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技術 光変調装置及び照明装置

出願人 シチズン時計株式会社
発明者 田辺綾乃松本健志保坂康杉本修
出願日 2019年3月27日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2019-061211
公開日 2020年10月1日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-160333
状態 未査定
技術分野 液晶1(応用、原理) 光学的手段による測長装置
主要キーワード 正弦波格子 各部分電極 極性分布 部分電極 偏光分布 並び方 位相変化量 位相シフト量
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

光に付与される空間的なパターンを変更可能な光変調装置を提供する。

解決手段

光変調装置5が有する二つの液晶素子(11、12)は、それぞれ、液晶層20を挟んで対向する二つの透明電極(23、24)を有し、一方の透明電極は複数の部分電極を有する。複数の部分電極の幅または並び方向の少なくとも一方は液晶素子ごとに異なる。コントローラ14は、一方の液晶素子について、連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧印加し、時間経過とともにそのパターンの位相を変化させ、かつ、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性を位相変化とともに交互に反転させる。そのため、各液晶素子を透過する光に部分電極の並び方向に沿った周期的なパターンの偏光分布が付与され、その光が偏光子13を透過することで偏光分布が明暗分布に変更される。

概要

背景

対象物の形状を測定する技術の一つとして、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、形状測定装置は、対象物に対して空間的に周期的なパターンを持つ照明光照射し、かつ、そのパターンの位相を変えながら(すなわち、周期方向に沿ってパターンを移動させながら)対象物を複数回撮影することで、対象物に照射されたパターンの位相が異なる複数の画像を得る。そして形状測定装置は、その複数の画像から、対象物の表面上の各点の高さに応じたパターンの位相をもとめ、各点の位相から高さを求めることで、対象物の表面の形状を求める。

対象物に照射する照明光のパターンの位相の変化は、例えば、透過する光に対して周期的なパターンを与える格子光源と対象物の間に配置し、格子をピエゾ素子などの機械的な機構を用いて移動させることにより行われる。しかし、このような機械的な機構を用いて対象物に照射するパターンの位相変化量を正確に設定するためには、その機構の動作を精密に制御する必要がある。そこで、機械的な機構を用いずに、光源と対象物の間に液晶素子を配置し、液晶素子に表示させる周期的なパターンの位置をずらすことで、対象物に照射するパターンの位相変化量を調節する技術が提案されている(例えば、特許文献1及び2を参照)。

概要

光に付与される空間的なパターンを変更可能な光変調装置を提供する。光変調装置5が有する二つの液晶素子(11、12)は、それぞれ、液晶層20を挟んで対向する二つの透明電極(23、24)を有し、一方の透明電極は複数の部分電極を有する。複数の部分電極の幅または並び方向の少なくとも一方は液晶素子ごとに異なる。コントローラ14は、一方の液晶素子について、連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧印加し、時間経過とともにそのパターンの位相を変化させ、かつ、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性を位相変化とともに交互に反転させる。そのため、各液晶素子を透過する光に部分電極の並び方向に沿った周期的なパターンの偏光分布が付与され、その光が偏光子13を透過することで偏光分布が明暗分布に変更される。

目的

本発明は、光に付与される空間的なパターンを変更可能な光変調装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1の液晶層と、前記第1の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、前記二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、前記複数の部分電極は第1の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧極性に応じて、前記第1の液晶層に入射する所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光の偏光面の向きを第1の偏光方向と第2の偏光方向との間で切り替える第1の液晶素子と、第2の液晶層と、前記第2の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、前記二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、前記複数の部分電極は第2の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記第2の液晶層に入射する、前記第1の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第3の偏光方向と第4の偏光方向との間で切り替える第2の液晶素子と、透過軸が前記第3の偏光方向及び前記第4の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、前記第2の液晶素子から出射した前記光のうちの前記透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の何れか一方について、前記少なくとも一方の透明電極の前記複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、当該部分電極の組と対向する他方の前記透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じて当該パターンの位相を変化させ、かつ、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の他方について、前記二つの透明電極間に印加する電圧の極性を前記パターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の前記一方を切り替え可能なコントローラと、を有し、前記第1の方向と前記第2の方向が互いに異なるか、または、前記第1の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第1の方向における幅と前記第2の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第2の方向における幅が異なる光変調装置

請求項2

前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の少なくとも一方の前記二つの透明電極のうちの他方は、複数の部分電極を有し、当該複数の部分電極は第3の方向に沿って並べて配置され、前記コントローラは、前記一方の液晶素子の前記二つの透明電極の何れか一方について、前記複数の部分電極のうちの連続する前記所定数の部分電極の組ごとに、当該部分電極の組と対向する他方の前記透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じて当該パターンの位相を変化させ、かつ、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の他方について、前記二つの透明電極間に印加する電圧の極性を前記パターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、前記一方の液晶素子の前記二つの透明電極の前記一方を切り替え可能であり、前記第3の方向は前記第1の方向及び前記第2の方向と異なるか、または、前記二つの透明電極のうちの他方が有する前記複数の部分電極の前記第3の方向における幅は、前記第1の液晶素子の前記二つの透明電極のうちの前記一方の前記複数の部分電極の前記第1の方向における幅及び前記第2の液晶素子の前記二つの透明電極のうちの前記一方の前記複数の部分電極の前記第2の方向における幅と異なる、請求項1に記載の光変調装置。

請求項3

所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光を発する光源と、第1の液晶層と、前記第1の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、前記二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、前記複数の部分電極は第1の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記光源から発し、かつ、前記第1の液晶層に入射した光の偏光面の向きを第1の偏光方向と第2の偏光方向との間で切り替える第1の液晶素子と、第2の液晶層と、前記第2の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、前記二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、前記複数の部分電極は第2の方向に沿って並べて配置され、前記二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、前記第2の液晶層に入射する、前記第1の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第3の偏光方向と第4の偏光方向との間で切り替える第2の液晶素子と、透過軸が前記第3の偏光方向及び前記第4の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、前記第2の液晶素子から出射した前記光のうちの前記透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、前記偏光子から出射した光を対象物投影する光学系と、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の何れか一方について、前記少なくとも一方の透明電極の前記複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、当該部分電極の組と対向する他方の前記透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じて当該パターンの空間的な位相を変化させ、かつ、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の他方について、前記二つの透明電極間に印加する電圧の極性を前記パターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、前記第1の液晶素子及び前記第2の液晶素子の前記一方を切り替え可能なコントローラと、を有し、前記第1の方向と前記第2の方向が互いに異なるか、または、前記第1の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第1の方向における幅と前記第2の液晶素子の前記複数の部分電極の前記第2の方向における幅が異なる照明装置

