JP3235760B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学装置に関する。具体
的にいうと、コンパクトディスクプレーヤやオートフォ
ーカスカメラ等に用いられる集光位置を変化させること
のできる光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２０に示すものはコンパクトディスク
プレーヤーなどに用いられている従来の集光位置可変装
置Ｒである。１２１は集光レンズ、１２２はトラッキン
グコイル、１２３はフォーカシングコイルであって、集
光レンズ１２１は支持部１２４に備えられたアーム１２
５先端の円筒状のレンズ装着部１２６内に上下移動可能
に取り付けられている。２つのマグネット１２７がトラ
ッキングコイル１２２に対向して配置されており、トラ
ッキングコイル１２２に直流電流を流すことによって磁
場を発生させてアーム１２５を左右方向に移動させるこ
とができる。また、集光レンズ１２１の下方に配置され
たフォーカシングコイル１２３に直流電流を流すことに
よって磁場を発生させて、集光レンズ１２１をレンズ装
着部１２６内で上下方向に移動させることができる。

【０００３】しかして、トラッキングコイル１２２に直
流電流を流し、アーム１２５を左右方向に移動させて所
望する位置に移動させる。また、フォーカシングコイル
１２３に直流電流を流して集光レンズ１２１を上下方向
に移動して、基板１２８下方に配置された光源（図示せ
ず）からの光ビームを集光レンズ１２１の光軸上の任意
の位置に集光させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の集光位置可変装置にあっては、光源や集光レ
ンズ、トラッキングコイルやフォーカシングコイルなど
の集光位置可変装置を構成する各構成部品はそれぞれ独
立しており、各部品ごとに製造され、所定の位置関係と
なるように組み立てられていた。

【０００５】このため、各構成部品の部品形状や配置の
関係から装置の小型化にはおのずと限界を生じていた。
また、装置を小型化できないために高速化が図れず、高
速に光ビームの集光位置を変えることができなかった。
さらに、光軸合わせなど装置の組み立てには相当の精度
を必要とし、組立コストが高くついていた。

【０００６】特に、上記の集光位置可変装置では電磁石
（コイル）を用いた構成となっているので小型化が容易
ではなく、集光位置可変装置を用いたコンパクトディス
クプレーヤーやオートフォーカスカメラなどの各種光学
機器には不向きであった。

【０００７】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、小型でしか
も高速に集光位置を可変させることのできる光学装置を
安価に提供することにある。

【０００８】請求項１に記載の光学装置は、凹部を形成
した基板と、弾性変形可能な薄膜状の光反射面および該
光反射面を駆動する駆動手段からなり前記凹部の底面を
形成する可動ミラーと、この可動ミラーに対面して前記
凹部の上面を覆うように前記基板に接合させた透明基板
と、この透明基板の一面に設けた結像光学素子と、前記
透明基板の中央付近に固定され前記可動ミラーに向けて
光を発する発光素子とを有し、前記可動ミラーに入射す
る光の光軸と可動ミラーで反射した反射光の光軸とが一
致しており、前記結像光学素子による集光位置が前記反
射光の光軸上にあって前記可動ミラーの動きに応じ光軸
に沿って可変となっていることを特徴としている。

【０００９】請求項２に記載の光学装置は、凹部を形成
した基板と、弾性変形可能な光反射面および該光反射面
を駆動する駆動手段からなり前記凹部の底面を形成する
可動ミラーと、この可動ミラーに対面して前記凹部の上
面を覆うように前記基板に接合させた透明基板と、この
透明基板の一面に設けた結像光学素子と、前記透明基板
の中央付近に固定され前記可動ミラーで反射された光を
受光する受光素子とを有し、前記可動ミラーに入射する
光の光軸と可動ミラーで反射した反射光の光軸とが一致
しており、前記結像光学素子による集光位置が前記反射
光の光軸上にあって前記可動ミラーの動きに応じ光軸に
沿って可変となっていることを特徴としている。

【００１０】

【００１１】請求項３に記載の光学装置は、請求項１又
は２に記載の光学装置において、前記透明基板の一方の
面に前記発光又は受光素子を固定すると共に前記可動ミ
ラーを備えた前記基板を設け、圧電効果による前記駆動
手段で変形させられる薄膜状の前記光反射面を前記発光
又は受光素子に対向させて可動ミラーに形成し、前記透
明基板の反対面に前記結像光学素子を設けたことを特徴
としている。

【００１２】請求項４に記載の光学装置は、請求項１又
は２に記載の光学装置において、前記透明基板の一方の
面に前記発光又は受光素子を固定すると共に前記可動ミ
ラーを備えた前記基板を設け、圧電効果による前記駆動
手段で支持された変位可能な前記光反射面を前記発光又
は受光素子に対向させて可動ミラーに形成し、前記透明
基板の反対面に前記結像光学素子を設けたことを特徴と
している。

【００１３】請求項５に記載の光学装置は、請求項１又
は２に記載の光学装置において、前記透明基板の一方の
面に前記発光又は受光素子を固定すると共に前記可動ミ
ラーを備えた前記基板を設け、可動ミラーに前記発光又
は受光素子に対向させて前記光反射面を形成し、当該光
反射面に形成した電極と当該電極と対向する別な電極に
よって静電力による前記駆動手段を構成し、前記透明基
板の反対面に前記結像光学素子を設けたことを特徴とし
ている。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【作用】請求項１に記載の光学装置によれば、可動ミラ
ーを駆動することにより当該光学装置に備えられた発光
素子から結像光学素子までの光路長を変えることができ
る。したがって、発光素子から出射され可動ミラーで反
射された光を結像光学素子の光軸上の任意の位置で集光
させることができる。

