動させることにより、ＶＣＳＥＬ素子２０と基部１０の間の距離を変化させて補正する。これにより、ＶＣＳＥＬ素子２０と基部１０との間の距離を補正する作業を削減し、反射部間距離を容易に補正できる。

また、第２可動部１３ａ及び１３ｂがそれぞれ蛇行構造を有することにより、圧電素子１２２による駆動と比較して基部１０を大きく変位させることができる。そのため、所望の反射部間距離に対するずれが大きい場合にも、反射部間距離を補正することができる。

さらに、ＶＣＳＥＬ素子２０と基部１０とが傾いている場合には、第２可動部１３ａ及び１３ｂにより基部１０を傾斜させることにより、ＶＣＳＥＬ素子２０に対する基部１０の傾斜角度を変化させて補正できる。なお、反射部間距離とＶＣＳＥＬ素子２０に対する基部１０の傾斜角度の両方を変化させて補正してもよい。

さらに、光源装置１ｃは、第２反射部１２１の駆動と基部１０の駆動とを分離して、個別に駆動することができる。つまり、第２可動部１３ａ及び１３ｂの圧電素子にかけるバイアス電圧を維持したまま、基部の第２領域上の圧電素子１２２に、時間に対して連続的、周期的に変化する駆動電圧、たとえば正弦波や三角波、のこぎり波を印加することにより、レーザ光の波長を連続的に高速に変調できる。また、第２可動部１３ａ及び１３ｂの圧電素子にかけるバイアス電圧の値を変化させることにより、連続的な波長変化の幅は維持しつつ、その中心波長を調整することができる。この機能は、反射部間距離を大きく変化させられる第２可動部１３ａ及び１３ｂと、高速に波長を掃引できる第２領域の相乗効果によるものである。なお、従来の静電式のチューナブルレーザでは、レーザ光の波長の連続的な高速変調とレーザ光の中心波長の調整とを同時に実現することは困難である。なぜなら、静電式の駆動部は空隙を介して対向する２つの面の間に一様に働く静電引力を利用して反射鏡部を駆動させため、駆動する箇所や駆動特性を面内において分割することができないためである。

第２反射部１２１の駆動と基部１０の駆動とを個別に行うためには、第２可動部１３ａ及び１３ｂとそれぞれ第1接続部１５１ａ、第２接続部１５２ａを介して接続された基部１０の共振周波数が、第２領域１２内の第２反射部１２１の共振周波数と５０Ｈｚ以上離れていることが好ましい。第２反射部１２１を第２領域１２の共振周波数で振動させたとき、基部１０の共振周波数が同等あるいは両者の共振周波数の絶対差が５０Ｈｚより小さい場合、第２反射部１２１の振動により第２反射部１２１を含む基部１０自体が励振され、バイアス電圧により変位を固定した基部１０の位置が変動してしまうおそれがある。基部１０、第２可動部１３ａ及び１３ｂの共振周波数と、第２反射部１２１及び第２領域１２の共振周波数に差をつけることにより、特にその差を５０Ｈｚ以上とすることにより、反射部間距離を変化させてレーザ光の中心波長を変化させつつ、レーザ光の波長を高速に掃引することを安定的に行うことができる。

また、第２反射部１２１の駆動周波数を基部１０の駆動周波数よりも大きくする場合、第２領域１２は、第２可動部１３ａ及び１３ｂの可動梁（１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａ、１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ及び１３４ｂ）よりも高剛性であることが好ましい。さらに、第２領域１２の質量が第２可動部１３ａ及び１３ｂの質量よりも小さいことが好ましい。

なお、本実施形態では、２つの第２可動部１３ａ及び１３ｂを有する構成を例示したが、光源装置１ｃは、３以上の可動部を備えることもできる。また、第２可動部１３ａ及び１３ｂの構造として、２つの可動梁１３１ａ及び１３１ｂを有する蛇行構造を例示したが、第２可動部１３ａ及び１３ｂは、３以上の可動梁を有する蛇行構造を備えることもできる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る光源装置１ｄについて説明する。

図１８は、光源装置１ｄの構成の一例を説明する平面図である。図１８に示すように、光源装置１ｄは、第２実施形態の光源装置１ｃの基部１０を基部１０ｄに変えたものである。光源装置１ｄは、基部１０ｄを有する。基部１０ｄは、４つの第２領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄを有する。４つの第２領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄは、基部１０ｄの平面内に２次元状に配列している。

