JP5892310B2

JP5892310B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JP5892310B2
Application number: JP2011239053A
Authority: JP
Inventors: 文紀兵藤; 廉士澤田; 誠橋爪; 範明石河
Original assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: JP2013097137A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を利用した光走査装置に関する。

従来、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビームなどを走査する光走査装置が、例えば、レーザプリンタやバーコードリーダなどの光学機器に使用されている。光走査装置の一例として、ＭＥＭＳ技術を用いて成形される可動構造体を有するマイクロスキャナが挙げられる。マイクロスキャナとしては、２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次元マイクロスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された２次元マイクロスキャナは、ヒンジ部によって支持された２つのスキャニングミラーを備えている。２つのスキャニングミラーは、互いに直交したＸ軸およびＹ軸をそれぞれの回転軸として静電気力によって回転駆動される。この２次元マイクロスキャナでは、第１のスキャニングミラーで反射した光を、平面の固定鏡で反射させて、第２のスキャニングミラーに入射させている。ヒンジ部による支持軸を回転軸とする２つのスキャニングミラーを、静電気力によって回転制御することにより、２次元走査が可能となる。

特開平１１−７２４３１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、第１のスキャニングミラーでＸ軸方向にスキャンされた光を平面の固定鏡で反射させて第２のスキャニングミラーへ入射させるので、第２のスキャニングミラーは第１のスキャニングミラーによるＸ軸方向のスキャン幅に対応可能なサイズを確保する必要がある。そのため、光走査装置全体の小型化が困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、全体の小型化を可能とする光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の光走査装置は、被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第１の反射面を有し、該第１の反射面で反射する照射光を第１の軸方向に走査するように前記第１の反射面を回転駆動させる第１のマイクロスキャナと、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第１の反射面に集光点が設定された第１の固定鏡と、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第１のマイクロスキャナと干渉しない位置に集光点が設定され、前記第１の固定鏡と平行光の光軸が一致する第２の固定鏡と、前記第２の固定鏡の集光点に配置された第２の反射面を有し、前記第２の固定鏡から前記第２の反射面に入射して反射する照射光を第１の軸方向と異なる第２の軸方向に走査するように前記第２の反射面を回転駆動させる第２のマイクロスキャナと、を有することを特徴とする。

この光走査装置によれば、第１の固定鏡と第２の固定鏡との間では平行光となるので、第１の固定鏡と第２の固定鏡との間隔を容易に調整できるとともに、第２の固定鏡の集光点に第２のマイクロスキャナにおける第２の反射面が配置されていることから、第２の固定鏡から第２の反射面に入射する照射光は、必ず第２の反射面上の同一集光点に入射し、第２のマイクロスキャナのサイズを小型化できる。

さらに、上記光走査装置において、前記第１のマイクロスキャナおよび前記第２のマイクロスキャナは、同一のチップ上に形成されていることが考えられる。これにより、光学系（第１のマイクロスキャナ、第２のマイクロスキャナおよび固定鏡など）の位置合わせが容易となる。

本発明によれば、光走査装置全体の小型化が可能となる。

第１の実施の形態に係る光走査装置を示す断面模式図である。第１の実施の形態に係る光走査装置を示す斜視図である。第２の実施の形態に係る光走査装置を示す断面模式図である。第２の実施の形態に係る光走査装置を示す斜視図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る光走査装置を示す断面模式図である。図２は、図１に示す光走査装置を一部簡略化して示す模式的な斜視図である。

光走査装置１は、マイクロスキャナ１０，２０を備えている。マイクロスキャナ１０，２０は、下部基板３０にＭＥＭＳ技術を用いて加工して作製されたＭＥＭＳ素子である。図２に示すように、光走査装置１は、上面視で１辺が数ｍｍ程度の略正方形または略矩形である直方体状の素子である。

一方のマイクロスキャナ１０は、下部基板３０の矩形開口部１１に配置された揺動部１２、揺動部１２の一方の面に形成された反射面１３、揺動部１２を支持する一対のトーションバー１４を含んで構成される。下部基板３０の片側半面領域に凹部状の矩形開口部１１が形成されている。矩形開口部１１の中央に、反射面１３が下部基板３０の上面と同一面となるように揺動部１２が配置されている。揺動部１２は、第２の軸方向（図２参照）の両側部に第２の軸方向に伸びる一対のトーションバー１４の一端部が結合（一体形成）されている。トーションバー１４の他端部は、第１の軸方向に延伸して対向する矩形開口部１１の内側面に結合されている。このように、揺動部１２は、矩形開口部１１内の空間内に、一対のトーションバー１４を介して下部基板３０に揺動可能に支持されていて、一対のトーションバー１４をねじり回転軸として第１の軸方向に揺動可能になっている。

