JP6449728B2 - 光学装置及び光スイッチ - Google Patents
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Description
本発明は、光学素子がヒータ基板に樹脂層を介在して固定される光学装置、及びこれを備えた光スイッチに関する。
従来から、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechnical System）ミラー素子等の光学素子を用いた光スイッチが存在する（例えば、特許文献１及び２参照）。ＬＣＯＳ素子やＭＥＭＳミラー素子は、反射光の角度を制御する機能を有する空間光変調素子である。
ここで、ＬＣＯＳ素子のスイッチング速度を速めるためには、ＬＣＯＳ素子を高温（常温よりも高い温度）で使用するのが望ましいことが知られている。このため、ＬＣＯＳ素子を備えた光スイッチにおいては、ＬＣＯＳ素子をヒータ基板に樹脂層を介在させて固定し、このヒータ基板を用いてＬＣＯＳ素子を加熱する構成が採用されることがある。
ところで、ＬＣＯＳ素子をヒータ基板に樹脂層を介在させて固定する場合、ＬＣＯＳ素子と対向するヒータ基板の表面（樹脂層との境界面）にうねり、異物、傷等による凹凸が存在すると、この凹凸に沿ってＬＣＯＳ素子が歪んでしまうことがある。特に、ＬＣＯＳ素子の中央領域がヒータ基板の上記凹凸の影響を受けやすい。これについて説明する。
ＬＣＯＳ素子は、膨張係数が異なる異種材料を積層することにより構成されているため、しばしば、入射面の中央が窪むように球面形状に湾曲している。そのため、図５に示すように、球面形状に湾曲したＬＣＯＳ素子３０を樹脂層４０を介してヒータ基板２０に固定した従来の光学装置１００では、ＬＣＯＳ素子３０の中央領域における樹脂層４の層厚が小さい（薄い）ため、ＬＣＯＳ素子３０の中央領域がヒータ基板２０の上記凹凸に沿って歪み易い。ＬＣＯＳ素子３０のアクティブ領域（液晶層が形成された領域）は、通常、ＬＣＯＳ素子３０の中央領域に配置される。このため、ＬＣＯＳ素子３０の中央領域における歪みは、その光学性能の低下を帰結する。ＬＣＯＳ素子３０の中央領域における歪みが大きい場合には、所望の角度に反射光を出射させる制御が行えなくなるといった事態も生じ得る。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータ基板の表面に凹凸が存在しても、光学性能の大幅な低下を生じることのない光学装置を実現することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係る光学装置は、光学素子と、当該光学素子を加熱するヒータ基板と、当該光学素子と当該ヒータ基板とに介在した樹脂層と、を備えた光学装置において、前記光学素子の中央領域での前記樹脂層の層厚は、前記光学素子の周縁領域での前記樹脂層の層厚よりも大きいことを特徴としている。
上記構成によると、光学素子の中央領域での樹脂層の層厚が、光学素子の周縁領域での樹脂層の層厚よりも大きいため、光学素子と対向するヒータ基板の表面（樹脂層との境界面）に、うねり、異物、傷等により凹凸が生じていたとしても、光学素子の中央領域は、その影響を周縁領域よりも受けにくい。つまり、光学素子の中央領域では、層厚が大きい（厚い）樹脂層によりヒータ基板の上記凹凸の影響が吸収されるため、この凹凸に沿って光学素子の中央領域が歪むことを抑制することができる。
ここで、大概の光学素子において、光学的な機能を担うアクティブ領域は、光学素子の周縁領域には存在せず、光学素子の中央領域に存在する。このため、光学素子の中央領域に生じた歪みは、光学性能の低下を帰結する。これに対して、本発明に係る光学装置では、光学素子の中央領域に歪みが生じ難いので、光学性能の大幅な低下を回避することができる。
さらに、上記構成によると、光学素子の周縁領域では樹脂層の層厚が中央領域での樹脂層の層厚よりも小さくなっていることで、樹脂層を光学素子の全領域において厚くする場合よりも、ヒータ基板からの熱を光学素子に伝えやすい。すなわち、ヒータ基板から光学素子への熱供給を阻害することなく、光学性能の大幅な低下を回避することができる。
