JP6832107B2 - Speckle-resolving optical system and optical equipment equipped with the speckle-resolving optical system - Google Patents
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Description
本発明は、スペックル解消素子を含むスペックル解消光学系とそのような光学系を有する光学機器に関するものである。 The present invention relates to a speckle-eliminating optical system including a speckle-eliminating element and an optical device having such an optical system.
偏光解消素子は、レーザプリンタなどで問題となる偏光を解消させるための光学部品として用いられたり、光学露光装置や光学測定機などの光学機器の光学系のスペックルの発生を低減させるスペックル低減素子として用いられたりしている。 The depolarizing element is used as an optical component for eliminating polarized light, which is a problem in laser printers, etc., and speckle reduction that reduces the occurrence of speckle in the optical system of optical equipment such as optical exposure equipment and optical measuring instruments. It is used as an element.
レーザからの光をマイクロレンズアレイやフライアイレンズを通すことによってひとつの光束を複数の光束に分割する際、分割された光は偏光方向が同一方向に揃っており、スペックル解消光学系の中で特定の条件が整うと、分割された光がそれぞれ干渉発生の原因となって光学系の途中で光が強めあう点(スペックル)が生じる場合がある。スペックルは、レーザ光を使用するいろいろな光学系で発生することが知られており、これを解消する方法が種々提案されているが、有効な解決策は確立されていない。 When one light beam is divided into multiple light rays by passing the light from the laser through a microlens array or fly-eye lens, the divided light has the same polarization direction, and is included in the speckle-eliminating optical system. When specific conditions are met, the divided light may cause interference, and a point (speckle) in which the light strengthens each other may occur in the middle of the optical system. Speckle is known to occur in various optical systems that use laser light, and various methods for solving this have been proposed, but no effective solution has been established.
スペックルを解消する方法のひとつとして、光の偏光状態が様々になったいわゆるランダム偏光状態にすることが挙げられる。偏光が不揃いであると、指向性の低い自然光の状態に近づくために光の干渉が起こりにくいからである。 One of the methods to eliminate the speckle is to make the so-called random polarization state in which the polarization state of light is various. This is because if the polarized light is not uniform, light interference is unlikely to occur because it approaches the state of natural light having low directivity.
偏光解消素子として、サブ波長構造(Sub-Wavelength Structures;SWS)を備えたものが知られている(例えば特許文献1を参照。)。サブ波長構造は、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝の周期構造である。 As a depolarizing element, an element having a sub-wavelength structure (SWS) is known (see, for example, Patent Document 1). The sub-wavelength structure is a periodic structure of grooves that are repeatedly arranged at a period shorter than the wavelength of light used.
光の波長より短いピッチをもつ溝の周期構造は、周期をもつ方向ともたない方向で互いに異なる有効屈折率nTE,nTMをもち、あたかも複屈折材料であるかのように振舞う(いわゆる構造複屈折構造である)。この有効屈折率の差によって各偏波方向の光の伝播速度に差ができるため、サブ波長構造を通過する光の偏光状態が変化する。サブ波長構造は、構造の設計によって複屈折やそれらの分散を自由に制御できる。サブ波長構造のこの特性を利用して、偏光板、波長板、波長分離素子など、様々な製品が展開されている。 The periodic structure of the groove having a pitch shorter than the wavelength of light has effective refractive indexes nTE and nTM different from each other in the direction having the period and the direction having no period, and behaves as if it is a birefringent material (so-called structural birefringence). Structure). Since the propagation speed of light in each polarization direction is different due to this difference in effective refractive index, the polarization state of light passing through the sub-wavelength structure changes. The sub-wavelength structure can freely control birefringence and their dispersion by designing the structure. Utilizing this characteristic of the sub-wavelength structure, various products such as polarizing plates, wave plates, and wavelength separation elements have been developed.
