JP2022144546A - 光偏向素子、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】反射部の防湿性を高めることで、光偏向素子の信頼性を向上させる。【解決手段】反射部と、前記反射部を支持する基体と、前記基体の前記反射部が設けられた領域の外側の領域において前記反射部の外周を囲むように配置され、前記反射部が設けられた面から突出または陥没の少なくとも何れか一方の形状に形成される変形部と、前記反射部と前記変形部とを覆い、前記反射部を保護する保護部と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、光偏向素子、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置および移動体に関する。

従来、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて製作した光偏向素子が知られている。画像計測センサや距離センサなどに用いられる光偏向素子においては、光をより広範囲に走査するため、ミラー部の大型化、振れ角の広角化、高反射化が求められている。

ところで、光偏向素子のミラー部についての大型化、振れ角の拡大、高速駆動を行う場合、ミラー部に対する多くの環境負荷（例えば、湿度水分の集中など）、形状の変形、応力集中が起こる可能性がある。

一般に、光偏向素子には、水分によって腐食する材料が用いられることがある。そこで、特許文献１には、アクチュエータ部上に保護膜を形成して湿度水分を防湿する技術が開示されている。

しかしながら、保護膜による保護対象を光偏向素子の備える反射部としたとき、特許文献１に開示の技術によれば、保護膜部の端部からの水分侵入を防止することができず、反射膜部が腐食することによる反射率低下や機能低下を起こす機会が増え、光偏向素子の信頼性を低下させるという懸念があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、反射部の防湿性を高めることで、光偏向素子の信頼性を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、反射部と、前記反射部を支持する基体と、前記基体の前記反射部が設けられた領域の外側の領域において前記反射部の外周を囲むように配置され、前記反射部が設けられた面から突出または陥没の少なくとも何れか一方の形状に形成される変形部と、前記反射部と前記変形部とを覆い、前記反射部を保護する保護部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、反射部の防湿性を高めることで、光偏向素子の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態にかかる可動装置の構成の一例を示す平面図である。 図２は、可動装置の構成の一例を示す断面図である。 図３は、可動装置の構成の変形例を示す平面図である。 図４は、ミラー部の一例を拡大して示す平面図である。 図５は、ミラー部の一例を示す断面図である。 図６は、ミラー部の他の一例を示す平面図である。 図７は、ミラー部の他の一例を示す断面図である。 図８は、溝部の変形例を示す断面図である。 図９は、変形部の変形例を示す断面図である。 図１０は、第２の実施形態にかかる光走査システムの一例を示す概略図である。 図１１は、光走査システムの一例のハードウェア構成図である。 図１２は、制御装置の一例の機能ブロック図である。 図１３は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。 図１４は、第３の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例を示す概略図である。 図１５は、ヘッドアップディスプレイ装置の一例を示す概略図である。 図１６は、第４の実施形態にかかる光書込装置を組み込んだ画像形成装置の一例を示す概略図である。 図１７は、光書込装置の一例を示す概略図である。 図１８は、第５の実施形態にかかるライダ装置を搭載した自動車の一例を示す概略図である。 図１９は、ライダ装置の一例を示す概略図である。 図２０は、第６の実施形態にかかるレーザヘッドランプの構成の一例を示す概略図である。 図２１は、第７の実施形態にかかるＨＭＤの外観を例示する斜視図である。 図２２は、ＨＭＤの構成を部分的に例示する図である。

以下に添付図面を参照して、光偏向素子、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置および移動体の実施の形態を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
ここで、図１は第１の実施形態にかかる可動装置１３の構成の一例を示す平面図、図２は可動装置１３の構成の一例を示す断面図である。

図１に示すように、光偏向素子である可動装置１３は、ミラー部１０１と、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂと、第１支持部１２０と、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂと、第２支持部１４０と、電極接続部１５０と、を有する。

ミラー部１０１は、入射した光を反射する。第１駆動部１１０ａ、１１０ｂは、ミラー部１０１に接続され、ミラー部１０１をＹ軸に平行な第１軸周りに駆動する。第１支持部１２０は、ミラー部１０１および第１駆動部１１０ａ、１１０ｂを支持する。

第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、第１支持部１２０に接続され、ミラー部１０１および第１支持部１２０をＸ軸に平行な第２軸周りに駆動する。第２支持部１４０は、第２駆動部を支持する。

