(57)【要約】【課題】光に付与される空間的なパターンにおける、明部の位置を変化させることが可能な光変調装置を提供する。【解決手段】光変調装置３は、印加される電圧に応じて、入射する光をそのまま透過させる波長板として動作するか、第１の方向において、その入射する光の方向に対して第１の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な可変回折素子（１１、１４）と、可変回折素子から出射した光が入射することでその光に対して明暗のパターンを付与する回折光学素子１２とを有する。回折光学素子１２は、可変回折素子が波長板として動作する場合において可変回折素子から出射した光に対して付与する明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、可変回折素子が１次元回折格子として動作して、回折光が入射する場合に付与する明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を第１の方向に沿って第１の角度に応じてシフトさせる。【選択図】図１
2020160335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧に応じて、入射する光をそのまま透過させる波長板として動作するか、前記光を回折させて、第１の方向において、前記入射する光の方向に対して第１の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な第１の可変回折素子と、
前記第１の可変回折素子から出射した光が入射することで当該光に対して空間的な明暗のパターンを付与する回折光学素子と、
前記第１の可変回折素子に印加する電圧を制御するコントローラとを有し、
前記回折光学素子は、前記第１の可変回折素子が前記波長板として動作する場合において前記第１の可変回折素子から出射した光に対して付与する前記明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、前記第１の可変回折素子が前記１次元回折格子として動作して、前記回折光が入射する場合に付与する前記明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を前記第１の方向に沿って前記第１の角度に応じてシフトさせる、
光変調装置。
【請求項２】
前記第１の可変回折素子と前記回折光学素子との間に配置され、印加される電圧に応じて、前記第１の可変回折素子から出射し、かつ、入射する光をそのまま透過させる波長板として動作するか、前記第１の可変回折素子から出射し、かつ、入射する光を回折させて前記第１の方向と異なる第２の方向において、前記入射する光の方向に対して第２の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な第２の可変回折素子をさらに有し、
前記コントローラは、前記第２の可変回折素子に印加する電圧をさらに制御し、
前記回折光学素子は、前記第２の可変回折素子が前記波長板として動作する場合において前記第２の可変回折素子から出射した光に対して付与する前記明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、前記第２の可変回折素子が前記１次元回折格子として動作して、前記回折光が入射する場合に付与する前記明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を前記第２の方向に沿って前記第２の角度に応じてシフトさせる、請求項１に記載の光変調装置。
【請求項３】
前記第１の可変回折素子は、液晶分子が封入される第１の液晶層と、前記第１の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、前記二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、前記複数の部分電極は、前記第１の方向に沿って前記第１の角度の回折光を生じるピッチで並べて配置され、
前記コントローラは、前記第１の可変回折素子を前記１次元回折格子として動作させる場合、前記複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極のそれぞれについて、当該二つの部分電極の一方と対向する前記透明電極との間の前記第１の液晶層の部分と、当該二つの部分電極の他方と対向する前記透明電極との間の前記第１の液晶層の部分との間に生じる光路差が前記入射する光の波長の非整数倍となる電圧を印加し、一方、前記第１の可変回折素子を波長板として動作させる場合、前記複数の部分電極のそれぞれと対向する前記透明電極との間に同じ電圧、もしくは前記複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極のそれぞれについて、当該二つの部分電極の一方と対向する前記透明電極との間の前記第１の液晶層の部分と、当該二つの部分電極の他方と対向する前記透明電極との間の前記第１の液晶層の部分との間に生じる光路差が前記入射する光の波長の整数倍となる電圧を印加する、請求項１または２に記載の光変調装置。
【請求項４】
前記第１の可変回折素子に入射する前記光は、所定の方向に沿った偏光面を持つ直線偏光であり、
前記第１の可変回折素子の前記第１の液晶層に封入される前記液晶分子は、前記二つの透明電極に印加される電圧の極性に応じて入射する前記光の偏光面を180°回転させるか否かを切り替え可能であり、
前記コントローラは、前記第１の可変回折素子を前記１次元回折格子として動作させる場合、前記複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極のそれぞれについて、当該二つの部分電極の一方と対向する前記透明電極との間に印加される電圧の極性と、当該二つの部分電極の他方と対向する前記透明電極との間に印加される電圧の極性とを互いに反転させる、請求項３に記載の光変調装置。
【請求項５】
前記第１の可変回折素子は、前記１次元回折格子として動作する場合、＋１次の回折光と−１次の回折光とを前記回折光として生じさせ、
前記複数の部分電極は、前記第１の方向において、前記＋１次の回折光に対して前記回折光学素子が付与する前記明暗のパターンにおける個々の明部へ向かう方向と、前記−１次の回折光に対して前記回折光学素子が付与する前記明暗のパターンにおける、前記個々の明部に隣接する明部へ向かう方向とが同方向となるピッチで配置される、請求項３または４に記載の光変調装置。
【請求項６】
前記第１の可変回折素子に入射する前記光は、第１の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光であり、
前記第１の可変回折素子は、前記光が入射する側から順に、
液晶分子が封入される液晶層と、前記液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、前記二つの透明電極間の前記液晶層に印加される電圧の極性に応じて入射する前記光の偏光面を90°回転させるか否かを切り替え可能な液晶素子と、
前記第１の偏光方向と平行または直交する第２の偏光方向に平行な偏光成分を回折して前記第１の方向に沿って前記所定の次数の回折光を生じさせ、前記第２の偏光方向と直交する偏光成分の他方を回折させずに透過させる１次元回折格子とを有し、
前記コントローラは、前記第１の可変回折素子を前記１次元回折格子として動作させる場合、前記液晶素子の前記二つの透明電極間の前記液晶層に印加する電圧の極性を、前記液晶素子から出射する前記光の偏光面が前記第２の偏光方向と平行となる極性とし、一方、前記第１の可変回折素子を前記波長板として動作させる場合、前記液晶素子の前記二つの透明電極間の前記液晶層に印加する電圧の極性を、前記液晶素子から出射する前記光の偏光面が前記第２の偏光方向と直交する極性とする、請求項２に記載の光変調装置。
【請求項７】
入射する光に対して空間的な明暗のパターンを付与する回折光学素子と、
