JP7024612B2 - 光偏向装置及びその製造方法、画像投影装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ装置、光書込装置、並びに移動体 - Google Patents

光偏向装置及びその製造方法、画像投影装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ装置、光書込装置、並びに移動体 Download PDF

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Description

本発明は、光偏向装置及びその製造方法、画像投影装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ装置、光書込装置、並びに移動体に関する。
従来、入射光を反射させて対象物に投射する可動ミラー部を有する光偏向装置が知られている。この光偏向装置は、ヘッドアップディスプレイ装置やピコプロジェクターなどの投射光学系やディスプレイやレーザ測距装置などに使用される。
このような光偏向装置は、外部環境の変化に対する信頼性を確保することが重要である。特に、光走査時に駆動される可動ミラー部を粉塵や湿度の影響から避けるために、可動ミラー部を収容した収容部の光入射側を透光性のカバー部材で覆うことにより可動ミラー部をパッケージングし、気密性を確保することが行われている(特許文献1、2)。
このように、カバー部材で可動ミラー部をパッケージングした場合、入射光の一部がカバー部材で反射することにより、光走査に不要な反射光が生じる。この反射光が投射領域に入射した場合には、可動ミラー部による投射画像に画質劣化が生じてしまう。このため、特許文献1、2においては、カバー部材を傾斜させることにより、不要な反射光を投射領域外に導くことが提案されている。
しかし、特許文献1、2に記載のパッケージング方法では、透光部としてのカバー部材を傾斜させる必要があるため、構成が複雑化し、光偏向装置の大型化を招くという問題がある。また、製造方法も複雑化し、これに伴い製造コストも上昇する。
開示の技術は、上記事情に鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、簡易な構成により不要な反射光を投射領域外に導くことを目的としている。
開示の技術は、入射光が透過する透光部と、前記透光部を透過した前記入射光を反射させる可動ミラー部と、前記透光部が接合され、前記可動ミラー部を収容する収容部と、前記透光部上に設けられ、前記透光部により生じた反射光の光路を調整する光線調整面を有する光線調整部とを備え、前記光線調整部は、前記光線調整面を少なくとも含む複数の面を有し、前記光線調整部に入射する前記入射光の一部を、前記複数の面により透過または反射させることによって、前記入射光が前記可動ミラー部に反射して出射する光路に対し、前記透光部により生じた反射光の光路が外れるように調整する光偏向装置である。
簡易な構成により不要な反射光を投射領域外に導くことができる。
第1実施形態の光偏向装置の構成を示す平面図である。 図1のA-A'線における断面を示す断面図である。 第1実施形態の変形例を示す平面図である。 第2実施形態の光偏向装置の構成を示す断面図である。 不要反射光が凹凸構造で散乱される様子を示す図である。 第3実施形態の光偏向装置の構成を示す平面図である。 図6のA-A'線における断面を示す断面図である。 第4実施形態の光偏向装置の構成を示す断面図である。 第5実施形態の光偏向装置の構成を示す断面図である。 第6実施形態の光偏向装置の構成を示す平面図である。 図10のA-A'線における断面を示す断面図である。 第6実施形態の第1変形例を示す断面図である。 第6実施形態の第2変形例を示す断面図である。 第7実施形態の光偏向装置の構成を示す平面図である。 図14のA-A'線における断面を示す断面図である。 図14中の要部の拡大図である。 第1実施形態の光偏向装置の製造工程を示す図である。 光走査システムの一例を示す概略図である。 制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 制御装置の機能構成の一例を示す図である。 光走査処理の一例を示すフローチャートである。 ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の概略図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す図である。 レーザヘッドランプ装置の構成を示す図である。 光書込装置を組み込んだレーザプリンタの概略図である。 光書込装置の構成を示す図である。 レーザレーダ装置を搭載した自動車の概略図である。 レーザレーダ装置の構成を示す図である。 可動ミラー偏向素子の平面図である。 図29のP-P'線における断面図である。 図29のQ-Q'線における断面図である。 第2駆動部の動作を示す模式図である。 第1駆動電圧及び第2駆動電圧の一例を示すグラフである。 両持ちタイプの可動ミラー偏向素子を示す平面図である。 1軸方向にのみ駆動する可動ミラー偏向素子を示す平面図である。
<第1実施形態>
以下に図面を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態の光偏向装置1の構成を示す平面図である。図2は、図1のA-A'線における断面を示す断面図である。図1におけるX軸方向が光線主走査方向、Y軸方向が光線副走査方向である。図1では、レーザ光である入射光IL(図2参照)が、-Y方向(図1の左側)から入射する。
図1及び図2において、光偏向装置1は、可動ミラー偏向素子40、ベース部50、スペーサ部30、透光部20、及び光線調整部10を有する。可動ミラー偏向素子40は、入射光ILを反射させる可動ミラー部41と、可動ミラー部41を支持する可動ミラー支持部43とを含む。
可動ミラー支持部43には、可動ミラー部41を第1軸(例えばZ軸)周りに駆動する第1駆動部と、可動ミラー部41及び第1駆動部をX軸に平行な第2軸周りに駆動する第2駆動部とが構成されている。光偏向装置1の端部には、第1駆動部及び第2駆動部に駆動電圧を供給するための電極接続部850が設けられている。第1駆動部及び第2駆動部の詳細については後述する。
ベース部50は、可動ミラー偏向素子40を支持する。スペーサ部30は、可動ミラー支持部43上に配置されており、可動ミラー部41の可動空間を確保する。透光部20は、スペーサ部30に支持されている。光線調整部10は、透光部20上の入射光ILが入射する位置に配置されている。
ベース部50及びスペーサ部30は、収容部を構成しており、可動ミラー部41を収容する。透光部20は、収容部の開口を塞ぐ平板状のカバー部材である。可動ミラー部41は、収容部及び透光部20により密閉パッケージングされている。このパッケージ内には、窒素等の不活性ガスが充填されている。これにより、可動ミラー部41は酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
透光部20は、ガラスや樹脂などの光透光部材により形成されている。パッケージ内の気密性が要求される場合には、透光部20の材質はガラスであることが好ましい。パッケージ内の気密性が要求されない場合には、透光部20の材質は樹脂であってもよい。
光線調整部10は、入射光ILの可動ミラー部41に対する入射面(YZ面)に沿った断面形状が三角形の三角柱形状である。光線調整部10は、図2に示すように、入射光ILが入射する矩形状の第1面11と、透光部20の表面に接合される矩形状の第2面12と、第2面12と角度βをなすように形成された矩形状の第3面13とを有する。また、光線調整部10は、図1に示すように、三角形であって互いに平行な第4面14及び第5面15を有する。
光線調整部10は、ガラスや樹脂などの光透光部材により形成されている。光線調整部10は、透光部20上に配置されている。なお、透光部20上に配置とは、透光部20の光入射側に隣接して、透光部20の表面に直接または間接に配置されていることをいう。
光線調整部10と透光部20とは、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂などの光学接着剤により接合されていることが好ましい。光線調整部10と透光部20と界面における反射光を抑制するためには、光線調整部10と透光部20とは屈折率がほぼ同じであることが好ましい。
また、光線調整部10と透光部20とは線膨張係数がほぼ同じであることが好ましい。この場合、線膨張差で生じる光線調整部10と透光部20との接合部の応力が緩和され、耐久性が向上する。例えば、光線調整部10と透光部20とは、同じ材質、例えば、同種のガラス同士、或いは同種の樹脂同士とすることが好ましい。
さらに、光線調整部10は、小型(例えば、一辺が2mm以下)の場合には、加工のしやすさの観点から、ガラスよりも樹脂で形成することが好ましい。例えば、透光部20の材質をガラスとし、光線調整部10の材質を樹脂としてもよい。これにより、パッケージ内の気密性を確保しつつ、小型の光線調整部10を形成することができる。
