专利名称：光斑减少装置以及投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光斑减少装置以及投影仪。
背景技术：
如激光光源那样的具有可干扰性的光照明粗糙表面时，产生在粗糙表面的各点扩散的光束以复杂的相位关系互相干扰而生成的不规则的粒状的图案(叫做光斑噪声)。在日本特开200H96503号公报中，光斑在将激光光源作为曝光装置或投影仪等的照明光来使用时带来恶劣影响，所以提出了减少光斑的方法。
发明内容
在现有技术中，为了得到两个不同的光程，需要两个PBS (偏振光束分离器)以及一个反射棱镜。因此，有在确保光路空间的前提下很难实现小型化的问题。根据本发明的一实施方式，一种光斑减少装置，具有偏振光分离元件，其具有将入射光分离为具有第一成分的第一光和具有第二成分的第二光的偏振光分离部，并分别向不同的方向出射第一光和第二光；第一反射部件，其对从偏振光分离元件出射的第一光进行反射，再入射到偏振光分离元件；第一变换部件，其被配置在第一反射部件和偏振光分离元件之间，将通过第一反射部件反射的第一光变换为具有第二成分的第三光；第二反射部件，其对再入射后从偏振光分离元件出射的第三光进行反射，再次入射到偏振光分离元件; 以及第二变换部件，其被配置在第二反射部件和偏振光分离元件之间，将从偏振光分离元件出射的第三光变换为具有第一成分的第四光，偏振光分离元件向同一方向出射第二光和第四光。根据本发明的第二实施方式，在第一实施方式的光斑减少装置中，优选分别对第一反射部件、第一变换部件、第二反射部件以及第二变换部件垂直入射入射光。根据本发明的第三实施方式，优选具有两个第一或第二实施方式的光斑减少装置以及相位板，使从第一光斑减少装置出射到同一方向的第二光以及所述第四光经由相位板入射到第二光斑减少装置。根据本发明的第四实施方式，优选在第三实施方式的光斑减少装置中，从第一光斑减少装置中的第一反射部件以及偏振光分离部之间的第一空气换算长度与第二反射部件以及偏振光分离部之间的第二空气换算长度的和中、减去第二光斑减少装置中的第一反射部件以及偏振光分离部之间的第一空气换算长度与第二反射部件以及偏振光分离部之间的第二空气换算长度的和而得的差的绝对值大于入射光的相干长度的一半。根据本发明的第五实施方式，优选在第四实施方式的光斑减少装置中，在第一光斑减少装置和第二光斑减少装置之间，使偏振光分离元件的材质或尺寸、第一反射部件以及偏振光分离元件的间隔、和第二反射部件以及偏振光分离元件之间的间隔中的至少一个不同来使产生差。根据本发明的第六实施方式，优选在第三实施方式的光斑减少装置中，在第一光斑减少装置和第二光斑减少装置之间，第一反射部件、第一变换部件、第二反射部件以及第二变换部件分别被形成为一体化结构。根据本发明的第七实施方式，优选在第一实施方式的光斑减少装置中，还具有第一半透明反射镜部件，该第一半透明反射镜部件被配置在第一反射部件和偏振光分离元件之间，在与第一反射部件之间多次反射第一光。根据本发明的第八实施方式，优选在第七实施方式的光斑减少装置中，分别对第一反射部件、第一变换部件、第二反射部件以及第二变换部件垂直入射入射光。根据本发明的第九实施方式，优选在第七或第八实施方式的光斑减少装置中，还具有第二半透明反射镜部件，该第二半透明反射镜部件被配置在第二反射部件和第二变换部件之间，在与第二反射部件之间多次反射第三光。根据本发明的第十实施方式，优选在第九实施方式的光斑减少装置中，第一反射部件和第一半透明反射镜部件之间的第一空气换算长度、第二反射部件以及第二半透明反射镜部件之间的第二空气换算长度分别大于入射光的相干长度的一半。根据本发明的第十一实施方式，优选具有两个第七或第八实施方式的光斑减少装置、以及第三变换部件，该第三变换部件在具有第二成分的第二光和具有第一成分的第四光之间进行成分变换，使从第一光斑减少装置出射到同一方向的第二光以及第四光经由第三变换部件入射到第二光斑减少装置。根据本发明的第十二实施方式，优选在第十一实施方式的光斑减少装置中，在第一光斑减少装置以及第二光斑减少装置之间，第一反射部件、第一变换部件、第二反射部件以及第二变换部件分别被形成为一体化结构。根据本发明的第十三实施方式，一种投影仪，具有激光光源和第一实施方式的光斑减少装置，从激光光源出射的光入射到光斑减少装置。根据本发明，能够得到适于小型化的光斑减少装置。
