JP2010091973A

JP2010091973A - 投影装置用照明光学系

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Publication number: JP2010091973A
Application number: JP2008264353A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Hyakumura; 和司百村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-04-22

Abstract

【課題】etendue を増大させることなく、偏光変換効率を向上させることにより光の利用効率を向上させるとともに、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる投影装置用照明光学系を提供する。
【解決手段】本発明の投影装置用照明光学系は、リフレクタ１０付きランプ１１から成る光源１２と、光源１２からの光線を入射される四角柱形状のロッドインテグレータ１３と、ロッドインテグレータ１３の入射端側に配置される湾曲ミラー１４と、ロッドインテグレータ１３の射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて配置され、前記光線の第１の偏光成分であるＰ偏光成分を透過し該第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分であるＳ偏光成分を反射する偏光分離素子１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光を用いて投影装置を照明する投影装置用照明光学系に関するものである。

偏光を用いて投影装置を照明する照明光学系では、光源の持つetendue を増大させることなく偏光変換を行うことが当該照明光学系の効率を高める上で極めて重要である。その理由は、etendue が増大すると、それに対応して照明光学系を大きな光束あるいは大きな開口数に対応させる必要が生じるため、装置を大型化するか、あるいは、光源からの光束の一部を切り捨てることになるからである。したがって、光源の面積を増大させることなく偏光変換を行う技術を確立することが重要である。

偏光を用いて投影装置を照明する照明光学系の従来例としては、例えば偏光変換素子としてＰＳ変換プリズムを用いて偏光変換を行うように構成した照明光学系がある。この照明光学系では、光源からのランダム偏光をＰＳ変換プリズムの内部でＰ偏光成分およびＳ偏光成分に分離し、何れか一方の偏光成分の光路に１／２λ板を配置することにより偏光方向を揃えている。この照明光学系における偏光変換素子であるＰＳ変換プリズムの射出面は入射面の面積のほぼ倍の面積を有しているため、このＰＳ変換プリズムを用いた場合にはetendue をほぼ２倍に増大させてしまう。

このようなetendue 増大の問題を回避するために、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分の内の不要な偏光成分（偏光変換素子を透過しない方の偏光成分）を光源側に戻し、その戻す過程で偏光方向を変換して再度偏光変換素子に入射させることにより、前記不要な偏光成分を再利用する技術（例えば、特許文献１，特許文献２参照）が提案されている。

特許文献１に記載された従来技術（以下、従来例１という）は、図８に示すように、反射手段１０２付き光源１０１の前方に第１の偏光面１０３ａおよび第２の偏光面１０３ｂを有するプリポーラライザ１０３を配置し、反射手段１０２から出射して第１の偏光面１０３ａおよび第２の偏光面１０３ｂで反射された第２の偏光成分ＳＰａ１およびＳＰｂ１を光源側に戻すように構成されている。この従来例１は、第２の偏光成分が反射を繰り返す内に第２の偏光成分を第１の偏光成分に変換して第１および第２の偏光面から透過（出射）させるように構成されており、また、偏光変換効率を高めるために反射手段１０２付き光源１０１およびプリポーラライザ１０３間の光路中に１／４λ板１０６を設ける構成も開示されている。

特許文献２に記載された従来技術（以下、従来例２という）は、図９に示すように、反射手段２０２付き光源２０１の前方に、進行方向に進む光の一部を反射する第１の反射鏡２０４と、第１の反射鏡２０４で反射した逆進方向の光の一部を反射する第２の反射鏡２０３とを配置して第１の反射鏡２０４および第２の反射鏡２０３で光キャビティＣ１を構成し、第１の反射鏡２０４の中央部分の開孔に柱状光学素子（ロッドインテグレータ）２０５を配置し、柱状光学素子２０５の射出端に１／４λ板２０６および反射型偏光分離器（ワイヤーグリッド）２０７を配置し、第２の反射鏡２０３の中央部に進行方向に進む光が通過するための窓を設け、反射手段２０２から出射して反射型偏光分離器２０７で反射された偏光成分を光源側に戻すように構成されている。