技術分野

0001

本発明は、光に空間的なパターンを付与する光変調装置及びそのような光変調装置を用いた照明装置に関する。

背景技術

0002

対象物の形状を測定する技術の一つとして、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、形状測定装置は、対象物に対して空間的に周期的なパターンを持つ照明光照射し、かつ、そのパターンの位相を変えながら(すなわち、周期方向に沿ってパターンを移動させながら)対象物を複数回撮影することで、対象物に照射されたパターンの位相が異なる複数の画像を得る。そして形状測定装置は、その複数の画像から、対象物の表面上の各点の高さに応じたパターンの位相をもとめ、各点の位相から高さを求めることで、対象物の表面の形状を求める。

0003

対象物に照射する照明光のパターンの位相の変化は、例えば、透過する光に対して周期的なパターンを与える格子光源と対象物の間に配置し、格子をピエゾ素子などの機械的な機構を用いて移動させることにより行われる。しかし、このような機械的な機構を用いて対象物に照射するパターンの位相変化量を正確に設定するためには、その機構の動作を精密に制御する必要がある。そこで、機械的な機構を用いずに、光源と対象物の間に液晶素子を配置し、液晶素子に表示させる周期的なパターンの位置をずらすことで、対象物に照射するパターンの位相変化量を調節する技術が提案されている(例えば、特許文献1及び2を参照)。

先行技術

0004

特開平11−83454号公報
特開2003−254733号公報

発明が解決しようとする課題

0005

対象物の形状を精度良く計測するためには、対象物の形状変化の細かさに応じて、照射されるパターンも変更可能なことが好ましい。例えば、形状変化が緩やかな対象物に対しては、比較的周期の長いパターンが照射されることが好ましく、一方、微細な形状変化を持つ対象物に対しては、比較的周期の短いパターンが照射されることが好ましい。この点について、特許文献1に開示された技術は、液晶素子に設けられるN本のストライプ電極をn本のストライプ電極を含むグループごとに分割することで、正弦波格子の幅とピッチ可変にできる。しかし、正弦波格子の幅及びピッチは、各ストライプ電極の幅の整数倍に制限される。

0006

そこで、本発明は、光に付与される空間的なパターンを変更可能な光変調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

0007

本発明の一つの側面によれば、光変調装置が提供される。この光変調装置は、第1の液晶層と、第1の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、複数の部分電極は第1の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧極性に応じて、第1の液晶層に入射する所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光の偏光面の向きを第1の偏光方向と第2の偏光方向との間で切り替える第1の液晶素子と、第2の液晶層と、第2の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、複数の部分電極は第2の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、第2の液晶層に入射する、第1の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第3の偏光方向と第4の偏光方向との間で切り替える第2の液晶素子と、透過軸が第3の偏光方向及び第4の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、第2の液晶素子から出射した光のうちの透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、第1の液晶素子及び第2の液晶素子の何れか一方について、少なくとも一方の透明電極の複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じてそのパターンの位相を変化させ、かつ、第1の液晶素子及び第2の液晶素子の他方について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をそのパターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、第1の液晶素子及び第2の液晶素子の前記一方を切り替え可能なコントローラとを有し、第1の方向と第2の方向が互いに異なるか、または、第1の液晶素子の複数の部分電極の第1の方向における幅と第2の液晶素子の複数の部分電極の第2の方向における幅が異なる。

0008

この光変調装置において、第1の液晶素子及び第2の液晶素子のうちの少なくとも一方の二つの透明電極のうちの他方は、複数の部分電極を有し、その複数の部分電極は第3の方向に沿って並べて配置され、コントローラは、その一方の液晶素子の二つの透明電極の何れか一方について、複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じてそのパターンの空間的な位相を変化させ、かつ、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をそのパターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、一方の液晶素子の二つの透明電極の一方を切り替え可能であることが好ましい。そして第3の方向は第1の方向及び第2の方向と異なるか、または、二つの透明電極のうちの他方が有する複数の部分電極の第3の方向における幅は、第1の液晶素子の二つの透明電極のうちの一方の複数の部分電極の第1の方向における幅及び第2の液晶素子の二つの透明電極のうちの一方の複数の部分電極の第2の方向における幅と異なることが好ましい。

0009

本発明の他の側面によれば、照明装置が提供される。この照明装置は、所定の偏光方向に沿った偏光面を持つ直線偏光である光を発する光源と、第1の液晶層と、第1の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、複数の部分電極は第1の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、光源から発し、かつ、第1の液晶層に入射した光の偏光面の向きを第1の偏光方向と第2の偏光方向との間で切り替える第1の液晶素子と、第2の液晶層と、第2の液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有し、二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有し、複数の部分電極は第2の方向に沿って並べて配置され、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、第2の液晶層に入射する、第1の液晶素子から出射した光の偏光面の向きを第3の偏光方向と第4の偏光方向との間で切り替える第2の液晶素子と、透過軸が第3の偏光方向及び第4の偏光方向の何れか一方と平行または直交するように配置され、第2の液晶素子から出射した光のうちの透過軸と平行な偏光成分を透過させる偏光子と、偏光子から出射した光を対象物へ投影する光学系と、第1の液晶素子及び第2の液晶素子の何れか一方について、少なくとも一方の透明電極の複数の部分電極のうちの連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加するとともに、時間経過に応じてそのパターンの位相を変化させ、かつ、第1の液晶素子及び第2の液晶素子の他方について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をそのパターンの位相変化のタイミングに応じて反転させ、かつ、第1の液晶素子及び第2の液晶素子の一方を切り替え可能なコントローラとを有し、第1の方向と第2の方向が互いに異なるか、または、第1の液晶素子の複数の部分電極の第1の方向における幅と第2の液晶素子の複数の部分電極の第2の方向における幅が異なる。

発明の効果

0010

本発明に係る光変調装置は、光に付与される空間的なパターンを変更できるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0011

