(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にある。【解決手段】可変形ミラー装置はミラー１０、その下の伸張部１１、電気的加熱部１２、スイッチ部１３、パルス電源１４および制御部からなる。伸長部１１は半導体のｐｎ接合からなる電気的加熱部１２で発生した熱により長さが伸びてミラー１０の形状を変化させる。伸長部の長さでミラー形状を直接制御するので凹凸のある形状を実現出来る。また、それぞれの伸長部上のミラーの位置が、それぞれの伸長部の長さにより独立に決まるので、伸張部間の相互関係や非線形な関係が低減でき、制御が容易となる。ミラー全体が直接伸長部と接続されているので、機械的に安定で、振動に強い。【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され、温度によって長さが変わる複数の伸張部と、
それぞれの前記伸張部の前記ミラーと反対側に接する電気的加熱部と
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】
更に、前記電気的加熱部が、パルス電源とスイッチ部を介して接続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】
前記電気的加熱部がダイオードを含む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４】
伸張部が金属であることを特徴とする請求項１に記載の可変形ミラー。
【請求項５】
ダイオードを含む前記電気的加熱部がミラー平面に対してマトリクス状に配置され、
前記ダイオードの両端がそれぞれ行および列の配線と接続され、
前記行あるいは列のいずれか一方の配線は前記スイッチ部を介してパルス電源と接続され、他方の配線は直接パルス電源と接続され、
制御部が前記スイッチ部およびパルス電源を制御して、所望の前記電気的加熱部に所望の電力のパルスを繰り返し印加する
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６】
ダイオードを含む前記電気的加熱部がミラー平面に対してマトリクス状に配置され、
前記ダイオードの両端がそれぞれ行および列の配線と接続され、
前記行および列の配線はそれぞれ前記スイッチ部を介してパルス電源と接続され、
制御部が前記スイッチ部およびパルス電源を制御して、所望の前記電気的加熱部に所望の電力のパルスを繰り返し印加する
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７】
前記パルス電源から出力される電気パルスのパルス電流、パルス電圧またはパルス電力を変えることにより、電気的加熱部の加熱量を調整することを特徴とする請求項６に記載の可変形ミラー装置。
【請求項８】
前記パルス電源から出力される電気パルスの出力間隔を変えることにより、電気的加熱部の加熱量を調整することを特徴とする請求項６に記載の可変形ミラー装置。
【請求項９】
前記スイッチ部が、パルス電源から出力される電気パルスの増幅または減衰機能を備えていることを特徴とする請求項６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おいて好適な、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。
【０００４】
（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。
【０００５】
（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。
【０００６】
（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。
【０００７】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変形ミラー装置は、ミラーと、その下の伸張部、電気的加熱部とスイッチ部とパルス電源からなる。伸長部は、電気的加熱部で発生した熱を受けて温度上昇をして、長さが伸びて、ミラーの形状を変化させる。伸長部は、電気的加熱部に対して熱伝導率の高く、熱膨張係数の大きなものを用いる。また、伸長部を長くとることにより、伸長部の変位量を大きくとることが可能となる。
【０００９】
電気的加熱部は、半導体のｐｎ接合となっている。ここで熱が発生するが、発生した熱は、熱伝導率のより大きな伸長部に拡散する。スイッチ部は、電気的加熱部とパルス電源を接続している。電気的加熱部のアノードとパルス電源の正極がスイッチで接続されており、このスイッチの開閉はコンピュータにより制御されている。電気パルスの入力が大きいときは、伸長部の温度上昇が大きくなり、伸長部の変位量が大きくなる。電気パルスの入力が小さいときは、伸長部の温度上昇が小さくなり、伸長部の変位量が小さくなる。
【００１０】
本発明の方式の場合、以下の利点がある。
