JP6832745B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、特定の偏光状態を有するレーザ光等の入射光を、無偏光、即ちランダムな偏光状態に変更する光学装置に関する。

従来、レーザ光は、テレビ、プロジェクタ、プリンタ、光学露光装置又は光学測定機等の光源として多く用いられている。しかし、レーザ光は、一般的に直線偏光光であるとともにコヒーレント光であるため、散乱面で反射したときにスペックルを生じる。

スペックルとは、レーザ光等のコヒーレント光が、散乱面で反射したときに互いに干渉し合うことによって生じる明領域と暗領域との変動パターンである。上記の各装置において良好な画像を得るには、このスペックルを低減させることが必要となる。

スペックルを解消する方法の一つとして、特定の偏光状態を有する入射光を、無偏光、即ちランダムな偏光状態に変える偏光解消素子を用いる方法がある。

例えば、特許文献１に記載の反射型スクリーンは、偏光解消素子として、それぞれが球面形状を有するマイクロ構造体が複数整列配置された、若しくは複数ランダムに配置された反射面を備えている。この反射型スクリーンによると、入射光がマイクロ構造を有する反射面によって反射されて、適切に分散されることにより、入射光のスペックルが低減される。

また、特許文献２では、レーザ光源と、レーザ光源を含む光源部と、レーザ光源からのレーザ光が通過する光学素子と、この光学素子を振動させる駆動部とを備える。そして、駆動部による駆動動作中に光学素子が振動を停止したときに、光源部からの出射光の輝度を低下させ、何らかの要因で光学素子の振動が停止した旨を外部へ出力し、装置の動作状況に応じた干渉パターンの低減を実現している。

さらに、特許文献３では、レーザ光が通過する光学素子と、この光学素子を保持する保持部材と、光学素子をレーザ光の光路と直交する面内で振動させる駆動部とを備え、振動の際に光学素子が通過する開口又は切欠きを設けている。
これらの特許文献２及び特許文献３の光学装置では、偏光解消素子をレーザ光の光路と直交する面内で振動させるためにボイスコイルモータを用いている。

特表２０１０−５３９５２５号公報 特開２０１２−１８９８５８号公報 特開２０１２−４２７４２号公報

しかし、上記のボイスコイルモータを用いた光学装置は、偏光解消素子を可動部ホルダで挟んで保持している。このため、偏光解消素子の上面の一部が可動部ホルダで覆われ、偏光解消素子に対する入反射光において角度制限が生じ、入射光束径の大きさにも制限が生じてしまう。
また、上記光学装置においてヨークは磁石の周囲を囲んでいるが、コイルの周囲を包囲していないため、磁束が外部へと洩れて、偏光解消素子の駆動を効率よく行うことができず、小型化構成の障害の一因となる。また、磁束が漏れることにより、周辺機構や回路への影響が懸念される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、偏光解消素子に対する入反射光の角度制限がなく、入反射光の光束径を大きくとれ、且つ偏光解消素子の駆動を効率よく行うことができることから、小型化構成が可能な光学装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のものを提供する。
開口部が設けられた前ヨーク、該前ヨークと対向配置された後ヨーク、及び、該後ヨークにおける前記前ヨーク側の面に固定された磁石を備える固定部と、前記前ヨークと前記後ヨークとの間の空間に配置された可動板、該可動板に一端が固定され、前記前ヨークの前記開口部を貫通して前記空間の外部に延びる支柱、該支柱の他端に固定された偏光解消素子、及び、前記可動板の前記後ヨーク側の面において前記磁石と対向配置されたコイルと、を備える可動部と、前記コイルに流す電流値と電流の方向を制御することにより、前記可動部を、前記支柱の延びる方向と直交する面内で振動させる制御部と、を備える光学装置。

前記制御部は、前記可動部を、前記固定部に対してランダムに振動させてもよい。

前記支柱は、柔軟な部材で製造されていてもよい。

本発明によれば、偏光解消素子に対する入反射光の角度制限がなく、入反射光の光束径を大きくとれ、且つ偏光解消素子の駆動を効率よく行うことができることから、小型化構成が可能な光学装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の光学装置の概略図である。 可動板の裏面の平面図である。 比較形態の光学装置の概略図である。