本発明の一つの実施形態に係る光変調装置及びその光変調装置を含む照明装置の概略構成図である。
(a)は、液晶素子を入射側から見た概略正面図であり、(b)は、(a)の矢印A、A’で示される線における、液晶素子の概略側面断面図である。
入射側から見た、二つの液晶素子のそれぞれの部分電極の配置パターンを表す図である。
液晶素子の透明電極間の液晶層に印加される電圧の極性と、FL分子長軸方向との関係の説明図である。
一方の液晶素子により照明光に空間的なパターンが付与される場合における、コントローラによる、各液晶素子駆動状態時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
他方の液晶素子により照明光に空間的なパターンが付与される場合における、コントローラによる、各液晶素子の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。
変形例による部分電極配置を示す、光軸を通る面における、二つの液晶素子の概略側面断面図である。

実施例

0012

以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による光変調装置について説明する。この光変調装置は、光源から発した照明光に空間的に周期的なパターンを付与するために、照明光の経路に沿って並べられる二つの液晶素子と、偏光子と、コントローラとを有する。二つの液晶素子は、それぞれ、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極を有し、一方の透明電極は所定の方向に沿って並べて配置される複数の部分電極を有する。その並び方向における、複数の部分電極の幅は液晶素子ごとに異なる。コントローラは、一方の液晶素子について、連続する所定数の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加し、時間経過とともにそのパターンの位相を変化させる。また、コントローラは、他方の液晶素子について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性をパターンの位相変化とともに交互に反転させる。そのため、各液晶素子を透過する光に部分電極の並び方向に沿った周期的なパターンの偏光分布が付与され、その光が偏光子を透過することで偏光分布が明暗分布に変更される。さらに、コントローラが、周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加する液晶素子を切り替えることで、二つの液晶素子を透過する光に付与されるパターンの周期が切り替えられる。

0013

図1は、本発明の一つの実施形態に係る光変調装置及びその光変調装置を含む照明装置の概略構成図である。図1に示されるように、照明装置100は、発光素子1と、コリメータ2と、偏光子3と、投影レンズ4と、光変調装置5とを有する。コリメータ2と投影レンズ4とは照明光学系を構成し、光変調装置5は、例えば、照明光学系のコリメータ2と投影レンズ4の間に配置され、発光素子1側から順に、照明光学系の光軸OAに沿って、二つの液晶素子11、12と、偏光子13とを有する。さらに、光変調装置5は、二つの液晶素子11、12を駆動するためのコントローラ14を有する。

0014

発光素子1は、照明光を出力する。そのために、発光素子1は、例えば、発光ダイオードあるいはハロゲンランプとすることができる。あるいは、発光素子1は、半導体レーザといった直線偏光を持つ光を出力する素子であってもよい。発光素子1が直線偏光を持つ光を出力する発光素子である場合、偏光子3は省略されてもよい。

0015

発光素子1から発した照明光は、コリメータ2により平行光化されて偏光子3に入射する。

0016

偏光子3は、発光素子1とともに光源を形成する。そして偏光子3は、発光素子1から発し、偏光子3に入射した照明光のうち、所定の透過軸に沿った偏光面を持つ偏光成分のみを透過させる。これにより、偏光子3を透過した照明光は、偏光子3の透過軸に沿った偏光面を持つ直線偏光となる。そして偏光子3を透過した照明光は液晶素子11に入射する。

0017

液晶素子11は、第1の液晶素子の一例であり、液晶素子11を透過する照明光の偏光方向を制御して、対象物に照射するパターンに応じた偏光分布を照明光に付与することが可能となっている。液晶素子11は、例えば、応答速度がツイストネマティック液晶と比較して速い強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal,FLC)を用いた液晶素子である。液晶素子11は、FLCを含む液晶層と、液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極とを有する。二つの透明電極の少なくとも一方は複数の部分電極を有する。そして液晶素子11は、二つの透明電極の間に印加される電圧の極性に応じて、液晶層を透過する直線偏光である照明光の偏光面を、入射側から見て時計回りあるいは反時計回りに90°回転させるか否かを切り替える。すなわち、液晶素子11は、照明光の偏光面の向きを、二つの偏光方向(この例では、入射する偏光面の向きと平行な偏光方向と入射する偏光面の向きと直交する偏光方向)の間で切り替える。

0018

液晶素子11を透過した照明光は、液晶素子12に入射する。

0019

液晶素子12は、第2の液晶素子の一例である。液晶素子12も、液晶素子11と同様に、液晶素子12を透過する照明光の偏光方向を制御して、対象物に照射するパターンに応じた偏光分布を照明光に付与することが可能となっている。液晶素子12も、液晶素子11と同様に、例えば、FLCを用いた液晶素子であり、透明電極の一方が有する複数の部分電極の配置を除いて、液晶素子11と同じ構成を有する。液晶素子11及び液晶素子12の構成の詳細については後述する。なお、以下の説明では、入射側から見て、偏光面が反時計回りに回転する方向を正で表し、逆方向を負で表す。しかし、液晶素子11及び液晶素子12は、以下の説明とは逆向きに偏光面を回転させてもよい。また、液晶素子11及び液晶素子12による、偏光面の回転角は90°に限られず、例えば、80°または100°であってもよい。その際、液晶素子11による偏光面の回転角の絶対値と、液晶素子12による偏光面の回転角の絶対値とは、等しくてもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。さらに、液晶素子11の液晶層に封入されるFLC分子は、その液晶層に印加される電極の極性によらず、入射する照明光の偏光面をその偏光面の向きと異なる方向に回転させるよう配向されてもよい。例えば、液晶素子11の液晶層に対して、光源側の電位が液晶素子12側の電位よりも高い電圧が印加される場合、液晶素子11は、入射する照明光の偏光面に対して角度αをなすよう偏光面を回転させ、一方、光源側の電位が液晶素子12側の電位よりも低い電圧が印加される場合、液晶素子11は、入射する照明光の偏光面に対して角度(α+90°)をなすよう偏光面を回転させるよう、FLC分子が配向されてもよい。同様に、液晶素子12の液晶層に封入されるFLC分子は、その液晶層に印加される電極の極性によらず、液晶素子11から出射した照明光の偏光面をその偏光面の向きと異なる方向に回転させるよう配向されてもよい。例えば、液晶素子12の液晶層に対して、光源側の電位が投影レンズ4側の電位よりも高い電圧が印加される場合、液晶素子12は、入射する照明光の偏光面(液晶素子11により所定角度回転させられているか否かに関わらず)に対して角度βをなすよう偏光面を回転させ、一方、光源側の電位が投影レンズ4側の電位よりも低い電圧が印加される場合、液晶素子12は、入射する照明光の偏光面(液晶素子11により所定角度回転させられているか否かに関わらず)に対して角度(β±90°)をなすよう偏光面を回転させるよう、FLC分子が配向されてもよい。

