特許 5848504 光偏向器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5848504

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月27日

(54)【発明の名称】光偏向器

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/48 20060101AFI20160107BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20160107BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/48

   G02B26/10 C

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2011-38332(P2011-38332)

(22)【出願日】2011年2月24日

(65)【公開番号】特開2012-173701(P2012-173701A)

(43)【公開日】2012年9月10日

【審査請求日】2014年2月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安田 喜昭

【審査官】 鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１９１５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１４１８９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２９８８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２２３１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４１０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４２２８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／４８

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を偏向する光偏向部材と、光散乱素子からなる光学窓とを備えた光偏向器であって、
前記光散乱素子は、入射したレーザ光を散乱する散乱面を有する透明な薄膜状の光学素子と、２つの電極の間に挟まれた薄膜状の圧電素子とを備え、前記光学素子の前記散乱面を有する面には更に非光散乱面を有し、該散乱面及び該非光散乱面を有する面とは別の面に前記圧電素子を積層して一体に形成され、
前記光偏向部材と前記光散乱素子は、前記レーザ光が前記非光散乱面を通って前記光偏向部材に入射され、前記光偏向部材で偏向されて前記散乱面を通って出射されるように配置され、
前記２つの電極の間に交番電圧が印加されたときに発生する前記圧電素子の振動により、前記散乱面で散乱されて出射されるレーザ光のスペックルパターンを平均化することを特徴とする光偏向器。

【請求項2】

請求項１に記載の光偏向器において、前記２つの電極は、前記圧電素子の前記光学素子側の面及び反対側の面にそれぞれ設けられ、前記圧電素子の振動する方向は、前記入射したレーザ光の光軸と直交する方向であることを特徴とする光偏向器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の光偏向器において、前記圧電素子は、前記振動を大きくするために、共振周波数で振動するような前記交番電圧が印加されることを特徴とする光偏向器。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏向器において、前記圧電素子は鉛系ペロブスカイト型化合物であることを特徴とする光偏向器。

【請求項5】

請求項４に記載の光偏向器において、前記圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする光偏向器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光のスペックルノイズを低減する光散乱素子を備えた光偏向器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、画像表示装置の一形態として、光偏向器を用いて光源からの光を偏向してスクリーンに投影し、スクリーン上に画像を映し出すようにしたプロジェクションディスプレイが提案されている。光偏向器としては、例えば、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いたＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスとして、半導体基板上にミラーや圧電アクチュエータ等の機構部品を一体的に形成した光偏向器が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。この光偏向器では、圧電アクチュエータの一端が枠部（支持部）に連結されて支持され、この圧電アクチュエータが発生したトルクを他端に連結されたトーションバー（弾性梁）に伝え、トーションバーの先に備え付けられたミラーを回転駆動する。このような光偏向器は、小型で簡単な構造で大きな駆動力が得られるという利点がある。

【0003】

上述のようなプロジェクションディスプレイにおいて、ランプに比べて光源の寿命が長く、エネルギー利用効率が高く、光の三原色の色純度も高い、半導体レーザ等のレーザ光源を光源に用いる技術が提案されている。しかし、光源としてレーザ光源を用いた場合、スペックルノイズ（粒状の干渉パターン）が生じて画質が劣化するという問題がある。スペックルノイズは、レーザ光源からの位相が揃ったコヒーレント光がランダムな位相面（物体面）によって散乱されることにより、物体面の隣接する領域からの乱れた波面が観察面上で干渉することで生じる現象であり、粒状の強度分布として観察面上に現れる。レーザ光源を用いたプロジェクションディスプレイにおいては、このようなスペックルノイズが、物体面であるスクリーンと、観察面である観察者の目（網膜）との間で生じると、観察者が画像の劣化を認識することになる。すなわち、前記斑点状スペックルパターンが画像に重畳されて画像品質を著しく低下させる。このため、スペックルノイズを低減するために様々な技術が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。

【0004】

特許文献２の画像表示装置では、入射レーザ光の偏光状態を空間的に変化させることでスペックルノイズを低減させる。具体的には、この画像表示装置は、光源から出射され空間変調器にて変調された光により画像を表示するものであり、偏光分布変換手段によって、空間変調器の隣接する画素に入射される光の偏光方向が互いに直交するように、光源から出射された光の空間的な偏光分布を変換する。直交する偏光同士は干渉しないため、表示された画像の中で、空間変調器の隣接する画素に対応した領域同士の干渉によるスペックルノイズが抑制される。

