WO2012140845A1 - インコヒーレント化デバイス、およびこれを用いた光学装置 - Google Patents

インコヒーレント化デバイス、およびこれを用いた光学装置 Download PDF

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    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light

Definitions

  • the present invention relates to an optical member (incoherent device) and an optical apparatus using the same.
  • LEDs light-emitting diodes
  • LDs lasers
  • Lasers are characterized by high light intensity, narrow wavelength width, and high coherence compared to LEDs. Therefore, while a bright image can be obtained, for example, when used as a light source for a projector, noise called speckle appears in the projected image due to interference of scattered light due to minute irregularities on the screen or the like, which deteriorates the image quality. There is a problem that it is easy.
  • One is based on the principle that the speckle is not perceived by the human eye by fluctuating the laser beam over time.
  • Patent Document 1 discloses a method of reducing speckles by using a diffractive lens element in which a large number of concave portions having different depths are formed in a transparent substrate in an illumination device, and rotating the diffractive lens element.
  • Patent Document 2 discloses a speckle removing device that uses a method of mechanically rotating and vibrating an optical retarder that provides a retardation that is an odd integer multiple of a half wave, or driving a liquid crystal.
  • Patent Document 3 discloses a method of providing an optical fiber bundle having an optical path difference in the optical path of a laser beam.
  • FIG. 12 shows an optical device disclosed in Patent Document 4.
  • the laser beam incident at a predetermined angle from the incident window 121 of the plane-parallel plate 120 is refracted and reflected by the first reflecting surface 122, and then reflected by the second reflecting surface 123, and these first and second reflecting surfaces. Reflection is repeated alternately at 122 and 123.
  • the first reflecting surface 122 is partially provided with transmission windows (not shown), and by making the optical path difference of the laser beam transmitted through these transmission windows longer than the coherence distance of the laser light source.
  • the light beams transmitted through adjacent transmission windows are incoherent with each other.
  • FIG. 13 shows an optical system of the illumination device disclosed in Patent Document 5.
  • the beam splitter 130 is made of a parallel plate with reflection films on both sides of a quartz plate, and the reflectivities of the reflecting surfaces a, b, c, d and e are 75% and 66.5, respectively. %, 50%, 0% and 100%.
  • the laser beam is incident on the beam splitter 130, four beams having substantially the same intensity are output. Since the optical path difference of each beam is set larger than the coherence distance, these four beams are incoherent with each other.
  • the birefringent crystal 131 arranged at the rear side divides each beam into two beams whose polarizations are perpendicular to each other, and beams having polarizations perpendicular to each other do not interfere with each other. No, ie incoherent.
  • Patent Document 6 also discloses a spatial modulation device that modulates light incident from a light source, diffuses light using a diffractive optical element, and reduces speckle by increasing the diffusion angle of light compared to before incidence. A method is disclosed.
  • the main object of the present invention is a small optical member (incoherent device) that does not have a mechanical or electrical drive part and can control the light intensity distribution of the outgoing beam, and an optical apparatus using the optical member Is to provide.
  • the optical member of the present embodiment is a filter having a total reflection mirror having a reflection surface that reflects a laser beam, and a partial transmission surface that transmits a part of the laser beam and reflects the rest, and the reflection surface; And a filter on which the partial transmission surface is disposed so as to face each other, and a diffraction grating on which the laser beam is incident, diffracts the incident laser beam, and enters the total reflection mirror or the partial transmission filter.
  • the size of the beam emitted from the optical member and the distribution of the light intensity in the beam can be freely adjusted by adjusting the grating interval of the diffraction grating and the ratio of the transmittance and the reflectance of the partial transmission filter.
  • the optical member can be arranged perpendicular to the incident light. Further, the light emitted from the optical member can be distributed symmetrically with respect to the central axis of the light incident on the optical member. Therefore, downsizing is possible.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view showing an incoherent device 11 according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an entrance window 15 in the first embodiment.
  • (A) is sectional drawing which shows the incoherent device 21 of Embodiment 2
  • (b) is sectional drawing which expands and shows the entrance window 25 in Embodiment 2.
  • FIG. It is a graph which shows the result of having calculated the wavelength dependence of the 1st order diffraction efficiency in case a diffraction grating is in contact with air by simulation.
  • FIG. (A) to (e) are a sectional view of an incident laser beam and a front view of a diffraction grating shape in an embodiment of the present invention.
  • FIG. (A) is sectional drawing and a top view which show the incoherent device of the modification of Embodiment 6
  • (b) is sectional drawing which expands and shows the entrance window 105 in the modification of Embodiment 6. It is. It is a schematic block diagram which shows embodiment of the optical apparatus by this invention. It is sectional drawing which shows the conventional optical apparatus disclosed by patent document 4. It is sectional drawing which shows the optical system of the conventional illuminating device disclosed by patent document 5.
  • the optical member of the present embodiment is a filter having a total reflection mirror having a reflection surface that reflects a laser beam, and a partial transmission surface that transmits a part of the laser beam and reflects the rest, and the reflection surface; And a filter on which the partial transmission surface is disposed so as to face each other, and a diffraction grating on which the laser beam is incident, diffracts the incident laser beam, and enters the total reflection mirror or the partial transmission filter.
  • a transparent member provided between the total reflection mirror and the partial transmission filter may be further provided, and the diffraction grating may be provided on a surface of the transparent member.
  • a protective film covering the surface of the diffraction grating may be further provided.
  • any one of the material of the diffraction grating and the material of the protective film may have a property that the refractive index is higher and the Abbe number is larger than the other material.
  • the diffraction grating and the protective film are made of resin, and inorganic particles may be dispersed in the resin constituting at least one of the diffraction grating and the protective film.
  • the protective film may be made of a material in which at least one of zirconium oxide, yttrium oxide, and aluminum oxide is dispersed in a photocurable resin.
  • the cross section of the laser beam emitted from the optical member may have an isotropic shape with respect to the center of the cross section.
  • the diffraction grating has a ratio of the length of the minor axis to the major axis in the laser beam emitted from the optical member.
  • the laser beam may be diffracted so as to be larger than the ratio of the length of the minor axis to the major axis of the laser beam incident on the beam.
  • the diffraction grating may have a plurality of sub-regions that diffract in different directions.
  • the plurality of diffraction steps may have an elliptical planar shape centered on the same point, and two adjacent ones of the plurality of diffraction steps.
  • the interval between the two diffraction steps may be smaller in the minor axis direction of the ellipse than in the major axis direction of the ellipse.
  • the total reflection mirror may have an opening for allowing the laser beam to enter the diffraction grating, and the laser beam may be incident perpendicular to the opening.
  • the laser beam diffracted by the diffraction grating When the laser beam diffracted by the diffraction grating is incident on the total reflection mirror, the laser beam may be reflected by the total reflection mirror and incident on the partial transmission filter, and is diffracted by the diffraction grating. When the laser beam is incident on the partial transmission filter, a part of the laser beam may pass through the partial transmission filter, and the rest of the laser beam may be transmitted by the partial transmission filter. It may be reflected and incident on the total reflection mirror.
  • the cross section of the laser beam emitted from the optical member may be larger than the cross section of the laser beam incident on the optical member.
  • the optical apparatus of the present embodiment includes a laser light source, a spatial light modulation element that modulates a laser beam emitted from the laser light source, a projection optical system that projects light modulated by the spatial light modulation element as an image,
  • the laser light source may include a red wavelength laser light source, a green wavelength laser light source, and a blue wavelength laser light source.
  • Patent Documents 1 and 2 it is necessary to mechanically or electrically drive a lens element or the like. That is, since a complicated mechanism, power supply, and the like are necessary, it is not preferable to apply the inventions of Patent Documents 1 and 2 to devices that require miniaturization and portability.
  • the coherence of the incident laser beam is not reduced, it is not effective for applications where it is desired to reduce the condensing property of the laser.
  • a retinal scanning display that collects RGB laser light on the human retina and displays a color image
  • Patent Document 3 is not suitable for miniaturization because it is necessary to secure a space for the optical fiber bundle. Moreover, since light loss occurs when light enters the optical fiber, the light intensity decreases.
  • Patent Documents 4 and 5 incident light is refracted, and in both Patent Document 4 and Patent Document 5, the number of divided outgoing light is about several. In Patent Documents 4 and 5, it is difficult to increase the number of light beams, and these methods have poor expandability and versatility. Moreover, it is not easy to make the intensity distribution of the emitted light symmetrical. Furthermore, since it is necessary to incline the parallel flat plate in Patent Document 4 and the beam splitter in Patent Document 5 with respect to the laser beam, the optical system becomes large and alignment of components is necessary.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view and a plan view showing Embodiment 1 of an incoherent device according to the present invention.
  • the incoherent device 11 of this embodiment includes a total reflection mirror 14, a partial transmission filter 13 that faces the reflection surface, and a diffraction grating 18 that is provided in an incident window 15 of the total reflection mirror 14.
  • a transparent substrate 12 having a thickness t is provided between the total reflection mirror 14 and the partial transmission filter 13.
  • the total reflection mirror 14, the partial transmission filter 13, and the entrance window 15 each have a circular planar shape.
  • the incident window 15 is arranged at a position where the center thereof coincides with the central axis 10 of the laser beam 16.
  • the diffraction grating 18 is provided on a portion of the surface of the transparent substrate 12 exposed by the incident window 15.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing the inside of the entrance window 15.
  • the diffraction grating 18 disposed inside the incident window 15 includes a concentric blazed diffraction stepped portion 18 a centering on the central axis 10 of the incident window 15 and a flat portion 18 positioned at the center of the incident window 15. .
  • the depth of each step in the blazed diffraction step 18a is d1, and the interval between adjacent steps, that is, the pitch is P.
  • the step pitch P of the blaze diffraction step portion 18a may be constant or may not be constant. By changing the step pitch P, the cross-sectional intensity distribution of the divergent beam 17 can be changed.
  • a laser beam 16 emitted from a light source such as a projector enters the incident window 15 perpendicularly (for example, within 5 degrees from the vertical direction with respect to the incident window) and reaches the diffraction grating 18 in the incident window 15.
  • the light incident on the flat portion 18b of the diffraction grating 18 travels straight.
  • the light incident on the blaze diffraction step portion 18 a is diffracted and travels in a direction away from the central axis 10 of the incident window 15 (a direction inclined outward by an angle ⁇ from the straight traveling direction) and reaches the partial transmission filter 13. .
  • a part of the light passes through the partial transmission filter 13 and is extracted to the outside.
  • a part of the light is reflected by the partial transmission filter 13 and enters the total reflection surface 14 a of the total reflection mirror 14.
  • the light incident on the total reflection surface 14 a is reflected toward the partial transmission filter 13.
  • the light incident on the incoherent device 11 reciprocates inside by being reflected by the partial transmission filter 13 and the total reflection mirror 14.
  • a part of the light reaching the partial transmission filter 13 is sequentially transmitted, so that a divergent beam 17 is emitted from the surface opposite to the entrance window 15 in the incoherent device 11.
  • the beam diameter (and cross-sectional area) of the diverging beam 17 is the beam diameter of the incident laser beam 16 (and the cross-sectional area). And cross-sectional area).
  • the beam diameter of the diverging beam 17 is not necessarily larger than the beam diameter of the incident laser beam 16.
  • the cross section of the laser beam 16 emitted from the incoherent device 11 has an isotropic shape (circular shape) with respect to the center of the cross section.
  • the angle ⁇ at which light is bent by the blaze diffraction step portion 18a is generally called a diffraction angle and has the following relationship.
  • m is the diffraction order
  • ⁇ is the wavelength of the incident laser beam 16.
