可変焦点型光学装置
【課題】 光走査部の光学手段の焦点距離を可変として、照射対象物に照射する光ビームの焦点位置を、光学部品を設けることなく調整可能とした可変焦点型光学装置を提供する。
【解決手段】 固定部１１にトーションバー１２，１２を介して軸支した可動部１３に反射ミラー又はレンズからなる光学手段１４とヒータコイルを兼ねる駆動コイル１５を設け、駆動コイル１５に静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂにより静磁界を作用させる光走査部３を備え、駆動コイル１５に、駆動電流に重畳して可動部加熱用のヒータ電流を供給制御して、可動部１３の変形量を制御して光学手段１４の焦点距離を可変する構成とした。
【解決手段】 固定部１１にトーションバー１２，１２を介して軸支した可動部１３に反射ミラー又はレンズからなる光学手段１４とヒータコイルを兼ねる駆動コイル１５を設け、駆動コイル１５に静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂにより静磁界を作用させる光走査部３を備え、駆動コイル１５に、駆動電流に重畳して可動部加熱用のヒータ電流を供給制御して、可動部１３の変形量を制御して光学手段１４の焦点距離を可変する構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部に固定した光学手段の焦点距離を可変できる可変焦点型光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部に光学手段を設け、可動部を介して光学手段を可動させることにより、例えば光走査するような光学装置として、例えば半導体製造技術を利用して製造するプレーナ型光学装置があり、光学手段として反射ミラーを用いる光反射型と光学手段としてレンズを用いる光透過型がある。
【０００３】
光反射型の一例としては、例えば、固定部に、梁部を介して回動可能に可動部を軸支し、可動部に設けた駆動コイルと、この駆動コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段とで可動部の駆動手段を構成し、通電により駆動コイルに発生する磁界と静磁界との相互作用により発生するローレンツ力を利用して可動部を梁部を中心として回動することにより、反射ミラーを回動させ光ビームを偏向するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、光透過型の一例としては、例えば、可動部をＨ状の梁部で支持し、梁部を可動電極とし、梁部の回りに固定電極を配置し、梁部（可動電極）と固定電極との間に静電引力を発生させ、可動部を介してレンズを変位させることにより、レンズの屈折作用を利用してレンズを透過する光ビームを偏向するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第２７２２３１４号公報
【非特許文献１】猿田訓彦，藤田博之, 年吉 洋 「ＳＯＩ基板によるマイクロレンズ光スキャナの製作」電気学会Ｅ部門論文誌，2003年7月，第123巻7号， pp. 231-236
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光スキャナや光ディスク装置等の光学機器においては、光学手段で反射又は屈折された光ビームの焦点位置を光軸方向に調整して所定の位置に合わせる必要がある。しかし、従来のこの種の光学装置には、反射ミラーやレンズの焦点距離（曲率半径）を可変できるものはなかった。このため、この種の光学装置を光スキャナや光ディスク装置等の光学機器に実装する場合、従来では、光ビームの焦点位置が適切な位置となるよう、光ビームの光路にコリメータレンズ、集光レンズ、或いは、ｆ−θレンズ等の光学部品を設ける必要があった。
【０００６】
本発明は前記問題点に着目してなされたもので、光学手段からの光ビームの焦点位置を光学部品を設けることなく調整可能とした可変焦点型光学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】
このため、請求項１の発明の可変焦点型光学装置は、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部と、該可動部を駆動する駆動手段と、前記可動部に固定され入射する光ビームを屈折又は反射する光学手段と、該光学手段の焦点距離を可変制御する制御手段とを備えて構成した。
かかる構成では、駆動手段で可動部を固定部に対して可動して光学手段を駆動しつつ、制御手段により光学手段の焦点距離を可変できるようになる。
【０００８】
制御手段は、請求項２のように、前記光学手段の変形量を制御して前記光学手段の曲率半径を可変制御する構成とするとよい。
具体的には、請求項３のように、前記制御手段は、前記可動部を加熱制御して当該可動部と共に変形する前記光学手段の変形量を制御する構成とする。この場合、請求項４のように、可動部にヒータを設けて可動部を加熱制御する構成としてもよく、請求項６のように、可動部にレーザ光を照射して可動部を加熱制御する構成としてもよい。
【０００９】
請求項４の構成においては、請求項５のように、前記駆動手段が、前記可動部に敷設されて通電により磁界を発生する駆動コイルと、前記梁部の軸方向と平行な可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に対して静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に発生する磁界と前記静磁界との相互作用により前記可動部対辺部に電磁力を作用させる構成であるとき、前記駆動コイルが前記ヒータを兼ねる構成とするとよい。
【００１０】
請求項７の発明では、前記可動部に形状記憶金属を設け、該形状記憶金属を加熱する構成とした。
また、制御手段は、請求項８のように、圧電体により前記光学手段の変形量を制御する構成とするとよい。
【００１１】
請求項９の発明では、前記制御手段は、前記焦点距離の目標値を入力する入力部と、前記光学手段の各焦点距離に対応する光学手段の変形制御量データを予め記憶する記憶部と、該記憶部の記憶データに基づいて入力された前記目標値に対応する変形制御量を決定して光学手段を変形制御する制御部とを備える構成とした。