（１）伸長部の長さでミラー形状を直接制御することから、静電引力型では不可能な凸の形状や凹凸のある形状を実現出来る。
（２）それぞれの伸長部上のミラーの位置が、それぞれの伸長部の長さにより独立に決まる。従って、静電型では避けられない電極間の相互関係と非線形な関係を低減することが出来る。
【００１１】
（３）静電型と違い、ミラーの周辺部が縁止めされていないことから、可変形ミラーの中央でも周辺部でも同じだけの変位量を実現できる。
（４）伸長部の高さを揃えることにより、初期状態のミラーを平面に保つことが可能である。
（５）ミラーが直接伸長部と接続されていることから、機械的な安定性に優れており、外部からの振動に強い。
（６）スイッチ部の導入により、電源の個数が小さくなる。
【００１２】
【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装置の構成を示す断面図である。ミラー１０は、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。
【００１３】
ミラー１０の下層には、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。
【００１４】
図２は、本発明の可変形ミラー装置を変形させた場合の構成を示す断面図である。このミラーの特徴は、ミラー１０が耐熱性ポリマーを介して、複数のロッド（柱）１１により支持されており、このロッド１１の伸長によりミラー１０の形状を制御する点にある。ロッド（伸長部）は、電気的加熱部に対して熱伝導率が高く、熱膨張係数の大きなものを用いる。
【００１５】
ロッド１１は例えばアルミニウム、銅、金、銀、またはこれらを主成分とする合金からなる金属であってもよく、ロッドの伸長はロッド下面に設けられたｐｎ接合ダイオード１２に電流を流すことにより発生する熱により制御される。ｐｎ接合ダイオード１２に電流を流したときのロッド１１の熱膨張によりミラー１０の形状が変化する。
【００１６】
図３は、試作した可変形ミラーのロッド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、電流により制御する場合を示す。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。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。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。
【００１７】
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、本発明は、既存の可変形ミラーの問題点を解決し、制御性の大幅な向上が実現されるという特徴を有する。
【００１８】
次にスイッチ部の導入の効果について述べる。電気的加熱部一つ毎にスイッチング部を設けた場合、パルス電源が一つとスイッチング素子一つで可変形ミラーを駆動することが可能である。一般に、コンピュータ制御が可能な電源は、スイッチング素子と比較しても非常に高価なものである。また、電源装置は重量が大きく、体積も大きいことから、本方式を導入することにより、システムの小型化と軽量化が実現される。
【００１９】
図４は、ロッドおよび電気的加熱部をマトリクス状に配置した場合の、加熱部の配置を示す説明図である。また、図５は、ミラーおよびスイッチ部とパルス電源を含めた全体の構成を示す説明図である。図４には上から見た平面図と、横断面図、縦断面図が示されている。上から縦方向に溝が形成されており、下から横方向に溝が形成されている。上部電極は各列のダイオードのアノードが接続され、下部電極には各行のダイオードのカソードが接続されている。Ａ１の加熱部に電気入力を加える場合には、左の上部電極から上の下部電極間をパルス電極で接続すれば良い。図５においては、加熱部が９個、スイッチ部が６個、パルス電源が一つで構成されている。
【００２０】
ミラーの制御はコンピュータ等の図示しない制御部が行う。制御部はミラーを所望の形状にするための各ロッドの長さを計算し、その長さにするために各電気的加熱部に供給すべき電力（電圧、電流あるいはパルス幅）を算出する。そして、スイッチ部およびパルス電源を制御して、所望の前記電気的加熱部に所望の電力のパルスを繰り返し印加する。この制御方式は、電気的加熱部が２次元的に配置されている場合には非常に有効な制御方式である。
【００２１】
図７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。
【００２２】
（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。
【００２３】
（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。
【００２４】
