(57)【要約】【課題】特に機械的摺動部を用いることなく、スペックルコントラストを効果的に低減することができるレーザ光源装置を提供すること。【解決手段】レーザ光源装置（１００）は、レーザ光を出射するレーザ光源（１１０）と、レーザ光源（１１０）から出射されたレーザ光の偏光状態を制御する液晶変調素子（１２０）と、液晶変調素子（１２０）によって偏光状態が制御されたレーザ光を、Ｐ偏光（２３０）成分とＳ偏光（２４０）とに分岐させ、光路差を持たせて伝播させた後に合成する、偏光ビームスプリッタ（１３０）、第１の直角プリズム（１４０）、および第２の直角プリズム（１５０）とを有する。液晶変調素子（１２０）は、レーザ光源（１１０）から出射されたレーザ光の照射範囲を分割した複数のエリアごとに、レーザ光に対する複屈折性および旋光性のうち少なくとも一方を電気的に制御することで、レーザ光の偏光状態を制御する。【選択図】図１
2010224311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する光源部と、
前記光源部から出射された前記レーザ光の偏光状態を制御する偏光状態制御手段と、
前記偏光状態制御手段によって偏光状態が制御された前記レーザ光を、第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分岐させる分岐手段と、
前記分岐手段によって分岐された前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを、光路差を持たせて伝播させた後に合成する合成手段と、を有し、
前記偏光状態制御手段は、
前記光源部から出射された前記レーザ光の照射範囲を分割した複数のエリアごとに、前記レーザ光に対する複屈折性および旋光性のうち少なくとも一方を電気的に制御することで、前記レーザ光の偏光状態を制御する、
レーザ光源装置。
【請求項２】
前記偏光状態制御手段は、
少なくとも２つの前記エリア間において、異なる偏光状態制御を行う、
請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記偏光状態制御手段は、
第１の偏光成分と第２の偏光成分との比がほぼ１：１となるように、前記レーザ光の偏光状態を制御する、
請求項２に記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記偏光状態制御手段は、
偏光回転角が０度から９０度までの間の多値を取るように、前記レーザ光の偏光状態を制御する、
請求項２または請求項３に記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
前記偏光状態制御手段は、
偏光回転角が０度および９０度の２値を取るように、前記レーザ光の偏光状態を制御する、
請求項２または請求項３に記載のレーザ光源装置。
【請求項６】
前記偏光状態制御手段は、
液晶変調素子である、
請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
前記液晶変調素子は、
ガラス基板と、透明電極と、配向膜と、液晶層と、を有する、
請求項６記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
前記分岐手段は、
偏光ビームスプリッタである、
請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
前記合成手段は、
前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを近接させる導光光学系と、
近接した前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを同一方向に出射させる合成素子と、を有する、
請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
前記合成素子は、
前記第１の偏光成分および前記第２の偏光成分の少なくとも１つの光軸を、分岐前の光軸とずらして結合する、
請求項９に記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前記分岐手段および前記合成素子は、
１つの偏光ビームスプリッタである、
請求項９に記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
前記合成素子は、
前記分岐手段とは異なる偏光ビームスプリッタである、
請求項９に記載のレーザ光源装置。
【請求項１３】
前記合成素子は、
反射ミラーまたはプリズムである、
請求項９に記載のレーザ光源装置。
【請求項１４】
前記導光光学系は、
反射ミラーまたはプリズムを有する、
請求項９記載のレーザ光源装置。
【請求項１５】
前記導光光学系は、
前記第１の偏光成分および前記第２の偏光成分のいずれかのビームパターンを反転させる反転光学系を有する、
請求項９に記載のレーザ光源装置。
【請求項１６】
前記反転光学系は、
１対の凸レンズもしくはシリンドリカルレンズ、またはダブプリズムを有する、
請求項１５に記載のレーザ光源装置。
【請求項１７】
前記光源部から出射された前記レーザ光を入射してその径を拡大し、径が拡大した前記レーザ光を前記偏光状態制御手段に入射させる拡大光学系、を更に有する、
請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項１８】
前記合成手段から出射された前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分との合成光の強度分布を均一化する均一化光学系、を更に有する、