また、本発明に係る光学装置は、上記構成に加え、前記ヒータ基板の前記光学素子に対向する面に形成された凹部により、前記光学素子の中央領域での前記樹脂層の層厚が、前記光学素子の周縁領域での前記樹脂層の層厚よりも大きくなっているのが好ましい。
上記構成によると、ヒータ基板の光学素子に対向する面に凹部を形成するという容易な方法にて、光学素子の中央領域での樹脂層の層厚を、光学素子の周縁領域での樹脂層の層厚よりも大きくすることができる。
また、本発明に係る光学装置では、上記構成に加え、前記中央領域での前記樹脂層の層厚は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
ヒータ基板のうねり、異物、傷等による凹凸は、通常、１０μｍ以上１００μｍ以下である。そのため、その上に積層する樹脂層の層厚が１０μｍ以上１００μｍ以下であると、その樹脂層により十分にヒータ基板の凹凸を吸収できるので、光学素子の性能低下をより有効に回避することができる。
また、本発明に係る光学装置では、上記構成に加え、前記光学素子は、前記中央領域にアクティブ領域が設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、光学素子のアクティブ領域に歪みが生じ難いので、光学素子の性能低下をより有効に回避することができる。
また、本発明に係る光学装置では、上記構成に加え、前記光学素子は、異種材料を積層することにより構成された光学素子、例えば、ＬＣＯＳ素子であってもよい。
異種材料が積層されたＬＣＯＳ素子等の光学素子では、各層の膨張係数の違いにより湾曲することが多い。光学素子が湾曲すると、中央領域が周辺領域に比べてヒータ基板の表面に近づくため、光学素子の中央領域においてヒータ基板の凹凸に沿った歪みが生じやすくなる。これに対して、本発明に係る光学装置では、光学素子の中央領域での樹脂層の層厚が、周縁領域での樹脂層の層厚よりも大きいため、光学素子の中央領域においてヒータ基板の凹凸に沿った歪みが生じ難くなる。よって、上記構成によると、異種材料を積層することにより構成されたＬＣＯＳ等の光学素子の性能低下を有効に回避することができる。
また、本発明に係る光学装置では、上記構成に加え、前記樹脂層の層厚は、前記周縁領域から前記中央領域まで連続的に大きくなっていることが好ましい。
また、本発明に係る光学装置では、前記樹脂層の層厚は、前記周縁領域から前記中央領域まで段階的に大きくなっていることが好ましい。
また、本発明に係る光スイッチは、上記いずれかの本発明に係る光学装置を備えていることを特徴としている。
上記構成によると、性能が保証された光スイッチを提供することが可能となる。
本発明によると、ヒータ基板の表面に凹凸が存在しても、光学性能の大幅な低下を生じることのない光学装置を実現することができる。
〔実施の形態〕
本発明を実施するための形態について図を参照に以下に説明する。本実施の形態では、光学素子として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子３を備えた光学装置１０について説明する。
本発明を実施するための形態について図を参照に以下に説明する。本実施の形態では、光学素子として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子３を備えた光学装置１０について説明する。
（光学装置の構成）
図１の（ａ）は、本実施の形態の光学装置１０を示す断面図である。光学装置１０は、図１の（ａ）に示すように、ＬＣＯＳ素子３、ヒータ基板２、及びこれらの間に介在する樹脂層４を備える。
図１の（ａ）は、本実施の形態の光学装置１０を示す断面図である。光学装置１０は、図１の（ａ）に示すように、ＬＣＯＳ素子３、ヒータ基板２、及びこれらの間に介在する樹脂層４を備える。
ＬＣＯＳ素子３は、反射光の角度を制御する機能を有する空間光変調素子であり、液晶層３ａを挟み込むようにシリコン層３ｂにガラス層３ｃを積層することにより構成されている。このように、ＬＣＯＳ素子３は、膨張係数の異なるシリコン層３ｂとガラス層３ｃとが積層された構成であるため、図１の（ａ）に示すように、入射面の中央が窪むように球面形状に湾曲し易い。
