JPWO2003065103A1 - 可変形ミラー、および当該可変形ミラーを備えた光制御装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の可変形ミラーは、基板１と、相互に分離された状態で基板１に支持される複数の微小鏡２０と、複数の微小鏡２０の各々を独立して駆動し、それによって各微小鏡２０と基板１との配置関係を制御する複数の駆動部とを備えている。複数の駆動部の各々は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極５〜７と、複数の固定電極５〜７に対向する位置に設けられた可動電極１３〜１５とを備えている。各微小鏡２０は、微小鏡２０の各々に関連付けられた少なくとも２つの可動電極１３〜１５と連結されている。これらの可動電極１３〜１５と固定電極５〜７との間の電位差によって発生する静電力により、各微小鏡２０の基板１に対して垂直な方向への変位および／または前記基板に対する傾斜を行うことができる。
Description
技術分野
本発明は、静電力によって変位可能な光反射領域を備えた可変形ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）、および、この可変形ミラーを用いて光の波面を制御する光制御装置に関する。
背景技術
可変形ミラーは、光の波面収差をアクティブに補正する補償光学装置や、ディスプレイや光通信などの光スイッチ等に応用されつつある。近年は、マイクロマシン技術を用いて多数の微小ミラーを一括的に形成し、低コスト化を図った開発事例が多数報告されている。このような微小ミラーの駆動には、静電力がよく利用される。静電力を利用して微小ミラーを駆動するタイプの可変形ミラーは、平面的で簡易な構造を有しているため、半導体製造プロセスとの整合性が高い。また、静電力は、ミラーなどの構成各部を微細化するほど、単位体積当たりの駆動力が大きくなる。
一方、静電力を利用する場合は、圧電素子などを利用する場合と異なり、基本的に吸引力のみしか働かないため、駆動方向が非対称的である。また、駆動部の構造体自体が伸縮して駆動力を発生する訳ではないため、間隙を置いて対向する電極対と、この電極対を支持するための構造とが必要となる。
可変形ミラーを大別すると、一枚の連続したミラー面を多数のアクチュエータによって変形させる「連続ミラー（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｉｒｒｏｒ）」と、多数の相互に分離されたミラーを独立に動かす「分割ミラー（Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒｓ）」とがある。
連続ミラーの例としては、薄膜ミラーと間隙を設けて配列した多数の電極との間で電位差を与えて静電力を発生させ、薄膜ミラーを電極方向に吸引して変形させるものがある（例えばＧ．Ｖｄｏｖｉｎ，Ｐ．Ｍ．Ｓａｒｒｏ，Ｓ．Ｍｉｄｄｌｅｈｏｅｋ″Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｉｒｒｏｒｓ″，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．９（１９９９），Ｒ８−Ｒ２０）。
また、分割ミラーの例としては、微小鏡を静電力によって基板方向に平行に吸引するもの（例えばＷ．Ｄ．Ｃｏｗａｎ，Ｍ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｂ．Ｍ．Ｗｅｌｓｈ，ｅｔ ａｌ．，″Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ″，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．１，ｐｐ．９０−１０１（１９９９））と、平行移動動作を伴わず傾斜動作をさせるもの（例えば特開２００１−１７４７２４号公報）とがある。積層圧電素子を用いた分割ミラーには、平行移動動作と傾斜動作を同時に行うもの（例えばＲ．Ｋ．Ｔｙｓｏｎ″Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ″，Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．（２０００），（Ｃｈａｐｔｅｒ ５，ｐｐ．１５５，Ｆｉｇ．２））がある。
しかしながら、上記のような可変形ミラーには、以下のような課題がある。
連続ミラーは、連続的で滑らかな波面を生成できるので、少ないアクチュエータでも波面フィット誤差を小さくできるが、その一方で、制御レンジの確保と駆動電圧の低減との両立が難しい。すなわち、充分な制御レンジを確保するには、ミラーと電極との間隙距離を大きくする必要があるが、静電力の大きさは間隙距離の自乗に反比例するため、高電圧を与えないと静電力が得られない。また、連続ミラーには、分割ミラーに比べて応答速度が小さく、ミラー膜の残留応力がミラーの平面性に大きく影響するといった問題もある。
一方、分割ミラーは、連続ミラーに比べて応答速度及び平面度に優れているという利点がある。また、各ミラーが独立しているため、制御レンジが波長λを超えた場合には、０〜λの範囲内において対応する主値に変換するという折り返し処理を実施すれば、任意の制御レンジを実現でき、低電圧化と制御レンジとの両立が可能である。
しかし、従来の分割ミラーでは、各ミラーを吸引して平行移動させているため、階段状の波面しか生成できなかった。この結果、波面フィット誤差を抑えるためには、ミラー分割数を連続ミラーに比べて大幅に増やす必要があった。このため、アクチュエータの数が増えてしまい、制御構成が複雑化したり、ミラー面積に対するミラー間のギャップ部の面積が増えることにより、反射効率の低下や不要回折光の影響の増大を招いている。
圧電素子を用いた分割ミラーでは、平行移動動作と傾斜動作とを両立させて滑らかな波面を生成できるため、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることが可能である。しかし、半導体製造プロセスとの整合性がなく、低コストで一括生産することが困難である。
なお、圧電素子による構成を静電方式の可変形ミラーで実現するのは、下記の２つの理由により困難であった。
第１に、吸引力しか発生しない静電方式の可変形ミラーでは、平行移動動作と傾斜動作とを独立に制御することが困難である。
第２に、静電方式の可変形ミラーでは、構造体自身が伸縮して駆動力を発生する圧電素子とは異なり、間隙を隔てた電極対とこれを支持する支持構造が別々に必要なる。このため、このような可変形ミラーでは、大きな静電力を得るための広い面積の電極対と、平行移動動作と傾斜動作とを可能とする支持構造とを、限られたミラー分割面積内に両立して確保することが困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えた可変形ミラーおよび光制御装置を提供することにある。
発明の開示
本発明の可変形ミラーは、基板と、相互に分離された状態で前記基板に支持される複数の微小鏡と、前記複数の微小鏡の各々を独立して駆動し、それによって各微小鏡と前記基板との配置関係を制御する複数の駆動部とを備えた可変形ミラーであって、前記複数の駆動部の各々は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極と、前記複数の固定電極と対向する位置に設けられた可動電極とを備え、前記複数の微小鏡の各々は、前記微小鏡の各々に関連付けられた少なくとも２つの可動電極と連結されており、前記少なくとも２つの可動電極と、前記可動電極に対応する前記固定電極との間の電位差によって発生する静電力により、前記微小鏡の前記基板に対する垂直な方向への変位および／または前記基板に対する傾斜を行うことができる。
好ましい実施形態において、前記複数の駆動部の各々は、前記微小鏡における第１の特定部位の変位に関わる第１の固定電極と、前記微小鏡における前記第１の特定部位と異なる第２の特定部位の変位に関わる第２の固定電極と、を備え、前記第１および第２の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第２の特定部位の変位を独立に行い、それによって前記微小鏡と前記基板との配置関係を制御する。
好ましい実施形態において、前記第１および第２の固定電極の各々は、独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極片に分割されており、前記複数の固定電極片に対して選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する前記微小鏡の各特定部位の変位を前記基板に近接させる方向および前記基板から離間させる方向の双方向に制御することができる。
好ましい実施形態において、前記可動電極は、前記基板に支持されて回動軸を中心に回動する回動部材と、前記回動部材の運動に従って、前記微小鏡の特定部位と前記基板との距離を変化させる作用部材とを備え、前記回動部材は、前記回動軸上に配置された支持部と、前記支持部と結合した平板部とを有しており、前記回動部材の前記平板部は、前記回動軸に関して対称な位置に存する第１導電性部分および第２導電性部分を含み、前記複数の固定電極片は、前記平板部の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１固定電極片と、前記平板部の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２固定電極片とを含んでいる。
好ましい実施形態において、前記作用部材は、平板状の中間連結部材と、前記可動電極における前記第１導電性部分および第２導電性部分の一方を前記中間連結部材に結合する複数の突起部材とを備え、前記中間連結部材の概中心部において、前記中間連結部材と前記微小鏡とが連結されている。
好ましい実施形態において、前記第１導電性部分および第２導電性部分のいずれか一方と前記中間連結部材とは、前記突起部材を介して回動自在な関係にある。
好ましい実施形態において、前記複数の駆動部の各々は、前記微小鏡における前記第１および第２の特定部位のいずれとも異なる第３の特定部位の変位に関わる第３の固定電極を更に備え、前記第１から第３の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第３の特定部位の変位を独立に設定することにより、少なくとも前記微小鏡を前記基板に対して垂直に変位させる方向と、前記微小鏡を前記基板に対して２軸に傾ける方向とに制御することができる。
好ましい実施形態において、前記複数の微小鏡の各々は、波長λの光を反射し、前記複数の微小鏡に含まれる或る微小鏡によって反射される光の光路長と、前記或る微小鏡に隣接する微小鏡によって反射される光の光路長との差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように、前記複数の駆動部は、前記微小鏡の配置関係を制御する。
好ましい実施形態において、前記固定電極片は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の部分電極を更に備え、前記複数の部分電極は、少なくもとその面積が互いに異なる第１及び第２の部分電極を含み、前記第２の部分電極の面積は前記第１の部分電極の面積よりみ小さく設定され、かつ、前記第２の部分電極は、前記第１の部分電極よりも前記回動軸に近い位置に配設されている。
好ましい実施形態において、前記第１の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第１の部分電極の面積との積が、前記第２の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第２の部分電極の面積との積に対し、実質的に２の累乗倍の関係を有する。
好ましい実施形態において、前記駆動電圧を生成する駆動回路を前記基板上に備えている。
好ましい実施形態において、少なくとも前記固定電極および可動電極は、パターニングされた導電性膜から形成されている。
本発明の光制御装置は、複数の微小鏡が基板上に支持された可変形ミラーを備え、光源から出射された光ビームの波面を前記可変形ミラーによって所望の目標波面に変換する光制御装置であって、前記目標波面を設定するビーム制御目標設定手段と、前記ビーム制御目標設定手段の出力から前記各微小鏡と前記基板との配置関係の目標値を設定するミラー制御目標設定手段と、前記ミラー制御目標設定手段の出力に基づいて前記各微小鏡の制御を行うミラー制御手段とを備え、前記可変形ミラーは、上記いずれかの可変形ミラーであることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図１および図２を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第１の実施形態を説明する。
本実施形態の可変形ミラーは、複数個のアクチュエータ（駆動部）と、各アクチュエータを駆動するための駆動回路とが同一のシリコン基板上に集積された構成を有しており、半導体製造プロセス技術を好適に用いて作製され得る。
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。本実施形態の可変形ミラーは、複数の微小鏡（反射ミラー要素）２０が２次元アレイ状に配列された構成を備えているが、図１は、複数の微小鏡２０のうちの１つの微小鏡およびその駆動部を拡大したものである。
本実施形態の可変形ミラーでは、復数の駆動部により、基板１上に配列された各微小鏡２０の姿勢および基板１からの距離が制御される。各駆動部は、基板１に形成された不図示の駆動回路によって制御される。
本実施形態では、基板１上に窒化シリコン系の絶縁層２が形成され、その絶縁層２上に、ベース３、ヨーク当接部４、第１の固定電極５、第２の固定電極６、および第３の固定電極７が形成されている。ベース３、ヨーク当接部４、および固定電極５〜７は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコン等の導電膜をパターニングすることによって形成されている。
図１に示されている１つの微小鏡２０を駆動するため、本実施形態では、第１の固定電極５、第２の固定電極６、および第３の固定電極７を用いる。これにより、微小鏡２０の基板１に対する傾斜動作だけではなく、基板１からの垂直方向変位および／または傾斜を独立して制御することが可能になる。
以下、本実施形態の構成を更に詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の可変型ミラーでは、第１の固定電極５が２つの固定電極片５ａ、５ｂに分割されており、この２つの固定電極片５ａ、５ｂには、それぞれ、独立した駆動電圧が印加される。これと同様に、第２の固定電極６は、それぞれが独立した駆動電圧の印加を受ける固定電極片６ａ、６ｂに分割されており、第３の固定電極７は、それぞれが独立した駆動電圧の印加を受ける固定電極片７ａ、７ｂに分割されている。一方、ベース３およびヨーク当接部４の電位は接地電位に設定されている。