サブ波長構造を利用した偏光解消素子は、光を透過させる部分が複数の領域に分割され、それらの各領域に種々の光学軸方向をもったサブ波長構造が形成されている。以下、この領域をサブ波長構造領域と称する。光学軸方向とは、サブ波長構造の溝の配列方向である。偏光解消素子は、各サブ波長構造領域を光が走査するように平面的に駆動される。これにより、該偏光解消素子を透過する光の偏光方向が時間によって種々の方向に変更され、それらを合成した光は種々の偏光方向をもった光となる。偏光解消素子を透過した光が種々の偏光方向をもつことにより、同じ偏光方向をもった光の干渉によるスペックルが緩和される。 In a depolarizing element using a sub-wavelength structure, a portion that transmits light is divided into a plurality of regions, and sub-wavelength structures having various optical axis directions are formed in each region. Hereinafter, this region is referred to as a sub-wavelength structure region. The optical axis direction is the arrangement direction of the grooves of the sub-wavelength structure. The depolarization element is driven in a plane so that light scans each sub-wavelength structural region. As a result, the polarization directions of the light transmitted through the depolarizing element are changed in various directions with time, and the combined light becomes light having various polarization directions. Since the light transmitted through the depolarizing element has various polarization directions, the speckle due to the interference of the light having the same polarization direction is alleviated.
本発明は、上記のスペックル解消素子を含む光学系のスペックル解消効果を向上させることを目的とするものである。 An object of the present invention is to improve the speckle elimination effect of an optical system including the speckle elimination element described above.
本発明に係るスペックル解消光学系は、光源から発せられる光の光路上に配置されてスペックル解消効果を生じる複数のスペックル解消素子と、前記スペックル解消素子のうちの少なくとも2つを前記光源からの光に与える光学的効果を時間変化させるように動作させるスペックル解消素子駆動部と、を備えている。光に与える光学的効果とは、例えばスペックル解消素子が波長板であれば、光に位相差を生じさせる効果を意味する。 The speckle-eliminating optical system according to the present invention includes a plurality of speckle-eliminating elements arranged on the optical path of light emitted from a light source to produce a speckle-eliminating effect, and at least two of the speckle-eliminating elements. It is equipped with a speckle elimination element drive unit that operates so as to change the optical effect given to the light from the light source over time. The optical effect given to light means, for example, an effect of causing a phase difference in light if the speckle eliminating element is a wave plate.
光に位相差を生じさせる機能を有する波長板を前記スペックル解消素子として含み、前記波長板が前記スペックル解消素子駆動部により駆動されるようなっていてもよい。 A wavelength plate having a function of causing a phase difference in light may be included as the speckle eliminating element, and the wavelength plate may be driven by the speckle eliminating element driving unit.
複数の波長板を前記スペックル解消素子として含み、少なくとも2つの前記波長板が前記スペックル解消素子駆動部により駆動されるようになっていてもよい。少なくとも2つの波長板を駆動することにより、波長板による光の位相差の時間分割効果が向上し、それによってスペックル解消効果が向上する。光の偏光方向を変換する1/2波長板は、そのサブ波長構造の製作が容易でないことから高価になりがちであるが、例えば、1/4波長板などの波長板を複数用いることで1/2波長板としての機能を実現することができ、それによって1/2波長板の機能を低コストで実現することができる。 A plurality of wave plates may be included as the speckle eliminating element, and at least two of the wavelength plates may be driven by the speckle eliminating element driving unit. By driving at least two wave plates, the time division effect of the phase difference of light by the wave plates is improved, and thereby the speckle elimination effect is improved. A 1/2 wave plate that converts the polarization direction of light tends to be expensive because its sub-wave plate structure is not easy to manufacture. For example, by using a plurality of wave plates such as a 1/4 wave plate, 1 The function as a / 2 wave plate can be realized, and thereby the function of the 1/2 wave plate can be realized at low cost.
