(57)【要約】【課題】所定の入射角の光線に対しては可視波長域全域において透過機能を有し、かつ他の入射角で入射するＳ偏光とＰ偏光に対しては偏光分離機能を有する多層膜を備えた光学素子を提供する。  【解決手段】光学素子１は、光が入射する２つの入射面１１、光を射出する１つの射出面１３およびそれぞれ反射型画像形成素子４４〜４６に対向する３つの透過面１４〜１６を含む複数の光学面を有する。該光学素子は、その内部で互いに交差する第１の平面と第２の平面に沿ってそれぞれ形成された第１及び第２の光学構造体２１，２２を有し、該２つの入射面、１つの射出面、３つの透過面及び第１、第２の平面すべての面法線が、同一平面に対して平行である。そして、以下の条件を満足する。４５°＜θ０＜７５°。但し、θ０は、第１および第２の平面のなす角度のうち小さい方の角度である。【選択図】図１Ａ
2008020892.tif 000002
【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つの射出面およびそれぞれ反射型画像形成素子に対向する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の平面と第２の平面に沿ってそれぞれ形成された第１及び第２光学構造体を有し、
前記２つの入射面、前記１つの射出面、前記３つの透過面及び前記第１、第２の平面すべての面法線が、同一平面に対して平行であり、
かつ以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
４５°＜θ０＜７５°
但し、θ０は、前記第１および第２の平面のなす角度のうち小さい方の角度である。
【請求項２】
前記２つの入射面、前記１つの射出面、前記３つの透過面が、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】
前記射出面と隣り合う２つの面が前記入射面であり、
該射出面および２つの入射面の反対側の面が前記３つの透過面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１光学構造体及び前記第２光学構造体は、入射角θ１で入射する光を透過し、入射角θ２で入射する光をその偏光状態に応じて分離し、かつ、
θ２−θ１＞３０°
を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の光学構造体のうち少なくとも一方は、入射角θ１で入射する第１波長領域の光を透過し、入射角θ２で入射する第２の波長領域の光に対する透過率がＳ偏光に対する透過率よりもＰ偏光に対する透過率が高く、前記第１及び第２の波長領域とは異なる第３の波長領域の光に対する透過率がＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光に対する透過率が高いことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
多層膜を有する光学素子であって、
前記多層膜は、該多層膜に入射する全波長域の光であって該多層膜に対して入射角θ１で入射する光を透過し、入射角θ２で入射する光をその偏光状態に応じて分離し、かつ以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
θ２−θ１＞３０°
【請求項７】
該光学素子は、屈折率がｎＰである基材上に、屈折率がｎＨと該ｎＨより低い屈折率ｎＬを有する２つの多層膜が交互に形成されて構成されており、以下の条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
θ２＞ｓｉｎ−１（ｎL／ｎP）
【請求項８】
前記多層膜は、入射角θ２で入射するＳ偏光に対する透過率がＰ偏光に対する透過率よりも高いことを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
多層膜を有する光学素子であって、
前記多層膜は、入射角θ１で入射する第１の波長領域の光に対して透過し、入射角θ２で入射する第２の波長領域の光のうちＳ偏光に対する透過率よりもＰ偏光に対する透過率が高く、前記第１及び第２の波長領域と異なる第３波長領域の光のうちＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光に対する透過率が高く、かつ以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
θ２−θ１＞３０°
【請求項１０】
前記多層膜は、入射角θ２で入射する前記第２の波長領域の光のうち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％以上高く、入射角θ２で入射する前記第３の波長領域の光のうちＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光に対する透過率が６０％以上高く、かつ前記第２及び第３の波長領域は３０ｎｍ以上の帯域幅を有することを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
該光学素子は、前記多層膜が形成された基材と他の基材とを屈折率ｎＢを有する接着剤を用いて接合して構成されており、かつ以下の条件を満足することを特徴とする請求項６から１０のいずれか１つに記載の光学素子。
θ２＜ｓｉｎ−１（ｎB／ｎP）
【請求項１２】
前記第１の入射面の面法線と前記第１の平面の面法線とのなす角度がθ１であり、
前記第１の入射面の面法線と前記第２の平面の面法線とのなす角度がθ２であり、
前記第２の入射面の面法線と前記第１の平面の面法線とのなす角度がθ２であり、
前記第２の入射面の面法線と前記第２の平面の面法線とのなす角度がθ１であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項１３】
３つの反射型画像形成素子からの光を合成する請求項１から１２のいずれか１つに記載の光学素子と、
該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ことを特徴とする画像投射光学系。
【請求項１４】
請求項１３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１５】
光源として、互いに異なる波長帯域の光を発生させる複数の光源を有することを特徴とする請求項１４に記載の画像投射装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１つに記載の画像投射装置と、
該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】
いわゆる３板式反射型プロジェクタでは、青波長域、緑波長域、赤波長域の照明光の色分離と、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とを行う。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】
従来の一般的な３板式反射型プロジェクタでは、１つの反射型画像形成素子と投射レンズとの間に、照明光学系の光軸に対して４５°をなす分離膜を持った少なくとも２個の色分解又は色合成を行う素子が配置されている。つまり、プロジェクタ内には、ダイクロイック素子や偏光ビームスプリッタを含む素子が３〜４個配置されている。
【０００４】
このように青波長域光、緑波長域光および赤波長域光に対応した３つの反射型液晶パネルを用い、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としては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００５】
また、特許文献２には、色分離、偏光分離および色合成を１つで行うプリズム型素子が開示されている。このプリズム型素子は、立方体内に波長選択性偏光分離膜を３つ配置した構成を有する。立方体内には、１つの頂点に集まる３つの辺の１つずつに対して、その辺に接する２つの面と４５°をなし、かつその辺を含む面が形成されている。すなわち、１つの頂点を通る３つの４５°面が形成されている。そして、これらの４５°面に沿って、所望の波長選択性偏光分離膜が配置されている。
【０００６】
一方、偏光分離膜等の光学薄膜としては多層膜が用いられることが多い。また、ブリュースター角においてＰ偏光が透過することを利用することで、偏光分離波長範囲が広い偏光分離膜が得られることも知られている。
【０００７】
非特許文献１には、Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する偏光ビームスプリッタが開示されている。これは、入射角がプリズムの屈折率と低屈折率の薄膜から求められる臨界角以上の高入射角となっている。通常では全反射が発生し、光は透過しないが、低屈折率薄膜の膜厚が波長以下のため、全反射減衰が発生し、光が透過する。この全反射減衰を利用することにより、通常のブリュースター角を用いた偏光ビームスプリッタと比較して、入射角範囲および偏光分離波長範囲が広く、消光比が高い、Ｐ偏光を反射、Ｓ偏光を透過する偏光ビームスプリッタを得ている。
