(57)【要約】【課題】光の利用効率が高く、スペックル低減効果の高い光学素子、スペックル低減モジュール及び光学装置を提供する。【解決手段】光学素子は、特定方向に偏光した光を入射させたときに前記光の偏光方向を変化させて通過させる一様な偏光方向変更領域と前記光の偏光方向を変化させないで通過させる空白領域とを有し、特定方向に偏光した光を入射させたときに互いの偏光方向が９０度異なる光を出射させる機能をもつ偏光状態変更機能面を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定方向に偏光した光を入射させたときに前記光の偏光方向を変化させて通過させる一様な偏光方向変更領域と前記光の偏光方向を変化させないで通過させる空白領域とを有し、特定方向に偏光した光を入射させたときに互いの偏光方向が９０度異なる光を出射させる機能をもつ偏光状態変更機能面を備えた、光学素子。
【請求項２】
前記偏光状態変更機能面は、前記偏光方向変更領域と前記空白領域とを略同一の面積割合で有する、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記偏光方向変更領域の外形形状は円形状又は楕円形状である、請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記偏光状態変更機能面において、不均一な大きさの複数の前記偏光方向変更領域が不規則的に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記空白領域の外形形状は円形状又は楕円形状である、請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記偏光状態変更機能面において、不均一な大きさの複数の前記空白領域が不規則的に配置されている、請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項７】
前記偏光状態変更機能面は偏光フィルムからなる、請求項５又は６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記空白領域は前記偏光フィルムの前記一平面に設けられた貫通孔からなる、請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記空白領域は前記偏光フィルムの延伸状態を部分的に緩和させた領域である、請求項７に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記偏光状態変更機能面は面内において均一な位相差発生機能を有する光透過性基板の一表面に設けられている、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１１】
特定方向に偏光した光を入射させたときに前記光の位相を変化させて通過させる一様な位相変更領域と前記光の位相を変化させないで通過させる空白領域とを有し、特定方向に偏光した光を入射させたときに互いの位相が１／２波長異なる光を出射させる機能をもつ偏光状態変更機能面を備えた、光学素子。
【請求項１２】
前記偏光状態変更機能面は、前記位相変更領域と前記空白領域とを略同一の面積割合で有する、請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記位相変更領域は、当該光学素子の母材と同一材料で構成されている、請求項１１又は１２に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記位相変更領域は、当該光学素子の母材と異なる材料で構成されている、請求項１１又は１２に記載の光学素子。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学素子を備えたスペックル低減モジュール。
【請求項１６】
前記偏光状態変更機能面から出射された光を混合する光拡散機能を有する光拡散機能面を備えている、請求項１５に記載のスペックル低減モジュール。
【請求項１７】
同一光源から同時に出射され同一の光路を通過する光束を請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学素子に入射させて偏光方向が互いに９０度異なる２つの光に分割し、それら２つの光を同一スクリーン上に照射するように構成された、光学装置。
【請求項１８】
