专利名称：非相干化器件和使用它的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学构件(非相干化器件)和使用它的光学装置。
背景技术：
使用色彩的三原色即R、G、B这3个波长的光源的投影机、显示器等的光学设备正在广泛普及并渗透。作为光源，一般主要使用的是发光二极管(LED)，但在投射或显示图像、映像的用途中，强烈要求有更明亮的图像，因此相比LED，激光器(LD)的使用更受青睐。若激光器与LED比较，则具有光强度高、波长宽度窄、干涉性高的特征。因此，能够得到明亮的图像的另一面是，例如若作为投影机的光源使用，则由于屏幕等上的微小凹凸等带来的散射光干涉，导致被称为散斑(speckle)的干扰出现在投射图像上，存在容易使画质劣化这样的课题。 为了降低这些散斑，至今为止提出有几个提案。一个提案利用的原理是，在时间上使激光束高速变动，使人的眼睛感知不到散斑。例如，在专利文献I中提出有一种方法，其将透明基材上形成有深度不同的多个凹部的衍射型透镜元件用于照明装置，通过使所述衍射型透镜元件旋转来降低散斑。另夕卜，在专利文献2中，公开有一种散斑去除器件，其采用通过使提供半波的奇整数倍的补偿(retardation)的光延迟器机械地旋转、振动或使液晶驱动的方式。另一方面，作为不采用这样的机械或电气驱动的散斑降低手段，有向激光束内给予超过激光光源的相干长度(可干涉距离)的光程差的方法。例如，在专利文献3中公开有一种方法，其是在激光束的光程中设置具有光程差的光纤束。另外，在专利文献4、5中公开有一种方法，其是通过使用无源部件而使小型化成为可能。图12表示专利文献4所公开的光学装置。从平行平面板120的入射孔121以规定角度入射的激光束，发生折射由第一反射面122反射后，又由第二反射面123反射，在此第一、第二反射面122、123中交替地重复反射。在第一反射面122上部分性地设有透射孔(未图示)，通过使透过这些透射孔的激光光束的光程差比激光光源的可干涉距离长，使透过相邻的透射孔的光束彼此非相干化。另外，图13表示专利文献5所公开的照明装置的光学系统。在图13中，光束分离器130由在石英板的两面贴有反射膜的平行板构成，反射面a、b、C、d、e的反射率分别为75 %、66. 5 %、50 %、O %、100 %。若激光束入射光束分离器130，则强度大致相同的光束被输出4条。各个光束的光程差设定得比可干涉距离大，因此这4条光束彼此非相干。此外，经由配置在后方的双折射晶体131,各个光束被分割成偏振光垂直的两条光束，因为具有相互垂直的偏振光的光束之间互不干涉，所以合计8条光束不发生干涉，即被非相干化。另外，在专利文献6中公开有一种方法，其是在调制从光源入射的光的空间调制装置中，通过使用衍射光学元件使光扩散，且使光的扩散角比入射前大，从而降低散斑。先行技术文献
专利文献专利文献I :特开2002-267825号公报专利文献2 :特开2009-258738号公报专利文献3 :特开平6-167640号公报 专利文献4 :特开平1-292821号公报专利文献5 :特开平1-290276号公报专利文献6 :特开2010-39137号公报
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种不具有机械或电气的驱动部分、且小型并可以控制出射光束的光强度分布的光学构件(非相干化器件)，和使用它的光学设备。本实施方式的光学构件，具备如下全反射镜，其具有反射激光束的反射面；滤光片，其具有使所述激光束的一部分透射、且使剩余部分反射的部分透射面，并且按照与所述反射面对置的方式配置所述部分透射面；衍射光栅，其入射所述激光束，并且使所述入射的激光束衍射、且使之入射到所述全反射镜或所述部分透射滤光片。根据本发明，通过调整衍射光栅的光栅间隔和部分透射滤光片的透射率与反射率的比值，能够自由地设计从光学构件出射的光束的大小、和光束内的光强度的分布。此外，能够使光学构件相对于入射的光垂直地配置。另外，能够使从光学构件出射的光，相对于入射光学构件的光的中心轴呈轴对称分布。因此，可以实现小型化。
图IA是表示实施的方式I的非相干化器件11的剖面图和俯视图。图IB是放大表示实施的方式I的入射孔15的剖面图。图2(a)是表示实施的方式2的非相干化器件21的剖面图，(b)是放大表示实施的方式2的入射孔25的剖面图。图3是表示衍射光栅与空气接触时的一级衍射效率的波长依存性通过模拟计算出的结果的曲线图。图4是表示衍射光栅与保护膜接触时的一级衍射效率的波长依存性通过模拟计算出的结果的曲线图。图5(a)是表示实施的方式3的非相干化器件51的剖面图，(b)是放大表示实施的方式3的入射孔55的剖面图。图6(a)是表示实施的方式4的非相干化器件61的剖面图，(b)是放大表示实施的方式4的反射形衍射部610的剖面图。图7(a)至(e)是本发明的实施方式的入射激光束的剖面图和衍射光栅形状的正视图。图8是表示实施的方式5的非相干化器件81的剖面图和俯视图。图9A是表示实施的方式6的非相干化器件91的剖面图和俯视图。图9B是放大表不实施的方式6的入射孔95的剖面图。图10(a)是表示实施的方式6的变形例的非相干化器件的剖面图和俯视图，(b)是放大表示实施的方式6的变形例的入射孔105的剖面图。图11是表示本发明的光学装置的实施方式的概略结构图。图12是表示专利文献4所公开的现有的光学装置的剖面图。图13是表示专利文献5所公开的现有的照明装置的光学系统的剖面图。
