(57)【要約】【課題】光に付与される空間的なパターンを変更可能な光変調装置を提供する。【解決手段】光変調装置５が有する二つの液晶素子（１１、１２）は、それぞれ、液晶層２０を挟んで対向する二つの透明電極（２３、２４）を有し、一方の透明電極は複数の部分電極を有する。複数の部分電極の幅または並び方向の少なくとも一方は液晶素子ごとに異なる。コントローラ１４は、一方の液晶素子について、連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加し、時間経過とともにそのパターンの位相を変化させ、かつ、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性を位相変化とともに交互に反転させる。そのため、各液晶素子を透過する光に部分電極の並び方向に沿った周期的なパターンの偏光分布が付与され、その光が偏光子１３を透過することで偏光分布が明暗の分布に変更される。【選択図】図１
2020160333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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第１の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記第１の液晶層に入射する所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光の偏光面の向きを第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で切り替える第１の液晶素子と、
第２の液晶層と、前記第２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第２の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記第２の液晶層に入射する、前記第１の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第３の偏光方向と第４の偏光方向との間で切り替える第２の液晶素子と、
透過軸が前記第３の偏光方向及び前記第４の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、前記第２の液晶素子から出射した前記光のうちの前記透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、
前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の何れか一方について、前記少なくとも一方の透明電極の前記複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、当該部分電極の組と対向する他方の前記透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じて当該パターンの位相を変化させ、かつ、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の他方について、前記二つの透明電極間に印加する電圧の極性を前記パターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の前記一方を切り替え可能なコントローラと、
を有し、
前記第１の方向と前記第２の方向が互いに異なるか、または、前記第１の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第１の方向における幅と前記第２の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第２の方向における幅が異なる光変調装置。
【請求項２】
前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の少なくとも一方の前記二つの透明電極のうちの他方は、複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極は第３の方向に沿って並べて配置され、
前記コントローラは、前記一方の液晶素子の前記二つの透明電極の何れか一方について、前記複数の部分電極のうちの連続する前記所定数の部分電極の組ごとに、当該部分電極の組と対向する他方の前記透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じて当該パターンの位相を変化させ、かつ、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の他方について、前記二つの透明電極間に印加する電圧の極性を前記パターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、前記一方の液晶素子の前記二つの透明電極の前記一方を切り替え可能であり、
前記第３の方向は前記第１の方向及び前記第２の方向と異なるか、または、前記二つの透明電極のうちの他方が有する前記複数の部分電極の前記第３の方向における幅は、前記第１の液晶素子の前記二つの透明電極のうちの前記一方の前記複数の部分電極の前記第１の方向における幅及び前記第２の液晶素子の前記二つの透明電極のうちの前記一方の前記複数の部分電極の前記第２の方向における幅と異なる、請求項１に記載の光変調装置。
【請求項３】
所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光を発する光源と、
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第１の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記光源から発し、かつ、前記第１の液晶層に入射した光の偏光面の向きを第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で切り替える第１の液晶素子と、
第２の液晶層と、前記第２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第２の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記第２の液晶層に入射する、前記第１の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第３の偏光方向と第４の偏光方向との間で切り替える第２の液晶素子と、
透過軸が前記第３の偏光方向及び前記第４の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、前記第２の液晶素子から出射した前記光のうちの前記透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、
前記偏光子から出射した光を対象物へ投影する光学系と、
前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の何れか一方について、前記少なくとも一方の透明電極の前記複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、当該部分電極の組と対向する他方の前記透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じて当該パターンの空間的な位相を変化させ、かつ、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の他方について、前記二つの透明電極間に印加する電圧の極性を前記パターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子の前記一方を切り替え可能なコントローラと、
を有し、
前記第１の方向と前記第２の方向が互いに異なるか、または、前記第１の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第１の方向における幅と前記第２の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第２の方向における幅が異なる照明装置。