光拡散機能を有する光拡散板を前記スペックル解消素子として含み、少なくとも1つの前記波長板と前記光拡散板とが前記スペックル解消素子駆動部により駆動されるようになっていてもよい。光拡散板は、マイクロレンズアレイやフライアイレンズを有する光透過性のスペックル解消素子である。かかるスペックル解消素子を波長板とともに用いることで、光の偏光方向を波長板によって時間的に分割するだけでなく、光拡散板によって空間的に分割することができる。さらに、これらを駆動することにより、光の偏光方向の時間分割機能と空間分割機能の双方を向上させることができ、スペックル解消効果が向上する。 A light diffusing plate having a light diffusing function may be included as the speckle eliminating element, and at least one of the wavelength plates and the light diffusing plate may be driven by the speckle eliminating element driving unit. The light diffusing plate is a light-transmitting speckle-eliminating element having a microlens array or a fly-eye lens. By using such a speckle-eliminating element together with the wave plate, the polarization direction of light can be not only temporally divided by the wave plate but also spatially divided by the light diffusing plate. Further, by driving these, both the time division function and the space division function in the polarization direction of light can be improved, and the speckle elimination effect is improved.
前記スペックル解消素子駆動部は、少なくとも2つの前記スペックル解消素子を回転運動させるように構成されていてもよい。スペックル解消素子を回転運動させるための機構は、スペックル解消素子を振動運動など他の運動をさせるための機構よりも安価であり、コストの低減を図ることができる。 The speckle elimination element driving unit may be configured to rotate at least two speckle elimination elements. The mechanism for rotating the speckle-eliminating element is cheaper than the mechanism for causing the speckle-eliminating element to perform other movements such as vibration, and the cost can be reduced.
回転運動する前記スペックル解消素子の回転数が互いに異なっていてもよい。スペックル解消素子の回転数が互いに異なっていることで、光の偏光方向の時間分割機能が向上し、スペックル解消効果が向上する。 The rotation speeds of the speckle-eliminating elements that rotate may be different from each other. Since the rotation speeds of the speckle elimination elements are different from each other, the time division function in the polarization direction of light is improved, and the speckle elimination effect is improved.
本発明に係るスペックル解消光学系は、スペックル解消効果を有する複数のスペックル解消素子を光源からの光に与える光学的効果を時間変化させるように動作させるので、スペックル解消素子を単独で動作させる場合に比べて光の偏光方向の時間分割機能が向上し、スペックル解消効果が向上する。 Since the speckle-eliminating optical system according to the present invention operates a plurality of speckle-eliminating elements having a speckle-eliminating effect so as to change the optical effect given to the light from the light source with time, the speckle-eliminating element can be used independently. Compared to the case of operation, the time division function in the polarization direction of light is improved, and the speckle elimination effect is improved.
以下、本発明に係るスペックル解消光学系について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the speckle-eliminating optical system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、一実施例のスペックル解消光学系を用いたスクリーン投影装置の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a screen projection device using the speckle-eliminating optical system of one embodiment.