同一光源から同時に出射され同一の光路を通過する光束を請求項１１から１４のいずれか一項に記載の光学素子に入射させて互いの位相が１／２波長異なる２つの光に分割し、それら２つの光を同一スクリーン上に照射するように構成された、光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペックルを低減する機能を有する光学素子、スペックル低減モジュール及び光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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モジュールとして用いられたりしている。
【０００３】
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いる。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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。）。サブ波長構造とは、使用する光の波長よりも短い周期をもつ凹凸構造である。
【０００６】
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。
【０００７】
サブ波長構造を利用した偏光解消素子としては、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ものが一般的である。サブ波長構造が形成されている各領域をサブ波長構造領域という。サブ波長構造の光学軸方向とは、サブ波長構造の溝の配列方向に直交する方向である。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低減される。すなわち、サブ波長構造をもつ偏光解消素子によって、光の偏光方向を時間的に分割する偏光方向変更機能が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１８０５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
互いに光学軸方向の異なるサブ波長構造をもつサブ波長構造領域が隣接して配列された従来の偏光解消素子では、各サブ波長構造領域の境界部分で微細構造が不連続となるため、光の回折が発生し、偏光解消素子を通過した光の光量が低下する。これにより、光の利用効率が悪くなる。
【００１０】
また、スペックル値Ｃｓ（コントラスト・オブ・スペックル）は、光強度分布を測定した際に次式（１）によって求められる。
Ｃｓ＝標準偏差（σ）／平均光量（Ｉ）                （１）
上記（１）式からわかるように、平均光量（Ｉ）が低下するとスペックル値Ｃｓが大きくなる（悪化する）。したがって、平均光量（Ｉ）を極力低下させないことがスペックル低減効果の向上のためにも重要である。また、標準偏差が大きくなるとＣsが大きくなる（悪化する）。従って、標準偏差を大きくさせないことまたは、標準偏差を小さくすることがスペックル低減のために重要である。
【００１１】
本発明は、光の利用効率が高く、スペックル低減効果の高い光学素子、スペックル低減モジュール及び光学装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学素子の第１の形態は、特定方向に偏光した光を入射させたときに前記光の偏光方向を変化させて通過させる一様な偏光方向変更領域と前記光の偏光方向を変化させないで通過させる空白領域とを有し、特定方向に偏光した光を入射させたときに互いの偏光方向が９０度異なる光を出射させる機能をもつ偏光状態変更機能面を備えたものである。ここで、偏光方向が９０°異なる光を出射させる機能を持つとは、出射光が互いに９０度異なる２つの偏光成分をもつことを意味している。本発明において、偏光方向変更領域とは、特定の光学軸方向をもつサブ波長構造が形成されたサブ波長構造領域のほか、一方向へ延伸させて通過する光の偏光方向を変化させる機能をもたせたフィルム（以下、偏光フィルムという。）の偏光領域を含む。また、同機能を有する薄膜構造体（フォトニック結晶の様な構造体）、有機性材料で構成される構造体、液晶層を有する構造体や結晶構造体を含む。
【００１３】