印加される電圧に応じて、前記回折光学素子から出射した明暗のパターンが付与された前記光をそのまま透過させる波長板として動作するか、明暗のパターンが付与された前記光を回折させて、第１の方向において、明暗のパターンが付与された前記光の方向に対して第１の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な第１の可変回折素子と、
前記第１の可変回折素子に印加する電圧を制御するコントローラとを有し、
前記第１の可変回折素子は、前記第１の可変回折素子が前記波長板として動作する場合において前記第１の可変回折素子から出射した光に対して付与された前記明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、前記第１の可変回折素子が前記１次元回折格子として動作して前記回折光が生じる場合において、前記明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を前記第１の方向に沿って前記第１の角度に応じてシフトさせる、
光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光に空間的なパターンを付与する光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の形状を測定する技術として、構造化照明法が知られている。構造化照明法で用いられる照明光の投影方法の一つでは、対象物に対して空間的に周期的な明暗のパターンを持つ照明光を投影した上で、その対象物を撮影して得られた画像から対象物の形状が測定される（例えば、特許文献１及び２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−９９９７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１６６８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の技術では、対象物に投影される照明光が明暗のパターンを有しているため、パターンの暗部が投影される領域における、対象物の形状を測定することは困難である。そのような形状測定が困難な領域を小さくするためには、明暗のパターンの周期を短くして、そのパターンを細密化する必要があるが、明暗のパターンを細密化すると、パターンの明部の輝度が低下するため、明部が投影された領域でのSN比が低下して、形状の測定精度が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、光に付与される空間的な明暗のパターンにおける、明部の位置を変化させることが可能な光変調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの側面によれば、光変調装置が提供される。この光変調装置は、印加される電圧に応じて、入射する光をそのまま透過させる波長板として動作するか、入射する光を回折させて第１の方向において、その入射する光の方向に対して第１の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な第１の可変回折素子と、第１の可変回折素子から出射した光が入射することでその光に対して空間的な明暗のパターンを付与する回折光学素子と、第１の可変回折素子に印加する電圧を制御するコントローラとを有し、回折光学素子は、第１の可変回折素子が波長板として動作する場合において第１の可変回折素子から出射した光に対して付与する明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、第１の可変回折素子が１次元回折格子として動作して、回折光が入射する場合に付与する明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を第１の方向に沿って第１の角度に応じてシフトさせる。
【０００７】
この光変調装置は、第１の可変回折素子と回折光学素子との間に配置され、印加される電圧に応じて、第１の可変回折素子から出射し、かつ、入射する光をそのまま透過させる波長板として動作するか、第１の可変回折素子から出射し、かつ、入射する光を回折させて第１の方向と異なる第２の方向において、入射する光の方向に対して第２の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な第２の可変回折素子をさらに有することが好ましい。そしてコントローラは、第２の可変回折素子に印加する電圧をさらに制御し、回折光学素子は、第２の可変回折素子が波長板として動作する場合において第２の可変回折素子から出射した光に対して付与する明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、第２の可変回折素子が１次元回折格子として動作して、回折光が入射する場合に付与する明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を第２の方向に沿って第２の角度に応じてシフトさせることが好ましい。
【０００８】
この場合において、第１の可変回折素子は、液晶分子が封入される第１の液晶層と、第１の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、複数の部分電極は、第１の方向に沿って第１の角度の回折光を生じるピッチで並べて配置され、コントローラは、第１の可変回折素子を１次元回折格子として動作させる場合、複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極のそれぞれについて、その二つの部分電極の一方と対向する透明電極との間の第１の液晶層の部分と、その二つの部分電極の他方と対向する透明電極との間の第１の液晶層の部分との間に生じる光路差が入射する光の波長の非整数倍となる電圧を印加し、一方、第１の可変回折素子を波長板として動作させる場合、複数の部分電極のそれぞれと対向する透明電極との間に同じ電圧、もしくは複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極のそれぞれについて、その二つの部分電極の一方と対向する透明電極との間の第１の液晶層の部分と、その二つの部分電極の他方と対向する透明電極との間の第１の液晶層の部分との間に生じる光路差が入射する光の波長の整数倍となる電圧を印加することが好ましい。
【０００９】
あるいは、この光変調装置において、第１の可変回折素子に入射する光は、所定の方向に沿った偏光面を持つ直線偏光であり、第１の可変回折素子の第１の液晶層に封入される液晶分子は、二つの透明電極に印加される電圧の極性に応じて入射する光の偏光面を180°回転させるか否かを切り替え可能であり、コントローラは、第１の可変回折素子を１次元回折格子として動作させる場合、複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極のそれぞれについて、その二つの部分電極の一方と対向する透明電極との間に印加される電圧の極性と、その二つの部分電極の他方と対向する透明電極との間に印加される電圧の極性とを互いに反転させることが好ましい。
【００１０】
また、第１の可変回折素子は、１次元回折格子として動作する場合、＋１次の回折光と−１次の回折光とを回折光として生じさせ、二つの透明電極の少なくとも一方が有する複数の部分電極は、第１の方向において、＋１次の回折光に対して回折光学素子が付与する明暗のパターンにおける個々の明部へ向かう方向と、−１次の回折光に対して回折光学素子が付与する明暗のパターンにおける、その個々の明部に隣接する明部へ向かう方向とが同方向となるピッチで配置されることが好ましい。
【００１１】
