JP2018004683A

JP2018004683A - 光学デバイス、及び光学装置

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Publication number: JP2018004683A
Application number: JP2016126657A
Authority: JP
Inventors: 一将馬場; Kazumasa Baba; 宏充竹内; Hiromitsu Takeuchi; 悠二米原; Yuji Yonehara
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2018-01-11
Also published as: US10288895B2; US20170371175A1; CN107544158A

Abstract

【課題】簡単な構成で、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子を変位させることができる光学デバイスを提供する。
【解決手段】光学デバイスＡは、光学素子２０と、光学素子２０を収容する収容部１０と、収容部１０に対して光学素子２０を傾動可能に軸支する支持部（軸受１２及び軸部２１）と、光学素子２０及び収容部１０を連結する圧電素子３０と、圧電素子３０に配置された電極３１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学デバイス、及び光学デバイスを備える光学装置に関する。

レーザー光を光源としてスクリーン上に画像を表示する光学装置には、光のコヒーレンス性（干渉性）に起因してスクリーン上にスペックル（不規則に発生する光のチラつきやギラつき）が生じることが知られている。こうしたスペックルは、表示品位及び視認性を低下させる原因になる。

特許文献１には、スペックルを除去するための光学デバイスが開示されている。特許文献１の光学デバイスは、光学素子（拡散板）と、光学素子を動作させる駆動機構とからなり、レーザー光の光路上に配置した光学素子を、駆動機構により変位させることによって、レーザー光の干渉性を抑制してスペックルを除去する。

また、特許文献１の光学デバイスでは、駆動機構として、電気活性高分子材料からなる圧電素子を用いている。圧電素子を用いた駆動機構は、電圧の印加に基づいて圧電素子を伸縮させ、その伸縮動作により発生する力によって光学素子を変位させる。

特開２０１５−１３８０８３号公報

特許文献１には、圧電素子を用いた駆動機構に関して、圧電素子に沿った平面上において光学素子を振動又は回転するように変位させる点について具体的に記載されている。一方、レーザー光の光学軸上に光学デバイスを配置して用いる際に、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子を変位させるための具体的な構成については記載がない。この点に関して、圧電素子の伸縮動作により発生する力は、モータ等の駆動機構と比較して非常に小さいものであるため、圧電素子を用いた場合には、傾動等の光学素子の一部分を持ち上げるような動きを生じさせることが難しいという実情がある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電素子を用いて、簡単な構成で、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子を変位させることのできる光学デバイス、及びその光学デバイスを備える光学装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための光学デバイスは、光学素子と、前記光学素子を収容する収容部と、前記収容部に対して前記光学素子を傾動可能に軸支する支持部と、前記光学素子及び前記収容部を連結する圧電素子と、前記圧電素子に配置された電極とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、光学素子を傾動可能に軸支する支持部が設けられていることにより、光学素子が可能とする変位は、支持部に基づく傾動のみに制限されている。そのため、圧電素子の伸縮動作により発生して光学素子に作用する応力が小さいものであっても、支持部（軸線）が支点として働くことで光学素子を容易に傾動させることができる。したがって、レーザー光の光学軸上に光学デバイスを配置して用いる際に、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子を変位させることを、簡単な構成で実現することができる。

上記光学デバイスにおいて、前記圧電素子は、シート状であることが好ましい。
上記光学デバイスは、小さな力で光学素子を傾動させることができるため、圧電素子として、シート状の圧電素子を用いることも可能である。そして、シート状の圧電素子を用いた場合には、光学デバイスを小型化することができる。

上記光学デバイスにおいて、前記圧電素子は、前記電極が配置されている部分の前記収容部側に隣接する位置に、前記圧電素子の伸縮が規制された規制部を有することが好ましい。

この場合には、電極へ電圧を印加した際に、収容部側に向かって圧電素子が伸長することが規制される分、光学素子側に向かって圧電素子が大きく伸長する。これにより、光学素子に対して、より大きな力を作用させることができる。