請求項１に記載のレーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディスプレイ装置の光源として用いられるレーザ光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光源をプロジェクション装置等のディスプレイ装置の光源として用いる試みが、活発となっている。レーザ光は、波長幅が狭く色純度が高い。また、レーザ光源は、一般的なランプ光源と比較して、より小型、高出力、かつ長寿命のデバイスである。したがって、レーザ光源を採用することによって、ディスプレイ装置の広色域化、薄型化、高輝度化、および長寿命化を図ることができる。
【０００３】
その一方で、レーザ光には、スペックルノイズと呼ばれる明暗のパターンが観測者の網膜に結像され易いという特徴がある。スペックルノイズ（以下単に「スペックル」という）は、レーザ光が有する高いコヒーレンス特性（可干渉性）に起因するものである。特に、ディスプレイ用途の場合、つまり、レーザ光が面状光に変換されて映像出力に利用される場合、スペックルが映像に重畳して観測されることになり、映像の劣化を招くという問題が発生する。
【０００４】
そこで、複数のスペックルパターンを重ね合わせることによってレーザ光のスペックルを低減する技術が、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載の装置は、偏光ビームスプリッタ（polarizing beam splitter：ＰＢＳ）によってレーザ光を２つの光成分に分割し、これら２つの光成分を、レーザ光のコヒーレンス長（可干渉距離）以上の光路差を持たせて伝播した後に合成する。すなわち、レーザ光を、互いに干渉しない２つの光成分の合成光に変換する。これにより、２つのスペックルパターンの積分効果が得られ、コヒーレンス特性を低下させ、スペックルの濃淡比（スペックルコントラスト）を低減することができる。
【０００６】
特許文献２に記載の装置は、ハーフミラーを用いて、レーザ光の分割および合成を行う。
【０００７】
また、複数のスペックルパターンを時間平均的に重ね合わせることによってレーザ光のスペックルを低減する技術が、例えば特許文献３および特許文献４に記載されている。
【０００８】
特許文献３に記載の装置は、変角ミラーの回転によって、照射面に対するレーザ光の照射位置を高速に移動させ、時間の経過とともにスペックルパターンを変化させる。これにより、複数のスペックルパターンの積分効果が得られ、コヒーレンス特性を低下させ、スペックルコントラストを低減することができる。
【０００９】
特許文献４に記載の装置は、ＶＡ（vertical alignment）方式の液晶素子を用いて、レーザ光の偏光状態を変化させずに位相のみを変化させる位相変調を行うことによって、スペックルパターンを変化させる。
【特許文献１】特開２００１−２９６５０３号公報
【特許文献２】特開２０００−２２３３９６号公報
【特許文献３】特開昭６３−１００４６１号公報
【特許文献４】特開２００７−１６３７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献３に記載の技術は、変角ミラーとその駆動装置という機械的摺動部を必要とするため、装置の信頼性、寿命、および静音性に問題がある。
【００１１】
特許文献１、特許文献２、および特許文献４に記載の各技術は、機械的摺動部を必要としないため、このような問題は生じない。
【００１２】
ところが、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、光成分ごとのスペックルは固定された状態であるため、スペックルコントラストを十分に低減することが難しい。
【００１３】
また、特許文献４に記載の技術では、積分効果が低く、スペックルコントラストを十分に低減することが難しい。これは、例えば、回転するレンチキュラレンズにレーザ光を透過させる場合に、位相情報が変調されるものの、残存スペックルが多く存在することからも明らかである。
【００１４】
そこで、特許文献１または特許文献２に記載の技術と特許文献４に記載の技術とを組み合わせることが考えられる。しかしながら、分割された光成分ごとに位相変調が行われるに留まり、やはりスペックルコントラストを十分に低減することは困難である。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、特に機械的摺動部を用いることなく、スペックルコントラストを効果的に低減することができるレーザ光源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】
【００１６】
本発明のレーザ光源装置は、レーザ光を出射する光源部と、前記光源部から出射された前記レーザ光の偏光状態を制御する偏光状態制御手段と、前記偏光状態制御手段によって偏光状態が制御された前記レーザ光を、第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分岐させる分岐手段と、前記分岐手段によって分岐された前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分とを、光路差を持たせて伝播させた後に合成する合成手段と、を有し、前記偏光状態制御手段は、前記光源部から出射された前記レーザ光の照射範囲を分割した複数のエリアごとに、前記レーザ光に対する複屈折性および旋光性のうち少なくとも一方を電気的に制御することで、前記レーザ光の偏光状態を制御する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光路差を持たせる２つの光成分の比を分割エリアごとに電気的に制御することができるので、特に機械的摺動部を用いることなく、スペックルコントラストを効果的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図において、同一部分または対応部分には同一符号を付し、これについての説明は繰り返さない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図である。