このスクリーン投影装置は、光源部2、スペックル解消光学系12、ミラー18、レンズ20、MEMS素子22、投影レンズ24及びスクリーン26を備えている。光源部2は赤、緑、青の三色の光をそれぞれ発光するレーザーダイオード(LD)又は発光ダイオード(LED)からなる光源4a,4b,4cを備え、それらの光源4a,4b,4cから発せられる光をハーフミラー6,8によって合成し、レンズ10を介して出射する。なお、光源部2を構成する光源はLDやLEDに限られず、他の光源であってもよい。
This screen projection device includes a
光源部2から出射される光の光軸上にスペックル解消光学系12が配置されている。スペックル解消光学系12は、スペックル解消効果を有する複数のスペックル解消素子14を備えている。スペックル解消光学系12のスペックル解消素子14のうち少なくとも2つのスペックル解消素子14がスペックル解消素子駆動部16によって、光源部2から出射される光の光軸に対して垂直な平面内で運動させられる。
なお、ここでは詳細に述べないが、「反射型スペックル解消素子」の場合は、光源部2から出射される光の光軸上にスペックル解消光学系12が配置されていない場合はある。
The speckle-eliminating
Although not described in detail here, in the case of the "reflection type speckle elimination element", the speckle elimination
スペックル解消光学系12のスペックル解消素子14として、図2に示されているような、凸部30と溝32が光の波長よりも短いピッチで周期的に設けられたサブ波長構造を有する波長板14aをスペックル解消素子が挙げられる。なお、図2の波長板は基板の一表面にのみサブ波長構造が設けられているが、基板の両面にサブ波長構造が設けられたものであってもよい。このような波長板14aを光の光軸に対して垂直な平面内で運動させることで、光に偏光状態を時間的に変換する時間分割機能を得ることができる。特に、光に略1/2波長分の位相差を生じさせるもの(1/2波長板)であれば、光の偏光方向を時間的に変換することができるが、1/2波長分よりも小さい位相差を光に生じさせる波長板であっても、光の可干渉性を低減することができる。例えば、「反射型スペックル解消素子」の場合は、位相差量がλ/4波長板の光学素子部分を2回通過することで(λ/4波長板)+(λ/4波長板)=(λ/2波長板)の機能を発現する。このため、1/2波長分の位相差を生じさせるもの(1/2波長板)と同じ効果を発現する。
The speckle-eliminating
波長板14aは、基板表面が複数の領域に分割され、それらの領域に互いに光学軸方向(凸部30と溝32の配列方向)が異なるサブ波長構造が設けられた領域分割型の波長板であってもよいし、基板表面のサブ波長領域(サブ波長構造が設けられている領域)全体が同じ光学軸方向をもった領域非分割型の波長板であってもよい。領域非分割型の波長板は、回転運動させることによって時間分割機能を発揮することができる。領域非分割型の波長板は、領域分割型の波長板に比べて製造が容易であり、製造コストが安価である。
The
さらに、スペックル解消光学系12のスペックル解消素子14として、図3に示されているような、複数のレンズ部34からなるマイクロレンズアレイやフライアイレンズを備えた光拡散板14bも挙げられる。このような光拡散板14bに光が入射すると、1つの光束が複数の光束に分割される。すなわち、光拡散板14bは光を空間的に分割する空間分割機能を有する。
Further, as the
なお、図3では、同じ大きさをもつ複数のレンズ部34が均等に配置されているように描かれているが、レンズ部34の有効径や焦点距離は均一であっても不均一であってもよい。マイクロレンズの有効径や焦点距離が不均一な光拡散板としては、特開2014−203032号公報に開示されているものを用いることができる。
In FIG. 3, a plurality of
また、スペックル解消光学系12のスペックル解消素子14として、図2に示されているような波長板と図3に示されているような光拡散板とが一体化したものであってもよい。そのような素子は、例えば特開2011−180581に開示されている。
Further, even if the speckle-eliminating
上記の波長板14aや光拡散板14b、又はそれらを一体化させたようなものはいずれも、光の時間分割機能又は空間分割機能を有するものであり、スペックル解消効果を有する。スペックル解消光学系12は、このようなスペックル解消効果を有するスペックル解消素子を複数用いて組み合わせることで実現される。
The
なお、図1では、スペックル解消光学系12のスペックル解消素子14が並んで配置されているように示されているが、スペックル解消素子14は互いに離れた位置、すなわちスペックル解消素子14の間に他の光学素子が存在していてもよい。要は、光源部2からの光に位相差を生じさせる波長板を少なくとも含む複数のスペックル解消素子14が光源部2からの光の光軸上に設けられ、それらのスペックル解消素子14のうち少なくとも2つのスペックル解消素子14がスペックル解消素子駆動部16によって運動させられるようになっていれば、どのような配置であってもよい。
In FIG. 1, the speckle-eliminating
スペックル解消光学系12を経た光は、ミラー18、レンズ20、ミラー22及び投影レンズ24を経てスクリーン26に投影される。ミラー22はMEMS素子からなるミラー(MEMSミラー)ないしはMEMSミラーアレイであってもよい。なお、本発明では煩雑をさけるため、上記を総称してMEMSミラーと表記する。MEMSミラーは、電気的に駆動することができる単独または複数のマイクロミラーを備え、マイクロミラーの下部に設けられた電極の駆動のオン/オフによってマイクロミラーの傾斜状態を変化させることができる。したがって、ミラーを個別に駆動することにより、表示画素ごとに光の投射を制御することができる。
The light that has passed through the speckle-eliminating
スペックル解消光学系12を構成するスペックル解消素子14の組合せは種々考えられる。以下に、その代表的な例について以下に説明する。
Various combinations of speckle-eliminating
