JP2010122283A - 光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】ライトパイプを用いなければ、スペックルの低減率が低くなるという問題を解決する光学ユニットを提供する。
【解決手段】光循環セル群を構成する光循環セル１および２のそれぞれは、半透過面である入射面に入射された入射光３１を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光にする。また、光循環セル１および２は、間隙なく設けられ、他の光循環セルと隣接する側面が半透過面であり、半透過面以外の面は全反射面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタに関し、特には、レーザ光を走査してスクリーンに画像を投射するための光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタに関する。

赤色、青色および緑色などのレ−ザ光を用いてスクリ−ンに画像を投射するレ−ザディスプレイは、低消費電力で優れた演色性を有する次世代のディスプレイとして注目を集めている。

このようなディスプレイには、前面投射型と背面投射型とがある。背面投射型ディスプレイは、リアプロジェクションテレビまたはレーザテレビとも呼ばれ、家庭用の大型テレビやパソコン用のディスプレイなどに用いられる。背面投射型ディスプレイでは、レーザ光を小型の液晶パネルに均一に照射し、その照射されたレーザ光を光学レンズを用いてスクリ−ンに結像して、画像を表示する結像型ディスプレイが主流である。

一方、前面投射型ディスプレイは、レーザプロジェクタとも呼ばれ、会議、教育および営業のプレゼンテ−ションなどの用途に用いられる。このため、携帯性に優れた小型のものが期待されている。前面投射型ディスプレイでは、水平および垂直方向に振動する反射鏡（走査鏡）を用いてレ−ザ光をスクリ−ン上に高速で走査して、画像を表示する走査型プロジェクタが主流である。なお、走査型プロジェクタは、結像のための光学系が必要ないため、任意の位置の任意の形状の投射面に画像を投射することができる。

ディスプレイの出射光に要求される特性は、ディスプレイの種類に応じて異なる。例えば、結像型ディスプレイでは、１辺が１０ｍｍ程度の液晶パネルを均一に照射するために、出射光には、幅の大きい拡散光が要求される。また、走査型ディスプレイでは、高い解像度の画像を得るために、出射光には、数ｍｍまたは１ｍｍ以下の細い幅と、スクリーンまで伝播する際の幅の広がりが十分小さいことが要求される。なお、走査鏡のサイズが１ｍｍ以下の場合には、出射光の幅も１ｍｍ以下でなければならない。

レ−ザディスプレイでは、このように投射方式の違いによって出射光に要求される特性は異なるが、投射方式に関わらず、スクリ−ンに投影された出射光により、スクリーンにスペックルが発生し、投射された画像の画質が低下するという共通の問題がある。

スペックルによる画質の低下は、スペックルのコントラストで評価できる。スペックルのコントラストは、スペックルの明暗分布（出射光の光強度分布）の分散をその明暗分布の平均で除した値で定義され、その最大値は１００％である。レーザディスプレイの実用化のためには、スペックルのコントラストを１０％以下（望ましくは５％以下）にしなければならない。

スペックルを低減する方法には、互いに独立した複数の光源から出射された光を単一の光に合成する方法と、比較的スペクトル幅の広い光を用いる方法がある。しかしながら、一般に波長が近接した光を完全に合成することや、光のスペクトル幅を広げることは容易ではない。

また、互いに独立した複数の光源から出射した同一波長かつ同一強度の光を合成する場合、スペックルのコントラストは、光源の数の平方根に反比例して減少する。例えば、１個の光源を用いた場合のスペックルのコントラストが１００％であるとすると、３個の光源を用いた場合のスペックルのコントラストは、約５７％になる。また、スペックルのコントラストを５％にするためには、４００個ほどの独立な光源が必要となる。したがって、スペックルを、レーザディスプレイの実用化できる程度に低減するには、非常に多くの光源が必要となり、現実的ではない。

したがって、これらの方法では、レーザディスプレイの実用化を図ることが困難である。

特許文献１には、これらの方法とは別の方法を用いてスペックルを低減することが可能な光源装置が記載されている。

この光源装置では、一つの光源から出射された光線を反射鏡と半透過鏡とを用いて多重反射させて複数の光線に分割し、その複数の光線を再び合成する多重反射法と、光ファイバーなどのライトパイプを用いたライトパイプ法とが併用されている。

多重反射法では、分割された複数の光線の光路差が光源から出射された光線のコヒーレンス長より長いと、その分割された複数の光線は、互いに独立した光線とみなせる。このため、その分割された複数の光線が合成されると、スペックルは低減する。

なお、分割された複数の光線の光路差が光源から出射された光線のコヒーレンス長より小さくても、スペックルは低減されるが、その低減率は小さい。また、合成される光線の光強度が互いに等しいほど、スペックルの低減率が大きい。

特許文献１に記載の光源装置では、図２４で示すように、４つの直角プリズム５１のそれぞれの斜辺を有する側面が、他の直角プリズムの斜辺を有する側面と接合される。また、直角プリズムのいずれかの斜辺でない辺を有する側面が半透過鏡５２として利用され、残りの直角プリズムの斜辺でない辺を有する側面が反射面として利用される。なお、半透過鏡５２の反射率は、約５０％である。

また、レーザ光がその半透過鏡５２に対して４５度の角度で入射され、反射光と透過光に分岐される。透過光は、直角プリズム内部の反射面で多重反射されながら、直角プリズムの内部を循環して入射位置に戻る。透過光は、その入射位置で２つに分岐され、一方が反射光と重なり合って単一の光に合成され、他方が再び透過光として直角プリズム内部を循環する。このように循環した透過光、順次直角プリズムの内部から出力され反射光と合成されて出射される。

直角プリズム５１内部の透過光の光路長が、レーザ光のコヒーレンス長より長ければ、スペックルを低減することができる。なお、レーザ光を反射光と透過光に分岐し、それらを再び重ね合わせるための光学系を、光循環セルと呼ぶ。

また、特許文献１に記載の光源装置では、直角プリズム５１から出射された光がライトパイプ（光ファイバ）に入力される。光学装置は、このライトパイプから出射される拡散光を液晶セルに照射し、その照射されたレーザ光をスクリ−ンに結像する。これにより、スペックルをさらに低減することができる。なぜなら、ライトパイプに入力された光は、ライトパイプ内部で複雑な反射と拡散が行われるために、干渉性が失われるからである。
特開２００８−１１２６２３号公報

ライトパイプから出射される光は、幅が１０ｍｍ以上の太く均一な拡散光になるので、ライトパイプ法は、出射光に細い幅が要求される走査型レーザプロジェクタに用いることはできない。したがって、走査型レーザプロジェクタでは、ライトパイプを用いずにスペックルのコントラストを１０％以下にしなければならない。

特許文献１に記載の光源装置からライトパイプを除くと、スペックルのコントラストは、最大で５７％までしか低減することができない。なお、５７％は、３個の独立した光を合成させた場合のスペックルの低減率に相当する。

スペックルのコントラストを最大で５７％までしか低減できない理由は、ライトパイプを除いた光源装置から出射される出射光の光強度が急激に減衰するためである。例えば、
半透過鏡で反射する反射光の光強度は、入射光の光強度の５０％であるが、直角プリズム内部を１回だけ循環して出射される光の光強度は、入射光の光強度の２５％になる。その後、直角プリズム内部を循環する回数が増えるに従い、１２．５％、６．５％…と急激に減衰する。

したがって、特許文献１に記載の光源装置には、ライトパイプを用いなければ、スペックルの低減率が低くなるというという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題である、ライトパイプを用いなければ、スペックルの低減率が低くなるという問題を解決する光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタを提供することである。

本発明による第一の光学ユニットは、入射光が入射する入射面が半透過面とされ、該入射光を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とする光学セルを複数備える光学セル群を有し、前記光学セル群を構成する複数の光学セルは、間隙なく設けられ、他の光学セルと隣接する面が半透過面であり、前記半透過面以外の面は全反射面である。

また、本発明によるレーザ出射装置は、前記光学ユニットと、前記光学ユニットに光を出射する光源と、を有する。

また、本発明によるレーザプロジェクタは、前記レーザ出射装置と、前記光学ユニットから出射された出射光を走査してスクリーンに投射する走査鏡とを有する。

本発明によれば、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を高くすることが可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の第一の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１において、光学ユニットは、光循環セル１および２を備える光循環セル群を有する。

