(57)【要約】【課題】ライトパイプを用いなければ、スペックルの低減率が低くなるという問題を解決する光学ユニットを提供する。【解決手段】光循環セル１は、入射光３１が入射する入射面が半透過面とされ、その入射光３１を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とする。導光板２は、入射光３１を光循環セル１の複数の位置に入射させ、その後、光循環セル１からの出射光を出射する。【選択図】図１
2010122282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光が入射する入射面が半透過部とされ、該入射光を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とする光学セルと、
前記入射光を前記光学セルの複数の位置に入射させ、前記光学セルからの出射光を出射する導光部材と、を有する光学ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、断面が長方形状の柱状多面体であり、
前記導光部材は、前記半透過部と対向する反射面を有し、
前記半透過部は、光透過部材の表面に形成され、
前記光学セルの前記半透過部に垂直な方向の縦幅をａ、前記光学セルの前記半透過部に平行な方向の横幅をｂ、前記縦幅ａに対する前記横幅ｂの比率をγ、前記光透過部材の厚さをｔ、前記光透過部材と前記反射面との間の屈折率をｎ1、前記光透過部材の屈折率をｎ2、前記光学セルの屈折率をｎ3としたとき、前記半透過部から前記反射面までの距離ｄが、
【数１】
2010122282.tif 000008
を満たす光学ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
前記導光部材と前記光透過部材とが兼用され、
前記光透過部材の厚さｔと、前記半透過部から前記反射面までの距離ｄとが互いに等しい、光学ユニット。
【請求項４】
請求項３に記載の光学ユニットにおいて、
前記光透過部材の屈折率ｎ1と前記光学セルの屈折率ｎ3とが互いに等しい、光学ユニット。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、中空である、光学ユニット。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、複数の反射部を有し、前記光学セルの外部から入射された入射光のうちの前記半透過部で透過された光を、循環光として各反射部および前記半透過部を用いて循環させ、前記循環光のうちの前記半透過部で透過された光のそれぞれと、前記入射光のうちの前記半透過部で反射された光とを前記複数の出射光とする、光学ユニット。
【請求項７】
請求項６記載の光学ユニットにおいて、
前記複数の反射部の少なくとも一つは、入射された光の位相をランダムにシフトして反射する、光学ユニット。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、複数あり、前記複数の光学セルは、並設され、
前記導光部材は、前記複数の光学セルのそれぞれの互いに異なる複数の位置のそれぞれを光学的に連結する、光学ユニット。
【請求項９】
光を反射および透過する半透過部と、光を反射する複数の反射部とで囲繞された光学セルと、
前記半透過部の複数の位置を光学的に連結する導光部材と、を有する光学ユニット。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、断面が長方形状の柱状多面体であり、
前記導光部材は、前記半透過部と対向する反射面を有し、
前記半透過部は、光透過部材の表面に形成され、
前記光学セルの前記半透過部に垂直な方向の縦幅をａ、前記光学セルの前記半透過部に平行な方向の横幅をｂ、前記縦幅ａに対する前記横幅ｂの比率をγ、前記光透過部材の厚さをｔ、前記光透過部材と前記反射面との間の屈折率をｎ1、前記光透過部材の屈折率をｎ2、前記光学セルの屈折率をｎ3としたとき、前記半透過部から前記反射面までの距離ｄが、
【数１】
2010122282.tif 000009
を満たす光学ユニット。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光学ユニットにおいて、
前記導光部材と前記光透過部材とが兼用され、
前記光透過部材の厚さｔと、前記半透過部から前記反射面までの距離ｄとが互いに等しい、光学ユニット。
【請求項１２】
請求項１０に記載の光学ユニットにおいて、
前記光透過部材の屈折率ｎ1と前記光学セルの屈折率ｎ3とが互いに等しい、光学ユニット。
【請求項１３】
請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、中空である、光学ユニット。
【請求項１４】
請求項９ないし１３に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、前記光学セルの外部から入射された入射光のうちの前記半透過部で透過された光を、循環光として各反射部および前記半透過部を用いて循環させ、前記循環光のうちの前記半透過部で透過された光のそれぞれと、前記入射光のうちの前記半透過部で反射された光とを前記複数の出射光とする、光学ユニット。
【請求項１５】
請求項９ないし１４のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記複数の反射部の少なくとも一つは、入射された光の位相をランダムにシフトして反射する、光学ユニット。
【請求項１６】
請求項９ないし１６のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記光学セルは、複数あり、前記複数の光学セルは、並設され、
前記導光部材は、前記複数の光学セルのそれぞれの互いに異なる複数の位置に入射し、その後、前記光学セルからの出射光を出射する、光学ユニット。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の光学ユニットと、
前記光学ユニットに光を出射する光源と、を有するレーザ出射装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のレーザ出射装置において、
前記光源が出射する光のコヒーレンス長は、前記複数の出射光の光路差以下である、レーザ出射装置。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載のレーザ出射装置において、
前記半透過部の反射率は、前記光源が出射する光によるスペックルのコントラストに対する前記光学ユニットから出射される出射光によるスペックルのコントラストの割合を、前記反射率で微分したときの値が０になるときの値である、レーザ出射装置。
【請求項２０】
請求項１７ないし１９のいずれか１項に記載のレーザ出射装置と、
前記光学ユニットから出射された出射光を走査してスクリーンに投射する走査鏡と、を有するレーザプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタに関し、特には、レーザ光を走査してスクリーンに画像を投射するための光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤色、青色および緑色などのレ−ザ光を用いてスクリ−ンに画像を投射するレ−ザディスプレイは、低消費電力で優れた演色性を有する次世代のディスプレイとして注目を集めている。
【０００３】
このようなディスプレイには、前面投射型と背面投射型とがある。背面投射型ディスプレイは、リアプロジェクションテレビまたはレーザテレビとも呼ばれ、家庭用の大型テレビやパソコン用のディスプレイなどに用いられる。背面投射型ディスプレイでは、レーザ光を小型の液晶パネルに均一に照射し、その照射されたレーザ光を光学レンズを用いてスクリ−ンに結像して、画像を表示する結像型ディスプレイが主流である。
【０００４】
一方、前面投射型ディスプレイは、レーザプロジェクタとも呼ばれ、会議、教育および営業のプレゼンテ−ションなどの用途に用いられる。このため、携帯性に優れた小型のものが期待されている。前面投射型ディスプレイでは、水平および垂直方向に振動する反射鏡（走査鏡）を用いてレ−ザ光をスクリ−ン上に高速で走査して、画像を表示する走査型プロジェクタが主流である。なお、走査型プロジェクタは、結像のための光学系が必要ないため、任意の位置の任意の形状の投射面に画像を投射することができる。
【０００５】
ディスプレイの出射光に要求される特性は、ディスプレイの種類に応じて異なる。例えば、結像型ディスプレイでは、１辺が１０ｍｍ程度の液晶パネルを均一に照射するために、出射光には、幅の大きい拡散光が要求される。また、走査型ディスプレイでは、高い解像度の画像を得るために、出射光には、数ｍｍまたは１ｍｍ以下の細い幅と、スクリーンまで伝播する際の幅の広がりが十分小さいことが要求される。なお、走査鏡のサイズが１ｍｍ以下の場合には、出射光の幅も１ｍｍ以下でなければならない。
【０００６】
レ−ザディスプレイでは、このように投射方式の違いによって出射光に要求される特性は異なるが、投射方式に関わらず、スクリ−ンに投影された出射光により、スクリーンにスペックルが発生し、投射された画像の画質が低下するという共通の問題がある。
【０００７】
スペックルによる画質の低下は、スペックルのコントラストで評価できる。スペックルのコントラストは、スペックルの明暗分布（出射光の光強度分布）の分散をその明暗分布の平均で除した値で定義され、その最大値は１００％である。レーザディスプレイの実用化のためには、スペックルのコントラストを１０％以下（望ましくは５％以下）にしなければならない。
【０００８】
スペックルを低減する方法には、互いに独立した複数の光源から出射された光を単一の光に合成する方法と、比較的スペクトル幅の広い光を用いる方法がある。しかしながら、一般に波長が近接した光を完全に合成することや、光のスペクトル幅を広げることは容易ではない。
【０００９】
また、互いに独立した複数の光源から出射した同一波長かつ同一強度の光を合成する場合、スペックルのコントラストは、光源の数の平方根に反比例して減少する。例えば、１個の光源を用いた場合のスペックルのコントラストが１００％であるとすると、３個の光源を用いた場合のスペックルのコントラストは、約５７％になる。また、スペックルのコントラストを５％にするためには、４００個ほどの独立な光源が必要となる。したがって、スペックルを、レーザディスプレイの実用化できる程度に低減するには、非常に多くの光源が必要となり、現実的ではない。
【００１０】
したがって、これらの方法では、レーザディスプレイの実用化を図ることが困難である。
【００１１】
特許文献１には、これらの方法とは別の方法を用いてスペックルを低減することが可能な光源装置が記載されている。
【００１２】
この光源装置では、一つの光源から出射された光線を反射鏡と半透過鏡とを用いて多重反射させて複数の光線に分割し、その複数の光線を再び合成する多重反射法と、光ファイバーなどのライトパイプを用いたライトパイプ法とが併用されている。
【００１３】
多重反射法では、分割された複数の光線の光路差が光源から出射された光線のコヒーレンス長より長いと、その分割された複数の光線は、互いに独立した光線とみなせる。このため、その分割された複数の光線が合成されると、スペックルは低減する。
【００１４】
なお、分割された複数の光線の光路差が光源から出射された光線のコヒーレンス長より小さくても、スペックルは低減されるが、その低減率は小さい。また、合成される光線の光強度が互いに等しいほど、スペックルの低減率が大きい。
【００１５】
特許文献１に記載の光源装置では、図２８で示すように、４つの直角プリズム５１のそれぞれの斜辺を有する側面が、他の直角プリズムの斜辺を有する側面と接合される。また、直角プリズムのいずれかの斜辺でない辺を有する側面が半透過鏡５２として利用され、残りの直角プリズムの斜辺でない辺を有する側面が反射面として利用される。なお、半透過鏡５２の反射率は、約５０％である。
【００１６】