0020

液晶素子12を透過した照明光は偏光子13に入射する。

0021

偏光子13は、液晶素子12を透過し、偏光子13に入射した照明光のうち、所定の透過軸に沿った偏光面を持つ偏光成分のみを透過させる。例えば、偏光子13は、その透過軸が液晶素子11及び液晶素子12を透過した照明光の偏光面がとり得る向きの何れか一方と平行または直交するように配置されればよい。本実施形態では、偏光子13の透過軸が偏光子3の透過軸と直交するように、偏光子13は配置される。

0022

上記のように、液晶素子11及び液晶素子12を透過した照明光の偏光面は、その二つの液晶素子の何れか一方に付与された周期的なパターンに応じて、空間的、かつ、周期的に変化する。したがって、その照明光が偏光子13を透過することで、その照明光は、その二つの液晶素子の何れか一方に付与された偏光分布のパターンに応じた、周期的に明るさが変化するパターンを持つ。

0023

偏光子13から出射した照明光は、投影レンズ4により、例えば、対象物上に照明光が持つパターンが結像するように投影される。

0024

コントローラ14は、例えば、一つまたは複数のプロセッサと、不揮発性半導体メモリ及び揮発性の半導体メモリと、液晶素子11及び液晶素子12を駆動するための駆動回路とを有する。そしてコントローラ14は、液晶素子11及び液晶素子12のそれぞれの液晶層に印加する電圧を制御することで、光変調装置5を透過した照明光に空間的なパターンな付与するとともに、そのパターンの空間的な位相シフト量を時間とともに変化させる。具体的に、コントローラ14は、液晶素子11及び液晶素子12の何れか一方について、一方の透明電極の複数の部分電極のうちの連続する所定数(例えば、4)の部分電極の組ごとに、その部分電極の組と対向する他方の透明電極との間に周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加する。さらに、コントローラ14は、時間経過とともに(例えば、所定の時間周期ごとに)、そのパターンの位相を変化させる。その際、パターンの位相は、例えば、π/2ごとに変更される。なお、この周期的なパターンは、光変調装置5を透過した照明光に付与される空間的なパターンに対応する。また、コントローラ14は、液晶素子11及び液晶素子12の他方について、二つの透明電極間に印加する電圧の極性を、上記の位相変化のタイミングごとに反転させる。さらに、コントローラ14は、例えば、ユーザインターフェース(図示せず)を介したユーザの操作、あるいは、コントローラ14と通信可能に接続される機器から受信した操作信号に従って、周期的なパターンを付与する液晶素子を切り替え可能となっている。さらにまた、コントローラ14は、ユーザの操作または受信した操作信号に従って、周期的なパターンの極性を持つ電圧を印加する単位となる、連続する部分電極の数を、周期的なパターンを表すことができる範囲(例えば、3、4、6、8等)で変更してもよい。なお、コントローラ14による、各液晶素子に対する電圧制御の詳細については後述する。

0025

上記のように、液晶素子11と液晶素子12とは、一方の透明電極が有する各部分電極の配置が相違する。そこで以下では、液晶素子11及び液晶素子12のうち、液晶素子11の構造について詳細に説明し、液晶素子12については、部分電極の配置に関する相違点について説明する。

0026

図2(a)は、液晶素子11を照明光の入射側(すなわち、光源側)から見た概略正面図であり、図2(b)は、図2(a)の矢印A、A’で示される線における、液晶素子11の概略側面断面図である。
液晶素子11は、コントローラ14により印加される電圧の極性、すなわち、電圧の向きに応じて、入射した照明光の偏光面を回転させずにそのまま入射光を透過させるか、あるいは、半波長板として動作して、透過する照明光の偏光面を90°回転させる。

0027

そのために、液晶素子11は、液晶層20と、光軸OAに沿って液晶層20の両側に略平行に配置された透明基板21、22を有する。また液晶素子11は、透明基板21と液晶層20の間に配置された透明電極23と、液晶層20と透明基板22の間に配置された透明電極24とを有する。すなわち、透明電極23と透明電極24とは、液晶層20を挟んで対向するように配置される。そして液晶層20のFLC分子25は、透明基板21及び22に挟まれ、シール部材26に囲まれる部分に封入されている。

0028

透明基板21、22は、例えば、ガラスまたは樹脂など、発光素子1が発する照明光に対して透明な材料により形成される。また透明電極23、24は、例えば、ITOと呼ばれる、酸化インジウム酸化スズを添加した材料により形成される。

0029

本実施形態では、透明電極23は、照明光が透過する領域全体を覆うように設けられる。一方、透明電極24は、光軸OAを中心とする放射方向(以下、単に放射方向と呼ぶ)に沿って並べて配置される複数の部分電極24−1〜24−n(nは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数)を有し、それら部分電極により、照明光が透過する領域全体が覆われる。すなわち、複数の部分電極24−1〜24−nは、光軸OAを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成される。なお、隣接する二つの部分電極は、所定の間隔だけ離して配置され、互いに絶縁されている。図2(a)では、簡単化のために、部分電極間の間隙は1本の線で示されている。本実施形態では、各部分電極は、放射方向に沿って同じ幅を持つ。なお、各部分電極は、放射方向に沿って異なる幅を有していてもよい。例えば、照明光に付与される空間的なパターンが、cos[Qx]またはcos[Rx2]といった関数により規定される場合、複数の部分電極の幅は、それらの関数に応じて決定されればよい。ここで、xは、部分電極の並び方向における位置を表す座標であり、例えば、光軸OA上の位置を原点として規定される。QおよびRは任意の係数である。光変調装置は、例えば、このような関数の戻り値が正となる座標を明部、戻り値が負となる座標を暗部とする周期的なパターンを付与すればよいので、各部分電極の幅は、設定された個々の位相シフト量について、このような関数の戻り値が正となる座標の区間と負となる座標の区間に対応するように設定されればよい。透明電極23も、透明電極24と同様に、光軸OAを中心とする同心円状で輪帯状に形成され、かつ、部分電極24−k(k=1〜n)と同じ幅を持つ複数の部分電極を有してもよい。あるいは、透明電極23が、光軸OAを中心とする同心円状で輪帯状に形成され、かつ、上記のように設定される幅を持つ複数の部分電極を有し、透明電極24は、一つの電極で構成されてもよい。

