(57)【要約】      （修正有）【課題】明るさを向上させた小型の光学素子の提供。【解決手段】光学素子１は、光が入射する２つの入射面１１、１２、光を射出する１つの射出面１３、および、３つの画像形成素子のそれぞれに対向する３つの透過面１４、１５、１６を含む複数の光学面を有する光学素子１であって、光学素子の内部で互いに交差する第１、第２平面に沿ってそれぞれ形成された第１、第２光学多層膜２１、２２を有し、２つの入射面、１つの射出面、３つの透過面、第１、第２平面の全ての面法線は同一平面に対して平行であり、第１光学多層膜は、入射角θ１で入射する第１波長帯域の光を透過し、入射角θ２で入射する第１波長帯域の光を透過して第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を偏光状態に応じて分離し、第２光学多層膜は、入射角θ１で入射する第２波長帯域の光を透過し、入射角θ２で入射する第２波長帯域の光を透過して第１波長帯域の光を偏光状態に応じて分離する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が入射する２つの入射面、光を射出する１つの射出面、および、３つの画像形成素子のそれぞれに対向する３つの透過面、を含む複数の光学面を有する光学素子であって、
前記光学素子の内部で互いに交差する第１平面および第２平面に沿ってそれぞれ形成された第１光学多層膜および第２光学多層膜を有し、
前記２つの入射面、前記１つの射出面、前記３つの透過面、前記第１平面、および、前記第２平面、の全ての面法線は、同一平面に対して平行であり、
前記第１平面および前記第２平面のなす角度のうち小さい方の角度θ０は、
４５°＜θ０＜７５°
を満足し、
前記第１光学多層膜は、
入射角θ１で入射する第１波長帯域の光を透過し、
入射角θ２で入射する前記第１波長帯域の光を透過し、該第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を偏光状態に応じて分離し、
前記第２光学多層膜は、
前記入射角θ１で入射する前記第２波長帯域の光を透過し、
前記入射角θ２で入射する前記第２波長帯域の光を透過し、前記第１波長帯域の光を偏光状態に応じて分離し、
前記入射角θ１および前記入射角θ２は、
θ２−θ１＞３０°
を満足する、ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記２つの入射面、前記１つの射出面、および、前記３つの透過面は、全ての内角が９０°以上である六角柱として定義される立体形状における六角形の両端面を除く６つの面上に配置されており、
前記２つの入射面は、前記１つの射出面と隣り合う２つの面であり、
前記３つの透過面は、前記２つの入射面および前記１つの射出面の反対側の面であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１波長帯域および前記第２波長帯域は、３０ｎｍ以上の波長帯域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１波長帯域および前記第２波長帯域は、青、緑、赤波長帯域のうちの１つまたは２つの波長帯域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１光学多層膜および前記第２の光学多層膜は、前記入射角θ２で入射する光に対して、Ｐ偏光の透過率がＳ偏光の透過率よりも６０％以上高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１光学多層膜および前記第２光学多層膜は、屈折率ｎＰを有する基材上に、屈折率ｎＨと該屈折率ｎＨよりも低い屈折率ｎＬとを有する２つの薄膜を交互に積層することにより構成されており、
前記屈折率ｎＰ、ｎＨ、ｎＬ、および、前記入射角θ２は、
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を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。      
【請求項７】
光源と、
前記光源からの光を３つの画像形成素子に照明する照明光学系と、
前記３つの画像形成素子からの光を分離合成する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子から出射した光を被投射面に投射する投射系と、を有することを特徴とする画像投射光学系。
【請求項８】
前記光学素子の前記３つの透過面のうち１つの透過面と前記３つの画像形成素子のうち１つの画像形成素子との間に位相補償素子を更に有することを特徴とする請求項７に記載の画像投射光学系。
【請求項９】
前記光学素子の前記３つの透過面のうち前記１つの透過面は、該光学素子の前記１つの射出面と対向する１つの透過面であることを特徴とする請求項８に記載の画像投射光学系。
【請求項１０】
前記位相補償素子は、位置に応じて異なる位相補償特性を有することを特徴とする請求項８または９に記載の画像投射光学系。
【請求項１１】
前記３つの画像形成素子のうち、前記光学素子の前記１つの射出面の反対側に位置する１つの透過面に対向する画像形成素子は、青波長帯域用であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の画像投射光学系。