また、この光変調装置において、第１の可変回折素子に入射する光は、第１の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光であり、第１の可変回折素子は、光が入射する側から順に、液晶分子が封入される液晶層と、液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、二つの透明電極間の液晶層に印加される電圧の極性に応じて入射する光の偏光面を90°回転させるか否かを切り替え可能な液晶素子と、第１の偏光方向と平行または直交する第２の偏光方向に平行な偏光成分を回折して第１の方向に沿って所定の次数の回折光を生じさせ、第２の偏光方向と直交する偏光成分の他方を回折させずに透過させる１次元回折格子とを有し、コントローラは、第１の可変回折素子を１次元回折格子として動作させる場合、液晶素子の二つの透明電極間の液晶層に印加する電圧の極性を、液晶素子から出射する光の偏光面が第２の偏光方向と平行となる極性とし、一方、第１の可変回折素子を波長板として動作させる場合、液晶素子の二つの透明電極間の液晶層に印加する電圧の極性を、液晶素子から出射する光の偏光面が第２の偏光方向と直交する極性とすることが好ましい。
【００１２】
他の実施形態によれば、光変調装置が提供される。この光変調装置は、入射する光に対して空間的な明暗のパターンを付与する回折光学素子と、印加される電圧に応じて、回折光学素子から出射した明暗のパターンが付与された光をそのまま透過させる波長板として動作するか、明暗のパターンが付与された光を回折させて、第１の方向において、明暗のパターンが付与された光の方向に対して第１の角度をなす回折光を生じる１次元回折格子として動作するかを切り替え可能な第１の可変回折素子と、第１の可変回折素子に印加する電圧を制御するコントローラとを有し、第１の可変回折素子は、第１の可変回折素子が波長板として動作する場合において第１の可変回折素子から出射した光に対して付与された明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、第１の可変回折素子が１次元回折格子として動作して回折光が生じる場合において、明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を第１の方向に沿って第１の角度に応じてシフトさせる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る光変調装置は、光に付与される空間的なパターンにおける、明部の位置を変化させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る光変調装置及びその光変調装置を含む照明装置の概略構成図である。
【図２】（ａ）は、液晶素子が波長板として動作する場合における、照明光に付与される明暗のパターンの一例を表す図であり、（ｂ）は、液晶素子が１次元回折格子として動作する場合における、照明光に付与される明暗のパターンの一例を表す図である。
【図３】（ａ）は、液晶素子を照明光の入射側から見た概略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、液晶素子の概略側面断面図である。
【図４】変形例による光変調装置における、二つの液晶素子の透明電極の配置の一例を示す図である。
【図５】変形例による光変調装置により得られる明暗のパターンの明部の位置と、二つの液晶素子の動作との関係の一例を示す図である。
【図６】（ａ）は、図４に示される光変調装置の液晶素子及び液晶素子のそれぞれを、FLCを利用した液晶素子とした場合における、各液晶素子の部分電極の配置を表す図である。（ｂ）は、各液晶素子の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。（ｃ）は、各液晶素子に印加される電圧の極性と光変調装置により得られる明暗のパターンの明部の位置との関係の一例を示す図である。
【図７】他の変形例による光変調装置の概略構成図である。
【図８】（ａ）は、図７に示される光変調装置の二つの液晶素子の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。（ｂ）は、各液晶素子に印加される電圧の極性と図７に示される光変調装置により得られる明暗のパターンの明部の位置との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による光変調装置について説明する。この光変調装置は、光源から発した照明光に対して空間的に周期的な明暗のパターンを付与するために、照明光の経路に沿って、可変回折素子と、回折光学素子とを有する。可変回折素子は、コントローラから印加される駆動電圧に応じて、１次元回折格子として動作するか、入射した光をそのまま透過させる波長板（例えば、１／４波長板、１／２波長板、全波長板の何れでもよい）として動作するかを切り替え可能な素子である。また、回折光学素子は、入射した照明光に空間的に周期的な明暗のパターンを付与する。そしてこの光変調装置は、可変回折素子を、波長板として動作させるか、１次元回折格子として動作させるかを切り替えることで、回折光学素子に入射する照明光の角度を変化させて、照明光に付与される明暗のパターンにおける明部の位置を変化させる。
【００１６】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る光変調装置及びその光変調装置を含む照明装置の概略構成図である。図１に示されるように、照明装置１００は、光源１と、投影光学系２と、光変調装置３とを有する。光変調装置３は、例えば、光源１側から順に、投影光学系２の光軸ＯＡに沿って、液晶素子１１と、回折光学素子１２とを有する。さらに、光変調装置３は、液晶素子１１を駆動するためのコントローラ１３を有する。なお、この例では、光変調装置３の液晶素子１１よりも光源１側に投影光学系２が配置されているが、液晶素子１１及び回折光学素子１２は、光源１と投影光学系２の間に配置されてもよい。
【００１７】
光源１は、直線偏光である照明光を出力する。そのために、光源１は、例えば、半導体レーザといった直線偏光を持つ光を出力する発光素子を有する。あるいは、光源１は、発光ダイオードあるいはハロゲンランプといった直線偏光でない光を発する発光素子と、発光素子から発した光のうちの所定の方向の偏光成分だけを透過する偏光子とを有する。さらに、光源１は、照明光を平行光化するためのコリメータを有してもよい。
【００１８】
投影光学系２は、光源１から発した光を対象物１０上へ投影する。そのために、投影光学系２は、例えば、光軸ＯＡに沿って１枚以上のレンズを有する。光源１から発して投影光学系２を透過した光は、光変調装置３の液晶素子１１へ入射する。
【００１９】
液晶素子１１は、可変回折素子の一例であり、印加される電圧に応じて液晶素子１１を透過する照明光の位相を制御して、波長板または１次元回折格子の何れかとして動作する。液晶素子１１が波長板として動作する場合、液晶素子１１に入射した照明光は、光軸ＯＡに沿ってそのまま液晶素子１１を透過して回折光学素子１２に入射する。一方、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する場合には、液晶素子１１に入射した照明光が回折することで得られる０次以外の所定の次数（例えば、±１次）の回折光が生成され、その所定の次数の回折光が回折光学素子１２に入射する。なお、液晶素子１１の構成の詳細については後述する。
【００２０】
回折光学素子１２は、例えば、透過型のホログラムにより形成され、入射した照明光を回折させて空間的に周期的な明暗のパターン（例えば、各ドットが明部となる２次元格子状のドットパターン）を形成する。回折光学素子１２により形成されるパターンにおける明部へ向かう方向は、回折光学素子１２に入射する照明光と光軸ＯＡとがなす角に応じて変化する。したがって、液晶素子１１が波長板として動作する場合と、１次元回折格子として動作する場合とで、対象物に投影される明部の位置が変化する。
【００２１】
図２（ａ）は、液晶素子１１が波長板として動作する場合における、照明光に付与される明暗のパターンの一例を表す図であり、図２（ｂ）は、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する場合における、照明光に付与される明暗のパターンの一例を表す図である。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、簡単化のために、投影光学系２の図示は省略される。また、この例では、明暗のパターンは、明部がドットで表されるドットパターンである。