固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂは、絶縁層２に形成されたビア（不図示）によって基板１に形成された駆動回路に接続されている。駆動回路は、０〜５Ｖの範囲内で各々独立した電圧を固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに与えることができる。この６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂへ印加する電圧を調節することにより、１つの微小鏡２０の姿勢を制御することができる。
支持ポスト１１は、ベース３の位置３ａにおいてベース３と接続している。支持ポスト１１には、ヒンジ１２を介して、第１のヨーク１３，第２のヨーク１４、および第３のヨーク１５が取り付けられている。これらのヨーク１３〜１５は、対応する固定電極５〜７に対向し、それぞれが「可動電極」として機能する。
本実施形態における支持ポスト１１、ヒンジ１２、および第１〜第３のヨーク１３〜１５は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコンなどの導電性部材をパターニングすることによって形成され、ベース３と導通して接地電位に設定されている。
第１のヨーク１３は、第１の固定電極５の固定電極片５ａ、５ｂに対向する位置に第１の部分１３ａおよび第２の部分１３ｂを有している。固定電極片５ａに駆動電圧を与えた場合、第１の部分１３ａが固定電極片５ａ側に吸引される。これに対し、固定電極片５ｂに駆動電圧を与えた場合は、第２の部分１３ｂが固定電極片５ｂ側に吸引される。このようにして、回動軸Ａを中心にしてＣＷ（時計回り）方向およびＣＣＷ（反時計回り）方向のいずれに対しても選択的に回動力を付与できる。
同様に、第２のヨーク１４は、第１の部分１４ａおよび１４ｂを有しており、第３のヨーク１５は、第１の部分１５ａおよび１５ｂを有している。各固定電極片６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂに対して選択的に駆動電圧を与えることにより、回動軸Ａを中心にＣＷ方向およびＣＣＷ方向の任意の方向に回動力を発生することが可能である。
中間連結部材１６は、概略三角形の平面的な形状を有しており、三角形の頂点部分に近い位置に形成された３点の突起部材１７〜１９を備えている。この突起部材１７〜１９は、中間連結部材１６の平板状部分の下面から垂直方向に突出している。
３つの突起部材１７〜１９のうち、突起部材１７は、位置１３ｃにおいて第１のヨーク１３と連結している。同様に、突起部材１８は位置１４ｃにおいて第２のヨーク１４と連結し、突起部材１９は位置１５ｃにおいて第３のヨーク１５と連結している。第１のヨーク１３〜第３のヨーク１５を個別に回動駆動させることにより、突起部材１７〜１９の変位を独立に制御できるため、中間連結部材１６の姿勢を制御することができる。本実施形態では、３つの突起部材１７〜１９が１直線上に並んでいないため、３軸的な姿勢制御を行うことができる。
微小鏡２０は、上面に反射面２１を備え、突起２２によって中間連結部材１６と、その概中心部の位置１６ａにおいて一体に連結されている。このため、中間連結部材１６の姿勢が微小鏡２０の姿勢を決定することになる。本実施形態の反射面２１は、窒化シリコン層と酸化シリコン層とを繰り返し積層した誘電体多層ミラー膜から形成されており、高い反射効率を実現している。誘電体反射ミラー膜は、好ましくは５μｍ以上の厚さを有し、これによって微小鏡２０自体の剛性を高め、残留応力による反射面２１の平面度低下を防止している。
本実施形態では、微小鏡２０を中間連結部材１６とその概中心部において連結している。このため、ヨーク１３〜１５の変位に伴う不要な応力モーメントによる反射面２１の平面度低下が防止される。すなわち、ヨーク１３〜１５が回動軸Ａを中心に個別に変位した際には、ヨーク１３〜１５の互いの相対角度差に起因する不要な応力モーメントが発生するが、これによる撓みの発生は中間連結部材１６までにとどめられ、中間連結部材１６と位置１６ａの１点で連結された微小鏡２０の平面度にまで影響が及ぶことがない。
本実施形態の構成によれば、第１〜第３の固定電極５〜７の固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに対して選択的に駆動電圧を与えることにより、微小鏡２０を、ｚ方向の変位、ｘ軸周りの傾き、および／またはｙ軸周りの傾きについて、正負双方向に駆動することが可能である。
微小鏡２０を基板１から垂直方向に離間させる場合、固定電極片５ａ、６ｂ、７ａを選択し、それぞれ突起部材１７〜１９がｚ軸に沿って正方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。逆に、微小鏡２０を基板１に接近させる場合には、固定電極片５ｂ、６ａ、７ｂを選択し、それぞれ、突起部材１７〜１９がｚ軸に沿って負方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。
ｘ軸周りのＣＣＷ方向の傾きを与える場合は、固定電極片５ａ、６ａ、７ａを選択し、それぞれ突起部材１７、１９がｚ軸に沿って正方向、突起部材１８が負方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。
ｘ軸周りのＣＷ方向の傾き、ｙ軸周りの傾き、およびこれらの全ての複合的な動作も全て同様であり、６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂから適宜選択した電極に適当な駆動電圧を与えてやれば、微小鏡２０を基板１に対して任意の姿勢をとらせることができる。
なお、微小鏡２０の姿勢と６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに与える駆動電圧との関係は、予めテーブル化して格納しておくことができる。
次に、図２を参照しながら、図１の微小鏡をアレイ配列した可変形ミラーについて、隣接する反射ミラー同士の姿勢の設定方法を説明する。本実施形態における可変形ミラーは、歪んだ波面を平坦に補正する補償光学装置の一部として使用されている。
図２は、本実施形態の可変形ミラーの概略断面図である。図２（ａ）は微小鏡２０を連続的に接続して波面を補正した場合の例を示し、図２（ｂ）は光の位相の周期性を利用して波長単位で微小鏡２０の境界における光路差をずらした場合の例を記載している。簡単化のため、ここでは、１次元ミラーアレイの動作を説明するが、２次元のミラーアレイであっても同様である。
波長λの入射光３０が基板１に垂直に入射するとする。図２に示す入射光３０は、一点鎖線で示すような歪んだ波面を持っている。微小鏡２０で反射された入射光３０は、出射光３１となる。本実施形態における出射光３１の波面は、図２の破線で示すような平坦な波面に補正される。
微小鏡２０は、その外縁部２０ａ、２０ｂにおける可動ストロークが±０．２５〜０．５λの間の値をとるように設定されている。具体的には、微小鏡２０によって反射される光の往復路において、光路長制御範囲が±０．５λよりも大きく、かつ±１λよりも小さくなるように設定される。このように設定することにより、ヨーク１３〜１５と固定電極５〜７との間の間隙を極力小さくし、その結果、低電圧駆動時においても、大きな静電力を発生させるとともに、微小鏡２０の傾きを優先的に決定した場合に外縁部２０ａ、２０ｂの一方が±０．５λ以上の光路長差をとり得るように可動ストロークを確保できる。
図２（ａ）では、入射光３０の波面に対する補正レンジが微小鏡２０の可動ストローク範囲内にあり、微小鏡２０を連続的に接続して波面を補正した場合を示している。
駆動回路４０から固定電極５〜７に駆動電圧が印加されると、それに応じてヨーク１３〜１５が静電力で吸引され、微小鏡２０の姿勢が制御される。駆動回路４０は、例えば８ビットの駆動電圧値を発生し、ビア４１を介して絶縁層２上の固定電極５〜７と個別に接続されている。駆動回路４０の駆動電圧は図示しない波面センサで出射光３１の波面を検出した結果に基づき、やはり図示しない制御回路によって生成される。
微小鏡２０の姿勢および位置は、その外縁部２０ａ、２０ｂにおいて隣接する反射ミラーと連続的な反射面を形成するようにように制御され、入射光３０の歪んだ波面を折れ線状の連続波面で補正する。このため、微小鏡２０を単純に平行移動させて階段状の波面で補正するのに比べ、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることができる。
図２（ｂ）は、入射光３０の波面の補正レンジが微小鏡２０の可動ストローク範囲を超えた場合を示している。この場合、微小鏡２０の周縁部２０ｂと、これに隣接する反射ミラーの周縁部２０ａとの間で、０．５λの段差を形成している。このとき、反射光３１の波面は破線で示すように位相２π（光路長差λ）のずれを生ずるが、このような位相のずれは、単波長の光の場合、位相のずれがないことと等価である。このことを一般化すると、隣接する微小鏡２０の境界における入反射光の光路長差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように各微小鏡２０の配置関係を制御すれば、任意の補正レンジを実現できる。
以上のように本実施形態では、複数の固定電極５〜７に対して独立した駆動電圧を印加することにより、これらの複数の固定電極５〜７に関連付けられた微小鏡２０を、基板１に対して垂直な方向へ変位させるとともに、基板１に対して所望の方位へ傾斜させる制御が可能である。このため、半導体製造プロセスとの整合性の高い静電駆動方式を採用した可変形ミラーにおいても、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることが可能となる。
また、各固定電極５〜７が複数の固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂを備えているため、それぞれに選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する微小鏡２０の各部位を、基板１に近づけたり、基板１から遠ざけたりすることができる（双方向制御可能）。このため、微小鏡２０の平行移動動作と傾斜動作とを相互に干渉無く、独立して制御することができる。
なお、固定電極５〜７およびヨーク１３〜１５により、３つの駆動部を構成した例について説明したが、駆動部の数は、これに限定されるものではない。２つの駆動部により、各微小鏡２０の平行移動動作と１軸の傾斜動作を行っても良く、また４つ以上の駆動部を用いて各微小鏡２０を動かすことも可能である。特に、中間連結部材１６を介さずに突起部材１７〜１９を直接微小鏡２０と連結し、微小鏡２０に適当な柔軟性を与えた構成にして４つ以上の駆動源で駆動すれば、反射面２１の曲率を制御することも可能である。このようにすれば、連続ミラーと分割ミラーの両方の特徴を併せ持つ可変形ミラーを提供することもできる。
（実施形態２）
図３を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第２の実施形態を説明する。図３は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
本実施形態の可変形ミラーと実施形態１における可変形ミラーとの異なる点は、中間連結部材５０の構成にある。すなわち、基板１、絶縁層２、ベース３、ヨーク当接部４、固定電極５〜７、支持ポスト１１、ヒンジ１２、ヨーク１３〜１５、突起部材１７〜１９、微小鏡２０、反射面２１、および突起２２については、本実施形態の可変形ミラーと実施形態１の可変形ミラーとは同一の構成を有している。
本実施形態における中間連結部材５０は、３対のヒンジ部５０ｂを備え、各ヒンジ部５０ｂは回動軸Ａと平行な軸に沿ってそれぞれの突起部材１７〜１９を回動自在に支持している。この構成により、ヨーク１３〜１５が回動軸Ａを中心に個別に変位した際に発生するねじり応力が中間連結部材５０全体を撓ませることを効果的に防止している。これによって、微小鏡２０の突起２２との連結部である斜線部５０ａの変位量および傾き角度の再現性と線形性とを向上させ、つまりは微小鏡２０の姿勢精度を高めることができる。
なお、本実施形態では、突起部材１７〜１９を回動自在に支持するヒンジ部を中間連結部材５０側に設けたが、これをヨーク１３〜１５の側に設けても良い。
（実施形態３）
図４を参照しながら、本発明の可変形ミラーの第３の実施形態を説明する。図４は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
本実施形態の可変形ミラーが実施形態２における可変形ミラーと異なる点は、固定電極６０〜６２の構成にある。すなわち、本実施形態における第１の固定電極６０は、固定電極片６０ａ、６０ｂに分かれており、固定電極片６０ａ、６０ｂは、それぞれ、更に独立的に駆動電圧が印加され得る８つの部分電極に分かれている。以下、固定電極片６０ａについて説明を行うが、固定電極片６０ｂや第２、第３の固定電極６１、６２の固定電極片６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂも、固定電極片６０ａと同様である。
図４に示されるように、固定電極片６０ａは、８つの部分電極６０ａ１〜６０ａ８に分かれており、各々に独立した駆動電圧が印加され得る。このような構成を採用することにより、２値の駆動電圧で駆動することが可能となるため、駆動電圧を８ビットで制御する必要がなくなり、ディジタル−アナログ変換（Ｄ／Ａ）回路が不要になる。
駆動に用いる「静電力」は、電極の面積に比例する。このため、前記″Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ″は、上位ビットに対応する部分電極の面積は、その下位ビットに対応する部分電極の面積の２倍にすることを開示している。例えば８ビット相当の電極構成を考えると、最上位ビット部の部分電極の面積は最下位ビット部のものの１２８倍となり、部分電極の面積の差が極めて大きくなる。このため、多ビット化に対応しようとすると、下位ビット部の部分電極の面積が極めて小さくなり、電極面積に対するギャップによる無効面積の比が大きくなる。また、電極を作製するために微細加工プロセスが必要となり、製造が困難になる。更に、電極形状が点に近づいていくため、現実の動作が、平行平板間に働く静電力を前提する動作モデルから外れてしまい、可動電極の変位に対する静電力の特性が上位ビット部と下位ビット部で異なってしまう。
このような問題を解決するため、本実施形態では、第１のヨーク１３をＣＣＷ方向に回動させるトルクが、上位ビット部の部分電極とその下位ビットの部分電極とでは２倍の関係となるように構成している。すなわち、各部分電極の面積だけでなく、回動軸Ａから部分電極までの距離を設計パラメータとして自由度を持たせ、上位ビット部の部分電極を下位ビット部の部分電極よりも回動軸Ａから離れた位置に配置して、下位ビット部の部分電極の面積と上位ビット部のものとの比が極端に大きくなることを防止している。
