(57)【要約】【課題】  ミラーを有する片持ち梁を備えており、耐久性の高い光学素子及び光学装置を提供する。【解決手段】  光学装置２は、光学素子４，６で構成されている。光学素子４は、基板１０と密着用膜１８と片持ち梁３０とを備える。片持ち梁３０は、密着用膜１８と反対側の面に成膜されたアルミニウム膜２６（反射面）を有する。片持ち梁３０は、外力が作用しない場合、内部応力によって密着用膜１８から大きく離反する屈曲形状をとっている。片持ち梁３０と密着用膜１８の間に外力を作用させた場合、片持ち梁３０の密着面２８と密着用膜１８の密着用基準平面２０とを密着させることができる。光学素子４は、外力を利用して形状を変化させることにより、光ビームの進行方向を切換えることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームの進行方向を切換える光学素子であり、
密着用基準面を備えている基板と、
板状であり、その板状の一端が前記基板に固定されており、前記基板と反対側の面が光ビームを反射する反射面であり、外力が作用しない状態では前記基板に固定されている一端から遠ざかるにつれて前記密着用基準面から大きく離反する向きに２箇所以上で屈曲している屈曲形状をとるとともに、外力が作用すると前記密着用基準面に密着する柔軟性を備えている片持ち梁と、
前記基板と前記片持ち梁の間に設けられており、前記片持ち梁を前記密着用基準面に密着させる吸引力を前記基板と前記片持ち梁の間に発生させるアクチュエータと、
を備えている光学素子。
【請求項２】
前記片持ち梁が伸びている方向に直交する方向に測定した前記片持ち梁の幅が、前記片持ち梁が前記基板に固定されている一端近傍において、残部よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記片持ち梁の前記反射面のうち、前記片持ち梁が前記基板に固定されている一端近傍を除外した範囲に、高反射率膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記密着用基準面と、前記密着用基準面に密着する前記片持ち梁の面の少なくとも一方の面に、突起群が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
光源に対して、前記屈曲形状をとっている前記片持ち梁の前記基板に固定されている一端近傍で反射された光ビームが、前記片持ち梁の先端側で再度反射される位置関係に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記片持ち梁の先端側に平面ミラーが固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学素子の複数個が配列されており、
個々の光学素子の前記アクチュエータが隣接する光学素子の前記アクチュエータから独立に制御可能なことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
前記片持ち梁の伸びている方向に沿って複数個の光学素子が配列されており、
前記片持ち梁の前記基板に固定される一端近傍が間隔をおいて並行に延びる２片に分割されており、
その２片の間隔に隣接する光学素子の片持ち梁が侵入していることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームの進行方向を切換えることができる光学素子に関する。本発明は、その光学素子の複数個を利用して画像を提供する光学装置をも提供する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、光ビームを入射して射出する光学素子であって、光ビームの進行方向を切換えることができる光学素子が開示されている。さらに、この光学素子の複数個を配列した光学装置（２安定変形可能鏡装置（ＤＭＤ装置）と表現されている）が開示されている。光学素子は、光ビームを反射するミラー（ビーム２００と表現されている）と、ミラーを支える捩り梁（ヒンジ４０１と表現されている）と、ミラーの表面に設置されているとともに捩り梁と連結してミラーを回転可能に支持する支柱（ビーム支持ポスト２０１と表現されている）と、ミラーの指向方向を切換えるアクチュエータ（電極４０４，４０５と表現されている）を備えている。この光学素子では、アクチュエータによってミラーの指向角度を切換えることによって、光ビームの進行方向を切換える。
【０００３】
【特許文献１】特開平５-１９６８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の光学素子とＤＭＤ装置は、例えば暗視野投影光学装置（いわゆるプロジェクタ）や高品位テレビジョン装置（ＨＤＴＶ）に用いられる。上記の光学素子とＤＭＤ装置は、極めて有用なものであるが、耐久性に問題があることが分ってきた。
明るい像を得たいとする強い要求があり、明るい像を得るためには大口径の結像レンズを用いる必要がある。大口径の結像レンズに光ビームが入射する状態と入射しない状態を切換えるためには、光学素子によって光ビームの進行方向を大きく変化させる必要がある。すなわち明るい像を得るためには、ミラーを大きく回転する必要がある。ミラーを大きく回転するためには、ミラーを支える捩り梁を大きく捩る必要がある。上記のＤＭＤ装置を使用すると、捩り梁が繰返し大変形することから、捩り梁が疲労して変形しやすい。特許文献１の光学素子と光学装置は耐久性に不満を残している。
【０００５】
