(57)【要約】【課題】簡単な構成で温度変化による部品の熱膨張率の差に起因する歪や変形あるいはストレスを軽減して、赤、青、緑の光ずれを生じさせないで合成する。【解決手段】光学ガラスの線膨張係数とほぼ同じ線膨張係数を有するセラミックや低膨張合金で三角柱状に形成された１対の固定プレート６の傾斜面に反射型偏光素子４を固定し、１対の固定プレート６の直交する一方の面に反射型空間光変調器５を固定し、１対の固定プレート６の直交する他方の面にダイクロイックプリズム２の各入射面との間に設置される透光性中間部材７を固定して画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇを作製する。作製した画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇの透光性中間部材７をダイクロイックプリズム２の入射面に接着して光学装置１を作製する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長帯域の光を入射する少なくとも２つの入射面を有し、２つの入射面から入射する光を合成して出力する光合成プリズムと、前記光合成プリズムの入射面にそれぞれ対応して設けられた画像形成ユニットとを有し、
前記画像形成ユニットは、反射型空間光変調器と、前記各反射型空間光変調器に対応して設けられ、所定の波長帯域の光を透過して前記反射型空間光変調器に入射し、前記反射型空間光変調器で変調されて反射した光を反射して前記光合成プリズムに入射する反射型偏光素子と、角度４５度の２つの頂角を有する三角柱状に形成され、前記反射型偏光素子を傾斜面に固定し、前記反射型空間光変調器を直交する一方の面に固定する１対の固定プレートと、前記１対の固定プレートの直交する他方の面と前記光合成プリズムの各入射面との間に設置される透光性中間部材とを有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記固定プレートは、光学ガラスあるいは光学ガラスの線膨張係数とほぼ同じ線膨張係数を有するセラミックや低膨張合金で形成されている請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記透光性中間部材は、光学ガラスからなる請求項１又は２記載の光学装置。
【請求項４】
前記透光性中間部材は、偏光板か位相差板か位相差板付き偏光板のいずれかである請求項１又は２記載の光学装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光学装置を有し、光源から出射された照明光を異なる波長帯域の光に分離し、分離した各色の光を透過して前記光学装置に入射し、入射した各色の光を前記反射型偏光素子から前記反射型空間光変調器に入射して前記反射型空間光変調器で変調し、変調された各色の光を前記反射型偏光素子で反射して前記光合成プリズムで合成して出射して投影面に画像を表示することを特徴とする画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等に使用して各色の画像光を合成する光学装置及びそれを使用した画像投影装置、特に小型化と温度変化による光学特性の劣化の防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示すように、光源からの光を赤、青、緑の光に分離する光学手段と、分離した各色の光を透過して反射型光変調素子に入射し、反射型光変調素子で変調された光を反射して光合成プリズムに入射する反射型偏光素子と、光合成プリズムで合成された映像をスクリーンに投射して画像を表示する投射レンズを有する画像投影装置が使用されている。
【０００３】
この画像投影装置においては、赤、青、緑の色の画像光がスクリーン上で重なるように反射型偏光素子と反射型光変調素子及び光合成プリズムの位置を調整して接着剤等で固定している。この位置調整されて固定された反射型偏光素子と反射型光変調素子及び光合成プリズムの位置が外気等の温度変化によりずれるとスクリーンに投影された画像の重ね合わせがずれてしまう。
【０００４】