【０００８】
また、特許文献３及び特許文献４には、特定波長帯域のS偏光を透過、P偏光を反射し、異なる波長帯域のS偏光を反射、P偏光を透過させる波長選択性のある偏光分離膜が開示されている。これは多層膜において、全反射減衰を利用することや特定の膜構成を用いることによって波長選択性のある偏光分離膜を得ている。
【特許文献１】特開２００１−１５４１５２号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２５２０号公報
【特許文献３】特開２００６−４７９０３号公報
【特許文献４】特開２００６−７９０５８号公報
【非特許文献１】Li Li and J. A. Dobrowolski, Appl. Opt., vol.39, p.2754, 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示されたプロジェクタでは、まず照明光を２つの波長域光（第１および第２の波長域光）と１つの波長域光（第３の波長域光）とに色分離する。その後、第１および第２の波長域光について色分離と色合成を行い、最後に第１および第２の波長域光と第３の波長域光とを色合成する。このため、１つの波長域光の光路に、色分解又は色合成を行う２つの素子が必要となる。したがって、プロジェクタ全体では、４つの素子を必要とし、構成が複雑である。しかも、光路長が長くなり、必要光束を確保するために、各素子も大きくなる。さらに、投射レンズのバックフォーカスが長くなるため、投射レンズ自体も大きくなる。
【００１０】
また、特許文献２に開示されたプリズム型素子では、第１、第２および第３の波長域光の色分離合成を１つで行う。しかし、プリズム型素子の全ての開口部には、分離膜による境界線が存在する。このうち反射型液晶パネルに対する開口部に存在する境界線は、画像への影響が大きく、各パネルからの波長域光は、分離膜として機能する２つの波長選択性偏光分離膜以外の他の１つの波長選択性偏光分離膜に対してほぼ水平な光線となる。この光線の波長選択性偏光分離膜に対する入射角は大きいため、該光線の反射率が高くなる。この結果、ゴーストが発生し易くなる。
【００１１】
一方、従来の光学薄膜は、光線の入射角に応じて透過作用が強く表れたり反射作用が強く表れたりする特性を有する。例えば、ブリュースター角を用いた偏光ビームスプリッタでは、Ｐ偏光の入射角がブリュースター角の条件から外れると反射が発生する。このため、偏光分離を行うブリュースター角と異なる入射角で透過作用を得るのは困難であった。      
【００１２】
非特許文献１にて開示された偏光ビームスプリッタにおいても、異なる入射角で偏光分離面に入射する可視波長域全域の光を透過させる機能は有していない。
また、特許文献３または特許文献４にて開示された波長選択性のある偏光分離膜においても、異なる入射角で偏光分離面に入射する光を透過させる機能は有していない。
【００１３】
本発明は、所定の入射角の光線に対しては可視波長域全域において透過機能を有し、かつ他の入射角で入射するＳ偏光とＰ偏光に対しては偏光分離機能を有する多層膜を備えた色分離合成素子を提供することを目的の１つとしている。
【００１４】
また、本発明は、所定の入射角の光線に対しては第１波長領域において透過機能を有している。さらに、他の入射角で入射する第２波長領域の光に対する透過率がＳ偏光よりもＰ偏光が高く、第３波長領域の光に対する透過率がＰ偏光よりＳ偏光が高い偏光分離機能を有している。このような多層膜を備えた色分離合成素子を提供することも目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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つの射出面およびそれぞれ反射型画像形成素子に対向する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る。該光学素子は、その内部で互いに交差する第１の平面と第２の平面に沿ってそれぞれ形成された第１及び第２の光学構造体を有し、該２つの入射面、１つの射出面、３つの透過面及び第１、第２の平面すべての面法線が、同一平面に対して平行であり、かつ以下の条件を満足することを特徴とする。
【００１６】
４５°＜θ０＜７５°
但し、θ０は、前記第１および第２の平面のなす角度のうち小さい方の角度である。
【００１７】
また、本発明の他の側面としての光学素子は、多層膜を有する光学素子であって、該多層膜は、該多層膜に入射する全波長域の光であって該多層膜に対して入射角θ１で入射する光を透過し、入射角θ２で入射する光をその偏光状態に応じて分離する。さらに、以下の条件を満足することを特徴とする。
【００１８】
θ２−θ１＞３０°。
【００１９】
また、本発明の他の側面としての光学素子は、多層膜を有する光学素子であり、多層膜は、入射角θ１で入射する第１の波長領域の光に対して透過し、入射角θ２で入射する第２の波長領域の光のうちＳ偏光に対する透過率よりもＰ偏光に対する透過率が高く、第１及び第２の波長領域と異なる第３波長領域の光のうちＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光に対する透過率が高く、かつ以下の条件を満足することを特徴としている。
【００２０】
θ２−θ１＞３０°
なお、３つの反射型画像形成素子からの光を合成する上記光学素子と、該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画像投射光学系や、これを含む画像投射装置も本発明の他の側面を構成する。さらに、該画像投射装置と画像情報供給装置とを有する画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、いわゆる全反射減衰を利用することによって、可視波長域全域において所定の入射角の光線を透過し、また他の入射角で入射するＳ偏光とＰ偏光を偏光分離する多層膜を備えた色分離合成素子を実現することができる。
【００２２】
これにより、六角柱状のプリズム型素子を用いた色分解と色合成を行うことができる。また、このような光学素子を用いることで、投射レンズのバックフォーカスを短くすることができ、この結果、投射レンズおよび装置全体を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１Ａには、本発明の実施例１である光学素子としての色合成プリズム１の概略構成を示している。この色合成プリズム１は、図１Ｂに示すように、全ての内角ＩＡが９０°以上である六角柱として定義される立体形状（仮想六角柱）のうち六角形の両端面（図の上下面）を除いた６つ面上（６つの側面上）に６つの光学面１１〜１６を配置した形状を有する。
【００２５】
図１Ａは、色合成プリズム１を図１Ｂの上方又は下方から見た形状を示している。仮想六角形の上面および下面は正六角形であり、また仮想六角形の上面および下面の各対辺は平行である。
【００２６】
ここで、光学面１１は、不図示の光源からの光３１の第１の入射面、光学面１２は、不図示の光源からの光３２の第２の入射面、光学面１３は、光３３の射出面である。そして、光学面１４、１５、１６は、３つの反射型液晶パネル（図２中の４４〜４６）に対向する開口部（開口面）としての透過面（以下、入射出面という）であり、光３４、３５、３６がそれらの面を入出射する。第１入射面１１および第２入射面１２は、射出面１３と隣り合うように配置されている。また、入射面１１，１２および射出面１３と対面するのは（の反対側の面は）入射出面であり、それぞれ第１入射出面１４、第３入射出面１６および第２入射出面１５である。
【００２７】
色合成プリズム１の内部には、第１多層膜（第１光学構造体）２１と第２多層膜（第２光学構造体）２２が、互いに交差する２つの平面（第１の平面および第２の平面）に沿って形成されている。以下の説明では、該第１の平面および第２の平面がそれぞれ第１および第２多層膜２１，２２と同一面であるとみなして説明する。例えば、第１および第２多層膜２１，２２のなす角度やそれらの面法線とは、第１の平面および第２の平面のなす角度やそれらの面法線と同義である。そして、第１の平面と第２の平面とのなす角度（すなわち第１多層膜と第２多層膜とのなす角度）とは、第１の平面の面法線と第２の平面の面法線とのなす角度（すなわち第１多層膜の面法線と第２多層膜の面法線とのなす角度）と同義である。
【００２８】
第１多層膜２１は、第２入射面１２と射出面１３との間の辺から第２および第３入射出面１５，１６の間の辺まで延びるように形成されている。また、第２多層膜２２は、第１入射面１１と射出面１３との間の辺から第１および第２入射出面１４，１５の間の辺まで延びるように形成されている。
【００２９】
第１多層膜２１および第２多層膜２２は共に、入射角０°で入射した光線を透過する透過機能（反射防止機能）と、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能とを有する。すなわち、第１および第２多層膜２１，２２は、上記機能に関して同一の光学的特性を有する。これらの多層膜２１，２２と上記６つの光学面１１〜１６との関係は、以下の通りである。