また、レーザ光がその半透過鏡５２に対して４５度の角度で入射され、反射光と透過光に分岐される。透過光は、直角プリズム内部の反射面で多重反射されながら、直角プリズムの内部を循環して入射位置に戻る。透過光は、その入射位置で２つに分岐され、一方が反射光と重なり合って単一の光に合成され、他方が再び透過光として直角プリズム内部を循環する。このように循環した透過光、順次直角プリズムの内部から出力され反射光と合成されて出射される。
【００１７】
直角プリズム５１内部の透過光の光路長が、レーザ光のコヒーレンス長より長ければ、スペックルを低減することができる。なお、レーザ光を反射光と透過光に分岐し、それらを再び重ね合わせるための光学系を、光循環セルと呼ぶ。
【００１８】
また、特許文献１に記載の光源装置では、直角プリズム５１から出射された光がライトパイプ（光ファイバ）に入力される。光学装置は、このライトパイプから出射される拡散光を液晶セルに照射し、その照射されたレーザ光をスクリ−ンに結像する。これにより、スペックルをさらに低減することができる。なぜなら、ライトパイプに入力された光は、ライトパイプ内部で複雑な反射と拡散が行われるために、干渉性が失われるからである。
【特許文献１】特開２００８−１１２６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ライトパイプから出射される光は、幅が１０ｍｍ以上の太く均一な拡散光になるので、ライトパイプ法は、出射光に細い幅が要求される走査型レーザプロジェクタに用いることはできない。したがって、走査型レーザプロジェクタでは、ライトパイプを用いずにスペックルのコントラストを１０％以下にしなければならない。
【００２０】
特許文献１に記載の光源装置からライトパイプを除くと、スペックルのコントラストは、最大で５７％までしか低減することができない。なお、５７％は、３個の独立した光を合成させた場合のスペックルの低減率に相当する。
【００２１】
スペックルのコントラストを最大で５７％までしか低減できない理由は、ライトパイプを除いた光源装置から出射される出射光の光強度が急激に減衰するためである。例えば、
半透過鏡で反射する反射光の光強度は、入射光の光強度の５０％であるが、直角プリズム内部を１回だけ循環して出射される光の光強度は、入射光の光強度の２５％になる。その後、直角プリズム内部を循環する回数が増えるに従い、１２．５％、６．５％…と急激に減衰する。
【００２２】
したがって、特許文献１に記載の光源装置には、ライトパイプを用いなければ、スペックルの低減率が低くなるというという問題があった。
【００２３】
本発明の目的は、上記の課題である、ライトパイプを用いなければ、スペックルの低減率が低くなるという問題を解決する光学ユニット、レーザ出射装置およびレーザプロジェクタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明による第一の光学ユニットは、入射光が入射する入射面が半透過部とされ、該入射光を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とする光学セルと、前記入射光を前記光学セルの複数の位置に入射させ、前記光学セルからの出射光を出射する導光部材と、を有する。
【００２５】
本発明による第二の光学ユニットは、光を反射および透過する半透過部と、光を反射する複数の反射部とで囲繞された光学セルと、前記半透過部の複数の位置を光学的に連結する導光部材と、を有する。
【００２６】
また、本発明によるレーザ出射装置は、前記光学ユニットと、前記光学ユニットに光を出射する光源と、を有する。
【００２７】
また、本発明によるレーザプロジェクタは、前記レーザ出射装置と、前記光学ユニットから出射された出射光を走査してスクリーンに投射する走査鏡と、を有する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を高くすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００３０】
図１は、本発明の第一の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１において、光学ユニットは、光循環セル１と、導光板２とを有する。
【００３１】
光循環セル１は、光学セルの一例である。光循環セル１は、光を反射および透過する半透過鏡１１と、光を全反射する複数の全反射鏡１２〜１４とを側面に有する、横断面が長方形状の柱状多面体である。また、光循環セル１は、中空である。さらに、半透過鏡１１および全反射鏡１２〜１４は、互いに独立した鏡で形成される。
【００３２】
半透過鏡１１は、光を透過する光透過部材で形成される。本実施形態では、この光透過部材は、ガラス板１１ａであるとする。
【００３３】
ガラス板１１ａの光循環セル１の内部側の面は、半透過膜が形成された半透過面１１ｂである。半透過面１１ｂは、半透過部の一例であり、入射光３１を反射および透過して反射光３２と透過光３３とに分岐する。なお、半透過膜は、例えば、誘電体膜が積層された誘電体多層膜で形成される。また、半透過面１１ｂは、入射光３１が入射される入射面である。
【００３４】
また、ガラス板１１ａの半透過面１１ｂに対向する面には、入射された光の反射を抑制するための反射防止膜１１ｃが形成されている。なお、反射防止膜１１ｃは、例えば、アルゴンで形成される。
【００３５】
全反射鏡１２〜１４の光循環セル１の内部側の面は、全反射膜が形成された全反射面である。これにより、光循環セル１は、半透過面と複数の全反射面とで囲繞されることになる。なお、全反射膜は、例えば、銀にて形成される。なお、全反射鏡１２〜１４は、反射部の一例である。
【００３６】
光循環セル１は、入射光３１のうちの半透過面１１ｂで透過された透過光３３を、循環光３４として半透過鏡１１および全反射鏡１２〜１４を用いて循環させ、循環光３４のうちの半透過鏡１１で透過された光のそれぞれと、入射光３１のうちの半透過鏡１１で反射された反射光３２とを出射光とする。
【００３７】
具体的には、全反射鏡１２〜１４は、入射光３１から分岐された透過光３３を循環光３４として反射することで、光循環セル１の内部を循環光路３５で循環させて半透過鏡１１に入射する。
【００３８】
半透過鏡１１は、その入射された循環光３４を反射および透過する。半透過鏡１１は、循環光３４のうちの透過した光を、出射光として自セルから出射する。また、半透過鏡１１は、循環光３４のうちの反射した光を、透過光３３と合成して、循環光３４として再び循環させる。
【００３９】
半透過鏡１１では、循環光３４が入射されるたびに、この動作が繰り返される。これにより、光循環セル１は、循環光３４のうちの半透過鏡１１で透過された光と、入射光３１のうちの半透過鏡１１で反射された反射光３２とを出射光として出射することになり、入射光３１を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とすることになる。
【００４０】
ここで、この出射光のそれぞれは互いに合成される。それらの出射光が互いに独立した光とみなせると、入射光３１によるスペックルの低減率が高くなる。したがって、循環光路３５の長さは、入射光３１のコヒーレンス長以上であることが望ましい。
【００４１】
また、反射防止膜１１ｃがないと、反射光３２がガラス板１１ａから出射される際に、反射光３２の一部が反射されて光循環セル１の内部に出射される。この光循環セル１の内部に出射された光は、循環光路３５と異なる光路を通過するため、半透過面１１ｂにおける入射光３１の入射位置と異なる位置に入射される。したがって、その光は、他の出射光と異なる光軸で合成される。このため、その光循環セル１から出射される入射光３１の幅が広がる。また、入射光３１が多峰化することもある。なお、多峰化とは、単峰光が多峰光になる現象である。また、単峰光とは、光強度のピークが一つの光であり、多峰光とは、光強度のピークが複数ある光のことである。
【００４２】
導光板２は、半透過鏡１１の複数の位置を光学的に連結する導光部材である。このため、導光板２は、入射光３１を光循環セル１の複数の位置に入射させ、その後、光循環セル１からの出射光を出射光３６として出射する。
【００４３】
導光板２のいずれか一つの側面は、全反射膜が形成された全反射面２１である。導光板２は、全反射面２１が半透過鏡１１と対向するように設けられる。また、全反射面２１および半透過鏡１１には、間隙２２が設けられている。
【００４４】
全反射面２１は、光循環セル１から出射された出射光が入射されると、その出射光を反射して、再び光循環セル１に入射する。
【００４５】
次に動作を説明する。
【００４６】
入射光３１が、光循環セル１と導光板２との間隙２２を介して、光循環セル１の半透過鏡１１の光透過点３７に入射されると、半透過面１１ｂによって反射光３２と透過光３３とに分岐される。反射光３２は、出射光として光循環セル１から出射される。
【００４７】
透過光３３は、循環光３４として光循環セル１の内部の循環光路３５を循環して光透過点３７に入射される。循環光３４のうちの半透過面１１ｂを透過した光は出射光として出射される。また、循環光３４のうちの半透過面１１ｂで反射された光は、透過光３３と合成されて、再び循環光３４として光循環セル１の内部を循環する。
【００４８】
光循環セル１から出射された出射光は、導光板２の全反射面２１で反射され光循環セル１
の光透過点３７と異なる位置に入射する。
【００４９】
このような動作が繰り返されることで、入射光３１は、光循環セル１の複数の位置に入射される。なお、循環光路３５は、入射光３１の入射位置ごとに形状が異なるが、その長さは互いに等しい。
【００５０】
本実施形態では、入射光３１は、光循環セル１の２つの位置に入射される。その２つ目の入射位置から出射された出射光が、出射光３６として、光循環セル１と導光板２との間隙２２から出射される。
【００５１】
次に光学ユニットの形状を評価する。
【００５２】
ここで、光循環セル１の縦幅をａとし、光循環セル１の横幅をｂと、その縦幅ａに対する横幅ｂの比率（以下、縦横比と称する）ｂ／ａをγとする。また、光循環セル１の半透過面１１ｂから全反射面２１までの距離（以下、面間距離と称する）をｄとし、半透過鏡１１（ガラス板１１ａ）の厚さをｔとする。さらに、入射光３１が光循環セル１に入射される回数（以下、入射回数と称する）をｍとする。なお、光循環セル１の縦幅とは、光循環セル１の半透過鏡１１に垂直な方向の長さであり、光循環セル１の横幅とは、半透過鏡１１に平行な方向の長さである。また、入射回数ｍは、入射光３１が入射される光循環セル１の位置の数に等しい。
【００５３】
また、半透過鏡１１と全反射面２１との間の屈折率をｎ1、半透過鏡１１の内部の屈折率をｎ2、光循環セル１の内部の屈折率をｎ3とする。
【００５４】
半透過鏡１１の半透過面１１ｂにおける入射光３１の入射位置（光透過点３７および３８）と、その半透過面１１ｂにおける循環光３４の入射位置とが一致すれば、入射光３１に対応する複数の出射光のそれぞれが同じ光軸上で合成される。このため、出射光３６の幅（口径）が最も小さくなる。
【００５５】
したがって、光学ユニットは、入射光３１の入射位置と循環光３４の入射位置とが一致するように構成されることが望ましい。
【００５６】
入射光３１の半透過鏡における入射角度をθとすると、入射光３１の入射位置と循環光３４の入射位置とが一致するためには、γ＝ｔａｎθを満たす必要がある。以下、入射光３１の入射位置と循環光３４の入射位置とが一致する、入射光３１の半透過鏡における入射角度（θ＝ａｔａｎγ）を設定入射角度と称する。なお、ａｔａｎは、ａｒｃｔａｎである。
【００５７】
次に、入射光３１の入射角度θと出射光３６の光強度分布の関係について説明する。図２は、設定入射角度が４５°の場合における入射光３１の入射角度θと出射光３６の光強度分布の関係を示した説明図である。図２において、横軸は、位置Ｘ[ｍｍ]を示し、縦軸は出射光３６の光強度Ｐを示す。なお、光強度Ｐの単位は任意である。
【００５８】
図２では、入射回数を１とし、半透過面１１ｂの反射率を０．４１としている。また、位置Ｘは、入射角度が設定入射角度４５°のときに出射光３６の光強度Ｐがピークとなる位置を原点「０」としている。さらに、入射角度が設定入射角度４５°のときの出射光３６の幅を１ｍｍであるとし、入射角度が設定入射角度４５°のときの出射光１１５の光強度Ｐのピークを１としている。
【００５９】
図２示されたように、出射光３６の幅は、入射角度が設定入射角度４５°の場合に最も狭く、入射角度が４５°からずれるほど、広くなっている。
【００６０】
