光学装置
【課題】スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することを課題とする。
【解決手段】コヒーレントな光を射出する光源（２）と光が照射される被照射面（７）との間の光路中に、光に大きな群遅延を発生させる群遅延発生手段（４）を配置して光学装置（１）を構成する。群遅延発生手段（４）は、物理的に過度に大きくなく、入射する光に含まれる波長に対して高いＱ値を示すように作製される。これにより、群遅延発生手段（４）を透過することでコヒーレンスを低減し、それによって、スペックルを低減する、コンパクトな光学装置（１）を提供することができる。
【解決手段】コヒーレントな光を射出する光源（２）と光が照射される被照射面（７）との間の光路中に、光に大きな群遅延を発生させる群遅延発生手段（４）を配置して光学装置（１）を構成する。群遅延発生手段（４）は、物理的に過度に大きくなく、入射する光に含まれる波長に対して高いＱ値を示すように作製される。これにより、群遅延発生手段（４）を透過することでコヒーレンスを低減し、それによって、スペックルを低減する、コンパクトな光学装置（１）を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関し、特にレーザ光源を用いた画像表示のための光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロジェクタ等、画像表示のための光学装置の光源としては、超高圧水銀ランプなどのランプ光源が用いられてきた。しかしながら、ランプ光源に対しては、さまざまな課題が指摘されている。例えば、寿命が短いためランプの交換の頻度が高く、メンテナンス作業の負担が大きいといった指摘がある。さらに、ランプ光源では、赤・緑・青の光は、ランプ光源から射出される白色光を波長で分離することにより取り出される。このため、光学装置内の光学系が複雑し、光学装置が大型化してしまう。また、光の利用効率や画像の色再現性の限界についても指摘されている。これを踏まえ、ランプ光源に代わる光源として発光ダイオード光源（ＬＥＤ光源）を用いる提案もなされているが、ＬＥＤ光源の場合には、光の利用効率が悪く、明るい画像を表示することが難しいことが課題となっている。
【０００３】
このため、近年では、光学装置の光源として半導体レーザ光源等のレーザ光源の利用が提案されている。レーザ光源は、高い色再現性や高い光利用効率を実現することができる。さらに、ランプ光源と比べて寿命も長いため、メンテナンス作業の負担も軽減される。また、レーザ光源は表示する画像に応じてレーザ光を直接変調することができるため、光学装置の構成が簡素化され、光学装置の小型化が可能となる。このように、レーザ光源を用いることで、上記の課題の多くを改善することができる。
【０００４】
その一方で、レーザ光源を光源として利用する場合、レーザ光のコヒーレンス（可干渉性）の高さにより表示画像中にいわゆるスペックルが生じることがある。コントラストの高い不規則な明暗の班点模様であるスペックルが生じると表示画像の画質は著しく損なわれる。このため、特許文献１や特許文献２のように、従来からスペックルを低減するための技術が数多く提案されている。
【０００５】
図５は、特許文献１で開示された照明装置の構成を示す側面図である。図５に例示される照明装置では、半導体レーザ光源１０１から射出される照明光が厚さの異なる複数の領域からなる透明光学素子１０２を透過する。これにより、各領域を透過した光束の半導体レーザ光源１０１から被照射面１０４までの光路長を異ならせている。この光路長の異なる光束をレンズアレイ１０３で分割し、さらに、被照射面１０４上で重ね合わせることで、照明光のコヒーレンスを低下させることができる。
【０００６】
図６は、特許文献２で開示された光学装置の構成を示す概略図である。図６に例示される光学装置は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０５と、集光レンズ１０６と、光ファイバ１０７と、集光レンズ１０８から構成されている。それらはループ状に並べられ、周回光路を形成している。この光学装置では、光ファイバ１０７内で繰り返される全反射と、周回光路を周回する回数の違いによって光路長差を生じさせ、それによって、射出光のコヒーレンスを低下させることができる。
【０００７】
レーザ光で生じるスペックルは、コヒーレンスの高さが一要因となって生じるものである。このため、特許文献１及び特許文献２のように、光路長差を利用してレーザ光のコヒーレンスを低下させることで、スペックルを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２０６４４９号公報
【特許文献２】特開２０００−０８９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、光路長差によりレーザ光のコヒーレンスを低下させるためには、レーザ光のコヒーレンス長程度の光路長差が必要となる。レーザ光源のコヒーレンス長は、光源の種類によりさまざまであるが、例えば、数百ｍｍである。
【００１０】
その一方で、上述した先行技術により生じる光路長差は、光学素子の物理的な大きさに依存する。より具体的には、特許文献１では、透明光学素子１０２の各領域の厚さの違いに依存し、特許文献２では、光ファイバ１０７の長さに依存する。このため、コヒーレンス長程度の大きな光路長差を得るためには、物理的に大きな光学素子が必要となり、光学装置が大型化してしまう。