光循環セル１および２は、互いに同じ形状の多面体であり、間隙なく設けられる。

光循環セル１は、半透過面１１と、反射面１２〜１４とを有し、その半透過面１１と反射面１２〜１４とで囲繞される。これにより、光循環セル１は、半透過面１１と反射面１２〜１４とを側面として有する、横断面が長方形状の柱状多面体（直方体）になる。

例えば、光循環セル１は、光を透過する光透過部材で直方体状に形成される。光透過部材の側面のいずれかに半透過膜が形成され、その他の側面に反射膜が形成される。この場合、半透過膜が形成された側面が半透過面１１となり、反射膜が形成された側面が反射面１２〜１４となる。

また、光循環セル１は、互いに独立した４枚の板で形成されてもよい。この場合、光循環セル１は、その４枚の板で囲繞される。その４枚の板のいずれかの光循環セル１の内部側の面には半透過膜が形成され、その他の板の光循環セル１の内部側の面には反射膜が形成される。なお、少なくとも半透過膜が形成される板は、光透過部材で形成される。この場合、半透過膜が形成された面が半透過面１１となり、反射膜が形成された面が反射面１２〜１４となる。

半透過面１１は、光循環セル１の外部から光が入射される入射面である。光循環セル１は、その入射された光のうちの半透過面１１で透過された光を、循環光として半透過面１１および反射面１２〜１４を用いて循環させ、その循環光のうちの半透過面１１で透過された光のそれぞれと、入射光３１のうちの半透過面１１で反射された光とを出射光とする。

具体的には、反射面１２〜１４は、入射された光のうちの透過された光を、循環光として反射することで、光循環セル１の内部を循環させて半透過面１１に入射する。

半透過面１１は、その入射された循環光を反射および透過する。半透過面１１は、循環光のうちの透過した光を、出射光として自セルから出射する。また、半透過面１１は、循環光のうちの反射した光を再び循環光として循環させる。

半透過面１１では、循環光が入射されるたびに、この動作が繰り返される。これにより、光循環セル１は、循環光のうちの半透過面１１で透過された光と、入射光された光のうちの半透過面１１で反射された反射光３２とを出射光として出射することになり、入射された光を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とすることになる。なお、この複数の出射光は、入射面から出射される。

光循環セル２は、半透過面２１と、反射面２２〜２４とを有する。反射面２３は、光循環セル１と隣接する側面であり、光循環セル１の半透過面１１と兼用される。また、光循環セル１および２の入射面および他の光循環セル２に隣接する側面以外の側面である反射面１２〜１４、２２および２４は、全反射膜が形成された全反射面である。

光循環セル２の詳細な説明は、光循環セル１の説明において、半透過面１１と反射面１２〜１４とを、半透過面２１と反射面２２〜２４とに読み替えればよいので、省略する。

なお、光循環セル１および２が、互いに独立した４枚の板で形成される場合、反射面１２および２２が一つの板の表面に形成され、反射面１４および２４が一つの板の表面に形成されてもよい。

また、光循環セル群が備える光循環セルの数（以下、セル数と称する）は、本実施形態では、２で、実際には複数あればよい。一般に、複数の光循環セルは、入射面と他の光循環セルに隣接する側面が半透過面となり、その半透過面以外に側面が全反射面となる。例えば、図２で示したように、光学ユニットは、光循環セル１および２に加えて、光循環セル２の反射面１２と隣接する光循環セル３と、光循環セル２の反射面１４と隣接する光循環セル４を有しているもよい。この場合、反射面１２および１４は、半透過膜が形成された半透過面となる。

さらに、光透過部材は、例えば、ガラスやＧａＡｓ基板である。また、半透過膜は、例えば、例えば、誘電体膜が積層された誘電体多層膜で形成され、全反射膜は、銀で形成される。

次に動作を説明する。

入射光３１が光学ユニットの外部から光循環セル２の入射面である半透過面２１に入射される。入射光３１は、半透過面２１で反射および透過され、反射光３２と透過光３３とに分岐される。反射光３２は、出射光３６として光学ユニットの外部に出射される。

透過光３３は、光循環セル２の内部に循環光３４として出射される。循環光３４は、反射面２２で反射され半透過面１１に入射される。半透過面１１に入射された循環光３４は、半透過面１１で反射および透過される。

循環光３４のうちの半透過面１１で反射された光は、循環光３４として光循環セル２の内部に出射される。

一方、循環光３４のうちの半透過面１１で透過された光は、光循環セル１の内部に循環光３５として出射される。循環光３５は、反射面１２〜１４で順番に反射されて半透過面１１に入射される。

半透過面１１に入射された循環光３５は、半透過面１１で反射および透過される。循環光３５のうち半透過面１１で反射された光は、再び循環光３５として光循環セル２の内部に出射される。

一方、循環光３５のうち半透過面１１で透過された光は、循環光３４として光循環セル１の内部に出射される。

半透過面１１から出射された循環光３４は、反射面２３で反射され半透過面２１に入射される。半透過面２１に入射された循環光３４は、反射および透過される。

循環光３４のうち半透過面２１で反射された光は、再び循環光３４として光循環セル２の内部に出射される。

一方、循環光３４のうち半透過面２１で透過された光は、出射光３６として光学ユニットの外部に出射される。

次に、光学ユニットの形状について説明する。

光循環セル１および２の横幅をａ、光循環セル１および２の縦幅をｂとする。光循環セルの横幅は、その光循環セルの入射面に沿った方向（横方向）の長さであり、光循環セルの縦幅は、その光循環セルの入射面に垂直な方向（縦方向）の光循環セルの長さである。

光循環セル１および２において、自セルから出射される複数の出射光は互いに合成される。ここでそれらの光が互いに独立した光とみなせると、入射光３１によるスペックルの低減率が高くなる。つまり、その複数の出射光の光路長の差が、入射光３１のコヒーレンス長以上であることが望ましい。

出射光の光路長の差が入射光３１のコヒーレンス長以上になるためには、循環光３４および３５の光路長（以下、循環光路長と称する）がコヒーレンス長以上であればよい。ここで、循環光路長Ｌは、Ｌ＝２（ａ²＋ｂ²）^1/2で表すことができる。したがって、入射光３１のコヒーレンス長をＬ_cとすると、光循環セル１および２は、Ｌ＝２（ａ²＋ｂ²）^1/2≧Ｌ_cを満たすように構成されることが望ましい。

また、光循環セル１および２では、自セルの半透過面における自セルの外部から入射される入射光（入射光３１または循環光３４）の入射位置と、自セルの半透過面における自セルの内部から入射される入射光（循環光３４または３５）の入射位置とが一致すれば、自セルから出射される出射光は同じ光軸上で合成される。このため、その出射される光の幅（口径）が最も小さくなる。

したがって、光学ユニットは、それらの入射位置が一致するように構成されることが望ましい。それらの入射位置が一致する光学ユニットの形状は、光循環セルの半透過面における自セルの外部から入射される入射光の入射角度に応じて異なる。このため、この入射角度に応じて、光学ユニットの形状を定める必要がある。

この入射角度をθとすると、それらの入射位置が一致するためには、ａ／ｂ＝ｔａｎθを満たす必要がある。したがって、光学ユニットの形状と入射角度とは、関係式「ａ／ｂ＝ｔａｎθ」を満たすように設計されることが望ましい。以下、この関係式を満たす入射角度θを設定入射角度と称する。

図３は、設定入射角度が４５°の場合における入射光３１の入射角度θと出射光３６の光強度分布の関係を示した説明図である。図３において、横軸は、位置Ｘ[ｍｍ]を示し、縦軸は出射光３６の光強度Ｐを示す。なお、光強度Ｐの単位は任意である。また、光循環セル２だけがあるとしている。つまり、セル数を１としている。

図３では、入射角度が設定入射角度４５°のときに出射光３６の光強度Ｐがピークとなる位置を原点「０」としている。さらに、入射角度が設定入射角度４５°のときの出射光３６の幅を１ｍｍであるとし、入射角度が設定入射角度４５°のときの出射光１１５の光強度Ｐのピークを１としている。