图1是安装了本发明的一实施方式的光斑减少装置的投影仪的光学系统的主要部分结构图。图2是对第一实施方式的光斑减少装置所具有的光学系统中的两级结构进行放大的图。图3是例示了变形例1的光斑减少装置的光学系统的图。图4是例示了变形例2的光斑减少装置的光学系统的图。图5是例示了变形例3的光斑减少装置的光学系统的图。图6是例示了变形例4的光斑减少装置的光学系统的图。图7是例示了变形例5的光斑减少装置的光学系统的图。图8是对第二实施方式的光斑减少装置所具有的光学系统中的两级结构进行放大的图。图9是例示了变形例6的光斑减少装置的光学系统的图。图10是例示了变形例7的光斑减少装置的光学系统的图。图11是例示了变形例8的光斑减少装置的光学系统的图。图12是例示了变形例9的光斑减少装置的光学系统的图。图13是例示了变形例10的光斑减少装置的光学系统的图。图14是例示了变形例12的光斑减少装置的光学系统的图。
具体实施例方式第一实施方式以下参照
用于实施本发明的方式。图1是安装了本发明的一实施方式的光斑减少装置的投影仪的光学系统的主要部分结构图。在图1中，投影仪包含激光光源装置100、光斑减少装置200、聚光光学系统300、全反射棱镜401、402、反射型显示元件500以及投影光学系统600。激光光源装置100例如包含发出绿光的一个芯片型的LED、具有发出红光的LED芯片以及发出蓝光的LED芯片的两个芯片型的LED，来构成三原色光源。光斑减少装置200具有由两个反射镜夹住PBS (偏振光光束分离器)的结构，由此得到两个不同的光程。通过重叠经由了两个不同的光路的两个图案的光斑，将光斑噪声的对比度(contrast)减少至1/( V 2)。在图1的例中，通过对得到两个光程的结构进行三段排列，将光斑噪声的对比度减少至1/( V 8)。在后面详细叙述光斑减少装置200。聚光光学系统300在对来自激光光源装置100的光进行聚光后，以抑制在反射型显示元件500的被照射面上照明不均而得的均勻性高的照明光的方式对反射型显示元件 500的被照射面进行照明。全反射棱镜由棱镜401以及棱镜402构成，通过棱镜401反射来自聚光光学系统300的照明光，向反射型显示元件500出射。反射型显示元件 500 例如由 DMD(Digital Micromirror Device)构成。DMD 二维地排列了与像素相对应的可动微小镜面(微反射镜)。通过驱动设置在微反射下部的电极， 切换向全反射棱镜401侧反射照明光的状态和向内部的吸收体反射照明光的状态。通过个别地驱动各微反射镜，对于每一显示像素控制照明光的反射。一般，DMD进行向全反射棱镜401侧反射的状态和在内部吸收的状态的二值控制。 DMD高速切换这些二值状态，通过用于控制反射状态和吸收状态的时间比率的脉冲宽度调制(PWM)来表现浓淡。通过按颜色顺序依次使激光光源装置100内的各颜色的LED芯片发光，使用一个反射型显示元件500进行全彩显示。来自DMD的调制光透射棱镜401以及402 之后出射到投影光学系统600。投影光学系统600将全彩像投影到屏幕700上。在本实施方式中，在光斑减少装置200的结构上具有特征，所以以光斑减少装置 200为中心进行以下的说明。图2是对光斑减少装置所具有的三级结构的光学系统中的两级的结构进行放大的图。<第一模块的结构>对相当于光斑减少装置200(图1)的第一级的第一模块进行说明。在图2中，在第一 PBS201的上下分别配置了反射镜202以及反射镜204。第一 PBS201与反射镜202的间隔是Adi。第一 PBS201与反射镜204的间隔是Ad2。在本实施方式中Δ dl = Ad2。 在第一 PBS201与反射镜202之间设置了 1/4波长板203。在第一 PBS201与反射镜204之间设置了 1/4波长板205。<第二模块的结构>对相当于光斑减少装置200(图1)的第二级的第二模块进行说明。第一 PBS201 和第二 PBS221相同。在第二 PBS221的上下也分别配置了反射镜222以及反射镜224。第二 PBS221与反射镜222的间隔是Ad3。第二 PBS221与反射镜224的间隔是Ad4。在本实施方式中Ad3= Ad4 = Adl = Ad2。在第二 PBS221与反射镜222之间设置了 1/4波长板223。在第二 PBS221与反射镜2M之间设置了 1/4波长板225。在第一 PBS201与第二 PBS221之间设置了 1/4波长板210。另外，在相当于光斑减少装置200 (图1)的第三级的结构为，在第二 PBS221的右侧隔着1/4波长板，与上述第一模块或第二模块相同的结构。来自激光光源装置100的圆偏振光的光束入射到第一 PBS201的左侧面。