特開平６−３１７７９９号公報特開２００４−２１２７５９号公報

上記従来例１は、１／４λ板を必ずしも必要としない照明光学系を提案しているが、１／４λ板を設けない構成の場合、「第２の偏光成分ＳＰａを第１の偏光成分ＳＰｂに変換するメカニズム」を明らかにしておらず、仮に、プリポーラライザ１０３を透過しない第２の偏光成分ＳＰａを単純に光源側に戻して乱反射を起こさせているだけであれば、偏光変換効率が十分ではなく、光利用効率的に問題がある。
また、上記従来例２は、ワイヤーグリッド型の反射型偏光分離器と１／４λ板との組み合わせを用いているため、１／４λ板による光透過率の低下およびコストアップを招いてしまう。

本発明は、etendue を増大させることなく、偏光変換効率を向上させることにより光の利用効率を向上させるとともに、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる投影装置用照明光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の第１発明は、リフレクタ付きランプから成る光源と、該光源からの光線を入射される四角柱形状のロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて配置され、前記光線の第１の偏光成分を透過し該第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を反射する偏光分離素子と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の第２発明は、前記ロッドインテグレータの入射端側に、前記偏光分離素子で反射された前記光線の第２の偏光成分が前記光源のリフレクタで反射されて前記ロッドインテグレータへの出射光となる際に、該出射光の内の前記ロッドインテグレータに導かれない出射光を前記リフレクタ側に反射させる湾曲ミラーを設けて成ることを特徴とする。

請求項３に記載の第３発明は、前記ロッドインテグレータは内面をミラー面とした中空パイプであることを特徴とする。

請求項４に記載の第４発明は、前記ロッドインテグレータは全反射を利用して導光する光学部材であることを特徴とする。

請求項５に記載の第５発明は、前記偏光分離素子はワイヤーグリッドから成ることを特徴とする。

請求項６に記載の第６発明は、前記偏光分離素子は偏光ビームスプリッタアレイから成ることを特徴とする。

第１発明によれば、リフレクタ付きランプから成る光源と、該光源からの光線を入射される四角柱形状のロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて配置され、前記光線の第１の偏光成分を透過し該第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を反射する偏光分離素子とを備えるように投影装置用照明光学系を構成したので、偏光分離素子で反射された第２の偏光成分は、前記ロッドインテグレータの射出端面に対しほぼ４５度の傾斜角を持った状態で前記ロッドインテグレータの内部で反射を繰り返しながら進行する際に位相が変化するため結果的にその成分の一部が第１の偏光成分に変換され、前記リフレクタ付きランプから成る光源で反射されて再びロッドインテグレータに入射し、前記偏光分離素子を透過した第１の偏光成分は、前記ロッドインテグレータの射出端面に対しほぼ４５度の傾斜角を持った状態で出射するので、前記偏光分離素子の出射方向に１／４λ板を設ける必要はない。したがって、etendue を増大させることなく、偏光変換効率を向上させることにより光の利用効率を向上させるとともに、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる投影装置用照明光学系を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の投影装置用照明光学系の構成を模式的に示す図である。この投影装置用照明光学系は、リフレクタ１０付きランプ１１から成る光源１２と、光源１２からの光線を入射される四角柱形状の柱状光学素子（ロッドインテグレータ）１３と、ロッドインテグレータ１３の入射端側に配置される湾曲ミラー１４と、ロッドインテグレータ１３の射出端面に配置される偏光分離素子１５と、偏光分離素子１５の出射側に配置されるカラーセレクト（登録商標）１６およびコリメータレンズ１７と、コリメータレンズ１７の出射側に配置される全反射プリズムであるＴＩＲ（Total Internal Reflection ）プリズム１８と、ダイクロイックプリズム１９と、２枚の反射型の空間光変調素子２０，２１と、偏光素子２２と、投影レンズ２３とを具備して成る。上記において、コリメータレンズ１７と、ＴＩＲプリズム１８と、ダイクロイックプリズム１９と、２枚の反射型の空間光変調素子２０，２１と、偏光素子２２と、投影レンズ２３とは、２板式の空間光変調部を構成している。