【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及びそのような光変調装置を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の形状を測定する技術の一つとして、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、形状測定装置は、対象物に対して空間的に周期的なパターンを持つ照明光を照射し、かつ、そのパターンの位相を変えながら（すなわち、周期方向に沿ってパターンを移動させながら）対象物を複数回撮影することで、対象物に照射されたパターンの位相が異なる複数の画像を得る。そして形状測定装置は、その複数の画像から、対象物の表面上の各点の高さに応じたパターンの位相をもとめ、各点の位相から高さを求めることで、対象物の表面の形状を求める。
【０００３】
対象物に照射する照明光のパターンの位相の変化は、例えば、透過する光に対して周期的なパターンを与える格子を光源と対象物の間に配置し、格子をピエゾ素子などの機械的な機構を用いて移動させることにより行われる。しかし、このような機械的な機構を用いて対象物に照射するパターンの位相変化量を正確に設定するためには、その機構の動作を精密に制御する必要がある。そこで、機械的な機構を用いずに、光源と対象物の間に液晶素子を配置し、液晶素子に表示させる周期的なパターンの位置をずらすことで、対象物に照射するパターンの位相変化量を調節する技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
対象物の形状を精度良く計測するためには、対象物の形状変化の細かさに応じて、照射されるパターンも変更可能なことが好ましい。例えば、形状変化が緩やかな対象物に対しては、比較的周期の長いパターンが照射されることが好ましく、一方、微細な形状変化を持つ対象物に対しては、比較的周期の短いパターンが照射されることが好ましい。この点について、特許文献１に開示された技術は、液晶素子に設けられるN本のストライプ電極をn本のストライプ電極を含むグループごとに分割することで、正弦波格子の幅とピッチを可変にできる。しかし、正弦波格子の幅及びピッチは、各ストライプ電極の幅の整数倍に制限される。
【０００６】
そこで、本発明は、光に付与される空間的なパターンを変更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】
【０００７】
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、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の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、第１の液晶層に入射する所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光の偏光面の向きを第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で切り替える第１の液晶素子と、第２の液晶層と、第２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２の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、第２の液晶層に入射する、第１の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第３の偏光方向と第４の偏光方向との間で切り替える第２の液晶素子と、透過軸が第３の偏光方向及び第４の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、第２の液晶素子から出射した光のうちの透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、第１の液晶素子及び第２の液晶素子の何れか一方について、少なくとも一方の透明電極の複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じてそのパターンの位相を変化させ、かつ、第１の液晶素子及び第２の液晶素子の他方について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をそのパターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、第１の液晶素子及び第２の液晶素子の前記一方を切り替え可能なコントローラとを有し、第１の方向と第２の方向が互いに異なるか、または、第１の液晶素子の複数の部分電極の第１の方向における幅と第２の液晶素子の複数の部分電極の第２の方向における幅が異なる。
【０００８】
この光変調装置において、第１の液晶素子及び第２の液晶素子のうちの少なくとも一方の二つの透明電極のうちの他方は、複数の部分電極を有し、その複数の部分電極は第３の方向に沿って並べて配置され、コントローラは、その一方の液晶素子の二つの透明電極の何れか一方について、複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じてそのパターンの空間的な位相を変化させ、かつ、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をそのパターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、一方の液晶素子の二つの透明電極の一方を切り替え可能であることが好ましい。そして第３の方向は第１の方向及び第２の方向と異なるか、または、二つの透明電極のうちの他方が有する複数の部分電極の第３の方向における幅は、第１の液晶素子の二つの透明電極のうちの一方の複数の部分電極の第１の方向における幅及び第２の液晶素子の二つの透明電極のうちの一方の複数の部分電極の第２の方向における幅と異なることが好ましい。
【０００９】
本発明の他の側面によれば、照明装置が提供される。この照明装置は、所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光を発する光源と、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の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、光源から発し、かつ、第１の液晶層に入射した光の偏光面の向きを第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で切り替える第１の液晶素子と、第２の液晶層と、第２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２の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、第２の液晶層に入射する、第１の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第３の偏光方向と第４の偏光方向との間で切り替える第２の液晶素子と、透過軸が第３の偏光方向及び第４の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、第２の液晶素子から出射した光のうちの透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、偏光子から出射した光を対象物へ投影する光学系と、第１の液晶素子及び第２の液晶素子の何れか一方について、少なくとも一方の透明電極の複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じてそのパターンの位相を変化させ、かつ、第１の液晶素子及び第２の液晶素子の他方について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をそのパターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、第１の液晶素子及び第２の液晶素子の一方を切り替え可能なコントローラとを有し、第１の方向と第２の方向が互いに異なるか、または、第１の液晶素子の複数の部分電極の第１の方向における幅と第２の液晶素子の複数の部分電極の第２の方向における幅が異なる。
【発明の効果】
【００１０】
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を変更できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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、液晶素子を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３】入射側から見た、二つの液晶素子のそれぞれの部分電極の配置パターンを表す図である。