在来自激光光源装置100的光束为直线偏振光的情况下，经由1/4波长板变换为圆偏振光之后入射到第一 PBS201的左侧面，由此入射光束成为大致相同地含有P偏振光成分和S偏振光成分双方的状态。入射到第一 PBS201内的光中的P偏振光成分透射偏振光分离部201a后，从第一 PBS201的右侧面出射。入射到第一 PBS201内的光中的S偏振光成分经偏振光分离部201a 反射后，从第一 PBS201的上面出射。从第一 PBS201的上面出射的偏振光成分通过反射镜202反射后再次从第一 PBS201的上面入射到第一 PBS201的内部。再入射的偏振光成分一共透射两次1/4波长板 203，由此从S偏振光成分变换为P偏振光成分。因此，该P偏振光成分透射偏振光分离部 201a后从第一 PBS201的下面出射。从第一 PBS201的下面出射的偏振光成分通过反射镜204反射后再次从第一 PBS201的下面入射到第一 PBS201的内部。再入射的偏振光成分一共透射两次1/4波长板 205，由此从P偏振光成分变换为S偏振光成分。因此，该S偏振光成分透射偏振光分离部 201a后从第一 PBS201的右侧面出射。通过以上说明的结构，从第一 PBS201的右侧面出射P偏振光成分和S偏振光成分。其中，S偏振光成分的光路与P偏振光成分的光路相比，在反射镜202和反射镜204之间往返一次的长度变长。由此，重叠经由了不同的光路的两个图案的光斑，所以将光斑噪声的对比度减少至1/( V 2)。从第一 PBS201的右侧面出射的光经由1/4波长板210入射到第二 PBS201的左侧面。1/4波长板210用于将P偏振光成分和S偏振光成分的光分别变换为圆偏振光。S卩、假设包含两个图案的光斑的各个光束成为分别大致相等地含有P偏振光成分和S偏振光成分的状态。入射到第二 PBS221的左侧面的光的光路与第一 PBS201的情形相同。即、作为入射当初S偏振光成分的光的光路与入射当初P偏振光成分的光的光路相比在反射镜222和反射镜2M之间往返一次的长度变长。通过使这样的第一 PBS201以及第二 PBS202进行两级并列，重叠经由了不同的光路的四个图案的光斑。从而，将光斑噪声的对比度减少至1/ (V 2) Xl/( V 2) = 1/2。
同样，在具有未图示的第三级的结构的情况下，重叠经由了不同的光路的八个图案的光斑。结果，将光斑噪声的对比度减少至1/( V2)Xl/( V2)Xl/(V2)=l/(2 V2).另外，在图2中，各PBS201、202被构成长方体形状，将1/4波长板203、205、210、 223,225以及反射镜202、204、222、2M分别配置成垂直于光轴，由此构成为入射光以及出射光垂直于各设备面。其理由是为了抑制在相同光路上合成通过各PBS201、221的偏振光分离面201a、221a暂时分离的各偏振光成分的光时的角度的扩大。上述的光斑减少装置200说明了排列了三级得到两个光程的结构的例，但也可以是一级或两级。但是，级数多时有利于光斑干扰的对比度减少。根据以上说明的实施方式，能够得到以下效果。(1)光斑减少装置具有在偏振光分离部201a将入射光分离为第一成分光(S偏振光成分)和第二成分光(P偏振光成分)，将该第一成分光和第二成分光分别出射到不同的方向的PBS201 ；对从PBS201出射的第一成分光(S偏振光成分)进行反射，再入射到 PBS201的反射镜202 ；被配置在反射镜202和PBS201之间，将再入射的光变换为第二成分光(P偏振光成分)的1/4波长板203 ；对再入射后从PBS201出射的第二成分光(P偏振光成分)进行反射，再次入射到PBS201的反射镜204 ；以及被配置在反射镜204和PBS201之间，将再入射的光变换为第一成分光(S偏振光成分)的1/4波长板205，将分离后的第二成分光(P偏振光成分)和再次入射后的第一成分光(S偏振光成分)出射到同一方向。由此，可以使得到不同的两个光程、减少光斑的光斑减少装置小型化。(2)在上述(1)的光斑减少装置中，入射光与反射镜202、1/4波长板203、反射镜 204以及1/4波长板205分别垂直地入射，所以能够抑制在相同光路上合成通过PBS201的偏振光分离面201a暂时分离的各偏振光成分的光时的角度的扩大。(3)光斑减少装置具有第一模块、第二模块以及1/4波长板210，使从第一模块向相同方向出射的第一成分光(S偏振光成分)以及第二成分光(P偏振光成分)经由1/4波长板210入射到第二模块。