以上のような実情を踏まえ、本発明は、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、コヒーレントな光を射出する光源と、光に大きな群遅延を発生させる群遅延発生手段と、光を群遅延発生手段に導く集光手段と、を含む光学装置を提供する。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、集光手段は、光を群遅延発生手段に所定の角度で入射させ、群遅延発生手段は、屈折率の異なる材料を周期的に並べた構造体からなるフォトニック結晶であり、フォトニック結晶は、光に含まれる波長に対して高いＱ値を示す光学装置を提供する。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の光学装置において、フォトニック結晶は、光を遮断するフォトニックバンドギャップを有し、且つ、構造上の欠陥を含まず、光に対して光絶縁体として機能する遮断部と、構造上の欠陥を含み、光に群遅延を生じさせた上で、光を透過させる導光部と、を含む光学装置を提供する。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の光学装置において、導光部は、フォトニック結晶を横断する線欠陥と、導光部内に散在する点欠陥と、を含む光学装置を提供する。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、群遅延発生手段は、光を吸収し透過させない性質を有する電磁波誘起透明化素子と、電磁波誘起透明化素子にレーザ光を照射するレーザ光源と、を含み、レーザ光を電磁波誘起透明化素子に照射することにより、電磁波誘起透明化現象を生じさせる光学装置を提供する。
本発明の第６の態様は、第１の態様１乃至第５の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、光源は、半導体レーザ光源である光学装置を提供する。
【００１６】
本発明の第７の態様は、第１の態様乃至第６の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、光源と、群遅延発生手段と、集光手段は、モノリシックな構造体を構成する光学装置を提供する。
本発明の第８の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、集光手段は、レンズである光学装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図２】実施形態２に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図３】実施形態３に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図４】実施形態４に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図５】従来技術の照明装置の構成を示す側面図である。
【図６】従来技術の光学装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、各実施形態について説明する前に、フォトニック結晶について概説する。
【００２０】
フォトニック結晶は、屈折率の異なる複数の光学材料を周期的に並べた構造体であり、電磁波（なお、以降では、光を例に説明する。）に対してさまざまな作用を生じさせる。なお、フォトニック結晶の周期構造は、一般に光の波長程度の周期を有する。また、光学材料の１つとして空気を用いることもできる。フォトニックス結晶は、その周期構造によりフォトニックバンド構造と呼ばれる光に対するバンド構造を有し、特定の波長領域の光の伝播を遮断するフォトニックバンドギャップを有する。このようなフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップに対応する波長の光に対しては、光絶縁体として機能するため、光の伝播の制御に利用できる。
【００２１】
フォトニック結晶による光制御の例としては、例えば、光を閉じ込めて遅延させる制御や、光の損失を抑えながら光を伝送する制御などがある。前者の場合、フォトニック結晶は光を閉じ込める光共振器として機能とし、後者の場合、フォトニック結晶は光を伝送する光導波路として機能する。このような機能は、フォトニック結晶の周期構造に、点状や線状の欠陥を設けることで実現される。
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
＜実施形態１＞
【００２２】
図１は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。図１に例示される光学装置１は、コヒーレントな光を射出する光源２と、光源２から射出された光を集光するレンズ３と、屈折率の異なる光学材料を周期的に並べた構造体からなるフォトニック結晶４と、フォトニック結晶４から射出された光を集光するレンズ５と、レンズ５を透過した光を被照射面７に照射するレンズ６とを含んで構成されている。以下では、光源２として半導体レーザ光源を用いる場合について説明する。なお、光源２は、半導体レーザ光源に限られず、コヒーレントな光を射出する光源であればよい。
まず、光源２から射出されたコヒーレントな光であるレーザ光は、レンズ３により集光され、フォトニック結晶４へ導かれる。
【００２３】
本実施形態のフォトニック結晶４は、フォトニック結晶４を含む光学系の光軸の方向に伸びた導光部４ａと、光軸に対して垂直な側面を除いて導光部４ａを取り囲む遮断部４ｂと、から構成されている。導光部４ａと遮断部４ｂは、いずれも光源２から射出されるレーザ光の伝播を遮断するフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶である。しかし、遮断部４ｂには構造上の欠陥がないのに対して、導光部４ａには構造上の欠陥が含まれている点が異なっている。
【００２４】
導光部４ａには、フォトニックバンドギャップによって生じる光絶縁体としての機能を損なう線欠陥が、フォトニック結晶４を光軸方向に横断するように形成されている。これにより、導光部４ａは光絶縁体として機能せず、導光部４ａに入射したレーザ光は、線欠陥を通って導光部４ａ内部を進行し、レンズ５まで導かれる。つまり、導光部４ａは、光導波路として機能する。なお、導光部４ａはレーザ光が特定の角度で入射した場合にのみ、その光導波路としての機能を発揮する。このため、レンズ３は、導光部４ａが光導波路として機能する角度でレーザ光を導光部４ａに入射させるように、予め設計されている。
【００２５】