  • n1 is the refractive index of the blazed diffraction stepped portion 18a
  • n2 is the refractive index of the medium in contact with the blazed diffraction grating.
  • the value of n2 is 1.
  • the blaze diffraction step 18a is formed integrally with the transparent substrate 12.
  • the blaze diffraction step 18a can be formed by a known process such as a semiconductor process such as etching or a mold using a mold.
  • the blazed diffraction stepped portion 18a and the transparent base material 12 are not necessarily made of the same material, and may be made of different materials.
  • Various optical glasses and various optical resins can be employed as the material of the transparent substrate 12 or the diffraction grating 18.
  • the diffracted beam is repeatedly reflected alternately by the partial transmission filter 13 and the total reflection mirror 14, and a part of the diffraction beam passes through the partial transmission filter 13, but is adjacently transmitted.
  • the optical path difference ⁇ generated between the beams is expressed by the following equation.
  • an incoherent outgoing beam 17 is output. That is, from the relationship of (Equation 2), the order m of the diffracted light that is efficiently diffracted when the depth of the diffraction step in FIG. 1A is d1 is determined, and the optical path is determined by the relationship of (Equation 1) and (Equation 3). The difference ⁇ is determined.
  • the optical path difference between adjacent beams is adjusted by adjusting the parameters of the depth d1 of the diffraction step, the pitch P of the diffraction grating, and the thickness t of the transparent substrate. Can be set freely.
  • the incoherent device can distribute the intensity of the outgoing beam 17 symmetrically with respect to the central axis 10. Further, since it can be arranged perpendicular to the incident laser beam 26, it is advantageous for miniaturization of the optical system.
  • the intensity distribution of the outgoing beam and the size of the beam can be freely designed by setting the value of the ratio between the transmittance and the reflectance of the partial transmission filter 13 and the interval of the step (grating) of the diffraction grating. .
  • a general lens optical system is axially symmetric, a beam having an intensity distribution that is axially symmetric with respect to the optical axis can be emitted without using a special optical system. Therefore, it is advantageous for simplification of the optical system.
  • the partial transmission filter 13 is composed of, for example, a multilayer film made of two or more kinds of dielectric materials.
  • a multilayer film in which titanium oxide and silicon oxide are alternately stacked may be used.
  • the total reflection mirror 14 and the incident window 15 of the present embodiment are provided on the plane of the transparent substrate 12, and the partial transmission filter 13 is provided on the plane opposite to this, but if these are curved, the lens action It is also possible to add.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a second embodiment of the incoherent device according to the present invention.
  • the incoherent device 21 of the present embodiment is different from the incoherent device 11 of the first embodiment in that a protective film 29 is provided on the surface of the diffraction grating 28 in the incident window 25.
  • Other components are common. Hereinafter, detailed description of the common configuration is omitted.
  • FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view showing the entrance window 25.
  • the diffraction grating 28 disposed inside the incident window 25 has a concentric blazed diffraction stepped portion 28 a centered on the central axis 20 of the incident window 25 and a flat portion 28 b located at the center of the incident window 25. .
  • the depth of each step in the blazed diffraction stepped portion 28a is d2, and the interval between adjacent steps, that is, the pitch is P.
  • a protective film 29 is provided on the surfaces of the blaze diffraction stepped portion 28 a and the flat portion 28 b in the diffraction grating 28. 2A and 2B, the protective film 29 is provided on the entire surface of the diffraction grating 18, but may be provided only on a part thereof.
  • the beam cross section of the laser beam 26 is circular, for example.
  • a portion of the laser beam 26 in the vicinity of the central axis 20 travels straight along the central axis 20, but the surrounding beam is diffracted by the concentric diffraction grating and moves away from the central axis 20 (by an angle ⁇ from the straight traveling direction). Proceed in the direction tilted outward).
  • Each diffracted beam is repeatedly reflected by the partial transmission filter 23 and the total reflection mirror 24, and a part of the diffracted beam is emitted from the surface opposite to the entrance window 25. Since the diffraction grating 28 of this embodiment diffracts the light incident on the blazed diffraction stepped portion 28a outward, the beam diameter of the divergent beam 27 is larger than the beam diameter of the incident laser beam 126.
  • the wavelength dependence of diffraction efficiency can be eliminated by appropriately combining the refractive indexes of the blaze diffraction stepped portion 28a and the protective film 29 and their wavelength dispersion.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of calculating the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency by simulation.
  • the depth of the diffraction step of the diffraction grating set in this calculation is 0.86 ⁇ m.
  • the first-order diffraction efficiency shows a high value at a specific wavelength (in the vicinity of a wavelength of 550 nm in FIG. 3), but decreases at a shorter wavelength or a longer wavelength side.
  • the decrease in the first-order diffraction efficiency is diffracted light such as 0th order or second order, which is another diffraction order.
  • one of the material of the diffraction grating 28 and the material of the protective film 29 has a higher refractive index than the other material, and wavelength dispersion. It is preferable to have a property with low properties (large Abbe number). By having such properties, d that maximizes the first-order diffraction efficiency is constant regardless of the wavelength used.
  • Examples of such a combination of materials include a combination of glass and resin, and a combination of a nanocomposite material and a resin in which fine particles of an inorganic material are uniformly dispersed in a resin material.
  • a high refractive index and low wavelength dispersion material is used as the diffraction grating 28 (that is, the transparent substrate 22) and a high refractive index and low wavelength dispersion material is used as the protective film 29
  • polycarbonate d-line refraction
  • a nanocomposite resin d-line refractive index of 1.623, Abbe with a protective film 29 in which zirconium oxide having a particle size of 10 nm or less is dispersed in an acrylic ultraviolet curable resin. Equation 40
  • d-line refractive index of 1.623, Abbe with a protective film 29 in which zirconium oxide having a particle size of 10 nm or less is dispersed in an acrylic ultraviolet curable resin. Equation 40 may be used.
  • any one of yttrium oxide and aluminum oxide, or a mixture thereof may be used.
  • the productivity is high and the weight can be easily reduced.
  • FIG. 4 is a graph showing the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency when a blazed diffraction grating and a protective film are made of polycarbonate and nanocomposite resin.
  • the depth d2 of the diffraction step set in this calculation is 14.9 ⁇ m.
  • the incoherent device 21 of the present embodiment exhibits a high first-order diffraction efficiency of 95% or more over the entire visible wavelength range. Similarly, if the depth of the diffraction step is doubled to 29.8 ⁇ m, the diffraction efficiency is uniformly increased over the entire visible wavelength range for the second-order diffracted light and tripled to 44.7 ⁇ m. Is possible.
  • the protective film 29 by providing the protective film 29, it is possible to increase the light use efficiency in the three wavelength bands of R, G, and B, that is, the so-called visible wavelength range.
  • the diffraction grating 28 is formed integrally with the transparent substrate 22.
  • the diffraction grating 28 can be formed by a known process such as a semiconductor process such as etching or a mold using a mold.
  • the diffraction grating 28 and the transparent base material 22 are not necessarily made of the same material, and may be made of different materials.
  • the incoherent device according to the present embodiment can distribute the intensity of the outgoing beam 27 symmetrically with respect to the central axis 10. Further, since it can be arranged perpendicular to the incident laser beam 26, it is advantageous for miniaturization of the optical system.
  • the intensity distribution of the outgoing beam and the beam size can be controlled. Since a general lens optical system is axially symmetric, a beam having an intensity distribution which is axially symmetric with respect to the optical axis can be emitted without using a special optical system. Therefore, it is advantageous for simplification of the optical system.
  • the incoherent device of this embodiment since the incoherent device of this embodiment has a high diffraction efficiency regardless of the wavelength in the entire visible wavelength range, it is high with one configuration for all of the incident laser beams 26 of R, G, and B wavelengths. Diffraction efficiency can be obtained.
  • the laser beam 26 having wavelengths of R, G, and B can be generated by combining laser beams having wavelengths of R, G, and B with an optical system.
  • the total reflection mirror 24 and the incident window 25 of the present embodiment are provided on the plane of the transparent base material 22 and the partial transmission filter 23 is provided on the plane opposite to the transparent base material 22. It is also possible to add.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing Embodiment 3 of the incoherent device according to the present invention.
  • the incoherent device 51 of the present embodiment is different from the incoherent device 21 of the second embodiment only in the shape of the diffraction grating 58 in the incident window 55.
  • Other components are common. Hereinafter, detailed description of the common configuration is omitted.
  • FIG. 5B is an enlarged sectional view showing the incident window 55.
  • the diffraction grating 58 disposed inside the incident window 55 includes a flat portion 58B positioned at the center of the incident window 55 and a concentric binary diffraction stepped portion 58A centering on the central axis 50 of the incident window 55.
  • the flat portion 58B is the upper surface of the convex portion 58b disposed at the center of the incident window 55, and the planar shape thereof is circular.
  • the binary diffraction stepped portion 58A includes a convex portion 58a having a circumferential planar shape centering on the central axis 50 of the incident window 55, and a concave portion 58c between the two convex portions 58a and 58b.
  • FIGS. 5A and 5B show a diffraction grating 58 provided with only one circumferential convex portion 58a for the sake of clarity, but there are a plurality of circumferential convex portions 58a. It may be provided.
  • either one of the material of the diffraction grating 58 and the material of the protective film 59 has a higher refractive index than that of the other material and a property of low wavelength dispersion. .
  • the depth of the diffraction step where the diffraction efficiency of the specific order is maximized is constant regardless of the wavelength used.
  • the cross section of the blazed diffraction grating 28 shown in FIG. 2B has a sawtooth shape, and when the depth d of the diffraction step satisfies (Equation 2), the mth-order diffraction efficiency is theoretically 100%.
  • a material for a blazed diffraction grating and a protective film are selected such that the value of ⁇ /
  • the diffraction grating 58 of the present embodiment shown in FIG. 5B is a binary diffraction grating having an uneven cross section.
  • twice the depth d5 of the diffraction step is substituted as d in (Equation 2), and when (Equation 2) is satisfied, theoretically, the first-order and ⁇ 1st-order diffraction efficiencies are about 40%. It becomes.
  • the -1st order diffraction is light that diffracts in the opposite direction to the 1st order.
  • the solid-line diffracted light 56a (diffracted light diffracted to the left at the diffraction angle ⁇ ′) is the first-order diffracted light
  • the broken-line diffracted light 56b (diffracted angle ⁇ ′). (Diffracted light diffracted to the right toward the paper surface) is -1st order diffracted light.
  • the first-order and ⁇ 1st-order diffraction efficiencies are constant regardless of the wavelength over the entire visible wavelength range.
  • the protective film 59 is not necessarily provided.
  • the incoherent device can distribute the intensity of the outgoing beam 57 symmetrically with respect to the central axis 50. Furthermore, since it can be arranged perpendicular to the incident laser beam 56, it is advantageous for miniaturization of the optical system.
  • the intensity distribution of the outgoing beam and the size of the beam can be controlled by setting the value of the ratio between the transmittance and the reflectance of the partial transmission filter 53 and the interval of the step (grating) of the diffraction grating. Since a general lens optical system is axially symmetric, a beam having an intensity distribution which is axially symmetric with respect to the optical axis can be emitted without using a special optical system. Therefore, it is advantageous for simplification of the optical system.
  • the incoherent device of the present embodiment has the same diffraction efficiency regardless of the wavelength in the entire visible wavelength range, and there is almost no light beam that is diffracted and lost at other orders other than the 0th order.
  • High diffraction efficiency can be obtained with one configuration for all of the incident laser beams 56 of the respective wavelengths of.
  • the laser beam 26 having wavelengths of R, G, and B can be generated by combining laser beams having wavelengths of R, G, and B with an optical system.