通过两级排列第一 PBS201以及第二 PBS202，重叠了经由不同的光路的四个图案的光斑，所以与一级结构相比能够进一步减少光斑噪声的对比度。在上述的实施方式中，以对各PBS的入射光中的S偏振光成分为对象通过反射镜进行了反射。代替这些，能够以入射光中的P偏振光成分为对象来通过反射镜进行反射。(变形例1)图3是例示变形例1的光斑减少装置的光学系统的图。在第一模块和第二模块之间，可以使作为入射当初S偏振光成分的光的光程不同。S卩、也可以使隔着第一 PBS201的反射镜202以及反射镜204之间的间隔(以空气换算长度表示)D1、和隔着第二 PBS221的反射镜222以及反射镜2M之间的间隔(以空气换算长度表示)D2不同。在变形例1中， 使第二 PBS221与反射镜222、2M之间的间隔比第一 PBS201与反射镜202、204之间的间隔宽。S卩、具有Ad3= Ad4> Adl = Ad2。此时，如下式(1)所示，使Dl与D2的差成为光源光的相干长度Lc的一半以上。D1_D2| 彡 Lc/2(1)相干长度Lc能够以下式( 近似。但是，假设光源光的主波长为λ，波长宽度为 Δ λ。Lc = λ 7 Δ λ(2)
例如，在光源光的主波长λ为530nm、波长宽度Δ λ为0. Inm的情况下，相干长度Lc为大约2. 8_。此时的|D1-D2|为1. 4mm以上即可。根据变形例1，通过使重叠的光束成为非相干的关系，与|D1-D2|不足Lc/2时相比能够有效地减少光斑。(变形例2)在变形例1中具有Ad3 = Ad4 > Adl = Ad2的关系，所以使第一模块中的空气换算长度Dl和第二模块中的空气换算长度D2不同。但是，可以通过使第一 PBS201和第二 PBS202的尺寸不同，使Dl之间D2之间具有差。图4是例示变形例2的光斑减少装置的光学系统的图。在图4中，使第二 PBS231 的上下方向的尺寸大于第一 PBS201的上下方向的尺寸。由此，隔着第一 PBS201的反射镜 202以及反射镜204之间的间隔(以空气换算长度表示)D1、与隔着第二 PBS231的反射镜 222以及反射镜2M之间的间隔(以空气换算长度表示)D2不同。另外，在图4中，第一 PBS201与反射镜202之间的间隔是Δ dl。第一 PBS201与反射镜204之间的间隔是Δ d2。 第二 PBS231与反射镜222之间的间隔是Ad3。第二 PBS231与反射镜2 之间的间隔是 Ad4。在变形例2中，假设Ad3 = Ad4 = Δ dl = Ad2。在变形例2的情况下，也通过使重叠的光束成为非相干的关系，与|D1-D2|不足Lc/2时相比能够有效地减少光斑。(变形例3)可以在第一模块和第二模块之间共用反射镜等。图5是例示变形例3的光斑减少装置的光学系统的图。在图5中，在第一模块以及第二模块中分别一体地构成反射镜202A、 反射镜204A、1/4波长板203A、以及1/4波长板205A。第一 PBS201 (第二 PBS221)与反射镜202A之间的间隔为Adl0此外，第一 PBS201(第二 PBS221)与反射镜204A之间的间隔为Ad2。在变形例3中，假设Adl = Ad2。根据变形例3，在第一模块和第二模块中共用同一部件，由此能够削减部件个数或者减少组装制造时的成本。例如，当做成安装在镀了反射镜的箱体中的结构时，所用的组装工时数少。另外，通过改变构成第一 PBS201和第二 PBS221的硝材，使折射率不同，能够使第一模块中的空气换算长度Dl和第二模块中的空气换算长度D2不同。(变形例4)在图2 图4中例示的第二模块的结构，可以与第一模块的结构相比沿光轴Ax的周围旋转大致45度。这是由于使从第一 PBS201的右侧面出射的光的偏振光方向相对于第二模块的第二 PBS的偏振光分离面倾斜大致45度。图6是例示变形例4的光斑减少装置的光学系统的图。根据变形例4，从第一模块的右侧面出射的包含两个图案的光斑的光束成为从第二模块的侧面看时分别大致相等地包含P偏振光成分和S偏振光成分的状态。结果能够省略第一模块和第二模块之间的1/4波长板。(变形例5)将变形例4应用到三级结构的光斑减少装置中时，使第三模块的结构相对于第二模块的结构沿光轴Ax的周围旋转大致45度。图7是例示变形例5的的光斑减少装置的光学系统的图。第二实施方式参照