【００１２】
この場合、請求項１０のように、前記光学手段の実際の焦点距離を検出する検出手段を設け、前記制御部は、前記検出手段の検出値と前記目標値とを比較して前記検出値が前記目標値と一致するように前記変形制御量をフィードバック制御する構成とするとよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明の可変焦点型光学装置によれば、光学手段の曲率半径を可変制御して焦点距離を可変できるよう構成したので、例えば光学機器に実装した場合に光ビームの焦点位置が所定位置となるよう光学装置自体で調整でき、焦点位置調整用レンズ等を別途設ける必要がなくなる。従って、光学機器の部品点数の削減や構成の簡素化を図ることができると共に、設計の自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係る可変焦点型光学装置の第１実施形態の構成図を示し、図２に第１実施形態の要部である光走査部の平面図を示す。
図１において、本実施形態の可変焦点型光学装置は、発光部１と、発光制御部２と、光走査部３と、入力部４と、駆動制御部５と、データ記憶部６と、を備えて構成される。
【００１５】
前記発光部１は、光走査部３に光ビームを発射するもので、例えばレーザ光を発光するレーザ光源等、光を発光できるものであればどのような光源でもよい。
前記発光制御部２は、発光部１を駆動制御するもので、後述する光走査部３の走査角度に合わせて発光部１の発光タイミングを制御する。具体的には、例えば、発光制御部２は、駆動制御部５から送信される後述の可動部駆動電流値と可動部１３の走査角度との対応データを格納したメモリを備え、入力した可動部駆動電流値から可動部１３の走査角度をメモリから読込み、予め設定した走査角度範囲で発光部１に所定間隔で発光指令を送信する。
【００１６】
前記光走査部３は、発光部１から発射された光ビームを走査するもので、例えば半導体マイクロマシン技術を応用して製造されるプレーナ型アクチュエータを用いる。図２に本実施形態の光走査部３の平面図を示し説明する。
【００１７】
図２において、本実施形態の光走査部３は、枠状の固定部１１に、梁部としての一対のトーションバー１２，１２を介して可動部１３が可動可能に軸支される。これら固定部１１、トーションバー１２，１２及び可動部１３は、例えばシリコン基板をエッチングして一体的に形成される。可動部１３の表面には、その中央部に光学手段１４が設けられ、周縁部に光学手段１４を囲むようにして光学手段１４の変形量を制御してその曲率半径を可変制御すべく可動部１３を加熱するヒータを兼ねる駆動コイル１５が設けられる。駆動コイル１５は、トーションバー部分を介して固定部１１側に引き出されて電極端子１６Ａ，１６Ｂに接続して加熱電流及び駆動電流が供給される。尚、駆動コイルとは別に加熱用ヒータコイルを可動部１３に設けるようにしてもよい。また、固定部１１の外側に、トーションバー１２，１２の軸方向と平行な可動部対辺部の駆動コイル部分に静磁界を作用する一対の静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂが、可動部１３を挟んで互いに反対磁極を対向させて配置される。静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂは、永久磁石でも電磁石でもよい。
【００１８】
ここで、前記光学手段１４は、発光部１から発射される光ビームを反射する反射ミラーでもよく、前記光ビームを透過屈折するレンズでもよい。反射ミラーの場合は、アルミニウムや金等を可動部１３上に蒸着して形成する。また、レンズの場合は、個別に加工したものを可動部１３に貫通孔を形成して取付けるようにしてもよく、可動部１３に透明樹脂を滴下して表面張力により可動部１３上に形成するようにしてもよい。レンズの材料としては熱や外圧により変形可能な材料、例えば高分子材料やシリコン等を用いる。尚、光学手段１４としてレンズを利用した場合は、光ビームの走査側と反対側に発光部１を配置することになるので、通常は可動部１３のレンズ取付け部に光ビーム通過用の貫通孔を設ける必要があるが、可動部１３が光ビームの透過可能な材質である場合には貫通孔を設ける必要はない。
【００１９】
この光走査部３の駆動原理は例えば特許第２７２２３１４号等で詳述されており、ここでは簡単に説明する。
可動部１３上の駆動コイル１５に電流を流すと磁界が発生し、この磁界と静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂによる静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、トーションバー１２，１２の軸方向と平行な可動部対辺部に互いに逆方向の回転力が発生し、トーションバー１２，１２のばね力と発生した回転力とが釣合う位置まで可動部１３は回動する。駆動コイル１５に交流電流を流せば可動部１３を介して光学手段１４が揺動し、発光部１から照射された光ビームを走査できる。発生する回転力は、駆動コイル１５に流す電流値に比例するので、駆動コイル１５の電流値を制御することで可動部１３の揺動角度（光ビームの走査角度）を制御できる。ここで、駆動コイル１５と静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂで駆動手段を構成する。
【００２０】
前記入力部４は、光学手段１４の焦点距離の目標値を入力するものであり、光ビームの照射対象物までの距離が固定値で変化しないような場合は手動で目標値を入力する、例えばキーボード等を用いることができる。また、光ビームの照射対象物までの距離が常時変化するような場合は対象物までの距離検出が可能な測距装置を用いてその検出値を目標値として入力するようにすればよい。
【００２１】
