(57)【要約】【課題】偏光解消素子を駆動する機構を用いなくても偏光解消素子によるスペックル解消効果を向上させる。【解決手段】スペックル解消光学系は、光源からの光の光路を電気的にかつ時間的に変化させる光走査機構と、光に位相差を生じさせる微細構造が形成され、前記微細構造の光学軸方向が互いに異なる複数の微細構造領域を有する光学面を有する１又は複数の波長板からなり、前記光走査機構からの光が前記波長板の光学面上を走査するように、かつ光に１／２波長分の位相差を生じさせるように、前記光走査機構からの光の光路上に配置された偏光解消素子と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光の光路を電気的にかつ時間的に変化させる光走査機構と、
光に位相差を生じさせる微細構造が形成され、前記微細構造の光学軸方向が互いに異なる複数の微細構造領域を有する光学面を有する１又は複数の偏光解消素子であって、前記光走査機構からの光が前記波長板の光学面上を走査するように、かつ光に１／２波長分の位相差を生じさせるように、前記光走査機構からの光の光路上に配置された偏光解消素子と、を備えたスペックル解消光学系。
【請求項２】
前記光走査機構はＭＥＭＳミラーである請求項１に記載のスペックル解消光学系。
【請求項３】
前記光走査機構はガルバノミラーである請求項１に記載のスペックル解消光学系。
【請求項４】
前記光走査機構による光の光路の変更速度が不均一である請求項１から３のいずれか一項に記載のスペックル解消光学系。
【請求項５】
前記光走査機構からの光を平行光化させる第１レンズと、
前記第１レンズからの光を集光する第２レンズと、をさらに備え、
前記偏光解消素子は、前記光走査機構と前記第１レンズとの間の位置、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の位置、又は前記第２レンズの後段側の位置の少なくとも１つの位置に設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のスペックル解消光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光解消光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光解消素子は、レーザプリンタなどで問題となる偏光を解消させるための光学部品として用いられたり、光学露光装置や光学測定機などの光学機器の光学系のスペックルの発生を低減させるスペックル低減素子として用いられたりしている。
【０００３】
レーザからの光をマイクロレンズアレイやフライアイレンズを通すことによってひとつの光束を複数の光束に分割する際、分割された光は偏光方向が同一方向に揃っており、スペックル解消光学系の中で特定の条件が整うと、分割された光がそれぞれ干渉発生の原因となって光学系の途中で光が強めあう点（スペックル）が生じる場合がある。スペックルは、レーザ光を使用するいろいろな光学系で発生することが知られており、これを解消する方法が種々提案されているが、有効な解決策は確立されていない。
【０００４】
スペックルを解消する方法のひとつとして、光の偏光状態が様々になったいわゆるランダム偏光状態にすることが挙げられる。偏光が不揃いであると、指向性の低い自然光の状態に近づくために光の干渉が起こりにくいからである。
【０００５】
偏光解消素子として、サブ波長構造（Sub-Wavelength Structures；ＳＷＳ）を備えたものが知られている（例えば特許文献１を参照。）。サブ波長構造は、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝の周期構造である。
【０００６】
光の波長より短いピッチをもつ溝の周期構造は、周期をもつ方向ともたない方向で互いに異なる有効屈折率ｎＴＥ，ｎＴＭをもち、あたかも複屈折材料であるかのように振舞う（いわゆる構造複屈折構造である）。この有効屈折率の差によって各偏波方向の光の伝播速度に差ができるため、サブ波長構造を通過する光の偏光状態が変化する。サブ波長構造は、構造の設計によって複屈折やそれらの分散を自由に制御できる。サブ波長構造のこの特性を利用して、偏光板、波長板、波長分離素子など、様々な製品が展開されている。
【０００７】