具体实施方式
本实施方式的光学构件具备如下全反射镜，其具有反射激光束的反射面；滤光片，其具有透射所述激光束的一部分、反射剩余部分的部分透射面，且按照以与所述反射面对置的方式配置所述部分透射面；衍射光栅，其入射所述激光束，使所述入射的激光束发生衍射，且使之入射到所述全反射镜或所述部分透射滤光片。也可以还具备在所述全反射镜和所述部分透射滤光片之间所设置的透明构件，所述衍射光栅也可以设于所述透明构件的表面。 也可以还具备覆盖所述衍射光栅的表面的保护膜。所述衍射光栅的材料和所述保护膜的材料之中的、任意一方的材料，也可以具有比另一方的材料的折射率高、且阿贝数大的性质。所述衍射光栅和所述保护膜由树脂构成，在构成所述衍射光栅和所述保护膜之中的至少任意一方的树脂中，也可以分散有无机粒子。所述保护膜也可以由在光固化树脂中分散有氧化锆、氧化钇和氧化铝之中的至少任意一种粒子的材料构成。从所述光学构件出射的所述激光束的截面，也可以具有相对于所述截面的中心各向同性的形状。所述激光束的截面具有长轴和短轴时，也可以所述衍射光栅由如下方式对所述激光束进行衍射，即，使从所述光学构件出射的所述激光束中的所述短轴对所述长轴的长度的比，大于入射所述衍射光栅的所述激光束中的所述短轴对所述长轴的长度的比。所述衍射光栅也可以具有分别朝不同方向衍射的多个分区。所述衍射光栅具有多个衍射段差时，所述多个衍射段差也可以具有以相同的点为中心的椭圆的平面形状，所述多个衍射段差之中相邻的两个衍射段差的间隔，也可以是相比所述椭圆的长轴方向，在所述椭圆的短轴方向较小。所述全反射镜，也可以具有用于使所述激光束入射所述衍射光栅的孔径，所述激光束相对于所述孔径垂直入射。由所述衍射光栅衍射的所述激光束入射所述全反射镜时，所述激光束也可以由所述全反射镜反射而入射所述部分透射滤光片，由所述衍射光栅衍射的所述激光束入射所述部分透射滤光片时，所述激光束之中的一部分也可以透过所述部分透射滤光片，所述激光束这一的剩余部分也可以由所述部分透射滤光片反射而入射所述全反射镜。从所述光学构件出射的所述激光束的截面，也可以比入射所述光学构件的所述激光束的截面大。本实施方式的光学装置具备如下激光光源；调制从所述激光光源出射的激光束的空间光调制元件；将所述空间光调制元件所调制的光作为图像进行投射的投射光学系统；在所述激光光源和所述空间光调制元件之间所配置的本实施方式的光学构件。
所述激光光源，也可以含有红色波长激光光源、绿色波长激光光源和蓝色波长激光光源。根据本发明者的研究可知，专利文献I 6所公开的方法具有以下这样的课题。在专利文献1、2的公开例中，需要机械或电气性地驱动透镜元件等。即，需要复杂的机构和电源供给等，所以不优选将专利文献1、2的发明适用于要求小型化和便携性的设备。另外，因为并不是要降低入射的激光束的干涉性，所以对于使激光的聚光性降低的用途中没有效果。例如，在使RGB的激光会聚到人的视网膜上而显示出彩色图像的视网膜扫描型显示器中，需要筹划的是，通过降低激光的强度、且降低激光的聚光性的机构来防止视网膜的损伤。降低激光的干涉性、即非相干化，是降低聚光性的有效的手段之一，但专利文献1,2的公开例并不是进行非相干化，不适合这样的用途。专利文献3的公开例，需要确保用于光纤束的空间，因此不适于小型化。另外，光 向光纤入射时发生光损耗，因此光强度降低。另外，在专利文献4和5中，使入射的光线折射，无论在专利文献4、专利文献5中，出射光线的分离个数均为数个左右。在专利文献4和5中增加光线数量有困难，这些方法缺乏扩张性、通用性。另外，使出射光线的强度分布对称并不容易。此外，需要使专利文献4的平行平面板、专利文献5的光束分离器相对于激光束倾斜，因此需要使光学系统大型化、且进行部件的调整。另外，在专利文献6所公开的方法中，因为使用衍射光学元件的扩散，所以存在多个级次的衍射，存在无法有效利用的级次的衍射光，因此光线的利用效率差，损耗发生。以下，说明能够解决这样的课题的实施的方式。(实施的方式I)图IA是表示本发明的非相干化器件的实施的方式I的剖面图和俯视图。本实施方式的非相干化器件11具备如下全反射镜14 ;与所述反射面对置的部分透射滤光片13 ；在全反射镜14的入射孔15所设置的衍射光栅18。在全反射镜14和部分透射滤光片13之间设有厚度t的透明基板12。全反射镜14、部分透射滤光片13和入射孔15各自具有圆形的平面形状。入射孔15其中心配置在与激光束16的中心轴10 —致的位置。衍射光栅18设置在透明基板12的表面之中的从入射孔15露出的部分。图IB是放大表示入射孔15的内部的剖面图。在入射孔15的内部所配置的衍射光栅18具有以入射孔15的中心轴10为中心的同心圆状的刻线衍射段差部18a，和位于入射孔15的中心部的平坦部18。刻线衍射段差部18a的各个段差的深度为dl，邻接的段差的间隔即间距为P。刻线衍射段差部18a的段差的间距P可以固定，也可以不固定。通过改变段差的间距P，能够改变发散光束17的截面强度分布。从投影机等的光源发射的激光束16，对于入射孔15垂直(例如从相对于入射孔的垂直方向5度以内)入射，到达入射孔15内的衍射光栅18。入射衍射光栅18之中平坦部18b的光直线传播。另一方面，入射刻线衍射段差部18a的光被衍射，沿着远离入射孔15的中央轴10的方向(从直线传播方向朝外侧以角度Θ倾斜的方向)行进，到达部分透射滤光片13。此光的一部分透过部分透射滤光片13而被引出到外部，一部分由部分透射滤光片13反射而入射全反射镜14的全反射面14a。