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光走査装置
説明

光走査装置

【課題】全体の小型化を可能とする光走査装置を提供すること。
【解決手段】被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第1の反射面を有し、該第1の反射面で反射する照射光を第1の軸方向に走査するように前記第1の反射面を回転駆動させる第1のマイクロスキャナ(10)と、一方の集光点が前記第1の反射面上の照射光位置に設定され、他方の集光点が前記第1のマイクロスキャナ(10)と干渉しない位置に設定された凹面鏡(50)と、前記凹面鏡(50)の他方の集光点に配置された第2の反射面を有し、前記凹面鏡(50)から前記第2の反射面に入射して反射する照射光を第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査するように前記第2の反射面を回転駆動させる第2のマイクロスキャナ(20)と、を有する構成とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用した光走査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビームなどを走査する光走査装置が、例えば、レーザプリンタやバーコードリーダなどの光学機器に使用されている。光走査装置の一例として、MEMS技術を用いて成形される可動構造体を有するマイクロスキャナが挙げられる。マイクロスキャナとしては、2つの反射鏡を異なる方向に揺動させることによって光を2次元的に走査する2次元マイクロスキャナが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
特許文献1に開示された2次元マイクロスキャナは、ヒンジ部によって支持された2つのスキャニングミラーを備えている。2つのスキャニングミラーは、互いに直交したX軸およびY軸をそれぞれの回転軸として静電気力によって回転駆動される。この2次元マイクロスキャナでは、第1のスキャニングミラーで反射した光を、平面の固定鏡で反射させて、第2のスキャニングミラーに入射させている。ヒンジ部による支持軸を回転軸とする2つのスキャニングミラーを、静電気力によって回転制御することにより、2次元走査が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−72431号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1の構成では、第1のスキャニングミラーでX軸方向にスキャンされた光を平面の固定鏡で反射させて第2のスキャニングミラーへ入射させるので、第2のスキャニングミラーは第1のスキャニングミラーによるX軸方向のスキャン幅に対応可能なサイズを確保する必要がある。そのため、光走査装置全体の小型化が困難であった。
【0006】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、全体の小型化を可能とする光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の光走査装置は、被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第1の反射面を有し、該第1の反射面で反射する照射光を第1の軸方向に走査するように前記第1の反射面を回転駆動させる第1のマイクロスキャナと、一方の集光点が前記第1の反射面上の照射光位置に設定され、他方の集光点が前記第1のマイクロスキャナと干渉しない位置に設定された凹面鏡と、前記凹面鏡の他方の集光点に配置された第2の反射面を有し、前記凹面鏡から前記第2の反射面に入射して反射する照射光を第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査するように前記第2の反射面を回転駆動させる第2のマイクロスキャナと、を有することを特徴とする。
【0008】
この光走査装置によれば、凹面鏡の他方の集光点に第2のマイクロスキャナにおける第2の反射面が配置されていることから、凹面鏡から第2の反射面に入射する照射光は、必ず第2の反射面上の同一集光点に入射する。この構成により、第1のマイクロスキャナによる第1の軸方向の走査幅にかかわらず、第2のマイクロスキャナのサイズを設定することが可能となる。したがって、光走査装置全体の小型化が実現できる。
【0009】
また、本発明の光走査装置は、被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第1の反射面を有し、該第1の反射面で反射する照射光を第1の軸方向に走査するように前記第1の反射面を回転駆動させる第1のマイクロスキャナと、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第1の反射面に集光点が設定された第1の固定鏡と、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第1のマイクロスキャナと干渉しない位置に集光点が設定され、前記第1の固定鏡と平行光の光軸が一致する第2の固定鏡と、前記第2の固定鏡の集光点に配置された第2の反射面を有し、前記第2の固定鏡から前記第2の反射面に入射して反射する照射光を第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査するように前記第2の反射面を回転駆動させる第2のマイクロスキャナと、を有することを特徴とする。