この投影された画像の重ね合わせのずれを防止するため、特許文献２に示された光学装置は、図５に示すように、線膨張係数が10×１０−６（／Ｋ）以下のガラス材料やステンレス又はコバール（ＦｅＮｉＣｏ）で三角柱状に形成された固定プレート１００の３つの側面のうち、第１側面を光合成プリズム１０１の光入射面への接合面とし、第２側面を反射型偏光素子１０２の取付面とし、第３側面を反射型光変調素子１０３の取付面とし、反射型偏光素子１０２と反射型光変調素子１０３とをそれぞれ一定間隔を隔てた上下２枚の固定プレート１００を介して光合成プリズム１０１の対応する光入射面に固定している。
【特許文献１】特開２００６−９８８８１号公報
【特許文献２】特開２００６−９９０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に示された光学装置は固定プレート１００にガラス材料やステンレス又はコバールを使用しているが、赤、青、緑の光に対応する反射型偏光素子１０２と反射型光変調素子１０３を光合成プリズム１０１に固定するため、６枚の固定プレート１００を必要とし、各固定プレート１００の線膨張係数が違うと温度変化により変形して光合成プリズムで合成した画像に色ずれが生じる可能性がある。
【０００６】
また、反射型偏光素子１０２と反射型光変調素子１０３及び光合成プリズム１０１をそれぞれ２枚の固定プレート１００の取付面に固定するとき、個々の固定プレート１００毎に正確な位置合わせを行う必要であり、組み付けが容易でないとともに、多くの固定プレート１００を使用するためコスト高になってしまう。
【０００７】
また、光合成プリズム１０１は光の入射面を固定プレート１００の取付面に取り付けるため、接着領域を入射面に設ける必要があり、光合成プリズムが大型化して高価になってしまう。
【０００８】
この発明は、このような短所を改善し、簡単な構成で温度変化による部品の熱膨張率の差に起因する歪や変形あるいはストレスを軽減して、赤、青、緑の光ずれを生じさせないで合成するとともに共に、容易に組み立てられる光学装置とそれを使用した画像投影装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の光学装置は、異なる波長帯域の光を入射する少なくとも２つの入射面を有し、２つの入射面から入射する光を合成して出力する光合成プリズムと、前記光合成プリズムの入射面にそれぞれ対応して設けられた画像形成ユニットとを有し、前記画像形成ユニットは、反射型空間光変調器と、前記各反射型空間光変調器に対応して設けられ、所定の波長帯域の光を透過して前記反射型空間光変調器に入射し、前記反射型空間光変調器で変調されて反射した光を反射して前記光合成プリズムに入射する反射型偏光素子と、角度４５度の２つの頂角を有する三角柱状に形成され、前記反射型偏光素子を傾斜面に固定し、前記反射型空間光変調器を直交する一方の面に固定する１対の固定プレートと、前記１対の固定プレートの直交する他方の面と前記光合成プリズムの各入射面との間に設置される透光性中間部材とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記固定プレートは、光学ガラスあるいは光学ガラスの線膨張係数とほぼ同じ線膨張係数を有するセラミックや低膨張合金で形成されていることが望ましい。
【００１１】
また、前記透光性中間部材を光学ガラスで形成すると良い。
【００１２】
さらに、前記透光性中間部材は、偏光板か位相差板か位相差板付き偏光板のいずれかであることが望ましい。
【００１３】
この発明の画像投影装置は、前記いずれかの光学装置を有し、光源から出射された照明光を異なる波長帯域の光に分離し、分離した各色の光を透過して前記光学装置に入射し、入射した各色の光を前記反射型偏光素子から前記反射型空間光変調器に入射して前記反射型空間光変調器で変調し、変調された各色の光を前記反射型偏光素子で反射して前記光合成プリズムで合成して出射して投影面に画像を表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、三角柱状に形成され１対の固定プレートの傾斜面に反射型偏光素子を固定し、１対の固定プレートの直交する一方の面に反射型空間光変調器を固定し、１対の固定プレートの直交する他方の面に光合成プリズムの各入射面との間に設置される透光性中間部材を固定して画像形成ユニットを作製し、作製した画像形成ユニットの透光性中間部材を光合成プリズムの入射面に接着することにより、画像形成ユニットの作製工程と作製した画像形成ユニットと光合成プリズムとの接着工程を個別に実施することができ、生産性を向上することができる。