第3面13は、可動ミラー部41に入射する入射光ILの光路と、可動ミラー部41により反射された入射光IL(反射光RL0)の光路との間に位置決めされている。第3面13の第2面12とのなす角度βは、入射光ILが透光部20で反射されることにより生成される後述の不要反射光RL2を全反射させる角度範囲内に設定されている。具体的には、不要反射光RL2を第3面13で全反射させるために、不要反射光RL2と第3面13の法線とのなす角度αが臨界角以上になるように角度β等を設定すればよい。なお、不要反射光RL2とは、透光部20で生じた反射光であり、投射領域へ誘導することが不要な光である。
例えば、光線調整部10の屈折率を1.5(ガラスの屈折率)、空気の屈折率を1とした場合、臨界角はおよそ42°である。この場合、角度αが42°より大きい値になるように、入射光ILの光線調整部10への入射角度、光線調整部10の形状、大きさ、位置、光線調整部10及び透光部20の材質(屈折率)、を定めればよい。臨界角とは、屈折率が大きいところから小さいところに光が進行する際に全反射が発生する最小の入射角のことである。なお、製造コストを考えた場合には、角度βが90°であること、すなわち、光線調整部10が直角三角形プリズムであることが好ましい。
このように光線調整部10を構成することより、後述する通り、不要反射光RL2は第3面13で全反射され、投射領域(被走査面)としてのスクリーン100以外の方向に誘導される。
光線調整部10の位置及び大きさは、主走査方向であるX方向については、第4面14から透光部20の側面までの距離Lと、第5面15から透光部20の側面までの距離L'とがそれぞれ0以上となるように設定されていればよい。また、光線調整部10の位置及びサイズは、副走査方向であるY方向については、第1面11と第2面12とが交わる稜線部から透光部20の側面までの距離Mと、第3面13から副走査方向の光走査範囲までの距離Nとがそれぞれ0以上となるように設定されている。
本実施形態では、第3面13が、不要反射光RL2の光路を調整する光線調整面である。
光線調整部10の位置及び大きさをこのように設定することにより、複数の光偏向装置1をウェハレベルで同時に製作する場合、ウェハの切断時に光線調整部10が互いに干渉することがなく、製作が容易になる。なお、光線調整部10は、デバイスの小型化のためには、主走査方向、副走査方向ともに光線通過範囲を含む範囲で最小の大きさにすることが好ましい。
以上のように構成された光偏向装置1において、入射光ILが光線調整部10に入射すると、入射光ILは、光線調整部10及び透光部20を通過して可動ミラー部41に入射する。入射光ILは、可動ミラー部41の反射面42で反射されると、反射光RL0として再び透光部20を通過し、スクリーン100上に投射される。この際、反射光RL0は、光線調整部10は通過しない。
光路上の各界面に屈折率差がある場合には、各界面で反射が生じる。例えば、光線調整部10の第1面11、透光部20の第1面21及び第2面22で反射が生じる。これらの反射を抑制するために、光線調整部10の第1面11において入射光ILが通過する領域に第1反射防止層90を形成することが好ましい。また、透光部20の第2面22において入射光IL及び反射光RL0が通過する領域に第2反射防止層91を形成し、透光部20の第1面21において反射光RL0が通過する領域に第3反射防止層92を形成することが好ましい。
第1反射防止層90は、第1面11の全面に形成してもよいが、入射光ILが通過する領域60と不要反射光RL2が通過する領域62とを含むように円形または楕円形とすることが好ましい。第2反射防止層91は、入射光ILが通過する領域と、可動ミラー部41によって二次元的に光走査された反射光RL0とが通過する領域とを含むように長方形または正方形とすることが好ましい。第3反射防止層92は、可動ミラー部41によって二次元的に光走査された反射光RL0が通過する領域61を含むように長方形または正方形とすることが好ましい。
第1~第3反射防止層90~92を設けたとしても、反射を完全に抑えることは難しい。例えば、光線調整部10の第1面11では不要反射光RL1が発生し、透光部20の第2面22では不要反射光RL2が発生する。
本実施形態の光偏向装置1では、光線調整部10の第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。透光部20で発生した不要反射光RL2は光線調整部10の第3面13で全反射され、再び第1面11を通過してスクリーン100以外の領域へ誘導される。このように、本実施形態では、不要反射光がスクリーン100以外の領域へ誘導されることにより、ノイズの少ない画像が得られる。
以上の通り、入射光及び反射光の光路を調整する光線調整部10は、入射光及び反射光が通過する部分にのみ設けられていればよいので、簡易な構成により透光部で発生する不要反射光を投射領域外に導くことができる。また、デバイスサイズを小さくすることが可能となる。さらに、光線調整部10は、製作が容易であり、かつ透光部20への取り付けが容易であるので、製造工程が簡素化でき、結果的に低コストで製作することが可能になる。
(第1実施形態の変形例)
次に、第1実施形態の光偏向装置1の変形例について説明する。図3は、本変形例に係る光偏向装置1bを示す平面図である。光偏向装置1bでは、入射光ILが、+Y方向(同図下側)から光線調整部10の第1面11に入射するように光線調整部10が配置されている。図3のA-A'線における断面は、図2と同様である。本変形例においても、入射光IL、不要反射光RL2、及び反射光RL0の各通過領域に応じて第1~第3反射防止層90~92を形成すればよい。以下の各実施形態においても同様の変形が可能である。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図4は、第2実施形態の光偏向装置1cの構成を示す断面図である。平面図については、図1または図3と同様であるので省略する。第2実施形態の光偏向装置1cは、光線調整部の構成が一部異なること以外は、第1実施形態の光偏向装置1と同様の構成である。第1実施形態と同様の構成部については、同一の符号を付し、説明は省略する。
光線調整部10aは、第3面13の一部もしくは全面に凹凸構造70を有する。本実施形態では、凹凸構造70は、第3面13において不要反射光RL2が入射する領域を含むように部分的に形成されている。凹凸構造70が設けられた第3面13は、可動ミラー部41に入射する入射光ILの光路と、可動ミラー部41により反射される反射光RL0の光路との間に位置決めされている。
光線調整部10aの材質、形状、大きさ、位置、透光部20への取り付け方法等については、第1実施形態と同様である。
凹凸構造70は、光線調整部10aの製作時に形成されることが好ましい。凹凸構造70は、サンドブラスト等で第3面13を粗面化加工することで形成可能である。しかし、コスト面を考慮すれば、光線調整部10aの材質をガラスとする場合には、例えば研削加工や切削加工で生じる凹凸の加工面をそのまま凹凸構造70として利用することが好ましい。また、樹脂を用いて射出成形等の金型転写で光線調整部10aを製作する場合には、金型自体に微細凹凸構造を付与することで凹凸構造70を形成することが好ましい。
以上のように構成された光偏向装置1cにおいて、入射光ILが光線調整部10に入射すると、入射光ILは、光線調整部10a及び透光部20を通過して可動ミラー部41に入射する。入射光ILは、可動ミラー部41の反射面42で反射されると、反射光RL0として再び透光部20を通過し、スクリーン100上に投射される。この際、反射光RL0は、光線調整部10aは通過しない。
本実施形態においても第1実施形態と同様に第1~第3反射防止層90~92を設けることが好ましいが、反射を完全に抑えることは難しい。第1実施形態と同様に、光線調整部10aの第1面11では不要反射光RL1が発生し、透光部20の第2面22では不要反射光RL2が発生する。
本実施形態の光偏向装置1cでは、光線調整部10aの第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。図5に示すように、透光部20で発生した不要反射光RL2は、光線調整部10aの第3面13に付与された凹凸構造70で散乱し、散乱光RL10となって光線調整部10aから出射される。散乱光RL10の一部はスクリーン100の方向に出射されるが、散乱光RL10の光強度は弱いため、ノイズの少ない画像が得られる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図6は、第3実施形態の光偏向装置1dの構成を示す平面図である。図7は、図6のA-A'線における断面を示す断面図である。第3実施形態の光偏向装置1dは、光線調整部及び反射防止層の構成が異なること以外は、第1実施形態の光偏向装置1と同様の構成である。第1実施形態と同様の構成部については、同一の符号を付し、説明は省略する。
光線調整部10bは、第1実施形態と同様に三角柱形状である。光線調整部10bの位置及び大きさは、主走査方向であるX方向については、第1実施形態と同様である。また、光線調整部10bの位置及び大きさは、副走査方向であるY方向については、入射光ILと、不要反射光RL2と、可動ミラー部41によって二次元的に光走査された反射光RL0とが第1面11を通過するように設定されている。したがって、本実施形態では、光線調整面は、入射光ILが入射する面である第1面11と同一の面である。
