JP6295042B2 - 光デバイス及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイス及び装置に関する。

レーザー光を光源として、スクリーン上に画像を表示するプロジェクタ等において、該光のコヒーレンス性（干渉性）により生じるスクリーン上のスペックル（不規則に発生する光のチラつきやギラつき）は、表示品位及び視認性を低下させることが知られている。

近年、様々な産業応用が進んでいる電気活性高分子（EAP :Electro Active Polymer）を、電気機械式アクチュエータに利用し、光学素子の駆動を緻密に制御することで、光学機器の性能を高めることが期待されている。EAPは、電位に対する応答速度が速い、軽量、低コスト等のメリットを有する。

光源からスクリーンまでの光経路上に配置される反射ミラーを、所定の振幅で振動又は回転させることにより、レーザー光の干渉性を抑制し、スペックルを除去する画質劣化低減装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

又、基板表層部に、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返し配列された溝を含むサブ波長構造体を、複数形成し、構造性複屈折作用を利用して多種のランダム偏光を発生させることで、スペックルを解消する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

又、ポリマー膜を挟み形成される電極間に発生する電位差に基づき、ポリマー膜をマクスウェル応力により鉛直方向に収縮させ、ポリマー膜に接する光素子を周期的に振動させることでスペックルを除去する光デバイスが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

ところで、光学素子の駆動を制御する電気機械式アクチュエータは、機械的に複雑であり、且つ重厚であるという問題がある。

特許文献１における画質劣化低減装置は、大型化し易い。

又、特許文献２における偏光解消素子は、スペックルの除去に十分なランダム偏光を発生させることができない。

又、特許文献３における光デバイスにおいて、ポリマー膜の変位方向（鉛直方向）と光素子の振動方向とは略直交するため、該素子の駆動範囲は制限され易く、該素子を緻密に制御することは困難である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、駆動機構が簡素であり、且つスペックル除去に有効な光デバイスを提供することを目的とする。

本実施の形態の光デバイスは、電気活性高分子材料で形成される圧電素子と、前記圧電素子の一方の面のみに、前記圧電素子に接して形成され、異なる電位差を与えることが可能な２組以上の電極と、前記圧電素子に囲まれる光学素子と、を有し、前記電極と前記圧電素子との接触面は、同一平面上に存在し、前記光学素子は、前記接触面間の電位差に基づく前記圧電素子の伸縮に伴って、振動又は回転することを要件とする。

本実施の形態によれば、駆動機構が簡素であり、且つスペックル除去に有効な光デバイスを提供することができる。

実施の形態１に係る光デバイスの構成を例示する図である。 実施の形態１に係る光デバイスの構成を例示する図である。 実施の形態１に係る光デバイスの駆動を説明する図である。 電位と時間との関係を示すグラフである。 実施の形態２に係る光デバイスの構成を例示する図である。 実施の形態３に係る光デバイスの構成を例示する図である。 実施の形態４に係る光デバイスの構成を例示する図である。

以下、図面及び表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、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
［光デバイスの構成］
本実施の形態に係る光デバイスの構成の一例について説明する。

図１に示す様に、光デバイス１００は、圧電素子１０１（１０１ａ〜１０１ｄ）、光学素子１０２、電極１０３（１０３ａ〜１０３ｄ）、電極１０４（１０４ａ〜１０４ｄ）、外枠１０５を含む。外枠１０５は、圧電素子１０１の一部と接し、該圧電素子を支持している。

圧電素子１０１は、光学素子１０２を囲む様に形成される。複数の圧電素子により光学素子１０２を囲んでも良いし（図１参照）、単数の圧電素子により光学素子１０２を囲んでも良い。圧電素子１０１の平面形状は、特に限定されず、矩形状、円形状、正多角形状、多角形状、楕円形状等であっても良い。多角形状としては、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状等が挙げられる。圧電素子１０１は、少なくとも光学素子１０２に対して、振動又は回転を加えられる様な平面形状を有していれば良い。