これは、入射角度が設定入射角度４５°の場合、入射光３１の半透過鏡１１の半透過面における入射位置（光透過点３７）と、循環光３４の半透過鏡１１の半透過面における入射位置とが一致する。また、入射角度が設定入射角度４５°からずれるほど、入射光３１の半透過鏡１１の半透過面における入射位置と、循環光３４の半透過鏡１１の半透過面における入射位置とがずれるためである。
【００６１】
また、入射角度が４５°から１°ずれると、出射光３６の光強度Ｐの分布に複数のピークが現れる。つまり、出射光３６が多峰化する。なお、多峰化とは、単峰光が多峰光になる現象である。また、単峰光とは、光強度のピークが一つの光であり、多峰光とは、光強度のピークが複数ある光のことである。
【００６２】
したがって、入射角度は４５°からずれるほど、出射光３６の光強度分布が歪む。
【００６３】
また、入射回数が２以上の場合、入射角度が４５°からずれていると、光循環セル１から光が出射されるたびに、その光の光強度分布が歪むこととなり、出射光３６の歪みが大きくなる。
【００６４】
続いて、面間距離ｄと入射回数ｍとの関係について説明する。
【００６５】
面間距離ｄが小さいほど、半透過鏡１１の半透過面１１ｂにおける入射光３１の入射位置が互いに近くなるので、入射回数ｍが増加する。具体的に、入射回数をｍとしたときの、最小の面間距離ｄmを計算すると、その最小面間距離ｄmは、数１で表すことができる。
【００６６】
【数１】
2010122282.tif 000003
【００６７】
ここで、入射角度θは、設定入射角度ａｔａｎγであるとしている。また、ａｓｉｎは、ａｒｃｓｉｎである。
【００６８】
したがって、ｍ回だけ入射光３１を光循環セル１に入射するためには、面間距離ｄは、ｄm≦ｄ＜ｄm+1を満たす必要がある。
【００６９】
よって、入射光３１光循環セル１の複数の位置に入射するためには、面間距離ｄは、数２を満たす必要がある。
【００７０】
【数２】
2010122282.tif 000004
【００７１】
図３ａは、入射回数ｍが１〜５の場合における最小面間距離ｄm[ｍｍ]と縦横比γとの関係を示したグラフである。図３ａにおいて、横軸は、縦横比γを示し縦軸は、最小面積距離ｄmを示す。また、縦幅ａを３０ｍｍとし、半透過鏡１１の厚さｔを２ｍｍとしている。
【００７２】
図３ｂは、横幅ｂが１０ｍｍ〜４０ｍｍの場合における最小面間距離ｄm[ｍｍ]と入射回数ｍ[回]との関係を示したグラフである。図３ｂにおいて、横軸は、入射回数ｍを示し、縦軸は、最小面間距離ｄmを示す。また、縦横比γを１とし、半透過鏡１１の厚さを１ｍｍとしている。
【００７３】
なお、図３ａおよび図３ｂにおいて、最小面間距離ｄmは、実際の最小面間距離ｄmから半透過鏡１１の厚さを差し引いた値で示している。また、半透過鏡１１と全反射面２１との間、および、光循環セル１の内部には、空気が存在するものとする。したがって、ｎ１＝ｎ３＝１を満たす。また、半透過鏡１１の屈折率ｎ２＝１．５であるとしている。
【００７４】
図３ａおよび図３ｂで示されたように、入射回数ｍが大きくなるほど、最小面間距離ｄmが減少する。したがって、上述のように、面間距離ｄを小さくするほど、入射回数ｍが増加することになる。
【００７５】
また、図３ａで示されたように、最小面間距離ｄmに対する縦横比γの依存度は小さい。さらに、半透過鏡１１の厚さｔが増加するほど、各最小面間距離ｄmの傾きは大きくなる。つまり、半透過鏡１１の厚さｔが増加するほど、最小面間距離ｄmに対する縦横比γの依存度が増加する。
【００７６】
続いて、最小面間距離ｄmと光循環セル１の大きさとの関係について説明する。
【００７７】
図４は、入射回数ｍが１〜６の場合における最小面間距離ｄmm[ｍｍ]と光循環セル１の横幅ｂとの関係を示したグラフである。図４において、横軸は、光循環セル１の横幅ｂを示し、縦軸は、最小面間距離ｄmを示す。なお、図４では、縦横比γを１とし、半透過鏡１１の厚さｔを１ｍｍとしている。また、最小面間距離ｄmは、実際の最小面間距離ｄmから半透過鏡１１の厚さを差し引いた値で示している。
【００７８】
図４で示されたように、光循環セル１の横幅ｂが大きいほど、最小面間距離ｄmは増加する。また、光循環セル１の横幅ｂが小さいほど、入射回数ｍごとの最小面間距離ｄmの差は減少する。したがって、光循環セル１の横幅ｂが小さいほど、面間距離ｄを精密に制御する必要がある。
【００７９】
また、上述のように、循環光路３５の長さ（以下、循環光路長と称する）は、入射光３１のコヒーレンス長以上であることが望ましい。ここで、循環光路長Ｌは、Ｌ＝２（ａ2＋ｂ2）1/2で表すことができる。したがって、入射光３１のコヒーレンス長をＬcとすると、Ｌ＝２（ａ2＋ｂ2）1/2≧Ｌcを満たすことが望ましい。
【００８０】
次に光循環セル１の特性について説明する。
【００８１】
先ず、入射光３１が光学ユニットに入射されてから出射光３６として出射されるまでに、入射光３１が循環光３４として光循環セル１を循環する回数（回転数ｎ'）と、出射光３６の光強度Ｐの関係について説明する。
【００８２】
図５は、入射回数ｍが１〜６の場合における回転数ｎ'と出射光３６の光強度Ｐとの関係を示したグラフである。図５において、横軸は回転数ｎ'[回]を示し、縦軸は出射光３６の光強度Ｐを示す。光強度の単位は、任意でよい。なお、入射光３１の光強度を１としている。また、半透過面１１ｂの反射率は０．５としている。
【００８３】
入射回数ｍが１の場合、入射光３１は、反射率が０．５の半透過鏡１１に１回だけ入射されるので、回転数ｎ'が０である出射光３６の光強度Ｐは、入射光３１の光強度の５０％となる。また、回転数ｎ'が多くなるに従い、出射光３６の光強度Ｐは、入射光３１の光強度の２５％、１２．５％、６．５％…と急激に減衰する。
【００８４】
入射回数ｍが２以上の場合、回転数ｎ'が０である出射光３６の光強度Ｐは、入射回数ｍが１の場合と比べて小さくなる。例えば、入射回数ｍが４の場合、回転数ｎ'が０である出射光３６の光強度Ｐは、入射光３１の光強度の２．８％になる。
【００８５】
また、回転数ｎ'が多くなるに従い、出射光１１５の光強度Ｐは、一旦大きくなり、その後、入射回数ｍが１の場合と比べて緩やかに小さくなっていく。例えば、入射回数が２〜６の場合、出射光３６の光強度Ｐは、回転数ｎ'が３〜６で最大となるが、その後、緩やかに小さくなっている。また、出射光３６の光強度Ｐのピークは、最大でも０．２以下である。したがって、入射回数ｍが複数の場合には、出射光３６の光強度Ｐが均一化されていることがわかる。したがって、入射光３１が光循環セル１の複数の位置に入射されると、出射光３６の光強度Ｐが均一化されるので、スペックルの低減率を向上させることができる。
【００８６】
次に半透過面１１ｂの反射率について説明する。
【００８７】
半透過面１１ｂの反射率をμとしたときの、相対スペックルコントラストＣ（ｍ，μ）は、数３で表される。なお、相対スペックルコントラストは、入射光３１によるスペックルのコントラストＣ0に対応する出射光３６によるスペックルのコントラストＣの割合Ｃ／Ｃ0を示す。
【００８８】
【数３】
2010122282.tif 000005
【００８９】
数３において、Φ（ｎ−ｋ）は、オイラーのφ関数である。また、Ｎは、光循環セル１の内部の一つの循環光路を循環光３４として循環する入射光３１が全てその光循環セルから出射されるとみなせる単経路回転数であり、例えば、１００である。また、単経路回転数は、入射光３１が循環光３４として、光循環セル１の内部の一つの循環光路を循環する回数である。
【００９０】
図６は、入射回数ｍが１〜３０の場合における半透過鏡１１の反射率μと相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0の関係を示したグラフである。図６において、横軸は半透過鏡１１の反射率μを示し、縦軸は、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0を示す。
【００９１】
図６で示されたように、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0は、反射率μに対して下に凸の関数となる。よって、反射率μが、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0の反射率に対する微分値が０になるときの値であると、相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0が最も小さくなる。したがって、その値が反射率μとして最適である。
【００９２】
また、反射率が最適な値の場合、入射回数ｍが多いほど、相対スペックルコントラストを小さくすることができる。
【００９３】
次に効果を説明する。
【００９４】
また、本実施形態によれば、光循環セル１は、入射光３１が入射する入射面が半透過面とされ、その入射光３１を光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とする。導光板２は、入射光３１を光循環セル１の複数の位置に入射させ、その後、光循環セル１からの出射光を出射する。
【００９５】
この場合、入射光３１が光循環セル１の複数の位置に入射されるので、光学ユニットから出射される出射光３６の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。
【００９６】
また、本実施形態によれば、光循環セル１は、半透過面１１ｂと、全反射鏡１２〜１４のそれぞれの全反射面とで囲繞されている。また、導光板２は、半透過面１１ｂに対向する全反射面２１を有する。
【００９７】
この場合、半透過面１１ｂと全反射面２１との距離ｄおよび入射角度θが適宜設定されれば、入射光３１が光循環セル１の複数の位置に入射されるので、光学ユニットから出射される出射光３６の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。
【００９８】
また、本実施形態では、導光板２は、半透過面１２１に対向する全反射面１２２を有する。
【００９９】
この場合、半透過面１２１における入射光３１の入射角度のそれぞれを等しくすることが可能になる。このため、それらの入射角度を全て設定入射角度にすることが可能になるので、出射光の幅の広がりや、出射光の多峰化を抑制することが可能になる。
【０１００】
また、面間距離ｄは、数２を満たす。
【０１０１】
この場合、入射光３１の入射角度θが設定入射角度ａｔａｎγとした場合に、入射光３１が光循環セル１の複数の位置に入射されるので、光学ユニットから出射される出射光３６の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。
【０１０２】
また、本実施形態では、光循環セル１は、中空である。
【０１０３】
この場合、半透過面１１ｂの反射率は、光が空気に入射されるときの反射率なので、その反射率を容易に調整することができる。
【０１０４】
また、本実施形態では、半透過鏡１１および全反射鏡１２〜１４は、互いに独立した鏡で形成することができるので、全反射鏡１２および１４の幅や半透過鏡１１および全反射鏡１３の幅を外部から調整できる。また、半透過鏡１１および全反射鏡１２〜１４に、安価な市販の鏡を利用することができる。
【０１０５】
次に第二の実施形態について説明する。
【０１０６】
図７は、本発明の第一の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図７において、光学ユニットは、光循環セル１０１と、導光板１０２とを有する。
【０１０７】
図７は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図７において、光学ユニットは、光循環セル１と、導光板１０２とを有する。
【０１０８】
導光板１０２は、光透過部材で形成される。本実施形態では、導光板１０２は、ガラス板で形成されるものとする。
【０１０９】
また、導光板１０２は、半透過膜が形成された半透過面１２１と、全反射膜が形成された全反射面１２２とを有する。また、半透過面１２１と全反射面１２２は互いに対向する。
【０１１０】
導光板１０２は、光循環セル１の半透過鏡１１と兼用され、光循環セル１は、半透過面１２１を図１で示した半透過面１１ｂとして用いる。
【０１１１】
