JP2010122284A - 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】間隙１０８ａに入射された入射光１１１は、光循環セル１５１に入射される。反射板１０８は、各光循環セルから出射された入射光１１１をその光循環セルと異なる光循環セルに入射していくことで、入射光１１１を間隙１０８ｂまで導いて間隙１０８ｂから出射する。
【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５３で示すように、４つの直角プリズム１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２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２の反射率は、約５０％である。

また、レーザ光がその半透過鏡２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１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は、光循環セルと呼ばれる。

また、特許文献１に記載の光源装置では、直角プリズム１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。

本発明による光学ユニットは、光入射光が入射する入射面が半透過鏡とされ、該入射光を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光に変換する光循環セルを複数備える光循環セル群と、前記光循環セル群を構成する複数の光循環セルへ光を入射するとともに前記光循環セル群からの出射光を出射する導光部材と、を有する。

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斜視図である。また、図２は、図１で示した光学ユニットを模式的に示した上面図である。

図１および図２において、光学ユニットは、支持板１００と、半透過板１０１と、セル底反射板１０２と、セル横反射板１０３および１０４と、セル分離板１０５〜１０７と、反射板１０８とを含む。

支持板１００は、例えば、アルミニウムやガラスで形成される。

半透過板１０１は、入射された光を反射および透過するための半透過膜が側面に形成された板であり、支持板１００上に設けられる。半透過膜は、例えば、誘電体膜が積層された誘電体多層膜で形成される。

セル底反射板１０２は、半透過板１０１と互いに平行になるように支持板１００上に設けられる。セル底反射板１０２の半透過板１０１側の側面には、入射された光を全て反射するための全反射膜が形成されている。なお、反射膜は、例えば、銀で形成される。

セル横反射板１０３は、半透過板１０１およびセル底反射板１０２と垂直になるように支持板１００上に設けられる。また、セル横反射板１０３は、半透過板１０１の第一の端部と、セル底反射板１０２の第一の端部とに接合される。セル横反射板１０４は、半透過板１０１およびセル底反射板１０２と垂直になるように支持板１００上に設けられる。また、セル横反射板１０４は、半透過板１０１の第二の端部と、セル底反射板１０２の第二の端部とに接合される。

これにより、半透過板１０１、セル底反射板１０２、セル横反射板１０３および１０４で囲まれた直方体状の空間を有するセルが形成される。また、セル横反射板１０３および１０４のセルの内部側の側面には、全反射膜が形成されている。

セル分離板１０５〜１０７は、支持板１００上のセルの内部に、セル横反射板１０３および１０４と平行になるように設けられる。また、各セル分離板の両面には、全反射膜が形成されている。

これにより、互いに並設された光循環セル１５１〜１５４を有する光循環セル群が形成される。

光循環セル１５１〜１５４のそれぞれは、全て同じ形状の多面体である。具体的には、光循環セル１５１〜１５４のそれぞれは、直方体状（底面が四角形の柱状多面体）である。なお、光循環セルの数は、本実施形態では、４であるが、実際には、複数であればよい。以下では、光循環セルの数をセル数と称する。

図３は、光循環セルを模式的に示した上面図である。図３において、光循環セル１５１〜１５３のそれぞれは、半透過板１０１と、セル底反射板１０２と、セル横板１２１および１２２とを有する。なお、光循環セルの内部は、空気１２３で満たされている。

半透過板１０１は、ガラス板１０１ａと、半透過膜１０１ｂと、反射防止膜１０１ｃと有する。

ガラス板１０１ａは、セル底反射板１０２と平行になるように設けられる。

半透過膜１０１ｂは、ガラス板１０１ａの光循環セルの内部側の面に形成される。半透過膜１０１ｂは、光循環セルの外部から入射された入射光１１１を反射および透過して反射光１１２と透過光１１３に分岐する。また、半透過膜１０１ｂは、光循環セルの内部を循環する循環光１１４を反射および透過する。

反射防止膜１０１ｃは、ガラス板１０１ａの光循環セルの外部側の面に形成される。反射防止膜１０１ｃは、入射光１１１および出射光１３３の反射を抑制する。なお、反射防止膜１０１ｃは、例えば、アルゴンで形成される。

セル底反射板１０２の光循環セルの内部側の面には、全反射膜１０２ａが形成される。

セル横板１２１は、セル横反射板１０３およびセル分離板１０５〜１０７のいずれかである。また、セル横板１２１の光循環セルの内部側の面には、全反射膜１２１ａが形成される。

セル横板１２２は、セル分離板１０５〜１０７およびセル横反射板１０４のいずれかである。また、セル横板１２２の光循環セルの内部側の側面は、全反射膜１２２ａが形成される。

これにより、セル底反射板１０２、セル横板１２１および１２２のそれぞれの光循環セルの内部側の面が光循環セルの全反射鏡となる。また、半透過板１０１のうち、セル横板１２１および１２２の間にある半透過板１０１が光循環セルの半透過鏡になる。また、その半透過板１０１が、光循環セルの外から入射光１１１が入射される入射面となる。

したがって、光循環セルは、半透過鏡と、複数の全反射鏡により囲繞される。

半透過鏡は、光循環セルの外部から入射された入射光１１１を反射および透過して反射光１１２と透過光１１３に分岐する。反射光１１２は、出射光としてその光循環セルから出射される。

光循環セルは、入射光１１１のうちの半透過鏡で透過された透過光１１３を、循環光１１４として半透過鏡および反射鏡を用いて循環させ、循環光１１４のうちの入射面１１１で透過された光と、入射光１１１のうちの半透過鏡で反射された反射光１１２とを出射光とする。

具体的には、光循環セルの反射鏡は、入射光１１１から分岐された透過光１１３を循環光１１４として反射することで、光循環セルの内部を循環光路１３０で循環させて半透過鏡に入射する。

半透過鏡は、その入射された循環光１１４を反射および透過する。半透過鏡は、循環光１１４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、半透過鏡は、循環光１１４のうちの反射した光を、透過光１１３と合成して、循環光１１４として再び循環させる。

半透過鏡では、循環光１１４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、光循環セルは、循環光１１４の入射面１１１で透過された光のそれぞれと、入射光１１１のうちの半透過鏡で反射された反射光１１２とを出射光として出射することになり、入射光１１１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。

ここで、出射光のそれぞれは互いに合成される。それらの出射光が互いに独立した光とみなせると、入射光１１１によるスペックルの低減率が高くなる。したがって、循環光路１３０の長さは、入射光１１１のコヒーレンス長以上であることが望ましい。

また、反射防止膜１０１ｃがないと、反射光１１２がガラス板１０１ａから出射される際に、反射光１１２の一部が反射されて光循環セルの内部に出射される。この光循環セルの内部に出射された光は、循環光路１３０と異なる光路を通過するため、半透過膜１０１ｂにおける入射光１１１の入射位置と異なる位置に入射される。したがって、その光は、反射光１１２と異なる光軸で合成される。このため、その光循環セルから出射される入射光１１１の幅が広がる。また、入射光１１１が多峰化することもある。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。

図１に戻る。反射板１０８は、半透過板１０１と平行になり、かつ、半透過板１０１に対してセル底反射板１０２の逆側に位置するように支持板１００上に設けられる。

反射板は、光循環セル群を構成する複数の光循環セルの半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル群を構成する複数の光循環セルへ光を入射するとともに、その光循環セル群からの出射光を出射光１１５として出射する。

反射板１０８とセル横反射板１０３との間には、入射光１１１を光循環セル１５１〜１５４のいずれかに入射するための間隙１０８ａが設けられる。また、反射板１０８とセル横反射板１０４との間には、光循環セル群から出射された光を出射光１１５として出射するための間隙１０８ｂが設けられる。

反射板１０８の半透過板１０１側の側面である反射面１０９には、全反射膜が形成されている。反射面１０９は、一の光学セルから出射された出射光を他の光学セルに導く。具体的には、反射面１０９は、前段の光循環セルから出射された出射光を、後段の光循環セル光循環セルに入射する。最後段の光循環セル１５４からの出射光は、出射光１１５として間隙１０８ｂから出射される。

次に動作を説明する。

入射光１１１が、間隙１０８ａを介して、光循環セル１５１の半透過鏡上の光透過点１１０に入射されると、半透過板１０１によって反射光１１２と透過光１１３に分岐される。反射光１１２は、出射光として光循環セル１５１から出射される。

透過光１１３は、循環光１１４として光循環セル１５１の内部を循環して光透過点１１０に入射される。循環光１１４のうちの半透過板１０１を透過した光は出射光として出射される。また、その循環光１１４のうちの半透過板１０１で反射された光は、透過光１１３と合成されて、循環光１１４として再び光循環セル１５１の内部を循環する。

光循環セル１５１から出射された出射光は、後段の光循環セル１５２の入射光として、反射板１０８の反射面１０９で反射され、光循環セル１５２の半透過鏡に入射される。

このような動作が光循環セル１５２〜１５４まで順番に繰り返される。そして、光循環セル１５４から出射された出射光が、間隙１０８ｂから出射光１１５として出射される。

次に、光学ユニットの形状について説明する。

各光循環セルの横幅をａ、各光循環セルの縦幅をｂ、各光循環セル間の間隔（各セル分離板の厚さ）をｃ、反射面１０９と各光循環セルとの間の長さ（反射面１０９と半透過板１０１との間の長さ）をｄ、半透過板１０１の厚さをｔ、半透過板１０１（ガラス板１０１ａ）の屈折率をｎとする。なお、光循環セルの横幅は、その光循環セルの半透過鏡（半透過板１０１）に沿った方向（横方向）の光循環セルの長さであり、光循環セルの縦幅は、その光循環セルの半透過鏡に垂直な方向（縦方向）の光循環セルの長さである。

光循環セル１５１〜１５４のそれぞれにおいて、入射光１１１の入射位置（光透過点１１０）と、循環光１１４の入射位置とが一致すれば、反射光１１２と循環光１１４とが同じ光軸上で合成される。このため、出射光１１５の幅が最も小さくなる。

したがって、光学ユニットは、光循環セル１５１〜１５４のそれぞれにおいて、入射光１１１の入射位置と循環光１１４の入射位置とが一致するように構成されることが望ましい。また、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入射光１１１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。

入射光１１１の半透過鏡における入射角度をθとすると、入射光１１１の入射位置と循環光１１４の入射位置とが一致するためには、ａ／ｂ＝ｔａｎθを満たす必要がある。なお、光循環セル１５１〜１５４の半透過鏡と反射面１０９とが互いに平行なので、光循環セル１５１の半透過鏡における入射光１１１の入射角度がθであると、光循環セル１５２〜１５４のそれぞれの半透過鏡における入射光１１１の入射角度もθとなる。

また、光循環セル１５１〜１５４のそれぞれにおいて、入射光１１１の入射位置は、その光循環セルの透過鏡の中心であることが望ましい。これは、入射光１１１の入射角度θがａ／ｂ＝ｔａｎθを満たす値からずれたことによる出射光１１５の幅の拡大を抑制するためである。なお、この入射角度θのずれによる出射光１１５の幅の拡大についての詳細は、後述する。

光循環セル１５１〜１５４のそれぞれにおいて、入射光１１１の入射位置がその光循環セルの透過鏡の中心であるためには、ｄ＝（ａ＋ｃ）／２・ｔａｎθ−ｎ・ｔを満たす必要がある。

したがって、入射光１１１の入射角度θと、光学ユニットの形状とは、これらの関係式ａ／ｂ＝ｔａｎθ、および、ｄ＝（ａ＋ｃ）／２・ｔａｎθ−ｎ・ｔを満たすように設定されることが望ましい。

次に、この光学ユニットの特性について説明する。

先ず、入射光１１１が光学ユニットに入射されてから出射光１１５として出射されるまでに、入射光１１１が循環光１１４として光循環セルを循環する回数（回転数ｎ’）と、出射光１１５の光強度Ｐの関係について説明する。

図４は、セル数が１〜６の場合における回転数ｎ’と出射光１１５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１１５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１１１の光強度を１としている。また、半透過板１０１の反射率は０．５としている。

セル数が１の場合、入射光１１１は、反射率が０．５の半透過板１０１に１回だけ入射されるので、回転数ｎ’が０である出射光１１５の光強度Ｐは、入射光１１１の光強度の５０％となる。また、回転数ｎ’が多くなるに従い、出射光１１５の光強度Ｐは、入射光１１１の光強度の２５％、１２．５％、６．５％…と急激に減衰する。

図５は、入射光１１１が一つの光循環セルの内部を循環する単体回転数ｎ’’と、その光循環セルに入射される入射光１１１に対するその光循環セルから出射される入射光１１１の相対強度ｆ（ｎ’’）との関係を示したグラフである。図５において、横軸は単体回転数ｎ’’を示し、縦軸は入射光１１１の相対強度ｆ（ｎ’’）[％]を示す。なお、光循環セルの半透過板１０１の反射率は、√２−１≒０．４１４２としている。また、出射光の相対強度ｆ（ｎ’’）は、ｆ（ｎ）＝１００・（１−μ）²・μ^n''-1で表される
単体回転数ｎ’’が大きくなるほど、急激に出射光の相対強度を小さくなっている。例えば、単体回転数ｎ’’が１０になると、出射光の相対強度ｆ（ｎ’’）は、単体回転数ｎ’’が１の場合と比べて０．０１２％に低減される。

図４に戻る。セル数が２以上の場合、入射光１１１は、複数の光循環セルに入射される。したがって、入射光１１１は、半透過板１０１に複数回入射されるので、回転数ｎ’が０である出射光１１５の光強度Ｐは、光循環セルが１つの場合と比べて小さくなる。例えば、セル数が４の場合、回転数ｎ’が０である出射光１１５の光強度Ｐは、入射光１１１の光強度の２．８％になる。