電極接続部１５０は、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂおよび第２駆動部１３０ａ、１３０ｂおよび制御装置１１（例えば、図１０参照）に電気的に接続される。

可動装置１３は、例えば、１枚のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射膜部１４や第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂ、第２圧電駆動部１３１ａ～１３１ｆ、１３２ａ～１３２ｆ、電極接続部１５０等を形成することで、各構成部が一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、ＳＯＩ基板の成形後に行ってもよいし、ＳＯＩ基板の成形中に行ってもよい。

図２に示すように、ＳＯＩ基板は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる第１のシリコン層の上に酸化シリコン層３６２が設けられ、その酸化シリコン層の上にさらに単結晶シリコンからなる第２のシリコン層が設けられている基板である。以降、第１のシリコン層をシリコン支持層３６１、第２のシリコン層をシリコン活性層３６３とする。

シリコン活性層３６３は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に対してＺ軸方向への厚みが小さいため、シリコン活性層３６３のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。

なお、ＳＯＩ基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば可動装置１３の形成に用いられる部材はＳＯＩ基板に限られない。

ミラー部１０１は、例えば、円形形状のミラー部基体１０２と、ミラー部基体１０２の＋Ｚ側の面上に形成された反射部である反射膜部１４とから構成される。ミラー部基体１０２は、例えば、シリコン活性層３６３から構成される。反射膜部１４は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成される。なお、当該金属薄膜としては単層であっても、多層であってもよい。また、金属薄膜上に当該金属薄膜とは異なる材料から構成される機能膜、例えば増反射膜が形成されていてもよい。ミラー部１０１は、ミラー部基体１０２の－Ｚ側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、例えば、シリコン支持層３６１および酸化シリコン層３６２から構成され、可動によって生じる反射膜部１４の歪みを抑制することができる。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂは、ミラー部基体１０２に一端が接続し、第１軸方向にそれぞれ延びてミラー部１０１を可動可能に支持する２つのトーションバー１１１ａ、１１２ｂと、一端がトーションバーに接続され、他端が第１支持部の内周部に接続される第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂと、から構成される。

図２に示されるように、トーションバー１１１ａ、１１１ｂはシリコン活性層３６３から構成される。また、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂは、弾性部であるシリコン活性層３６３の＋Ｚ側の面上に下部電極２０１、圧電部２０２、上部電極２０３の順に形成されて構成される。上部電極２０３および下部電極２０１は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成される。圧電部２０２は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。

図１に戻り、第１支持部１２０は、例えば、シリコン支持層３６１、酸化シリコン層３６２、シリコン活性層３６３から構成され、ミラー部１０１を囲うように形成された矩形形状の支持体である。

第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、例えば、折り返すように連結された複数の第２圧電駆動部１３１ａ～１３１ｆ、１３２ａ～１３２ｆから構成されており、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂの一端は第１支持部１２０の外周部に接続され、他端は第２支持部１４０の内周部に接続されている。このとき、第２駆動部１３０ａと第１支持部１２０の接続箇所および第２駆動部１３０ｂと第１支持部１２０の接続箇所、さらに第２駆動部１３０ａと第２支持部１４０の接続箇所および第２駆動部１３０ｂと第２支持部１４０の接続箇所は、反射膜部１４の中心に対して点対称となっている。

図２に示されるように、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、弾性部であるシリコン活性層３６３の＋Ｚ側の面上に下部電極２０１、圧電部２０２、上部電極２０３の順に形成されて構成される。上部電極２０３および下部電極２０１は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成される。圧電部２０２は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。

図１に戻り、第２支持部１４０は、例えば、シリコン支持層３６１、酸化シリコン層３６２、シリコン活性層３６３から構成され、ミラー部１０１、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第１支持部１２０および第２駆動部１３０ａ、１３０ｂを囲うように形成された矩形の支持体である。

電極接続部１５０は、例えば、第２支持部１４０の＋Ｚ側の面上に形成され、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂ、第２圧電駆動１３１ａ～１３１ｆの各上部電極２０３および各下部電極２０１，および制御装置１１にアルミニウム（Ａｌ）等の電極配線を介して電気的に接続されている。なお、上部電極２０３または下部電極２０１は、それぞれが電極接続部と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。

なお、本実施形態では、圧電部２０２が弾性部であるシリコン活性層３６３の一面（＋Ｚ側の面）のみに形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面（例えば－Ｚ側の面）に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。