【請求項１２】
前記光学素子の前記２つの入射面のそれぞれに対向する波長選択素子を更に有することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の画像投射光学系。
【請求項１３】
請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の画像投射光学系を有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の画像投射装置と、
前記画像投射装置に画像情報を供給する画像供給装置と、を有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型画像形成素子により画像を形成する画像投射装置に用いられる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタ（３板式反射型プロジェクタ）は、青波長域、緑波長域、赤波長域の照明光の色分離、および、３つの反射型画像形成素子のそれぞれで変調された画像光の色合成を行う。このため、反射型画像形成素子と投射レンズとの間には、ダイクロイック素子や偏光ビームスプリッタなどの素子が配置されている。
【０００３】
特許文献１には、青波長域光、緑波長域光、および赤波長域光のそれぞれに対応する３つの反射型液晶パネルを有し、ダイクロイック素子および偏光ビームスプリッタにより色分解および色合成を行うプロジェクタが開示されている。また、特許文献２には、六角柱状のプリズム型素子を用いて色分解および色合成を行うプロジェクタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５４１５２号公報
【特許文献２】特開２００８−２０８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたプロジェクタでは、１つの波長域光の光路において、色分解または色合成を行う２つの素子が必要となる。このため、プロジェクタにおいて４つの素子を必要とし、構造が複雑になる。また、各素子および投射レンズが大きくなる。また特許文献２に開示されたプロジェクタでは、十分な明るさを得ることができない。
【０００６】
そこで本発明は、明るさを向上させた小型の光学素子、画像投射光学系、画像投射装置、および、画像表示システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光学素子は、光が入射する２つの入射面、光を射出する１つの射出面、および、３つの画像形成素子のそれぞれに対向する３つの透過面を含む複数の光学面を有する光学素子であって、前記光学素子の内部で互いに交差する第１平面および第２平面に沿ってそれぞれ形成された第１光学多層膜および第２光学多層膜を有し、前記２つの入射面、前記１つの射出面、前記３つの透過面、前記第１平面、および、前記第２平面の全ての面法線は、同一平面に対して平行であり、前記第１平面および第２平面のなす角度のうち小さい方の角度θ０は、４５°＜θ０＜７５°を満足し、前記第１光学多層膜は、入射角θ１で入射する第１波長帯域の光を透過し、入射角θ２で入射する前記第１波長帯域の光を透過し、該第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を偏光状態に応じて分離し、前記第２光学多層膜は、前記入射角θ１で入射する前記第２波長帯域の光を透過し、前記入射角θ２で入射する前記第２波長帯域の光を透過し、前記第１波長帯域の光を偏光状態に応じて分離し、前記入射角θ１および前記入射角θ２は、θ２−θ１＞３０°を満足する。
【０００８】
本発明の他の側面としての画像投射光学系は、光源と、前記光源からの光を３つの画像形成素子に照明する照明光学系と、前記３つの画像形成素子からの光を分離合成する前記光学素子と、前記光学素子から射出した光を被投射面に投射する投射系とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての画像投射装置は、前記画像投射光学系を有する。
【００１０】
本発明の他の側面としての画像表示システムは、前記画像投射装置と、前記画像投射装置に画像情報を供給する画像供給装置とを有する。
【００１１】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、明るさを向上させた小型の光学素子、画像投射光学系、画像投射装置、および、画像表示システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における色分離合成プリズム（光学素子）の概略構成図である。
【図２】実施例１における色分離合成プリズムの光学作用を示す図である。
【図３】実施例１における色分離合成プリズムの第１光学多層膜の特性図である。
【図４】実施例１における色分離合成プリズムの第２光学多層膜の特性図である。
【図５】実施例２におけるプロジェクタ（画像投射装置）の概略構成図である。
【図６】実施例３におけるプロジェクタの色分離合成系の概略構成図である。
【図７】実施例４におけるプロジェクタの色分離合成系の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１５】
