JP5321558B2 - スペックル低減装置およびプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、スペックル低減装置およびプロジェクタに関する。

レーザー光源のような可干渉性のある光で粗面を照明した場合に、粗面の各点で拡散された光束が互いに複雑な位相関係で干渉することによって生じる不規則な粒状の模様（スペックルノイズという）が生じる。スペックルは、レーザー光源を露光装置やプロジェクタなどの照明光として用いる際に悪影響を及ぼすことから、スペックルを低減する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−２９６５０３号公報

従来技術では、異なる２つの光路長を得るためにＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２個と折り返しプリズム１個を必要とする。このため、光路スペースを確保する上で小型化が困難という問題があった。

本発明によるスペックル低減装置は、入入射光を偏光分離部で第１成分光と第２成分光とに分離し、前記第１成分光と前記第２成分光とをそれぞれ異なる方向へ射出する偏光分離素子と、前記偏光分離素子から射出された第１の成分光を反射して前記偏光分離素子へ再入射させる第１反射部材と、前記第１反射部材と前記偏光分離素子との間に配され、前記再入射させる光を第２成分光へ変換する第１変換部材と、前記再入射後に前記偏光分離素子から射出された第２成分光を反射して前記偏光分離素子へ再々入射させる第２反射部材と、前記第２反射部材と前記偏光分離素子との間に配され、前記再々入射させる光を第１成分光へ変換する第２変換部材と、を備え、前記分離後の前記第２成分光と前記再々入射後の前記第１成分光とを同一方向へ射出するスペックル低減装置を２つと、位相板と、を備え、第１のスペックル低減装置から前記同一方向へ射出された前記第１成分光および前記第２成分光を、前記位相板を介して第２のスペックル低減装置へ入射させ、前記第１のスペックル低減装置と前記第２のスペックル低減装置との間で、前記第１反射部材、前記第１変換部材、前記第２反射部材、および前記第２変換部材がそれぞれ一体化構成されることを特徴とする。

本発明によれば、小型化に適したスペックル低減装置が得られる。

図１は、本発明の一実施の形態によるスペックル低減装置を搭載したプロジェクタの光学系の要部構成図である。 スペックル低減装置が有する光学系のうち２段分の構成を拡大した図である。 変形例１の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。 変形例２の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。 変形例３の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。 変形例４の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。 変形例５の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態によるスペックル低減装置を搭載したプロジェクタの光学系の要部構成図である。図１において、プロジェクタは、レーザー光源装置１００と、スペックル低減装置２００と、集光光学系３００と、全反射プリズム４０１、４０２と、反射型表示素子５００と、投射光学系６００とを含む。

レーザー光源装置１００は、たとえば、緑色光を発する１チップタイプのＬＥＤと、赤色光を発するＬＥＤチップおよび青色光を発するＬＥＤチップを有する２チップタイプのＬＥＤとを含み、３原色光源を構成する。

スペックル低減装置２００は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を２つの反射ミラーで挟む構成を有することによって異なる２つの光路長を得る。異なる光路を経由した２パターンのスペックルを重畳することにより、スペックルノイズのコントラストを１/(√２)に低減する。図１の例では、２つの光路長を得る構成を３段並べることによって、スペックルノイズのコントラストを１/(√８)に低減する。スペックル低減装置２００の詳細については後述する。

集光光学系３００は、レーザー光源装置１００からの光を集光した上で、反射型表示素子５００の被照射面において照明むらを抑えた均一性の高い照明光を得るように反射型表示素子５００の被照射面を照明する。全反射プリズムは、プリズム４０１およびプリズム４０２によって構成され、集光光学系３００からの照明光をプリズム４０１で反射して反射型表示素子５００に向けて射出する。

反射型表示素子５００は、たとえば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）によって構成される。ＤＭＤは、画素に対応する可動微小鏡面（マイクロミラー）を二次元に配列したものである。マイクロミラー下部に設けられる電極を駆動することにより、照明光を全反射プリズム４０１側へ反射する状態と、照明光を内部の吸収体へ向けて反射する状態とを切替える。各マイクロミラーを個別に駆動することにより、表示画素ごとに照明光の反射を制御する。