すなわち、本発明に係る光学素子の偏光状態変更機能面は、光学軸方向の互いに異なるサブ波長構造領域が隣接して配置された構造ではなく、一様な偏光方向変更領域と空白領域のみを有するものである。また、偏光方向変更領域は円形状、楕円形状や多角形形状、などが異なる寸法でランダムに配置されているので、互いに光学軸方向が異なるサブ波長構造領域の規則的配置がないので、光の回折が低減される。その結果、偏光状態変更機能面を通過する光の平均光量が向上し、スペックル値を改善することができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る光学素子の偏光状態変更機能面は、特定方向に偏光した光を入射させたとき（特定方向に偏光させた光を入射させた時とは、偏光状態変更機能面の持つ光学軸方向に対して偏光方向が４５°の角度をもったＬＤ光の様なコヒーレント光を入射させることを意味している）に偏光方向が互いに９０度異なる光を出射させる（出射光が互いに９０度異なる２つの偏光成分をもつ）ものである。ここで、エネルギーＥ１をもつ光線１（位相Φ１）とエネルギーＥ２をもつ光線２（位相Φ２）が重ね合わされた光波の強度Ｉは、次式（２）によって表される。
Ｉ＝Ｅ１２＋Ｅ２２＋２Ｅ１Ｅ２（ｃｏｓ（Φ２−Φ１））        （２）
ここで、上記式（２）は２つの光成分をベクトルとして扱っているので、第３項Ｅ１Ｅ２（ｃｏｓ（Φ２−Φ１））は、Ｅ１ベクトルとＥ２ベクトルの内積を示している。したがって、（ｃｏｓ（Φ２−Φ１））の（Φ２−Φ１）は、Ｅ１ベクトルとＥ２ベクトルのなす角度（作る角度）である。
上記（２）式の位相差成分ｃｏｓ（Φ２−Φ１）の項を０にする、すなわち重ね合わされる光線の位相差成分をほぼ９０度（すなわち、Ｅ１ベクトルとＥ２ベクトルがほぼ直交する光に）近づけることで、位相差成分（Φ２−Φ１）＝９０°とすることができるので、スペックルの低減を大幅に図ることができる。本発明に係るスペックル低減モジュールの偏光状態変更機能面は、偏光方向が互いに９０度異なる光を出射させるように構成されているので、それらの光が混合されることによって上記（２）式の位相差成分ｃｏｓ（Φ２−Φ１）の項がほぼ０となり、スペックル低減効果を向上させる。
【００１５】
なお、偏光状態変更機能面の空白領域を通過する光の偏光方向は変化しないため、入射光と同じ偏光方向をもつ光と入射光とは偏光方向が９０度異なる光が「偏光状態変更機能面」から出射されることになる。ただし、「偏光状態変更機能面を備えた光学素子」から出射される光についてはこれに限定されるものではなく、入射光の偏光方向＋αの偏光方向をもつ光と入射光の偏光方向＋α＋９０度の偏光方向をもつ光が「偏光状態変更機能面を備えた光学素子」から出射されることも含む。これは、偏光状態偏光機能面を一表面にもつ母材が面内において均一に位相差αを発生させるような場合である。例えば、入射光に対して均一な位相差αを発生させる光透過性基板の一表面上にサブ波長構造が形成されている場合や偏光フィルムが保持されている場合が挙げられる。このような場合でも、「偏光状態変更機能面を備えた光学素子」からは、偏光成分が互いに９０度異なる光が出射されるため、高いスペックル低減効果が得られる。
【００１６】
すなわち、本発明に係る偏光状態偏光機能面は、面内において均一な位相差発生機能を有する光透過性基板の一表面に設けられていてもよい。
【００１７】
本発明において、偏光状態変更機能面は、偏光方向変更領域と空白領域とを略同一の面積割合で有する、すなわち、偏光方向が互いに９０度異なる光を略同一の割合で出射させることが好ましい。そうすれば、スペックル低減効果がさらに向上する。
【００１８】
また、偏光方向変更領域と空白領域の境界部分の配置が不規則であるほど、偏光状態変更機能面での光の回折が低減されることがわかっている。そこで、本発明においては、偏光方向変更領域の外形形状又は空白領域の外形形状を円形状又は楕円形状とすることが好ましい。そうすれば、偏光方向変更領域と空白領域の境界部分の配置の規則性が崩れ、偏光状態変更機能面での光の回折が低減される。
【００１９】
また、偏光方向変更領域と空白領域の境界部分の配置の規則性をさらに崩すために、偏光状態変更機能面において不均一な大きさの複数の偏光方向変更領域又は空白領域を不規則的に配置してもよい。
【００２０】
また、既述のように、前記偏光状態変更機能面は偏光フィルムによって実現することができる。
【００２１】
上記の場合、前記空白領域は前記偏光フィルムの前記一平面に設けられた貫通孔によって実現することができる。このような構造は、偏光フィルムの適当な箇所に穴あけをするだけで実現可能であるので、偏光状態変更機能面を容易かつ安価に製作することができる。
【００２２】
また、前記空白領域は前記偏光フィルムの延伸状態を部分的に緩和させることによっても実現することもできる。偏光フィルムの延伸状態を部分的に緩和させる方法としては、偏光フィルムに対して部分的に熱を与えて熱変質させることが挙げられる。偏光フィルムを部分的に熱変質させる方法として、レーザ光やプラズマの照射といった方法が挙げられる。