前記駆動制御部５は、光走査部３の駆動及び光学手段１４の焦点距離を可変制御すべく可動部１３を加熱制御するものであり、駆動コイル１５に供給する可動部駆動用交流電流を制御すると共に、入力部４から入力される目標値とデータ記憶部６の記憶データとに基づいて前記交流電流に重畳する可動部加熱用の直流電流を供給制御し光学手段１４の変形量を制御して曲率半径を可変制御しその焦点距離を目標値に制御する。また、光走査部３は、前述したように可動部１３の回転力が駆動コイル１５に供給する駆動電流に比例し、前記駆動電流値から可動部１３の走査位置（走査角度）が分かるので、駆動制御部５は、前記駆動電流値を発光部１の発光タイミング制御用信号として発光制御部２に送信する。尚、光走査部３の走査角度を、例えば可動部裏面側にミラーを設けてその反射光を受光素子アレイ等で受光しその受光位置から検出するような走査角度検出装置を、駆動制御部５とは別に設け、この走査角度検出装置で走査角度を直接検出しその検出値を発光タイミング制御用信号として発光制御部２に送信するようにしてもよい。この場合、発光制御部２において、前述した可動部駆動電流値と可動部１３の走査角度との対応データを格納したメモリは不要である。
【００２２】
前記データ記憶部６は、予め実験等で計測した、光学手段１４の各焦点距離に対応する光学手段１４の変形制御量データを予め記憶する記憶部であり、具体的には、光学手段１４の各焦点距離に対応する光学手段１４の変形制御量データとして可動部加熱用の前記直流電流値データが、各焦点距離データと対応付けられて記憶されている。
【００２３】
次に、本実施形態の可変焦点型光学装置の動作を説明する。
光走査部３の可動部１３の振れ角制御は、従来と同様であり、駆動制御部５から駆動コイル１５に交流電流を供給制御して可動部１３を共振駆動する。発光制御部２は、駆動制御部５から送信される前記交流電流値に基づいてメモリから可動部１３の走査角度を読取り、予め設定された走査角度範囲で発光部１に発光指令を間欠的に出力する。発光部１は、前記発光指令の入力毎に光ビームを発光する。これにより、光走査部３の可動部１３の揺動動作により光ビームが所定の走査範囲で走査される。
【００２４】
次に、図３のフローチャートを参照して本発明の特徴である光学手段１４の焦点距離制御動作を説明する。
ステップ１（図中Ｓ１で示し、以下同様とする）では、入力部４で焦点距離の目標値データを入力する。例えば、可動部１３の走査角度とその時の焦点距離値を目標値データとして入力する。
ステップ２では、ステップ１で入力された目標値データの各焦点距離値に対応するヒータ電流値（直流電流値）を、駆動制御部５はデータ記憶部６から読み出し、各走査角度と対応付けて記憶する。
ステップ３では、駆動制御部５は、予め記憶してある駆動電流値と走査角度の対応データに基づいて駆動電流値から走査角度を読み出し、当該読み出した走査角度に対応する直流電流値を、ステップ２で読み出し記憶したヒータ電流値と走査角度との対応データから読み出し、当該読み出した直流電流値を可動部駆動用の交流電流に重畳して駆動コイル１５に供給して可動部１３を加熱制御する。駆動コイルとヒータコイルが別々の場合は、それぞれのコイルに駆動電流と加熱電流を供給すればよいことは言うまでもない。
【００２５】
これにより、可動部１３が供給されるヒータ電流量に応じて変形する。例えば、光学手段１４が反射ミラーの場合は、図４のように可動部１３が変形してその反り量が変化し反射ミラー１４の曲率半径が変化し、その焦点位置Ｆが変化する。また、光学手段１４がレンズの場合は、図５のように可動部１３の変形によりレンズ１４が変形してレンズ１４の曲率半径が変化し、その焦点位置Ｆが変化する。
【００２６】
かかる構成によれば、光走査部３の光学手段１４の焦点距離を可変制御できるので、レンズ等の光学部品を介在させることなく、光走査部３を介して照射される光ビームの焦点位置を所定位置に合わせることができる。従って、光学機器の部品点数を削減でき、構成を簡素化できる。また、本実施形態のような駆動コイルと静磁界発生手段により電磁力を利用して可動部１３を駆動する電磁駆動タイプの光走査部３の場合は、駆動コイル１５をヒータコイルとして兼用できる利点がある。
【００２７】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図６に第２実施形態の構成図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態は、光学手段１４の焦点距離をフィードバック制御する構成であり、第１実施形態の構成に、光学手段１４の実際の焦点距離を検出する焦点距離検出手段７を付加して構成される。
【００２８】
光学手段１４の焦点距離は、可動部１３の変形量で決まる。従って、可動部１３を加熱して変形させる構成では光学手段１４の焦点距離は可動部１３の温度に関連するので、前記焦点距離検出手段７として例えば温度センサを用い、可動部１３の温度を検出することにより光学手段１４の焦点距離を検出することができる。本実施形態では、温度センサを可動部１３に取付けて実際の焦点距離を検出するものとする。この場合、本実施形態では、例えば温度センサの検出温度を焦点距離に換算するため、可動部温度と焦点距離との対応関係を予め実験等で求め、可動部温度と焦点距離との対応データを、例えばデータ記憶部６に記憶させておき、温度センサからの検出値に基づいてデータ記憶部６から焦点距離値を読み出すようにする。
【００２９】
次に、図７のフローチャートを参照して第２実施形態の焦点距離制御動作を説明する。尚、可動部１３の振れ角制御は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
ステップ１１〜１３の動作は図３のステップ１〜３と同様である。
ステップ１４では、温度センサ（焦点距離検出手段７）の検出値を入力し、入力した検出値に対応する焦点距離値Ｂをデータ記憶部６から読み出す。
【００３０】
ステップ１５では、目標とする焦点距離値Ａとステップ１４で求めた実際の焦点距離値Ｂを比較する。そして、Ａ＝Ｂであればそのときのヒータ電流値を維持する。Ａ＜Ｂであればステップ１６に進み、可動部１３の変形量を大きくして焦点距離を短くすべくヒータ電流を増大制御する。例えば、現在のヒータ電流値から予め設定した所定値づつヒータ電流をＡ＝Ｂとなるまで増大補正する。一方、Ａ＞Ｂであればステップ１７に進み、可動部１３の変形量を小さくして焦点距離を長くすべくヒータ電流を減少制御する。例えば、現在のヒータ電流値から予め設定した所定値づつヒータ電流をＡ＝Ｂとなるまで減少補正する。