一般に、ＤＭＤは全反射プリズム４０１側へ反射する状態と、内部で吸収する状態との２値制御であるが、これら２値状態を高速で切替え、反射状態と吸収状態との時間比率を制御するパルス幅変調(ＰＷＭ)によって濃淡を表現する。レーザー光源装置１００内の各色のＬＥＤチップを色順次で発光させることにより、１個の反射型表示素子５００を用いてフルカラー表示を行う。プリズム４０１および４０２は、ＤＭＤからの変調光を透過して投射光学系６００へ射出する。投射光学系６００は、スクリーン７００上にフルカラー像を投射する。

本実施形態は、スペックル低減装置２００の構成に特徴を有するので、以降の説明は、スペックル低減装置２００を中心に行う。図２は、スペックル低減装置２００が有する３段構成の光学系のうち、２段分の構成を拡大した図である。
＜第１ブロックの構成＞
スペックル低減装置２００（図１）の１段目に相当する第１ブロックについて説明する。図２において、第１のＰＢＳ２０１の上下にそれぞれ反射ミラー２０２および反射ミラー２０４が配設されている。第１のＰＢＳ２０１と反射ミラー２０２の間隔はΔｄ１である。第１のＰＢＳ２０１と反射ミラー２０４の間隔はΔｄ２である。本実施形態ではΔｄ１＝Δｄ２とする。第１のＰＢＳ２０１と反射ミラー２０２との間に、１／４波長板２０３が配される。第１のＰＢＳ２０１と反射ミラー２０４との間に、１／４波長板２０５が配される。

＜第２ブロックの構成＞
スペックル低減装置２００（図１）の２段目に相当する第２ブロックについて説明する。第１のＰＢＳ２０１と第２のＰＢＳ２２１は同一である。第２のＰＢＳ２２１の上下にも、それぞれ反射ミラー２２２および反射ミラー２２４が配設されている。第２のＰＢＳ２２１と反射ミラー２２２の間隔はΔｄ３である。第２のＰＢＳ２２１と反射ミラー２２４の間隔はΔｄ４である。本実施形態ではΔｄ３＝Δｄ４＝Δｄ１＝Δｄ２とする。第２のＰＢＳ２２１と反射ミラー２２２との間に、１／４波長板２２３が配される。第２のＰＢＳ２２１と反射ミラー２２４との間に、１／４波長板２２５が配される。第１のＰＢＳ２０１と第２のＰＢＳ２２１との間には、１／４波長板２１０が配される。

なお、スペックル低減装置２００（図１）の３段目に相当する構成は、第２のＰＢＳ２２１の右側に１／４波長板を挟んで上記第１ブロックや第２ブロックと同様の構成とする。

第１のＰＢＳ２０１の左側面に、レーザー光源装置１００からの円偏光の光束を入射させる。レーザー光源装置１００からの光束が直線偏光の場合は、１／４波長板を介して円偏光に変換した上で第１のＰＢＳ２０１の左側面に入射させることにより、入射光束がＰ偏光成分とＳ偏光成分との双方を略等しく含む状態とする。

第１のＰＢＳ２０１内へ入射された光のうち、Ｐ偏光成分は偏光分離部２０１ａを透過して第１のＰＢＳ２０１の右側面から射出する。第１のＰＢＳ２０１内へ入射された光のうち、Ｓ偏光成分は偏光分離部２０１ａを反射して第１のＰＢＳ２０１の上面から射出する。

第１のＰＢＳ２０１の上面から射出した偏光成分は、反射ミラー２０２によって反射されて再び第１のＰＢＳ２０１の上面から入射する。再入射した偏光成分は、１／４波長板２０３を計２回透過することによってＳ偏光成分からＰ偏光成分へ変換されている。このため、該Ｐ偏光成分は偏光分離部２０１ａを透過して第１のＰＢＳ２０１の下面から射出する。

第１のＰＢＳ２０１の下面から射出した偏光成分は、反射ミラー２０４によって反射されて再び第１のＰＢＳ２０１の下面から入射する。再々入射した偏光成分は、１／４波長板２０５を計２回透過することによってＰ偏光成分からＳ偏光成分へ変換されている。このため、該Ｓ偏光成分は偏光分離部２０１ａを反射して第１のＰＢＳ２０１の右側面から射出する。

以上説明した構成により、第１のＰＢＳ２０１の右側面からはＰ偏光成分とＳ偏光成分の光が射出する。このうちＳ偏光成分の光路は、Ｐ偏光成分の光路に比べて反射ミラー２０２と反射ミラー２０４との間を１往復した分長くなる。これにより、異なる光路を経由した２パターンのスペックルを重畳することになるから、スペックルノイズのコントラストを１/(√２)に低減する。