また、回転数ｎ’が多くなるに従い、出射光１１５の光強度Ｐは、一旦大きくなり、その後、セル数が１の場合と比べて緩やかに小さくなっていく。例えば、セル数が２〜６の場合、出射光１１５の光強度Ｐは、回転数ｎ’が３〜６で最大となるが、その後、緩やかに小さくなっている。また、出射光１１５の光強度Ｐのピークは、最大でも０．２以下である。したがって、光循環セルが複数の場合には、出射光１１５の光強度Ｐが均一化されていることがわかる。

続いて、半透過板１０１の反射率について説明する。

セル数をｍ、半透過板１０１の反射率をμとしたときの、相対スペックルコントラストＣ（ｍ，μ）は、数１で表される。なお、相対スペックルコントラストは、入射光１１１によるスペックルのコントラストＣ₀に対する出射光１１５によるスペックルのコントラストＣの割合Ｃ／Ｃ₀を示す。

数１において、Φ（ｎ−ｋ）は、オイラーのφ関数である。また、Ｎは、光循環セルの内部を循環光１１４として循環する入射光１１１が全てその光循環セルから出射されるとみなせる単体回転数ｎ’’であり、例えば、１００である。

図６は、セル数ｍが１〜３０の場合における半透過板１０１の反射率μと相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀の関係を示したグラフである。図６において、横軸は半透過板１０１の反射率μを示し、縦軸は、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀を示す。

図６で示されたように、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀は、反射率μに対して下に凸の関数となる。よって、反射率μが、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀の反射率に対する微分値が０になるときの値であると、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀が最も小さくなる。したがって、その値が反射率μとして最適である。

続いて、出射光１１５の光強度分布の、入射光１１１の入射角度θに対する依存性について説明する。なお、入射光１１１は、光循環セルの半透過鏡の中心に入射されるものとする。ここで、光循環セルの半透過鏡の中心とは、その光循環セルの横方向における半透過鏡の中心であればよい。

セル数をＭ、入射角度をθ、反射率をμ、位置をｘとしたときの出射光１１５の光強度分布ｆ（Ｍ，θ，μ，ｘ）は、数２で表される。

以下、入射角度が４５°のときに、入射光１１１と循環光１１４が半透過板１０１の同じ位置に入射される場合を例にとって詳細に説明する。以下、このように入射光１１１と循環光１１４が半透過板１０１の同じ位置に入射されるときの入射角度を設定入射角度と称する。

図７〜１０は、入射光１１１の入射角度と出射光１１５の光強度分布の関係を示した説明図である。図７〜図１０において、横軸は位置Ｘ[ｍｍ]を示し、縦軸は出射光１１５の光強度Ｐを示す。位置Ｘは、入射角度が４５°のときに出射光１１５の光強度Ｐがピークとなる位置を原点「０」としている。また、入射角度が４５°のときの出射光１１５の幅を１ｍｍであるとし、入射角度が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。

なお、図７では、セル数が１であり半透過板１０１の反射率が０．４１である。図８では、セル数が５であり半透過板１０１の反射率が０．６である。図９では、セル数が１０であり半透過板１０１の反射率が０．７である。図１０では、セル数が３０であり半透過板１０１の反射率が０．８である。ここで、図７〜図１０において、反射率は、セル数に応じたほぼ最適な値となっている。

図７および図８で示されたように、入射角度が１°ずれると、出射光１１５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１１５が多峰光になる。

また、図７〜図１０で示されたように、入射角度が４５°からずれるほど、出射光１１５の幅（出射光ビーム幅）が広くなる。例えば、図９の場合（セル数が１０の場合）、入射角度が４５°から０．５度ずれると、出射光ビーム幅が、入射角度が４５°のときと比べて４倍になる。

図１１ａは、セル数ｍが１〜３の場合における入射角度θと出射光ビーム幅ｗとの関係を示したグラフである。図１１ａにおいて横軸は、入射角度θ[°]を示し、縦軸は、出射光ビーム幅ｗ[ｍｍ]を１／ｅ²で規格化した長さを示す。

図１１ａで示されたように、入射角度θの設定入射角度４５°からのずれ幅が大きくなるほど、出射光ビーム幅ｗも大きくなる。

また、セル数ｍが多くなるほど、入射角度θのずれ幅が同じでも、出射光ビーム幅ｗは大きくなる。

これは、以下の理由による。つまり、セル数ｍが多くなるほど、最適な反射率も大きくなるので、循環光１１４が光循環セルから出射されにくくなる。この結果、回転数ｎ’が増え、入射角度θのずれのために生じる循環光路１３０のずれが大きくなる。したがって、セル数ｍが多くなるほど、出射光ビーム幅ｗは大きくなる。

また、図７〜図１０で示されたように、入射角度θが設定入射角度４５°からずれると、出射光１１５の光強度Ｐのピークの位置（ビームピーク位置）が変化する。

図１１ｂは、セル数ｍが１〜３の場合における入射角度θとビームピーク位置の変化ΔＸとの関係を示したグラフである。図１０ｂにおいて、横軸は、入射角度θ[°
]を示し、縦軸は、ビームピーク位置の変化ΔＸ[ｍｍ]を示す。

図１１ｂで示されたように、入射角度θの設定入射角度４５°からのずれ幅が大きくなるに従い、ビームピーク位置の変化ΔＸも大きくなる。また、セル数ｍが多くな
るほど、入射角度θのずれ幅が同じでも、ビームピーク位置の変化ΔＸは大きくなる
。

したがって、セル数が大きくなるに従い、入射角度を精密に制御する必要がある。

続いて、半透過鏡における入射光１１１の入射位置と、循環光路１３０の長さ（循環光路長）について説明する。

図１２ａは、入射光１１１の入射位置と循環光路長との関係を説明するための説明図である。図１２ａでは、上面から見たときの光循環セルが示されている。なお、光循環セルの縦幅をｂ、光循環セルの横幅をｂ・ｔａｎθと、としている。

入射光１１１が光循環セルの半透過鏡１４０の中心に入射されたときの循環光路長をＬ₀、入射光１１１が半透過鏡１４０の中心からずれ幅δだけずれた位置に入射されたときの循環光路長をＬ₁とする。このとき、循環光路長Ｌ₀に対する循環光路長をＬ₁の変化率ｒは、ｒ＝１００・（Ｌ₁−Ｌ₀）／Ｌ₀で表される。この変化率ｒを入射位置のずれ幅δで表すと、数３となる。

図１２ｂは、入射角度θが４２°〜４５°の場合における入射位置のずれ幅δと循環光路長の変化率ｒとの関係を示したグラフである。図１２ｂにおいて、横軸は、入射位置のずれ幅δ[ｍｍ]を示し、縦軸は、循環光路長の変化率ｒ[％]を示す。なお、光循環セルの縦幅ｂを１０ｍｍとしている。

図１２ｂで示されたように、入射角度θが設定入射角度４５°の場合、入射位置がずれても循環光路長は変化ない。また、入射角度θが設定入射角度４５°でない場合、入射位置が半透過鏡１４０の中心からずれるほど変化率ｒが大きくなる。また、入射角度θが４５°から離れるほど、同じずれ幅δでも変化率ｒは大きくなる。

続いて、出射光１１５によるスペックルのコントラスト（以下、スペックルコントラストと称する）および出射光１１５の特性の入射角度依存性について説明する。

図１３は、入射角度θが４５．２°であり、セル数ｍが２である場合におけるスペックルコントラストの分布を示した説明図である。図１３において、横軸は、位置Ｘ[ｍｍ]を示し、縦軸は、スペックルコントラストＣを示す。なお、横軸で示された位置Ｘは、入射角度θが４５°のときの出射光１１５のピークの位置を０としている。

入射角度θが４５．２度のときの出射光１１５のピークの位置Ｘは、０．１７２となる。また、そのピークの位置Ｘにおけるスペックルコントラストは、０．４１９になる。

また、出射光１１５の強度分布で重み付けを行った、位置が−２から２までのスペックコントラストの平均値（平均スペックルコントラスト）は、数４で求めることができ、０．４０６となる。

ここで、ｆｆ₂（Ｘ、θ）は、出射光１１５の強度分布を示し、Ｃ₂（Ｘ、θ）は、ピークの位置Ｘにおけるスペックルコントラストである。

図１４は、入射角度θと、出射光１１５の強度分布で重み付けを行った平均スペックルコントラストと関係を示したグラフである。図１４において、横軸は入射角度θ[°]を示し、縦軸は、出射光１１５の強度分布で重み付けを行った平均スペックルコントラストＣ_Aを示す。なお、セル数ｍは２である。

図１４で示されたように、入射角度θが４５°からずれるほど、平均スペックルコントラストＣ_Aは大きくなるので、スペックルコントラストの低減の観点からも、入射角度θは４５°であることが望ましい。なお、入射角度θが４６°付近で出射光１１５は多峰光になる。

続いて、セル数ｍ、入射角度θおよび出射光ビーム幅ｗとの関係について説明する。

図１５は、入射角度θが４５．５〜４５．３０°の場合におけるセル数ｍと出射光ビーム幅ｗとの関係を示したグラフである。図１５において、横軸は、セル数ｍ[個]を示し、縦軸は、出射光ビーム幅ｗ[ｍｍ]を１／ｅ²で規格化した長さを示す。

図１５で示されたように、セル数ｍが多くなるほど、出射光ビーム幅ｗが大きくなる。また、入射角度θが設定入射角度４５°からずれるほど、同じセル数ｍでも出射光ビーム幅ｗが大きくなる。

続いて、出射光１１５の光強度分布の、セル数ｍに対する依存性について説明する。図１６は、セル数ｍと出射光１１５の光強度分布の関係を示した説明図である。横軸は位置Ｘ[ｍｍ]を示し、縦軸は、出射光１１５の光強度Ｐを示す。なお、入射角度θは、４５．３°としている。セル数ｍは、３〜２１を２ごとに示している。

また、光強度Ｐは、入射角度θが４５°のときの出射光１１５の光強度のピークを１としている。また、位置Ｘは、入射角度θが４５°のときの出射光１１５の光強度のピークの位置を原点「０」としている。

図１６で示されたように、セル数ｍが大きくなるほど、出射光１１５の光強度Ｐのピークの位置は、原点「０」からずれる。また、出射光ビーム幅ｗも大きくなっている。

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１５１〜１５４のそれぞれは、半透過鏡である入射面に入射された入射光１１１を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光にする。反射板１０８は、光循環セル１５１〜１５４へ光を入射するとともにその光循環セル群からの出射光を出射光１１５として出射する。

この場合、入射光１１１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１１５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１５１〜１５４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。

また、本実施形態によれば、光循環セルの半透過鏡の反射率μは、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀の反射率μに対する微分値が０となるときの値である。

この場合、出射光１１５によるスペックルコントラストＣの低減率をより向上させることができる。

また、本実施形態によれば、光循環セル１５１〜１５４のそれぞれは、並設される。反射板１０８の反射面１０９は、光循環セルの入射面と平行に設けられる。

この場合、特許文献１に記載の光源装置を単純に複数設置した場合に比べて以下の顕著な効果を有する。

例えば、図１７で示したように複数の光源装置を並べた場合、その複数の光源装置と、光源装置から出射された光を別の光源装置に入射するための複数の鏡との位置のばらつきにより、各光源装置に入射される光の入射角にばらつきが生じる。このため、出射光の幅が広がったり、出射光が多峰化する。

本実施形態では、反射面１０９は半透過鏡と平行に設けられているので、各光循環セルに入射される光の入射角のばらつきを抑制することが可能になる。したがって、出射光１１５の幅の広がりや出射光の多峰化を抑制することが可能になる。

また、本実施形態によれば、光循環セル１５１〜１５４のそれぞれの間は、全反射膜が両面に形成されたセル分離板１０５〜１０７で区切られている。

例えば、図１８で示したように、特許文献１に記載の光源装置を互いに接触して複数設置させた場合、光学装置の側面から隣接する光学装置に透過光が漏れ、その漏れた透過光が戻り光として入射光の光源に出射される。このため、スクリーンに表示される画像が劣化する。

本実施形態では、光循環セル１５１〜１５４の内部を循環する循環光１１４が別の光循環セル１５１〜１５４に漏れることを抑制することが可能になり、戻り光を抑制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１９は、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斜視図である。また、図２０は、図１９で示した光学ユニットを模式的に示した上面図である。

図１９および２０において、光学ユニットは、支持板２００と、光循環セル２０１〜２０５と、導光板２０６と、直角プリズム２０７および２０８とを有する。

支持板１００は、例えば、アルミニウムやガラスで形成される。

支持板２００には、光循環セル２０１〜２０５のそれぞれを埋め込むための埋め込み溝２０９が一定の間隔ごとに光循環セルの数だけ形成されている。光循環セル間に間隙２１０を設けるためである。なお、図１９では、全ての埋め込み溝２０９のうち光循環セル２０５を埋め込むための埋め込み溝２０９だけが示されている。

埋め込み溝２０９は、埋め込み溝２０９に埋め込まれた光循環セルのそれぞれが互いに平行になり、かつ、光循環セル２０１〜２０５のそれぞれのある面が一直線上に並ぶように形成される。

光循環セル２０１〜２０５のそれぞれは、ガラスで、底面が長方形の角柱（直方体）に状に形成される。光循環セル２０１〜２０５のそれぞれは、支持板１００に形成された埋め込み溝２０９のそれぞれに埋め込まれている。埋め込み溝２０９間には間隔が設けられているので、光循環セルの２０１〜２０５はそれぞれの間には、間隙２１０が形成される。