また、ミラー部１０１を第１軸周りまたは第２軸周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー１１１ａ、１１１ｂや第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが曲率を有した形状を有していてもよい。

さらに、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂの上部電極２０３の＋Ｚ側の面上、第１支持部の＋Ｚ側の面上、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂの上部電極２０３の＋Ｚ側の面上、第２支持部の＋Ｚ側の面上の少なくともいずれかに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極２０３または下部電極２０１と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂおよび電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。また、酸化シリコン膜は、反射防止材としていの機能も備える。

［制御装置の制御の詳細］
次に、可動装置１３の第１駆動部１１０ａ、１１０ｂおよび第２駆動部１３０ａ、１３０ｂを駆動させる制御装置の制御の詳細について説明する。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂが有する圧電部２０２は、分極方向に正また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。第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ，第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、上記の逆圧電効果を利用してミラー部１０１を可動させる。

このとき、ミラー部１０１の反射膜部１４がＸＹ平面に対して＋Ｚ方向または－Ｚ方向へ傾いたときのＸＹ平面と反射膜部１４により成す角度を、振れ角とよぶ。このとき、＋Ｚ方向を正の振れ角、－Ｚ方向を負の振れ角とする。

まず、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂを駆動させる制御装置の制御について説明する。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂでは、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが有する圧電部２０２に、上部電極２０３および下部電極２０１を介して駆動電圧が並列に印加されると、それぞれの圧電部２０２が変形する。この圧電部２０２の変形による作用により、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが屈曲変形する。その結果、２つのトーションバー１１１ａ、１１１ｂのねじれを介してミラー部１０１に第１軸周りの駆動力が作用し、ミラー部１０１が第１軸周りに可動する。第１駆動部１１０ａ、１１０ｂに印加される駆動電圧は、制御装置１１によって制御される。

そこで、制御装置１１によって、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂが有する第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂに所定の正弦波形の駆動電圧を並行して印加することで、ミラー部１０１を、第１軸周りに所定の正弦波形の駆動電圧の周期で可動させることができる。

特に、例えば、正弦波形電圧の周波数がトーションバー１１１ａ、１１１ｂの共振周波数と同程度である約２０ｋＨｚに設定された場合、トーションバー１１１ａ、１１１ｂのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、ミラー部１０１を約２０ｋＨｚで共振振動させることができる。

なお、本実施形態では、可動装置１３は図１に示されるように、トーションバー１１１ａ、１１１ｂから＋Ｘ方向に向かって第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが延びる片持ちタイプの可動装置１３を用いているが、電圧印加された圧電部により反射膜部１４を可動させる構成であれば、これに限られない。図３は、可動装置１３の構成の変形例を示す平面図である。例えば、図３に示すように、可動装置として、トーションバー２１１ａ、２１１ｂから＋Ｘ方向に向かって延びる第一圧電駆動部２１２ａ、２１２ｂおよび－Ｘ方向に向かって延びる第一圧電駆動部２１２ｃ、２１２ｄを有する両端支持（両持ち）タイプの可動装置１３ａを適用するようにしてもよい。また、可動装置１３は、１軸方向のみに反射膜部１４を可動させる構成としてもよい。

次に、ミラー部１０１について詳述する。

ここで、図４はミラー部１０１の一例を拡大して示す平面図、図５はミラー部１０１の一例を示す断面図である。図４および図５に示すように、本実施形態のミラー部１０１は、反射膜部１４と、反射膜部１４を支持するミラー部基体１０２と、反射膜部１４を保護可能な保護膜部１４１と、を備える。

ミラー部１０１のミラー部基体１０２は、シリコン活性層３６３から形成される。ただし、これに限定されるものではなく、ミラー部１０１のミラー部基体１０２は、酸化材料や無機材料、有機材料等で構成してもよい。また、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の負のＺ方向の面には、補強するためのリブやその他の構造が設けられていても良い。リブやその他の構造は、シリコン支持層３６１及び酸化シリコン層３６２等で形成される。

ミラー部１０１は、図４および図５に示すように、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の正のＺ方向の面上に反射膜部１４を形成する。反射膜部１４は、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜やその多層膜を用いる。なお、当該金属薄膜としては単層であっても、多層であってもよい。また、金属薄膜上に当該金属薄膜とは異なる材料から構成される機能膜、例えば増反射膜が形成されていてもよい。