本発明では、耐久性の高い光学素子と光学装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、光ビームの進行方向を切換える光学素子を提供する。本発明の光学素子は、基板と、片持ち梁と、アクチュエータを備えている。基板は、片持ち梁が密着することができる密着用基準面を有している。片持ち梁は、次の性質を備えている。すなわち、板状であり、その板状の一端が基板に固定されており、基板と反対側の面は光ビームを反射する反射面となっている。片持ち梁に外力が作用しない状態では、片持ち梁が基板に固定されている一端から遠ざかるにつれて密着用基準面から大きく離反する向きに２箇所以上で屈曲している屈曲形状をとる。また外力が作用すると、片持ち梁が密着用基準面に密着するだけの柔軟性を備えている。アクチュエータは、基板と片持ち梁の間に設置されている。アクチュエータは、基板と片持ち梁の間に、片持ち梁を密着用基準面に密着させる吸引力を発生させる。
片持ち梁は少なくとも２箇所以上で屈曲していればよく、屈曲点が連続して分布していてもよい。すなわち、片持ち梁がなめらかに湾曲していてもよい。
【０００７】
上記の光学素子によると、アクチュエータによって、片持ち梁の形状を切換えることができる。すなわち、密着用基準面を密着する基準形状と、密着用基準面から離反する向きに屈曲する屈曲形状のいずれかに切換えることができる。その結果、片持ち梁の反射面を、密着用基準面を密着する基準形状と、密着用基準面から離反する屈曲形状のいずれかに切換えることができ、反射面の指向方向を切換えることができ、光ビームの反射方向を切換えることができる。
本発明の片持ち梁は少なくとも２箇所以上で屈曲している。本発明の片持ち梁は、２箇所以上で変形することによって反射面の指向方向を切換える。屈曲点ごとの変形量が小さくても、小さな変形量が累積した結果が反射面の指向方向の変化量となる。局所的な大変形を避けながら、反射面の指向方向を大きく変化させることができる。
本発明の光学素子は、構成部材の部分部分で観測すると小変形量でありながら、反射面の指向方向を大きく変化させることができる。光ビームの進行方向を大きく変化させる光学素子の耐久性が高められる。
【０００８】
片持ち梁を小さな駆動力で大きく変形させるためには、基板に固定されている一端近傍（付け根部）での柔軟性が高いことが好ましい。
そこで、片持ち梁が伸びている方向に直交する方向に測定した片持ち梁の幅が、基板に固定されている一端近傍（付け根部）では狭く、片持ち梁の残りの部分（先端部）では広くなっていることが好ましい。
【０００９】
この場合、付け根部では幅狭で柔軟なために、小さな駆動力で片持ち梁が大きく変形する。
片持ち梁を密着用基準面に密着させる場合、片持ち梁が基板に固定されている一端近傍（付け根部）から次々に密着用基準面に密着していく。この場合、次に密着用基準面に密着する部分における密着用基準面から片持ち梁までの距離は短い。すなわち、ごく近い位置にある片持ち梁を吸引するだけの吸引力を発生させればよい。離れて存在する物体を吸引するのに要する吸引力に比して、近くに存在する物体を吸引するのに要する吸引力は小さくてよい。本発明の光学素子は小さな駆動力で運転することができる。付け根部を幅狭で柔軟とすると、光学素子を駆動するための電力をさらに小さく抑えることができる。
【００１０】
２箇所以上で屈曲している片持ち梁を密着用基準面に密着させる場合、片持ち梁の支持点から離れた部分では反射面の指向方向が大きく変化するのに対し、片持ち梁の支持点の近傍では反射面の指向方向の変化角度が小さい。
例えば、片持ち梁を密着用基準面に密着させた状態で反射される光ビームの光路上に受光素子を置き、光学素子のアクチュエータによって受光素子が光ビームを受光するか否かを切換えるアプリケーションを想定する。この場合、片持ち梁が屈曲形状をとっているにもかかわらずに受光素子が受光する光量がノイズとなる。ノイズを低減するためには、片持ち梁が屈曲形状をとっているにもかかわらずに受光素子が受光してしまう光量を低減するのが有利である。
片持ち梁が基板に固定されている一端近傍（付け根部）における片持ち梁の幅が狭ければ、ノイズとなる光量、すなわち、角度変化が小さい片持ち梁の付け根部で反射される光量を低減することもできる。
【００１１】
ノイズの低減のためには、片持ち梁の付け根部の幅を狭くすることに加えて、片持ち梁の反射面のうち、片持ち梁が基板に固定されている一端近傍を除外した範囲に、高反射率膜を形成することが有利である。
この場合、反射面の指向方向が大きく変化する部分を選択して高反射率膜を形成することになり、姿勢変化が小さい片持ち梁の付け根部で反射される光量を相対的に低減することができる。
【００１２】
片持ち梁と密着用基準面が密着した際に、外力を解除しても面と面とが張り付いてしまうことが懸念される。すなわち、アクチュエータをオフして外力を加えるのを中止しても、片持ち梁が屈曲形状に戻らない可能性がある。
【００１３】
そこで、面と面が密着するうちの少なくとも一方の面に、突起群を形成するのが有効である。この場合、基板の密着用基準面の側に突起群を形成してもよい。あるいは、その密着用基準面に密着する片持ち梁の側の面に突起群を形成してもよい。あるいは両方の面に突起群を形成してもよい。
突起群が形成されていると、基板と片持ち梁が面と面で密着して張り付いてしまうことを防止できる。
【００１４】
反射面の指向方向の変化角度が小さい付け根部で反射されてノイズとなる光量を低減するために、光源と光学素子の位置関係を調整することも有用である。すなわち、屈曲形状をとっている片持ち梁の一端近傍（付け根部）で反射された光ビームが、片持ち梁の先端側で再度反射される位置関係に光源と光学素子を配置しておけば、付け根部で反射されてノイズとなる光量を低減することができる。
あるいは、片持ち梁の先端側に平面ミラーを固定しておくのも有効である。この場合、指向方向が大きく変化する片持ち梁の先端における変化角が、平面ミラーの全体に亘って得られる。平面ミラーで反射される光ビームの全体が一斉に大きく進行方向を切換える。
