JP6613815B2

JP6613815B2 - 振動機構、スペックル解消素子

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Publication number: JP6613815B2
Application number: JP2015214107A
Authority: JP
Inventors: 康浩藤村; 秀治田中; 貴城塚本
Original assignee: Tohoku University NUC; Ricoh Industrial Solutions Inc
Current assignee: Tohoku University NUC; Ricoh Industrial Solutions Inc
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2017083748A

Description

本発明は、振動機構、及びスペックル解消素子に関する。

例えば、露光機やプロジェクタにおいて、拡散板等を用いたものが知られている。拡散板等を用いると、少なからず光の強度分布が発現する。光の強度分布は、特にレーザ光を用いた際に顕著であり、この現象はスペックルコントラストと呼ばれる。

例えば露光機のように、任意の範囲において均一に光を照射したいという目的において、強度分布の均一化が求められている。又、プロジェクタ等の表示デバイスにおいても、光の強度分布のムラや、レーザ光におけるスペックルコントラストの発現は表示特性の低下に直結することもあり、改善が求められている。

そこで、スペックルコントラストを低減するための様々な技術が提案されている。例えば、光ビームを偏向・走査する光偏向器において、光源からの光を２軸で偏向し、かつ台座を並進振動させて光線の投射点をずらすことで、光路長差を設けてスペックルコントラストを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

又、光偏向器用アクチュエータ装置において、光源からの光を偏向する光偏向器を搭載する台座と、台座を並進振動させる圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータを支持する支持体とを備え、台座を並進振動することでスペックルコントラストを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、上記の技術は、何れも対象物を１軸に振動させるものである。上記の技術でも、駆動機構を２箇所設け、夫々の軸に対して対象物を駆動させれば、２軸駆動は可能であるが、駆動機構が複雑化及び大型化する問題がある。特に、駆動する対象物がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータの場合には、駆動機構が複雑化及び大型化すると、ＭＥＭＳアクチュエータを用いて装置を小型化するというメリットが相殺されてしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、１軸の駆動部で複数軸振動相当の動作を可能とする振動機構を提供することを目的とする。

本振動機構は、光学素子からなる振動部と、弾性体を介して前記振動部を支持する支持体と、を有し、２つ以上の平面内共振モードの共振周波数成分で駆動される１軸の駆動部のみによって、前記光学素子を平面内で前記１軸の方向に依存しない２つ以上の振動方向に振動させることを要件とする。

開示の技術によれば、１軸の駆動部で複数軸振動相当の動作を可能とする振動機構を提供できる。

本実施の形態に係る振動機構を例示する模式図である。本実施例に係る偏光解消素子を例示する斜視図である。図２のＡ−Ａ線に沿う位置での振動部の断面図である。光偏光素子の一例を概略的に示した平面図である。駆動信号の波形と丸部の軌跡との関係を例示する図である。本実施例に係る偏光解消素子をレーザプリンタに用いる例を示す図である。領域分割したサブ波長構造体領域の多重度を例示する図である。

以下、図面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。

図１は、本実施の形態に係る振動機構を例示する模式図である。図１を参照するに、振動機構１０は、振動部１１と、支持体１２と、弾性体１３とを有する１軸の駆動部により構成されている。振動機構１０を構成する駆動部は、例えば、１軸並進アクチュエータであり、より具体的には、例えば、半導体基板上に作製されたＭＥＭＳアクチュエータである。駆動部は、圧電アクチュエータであってもよい。

振動部１１は、ばね性を有する一対の弾性体１３を介して支持体１２に１軸で支持されており、駆動部２０からの所定の駆動信号により振動することができる。振動部１１、支持体１２、及び弾性体１３は、例えば、シリコンや樹脂等の任意の材料を用いて形成することできる。

振動部１１は、複数の共振モード（平面内共振モード）を備えている。例えば、振動部１１がｎ個の共振モードを備えており、夫々の共振モードの共振周波数が、共振周波数ｆ_１、共振周波数ｆ_２、・・・及び共振周波数ｆ_ｎである場合を考える。この場合、ｎ個の共振周波数の内から任意の２つの共振周波数（例えば、共振周波数ｆ_１と共振周波数ｆ_２）を選択し、選択した共振周波数成分を含む合成波を生成し、生成した合成波を駆動信号として駆動部２０から振動機構１０に印加する。

これにより、振動部１１は、駆動部２０から印加された合成波に含まれる２つの共振周波数で振動するため、構造が簡単でかつ小型の１軸の振動機構１０により、２軸振動相当の複雑な振動を実現できる。なお、３つ以上の共振周波数成分を含む合成波を駆動部２０から振動機構１０に印加してもよい。

