(57)【要約】【課題】機械的に安定で熱負荷に強く、かつ形状の制御が簡単な可変形ミラー装置を提供すること。【解決手段】ミラー装置は、ミラー１０が複数のロッド１２により支持されており、このロッド１２の伸長によりミラー１０の形状を制御する。ロッド１２の伸長は、ロッド上面に設けられたダイオード１３に所望の電流を流すことによる発熱によって制御される。ミラー１０は耐熱性ポリマー１１を介してロッド１２と接合している。周囲のロッドとの伸張に関する関係が無く、ロッドの長さの制御が簡単である。また、ミラーの周囲が縁止めされていないので面内均一性があり、ミラーの裏面全体を支持しているので、機械的に安定であり、初期形状を平面状態とすることが出来、放熱特性が良い。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラーと、
前記ミラーの裏面に固着し、電流を流すことによる発熱によって長さが変わる複数の柱と、
前記柱のそれぞれに所望の電圧あるいは電流を供給する駆動手段と
を備え、表面形状を変更可能なことを特徴とする可変形ミラー装置。
【請求項２】
前記ミラーの裏面が耐熱性高分子材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変形ミラー装置。
【請求項３】
前記耐熱性高分子材料が、ポリイミドあるいは脂肪族ポリイミドのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の可変形ミラー装置。
【請求項４】
前記柱は半導体によって形成され、ダイオードの機能を備えていることを特徴とする請求項１に記載の可変形ミラー装置。
【請求項５】
前記柱がミラー平面に対してマトリクス状に配置され、ダイナミック駆動されることを特徴とする請求項４に記載の可変形ミラー装置。
【請求項６】
前記ダイオードのアノードまたはカソード電極が、前記柱の伸長を制御する主電極および前記柱の端部曲率を制御する副電極に分割されていることを特徴とする請求項４に記載の可変形ミラー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変形ミラー装置に関し、特にレーザー装置、光軸調整装置、光計測装置、レーザ加工装置など制御された精密な波面を必要とされる光学装置に好適な、簡単に波面の補正と制御を行うことができる可変形ミラー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロマシン技術を利用して静電気力で薄膜ミラーの形状を制御する技術が提案されている。特開平５−１５７９０３号公報には可変形ミラーが開示されている。この可変形ミラーの構造は、半導体基板の表面に多数の金属電極を配置し、その上に金属で裏打ちされた薄膜ミラーを近接して貼り付け、半導体基板上の電極に電圧を加えることにより静電気力を発生し、その引力によるミラーの変形を利用して、光の波面の制御を行うものである。
前記方式の可変形ミラーについては、形状の制御性に乏しいことから、薄膜
ミラーの製造方法と構成を改良したものも提案されている。特開２００１−２０１６２２号公報には改良された従来の可変形ミラー装置が開示されている。図７は、従来の可変形ミラーの構成を示す断面図である。アルミ製のミラー５０とそれを支える薄い支持母材５１から成る、厚さが５〜２０μｍの薄膜が下部の複数の電極５２と間隔をおいて正対して設置されている。可変電圧源５３によって下部電極５２に電圧を印加することにより、下部電極５２とアルミミラー５０の間に静電気力が発生し、その結果、ミラー５０が変形する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来の可変形ミラーにおいては、下記のような問題点があった。
（１）静電引力を利用することから、凹の形状しか実現できなく、凹凸のある形状を実現できない。
（２）下部の一つの電極に電圧を印加すると、その周辺部のミラーの形状にも変化を与える。従って、下部の電極間には相互に関係があり、しかも、相互の関係は線形要素だけでなく非線形要素も考慮することが必要となる。この場合、ミラー形状の制御変数の数は、下部電極の数ではなく、下部電極の組み合わせで決まる。従って、下部電極の数が増大するに従って制御する変数が指数関数的に増大し、最適なミラー形状の探索が困難となる。
【０００４】