図４では、回動軸Ａに最も近い部分電極６０ａ８が最下位ビットに対応し、以下部分電極６０ａ７〜６０ａ２と順次上位ビットに対応して、回動軸Ａに最も遠い部分電極６０ａ１が最上位ビットに対応している。各部分電極の中心から回動軸Ａまでの距離と、各部分電極の面積との積は、最下位ビットの部分電極６０ａ８を１として、それぞれ２、４、８、・・・、１２８と２の累乗の関係を持たせている。
一方、各部分電極の面積についての例を挙げれば、部分電極６０ａ１と回動軸Ａとの距離は、部分電極６０ａ８と回動軸Ａとの距離の約８倍に設けられているため、部分電極６０ａ１と部分電極６０ａ８との面積比は１６倍程度である。このように、８ビット相当の制御を行う構成においても部分電極同士の面積比は小さく抑えることができ、上記の問題を解決できる。
このように、小さい面積の部分電極を大きい面積の部分電極よりもヨーク１３の回動軸Ａの近くに配置することにより、極端な部分電極の面積差を招くことなく突起部材１７の変位量のダイナミックレンジを確保し、多ビットの制御を行うことができる。
（実施形態４）
上記の実施形態１〜３では、各微小鏡に３つの可動電極を割り当て、３つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係（基板からの距離及び方位）を制御している。これに対し、本実施形態では、各微小鏡に２つの可動電極を割り当て、２つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係を制御する。
以下、図５を参照しながら、本実施形態における可変形ミラーを説明する。図５は、本実施形態における可変形ミラーのうち、１つの微小鏡２０と、この微小鏡を駆動する駆動部とを示す分解斜視図である。
本実施形態では、微小鏡２０が突起部材１７を介してヨーク１３の第２の部分１３ｂと結合し、更に突起部材１８を介してヨーク１４の第１の部分１４ａと結合している。
本実施形態では、中間連結部材１６を用いず、微小鏡２０を２つのヨーク１３、１４に結合している点でも、前述の実施形態と異なっている。中間連結部材１６が存在しないため、製造プロセスの工程数が減少する利点があるが、駆動に伴なって微小鏡２０に応力が発生するため、微小鏡２０には適当な柔軟性を与えることが好ましい。
本実施形態の構成は、他の実施形態に比べて単純であるが、各微小鏡２０の平行移動動作と１軸の傾斜動作とを行うことができる。
（実施形態５）
図６を参照しながら、本発明による光制御装置の実施形態を説明する。この光制御装置は、可変形ミラーを用いた集光位置制御装置である。本実施形態では、複数の入出力用光ファイバアレイ間の接続切換えを行う光クロスコネクトに適用している。
図６に示すように、入力用光ファイバアレイ７０は、Ｎ×Ｎ本の信号入力用光ファイバを束ねたものであり、信号入力用光ファイバの先端がＮ×Ｎの２次元アレイを形成している。本実施形態では、Ｎ＝８として、光ファイバの隣接ピッチ間隔が２５０μｍとなるようにしている。１つの光ファイバから出射した光は、レンズ７１により概平行光にされる。レンズ７１は焦点距離ｆ＝４０ｍｍ、開口径８ｍｍであり、この焦点位置の近傍に入力用光ファイバアレイ７０が配置される。
可変形ミラー７２は、実施形態１〜４におけるいずれかの可変ミラーであり、内部に駆動回路を備えている。駆動回路は、ミラー制御手段７３からの制御信号を受けて、各反射ミラーの姿勢制御を行う。
可変形ミラー７２で反射された光はハーフミラー７４によって一部はレンズ７５に、残りの一部は波面の状態を検出するための波面センサ７６に向けられる。
レンズ７５を通過した光は、出力用光ファイバアレイ７７に集光される。レンズ７５の焦点距離および開口径は、レンズ７１の焦点距離および開口径と同じである。
波面センサ７６は、シャック＝ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ）型波面センサである。出力用光ファイバアレイ７７は、入力用光ファイバアレイ７０と同じように、Ｎ×Ｎ本の信号入力用光ファイバを束ねたものであり、出力用光ファイバ７７の先端はＮ×Ｎの２次元アレイを形成している。
ビーム制御目標設定手段７８は、入力用光ファイバアレイ７０と出力用光ファイバアレイ７７との間で、どの光ファイバのビームをどの光ファイバに向けて偏向させるかを決定し、その対応情報をミラー制御目標設定手段７９に出力する。ミラー制御目標設定手段７９は、この入出力ビーム間の対応を実現するために必要な各ミラーの目標姿勢を設定する。本実施形態では、これを予め設定した対応テーブルを用いて実現している。このため、ビーム制御目標設定手段７８からの出力をアドレスとして与えると、その内容として各ミラーの基板からの距離と２軸の傾き角度が出力される。この対応テーブルは予め計算もしくは実験的に決定されてＲＯＭに書き込まれている。
ミラー制御手段７３は、ミラー制御目標設定手段７９からの出力を目標値とし、波面センサ７６の出力をフィードバック情報として用いながら、各ミラーの駆動制御信号を出力する。
以上の構成により、可変形ミラー７２は、位相変調型の空間光変調器として、選択された入力用光ファイバの光ビームを所望の出力用光ファイバの固定位置に焦点を合致させるよう光ビーム制御を行う。本実施形態の可変形ミラー７２は、通常のバイナリーな空間光変調器と異なり、各反射ミラーの傾きを制御してブレーズ形状が実現できるため、回折効率を大幅に向上することができる。このため、入出力ファイバ間の光伝達効率を向上させるるとともに、不要な回折光が他の出力用光ファイバに漏れ込むことを防止してクロストークの発生を抑えることができる。
なお、ビーム制御目標設定手段７８は、単に入出力の光ファイバを１対１に対応させるだけでなく、入力光信号を１対多にファンアウトするような設定を行うこともできる。この場合、ミラー制御目標設定手段７９はマルチビームを生成できるようにミラー波面を設定する。
本実施形態では、ミラー制御手段７３が波面センサ７６からのフィードバック信号を用いた制御を行っているが、本発明は、これに限定されるものではなく、可変形ミラー７２に十分な追従性がある場合はこのフィードバック信号を用いないオープン制御にしてもよい。
また、本実施形態では、光制御装置を光クロスコネクトに適用しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＲＧＢ光源光をスクリーン上の所望の位置に走査する投射型ディスプレイに適用することもできる。更には、本発明を、ブレーズ形状を有する可変形ミラーを用いた光偏向装置や、可変焦点の集光装置などに適用することもできる。
産業上の利用可能性
本発明の可変形ミラーによれば、独立した駆動電圧を印加可能な複数の固定電極と、これと対向する可動電極との間の電位差によって発生する静電力により、微小鏡を基板に対して垂直に変位させる方向と傾ける方向とに独立に制御できる。このため、半導体製造プロセスによって容易に作製される静電駆動方式の可変形ミラーにおいて、少ないミラー分割数でも波面フィット誤差を抑えることができる。
また、各固定電極が複数の固定電極片を備えている場合、それぞれに選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する微小鏡の各部位を基板に近接させる方向と、基板から離間させる方向との双方向に制御することが可能である。このため、微小鏡の平行移動動作と傾斜動作を干渉無く独立に制御することができる。
更に、回動軸を中心に回動する可動電極の回動部材が作用部材を介して微小鏡に作用し、この回動部材の平板部が回動軸に関して対称な位置に存する第１および第２固定電極片と対向するように構成している場合、大きな静電力を得るための広い面積の電極対と、平行移動動作と傾斜動作とを可能とする支持構造とを限られたミラー分割面積内に両立して確保することができる。
なお、可動電極を複数の突起部材を介して平板状の中間連結部材と結合し、微小鏡を中間連結部材とその概中心部において連結することにより、可動電極の変位に伴う不要応力による反射面の平面度低下を防止することができる。また、中間連結部材に突起部材を回動自在に支持させることにより、中間連結部材全体が変形することを防止し、微小鏡の姿勢精度を高めることができる。
固定電極片を複数の部分電極から構成し、面積の小さい第２の部分電極を面積の大きい第１の部分電極よりも回動軸に近い位置に配設すれば、部分電極の面積差を小さく抑えつつ微小鏡の変位量のダイナミックレンジを確保して、多ビットの制御を行うことができる。
本発明の可変形ミラーを光制御装置に用いることにより、回折効率の高い光位相変調を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態１における可変形ミラーの分解斜視図である。
図２は、本発明の実施形態１における可変形ミラーの概略断面図である。
図３は、本発明の実施形態２における可変形ミラーの分解斜視図である。
図４は、本発明の実施形態３における可変形ミラーの分解斜視図である。
図５は、本発明の実施形態４における可変形ミラーの分解斜視図である。
図６は、本発明による光制御装置の実施形態（実施形態５）を示す概略構成図である。
本発明は、静電力によって変位可能な光反射領域を備えた可変形ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）、および、この可変形ミラーを用いて光の波面を制御する光制御装置に関する。
背景技術
可変形ミラーは、光の波面収差をアクティブに補正する補償光学装置や、ディスプレイや光通信などの光スイッチ等に応用されつつある。近年は、マイクロマシン技術を用いて多数の微小ミラーを一括的に形成し、低コスト化を図った開発事例が多数報告されている。このような微小ミラーの駆動には、静電力がよく利用される。静電力を利用して微小ミラーを駆動するタイプの可変形ミラーは、平面的で簡易な構造を有しているため、半導体製造プロセスとの整合性が高い。また、静電力は、ミラーなどの構成各部を微細化するほど、単位体積当たりの駆動力が大きくなる。
一方、静電力を利用する場合は、圧電素子などを利用する場合と異なり、基本的に吸引力のみしか働かないため、駆動方向が非対称的である。また、駆動部の構造体自体が伸縮して駆動力を発生する訳ではないため、間隙を置いて対向する電極対と、この電極対を支持するための構造とが必要となる。
可変形ミラーを大別すると、一枚の連続したミラー面を多数のアクチュエータによって変形させる「連続ミラー（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｉｒｒｏｒ）」と、多数の相互に分離されたミラーを独立に動かす「分割ミラー（Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒｓ）」とがある。
連続ミラーの例としては、薄膜ミラーと間隙を設けて配列した多数の電極との間で電位差を与えて静電力を発生させ、薄膜ミラーを電極方向に吸引して変形させるものがある（例えばＧ．Ｖｄｏｖｉｎ，Ｐ．Ｍ．Ｓａｒｒｏ，Ｓ．Ｍｉｄｄｌｅｈｏｅｋ″Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｉｒｒｏｒｓ″，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．９（１９９９），Ｒ８−Ｒ２０）。
また、分割ミラーの例としては、微小鏡を静電力によって基板方向に平行に吸引するもの（例えばＷ．Ｄ．Ｃｏｗａｎ，Ｍ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｂ．Ｍ．Ｗｅｌｓｈ，ｅｔ ａｌ．，″Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ″，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．１，ｐｐ．９０−１０１（１９９９））と、平行移動動作を伴わず傾斜動作をさせるもの（例えば特開２００１−１７４７２４号公報）とがある。積層圧電素子を用いた分割ミラーには、平行移動動作と傾斜動作を同時に行うもの（例えばＲ．Ｋ．Ｔｙｓｏｎ″Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ″，Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．（２０００），（Ｃｈａｐｔｅｒ ５，ｐｐ．１５５，Ｆｉｇ．２））がある。
しかしながら、上記のような可変形ミラーには、以下のような課題がある。
連続ミラーは、連続的で滑らかな波面を生成できるので、少ないアクチュエータでも波面フィット誤差を小さくできるが、その一方で、制御レンジの確保と駆動電圧の低減との両立が難しい。すなわち、充分な制御レンジを確保するには、ミラーと電極との間隙距離を大きくする必要があるが、静電力の大きさは間隙距離の自乗に反比例するため、高電圧を与えないと静電力が得られない。また、連続ミラーには、分割ミラーに比べて応答速度が小さく、ミラー膜の残留応力がミラーの平面性に大きく影響するといった問題もある。
一方、分割ミラーは、連続ミラーに比べて応答速度及び平面度に優れているという利点がある。また、各ミラーが独立しているため、制御レンジが波長λを超えた場合には、０〜λの範囲内において対応する主値に変換するという折り返し処理を実施すれば、任意の制御レンジを実現でき、低電圧化と制御レンジとの両立が可能である。
しかし、従来の分割ミラーでは、各ミラーを吸引して平行移動させているため、階段状の波面しか生成できなかった。この結果、波面フィット誤差を抑えるためには、ミラー分割数を連続ミラーに比べて大幅に増やす必要があった。このため、アクチュエータの数が増えてしまい、制御構成が複雑化したり、ミラー面積に対するミラー間のギャップ部の面積が増えることにより、反射効率の低下や不要回折光の影響の増大を招いている。
圧電素子を用いた分割ミラーでは、平行移動動作と傾斜動作とを両立させて滑らかな波面を生成できるため、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることが可能である。しかし、半導体製造プロセスとの整合性がなく、低コストで一括生産することが困難である。
なお、圧電素子による構成を静電方式の可変形ミラーで実現するのは、下記の２つの理由により困難であった。
第１に、吸引力しか発生しない静電方式の可変形ミラーでは、平行移動動作と傾斜動作とを独立に制御することが困難である。
第２に、静電方式の可変形ミラーでは、構造体自身が伸縮して駆動力を発生する圧電素子とは異なり、間隙を隔てた電極対とこれを支持する支持構造が別々に必要なる。このため、このような可変形ミラーでは、大きな静電力を得るための広い面積の電極対と、平行移動動作と傾斜動作とを可能とする支持構造とを、限られたミラー分割面積内に両立して確保することが困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えた可変形ミラーおよび光制御装置を提供することにある。
発明の開示
本発明の可変形ミラーは、基板と、相互に分離された状態で前記基板に支持される複数の微小鏡と、前記複数の微小鏡の各々を独立して駆動し、それによって各微小鏡と前記基板との配置関係を制御する複数の駆動部とを備えた可変形ミラーであって、前記複数の駆動部の各々は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極と、前記複数の固定電極と対向する位置に設けられた可動電極とを備え、前記複数の微小鏡の各々は、前記微小鏡の各々に関連付けられた少なくとも２つの可動電極と連結されており、前記少なくとも２つの可動電極と、前記可動電極に対応する前記固定電極との間の電位差によって発生する静電力により、前記微小鏡の前記基板に対する垂直な方向への変位および／または前記基板に対する傾斜を行うことができる。