【００２３】また請求項２に記載の光学装置によれば、
可動ミラーを駆動することによって、結像光学素子から
受光素子までの光路長を変えることができる。したがっ
て、結像光学素子を通過した光を可動ミラーで反射さ
せ、受光素子上で集光させることができる。

【００２４】このように、請求項１又は２に記載の光学
装置は可動ミラーによって光を反射させる構造となって
いるので、少ない可動ミラーの変位量で、大きな集光位
置の変化を得ることができる。

【００２５】また、請求項１又は２に記載の光学装置に
あっては、例えば、透明基板のいずれか一方の面に結像
光学素子を設け、残る一方の面に発光素子又は受光素子
と可動ミラーを設けることによって、発光素子又は受光
素子と結像光学素子と可動ミラーとを一体として構成す
ることができ、集光位置を可変できる光学装置を小型化
することができる。

【００２６】このように請求項１又は２に記載の光学装
置にあっては各構成部品を集積一体化することができる
ので、結合光学素子と発光又は受光素子との光軸調整も
精度良く行なうことができ、しかも機器への組込み時に
面倒な光軸調整を行なう必要がなく、光学装置の性能を
向上できる。特に、発光又は受光素子と結像光学素子と
を透明基板に設けることにより、両者の光軸調整は簡単
になり、組み立てコストを安価にすることができる。

【００２７】請求項１又は２に記載の光学装置におい
て、請求項３又は４に記載の光学装置のように圧電効果
により光反射面を駆動することにすれば、機械的な駆動
に比較して可動ミラーの駆動機構を非常に小型にするこ
とができ、高速で光反射面を駆動することができる。例
えば、請求項４に記載の光学装置のように、圧電効果に
よる光反射面駆動手段で支持された変位可能な光反射面
を設けると、光反射面を平行に移動させることができ、
収差を小さくでき、光学設計が容易になる。

【００２８】また、請求項３に記載の光学装置のよう
に、圧電効果による光反射面駆動手段で変形させられる
薄膜状の光反射面を設けると、光反射面で光を集光させ
たり、発散させたりすることもできる。

【００２９】また、請求項５に記載した光学装置のよう
に、静電力により光反射面を駆動することにしても、機
械的な駆動に比較して可動ミラーの駆動機構を非常に小
型にすることができ、高速で光反射面を駆動することが
できる。このためには、光反射面に形成した電極とそれ
と対向した電極を設けて両電極間に静電力を発生させ
て、光反射面を駆動させることにすればよい。

【００３０】したがって、請求項１、２、３、４又は５
に記載の光学装置を用いると、無調整化により各種光学
機器への組み込みを非常に容易にでき、光学装置の集積
化により各種光学機器の小型化、低コスト化を図ること
ができる。

【００３１】

【実施例】図１（ａ）は本発明の光学装置の一実施例を
示す断面図である。この光学装置Ａにあっては、シリコ
ン基板２の一方の面に、光を透過させるガラス基板１が
接合されている。シリコン基板２には、ウェットエッチ
ングにより角錐台状または円錐台状の凹部４が形成され
ており、凹部４の底面には弾性変位可能な薄膜部６が形
成されている。この薄膜部６の外面には、駆動部７が張
り付けられており、薄膜部６と駆動部７とによって可動
ミラー部５が構成されており、薄膜部６は駆動部７によ
って厚さ方向に変位させられるようになっている。薄膜
部６の内面は鏡面加工が施されてミラー面８となってい
る。ガラス基板１の外面にはフレネルレンズのような回
折型の結像素子３が設けられており、ガラス基板１の内
面には結像素子３と光軸を一致させて発光ダイオードや
半導体レーザ素子のような発光素子９が設けられてい
る。ガラス基板１はこの発光素子９を可動ミラー部５と
対向させるようにしてシリコン基板２に接合されてい
る。この結像素子３は例えば２Ｐ法（photo-polymeriza
tion法）によってガラス基板１の表面に設けられてい
る。なお、１０は発光素子９への電気配線であって、光
ビームγの透過効率の点から酸化錫をドープした酸化イ
ンジウム（Indium Tin oxide:ＩＴＯ）膜などの透明導
電膜から作製するのが望ましい。しかして、発光素子９
から出射された光ビームγは、ミラー面８で反射された
後、結像素子３を通過して集光またはコリメートされ
る。

【００３２】駆動部７は図１（ｂ）に示すように起歪層
１５の両面にそれぞれ金属薄膜１４を形成した構造とな
っている。起歪層１５は電界や磁界の印加によって電界
や磁界と垂直な方向の横歪を発生する材料であればよ
く、圧電材料や電歪材料、磁歪材料等の強誘電体薄膜を
用いることができる。しかして、駆動部７に電圧を印可
すると、起歪層１５に横歪が発生し、図１（ａ）に破線
で示すように薄膜部６及び駆動部７からなる可動ミラー
部５が座屈して膜厚方向へ変位する。また、駆動部７に
印加する電圧値を変化させると、可動ミラー部５の変位
量が変化する。したがって、可動ミラー部５の変位量
は、駆動部７に印加する電圧値によって制御することが
でき、発光素子９からミラー面８までの距離を自由に変
えることができる。この起歪層１５は弱い電界でも大き
く変形する材料から作製するのが好ましく、圧電素子の
中でも圧電定数の大きなチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）から作製するのが最も効果的であり、このＰＺＴは
薄膜形成や微細加工性にも優れているので特に好まし
い。

【００３３】この光学装置Ａにおいて、駆動部７に電圧
を印加しない状態で発光素子９から光ビームγを出射す
ると、図１（ａ）に実線で示すように光ビームγはミラ
ー面８で反射され、ガラス基板１を透過し、さらに結像
素子３を透過した光ビームγは点Ｏ₀に集光される。こ
れに対し、駆動部７に電圧を印加して可動ミラー部５を
変位させると、図１（ａ）に破線で示すようにミラー面
８で反射された光ビームγは点Ｏ₁に集光され、光ビー
ムγの集光位置を変化させることができる。