【００２０】
図１において、レーザ光源装置１００は、レーザ光源１１０、液晶変調素子１２０、偏光ビームスプリッタ１３０、第１の直角プリズム１４０、および第２の直角プリズム１５０を有する。
【００２１】
以下、各図において、液晶変調素子１２０の主面の法線方向である紙面左右方向のうち右向きを、Ｚ軸の正の方向とし、紙面上下方向のうち上向きを、Ｙ軸の正の方向とし、これらに直交する方向のうち紙面奥向きを、Ｘ軸の正の方向とする。また、後述の偏光ビームスプリッタの偏光分離面を基準としてＰ偏光およびＳ偏光の語句を用いるものとする。
【００２２】
レーザ光源１１０は、レーザ光を出射する。ここでは、レーザ光源１１０は、Ｚ軸の正の方向にレーザ光２１０を出射するものとする。また、レーザ光２１０は、Ｙ軸方向に振動するＰ偏光であるものとする。
【００２３】
液晶変調素子１２０は、レーザ光源１１０からみてＺ軸の正の方向に配置され、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光２１０を入射してレーザ光２２０に変換し、Ｚ軸の正の方向に出射する。
【００２４】
このとき、液晶変調素子１２０は、レーザ光２１０の照射範囲を分割したエリア（以下「分割エリア」という）ごとに、レーザ光２２０に対する複屈折性および旋光性のうち少なくとも一方を電気的に制御する。これにより、液晶変調素子１２０は、レーザ光２２０の偏光状態を制御することができる。具体的には、液晶変調素子１２０は、例えば、レーザ光２１０のＰ偏光成分の全てまたは一部をＳ偏光成分に変換したレーザ光２２０を出射することができる。以下、液晶変調素子１２０から出射されるレーザ光２２０のうち、Ｐ偏光成分を、単に「Ｐ偏光」といい、Ｓ偏光成分を、単に「Ｓ偏光」という。液晶変調素子１２０の構成については後述する。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ１３０は、液晶変調素子１２０から出射されるレーザ光２２０を、Ｐ偏光２３０とＳ偏光２４０とに分岐させる。具体的には、偏光ビームスプリッタ１３０は、透過の作用によって、Ｐ偏光２３０をＺ軸の正の方向に出射し、透過の作用および偏光分離面１３１における反射の作用によって、Ｓ偏光２４０をＹ軸の正の方向に偏向して出射する。
【００２６】
第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０は、偏光ビームスプリッタ１３０から出射されたＰ偏光２３０とＳ偏光２４０とを、光路差を持たせて伝播させた後に合成する。具体的には、第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０は、反射の作用により、Ｓ偏光２４０を、所定の光路長で伝播させた後に再び偏光ビームスプリッタ１３０の偏光分離面１３１に入射させる。この所定の光路長は、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光２１０のコヒーレンス長以上の長さであることが好ましい。本実施の形態では、この所定の光路長は、レーザ光２１０のコヒーレンス長以上であるものとする。また、第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０のＹ軸方向における位置の設定により、任意の光路差を設定することができる。
【００２７】
Ｓ偏光２４０の偏光ビームスプリッタ１３０への再入射の位置は、Ｓ偏光２４０が偏光分離面１３１において最初に反射作用を受けた位置である。Ｓ偏光２４０の偏光ビームスプリッタ１３０への入射の方向は、Ｙ軸の正の方向、つまりＳ偏光２４０が偏光分離面１３１から最初に出射した方向である。この結果、偏光ビームスプリッタ１３０は、再入射したＳ偏光２４０を、偏光分離面１３１における反射の作用によって、Ｐ偏光２３０と同じ位置からＺ軸の正の方向に偏向して出射する。これにより、Ｐ偏光２３０とＳ偏光２４０とは、レーザ光２１０のコヒーレンス長以上の光路差が生じている状態で再度合成され、レーザ光２５０として出射される。
【００２８】
レーザ光源装置１００から出射されるレーザ光２５０は、後段の光学系によって拡大作用および拡散作用が与えられ、例えば、プロジェクション装置の拡散板等の拡散面に到達する。
【００２９】
このような構成のレーザ光源装置１００によれば、コヒーレンスが低下したレーザ光２５０を生成することができ、拡散面で観測されるスペックルノイズを低減することができる。また、液晶変調素子１２０の電気的制御により、Ｐ偏光２３０とＳ偏光２４０との比を分割エリアごとに容易に変化させることができる。
【００３０】
次に、液晶変調素子１２０の構成とその動作について説明する。
【００３１】
液晶変調素子１２０の駆動方式としては、偏光回転作用を透過光に与えることが可能な各種の方式を採用することができる。このような駆動方式には、例えば、ＴＮ（twisted nematic）方式、ＶＡ方式、ＩＰＳ（in-plane switching）方式が含まれる。
【００３２】
図２は、ＴＮ方式の液晶変調素子１２０の構成の一例を示す模式図である。
【００３３】
図２に示すように、ＴＮ方式の液晶変調素子１２０は、離隔して対向配置された１対のガラス基板１２１および１２２を有する。ガラス基板１２１および１２２は、それぞれの互いに向かう側（以下「内側」という）の面に配置された１対の透明電極１２３、１２４と、更に内側に配置された１対の配向膜１２５、１２６とをそれぞれ有する。配向膜１２５と配向膜１２６との間には、液晶が充填および密閉されることにより、液晶層１２７が形成されている。
【００３４】