第２領域１２ａは、第２反射部１２１ａと、第２反射部１２１ａの周囲に円環状に設けられた圧電素子１２２ａとを有し、第２領域１２ｂは、第２反射部１２１ｂと、第２反射部１２１ｂの周囲に円環状に設けられた圧電素子１２２ｂとを有する。第２領域１２ｃは、第２反射部１２１ｃと、第２反射部１２１ｃの周囲に円環状に設けられた圧電素子１２２ｃとを有し、第２領域１２ｄは、第２反射部１２１ｄと、第２反射部１２１ｄの周囲に円環状に設けられた圧電素子１２２ｄとを有する。

圧電素子１２２ａは第２反射部１２１ａを、圧電素子１２２ｂは第２反射部１２１ｂを、圧電素子１２２ｃは第２反射部１２１ｃを、圧電素子１２２ｄは第２反射部１２１ｄを、それぞれ独立して駆動させることができる。

第２領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄの機能及び構成は、第２領域１２と同様であり、第２反射部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ及び１２１ｄの機能及び構成は、第２反射部１２１と同様である。圧電素子１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ及び１２２ｄの機能及び構成は圧電素子１２２と同様である。

なお、図１８は、基部１０ｄにおける第２反射部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ及び１２１ｄが設けられた側を表示したものである。第２支持部１００のＺ軸負方向側にはＶＣＳＥＬ素子２０が配置され、接合部１３を介して第２支持部１００とＶＣＳＥＬ素子２０は接合している。

また、ＶＣＳＥＬ素子２０は、第２反射部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ及び１２１ｄに１対１で対応するように配置された複数の発光部２１１を有する。第２反射部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ及び１２１ｄは、それぞれ複数の発光部２１１を介して第１反射部２２と共振器を構成し、複数の発光部２１１は、共振器長に応じた波長のレーザ光を発することができる。

このように、複数の発光部２１１がレーザ光を発することにより、光源装置１ｄはレーザ光の光量を増加させることができる。また、複数の発光部２１１がそれぞれタイミングをずらしてレーザ光を発するように駆動させると、各発光部２１１の発光時間を短縮し、レーザ光を発することに伴う発熱を抑制できるとともに、光源装置１ｄが全体としてレーザ光を発する時間を長くすることができる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係るレーザレーダ装置２００について説明する。図１９は、距離測定装置の一例であるレーザレーダ装置２００の構成の一例を説明するブロック図である。レーザレーダ装置２００は、例えば、対象物の距離を測定するＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置である。

図１９に示すように、レーザレーダ装置２００は、光源装置１と、光カプラ２０２と、光ミキサ２０３と、光検出器２０４と、ＡＤ変換器２０５と、周波数解析処理器２０６とを有する。

光源装置１は、駆動電圧に応じて波長が変化するチューナブルレーザ光を発する。光カプラ２０２は、光源装置１からのチューナブルレーザ光を所定のエネルギー比率により２つに分岐する。光カプラ２０２は、分岐したチューナブルレーザ光の一方を照射波２３０として対象物３００に照射し、他方を参照波２３１として光ミキサ２０３に入射させる。

照射されたチューナブルレーザ光が対象物３００により反射又は散乱された戻り波２３２は、光ミキサ２０３に入射する。光ミキサ２０３は、戻り波２３２と参照波２３１を重ね合わせて干渉波を生じさせる。

この際に、戻り波２３２には対象物３００との距離による時間遅れが発生している。対象物３００がレーザレーダ装置２００に対して動いている場合は、ドップラ効果による周波数シフトも生じている。

光検出器２０４は、光ミキサ２０３による干渉波を受光し、干渉波の光強度に応じた電圧信号を出力する。光ミキサ２０３による干渉波から得られる電圧信号（ビート信号）は、参照波２３１と戻り波２３２の周波数差とドップラ効果による周波数シフトを含んでいる。

ＡＤ変換器２０５は、光検出器２０４から入力したアナログ電圧信号をＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換し、デジタル信号を周波数解析処理器２０６に出力する。周波数解析処理器２０６は、入力したデジタル信号をフーリエ変換等により解析し、解析により検出した周波数ピーク情報から参照波２３１と戻り波２３２の周波数差を算出する。レーザレーダ装置２００は、この周波数差に基づき、対象物３００との距離と対象物３００の相対速度の少なくとも一方の情報を取得して出力する。

ここで、従来から、チューナブルレーザ光を利用するＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ装置では、チューナブルレーザ光の時間に対する波長変化の線形性が悪いと、測定精度が著しく低下する場合がある。

レーザレーダ装置２００は、光源装置１を用いることにより、高速且つ広い波長範囲で変化し、時間に対する波長変化の線形性が良好なチューナブルレーザ光を測定に利用することができる。これにより測定精度を向上させることができる。