各圧電素子（例えば、圧電素子１０１ａ）には、複数（２個以上）の電極（例えば、電極１０３ａ、電極１０４ａ）が形成されることが好ましい。これにより、各圧電素子に電位差を生じさせ、該素子を伸縮させることができるからである。複数の電極において、少なくとも１個の電極に対して正電位が印加され、少なくとも１個の電極に対して負電位が印加されることが好ましい。但し、各圧電素子（例えば、圧電素子１０１ａ）に形成される電極が、２個のみである場合には、一方の電極（例えば、電極１０３ａ）には正電位が印加され、他方の電極（例えば、電極１０４ａ）には負電位が印加される必要がある。

圧電素子１０１の材料としては、電気活性高分子材料を用いることが好ましい。電気活性高分子材料としては、例えば、誘電性エラストマー、電歪リラクサ強誘電体ポリマー、圧電性ポリマー、強誘電性高分子、静電収縮高分子、液晶高分子、イオン性ポリマー金属複合材、メカノケミカルポリマー、メカノケミカルゲル、イオン交換樹脂膜−金属錯体、高分子カーボンナノチューブ等が挙げられる。これらの材料を用いることで、電位に対する応答速度を速め、光デバイス１００の駆動信頼性を高めることができる。

電極１０３及び電極１０４は、圧電素子１０１に接して形成され、且つ圧電素子１０１との接触面が、同一平面上に存在する様に形成される。圧電素子１０１の一方の面のみに各電極を形成することで、圧電素子１０１は、水平方向に伸縮する。つまり、光学素子１０２を圧電素子１０１で囲み、圧電素子１０１における水平方向の伸縮を利用して光学素子１０２を駆動させることで、光学素子１０２の振動又は回転を緻密に制御することができる。又、圧電素子１０１の一方の面のみに各電極を形成することで、圧電素子１０１の他方の面（電極が形成されていない面）の自由度を高めることもできる。

本件の圧電素子は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の一般的な「一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理したもの」とは異なり、「延伸させることなく高電圧で分極処理したもの」である。このフィルムは、フィルムで構成する圧電素子１０１の一方の面のみに各電極を形成することで、圧電素子１０１が、水平方向に伸縮するという特徴を有する。

電極１０３及び電極１０４の材料としては、導電性の金属材料、または、導電性カーボンを用いることが好ましく、例えば、Ｃｕ（銅）等が挙げられる。

なお、電極１０３及び電極１０４に印加する電位は、外部に設置される電源回路（図示せず）等により供給することが可能である。圧電素子１０１の変位を考慮して、適宜電位を設定することが好ましい。

光学素子１０２は、駆動機構（圧電素子１０１、電極１０３、電極１０４）により駆動制御されることにより、振動又は回転する（詳細は後述する）。光学素子１０２の駆動が、駆動機構により緻密に制御されることで、光学素子１０２は、光強度、光の拡散角度等を高精度にホモジナイズすることができる。これにより、光デバイス１００は、スペックルを十分に除去できる程度に、レーザー光の干渉性を抑制することができる。

光学素子１０２の材料としては、誘電性材料、光透過性材料等を用いることが好ましく、例えば、合成石英、光学ガラス、プラスチック等が挙げられる。

ここで、駆動機構に含まれる圧電素子１０１の伸縮について図１及び図２を用いて説明する。圧電素子１０１は、外枠１０５に支持されるため、外枠１０５と接する部分は固定され、外枠１０５と接していない部分は変位する。

図２（Ａ）に、鎖線Ｘ１−Ｘ２（図１参照）の断面図を、図２（Ｂ）に、鎖線Ｙ１−Ｙ２（図１参照）の断面図を示す。

光デバイス１００において、電極１０３と圧電素子１０１との接触面（例えば、接触面ｓ１、接触面ｓ３）、及び電極１０４と圧電素子１０１との接触面（例えば、接触面ｓ２、接触面ｓ４）は、同一平面上に存在する。同一平面上に存在する接触面間（例えば、接触面ｓ１と接触面ｓ２との間）には、電位差が生じる。例えば、接触面ｓ１に、正電荷が帯電し、接触面ｓ２に、負電荷が帯電することで、接触面ｓ１と接触面ｓ２との間には、電位差が生じる。該接触面間の電位差に基づき、圧電素子１０１は伸縮する。例えば、図２において、圧電素子１０１ａは、矢印α方向に伸縮する。又、圧電素子１０１ｂは、矢印β方向に伸縮する。