【００１５】
また、反射型偏光素子と反射型空間光変調器及び透光性中間部材を三角柱状に形成した１対の固定プレートの各側面に固定するようにしたから、画像形成ユニットの剛性を高めることができる。
【００１６】
さらに、固定プレートを光学ガラスあるいは光学ガラスの線膨張係数とほぼ同じ線膨張係数を有するセラミックや低膨張合金で形成することにより、画像形成ユニットの温度変化による形状変化が小さく、部品の熱膨張に起因する歪や変形、ストレスを回避し、安定した保持精度を確保でき、合成光の温度変化による位置ずれを小さくすることができる。
【００１７】
また、透光性中間部材を光合成プリズムと同様な光学ガラスで形成することにより、透光性中間部材と光合成プリズムの接着による歪みを抑えることができるとともに接着された面の反射損失を最小限に抑えることができる。
【００１８】
さらに、透光性中間部材として偏光板か位相差板又は位相差板付き偏光板を用いることにより、色合成した画像のコントラストを向上させることができる。
【００１９】
もた、この発明の光学装置を画像投影装置に使用することにより、良質な画像を安定して投影面に投射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１はこの発明の光学装置の構成を示す斜視図である。図に示すように、光学装置１は、光合成プリズムであるダイクロイックプリズム２と異なる波長帯域、例えば赤、青、緑の画像を形成する３組の画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇを有する。各画像形成ユニット３は、図２（ａ）の１組分の画像形成ユニット３ｇの分解斜視図に示すように、ワイヤーグリッド偏光素子などで形成された反射型偏光素子４と、反射型空間光変調器５と１対の固定プレート６及び透光性中間部材７を有する。
【００２１】
固定プレート６は、光学ガラス（ＢＫ７）あるいは光学ガラスの線膨張係数7.5×１０−６（／Ｋ）とほぼ同じ線膨張係数5.0〜8.0×１０−６（／Ｋ）のセラミックや線膨張係数6.0〜8.0×１０−６（／Ｋ）の低膨張合金により角度４５度の２つの頂角を有する三角柱状に形成されている。透光性中間部材７はダイクロイックプリズム２とほぼ同じ線膨張係数の材料で形成されている。
【００２２】
１対の固定プレート６は一定間隔だけ隔て配置され、１対の固定プレート６の傾斜面には、図２（ｂ）に示すように、有効な光路をさえぎらないように反射型偏光素子４の両端部が固定され、直交する一方の面には反射型空間光変調器５の両端部が固定され、直交する他方の面には透光性中間部材７の両端部が固定されて各画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇを構成している。この固定プレート６に対して反射型偏光素子４と反射型空間光変調器５及び透光性中間部材７を固定する方法としては、ネジ止めによる機械的な結合でもよいが、接着剤による接合が好ましい。また、機械的な結合と接着剤による接合を併用しても良い。
【００２３】
このように反射型偏光素子４と反射型空間光変調器５及び透光性中間部材７を三角柱で形成した１対の固定プレート６の各側面に固定するようにしたから、画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇの剛性を高めることができる。
【００２４】