  • the total reflection mirror 54 and the incident window 55 of the present embodiment are provided on the plane of the transparent base material 52, and a partial transmission filter 53 is provided on the plane opposite to the transparent base 52. It is also possible to add.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing Embodiment 4 of the incoherent device according to the present invention.
  • the incoherent device 61 of this embodiment includes a total reflection mirror 64, an incident window 65 provided in the total reflection mirror 64, a reflective diffractive section 610 provided at a position facing the incident window 65, and total reflection.
  • the first partial transmission filter 63 is provided opposite to the mirror 64 and provided adjacent to the reflective diffraction section 610.
  • the reflective diffractive portion 610 is in contact with the concentric blazed diffraction step portion 68 and the surface of the blazed diffraction step portion 68 opposite to the surface facing the entrance window 65 (on the light emitting surface side of the incoherent device).
  • a second partial transmission filter 611 The first partial transmission filter 63 is provided so as to surround the circumference of the circular reflective diffraction section 610 in plan view.
  • the transmissive diffraction grating 18 is provided on the light incident side, but in the present embodiment, the reflective diffractive portion 610 is provided on the light emitting side.
  • a transparent substrate 62 having a thickness t is provided between the total reflection mirror 64 and the partial transmission filter 63.
  • the central axis 60 of the laser beam 66 incident on the incoherent device 61 coincides with the center of the incident window 65 and the center of the reflection type diffraction unit 610.
  • the beam cross section of the laser beam 66 incident perpendicularly to the incident window 65 along the central axis 60 is circular.
  • the laser beam 66 travels straight through the transparent substrate 62 and reaches the reflection type diffraction unit 610.
  • FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view showing the reflection type diffraction portion 610.
  • the reflective diffractive portion 610 includes the blazed diffraction stepped portion 68 and the second partial transmission filter 611.
  • the depth of each step in the blazed diffraction stepped portion 68 is d6, and the interval between adjacent steps, that is, the pitch is P.
  • a protective film 69 is provided on the surface of the reflective diffraction section 610. However, the protective film 69 is not necessarily provided.
  • the laser beam 66 that has passed through the transparent substrate 62 passes through the blaze diffraction step portion 68 and reaches the second partial transmission filter 611.
  • a part of the laser beam 66 that has reached the second partial transmission filter 611 passes through the second partial transmission filter 611, travels straight, and is emitted to the outside of the incoherent device 61.
  • a part of the laser beam 66 that has reached the second partial transmission filter 611 is reflected by the second partial transmission filter 611 and passes through the blazed diffraction grating 68 again.
  • the light that has passed through the blazed diffraction grating 68 twice becomes a diffracted beam, and travels in a direction away from the central axis 10 of the incident window 15 (a direction inclined outward from the straight direction by an angle ⁇ ).
  • the diffracted beam is repeatedly reflected alternately by the total reflection mirror 64 and the first partial transmission filter 63, and a part of the diffracted beam is transmitted through the first partial transmission filter 63. Since the reflection type diffraction unit 610 of this embodiment diffracts the light incident on the blaze diffraction stepped portion 68 toward the outside, the beam diameter of the diverging beam 67 is larger than the beam diameter of the incident laser beam 66.
  • a reflection type diffraction unit 610 is used.
  • the depth dr of the diffraction step at which the diffraction efficiency of the diffracted light of the diffraction order m is theoretically 100% is expressed by the following equation.
  • n1 is the refractive index of the blazed diffraction grating
  • n2 is the refractive index of the medium in contact with the blazed diffraction grating.
  • Either one of the material of the blazed diffraction grating 68 and the material of the protective film 69 has a property of having a higher refractive index and lower wavelength dispersion than the other material. By having such a property, the depth of the diffraction step where the diffraction efficiency of the specific order is maximized is constant regardless of the wavelength used. In the present embodiment, detailed description of the same configuration as that of the first or second embodiment will be omitted.
  • the incoherent device can distribute the intensity of the outgoing beam 67 symmetrically with respect to the central axis 60. Further, since it can be arranged perpendicular to the incident laser beam 66, it is advantageous for miniaturization of the optical system.
  • the intensity distribution of the outgoing beam and the size of the beam are set. Can be controlled. Since a general lens optical system is axially symmetric, a beam having an intensity distribution which is axially symmetric with respect to the optical axis can be emitted without using a special optical system. Therefore, it is advantageous for simplification of the optical system.
  • the incoherent device of this embodiment since the incoherent device of this embodiment has a high diffraction efficiency regardless of the wavelength in the entire visible wavelength range, it is high with one configuration for all of the incident laser beams 66 of the R, G, and B wavelengths. Diffraction efficiency can be obtained.
  • the laser beam 66 having R, G, and B wavelengths can be generated by combining laser beams having R, G, and B wavelengths with an optical system.
  • the total reflection mirror 64 and the incident window 65 are provided on the plane of the transparent base material 62, and the reflection type diffractive portion 610 and the first partial transmission filter 63 are provided on the plane opposite to this.
  • the reflection type diffractive portion 610 and the first partial transmission filter 63 are provided on the plane opposite to this.
  • a lens action can be added.
  • FIG. 7A shows an incident laser beam having a circular cross-sectional shape.
  • Such an incident laser beam has a circular cross section by using the diffraction grating used in the first to fourth embodiments, that is, the concentric diffraction grating 78 as shown in FIG. 7B.
  • An outgoing beam can be emitted.
  • the beam emitted from the end face reflects the shape of the active layer and greatly spreads in a direction perpendicular to the thickness direction of the active layer. That is, the far field cross section of the beam emitted from the end face of the active layer has an elliptical shape as shown in FIG.
  • a beam shaping optical system is required, and an increase in the number of parts and an increase in the size of the optical system are inevitable.
  • the diffraction grating 88 shown in FIG. 7D has a flat part 88b located at the center of the diffraction grating 88 and a diffraction step part 88a located outside the flat part 88b.
  • the diffraction stepped portion 88a has a plurality of annular zones (regions between two adjacent diffraction steps) 88c, 88d, 88e, and 88f, and the width of each annular zone in the minor axis direction (vertical direction toward the paper surface).
  • the (interval between the two diffraction steps) is made smaller than the width (interval between the two diffraction steps) in the major axis direction (the left-right direction toward the paper surface) in the annular zone.
  • the width Ps in the minor axis direction of the annular zone 88e is smaller than the width Pl in the major axis direction.
  • Equation 1 As the diffraction step pitch decreases, the diffraction angle ⁇ increases. Therefore, the cross section of the laser beam is stretched more greatly in the direction in which the diffraction step pitch is relatively small. Therefore, when the diffraction grating 88 as shown in FIG.
  • the emitted laser beam is closer to a circle than the incident laser beam.
  • the sectional shape of the outgoing beam is formed into a circular shape by adjusting the pitch ratio of the diffraction step in the major axis direction and the minor axis direction of the ellipse according to the sectional shape of the incident laser beam 86. can do.
  • FIG. 8 shows an incoherent device 81 of the present embodiment.
  • the incoherent device 81 shown in FIG. 8 not only the diffraction grating 88 but also the entrance window 85 has an elliptical planar shape centered on the central axis 80.
  • the incident window 85 may have any planar shape as long as the laser beam 86 can be incident as a whole. Since the short axis side of the laser beam 86 is stretched by the diffraction grating 88, the total reflection mirror 84 and the partial transmission filter 83 may have a circular planar shape centering on the central axis 80 of the incident laser beam 86.
  • the second embodiment is the same as the second embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the diffraction grating pattern is not limited to a concentric circle shape or an elliptical shape.
  • the diffraction grating 70 is divided into a plurality of sub-regions, and the shape of the incident laser beam. It is also possible to change the pitch and arrangement direction of the diffraction grating shape of each sub-region according to the intensity distribution.
  • the diffraction grating 70 shown in FIG. 7E has a central portion 70a and side portions 70b arranged on both sides of the central portion 70a as sub-regions.
  • the central portion 70a and the side portion 70b each have a plurality of diffraction steps 74.
  • the side portion 70b is divided into a first side portion 70b1 and a second side portion 70b2 depending on the direction of the diffraction step 74.
  • the incident laser beam has an elliptical cross section, for example, the laser beam is incident so that the long axis direction of the laser beam coincides with the long side direction of the diffraction grating 70.
  • the laser beam is incident perpendicular to the surface of the diffraction grating 70 on which the diffraction grating is provided. In this case, the laser beam is diffracted in a direction perpendicular to the diffraction step of each region.
  • the laser beam is diffracted in the direction A (the short side direction of the diffraction grating 70).
  • the laser beam is diffracted in the direction B1 and the direction B2, respectively.
  • the directions B1 and B2 are directions inclined from the short side and long side directions of the diffraction grating 70.
  • the shape of the light emitted from the incoherent device is adjusted by providing multiple sub-regions that guide the laser beam in different directions in the diffraction grating and adjusting the area of each sub-region and the gap between the diffraction steps. can do.
  • the ratio of the length of the short axis to the long axis of the laser beam emitted from the incoherent device is relative to the long axis of the laser beam incident on the diffraction grating.
  • the laser beam can be diffracted to be larger than the ratio of the minor axis lengths.
  • FIGS. 7D and 7E can be applied to any of the first to fourth embodiments.
  • the present embodiment having not only the incoherence of the laser beam but also the function of simultaneously shaping the laser beam is very useful.
  • the beam is refracted in the device and emitted toward the surface 125 by tilting the incident beam with respect to the normal of the incident surface of the device.
  • the surface 125 is a surface parallel to the yz plane.
  • the width of the cross section of the beam formed on the surface 125 in the y direction becomes wider than the width of the beam incident on the device in the y direction.
  • the width in the z direction of the cross section of the beam formed on the surface 125 is considered to be substantially the same as the width in the z direction of the beam incident on the device.
  • the optical path length difference can be changed only by changing the thickness t of the device. As described above, it is difficult to change the layout in the device shown in FIG.
  • the incident beam incident parallel to the normal of the incident surface of the device is diffracted by the diffraction grating, and the cross section of the outgoing beam is wider than the cross section of the incident beam.
  • the pitch of the steps of the diffraction grating is set as shown in FIG.
  • the cross section of the laser beam having an elliptical cross section can be corrected to a circle.
  • the diffraction grating shown in FIG. 7E can be corrected.
  • FIG. 7E by changing the direction in which the diffraction step is formed for each partial region, the direction in which light is bent can be changed for each partial region.
  • the output beam is made circular by increasing the area ratio of the diffraction grating pattern region bent in this direction so that the beam is further expanded in the minor axis direction. can do.
  • the diffraction grating according to the present embodiment has an advantage that the degree of freedom in layout is high. According to the diffraction grating in the present embodiment, it is possible to control the beam shape and the coherence without changing the device size.
  • FIG. 9A is a sectional view showing Embodiment 6 of the incoherent device according to the present invention.
  • the incoherent device 91 of this embodiment has a semicircular planar shape.
  • the diffraction grating 98, the total reflection mirror 94, and the partial transmission filter 93 have a semicircular planar shape centered on the same point. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the diffraction grating 98 has a plurality of diffraction steps, the height of each step is d1, and the pitch of each step is P.
  • the present embodiment not only the first embodiment but also a part of any incoherent device of the second to fifth embodiments may be used.
  • the planar shape of the incoherent device 9 of the present embodiment is a semicircular shape, but may have another shape (for example, a straight line shape).
  • FIG. 10A is a cross-sectional view showing a modification of the sixth embodiment
  • FIG. 10B is an enlarged view of the diffraction grating 108 of FIG. 10A
  • the incoherent device 101 of this modification has a configuration in which the positions of the total reflection mirror 94 and the partial transmission filter 93 in the incoherent device 91 described above are interchanged. That is, the partial transmission filter 103 is provided on the side where the laser beam 100 is incident in the incoherent device 101.