上記光源１２は、カラー画像を投影する場合に対応しており、例えばランプ１１として高圧水銀ランプやキセノンランプ等の白色光を出射する公知のランプを用いた白色光源を好適に用いることができる。

上記ロッドインテグレータ１３としては、図２に示す内面をミラー面１３ａとした中空パイプ（例えば中空アルミニウムパイプ）、あるいは、図３に示す全反射を利用して導光する光学部材（例えば屈折率１．６のガラスから成るガラスロッド）を好適に用いることができる。

上記湾曲ミラー１４は、ロッドインテグレータ１３の入射端側に設けられており、偏光分離素子１５で反射された前記光線の第２の偏光成分が光源１２のリフレクタ１０で反射されてロッドインテグレータ１３への出射光となる際に、該出射光の内のロッドインテグレータ１３に導かれない出射光をリフレクタ１０側に反射させるような湾曲ミラーであり、その中央部には、ロッドインテグレータ１３に対し光線が入射／出射するための開口１４ａが形成されている。

上記偏光分離素子１５は、第１の偏光成分（ここではＰ偏光成分）を透過させるとともに第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分（ここではＳ偏光成分）を反射するものである。上記偏光分離素子１５としては、図４（ａ），（ｂ）に示すワイヤーグリッドから成る偏光分離素子、あるいは、図５に示す偏光ビームスプリッタアレイを好適に用いることができる。図４（ｂ）は、偏光分離素子１５をロッドインテグレータ１３の射出端面から見た図であり、この偏光分離素子１５は、その透過軸方向がロッドインテグレータ１３の射出端面の側壁に対しほぼ４５度傾くように、ロッドインテグレータ１３の射出端面に配置されている。また、図５の偏光ビームスプリッタアレイでは、第１の偏向成分を透過させるとともに第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を反射する。傾斜面は偏光分離膜であり、入射光のうちＳ偏光成分が反射され、さらに隣に配置された偏光分離膜で再び反射され光源方向に戻る様子が図示されている。

上記カラーセレクト（登録商標）１６は、積層した複数枚の位相差板によって構成される波長選択性素子であり、入射光の偏光方向を特定波長域のみ９０度回転させる（例えばＰＳ変換する）ことによりＰ偏光成分からＳ偏光成分に変換して出力することができる。上記カラーセレクト（登録商標）１６は、円板を２分割した一方の半円部分が例えば入射するＰ偏光の内、光の３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のＲ（赤）光およびＢ（青）光を透過するとともにＧ（緑）光を回転させてＳ偏光に変換し、他方の半円部分が例えば例えば入射するＰ偏光の内、光の３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のＲ（赤）光およびＧ（緑）光を透過するとともにＢ（青）光を回転させてＳ偏光に変換するように構成されている。

上記ＴＩＲプリズム１８は、２つの三角柱状のプリズムである第１プリズム２４および第２プリズム２５を有し、第１プリズム２４の光学面２４ａと、第２プリズム２５の光学面２５ａとをエアギャップ２６を介して平行に対向させて、第１プリズム２４および第２プリズム２５が配置されている。