なお、光循環セル２０１〜２０５のそれぞれの間に同一のスペーサを挟み、そのスペーサを挟んだ光循環セル２０１〜２０５を支持板に接着することで、間隙２１０を設けてもよい。この場合、埋め込み溝２０９は必要なくなる。

導光板２０６は、ガラスで直方体状に形成される。

導光板２０６は、光循環セル２０１〜２０５の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル２０１〜２０５へ光を入射するとともにその光循環セル群からの出射光を出射光２２４として出射する。

導光板２０６の下面が支持板２００と接着され、導光板２０６の側面のいずれかが、光循環セル２０１〜２０５のそれぞれのある側面と接するように設けられる。導光板２０６の光循環セル２０１〜２０５と接する側面には、半透過膜２１１が形成されている。なお、半透過膜２１１は、光がガラスからガラスに入射されるときに、その光を透過および反射する対ガラス用の半透過膜である。以下、特に断りのない限り半透過膜は、対ガラス用の半透過膜であるとする。

これにより、光循環セル２０１〜２０５のそれぞれの導光板２０６に接する側面は、半透過鏡となり、入射光２２０が入射される入射面となる。また、光循環セル２０１〜２０５の半透過鏡と異なる３つの側面は、間隙２１０（空気）と光循環セル２０１〜２０５を形成するガラスとの屈折率の違いにより、反射部として機能する。このため、光循環セル２０１〜２０５は、第一の実施形態で説明した光循環セル１５１〜１５４と同等な機能を有する。なお、その３つの側面に全反射膜が形成されてもよい。

導光板２０６の半透過膜２１１が形成された側面に対向する側面である反射面２１２は、前段の光循環セルから出射された出射光を反射して、後段の光循環セルに入射する。なお、導光板２０６は直方体状であるので、反射面２１２と、各光循環セルの半透過鏡とは互いに平行になる。また、反射面２１２は、導光板２０６を形成するガラスと導光板２０６の外部（空気）との屈折率の違いにより、各光循環セルから出射された光を反射する。反射面２１２に全反射膜が形成されていてもよい。

なお、光循環セルの反射鏡や反射面２１２を屈折率の違いにより光を反射させる場合、その光が全反射するような入射角度でその反射鏡や反射面２１２に入射されるように、入射光２２０の入射角度を調整することが望ましい。

導光板２０６の反射面２１２と垂直な側面のそれぞれは、直角プリズム２０７および２０８のそれぞれの斜面と異なる面の一方と接続されている。なお、直角プリズムの斜面とは、直角プリズムの底面である直角三角形の斜辺を有する側面のことである。また、直角プリズム２０７および２０８のそれぞれの下面は支持板３００に接着される。

直角プリズム２０７および２０８は、ガラスで形成される。

直角プリズム２０７の斜面は、入射光２２０を光循環セル２０１に入射するための入射部となる。入射部には、入射光２２０の反射を抑制するための反射防止膜２１３が形成されている。

直角プリズム２０８の斜面は、出射光２２４を出射するための出射部となる。出射部には、出射光２２４の反射を抑制するための反射防止膜２１４が形成されている。

次に動作を説明する。

入射光２２０が、直角プリズム２０７の入射部を介して、光循環セル２０１の半透過鏡に入射されると、その半透過鏡によって反射光２２１と透過光２２２とに分岐される。反射光２２１は、出射光として光循環セル２０１から出射する。

透過光２２２は、循環光２２３として光循環セル２０１の内部を循環して光循環セル２０１の半透過鏡に入射される。循環光２２３のうちの半透過鏡で透過された光は、反射光２２１と合成され出射光として出射される。また、その循環光２２３のうち半透過鏡で反射された光は、透過光２２２と合成されて、循環光２２３として再び光循環セル２０１の内部を循環する。

光循環セル２０１から出射された出射光は、後段の光循環セル２０２の入射光として、導光板２０６の反射面２１２で反射され、光循環セル２０２の半透過鏡に入射される。

このような動作が光循環セル２０２〜２０５まで順番に繰り返される。そして、最後段の光循環セル２０５から出射された出射光は、光循環セル群からの出射光２２４として、導光板２０６および直角プリズム２０８を介して、直角プリズム２０８の出射部から出射される。

次に光学ユニットの形状について説明する。

なお、第一の実施形態と同様に、各光循環セルの横幅をａ、各光循環セルの縦幅をｂ、各光循環セル間の間隔をｃ、反射面１０９と各光循環セルとの間の長さをｄとする。また、光循環セル２０１の半透過鏡における入射光２２０の入射角度がθとする。

光循環セル２０１〜２１５のそれぞれにおいて、その光循環セルの半透過鏡における入射光２２０の入射位置と循環光２２３の入射位置とが一致し、かつ、入射光２２０の入射位置がその光循環セルの半透過鏡の中心になるためには、ａ／ｂ＝ｔａｎθ、かつ、ｄ＝（ａ＋ｃ）／２・ｔａｎθを満たす必要がある。したがって、入射光２２０の入射角度θと、光学ユニットの形状とは、これらの関係式を満たすように設定されることが望ましい。

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２０１〜２０５のそれぞれは、半透過鏡である入射面に入射された入射光２２０を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光に変換する。導光板２０６は、光循環セル２０１〜２０５へ光を入射するとともにその光循環セル群からの出射光を出射光２２４として出射する。

この場合、入射光２２０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入射光２２０の光強度が均一化される。したがって、第一の実施形態と同様に、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。

次に第三の実施形態について説明する。

第一および第二の実施形態では、光循環セルは、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、その光循環セルの入射面が側面をなし、底面が奇数角の角柱（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奇数角形セルと称する。

図２１ａ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２１ａにおいて、奇数角形セルは、半透過鏡３０１と、反射鏡３０２および３０３を有する。半透過鏡３０１と反射鏡３０２および３０３は、底面が三角形の角柱（三角柱）の側面を形成するように配置される。なお、図２１ａでは、底面が正三角形になっている。

半透過鏡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として反射鏡３０２および３０３の順番で反射され半透過鏡３０１に入射される。その入射された循環光３１４のうち半透過鏡３０１で透過された光は、反射光３１２に合成されて出射光として出射される。また、その入射された循環光３１４のうち半透過鏡３０１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の半透過鏡３０１における入射位置が、半透過鏡３０１の中心であれば、入射光３１１の半透過鏡３０１における入射角度が、例えば、図２１ｂ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の半透過鏡３０１における入射位置が半透過鏡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鏡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２１ａ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２１ｃで示したような底面が直角三角形の角柱でもよいし、図２１ｄで示したような底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２２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２２では、奇数角形セルとして底面が正五角形の角柱である五角形セルが用いられている。

図２２において、光学ユニットは、支持板３３０と、五角形セル３３１〜３３４と、導光板３３５と、直角プリズム３３６および３３７と有する。

五角形セル３３１〜３３４は、光循環セル群を構成する。

五角形セル３３１〜３３４は、ガラスで形成された正五角柱のプリズム（ペンタプリズム）である。五角形セル３３１〜３３４のそれぞれは、五角形セル３３１〜３３４のそれぞれの半透過鏡になる側面が一直線上に並ぶように支持板３３０上に並設される。

導光板３３５、直角プリズム３３６および３３７は、五角形セル３３１〜３３４の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、五角形セル３３１〜３３４へ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光３５１として出射する。

導光板３３５は、直方体状のガラス板である。導光板３３５の側面のいずれかが、五角形セル３３１〜３３４のそれぞれのある側面と接するように支持板２００上に設けられる。導光板３３５の五角形セル３３１〜３３４と接する側面には、半透過膜３３８が形成されている。

これにより、五角形セル３３１〜３３４のそれぞれの導光板３３５に接する側面が半透過鏡となる。また、五角形セル３３１〜３３４の半透過鏡と異なる４つの側面は、五角形セル３３１〜３３４の外部（空気）と五角形セル３３１〜３３４を形成するプリズムとの屈折率の違いにより、反射部として機能する。

導光板３３５の半透過膜３３８が形成された側面に対向する側面である反射面３３９は、前段の五角形セルから出射された光を反射して、後段の五角形セルに入射する。なお、導光板３３５は直方体状であるので、反射面３３９と、各五角形セルの半透過鏡とは互いに平行になる。また、反射面３３９は、導光板３３５を形成するガラスと導光板３３５の外部（空気）との屈折率の違いにより、各光循環セルから出射された光を反射する。なお、反射面３３９に全反射膜が形成されていてもよい。

導光板３３５の反射面３３９の両端部は、直角プリズム３３６および３３７のそれぞれの斜面と異なる面と接している。

直角プリズム３３６の斜面は、入射光３５０を五角形セル３３１に入射するための入射部となる。直角プリズム３３６の入射部には、入射光３５０の反射を抑制するための反射防止膜３４０が形成されている。

直角プリズム３３７の斜面は、光循環セル群からの出射光を出射光３５１として出射するための出射部となる。直角プリズム３３７の入射部には、出射光３５１の反射を抑制するための反射防止膜３４１が形成されている。

一般に、底面が正ｓ角形の角柱の光循環セルの場合、その光循環セルの半透過鏡に入射される入射光の入射角は、１８０（ｓ−２）／２ｓ[°]であり、その入射光の入射位置がその光循環セルの半透過鏡の中心であれば、その入射光の半透過面における入射位置と、その光循環セル内の循環光の半透過面における入射位置とが一致する。このため、図２２で示した光学ユニットでは、入射光３５０は、五角形セル３３１の半透過面に対して入射角度５４°で入射されれば、入射光３５０の半透過面における入射位置と、光循環セル内の循環光３５２の半透過面における入射位置とが一致する。

次に動作を説明する。

入射光３５０が、直角プリズム３３６の入射部を介して、五角形セル３３１の半透過鏡に入射されると、その半透過鏡によって反射光と透過光とに分岐される。反射光は、五角形セル３３１から出射光として出射される。

透過光は、循環光３５２として五角形セル３３１の内部を循環して五角形セル３３１の半透過鏡に入射される。循環光３５２のうちその半透過鏡で透過された光は、その反射光と合成され出射光として出射される。また、その循環光３５２のうち半透過鏡で反射された光は、その透過光と合成されて、循環光３５２として再び五角形セル３３１の内部を循環する。

五角形セル３３１から出射された出射光は、後段の五角形セル３３２の入射光として、導光板３３５の反射面３３９で反射され、五角形セル３３２の半透過鏡に入射される。

このような動作が五角形セル３３２〜３３４まで順番に繰り返される。そして、光循環セル３３４から出射された出射光は、導光板３３５および直角プリズム３３７を介して、出射光３５１として直角プリズム３３７の出射部から出射される。

図２３は、五角形セルを用いた光学ユニットの他の例を模式的に示した上面図である。図２３において、光学ユニットは、支持板３３０と、五角形セル３３１〜３３４と、導光板３６０とを有する。

図２３では、五角形セル３３１〜３３４は、間隙なく並設される。各五角形セルは、入射面以外の側面は、他の五角形セルと隣接する面には、全反射膜が設けられている。これにより、五角形セル内の循環光３５２が、他の五角形セルに透過されることを抑制することができる。

導光板３６０は、五角形セル３３１〜３３４の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、五角形セル３３１〜３３４のそれぞれへ光を入射するとともに、その光循環セル群からの出射光を出射光１１５として出射する。

導光板３６０は、ガラスで形成され、五角形セル３３１〜３３４のそれぞれの半透過鏡に接するように支持板３３０上に設けられる。

また、導光板３６０には、前段の五角形セルから出射された光を反射して、後段の五角形セルに入射することができるように、五角形セル３３１〜３３４の半透過鏡の逆側の面には反射面３６２が形成される。

また、導光板３６０の入射光３５０の入射面３６３には、入射光３５０が屈折しないように、つまり、入射光３５０が導光板３６０に対して垂直に入射されるように傾斜がつけられる。また、入射面３６３には、入射光３５０の反射を防止するための反射防止膜が形成されてもよい。

また、導光板３６０の出射光３５１が出射される出射面３６４には、出射光３５１が屈折しないように、つまり、出射光３５１が導光板３６０に対して垂直に出射されるように傾斜がつけられる。また、出射面３６４には、出射光３５１の反射を防止するための反射防止膜が形成されてもよい。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セルは、前記入射面が側面をなし、底面が奇数角の柱状多面体の奇数角形セルである。

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、半透過鏡における入射光の入射位置がその半透過鏡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。

次に第四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、底面が偶数角の角柱（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、第一および第二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２４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２４では、偶数角形セルとして、底面が六角形の角柱である六角形セルが示されている。

図２４において、六角形セルは、半透過鏡４０１と、反射鏡４０２〜４０６とを有する。半透過鏡４０１と反射鏡４０２〜４０６は、底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２４では、底面が正六角形になっている。

半透過鏡４０１は、入射光４１１を反射および透過して反射光４１２と透過光４１３に分岐する。

反射光４１２は、出射光として出射される。

また、透過光４１３は、循環光４１４として反射鏡４０２〜４０６の順番で反射され半透過鏡４０１に入射される。その入射された循環光４１４のうち半透過鏡４０４で透過された光は、反射光４１２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４１４のうち半透過鏡４０１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４１１の半透過鏡４０１における入射角度θが設定入射角度であれば、入射光４１１の半透過鏡４０１における入射位置が半透過鏡４０１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。

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２５および図２６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２５および図２６では、上面から見た、底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２５では、半透過鏡４２０における入射光４２１の入射角度θは４４．４５°である。また、循環光４２２は、単体回転数ｎ’’が１の循環光であり、循環光４２３は、単体回転数ｎ’’が２の循環光である。また、反射光４２４は入射光４２１の半透過鏡４２０における反射光であり、循環透過光４２５は、循環光４２２の半透過鏡４２０における透過光であり、循環透過光４２６は、循環光４２３の半透過鏡４２０における透過光である。なお、反射光４２４、循環透過光４２５および４２６のそれぞれが、光循環セルからの出射光となる。