  • the partial transmission filter 103 is provided with an incident window 105, and a diffraction grating 108 is disposed in the incident window 105.
  • the laser beam 100 incident on the incident window 105 is diffracted by the diffraction grating 108 to become a diffracted beam, and reaches the total reflection mirror 104.
  • the diffracted beam is repeatedly reflected alternately by the partial transmission filter 103 and the total reflection mirror 104, and a part of the diffracted beam is emitted from the partial transmission filter 103.
  • the divergent beam 107 is emitted from the same surface as the surface on which the laser beam 100 is incident.
  • the direction in which the divergent beam 107 is emitted is often different from the direction in which the laser beam 100 is incident.
  • a divergent beam may be emitted from a surface on the same side as the surface on which the laser beam has entered, as in this modification.
  • the light use efficiency is high, the light intensity distribution of the outgoing beam can be easily controlled with a small size.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an optical device according to the present invention.
  • the optical device of the present embodiment is an optical device that projects an image on a screen, and includes the incoherent device 111 of Embodiments 1 to 6 in the optical system.
  • the operation of the present optical apparatus will be described.
  • the blue wavelength laser light emitted from the blue wavelength laser light source 112 is reflected by the mirror 115, and the red wavelength laser light and the green wavelength laser light emitted from the red wavelength laser light source 113 and the green wavelength laser light source are respectively color separation filters 116,. 117 is reflected in a wavelength selective manner.
  • the laser beams are combined on the same optical axis and enter the incoherent device 111.
  • the beam output from the incoherent device 111 enters the lens optical system 118, and the lens optical system 118 makes the beam intensity uniform and adjusts the beam size. Thereafter, the beam reaches the polarization beam splitter 119.
  • the polarizing beam splitter 119 is an optical element that reflects almost 100% of S-polarized light (polarized light perpendicular to the paper surface) and transmits almost 100% of P-polarized light (polarized light in the paper surface) over the entire visible wavelength range.
  • S-polarized laser beams are emitted from the blue wavelength laser light source 112, the red wavelength laser light source 113, and the green wavelength laser light source 114, and the S-polarized light is also maintained in the incoherent device 111.
  • the light reflected by the polarization beam splitter reaches the spatial light modulator 1110. This is made up of a reflective liquid crystal panel and applies RGB image information to each laser beam of blue wavelength, red wavelength and green wavelength.
  • the light modulated in this way by the spatial light modulator 1110 is simultaneously converted from S-polarized light to P-polarized light, reaches the polarization beam splitter 119 again, passes through it, and then is projected onto the screen 1112 by the projection lens optical system 1111. Project.
  • the incoherent device 111 shown in FIG. 1A was used.
  • the step d1 of the diffraction grating was 1.76 ⁇ m
  • the pitch P of the diffraction grating was 8 ⁇ m
  • the diffraction order was secondary.
  • the outgoing laser beam can be made incoherent by setting the optical path difference between adjacent light beams to be several hundred ⁇ m larger than the wavelength of light emitted from each laser light source.
  • the incoherent device 111 is inserted, and the spatial light modulator 1110 is driven again to display an image on the screen 1112.
  • speckle noise has a luminance fluctuation of about 5% at maximum.
  • the speckle noise level has been reduced to almost no problem even with visual observation.
  • the spec of the incoherent device may be determined according to the wavelength width of the laser light source.
  • the optical device of the present invention uses a laser as a light source, an image having an illuminance several times that of an LED light source can be obtained, and a special mechanical and electrical driving element is used. Speckle noise can be reduced.
  • the incoherent device of the first embodiment is used.
  • an incoherent device such as the second embodiment since it has high light efficiency in the entire visible wavelength range, it is brighter and clearer. An optical device that displays a clear image becomes possible.
  • the incoherent device of the embodiment reduces not only the speckle noise reduction effect but also the coherence of the laser beam, thereby reducing the laser focusing spot. It has the effect of reducing the strength at.
  • the incoherent device of the embodiment can also be applied to a head-mounted display that scans RGB lasers on a human retina and displays an image on the retina. In this case, it is possible to utilize the characteristics of the incoherent device of the embodiment that is small and does not have mechanical and electrical driving elements, and a compact optical device can be realized.
  • the transparent substrate is not necessarily provided.
  • a diffractive lens may be provided in the incident window, and air may be provided between the partial transmission filter and the total reflection mirror.
  • a member for fixing the positional relationship between the partial transmission filter and the total reflection mirror is required.
  • the incoherent device of the present invention can be used in applications for projecting and displaying bright images and videos, particularly in portable projectors and displays.

Landscapes

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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)

Abstract

　光学部材は、レーザービーム１６を反射する反射面１４ａを有する全反射ミラー１４と、レーザービーム１６の一部を透過し、残りを反射する部分透過面１３ａを有するフィルター１３であって、反射面１４ａと対向するように部分透過面１３ａが配置されるフィルター１３と、レーザービーム１６が入射し、入射したレーザービーム１６を回折させ、全反射ミラー１４または部分透過フィルター１３に入射させる回折格子１８とを備える。

Description