【図４】液晶素子の透明電極間の液晶層に印加される電圧の極性と、ＦＬＣ分子の長軸方向との関係の説明図である。
【図５】一方の液晶素子により照明光に空間的なパターンが付与される場合における、コントローラによる、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。
【図６】他方の液晶素子により照明光に空間的なパターンが付与される場合における、コントローラによる、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。
【図７】変形例による部分電極配置を示す、光軸を通る面における、二つの液晶素子の概略側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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空間的に周期的なパターンを付与するために、照明光の経路に沿って並べられる二つの液晶素子と、偏光子と、コントローラとを有する。二つの液晶素子は、それぞれ、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極を有し、一方の透明電極は所定の方向に沿って並べて配置される複数の部分電極を有する。その並び方向における、複数の部分電極の幅は液晶素子ごとに異なる。コントローラは、一方の液晶素子について、連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加し、時間経過とともにそのパターンの位相を変化させる。また、コントローラは、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をパターンの位相変化とともに交互に反転させる。そのため、各液晶素子を透過する光に部分電極の並び方向に沿った周期的なパターンの偏光分布が付与され、その光が偏光子を透過することで偏光分布が明暗の分布に変更される。さらに、コントローラが、周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加する液晶素子を切り替えることで、二つの液晶素子を透過する光に付与されるパターンの周期が切り替えられる。
【００１３】
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、発光素子１と、コリメータ２と、偏光子３と、投影レンズ４と、光変調装置５とを有する。コリメータ２と投影レンズ４とは照明光学系を構成し、光変調装置５は、例えば、照明光学系のコリメータ２と投影レンズ４の間に配置され、発光素子１側から順に、照明光学系の光軸ＯＡに沿って、二つの液晶素子１１、１２と、偏光子１３とを有する。さらに、光変調装置５は、二つの液晶素子１１、１２を駆動するためのコントローラ１４を有する。
【００１４】
発光素子１は、照明光を出力する。そのために、発光素子１は、例えば、発光ダイオードあるいはハロゲンランプとすることができる。あるいは、発光素子１は、半導体レーザといった直線偏光を持つ光を出力する素子であってもよい。発光素子１が直線偏光を持つ光を出力する発光素子である場合、偏光子３は省略されてもよい。
【００１５】
発光素子１から発した照明光は、コリメータ２により平行光化されて偏光子３に入射する。
【００１６】
偏光子３は、発光素子１とともに光源を形成する。そして偏光子３は、発光素子１から発し、偏光子３に入射した照明光のうち、所定の透過軸に沿った偏光面を持つ偏光成分のみを透過させる。これにより、偏光子３を透過した照明光は、偏光子３の透過軸に沿った偏光面を持つ直線偏光となる。そして偏光子３を透過した照明光は液晶素子１１に入射する。
【００１７】
液晶素子１１は、第１の液晶素子の一例であり、液晶素子１１を透過する照明光の偏光方向を制御して、対象物に照射するパターンに応じた偏光分布を照明光に付与することが可能となっている。液晶素子１１は、例えば、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）を用いた液晶素子である。液晶素子１１は、FLCを含む液晶層と、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する。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する。そして液晶素子１１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、入射側から見て時計回りあるいは反時計回りに９０°回転させるか否かを切り替える。すなわち、液晶素子１１は、照明光の偏光面の向きを、二つの偏光方向（この例では、入射する偏光面の向きと平行な偏光方向と入射する偏光面の向きと直交する偏光方向）の間で切り替える。
【００１８】
液晶素子１１を透過した照明光は、液晶素子１２に入射する。
【００１９】
液晶素子１２は、第２の液晶素子の一例である。液晶素子１２も、液晶素子１１と同様に、液晶素子１２を透過する照明光の偏光方向を制御して、対象物に照射するパターンに応じた偏光分布を照明光に付与することが可能となっている。液晶素子１２も、液晶素子１１と同様に、例えば、FLCを用いた液晶素子であり、透明電極の一方が有する複数の部分電極の配置を除いて、液晶素子１１と同じ構成を有する。液晶素子１１及び液晶素子１２の構成の詳細については後述する。なお、以下の説明では、入射側から見て、偏光面が反時計回りに回転する方向を正で表し、逆方向を負で表す。しかし、液晶素子１１及び液晶素子１２は、以下の説明とは逆向きに偏光面を回転させてもよい。また、液晶素子１１及び液晶素子１２による、偏光面の回転角は９０°に限られず、例えば、８０°または１００°であってもよい。その際、液晶素子１１による偏光面の回転角の絶対値と、液晶素子１２による偏光面の回転角の絶対値とは、等しくてもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。さらに、液晶素子１１の液晶層に封入されるFLC分子は、その液晶層に印加される電極の極性によらず、入射する照明光の偏光面をその偏光面の向きと異なる方向に回転させるよう配向されてもよい。例えば、液晶素子１１の液晶層に対して、光源側の電位が液晶素子１２側の電位よりも高い電圧が印加される場合、液晶素子１１は、入射する照明光の偏光面に対して角度αをなすよう偏光面を回転させ、一方、光源側の電位が液晶素子１２側の電位よりも低い電圧が印加される場合、液晶素子１１は、入射する照明光の偏光面に対して角度（α＋90°）をなすよう偏光面を回転させるよう、FLC分子が配向されてもよい。同様に、液晶素子１２の液晶層に封入されるFLC分子は、その液晶層に印加される電極の極性によらず、液晶素子１１から出射した照明光の偏光面をその偏光面の向きと異なる方向に回転させるよう配向されてもよい。例えば、液晶素子１２の液晶層に対して、光源側の電位が投影レンズ４側の電位よりも高い電圧が印加される場合、液晶素子１２は、入射する照明光の偏光面（液晶素子１１により所定角度回転させられているか否かに関わらず）に対して角度βをなすよう偏光面を回転させ、一方、光源側の電位が投影レンズ４側の電位よりも低い電圧が印加される場合、液晶素子１２は、入射する照明光の偏光面（液晶素子１１により所定角度回転させられているか否かに関わらず）に対して角度（β±90°）をなすよう偏光面を回転させるよう、FLC分子が配向されてもよい。
【００２０】
液晶素子１２を透過した照明光は偏光子１３に入射する。
【００２１】
偏光子１３は、液晶素子１２を透過し、偏光子１３に入射した照明光のうち、所定の透過軸に沿った偏光面を持つ偏光成分のみを透過させる。例えば、偏光子１３は、その透過軸が液晶素子１１及び液晶素子１２を透過した照明光の偏光面がとり得る向きの何れか一方と平行または直交するように配置されればよい。本実施形態では、偏光子１３の透過軸が偏光子３の透過軸と直交するように、偏光子１３は配置される。
【００２２】
上記のように、液晶素子１１及び液晶素子１２を透過した照明光の偏光面は、その二つの液晶素子の何れか一方に付与された周期的なパターンに応じて、空間的、かつ、周期的に変化する。したがって、その照明光が偏光子１３を透過することで、その照明光は、その二つの液晶素子の何れか一方に付与された偏光分布のパターンに応じた、周期的に明るさが変化するパターンを持つ。
【００２３】
偏光子１３から出射した照明光は、投影レンズ４により、例えば、対象物上に照明光が持つパターンが結像するように投影される。
【００２４】