なお、駆動部２０は、２以上の周波数の合成波を印加可能であれば、その形態は限定されない。駆動部２０は、例えば、静電力による駆動、電磁力を用いた駆動、圧電効果を用いた駆動等に対応することができる。又、図１では、振動機構１０と別体の駆動部２０を図示しているが、振動機構１０は駆動部２０を有していてもよい。例えば、振動機構１０の支持体１２上に駆動部２０を設けることができる。又、１軸上に駆動部を２つ以上設けてもよい。

振動機構１０は様々なものに応用可能である。例えば、振動部１１を偏光解消素子等の光学素子とした場合、振動機構１０は、１軸の駆動部のみによって光学素子を平面内で２軸に振動させる振動機構となる。又、振動機構１０は、例えば、光の強度分布を均一化する拡散板に用いることができる。この場合、振動部１１が拡散板となるが、色々な振動モードを組み合わせることで、時間軸における拡散板の位置の状態を数多く作り出すことが可能となるため、強度分布の均一化に対しては非常に有利である。すなわち、振動機構１０を有するスペックル解消素子を実現することができる。

〈実施例〉
本実施例では、振動機構１０を偏光解消素子に適用する例を示す。図２は、本実施例に係る偏光解消素子を例示する斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う位置での振動部の断面図である。

図２及び図３を参照するに、偏光解消素子１００は、振動部１１０と、支持体１２０と、弾性体１３０とを有しており、光偏光器となる振動部１１０の光透過領域の一表面に複数のサブ波長構造体領域が配置されたものである。

振動部１１０は、ばね性を有する一対の弾性体１３０を介して支持体１２０に１軸で支持されており、所定の駆動信号により複数の振動に可変させることが可能である。振動部１１０、支持体１２０、及び弾性体１３０は、例えば、厚さ０.５２５ｍｍのシリコンウェハ（シリコン基板）を貫通加工することによって形成できる。

より詳しくは、振動部１１０、支持体１２０、及び弾性体１３０は、例えば、シリコンプロセス法（フォトリソグラフィ加工、ナノインプリント加工、ウェットエッチング加工、ドライエッチング加工する等）により、１つのシリコン基板１１３が半導体熱酸化プロセスを含んで加工されて形成されたものである。

振動部１１０は、光透過領域１１０ａと、光偏光素子１１０ｂとを有している。光透過領域１１０ａは、例えば、シリコン基板１１３の一部分が熱酸化された二酸化珪素１１５で形成されている。振動部１１０の光透過領域１１０ａよりも厚みが厚い部分は、表面が二酸化珪素１１５で形成されており、内部がシリコン基板１１３で形成されている。

光偏光素子１１０ｂは、光透過領域１１０ａの一表面（図３では上面）に、二酸化珪素１１５で形成されている。光偏光素子１１０ｂは、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体からなる。光偏光素子１１０ｂは、特性の異なるサブ波長構造体が光透過領域１１０ａの一表面に多数設けられることで、光透過領域１１０ａを光が通過する際に各サブ波長構造体に応じた偏光を持たせ偏光を解消することができる。

なお、構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率（有効屈折率と呼ぶ）が異なり、複屈折作用が生じることをいう。

支持体１２０は、弾性体１３０を介して振動部１１０を１軸で支持している。弾性体１３０は、振動部１１０を振動させるために振動部１１０に連結されている。支持体１２０及び弾性体１３０は、表面が二酸化珪素１１５で形成されており、内部がシリコン基板１１３で形成されている。

本実施例では、一対の弾性体１３０が設けられている。より詳しくは、振動部１１０に対して、その一方の向かい合う両辺に、１対の弾性体１３０の基端部がそれぞれ連結されている。一方の弾性体１３０（図２では右側）の先端には駆動部２００の先端部が連結されている。他方の弾性体１３０（図２では左側）の先端は支持体１２０に連結されている。振動部１１０の他方の向かい合う両辺は自由に動ける状態である。

駆動部２００は、弾性体１３０を介して振動部１１０を振動させる部分である。駆動部２００としては、例えば圧電振動子を用いることができるが、前述のように、これには限定されない。

また、本実施例では駆動部２００は1つのみ配置しているが、１軸上に複数個配置することもできる。例えば、複数個連結してもよいし、振動部の両脇に配置してもよい。その場合は、寸法としては大きくなるが、例えば圧電振動子等の場合、より低電圧での駆動が可能となる。

台座３００は、支持体１２０と駆動部２００とを位置固定するための矩形形状の枠部材である。台座３００は、例えば、金属から作製することができる。但し、台座３００の材料や形状は、これらには限定されない。台座３００と、支持体１２０と、駆動部２００とは、例えば、はんだや接着剤等により接合することができる。

