CN107544158A - 光学装置和光学设备 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及光学装置和包含光学装置的光学设备。光学装置包括：光学元件；壳体单元，其被配置成容纳光学元件；支撑部，被配置成可枢转地支撑光学元件以使光学元件能够相对于壳体单元倾斜；压电元件，被配置成将光学元件与壳体单元彼此连接；以及布置在压电元件上的电极。

Description

光学装置和光学设备

技术领域

本公开内容涉及光学装置和包含光学装置的光学设备。

背景技术

在通过使用激光作为光源在屏幕上显示图像的光学设备中，已知由于光的相干性而在屏幕上会出现斑点(不规则地出现的光的闪现或闪烁)。这样的斑点会降低显示质量和可视性。

JP-A-2015-138083公开了消除斑点的光学装置。JP-A-2015-138083中的光学装置包括光学元件(扩散板)和用于操作光学元件的驱动机构，其中，通过驱动机构来使布置在激光的光学路径上的光学元件移位，以便抑制激光的相干性以消除斑点。

在JP-A-2015-138083的光学装置中，使用由电活性聚合物材料制成的压电元件作为驱动机构。使用压电元件的驱动机构基于电压的施加而使压电元件伸展和收缩，从而通过伸展和收缩操作产生的力来使光学元件移位。

JP-A-2015-138083具体地公开了使用压电元件的驱动机构使光学元件移位以使其在沿着压电元件的平面上振动或旋转。然而，JP-A-2015-138083并未公开以下详细配置：当光学装置被布置在激光的光轴上并被使用时，光学元件在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位。关于这一点，因为由压电元件的伸展和收缩操作产生的力与驱动机构(例如，电机)产生的力相比非常小，所以当使用压电元件时，很难产生使光学元件的一部分抬升的倾斜运动。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而做出的，并且本发明的目的是提供一种光学装置和包含该光学装置的光学设备，所述光学装置能够利用简单的配置通过使用压电元件来使光学元件在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位。

为了达到这个目的，根据本发明的方面的光学装置包括：光学元件；壳体单元，其被配置成容纳所述光学元件；支撑部，其被配置成可枢转地支撑所述光学元件，以使光学元件相对于所述壳体单元倾斜；压电元件，其被配置成将所述光学元件与所述壳体单元彼此连接；以及布置在所述压电元件上的电极。

根据上述配置，提供了可枢转地支撑光学元件以使其能够倾斜的支撑部，使得光学元件的可能位移被限制为仅基于支撑部倾斜。因此，尽管由压电元件的伸展和收缩产生并且作用在光学元件上的力小，但支撑部(轴线)用作支点，使得光学元件可容易地倾斜。因此，当光学装置被布置成在激光的光轴上使用时，可以利用简单的配置使光学元件在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位。

在光学装置中，优选地，压电元件具有片状形状。

上述光学装置可以使用小的力来使光学元件倾斜，以致可以使用片状压电元件作为压电元件。当使用片状压电元件时，可以使光学装置小型化。

在光学装置中，优选地，压电元件在与壳体单元的布置有电极的一侧相邻的位置处具有限制部分，由此，所述压电元件的伸展和收缩受到限制。

在这种情况下，当给电极施加电压时，压电元件朝向壳体单元侧的伸展受到限制，但是压电元件主要朝向光学元件侧成比例地伸展。以这种方式，可以使得较大的力能够作用在光学元件上。

在光学元件中，优选地，在光学元件倾斜时作为倾斜中心的轴线和光学元件的相对于压电元件固定的部分被配置为在光学元件的厚度方向上彼此偏移。

在这种情况下，当施加电压时，从压电元件作用在光学元件上的线性方向上的力被容易地转换为在使光学元件倾斜的旋转方向上的力。

根据本发明的另一方面，提供一种光学设备，根据上述的光学装置被成多个地布置在激光的光轴上。

即使在光学元件的位移被限制为仅倾斜的上述光学装置的条件下，所述光学设备被配置为让激光穿过多个光学装置，因此也可以多样化地移动激光。

根据本发明的光学装置和光学设备，可以利用简单的配置使光学元件在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位。

附图说明

根据下文中给出的详细描述以及仅通过说明的方式给出并且因此不限制本发明的附图，会更全面地理解本发明，其中：

图1是光学装置的平面图；

图2是沿图1的线2-2取得的剖视图；

图3是沿图1的线3-3取得的剖视图；

图4是示出光学元件倾斜的状态的剖视图；

图5是修改示例的光学装置的平面图；以及

图6是光学设备的示意图。

具体实施方式

在下文中，将描述本发明的实施方式。

如图1至图3中所示，光学装置A包括具有矩形框架形状的壳体单元10。在成对角地位于壳体单元10中的两个角部处，分别形成有朝内周表面侧开口的凹部11。在每个凹部11中固定有轴承12。