まず、図4に示されているように、スペックル解消光学系12を2枚のスペックル解消素子14−1及び14−2によって構成することが考えられる。図4の実施例では、スペックル解消素子14−1及び14−2がともに円盤型の素子であり、同軸上に配置され、スペックル解消素子16によって同じ方向へ回転運動させられる。スペックル解消素子14−1と14−2の回転速度は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
First, as shown in FIG. 4, it is conceivable that the speckle elimination
スペックル解消素子14−1及び14−2のうち少なくとも一方は、図2に示されているような波長板である。スペックル解消素子14−1と14−2の両方が波長板である場合には、スペックル解消素子14−1及び14−2のそれぞれを略1/4波長板とするなどして、スペックル解消素子14−1及び14−2で1つの1/2波長板としての機能を持たせることが好ましい。そうすれば、スペックル解消素子14−1及び14−2によって光の偏光方向を変換する機能をもつことができる。そして、これらのスペックル解消素子14−1及び14−2を同時に運動させることで、スペックル解消素子を単体で用いた場合に比べてスペックル解消効果が向上する。 At least one of the speckle-eliminating elements 14-1 and 14-2 is a wave plate as shown in FIG. When both the speckle elimination elements 14-1 and 14-2 are wave plates, the speckle elimination elements 14-1 and 14-2 are each made into a substantially 1/4 wavelength plate, and the speckle is used. It is preferable that the elimination elements 14-1 and 14-2 have a function as one 1/2 wave plate. Then, the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 can have a function of converting the polarization direction of light. Then, by simultaneously moving these speckle-eliminating elements 14-1 and 14-2, the speckle-eliminating effect is improved as compared with the case where the speckle-eliminating element is used alone.
また、スペックル解消素子14−1及び14−2のうち一方のみが波長板である場合には、その波長板に1/2波長板としての機能をもたせることが好ましい。その場合、他方のスペックル解消素子には、図3に示されているような光拡散板を用いることができる。光の偏光方向の時間分割機能を有する1/2波長板に光の空間分割機能を有する光拡散板を組み合わせ、それらを同時に運動させることで、時間分割機能及び空間分割機能の双方が向上し、スペックル解消素子を単体で用いた場合に比べてスペックル解消効果が向上する。また、スペックル解消素子14−1及び14−2のいずれもが図3に示されているような光拡散板であってもよい。 Further, when only one of the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 is a wave plate, it is preferable that the wave plate has a function as a 1/2 wavelength plate. In that case, a light diffusing plate as shown in FIG. 3 can be used as the other speckle eliminating element. By combining a 1/2 wave plate having a time dividing function in the polarization direction of light with a light diffusing plate having a space dividing function of light and moving them at the same time, both the time dividing function and the space dividing function are improved. The speckle elimination effect is improved as compared with the case where the speckle elimination element is used alone. Further, both the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 may be light diffusing plates as shown in FIG.
なお、図5に示されているように、スペックル解消素子14−1と14−2の回転方向が互いに逆になっていてもよい。そうすれば、各スペックル解消素子14−1と14−2の光軸通過領域の相対的な運動速度が高くなり、光の時間分割機能が向上し、スペックル解消効果がさらに向上する。 As shown in FIG. 5, the rotation directions of the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 may be opposite to each other. By doing so, the relative moving speeds of the optical axis passing regions of the speckle-eliminating elements 14-1 and 14-2 are increased, the time division function of light is improved, and the speckle-eliminating effect is further improved.