サブ波長構造を利用した偏光解消素子は、光を透過させる部分が複数の領域に分割され、それらの各領域に種々の光学軸方向をもったサブ波長構造が形成されている。以下、この領域をサブ波長構造領域と称する。光学軸方向とは、サブ波長構造の溝の配列方向に直交する方向である。偏光解消素子は、各サブ波長構造領域を光が走査するように平面的に駆動される。これにより、該偏光解消素子を透過する光の偏光方向が時間によって種々の方向に変更され、それらを合成した光は種々の偏光方向をもった光となる。偏光解消素子を透過した光が種々の偏光方向をもつことにより、同じ偏光方向をもった光の干渉によるスペックルが緩和される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１８０５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、偏光解消素子を駆動する機構を用いなくても偏光解消素子によるスペックル解消効果を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスペックル解消光学系は、光源からの光の光路を電気的にかつ時間的に変化させる光走査機構と、光に位相差を生じさせる微細構造が形成され、前記微細構造の光学軸方向が互いに異なる複数の微細構造領域を有する光学面を有する１又は複数の波長板からなり、前記光走査機構からの光が前記波長板の光学面上を走査するように、かつ光に１／２波長分の位相差を生じさせるように、前記光走査機構からの光の光路上に配置された偏光解消素子と、を備えている。
【００１１】
本発明において、スペックル解消光学系に用いられる偏光解消素子は、光に略１／２波長分の位相差を生じさせる機能、すなわち１／２波長板としての機能を有するものである。このような偏光解消素子を用いることで、ある偏光方向をもった直線偏光の光が偏光解消素子の光学面に入射したときに、その光が入射した微細構造領域の光学軸方向に応じて出射光の偏光方向が時間的に変化し、光の偏光方向が時間的に分解される。この時間分解機能によりスペックル解消効果を生ずる。
【００１２】
ここで、本発明においては、１つの偏光解消素子のみで１／２波長板としての機能を発現ものである必要はなく、複数の偏光解消素子の組合せによって１／２波長板としての機能を発現するように構成されていてもよい。例えば、２枚の偏光解消素子を用いる場合、各偏光解消素子として光に略１／４波長分の位相差を生じさせる機能、すなわち１／４波長板としての機能を発現するものを用い、各偏光解消素子の同一の光学軸方向をもつ微細構造領域を光が通過するように構成することで、それらの偏光解消素子の組合せによって１／２波長板としての機能を発現することができる。
【００１３】
前記光走査機構の一例として、ＭＥＭＳミラーを挙げることができる。ＭＥＭＳミラーとは、電気的に駆動することができる単独又は複数のマイクロミラーを備え、マイクロミラーの下部に設けられた電極の駆動のオン／オフによってマイクロミラーの傾斜状態を変化させることができるものである。このようなＭＥＭＳミラーを用いることで、偏光解消素子の光学面への光の入射位置を時間的に変化させ、光が入射する微細構造領域を時間的に変化させることができる。
【００１４】
前記光走査機構の他の例として、ガルバノミラーを挙げることができる。ガルバノミラーとは、電気的に駆動することができるコイルにミラーが取り付けられ、コイルを流れる電流値を変化させることによってミラーの角度を制御することができるようにしたものである。このようなガルバノミラーを用いても、偏光解消素子の光学面への光の入射位置を時間的に変化させ、光が入射する微細構造領域を時間的に変化させることができる。
【００１５】
ＭＥＭＳミラーやガルバノミラーなどの光走査機構は、電気的な制御によって光の光路を変更するものであるから、その変更速度、周期等を自由に構成することができる。そこで、光走査機構による光の光路の変更速度を不均一にすることが好ましい。そうすれば、偏光解消素子からの出射光の偏光方向に不均一性が生じ、スペックル解消効果が向上する。
【００１６】
本発明のスペックル解消光学系の好ましい実施形態では、前記光走査機構からの光を平行光化させる第１レンズと、前記第１レンズからの光を集光する第２レンズと、をさらに備え、前記偏光解消素子は、前記光走査機構と前記第１レンズとの間の位置、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の位置、又は前記第２レンズの後段側の位置の少なくとも１つの位置に設けられているものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るスペックル解消光学系は、光走査機構によって光源からの光の光路を時間的に変化させ、それによって偏光解消素子の光学面上で光を走査させるように構成されているので、光が入射する偏光解消素子の微細構造領域が時間的に変化する。偏光解消素子の光学面には、光学軸方向が互いに異なる複数の微細構造領域が設けられているため、波長板の光学面を光が走査することにより、偏光解消素子からの出射光の偏光方向が時間的に変化し、スペックル解消効果を生じる。したがって、偏光解消素子を静止させた状態で光の偏光方向の時間分解機構を発現させることができ、スペックル解消効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】スペックル解消光学系の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】光走査機構による光走査の一例を示す概念図である。