もう一方のマイクロスキャナ２０は、下部基板３０のもう一方の片側半面領域に形成されており、上記マイクロスキャナ１０と同様に、下部基板３０の矩形開口部２１に配置された揺動部２２、揺動部２２の一方の面に形成された反射面２３、揺動部２２を支持する一対のトーションバー２４を含んで構成される。揺動部２２は、第２の軸方向とは直交する第１の軸方向（図２参照）の両側部に第１の軸方向に伸びる一対のトーションバー２４の一端部が結合（一体形成）されている。トーションバー２４の他端部は、第２の軸方向に延伸して対向する矩形開口部１１の内側面に結合されている。これにより、揺動部２２は、一対のトーションバー２４をねじり回転軸として、一方のマイクロスキャナ１０とは異なる第２の軸方向に揺動可能になっている。なお、揺動部１２と揺動部２２の揺動方向（第１の軸方向および第２の軸方向）は、２つのマイクロスキャナ１０，２０の走査方向となるが、第１の軸方向と第２の軸方向とは必ずしも直交している必要は無い。

マイクロスキャナ１０，２０における揺動部１２，２２を揺動させる構成としては、例えば、静電気力を利用する構成が適用できる。ただし、本発明は揺動部１２，２２を揺動させる構成はこれに限定されない。

図１に示すように、下部基板３０に対向して上部基板４０が配置されている。上部基板４０の下面には、マイクロスキャナ１０，２０に対向して、固定鏡５０が設けられている。固定鏡５０は、入射側と出射側の双方に集光点を有する凹面鏡であり、一方の集光点が一方のマイクロスキャナ１０における反射面１３上の照射光位置に設定され、他方の集光点がもう一方のマイクロスキャナ２０における反射面２３上の照射光位置に設定されている。図２には、上部基板４０を省略している。また、図１および図２には、被写体に照射する照明光を発生するための発光部が図示されていないが、発光部で発生した照明光を不図示の導光光学系を介して一方のマイクロスキャナ１０における反射面１３へ入射する。また、被写体を光走査した際に被写体から反射される反射光を検出する検出光学系も図示を省略している。

次に、上記のように構成された光走査装置１の動作について説明する。
発光部で生成された照射光（例えば光ビーム）は、導光光学系を介して所定の角度でマイクロスキャナ１０における反射面１３の照射光位置に入射する。マイクロスキャナ１０は、反射面１３の照射光位置に入射した照射光を固定鏡５０へ向けて所定角度で反射する。照射光を第１の軸方向に走査する場合、揺動部１２に結合した一対のトーションバー１４をねじり回転軸として、この回転軸に沿って揺動部１２を回転駆動させる。反射面１３で反射した照射光は、固定鏡５０に入射するが、揺動部１２を第１の軸方向に回転駆動させることで反射角が異なるため、固定鏡５０への入射位置が変化する（図１，２参照）。固定鏡５０は照射光の入射位置が変化するが、マイクロスキャナ２０の反射面２３が他方の集光点に設定されているため、固定鏡５０の異なる位置で反した反射光は、必ず反射面２３上の同一集光点に入射する。マイクロスキャナ２０は、固定鏡５０から反射面２３に入射した照射光を被写体側へ反射する。照射光を第１の軸方向と異なる第２の軸方向に走査する場合、揺動部２２に結合した一対のトーションバー２４をねじり回転軸として、この回転軸に沿って揺動部２２を回転駆動させる。反射面２３で反射した照射光は被写体に照射されるが、第１および第２の軸方向に光走査することで、被写体平面６０が２次元走査される。２次元走査される被写体平面６０の面積および位置は、マイクロスキャナ１０による第１の軸方向への走査幅およびマイクロスキャナ２０による第２の軸方向への走査幅によって調節される。

なお、光走査された被写体からの反射光（または透過光）は、検出光学系を介して取り出されて撮像素子上に投影される。検出光学系が被写体からの反射光を取り出す位置が、マイクロスキャナ１０よりも光源側であれば、被写体からの反射光は照射光が通過した光路を逆戻りして途中で分岐される。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る光走査装置１によれば、固定鏡５０を入射側と出射側の双方に集光点を有する凹面鏡で構成し、一方の集光点に一方のマイクロスキャナ１０の反射面１３を配置し、他方の集光点にもう一方のマイクロスキャナ２０の反射面２３を配置したので、マイクロスキャナ１０による第１の軸方向の走査幅にかかわらず、マイクロスキャナ２０における反射面２３の一箇所に照射光を入射でき、マイクロスキャナ２０を小型化でき、光走査装置１全体の小型化が実現できる。また、マイクロスキャナ１０，２０は、同一基板上に形成されているため、光学系（マイクロスキャナ１０，２０および固定鏡５０など）の位置合わせが容易となる。さらに、光走査装置１全体の小型化の実現により、ウェーハあたりのチップ数が増加するため、光走査装置１の低コスト化を実現できる。

また、マイクロスキャナ２０における反射面２３のサイズを小さくすることができるため、例えば、静電気力により揺動部２２を揺動させる場合には、その駆動電圧を下げることが可能となる。さらに、揺動部２２の重量が低減されることにより、揺動部２２の駆動制御が容易となり、また、高速駆動が可能となる。