【００２２】
図２（ａ）に示されるように、液晶素子１１が波長板として動作する場合、液晶素子１１を透過した光源１からの照明光２０１は、光軸ＯＡに沿って直進しつつ、回折光学素子１２へ入射する。そして回折光学素子１２は、入射した照明光を回折して、ドットパターン２０２を形成する。これに対して、図２（ｂ）に示されるように、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する場合、液晶素子１１に入射した光源１からの照明光は、液晶素子１１で回折され、光軸ＯＡに対して傾いた、＋ｍ次の回折光２１１と−ｍ次の回折光２１２となる（ｍは１以上の整数）。回折光２１１及び回折光２１２は、光軸ＯＡに対して傾いているので、回折光学素子１２に回折光２１１及び回折光２１２が入射することで得られるドットパターン２２１、２２２では、光軸ＯＡに沿って直進する光が回折光学素子１２に入射する場合に得られるドットパターン２０２に対して、ドットへ向かう方向が回折光２１１及び回折光２１２が光軸ＯＡ（すなわち、液晶素子１１への光の入射方向）となす角に応じてシフトする。したがって、コントローラ１３が液晶素子１１に印加する電圧を制御することで、光変調装置３は、対象物に投影されるドット（すなわち、明部）の位置をシフトさせることができる。
【００２３】
特に、回折光学素子１２により形成されるドットパターンにおいて、隣接するドットへ向かう二つの光線２０２ａ、２０２ｂ間の角度がθである場合に、液晶素子１１により得られる＋１次の回折光２１１及び−１次の回折光２１２と光軸ＯＡとがなす角がθ/2であることが好ましい。この場合、＋１次の回折光２１１を回折光学素子１２が回折することで得られるドットパターン２２１における個々のドット２２１−１〜２２１−ｍ（ｍは、２以上の整数）と、−１次の回折光２１２を回折光学素子１２が回折することで得られるドットパターン２２２における個々のドット２２２−１〜２２２−ｍについて、ドットパターン２２１におけるドット２２１−ｊ（１≦ｊ≦ｍ）へ向かう光線の向きと、ドットパターン２２２における隣接するドット２２２−（ｊ−１）へ向かう光線の向きとが一致する。図２（ｂ）では、−１次の回折光２１２を回折光学素子１２が回折することで得られるドット２２２−１へ向かう光線２１２ａと、＋１次の回折光２１１を回折光学素子１２が回折することで得られるドット２２１−２へ向かう光線２１１ａの向きとが一致する。その結果として、対象物上で、＋１次の回折光により得られたドットパターンにおける個々のドットと、−１次の回折光により得られたドットパターンにおける個々のドットとが重なり、各ドットの明るさが向上する。
【００２４】
以下、液晶素子１１の詳細について説明する。
図３（ａ）は、液晶素子１１を照明光の入射側（すなわち、光源側）から見た概略正面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢印Ａ、Ａ’で示される線における、液晶素子１１の概略側面断面図である。液晶素子１１は、コントローラ１３により印加される電圧に応じて、入射した照明光に対する液晶層の屈折率が変化することで、波長板または１次元回折格子として動作する。
【００２５】
そのために、液晶素子１１は、液晶層２０と、光軸ＯＡに沿って液晶層２０の両側に略平行に配置された透明基板２１、２２を有する。また液晶素子１１は、透明基板２１と液晶層２０の間に配置された透明電極２３と、液晶層２０と透明基板２２の間に配置された透明電極２４とを有する。すなわち、透明電極２３と透明電極２４とは、液晶層２０を挟んで対向するように配置される。そして液晶層２０の液晶分子２５は、透明基板２１及び２２に挟まれ、シール部材２６に囲まれる部分に封入されている。
【００２６】
透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、光源１が発する照明光に対して透明な材料により形成される。また透明電極２３、２４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。さらに、透明電極２３と液晶層２０との間、及び、透明電極２４と液晶層２０との間に、液晶分子２５を所定の方向へ配向させるための配向膜が配置されてもよい。
【００２７】
液晶層２０に封入された液晶分子２５は、例えば、ホモジニアス配向される。そして液晶分子２５は、その長軸方向が入射する照明光の偏光面に対して平行となるように配向される。
【００２８】
本実施形態では、透明電極２３は、照明光が透過する領域全体を覆うように設けられる。一方、透明電極２４は、光軸ＯＡに直交する面における所定の方向に沿って等間隔で分割された複数の線状の部分電極２４−１〜２４−ｎ（ｎは、２以上の整数）を有し、それら部分電極により、照明光が透過する領域全体が覆われる。なお、隣接する二つの部分電極は、所定の間隔だけ離して配置され、互いに絶縁されている。図３（ａ）では、簡単化のために、部分電極間の間隙は１本の線で示されている。なお、透明電極２３も、透明電極２４と同様に、光軸ＯＡに直交する面におけるその所定の方向に沿って等間隔で分割された複数の線状の部分電極を有してもよい。あるいは、透明電極２３が、そのような複数の部分電極を有し、透明電極２４は、一つの電極で構成されてもよい。
【００２９】
ここで、透明電極２３と透明電極２４との間、すなわち、液晶層２０に電圧Vが印加されると、その電圧Vに応じて、電圧が印加された方向（すなわち、光軸ＯＡに沿った方向）に対して液晶分子２５の長軸方向が平行に近づくように傾く。このとき、液晶分子２５が配向された方向と平行な偏光成分（すなわち、異常光線）に対する液晶分子２５の屈折率をnψ(V)とすると、no≦nψ(V)≦neとなる。ただし、noは液晶分子２５の配向方向に直交する偏光成分（すなわち、常光線）に対する屈折率であり、neは液晶分子２５の長軸方向に平行な偏光成分に対する屈折率である。
【００３０】
したがって、液晶層２０に印加される電圧に応じて、液晶層２０を透過する照明光に対する屈折率が変化する。そこで、コントローラ１３が、部分電極２４−１〜２４−ｎのうちの互いに隣接する二つの部分電極ごとに、照明光に対する、その二つの部分電極の一方に対応する液晶層２０の部分の屈折率と、その二つの部分電極の他方に対応する液晶層２０の部分の屈折率とが所定量Δn（例えば、Δn=ne-no）だけ異なるように、すなわち、それら二つの部分の光路差が、照明光の波長の非整数倍となるように、部分電極２４−１〜２４−ｎのそれぞれと対向する透明電極２３との間に印加される電圧を制御する。これにより、液晶素子１１は、部分電極２４−１〜２４−ｎが並ぶ方向において照明光を回折させる１次元回折格子として動作する。一方、コントローラ１３が、部分電極２４−１〜２４−ｎのそれぞれについて、その部分電極に対応する液晶層２０の部分を透過した照明光に対する屈折率が同一となるように、部分電極２４−１〜２４−ｎのそれぞれと対向する透明電極２３との間に印加される電圧を制御することで、液晶素子１１は、波長板として動作する。なお、各部分電極に対応する液晶層２０の部分同士の屈折率が同一となる印加電圧の制御には、各部分電極と対向する透明電極との間に電圧を印加しないことも含まれる。
【００３１】
また、部分電極２４−１〜２４−ｎの並び方向における幅は、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する場合に、次数ｍの回折光と光軸ＯＡとがなす角が、隣接する二つの明部へ向かう方向間の角度差未満となるように設定されることが好ましい。これにより、光変調装置３は、液晶素子１１が波長板として動作したときに対象物に投影される明暗のパターンにおける明部の位置と、液晶素子１１が１次元回折格子として動作したときに対象物に投影される明暗のパターンにおける明部の位置とを異ならせることができる。特に、液晶素子１１による＋ｍ次の回折光が回折光学素子１２入射することで得られるパターンの明部と、液晶素子１１による−ｍ次の回折光が回折光学素子１２入射することで得られるパターンの明部とが、対象物において識別できない程度に重なることが好ましい。そのためには、マレシャル評価基準（Marechal criterion）の許容量である、ストレール比0.8以上となる条件を、対象物上で互いに重なるパターンの明部が満たすことが好ましい。この場合、部分電極２４−１〜２４−ｎの並び方向における幅pは、回折の条件式及び上記のストレール比に関する条件から、次式を満たすように設定される。