入射全反射面14a的光被朝向部分透射滤光片13反射。如此，入射非相干化器件11的光，被部分透射滤光片13和全反射镜14反射，由此在内部往返。在此过程中，到达部分透射滤光片13的光的一部分依次透过，由此，从在非相干化器件11中与入射孔15相反侧的面,发散光束17被出射。本实施方式的衍射光栅18，使入射到刻线状衍射段差部18a的光向外侧衍射，因此发散光束17的光束直径(和截面积)，比入射的激光束16的光束直径(和截面积)大。但是，发散光束17的光束直径也可以不必比入射的激光束16的光束直径大。另外，在本实施方式中，从非相干化器件11出射的激光束16的截面具有相对于截面的中心各向同性的形状(圆形)。经由刻线衍射段差部18a，光被折曲的角度Θ —般被称为衍射角，具有下式的关系O算式I1sin Θ = m · λ /P在此m是衍射级次，λ是入射的激光束16的波长。衍射级次m的衍射光的衍射效率理论上达到100%的衍射段差的深度d，由下式表
/Jn ο算式2d = m · λ/|η1_η2|在此nl是刻线衍射段差部18a的折射率，n2是与闪耀衍射光栅接触的介质的折射率。在本实施的方式中，因为刻线衍射段差部18a与空气接触，所以n2的值为I。刻线衍射段差部18a在透明基材12上被一体化形成。刻线衍射段差部18a能够通过蚀刻等的半导体工艺或利用模具的铸模等的公知的工艺规程来形成。刻线衍射段差部18a不一定非要与透明基材12是相同的材料，也可以由其他材料构成。另外，作为透明基材12或衍射光栅18的材料，能够采用各种光学玻璃和各种光学树脂。如图IA所示，使衍射的光束被部分透射滤光片13和全反射镜14交替反射这一情况反复，并且衍射光束的一部分透过部分透射滤光片13，而相邻的透射光束之间发生的光程差Λ由下式表示。算式3Δ = 2t (1-cos Θ )/cos Θ以使该值比入射的激光束16的可干涉距离大的方式，决定衍射级次m、衍射角Θ、透明基材12的厚度t，由此输出非相干化的出射光束17。S卩，根据(算式2)的关系，决定图IA的衍射段差的深度为dl时高效率衍射的衍射光的级次m，根据(算式I)、(算式3)的关系决定光程差Δ。如此根据本实施的方式的非相干化器件，通过调整衍射段差的深度dl、衍射光栅的间距P、透明基材的厚度t的参数，能够自由地设定相邻的光束间的光程差。在专利文献4和5的公开的光学元件中，随着反射次数增多，光束的强度变弱，因此确保出射光束的强度分布的对称性困难。另外，因为需要相对于激光束而倾斜设置光学元件，所以在光轴方向需要距离，光学系统的小型化有困难。另一方面，本实施的方式的非相干化器件，能够使出射光束17的强度相对于中心轴10呈轴对称分布。此外，因为能够相对于入射的激光束26垂直配置，所以有利于光学系统的小型化。另外，通过设定部分透射滤光片13的透射率与反射率的比值和衍射光栅的段差(光栅)的间隔，能够自由地设计出射光束的强度分布和光束的尺寸。另外，因为一般的透镜光学系统为轴对称，所以不使用特殊的光学系统，就能够出射具有相对于光轴轴对称的强度分布的光束。因此，有利于光学系统的简单化。就部分透射滤光片13而言，例如，由2种以上的电介质材料所构成的多层膜构成。例如，使用交替层叠氧化钛和氧化硅的多层膜即可。通过恰当选择部分透射滤光片13的膜的构成和材料，不论光束的偏振方向，都能够以自由的比率分配透射率、反射率。另外，能够降低由部分透射滤光片13造成的光的吸収。 如此根据本实施方式，通过使用衍射光栅，小型并容易控制出射光束的光强度分布就成为可能。还有，本实施方式的全反射镜14和入射孔15设于透明基材12的平面，在与之对置的平面上设有部分透射滤光片13，但若使它们为曲面，则附加透镜作用也可。(实施的方式2)图2(a)是表示本发明的非相干化器件的实施的方式2的剖面图。在本实施方式的非相干化器件21中，与实施的方式I的非相干化器件11的不同点是，在入射孔25内的衍射光栅28的表面设有保护膜29。其他构成要素共通。以下，对于共通的构成的详细说明省略。图2(b)是放大表示入射孔25的剖面图。在入射孔25的内部所配置的衍射光栅28具有以入射孔25的中心轴20为中心的同心圆状的刻线衍射段差部28a ;和位于入射孔25的中心部的平坦部28b。刻线衍射段差部28a的各个段差的深度为d2，邻接的段差的间隔即间距为P。在衍射光栅28的刻线衍射段差部28a和平坦部28b的表面，设有保护膜29。还有,在图2(a)、(b)中,保护膜29设于衍射光栅18的表面的整体,但也可以仅在一部分设置。从投影机等的光源发射的激光束26，沿着中心轴20，对于入射孔25大致垂直入射。激光束26的光束截面例如为圆形。激光束26之中的、中心轴20邻域的部分沿着中心轴20直线传播，但其周边的光束由同心圆状的衍射光栅衍射，在远离中心轴20的方向(从直线传播方向朝外侧以角度Θ倾斜的方向)行进。使各个衍射光束由部分透射滤光片23和全反射镜24交替反射这一情况重复，并且衍射光束的一部分从入射孔25的相反侧的面出射。本实施方式的衍射光栅28，使入射刻线状衍射段差部28a的光朝向外侧衍射，因此发散光束27的光束直径比入射的激光束126的光束直径大。通过恰当组合刻线衍射段差部28a和保护膜29的折射率，以及它们的波长色散性，可以消除衍射效率的波长依存性。 衍射级次m的衍射光的衍射效率在理论上达到100 %的衍射段差的深度d由上述的(算式2)表示。