図４に示す例は、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の形状を円形形状とした例である。また、反射膜部１４は、ミラー部基体１０２に合わせて円形形状に形成されている。

なお、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の形状は、これに限定されるものではない。ここで、図６はミラー部１０１の他の一例を示す平面図である。例えば、図６に示すように、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の形状は、矩形形状に形成されていてもよい。図６（ａ）に示す例では、反射膜部１４をミラー部基体１０２に合わせて矩形形状に形成したものである。図６（ｂ）に示す例では、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の形状を矩形形状に形成し、反射膜部１４の形状を図４に示す例と同様に円形形状としたものである。

なお、ミラー部１０１の反射膜部１４は、図４および図６に示したように、円形形状または矩形形状に形成されるが、これに限定されるものではなく、その他形状でも良い。

ところで、従来のミラー部においては、より広範囲への反射要求によるミラー部の面積の拡大、駆動範囲の広角化、高速駆動化により、振動とねじりモーメントが発生しやすい機会が増し、ミラー反射部の基体と保護膜部と間に微小の水分子が入り込み、反射部まで浸潤することがある。

そこで、本実施形態のミラー部１０１は、図４および図５に示すように、ミラー部基体１０２における反射部が設けられた領域の外側の領域において、反射部が設けられた面に開口を有して陥没する変形部である溝部１４２を形成する。溝部１４２は、反射部の外周を囲むように配置される。なお、溝部１４２は切れ目により複数に分けられた構成であってもよいが、反射膜部１４への水分の侵入機会をより抑制できることから切れ目なく囲むように環状に配置されることが好ましい。また溝部１４２の形状は特に限定されず、図４で示す曲率を有する形状の他に、直線状であってもよく、また蛇行状の構造を有する形状であってもよい。溝部１４２は、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の活性層に形成される。

溝部１４２は、反射膜部１４よりＺ方向に負の層に設けられる。図５に示すように、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の端部からの距離ｃは、ｃ＞０である。また、溝部１４２の幅ｂは、１０μｍ程度で形成される。溝部１４２の深さｄは、１０μｍ程度で形成される。溝部１４２の開口度は、構造の破壊強度の観点より、溝が無い場合の断面積の０～１０％以下の開口度が望ましい。溝部１４２の形状は、図５に示すように、浸潤した水分の這い上がりを抑制することを目的とし、Ｚ方向の深さｄと幅ｂとが同一であることが望ましい。

なお、反射膜部１４は、溝部１４２の一部にかかっても良いが、溝部１４２を完全に覆わないものとする。

本実施形態のミラー部１０１は、少なくとも反射膜部１４のＺ方向の上部と、溝部１４２の側部及び底部とに、保護膜部１４１を形成する。保護膜部１４１は、溝部１４２の側壁部および底部を、側壁部および底部に沿ってコンフォーマルに覆うものである。なお、反射膜部１４は、ミラー部１０１のミラー部基体１０２の端部までを覆うようにしても良い。こうすることにより、保護膜部１４１が剥がれにくくなる。

保護膜部１４１は、原子の性質である自己制御性を利用し、ピンポンフリーかつステップカバレッジを得ることが出来るＡＬＤ（原子堆積層）成膜にて、防湿特性が既知のＡｌ２Ｏ３（アルミナ）にて形成する。これにより、溝部１４２の側壁部および底部に沿った良好な保護膜部１４１が形成される。ただし、保護膜部１４１は、これに限定されるものではなく、その他無機または有機耐湿性膜、多層膜、塗布型のフッ素系樹脂材等でも良い。

本実施形態のミラー部１０１は、このような構成とすることにより、保護膜部１４１の端部に環境負荷によりクラックや膜剥がれが生じた場合に、保護膜部１４１の端部より侵入した水分を溝部１４２に沿って保護膜部１４１との間に浸潤させることができる。そして、本実施形態のミラー部１０１は、保護膜部１４１の端部から反射膜部１４までの水分の通り道を従来に比べて長くすることができることにより、反射膜部１４までの水分の伝搬を抑制することができる、という効果を奏する。

このように本実施形態によれば、環境負荷による反射膜部１４への水分の侵入機会を抑制し、反射膜部１４の防湿性を高めることで、光偏向素子の信頼性を向上させることができる。

このように本実施形態によれば、光偏向素子の信頼性の向上を図ることにより、反射率が維持でき、長期間使用においても画質が劣化しない、という効果を奏する。また、本実施形態によれば、性能を長期間維持することができるとともに、高環境負荷の高い状況でも使用することができる。