【0005】

これに対して、特許文献３の画像表示装置では、入射レーザ光の偏光状態を変えるのではなく、レーザ光源と画像形成用の空間変調器との間の光路中に光散乱素子を挿入し、この光散乱素子を外力により高速に振動させて散乱方向を様々に変えてやることでスペックルパターンを平均化し、スペックルコントラストを低減させる試みがなされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−１４８４５９号公報

【特許文献2】特開２００２−６２５８２号公報

【特許文献3】特開２００４−１３８６６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献２，３の装置では、光偏向器に加え、光学系にスペックルノイズを低減するための光学素子や駆動機構を追加する必要がある。すなわち、特許文献２の技術では、偏光分布変換手段が必要となると共に、偏光分布変換手段の偏光要素のサイズ以上にレーザ光の径を拡げる必要が生じてしまい、そのために追加のレンズが必要となったり、光学系のサイズが大きくなったりしてしまう。また、特許文献３の技術では、光散乱素子を振動させるために加振手段のような駆動機構を更に付加する必要がある。このように、特許文献２，３のような手法では、部品点数の増大、システムとしてのサイズの増大、消費電力の増大、及び光学アライメントの煩雑さ等の問題が生じていた。

【0008】

本発明は、素子自体を振動可能に形成することで、レーザ光のスペックルノイズを低減可能な光散乱素子を提供する。そして、このような光散乱素子を用いることで、レンズや、加振手段のような駆動機構を別途設けることなく、小型且つ簡単な構造で、レーザ光のスペックルノイズを低減可能な光偏向器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】

【0009】

本発明は、光を偏向する光偏向部材と、光散乱素子からなる光学窓とを備えた光偏向器であって、前記光散乱素子は、入射したレーザ光を散乱する散乱面を有する透明な薄膜状の光学素子と、２つの電極の間に挟まれた薄膜状の圧電素子とを備え、前記光学素子の前記散乱面を有する面には更に非光散乱面を有し、該散乱面及び該非光散乱面を有する面とは別の面に前記圧電素子を積層して一体に形成され、前記光偏向部材と前記光散乱素子は、前記レーザ光が前記非光散乱面を通って前記光偏向部材に入射され、前記光偏向部材で偏向されて前記散乱面を通って出射されるように配置され、２つの電極の間に交番電圧が印加されたときに発生する圧電素子の振動により、散乱面で散乱されて出射されるレーザ光のスペックルパターンを平均化することを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、光偏向器は、スペックルパターンを変化させる光学素子を振動させる圧電素子が光学素子に積層して一体に形成された光散乱素子を備えている。この光散乱素子の圧電素子が振動することで、光学素子の散乱面で散乱されて出射されるレーザ光のスペックルパターンを平均化させて、スペックルノイズを低減することができる。このような光偏向器を光走査装置又は画像投影装置に用いた場合には、追加のレンズや振動させるための駆動機構を別途設ける必要がないため、光走査装置又は画像投影装置を更に小型化できる。また、光偏向器の光学窓として振動する光散乱素子を用いることにより、レンズや加振手段のような駆動装置が光散乱素子とは別に必要なものに比べて、光偏向器を小型且つ簡単な構造にできる。
更に、本発明の光偏向器では、光散乱素子に入射したレーザ光は、光学素子の非光散乱面を通ることで、散乱されないまま光偏向部材に入射し、光偏向部材で偏向されて光学素子の散乱面を通って出射される。このように光偏向器の光学窓に入射する光は、光学素子の非光散乱面を介して光偏向部材に入射するので、入射光が散乱されず、投影画像を形成する走査光の解像度を落とすことはない。すなわち、スクリーンに投影される画像の解像度を低減させることなくスペックルパターンを平均化し、スクリーン上でのスペックルノイズを低減することができる。

【0011】

本発明において、前記２つの電極は、前記圧電素子の前記光学素子側の面及び反対側の面にそれぞれ設けられ、圧電素子の振動する方向は、入射したレーザ光の光軸と直交する方向であることが好ましい。これによって、入射したレーザ光に振動成分を含ませて出射できる。そして、光の位相差が変動し、目の応答時間内に観察者の網膜上にて重ね合わせられ時間軸で平均される光の状態が数多く作り出すことができる。従って、スペックルノイズをより効果的に低減させることができる。なお、本発明において、「直交」とは正確に９０度である必要はなく、９０度に近い角度であってもよい。

【0012】

本発明において、圧電素子は、振動を大きくするために、共振周波数で振動するような交番電圧が印加されることが好ましい。これによって、共振振動により大きな振幅が得られるので光を散乱しやすくなり、より効果的にスペックルノイズを低減できる。