好ましい実施形態において、前記複数の駆動部の各々は、前記微小鏡における第１の特定部位の変位に関わる第１の固定電極と、前記微小鏡における前記第１の特定部位と異なる第２の特定部位の変位に関わる第２の固定電極と、を備え、前記第１および第２の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第２の特定部位の変位を独立に行い、それによって前記微小鏡と前記基板との配置関係を制御する。
好ましい実施形態において、前記第１および第２の固定電極の各々は、独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極片に分割されており、前記複数の固定電極片に対して選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する前記微小鏡の各特定部位の変位を前記基板に近接させる方向および前記基板から離間させる方向の双方向に制御することができる。
好ましい実施形態において、前記可動電極は、前記基板に支持されて回動軸を中心に回動する回動部材と、前記回動部材の運動に従って、前記微小鏡の特定部位と前記基板との距離を変化させる作用部材とを備え、前記回動部材は、前記回動軸上に配置された支持部と、前記支持部と結合した平板部とを有しており、前記回動部材の前記平板部は、前記回動軸に関して対称な位置に存する第１導電性部分および第２導電性部分を含み、前記複数の固定電極片は、前記平板部の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１固定電極片と、前記平板部の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２固定電極片とを含んでいる。
好ましい実施形態において、前記作用部材は、平板状の中間連結部材と、前記可動電極における前記第１導電性部分および第２導電性部分の一方を前記中間連結部材に結合する複数の突起部材とを備え、前記中間連結部材の概中心部において、前記中間連結部材と前記微小鏡とが連結されている。
好ましい実施形態において、前記第１導電性部分および第２導電性部分のいずれか一方と前記中間連結部材とは、前記突起部材を介して回動自在な関係にある。
好ましい実施形態において、前記複数の駆動部の各々は、前記微小鏡における前記第１および第２の特定部位のいずれとも異なる第３の特定部位の変位に関わる第３の固定電極を更に備え、前記第１から第３の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第３の特定部位の変位を独立に設定することにより、少なくとも前記微小鏡を前記基板に対して垂直に変位させる方向と、前記微小鏡を前記基板に対して２軸に傾ける方向とに制御することができる。
好ましい実施形態において、前記複数の微小鏡の各々は、波長λの光を反射し、前記複数の微小鏡に含まれる或る微小鏡によって反射される光の光路長と、前記或る微小鏡に隣接する微小鏡によって反射される光の光路長との差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように、前記複数の駆動部は、前記微小鏡の配置関係を制御する。
好ましい実施形態において、前記固定電極片は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の部分電極を更に備え、前記複数の部分電極は、少なくもとその面積が互いに異なる第１及び第２の部分電極を含み、前記第２の部分電極の面積は前記第１の部分電極の面積よりみ小さく設定され、かつ、前記第２の部分電極は、前記第１の部分電極よりも前記回動軸に近い位置に配設されている。
好ましい実施形態において、前記第１の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第１の部分電極の面積との積が、前記第２の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第２の部分電極の面積との積に対し、実質的に２の累乗倍の関係を有する。
好ましい実施形態において、前記駆動電圧を生成する駆動回路を前記基板上に備えている。
好ましい実施形態において、少なくとも前記固定電極および可動電極は、パターニングされた導電性膜から形成されている。
本発明の光制御装置は、複数の微小鏡が基板上に支持された可変形ミラーを備え、光源から出射された光ビームの波面を前記可変形ミラーによって所望の目標波面に変換する光制御装置であって、前記目標波面を設定するビーム制御目標設定手段と、前記ビーム制御目標設定手段の出力から前記各微小鏡と前記基板との配置関係の目標値を設定するミラー制御目標設定手段と、前記ミラー制御目標設定手段の出力に基づいて前記各微小鏡の制御を行うミラー制御手段とを備え、前記可変形ミラーは、上記いずれかの可変形ミラーであることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図１および図２を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第１の実施形態を説明する。
本実施形態の可変形ミラーは、複数個のアクチュエータ（駆動部）と、各アクチュエータを駆動するための駆動回路とが同一のシリコン基板上に集積された構成を有しており、半導体製造プロセス技術を好適に用いて作製され得る。
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。本実施形態の可変形ミラーは、複数の微小鏡（反射ミラー要素）２０が２次元アレイ状に配列された構成を備えているが、図１は、複数の微小鏡２０のうちの１つの微小鏡およびその駆動部を拡大したものである。
本実施形態の可変形ミラーでは、復数の駆動部により、基板１上に配列された各微小鏡２０の姿勢および基板１からの距離が制御される。各駆動部は、基板１に形成された不図示の駆動回路によって制御される。
本実施形態では、基板１上に窒化シリコン系の絶縁層２が形成され、その絶縁層２上に、ベース３、ヨーク当接部４、第１の固定電極５、第２の固定電極６、および第３の固定電極７が形成されている。ベース３、ヨーク当接部４、および固定電極５〜７は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコン等の導電膜をパターニングすることによって形成されている。
図１に示されている１つの微小鏡２０を駆動するため、本実施形態では、第１の固定電極５、第２の固定電極６、および第３の固定電極７を用いる。これにより、微小鏡２０の基板１に対する傾斜動作だけではなく、基板１からの垂直方向変位および／または傾斜を独立して制御することが可能になる。
以下、本実施形態の構成を更に詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の可変型ミラーでは、第１の固定電極５が２つの固定電極片５ａ、５ｂに分割されており、この２つの固定電極片５ａ、５ｂには、それぞれ、独立した駆動電圧が印加される。これと同様に、第２の固定電極６は、それぞれが独立した駆動電圧の印加を受ける固定電極片６ａ、６ｂに分割されており、第３の固定電極７は、それぞれが独立した駆動電圧の印加を受ける固定電極片７ａ、７ｂに分割されている。一方、ベース３およびヨーク当接部４の電位は接地電位に設定されている。
固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂは、絶縁層２に形成されたビア（不図示）によって基板１に形成された駆動回路に接続されている。駆動回路は、０〜５Ｖの範囲内で各々独立した電圧を固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに与えることができる。この６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂへ印加する電圧を調節することにより、１つの微小鏡２０の姿勢を制御することができる。
支持ポスト１１は、ベース３の位置３ａにおいてベース３と接続している。支持ポスト１１には、ヒンジ１２を介して、第１のヨーク１３，第２のヨーク１４、および第３のヨーク１５が取り付けられている。これらのヨーク１３〜１５は、対応する固定電極５〜７に対向し、それぞれが「可動電極」として機能する。
本実施形態における支持ポスト１１、ヒンジ１２、および第１〜第３のヨーク１３〜１５は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコンなどの導電性部材をパターニングすることによって形成され、ベース３と導通して接地電位に設定されている。
第１のヨーク１３は、第１の固定電極５の固定電極片５ａ、５ｂに対向する位置に第１の部分１３ａおよび第２の部分１３ｂを有している。固定電極片５ａに駆動電圧を与えた場合、第１の部分１３ａが固定電極片５ａ側に吸引される。これに対し、固定電極片５ｂに駆動電圧を与えた場合は、第２の部分１３ｂが固定電極片５ｂ側に吸引される。このようにして、回動軸Ａを中心にしてＣＷ（時計回り）方向およびＣＣＷ（反時計回り）方向のいずれに対しても選択的に回動力を付与できる。
同様に、第２のヨーク１４は、第１の部分１４ａおよび１４ｂを有しており、第３のヨーク１５は、第１の部分１５ａおよび１５ｂを有している。各固定電極片６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂに対して選択的に駆動電圧を与えることにより、回動軸Ａを中心にＣＷ方向およびＣＣＷ方向の任意の方向に回動力を発生することが可能である。
中間連結部材１６は、概略三角形の平面的な形状を有しており、三角形の頂点部分に近い位置に形成された３点の突起部材１７〜１９を備えている。この突起部材１７〜１９は、中間連結部材１６の平板状部分の下面から垂直方向に突出している。
３つの突起部材１７〜１９のうち、突起部材１７は、位置１３ｃにおいて第１のヨーク１３と連結している。同様に、突起部材１８は位置１４ｃにおいて第２のヨーク１４と連結し、突起部材１９は位置１５ｃにおいて第３のヨーク１５と連結している。第１のヨーク１３〜第３のヨーク１５を個別に回動駆動させることにより、突起部材１７〜１９の変位を独立に制御できるため、中間連結部材１６の姿勢を制御することができる。本実施形態では、３つの突起部材１７〜１９が１直線上に並んでいないため、３軸的な姿勢制御を行うことができる。
微小鏡２０は、上面に反射面２１を備え、突起２２によって中間連結部材１６と、その概中心部の位置１６ａにおいて一体に連結されている。このため、中間連結部材１６の姿勢が微小鏡２０の姿勢を決定することになる。本実施形態の反射面２１は、窒化シリコン層と酸化シリコン層とを繰り返し積層した誘電体多層ミラー膜から形成されており、高い反射効率を実現している。誘電体反射ミラー膜は、好ましくは５μｍ以上の厚さを有し、これによって微小鏡２０自体の剛性を高め、残留応力による反射面２１の平面度低下を防止している。
本実施形態では、微小鏡２０を中間連結部材１６とその概中心部において連結している。このため、ヨーク１３〜１５の変位に伴う不要な応力モーメントによる反射面２１の平面度低下が防止される。すなわち、ヨーク１３〜１５が回動軸Ａを中心に個別に変位した際には、ヨーク１３〜１５の互いの相対角度差に起因する不要な応力モーメントが発生するが、これによる撓みの発生は中間連結部材１６までにとどめられ、中間連結部材１６と位置１６ａの１点で連結された微小鏡２０の平面度にまで影響が及ぶことがない。
本実施形態の構成によれば、第１〜第３の固定電極５〜７の固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに対して選択的に駆動電圧を与えることにより、微小鏡２０を、ｚ方向の変位、ｘ軸周りの傾き、および／またはｙ軸周りの傾きについて、正負双方向に駆動することが可能である。
微小鏡２０を基板１から垂直方向に離間させる場合、固定電極片５ａ、６ｂ、７ａを選択し、それぞれ突起部材１７〜１９がｚ軸に沿って正方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。逆に、微小鏡２０を基板１に接近させる場合には、固定電極片５ｂ、６ａ、７ｂを選択し、それぞれ、突起部材１７〜１９がｚ軸に沿って負方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。
ｘ軸周りのＣＣＷ方向の傾きを与える場合は、固定電極片５ａ、６ａ、７ａを選択し、それぞれ突起部材１７、１９がｚ軸に沿って正方向、突起部材１８が負方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。
ｘ軸周りのＣＷ方向の傾き、ｙ軸周りの傾き、およびこれらの全ての複合的な動作も全て同様であり、６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂから適宜選択した電極に適当な駆動電圧を与えてやれば、微小鏡２０を基板１に対して任意の姿勢をとらせることができる。
なお、微小鏡２０の姿勢と６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに与える駆動電圧との関係は、予めテーブル化して格納しておくことができる。
次に、図２を参照しながら、図１の微小鏡をアレイ配列した可変形ミラーについて、隣接する反射ミラー同士の姿勢の設定方法を説明する。本実施形態における可変形ミラーは、歪んだ波面を平坦に補正する補償光学装置の一部として使用されている。
図２は、本実施形態の可変形ミラーの概略断面図である。図２（ａ）は微小鏡２０を連続的に接続して波面を補正した場合の例を示し、図２（ｂ）は光の位相の周期性を利用して波長単位で微小鏡２０の境界における光路差をずらした場合の例を記載している。簡単化のため、ここでは、１次元ミラーアレイの動作を説明するが、２次元のミラーアレイであっても同様である。
波長λの入射光３０が基板１に垂直に入射するとする。図２に示す入射光３０は、一点鎖線で示すような歪んだ波面を持っている。微小鏡２０で反射された入射光３０は、出射光３１となる。本実施形態における出射光３１の波面は、図２の破線で示すような平坦な波面に補正される。
微小鏡２０は、その外縁部２０ａ、２０ｂにおける可動ストロークが±０．２５〜０．５λの間の値をとるように設定されている。具体的には、微小鏡２０によって反射される光の往復路において、光路長制御範囲が±０．５λよりも大きく、かつ±１λよりも小さくなるように設定される。このように設定することにより、ヨーク１３〜１５と固定電極５〜７との間の間隙を極力小さくし、その結果、低電圧駆動時においても、大きな静電力を発生させるとともに、微小鏡２０の傾きを優先的に決定した場合に外縁部２０ａ、２０ｂの一方が±０．５λ以上の光路長差をとり得るように可動ストロークを確保できる。