上記光学デバイスにおいて、前記光学素子が傾動する際の傾動中心となる軸線と、前記光学素子における前記圧電素子との固定部分とが、前記光学素子の厚さ方向にずれるように構成されていることが好ましい。

この場合には、電圧を印加した際に、圧電素子から光学素子に作用する直線方向の力が、光学素子を傾動させる回転方向の力に変換されやすくなる。
光学装置は、上記光学デバイスがレーザー光の光軸上に複数、配置されていることを特徴とする。

光学素子の変位が傾動のみに制限されている上記光学デバイスであっても、複数の光学デバイスに対してレーザー光を通過させる構成とすることにより、レーザー光を多様に移動させることが可能となる。

本発明の光学デバイス及び光学装置によれば、簡単な構成で、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子を変位させることができる。

光学デバイスの平面図。図１の２−２線断面図。図１の３−３線断面図。光学素子を傾動させた状態を示す断面図。変更例の光学デバイスの平面図。光学装置の模式図。

以下、本発明の一実施形態を説明する。
図１〜図３に示すように、光学デバイスＡは、四角枠状をなす収容部１０を備えている。収容部１０における対角に位置する二つの角部にはそれぞれ、内周面側に開口する凹部１１が設けられている。各凹部１１内には、軸受１２が固定されている。

収容部１０の内側には、四角板状の光学素子２０が配置されている。光学素子における対角に位置する二つの角部には、その厚さ方向の中央部分から、当該二つの角部を結ぶ対角線上に延びる軸部２１が設けられている。各軸部２１は、収容部１０の角部に固定された各軸受１２に回転可能に軸支されている。したがって、光学素子２０は、軸部２１及び軸受１２に基づいて、収容部１０に対して、軸部２１の軸線Ｐ周りに回動可能に構成されている。

軸部２１としては、剛体として機能する部材、例えば、硬質の樹脂ピンや金属ピンを好適に用いることができる。また、光学素子２０に対する軸部２１の固定構造は特に限定されるものではないが、例えば、光学素子２０に設けた凹部に軸部２１を嵌め込んでなる嵌合構造や、光学素子２０に軸部２１を溶着させてなる溶着構造が挙げられる。なお、本実施形態において、軸受１２及び軸部２１は、収容部１０に対して光学素子２０を傾動可能に軸支する支持部を構成する。

光学素子２０としては、スペックルの低減に用いられる公知の光学素子を用いることができる。光学素子２０の具体例としては、光が透過する光透過領域を所定長さの碁盤眼状や六角形状等の領域分割された表面に微細構造でλ／４〜λ／２波長板が形成されるとともに、領域分割された各領域において、光の光学軸方向がランダムに異なった構造を有する光学素子が挙げられる。また、光学素子２０の材質としては、例えば、合成石英、光学ガラス、プラスチック等からなる誘電性材料や光透過性材料が挙げられる。

図１及び図３に示すように、光学デバイスＡは、収容部１０と光学素子２０とを連結する圧電素子３０を備えている。圧電素子３０は、電圧の印加に基づいて、その面方向に沿って伸縮する部材であり、本実施形態においては、平面視略長方形状をなすシート状の圧電素子を用いている。圧電素子３０は、平面視において軸線Ｐを境界とする光学素子２０の片側において、収容部１０と光学素子２０との間に跨って配置されている。

具体的には、圧電素子３０は、収容部１０における凹部１１が設けられていない二つの角部のうちの一方と、同角部に近接する光学素子２０の角部との間に跨って配置されている。圧電素子３０の一方側の端部は、その下面側が収容部１０の上面１０ａに接着されるとともに、同他方側の端部は、その下面側が光学素子２０の上面２０ａに接着されている（なお、収容部１０の上面１０ａ及び光学素子２０の上面２０ａは、理解を容易とするために便宜的に付した名称であり、光学デバイスＡの設置方向を特定するものではない。）。また、圧電素子３０は、弛みのない状態で収容部１０及び光学素子２０に接着されている。