また、導光板１０２の全反射面１２２は、図１で示した導光板２の全反射面２１と同等な機能を果たす。
【０１１２】
導光板１０２の全反射面１２２に垂直な側面のそれぞれには、光学ユニットの外部から入射される入射光３１と、光学ユニットから出射される出射光３６とが屈折しないように、傾斜がつけられている。なお、この傾斜部には、入射光３１および出射光３６の反射を抑制するための反射防止膜が形成されていてもよい。
【０１１３】
なお、導光板１０２の全反射面１２２に全反射膜が形成される代わりに、全反射膜が形成された板が全反射面１２２に接するように設けられてもよい。
【０１１４】
次に動作を説明する。
【０１１５】
入射光３１が、導光板１０２の傾斜部を介して、光循環セル１の半透過面１２１の光透過点１３１に入射されると、半透過面１２１によって反射光３２と透過光３３とに分岐される。反射光３２は、出射光として光循環セル１から出射される。
【０１１６】
透過光３３は、循環光３４として光循環セル１の内部の循環光路３５を循環して光透過点１３１に入射される。循環光３４のうちの半透過面１２１を透過した光は出射光として出射される。また、循環光３４のうちの半透過面１２１で反射された光は、透過光３３と合成されて、再び循環光３４として光循環セル１の内部を循環する。
【０１１７】
光循環セル１から出射された出射光は、導光板１０２の全反射面１２２で反射され光循環セル１に再び入射される。
【０１１８】
このような動作が繰り返されることで、入射光３１は、光循環セル１の複数の位置に入射される。本実施形態では、入射光３１は、光循環セル１の３つの位置に入射される。その３つ目の入射位置から出射された出射光が、出射光３６として、導光板２の傾斜部から出射される。
【０１１９】
次に光学ユニットの形状を評価する。
【０１２０】
本実施形態では、上述のように、導光板１０２は、光循環セル１のガラス板１１ａと兼用され、光循環セル１は、半透過面１１ｂとして導光板１０２の半透過面１２１を用いる。また、導光板１０２に半透過面１２１に対向する面である全反射面１２２が図１で示した導光板２の全反射面２１と同等な機能を果たす。
【０１２１】
よって、面間距離ｄは、導光板１０２の厚さに等しいガラス板１１ａの厚さｔと等しい。また、半透過鏡１１（導光板１０２）と全反射面２１（全反射面１２２）との間に間隙がなくなるので、屈折率ｎ1は０とみなせる。
【０１２２】
したがって、入射回数をｍとしたときの、最小の面間距離ｄmは、数１のｔにｄを代入し、ｎ1に０を代入することで求めることができる。具体的には、最小面間距離ｄmは、数４で表すことができる。
【０１２３】
【数４】
2010122282.tif 000006
【０１２４】
なお、入射角度θは、第一の実施形態と同様に、設定入射角度ａｔａｎγである。
【０１２５】
よって、入射光３１を光循環セル１の複数の位置に入射するためには、面間距離ｄは、数５を満たす必要がある。
【０１２６】
【数５】
2010122282.tif 000007
【０１２７】
図８ａは、入射回数ｍが１〜５の場合における最小面間距離ｄm[ｍｍ]と縦横比γとの関係を示したグラフである。図８ａにおいて、横軸は、縦横比γを示し縦軸は、最小面積距離ｄmを示す。また、縦幅ａを３０ｍｍとしている。
【０１２８】
図８ｂは、横幅ｂが１０ｍｍ〜４０ｍｍの場合における最小面間距離ｄm[ｍｍ]と入射回数ｍ[回]との関係を示したグラフである。図８ｂにおいて、横軸は、入射回数ｍを示し、縦軸は、最小面間距離ｄmを示す。また、縦横比γを１としている。
【０１２９】
図８ａおよび図８ｂで示されたように、入射回数ｍが大きくなるほど、最小面間距離ｄmが減少する。したがって、上述のように、面間距離ｄを小さくするほど、入射回数ｍが増加することになる。
【０１３０】
また、最小面間距離ｄmに対する縦横比γの依存度は、第一の実施形態に比べて大きくなる。特に、縦横比γが大きくなるほど、縦横比γの変化に対する最小面間距離ｄmの変化の増加が顕著になる。
【０１３１】
続いて、最小面間距離ｄmと光循環セル１の大きさとの関係について説明する。
【０１３２】
図９は、入射回数ｍが１〜６の場合における最小面間距離ｄmm[ｍｍ]と光循環セル１の横幅ｂとの関係を示したグラフである。図９において、横軸は、光循環セル１の横幅ｂを示し、縦軸は、最小面間距離ｄmを示す。なお、図９では、縦横比γを１としている。
【０１３３】
図９で示されたように、光循環セル１の横幅ｂが大きいほど、最小面間距離ｄmは増加する。また、光循環セル１の横幅ｂが小さいほど、入射回数ｍごとの最小面間距離ｄmの差は減少する。したがって、光循環セル１の横幅ｂが小さいほど、面間距離ｄを精密に制御する必要がある。
【０１３４】
なお、設定入射角度、回転数ｎ'と出射光の光強度Ｐとの関係、入射光の入射角度と出射光の光強度分布の関係、および、半透過面１２１の反射率については、第一の実施形態と同様である。
【０１３５】
次に効果を説明する。
【０１３６】
本実施形態では、導光板１０２は、光循環セル１のガラス板１１ａと兼用される。また、導光板１０２の厚さｔは、面間距離ｄと等しい。
【０１３７】
この場合、部品点数を少なくすることが可能になるので、装置構成の簡便化を図ることが可能になる。また、半透過面１２１と全反射面１２２とを平行化の精度を高くすることが可能になるので、出射光３６の幅の広がりや出射光３６の多峰化をより精度良く抑制することが可能になる。
【０１３８】
次に第三の実施形態について説明する。
【０１３９】
図１０は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１０において、光学ユニットは、光循環セル２０１と、導光板１０２とを有する。
【０１４０】
光循環セル２０１は、横断面が長方形状の柱状多面体である。また、光循環セル２０１は、例えば、光透過部材にて形成される。本実施形態では、光循環セル２０１の内部の屈折率は、導光板１０２の屈折率と等しいとする。
【０１４１】
光循環セル２０１は、光循環セル２０１の側面のいずれか１つは、導光板１０２の半透過面１２１と接するように設けられる。また、光循環セル２０１の導光板１０２と接する側面の異なる側面には、全反射膜が形成された全反射面２１２〜２１４となる。
【０１４２】
これにより、光循環セル２０１は、半透過面１２１と全反射面２１２〜２１４とで囲繞されることになる。
【０１４３】
光循環セル２０１は、入射光３１のうちの半透過面１２１で透過された透過光３３を、循環光３４として半透過面１２１および全反射面２１２〜２１４を用いて循環させ、循環光３４のうちの半透過面１２１で透過された光と、入射光３１のうちの半透過面１２１で反射された反射光３２とを出射光とする。
【０１４４】
具体的には、全反射面２１２〜２１４は、入射光３１から分岐された透過光３３を循環光３４として反射することで、光循環セル２０１の内部を循環光路３５で循環させて半透過面１２１に入射する。
【０１４５】
半透過面１２１は、その入射された循環光３４を反射および透過する。半透過面１２１は、循環光３４のうちの透過した光を、出射光として自セルから出射する。また、半透過面１２１は、循環光３４のうちの反射した光を、透過光３３と合成して、循環光３４として再び循環させる。
【０１４６】
半透過面１２１では、循環光３４が入射されるたびに、この動作が繰り返される。これにより、光循環セル２０１は、循環光３４のうちの半透過鏡１１で透過された光と、入射光３１のうちの半透過面１２１で反射された反射光３２とを出射光として出射することになり、入射光３１を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とすることになる。
【０１４７】
なお、光循環セル２０１の屈折率を１．５とし、入射角度を４５°以上とした場合、全反射面２１２〜２１４には、全反射膜が形成されなくてもよい。これは、光循環セル２０１の屈折率と、光循環セル２０１の外部の屈折率との違いにより、全反射面２１２〜２１４で循環光３４が全反射するためである。
【０１４８】
次に動作を説明する。
【０１４９】
入射光３１が、導光板１０２の傾斜部を介して、光循環セル２０１の半透過面１２１の光透過点２３１に入射されると、半透過面１２１によって反射光３２と透過光３３とに分岐される。反射光３２は、出射光として光循環セル２０１から出射される。
【０１５０】
透過光３３は、循環光３４として光循環セル２０１の内部の循環光路３５を循環して光透過点２３１に入射される。循環光３４のうちの半透過面１２１を透過した光は出射光として出射される。また、循環光３４のうちの半透過面１２１で反射された光は、透過光３３と合成されて、再び循環光３４として光循環セル２０１の内部を循環する。
【０１５１】
光循環セル２０１から出射された出射光は、導光板１０２の全反射面１２２で反射され光循環セル２０１の光透過点２３１と異なる位置に入射する。
【０１５２】
このような動作が繰り返されることで、入射光３１は、光循環セル２０１の複数の位置に入射される。
【０１５３】
本実施形態では、入射光３１は、光循環セル１の３つの位置に入射され、その３つ目の入射位置から出射光が、出射光３６として、導光板２の傾斜部から出射される。
【０１５４】
次に光学ユニットの形状を評価する。
【０１５５】
本実施形態では、上述のように、光循環セル２０１の内部の屈折率ｎ1は、導光板１０２の屈折率ｎ3と等しい。
【０１５６】
したがって、入射回数をｍとしたときの最小面間距離ｄmは、数５にｎ3にｎ1を代入することで求めることができる。具体的には、最小面間距離ｄmは、ｄm＝ａ／（２ｍ）で表される。
【０１５７】
よって、入射光３１光循環セル２０１の複数の位置に入射するためには、面間距離ｄ≦ａ／２を満たす必要がある。
【０１５８】
図１１ａは、入射回数ｍが１〜５の場合における最小面間距離ｄm[ｍｍ]と縦横比γとの関係を示したグラフである。図１１ａにおいて、横軸は、縦横比γを示し縦軸は、最小面積距離ｄmを示す。また、縦幅ａを３０ｍｍとしている。
【０１５９】
図１１ｂは、横幅ｂが１０ｍｍ〜４０ｍｍの場合における最小面間距離ｄm[ｍｍ]と入射回数ｍ[回]との関係を示したグラフである。図１１ｂにおいて、横軸は、入射回数ｍを示し、縦軸は、最小面間距離ｄmを示す。また、縦横比γを１としている。
【０１６０】
図１１ａおよび図１１ｂで示されたように、入射回数ｍが大きくなるほど、最小面間距離ｄmが減少する。したがって、上述のように、面間距離ｄを小さくするほど、入射回数ｍが増加することになる。
【０１６１】
また、縦幅ａが一定の場合、最小面間距離ｄmに対して縦横比γは、依存しなくなる。
【０１６２】
続いて、最小面間距離ｄmと光循環セル２０１の大きさとの関係について説明する。
【０１６３】
図１２は、入射回数ｍが１〜６の場合における最小面間距離ｄmm[ｍｍ]と光循環セル１の横幅ｂとの関係を示したグラフである。図１２において、横軸は、光循環セル１の横幅ｂを示し、縦軸は、最小面間距離ｄmを示す。なお、図１２では、縦横比γを１としている。
【０１６４】
図１２で示されたように、光循環セル１の横幅ｂが大きいほど、最小面間距離ｄmは増加する。また、光循環セル１の横幅ｂが小さいほど、入射回数ｍごとの最小面間距離ｄmの差は減少する。したがって、光循環セル１の横幅ｂが小さいほど、面間距離ｄを精密に制御する必要がある。
【０１６５】
なお、設定入射角度、回転数ｎ'と出射光の光強度Ｐとの関係、入射光の入射角度と出射光の光強度分布の関係、および、半透過鏡１１の反射率については、第一の実施形態と同様である。
【０１６６】
次に効果を説明する。
【０１６７】
本実施形態によれば、光循環セル２０１の内部の屈折率ｎ1は、導光板１０２を形成する光透過部材の屈折率ｎ3と等しい。
【０１６８】
この場合、光循環セル２０１と導光板１０２とを同一材料で作製することが可能になるので、半透過面１２１の反射率の設計が容易になる。
【０１６９】
また、本実施形態では、光循環セル２０１は、光透過部材で形成されているので、第一の実施形態のように互いに独立した全反射鏡および半透過鏡で形成される場合に比べて、振動などの衝撃に対する耐久性が向上する
次に第四の実施形態について説明する。
【０１７０】
図１３は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した斜視図である。また、図１４は、図１３で示した光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【０１７１】