また、チューナブルレーザ光の連続光を測距空間に二次元的に走査して３次元点群を取得する場合には、一つの点群に対して１回の波長掃引を行うことが好ましい。なお、波長掃引とは、波長を時間変化させることをいう。また測距空間とは、距離を測定する対象となる空間をいう。

レーザレーダ装置２００の１フレームごとの測距点数をＮ、フレームレートをＦとすると、少なくとも１秒間にＦ×Ｎ回、つまりＦ×Ｎ［Ｈｚ］の波長掃引速度が要求される。

例えば、測距点数が水平方向の点数と垂直方向の点数の積と仮定し、各方向の測距点数が１０^２点とすると、総点数は１０^４となる。また、フレームレートを１０^２とすると、最低限必要な波長掃引速度は１０^４×１０^２ =１０^６［Ｈｚ］、 つまり１［ＭＨｚ］となる。

従って、レーザレーダ装置２００の高フレームレート、高解像度化には、波長掃引速度のＭＨｚ程度への高速化が要求される。

また、レーザレーダ装置２００の測定精度は、波長掃引の線形性だけではなく、変化可能な波長範囲の広さに依存する。具体的には、波長範囲が広い程、測定精度は向上し、サブミリメートル程度での距離測定も可能になる。波長範囲を拡大するためには、第２反射部１２１の変位量を大きくして反射部間距離を長くすることが好ましい。

比較例に係る静電駆動方式で可動部を駆動させる光源装置では、可動部の駆動による反射部の変位量が電圧の１乗に比例しない。ここで、図２０は、比較例に係る光源装置の、駆動電圧と反射部の変位量との関係の一例を示している。図２０に示すように、駆動電圧に対する変位量の傾きが一定ではない。

この現象は、反射部の位置が、反射部に対向配置された平板との間に働く静電引力と可動部のばね復元力が釣り合う条件により決定されること、また静電引力が電圧の２乗に比例することに起因するものである。

従って、静電駆動方式により可動部を駆動させる光源装置をレーザレーダ装置に適用するためには、波長掃引の線形性を確保するために、予め駆動電圧を歪ませる必要があり、制御が複雑になる。

また可動部の共振周波数は、可動部の密度の逆数の平方根、厚みの逆数の平方根及び駆動電圧に比例する。そのため共振周波数を１０倍にするには、他のパラメータを固定するという前提では、密度や厚みを１００分の１、或いは駆動電圧を１０倍にする必要がある。

可動部の破損を防ぐための機械強度を維持しつつ、密度や厚みを小さくするのは容易ではない。また駆動電圧の高電圧化は、光源装置等の光学装置のサイズ、動作信頼性及び消費電力等の仕様に制限される場合がある。

静電駆動方式の可動部の共振周波数と変位量は反比例の関係にある。従って、たとえＭＨｚ程度での駆動を実現しても、同時に波長範囲を拡大するだけの十分な変位量を得ることができない。このように、静電駆動方式により可動部を駆動させる光源装置をＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ方式のレーザレーダ装置に適用すると、高い測定精度が得られない場合がある。

実施形態に係る光源装置１を利用することにより、高速且つ広い波長範囲で波長が変化するチューナブルレーザ光を利用できる。これによりレーザレーダ装置２００を高フレームレート化し、平面内（ＸＹ平面内）での対象物３００の空間分解能を向上でき、対象物３００との距離又はレーザレーダ装置２００に対する対象物３００の相対速度の少なくとも一方の測定精度を向上できる。

［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は移動体に関する。図２１は、第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車を示す図である。第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車５００の前面上方（例えばフロントグラスの上部）には、第４実施形態のレーザレーダ装置２００が設けられている。なお、レーザレーダ装置２００は、対象物との距離又は該対象物の速度の少なくとも一方を測定する距離測定装置の一例である。本実施形態では、レーザレーダ装置２００は、自動車５００の周囲の物体５０２（対象物）までの距離を計測する。レーザレーダ装置２００の計測結果は、自動車５００の有する制御部に入力され、制御部はこの計測結果に基づいて、移動体の動作の制御を行う。若しくは、制御部は、レーザレーダ装置２００の計測結果に基づいて、自動車５００の運転者５０１へ向けて自動車５００内に設けられた表示部に警告表示を行ってもよい。