図３示されたように、出射光３６の幅は、入射角度が設定入射角度４５°の場合に最も狭く、入射角度が４５°からずれるほど、広くなっている。

これは、入射角度が設定入射角度４５°の場合、入射光３１の半透過面２１の入射位置と、循環光３４の半透過面２１における入射位置とが一致する。また、入射角度が設定入射角度４５°からずれるほど、入射光３１の半透過面１１における入射位置と、循環光３４の半透過面１１における入射位置とがずれるためである。

また、入射角度が４５°から１°ずれると、出射光３６の光強度Ｐの分布に複数のピークが現れる。つまり、出射光３６が多峰化する。なお、多峰化とは、単峰光が多峰光になる現象である。また、単峰光とは、光強度のピークが一つの光であり、多峰光とは、光強度のピークが複数ある光のことである。

したがって、入射角度は設定入射角度４５°からずれるほど、出射光３６の光強度分布が歪む。

また、セル数が２以上の場合、入射角度が４５°からずれていると、各光循環セルから光が出射されるたびに、その光の光強度分布が歪むこととなり、出射光３６の歪みが大きくなる。したがって、セル数が多いほど入射角度を精密に制御する必要がある。

次に光学ユニットの特性について説明する。

先ず、入射光３１が光学ユニットに入射されてから出射光３６として出射されるまでに、入射光３１が循環光３４および３５として光循環セルを循環する回数（以下、回転数と称する）と出射光３６の光強度の関係について説明する。

図４は、セル数が１および２の場合における回転数ｎと出射光３６の光強度Ｐとの関係を示したグラフである。図４において、横軸は回転数ｎ[回]を示し、縦軸は出射光３６の光強度Ｐを示す。光強度の単位は、任意でよい。なお、入射光３１の光強度を１としている。

先ず、セル数が１の場合について説明する。この場合、光循環セル２だけが存在し、半透過面１１の代わりに全反射面を有する。なお、半透過面２１の反射率は、０．４２とする。

この場合、入射光３１は、反射率が０．４２の半透過面１１に１回だけ入射されるので、回転数ｎが０である出射光３６の光強度Ｐは、入射光３１の光強度の４２％になる。また、回転数ｎが多くなるに従い、出射光３６の光強度Ｐは、入射光１１１の光強度の３４％、１４％、６％…と急激に減少する。

続いて、セル数が２の場合について説明する。なお、半透過面２１の反射率は、０．２５であるとし、半透過面１１の反射率は、０．４２であるとする。

この場合、入射光３１は、複数の半透過面（半透過面１１および２１）に入射されるので、回転数が０である出射光３６の光強度は、セル数が１の場合と比べて小さくなる。具体的には、回転数ｎが０である出射光１１５の光強度Ｐは、入射光３１の光強度は、２５％になる。また、回転数が多くなるに従い、出射光３６の光強度は、２３％、２１％、１１％と、セル数が１の場合に比べて緩やかに減少する。

したがって、セル数が２の場合、出射光３６の光強度Ｐが均一化されていることがわかる。また、半透過面の反射率を適宜設定すれば、セル数が増えるほど、出射光１１５の光強度Ｐがより均一化される。

続いて、半透過面の反射率とスペックルコントラストの関係について説明する。

半透過面２１の反射率をμ₁とし、半透過面１１の反射率μ₂とすると、出射光３６によるスペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）は、数１で示すことができる。なお、入射光３１のスペックルコントラストを１としている。

ここで、φ（ｋ−ｎ−ｍ）は階段関数であり、数２を満たす。

また、_nＣ_m・_k-n-1Ｃ_m-1は数３を満たす

数１で計算されたスペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）を、半透過面２１および１１の反射率μ₁およびμ₂に関する等高線グラフで示すと、図５のようになる。

図５で示されたように、出射光３６のスペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）は、μ₁＝０．３５〜０．５０、かつ、μ₂＝０．２５〜０．６０を満たすときに最小となる。したがって、半透過面２１および１１の反射率μ₁およびμ₂はこのような値を満たすことが望ましい。

続いて、半透過面１１の反射率μ₂を固定したときの、半透過面２１の反射率μ₁とスペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）との関係について説明する。

図６は、半透過面２１の反射率μ₁とスペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）との関係を示したグラフである。図６において、横軸は、半透過面２１の反射率μ₁を示し、縦軸は、スペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）を示す。

また、図６では、半透過面１１の反射率μ₂が０．４２と１の場合におけるグラフが示されている。なお、半透過面１１の反射率μ₂が１のグラフは、セル数が１の場合に相当する。

図６で示されたように、セル数が２の場合、スペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）は、半透過面２１の反射率μ₁が０．２５のときに最小となる。その最小値は、０．４３であり、セル数が１のときのスペックルコントラストＣ（μ₁，μ₂）の最小値よりも小さい。

次に効果を説明する。

本実施形態によれば、光循環セル群を構成する光循環セル１および２のそれぞれは、半透過面である入射面に入射された入射光３１を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光にする。また、光循環セル１および２は、間隙なく設けられ、他の光循環セルと隣接する側面が半透過面であり、半透過面以外の面は全反射面である。

この場合、入射光３１が複数の光循環セルに入射されるので、光学ユニットから出射される出射光３６の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、光循環セル１および２は、同じ形状の多面体である。この場合、各光循環セルから出射される出射光の光路長の差を均一化することができるので、スペックルの低減率のばらつきを軽減することが可能になる。

次に第二の実施形態について説明する。

図７は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図７において、光学ユニットは、支持板１００と、導光板１０１と直角プリズム１０２および１０３とを有する導光部材と、光循環セル群１０４〜１０７とを含む。

支持板１００は、例えば、アルミニウムまたはガラスなどで板状に形成される。

導光板１０１は、光透過部材で直方体状に形成され、支持板１００に立設される。

導光板１０１のある側面は、全反射膜が形成された全反射面１１１である。また、導光板１０１の全反射面１１１と対向する側面は、半透過膜が形成された半透過面１１２である。

直角プリズム１０２および１０３のそれぞれは、光透過部材で三角柱状に形成され、支持板１００に立設される。なお、直角プリズム１０２および１０３の横断面は、直角三角形である。

導光板１０１の全反射面１１１の両端部には、直角プリズム１０２および１０３のそれぞれの斜面と異なる面が隣接している。なお、直角プリズムの斜面は、横断面の直角三角形の斜面を有する側面である。また、導光板１０１と直角プリズム１０２および１０３とが接している箇所には、全反射膜が形成されていない。

直角プリズム１０２の斜面は、入射光１２０が入射されるための入射面１１３であり、直角プリズム１０３の斜面は、出射光１２１を出射するための出射面１１４である。なお、入射面１１３および出射面１１４には、入射光１２０および出射光１２１の反射を防止するための反射防止膜が形成されている。なお、反射防止膜は、例えば、アルゴンで形成される。

光循環セル群１０４〜１０７のそれぞれは、図１で示した光循環セル群と同様に、光循環セル１および２を有する。

光循環セル群１０４〜１０７は、互いに間隙を開けて並設される。また、光循環セル群１０４〜１０７は、光循環セル群１０４〜１０７のそれぞれの光循環セル２の反射面１２〜１４と異なる側面が、導光板１０１の半透過面１１２に接するように設けられる。これにより、反射面１２〜１４と異なる側面が半透過面１１として機能する。

導光部材は、入射光１２０を光循環セル群１０４〜１０７のそれぞれの光循環セル２に入射させ、また、光循環セル群１０７からの出射光を出射する。なお、直角プリズム１０２および１０３は、出射光１２１や入射光１２０が導光部材から出入射される際に、その出射光１２１や入射光１２０が屈折しないために用いられる。

次に動作を説明する。

直角プリズム１０２の入射面１１３に入射された入射光１２０は、直角プリズム１０２および導光板１０１を介して光循環セル群１０４の光循環セル２の半透過面２１に入射される。

光循環セル群１０４から出射された出射光は、導光板１０１の全反射面１１１で反射されて光循環セル群１０５に入射される。

以下、このような動作が光循環セル群１０５〜１０７まで順番に繰り返される。そして、光循環セル群１０７から出射された出射光は、導光板１０１および直角プリズム１０３を介して、出射１２１として直角プリズム１０３の出射面１１４から出射される。