【００３０】
第１入射面１１の面法線と第１多層膜２１の面法線とのなす角度は０°で、第１入射面１１の面法線と第２多層膜２２の面法線とのなす角度は６０°である。また、第２入射面１２の面法線と第１多層膜２１の面法線とのなす角度は６０°で、第２入射面１２の面法線と第２多層膜２２の面法線とのなす角度は０°である。さらに、第１多層膜２１と第２多層膜２２とのなす角度θ０は６０°である。なお、これらの角度はいずれも面法線又は多層膜がなす角度のうち小さい方の角度である。また、第１、２入射面と、射出面と、第１、２、３入射出面と、第１、２平面のすべての法線は、図１Ａにおける紙面（同一平面）と平行である。特に、この色合成プリズム内に入射した光が射出するまでに通過する光路中において、光を分離したり、合成したり、反射したりするすべての光学面の法線が図１Ａにおける紙面（同一平面）に対して平行である。これらのことは以下の実施例でも同じである。
【００３１】
図２Ａ〜図２Ｃには、本実施例の色合成プリズム１の基本的な光学作用を示している。図２Ａは、光源より導かれた青波長域光線（以下、単に青光線という）３１１がＳ偏光として第１入射面１１から色合成プリズム１内に入射する場合の光路を示している。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、実線はＳ偏光を、破線はＰ偏光を示している。Ｓ偏光及びＰ偏光は、互いに偏光状態が異なる光である。
【００３２】
色合成プリズム１に入射した青光線３１１は、第１多層膜２１に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。また、青光線３１１の入射位置によっては、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２１に対して入射角０°で入射してこれを透過する。このように、青光線３１１は、多層膜２１，２２のいずれの位置に入射しても、第１および第２多層膜２１，２２を透過して、第１入射面１１の対面である第１入射出面１４から色合成プリズム１外に射出する。そして、青波長域用の反射型液晶パネル（以下、単に青パネルという）４４に入射する。
【００３３】
青パネル４４で反射され、かつ画像変調された青光線３１１は、Ｐ偏光として第１入射出面１４から色合成プリズム１内に再入射する。色合成プリズム１に再入射した青光線３１１は、第１多層膜２１に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射される。また、該青光線３１１の入射位置によっては、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射された後、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。このように、再入射した青光線３１１は、多層膜２１，２２のいずれの位置に入射しても、第１多層膜２１を透過して第２多層膜２２で反射される。これにより、射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、不図示の投射レンズに向かう。
【００３４】
図２Ｂは、光源より導かれた赤波長域光線（以下、単に赤光線という）３１２がＰ偏光として第１入射面１１から色合成プリズム１に入射する場合の光路を示している。色合成プリズム１に入射した赤光線３１２は、第１多層膜２１に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射される。また、赤光線３１２の入射位置によっては、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してここで反射された後、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。このように、赤光線３１２は、多層膜２１，２２のいずれの位置に入射しても、第１多層膜２１を透過して、第２多層膜２２で反射する。このため、第２入射出面１５から色合成プリズム１外に射出し、赤波長域用の反射型液晶パネル（以下、単に赤パネルという）４５に入射する。
【００３５】
赤パネル４５で反射され、かつ画像変調された赤光線３１２は、Ｓ偏光として第２入射出面１５から色合成プリズム１に再入射する。色合成プリズム１に再入射した赤光線３１２は、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。また、赤光線３１２の入射位置によっては、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。このように、再入射した赤光線３１２は、多層膜２１，２２のいずれの位置に入射しても、第１および第２多層膜２１，２２で透過する。これにより、第２入射出面１５の対面である射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズに向かう。
【００３６】
図２Ｃは、光源より導かれた緑波長域光線（以下、単に緑光線という）３１３がＳ偏光として第２入射面１２から色合成プリズム１に入射する場合の光路を示している。色合成プリズム１に入射した緑光線３１３は、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２２に対して入射角０°で入射してこれを透過する。また、緑光線３１３の入射位置によっては、第２多層膜２２に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。このように、緑光線３１３は、多層膜２１，２２のいずれの位置に入射しても、第１および第２多層膜２１，２２を透過する。このため、第２入射面１２の対面である第３入射出面１６から色合成プリズム１外に射出し、緑波長域用の反射型液晶パネル（以下、単に緑パネルという）４６に入射する。
【００３７】
緑パネル４６で反射され、かつ画像変調された緑光線３１３は、Ｐ偏光として第３入射出面１６から色合成プリズム１内に再入射する。色合成プリズム１に再入射した緑光線３１３は、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してここで反射された後、第２多層膜２２に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。また、緑光線３１３の入射位置によっては、第２多層膜２２に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してここで反射される。このように、再入射した緑光線３１３は、多層膜２１，２２のいずれの位置に入射しても、第１多層膜２１で反射され、第２多層膜２２を透過する。これにより、射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズに向かう。
【００３８】
以上のように本実施例の色合成プリズム１は、青、赤および緑光線３１１〜３１３の青、赤および緑パネル４４〜４６に向けての光路分離（色分解）と、該３つのパネル４４〜４６からの光線３１１〜３１３の色合成とを１つプリズムで行うことができる。
【００３９】
なお、本発明の光学素子は、ここ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ができる。すなわち、図２Ａ〜図２Ｃで説明した青、赤および緑光線３１１〜３１３を入れ替えてもよい。
【００４０】
次に、第１多層膜２１および第２多層膜についてさらに詳しく説明する。前述したように、第１多層膜２１および第２多層膜２２は共に、入射角０°の光線を透過する反射防止機能と、入射角６０°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能とを有する。
【００４１】
通常、光が高屈折率媒質から低屈折率媒質に臨界角以上で入射すると、全反射が起こる。この全反射の際、波長程度の領域においてエバネッセント波（evanescent wave）がしみ出している。このエバネッセント波がしみ出している領域に別の媒質が存在すると、光が透過する。この現象は全反射減衰と呼ばれる。この全反射減衰を利用することによって、通常のブリュースター角を用いた偏光分離膜と比較して、入射角範囲および偏光分離波長範囲が広く、消光比が高い、Ｐ偏光を反射してＳ偏光を透過する偏光分離膜が得られる。
【００４２】
光学ガラス等の屈折率ｎＰのプリズム基材上、すなわち該プリズム基材の面に、屈折率ｎＨの光学薄膜（以下、Ｈ層という）と該ｎＨより低い屈折率ｎＬを有する光学薄膜（以下、Ｌ層という）とを交互に繰り返して積層した多層膜において、全反射減衰が発生する。このためには、偏光分離を行う光線の入射角θ２が屈折率ｎＰと屈折率ｎＬから求められる臨界角を超える必要があるため、以下の関係を満足することが好ましい。
【００４３】
θ２＞ｓｉｎ−１（ｎL／ｎP）    …（１）  