シリコン層３ｂは、ＬＣＯＳ素子３を駆動するための駆動回路をシリコン基板に形成したものであり、液晶層３ａとの境界面がミラー状に形成されている。液晶層３ａは、ＬＣＯＳ素子３の受光部であり、液晶に加え、配向膜等を有している。ＬＣＯＳ素子３において液晶層３ａが存在する領域がアクティブ領域として機能する。ＬＣＯＳ素子３は、液晶層３ａに印加される電圧の変化に応じて、液晶の配向を変化させ、液晶層３ａへ入射してきた光の反射角度を変更する。つまり、電圧を制御することで、反射角度を制御することができる。
ヒータ基板２は、加熱（加温）装置であり、本実施形態では、セラミック材から成るヒータ基材に加熱回路（図示せず）および温度制御回路（図示せず）が設けられたセラミックヒータを用いる。ヒータ基材に用いられるセラミック材としては、例えば、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素、チタン酸バリウムが挙げられる。また、ヒータ基材として、例えば、銅、鉄、ＳＵＳ、ＮＣＦを用いることもできる。
ＬＣＯＳ素子３をヒータ基板２にて加熱して（例えば、６０℃）使用することで、液晶の配向速度を、常温よりも速めることができる。よって、光学装置１０を後述の様に光スイッチ として用いた場合に、スイッチング速度を速めることができる。
図２の（ａ）は、ヒータ基板２の上面図、（ｂ）はヒータ基板の断面図である。ヒータ基板２は、図２の（ａ）及び（ｂ）示すように、ＬＣＯＳ素子３に対向する面に凹部２４が形成されており、中央が窪んだすり鉢状に形成されている。
ＬＣＯＳ素子３およびヒータ基板２は、例えば、ワイヤボンディングによって電極端子（図示せず）と接続し、外部との導通を取るが、公知技術を利用できるため、説明は省略する。
樹脂層４は、ＬＣＯＳ素子３をヒータ基板２に固定するための層であり、樹脂から成る。樹脂層４に用いる樹脂としては、ヒータ基板２の熱をＬＣＯＳ素子３に効率よく伝えるために、熱伝導性がよいものであって、かつ、ヒータ基板２の熱により劣化され難いものが好ましい。例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等が好適に用いられる。これらの樹脂は、熱硬化によってＬＣＯＳ素子３をヒータ基板２に固定する。
ここで、図１の（ａ）を見て分かるように、光学装置１０では、ＬＣＯＳ素子３の中央領域での樹脂層４の層厚は、ＬＣＯＳ素子３の周縁領域での樹脂層４の層厚よりも大きくなっている。そのため、図３に示すように、ヒータ基板２の表面（樹脂層４との境界面）に、うねり、異物、傷等により凹凸が生じていたとしても、ＬＣＯＳ素子３の中央領域は、その影響を周縁領域よりも受けにくい。つまり、ＬＣＯＳ素子３の中央領域では、層厚が大きい（厚い）樹脂層４によりヒータ基板２の上記凹凸の影響が吸収されるため、この凹凸に沿ってＬＣＯＳ素子３の中央領域が歪むことを抑制することができる。ここで、ＬＣＯＳ素子３の中央領域にはアクティブ領域が存在しているが、上記凹凸に沿った歪みは抑制されているので、光学性能の大幅な低下を回避することができる。
さらに、ＬＣＯＳ素子３の周縁領域では樹脂層４の層厚が中央領域での樹脂層の層厚よりも小さくなっていることで、樹脂層４をＬＣＯＳ素子３の全領域において厚くする場合よりも、ＬＣＯＳ素子３の機能性を向上させるためのヒータ熱をＬＣＯＳ素子３に伝えやすい。すなわち、ヒータ基板２からＬＣＯＳ素子３への熱供給を阻害することなく、光学性能の大幅な低下を回避することができる。
ところで、ヒータ基板２のうねり、異物、傷等による凹凸は、多くは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。そのため、その上に積層する樹脂層４の層厚が、１０μｍ以上１００μｍ以下であると、十分にヒータ基板の凹凸を吸収でき、光学素子の性能を保証することができる。
さらに、本実施の形態では、樹脂層４の層厚は、ＬＣＯＳ素子３の周縁領域から中央領域まで連続的に大きくなっている。
以上から分かるように、光学装置１０では、ＬＣＯＳ素子３の中央領域に歪みが生じ難いので、光学性能の大幅な低下を回避することができる。よって、ＬＣＯＳ素子３の性能が保証された高品質の光学装置１０を実現することができる。