如实施的方式1，闪耀衍射光栅与空气接触时的衍射效率如图3。图3是表不一级衍射效率的波长依存性通过模拟计算出的结果的曲线图。在该计算中所设定的衍射光栅的衍射段差的深度为O. 86 μ m。如图3所示，一级衍射效率在特定的波长(图3中为波长550nm附近)下示出较高的值，但在比之短的波长或比之长的波长侧则降低。一级衍射效率的降低量为作为其他衍射级次的零级和二级等的衍射光。在本实施方式中，通过设置保护膜29，能够抑制一级衍射效率依赖于激光束的波长而降低。即，在(算式2)中，右边与激光束的波长λ无关而保持一定，设置满足(算式2)的深度d的衍射段差即可。为了降低衍射效率的波长依存性，优选衍射光栅28的材料和保护膜29的材料之中具有如下性质，即任意一方的材料比另一方的材料具有更高的折射率，并且波长色散性低(阿贝数大)。通过具有这样的性质，一级衍射效率达到最大的d就不依赖使用波长而固定。作为这样的材料的组合，可列举玻璃和树脂等的组合，在树脂材料中均匀分散有无机材料的微粒子的纳米复合材料与树脂的组合。具体来说，在作为衍射光栅28 (即透明基板22)使用低折射率高波长分散材料，作为保护膜29使用高折射率低波长分散材料时，作为衍射光栅28使用聚碳酸酯(d线折射率I. 585，阿贝数27. 9)，作为保护膜29使用在丙烯酸系的紫外线固化树脂中分散有粒径为IOnm以下的氧化锆的纳米复合树脂(d线折射率为I. 623，阿贝数40)即可。除了氧化锆以外，也可以使用氧化钇和氧化铝之中的任意一个或其混合物。若透明基材22、衍射光栅28、保护膜29全部由树脂形成，则生产率高，也容易轻量化。图4是表示由聚碳酸酯和纳米复合树脂构成闪耀衍射光栅和保护膜时的一级衍射效率的波长依存性的曲线图。在此计算中设定的衍射段差的深度d2为14.9 μ m。如图4所示，在本实施方式的非相干化器件21中，在可视波长全域示出95%以上的较高的一级衍射效率。同样，对于在使衍射段差的深度为2倍的29. 8 μ m时二级衍射光、在为3倍的44. 7 μ m时三级衍射光，则在可视波长全域可以同样提高衍射效率。根据本实施方式，通过设置保护膜29，则能够提高R、G、B这3个波长区域，所谓的可视波长全域的光利用效率。衍射光栅28在透明基材22上被一体化形成。衍射光栅28能够通过蚀刻等的半导体工艺或利用模具的铸模等的公知的工艺规程来形成。衍射光栅28与透明基材22未必需要相同的材料，也可以由其他材料构成。本实施的方式的非相干化器件，能够使出射光束27的强度相对于中心轴10呈轴对称分布。此外，因为能够相对于入射的激光束26垂直配置，所以有利于光学系统的小型化。·
通过设定部分透射滤光片23的透射率与反射率的比值和衍射光栅的段差(光栅)的间隔，能够控制出射光束的强度分布和光束的尺寸。因为一般的透镜光学系统为轴对称，所以不使用特殊的光学系统，就能够出射具有相对于光轴轴对称的强度分布的光束。因此，有利于光学系统的简单化。特别是，本实施方式的非相干化器件在可视波长全域，不依赖波长而具有高衍射效率，因此在R、G、B各个波长的全部入射激光束26中，能够由I个构成得到高的衍射效率。具有R、G、B的波长的激光束26，能够通过光学系统合成R、G、B各自的波长的激光束而生成。还有，本实施方式的全反射镜24和入射孔25设于透明基材22的平面，在与之对置的平面设有部分透射滤光片23，但若使它们为曲面，则附加透镜作用也可。
(实施的方式3)图5(a)是表示本发明的非相干化器件的实施的方式3的剖面图。在本实施方式的非相干化器件51中，与实施的方式2的非相干化器件21不同的，仅是入射孔55内的衍射光栅58的形状。其他的构成要素均共通。以下，对于共通的构成的详细的说明省略。图5(b)是放大表示入射孔55的剖面图。在入射孔55的内部所配置的衍射光栅58具有如下位于入射孔55的中心部的平坦部58B ;以入射孔55的中心轴50为中心的同心圆状的二元衍射段差部58A。平坦部58B是配置在入射孔55的中心部的凸部58b的上表面，其平面形状为圆形。二元衍射段差部58A，由如下构成具有以入射孔55的中心轴50为中心的圆周形的平面形状的凸部58a ；2个凸部58a、58b之间的凹部58c。在图5 (a)、(b)中，为了易懂，示出的是仅设有I个圆周形的凸部58a的衍射光栅58，但圆周形的凸部58a设置多个也可。与实施的方式2同样,在衍射光栅58的材料和保护膜59材料之中，具有任意一方 的材料比另一方的材料有更高的折射率、并且波长色散性低的性质。通过具有这样的性质，特定级次的衍射效率达到最大的衍射段差的深度就不依赖使用波长而保持固定。以下，说明实施的方式2的闪耀衍射光栅28与本实施方式的二元衍射光栅58的差异。图2(b)所示的闪耀衍射光栅28的截面为锯齿状，衍射段差的深度d满足(算式2)时，理论上m次的衍射效率为100%。特别是，在实施方式2中，选定λ/|η1-η2|的值不依赖波长λ而大致固定的闪耀衍射光栅、保护膜的材料。另一方面，图5(b)所不的本实施方式的衍射光栅58,是截面凹凸状的二兀衍射光栅。这时，将衍射段差的深度d5的2倍作为(算式2)的d代入，满足(算式2)时，在理论上一级和负一级的衍射效率约40%。负一级的衍射是在与一级左右相反的方向上发生衍射的光。在图5(a)中，实线的衍射光56a(衍射角Θ ’朝向纸面向左衍射的衍射光)为一级衍射光，虚线的衍射光56b (衍射角Θ ’朝向纸面向右衍射的衍射光)是负一级衍射光。根据本实施方式，在可视波长全域，一级、负一级的衍射效率不依赖波长而固定。