プリズム基材としてＳＣＨＯＴＴ社の商品名ＳＦ６（波長５５０ｎｍでの屈折率１.８１）を用い、Ｈ層としてＴｉＯ２（波長５５０ｎｍでの屈折率２.４９）、Ｌ層としてＳｉＯ２（波長５５０ｎｍでの屈折率１.４６）を用いた場合、臨界角は５３.８°である。偏光分離すべき光線の入射角６０°はこの臨界角を超えているため、全反射減衰が発生する。
【００４４】
さらに、色合成プリズム１を六角柱プリズム形状にするためには、多層膜が形成されたプリズム基材に他のプリズム基材に貼り合わせる（接合する）必要がある。これには、通常、接着剤が利用される。
【００４５】
但し、通常の接着剤の屈折率は１.５〜１.６程度であるため、プリズム基材と接着剤の界面で全反射が発生してしまう。プリズム基材がＳＣＨＯＴＴ社の商品名ＳＦ６で、接着剤の屈折率が１.５５である場合、臨界角は５８.９°である。つまり、偏光分離を行う光線の入射角６０°はこの臨界角を超えている。接着剤は全反射減衰を発生させるほど薄膜化することは困難であるため、全反射が発生し、偏光分離特性が得られない。
【００４６】
このため、偏光分離を行う光線の入射角θ２が、屈折率ｎＰと接着剤の屈折率ｎＢから求められる臨界角を超えない必要があるため、以下の関係を満足することが好ましい。
【００４７】
θ２＜ｓｉｎ−１（ｎB／ｎP）    …（２）
プリズム基材がＳＣＨＯＴＴ社の商品名ＳＦ６であり、接着剤として高屈折率かつ紫外線硬化樹脂であるＰＶＣｚ（波長５５０ｎｍでの屈折率１.７）を利用した場合、臨界角は６９.９度である。偏光分離光線の入射角６０°はこの臨界角を超えていないため、全反射が発生しない。
【００４８】
ただし、上記（１），（２）の条件は、必ずしも満足すべき条件ではない。
【００４９】
以上の検討より、プリズム基材である入射側媒質をＳＣＨＯＴＴ社の商品名ＳＦ６とし、Ｈ層をＴｉＯ２、Ｌ層をＳｉＯ２、接着剤である射出媒質をＰＶＣｚとして膜設計を行った。このときの膜設計結果を図３Ａおよび図３Ｂに、膜構成を表１に示す。層数は３７層である。
【００５０】
図３Ａは、各多層膜に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。プロジェクタでは入射する光線が角度分布を有している場合が多いため、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。図３Ａでは、Ｓ偏光の透過率を左側の縦軸で示し、Ｐ偏光の透過率を右側の縦軸で示している。
【００５１】
図３Ａから分かるように、可視波長域全域に対して消光比（extinction ratio）が高い偏光分離特性が得られている。消光比とは、透過光の強度を測定したときの最小強度と最大強度の比である。
【００５２】
図３Ｂは、各多層膜に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。前述した理由により、基準となる入射角０°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。Ｔｐ０とＴｓ０は、光線が各多層膜に対して垂直に入射するため、完全に一致する。また、各多層膜は、垂直入射近傍の角度特性に対しては鈍感であるので、Ｔｐ２とＴｓ２に大きな差は見られない。図３Ｂにおいても、可視波長域全域に対して透過率が高い特性が得られている。
【００５３】
このように、本実施例では、全反射減衰を利用することによって、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する、消光比の高い偏光分離機能をそれぞれ有する多層膜２１，２２、つまりは色合成プリズム１を実現することができる。さらに、入射角０°の光線を透過する反射防止機能をそれぞれ有する多層膜２１，２２を得ることができる。
【００５４】
なお、表１に示したプリズム基材の材料、薄膜の材料、薄膜の順番、層数および膜厚は例に過ぎず、本発明はこれに限定されない。また、本実施例では、接着剤としてＰＶＣｚを採用した場合について説明したが、プリズム基材と接着剤との界面で使用入射角において全反射が発生しなければ、上記接着剤に限定されない。さらに、接着剤を用いずにプリズム基材の接着を行うオプティカルコンタクトが知られているが、本発明においてもこれを用いることで全反射の発生を回避できる。
【００５５】
尚、本実施例１においては、第１平面に第１多層膜を、第２平面に第２多層膜２２を形成したがこの限りではない。例えば第１平面に第１のＳＷＳ（構造的複屈折を有する光学素子、構造的に屈折率異方性を持つ光学素子）を、第２平面に第２のＳＷＳを形成しても構わない。これは以下の実施例においても同じである。
【実施例２】
【００５６】
図４には、本発明の実施例２である色合成プリズム１０１の概略構成を示している。本実施例の色合成プリズム１０１も、実施例１と同様に、そのベースとなる立体形状は仮想六角柱である。但し、実施例１では仮想六角柱が正六角柱であるのに対し、本実施例では正六角柱ではない。このため、実施例１とは第１多層膜および第２多層膜への入射角が異なり、膜特性が異なる。
【００５７】
本実施例の色合成プリズム１０１において、第１多層膜２３および第２多層膜２４はともに、入射角１５°の構成を透過する反射防止機能と、入射角５５°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能とを有する多層膜である。
【００５８】
これらの多層膜２３，２４と６つの光学面１１〜１６との関係は、以下の通りである。第１入射面１１の面法線と第１多層膜２３の面法線とのなす角度は１５°で、第１入射面１１の面法線と第２多層膜２４の面法線とのなす角度は５５°である。また、第２入射面１２の面法線と第１多層膜２３の面法線とのなす角度は５５°で、第２入射面１２の面法線と第２多層膜２４の面法線とのなす角度は１５°である。また、第１多層膜２１と第２多層膜２２とのなす角度は７０°である。
【００５９】
本実施例の色合成プリズム１０１の基本的な光学作用は、青光線、緑光線および赤光線について実施例１と同様である。
【００６０】
第１多層膜２３および第２多層膜２４は、実施例１と同様に、全反射減衰を利用することによって、入射角５５°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する。さらに、入射角１０°の光線を透過する反射防止機能を有する。
【００６１】
本実施例ではこのような条件を満たすように膜設計を行った。具体的には、プリズム基材である入射側媒質としてＳＣＨＯＴＴ社の商品名ＳＦ６を、Ｈ層としてＴｉＯ２を、Ｌ層としてＳｉＯ２を、接着剤である射出媒質としてＰＶＣｚを用いた。このときの膜設計結果を図５Ａおよび図５Ｂに、膜構成を表１に示す。層数は３７層である。
【００６２】
図５Ａは、各多層膜にＰ偏光およびＳ偏光を入射角５５°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。Ｔｐ５５、Ｔｐ５３およびＴｐ５７はそれぞれ、Ｐ偏光を５５°、５３°および５７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。また、Ｔｓ５５、Ｔｓ５３およびＴｓ５７はそれぞれ、Ｓ偏光を５５°、５３°および５７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。基準となる入射角５５°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理由は、実施例１と同じである。図５Ａでは、Ｓ偏光の透過率を左側の縦軸で示し、Ｐ偏光の透過率を右側の縦軸で示している。
【００６３】
図５Ａから分かるように、可視波長域全域に対して消光比が高い偏光分離特性が得られている。
【００６４】
図５Ｂは、各多層膜にＰ偏光およびＳ偏光を入射角１５°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。Ｔｐ１５、Ｔｐ１３およびＴｐ１７はそれぞれ、Ｐ偏光を１５°、１３°および１７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。また、Ｔｓ１５、Ｔｓ１３およびＴｓ１７はそれぞれ、Ｓ偏光を１５°、１３°および１７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。前述した理由により、基準となる入射角１５°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。図５Ｂでも、可視波長域全域に対して透過率が高い特性が得られている。
【００６５】
このように、本実施例でも、全反射減衰を利用することによって、入射角５５°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する、消光比の高い偏光分離機能をそれぞれ有する多層膜２３，２４、つまりは色合成プリズム１０１を実現することができる。さらに、入射角１５°の光線を透過する反射防止機能をそれぞれ有する多層膜２３，２４を得ることができる。
【００６６】