【0010】
この光走査装置によれば、第1の固定鏡と第2の固定鏡との間では平行光となるので、第1の固定鏡と第2の固定鏡との間隔を容易に調整できるとともに、第2の固定鏡の集光点に第2のマイクロスキャナにおける第2の反射面が配置されていることから、第2の固定鏡から第2の反射面に入射する照射光は、必ず第2の反射面上の同一集光点に入射し、第2のマイクロスキャナのサイズを小型化できる。
【0011】
さらに、上記光走査装置において、前記第1のマイクロスキャナおよび前記第2のマイクロスキャナは、同一のチップ上に形成されていることが考えられる。これにより、光学系(第1のマイクロスキャナ、第2のマイクロスキャナおよび固定鏡など)の位置合わせが容易となる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、光走査装置全体の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第1の実施の形態に係る光走査装置を示す断面模式図である。
【図2】第1の実施の形態に係る光走査装置を示す斜視図である。
【図3】第2の実施の形態に係る光走査装置を示す断面模式図である。
【図4】第2の実施の形態に係る光走査装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
(第1の実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、第1の実施の形態に係る光走査装置を示す断面模式図である。図2は、図1に示す光走査装置を一部簡略化して示す模式的な斜視図である。
【0015】
光走査装置1は、マイクロスキャナ10,20を備えている。マイクロスキャナ10,20は、下部基板30にMEMS技術を用いて加工して作製されたMEMS素子である。図2に示すように、光走査装置1は、上面視で1辺が数mm程度の略正方形または略矩形である直方体状の素子である。
【0016】
一方のマイクロスキャナ10は、下部基板30の矩形開口部11に配置された揺動部12、揺動部12の一方の面に形成された反射面13、揺動部12を支持する一対のトーションバー14を含んで構成される。下部基板30の片側半面領域に凹部状の矩形開口部11が形成されている。矩形開口部11の中央に、反射面13が下部基板30の上面と同一面となるように揺動部12が配置されている。揺動部12は、第2の軸方向(図2参照)の両側部に第2の軸方向に伸びる一対のトーションバー14の一端部が結合(一体形成)されている。トーションバー14の他端部は、第1の軸方向に延伸して対向する矩形開口部11の内側面に結合されている。このように、揺動部12は、矩形開口部11内の空間内に、一対のトーションバー14を介して下部基板30に揺動可能に支持されていて、一対のトーションバー14をねじり回転軸として第1の軸方向に揺動可能になっている。
【0017】
もう一方のマイクロスキャナ20は、下部基板30のもう一方の片側半面領域に形成されており、上記マイクロスキャナ10と同様に、下部基板30の矩形開口部21に配置された揺動部22、揺動部22の一方の面に形成された反射面23、揺動部22を支持する一対のトーションバー24を含んで構成される。揺動部22は、第2の軸方向とは直交する第1の軸方向(図2参照)の両側部に第1の軸方向に伸びる一対のトーションバー24の一端部が結合(一体形成)されている。トーションバー24の他端部は、第2の軸方向に延伸して対向する矩形開口部11の内側面に結合されている。これにより、揺動部22は、一対のトーションバー24をねじり回転軸として、一方のマイクロスキャナ10とは異なる第2の軸方向に揺動可能になっている。なお、揺動部12と揺動部22の揺動方向(第1の軸方向および第2の軸方向)は、2つのマイクロスキャナ10,20の走査方向となるが、第1の軸方向と第2の軸方向とは必ずしも直交している必要は無い。
【0018】
マイクロスキャナ10,20における揺動部12,22を揺動させる構成としては、例えば、静電気力を利用する構成が適用できる。ただし、本発明は揺動部12,22を揺動させる構成はこれに限定されない。
【0019】
図1に示すように、下部基板30に対向して上部基板40が配置されている。上部基板40の下面には、マイクロスキャナ10,20に対向して、固定鏡50が設けられている。固定鏡50は、入射側と出射側の双方に集光点を有する凹面鏡であり、一方の集光点が一方のマイクロスキャナ10における反射面13上の照射光位置に設定され、他方の集光点がもう一方のマイクロスキャナ20における反射面23上の照射光位置に設定されている。図2には、上部基板40を省略している。また、図1および図2には、被写体に照射する照明光を発生するための発光部が図示されていないが、発光部で発生した照明光を不図示の導光光学系を介して一方のマイクロスキャナ10における反射面13へ入射する。また、被写体を光走査した際に被写体から反射される反射光を検出する検出光学系も図示を省略している。
【0020】
次に、上記のように構成された光走査装置1の動作について説明する。