【００３１】
かかる第２実施形態の構成によれば、実際の焦点距離を検出して目標の焦点距離値となるようヒータ電流をフィードバック制御するので、焦点距離の制御精度を向上できる。
【００３２】
尚、光走査部３の構成は、上述した実施形態に限定されない。例えば、図８（Ａ）に示すように、可動部１３表面に矩形状の形状記憶合金２１を設け、形状記憶合金２１上にヒータコイル兼用の駆動コイル１５を設ける構成でもよい。また、図８（Ｂ）に示すように十字状に形状記憶合金２１を設け、可動部１３の加熱源としてヒータコイルに代えてレーザ光を形状記憶合金２１部分に照射して可動部１３を加熱変形させるよう構成してもよい。このように、形状記憶合意金２１を加熱して可動部１３を変形させる構成とすれば、形状記憶合金２１の変形が可動部１３の変形を助長するので、可動部１３を変形し易くなる利点がある。
【００３３】
可動部１３の加熱は、ヒータコイルに限定されず、上述したレーザ光を利用してもよい。この場合、走査用の光ビームと加熱用レーザ光が干渉しないよう、加熱用レーザ光を可動部１３の裏面側から可動部１３に照射するとよく、可動部１３がシリコンの場合は加熱用レーザ光の波長としてシリコンを透過しない波長を選択する。光学手段１４がレンズの場合は加熱用レーザ光がレンズを透過しないように斜め方向から可動部１３に照射するとよい。
【００３４】
また、可動部１３を変形させる方法としては、熱の他、圧電体を可動部１３に設け、圧電体に印加する電圧を可変制御することにより、可動部１３の変形量を制御する構成でもよい。この場合、焦点距離制御用の変形制御量データは印加電圧値となる。
尚、圧電体で可動部１３を変形させる構成の場合、上述した第２実施形態の焦点距離検出手段７として温度センサは使用できないので、例えば可動部１３の歪みを感知する圧電センサを可動部１３に設け、圧電センサの出力を焦点距離検出値として利用する構成とするとよい。
【００３５】
また、光走査部３の可動部１３の駆動方式は、上記実施形態で示した電磁駆動タイプに限らず、静電引力を利用した静電タイプ、圧電素子を利用した圧電タイプ等、どのような駆動タイプでもよい。また、図９に示すように、例えば可動部１３に駆動コイル１５を設けた電磁駆動タイプにおいて、可動部１３の裏面側に一対の可動電極３１Ａ，３１Ｂ（図中破線で示す）を設け、この可動電極３１Ａ，３１Ｂに対向して可動部１３下方の固定部に固定電極（図示せず）を配置して、電磁駆動と静電駆動を併用する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る可変焦点型光学装置の第１実施形態を示す構成図
【図２】光走査部の変面図
【図３】第１実施形態の加熱制御動作を示すフローチャート
【図４】反射ミラーの場合の焦点距離変化状態の説明図
【図５】レンズの場合の焦点距離変化状態の説明図
【図６】本発明の第２実施形態を示す構成図
【図７】第１実施形態の加熱制御動作を示すフローチャート
【図８】光走査部の別の構成例を示す要部平面図
【図９】光走査部の可動部の別の駆動形態例を示す要部平面図
【符号の説明】
【００３７】
１ 発光部
２ 発光制御部
３ 光走査部
４ 入力部
５ 駆動制御部
６ データ記憶部
７ 焦点距離検出手段
１１ 固定部
１２，１２ トーションバー
１３ 可動部
１４ 光学手段
１５ 駆動コイル（ヒータコイル）
１７Ａ，１７Ｂ 静磁界発生手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部に固定した光学手段の焦点距離を可変できる可変焦点型光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部に光学手段を設け、可動部を介して光学手段を可動させることにより、例えば光走査するような光学装置として、例えば半導体製造技術を利用して製造するプレーナ型光学装置があり、光学手段として反射ミラーを用いる光反射型と光学手段としてレンズを用いる光透過型がある。
【０００３】
光反射型の一例としては、例えば、固定部に、梁部を介して回動可能に可動部を軸支し、可動部に設けた駆動コイルと、この駆動コイルに静磁界を作用する静磁界発生手段とで可動部の駆動手段を構成し、通電により駆動コイルに発生する磁界と静磁界との相互作用により発生するローレンツ力を利用して可動部を梁部を中心として回動することにより、反射ミラーを回動させ光ビームを偏向するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、光透過型の一例としては、例えば、可動部をＨ状の梁部で支持し、梁部を可動電極とし、梁部の回りに固定電極を配置し、梁部（可動電極）と固定電極との間に静電引力を発生させ、可動部を介してレンズを変位させることにより、レンズの屈折作用を利用してレンズを透過する光ビームを偏向するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第２７２２３１４号公報
【非特許文献１】猿田訓彦，藤田博之, 年吉 洋 「ＳＯＩ基板によるマイクロレンズ光スキャナの製作」電気学会Ｅ部門論文誌，2003年7月，第123巻7号， pp. 231-236
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光スキャナや光ディスク装置等の光学機器においては、光学手段で反射又は屈折された光ビームの焦点位置を光軸方向に調整して所定の位置に合わせる必要がある。しかし、従来のこの種の光学装置には、反射ミラーやレンズの焦点距離（曲率半径）を可変できるものはなかった。このため、この種の光学装置を光スキャナや光ディスク装置等の光学機器に実装する場合、従来では、光ビームの焦点位置が適切な位置となるよう、光ビームの光路にコリメータレンズ、集光レンズ、或いは、ｆ−θレンズ等の光学部品を設ける必要があった。
【０００６】
本発明は前記問題点に着目してなされたもので、光学手段からの光ビームの焦点位置を光学部品を設けることなく調整可能とした可変焦点型光学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】