以上のように、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。したがって、色合成プリズムのベース形状は、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。
【実施例３】
【００６７】
図６には、本発明の実施例３である色合成プリズム２０１の概略構成を示している。本実施例の色合成プリズム２０１も、実施例１と同様に、そのベースとなる立体形状は仮想六角柱である。但し、実施例１では仮想六角柱が正六角柱であるのに対し、本実施例では正六角柱ではない。このため、実施例１とは第１多層膜および第２多層膜への入射角が異なり、膜特性が異なる。
【００６８】
本実施例の色合成プリズム２０１において、第１多層膜２３および第２多層膜２４はともに、入射角１５°の構成を透過する反射防止機能と、入射角６５°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能とを有する多層膜である。
【００６９】
これらの多層膜２３，２４と６つの光学面１１〜１６との関係は、以下の通りである。第１入射面１１の面法線と第１多層膜２３の面法線とのなす角度は１５°で、第１入射面１１の面法線と第２多層膜２４の面法線とのなす角度は６５°である。また、第２入射面１２の面法線と第１多層膜２３の面法線とのなす角度は６５°で、第２入射面１２の面法線と第２多層膜２４の面法線とのなす角度は１５°である。また、第１多層膜２１と第２多層膜２２とのなす角度は５０°である。
【００７０】
本実施例の色合成プリズム２０１の基本的な光学作用は、青光線、緑光線および赤光線について実施例１と同様である。
【００７１】
第１多層膜２３および第２多層膜２４は、実施例１と同様に、全反射減衰を利用することによって、入射角６５°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する。さらに、入射角１５°の光線を透過する反射防止機能を有する。
【００７２】
本実施例ではこのような条件を満たすように膜設計を行った。具体的には、プリズム基材である入射側媒質としてＳＣＨＯＴＴ社の商品名ＳＦ６を、Ｈ層としてＴｉＯ２を、Ｌ層としてＳｉＯ２を、接着剤である射出媒質としてＰＶＣｚを用いた。このときの膜設計結果を図７Ａおよび図７Ｂに、膜構成を表１に示す。層数は２５層である。
【００７３】
図７Ａは、各多層膜にＰ偏光およびＳ偏光を入射角６５°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。Ｔｐ６５、Ｔｐ６３およびＴｐ６７はそれぞれ、Ｐ偏光を６５°、６３°および６７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。また、Ｔｓ６５、Ｔｓ６３およびＴｓ６７はそれぞれ、Ｓ偏光を６５°、６３°および６７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。基準となる入射角６５°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理由は、実施例１と同じである。図７Ａでは、Ｓ偏光の透過率を左側の縦軸で示し、Ｐ偏光の透過率を右側の縦軸で示している。
【００７４】
図７Ａから分かるように、可視波長域全域に対して消光比が高い偏光分離特性が得られている。
【００７５】
図７Ｂは、各多層膜にＰ偏光およびＳ偏光を入射角１５°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。Ｔｐ１５、Ｔｐ１３およびＴｐ１７はそれぞれ、Ｐ偏光を１５°、１３°および１７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。また、Ｔｓ１５、Ｔｓ１３およびＴｓ１７はそれぞれ、Ｓ偏光を１５°、１３°および１７°の入射角で入射させたときの透過率を示している。前述した理由により、基準となる入射角１５°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。図７Ｂでも、可視波長域全域に対して透過率が高い特性が得られている。
【００７６】
このように、本実施例でも、全反射減衰を利用することによって、入射角６５°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する、消光比の高い偏光分離機能をそれぞれ有する多層膜２３，２４、つまりは色合成プリズム２０１を実現することができる。さらに、入射角１５°の光線を透過する反射防止機能をそれぞれ有する多層膜２３，２４を得ることができる。しかも、偏光分離を行う光線の入射角が大きいほど、多層膜の層数を減少させることができるため、好ましい。
【００７７】
以上のように、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。したがって、色合成プリズムのベース形状は、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。
【実施例４】
【００７８】
図８には、本発明の実施例４である光学素子としての色分離合成プリズム３０１の概略構成を示している。本実施例の色分離合成プリズム３０１も、実施例１と同様に、そのベースとなる立体形状は仮想六角柱である。但し、実施例１から３では第１多層膜および第２多層膜は共に同一の光学的機能を有しているが、実施例４では第１多層膜と第２多層膜が異なった光学的機能を有する。
【００７９】
第１多層膜２５は、可視域全領域に対して、入射角０°で入射した光線を透過する透過機能（反射防止機能）と、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能とを有する。第２多層膜２６は、緑波長領域（第１波長領域）に対して、入射角０°で入射した光線を透過する透過機能（反射防止機能）を有する。さらに、青波長領域（第２波長領域）に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能と、赤波長領域（第３波長領域）に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を反射してＰ偏光を透過する偏光分離機能を有する。これらの多層膜２５，２６と上記６つの光学面１１〜１６との関係は、実施例１と同様である。ここで、第１波長領域、第２波長領域、第３波長領域それぞれは、上述の各波長領域に対応することが望ましいが、それに限定されず、第１、２、３波長領域はいずれが緑、赤、青のどの波長領域であってもよい。
【００８０】
図９Ａ〜図９Ｃには、本実施例の色分離合成プリズム１の基本的な光学作用を示している。図９Ａは、光源より導かれた青波長域光線（以下、単に青光線という）３１１がＳ偏光として第１入射面１１から色合成プリズム１内に入射する場合の光路を示している。図９Ａ〜図９Ｃにおいて、実線はＳ偏光を、破線はＰ偏光を示している。Ｓ偏光及びＰ偏光は、互いに偏光状態が異なる光である。
【００８１】
色分離合成プリズム３０１に入射した青光線３１１は、第１多層膜２５に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。また、青光線３１１の入射位置によっては、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２５に対して入射角０°で入射してこれを透過する。このように、青光線３１１は、多層膜２５，２６のいずれの位置に入射しても、第１および第２多層膜２５，２６を透過して、第１入射面１１の対面である第１入射出面１４から色分離合成プリズム３０１外に射出する。そして、青波長域用の反射型液晶パネル（以下、単に青パネルという）４４に入射する。
【００８２】
青パネル４４で反射され、かつ画像変調された青光線３１１は、Ｐ偏光として第１入射出面１４から色分離合成プリズム３０１内に再入射する。色分離合成プリズム３０１に再入射した青光線３１１は、第１多層膜２５に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してここで反射される。また、該青光線３１１の入射位置によっては、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してここで反射された後、第１多層膜２５に対して入射角０°で入射してこれを透過する。このように、再入射した青光線３１１は、多層膜２５，２６のいずれの位置に入射しても、第１多層膜２５を透過して第２多層膜２６で反射される。これにより、射出面１３から色分離合成プリズム３０１外に射出し、不図示の投射レンズに向かう。
【００８３】
図９Ｂは、光源より導かれた赤波長域光線（以下、単に赤光線という）３１２がS偏光として第１入射面１１から色分離合成プリズム３０１に入射する場合の光路を示している。色合成プリズム１に入射した赤光線３１２は、第１多層膜２５に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してここで反射される。また、赤光線３１２の入射位置によっては、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してここで反射された後、第１多層膜２５に対して入射角０°で入射してこれを透過する。このように、赤光線３１２は、多層膜２５，２６のいずれの位置に入射しても、第１多層膜２５を透過して、第２多層膜２６で反射する。このため、第２入射出面１５から色分離合成プリズム３０１外に射出し、赤波長域用の反射型液晶パネル（以下、単に赤パネルという）４５に入射する。