コントローラ１４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及び液晶素子１２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１４は、液晶素子１１及び液晶素子１２のそれぞれの液晶層に印加する電圧を制御することで、光変調装置５を透過した照明光に空間的なパターンな付与するとともに、そのパターンの空間的な位相シフト量を時間とともに変化させる。具体的に、コントローラ１４は、液晶素子１１及び液晶素子１２の何れか一方について、一方の透明電極の複数の部分電極のうちの連続する所定数（例えば、４）の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加する。さらに、コントローラ１４は、時間経過とともに（例えば、所定の時間周期ごとに）、そのパターンの位相を変化させる。その際、パターンの位相は、例えば、π/2ごとに変更される。なお、この周期的なパターンは、光変調装置５を透過した照明光に付与される空間的なパターンに対応する。また、コントローラ１４は、液晶素子１１及び液晶素子１２の他方について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性を、上記の位相変化のタイミングごとに反転させる。さらに、コントローラ１４は、例えば、ユーザインターフェース（図示せず）を介したユーザの操作、あるいは、コントローラ１４と通信可能に接続される機器から受信した操作信号に従って、周期的なパターンを付与する液晶素子を切り替え可能となっている。さらにまた、コントローラ１４は、ユーザの操作または受信した操作信号に従って、周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加する単位となる、連続する部分電極の数を、周期的なパターンを表すことができる範囲（例えば、３、４、６、８等）で変更してもよい。なお、コントローラ１４による、各液晶素子に対する電圧制御の詳細については後述する。
【００２５】
上記のように、液晶素子１１と液晶素子１２とは、一方の透明電極が有する各部分電極の配置が相違する。そこで以下では、液晶素子１１及び液晶素子１２のうち、液晶素子１１の構造について詳細に説明し、液晶素子１２については、部分電極の配置に関する相違点について説明する。
【００２６】
図２（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２（ｂ）は、図２（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１４により印加される電圧の極性、すなわち、電圧の向きに応じて、入射した照明光の偏光面を回転させずにそのまま入射光を透過させるか、あるいは、半波長板として動作して、透過する照明光の偏光面を90°回転させる。
【００２７】
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FLC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。
【００２８】
透明基板２１、２２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、発光素子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。
【００２９】
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を中心とする放射方向（以下、単に放射方向と呼ぶ）に沿って並べて配置される複数の部分電極２４−１〜２４−ｎ（ｎは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数）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。すなわち、複数の部分電極２４−１〜２４−ｎは、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成される。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２（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。本実施形態では、各部分電極は、放射方向に沿って同じ幅を持つ。なお、各部分電極は、放射方向に沿って異なる幅を有していてもよい。例えば、照明光に付与される空間的なパターンが、cos[Qx]またはcos[Rx2]といった関数により規定される場合、複数の部分電極の幅は、それらの関数に応じて決定されればよい。ここで、ｘは、部分電極の並び方向における位置を表す座標であり、例えば、光軸ＯＡ上の位置を原点として規定される。ＱおよびＲは任意の係数である。光変調装置は、例えば、このような関数の戻り値が正となる座標を明部、戻り値が負となる座標を暗部とする周期的なパターンを付与すればよいので、各部分電極の幅は、設定された個々の位相シフト量について、このような関数の戻り値が正となる座標の区間と負となる座標の区間に対応するように設定されればよい。透明電極２３も、透明電極２４と同様に、光軸ＯＡを中心とする同心円状で輪帯状に形成され、かつ、部分電極２４−ｋ（ｋ＝１〜ｎ）と同じ幅を持つ複数の部分電極を有してもよい。あるいは、透明電極２３が、光軸ＯＡを中心とする同心円状で輪帯状に形成され、かつ、上記のように設定される幅を持つ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。
【００３０】
液晶層２０のFLC分子２５の長軸方向は、例えば、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも所定の電圧だけ高い場合に、偏光子３の透過軸に対して平行となる。したがって、この場合には、液晶素子１１を透過した照明光の偏光面は回転しない。
【００３１】
一方、出射側の透明電極２４の電位が入射側の透明電極２３の電位よりも所定の電圧だけ高い場合に、偏光子３の透過軸に対してFLC分子２５の長軸方向は４５°傾く。したがって、この場合には、液晶素子１１は、半波長板として動作して、液晶素子１１を透過した照明光の偏光面は９０°回転する。したがって、コントローラ１４は、いわゆるバイナリ変調によって液晶素子１１の透明電極２３と透明電極２４間に印加する電圧の極性を変えることで、液晶素子１１を透過する照明光の偏光方向を制御できる。
【００３２】
本実施形態では、コントローラ１４は、透明電極２４の連続する所定数（例えば、４）の部分電極の組ごとに、放射方向に沿って周期的な一つの偏光分布のパターン（例えば、偏光方向が矩形波状に変化するパターン）が液晶素子１１を透過する照明光に付与されるように、透明電極２３と透明電極２４間に印加される電圧を制御する。これにより、液晶素子１１を透過した照明光には、放射方向に沿って周期的な偏光分布のパターンが付与される。なお、コントローラ１４による電圧制御の詳細については後述する。
【００３３】
上記のように、液晶素子１２も、液晶素子１１と同様の構成を有する。ただし、液晶素子１２の一方の透明電極が有する、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ、輪帯状の複数の部分電極の放射方向に沿った幅は、液晶素子１１の部分電極２４−１〜２４−ｎの放射方向に沿った幅と異なる。したがって、液晶素子１２を透過する照明光には、その放射方向において、液晶素子１１により付与される周期とは異なる周期の偏光分布のパターンが付与される。
【００３４】
図３は、入射側から見た、液晶素子１１及び液晶素子１２のそれぞれの部分電極の配置パターンを表す図である。この例では、液晶素子１１に設けられる複数の部分電極２４−１〜２４−ｎ（図３では、ｎ＝１２）の放射方向の幅は、液晶素子１２に設けられる複数の部分電極３４−１〜３４−ｍ（ただし、ｍは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数、図３では、ｍ＝８）の放射方向の幅よりも狭い。そのため、液晶素子１１の複数の部分電極２４−１〜２４−ｎのうちの連続する４個の部分電極を含む組２４ａ、２４ｂ、２４ｃにより照明光に付与される偏光分布パターンの放射方向における周期β1は、液晶素子１２の複数の部分電極３４−１〜３４−ｍのうちの連続する４個の部分電極を含む組３４ａ、３４ｂにより照明光に付与される偏光分布パターンの放射方向における周期β2よりも短い。
【００３５】