発光部で生成された照射光(例えば光ビーム)は、導光光学系を介して所定の角度でマイクロスキャナ10における反射面13の照射光位置に入射する。マイクロスキャナ10は、反射面13の照射光位置に入射した照射光を固定鏡50へ向けて所定角度で反射する。照射光を第1の軸方向に走査する場合、揺動部12に結合した一対のトーションバー14をねじり回転軸として、この回転軸に沿って揺動部12を回転駆動させる。反射面13で反射した照射光は、固定鏡50に入射するが、揺動部12を第1の軸方向に回転駆動させることで反射角が異なるため、固定鏡50への入射位置が変化する(図1,2参照)。固定鏡50は照射光の入射位置が変化するが、マイクロスキャナ20の反射面23が他方の集光点に設定されているため、固定鏡50の異なる位置で反した反射光は、必ず反射面23上の同一集光点に入射する。マイクロスキャナ20は、固定鏡50から反射面23に入射した照射光を被写体側へ反射する。照射光を第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査する場合、揺動部22に結合した一対のトーションバー24をねじり回転軸として、この回転軸に沿って揺動部22を回転駆動させる。反射面23で反射した照射光は被写体に照射されるが、第1および第2の軸方向に光走査することで、被写体平面60が2次元走査される。2次元走査される被写体平面60の面積および位置は、マイクロスキャナ10による第1の軸方向への走査幅およびマイクロスキャナ20による第2の軸方向への走査幅によって調節される。
【0021】
なお、光走査された被写体からの反射光(または透過光)は、検出光学系を介して取り出されて撮像素子上に投影される。検出光学系が被写体からの反射光を取り出す位置が、マイクロスキャナ10よりも光源側であれば、被写体からの反射光は照射光が通過した光路を逆戻りして途中で分岐される。
【0022】
以上説明したように、第1の実施の形態に係る光走査装置1によれば、固定鏡50を入射側と出射側の双方に集光点を有する凹面鏡で構成し、一方の集光点に一方のマイクロスキャナ10の反射面13を配置し、他方の集光点にもう一方のマイクロスキャナ20の反射面23を配置したので、マイクロスキャナ10による第1の軸方向の走査幅にかかわらず、マイクロスキャナ20における反射面23の一箇所に照射光を入射でき、マイクロスキャナ20を小型化でき、光走査装置1全体の小型化が実現できる。また、マイクロスキャナ10,20は、同一基板上に形成されているため、光学系(マイクロスキャナ10,20および固定鏡50など)の位置合わせが容易となる。さらに、光走査装置1全体の小型化の実現により、ウェーハあたりのチップ数が増加するため、光走査装置1の低コスト化を実現できる。
【0023】
また、マイクロスキャナ20における反射面23のサイズを小さくすることができるため、例えば、静電気力により揺動部22を揺動させる場合には、その駆動電圧を下げることが可能となる。さらに、揺動部22の重量が低減されることにより、揺動部22の駆動制御が容易となり、また、高速駆動が可能となる。
【0024】
(第2の実施の形態)
以下、第2の実施の形態に係る光走査装置について、図3および図4に基づいて説明する。図3は、第2の実施の形態に係る光走査装置2を示す断面模式図であり、図4は、図3に示す光走査装置を一部簡略化して示す模式的な斜視図である。なお、第2の実施の形態において、第1の実施の形態に係る光走査装置1と共通する構成については同一の符号を付与してその説明を省略し、第1の実施の形態で示した光走査装置1とは異なる構造について主に説明する。
【0025】
図3に示すように、上部基板40の下面に、マイクロスキャナ10に対向して固定鏡51が設けられ、マイクロスキャナ20に対向して固定鏡52が設けられている。固定鏡51は、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射するように設計された放物線状の湾曲面を有する。固定鏡51の集光点がマイクロスキャナ10における反射面13上の照射光位置に設定され、平行光の出射側にもう1つの固定鏡52が配置されている。固定鏡52は、固定鏡51と同等の光学特性を有しており、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射するように設計された放物線状の湾曲面を有する。固定鏡52の集光点がマイクロスキャナ20における反射面23上に設定され、平行光の出射側に上記した通り固定鏡51が互いの光軸を合わせて配置されている。
【0026】
次に、上記のように構成された光走査装置2の動作について説明する。
発光部から出力された照射光は、導光光学系を介して所定の角度でマイクロスキャナ10における反射面13に入射する。マイクロスキャナ10は、反射面13で反射する照射光を第1の軸方向に走査するように、揺動部12を回転駆動させる。このとき、反射面13で反射した照射光が固定鏡51に入射するが、揺動部12の傾斜角度に応じて固定鏡51への入射位置が変化する。固定鏡51は、集光点となる反射面13から入射する照射光を入射位置にかかわらず下部基板30に対して各光が同一角度(図示の例では平行)となるように反射する。固定鏡51で反射した照射光は、固定鏡52に入射する。マイクロスキャナ10における揺動部12が揺動することにより、固定鏡52への照射光の入射位置は変化する(図3,4参照)が、固定鏡52の集光点にマイクロスキャナ20における反射面23が配置されているので、固定鏡52の各入射位置で反射される照射光は反射面23上の同一位置に入射する。マイクロスキャナ20は、固定鏡52から反射面23に入射して反射する照射光を、第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査するように、揺動部22を回転駆動させる。反射面23で反射した照射光は被写体に照射され、第1および第2の軸方向で構成される被写体平面60が2次元走査される。