0030

液晶層20のFLC分子25の長軸方向は、例えば、入射側の透明電極23の電位が出射側の透明電極24の電位よりも所定の電圧だけ高い場合に、偏光子3の透過軸に対して平行となる。したがって、この場合には、液晶素子11を透過した照明光の偏光面は回転しない。

0031

一方、出射側の透明電極24の電位が入射側の透明電極23の電位よりも所定の電圧だけ高い場合に、偏光子3の透過軸に対してFLC分子25の長軸方向は45°傾く。したがって、この場合には、液晶素子11は、半波長板として動作して、液晶素子11を透過した照明光の偏光面は90°回転する。したがって、コントローラ14は、いわゆるバイナリ変調によって液晶素子11の透明電極23と透明電極24間に印加する電圧の極性を変えることで、液晶素子11を透過する照明光の偏光方向を制御できる。

0032

本実施形態では、コントローラ14は、透明電極24の連続する所定数(例えば、4)の部分電極の組ごとに、放射方向に沿って周期的な一つの偏光分布のパターン(例えば、偏光方向が矩形波状に変化するパターン)が液晶素子11を透過する照明光に付与されるように、透明電極23と透明電極24間に印加される電圧を制御する。これにより、液晶素子11を透過した照明光には、放射方向に沿って周期的な偏光分布のパターンが付与される。なお、コントローラ14による電圧制御の詳細については後述する。

0033

上記のように、液晶素子12も、液晶素子11と同様の構成を有する。ただし、液晶素子12の一方の透明電極が有する、光軸OAを中心とする同心円状、かつ、輪帯状の複数の部分電極の放射方向に沿った幅は、液晶素子11の部分電極24−1〜24−nの放射方向に沿った幅と異なる。したがって、液晶素子12を透過する照明光には、その放射方向において、液晶素子11により付与される周期とは異なる周期の偏光分布のパターンが付与される。

0034

図3は、入射側から見た、液晶素子11及び液晶素子12のそれぞれの部分電極の配置パターンを表す図である。この例では、液晶素子11に設けられる複数の部分電極24−1〜24−n(図3では、n=12)の放射方向の幅は、液晶素子12に設けられる複数の部分電極34−1〜34−m(ただし、mは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数、図3では、m=8)の放射方向の幅よりも狭い。そのため、液晶素子11の複数の部分電極24−1〜24−nのうちの連続する4個の部分電極を含む組24a、24b、24cにより照明光に付与される偏光分布パターンの放射方向における周期β1は、液晶素子12の複数の部分電極34−1〜34−mのうちの連続する4個の部分電極を含む組34a、34bにより照明光に付与される偏光分布パターンの放射方向における周期β2よりも短い。

0035

本実施形態では、周期β1と周期β2とは、独立に設定可能である。例えば、周期β2は周期β1の整数倍(例えば、2、3、4倍など)とすることができる。あるいは、周期β2は、周期β1の整数倍でなくてもよい。このように、光変調装置5は、照明光に付与することが可能なパターンの周期の組み合わせの自由度を高くすることができる。

0036

図4は、液晶素子11の透明電極間の液晶層に印加される電圧の極性と、FLC分子25の長軸方向との関係の説明図である。図4では、説明の便宜上、一つの部分電極の組(部分電極24−1〜24−4)について図示される。図4において、グラフ400は、透明電極23と透明電極24間に印加される電圧を表す。グラフ400では、入射側の透明電極23の電位が出射側の透明電極24の電位よりも高い場合に、電圧は正で表され、逆に、入射側の透明電極23の電位が出射側の透明電極24の電位よりも低い場合に、電圧は負で表される。この例では、部分電極24−1及び24−4に相当する位置では、液晶層20に正の電圧が印加されるので、FLC分子25の長軸方向は、偏光子3の透過軸に対して平行となる。したがって、液晶層20のうち、部分電極24−1と透明電極23との間に挟まれた部分、または、部分電極24−4と透明電極23との間に挟まれた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、部分電極24−2及び24−3に相当する位置では、液晶層20に負の電圧が印加されるので、FLC分子25の長軸方向は、偏光子3の透過軸に対して45°傾く。したがって、液晶層20のうち、部分電極24−2と透明電極23との間に挟まれた部分、または、部分電極24−3と透明電極23との間に挟まれた部分を透過する照明光の偏光面は90°回転する。

0037

図5は、液晶素子11により照明光に空間的なパターン(すなわち、放射方向において周期β1を持つ周期的な矩形波状となり、かつ、光軸OAと直交する面において同心円状のパターン)が付与される場合における、コントローラ14による、各液晶素子の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。なお、図5では、一つのパターンに相当する、連続する4個の部分電極24−1〜24−4の組についての電圧を示す。図5において、横軸は時間を表し、縦軸は、電圧の大きさを表す。この例では、期間t1〜t4のそれぞれごとに、照明光に付与されるパターンの位相がπ/2ずつ変化する。なお、期間t1〜t4の長さは同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。また、電圧が正である場合(すなわち、透明電極23の電位が透明電極24の電位よりも高い場合)、電圧が印加される液晶層20に含まれるFLC分子25の長軸方向が偏光子3の透過軸と平行となる。一方、電圧が負である場合(すなわち、透明電極23の電位が透明電極24の電位よりも低い場合)、電圧が印加される液晶層20に含まれるFLC分子25の長軸方向が偏光子3の透過軸に対して45°傾く。

0038

駆動波形501は、液晶素子11の部分電極24−1と透明電極23間に印加される電圧の時間変化を表す。同様に、駆動波形502〜504は、それぞれ、液晶素子11の部分電極24−2〜24−4と透明電極23間に印加される電圧の時間変化を表す。また、駆動波形505は、液晶素子12の二つの透明電極(すなわち、部分電極34−1〜34−mと対向する透明電極)間に印加される電圧の時間変化を表す。なお、本実施形態では、液晶素子11により照明光に空間的なパターンが付与される場合には、液晶素子12については、一方の透明電極が有する全ての部分電極34−1〜34−mと他方の透明電極間に同じ電圧が印加されればよい。