変位（伸縮）方向について、図２では、圧電素子１０１を縮めたい場合、電極１０３に対して正電位を、電極１０４に対して負電位を印加している。又、圧電素子１０１を伸ばしたい場合、電極１０３に対して負電位を、電極１０４に対して正電位を印加している。しかしながら、伸縮方向と印加電位との関係は、圧電素子の性能、材質等により変化するため、特に限定されるものではない。

例えば、電極１０３ａに対して正電位を、電極１０４ａに対して負電位を印加すると、圧電素子１０１ａは、左端が外枠１０５に固定されているため矢印α'方向に縮む（図２（Ａ）参照）。又、例えば、電極１０３ｂに対して負電位を、電極１０４ｂに対して正電位を印加すると、圧電素子１０１ｂは、右端が外枠１０５に固定されているため矢印β'方向に伸びる（図２（Ｂ）参照）。

電位差が生じる方向と伸縮方向（矢印α（α'）方向又は矢印β（β'）方向）は、略一致する。従って、水平方向ｕにおける接触面ｓ１と接触面ｓ２との間、及び水平方向ｕにおける接触面ｓ３と接触面ｓ４との間付近に変位が発生する。

この際、圧電素子１０１ａ（１０１ｂ）の面ｖ１（ｖ２）には、接触面ｓ１（ｓ３）と接触面ｓ２（ｓ４）との間に生じる程の電位差は生じないため、比較的自由度が高くなる。つまり、圧電素子１０１ａ（１０１ｂ）は、厚さ方向（鉛直方向）ｗにおいても、変位を変化させることができる。駆動機構は、水平方向ｕ及び鉛直方向ｗにおける圧電素子１０１ａ（１０１ｂ）の変位に伴い光学素子１０２を振動又は回転させるため、高精度に光学素子１０２の駆動を制御できる。光学素子１０２の駆動は、各電極に印加される電位、電極が形成される位置等に依存するため、これらの条件を適宜調整し、圧電素子１０１ａ（１０１ｂ）に所望の変位を生じさせることが好ましい。

なお、圧電素子１０１は、図２（Ｃ）に示す様に、積層構造を有していても良い。電極１０３ａ及び電極１０４ａを介して、圧電素子１０１ａと圧電素子１０１ａ'とを積層しても良いし、電極１０３ｂ及び電極１０４ｂを介して、圧電素子１０１ｂと圧電素子１０１ｂ'とを積層しても良い。圧電素子を積層構造とすることで、素子強度を向上させることができる。又、圧電素子を積層構造とする場合、圧電素子を単層構造とする場合と比較して、鉛直方向ｗにおいて、広い範囲で圧電素子に変位を生じさせることができる。

本実施の形態に係る光デバイス１００によれば、簡素な駆動機構で、光学素子の振動又は回転を緻密に制御することで、スペックルを抑制できる。

本実施の形態に係る光デバイス１００は、プロジェクタをはじめとして、レーザープリンタ、露光装置、光ファイバ増幅器、分光器、レーザー計測装置、光ピックアップ装置、光学露光装置、光学測定機、偏光解析装置、偏波モード分散補償システム、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、位相差測定装置、レーザー加工装置、医療機器、マイクロマシン、等、レーザー光を光源とした様々な装置、及び光学機器に適用することが可能である。

［光学素子の振動及び回転］
図３及び図４を用いて、光学素子１０２の振動又は回転の一例について説明する。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に、光学素子１０２の振動の様子の一例を示す。図３（Ｄ）、図３（Ｅ）、図３（Ｆ）に、光学素子１０２の回転の様子の一例を示す。下記の説明において、図面の左から右へ向かう方向を右方向、図面の右から左へ向かう方向を左方向、として説明する。なお、図３に示す光デバイスは、図１に示す光デバイスと同一である。