但是，保护膜59未必一定设置也可。本实施的方式的非相干化器件，能够使出射光束57的强度相对于中心轴50呈轴对称分布。此外，能够相对于入射的激光束56垂直地配置，因此有利于光学系统的小型化。另外，通过设定部分透射滤光片53的透射率与反射率的比值和衍射光栅的段差(光栅)的间隔，能够控制出射光束的强度分布和光束的尺寸。因为一般的透镜光学系统为轴对称，所以不使用特殊的光学系统，就能够出射具有相对于光轴轴对称的强度分布的光束。因此，有利于光学系统的简单化。特别是，本实施方式的非相干化器件在可视波长全域，不论波长而具有同等的衍射效率，并且，在零级以外的其他级次下衍射，几乎没有损耗的光线，因此，对于R、G、B各个波长的入射激光束56全部，由I个构成就能够得到高衍射效率。具有R、G、B的波长的激光束26，能够通过由光学系统合成R、G、B各个波长的激光束而生成。还有，本实施方式的全反射镜54和入射孔55设于透明基材52的平面，在与之对置的平面上设有部分透射滤光片53，但若使它们为曲面，则附加透镜作用也可。(实施的方式4)
图6(a)是表示本发明的非相干化器件的实施的方式4的剖面图。本实施方式的非相干化器件61，具备如下全反射镜64 ;在全反射镜64所设置的入射孔65 ;在与入射孔65相对的位置上所设置的反射型衍射部610 ;与全反射镜64对置，且与反射型衍射部610邻接而设置的第一部分透射滤光片63。反射型衍射部610具有如下同心圆状的刻线衍射段差部68 ;刻线衍射段差部68之中与入射孔65对置的面相反侧的面(非相干化器件的光出射面侧)接触的第二部分透射滤光片611。第一部分透射滤光片63在俯视下，以包围圆形的反射型衍射部610的周囲的方式设置。在实施的方式I中，透过型的衍射光栅18设于光的入射侧，但在本实施方式中，反射型衍射部610设于光的出射侧。在全反射镜64和部分透射滤光片63之间设有厚度t的透明基板62。入射非相干化器件61的激光束66的中心轴60，与入射孔65的中心和反射型衍射部610的中心一致。沿着中心轴60垂直入射入射孔65的激光束66的光束截面为圆形。激光束66在 透明基材62之中直线传播，到达反射型衍射部610。图6(b)是放大表示反射型衍射部610的剖面图。如上述,反射型衍射部610具有刻线衍射段差部68和第二部分透射滤光片611。刻线衍射段差部68的各个段差的深度为d6，邻接的段差的间隔即间距为P。在反射型衍射部610的表面设有保护膜69。但是，保护膜69未必一定设置也可。在本实施方式中，通过透明基材62的激光束66，通过刻线衍射段差部68，到达第二部分透射滤光片611。到达第二部分透射滤光片611的激光束66的一部分，透过第二部分透射滤光片611而直线传播，出射到非相干化器件61的外部。到达第二部分透射滤光片611的激光束66的一部分，在第二部分透射滤光片611中反射，再次通过闪耀衍射光栅68。如此两次通过闪耀衍射光栅68的光成为衍射的光束，在远离入射孔15的中央轴10的方向(从直线传播方向以角度Θ朝外侧倾斜的方向)上行进。使衍射光束由全反射镜64和第一部分透射滤光片63交替反射这一情况重复，并且衍射光束的一部分透过第一部分透射滤光片63。本实施方式的反射型衍射部610，使入射刻线衍射段差部68的光朝向外侧衍射，因此发散光束67的光束直径比入射的激光束66的光束直径大。在本实施的方式中使用反射型衍射部610。这种情况下，衍射级次m的衍射光的衍射效率在理论上达到100%的衍射段差的深度dr，由下式表示。算式4dr = m · λ/2|η1_η2|在此nl是闪耀衍射光栅的折射率，n2是与闪耀衍射光栅接触的介质的折射率。S卩，若与实施的方式2比较，则衍射段差的深度为一半时，可以使相同级次的衍射光发生。闪耀衍射光栅68的材料和保护膜69材料之中的、任意一方的材料，具有比另一方的材料有更高的折射率、并且波长色散性低的性质。通过具有这样的性质，特定级次的衍射效率达到最大的衍射段差的深度就不依赖使用波长而保持固定。在本实施方式中，对于与实施的方式I或2同样的构成省略详细的说明。本实施的方式的非相干化器件，能够使出射光束67的强度相对于中心轴60呈轴对称分布。此外，因为能够相对于入射的激光束66垂直配置,所以有利于光学系统的小型化。通过设定第一、第二部分透射滤光片63、610各自的透射率与反射率的比值和衍射光栅的段差(光栅)的间隔，能够控制出射光束的强度分布和光束的尺寸。因为一般的透镜光学系统为轴对称，所以不使用特殊的光学系统，就能够出射具有相对于光轴轴对称的强度分布的光束。因此，有利于光学系统的简单化。
特别是，本实施方式的非相干化器件在可视波长全域不论波长都具有高的衍射效率，因此对于R、G、B各个波长的入射激光束66的全部，由I个构成就能够得到高衍射效率。具有R、G、B的波长的激光束66，能够通过由光学系统合成R、G、B各个波长的激光束而生成。还有，在本实施的方式中，全反射镜64和入射孔65设于透明基材62的平面，在与之对置的平面设有反射型衍射部610和第一部分透射滤光片63，但若使它们为曲面，则附加透镜作用也可。(实施的方式5)在实施的方式I至4中，光束截面形状以圆形的情况为对象，但以下，说明以光束截面形状和强度分布为非轴对称的入射激光束为对象的非相干化器件。图7(a)表示截面形状为圆形的入射激光束。对于这样的入射激光束，通过采用在实施的方式I 4使用的衍射光栅、即图7(b)所示这样的同心圆状的衍射光栅78，能够出射具有圆形的截面的出射光束。