在壳体单元10的内部布置有具有矩形板形状的光学元件20。在成对角地位于光学元件中的两个角部处，轴21被设置成在将两个角部互相连接的对角线上沿其厚度方向从中心部分延伸。每个轴21被可旋转且可枢转地支撑到被固定至壳体单元10的每个角部的每个轴承12。因此，光学元件20被配置为能基于轴21和轴承12围绕轴21的轴线P可旋转地移动。

关于轴21，其作为刚性体的构件，例如，可以优选使用硬树脂杆或金属杆。轴21相对于光学元件20的固定结构不被具体限制；例如，而是可以使用轴21被装配到光学元件20中设置的凹部中的装配结构或使用轴21被焊接至光学元件20的焊接结构。在本实施方式中，轴承12和轴21构成支撑部，该支撑部可枢转地支撑光学元件20，以使光学元件20可相对于壳体单元10倾斜。

关于光学元件20，可以使用减少斑点的公知的光学元件。关于光学元件20的具体示例，可以使用具有下述结构的光学元件，在该结构中，λ/4至λ/2的波长板形成有在通过对光穿过的光透射区域进行划分而得到的区域的表面上的精细结构，所述表面被形成为具有预定长度的棋盘图案或蜂窝图案，并且在每个划分的区域中光的光轴方向随机地不同。此外，关于光学元件20的材料，例如，可以使用由合成二氧化硅、光学玻璃、塑料等制成的介电材料或透光性材料。

如图1和图3所示，光学装置A包括将壳体单元10和光学元件20彼此连接的压电元件30。压电元件30是基于电压的施加沿其平面方向伸展和收缩的构件，其中，在本实施方式中，使用在平面图中具有大致矩形形状的片状压电元件。压电元件30被布置成在光学元件20的在平面图中使用轴线P作为边界的一侧跨越壳体单元10和光学元件20。

具体地，压电元件30被布置成跨越壳体单元10中的没有设置凹部11的两个角部中的一个角部和光学元件20的与所述两个角部中的这一个角部相邻的角部。压电元件30的一侧的端部的下表面侧被粘附至壳体单元10的上表面10a，并且压电元件30的另一侧的端部的下表面侧被粘附至光学元件20的上表面20a(壳体单元10的上表面10a和光学元件20的上表面20a是为了帮助理解而方便使用的名称，并不指定光学装置A的安装方向)。压电元件30以无松动的状态被粘附至壳体单元10和光学元件20。

关于压电元件30，可以使用公知的压电元件，例如，由电活性聚合物材料(例如，介电弹性体、电致伸缩材料铁电聚合物、压电聚合物、铁电聚合物、静电收缩聚合物、液晶聚合物、离子聚合物金属复合材料、机械化学聚合物、机械化学凝胶、离子交换树脂膜金属复合物和聚合物碳纳米管)制成的压电元件。

如图1和图3所示，压电元件30在其上表面和下表面上设置有一对电极31，用于在其厚度方向上使得压电元件30***其间。在平面图中，压电元件30具有被粘附至壳体单元10的第一固定部30a、被粘附至光学元件20的第二固定部30b以及没有粘附至壳体单元10和光学元件20的非固定部30c。电极31在平面图中被形成为L形，并且沿着第一固定部30a的边界被布置在压电元件30的非固定部分30c中。

光学装置A可以被应用作为在使用激光的公知的光学设备中减少斑点的部件。关于上述光学设备，例如，可以使用投影仪、激光打印机、曝光装置、光纤放大器、光谱仪、激光测量装置、光学拾取装置、光学曝光装置、光学测量仪器、偏振分析仪、偏振模色散补偿***、CCD传感器、CMOS传感器、相位差测量装置、激光加工装置、医疗装置、微型机械、用于车辆的HUD(头戴式显示器)、照明***和3DH显示装置。

接下来，将基于图3和图4来描述本实施方式的操作。

当在电极31之间施加电压时，压电元件30在***于电极31之间的部分处收缩，使得在非固定部30c中***于电极31之间的部分的外周部伸展。由于压电元件30的第一固定部30a和第二固定部30b被粘附至壳体单元10和光学元件20，并且第一固定部30a和第二固定部30b相对于壳体单元10和光学元件20的位置是固定的，因此第一固定部30a和第二固定部30b不会伸展。