（３）ミラーの周囲が縁止めされている。従って、ミラーの周辺部は電圧を印加しても変位量が小さい。即ち、入力である下部電極に対する電圧と出力であるミラー形状の変化の関係が、電極の位置に依存することになり、面内均一性が無い。
（４）薄膜ミラーであることから、ミラーの初期状態がミラーの初期設置の設定により異なる。ミラーの表面にマイクロメートルレベルの凹凸があるため、ミラーの初期形状を平面状態として持つことが出来ない。
（５）薄膜ミラーであるために機械的な安定性に欠ける。外部からの振動に弱く、膜の固有振動が存在する。そして、固有振動に起因する雑音が光出力に付加される。
【０００５】
（６）薄膜ミラーであることからミラーの放熱特性が悪い。従って、使用時のミラー形状の経時変化が存在する。特に、ミラーがアルミなどの金属から構成される場合、入射光の数パーセントの吸収が存在し、ミラーが加熱される。下地５１の材料がシリコンナイトライドの場合、熱伝導特性が悪いことから、熱による影響を非常に受け易い構造となっている。また、熱膨張係数の違いから、薄膜ミラーの破損に至ることもある。
（７）静電引力を用いた形式の場合、外部制御電気信号を記憶する機能がないことから、全ての電極に電圧を常時印加することが必要になる。従って、制御電圧の数と同じ数の可変電源が必要となる。
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決し、機械的に安定で熱負荷に強く、かつ形状の制御が簡単な可変形ミラー装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のミラー装置は、ミラーが複数のロッドにより支持されており、このロッドの伸長によりミラーの形状を制御する点に特徴がある。ロッドの伸長は、ロッド上面に設けられたダイオードに所望の電流を流すことによる発熱によって制御される。
【０００７】
また、ミラーが耐熱性ポリマーを介してロッドと接合している点にも特徴がある。耐熱性ポリマーの存在により、ロッド部の熱歪みがミラーの下面では緩和される。また、ミラーの下地のポリマーは、従来の図７のミラー下地のシリコンナイトライド５１よりも柔らかく、容易に弾性変形することにより内部応力の低減が可能となる。従って、可変形ミラーにレーザ光が入射して、その光吸収による熱負荷がかかった場合でも、耐熱性ポリマーの弾性変形により、ミラーにかかる応力を小さくすることが可能となり、ミラーの破壊を防ぐ役割を果たす。
【０００８】
また、この耐熱性ポリマーは、入力光のミラーに対する熱負荷を熱伝導により逃がす役割を有しており、機械的に安定に保持する役割も果たす。更には、ロッドの変位量がそのままミラー面の変位量に対応し、隣のロッド上のミラー面の変位をもたらさない。従って、各ロッドへの電流値により、各ロッドの伸長量を知ることが出来、ミラーの形状を推定することが容易になる。従って、ミラー形状の最適化制御に関しては、既存技術に比較して、非常に簡単なものとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の可変形ミラーの構造を示す断面図である。ミラー１０は、アルミニウム等の金属ミラーでも誘電体ミラーのどちらでも良い。ミラーの光によるダメージを防止するには、反射率の高い誘電体ミラーの方が良い。実施例では、アルミニウムから成るミラーを用いた。アルミニウムから成るミラーは、７．６ｘ１０−６Ｔｏｒｒの真空度で、１５０ｎｍの厚さで、電子線による真空蒸着法により形成された。
【００１０】
ミラー１０の下面には、耐熱性高分子材料の有機ポリマーとしてポリイミドを用いた。このポリイミドは、産業技術総合研究所で開発された脂肪族の感光性ポリイミドである。透明性に優れたポリイミドであり、型番はＡＩＳＴ０１である。熱分解温度は３５０度である。ポリイミドは耐熱性の最も高いポリマーであり、機械的強度に優れ、熱膨張率の小さいという特徴を有する。２００度の温度変化においても、寸法変化を２％以下に留めることが可能である。
【００１１】
このミラーの特徴は、ミラー１０が耐熱性ポリマー１１を介して、複数のロッド１２により支持されており、このロッド１２の伸長によりミラーの形状を制御する点にある。ロッドの伸長は、ロッド上面に設けられたｐｎ接合ダイオード１３に電流源１４から所望の電流を流すことにより発生する熱により制御される。
【００１２】
図２は、ｐｎ接合ダイオード１３に電流を流したときのロッド１２の熱膨張によりミラー１０の形状が変化した場合を示す断面図である。耐熱性ポリマー１１の存在により、ロッド部の熱歪みがミラーの下面では緩和される。また、ミラーの下地のポリマー１１は、従来のミラー下地のシリコンナイトライドよりも柔らかく、容易に弾性変形することにより内部応力の低減が可能となる。