まず、図１を参照して、本発明の実施例１における色分離合成プリズム（光学素子）の概略について説明する。図１は、本実施例における色分離合成プリズム１の概略構成図である。色分離合成プリズム１は、六角柱として定義される立体形状であって、６つの側面上のそれぞれに６つの光学面を配置した形状を有する。
【００１６】
６つの光学面は、入射面１１、１２（２つの入射面）、射出面１３（１つの射出面）、および、入射出面１４〜１６（３つの入射出面）から構成されている。入射面１１、１２には、不図示の光源から光３１、３２が入射する。射出面１３は、不図示の投射レンズへ光３３を射出する。入射出面１４〜１６は、３つの画像形成素子（反射型液晶パネル：図２中の４４〜４６）のそれぞれに対向する開口部（開口面）としての光３４〜３６の透過面（３つの透過面）である。
【００１７】
入射面１１（第１入射面）および入射面１２（第２入射面）は、射出面１３と隣り合うように、すなわち射出面１３の両側にそれぞれ配置されている。入射出面１４〜１６は、入射面１１、１２、および、射出面１３のそれぞれと対向するように、すなわち入射面１１、１２、および、射出面１３のそれぞれの対面（反対側の面）として設けられている。本実施例において、入射出面１４〜１６をそれぞれ第１入射出面、第２入射出面、および、第３入射出面という。
【００１８】
このように色分離合成プリズム１は、２つの入射面１１、１２、射出面１３、および、３つの入射出面１４〜１６（３つの透過面）は、全ての内角が９０°以上である六角柱として定義される立体形状における六角形の両端面を除く６つの面上に配置されている。また、２つの入射面１１、１２は、射出面１３と隣り合う２つの面であり、３つの入射出面１４〜１６は、２つの入射面１１、１２および射出面１３の反対側の面である。
【００１９】
色分離合成プリズム１の内部において、光学多層膜２１（第１光学多層膜）および光学多層膜２２（第２光学多層膜）は、互いに交差する２つの平面（第１平面および第２平面）に沿ってそれぞれ形成されている。光学多層膜２１は、入射面１２と射出面１３との間の辺から入射出面１５と入射出面１６との間の辺まで延びるように形成されている。また、光学多層膜２２は、入射面１１と射出面１３との間の辺から入射出面１４と入射出面１５との間の辺まで延びるように形成されている。なお、２つの入射面１１、１２、射出面１３、３つの入射出面１４〜１６、第１平面、および、第２平面の全ての面法線は、同一平面に対して平行である。
【００２０】
光学多層膜２１（第１光学多層膜）は、入射角θ１（第１入射角）である入射角０°で入射した第１波長帯域である青波長領域と赤波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２１は、入射角θ２（第２入射角）である入射角６０°で入射したＳ偏光の第１波長帯域である青波長領域と赤波長領域の光線を透過して、第２波長帯域である緑波長領域の光線を反射する。また光学多層膜２１は、入射角θ２（第２入射角）である入射角６０°で入射したＰ偏光の第１波長帯域と第２波長帯域である青波長領域、緑波長領域、および、赤波長領域の光線を透過する。
【００２１】
光学多層膜２２（第２光学多層膜）は、入射角θ１（第１入射角）である入射角０°で入射した第２波長帯域である緑波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２２は、入射角θ２（第２入射角）である入射角６０°で入射したＳ偏光の第１波長帯域である青波長領域と赤波長領域の光線を反射して、第２波長帯域である緑波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２２は、入射角θ２（第２入射角）である入射角６０°で入射したＰ偏光の第１波長帯域と第２波長帯域である青波長領域、緑波長領域、および、赤波長領域の光線を透過する。
【００２２】
入射面１１の面法線と光学多層膜２１の面法線とのなす角度は０°、入射面１１の面法線と光学多層膜２２の面法線とのなす角度は６０°である。また、入射面１２の面法線と光学多層膜２１の面法線とのなす角度は６０°、入射面１２の面法線と光学多層膜２２の面法線とのなす角度は０°である。さらに、光学多層膜２１と光学多層膜２２とのなす角度は６０°である。なお、これらの角度はいずれも面法線または多層膜がなす角度のうち小さい方の角度である。
【００２３】
続いて、図２を参照して、本実施例における色分離合成プリズム１の基本的な光学作用について説明する。図２は、色分離合成プリズム１の光学作用を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、は、光源から導かれたＰ偏光の赤波長域光線（赤光線３１１）、Ｓ偏光の青波長域光線（青光線３１２）、Ｐ偏光の緑波長域光線（緑光線３１３）が色分離合成プリズム１に入射する場合の光路をそれぞれ示している。図２において、実線はＳ偏光、破線はＰ偏光をそれぞれ示している。Ｓ偏光およびＰ偏光は、互いに偏光状態が異なる光である。
【００２４】