配向膜１２５の溝方向と配向膜１２６の溝方向とは、互いに直交している。ここでは、配向膜１２５の溝方向はＹ軸方向であり、配向膜１２６の溝方向はＸ軸方向となっている。すなわち、レーザ光２１０が入射する側に配置された配向膜１２５の溝方向は、レーザ光２１０の偏光方向に一致している。
【００３５】
したがって、液晶変調素子１２０は、透明電極１２３、１２４に印加する電圧の大小に応じた角度で、液晶層１２７内の液晶分子を配向膜１２５側から配向膜１２６側へと連続的に回転させ、レーザ光２２０の偏光方向を回転させることができる。
【００３６】
また、液晶変調素子１２０における偏光方向の回転角（以下「偏向回転角」という）は最大９０度である。したがって、液晶変調素子１２０は、Ｐ偏光を、Ｓ偏光に、またはＰ偏光とＳ偏光との両成分を所定の比で含む光に、変換することができる。または、液晶変調素子１２０は、Ｐ偏光を、そのまま出力することもできる。
【００３７】
また、透明電極１２３、１２４は、印加する電圧を、上記分割エリアごとに制御可能となっている。したがって、液晶変調素子１２０は、分割エリアごとに、レーザ光２２０のＰ偏光とＳ偏光との比を任意に変化させることができる。
【００３８】
なお、上述したＴＮ方式の液晶変調素子等は、旋光性により偏光回転を行い、略直線偏光のレーザ光２２０を出力するものである。
【００３９】
図３は、ＩＰＳ方式の液晶変調素子１２０の構成の一例を示す模式図であり、図２に対応するものである。
【００４０】
図３に示すように、ＩＰＳ方式の液晶変調素子１２０は、出射側のガラス基板１２２に透明電極を配置していない。また、ＩＰＳ方式の液晶変調素子１２０は、出射側の配向膜１２６の溝方向が、入射側の配向膜１２５と平行となっている。このような液晶変調素子１２０によっても、分割エリアごとに、レーザ光２２０のＰ偏光とＳ偏光との比を任意に変化させることができる。
【００４１】
なお、上述したＩＰＳ方式またはＶＡ方式の液晶変調素子等は、複屈折性により偏光回転を行い、楕円偏光のレーザ光２２０を出力するものである。これらの方式は、楕円偏光の軸方向を変化させることにより、レーザ光２２０のＰ偏光とＳ偏光との比を任意に変化させることができる。
【００４２】
本実施の形態の液晶変調素子１２０の構成は、テレビジョン等の液晶表示装置において用いられる従来の液晶変調素子の構成とは異なっている。これは、従来の液晶変調素子が画素ごとの光の透過量の制御を目的とするのに対し、本実施の形態の液晶変調素子１２０は、レーザ光２１０に対する偏光状態の制御を目的とするためである。
【００４３】
ここで、参考のために、従来の液晶変調素子の構成の一例について説明する。
【００４４】
図４は、従来の液晶変調素子の構成を示す模式図であり、図２に対応するものである。ここでは、ＴＮ方式のカラー液晶変調素子を例として説明する。
【００４５】
従来の液晶変調素子１０は、図２に示す本実施の形態の液晶変調素子１２０の構成に加えて、クロスニコルに配置された１対の偏光板１１、１２と、カラーフィルタ１３とを有する。また、従来の液晶変調素子１０は、画素間の光のクロストークを防止して画像のコントラストを向上させるために、各画素を囲むように配置されたブラックマトリクス等のクロストーク防止手段（図示せず）を有する。このような構成により、従来の液晶変調素子１０は、各画素に対応するエリアを透過する光の偏光状態を、例えばサブピクセル単位で変更することができる。
【００４６】
図２と図４との比較からも明らかなように、本実施の形態の液晶変調素子１２０は、従来の液晶変調素子１０において必要であった偏光板１１、１２、カラーフィルタ１３、およびクロストーク防止手段を有していない。
【００４７】
偏光板１１を有していないのは、単一の偏光方向を有するレーザ光２１０を入射光とするからである。偏光板１２を有していないのは、出射光の偏光方向を変化させるものであるからである。クロストーク防止手段を有していないのは、クロストークを防止する必要がないからである。
【００４８】
このように、本実施の形態の液晶変調素子１２０は、従来の液晶変調素子１０に比べて、部品点数を少なくすることができるので、低コストで作製することができる。
【００４９】
また、従来の液晶変調素子１０では、ブラックマトリクス等の影響により実質的な開口率が１００％未満となるが、本実施の形態の液晶変調素子１２０は、実質的な開口率をほぼ１００％とすることができ、非常に高い透過率を実現することができる。
【００５０】
また、本実施の形態の液晶変調素子１２０の透過率は、ブラックマトリクスを考慮しない場合でも、従来の液晶変調素子１０の透過率の約３.７５倍となる。これは、入射光が白色レーザ光であり、偏光板１１の透過率が８０％であり、カラーフィルタ１３における光量の減衰が１／３であり、偏光板１２を配置しない場合の数値である。偏光板１２を配置しないのは、偏光板１２を配置すると直線偏光しか出射されなくなるためである。
【００５１】
次に、液晶変調素子１２０による偏光状態の制御およびその効果について説明する。
【００５２】
図５は、液晶変調素子１２０による偏光状態の制御の様子の一例を示す模式図である。ここでは、液晶変調素子１２０をＺ軸の正の方向側からみたときの、レーザ光２２０の偏光方向（以下「変調後偏光方向」という）を示す。
【００５３】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、液晶変調素子１２０の光透過領域３００は、Ｘ−Ｙ平面において、複数の分割エリアに区切られている。液晶変調素子１２０は、各分割エリア３１０に対して個別に偏光回転角を設定することが可能な構成となっている。すなわち、液晶変調素子１２０は、分割エリア３１０ごとに１対または複数対の透明電極を配置しており、分割エリア３１０ごとに透明電極への印加電圧を制御する。なお、一般に、光の偏光方向が回転するときには、位相も変調される。