【数１】
2020160335.tif 000003
ここで、λは照明光の波長であり、Dは、回折光学素子１２に入射する照明光の直径である。また、fは、回折光学素子１２から対象物までの距離である。さらに、Δnは、液晶素子１１が回折素子として動作する際の、照明光に対する、隣接する部分電極に対応する液晶層２０の部分同士の屈折率の差である。
【００３２】
コントローラ１３は、例えば、一つまたは複数のプロセッサと、不揮発性の半導体メモリ及び揮発性の半導体メモリと、液晶素子１１を駆動するための駆動回路とを有する。そしてコントローラ１３は、液晶素子１１の液晶層２０に印加する電圧を制御することで、光変調装置３を透過した照明光に付与される空間的に周期的な明暗のパターンの明部の位置をシフトさせる。具体的に、コントローラ１３は、液晶素子１１を１次元回折格子として動作させる場合、透明電極２４の複数の部分電極２４−１〜２４−ｎの互いに隣接する二つの部分電極ごとに、その二つの部分電極の一方と対向する他方の透明電極との間に印加する電圧と、その二つの部分電極の他方と対向する他方の透明電極との間に印加する電圧とを互いに異ならせればよい。すなわち、コントローラ１３は、透明電極２４の複数の部分電極２４−１〜２４−ｎの互いに隣接する二つの部分電極ごとに、その二つの部分電極の一方と対向する透明電極２３との間の液晶層２０の部分と、その二つの部分電極の他方と対向する透明電極２３との間の液晶層２の部分との間に生じる光路差が入射する照明光の波長の非整数倍となる電圧を印加すればよい。さらに、コントローラ１３は、液晶素子１１を波長板として動作させる場合、複数の部分電極２４−１〜２４−ｎのそれぞれと対向する透明電極２３との間に、同一の電圧を印加すればよい。あるいは、コントローラ１３は、液晶素子１１を波長板として動作させる場合、透明電極２４の複数の部分電極２４−１〜２４−ｎの互いに隣接する二つの部分電極ごとに、その二つの部分電極の一方と対向する透明電極２３との間の液晶層２０の部分と、その二つの部分電極の他方と対向する透明電極２３との間の液晶層２の部分との間に生じる光路差が入射する照明光の波長の整数倍となる電圧を印加すればよい。
【００３３】
以上説明してきたように、この光変調装置は、光源から発した照明光に周期的な明暗のパターンを付与するために、照明光の経路に沿って、可変回折素子の一例である液晶素子と、入射した照明光に空間的に周期的な明暗のパターンを付与する回折光学素子とを有する。そしてこの光変調装置は、可変回折素子を波長板として動作させるか、１次元回折格子として動作させるかを切り替えることで、回折光学素子に入射する照明光の角度を変化させて、照明光に付与される明暗のパターンにおける明部の位置を変化させることができる。
【００３４】
上記の実施形態では、回折光学素子１２よりも光源１側に液晶素子１１が配置されているが、回折光学素子１２は液晶素子１１よりも光源１側に配置されてもよい。この場合も、光変調装置は、上記の実施形態と同様の機能及び効果を奏することができる。すなわち、液晶素子１１には、光源１からの照明光が回折光学素子１２に入射することで明暗のパターンが付与された照明光が入射する。そして液晶素子１１は、液晶素子１１が波長板として動作する場合において液晶素子１１から出射した照明光に対して付与された明暗のパターンにおける明部へ向かう方向に対して、液晶素子１１が１次元回折格子として動作して、入射した照明光に対して第１の角度をなす回折光が生じる場合において、明暗のパターンにおける明部へ向かう方向を部分電極の並び方向に沿ってその第１の角度に応じてシフトさせる。
【００３５】
なお、変形例によれば、光変調装置３は、光軸ＯＡに沿って並べて配置される二つの液晶素子を有していてもよい。そして各液晶素子は、それぞれ、コントローラ１３により印加される電圧の制御に応じて、波長板として動作するか、１次元回折格子として動作するかが切り替えられる。ただし、それら二つの液晶素子がそれぞれ１次元回折格子として動作する場合、二つの液晶素子のそれぞれは、互いに直交する方向へ向けて入射した光を回折させる。
【００３６】
図４は、この変形例による光変調装置における、二つの液晶素子の透明電極の配置の一例を示す図である。この変形例では、光変調装置４は、光変調装置４が配置される投影光学系の光軸ＯＡに沿って、光源側から順に、液晶素子１１と、液晶素子１４と、回折光学素子１２とを有する。なお、図４では、簡単化のために、コントローラの図示は省略される。なお、液晶素子１４は、可変回折素子の他の一例である。
【００３７】
この変形例による光変調装置４は、図１に示される光変調装置３と比較して、二つの液晶素子を有する点で相違する。そこで、以下では、この相違点について説明する。光変調装置４の他の構成要素については、上記の実施形態における対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００３８】
この変形例による液晶素子１１及び液晶素子１４は、上記の実施形態による液晶素子１１と同様の構成を有する。ただし、液晶素子１１の一方の透明電極が有する複数の部分電極２４−１〜２４−ｎが並ぶ第１の方向と、液晶素子１４の一方の透明電極が有する複数の部分電極２４−１〜２４−ｎが並ぶ第２の方向とは、互いに直交する。したがって、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する場合、回折光学素子１２により照明光に付与され、対象物上に投影される明暗のパターンにおける明部の位置は、液晶素子１１が波長板として動作する場合における、明暗のパターンにおける明部の位置に対して、第１の方向に沿ってシフトする。一方、液晶素子１４が１次元回折格子として動作する場合、回折光学素子１２により照明光に付与され、対象物上に投影される明暗のパターンにおける明部の位置は、液晶素子１４が波長板として動作する場合における、明暗のパターンにおける明部の位置に対して、第２の方向に沿ってシフトする。なお、液晶素子１４が１次元回折格子として動作する場合に生じる所定の次数の回折光が光軸ＯＡとなす角度は、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する場合に生じる所定の次数の回折光が光軸ＯＡとなす角度と同じでもよく、あるいは、異なっていてもよい。
【００３９】
図５は、この変形例による光変調装置４により得られる明暗のパターンの明部の位置と、液晶素子１１及び液晶素子１４の動作との関係の一例を示す図である。この例では、回折光学素子１２は、明暗のパターンとして、２次元のドットパターンを入射する照明光に付与する。このドットパターンにおいて、各ドットが明部である。また、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する際に照明光を回折する第１の方向は、ドットパターンにおける、互いに直交するドットの並び方向の一方（図５では、水平方向）と平行となり、液晶素子１４が１次元回折格子として動作する際に照明光を回折する第２の方向は、ドットパターンにおける、互いに直交するドットの並び方向の他方（図５では、垂直方向）と平行となるよう、第１及び第２の方向は設定される。なお、第１の方向及び第２の方向は、互いに直交するドットの並び方向の何れとも異なる方向、例えば、ドットの並び方向に対して所定角度だけ傾いた方向となるように設定されてもよい。
【００４０】