但是，作为激光光源被广泛使用的半导体激光器具有薄膜状的活性层，因此从其端面发射的光束会反映活性层的形状、且在与活性层的厚度方向垂直的方向上大幅扩展。即，从活性层的端面发射的光束的远场截面，成为图7(c)所示这样的椭圆形状。为了将这样的椭圆形状的光束转换成图7(a)的圆形截面的光束，需要光束成形的光学系统，就无法避免部件件数的增加和光学系统的尺寸的增大。在本实施方式中，对于具有椭圆形的截面的光束，使用图7(d)所示这样的具有椭圆的平面形状的衍射光栅88。图7(d)所示的衍射光栅88具有位于衍射光栅88的中央的平坦部88b ;和位于平坦部88b的外侧的衍射段差部88a。衍射段差部88a具有多个轮带(相邻的2个衍射段差之间的区域)88c、88d、88e、88f，使各个轮带的短轴方向(朝向纸面的上下方向)的宽度(2个衍射段差的间隔)，比此轮带的长轴方向的(朝向纸面的左右方向)的宽度(2个衍射段差的间隔)小。例如，在图7(d)中，轮带88e在短轴方向的宽度Ps比在长轴方向的宽度Pl小。如(算式I)所示，若衍射段差的间距变小，则衍射角Θ变大，因此激光束的截面在衍射段差的间距相对小的方向上得到更大地拉伸。因此，若使用图7(d)所示这样的衍射光栅88，则出射的激光束比入射的激光束更接近圆形。如此根据本实施方式，通过根据入射激光束86的截面形状来调整椭圆的长轴方向和短轴方向的衍射段差的间距比率，能够使出射光束的截面形状形成为圆形。图8中示出本实施方式的非相干化器件81。在图8所示的非相干化器件81中，不仅是衍射光栅88，入射孔85也具有以中心轴80为中心的椭圆的平面形状。但是，只要入射孔85是能够使激光束86整体入射的形状，则是什么样的平面形状都可以。因为经由衍射光栅88而使激光束86的短轴侧拉伸，所以全反射镜84和部分透射滤光片83也可以具有以入射激光束86的中心轴80为中心的圆形的平面形状。除这一点以外均与实施的方式2相同，因此其详细的说明省略。在本发明中，衍射光栅的图案并不限定为同心圆状和椭圆形状，如图7(e)所示，也可以是将衍射光栅70分割成多个分区，按照符合入射的激光束的形状和强度分布的方式，变更各分区的衍射光栅形状的间距和排列方向。图7(e)所示的衍射光栅70，作为分区具有中央部70a和在中央部70a的两侧所配置的侧部70b。中央部70a和侧部70b，分别具有多个衍射段差74。侧部70b根据衍射段差74的方向被分成第一侧部70bl和第二侧部70b2。入射的激光束具有椭圆的截面时，例如，使激光束的长轴方向与衍射光栅70的长边方向一致，如此使激光束入射。激光束相对于设有衍射光栅70的衍射光栅的面垂直入射。这种情况下，激光束沿相对于各区域的衍射段差垂直的方 向被衍射。因此，在中央部70a，激光束沿方向A(衍射光栅70的短边方向)被衍射。在第一侧部70bl、第二侧部70b2，激光束分别沿方向BI、方向B2被衍射。方向B1、B2是从衍射光栅70的短边和长边方向倾斜的方向。如此，通过在衍射光栅内设置沿不同的方向引导激光束的多个分区，调整各分区的面积和衍射段差的间隔，能够调整从非相干化器件出射的光的形状。在图7(d)和图7(e)所示的构成中，能够使从非相干化器件出射的激光束的短轴对长轴的长度的比，大于入射衍射光栅的激光束的短轴对长轴的长度的比，如此衍射激光束。图7 (d)、(e)所示的构成，也能够适用于实施的方式I至4任意一种方式。如此，不仅是激光束的非相干化，同时一并具有成形激光束的功能的本实施方式非常有用。以下，一边与图12所示的现有的器件进行比较，一边说明本实施方式的衍射光栅中得到的效果。在图12所示的现有的器件中，通过相对于器件的入射面的法线使入射光束倾斜，在器件内光束被折射，朝向面125出射。为了说明，将面125设为与y-z平面平行的面。由于在器件内光的折射被重复，致使形成于面125的光束的截面的y方向的宽度，比入射到器件的光束的y方向的宽度有所扩大。另一方面，认为在面125所形成的光束的截面的z方向的宽度，与入射到器件的光束的z方向的宽度大致相同。椭圆形的截面的光束入射到图12所示的现有的器件时，为了将其截面修正成圆形，相对于入射面使光束倾斜的方向及其倾斜角被限定为仅I个。因此，只能通过使器件的厚度t变化来改变光程长度差。如此，在图12所示的器件中设计布局的变更困难。相对于此，在本实施方式中，与器件的入射面的法线平行入射的入射光束由衍射光栅衍射，出射光束的截面比入射光束的截面有所扩大。如实施的方式I至5，非相干化器件的配置相对于入射的激光束的中心轴呈轴对称时，如图7(d)所示，通过调整衍射光栅的段差的间距，能够将具有椭圆的截面的激光束的截面修正成圆形。此外，如后述，非相干化器件的配置相对于入射的激光束的中心轴为非对称时(实施的方式6)，通过使用图7(e)所示的衍射光栅，也能够修正激光束的截面。例如，如图7(e)通过使形成衍射段差的方向按部分区域不同，能够按各部分区域使光弯曲的方向改变。如图7(c)这样的椭圆光束入射时,使光束在短轴方向上大幅扩展,而使在这一方向上弯曲的衍射光栅图案区域的面积比率增大，从而能够使出射光束成为圆形。另外，通过调整衍射光栅的各段差的间距，也能够自由控制光束内的光程长度差。如此，本实施方式的衍射光栅，具有设计布局的自由度高这样的优点。根据本实施方式的衍射光栅，不用伴随器件尺寸的变更，就能够进行光束形状的控制和可干涉性的调控。实施的方式6)图9A是表示本发明的非相干化器件的实施的方式6的剖面图。本实施方式的非相干化器件91具有半圆形的平面形状。衍射光栅98、全反射镜94和部分透射滤光片93具有以同一点为中心的半圆的平面形状。其他的构成均与实施的方式I相同，因此其详细的说明省略。如图9B所示，衍射光栅98具有多个衍射段差，各个段差的高度为dl，各个段差的间距为P。在本实施方式中，不仅实施的方式1，也可以使用实施的方式2至5的任一种非相干化器件的一部分。本实施方式的非相干化器件9的平面形状为半圆形，但也可以具有其他的形状(例如直线状)。