この３組の画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇをダイクロイックプリズム２の各入射面に位置決めして、それぞれ透光性中間部材７ｒ，７ｂ，７ｇをダイクロイックプリズム２の各入射面に面接着して光学装置１を形成する。この光学装置１を作製するとき、３組の画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇを作製する工程と、ダイクロイックプリズム２に接着する工程を個別にすることができ、生産性を向上することができる。なお、光学装置１を作製するとき、１対の固定プレート６に反射型偏光素子４と透光性中間部材７に固定してダイクロイックプリズム２に接着した後、１対の固定プレート６に反射型空間光変調器５を接着しても良い。また、透光性中間部材７をダイクロイックプリズム２の各入射面に面接着することにより、貼り合わされる面の反射損失を最小限に抑えることができ、光利用効率を向上させることができる。また、透光性中間部材７はダイクロイックプリズム２とほぼ同じ線膨張係数の材料で形成しているから、接着や接着後の歪みを抑えることができる。
【００２５】
この光学装置１で画像を合成するとき、画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇにそれぞれ異なる波長帯域の照明光を入射すると、反射型偏光素子４ｒ，４ｂ，４ｇは入射した照明光を透過して反射型空間光変調器５ｒ，５ｂ，５ｇに入射する。反射型空間光変調器５ｒ，５ｂ，５ｇは入射した照明光を画像信号に応じて画素単位に光変調し、変調された画像光を反射して反射型偏光素子４ｒ，４ｂ，４ｇに入射する。反射型偏光素子４ｒ，４ｂ，４ｇは入射した画像光を反射して透光性中間部材７ｒ，７ｂ，７ｇに向けて出射する。透光性中間部材７ｒ，７ｂ，７ｇは入射した画像光を透過してダイクロイックプリズム２に入射する。ダイクロイックプリズム２は画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇの透光性中間部材７ｒ，７ｂ，７ｇから入射した赤、青、緑の画像光を色合成して出射する。
【００２６】
このように異なる波長帯域の画像光を合成する光学装置１の各画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇの反射型偏光素子４と反射型空間光変調器５を光学ガラスあるいは光学ガラスとほぼ同じ線膨張係数を有するセラミックや低膨張合金の固定プレート６に固定することにより、各画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇの温度変化による形状変化が小さく、部品の熱膨張に起因する歪や変形、ストレスを回避し、安定した保持精度を確保でき、合成光の温度変化による位置ずれを小さくすることができる。
【００２７】
前記説明では例えば赤、青、緑の画像を形成する３組の画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇを有する光学装置１について説明したが、次に２組の画像形成ユニットを有する光学装置１ａについて説明する。
【００２８】
光学装置１ａは、図３の斜視図に示すように、２組の画像形成ユニット３ｇ，３ｒｂと色合成する偏光ビームスプリッタ８を有する。各画像形成ユニット３ｇ，３ｒｂは、それぞれワイヤーグリッド偏光素子などで形成された反射型偏光素子４ｇ，４ｒｂと反射型空間光変調器５ｇ，５ｒｂと１対の固定プレート６及び透光性中間部材７ｇ，７ｒｂを有する。画像形成ユニット３ｇの透光性中間部材７ｇは偏光ビームスプリッタ８と同様な光学ガラスで形成され、画像形成ユニット３ｒｂの透光性中間部材７ｂは位相差板で形成されている。
【００２９】
画像形成ユニット３ｇは、照明光のうち緑の光９を、反射型偏光素子４ｇを介して反射型空間光変調器５ｇに入射する。反射型空間光変調器５ｇは入射した照明光を画像信号に応じて光変調し、変調された画像光を反射して反射型偏光素子４ｇに入射する。反射型偏光素子４ｇは入射した画像光を反射して光学ガラスからなる透光性中間部材７ｇを経て偏光ビームスプリッタ８に入射する。この偏光ビームスプリッタ８に入射した光は偏光ビームスプリッタ８の偏光膜に対してp偏光となるため、偏光ビームスプリッタ８を透過して出射する。一方、画像形成ユニット３ｒｂには所定時間ごとに赤と青に切り替わる照明光を、反射型偏光素子４ｒｂを介して反射型空間光変調器５ｒｂに入射する。この照明光は例えば回転カラーフィルタを使うことにより切り替えることができる。この照明光の偏光方向は画像形成ユニット３ｇに入射する緑の光９とは直交する方向に振動する。反射型空間光変調器５ｒｂは入射した照明光を光変調し、変調された画像光を反射して反射型偏光素子４ｒｂに入射する。反射型偏光素子４ｒｂは入射した画像光を反射して位相差板からなる透光性中間部材７ｒｂに入射する。透光性中間部材７ｒｂは入射した赤と青の画像光の偏光方向を９０度回転させて偏光ビームスプリッタ８に入射する。すなわち、偏光ビームスプリッタ８の偏光膜に対してs偏光とさせる。偏光ビームスプリッタ８は入射した赤と青の画像光と緑の画像光を色合成して出射する。