なお、本実施形態のミラー部１０１は、十分な反射膜部１４の面積を確保するために、溝部１４２をミラー部基体１０２に１つ形成するようにしたが、ミラー部１０１の溝部１４２の数は、これに限定されるものではない。ここで、図７はミラー部１０１の他の一例を示す断面図である。例えば、図７に示すミラー部１０１は、十分な反射膜部１４の面積を確保可能であることを条件として、溝部１４２をミラー部基体１０２に２つ形成している。このように、十分な反射膜部１４の面積を確保可能であれば、ミラー部１０１は、溝部１４２をミラー部基体１０２に複数備えていてもよい。図７に示す溝部１４２の変形例によれば、保護膜部１４１の端部から反射膜部１４までの水分の通り道を図５に示す溝部１４２に比べて長くすることができることにより、水分の反射膜部１４への伝搬をさらに抑制することができる。

また、本実施形態ミラー部１０１は、変形部として、図５に示したようなＺ方向の深さｄと幅ｂとが同一であるような溝部１４２を示したが、これに限るものではない。ここで、図８は溝部１４２の変形例を示す断面図である。図８（ａ）は、溝部の開口幅ｅと底部の幅ｆとが異なる長さの形状の断面となる溝部１４２を示している。図８（ｂ）は、溝部の開口幅ｇと底部の幅ｈとが異なる長さの台形形状の断面となる溝部１４２を示している。なお、図８（ｂ）は、溝部の幅が下から上に向けて先細りになっていく逆テーパ形状の断面となる溝部１４２を示したが、溝部の幅が上から下に向けて先細りになっていくテーパ形状の断面となる溝部１４２であってもよい。図８（ｃ）は、円形形状の外周の一端をカットした断面となる溝部１４２を示している。図８に示す溝部１４２の変形例によれば、保護膜部１４１の端部から反射膜部１４までの水分の通り道を図５に示す溝部１４２に比べて長くすることができることにより、水分の反射膜部１４への伝搬をさらに抑制することができる。

さらに、本実施形態ミラー部１０１は、変形部として、反射膜部１４よりＺ方向に負の層に設けられた溝部１４２を示したが、これに限るものではない。ここで、図９は変形部の変形例を示す断面図である。図９に示すように、変形部は、反射膜部１４よりＺ方向に正の方向に突出して設けられた少なくとも１以上の凸部１４３であってもよい。図９に示す変形例によれば、保護膜部１４１の端部から反射膜部１４までの水分の通り道を従来に比べて長くすることができることにより、水分の反射膜部１４への伝搬をさらに抑制することができる。

なお、本実施形態ミラー部１０１は、変形部として、溝部１４２と、凸部１４３との両方を備えるものであってもよい。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態の光走査システムについて説明する。

第２の実施形態は、上述の第１の実施形態の可動装置１３を設けた光走査システムの例である。

図１０は、第２の実施形態にかかる光走査システム１０の一例を示す概略図である。図１０に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１の制御に従って光源装置１２から照射された光を可動装置１３の有する反射膜部１４により偏向して被走査面１５を光走査するシステムである。

光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２、反射膜部１４を有する可動装置１３により構成される。

制御装置１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を備えた電子回路ユニットである。可動装置１３は、例えば反射膜部１４を有し、反射膜部１４を可動可能なＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）デバイスである。光源装置１２は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面１５は、例えばスクリーンである。

制御装置１１は、取得した光走査情報に基づいて光源装置１２および可動装置１３の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置１２および可動装置１３に駆動信号を出力する。

光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射膜部１４を１軸方向または２軸方向の少なくともいずれかに可動させる。

これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置１１の制御によって、可動装置１３の反射膜部１４を所定の範囲で２軸方向に往復可動させ、反射膜部１４に入射する光源装置１２からの照射光をある１軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面１５に任意の画像を投影することができる。なお、本実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。

次に、光走査システム１０一例のハードウェア構成について図１１を用いて説明する。図１１は、光走査システム１０の一例のハードウェア構成図である。図１１に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２および可動装置１３を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置１１は、ＣＰＵ２０、ＲＡＭ２１（Random Access Memory）、ＲＯＭ２２（Read Only Memory）、ＦＰＧＡ２３、外部Ｉ／Ｆ２４、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６を備えている。