図２（ａ）では、入射光３０の波面に対する補正レンジが微小鏡２０の可動ストローク範囲内にあり、微小鏡２０を連続的に接続して波面を補正した場合を示している。
駆動回路４０から固定電極５〜７に駆動電圧が印加されると、それに応じてヨーク１３〜１５が静電力で吸引され、微小鏡２０の姿勢が制御される。駆動回路４０は、例えば８ビットの駆動電圧値を発生し、ビア４１を介して絶縁層２上の固定電極５〜７と個別に接続されている。駆動回路４０の駆動電圧は図示しない波面センサで出射光３１の波面を検出した結果に基づき、やはり図示しない制御回路によって生成される。
微小鏡２０の姿勢および位置は、その外縁部２０ａ、２０ｂにおいて隣接する反射ミラーと連続的な反射面を形成するようにように制御され、入射光３０の歪んだ波面を折れ線状の連続波面で補正する。このため、微小鏡２０を単純に平行移動させて階段状の波面で補正するのに比べ、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることができる。
図２（ｂ）は、入射光３０の波面の補正レンジが微小鏡２０の可動ストローク範囲を超えた場合を示している。この場合、微小鏡２０の周縁部２０ｂと、これに隣接する反射ミラーの周縁部２０ａとの間で、０．５λの段差を形成している。このとき、反射光３１の波面は破線で示すように位相２π（光路長差λ）のずれを生ずるが、このような位相のずれは、単波長の光の場合、位相のずれがないことと等価である。このことを一般化すると、隣接する微小鏡２０の境界における入反射光の光路長差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように各微小鏡２０の配置関係を制御すれば、任意の補正レンジを実現できる。
以上のように本実施形態では、複数の固定電極５〜７に対して独立した駆動電圧を印加することにより、これらの複数の固定電極５〜７に関連付けられた微小鏡２０を、基板１に対して垂直な方向へ変位させるとともに、基板１に対して所望の方位へ傾斜させる制御が可能である。このため、半導体製造プロセスとの整合性の高い静電駆動方式を採用した可変形ミラーにおいても、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることが可能となる。
また、各固定電極５〜７が複数の固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂを備えているため、それぞれに選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する微小鏡２０の各部位を、基板１に近づけたり、基板１から遠ざけたりすることができる（双方向制御可能）。このため、微小鏡２０の平行移動動作と傾斜動作とを相互に干渉無く、独立して制御することができる。
なお、固定電極５〜７およびヨーク１３〜１５により、３つの駆動部を構成した例について説明したが、駆動部の数は、これに限定されるものではない。２つの駆動部により、各微小鏡２０の平行移動動作と１軸の傾斜動作を行っても良く、また４つ以上の駆動部を用いて各微小鏡２０を動かすことも可能である。特に、中間連結部材１６を介さずに突起部材１７〜１９を直接微小鏡２０と連結し、微小鏡２０に適当な柔軟性を与えた構成にして４つ以上の駆動源で駆動すれば、反射面２１の曲率を制御することも可能である。このようにすれば、連続ミラーと分割ミラーの両方の特徴を併せ持つ可変形ミラーを提供することもできる。
（実施形態２）
図３を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第２の実施形態を説明する。図３は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
本実施形態の可変形ミラーと実施形態１における可変形ミラーとの異なる点は、中間連結部材５０の構成にある。すなわち、基板１、絶縁層２、ベース３、ヨーク当接部４、固定電極５〜７、支持ポスト１１、ヒンジ１２、ヨーク１３〜１５、突起部材１７〜１９、微小鏡２０、反射面２１、および突起２２については、本実施形態の可変形ミラーと実施形態１の可変形ミラーとは同一の構成を有している。
本実施形態における中間連結部材５０は、３対のヒンジ部５０ｂを備え、各ヒンジ部５０ｂは回動軸Ａと平行な軸に沿ってそれぞれの突起部材１７〜１９を回動自在に支持している。この構成により、ヨーク１３〜１５が回動軸Ａを中心に個別に変位した際に発生するねじり応力が中間連結部材５０全体を撓ませることを効果的に防止している。これによって、微小鏡２０の突起２２との連結部である斜線部５０ａの変位量および傾き角度の再現性と線形性とを向上させ、つまりは微小鏡２０の姿勢精度を高めることができる。
なお、本実施形態では、突起部材１７〜１９を回動自在に支持するヒンジ部を中間連結部材５０側に設けたが、これをヨーク１３〜１５の側に設けても良い。
（実施形態３）
図４を参照しながら、本発明の可変形ミラーの第３の実施形態を説明する。図４は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
本実施形態の可変形ミラーが実施形態２における可変形ミラーと異なる点は、固定電極６０〜６２の構成にある。すなわち、本実施形態における第１の固定電極６０は、固定電極片６０ａ、６０ｂに分かれており、固定電極片６０ａ、６０ｂは、それぞれ、更に独立的に駆動電圧が印加され得る８つの部分電極に分かれている。以下、固定電極片６０ａについて説明を行うが、固定電極片６０ｂや第２、第３の固定電極６１、６２の固定電極片６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂも、固定電極片６０ａと同様である。
図４に示されるように、固定電極片６０ａは、８つの部分電極６０ａ１〜６０ａ８に分かれており、各々に独立した駆動電圧が印加され得る。このような構成を採用することにより、２値の駆動電圧で駆動することが可能となるため、駆動電圧を８ビットで制御する必要がなくなり、ディジタル−アナログ変換（Ｄ／Ａ）回路が不要になる。
駆動に用いる「静電力」は、電極の面積に比例する。このため、前記″Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ″は、上位ビットに対応する部分電極の面積は、その下位ビットに対応する部分電極の面積の２倍にすることを開示している。例えば８ビット相当の電極構成を考えると、最上位ビット部の部分電極の面積は最下位ビット部のものの１２８倍となり、部分電極の面積の差が極めて大きくなる。このため、多ビット化に対応しようとすると、下位ビット部の部分電極の面積が極めて小さくなり、電極面積に対するギャップによる無効面積の比が大きくなる。また、電極を作製するために微細加工プロセスが必要となり、製造が困難になる。更に、電極形状が点に近づいていくため、現実の動作が、平行平板間に働く静電力を前提する動作モデルから外れてしまい、可動電極の変位に対する静電力の特性が上位ビット部と下位ビット部で異なってしまう。
このような問題を解決するため、本実施形態では、第１のヨーク１３をＣＣＷ方向に回動させるトルクが、上位ビット部の部分電極とその下位ビットの部分電極とでは２倍の関係となるように構成している。すなわち、各部分電極の面積だけでなく、回動軸Ａから部分電極までの距離を設計パラメータとして自由度を持たせ、上位ビット部の部分電極を下位ビット部の部分電極よりも回動軸Ａから離れた位置に配置して、下位ビット部の部分電極の面積と上位ビット部のものとの比が極端に大きくなることを防止している。
図４では、回動軸Ａに最も近い部分電極６０ａ８が最下位ビットに対応し、以下部分電極６０ａ７〜６０ａ２と順次上位ビットに対応して、回動軸Ａに最も遠い部分電極６０ａ１が最上位ビットに対応している。各部分電極の中心から回動軸Ａまでの距離と、各部分電極の面積との積は、最下位ビットの部分電極６０ａ８を１として、それぞれ２、４、８、・・・、１２８と２の累乗の関係を持たせている。
一方、各部分電極の面積についての例を挙げれば、部分電極６０ａ１と回動軸Ａとの距離は、部分電極６０ａ８と回動軸Ａとの距離の約８倍に設けられているため、部分電極６０ａ１と部分電極６０ａ８との面積比は１６倍程度である。このように、８ビット相当の制御を行う構成においても部分電極同士の面積比は小さく抑えることができ、上記の問題を解決できる。
このように、小さい面積の部分電極を大きい面積の部分電極よりもヨーク１３の回動軸Ａの近くに配置することにより、極端な部分電極の面積差を招くことなく突起部材１７の変位量のダイナミックレンジを確保し、多ビットの制御を行うことができる。
（実施形態４）
上記の実施形態１〜３では、各微小鏡に３つの可動電極を割り当て、３つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係（基板からの距離及び方位）を制御している。これに対し、本実施形態では、各微小鏡に２つの可動電極を割り当て、２つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係を制御する。
以下、図５を参照しながら、本実施形態における可変形ミラーを説明する。図５は、本実施形態における可変形ミラーのうち、１つの微小鏡２０と、この微小鏡を駆動する駆動部とを示す分解斜視図である。
本実施形態では、微小鏡２０が突起部材１７を介してヨーク１３の第２の部分１３ｂと結合し、更に突起部材１８を介してヨーク１４の第１の部分１４ａと結合している。
本実施形態では、中間連結部材１６を用いず、微小鏡２０を２つのヨーク１３、１４に結合している点でも、前述の実施形態と異なっている。中間連結部材１６が存在しないため、製造プロセスの工程数が減少する利点があるが、駆動に伴なって微小鏡２０に応力が発生するため、微小鏡２０には適当な柔軟性を与えることが好ましい。
本実施形態の構成は、他の実施形態に比べて単純であるが、各微小鏡２０の平行移動動作と１軸の傾斜動作とを行うことができる。
（実施形態５）
図６を参照しながら、本発明による光制御装置の実施形態を説明する。この光制御装置は、可変形ミラーを用いた集光位置制御装置である。本実施形態では、複数の入出力用光ファイバアレイ間の接続切換えを行う光クロスコネクトに適用している。
図６に示すように、入力用光ファイバアレイ７０は、Ｎ×Ｎ本の信号入力用光ファイバを束ねたものであり、信号入力用光ファイバの先端がＮ×Ｎの２次元アレイを形成している。本実施形態では、Ｎ＝８として、光ファイバの隣接ピッチ間隔が２５０μｍとなるようにしている。１つの光ファイバから出射した光は、レンズ７１により概平行光にされる。レンズ７１は焦点距離ｆ＝４０ｍｍ、開口径８ｍｍであり、この焦点位置の近傍に入力用光ファイバアレイ７０が配置される。
可変形ミラー７２は、実施形態１〜４におけるいずれかの可変ミラーであり、内部に駆動回路を備えている。駆動回路は、ミラー制御手段７３からの制御信号を受けて、各反射ミラーの姿勢制御を行う。
可変形ミラー７２で反射された光はハーフミラー７４によって一部はレンズ７５に、残りの一部は波面の状態を検出するための波面センサ７６に向けられる。
レンズ７５を通過した光は、出力用光ファイバアレイ７７に集光される。レンズ７５の焦点距離および開口径は、レンズ７１の焦点距離および開口径と同じである。
波面センサ７６は、シャック＝ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ）型波面センサである。出力用光ファイバアレイ７７は、入力用光ファイバアレイ７０と同じように、Ｎ×Ｎ本の信号入力用光ファイバを束ねたものであり、出力用光ファイバ７７の先端はＮ×Ｎの２次元アレイを形成している。
ビーム制御目標設定手段７８は、入力用光ファイバアレイ７０と出力用光ファイバアレイ７７との間で、どの光ファイバのビームをどの光ファイバに向けて偏向させるかを決定し、その対応情報をミラー制御目標設定手段７９に出力する。ミラー制御目標設定手段７９は、この入出力ビーム間の対応を実現するために必要な各ミラーの目標姿勢を設定する。本実施形態では、これを予め設定した対応テーブルを用いて実現している。このため、ビーム制御目標設定手段７８からの出力をアドレスとして与えると、その内容として各ミラーの基板からの距離と２軸の傾き角度が出力される。この対応テーブルは予め計算もしくは実験的に決定されてＲＯＭに書き込まれている。
ミラー制御手段７３は、ミラー制御目標設定手段７９からの出力を目標値とし、波面センサ７６の出力をフィードバック情報として用いながら、各ミラーの駆動制御信号を出力する。
以上の構成により、可変形ミラー７２は、位相変調型の空間光変調器として、選択された入力用光ファイバの光ビームを所望の出力用光ファイバの固定位置に焦点を合致させるよう光ビーム制御を行う。本実施形態の可変形ミラー７２は、通常のバイナリーな空間光変調器と異なり、各反射ミラーの傾きを制御してブレーズ形状が実現できるため、回折効率を大幅に向上することができる。このため、入出力ファイバ間の光伝達効率を向上させるるとともに、不要な回折光が他の出力用光ファイバに漏れ込むことを防止してクロストークの発生を抑えることができる。
なお、ビーム制御目標設定手段７８は、単に入出力の光ファイバを１対１に対応させるだけでなく、入力光信号を１対多にファンアウトするような設定を行うこともできる。この場合、ミラー制御目標設定手段７９はマルチビームを生成できるようにミラー波面を設定する。
本実施形態では、ミラー制御手段７３が波面センサ７６からのフィードバック信号を用いた制御を行っているが、本発明は、これに限定されるものではなく、可変形ミラー７２に十分な追従性がある場合はこのフィードバック信号を用いないオープン制御にしてもよい。
また、本実施形態では、光制御装置を光クロスコネクトに適用しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＲＧＢ光源光をスクリーン上の所望の位置に走査する投射型ディスプレイに適用することもできる。更には、本発明を、ブレーズ形状を有する可変形ミラーを用いた光偏向装置や、可変焦点の集光装置などに適用することもできる。
産業上の利用可能性
本発明の可変形ミラーによれば、独立した駆動電圧を印加可能な複数の固定電極と、これと対向する可動電極との間の電位差によって発生する静電力により、微小鏡を基板に対して垂直に変位させる方向と傾ける方向とに独立に制御できる。このため、半導体製造プロセスによって容易に作製される静電駆動方式の可変形ミラーにおいて、少ないミラー分割数でも波面フィット誤差を抑えることができる。
また、各固定電極が複数の固定電極片を備えている場合、それぞれに選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する微小鏡の各部位を基板に近接させる方向と、基板から離間させる方向との双方向に制御することが可能である。このため、微小鏡の平行移動動作と傾斜動作を干渉無く独立に制御することができる。
更に、回動軸を中心に回動する可動電極の回動部材が作用部材を介して微小鏡に作用し、この回動部材の平板部が回動軸に関して対称な位置に存する第１および第２固定電極片と対向するように構成している場合、大きな静電力を得るための広い面積の電極対と、平行移動動作と傾斜動作とを可能とする支持構造とを限られたミラー分割面積内に両立して確保することができる。