【００８４】
赤パネル４５で反射され、かつ画像変調された赤光線３１２は、P偏光として第２入射出面１５から色合成プリズム３０１に再入射する。色合成プリズム３０１に再入射した赤光線３１２は、第１多層膜２５に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。また、赤光線３１２の入射位置によっては、第２多層膜２６に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２１に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。このように、再入射した赤光線３１２は、多層膜２５，２６のいずれの位置に入射しても、第１および第２多層膜２５，２６で透過する。これにより、第２入射出面１５の対面である射出面１３から色合成プリズム３０１外に射出し、投射レンズに向かう。
【００８５】
図９Ｃは、光源より導かれた緑波長域光線（以下、単に緑光線という）３１３がＳ偏光として第２入射面１２から色分離合成プリズム３０１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３０１に入射した緑光線３１３は、第１多層膜２５に対して入射角６０°で入射してこれを透過した後、第２多層膜２６に対して入射角０°で入射してこれを透過する。また、緑光線３１３の入射位置によっては、第２多層膜２６に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２５に対して入射角６０°で入射してこれを透過する。このように、緑光線３１３は、多層膜２５，２６のいずれの位置に入射しても、第１および第２多層膜２５，２６を透過する。このため、第２入射面１２の対面である第３入射出面１６から色分離合成プリズム３０１外に射出し、緑波長域用の反射型液晶パネル（以下、単に緑パネルという）４６に入射する。
【００８６】
緑パネル４６で反射され、かつ画像変調された緑光線３１３は、Ｐ偏光として第３入射出面１６から色分離合成プリズム３０１内に再入射する。色合成プリズム３０１に再入射した緑光線３１３は、第１多層膜２５に対して入射角６０°で入射してここで反射された後、第２多層膜２６に対して入射角０°で入射してこれを透過する。また、緑光線３１３の入射位置によっては、第２多層膜２６に対して入射角０°で入射してこれを透過した後、第１多層膜２５に対して入射角６０°で入射してここで反射される。このように、再入射した緑光線３１３は、多層膜２５，２６のいずれの位置に入射しても、第１多層膜２５で反射され、第２多層膜２６を透過する。これにより、射出面１３から色分離合成プリズム３０１外に射出し、投射レンズに向かう。
【００８７】
以上のように本実施例の色分離合成プリズム３０１は、青、赤および緑光線３１１〜３１３の青、赤および緑パネル４４〜４６に向けての光路分離（色分解）と、該３つのパネル４４〜４６からの光線３１１〜３１３の色合成とを１つプリズムで行うことができる。
【００８８】
次に、第１多層膜２５および第２多層膜２６についてさらに詳しく説明する。第１多層膜２５は、入射角０°の光線を透過する反射防止機能と、入射角６０°のＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能とを有する。これは実施例１と同一であり、膜構成も実施例１で示した通りである。
【００８９】
第２多層膜２６は緑波長領域に対して、入射角０°で入射した光線を透過する透過機能（反射防止機能）を有する。さらに、青波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能と、赤波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を反射してＰ偏光を透過する偏光分離機能を有する。前述した文献３または特許文献４には、特定波長帯域のS偏光を透過、P偏光を反射し、異なる波長帯域のS偏光を反射、P偏光を透過させる波長選択性のある偏光分離膜が開示されている。これは多層膜において、全反射減衰を利用することや特定の膜構成を用いることによって波長選択性のある偏光分離膜を得ている。この膜構成を基本として、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能と、赤波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を反射してＰ偏光を透過する偏光分離機能とを有する多層膜を設計する。さらに、緑波長領域に対して、入射角０°で入射した光線を透過する透過機能を有するように膜設計を行った。
【００９０】
プリズム基材である入射側媒質をＯＨＡＲＡ社の商品名Ｓ−ＬＡＨ５５とし、Ｈ層をＴｉＯ２、Ｌ層をＳｉＯ２、接着剤である射出媒質をＰＶＣｚとして膜設計を行った。このときの膜設計結果を図１０Ａおよび図１０Ｂに、膜構成を表２に示す。層数は４６層である。
【００９１】
図１０Ａは、各多層膜に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。プロジェクタでは入射する光線が角度分布を有している場合が多いため、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。
【００９２】
図１０Ａから分かるように、青波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離特性と、赤波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を反射してＰ偏光を透過する偏光分離特性が得られている。
【００９３】
図１０Ｂは、各多層膜に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。前述した理由により、基準となる入射角０°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。Ｔｐ０とＴｓ０は、光線が各多層膜に対して垂直に入射するため、完全に一致する。また、各多層膜は、垂直入射近傍の角度特性に対しては鈍感であるので、Ｔｐ２とＴｓ２に大きな差は見られない。図１０Ｂからわかるように、緑波長領域に対して透過率が高い特性が得られている。
【００９４】
このように、本実施例では、所定の入射角の光線に対しては第１の波長領域において透過機能を有している。さらに、他の入射角で入射する第２の波長領域の光のうちＳ偏光に対する透過率よりもＰ偏光の透過率が高く、第３の波長領域の光のうちＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光の透過率が高い偏光分離機能を有している。
【００９５】
より好ましくは、多層膜は、入射角θ２で入射する第２の波長領域の光のうち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。また、入射角θ２で入射する第３の波長領域の光のうちＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光に対する透過率が６０％以上高い。さらに、第２及び第３の波長領域は３０ｎｍ以上の帯域幅を有する。
【００９６】
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多層膜２６を実現し、これを用いることにより色分離合成プリズム３０１を実現することができる。
【００９７】
なお、表２に示した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、層数および膜厚は例に過ぎず、本発明はこれに限定されない。
【００９８】
また、実施例２、３に示したように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。したがって、色合成プリズムのベース形状は、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。
【００９９】
また、本実施例において、緑波長領域に対して、入射角０°で入射した光線を透過する透過機能（反射防止機能）を有する。さらに、青波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射する偏光分離機能と、赤波長領域に対して、入射角６０°で入射したＳ偏光を反射してＰ偏光を透過する偏光分離機能を有する。しかし、この透過機能と偏光分離機能の色波長帯域の組合せは本発明はこれに限定されず、個別に設計することができる。
【０１００】