光学装置１０は、例えば、図１の（ｂ）に示すように、パッケージ（筐体）２１に収容されて光スイッチ２３として使用される。図１の（ｂ）に例示するパッケージ２１には、光学ガラスが嵌められた光学窓２２が設けられており、この光学窓から光学装置１０に対して光を入射させ、反射させる。このようなパッケージは、収容される光学装置の種類や用途に応じて、従来公知のものを用いることができる。そのため、説明は省略する。また、光スイッチ２３の使用方法についても、従来公知の技術を利用できるため、説明を省略する。
（光学装置の製造方法）
まず、板状のセラミック材を、図２の（ｂ）に示すように、周囲から中央に向かって窪むように、すなわち、すり鉢状になるように、切削加工しヒータ基材を形成する。このように形成されたヒータ基材に、加熱回路及び温度制御回路を配置し、ヒータ基板２を形成する。
まず、板状のセラミック材を、図２の（ｂ）に示すように、周囲から中央に向かって窪むように、すなわち、すり鉢状になるように、切削加工しヒータ基材を形成する。このように形成されたヒータ基材に、加熱回路及び温度制御回路を配置し、ヒータ基板２を形成する。
上記の様に形成したヒータ基板２上に樹脂を塗布し、その上にＬＣＯＳ素子３を搭載して樹脂を熱硬化させる。熱により硬化された樹脂が樹脂層４として形成される。
以下に、光学装置１０の変形例について説明する。
（変形例１）
図４の（ａ）は、光学装置１０の変形例である光学装置１０の断面図である。光学装置１０ａは、図４の（ａ）に示すように、ヒータ基板２ａの形状がヒータ基板２と異なっている。ヒータ基板２ａの形状以外の構成は、光学装置１０と同様である。
図４の（ａ）は、光学装置１０の変形例である光学装置１０の断面図である。光学装置１０ａは、図４の（ａ）に示すように、ヒータ基板２ａの形状がヒータ基板２と異なっている。ヒータ基板２ａの形状以外の構成は、光学装置１０と同様である。
ヒータ基板２ａは、図４の（ａ）に示すように、樹脂層４との境界面において、中央領域が周縁領域よりも一段低く窪んだ形状である。言い換えれば、中央領域よりも周縁領域が一段高い形状、あるいは、周縁領域に枠部が形成された形状である。
（変形例２）
図４の（ｂ）は、光学装置１０の別の変形例である光学装置１０ｂの断面図である。光学装置１０ｂは、図４の（ｂ）に示すように、ヒータ基板２ｂの形状がヒータ基板２と異なっている。ヒータ基板２ｂの形状以外の構成は、光学装置１０と同様である。
図４の（ｂ）は、光学装置１０の別の変形例である光学装置１０ｂの断面図である。光学装置１０ｂは、図４の（ｂ）に示すように、ヒータ基板２ｂの形状がヒータ基板２と異なっている。ヒータ基板２ｂの形状以外の構成は、光学装置１０と同様である。
ヒータ基板２ｂは、図４の（ｂ）に示すように、樹脂層４との境界面において、中央領域が周縁領域よりも１段低い形状であり、段差に傾斜が設けられている形状である。ヒータ基板２ｂは、段差は１段であるが、複数段であっても構わない。
（変形例３）
図４の（ｃ）は、光学装置１０のさらに別の変形例である光学装置１０ｃの断面図である。光学装置１０ｃは、図４の（ｃ）に示すように、ヒータ基板２ｃの形状がヒータ基板２と異なっている。ヒータ基板２ｂの形状以外の構成は、光学装置１０と同様である。
図４の（ｃ）は、光学装置１０のさらに別の変形例である光学装置１０ｃの断面図である。光学装置１０ｃは、図４の（ｃ）に示すように、ヒータ基板２ｃの形状がヒータ基板２と異なっている。ヒータ基板２ｂの形状以外の構成は、光学装置１０と同様である。
ヒータ基板２ｃは、図４の（ｃ）に示すように、樹脂層４との境界面において、樹脂層４との境界面において、周縁領域から中央領域まで段階的に窪んだ形状である。なお、段数の限定はない。ヒータ基板２ｃが周縁領域から中央領域まで段階的に窪んでいるため、樹脂層の層厚は、前記周縁領域から前記中央領域まで段階的に大きくなっている。
これら変形例の光学装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおいても、ＬＣＯＳ素子３の中央領域での樹脂層４の層厚が、周縁領域での樹脂層４の層厚よりも大きくなっている。そのため、ヒータ基板２ａ，２ｂ，２ｃの表面に凹凸が存在しても、ＬＣＯＳ素子３の中央領域に歪みが生じ難いので、光学性能の大幅な低下を回避することができる。よって、ＬＣＯＳ素子３の性能が保証された高品質の光学装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃを実現することができる。