図２５で示されたように、循環光４２２および４２３の半透過鏡４２０における入射位置は、入射光４２１の半透過鏡４２０における入射位置からずれる。以下、循環光の半透過鏡における入射位置を帰還位置と称し、入射光の半透過鏡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４２４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４２４とが合成された光の幅が大きくなる。

図２６では、半透過鏡４３０における入射光４３１の入射角度θは４４．４５°である。また、循環光４３２は、単体回転数ｎ’’が１の循環光であり、循環光４３３は、単体回転数ｎ’’が２の循環光である。また、反射光４３４は入射光４３１の半透過鏡４３０における反射光であり、循環透過光４３５は、循環光４３２の半透過鏡４３０における透過光であり、循環透過光４３６は、循環光４３３の半透過鏡４３０における透過光である。なお、反射光４３４、循環透過光４３５および４３６のそれぞれが、光循環セルからの出射光となる。

図２５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４３４とが合成された出射光の幅が大きくなる。

また、図２５および図２６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２７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２７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２７において、設定入射角度は４５°である。

図２７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２８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２８では、底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２８では、半透過鏡４４０における入射光４４１の入射角度θは４２．４°である。また、循環光４４２は、単体回転数ｎ’’が１の循環光であり、循環光４４３は、単体回転数ｎ’’が２の循環光である。また、反射光４４４は入射光４４１の半透過鏡４４０における反射光であり、循環透過光４４５は、循環光４４２の半透過鏡４４０における透過光であり、循環透過光４４６は、循環光４４３の半透過鏡４４０における透過光である。

図２５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４４４とが合成された出射光の幅が大きくなる。

図２９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２９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２９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、前記入射面が側面をなし、底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。

次に第五の実施形態について説明する。

本実施形態では、簡便に作製可能な光学ユニットについて説明する。

図３０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３０において、光学ユニットは、支持板５００と、光循環セル５０１〜５０３を備える光循環セル群と、導光板５０４とを有する。

支持板５００は、例えば、アルミで板状に形成される。光循環セル５０１〜５０３は、間隙なく並設される。また、導光板５０４は、光循環セル５０１〜５０３の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル５０１〜５０３へ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光５０６として出射する。

光循環セル５０１〜５０３と導光板５０４は、支持板５００上に設けられた１７個の直角プリズムで形成される。直角プリズムには、４種類あり、全て同じ大きさである。

図３１は、４種類の直角プリズムのそれぞれを示した説明図である。図３１では、直角プリズムＳ〜Ｖが示されている。直角プリズムＳは、斜面に半透過膜Ｓ１が形成されている。直角プリズムＴは、斜面に全反射膜Ｔ１が形成されている。直角プリズムＵは、斜面と異なる面の一方に反射防止膜Ｕ１が形成されている。直角プリズムＶは、半透過膜、全反射膜および反射防止膜が形成されていない通常の直角プリズムである。

図３０に戻る。光循環セル５０１〜５０３と導光板５０４は、３個の直角プリズムＳと、２個の直角プリズムＴと、２個の直角プリズムＵと、１０個の直角プリズムＶとで形成される。

光循環セル５０１は、入射光５０５が最初に入射される最前段の光循環セルであり、光循環セル５０３は、入射光５０５が最後に入射される最後段の光循環セルである。光循環セル５０１および５０３のそれぞれは、１個の直角プリズムＳと、３個の直角プリズムＶとを有する。

光循環セル５０１および５０３のそれぞれでは、直角プリズムＳおよびＶのそれぞれが、その直角プリズムＳおよびＶとのそれぞれの斜面が側面となる、底面が正方形の角柱を形成するように配置される。

光循環セル５０２は、１個の直角プリズムＳと、２個の直角プリズムＴと、１個の直角プリズムＶを有する。

光循環セル５０２では、直角プリズムＳ、ＴおよびＶのそれぞれが、その直角プリズムＳ、ＴおよびＶのそれぞれの斜面が側面となる、底面が正方形の角柱を形成するように配置される。また、直角プリズムＳの斜面で形成された側面に対向する側面は、直角プリズムＶの斜面で形成される。

また、光循環セル５０１〜５０３のそれぞれの直角プリズムＳの斜面が一直線上に並び、かつ、光循環セル５０２の直角プリズムＴ形成された側面のそれぞれには、光循環セル５０１および５０３のそれぞれの直角プリズムＶで形成された側面が接するように、光循環セル５０１〜５０３のそれぞれが配置される。

これにより、光循環セル５０１〜５０３のそれぞれでは、直角プリズムＳの斜面で形成された側面が半透過鏡となり、その側面以外の側面が反射鏡となる。

導光板５０４は、２個の直角プリズムＵと、３個の直角プリズムＶとを有する。導光板５０４では、直角プリズムＵおよびＶは、底面が台形の角柱を形成するように配置される。このとき、２個の直角プリズムＶのそれぞれの斜面が上底面であり、残りの直角プリズムＶと２個の直角プリズムＵとの斜面が下底面となるように配置される。また、角柱の上底面および下底面と異なる２つの面は、２個の直角プリズムＵの反射防止膜Ｕ１が形成された面となる。なお、上底面とは、底面の台形の上底を有する側面であり、下底面とは、底面の台形の下底を有する側面である。

導光板５０４の下底面は、光循環セル５０１〜５０３のそれぞれの直角プリズムＳの斜面と接する。

導光板５０４の一方の直角プリズムＵの反射防止膜Ｕ１が形成された面が、入射光５０５が入射されるための入射部５０７となり、他方の直角プリズムＵの反射防止膜Ｕ１が形成された面が、入射光５０５を出射光５０６として出射する出射部５０８となる。

また、導光板５０４の下底面は、光循環セル５０１〜５０３のそれぞれの直角プリズムＳの斜面と接する。これにより、導光板５０４の上底面が、各光循環セルから出射された入射光５０５を反射して、その光循環セルと異なる光循環セルに入射する反射面５０９となる。

図３２は、本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。図３２において、光学ユニットは、支持板５００と、光循環セル５１１〜５１３を備える光循環セル群と、導光板５１４とを有する。

光循環セル５１１〜５１３のそれぞれの間には、間隙が設けられる。また、導光板５１４は、光循環セル５１１〜５１３の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル５１１〜５１３へ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光５０６として出射する。

光循環セル５１１〜５１３と導光板５１４は、支持板５００上に設けられた、３個のガラスキューブＡと、２個の直角プリズムＵと、３個の直角プリズムＶと、１個の半透過板Ｂとで形成される。半透過板Ｂはガラス板であり、半透過板Ｂの側面のいずれかには、半透過膜Ｂ１が形成される。

光循環セル５１１〜５１３のそれぞれは、ガラスキューブＡで形成される。ガラスキューブＡの全ての面は研磨されている。

光循環セル５１１〜５１３のそれぞれは、ある面が一直線上に並ぶように、互いに平行に設けられる。また、光循環セル５１１〜５１３のそれぞれの間には、間隙が設けられる。

導光板５１４は、２個の直角プリズムＵと、３個の直角プリズムＶと、半透過板Ｂとで形成される。２個の直角プリズムＵと、３個の直角プリズムＶとは、図３０で示した導光板５０４と同じ底面が台形の角柱を形成するように配置される。また、その角柱の下底面は、半透過板Ｂの半透過膜Ｂ１が形成された側面と対向する側面と接する。

導光板５１４の半透過板Ｂの半透過膜Ｂ１が形成された側面は、光循環セル５１１および５１３のそれぞれのある側面と接続される。これにより、光循環セル５１１および５１３のそれぞれの半透過板Ｂと接続された側面が半透過鏡となり、その側面以外の側面が反射鏡となる。

なお、図３０で示した導光板５０４と同様に、導光板５１４を形成する一方の直角プリズムＵの斜面が入射部５０７となり、他方の直角プリズムＶの斜面が出射部５０８となる。また、導光板５０４の上底面が反射面５０９となる。

図３３は、本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。図３３において、光学ユニットは、支持板５００と、光循環セル５１１〜５１３を備える光循環セル群と、導光板５２１とを有する。

光循環セル５１１〜５１３のそれぞれの間には、間隙が設けられる。また、導光板５２１は、光循環セル５１１〜５１３の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル５１１〜５１３へ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光５０６として出射する。

導光板５２１は、半透過板Ｂ’で形成される。半透過板Ｂ’の一つの側面には、半透過膜５２２が形成さる。

導光板５２１の半透過膜が形成された面は、光循環セル５１１および５１３のそれぞれの一つの面と接する。これにより、光循環セル５１１および５１３のそれぞれの導光板５２１と接触された面がその光循環セルの半透過鏡となる。

また、導光板５２１の半透過膜５２２が形成された面に対向する側面が反射面５０９となる。

また、反射面の両端部それぞれには、反射防止膜５２３および５２４が形成される。この反射防止膜５２３および５２４が形成された箇所のそれぞれが、入射部５０７および出射部５０８となる。

図３４は、本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。図３４において、光学ユニットは、支持板５００と、光循環セル５１１〜５１３を備える光循環セルと、導光板５３１と、２個の直角プリズムＣ’を有する。

光循環セル５１１〜５１３のそれぞれの間には、間隙が設けられる。また、導光板５３１および２個の直角プリズムＣ’は、光循環セル５１１〜５１３の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル５１１〜５１３へ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光５０６として出射する。

導光板５３１は、半透過板Ｂ’’で形成される。半透過板Ｂ’’は、図３３で示した半透過板Ｂ’の反射面５０９から反射防止膜５２３および５２４を除いたものと同じである。

また、導光板５３１の反射面５０９の両端部のそれぞれは、直角プリズムＣ’のそれぞれの斜面と接続される。一方の直角プリズムＣ’の斜面と異なる面が入射部５０７となり、他方の直角プリズムＣ’の斜面と異なる面が出射部５０８となる。なお、入射部５０７および出射部５０８には、反射防止膜が形成される。

また、導光板５３１の半透過膜が形成された側面と、光循環セル５１１および５１３のそれぞれの一つの面とが接触される。これにより、光循環セル５１１および５１３のそれぞれの導光板５３１と接触された面がその光循環セルの半透過鏡となる。

図３２〜図３４で示した光学ユニットでは、光循環セル５１１〜５１３のそれぞれは、底面が正方形の角柱なので、設定入射角度４５°である。したがって、光循環セル５１１〜５１３の一辺の長さをａ、光循環セル５１１〜５１３のそれぞれの間隔をｃとすると、反射面５０９と光循環セル５１１〜５１３の透過鏡との間の長さｄは、ｄ＝（ａ＋ｃ）／２であることが望ましい。

また、図３０で示した光学ユニットでは、光循環セル５１１〜５１３のそれぞれは互いに接しているので、ｄ＝ａ／２であることが望ましい。

なお、図３０、図３２〜図３４において、各直角プリズム、ガラスキューブおよびガラス板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いる。

次に第六の実施形態について説明する。

図３５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３５において、光学ユニットは、支持板６００と、導光板６０１と、光循環セル６０２〜６０８を備える光循環セル群と、直角プリズム６０９および６１０とを有する。

支持板６００は、例えば、アルミで形成される。

導光板６０１、直角プリズム６０９および６１０は、光循環セル６０２〜６０８の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル６０２〜６０８へ光を入射するとともに、その光循環セル群からの出射光を出射光６２１として出射する。

導光板６０１は、ガラスで板状に形成され、支持板６００上に設けられる。導光板６０１の１組の互いに対向する側面のそれぞれには、半透過膜６１１および６１２のそれぞれが形成される。

また、導光板６０１の半透過膜６１１が形成された側面に垂直な側面の一方には、直角プリズム６０９の斜面が接続されている。直角プリズム６０９の斜面と異なる面の一方が、入射光６２０が入射されるための入射部６０９ａとなる。

また、導光板６０１の直角プリズム６０９が接続された側面に対向する側面側の、導光板６０１の半透過膜６１２が形成された面の端部には、直角プリズム６１０の斜面が接続されている。直角プリズム６１０の斜面と異なる面の一方が、入射光６２０を出射光６２１として出射するための出射部６１０ａとなる。また、導光板６０１と直角プリズム６１０の接続部には、半透過膜６１２は形成されていない。

光循環セル６０２〜６０８は、底面が正方形の角柱である正方形セルである。なお、底面である正方形の辺の長さは、ａとする。

導光板６０１の半透過膜６１１が形成された側面には、光循環セル６０２〜６０５のそれぞれのある側面が接続されている。これにより、光循環セル６０２〜６０５は、導光板６０１と接続する面を半透過鏡として有することになる。この半透過鏡である面は、入射光６２０が入射される入射面となる。

導光板６０１の半透過膜６１２が形成された側面には、光循環セル６０６〜６０８のそれぞれのある側面が接続されている。これにより、光循環セル６０２〜６０５は、導光板６０１の面を半透過鏡として有することになる。この半透過鏡である面は、入射光６２０が入射される入射面となる。なお、半透過膜６１２は、光循環セル６０５〜６０８が接する箇所に形成される。

これにより、光循環セル６０２〜６０８は、光循環セル６０２〜６０５と、光循環セル６０６〜６０８との２列に設けられる。また、各列の光循環セルは、導光板６０１を挟んで設けられる。さらに、各列の光循環セルの入射面は、他の列の光循環セルの入射面に対向する反射面と兼用される。