図４は、電位差Ｖａ（電極１０３ａに印加する電位と電極１０４ａに印加する電位との電位差）及び電位差Ｖｂ（電極１０３ｂに印加する電位と電極１０４ｂに印加する電位との電位差）と、時間との関係を表すグラフの一例である。横軸は時間、縦軸は電位を表す。電位差Ｖａと電位差Ｖｂの周波数をずらし、電位の最大値を＋ｉ、電位の最小値を−ｊで固定している。なお、電位差Ｖａ及び電位差Ｖｂの周波数は、外部に設置される制御回路等により設定することが可能である。周波数を適宜選択、設定することで、光学素子１０２の振動又は回転における振幅や振動数等を制御できる。

図４に示すグラフにおいて、時刻ｔ１の状態が、図３（Ａ）の状態に対応する。又、時刻ｔ２の状態が、図３（Ｂ）の状態に対応する。又、時刻ｔ３の状態が、図３（Ｃ）の状態に対応する。又、時刻ｔ４の状態が、図３（Ｄ）の状態に対応する。又、時刻ｔ５の状態が、図３（Ｅ）の状態に対応する。又、時刻ｔ６の状態が、図３（Ｆ）の状態に対応する。

図３（Ａ）は、Ｖａ＝０、Ｖｂ＝０の場合である。この場合、圧電素子１０１は、伸縮しないため、光学素子１０２は、駆動しない。

図３（Ｂ）は、Ｖａ＝−ｊ、Ｖｂ＝＋ｉの場合である。この場合、圧電素子１０１ａは、右方向へ距離ｄ１だけ伸びる。又、圧電素子１０１ｂは、右方向へ距離ｄ２だけ縮む。この結果、光学素子１０２は、右方向へ移動する。

図３（Ｃ）は、Ｖａ＝＋ｉ、Ｖｂ＝−ｊの場合である。この場合、圧電素子１０１ａは、左方向へ距離ｄ２だけ縮む。又、圧電素子１０１ｂは、左方向へ距離ｄ１だけ伸びる。この結果、光学素子１０２は、左方向へ移動する。

時刻ｔ１の状態から時刻ｔ３までの状態（図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）の状態）を繰り返すことで、光学素子１０２を、左右方向に振動させることができる。

図３（Ｄ）は、０＜Ｖａ＜Ｖｂ＜＋ｉの場合である。この場合、圧電素子１０１ａは、左方向へ距離ｄ４だけ縮む。又、圧電素子１０１ｂは、左方向へ距離ｄ５だけ伸びる。この結果、光学素子１０２は、左方向へ大きく移動しながら、時計回り方向へ回転する。

図３（Ｅ）は、Ｖａ＝０、０＜Ｖｂ＜＋ｉの場合である。この場合、圧電素子１０１ｂは、左方向へ距離ｄ３だけ伸びる。この結果、光学素子１０２は、左方向へ小さく移動しながら、時計回り方向へ回転する。

図３（Ｆ）は、０＜Ｖａ＝Ｖｂ＜＋ｉの場合である。この場合、圧電素子１０１ａは、右方向へ距離ｄ６だけ伸びる。又、圧電素子１０１ｂは、左方向へ距離ｄ６だけ伸びる。この結果、光学素子１０２は、時計回り方向へ回転する。

時刻ｔ４の状態から時刻ｔ６までの状態（図３（Ｄ）、図３（Ｅ）、図３（Ｆ）の状態）を繰り返すことで、光学素子１０２を、任意の方向に回転させることができる。

光学素子１０２の振動は、左右方向の振動に限定されず、上下方向の振動、斜め方向の振動、円形状を描く様な振動、ランダムな方向の振動等、様々な振動が可能である。又、光学素子１０２の回転は、時計回り方向の回転に限定されず、反時計回り方向の回転、螺旋形状を描く様な回転、偏向回転等、様々な回転が可能である。高精度な駆動機構を利用して、光学素子１０２に高性能な光ホモジナイザー機能を付加することで、スペックル除去に有効な光デバイス１００を実現できる。