本実施形態の投影装置用照明光学系において、リフレクタ１０付きランプ１１から成る光源１２から出射した無偏光の光線（白色光）は、湾曲ミラー１４の開口１４ａを経て四角柱形状のロッドインテグレータ１３の入射端から入射した後、ロッドインテグレータ１３の内部を反射しながら進行して、ロッドインテグレータ１３の射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて配置された偏光分離素子１５に入射する。偏光分離素子１５に入射した無偏光の光線のＰ偏光成分（第１の偏光成分）は、偏光分離素子１５を透過して均一な明るさのＰ偏光の直線偏光となってカラーセレクト（登録商標）１６に入射し、偏光分離素子１５に入射した光線のＳ偏光成分（第２の偏光成分）は、偏光分離素子１５で反射される。

偏光分離素子１５で反射された前記光線のＳ偏光成分（Ｓ偏光の直線偏光）は、ロッドインテグレータ１３の側壁面に対し４５度の傾きを持った直線偏光であり、図２および図３に矢印で示すようにロッドインテグレータ１３の内部を反射しながら光源１２側に進行し、その間に反射光のＰ偏光、Ｓ偏光の間の位相が変化するので、ロッドインテグレータ１３の内部を光線が反射しながら進行することにより、結果的にＰＳ変換が行われる。

ロッドインテグレータ１３の内部を反射しながら進行してロッドインテグレータ１３の入射端および湾曲ミラー１４の開口１４ａを経てリフレクタ１０に戻った光線は、リフレクタ１０で反射してロッドインテグレータ１３への出射光となり、湾曲ミラー１４の開口１４ａを経てロッドインテグレータ１３に入射する。その際、ロッドインテグレータ１３の入射端側には湾曲ミラー１４が設けられているため、前記出射光の内のロッドインテグレータ１３に導かれない出射光はこの湾曲ミラー１４によってリフレクタ１０側に反射し、リフレクタ１０に戻った光線は、リフレクタ１０でさらに反射してロッドインテグレータ１３への出射光となるので、光の利用効率が向上する。

入射光の直線偏光の方向を波長選択的に９０度回転して出力する波長選択性偏光素子から成るカラーセレクト（登録商標）１６に入射したＰ偏光の直線偏光は、カラーセレクト（登録商標）１６の一方の半円部分が光路上に位置したときにＲ光およびＢ光のみがＰ偏光のまま透過しＧ光はＳ偏光に変換され、他方の半円部分が光路上に位置したときにＲ光およびＧ光のみがＰ偏光のまま透過しＢ光はＳ偏光に変換されて、上記２板式の空間光変調部に入射する。

カラーセレクト（登録商標）１６を透過した白色光は、コリメータレンズ１７により平行光に変換されてＴＩＲプリズム１８に入射し、ここで全反射してダイクロイックプリズム１９に入射する。

ここで、ダイクロイックプリズム１９を、例えば、Ｒ光は反射し、Ｇ光およびＢ光は透過するように構成すると、ダイクロイックプリズム１９で反射されて出射するＲ光は空間光変調素子２０に入射し、ダイクロイックプリズム１９を透過して出射されるＧ光およびＢ光は空間光変調素子２１に入射する。

上記空間光変調素子２０，２１として、例えば、変調光を入射方向とは異なる方向に反射させるTexas Instruments 社の登録商標であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用い、空間光変調素子２０によりＲ光を変調し、空間光変調素子２１によりＧ光またはＢ光を変調して、それぞれの変調光をダイクロイックプリズム１９に入射させる。

ダイクロイックプリズム１９に入射したＲ光の変調光とＧ光またはＢ光の変調光は、該ダイクロイックプリズム１９で合成され、その合成された変調光は、ＴＩＲプリズム１８を透過して偏光素子２２に入射する。

上記偏光素子２２は、所定の偏光（ここではＰ偏光）を透過させるように構成されており、この偏光素子２２を透過する変調光は、投影光として、投影レンズ２３により、例えば偏光スクリーンよりなるスクリーン２７に投影される。