なお、光循環セル群１０４〜１０７の動作は、図１で示した光学ユニットの動作と同様なので、詳細な説明は省略する。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セル群１０４〜１０７は並設される。導光部材は、入射光１２０を光循環セル群１０４〜１０７のそれぞれに入射され、光循環セル群１０７からの出射光を出射する。

この場合、入射光１２０をより多くの光循環セルに入射することが可能になるので、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

次に第三の実施形態について説明する。

図８は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図８において、光学ユニットは、支持板１００と、導光板１０１と直角プリズム１０８を有する導光部材と、光循環セル群１０４〜１０７とを含む。

直角プリズム１０８は、直角プリズム１０８の斜面が導光板１０１の反射面１１１と垂直な側面の一方と隣接するように、支持板１００上に立設される。なお、直角プリズム１０８は、図７で示した直角プリズム１０２および１０３と同様に、光透過部材で、横断面が直角三角形の三角柱状に形成される。

直角プリズム１０８の斜面と異なる側面の一方が、入射面１１３となり、他方が、出射面１１４となる。

また、導光板１０１の直角プリズム１０８と隣接する側面に対向する側面側に、光循環セル群１０４〜１０７の所定位置からの出射光を反射して、再び光循環セル群１０４〜１０７に入射する反射部１５１が形成される。本実施形態では、所定の位置は、光循環セル群１０７の出射光の出射位置である。

次に動作を説明する。

直角プリズム１０８の入射面１１３に入射された入射光１２０は、直角プリズム１０８および導光板１０１を介して光循環セル群１０４の光循環セル２の半透過面２１に入射される。

光循環セル群１０４から出射された出射光は、導光板１０１の全反射面１１１で反射されて光循環セル群１０５に入射される。

以下、このような動作が光循環セル群１０５〜１０７まで順番に繰り返される。そして、光循環セル群１０７から出射された出射光は、導光板１０１の反射部１５１で反射されて再び光循環セル群１０７の光循環セル２の半透過面２１に入射される。

その後、光循環セル群１０７から出射された出射光は、全反射面１１１で反射されて光循環セル群１０６に入射される。このような動作が光循環セル群１０６〜１０４まで順番に繰り返される。

光循環セル群１０４から出射された出射光は、導光板１０１および直角プリズム１０８を介して、出射光１２２として直角プリズム１０８の出射面１１４から出射される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、導光板１０１の反射部１５１は、光循環セル群１０４〜１０７の所定の位置からの出射光を、再び光循環セル群１０４〜１０７に入射する。

この場合、同じ光循環セルの数で、入射光１２０をより多くの光循環セルに入射することが可能になる。したがって、装置規模を抑制しながら、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

次に第四の実施形態について説明する。

図９は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図９において、光学ユニットは、支持板２００と、導光板２０１と直角プリズム２０２とを含む導光部材と、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋとを有する。

支持板２００は、例えば、アルミニウムまたはガラスなどで板状に形成される。

導光板２０１は、光透過部材で直方体状に形成され、支持板１００に立設される。

導光板２０１のある側面は、反射膜が形成された反射面２１１である。また、導光板２０１の反射面２１１に対向する側面は、半透過膜が形成された半透過面２１２である。なお、本実施形態では、反射面２１１に形成された反射膜は、全反射膜である。

直角プリズム２０２は、光透過部材で三角柱状に形成される。なお、直角プリズム２０２の横断面は、直角三角形である。

直角プリズム２０２は、その斜面が導光板２０１の反射面２１１に垂直な側面の一方に接するように、支持板２００上に立設される。

直角プリズム２０２の斜面と異なる面の一方が、入射光２２０が入射されるための入射面２０２ａであり、他方が、出射光２２１が出射されるための出射面２０２ｂである。なお、入射面２０２ａおよび出射面２０２ｂには、反射防止膜が形成されている。

光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋのそれぞれは、光循環セル２０３１〜２０３８を有する。光循環セル２０３１〜２０３８のそれぞれは、光循環セル２０３１〜２０３８の順に間隙なく直列に配置されている。光循環セル２０３１〜２０３８の、自光循環セル群内の他の光循環セルと隣接する側面は、半透過膜が形成された半透過面である。なお、光循環セル２０３１〜２０３８は、横断面が正方形の柱状多面体であるとする。

光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋのそれぞれは、自光循環セル群の光循環セル２０３１が導光板２０１の半透過面２１２に接するように支持板２００上に立設される。ここで、光循環セル２０３１の光循環セル２０３２と接する側面に対向する側面が半透過面２１２に接するものとする。

また、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋのそれぞれは、互いに間隙なく並設されている。光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋのそれぞれにおける他の光循環セル群と隣接する側面には、全反射膜または半透過膜が形成される。また、光循環セル群２０３ａおよび２０３ｋにおける他の光循環セル群と隣接する側面と対向する側面には、全反射膜が形成される。

導光部材は、入射光２３０を光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋに入射させると共に、光循環セル群２０３ｋからの出射光を出射する。

また、導光板２０１の直角プリズム２０２が接する側面に対向する側面側に、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋからの出射光を反射して、再び光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋに入射する反射部２１３が形成される。本実施形態では、所定の位置は、光循環セル群２０３ｊの出射光の出射位置である。

次に動作を説明する。

直角プリズム２０２の入射面２０２ａに入射された入射光２２０は、導光板２０１の反射面２１１で反射されて光循環セル群２０３ｂの入射面に入射される。なお、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋの入射面は、その光循環セル群の光循環セル２０３１の導光板２０１と接する面である。また、入射面における入射光２２０の入射角度は、４５°であるとする。

光循環セル群２０３ｂから出射された出射光は、導光板２０１の反射面２１１で反射されて光循環セル群２０３ｄに入射される。

その後、このような動作が、光循環セル群２０３ｄ、２０３ｆ、２０３ｈおよび２０３ｊの順で繰り返される。そして、光循環セル群２０３ｊから出射された出射光は、反射部２１３で反射されて光循環セル群２０３ｋに入射される。

光循環セル群２０３ｋから出射された出射光は、導光板２０１の反射面２１１で反射されて光循環セル群２０３ｉに入射される。

その後、このような動作が、光循環セル群２０３ｉ、２０３ｇ、２０３ｅ、２０３ｃおよび２０２ａの順で繰り返される。そして、光循環セル群２０３ａから出射された出射光は、導光板２０１および直角プリズム２０２の中を通過して直角プリズム２０２の出射面２０２ｂから出射光２２１として出射される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋは、互いに間隙なく並設されている。この場合、光学ユニットの装置規模の増加を抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋの光循環セル２０３１〜２０３ルは、他の光循環セル群の光学セルと隣接する面が半透過部である。この場合、光循環セルの数を増やさなくても、入射光２２０をより多くの光循環セルに入射することが可能になる。したがって、光学ユニットの規模の増加を抑制しながら、よりスペックルの低減率を向上させることが可能になる。

次に第五の実施形態について説明する。

図１０は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１０において、光学ユニットは、図９で示した構成に加えて、光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋをさらに有する。また、導光板２０１の反射面２１１には、全反射膜の代わりに、半透過膜が形成されている。

光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋのそれぞれは、光循環セル２０４１〜２０４８を含む。光循環セル２０４１〜２０４８のそれぞれは、光循環セル２０４１〜２０４８の順に間隙なく直列に配置されている。光循環セル２０４１〜２０４８の、自光循環セル群内の他の光循環セルと隣接する側面は、半透過膜が形成された半透過面である。なお、光循環セル２０４１〜２０４８は、光循環セル２０３１〜２０３８と同じ形状である。

光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋのそれぞれは、自光循環セル群の光循環セル２０４１が導光板２０１の反射面２１１に接するように支持板２００上に立設される。ここで。光循環セル２０４１の光循環セル２０４２と接する側面に対向する側面が反射面２１１に接するものとする。また、光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋのそれぞれは、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋと対向するものとする。

光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋのそれぞれにおける他の光循環セル群と隣接する側面には、全反射膜または半透過膜が形成される。また、光循環セル群２０４ａおよび２０４ｋにおける他の光循環セル群と隣接する側面と対向する側面には、全反射膜が形成される。