この反射板を片持ち梁の先端より先に張り出すように固定し、隣接する片持ち梁の付け根部に光ビームが到達しないようにできる。そのため、角度変化が小さい隣接する片持ち梁の付け根部で反射されてノイズとなる光量を低減することができる。
【００１５】
本発明では、上記の光学素子を利用した光学装置も提供する。この光学装置は、複数個の光学素子が、１次元もしくは２次元的に配列されている。さらに、個々の光学素子のアクチュエータは、隣接するアクチュエータから独立して制御することができる。これによると、光学素子毎に光ビームの反射方向を制御することができる。例えば、光学素子毎に反射光を結像レンズに入射するか否かを制御することができ、像に現れる画像を制御することができる。
上記の光学装置は、上記したように結像光学系に利用することができる。この場合、密着用基準面に密着した片持ち梁からの反射光を結像系レンズに入射し、密着用基準面から離反して屈曲している片持ち梁からの反射光を結像系レンズに入射しないようにする。すると、密着用基準面に密着した片持ち梁からの反射光のみが結像した画像が提供される。複数の光学素子の中で、片持ち梁を密着用基準面に密着させる光学素子と、片持ち梁を密着用基準面から離反させる光学素子を選択することによって、像に現れる画像を制御することができる。
【００１６】
また、上記の光学装置では、単位面積当たりの反射面の面積が大きく、ノイズが小さいことが好ましい。単位面積当たりの反射面の面積が大きければ光学装置に入射される光量を有効に利用でき、ノイズが小さければコントラストの高い画像を得ることができる。
【００１７】
片持ち梁の伸びている方向に沿って複数個の光学素子が配列されている光学装置の場合は、片持ち梁が基板に固定される一端近傍が間隔をおいて並行に延びる２片に分割されており、その２片の間隔に隣接する光学素子の片持ち梁が侵入していることが好ましい。
この構成によると、ノイズの原因となる付け根部では、間隔の分だけ幅狭となり、ノイズの原因となる反射光量が低減される。また、その間隔は、指向方向が大きく変化する他の片持ち梁の反射面となる。ノイズの原因となる付け根部の反射面を幅狭としてノイズを低減しながら、反射面積が減少することを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、自然形状において少なくとも２箇所以上で屈曲している片持ち梁を密着用基準面に密着させることによって光ビームの反射方向を切換える。各々の屈曲点における変形量は小さくても、それが累積することによって反射面の指向方向を大きく変化させることができる。各々の点の変形量は小さいことから耐久性が高く、それでいて反射方向を大きく変化させることができる。
また片持ち梁に吸引力が作用すると、片持ち梁は付け根部から基板に密着していく。ごく近い位置にある物体を吸引できるだけの吸引力を発生させれば片持ち梁が基板に密着していくことから、反射方向の切換に要する駆動力はごく小さいもので足りる。消費電力を低く抑えることができる。
また片持ち梁は簡単に製造することができ、安価に製造することができる。
本発明の光学素子は高密度に配列することができ、光の反射効率が高い光学装置を提供する。
また、ノイズの低減対策を施しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理しておく。
（特徴１）シリコン基板を利用して複数個の光学素子を同時に製造できる。
（特徴２）シリコン基板を利用して複数個の光学素子が配列されている光学装置を製造できる。
（特徴３）片持ち梁は、外力が作用しない状態では内部応力により密着用基準面から離反する向きに湾曲した形状をとる。片持ち梁の製造過程において、上記向きに湾曲する内部応力が生じる条件を採用する。具体的には、単結晶シリコン層の上部にアモルファスシリコン層を形成し、そのアモルファスシリコン層を多結晶シリコン層に変え、その後に単結晶シリコン層を除去する。すると、多結晶シリコン層が湾曲する。
（特徴４）片持ち梁と密着用基板のそれぞれに電極を設置し、電圧を印加することで両者を密着させる。
【実施例】
【００２０】
（第１実施例）
図１は、第１実施例の光学装置２の一部の縦断面図を示す。光学装置２は、複数個の光学素子が２次元に配列されて構成されているが、図１は、そのうちの２個の光学素子４，６が配置されている部分の断面図を示す。図２は、図１と同じ部分を平面視した図面を示す。光学素子４と６は、同一の構成を有している。以下では、光学素子４の構成について説明する。
光学素子４は、基板１０と、片持ち梁３０と、アクチュエータ６０を備えている。
光学素子４，６は、シリコン基板１１上に形成されている。シリコン基板１１は、シリコン酸化膜１２で覆われている。シリコン酸化膜１２の表面上に密着用膜１８が形成されている。密着用膜１８は、シリコン酸化膜１２を介してシリコン基板１１に固定されているポリシリコン膜１４と、ポリシリコン膜１４の周囲を覆っているシリコン酸化膜１６で構成されている。シリコン酸化膜１２の表面から垂直上方に伸びるポリシリコン膜２２ａが形成されており、ポリシリコン膜２２ａの上端から図示の右上方に向かって伸びているポリシリコン膜２２ｂにつながっている。ポリシリコン膜２２ａとポリシリコン膜２２ｂの表面は、シリコン酸化膜２４ａ，２４ｂで覆われている。シリコン酸化膜２４ｂの上側の表面上にはアルミニウム膜２６が形成されている。
図１は、ポリシリコン膜２２ｂに外力が作用しない状態を示しており、ポリシリコン膜２２ｂは、ポリシリコン膜２２ａに固定されている一端から遠ざかるにつれて密着用膜１８から大きく離反する向きに湾曲している。