光循環セル６０２〜６０８は、底面の一辺の長さがａの正方形となる角柱である正方形セルであるので、入射光６２０の設定入射角は４５°となる。

光学ユニットの形状は、入射光６２０の入射角度θが設定入射角は４５°であるときに、光循環セル６０２〜６０５のそれぞれにおける入射光６２０の入射位置がその光循環セルの透過鏡の中心となるように、ｄ＝（ａ＋ｃ）／２を満たすものとする。なお、光循環セル６０２〜６０８の半透過鏡と、その半透過鏡に対向する反射面との間の長さである。

また、光循環セル６０６〜６０８は、入射光６２０の入射角度θが設定入射角は４５°であるときに、その光循環セルにおける入射光６２０の入射位置がその光循環セルの透過鏡の中心となるように配置される。

次に動作を説明する。

入射部６０９ａに入射された入射光６２０は、半透過膜６１２が形成された面で反射して光循環セル６０２の半透過鏡に入射される。なお、入射光６２０が反射される箇所には、半透過膜６１２が形成されていない。

入射光６２０は、その半透過鏡によって反射光および透過光に分岐される。反射光は、出射光として光循環セル６０２から出射される。

透過光は、循環光として光循環セル６０２の内部を循環して光循環セル６０２の半透過鏡に入射される。循環光のうちの半透過鏡で透過された光は、反射光と合成され出射光として出射される。また、その循環光のうち半透過鏡で反射された光は、透過光と合成されて、循環光として再び光循環セル６０２の内部を循環する。

光循環セル６０２から出射された出射光は、循環セル６０６の入射光として、反射面６１３を半透過鏡として有する光循環セル６０６に入射される。光循環セル６０６からの出射光は、光循環セル６０３の入射光として、光循環セル６０３に入射される。

以下、このような動作が、光循環セル６０３、６０７、６０４、６０８および６０５の順番で繰り返される。そして、光循環セル６０５から出射された出射光は、導光板６０１および直角プリズム６１０を介して、直角プリズム６１０の出射部６１０ａから出射光６２１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６０６〜６０８のそれぞれは、２列に並設される。また、各列の光循環セルの入射面は、他の列の光循環セル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、光学ユニットの装置規模（長さ）の増加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。

図３６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３６において、光学ユニットは、図３５で示した光学ユニットから直角プリズム６１０を除いた構成を有する。

直角プリズム６１０が除かれたことで、導光板６０１の直角プリズム６０９が接続された側面と対向する側面側に、光循環セル群の所定の位置からの出射光を反射して、再び光循環セル群に入射する反射部６１４が形成される。本実施形態では、所定の位置は、光循環セル６０５の出射光の出射位置である。また、反射部６１４は、光循環セル群の出射光である、光循環セル６０５からの出射光を、光循環セル６０５に入射する。

また、直角プリズム６０９の斜面と異なる側面のうち、入射部６０９ａと異なる側面が、入射光６２０を出射光６２１として出射するための出射部６０９ｂとなる。

次に動作を説明する。

入射部６０９ａに入射された入射光６２０は、導光板６０１の半透過膜６１２が形成された面で反射されて、光循環セル６０２の半透過鏡に入射される。光循環セル６０２からの出射光は、光循環セル６０６の入射光として光循環セル６０６に入射される。

以下、このような動作が、光循環セル６０６、６０３、６０７、６０４、６０８および６０５の順番で繰り返される。そして、光循環セル６０５からの出射光は、反射部６１４で復路光６２２として反射して、再び光循環セル６０５に入射する。なお、復路光６２２が、光循環セル６０５の半透過鏡に対して設定入射角で入射され、かつ、入射光６２０の入射位置と異なる位置に入射されるように、反射部６１４が形成されることが望ましい。

ここで、光循環セル６０５の半透過鏡は、復路光６２２が入射されると、その復路光６２２を反射および透過して復路反射光６２３および復路透過光６２４と分岐する。

復路反射光６２３は、光循環セルの出射光として出射される。

また、復路透過光６２４は、光循環セル６０５の内部を循環して半透過鏡に入射する。復路透過光６２４のうちの半透過鏡で透過された光は、反射光と合成され出射光として出射される。また、復路透過光６２４のうち半透過鏡で反射された光は、復路透過光と合成されて、再び光循環セル６０２の内部を循環する。

以下、このような動作が、光循環セル６０８、６０４、６０７、６０３、６０６および６０３の順番で繰り返される。そして、光循環セル６０３から出射された出射光は、導光板６０１および直角プリズム６０９を介して、直角プリズムの出射部６０９ｂから出射光６２１として出射される。

図３６で示した光学ユニットは、入射部６０９ａと出射部６０９ｂとが同じ直角プリズム６０９に形成されていたが、入射部６０９ａと出射部６０９ｂとが異なる直角プリズムで形成されていてもよい。

図３７は、入射部と出射部とが異なる直角プリズム６１０に形成された光学ユニットを模式的に示した上面図である。図３７において、光学ユニットは、支持板６００と、導光板６０１と、光循環セル６０２〜６０８と、直角プリズム６３０および６３１とを有する。

導光板６０１の半透過膜６１２が形成された側面の、反射部６１４が形成された側面側と対向する側面側の端部には、直角プリズム６３０の斜面が接続される。この直角プリズム６３０の斜面と異なる面の一方が入射部６０９ａとなる。

また、導光板６０１の半透過膜６１２が形成された側面に対向する側面の、反射部６１４が形成された側面側と対向する側面側の端部には、直角プリズム６３１の斜面が接続される。この直角プリズム６３１の斜面と異なる面の一方が出射部６０９ｂとなる。

次に効果を説明する。

本実施形態では、導光板６０１の反射部６１５は、光循環セル群の所定の位置からの出射光を、再び光循環セル群へ入射する。

この場合、同じ光循環セルの数で、入射光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。

次に第八の実施形態について説明する。

図３８は、本実施形態の光循環セルを模式的に示した上面図である。

図３８において、光循環セルは、半透過鏡７０１と、反射鏡７０２〜７０４とを有する。

光循環セルは、底面が長方形の四角柱である。具体的には、半透過鏡７０１と反射鏡７０２〜７０４は、底面が長方形の四角柱の側面を形成する。反射鏡７０２および７０４は、半透過鏡７０１と垂直な側面を形成し、反射鏡７０３は、半透過鏡７０１と平行な側面を形成する。

半透過鏡７０１は、入射光７１１を反射および透過して反射光７１２および透過光７１３に分岐する。

反射鏡７０２および７０４は、透過光７１３を循環光７１４として交互に反射して反射鏡７０３に入射する。反射鏡７０３は、その入射された循環光７１４を反射する。反射鏡７０２および７０４は、反射鏡７０３で反射された循環光７１４を交互に反射して半透過鏡７０１に入射する。

半透過鏡７０１は、その入射された循環光７１４を反射および透過する。半透過鏡７０１は、循環光７１４のうちの透過した光を反射光７１２と合成して出射する。また、半透過鏡７０１は、循環光７１４のうち反射した光を透過光７１３に合成して再びその光循環セル内を循環させる。

なお、反射鏡７０２および７０４のそれぞれは、図３８では、循環光７１４を反射鏡７０３に入射するまでに、１回ずつ循環光７１４を反射していたが、実際には、複数回ずつ循環光７１４を反射してもよい。

また、循環光７１４の循環光路では、半透過鏡７０１から反射鏡７０３までの光路と、反射鏡７０３から半透過鏡７０１までの光路とが交差する。このため、循環光路の形状は、複数のループが繋がったように見える。このループの数は、半透過鏡７０１から反射鏡７０３までの循環光路において、循環光が反射鏡７０２および７０４で反射される数と同じになる。以下、このループの数をループ数と称する。また、図３８で示したような光循環セルをロッドセルと称し、第一の実施形態などで説明した四角形セルと区別する。

ここで、入射光７１１の半透過鏡７０１における入射角度をθとし、ループ数をＡとした場合、ロッドセルの横幅と縦幅の比率は、１：Ａ／ｔａｎθを満たすことが望ましい。この場合、入射光７１１の半透過鏡７０１における入射位置と、循環光７１４の半透過鏡７０１における入射位置とが一致する。なお、Ａは、２以上の整数であるとする。

また、入射角度θは、４５°であることが望ましい。これは、入射光７１１の半透過鏡７０１における入射位置が半透過鏡７０１の中心からずれても、出射光の幅は変化しないので、入射位置のずれによる出射光の幅の増加を抑制することができるからである。このため、ロッドセルの横幅と縦幅の比率は、１：Ａを満たすことが望ましい。

次にロッドセルの特性を説明する。

図３９は、ロッドセルの特性を説明するための説明図である。なお、入射角度θを４５°としている。

図３９で示されるように、循環光路長Ｌを確保するのに必要な正方形セルの面積がＳ₁であったとする。この場合、循環光路長Ｌを確保するのに必要なループ数２のロッドセルの面積は、Ｓ₁／２になる。また、ループ数が４のロッドセルの面積は、Ｓ₁／４になる。

また、循環光路長２Ｌを確保するのに必要な四角形セルの面積がＳ₂であったとする。この場合、循環光路長Ｌを確保するのに必要な、ループ数が８のロッドセルの面積は、Ｓ₂／８になる。

したがって、入射角度θを４５°の場合、ある循環光路長を確保するのに必要なロッドセルの底面の大きさは、ループ数に半比例することが分かる。

次にロッドセルを用いた光学ユニットについて説明する。

図４０は、ロッドセルを用いた光学ユニットを模式的に示した三面図である。なお、図４０中の正面図は、上面図のＡＢ断面図に相当する。

図４０において、光学ユニットは、支持板７２０と、導光板７２１と、ロッドセル７２２〜７２５を備える光循環セル群と、直角プリズム７２６および７２７とを有する。導光板７２１と、ロッドセル７２２〜７２５と、直角プリズム７２６および７２７とは、支持板７２０上に設けられる。

導光板７２１、直角プリズム７２６および７２７は、ロッドセル７２２〜７２５の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれへ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光７３１として出射する。

導光板７２１は、ガラスで板上に形成される。

導光板７２１の側面のいずれかには、半透過膜７２８が形成されている。

導光板７２１の半透過膜７２８が形成された側面は、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれのある側面と接続される。これにより、導光板７２１の半透過膜７２８が形成された側面と接続されたロッドセル７２２〜７２５のそれぞれの側面がそのロッドセルの半透過鏡となる。また、導光板７２１の半透過膜７２８が形成された側面に対向する側面は、前段のロッドセルから出射された出射光を、後段のロッドセルに入射する反射面７２９となる。

また、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれは、互いに並設される。さらに、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれの間には、間隙が設けられている。

なお、支持板２００には、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれを埋め込むための埋め込み溝が形成されており、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれは、その埋め込み溝のそれぞれに埋め込まれる。

ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれは、ガラスで底面が長方形の角柱状に形成される。また、ロッドセル７２２〜７２５のそれぞれの横幅と縦幅の比率は、１：４である。

導光板７２１の半透過膜７２８が形成された側面に対向する反射面７２９の両端部は、直角プリズム７２６および７２７のそれぞれの斜面と異なる面の一方と接続される。

直角プリズム７２６の斜面は、入射光７３０が入射されるための入射部７２６ａとなり、直角プリズム７２７の斜面は、入射光７３０を出射光７３１として出射するための出射部７２７ａとなる。

次に動作を説明する。

直角プリズム７２６の入射部７２６ａに入射された入射光７３０は、ロッドセル７２２の半透過鏡に入射される。なお、半透過鏡における入射光７３０の入射角度は、４５°であるとしている。

入射光７３０は、その半透過鏡によって反射光と透過光とに分岐される。その透過光は、循環光７３３としてロッドセル７２２の半透過鏡と垂直な反射鏡で交互に２回ずつ反射されて、その半透過鏡と平行な反射鏡に入射される。そして、その半透過鏡と平行な反射鏡で反射された循環光７３３は、の半透過鏡と垂直な反射鏡で交互に反射され、その半透過鏡に入射される。

その半透過鏡に入射された循環光７３３の一部は、その半透過鏡を透過して反射光に合成されて入射光７３０として出射される。その入射光は、導光板７２１の反射面７２９で反射されロッドセル７２３に入射される。

以下、このような動作がロッドセル７２３〜７２５まで順番に繰り返される。そしてロッドセル７２５から出射された光は、出射光７３１として直角プリズム７２７の出射部７２７ａから出射される。

図４１は、ロッドセルを用いた光学ユニットの他の例を模式的に示した上面図である。図４１は、入射光が導光板を往復する光学ユニットにロッドセルを用いた例を示している。

図４１において、光学ユニットは、支持板７４０と、導光板７４１と、ロッドセル７４２〜７４５を備える複数の光循環セル群と、直角プリズム７４６とを有する。導光板７４１と、ロッドセル７４２〜７４５と、直角プリズム７４６とは、支持板７４０上に設けられる。

導光板７４１および直角プリズム７４６は、ロッドセル７４２〜７４５の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれへ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光７４１として出射する。

導光板７４１は、ガラスで板上に形成される。

導光板７４１の側面のいずれかには、半透過膜７４７が形成されている。

導光板７４１の半透過膜７４７が形成された側面は、ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれのある側面と接続される。これにより、導光板７４１の半透過膜７４７が形成された側面と接続されたロッドセル７４２〜７４５の側面がそのロッドセルの半透過鏡となる。

また、ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれは、互いに並設される。さらに、ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれの間には、間隙が設けられている。

また、導光板７４１の半透過膜７４７が形成された側面に対向する側面は、前段のロッドセルから出射された出射光を、後段のロッドセルに入射する反射面７４８となる。

ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれは、ガラスで、底面が長方形の角柱状に形成される。また、ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれの横幅と縦幅の比率は、１：４である。