本実施形態では、周期β1と周期β2とは、独立に設定可能である。例えば、周期β２は周期β１の整数倍（例えば、２、３、４倍など）とすることができる。あるいは、周期β２は、周期β１の整数倍でなくてもよい。このように、光変調装置５は、照明光に付与することが可能なパターンの周期の組み合わせの自由度を高くすることができる。
【００３６】
図４は、液晶素子１１の透明電極間の液晶層に印加される電圧の極性と、ＦＬＣ分子２５の長軸方向との関係の説明図である。図４では、説明の便宜上、一つの部分電極の組（部分電極２４−１〜２４−４）について図示される。図４において、グラフ４００は、透明電極２３と透明電極２４間に印加される電圧を表す。グラフ４００では、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも高い場合に、電圧は正で表され、逆に、入射側の透明電極２３の電位が出射側の透明電極２４の電位よりも低い場合に、電圧は負で表される。この例では、部分電極２４−１及び２４−４に相当する位置では、液晶層２０に正の電圧が印加されるので、FLC分子２５の長軸方向は、偏光子３の透過軸に対して平行となる。したがって、液晶層２０のうち、部分電極２４−１と透明電極２３との間に挟まれた部分、または、部分電極２４−４と透明電極２３との間に挟まれた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、部分電極２４−２及び２４−３に相当する位置では、液晶層２０に負の電圧が印加されるので、FLC分子２５の長軸方向は、偏光子３の透過軸に対して４５°傾く。したがって、液晶層２０のうち、部分電極２４−２と透明電極２３との間に挟まれた部分、または、部分電極２４−３と透明電極２３との間に挟まれた部分を透過する照明光の偏光面は９０°回転する。
【００３７】
図５は、液晶素子１１により照明光に空間的なパターン（すなわち、放射方向において周期β1を持つ周期的な矩形波状となり、かつ、光軸ＯＡと直交する面において同心円状のパターン）が付与される場合における、コントローラ１４による、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。なお、図５では、一つのパターンに相当する、連続する４個の部分電極２４−１〜２４−４の組についての電圧を示す。図５において、横軸は時間を表し、縦軸は、電圧の大きさを表す。この例では、期間t1〜t4のそれぞれごとに、照明光に付与されるパターンの位相がπ/2ずつ変化する。なお、期間t1〜t4の長さは同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。また、電圧が正である場合（すなわち、透明電極２３の電位が透明電極２４の電位よりも高い場合）、電圧が印加される液晶層２０に含まれるFLC分子２５の長軸方向が偏光子３の透過軸と平行となる。一方、電圧が負である場合（すなわち、透明電極２３の電位が透明電極２４の電位よりも低い場合）、電圧が印加される液晶層２０に含まれるFLC分子２５の長軸方向が偏光子３の透過軸に対して４５°傾く。
【００３８】
駆動波形５０１は、液晶素子１１の部分電極２４−１と透明電極２３間に印加される電圧の時間変化を表す。同様に、駆動波形５０２〜５０４は、それぞれ、液晶素子１１の部分電極２４−２〜２４−４と透明電極２３間に印加される電圧の時間変化を表す。また、駆動波形５０５は、液晶素子１２の二つの透明電極（すなわち、部分電極３４−１〜３４−ｍと対向する透明電極）間に印加される電圧の時間変化を表す。なお、本実施形態では、液晶素子１１により照明光に空間的なパターンが付与される場合には、液晶素子１２については、一方の透明電極が有する全ての部分電極３４−１〜３４−ｍと他方の透明電極間に同じ電圧が印加されればよい。
【００３９】
期間t1では、液晶素子１１について、部分電極２４−１と部分電極２４−４について負の電圧となり、部分電極２４−２と部分電極２４−３について正の電圧となる。したがって、液晶素子１１について、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が９０°回転する。一方、液晶層２０のうちの部分電極２４−２または部分電極２４−３が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。また、液晶素子１２について、二つの透明電極間に負の電圧が印加されるので、照明光のうち、液晶素子１１において偏光面が９０°回転した部分の光束は、液晶素子１２の液晶層を透過することでその偏光面は−９０°回転して偏光面の向きが元に戻る。一方、液晶素子１１において偏光面が回転しない部分の光束は、液晶素子１２の液晶層を透過することでその偏光面は９０°回転する。したがって、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−４が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子１１に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。一方、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−２または部分電極２４−３が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。したがって、期間t1では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン５１１は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、暗→明→明→暗というパターンとなる。
【００４０】
同様に、期間t2では、液晶素子１１について、部分電極２４−３と部分電極２４−４について負の電圧となり、部分電極２４−１と部分電極２４−２について正の電圧となる。したがって、液晶素子１１について、液晶層２０のうちの部分電極２４−３または部分電極２４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が９０°回転する。一方、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−２が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子１２について、二つの透明電極間に正の電圧が印加されるので、液晶素子１２の液晶層を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−３または部分電極２４−４が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。一方、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−２が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。したがって、期間t2では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン５１２は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、暗→暗→明→明というパターンとなる。
【００４１】
さらに、期間t3では、液晶素子１１について、部分電極２４−１と部分電極２４−４について正の電圧となり、部分電極２４−２と部分電極２４−３について負の電圧となる。したがって、液晶素子１１について、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶層２０のうちの部分電極２４−２または部分電極２４−３が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は９０°回転する。また、液晶素子１２について、二つの透明電極間に負の電圧が印加されるので、照明光のうち、液晶素子１１において偏光面が９０°回転した部分の光束は、液晶素子１２の液晶層を透過することでその偏光面は−９０°回転して偏光面の向きが元に戻る。一方、照明光のうち、液晶素子１１において偏光面が回転しない部分の光束は、液晶素子１２の液晶層を透過することでその偏光面は９０°回転する。したがって、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−４が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。一方、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−２または部分電極２４−３が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子１１に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。したがって、期間t3では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン５１３は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、明→暗→暗→明というパターンとなる。
