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WO2019031187A1 - 位相変調装置、照明装置、およびプロジェクタ - Google Patents

位相変調装置、照明装置、およびプロジェクタ Download PDF

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WO2019031187A1
WO2019031187A1 PCT/JP2018/027115 JP2018027115W WO2019031187A1 WO 2019031187 A1 WO2019031187 A1 WO 2019031187A1 JP 2018027115 W JP2018027115 W JP 2018027115W WO 2019031187 A1 WO2019031187 A1 WO 2019031187A1
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WO
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phase modulation
pixels
light
optical
modulation element
Prior art date
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PCT/JP2018/027115
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English (en)
French (fr)
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田中　雅
崇宏 望月
秋元　修
上島　正弘
持田　利彦
折井　俊彦
貴之 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Sony Semiconductor Solutions Corp
Original Assignee
Sony Corp
Sony Semiconductor Solutions Corp
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Publication date
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Priority to CN201880050062.XA priority patent/CN110998418B/zh
Priority to DE112018004029.1T priority patent/DE112018004029T5/de
Priority to JP2019535063A priority patent/JP7145158B2/ja
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    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details

Definitions

  • the present disclosure relates to a phase modulation apparatus that modulates the phase of light.
  • the present invention also relates to an illumination device that generates illumination light using an optical phase modulation element, and a projector that projects an image based on the illumination light.
  • An optical phase modulation element which modulates the phase of light to obtain a desired reproduced image.
  • the optical phase modulation element is formed of, for example, an SLM (Spatial Light Modulator) such as a liquid crystal panel.
  • SLM Surface Light Modulator
  • a reproduced image phase-modulated according to an image is generated, and the reproduced image is used for light intensity for image display.
  • the optical phase modulation device is also used in holography technology and the like.
  • the optical phase modulation device is also used in techniques such as an optical switch and an optical computer.
  • high-order diffracted light may be generated due to the structure of the pixel, and the diffraction efficiency may be reduced.
  • phase modulation device an illumination device, and a projector that can improve the diffraction efficiency of the optical phase modulation element.
  • a first phase modulation device includes a plurality of pixels having a pixel structure that suppresses generation of high-order diffracted light, and modulates the phase of light for each pixel. Is provided.
  • a first illumination device includes a light source and a plurality of pixels having a pixel structure that suppresses generation of high-order diffracted light, and modulates the phase of light from the light source for each pixel. And an optical phase modulation element.
  • a first projector includes an illumination device, and a light intensity modulation element that intensity-modulates illumination light from the illumination device to generate a projection image
  • the illumination device includes: It has a plurality of pixels with a pixel structure that suppresses the generation of high-order diffracted light, and comprises an optical phase modulation element that modulates the phase of light from the light source for each pixel.
  • the generation of high-order diffracted light due to the structure of a pixel is suppressed.
  • a second phase modulation device includes a plurality of pixels, and an optical phase modulation element that modulates the phase of light for each pixel, and a plurality of high-order diffracted lights generated in each pixel. And a taking-in optical system.
  • a second illumination device includes a light source, an optical phase modulation element that modulates the phase of light from the light source for each pixel, and a plurality of light phase modulation elements generated in each pixel. And a capturing optical system for capturing high-order diffracted light of
  • a second projector includes an illumination device, and a light intensity modulation element that intensity-modulates illumination light from the illumination device to generate a projection image
  • the illumination device includes: It has a plurality of pixels with a pixel structure that suppresses the generation of high-order diffracted light, and comprises an optical phase modulation element that modulates the phase of light from the light source for each pixel.
  • a plurality of high-order diffracted lights generated in each pixel of the optical phase modulation element are captured by a capture optical system Be
  • the pixel structure of the optical phase modulation element is configured to suppress the generation of high-order diffracted light. It is possible to improve the diffraction efficiency in the optical phase modulation device.
  • the second phase modulation device the second illumination device, or the second projector according to the embodiment of the present disclosure
  • a plurality of high-order diffracted lights generated in each pixel of the optical phase modulation element are captured by an optical system
  • the diffraction efficiency can be improved.
  • FIGS. 1 to 10 First embodiment (FIGS. 1 to 10) 1.1 Outline of phase modulation device according to comparative example 1.2 Configuration for solving the problem and problem of phase modulation device according to comparative example 1.3 Effect Second Embodiment (FIGS. 11 to 17) 2.1 Configuration 2.2 Effects 3. Third Embodiment (FIGS. 18 to 20) 3.1 Configuration 3.2 Effects 4. Fourth Embodiment (Application Example of Optical Phase Modulator) (FIGS. 21 to 27) 4.1 Application Example to Projector 4.2 Application Example to Various Optical Elements 4.3 Application Example to Optical Switch 4.4 Application Example to Optical Computer 5. Other embodiments
  • FIG. 1 schematically shows an example of an optical phase modulation device 101 applied to a phase modulation device according to a comparative example.
  • FIG. 2 shows an example of the relationship between the pixel position of the optical phase modulation element 101 and the phase modulation amount.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of one cross section of the optical phase modulation device 101.
  • the optical phase modulation element 101 has a plurality of pixels 10 arranged in a matrix in a first direction (for example, horizontal (horizontal) direction) and a second direction (for example, vertical (longitudinal) direction).
  • the light phase modulation element 101 can be used as a diffraction grating by modulating the phase of the light from the light source for each pixel 10.
  • a blazed diffraction grating can be configured.
  • the horizontal axis indicates the pixel position
  • the vertical axis indicates the phase modulation amount.
  • the modulation amount of the phase is, for example, in the range of 0 to 2 ⁇ .
  • the optical phase modulation element 101 is configured of, for example, a phase modulation liquid crystal panel.
  • the optical phase modulation element 101 may be configured by a digital mirror device (DMD).
  • DMD digital mirror device
  • FIG. 3 shows an example in which the optical phase modulation element 101 is configured by a phase modulation liquid crystal panel.
  • the optical phase modulation element 101 includes, for example, a first glass substrate 2 and a second glass substrate 3 which are disposed to face each other.
  • a liquid crystal layer 13 including liquid crystal molecules 14 is sealed between the first glass substrate 2 and the second glass substrate 3 by a sealing member (not shown).
  • the first glass substrate 2 is provided with a counter electrode (common electrode) 4.
  • the second glass substrate 3 is provided with a plurality of pixel electrodes 11. In FIG. 3, only two adjacent pixel electrodes are shown as an example of the plurality of pixel electrodes 11.
  • a common voltage (for example, 0 [V]) common to the plurality of pixel electrodes 11 is applied to the counter electrode 4.
  • An applied voltage (for example, V1 [V]) corresponding to the input signal is applied to the plurality of pixel electrodes 11.
  • the phase modulation amount of each pixel 10 in the optical phase modulation element 101 changes in accordance with the applied voltage.
  • the light phase modulation element 101 may be a reflection type phase modulation liquid crystal panel or a transmission type phase modulation liquid crystal panel.
  • the counter electrode 4 is formed of a transparent electrode that transmits light
  • the pixel electrode 11 is formed of a reflective electrode that reflects light.
  • both the counter electrode 4 and the pixel electrode 11 are formed of a transparent electrode which transmits light.
  • Such an optical phase modulation element 101 is used, for example, as a part of an illumination device that generates illumination light to the light intensity modulation element in a projector.
  • the optical phase modulation device 101 is also used in holography technology and the like.
  • the optical phase modulation device 101 is also used in techniques such as an optical switch and an optical computer.
  • FIG. 4 shows a circuit configuration example of a phase modulation device according to a comparative example.
  • the phase modulation apparatus includes an optical phase modulation element 101 that modulates the phase of light from the light source 50, a phase distribution calculation circuit 51, and a phase modulation element drive circuit 52.
  • the phase distribution calculation circuit 51 is a phase distribution calculation unit that generates target phase distribution data (phase modulation signal) based on an input signal.
  • the target phase distribution data is data having a phase distribution such that the target reproduced image 60 (target reproduced image) can be reproduced by the optical phase modulation element 101.
  • the input signal is, for example, an image signal.
  • the reproduced image 60 is an illumination image for illuminating the illumination target 5.
  • the illumination target 5 is, for example, a light intensity modulation element such as an intensity modulation liquid crystal panel in a projector.