ＣＰＵ２０は、ＲＯＭ２２等の記憶装置からプログラムやデータをＲＡＭ２１上に読み出し、処理を実行して、制御装置１１の全体の制御や機能を実現する演算装置である。

ＲＡＭ２１は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。

ＲＯＭ２２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、ＣＰＵ２０が光走査システム１０の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。

ＦＰＧＡ２３は、ＣＰＵ２０の処理に従って、光源装置ドライバ２５および可動装置ドライバ２６に適した制御信号を出力する回路である。

外部Ｉ／Ｆ２４は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、ＰＣ（Personal Computer）等の上位装置、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のＣＡＮ（Controller Area Network）やＬＡＮ（Local Area Network）、インターネット等である。外部Ｉ／Ｆ２４は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部Ｉ／Ｆ２４が用意されてもよい。

光源装置トライバは、入力された制御信号に従って光源装置１２に駆動電圧等の駆動信
号を出力する電気回路である。

可動装置ドライバ２６は、入力された制御信号に従って可動装置１３に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。

制御装置１１において、ＣＰＵ２０は、外部Ｉ／Ｆ２４を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、ＣＰＵ２０が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置１１内のＲＯＭ２２やＦＰＧＡ２３に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置１１内に新たにＳＳＤ等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。

ここで、光走査情報とは、被走査面１５にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。

制御装置１１は、ＣＰＵ２０の命令および図２に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。

次に、光走査システム１０の制御装置１１の機能構成について図１２を用いて説明する。図１２は、光走査システム１０の制御装置１１の一例の機能ブロック図である。

図１２に示すように、制御装置１１は、機能として制御部３０と駆動信号出力部３１とを有する。

制御部３０は、例えばＣＰＵ２０、ＦＰＧＡ２３等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部３１に出力する。例えば、制御部３０は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部３１に出力する。駆動信号出力部３１は、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置１２または可動装置１３に駆動信号を出力する。

駆動信号は、光源装置１２または可動装置１３の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置１２においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置１３においては、可動装置１３の有する反射膜部１４を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。

次に、光走査システム１０が被走査面１５を光走査する処理について図１３を用いて説明する。図１３は、光走査システム１０に係る処理の一例のフローチャートである。

ステップＳ１１において、制御部３０は、外部装置等から光走査情報を取得する。

ステップＳ１２において、制御部３０は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部３１に出力する。

ステップＳ１３において、駆動信号出力部３１は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置１２および可動装置１３に出力する。

ステップ１４において、光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射膜部１４の可動を行う。光源装置１２および可動装置１３の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。

なお、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１が光源装置１２および可動装置１３を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。

また、上記光走査システム１０では、一つの制御装置１１に光源装置１２および可動装置１３の制御部３０の機能および駆動信号出力部３１の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部３０を有した制御装置１１とは別に駆動信号出力部３１を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム１０のうち、反射膜部１４を有した可動装置１３と制御装置１１により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態の画像投影装置について説明する。

第３の実施形態は、上述の第１の実施形態の可動装置１３を適用した画像投影装置の例である。

図１４は、第３の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置５００を搭載した自動車４００の一例を示す概略図である。また、図１５はヘッドアップディスプレイ装置５００の一例を示す概略図である。

画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置５００である。

図１４に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、例えば、移動体である自動車４００のウインドシールド（フロントガラス４０１等）の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置５００から発せられる投射光Ｌがフロントガラス４０１で反射され、ユーザーである観察者（運転者４０２）に向かう。これにより、運転者４０２は、ヘッドアップディスプレイ装置５００によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。

図１５に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、赤色、緑色、青色のレーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ５０２，５０３，５０４と、２つのダイクロイックミラー５０５，５０６と、光量調整部５０７と、から構成される入射光学系を経た後、反射膜部１４を有する可動装置１３にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー５０９と、中間スクリーン５１０と、投射ミラー５１１とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置５００では、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂ、コリメータレンズ５０２，５０３，５０４、ダイクロイックミラー５０５，５０６は、光源ユニット５３０として光学ハウジングによってユニット化されている。

上記ヘッドアップディスプレイ装置５００は、中間スクリーン５１０に表示される中間像を自動車４００のフロントガラス４０１に投射することで、その中間像を運転者４０２に虚像として視認させる。

レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ５０２，５０３，５０４で略平行光とされ、２つのダイクロイックミラー５０５，５０６により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部５０７で光量が調整された後、反射膜部１４を有する可動装置１３によって二次元走査される。可動装置１３で二次元走査された投射光Ｌは、自由曲面ミラー５０９で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン５１０に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン５１０は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン５１０に入射してくる投射光Ｌをマイクロレンズ単位で拡大する。

可動装置１３は、反射膜部１４を２軸方向に往復可動させ、反射膜部１４に入射する投射光Ｌを二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われる。

以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置５００の説明をしたが、画像投影装置は、反射膜部１４を有した可動装置１３により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。

また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。

尚、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、特許請求の範囲に記載の「ヘッドアップディスプレイ」の一例である。また自動車４００は、特許請求の範囲に記載の「車両」の一例である。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態の光書込装置について説明する。

第４の実施形態は、上述の第１の実施形態の可動装置１３を適用した光書込装置の例である。

図１６は、第４の実施形態にかかる光書込装置６００を搭載した画像形成装置の一例を示す概略図である。また、図１７は、光書込装置の一例を示す概略図である。

図１６に示すように、上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ６５０等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置６００は、１本または複数本のレーザビームで被走査面１５である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。

図１７に示すように、光書込装置６００において、レーザ素子などの光源装置１２からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系６０１を経た後、反射膜部１４を有する可動装置１３により１軸方向または２軸方向に偏向される。そして、可動装置１３で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ６０２ａと第二レンズ６０２ｂ、ミラー部６０２ｃからなる走査光学系６０２を経て、被走査面１５（例えば感光体ドラムや感光紙）に照射し、光書込みを行う。走査光学系６０２は、被走査面１５にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置１２および反射膜部１４を有する可動装置１３は、制御装置１１の制御に基づき駆動する。

このように上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて１軸方向だけでなく２軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。

上記光書込装置に適用される反射膜部１４を有した可動装置１３は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置１３の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置１３の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。

［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態の物体認識装置について説明する。

第５の実施形態は、上述の第１の実施形態の可動装置１３を適用した物体認識装置の例である。

図１８は、第５の実施形態にかかる物体認識装置の一例であるライダ（ＬｉＤＡＲ；Laser Imaging Detection and Ranging）装置７００を搭載した自動車の一例を示す概略図である。また、図１９はライダ装置７００の一例を示す概略図である。

物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばライダ装置７００である。

図１８に示すように、ライダ装置７００は、例えば移動体である自動車７０１に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物７０２からの反射光を受光することで、被対象物７０２を認識する。

図１９に示すように、光源装置１２から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメートレンズ７０３と、平面ミラー７０４とから構成される入射光学系を経て、反射膜部１４を有する可動装置１３で１軸もしくは２軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ７０５等を経て装置前方の被対象物７０２に照射される。光源装置１２および可動装置１３は、制御装置１１により駆動を制御される。被対象物７０２で反射された反射光は、光検出器７０９により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ７０６等を経て撮像素子７０７により受光され、撮像素子７０７は検出信号を信号処理回路７０８に出力する。信号処理回路７０８は、入力された検出信号に２値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路７１０に出力する。

測距回路７１０は、光源装置１２がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器７０９でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子７０７の画素ごとの位相差によって、被対象物７０２の有無を認識し、さらに被対象物７０２との距離情報を算出する。

反射膜部１４を有する可動装置１３は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなライダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。

上記物体認識装置では、一例としてのライダ装置７００の説明をしたが、物体認識装置は、反射膜部１４を有した可動装置１３を制御装置１１で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物７０２を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、３次元データとして出力する３次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。

［第６の実施形態］
次に、第６の実施形態のレーザヘッドランプについて説明する。

第６の実施形態は、上述の第１の実施形態の可動装置１３を移動体である自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプの例である。

図２０は、第６の実施形態にかかるレーザヘッドランプ５０の構成の一例を示す概略図である。

レーザヘッドランプ５０は、制御装置１１と、光源装置１２ｂと、反射膜部１４を有する可動装置１３と、ミラー５１と、透明板５２とを有する。

光源装置１２ｂは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置１２ｂから発せられた光は、可動装置１３に入射し、反射膜部１４にて反射される。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射膜部１４をＸＹ方向に可動し、光源装置１２ｂからの青色のレーザ光をＸＹ方向に二次元走査する。