インコヒーレント化デバイス、およびこれを用いた光学装置
　本発明は、光学部材（インコヒーレント化デバイス）、およびこれを用いた光学装置に関する。
　色の三原色であるＲ、Ｇ、Ｂの３波長の光源を用いたプロジェクター、ディスプレイなどの光学機器が幅広く普及、浸透しつつある。光源としては一般的には発光ダイオード（ＬＥＤ）が主に用いられているが、画像、映像を投射、表示する用途においてはより明るい画像が強く求められるため、ＬＥＤよりもレーザー（ＬＤ）が使用されつつある。
　レーザーはＬＥＤに比較すると光強度が高く、波長幅が狭く、干渉性が高い特徴がある。そのため、明るい画像が得られる反面、例えばプロジェクターの光源として用いると、スクリーン等での微小凹凸等による散乱光が干渉することにより、スペックルとよばれるノイズが投射画像に出現し、画質を劣化させやすいという課題がある。
　これらのスペックルを低減するためにこれまでいくつかの提案がされている。
　一つは時間的にレーザービームを高速変動させることで人間の目にスペックルを感知させない原理を利用したものである。
　例えば、特許文献１には、透明基材に深さの異なる多数の凹部を形成した回折型レンズ素子を照明装置に使用し、前記回折型レンズ素子を回転させることによりスペックルを低減する方法が提案されている。また、特許文献２においては半波の奇整数倍のリタデーションを与える光リターダーを機械的に回転、振動させたり、液晶を駆動させる方式を用いたスペックル除去デバイスが開示されている。
　一方、このような機械的、あるいは電気的な駆動を用いないスペックル低減手段としては、レーザービーム内にレーザー光源のコヒーレンス長（可干渉距離）を越える光路差を与える方法がある。
　例えば、特許文献３には、レーザービームの光路中に光路差を有する光ファイバ束を設ける方法が開示されている。
　また、特許文献４、５にはパッシブ部品を用いることにより小型化を可能にする方法が開示されている。図１２は特許文献４に開示された光学装置を示している。平行平面板１２０の入射窓１２１から所定角度で入射したレーザー光束は屈折して第１の反射面１２２で反射した後、第２の反射面１２３で反射し、これら第１、第２の反射面１２２，１２３において交互に反射を繰り返す。第１の反射面１２２には部分的に透過窓（図示せず）が設けられており、これらの透過窓を透過するレーザー光束の光路差を、レーザー光源の可干渉距離よりも長くすることにより、隣り合う透過窓を透過した光束を互いにインコヒーレント化している。
　また、図１３は特許文献５に開示された照明装置の光学系を示す。図１３において、ビーム分割器１３０は石英板の両面に反射膜を付けた平行板からなるものであり、反射面ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの反射率は、各々７５％、６６．５％、５０％、０％、１００％である。レーザービームがビーム分割器１３０に入射すると、強度がほぼ同じビームが４本出力される。各々のビームの光路差が可干渉距離よりも大きく設定されているため、これらの４本のビームは互いにインコヒーレントである。さらには、後方に配置された複屈折結晶１３１によって、各々のビームは偏光が垂直な２本のビームに分割され、互いに垂直な偏光を持つビーム同志は干渉しないため、合計８本のビームは干渉しない、すなわちインコヒーレント化されている。
　また、特許文献６には、光源から入射した光を変調する空間変調装置において、回折光学素子を用いて光を拡散させ、光の拡散角を入射前よりも大きくすることにより、スペックルを低減する方法が開示されている。
特開２００２－２６７８２５号公報 特開２００９－２５８７３８号公報 特開平６－１６７６４０号公報 特開平１－２９２８２１号公報 特開平１－２９０２７６号公報 特開２０１０－３９１３７号公報

　本発明の主な目的は、機械的、あるいは電気的な駆動部分を持たず、小型で出射ビームの光強度分布の制御が可能な光学部材（インコヒーレント化デバイス）、およびこれを用いた光学機器を提供することにある。
　本実施形態の光学部材は、レーザービームを反射する反射面を有する全反射ミラーと、前記レーザービームの一部を透過し、残りを反射する部分透過面を有するフィルターであって、前記反射面と対向するように前記部分透過面が配置されるフィルターと、前記レーザービームが入射し、前記入射したレーザービームを回折させ、前記全反射ミラーまたは前記部分透過フィルターに入射させる回折格子と、を備える。
　本発明によると、回折格子の格子間隔や部分透過フィルターの透過率と反射率との比の値を調整することにより、光学部材から出射するビームの大きさや、ビーム内の光強度の分布を自由に設計することができる。
　さらに、光学部材を、入射する光に対して垂直に配置させることができる。また、光学部材から出射する光を、光学部材に入射する光の中心軸に対して軸対称に分布させることができる。よって、小型化が可能である。
実施の形態１のインコヒーレント化デバイス１１を示す断面図および平面図である。 実施の形態１における入射窓１５を拡大して示す断面図である。 （ａ）は、実施の形態２のインコヒーレント化デバイス２１を示す断面図であり、（ｂ）は、実施の形態２における入射窓２５を拡大して示す断面図である。 回折格子が空気に接している場合の１次回折効率の波長依存性をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 回折格子が保護膜に接している場合の１次回折効率の波長依存性をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 （ａ）は、実施の形態３のインコヒーレント化デバイス５１を示す断面図であり、（ｂ）は、実施の形態３における入射窓５５を拡大して示す断面図である。 （ａ）は、実施の形態４のインコヒーレント化デバイス６１を示す断面図であり、（ｂ）は、実施の形態４における反射形回折部６１０を拡大して示す断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、本発明の実施形態における入射レーザービームの断面図、および、回折格子形状の正面図である。 実施の形態５のインコヒーレント化デバイス８１を示す断面図および平面図である。 実施の形態６のインコヒーレント化デバイス９１を示す断面図および平面図である。 実施の形態６における入射窓９５を拡大して示す断面図である。 （ａ）は、実施の形態６の変形例のインコヒーレント化デバイスを示す断面図および平面図であり、（ｂ）は、実施の形態６の変形例における入射窓１０５を拡大して示す断面図である。 本発明による光学装置の実施形態を示す概略構成図である。 特許文献４に開示された従来の光学装置を示す断面図である。 特許文献５に開示された従来の照明装置の光学系を示す断面図である。
　本実施形態の光学部材は、レーザービームを反射する反射面を有する全反射ミラーと、前記レーザービームの一部を透過し、残りを反射する部分透過面を有するフィルターであって、前記反射面と対向するように前記部分透過面が配置されるフィルターと、前記レーザービームが入射し、前記入射したレーザービームを回折させ、前記全反射ミラーまたは前記部分透過フィルターに入射させる回折格子と、を備える。
　前記全反射ミラーと前記部分透過フィルターとの間に設けられた透明部材をさらに備えていてもよく、前記回折格子は前記透明部材の表面に設けられていてもよい。
　前記回折格子の表面を覆う保護膜をさらに備えていてもよい。
　前記回折格子の材料と前記保護膜の材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも屈折率が高く、かつアッベ数が大きい性質を有していてもよい。
　前記回折格子および前記保護膜は樹脂からなり、前記回折格子および前記保護膜のうちの少なくともいずれか一方を構成する樹脂には、無機粒子が分散していてもよい。
　前記保護膜は、光硬化樹脂に酸化ジルコニウム、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちの少なくともいずれか１つの粒子を分散した材料からなっていてもよい。
　前記光学部材から出射される前記レーザービームの断面は、前記断面の中心に対して等方的な形状を有していてもよい。
　前記レーザービームの断面が長軸および短軸を有している場合、前記回折格子は、前記光学部材から出射する前記レーザービームにおける前記長軸に対する前記短軸の長さの比が、前記回折格子に入射する前記レーザービームにおける前記長軸に対する前記短軸の長さの比よりも大きくなるように、前記レーザービームを回折してもよい。
　前記回折格子はそれぞれ異なる方向に回折する複数のサブ領域を有していてもよい。
　前記回折格子が複数の回折段差を有している場合、前記複数の回折段差は、同じ点を中心とする楕円の平面形状を有していてもよく、前記複数の回折段差のうち隣り合う２つの回折段差の間隔は、前記楕円の長軸方向よりも前記楕円の短軸方向において小さくてもよい。
　前記全反射ミラーは、前記レーザービームを前記回折格子に入射させるための開口を有し、前記レーザービームは、前記開口に対して垂直に入射してもよい。
　前記回折格子によって回折された前記レーザービームが前記全反射ミラーに入射した場合には、前記レーザービームは前記全反射ミラーによって反射されて前記部分透過フィルターに入射してもよく、前記回折格子によって回折された前記レーザービームが前記部分透過フィルターに入射した場合には、前記レーザービームのうちの一部が前記部分透過フィルターを透過してもよく、前記レーザービームのうちの残りが前記部分透過フィルターによって反射されて前記全反射ミラーに入射してもよい。
　前記光学部材から出射される前記レーザービームの断面は、前記光学部材に入射する前記レーザービームの断面より大きくてもよい。
　本実施形態の光学装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源から出射されたレーザービームを変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子で変調された光を画像として投射する投射光学系と、前記レーザー光源と前記空間光変調素子との間に配置される本実施形態の光学部材とを備えている。
　前記レーザー光源は、赤波長レーザー光源、緑波長レーザー光源および青波長レーザー光源を含んでいてもよい。
　本発明者の検討により、特許文献１～６に開示された方法は以下のような課題を有していることが明らかになった。
　特許文献１、２の開示例においては、レンズ素子等を、機械的、あるいは電気的に駆動する必要がある。すなわち、複雑な機構や電源供給等が必要であるため、特許文献１、２の発明を小型化や携帯性を求められる機器に適用するのは好ましくない。また、入射するレーザービームの干渉性を低減しているわけではないため、レーザーの集光性を低下させたい用途には効果がない。例えば、人間の網膜にＲＧＢのレーザーを集光させ、カラー画像を表示させる網膜走査型ディスプレイにおいては、レーザーの強度を下げるとともに、レーザーの集光性を下げる手段によって網膜の損傷を防ぐ工夫が必要である。レーザーの干渉性を下げる、すなわちインコヒーレント化することは集光性を下げる有効な手段の一つであるが、特許文献１、２の開示例はインコヒーレント化しているわけではなく、このような用途には適さない。
　特許文献３の開示例は、光ファイバ束のためのスペースの確保が必要であるため、小型化には適さない。また、光ファイバへ光が入射する際に光ロスが発生するため、光強度が低下してしまう。
　また、特許文献４、および５においては、入射する光線を屈折させており、特許文献４、特許文献５のいずれにおいても出射光線の分割本数は数本程度である。特許文献４および５において光線数を増やすことは困難であり、これらの方法は拡張性、汎用性に乏しい。また、出射光線の強度分布を対称にすることは容易でない。さらに、特許文献４における平行平面板、特許文献５におけるビーム分割器をレーザービームに対して傾ける必要があるため、光学系が大型化し、部品のアライメントが必要となる。
　また、特許文献６に開示された方法においては、回折光学素子での拡散を用いているために複数の次数の回折が存在し、活用されない次数の回折光が存在するため、光線の利用効率が悪くロスが発生してしまう。
　以下、このような課題を解決することができる実施の形態を説明する。
　　（実施の形態１）
　図１Ａは、本発明によるインコヒーレント化デバイスの実施の形態１を示す断面図および平面図である。本実施形態のインコヒーレント化デバイス１１は、全反射ミラー１４と、前記反射面と対向する部分透過フィルター１３と、全反射ミラー１４の入射窓１５に設けられた回折格子１８とを備える。全反射ミラー１４と部分透過フィルター１３との間には厚さｔの透明基板１２が設けられている。
　全反射ミラー１４、部分透過フィルター１３および入射窓１５は、それぞれ円形の平面形状を有している。入射窓１５は、その中心がレーザービーム１６の中心軸１０と一致する位置に配置されている。回折格子１８は、透明基板１２の表面のうち入射窓１５によって露出される部分に設けられている。
　図１Ｂは、入射窓１５の内部を拡大して示す断面図である。入射窓１５の内部に配置される回折格子１８は、入射窓１５の中心軸１０を中心とする同心円状のブレーズ回折段差部１８ａと、入射窓１５の中心部に位置する平坦部１８とを有する。ブレーズ回折段差部１８ａにおけるそれぞれの段差の深さはｄ１であり、隣接する段差の間隔、すなわちピッチはＰである。
　ブレーズ回折段差部１８ａの段差のピッチＰは、一定であってもよいし、一定でなくてもよい。段差のピッチＰを変えることにより、発散ビーム１７の断面強度分布を変えることができる。