圧電素子３０としては、公知の圧電素子、例えば、誘電性エラストマー、電歪リラクサ強誘電体ポリマー、圧電性ポリマー、強誘電性高分子、静電収縮高分子、液晶高分子、イオン性ポリマー金属複合材、メカノケミカルポリマー、メカノケミカルゲル、イオン交換樹脂膜−金属錯体、高分子カーボンナノチューブ等の電気活性高分子材料からなる圧電素子を用いることができる。

図１及び図３に示すように、圧電素子３０の上面及び下面には、圧電素子３０をその厚さ方向に挟む一対の電極３１が設けられている。ここで、圧電素子３０は、平面視において、収容部１０に接着された第１固定部分３０ａと、光学素子２０に接着された第２固定部分３０ｂと、収容部１０及び光学素子２０に接着されていない非固定部分３０ｃとを有している。電極３１は、平面視Ｌ字状に形成されて、圧電素子３０の非固定部分３０ｃにおける第１固定部分３０ａとの境界に沿って配置されている。

なお、光学デバイスＡは、レーザー光を利用した公知の光学装置におけるスペックル低減用の部品として適用することができる。上記光学装置としては、例えば、プロジェクタ、レーザープリンタ、露光装置、光ファイバ増幅器、分光器、レーザー計測装置、光ピックアップ装置、光学露光装置、光学測定機、偏光解析装置、偏波モード分散補償システム、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、位相差測定装置、レーザー加工装置、医療機器、マイクロマシン、自動車用ＨＵＤ（ＨｅａｄＵｐＤｉｓｐｌａｙ）、照明装置、３ＤＨ表示装置が挙げられる。

次に、図３及び図４に基づいて、本実施形態の作用について説明する。
電極３１間に電圧を印加すると、圧電素子３０は、電極３１に挟まれた部分において収縮して、非固定部分３０ｃにおける電極３１に挟まれた部分の周囲が伸長する。なお、圧電素子３０の第１固定部分３０ａ及び第２固定部分３０ｂは、収容部１０及び光学素子２０に接着されて、収容部１０及び光学素子２０に対する位置が固定されているため、伸長しない。

圧電素子３０の非固定部分３０ｃが伸長することにより、非固定部分３０ｃに撓みが生じて、その撓みに基づく応力が、光学素子２０における圧電素子３０に接着している部分に作用する。その結果、図４に示すように、光学素子２０における圧電素子３０に接着している部分を力点とし、軸部２１の軸線Ｐを支点として、上記の撓みが解消されるように光学素子２０が傾動する。したがって、本実施形態の光学デバイスＡは、軸線Ｐに直交する方向（例えば、図３及び図４における上下方向）において、光学素子２０にレーザー光が入射されるように、光学デバイスＡをレーザー光の光学軸上に配置して用いることによって、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子２０を変位させることができる。

次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）光学デバイスＡは、光学素子２０と、光学素子２０を収容する収容部１０と、収容部１０に対して光学素子２０を傾動可能に軸支する支持部（軸受１２及び軸部２１）と、光学素子２０及び収容部１０を連結する圧電素子３０と、圧電素子３０に配置された電極３１とを備えている。

上記構成によれば、光学素子２０を傾動可能に軸支する支持部が設けられていることにより、光学素子２０が可能とする変位は、支持部に基づく傾動のみに制限されている。そのため、圧電素子３０の伸縮動作により発生して光学素子２０に作用する応力が小さいものであっても、支持部の軸線Ｐが支点として働くことで光学素子２０を容易に傾動させることができる。したがって、レーザー光の光学軸上に光学デバイスＡを配置して用いる際に、光学軸に対して傾斜角度を変化させる方向に光学素子２０を変位させることを、簡単な構成で実現することができる。