図１３および図１４において、光学ユニットは、支持板３００と、セル底反射板３０１と、セル横反射板３０２および３０３と、導光板３０４と、セル分離板３０５〜３０７とを含む。
【０１７２】
支持板３００は、例えば、アルミニウムやガラスで板状に形成されている。
【０１７３】
セル底反射板３０１は、例えば、ガラスで板状に形成される。また、セル底反射板３０１は、支持板３００上に設けられる。
【０１７４】
セル横反射板３０２および３０３は、例えば、ガラスで板状に形成されている。セル横反射板３０２および３０３のそれぞれは、セル底反射板３０１の両端部のそれぞれに接続され、セル底反射板３０１と垂直を成すように支持板３００上に設けられる。
【０１７５】
導光板３０４は、光透過部材で板状に形成される。導光板３０４は、セル底反射板３０１と対向するように支持板３００状に形成される。また、導光板３０４の両端部のそれぞれには、セル横反射板３０２および３０３のそれぞれが接続される。
【０１７６】
これにより、セル底反射板３０１と、セル横反射板３０２および３０３と、導光板３０４とで囲まれた直方体状の空間を有するセルが形成される。また、セル横反射板３０２および３０３のセルの内部側の側面は、全反射膜が形成された全反射面である。
【０１７７】
セル分離板３０５〜３０７は、例えば、ガラスで板状に形成されている。セル分離板３０５〜３０７は、支持板３００上のセルの内部にセル横反射板３０２および３０３と平行になるように設けられる。
【０１７８】
セル分離板３０５〜３０７のそれぞれの両面は、全反射膜が形成された全反射面である。また、導光板３０４のセルの内部側の側面である半透過面３１１には、半透過膜が形成されている。
【０１７９】
これにより、互いに間隙なく並設された光循環セル３５１〜３５４を有する光循環セル群が形成される。
【０１８０】
光循環セル３５１〜３５４のそれぞれは、全て同じ形状の多面体である。具体的には、光循環セル３５１〜３５４それぞれは、横断面が長方形の柱状多面体である。なお、光循環セルの数は、本実施形態では、４であるが、実際には、複数であればよい。以下では、光循環セルの数をセル数と称する。
【０１８１】
セル底反射板３０１と、セル横反射板３０２および３０３とセル分離板３０５〜３０７とのそれぞれの光循環セルの内部側の側面がその光循環セルの全反射鏡となる。また、導光板３０４の半透過面３１１が各光循環セルの半透過鏡となる。
【０１８２】
なお、光循環セル３５１〜３５４のそれぞれは、図７で示した光循環セル１と同等な機能を有するので詳細な説明は省略する。また、導光板３０４は、光循環セル３５１〜３５４の透過鏡と兼用される。
【０１８３】
導光板３０４は、入射光３１を光循環セル３５１〜３５４のそれぞれの複数の位置に入射し、その後、光循環セル３５４からの出射光を出射光３１６として出射する。
【０１８４】
導光板３０４の半透過面３１１に対向する側面である全反射面３１２には、全反射膜が形成される。また、導光板３０４の全反射面の両端部には、全反射膜の代わりに反射防止膜３１３および３１４のそれぞれが形成される。
【０１８５】
全反射面３１２の反射防止膜３１３が形成された箇所は、入射光３２１を光循環セル３５１〜３５４のいずれかに入射するための入射部となる。また、全反射面３１２の反射防止膜３１４が形成された箇所は、光循環セル群からの出射光３２５を出射するための出射部となる。
【０１８６】
全反射面３１２は、光循環セル３５１〜３５４から出射された出射光が入射されると、その出射光を反射して光循環セル３５１〜３５４に入射する。
【０１８７】
次に動作を説明する。
【０１８８】
入射光３２１が、反射防止膜３１３に入射される。入射光３２１は、反射防止膜３１３および導光板３０４を介して光循環セル３５１の半透過鏡に入射される。
【０１８９】
入射光３２１は、その半透過鏡によって反射光３２２と透過光３２３とに分岐される。反射光３２２は、出射光として光循環セル３５１から出射される。
【０１９０】
透過光３２３は、循環光３２４として光循環セル３５１の内部を循環して、光循環セル３５１の半透過鏡における入射光３２１の入射位置に入射される。循環光３２４のうちの半透過鏡を透過した光は出射光として出射される。また、その循環光３２４のうちの半透過鏡で反射された光は、循環光３２４として再び光循環セルの内部を循環する。
【０１９１】
光循環セル３５１から出射された出射光は、導光板３０４の全反射面３１２で反射されて再び光循環セル３５１の半透過鏡に入射される。
【０１９２】
このような動作が繰り返されることで、入射光３２１は、５回光循環セル３５１に入射される。その五回目に入射された入射光３２１に対応する出射光は、全反射面３１２で反射されて光循環セル３５２の半透過鏡に入射される。
【０１９３】
その後、光循環セル３５２〜３５４の順番で同様な動作が行われ、５回目に光循環セル３５４に入射された入射光に対応する出射光は、導光板３０４の反射防止膜３１４が形成された箇所から出射光３２５として出射される。
【０１９４】
次に、光学ユニットの形状について説明する。
【０１９５】
各光循環セルの縦幅をａ、各光循環セルの横幅をｂ、各光循環セル間の間隔（各セル分離板の厚さ）をｃ、全反射面３１２と半透過面３１１との間の長さ（面間距離）をｄ、導光板３０４の屈折率をｎ1とする。また、導光板３０４の入射部（反射防止膜３１３が形成された箇所）における入射光３２１の入射角度をθとする。
【０１９６】
この場合、半透過面３１１において入射光３２１の入射位置の間隔δは、２ｄｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（θ）／ｎ1）で求めることができる。また、光循環セル３５２〜３５４のそれぞれの入射回数ｍは、ａ／δの整数部で求めることができ、入射回数ｍの総和Ｍは、光循環セルの数をＮとすると、ｍ・Ｎで求めることができる。
【０１９７】
例えば、入射角度θを４５°、縦幅ａおよび横幅ｂを２５ｍｍ、面間距離ｄを４ｍｍ、屈折率ｎ1を１．５とすると、入射位置の間隔δは、約４．２７ｍｍになる。また、光循環セルごとの入射回数ｍは、２５ｍｍ／４．２７ｍｍの整数部、つまり５となる。したがって、入射回数ｍの総和Ｍは、５・４＝２０となる。
【０１９８】
なお、入射角度θが４５°の場合、導光板３０４の内部から半透過面３１１に入射される入射光３２１の入射角度は、２８．１°となる。また、その入射光３２１の半透過面３１１における屈折角は、入射角θ（４５°）と等しくなる。
【０１９９】
この場合、１つの光循環セルに対して、入射光３２１が５回入射されるので、５つの循環光路が形成される。この５つの循環光路の形状は互いに異なるが、それらの光路長は互いに等しい。また。光循環セルは４個あるため、この光学ユニットでは、２０個の循環光路を有することになる。
【０２００】
したがって、一つの光循環セルに入射光３２１を２０回入射する場合と等しいスペックルの低減率を実現することができる。
【０２０１】
例えば、半透過面３１１の反射率を０．８に設定すると、入射光３２１によるスペックルを１５％低減することができる。例えば、赤色半導体レーザでスペックルコントラストが４０％の入射光３２１を光学ユニットに入射した場合、スペックルコントラストが６％の実用的な出射光３２５を得ることができる。
【０２０２】
次に効果を説明する。
【０２０３】
本実施形態では、光循環セル３５１〜３５４は互いに並設される。導光板３０４は、入射光３２１を光循環セル３５１〜３５４のそれぞれの複数の位置に入射し、その後、光循環セル３５４からの出射光を出射する。
【０２０４】
この場合、入射回数ｍの総和Ｍを大きくすることが可能になるので、よりスペックルの低減率を向上することが可能になる。
【０２０５】
次に第五の実施形態について説明する。
【０２０６】
第一の実施形態から第四の実施形態では、横断面が長方形状の柱状多面体の光循環セルを用いたが、本実施形態の光循環セルは、横断面が三角形状の柱状多面体である。以下、横断面が三角形状の柱状多面体の光循環セルを三角形セルと称する。
【０２０７】
図１５は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１５において、光学ユニットは、支持板４００と、三角形セル４０１および４０２と、導光板４０３と、直角プリズム４０４および４０５とを有する。
【０２０８】
支持板４００は、例えば、アルミニウムやガラスで板状に形成されている。
【０２０９】
三角形セル４０１および４０２のそれぞれは、横断面が三角形状の柱状多面体であり、互いに並設される。また、三角形セル４０１および４０２のそれぞれは、光透過部材で形成されている。
【０２１０】
三角形セル４０１および４０２のそれぞれの側面のいずれか１つが、入射光４４１が入射する入射面４１１である。入射面４１１の半分には、全反射膜４１１ａが形成され、入射面４１１の残りの半分には、半透過膜４１１ｂが形成されている。
【０２１１】
また、三角形セル４０１および４０２のそれぞれの入射面４１１以外の面は、全反射膜が形成された全反射面４１２および４１３である。
【０２１２】
入射面４１１の半透過膜４１１ｂが形成された箇所は、入射光４４１を反射および透過して反射光４４２と透過光４４３とに分岐する。また、その箇所は、反射光４４２を透過光４４３として出射する。
【０２１３】
入射面４１１、全反射面４１２および４１３は、透過光４４３を循環光４４４として反射することで、自三角形セルの内部を循環させる。入射面４１１の半透過膜４１１ｂが形成された箇所は、循環光４４４が入射されるたびに、循環光４４４を反射および透過する。その箇所は、循環光４４４のうちの透過した光を出射光として出射し、循環光４４４のうちの反射した光を再び循環光４４４として循環させる。
【０２１４】
これにより、三角形セル４０１および４０２のそれぞれは、循環光４４４のうちの入射面４１１で透過された光と、入射光４４１のうちの入射面４１１で反射された反射光４４２とを出射光として出射することになり、入射光４４１を、光路長がそれぞれ異なる複数の出射光とすることになる。
【０２１５】
導光板４０３は、三角形セル４０１および４０２のそれぞれの複数の位置に入射し、その後、三角形セル４０２からの出射光を出射光４４５として出射する導光部材である。導光板４０３は、光透過部材で板状に形成される。
【０２１６】
導光板４０３は、導光板４０３のある側面が三角形セル４０１および４０２のそれぞれの入射面と接するように支持板４００上に設けられる。
【０２１７】
導光板４０３の三角形セル４０１および４０２のそれぞれの入射面と接する側面に対向する側面である全反射面４３１には、全反射膜４３２が形成されている。なお、全反射膜４３２は、三角形セル４０１および４０２から出射される出射光が入射される箇所にだけ形成されている。
【０２１８】
直角プリズム４０４および４０５は、直角プリズム４０４および４０５のそれぞれの斜面と異なる面の一方が、導光板４０３の全反射面４３１の全反射膜４３２が形成されていない箇所に接するように、支持板４００上に設けられる。なお、直角プリズムの斜面とは、直角プリズムの横断面である直角三角形の斜辺を有する側面のことである。
【０２１９】
ここで、直角プリズム４０４は、その斜面が三角形セル４０１の全反射面４１２と平行になるような形状を有する。また、直角プリズム４０５は、その斜面が三角形セル４０２の全反射面４１３と平行になるような形状を有する。さらに、直角プリズム４０４および４０５のそれぞれの斜面には、反射防止膜が形成される。
【０２２０】
このように構成することで、入射光４４１が直角プリズム４０４の斜面に垂直に入射されるようにすれば、入射光４４１が直角プリズム４０４および４０５のそれぞれに対して、その直角プリズムの全反射面４３１および４３２のどちらか一方に平行になるように入射される。この場合、入射光４４１の入射面４１１における入射位置と、循環光４４４の入射面４１１における入射位置とが一致するので、入射光４４１の幅の広がりを抑制することができる。
【０２２１】
次に動作を説明する。
【０２２２】
入射光４４１が、直角プリズム４０４の斜面に入射される。入射光４４１は、直角プリズム４０４および導光板４０３を介して三角形セル４０１の入射面４１１の半透過膜４１１ａが形成された箇所に入射される。
【０２２３】
入射光４４１は、半透過膜４１１ａによって反射光４４２と透過光４４３とに分岐される。反射光４４２は、出射光として三角形セル４０１から出射される。
