3. 光スキャナ式画像センサ (センサ + アクチュエータ)

アクチュエータを組み合わせたセンサの例として光スキャナ式画像センサを紹介する。図8に 電磁駆動による2軸光スキャナの構造を示す⁹⁾。シリコンのジンバル構造に駆動用コイルと鏡が形成されており、電流を流したコイルと外部の磁石の間に働く電磁力により鏡を2方向に偏向させることができる。なおこのセンサではガラス上の検出用コイルで鏡の向きを検出することも可能である。

この2軸光スキャナは、3次元的な距離画像センサ(レンジイメージャ)として用いられている。図9にその原理を示すが、光は1ns で30cm進むため、パルスレーザの光が対象で反射されて戻るまでの飛行時間から、対象までの距離を知ることができる。レーザ光をスキャンし反射してきた光を検出するのを電磁駆動2軸光スキャナを用いて行うことにより、距離画像を得ることができる¹⁰⁾。図9中に示す画像の色が距離に対応している。このシステムは東京の山手線の駅に設置されているプラットフォームドアに用いられており、飛び乗る人などを検知し事故を防ぐのに役立っている。なおこのレンジイメージャは、これからの自動車の自動運転に必要なLIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging)としても開発されている。このシステムの場合は、光スキャナを通して戻ってきた光を検出するため、背景光の影響を受けにくい。

以上のような電磁駆動以外に、静電駆動や圧電駆動などを用いた光スキャナも開発されている。図10は圧電薄膜をアクチュエータに用いた圧電駆動光スキャナの写真である¹¹⁾。チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)にNbを添加したPNZT薄膜を、シリコンの梁に3μm厚でスパッタ堆積により形成してあり、薄膜の上下の電極に電圧を印加すると、シリコン梁が曲がってばねで接続されたミラーを共振駆動することができる。なおこのばねに圧電薄膜を形成し、圧電センサとしてミラーの動きを検出することも行っているが、これによって共振状態に制御することが可能になる。このミラーは図11のような内視鏡型のOCT(Optical Coherent Tomography)プローブに用いられている。OCTは眼の断層画像を撮るのに使われているものであるが、この内視鏡型プローブの場合は、Swept-Source OCTと呼ばれるレーザの波長を変化させて異なる深さの情報を得る方法を用いた。これには波長可変の速度に対し、遅い速度で鏡を動かす必要があり、100Hz程度の低い共振周波数になるようにして用いている。図11の下はこれによって得られた指先の断層像であるが、写真の左右方向をスキャンするのにこのスキャナを使用する。