【0013】

本発明において、圧電素子は鉛系ペロブスカイト型化合物であることが好ましい。鉛系ペロブスカイト型化合物は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等に比べて高い圧電性を有する。従って、ポリフッ化ビニリデン等に比べて圧電性の高い鉛系ペロブスカイト型化合物を圧電素子に用いることにより、より大きく振動させることができ、より効果的にスペックルノイズを低減できる。

【0014】

本発明において、圧電素子に鉛系ペロブスカイト型化合物を用いる場合、チタン酸ジルコン酸鉛を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１実施形態の光散乱素子を用いた光偏向器の分解斜視図。

【図2】第１実施形態の光散乱素子の（ａ）平面図、（ｂ）Ｉ−Ｉ線断面図、（ｃ）ＩＩ−ＩＩ線断面図。

【図3】（ａ）Ｉ−Ｉ線断面図及び（ｂ）ＩＩ−ＩＩ線断面図を用いた、光散乱素子がスペックルパターンを平均化する説明をする図。

【図4】第１実施形態の光散乱素子の製造工程の説明図。

【図5】本発明の第２実施形態の光散乱素子を用いた画像投影装置の分解斜視図。

【図6】第２実施形態の光散乱素子の（ａ）平面図、（ｂ）ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、（ｃ）ＩＶ−ＩＶ線断面図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

［第１実施形態］
図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態の光散乱素子を用いたレーザ光を二次元で走査してスクリーン上に画像を形成するための光偏向器の構成を説明する。第１実施形態では、光散乱素子１を光偏向器１０の光学窓として用いる。

【0020】

光散乱素子１は、透明且つ薄膜状に形成された光学素子２と、透明且つ薄膜状に形成された２つの電極３ａ，３ｂと、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて透明且つ薄膜状に形成された圧電素子４とを備える。

【0021】

光学素子２は、射出成型又はインプリント加工によって光散乱面２ａの表面加工された透明樹脂（例えば、アクリル又はポリカーボネート）又はガラスシートで形成されている。光学素子２に、透明な樹脂シートを用いた場合には、光散乱素子１を軽量且つ任意の形状に形成することができる。

【0022】

光学素子２は、レーザ光が出射する面である出射面（図２（ｂ）の上側の面）の表面に光を散乱する加工が施された領域である光散乱面２ａと、表面が平坦に形成されており光を散乱しない領域である非光散乱面２ｂとを有する。

【0023】

光学素子２のレーザ光が入射する面である入射面（図２（ｂ）の下側の面）には、２つの電極３ａ，３ｂのうち一方の電極３ａが接合されている。また、２つの電極３ａ，３ｂは、圧電素子４を挟むように接合されている。詳細には、電極３ａの光学素子２に接合されていない面（図２（ｂ）の下側の面）に圧電素子４の一方の面（図２（ｂ）の上側の面）が接合されており、圧電素子４の他方の面（図２（ｂ）の下側の面）には電極３ｂが接合されている。

【0024】

このように、光散乱素子１は、光学素子２、電極３ａ、圧電素子４及び電極３ｂが積層して一体に形成されている。光散乱素子１の製造工程については後述する。

【0025】

２つの電極３ａ，３ｂは、例えば、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）を用いている。インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）は、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法により形成される。なお、２つの電極３ａ，３ｂは、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）ではなく、酸化スズや酸化亜鉛を使用してもよい。また、光散乱素子１の表面、すなわち、光学素子２の入射面及び電極３ｂの、圧電素子４と接合されている面とは反対側の面（図２（ｂ）の下側の面）には、可視光の反射を防止する反射防止膜が表裏の両面にコーティングされている（図示省略）。

【0026】

光偏向器１０は、上記の光散乱素子１と、光を偏光する光偏向部材１１と、外郭となるパッケージ１２とを備える。光偏向器１０は、光散乱素子１を光偏向部材１１の偏向した光を出射する光学窓として用いる。

【0027】

光偏向器１０は、光散乱素子１の２つの電極３ａ，３ｂのそれぞれに対応する給電用の２つの電極パッド（図示省略）をハンダ又は導電性ペーストで２つの電極３ａ，３ｂに電気的に接続する。そして電極パッドに交番電圧を印加することで、圧電素子４を振動させる。このとき、圧電素子４ひいては光散乱素子１を高速に微小振動させるような交番電圧を印加する。更に交番電圧は、圧電素子４ひいては光散乱素子１の共振周波数で振動させるように印加する。これによって、同じ電気エネルギーに対して変換される機械エネルギーが大きくなり、光散乱素子１の振幅を効果的に大きくできる。