【０２２４】
透過光４４３は、循環光４４４として三角形セル４０１の内部を循環する。具体的には、循環光４４４は、全反射面４１２、全反射面４１３、入射面４１１の全反射膜４１１ｂの全反射膜が形成された箇所、全反射面４１２および全反射面４１３の順番で反射される。そして、循環光４４４は、三角形セル４０１の入射面４１１の半透過膜４１１ａが形成された箇所の入射光４４１が入射された位置に入射される。
【０２２５】
循環光４４４のうちの半透過膜４１１ａを透過した光は出射光として出射される。また、その循環光４４４のうちの半透過膜４１１ａで反射された光は、再び循環光４４４として三角形セル４０１の内部を循環する。
【０２２６】
三角形セル４０１から出射された出射光は、導光板４０３の全反射面４３１で反射されて再び三角形セル４０１の入射面４１１の半透過膜４１１ａが形成された箇所に入射される。
【０２２７】
このような動作が繰り返されることで、入射光４４１は、３回三角形セル４０１に入射される。その３回目に入射された入射光４４１に対応する出射光は、全反射面４３１で反射された三角形セル４０２に入射される。
【０２２８】
その後、三角形セル４０２でも三角形セル４０１の同様な動作が行われ、３回目に三角形セル４０２に入射された入射光に対応する出射光は、導光板４０３および直角プリズム４０５を介して直角プリズム４０５の斜面から出射光４４５として出射される。
【０２２９】
次に効果を説明する。
【０２３０】
本実施形態では、第四の実施形態と同様に、入射回数ｍの総和Ｍを大きくすることが可能になるので、よりスペックルの低減率を向上することが可能になる。
【０２３１】
次に第六の実施形態について説明する。
【０２３２】
図１６は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１６において、光学ユニットは、支持台５００と、半透過板５０１と、反射板５０２〜５０５と、正方形スペーサ５０６と、長方形スペーサ５０７と、支持板５０８〜５１１とを有する。ここで、半透過板５０１と、反射板５０２〜５０５と、正方形スペーサ５０６と、長方形スペーサ５０７と、支持板５０８〜５１１とは、支持台５００上に垂直に立設されている。
【０２３３】
半透過板５０１と、反射板５０２〜５０４とのそれぞれは、正方形スペーサ５０６の４つの側面のそれぞれに接するように設けられる。具体的には、半透過板５０１および反射板５０３が正方形スペーサ５０６を挟んで並設され、反射板５０２および５０４が正方形スペーサ５０６を挟んで並設される。
【０２３４】
反射板５０３の半透過板５０１と対向する側面、反射板５０２の反射板５０４と対向する側面、反射板５０４の反射板５０２と対向する側面のそれぞれは、全反射膜が形成された全反射面である。また、半透過板５０１の反射板５０３と対向する側面は、半透過膜が形成された半透過面である。なお、半透過板５０１のその半透過面と対向する側面には、反射防止膜が形成される。また、半透過膜の反射率は、例えば、０．６である。
【０２３５】
これにより、半透過板５０１と、反射板５０２〜５０４とに囲繞された、横断面が正方形の柱状多面体である光循環セル５５１が形成される。
【０２３６】
反射板５０５は、長方形スペーサ５０７を挟んで半透過板５０１と並設される。なお、反射板５０５は、半透過板５０１に対して反射板５０３と逆側に設けられる。
【０２３７】
反射板５０５の半透過板５０１と対向する側面は、全反射膜が形成された全反射面５０５ａである。
【０２３８】
また、反射板５０２は、半透過板５０１に垂直な方向に、少なくとの反射板５０５の全反射面５０５ａと垂直な側面と接するまで反射板５０５に向かって延伸される。
【０２３９】
支持板５０８は、反射板５０２と平行、かつ、反射板５０２に対して正方形スペーサ５０６の逆側に設けられる。支持板５０８は、支持板固定ねじ５２１および５２２で支持台５００に固定されている。
【０２４０】
支持板５０８の反射板５０２と平行な側面には、ねじ孔が２つ形成される。その２つのねじ孔のそれぞれに、押し付け用ねじ５２３および５２４のそれぞれがねじ込まれ、押し付け用ねじ５２３および５２４のそれぞれの先端が反射板５０２と圧接される。なお、押し付け用ねじ５２３および５２４のそれぞれの先端は、反射板５０２と面接触するように平坦になっている。
【０２４１】
これにより、反射板５０２と正方形スペーサ５０６との間に隙間が発生することを抑制することができる。
【０２４２】
支持板５０９および５１０のそれぞれの説明は、支持板５０８の説明において、反射板５０２を反射板５０３および５０４のそれぞれと読み替えればよいため詳細な説明は省略する。また、支持板５１１の説明は、支持板５０８の説明において、反射板５０２を反射板５０５に読み替え、正方形スペーサ５０６を長方形スペーサ５０７に読み替えればよいため、詳細な説明は省略する。
【０２４３】
なお、反射板５０５が支持板５１１の押し付けねじ５２３および５２４と圧接することにより、反射板５０５と長方形スペーサ５０７が圧接され、さらに、長方形スペーサ５０７と半透過板５０１とが圧接され、そして、半透過板５０１と正方形スペーサ５０６とが圧接される。これにより、半透過板５０１と正方形スペーサ５０６との間、および、半透過板５０１と長方形スペーサ５０７との間に隙間が発生することを抑制することができる。
【０２４４】
次に動作を説明する。
【０２４５】
入射光５３１は、半透過板５０１および反射板５０５の間隙から入射される。そして、その入射された入射光５３１は、光循環セル５５１の外から半透過板５０１に入射される。
【０２４６】
入射光５３１は、半透過板５０１で反射および透過され反射光と透過光とに分岐される。その反射光は、出射光として光循環セル５５１から出射される。
【０２４７】
その透過光は、循環光５３２として半透過板５０１および反射板５０２〜５０４で循環される。循環光５３２は、半透過板５０１に入射されるたびに反射および透過される。循環光５３２のうち透過された光は、出射光として光循環セル５５１から出射される。また、循環光５３２のうち反射された光は、再び循環光５３２として循環される。
【０２４８】
光循環セル５５１から出射された出射光は、反射板５０５の全反射面５０５ａで反射され、再び半透過板５０１に入射される。
【０２４９】
このような動作が３回繰り返される。その後、光循環セル５５１から出射された出射光は、全反射面５０５ａと、反射板５０２の全反射面の反射板５０５に向かって延伸されている箇所とで反射されて、再び光循環セルの入射光として入射される。
【０２５０】
その後、上記の動作が４回繰り返される。その後、光循環セル５５１から出射された出射光は、半透過板５０１および反射板５０５の間隙から出射光５３３として出射される。
【０２５１】
次に効果を説明する。
【０２５２】
本実施形態では、正方形スペーサ５０６や長方形スペーサ５０７に、半透過板５０１や反射板５０２〜５０５を圧接させているので、半透過板５０１や反射板５０２〜５０５の平行化の精度を高くすることが可能になる。したがって、出射光５３３の幅の広がりや出射光５３３の多峰化をより精度良く抑制することが可能になる。
【０２５３】
次に第七の実施形態について説明する。
【０２５４】
図１７は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１７において、光学ユニットは、支持台５００と、反射板５０２〜５０５と、正方形スペーサ５０６と、支持板５０８〜５１１と、導光板５１２とを有する。ここで、半透過板５０１と、反射板５０２〜５０５と、正方形スペーサ５０６と、支持板５０８〜５１１と、導光板５１２とは、支持台５００上に垂直に立設されている。
【０２５５】
図１６で示した半透過板５０１の代わりに導光板５１２が正方形スペーサ５０６の側面と接するように設けられる。また、導光板５１２の正方形スペーサ５０６と接する側面は、半透過膜が形成された半透過面５１２ａである。
【０２５６】
また、導光板５１２の半透過面５１２ａと対向する側面は、反射板５０５の反射面ａと接する。
【０２５７】
なお、反射板５０５が支持板５１１の押し付けねじ５２３および５２４と圧接することにより、反射板５０５と導光板５１２が圧接され、さらに、導光板５１２と正方形スペーサ５０６とが圧接される。これにより、反射板５０５と導光板５１２との間、および、導光板５１２と正方形スペーサ５０６との間に隙間が発生することを抑制することができる。
【０２５８】
次に効果を説明する。
【０２５９】
本実施形態では、正方形スペーサ５０６に導光板５１２やや反射板５０２〜５０５を圧接させているので、導光板５１２や反射板５０２〜５０５の平行化の精度を高くすることが可能になる。したがって、出射光５３３の幅の広がりや出射光５３３の多峰化をより精度良く抑制することが可能になる。
【０２６０】
次に第八の実施形態について説明する。本実施形態では、主に第一の実施形態と異なる構成および機能について説明する。
【０２６１】
図１８は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図１８において、光学ユニットは、図１で示した光学ユニットの全反射鏡１３の代わりに、入射された光の位相をランダムにシフトしてその光を反射するランダム位相板１５を有する。
【０２６２】
図１９ａは、ランダム位相板１５を模式的に示した表面図である。また、図１９ｂは、ランダム位相板１５の１５ａ部分の拡大図である。
【０２６３】
ランダム位相板１５は、その表面に、複数の微細なセルが２次元配列された構造を有する。セルは、例えば、一辺が約１００μｍ程度の正方形状をしている。
【０２６４】
セルには、高低（凹凸）がつけられており、互いに隣接するセルの高低はランダムになっている。また、その高低差は、入射光３１の波長の半分程度である。図１９ａでは、ランダム位相板１５の高いセル１５ｂが、その低いセル１５ｃが、白い領域で示されている。なお、セルの高さは多段になっていてもよい。
【０２６５】
また、ランダム位相板１５は、例えば、以下のように製造する。先ず、チタンなどの金属膜が１００μｍ程度のセル状にランダムに蒸着されたプリズムやガラス板を用意する。なお、その金属膜は、レジスト露光が用いられて蒸着される。続いて、その用意されたプリズムまたはガラス板の表面に、バッファードフッ酸などでエッチングをすることで高低差を付ける。その後、その蒸着された金属膜を硫酸などで除去する。これにより、ランダム位相板１５が製造される。
【０２６６】
典型的な直径１ｍｍ程度の光がランダム位相板１５に入射された場合、その光が入射された範囲には、８０個程度のセルが含まれる。このため、その入射された光の位相がランダムにシフトされて反射される。この反射光の波面は、細かくランダムに乱されている。
【０２６７】
また、ランダム位相板１５の高低パターンは位置によって異なるので、それらのランダム位相板１５で反射される光のそれぞれの波面形状には、相関がなくなる。このため、それらの光が合成されて出射される出射光３６のスペックルが低減される。
【０２６８】
次に効果を説明する。
【０２６９】
本実施形態では、光循環セル１の反射面の少なくとも一つは、循環光の位相をランダムにシフトして反射するランダム位相板１５である。
【０２７０】
この場合、光循環セル１の出射光のそれぞれの波面形状に相関がなくなるため、それらの出射光が合成された出射光３６のスペックルを低減させることが可能になる。したがって、スペックルをより低減させることが可能になる。
【０２７１】
次に第九の実施形態について説明する。
【０２７２】
本実施形態では、図１０で示した光学ユニットにおいて、光循環セル２０１の縦幅がＡ倍になった光学ユニットを説明する。なお、Ａは、２以上の整数である。
【０２７３】
図２０は、本実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。図２０で示した光循環セル２０２は、図１０で示した光学ユニットにおいて、光循環セル２０１の縦幅ａが２倍になった構成を有する。
【０２７４】
この場合、全反射面２１２および２１４は、半透過面１２１で透過された透過光３３を循環光３４として交互に反射して全反射面２１３に入射する。全反射面２１３は、その入射された循環光３４を反射する。全反射面２１２および２１４は、全反射面２１３で反射された循環光３４を交互に反射して半透過面１２１に入射する。