【図３】光走査機構による光走査の他の例を示す概念図である。
【図４】光走査機構による光走査のさらに他の例を示す概念図である。
【図５】光走査機構による光走査のさらに他の例を示す概念図である。
【図６】光走査機構による光走査のさらに他の例を示す概念図である。
【図７】偏光解消素子の構造の一例を概略的に示す断面図である。
【図８】偏光解消素子の構造の他の例を概略的に示す断面図である。
【図９】偏光解消素子の構造のさらに他の例を概略的に示す断面図である。
【図１０】偏光解消素子の構造のさらに他の例を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るスペックル解消光学系の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１はスペックル解消光学系の一実施例を示す概略構成図である。
【００２１】
この実施例のスペックル解消光学系１は、光走査機構４、偏光解消素子６、第１コリメータレンズ８及び第２コリメータレンズ１０を備えている。例えばレーザ光源などの光源２で発せられた光はスペックル解消光学系１を経て、他の光学系１２に入射する。他の光学系１２はどのようなものであってもよい。第１コリメータレンズ８は光走査機構４からの光を平行光化するものであり、第２コリメータレンズ１０は第１コリメータレンズ８を経た光を集光するものである。
【００２２】
光走査機構４は、例えばレーザ光源など、直線偏光の光を発する光源からの光を反射させるミラー４ａとそのミラー４ａを電気的に駆動する制御部４ｂを備えている。光走査機構４は、光の反射方向を電気的にかつ時間的に変化させる機能を有するものである。すなわち、光走査機構４は、光源２からの光の光路を電気的かつ時間的に変更するものである。
【００２３】
光走査機構４からの光の光路上に偏光解消素子６が配置されている。この実施例では、偏光解消素子６が光走査機構４と第１コリメータレンズ８との間に配置されているが、図１において破線で示されているように、第１コリメータレンズ８と第２コリメータレンズ１０との間に配置されていてもよいし、第２コリメータレンズ１０の後段側に配置されていてもよい。また、偏光解消素子６はそれらの位置のうち少なくとも１箇所に設けられていればよく、２箇所以上の位置に設けられていてもよい。
【００２４】
偏光解消素子６は、例えば図２に示されているように、光の波長よりも短い凹凸周期構造（微細構造）が形成された複数の微細構造領域１４ａ〜１４ｄを有する光学面を備え、その光学面に入射し出射する光に位相差を生じさせるものである。偏光解消素子６を１つのみ備えている場合、その偏光解消素子６の各微細構造領域１４ａ〜１４ｄには、光に略１／２波長分の位相差を生じさせるように設計された微細構造が形成されている。偏光解消素子６を２つ以上備えている場合は、それらの偏光解消素子６の微細構造によって光に生じる位相差の合計が略１／２波長分になるように設計される。
【００２５】
図２に示された偏光解消素子６は、円盤状基板の少なくとも一方の表面側に微細構造領域１４ａ〜１４ｄを備えている。微細構造領域１４ａ〜１４ｄは円盤状基板の主平面を周方向に均等に４つに分割された領域である。各領域１４ａ〜１４ｄ内に描かれた矢印は各領域１４ａ〜１４ｄに形成されている微細構造の光学軸方向を示している。それらの矢印からわかるように、互いに隣接する微細構造領域に形成されている微細構造の光学軸方向は、互いに９０度ずつずれている。
【００２６】
偏光解消素子６の構成は図２のようなものに限られず、互いに光学軸方向の異なる複数の微細構造領域が光学面に配列されているものであれば、どのようなものであってもよい。例えば図４に示されているように、円盤状基板の主平面を８分割して微細構造領域１４ａ〜１４ｈとしたものであってもよいし、図６に示されているように、平板状基板の光学面に矩形枠状の複数の微細構造領域１４が配列されたものであってもよい。
【００２７】
図１に戻って説明を続けると、光走査機構４は、例えばＭＥＭＳミラーやガルバノミラーによって構成される。上述のように、ＭＥＭＳミラーは、電気的に駆動することができる単独又は複数のマイクロミラーを備え、マイクロミラーの下部に設けられた電極の駆動のオン／オフによってマイクロミラーの傾斜状態を変化させるものである。ガルバノミラーは、電気的に駆動することができるコイルにミラーが取り付けられ、コイルを流れる電流値を変化させることによってミラーの角度を制御することができるようにしたものである。
【００２８】