図１は本発明の一実施形態の光学装置１の概略図である。
光学装置１は偏光解消素子１０を備え、レーザ発振器（図示せず）から発振されたレーザ光Ｌをスクリーンに照射する際に、偏光解消素子１０に反射させることでスペックルを解消する装置である。
偏光解消素子１０は、例えば、それぞれが球面形状を有するマイクロ構造体が複数整列配置、若しくは複数ランダムに配置された反射面１０ａを備える。偏光解消素子１０の反射面１０ａに入射したレーザ光Ｌは、反射する際に分散され、スペックルが低減されたレーザ光Ｌとなり、スクリーンに照射されたレーザ光Ｌはスペックルが低減される。本実施形態の光学装置１は、さらに、スペックルの解消効果をより高めるために、偏光解消素子１０を振動させる。

光学装置１は、一面に開口部２５が設けられた箱型の固定部２０と、固定部２０に対して移動可能な可動部３０と、可動部３０の移動を制御する制御部４０とを備える。
可動部３０は、固定部２０の内部に配置された可動板３１と、可動板３１から固定部２０の開口部２５を通って固定部２０の外側に延びている支柱３２と、支柱３２の先端に設けられた偏光解消素子１０と、を備える。
以下、支柱３２の延びる方向をＺ方向とし、Ｚ方向と直交するとともに互いに直交する方向をＸ方向とＹ方向として説明する。

固定部２０は、透磁率の高い部材で製造された箱型のヨーク２１と、ヨーク２１の内面に固定された磁石２２とを備える。

ヨーク２１は、例えば鉄（Ｆｅ）等であり、磁石２２の外周を覆うことで、磁石２２によって発生する磁束の光学装置１外部への漏れを防止して、磁石２２による可動部３０の駆動力を増加させ、その結果、小型化構成が実現できる。また、磁束漏れによる周辺機構や回路への影響を低減させる。
ヨーク２１は、上述のＺ方向と直交するＸＹ平面に沿って延びる矩形板状の後ヨーク２１ｂと、後ヨーク２１ｂと略同形であるが中央部に開口部２５が設けられ、後ヨーク２１ｂと平行に対向配置された前ヨーク２１ｆと、後ヨーク２１ｂと前ヨーク２１ｆとの間に配置されて箱型の側面を形成する側部２１ｓとを有する。

図２は、可動部３０の可動板３１における支柱３２が取り付けられている側と反対側の面を、Ｚ方向から見た図である。前ヨーク２１ｆの開口部２５は本実施形態において図２において点線で示すように円形である。ただしこれに限らず正方形や長方形等であっても良い。

後ヨーク２１ｂの内面側における、図２に示す４つのコイル３３（後述する３３Ｘ１，３３Ｘ２，３３Ｙ１，３３Ｙ２）のそれぞれと対向する位置に、磁石２２（図１に示す２２Ｘ１，２２Ｘ２、及び図示しない２２Ｙ１，２２Ｙ２）が配置されている。磁石２２は、永久磁石であり、例えばネオジムや鉄、ホウ素、プラスチック磁石材料から形成されている。

可動部３０の可動板３１は、前ヨーク２１ｆ及び後ヨーク２１ｂよりも小さな矩形部材であり、前ヨーク２１ｆと後ヨーク２１ｂと間の空間Ｓに配置されている。
支柱３２は、可動板３１に一端が固定され、他端側が、前ヨーク２１ｆの開口部２５から前ヨーク２１ｆと後ヨーク２１ｂと間の空間Ｓの外部へと延びる円柱部材である。ただし、円柱に限るわけではなく、円筒、角柱、角筒等であってもよい。
偏光解消素子１０は、可動板３１、前ヨーク２１ｆ、及び後ヨーク２１ｂと平行に配置された矩形部材、若しくは円形部材である。

可動板３１における、後ヨーク２１ｂに固定された磁石２２と対向する位置に、図２に示すように４つのコイル３３（３３Ｘ１，３３Ｘ２，３３Ｙ１，３３Ｙ２）が取り付けられている。コイル３３は、例えば巻き線コイルである。
４つのコイル３３は、可動板３１のＸ方向の両端に取り付けられたコイル３３Ｘ１、３３Ｘ２と、可動板３１のＸ方向に延びる一辺に沿って、Ｘ方向に並ぶように配置されたコイル３３Ｙ１、３３Ｙ２とである。