【0028】

光偏向部材１１は、光を反射するための揺動ミラー１１ａを備え、揺動ミラー１１ａを任意に回転駆動可能に構成されている。これによって、揺動ミラー１１ａが反射する光を任意の方向に出射することができ、レーザ光を二次元で走査してスクリーン上に画像を形成することができる。

【0029】

パッケージ１２は開口部１２ａを有し、この開口部１２ａに光偏向部材１１全体が格納される。このとき、光偏向部材１１の揺動ミラー１１ａの光を反射する面（図１の上側の面）が、パッケージ１２の開口側の面（図１の上側の面）と同じ方向になるように格納される。そして、パッケージ１２の開口部１２ａに光散乱素子１が嵌め込まれる。光散乱素子１は、光偏向部材１１との距離等の光学的なアライメントを考慮せずにパッケージ１２の開口部１２ａに嵌め込まれる。

【0030】

次に、上記のように構成された光散乱素子１によるスペックルパターンの平均化の原理について説明する。図３は、光散乱素子１によるスペックルパターンの平均化の原理の説明図である。図３（ａ）は図２（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図で示される光散乱素子１と圧電素子４を振動させる駆動回路１０１とを示す。図３（ｂ）は光散乱素子１を光偏向器１０の光学窓として用いた場合の説明図であり、光散乱素子１を図２（ａ）のＩ−Ｉ線断面図で示している。

【0031】

光散乱素子１は、図３（ａ）に示されるように、２つの電極３ａ，３ｂと駆動回路１０１とが閉回路になるように接続されている。また、光散乱素子１は、光学素子２の入射面（図２（ａ）の右側の面）が入射するコヒーレントな光（以下、「コヒーレント光」という）１１１の光軸（図２（ａ）の水平方向の破線）１１２に対して直交するように配置されている。

【0032】

圧電素子４は、駆動回路１０１から２つの電極３ａ，３ｂの間に交番電圧を印加されるとコヒーレント光１１１の光軸１１２に対して略直交方向に振動する。これに伴い、圧電素子４と一体に形成されている光学素子２の光散乱面２ａも同じ方向に振動する。光散乱面２ａが振動することで、光学素子２の光散乱面２ａに反射して散乱する光である散乱光１１３に振動成分が重畳される。上述したように、交番電圧は、光散乱素子１が高速且つ微小に振動するように印加されるため、この振動成分も高速且つ微小に振動するような成分となる。散乱光１１３の振動成分によって、光散乱面２ａによって散乱される光が様々な方向に変化し、結像されるスクリーンにおいて光の位相差が変動する。これによって、目の応答時間内に観察者の網膜上にて重ね合わせられ時間軸で平均（時間平均）される光の状態を数多く作り出せる。この結果、スペックルパターンを平均化させて、スペックルノイズを効果的に低減させることができる。

【0033】

このように、光散乱面２ａを高速に振動させることで、光散乱素子１に入射したコヒーレント光１１１を散乱し、スペックルパターンを混合及び平均化することで、スクリーン上に見えるスペックルノイズを効果的に低減できる。

【0034】

また、図３（ｂ）は、入射した光１１０が光偏向器１０の揺動ミラー１１ａの反射及び揺動によって偏向されて光散乱素子１から出射する場合の説明図である。レーザ光源から光散乱素子１に入射する光１１０は、光学素子２の非光散乱面（平坦に形成されている面）２ｂを介して光偏向部材１１の揺動ミラー１１ａに入射する。入射する光１１０が散乱されないため、投影画像を形成するコヒーレント光（図３（ｂ）では揺動ミラー１１ａからの反射走査光）１１１の解像度を落とすことはない。

【0035】

そして、揺動ミラー１１ａによって偏向された光が光学素子２の光散乱面２ａを介して光散乱素子１の外部、すなわち光偏向器１０の外部に出射する。光散乱面２ａは、コヒーレント光１１１のコヒーレント性によって発生するスペックルパターンを平均化する目的を達する上で必要最低限の散乱となるように形成される。このため、コヒーレント光（反射走査光）１１１の解像度に与える影響は極めて少ない。

【0036】

このように、光散乱素子１は、揺動ミラー１１ａが偏向した光１１１のみに作用してスペックルパターンを平均化するため、スクリーンに投影される画像の解像度を低減させることなくスペックルパターンを平均化し、スクリーン上でのスペックルノイズを低減することができる。