上記のような光走査機構４を、光源２からの光を偏光解消素子６の光学面上で走査させるように駆動し、光が入射する偏光解消素子６の微細構造領域を時間的に変化させる。光が入射する偏光解消素子６の微細構造領域が時間的に変化することで、光が入射した微細構造領域の光学軸方向に応じて光の偏光方向が時間的に変化し、光の偏光方向が時間的に分解される。
【００２９】
光走査機構４による光の走査方法はいかなるものであってもよい。偏光解消素子６の光学面上を、図２の破線矢印のように正方形を描くように走査させてもよいし、図３及び図４の破線矢印のように円弧を描くように走査させてもよい。また、図５の破線矢印のように光を不規則的に走査させてもよいし、図６の破線矢印のように碁盤の目状に配列された各微細構造領域１４を網羅するように走査させてもよい。
【００３０】
ＭＥＭＳミラーやガルバノミラーなどからなる光走査機構４は光の反射方向を電気的な制御によって変更するものであるため、光の走査速度も自在に制御することができる。したがって、光を一定速度で走査させてもよいし、周期的に又は不規則的に速度を変化させて走査させてもよい。光の走査速度を一定でなく不均一な速度にすることで、偏光解消素子６からの出射光の偏光方向の不均一性が向上し、スペックル解消効果が向上する。
【００３１】
この実施例のスペックル解消光学系１は、偏光解消素子６を運動させるための駆動機構を備えていない。一般的に、偏光解消素子を用いたスペックル解消光学系では、光源からの光の光軸上に偏光解消素子を配置し、その偏光解消素子を平面運動させることによって出射光の偏光方向を時間的に変化させる。これに対し、この実施例のスペックル解消光学系１は、偏光解消素子６を静止させた状態で、光源からの光の光路を光走査機構４によって時間的に変化させるものであるため、偏光解消素子６を運動させるための駆動機構が不要である。なお、偏光解消素子６は必ずしも静止させておく必要はなく、回転運動等の運動をさせてもよい。
【００３２】
また、この実施例では示されていないが、スペックル解消光学系１は、光分割機能を有するマイクロレンズアレイやフライアイレンズなどの光拡散板と組み合わせて用いることもできる。その場合、スペックル解消光学系１と組み合わせられる光拡散板を静止させておいてもよいし、運動させるようにしてもよい。スペックル解消光学系１を光拡散板と組み合わせて用いることで、光の偏光方向の時間分解機能に加えて光の空間分割機能を発現することができ、スペックル解消効果のさらなる向上を図ることができる。
【００３３】
さらに、スペックル解消光学系１は、光走査機構４とは別に第２の光走査機構をさらに備えることができる。そのような第２の光走査機構は、例えば第２コリメータレンズ１０の後段側に配置することができる。このような位置に第２の光走査機構を配置することで、光源から出射された光路と平行な光路として光学系を配置することができる。これにより、光学系のレイアウト設計や評価が容易になる。また、そのような第２の走査機構があることで、第２の走査機構から反射される光の広がり（光束）を絞ることができ、光源から出射された光と同じ光束として光学系を配置することができる。
【００３４】
偏光解消素子６の構造型として種々のものが考えられるが、その例として図７に示されるような片面透過型、図８に示されるような両面透過型、図９や図１０に示されるような反射型が挙げられる。
【００３５】
図７に示した片面透過型の偏光解消素子６は、例えば石英などの光透過性材料で構成された基板の一方の平面側に微細構造領域１４が設けられているものである。微細構造領域１４には、通過する光に位相差を生じさせる微細構造（サブ波長構造）が設けられている。この偏光解消素子６が単体で１／２波長板をなす場合には、微細構造領域１４の微細構造が光に略１／２波長分の位相差を生じさせるように設計される。
【００３６】
このような片面透過型の偏光解消素子６では、微細構造領域１４が形成されている面とは反対側の面に、マイクロレンズアレイやフライアイレンズなどの光拡散機能を有する構造を形成することもできる。波長板と光拡散板とが一体化した構造は、例えば特開２０１１−１８０５８１に開示されており、これと同様の方法によって形成することができる。
【００３７】
図８に示した両面透過型の偏光解消素子６は、例えば石英などの光透過性材料で構成された基板の一方と他方の平面の両側に微細構造領域１４が設けられているものである。光は円盤状基板の一方の平面側に設けられた領域微細構造１４と他方の平面側に設けられた微細構造領域１４の両方を通過する。そのため、この偏光解消素子６が単体で１／２波長板をなす場合には、一方の平面側の微細構造領域１４と他方の平面側の微細構造領域１４の合計で略１／２波長分の位相差を光に生じさせればよい。例えば、各平面側の微細構造領域１４で略１／４波長分の位相差が生じるように設計すればよい。
【００３８】
なお、図７及び図８のような透過型の偏光解消素子６に対しては、微細構造領域１４に対して光を垂直に入射させてもよいし、斜めに入射させてもよい。