光線調整部10bの材質、形状、透光部20への取り付け方法等については、第1実施形態と同様である。
光線調整部10bは、第1面11の一部に凹凸構造70を有する。本実施形態では、凹凸構造70は、可動ミラー部41に入射する入射光ILの光路と、可動ミラー部41により反射される反射光RL0の光路との間に位置決めされている。
凹凸構造70は、第1面11において不要反射光RL2が入射する領域62を含むように円形または楕円形に形成されている。凹凸構造70の形成方法は、第2実施形態と同様である。
また、光線調整部10bの位置及び大きさは、第1面11と第2面12とが交わる稜線部から透光部20の側面までの距離Mと、第3面13から透光部20の側面までのM'とがそれぞれ0以上となるように設定されている。
光線調整部10bの位置及び大きさをこのように設定することにより、複数の光偏向装置1dをウェハレベルで同時に製作する場合、ウェハの切断時に光線調整部10bが互いに干渉することがなく、製作が容易になる。なお、光線調整部10bは、デバイスの小型化のためには、主走査方向、副走査方向ともに光線通過範囲を含む範囲で最小の大きさにすることが好ましい。
以上のように構成された光偏向装置1dにおいて、入射光ILが光線調整部10に入射すると、入射光ILは、光線調整部10b及び透光部20を通過して可動ミラー部41に入射する。入射光ILは、可動ミラー部41の反射面42で反射されると、反射光RL0として再び透光部20及び光線調整部10bを通過し、スクリーン100上に投射される。
光路上の各界面に屈折率差がある場合には、各界面で反射が生じる。例えば、光線調整部10bの第1面11、透光部20の第2面22で反射が生じる。これらの反射を抑制するために、光線調整部10bの第1面11に第1反射防止層90を形成し、透光部20の第2面22に第2反射防止層91を形成することが好ましい。
第1反射防止層90は、第1面11の全面に形成してもよいが、入射光ILが通過する領域60と、不要反射光RL2が通過する領域62と、反射光RL0が通過する領域61とにそれぞれ個別に形成してもよい。第2反射防止層91は、入射光ILが通過する範囲と、反射光RL0とが通過する範囲とを含むように長方形または正方形とすることが好ましい。
第1反射防止層90及び第2反射防止層91を設けたとしても、反射を完全に抑えることは難しい。例えば、光線調整部10bの第1面11では不要反射光RL1が発生し、透光部20の第2面22では不要反射光RL2が発生する。
本実施形態の光偏向装置1dでは、光線調整部10bの第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。透光部20で発生した不要反射光RL2は、光線調整部10bの内部を通過して第1面11に付与された凹凸構造70で散乱し、散乱光RL10となって光線調整部10bから出射される。散乱光RL10の一部はスクリーン100の方向に出射されるが、散乱光RL10の光強度は弱いため、ノイズの少ない画像が得られる。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図8は、第4実施形態の光偏向装置1eの構成を示す断面図である。平面図については、図1または図3と同様であるので省略する。第4実施形態の光偏向装置1eは、凹凸構造70に代えて遮光層80が付与された光線調整部10cを用いること以外については、第2実施形態の光偏向装置1cと同様の構成である。
光線調整部10cは、第3面13の一部もしくは全面に遮光層80を有する。本実施形態では、遮光層80は、第3面13において不要反射光RL2が入射する領域を含むように部分的に形成されている。遮光層80が設けられた第3面13は、可動ミラー部41に入射する入射光ILの光路と、可動ミラー部41により反射される反射光RL0の光路との間に位置決めされている。
遮光層80は、一般的な光学レンズに使用される墨塗り材料や、アルミ等の金属蒸着膜により形成することが好ましい。
本実施形態の光偏向装置1eでは、光線調整部10cの第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。透光部20で発生した不要反射光RL2は、光線調整部10cの第3面13に付与された遮光層80により遮光される。この結果、ノイズの少ない画像が得られる。本実施形態は、第1実施形態と比較し、第3面13に入射する光が全反射しない場合に特に有効である。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態について説明する。図9は、第5実施形態の光偏向装置1fの構成を示す断面図である。平面図については、図6と同様であるので省略する。第5実施形態の光偏向装置1fは、凹凸構造70に代えて遮光層80が付与された光線調整部10dを用いること以外については、第3実施形態の光偏向装置1dと同様の構成である。
光線調整部10dは、第1面11の一部に遮光層80を有する。本実施形態では、遮光層80は、第1面11において不要反射光RL2が入射する領域を含むように形成されている。遮光層80の形成方法は、第4実施形態と同様である。
本実施形態の光偏向装置1fでは、光線調整部10dの第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。透光部20で発生した不要反射光RL2は、光線調整部10dの内部を通過して第1面11に付与された遮光層80により遮光される。この結果、ノイズの少ない画像が得られる。
<第6実施形態>
次に、本発明の第6実施形態について説明する。図10は、第6実施形態の光偏向装置1gの構成を示す平面図である。図11は、図10のA-A'線における断面を示す断面図である。第6実施形態の光偏向装置1gは、光線調整部の構成が異なること以外は、第1実施形態の光偏向装置1と同様の構成である。第1実施形態と同様の構成部については、同一の符号を付し、説明は省略する。
光線調整部10eは、第1実施形態の光線調整部10とは異なり、入射光ILの可動ミラー部41の反射面42に対する入射面に沿った断面形状が台形の四角柱形状である。光線調整部10eには、上述の第1~第5面11~15に加えて、第6面16が形成されている。
第6面16は、第1実施形態の光線調整部10において、第1面11と第3面13とが交わる稜線部を、入射光ILの入射面に直交する面に沿って切断することにより形成される面である。本実施形態では、第6面16は、第2面12と平行である。第6面16は、第3面13で全反射された不要反射光RL2が入射する位置に形成されている。
光線調整部10eは、第6面16の一部もしくは全面に第4反射防止層93が形成されている。本実施形態では、第4反射防止層93は、第6面16において、反射光RL2が通過する領域62を含むように形成されている。第1実施形態と同様に、第1反射防止層90は、入射光ILが通過する領域60を含むように第1面11の一部もしくは全面に形成されている。
本実施形態では、光線調整部10eの第3面13及び第6面16は、可動ミラー部41に入射する入射光ILの光路と、可動ミラー部41により反射される反射光RL0の光路との間に位置決めされている。第3面13は、第1実施形態と同様に、不要反射光RL2と第3面13の法線とのなす角度αが臨界角以上になるように形成されている。
以上のように構成された光偏向装置1dにおいて、入射光ILが光線調整部10eの第1面11に入射すると、入射光ILは、光線調整部10e及び透光部20を通過して可動ミラー部41に入射する。入射光ILは、可動ミラー部41の反射面42で反射されると、反射光RL0として再び透光部20を通過し、スクリーン100上に投射される。この際、反射光RL0は、光線調整部10eは透過しない。
本実施形態の光偏向装置1dでは、光線調整部10eの第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。透光部20で発生した不要反射光RL2は、光線調整部10eの第3面13で全反射されて第6面16に入射する。第6面16に入射した不要反射光RL2は、第6面16で屈折することにより、スクリーン100以外の領域へ誘導されるとともに、進行方向が変更される。この結果、ノイズの少ない画像が得られる。
不要反射光RL2は、第6面16で進行方向が変更されることにより、入射光ILを発生する光源装置(例えばレーザダイオード)以外の方向へ誘導されることが好ましい。これにより、不要反射光RL2が光源装置に戻ることによる光源装置の損傷等の悪影響が防止される。
なお、本実施形態では、光線調整部10eの入射光ILの可動ミラー部41の反射面42に対する入射面に沿った断面形状を台形としており、第6面16が第2面12と平行であるので、加工が容易であるという利点がある。しかし、この断面形状は台形に限られず、他の四角形であってもよいし、五角形以上の多角形であってもよい。さらに、光線調整部10eの角が欠けたりする不良を減らすために、角を丸めてもよい。
(第6実施形態の変形例)