また、導光部４ａには、光を閉じ込めて遅延させる機能を有する点欠陥も形成されている。点欠陥は、導光部４ａ内部に散在しているため、線欠陥と重なって存在することもある。このため、線欠陥を通るレーザ光は、点欠陥も通過することになり、その結果、フォトニック結晶４で群遅延が生じることになる。つまり、フォトニック結晶４は、群遅延発生手段として機能する。
【００２６】
群遅延量は波長によって異なるため、フォトニック結晶４で生じる群遅延量は、レーザ光に含まれる波長毎に異なることになる。レーザ光源から射出されるレーザ光は、一般に高い単色性を有しているが、それでもレーザ光に含まれる波長には数ｎｍ程度の幅がある。このため、フォトニック結晶４では、この波長の違いによってレーザ光に含まれる波長毎に群遅延量に違いが生じる。
【００２７】
以上から、フォトニック結晶４を透過するレーザ光は、フォトニック結晶４を透過することで生じる群遅延量の違いによって位相がばらつき、コヒーレンスが低減されることになる。
【００２８】
このように、フォトニック結晶４の特性は、波長によって変化する。このため、フォトニック結晶４は、予め光源２から射出されるレーザ光に対して最適化して作製される。具体的には、フォトニック結晶４は、レーザ光に対して大きな群遅延が発生するように作製される。さらに具体的には、フォトニック結晶４は、少なくともレーザ光に含まれる波長に対して、その伝播を遮断するフォトニックバンドギャップを有するとともに、高いＱ値を示す結晶構造を有している。ここで、大きな群遅延とは、レーザ光のコヒーレンス長程度、またはそれ以上の群遅延のことである。また、Ｑ値とは、光の閉じ込めの強さを示す指標であり、高いＱ値とは、レーザ光のコヒーレンス長程度、またはそれ以上の群遅延を生じさせるＱ値のことである。
【００２９】
その一方で、フォトニック結晶４の特性は、その構造に大きく依存し、その物理的な大きさに対する依存は小さい。このため、フォトニック結晶４は、その物理的な大きさを過度に大きくすることなく、所望の特性を実現することができる。
そして、フォトニック結晶４を透過しコヒーレンスが低減されたレーザ光は、その後、レンズ５で集光され、レンズ６によって被照射面７に照射される。
【００３０】
以上、本実施形態の光学装置１では、光源２と被照射面７の間の光路中に、光源２から射出される光の波長に対して高いＱ値を示すフォトニック結晶４が配置される。その上で、光源２から射出された光を、フォトニック結晶４を介して被照射面７へ照射する。これにより、被照射面７で光のコヒーレンスを低減することができる。また、光学装置１では、コヒーレンスを低減するためにフォトニック結晶４を過度に大きくする必要はない。このため、本実施形態によれば、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【００３１】
また、本実施形態では、光源２から出射された光をフォトニック結晶４に集光させる手段としてレンズを用いたが、これに限られるものではない。集光手段としては、凹面鏡や回折レンズ等を用いることもできる。
【００３２】
なお、光源２、レンズ３、フォトニック結晶４、レンズ５、及びレンズ６は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
＜実施形態２＞
【００３３】
図２は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。本実施形態の光学装置８は、レンズ５とレンズ６の間に、開口絞り９が備えられている点が実施形態１の光学装置１と異なっている。その他の構成は、実施形態１の光学装置１と同様である。このため、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の光学装置８においても、光源２から射出されたレーザ光に対してフォトニック結晶４が実施形態１と同様に作用するため、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。また、光学装置８では、開口絞り９を調整することで、被照射面７に照射される光の明るさを調整することもできる。
【００３５】
なお、図２に例示されるように、フォトニック結晶４と被照射面７の間の光学系の構成は、任意に変更することができる。また、光源２とフォトニック結晶４の間の光学系の構成も、フォトニック結晶４に入射するレーザ光の入射角が維持される限り、変更することができる。このため、例えば、光路中にロッドインテグレータなどの光学素子を設けて、照明の均一性を向上させてもよい。
【００３６】
また、光源２、レンズ３、フォトニック結晶４、レンズ５、開口絞り９、及びレンズ６は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
＜実施形態３＞
【００３７】
図３は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。本実施形態の光学装置１０では、光源２からレンズ５までの間の構成は、実施形態１の光学装置１と同様である。このため、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３８】
ところで、実施形態１では、被照射面７上に一度に画像全体を投影する光学装置の構成を例示している。つまり、被照射面７上にレーザ光が集光しない構成である。これに対して、本実施形態の光学装置１０は、フォトニック結晶４と被照射面７の間に、フォトニック結晶４から射出されたレーザ光を被照射面７に集光させるレンズ５と、レーザ光で被照射面７を走査する走査手段１１とからなるスキャン光学系を含んで構成されている。
【００３９】
スキャン光学系は、走査手段１１により被照射面７を２次元（つまり、縦方向と横方向）に走査することで２次元の画像を投影することができる。なお、ここでは、走査手段１１が２次元に走査可能な１つ構成要素からなる場合を例示しているが、走査手段１１はそれぞれ１次元に走査する２つの走査手段から構成されても良い。走査手段１１としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、音響光学素子などを用いることができる。
【００４０】