【０２７５】
また、光循環セル２０２の設定入射角度は、光循環セル２０１の設定入射角度と等しい。したがって、例えば、したがって、設定入射角度がθの場合、光循環セル２０１の縦横比γはｔａｎθなので、光循環セル２０２の縦横比γは、ｔａｎθ／２となる。また、一般に、光循環セル２０１の縦幅がＡ倍された光循環セルの縦横比γは、ｔａｎθ／Ａとなる。
【０２７６】
全反射面２１２および２１４のそれぞれは、光循環セル２０１の縦幅ａが２倍なので、循環光３４を全反射面２１３に入射するまでに、１回ずつ循環光３４を反射していた。光循環セル２０２の縦幅ａがＡ倍になると、Ａが偶数の場合、全反射面２１２および２１４のそれぞれは、循環光３４をＡ／２回ずつ反射する。また、Ａが奇数の場合、全反射面２１２および２１４の一方が循環光３４を（Ａ−１）／２回反射し、他方が循環光３４を（Ａ＋１）／２回反射する。つまり、循環光３４は、全反射面２１２および２１４で合計Ａ回反射される。
【０２７７】
また、循環光３４の循環光路では、半透過面１２１から全反射面２１３までの光路と、全反射面２１３から半透過面１２１までの光路とが交差する。このため、循環光路の形状は、複数のループが繋がったように見える。このループの数は、半透過面１２１から全反射面２１３までの循環光路において、循環光が全反射面２１２および２１４で反射される数と同じになる。以下、このループの数をループ数と称する。このループ数は、Ａに等しい。
【０２７８】
以下、このような光循環セルをロッドセルと称する。
【０２７９】
次にロッドセルの特性を説明する。
【０２８０】
図２１は、ロッドセルの特性を説明するための説明図である。以下では、縦横比γ＝１の場合の光循環セル（以下、正方形セルと称する）と、縦横比がγ／Ａのロッドセルとを比較する。
【０２８１】
図２１で示されるように、循環光路長Ｌを確保するのに必要な正方形セルの面積がＳ1であったとする。この場合、循環光路長Ｌを確保するのに必要なループ数２のロッドセルの面積は、Ｓ1／２になる。また、ループ数が４のロッドセルの面積は、Ｓ1／４になる。
【０２８２】
また、循環光路長２Ｌを確保するのに必要な四角形セルの面積がＳ2であったとする。この場合、循環光路長Ｌを確保するのに必要な、ループ数が８のロッドセルの面積は、Ｓ2／８になる。
【０２８３】
したがって、ある循環光路長を確保するのに必要なロッドセルの底面の大きさは、ループ数Ａに半比例することが分かる。
【０２８４】
次に効果を説明する。
【０２８５】
本実施形態では、光循環セルは、横断面が長方形の四角柱である。
【０２８６】
この場合、光学ユニットに入射される入射光の光循環セルの半透過鏡における入射角度が適宜調整されれば、光循環セルの循環光路長を保ったまま、横幅を低減することが可能になる。したがって、循環光路長を保ったまま光循環セルの面積を低減することが可能になる。
【０２８７】
次に第十の実施形態について説明する。
【０２８８】
図２２は、本実施形態のレーザ出射装置を模式的に示した構成図である。図２２において、レーザ出射装置は、支持板６００と、光学ユニット６０１と、光源装置６０２と、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）結晶６０３と、集光光学系６０４および６０５とを有する。
【０２８９】
支持板６００は、ガラスで形成される。なお、このガラスの屈折率は１．５であるとする。
【０２９０】
光学ユニット６０１は、本実施形態では、第三の実施形態（図１０）で説明した光学ユニットを用いるが、実際には、第一から第八の実施形態で説明した光学ユニットのいずれか、または、それらの光学ユニットの当業者が理解し得る変更を行った光学ユニットを用いることができる。
【０２９１】
光学ユニット６０１の光循環セル２０１および導光板１０２は、同じ材質のＧａＡｓ基板で形成されている。したがって、光循環セル２０１および導光板１０２の屈折率は、互いに等しい。また、ＧａＡｓ基板の屈折率は、略３．５であり、支持板６００の屈折率より高い。
【０２９２】
なお、ＧａＡｓ基板のへき開面を用いることで、半透過鏡２１１および全反射面２１２、半透過鏡２１１および全反射面２１３、全反射面２１２および２１４のそれぞれを互いに平行にすることができる。この場合、光循環セル２０１や導光板１０２をガラスで形成する場合に比べて、誘電体多層膜による反射膜の反射率を精度良く設定することが可能になる。
【０２９３】
光源装置６０２は、波長１０６０ｎｍの赤外線レーザ光６２０を入射光として光学ユニット６０１に入射する。
【０２９４】
光源装置６０２は、支持ステージ６１１と、赤外線半導体レーザ６１２と、ヒートシンク６１３と、コリメータ６１４とを有する。
【０２９５】
支持ステージ６１１は、支持板６００上に設けられる。
【０２９６】
赤外線半導体レーザ６１２は、光源の一例である。赤外線半導体レーザ６１２は、赤外線レーザ光６２０を、コリメータ６１４を介して光学ユニット６０１に出射する。ここで、赤外線レーザ光６２０のコヒーレンス長は、光学ユニット６０１の各循環光３４の光路差以下である。つまり、赤外線レーザ光６２０のコヒーレンス長は、光循環セル２０１から出射される複数の出射光の光路差以下である。
【０２９７】
ヒートシンク６１３は、赤外線半導体レーザ６１２にて発生された熱を放熱する。
【０２９８】
コリメータ６１４は、赤外線半導体レーザ６１２から出射された赤外線レーザ光６２０をコリメートする。
【０２９９】
図２３は、光源装置６０２をより詳細に説明するための説明図である。なお、光学ユニット６０１の導光板１０２の厚さは０．３５ｍｍであるとする。
【０３００】
支持ステージ６１１は、支持板６００の表面に垂直な方向を軸にして回転可能であり、赤外線レーザ光６２０の光学ユニット６０１に対する入射角度を変更することが可能である。
【０３０１】
赤外線半導体レーザ６１２は、アスペクト比３：１のレーザ光源である。赤外線半導体レーザ６１２は、９０°傾けられて支持ステージ６１１上に設けられる。
【０３０２】
コリメータ６１４は、赤外線半導体レーザ６１２が出射した赤外線レーザ光６２０をコリメートして、その赤外線レーザ光６２０を支持板６００の表面に平行な方向の幅が１ｍｍの平行光にする。これは、赤外線レーザ光６２０の支持板６００の表面に平行な方向の幅の広がりを抑制するためである。なお、赤外線レーザ光６２０は、支持板６００の表面に垂直な方向には、支持板６００の屈折率より屈折率が高い導光板１０２によって閉じ込められる。したがって、赤外線レーザ光６２０を平行光にすれば、光学ユニット６０１の内部で赤外線レーザ光６２０の幅は広がらない。
【０３０３】
図２２に戻る。集光光学系６０４は、例えば、レンズであり、光学ユニット６０１から出射された赤外線レーザ光６２０を集光してＳＨＧ結晶６０３に入射する。
【０３０４】
ＳＨＧ結晶６０３は、導波路型のＳＨＧ結晶でもよいし、導波路型でないＳＨＧ結晶でもよい。なお、図２２では、ＳＨＧ結晶６０３は、導波路型のＳＨＧ結晶であるとしている。また、導波路型のＳＨＧ結晶としては、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）を５モル％ドープしたＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）を用いる。このＰＰＬＮは、耐光損傷性に優れている。
【０３０５】
ＳＨＧ結晶６０３は、２光子吸収により、その入射された赤外線レーザ光６２０の波長を半分にして、波長が５３０ｎｍの緑色レーザ光６２１を生成し、その緑色レーザ光６２１を出射する。
【０３０６】
集光光学系６０５は、例えば、レンズであり、ＳＨＧ結晶１００３から出射された緑色レーザ光６２１をスクリーン（図示せず）に向けて集光する。
【０３０７】
また、光学ユニット６０１の光循環セル２０１の半透過鏡２１１の反射率μは、赤外線半導体レーザ６１２が出射する赤外線レーザ光６２０によるスペックルのコントラストに対する、光学ユニット６０１が出射する赤外線レーザ光６２０によるスペックルのコントラストの相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0の反射率μに対する微分値が０となるときの値である。
【０３０８】
なお、本実施形態では、レーザ出射装置は、緑色レーザ光６２１を出射していたが、赤外線半導体レーザの波長を調整することで、赤色レーザ光や青色レーザ光を出射することもできる。また、導光板１０２および光循環セル２０１は、赤色レーザ光用にはＧａＰ基板を用いることが望ましく、青色レーザ光用にはＧａＮ基板を用いることが望ましい。
【０３０９】
次に赤外線レーザ光６２０について説明する。
【０３１０】
図２４は、赤外線レーザ光６２０のコヒーレンス長とスペクトル幅の関係を示したグラフである。図２４において、横軸はスペクトル幅δλを示し、縦軸はコヒーレンス長Ｌcを示す。なお、赤外線レーザ光６２０の波長λは１０６０ｎｍであるとする。また、コヒーレンス長Ｌcは、Ｌc≒λ2／δλで評価できる。
【０３１１】
赤外線レーザ光６２０のスペクトル幅を０．０２ｎｍ〜０．０８ｎｍにすると、赤外線レーザ光６２０のスペクトル幅がＳＨＧ結晶６０３による変換波長の半値幅０．１６ｎｍより小さくなるので、赤外線レーザ光６２０を高効率で緑色レーザ光６２１に変換することが可能になる。
【０３１２】
また、赤外線レーザ光６２０を生成する赤外線半導体レーザ６１２としては、単一量子井戸（Single Quantum Well：SQW）構造を有し、量子井戸幅が広く、共振器長が小さいものが望ましい。この場合、赤外線半導体レーザ６１２の微分利得が低下し、スペクトル幅を増大させることができる。
【０３１３】
図２５は、光循環セル１０１の大きさと赤外線レーザ光６２０のスペクトル幅との関係を示したグラフである。図２５において、横軸はスペクトル幅δλを示し、縦軸は光循環セル２０１のサイズ（横幅）ｂを示す。なお、光循環セル１０１は、横断面が正方形の柱状多面体であるとする。また、赤外線レーザ光６２０のスペクトル幅を０．０２ｎｍ〜０．０８ｎｍにする。
【０３１４】
この場合、光循環セル２０１の内部の屈折率ｎ3を考慮すると、光循環セル２０１のサイズｂは少なくともＬc／（２ｎ3√２）であれば、光循環セル２０１から出射される出射光のそれぞれが独立した光とみなせる。本実施形態では、光循環セル２０１の内部は、ＧａＡｓの屈折率は、３．５と高いので光循環セル２０１のサイズｂを小さくすることができる。具体的には、光循環セル２０１のサイズｂは、１ｃｍ以下にすることができる。
【０３１５】
なお、ＳＨＧ結晶６０３の長さは、赤外線レーザ光６２０より小さいことが望ましい。
【０３１６】
次に効果を説明する。
【０３１７】
本実施形態では、赤外線レーザ光６２０が光循環セル２０１の複数の位置に入射されるので、赤外線レーザ光６２０の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。
【０３１８】
また、本実施形態では、赤外線レーザ光６２０のコヒーレンス長は循環光３４の光路長以下であるので、光循環セルの複数の出射光の光路差以下である。この場合、効率的にスペックルを低減することが可能になる。
【０３１９】
また、光循環セル２０１の半透過鏡の反射率μは、赤外線半導体レーザ６１２が出射する赤外線レーザ光６２０によるスペックルのコントラストに対する、光学ユニット６０１が出射する赤外線レーザ光６２０によるスペックルのコントラストの相対スペックルコントラストＣ／Ｃ0の反射率μに対する微分値が０となるときの値である。
【０３２０】
この場合、光学ユニット６０１が出射する赤外線レーザ光６２０によるスペックルコントラストの低減率をより向上させることができる。
【０３２１】
また、本実施形態では、ＳＬＤ（Super luminescent Diode：スーパールミネッセントダイオード）より光強度が高い光を出射可能な半導体レーザを用いるので、光強度の高い緑色レーザ光６２１を出射することが可能になる。
【０３２２】
また、本実施形態では、ＳＨＧ結晶６０３による２光子吸収では、光学ユニットで合成された複数の赤外線レーザ光６２０の独立性を保ったまま、赤外線レーザ光６２０の波長を半分にできるので、低スペックルの緑色レーザ光６２１を生成することができる。
【０３２３】
次に第十一の実施形態について説明する。
【０３２４】