第１のＰＢＳ２０１の右側面から射出した光は、１／４波長板２１０を介して第２のＰＢＳ２０１の左側面に入射させる。１／４波長板２１０は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の光をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。つまり、２パターンのスペックルを含むそれぞれの光束が、それぞれＰ偏光成分とＳ偏光成分との双方を略等しく含む状態とする。

第２のＰＢＳ２２１の左側面に入射された光の光路は、第１のＰＢＳ２０１の場合と同様に、入射当初Ｓ偏光成分であった光の光路が入射当初Ｐ偏光成分であった光の光路に比べて反射ミラー２２２と反射ミラー２２４との間を１往復する分長くなる。このような第１のＰＢＳ２０１および第２のＰＢＳ２２１を２段並べたことにより、異なる光路を経由した４パターンのスペックルを重畳することになるから、スペックルノイズのコントラストを１/(√２)×１/(√２)＝１/２に低減する。

同様に、不図示の３段目の構成を備えた場合は、異なる光路を経由した８パターンのスペックルを重畳することになるから、スペックルノイズのコントラストを１/(√２)×１/(√２)×１/(√２)＝１/(２√２)に低減する。

なお、図２においては、各ＰＢＳ２０１、２２１を直方形状に構成し、１／４波長板２０３、２０５、２１０、２２３、２２５、および反射ミラー２０２、２０４、２２２、２２４をそれぞれ光軸に対して垂直に配置することにより、入射光および射出光が各デバイス面に対して垂直になるように構成する。この理由は、各ＰＢＳ２０１、２２１の偏光分離面２０１ａ、２２１ａによって一旦分離した各偏光成分の光を同じ光路上に合成する際の角度広がりを抑えるためである。

上述したスペックル低減装置２００は、２つの光路長を得る構成を３段並べる例を説明したが、１段または２段構成であってもよい。ただし、段数が多い方がスペックルノイズのコントラスト低減に有利なことはいうまでもない。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）スペックル低減装置は、入射光を偏光分離部２０１ａで第１成分光（Ｓ偏光成分）と第２成分光（Ｐ偏光成分）とに分離し、該第１成分光と該第２成分光とをそれぞれ異なる方向へ射出するＰＢＳ２０１と、ＰＢＳ２０１から射出された第１の成分光（Ｓ偏光成分）を反射してＰＢＳ２０１へ再入射させる反射ミラー２０２と、反射ミラー２０２とＰＢＳ２０１との間に配され、再入射させる光を第２成分光（Ｐ偏光成分）へ変換する１／４波長板２０３と、再入射後にＰＢＳ２０１から射出された第２成分光（Ｐ偏光成分）を反射してＰＢＳ２０１へ再々入射させる反射ミラー２０４と、反射ミラー２０４とＰＢＳ２０１との間に配され、再々入射させる光を第１成分光（Ｓ偏光成分）へ変換する１／４波長板２０５とを備え、分離後の第２成分光（Ｐ偏光成分）と再々入射後の第１成分光（Ｓ偏光成分）とを同一方向へ射出するようにした。これにより、異なる２つの光路長を得てスペックルを低減させるスペックル低減装置を小型化できる。

（２）上記（１）のスペックル低減装置において、反射ミラー２０２、１／４波長板２０３、反射ミラー２０４、および１／４波長板２０５に対し、それぞれ入射光が垂直に入射されるようにしたので、ＰＢＳ２０１の偏光分離面２０１ａによって一旦分離した各偏光成分の光を同じ光路上に合成する際の角度広がりが抑えられる。

（３）スペックル低減装置は、第１ブロックと第２ブロックと１／４波長板２１０とを備え、第１ブロックから同一方向へ射出された第１成分光（Ｓ偏光成分）および第２成分光（Ｐ偏光成分）を、１／４波長板２１０を介して第２ブロックへ入射させるようにした。第１のＰＢＳ２０１および第２のＰＢＳ２２１を２段並べたことにより、異なる光路を経由した４パターンのスペックルを重畳することになるから、１段構成の場合に比べてスペックルノイズのコントラストをさらに低減できる。

上述した実施形態では、各ＰＢＳへの入射光のうちＳ偏光成分を対象に反射ミラーで反射させる構成にした。この代わりに、入射光のうちＰ偏光成分を対象に反射ミラーで反射させる構成にしてもよい。