【００５４】
液晶変調素子１２０に入射するレーザ光２１０は、レーザ光２１０の照射範囲（透過範囲）２１１で連続した、各分割エリア３１０を照射範囲とする複数の微小レーザ光の集合体と考えることができる。したがって、分割エリア３１０ごとに変調を行うことにより、出射するレーザ光２２０全体として、自由度の高い偏光状態制御を行うことができる。
【００５５】
この偏光状態制御は、どの分割エリア３１０を透過する微小レーザ光をどの程度Ｓ偏光に変換するかについての制御を含む。また、偏光状態制御は、副次的作用として、各微小レーザ光の位相状態をどの程度変更するのかについての制御も含む。
【００５６】
ここでは、図５（Ａ）に示す各分割エリア３１０の変調後偏光方向３１１は、隣り合う分割エリア３１０の間で互いに直交している。この場合、液晶の応答速度に起因する過渡状態を無視すれば、隣り合う分割エリア３１０は常にコヒーレンス長以上の光路差を有することになる。したがって、隣り合う分割エリア３１０の微小レーザ光の間では干渉は発生せず、隣り合う分割エリア３１０の間で変調後偏光方向３１１を一致させた場合よりもスペックルを低減することが可能となる。
【００５７】
また、液晶変調素子１２０は、例えば、図５（Ａ）に示す状態と図５（Ｂ）に示す状態とを交互に切り替える動作を、高速で繰り返しても良い。図５（Ａ）に示す各分割エリア３１０の変調後偏光方向３１１と、図５（Ｂ）における対応する分割エリア３１０の変調後偏光方向３１２とは、直交している。この場合、液晶の応答速度に起因する過渡状態を無視すれば、２つのスペックルパターンが、拡散面で観測されることになる。この場合、繰り返し周期を、人間の目の残像時間（約１／３０秒）以下にすれば、スペックルパターンは２つのパターンが積分された状態で観測され、結果として更にスペックルを低減させることができる。
【００５８】
図６は、スペックルの積分効果を示す模式図である。
【００５９】
複数のスペックルパターンが積分された状態で観測される場合、積分されるスペックルパターンの数が多いほど、最終的に観測されるスペックルは減少する。また、積分されるスペックルパターンの互いの相関が小さいほど、スペックル減少の効果は高くなる。例えば、図６に示すように、Ｎ個のパターンのスペックルパターンＰ１〜ＰＮを積分すると、輝度の濃淡が平均化されたスペックルパターンＰが得られる。
【００６０】
また、レーザ光２２０の偏光方向の分布が時間的周期性および空間的周期性を失うほど、つまり、よりランダムになるほど、積分されるスペックルパターンの数は増大し、観測されるスペックルは低減する。したがって、液晶変調素子１２０は、例えば、各分割エリア３１０の偏光回転角を、同一の周期で位相をずらした状態で変化させたり、異なる周期で偏光回転角を変化させたりする。また、液晶変調素子１２０は、例えば、各分割エリア３１０の偏光回転角を、非周期的かつ異なるパターンで変化させるようにしても良い。
【００６１】
次に、液晶変調素子１２０の制御内容の具体例について説明する。
【００６２】
液晶変調素子１２０は、分割エリアごとに、入射光の偏光方向を回転させる角度（以下「偏光回転角」という）を、０度から９０度の所定の角度までの範囲で時間的に変化させる。また、液晶変調素子１２０は、出射するレーザ光２２０のＰ偏光２３０とＳ偏光２４０との偏光成分比が、ほぼ１：１となるようにする。また、液晶変調素子１２０の全ての分割エリアを、同一の大きさとする。
【００６３】
具体例として、２つの駆動方法について説明する。
【００６４】
１つ目は、液晶変調素子１２０は、図５に示したように、変調後偏光方向を０度または９０度の２値で切り替える駆動方法である。但し、液晶変調素子１２０は、変調後偏光方向を０度にする分割エリア（または、変調後偏光方向を９０度にする分割エリア）を、全ての分割エリアのほぼ半数となるように、ランダムに選択する。
【００６５】
２つ目は、液晶変調素子１２０は、レーザ光２１０を全てのエリアで４５度回転させた状態を基準として、プラスマイナス４５度の範囲内で回転角を変化させる駆動方法である。
【００６６】
具体的には、例えば、液晶変調素子１２０は、光透過領域３００を、それぞれ複数の分割エリアから成るＨ個のエリアに区分し、区分エリアの中でそれぞれ分割エリアのペアを作る。そして、液晶変調素子１２０は、ペアを構成する一方の分割エリアを４５＋α（ｔ）度に変調し、もう一方の分割エリアを４５−α（ｔ）度に変調する。ここで、α（ｔ）は時間ｔの関数である。これにより、液晶変調素子１２０から出射されるレーザ光２２０のＳ偏光とＰ偏光の比は、常に１：１で一定となる。なお、１：１以外の比とする場合には、基準となる角度を４５度以外とすれば良い。
【００６７】
このような駆動方法により、液晶変調素子１２０は、偏光ビームスプリッタ１３０の偏光分離面に対し、Ｓ偏光とＰ偏光の比が等しい状態でレーザ光２２０を入射させ、コヒーレンスを低下させ、かつ、複数のスペックルパターンを生じさせて時間平均的に重ね合わせることができる。
【００６８】
なお、上記２つの駆動方法において、偏光回転角の範囲、およびＰ偏光２３０とＳ偏光２４０との比は、上記内容に限定されるものではない。また、液晶変調素子１２０は、Ｈ個の区分エリアの取り方、および、各区分エリアの中でのペアの組み方を、時間変化させて良い。
【００６９】
更に、液晶変調素子１２０は、映像の輝度に適応させて、レーザ光２２０の偏光状態を制御しても良い。例えば、液晶変調素子１２０は、暗いシーン（レーザ光２１０の輝度が低い）と明るいシーン（レーザ光２１０の輝度が高い）とで、常に同じレベルのスペックルが観測されるように、レーザ光２２０の偏光状態をコントロールする。一般的に、スペックルは、映像の輝度が高いほど観測され易く、目立つ。したがって、このようなコントロールにより、スペックルの強度の変化による違和感を低減することができる。
【００７０】