図２６は、本実施形態のレーザ出射装置を模式的に示した構成図である。図２６において、レーザ出射装置は、支持板６００と、光源装置６０２と、ＳＨＧ結晶６０３と、集光光学系６０４および６０５と、光学ユニット６０６とを有する。
【０３２５】
光学ユニット６０６は、第二の実施形態（図７）で説明した光学ユニットのように、光循環セル１の内部の屈折率と、導光板１０２の内部の屈折率が互いに異なる光学ユニットを用いる。例えば、
光循環セル１０１は、薄膜ガラスで形成し、導光板１０２は、アンド-プＧａＡｓ基板で形成する。この場合、光循環セル１０１の内部の屈折率ｎ2は、導光板１０２の内部の屈折率ｎ1より小さい。なお、支持板６００の屈折率ｎ4を光循環セル１０１の屈折率ｎ2より小さくすることで、赤外線レーザ光６２０を支持板６００の表面に垂直な方向に閉じ込めることができる。
【０３２６】
次に効果を説明する。
【０３２７】
本実施形態では、第九の実施形態と同様に、赤外線レーザ光６２０が光循環セル２０１の複数の位置に入射されるので、赤外線レーザ光６２０の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。
【０３２８】
次に第十二の実施形態について説明する。
【０３２９】
図２７は、本実施形態のレーザプロジェクタを模式的に示した上面図である。図２５において、レーザプロジェクタは、支持板７００と、光源装置７０１および７０２と、ダイクロイックプリズム７０３および７０４と、光学ユニット７０５と、走査鏡７０６とを有する。
【０３３０】
支持板７００は、ガラスで形成される。
【０３３１】
光源装置７０１は、支持ステージ７１１と、緑色レーザ７１２とを有する。
【０３３２】
緑色レーザ７１２は、支持ステージ７１１上に設けられる。緑色レーザ７１２は、緑色のレーザ光をダイクロイックプリズム７０３および７０４を介して光学ユニット７０５に入射する。なお、緑色のレーザ光はＰ偏光である。また、支持ステージ７１１は、支持板７００の表面に垂直な方向を軸とした回転が可能であり、緑色のレーザ光の光学ユニット７０５に対する入射角度を変更することが可能である。
【０３３３】
光源装置７０２は、支持ステージ７２１と、赤色レーザ７２２と、青色レーザ７２３とを有する。
【０３３４】
赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３は、支持ステージ７２１上に設けられる。なお、赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３は、別々の支持ステージに設けられてもよい。
【０３３５】
赤色レーザ７２２は、例えば、赤色面発光レーザである。赤色レーザ７２２は、赤色のレーザ光をダイクロイックプリズム７０３および７０４を介して光学ユニット７０５に出射する。なお、赤色のレーザ光はＳ偏光である。
【０３３６】
青色レーザ７２３は、例えば、青色ＬＤである。青色レーザ７２３は、青色のレーザ光をダイクロイックプリズム７０３および７０４を介して光学ユニット７０５に出射する。なお、青色のレーザ光はＳ偏光である。
【０３３７】
支持ステージ７２１は、支持板７００に垂直な方向を軸とした回転が可能であり、赤色のレーザ光および青色のレーザ光の光学ユニット７０５に対する入射角度を変更することが可能である。
【０３３８】
なお、緑色レーザ７１２、赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３は、光源の一例である。
【０３３９】
ダイクロイックプリズム７０３は、緑色レーザ７１２から出射された緑色のレーザ光と、赤色レーザ７２２から出射された赤色のレーザ光とを合成する。
【０３４０】
ダイクロイックプリズム７０４は、ダイクロイックプリズム７０３で合成されたレーザ光と、青色レーザ７２３から出射された青色のレーザ光とを合成して、ＲＧＢ光７３１を生成する。ダイクロイックプリズム７０４は、そのＲＧＢ光７３１を光学ユニット７０５に入射する。
【０３４１】
光学ユニット７０５は、本実施形態では、第三の実施形態（図１０）で説明した光学ユニットを用いるが、実際には、第一から第八の実施形態で説明した光学ユニットのいずれか、または、それらの光学ユニットの当業者が理解し得る変更を行った光学ユニットを用いることができる。
【０３４２】
なお、緑色レーザ７１２、赤色レーザ７２２および青色レーザ７２３のそれぞれのコヒーレント長は、光学ユニット７０５の光循環セル２０１の複数の出射光の光路差以下である。
【０３４３】
走査鏡７０６は、光循環セル２０１から出射されたＲＧＢ光７３１を走査してスクリーン７０７に投射する。
【０３４４】
次に効果を説明する。
【０３４５】
本実施形態では、ＲＧＢ光７３１が複数の光循環セル２０１に入射されるので、ＲＧＢ光７３１の光強度が均一化される。したがって、ライトパイプを用いなくても、スペックルの低減率を向上させることが可能になる。
【０３４６】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【０３４７】
例えば、光学ユニットの出射部または出射部の前後に、光学ユニットから出射される出射光を集光するための光学レンズが設けられてもよい。これにより、例えば、光学ユニットに入射される入射光の半透過鏡における入射角度や入射位置がずれて、光学ユニットから出射される出射光の幅が拡大したり、その出射光が多峰化した場合でも、その出射光の幅を縮小したり、その出射光を単峰光または略単峰光にしたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０３４８】
【図１】本発明の第一の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図２】入射光の入射角度と出射光の光強度分布の関係を示した説明図である。
【図３ａ】本発明の第一の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と縦横比の関係を示したグラフである。
【図３ｂ】本発明の第一の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と入射回数の関係を示したグラフである。
【図４】本発明の第一の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と光循環セルの横幅の関係を示したグラフである。
【図５】回転数と出射光の光強度との関係を示したグラフである。
【図６】半透過鏡の反射率と相対スペックルコントラストの関係を示したグラフである。
【図７】本発明の第二の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図８ａ】本発明の第二の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と縦横比の関係を示したグラフである。
【図８ｂ】本発明の第二の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と入射回数の関係を示したグラフである。
【図９】本発明の第二の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と縦幅の関係を示したグラフである。
【図１０】本発明の第三の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図１１ａ】本発明の第三の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と縦横比の関係を示したグラフである。
【図１１ｂ】本発明の第三の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と入射回数の関係を示したグラフである。
【図１２】本発明の第三の実施形態の光学ユニットの最小面間距離と縦幅の関係を示したグラフである。
【図１３】本発明の第四の実施形態の光学ユニットを模式的に示した斜視図である。
【図１４】本発明の第四の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図１５】本発明の第五の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図１６】本発明の第六の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図１７】本発明の第七の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図１８】本発明の第八の実施形態の光学ユニットを模式的に示した上面図である。
【図１９ａ】ランダム位相板を模式的に示した表面図である。
【図１９ｂ】ランダム位相板の一部分の拡大図である。
【図２０】本発明の第九の実施形態の光学ユニットを模式的に示した構成図である。
【図２１】本発明の第九の実施形態の光学ユニットの特性を説明するための説明図である。
【図２２】本発明の第十の実施形態のレーザ出射装置を模式的に示した構成図である。
【図２３】光源装置をより詳細に説明するための説明図である。
【図２４】赤外線レーザ光のコヒーレンス長とスペクトル幅の関係を示したグラフである
【図２５】光循環セルの大きさと赤外線レーザ光のスペクトル幅との関係を示したグラフである。
【図２６】本発明の第十一の実施形態のレーザ出射装置を模式的に示した構成図である。
【図２７】本発明の第十二の実施形態のレーザプロジェクタを模式的に示した構成図である。
【図２８】特許文献１に記載の光源装置を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０３４９】
１、１０１、２０１、２０２、３５１〜３５４、５５１  光循環セル
２、１０２、３０４、４０３、５１２  導光板
１１、２１１  半透過鏡
１１ａ、１２１、３１１、５１２ａ  半透過面
１２、１３  全反射鏡
２１、１２２、２１２〜２１４、４１２〜４１４、４３１、５０５  全反射面
４０１、４０２  三角形セル
５０１  半透過板
５０２〜５０４  反射板
６０１、６０６、７０５  光学ユニット
６０２、７０１、７０２  光源装置
７０６  走査鏡
【図１】
2010122282.tif 000010
【図２】
2010122282.tif 000011
【図３ａ】
2010122282.tif 000012
【図３ｂ】
2010122282.tif 000013
【図４】
2010122282.tif 000014
【図５】
2010122282.tif 000015
【図６】
2010122282.tif 000016
【図７】
2010122282.tif 000017
【図８ａ】
2010122282.tif 000018
【図８ｂ】
2010122282.tif 000019
【図９】
2010122282.tif 000020
【図１０】
2010122282.tif 000021
【図１１ａ】
2010122282.tif 000022
【図１１ｂ】
2010122282.tif 000023
【図１２】
2010122282.tif 000024
【図１３】
2010122282.tif 000025
【図１４】
2010122282.tif 000026
【図１５】
2010122282.tif 000027
【図１６】
2010122282.tif 000028
【図１７】
2010122282.tif 000029
【図１８】
2010122282.tif 000030
【図１９ａ】
2010122282.tif 000031
【図１９ｂ】
2010122282.tif 000032
【図２０】
2010122282.tif 000033
【図２１】
2010122282.tif 000034
【図２２】
2010122282.tif 000035
【図２３】
2010122282.tif 000036
【図２４】
2010122282.tif 000037
【図２５】
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【図２６】
2010122282.tif 000039
【図２７】
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【図２８】
2010122282.tif 000041