従って、可変形ミラーにレーザ光が入射して、その光吸収による熱負荷がかかった場合でも、耐熱性ポリマーの弾性変形により、ミラーにかかる応力を小さくすることが可能となり、ミラーの破壊を防ぐ役割を果たす。
【００１３】
また、この耐熱性ポリマー１１は、ミラー１０の熱を熱伝導により逃がす役割を有している。また、機械的に安定に保持する役割も果たす。更には、ロッド１２の変位量がミラー面の変位量に対応し、隣のロッド上のミラー面の変位をもたらさない。従って、各ロッドへの電流値により、各ロッドの伸長量を知ることが出来、ミラーの形状を知ることが出来るようになる。従って、ミラー形状の最適化制御に関しては、既存技術に比較して、非常に簡単なものとなる。
【００１４】
図３は、試作した可変形ミラーの変異量と電気入力との関係を示すグラフである。電圧により制御する場合と、電流により制御した結果を示す。どちらの場合もヒステリシスの無い関係となっている。電圧駆動の場合は、発生熱量は電圧に比例しており、電流駆動の場合は発生熱量は電流の２乗に比例する。
【００１５】
電圧駆動の場合は、電圧に対して線形に変位量が増大する（系列１：電圧（左縦軸）に対する変位量のグラフ）。電流駆動の場合は、電流の２乗に比例して変位量が増大する（系列３：電流（右縦軸）に対する変位量のグラフ）。可変形ミラーの制御方法として、電流制御方式、電圧制御方式、それらを組み合わせた電力制御方式が可能であり、用途に応じた制御方式を選択することが可能である。従って、制御性の大幅な向上が実現される。
【００１６】
図４は、耐熱性ポリマー１１の下面と上面の温度分布を示すグラフである。大気の温度をＴ０とし、ロッド１上面の温度をＴ１とし、ロッド２上面の温度をＴ２とする。耐熱性ポリマー内の温度分布は、拡散方程式から求めることが出来る。グラフの上の線が耐熱性ポリマー１１下面の温度分布を示す。ロッド１とロッド２の間は、室温の外気と触れていることから温度が下がる。耐熱性ポリマーが存在しない場合はミラー１０もこれと同様の温度分布となり、この急な温度変化に起因する熱歪みが発生し、可変形ミラーの破壊の一つの原因となる。
【００１７】
グラフの下の線が、耐熱性ポリマー１１の上面の温度分布を示す。耐熱性ポリマーの熱伝導により、耐熱性ポリマー上面の温度は、耐熱性ポリマー下面の温度よりも低くなる。更には、ロッド１とロッド２の間の温度低下による熱負荷の影響も小さくなる。従って、ミラー自身の温度上昇を抑制する機能と、ロッド間の温度低下を防止する機能を持たせることが可能となる。
【００１８】
図５は、本発明の柱部分を製造するプロセスを示す断面図および斜視図である。（ａ）ｐ領域２１およびｎ領域２２からなるｐｎ接合が形成されたシリコン基板２０を用意する。（ｂ）基板２０の表面に配線用のアルミニウム２３を１５０ｎｍの厚さに蒸着する。なお図においては厚さは誇張されている。（ｃ）裏面にも１５０ｎｍの厚さで配線用のアルミニウム２４を蒸着する。
【００１９】
（ｄ）基板２０の表面にダイシングソーにより加熱部（柱）の分離用の溝２５を形成する。ダイシングソーとしては例えばＤＩＳＣＯ（登録商標）社製のダイシングソーを使用可能である。この溝の間隔が、電気的加熱部（柱）の横幅となる。（ｅ）基板の裏面に、表面の溝２５と直交する溝２６をダイシングソーにより形成する。この溝の幅が電気的加熱部の縦幅となる。ダイシングソーの切り残しの厚さは１００μｍに設定した。
【００２０】
次に柱の上にミラーを形成する方法について説明する。まず、柱の上にポリイミドの薄膜を形成する。形成方法は、まず、ポリイミド粉末を１０重量％でＮメチルピロリドン溶液に溶かす。そして、ポリイミド溶液を前記プロセスにて製造した柱部材上に滴下してスピンコート（５０００回転３０秒）する。最後に、赤外線オーブンで例えば２０分加熱する。この方法によれば、溝の部分に空気が残っているので、ポリイミドは溝に少し入り込むが、充填はされず、溝を覆う形で表面に薄膜を形成することが可能である。ポリイミド膜の形成後、真空中におけるアルミニウムの蒸着によりミラーを形成する。
【００２１】