第二实施方式的光斑减少装置。在以下说明中，对于与第一实施方式相同的结构要素附加相同的符号后主要对不同点进行说明。没有特别说明的点与第一实施方式相同。在本实施方式中，在第一模块以及第二模块具备无偏振光半透明反射镜的这一点与第一实施方式不同。在第二实施方式中也在光斑减少装置的结构上具有特征，所以以光斑减少装置为中心来进行以下的说明。<第一模块的结构>对相当于光斑减少装置200(图1)的第一级的第一模块进行说明。在图8中，在第一 PBS201的上下分别配置了反射镜202以及反射镜204。在第一 PBS201的上侧，第一 PBS201与反射镜202之间设置了部分反射镜206以及1/4波长板203。在部分反射镜206 中，例如通过使用无偏振光半透明反射镜来避免产生因偏振光方向的不同而引起的反射率 (投射率)的差异。无偏振光半透明反射镜的投射率和反射率可以不是50 50，例如可以是30 70，也可以是60 40。部分反射镜206与反射镜202之间的间隔是Δ dl。另一方面，在第一 PBS201的下侧，在第一 PBS201与反射镜204之间仅设置了 1/4波长板205。部分反射镜206与反射镜202之间的间隔Δ dl与光源光的相干长度Lc之间成立下式⑶。Adl ^ Lc/2 (3)相干长度Lc也可以通过下式⑷来近似。Lc = λ2/Δ λ (4)但是假设光源光的主波长为λ，波长宽度为Δ λ。例如，在光源光的主波长λ为530nm，波长宽度Δ λ为0. Inm的情况下，相干长度 Lc为大约2. 8nm。此时的Δ dl设成1. 4mm即可。通过使重叠的光束成为非相干的关系，能够有效地减少光斑。<第二模块的结构>对相当于光斑减少装置200(图1)的第二级的第二模块进行说明。在图2中，第一 PBS201和第二 PBS221相同。在第二 PBS221的上下也分别配置了反射镜222以及反射镜224。在第二 PBS221的上侧，第二 PBS221与反射镜202之间设置了部分反射镜226以及 1/4波长板223。部分反射镜2 例如使用上述的半透明反射镜。这是为了避免产生因偏振光方向的不同而引起的反射率(透射率)的差异。部分反射镜2 与反射镜222之间的间隔是Ad3。在本实施方式中Adl兴Ad3。另一方面，在第二 PBS221的下侧，在该第二 PBS221与反射镜2M之间仅设置了 1/4波长板225。在第一 PBS201与第二 PBS221之间仅设置了 1/2波长板211。部分反射镜2 与反射镜222的间隔Δ d3与光源光的相干长度Lc之间成立下式 ⑶。Δ d3 彡 Lc/2 (5)相干长度Lc也可以通过上式⑷来近似。例如，光源光的主波长λ为530歷，波长宽度Δ λ为0. Inm的情况下，使Δ d3成为1.4_以上即可。通过使重叠的光束成为非相干关系，能够有效地减少光斑。来自激光光源装置100的圆偏振光入射到第一 PBS201的左侧面。在来自激光光源装置100的光束为直线偏振光的情况下，经由1/4波长板变换为圆偏振光之后入射到第一 PBS201的左侧面，由此入射光束成为大致相同地含有P偏振光成分和S偏振光成分双方的状态。入射到第一 PBS201内的光中的P偏振光成分透射偏振光分离部201a之后从第一 PBS201的右侧面出射。入射到第一 PBS201内的光中的S偏振光成分通过偏振光分离部 201a反射之后从第一 PBS201的上面出射。从第一 PBS201的上面出射的偏振光成分的一部分通过部分反射镜206被反射后， 再次从第一 PBS201的上面入射到第一 PBS201的内部。另一方面，从第一 PBS201的上面出射的偏振光成分的一部分透射部分反射镜206之后，到达反射镜202，在该反射镜202反射后再次进入部分反射镜206。部分反射镜206使来自反射镜202的入射光的一部分光透射后，从第一 PBS201的上面再入射到第一 PBS201。进而在部分反射镜206再次反射来自反射镜202的入射光的一部分光。因此，重复在该部分反射镜206和反射镜202之间进行反射， 多重反射光从第一 PBS201的上面再入射到第一 PBS201。由此，通过重复产生反射，非相干的光增加。从第一 PBS201的上面再入射的偏振光成分一共透射两次1/4波长板203，由此从 S偏振光成分变换为P偏振光成分。因此，该P偏振光成分透射偏振光分离部201a后从第一 PBS201的下面出射。从第一 PBS201的下面出射的偏振光成分通过反射镜204被反射后再次从第一 PBS201的下面入射到第一 PBS201。再入射的偏振光成分一共透射两次1/4波长板205，由此从P偏振光成分变换为S偏振光成分。因此，该S偏振光成分在偏振光分离部201a反射后从第一 PBS201的右侧面出射。通过以上说明的结构，从第一 PBS201的右侧面出射P偏振光成分和S偏振光成分。