さらに、図6及び7に示されているように、スペックル解消素子14−1と14−2は同軸上ではなく、互いの一部領域が重なるように配置されていてもよい。図6及び図7の例では、スペックル解消素子14−1の下側端部とスペックル解消素子14−2の上側端部が光源部2からの光の光軸上に配置されている。この場合、図6に示されているように、スペックル解消素子14−1と14−2の回転方向が互いに逆である場合に、光が通過する領域は同じ方向へ移動し、図7に示されているように、スペックル解消素子14−1と14−2の回転方向が互いに同じである場合に、光が通過する領域は逆方向へ移動する。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, the speckle elimination elements 14-1 and 14-2 may be arranged so as to overlap each other's partial regions, not coaxially. In the examples of FIGS. 6 and 7, the lower end portion of the speckle elimination element 14-1 and the upper end portion of the speckle elimination element 14-2 are arranged on the optical axis of the light from the
また、図8及び図9に示されているように、スペックル解消素子14−1と14−2は、円盤型以外の形状、例えば平板型であってもよく、そのようなスペックル解消素子に回転運動以外の運動をさせてもよい。回転運動以外の運動としては、例えば光軸に対して垂直な平面内で互いに直交する2方向への振動運動、八の字運動、楕円運動等が挙げられる。 Further, as shown in FIGS. 8 and 9, the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 may have a shape other than the disk type, for example, a flat plate type, and such speckle eliminating elements may be formed. May be made to perform an exercise other than the rotational exercise. Examples of the motion other than the rotary motion include a vibration motion in two directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the optical axis, a figure eight motion, an elliptical motion, and the like.
また、図10及び図11に示されているように、スペックル解消光学系12は3つ以上のスペックル解消素子14−1、14−2及び14−3を備えていてもよい。図10の例では、3つのスペックル解消素子14−1、14−2及び14−3のうちスペックル解消素子14−1と14−2を光軸に対して垂直な平面内において運動させ、スペックル解消素子14−3は静止させている。図11の例では、すべてのスペックル解消素子14−1、14−2及び14−3を光軸に対して垂直な平面内において運動させている。
Further, as shown in FIGS. 10 and 11, the speckle-eliminating
図10の例において、スペックル解消素子14−1及び14−2を図2に示したような波長板とし、スペックル解消素子14−3を図3に示したような光拡散板とすることができる。その場合、スペックル解消素子14−1及び14−2によって光に略1/2波長分の移動差を生じさせるものであることが好ましい。そうすれば、スペックル解消素子12として、光の偏光方向の時間分割機能と光の空間分割機能を得ることができる。
In the example of FIG. 10, the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 are used as a wave plate as shown in FIG. 2, and the speckle eliminating elements 14-3 are used as a light diffusing plate as shown in FIG. Can be done. In that case, it is preferable that the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 cause a movement difference of about 1/2 wavelength in the light. Then, as the
さらに、図11の例のように、光拡散板からなるスペックル解消素子14−3を光軸に垂直な平面内において運動させることで、光の空間分解機能のさらなる向上を図ることができる。 Further, as in the example of FIG. 11, by moving the speckle eliminating element 14-3 made of a light diffusing plate in a plane perpendicular to the optical axis, the spatial decomposition function of light can be further improved.
また、図11の例において、3つのスペックル解消素子14−1〜14−3をすべて波長板としてもよいし、いずれか2つを波長板又は光拡散板としてもよい。3つのスペックル解消素子14−1〜14−3を光軸に垂直な平面内において同時に運動させることで、スペックル解消効果のさらなる向上を図ることができる。 Further, in the example of FIG. 11, all three speckle eliminating elements 14-1 to 14-3 may be used as a wave plate, or any two of them may be used as a wave plate or a light diffusing plate. By simultaneously moving the three speckle-eliminating elements 14-1 to 14-3 in a plane perpendicular to the optical axis, the speckle-eliminating effect can be further improved.
図10及び図11の例において、スペックル解消素子14−1と14−2の回転方向は同じであってもよいし、逆であってもよい。また、スペックル解消素子14−1と14−2は必ずしも同軸上に設けられている必要はなく、図6及び図7と同様の配置であってもよい。 In the examples of FIGS. 10 and 11, the rotation directions of the speckle eliminating elements 14-1 and 14-2 may be the same or may be opposite. Further, the speckle elimination elements 14-1 and 14-2 do not necessarily have to be provided coaxially, and may be arranged in the same manner as in FIGS. 6 and 7.