これにより、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋ、２０４ａ〜２０４ｋは、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋと、光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋとの２列に並設される。また、各列の光循環セル群は、導光板２０１を挟んで設けられる。さらに、各列の光循環セル群の入射面は、他の列の光循環セル群の入射面に対向する反射面と兼用される。

次に動作を説明する。

直角プリズム２０２の入射面２０２ａに入射された入射光２２０は、光循環セル群２０４ａの入射面に入射される。なお、光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋの入射面は、その光循環セル群の光循環セル２０４１の導光板２０１と接する面である。また、入射面における入射光２２０の入射角度は、４５°であるとする。

光循環セル群２０４ａから出射された出射光は、導光板２０１を介して光循環セル群２０３ｂに入射される。

以下このような動作が、光循環セル群２０３ｂ、２０４ｃ、２０３ｄ、２０４ｅ、２０３ｆ、２０４ｇ、２０３ｈ、２０４ｉ、２０３ｊおよび２０４ｋの順番で繰り返される。そして、光循環セル群２０４ｋから出射された出射光は、反射部２１３で反射されて光循環セル群２０３ｋに入射される。光循環セル群２０３ｋから出射された出射光は、導光板２０１を介して２０４ｊに入射される。

その後、このような動作が、光循環セル群２０４ｊ、２０３ｉ、２０４ｈ、２０３ｇ、２０４ｆ、２０３ｅ、２０４ｄ、２０３ｃ、２０４ｂ、および２０２ａの順で繰り返される。そして、光循環セル群２０３ａから出射された出射光は、導光板２０１および直角プリズム２０２の中を通過して直角プリズム２０２の出射面２０２ｂから出射光２２１として出射される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋ、２０４ａ〜２０４ｋは、光循環セル群２０３ａ〜２０３ｋと、光循環セル群２０４ａ〜２０４ｋとの２列に並設される。また、各列の光循環セル群は、導光板２０１を挟んで設けられる。さらに、各列の光循環セル群の入射面は、他の列の光循環セル群の入射面に対向する反射面と兼用される。

この場合、光循環セル群を２列に並設することが可能になるので、光学ユニットの長さの増加を抑制することが可能になる。

次に第六の実施形態について説明する。

第一〜第五の実施形態では、光循環セル群を構成する各光循環セルは、その光循環セルの入射面が側面をなし、直方体状であった。しかしながら、光循環セルは、直方体状に限らない。

本実施形態では、光循環セルが、横断面が奇数角の柱状多面体である場合について説明する。以下、このような光循環セルを奇数角形セルと称する。

図１１ａは、奇数角形セルの一例を模式的に示した上面図である。図１１ａにおいて、奇数角形セルは、半透過面３０１と、反射面３０２および３０３を有する。半透過面３０１と反射面３０２および３０３は、横断面が三角形の柱状多面体（三角柱）の側面を形成するように配置される。なお、図１１ａでは、横断面が正三角形になっている。

半透過面３０１は、入射光３１１を反射および透過して反射光３１２と透過光３１３とに分岐する。

反射光３１２は、出射光として出射される。

また、透過光３１３は、循環光３１４として反射面３０２および３０３の順番で反射され半透過面３０１に入射される。その入射された循環光３１４のうち半透過面３０１で透過された光は出射光として出射される。また、その入射された循環光３１４のうち半透過面３０１で反射された光は、再び循環光３１４として奇数角セルの内部を循環する。

次に奇数角形セルの特性について説明する。

奇数角形セルでは、入射光３１１の半透過面３０１における入射位置が、半透過面３０１の中心であれば、入射光３１１の半透過面３０１における入射角度が、例えば、図２２ｂのように変化しても、奇数角形セルから出射される出射光の幅は変化しない。つまり、奇数角形セルから出射される出射光の幅は、入射角度に依存しない。

また、入射光３１１の半透過面３０１における入射位置が半透過面３０１の中心からずれても、循環光３１４は、奇数角形セルの内部を２回循環すると再び入射光３１１の入射位置に入射される。このため、奇数角形セルでは、入射光３１１の入射位置の半透過面３０１の中心からのずれによる出射光の幅の拡大を抑制することが可能になる。

なお、奇数角形セルは、図１１ａで示した例に限らず、適宜変更可能である。例えば、奇数角形セルは、図１１ｃで示したような横断面が直角三角形の角柱でもよいし、図１１ｄで示したような横断面が五角形の角柱の側面を形成するように配置されたものでもよい。

次に奇数角セルを用いた光学ユニットについて説明する。

図１２は、奇数角形セルを用いた光学ユニットを模式的に示した上面図である。なお、図１２では、奇数角形セルとして横断面が三角形の角柱である三角形セルが用いられている。

図１２において、光学ユニットは、支持板４００と、導光板４０１と、光循環セル群４０２〜４０７とを有する。

支持板４００は、例えば、アルミニウムまたはガラスなどで板状に形成される。

導光板４０１は、光透過部材で横断面が平行四辺形の柱状多面体で形成され、支持板４００に立設される。

導光板４０１の互いに対向する１組の側面の一方が、入射光４３０が入射されるための入射面４２１となり、その１組の側面の他方が、入射光４３０を出射光４３１として出射する出射面４２２となる。なお、入射面４２１および出射面４２２には反射防止膜が形成されている。

導光板４０１の入射面４２１および出射面４２２と異なる互いに対向する１組の側面のそれぞれは、半透過膜が形成された半透過面４１１および４１２である。

光循環セル群４０２〜４０７のそれぞれは、三角形セル４１３および４１４を有する。三角形セル４１３および４１４は、間隙なく並設される。また、三角形セル４１３および４１４の他の三角形セルと隣接する面は、半透過膜が形成された半透過面である。

光循環セル群４０２〜４０４のそれぞれは、自己の三角形セル４１３の三角形セル４１４と接する側面と異なる側面の一方が半透過面４１１と接するように支持板４００上に立設される。光循環セル群４０５〜４０７のそれぞれは、自己の三角形セル４１３の三角形セル４１４と接する側面と異なる側面の一方が半透過面４１２と接するように支持板４００上に立設される。

また、光循環セル群４０２〜４０４のそれぞれは、互いに間隙なく並設されている。また、光循環セル群４０５〜４０７のそれぞれは、互いに間隙なく並設されている。光循環セル群４０２〜４０７のそれぞれにおける他の光循環セル群と隣接する側面には、全反射膜または半透過膜が形成される。なお、本実施形態では、その側面には半透過膜が形成されているものとする。

これにより、光循環セル群４０２〜４０７は、光循環セル群４０２〜４０４と、光循環セル群４０５〜４０７との２列に並設される。また、各列の光循環セル群は、導光板４０１を挟んで設けられる。さらに、各列の光循環セル群の入射面は、他の列の光循環セル群の入射面に対向する反射面（半透過面４１１および４１２）と兼用される。

次に動作を説明する。

入射面４２１に入射された入射光４３０は、導光板４０１を介して光循環セル群４０２の入射面に入射される。なお、光循環セル群４０２〜４０７の入射面は、その光循環セル群の三角形セル４１３の導光板２０１と接する側面である。

光循環セル群４０２から出射された出射光は、導光板２０１を介して光循環セル群４０５に入射される。その後、このような動作が、光循環セル群４０５、４０３、４０６、４０４および４０７の順で繰り返される。そして、光循環セル群４０７から出射された出射光は、導光板４０１の出射面４２２から出射される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セルは、横断面が奇数角の柱状多面体である。

この場合、奇数角形セルから出射される入射光の幅は入射角度に依存しないので、入射角度のずれによる入射光の幅の拡大を抑制することが可能になる。

また、入射面における入射光の入射位置がその入射面の中心からずれても、循環光は、奇数角形セルの内部を２回循環すると再び入射光の入射位置に入射される。このため、入射位置のずれによる入射光の拡大を抑制することが可能になる。

次に第七の実施形態について説明する。

本実施形態では、光循環セルが、その光循環セルの入射面が側面をなし、横断面が偶数角の角柱（柱状多面体）である場合について説明する。以下、このような光循環セルを偶数角形セルと称する。なお、第一〜第五の実施形態で説明した光循環セルも偶数角形セルである。