【００４２】
そして期間t4では、液晶素子１１について、部分電極２４−１と部分電極２４−２について負の電圧となり、部分電極２４−３と部分電極２４−４について正の電圧となる。したがって、液晶素子１１について、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−２が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が９０°回転する。一方、液晶層２０のうちの部分電極２４−３または部分電極２４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子１２について、二つの透明電極間に正の電圧が印加されるので、液晶素子１２の液晶層を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−１または部分電極２４−２が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。一方、液晶素子１１における、液晶層２０のうちの部分電極２４−３または部分電極２４−４が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子１２の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。したがって、期間t4では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン５１４は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、明→明→暗→暗というパターンとなる。
【００４３】
このように、期間t1からt4にかけて、放射方向に沿って矩形波状のパターンの位相は、π/2ごとに変化する。
【００４４】
図６は、液晶素子１２により照明光に空間的なパターン（すなわち、放射方向に沿って周期β2を持つ周期的な矩形波状となり、かつ、光軸ＯＡと直交する面において同心円状のパターン）が付与される場合における、コントローラ１４による、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。なお、図６では、一つのパターンに相当する、連続する４個の部分電極３４−１〜３４−４の組についての電圧を示す。図６において、横軸は時間を表し、縦軸は、電圧の大きさを表す。なお、電圧が正である場合、電圧が印加される液晶層に含まれるFLC分子の長軸方向が偏光子３の透過軸と平行となる。一方、電圧が負である場合、電圧が印加される液晶層に含まれるFLC分子の長軸方向が偏光子３の透過軸に対して４５°傾く。
【００４５】
駆動波形６０１は、液晶素子１１の二つの透明電極２３、２４間に印加される電圧の時間変化を表す。本実施形態では、液晶素子１２により照明光に空間的なパターンが付与される場合には、液晶素子１１については、透明電極２４が有する全ての部分電極２４−１〜２４−ｎと他方の透明電極２３間に同じ電圧が印加される。駆動波形６０２は、液晶素子１２の部分電極３４−１と他方の透明電極間に印加される電圧の時間変化を表す。同様に、駆動波形６０３〜６０５は、それぞれ、液晶素子１２の部分電極３４−２〜３４−４と他方の透明電極間に印加される電圧の時間変化を表す。
【００４６】
期間t1では、液晶素子１１について、二つの透明電極２３、２４間に負の電圧が印加されるので、液晶素子１１の液晶層２０を透過する照明光の偏光面は９０°回転する。一方、液晶素子１２について、部分電極３４−１と部分電極３４−４について負の電圧となり、部分電極３４−２と部分電極３４−３について正の電圧となる。したがって、液晶素子１２について、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が−９０°回転する。一方、液晶層のうちの部分電極３４−２または部分電極３４−３が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−４が設けられた部分を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子１１に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。一方、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−２または部分電極３４−３が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。したがって、期間t1では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン６１１は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、暗→明→明→暗というパターンとなる。
【００４７】
同様に、期間t2では、液晶素子１１について、二つの透明電極２３、２４間に正の電圧が印加されるので、液晶素子１１の液晶層２０を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子１２について、部分電極３４−３と部分電極３４−４について負の電圧となり、部分電極３４−１と部分電極３４−２について正の電圧となる。したがって、液晶素子１２について、液晶層のうちの部分電極３４−３または部分電極３４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が９０°回転する。一方、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−２が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−３または部分電極３４−４が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。一方、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−２が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。したがって、期間t2では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン６１２は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、暗→暗→明→明というパターンとなる。
【００４８】
さらに、期間t3では、液晶素子１１について、二つの透明電極２３、２４間に負の電圧が印加されるので、液晶素子１１の液晶層２０を透過する照明光の偏光面は９０°回転する。一方、液晶素子１２について、部分電極３４−１と部分電極３４−４について正の電圧となり、部分電極３４−２と部分電極３４−３について負の電圧となる。したがって、液晶素子１２について、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶層のうちの部分電極３４−２または部分電極３４−３が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は−９０°回転する。したがって、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−４が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。一方、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−２または部分電極３４−３が設けられた部分を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子１１に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。したがって、期間t3では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン６１３は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、明→暗→暗→明というパターンとなる。