光学素子４の基板１０は、シリコン基板１１とシリコン酸化膜１２とポリシリコン膜２２ａとシリコン酸化膜２４ａで構成されている。ポリシリコン膜１４とシリコン酸化膜１６で構成されている密着用膜１８も、基板１０の一部を構成している。
光学素子４の片持ち梁３０は、ポリシリコン膜２２ｂとシリコン酸化膜２４ｂとアルミニウム膜２６で形成されている。片持ち梁３０は、薄い板状であり、その板の一端が基板１０に固定されている（図１では片持ち梁３０と基板１０が固定されている境界をＡ線で示している）。片持ち梁３０の上側の表面、すなわち、基板１０と反対側の面は高反射率のアルミニウム面となっており、後記する光ビームを反射する反射面である。
光学素子４のアクチュエータ６０は、基板１０側のポリシリコン膜１４と、片持ち梁３０側のアルミニウム膜２６で形成されており、ポリシリコン膜１４とアルミニウム膜２６の間に正負の電位差を与えると、片持ち梁３０が密着用膜１８に密着するように片持ち梁３０を基板１０に向けて吸引する。密着用膜１８のシリコン酸化膜１６の上面は平面であり、密着用基準平面２０を構成している。アクチュエータ６０は、基板１０と片持ち梁３０の間に設けられており、片持ち梁３０の下側の面２８を密着用基準平面２０に密着させる吸引力を基板１０と片持ち梁３０の間に発生させる。
密着用膜１８と片持ち梁３０の間は絶縁されている。
【００２１】
片持ち梁３０は、外力が作用しない場合、基板１０に固定されている固定部位Ａから遠ざかるにつれて密着用膜１８から大きく離反する湾曲形状をとっている。片持ち梁３０は、ポリシリコン膜２２ｂの内部応力によって湾曲形状をとる。内部応力が発生する理由については、後で詳しく説明する。一方において、片持ち梁３０と密着用膜１８の間に、静電引力等の外力を作用させた場合、片持ち梁３０の密着面２８を密着用膜１８の密着用基準平面２０を密着させることができる。片持ち梁３０は、湾曲形状から、密着用基準平面２０に密着する平面形状に引き伸ばせるだけの柔軟性を有している。
【００２２】
ポリシリコン膜１４は、シリコン酸化膜１６で覆われているため、アルミニウム膜２６から絶縁されている。ポリシリコン膜１４は導電性であり、一方の電極に利用することができる。また、片持ち梁３０上部に形成されているアルミニウム膜２６を、他方の電極に利用することができる。例えば、ポリシリコン膜１４にプラス電圧を印加し、アルミニウム膜２６にマイナス電圧を印加した場合、両者の間に静電引力が作用し、片持ち梁３０は密着用膜１８に引き付けられる。図４の左側に示す図は、光学素子４のポリシリコン膜１４にプラス電圧を印加し、アルミニウム膜２６にマイナス電圧を印加した場合を示し、片持ち梁３０はポリシリコン膜１４にひきつけられ、密着用基準平面２０に密着している。
【００２３】
また、片持ち梁３０を密着用膜１８に密着させる際は、図３に示す順序で変形する。最初は（１）に示すように、点３４と点３６が密着する。自然形状における点３４と点３６の距離は、それよりも先端側の点、例えば点３２と点３８の距離よりも小さい。近い距離にある片持ち梁を吸引するのに要する吸引力は、遠い距離にある片持ち梁を吸引するのに要する吸引力に比して、小さくてよい。
点３４と点３６が密着すると、その後にその右側の部位で吸着が進行する。新たに吸着する右側の部位は、点３４と点３６が吸着された時点で十分に接近しており、小さな吸引力で吸着される。（１）から（２）に変化させるのに必要な吸引力も小さければ、（２）から（３）に変化させるのに必要な吸引力も小さくてすむ。
片持ち梁３０は、十分に小さな力で、吸着ポイントが付け根部から先端部に向かって進行する。光学素子４は、小さな吸引力で、片持ち梁３０が自然形状をとっている状態から密着用基準平面２０に密着する形状に変化させることができる。光学素子４の消費電力を抑えることができる。
また片持ち梁３０は、外力を解除すると内部応力によって自然に湾曲形状に戻る。即ち平面形状に引き伸ばされている状態から湾曲形状へ変形させる際には、外力を作用させる必要がない。これによっても、消費電力を抑えることができる。
また図１と図４を比較すると明らかに、アルミニウム膜２６の先端部における傾斜角はθだけ変化する。このθの値は十分に大きく、光ビームの進行方向を大きく変化させることができる。しかしながら、この光学素子４では、どこかが局所的に大きく変形して大きな回転角θを実現するものでない。全長に亘って緩やかに湾曲している片持ち梁３０が、全長に亘って少しずつ変形する現象が蓄積することによって大きな回転角θを実現する。部分部分で観測すると、各部における変形量は小さい。光ビームの反射方向を切換えるに際して大きく歪む部分がなく、繰返しの歪によって疲労が蓄積する速度が遅い。光学素子４の耐久性は高い。
上記では、屈曲点が連続して無数に存在している場合について説明したが、屈曲点の数は２以上であればよい。縦断面で観測したときに、２箇所以上で屈曲する折れ線形状を備えている片持ち梁を利用すれば、各屈曲点での変形が蓄積して先端では大きく変形する現象を得ることができる。
【００２４】
片持ち梁３０の付け根部は、残部よりも柔軟であることが好ましい。付け根部が小さな吸引力で変形すると、片持ち梁３０を自然形状から密着用基準平面２０に密着する形状に変化させるに要する駆動力をさらに低減することができ、光学素子４の消費電力をさらに抑えることができる。
【００２５】
図２に、片持ち梁３０を上から見た図を示す。片持ち梁３０の付け根部４２が２片に分割され、両者間に間隔Ｍが形成されている。間隔Ｍが形成されている分だけ、片持ち梁３０が伸びている方向Ｃに直交する方向Ｂに沿って計測した場合に、付け根部４２における幅（Ｗ１＋Ｗ２）が先端部４０における幅Ｗ３よりも狭くなっている。幅が狭い付け根部４２は極めて柔軟であり、小さな吸引力で大きく変形させることができる。光学素子４では片持ち梁３０の付け根部４２が柔軟なために、小さな吸引力で先端部４０に大きな角度変化を実現することができる。図２の構造による別の効果については、後で説明する。