ドットパターン５０１は、液晶素子１１及び液晶素子１４の何れもが波長板として動作する場合に回折光学素子１２により照明光に付与される明暗のパターンを表す。これに対して、ドットパターン５０２は、液晶素子１１が１次元回折格子として動作し、液晶素子１４が波長板として動作する場合に回折光学素子１２により照明光に付与される明暗のパターンを表す。ドットパターン５０２では、各ドット５１２の位置が、ドットパターン５０１における各ドット５１１の位置に対して第１の方向（すなわち、水平方向）にシフトする。なお、この例では、液晶素子１１による＋ｍ次の回折光が回折光学素子１２入射することで得られるパターンの明部と、液晶素子１１による−ｍ次の回折光が回折光学素子１２入射することで得られるパターンの明部とが、対象物において識別できない程度に重なっている。同様に、液晶素子１４による＋ｍ次の回折光が回折光学素子１２入射することで得られるパターンの明部と、液晶素子１４による−ｍ次の回折光が回折光学素子１２入射することで得られるパターンの明部とが、対象物において識別できない程度に重なっている。
【００４１】
同様に、ドットパターン５０３は、液晶素子１１が波長板として動作し、液晶素子１４が１次元回折格子として動作する場合に回折光学素子１２により照明光に付与されるドットパターンを表す。ドットパターン５０３では、各ドット５１３の位置が、ドットパターン５０１における各ドット５１１の位置に対して第２の方向（すなわち、垂直方向）にシフトする。
【００４２】
さらに、ドットパターン５０４は、液晶素子１１及び液晶素子１４の何れもが１次元回折格子として動作する場合に回折光学素子１２により照明光に付与されるドットパターンを表す。ドットパターン５０４では、各ドット５１４の位置が、ドットパターン５０１における各ドット５１１の位置に対して第１の方向及び第２の方向の何れについてもシフトする。
【００４３】
このように、この変形例による光変調装置は、可変回折素子である二つの液晶素子に印加する電圧を制御することで、回折光学素子により照明光に付与される明暗のパターンの明部の位置を４通りに切り替えることができる。そのため、この変形例による光変調装置が構造化照明法に用いられることにより、対象物の形状をより精密に測定することが可能となる。
【００４４】
また他の変形例によれば、液晶素子は、応答速度がツイストネマティック液晶と比較して速い強誘電性液晶（Ferroelectric Liquid Crystal, FLC）を利用した液晶素子であってもよい。この場合も、液晶素子の二つの透明電極の一方は、上記の実施形態における液晶素子と同様に、光軸ＯＡと直交する面における所定の方向（すなわち、回折方向）に沿って並べられる複数の部分電極を有する。また、この場合、液晶素子は、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、液晶層を透過する直線偏光である照明光の偏光面を180°回転させるか否かを切り替える。すなわち、液晶層に封入されるFLC分子は、例えば、入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも所定の電圧だけ高い場合に、入射する照明光をそのまま透過させ、一方、出射側の透明電極の電位が入射側の透明電極の電位よりも所定の電圧だけ高い場合に、FLC分子は、入射する照明光の偏光面を180°回転させるように傾く。そのため、コントローラ１３は、いわゆるバイナリ変調によって液晶素子の二つの透明電極間に印加する電圧の極性を変えることで、液晶素子を透過する照明光の偏光方向を制御できる。さらに、液晶層のうちの透過する照明光の偏光面が180°回転する向きの電圧が印加された部分の屈折率と、その偏光面が回転しない向きの電圧が印加された部分の屈折率との間に差が生じる。したがって、コントローラ１３は、液晶素子の二つの透明電極の一方の複数の部分電極のうちの互いに隣接する部分電極ごとに、その部分電極と液晶層を挟んで対向する他方の透明電極との間に印加される電圧の極性を互いに反転させることで、上記の実施形態及び変形例と同様に、液晶素子を１次元回折格子として動作させることができる。一方、コントローラ１３は、液晶素子の二つの透明電極の一方の複数の部分電極のそれぞれと、液晶層を挟んで対向する他方の透明電極との間に印加される電圧の極性を互いに同じとすることで、液晶素子を波長板として動作させることができる。
【００４５】
図６（ａ）は、図４に示される光変調装置４の液晶素子１１及び液晶素子１４のそれぞれを、FLCを利用した液晶素子とした場合における、各液晶素子の部分電極の配置を表す図である。図６（ｂ）は、各液晶素子の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。そして図６（ｃ）は、各液晶素子に印加される電圧の極性と光変調装置４により得られる明暗のパターンの明部の位置との関係の一例を示す図である。
【００４６】
図６（ａ）に示されるように、この変形例でも、液晶素子１１の一方の透明電極２４が有する複数の部分電極２４−１〜２４−ｎが並ぶ第１の方向と、液晶素子１４の一方の透明電極が有する複数の部分電極２４−１〜２４−ｎが並ぶ第２の方向とは、互いに直交するように、液晶素子１１と液晶素子１４は配置される。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、説明の便宜上、液晶素子１１の複数の部分電極２４−１〜２４−ｎのうち、互いに隣接する二つの部分電極の一方を部分電極１Ａとして表し、互いに隣接する二つの部分電極の他方を部分電極１Ｂとして表す。同様に、液晶素子１４の複数の部分電極２４−１〜２４−ｎのうち、互いに隣接する二つの部分電極の一方を部分電極２Ａとして表し、互いに隣接する二つの部分電極の他方を部分電極２Ｂとして表す。
【００４７】
また、この例では、図５に示される例と同様に、回折光学素子１２は、明暗のパターンとして、２次元のドットパターンを入射する照明光に付与する。また、液晶素子１１が１次元回折格子として動作する際に照明光を回折する第１の方向は、ドットパターンにおける、互いに直交するドットの並び方向の一方（図６（ｃ）では、水平方向）と平行となり、液晶素子１４が１次元回折格子として動作する際に照明光を回折する第２の方向は、ドットパターンにおける、互いに直交するドットの並び方向の他方（図６（ｃ）では、垂直方向）と平行となるよう、第１及び第２の方向は設定される。なお、この変形例でも、第１の方向及び第２の方向は、互いに直交するドットの並び方向の何れとも異なる方向となるように設定されてもよい。
【００４８】
図６（ｂ）において、横軸は時間を表し、縦軸は、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極間に印加される電圧の大きさを表す。なお、電圧が正である場合、入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも高いことを表す。すなわち、電圧が正である場合、液晶層に含まれるFLC分子が、透過する照明光をそのまま透過させる方向を向く。一方、電圧が負である場合、入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも低いことを表す。すなわち、電圧が負である場合、液晶層に含まれるFLC分子が、透過する照明光の偏光面を180°回転させる方向を向く。
【００４９】
駆動波形６０１は、液晶素子１１の部分電極１Ａと対向する透明電極２３との間に印加される電圧の時間変化を表す。また、駆動波形６０２は、液晶素子１１の部分電極１Ｂと対向する透明電極２３との間に印加される電圧の時間変化を表す。同様に、駆動波形６０３は、液晶素子１４の部分電極２Ａと対向する透明電極２３との間に印加される電圧の時間変化を表し、駆動波形６０４は、液晶素子１４の部分電極２Ｂと対向する透明電極２３との間に印加される電圧の時間変化を表す。
【００５０】
期間t1では、液晶素子１１について、部分電極１Ａ及び部分電極１Ｂの何れについても、その部分電極と対向する透明電極との間に正の電圧が印加される。そのため、液晶素子１１は、波長板として動作する。同様に、液晶素子１４についても、部分電極２Ａ及び部分電極２Ｂの何れについても、その部分電極と対向する透明電極との間に正の電圧が印加される。そのため、液晶素子１４も、波長板として動作する。したがって、図６（ｃ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン６１１では、各ドット６２１の位置は、回折光学素子１２に光軸ＯＡに沿った照明光が入射した場合のそのドットの位置となる。