  • the target phase distribution data is data having a phase distribution pattern capable of forming an illumination image having a luminance distribution corresponding to the image displayed by the projector.
  • the diffraction element drive circuit 52 generates an applied voltage (drive voltage) based on the target phase distribution data generated by the phase distribution calculation circuit 51, and the optical phase modulation element 101 so that each pixel 10 has a target phase distribution. Drive.
  • the optical phase modulation element 101 modulates the phase of the light from the light source 50 based on the applied voltage supplied by the diffraction element drive circuit 52.
  • FIG. 5 is an explanatory view of the generation of high-order diffracted light generated in the optical phase modulator 101 according to the comparative example.
  • FIG. 6 is an explanatory view of a pixel structure of the optical phase modulation element 101 according to the comparative example.
  • the pixel structure of the optical phase modulator 101 according to the comparative example is represented by a comb function comb (x) as shown in FIG.
  • the Fourier-transformed function of the comb function comb (x) is also represented by the comb function comb (u).
  • FIG. 7 is an explanatory view of a diffraction phenomenon in the case where the pixel structure in the optical phase modulation device 101 according to the comparative example is not considered.
  • the reproduced image (diffracted image) G ( ⁇ ,)) by the phase distribution g (x, y) in the optical phase modulation element 101 has a phase distribution g It is expressed by a function FT [g (x, y)] obtained by Fourier transforming x, y). Further, assuming that the propagation distance from the light phase modulation element 101 to the reproducing surface is L, the range D in which image formation is possible by diffraction by the light phase modulation element 101 is L ( ⁇ / 2p).
  • FIG. 8 is an explanatory view of a diffraction phenomenon in the case where the pixel structure in the light phase modulation element 101 according to the comparative example is taken into consideration.
  • the distribution function in the optical phase modulation device 101 has the phase distribution g (x, y) and the pixel structure as shown in the equation (1) of FIG. It is expressed by the product of the comb-type functions shown, comb (x / p) and comb (y / p).
  • the reproduced image (diffraction image) Ga ( ⁇ ,)) in this case has a function FT [g (x, y) obtained by Fourier-transforming the phase distribution g (x, y) as shown by equation (2) in FIG.
  • FIG. 9 is an explanatory view showing one configuration example of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the pixel structure is configured to suppress the generation of high-order diffracted light.
  • the plurality of pixels 10 are arranged at non-uniform intervals (in a non-periodic manner) in the lateral direction and the longitudinal direction.
  • the pixel pitches p of two adjacent pixels 10 are arranged to be different from each other.
  • FIG. 9 illustrates only three different pixel pitches p1, p2, and p3 as an example.
  • Such a structure can be realized, for example, by making the width between adjacent pixels (pixel groove width) different depending on the pixel position.
  • the pixels 10 are arranged such that the pixel groove pitch of the pixel groove 12 between two adjacent pixels changes.
  • the pixels 10 may be arranged such that the barycentric position of the pixel 10 or the barycentric position of the pixel groove 12 changes depending on the pixel position.
  • FIG. 9 only two different pixel groove pitches pg1 and pg2 are shown as an example. In this case, as the barycentric position of the pixel groove width changes depending on the pixel position, the periodicity of the pixel pitch p decreases and the high-order diffraction component decreases.
  • the plurality of pixels 10 may be arranged at non-uniform intervals (in a non-periodic manner) only in either the horizontal direction or the vertical direction.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a pixel structure of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the first embodiment.
  • the pixel structure of the optical phase modulator 101 according to the comparative example is represented by a comb function comb (x) as shown in the upper part of FIG.
  • the pixel structure is represented by a function different from the comb function comb (x).
  • the pixel structure of the optical phase modulation element 1 is configured to suppress the generation of high-order diffracted light, so that the diffraction efficiency in the optical phase modulation element 1 can be improved. It becomes. In addition, the influence of stray light due to high-order diffracted light can be reduced.
  • phase modulation apparatus according to a second embodiment of the present disclosure will be described.
  • parts that are substantially the same as the constituent elements of the phase modulation apparatus according to the first embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • FIG. 11 shows an example of the pixel structure of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the second embodiment.
  • the optical phase modulation device 1 may include a plurality of pixel electrodes 11, a light shielding layer 82 disposed under the pixel electrodes 11, a signal line layer 83, and a transistor capacitor region 84.
  • the respective layers are connected to each other by contact holes 81.
  • FIG. 12 shows an example of the pixel structure of the optical phase modulation device 101 according to the comparative example.
  • the plurality of pixel electrodes 11 are arranged at equal intervals (with a constant period) at the same pixel pitch (pixel pitch) p in the horizontal direction and the vertical direction.
  • the pitch pc of the contact holes 81 on the pixel electrode 11 is arranged to be different from the pixel pitch p.
  • FIG. 13 shows a first example of the pixel structure of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the second embodiment.
  • FIG. 14 shows a second example of the pixel structure of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the second embodiment.
  • the plurality of pixel electrodes 11 have the same pixel pitch (pixel pitch) p in the horizontal direction and the vertical direction. It is arranged at equal intervals (with a constant cycle).
  • the pitch pc of the contact holes 81 on the pixel electrode 11 is arranged to be substantially the same as the pixel pitch p.
  • FIG. 15 shows a third example of the pixel structure of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the second embodiment.
  • the period of the arrangement of the contact holes 81 may be random in the horizontal direction and the vertical direction. That is, the contact holes 81 may be arranged non-periodically.
  • the pitch pc of the contact holes 81 may be different depending on the pixel position. In FIG. 15, only two different pitches pc1 and pc2 are shown as an example.
  • FIG. 16 shows an example of the pixel structure of the optical phase modulation element 1 and the diffraction pattern resulting from the pixel structure in the phase modulation device according to the second embodiment.
  • the upper part of the table of FIG. 16 shows an example of the spatial frequency component and the diffraction pattern in the case where the period of the arrangement of the pixel electrodes 11 and the period of the arrangement of the contact holes 81 are substantially the same.
  • the lower part of the table of FIG. 16 as a comparative example, an example of the spatial frequency component and the diffraction pattern in the case where the period of the arrangement of the pixel electrodes 11 and the period of the arrangement of the contact holes 81 are different is shown.
  • short period diffracted light is generated due to the period of the arrangement of the contact holes 81, which causes a decrease in the diffraction efficiency.
  • FIG. 17 shows a fourth example of the pixel structure of the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the second embodiment.
  • FIG. 17 shows a pixel structure in which the base electrode layer 85 disposed in the lower layer of the pixel electrode 11 is taken into consideration.
  • the base electrode layer 85 may be, for example, the light shielding layer 82 shown in FIG.
  • the pitch pd of the base electrode layer 85 it is preferable to arrange the pitch pd of the base electrode layer 85 so as to be approximately the same as the pixel pitch p. Thereby, it is preferable to make the cycle of the arrangement of the pixel electrodes 11 substantially the same as the cycle of the arrangement of the base electrode layer 85 in the horizontal direction and the vertical direction. Thus, unnecessary diffracted light caused by the base electrode layer 85 can be reduced.
  • the other configuration may be substantially the same as that of the phase modulation device according to the first embodiment.
  • phase modulation apparatus according to a third embodiment of the present disclosure will be described.
  • parts that are substantially the same as the constituent elements of the phase modulation apparatus according to the first or second embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted as appropriate.
  • the phase modulation apparatus is configured to include a loading optical system for loading a plurality of high-order diffracted lights generated in each pixel 10 of the optical phase modulation element 1.
  • the optical phase modulation element 1 in the phase modulation device according to the present embodiment may be configured by the optical phase modulation element 101 according to the comparative example described above.
  • the high-order diffracted light is taken in as effective diffracted light by the taking-in optical system to improve the diffraction efficiency.
  • FIG. 18 shows a first configuration example of the phase modulation apparatus according to the present embodiment.
  • the taking-in optical system includes a plurality of mirrors 91 for reflecting a plurality of high-order diffracted lights emitted from the optical phase modulation element 1 and a fly-eye lens array for taking in a plurality of high-order diffracted lights reflected by the plurality of mirrors. And 92 are configured.
  • the fly's eye lens array 92 includes a plurality of fly's eye lenses 92A.