【0037】

次に、光散乱素子１の製造工程について説明する。

【0038】

従来、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される鉛系ペロブスカイト型化合物（酸化物）は、高い圧電性を有する材料として知られている。圧電ポリマーの代表例であるＰＶＤＦは、電気エネルギーから機械エネルギーに変換する性能指標である圧電定数ｄ３１が２０ｐｍ／Ｖ、電気機械結合係数ｋが０．１である。一方、ＰＺＴでは圧電定数ｄ３１が１１０ｐｍ／Ｖ、電気機械結合係数ｋが０．６〜０．８とＰＶＤＦに比べて高く、アクチュエータとしての応用については、圧電ポリマーよりも鉛系ペロブスカイト型化合物の方が格段に有利である。しかしながら、従来、鉛系ペロブスカイト型化合物はバルクセラミックスとしての応用が主体であり、シート形状や透明性を要求される応用は殆ど検討されて来なかった。

【0039】

近年になって、溶液塗布法、スパッタ法及びイオンプレーティング法等により、バルクセラミックスとして応用したときと同等の圧電性能を持った薄膜が形状できるようになってきた。１０〜５０μｍ程度の膜厚では、ＰＺＴでも可視光領域で８０％以上の透過率を示す。これによって、ＰＺＴを用いた場合であっても透明な膜として扱える。但し、ＰＺＴ等の鉛系ペロブスカイト型化合物を薄膜として成長させる温度は５００度以上と高く、耐熱性のある基板上にしか成長できない。基板材料としては、シリコンウエハが最も一般的であり、この他、ステンレス、酸化マグネシウム単結晶、石英等が用いられている。このように耐熱性が必要であり、光散乱面２ａを形成する樹脂やガラス上には直接成長させることができない。

【0040】

しかしながら、後述の図４（ｉ）以下の工程で示されるように、ＰＺＴ等の鉛系ペロブスカイト型化合物を成長基板から所望のパターンとして光散乱素子１の光学素子（樹脂及びガラスシート）２上に剥離転写することができるため、圧電素子４の材料として、ＰＺＴ等の鉛系ペロブスカイト型化合物を用いることができる。これによって、透明性が高く且つ圧電性能が高い圧電振動源として圧電素子４を光散乱面２ａを有する光学素子２と一体に形成することができる。このため、圧電素子４の材料として、圧電性能が低いチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような透明な部材を選択する必要がない。

【0041】

更に、光散乱素子１の圧電素子４として、圧電性能の高いＰＺＴ等の鉛系ペロブスカイト型化合物を用いることで、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する効率が高くなり、２つの電極３ａ，３ｂに印加する電圧を低下できる。

【0042】

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜（以下、「ＰＺＴ膜」という）の下部電極構造及び基板との密着層については多くの研究開発事例が報告されている。その中でも密着層としてチタン（Ｔｉ）を白金（Ｐｔ）の下部電極の下に形成することが最も一般的である。基板表面のシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ_２）との界面に酸化物（ＴｉＯｘ）を形成するとともに、Ｐｔの電極層に固相拡散してその一部がＰｔの表面に露出し、ＰＺＴの成膜時の初期核の形成や密着性に寄与するからである。一方、Ｔｉの酸化物であるＴｉＯ_２をＰｔの下部電極の下に形成する例も多い。これはＴｉの表面拡散層がＰＺＴの成膜の再現性を低下させたり、（１１１）優先配向を誘導することを回避するための選択である。

【0043】

Ｐｔ／ＴｉＯ_２の下部電極構造においても結晶性の良いＰＺＴ膜が形成されるが、Ｐｔ／Ｔｉの下部電極構造に比べて、ＰＺＴ膜との密着性が低いという欠点がある。このため、上記２つの構造の良いとこ取りを狙ったＰｔ／Ｔｉ／ＴｉＯ_２という３層構造からなる下部電極構造が提案されている。中間のＴｉ層の厚さをＴｉ単独の場合に比べて薄くすることにより、密着性と表面拡散の度合いのバランスを取ることができる。

【0044】

本実施形態の光散乱素子１を製造するときには、このＰｔ／Ｔｉ／ＴｉＯ_２という３層下部電極構造の中間Ｔｉ層をレーザ照射によるアブレーションで部分的に除去した後、Ｐｔ電極層をその上に成膜することにより、ＰＺＴ成膜前に潜像として剥離転写パターンを形成している。ＰＺＴ成膜時の基板の最表面は全面がＰｔの電極で覆われているため、ペロブスカイト結晶構造をもったＰＺＴ膜の成長には何ら影響を与えることなく、潜像として形成したＴｉ密着層のパターンによりＰＺＴ膜と下部電極との密着性の高い領域についてのみ、パターン形成することができる。