本実施形態では、カラー画像の投影に対応する光源１２からの白色光をカラーセレクト（登録商標）１６に入射してＢ光あるいはＧ光の偏光方向を変換し、その照明光の偏光方向の変換に同期して、対応する色の画像信号をＤＭＤである空間光変調素子２０，２１に供給して、カラー画像を投影表示するように構成しているが、光源１２を、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色ＬＥＤや３色レーザを用いて構成し、各色を順次発光して、その発光に同期して、対応する色の画像信号をＤＭＤである空間光変調素子２０，２１に供給して、カラー画像を投影表示したり、あるいは、ＤＭＤである空間光変調素子２０，２１に白色光の照明光を照射するとともに、ＤＭＤである空間光変調素子２０，２１の前方（入出射面）に画素単位にＲＧＢの色フィルタを設けて、同時にカラー画像を投影表示したりしてもよい。

次に、本実施形態の投影装置用照明光学系の作用、効果を図６（ａ），（ｂ）および図７（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。

図６（ａ）は第１実施形態の投影装置用照明光学系において偏光分離素子として図２に示す内面をミラー面とした中空アルミニウムパイプを用いる場合の反射光の位相の変化特性を示すグラフであり、図６（ｂ）は図６（ａ）における入射角および反射面の位置関係を説明するための図である。図６（ａ）において、横軸は光線の入射角を示し、縦軸は反射光の位相変化（radian）を示す。また、図６（ａ）において、実線は、Ｐ偏光に対する複素振幅反射率（フレネル係数）ｒ_ｐの位相特性を示し、点線はＳ偏光に対する複素振幅反射率（フレネル係数）ｒ_ｓの位相特性を示す。図６（ａ）において、入射角７０度における反射光の位相変化は、Ｐ偏光およびＳ偏光間で０．７（radian）程度あり、これは、およそ４０度の位相変化に相当する。
ロッドインテグレータ１３の内部では複数回の反射が起こるので、光線がロッドインテグレータ１３の内部を反射しながら進行することによって当該光線の偏光方向が効率良く変換される。

図７（ａ）は第１実施形態の投影装置用照明光学系において偏光分離素子として図３に示す全反射を利用して導光する屈折率１．６のガラスから成るガラスロッドを用いる場合の反射光の位相の変化特性を示すグラフであり、図７（ｂ）は図７（ａ）における入射角および反射面の位置関係を説明するための図である。図７（ａ）において、横軸は光線の入射角を示し、縦軸は反射光の位相変化（radian）を示す。また、図７（ａ）において、実線は、Ｐ偏光に対する複素振幅反射率（フレネル係数）ｒ_ｐの位相特性を示し、点線はＳ偏光に対する複素振幅反射率（フレネル係数）ｒ_ｓの位相特性を示す。
図７（ａ）において、屈折率１．６のガラスの内面反射により位相変化が生じる際には、反射光の位相変化は、全反射領域で大きな位相の違いを示しており、光線がロッドインテグレータ１３の内部を全反射しながら進行することによって当該光線の偏光状態の変換が効率良く行われる。

本実施形態の投影装置用照明光学系によれば、リフレクタ１０付きランプ１１から成る光源１２と光源１２からの光線を入射される、図２または図３に示す四角柱形状のロッドインテグレータ１３と、ロッドインテグレータ１３の射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて配置され、前記光線の第１の偏光成分であるＰ偏光成分を透過し該第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分であるＳ偏光成分を反射する、図４（ａ），（ｂ）または図５に示す偏光分離素子１５とを備えるように投影装置用照明光学系を構成したので、偏光分離素子１５で反射されたＳ偏光成分は、ロッドインテグレータ１３の射出端面に対しほぼ４５度の傾斜角を持った状態でロッドインテグレータ１３の内部で反射を繰り返しながら進行する際に位相が変化するため結果的にＰ偏光成分に変換され、リフレクタ１０付きランプ１１から成る光源１２で反射されて再びロッドインテグレータ１３に入射し、偏光分離素子１５を透過したＰ偏光成分は、ロッドインテグレータ１３の射出端面に対しほぼ４５度の傾斜角を持った状態で出射するので、偏光分離素子１５の出射方向に１／４λ板を設ける必要はない。したがって、etendue を増大させることなく、偏光変換効率を向上させることにより光の利用効率を向上させるとともに、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる投影装置用照明光学系を提供することができる。