【００２３】
上記第１の形態の光学素子は、特定方向に偏光した入射光を偏光方向が互いに９０度異なる２つの偏光成分に分割して出射させることで、スペックルの低減を図るものであるが、同様のスペックル低減効果は、入射光を互いの位相差が１／２波長異なる２つの光に分割して出射させることによっても得ることができる。
【００２４】
すなわち、本発明に係る光学素子の第２の形態は、特定方向に偏光した光を入射させたときに前記光の位相を変化させて通過させる一様な位相変更領域と前記光の位相を変化させないで通過させる空白領域とを有し、特定方向に偏光した光を入射させたときに互いの位相が１／２波長異なる光を出射させる機能をもつ偏光状態変更機能面を備えたものである。
【００２５】
位相変更領域を通過する光の位相変更量は、次式（３）、（４）によって１／２波長に調整することができる。
（Ｎ―１）・d＝ｍ・（λ／２）      （３）
これを応用して、ΔＮ・d＝ｍ・（λ／２）          （４）
上記（３）式において、Ｎは材質の屈折率で、（Ｎ―１）は空気の屈折率：１．０との差を意味している。（４）式のΔＮは複屈折率差（常光屈折率と異常光屈折率の差）を意味している。dは偏光状態変更機能面の厚み差すなわち材質の厚さ（薄膜の場合は膜厚）を、λは使用する光の波長を意味している。ｍは正の整数（１，２，３、・・・・・・）である（工業的には通常はｍ＝１である）。（３）、（４）式は、薄膜設計で用いられる計算式を応用したものである。透過膜、反射膜の光学薄膜設計では、波長λの光を入射させた時に薄膜によって生じる光多重干渉によって反射光、透過光を計算する。薄膜設計の場合は、光の薄膜層での多重反射を考慮して反射防止、増反射の光を計算するので、薄膜界面での折り返しを想定して（Ｎ―１）・d＝ｍ・（λ／４）が基本である。本発明では、薄膜層での光の多重反射を考慮する必要がないため、複屈折性を有する薄膜材料を透過する光の位相のシフト量（ずれ）を考慮すればよい。変化させたい位相のシフト量はλ／２であるので、式（３）を応用した式（４）となる。
【００２６】
前記偏光状態変更機能面は、前記位相変更領域と前記空白領域とを略同一の面積割合で有することが好ましい。そうすれば、スペックル低減効果を向上させることができる。
【００２７】
前記位相変更領域は、当該光学素子の母材と同一材料で構成されていてもよいし、当該光学素子の母材と異なる材料で構成されていてもよい。
【００２８】
本発明に係る光学素子に他の機能面を追加して、又は本発明に係る光学素子を他の光学素子と組み合わせることによって、スペックル低減効果がさらに大きいスペックル低減モジュールを構成することができる。
【００２９】
スペックル低減モジュールの好ましい実施形態としては、光学素子に設けられている前記偏光状態変更機能面から出射された光を混合する光拡散機能面をさらに有する。これにより、互いに偏光方向が異なる２つの光、又は互いに位相が１／２波長異なる２つの光が光拡散機能面によって混合されるので、スペックルを大きく低減することができる。
【００３０】
本発明に係る光学装置は、同一光源から同時に出射され同一の光路を通過する光束を上述の光学素子に入射させて、偏光方向が互いに９０度異なる２つの光、又は互いに位相が１／２波長異なる２つの光に分割し、それら２つの光を同一スクリーン上に照射するように構成されたものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る光学素子は、一様な偏光方向変更領域と空白領域からなる偏光状態変更機能面を備えている。互いに光学軸方向が異なるサブ波長構造領域の規則的配列がないので、光の回折が低減され、光量が維持される（光量減少がない）。さらに、偏光状態変更機能面からは偏光方向が互いに９０度異なる光が出射されるので、スペックル低減効果が向上する。
【００３２】
本発明に係るスペックル低減モジュールは上記光学素子を備えているので、高いスペックル低減効果を得ることができる。
【００３３】
本発明に係る光学装置は、上記の光学素子を用いて同一光源から同時に出射され同一の光路を通過する光束を上述の光学素子に入射させて偏光方向が互いに９０度異なる２つの波長成分、又は互いに位相が１／２波長異なる２つの波長成分に分割して同一スクリーン上に照射するものであるので、スペックルの少ない画像をスクリーン上に映し出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】偏光状態変更機能面をもつ光学素子を含むスペックル低減モジュールを備えた光学装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】スペックル低減モジュールの他の構成例を示す概略構成図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は偏光状態変更機能面の構造の一例を示す図である。
