CN1740842A - 照明光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供分辨率和对比度高的微型反射镜阵列构成的空间光调制器的照明光学装置。设有与光轴倾斜地设置的平面光源和远心光学系统，平面光源和空间光调制器配置成满足辛普弗鲁格关系，并在与照明光轴以预定角度倾斜地设置的空间光调制器上的所有微型反射镜上，使主光线与照明光轴一致地将平面光源成像而照明。从而，将空间光调制器的各微型反射镜照明的照明光，从其主光线平行且与空间光调制器按预定角度倾斜的方向进行照明。从而得到高分辨率和排除了杂散光的高对比度。

Description

照明光学装置

技术领域

以数字微镜装置(Digital Micro Mirror Device)(以下称为DMD)为代表的微型反射镜的阵列组成的空间光调制器，作为投影机等的图像显示装置、光造形装置或曝光装置等的图案发生部件，以及显微镜的共焦点扫描部件加以利用。利用空间光调制器的设备由空间光调制器本体及其前后的前级与后级两个光学系统构成。首先用前级的照明光学系统将光导入到空间光调制器，在空间光调制器中进行空间光调制，通过适于利用装置的后级的成像光学系统或投影光学系统等，使输出光具有与利用空间光调制器的设备目的相应的所期望的功能。本发明涉及由向微型反射镜的阵列组成的空间光调制器导入照明光的前级的照明光学系统构成的照明光学装置。

背景技术

DMD由德州仪器公司(美国德州)开发，是具有±10度或±12度倾斜变动角的微型反射镜的二维阵列。DMD的空间光调制功能通过微型反射镜的倾斜变动控制切换照明光的传输方向来实现。有集成度达到640×480、1024×768等数种这类器件在销售。为了沿DMD的垂直方向反射光必须沿20度或24度的方向入射光。由于DMD相对照明光轴已有倾斜，以及微型反射镜还可按规定角度10度或12度倾斜变动这两个原因，未能完全发挥以DMD为代表的微型反射镜的阵列组成的空间光调制器的性能的最佳的照明系统。

传统的利用DMD的装置的照明光学系统有利用平行光的照明方法和将光源的像成像于DMD上的照明方法。

基于平行光的照明方法中，利用大致的平行光。但是存在其平行稍微偏离会造成装置的焦平面错开的问题。图6中例示的不平行的光导引到DMD上时的情况，表示会聚光对DMD的照明，显示了比平行光偏差很大的状态。焦平面不与垂直于光轴的面一致。而且，由于光源不是点光源，即光源有一定的大小，因而难以获得严格的平行光。由于这种现象存在使装置的分辨率和对比度劣化的问题。而平行性优良的激光相干性高，会因DMD的结构而出现干涉图案，因而不能利用。

将光源的像成像于DMD的照明方法中，由光源出射的光通过利用了棒积分器的光照度的均一化部件，用中继透镜组在棒积分器的出射端面或者在进行投影机等彩色显示时滤色片的像在DMD上成像或照明。但是，由于DMD相对照明光轴倾斜，难以在相对照明光轴垂直的出射端面或使滤色片高精度成像。基于这样的理由，使得装置的分辨率和对比度劣化。另外，用完全平行光进行照明时，照明光的入射角度在各个微型反射镜全部一定，但在传统的成像方法中不一定而存在因DMD上的微型反射镜的位置而出现偏差的问题，在传统的成像照明方法中后级的投影系统等的像模糊。另外，在传统的成像照明方法中，还存在即便设置了棒积分器等的将照度均一化的光学元件，也会发生作为成像系统的余弦四次方定律造成的照度不匀的问题。

一般，DMD的照明系统与摄像机或显微镜等的照明光一度照到物体上即成为散射光的系统不同，其照明对象为反射镜且照明光的质量也反映在DMD的出射光中。如果对照明光的技术措施不足，即便处理DMD的出射光的后级光学系统采用高性能的成像系统或投影系统也不能提高整个装置的分辨率和对比度。总之，在传统的照明方法中难以发挥DMD所具有的最大性能。