本実施形態の光学装置１０においても、光源２から射出されたレーザ光に対してフォトニック結晶４が実施形態１と同様に作用するため、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【００４１】
なお、光源２、レンズ３、フォトニック結晶４、及びレンズ５は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
＜実施形態４＞
【００４２】
図４は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。本実施形態の光学装置１２は、電磁波誘起透明化（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）現象を利用してレーザ光に群遅延を生じさせる点が、実施形態１の光学装置１と異なっている。
【００４３】
具体的には、光学装置１２は、フォトニック結晶４の代わりに、電磁波誘起透明化現象を生じさせるための素子１３（以降、電磁波誘起透明化素子と記す。）と、ＥＩＴ現象を生じさせるために電磁波誘起透明化素子１３にレーザ光（以降、制御光と記す。）を照射する光源１４を含んでいる。なお、電磁波誘起透明化素子１３としては、例えば、希土類イオン分散結晶（Pr3+:Y2SiO5）が知られている。
【００４４】
ＥＩＴ現象とは、不透明な、つまり、光を吸収し透過させない性質を有する物質に一定の波長の光を照射すると、量子力学的な干渉効果によって特定の光に対して物質が透明、つまり光を透過させるようになる現象のことである。
【００４５】
この現象を利用することで、光源１から射出されるレーザ光（以降、照明光と記す。）に対して不透過な電磁波誘起透明化素子１３は、特定の条件に合致した制御光が照射されることにより、照明光を吸収することなく透過させることができる。このとき、電磁波誘起透明化素子１３は、さまざまな光学特性が大きく変化する。例えば、屈折率が波長に対して急激に変化する。これによって、電磁波誘起透明化素子１３を透過する照明光では、電磁波誘起透明化素子１３内で大きな群遅延が生じることになる。また、このときに生じる群遅延量も波長毎に異なる。このため、電磁波誘起透明化素子１３から射出された照明光は、電磁波誘起透明化素子１３内で生じる群遅延量の違いによって位相がばらつき、コヒーレンスが低減されることになる。つまり、電磁波誘起透明化素子１３及び光源１４は、群遅延発生手段として機能する。
【００４６】
ＥＩＴ現象も、電磁波誘起透明化素子１３の物理的な大きさに対する依存は小さい。このため、電磁波誘起透明化素子１３の物理的な大きさを過度に大きくすることなく、所望の特性を実現することができる。
以上により、本実施形態の光学装置１２においても、実施形態１と同様に、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【００４７】
なお、光源２、レンズ３、レンズ５、レンズ６、電磁波誘起透明化素子１３、及び光源１４は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
【００４８】
また、光源２と電磁波誘起透明化素子１３の間や電磁波誘起透明化素子１３と被照射面７の間の光学系の構成は、任意に変更することができる。例えば、電磁波誘起透明化素子１３と被照射面７の間には、実施形態３に例示されるようなスキャン光学系を含んで光学系を構成してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１、８、１０、１２・・・ 光学装置
２、１４ ・・・ 光源
３、５、６ ・・・ レンズ
４ ・・・ フォトニック結晶
４ａ ・・・ 導光部
４ｂ ・・・ 遮断部
７ ・・・ 被照射面
９ ・・・ 開口絞り
１１ ・・・ 走査手段
１３ ・・・ 電磁波誘起透明化素子
１０１ ・・・ 半導体レーザ光源
１０２ ・・・ 透明光学素子
１０３ ・・・ レンズアレイ
１０４ ・・・ 被照射面
１０５ ・・・ ＰＢＳ
１０６、１０８ ・・・ 集光レンズ
１０７ ・・・ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関し、特にレーザ光源を用いた画像表示のための光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロジェクタ等、画像表示のための光学装置の光源としては、超高圧水銀ランプなどのランプ光源が用いられてきた。しかしながら、ランプ光源に対しては、さまざまな課題が指摘されている。例えば、寿命が短いためランプの交換の頻度が高く、メンテナンス作業の負担が大きいといった指摘がある。さらに、ランプ光源では、赤・緑・青の光は、ランプ光源から射出される白色光を波長で分離することにより取り出される。このため、光学装置内の光学系が複雑し、光学装置が大型化してしまう。また、光の利用効率や画像の色再現性の限界についても指摘されている。これを踏まえ、ランプ光源に代わる光源として発光ダイオード光源（ＬＥＤ光源）を用いる提案もなされているが、ＬＥＤ光源の場合には、光の利用効率が悪く、明るい画像を表示することが難しいことが課題となっている。
【０００３】
このため、近年では、光学装置の光源として半導体レーザ光源等のレーザ光源の利用が提案されている。レーザ光源は、高い色再現性や高い光利用効率を実現することができる。さらに、ランプ光源と比べて寿命も長いため、メンテナンス作業の負担も軽減される。また、レーザ光源は表示する画像に応じてレーザ光を直接変調することができるため、光学装置の構成が簡素化され、光学装置の小型化が可能となる。このように、レーザ光源を用いることで、上記の課題の多くを改善することができる。
【０００４】
その一方で、レーザ光源を光源として利用する場合、レーザ光のコヒーレンス（可干渉性）の高さにより表示画像中にいわゆるスペックルが生じることがある。コントラストの高い不規則な明暗の班点模様であるスペックルが生じると表示画像の画質は著しく損なわれる。このため、特許文献１や特許文献２のように、従来からスペックルを低減するための技術が数多く提案されている。
【０００５】