そして、光学軸に対する傾斜角度を変化させる方向に光学素子２０を変位させることにより、所定の平面上において光学素子２０を変位させた場合と比較して、より高いスペックルの低減効果が得られる。また、回折縞を解消させる効果も得られる。

（２）また、光学素子２０の変位が、支持部に基づく傾動のみに制限されている。そのため、圧電素子３０に対して同じ大きさの電圧を印加した場合であっても、種々の要因により光学素子２０の変位方向や変位量が変化してしまう、という問題が生じ難い。加えて、光学素子２０を剛体の支持部で保持している上記の構成は、軟質の圧電素子で光学素子２０を保持する構成と比較して、光学素子２０に作用する重力の影響によって光学素子２０の姿勢が変化してしまう、という問題も生じ難い。したがって、光学素子２０の変位をより精確に制御することができる。

（３）圧電素子３０は、シート状である。
上記のとおり、光学デバイスＡは、小さな力で光学素子２０を傾動させることができるため、圧電素子３０として、シート状の圧電素子を用いることができる。そして、シート状の圧電素子３０を用いることにより、光学デバイスＡを小型化することができる。

（４）圧電素子３０は、電極３１が配置されている部分の収容部１０側に隣接する位置に、収容部１０に接着されて圧電素子３０の伸縮が規制されている第１固定部分３０ａ（規制部）を有している。

上記構成によれば、電極３１へ電圧を印加した際に、収容部１０側に向かって圧電素子３０が伸長することが規制される分、光学素子２０側に向かって圧電素子３０が大きく伸長する。これにより、光学素子２０に対して、より大きな力を作用させることができる。その結果、光学素子２０の最大変位量（最大変異角度）を大きくすることや、特定の変位量を得るために必要となる電圧を小さくすることができる。

（５）図３に示すように、光学素子２０が回動する際の軸線Ｐと、光学素子２０における圧電素子３０との固定部分とが、光学素子２０の厚さ方向（図３における上下方向）にずれるように構成されている。

上記構成によれば、電圧を印加した際に、圧電素子３０から光学素子２０に作用する直線方向の力が、光学素子２０を傾動させる回転方向の力に変換されやすくなる。その結果、光学素子２０の最大変位量（最大変異角度）を大きくすることや、特定の変位量を得るために必要となる電圧を小さくすることができる。

（６）光学素子２０に関して、軸線Ｐを一方側の対角を結ぶ対角線に沿う線とするとともに、他方側の対角に位置する角部に圧電素子３０を接着している。すなわち、光学素子２０における軸線Ｐから最も遠い位置に圧電素子３０との固定部分を設けている。

上記構成によれば、光学素子２０を傾動させる際の力点（光学素子２０における圧電素子３０との固定部分）と支点（軸線Ｐ）との距離が長くなる。これにより、光学素子２０を傾動させるために必要となる力を小さくすることができる。

なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・収容部１０の形状は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、円環状や四角以外の多角枠状等の他の形状であってもよい。

・光学素子２０の外形状は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、円形状、楕円形状、四角以外の多角形状等の他の形状であってもよい。また、光学素子２０の外形状は、収容部１０の内側に、傾動可能に収まる形状であればよい。例えば、収容部１０の内周形状と、光学素子２０の外形状が異なる形状（非相似）であってもよい。

・上記実施形態では、支持部として、軸受１２及び軸部２１を設けていたが、収容部１０に対して光学素子２０を傾動可能に軸支するものであれば、支持部の構成は特に限定されるものではない。例えば、一方側の軸受１２及び軸部２１を省略して、光学素子２０を片持ちで支持する支持部としてもよい。また、収容部１０及び光学素子２０の一方に円弧状の溝部を設けるとともに、同他方に溝部内に挿入可能な突部を設け、溝部内を突部が移動することにより、収容部１０に対して光学素子２０が回動する構成の支持部としてもよい。