【００４９】
そして期間t4では、液晶素子１１について、二つの透明電極２３、２４間に正の電圧が印加されるので、液晶素子１１の液晶層２０を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子１２について、部分電極３４−１と部分電極３４−２について負の電圧となり、部分電極３４−３と部分電極３４−４について正の電圧となる。したがって、液晶素子１２について、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−２が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が９０°回転する。一方、液晶層のうちの部分電極３４−３または部分電極３４−４が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−１または部分電極３４−２が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して９０°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と平行となる。一方、液晶素子１１の液晶層２０を透過し、かつ、液晶素子１２における、液晶層のうちの部分電極３４−３または部分電極３４−４が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子１１に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子１３の透過軸と直交する。したがって、期間t4では、照明光が偏光子１３を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン６１４は、光軸ＯＡに近い方から放射方向に沿って順に、明→明→暗→暗というパターンとなる。
【００５０】
したがって、この場合も、期間t1からt4にかけて、放射方向に沿って矩形波状のパターンの位相は、π/2ごとに変化する。
【００５１】
このように、コントローラ１４は、期間t1〜t4を一つの時間周期として各液晶素子に印加する電圧を制御することで、照明光に付与される、放射方向に沿って明暗が矩形波状に変化するパターンの空間的な位相をπ/2ずつシフトさせることができる。さらに、コントローラ１４は、各液晶素子に印加する電圧の制御を切り替えるだけで、照明光に付与する空間的なパターンの周期を切り替えることができる。
【００５２】
以上説明してきたように、この光変調装置は、光軸に沿って並べて配置される二つの液晶素子を有し、液晶素子のそれぞれが、印加される電圧の極性に応じて透過する光の偏光面の向きを変える液晶層と、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を有する。そして、その二つの透明電極の少なくとも一方が、所定の方向に沿って周期的に配置される複数の部分電極を有する。その所定の方向における、部分電極の幅は、液晶素子ごとに異なる。そしてコントローラが、一方の液晶素子について、複数の部分電極のうちの所定数の連続する部分電極の組ごとに、所定の空間的なパターンの位相に応じた極性分布を持つ電圧をその部分電極の組と対向する透明電極との間に印加する。これにより、その液晶素子を透過する光に、所定の方向に沿って周期的に繰り返される、その空間的なパターンの位相に応じた偏光分布が付与される。そして各液晶素子を透過した光が偏光子を透過することで、透過した光に付与された偏光分布のパターンが明暗のパターンに変換される。さらに、コントローラは、部分電極の組ごとに、電圧の極性分布のパターンを所定の時間周期で変更するとともに、他方の液晶素子について、パターンの位相を変化させるタイミングごとに二つの透明電極間に印加する電圧の極性を反転させる。これにより、コントローラは、二つの液晶素子を透過する光に付与されるその所定の空間的なパターンの位相をその時間周期ごとに変更できるとともに、二つの液晶素子が焼き付くことを防止できる。そしてコントローラは、空間的なパターンの位相に応じた極性分布を持つ電圧を印加する液晶素子を切り替えることで、その空間的なパターンの周期を変更することができる。さらに、この光変調装置は、液晶素子として、強誘電性液晶素子を利用できるので、パターンの位相を変更する際の応答速度を速くすることができる。
【００５３】
なお、変形例によれば、偏光子３の透過軸と偏光子１３の透過軸とが平行となるように偏光子３及び偏光子１３が配置されてもよい。この変形例では、上記の実施形態において得られる照明光のパターンに対して反転したパターンが得られる。
【００５４】
他の変形例によれば、二つの液晶素子のうちの少なくとも一方は、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のそれぞれが、所定の方向に沿って周期的に配置される複数の部分電極を有し、かつ、その所定の方向における部分電極の幅が、透明電極ごとに異なっていてもよい。
【００５５】
図７は、この変形例による部分電極配置を示す、光軸ＯＡを通る面における、二つの液晶素子４１、４２の概略側面断面図である。この変形例による二つの液晶素子４１、４２は、上記の実施形態による二つの液晶素子１１、１２と比較して、透明電極の構成が異なる。そこで以下では、二つの液晶素子４１、４２が有する透明電極について説明する。
【００５６】
液晶素子４１は、液晶層５１を挟んで対向するように配置された二つの透明電極５２、５３を有する。そして透明電極５２は、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極５２−１〜５２−ｎ（ｎは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数）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。同様に、透明電極５３は、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極５３−１〜５３−ｍ（ｍは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数）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。
【００５７】
さらに、液晶素子４２は、液晶層６１を挟んで対向するように配置された二つの透明電極６２、６３を有する。そして透明電極６２は、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極６２−１〜６２−ｋ（ｋは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数）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。同様に、透明電極６３は、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極６３−１〜６３−ｊ（ｊは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数）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、各透明電極において、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。
【００５８】
放射方向における、各透明電極５２、５３、６２、６３について、それら透明電極が有する部分電極の放射方向における幅は互いに異なっている。したがって、透明電極５２、５３、６２、６３は、それぞれ、放射方向について、互いに異なる周期を持つ偏光分布を、液晶素子を透過する照明光に付与することができる。例えば、透明電極５２により、液晶素子４１を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ１４は、例えば、透明電極５２が有する連続する４個の部分電極の組ごとに、図５に示される駆動波形５０１〜５０４に従って透明電極５２の各部分電極と透明電極５３との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ１４は、透明電極５３については、各部分電極５３−１〜５３−ｍにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ１４は、液晶素子４２について、図５に示される駆動波形５０５に従って、透明電極６２の各部分電極と透明電極６３の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。