其中，S偏振光成分的光路与P偏振光成分的光路相比，至少在部分反射镜206和反射镜204之间往返一次的长度(假设为d)变长。而且如上所述，在反射镜206与反射镜202 之间重复多重反射，所以如d+2 Adl X η (n = 0,1,2,...)生成光程不同的无数个光斑图案。 由此，减少光斑噪声的对比度。从第一 PBS201的右侧面出射的光经由1/2波长板211入射到第二 PBS201的左侧面。1/2波长板210使偏振光方向旋转90度，所以更换对第二 PBS的偏振光分离面221a的入射光的S偏振光成分和P偏振光成分。由此，具有无数个光斑图案的是P偏振光成分，具有单一的光斑图案的是S偏振光成分。入射到第二 PBS221的左侧面的光的光路与第一 PBS201的情形相同。即、作为入射当初S偏振光成分的光的光路与作为入射当初P偏振光成分的光的光路相比，至少在部分反射镜2 和反射镜2M之间往返一次的长度(假设为d)变长。而且如上所述在反射镜206与反射镜202之间重复多重反射，所以如d+2Ad3Xn(n = 0，1，2，...)生成光程不同的无数个光斑图案。由此，减少光斑噪声的对比度。另外，在图2中，各PBS201,202被构成为长方形形状，将1/4波长板203、205、223、 225、1/2波长板211、部分反射镜206、226以及反射镜202、204、222、2M分别被配置成相对于光轴垂直，由此构成为入射光以及出射光相对于各设备的面垂直。其理由是为了抑制在相同光路上合成通过各PBS201、221的偏振光分离面201a、221a暂时分离的各偏振光成分的光时的角度的扩大。
关于上述的光斑减少装置200，说明了两级排列了得到两个光程的结构的例子，但也可以是一级。但是，级数多时有利于光斑噪声的对比度减少。根据以上说明的实施方式，能够得到以下效果。(1)光斑减少装置具有在偏振光分离部201a将入射光分离为第一成分光(S偏振光成分)和第二成分光(P偏振光成分)，将该第一成分光和第二成分光分别出射到不同的方向的PBS201 ；对从PBS201出射的第一成分光(S偏振光成分)进行反射，再入射到 PBS201的反射镜202 ；被配置在反射镜202和PBS201之间，将在与反射镜202之间再入射的光进行多重反射的部分反射镜206 ；被配置在部分反射镜206与第一 PBS201之间，将再入射的光变换为第二成分光(P偏振光成分)的1/4波长板203 ；对再入射后从PBS201出射的第二成分光(P偏振光成分)进行反射，再次入射到PBS201的反射镜204 ；以及被配置在反射镜204和PBS201之间，将再入射的光变换为第一成分光(S偏振光成分)的1/4波长板205，将分离后的第二成分光(P偏振光成分)和再次入射后的第一成分光(S偏振光成分)出射到同一方向。由此，可以使得到不同的光程、使减少光斑的光斑减少装置小型化。(2)在上述(1)的光斑减少装置中，入射光相对于反射镜202、1/4波长板203、反射镜204以及1/4波长板205分别垂直入射，所以能够抑制在相同光路上合成通过PBS201 的偏振光分离面201a暂时分离的各偏振光成分的光时的角度的扩大。在上述的实施方式中，做成在针对各PBS的入射光中以S偏振光成分为对象通过反射镜以及部分反射镜进行多重反射的结构。代替这些，能够做成以入射光中的P偏振光成分为对象来通过反射镜以及部分反射镜进行多重反射的结构。(变形6)图9是例示变形例6的情况下的光斑减少装置的光学系统的图。与图8的情形相比，在第一 PBS201的下侧，在1/4波长板205和反射镜204之间设置了部分反射镜207。部分反射镜207通过使用上述无偏振光半透明反射镜来避免产生因偏振光方向的不同而引起的反射率(透射率)的差异。部分反射镜207与反射镜202之间的间隔是Ad2。变形例6进一步在第二 PBS221的下侧，在1/4波长板225和反射镜2M之间设置了部分反射镜227。部分反射镜227也通过使用上述无偏振光半透明反射镜来避免产生因偏振光方向的不同而引起的反射率(透射率)的差异。部分反射镜227与反射镜222之间的间隔是Δ(14。在此，间隔八d2与光源光的相干长度Lc之间下式(6)成立。Δ d2 ^ Lc/2(6)此外，间隔Ad4与光源光的相干长度Lc之间下式(7)成立。Δ d4 ^ Lc/2(7)相干长度Lc能够通过上式⑷近似。在变形例6中Adl Δ d4互不相同。通过使各个重叠的光束成为非相干关系， 能够进一步减少光斑。(变形例7)可以在第一模块和第二模块中共用反射镜等。