なお、可動電極を複数の突起部材を介して平板状の中間連結部材と結合し、微小鏡を中間連結部材とその概中心部において連結することにより、可動電極の変位に伴う不要応力による反射面の平面度低下を防止することができる。また、中間連結部材に突起部材を回動自在に支持させることにより、中間連結部材全体が変形することを防止し、微小鏡の姿勢精度を高めることができる。
固定電極片を複数の部分電極から構成し、面積の小さい第２の部分電極を面積の大きい第１の部分電極よりも回動軸に近い位置に配設すれば、部分電極の面積差を小さく抑えつつ微小鏡の変位量のダイナミックレンジを確保して、多ビットの制御を行うことができる。
本発明の可変形ミラーを光制御装置に用いることにより、回折効率の高い光位相変調を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態１における可変形ミラーの分解斜視図である。
図２は、本発明の実施形態１における可変形ミラーの概略断面図である。
図３は、本発明の実施形態２における可変形ミラーの分解斜視図である。
図４は、本発明の実施形態３における可変形ミラーの分解斜視図である。
図５は、本発明の実施形態４における可変形ミラーの分解斜視図である。
図６は、本発明による光制御装置の実施形態（実施形態５）を示す概略構成図である。
本発明は、静電力によって変位可能な光反射領域を備えた可変形ミラー（deformable mirror）、および、この可変形ミラーを用いて光の波面を制御する光制御装置に関する。
可変形ミラーは、光の波面収差をアクティブに補正する補償光学装置や、ディスプレイや光通信などの光スイッチ等に応用されつつある。近年は、マイクロマシン技術を用いて多数の微小ミラーを一括的に形成し、低コスト化を図った開発事例が多数報告されている。このような微小ミラーの駆動には、静電力がよく利用される。静電力を利用して微小ミラーを駆動するタイプの可変形ミラーは、平面的で簡易な構造を有しているため、半導体製造プロセスとの整合性が高い。また、静電力は、ミラーなどの構成各部を微細化するほど、単位体積当たりの駆動力が大きくなる。
一方、静電力を利用する場合は、圧電素子などを利用する場合と異なり、基本的に吸引力のみしか働かないため、駆動方向が非対称的である。また、駆動部の構造体自体が伸縮して駆動力を発生する訳ではないため、間隙を置いて対向する電極対と、この電極対を支持するための構造とが必要となる。
可変形ミラーを大別すると、一枚の連続したミラー面を多数のアクチュエータによって変形させる「連続ミラー（Continuous mirror）」と、多数の相互に分離されたミラーを独立に動かす「分割ミラー（Segmented Mirrors）」とがある。
連続ミラーの例としては、薄膜ミラーと間隙を設けて配列した多数の電極との間で電位差を与えて静電力を発生させ、薄膜ミラーを電極方向に吸引して変形させるものがある（例えばG.Vdovin, P.M.Sarro, S.Middlehoek "Technology and applications of micromachined adaptive mirrors" , J. Micromech. Microeng. 9 (1999), R8-R20）。
また、分割ミラーの例としては、微小鏡を静電力によって基板方向に平行に吸引するもの（例えばW.D.Cowan, M.K.Lee, B.M.Welsh, et al.,"Surface Micromachined Segmented Mirrors for Adaptive Optics", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.5, No.1, pp.90-101 (1999)）と、平行移動動作を伴わず傾斜動作をさせるもの（例えば特開2001-174724号公報）とがある。積層圧電素子を用いた分割ミラーには、平行移動動作と傾斜動作を同時に行うもの（例えばR.K.Tyson "Adaptive Optics Engineering Handbook", Marcel Dekker,Inc. (2000), (Chapter 5, pp.155 , Fig.2)）がある。
しかしながら、上記のような可変形ミラーには、以下のような課題がある。
連続ミラーは、連続的で滑らかな波面を生成できるので、少ないアクチュエータでも波面フィット誤差を小さくできるが、その一方で、制御レンジの確保と駆動電圧の低減との両立が難しい。すなわち、充分な制御レンジを確保するには、ミラーと電極との間隙距離を大きくする必要があるが、静電力の大きさは間隙距離の自乗に反比例するため、高電圧を与えないと静電力が得られない。また、連続ミラーには、分割ミラーに比べて応答速度が小さく、ミラー膜の残留応力がミラーの平面性に大きく影響するといった問題もある。
一方、分割ミラーは、連続ミラーに比べて応答速度及び平面度に優れているという利点がある。また、各ミラーが独立しているため、制御レンジが波長λを超えた場合には、０〜λの範囲内において対応する主値に変換するという折り返し処理を実施すれば、任意の制御レンジを実現でき、低電圧化と制御レンジとの両立が可能である。
しかし、従来の分割ミラーでは、各ミラーを吸引して平行移動させているため、階段状の波面しか生成できなかった。この結果、波面フィット誤差を抑えるためには、ミラー分割数を連続ミラーに比べて大幅に増やす必要があった。このため、アクチュエータの数が増えてしまい、制御構成が複雑化したり、ミラー面積に対するミラー間のギャップ部の面積が増えることにより、反射効率の低下や不要回折光の影響の増大を招いている。
圧電素子を用いた分割ミラーでは、平行移動動作と傾斜動作とを両立させて滑らかな波面を生成できるため、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることが可能である。しかし、半導体製造プロセスとの整合性がなく、低コストで一括生産することが困難である。
なお、圧電素子による構成を静電方式の可変形ミラーで実現するのは、下記の２つの理由により困難であった。
第１に、吸引力しか発生しない静電方式の可変形ミラーでは、平行移動動作と傾斜動作とを独立に制御することが困難である。
第２に、静電方式の可変形ミラーでは、構造体自身が伸縮して駆動力を発生する圧電素子とは異なり、間隙を隔てた電極対とこれを支持する支持構造が別々に必要なる。このため、このような可変形ミラーでは、大きな静電力を得るための広い面積の電極対と、平行移動動作と傾斜動作とを可能とする支持構造とを、限られたミラー分割面積内に両立して確保することが困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えた可変形ミラーおよび光制御装置を提供することにある。
本発明の可変形ミラーは、基板と、相互に分離された状態で前記基板に支持される複数の微小鏡と、前記複数の微小鏡の各々を独立して駆動し、それによって各微小鏡と前記基板との配置関係を制御する複数の駆動部とを備えた可変形ミラーであって、前記複数の駆動部の各々は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極と、前記複数の固定電極と対向する位置に設けられた可動電極とを備え、前記複数の微小鏡の各々は、前記微小鏡の各々に関連付けられた少なくとも２つの可動電極と連結されており、前記少なくとも２つの可動電極と、前記可動電極に対応する前記固定電極との間の電位差によって発生する静電力により、前記微小鏡の前記基板に対する垂直な方向への変位および／または前記基板に対する傾斜を行うことができる。
好ましい実施形態において、前記複数の駆動部の各々は、前記微小鏡における第１の特定部位の変位に関わる第１の固定電極と、前記微小鏡における前記第１の特定部位と異なる第２の特定部位の変位に関わる第２の固定電極と、を備え、前記第１および第２の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第２の特定部位の変位を独立に行い、それによって前記微小鏡と前記基板との配置関係を制御する。
好ましい実施形態において、前記第１および第２の固定電極の各々は、独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極片に分割されており、前記複数の固定電極片に対して選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する前記微小鏡の各特定部位の変位を前記基板に近接させる方向および前記基板から離間させる方向の双方向に制御することができる。
好ましい実施形態において、前記可動電極は、前記基板に支持されて回動軸を中心に回動する回動部材と、前記回動部材の運動に従って、前記微小鏡の特定部位と前記基板との距離を変化させる作用部材とを備え、前記回動部材は、前記回動軸上に配置された支持部と、前記支持部と結合した平板部とを有しており、前記回動部材の前記平板部は、前記回動軸に関して対称な位置に存する第１導電性部分および第２導電性部分を含み、前記複数の固定電極片は、前記平板部の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１固定電極片と、前記平板部の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２固定電極片とを含んでいる。
好ましい実施形態において、前記作用部材は、平板状の中間連結部材と、前記可動電極における前記第１導電性部分および第２導電性部分の一方を前記中間連結部材に結合する複数の突起部材とを備え、前記中間連結部材の概中心部において、前記中間連結部材と前記微小鏡とが連結されている。
好ましい実施形態において、前記第１導電性部分および第２導電性部分のいずれか一方と前記中間連結部材とは、前記突起部材を介して回動自在な関係にある。
好ましい実施形態において、前記複数の駆動部の各々は、前記微小鏡における前記第１および第２の特定部位のいずれとも異なる第３の特定部位の変位に関わる第３の固定電極を更に備え、前記第１から第３の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第３の特定部位の変位を独立に設定することにより、少なくとも前記微小鏡を前記基板に対して垂直に変位させる方向と、前記微小鏡を前記基板に対して２軸に傾ける方向とに制御することができる。
好ましい実施形態において、前記複数の微小鏡の各々は、波長λの光を反射し、前記複数の微小鏡に含まれる或る微小鏡によって反射される光の光路長と、前記或る微小鏡に隣接する微小鏡によって反射される光の光路長との差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように、前記複数の駆動部は、前記微小鏡の配置関係を制御する。
好ましい実施形態において、前記固定電極片は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の部分電極を更に備え、前記複数の部分電極は、少なくもとその面積が互いに異なる第１及び第２の部分電極を含み、前記第２の部分電極の面積は前記第１の部分電極の面積よりみ小さく設定され、かつ、前記第２の部分電極は、前記第１の部分電極よりも前記回動軸に近い位置に配設されている。
好ましい実施形態において、前記第１の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第１の部分電極の面積との積が、前記第２の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第２の部分電極の面積との積に対し、実質的に２の累乗倍の関係を有する。
好ましい実施形態において、前記駆動電圧を生成する駆動回路を前記基板上に備えている。
好ましい実施形態において、少なくとも前記固定電極および可動電極は、パターニングされた導電性膜から形成されている。
本発明の光制御装置は、複数の微小鏡が基板上に支持された可変形ミラーを備え、光源から出射された光ビームの波面を前記可変形ミラーによって所望の目標波面に変換する光制御装置であって、前記目標波面を設定するビーム制御目標設定手段と、前記ビーム制御目標設定手段の出力から前記各微小鏡と前記基板との配置関係の目標値を設定するミラー制御目標設定手段と、前記ミラー制御目標設定手段の出力に基づいて前記各微小鏡の制御を行うミラー制御手段とを備え、前記可変形ミラーは、上記いずれかの可変形ミラーであることを特徴とする。
本発明の可変形ミラーによれば、独立した駆動電圧を印加可能な複数の固定電極と、これと対向する可動電極との間の電位差によって発生する静電力により、微小鏡を基板に対して垂直に変位させる方向と傾ける方向とに独立に制御できる。このため、半導体製造プロセスによって容易に作製される静電駆動方式の可変形ミラーにおいて、少ないミラー分割数でも波面フィット誤差を抑えることができる。
また、各固定電極が複数の固定電極片を備えている場合、それぞれに選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する微小鏡の各部位を基板に近接させる方向と、基板から離間させる方向との双方向に制御することが可能である。このため、微小鏡の平行移動動作と傾斜動作を干渉無く独立に制御することができる。
更に、回動軸を中心に回動する可動電極の回動部材が作用部材を介して微小鏡に作用し、この回動部材の平板部が回動軸に関して対称な位置に存する第１および第２固定電極片と対向するように構成している場合、大きな静電力を得るための広い面積の電極対と、平行移動動作と傾斜動作とを可能とする支持構造とを限られたミラー分割面積内に両立して確保することができる。
なお、可動電極を複数の突起部材を介して平板状の中間連結部材と結合し、微小鏡を中間連結部材とその概中心部において連結することにより、可動電極の変位に伴う不要応力による反射面の平面度低下を防止することができる。また、中間連結部材に突起部材を回動自在に支持させることにより、中間連結部材全体が変形することを防止し、微小鏡の姿勢精度を高めることができる。
固定電極片を複数の部分電極から構成し、面積の小さい第２の部分電極を面積の大きい第１の部分電極よりも回動軸に近い位置に配設すれば、部分電極の面積差を小さく抑えつつ微小鏡の変位量のダイナミックレンジを確保して、多ビットの制御を行うことができる。
本発明の可変形ミラーを光制御装置に用いることにより、回折効率の高い光位相変調を行うことができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図１および図２を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第１の実施形態を説明する。
まず、図１および図２を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第１の実施形態を説明する。
本実施形態の可変形ミラーは、複数個のアクチュエータ（駆動部）と、各アクチュエータを駆動するための駆動回路とが同一のシリコン基板上に集積された構成を有しており、半導体製造プロセス技術を好適に用いて作製され得る。