  • the capturing optical system may have substantially the same structure in the direction orthogonal to the paper surface in FIG.
  • FIG. 19 shows a second configuration example of the phase modulation apparatus according to the present embodiment.
  • the optical path length is obtained by the plurality of prisms 93 as optical path length correction members for correcting the optical path lengths of the plurality of high-order diffracted lights emitted from the optical phase modulation element 1 and the plurality of prisms 93.
  • a fly's eye lens array 92 for taking in a plurality of corrected high-order diffracted lights.
  • the fly's eye lens array 92 includes a plurality of fly's eye lenses 92A.
  • FIG. 20 shows a third configuration example of the phase modulation apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 20 shows a configuration example in which the phase modulation device according to the present embodiment is combined with, for example, an illumination optical system 320 that constitutes a projector.
  • the illumination optical system 320 is an optical system that illuminates the light intensity modulation element 301 via the polarization separation element 302 such as a dichroic prism.
  • the illumination optical system 320 has a condenser lens 321.
  • the illumination optical system 320 may have an optical element 322 such as a mirror.
  • a high-order light capturing optical system 310 is provided as a capturing optical system.
  • the high-order light capturing optical system 310 has a pair of lens arrays 311 and a lens array 312 for capturing a plurality of high-order diffracted lights emitted from the light phase modulation element 1, and a condenser lens 313.
  • the condensing lens 313 of the high-order light capturing optical system 310 constitutes a part of the telecentric optical system 330 together with the condensing lens 321 of the illumination optical system 320.
  • the other configuration may be substantially the same as that of the phase modulation device according to the first or second embodiment.
  • optical phase modulation element 1 In the present embodiment, an application example of the optical phase modulation element 1 will be described.
  • the projector includes an illumination device, and a light intensity modulation element that intensity-modulates illumination light from the illumination device to generate a projection image.
  • the lighting device includes a light source and a phase modulation device that modulates the phase of light from the light source.
  • the phase modulation apparatus comprises the phase modulation apparatus according to the first to third embodiments, and includes the optical phase modulation element 1.
  • the reproduced image by the light phase modulation element 1 is used as an illumination image having a luminance distribution corresponding to the image displayed by the projector. This illumination image is used as illumination light for the light intensity modulation element.
  • FIG. 21 shows a first application example of the light phase modulation element 1 to the projector 100. As shown in FIG. 21
  • the first application example is a configuration example in the case where the optical phase modulation element 1 is the reflection type optical phase modulation element 111.
  • the projector 100 includes a light source device 110, an illumination optical system 120, an image forming unit 130, and a projection optical system 140.
  • the reflection-type light phase modulation element 111 is disposed between the light source device 110 and the illumination optical system 120.
  • the image forming unit 130 includes reflective polarizing plates 31A, 31B and 31C, reflective liquid crystal panels 32A, 32B and 32C, and a dichroic prism 33.
  • the reflective liquid crystal panels 32A, 32B, and 32C are light intensity modulation elements.
  • the light source device 110 emits light including red light, green light, and blue light.
  • the light source device 110 is configured of one or more laser light sources that emit white light including, for example, red light, green light, and blue light. Further, the light source device 110 is configured to use one or more laser light sources of respective colors that emit respective color lights of red (R) light, green (G) light, and blue (B) light, respectively. May be
  • the reflection type optical phase modulation element 111 modulates the phase of the light from the light source device 110 to generate a desired illumination image (illumination light).
  • the illumination light generated by the reflection-type light phase modulation element 111 illuminates the reflection-type liquid crystal panels 32A, 32B and 32C through the illumination optical system 120.
  • the illumination optical system 120 includes dichroic mirrors 24A and 24B, reflection mirrors 25A and 25B, lenses 26A and 26B, a dichroic mirror 27, and polarizing plates 28A, 28B and 28C.
  • the dichroic mirrors 24A and 24B selectively reflect light in a predetermined wavelength range and selectively transmit light in other wavelength ranges.
  • the dichroic mirror 24A mainly reflects red light and green light in the direction of the reflection mirror 25A.
  • the dichroic mirror 24B mainly reflects blue light in the direction of the reflection mirror 25B.
  • the reflection mirror 25A reflects the light (mainly red light and green light) from the dichroic mirror 24A toward the lens 26A.
  • the reflection mirror 25B reflects the light (mainly blue light) from the dichroic mirror 24B toward the lens 26B.
  • the lens 26A transmits the light from the reflection mirror 25A (mainly red light and green light) and condenses the light on the dichroic mirror 27.
  • the lens 26 B transmits the light (mainly blue light) from the reflection mirror 25 B and condenses it on the dichroic mirror 27.
  • the dichroic mirror 27 selectively reflects green light and selectively transmits light in other wavelength ranges.
  • the dichroic mirror 27 transmits, for example, a red light component, and reflects the green light component toward the polarizing plate 28C.
  • the polarizing plates 28A, 28B, and 28C include polarizers having polarization axes in predetermined directions.
  • the polarizing plates 28A, 28B, and 28C transmit, for example, P-polarized light and reflect S-polarized light.
  • the reflective polarizing plates 31A, 31B, and 31C transmit light (for example, P-polarized light) having the same polarization axis as the polarization axis of the polarized light from the polarizing plates 28A, 28B, and 28C, respectively. S-polarized light).
  • the reflective polarizing plate 31A transmits the P-polarized red light from the polarizing plate 28A in the direction of the reflective liquid crystal panel 32A.
  • the reflective polarizing plate 31B transmits P-polarized blue light from the polarizing plate 28B in the direction of the reflective liquid crystal panel 32B.
  • the reflective polarizing plate 31C transmits the P-polarized green light from the polarizing plate 28C in the direction of the reflective liquid crystal panel 32C.
  • the reflective polarizing plate 31A reflects the S-polarized red light from the reflective liquid crystal panel 32A and causes the red light to be incident on the dichroic prism 33.
  • the reflective polarizing plate 31 B reflects the blue light of S-polarization from the reflective liquid crystal panel 32 B and causes the blue light to be incident on the dichroic prism 33.
  • the reflective polarizing plate 31 C reflects the green light of S-polarization from the reflective liquid crystal panel 32 C and causes the green light to be incident on the dichroic prism 33.
  • the reflective liquid crystal panels 32A, 32B and 32C perform intensity modulation of red light, blue light or green light, respectively.
  • the dichroic prism 33 combines the red light, the blue light and the green light which are intensity-modulated by the reflective liquid crystal panels 32A, 32B and 32C, and emits the light as a projection image toward the projection optical system 140.
  • the projection optical system 140 has lenses L41, L42, L43, and L44.
  • the projection optical system 140 magnifies and projects the projection image generated by the image forming unit 130 on a projection surface such as a screen (not shown).
  • a projection surface such as a screen (not shown).
  • the number of lenses and the lens configuration of the projection optical system 140 are not limited to the illustrated configuration, and other numbers of lenses and lens configurations can be taken.
  • other optical elements such as a reflection mirror and an optical filter may be included in the optical path.
  • FIG. 22 shows a second application example of the optical phase modulation element 1 to the projector 100.
  • the second application example is a configuration example in the case where the optical phase modulation element 1 is the transmission type optical phase modulation element 112.
  • the transmissive optical phase modulation element 112 is disposed between the light source device 110 and the illumination optical system 120.
  • the other configuration is the same as that of the first application example of FIG.
  • FIG. 23 shows an application example of the optical phase modulation element 1 to various optical elements.
  • various lenses such as a convex lens, a concave lens, a lens array, a Fresnel lens, and a free curved surface lens are known.
  • the optical path length is changed by changing the thickness of the lens material.
  • the optical path length can be changed by changing the refractive index distribution in the device. Thereby, optical characteristics equivalent to various lenses can be obtained.
  • FIG. 24 shows an example of the blazed diffraction grating 201.
  • the blazed diffraction grating 201 is a diffraction grating whose cross-sectional shape is a sawtooth shape. Assuming that the diffraction pitch is pa, the diffraction angle is ⁇ , and the wavelength of incident light is ⁇ , the blazed diffraction grating 201 holds the following equation. sin ⁇ ⁇ ⁇ / 2 pa
  • FIG. 25 shows an application example of the optical phase modulation element 1 to the blazed diffraction grating 201.