具体的には、例えば、液晶変調素子１２０は、Ｐ偏光のスペックルを低減する方向に働くＳ偏光の比率が、明るいシーンよりも暗いシーンにおいて時間平均的に少なくなるように、各分割エリアの偏光回転角を制御する。このような制御は、液晶変調素子１２０にて消費される電力の削減にも有効である可能性がある。
【００７１】
また、例えば、液晶変調素子１２０は、明るいシーンよりも暗いシーンにおいて、積分されるスペックルパターンの数が少なくなるように、各分割エリアの偏光回転角を制御しても良い。スペックルパターンの数の制御は、例えば、偏光回転角の分布の時間的周期性および空間的周期性を変化させることによって可能である。
【００７２】
なお、一般に、レーザ光はガウシアン分布であったりその断面が楕円形に変形したりするため、レーザ光２１０の照射範囲内の分割エリア間で光強度に差が出る。したがって、液晶変調素子１２０は、各分割エリアにおけるレーザ光の光強度の差をも考慮して、レーザ光２２０のＳ偏光とＰ偏光の光強度が略等しくなるように、各分割エリアの回転角を制御することが好ましい。このような制御は、例えば、上記した区分エリアを十分に小さく取ることによって、容易に実現することができる。
【００７３】
以上のように、本実施の形態に係るレーザ光源装置１００によれば、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光の断面における、任意の位置のコヒーレンスを、選択的に低下させることが可能となる。また、これを時間的に変調することで、複数のスペックルパターンを生成し、積分の効果によってスペックルを低減することが可能となる。
【００７４】
一般的に、レーザ光のようなコヒーレンス光を拡散面に照射した場合に生ずるスペックルについて、ビームパターン（レーザ光断面における強度分布）の各部分の変化と、観測されるスペックルパターンの各部分の変化との対応関係を定量化することは困難である。また観測位置や観測者の瞳径によっても、観測されるスペックルパターンは異なる。
【００７５】
従って、特許文献１〜特許文献４に記載の装置で行われる、複数の静的なビームパターンの重ね合わせによってでは、スペックルを低減することができる観測条件は限られる。
【００７６】
本実施の形態に係るレーザ光源装置１００においては、重ね合わせられる個々のビームパターンをより複雑なパターンにすることができ、スペックルが低減する観測条件の範囲を拡大することができる。
【００７７】
また、一般的なモノクロ液晶変調素子から偏光板を取り除いたような簡易な素子を用いた制御で、レーザ光源装置１００の後段で光が散乱した場合において発生するスペックルを、機械的摺動部なく、大きく減少させることができる。
【００７８】
また、液晶変調素子は分割エリアごとに電気的にレーザ光の偏光状態を制御することができるので、上記スペックル低減を容易に実現することができる。
【００７９】
ところで、特許文献４に記載の装置から出力されるビーム光は偏光方向が揃っているのに対し、本実施の形態に係るレーザ光源装置１００から出力されるビーム光は偏光方向が不揃いな状態となる。
【００８０】
しかし、レーザ光源装置１００の後段の投影系が、液晶表示素子等の偏光を維持する必要がある装置を用いるものではなく、ＤＭＤ（digital micromirror device）や２次元ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）スキャナ等の偏光を維持する必要がないものである場合には、導光効率は悪化しない。また、特許文献４に記載の装置では、液晶変調素子としてネマティック型液晶を用いたＶＡ方式しか採用することができないが、本実施の形態に係るレーザ光源装置１００は、ＴＮ方式やＩＰＳ方式等の液晶変調素子を用いることができ、汎用性において有利である。
【００８１】
なお、レーザ光２１０の光路差生成を目的とした導光光学系として機能する、第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０は、４枚のミラーに置き換えても良い。ミラーの方が、光学系を構成する際の材料コストを安くすることができる場合がある。しかし、直角プリズムの方が、一般的にレーザ光２１０の反射率がよく、かつ、光学系を構成する際の配置および配置の調整が簡易であるというメリットがある。
【００８２】
更には、この一連の、分岐部、導光光学系、および合成部（偏光ビームスプリッタ１３０、第１の直角プリズム１４０、第２の直角プリズム１５０）としては、ハーフミラーあるいはビームスプリッタを偏光ビームスプリッタ１３０に置き換えて配置した、マイケルソン干渉計やマッハツェンダ干渉計の構成を採ることができる。また、この一連の装置部は、特許文献１に記載された例のように、２つの偏光ビームスプリッタと１つの直角プリズムに置き換えて構成されても良い。
【００８３】
（実施の形態１の変形例）
小さい径のレーザ光２１０で高輝度の面状光を得ようとする場合、液晶変調素子１２０を通過する際の光密度が高くなり、液晶変調素子１２０を損傷してしまう可能性がある。また、小さい径のレーザ光２１０でスペックルの効果的な低減を図ろうとすると、照射範囲に十分な数の分割エリアを配置するために分割エリアを非常に小さくする必要があり、製造面および透過率（開口率）の面で不利となる可能性がある。
【００８４】
そこで、拡大光学系を用いてレーザ光２１０の径を拡大し、径が拡大されたレーザ光２１０を液晶変調素子１２０に入射するようにしても良い。
【００８５】
図７は、拡大光学系およびその周辺の構成を示す平面図である。
【００８６】
図７に示すように、拡大光学系１６０は、レーザ光源１１０と液晶変調素子１２０との間に配置され、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光２１０を拡大して、拡大したレーザ光２１０を液晶変調素子１２０に入射させる。拡大光学系１６０は、例えば、第１および第２の凸レンズ１６１、１６２を有する。