このため、請求項１の発明の可変焦点型光学装置は、固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部と、該可動部を駆動する駆動手段と、前記可動部に固定され入射する光ビームを屈折又は反射する光学手段と、該光学手段の焦点距離を可変制御する制御手段とを備えて構成した。
かかる構成では、駆動手段で可動部を固定部に対して可動して光学手段を駆動しつつ、制御手段により光学手段の焦点距離を可変できるようになる。
【０００８】
制御手段は、請求項２のように、前記光学手段の変形量を制御して前記光学手段の曲率半径を可変制御する構成とするとよい。
具体的には、請求項３のように、前記制御手段は、前記可動部を加熱制御して当該可動部と共に変形する前記光学手段の変形量を制御する構成とする。この場合、請求項４のように、可動部にヒータを設けて可動部を加熱制御する構成としてもよく、請求項６のように、可動部にレーザ光を照射して可動部を加熱制御する構成としてもよい。
【０００９】
請求項４の構成においては、請求項５のように、前記駆動手段が、前記可動部に敷設されて通電により磁界を発生する駆動コイルと、前記梁部の軸方向と平行な可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に対して静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に発生する磁界と前記静磁界との相互作用により前記可動部対辺部に電磁力を作用させる構成であるとき、前記駆動コイルが前記ヒータを兼ねる構成とするとよい。
【００１０】
請求項７の発明では、前記可動部に形状記憶金属を設け、該形状記憶金属を加熱する構成とした。
また、制御手段は、請求項８のように、圧電体により前記光学手段の変形量を制御する構成とするとよい。
【００１１】
請求項９の発明では、前記制御手段は、前記焦点距離の目標値を入力する入力部と、前記光学手段の各焦点距離に対応する光学手段の変形制御量データを予め記憶する記憶部と、該記憶部の記憶データに基づいて入力された前記目標値に対応する変形制御量を決定して光学手段を変形制御する制御部とを備える構成とした。
【００１２】
この場合、請求項１０のように、前記光学手段の実際の焦点距離を検出する検出手段を設け、前記制御部は、前記検出手段の検出値と前記目標値とを比較して前記検出値が前記目標値と一致するように前記変形制御量をフィードバック制御する構成とするとよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明の可変焦点型光学装置によれば、光学手段の曲率半径を可変制御して焦点距離を可変できるよう構成したので、例えば光学機器に実装した場合に光ビームの焦点位置が所定位置となるよう光学装置自体で調整でき、焦点位置調整用レンズ等を別途設ける必要がなくなる。従って、光学機器の部品点数の削減や構成の簡素化を図ることができると共に、設計の自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明に係る可変焦点型光学装置の第１実施形態の構成図を示し、図２に第１実施形態の要部である光走査部の平面図を示す。
図１において、本実施形態の可変焦点型光学装置は、発光部１と、発光制御部２と、光走査部３と、入力部４と、駆動制御部５と、データ記憶部６と、を備えて構成される。
【００１５】
前記発光部１は、光走査部３に光ビームを発射するもので、例えばレーザ光を発光するレーザ光源等、光を発光できるものであればどのような光源でもよい。
前記発光制御部２は、発光部１を駆動制御するもので、後述する光走査部３の走査角度に合わせて発光部１の発光タイミングを制御する。具体的には、例えば、発光制御部２は、駆動制御部５から送信される後述の可動部駆動電流値と可動部１３の走査角度との対応データを格納したメモリを備え、入力した可動部駆動電流値から可動部１３の走査角度をメモリから読込み、予め設定した走査角度範囲で発光部１に所定間隔で発光指令を送信する。
【００１６】
前記光走査部３は、発光部１から発射された光ビームを走査するもので、例えば半導体マイクロマシン技術を応用して製造されるプレーナ型アクチュエータを用いる。図２に本実施形態の光走査部３の平面図を示し説明する。
【００１７】
図２において、本実施形態の光走査部３は、枠状の固定部１１に、梁部としての一対のトーションバー１２，１２を介して可動部１３が可動可能に軸支される。これら固定部１１、トーションバー１２，１２及び可動部１３は、例えばシリコン基板をエッチングして一体的に形成される。可動部１３の表面には、その中央部に光学手段１４が設けられ、周縁部に光学手段１４を囲むようにして光学手段１４の変形量を制御してその曲率半径を可変制御すべく可動部１３を加熱するヒータを兼ねる駆動コイル１５が設けられる。駆動コイル１５は、トーションバー部分を介して固定部１１側に引き出されて電極端子１６Ａ，１６Ｂに接続して加熱電流及び駆動電流が供給される。尚、駆動コイルとは別に加熱用ヒータコイルを可動部１３に設けるようにしてもよい。また、固定部１１の外側に、トーションバー１２，１２の軸方向と平行な可動部対辺部の駆動コイル部分に静磁界を作用する一対の静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂが、可動部１３を挟んで互いに反対磁極を対向させて配置される。静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂは、永久磁石でも電磁石でもよい。
【００１８】
ここで、前記光学手段１４は、発光部１から発射される光ビームを反射する反射ミラーでもよく、前記光ビームを透過屈折するレンズでもよい。反射ミラーの場合は、アルミニウムや金等を可動部１３上に蒸着して形成する。また、レンズの場合は、個別に加工したものを可動部１３に貫通孔を形成して取付けるようにしてもよく、可動部１３に透明樹脂を滴下して表面張力により可動部１３上に形成するようにしてもよい。レンズの材料としては熱や外圧により変形可能な材料、例えば高分子材料やシリコン等を用いる。尚、光学手段１４としてレンズを利用した場合は、光ビームの走査側と反対側に発光部１を配置することになるので、通常は可動部１３のレンズ取付け部に光ビーム通過用の貫通孔を設ける必要があるが、可動部１３が光ビームの透過可能な材質である場合には貫通孔を設ける必要はない。