  • the optical phase modulation device 1 is used as a diffraction grating by modulating the phase of light from the light source for each pixel 10 to change the refractive index distribution in the device.
  • the pixel pitch of the optical phase modulation element 1 is p, by making the refractive index distribution of the plurality of pixels 10 into a sawtooth shape, an optical equivalent to the blazed diffraction grating 201 of the diffraction pitch pa Characteristics can be obtained.
  • FIG. 26 shows an application example of the optical phase modulation element 1 to an optical switch.
  • the optical switch includes an optical fiber 210, a diffraction grating 221, and a plurality of optical fibers 211, 212, and 213.
  • the optical phase modulation element 1 is disposed between the diffraction grating 221 and the plurality of optical fibers 211, 212, and 213. Furthermore, in place of the diffraction grating 221, the optical phase modulation device 1 may be disposed.
  • signals of different carrier wavelengths are input to the optical fiber 210 and transmitted.
  • the diffraction grating 221 separates the signal of each carrier wavelength transmitted by the optical fiber 210 so that the signal is input to a different position of the optical phase modulation element 1 for each wavelength.
  • the signal of each carrier wavelength input to the optical phase modulation element 1 is distributed to a desired optical fiber among the plurality of optical fibers 211, 212, and 213.
  • FIG. 27 shows an application example of the optical phase modulation device 1 to an optical computer.
  • the optical computer includes a plurality of optical phase modulation elements 1A, 1B, 1C, and 1D, each of which is composed of the optical phase modulation element 1.
  • a signal A (x, y) based on the signal A is generated by phase-modulating the incident light by the optical phase modulation element 1A.
  • the signal A (x, y) is Fourier-transformed by the optical phase modulation element 1 B to obtain a signal FT (A).
  • a convolution signal FT (A) * FT (B) with the signal B is obtained by the optical phase modulation element 1C.
  • a phase modulation device comprising: a plurality of pixels having a pixel structure that suppresses the generation of high-order diffracted light; and an optical phase modulation element that modulates the phase of light for each pixel.
  • the plurality of pixels are arranged in a matrix in a first direction and a second direction, and a pixel groove between two adjacent pixels in at least one of the first direction and the second direction.
  • the phase modulation device according to the above (1) which is arranged to change the pitch.
  • the plurality of pixels are arranged in a matrix in a first direction and a second direction, and at least one of the first direction and the second direction, a barycentric position of the pixel or two adjacent pixels.
  • the phase modulation device wherein the center of gravity of the pixel groove between the pixels is arranged to change.
  • the plurality of pixels are arranged in a matrix in a first direction and a second direction, Each of the pixels includes a pixel electrode and a contact hole connected to the pixel electrode. In at least one of the first direction and the second direction, the period of the arrangement of the pixel electrodes and the period of the arrangement of the contact holes are substantially the same. Modulator.
  • the plurality of pixels are arranged in a matrix in a first direction and a second direction, Each of the pixels includes a pixel electrode and a contact hole connected to the pixel electrode.
  • the phase modulation device wherein the contact holes are non-periodically arranged in at least one of the first direction and the second direction.
  • the plurality of pixels are arranged in a matrix in a first direction and a second direction, Each of the pixels includes a pixel electrode and a base electrode layer disposed under the pixel electrode, In at least one of the first direction and the second direction, the period of the arrangement of the pixel electrodes and the period of the arrangement of the base electrode layer are substantially the same.
  • (1) or (4) The phase modulation apparatus as described in 2.).
  • An optical phase modulation element having a plurality of pixels and modulating the phase of light for each of the pixels; A capturing optical system for capturing a plurality of high-order diffracted lights generated in each of the pixels.
  • the capture optical system is A mirror that reflects the plurality of high-order diffracted lights emitted from the optical phase modulation element; A lens array for taking in the plurality of high-order diffracted lights reflected by the mirror; and the phase modulation device according to (7).
  • the capture optical system is A plurality of optical path length correction members for correcting the optical path lengths of the plurality of high-order diffracted lights emitted from the optical phase modulation element;
  • the phase modulation device according to (7) including a lens array.
  • the capture optical system is A lens array for taking in the plurality of high-order diffracted lights emitted from the optical phase modulation element;
  • the condensing lens which comprises a part of telecentric optical system,
  • the phase modulation apparatus as described in said (7).