図２（ａ）において、色分離合成プリズム１に入射した赤光線３１１は、光学多層膜２１に対して入射角０°で入射して透過した後、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射して透過する。また、赤光線３１１の入射位置に応じて、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射して透過した後、光学多層膜２１に対して入射角０°で入射して透過する。このように、赤光線３１１は、光学多層膜２１、２２のいずれの位置に入射しても、光学多層膜２１、２２を透過して、入射面１１の対面である入射出面１４から色分離合成プリズム１の外部に射出する。そして、赤波長帯域用の反射型液晶パネル（赤パネル４４）に入射する。
【００２５】
赤パネル４４で反射され、かつ画像変調された赤光線３１１は、Ｓ偏光として入射出面１４から色分離合成プリズム１に再入射する。色分離合成プリズム１に再入射した赤光線３１１は、光学多層膜２１に対して入射角０°で入射して透過した後、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射する。また、赤光線３１１の入射位置に応じて、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射した後、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射して透過する。このように、再入射した赤光線３１１は、光学多層膜２１、２２のいずれの位置に入射しても、光学多層膜２１を透過して光学多層膜２２で反射される。これにより、赤光線３１１は、射出面１３から色分離合成プリズム１の外部に射出し、不図示の投射レンズに向かう。
【００２６】
図２（ｂ）は、光源から導かれた青光線３１２がＳ偏光として入射面１１から色分離合成プリズム１に入射する場合の光路を示している。色分離合成プリズム１に入射した青光線３１２は、光学多層膜２１に対して入射角０°で入射して透過した後、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射する。また、青光線３１２の入射位置に応じて、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射した後、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射して透過する。このように、青光線３１２は、光学多層膜２１、２２のいずれの位置に入射しても、光学多層膜２１を透過して光学多層膜２２で反射する。このため、青光線３１２は、入射出面１５から色合成プリズム１の外部に射出し、青波長帯域用の反射型液晶パネル（青パネル４５）に入射する。
【００２７】
青パネル４５で反射され、かつ画像変調された青光線３１２は、Ｐ偏光として入射出面１５から色分離合成プリズム１に再入射する。色分離合成プリズム１に再入射した青光線３１２は、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射して透過した後、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射して透過する。また、青光線３１２の入射位置に応じて、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射して透過した後、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射して透過する。このように、再入射した青光線３１２は、光学多層膜２１、２２のいずれの位置に入射しても、光学多層膜２１、２２で透過する。これにより、青光線３１２は、入射出面１５の対面である射出面１３から色分離合成プリズム１の外部に射出し、投射レンズに向かう。
【００２８】
図２（ｃ）は、光源から導かれた緑光線３１３がＰ偏光として入射面１２から色分離合成プリズム１に入射する場合の光路を示している。色分離合成プリズム１に入射した緑光線３１３は、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射して透過した後、光学多層膜２２に対して入射角０°で入射して透過する。また、緑光線３１３の入射位置に応じて、光学多層膜２２に対して入射角０°で入射して透過した後、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射して透過する。このように、緑光線３１３は、光学多層膜２１、２２のいずれの位置に入射しても、光学多層膜２１、２２を透過する。このため、緑光線３１３は、入射面１２の対面である入射出面１６から色分離合成プリズム１の外部に射出し、緑波長帯域用の反射型液晶パネル（緑パネル４６）に入射する。
【００２９】
緑パネル４６で反射され、かつ画像変調された緑光線３１３は、Ｓ偏光として入射出面１６から色分離合成プリズム１に再入射する。色分離合成プリズム１に再入射した緑光線３１３は、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射してここで反射した後、光学多層膜２２に対して入射角６０°で入射して透過する。また、緑光線３１３の入射位置に応じて、光学多層膜２２に対して入射角０°で入射して透過した後、光学多層膜２１に対して入射角６０°で入射してここで反射する。このように、再入射した緑光線３１３は、光学多層膜２１、２２のいずれの位置に入射しても、光学多層膜２１で反射し、光学多層膜２２を透過する。これにより、緑光線３１３は、射出面１３から色分離合成プリズム１の外部に射出し、投射レンズに向かう。