【0045】

パターンを処理する際には、下地との密着力が低下している未処理部に対して、超音波処理又はヒートショック等の処理を施すことによって、パターン処理がされている部分がＰｔ／ＴｉＯ_２界面できれいに選択的に剥離する。すなわちセルフリフトオフ効果によって効率的にＰＺＴ薄膜パターンアレイの剥離転写を実現できる。

【0046】

光散乱素子１の製造方法としては、ＰＺＴ薄膜パターンを剥離させる前に散乱面２ａの加工が施された透明樹脂又はガラスシートを接着させておくことにより、ＰＺＴ膜のみを同シートに剥離転写することができる。その後、転写されたＰＺＴ薄膜のシート側でない表面上にインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜をスパッタ法又は電子ビーム蒸着法等で形成することにより、ＰＺＴ薄膜に対して電圧を印加可能になる。光散乱素子の大きさは数ｍｍ角、ＰＺＴ膜の厚みは圧電出力と透明性とのバランスを考慮して１０〜５０μｍ程度が好ましい。

【0047】

図４は、本発明の実施形態の光散乱素子１の製造工程の一例を示している。図４（ａ）に示されるように、まずＳｉウエハ２１の表面に熱酸化膜２２を形成して基板２１，２２を設けた後、その上部に酸化チタン（ＴｉＯ_２）薄膜２３をＲＦバイアス励起のマグネトロンスパッタ法により形成する。基板２１，２２の具体的種類に制限はないが、好ましくはＳｉウエハ及びＳＯＩウエハのいずれかが望ましい。ＴｉＯ_２薄膜２３を形成後、図４（ｂ）のように、チタン（Ｔｉ）薄膜２４を上記と同様にマグネトロンスパッタ法により形成する。次いで、図４（ｃ）に示すようにＴｉ薄膜２４の一部の領域にのみ、集光した高出力のレーザビームを照射する。するとレーザ照射された領域のＴｉ薄膜２４がアブレーション効果によって蒸発して消失する。その結果、図４（ｄ）のようにＴｉＯ_２薄膜２３上にＴｉ薄膜２４のパターン２４ａ，２４ｂが形成される。

【0048】

このとき使用するレーザとしては、例えば、エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（３５５ｎｍ）、又は４倍高調波（２６６ｎｍ）であって、光出力が数１００ｍＪ／ｃｍ２と高出力のものが必要となる。ここで、代表的なエキシマレーザの各発振波長は、ＸｅＦでは３５１ｎｍ，ＸｅＣｌでは３０８ｎｍ，ＫｒＦでは２４８ｎｍ，ＫｒＣｌでは２２２ｎｍ，ＡｒＦでは１９３ｎｍである。また、使用されるレーザビームの形状と大きさは、素子デザインに対応して円形、矩形、線形などの様々なビームプロファイルに変更可能であることが好ましい。一般的に、ビームサイズが大きい場合にはエキシマレーザが、小さい場合にはＮｄ：ＹＡＧレーザが適しているが、集光光学系によってビームプロファイルを変更可能であるので、上記２種のレーザのどちらを用いても本質的な差はない。

【0049】

続いて、図４（ｅ）のように、Ｐｔ薄膜２５をマグネトロンスパッタ法により形成すると、Ｔｉ薄膜２４のパターン２４ａ，２４ｂは潜像となり、最表面にはＰｔ薄膜２５が基板１１上全面を覆う形となる。この後、図４（ｆ）のように、反応性アーク放電イオンプレーティング（ＡＤＲＩＰ）法によってＰＺＴ薄膜４を成長させる。この成膜時にはＰｔ電極が基板２１，２２の全面に渡って露出しているため、結晶性の良いＰＺＴ薄膜４が成長する。

【0050】

この後、図４（ｇ）のように、２つの電極３ａ，３ｂのうちの一方の電極である透明電極パターン３ａが形成され、且つ光散乱面２ａの加工が行なわれ光学素子２としての役目も果たす樹脂シート２，３ａに接着する。この後、基板２１，２２ごとＰＺＴ薄膜４を含む薄膜層に超音波処理又はヒートショック処理を施す（図４（ｈ））と、密着層であるＴｉが除去された領域（２４ａ，２４ｂ及び２５ａ，２５ｂ以外の領域）において、Ｐｔ／ＴｉＯ_２界面（２４と２５の界面）からＰｔ薄膜２５ごとＰＺＴ薄膜４が剥離し、図４（ｉ）のように、樹脂シート２，３ａ上にＰＺＴ薄膜４のセルフリフトオフによる剥離転写パターン４ａ，４ｂが形成される。