  • Light source An optical phase modulation element, comprising: a plurality of pixels having a pixel structure for suppressing the generation of high-order diffracted light; and modulating the phase of light from the light source for each of the pixels.
  • (12) Light source, An optical phase modulation element having a plurality of pixels and modulating the phase of light from the light source for each of the pixels; And a taking-in optical system for taking in a plurality of high-order diffracted lights generated in each of the pixels.
  • a lighting device A light intensity modulation element for intensity-modulating illumination light from the illumination device to generate a projection image;
  • the lighting device is Light source, A projector comprising: a plurality of pixels having a pixel structure that suppresses the generation of high-order diffracted light; and an optical phase modulation element that modulates the phase of light from the light source for each of the pixels.
  • a lighting device A light intensity modulation element for intensity-modulating illumination light from the illumination device to generate a projection image;
  • the lighting device is Light source, An optical phase modulation element having a plurality of pixels and modulating the phase of light from the light source for each of the pixels; And a taking-in optical system for taking in the plurality of high-order diffracted lights generated in each of the pixels.

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Abstract

本発明は、光位相変調素子における回折効率の向上を図ることが可能となる位相変調装置、照明装置、およびプロジェクタを提供することを目的とする。 本発明の位相変調装置は、例えば、画素ピッチｐが互いに異なるように配列されることにより、高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素（１０）を有し、画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子を備える。また、本発明の位相変調装置は、各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系（９１，９２，９３，３１０）を備える。

Description

位相変調装置、照明装置、およびプロジェクタ
　本開示は、光の位相を変調する位相変調装置に関する。また、光位相変調素子を用いて照明光を生成する照明装置、およびその照明光に基づいて映像を投影するプロジェクタに関する。
　光の位相を変調して所望の再生像を得る光位相変調素子が知られている。光位相変調素子は、例えば液晶パネル等のＳＬＭ（Spatial Light Modulator）で構成される。このような光位相変調素子の応用例として、プロジェクタにおいて、照明装置に光位相変調素子を用いることで画像に応じて位相変調された再生像を生成し、その再生像を映像表示用の光強度変調素子への照明光として利用する技術がある。また、光位相変調素子は、ホログラフィ技術等にも用いられる。また、光位相変調素子は、光スイッチや光コンピュータ等の技術にも用いられる。
特表２００９－５２４８４５号公報 特表２０１１－５０７０２２号公報 特開２０１４－２０６７１０号公報
　光位相変調素子では、画素の構造に起因して、高次回折光が発生し、回折効率が低下し得る。
　光位相変調素子における回折効率の向上を図ることが可能となる位相変調装置、照明装置、およびプロジェクタを提供することが望ましい。
　本開示の一実施の形態に係る第１の位相変調装置は、高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子を備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係る第１の照明装置は、光源と、高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、画素ごとに光源からの光の位相を変調する光位相変調素子とを備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係る第１のプロジェクタは、照明装置と、照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子とを含み、照明装置は、光源と、高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、画素ごとに光源からの光の位相を変調する光位相変調素子とを備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係る第１の位相変調装置、第１の照明装置または第１のプロジェクタでは、画素の構造に起因する高次回折光の発生が抑制される。
　本開示の一実施の形態に係る第２の位相変調装置は、複数の画素を有し、画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子と、各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系とを備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係る第２の照明装置は、光源と、複数の画素を有し、画素ごとに光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と、各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系とを備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係る第２のプロジェクタは、照明装置と、照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子とを含み、照明装置は、光源と、高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、画素ごとに光源からの光の位相を変調する光位相変調素子とを備えるものである。
　本開示の一実施の形態に係る第２の位相変調装置、第２の照明装置または第２のプロジェクタでは、光位相変調素子の各画素で発生した複数の高次回折光が、取り込み光学系によって取り込まれる。
　本開示の一実施の形態に係る第１の位相変調装置、第１の照明装置または第１のプロジェクタによれば、光位相変調素子の画素構造を高次回折光の発生を抑制する構造にしたので、光位相変調素子における回折効率の向上を図ることが可能となる。
　本開示の一実施の形態に係る第２の位相変調装置、第２の照明装置または第２のプロジェクタによれば、光位相変調素子の各画素で発生した複数の高次回折光を、取り込み光学系によって取り込むようにしたので、光位相変調素子における回折効率の向上を図ることが可能となる。
　なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
比較例に係る光位相変調素子の一例を概略的に示す平面図である。 比較例に係る光位相変調素子の画素位置と位相変調量との関係の一例を示す説明図である。 比較例に係る光位相変調素子の一構成例を示す断面図である。 比較例に係る位相変調装置の回路構成例を示すブロック図である。 比較例に係る光位相変調素子において発生する高次回折光の発生についての説明図である。 比較例に係る光位相変調素子の画素構造についての説明図である。 比較例に係る光位相変調素子における画素構造を考慮しなかった場合の回折現象についての説明図である。 比較例に係る光位相変調素子における画素構造を考慮した場合の回折現象についての説明図である。 本開示の第１の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の一構成例を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造についての説明図である。 第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造の一例を示す断面図である。 比較例に係る光位相変調素子の画素構造の一例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造の第１の例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造の第２の例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造の第３の例を示す平面図である。 第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造と画素構造に起因する回折パターンとの一例を示す説明図である。 第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子の画素構造の第４の例を示す平面図である。 第３の実施の形態に係る位相変調装置の第１の構成例を示す断面図である。 第３の実施の形態に係る位相変調装置の第２の構成例を示す断面図である。 第３の実施の形態に係る位相変調装置の第３の構成例を示す断面図である。 光位相変調素子のプロジェクタへの第１の適用例を示す構成図である。 光位相変調素子のプロジェクタへの第２の適用例を示す構成図である。 光位相変調素子の各種光学素子への適用例を示す説明図である。 ブレーズド回折格子の一例を示す断面図である。 光位相変調素子のブレーズド回折格子への適用例を示す説明図である。 光位相変調素子の光スイッチへの適用例を示す説明図である。 光位相変調素子の光コンピュータへの適用例を示す説明図である。
　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
　１．第１の実施の形態（図１～図１０）
　　１．１　比較例に係る位相変調装置の概要
　　１．２　比較例に係る位相変調装置の課題と課題を解決する構成
　　１．３　効果
　２．第２の実施の形態（図１１～図１７）
　　２．１　構成
　　２．２　効果
　３．第３の実施の形態（図１８～図２０）
　　３．１　構成
　　３．２　効果
　４．第４の実施の形態（光位相変調素子の適用例）（図２１～図２７）
　　４．１　プロジェクタへの適用例
　　４．２　各種光学素子への適用例
　　４．３　光スイッチへの適用例
　　４．４　光コンピュータへの適用例
　５．その他の実施の形態
＜１．第１の実施の形態＞