サブ波長構造体からなる光偏光素子１１０ｂにおいて、例えば、凹凸周期（ピッチ）Ｐは１５０〜２５０ｎｍ、凸状のランドの幅Ｌは７５〜１２５ｎｍ、空気層からなる凹状の溝の幅Ｓは７５〜１２５ｎｍであり、Ｐ＝Ｌ＋Ｓである。又、例えば、溝の深さｄは２〜５μｍ、光透過領域１１０ａと光偏光素子１１０ｂとを合わせた部分の厚みｔは７〜１５μｍである。

振動部１１０において、厚みｔが７〜１５μｍ程度の薄肉となっているため、外周に０.５２５ｍｍ程度の厚さの枠を残し、強度を確保している。

偏光解消素子１００で使用する光の波長は、例えば、紫外光（ＹＡＧレーザの第３高調波：３５５ｎｍ）〜近赤外光（ＹＡＧレーザの基本波：１０６４ｎｍ）とすることができる。もちろん、可視光（３５０〜７００ｎｍ）用に使用することも可能である。

又、ある一例の設計によって設計及び製作される振動部１１０が、狙いの光波長帯域を広く設定し、かつ対応可能な場合には、光偏光素子１１０ｂは、狙いの光波長帯域で使用することができる。通常は、使用する「狙いの光波長」を設定し、その波長に合致するように光学設計を行なう。

図４は、光偏光素子の一例を概略的に示した平面図である。光偏光素子１１０ｂにおいて、サブ波長構造体は、複数のサブ波長構造体領域１１０ｃに分割されている。複数のサブ波長構造体領域１１０ｃは、互いに隙間のない状態で配置されている。なお、図４では１６×１６＝２５６個のサブ波長構造体領域１１０ｃが配置されたものを示しているが、サブ波長構造体領域１１０ｃの個数は限定されるものではなく、サブ波長構造体領域１１０ｃの数は多いほど好ましい。

例えば、光偏光素子１１０ｂが５ｍｍ×５ｍｍの正方形で、サブ波長構造体領域１１０ｃが５０μｍ×５０μｍであるとすると、１００×１００＝１００００個のサブ波長構造体領域１１０ｃが配置された光偏光素子１１０ｂを実現できる。

サブ波長構造体領域１１０ｃは使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝により構成されるストライプ状の凹凸構造を有している。ストライプ状の溝（凹凸）の配列方向が光学軸であり、図４では光学軸は矢印で示されている。

本実施例では各サブ波長構造体領域１１０ｃは１つずつの光学軸をもっている。光学軸方向は隣接するサブ波長構造体領域１１０ｃ間では異なる部分をもつように、ここでは隣接するサブ波長構造体領域１１０ｃ間で光学軸方向が異なるようにサブ波長構造体領域１１０ｃが配置されている。例えば、サブ波長構造体領域１１０ｃの光学軸方向は、３６０度を１５分割した方向の何れかの方向をもつように形成されており、光偏光素子１１０ｂとしては光学軸方向がランダムになるようにサブ波長構造体領域１１０ｃが配置されている。

但し、サブ波長構造体領域１１０ｃ内における光学軸は１つである必要はなく、互いに直交する２つの方向の光学軸をもつようにサブ波長構造体領域１１０ｃを形成することもできる。更に、３つ以上の光学軸をもつようなサブ波長構造体領域１１０ｃであってもよく、光学軸方向が中心から放射状に広がるようにサブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝が同心円状に配列されているようなサブ波長構造体領域１１０ｃであってもよい。

光偏光素子１１０ｂは、サブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝の深さに関し、光偏光素子１１０ｂ全体で溝の深さが同じであってもよいし、深さの異なるものを含んでいてもよい。深さの異なるものを含んでいる場合、１つの形態は、各サブ波長構造体領域１１０ｃ内では溝の深さを均一にし、溝の深さの異なるサブ波長構造体領域１１０ｃをランダムに配置したものである。他の形態は、各サブ波長構造体領域１１０ｃ内において溝の深さを変化させたものである。

図２に戻り、振動部１１０は、共振周波数１１５３Ｈｚにおいて矢印Ｂの振動モード、共振周波数２００７Ｈｚにおいて矢印Ｃの振動モードを備えており、これらの振動方向は互いに略直交している。なお、振動部１１０の共振周波数は、例えば、弾性体１３０のばね定数を変化させることにより調整可能である。ここでは２つの振動モードの振動方向が略直交している例を示すが、略直交することは必須要件ではなく、複数の振動モードの振動方向が交差していればよい。

この時、駆動部２００から印加する駆動信号（電圧）と丸部Ｄの位置の変化との関係は図５に示す形になる。図５（ａ）〜図５（ｃ）において、左側が駆動部２００から印加する駆動信号の波形であり、右側が丸部Ｄの軌跡である。