図１３は、偶数角形セルの一例を模式的に示した上面図である。図１３では、偶数角形セルとして、横断面が六角形の角柱である六角形セルが示されている。

図１３において、六角形セルは、半透過面５０１と、反射面５０２〜５０６とを有する。半透過面５０１と反射面５０２〜５０６は、横断面が六角形の角柱の側面を形成するように配置される。なお、図１３では、横断面が正六角形になっている。

半透過面５０１は、入射光５１１を反射および透過して反射光５１２と透過光５１３に分岐する。

反射光５１２は、出射光として出射される。また、透過光５１３は、循環光５１４として反射面５０２〜５０６の順番で反射され半透過面５０１に入射される。その入射された循環光５１４のうち半透過面５０４で透過された光は、反射光５１２に合成された出射光として出射される。また、その入射された循環光５１４のうち半透過面５０１で反射された光は、透過光３１３に合成され、再び循環光３１４として奇数角セルの内部を循環する。

次に偶数角形セルの特性について説明する。

偶数角形セルでは、入射光５１１の半透過面５０１における入射角度θが設定入射角度であれば、入射光５１１の半透過面５０１における入射位置が半透過面５０１の中心からずれても、偶数角形セルの出射光の幅は変化しない。つまり、入射角度θが設定入射角度であれば、偶数角形セルの出射光の幅は、入射位置に依存しない。

また、偶数角形セルの場合、入射角度θが設定入射角度からずれると、偶数角形セルの出射光の幅は、その偶数角形セル内の循環光の単体回転数ｎ’’に比例して拡大する。なお、単体回転数とは、光学ユニットに入射された入射光が一つの光循環セルの内部を循環光として循環する回数である。

以下、出射光の幅と単体回転数との関係について説明する。

図１４および図１５は、出射光の幅と単体回転数ｎ’’との関係を説明するための説明図である。図１４および図１５では、上面から見た、横断面が正方形の正方形セルが示されている。なお、正方形セルの設定入射角は、４５°である。

図１４では、半透過面５２０における入射光５２１の入射角度θは４４．４５°である。また、循環光５２２は、単体回転数ｎ’’が１の循環光であり、循環光５２３は、単体回転数ｎ’’が２の循環光である。また、反射光５２４は入射光５２１の半透過面５２０における反射光であり、循環透過光５２５は、循環光５２２の半透過面５２０における透過光であり、循環透過光５２６は、循環光５２３の半透過面５２０における透過光である。なお、反射光５２４、循環透過光５２５および５２６のそれぞれが、光循環セルからの出射光となる。

図１４で示されたように、循環光５２２および５２３の半透過面５２０における入射位置は、入射光５２１の半透過面５２０における入射位置からずれる。以下、循環光の入射面における入射位置を帰還位置と称し、入射光の入射面における入射位置を初期入射位置と称する。

また、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、帰還位置の初期入射位置からのずれが大きくなるので、循環透過光の光軸の、反射光５２４の光軸からのずれも大きくなる。したがって、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、循環透過光と反射光５２４とが合成された光の幅が大きくなる。

図１５では、半透過面５３０における入射光５３１の入射角度θは４４．４５°である。また、循環光５３２は、単体回転数ｎ’’が１の循環光であり、循環光５３３は、単体回転数ｎ’’が２の循環光である。また、反射光５３４は入射光５３１の半透過面５３０における反射光であり、循環透過光５３５は、循環光５３２の半透過面５３０における透過光であり、循環透過光５３６は、循環光５３３の半透過面５３０における透過光である。なお、反射光５３４、循環透過光５３５および５３６のそれぞれが、光循環セルからの出射光となる。

図１４の場合と同様に、帰還位置は初期入射位置からずれる。また、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、帰還位置の初期入射位置からのずれが大きくなる。したがって、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、循環透過光と反射光５３４とが合成された出射光の幅が大きくなる。

また、図１４および図１５を比較することにより、同じ単体回転数ｎ’’でも、入射角度θが設定入射角度からずれるほど、帰還位置の初期入射位置からのずれが大きくなる。したがって入射角θが設定入射角度からのずれるほど、循環透過光と反射光４３４とが合成された光の幅が大きくなる。

図１６は、単体回転数ｎ’’が１〜５の場合における入射角度と帰還位置の初期入射位置からのずれとの関係を示したグラフである。図１６において、横軸は、入射角度θ[°]を示し、縦軸は、正方形セルの横幅を１００％としたときの帰還位置の初期入射位置からのずれ量Ｚ[％]を示す。なお、図１６において、設定入射角度は４５°である。

図１６で示されたように、入射角θが設定入射角度４５°からずれるほど、ずれ量Ｚは大きくなる。また、同じ入射角θでも、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、ずれ量Ｚは大きくなる。

このずれ量Ｚを解析すると、Ｚ＝２（ｔａｎθ−ｔａｎ４５°）×１００[％]であることがわかる。

このような特性は、設定入射角度が４５°の場合に限らず、設定入射角度が任意の角度でも生じる。

図１７は、設定入射角度が４２度の場合における出射光の幅と回転数との関係を説明するための説明図である。図１７では、横断面が長方形の長方形セルが示されている。長方形セルの横幅と縦幅の比率は、ｔａｎ４２（≒０．９００）：１となる。

図１８では、半透過面５４０における入射光５４１の入射角度θは４２．４°である。また、循環光５４２は、単体回転数ｎ’’が１の循環光であり、循環光５４３は、単体回転数ｎ’’が２の循環光である。また、反射光５４４は入射光５４１の半透過面５４０における反射光であり、循環透過光５４５は、循環光５４２の半透過面５４０における透過光であり、循環透過光５４６は、循環光５４３の半透過面５４０における透過光である。

図１４の場合と同様に、帰還位置は初期入射位置からずれる。また、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、帰還位置の初期入射位置からのずれが大きくなる。したがって、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、循環透過光と反射光５４４とが合成された出射光の幅が大きくなる。

図１８は、設定入射角度が４２°の場合における入射角度と帰還位置の初期入射位置からのずれとの関係を示したグラフである。図１８において、横軸は、入射角度θ[°]を示し、縦軸は、ずれ量Ｚ[％]を示す。

図１８で示されたように、入射角θが設定入射角度４２°からずれるほど、ずれ量Ｚは大きくなる。また、同じ入射角θでも、単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、ずれ量Ｚは大きくなる。

このずれ量Ｚを解析すると、Ｚ＝２（ｔａｎθ−ｔａｎ４２°）×１００[％]であることがわかる。また、設定入射角度をγとすると、ずれ量は、Ｚ＝２（ｔａｎθ−ｔａｎγ）×１００[％]で表される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セルは、横断面が偶数角の柱状多面体の偶数角形セルである。

この場合、入射角度θが設定入射角度であれば、偶数角形セルから出射される入射光の幅は、入射位置に依存しなので、入射位置のずれによる入射光の幅の拡大を抑制することができる。

次に第八の実施形態について説明する。

図１９は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１９において、光学ユニットは、図１で示した光学ユニットの反射面１２および２２の代わりに、入射された光の位相をランダムにシフトしてその光を反射する反射面４１および４２を有する。

なお、光循環セル１および２が光透過部材で形成される場合、入射された光の位相をランダムにシフトしてその光を反射するランダム位相板が、光透過部材の反射面４１および４２に接するように設けられることで、反射面４１および４２が入射された光の位相をランダムにシフトしてその光を反射するようになる。

また、光循環セル１および２が互いに独立した４枚の板で形成される場合、各光循環セルの板のうちの一つをランダム位相板に代えることで、反射面４１および４２が入射された光の位相をランダムにシフトしてその光を反射するようになる。

なお、本実施形態では、反射面１２および２２の代わりに反射面４１および４２を有していたが、実際には、光循環セル１および２の他の光循環セルと隣接していない側面のうちの少なくとも一つが、入射された光の位相をランダムにシフトしてその光を反射する反射面であればよい。

図２０ａは、ランダム位相板を模式的に示した表面図である。図２０ａには、ランダム位相板４３が示されている。また、図２０ｂは、ランダム位相板４３の４３ａ部分の拡大図である。