［１．１　比較例に係る位相変調装置の概要］
　図１は、比較例に係る位相変調装置に適用される光位相変調素子１０１の一例を概略的に示している。図２は、光位相変調素子１０１の画素位置と位相変調量との関係の一例を示している。図３は、光位相変調素子１０１の一断面の構成例を示している。
　光位相変調素子１０１は、第１の方向（例えば水平（横）方向）および第２の方向（例えば垂直（縦）方向）にマトリクス状に配置された複数の画素１０を有している。光位相変調素子１０１において、各画素１０ごとに光源からの光の位相を変調することで、回折格子として用いることができる。例えば図２に示したように、ブレーズド回折格子を構成できる。図２において、横軸は画素位置、縦軸は位相変調量を示す。位相の変調量は例えば０～２πの範囲となる。
　光位相変調素子１０１は、例えば、位相変調液晶パネルで構成されている。光位相変調素子１０１は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）で構成されていてもよい。
　図３は、光位相変調素子１０１を位相変調液晶パネルで構成した例を示している。光位相変調素子１０１は、例えば、互いに対向配置された第１のガラス基板２と第２のガラス基板３とを備えている。第１のガラス基板２と第２のガラス基板３との間には、液晶分子１４を含む液晶層１３が図示しない封止部材によって封止されている。
　第１のガラス基板２には、対向電極（共通電極）４が設けられている。第２のガラス基板３には、複数の画素電極１１が設けられている。図３には、複数の画素電極１１の一例として、隣り合う２つの画素電極のみを示している。
　対向電極４には、複数の画素電極１１に共通の共通電圧（例えば０［Ｖ］）が印加される。複数の画素電極１１には、入力信号に応じた印加電圧（例えばＶ１［Ｖ］）が印加される。光位相変調素子１０１における各画素１０の位相変調量は、印加電圧に応じて変化する。
　光位相変調素子１０１は、反射型の位相変調液晶パネルであってもよいし、透過型の位相変調液晶パネルであってもよい。反射型の位相変調液晶パネルの場合、対向電極４は光を透過する透明電極、画素電極１１は光を反射する反射電極で構成される。透過型の位相変調液晶パネルの場合、対向電極４と画素電極１１とが共に、光を透過する透明電極で構成される。
　このような光位相変調素子１０１は、例えばプロジェクタにおける光強度変調素子への照明光を生成する照明装置の一部として利用される。また、光位相変調素子１０１は、ホログラフィ技術等にも用いられる。また、光位相変調素子１０１は、光スイッチや光コンピュータ等の技術にも用いられる。
　図４は、比較例に係る位相変調装置の回路構成例を示している。
　位相変調装置は、光源５０からの光の位相を変調する光位相変調素子１０１と、位相分布演算回路５１と、位相変調素子駆動回路５２とを備えている。
　位相分布演算回路５１は、入力信号に基づいて、目的位相分布データ（位相変調信号）を生成する位相分布演算部である。目的位相分布データは、目的とする再生像６０（目的再生像）を光位相変調素子１０１によって再生することが可能となるような位相分布を持つデータである。
　ここで、例えば、光位相変調素子１０１をプロジェクタにおける照明装置の一部として利用する場合、入力信号は例えば画像信号である。この場合、再生像６０は照明対象物５を照明する照明像となる。照明対象物５は、例えばプロジェクタにおける強度変調液晶パネル等の光強度変調素子である。この場合、目的位相分布データは、プロジェクタで表示する画像に応じた輝度分布を持つ照明像を形成することが可能な位相分布パターンを持つデータである。
　回折素子駆動回路５２は、位相分布演算回路５１で生成された目的位相分布データに基づく印加電圧（駆動電圧）を生成し、各画素１０が目的とする位相分布となるように光位相変調素子１０１を駆動する。
　光位相変調素子１０１は、回折素子駆動回路５２によって与えられた印加電圧に基づいて光源５０からの光の位相を変調する。
［１．２　比較例に係る位相変調装置の課題と課題を解決する構成］
　次に、比較例に係る位相変調装置の課題と、その課題を解決するための第１の実施の形態に係る位相変調装置の構成を説明する。なお、以下では、比較例に係る位相変調装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
　図５は、比較例に係る光位相変調素子１０１において発生する高次回折光の発生についての説明図である。
　比較例に係る光位相変調素子１０１では、複数の画素１０が、横方向および縦方向に同一の画素ピッチ（ピクセルピッチ）ｐで等間隔に（一定の周期で）配列されている。このため、比較例に係る光位相変調素子１０１では、図５に示したように、画素ピッチをｐ、回折角をθ、入射する光の波長をλとすると、再生面（フーリエ変換面）では０次光のほか、以下の式の周期で高次回折光が発生する。この高次回折光は、光位相変調素子１０１において回折効率の低下の原因となる
　Ｓｉｎθ　＝　λ／ｐ
　図６は、比較例に係る光位相変調素子１０１の画素構造についての説明図である。
　比較例に係る光位相変調素子１０１の画素構造は、図６に示したように、くし型関数ｃｏｍｂ（ｘ）で表される。くし型関数ｃｏｍｂ（ｘ）のフーリエ変換した関数も、くし型関数ｃｏｍｂ（ｕ）で表される。
　図７は、比較例に係る光位相変調素子１０１における画素構造を考慮しなかった場合の回折現象についての説明図である。
　図７に示したように、画素構造を考慮しなかった場合、光位相変調素子１０１における位相分布ｇ（ｘ，ｙ）による再生像（回折像）Ｇ（μ，ν）は、位相分布ｇ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換した関数ＦＴ［ｇ（ｘ，ｙ）］で表される。また、光位相変調素子１０１から再生面までの伝搬距離をＬとすると、光位相変調素子１０１による回折により結像可能な範囲Ｄは、Ｌ（λ／２ｐ）となる。
　図８は、比較例に係る光位相変調素子１０１における画素構造を考慮した場合の回折現象についての説明図である。
　図８に示したように、画素構造を考慮した場合、光位相変調素子１０１における分布関数は、図８の式（１）で示したように、位相分布ｇ（ｘ，ｙ）と画素構造を示すくし型関数ｃｏｍｂ（ｘ／ｐ）・ｃｏｍｂ（ｙ／ｐ）との積で表される。この場合の再生像（回折像）Ｇａ（μ，ν）は、図８の式（２）で示したように、位相分布ｇ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換した関数ＦＴ［ｇ（ｘ，ｙ）］と画素構造を示すくし型関数ｃｏｍｂをフーリエ変換した関数ＦＴ［ｃｏｍｂ（ｘ／ｐ）・ｃｏｍｂ（ｙ／ｐ）］との畳み込み関数で表される。また、画素構造の回折により生じる高次回折光の周期Ｔは、Ｌ（λ／ｐ）となる。
　図９は、本開示の第１の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の一構成例を示す説明図である。
　上記したような高次回折光の発生を抑制するため、本実施の形態に係る光位相変調素子１は、画素構造が高次回折光の発生を抑制する構造とされている。
　本実施の形態に係る光位相変調素子１では、図９に示したように、複数の画素１０が、横方向および縦方向に非等間隔に（非周期で）配列されている。本実施の形態に係る光位相変調素子１では、隣り合う２つの画素１０の画素ピッチｐが互いに異なるように配列されている。なお、図９では、一例として、３つの異なる画素ピッチｐ１，ｐ２，ｐ３のみを図示している。このような構造は、例えば隣り合う画素間の幅（画素溝幅）を画素位置によって異ならせるようにすることで実現できる。この場合、画素１０は、隣り合う２つの画素間の画素溝１２の画素溝ピッチが変化するように配列される。これにより、画素位置によって、画素１０の重心位置、または画素溝１２の重心位置が変化するように画素１０を配列してもよい。図９では、一例として、２つの異なる画素溝ピッチｐｇ１，ｐｇ２のみを図示している。この場合、画素位置によって画素溝幅の重心位置が変化することで、画素ピッチｐの周期性が低下し、高次回折成分が減少する。
　なお、複数の画素１０は、横方向および縦方向のいずれか一方のみ、非等間隔に（非周期で）配列されていてもよい。
　図１０は、第１の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造についての説明図である。
　比較例に係る光位相変調素子１０１の画素構造は、図１０の上段に示したように、くし型関数ｃｏｍｂ（ｘ）で表される。これに対して、本実施の形態に係る光位相変調素子１では、図１０の下段に示したように、画素構造がくし型関数ｃｏｍｂ（ｘ）とは異なる関数によって表される。
［１．３　効果］
　以上のように、本実施の形態によれば、光位相変調素子１の画素構造を高次回折光の発生を抑制する構造にしたので、光位相変調素子１における回折効率の向上を図ることが可能となる。また、高次回折光による迷光の影響を低減できる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。以降の他の実施の形態の効果についても同様である。
＜２．第２の実施の形態＞
　次に、本開示の第２の実施の形態に係る位相変調装置について説明する。なお、以下では、上記第１の実施の形態に係る位相変調装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
［２．１　構成］
　図１１は、第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造の一例を示している。
　光位相変調素子１は、複数の画素電極１１と、画素電極１１の下層に配置された、遮光層８２と、信号線層８３と、トランジスタ・キャパシタ領域８４とを備えていてもよい。各層間は、コンタクトホール８１によって互いに接続されている。
　図１２は、比較例に係る光位相変調素子１０１の画素構造の一例を示している。
　比較例に係る光位相変調素子１０１では、複数の画素電極１１が、横方向および縦方向に同一の画素ピッチ（ピクセルピッチ）ｐで等間隔に（一定の周期で）配列されている。画素電極１１上のコンタクトホール８１のピッチｐｃは、画素ピッチｐとは異なるピッチとなるように配列されている。
　図１３は、第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造の第１の例を示している。図１４は、第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造の第２の例を示している。
　本実施の形態に係る光位相変調素子１においても、比較例に係る光位相変調素子１０１と同様に、複数の画素電極１１が、横方向および縦方向に同一の画素ピッチ（ピクセルピッチ）ｐで等間隔に（一定の周期で）配列されている。また、画素電極１１上のコンタクトホール８１のピッチｐｃが、画素ピッチｐと略同一のピッチとなるように配列されている。これにより、横方向および縦方向において、画素電極１１の配列の周期と、コンタクトホール８１の配列の周期とが略同一とされている。
　図１５は、第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造の第３の例を示している。
　また、本実施の形態に係る光位相変調素子１は、図１５に示したように、横方向および縦方向において、コンタクトホール８１の配列の周期がランダムとされていてもよい。すなわち、コンタクトホール８１が非周期的に配列されていてもよい。これにより、画素位置によってコンタクトホール８１のピッチｐｃが異なっていてもよい。なお、図１５では、一例として、２つの異なるピッチｐｃ１，ｐｃ２のみを図示している。
　図１６は、第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造と画素構造に起因する回折パターンとの一例を示している。
　図１６の表の上段には、画素電極１１の配列の周期と、コンタクトホール８１の配列の周期とが略同一とされている場合の空間周波数成分と回折パターンとの一例を示す。図１６の表の下段には、比較例として、画素電極１１の配列の周期と、コンタクトホール８１の配列の周期とが異なる場合の空間周波数成分と回折パターンとの一例を示す。比較例の場合、コンタクトホール８１の配列の周期に起因して、短周期回折光が生じており、回折効率の低下を招く。