これら変形例の光学装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃの製造方法では、板状のセラミック材の中央領域を切削加工してヒータ基材を形成しても、板状のセラミック材に枠状のセラミック材を積み上げる（変形例３では複数の異なる枠状セラミック材を積み上げる）成形加工にて、ヒータ基材を形成してもよい。なお、枠状のセラミック材は、円状でも多角形状であってもよい。変形性１及び２では、枠状のセラミック材が１つであるため加工し易い。
上記した実施の形態及びその変形例では、光学素子としてＬＣＯＳ素子を備えた光学装置について説明した。しかしながら、本発明に係る光学装置が備える光学素子は、これに限定されない。すなわち、本発明に係る光学装置が備える光学素子は、ヒータ基板と共に用いられる光学素子であればよく、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー素子であってもよい。
本発明は上述した実施形態や各変形例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態または実施例に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、例えば、ＬＣＯＳ素子やＭＥＭＳミラー素子といった光学素子が、ヒータ基板に樹脂層を介在して固定される光学装置、及びこれを備えた光スイッチに利用することができる。
２ ヒータ基板
３ ＬＣＯＳ素子（光学素子）
３ａ 液晶層
３ｂ シリコン層
４ 樹脂層
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光学装置
２３ 光スイッチ
２１ パッケージ
１００ 従来の光学装置
３ ＬＣＯＳ素子（光学素子）
３ａ 液晶層
３ｂ シリコン層
４ 樹脂層
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光学装置
２３ 光スイッチ
２１ パッケージ
１００ 従来の光学装置
Claims (9)
- 光学素子と、当該光学素子を加熱するヒータ基板と、当該光学素子と当該ヒータ基板とに介在した樹脂層と、を備えた光学装置において、
前記光学素子の中央領域での前記樹脂層の層厚は、前記光学素子の周縁領域での前記樹脂層の層厚よりも大きいことを特徴とする光学装置。 - 前記ヒータ基板の前記光学素子に対向する面に形成された凹部により、前記光学素子の中央領域での前記樹脂層の層厚が、前記光学素子の周縁領域での前記樹脂層の層厚よりも大きくなっている、ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記中央領域での前記樹脂層の層厚は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
- 前記光学素子は、前記中央領域にアクティブ領域が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
- 前記光学素子は、異種材料を積層することにより構成された光学素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学装置。
- 前記光学素子は、ＬＣＯＳ素子であることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
- 前記樹脂層の層厚は、前記周縁領域から前記中央領域まで連続的に大きくなっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
- 前記樹脂層の層厚は、前記周縁領域から前記中央領域まで段階的に大きくなっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載の光学装置を備えたことを特徴とする光スイッチ。
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