ランダム位相板４３は、その表面に、複数の微細なセルが２次元配列された構造を有する。セルは、例えば、一辺が約１００μｍ程度の正方形状をしている。

セルには、高低（凹凸）がつけられており、互いに隣接するセルの高低はランダムになっている。また、その高低差は、入射光３１の波長の半分程度である。図１９ａでは、ランダム位相板４３の高いセル４３ｂが、その低いセル４３ｃが、白い領域で示されている。なお、セルの高さは多段になっていてもよい。

また、ランダム位相板４３は、例えば、以下のように製造する。先ず、チタンなどの金属膜が１００μｍ程度のセル状にランダムに蒸着されたプリズムやガラス板を用意する。なお、その金属膜は、レジスト露光が用いられて蒸着される。続いて、その用意されたプリズムまたはガラス板の表面に、バッファードフッ酸などでエッチングをすることで高低差を付ける。その後、その蒸着された金属膜を硫酸などで除去する。これにより、ランダム位相板４３が製造される。

典型的な直径１ｍｍ程度の光がランダム位相板４３に入射された場合、その光が入射された範囲には、８０個程度のセルが含まれる。このため、その入射された光の位相がランダムにシフトされて反射される。この反射光の波面は、細かくランダムに乱されている。

また、ランダム位相板４３の高低パターンは位置によって異なるので、それらのランダム位相板４３で反射される光のそれぞれの波面形状には、相関がなくなる。このため、それらの光が合成されて出射される出射光３６のスペックルが低減される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セル１および２の反射面の少なくとも一つは、循環光の位相をランダムにシフトして反射する。

この場合、光循環セル１の出射光のそれぞれの波面形状に相関がなくなるため、それらの出射光が合成された出射光３６のスペックルを低減させることが可能になる。したがって、スペックルをより低減させることが可能になる。

次に第九の実施形態について説明する。

図２１は、本実施形態のレーザ出射装置を模式的に示した構成図である。図２１おいて、レーザ出射装置は、支持板６００と、光学ユニット６０１と、光源装置６０２と、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）結晶６０３と、レンズ６０４とを有する。

支持板６００は、ガラスで形成される。なお、このガラスの屈折率は１．５であるとする。

光学ユニット６０１は、第一から第八の実施形態で説明した光学ユニットのいずれか、または、それらの光学ユニットの当業者が理解し得る変更を行った光学ユニットを用いることができる。本実施形態では、光学ユニットとして、第二の実施形態で説明した光学ユニット（図７）を用いるものとする。

光学ユニット６０１の光循環セル群１０４〜１０７の各光循環セルと、導光板２０１とは、同じ材質のＧａＡｓ基板で形成されている。したがって、各光循環セルおよび導光板１０１の屈折率は、互いに等しい。また、ＧａＡｓ基板の屈折率は、略３．５であり、支持板６００の屈折率より高い。

なお、ＧａＡｓ基板のへき開面を用いることで、導光板１０１の反射面１１１および半透過面１１２を平行にすることができる。この場合、導光板１０１をガラスで形成する場合に比べて、誘電体多層膜による半透過膜の反射率を精度良く設定することが可能になる。

光源装置６０２は、波長１０６０ｎｍの赤外線レーザ光を入射光として光学ユニット６０１に入射する。

光源装置６０２は、支持ステージ６２１と、赤外線半導体レーザ６２２と、ヒートシンク６２３と、コリメータ６２４とを有する。

支持ステージ６２１は、支持板６００上に立設される。

赤外線半導体レーザ６２２は、光源の一例である。赤外線半導体レーザ６２２は、波長１０６０ｎｍの赤外線レーザ光６３０を、コリメータ６２４を介して光学ユニット６０１に出射する。ここで、赤外線レーザ光６３０のコヒーレンス長は、各光循環セル内を循環する循環光の光路長以下である。つまり、赤外線レーザ光６３０のコヒーレンス長は、光学ユニット６０１の各光循環セルの複数の出射光の光路差以下である。

ヒートシンク６２３は、赤外線半導体レーザ６２２にて発生された熱を放熱する。

コリメータ６２４は、赤外線半導体レーザ６２２から出射された赤外線レーザ光６３０をコリメートする。

図２２は、光源装置６０２をより詳細に説明するための説明図である。なお、光学ユニット６０１の導光板１０１の厚さは０．３５ｍｍであるとする。

支持ステージ６２１は、支持板６００の表面に垂直な方向を軸にした回転が可能であり、赤外線レーザ光６３０の光学ユニット６０１に対する入射角度を変更することが可能である。

赤外線半導体レーザ６２２は、アスペクト比３：１のレーザ光源である。赤外線半導体レーザ６２２は、９０°傾けられて支持ステージ６２１上に設けられる。

コリメータ６２４は、赤外線半導体レーザ６２２が出射した赤外線レーザ光６３０をコリメートして、その赤外線レーザ光６３０を支持板６００の表面に平行な方向の幅が１ｍｍの平行光にする。これは、赤外線レーザ光６３０の支持板６００の表面に平行な方向の幅の広がりを抑制するためである。なお、支持板６００の表面に垂直な方向には、赤外線レーザ光６３０は、支持板６００の屈折率より屈折率が高い導光板１０１によって閉じ込められる。したがって、赤外線レーザ光６３０を平行光にすれば、光学ユニット６０１の内部で赤外線レーザ光６３０の幅は広がらない。

図２０に戻る。ＳＨＧ結晶６０３は、２光子吸収により、光学ユニット６０１から出射された赤外線レーザ光６３０の波長を半分にして、波長が５３０ｎｍの緑色レーザ光６３１を生成し、その緑色レーザ光６３１を出射する。なお、ＳＨＧ結晶としては、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）を５モル％ドープしたＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）を用いる。このＰＰＬＮは、耐光損傷性に優れている。

レンズ６０４は、ＳＨＧ結晶６０３から出射された緑色レーザ光６３１をスクリーン（図示せず）に向けて集光する。

なお、本実施形態では、レーザ出射装置は、緑色レーザ光６３１を出射していたが、赤外線半導体レーザの波長を調整することで、赤色レーザ光や青色レーザ光を出射することもできる。また、各光循環セルおよび導光板１０１は、赤色レーザ光用にはＧａＰ基板を用いることが望ましく、青色レーザ光用にはＧａＮ基板を用いることが望ましい。

次に効果を説明する。

本実施形態では、赤外線レーザ光６３０が複数の光循環セルに入射されるので、赤外線レーザ光６３０の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

また、本実施形態では、赤外線レーザ光６３０のコヒーレンス長は循環光６１５の光路長以下であるので、各光循環セルの複数の出射光の光路差以下である。この場合、効率的にスペックルを低減することが可能になる。

また、本実施形態では、ＳＬＤ（Super luminescent Diode：スーパールミネッセントダイオード）より高出射な半導体レーザを用いるので、高出射レーザ光を出射することが可能になる。

また、本実施形態では、ＳＨＧ結晶６０３による２光子吸収では、光学ユニットで合成された複数の赤外線レーザ光６３０の独立性を保ったまま、赤外線レーザ光６３０の波長を半分にできるので、低スペックルの緑色レーザ光６３１を生成することができる。

次に第十の実施形態について説明する。

図２３は、本実施形態のレーザプロジェクタを模式的に示した上面図である。図２４において、レーザプロジェクタは、支持板７００と、光源装置７０１および７０２と、ダイクロイックプリズム７０３および７０４と、光学ユニット７０５と、走査鏡７０６とを有する。

支持板７００は、光透過部材で形成される。本実施形態では、支持板７００は、屈折率が１．５のガラスで形成されているものとする。

光源装置７０１は、支持ステージ７１１と、緑色レーザ７１２とを有する。

緑色レーザ７１２は、支持ステージ７１１上に設けられる。緑色レーザ７１２は、緑色のレーザ光をダイクロイックプリズム７０３および７０４を介して光学ユニット７０５に出射する。なお、緑色のレーザ光はＰ偏光である。また、支持ステージ７１１は、支持板７００の表面に垂直な方向を軸とした回転が可能であり、緑色のレーザ光の光学ユニット７０５に対する入射角度を変更することが可能である。

光源装置７０２は、支持ステージ７２１と、赤色レーザ７２２と、青色レーザ７２３とを有する。

赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３は、支持ステージ７２１上に設けられる。なお、赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３は、別々の支持ステージ上に設けられてもよい。