【0051】

続いて、図４（ｊ）のように、ＰＺＴ薄膜４のパターン４ａ，４ｂ上のＰｔ電極２５をエッチング除去して、透明な圧電ＰＺＴ薄膜パターン４ａ，４ｂが樹脂シート２，３ａ上に形成される。最後に図４（ｋ）のように、転写されたＰＺＴ薄膜パターン４ａ，４ｂの樹脂シート２，３ａ側でない表面上に、２つの電極３ａ，３ｂのうち他方の電極３ｂであるＩＴＯ等による透明導電膜３ｂａ，３ｂｂをスパッタ又は電子ビーム蒸着で形成することにより、光散乱素子１が完成する。

【0052】

以上のように、第１実施形態では、上述のように素子のみで振動するように光学素子２と圧電素子４とを薄膜状に一体に形成した光散乱素子１を光偏向器１０の光学窓として用いる。光散乱素子１は、交番電圧の印加によって振動する圧電素子４と光を散乱する光散乱面２ａを有する光学素子２とが薄膜状に積層されて一体に形成されているため、光散乱素子１のみでスペックルノイズを低減できる。

【0053】

また、第１実施形態の光偏向器１０は、上記の光散乱素子１を光学窓として備えているため、スペックルノイズを低減できると共に、加振手段のような駆動機構を更に付加する必要がないため、簡単な構成にでき、且つプロジェクタ筺体のデザインと独立する形でサイズを小さく維持できる。

【0054】

また、第１実施形態の光偏向器１０に用いられる光散乱素子１は、光を散乱して出射する光散乱面２ａと光を散乱させずに入射する非光散乱面２ｂとを有しているため、スクリーンに投影される画像の解像度を低減させることなくスペックルパターンを平均化し、スクリーン上でのスペックルノイズを低減することができる。

【0055】

また、第１実施形態では、光散乱素子１を高速且つ微小振動させて、光散乱面２ａによって散乱する散乱光１１３に振動成分を重畳し、スペックルノイズを低減している。このため、振動する光散乱素子１を介してレーザ光を出射すればよく、光散乱素子１と光偏向器１０との位置関係等の光学的なアライメントを考慮する必要はなく、パッケージ１２の開口部１２ａに嵌め込むだけでよい。これによって、光偏向器１０のサイズやデザイン等に与える影響を抑えることができる。

【0056】

［第２実施形態］
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２実施形態の光散乱素子を用いたレーザ光によってスクリーン上に画像を形成するための画像投影装置の構成を説明する。第２実施形態では、光散乱素子６を画像投影装置３０の光学窓として用いる。

【0057】

画像投影装置３０は、レーザ光源３１と、光偏向器３２と、制御回路３３と、光散乱素子６とを備える。

【0058】

レーザ光源３１は、レーザ光を光偏向器３２に対して出射する光源である。光偏向器３２は、レーザ光源３１からのレーザ光を内部に有する揺動ミラー（図示省略）によって偏向し、画像投影装置３０の外部に出射する。制御回路３３は、レーザ光源３１及び光偏向器３２の作動を制御する。第２実施形態の光偏向器３２は、第１実施形態の光偏向器１０とは異なり、光偏向器１０の光学窓を光散乱素子６で構成していない。

【0059】

第２実施形態の光散乱素子６は、第１実施形態と同様に、透明且つ薄膜状に形成された光学素子７と、透明且つ薄膜状に形成された２つの電極３ａ，３ｂと、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて透明且つ薄膜状に形成された圧電素子４とを薄膜状に積層して一体に形成している。第２実施形態の光学素子７は、入射した光を出射する面（図６（ｂ）の上側の面）の全面に光散乱面７ａが形成されており、第１実施形態の光学素子２の非光散乱面２ａのように光を散乱しない面は形成されていない点のみが第１実施形態の光学素子２と異なる。