【００２６】
図４に、光学素子４，６に光ビーム１００，１２０を入射させた場合の光路を示す。
光学素子４では、ポリシリコン膜１４にプラス電圧を印加してアルミニウム膜２６にマイナス電圧を印加しており、片持ち梁３０の先端部４０が密着用膜１８に密着し、平面形状に引き伸ばされ、アルミニウム膜２６の反射面が平面鏡となり、光ビーム１００を平面鏡で反射する。平面鏡で反射された光ビーム１００は結像レンズ１０２に入射し、スクリーン１０４の位置１０８では明点となる。ここで、位置１０８は光学素子４に対応するスクリーン上の位置である。
【００２７】
一方において、光学素子６では、ポリシリコン膜１４とアルミニウム膜２６の間に電圧が印加されず、片持ち梁３０は密着用膜１８から離反して湾曲形状をとっている。アルミニウム膜２６の反射面が曲面鏡となり、しかも左上方を指向している。このために、光学素子６のアルミニウム膜２６で反射された光ビーム１２０は結像レンズ１０２に入射しない。このために、スクリーン１０４の位置１０６では暗点となる。ここで、位置１０６は光学素子６に対応するスクリーン上の位置である。
【００２８】
光学装置２では、個々の光学素子のアクチュエータを隣接する光学素子のアクチュエータから独立に制御することができる。具体的に言うと、光学素子４に電圧を印加している場合、光学素子６に電圧を印加することもできれば、印加しないこともできる。これによって、光学装置２は、スクリーン１０４に現れる画像を自由に制御することができる。
【００２９】
本明細書では、光学素子４のＯＮ状態とＯＦＦ状態を以下のように定義する。ＯＮ状態とは、光学素子４で光ビームを反射させた際にスクリーンに結像する状態をいう。ＯＦＦ状態とは、光学素子４で光ビームを反射させた際に光路が結像レンズ１０２からずれて結像できない状態をいう。本実施例では、外力を作用させて片持ち梁３０を密着用膜１８に密着させている状態がＯＮ状態である。また、外力を作用させずに片持ち梁３０が湾曲している状態がＯＦＦ状態である。
【００３０】
ここで、結像のときに起きるノイズについて説明する。ノイズとは、片持ち梁３０がＯＦＦ状態であるにも関わらず、一部の光が結像レンズ１０２に入射し、意図しない明点をスクリーン１０４に結像してしまう状態である。図５に、ノイズが発生する理由を図示する。図５（ａ）は、ＯＮ状態の光学素子４を示す。図５（ｂ）は、ＯＦＦ状態の光学素子４を示す。図５（ａ）では、光ビーム１００，１２０，１３０が、平面形状に近い形状のアルミニウム面（点６０の近傍）または平面形状のアルミニウム面（点６２，６４の近傍）で反射され、いずれも結像レンズ１０２に入射して結像する。これはＯＮ状態での理想的な光路である。
【００３１】
一方において、図５（ｂ）では、片持ち梁３０の付け根部では、ＯＦＦ状態であるにもかかわらず角度変化が小さいために、付け根部の近傍（点６６，６８の近傍）で反射された光ビーム１００，１２０は、結像レンズ１０２に入射してしまう。即ちノイズを発生する。それに対して、先端部（点６９の近傍）で反射された光ビーム１３０は結像レンズ１０２に入射しない。角度変化の大きい先端部でより多くの光ビームを反射させることができれば、ノイズを低減し、明るい画像を取得することができる。
【００３２】
図２に示すように、光学素子４では、片持ち梁３０の付け根部４２の幅が狭くなっている。これによって、以下の２つの効果が得られる。
（１）付け根部４２の面積が小さくなっているために、付け根部での光ビームの反射を低減させることができる。言い換えると、より多くの光ビームを、角度変化の大きい先端部４０で反射させることができるために、ノイズを低減させることができる。
（２）付け根部４２が２片に分割されており、複数の光学素子を配列させる場合、後記する実施例のように、隣接する光学素子の先端部を付け根部４２の間隔Ｍ内に挿入するように配列させることができる。光学素子を高密度に配列させることによって、先端部４０の占有面積率を増加させ、明るい画像を取得することができる。
付け根部４２の面積を減少させれば、片持ち梁３０の全面にアルミニウム膜２６を形成してもよい。付け根部４２の面積を減少するだけで、付け根部での光ビームの反射量を低減させることができる。しかしながら、図２に示すように、片持ち梁３０の付け根部にはアルミニウム膜２６を成膜しないことが好ましい。その場合は、付け根部での光ビームの反射量をさらに低減することができる。
片持ち梁３０の付け根部にアルミニウム膜２６を成膜しない場合は、付け根部４２の面積を減少させる必要が必ずしもない。付け根部４２の面積を減少させなくても、ノイズを低減することができる。
【００３３】
図６から図１６は、光学素子４、６の製造プロセスを示す。
図６は、シリコン基板１１を用意した段階を示す。
図７は、シリコン基板１１を熱酸化して、シリコン酸化膜１２を成膜した段階を示す。
図８は、ポリシリコン膜１４を成膜してイオン注入して導電性を付与した後に、ポリシリコン膜１４をパターニングした段階を示す。
図９は、シリコン酸化膜１６を成膜した段階を示す。シリコン酸化膜１６が成膜されたポリシリコン膜１４を、密着用膜１８とする。
図１０は、シリコン犠牲層１７を成膜し、パターニングした段階を示す。この時、シリコン犠牲層１７は、密着用膜１８を覆い、かつ、後の工程で作製する片持ち梁３０の先端部よりも長くなるようにパターニングする。
図１１は、シリコン酸化膜２４ｃを成膜し、パターニングした段階を示す。
図１２は、ポリシリコン膜２２を成膜してイオン注入した後、パターニングした段階を示す。この時、ポリシリコン膜２２は、成膜した犠牲層１７の一部を覆い、かつ、ポリシリコン膜２２の先端部が、図１０で作製した犠牲層１７の先端部よりも短くなるようにパターニングする。