【００３４】このとき結像素子３から集光位置まで距離
をＬ、発光素子９から結像素子３までの光路長をｄ、結
像素子３の焦点距離をｆとすると、よく知られた光の公
式により次の式が成立する。 １／ｆ＝（１／Ｌ）＋（１／ｄ） …… したがって、結像素子３から集光位置までの距離Ｌは次
の式で表され、 Ｌ＝ｆ・ｄ／（ｄ−ｆ） …… ミラー面８を変位させることによって集光位置を変化さ
せられることが分かる。

【００３５】これにより、例えばミラー面８（可動ミラ
ー部５）の変位量がｄ1であるとすると、発光素子９か
ら結像素子３までの光路長ｄの変化量Δｄはその２倍の
２ｄ1となり、少ないミラー面８の変位によって集光位
置を大きく変化させることができる。図２に、発光素子
９から結像素子３までの光路長ｄと結像素子３から集光
位置までの距離Ｌとの関係を計算によって求めたものを
示す。図２においては、焦点距離ｆ＝１ｍｍ、開口数
（Ｎ.Ａ.）＝０.４５の結像素子３を用いた場合につい
て示しているが、例えば光路長ｄに約８μｍの変化を与
えることにより、結像素子３から集光位置までの距離Ｌ
は約４００ｍｍの変化を生じる。すなわち、可動ミラー
部５に約４μｍの変位を与えることにより、集光位置を
約４００ｍｍ移動させることができる。この変化量は使
用する結像素子３の特性（焦点距離）によって決めら
れ、少ない可動ミラー部５の変位でより大きな集光位置
の変化を得るためには、焦点距離ｆの短い結像素子３を
用いるのが望ましい。

【００３６】このように、本発明の光学装置Ａにあって
は、発光素子９や結像素子３などを集積一体化すること
によって非常にコンパクトにすることができる。また、
ガラス基板１の両面に結像素子３と発光素子９を貼り合
わせるだけであるので、光軸調整も容易で簡単に光学装
置Ａを組み立てることができる。また、発光素子９から
出射された光ビームγをミラー面８で反射させているの
で、可動ミラー部５に形成されたミラー面８をわずかに
変位させることにより集光位置を大きく変化させること
ができる。また、可動ミラー部５が軽量化されるので、
集光位置調整を高速で行なうことができる。

【００３７】上記実施例においては、結像素子３として
フレネルレンズのような回折型の結像素子３を用いてい
るが、回折型の結像素子３を用いた場合には容易に薄型
で、しかも短焦点距離の結像素子３を得やすく、本発明
の光学装置Ａを小型化する場合に特に有効である。ま
た、結像素子３の効率はその断面形状によって決定され
るのでブレーズ形状（鋸歯状）とするのが好ましい。

【００３８】また、発光素子９はガラス基板１の基板面
上に配置されるので、表面発光型の発光素子９を用いる
のが好ましい。このとき、ミラー面８によって反射され
た光ビームγは発光素子９自身によって遮られるため、
光ビームγにロスを生じる。そこでこのロスを少なくす
るため、例えばロスを結像素子３を通過する光ビームγ
の約２５％程度に押えようとするならば、発光素子９の
平面積を結像素子３の平面積の約１／４、つまり、発光
素子９の大きさ（一辺の長さあるいは直径）を結像素子
３の大きさの約１／２以下とするのが好ましい。

【００３９】さらに、回折型の結像素子３の性能を最大
限に利用するため、波長のそろったコヒーレントな光を
出射することのできる垂直共振型の半導体レーザを発光
素子９として用いるのが望ましい。

【００４０】図３は本発明の別な実施例である光学装置
Ｂを示す断面図である。発光素子９が設けられるガラス
基板１の基板面には素子配置部１１が凹設されており、
発光素子９はこの素子配置部１１内に配置されている。
このように素子配置部１１を設けておくと、発光素子９
の位置決めが容易にでき、結像素子３の光軸上により簡
単に発光素子９を配置することができる。

【００４１】図４は本発明のさらに別な実施例である光
学装置Ｃを示す断面図である。シリコン基板２にはウェ
ットエッチングが施され、角錐形状や円錐形状の錐状開
口部１２が開口されている。シリコン基板２の外面側開
口１２ａの周縁部には絶縁層１３が設けられており、絶
縁層１３を介して錐状開口部１２の開口１２ａを塞ぐよ
うにして可動ミラー部５が形成されている。可動ミラー
部５は、起歪層１５の両面に金属薄膜１４を形成した駆
動部７によって構成されており、発光素子９と対向する
金属薄膜１４の表面がミラー面８となっており、発光素
子９から出射された光ビームγを反射する。

【００４２】しかして、両金属薄膜１４間に直流電圧を
印加して起歪層１５に電界を与えると起歪層１５に横歪
が発生する。起歪層１５が横歪により伸張すると可動ミ
ラー部５が座屈して厚み方向へ変位する。また、印加電
圧の値を変化させると、可動ミラー部５の変位量が変化
する。したがって、可動ミラー部５に直流電圧を印加す
ることにより、可動ミラー部５を変位させて集光位置を
調整することができる。