可動部３０は、更に３つのホール素子３４（３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）を有する。ホール素子３４は、可動部３０の固定部２０に対する変位を検出する位置センサであり、コイル３３Ｙ１，３３Ｙ２，３３Ｘ１と重なる位置に配置されている。
可動板３１が例えばＸ方向に移動すると、磁石２２Ｘ１によって形成される磁界に対して、ホール素子３４ｃが移動するので、ホール素子３４ｃに対する磁束密度が変化する。

可動板３１と固定部２０との間には３つの付勢バネ３５（３５ａ，３５ｂ，３５ｃ）が取り付けられて、付勢バネ３５によって可動板３１と固定部２０とはＺ軸方向に付勢されている。
可動板３１の後ヨーク２１ｂ側の面の、例えば３か所に、保持部３７（３７ａ，３７ｂ，３７ｃ）が設けられている。保持部３７には、転動可能に摺動ボール３６（３６ａ，３６ｂ，３６ｃ）が配置されている。摺動ボール３６は、後ヨーク２１ｂの内面と当接し、その内面を転動する。これにより可動板３１は、Ｚ軸と垂直なＸＹ平面内を滑らかに移動可能となる。

偏光解消素子１０は、これに限定されるものではないが、例えば、上述したようにそれぞれが球面形状を有するマイクロ構造体が複数整列配置、若しくは複数ランダムに配置された反射面を備えたものである。レーザ光Ｌを偏光解消素子１０に反射させることで、レーザ光Ｌが分散され、スペックルを低減することができる。

制御部４０は、電源部４１を有し、電源部４１を介してコイル３３に流す電流値を制御する。電源部４１より所定値の電流がコイル３３に流されると、磁石２２より発生する磁力とのコイル２２の電流とによって、コイル３３に電磁力が働く。このコイル３３に働く電磁力によって、可動部３０は固定部２０に対してＸＹ平面内で振動する。
制御部４０は、ここで、コイル３３へ流れる電流値と電流の方向を制御することによって、可動部３０、即ち偏光解消素子１０をＸＹ平面内において振動させる。ここで、制御部４０は、偏光解消素子１０をＸＹ平面内においてランダムに振動させることが好ましい。
また、制御部４０は、位置検出部４２を有する。位置検出部４２は、磁束密度の変化に伴うホール素子３４の出力電流の変化を検出することによって可動部３０の位置を検出する。

本実施形態によると、入射光がレーザ光Ｌのような直線偏光光であっても、偏光解消素子１０により反射されることにより、反射光は異なる方向に偏光された光が混在した状態となる。したがって、出射光は偏光が解消された状態となる。
例えば、偏光解消素子１０が配置されていない場合、直線偏光光であるレーザ光Ｌがスクリーンに投影されると、スペックルと呼ばれる斑点状の模様が観察される。スペックルは、スクリーンで散乱された光が、面上の微視的な凹凸に応じたランダムな位相関係で干渉し合うために生じるものである。
しかし、本実施形態によると、偏光解消素子１０により反射光は異なる方向に偏光された光が混在した状態となるので、スペックルを解消することができる。

本実施形態では、偏光解消素子１０が、ＸＹ平面に沿って振動する。したがって、偏光解消素子１０が振動しない場合よりも、さらに多くの方向に偏光された光が出射されるのでスペックル低減効果をより向上することができる。

本実施形態では偏光解消素子１０の振動方向がランダムなので、ランダムな偏光を有する光が出射され、スペックル低減効果をより向上することができる。

位置検出部４２によって検出された固定部２０に対する可動部３３の位置情報を、コイル３３へ入力される電流値にフィードバックすることにより、可動部３０の振動を所定範囲内に制限し、例えば、可動板３１とヨーク２１との衝突を防止することができる。

本実施形態において、偏光解消素子１０は、ヨーク２１の内部に配置された可動板３１から前ヨーク２１ｆの開口部２５を通って、ヨーク２１の外側まで延びる支柱３２の先に固定されている。この効果を、比較形態と対比させて説明する。