この工程で、片持ち梁３０の内部応力を制御する。これによって、片持ち梁３０は、図１に示すように外力を解除した状態で湾曲した構造をとることができる。図１２での成膜条件の一例を以下に示す。
（１）ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）法を用いて、成膜温度を５２０℃、Ｓｉ２Ｈ６流量を３００ｓｃｃｍ、６Ｐａ、成膜レートを１００Å／ｍｉｎ、膜圧を２０００Åとする条件下で、アモルファスシリコン膜を成膜する。
（２）上記（１）で成膜したアモルファスシリコン膜に、温度を１０００℃、Ｎ２流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、時間を６０ｍｉｎとする条件下で、結晶化アニールを行なう。
（３）イオンをＰ、加速エネルギーを８０ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０16／ｃｍ2とする条件下で、イオン注入を行なう。
（４）温度を１０００℃、ガスをＮ２、Ｎ２流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、時間を６０ｍｉｎとする条件下で、活性化アニールを行なう。
図１３は、シリコン酸化膜２４ｄを成膜し、パターニングした段階を示す。
図１４は、アルミニウム膜２６を成膜し、パターニングした段階を示す。このアルミニウム膜は、片持ち梁３０の反射面となる。
図１５は、シリコン酸化膜の一部である２４ｅに穴を開け、エッチングホールを形成した段階を示す。
図１６は、シリコン犠牲層１７のエッチングを行ない、片持ち梁３０の図示右側の端部がリリースされた段階を示す。図１２に示したポリシリコン膜２２の成膜工程を、前記した（１）から（４）の条件で実施しておくと、ポリシリコン膜２２の下面に圧縮応力が作用した状態でポリシリコン膜２２が形成される。そのために、シリコン犠牲層１７を除去すると、ポリシリコン膜２２の下面を圧縮しておく原因が消失し、ポリシリコン膜２２の下面が膨張する。その結果、シリコン犠牲層１７を除去すると、ポリシリコン膜２２は上方に向かって湾曲する。図１６に示した光学素子が完成する。
【００３４】
光学素子４の片持ち梁３０を形成するために、片持ち梁３０の下部に厚いシリコン犠牲層１７を形成する必要がない。特許文献１の技術でミラーの回転角を大きくするためには厚い犠牲層を成膜して厚い犠牲層をエッチングする必要があり、製造コストが増大する。本実施例の光学素子であれば、厚い犠牲層を成膜して厚い犠牲層をエッチングする必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００３５】
なお、上記の成膜条件は一例であり、製造プロセスは上記に限定しない。例えば、上記の図１２では、片持ち梁３０のポリシリコン膜２２は単層膜であるが、より強力な引っ張り応力の膜を上側に積層した複層膜であってもよい。また、上記の図１５では、反射膜としてアルミニウム膜２６を成膜しているが、反射膜の高いアルミニウム膜以外の膜を使用してもよい。また、アルミニウム膜等の高反射率を有する膜を、片持ち梁３０の上部に貼り付けてもよい。あるいは、シリコン酸化膜２４ｄの上側の表面をそのまま反射面に利用してもよい。
【００３６】
本実施例の光学装置２によると、片持ち梁３０を有する光学素子４を使用することによって、光ビームの進行方向を制御し、スクリーン１０４に現れる画像を制御することができる。片持ち梁３０の付け根部の幅を狭くするよって、小さい駆動力で大きな角度変化をつけることができ、耐久性の向上と低コスト化を実現することができる。さらに、ノイズを発生しやすい片持ち梁３０の付け根部の幅を狭くすることによって、コントラストの高い画像を取得することができる。また、片持ち梁の付け根部の２片に分割された構造によって、高密度に光学素子を配列させ、反射面の面積を増加させ、明るい画像を取得することができる。
【００３７】
本実施例の光学素子は、複数個の光学素子を１次元または２次元に配列させることによって、スクリーンに現れる画像を制御することができる。例えば、各光学素子を１画素とすると、光学素子を８００×６００個配列させて、ＳＶＧＡ（Super Video Graphics Array）の解像度を有する画像を結像させることができる。
【００３８】
（第２実施例）
図１７に、第２実施例の光学素子を示す。第２実施例の片持ち梁３０は、密着面２８上に、突起５０，５２，５４，５６，５８からなる突起群５００を備えている。これによって、外力を解除しても密着面２８が密着用基準面２０に張り付いてしまうことを回避することができる。なお、突起群５００は密着用膜１８の側に形成してもよい。
【００３９】
（第３実施例）
図１８と図１９に、第３実施例の光学素子を示す。図１８と図１９の光学素子では、片持ち梁３０の上面に支持部７２を介して平板ミラー７４が固定されている。支持部７２は、片持ち梁３０の先端部に設けられている。平板ミラー７４は片持ち梁３０の先端より先に張り出すように固定されている。さらに、平板ミラー７４は隣接する光学素子の片持ち梁３０の付け根部の一部を覆うまで延びている。図１８はＯＮ状態、図１９はＯＦＦ状態であり、平板ミラー７４は片持ち梁３０に伴って角度が変化する。
図１８に示すＯＮ状態では、平板ミラー７４は水平姿勢をとる。即ち、平板ミラー７４上で反射された光ビーム１００，１２０は、図４の光学素子４（ＯＮ状態）と同一の反射角で反射され、結像レンズ１０２に入射して結像する。