【図４】偏光状態変更機能面の構造の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、光学素子、スペックル低減モジュール及び光学装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図１に光学素子を含むスペックル低減モジュールを備える光学装置の一実施例を示す。
【００３７】
この光学装置は、光源部２、スペックル低減モジュール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を備えたスクリーン投影装置である。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。
【００３８】
光源部２から出射される光の光軸上にスペックル低減モジュール１２が配置されている。スペックル低減モジュール１２は、偏光状態変更機能面１４をもつ光学素子と光分散機能面１５をもつ光学素子とを備えている。偏光状態変更機能面１４は特定の偏光方向をもつ光が入射したときにその光の偏光方向を変化させて（偏光方向を９０度回転させて）通過させる偏光方向変更領域を有する。偏光方向変更領域は、一様な光学軸方向をもつサブ波長構造が形成されたサブ波長構造領域であってもよいし、一方向へ延伸された偏光フィルム（例えば、Ｅｄｍｕｎｄ社製の１／２波長板  プラスチック・フィルム）の偏光領域であってもよい。また、同機能を有する薄膜構造体（フォトニック結晶の様な構造体）、有機性材料で構成される構造体、液晶層を有する構造体や結晶構造体であってもよい。
【００３９】
なお、図１では、偏光状態変更機能面１４をもつ光学素子と光分散機能面１５をもつ光学素子とが別々の光学素子として設けられているが、図２に示されているように、偏光状態変更機能面１４の偏光方向変更領域がサブ波長構造領域からなる場合には、これらの機能面１４、１５が共通の光学素子の表面と裏面に実現されてもよい。また、図１及び図２では、光の進行方向における前段側に偏光状態変更機能面１４、後段側に光分散機能面１５が設けられているが、前段側に光分散機能面１５、後段側に偏光状態変更機能面１４を設けても同様の効果が得られることが確認されている。
【００４０】
スペックル低減モジュール１２の各機能面１４、１５をもつ光学素子は駆動機構１６によって、光源部２から出射される光の光軸に対して略垂直な平面内で運動させられる。なお、駆動機構１６は必ずしも機能面１４、１５の両方を駆動するものである必要はなく、いずれか一方の機能面１４又は１５を駆動するものであってもよい。
【００４１】
スペックル低減モジュール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。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。
【００４２】
偏光状態変更機能面１４について説明する。
【００４３】
図３（Ａ）及び（Ｂ）はいずれも、偏光状態変更機能面１４の平面構造の一例を示している。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示された偏光状態変更機能面１４はいずれも、特定の偏光方向をもつ光が入射したときにその光の偏光方向を９０度回転させる機能をもつ一様な偏光方向変更領域１４ａ、及び光の偏光方向を変化させることなく通過させる空白領域１４ｂを備えており、光通過領域中における偏光方向変更領域１４ａと空白領域１４ｂとの面積割合が略同一となるように設計されている。
【００４４】
図３（Ａ）では、偏光状態変更機能面１４の光通過領域の全体にわたって偏光方向変更領域１４ａが設けられ、その偏光方向変更領域１４ａ内に外径形状が円形状の複数の空白領域１４ｂが設けられている。
【００４５】
図３（Ｂ）では、偏光状態変更機能面１４の光通過領域が全体的に空白領域１４ｂとなっており、その空白領域１４内に外径形状が円形状の複数の偏光方向変更領域１４ａが設けられている。