【００５１】
期間t2では、液晶素子１１について、部分電極１Ａ及び部分電極１Ｂの何れについても、その部分電極と対向する透明電極との間に正の電圧が印加される。そのため、液晶素子１１は、波長板として動作する。一方、液晶素子１４について、部分電極２Ａと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性と、部分電極２Ｂと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性とは互いに反転している。そのため、液晶素子１４は、１次元回折格子として動作する。したがって、図６（ｃ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン６１２では、各ドット６２２の位置が、ドットパターン６１１における各ドット６２１の位置に対して第２の方向（すなわち、垂直方向）にシフトする。
【００５２】
期間t3では、液晶素子１１について、部分電極１Ａと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性と、部分電極１Ｂと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性とは互いに反転している。そのため、液晶素子１１は、１次元回折格子として動作する。一方、液晶素子１４について、部分電極２Ａ及び部分電極２Ｂの何れについても、その部分電極と対向する透明電極との間に負の電圧が印加される。そのため、液晶素子１４は、波長板として動作する。したがって、図６（ｃ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン６１３では、各ドット６２３の位置が、ドットパターン６１１における各ドット６２１の位置に対して第１の方向（すなわち、水平方向）にシフトする。
【００５３】
期間t4では、液晶素子１１について、部分電極１Ａと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性と、部分電極１Ｂと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性とは互いに反転している。同様に、液晶素子１４について、部分電極２Ａと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性と、部分電極２Ｂと対向する透明電極との間に印加される電圧の極性とは互いに反転している。そのため、液晶素子１１及び液晶素子１４の何れも、１次元回折格子として動作する。したがって、図６（ｃ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン６１４では、各ドット６２４の位置が、ドットパターン６１１における各ドット６２１の位置に対して第１の方向及び第２の方向の何れについてもシフトする。
【００５４】
したがって、この変形例による光変調装置も、可変回折素子である二つの液晶素子に印加する電圧を制御することで、回折光学素子により照明光に付与される明暗のパターンの明部の位置を４通りに切り替えることができる。そのため、この変形例による光変調装置が構造化照明法に用いられることにより、対象物の形状をより精密に測定することが可能となる。さらに、この変形例による光変調装置では、応答速度が相対的に速いFLC素子が液晶素子として用いられるので、明暗のパターンにおける明部の位置の切り替えに要する時間を短縮することができる。
【００５５】
さらに他の変形例によれば、光変調装置が有する可変回折素子は、液晶層に印加される電圧の極性に応じて透過する照明光の偏光面を90°回転させるか否かを切り替え可能なFLC素子と、複屈折性を有する１次元回折格子とにより構成されてもよい。
【００５６】
図７は、この変形例による光変調装置の概略構成図である。なお、図７では、コントローラ１３の図示が省略されている。この変形例による光変調装置５は、光源側から順に、光軸ＯＡに沿って、二つの可変回折素子５１、５２と、回折光学素子１２とを有する。可変回折素子５１は、光源側から順に、液晶素子６１と、１次元回折格子６２とを有する。また、可変回折素子５２は、光源側から順に、液晶素子６３と、１次元回折格子６４とを有する。この変形例による光変調装置５は、図４に示される光変調装置４と比較して、二つの液晶素子１１、１４の代わりに、二つの可変回折素子５１、５２を有する点で相違する。そこで以下では、二つの可変回折素子５１、５２について説明する。光変調装置５のその他の構成要素については、上記の実施形態または変形例による光変調装置の対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００５７】
可変回折素子５１が有する液晶素子６１及び可変回折素子５２が有する液晶素子６３の何れも、FLCを利用した液晶素子である。すなわち、液晶層にはFLC分子が封入される。ただしこの例では、液晶素子６１及び液晶素子６３は、それぞれ、液晶層に印加される電圧の極性に応じて、透過する照明光の偏光面を90°回転させるか否かを切り替える。すなわち、液晶層を挟んで対向するように設けられる二つの透明電極のうちの入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも所定電圧以上高いと、液晶層を透過する照明光の偏光面は回転せず、一方、入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも所定電圧以上低いと、液晶層を透過する照明光の偏光面は90°回転するよう、液晶層に封入されるFLC分子は配向される。
【００５８】
また、液晶素子６１及び液晶素子６３では、液晶層を挟んで対向するように設けられる二つの透明電極は、何れも、照明光が透過する領域全体を覆う一つの電極で構成されればよい。したがって、コントローラ１３が液晶素子６１の液晶層に印加する電圧の極性を制御することで、液晶素子６１を透過する照明光全体の偏光面が90°回転するか否かが切り替わる。同様に、コントローラ１３が液晶素子６３の液晶層に印加する電圧の極性を制御することで、液晶素子６３を透過する照明光全体の偏光面が90°回転するか否かが切り替わる。
【００５９】
可変回折素子５１が有する１次元回折格子６２は、複屈折性を有し、光源から発した照明光の偏光方向と直交する方向の偏光成分を、光軸ＯＡと直交する面において第１の方向に沿って回折させ、一方、光源から発した照明光の偏光方向と平行な偏光成分についてはそのまま透過させる。そのために、１次元回折格子６２は、例えば、第１の方向において、所定のピッチで遅相軸が光源から発した照明光の偏光方向と直交する方向に向けられる部分と、遅相軸が光軸ＯＡと平行な方向を向く部分とを交互に有する。例えば、１次元回折格子６２は、液晶素子により構成される。この場合、１次元回折格子６２は、図１に示される液晶素子１１と同様に、液晶分子が封入される液晶層と、液晶層を挟んで対向するように設けられる二つの透明基板とを有する。そして液晶層では、第１の方向に沿って、液晶分子の長軸が光源から発した照明光の偏光方向と直交する方向を向くよう液晶分子が配向された部分と、液晶分子の長軸方向が光軸ＯＡと平行な方向、すなわち、二つの透明基板と直交する方向を向くように液晶分子が配向される部分とが所定のピッチで交互に設けられればよい。なお、所定のピッチは、図１に示される液晶素子１１の隣接する二つの透明電極の幅と同じとすることができる。これにより、１次元回折格子６２に対して、光源から発した照明光の偏光方向と直交する方向の偏光面を持つ光が入射すると、１次元回折格子６２は、第１の方向に沿ってその光を回折させる。一方、１次元回折格子６２に対して、光源から発した照明光の偏光方向と平行な偏光面を持つ光が入射すると、１次元回折格子６２は、その光を回折せずにそのまま透過させる。したがって、コントローラ１３が、液晶素子６１の液晶層に印加する電圧の極性を制御することで、可変回折素子５１は、波長板として動作するか、第１の方向に沿って光を回折させる１次元回折格子として動作するかが切り替えられる。