【００３９】
図９に示した反射型の偏光解消素子６は、基板の一方の平面側に微細構造領域１４が設けられ、微細構造領域１４の微細構造よりも下層側に反射層１６が設けられている。基板は光透過性材料で構成されていてもよいし、別の材料で構成されていてもよい。
【００４０】
この反射型偏光解消素子６の一方の表面に入射した光は、図中のシボ及び矢印で示されているように、微細構造領域１４の微細構造を通過した後、反射層１６で反射し、再び微細構造を通過して射出される。したがって、光は微細構造を２回通過することになる。そのため、この偏光解消素子６が単体で１／２波長板をなす場合には、光が１回通過したときに略１／４波長分の位相差が生じるように微細構造を設計すればよい。
【００４１】
図１０に示した反射型偏光解消素子６は、光透過性材料からなる基板の一方の平面側に微細構造領域１４が設けられ、他方の平面側に反射層１６が設けられている。これにより、一方の表面に入射した光は微細構造を通過した後、他方の表面側の反射層１６で反射し、再び一方の平面側の微細構造を通過して射出される。したがって、光は微細構造を２回通過することになる。そのため、この偏光解消素子６が単体で１／２波長板をなす場合には、光が１回通過したときに略１／４波長分の位相差が生じるように微細構造を設計すればよい。
【００４２】
以上において説明した偏光解消素子６は、無機材料によって構成されたものであってもよいし、有機材料によって構成されたものであってもよい。
【００４３】
以上において説明した実施例は、微細構造による構造複屈折によって波長板としての機能を発現するものであるが、本発明の機能及び効果は、他の構造の光学素子によっても発現することができる。例えば、有機フィルムで製作された波長板や複屈折結晶材料などで構成された波長板であってもよい。
【００４４】
本発明者は、スペックル解消光学系１のスペックル解消効果について検証を行なった。その結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
この検証では、株式会社オキサイドの標準型スペックルコントラスト測定光学装置で種々の組合せについてスペックルコントラスト値（以下、Ｃｓ値）を測定した。Ｃｓ値はスペックルが多く現れるほど大きな値になるものであるため、測定されるＣｓ値が低いほどスペックル解消効果が高いと評価することができる。上記表１において「位置１」とは、図１における光走査機構４と第１コリメータレンズ８との間の位置を意味し、「位置２」とは第１コリメータレンズ８と第２コリメータレンズ１０との間の位置を意味し、「位置３」とは第２コリメータレンズ１０の後段側の位置を意味する。
【００４７】
上記の表１の０の行は、図６に示したような微細構造領域１４が碁盤目状に配列された１／２波長板（偏光解消素子）を位置１に配置したように表されているが、光走査機構４による光の走査を行なっていない。この場合のＣｓ値は０．８〜１．０であった。これに対し、碁盤目状配置の１／２波長板に対して光をラスタースキャンした場合や、図３のように微細構造領域１４が放射状に配列された１／２波長板に対して光を回転走査することで、Ｃｓ値が大幅に低下し、スペックル解消効果が得られていることがわかった（表１の１から４の行を参照。）。また、光の走査速度を上げる（Ｖから２Ｖにする）ことで、Ｃｓ値が低下し、スペックル解消効果の向上が見られることがわかった。
【００４８】
さらには、光拡散板（マイクロレンズアレイ）を１／２波長板と組み合わせて用い、光走査を行なうことで、光拡散板を用いない場合に比べてＣｓの低下が見られた（表１の５から７の行を参照。）。このことから、光拡散板を組み合わせて用いることで、スペックル解消効果が向上することがわかった。
【００４９】
また、偏光解消素子を１／４波長板の２枚構成にして光走査を行なった場合にも、１枚の１／２波長板を単体で用いた場合と同様にスペックル解消効果が得られることがわかった（表１の８及び９を参照。）。
【符号の説明】
【００５０】
１      スペックル解消光学系
２      光源
４      光走査機構
６      偏光解消素子
８      第１コリメータレンズ
１０      第２コリメータレンズ
１２ａ      他の光学系
１４，１４ａ〜１４ｈ      微細構造領域
１６      反射層
【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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【図９】
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【図１０】
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