以上的各项问题，在上述DMD以外的空间光调制器，例如日本的专利文献3和专利文献4等中公开的微型反射镜的阵列组成的空间光调制器上也同样存在。

专利文献1：特开2002-367900号公报

专利文献2：特开2002-268010号公报

专利文献3：特开2001-75029号公报

专利文献4：特开平7-306368号公报

发明内容

本发明鉴于上述的问题构思而成，旨在对利用具有高分辨率和排除杂散光的高对比度的、由微型反射镜的阵列组成的空间光调制器的设备提供最佳的照明光学装置。

为达成上述目的，权利要求1的发明的照明光学装置具备由微型反射镜的阵列构成的空间光调制器，该空间光调制器相对照明光轴以规定角度倾斜地设置，同时用来自光源的光照明所述空间光调制器，采用所述照明光学装置的设备利用由所述空间光调制器作了空间光调制的光；

所述照明光学装置中设有：相对所述照明光轴倾斜配置的平面光源和两侧的远心透镜光学系统，所述平面光源在空间光调制器上满足辛普弗鲁格(scheimpflug)关系地成像。

权利要求2的发明如权利要求1所述，其平面光源包含将来自光源的光照度调整均匀的棒积分器和在该棒积分器的出射端附近倾斜设置的视场光阑，所述棒积分器的出射端附近是由棒积分器的出射角确定的锥体轮廓的内侧，同时所述锥体的底面是棒积分器的出射端面，从棒积分器的入射端导入来自所述光源的光，在所述视场光阑的位置上生成所述平面光源。

权利要求3的发明如权利要求1所述，其平面光源包含其出射端被斜截的棒积分器，向该棒积分器的入射端导入来自光源的光，在该棒积分器的出射端面上生成所述平面光源。

权利要求4的发明如权利要求1所述，其平面光源设置成相对照明光轴具有偏斜角，同时包含其出射端斜截的棒积分器，向该棒积分器的入射端导入来自光源的光，在该棒积分器的出射端上生成所述平面光源。

权利要求5的发明如权利要求1所述，其平面光源是配光角度被调整的薄膜散射体。

权利要求6的发明如权利要求1所述，其平面光源是面发光体。

权利要求7的发明如权利要求1～6中任一项所述的发明，其中设有使来自平面光源的照明光的面内分布在每个空间光调制器的微型反射镜上均匀的部件。

依据权利要求1的发明，照明空间光调制器的各微型反射镜的照明光其主光线平行且相对空间光调制器以规定角度倾斜的方向照明，因此得到高分辨率和排除了杂散光的高对比度。

依据权利要求2的发明，通过在棒积分器的出射端附近设置的视场光阑的开口面上限定平面光源，遮断空间光调制器的照明上不需要的光(杂散光)，该空间光调制器相对光轴与相对光轴垂直的棒积分器的出射端面以规定角度倾斜地配置。从而，能够提高分辨率和对比度，并提高利用了空间光调制器的光学装置的整个视野的分辨率。

依据权利要求3的发明，将具有倾斜切断的出射端的棒积分器相对照射光轴具有偏斜角地设置，在出射端面作为二次光源生成平面光源，从而形成考虑了棒积分器的出射端面的配光特性且无损耗光的明亮的照明装置。

附图说明

图1是本发明的照明光学装置的示意图。

图2是利用本发明的照明光学装置的投影机的示图。

图3是说明视场光阑相对棒积分器的设置范围的示图。

图4是利用本发明的照明光学装置的曝光装置的示图。

图5是补偿照明不匀的曝光的流程图。

图6是用会聚光照明DMD时的焦点位置的示图。

(符号说明)

1光源，2聚光装置，3棒积分器，4视场光阑，5照明光学系统的透镜组，6孔径光阑，7投影光学系统的透镜，8投影机的显示屏，10DMD，20计算机，30试样。

具体实施方式

图1是本发明的照明光学装置的概念图。为了实现空间光调制功能，与照明光轴以规定角度倾斜地设置由微型反射镜的阵列构成的空间光调制器。这种空间光调制器以DMD为代表，因此在以下的说明中用DMD代称。

平面光源与DMD的照明光轴倾斜地设置。在该平面光源与DMD之间配置构成照明光学系统的远心光学系统。通过该远心光学系统，平面光源的像在DMD上成像。该结构中平面光源与DMD均与照明光轴倾斜地设置，但配置成使平面光源和DMD与远心光学系统满足辛普弗鲁格(scheimpflug)关系。入射到DMD的照明光经空间光调制后成为出射光，并导入到后级的投影光学系统等。