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。本実施形態の可変形ミラーは、複数の微小鏡（反射ミラー要素）２０が２次元アレイ状に配列された構成を備えているが、図１は、複数の微小鏡２０のうちの１つの微小鏡およびその駆動部を拡大したものである。
本実施形態の可変形ミラーでは、複数の駆動部により、基板１上に配列された各微小鏡２０の姿勢および基板１からの距離が制御される。各駆動部は、基板１に形成された不図示の駆動回路によって制御される。
本実施形態では、基板１上に窒化シリコン系の絶縁層２が形成され、その絶縁層２上に、ベース３、ヨーク当接部４、第１の固定電極５、第２の固定電極６、および第３の固定電極７が形成されている。ベース３、ヨーク当接部４、および固定電極５〜７は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコン等の導電膜をパターニングすることによって形成されている。
図１に示されている１つの微小鏡２０を駆動するため、本実施形態では、第１の固定電極５、第２の固定電極６、および第３の固定電極７を用いる。これにより、微小鏡２０の基板１に対する傾斜動作だけではなく、基板１からの垂直方向変位および／または傾斜を独立して制御することが可能になる。
以下、本実施形態の構成を更に詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の可変型ミラーでは、第１の固定電極５が２つの固定電極片５ａ、５ｂに分割されており、この２つの固定電極片５ａ、５ｂには、それぞれ、独立した駆動電圧が印加される。これと同様に、第２の固定電極６は、それぞれが独立した駆動電圧の印加を受ける固定電極片６ａ、６ｂに分割されており、第３の固定電極７は、それぞれが独立した駆動電圧の印加を受ける固定電極片７ａ、７ｂに分割されている。一方、ベース３およびヨーク当接部４の電位は接地電位に設定されている。
固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂは、絶縁層２に形成されたビア（不図示）によって基板１に形成された駆動回路に接続されている。駆動回路は、０〜５Ｖの範囲内で各々独立した電圧を固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに与えることができる。この６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂへ印加する電圧を調節することにより、１つの微小鏡２０の姿勢を制御することができる。
支持ポスト１１は、ベース３の位置３ａにおいてベース３と接続している。支持ポスト１１には、ヒンジ１２を介して、第１のヨーク１３，第２のヨーク１４、および第３のヨーク１５が取り付けられている。これらのヨーク１３〜１５は、対応する固定電極５〜７に対向し、それぞれが「可動電極」として機能する。
本実施形態における支持ポスト１１、ヒンジ１２、および第１〜第３のヨーク１３〜１５は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコンなどの導電性部材をパターニングすることによって形成され、ベース３と導通して接地電位に設定されている。
第１のヨーク１３は、第１の固定電極５の固定電極片５ａ、５ｂに対向する位置に第１の部分１３ａおよび第２の部分１３ｂを有している。固定電極片５ａに駆動電圧を与えた場合、第１の部分１３ａが固定電極片５ａ側に吸引される。これに対し、固定電極片５ｂに駆動電圧を与えた場合は、第２の部分１３ｂが固定電極片５ｂ側に吸引される。このようにして、回動軸Ａを中心にしてＣＷ（時計回り）方向およびＣＣＷ（反時計回り）方向のいずれに対しても選択的に回動力を付与できる。
同様に、第２のヨーク１４は、第１の部分１４ａおよび１４ｂを有しており、第３のヨーク１５は、第１の部分１５ａおよび１５ｂを有している。各固定電極片６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂに対して選択的に駆動電圧を与えることにより、回動軸Ａを中心にＣＷ方向およびＣＣＷ方向の任意の方向に回動力を発生することが可能である。
中間連結部材１６は、概略三角形の平面的な形状を有しており、三角形の頂点部分に近い位置に形成された３点の突起部材１７〜１９を備えている。この突起部材１７〜１９は、中間連結部材１６の平板状部分の下面から垂直方向に突出している。
３つの突起部材１７〜１９のうち、突起部材１７は、位置１３ｃにおいて第１のヨーク１３と連結している。同様に、突起部材１８は位置１４ｃにおいて第２のヨーク１４と連結し、突起部材１９は位置１５ｃにおいて第３のヨーク１５と連結している。第１のヨーク１３〜第３のヨーク１５を個別に回動駆動させることにより、突起部材１７〜１９の変位を独立に制御できるため、中間連結部材１６の姿勢を制御することができる。本実施形態では、３つの突起部材１７〜１９が１直線上に並んでいないため、３軸的な姿勢制御を行うことができる。
微小鏡２０は、上面に反射面２１を備え、突起２２によって中間連結部材１６と、その概中心部の位置１６ａにおいて一体に連結されている。このため、中間連結部材１６の姿勢が微小鏡２０の姿勢を決定することになる。本実施形態の反射面２１は、窒化シリコン層と酸化シリコン層とを繰り返し積層した誘電体多層ミラー膜から形成されており、高い反射効率を実現している。誘電体反射ミラー膜は、好ましくは５μｍ以上の厚さを有し、これによって微小鏡２０自体の剛性を高め、残留応力による反射面２１の平面度低下を防止している。
本実施形態では、微小鏡２０を中間連結部材１６とその概中心部において連結している。このため、ヨーク１３〜１５の変位に伴う不要な応力モーメントによる反射面２１の平面度低下が防止される。すなわち、ヨーク１３〜１５が回動軸Ａを中心に個別に変位した際には、ヨーク１３〜１５の互いの相対角度差に起因する不要な応力モーメントが発生するが、これによる撓みの発生は中間連結部材１６までにとどめられ、中間連結部材１６と位置１６ａの１点で連結された微小鏡２０の平面度にまで影響が及ぶことがない。
本実施形態の構成によれば、第１〜第３の固定電極５〜７の固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに対して選択的に駆動電圧を与えることにより、微小鏡２０を、ｚ方向の変位、ｘ軸周りの傾き、および／またはｙ軸周りの傾きについて、正負双方向に駆動することが可能である。
微小鏡２０を基板１から垂直方向に離間させる場合、固定電極片５ａ、６ｂ、７ａを選択し、それぞれ突起部材１７〜１９がｚ軸に沿って正方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。逆に、微小鏡２０を基板１に接近させる場合には、固定電極片５ｂ、６ａ、７ｂを選択し、それぞれ、突起部材１７〜１９がｚ軸に沿って負方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。
ｘ軸周りのＣＣＷ方向の傾きを与える場合は、固定電極片５ａ、６ａ、７ａを選択し、それぞれ突起部材１７、１９がｚ軸に沿って正方向、突起部材１８が負方向に同量だけ変位するような駆動電圧を与えれば良い。
ｘ軸周りのＣＷ方向の傾き、ｙ軸周りの傾き、およびこれらの全ての複合的な動作も全て同様であり、６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂから適宜選択した電極に適当な駆動電圧を与えてやれば、微小鏡２０を基板１に対して任意の姿勢をとらせることができる。
なお、微小鏡２０の姿勢と６つの固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂに与える駆動電圧との関係は、予めテーブル化して格納しておくことができる。
次に、図２を参照しながら、図１の微小鏡をアレイ配列した可変形ミラーについて、隣接する反射ミラー同士の姿勢の設定方法を説明する。本実施形態における可変形ミラーは、歪んだ波面を平坦に補正する補償光学装置の一部として使用されている。
図２は、本実施形態の可変形ミラーの概略断面図である。図２（ａ）は微小鏡２０を連続的に接続して波面を補正した場合の例を示し、図２（ｂ）は光の位相の周期性を利用して波長単位で微小鏡２０の境界における光路差をずらした場合の例を記載している。簡単化のため、ここでは、１次元ミラーアレイの動作を説明するが、２次元のミラーアレイであっても同様である。
波長λの入射光３０が基板１に垂直に入射するとする。図２に示す入射光３０は、一点鎖線で示すような歪んだ波面を持っている。微小鏡２０で反射された入射光３０は、出射光３１となる。本実施形態における出射光３１の波面は、図２の破線で示すような平坦な波面に補正される。
微小鏡２０は、その外縁部２０ａ、２０ｂにおける可動ストロークが±０．２５〜０．５λの間の値をとるように設定されている。具体的には、微小鏡２０によって反射される光の往復路において、光路長制御範囲が±０．５λよりも大きく、かつ±１λよりも小さくなるように設定される。このように設定することにより、ヨーク１３〜１５と固定電極５〜７との間の間隙を極力小さくし、その結果、低電圧駆動時においても、大きな静電力を発生させるとともに、微小鏡２０の傾きを優先的に決定した場合に外縁部２０ａ、２０ｂの一方が±０．５λ以上の光路長差をとり得るように可動ストロークを確保できる。
図２（ａ）では、入射光３０の波面に対する補正レンジが微小鏡２０の可動ストローク範囲内にあり、微小鏡２０を連続的に接続して波面を補正した場合を示している。
駆動回路４０から固定電極５〜７に駆動電圧が印加されると、それに応じてヨーク１３〜１５が静電力で吸引され、微小鏡２０の姿勢が制御される。駆動回路４０は、例えば８ビットの駆動電圧値を発生し、ビア４１を介して絶縁層２上の固定電極５〜７と個別に接続されている。駆動回路４０の駆動電圧は図示しない波面センサで出射光３１の波面を検出した結果に基づき、やはり図示しない制御回路によって生成される。
微小鏡２０の姿勢および位置は、その外縁部２０ａ、２０ｂにおいて隣接する反射ミラーと連続的な反射面を形成するように制御され、入射光３０の歪んだ波面を折れ線状の連続波面で補正する。このため、微小鏡２０を単純に平行移動させて階段状の波面で補正するのに比べ、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることができる。
図２（ｂ）は、入射光３０の波面の補正レンジが微小鏡２０の可動ストローク範囲を超えた場合を示している。この場合、微小鏡２０の周縁部２０ｂと、これに隣接する反射ミラーの周縁部２０ａとの間で、０．５λの段差を形成している。このとき、反射光３１の波面は破線で示すように位相２π（光路長差λ）のずれを生ずるが、このような位相のずれは、単波長の光の場合、位相のずれがないことと等価である。このことを一般化すると、隣接する微小鏡２０の境界における入反射光の光路長差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように各微小鏡２０の配置関係を制御すれば、任意の補正レンジを実現できる。
以上のように本実施形態では、複数の固定電極５〜７に対して独立した駆動電圧を印加することにより、これらの複数の固定電極５〜７に関連付けられた微小鏡２０を、基板１に対して垂直な方向へ変位させるとともに、基板１に対して所望の方位へ傾斜させる制御が可能である。このため、半導体製造プロセスとの整合性の高い静電駆動方式を採用した可変形ミラーにおいても、少ないミラー分割数で波面フィット誤差を抑えることが可能となる。
また、各固定電極５〜７が複数の固定電極片５ａ、５ｂ〜７ａ、７ｂを備えているため、それぞれに選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する微小鏡２０の各部位を、基板１に近づけたり、基板１から遠ざけたりすることができる（双方向制御可能）。このため、微小鏡２０の平行移動動作と傾斜動作とを相互に干渉無く、独立して制御することができる。
なお、固定電極５〜７およびヨーク１３〜１５により、３つの駆動部を構成した例について説明したが、駆動部の数は、これに限定されるものではない。２つの駆動部により、各微小鏡２０の平行移動動作と１軸の傾斜動作を行っても良く、また４つ以上の駆動部を用いて各微小鏡２０を動かすことも可能である。特に、中間連結部材１６を介さずに突起部材１７〜１９を直接微小鏡２０と連結し、微小鏡２０に適当な柔軟性を与えた構成にして４つ以上の駆動源で駆動すれば、反射面２１の曲率を制御することも可能である。このようにすれば、連続ミラーと分割ミラーの両方の特徴を併せ持つ可変形ミラーを提供することもできる。
（実施形態２）
図３を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第２の実施形態を説明する。図３は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
図３を参照しながら、本発明による可変形ミラーの第２の実施形態を説明する。図３は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
本実施形態の可変形ミラーと実施形態１における可変形ミラーとの異なる点は、中間連結部材５０の構成にある。すなわち、基板１、絶縁層２、ベース３、ヨーク当接部４、固定電極５〜７、支持ポスト１１、ヒンジ１２、ヨーク１３〜１５、突起部材１７〜１９、微小鏡２０、反射面２１、および突起２２については、本実施形態の可変形ミラーと実施形態１の可変形ミラーとは同一の構成を有している。
本実施形態における中間連結部材５０は、３対のヒンジ部５０ｂを備え、各ヒンジ部５０ｂは回動軸Ａと平行な軸に沿ってそれぞれの突起部材１７〜１９を回動自在に支持している。この構成により、ヨーク１３〜１５が回動軸Ａを中心に個別に変位した際に発生するねじり応力が中間連結部材５０全体を撓ませることを効果的に防止している。これによって、微小鏡２０の突起２２との連結部である斜線部５０ａの変位量および傾き角度の再現性と線形性とを向上させ、つまりは微小鏡２０の姿勢精度を高めることができる。
なお、本実施形態では、突起部材１７〜１９を回動自在に支持するヒンジ部を中間連結部材５０側に設けたが、これをヨーク１３〜１５の側に設けても良い。
（実施形態３）
図４を参照しながら、本発明の可変形ミラーの第３の実施形態を説明する。図４は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
図４を参照しながら、本発明の可変形ミラーの第３の実施形態を説明する。図４は本実施形態における可変形ミラーの分解斜視図である。
本実施形態の可変形ミラーが実施形態２における可変形ミラーと異なる点は、固定電極６０〜６２の構成にある。すなわち、本実施形態における第１の固定電極６０は、固定電極片６０ａ、６０ｂに分かれており、固定電極片６０ａ、６０ｂは、それぞれ、更に独立的に駆動電圧が印加され得る８つの部分電極に分かれている。以下、固定電極片６０ａについて説明を行うが、固定電極片６０ｂや第２、第３の固定電極６１、６２の固定電極片６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂも、固定電極片６０ａと同様である。