【００４６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示された偏光状態変更機能面１４はいずれも、特定の偏光方向をもつ光を入射させたとき（特定方向に偏光させた光を入射させた時とは、偏光状態変更機能面の持つ光学軸方向に対して偏光方向が４５°傾斜したＬＤ光の様なコヒーレント光を入射させることを意味している）に、入射した光のうち約５０％の光は偏光方向変更領域１４ａによって偏光方向が９０度回転させられて出射させられる。一方で、残りの約５０％の光は偏光方向を回転させられることなく空白領域１４ｂを通過し、偏光状態変更機能面１４から出射させられる。ただし、偏光状態偏光機能面１４が、面内において均一な位相差αを発生させる光透過性基板の一表面に設けられている場合、偏光状態偏光機能面１４を備えた光学素子からは、入射光の偏光方向＋αの偏光方向をもつ光と、入射光の偏光方向＋α＋９０度の偏光方向をもつ光が出射されることになる。いずれにせよ、偏光状態変更機能面１４に入射した特定の偏光方向をもつ光は、互いに偏光方向が９０度異なる光を略同一の割合でもつように偏光状態が変更される。
【００４７】
なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）では、偏光方向変更領域１４ａ及び空白領域１４ｂの外形形状が円形状であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、偏光方向変更領域１４ａ及び空白領域１４ｂの外形形状は楕円形状であってもよい。また、偏光方向変更領域１４ａ及び空白領域１４ｂの外形形状を多角形形状とすることもできる。
【００４８】
また、偏光状態変更機能面１４は、図４に示されているように、偏光方向変更領域１４ａと空白領域１４ｂとが交互に同心円状に設けられたものであってもよい。この場合も、偏光方向変更領域１４ａとサブ波長構造の形成されていない空白領域１４ｂとの面積割合が略同一であることが好ましい。
【００４９】
上記のような偏光状態変更機能面１４は、これまでの偏光解消素子と同様に、ナノインプリント法やコンプレッション法等を用いて光透過性基板の一表面に形成することが可能である。
【００５０】
また、図３（Ａ）に示されているような偏光状態変更機能面１４ａは、フィルムが一方向に延伸させられた状態で固定されてなる偏光フィルムによって実現することができる。その場合、偏光方向変更領域１４ａ内の複数の空白領域１４ｂは、偏光フィルムに設けられた貫通孔によって実現することもできる。具体的には、例えばポリカーボネートからなる偏光フィルム（例えば、厚みが０．４ｍｍ又は０．６ｍｍのＥｄｍｕｎｄ社製の１／２波長板  プラスチック・フィルム）に円形状や楕円形状の貫通孔を設けることによって、図３（Ａ）に示されているような偏光状態変更機能面１４が実現できる。
【００５１】
また、偏光フィルムの所望の領域にレーザ光やプラズマを照射してフィルムを熱変質させ、フィルムを延伸させる際にフィルムに与えられた引っ張り応力を部分的に緩和させることで、その部分の偏光方向変更機能を無効化する（位相差を０にする）ことで複数の空白領域１４ｂを偏光方向変更領域１４ａ内に形成することができる。
【００５２】
また、偏光状態変更機能面１４の１４ａを位相変更領域とすることもできる。位相変更領域１４ａは、通過する光の電場成分を１／２波長だけシフトさせる機能を有する領域である。一方で、空白領域１４ｂは光の位相を変化させる機能を有しない領域である。偏光状態変更機能面１４に位相変更領域１４ａ及び空白領域１４ｂをもたせることで、偏光状態変更機能面１４からは入射光から１／２波長分だけ位相のずれた光と入射光と同じ位相をもつ光とが出射され、それら２つの光が混合されることによってスペックルが低減される。
【００５３】
既述のように、位相変更領域１４ａでの位相の変更量は、次式（３）、（４）を用いて設計できる。
（Ｎ―１）・d＝ｍ・（λ／２）      （３）
これを応用して、ΔＮ・d＝ｍ・（λ／２）          （４）
上記（３）式において、Ｎは材質の屈折率で、（Ｎ―１）は空気の屈折率：１．０との差を意味している。（４）式のΔＮは複屈折率差（常光屈折率と異常光屈折率の差）を意味している。dは偏光状態変更機能面の厚み差すなわち材質の厚さ（薄膜の場合は膜厚）を、λは使用する光の波長を意味している。ｍは正の整数（１，２，３、・・・・・・）である（工業的には通常はｍ＝１である）。
【００５４】