【００５９】
また、透明電極５３により、液晶素子４１を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ１４は、例えば、透明電極５３が有する連続する４個の部分電極の組ごとに、図５に示される駆動波形５０１〜５０４に従って透明電極５３の各部分電極と透明電極５２との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ１４は、透明電極５２については、各部分電極５２−１〜５２−ｎにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ１４は、液晶素子４２について、図５に示される駆動波形５０５に従って、透明電極６２の各部分電極と透明電極６３の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。
【００６０】
さらに、透明電極６２により、液晶素子４２を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ１４は、例えば、透明電極６２が有する連続する４個の部分電極の組ごとに、図６に示される駆動波形６０２〜６０５に従って透明電極６２の各部分電極と透明電極６３との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ１４は、透明電極６３については、各部分電極６３−１〜６３−ｊにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ１４は、液晶素子４１について、図６に示される駆動波形６０１に従って、透明電極５２の各部分電極と透明電極５３の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。
【００６１】
さらにまた、透明電極６３により、液晶素子４２を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ１４は、例えば、透明電極６３が有する連続する４個の部分電極の組ごとに、図６に示される駆動波形６０２〜６０５に従って透明電極６３の各部分電極と透明電極６２との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ１４は、透明電極６２については、各部分電極６２−１〜６２−ｋにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ１４は、液晶素子４１について、図６に示される駆動波形６０１に従って、透明電極５２の各部分電極と透明電極５３の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。
【００６２】
このように、この変形例によれば、光変調装置は、照明光に付与する空間的なパターンについて、４通りの周期の何れかに切り替えることができる。
【００６３】
さらに他の変形例によれば、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の少なくとも一方が有する複数の部分電極が並ぶ方向は、液晶素子ごとに異なっていてもよい。例えば、上記の実施形態において、液晶素子１１が有する透明電極２４の各部分電極は、光軸ＯＡを中心とする同心円状、かつ、輪帯状に（すなわち放射方向に沿って並ぶように）、配置される。一方、液晶素子１２が有する透明電極３４の各部分電極は、格子状に形成され、光軸ＯＡと直交する面において一方向に沿って並べて配置されてもよい。あるいは、液晶素子１１が有する透明電極２４の各部分電極、及び、液晶素子１２が有する透明電極３４の各部分電極は、何れも格子状に形成され、かつ、光軸ＯＡと直交する面において、透明電極２４の各部分電極が並ぶ方向と、透明電極３４の各部分電極とが並ぶ方向とが互いに異なるように（例えば、互いに直交するように）、それらの各部分電極は配置されてもよい。さらに、液晶素子１１及び液晶素子１２の少なくとも一方は、上記の変形例における液晶素子４１のように、二つの透明電極のそれぞれが所定の方向に沿って並べて配置される複数の部分電極を有していてもよい。この場合、その二つの透明電極のそれぞれが有する複数の部分電極が並ぶ方向は、互いに異なっていてもよい。また、この変形例でも、部分電極の並び方向における部分電極の幅は、液晶素子ごとに異なっていてもよい。さらに、液晶素子１１及び液晶素子１２の一方は、上記の実施形態と同様の構成を有し、他方については、一方の透明電極が、光軸ＯＡと直交する面上の２以上の中心のそれぞれについて同心円状に配置される複数の部分電極を有してもよい。この場合も、液晶素子ごとに、複数の部分電極の並び方向及び並び方向における幅が異なることになる。
【００６４】
この場合も、コントローラ１４が、上記の実施形態と同様に、各液晶素子に印加する電圧を制御することで、光変調装置は、各液晶素子を透過する照明光に付与する空間的なパターンの周期だけでなく、そのパターンが形成される向きまたはそのパターンの種類を切り替えることができる。
【００６５】
さらに他の変形例によれば、光変調装置は、光軸ＯＡに沿って並ぶように配置される３個以上の液晶素子を有していてもよい。この場合も、各液晶素子は、上記の実施形態または変形例における液晶素子と同様の構成を有することができる。そして各液晶素子が有する、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のうちの少なくとも一方は、所定の方向に沿って並べて配置される複数の部分電極を有し、各部分電極の所定の方向における幅は、液晶素子ごとに異なっていればよい。この場合も、コントローラ１４は、上記の実施形態と同様に、各液晶素子のうちの何れか一つについて、部分電極の配置パターンに応じた空間的なパターンを照明光に付与するように印加する電圧を制御し、他の液晶素子について、焼き付きを防ぐように印加する電圧を制御すればよい。
【００６６】
上記の実施形態または変形例による光変調装置は、位相シフト法を用いた計測装置以外にも用いられてもよい。例えば、上記の実施形態または変形例による光変調装置は、グレーティング干渉計の回折格子として利用されてもよい。あるいは、上記の実施形態または変形例による光変調装置は、構造化照明顕微鏡の照明光学系に用いられてもよい。
【００６７】
あるいはまた、上記の実施形態または変形例による光変調装置は、特開２０１８−９８６２３号公報に記載の撮像装置における変調素子として利用されてもよい。この場合、撮像装置の実効的な焦点距離feffは次式で与えられる。
【数１】
2020160333.tif 000003
ここで、Sはイメージセンサの大きさであり、Nは、イメージセンサの垂直方向及び水平方向の画素数であり、tは液晶素子１１からイメージセンサまでの光軸方向に沿った距離であり、θmaxは最大画角であり、βi(i=1,2)は、液晶素子１１または液晶素子１２が照明光に付与する偏光分布パターンの放射方向の周期である。そこで、β1、β2を異なる値となるよう設定することで、上記の撮像装置の最大画角及び実効的な焦点距離を変更可能とすることができる。例えば、β1=88mmとすることで、最大画角θmaxを10°とし、一方、β2=182mmとすることで、最大画角θmaxを20°とすることができる。
【００６８】
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】
【００６９】
１００    照明装置
１    発光素子
２    コリメータ
３    偏光子
４    投影レンズ
５    光変調装置
１３    偏光子
１１、１２、４１、４２    液晶素子
１４    コントローラ
２０    液晶層
２１、２２    透明基板
２３、２４、３４、５２、５３、６２、６３    透明電極
２５    FLC分子
２６    シール部材
２４−１〜２４−ｎ    部分電極
３４−１〜３４−ｍ    部分電極
５２−１〜５２−ｎ    部分電極
５３−１〜５３−ｍ    部分電極
６２−１〜６２−ｋ    部分電極
６３−１〜６３−ｊ    部分電極
【図１】
2020160333.tif 000004
【図２】
2020160333.tif 000005
【図３】
2020160333.tif 000006
【図４】
2020160333.tif 000007
【図５】
2020160333.tif 000008
【図６】
2020160333.tif 000009
【図７】
2020160333.tif 000010