【００３０】
以上のように、本実施例の色分離合成プリズム１は、赤光線３１１、青光線３１２、および、緑光線３１３の赤パネル４４、青パネル４５、および、緑パネル４６（３つのパネル）に向けた光路分離（色分解）を行う。また色分離合成プリズム１は、赤パネル４４、青パネル４５、および、緑パネル４６のそれぞれからの赤光線３１１、青光線３１２、および、緑光線３１３の色合成を行う。このように、本実施例の構成によれば、色分解と色合成とを１つのプリズムで行うことができる。
【００３１】
続いて、光学多層膜２１（第１光学多層膜）および光学多層膜２２（第２光学多層膜）についてさらに詳しく説明する。光学多層膜２１は、入射角０°で入射した青波長領域と赤波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２１は、入射角６０°で入射したＳ偏光の青波長領域と赤波長領域の光線を透過して緑波長領域の光線を反射する。また光学多層膜２１は、入射角６０°で入射したＰ偏光の青波長領域、緑波長領域、および、赤波長領域の光線を透過する。光学多層膜２１は、入射角６０°においてブリュースター角を利用することでＰ偏光を透過し、Ｓ偏光は多層膜反射を利用して波長分離特性（ダイクロ特性）を得ることができる。すなわち、光学ガラスなどの屈折率ｎＰのプリズム基材上に、屈折率ｎＨの光学薄膜（Ｈ層）と屈折率ｎＬを有する光学薄膜（Ｌ層）とを交互に繰り返して積層した多層膜において、偏光分離を行う光線の入射角θ２がブリュースター角となる必要がある。ここで、屈折率ｎＬは、屈折率ｎＨよりも低いものとする。このため、以下の式（１）で表される関係を満足することが好ましい。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
さらに、同時に入射角０°で透過させるように構成することにより、光学多層膜２１（第１光学多層膜）を得ることができる。
【００３４】
本実施例では、プリズム基材である入射側媒質として、異常分散性ガラス（ＯＨＡＲＡ社の商品名Ｓ−ＦＰＭ２（波長５５０ｎｍでの屈折率１．５９７））を用いている。また、Ｈ層をＴｉＯ２（波長５５０ｎｍでの屈折率２．４８１）、Ｌ層をＡｌ２Ｏ５（波長５５０ｎｍでの屈折率１．６４８）として膜設計を行っている。接着剤である射出媒質は、波長５５０ｎｍでの屈折率１．５５０を有する。表１はこのときの膜構成、図３は膜設計結果をそれぞれ示している。層数は４４層である。式（１）の中辺は０．９８８となり（θ２＝６０°）、式（１）を満たしている。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
図３（ａ）は、Ｐ偏光およびＳ偏光を入射角６０°およびその近傍で入射させたときの透過率のシミュレーション結果である。Ｔｐ６０、Ｔｐ５８およびＴｐ６２は、それぞれ、Ｐ偏光を６０°、５８°および６２°の入射角で入射させたときの透過率を示している。また、Ｔｓ６０、Ｔｓ５８およびＴｓ６２は、それぞれ、Ｓ偏光を６０°、５８°および６２°の入射角で入射させたときの透過率を示している。プロジェクタなどで利用する場合、入射光線は角度分布を有するため、基準となる入射角６０°に対して±２°の入射角を有する場合の透過率も示している。
【００３７】
図３（ｂ）は、Ｐ偏光およびＳ偏光を入射角０°およびその近傍で入射させたときの透過率のシミュレーション結果である。Ｔｐ０およびＴｐ２はそれぞれ、Ｐ偏光を０°および２°の入射角で入射させたときの透過率を示している。また、Ｔｓ０およびＴｓ２はそれぞれ、Ｓ偏光を０°および２°の入射角で入射させたときの透過率を示している。透過率Ｔｐ０、Ｔｓ０は、光線が各多層膜に対して垂直に入射するため、互いに一致する。また、各多層膜は垂直入射近傍の角度特性に対して鈍感であるため、透過率Ｔｐ２と透過率Ｔｓ２との間に大きな差異はない。
【００３８】
図３からわかるように、光学多層膜２１は、入射角０°で入射した青波長領域と赤波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２１は、入射角６０°で入射したＳ偏光の青波長領域と赤波長領域の光線を透過して緑波長領域の光線を反射し、Ｐ偏光の青波長領域、緑波長領域、赤波長領域の光線を透過する。
【００３９】
光学多層膜２２は、入射角０°で入射した緑波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２２は、入射角６０°で入射したＳ偏光の青波長領域と赤波長領域の光線を反射して緑波長領域の光線を透過し、Ｐ偏光の青波長領域、緑波長領域、赤波長領域の光線を透過する。光学多層膜２１も光学多層膜２１と同様に、入射角６０°においてブリュースター角を利用することでＰ偏光を透過し、Ｓ偏光は多層膜反射を利用して波長分離特性（ダイクロ特性）を得ることができる。すなわち、式（１）の関係を満足することが好ましい。さらに、同時に入射角０°で透過させるように構成することで、光学多層膜２２（第２光学多層膜）を得ることができる。
【００４０】
本実施例では、プリズム基材である入射側媒質として、ＯＨＡＲＡ社の商品名Ｓ−ＦＰＭ２（波長５５０ｎｍでの屈折率１．５９７）を用いている。また、Ｈ層をＴｉＯ２（波長５５０ｎｍでの屈折率２．４８１）、Ｌ層をＡｌ２Ｏ５（波長５５０ｎｍでの屈折率１．６４８）、接着剤である射出媒質（波長５５０ｎｍでの屈折率１．５５０）として膜設計を行っている。表１は、このときの膜構成を示し、図４は膜設計結果を示している。また、層数は４０層である。