図４に示されるように、固定電極片６０ａは、８つの部分電極６０ａ１〜６０ａ８に分かれており、各々に独立した駆動電圧が印加され得る。このような構成を採用することにより、２値の駆動電圧で駆動することが可能となるため、駆動電圧を８ビットで制御する必要がなくなり、ディジタル−アナログ変換（Ｄ／Ａ）回路が不要になる。
駆動に用いる「静電力」は、電極の面積に比例する。このため、前記"Surface Micromachined Segmented Mirrors for Adaptive Optics"は、上位ビットに対応する部分電極の面積は、その下位ビットに対応する部分電極の面積の２倍にすることを開示している。例えば８ビット相当の電極構成を考えると、最上位ビット部の部分電極の面積は最下位ビット部のものの１２８倍となり、部分電極の面積の差が極めて大きくなる。このため、多ビット化に対応しようとすると、下位ビット部の部分電極の面積が極めて小さくなり、電極面積に対するギャップによる無効面積の比が大きくなる。また、電極を作製するために微細加工プロセスが必要となり、製造が困難になる。更に、電極形状が点に近づいていくため、現実の動作が、平行平板間に働く静電力を前提する動作モデルから外れてしまい、可動電極の変位に対する静電力の特性が上位ビット部と下位ビット部で異なってしまう。
このような問題を解決するため、本実施形態では、第１のヨーク１３をＣＣＷ方向に回動させるトルクが、上位ビット部の部分電極とその下位ビットの部分電極とでは２倍の関係となるように構成している。すなわち、各部分電極の面積だけでなく、回動軸Ａから部分電極までの距離を設計パラメータとして自由度を持たせ、上位ビット部の部分電極を下位ビット部の部分電極よりも回動軸Ａから離れた位置に配置して、下位ビット部の部分電極の面積と上位ビット部のものとの比が極端に大きくなることを防止している。
図４では、回動軸Ａに最も近い部分電極６０ａ８が最下位ビットに対応し、以下部分電極６０ａ７〜６０ａ２と順次上位ビットに対応して、回動軸Ａに最も遠い部分電極６０ａ１が最上位ビットに対応している。各部分電極の中心から回動軸Ａまでの距離と、各部分電極の面積との積は、最下位ビットの部分電極６０ａ８を１として、それぞれ２、４、８、・・・、１２８と２の累乗の関係を持たせている。
一方、各部分電極の面積についての例を挙げれば、部分電極６０ａ１と回動軸Ａとの距離は、部分電極６０ａ８と回動軸Ａとの距離の約８倍に設けられているため、部分電極６０ａ１と部分電極６０ａ８との面積比は１６倍程度である。このように、８ビット相当の制御を行う構成においても部分電極同士の面積比は小さく抑えることができ、上記の問題を解決できる。
このように、小さい面積の部分電極を大きい面積の部分電極よりもヨーク１３の回動軸Ａの近くに配置することにより、極端な部分電極の面積差を招くことなく突起部材１７の変位量のダイナミックレンジを確保し、多ビットの制御を行うことができる。
（実施形態４）
上記の実施形態１〜３では、各微小鏡に３つの可動電極を割り当て、３つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係（基板からの距離及び方位）を制御している。これに対し、本実施形態では、各微小鏡に２つの可動電極を割り当て、２つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係を制御する。
上記の実施形態１〜３では、各微小鏡に３つの可動電極を割り当て、３つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係（基板からの距離及び方位）を制御している。これに対し、本実施形態では、各微小鏡に２つの可動電極を割り当て、２つの可動電極の動作を組み合わせることにより、各微小鏡の基板に対する配置関係を制御する。
以下、図５を参照しながら、本実施形態における可変形ミラーを説明する。図５は、本実施形態における可変形ミラーのうち、１つの微小鏡２０と、この微小鏡を駆動する駆動部とを示す分解斜視図である。
本実施形態では、微小鏡２０が突起部材１７を介してヨーク１３の第２の部分１３ｂと結合し、更に突起部材１８を介してヨーク１４の第１の部分１４ａと結合している。
本実施形態では、中間連結部材１６を用いず、微小鏡２０を２つのヨーク１３、１４に結合している点でも、前述の実施形態と異なっている。中間連結部材１６が存在しないため、製造プロセスの工程数が減少する利点があるが、駆動に伴なって微小鏡２０に応力が発生するため、微小鏡２０には適当な柔軟性を与えることが好ましい。
本実施形態の構成は、他の実施形態に比べて単純であるが、各微小鏡２０の平行移動動作と１軸の傾斜動作とを行うことができる。
（実施形態５）
図６を参照しながら、本発明による光制御装置の実施形態を説明する。この光制御装置は、可変形ミラーを用いた集光位置制御装置である。本実施形態では、複数の入出力用光ファイバアレイ間の接続切換えを行う光クロスコネクトに適用している。
図６を参照しながら、本発明による光制御装置の実施形態を説明する。この光制御装置は、可変形ミラーを用いた集光位置制御装置である。本実施形態では、複数の入出力用光ファイバアレイ間の接続切換えを行う光クロスコネクトに適用している。
図６に示すように、入力用光ファイバアレイ７０は、Ｎ×Ｎ本の信号入力用光ファイバを束ねたものであり、信号入力用光ファイバの先端がＮ×Ｎの２次元アレイを形成している。本実施形態では、Ｎ＝８として、光ファイバの隣接ピッチ間隔が２５０μｍとなるようにしている。１つの光ファイバから出射した光は、レンズ７１により概平行光にされる。レンズ７１は焦点距離ｆ＝４０ｍｍ、開口径８ｍｍであり、この焦点位置の近傍に入力用光ファイバアレイ７０が配置される。
可変形ミラー７２は、実施形態１〜４におけるいずれかの可変ミラーであり、内部に駆動回路を備えている。駆動回路は、ミラー制御手段７３からの制御信号を受けて、各反射ミラーの姿勢制御を行う。
可変形ミラー７２で反射された光はハーフミラー７４によって一部はレンズ７５に、残りの一部は波面の状態を検出するための波面センサ７６に向けられる。
レンズ７５を通過した光は、出力用光ファイバアレイ７７に集光される。レンズ７５の焦点距離および開口径は、レンズ７１の焦点距離および開口径と同じである。
波面センサ７６は、シャック＝ハルトマン（Shack-Hartmann）型波面センサである。出力用光ファイバアレイ７７は、入力用光ファイバアレイ７０と同じように、Ｎ×Ｎ本の信号入力用光ファイバを束ねたものであり、出力用光ファイバ７７の先端はＮ×Ｎの２次元アレイを形成している。
ビーム制御目標設定手段７８は、入力用光ファイバアレイ７０と出力用光ファイバアレイ７７との間で、どの光ファイバのビームをどの光ファイバに向けて偏向させるかを決定し、その対応情報をミラー制御目標設定手段７９に出力する。ミラー制御目標設定手段７９は、この入出力ビーム間の対応を実現するために必要な各ミラーの目標姿勢を設定する。本実施形態では、これを予め設定した対応テーブルを用いて実現している。このため、ビーム制御目標設定手段７８からの出力をアドレスとして与えると、その内容として各ミラーの基板からの距離と２軸の傾き角度が出力される。この対応テーブルは予め計算もしくは実験的に決定されてＲＯＭに書き込まれている。
ミラー制御手段７３は、ミラー制御目標設定手段７９からの出力を目標値とし、波面センサ７６の出力をフィードバック情報として用いながら、各ミラーの駆動制御信号を出力する。
以上の構成により、可変形ミラー７２は、位相変調型の空間光変調器として、選択された入力用光ファイバの光ビームを所望の出力用光ファイバの固定位置に焦点を合致させるよう光ビーム制御を行う。本実施形態の可変形ミラー７２は、通常のバイナリーな空間光変調器と異なり、各反射ミラーの傾きを制御してブレーズ形状が実現できるため、回折効率を大幅に向上することができる。このため、入出力ファイバ間の光伝達効率を向上させるるとともに、不要な回折光が他の出力用光ファイバに漏れ込むことを防止してクロストークの発生を抑えることができる。
なお、ビーム制御目標設定手段７８は、単に入出力の光ファイバを１対１に対応させるだけでなく、入力光信号を１対多にファンアウトするような設定を行うこともできる。この場合、ミラー制御目標設定手段７９はマルチビームを生成できるようにミラー波面を設定する。
本実施形態では、ミラー制御手段７３が波面センサ７６からのフィードバック信号を用いた制御を行っているが、本発明は、これに限定されるものではなく、可変形ミラー７２に十分な追従性がある場合はこのフィードバック信号を用いないオープン制御にしてもよい。
また、本実施形態では、光制御装置を光クロスコネクトに適用しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＲＧＢ光源光をスクリーン上の所望の位置に走査する投射型ディスプレイに適用することもできる。更には、本発明を、ブレーズ形状を有する可変形ミラーを用いた光偏向装置や、可変焦点の集光装置などに適用することもできる。
本発明の可変形ミラーによれば、独立した駆動電圧を印加可能な複数の固定電極と、これと対向する可動電極との間の電位差によって発生する静電力により、微小鏡を基板に対して垂直に変位させる方向と傾ける方向とに独立に制御できる。このため、半導体製造プロセスによって容易に作製される静電駆動方式の可変形ミラーにおいて、少ないミラー分割数でも波面フィット誤差を抑えることができる。
Claims (13)
- 基板と、
相互に分離された状態で前記基板に支持される複数の微小鏡と、
前記複数の微小鏡の各々を独立して駆動し、それによって各微小鏡と前記基板との配置関係を制御する複数の駆動部と、
を備えた可変形ミラーであって、
前記複数の駆動部の各々は、
互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極と、前記複数の固定電極と対向する位置に設けられた可動電極とを備え、
前記複数の微小鏡の各々は、前記微小鏡の各々に関連付けられた少なくとも２つの可動電極と連結されており、
前記少なくとも２つの可動電極と、前記可動電極に対応する前記固定電極との間の電位差によって発生する静電力により、前記微小鏡の前記基板に対する垂直な方向への変位および／または前記基板に対する傾斜を行うことができる可変形ミラー。 - 前記複数の駆動部の各々は、
前記微小鏡における第１の特定部位の変位に関わる第１の固定電極と、
前記微小鏡における前記第１の特定部位と異なる第２の特定部位の変位に関わる第２の固定電極と、
を備え、
前記第１および第２の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第２の特定部位の変位を独立に行い、それによって前記微小鏡と前記基板との配置関係を制御する請求項１に記載の可変形ミラー。 - 前記第１および第２の固定電極の各々は、独立した駆動電圧が印加され得る複数の固定電極片に分割されており、
前記複数の固定電極片に対して選択的に駆動電圧を印加することにより、対応する前記微小鏡の各特定部位の変位を前記基板に近接させる方向および前記基板から離間させる方向の双方向に制御することができる請求項２に記載の可変形ミラー。 - 前記可動電極は、
前記基板に支持されて回動軸を中心に回動する回動部材と、
前記回動部材の運動に従って、前記微小鏡の特定部位と前記基板との距離を変化させる作用部材とを備え、
前記回動部材は、
前記回動軸上に配置された支持部と、
前記支持部と結合した平板部と、
を有しており、
前記回動部材の前記平板部は、前記回動軸に関して対称な位置に存する第１導電性部分および第２導電性部分を含み、
前記複数の固定電極片は、
前記平板部の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１固定電極片と、
前記平板部の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２固定電極片と、
を含んでいる請求項３に記載の可変形ミラー。 - 前記作用部材は、平板状の中間連結部材と、前記可動電極における前記第１導電性部分および第２導電性部分の一方を前記中間連結部材に結合する複数の突起部材と、を備え、
前記中間連結部材の概中心部において、前記中間連結部材と前記微小鏡とが連結されている請求項４に記載の可変形ミラー。 - 前記第１導電性部分および第２導電性部分のいずれか一方と前記中間連結部材とは、前記突起部材を介して回動自在な関係にある請求項５に記載の可変形ミラー。
- 前記複数の駆動部の各々は、
前記微小鏡における前記第１および第２の特定部位のいずれとも異なる第３の特定部位の変位に関わる第３の固定電極を更に備え、
前記第１から第３の固定電極への駆動電圧の印加によって前記第１および第３の特定部位の変位を独立に設定することにより、少なくとも前記微小鏡を前記基板に対して垂直に変位させる方向と、前記微小鏡を前記基板に対して２軸に傾ける方向とに制御することができる請求項２から６のいずれかに記載の可変形ミラー。 - 前記複数の微小鏡の各々は、波長λの光を反射し、
前記複数の微小鏡に含まれる或る微小鏡によって反射される光の光路長と、前記或る微小鏡に隣接する微小鏡によって反射される光の光路長との差が実質的にｎ・λ（ｎは整数）となるように、前記複数の駆動部は、前記微小鏡の配置関係を制御する請求項１から７のいずれかに記載の可変形ミラー。 - 前記固定電極片は、互いに独立した駆動電圧が印加され得る複数の部分電極を更に備え、
前記複数の部分電極は、少なくもとその面積が互いに異なる第１及び第２の部分電極を含み、前記第２の部分電極の面積は前記第１の部分電極の面積よりも小さく設定され、かつ、前記第２の部分電極は、前記第１の部分電極よりも前記回動軸に近い位置に配設されている請求項４から８のいずれかに記載の可変形ミラー。 - 前記第１の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第１の部分電極の面積との積が、前記第２の部分電極の中心から前記回動軸までの距離と前記第２の部分電極の面積との積に対し、実質的に２の累乗倍の関係を有する請求項９に記載の可変形ミラー。
- 前記駆動電圧を生成する駆動回路を前記基板上に備えている、請求項１から１０のいずれかに記載の可変形ミラー。
- 少なくとも前記固定電極および可動電極は、パターニングされた導電性膜から形成されている請求項１から１１のいずれかに記載の可変形ミラー。
- 複数の微小鏡が基板上に支持された可変形ミラーを備え、光源から出射された光ビームの波面を前記可変形ミラーによって所望の目標波面に変換する光制御装置であって、
前記目標波面を設定するビーム制御目標設定手段と、
前記ビーム制御目標設定手段の出力から前記各微小鏡と前記基板との配置関係の目標値を設定するミラー制御目標設定手段と、
前記ミラー制御目標設定手段の出力に基づいて前記各微小鏡の制御を行うミラー制御手段とを備え、
前記可変形ミラーが、請求項１から１２のいずれかに記載の可変形ミラーである、光制御装置。
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