　プロジェクター等の光源から発せられたレーザービーム１６は、入射窓１５に対して垂直（例えば入射窓に対する鉛直方向から５度以内）に入射し、入射窓１５内の回折格子１８に到達する。回折格子１８のうち平坦部１８ｂに入射した光は直進する。一方、ブレーズ回折段差部１８ａに入射した光は、回折されて、入射窓１５の中央軸１０から遠ざかる方向（直進方向から角度θだけ外側に傾いた方向）に進み、部分透過フィルター１３に到達する。その光の一部は部分透過フィルター１３を透過し、外部に取り出され、一部は部分透過フィルター１３によって反射され、全反射ミラー１４の全反射面１４ａに入射する。全反射面１４ａに入射した光は部分透過フィルター１３に向かって反射される。このように、インコヒーレント化デバイス１１に入射した光は、部分透過フィルター１３および全反射ミラー１４によって反射されることにより内部を往復する。その過程において、部分透過フィルター１３に到達した光の一部が順次透過することにより、インコヒーレント化デバイス１１において入射窓１５と反対側の面から、発散ビーム１７が出射される。本実施形態の回折格子１８は、ブレーズ状回折段差部１８ａに入射した光を外側に向かって回折させるため、発散ビーム１７のビーム径（および断面積）は、入射するレーザービーム１６のビーム径（および断面積）よりも大きくなる。ただし、発散ビーム１７のビーム径は、必ずしも入射するレーザービーム１６のビーム径よりも大きくなくてもよい。また、本実施形態において、インコヒーレント化デバイス１１から出射されるレーザービーム１６の断面は、断面の中心に対して等方的な形状（円形）を有する。
　ブレーズ回折段差部１８ａによって光が折れ曲がる角度θは一般に回折角と呼ばれ、次式の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここでｍは回折次数、λは入射するレーザービーム１６の波長である。
　回折次数ｍの回折光の回折効率が理論的に１００％になる回折段差の深さｄは次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここでｎ１はブレーズ回折段差部１８ａの屈折率、ｎ２はブレーズ回折格子に接する媒体の屈折率である。本実施の形態では、ブレーズ回折段差部１８ａは空気に接しているため、ｎ２の値は１である。
　ブレーズ回折段差部１８ａは透明基材１２に一体化して形成されている。ブレーズ回折段差部１８ａはエッチングなどの半導体プロセス、あるいは金型によるモールドなどの公知のプロセスによって形成することができる。必ずしもブレーズ回折段差部１８ａと透明基材１２は同じ材料である必要はなく、別の材料で構成されていてもかまわない。また、透明基材１２、あるいは回折格子１８の材料として、各種光学ガラスや各種光学樹脂を採用することができる。
　図１Ａに示すように、回折されたビームは部分透過フィルター１３と全反射ミラー１４で交互に反射されることを繰り返すとともに、回折ビームの一部が部分透過フィルター１３を透過するが、隣り合う透過ビームの間に発生する光路差Δは次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この値が入射するレーザービーム１６の可干渉距離より大きくなるように回折次数ｍ、回折角θ、透明基材１２の厚さｔを決定することにより、インコヒーレント化した出射ビーム１７が出力される。すなわち、（数２）の関係から、図１Ａにおける回折段差の深さがｄ１の場合に効率よく回折される回折光の次数ｍが決定され、（数１）、（数３）の関係によって光路差Δが決定される。
　このように本実施の形態のインコヒーレント化デバイスによると、回折段差の深さｄ１、回折格子のピッチＰ、透明基材の厚さｔのパラメータを調整することにより、隣り合うビーム間の光路差を自由に設定できる。
　特許文献４、および５に開示された光学素子においては、反射回数が多くなるにしたがってビームの強度が弱くなるため、出射ビームの強度分布の対称性を確保するのが困難である。また、レーザービームに対して光学素子を斜めに設置する必要があるため、光軸方向に距離を必要とし、光学系の小型化が困難である。
　一方、本実施の形態のインコヒーレント化デバイスは、出射ビーム１７の強度を中心軸１０に対して軸対称に分布させることができる。さらに、入射するレーザービーム２６に対して垂直に配置することができるため、光学系の小型化に有利である。
　また、部分透過フィルター１３の透過率と反射率との比の値や回折格子の段差（格子）の間隔を設定することにより出射ビームの強度分布、およびビームのサイズを自由に設計することができる。また、一般的なレンズ光学系は軸対称であるため、特殊な光学系を用いることなく、光軸に対して軸対称な強度分布をもつビームを出射することができる。よって、光学系の簡素化に有利である。
　部分透過フィルター１３は、例えば、２種類以上の誘電体材料からなる多層膜から構成される。例えば、酸化チタンと酸化シリコンを交互に積層した多層膜を用いればよい。部分透過フィルター１３の膜の構成や材料を適切に選択することによって、ビームの偏光方向に関係なく、透過率、反射率を自由な比率で割り振ることができる。また、部分透過フィルター１３による光の吸収を低減することができる。
　このように本実施形態によると、回折格子を用いることにより、小型で出射ビームの光強度分布を容易に制御することが可能である。
　なお、本実施形態の全反射ミラー１４と入射窓１５とは透明基材１２の平面に設けられ、これに対向する平面に部分透過フィルター１３が設けられているが、これらを曲面とするとレンズ作用を付加することも可能である。
　　（実施の形態２）
　図２（ａ）は、本発明によるインコヒーレント化デバイスの実施の形態２を示す断面図である。本実施形態のインコヒーレント化デバイス２１において実施の形態１のインコヒーレント化デバイス１１と異なるのは、入射窓２５内の回折格子２８の表面に保護膜２９が設けられている点である。その他の構成要素は共通である。以下では、共通の構成についての詳細な説明は省略する。
　図２（ｂ）は入射窓２５を拡大して示す断面図である。入射窓２５の内部に配置される回折格子２８は、入射窓２５の中心軸２０を中心とする同心円状のブレーズ回折段差部２８ａと、入射窓２５の中心部に位置する平坦部２８ｂとを有する。ブレーズ回折段差部２８ａにおけるそれぞれの段差の深さはｄ２であり、隣接する段差の間隔、すなわちピッチはＰである。回折格子２８におけるブレーズ回折段差部２８ａおよび平坦部２８ｂの表面には、保護膜２９が設けられている。なお、図２（ａ）、（ｂ）においては、保護膜２９が回折格子１８の表面の全体に設けられているが、一部のみに設けられていてもよい。
　プロジェクター等の光源から発せられたレーザービーム２６は、中心軸２０に沿って、入射窓２５に対してほぼ垂直に入射する。レーザービーム２６のビーム断面は例えば円形である。レーザービーム２６のうち中心軸２０近傍の部分は中心軸２０に沿って直進するが、その周辺のビームは、同心円状の回折格子により回折され、中心軸２０から遠ざかる方向（直進方向から角度θだけ外側に傾いた方向）に進む。それぞれの回折ビームは部分透過フィルター２３および全反射ミラー２４によって交互に反射されることを繰り返すとともに、回折ビームの一部が、入射窓２５と反対側の面から出射される。本実施形態の回折格子２８は、ブレーズ状回折段差部２８ａに入射した光を外側に向かって回折させるため、発散ビーム２７のビーム径は、入射するレーザービーム１２６のビーム径よりも大きい。
　ブレーズ回折段差部２８ａおよび保護膜２９の屈折率、並びにそれらの波長分散性を適当に組み合わせることにより、回折効率の波長依存性を無くすことが可能となる。
　回折次数ｍの回折光の回折効率が理論的に１００％になる回折段差の深さｄは上述の（数２）によって表される。
　実施の形態１のようにブレーズ回折格子が空気に接している場合の回折効率は図３のようになる。図３は１次回折効率の波長依存性をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。この計算において設定された回折格子の回折段差の深さは０．８６μｍである。図３に示すように、１次回折効率は、特定の波長（図３では波長５５０ｎｍ付近）においては高い値を示すが、これよりも短波長、あるいは長波長側では低下している。１次回折効率の低下分は別の回折次数である０次や２次などの回折光となる。
　本実施形態では、保護膜２９を設けることにより、レーザービームの波長に依存して１次回折効率が低下するのを抑制することができる。すなわち、（数２）において右辺がレーザービームの波長λに関係なく一定になり、（数２）を満足する深さｄの回折段差を設ければよい。
　回折効率の波長依存性を低減するためには、回折格子２８の材料と保護膜２９の材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも高い屈折率を有し、かつ波長分散性が低い（アッベ数が大きい）性質を有することが好ましい。このような性質を有することによって、１次回折効率が最大となるｄが使用波長によらず一定となる。このような材料の組み合わせとしては、ガラスと樹脂などの組み合わせや、樹脂材料に無機材料の微粒子を均一に分散させたナノコンポジット材料と樹脂の組み合わせが挙げられる。具体的には、回折格子２８（すなわち透明基板２２）として低屈折率高波長分散材料を、保護膜２９として高屈折率低波長分散材料を用いる場合には、回折格子２８としてポリカーボネート（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２７．９）を、保護膜２９としてアクリル系の紫外線硬化樹脂に粒径が１０ｎｍ以下の酸化ジルコニウムが分散したナノコンポジット樹脂（ｄ線屈折率が１．６２３、アッべ数４０）を用いればよい。
　酸化ジルコニウムの他に、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちのいずれか１つ、あるいはこれらの混合物を用いてもよい。
　透明基材２２、回折格子２８、保護膜２９をすべて樹脂で形成すると生産性が高く、軽量化も容易である。
　図４は、ポリカーボネートおよびナノコンポジット樹脂によってブレーズ回折格子と保護膜を構成した場合の１次回折効率の波長依存性を示すグラフである。この計算において設定された回折段差の深さｄ２は１４．９μｍである。
　図４に示すように、本実施形態のインコヒーレント化デバイス２１では、可視波長全域で９５％以上の高い1次回折効率を示す。同様に回折段差の深さを２倍の２９．８μｍとすれば２次回折光、３倍の４４．７μｍとすれば３次回折光に対して、回折効率を可視波長全域で一様に高くすることが可能である。
　本実施形態によると、保護膜２９を設けることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの３波長帯、いわゆる可視波長全域の光利用効率を高めることができる。
　回折格子２８は透明基材２２に一体化して形成されている。回折格子２８はエッチングなどの半導体プロセス、あるいは金型によるモールドなどの公知のプロセスによって形成することができる。必ずしも回折格子２８と透明基材２２は同じ材料である必要はなく、別の材料で構成されていてもかまわない。
　本実施の形態のインコヒーレント化デバイスは、出射ビーム２７の強度を中心軸１０に対して軸対称に分布させることができる。さらに、入射するレーザービーム２６に対して垂直に配置することができるため、光学系の小型化に有利である。
　部分透過フィルター２３の透過率と反射率との比の値や回折格子の段差（格子）の間隔を設定することにより、出射ビームの強度分布、およびビームのサイズを制御することができる。一般的なレンズ光学系は軸対称であるため、特殊な光学系を用いることなく、光軸に対して軸対称な強度分布をもつビームを出射することができる。よって、光学系の簡素化に有利である。
　特に、本実施形態のインコヒーレント化デバイスは可視波長全域において波長に関係なく高い回折効率を有しているため、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの波長の入射レーザービーム２６の全てについて１つの構成によって高い回折効率を得ることができる。Ｒ，Ｇ，Ｂの波長を有するレーザービーム２６は、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの波長のレーザービームを、光学系によって合成することにより生成することができる。
　なお、本実施形態の全反射ミラー２４と入射窓２５とは透明基材２２の平面に設けられ、これに対向する平面に部分透過フィルター２３が設けられているが、これらを曲面とするとレンズ作用を付加することも可能である。
　　（実施の形態３）
　図５（ａ）は、本発明によるインコヒーレント化デバイスの実施の形態３を示す断面図である。本実施形態のインコヒーレント化デバイス５１において実施の形態２のインコヒーレント化デバイス２１と異なるのは、入射窓５５内の回折格子５８の形状のみである。その他の構成要素は共通である。以下では、共通の構成についての詳細な説明は省略する。
　図５（ｂ）は、入射窓５５を拡大して示す断面図である。入射窓５５の内部に配置される回折格子５８は、入射窓５５の中心部に位置する平坦部５８Ｂと、入射窓５５の中心軸５０を中心とする同心円状のバイナリー回折段差部５８Ａとを有する。平坦部５８Ｂは、入射窓５５の中心部に配置される凸部５８ｂの上面であり、その平面形状は円形である。バイナリー回折段差部５８Ａは、入射窓５５の中心軸５０を中心とする円周形の平面形状を有する凸部５８ａと、２つの凸部５８ａ、５８ｂの間の凹部５８ｃとから構成される。図５（ａ）、（ｂ）には、見易さのため、円周形の凸部５８ａが１つのみ設けられた回折格子５８を示しているが、円周形の凸部５８ａは複数設けられていてもよい。
　実施の形態２と同様に、回折格子５８の材料と保護膜５９材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも高い屈折率を有し、かつ波長分散性が低い性質を有する。このような性質を有することによって、特定次数の回折効率が最大となる回折段差の深さが使用波長によらず一定となる。
　以下、実施の形態２のブレーズ回折格子２８と、本実施形態のバイナリー回折格子５８との違いを説明する。