図３は本実施形態の比較形態の光学装置１０１である。比較形態では偏光解消素子１１０が固定部１２０の前ヨーク１２１ｆと後ヨーク１２１ｂとの間の空間Ｓに配置されている。この場合、レーザ光Ｌは前ヨーク１２１ｆの開口部１２５より偏光解消素子１１０に入射するので、前ヨーク１２１ｆの開口部１２５の開口径に応じて入射角度が制限される。
一方、入射角を大きくするために前ヨーク１２１ｆの開口部１２５の開口径を大きくすると、ヨーク２１の外部へと洩れる磁束が多くなる。したがって本実施形態と同様の駆動力を得るには、コイル１３３に流す電流値を大きくする必要があり、駆動効率が低下する。
また、光学装置１０１を大型化することによって入射角を大きくすることもできるが、大型化すると、製造コストがかかり、装置のコンパクト化という要請に反する。また、大型化すると他の装置へ組み込む際の柔軟性が低下する。

さらに、比較形態では偏光解消素子１１０がヨーク１２０の内部に配置されているので、偏光解消素子１１０を取り外しにくくなり、例えば用途に応じて異なるものに交換することが困難となる。
また、レーザ光Ｌが偏光解消素子１１０に入射する際に、前ヨーク１２１ｆの開口部１２１の端面において発生する迷光が偏光解消素子１１０に入射したり、スクリーンに反射したりする可能性もある。

しかし、本実施形態において偏光解消素子１０は、ヨーク２１の内部に配置された可動板３１から、前ヨーク２１ｆの開口部２５を通ってヨーク２１の外側まで延びる支柱３２の先に固定されている。すなわち、偏光解消素子１０は、ヨーク２１の外部に配置されている。
したがって、前ヨーク２１ｆによって、レーザ光Ｌが遮られることがないので、入射光の入射角度が制限されない。

また、偏光解消素子１０がヨーク２１の外部に配置されているので、交換が容易である。したがって、ユニットが共通で用途に応じた偏光解消素子の交換が可能となる。

さらに、レーザ光Ｌが偏光解消素子１１０に入射する際に、前ヨーク２１ｆの開口部１２１の端面において発生する迷光が偏光解消素子１０に入射したり、スクリーンに反射したりする可能性を最小に抑えることができ、性能を向上することができる。

偏光解消素子１０の大きさを大きくすることなく、入射角が大きくなるので、装置の小型化が可能となり、製造コストが低減される。また、他の装置へ組み込む際の柔軟性が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、材料、形状、配置、寸法等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、支柱３２を、例えば弾性部材等で製造することによって柔軟性を持たせてもよい。支柱３２が柔軟性を有することにより、可動板３１の駆動条件（周波数・振幅）によって、偏光解消素子１０の振動を増幅することが可能で、偏光解消素子１０に対してより大きな振動やランダムな振動を効果的に与えることが可能となり、スペックル低減効果をさらに向上できる。

Ｌ レーザ光
Ｓ 空間
１ 光学装置
１０ 偏光解消素子
２０ 固定部
２１ ヨーク
２１ｂ 後ヨーク
２１ｆ 前ヨーク
２２ 磁石
２５ 開口部
３０ 可動部
３１ 可動板
３２ 支柱
３３ コイル
３４ ホール素子
３５ 付勢バネ
３６ 摺動ボール
３７ 保持部
４０ 制御部
４１ 電源部
４２ 位置検出部

Claims (3)

1. 開口部が設けられた前ヨーク、該前ヨークと対向配置された後ヨーク、及び、該後ヨークにおける前記前ヨーク側の面に固定された磁石を備える固定部と、
   前記前ヨークと前記後ヨークとの間の空間に配置された可動板、該可動板に一端が固定され、前記前ヨークの前記開口部を貫通して前記空間の外部に延びる支柱、該支柱の他端に固定された偏光解消素子、及び、前記可動板の前記後ヨーク側の面において前記磁石と対向配置されたコイルと、を備える可動部と、
   前記コイルに流す電流値と電流の方向を制御することにより、前記可動部を、前記支柱の延びる方向と直交する面内で振動させる制御部と、
   を備える光学装置。
2. 前記制御部は、前記可動部を、前記固定部に対してランダムに振動させる、
   請求項１に記載の光学装置。
3. 前記支柱が、柔軟な部材で製造されている、
   請求項１または２に記載の光学装置。

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