图10(a)是表示实施的方式6的变形例的剖面图，图10(b)是放大表示图10(a)的衍射光栅108的图。本变形例的非相干器件101，具有使前述的非相干化器件91的全反射镜94和部分透射滤光片93的位置互换的构成。即，部分透射滤光片103在非相干化器件101中设置在激光束100入射一侧。在部分透射滤光片103设有入射孔105，在入射孔105内配置衍射光栅108。入射到入射孔105的激光束100，由衍射光栅108衍射而成为衍射光束，到达全反射镜104。使衍射光束由部分透射滤光片103和全反射镜104交替反射这一*清况重复，并且衍射光束的一部分从部分透射滤光片103出射。在本实施方式中，发散光束107从激光束100入射的面处于同一侧的面出射。但是，因为发散光束107被衍射和反射，所以严格地说，则发散光束107出射的方向大多与激光束100入射的方向不同。还有，在实施的方式I至5中，也如本变形例，也可以发散光束从激光束入射的面处于同一侧的面出射。如此根据本实施方式，通过使用衍射光栅，光的利用效率高，可以实现小型并容易控制出射光束的光强度分布。(实施的方式7)图11是表示本发明的光学装置的实施方式的概略结构图。本实施方式的光学装置是在屏幕上投射图像的光学装置，在光学系统内具备实施的方式I 6的非相干化器件
111。以下，对于本光学装置的操作进行说明。从蓝色波长激光光源112出射的蓝色波长激光由反射镜115反射，从红色波长激光光源113和绿色波长激光光源出射的红色波长激光和绿色波长激光分别被分色滤光片116、117波长选择性地反射。各激光在相同的光轴上被合成而入射非相干化器件111。从非相干化器件111输出的光束入射到透镜光学系统118,在透镜光学系统118中进行光束强度的均匀化和光束尺寸调整。其后，光束到达偏振光分束器119。偏振光分束器119是在可视波长全域S偏振光(与纸面垂直的偏振光)大约反射100%、且P偏振光(在纸面内的偏振光)大致透射100%的光学兀件。S偏振光的激光束从蓝色波长激光光源112、红色波长激光光源113和绿色波长激光光源114出射,在非相干化器件111中也维持S偏振光。由偏振光分束器反射后的光到达空间光调制器1110。其由反射型的液晶面板构成，将RGB的各图像信息提供给蓝色波长、红波长和绿色波长的各激光束。如此，由空间光调制器1110调制的光同时从S偏振光被转换成P偏振光，再次到达偏振光分束器119，通过其之后，由投射透镜光学系统1111在屏幕1112上投影图像作为非相干化器件111使用图IA所示的。使衍射光栅的段差dl为I. 76 μ m，衍射光栅的间距P为8 μ m，衍射级次为二级。此外，使相邻的光线的光程差为比从各激光光源发射的光的波长大的数100 μ m,由此能够使出射激光束非相干化。首先，在光学系统不包含非相干化器件111的状态下，使进入其他透镜光学系统而到达偏振光分束器119的光束尺寸适当化之后，驱动空间光调制器1110，在屏幕1112上显示图像时，作为散斑干扰最大可见35%左右的亮度变动。该散斑干扰，是在 目视观测下也构成问题的散斑干扰水平。接着如图11所示，插入非相干化器件111，重新驱动空间光调制器1110，在屏幕1112上显示图像时，散斑干扰被抑制到最大5%左右的亮度的变动，降低到在目视观测下也几乎不构成问题的散斑干扰水平。还有，如果扩大激光光源的单色性、即扩大相对于波长的峰值线宽，则可干涉距离变小，能够减小散斑干扰。为了使光学系统的小型化，也可以根据激光光源的波长宽度决定非相干化器件的规格。就本发明的光学装置而言，作为光源使用激光，因此与使用LED光源的情况比较，能够得到具有数倍的照度的图像，并且不必使用特别的机械的、电气的驱动要素就能够降低散斑干扰。在本实施的方式中使用实施的方式I的非相干化器件，但如果使用其他的实施的方式2等的非相干化器件，则在可视波长全域具有高的光效率，因此可以实现显示出更明亮鲜明的图像的光学装置。以上，说明了在屏幕上投射图像的光学装置，但实施的方式的非相干化器件不仅有散斑干扰降低效果，而且还具有通过使激光束的干涉性降低而使激光的聚光点的强度降低的效果。实施的方式的非相干化器件也能够适用于在人的视网膜上扫描RGB各波长的激光、且显示视网膜上的图像的头戴式显示器。这样，能够实现小型且没有机械的、电气的驱动要素这样的并能够活用实施的方式的非相干化器件的特性的便携的光学装置。在上述的实施的方式I至6中，透明基板也不一定非要设置。这种情况下，例如，也可以在入射孔内设置衍射透镜，在部分透射滤光片和全反射镜之间也可以是空气。但是，需要用于使部分透射滤光片与全反射镜的位置关系得以固定的构件。产业上的可利用性本发明的非相干化器件，能够用于投射显示明亮的图像、映像的用途，特别是移动型的投影机和显示器。符号的说明10，20，50，60，80 中心轴11,21,51,61,81,91,101 非相干化器件12,22,52,62,82,92,102 透明基材13，23，53，63，611，83，93，103 部分透射滤光片14，24，54，64，84，94，104 全反射镜15,25,55,65,85,95,105 入射孔16,26,56,66,86,90,100 入射激光束