【００４１】
図４（ａ）は、Ｐ偏光およびＳ偏光を入射角６０±２°で入射させたときの透過率のシミュレーション結果である。図４（ｂ）は、Ｐ偏光およびＳ偏光を入射角０±２°およびその近傍で入射させたときの透過率のシミュレーション結果である。図４からわかるように、光学多層膜２２は、入射角０°で入射した緑波長領域の光線を透過する。また光学多層膜２２は、入射角６０°で入射したＳ偏光の青波長領域と赤波長領域の光線を反射して緑波長領域の光線を透過し、Ｐ偏光の青波長領域、緑波長領域、赤波長領域の光線を透過する。
【００４２】
このように、光学多層膜２１（第１光学多層膜）は、入射角θ１で入射する第１波長帯域の光を透過し、入射角θ２で入射する第１波長帯域の光を透過し、第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を偏光状態に応じて分離する。光学多層膜２２（第２光学多層膜）は、入射角θ１で入射する第２波長帯域の光を透過し、入射角θ２で入射する第２波長帯域の光を透過し、第１波長帯域の光を偏光状態に応じて分離する。
【００４３】
本実施例において、第１波長帯域および第２波長帯域はともに、３０ｎｍ以上の波長帯域を含み、略青、緑、赤波長帯域のうちの１つまたは２つの波長帯域幅である。略青、緑、赤波長帯域とは、青、緑、赤波長帯域またはそれらの近傍の波長帯域を含む意味である。また光学多層膜２１、２２は、入射角θ２で入射する光に対してＳ偏光に対する透過率よりもＰ偏光に対する透過率が６０％以上高いことが好ましい。
【００４４】
このような波長選択性のある透過機能と偏光分離機能をそれぞれ有する光学多層膜２１、２２を用いることにより、本実施例の色分離合成プリズム１を実現することができる。色分離合成プリズム１を３板式反射型プロジェクタに用いることにより、明るさを向上させることができる。このため、小型化と明るさの向上を両立させた画像投射装置を提供することが可能となる。
【００４５】
なお、本実施例の光学素子（色分離合成プリズム１）は、本実施例で説明した光路以外の光路を用いた色分解や色合成を行うこともできる。すなわち、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明した赤光線３１１、青光線３１２および緑光線３１３を入れ替えてもよい。また、表１に示されるプリズム基材の材料、薄膜の材料、使用する薄膜種の数、薄膜の順番、層数および膜厚は、一例に過ぎずに、本実施例はこれ限定されるものではない。また、正六角柱をベース形状としない１つのプリズムによっても、色分解と色合成を行うことができる。このため、本実施例の色分離合成プリズム１のベース形状は、正六角柱である必要はなく、任意の光線入射角度に応じたプリズム形状と多層膜を設計することができる。
【００４６】
本実施例の色分離合成プリズム１は、ベース形状である仮想六角柱の六角形以外の６面が光学面であり、６つの光学面は、２つの入射面１１、１２、１つの射出面１３、３つの入射出面１４〜１６を含む。このため、偏光分離を行う光線の入射角が大きいほど、プリズムが大きくなる。したがって、実際には、２つの多層膜のなす角度θ０が以下の式（２）で表される関係を満足することが必要である。
【００４７】
４５°＜θ０＜７５°  …（２）
また、入射角度の関係に関しても、入射角θ１、θ２が以下の式（３）で表される関係を満足することが好ましい。
【００４８】
θ２−θ１＞３０°  …（３）
式（２）、（３）を満たさない場合、プリズムが大きくなり過ぎ、従来のダイクロイック素子や偏光ビームスプリッタを含むプリズムを３〜４個配置した構成に対する小型化や投射レンズのバックフォーカスの短縮化において優位性がなくなる可能性がある。
【００４９】
なお、本実施例の色分離合成プリズムは、平面視において線対称（立体的には面対称）な形状を有するが、非線対称形状でもよい。この場合にも、任意の光線入射角度に応じたプリズム形状と多層膜を設計することができる。
【実施例２】
【００５０】
次に、図５を参照して、本発明の実施例２におけるプロジェクタ（画像投射装置）について説明する。図５は、本実施例におけるプロジェクタ１００の概略構成図である。プロジェクタ１００は、実施例１の色分離合成プリズム１を備えている。色分離合成プリズム１は、３つの画像形成素子（赤パネル４４、青パネル４５、緑パネル４６）からの光を分離合成する。
【００５１】
高圧水銀ランプなどの光源５１からは、白色光が平行光束に変換されて射出される。ここで平行光束は、完全に平行な光束だけでなく、光学系の特性上平行とみなせる程度に拡散または収束する光束（略平行光束）も含む。このことは、以下の実施例でも同じである。
【００５２】
平行光束は、フライアイレンズ５２（第１フライアイレンズ）により複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、フライアイレンズ５３（第２フライアイレンズ）および偏光変換素子５４の近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。フライアイレンズ５２、５３は、複数のレンズセルが２次元方向に配置されて構成されている。各レンズセルは、被照明面に配置された反射型液晶表示素子（画像形成素子）である赤パネル４４、青パネル４５、および、緑パネル４６と相似形状である矩形のレンズ形状を有する。