次に、第6実施形態の光偏向装置1gの第1及び第2変形例について説明する。図12は、第1変形例に係る光偏向装置1hを示す断面図である。光偏向装置1hは、遮光層80に代えて凹凸構造70を付与した光線調整部10fを用いること以外、第6実施形態の光偏向装置1gと同様の構成である。凹凸構造70は、反射光RL2が通過する領域62を含むように第6面16の一部もしくは全面に形成されている。光偏向装置1hでは、第3面13で全反射され、第6面16に入射した不要反射光RL2は、凹凸構造70で散乱され、散乱光RL10となって出射される。
図13は、第2変形例に係る光偏向装置1iを示す断面図である。光偏向装置1iは、遮光層80に代えて遮光層80を付与した光線調整部10fを用いること以外、第6実施形態の光偏向装置1gと同様の構成である。遮光層80は、反射光RL2が通過する領域62を含むように第6面16の一部もしくは全面に形成されている。光偏向装置1hでは、第3面13で全反射され、第6面16に入射した不要反射光RL2は、遮光層80により遮光される。
第1及び第2変形例のいずれにおいても、不要反射光RL2のスクリーンへ誘導、及び光源装置への戻りは抑制される。これにより、画像の画質が向上するとともに、光源装置の損傷等の悪影響が防止される。
<第7実施形態>
次に、本発明の第7実施形態について説明する。図14は、第7実施形態の光偏向装置1jの構成を示す平面図である。図15は、図14のA-A'線における断面を示す断面図である。図16は、図14中の要部の拡大図である。第7実施形態の光偏向装置1jは、光線調整部の構成が異なること以外は、第1実施形態の光偏向装置1と同様の構成である。第1実施形態と同様の構成部については、同一の符号を付し、説明は省略する。
光線調整部10hは、三角柱形状であるが、第3面13が、不要反射光RL2を全反射させずに、屈折により進行方向を変えて透過させるように構成されている点が、第1実施形態の光線調整部10と異なる。具体的には、第3面13に入射した不要反射光RL2の進行方向をスクリーン以外の方向に変更するための条件式である下式(1)を満たすように第3面13が形成されている。
Figure 0007024612000001

ここで、nは、光線調整部10h内の屈折率である。nは、空気層の屈折率である。αは不要反射光RL2と第3面13の法線とのなす角度である。γは、第2面12と第3面13とのなす角度である。δは、第3面13から出射した不要反射光RL2とスクリーン100の端部とがなす角度である。
例えば、n=1.5(ガラスの屈折率)、n=1、α=30°、δ=15°とすると、上式(1)を満たす角度γの範囲は、γ<63.6°となる。
本実施形態では、光線調整部10hの第3面13は、可動ミラー部41に入射する入射光ILの光路と、可動ミラー部41により反射される反射光RL0の光路との間に位置決めされている。
また、本実施形態では、第3面13において不要反射光RL2が通過する領域62を含むように、第3面13の一部もしくは全面に第4反射防止層93が形成されている。
以上のように構成された光偏向装置1jにおいて、入射光ILが光線調整部10hの第1面11に入射すると、入射光ILは、光線調整部10h及び透光部20を通過して可動ミラー部41に入射する。入射光ILは、可動ミラー部41の反射面42で反射されると、反射光RL0として再び透光部20を通過し、スクリーン100上に投射される。この際、反射光RL0は、光線調整部10hは透過しない。
本実施形態の光偏向装置1jでは、光線調整部10hの第1面11で発生した不要反射光RL1はそのままスクリーン100以外の領域へ誘導される。透光部20で発生した不要反射光RL2は、光線調整部10hの第3面13で屈折して進行方向が変えられ、スクリーン100以外の領域へ誘導される。この結果、ノイズの少ない画像が得られる。
(光偏向装置の製造方法)
次に、第1実施形態の光偏向装置1の製造方法について説明する。図17は、第1実施形態の光偏向装置1の製造工程を示す図である。
まず、図17(A)に示す第1工程では、ウェハを加工することにより、複数の可動ミラー偏向素子40が形成された第1ウェハW1を形成する。次に、図17(B)に示す第2工程では、第1ウェハW1を、複数のベース部50が形成された第2ウェハW2と、複数のスペーサ部30が形成された第3ウェハW3との間に挟むように接合し、さらに第3ウェハW3上に、複数の透光部20が形成された第4ウェハW4を接合する。なお、第2工程では、可動ミラー偏向素子40、ベース部50、スペーサ部30、及び透光部20を所定の位置に位置決めした状態で、第1~第4ウェハW1~W4の接合を行う。これにより、第1~第4ウェハW1~W4が積層されることにより各可動ミラー部41がパッケージングされたウェハ積層体が形成される。
次に、図17(C)に示す第3工程では、ウェハ積層体上、すなわち第4ウェハW4上に、多面体である複数の光線調整部10を、1つの光線調整部10と1つの可動ミラー部41とが対になるように配置して接合する。そして、図17(D)に示す第4工程では、ウェハ積層体を光偏向装置1の形成領域ごとに切断する。これにより、複数の光偏向装置1が、ウェハ単位で一括して製造される。
なお、上記各実施形態の光偏向装置の製造方法についても同様である。
(光走査システム)
次に、図18~図21を参照して、上記各実施形態の光偏向装置が適用可能な光走査システムについて説明する。図18は、光走査システムの一例を示す概略図である。
光走査システム110は、制御装置111、光源装置112、及び可動装置としての光偏向装置113を有する。光偏向装置113は、上記各実施形態のうちのいずれかの光偏向装置であって、可動ミラー部41を有する。
光走査システム110は、制御装置111の制御に従って、光源装置112から照射された光を光偏向装置113の可動ミラー部41により偏向して、被走査面115を光走査するシステムである。
制御装置111は、CPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。光偏向装置113は、可動ミラー部41を回動可能なMEMS(Micro Electromechanical Systems)デバイスである。光源装置112は、例えばレーザダイオードである。なお、被走査面115は、例えば、上述のスクリーン100である。
制御装置111は、外部から取得した光走査情報に基づいて光源装置112及び光偏向装置113を制御するための制御命令を生成する。また、制御装置111は、生成した制御命令に基づいて光源装置112及び光偏向装置113に駆動信号を出力する。
光源装置112は、入力された駆動信号に基づいてレーザ光を光偏向装置113に向けて出射する。光偏向装置113は、入力された駆動信号に基づいて可動ミラー部41を1軸方向または2軸方向の少なくともいずれかの方向に駆動する。
例えば、光走査情報として画像データを用いた制御装置111の制御では、制御装置111は、可動ミラー部41を所定の範囲で2軸方向に往復可動させる。これにより、可動ミラー部41に入射する光(上述の入射光IL)は、ある1軸周りに偏向して光走査され、被走査面115に画像データに基づく画像が投影される。
次に、制御装置111のハードウェア構成について説明する。図19は、制御装置111のハードウェア構成の一例を示す図である。制御装置111は、CPU120、RAM(Random Access Memory)121、ROM(Read Only Memory)122、FPGA123、外部I/F124、光源装置ドライバ125、可動装置ドライバ126を有する。
CPU120は、ROM122等の記憶装置からプログラムやデータをRAM121上に読み出して処理を実行し、制御装置111の全体の制御や機能を実現する演算装置である。
RAM121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。ROM122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、CPU120が光走査システム110の各機能を制御するために実行する処理用のプログラムやデータを記憶している。
FPGA123は、CPU120の処理に従って、光源装置ドライバ125と可動装置ドライバ126とに制御信号を出力する回路である。
外部I/F124は、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、ネットワークには、例えば自動車のCAN(Controller Area Network)やLAN(Local Area Network)、インターネット等が含まれる。外部I/F124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/F124が設けられていてもよい。
光源装置ドライバ125は、入力された制御信号に従って光源装置112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126は、入力された制御信号に従って可動装置としての光偏向装置113に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