【0060】

第２実施形態の光散乱素子６は、画像投影装置３０の外郭３４の開口部３４ａに光学窓として嵌め込まれている。光散乱素子１は、第１実施形態と同様に、光偏向部材１１との距離等の光学的なアライメントを考慮する必要はなく、外郭３４の開口部３４ａに嵌め込むだけでよい。そして、光散乱素子６の２つの電極３ａ，３ｂのそれぞれに対応する給電用の２つの電極パッド（図示省略）をハンダ又は導電性ペーストで２つの電極３ａ，３ｂに電気的に接続する。そして電極パッドに交番電圧を印加することで、圧電素子４を振動させる。画像投影装置３０は、レーザ光源３１の出射したレーザ光が光偏向器３２によって偏向され、この偏向された光が光散乱素子６を介して外部に出射する。

【0061】

このように、第２実施形態では、光学窓としての光散乱素子６は、光偏向器３２の揺動ミラーによって偏向された光を出射するだけであるため、第１実施形態の光学素子２の非光散乱面２ａのような面を形成しなくてよく、簡単な構成にすることができる。

【0062】

以上のように、第２実施形態では、上述のように素子のみで振動するように光学素子７と圧電素子４とを薄膜状に一体に形成した光散乱素子６を画像投影装置３０の光学窓として用いる。光散乱素子６は、交番電圧の印加によって振動する圧電素子４と光を散乱する光散乱面７ａを有する光学素子７とが薄膜状に積層されて一体に形成されているため、第１実施形態と同様に、光散乱素子６のみでスペックルノイズを低減できる。

【0063】

また、第２実施形態の画像投影装置３０は、上記の光散乱素子７を光学窓として備えているため、スペックルノイズを低減できると共に、加振手段のような駆動機構を更に付加する必要がないため、簡単な構成にでき、且つプロジェクタ筺体のデザインと独立する形でサイズを小さく維持できる。

【0064】

また、第２実施形態の画像投影装置３０の光学窓として用いられる光散乱素子６は、第１実施形態の偏向器１０の光学窓として用いた場合とは異なり、光偏向器３２の揺動ミラーによって偏向された光を出射するだけであるため、第１実施形態の光学素子２の非光散乱面２ａのような面を形成しなくてよく、簡単な構成にすることができる。

【0065】

また、第２実施形態では、光散乱素子６を高速且つ微小振動させて、光散乱面７ａによって散乱する散乱光１１３に振動成分を重畳し、スペックルノイズを低減している。このため、第１実施形態と同様に、振動する光散乱素子６を介してレーザ光を出射すればよく、光散乱素子６と光偏向器３２との位置関係等の光学的なアライメントを考慮する必要はなく、外郭３４の開口部３４ａに嵌め込むだけでよい。これによって、画像投影装置３０のサイズやデザイン等に与える影響を抑えることができる。

【0066】

また、第１実施形態及び第２実施形態では、圧電素子４と共に振動する光散乱素子１の振動方向が入射したレーザ光の光軸と直交する方向となるように配置している。これによって、光散乱面２ａによって散乱する散乱光１１３に振動成分を効率よく重畳でき、効果的にスペックルノイズを低減できる。

【0067】

また、第１実施形態及び第２実施形態では、圧電素子４と共に振動する光散乱素子１の共振周波数で振動するように、２つの電極３ａ，３ｂに交番電圧を印加している。これによって、交番電圧の電気エネルギーを効率良く機械エネルギーに変換でき、光散乱素子１を大きく振動できる。

【0068】

なお、第１及び第２実施形態では圧電素子の材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用したが、これに限らず、圧電性能に優れた材料であればよい。例えば、鉛系ペロブスカイト型化合物のいずれかの材料であってもよい。圧電素子４に、圧電性能に優れた材料を用いることで、２つの電極３ａ，３ｂに印加する電圧を低下でき、エネルギー消費量を抑えることができる。

【0069】

また、第１及び第２発明の光散乱素子を光偏向器又は画像投影装置の光学窓として使用した場合について説明したが、光散乱素子を利用する光学機器はこれに限らない。例えば、モバイル機器に搭載される小型のレーザプロジェクタ、車載用のヘッドアップディスプレイ、車両のインストルメントパネル用のプロジェクションディスプレイ、車両のＡピラー（フロントピラー）用のプロジェクションディスプレイなど様々な応用が考えられる。

【符号の説明】

【0070】

１…光散乱素子（第１実施形態）、２…光学素子、２ａ…光散乱面（散乱面）、２ｂ…非光散乱面、３ａ，３ｂ…２つの電極、４…圧電素子、６…光散乱素子（第２実施形態）、７…光学素子、７ａ…光散乱面（散乱面）、１０…光偏向器、３０…画像投影装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】