【００１９】
この光走査部３の駆動原理は例えば特許第２７２２３１４号等で詳述されており、ここでは簡単に説明する。
可動部１３上の駆動コイル１５に電流を流すと磁界が発生し、この磁界と静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂによる静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、トーションバー１２，１２の軸方向と平行な可動部対辺部に互いに逆方向の回転力が発生し、トーションバー１２，１２のばね力と発生した回転力とが釣合う位置まで可動部１３は回動する。駆動コイル１５に交流電流を流せば可動部１３を介して光学手段１４が揺動し、発光部１から照射された光ビームを走査できる。発生する回転力は、駆動コイル１５に流す電流値に比例するので、駆動コイル１５の電流値を制御することで可動部１３の揺動角度（光ビームの走査角度）を制御できる。ここで、駆動コイル１５と静磁界発生手段１７Ａ，１７Ｂで駆動手段を構成する。
【００２０】
前記入力部４は、光学手段１４の焦点距離の目標値を入力するものであり、光ビームの照射対象物までの距離が固定値で変化しないような場合は手動で目標値を入力する、例えばキーボード等を用いることができる。また、光ビームの照射対象物までの距離が常時変化するような場合は対象物までの距離検出が可能な測距装置を用いてその検出値を目標値として入力するようにすればよい。
【００２１】
前記駆動制御部５は、光走査部３の駆動及び光学手段１４の焦点距離を可変制御すべく可動部１３を加熱制御するものであり、駆動コイル１５に供給する可動部駆動用交流電流を制御すると共に、入力部４から入力される目標値とデータ記憶部６の記憶データとに基づいて前記交流電流に重畳する可動部加熱用の直流電流を供給制御し光学手段１４の変形量を制御して曲率半径を可変制御しその焦点距離を目標値に制御する。また、光走査部３は、前述したように可動部１３の回転力が駆動コイル１５に供給する駆動電流に比例し、前記駆動電流値から可動部１３の走査位置（走査角度）が分かるので、駆動制御部５は、前記駆動電流値を発光部１の発光タイミング制御用信号として発光制御部２に送信する。尚、光走査部３の走査角度を、例えば可動部裏面側にミラーを設けてその反射光を受光素子アレイ等で受光しその受光位置から検出するような走査角度検出装置を、駆動制御部５とは別に設け、この走査角度検出装置で走査角度を直接検出しその検出値を発光タイミング制御用信号として発光制御部２に送信するようにしてもよい。この場合、発光制御部２において、前述した可動部駆動電流値と可動部１３の走査角度との対応データを格納したメモリは不要である。
【００２２】
前記データ記憶部６は、予め実験等で計測した、光学手段１４の各焦点距離に対応する光学手段１４の変形制御量データを予め記憶する記憶部であり、具体的には、光学手段１４の各焦点距離に対応する光学手段１４の変形制御量データとして可動部加熱用の前記直流電流値データが、各焦点距離データと対応付けられて記憶されている。
【００２３】
次に、本実施形態の可変焦点型光学装置の動作を説明する。
光走査部３の可動部１３の振れ角制御は、従来と同様であり、駆動制御部５から駆動コイル１５に交流電流を供給制御して可動部１３を共振駆動する。発光制御部２は、駆動制御部５から送信される前記交流電流値に基づいてメモリから可動部１３の走査角度を読取り、予め設定された走査角度範囲で発光部１に発光指令を間欠的に出力する。発光部１は、前記発光指令の入力毎に光ビームを発光する。これにより、光走査部３の可動部１３の揺動動作により光ビームが所定の走査範囲で走査される。
【００２４】
次に、図３のフローチャートを参照して本発明の特徴である光学手段１４の焦点距離制御動作を説明する。
ステップ１（図中Ｓ１で示し、以下同様とする）では、入力部４で焦点距離の目標値データを入力する。例えば、可動部１３の走査角度とその時の焦点距離値を目標値データとして入力する。
ステップ２では、ステップ１で入力された目標値データの各焦点距離値に対応するヒータ電流値（直流電流値）を、駆動制御部５はデータ記憶部６から読み出し、各走査角度と対応付けて記憶する。
ステップ３では、駆動制御部５は、予め記憶してある駆動電流値と走査角度の対応データに基づいて駆動電流値から走査角度を読み出し、当該読み出した走査角度に対応する直流電流値を、ステップ２で読み出し記憶したヒータ電流値と走査角度との対応データから読み出し、当該読み出した直流電流値を可動部駆動用の交流電流に重畳して駆動コイル１５に供給して可動部１３を加熱制御する。駆動コイルとヒータコイルが別々の場合は、それぞれのコイルに駆動電流と加熱電流を供給すればよいことは言うまでもない。
【００２５】
これにより、可動部１３が供給されるヒータ電流量に応じて変形する。例えば、光学手段１４が反射ミラーの場合は、図４のように可動部１３が変形してその反り量が変化し反射ミラー１４の曲率半径が変化し、その焦点位置Ｆが変化する。また、光学手段１４がレンズの場合は、図５のように可動部１３の変形によりレンズ１４が変形してレンズ１４の曲率半径が変化し、その焦点位置Ｆが変化する。
【００２６】
かかる構成によれば、光走査部３の光学手段１４の焦点距離を可変制御できるので、レンズ等の光学部品を介在させることなく、光走査部３を介して照射される光ビームの焦点位置を所定位置に合わせることができる。従って、光学機器の部品点数を削減でき、構成を簡素化できる。また、本実施形態のような駆動コイルと静磁界発生手段により電磁力を利用して可動部１３を駆動する電磁駆動タイプの光走査部３の場合は、駆動コイル１５をヒータコイルとして兼用できる利点がある。
【００２７】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図６に第２実施形態の構成図を示す。尚、第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態は、光学手段１４の焦点距離をフィードバック制御する構成であり、第１実施形態の構成に、光学手段１４の実際の焦点距離を検出する焦点距離検出手段７を付加して構成される。