（変形例１）
図３は、変形例１の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。第１ブロックと第２ブロックとの間で、入射当初Ｓ偏光成分であった光の光路長を異ならせてもよい。すなわち、第１のＰＢＳ２０１を挟む反射ミラー２０２および反射ミラー２０４の間隔（空気換算長で表す）Ｄ１と、第２のＰＢＳ２２１を挟む反射ミラー２２２および反射ミラー２２４の間隔（空気換算長で表す）Ｄ２とを異ならせてもよい。変形例１では、第２のＰＢＳ２２１および反射ミラー２２２、２２４の間隔を、第１のＰＢＳ２０１および反射ミラー２０２、２０４の間隔より広くする。つまり、Δｄ３＝Δｄ４＞Δｄ１＝Δｄ２の関係をもたせる。このとき、次式（１）で示すように、Ｄ１とＤ２の差を光源光のコヒーレント長Lcの半分以上とする。
｜Ｄ１−Ｄ２｜≧Lc/２ （１）
コヒーレント長Lcは、次式（２）で近似できる。
Lc＝λ^２/Δλ （２）
ただし、光源光の主波長をλ、波長幅をΔλとする。

たとえば、光源光の主波長λが５３０nmで、波長幅Δλが０．１nmの場合にはコヒーレント長Lcが約２．８mmとなる。この場合の｜Ｄ１−Ｄ２｜は、１．４mm以上とすればよい。変形例１によれば、重畳する光束をインコヒーレントな関係にすることで、｜Ｄ１−Ｄ２｜がLc/２未満の場合に比べてスペックルを効果的に低減できる。

（変形例２）
変形例１では、Δｄ３＝Δｄ４＞Δｄ１＝Δｄ２の関係をもたせることによって第１ブロックにおける空気換算長Ｄ１と、第２ブロックにおける空気換算長Ｄ２とを異ならせたが、第１のＰＢＳ２０１と第２のＰＢＳのサイズを異ならせることによってＤ１とＤ２に差をつけてもよい。

図４は、変形例２の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。図４において、第１のＰＢＳ２０１の上下方向のサイズに比べて、第２のＰＢＳ２３１の上下方向のサイズを大きく構成する。これにより、第１のＰＢＳ２０１を挟む反射ミラー２０２および反射ミラー２０４の間隔（空気換算長で表す）Ｄ１と、第２のＰＢＳ２３１を挟む反射ミラー２２２および反射ミラー２２４の間隔（空気換算長で表す）Ｄ２とが異なる。なお、図４において、第１のＰＢＳ２０１と反射ミラー２０２の間隔はΔｄ１である。第１のＰＢＳ２０１と反射ミラー２０４の間隔はΔｄ２である。第２のＰＢＳ２３１と反射ミラー２２２の間隔はΔｄ３である。第２のＰＢＳ２３１と反射ミラー２２４の間隔はΔｄ４である。変形例２では、Δｄ３＝Δｄ４＝Δｄ１＝Δｄ２とする。変形例２の場合も、重畳する光束をインコヒーレントな関係にすることで、｜Ｄ１−Ｄ２｜がLc/２未満の場合に比べてスペックルを効果的に低減できる。

（変形例３）
第１ブロックと第２ブロックとで反射ミラー等を共通に構成してもよい。図５は、変形例３の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。図５において、反射ミラー２０２Ａ、反射ミラー２０４Ａ、１／４波長板２０３Ａ、および１／４波長板２０５Ａを、それぞれ第１ブロックと第２ブロックとで一体化構成にする。第１のＰＢＳ２０１（第２のＰＢＳ２２１）と反射ミラー２０２Ａの間隔はΔｄ１である。また、第１のＰＢＳ２０１（第２のＰＢＳ２２１）と反射ミラー２０４Ａの間隔はΔｄ２である。変形例３では、Δｄ１＝Δｄ２とする。

変形例３によれば、第１ブロックと第２ブロックとで同一部材を共用することで、部品点数の削減や組立て製造時のコスト低減につながる。たとえば、ミラー蒸着した筐体の中に組み込む構成にすると、少ない組み立て工数ですむ。なお、第１のＰＢＳ２０１と第２のＰＢＳ２２１を構成する硝材を変えて屈折率を異ならせることで、第１ブロックにおける空気換算長Ｄ１と、第２ブロックにおける空気換算長Ｄ２とを異ならせることができる。