このように、第５実施形態では、レーザレーダ装置２００を自動車５００に設けることにより、高精度に自動車５００の周辺の物体５０２の位置を認識することができる。なお、レーザレーダ装置２００の搭載位置は、自動車５００の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。また、この例では、レーザレーダ装置２００を自動車５００に設けたが、レーザレーダ装置２００を航空機又は船舶に設けてもよい。また、ドローン及びロボット等の、運転者が存在しない、自律移動を行う移動体に設けてもよい。

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

また、上記で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。

１ 光源装置（光学装置の一例）
１０ 基部
１１ 第１領域
１２ 第２領域
１２１ 第２反射部
１２２ 圧電素子（圧電部材の一例）
３１４ 可動梁
１３ 接合部
１１０ 第２基部
１３ａ、１３ｂ 第２可動部
１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａ 可動梁
１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ、１３４ｂ 可動梁
１４１ａ、１４２ａ、１４３ａ、１４４ａ 圧電素子（基部用駆動部の一例）
１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ、１４４ｂ 圧電素子（基部用駆動部の一例）
２０ ＶＣＳＥＬ素子
２１ メサ
２２ 第１反射部
２１１ 発光部
２００ レーザレーダ装置（距離測定装置の一例）
５００ 自動車（移動体の一例）
５０１ 運転者

特許６３２８１１２号公報

Claims (17)

1. レーザ光を発する光学装置であって、
   発光部と、
   該発光部を挟んで対向する第１反射部および第２反射部と、
   前記発光部と前記第２反射部の間に間隔がある状態で前記第２反射部を保持する基部と、
   印加される駆動電圧に応じて変形する圧電部材と、を有し、
   前記基部は、第１領域と、前記第１領域よりも剛性が低い第２領域とを含み、
   前記第２反射部および前記圧電部材が前記第２領域に設けられ、前記駆動電圧の印加により前記圧電部材が前記第２領域を変形させて前記第２反射部を駆動させ、前記第１反射部および前記第２反射部の距離に応じて波長が変化するレーザ光を発する、光学装置。
2. 前記第２領域は、前記第１領域よりも薄く形成されている請求項１に記載の光学装置。
3. 前記圧電部材の少なくとも一部は、前記第２領域における前記第２反射部の周囲に設けられている請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記第２反射部と前記圧電部材とが重なる領域を有する請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学装置。
5. 前記圧電部材は、前記第２領域における前記発光部に対向する面に設けられている請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学装置。
6. 前記圧電部材は、前記第２領域における前記発光部に対向する面とは反対側の面に設けられている請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学装置。
7. 前記基部を保持する第２基部と、
   前記基部を駆動させる基部用駆動部と、をさらに有し、
   前記第２基部は、第３領域と、該第３領域よりも剛性が低く、前記基部と前記第３領域とを接続する第４領域と、を有し、
   前記基部用駆動部は、前記第４領域を変形させて前記基部を駆動させることにより、前記第１反射部と前記第２反射部との距離又は前記第１反射部に対する前記第２反射部の傾斜角度の少なくとも一方を変化させる
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学装置。
8. 前記第２反射部及び前記第２領域の共振周波数は、前記基部及び前記第３領域の共振周波数と異なる請求項７に記載の光学装置。
9. 前記第４領域は、隣接する複数の梁部材が該梁部材の端部同士で連結する蛇行構造を有する請求項７または８に記載の光学装置。
10. ２以上の前記第４領域と、
    ２以上の前記第４領域ごとに設けられ、前記基部を駆動させる２以上の前記基部用駆動部と、を有する請求項７乃至９の何れか１項に記載の光学装置。
11. 前記基部は、複数の前記第２領域を含み、
    複数の前記第２領域のそれぞれは、前記第２反射部と、前記圧電部材と、を含む請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光学装置。
12. 前記圧電部材は、前記第２反射部を独立して駆動させる請求項１１に記載の光学装置。
13. 前記第２反射部は、前記第２領域を構成する部材上に形成された反射鏡である請求項１乃至１２の何れか１項に記載の光学装置。
14. 前記第２反射部は、前記第２領域を構成する部材に形成された周期構造を含む請求項１乃至１２の何れか１項に記載の光学装置。
15. 前記第２領域を構成する部材は多層膜反射鏡を含む請求項１乃至１２の何れか１項に記載の光学装置。
16. 対象物との距離又は前記対象物の速度の少なくとも一方を測定する距離測定装置であって、
    請求項１乃至１５何れか１項に記載の光学装置を有し、
    前記光学装置から前記対象物に照射された前記レーザ光の前記対象物からの戻り光に基づき、前記距離又は速度の少なくとも一方を測定する距離測定装置。
17. 請求項１６に記載の距離測定装置を備える移動体。
    

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