【0027】
以上説明したように、第2の実施の形態に係る光走査装置2によれば、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射するように設計された放物線状の湾曲面を有する固定鏡51,52を組み合わせ、固定鏡51,52間は平行光としてマイクロスキャナ10,20の反射面13,23に集光点を設定したので、マイクロスキャナ10による第1の軸方向の走査幅に応じてマイクロスキャナ20のサイズが拡大するのを防止でき、光走査装置2全体の小型化が実現できる。また、固定鏡51,52の間は平行光線が通過するため、固定鏡51,52の設置位置を任意に設定することができ、光走査装置全体の設計自由度が向上する。また、マイクロスキャナ10,20は、同一基板上に形成されているため、光学系(マイクロスキャナ10,20および固定鏡50など)の位置合わせが容易となる。さらに、光走査装置1全体の小型化の実現により、ウェーハあたりのチップ数が増加するため、光走査装置1の低コスト化を実現できる。
【0028】
また、マイクロスキャナ20における反射面23のサイズを小さくすることができるため、例えば、静電気力により揺動部22を揺動させる場合には、その駆動電圧を下げることが可能となる。さらに、揺動部22の重量が低減されることにより、揺動部22の駆動制御が容易となり、また、高速駆動が可能となる。
【0029】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。
【0030】
上記実施の形態においては、反射面13,23が上面視で略矩形形状である構成について説明しているが、この構成に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、反射面13,23は、円形など、他の形状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明は、レーザプリンタやバーコードリーダなどの光学機器の他、被検体に光を照射して、その組織の表面状態の光学的情報を得るイメージング装置や、組織内部の光学的情報を得る光CT装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【0032】
1,2 光走査装置
10 マイクロスキャナ(第1のマイクロスキャナ)
20 マイクロスキャナ(第2のマイクロスキャナ)
11,21 矩形開口部
12,22 揺動部
13,23 反射面
14,24 トーションバー
30 下部基板
40 上部基板
50 固定鏡(凹面鏡)
51 固定鏡(第1の固定鏡)
52 固定鏡(第2の固定鏡)
60 被写体平面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第1の反射面を有し、該第1の反射面で反射する照射光を第1の軸方向に走査するように前記第1の反射面を回転駆動させる第1のマイクロスキャナと、一方の集光点が前記第1の反射面上の照射光位置に設定され、他方の集光点が前記第1のマイクロスキャナと干渉しない位置に設定された凹面鏡と、前記凹面鏡の他方の集光点に配置された第2の反射面を有し、前記凹面鏡から前記第2の反射面に入射して反射する照射光を第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査するように前記第2の反射面を回転駆動させる第2のマイクロスキャナと、を有することを特徴とする光走査装置。
【請求項2】
被写体に照射する照射光が入射し所定方向へ反射する第1の反射面を有し、該第1の反射面で反射する照射光を第1の軸方向に走査するように前記第1の反射面を回転駆動させる第1のマイクロスキャナと、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第1の反射面に集光点が設定された第1の固定鏡と、一方から入射する平行光は集光束に変換して反射し、前記集光束の集光点となる他方から入射する光は入射位置にかかわらず平行光に変換して反射する湾曲面を有し、前記第1のマイクロスキャナと干渉しない位置に集光点が設定され、前記第1の固定鏡と平行光の光軸が一致する第2の固定鏡と、前記第2の固定鏡の集光点に配置された第2の反射面を有し、前記第2の固定鏡から前記第2の反射面に入射して反射する照射光を第1の軸方向と異なる第2の軸方向に走査するように前記第2の反射面を回転駆動させる第2のマイクロスキャナと、を有することを特徴とする光走査装置。
【請求項3】
前記第1のマイクロスキャナおよび前記第2のマイクロスキャナは、同一のチップ上に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光走査装置。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−97137(P2013−97137A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−239053(P2011−239053)
【出願日】平成23年10月31日(2011.10.31)
【出願人】(504145342)国立大学法人九州大学 (960)
【出願人】(000005234)富士電機株式会社 (3,146)
【Fターム(参考)】