（変形例４）
図２〜図４に例示した第２ブロックの構成を、第１ブロックの構成に対して光軸Ａｘの回りに略４５度回転させてもよい。この理由は、第１のＰＢＳ２０１の右側面から射出する光の偏光方向を、第２ブロックの第２のＰＢＳの偏光分離面に対して略４５度傾けるためである。図６は、変形例４の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。

変形例４によれば、第１ブロックの右側面から射出する２パターンのスペックルを含む光束が、第２ブロック側から見てそれぞれＰ偏光成分とＳ偏光成分との双方を略等しく含む状態となるので、第１ブロックと第２ブロックとの間の１／４波長板を省略することができる。

（変形例５）
変形例４を３段構成のスペックル低減装置に適用する場合は、第３ブロックの構成を、第２ブロックの構成に対して光軸Ａｘの回りに略４５度回転させる。図７は、変形例５の場合のスペックル低減装置の光学系を例示する図である。

（変形例６）
上述した説明では、各ＰＢＳの端面と１／４波長板および反射ミラーとを離して配設する例を説明したが、１／４波長板および反射ミラーを各ＰＢＳ端面と接するように配置しても構わない。

（変形例７）
スペックル低減装置２００における偏光分離素子としてＰＢＳを用いる例を説明したが、ワイヤーグリッドを用いて構成してもよい。

（変形例８）
プロジェクタのライトバルブとして反射型表示素子５００を用いる例を説明したが、透過型の表示素子を用いる構成にしてもよい。また、反射型表示素子５００としてＤＭＤを用いる例を説明したが、MEMS(微小電気機械システム)ミラー素子や反射型液晶表示素子を用いる構成にしてもよい。

なお、ライトバルブとして液晶表示素子を用いる場合は、スペックル低減装置２００と集光光学系３００との間に偏光変換素子を設ける。スペックル低減装置２００から射出されるＰ偏光成分とＳ偏光成分の光を偏光変換素子によって一方の偏光成分に揃えるためである。スペックル低減装置２００からの射出光のＮＡが非常に小さいため、偏光変換素子を介してもエタンデュー増加による光量低下がほとんど生じない。

（変形例９）
以上の説明ではプロジェクタに搭載する照明光学系を例に説明したが、顕微鏡の照明光学系や、ステッパー露光装置における照明光学系にも適用することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１００…レーザー光源装置
２００…スペックル低減装置
２０１、２２１、２３１…ＰＢＳ
２０２、２０４、２２２、２２４、２０２Ａ、２０４Ａ…反射ミラー
２０３、２０５、２１０、２２３、２２５、２０３Ａ、２０５Ａ…１／４波長板
３００…集光光学系
４０１、４０２…全反射プリズム
５００…反射型表示素子
６００…投射光学系
７００…スクリーン

Claims (2)

1. 入射光を偏光分離部で第１成分光と第２成分光とに分離し、前記第１成分光と前記第２成分光とをそれぞれ異なる方向へ射出する偏光分離素子と、前記偏光分離素子から射出された第１の成分光を反射して前記偏光分離素子へ再入射させる第１反射部材と、前記第１反射部材と前記偏光分離素子との間に配され、前記再入射させる光を第２成分光へ変換する第１変換部材と、
   前記再入射後に前記偏光分離素子から射出された第２成分光を反射して前記偏光分離素子へ再々入射させる第２反射部材と、
   前記第２反射部材と前記偏光分離素子との間に配され、前記再々入射させる光を第１成分光へ変換する第２変換部材と、を備え、前記分離後の前記第２成分光と前記再々入射後の前記第１成分光とを同一方向へ射出するスペックル低減装置を２つと、
   位相板と、を備え、
   第１のスペックル低減装置から前記同一方向へ射出された前記第１成分光および前記第２成分光を、前記位相板を介して第２のスペックル低減装置へ入射させ、
   前記第１のスペックル低減装置と前記第２のスペックル低減装置との間で、前記第１反射部材、前記第１変換部材、前記第２反射部材、および前記第２変換部材がそれぞれ一体化構成されることを特徴とするスペックル低減装置。
2. レーザー光源と、
   請求項１に記載のスペックル低減装置とを備え、
   前記レーザー光源から出射した光が前記スペックル低減装置へ入射することを特徴とするプロジェクタ。
   

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