スペックル解消光学系12のスペックル解消素子14として図3のような光拡散板14bを用いる場合、図12に示されているように、2枚の光拡散板14bを、互いのレンズ部を対向させるようにして配置することができる。レンズ部を互いに対向させることで、図13に示されているように、平行光として入射した光を平行光として出射させることができる。この原理をすべてのレンズ部において実現するためには、光拡散板14bとして、特開2014−203032号公報に開示されているような光拡散板を用いることが好ましい。特開2014−203032号公報に開示されている光拡散板は、各レンズのFナンバ(=f/D、fは焦点距離、Dは各レンズの有効径)が略均一となるように構成されており、各レンズ部において平行光として入射した光を平行光として出射させることが可能となる。
When a
図13の原理を利用したスペックル解消光学系12の構成の例として、図14から図17に示される構成が挙げられる。
As an example of the configuration of the speckle-resolving
図14の例では、波長板14aをスペックル解消素子14−1として用い、2枚の光拡散板14bを互いのレンズ部を対向させた状態で1つのスペックル解消素子14−2として用いる。この場合、2枚の光拡散板14bを一体として同時に光軸に対して垂直な平面内で所定の運動をさせる。これにより、時間分割機能と空間分割機能の向上を図りながら、平行光として入射した光を平行光として出射させることができる。
In the example of FIG. 14, the
なお、ここでの詳細な説明は割愛するが、図2、図14、図15、図16及び図17に示されているスペックル解消素子14は、光学面に対して光を斜めに入射させても波長板としての効果が得られる。したがって、各スペックル解消素子14は必ずしも光の光軸に対して垂直に配置されている必要はなく、光軸に対して傾斜した状態で配置されていてもよい。
Although detailed description thereof is omitted here, the
図15の例では、一方の面にサブ波長構造をもち、他方の面にマイクロレンズアレイやフライアイレンズをもつ素子14cを1つのスペックル解消素子14−1として用い、その素子14cのレンズ部が設けられている面に対向するように、光拡散板14bを2つめのスペックル解消素子14−2として用いている。この構造によっても、時間分割機能と空間分割機能の向上を図りながら、平行光として入射した光を平行光として出射させることができる。
In the example of FIG. 15, an
さらに、図16の例のように、図15の構成に3つめのスペックル解消素子14−3として波長板14aを加えて用いることもできる。また、図17に示されているように、波長板としての機能と光拡散板としての機能を備えた素子14cを2つ用い、それらをそれぞれスペックル解消素子14−1及び14−2として、互いのレンズ部が設けられている面が対向するように配置してもよい。図16や図17の構成によっても、時間分割機能と空間分割機能の向上を図りながら、平行光として入射した光を平行光として出射させることができる。
Further, as in the example of FIG. 16, a
一般に、スペックル解消素子の動作速度が高ければ高いほど、スペックル解消効果が高いことがわかっている。しかし、センサー等を使用して画像を読み取るような光学系を使用する場合、センサーのサイズ(寸法)とスペックル解消素子の動作速度との関係が一定の関係になったときに規則的なノイズパターンが画像に発生してしまうことがある。従来では、単体のスペックル解消素子を動作させていたため、ノイズを発生させないための調整幅が少なく、ノイズの低減とスペックル解消効果の向上の両立が難しかった。 In general, it is known that the higher the operating speed of the speckle elimination element, the higher the speckle elimination effect. However, when using an optical system that reads an image using a sensor or the like, regular noise occurs when the relationship between the sensor size (dimensions) and the operating speed of the speckle elimination element becomes a certain relationship. Patterns may occur in the image. In the past, since a single speckle elimination element was operated, the adjustment range for not generating noise was small, and it was difficult to achieve both reduction of noise and improvement of speckle elimination effect.