图10是例示变形例7的情况下的光斑减少装置的光学系统的图。与图8相比，在第一模块以及第二模块中分别一体地构成反射镜202A、反射镜204Α、1/4波长板203A、以及1/4波长板205A的这一点不同。部分反射镜206A与反射镜202A之间的间隔为Δ dl。根据变形例7，在第一模块和第二模块中共用同一部件，由此能够削减部件个数或者减少组装制造时的成本。例如，当做成安装在镀了反射镜的筐体的结构时，所用的组装工时数变少。(变形例8)图11是例示变形例8的情况下的光斑减少装置的光学系统的图。与图10相比， 在第一模块和第二模块中共用部分反射镜207A的这一点不同。部分反射镜207A和反射镜 204A的间隔为Ad2。根据变形例8，与变形例7 —样地在第一模块和第二模块中共用相同部件，由此能够削减部件给书或者减少组装制造时的成本。(变形例9)可以使图8所示的第二模块的结构相对于第一模块的结构沿光轴Ax的周围旋转大致90度。其理由是由于使从第一 PBS201的右侧面出射的光的偏振光方向相对于第二模块的第二 PBS的偏振光分离面倾斜大致90度。图12是例示变形例9的光斑减少装置的光学系统的图。根据变形例9，成为针对第二 PBS的偏振光分离面进行变换从第一模块的右侧面出射的包含多个图案的光斑的光束的P偏振光成分和S偏振光成分的状态。结果能够省略第一模块和第二模块之间的1/2波长板。(变形例10)可以使图9中例示的第二模块的结构相对于第一模块的结构沿光轴Ax的周围旋转大致90度。其理由是使从第一 PBS201的右侧面出射的光的偏振光方向相对于第二模块的第二 PBS的偏振光分离面倾斜大致90度。图13是例示变形例10的光斑减少装置的光学系统的图。根据变形例10，成为相对于第二 PBS的偏振光分离进行变换从第一模块的右侧面出射的包含多个图案的光斑的光束的P偏振光成分和S偏振光成分的状态。结果能够省略第一模块和第二模块之间的1/2波长板。(变形例11)可以组合图8中例示的第一模块的结构和图9中例示的第二模块的结合，也可以组合图9中例示的第一模块的结构和图8中例示的第二模块的结构。(变形例12)在上述的说明中，作为光斑减少装置200说明了两级排列了得到多个光程的结构，但也可以做成三级或四级排列的结构。其理由是使从第二模块的第二 PBS221的右侧面出射的光的偏振光方向相对于第三模块的第三PBS的偏振光分离面倾斜大致45度。图14 是例示变形例12的光斑减少装置的光学系统的图。根据变形例12，从第二模块的右侧面出射的包含多个图案的光斑的光束成为从第三模块侧看时分别大致相等地包含P偏振光成分和S偏振光成分的状态，所以进一步将两侧偏振光成分的光分割为两个，进一步增加非相干的光的成分，能够进一步减少光斑噪声的对比度。可以将以上说明的第一以及第二实施方式的光斑减少装置变进行如下变形。
(变形例13)在上述的说明中说明了分开配置各PBS的端面、1/4波长板以及反射镜(或部分反射镜)的例子。但是，可以将1/4波长板以及反射镜(或部分反射镜)配置成与各PBS端面相接。(变形例14)说明了使用PBS作为光斑减少装置200中的偏振光分离元件的例，但是也可以使用线性光栅(wire grid)。(变形例I5)说明了使用反射型显示元件500作为投影仪的光阀的例子，但也可以做成使用透射型显示元件的结构。此外，说明了使用DMD作为反射型显示元件500的例，但也可以做成使用MEMS (微小电气机械系统)反射镜元件或反射型液晶显示元件的结构。另外，在作为光阀而使用液晶显示元件的情况下，在光斑减少装置200和聚光光学系统300之间设置偏振光变换元件。这是因为将从光斑减少装置200出射的P偏振光成分和S偏振光成分的光，通过偏振光变换元件聚集为一方的偏振光成分。来自光斑减少装置200的出射光的NA非常小，所以即使经由偏振光变换元件也几乎不产生因延伸性 (etendue)增加而引起的光量下降。(变形例I6)以上的说明中以装载在投影仪中的照明光学系统为例进行了说明，但也可以应用到显微镜的照明光学系统或逐次移动式曝光装置中的照明光学系统中。上述的实施方式是举例说明，在脱离发明宗旨的范围内，可以进行各种变更。
权利要求