　図２（ｂ）に示すブレーズ回折格子２８の断面は鋸歯状であり、回折段差の深さｄが（数２）を満たすときに、理論的にｍ次の回折効率が１００％となる。特に、実施形態２ではλ／｜ｎ１－ｎ２｜の値が波長λによらずほぼ一定となるブレーズ回折格子、保護膜の材料を選定している。
　一方、図５（ｂ）に示す本実施形態の回折格子５８は、断面が凹凸状のバイナリー回折格子である。このとき、回折段差の深さｄ５の２倍を（数２）のｄとして代入し、（数２）を満足するとき、理論的には１次と、－１次の回折効率が約４０％となる。－１次の回折は１次と左右反対の方向に回折する光である。図５（ａ）においては、実線の回折光５６ａ（回折角θ’で紙面に向かって左に回折している回折光）が１次回折光であり、破線の回折光５６ｂ（回折角θ’で紙面に向かって右に回折している回折光）が－１次回折光である。
　本実施形態によっても、可視波長全域において、１次、－１次の回折効率が波長によらず一定となる。ただし、保護膜５９は必ずしも設けられていなくてもよい。
　本実施の形態のインコヒーレント化デバイスは、出射ビーム５７の強度を中心軸５０に対して軸対称に分布させることができる。さらに、入射するレーザービーム５６に対して垂直に配置することができるため、光学系の小型化に有利である。
　また、部分透過フィルター５３の透過率と反射率との比の値や回折格子の段差（格子）の間隔を設定することにより、出射ビームの強度分布、およびビームのサイズを制御することができる。一般的なレンズ光学系は軸対称であるため、特殊な光学系を用いることなく、光軸に対して軸対称な強度分布をもつビームを出射することができる。よって、光学系の簡素化に有利である。
　特に、本実施形態のインコヒーレント化デバイスは可視波長全域において波長に関係なく同等の回折効率を有し、かつ、０次以外の他の次数で回折されてロスになる光線がほとんどないため、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの波長の入射レーザービーム５６の全てについて１つの構成によって高い回折効率を得ることができる。Ｒ，Ｇ，Ｂの波長を有するレーザービーム２６は、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの波長のレーザービームを、光学系によって合成することにより生成することができる。
　なお、本実施形態の全反射ミラー５４と入射窓５５とは透明基材５２の平面に設けられ、これに対向する平面に部分透過フィルター５３が設けられているが、これらを曲面とするとレンズ作用を付加することも可能である。
　　（実施の形態４）
　図６（ａ）は、本発明によるインコヒーレント化デバイスの実施の形態４を示す断面図である。本実施形態のインコヒーレント化デバイス６１は、全反射ミラー６４と、全反射ミラー６４に設けられた入射窓６５と、入射窓６５に対向する位置に設けられた反射型回折部６１０と、全反射ミラー６４に対向し、反射型回折部６１０に隣接して設けられた第１の部分透過フィルター６３とを備える。反射型回折部６１０は、同心円状のブレーズ回折段差部６８と、ブレーズ回折段差部６８のうち入射窓６５に対向する面とは反対側の面（インコヒーレント化デバイスの光出射面側）に接する第２の部分透過フィルター６１１とを有する。第１の部分透過フィルター６３は、平面視して、円形の反射型回折部６１０の周囲を囲むように設けられている。
　実施の形態１においては透過型の回折格子１８が光の入射する側に設けられていたが、本実施形態においては、反射型回折部６１０が光の出射する側に設けられている。全反射ミラー６４と部分透過フィルター６３との間には厚さｔの透明基板６２が設けられている。インコヒーレント化デバイス６１に入射するレーザービーム６６の中心軸６０は、入射窓６５の中心および反射型回折部６１０の中心と一致している。
　中心軸６０に沿って入射窓６５に垂直に入射したレーザービーム６６のビーム断面は円形である。レーザービーム６６は透明基材６２の中を直進し、反射型回折部６１０に到達する。
　図６（ｂ）は反射型回折部６１０を拡大して示す断面図である。上述したように、反射型回折部６１０はブレーズ回折段差部６８および第２の部分透過フィルター６１１を有している。ブレーズ回折段差部６８におけるそれぞれの段差の深さはｄ６であり、隣接する段差の間隔、すなわちピッチはＰである。反射型回折部６１０の表面には保護膜６９が設けられている。ただし、保護膜６９は必ずしも設けられていなくてもよい。
　本実施形態において透明基材６２を通過したレーザービーム６６は、ブレーズ回折段差部６８を通過し、第２の部分透過フィルター６１１に到達する。第２の部分透過フィルター６１１に到達したレーザービーム６６の一部は第２の部分透過フィルター６１１を透過して直進し、インコヒーレント化デバイス６１の外部に出射する。第２の部分透過フィルター６１１に到達したレーザービーム６６の一部は第２の部分透過フィルター６１１において反射され、再びブレーズ回折格子６８を通過する。このようにブレーズ回折格子６８を２度通過した光は回折されたビームとなり、入射窓１５の中央軸１０から遠ざかる方向（直進方向から角度θだけ外側に傾いた方向）に進む。回折ビームは、全反射ミラー６４および第１の部分透過フィルター６３によって交互に反射されることを繰り返すとともに、回折ビームの一部が第１の部分透過フィルター６３を透過する。本実施形態の反射型回折部６１０は、ブレーズ回折段差部６８に入射した光を外側に向かって回折させるため、発散ビーム６７のビーム径は、入射するレーザービーム６６のビーム径よりも大きくなる。
　本実施の形態では反射型回折部６１０を用いている。この場合、回折次数ｍの回折光の回折効率が理論的に１００％になる回折段差の深さｄｒは次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここでｎ１はブレーズ回折格子の屈折率、ｎ２はブレーズ回折格子に接する媒体の屈折率である。
　すなわち、実施の形態２と比較すると回折段差の深さが半分のときに同じ次数の回折光を発生させることが可能となる。
　ブレーズ回折格子６８の材料と保護膜６９材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも高い屈折率を有し、かつ波長分散性が低い性質を有する。このような性質を有することによって、特定次数の回折効率が最大となる回折段差の深さが使用波長によらず一定となる。本実施形態において実施の形態１または２と同様の構成については詳細な説明を省略する。
　本実施の形態のインコヒーレント化デバイスは、出射ビーム６７の強度を中心軸６０に対して軸対称に分布させることができる。さらに、入射するレーザービーム６６に対して垂直に配置することができるため、光学系の小型化に有利である。
　第１、第２の部分透過フィルター６３、６１０それぞれの透過率と反射率との比の値や回折格子の段差（格子）の間隔を設定することにより、出射ビームの強度分布、およびビームのサイズを制御することができる。一般的なレンズ光学系は軸対称であるため、特殊な光学系を用いることなく、光軸に対して軸対称な強度分布をもつビームを出射することができる。よって、光学系の簡素化に有利である。
　特に、本実施形態のインコヒーレント化デバイスは可視波長全域において波長に関係なく高い回折効率を有しているため、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの波長の入射レーザービーム６６の全てについて１つの構成によって高い回折効率を得ることができる。Ｒ，Ｇ，Ｂの波長を有するレーザービーム６６は、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの波長のレーザービームを、光学系によって合成することにより生成することができる。
　なお、本実施の形態において、全反射ミラー６４と入射窓６５とは透明基材６２の平面に設けられ、これに対向する平面に反射型回折部６１０および第１の部分透過フィルター６３が設けられているが、これらを曲面とするとレンズ作用を付加することも可能である。
　　（実施の形態５）
　実施の形態１から４では、ビーム断面形状が円形の場合を対象としていたが、以下では、ビーム断面形状や強度分布が非軸対称である入射レーザービームを対象にしたインコヒーレント化デバイスを説明する。
　図７（ａ）は、断面形状が円形の入射レーザービームを示す。このような入射レーザービームに対しては、実施の形態１～４において用いられた回折格子、すなわち図７（ｂ）に示すような同心円状の回折格子７８を用いることにより、円形の断面を有する出射ビームを出射することができる。
　しかしながら、レーザー光源として広く用いられる半導体レーザーは薄膜状の活性層を有するため、その端面から発せられるビームは活性層の形状を反映し、活性層の厚さ方向と垂直な方向に大きく広がる。すなわち、活性層の端面から発せられるビームのファーフィールド断面は、図７（ｃ）に示すような楕円形状になる。このような楕円形状のビームを図７（ａ）の円形断面のビームに変換するためにはビーム成形の光学系が必要となり、部品点数の増加や光学系のサイズの増大が避けられない。本実施形態においては、楕円形の断面を有するビームに対して、図７（ｄ）に示すような楕円の平面形状を有する回折格子８８を用いる。図７（ｄ）に示す回折格子８８は、回折格子８８の中央に位置する平坦部８８ｂと、平坦部８８ｂよりも外側に位置する回折段差部８８ａとを有する。回折段差部８８ａは複数の輪帯（隣り合う２つの回折段差の間の領域）８８ｃ、８８ｄ、８８ｅ、８８ｆを有し、それぞれの輪帯における短軸方向（紙面に向かって上下方向）の幅（２つの回折段差の間隔）を、その輪帯における長軸方向の（紙面に向かって左右方向）の幅（２つの回折段差の間隔）よりも小さくしている。例えば、図７（ｄ）において、輪帯８８ｅにおける短軸方向の幅Ｐｓは、長軸方向の幅Ｐｌよりも小さい。（数１）に示されるように、回折段差のピッチが小さくなると回折角θが大きくなるため、レーザービームの断面は、回折段差のピッチが相対的に小さい方向において、より大きく引き伸ばされる。よって、図７（ｄ）に示すような回折格子８８を用いると、出射されるレーザービームは、入射するレーザービームよりも円形に近づく。このように、本実施形態によると、入射レーザービーム８６の断面形状に応じて楕円の長軸方向および短軸方向の回折段差のピッチ比率を調整することにより、出射ビームの断面形状を円形に成形することができる。
　図８に、本実施形態のインコヒーレント化デバイス８１を示す。図８に示すインコヒーレント化デバイス８１においては、回折格子８８だけではなく、入射窓８５も中心軸８０を中心とする楕円の平面形状を有する。ただし、入射窓８５は、レーザービーム８６を全体的に入射することができる形状であれば、どんな平面形状であってもよい。回折格子８８によってレーザービーム８６の短軸側が引き伸ばされるため、全反射ミラー８４および部分透過フィルター８３は、入射レーザービーム８６の中心軸８０を中心とする円形の平面形状を有していてもよい。この点以外は実施の形態２と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
　本発明において、回折格子のパターンは同心円状や楕円形状に限定されるものではなく、図７（ｅ）に示すように、回折格子７０を複数のサブ領域に分割し、入射するレーザービームの形状や強度分布に合わせて、各サブ領域の回折格子形状のピッチや配列方向を変更することも可能である。図７（ｅ）に示す回折格子７０は、中央部７０ａと、中央部７０ａの両側に配置される側部７０ｂとをサブ領域として有する。中央部７０ａおよび側部７０ｂは、それぞれ複数の回折段差７４を有する。側部７０ｂは、回折段差７４の向きによって、第１側部７０ｂ１と第２側部７０ｂ２とに分けられる。入射するレーザービームが楕円の断面を有する場合、例えば、レーザービームの長軸方向が回折格子７０の長辺方向と一致するように、レーザービームを入射させる。レーザービームは、回折格子７０の回折格子が設けられた面に対して垂直に入射される。この場合、レーザービームは、各領域の回折段差に対して垂直な方向に回折される。従って、中央部７０ａにおいては、レーザービームは方向Ａ（回折格子７０の短辺方向）に回折される。第１側部７０ｂ１、第２側部７０ｂ２においては、レーザービームは、それぞれ、方向Ｂ１、方向Ｂ２に回折される。方向Ｂ１、Ｂ２は、回折格子７０の短辺および長辺方向から傾いた方向である。
　このように、回折格子内に異なる方向にレーザービームを導く複数のサブ領域を設け、各サブ領域の面積や回折段差の間隔を調整することにより、インコヒーレント化デバイスから出射する光の形状を調整することができる。
　図７（ｄ）や図７（ｅ）に示す構成においては、インコヒーレント化デバイスから出射するレーザービームにおける長軸に対する短軸の長さの比が、回折格子に入射するレーザービームにおける長軸に対する短軸の長さの比よりも大きくなるように、レーザービームを回折することができる。図７（ｄ）、（ｅ）に示す構成は、実施の形態１から４のいずれの形態にも適用することができる。
　このように、レーザービームのインコヒーレント化だけでなく、同時にレーザービームを成形する機能を併せ持つ本実施形態は、非常に有用である。
　以下、本実施形態の回折格子において得られる効果を、図１２に示す従来のデバイスと比較しながら説明する。
　図１２に示す従来のデバイスでは、デバイスの入射面の法線に対して入射ビームを傾けることにより、デバイス内においてビームが屈折され、面１２５に向かって出射される。説明のため、面１２５は、ｙ－ｚ平面と平行な面であるとする。デバイス内において光の屈折が繰り返されることにより、面１２５に形成されるビームの断面のｙ方向の幅は、デバイスに入射するビームのｙ方向の幅よりも広がる。一方、面１２５に形成されるビームの断面のｚ方向の幅は、デバイスに入射するビームのｚ方向の幅とほぼ同じであると考えられる。図１２に示す従来のデバイスに楕円形の断面のビームが入射した場合、その断面を円形に補正するためには、入射面に対してビームを傾ける方向とその傾斜角は１つのみに限定される。したがって、デバイスの厚みｔを変化させることでしか、光路長差を変更することができない。このように、図１２に示すデバイスではレイアウトの変更は困難である。