図５は、特許文献１で開示された照明装置の構成を示す側面図である。図５に例示される照明装置では、半導体レーザ光源１０１から射出される照明光が厚さの異なる複数の領域からなる透明光学素子１０２を透過する。これにより、各領域を透過した光束の半導体レーザ光源１０１から被照射面１０４までの光路長を異ならせている。この光路長の異なる光束をレンズアレイ１０３で分割し、さらに、被照射面１０４上で重ね合わせることで、照明光のコヒーレンスを低下させることができる。
【０００６】
図６は、特許文献２で開示された光学装置の構成を示す概略図である。図６に例示される光学装置は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０５と、集光レンズ１０６と、光ファイバ１０７と、集光レンズ１０８から構成されている。それらはループ状に並べられ、周回光路を形成している。この光学装置では、光ファイバ１０７内で繰り返される全反射と、周回光路を周回する回数の違いによって光路長差を生じさせ、それによって、射出光のコヒーレンスを低下させることができる。
【０００７】
レーザ光で生じるスペックルは、コヒーレンスの高さが一要因となって生じるものである。このため、特許文献１及び特許文献２のように、光路長差を利用してレーザ光のコヒーレンスを低下させることで、スペックルを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２０６４４９号公報
【特許文献２】特開２０００−０８９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、光路長差によりレーザ光のコヒーレンスを低下させるためには、レーザ光のコヒーレンス長程度の光路長差が必要となる。レーザ光源のコヒーレンス長は、光源の種類によりさまざまであるが、例えば、数百ｍｍである。
【００１０】
その一方で、上述した先行技術により生じる光路長差は、光学素子の物理的な大きさに依存する。より具体的には、特許文献１では、透明光学素子１０２の各領域の厚さの違いに依存し、特許文献２では、光ファイバ１０７の長さに依存する。このため、コヒーレンス長程度の大きな光路長差を得るためには、物理的に大きな光学素子が必要となり、光学装置が大型化してしまう。
以上のような実情を踏まえ、本発明は、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、コヒーレントな光を射出する光源と、光に大きな群遅延を発生させる群遅延発生手段と、光を群遅延発生手段に導く集光手段と、を含む光学装置を提供する。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、集光手段は、光を群遅延発生手段に所定の角度で入射させ、群遅延発生手段は、屈折率の異なる材料を周期的に並べた構造体からなるフォトニック結晶であり、フォトニック結晶は、光に含まれる波長に対して高いＱ値を示す光学装置を提供する。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の光学装置において、フォトニック結晶は、光を遮断するフォトニックバンドギャップを有し、且つ、構造上の欠陥を含まず、光に対して光絶縁体として機能する遮断部と、構造上の欠陥を含み、光に群遅延を生じさせた上で、光を透過させる導光部と、を含む光学装置を提供する。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の光学装置において、導光部は、フォトニック結晶を横断する線欠陥と、導光部内に散在する点欠陥と、を含む光学装置を提供する。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、群遅延発生手段は、光を吸収し透過させない性質を有する電磁波誘起透明化素子と、電磁波誘起透明化素子にレーザ光を照射するレーザ光源と、を含み、レーザ光を電磁波誘起透明化素子に照射することにより、電磁波誘起透明化現象を生じさせる光学装置を提供する。
本発明の第６の態様は、第１の態様１乃至第５の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、光源は、半導体レーザ光源である光学装置を提供する。
【００１６】
本発明の第７の態様は、第１の態様乃至第６の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、光源と、群遅延発生手段と、集光手段は、モノリシックな構造体を構成する光学装置を提供する。
本発明の第８の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、集光手段は、レンズである光学装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図２】実施形態２に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図３】実施形態３に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図４】実施形態４に係る光学装置の構成を例示する概略図である。
【図５】従来技術の照明装置の構成を示す側面図である。
【図６】従来技術の光学装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、各実施形態について説明する前に、フォトニック結晶について概説する。
【００２０】
フォトニック結晶は、屈折率の異なる複数の光学材料を周期的に並べた構造体であり、電磁波（なお、以降では、光を例に説明する。）に対してさまざまな作用を生じさせる。なお、フォトニック結晶の周期構造は、一般に光の波長程度の周期を有する。また、光学材料の１つとして空気を用いることもできる。フォトニックス結晶は、その周期構造によりフォトニックバンド構造と呼ばれる光に対するバンド構造を有し、特定の波長領域の光の伝播を遮断するフォトニックバンドギャップを有する。このようなフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップに対応する波長の光に対しては、光絶縁体として機能するため、光の伝播の制御に利用できる。