0039

期間t1では、液晶素子11について、部分電極24−1と部分電極24−4について負の電圧となり、部分電極24−2と部分電極24−3について正の電圧となる。したがって、液晶素子11について、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が90°回転する。一方、液晶層20のうちの部分電極24−2または部分電極24−3が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。また、液晶素子12について、二つの透明電極間に負の電圧が印加されるので、照明光のうち、液晶素子11において偏光面が90°回転した部分の光束は、液晶素子12の液晶層を透過することでその偏光面は−90°回転して偏光面の向きが元に戻る。一方、液晶素子11において偏光面が回転しない部分の光束は、液晶素子12の液晶層を透過することでその偏光面は90°回転する。したがって、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−4が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子11に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。一方、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−2または部分電極24−3が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。したがって、期間t1では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン511は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、暗→明→明→暗というパターンとなる。

0040

同様に、期間t2では、液晶素子11について、部分電極24−3と部分電極24−4について負の電圧となり、部分電極24−1と部分電極24−2について正の電圧となる。したがって、液晶素子11について、液晶層20のうちの部分電極24−3または部分電極24−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が90°回転する。一方、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−2が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子12について、二つの透明電極間に正の電圧が印加されるので、液晶素子12の液晶層を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−3または部分電極24−4が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。一方、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−2が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。したがって、期間t2では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン512は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、暗→暗→明→明というパターンとなる。

0041

さらに、期間t3では、液晶素子11について、部分電極24−1と部分電極24−4について正の電圧となり、部分電極24−2と部分電極24−3について負の電圧となる。したがって、液晶素子11について、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶層20のうちの部分電極24−2または部分電極24−3が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は90°回転する。また、液晶素子12について、二つの透明電極間に負の電圧が印加されるので、照明光のうち、液晶素子11において偏光面が90°回転した部分の光束は、液晶素子12の液晶層を透過することでその偏光面は−90°回転して偏光面の向きが元に戻る。一方、照明光のうち、液晶素子11において偏光面が回転しない部分の光束は、液晶素子12の液晶層を透過することでその偏光面は90°回転する。したがって、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−4が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。一方、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−2または部分電極24−3が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子11に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。したがって、期間t3では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン513は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、明→暗→暗→明というパターンとなる。

0042

そして期間t4では、液晶素子11について、部分電極24−1と部分電極24−2について負の電圧となり、部分電極24−3と部分電極24−4について正の電圧となる。したがって、液晶素子11について、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−2が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が90°回転する。一方、液晶層20のうちの部分電極24−3または部分電極24−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子12について、二つの透明電極間に正の電圧が印加されるので、液晶素子12の液晶層を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−1または部分電極24−2が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。一方、液晶素子11における、液晶層20のうちの部分電極24−3または部分電極24−4が設けられた部分を透過し、かつ、液晶素子12の液晶層を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。したがって、期間t4では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン514は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、明→明→暗→暗というパターンとなる。

0043

このように、期間t1からt4にかけて、放射方向に沿って矩形波状のパターンの位相は、π/2ごとに変化する。

0044

図6は、液晶素子12により照明光に空間的なパターン(すなわち、放射方向に沿って周期β2を持つ周期的な矩形波状となり、かつ、光軸OAと直交する面において同心円状のパターン)が付与される場合における、コントローラ14による、各液晶素子の駆動状態の時間変化の一例を示すタイミングチャートである。なお、図6では、一つのパターンに相当する、連続する4個の部分電極34−1〜34−4の組についての電圧を示す。図6において、横軸は時間を表し、縦軸は、電圧の大きさを表す。なお、電圧が正である場合、電圧が印加される液晶層に含まれるFLC分子の長軸方向が偏光子3の透過軸と平行となる。一方、電圧が負である場合、電圧が印加される液晶層に含まれるFLC分子の長軸方向が偏光子3の透過軸に対して45°傾く。

0045

駆動波形601は、液晶素子11の二つの透明電極23、24間に印加される電圧の時間変化を表す。本実施形態では、液晶素子12により照明光に空間的なパターンが付与される場合には、液晶素子11については、透明電極24が有する全ての部分電極24−1〜24−nと他方の透明電極23間に同じ電圧が印加される。駆動波形602は、液晶素子12の部分電極34−1と他方の透明電極間に印加される電圧の時間変化を表す。同様に、駆動波形603〜605は、それぞれ、液晶素子12の部分電極34−2〜34−4と他方の透明電極間に印加される電圧の時間変化を表す。

0046

期間t1では、液晶素子11について、二つの透明電極23、24間に負の電圧が印加されるので、液晶素子11の液晶層20を透過する照明光の偏光面は90°回転する。一方、液晶素子12について、部分電極34−1と部分電極34−4について負の電圧となり、部分電極34−2と部分電極34−3について正の電圧となる。したがって、液晶素子12について、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が−90°回転する。一方、液晶層のうちの部分電極34−2または部分電極34−3が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−4が設けられた部分を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子11に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。一方、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−2または部分電極34−3が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。したがって、期間t1では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン611は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、暗→明→明→暗というパターンとなる。

0047

同様に、期間t2では、液晶素子11について、二つの透明電極23、24間に正の電圧が印加されるので、液晶素子11の液晶層20を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子12について、部分電極34−3と部分電極34−4について負の電圧となり、部分電極34−1と部分電極34−2について正の電圧となる。したがって、液晶素子12について、液晶層のうちの部分電極34−3または部分電極34−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が90°回転する。一方、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−2が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−3または部分電極34−4が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。一方、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−2が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。したがって、期間t2では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン612は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、暗→暗→明→明というパターンとなる。

0048

さらに、期間t3では、液晶素子11について、二つの透明電極23、24間に負の電圧が印加されるので、液晶素子11の液晶層20を透過する照明光の偏光面は90°回転する。一方、液晶素子12について、部分電極34−1と部分電極34−4について正の電圧となり、部分電極34−2と部分電極34−3について負の電圧となる。したがって、液晶素子12について、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶層のうちの部分電極34−2または部分電極34−3が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は−90°回転する。したがって、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−4が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。一方、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−2または部分電極34−3が設けられた部分を透過した照明光の偏光面の向きは、液晶素子11に入射する前の偏光面の向きと同じとなる。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。したがって、期間t3では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン613は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、明→暗→暗→明というパターンとなる。