17，27，57，67，87，97，107 出射激光束18a，28a，68，88，98，108 闪耀衍射光栅18b、28b，78b，708b 平坦部29，59，69 保护膜58 二兀衍射光栅610反射型衍射部78a同心圆状的衍射光栅708a椭圆形状的衍射光栅 112蓝色波长激光光源113红色波长激光光源114绿色波长激光光源115反射镜116,117分色滤光片118透镜光学系统119偏振光分束器1110空间光调制器1111投射透镜光学系统1112 屏幕120平行平面板122，123 反射面130光束分离器131双折射晶体
权利要求
1.一种光学构件，其中，具备 全反射镜，其具有反射激光束的反射面； 滤光片，其具有使所述激光束的一部分透过、且使剩余部分反射的部分透射面，并且按照与所述反射面对置的方式配置所述部分透射面； 衍射光栅，其入射所述激光束，并且使所述入射的激光束衍射、且入射到所述全反射镜或所述部分透射滤光片。
2.根据权利要求I所述的光学构件，其中， 还具备在所述全反射镜和所述部分透射滤光片之间所设置的透明构件，所述衍射光栅设置在所述透明构件的表面。
3.根据权利要求I或2所述的光学构件，其中， 还具备覆盖所述衍射光栅的表面的保护膜。
4.根据权利要求3所述的光学构件，其中， 所述衍射光栅的材料和所述保护膜的材料之中的、任意一方的材料，具有比另一方的材料的折射率更高、且阿贝数更大的性质。
5.根据权利要求3或4所述的光学构件,其中， 所述衍射光栅和所述保护膜由树脂构成，在构成所述衍射光栅和所述保护膜之中的至少任意一方的树脂中，分散有无机粒子。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的光学构件，其中， 所述保护膜，由在光固化树脂中分散有氧化锆、氧化钇和氧化铝之中的至少任意I个粒子的材料构成。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的光学构件，其中， 从所述光学构件出射的所述激光束的截面，具有相对于所述断面的中心各向同性的形状。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的光学构件，其中， 所述激光束的截面具有长轴和短轴， 所述衍射光栅，按照从所述光学构件出射的所述激光束中的所述短轴对所述长轴的长度的比、大于入射所述衍射光栅的所述激光束中的所述短轴对所述长轴的长度的比的方式，使所述激光束衍射。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的光学构件，其中， 所述衍射光栅具有分别在不同方向衍射的多个分区。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的光学构件，其中， 所述衍射光栅具有多个衍射段差， 所述多个衍射段差具有以同一点为中心的椭圆的平面形状， 所述多个衍射段差之中相邻的2个衍射段差的间隔，在所述椭圆的短轴方向比所述椭圆的长轴方向更小。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的光学构件，其中， 所述全反射镜具有用于使所述激光束入射所述衍射光栅的孔径， 所述激光束相对于所述孔径垂直入射。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的光学构件，其中，在由所述衍射光栅衍射的所述激光束入射到所述全反射镜的情况下，所述激光束由所述全反射镜反射后入射所述部分透射滤光片， 在由所述衍射光栅衍射的所述激光束入射到所述部分透射滤光片的情况下，所述激光束之中的一部分透过所述部分透射滤光片，所述激光束之中的剩余部分由所述部分透射滤光片反射后入射所述全反射镜。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的光学构件，其中， 从所述光学构件出射的所述激光束的截面，大于入射所述光学构件的所述激光束的截面。
14.一种光学装置，其中，具备 激光光源； 对所述激光光源所出射的激光束进行调制的空间光调制元件； 将所述空间光调制元件所调制的光作为图像进行投射的投射光学系统；和在所述激光光源和所述空间光调制元件之间所配置的权利要求I至12中任一项所述的光学构件。
15.根据权利要求14所述的光学装置，其中， 所述激光光源包括红色波长激光光源、绿色波长激光光源和蓝色波长激光光源。
全文摘要
一种光学构件，具备如下全反射镜(14)，其具有反射激光束(16)的反射面(14a)；滤光片(13)，其具有透过激光束(16)的一部分、且反射剩余部分的部分透射面(13a)，并且按照与反射面(14a)对置的方式配置部分透射面(13a)；和衍射光栅(18)，其入射激光束(16)，并使入射的激光束(16)发生衍射，且使之入射全反射镜(14)或部分透射滤光片(13)。
文档编号G02F1/13357GK102918431SQ201280001448
公开日2013年2月6日 申请日期2012年4月2日 优先权日2011年4月12日
发明者是永继博 申请人:松下电器产业株式会社