図１９に示すＯＦＦ状態では、平板ミラー７４の全体に亘って、光ビームの反射方向を大きく変化させる変化角を得ている。即ち、光ビーム１００，１２０，１３０は同一の反射角で反射され、結像レンズ１０２に入射しない。平板ミラー７４のうち片持ち梁の先端よりも先に張り出した部分は、隣接する片持ち梁の付け根部に到達するはずであった光ビーム１２０ａを遮ることができる。なお、平板ミラー７４のうち片持ち梁３０の先端よりも先に張り出した部分の張り出し長さは、光ビーム１００，１２０，１３０の入射角に応じて、隣接する片持ち梁３０の付け根部に光ビーム１２０ａが到達しないように設定される。平板ミラー７４のうち片持ち梁の先端よりも先に張り出した部分は、隣接する光学素子の片持ち梁３０の付け根部の一部を覆うまで延びているのが好ましい。光ビーム１００，１２０，１３０の入射角の広い範囲において、上記効果が得られる。
平板ミラー７４を固定することによって、ＯＮ状態では平板ミラーが固定されていない場合（即ち、平面形状の片持ち梁の上面で反射された場合）と同様に結像するが、ＯＦＦ状態では姿勢変化の小さい付け根部での光ビームの反射を禁止し、ノイズを低減することができる。また平板ミラー７４によって、隣接する光学素子の平板ミラー７４との間隔を小さくすることができるので、有効反射面積を大きくすることができる。
【００４０】
（第４実施例）
反射面の指向方向の変化角度が小さい付け根部で反射されてノイズとなる光量を低減するために、光源と光学素子の位置関係を調整することも有用である。図２０に、ＯＦＦ状態の光学素子に光ビーム１００を入射させた場合の光路を示す。光ビームは湾曲形状をとっている付け根部で反射され、先端部で再度反射される。光ビーム１００は、最終的に変化角度の大きい先端部で反射され進行方向が大きく切換えられるため、結像レンズ１０２に入射しない。これにより、付け根部で反射されてノイズとなる光量を低減することができる。
【００４１】
（第５実施例）
光学装置では、ノイズが小さく、単位面積当たりの有効反射面積が大きいことが好ましい。このために片持ち梁の形状と配列方法を調整することも有用である。第５実施例では、片持ち梁の形状を工夫し、片持ち梁の先端部を隣接する片持ち梁の２片に分割された付け根部の間隔に挿入するように配列することによって、ノイズを低減し、有効反射面積を大きくすることができる光学素子を提供する。
【００４２】
図２１から図２４に、光学素子を上から見た図を示す。隣接している光学素子は全て同じ構造である。図２１は光学素子１４０，１６０，１８０が隣接している状態を示している。光学素子１６０では、２片に分割された付け根部の間隔Ｍ１６０は、片持ち梁の先端部を挿入できるだけの幅に広げられている（即ち、Ｍ１６０＞Ｗ３）。これによって、間隔Ｍ１６０に、隣接する光学素子１４０の先端部を挿入するように配列させることができる。即ち、ノイズの原因となる付け根部の反射面を幅狭としてノイズを低減しながら、付け根部の間隔を有効反射面積として利用することができる。
【００４３】
図２２は、光学素子２４０，２６０，２８０が隣接している状態を示している。光学素子２６０では、片持ち梁の先端部の幅が２段階になっており、先端部の位置２６２，２６８より先端側の先端部の幅Ｗ３−２６０は、付け根部の間隔Ｍに挿入できるだけの幅に狭められている（即ち、Ｍ＞Ｗ３−２６０）。これによって、光学素子２６０の、幅Ｗ３−２６０を備える先端部を、隣接する光学素子２８０の付け根部分の間隔Ｍに挿入するように配列させることができる。即ち、ノイズの原因となる付け根部の反射面を幅狭としてノイズを低減しながら、付け根部の間隔を有効反射面積として利用することができる。
【００４４】
図２３は、光学素子３４０，３６０，３８０が隣接している状態を示している。光学素子３６０では、２片に分割された付け根部の間隔を２段階で広げており、付け根部の位置３６４，３６６より付け根側の間隔Ｍ３６０−１は、間隔Ｍ３６０−２より広くなっている。間隔Ｍ３６０−２は、片持ち梁の先端部（幅Ｗ３）を挿入できるだけの幅に広げられている（即ち、Ｍ３６０−２＞Ｗ３）。間隔Ｍ３６０−１は、幅（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｍ３６０−２）の付け根部を挿入できるだけの幅に広げられている（即ち、Ｍ３６０−１＞（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｍ３６０−２））。これによって、光学素子３４０の付け根部の一部と先端部を、光学素子３６０の間隔に挿入するように配列させることができる。即ち、ノイズの原因となる付け根部の反射面を幅狭としてノイズを低減しながら、付け根部の間隔を有効反射面積として利用することができる。また付け根部の間隔に、隣接する光学素子の付け根部をも挿入することによって、間隔Ｍ３６０−１と直交する方向の付け根部の長さを長くすることができる。これによって、幅狭で柔軟な付け根部分での屈曲点の数を増やすことができ、小さな駆動力で先端部を大きく変形させることができる。
【００４５】
図２４では、光学素子４４０，４６０，４８０が隣接している状態を示している。光学素子４６０は、片持ち梁の先端部の幅が２段階になっており、先端部の位置４６２，４６８より先端側の先端部の幅Ｗ３−４６０は、付け根部の間隔Ｍに挿入できるだけの幅に狭められている（即ち、Ｍ＞Ｗ３−４６０）。さらに、付け根部の間隔Ｍの幅を、付け根部の途中（位置４６４，４６６）から付け根部の付け根側に向けて広げている。付け根部の間隔Ｍ４６０は、幅Ｗの先端部と付け根部（Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｍ）を挿入できるだけの幅に広げられている（即ち、Ｍ４６０＞（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｍ））。これによって、光学素子４４０の付け根部の一部と先端部を、光学素子４６０の間隔に挿入するように配列させることができる。また付け根部の間隔に、隣接する光学素子の付け根部をも挿入することによって、間隔Ｍと直交する方向の付け根部の長さを長くすることができる。これによって、幅狭で柔軟な付け根部分での屈曲点の数を増やすことができ、小さな駆動力で先端部を大きく変形させることができる。