CPU120は、外部I/F124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、制御装置111は、CPU120が光走査情報を取得することができる構成であればよい。制御装置111内のROM122やFPGA123に光走査情報を格納してもよいし、制御装置111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してもよい。
ここで、光走査情報とは、被走査面115にどのように光走査させるかを示した情報である。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。
次に、制御装置111の機能構成について説明する。図20は、制御装置111の機能構成の一例を示す図である。
制御装置111には、CPU120等の命令と図19に示したハードウェア構成とによって、制御部130と駆動信号出力部131との機能が実現される。制御部130は、例えばCPU120、FPGA123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131に出力する。例えば、制御部130は、外部装置等から光走査情報として画像データを取得し、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131に出力する。
駆動信号出力部131は、光源装置ドライバ125、可動装置ドライバ126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112または光偏向装置113に駆動信号を出力する。
光源装置112に出力する駆動信号は、例えば、光源装置112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、光偏向装置113に出力する駆動信号は、例えば、可動ミラー部41を駆動す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110による光走査処理について説明する。図21は、光走査処理の一例を示すフローチャートである。まず、制御部130は、外部装置等から光走査情報を取得する(ステップS111)。制御部130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131に出力する(ステップS112)。駆動信号出力部131は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置112及び光偏向装置113に出力する(ステップS113)。そして、光源装置112は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、光偏向装置113は、入力された駆動信号に基づいて可動ミラー部41を駆動する。光源装置112及び光偏向装置113の動作により、光が偏向され、光走査が行われる(ステップS114)。
なお、上記光走査システム110では、1つの制御装置111が光源装置112及び光偏向装置113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と可動装置用の制御装置とを、別体に設けてもよい。
また、上記光走査システム110では、1つの制御装置111に制御部130と駆動信号出力部131との2つの機能を実現しているが、これらの機能は個別の装置にそれぞれ実現させてもよい。例えば、制御部130を実現させる制御装置とは別に、駆動信号出力部131を実現させる駆動信号出力装置を設けてもよい。
なお、上記光走査システム110のうち、光偏向装置113と制御装置111とにより、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。
(画像投影装置への適用例)
次に、上記光走査システムの画像投影装置への適用例について説明する。画像投影装置とは、光走査により画像を投影する装置である。画像投影装置の一例としてヘッドアップディスプレイ(HUD)装置が挙げられる。
図22は、HUD装置500を搭載した自動車400の概略図である。図23は、HUD装置500の構成を示す図である。
図22に示すように、HUD装置500は、例えば、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。HUD装置500から発せられる投射光Lは、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、HUD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としてもよい。
図23に示すように、HUD装置500では、赤色、緑色、青色のレーザ光源501R,501G,501Bから各色のレーザ光が出射される。出射された各レーザ光は、各レーザ光源に対して設けられたコリメータレンズ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とで構成された入射光学系を経て、光偏向装置113に入射する。光偏向装置113により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とで構成された投射光学系を経て、スクリーンに投影される。
なお、HUD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。
HUD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、光偏向装置113によって二次元走査される。
光偏向装置113によって二次元走査された投射光Lは、自由曲面ミラー509で反射されて歪みが補正された後、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に入射した投射光Lをマイクロレンズ単位で拡大する。
光偏向装置113は、可動ミラー部41を2軸方向に往復可動させ、可動ミラー部41に入射する投射光Lを二次元走査する。この光偏向装置113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、画像投影装置としてHUD装置500を例に挙げて説明したが、画像投影装置は、光偏向装置113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、その他の画像投影装置として、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ装置等が挙げられる。プロジェクタは、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影する装置である。ヘッドマウントディスプレイ装置は、観測者の頭部等に装着される装着部に搭載され、装着部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装置である。
また、画像投影装置は、自動車等の車両や上記装着部に限られず、航空機、船舶、自律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。
(レーザヘッドランプ装置への適用例)
次に、上記光走査システムのレーザヘッドランプ装置への適用例について説明する。レーザヘッドランプ装置は、自動車のヘッドライトに搭載可能である。図24は、レーザヘッドランプ装置の構成を示す図である。
レーザヘッドランプ装置550は、制御装置111と、光源装置112bと、光偏向装置113と、ミラー151と、透明板152とを有する。光源装置112bは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置112bから発せられた光は、光偏向装置113に入射し、可動ミラー部41で反射される。光偏向装置113は、制御装置111からの信号に基づき、可動ミラー部41をXY方向に駆動し、光源装置112bからの青色のレーザ光をXY方向に二次元走査する。
光偏向装置113による走査光は、ミラー151で反射されて透明板152に入射する。透明板152は、表面または裏面が黄色の蛍光体で被覆されている。ミラー151からの青色のレーザ光は、透明板152の蛍光体を通過することにより、ヘッドライトの色である白色の光に変換される。これにより自動車の前方は、透明板152からの白色の照明光で照明される。
光偏向装置113による走査光は、透明板152の蛍光体を通過する際に散乱する。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。
光源装置112bから発せられるレーザ光の色は青色に限定されず、また透明板152を被覆する蛍光体の色は黄色に限定されない。例えば、光源装置112bから発せられるレーザ光を近紫外線とし、透明板152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。この場合においても、透明板152を通過する光は白色に変換される。
(画像形成装置への適用例)
次に、上記光走査システムの画像形成装置への適用例について説明する。画像形成装置とは、光書込装置を用いて記録媒体に画像を形成する装置である。画像形成装置の一例として、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタが挙げられる。