　図１７は、第２の実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１の画素構造の第４の例を示している。
　図１７には、画素電極１１の下層に配置された下地電極層８５を考慮した画素構造を示す。ここで、下地電極層８５は、例えば図１１に示した遮光層８２であってもよい。
　図１７に示したように、下地電極層８５のピッチｐｄを、画素ピッチｐと略同一のピッチとなるように配列することが好ましい。これにより、横方向および縦方向において、画素電極１１の配列の周期と、下地電極層８５の配列の周期とを略同一にすることが好ましい。これにより、下地電極層８５に起因する不要な回折光を低減することができる。
［２．２　効果］
　本実施の形態によれば、コンタクトホール８１の構造を考慮した画素構造にしたので、光位相変調素子１における回折効率の向上を図ることが可能となる。また、高次回折光による迷光の影響を低減できる。
　その他の構成は、上記第１の実施の形態に係る位相変調装置と略同様であってもよい。
＜３．第３の実施の形態＞
　次に、本開示の第３の実施の形態に係る位相変調装置について説明する。なお、以下では、上記第１または第２の実施の形態に係る位相変調装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
［３．１　構成］
　本実施の形態に係る位相変調装置は、光位相変調素子１の各画素１０で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系を備えた構成とされている。なお、本実施の形態に係る位相変調装置における光位相変調素子１を、上記した比較例に係る光位相変調素子１０１で構成してもよい。比較例に係る光位相変調素子１０１で構成した場合、上記したように、各画素１０で複数の高次回折光が発生しやすくなる。本実施の形態では、この高次回折光を、取り込み光学系によって有効な回折光として取り込むことで、回折効率の向上を図る。
　図１８は、本実施の形態に係る位相変調装置の第１の構成例を示している。
　図１８では、取り込み光学系が、光位相変調素子１から出射された複数の高次回折光を反射する複数のミラー９１と、複数のミラーによって反射された複数の高次回折光を取り込むフライアイレンズアレイ９２とを含む構成されている。フライアイレンズアレイ９２は、複数のフライアイレンズ９２Ａを有している。
　なお、取り込み光学系は、図１８における紙面に直交する方向も略同様の構造であってもよい。
　図１９は、本実施の形態に係る位相変調装置の第２の構成例を示している。
　図１９では、取り込み光学系が、光位相変調素子１から出射された複数の高次回折光のそれぞれの光路長を補正する光路長補正部材としての複数のプリズム９３と、複数のプリズム９３によって光路長補正された複数の高次回折光を取り込むフライアイレンズアレイ９２とを含む構成されている。フライアイレンズアレイ９２は、複数のフライアイレンズ９２Ａを有している。
　図２０は、本実施の形態に係る位相変調装置の第３の構成例を示している。
　図２０では、本実施の形態に係る位相変調装置を、例えばプロジェクタを構成する照明光学系３２０と組み合わせた構成例を示している。照明光学系３２０は、ダイクロイックプリズム等の偏光分離素子３０２を介して光強度変調素子３０１を照明する光学系である。
　照明光学系３２０は、集光レンズ３２１を有している。照明光学系３２０は、ミラー等の光学素子３２２を有していてもよい。
　図２０では、取り込み光学系として、高次光取り込み光学系３１０を備えている。高次光取り込み光学系３１０は、光位相変調素子１から出射された複数の高次回折光を取り込む一対のレンズアレイ３１１およびレンズアレイ３１２と、集光レンズ３１３とを有している。高次光取り込み光学系３１０の集光レンズ３１３は、照明光学系３２０の集光レンズ３２１と共に、テレセントリック光学系３３０の一部を構成している。
［３．２　効果］
　本実施の形態によれば、光位相変調素子１の各画素１０で発生した複数の高次回折光を、取り込み光学系によって取り込むようにしたので、光位相変調素子１における回折効率の向上を図ることが可能となる。また、高次回折光による迷光の影響を低減できる。
　その他の構成は、上記第１または第２の実施の形態に係る位相変調装置と略同様であってもよい。
＜４．第４の実施の形態＞
　次に、本開示の第４の実施の形態について説明する。なお、以下では、上記第１ないし第３の実施の形態に係る位相変調装置の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
　本実施の形態では、光位相変調素子１の適用例を説明する。
［４．１　プロジェクタへの適用例］
　本実施の形態に係るプロジェクタは、照明装置と、照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子とを含んでいる。照明装置は、光源と、光源からの光の位相を変調する位相変調装置とを含んでいる。位相変調装置は、上記第１ないし第３の実施の形態に係る位相変調装置で構成され、光位相変調素子１を含んでいる。光位相変調素子１による再生像は、プロジェクタで表示する画像に応じた輝度分布を持つ照明像として利用される。この照明像を光強度変調素子に対する照明光として利用する。
　図２１は、光位相変調素子１のプロジェクタ１００への第１の適用例を示している。
　この第１の適用例は、光位相変調素子１が反射型光位相変調素子１１１である場合の構成例である。
　プロジェクタ１００は、光源装置１１０と、照明光学系１２０と、画像形成部１３０と、投影光学系１４０とを備えている。反射型光位相変調素子１１１は、光源装置１１０と、照明光学系１２０との間に配置されている。
　画像形成部１３０は、反射型偏光板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと、反射型液晶パネル３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃと、ダイクロイックプリズム３３とを有している。反射型液晶パネル３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、光強度変調素子である。
　光源装置１１０は、赤色光、緑色光、および青色光を含む光を発する。光源装置１１０は、例えば赤色光、緑色光、および青色光を含む白色光を発する単一または複数のレーザ光源で構成されている。また、光源装置１１０は、それぞれ、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、および青色（Ｂ）光の各色光を発する各色のレーザ光源を、色ごとに１または複数、用いた構成であってもよい。
　反射型光位相変調素子１１１は、光源装置１１０からの光の位相を変調して所望の照明像（照明光）を生成する。反射型光位相変調素子１１１によって生成された照明光は、照明光学系１２０を介して、反射型液晶パネル３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを照明する。
　照明光学系１２０は、ダイクロイックミラー２４Ａ，２４Ｂと、反射ミラー２５Ａ，２５Ｂと、レンズ２６Ａ，２６Ｂと、ダイクロイックミラー２７と、偏光板２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃとを有している。
　ダイクロイックミラー２４Ａ，２４Ｂは、所定の波長域の光を選択的に反射し、それ以外の波長域の光を選択的に透過させる。例えばダイクロイックミラー２４Ａは、主に赤色光と緑色光とを反射ミラー２５Ａの方向へ反射させる。また、ダイクロイックミラー２４Ｂは、主に青色光を反射ミラー２５Ｂの方向へ反射させる。反射ミラー２５Ａは、ダイクロイックミラー２４Ａからの光（主に赤色光と緑色光）をレンズ２６Ａに向けて反射する。反射ミラー２５Ｂは、ダイクロイックミラー２４Ｂからの光（主に青色光）をレンズ２６Ｂに向けて反射する。レンズ２６Ａは、反射ミラー２５Ａからの光（主に赤色光と緑色光）を透過し、ダイクロイックミラー２７へ集光させる。レンズ２６Ｂは、反射ミラー２５Ｂからの光（主に青色光）を透過し、ダイクロイックミラー２７へ集光させる。ダイクロイックミラー２７は、緑色光を選択的に反射すると共にそれ以外の波長域の光を選択的に透過する。ダイクロイックミラー２７は、例えば赤色光成分を透過し、緑色光成分を偏光板２８Ｃへ向けて反射する。偏光板２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、所定方向の偏光軸を有する偏光子を含んでいる。偏光板２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃは、例えばＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。
　反射型偏光板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、それぞれ、偏光板２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃからの偏光光の偏光軸と同じ偏光軸の光（例えばＰ偏光）を透過し、それ以外の偏光軸の光（Ｓ偏光）を反射する。具体的には、反射型偏光板３１Ａは、偏光板２８ＡからのＰ偏光の赤色光を反射型液晶パネル３２Ａの方向へ透過させる。反射型偏光板３１Ｂは、偏光板２８ＢからのＰ偏光の青色光を反射型液晶パネル３２Ｂの方向へ透過させる。反射型偏光板３１Ｃは、偏光板２８ＣからのＰ偏光の緑色光を反射型液晶パネル３２Ｃの方向へ透過させる。さらに、反射型偏光板３１Ａは、反射型液晶パネル３２ＡからのＳ偏光の赤色光を反射してダイクロイックプリズム３３に入射させる。反射型偏光板３１Ｂは、反射型液晶パネル３２ＢからのＳ偏光の青色光を反射してダイクロイックプリズム３３に入射させる。反射型偏光板３１Ｃは、反射型液晶パネル３２ＣからのＳ偏光の緑色光を反射してダイクロイックプリズム３３に入射させる。
　反射型液晶パネル３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、それぞれ、赤色光、青色光または緑色光の強度変調を行う。
　ダイクロイックプリズム３３は、反射型液晶パネル３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃによって強度変調された赤色光、青色光および緑色光を合成し、投影画像として投影光学系１４０へ向けて出射する。
　投影光学系１４０は、レンズＬ４１，Ｌ４２，Ｌ４３，Ｌ４４を有する。投射光学系１４０は、画像形成部１３０によって生成された投影画像を拡大して図示しないスクリーン等の投影面に投影する。なお、投影光学系１４０のレンズ枚数やレンズ構成は、図示した構成に限らず、他のレンズ枚数やレンズ構成を取り得る。また、光路中に反射ミラーや光学フィルタ等、他の光学素子を含んでもよい。
　図２２は、光位相変調素子１のプロジェクタ１００への第２の適用例を示している。
　この第２の適用例は、光位相変調素子１が透過型光位相変調素子１１２である場合の構成例である。
　透過型光位相変調素子１１２は、光源装置１１０と、照明光学系１２０との間に配置されている。
　その他の構成は、図２１の第１の適用例と同様である。
［４．２　各種光学素子への適用例］
　図２３は、光位相変調素子１の各種光学素子への適用例を示している。
　図２３に示したように、各種光学素子として、凸レンズ、凹レンズ、レンズアレイ、フレネルレンズ、および自由曲面レンズ等の各種レンズが知られている。これらのレンズでは、レンズ材料の厚みを変えることで、光路長を変化させている。光位相変調素子１では、素子内の屈折率分布を変えることで、光路長を変化させることができる。これにより、各種レンズと同等の光学特性を得ることができる。
　図２４は、ブレーズド回折格子２０１の一例を示している。
　ブレーズド回折格子２０１は、断面形状が鋸歯状の回折格子となっている。ブレーズド回折格子２０１は、回折ピッチをｐａ、回折角をθ、入射する光の波長をλとすると以下の式が成り立つ。
　ｓｉｎθ≦λ／２ｐａ
　図２５は、光位相変調素子１のブレーズド回折格子２０１への適用例を示している。
　図１～図３にも示したように、光位相変調素子１は、各画素１０ごとに光源からの光の位相を変調して素子内の屈折率分布を変えることで、回折格子として用いることができる。図２５に示したように、光位相変調素子１の画素ピッチはｐであるが、複数の画素１０の屈折率分布を鋸歯状にすることで、回折ピッチｐａのブレーズド回折格子２０１と同等の光学特性を得ることができる。