【００４６】
第５実施例では、いずれも付け根部の幅を狭くして面積を小さくすることで、付け根部での光ビームの反射光量を低減させ、ノイズを低減させることができる。また、２片に分割された付け根部の間隔に他の片持ち梁の先端部を挿入し、指向方向が大きく変化する他の片持ち梁の反射面とすることで、有効反射面積として利用することができる。さらに、付け根部の間隔に、隣接する光学素子の先端部に加え付け根部の一部をも挿入することによって、間隔Ｍと直交する方向の付け根部の長さを長くすることができる。これによって、幅狭で柔軟な付け根部分での屈曲点の数を増やすことができ、小さな駆動力で先端部を大きく変形させることができる。
【００４７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば密着用基準面は必ずしも平面である必要がなく、光学装置からの光を利用する光学系の特性に合わせた曲面であってもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施例の光学素子の断面図を示す。
【図２】第１実施例の光学素子の平面図を示す。
【図３】第１実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図４】第１実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図５】第１実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図６】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図７】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図８】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図９】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１０】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１１】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１２】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１３】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１４】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１５】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１６】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１７】第２実施例の光学素子の断面図を示す。
【図１８】第３実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図１９】第３実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図２０】第４実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図２１】第５実施例の光学素子の平面図を示す。
【図２２】第５実施例の光学素子の平面図を示す。
【図２３】第５実施例の光学素子の平面図を示す。
【図２４】第５実施例の光学素子の平面図を示す。
【符号の説明】
【００４９】
２：光学装置
４，６：光学素子
１０：基板
１８：密着用膜
２０：密着用基準平面
２８：密着面
３０：片持ち梁
２６：アルミニウム膜
１００，１２０，１３０：光ビーム
１０２：結像レンズ
１０４：スクリーン
【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】
2009258511.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009258511.tif 000009
【図８】
2009258511.tif 000010
【図９】
2009258511.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2009258511.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2009258511.tif 000016
【図１５】
2009258511.tif 000017
【図１６】
2009258511.tif 000018
【図１７】
2009258511.tif 000019
【図１８】
2009258511.tif 000020
【図１９】
2009258511.tif 000021
【図２０】
2009258511.tif 000022
【図２１】
2009258511.tif 000023
【図２２】
2009258511.tif 000024
【図２３】
2009258511.tif 000025
【図２４】
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