図25は、光書込装置600を組み込んだレーザプリンタ650の概略図である。図26は、レーザプリンタ650等の構成部として使用される光書込装置600の構成を示す図である。
図25に示すように、光書込装置600は、レーザプリンタ650に組み込まれ、1本または複数本のレーザービームで被走査面115としての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。なお、被走査面115は、感光体ドラムに限られず、感光紙であってもよい。
図26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112から出射されたレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系601を経て、光偏向装置113に入射して、光偏向装置113により1軸方向または2軸方向に偏向される。
そして、光偏向装置113で偏向されたレーザ光は、第1レンズ602a、第2レンズ602b、反射ミラー部602c等からなる走査光学系602を経て、被走査面115に照射され、光書込みが行われる。走査光学系602は、被走査面115にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置112と光偏向装置113とは、制御装置111の制御に基づいて駆動される。
このように光書込装置600は、画像形成装置の構成部として使用することができる。また、光書込装置は、走査光学系を、1軸方向だけでなく2軸方向に光走査可能に構成することにより、レーザーラベル装置等の画像形成装置の構成部として使用することができる。レーザーラベル装置は、レーザ光を偏向してサーマルメディアに光走査し、サーマルメディアを加熱することで印字する画像形成装置である。
上述した構成の光偏向装置113は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べて、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、光偏向装置113は、光書込装置の静音化に有利である。光偏向装置113は、サイズが小さいため、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、発熱量もわずかであるため、画像形成装置の小型化に有利である。
(物体認識装置への適用例)
次に、上記光走査システムの物体認識装置への適用例について説明する。物体認識装置とは、光走査により対象方向の物体を認識する装置である。物体認識装置の一例として、レーザレーダ装置が挙げられる。
図27は、レーザレーダ装置700を搭載した自動車701の概略図である。図28は、レーザレーダ装置700の構成を示す図である。
図27に示すように、レーザレーダ装置700は、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28に示すように、光源装置112から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ703と平面ミラー704とで構成される入射光学系を経て、光偏向装置113に入射し、光偏向装置113により1軸もしくは2軸方向に走査される。コリメータレンズ703は、発散光を略平行光とする光学系である。そして、光偏向装置113から出射したレーザ光は、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112と光偏向装置113とは、制御装置111の制御に基づいて駆動される。
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、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装置708に出力する。信号処理装置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施し、結果を測距回路710に出力する。
測距回路710は、光源装置112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の有無を認識する。さらに、測距回路710は、当該時間差または当該位相差に基づいて、被対象物702までの距離情報を算出する。
光偏向装置113は、多面鏡に比べて破損しづらく、かつ小型であるため、レーザレーダ装置700は耐久性が高く、かつ小型化が可能である。
このようなレーザレーダ装置は、自動車等の車両に限られず、航空機、船舶、ロボット等の移動体に搭載し、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。
以上、物体認識装置としてレーザレーダ装置700を例に挙げて説明したが、物体認識装置は、光偏向装置113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い。例えば、その他の物体認識装置として、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装置や、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が挙げられる。さらに、その他の物体認識装置として、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次元スキャナなどが挙げられる。
(可動ミラー偏向素子の構成)
次に、光偏向装置113に含まれる可動ミラー偏向素子40の構成について説明する。図29は、可動ミラー偏向素子40の平面図である。図30は、図29のP-P'線における断面図である。図31は、図29のQ-Q'線における断面図である。可動ミラー偏向素子40は、2軸方向に光偏向可能な偏向素子である。
図29に示すように、可動ミラー偏向素子40は、可動ミラー部41と、第1駆動部810a,810bと、第1支持部820と、第2駆動部830a,830bと、第2支持部840と、電極接続部850とを有する。
第1駆動部810a,810bは、可動ミラー部41に接続され、可動ミラー部41をY軸に平行な第1軸周りに駆動する。第1支持部820は、可動ミラー部41及び第1駆動部810a、810bを支持する。
第2駆動部830a,830bは、第1支持部820に接続され、可動ミラー部41及び第1支持部820をX軸に平行な第2軸周りに駆動する。第2支持部840は、第2駆動部830a,830bを支持する。電極接続部850は、第1駆動部810a,810bと第2駆動部830a,830bとに電気的に接続される。
第1駆動部810a,810bは、トーションバー811a,811bと、第1圧電駆動部812a,812bとを含む。第2駆動部830a,830bは、第2圧電駆動部831a~831f、832a~832fを含む。
第1支持部820と第2支持部840とが前述の可動ミラー支持部43を構成している。
可動ミラー偏向素子40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されている。具体的には、成形したSOI基板上に、可動ミラー部41の反射面42、第1圧電駆動部812a,812b、第2圧電駆動部831a~831f,832a~832f、電極接続部850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。
SOI基板は、単結晶シリコン(Si)からなる第1シリコン層の上に酸化シリコン層を設け、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シリコン層が設けた基板である。以下、第1シリコン層をシリコン支持層861、第2シリコン層をシリコン活性層863とする。シリコン活性層863は、X軸方向またはY軸方向への厚みに対してZ軸方向への厚みが小さいため、弾性を有する弾性部として機能する。
なお、SOI基板は、平面状である必要はなく、曲率を有していてもよい。また、可動ミラー偏向素子40を形成する基板は、SOI基板に限られず、エッチング処理等により一体的に成形でき、かつ部分的に弾性を持たせることができる基板であればよい。
可動ミラー部41は、例えば、円形状の基体41aと、基体41aの+Z側の面上に形成された反射面42とで構成されている。基体41aは、例えば、シリコン活性層863により形成される。反射面42は、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜により形成される。また、可動ミラー部41は、基体41a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861及び酸化シリコン層862から構成され、可動によって生じる反射面42の歪みを抑制する。
第1駆動部810a,810bは、トーションバー811a,811bと、第1圧電駆動部812a,812bで構成されている。トーションバー811a,811bは、基体41aに一端が接続され、第1軸方向に延びて可動ミラー部41を回動可能に支持している。第1圧電駆動部812a,812bは、一端がトーションバー811a,811bに接続され、他端が第1支持部820の内周部に接続されている。