【００８７】
このような拡大光学系１６０を設けることにより、レーザ光２１０の径が小さい場合であっても、レーザ光２１０による液晶変調素子１２０の損傷を防ぎつつ、スペックルの低減を図ることができる。
【００８８】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図である。
【００８９】
図８に示すように、発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置１００ａは、第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０を、実施の形態１のレーザ光源装置１００とは異なる位置で配置している。具体的には、第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０は、Ｓ偏光２４０を、偏光ビームスプリッタ１３０の偏光分離面１３１のうち、Ｓ偏光２４０が最初に反射作用を受けた位置とは異なる位置に入射させる位置および向きで、配置されている。
【００９０】
ここでは、第１の直角プリズム１４０の位置が、図１における位置からシフトしている。これにより、第１の直角プリズム１４０に対するＳ偏光２４０の入射位置がシフトし、Ｓ偏光２４０の偏光分離面１３１への再入射位置（再反射位置）がシフトする。
【００９１】
図８に示すように、偏光分離面１３１が、Ｙ軸の正の方向とＺ軸の正の方向とを二分する向きで配置され、第２の直角プリズム１５０がＺ軸の負の方向にシフトしている場合には、Ｓ偏光２４０は、Ｐ偏光２３０に対してＹ軸の負の方向にシフトする。この結果、Ｐ偏光２３０とＳ偏光２４０とは、互いの光軸がＹ軸方向にずれた状態で、１つのレーザ光２５０へと合成される。
【００９２】
なお、図８において、レーザ光源装置１００ａから最終的に出射されるレーザ光２５０は、Ｐ偏光とＳ偏光が重なっていない状態となっているが、一部が重なった状態であっても良い。また、第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０の両方、または第１の直角プリズム１４０のみを、Ｚ軸方向に適宜移動させることによって、Ｓ偏光２４０の偏光分離面１３１への再入射位置をシフトさせるようにしても良い。
【００９３】
このような構成によれば、実施の形態１に述べたスペックル減少効果に加えて、レーザ光２１０の断面のどの部分を所定の位置に平行移動させるかを制御することができる。また、平行移動させる部分の選択を、時間的に変化させることができる。これにより、レーザ光２１０の空間的コヒーレンスをも低下させることができる。すなわち、更に多様なビームパターンを持ったレーザ光２５０を出力することができ、スペックルをさらに減少させることができる。
【００９４】
また、本実施の形態は、レーザ光２１０のコヒーレンス長が極めて長く、充分な光路差を、偏光ビームスプリッタ１３０、第１の直角プリズム１４０、および第２の直角プリズム１５０で生ずることができなかった場合についても、有効である。すなわち、Ｐ偏光２３０の位置とＳ偏光２４０の位置とをずらすので、コヒーレンス特性を低下させることができる。
【００９５】
（実施の形態２の変形例）
本実施の形態のレーザ光源装置１００ａから出力されるレーザ光２５０の照射範囲は、実施の形態１のレーザ光源装置１００から出力されるレーザ光２５０の照射範囲よりも大きくなる。また、本実施の形態のレーザ光源装置１００ａから出力されるレーザ光２５０の強度分布は、元のレーザ光２１０の強度分布に比べて不均一となる。そこで、レーザ光２５０の照射範囲を縮小し、かつレーザ光２５０の強度分布を均一化する均一化光学系を、レーザ光２５０の光路上に配置しても良い。
【００９６】
図９は、均一化光学系の構成の一例を示す平面図である。
【００９７】
図９に示すように、均一化光学系１７０は、入射側レンズ１７１、出射側レンズ１７２、およびロッドレンズ１７３を有する。ロッドレンズ１７３は、入射側レンズ１７１と出射側レンズ１７２との間に配置されている。
【００９８】
入射側レンズ１７１は、偏光ビームスプリッタ１３０から出射されたレーザ光２５０を入射し、絞ったレーザ光２５０をロッドレンズ１７３に入射させる。
【００９９】
ロッドレンズ１７３は、入射されたレーザ光２５０を、内部で全反射を繰り返しながら伝搬し、出射側レンズ１７２に入射させる。出射側レンズ１７２は、入射したレーザ光２５０を平行光にコリメートして出力する。
【０１００】
このような均一化光学系１７０を配置することにより、レーザ光２５０の広がりを改善し、レーザ光２５０の強度分布を均一化することができる。
【０１０１】
なお、例えば、レーザ光２５０がＹ軸方向に広がっている場合には、入射側レンズ１７１に、Ｙ軸方向において透過光を収束するシリンドリカルレンズを適宜組み合わせても良い。または、入射側レンズ１７１を、Ｙ軸方向とＸ軸方向においてそれぞれ収束を行う、焦点距離の異なる複数のレンズに置き換えても良い。
【０１０２】
また、ロッドレンズ１７３を、光ファイバに置き換えてもよく、更に、そのまま光ファイバ出力をレーザ光源装置１００ａの出力としても良い。
【０１０３】
また、均一化光学系１７０は、ロッドレンズ１７３を省略しても良い。この場合でも、均一化光学系１７０の均一化性能はやや低下するものの、部品点数を抑えた状態で、Ｙ軸方向への広がりを縮小することができる。
【０１０４】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図である。
【０１０５】
図１０に示すように、本実施の形態３に係るレーザ光源装置１００ｂは、実施の形態１の第１の直角プリズム１４０および第２の直角プリズム１５０を有しておらず、偏光ビームスプリッタ１３０のＺ軸の正の方向側に、直角プリズム１８０を配置している。直角プリズム１８０の反射面１８１は、偏光ビームスプリッタ１３０の偏光分離面１３１と平行となっている。