実施例１〜４の色合成プリズムは、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、そのうち入射面が２面、射出面が１面、入射出面が３面設けられている。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ってしまう。したがって、実際上は、２つの多層膜のなす角度θ０が以下の関係を満足することが必要である。
【０１０１】
４５°＜θ０＜７５°。
【０１０２】
また、多層膜に関しても、全波長域において、反射防止（透過）を行う光線の入射角θ１と、偏光分離を行う光線の入射角θ２とが以下の関係を満足することが好ましい。
【０１０３】
θ２−θ１＞３０°
これらを満たさなければ、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。ただし、θ２−θ１＞３０°は、必ずしも満足すべき条件ではない。
【０１０４】
また、実施例１〜４で説明した色合成プリズムは、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。この場合は、第１多層膜と第２多層膜が異なる光学的特性を有する多層膜となるが、各実施例と同様に設計することができる。
【実施例５】
【０１０５】
図１１には、本発明の実施例５であるプロジェクタ（画像投射装置）の概略構成を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色合成プリズム１を用いている。 
【０１０６】
高圧水銀ランプ等の光源５１からは、白色光が平行光束に変換されて射出される。ここにいう平行光束は、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又は収束する光束も含む。このことは、以下の実施例でも同じである。
【０１０７】
この平行光束は、第１のフライアイレンズ５２によって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、第２のフライアイレンズ５３、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（反射型画像形成素子）である青、赤および緑パネル４４〜４６と相似形状である矩形のレンズ形状を有する。
【０１０８】
偏光変換素子５４は、第２のフライアイレンズ５３を射出した各分割光束をＳ偏光に変換する。偏光変換素子５４から射出した光は、コンデンサレンズ５５によって集光されながら、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（以下、単に青光、赤光および緑光という）に分解する。コンデンサレンズ５５によって集光されたこれら青光、赤光および緑光はそれぞれ、青パネル４４、赤パネル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までを照明光学系といい、該照明光学系、色分解合成光学系および後述する投射系としての投射レンズ７１を含めて画像投射光学系という。このことは、以下に説明する実施例でも同様である。
【０１０９】
以下、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、青光と赤光を反射して緑光を透過する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で反射された青光と赤光は、２つのミラー６２で反射されて、波長選択性位相子６３に入射する。波長選択性位相子６３は、赤光の偏光方向のみを９０°回転させる。
【０１１０】
波長選択性位相子６３からＳ偏光として射出した青光は、色合成プリズム１に第１入射面１１から入射する。そして、青光は第１多層膜２１に入射角０°で入射してこれを透過し、第２多層膜２２に入射角６０°で入射してこれを透過する。こうして第１多層膜２１および第２多層膜２２を透過した青光は、第１入射面１１の対面である第１入射出面１４から色合成プリズム１外に射出して青パネル４４に入射する。
【０１１１】
ここで、各パネルは、駆動回路８１に接続されている。プロジェクタ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、テレビチューナ等の画像供給装置１５０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。プロジェクタと画像供給装置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、図示しないが同じである。
【０１１２】
青パネル４４で反射され変調された青光（青画像光）は、Ｐ偏光として第１入射出面１４から色合成プリズム１に再入射する。色合成プリズム１に入射した青画像光は、第１多層膜２１に入射角０°で入射してこれを透過し、第２多層膜２２に入射角６０°で入射してここで反射される。こうして第１多層膜２１を透過して第２多層膜２２で反射された青画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出して投射レンズ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。
【０１１３】
波長選択性位相子６３でＰ偏光に変換された赤光は、第１入射面１１から色合成プリズム１に入射する。Ｐ偏光である赤光は、第１多層膜２１に対して入射角０°で入射してこれを透過し、第２多層膜２２に入射角６０°で入射してここで反射される。こうして第１多層膜２１を透過し、第２多層膜２２で反射された赤光は、第２入射出面１５から色合成プリズム１外に射出して赤パネル４５に入射する。
【０１１４】
赤パネル４５で反射され、かつ画像変調された赤画像光は、Ｓ偏光として第２入射出面１５から色合成プリズム１に内に再入射する。色合成プリズム１に入射した赤画像光は、第１多層膜２１に入射角０°で入射してこれを透過し、第２多層膜２２に入射角６０°で入射してこれを透過する。こうして第１多層膜２１および第２多層膜２２で透過した赤画像光は、第２入射出面１５の対面である射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射される。
【０１１５】
ダイクロイックミラー６１を透過した緑光は、２つのミラー６２で反射されて光学部材６４に入射する。この光学部材６４は、緑光の光路長を青光および赤光の光路長と等しくするために設けられている。
【０１１６】
光学部材６４から射出した緑光は、第２入射面１２から色合成プリズム１内に入射する。色合成プリズム１内にＳ偏光として入射した緑光は、第１多層膜２１に入射角６０°で入射してこれを透過し、第２多層膜２２に入射角０°で入射してこれを透過する。こうして第１多層膜２１および第２多層膜２２を透過した緑光は、第２入射面１２の対面である第３入射出面１６から色合成プリズム１外に射出し、緑パネル４６に入射する。
【０１１７】
緑パネル４６で反射され、かつ画像変調された緑画像光は、Ｐ偏光として第３入射出面１６から色合成プリズム１内に入射する。色合成プリズム１に入射した緑画像光は、第１多層膜２１に入射角６０°で入射してここで反射され、第２多層膜２２に入射角６０°で入射してこれを透過する。こうして第１多層膜２１で反射されて第２多層膜２２を透過した緑画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射される。
【０１１８】
このように、六角柱形状をベース形状とする実施例１の色合成プリズム１を１つ用いて、反射型液晶パネルを用いたプロジェクタ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できる。これより、プロジェクタの構成部品点数を削減することが可能であるとともに、該プロジェクタの小型化が可能である。
【０１１９】
なお、本実施例のプロジェクタにおいて、青光、赤光および緑光を互いに入れ替えてもよい。また、色合成プリズムは実施例２，３で説明したものを用いてもよい。これらのことは、以下の実施例でも同様である。
【０１２０】
また、本実施例のプロジェクタにおいて、色合成プリズムを実施例４で説明したものを用いてもよい。但し、その場合は、実施例４で示したように色合成プリズムに入射する青光、赤光および緑光の偏光方向は全てＳ偏光である。このため、本実施例のプロジェクタにおいて、波長選択性位相子６３で赤光をＰ偏光に変換する必要はなく、Ｓ偏光のまま、色合成プリズムに入射させることとなる。すなわち、波長選択性位相子６３を除去することが必要となる。同時に緑光の光路にあり、緑光の光路長を青光および赤光の光路長と等しくするために設けられている光学部材６４も除去することが必要である。これより、実施例４の色合成プリズムを用いることにより、プロジェクタの構成部品点数をさらに削減することが可能であるとともに、該プロジェクタの低コスト化が可能である。
【実施例６】
【０１２１】
図１２には、本発明の実施例６であるプロジェクタの概略構成を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色合成プリズム１を用いている。また、実施例５と同じ構成要素については、実施例５と同符号を付す。