【００４３】図５は本発明のさらに別な実施例である光
学装置Ｄを示す断面図である。この光学装置Ｄにあって
は、シリコン基板２の錐状開口部１２の開口１２ａの周
囲に絶縁層１３を設け、開口１２ａに配設した駆動部７
の周囲を絶縁層１３を介して開口１２ａの縁に固定し、
駆動部７の中央部にシリコン製の厚板状の平板部１６を
設けて可動ミラー部５を構成している。ミラー面８は平
板部１６の表面に形成されている。この可動ミラー部５
はガラスとシリコンの半導体製造プロセスを利用して製
作することができ、シリコン基板２に厚板部分を残して
錐状開口部１２を形成し、厚板部分の外面に絶縁層１３
を設け、その上に起歪層１５と金属薄膜１４からなる駆
動部７を形成した後、厚膜部分の周囲をエッチンングで
除去して残った部分で平板部１６を設けることにより製
作される。なお、図５では駆動部７の中央部分に開口部
１７を設けているが、この開口部１７はなくてもよい。
しかして、駆動部７に直流電圧を印加すると、駆動部７
が座屈して平板部１６（ミラー面８）が平板状態を保っ
たままで平行変位する。この光学装置Ｄにあっては、光
ビームγを反射するミラー面８は厚板状の平板部１６に
形成されているため、湾曲することなく変位する。この
ため、収差を伴わない高品質の光ビームγを出射するこ
とができる。特に、駆動部７の中央に開口部１７を設
け、開口部１７に平板部１６を支持するようにすれば、
ミラー面８の歪みをより小さくできる。

【００４４】図６は本発明のさらに別な実施例である光
学装置Ｅの断面図を示す。光学装置Ｅにあっては、薄膜
部６が形成されたシリコン基板２の上面にさらに別なシ
リコン基板２１が接合されている。薄膜部６の中央には
周囲の薄膜部６よりも厚くなった厚膜部６ａが作製され
ており、厚膜部６ａの発光素子９と対向する面はミラー
面８となっている。また、薄膜部６の反対面には可動電
極２２が形成されている。この可動電極２２は厚膜部６
ａに不純物を注入して高導電率領域とすることにより形
成してもよく、厚膜部６ａの表面に金属薄膜を成膜する
ことにより形成してもよい。シリコン基板２１には窪み
２３が形成されており、窪み２３の内面に可動電極２２
と対向して固定電極２４が形成されている。しかして、
可動電極２２と固定電極２４との間に電源２９から直流
電圧を印加すると、両電極２２，２４間に働く静電力に
よって可動電極２２が固定電極２４に引き付けられてミ
ラー面８が変位する。したがって、発光素子９とミラー
面８との間の距離が変化して、光ビームγの集光位置を
変化させることができる。このように可動電極２２と固
定電極２４との間の静電力を利用することによっても小
さな可動ミラー部５を構成することができる。また、こ
の光学装置Ｅにおいても光ビームγを反射するミラー面
８は厚く形成された厚膜部６ａに形成されているので、
ミラー面８は歪みを受けにくくなっている。

【００４５】本発明のさらに別な実施例である光学装置
Ｆの断面図を図７に示す。光学装置Ｆにあっては、シリ
コン基板２の貼り合わせ面に位置合わせ用凸部１８が凸
設されており、一方ガラス基板１の貼り合わせ面にはシ
リコン基板２に凸設された位置合わせ用凸部１８と嵌合
する位置合わせ用凹部１９が形成されている。このよう
に、位置合わせ用凸部１８とそれと嵌合する位置合わせ
用凹部１９とを予め形成しておけば、結像素子３の光軸
とミラー面８との位置合わせ（光軸調整）が非常に簡単
になり、精度よく光学装置Ｆを組み立てられる。もちろ
ん、位置合わせ用凸部１８をガラス基板１に設け、位置
合わせ用凹部１９をシリコン基板２に設けてもよい。

【００４６】これら上記の各実施例にあっては、ガラス
基板１とシリコン基板２とを貼り合わせた２層構造とな
っている。このような２層構造の光学装置にあっては、
シリコンの熱膨張率とガラスの熱膨張率とが異なるた
め、温度変化によって貼り合わせられた両基板１，２に
反りが発生して光軸のずれを生じ、光学装置の温度特性
が悪くなる恐れがある。図８に示すものは本発明のさら
に別な実施例である光学装置Ｇの断面図である。この光
学装置Ｇは、結像素子３が設けられたガラス基板１の基
板面に別なシリコン基板２６が貼り合わせられてシリコ
ン／ガラス／シリコンの３層構造となっている。シリコ
ン基板２６はシリコン基板２とほぼ同形、同寸法となっ
ており、特にシリコン基板２６にも錐状開口部２５を設
け、シリコン基板２６とガラス基板１の接合面積がシリ
コン基板２とガラス基板１の接合面積に等しくなるよう
にしている。但し、シリコン基板２６には光ビームγを
出射させるための開口部２７が設けられている。この光
学装置Ｇにあっては、シリコンとガラスの熱膨張差によ
る反りが抑えられる結果、温度変化による歪みが少なく
なり、光学装置Ｇの温度特性が向上する。

【００４７】また、上記の各実施例にあっては発光素子
９を利用した光学装置について説明したが、各実施例に
おいては発光素子９をフォトダイオードやフォトトラン
ジスタ、ＣＣＤ等の受光素子２８に置き換えることがで
きる。例えば、図９に示す光学装置Ａ´のように、結像
素子３に入射した光ビームγを結像素子３で集光させた
後、ミラー面８で反射させて受光素子２８に受光させ
る。また、発光素子９や受光素子２８はガラス基板１の
ミラー面８側に配置しているが、図１０に示す光学装置
Ｈのように結像素子３と発光素子９や受光素子２８を同
じ基板面（内面または外面）に設けてもよい。