（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態に係る光走査装置について、図３および図４に基づいて説明する。図３は、第２の実施の形態に係る光走査装置２を示す断面模式図であり、図４は、図３に示す光走査装置を一部簡略化して示す模式的な斜視図である。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態に係る光走査装置１と共通する構成については同一の符号を付与してその説明を省略し、第１の実施の形態で示した光走査装置１とは異なる構造について主に説明する。

図３に示すように、上部基板４０の下面に、マイクロスキャナ１０に対向して固定鏡５１が設けられ、マイクロスキャナ２０に対向して固定鏡５２が設けられている。固定鏡５１は、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射するように設計された放物線状の湾曲面を有する。固定鏡５１の集光点がマイクロスキャナ１０における反射面１３上の照射光位置に設定され、平行光の出射側にもう１つの固定鏡５２が配置されている。固定鏡５２は、固定鏡５１と同等の光学特性を有しており、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射するように設計された放物線状の湾曲面を有する。固定鏡５２の集光点がマイクロスキャナ２０における反射面２３上に設定され、平行光の出射側に上記した通り固定鏡５１が互いの光軸を合わせて配置されている。

次に、上記のように構成された光走査装置２の動作について説明する。
発光部から出力された照射光は、導光光学系を介して所定の角度でマイクロスキャナ１０における反射面１３に入射する。マイクロスキャナ１０は、反射面１３で反射する照射光を第１の軸方向に走査するように、揺動部１２を回転駆動させる。このとき、反射面１３で反射した照射光が固定鏡５１に入射するが、揺動部１２の傾斜角度に応じて固定鏡５１への入射位置が変化する。固定鏡５１は、集光点となる反射面１３から入射する照射光を入射位置にかかわらず下部基板３０に対して各光が同一角度（図示の例では平行）となるように反射する。固定鏡５１で反射した照射光は、固定鏡５２に入射する。マイクロスキャナ１０における揺動部１２が揺動することにより、固定鏡５２への照射光の入射位置は変化する（図３，４参照）が、固定鏡５２の集光点にマイクロスキャナ２０における反射面２３が配置されているので、固定鏡５２の各入射位置で反射される照射光は反射面２３上の同一位置に入射する。マイクロスキャナ２０は、固定鏡５２から反射面２３に入射して反射する照射光を、第１の軸方向と異なる第２の軸方向に走査するように、揺動部２２を回転駆動させる。反射面２３で反射した照射光は被写体に照射され、第１および第２の軸方向で構成される被写体平面６０が２次元走査される。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る光走査装置２によれば、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射するように設計された放物線状の湾曲面を有する固定鏡５１，５２を組み合わせ、固定鏡５１，５２間は平行光としてマイクロスキャナ１０，２０の反射面１３，２３に集光点を設定したので、マイクロスキャナ１０による第１の軸方向の走査幅に応じてマイクロスキャナ２０のサイズが拡大するのを防止でき、光走査装置２全体の小型化が実現できる。また、固定鏡５１，５２の間は平行光線が通過するため、固定鏡５１，５２の設置位置を任意に設定することができ、光走査装置全体の設計自由度が向上する。また、マイクロスキャナ１０，２０は、同一基板上に形成されているため、光学系（マイクロスキャナ１０，２０および固定鏡５０など）の位置合わせが容易となる。さらに、光走査装置１全体の小型化の実現により、ウェーハあたりのチップ数が増加するため、光走査装置１の低コスト化を実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

上記実施の形態においては、反射面１３，２３が上面視で略矩形形状である構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、反射面１３，２３は、円形など、他の形状であってもよい。

本発明は、レーザプリンタやバーコードリーダなどの光学機器の他、被検体に光を照射して、その組織の表面状態の光学的情報を得るイメージング装置や、組織内部の光学的情報を得る光ＣＴ装置などに利用することができる。

１，２光走査装置
１０マイクロスキャナ（第１のマイクロスキャナ）
２０マイクロスキャナ（第２のマイクロスキャナ）
１１，２１矩形開口部
１２，２２揺動部
１３，２３反射面
１４，２４トーションバー
３０下部基板
４０上部基板
５０固定鏡（凹面鏡）
５１固定鏡（第１の固定鏡）
５２固定鏡（第２の固定鏡）
６０被写体平面

Claims

被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第１の反射面を有し、該第１の反射面で反射する照射光を第１の軸方向に走査するように前記第１の反射面を回転駆動させる第１のマイクロスキャナと、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第１の反射面に集光点が設定された第１の固定鏡と、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第１のマイクロスキャナと干渉しない位置に集光点が設定され、前記第１の固定鏡と平行光の光軸が一致する第２の固定鏡と、前記第２の固定鏡の集光点に配置された第２の反射面を有し、前記第２の固定鏡から前記第２の反射面に入射して反射する照射光を第１の軸方向と異なる第２の軸方向に走査するように前記第２の反射面を回転駆動させる第２のマイクロスキャナと、を有することを特徴とする光走査装置。
前記第１のマイクロスキャナおよび前記第２のマイクロスキャナは、同一のチップ上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。