図５（ａ）は駆動部２００から１１５３Ｈｚの単純な交流波を印加した場合である（比較例）。又、図５（ｂ）は駆動部２００から２００７Ｈｚの単純な交流波を印加した場合である（比較例）。そして、図５（ｃ）は駆動部２００から１１５３Ｈｚと２００７Ｈｚとの合成波を印加した場合である。

図５（ｃ）を図５（ａ）及び図５（ｂ）と比較すると明らかなように、振動部１１０の複数の共振周波数の内から選択した共振周波数成分を含む合成波を駆動部２００から駆動信号として印加すると、振動部１１０は合成波に含まれる２つの共振周波数で振動する。そのため、構造が簡単でかつ小型の１軸の偏光解消素子１００により、２軸振動相当の複雑な振動を実現できる。なお、３つ以上の周波数を合成した合成波を駆動部２００から偏光解消素子１００に印加してもよい。

偏光解消素子１００は、例えば、レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器に使用することができる。すなわち、光学機器の光源からのレーザ光の偏光状態をランダムな偏光状態にするために、偏光解消素子１００を光学機器の光学系の光路上に配置することができる。光学機器としては、例えば、レーザプリンタ、露光装置、レーザ光源を用いる分光器、及びレーザ計測装置等を挙げることができる。

図６は、偏光解消素子１００をレーザプリンタに用いる例を示す図である。図６において、レーザダイオード・ユニット５１０の内部には、例えば、光源としてのレーザダイオードと、レーザダイオードから射出されるレーザビームを平行光線にするコリメートレンズが設けられている。

レーザダイオード・ユニット５１０から平行光線となって射出されるレーザビームは、ポリゴンミラー（回転多面鏡）５２０によって偏向走査され、Ｆ−θレンズ等から構成される結像レンズ系５３０を介して折返しミラー５４０に入射する。そして、折返しミラー５４０で光路を変換され、感光体ドラム５５０の帯電した表面に画像を結像する。

偏光解消素子１００は、レーザダイオード・ユニット５１０とポリゴンミラー５２０との間の光路上に配置されている。これにより、レーザダイオード・ユニット５１０から射出されるレーザビームをランダムな偏光状態をもったレーザビームとすることが可能となる。

ここで、駆動部２００から図５（ｃ）に示す合成波を偏光解消素子１００に印加し、領域分割したサブ波長構造体領域１１０ｃを振動させると、時間が進むにつれて異なった領域の光が重ね合わせられる。そのため、合成波による多重振動における、領域分割したサブ波長構造体領域１１０ｃの多重度（重なり方）は、図７（ａ）に示すようになる。

図７（ｂ）には比較例として単純な１軸振動の多重度を、図７（ｃ）には比較例として円振動の多重度を示すが、図７（ａ）では図７（ｂ）及び図７（ｃ）と比較して明らかに光のパラメータとしての多重度が増していることが理解できる。

本実施例において、図７（ｂ）の様に単純な交流波を印加した場合、スペックルコントラスト０．７（３０％低減効果）を得た。図７（ｃ）の振動印加の場合、スペックルコントラスト０．４（６０％低減効果）を得た。一方図７（ａ）の印加をすると、スペックルコントラスト０．３（７０％低減効果）を得た。

このように、振動部１１０を複雑に振動させることにより、光のパラメータとしての多重度が増すため、単純な振動の場合と比較して、スペックルコントラストを更に低減することができる。すなわち、光学素子が偏光解消素子である振動機構を有するスペックル解消素子を実現できる。

以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記実施例では、振動機構を有する偏光解消素子を例示したが、振動機構と偏光解消素子とを別個に構成し、それらを組み合わせてもよい。振動機構と偏光解消素子とを組み合わせることにより、スペックル解消素子を実現することができる。

１０振動機構
１１、１１０振動部
１２、１２０支持体
１３、１３０弾性体
２０、２００駆動部

特開２００９−２２３１６５号公報特開２０１０−２３７４９２号公報

Claims

光学素子からなる振動部と、弾性体を介して前記振動部を支持する支持体と、を有し、
２つ以上の平面内共振モードの共振周波数成分で駆動される１軸の駆動部のみによって、前記光学素子を平面内で前記１軸の方向に依存しない２つ以上の振動方向に振動させる振動機構。
前記駆動部が１軸並進アクチュエータである請求項１に記載の振動機構。
前記駆動部が圧電アクチュエータである請求項１又は２に記載の振動機構。
半導体基板上に作製された請求項１乃至３の何れか一項に記載の振動機構。
前記光学素子が偏光解消素子である請求項１乃至４の何れか一項に記載の振動機構を有するスペックル解消素子。