赤色レーザ７２２は、例えば、赤色面発光レーザである。赤色レーザ７２２は、赤色のレーザ光をダイクロイックプリズム７０３および７０４を介して光学ユニット７０５に出射する。なお、赤色のレーザ光はＳ偏光である。

青色レーザ７２３は、例えば、青色ＬＤである。青色レーザ７２３は、青色のレーザ光をダイクロイックプリズム７０３および７０４を介して光学ユニット７０５に出射する。なお、青色のレーザ光はＳ偏光である。

支持ステージ７２１は、支持板７００の表面に垂直な方向を軸とした回転が可能であり、赤色のレーザ光および青色のレーザ光の光学ユニット７０５に対する入射角度を変更することが可能である。

なお、緑色レーザ７１２、赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３は、光源の一例である。

ダイクロイックプリズム７０３は、緑色レーザ７１２から出射された緑色のレーザ光と、赤色レーザ７２２から出射された赤色のレーザ光とを合成する。

ダイクロイックプリズム７０４は、ダイクロイックプリズム７０３で合成されたレーザ光と、青色レーザ７２３から出射された青色のレーザ光とを合成して、ＲＧＢ光７３１を生成する。ダイクロイックプリズム７０４は、そのＲＧＢ光７３１を光学ユニット７０５に入射する。

光学ユニット７０５は、第一から第十の実施形態で説明した光学ユニットのいずれか、または、それらの光学ユニットの当業者が理解し得る変更を行った光学ユニットを用いることができる。本実施形態では、光学ユニット７０５として、第二の実施形態で説明した光学ユニット（図７）から直角プリズム１０２を除いた光学ユニットを用いる。

なお、ダイクロイックプリズム７０４と光学ユニット７０５の導光板１０１が接している。ＲＧＢ光７３１は、ダイクロイックプリズム７０４からこの接面を介して導光板１０１に入射される。ダイクロイックプリズム７０４と導光板１０１とを同じ材質で形成されば、ＲＧＢ光７３１が導光板１０１に入射される際に屈折することを抑制することが可能になる。

また、緑色レーザ７１２、赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３のそれぞれのコヒーレント長は、光学ユニット７０５の光循環セル群１０４〜１０７のそれぞれの光循環セルの複数の出射光の光路差以下である。

走査鏡７０６は、光循環セル７５２から出射されたＲＧＢ光７３１を走査してスクリーン７０７に投射する。

次に効果を説明する。

本実施形態では、ＲＧＢ光７３１が複数の光循環セルに入射されるので、ＲＧＢ光の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

例えば、光学ユニットの出射面または出射面の前後に、光学ユニットから出射される出射光を集光するための光学レンズが設けられてもよい。これにより、例えば、光学ユニットに入射される入射光の半透過鏡における入射角度や入射位置がずれて、光学ユニットから出射される出射光の幅が拡大したり、その出射光が多峰化した場合でも、その出射光の幅を縮小したり、その出射光を単峰光または略単峰光にしたりすることができる。

また、光透過部材間の接続面には、光の反射および屈折が発生しないように屈折率マッチングジェルが塗られてもよい。

本発明の第一の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 本発明の第一の実施形態の光学ユニットの他の例を模式的に示した上面図である。 入射光の入射角度と出射光の光強度分布の関係を示した説明図である。 回転数と出射光の光強度との関係を示したグラフである。 複数の半透過面の反射率に関するスペックルコントラストの等高線グラフである。 ある半透過面の反射率とスペックルコントラストとの関係を示したグラフである。 本発明の第二の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 本発明の第三の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 本発明の第四の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 本発明の第五の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 奇数角形セルの一例を模式的に示した上面図である。 奇数角形セルの出射光の幅について説明するための説明図である。 奇数角形セルの他の例を模式的に示した上面図である。 奇数角形セルの他の例を模式的に示した上面図である。 本発明の第五の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 偶数角形セルの一例を模式的に示した上面図である。 出射光の幅と回転数との関係の一例を説明するための説明図である。 出射光の幅と回転数との関係の他の例を説明するための説明図である。 入射角度と帰還位置のずれ量との関係の一例を示したグラフである。 出射光の幅と回転数との関係の他の例を説明するための説明図である。 入射角度と帰還位置のずれ量との関係の他の例を示したグラフである。 本発明の第八の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。 ランダム位相板を模式的に示した表面図である。 ランダム位相板の一部分の拡大図である。 本発明の第九の実施形態のレーザ出射装置を模式的に示した構成図である。 光源装置をより詳細に説明するための説明図である。 本発明の第十の実施形態のレーザプロジェクタを模式的に示した構成図である。 特許文献１に記載の光源装置を説明するための説明図である。

符号の説明

１〜４、２０３１〜２０３８、２０４１〜２０４８ 光循環セル
１１、２１、１１２、２１２、３０１、３２１、５０１ 半透過面
１２〜１４、２２〜２４、４１、４２、１１１、２１１、３０２、３０３、３２２〜３２５、５０２〜５０６ 反射面
４３ ランダム位相板
１０１、２０１、４０１ 導光板
１０２、１０３、２０２ 直角プリズム
１０４〜１０７、２０３ａ〜２０３ｋ、２０３ａ〜２０３ｋ、４０２〜４０７ 光循環セル群
１５１ 反射部
６０２、７０１、７０２ 光源装置
６２２ 赤外線半導体レーザ
７０６ 走査鏡
７１２ 緑色レーザ、
７２２ 赤色レーザ
７２３ 青色レーザ

Claims (15)

1. 入射光が入射する入射面が半透過面とされ、該入射光を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とする光学セルを複数備える光学セル群を有し、
   前記光学セル群を構成する複数の光学セルは、間隙なく設けられ、他の光学セルと隣接する面が半透過面であり、前記半透過面以外の面は全反射面である、光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光学セルは、前記光学セルの外部から入射された入射光のうちの前記入射面で透過された光を、循環光として前記全反射面および前記半透過面を用いて循環させ、前記循環光のうちの前記入射面で透過された光のそれぞれと、前記入射光のうちの前記入射面で反射された光とを前記複数の出射光とする、光学ユニット。
3. 請求項１または２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記複数の光学セルは、同じ形状の多面体である、光学ユニット。
4. 請求項３に記載の光学ユニットにおいて、
   前記複数の光学セルは、断面が奇数角の柱状多面体である光学ユニット。
5. 請求項３に記載の光学ユニットにおいて、
   前記複数の光学セルは、断面が偶数角の柱状多面体である光学ユニット。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光学セル群は、複数あり、前記複数の光学セル群は、並設され、
   前記入射光を前記複数の光学セル群のそれぞれに入射させ、前記複数の光学セル群からの出射光を出射する導光部材を有する、光学ユニット。
7. 請求項６に記載の光学ユニットにおいて、
   前記複数の光学セル群は、間隙なく並設されている光学ユニット。
8. 請求項７に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光学セル群の複数の光学セルは、他の光学セル群の光学セルと隣接する面が半透過面である、光学ユニット。
9. 請求項６ないし８のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
   前記導光部材は、各光学セル群を構成する複数の光学セルのいずれかの入射面と対向する反射面を有する、光学ユニット。
10. 請求項９に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セル群は、前記導光部材を挟んで２列設けられ、
    各列の光学セル群を構成する複数の光学セルの入射面が、他の列の光学セルの入射面に対向する反射面と兼用される、光学ユニット。
11. 請求項６ないし１０のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
    前記導光部材は、前記光学セル群の所定の位置からの出射光を、再び前記光学セル群へ入射する、光学ユニット。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルの入射面と異なる面の少なくとも一つは、入射された光の位相をランダムにシフトして反射する、光学ユニット。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光学ユニットと、
    前記光学ユニットに光を出射する光源と、を有するレーザ出射装置。
14. 請求項１３に記載のレーザ出射装置において、
    前記光源が出射する光のコヒーレンス長は、各光学セルの複数の出射光の光路差以下である、レーザ出射装置。
15. 請求項１３または１４に記載のレーザ出射装置と、
    前記光学ユニットから出射された出射光を走査してスクリーンに投射する走査鏡と、を有するレーザプロジェクタ。

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