・光学素子２０に対する支持部の位置（軸線Ｐの位置）を変更してもよい。例えば、図５に示すように、軸線Ｐが光学素子２０の辺に沿って延びる線となるように支持部を設けてもよい。また、軸線Ｐが光学素子２０の中心（重心）を通らない線となるように、即ち光学素子２０の中心（重心）から偏心した軸線Ｐとなるように支持部を設けてもよい。

・上記実施形態では、圧電素子３０の平面形状を略長方形状としていたが、収容部１０と光学素子２０との間に跨って配置可能な形状であれば、圧電素子３０の平面形状は特に限定されるものではない。

・光学素子２０に対する圧電素子３０の配置を変更してもよい。例えば、図５に示すように、光学素子２０の辺の中央部分と収容部１０との間に跨る位置に圧電素子３０を配置してもよい。また、光学素子２０が回動する際の軸線Ｐと、光学素子２０における圧電素子３０との固定部分とが、光学素子２０の厚さ方向に一致するように圧電素子３０を配置してもよい。

・収容部１０と光学素子２０とを連結する圧電素子３０が複数、設けられていてもよい。例えば、図１に示す光学デバイスＡに対して、図５に示す位置の圧電素子３０を更に設けてもよい。なお、複数の圧電素子３０を設ける場合には、各圧電素子３０に対してそれぞれ電極３１が設けられることになる。また、複数の圧電素子３０を設けた場合には、各圧電素子３０に電圧を印加するタイミングや印加する電圧の大きさを調整することにより、光学素子２０の変位をより精確に制御することが可能になる。

また、軸線Ｐを挟んだ両側に圧電素子３０を設けることも可能である。この場合には、軸線Ｐを挟んで反対側に設けられる圧電素子３０については、収容部１０の下面及び光学素子２０の下面において、収容部１０及び光学素子２０に接着されるように設けることが好ましい。

・収容部１０及び光学素子２０に対する圧電素子３０の固定方法は接着に限定されるものではない。例えば、収容部１０をその厚さ方向に分割した二つの部材から構成し、その二つの部材の間に圧電素子３０を挟み込むことによって、収容部１０に対して圧電素子３０を固定してもよい。

・電極３１に関して、圧電素子３０の非固定部分３０ｃに配置されるものであれば、その形状及び配置は特に限定されるものではない。
・一つの圧電素子３０に対して、独立して電圧を印加することのできる複数（複数組）の電極３１を設けてもよい。この場合には、各電極に電圧を印加するタイミングや印加する電圧の大きさを調整することにより、光学素子２０の変位をより精確に制御することが可能になる。

・図６に示すように、光学デバイスＡをスペックル低減用の部品として適用した光学装置Ｂにおいて、光源４０から出力されるレーザー光の光軸Ｘ上に光学デバイスＡを複数、配置することが好ましい。

この場合には、光学素子２０の変位が傾動のみに制限されている光学デバイスＡであっても、複数の光学デバイスＡに対してレーザー光を通過させる構成とすることにより、レーザー光を多様に移動させることが可能となる。

Ａ…光学デバイス、Ｂ…光学装置、１０…収容部、１１…凹部、１２…軸受（支持部）、２０…光学素子、２１…軸部（支持部）、３０…圧電素子、３０ａ…第１固定部分、３０ｂ…第２固定部分、３０ｃ…非固定部分、３１…電極。

Claims

光学素子と、
前記光学素子を収容する収容部と、
前記収容部に対して前記光学素子を傾動可能に軸支する支持部と、
前記光学素子及び前記収容部を連結する圧電素子と、
前記圧電素子に配置された電極とを備えることを特徴とする光学デバイス。
前記圧電素子は、シート状であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
前記圧電素子は、前記電極が配置されている部分の前記収容部側に隣接する位置に、前記圧電素子の伸縮が規制された規制部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学デバイス。
前記光学素子が傾動する際の傾動中心となる軸線と、前記光学素子における前記圧電素子との固定部分とが、前記光学素子の厚さ方向にずれるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学デバイスがレーザー光の光軸上に複数、配置されていることを特徴とする光学装置。