導光板７４１の半透過膜７４７が形成された側面に垂直な側面のうち、ロッドセル７４２に近い方の側面に、直角プリズム７４６の斜面が接続される。

直角プリズム７４６の斜面と異なる側面の一方が、入射光７５０が入射されるための入射部７４６ａとなり、直角プリズム７４６の斜面と異なる側面の他方は、入射光７５０を出射光７５１として出射するための出射部７４６ｂとなる。なお、入射部７６４ａおよび出射部７６４には、反射防止膜が形成されていてもよい。

また、導光板７４１の直角プリズムが接続された側面に対向する側面側に、光循環セル群の所定の位置からの出射光を反射して、光循環セル群に入射する反射部７６７が形成される。本実施形態では、所定の位置は、ロッドセル７４４の出射位置である。また、反射部７６７は、光循環セル群の出射光である、ロッドセル７４４からの出射光を、ロッドセル７４５に入射する。

次に動作を説明する。

直角プリズム７４６の入射部７４６ａに入射された入射光７５０は、ロッドセル７４２の半透過鏡に入射される。なお、半透過鏡における入射光７３０の入射角度は、４５°であるとしている。

入射光７５０は、その半透過鏡によって反射光と透過光とに分岐される。その反射光は、出射光としてロッドセルから出射される。

また、透過光は、循環光７５３としてロッドセル７４２の半透過鏡と垂直な反射鏡で交互に反射されて、その半透過鏡と平行な反射鏡に入射される。そして、その半透過鏡と平行な反射鏡で反射された循環光７５３は、の半透過鏡と垂直な反射鏡で交互に反射され、半透過鏡に入射される。

半透過鏡に入射された循環光７５３のうち、その半透過鏡で透過された光は、その反射光に合成されて出射光として出射される。半透過鏡に入射された循環光７５３のうち、その半透過鏡で反射された光は、透過光に合成されて再びロッドセル７４２の内部を循環する。

ロッドセル７４２から出射された出射光は、ロッドセル７４４の入射光として、導光板７４１の反射面７４８で反射され、ロッドセル７４４に入射される。

その後、ロッドセル７４４から出射された出射光は、反射部７４９で反射され、ロッドセル７４５に入射される。そして、ロッドセル７４５から出射された出射光は、反射面７４８で反射されロッドセル７４３に入射される。ロッドセル７４３から出射された出射光は、反射面７４８で反射され、直角プリズム７４６の出射部７４６ｂから出射光７５２として出射される。

図４２は、ロッドセルを用いた光学ユニットの他の例を模式的に示した上面図である。図４２において、光学ユニットは、支持板７６０と、導光板７６１と、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋを備える光循環セル群と、ランダム位相板７６３と、直角プリズム７６４とを有する。導光板７６１、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋ、ランダム位相板７６３および直角プリズム７６４は、支持板７６０上に設けられる。

導光板７６１および直角プリズム７６４は、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋの半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれへ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光７７２として出射する。

導光板７６１は、ガラスで板上に形成される。

導光板７６１の側面のいずれかには、半透過膜７６５が形成されている。

導光板７６１の半透過膜７６５が形成された側面には、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれのある側面が接続される。これにより、導光板７６１の半透過膜７６５が形成された側面と接続された、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれの側面が半透過鏡となる。

また、導光板７６１の半透過膜７６５が形成された側面に対向する側面は、前段のロッドセルから出射された出射光を、後段のロッドセルに入射する反射面７６６となる。

導光板７６１の半透過膜７６５が形成された側面に垂直な側面の一方の側面は、直角プリズム７６４の斜面が接続されている。直角プリズム７６４の斜面と異なる側面の一方が、入射光７７０が入射されるための入射部７６４ａとなり、直角プリズム７６４の斜面と異なる側面の他方は、入射光７７０を出射光７７１として出射するための出射部７６４ｂとなる。なお、入射部７６４ａおよび出射部７６４には、反射防止膜が形成されていてもよい。

また、導光板７４１の直角プリズムが接続された側面に対向する側面側に、光循環セル群の所定の位置からの出射光を反射して、光循環セル群に入射する反射部７６７が形成される。本実施形態では、所定の位置は、ロッドセル７６２ｊの出射位置である。また、反射部６１４は、光循環セル群の出射光である、ロッドセル７６２ｊからの出射光を、ロッドセル７６２ｋに入射する。

ロッドセル７４２〜７４５のそれぞれは、ガラスで、底面が長方形の角柱状に形成される。また、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれでは、横幅と縦幅との比率が１：８となっている。

ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋは、互いに間隙なく並設されている。なお、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれでは、他のロッドセルと隣接する側面には、反射膜７６８が形成される。

ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋの、導光板７６１の半透過膜７６５が形成された側面と対向する側面は、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７６３が接続される。なお、ランダム位相板は、本実施形態のロッドセルに限らず、光循環セルの各反射鏡の少なくとも一つに接続されていればよい。

図４３ａは、ランダム位相板７６３を模式的に示した表面図である。また、図４３ｂは、ランダム位相板７６３の７６３ａ部分の拡大図である。

ランダム位相板７６３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７７０の波長の半分程度である。図４３ａでは、ランダム位相板７６３の高いセル７６３ｃが、その低いセルが、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７６３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７６３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７６３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、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれのランダム位相板７６３の高低パターンは互いに異なるので、それらのランダム位相板７６３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７７２のスペックルが低減される。

次に動作を説明する。

直角プリズム７６４の入射部７６４ａに入射された入射光７７０は、ロッドセル７６２ｂの半透過鏡に入射され、反射光および透過光に分岐される。なお、その半透過鏡における入射光７７０の入射角度は、４５°であるとする。

反射光は、出射光としてロッドセル７６２ｂから出射される。

また、透過光は、循環光７７３としてそのロッドセル７６２ｂの半透過鏡に垂直な反射鏡で交互に反射されてランダム位相板７６３が接続された面に入射される。循環光７７３は、そのランダム位相板７６３によって位相がシフトされて、反射される。ランダム位相板７６３で反射された循環光７７３は、そのロッドセル７６２ｂの半透過鏡に垂直な反射鏡で交互に反射されて、ロッドセル７６２ｂの半透過鏡に入射される。なお、循環光７７３のループ数は、８である。

半透過鏡に入射された循環光７７３のうち、その半透過鏡で透過された光は、その反射光に合成されて出射光として出射される。その出射光は、導光板７４１の反射面７６６で反射されて、後段のロッドセル７６２ｄに入射される。なお、前段のロッドセルと後段のロッドセルとの間には、復路光７７４を循環させるためのロッドセルが挟まれている。

その後、このような動作が、ロッドセル７６２ｄ、７６２ｆ、７６２ｈおよび７６２ｊで繰り返される。そして、ロッドセル７６２ｊから出射された入射光７７０は、反射部７６７で復路光７７４として反射されロッドセル７６２ｋの半透過鏡に入射される。

そのロッドセル７６２ｋの半透過鏡に入射された復路光７７４は、復路反射光および復路透過光に分岐される。復路透過光は、復路循環光７７５としてそのロッドセル７６２ｋの半透過鏡に垂直な反射鏡で交互に反射されてランダム位相板７６３が接続された面に入射される。ランダム位相板７６３で反射された復路循環光７７５は、そのロッドセル７６２ｋの半透過鏡に垂直な反射鏡で交互に反射されて、ロッドセル７６２ｋの半透過鏡に入射される。

半透過鏡に入射された復路循環光７７５のうち、その半透過鏡で透過された光は、その反射光に合成されて出射光として出射される。その出射光は、導光板７４１の反射面７６６で反射されて、後段のロッドセル７６２ｉに入射される。

その後、このような動作が、ロッドセル７６２ｉ、７６２ｇ、７６２ｅ、７６２ｃおよび７６２ａで繰り返される。そして、ロッドセル７６２ａから出射された復路光７７４は、直角プリズム７６４の出射部７６４ｂから出射光７７２として出射される。

また、入射光７７０によるスペックルを効率よく軽減するためには、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれを循環する循環光７７３の循環光路長が、少なくとも入射光７７０のコヒーレンス長と等しい必要がある。

以下、循環光７７３の循環光路長が入射光７７０のコヒーレンス長と等しい場合における光学ユニットの大きさを評価する。なお、入射光７７０のコヒーレンス長Ｌ_cを２[ｃｍ]、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれの横幅をａ［ｃｍ］とする。また、ロッドセル７６２ｂの半透過鏡における入射光７７０の入射角度は、４５°であるとする。さらに、ロッドセル７６２ｂの半透過鏡における入射光７７０の入射位置は、その半透過鏡の中心であるとする。

このとき、循環光７７３の循環光路長ｌは、１６ａ√２で表される。したがって、循環光路長ｌがコヒーレンス長Ｌ_cと等しくなるためには、ａ＝２／（１６√２）[ｍ]となる。

光学ユニットの横幅は、ロッドセルが１１個並んでいるので、１１ａ≒０．９７２[ｃｍ]となる。また、光学ユニットの縦幅は、ロッドセルの横幅と縦幅との比率が１：８なので、８ａ≒０．７０７[ｃｍ]となる。したがって、入射光７７０のコヒーレンス長Ｌ_cを２[ｃｍ]の場合、光学ユニットは、略１ｃｍ角のサイズで実現できる。

また、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋのそれぞれの透過鏡の反射率を０．７とすると、入射光７７０によるスペックルを約１／５に低減することができる。

図４４は、ロッドセルを用いた光学ユニットの他の例を模式的に示した上面図である。図４４において、光学ユニットは、図４２で示した構成に加えて、ランダム位相板７８１を有する。また、光循環セル群は、ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋをさらに有する。さらに、反射面７６６には、半透過膜７８２が形成される。

ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋのそれぞれは、支持板７６０上に設けられる。また、ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋのそれぞれは、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋと同じ形状を有する。また、ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋは、間隙なく並設される。

導光板７６１の半透過膜７６５の反射面７６６には、ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋのそれぞれの側面の一つが接続される。反射面７６６には、半透過膜７８２が形成されているので、導光板７６１の反射面７６６と接続された、ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋのそれぞれの側面が半透過鏡となる。この半透過鏡である面は、入射光７７０が入射される入射面となる。

これにより、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋ、７８０ａ〜７８０ｋは、ロッドセル７６２ａ〜７６２ｋと、ロッドセル７８０ａ〜７８０ｋとの２列に並設される。また、各列のロッドセルは、導光板７６１を挟んで設けられる。さらに、各列のロッドセルの入射面は、他の列のロッドセル入射面に対向する反射面と兼用される。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セルは、底面が長方形の四角柱である。

この場合、光学ユニットに入射される入射光の光循環セルの半透過鏡における入射角度が適宜調整されれば、光循環セルの循環光路長を保ったまま、横幅を低減することが可能になる。したがって、循環光路長を保ったまま光循環セルの面積を低減することが可能になる。

また、本実施形態では、各光循環セルの入射面と異なる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ランダム位相板である。

この場合、各光循環セルから出射される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７７２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４５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４５において、光学ユニットは、支持板８００と、導光板８０１と、光循環セル８０２〜８０９を備える光循環セル群と、直角プリズム８１０および８１１とを有する。導光板８０１、光循環セル８０２〜８０９および直角プリズム８１０は、支持板８００上に設けられる。

導光板８０１、直角プリズム８１０および８１１は、光循環セル８０２〜８０９の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、光循環セル８０２〜８０９のそれぞれへ光を入射するとともに、光循環セル群からの出射光を出射光８３１として出射する。

導光板８０１は、ガラスで板状に形成される。導光板８０１の一組の互いに対向する側面の一方は、光循環セル８０２〜８０５のそれぞれのある側面と接続され、その側面の他方は、光循環セル８０６〜８０９のそれぞれのある側面と接続される。

半透過鏡８２１の導光板８０１に沿った方向の中点の異なる４等分点のどちらか一方を有する箇所には、反射膜８２１ａが形成され、その箇所と異なる箇所には、半透過膜８２１ｂが形成される。本実施形態では、反射膜８２１ａは、半透過鏡８２１の導光板８０１に沿った方向の中点から、半透過鏡８２１の導光板８０１に沿った方向どちらか一方の端点まで形成されている。

光循環セル８０２〜８０９のそれぞれは、底面が正方形の角柱状にガラスで形成される。光循環セル８０２〜８０９のそれぞれの導光板８０１と接続される側面は、半透過鏡８２１ａが半透過鏡８２１となり、入射光８３０が入射される入射面となる。また、光循環セル８０２〜８０９のそれぞれの半透過鏡８２１と異なる側面が反射鏡８２２〜８２４となる。

半透過鏡８２１の導光板８０１に沿った方向の中点の異なる４等分点のどちらか一方を有する箇所には、反射膜８２１ａが形成され、その箇所と異なる箇所には、半透過膜８２１ｂが形成される。本実施形態では、反射膜８２１ａは、半透過鏡８２１の導光板８０１に沿った方向の中点から、半透過鏡８２１の導光板８０１に沿った方向どちらか一方の端点まで形成されている。

光循環セル８０２〜８０９のそれぞれは、その底面に沿った方向に断面において、その底面である正方形のいずれか１辺の中心から、対辺に向かって延伸し、１／４辺ないし３／４辺の長さの反射板８２５を有する。本実施形態では、反射板８２５は、全反射板である。また、反射板８２５は、１／２辺の長さを有する。

また、導光板８０１の光循環セルと接続される面に垂直な側面のそれぞれには、直角プリズム８１０および８１１のそれぞれの斜面が接続される。

直角プリズム８１０の斜面と異なる側面の一方が、入射光８３０が入射されるための入射部８１０ａである。入射部８１０ａには、反射防止膜が形成されていてもよい。

直角プリズム８１１の斜面と異なる側面の一方が、入射光８３０を出射光８３１として出射するための出射部８１１ａである。出射部８１１ａには、反射防止膜が形成されていてもよい。