図30に示すように、トーションバー811a,811bは、シリコン活性層863により形成されている。また、第1圧電駆動部812a,812bは、弾性部であるシリコン活性層863の+Z側の面上に積層された下部電極901、圧電部902、及び上部電極903により構成されている。上部電極903と下部電極901とは、金(Au)、白金(Pt)等により構成される。圧電部902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。
第1支持部820は、例えば、シリコン支持層861、酸化シリコン層862、及びシリコン活性層863で構成されている。第1支持部820は、可動ミラー部41を囲うように形成された矩形状の支持体である。
第2駆動部830a,830b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831a~831f,832a~832fで構成されている。第2駆動部130a,830bの一端は第1支持部820の外周部に接続され、他端は第2支持部840の内周部に接続されている。
第2駆動部830aと第1支持部820の接続箇所と、第2駆動部830bと第1支持部820の接続箇所とは、反射面42の中心に対して点対称である。また、第2駆動部830aと第2支持部840の接続箇所と、第2駆動部830bと第2支持部840の接続箇所とは、反射面42の中心に対して点対称である。
図31に示すように、第2駆動部830a,830bは、弾性部であるシリコン活性層863の+Z側の面上に積層された下部電極901、圧電部902、及び上部電極903により構成されている。
第2支持部840は、例えば、シリコン支持層861、酸化シリコン層862、及びシリコン活性層863で構成されている。第2支持部840は、可動ミラー部41、第1駆動部810a,810b、第1支持部820、及び第2駆動部830a,830b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850は、例えば、第2支持部840の+Z側の面上に形成されている。電極接続部850は、第1圧電駆動部812a,812b、第2圧電駆動部831a~831fの各上部電極903、及び各下部電極901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903及び下部電極901は、それぞれが電極接続部850と直接接続されていてもよいが、電極同士を接続する配線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902を、弾性部であるシリコン活性層863の一面(+Z側の面)にのみ形成しているが、シリコン活性層863の他の面(例えば-Z側の面)に設けてもよい。すなわち、圧電部902を弾性部の両面にそれぞれ設けてもよい。
また、各構成部は、可動ミラー部41を第1軸周りまたは第2軸周りに駆動可能な形状であればよく、本実施形態の形状には限定されない。例えば、トーションバー811a,811bや第1圧電駆動部812a,812bは、曲率を有した形状であってもよい。
さらに、第1駆動部810a,810bの上部電極903の+Z側の面上、第1支持部820の+Z側の面上、第2駆動部830a,830bの上部電極903の+Z側の面上、第2支持部840の+Z側の面上の少なくともいずれかに、酸化シリコン層からなる絶縁層が形成されていてもよい。
この場合、絶縁層の上に電極配線を設け、上部電極903または下部電極901と電極配線との接続部分のみ開口部を形成することが好ましい。この開口部は、部分的に絶縁層を除去するか、または絶縁層を形成しないことにより形成される。これにより、第1駆動部810a,810b、第2駆動部830a,830b、及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、酸化シリコン層は、反射防止層としても機能する。
(制御装置による制御)
次に、第1駆動部および第2駆動部を駆動するための制御装置による制御の詳細について説明する。
第1駆動部810a,810b及び第2駆動部830a,830bが有する圧電部902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810a,810b及び第2駆動部830a,830bは、この逆圧電効果を利用して可動ミラー部41を駆動する。
ここで、可動ミラー部41の反射面42がXY平面に対して+Z方向または-Z方向へ傾いた場合におけるXY平面と反射面42とがなす角度を、振れ角とよぶ。また、+Z方向を正の振れ角とし、-Z方向を負の振れ角とする。
(第1駆動部の駆動制御)
まず、第1駆動部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810a,810bでは、第1圧電駆動部812a,812bが有する各圧電部902に、上部電極903及び下部電極901を介して駆動電圧が並列に印加されると、各圧電部902が変形する。この圧電部902の変形により、第1圧電駆動部812a,812bが屈曲変形する。
その結果、2つのトーションバー811a,811bにねじれが生じることにより可動ミラー部41に第1軸周りの駆動力が作用し、可動ミラー部41が第1軸周りに回動する。第1駆動部810a,810bに印加される駆動電圧は、制御装置111によって制御される。
制御装置111によって、第1駆動部810a,810bが有する第1圧電駆動部812a,812bに所定の正弦波形の駆動電圧を並行して印加すると、可動ミラー部41を、第1軸周りに当該正弦波形の周期で揺動させることができる。
例えば、当該正弦波形の周波数がトーションバー811a,811bの共振周波数と同程度である約20kHzに設定された場合には、トーションバー811a,811bには、ねじれによる機械的共振が生じる。これを利用して、可動ミラー部41を約20kHzで共振振動させることができる。
(第2駆動部の駆動制御)
次に、第2駆動部を駆動させる制御装置の制御について説明する。
まず、図29に示すように、第2駆動部830aが有する複数の第2圧電駆動部831a~831fのうち、最も可動ミラー部41に距離が近い第2圧電駆動部(831a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部831b,831d,831fを第1圧電駆動部群860aとする。また、第2駆動部830bが有する複数の第2圧電駆動部832a~832fのうち、最も可動ミラー部41に距離が近い第2圧電駆動部(832a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部832a,832c,832eを第1圧電駆動部群860aとする。
また、第2駆動部830aが有する複数の第2圧電駆動部831a~831fのうち、最も可動ミラー部41に距離が近い第2圧電駆動部(831a)から数えて奇数番目の第2圧電駆動部831a,831c,831eを第2圧電駆動部群860bとする。また、第2駆動部830bが有する複数の第2圧電駆動部832a~832fのうち、最も可動ミラー部41に距離が近い第2圧電駆動部(832a)から数えて偶数番目の第2圧電駆動部832b,832d,832fを第2圧電駆動部群860bとする。
図32は、第2駆動部の動作を示す模式図である。同図では、第2駆動部830a,830bのうち、一方の第2駆動部830bのみを示している。点線は、可動ミラー部41等を表している。
図32(A)は、第1圧電駆動部群860a及び第2圧電駆動部群860bに駆動電圧が印加されていない状態を示す。この場合、可動ミラー部41の振れ角はゼロである。
図32(B)は、第1圧電駆動部群860aに駆動電圧が並行に印加された状態を示す。この場合、第1圧電駆動部群860aが同一方向に屈曲変形し可動ミラー部41が第2軸周りに-Z方向に回動する。
図32(D)は、第2圧電駆動部群860bに駆動電圧が並行に印加された状態を示す。この場合、第2圧電駆動部群860bが同一方向に屈曲変形し可動ミラー部41が第2軸周りに+Z方向に回動する。
このように、第1圧電駆動部群860aまたは第2圧電駆動部群860bを同時に屈曲変形させることにより、屈曲変形による駆動量を累積させ、可動ミラー部41の第2軸周りの振れ角度を大きくすることができる。図29に示すように、第2駆動部830a,830bは、第1支持部820の中心点に対して点対称に接続されている。このため、第1圧電駆動部群860aに駆動電圧を印加すると、第2駆動部830aでは第1支持部820と第2駆動部130aの接続部に+Z方向に動かす駆動力が生じる。一方、第2駆動部130bでは第1支持部820と第2駆動部130bの接続部に-Z方向に動かす駆動力が生じる。この結果、駆動量が累積されるので、可動ミラー部41の第2軸周りの振れ角度を大きくなる。
図32(C)は、電圧印加された第1圧電駆動部群860aによる可動ミラー部41の駆動量と、電圧印加された第2圧電駆動部群860bによる可動ミラー部41の駆動量が釣り合っている状態を示す。この場合、可動ミラー部41の振れ角はゼロとなる。
図32(B)~図32(D)の各状態を連続的に繰り返すように第2駆動部830a,830bに駆動電圧を印加することにより、可動ミラー部41を第2軸周りに揺動させることができる。第2駆動部830a,830bに印加される駆動電圧は、制御装置111によって制御される。