【００６０】
可変回折素子５２が有する１次元回折格子６４は、複屈折性を有し、光源から発した照明光の偏光方向と直交する方向の偏光成分を、光軸ＯＡと直交する面において、第１の方向と直交する第２の方向に沿って回折させ、一方、光源から発した照明光の偏光方向と平行な偏光成分についてはそのまま透過させる。そのために、１次元回折格子６４は、１次元回折格子６２と同様の構造を有する。ただし、１次元回折格子６４は、第２の方向において、所定のピッチで遅相軸が光源から発した照明光の偏光方向と直交する方向に向けられる部分と、遅相軸が光軸ＯＡと平行な方向を向く部分とを交互に有する。したがって、コントローラ１３が、液晶素子６３の液晶層に印加する電圧の極性を制御することで、可変回折素子５２は、波長板として動作するか、第２の方向に沿って光を回折させる１次元回折格子として動作するかが切り替えられる。なお、各１次元回折格子は、光源から発した照明光の偏光方向と平行な方向の偏光成分を回折させてもよい。この場合には、各１次元回折格子において、照明光を回折させる方向に沿って、遅相軸が光源から発した照明光の偏光方向と平行となる部分と、遅相軸が光軸ＯＡと平行な方向を向く部分とが、光軸ＯＡと直交する面において所定のピッチで交互に設けられればよい。
【００６１】
図８（ａ）は、液晶素子６１及び液晶素子６３の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。図８（ｂ）は、各液晶素子に印加される電圧の極性と光変調装置５により得られる明暗のパターンの明部の位置との関係の一例を示す図である。
【００６２】
なお、この例でも、回折光学素子１２は、明暗のパターンとして、２次元のドットパターンを入射する照明光に付与する。また、可変回折素子５１が１次元回折格子として動作する際に照明光を回折する第１の方向は、ドットパターンにおける、互いに直交するドットの並び方向の一方（図８（ｂ）では、垂直方向）と平行となる。一方、可変回折素子５２が１次元回折格子として動作する際に照明光を回折する第２の方向は、ドットパターンにおける、互いに直交するドットの並び方向の他方（図８（ｂ）では、水平方向）と平行となる。なお、この変形例でも、第１の方向及び第２の方向は、互いに直交するドットの並び方向の何れとも異なる方向となるように設定されてもよい。
【００６３】
図８（ａ）において、横軸は時間を表し、縦軸は、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極間に印加される電圧の大きさを表す。なお、電圧が正である場合、入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも高いことを表す。すなわち、電圧が正である場合、液晶層に含まれるFLC分子が、透過する照明光をそのまま透過させる方向を向く。一方、電圧が負である場合、入射側の透明電極の電位が出射側の透明電極の電位よりも低いことを表す。すなわち、電圧が負である場合、液晶層に含まれるFLC分子が、透過する照明光の偏光面を90°回転させる方向を向く。
【００６４】
駆動波形８０１は、液晶素子６１の二つの透明電極間に印加される電圧の時間変化を表す。また、駆動波形８０２は、液晶素子６３の二つの透明電極間に印加される電圧の時間変化を表す。
【００６５】
期間t1では、液晶素子６１及び液晶素子６３の何れについても、二つの透明電極の間に正の電圧が印加される。そのため、液晶素子６１及び液晶素子６３は、何れも、透過する照明光の偏光面を回転させないので、可変回折素子５１及び可変回折素子５２は、何れも波長板として動作する。したがって、図８（ｂ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン８１１では、各ドット８２１の位置は、回折光学素子１２に光軸ＯＡに沿った照明光が入射した場合のそのドットの位置となる。
【００６６】
期間t2では、液晶素子６１について、二つの透明電極の間に正の電圧が印加される。そのため、液晶素子６１は、透過する照明光の偏光面を回転させないので、可変回折素子５１は波長板として動作する。一方、液晶素子６３について、二つの透明電極の間に負の電圧が印加される。そのため、液晶素子６３は、透過する照明光の偏光面を90°回転させるので、可変回折素子５２は１次元回折格子として動作する。したがって、図８（ｂ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン８１２では、各ドット８２２の位置が、ドットパターン８１１における各ドット８２１の位置に対して第２の方向（すなわち、水平方向）にシフトする。
【００６７】
期間t3では、液晶素子６１について、二つの透明電極の間に負の電圧が印加される。そのため、液晶素子６１は、透過する照明光の偏光面を90°回転させるので、可変回折素子５１は１次元回折格子として動作する。一方、液晶素子６３についても、二つの透明電極の間に負の電圧が印加される。そのため、液晶素子６３は、透過する照明光の偏光面を逆向きに90°回転させる。その結果、液晶素子６３から出射した照明光の偏光面は、光源から発した直後の照明光の偏光面に対して平行となるので、可変回折素子５２は、波長板として動作する。したがって、図６（ｃ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン８１３では、各ドット８２３の位置が、ドットパターン８１１における各ドット８２１の位置に対して第１の方向（すなわち、垂直方向）にシフトする。
【００６８】
期間t4では、液晶素子６１について、二つの透明電極の間に負の電圧が印加される。そのため、液晶素子６１は、透過する照明光の偏光面を90°回転させるので、可変回折素子５１は１次元回折格子として動作する。一方、液晶素子６３について、二つの透明電極の間に正の電圧が印加される。そのため、液晶素子６３は、透過する照明光の偏光面を回転させないので、液晶素子６３から出射した照明光の偏光面は、光源から発した直後の照明光の偏光面に対して直交する。したがって、可変回折素子５２も、１次元回折格子として動作する。このことから、図８（ｃ）に示されるように、回折光学素子１２により得られるドットパターン８１４では、各ドット８２４の位置が、ドットパターン８１１における各ドット８２１の位置に対して第１の方向及び第２の方向の何れについてもシフトする。
なお、各１次元回折格子が、光源から発した照明光の偏光方向と平行な方向の偏光成分を回折させるよう構成されている場合には、コントローラ１３は、上記の各期間において、各液晶素子の液晶層に印加する電圧の極性を逆向きとすればよい。
【００６９】
したがって、この変形例による光変調装置も、図６（ａ）に示される光変調装置と同様の効果を有する。
【００７０】
また、これらの変形例においても、回折光学素子は、各液晶素子または各可変回折素子よりも光源側に配置されてもよい。この場合も、光変調装置は、上記の変形例と同様の機能及び効果を奏することができる。
【００７１】
以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００    照明装置
１    光源
２    投影光学系
３〜５    光変調装置
１１、１４    液晶素子
１２    回折光学素子
１３    コントローラ
５１、５２    可変回折素子
６１、６３    液晶素子
６２、６４    １次元回折格子
２０    液晶層
２１、２２    透明基板
２３、２４    透明電極
２５    液晶分子
２６    シール部材
２４−１〜２４−ｎ    部分電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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