【００４８】図１１は本発明のさらに別な実施例による
光学装置Ｉを示す断面図である。この光学装置Ｉにあっ
ては、錐状開口部１２を有するシリコン基板２の開口１
２ａに起歪層１５と金属薄膜１４からなる駆動部７の周
囲を固定し、駆動部７の内面中央部に凸面鏡状のミラー
面８を取り付けている。この駆動部７はミラー面８の領
域を除いて光を通すようになっている。このためには、
例えば透光性を有する起歪層１５の両面に透明な金属薄
膜１４（ＩＴＯなどの透明導電膜）を形成した透光性の
駆動部７を用いたり、あるいは、適宜透光用の孔を多数
開口した駆動部７を用いたりすればよい。シリコン基板
２に接合されたガラス基板１の内面には駆動部７と対向
させて結像素子３を設けてあり、ガラス基板１の外面中
央部には、受光面をガラス基板１側に向けて受光素子２
８が固定されている。ここで用いている結像素子３は、
凹面鏡と同様な光学的作用を有する反射型フレネルレン
ズのような回折型の反射結像素子である。また、結像素
子３の中央部は開口されていて光が透過できるようにな
っている。しかして、駆動部７を透過して入射した光γ
は、結像素子３で反射されてミラー面８に集光され、さ
らにミラー面８で反射された光γはガラス基板１を透過
して受光素子２８に入射する。このような光学装置Ｉに
あっても、駆動部７でミラー面８の位置を変位させるこ
とにより、受光素子２８の受光面で焦点を結ぶように調
整できる。なお、この光学装置Ｉにおいても、受光素子
２８を投光素子９に置き換えることができ、ミラー面８
の位置を調整することにより、出射光がコリメート光と
なるように、あるいは光軸上の所望の点で集光するよう
に調整することができる。

【００４９】本発明の光学装置はさまざまな光学機器に
応用することができ、光学機器の小型化を容易にし、安
価に製造することができる。たとえば、図１２に示すも
のは本発明の光ファイバモジュールＪの断面図であっ
て、発光素子３７を備えた本発明の光学装置３１の結像
素子３２側には、錐状開口部３３が形成されたコネクタ
３４を介して光ファイバ３５が光学的に接続されてい
る。この光ファイバモジュールＪにあっては、可動ミラ
ー部３６を変位させることによって光学装置３１の集光
位置を可変させることができる。したがって、光ファイ
バ３５を光学装置３１に接続した後に可動ミラー部３６
を変位させて光ファイバ３５の端面３５ａに光ビームγ
を集光させることによって、結合効率よく発光素子３７
から出射させた光ビームγを光ファイバ３５に導入する
ことができる。このように本発明の光学装置３１を用い
ることによって、光ファイバ３５とのファイバアライメ
ントが容易な光ファイバモジュールにすることができ
る。

【００５０】また、光ファイバモジュールＪでは、可動
ミラー部３６を変位させると光ファイバ３５の端面３５
ａで集光されていた光ビームγは拡散され、光ファイバ
３５に入射する光量が少なくなる。したがって、可動ミ
ラー部３６を変位させることにより、高レベルと低レベ
ルの光信号を光ファイバ３５に送出し、オン、オフ制御
することのできる光スイッチＫとすることができる。例
えば、図１３に示すように光ファイバ３５の他端に受光
素子３８を設けておき、受光素子３８によって受光され
た光信号が高レベルであれば、受光素子３８の端子３９
に電気的に接続させた外部回路（図示せず）をオンにす
ることができる。また、可動ミラー部３６を変位させて
低レベルの光信号を光ファイバ３５に送出すれば、外部
回路をオフにすることができる。この光スイッチＫにあ
っては、可動ミラー部３６が小さく軽いので、高速なス
イッチング動作を可能にすることができる。また、光ス
イッチＫと受光素子３８との間に障害物があり、受光素
子３８が光学装置３１からの光信号を直接受光すること
ができない場合に特に有効であり、しかも電気的に非接
触な状態でオン、オフ制御することができるので電気的
にも安全である。

【００５１】図１４は本発明の光センサＬを示す概略構
成図である。光センサＬは例えば自動ドアの人体検知装
置として用いられており、発光素子４２を備えた本発明
の光学装置４１と発光素子４２から出射された光ビーム
γを検知する受光素子４３とから構成されている。光学
装置４１はドア４４が設置された付近の天井面に設置さ
れており、床面４５に向けて光ビームγが出射されてい
る。受光素子４３もドア４４が設置された付近の天井面
に設置されている。また、人４６がちょうどドア４４の
手前に立った際、人４６によって反射された光ビームγ
が受光素子４３によって受光されるよう、光学装置４１
から出射された光ビームγが人の高さで集光し、床面４
５では発散するように調整している。したがって、人４
６がドア４４付近にいない時には、出射された光ビーム
γは床面４５で反射されてしまい、反射された光ビーム
γは受光素子４３で受光することができない。しかし
て、人４６がドア４４付近にやって来て、ちょうど光学
装置４１の下方に差し掛かると、光学装置４１から出射
された光ビームγは人４６によって反射され、反射され
た光ビームγは受光素子４３によって受光される。受光
素子４３によって受光された光ビームγが検知回路等に
よって検知されると、ドア４４が開いて人４６が通れる
ようになる。この光センサＬにあっては、可動ミラー部
４８を変位させることにより光学装置４１から出射され
た光ビームγの集光位置を簡単に調整することができる
ので、天井高さが異なる場合でも簡単に設置することが
できる。また、発光素子４２や結像素子４７が一体とな
って光軸調整も行なわれているので、光軸調整に手間ど
らず、しかも小型であるので設置場所の制約もほとんど
受けることがない。