【０１０６】
このような構成によっても、レーザ光２１０の断面のどの部分を所定の位置に平行移動させるかを制御することができる。また、平行移動させる部分の選択を、時間的に変化させることができる。また、実施の形態１に示す構成に比べて、直角プリズムの個数を減らすことができるので、装置の簡素化および低コスト化を図ることができる。
【０１０７】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図である。
【０１０８】
図１１に示すように、本実施の形態に係るレーザ光源装置１００ｃは、Ｓ偏光２４０の光路のうち、第１の直角プリズム１４０と第２の直角プリズム１５０との間に、反転光学系１９０を配置している。
【０１０９】
反転光学系１９０は、１対の凸レンズ１９１、１９２を有し、Ｓ偏光２４０のビームパターンを反転させる作用を持つ。なお、反転光学系１９０は、対向させた１対のシリンドリカルレンズや、ダブプリズムを有する構成としたり、これらを組み合わせた構成としても良い。また、反転光学系１９０の挿入位置は、第１の直角プリズム１４０と第２の直角プリズム１５０との間に限らず、Ｓ偏光２４０がＰ偏光２３０と分岐してから再度Ｐ偏光２３０と合成されるまでの間であれば良い。
【０１１０】
このような構成によれば、反転光学系１９０が必要になるものの、実施の形態２で述べた効果と同等の効果を得ることができる。また、実施の形態２の構成に比べて、第１および第２の直角プリズム１４０、１５０の位置を調整する必要がなくなり、ビームの広がりや強度の不均一を回避することができる。
【０１１１】
以上説明した各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。すなわち、上記レーザ光源装置の構成および使用時の動作についての説明は例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更および追加が可能であることは明らかである。
【０１１２】
また、上記実施の形態は、各々組み合わせることが可能である。具体的には、例えば、実施の形態１で述べた液晶変調素子の駆動方法および拡大光学系を、実施の形態２乃至実施の形態４に係るレーザ光源装置に対して適用することができる。また、実施の形態２で述べた均一化光学系を、実施の形態１、実施の形態３、および実施の形態４に係るレーザ光源装置に対して適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明に係るレーザ光源装置は、光成分の割合を分割エリアごとに電気的に制御することができるので、特に機械的摺動部を用いることなく、スペックルコントラストを効果的に低減することができるレーザ光源装置として有用である。レーザ光源を用いるアプリケーションにおいて、レーザ光のコヒーレンス特性に起因するスペックルが、悪影響を及ぼす場合がある。既存のレーザ光源装置を本発明のレーザ光源装置に置き換えることにより、機械的摺動部なく、スペックルを大きく減少させることが可能である。このようなレーザ光源装置は、特に信頼性、寿命、静音性などを要求されるディスプレイ用光源として好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図
【図２】実施の形態１におけるＴＮ方式の液晶変調素子の構成の一例を示す模式図
【図３】実施の形態１におけるＩＰＳ方式の液晶変調素子の構成の一例を示す模式図
【図４】従来の液晶変調素子の構成を示す模式図
【図５】実施の形態１における液晶変調素子による偏光状態の制御の様子の一例を示す模式図
【図６】実施の形態１におけるスペックルの積分効果を示す模式図を示す模式図
【図７】実施の形態１の変形例における拡大光学系およびその周辺の構成を示す平面図
【図８】本発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図
【図９】実施の形態２の変形例における均一化光学系の構成の一例を示す平面図
【図１０】本発明の実施の形態３に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図
【図１１】本発明の実施の形態４に係るレーザ光源装置の構成を示す平面図
【符号の説明】
【０１１５】
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  レーザ光源装置
１１０  レーザ光源
１２０  液晶変調素子
１３０  偏光ビームスプリッタ
１４０  第１の直角プリズム
１５０  第２の直角プリズム
１２１、１２２  ガラス基板
１２３、１２４  透明電極
１２５、１２６  配向膜
１２７  液晶層
１６０  拡大光学系
１６１  第１の凸レンズ
１６２  第２の凸レンズ
１７０  均一化光学系
１７１  入射側レンズ
１７２  出射側レンズ
１７３  ロッドレンズ
１８０  直角プリズム
１８１  反射面
１９０  反転光学系
１９１、１９２  凸レンズ
【図１】
2010224311.tif 000003
【図２】
2010224311.tif 000004
【図３】
2010224311.tif 000005
【図４】
2010224311.tif 000006
【図５】
2010224311.tif 000007
【図６】
2010224311.tif 000008
【図７】
2010224311.tif 000009
【図８】
2010224311.tif 000010
【図９】
2010224311.tif 000011
【図１０】
2010224311.tif 000012
【図１１】
2010224311.tif 000013