将DMD的各个微型反射镜照明的照明光，其主光线平行且相对DMD以规定角度的倾斜方向照明。照明光的张角β为一定且以利用远心光学系统的孔径光阑并考虑平面光源的配光特性和相对DMD的角度β的可入射的范围，能够容易地进行调整。也不会发生其它光学系统的余弦四次方定律造成的照度不匀。

按照DMD的各种用途，采用本发明的照明光学装置，通过组合DMD的入射侧和DMD的出射侧的处理，能够提供分辨率和对比度高的光学设备。

实施例1

图2示出利用本发明的照明光学装置的投影机。投影机中经由DMD设有照明光学系统和投影光学系统。投影光学系统的光轴与DMD垂直，照明光学系统的光轴在DMD的位置上以24度的角度交叉。该角度在本实施例中为24度，但根据所采用的DMD，有时为20度。

照明光学系统由光源1、聚光装置2、棒积分器3、视场光阑4、两侧的远心透镜组5和孔径光阑6构成。

投影光学系统的DMD10侧由远心的投影透镜7和显示屏8构成。

棒积分器3将从光源出射的光导入并将照度调整均匀。视场光阑4倾斜地设在棒积分器3的出射端附近。这里，棒积分器3的出射端附近如图3的斜线部分所示，是由棒积分器3的出射角确定的锥体30的轮廓内侧。锥体30在棒积分器3为圆柱时为圆锥，棱柱时为四棱锥。锥体30的底面是棒积分器3的出射端面31。

锥体30的轮廓内侧设置视场光阑4时在该位置(光阑开口面)40上生成平面光源。

棒积分器3的出射角由从光源入射到棒积分器3的角度和棒积分器3的材料折射率确定的全反射角中的一个角度确定。视场光阑4遮断来自锥体30外侧的不能视为平面光源的区域的光，并抑制杂散光。

视场光阑4的像通过形成两侧的远心光学系统的透镜组5后在DMD10上成像。视场光阑4和DMD10均与光轴倾斜，但设于满足与透镜组5的辛普弗鲁格关系的共轭位置。通过该光学系统，平面光源在DMD10的所有的微型反射镜上成像，并且主光线与投影光轴成24度的角度且平行。

投影光学系统中设有其DMD10侧为远心的投影透镜，从DMD10反射的主光线以平行状态导入投影透镜7并放大投影到显示屏8上。

利用本结构的照明光学系统，在倾斜的DMD10上成像倾斜于光轴的平面光源，因此在成像光学系统上发生公知的梯形畸变，结果产生照明不匀。但对于投影机而言处于不影响所要求性能的范围。还有，若要求更均匀的显示，则可如后述的实施例2中那样采用补偿曝光装置的照明不匀的部件。

实施例2

图4示出利用本发明的照明光学装置的曝光装置。曝光装置中经由与计算机20连接的DMD10设有照明光学系统和两侧远心缩小投影光学系统，在DMD10上显示预先在计算机20中保存的图案，在试样30上曝光图案。

构成照明光学系统的照明光学装置由光源1、聚光装置2、棒积分器3、构成远心光学系统的透镜组5和孔径光阑6构成。

棒积分器3的出射端面31以角度B斜截，且棒积分器3的轴与照明光轴的以角度A偏斜。棒积分器3的出射端面31和DMD10对于远心光学系统满足辛普弗鲁格关系。

通过设置偏斜角，使来自棒积分器3的出射端面31的光与照明光轴一致，结果使光利用效率成为最好。

图4中，若设

A：偏斜设置角(棒积分器3的轴与照明光轴之夹角)；

B：斜截角(棒积分器3的轴与棒积分器出射端面31之夹角)；

C：出射端倾斜角(棒积分器出射端面31和照明光轴之夹角)；

n：棒积分器芯部的折射率，则出射端倾斜角C以对于远心光学系统满足与DMD10的倾斜角的辛普弗鲁格关系来确定。并且，若设空气的折射率为1，则斯内尔定律成立，即nSinB＝Sin(A+B)。另外A+B+C＝90度，因此，在C和n被确定时，A和B也分别被确定。

棒积分器3的出射端31和DMD10的配置满足对于远心光学系统的辛普弗鲁格关系。依据这种结构，能够在DMD10上的所有的微型反射镜上主光线平行且从以规定角度倾斜的方向将平面光源成像。另外，通过偏斜角A消除光束的浪费而能高效率地对DMD10进行照明。