【００２８】
光学手段１４の焦点距離は、可動部１３の変形量で決まる。従って、可動部１３を加熱して変形させる構成では光学手段１４の焦点距離は可動部１３の温度に関連するので、前記焦点距離検出手段７として例えば温度センサを用い、可動部１３の温度を検出することにより光学手段１４の焦点距離を検出することができる。本実施形態では、温度センサを可動部１３に取付けて実際の焦点距離を検出するものとする。この場合、本実施形態では、例えば温度センサの検出温度を焦点距離に換算するため、可動部温度と焦点距離との対応関係を予め実験等で求め、可動部温度と焦点距離との対応データを、例えばデータ記憶部６に記憶させておき、温度センサからの検出値に基づいてデータ記憶部６から焦点距離値を読み出すようにする。
【００２９】
次に、図７のフローチャートを参照して第２実施形態の焦点距離制御動作を説明する。尚、可動部１３の振れ角制御は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
ステップ１１〜１３の動作は図３のステップ１〜３と同様である。
ステップ１４では、温度センサ（焦点距離検出手段７）の検出値を入力し、入力した検出値に対応する焦点距離値Ｂをデータ記憶部６から読み出す。
【００３０】
ステップ１５では、目標とする焦点距離値Ａとステップ１４で求めた実際の焦点距離値Ｂを比較する。そして、Ａ＝Ｂであればそのときのヒータ電流値を維持する。Ａ＜Ｂであればステップ１６に進み、可動部１３の変形量を大きくして焦点距離を短くすべくヒータ電流を増大制御する。例えば、現在のヒータ電流値から予め設定した所定値づつヒータ電流をＡ＝Ｂとなるまで増大補正する。一方、Ａ＞Ｂであればステップ１７に進み、可動部１３の変形量を小さくして焦点距離を長くすべくヒータ電流を減少制御する。例えば、現在のヒータ電流値から予め設定した所定値づつヒータ電流をＡ＝Ｂとなるまで減少補正する。
【００３１】
かかる第２実施形態の構成によれば、実際の焦点距離を検出して目標の焦点距離値となるようヒータ電流をフィードバック制御するので、焦点距離の制御精度を向上できる。
【００３２】
尚、光走査部３の構成は、上述した実施形態に限定されない。例えば、図８（Ａ）に示すように、可動部１３表面に矩形状の形状記憶合金２１を設け、形状記憶合金２１上にヒータコイル兼用の駆動コイル１５を設ける構成でもよい。また、図８（Ｂ）に示すように十字状に形状記憶合金２１を設け、可動部１３の加熱源としてヒータコイルに代えてレーザ光を形状記憶合金２１部分に照射して可動部１３を加熱変形させるよう構成してもよい。このように、形状記憶合意金２１を加熱して可動部１３を変形させる構成とすれば、形状記憶合金２１の変形が可動部１３の変形を助長するので、可動部１３を変形し易くなる利点がある。
【００３３】
可動部１３の加熱は、ヒータコイルに限定されず、上述したレーザ光を利用してもよい。この場合、走査用の光ビームと加熱用レーザ光が干渉しないよう、加熱用レーザ光を可動部１３の裏面側から可動部１３に照射するとよく、可動部１３がシリコンの場合は加熱用レーザ光の波長としてシリコンを透過しない波長を選択する。光学手段１４がレンズの場合は加熱用レーザ光がレンズを透過しないように斜め方向から可動部１３に照射するとよい。
【００３４】
また、可動部１３を変形させる方法としては、熱の他、圧電体を可動部１３に設け、圧電体に印加する電圧を可変制御することにより、可動部１３の変形量を制御する構成でもよい。この場合、焦点距離制御用の変形制御量データは印加電圧値となる。
尚、圧電体で可動部１３を変形させる構成の場合、上述した第２実施形態の焦点距離検出手段７として温度センサは使用できないので、例えば可動部１３の歪みを感知する圧電センサを可動部１３に設け、圧電センサの出力を焦点距離検出値として利用する構成とするとよい。
【００３５】
また、光走査部３の可動部１３の駆動方式は、上記実施形態で示した電磁駆動タイプに限らず、静電引力を利用した静電タイプ、圧電素子を利用した圧電タイプ等、どのような駆動タイプでもよい。また、図９に示すように、例えば可動部１３に駆動コイル１５を設けた電磁駆動タイプにおいて、可動部１３の裏面側に一対の可動電極３１Ａ，３１Ｂ（図中破線で示す）を設け、この可動電極３１Ａ，３１Ｂに対向して可動部１３下方の固定部に固定電極（図示せず）を配置して、電磁駆動と静電駆動を併用する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る可変焦点型光学装置の第１実施形態を示す構成図
【図２】光走査部の変面図
【図３】第１実施形態の加熱制御動作を示すフローチャート
【図４】反射ミラーの場合の焦点距離変化状態の説明図
【図５】レンズの場合の焦点距離変化状態の説明図
【図６】本発明の第２実施形態を示す構成図
【図７】第１実施形態の加熱制御動作を示すフローチャート
【図８】光走査部の別の構成例を示す要部平面図
【図９】光走査部の可動部の別の駆動形態例を示す要部平面図
【符号の説明】
【００３７】
１ 発光部
２ 発光制御部
３ 光走査部
４ 入力部
５ 駆動制御部
６ データ記憶部
７ 焦点距離検出手段
１１ 固定部
１２，１２ トーションバー
１３ 可動部
１４ 光学手段
１５ 駆動コイル（ヒータコイル）
１７Ａ，１７Ｂ 静磁界発生手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部と、該可動部を駆動する駆動手段と、
前記可動部に固定され入射する光ビームを屈折又は反射する光学手段と、該光学手段の焦点距離を可変制御する制御手段とを備えて構成したことを特徴とする可変焦点型光学装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記光学手段の変形量を制御して前記光学手段の曲率半径を可変制御する構成である請求項１に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記可動部を加熱制御して当該可動部と共に変形する前記光学手段の変形量を制御する構成である請求項２に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項４】