〈第２の実施の形態〉
本実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる光デバイス１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃについて図５を用いて説明する。電極間に生じる圧電素子の伸縮を矢印で表す。

単数の圧電素子１０１により、光学素子１０２を囲み、圧電素子１０１の平面形状を変化させた光デバイス１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃについて説明する。

例えば、図５（Ａ）に示す様に、圧電素子１０１の平面形状を円形状としても良い。電極１０３及び電極１０４の数は、多い方が好ましい。圧電素子１０１に接する多数の電極（電極１０３が１２個、電極１０４が８個）を同一平面上に形成することで、該平面上に、多くの電位差を生じさせ、圧電素子１０１の伸縮を緻密に制御できるからである。

又、例えば、図５（Ｂ）に示す様に、圧電素子１０１の平面形状を矩形状としても良い。この場合、圧電素子１０１の縁の部分（矩形の辺の内側の部分）に、電極（電極１０３４個、電極１０４が４個）を形成することで、圧電素子１０１の周囲を伸縮させることができる。

又、例えば、図５（Ｃ）に示す様に、圧電素子１０１の平面形状を六角形状としても良い。この場合、蜘蛛の巣を張り巡らせる様に、六角形の角部から中心部に向かって、電極（電極１０３が１２個、電極１０４が１２個）を形成しても良い。

圧電素子１０１の平面形状は、図５に示す平面形状に限定されない。光学素子１０２の駆動を緻密に制御できる様な平面形状を適切に選択すれば良い。

なお、圧電素子１０１の強度を保持できるのであれば、圧電素子１０１に単数又は複数の孔部を形成しても良い。圧電素子１０１に孔部を形成することで、圧電素子１０１の伸縮性を高めることができる。又、孔部を形成する位置を工夫することで、圧電素子１０１に電位を印加した際に発生する内部歪みの影響を低減できる。

本実施の形態に係る光デバイス１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃによれば、圧電素子１０１の伸縮を細分化又は局在化することで、光学素子の振動又は回転を、極めて緻密に制御することができる。従って、スペックル除去効果を一層高めた光デバイスを実現できる。

〈第３の実施の形態〉
本実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる光デバイス１００Ｄ、１００Ｅについて図６を用いて説明する。電極間に生じる圧電素子の伸縮を矢印で表す。

グラウンド（ＧＮＤ）を利用して、圧電素子１０１に電位差を生じさせた光デバイス１００Ｄ、１００Ｅについて説明する。

図６（Ａ）において、図面上側角部に形成される電極２０３に正電位が印加され、図面下側角部に形成される電極２０４に負電位が印加される。又、電極２０３ａと電極２０４ａとの間に形成される電極２０６の電位をＧＮＤとする。又、電極２０３ｂと電極２０４ｂとの間に形成される電極２０５の電位をＧＮＤとする。

圧電素子１０１は、電極２０３ａと電極２０６との間、電極２０６と電極２０４ａとの間、電極２０３ｂと電極２０５との間、電極２０５と電極２０４ｂとの間で図面上下方向（縦方向）に伸縮する。

図６（Ｂ）において、電極２０５に正電位が印加され、電極２０６に負電位が印加される。又、光学素子１０２の周りの電位をＧＮＤとする。

圧電素子１０１は、光学素子１０２の左端と電極２０６との間、光学素子１０２の右端と電極２０５との間で図面左右方向（横方向）に伸縮する。

即ち、電極２０３、電極２０４、電極２０５、電極２０６に印加する電位を、図６（Ａ）の場合と、図６（Ｂ）の場合とで、交互に切り替えることにより、圧電素子１０１における、縦方向の伸縮と横方向の伸縮を、交互に切り替えることができる。又、ＧＮＤを利用して、電極間に生じる電位差を細分化することで、圧電素子１０１の同一平面上に、多くの電位差を生じさせ、圧電素子１０１の伸縮を緻密に制御することが容易になる。