次に動作を説明する。

直角プリズム８１０の入射部８１０ａに入射された入射光８３０は、直角プリズム８１０および導光板８１１を介して、光循環セル８０２の半透過鏡８２１の半透過膜８２１ａが形成された箇所に入射される。入射光８３０は、半透過膜８２１ａによって反射光および透過光に分岐される。

反射光は、出射光として光循環セル８０２から出射される。

また、透過光は、循環光８３２として光循環セル８０２の内部を循環して光循環セル８０２の半透過鏡８２１の半透過膜８２１ａが形成された箇所に入射される。

具体的には、先ず、循環光８３２は、反射鏡８２２および８２３で反射され反射板８２５に入射される。その後、循環光８３２は、反射板８２５および反射鏡８２２で反射され、半透過鏡８２１の反射膜８２１ｂが形成された箇所に入射される。

続いて、循環光８３２は、反射膜８２１ｂ、反射鏡８２４および８２３で反射され、反射板８２５に入射される。その後、循環光８３２は、反射板８２５および反射鏡８２４で反射され、光循環セル８０２の半透過鏡８２１の半透過膜８２１ａが形成された箇所に入射される。

循環光８３２のうち半透過膜８２１ａで透過された光は、反射光と合成されて出射光として出射される。また、循環光８３２のうち半透過膜８２１ａで反射された光は、再び循環光８３２として光循環セル８０２の内部を循環する。

光循環セル８０２から出射された出射光は、光循環セル８０６の入射光として、光循環セル８０６の半透過鏡に入射される。

その後、光循環セル８０６、８０３、８０７、８０４、８０８、８０５および８０９の順で同様な動作が行われる。光循環セル８０９から出射された入射光８３０は、導光板８０１および直角プリズム８１１を介して、直角プリズム８１１の出射部８１１ａから出射光８３１として出射される。

図４６は、本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。図４６で示した光学ユニットでは、図４５で示した光学ユニットから直角プリズム８１１が除かれている。また、光循環セル８０２〜８０９のそれぞれから反射膜８２１ｂが除かれ、半透過鏡８２１の全てに、半透過膜８２１ａが形成される。

直角プリズム８１１が除かれたことで、導光板８０１の直角プリズム８１０が接続された側面と対向する側面側に、光循環セル群の所定の位置からの出射光を反射して、光循環セル群に入射する反射部８１５が形成される。本実施形態では、所定の位置は、光循環セル８０９の出射光の出射位置である。また、反射部８１５は、光循環セル群の出射光である、光循環セル８０９からの出射光を、光循環セル６０５に入射する。

また、直角プリズム８１０の斜面の異なる側面のうち、入射部８１０ａと異なる側面は、入射光８３０を出射光８３１として出射するための出射部８１０ｂとなる。

また、光循環セル８０２〜８０９のそれぞれの反射板８２５は、半透過板である。

次に動作を説明する。

直角プリズム８１０の入射部８１０ａに入射された入射光８３０は、直角プリズム８１０および導光板８１１を介して、光循環セル８０２の半透過鏡８２１の半透過膜８２１ａが形成された箇所に入射される。入射光８３０は、半透過膜８２１ａによって反射光および透過光に分岐される。透過光は、循環光８３２として光循環セル８０２の内部を循環して光循環セル８０２の半透過鏡８２１に入射される。

光循環セル８０２から出射された入射光８３０は、反射面８１３に入射される。反射面８１３を半透過鏡８２１として有する光循環セル８０６から出射された入射光８３０は、光循環セル８０３に入射される。

以下、光循環セル８０３、８０７、８０４、８０８、８０５および８０９の順で同様な動作が行われる。そして、光循環セル８０９から出射された出射光は、反射部８１５で復路光８３３として反射され、光循環セル８０５に入射される。光循環セル８０５から出射された出射光は、反射面８１３に入射される。反射面８１３を半透過鏡８２１として有する光循環セル８０９から出射された出射光は、光循環セル８０４の半透過鏡８２１に入射される。

以下、光循環セル８０４、８０８、８０３、８０７、８０２および８０６の順で同様な動作が行われる。そして、光循環セル８０６から出射された出射光は、直角プリズム８１０の出射部８１０ｂから出射光８３１として出射される。

次に、各光循環セルの内部における動作を説明する。

各光循環セルの半透過鏡８２１には、入射光８３０と復路光８３３とが入射される。

入射光８３０は、半透過鏡８２１によって反射光および透過光に分岐される。透過光は、循環光８３２として反射鏡８２２および８２３の順番で反射され反射板８２５に入射される。

一方、復路光８３３は、半透過鏡８２１によって復路反射光および復路透過光に分岐される。復路透過光は、復路循環光８３４として反射鏡８２４および８２３の順番で反射され反射板８２５に入射される。

循環光８３２のうちの反射板８２５で透過された光は、復路循環光８３４のうちの反射板８２５で反射された光と合成され、循環光８３２として出射される。その後、循環光８３２は、反射鏡８２４で反射され半透過鏡８２１に入射される。循環光８３２のうち半透過鏡８２１で透過された光は、反射光と合成されて出射光して出射される。一方、循環光８３２のうち半透過鏡８２１で反射された光は、循環光８３２として再び光循環セルの内部を循環する。

また、復路循環光８３４のうちの反射板８２５で透過された光は、循環光８３２のうちの反射板８２５で反射された光と合成され、復路循環光８３４として出射される。その後、復路循環光８３４は、反射鏡８２２で反射され半透過鏡８２１に入射される。復路循環光８３４のうち半透過鏡８２１で透過された光は、復路反射光と合成されて出射光として出射される。一方、復路循環光８３４のうち半透過鏡８２１で反射された光は、復路循環光８３４として再び光循環セルの内部を循環する。

次に効果を説明する。

光循環セル８０２〜８０９のそれぞれは、その底面に沿った方向に断面において、その底面である正方形のいずれか１辺の中心から、対辺に向かって延伸し、１／４辺ないし３／４辺の長さの反射板８２５を有する。

この場合、図４７で示したように、同じ循環光路長を確保するのには、正方形セルの面積Ｓ₃の１／４にすることが可能になる。したがって、循環光路長を保ったまま光循環セルの面積を低減することが可能になる。

次に第十の実施形態について説明する。

図４８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４８において、光学ユニットは、支持板９００と、導光板９０１と、三角形セル９０２〜９１５を備える光循環セル群とを有する。導光板９０１および三角形セル９０２〜９１５は、支持板９００上に設けられる。

導光板９０１は、三角形セル９０２〜９０９の半透過鏡のそれぞれを光学的に連結する導光部材であり、三角形セル９０２〜９０９のそれぞれに光を入射するとともに、その三角形セル群からの出射光を出射光９３１として出射する。

導光板９０１は、底面が平行四辺形の角柱にガラスにて形成される。

導光板９０１の互いに対向する１組の側面の一方が、入射光９３０が入射されるための入射部９２１となり、その１組の側面の他方が、入射光９３０を出射光９３１として出射する出射部９２２となる。なお、入射部９２１および出射部９２２には反射防止膜が形成されている。

導光板９０１の入射部および出射部と異なる互いに対向する１組の側面のそれぞれには、半透過膜９１６および９１７のそれぞれが形成される。

導光板９０１の半透過膜９１６が形成された側面には、三角形セル９０２〜９０５のそれぞれのある側面が接続されている。これにより、三角形セル９０２〜９０５は、導光板９０１と接続されている面を半透過鏡９２３として有することになる。この半透過鏡９２３である面は、入射光９３０が入射される入射面となる。

また、導光板９０１の半透過膜９１７が形成された側面には、三角形セル９０６〜９０９のそれぞれのある側面が接続されている。これにより、三角形セル９０６〜９０９は、導光板９０１と接続されている面を半透過鏡９２３として有することになる。この半透過鏡９２３である面は、入射光９３０が入射される入射面となる。

これにより、三角形セル９０２〜９０９は、三角形セル９０２〜９０５と、三角形セル９０６〜６０９との２列に並設される
また、各列の三角形セルが間隙なく並設されるように、三角形セル９０２〜９０５の間隙に９１０〜９１２が設けられ、三角形セル９０６〜９０９の間隙に三角形セル９１３〜９１５が設けられる。

また、三角形セル９０２〜９１５のそれぞれは、他の三角形セルと隣接する側面が半透過鏡であり、その半透過鏡の側面以外の側面は、全反射鏡である。例えば、三角形セル９０２では、三角形セル９１０と隣接する側面が半透過鏡９２４となり、半透過鏡９２３および９２４以外の側面が全反射鏡９２５となる。

次に動作を説明する。

入射部９２１に入射された入射光９３０は、導光板９０１を介して三角形セル９０２の半透過鏡９２３に入射され、半透過鏡９２３によって反射光９３０ａおよび透過光９３０ｂに分岐される。

反射光９３０ａは、出射光とし三角形セル９０２から導光板９０１に出射される。

透過光９３０ｂは、三角形セル９０２の循環光９３２として三角形セル９０２の反射鏡９２４に入射される。

循環光９３２は、半透過鏡９２４によって循環反射光９３３および循環透過光９３４に分岐される。循環反射光９３３は、三角形セル９０２の循環光９３２として三角形セル９０２の内部に出射される。

循環透過光９３４は、三角形セル９１０の内部に出射される。

循環透過光９３４は、全反射鏡９２６で反射され、半透過鏡９２５に入射される。

その入射された循環透過光９３４は半透過鏡９２５によって反射および透過され、循環透過反射光９３５と循環透過透過光９３６とに分岐される。

循環透過透過光９３５は、三角形セル９０３の内部を循環する循環光９３２の反射鏡９２５によって反射された循環反射光と合成され、三角形セル９０３の循環光９３２として三角形セル９０３の内部に出射される。

循環透過反射光９３６は、三角形セル９０３の内部を循環する循環光９３２の反射鏡９２５によって透過された循環透過光と合成され、循環透過光９３４として三角形セル９１０の内部に出射される。その後、循環透過光９３４は、半透過鏡９２４に入射される。

その入射された循環透過光９３４のうちの透過された光は、三角形セル９０２の循環反射光９３３と合成され循環光９３２として三角形セル９０２の内部に出射される。また、その入射された循環透過光９３４のうちの反射された光は、三角形セル９１０の循環透過光９３４と合成され、循環透過光９３４として三角形セル９１０の内部に出射される。

三角形セル９０２の内部に出射された循環光９３２は、反射鏡９２５で反射され半透過鏡９２３に入射される。

循環光９３２のうちの半透過鏡９２５を透過した光は、反射光９３０ａと合成されて出射光として出射される。また、その循環光９３２のうちの半透過鏡９２５で反射された光は、透過光９３０ｂと合成されて、再び循環光９３２として三角形セル９０２の内部を循環する。三角形セル９０２から出射された入射光９３０は、三角形セル９０６に入射される。

このような動作が繰り返され、光循環セル９０９導光板９０１から出射された出射が出射光９３１として出射部９２２から出射される。

なお、本実施形態では、光循環セルとして三角形セルを用いたが、三角形セルに限らず適宜変更可能である。

次に効果を説明する。

本実施形態では、光循環セルが間隙なく並設される。

この場合、光学ユニットの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、光循環セルのそれぞれは、他の光循環セルと隣接する側面が半透過鏡であり、その半透過鏡の側面以外の側面は、全反射鏡である。

この場合、光循環セルの規模の増加を抑制しながら、光路長がそれぞれ異なる光の数を増加させることが可能になる。

次に第十一の実施形態について説明する。

図５０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５０おいて、レーザ出射装置は、支持板１０００と、光学ユニット１００１と、光源装置１００２と、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）結晶１００３と、レンズ１００４とを有する。

支持板１０００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１００１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、以下の光学ユニットを用いるものとする。

光学ユニット１００１は、導光板１０１１と、導光板１０１１に接続された、直方体状の４つの光循環セル１０１２と、入射光の入射および出射のための２つの直角プリズム１０１３とを有する。

導光板１０１１の光循環セル１０１２と接続する面には、誘電体の多層膜の半透過膜１０１４が形成されている。これにより、導光板１０１１の半透過膜１０１４が形成された面と接続された光循環セル１０１２の面が、半透過鏡となる。また、その半透過膜１０１４が形成された面に対向する面が反射面となる。

光循環セル１０１２の半透過鏡と対向する面は、循環光１０１５の位相をランダムにシフトしてその循環光１０１５を反射するランダム位相板１０１６と接続する。

なお、光学ユニット１００１の光循環セル１０１２および導光板１０１１は、同じ材質のＧａＡｓ基板で形成されている。したがって、光循環セル１０１２および導光板１０１１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。

この場合、ＧａＡｓ基板のへき開面を用いることで、導光板１０１１の半透過膜１０１４が形成された面と、導光板１０１１の反射面とを平行にすることができる。この場合、導光板１０１１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１００２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１００１に入射する。

光源装置１００２は、支持ステージ１０２１と、赤外線半導体レーザ１０２２と、ヒートシンク１０２３と、コリメータ１０２４とを有する。

支持ステージ１０２１は、支持板１０００上に設けられる。

赤外線半導体レーザ１０２２は、光源の一例である。赤外線半導体レーザ１０２２は、波長１０６０ｎｍの赤外線レーザ光１０３０を、コリメータ１０２４を介して光学ユニット１００１に出射する。ここで、赤外線レーザ光１０３０のコヒーレンス長は、光循環セル１０１２内の循環光１０１５の光路長以下である。つまり、赤外線レーザ光１０３０のコヒーレンス長は、各光循環セル１０１２の複数の出射光の光路差以下である。