【００５２】図１５（ａ）は別な光センサＭを示す概略
構成図であって、光位置検出装置について示すものであ
る。この光センサＭは、半導体レーザ素子等の発光素子
５４とコリメートレンズのような光学素子５５からなる
光源と、図１５（ｂ）に示す受光素子５２を備えた本発
明の光学装置５１が一列に配置された受光アレイ５３と
から構成されている。発光素子５４から出射された光ビ
ームγは光学素子５５によってコリメート化された後、
対象物５６上に照射されてビームスポットＳＰを生成
し、対象物５６の表面で拡散反射される。各光学装置５
１は一定の方向から入射した光ビームγだけを受光素子
５２に入射させるよう可動ミラー部５８を調整されてい
るので、対象物５６が当該方向に位置している光学装置
５１の受光素子５２だけが受光する。従って、三角測量
の原理により、受光した光学装置５１の位置から対象物
５６までの距離を求めることができる。このような位置
検出素子（ＰＳＤ)として用いる場合には、１枚のレン
ズを用いれば大口径のレンズが必要となるが、この光セ
ンサＭでは個々の光学装置５１に結像素子５７を設けて
いるので、結合素子５７を小さくでき、光センサＭを小
型化できる。

【００５３】また受光アレイ５３は、半導体製造技術に
よって１枚のシリコンウエハに多数のシリコン基板５９
を作製し、また１枚のガラスウエハに多数のガラス基板
６０を形成することによって、簡単に多数の光学装置５
１をアレイ状に配置して作製される。

【００５４】図１６に示すものは本発明によるバーコー
ドリーダなどの光学的情報処理装置Ｎの概略構成図であ
って、光学的情報処理装置Ｎは発光素子を内蔵した本発
明の光学装置６１が３つ配置されたアレイ光源６２と、
光ビームγを線状又は２次元状に走査させることのでき
る光スキャナ６３と、対象物で反射された光ビームγを
受光するための受光素子６４及び受光素子６４の受光信
号を処理するための信号処理回路６５とから構成されて
いる。３つの光学装置６１からはそれぞれ赤、青、緑の
光ビームγが出射されており、出射された３つの光ビー
ムγは光スキャナ６３によって走査される。光スキャナ
６３で反射した光ビームγはバーコードや多段バーコー
ドなどの符号情報６６上を走査され、符号情報６６の表
面で反射された光ビームγは受光素子６４によって受光
される。この光学的情報処理装置Ｎにあっては、それぞ
れの光学装置６１は非常に小さく、３つの光ビームγは
単一の光源から出射されたのと同様に一本の光ビームγ
として扱うことができる。したがって、赤、青、緑の３
つの光ビームγを出射する３つの光学装置６１（あるい
はアレイ光源６２）を用いることによって、多色の光ビ
ームγによる検出をほぼ同一の走査線上で行え、光学系
を単純化することができる。また、例えば赤色の光ビー
ムγを用いた従来のバーコードリーダでは赤色の符号情
報６６の読み取りが非常に困難であったが、本発明の光
学的情報処理装置Ｎでは、他色の光ビームγから読み取
り可能となるので、符号情報６６の色によらず常に一定
の感度で符号情報６６を読み取ることができる。また、
本発明の光学装置６１を用いれば、レンズ系（結像素
子）を小さくすることができる。

【００５５】また、図１７には本発明の表示装置Ｏの概
略構成図を示す。この表示装置Ｏは発光素子を備えた本
発明の光学装置７１が多数アレイ状もしくはマトリック
ス状に配置されたアレイ光源７２と、アレイ光源７２か
ら出射された光ビームγを投影する表示用スクリーン７
３とから構成されている。表示装置Ｏにおいては、各光
学装置７１から表示用スクリーン７３に向けて光ビーム
γが出射されており、各光学装置７１の集光位置を変化
させることによって、スクリーン７３に写し出される光
ビームγの像７４の大きさを様々に変化させることがで
きる。従って、各光学装置７１のオン、オフに加えて表
示ビームのスポット径も調整することができ、多様な表
示が可能になる。

【００５６】図１８は本発明の撮像装置Ｐを示す。撮像
装置Ｐは、フォトダイオードやフォトトランジスタ、Ｃ
ＣＤ等の受光素子を備えた本発明の光学装置８１が多数
マトリックス状に配置されている。各光学装置８１によ
り受光された受光信号は、画像処理回路８３によって画
像処理が施され、ディスプレイ８４上に表示することが
できる。この撮像装置Ｐは、各光学装置８１を非常に小
さく作製することができるので、分解能の高い撮像装置
Ｐとすることができる。しかも、各光学装置８１には結
像素子が設けられているので光学系を単純化することが
でき、各光学装置８１間の光軸調整も不要にすることが
できる。尚、このマトリックス状の光学装置８１として
は、図１５（ｂ）に示したものと同様な構造のもので、
受光素子としてフォトダイオードチップ等をガラス基板
１に実装したものを用いればよいが、例えば透明なサフ
ァイア基板（ガラス基板１の代りに用いる）の上に半導
体層をエピタキシャル成長させてＣＣＤを構成した場合
には、図１１と同様な構造のものをマトリックス化して
用いることもできる。