0049

そして期間t4では、液晶素子11について、二つの透明電極23、24間に正の電圧が印加されるので、液晶素子11の液晶層20を透過する照明光の偏光面は回転しない。一方、液晶素子12について、部分電極34−1と部分電極34−2について負の電圧となり、部分電極34−3と部分電極34−4について正の電圧となる。したがって、液晶素子12について、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−2が設けられた部分を透過する照明光の偏光面が90°回転する。一方、液晶層のうちの部分電極34−3または部分電極34−4が設けられた部分を透過する照明光の偏光面は回転しない。したがって、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−1または部分電極34−2が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して90°回転する。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と平行となる。一方、液晶素子11の液晶層20を透過し、かつ、液晶素子12における、液晶層のうちの部分電極34−3または部分電極34−4が設けられた部分を透過した照明光の偏光面は、液晶素子11に入射する前の偏光面に対して回転しない。すなわち、その偏光面は、偏光子13の透過軸と直交する。したがって、期間t4では、照明光が偏光子13を透過した後における、照明光に付与される明暗のパターン614は、光軸OAに近い方から放射方向に沿って順に、明→明→暗→暗というパターンとなる。

0050

したがって、この場合も、期間t1からt4にかけて、放射方向に沿って矩形波状のパターンの位相は、π/2ごとに変化する。

0051

このように、コントローラ14は、期間t1〜t4を一つの時間周期として各液晶素子に印加する電圧を制御することで、照明光に付与される、放射方向に沿って明暗が矩形波状に変化するパターンの空間的な位相をπ/2ずつシフトさせることができる。さらに、コントローラ14は、各液晶素子に印加する電圧の制御を切り替えるだけで、照明光に付与する空間的なパターンの周期を切り替えることができる。

0052

以上説明してきたように、この光変調装置は、光軸に沿って並べて配置される二つの液晶素子を有し、液晶素子のそれぞれが、印加される電圧の極性に応じて透過する光の偏光面の向きを変える液晶層と、液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極を有する。そして、その二つの透明電極の少なくとも一方が、所定の方向に沿って周期的に配置される複数の部分電極を有する。その所定の方向における、部分電極の幅は、液晶素子ごとに異なる。そしてコントローラが、一方の液晶素子について、複数の部分電極のうちの所定数の連続する部分電極の組ごとに、所定の空間的なパターンの位相に応じた極性分布を持つ電圧をその部分電極の組と対向する透明電極との間に印加する。これにより、その液晶素子を透過する光に、所定の方向に沿って周期的に繰り返される、その空間的なパターンの位相に応じた偏光分布が付与される。そして各液晶素子を透過した光が偏光子を透過することで、透過した光に付与された偏光分布のパターンが明暗のパターンに変換される。さらに、コントローラは、部分電極の組ごとに、電圧の極性分布のパターンを所定の時間周期で変更するとともに、他方の液晶素子について、パターンの位相を変化させるタイミングごとに二つの透明電極間に印加する電圧の極性を反転させる。これにより、コントローラは、二つの液晶素子を透過する光に付与されるその所定の空間的なパターンの位相をその時間周期ごとに変更できるとともに、二つの液晶素子が焼き付くことを防止できる。そしてコントローラは、空間的なパターンの位相に応じた極性分布を持つ電圧を印加する液晶素子を切り替えることで、その空間的なパターンの周期を変更することができる。さらに、この光変調装置は、液晶素子として、強誘電性液晶素子を利用できるので、パターンの位相を変更する際の応答速度を速くすることができる。

0053

なお、変形例によれば、偏光子3の透過軸と偏光子13の透過軸とが平行となるように偏光子3及び偏光子13が配置されてもよい。この変形例では、上記の実施形態において得られる照明光のパターンに対して反転したパターンが得られる。

0054

他の変形例によれば、二つの液晶素子のうちの少なくとも一方は、液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極のそれぞれが、所定の方向に沿って周期的に配置される複数の部分電極を有し、かつ、その所定の方向における部分電極の幅が、透明電極ごとに異なっていてもよい。

0055

図7は、この変形例による部分電極配置を示す、光軸OAを通る面における、二つの液晶素子41、42の概略側面断面図である。この変形例による二つの液晶素子41、42は、上記の実施形態による二つの液晶素子11、12と比較して、透明電極の構成が異なる。そこで以下では、二つの液晶素子41、42が有する透明電極について説明する。

0056

液晶素子41は、液晶層51を挟んで対向するように配置された二つの透明電極52、53を有する。そして透明電極52は、光軸OAを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極52−1〜52−n(nは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数)を有し、それら部分電極により、照明光が透過する領域全体が覆われる。同様に、透明電極53は、光軸OAを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極53−1〜53−m(mは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数)を有し、それら部分電極により、照明光が透過する領域全体が覆われる。

0057

さらに、液晶素子42は、液晶層61を挟んで対向するように配置された二つの透明電極62、63を有する。そして透明電極62は、光軸OAを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極62−1〜62−k(kは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数)を有し、それら部分電極により、照明光が透過する領域全体が覆われる。同様に、透明電極63は、光軸OAを中心とする同心円状、かつ輪帯状に形成された複数の部分電極63−1〜63−j(jは、一つのパターンに相当する部分電極の数以上の数)を有し、それら部分電極により、照明光が透過する領域全体が覆われる。なお、各透明電極において、隣接する二つの部分電極は、所定の間隔だけ離して配置され、互いに絶縁されている。

0058

放射方向における、各透明電極52、53、62、63について、それら透明電極が有する部分電極の放射方向における幅は互いに異なっている。したがって、透明電極52、53、62、63は、それぞれ、放射方向について、互いに異なる周期を持つ偏光分布を、液晶素子を透過する照明光に付与することができる。例えば、透明電極52により、液晶素子41を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ14は、例えば、透明電極52が有する連続する4個の部分電極の組ごとに、図5に示される駆動波形501〜504に従って透明電極52の各部分電極と透明電極53との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ14は、透明電極53については、各部分電極53−1〜53−mにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ14は、液晶素子42について、図5に示される駆動波形505に従って、透明電極62の各部分電極と透明電極63の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。