ヒートシンク１０２３は、赤外線半導体レーザ１０２２にて発生された熱を放熱する。

コリメータ１０２４は、赤外線半導体レーザ１０２２から出射された赤外線レーザ光１０３０をコリメートする。

図５１は、光源装置１００２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１００１の導光板１０１１の厚さは０．３５ｍｍであるとする。

支持ステージ１０２１は、支持板１０００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１０３０の光学ユニット１００１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１０２２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１０２２は、９０°傾けられて支持ステージ１０２１上に設けられる。

コリメータ１０２４は、赤外線半導体レーザ１０２２が出射した赤外線レーザ光１０３０をコリメートして、その赤外線レーザ光１０３０を支持板１０００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１０３０の支持板１０００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１０００の表面に垂直な方向には、赤外線レーザ光１０３０は、支持板１０００の屈折率より屈折率が高い導光板１０１１によって閉じ込められる。したがって、赤外線レーザ光１０３０を平行光にすれば、光学ユニット１００１の内部で赤外線レーザ光１０３０の幅は広がらない。

図５０に戻る。ＳＨＧ結晶１００３は、２光子吸収により、光学ユニット１００１から出射された赤外線レーザ光１０３０の波長を半分にして、波長が５３０ｎｍの緑色レーザ光１０３１を生成し、その緑色レーザ光１０３１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１００４は、ＳＨＧ結晶１００３から出射された緑色レーザ光１０３１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１０３１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、光循環セル１０１２および導光板１０１１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。

また、光循環セル１０１２の半透過鏡の反射率μは、赤外線半導体レーザ１０２２が出射する赤外線レーザ光１０３０によるスペックルのコントラストに対する、光学ユニット１００１が出射する赤外線レーザ光１０３０によるスペックルのコントラストの相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀の反射率μに対する微分値が０となるときの値である。

次に効果を説明する。

本実施形態では、赤外線レーザ光１０３０が複数の光循環セル１０１２に入射されるので、赤外線レーザ光１０３０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１０３０のコヒーレンス長は循環光１０１５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、光循環セル１０１２の半透過鏡の反射率μは、赤外線半導体レーザ１０２２が出射する赤外線レーザ光１０３０によるスペックルのコントラストに対する、光学ユニット１００１が出射する赤外線レーザ光１０３０によるスペックルのコントラストの相対スペックルコントラストＣ／Ｃ₀の反射率μに対する微分値が０となるときの値である。

この場合、光学ユニット１００１が出射する赤外線レーザ光１０３０によるスペックルコントラストの低減率をより向上させることができる。

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１００３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１０３０の独立性を保ったまま、赤外線レーザ光１０３０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１０３１を生成することができる。

次に第十二の実施形態について説明する。

図５２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５１において、レーザプロジェクタは、支持板１１００と、光源装置１１０１および１１０２と、ダイクロイックプリズム１１０３および１１０４と、光学ユニット１１０５と、走査鏡１１０６とを有する。

支持板１１００は、ガラスで形成される。

光源装置１１０１は、支持ステージ１１１１と、緑色レーザ１１１２とを有する。

緑色レーザ１１１２は、支持ステージ１１１１上に設けられる。緑色レーザ１１１２は、緑色のレーザ光をダイクロイックプリズム１１０３および１１０４を介して光学ユニット１１０５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１１１１は、支持板１１００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１１０５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１１０２は、支持ステージ１１２１と、赤色レーザ１１２２と、青色レーザ１１２３とを有する。

赤色レーザ１１２２および青色レーザ１１２３は、支持ステージ１１２１上に設けられる。なお、赤色レーザ１１２２および青色レーザ１１２３は、別々の支持ステージに設けられてもよい。

赤色レーザ１１２２は、例えば、赤色面発光レーザである。赤色レーザ１１２２は、赤色のレーザ光をダイクロイックプリズム１１０３および１１０４を介して光学ユニット１１０５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１１２３は、例えば、青色ＬＤである。青色レーザ１１２３は、青色のレーザ光をダイクロイックプリズム１１０３および１１０４を介して光学ユニット１１０５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１１２１は、支持板１１００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１１０５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１１１２、赤色レーザ１１２２および青色レーザ１１２３は、光源の一例である。

ダイクロイックプリズム１１０３は、緑色レーザ１１１２から出射された緑色のレーザ光と、赤色レーザ１１２２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１１０４は、ダイクロイックプリズム１１０３で合成されたレーザ光と、青色レーザ１１２３から出射された青色のレーザ光とを合成して、ＲＧＢ光を生成する。ダイクロイックプリズム１１０４は、そのＲＧＢ光を光学ユニット１１０５に入射する。

光学ユニット１１０５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、以下の光学ユニットを用いるものとする。

光学ユニット１１０５は、導光板１１５１と、導光板１１５１に接続された、直方体状の４つの光循環セル１１５２と、導光板１１５１に接続された、ＲＧＢ光の出射のための直角プリズム１０５３とを有する。

導光板１１５１の光循環セル１１５２と接続する面には、誘電体の多層膜の半透過膜１１５４が形成されている。これにより、導光板１１５１の半透過膜１１５４が形成された面と接続された光循環セル１０１２の面が、半透過鏡となる。また、その半透過膜１０１４が形成された面に対向する面が反射面となる。

光循環セル１１５２の半透過鏡と対向する面は、循環光１１５５の位相をランダムにシフトしてその循環光１１５５を反射するランダム位相板１１５６と接続する。

なお、緑色レーザ１１１２、赤色レーザ１１２２および青色レーザ１１２３のそれぞれのコヒーレント長は、各光循環セル１１５２の複数の出射光の光路差以下である。

走査鏡１１０６は、光学ユニット１１０５から出射されたＲＧＢ光を走査してスクリーン１１０７に投射する。

次に効果を説明する。

本実施形態では、ＲＧＢ光が複数の光循環セル１０１２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。

なお、以上説明した各実施形態において、導光板、光循環セルおよび直角プリズムを形成する物質の屈折率は、互いに等しいことが望ましい。

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部または出射部の前後に、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。

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斜視図である。 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。 光循環セルの一例を模式的に示した上面図である。 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。 単体回転数と出射光の相対強度との関係を示したグラフである。 半透過鏡の反射率と相対スペックルコントラストの関係を示したグラフである。 セル数が１の場合における入射角度と出射光の光強度分布との関係を示した説明図である。 セル数が５の場合における入射角度と出射光の光強度分布との関係を示した説明図である。 セル数が１０の場合における入射角度と出射光の光強度分布との関係を示した説明図である。 セル数が３０の場合における入射角度と出射光の光強度分布との関係を示した説明図である。 入射角度と出射光ビーム幅との関係を示したグラフである。 入射角度とビームピーク位置の変化との関係を示したグラフである。 入射光の入射位置と循環光路長との関係を説明するための説明図である。 入射位置のずれ幅と循環光路長の変化率との関係を示したグラフである。 スペックルコントラストの分布を示した説明図である。 入射角度と出射光の強度分布で重み付けを行った平均スペックルコントラストと関係を示したグラフである。 セル数と出射光ビーム幅との関係を示したグラフである。 距離と出射光の光強度との関係を示したグラフである。 光学ユニットの効果を説明するための説明図である。 光学ユニットの別の効果を説明するための説明図である。 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斜視図である。 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。 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。 本発明の第三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。 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。 直角プリズムを示した説明図である。 本発明の第五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。 本発明の第五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。 本発明の第五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。 本発明の第六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。 本発明の第七の実施形態の光学ユニットの模式的に示した上面図である。 本発明の第七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。 本発明の第八の実施形態の光循環セルを模式的に示した上面図である。 本発明の第八の実施形態の光循環セルの特性を説明するための説明図である。 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三面図である。 本発明の第八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。 本発明の第八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。 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。 本発明の第八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。 本発明の第九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。 本発明の第九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。 本発明の第九の実施形態の光学ユニットの効果を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光学ユニットの効果を模式的に示した上面図である。 本発明の第十の実施形態の光学ユニットの動作を説明するための説明図である。 本発明の第十一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。 本発明の第十二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

１５１〜１５４、２０１〜２０５、５０１〜５０３、６０２〜６０８、８０２〜８０９ 光循環セル
１０８ 反射板
１０８ａ、１０８ｂ 間隙
１０９、２１２、３３９、３６２、５０９、７２９、７４８、７６６ 反射面
２０６、３３５、３６０、５０４、５１４、５２１、５３１、６０１、７２１、７４１、７６１、８０１、９０１ 導光板
３０１、３２１、４０１、７０１、８２１、９２３ 半透過鏡
３０２〜３０４、３２２〜３２５、４０２〜４０６、７０２〜７０４、８２２〜８２４ ９２４〜９２６反射鏡
３３１〜３３４ 五角形セル
５０７、６０９ａ、７２６ａ、７４６ａ、７６４ａ、８１０ａ、９２１ 入射部
５０８、６０９ｂ、７２７ａ、７４６ｂ、７６４ｂ、８１０ｂ、８１１ａ、９２２ 出射部
６１５、７６７、８１５ 反射部
７２２〜７２５、７６２ａ〜ｋ、７８０ａ〜ｋ ロッドセル
７６３ ランダム位相板
９０２〜９１５ 三角形セル
１００１、１１０５ 光学ユニット
１１０６ 走査鏡
１０２２ 赤外線半導体レーザ
１１１２ 緑色レーザ
１１２２ 赤色レーザ
１１２３ 青色レーザ

Claims (30)

1. 入射光が入射する入射面が半透過部とされ、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と、
   前記光学セル群を構成する複数の光学セルへ光を入射するとともに前記光学セル群からの出射光を出射する導光部材と、を有する光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   各光学セルは、複数の反射部を有し、自光学セルの外から前記入射面に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、循環光として前記複数の反射部および前記半透過部を用いて循環させ、前記循環光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、
   各光学セルは、同じ形状の多面体である光学ユニット。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
   各光学セルは、並設され、また、前記複数の出射光を前記入射面から出射し、
   前記導光部材は、各光学セルの入射面に対向する反射面を有する、光学ユニット。
5. 請求項４記載の光学ユニットにおいて、
   各光学セルは、前記導光部材を挟んで２列設けられ、
   各列の光学セルの入射面は、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。
6. 請求項４または５に記載の光学ユニットにおいて、
   各光学セルは、間隙なく並設されている光学ユニット。
7. 請求項６に記載の光学ユニットにおいて、
   各光学セルは、他の光学セルと隣接する側面が半透過部であり、前記半透過部の側面以外の側面は全反射部である光学ユニット。
8. 請求項１ないし７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。
9. 請求項３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、
   各光学セルは、前記入射面が側面をなし、底面が奇数角の柱状多面体である光学ユニット。
10. 請求項３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、
    各光学セルは、前記入射面が側面をなし、底面が偶数角の柱状多面体である光学ユニット。
11. 請求項１０に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、底面が正方形の柱状多面体であり、その断面において、前記正方形のいずれかの一辺の中心から、対辺に向かって延伸し、１／４辺ないし３／４辺の長さの、反射板をさらに有する、光学ユニット。
12. 請求項１０に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、底面が長方形の四角柱である、光学ユニット。
13. 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ランダム位相板である、光学ユニット。
14. 光を反射および透過する半透過部と、光を反射する複数の反射部と、により囲繞された複数の光学セルと、
    前記複数の光学セルの半透過部のそれぞれを光学的に連結する導光部材と、を有する光学ユニット。
15. 請求項１４に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、自光学セルの外から前記半透過部に入射された入射光のうちの前記半透過部で透過された光を、循環光として前記半透過部および前記複数の反射部を用いて循環させ、前記循環光の前記半透過部で透過された光のそれぞれと、前記入射光のうちの前記半透過部で反射された光と、を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光として出射し、
    前記導光部材は、一の光学セルから出射された出射光を他の光学セルに導く、光学ユニット。
16. 請求項１５に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、前記半透過部および前記複数の反射部を側面として有する、同じ形状の多面体である光学ユニット。
17. 請求項１６に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、前記半透過部を前記導光部材に向けて並設され、
    前記導光部材は、各光学セルの半透過部に対向する反射面を有する、光学ユニット。
18. 請求項１７に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、前記導光部材を挟んで２列設けられ、
    各列の光学セルの半透過部は、他の列の光学セルの半透過部に対向する反射面と兼用される、光学ユニット。
19. 請求項１７または１８に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、間隙なく並設されている光学ユニット。
20. 請求項１９に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、他の光学セルと隣接する側面が、光を反射および透過する半透過部であり、前記半透過部の側面以外の側面は、光を全て反射する全反射部である光学ユニット。
21. 請求項１４ないし２０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。
22. 請求項１６ないし２１のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、底面が奇数角の柱状多面体である光学ユニット。
23. 請求項１６ないし２１のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、底面が偶数角の柱状多面体である光学ユニット。
24. 請求項２３に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、底面が正方形の柱状多面体であり、その断面において、前記正方形のいずれかの一辺の中心から、対辺に向かって延伸し、１／４辺ないし３／４辺の長さの、反射板をさらに有する、光学ユニット。
25. 請求項２３に記載の光学ユニットにおいて、
    各光学セルは、底面が長方形の四角柱である、光学ユニット。
26. 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、
    各光学セルの反射部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ランダム位相板である、光学ユニット。
27. 請求項１ないし２６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。
28. 請求項２７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。
29. 請求項２７または２８に記載のレーザ出射装置において、
    前記半透過部の反射率は、前記光源が出射する光によるスペックルのコントラストに対する前記光学ユニットから出射される出射光によるスペックルのコントラストの割合を、前記反射率で微分したときの値が０になるときの値である、レーザ出射装置。
30. 請求項２７ないし２９のいずれか１項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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