1.一种光斑减少装置，其特征在于，具有偏振光分离元件，其具有将入射光分离为具有第一成分的第一光和具有第二成分的第二光的偏振光分离部，并分别向不同的方向出射所述第一光和所述第二光；第一反射部件，其对从所述偏振光分离元件出射的所述第一光进行反射，再入射到所述偏振光分离元件；第一变换部件，其被配置在所述第一反射部件和所述偏振光分离元件之间，将通过所述第一反射部件反射的第一光变换为具有所述第二成分的第三光；第二反射部件，其对所述再入射后从所述偏振光分离元件出射的所述第三光进行反射，再次入射到所述偏振光分离元件；以及第二变换部件，其被配置在所述第二反射部件和所述偏振光分离元件之间，将从所述偏振光分离元件出射的第三光变换为具有所述第一成分的第四光，所述偏振光分离元件向同一方向出射所述第二光和所述第四光。
2.根据权利要求1所述的光斑减少装置，其特征在于，分别对所述第一反射部件、所述第一变换部件、所述第二反射部件以及所述第二变换部件垂直入射入射光。
3.一种光斑减少装置，其特征在于，具有两个权利要求1或2中所述的光斑减少装置以及相位板，使从第一光斑减少装置出射到所述同一方向的所述第二光以及所述第四光经由所述相位板入射到第二光斑减少装置。
4.根据权利要求3所述的光斑减少装置，其特征在于，从所述第一光斑减少装置中的所述第一反射部件以及所述偏振光分离部之间的第一空气换算长度与所述第二反射部件以及所述偏振光分离部之间的第二空气换算长度的和中、减去所述第二光斑减少装置中的所述第一反射部件以及所述偏振光分离部之间的第一空气换算长度与所述第二反射部件以及所述偏振光分离部之间的第二空气换算长度的和而得的差的绝对值大于所述入射光的相干长度的一半。
5.根据权利要求4所述的光斑减少装置，其特征在于，在所述第一光斑减少装置和所述第二光斑减少装置之间，使偏振光分离元件的材质或尺寸、所述第一反射部件以及所述偏振光分离元件的间隔、和所述第二反射部件以及所述偏振光分离元件之间的间隔中的至少一个不同来使产生所述差。
6.根据权利要求3所述的光斑减少装置，其特征在于，在所述第一光斑减少装置和所述第二光斑减少装置之间，所述第一反射部件、所述第一变换部件、所述第二反射部件以及所述第二变换部件分别被形成为一体化结构。
7.根据权利要求1所述的光斑减少装置，其特征在于，还具有第一半透明反射镜部件，该第一半透明反射镜部件被配置在所述第一反射部件和所述偏振光分离元件之间，在与所述第一反射部件之间多次反射所述第一光。
8.根据权利要求7所述的光斑减少装置，其特征在于，分别对所述第一反射部件、所述第一变换部件、所述第二反射部件以及所述第二变换部件垂直入射入射光。
9.根据权利要求7或8所述的光斑减少装置，其特征在于，还具有第二半透明反射镜部件，该第二半透明反射镜部件被配置在所述第二反射部件和所述第二变换部件之间，在与所述第二反射部件之间多次反射所述第三光。
10.根据权利要求9所述的光斑减少装置，其特征在于，所述第一反射部件和所述第一半透明反射镜部件之间的第一空气换算长度、所述第二反射部件以及所述第二半透明反射镜部件之间的第二空气换算长度分别大于所述入射光的相干长度的一半。
11.一种光斑减少装置，其特征在于，具有两个权利要求7或8中所述的光斑减少装置、以及第三变换部件，该第三变换部件在具有所述第二成分的所述第二光和具有所述第一成分的所述第四光之间进行成分变换，使从第一光斑减少装置出射到所述同一方向的所述第二光以及所述第四光经由所述第三变换部件入射到第二光斑减少装置。
12.根据权利要求11所述的光斑减少装置，其特征在于，在所述第一光斑减少装置以及所述第二光斑减少装置之间，所述第一反射部件、所述第一变换部件、所述第二反射部件以及所述第二变换部件分别被形成为一体化结构。
13.一种投影仪，其特征在于，具有激光光源和权利要求1中所述的光斑减少装置，从所述激光光源出射的光入射到所述光斑减少装置。
全文摘要
本发明提供一种光斑减少装置，具有偏振光分离元件，具有将入射光分离为具有第一成分的第一光和具有第二成分的第二光的偏振光分离部，并分别向不同的方向出射第一光和第二光；第一反射部件，反射从偏振光分离元件出射的第一光，再入射到偏振光分离元件；第一变换部件，被配置在第一反射部件和偏振光分离元件之间，将通过第一反射部件反射的第一光变换为具有第二成分的第三光；第二反射部件，对再入射后从偏振光分离元件出射的第三光进行反射，再次入射到偏振光分离元件；以及第二变换部件，被配置在第二反射部件和偏振光分离元件之间，将从偏振光分离元件出射的第三光变换为具有第一成分的第四光，偏振光分离元件向同一方向出射第二光和第四光。
文档编号G02B27/48GK102436074SQ201110296300
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月27日 优先权日2010年9月29日
发明者菅彰信 申请人:株式会社尼康