0059

また、透明電極53により、液晶素子41を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ14は、例えば、透明電極53が有する連続する4個の部分電極の組ごとに、図5に示される駆動波形501〜504に従って透明電極53の各部分電極と透明電極52との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ14は、透明電極52については、各部分電極52−1〜52−nにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ14は、液晶素子42について、図5に示される駆動波形505に従って、透明電極62の各部分電極と透明電極63の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。

0060

さらに、透明電極62により、液晶素子42を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ14は、例えば、透明電極62が有する連続する4個の部分電極の組ごとに、図6に示される駆動波形602〜605に従って透明電極62の各部分電極と透明電極63との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ14は、透明電極63については、各部分電極63−1〜63−jにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ14は、液晶素子41について、図6に示される駆動波形601に従って、透明電極52の各部分電極と透明電極53の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。

0061

さらにまた、透明電極63により、液晶素子42を透過する照明光に偏光分布が付与される場合、コントローラ14は、例えば、透明電極63が有する連続する4個の部分電極の組ごとに、図6に示される駆動波形602〜605に従って透明電極63の各部分電極と透明電極62との間に電圧を印加すればよい。その際、コントローラ14は、透明電極62については、各部分電極62−1〜62−kにおいて、電位を一定に保てばよい。一方、コントローラ14は、液晶素子41について、図6に示される駆動波形601に従って、透明電極52の各部分電極と透明電極53の各部分電極との間に電圧を印加すればよい。

0062

このように、この変形例によれば、光変調装置は、照明光に付与する空間的なパターンについて、4通りの周期の何れかに切り替えることができる。

0063

さらに他の変形例によれば、液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極の少なくとも一方が有する複数の部分電極が並ぶ方向は、液晶素子ごとに異なっていてもよい。例えば、上記の実施形態において、液晶素子11が有する透明電極24の各部分電極は、光軸OAを中心とする同心円状、かつ、輪帯状に(すなわち放射方向に沿って並ぶように)、配置される。一方、液晶素子12が有する透明電極34の各部分電極は、格子状に形成され、光軸OAと直交する面において一方向に沿って並べて配置されてもよい。あるいは、液晶素子11が有する透明電極24の各部分電極、及び、液晶素子12が有する透明電極34の各部分電極は、何れも格子状に形成され、かつ、光軸OAと直交する面において、透明電極24の各部分電極が並ぶ方向と、透明電極34の各部分電極とが並ぶ方向とが互いに異なるように(例えば、互いに直交するように)、それらの各部分電極は配置されてもよい。さらに、液晶素子11及び液晶素子12の少なくとも一方は、上記の変形例における液晶素子41のように、二つの透明電極のそれぞれが所定の方向に沿って並べて配置される複数の部分電極を有していてもよい。この場合、その二つの透明電極のそれぞれが有する複数の部分電極が並ぶ方向は、互いに異なっていてもよい。また、この変形例でも、部分電極の並び方向における部分電極の幅は、液晶素子ごとに異なっていてもよい。さらに、液晶素子11及び液晶素子12の一方は、上記の実施形態と同様の構成を有し、他方については、一方の透明電極が、光軸OAと直交する面上の2以上の中心のそれぞれについて同心円状に配置される複数の部分電極を有してもよい。この場合も、液晶素子ごとに、複数の部分電極の並び方向及び並び方向における幅が異なることになる。

0064

この場合も、コントローラ14が、上記の実施形態と同様に、各液晶素子に印加する電圧を制御することで、光変調装置は、各液晶素子を透過する照明光に付与する空間的なパターンの周期だけでなく、そのパターンが形成される向きまたはそのパターンの種類を切り替えることができる。

0065

さらに他の変形例によれば、光変調装置は、光軸OAに沿って並ぶように配置される3個以上の液晶素子を有していてもよい。この場合も、各液晶素子は、上記の実施形態または変形例における液晶素子と同様の構成を有することができる。そして各液晶素子が有する、液晶層を挟んで対向するように配置される二つの透明電極のうちの少なくとも一方は、所定の方向に沿って並べて配置される複数の部分電極を有し、各部分電極の所定の方向における幅は、液晶素子ごとに異なっていればよい。この場合も、コントローラ14は、上記の実施形態と同様に、各液晶素子のうちの何れか一つについて、部分電極の配置パターンに応じた空間的なパターンを照明光に付与するように印加する電圧を制御し、他の液晶素子について、焼き付きを防ぐように印加する電圧を制御すればよい。

0066

上記の実施形態または変形例による光変調装置は、位相シフト法を用いた計測装置以外にも用いられてもよい。例えば、上記の実施形態または変形例による光変調装置は、グレーティング干渉計回折格子として利用されてもよい。あるいは、上記の実施形態または変形例による光変調装置は、構造化照明顕微鏡の照明光学系に用いられてもよい。

0067

あるいはまた、上記の実施形態または変形例による光変調装置は、特開2018−98623号公報に記載の撮像装置における変調素子として利用されてもよい。この場合、撮像装置の実効的な焦点距離feffは次式で与えられる。



ここで、Sはイメージセンサの大きさであり、Nは、イメージセンサの垂直方向及び水平方向の画素数であり、tは液晶素子11からイメージセンサまでの光軸方向に沿った距離であり、θmaxは最大画角であり、βi(i=1,2)は、液晶素子11または液晶素子12が照明光に付与する偏光分布パターンの放射方向の周期である。そこで、β1、β2を異なる値となるよう設定することで、上記の撮像装置の最大画角及び実効的な焦点距離を変更可能とすることができる。例えば、β1=88mmとすることで、最大画角θmaxを10°とし、一方、β2=182mmとすることで、最大画角θmaxを20°とすることができる。

0068

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

0069

100照明装置
1発光素子
2コリメータ
3偏光子
4投影レンズ
5光変調装置
13 偏光子
11、12、41、42液晶素子
14コントローラ
20液晶層
21、22 透明基板
23、24、34、52、53、62、63透明電極
25FLC分子
26シール部材
24−1〜24−n部分電極
34−1〜34−m 部分電極
52−1〜52−n 部分電極
53−1〜53−m 部分電極
62−1〜62−k 部分電極
63−1〜63−j 部分電極

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