可動装置１３による走査光は、ミラー５１で反射され、透明板５２に入射する。透明板５２は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー５１からの青色のレーザ光は、透明板５２における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板５２からの白色光で照明される。

可動装置１３による走査光は、透明板５２の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。

可動装置１３を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置１２ｂ及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置１２ｂを近紫外線とし、透明板５２を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板５２を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。

［第７の実施形態］
次に、第７の実施形態のヘッドマウントディスプレイについて説明する。

第７の実施形態は、上述の第１の実施形態の可動装置１３を適用したヘッドマウントディスプレイの例である。ここでヘッドマウントディスプレイは、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではＨＭＤと省略して示す。

図２１は、第７の実施形態にかかるＨＭＤ６０の外観を例示する斜視図である。図２１において、ＨＭＤ６０は、左右に１組ずつ略対称に設けられたフロント６０ａ、及びテンプル６０ｂにより構成されている。フロント６０ａは、例えば、導光板６１により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル６０ｂに内蔵することができる。

図２２は、ＨＭＤ６０の構成を部分的に例示する図である。なお、図２２では、左眼用の構成を例示しているが、ＨＭＤ６０は右眼用としても同様の構成を有している。

ＨＭＤ６０は、制御装置１１と、光源ユニット５３０と、光量調整部５０７と、反射膜部１４を有する可動装置１３と、導光板６１と、ハーフミラー６２とを有している。

光源ユニット５３０は、上述したように、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、及び５０１Ｂと、コリメータレンズ５０２、５０３、及び５０４と、ダイクロイックミラー５０５、及び５０６とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット５３０において、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、及び５０１Ｂからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー５０５及び５０６で合成される。光源ユニット５３０からは、合成された平行光が発せられる。

光源ユニット５３０からの光は、光量調整部５０７により光量調整された後、可動装置１３に入射する。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射膜部１４をＸＹ方向に可動し、光源ユニット５３０からの光を二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。

可動装置１３による走査光は、導光板６１に入射する。導光板６１は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー６２に導光する。導光板６１は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。

ハーフミラー６２は、導光板６１からの光をＨＭＤ６０の背面側に反射し、ＨＭＤ６０の装着者６３の眼の方向に出射する。ハーフミラー６２は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー６２での反射により、装着者６３の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー６２での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者６３の網膜に結像する。またハーフミラー６２での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者６３は、ＸＹ方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。

６２はハーフミラーであるため、装着者６３には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー６２に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。

最後に、上述の各実施の形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。また、各実施の形態及び各実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１３ 光偏向素子
１４ 反射部
５０ レーザヘッドランプ
６０ ヘッドマウントディスプレイ
１０２ 基体
１４１ 保護部
１４２、１４３ 変形部
４００、７０１ 移動体
５００ 画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ
７００ 物体認識装置

特開２０１５－１０２５９７号公報

Claims (12)

1. 反射部と、
   前記反射部を支持する基体と、
   前記基体の前記反射部が設けられた領域の外側の領域において前記反射部の外周を囲むように配置され、前記反射部が設けられた面から突出または陥没の少なくとも何れか一方の形状に形成される変形部と、
   前記反射部と前記変形部とを覆い、前記反射部を保護する保護部と、
   を備えることを特徴とする光偏向素子。
2. 前記変形部は、前記反射部の外周を切れ目なく囲むように環状に配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記変形部は、複数備えられる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向素子。
4. 前記変形部は、前記反射部が設けられた面から陥没する溝部であって、
   当該溝部は、開口幅と底部の幅とが異なる長さの形状の断面となる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光偏向素子。
5. 前記変形部は、前記反射部が設けられた面から陥没する溝部であって、
   当該溝部は、開口幅と底部の幅とが異なる長さの台形形状の断面となる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光偏向素子。
6. 前記変形部は、前記反射部が設けられた面から陥没する溝部であって、
   当該溝部は、円形形状の外周の一端をカットした断面となる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光偏向素子。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向素子を有する、
   ことを特徴とする画像投影装置。
8. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向素子を備える、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
9. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向素子を備える、
   ことを特徴とするレーザヘッドランプ。
10. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向素子を備える、
    ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
11. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光偏向素子を備える、
    ことを特徴とする物体認識装置。
12. 請求項８に記載のヘッドアップディスプレイ、請求項９に記載のレーザヘッドランプ、及び請求項１１に記載の物体認識装置の少なくとも１つを有する、
    ことを特徴とする移動体。

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