【００５３】
偏光変換素子５４は、フライアイレンズ５３から出射した各分割光束をＰ偏光に変換する。偏光変換素子５４から出射した光は、コンデンサレンズ５５により集光され、色分解合成光学系に入射する。色分解合成光学系は、入射した光を青波長帯域、赤波長帯域および緑波長帯域の光（青光、赤光および緑光）に分解する。コンデンサレンズ５５により集光された赤光、青光および緑光は、それぞれ、赤パネル４４、青パネル４５および緑パネル４６を重畳的に照明する。なお、光源５１からコンデンサレンズ５５までの部材により照明光学系が構成される。また、照明光学系、色分離合成光学系、および、後述する投射系（投射レンズ７１）により、画像投射光学系が構成される。また、画像投射装置は、画像投射光学系を備えて構成される。このことは、以下に説明する実施例でも同様である。
【００５４】
続いて、色分解合成光学系について説明する。コンデンサレンズ５５を透過した偏光は、ミラー６２で反射して進行方向を変えた後、ダイクロイックミラー６１に入射する。ダイクロイックミラー６１は、青光および赤光を透過して緑光を反射する。ダイクロイックミラー６１で透過した青光および赤光は、ミラー６２で反射され、波長選択性位相子６３に入射する。波長選択性位相子６３は、青光の偏光方向のみを９０°回転させる。
【００５５】
波長選択性位相子６３からＰ偏光として出射した赤光は、色分離合成プリズム１に入射面１１から入射し、実施例１で説明したように入射面１１の対面である入射出面１４から色分離合成プリズム１の外部に出射し、赤パネル４４に入射する。
【００５６】
本実施例において、各パネル（赤パネル４４、青パネル４５、および、緑パネル４６のそれぞれ）は、駆動回路８１に接続されている。プロジェクタ１００の一部である駆動回路８１には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナなどの画像供給装置１５０（外部装置）からの画像信号（画像情報）が入力される。駆動回路８１は、入力された画像信号のＲ、Ｇ、Ｂ成分に基づいて、それぞれの色に対応するパネルを駆動する。これにより、各パネルは、入射した光を反射するとともに画像変調して画像光として射出する。プロジェクタ１００（画像投射装置）および画像供給装置１５０により画像表示システムが構成される。なお、このような構成は、以下の実施例でも同じである。
【００５７】
赤パネル４４で反射され変調された赤光（赤画像光）は、Ｓ偏光として入射出面１４から色分離合成プリズム１に再入射する。そして実施例１で説明したように、射出面１３から色分離合成プリズム１の外部に出射して投射レンズ７１に入射し、不図示のスクリーン（被投射面）上に投射される。
【００５８】
波長選択性位相子６３でＳ偏光に変換された青光は、入射面１１から色分離合成プリズム１に入射する。そして実施例１で説明したように、入射出面１５から色分離合成プリズム１外に出射して青パネル４５に入射する。青パネル４５で反射され、かつ画像変調された青画像光は、Ｐ偏光として入射出面１５から色分離合成プリズム１に再入射する。そして実施例１で説明したように、射出面１３から色分離合成プリズム１の外部に出射し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射される。
【００５９】
ダイクロイックミラー６１で反射した緑光は、２つのミラー６２で反射して色分離合成プリズム１に入射する。この場合、青光および赤光の光路長と、緑光の光路長とを一致させるため、緑光の光路にはリレーレンズ５６が設けられている。これにより、各色光により各色パネルを重畳的に照明することができる。
【００６０】
色分離合成プリズム１にＰ偏光として入射した緑光は、実施例１で説明したように、入射面１２の対面である入射出面１６から色分離合成プリズム１の外部に出射し、緑パネル４６に入射する。緑パネル４６で反射され、かつ画像変調された緑画像光は、Ｓ偏光として入射出面１６から色分離合成プリズム１内に再入射する。そして実施例１で説明したように、射出面１３から色分離合成プリズム１の外部に出射し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射される。
【００６１】
このように、六角柱形状をベース形状とする実施例１の色分離合成プリズム１を１つだけ用いて、反射型液晶パネルを備えたプロジェクタ１００における色分離合成光学系を構成することができる。また、実施例１の色分離合成プリズム１を１つだけ用いることで、投射レンズ７１のバックフォーカスを短くすることができるため、投射レンズ７１を小型化することが可能である。これにより、プロジェクタの構成部品点数を削減できるとともに、プロジェクタの小型化が可能である。
【実施例３】
【００６２】
次に、図６を参照して、本発明の実施例３におけるプロジェクタ（画像投射装置）の色分離合成光学系について説明する。図６は、本実施例におけるプロジェクタの色分離合成系の概略構成図であり、青光線の光路を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色分離合成プリズム１を備えている。また本実施例のプロジェクタにおいて、色分離合成プリズム１の入射出面１５（射出面１３と対向する１つの透過面）と青パネル４５（１つの画像形成素子）との間に、位相補償素子６４が設けられている。