【００２１】
フォトニック結晶による光制御の例としては、例えば、光を閉じ込めて遅延させる制御や、光の損失を抑えながら光を伝送する制御などがある。前者の場合、フォトニック結晶は光を閉じ込める光共振器として機能とし、後者の場合、フォトニック結晶は光を伝送する光導波路として機能する。このような機能は、フォトニック結晶の周期構造に、点状や線状の欠陥を設けることで実現される。
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
＜実施形態１＞
【００２２】
図１は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。図１に例示される光学装置１は、コヒーレントな光を射出する光源２と、光源２から射出された光を集光するレンズ３と、屈折率の異なる光学材料を周期的に並べた構造体からなるフォトニック結晶４と、フォトニック結晶４から射出された光を集光するレンズ５と、レンズ５を透過した光を被照射面７に照射するレンズ６とを含んで構成されている。以下では、光源２として半導体レーザ光源を用いる場合について説明する。なお、光源２は、半導体レーザ光源に限られず、コヒーレントな光を射出する光源であればよい。
まず、光源２から射出されたコヒーレントな光であるレーザ光は、レンズ３により集光され、フォトニック結晶４へ導かれる。
【００２３】
本実施形態のフォトニック結晶４は、フォトニック結晶４を含む光学系の光軸の方向に伸びた導光部４ａと、光軸に対して垂直な側面を除いて導光部４ａを取り囲む遮断部４ｂと、から構成されている。導光部４ａと遮断部４ｂは、いずれも光源２から射出されるレーザ光の伝播を遮断するフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶である。しかし、遮断部４ｂには構造上の欠陥がないのに対して、導光部４ａには構造上の欠陥が含まれている点が異なっている。
【００２４】
導光部４ａには、フォトニックバンドギャップによって生じる光絶縁体としての機能を損なう線欠陥が、フォトニック結晶４を光軸方向に横断するように形成されている。これにより、導光部４ａは光絶縁体として機能せず、導光部４ａに入射したレーザ光は、線欠陥を通って導光部４ａ内部を進行し、レンズ５まで導かれる。つまり、導光部４ａは、光導波路として機能する。なお、導光部４ａはレーザ光が特定の角度で入射した場合にのみ、その光導波路としての機能を発揮する。このため、レンズ３は、導光部４ａが光導波路として機能する角度でレーザ光を導光部４ａに入射させるように、予め設計されている。
【００２５】
また、導光部４ａには、光を閉じ込めて遅延させる機能を有する点欠陥も形成されている。点欠陥は、導光部４ａ内部に散在しているため、線欠陥と重なって存在することもある。このため、線欠陥を通るレーザ光は、点欠陥も通過することになり、その結果、フォトニック結晶４で群遅延が生じることになる。つまり、フォトニック結晶４は、群遅延発生手段として機能する。
【００２６】
群遅延量は波長によって異なるため、フォトニック結晶４で生じる群遅延量は、レーザ光に含まれる波長毎に異なることになる。レーザ光源から射出されるレーザ光は、一般に高い単色性を有しているが、それでもレーザ光に含まれる波長には数ｎｍ程度の幅がある。このため、フォトニック結晶４では、この波長の違いによってレーザ光に含まれる波長毎に群遅延量に違いが生じる。
【００２７】
以上から、フォトニック結晶４を透過するレーザ光は、フォトニック結晶４を透過することで生じる群遅延量の違いによって位相がばらつき、コヒーレンスが低減されることになる。
【００２８】
このように、フォトニック結晶４の特性は、波長によって変化する。このため、フォトニック結晶４は、予め光源２から射出されるレーザ光に対して最適化して作製される。具体的には、フォトニック結晶４は、レーザ光に対して大きな群遅延が発生するように作製される。さらに具体的には、フォトニック結晶４は、少なくともレーザ光に含まれる波長に対して、その伝播を遮断するフォトニックバンドギャップを有するとともに、高いＱ値を示す結晶構造を有している。ここで、大きな群遅延とは、レーザ光のコヒーレンス長程度、またはそれ以上の群遅延のことである。また、Ｑ値とは、光の閉じ込めの強さを示す指標であり、高いＱ値とは、レーザ光のコヒーレンス長程度、またはそれ以上の群遅延を生じさせるＱ値のことである。
【００２９】
その一方で、フォトニック結晶４の特性は、その構造に大きく依存し、その物理的な大きさに対する依存は小さい。このため、フォトニック結晶４は、その物理的な大きさを過度に大きくすることなく、所望の特性を実現することができる。
そして、フォトニック結晶４を透過しコヒーレンスが低減されたレーザ光は、その後、レンズ５で集光され、レンズ６によって被照射面７に照射される。
【００３０】
以上、本実施形態の光学装置１では、光源２と被照射面７の間の光路中に、光源２から射出される光の波長に対して高いＱ値を示すフォトニック結晶４が配置される。その上で、光源２から射出された光を、フォトニック結晶４を介して被照射面７へ照射する。これにより、被照射面７で光のコヒーレンスを低減することができる。また、光学装置１では、コヒーレンスを低減するためにフォトニック結晶４を過度に大きくする必要はない。このため、本実施形態によれば、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【００３１】
また、本実施形態では、光源２から出射された光をフォトニック結晶４に集光させる手段としてレンズを用いたが、これに限られるものではない。集光手段としては、凹面鏡や回折レンズ等を用いることもできる。
【００３２】
なお、光源２、レンズ３、フォトニック結晶４、レンズ５、及びレンズ６は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
＜実施形態２＞
【００３３】