また、本実施形態の投影装置用照明光学系によれば、ロッドインテグレータ１３の射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて偏光分離素子１５を配置しているため、ロッドインテグレータから出射する光の偏光方向がロッドインテグレータの辺に平行になっている場合には必要になる１／２λ板が不要であるため、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる投影装置用照明光学系となる。

なお、本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記本発明の第１実施形態では、反射型の空間光変調素子としてＤＭＤを用いたが、ＬＣＯＳを用いて投影装置を構成することもできる。さらに、投影装置は、１枚の空間光変調素子を用いる単板式に限らず、２枚の空間光変調素子を用いる２板式あるいは３枚の空間光変調素子を用いる３板式で構成することもできる。

本発明の第１実施形態の投影装置用照明光学系の構成を模式的に示す図である。第１実施形態の投影装置用照明光学系に用いるロッドインテグレータの一例を示す断面図である。第１実施形態の投影装置用照明光学系に用いるロッドインテグレータの他の例を示す断面図である。（ａ）は第１実施形態の投影装置用照明光学系に用いるワイヤーグリッドから成る偏光分離素子を示す図であり、（ｂ）は偏光分離素子をロッドインテグレータの射出端面から見た図である。第１実施形態の投影装置用照明光学系に用いる偏光ビームスプリッタアレイから成る偏光分離素子を示す図である。（ａ）は第１実施形態の投影装置用照明光学系において偏光分離素子として図２に示す内面をミラー面とした中空アルミニウムパイプを用いる場合の反射光の位相の変化特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）における入射角および反射面の位置関係を説明するための図である。（ａ）は第１実施形態の投影装置用照明光学系において偏光分離素子として図３に示す全反射を利用して導光する屈折率１．６のガラスから成るガラスロッドを用いる場合の反射光の位相の変化特性を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）における入射角および反射面の位置関係を説明するための図である。従来の投影装置用照明光学系の一例を示す図である。従来の投影装置用照明光学系の他の例を示す図である。

符号の説明

１０リフレクタ
１１ランプ
１２光源
１３柱状光学素子（ロッドインテグレータ）
１４湾曲ミラー
１４ａ開口
１５偏光分離素子
１６カラーセレクト（登録商標）
１７コリメータレンズ
１８ＴＩＲプリズム
１９ダイクロイックプリズム
２０，２１反射型の空間光変調素子
２２偏光素子
２３投影レンズ
２４第１プリズム
２５第２プリズム
２６エアギャップ
２７スクリーン

Claims

リフレクタ付きランプから成る光源と、該光源からの光線を入射される四角柱形状のロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出端面に対し透過軸をほぼ４５度傾けて配置され、前記光線の第１の偏光成分を透過し該第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を反射する偏光分離素子と、を備えることを特徴とする投影装置用照明光学系。
前記ロッドインテグレータの入射端側に、前記偏光分離素子で反射された前記光線の第２の偏光成分が前記光源のリフレクタで反射されて前記ロッドインテグレータへの出射光となる際に、該出射光の内の前記ロッドインテグレータに導かれない出射光を前記リフレクタ側に反射させる湾曲ミラーを設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の投影装置用照明光学系。
前記ロッドインテグレータは内面をミラー面とした中空パイプであることを特徴とする請求項１または２に記載の投影装置用照明光学系。
前記ロッドインテグレータは全反射を利用して導光する光学部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の投影装置用照明光学系。
前記偏光分離素子はワイヤーグリッドから成ることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の投影装置用照明光学系。
前記偏光分離素子は偏光ビームスプリッタアレイから成ることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の投影装置用照明光学系。