これに対し、以上において説明した実施例では、スペックル解消光学系12を構成するスペックル解消素子14のうちの少なくとも2つを動作させるので、ノイズを発生させないための調整幅が広く、ノイズの低減とスペックル解消効果の向上の両立を図ることが容易である。
On the other hand, in the embodiment described above, since at least two of the
本発明者は、スペックル解消光学系12を構成するスペックル解消素子14の組合せとそのときのスペックル解消効果について検証を行なった。その結果を表1に示す。
The present inventor has verified the combination of the
この検証では、株式会社オキサイドの標準型スペックルコントラスト測定光学装置で種々の組合せについてスペックルコントラスト値(以下、Cs値)を測定した。Cs値はスペックルが多く現れるほど大きな値になるものであるため、測定されるCs値が低いほどスペックル解消効果が高いと評価することができる。 In this verification, speckle contrast values (hereinafter, Cs values) were measured for various combinations with a standard speckle contrast measurement optical device of Oxide Co., Ltd. Since the Cs value becomes larger as more speckles appear, it can be evaluated that the lower the measured Cs value, the higher the speckle elimination effect.
上記の表1からわかるように、1/2波長板と光拡散板(マイクロレンズアレイ)を用い、いずれも静止させたときのCs値は0.8〜1.0(表1の0の行を参照。)、1/2波長板を速度Vで回転させ、光拡散板を静止させたときのCs値は0.4であった(表1の1の行を参照。)。光拡散板だけを用いただけではスペックル解消効果が得られにくいが、それでも2枚の光拡散板をそれぞれ運動させると、静止した1/2波長板と光拡散板を用いた場合よりもCs値が小さくなった(表1の2及び3の行を参照。)。さらに、1枚の1/2波長板と1枚の光拡散板をそれぞれ運動させた場合、2枚の1/4波長板と1枚の光拡散板をそれぞれ運動させた場合、1枚の波長板と2枚の光拡散板をそれぞれ運動させた場合には、Cs値が小さくなった(表1の2から13の行を参照。)。このことから、複数のスペックル解消素子を同時に運動させることで、スペックル解消効果の向上が見られることがわかった。
As can be seen from Table 1 above, the Cs value when the 1/2 wave plate and the light diffusing plate (microlens array) are both stationary is 0.8 to 1.0 (row 0 in Table 1). The Cs value was 0.4 when the 1/2 wave plate was rotated at a speed V and the light diffusing plate was stationary (see
なお、以上において説明したスペックル解消光学系12は、図1を用いて説明した実施例の光学系以外の光学系に対しても適用することができる。図18はスペックル解消光学系12を適用した他の光学系の一例を示すものである。図18の実施例は、レーザ光源40から発せされた光から分割結像部46において3原色の光を取り出し、それらの光をそれぞれLCD(液晶ディスプレイ)パネルに導き、投影レンズ48からスクリーン50へ出力するプロジェクタである。この実施例では、レーザ光源40と分割結像部46との間に配置されたレンズ42と44の間にスペックル解消光学系12が配置されている。
The speckle-eliminating
2 光源部
4a〜4c 光源
6,8 ハーフミラー
10,20 レンズ
12 スペックル解消光学系
14 スペックル解消素子
14a 波長板
14b 光拡散板
16 スペックル解消素子駆動部
18 ミラー
22 MEMS素子
24 投影レンズ
26 スクリーン
30 凸部
32 溝
34 レンズ部
2
Claims (6)
前記スペックル解消素子のうちの少なくとも2つを前記光源からの光に与える光学的効果を時間変化させるように動作させるスペックル解消素子駆動部と、を備えており、
前記複数のスペックル解消素子は、それぞれが前記光に位相差を生じさせる機能を有する複数の波長板を含み、前記複数の波長板はそれぞれ前記スペックル解消素子駆動部により駆動され、
前記複数の波長板が前記光に生じさせる位相差の合計が前記光の略1/2波長分である、スペックル解消光学系。 Multiple speckle-eliminating elements that are placed on the optical path of light emitted from a light source to produce speckle-eliminating effects,
It is provided with a speckle-eliminating element drive unit that operates at least two of the speckle-eliminating elements so as to change the optical effect on the light from the light source over time.
The plurality of speckle-eliminating elements include a plurality of wave plates each having a function of causing a phase difference in the light, and the plurality of wavelength plates are each driven by the speckle-eliminating element driving unit.
A speckle-eliminating optical system in which the total phase difference generated by the plurality of wave plates in the light is approximately 1/2 wavelength of the light.
An optical device provided with the speckle-eliminating optical system according to any one of claims 1 to 5.
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