図２は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。本実施形態の光学装置８は、レンズ５とレンズ６の間に、開口絞り９が備えられている点が実施形態１の光学装置１と異なっている。その他の構成は、実施形態１の光学装置１と同様である。このため、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の光学装置８においても、光源２から射出されたレーザ光に対してフォトニック結晶４が実施形態１と同様に作用するため、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。また、光学装置８では、開口絞り９を調整することで、被照射面７に照射される光の明るさを調整することもできる。
【００３５】
なお、図２に例示されるように、フォトニック結晶４と被照射面７の間の光学系の構成は、任意に変更することができる。また、光源２とフォトニック結晶４の間の光学系の構成も、フォトニック結晶４に入射するレーザ光の入射角が維持される限り、変更することができる。このため、例えば、光路中にロッドインテグレータなどの光学素子を設けて、照明の均一性を向上させてもよい。
【００３６】
また、光源２、レンズ３、フォトニック結晶４、レンズ５、開口絞り９、及びレンズ６は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
＜実施形態３＞
【００３７】
図３は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。本実施形態の光学装置１０では、光源２からレンズ５までの間の構成は、実施形態１の光学装置１と同様である。このため、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３８】
ところで、実施形態１では、被照射面７上に一度に画像全体を投影する光学装置の構成を例示している。つまり、被照射面７上にレーザ光が集光しない構成である。これに対して、本実施形態の光学装置１０は、フォトニック結晶４と被照射面７の間に、フォトニック結晶４から射出されたレーザ光を被照射面７に集光させるレンズ５と、レーザ光で被照射面７を走査する走査手段１１とからなるスキャン光学系を含んで構成されている。
【００３９】
スキャン光学系は、走査手段１１により被照射面７を２次元（つまり、縦方向と横方向）に走査することで２次元の画像を投影することができる。なお、ここでは、走査手段１１が２次元に走査可能な１つ構成要素からなる場合を例示しているが、走査手段１１はそれぞれ１次元に走査する２つの走査手段から構成されても良い。走査手段１１としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、音響光学素子などを用いることができる。
【００４０】
本実施形態の光学装置１０においても、光源２から射出されたレーザ光に対してフォトニック結晶４が実施形態１と同様に作用するため、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【００４１】
なお、光源２、レンズ３、フォトニック結晶４、及びレンズ５は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
＜実施形態４＞
【００４２】
図４は、本実施形態に係る光学装置の構成を例示する概略図である。本実施形態の光学装置１２は、電磁波誘起透明化（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）現象を利用してレーザ光に群遅延を生じさせる点が、実施形態１の光学装置１と異なっている。
【００４３】
具体的には、光学装置１２は、フォトニック結晶４の代わりに、電磁波誘起透明化現象を生じさせるための素子１３（以降、電磁波誘起透明化素子と記す。）と、ＥＩＴ現象を生じさせるために電磁波誘起透明化素子１３にレーザ光（以降、制御光と記す。）を照射する光源１４を含んでいる。なお、電磁波誘起透明化素子１３としては、例えば、希土類イオン分散結晶（Pr3+:Y2SiO5）が知られている。
【００４４】
ＥＩＴ現象とは、不透明な、つまり、光を吸収し透過させない性質を有する物質に一定の波長の光を照射すると、量子力学的な干渉効果によって特定の光に対して物質が透明、つまり光を透過させるようになる現象のことである。
【００４５】
この現象を利用することで、光源１から射出されるレーザ光（以降、照明光と記す。）に対して不透過な電磁波誘起透明化素子１３は、特定の条件に合致した制御光が照射されることにより、照明光を吸収することなく透過させることができる。このとき、電磁波誘起透明化素子１３は、さまざまな光学特性が大きく変化する。例えば、屈折率が波長に対して急激に変化する。これによって、電磁波誘起透明化素子１３を透過する照明光では、電磁波誘起透明化素子１３内で大きな群遅延が生じることになる。また、このときに生じる群遅延量も波長毎に異なる。このため、電磁波誘起透明化素子１３から射出された照明光は、電磁波誘起透明化素子１３内で生じる群遅延量の違いによって位相がばらつき、コヒーレンスが低減されることになる。つまり、電磁波誘起透明化素子１３及び光源１４は、群遅延発生手段として機能する。
【００４６】
ＥＩＴ現象も、電磁波誘起透明化素子１３の物理的な大きさに対する依存は小さい。このため、電磁波誘起透明化素子１３の物理的な大きさを過度に大きくすることなく、所望の特性を実現することができる。
以上により、本実施形態の光学装置１２においても、実施形態１と同様に、スペックルを低減するコンパクトな光学装置を提供することができる。
【００４７】
なお、光源２、レンズ３、レンズ５、レンズ６、電磁波誘起透明化素子１３、及び光源１４は、同一基板上にモノリシックな構造体として構成されてもよい。これにより、さらにコンパクトに光学装置を構成することができる。また、例えば、シリコン基板上に構成する場合など、半導体プロセスが利用できる場合には、製造コストも低減できる。
【００４８】