前記制御手段は、可動部にヒータを設けて可動部を加熱制御する構成である請求項３に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項５】
前記駆動手段が、前記可動部に敷設されて通電により磁界を発生する駆動コイルと、前記梁部の軸方向と平行な可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に対して静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に発生する磁界と前記静磁界との相互作用により前記可動部対辺部に電磁力を作用させる構成であるとき、前記駆動コイルが前記ヒータを兼ねる構成とした請求項４に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項６】
前記制御手段は、可動部にレーザ光を照射して可動部を加熱制御する構成である請求項３に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項７】
前記可動部に形状記憶金属を設け、該形状記憶金属を加熱する構成である請求項３〜６のいずれか１つに記載の可変焦点型光学装置。
【請求項８】
前記制御手段は、圧電体により前記光学手段の変形量を制御する構成である請求項２に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記焦点距離の目標値を入力する入力部と、前記光学手段の各焦点距離に対応する光学手段の変形制御量データを予め記憶する記憶部と、該記憶部の記憶データに基づいて入力された前記目標値に対応する変形制御量を決定して光学手段を変形制御する制御部とを備える構成である請求項１〜８のいずれか１つに記載の可変焦点型光学装置。
【請求項１０】
前記光学手段の実際の焦点距離を検出する検出手段を設け、前記制御部は、前記検出手段の検出値と前記目標値とを比較して前記検出値が前記目標値と一致するように前記変形制御量をフィードバック制御する構成である請求項９に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項１】
固定部に梁部を介して可動可能に支持された可動部と、該可動部を駆動する駆動手段と、
前記可動部に固定され入射する光ビームを屈折又は反射する光学手段と、該光学手段の焦点距離を可変制御する制御手段とを備えて構成したことを特徴とする可変焦点型光学装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記光学手段の変形量を制御して前記光学手段の曲率半径を可変制御する構成である請求項１に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記可動部を加熱制御して当該可動部と共に変形する前記光学手段の変形量を制御する構成である請求項２に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項４】
前記制御手段は、可動部にヒータを設けて可動部を加熱制御する構成である請求項３に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項５】
前記駆動手段が、前記可動部に敷設されて通電により磁界を発生する駆動コイルと、前記梁部の軸方向と平行な可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に対して静磁界を作用する静磁界発生手段とを備え、前記可動部対辺部に位置する駆動コイル部分に発生する磁界と前記静磁界との相互作用により前記可動部対辺部に電磁力を作用させる構成であるとき、前記駆動コイルが前記ヒータを兼ねる構成とした請求項４に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項６】
前記制御手段は、可動部にレーザ光を照射して可動部を加熱制御する構成である請求項３に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項７】
前記可動部に形状記憶金属を設け、該形状記憶金属を加熱する構成である請求項３〜６のいずれか１つに記載の可変焦点型光学装置。
【請求項８】
前記制御手段は、圧電体により前記光学手段の変形量を制御する構成である請求項２に記載の可変焦点型光学装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記焦点距離の目標値を入力する入力部と、前記光学手段の各焦点距離に対応する光学手段の変形制御量データを予め記憶する記憶部と、該記憶部の記憶データに基づいて入力された前記目標値に対応する変形制御量を決定して光学手段を変形制御する制御部とを備える構成である請求項１〜８のいずれか１つに記載の可変焦点型光学装置。
【請求項１０】
前記光学手段の実際の焦点距離を検出する検出手段を設け、前記制御部は、前記検出手段の検出値と前記目標値とを比較して前記検出値が前記目標値と一致するように前記変形制御量をフィードバック制御する構成である請求項９に記載の可変焦点型光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−８４４９５（Ｐ２００６−８４４９５Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６６２６７（Ｐ２００４−２６６２６７）
【出願日】平成１６年９月１４日（２００４．９．１４）
【出願人】（０００００４６５１）日本信号株式会社 (720)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１４日（２００４．９．１４）
【出願人】（０００００４６５１）日本信号株式会社 (720)
【Ｆターム（参考）】
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