本实施例中，采用2枚透镜和孔径光阑6组成的最简单结构的远心光学系统，但可以采用利用透镜组补偿像差的结构或更小型的结构。另外放大率约为2.5倍，但并不以此为限。

接着，就在每个DMD10的微型反射镜上使来自平面光源的照明光的面内分布均匀的部件进行说明。

利用本发明的照明光学系统时，将与光轴倾斜的平面光源成像于倾斜的DMD上，因此发生梯形畸变且产生照明不匀。

通过曝光装置说明补偿照明不匀的具体例。图5示出补偿照明不匀的曝光的流程。

首先，通过利用计算机的照明光学模拟器，计算构成远心光学系统的透镜组的DMD位置上的照度分布，即每个DMD的微型反射镜(以下记为像素)(x，y)的照度。为了将它标准化而计算每个像素的照度的倒数，作为照明不匀补偿表N(x，y)。该补偿表被预先存储。

所要的曝光图案G(x，y)被输入到计算机中，算出按每个像素进行补偿的控制值S(x，y)。

S(x，y)＝G(x，y)×N(x，y)

这里能够进行通过控制值S(x，y)控制DMD来补偿照明不匀的曝光。

DMD的控制法有强度调节法和时间调节法等两种方法。强度调节法通过脉宽调制(PWM)使微型反射镜精密地开合，将曝光时间内的强度作为控制值S(x，y)。另一方面，时间调节法仅在控制值S(x，y)的时间内使微型反射镜作用。用其中任一方法控制DMD。

照明不匀补偿的另一方法可为在DMD的位置上设置CCD等图像检出器，通过该图像检出器进行实际测量。由实测值计算N(x，y)。如果实际测量每个像素的照度，就能进行包含光源、棒积分器在内的整个照明系统的补偿。

由于能够对DMD上的所有微型反射镜以规定角(20度或24度)进行照明，所以能够发挥DMD的利用装置的整个视角范围上的高分辨率，同时能够有效利用来自光源的光能而无浪费。

如上述的实施例所示，平面光源通过变换部件将来自光源的光进行变换并作为二次光源生成。变换部件除利用上述的棒积分器的方法以外还可以利用薄膜散射体或由光纤集合而成的光纤板等。将薄膜散射体或光纤板的出射面与照明光轴倾斜配置，使得对于远心光学系统的与DMD的辛普弗鲁格关系得到满足。

另外，平面光源本身可为平面状发光的面发光体，也可以使用电致发光体、LED的集成体等。当然面发光体可与照明光轴倾斜配置，以对于远心光学系统满足与DMD的辛普弗鲁格关系。

Claims (7)

1.一种照明光学装置，其中设有由微型反射镜的阵列构成的空间光调制器，该空间光调制器相对照明光轴以规定角度倾斜地设置，同时用来自光源的光照明所述空间光调制器，采用所述照明光学装置的设备利用由所述空间光调制器作了空间光调制的光；

所述照明光学装置中设有相对所述照明光轴倾斜配置的平面光源和两侧的远心透镜光学系统，所述平面光源在空间光调制器上满足辛普弗鲁格关系地成像。

2.如权利要求1所述的照明光学装置，其特征在于：平面光源包含将来自光源的光照度调整均匀的棒积分器和在该棒积分器的出射端附近倾斜地设置的视场光阑，所述棒积分器的出射端附近是由棒积分器的出射角确定的锥体的轮廓内侧，同时所述锥体的底面是棒积分器的出射端面，从棒积分器的入射端导入来自所述光源的光，在所述视场光阑的位置上生成所述平面光源。

3.如权利要求1所述的照明光学装置，其特征在于：平面光源包含其出射端被斜截的棒积分器，向该棒积分器的入射端导入来自光源的光，在该棒积分器的出射端面上生成所述平面光源。

4.如权利要求1所述的照明光学装置，其特征在于：平面光源设置成相对照明光轴具有偏斜角，同时包含其出射端斜截的棒积分器，向该棒积分器的入射端导入来自光源的光，在该棒积分器的出射端上生成所述平面光源。

5.如权利要求1所述的照明光学装置，其特征在于：平面光源是配光角度被调整后的薄膜散射体。

6.如权利要求1所述的照明光学装置，其特征在于：平面光源是面发光体。

7.如权利要求1～6中任一项所述的照明光学装置，其特征在于：设有使来自平面光源的照明光的面内分布在每个空间光调制器的微型反射镜上均匀的部件。

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