なお、図６では、光デバイス１００Ｄ、１００Ｅが、２個の孔部１０６を含む構成を一例として示しているが、孔部１０６の数は、特に限定されない。圧電素子１０１の強度を考慮して、孔部１０６の数を増やすことで、圧電素子１０１の伸縮性を高めることが可能である。又、孔部１０６を形成する位置を工夫することで、圧電素子１０１の内部歪みを低減させることができる。

本実施の形態に係る光デバイス１００Ｄ、１００Ｅによれば、各電極に印加する電位を工夫することで、伸縮方向を瞬時に切り替えることができる。従って、スペックル除去効果を一層高めた光デバイスを実現できる。

〈第４の実施の形態〉
本実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる光デバイス１００Ｆについて図７を用いて説明する。

縦方向の伸縮を生じる圧電素子３０１及び圧電素子３０２と、横方向の伸縮を生じる圧電素子３０３及び圧電素子３０４とを個別に形成し、光学素子１０２の振動又は回転を制御する光デバイス１００Ｆについて説明する。

圧電素子３０１は、電極４０３ａと電極４０４ａとの間に生じる電位差に基づき、矢印１方向（縦方向）に伸縮する。又、圧電素子３０２は、電極４０３ｂと電極４０４ｂとの間に生じる電位差に基づき、矢印１方向（縦方向）に伸縮する。又、圧電素子３０３は、電極４０３ｃと電極４０４ｃとの間に生じる電位差に基づき、矢印２方向（横方向）に伸縮する。又、圧電素子３０４は、電極４０３ｄと電極４０４ｄとの間に生じる電位差に基づき、矢印２方向（横方向）に伸縮する。

圧電素子３０１、３０２、３０３、３０４の伸縮により、光学素子１０２は、矢印３方向に回転（偏心回転）する。光学素子１０２と、圧電素子３０１、３０２、３０３、３０４とは非接触であり、且つ、各圧電素子は非接触である。従って、光学素子１０２が偏心回転する際、各圧電素子に対して、ねじれの力がかかることがない。

各圧電素子にねじれの力がかからないため、各圧電素子がねじれる（内部歪みが生じる）ことで出現する各圧電素子の発電作用を抑え、各圧電素子のエネルギー使用効率を高めることができる。又、各圧電素子の耐久性を向上させることができる。

本実施の形態に係る光デバイス１００Ｆによれば、各圧電素子（圧電素子３０１、３０２、３０３、３０４）の性能を最大限に活用することで、高精度に光学素子１０２の駆動を制御することができる。従って、スペックル除去効果を一層高めた光デバイスを実現できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１００ 光デバイス
１０１ 圧電素子
１０２ 光学素子
１０３ 電極
１０４ 電極
１０６ 孔部

特開２００５−２５０４７３号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報 特開２０１２−５１４７６４号公報

Claims (7)

1. 電気活性高分子材料で形成される圧電素子と、
   前記圧電素子の一方の面のみに、前記圧電素子に接して形成され、異なる電位差を与えることが可能な２組以上の電極と、
   前記圧電素子に囲まれる光学素子と、を有し、
   前記電極と前記圧電素子との接触面は、同一平面上に存在し、
   前記光学素子は、前記接触面間の電位差に基づく前記圧電素子の伸縮に伴って、振動又は回転する、光デバイス。
2. 少なくとも一つの前記電極には正電位が印加され、少なくとも一つの前記電極には負電位が印加される
   請求項１記載の光デバイス。
3. 前記圧電素子は、円形状である
   請求項１又は２記載の光デバイス。
4. 前記圧電素子は、多角形状である
   請求項１又は２記載の光デバイス。
5. 前記圧電素子は、複数の孔部を含む
   請求項１乃至４の何れか一項記載の光デバイス。
6. 前記圧電素子は、複数である
   請求項１乃至５の何れか一項記載の光デバイス。
7. 請求項１乃至６の何れか一項記載の光デバイスを搭載し、レーザー光を光源とする装置。

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