压电元件30的非固定部30c伸展，使得在非固定部30c中出现弯曲，并且因此由于弯曲而产生的压力作用在光学元件20的被粘附至压电元件30的部分上。因此，如图4所示，通过使用光学元件20的被粘附至压电元件30的部分作为受力点并且使用轴21的轴线P作为支点，来使光学元件20倾斜，以消除上述弯曲。因此，本实施方式的光学装置A被布置成在激光的光轴上使用，使得激光在与轴线P垂直的方向(例如，图3和图4中的竖直方向)上入射到光学元件20中，以便可以在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位光学元件20。

下面将描述本实施方式的效果。

(1)光学装置A包括光学元件20、容纳光学元件20的壳体单元10、可枢转地支撑光学元件20以使其能够相对于壳体单元10倾斜的支撑部(轴承12和轴21)、将光学元件20和壳体单元10彼此连接的压电元件30，以及布置在压电元件30处的电极31。

根据上述配置，设置了可枢转地支撑光学元件20以使其能够倾斜的支撑部，使得光学元件20的可能的位移被限制为仅基于支撑部倾斜。因此，尽管由压电元件30的伸展和收缩产生的并且作用在光学元件20上的力小，但有支撑部的轴线P作为支点，因此使得光学元件20可以很容易地倾斜。因此，当光学装置A被布置成在激光的光轴上使用时，可以利用简单的配置使光学元件20在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位。

与光学元件20在预定平面上移位的情况相比，光学元件20在改变相对于光轴的倾斜角度的方向上移位，得到了优异的斑点减少效果。另外，还得到了消除衍射条纹的效果。

(2)此外，光学元件20的位移被限制为仅基于支撑部倾斜。因此，即使当相同大小的电压被施加于压电元件30时，也很少出现光学元件20的位移方向和位移量由于各种因素而发生变化的情况。另外，与光学元件20通过软压电元件支撑的配置相比，在光学元件20通过由刚性体制成的支撑部支撑的上述配置中，很少出现光学元件20的姿态由于作用在光学元件20上的重力的影响而发生变化的情况。因此，可以更精确地控制光学元件20的位移。

(3)压电元件30具有片状形状。

如上所述，光学装置A可以用很小的力使光学元件20倾斜，使得片状压电元件可以被用作为压电元件30。当使用片状压电元件30时，可以使光学装置A小型化。

(4)压电元件30具有在与壳体单元10的布置有电极31的一侧相邻的位置处被粘附至壳体单元10的第一固定部30a(限制部分)，由此压电元件30的伸展和收缩受到限制。

根据上述配置，当向电极31施加电压时，压电元件30朝向壳体单元10侧的伸展被限制，但是压电元件30主要朝向光学元件20侧成比例地伸展。以这种方式，可以允许较大的力作用在光学元件20上。因此，可以增加光学元件20的最大位移量(最大变化角度)，并且可以降低为了得到特定位移量所需的电压。

(5)如图3所示，当光学元件20旋转时轴线P和光学元件20的相对于压电元件30固定的部分被配置为在光学元件20的厚度方向(图3中的竖直方向)上彼此偏移。

根据上述配置，当施加电压时，从压电元件30沿线性方向作用在光学元件20上的力容易被转换成使光学元件20倾斜的旋转方向上的力。因此，可以增加光学元件20的最大位移量(最大变化角度)，并且可以降低为了得到特定位移量所需的电压。

(6)关于光学元件20，轴线P被使用作为沿着连接一侧的对角位置的对角线的线，并且压电元件30被粘附至位于另一侧的对角位置处的角部。也就是说，光学元件20的相对于压电元件30固定的部分被设置在距轴线P最远的位置处。

根据上述配置，当光学元件20倾斜时，受力点(光学元件20的相对于压电元件30固定的部分)与支点(轴线P)之间的距离变长。以这种方式，可以减小为了使光学元件20倾斜所需的力。

本实施方式也可以如下地修改和实施。

壳体单元10的形状不限于上述实施方式的配置，并且可以是除了环形和矩形外的其他形状，例如多角形框架形状。

光学元件20的外观不限于上述实施方式的配置，并且可以是除了环形、椭圆形和矩形外的其他形状，例如多角形形状。此外，光学元件20的外观只需是可倾斜地容纳在壳体单元10内部的形状即可。例如，壳体单元10的内周形状和光学元件20的外观可以彼此不同(可以彼此不相似)。