【００３０】
このように画像形成ユニット３ｇの透光性中間部材７ｇを光学ガラスで形成し、画像形成ユニット３ｒｂの透光性中間部材７ｒｂを位相差板で形成することにより、透光性中間部材７の多機能化を図ることができる。
【００３１】
この光学装置１ａにおいては色合成用に偏光ビームスプリッタ８を使用した場合について説明したが、ダイクロイックプリズムを用いても良い。ダイクロイックプリズムを使用した場合は、ダイクロイック膜の特性としては緑の光の透過率を高くし、緑以外の赤と青の光の反射率を高くする。また、偏光ビームスプリッタ８でもダイクロイックプリズムであっても、画像光のコントラスト比を高くするために透光性中間部材７ｇ，７ｒｂに偏光板を用いても良い。この場合、緑の光を入射する画像形成ユニット３ｇの透光性中間部材７ｇは偏光板のみで形成し、赤と青の光を入射する画像形成ユニット３ｒｂの透光性中間部材は７ｒｂを偏光板と位相差板で構成することが望ましい。
【００３２】
次に、例えば光学装置１を使用した画像投影装置について説明する。画像投影装置１０は、図４の概略構成図に示すように、光源とレンズとダイクロックミラーとミラーを有する光源部１１と光学装置１と投射レンズ１２及びスクリーン１３を有する。
【００３３】
この画像投影装置１０でスクリーン１３に画像を投影するときは、光源部１１の光源から出射された照明光はレンズを介してダイクロックミラーで赤、青、緑の光に分離し、分離した各色の光を光学装置１に入射し、入射した各色の光を画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇで変調し、変調された各色の画像光をダイクロイックプリズム２で合成し、合成した画像光を投射レンズ１２によりスクリーン１３に投射して画像を表示する。この画像を表示するとき、光学装置１は温度変化があっても位置ずれを小さくした合成光を出射するから、良質な画像を安定して表示することができる。
【００３４】
この光学装置１の画像形成ユニット３ｒ，３ｂ，３ｇにそれぞれ入射する照明光は、反射型偏光素子４に対してｐ偏光で照明することが好ましい。そして光学装置１をリアプロジェクタに使用する場合は、透光性中間部材７を位相差板で形成し、３つの反射型空間光変調器５からの画像光をｓ偏光に統一することにより、スクリーン１３における各色の光利用効率を揃えることができる。また、光学装置１をフロントプロジェクタに使用する場合には緑の画像光のみｐ偏光のままで良く、透光性中間部材７は光学的に等方性部材を使用しても良い。さらに、画像光のコントラスト比を高めるために透光性中間部材７を位相差板付き偏光板に置き換えても良い。また、フロントプロジェクタの場合は緑光のみ透光性中間部材７を偏光板だけにして構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の光学装置の構成を示す斜視図である。
【図２】１組の画像形成ユニットとダイクロイックプリズムの配置図である。
【図３】他の光学装置の構成を示す斜視図である。
【図４】光学装置を使用した画像投影装置の構成図である。
【図５】従来の光学装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１；光学装置、２；ダイクロイックプリズム、３；画像形成ユニット、
４；反射型偏光素子、５；反射型空間光変調器、６；固定プレート、
７；透光性中間部材、８；偏光ビームスプリッタ、１０；画像投影装置、
１１；光源部、１２；投射レンズ、１３；スクリーン。
【図１】
2008185941.tif 000003
【図２】
2008185941.tif 000004
【図３】
2008185941.tif 000005
【図４】
2008185941.tif 000006
【図５】
2008185941.tif 000007