透過膜、反射膜の光学薄膜設計では、波長λの光を入射させた時に薄膜によって生じる光多重干渉によって反射光、透過光を計算する。薄膜設計の場合は、光の薄膜層での多重反射を考慮して反射防止、増反射の光を計算するので、薄膜界面での折り返しを想定して（Ｎ―１）・d＝ｍ・（λ／４）が基本である。しかし、ここでは、薄膜層での光の多重反射を考慮する必要がないため、複屈折性を有する薄膜材料を透過する光の位相のシフト量（ずれ）を考慮すればよい。変化させたい位相のシフト量はλ／２であるので、上記式（４）を用いて設計することができる。
【００５５】
上記（３）、（４）式を満たす関係の透明な複屈折性を有する薄膜材料膜を光が通過した場合は、この材質膜を通過しない場合に比較して１／２波長分だけ位相がずれることを意味している。つまり、（４）式を満たす複屈折性を有する薄膜材料の薄膜領域は位相変更領域１４ａの機能、すなわち、位相を１／２波長分だけシフトさせる機能を有する。一方、薄膜を形成しない領域は空白領域１４ｂの機能、すなわち、光の電場成分の位相を変化させない機能を有することになる。したがって、位相変更領域１４ａと空白領域１４ｂを工業的には微細パターニングと複屈折性を有する薄膜材料の薄膜形成で容易に製作することができる。
【００５６】
具体的な例としては、以下のような薄膜実施例がある。なお、表１では使用波長λ＝５６０ｎｍを想定している。
【表１】
2020046635.tif 000003
【００５７】
レーザ光が複屈折性を有する薄膜材料に入射した場合を考える。簡単のため、レーザ光Ｌｄの偏光方向は、Ｃ軸方向と平行な方向と、Ｃ軸方向と直交する方向の２方向とする。
【００５８】
偏光方向がＣ軸方向と平行であるレーザ光Ｌｄに対する屈折率をｎ１、偏光方向がＣ軸方向と直交するレーザ光Ｌｄに対する屈折率をｎ２とすると、複屈折性を有する薄膜材料は複屈折性をもつために、ｎ１≠ｎ２の関係が成り立つ。したがって、偏光方向が異なるレーザ光Ｌｄが複屈折性を有する薄膜材料を通過する際の光路長はそれぞれ異なることになり、複屈折性を有する薄膜材料から出射されたそれぞれのレーザ光は、位相のずれたものとなる。つまり、複屈折性を有する薄膜材料に入射するレーザ光Ｌｄの位相パターンは、複屈折性を有する薄膜材料を通過した後、複屈折性を有する薄膜材料のＣ軸方向の厚さ分布に応じて位相差を生じた形で変化する。
【００５９】
なお、複屈折性を有する薄膜材料は、複屈折性をもつ膜としてそれぞれのＣ軸方向が、直交する２方向に一致するように配置したものであるが、複屈折性を有する薄膜材料は、Ｃ軸方向が、直交する２方向に一致するものに限らない。
【００６０】
表１の例は、複屈折性を有する薄膜材料として、ＬｉＮｂＯ３薄膜を用いている。複屈折性を有する薄膜材料の具体的な作成方法としては、通過する光の波長をλ、複屈折率差（常光屈折率と異常光屈折率の差）をΔＮ、偏光状態変更機能面の厚み差をｄとした場合に上記（４）式を満たせばよい。したがって、ＬｉＮｂＯ３薄膜の複屈折率差ΔＮはおよそ０．０９であるので、波長５６０ｎｍのレーザ光を使用した場合は３．１μｍの厚みをもつようにＬｉＮｂＯ３複屈折性薄膜材料を成膜することにより、光の位相を１／２波長分だけずらすことができる。
【００６１】
なお、ここでは薄膜で説明したが、ＬｉＮｂＯ３基板材料に同様の加工を行ってもよい。また、複屈折性を有する薄膜材料、基板材料はこれに限定されるものではない。例えば、基板厚みを変化させた中空透明部材の内部に液晶を封入することにより、（本実施例のＬｉＮｂＯ３を用いた複屈折性を有する薄膜材料と同様に）簡単な構造の複屈折性を有する薄膜材料層を得ることができる。また、その際に、上記中空透明部材の表面に透明電極を配設することにより、内部封入されている液晶に対して電界を印加することが可能となり、透明材料内部の液晶の配向方向を空間的に変化させることができる。さらにまた、フォトニック結晶構造を有する微細な薄膜構造を形成することによりλ／２波長板機能を発現することができる。
【００６２】
光分散機能面１５は、偏光状態変更機能面１４から射出された光を混合するためのものであり、マイクロレンズアレイなどによって実現することができる。偏光状態変更機能面１４から射出された偏光方向が互いに９０度異なる光は、光分散機能面１５によって混合されることでスペックルが大きく低減される。
【符号の説明】
【００６３】
２      光源部
１２      スペックル低減モジュール
１４      偏光状態変更機能面
１４ａ      偏光方向変更領域
１４ｂ      空白領域
１５      光分散機能面
１６      駆動機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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