［４．３　光スイッチへの適用例］
　図２６は、光位相変調素子１の光スイッチへの適用例を示している。
　光スイッチは、光ファイバ２１０と、回折格子２２１と、複数の光ファイバ２１１，２１２，２１３とを備えている。回折格子２２１と、複数の光ファイバ２１１，２１２，２１３との間に光位相変調素子１を配置する。また、さらに回折格子２２１に代えて光位相変調素子１を配置した構成であってもよい。
　この光スイッチでは、異なるキャリア波長（λ１、λ２、λ３）の信号を光ファイバ２１０に入力して伝送する。回折格子２２１は、光ファイバ２１０によって伝送された各キャリア波長の信号が、波長ごとに光位相変調素子１の異なる位置に入力されるように信号を分離する。光位相変調素子１に入力された各キャリア波長の信号は、複数の光ファイバ２１１，２１２，２１３のうち、所望の光ファイバに振り分けられる。
［４．４　光コンピュータへの適用例］
　図２７は、光位相変調素子１の光コンピュータへの適用例を示している。
　この光コンピュータは、それぞれが光位相変調素子１で構成された複数の光位相変調素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを備えている。
　入射した光を光位相変調素子１Ａによって位相変調することにより、信号Ａに基づく信号Ａ（ｘ，ｙ）を生成する。次に、光位相変調素子１Ｂによって、信号Ａ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換した信号ＦＴ（Ａ）を得る。次に、光位相変調素子１Ｃによって、信号Ｂとのコンボリューション信号ＦＴ（Ａ）＊ＦＴ（Ｂ）を得る。次に、光位相変調素子１Ｄによって、信号ＦＴ（Ａ）＊ＦＴ（Ｂ）を逆フーリエ変換することにより、信号Ａ（ｘ，ｙ）と信号Ｂ（ｘ，ｙ）との積Ａ（ｘ，ｙ）×Ｂ（ｘ，ｙ）を得る。
＜５．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
　例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
（１）
　高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、前記画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子
　を備える
　位相変調装置。
（２）
　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、隣り合う２つの画素間の画素溝のピッチが変化するように配列されている
　上記（１）に記載の位相変調装置。
（３）
　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、画素の重心位置、または隣り合う２つの画素間の画素溝の重心位置が変化するように配列されている
　上記（１）に記載の位相変調装置。
（４）
　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、
　前記各画素は、画素電極と、前記画素電極に接続されたコンタクトホールとを含み、
　前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記画素電極の配列の周期と、前記コンタクトホールの配列の周期とが略同一とされている
　上記（１）に記載の位相変調装置。
（５）
　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、
　前記各画素は、画素電極と、前記画素電極に接続されたコンタクトホールとを含み、
　前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記コンタクトホールが非周期的に配列されている
　上記（１）に記載の位相変調装置。
（６）
　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、
　前記各画素は、画素電極と、前記画素電極の下層に配置された下地電極層とを含み、
　前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記画素電極の配列の周期と、前記下地電極層の配列の周期とが略同一とされている
　上記（１）または（４）に記載の位相変調装置。
（７）
　複数の画素を有し、前記画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子と、
　前記各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系と
　を備える
　位相変調装置。
（８）
　前記取り込み光学系は、
　前記光位相変調素子から出射された前記複数の高次回折光を反射するミラーと、
　前記ミラーによって、反射された前記複数の高次回折光を取り込むレンズアレイと
　を含む
　上記（７）に記載の位相変調装置。
（９）
　前記取り込み光学系は、
　前記光位相変調素子から出射された前記複数の高次回折光のそれぞれの光路長を補正する複数の光路長補正部材と、
　レンズアレイと
　を含む
　上記（７）に記載の位相変調装置。
（１０）
　前記取り込み光学系は、
　前記光位相変調素子から出射された前記複数の高次回折光を取り込むレンズアレイと、
　テレセントリック光学系の一部を構成する集光レンズと
　を含む
　上記（７）に記載の位相変調装置。
（１１）
　光源と、
　高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と
　を備える
　照明装置。
（１２）
　光源と、
　複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と、
　前記各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系と
　を備える
　照明装置。
（１３）
　照明装置と、
　前記照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子と
　を含み、
　前記照明装置は、
　光源と、
　高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と
　を備える
　プロジェクタ。
（１４）
　照明装置と、
　前記照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子と
　を含み、
　前記照明装置は、
　光源と、
　複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と、
　前記各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系と
　を備える
　プロジェクタ。
　本出願は、日本国特許庁において２０１７年８月７日に出願された日本特許出願番号第２０１７－１５２６２３号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (14)

  1. 　高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、前記画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子
    　を備える
    　位相変調装置。
  2. 　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、隣り合う２つの画素間の画素溝のピッチが変化するように配列されている
    　請求項１に記載の位相変調装置。
  3. 　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記画素の重心位置、または隣り合う２つの画素間の画素溝の重心位置が変化するように配列されている
    　請求項１に記載の位相変調装置。
  4. 　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、
    　前記各画素は、画素電極と、前記画素電極に接続されたコンタクトホールとを含み、
    　前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記画素電極の配列の周期と、前記コンタクトホールの配列の周期とが略同一とされている
    　請求項１に記載の位相変調装置。
  5. 　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、
    　前記各画素は、画素電極と、前記画素電極に接続されたコンタクトホールとを含み、
    　前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記コンタクトホールが非周期的に配列されている
    　請求項１記載の位相変調装置。
  6. 　前記複数の画素は、第１の方向および第２の方向にマトリクス状に配列され、
    　前記各画素は、画素電極と、前記画素電極の下層に配置された下地電極層とを含み、
    　前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方の方向において、前記画素電極の配列の周期と、前記下地電極層の配列の周期とが略同一とされている
    　請求項１に記載の位相変調装置。
  7. 　複数の画素を有し、前記画素ごとに光の位相を変調する光位相変調素子と、
    　前記各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系と
    　を備える
    　位相変調装置。
  8. 　前記取り込み光学系は、
    　前記光位相変調素子から出射された前記複数の高次回折光を反射するミラーと、
    　前記ミラーによって、反射された前記複数の高次回折光を取り込むレンズアレイと
    　を含む
    　請求項７に記載の位相変調装置。
  9. 　前記取り込み光学系は、
    　前記光位相変調素子から出射された前記複数の高次回折光のそれぞれの光路長を補正する複数の光路長補正部材と、
    　レンズアレイと
    　を含む
    　請求項７に記載の位相変調装置。
  10. 　前記取り込み光学系は、
    　前記光位相変調素子から出射された前記複数の高次回折光を取り込むレンズアレイと、
    　テレセントリック光学系の一部を構成する集光レンズと
    　を含む
    　請求項７に記載の位相変調装置。
  11. 　光源と、
    　高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と
    　を備える
    　照明装置。
  12. 　光源と、
    　複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と、
    　前記各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系と
    　を備える
    　照明装置。
  13. 　照明装置と、
    　前記照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子と
    　を含み、
    　前記照明装置は、
    　光源と、
    　高次回折光の発生を抑制する画素構造とされた複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と
    　を備える
    　プロジェクタ。
  14. 　照明装置と、
    　前記照明装置からの照明光を強度変調して投影画像を生成する光強度変調素子と
    　を含み、
    　前記照明装置は、
    　光源と、
    　複数の画素を有し、前記画素ごとに前記光源からの光の位相を変調する光位相変調素子と、
    　前記各画素で発生した複数の高次回折光を取り込む取り込み光学系と
    　を備える
    　プロジェクタ。
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