在上述实施方式中，关于支撑部，设置有轴承12和轴21。然而，支撑部的配置不受特定限制，只要支撑部可枢转地支撑光学元件20以使其能够相对于壳体单元10倾斜即可。例如，可以使用具有下述配置的支撑部：在该配置中，一侧的轴承12和轴21被去掉，从而以悬臂的形式来支撑光学元件20。此外，可以使用具有下述配置的支撑部：在该配置中，在壳体单元10和光学元件20的一侧设置弧状凹槽部，并且在另一侧设置可***到凹槽部中的突出部，以使突出部能够在凹槽部内移动，以便光学元件20相对于壳体单元10旋转。

可以改变光学元件20的支撑部的位置(轴线P的位置)。例如，如图5所示，支撑部可以被设置成使得轴线P成为沿着光学元件20的侧边延伸的线。此外，支撑部可以被设置成使得轴线P成为不穿过光学元件20的中心(重心)的线，也就是说，轴线P偏离光学元件20的中心(重心)。

在上述实施方式中，压电元件30的平面形状为大致矩形形状；然而，压电元件30的平面形状不受特定限制，只要它是可布置成跨越壳体单元10和光学元件20的形状即可。

可以改变压电元件30相对于光学元件20的布置。例如，如图5所示，压电元件30可以布置在跨越光学元件20和壳体单元10的侧边的中心部分的位置处。此外，压电元件30可以被布置成当光学元件20旋转时轴线P和光学元件20的相对于压电元件30固定的部分在光学元件20的厚度方向上彼此重合。

用于将壳体单元10连接至光学元件20的压电元件30可以设置成多个。例如，相对于图1中所示的光学装置A，压电元件30还可以被设置在图5所示的位置处。当设置有多个压电元件30时，在每个压电元件30上设置电极31。此外，当设置有多个压电元件30时，调节对每个压电元件30的电压施加时间和要施加的电压的大小，以便可以更精确地控制光学元件20的位移。

此外，还可以在有轴线P介于其之间的两侧均设置压电元件30。在这种情况下，优选地，当有轴线P介于两侧之间时，设置在相对侧的压电元件30被设置成在壳体单元10的下表面和光学元件20的下表面上粘附至壳体单元10和光学元件20。

压电元件30相对于壳体单元10和光学元件20的固定方法不限于粘附。例如，壳体单元10由两个构件制成，所述两个构件通过在壳体单元10的厚度方向上将壳体单元10分开而得到，并且压电元件30被***在两个构件之间，以便压电元件30可以固定到壳体单元10。

电极31的形状和布置不受特定限制，只要电极31被布置在压电元件30的非固定部30c处即可。

可以给一个压电元件30提供能够独立施加电压的多个(多对)电极31。在这种情况下，调节对每个电极的电压施加时间和要施加的电压大小，以便可以更精确地控制光学元件20的位移。

如图6所示，在使用光学装置A作为减少斑点的部件的光学设备B中，多个光学装置A被优选地布置在从光源40输出的激光的光轴X上。

在这种情况下，即使在光学元件20的位移被限制为仅倾斜的光学装置A的条件下，由于光学设备B被配置为激光穿过多个光学装置A，因此也可以多样化地移动激光。

Claims (5)

1.一种光学装置，其包括：

光学元件；

壳体单元，其被配置成容纳所述光学元件；

支撑部，其被配置成枢转地支撑所述光学元件以使所述光学元件能够相对于所述壳体单元倾斜；

压电元件，其被配置成将所述光学元件与所述壳体单元彼此连接；以及

电极，其布置在所述压电元件上。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述压电元件具有片状形状。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

所述压电元件在与所述壳体单元的布置所述电极的一侧相邻的位置处具有限制部分，由此所述压电元件的伸展和收缩受到限制。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，

在所述光学元件倾斜时作为倾斜中心的轴线和所述光学元件的相对于所述压电元件固定的部分被配置成在所述光学元件的厚度方向上彼此偏移。

5.一种光学设备，其包括：

多个光学装置，每个光学装置都包括：光学元件；壳体单元，其被配置成容纳所述光学元件；支撑部，其被配置成枢转地支撑所述光学元件以使所述光学元件能够相对于所述壳体单元倾斜；压电元件，其被配置成将光学元件与所述壳体单元彼此连接；以及被布置在所述压电元件上的电极，其中，

所述多个光学装置被布置在激光的光轴上。