　それに対して、本実施形態では、デバイスの入射面の法線と平行に入射した入射ビームは回折格子により回折され、出射ビームの断面は入射ビームの断面よりも広がる。
　実施の形態１から５のように、インコヒーレント化デバイスの配置が入射するレーザービームの中心軸に対して軸対称である場合、図７（ｄ）に示すように、回折格子の段差のピッチを調整することにより、楕円の断面を有するレーザービームの断面を円形に補正することができる。
　さらに、後述するように、インコヒーレント化デバイスの配置が入射するレーザービームの中心軸に対して非対称である場合（実施の形態６）にも、図７（ｅ）に示す回折格子を用いることにより、レーザービームの断面を補正することができる。例えば、図７（ｅ）のように回折段差を形成する方向を部分領域ごとに異ならせることにより、それぞれの部分領域ごとに光を曲げる方向を変えることができる。図７（ｃ）のような楕円ビームが入射した場合、短軸方向にビームをより大きく広げるように、この方向に曲げられる回折格子パターン領域の面積比率を大きくすることにより、出射ビームを円形にすることができる。また、回折格子の各段差のピッチを調整することにより、ビーム内の光路長差も自由に制御することができる。このように、本実施形態における回折格子は、レイアウトの自由度が高いという利点を有する。本実施形態における回折格子によると、デバイスサイズの変更を伴うことなく、ビーム形状の制御や可干渉性のコントロールを行うことができる。
　　（実施の形態６）
　図９Ａは、本発明によるインコヒーレント化デバイスの実施の形態６を示す断面図である。本実施形態のインコヒーレント化デバイス９１は、半円形の平面形状を有する。回折格子９８、全反射ミラー９４および部分透過フィルター９３は同じ点を中心とする半円の平面形状を有する。他の構成は実施の形態１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。図９Ｂに示すように、回折格子９８は複数の回折段差を有し、それぞれの段差の高さはｄ１であり、それぞれの段差のピッチはＰである。本実施形態においては、実施の形態１だけではなく、実施の形態２から５のいずれのインコヒーレント化デバイスの一部を用いてもよい。
　本実施形態のインコヒーレント化デバイス９の平面形状は半円形としているが、他の形状（例えば直線状）を有していてもよい。
　図１０（ａ）は、実施の形態６の変形例を示す断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の回折格子１０８を拡大して示す図である。本変形例のインコヒーレントデバイス１０１は、先述のインコヒーレント化デバイス９１における全反射ミラー９４と部分透過フィルター９３との位置が入れ替わった構成を有する。すなわち、部分透過フィルター１０３がインコヒーレント化デバイス１０１においてレーザービーム１００が入射する側に設けられている。部分透過フィルター１０３には入射窓１０５が設けられ、入射窓１０５内に回折格子１０８が配置されている。入射窓１０５に入射したレーザービーム１００は回折格子１０８によって回折されて回折ビームとなり、全反射ミラー１０４に到達する。回折ビームは、部分透過フィルター１０３および全反射ミラー１０４によって交互に反射されることを繰り返すとともに、回折ビームの一部が部分透過フィルター１０３から出射される。本実施形態では、レーザービーム１００が入射してきた面と同じ側の面から発散ビーム１０７が出射される。ただし、発散ビーム１０７は回折や反射されているため、厳密に言えば、発散ビーム１０７が出射される方向はレーザービーム１００が入射してきた方向と異なることが多い。なお、実施の形態１から５においても、本変形例のように、レーザービームが入射してきた面と同じ側の面から発散ビームが出射されてもよい。
　このように本実施形態によると、回折格子を用いることにより、光の利用効率が高く、小型で出射ビームの光強度分布を容易に制御することが可能である。
　　(実施の形態７)
　図１１は、本発明による光学装置の実施形態を示す概略構成図である。本実施形態の光学装置は、スクリーンに画像を投射する光学装置であり、実施の形態１～６のインコヒーレント化デバイス１１１を光学系内に備えている。以下、本光学装置の動作について説明する。
　青波長レーザー光源１１２から出射した青波長レーザー光はミラー１１５によって反射され、赤波長レーザー光源１１３、および緑波長レーザー光源から出射した赤波長レーザー光、および緑波長レーザー光はそれぞれ色分離フィルター１１６，１１７によって波長選択的に反射される。各レーザー光は同一の光軸上で合成されてインコヒーレント化デバイス１１１に入射する。インコヒーレント化デバイス１１１から出力されたビームはレンズ光学系１１８に入射し、レンズ光学系１１８においてビーム強度の均一化やビームサイズ調整がなされる。その後、ビームは偏光ビームスプリッタ１１９に到達する。偏光ビームスプリッタ１１９は、可視波長全域において、Ｓ偏光（紙面に垂直な偏光）はほぼ１００％反射し、Ｐ偏光（紙面内の偏光）はほぼ１００％透過する光学素子である。青波長レーザー光源１１２、赤波長レーザー光源１１３および緑波長レーザー光源１１４からＳ偏光のレーザービームが出射され、インコヒーレント化デバイス１１１においてもＳ偏光は維持される。偏光ビームスプリッタで反射された光は空間光変調器１１１０に到達する。これは反射型の液晶パネルからなるものであり、ＲＧＢの各画像情報を青波長、赤波長および緑波長の各レーザービームに付与するものである。このように空間光変調器１１１０で変調された光は同時にＳ偏光からＰ偏光に変換され、再び偏光ビームスプリッタ１１９に到達し、これを通過した後、投射レンズ光学系１１１１によりスクリーン１１１２上に画像を投影する。
　インコヒーレント化デバイス１１１としては図１Ａに示すものを用いた。回折格子の段差ｄ１を１．７６μｍ、回折格子のピッチＰを８μｍ、回折次数を２次とした。さらに、隣り合う光線の光路差を、各レーザー光源から発せられる光の波長より大きい数１００μｍとすることにより、出射レーザービームをインコヒーレント化することができる。
　まず、インコヒーレント化デバイス１１１を光学系に含まない状態で、別のレンズ光学系を入れて偏光ビームスプリッタ１１９に入るビームサイズを適正化したうえで、空間光変調器１１１０を駆動して、スクリーン１１１２上に画像を表示したところ、スペックルノイズとして最大３５％程度の輝度変動が見られた。このスペックルノイズは、目視観測でも問題となるスペックルノイズレベルであった。
　次に図１１に示すようにインコヒーレント化デバイス１１１を挿入し、改めて空間光変調器１１１０を駆動して、スクリーン１１１２上に画像を表示したところ、スペックルノイズは最大５％程度の輝度の変動に抑制されており、目視観測でもほとんど問題にならないスペックルノイズレベルに低減されていた。
　なお、レーザー光源の単色性、すなわち波長に対するピーク線幅を拡大すれば可干渉距離が小さくなり、スペックルノイズを小さくすることができる。光学系の小型化のため、レーザー光源の波長幅に応じてインコヒーレント化デバイスのスペックを決定してもよい。
　本発明の光学装置は光源としてレーザーを用いているため、ＬＥＤ光源を用いた場合と比較して数倍の照度をもつ画像が得られるとともに、特別な機械的、電気的な駆動要素を用いることなくスペックルノイズを低減できることができる。
　本実施の形態では実施の形態１のインコヒーレント化デバイスを用いたが、他の実施の形態２等のインコヒーレント化デバイスを用いれば、可視波長全域で高い光効率を有するので、より明るくて鮮明な画像を表示する光学装置が可能となる。
　以上では、スクリーンに画像を投射する光学装置を説明したが、実施の形態のインコヒーレント化デバイスはスペックルノイズ低減効果だけでなく、レーザービームの干渉性を低下させることにより、レーザーの集光スポットでの強度を下げる効果を有する。実施の形態のインコヒーレント化デバイスは、ＲＧＢ各波長のレーザーを人の網膜上で走査し、網膜上の画像を表示するヘッドマウントディスプレイにも適用することができる。この場合、小型で、機械的、電気的な駆動要素を有さないという実施の形態のインコヒーレント化デバイスの特性を活用でき、コンパクトな光学装置を実現できる。
　上述の実施の形態１から６において、透明基板は必ずしも設けなくてもよい。この場合、例えば、入射窓内に回折レンズを設けて、部分透過フィルターと全反射ミラーとの間は空気であってもよい。ただし、部分透過フィルターと全反射ミラーの位置関係を固定するための部材が必要になる。
　本発明のインコヒーレント化デバイスは、明るい画像、映像を投射、表示する用途、特に携帯型のプロジェクターやディスプレイに用いることができる。
１０，２０，５０，６０，８０　中心軸
１１，２１，５１，６１，８１，９１，１０１　インコヒーレント化デバイス
１２，２２，５２，６２，８２，９２，１０２　透明基材
１３，２３，５３，６３，６１１，８３，９３，１０３　部分透過フィルター
１４，２４，５４，６４，８４，９４，１０４　全反射ミラー
１５，２５，５５，６５，８５，９５，１０５　入射窓
１６，２６，５６，６６，８６，９０，１００　入射レーザービーム
１７，２７，５７，６７，８７，９７，１０７　出射レーザービーム
１８ａ，２８ａ，６８，８８，９８，１０８　ブレーズ回折格子
１８ｂ、２８ｂ，７８ｂ，７０８ｂ　平坦部
２９，５９，６９　保護膜
５８　バイナリー回折格子
６１０　反射型回折部
７８ａ　同心円状の回折格子
７０８ａ　楕円形状の回折格子
１１２　青波長レーザー光源
１１３　赤波長レーザー光源
１１４　緑波長レーザー光源
１１５　ミラー
１１６，１１７　色分離フィルター
１１８　レンズ光学系
１１９　偏光ビームスプリッタ
１１１０　空間光変調器
１１１１　投射レンズ光学系
１１１２　スクリーン
１２０　平行平面板
１２２，１２３　反射面
１３０　ビーム分割器
１３１　複屈折結晶

Claims (15)

  1. 　レーザービームを反射する反射面を有する全反射ミラーと、
    　前記レーザービームの一部を透過し、残りを反射する部分透過面を有するフィルターであって、前記反射面と対向するように前記部分透過面が配置されるフィルターと、
    　前記レーザービームが入射し、前記入射したレーザービームを回折させ、前記全反射ミラーまたは前記部分透過フィルターに入射させる回折格子と、
    を備える、光学部材。
  2. 　前記全反射ミラーと前記部分透過フィルターとの間に設けられた透明部材をさらに備え、前記回折格子は前記透明部材の表面に設けられている、請求項１に記載の光学部材。
  3. 　前記回折格子の表面を覆う保護膜をさらに備える、請求項１または２に記載の光学部材。
  4. 　前記回折格子の材料と前記保護膜の材料とのうち、いずれか一方の材料は、他方の材料よりも屈折率が高く、かつアッベ数が大きい性質を有する、請求項３に記載の光学部材。
  5. 　前記回折格子および前記保護膜は樹脂からなり、前記回折格子および前記保護膜のうちの少なくともいずれか一方を構成する樹脂には、無機粒子が分散している、請求項３または４に記載の光学部材。
  6. 　前記保護膜は、光硬化樹脂に酸化ジルコニウム、酸化イットリウムおよび酸化アルミニウムのうちの少なくともいずれか１つの粒子を分散した材料からなる、請求項３から５のいずれかに記載の光学部材。
  7. 　前記光学部材から出射される前記レーザービームの断面は、前記断面の中心に対して等方的な形状を有する、請求項１から６のいずれかに記載の光学部材。
  8. 　前記レーザービームの断面が長軸および短軸を有し、
    　前記回折格子は、前記光学部材から出射する前記レーザービームにおける前記長軸に対する前記短軸の長さの比が、前記回折格子に入射する前記レーザービームにおける前記長軸に対する前記短軸の長さの比よりも大きくなるように、前記レーザービームを回折する、請求項１から７のいずれかに記載の光学部材。
  9. 　前記回折格子はそれぞれ異なる方向に回折する複数のサブ領域を有する、請求項１から８のいずれかに記載の光学部材。
  10. 　前記回折格子は、複数の回折段差を有し、
    　前記複数の回折段差は、同じ点を中心とする楕円の平面形状を有し、
    　前記複数の回折段差のうち隣り合う２つの回折段差の間隔は、前記楕円の長軸方向よりも前記楕円の短軸方向において小さい、請求項１から９のいずれかに記載の光学部材。
  11. 　前記全反射ミラーは、前記レーザービームを前記回折格子に入射させるための開口を有し、
    　前記レーザービームは、前記開口に対して垂直に入射する、請求項１から１０のいずれかに記載の光学部材。
  12. 　前記回折格子によって回折された前記レーザービームが前記全反射ミラーに入射した場合には、前記レーザービームは前記全反射ミラーによって反射されて前記部分透過フィルターに入射し、
    　前記回折格子によって回折された前記レーザービームが前記部分透過フィルターに入射した場合には、前記レーザービームのうちの一部が前記部分透過フィルターを透過し、前記レーザービームのうちの残りが前記部分透過フィルターによって反射されて前記全反射ミラーに入射する、請求項１から１１のいずれかに記載の光学部材。
  13. 　前記光学部材から出射される前記レーザービームの断面は、前記光学部材に入射する前記レーザービームの断面より大きい、請求項１から１２のいずれかに記載の光学部材。
  14. 　レーザー光源と、
    　前記レーザー光源から出射されたレーザービームを変調する空間光変調素子と、
    　前記空間光変調素子で変調された光を画像として投射する投射光学系と、
    　前記レーザー光源と前記空間光変調素子との間に配置される請求項１から１２のいずれかに記載の光学部材と
    を備える光学装置。
  15. 　前記レーザー光源は、赤波長レーザー光源、緑波長レーザー光源および青波長レーザー光源を含む、請求項１４に記載の光学装置。
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