【００５７】図１９（ａ）（ｂ）は、本発明の光ピック
アップ装置Ｑを示す斜視図及び断面図である。光ピック
アップ装置Ｑは、例えば光磁気ディスクやコンパクトデ
ィスクのような光ディスク１００の読み出しや書き込み
に用いられるものである。光ピックアップ装置Ｑは、ガ
ラス基板９１の表面にガラス基板９１よりも屈折率の大
きな透明有機材料によって光導波路９２を形成し、光導
波路９２の表面に透過型のマイクロフレネルレンズ９３
と集光グレーティングカップラ９４とを設けたものであ
り、光導波路９２の一方端部には、複数個のフォトダイ
オードアレイ等の受光素子９５を埋め込んである。この
マイクロフレネルレンズ９３と集光グレーティングカッ
プラ９４は、光導波路９２と同じ材料により光導波路９
２の同一面上に重畳させて形成されている。さらに、こ
の実施例では、マイクロフレネルレンズ９３と集光グレ
ーティングカップラ９４とは、両機能を有する１つの複
合素子（マイクロフレネルレンズ重畳グレーティングカ
ップラ）によって実現されている。ガラス基板９１の裏
面側には、図１９（ｂ）に示すように、可動ミラー部９
６が形成されたシリコン基板９７が貼り合わされてお
り、可動ミラー部９６の内面にはミラー面９８が形成さ
れている。また、発光素子９９はマイクロフレネルレン
ズ９３の光軸に一致させてガラス基板９１の裏面に配置
されている。

【００５８】光ディスク１００の読み出しを行なう場合
には、発光素子９９のパワーを小さくし、発光素子９９
からパワーの小さな出射光１０１ａを出射させる。発光
素子９９から出射された出射光１０１ａは、ガラス基板
９１を透過し、さらにマイクロフレネルレンズ９３を透
過して、光ディスク１００の記録面１００ａに焦点を結
ばれる。この時、可動ミラー部９６を変位させることに
より、記録面１００ａ上に焦点を結ぶようにフォーカッ
シング調整したり、記録面１００ａのトラック間移動を
行なわせるようにしている。こうして、記録面１００ａ
で反射された戻り光１０１ｂは、集光グレーティングカ
ップラ９４に照射される。この戻り光１０１ｂは、集光
グレーティングカップラ９４の働きで光導波路９２内に
伝搬され、光導波路伝搬光１０１ｃは受光素子９５によ
って検出され、記録面１００ａのデータが読み出され
る。

【００５９】また、光ディスク１００の書き込みを行な
う場合には、まず読み取り時と同様にして、発光素子９
９からの戻り光１０１ｂを受光素子９５で検出すること
によって書き込み位置を確認した後、発光素子９９の駆
動パワーを増大させて書き込みを行なわせるのに十分な
パワーの光を記録面１００ａに照射させ、データの書き
込みを行なわせる。書き込みが済むと、発光素子９９の
パワーを元のように落とし、書き込みデータの確認が行
なわれる。なお、このような実施例の構成では、発光素
子９９から出射された光の一部が、集光グレーティング
カップラ９４によって光導波路９２へ結合され、受光素
子９５で検出され、受光素子９５のノイズ成分となる恐
れがあるが、集光グレーティングカップラ９４の効率
は、マイクロフレネルレンズ９３等のレンズ素子に比較
し効率が低いので、実用上は問題がない。

【００６０】この光ピックアップ装置Ｑは、発光素子９
９やマイクロフレネルレンズ９３、集光グレーティング
カップラ９４が一体として構成されているので、非常に
小型化される。また、高速に光ピックアップ装置Ｑを移
動させることができるので、光磁器ディスク等のディス
ク装置のアクセスタイムの短縮を図ることができる。

【００６１】上記のように本発明の光学装置の応用例に
ついて種々説明したが、本発明の光学装置は上記の各光
学機器に限られるものでないのは言うまでもない。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、発光素子又は受光素
子、結像光学素子及び可動ミラーを一体として構成する
ことができ、小型化した光学装置を提供することができ
る。このため、各構成部品の光軸合わせも容易にでき、
コストの削減をすることができる。さらに、光学装置は
あらかじめ一体化されているので、光学機器への組み込
みも簡単となり、光学機器の小型化に非常に有効であ
る。

【００６３】また本発明の光学装置にあっては、可動ミ
ラーによって発光素子から出射させた光を反射させた
り、可動ミラーによって反射させた光を受光素子で受光
しているので、可動ミラーを駆動することによって光の
集光位置を変化させることができる。このため、小さな
可動ミラーの変位であっても、集光位置を大きく変化さ
せられる。

【００６４】例えば、圧電効果によって光反射面を駆動
すれば、機械的な駆動に比較して駆動機構を非常に小さ
くでき、しかも高速で光反射面を駆動することができ
る。このとき、圧電効果により駆動される光反射面駆動
手段で光反射面で支持すれば、光反射面を平行移動させ
ることができ、光反射面で反射された光の質を高めるこ
とができる。

【００６５】また、圧電効果により駆動される光反射面
駆動手段で変形させられる薄膜状の光反射面を形成すれ
ば、小さな圧電効果で光反射面を変位させることができ
る。

【００６６】また、静電力によって光反射面を駆動すれ
ば、機械的な駆動に比較して駆動機構を非常に小さくで
き、しかも高速で光反射面を駆動することができる。例
えば、光反射面に電極を形成し、当該電極と対向して設
けられた電極との間に静電力を発生させるとよい。

【００６７】本発明の光学装置を用いることによって、
小型で高速駆動の可能な光学機器を安価に提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例である光学装置を示
す断面図、（ｂ）はその可動ミラー部の拡大断面図であ
る。

【図２】同上の光学装置における発光素子と結像素子間
の光路長ｄと結像素子から集光位置までの距離Ｌとの関
係を示す図である。

【図３】本発明の別な実施例である光学装置を示す断面
図である。

【図４】本発明のさらに別な実施例である光学装置を示
す断面図である。

【図５】本発明のさらに別な実施例である光学装置を示
す断面図である。

【図６】本発明のさらに別な実施例である光学装置を示
す断面図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例である光学装置を示
す断面図である。

【図８】本発明のさらに別な実施例である光学装置を示
す断面図である。

【図９】本発明のさらに別な実施例である光学装置を示
す断面図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施例である光学装置を
示す断面図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施例である光学装置を
示す断面図である。