次に、金属のロッド（柱）の製造方法について説明する。柱の長さにより、製造方法は異なる。ロッドが短い場合は、真空中での電子線での蒸着方法が適当である。ロッドを形成しない部分および溝をフォトレジストで塞いで蒸着することにより、ロッドを形成する。発明者はこの方法によって試作を行った。厚さが数１０μｍまでは、鍍金が有効な手法である。更に、厚さが数１００μｍまでは金属板をはりつけてから、エッチングして伸長部を分離することが有効な手法である。数１００μｍ以上の長さに関しては、微小な金属ブロックを直接貼り付けることが有効である。
【００２５】
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。
【００２６】
ｎｘｎ個の電気的加熱部が存在する場合、スイッチング素子が２ｎ個と、パルス電源が１つで駆動することが可能となる。従って、可変形ミラーにスイッチング部を設けることにより、電源個数とスイッチング素子の個数を低減することが可能となり、可変形ミラーの電源を含めた制御系を大幅に小型かつ安価に製造することが可能となる。
【００２７】
図６は、パルス電源からスイッチ部を経由して、加熱部に印加される電気信号を示す説明図である。図６（ａ）は、時刻０まで伸長部の温度をＴ０になるように加熱部を過熱して、時刻０で加熱を止めた場合の伸長部の温度変化を示す。温度緩和時定数Ｔで温度が室温に戻るようになる。
【００２８】
図６（ｂ）、図６（ｃ）は、加熱部に加えられる電気パルスの波形と伸長部の温度変化を示す。（ｂ）は、電気パルスの入力が大きいときの場合であり、（ｃ）は、電気パルスの入力が小さいときの場合である。電気パルスの入力が大きいと、伸長部の温度が高くなり（Ｔ１）、電気パルスの入力が小さくなると、伸長部の温度が低くなる（Ｔ２）。パルス間隔は緩和時間Ｔより十分小さくすることにより、伸長部の温度変化を小さくすることが出来る。なお、この実施例のようなＰＡＭ（パルス振幅（電圧あるいは電流）変調）の他、ＰＷＭ（パルス幅変調）でもよい。
【００２９】
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、例えば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。
実施例においては、１つのロッドに印加するパルスの間隔は一定で、パルスの電力を調整する例を開示したが、パルス電源から出力される電気パルスの出力間隔を変えることにより、電気的加熱部の加熱量を調整するようにしてもよい。このようにすればスイッチの制御は複雑となるが、パルス電源の構成は単純になる。
実施例においては、スイッチ部はオン／オフのスイッチングのみを行う例を開示したが、スイッチ部にパルス電源から出力される電気パルスの増幅または減衰機能を備えるようにしてもよい。このようにすればスイッチ部の構成は複雑となるが、パルス電源の構成は単純になる。
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。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、下記のような効果がある。
（１）伸長部の長さでミラー形状を直接制御することから、静電引力型では不可能な凸の形状や凹凸のある形状を実現出来る。
（２）それぞれの伸長部上のミラーの位置が、それぞれの伸長部の長さにより独立に決まる。従って、静電型では避けられない電極間の相互関係と非線形な関係を低減することが出来る。
【００３１】
（３）静電型と違い、ミラーの周辺部が縁止めされていないことから、可変形ミラーの中央でも周辺部でも同じだけの変位量を実現できる。
（４）伸長部の高さを揃えることにより、初期状態のミラーを平面に保つことが可能である。
（５）ミラーが直接伸長部と接続されていることから、機械的な安定性に優れており、外部からの振動に強い。
（６）スイッチ部の導入により、電源の個数が小さくなる。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変形ミラー装置の構成を示す断面図である。
【図２】可変形ミラー装置を変形させた場合の構成を示す断面図である。
【図３】試作した可変形ミラーのロッドの変異量と電気入力との関係を示すグラフである。
【図４】ロッドおよび電気的加熱部をマトリクス状に配置した場合の、加熱部の配置を示す説明図である。
【図５】ミラーおよびスイッチ部とパルス電源を含めた全体の構成を示す説明図である。
【図６】パルス電源からスイッチ部を経由して、加熱部に印加される電気信号を示す説明図である。
【図７】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８】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
【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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【図８】
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