次に、第1圧電駆動部群860aに印加される第1駆動電圧V1と、第2圧電駆動部群860bに印加される第2駆動電圧V2について説明する。
図33(A)は、第1駆動電圧V1の波形の一例を示す図である。図33(B)は、第2駆動電圧V2の波形の一例を示す図である。図33(C)は、第1駆動電圧V1の波形と第2駆動電圧V2の波形を重ね合わせた図である。
図33(A)に示すように、第1駆動電圧V1の波形は、例えば、ノコギリ波状であり、周波数は、例えば60HZである。また、第1駆動電圧V1の波形は、立ち上がり期間の時間幅をTrA、立ち下がり期間の時間幅をTfAとしたとき、例えば、TrA:TfA=9:1を満たす。
図33(B)に示すように、第2駆動電圧V2の波形は、例えば、ノコギリ波状であり、周波数は、例えば60HZである。また、第2駆動電圧V2の波形は、立ち上がり期間の時間幅をTrB、立ち下がり期間の時間幅をTfBとしたとき、例えば、TfB:TrB=9:1を満たす。
図23(C)に示すように、例えば、第1駆動電圧V1の波形の周期TAと第2駆動電圧V2の波形の周期TBは、同一となるように設定されている。
なお、第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2のノコギリ波状の波形は、正弦波の重ね合わせによって生成される。また、本実施形態では、第1駆動電圧V1及び第2駆動電圧V2のとしてノコギリ波状の波形を用いているが、これに限らず、ノコギリ波状の波形の頂点を丸くした波形や、ノコギリ波状の波形の直線領域を曲線とした波形等、光偏向装置113のデバイス特性に応じて波形を変えてもよい。
なお、図29では、可動ミラー偏向素子40を、トーションバー811a、811bから+X方向に向かって延びた第1圧電駆動部812a,812bを有する片持ちタイプの駆動素子としているが、これに限定されない。例えば、図34に示すように、トーションバー811a、811bから+X方向に向かって延びた第1圧電駆動部812a,812bの他に、-X方向に向かって延びた第1圧電駆動部812c,812dを有する両持ちタイプの駆動素子を用いてもよい。
さらに、可動ミラー部41を1軸方向にのみ駆動する場合には、図35に示すように、第1駆動部810a,810bを設けずに、第1支持部820に可動ミラー部41を直接設けてもよい。
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
1,1b~1j 光偏向装置
10,10a~10h 光線調整部
11 第1面
12 第2面
13 第3面(光線調整面)
14 第4面
15 第5面
16 第6面
20 透光部
30 スペーサ部
40 可動ミラー偏向素子
41 可動ミラー部
42 反射面
43 可動ミラー支持部
50 ベース部
70 凹凸構造
80 遮光層
100 スクリーン
110 光走査システム
113 光偏向装置
115 被走査面
400 自動車
500 ヘッドアップディスプレイ装置
550 レーザヘッドランプ装置
650 レーザプリンタ
700 レーザレーダ装置
701 自動車
特許第6278180号 特開2007-034309号公報

Claims (21)

  1. 入射光が透過する透光部と、
    前記透光部を透過した前記入射光を反射させる可動ミラー部と、
    前記透光部が接合され、前記可動ミラー部を収容する収容部と、
    前記透光部上に設けられ、前記透光部により生じた反射光の光路を調整する光線調整面を有する光線調整部と
    を備え
    前記光線調整部は、前記光線調整面を少なくとも含む複数の面を有し、前記光線調整部に入射する前記入射光の一部を、前記複数の面により透過または反射させることによって、前記入射光が前記可動ミラー部に反射して出射する光路に対し、前記透光部により生じた反射光の光路が外れるように調整する光偏向装置。
  2. 入射光が透過する透光部と、
    前記透光部を透過した前記入射光を反射させる可動ミラー部と、
    前記透光部が接合され、前記可動ミラー部を収容する収容部と、
    前記透光部上に設けられ、前記透光部により生じた反射光の光路を調整する光線調整面を有する光線調整部と、を備え、
    前記入射光は、前記光線調整部を透過した後、前記透光部に入射し、
    前記光線調整部は、
    前記入射光が入射する第1面と、
    前記透光部における前記入射光が入射する面に接合される第2面と、をさらに有し、
    前記光線調整面は、前記入射光が前記可動ミラー部により反射された光が投射される投射領域と、前記第1面との間に設けられ、前記透光部により生じた反射光を前記投射領域とは反対側に全反射させる光偏向装置。
  3. 前記光線調整面は、前記可動ミラー部に入射する前記入射光の光路と、前記可動ミラー部により反射された前記入射光の光路との間に位置する請求項1または2に記載の光偏向装置。
  4. 前記透光部及び前記光線調整部の材質がガラスである請求項1ないし3何れか1項に記載の光偏向装置。
  5. 前記透光部の材質がガラスであり、前記光線調整部の材質が樹脂である請求項1ないし3何れか1項に記載の光偏向装置。
  6. 前記透光部及び前記光線調整部の材質が樹脂である請求項1ないし3何れか1項に記載の光偏向装置。
  7. 前記光線調整部は、前記入射光の前記可動ミラー部に対する入射面に沿った断面形状が三角形である請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  8. 前記光線調整面は、前記反射光を全反射させる請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  9. 前記光線調整面には、前記反射光が入射する領域を含むように、前記反射光を散乱させる凹凸構造が形成されている請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  10. 前記光線調整面には、前記反射光が入射する領域を含むように、前記反射光を遮光する遮光層が形成されている請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  11. 前記光線調整面は、前記入射光が入射する面と同一の面であって、前記反射光が入射する領域を含むように、前記反射光を散乱させる凹凸構造が形成されている請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  12. 前記光線調整面は、前記入射光が入射する面と同一の面であって、前記反射光が入射する領域を含むように、前記反射光を遮光する遮光層が形成されている請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  13. 前記光線調整部は、前記入射光の前記可動ミラー部の反射面に対する入射面に沿った断面形状が四角形である請求項1ないし何れか一項に記載の光偏向装置。
  14. 前記光線調整部は、前記光線調整面で前記反射光を全反射させ、
    前記光線調整面で全反射された前記反射光が入射する面に、前記反射光を散乱させる凹凸構造が形成されている請求項13に記載の光偏向装置。
  15. 前記光線調整部は、前記光線調整面で前記反射光を全反射させ、
    前記光線調整面で全反射された前記反射光が入射する面に、前記反射光を遮光する遮光層が形成されている請求項13に記載の光偏向装置。
  16. 複数の可動ミラー部が形成された第1ウェハを形成する工程と、
    前記第1ウェハを、複数のベース部が形成された第2ウェハと、複数のスペーサ部が形成された第3ウェハとの間に挟むように接合する工程と、
    前記第3ウェハ上に、複数の透光部が形成された第4ウェハを接合する工程と、
    前記第4ウェハ上に、入射光が透過する前記透光部により生じた反射光の光路を調整する光線調整面を有する多面体である複数の光線調整部を、1つの前記光線調整部と1つの前記可動ミラー部とが対になるように配置して接合する工程と、
    前記第1~第4ウェハが積層されてなるウェハ積層体を、光偏向装置の形成領域ごとに切断する工程と
    を有する光偏向装置の製造方法。
  17. 請求項1ないし15何れか一項に記載の光偏向装置を有し、前記光偏向装置による光走査によって画像を投影する画像投影装置。
  18. 請求項1ないし15何れか一項に記載の光偏向装置を有し、前記光偏向装置による光走査によって対象方向の物体を認識する物体認識装置。
  19. 請求項1ないし15何れか一項に記載の光偏向装置を有し、前記光偏向装置により走査されたレーザ光を蛍光体に入射させることにより白色の照明光を生成させるレーザヘッドランプ装置。
  20. 請求項1ないし15何れか一項に記載の光偏向装置を有し、前記光偏向装置による光走査によって感光体に光書込みを行う光書込装置。
  21. 請求項17に記載の画像投影装置、請求項18に記載の物体認識装置、請求項19に記載のレーザヘッドランプ装置のうち少なくとも1つを搭載した移動体。
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