【００６３】
実施例１で説明したように、青光線の入射位置に応じて、光学多層膜２１、２２の作用する順番が異なる。光学多層膜２２で反射した後に光学多層膜２１を透過する青光線３１２ａは、光学多層膜２１を入射角６０°で透過する。このため、光学多層膜２１により位相差を受けて偏光方向が乱れる。偏光方向が乱れた青光線が青パネル４５に入射し、画像変調された青画像光の偏光方向も乱れるため、プロジェクタのコントラストが低下する。
【００６４】
一方、光学多層膜２１を透過した後に光学多層膜２２で反射する青光線３１２ｂは、位相差を受けずに青パネル４５に入射し、画像変調された青画像光の偏光方向も乱れない。このため、入射出面１５を透過した青光線は、位置すなわち面内位置（紙面の左右）に応じて異なる位相ずれが発生し、画像のムラが発生する。本実施例では、この位相ずれを補償するために位相補償素子６４が設けられている。位相補償素子６４は、位置（面内位置）で異なる位相補償効果（位相補償特性）を有し、例えば青光線３１２ａが通過する半分（または略半分）の領域のみに位相変化特性（位相補償特性）を有する。位相補償素子６４を用いることにより、青光路の面内で異なる位相ずれを補償可能であり、青光路の画像のムラを低減することができる。位相補償素子６４の位相補償量は、位相差を受ける光学多層膜や照明光学系に応じて適宜設計される。
【００６５】
実施例１で説明した赤光線３１１および緑光線３１３の光路についても光線の位置に応じて位相ずれは生じる。ただし、これらは赤パネル４４、緑パネル４６から出射した後の画像光である。このため、本実施例の色分離合成光学系を図５に示される画像投射装置に適用した場合、これらの光は偏光方向が乱れても投射レンズ７１に入射、投影されるだけであり、位相ずれの影響は小さい。
【００６６】
このように、位相ずれは射出面１３に対向する入射出面１５の半分（略半分）の光路のみで発生するため、この位置において位相補償素子６４を設けることが好ましい。また、画像のムラが全体の画像に対して目立ちにくい青色にするほうが全体への影響が小さいため、より好ましい。
【実施例４】
【００６７】
次に、図７を参照して、本発明の実施例４におけるプロジェクタ（画像投射装置）の色分離合成光学系について説明する。図７は、本実施例におけるプロジェクタの色分離合成系の概略構成図である。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色分離合成プリズム１を備えている。また、色分離合成プリズム１の入射出面１５と青パネル４５との間には、実施例３で説明した位相補償素子６４が設けられている。
【００６８】
本実施例において、色分離合成プリズム１の入射側には、波長選択素子６５（トリミングフィルタ）が設けられている。また、光学多層膜２１（第１光学多層膜）および光学多層膜２２（第２光学多層膜）は、青波長、緑波長、赤波長の間でＳ偏光の透過と反射とを分離させている。この透過と反射の遷移波長は、入射角度に応じてシフトするため、この遷移波長帯域の光は漏れ光となってコントラストを低下させる。このため、波長選択素子６５（トリミングフィルタ）を用いて遷移波長帯域の光を反射させることにより、コントラストを向上させることができる。
【００６９】
また本実施例において、色分離合成プリズム１の射出側には、波長選択性位相子６３（カラーセレクト）および偏光子６７が設けられている。このため、本実施例の色分離合成光学系を図５に示される画像投射装置に適用した場合、射出側に設けられた波長選択性位相子６３により、投射レンズ７１（投射系）に向かって出射する光の偏光方向をそろえることができる。さらに、偏光子６７により、漏れ光を遮光することができる。これにより、プロジェクタにおける色分離合成光学系のコントラストを向上させることが可能となる。このとき、入射側の波長選択性位相子と射出側の波長選択性位相子の位相を変換する帯域を同一（略同一）にし、または、逆に同一帯域（略同一帯域）を含まないようにすることで、投射レンズ７１に向かって出射する光の偏光方向をそろえることができる。また本実施例では、青光線に対する位相補償素子６４の光路長に赤光線および緑光線を合わせるように光学部材６６を設けることが好ましい。本実施例の構成によれば、コントラストが向上したより好ましい色分離合成光学系を得ることができる。
【００７０】
各実施例によれば、プロジェクタ（３板式反射型プロジェクタ）の明るさを向上させることが可能な光学素子（六角柱状のプリズム型光学素子）、画像投射光学系、画像投射装置、および、画像表示システムを提供することができる。
【００７１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１  色分離合成プリズム
１１、１２  入射面
１３  射出面
１４、１５、１６  入射出面（透過面）
２１、２２  光学多層膜
【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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