（ｆ）は、完成した柱部材の斜視図である。この柱部材は上から横方向に溝が形成されており、下から縦方向に溝が形成されている。そして、表面配線２３と裏面配線２４との間の各柱はダイオードとなっている。従って、加熱部となる柱に電気入力を加える場合には、当該柱が接続されている表面配線２３と裏面配線２４の間にパルス電源を接続すれば良い。（ｆ）に示すように加熱部となる柱が２次元的に配置されている場合にはダイナミック駆動方式によって駆動可能である。
【００２２】
次に、曲率制御機能を持たせた可変形ミラーについて説明する。前記した第１の実施例においては、ロッド上面全体がｐｎ接合となっており、ｐｎ接合部全体に電流が流れてロッドの伸張が誘起されている。この場合、ロッド上面が水平面となることから、ロッド間の耐熱性ポリマー１１とミラー１０に引っ張り応力が発生する。更には、ロッド上のミラー形状が平面となることから、ミラー面の曲率を含めた形状の正確な補正が出来ない。この問題を解決するに、ロッドの表面の曲率を制御出来るようにすることが必要である。
【００２３】
図６は、ロッドの表面形状を制御することが可能な可変形ミラーの第２実施例の構成を示す断面図である。第２実施例は、ｐｎ接合部の上部の電極を分割する点に特徴がある。ロッド１２の上部電極が中央の主電極３０、３２と左右の副電極３１、３３から構成されている。主電極３０、３２と左右の副電極３１、３３はそれぞれ独立して駆動される。ロッド１２の伸張量は主電極と副電極の電流量の合計により決まる。
【００２４】
例えば、ロッド１２の右副電極３１の単位面積当たりの電流量（電流密度）を主電極３０の電流密度よりも大きくすることにより、ロッド１２の右半分のミラー形状を下に凸の形状とすることが出来る。また、副電極の電流密度を主電極の電流密度よりも小さくすることにより、上に凸の形状にすることもできる。従って、ロッド間のミラー形状を滑らかに接続することが可能となり、可変形ミラーの表面形状を曲率を含めて制御することが可能となる。
【００２５】
以上、本発明の実施例を開示したが、本発明には下記のような変形例も考えられる。実施例においては、シリコン基板上にｐｎ接合を形成する例を開示したが、化合物半導体を使用してもよく、半導体の種類やダイオードの構造としては、公知の任意のものを採用可能である。本発明は、いうまでもなく、可変形ミラーを用いる光学装置の全体、一部、あるいは複数の部分の何れにも適応可能であり、可変形ミラーの規模を問わない。なお、実施例においては、可変形ミラーに本発明を適用する例を開示したが、本発明は対象物の表面形状を制御する必要のある任意の装置に適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のミラー装置は、ミラーが複数のロッドにより支持されており、このロッドの伸長によりミラーの形状を制御する点に特徴がある。ロッドの伸長は、ロッド上面に設けられたダイオードに所望の電流を流すことによる発熱によって制御される。
従って、周囲のロッドとの伸張に関する関係が無く、ロッドの長さの制御が簡単であるという効果がある。また、凹凸のある形状を実現でき、ミラーの周囲が縁止めされていないので面内均一性があるという効果もある。また、ミラーの裏面全体を支持しているので、機械的に安定であり、初期形状を平面状態とすることが出来、放熱特性が良いという効果もある。更に、膜の固有振動が存在せず、固有振動に起因する雑音が光出力に付加されないという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変形ミラーの構造を示す断面図である。
【図２】ｐｎ接合ダイオード１３に電流を流したときのロッド１２の熱膨張によりミラー１０の形状が変化した場合を示す断面図である。
【図３】試作した可変形ミラーの変異量と電気入力との関係を示すグラフである。
【図４】耐熱性ポリマー１１の下面と上面の温度分布を示すグラフである。
【図５】本発明の柱部分を製造するプロセスを示す断面図および斜視図である。
【図６】可変形ミラーの第２実施例の構成を示す断面図である。
【図７】既存の可変形ミラーの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…ミラー、１１…耐熱性ポリマー、１２…ロッド（柱）、１３…ダイオード、１４…電流源、２０…シリコン基板、２１…ｐ領域、２２…ｎ領域、２３、２４…アルミニウム（配線電極）、２５、２６…溝、３０、３２…主電極、３１、３３…副電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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