また、光源２と電磁波誘起透明化素子１３の間や電磁波誘起透明化素子１３と被照射面７の間の光学系の構成は、任意に変更することができる。例えば、電磁波誘起透明化素子１３と被照射面７の間には、実施形態３に例示されるようなスキャン光学系を含んで光学系を構成してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１、８、１０、１２・・・ 光学装置
２、１４ ・・・ 光源
３、５、６ ・・・ レンズ
４ ・・・ フォトニック結晶
４ａ ・・・ 導光部
４ｂ ・・・ 遮断部
７ ・・・ 被照射面
９ ・・・ 開口絞り
１１ ・・・ 走査手段
１３ ・・・ 電磁波誘起透明化素子
１０１ ・・・ 半導体レーザ光源
１０２ ・・・ 透明光学素子
１０３ ・・・ レンズアレイ
１０４ ・・・ 被照射面
１０５ ・・・ ＰＢＳ
１０６、１０８ ・・・ 集光レンズ
１０７ ・・・ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントな光を射出する光源と、
前記光に大きな群遅延を発生させる群遅延発生手段と、
前記光を前記群遅延発生手段に導く集光手段と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学装置において、
前記集光手段は、前記光を前記群遅延発生手段に所定の角度で入射させ、
前記群遅延発生手段は、屈折率の異なる材料を周期的に並べた構造体からなるフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶は、前記光に含まれる波長に対して高いＱ値を示すことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光学装置において、
前記フォトニック結晶は、
前記光を遮断するフォトニックバンドギャップを有し、且つ
構造上の欠陥を含まず、前記光に対して光絶縁体として機能する遮断部と、
構造上の欠陥を含み、前記光に群遅延を生じさせた上で、前記光を透過させる導光部と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光学装置において、
前記導光部は、
前記フォトニック結晶を横断する線欠陥と、
前記導光部内に散在する点欠陥と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光学装置において、
前記群遅延発生手段は、
前記光を吸収し透過させない性質を有する電磁波誘起透明化素子と、
前記電磁波誘起透明化素子にレーザ光を照射するレーザ光源と、を含み、
前記レーザ光を前記電磁波誘起透明化素子に照射することにより、電磁波誘起透明化現象を生じさせることを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光学装置において、
前記光源は、半導体レーザ光源であることを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光学装置において、
前記光源と、前記群遅延発生手段と、前記集光手段は、モノリシックな構造体を構成することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学装置において、
前記集光手段は、レンズであることを特徴とする光学装置。
【請求項１】
コヒーレントな光を射出する光源と、
前記光に大きな群遅延を発生させる群遅延発生手段と、
前記光を前記群遅延発生手段に導く集光手段と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学装置において、
前記集光手段は、前記光を前記群遅延発生手段に所定の角度で入射させ、
前記群遅延発生手段は、屈折率の異なる材料を周期的に並べた構造体からなるフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶は、前記光に含まれる波長に対して高いＱ値を示すことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光学装置において、
前記フォトニック結晶は、
前記光を遮断するフォトニックバンドギャップを有し、且つ
構造上の欠陥を含まず、前記光に対して光絶縁体として機能する遮断部と、
構造上の欠陥を含み、前記光に群遅延を生じさせた上で、前記光を透過させる導光部と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光学装置において、
前記導光部は、
前記フォトニック結晶を横断する線欠陥と、
前記導光部内に散在する点欠陥と、を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光学装置において、
前記群遅延発生手段は、
前記光を吸収し透過させない性質を有する電磁波誘起透明化素子と、
前記電磁波誘起透明化素子にレーザ光を照射するレーザ光源と、を含み、
前記レーザ光を前記電磁波誘起透明化素子に照射することにより、電磁波誘起透明化現象を生じさせることを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光学装置において、
前記光源は、半導体レーザ光源であることを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光学装置において、
前記光源と、前記群遅延発生手段と、前記集光手段は、モノリシックな構造体を構成することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学装置において、
前記集光手段は、レンズであることを特徴とする光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２５７１（Ｐ２０１１−２５７１Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４３７４（Ｐ２００９−１４４３７４）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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