【図１２】本発明の光ファイバーモジュールを示す断面
図である。

【図１３】本発明の光スイッチを示す断面図である。

【図１４】本発明の光センサを示す概略構成図である。

【図１５】（ａ）は本発明の光センサの他例を示す概略
構成図、（ｂ）はその受光アレイを示す一部破断した断
面図である。

【図１６】本発明の光学的情報処理装置を示す概略構成
図である。

【図１７】本発明の表示装置を示す概略構成図である。

【図１８】本発明の撮像装置を示す概略構成図である。

【図１９】（ａ）は本発明による光ピックアップ装置を
示す斜視図、（ｂ）はその断面図である。

【図２０】従来例の焦点位置可変装置を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ シリコン基板 ３ 結像素子 ５ 可動ミラー部 ７ 駆動部 ８ ミラー面 ９ 発光素子 １４ 金属薄膜 １５ 起歪層 Ａ〜Ｉ 光学装置 Ｊ 光ファイバーモジュール Ｋ 光スイッチ Ｌ，Ｍ 光センサ Ｎ 光学的情報処理装置 Ｏ 表示装置 Ｐ 撮像装置 Ｑ 光ピックアップ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 正哲 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 若林 秀一 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−236145（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−232615（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−217336（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−69535（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−148014（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−249307（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−77910（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭55−48366（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹部を形成し、該凹部の底面に弾性変位
   可能な光反射面を形成した基板と、前記凹部の底部下面に配置された、前記光反射面を駆動
   するための駆動手段と、 前記光反射面 に対面して前記凹部の上面を覆うように前
   記基板に接合させた透明基板と、前記 透明基板の一面に設けた結像光学素子と、 前記透明基板の中央付近に固定され前記光反射面に向け
   て光を発する発光素子とを有し、前記光反射面および前記駆動手段によって可動ミラーを
   構成し、 前記発光素子の光軸と前記結像光学素子の光軸と前記光
   反射面の光軸とが一致しており、前記結像光学素子によ
   る集光位置が前記光軸上にあって前記可動ミラーの動き
   に応じ前記光軸に沿って可変となっていることを特徴と
   する光学装置。
2. 【請求項２】 凹部を形成し、該凹部の底面に弾性変位
   可能な光反射面を形成した基板と、前記凹部の底部下面に配置された、前記光反射面を駆動
   するための駆動手段と、 前記光反射面 に対面して前記凹部の上面を覆うように前
   記基板に接合させた透明基板と、前記 透明基板の一面に設けた結像光学素子と、 前記透明基板の中央付近に固定され前記光反射面で反射
   された光を受光する受光素子とを有し、前記光反射面および前記駆動手段によって可動ミラーを
   構成し、 前記光反射面の光軸と前記結像光学素子の光軸と前記受
   光素子の光軸とが一致しており、前記結像光学素子によ
   る集光位置が前記光軸上にあって前記可動ミラーの動き
   に応じ前記光軸に沿って可変となっていることを特徴と
   する光学装置。
3. 【請求項３】 開口部を形成した基板と、 弾性変位可能な光反射面および該光反射面を駆動する駆
   動手段からなり前記開 口部の下面側に配置された可動ミ
   ラーと、 前記可動ミラーに対面して前記開口部の上面を覆うよう
   に前記基板に接合させた透明基板と、 前記透明基板の一面に設けた結像光学素子と、 前記透明基板の中央付近に固定され前記可動ミラーに向
   けて光を発する発光素子とを有し、 前記発光素子の光軸と前記結像光学素子の光軸と前記光
   反射面の光軸とが一致しており、前記結像光学素子によ
   る集光位置が前記光軸上にあって前記可動ミラーの動き
   に応じ前記光軸に沿って可変となっていることを特徴と
   する光学装置。
4. 【請求項４】 開口部を形成した基板と、 弾性変位可能な光反射面および該光反射面を駆動する駆
   動手段からなり前記開口部の下面側に配置された可動ミ
   ラーと、 前記可動ミラーに対面して前記開口部の上面を覆うよう
   に前記基板に接合させた透明基板と、 前記透明基板の一面に設けた結像光学素子と、 前記透明基板の中央付近に固定され前記可動ミラーで反
   射された光を受光する受光素子とを有し、 前記光反射面の光軸と前記結像光学素子の光軸と前記受
   光素子の光軸とが一致しており、前記結像光学素子によ
   る集光位置が前記光軸上にあって前記可動ミラーの動き
   に応じ前記光軸に沿って可変となっていることを特徴と
   する光学装置。
5. 【請求項５】 前記透明基板の一方の面に前記発光又は
   受光素子を固定し、圧電効果による前記駆動手段で変形
   させられる薄膜状の前記光反射面を前記発光又は受光素
   子に対向させて可動ミラーに形成し、前記透明基板の反
   対面に前記結像光学素子を設けたことを特徴とする請求
   項１、２、３又は４に記載の光学装置。
6. 【請求項６】 前記透明基板の一方の面に前記発光又は
   受光素子を固定し、圧電効果による前記駆動手段で支持
   された変位可能な前記光反射面を前記発光又は受光素子
   に対向させて可動ミラーに形成し、前記透明基板の反対
   面に前記結像光学素子を設けたことを特徴とする請求項
   ３又は４に記載の光学装置。
7. 【請求項７】 前記透明基板の一方の面に前記発光又は
   受光素子を固定し、可動ミラーに前記発光又は受光素子
   に対向させて前記光反射面を形成し、当該光反射面に形
   成した電極と当該電極と対向する別な電極によって静電
   力による前記駆動手段を構成し、前記透明基板の反対面
   に前記結像光学素子を設けたことを特徴とする請求項
   １、２、３又は４に記載の光学装置。