【０１２２】
光源５１からコンデンサレンズ５５までの光学作用は、実施例５と同じである。但し、本実施例では、ダイクロイックミラー６１に入射する前に、光源５１からの光をミラー６２で反射させ、該光の進行方向を変える。
【０１２３】
ダイクロイックミラー６１を透過した青光および赤光と緑光はそれぞれ、ミラー６２によって反射されて色合成プリズム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に、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。
【０１２４】
色合成プリズム１の作用は、実施例３と同様である。本実施例では、色合成プリズム１の射出側に波長選択性位相子６３と偏光子６５とが設けられている。色合成プリズム１から射出する青画像光および緑画像光はＰ偏光であり、赤画像光がＳ偏光である。波長選択性位相子６３は、赤画像光の偏光方向のみを９０°回転させる。これにより、波長選択性位相子６３から射出した青画像光、赤画像光および緑画像光は全てＳ偏光となる。その後、Ｐ偏光を遮断する偏光子６５を透過した青画像光、赤画像光および緑画像光は、投射レンズ７１に入射して不図示のスクリーンに投射される。
【０１２５】
黒表示の場合、各パネルで反射した光の偏光方向は、該パネルに入射する光の偏光方向と同じである。このため、各パネルで反射した光は色合成プリズム１を介して光源５１に向かって戻る。しかし、光源５１に向かって戻る光の一部は、色合成プリズム１においていわゆる漏れ光となり、色合成プリズム１から投射レンズ７１を介してスクリーン上に投射されてしまう。この漏れ光は、コントラストを低下させる原因となる。
【０１２６】
しかし、本実施例では、この漏れ光が波長選択性位相子６３からＰ偏光として射出されるため、偏光子６５で遮断される。したがって、漏れ光によるコントラスト低下を回避することができる。
【０１２７】
このように、六角柱形状をベース形状とする色合成プリズム１と、該色合成プリズム１の射出側に配置した波長選択性位相子６３および偏光子６５とを用いて、高コントラストの画像を投射可能な色分離合成光学系（つまりはプロジェクタ）を構成できる。また、本実施例では、ミラー６２およびリレーレンズ５６により構成される光学系がおおよそ長方形の範囲内に収まる。このため、最終形状であるプロジェクタの小型化が可能であるとともに、プロジェクタの取り扱いが容易になる。
【０１２８】
また、本実施例のプロジェクタにおいて、色合成プリズムを実施例４で説明したものを用いてもよい。但し、その場合は、実施例５で示したことと同様に、色合成プリズムの入射側の波長選択性位相子６３を除去することが必要となる。また、実施例４で示したように色合成プリズムから射出する青光、赤光および緑光の偏光方向は全てＰ偏光である。このため、本実施例のプロジェクタにおいて、色合成プリズムの射出側の波長選択性位相子６3で赤光の偏光方向を変換する必要はなく、青光、赤光および緑光はＰ偏光のままで射出させる。その後、Ｓ偏光を遮断させる偏光子６５で漏れ光を遮断することが可能である。これより、実施例４の色合成プリズムを用いることにより、プロジェクタの構成部品点数をさらに削減することが可能であるとともに、該プロジェクタの低コスト化が可能である。
【０１２９】
なお、偏光子６５を用いて漏れ光を遮断することは実施例５においても可能であり、また、以下の実施例でも同様である。
【実施例７】
【０１３０】
図１３には、本発明の実施例７であるプロジェクタの概略構成を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色合成プリズム１を用いている。また、実施例５，６と同じ構成要素については、実施例５，６と同符号を付す。
【０１３１】
本実施例では、光源として、それぞれ青光および赤光と緑光を発光する発光ダイオードを複数備えた光源アレイ９１ＢＲ、９１Ｇを用いている。なお、同様の光源アレイとして、レーザダイオードや有機エレクトロルミネッセンス素子を用いたものを使用してもよい。このことは、以下の実施例でも同様である。
【０１３２】
アレイ光源９１ＢＲでは、青光を発光する発光ダイオードと赤光を発光する発光ダイオードとがそれぞれ二次元方向に複数配置されている。アレイ光源９１ＢＲから発せられた青光および赤光は、無偏光光として偏光変換素子５４に入射し、Ｓ偏光に変換される。
【０１３３】
偏光変換素子５４からＳ偏光として射出した青光および赤光は、波長選択性位相子６３に入射する。ここで、赤光の偏光方向のみが９０°回転させられる。波長選択性位相子６３をＳ偏光として射出した青光およびＰ偏光として射出した赤光は、色合成プリズム１に第１入射面１１から入射する。色合成プリズム１の作用は実施例３と同様である。このため、青画像光および赤画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出して投射レンズ７１に入射し、スクリーン上に投射される。なお、波長選択性位相子６３は、コンデンサレンズ５５の入射側に設けてもよい。
【０１３４】
アレイ光源９１Ｇでは、緑光を発光する発光ダイオードが二次元方向に複数配置されている。アレイ光源９１Ｇから発せられた緑光は、無偏光光として偏光変換素子５４に入射し、Ｓ偏光に変換される。偏光変換素子５４からＳ偏光として射出した緑光は、色合成プリズム１に第２入射面１２から入射する。色合成プリズム１の作用は実施例３と同様である。このため、緑画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出して投射レンズ７１に入射し、スクリーン上に投射される。
【０１３５】
このように、波長の異なる光を発生するアレイ光源と実施例１の色合成プリズムを用いることにより、非常に簡単な構成のプロジェクタを実現することが可能である。すなわち、部品点数が少なく、従来に比べてはるかに小型化が可能なプロジェクタを実現できる。
【０１３６】
また、実施例４および５に示した白色光源（高圧水銀ランプ等）は非常に大きな熱が発生するため、これを冷却するための冷却ファン等の冷却機構が必要であるが、本実施例では光源が大きな熱を発生しないため、そのような冷却機構の排除又は簡易化が可能である。この結果、光学系以外の構成部品点数も少なくすることができ、冷却機構から発生する騒音も低減することができる。
【０１３７】
なお、アレイ光源において、個々の発光ダイオードの光束分布を考慮して複数の発光ダイオードの配置を決めることで、均一な光束分布を有するアレイ光源を得ることができる。これを用いて、反射型液晶パネルを均一に照明することが好ましい。
【０１３８】
また、本実施例でも、青光、赤光および緑光を互いに入れ替えることができる。但し、白色を得るためには、緑光成分を可視波長域の光のおよそ６０〜８０％を占めるようにする必要がある。このため、上述したように、青と赤の光源アレイとは別に緑の光源アレイを設けた方がよい。このことは以下の実施例でも同様である。
【０１３９】
また、本実施例のプロジェクタにおいても、色合成プリズムを実施例４で説明したものを用いてもよい。但し、その場合は、実施例４で示したように色合成プリズムに入射する青光、赤光および緑光の偏光方向は全てＳ偏光である。このため、本実施例のプロジェクタにおいて、波長選択性位相子６３で赤光をＰ偏光に変換する必要はなく、Ｓ偏光のまま、色合成プリズムに入射させることとなる。すなわち、波長選択性位相子６３を除去することが必要となる。同時に緑光の光路にあり、緑光の光路長を青光および赤光の光路長と等しくするために設けられている光学部材６４も除去することが必要である。これより、実施例４の色合成プリズムを用いることにより、プロジェクタの構成部品点数をさらに削減することが可能であるとともに、該プロジェクタの低コスト化が可能である。
【実施例８】
【０１４０】
図１４には、本発明の実施例８であるプロジェクタの概略構成を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色合成プリズム１と、実施例７で説明した光源アレイ９１ＢＲ，９１Ｇを用いている。また、実施例５〜７と同じ構成要素については、実施例４〜６と同符号を付す。
【０１４１】
アレイ光源９１ＢＲから発せられた青光および赤光は、個々の発光ダイオードの光束分布に対応した複数のレンズセルを有するレンズアレイ９２に入射する。レンズアレイ９２は、個々の発光ダイオードからの光をコリメートレンズ９３の有効径部分の全域に重畳的に入射させる。コリメートレンズ９３からは、平行光束が射出される。
【０１４２】
この平行光束は、第１のフライアイレンズ５２によって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、第２のフライアイレンズ５３および偏光変換素子５４の近傍に集光され、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青および赤パネル４４，４５と相似形状である矩形のレンズ形状を有する。
【０１４３】
偏光変換素子５４は、第２のフライアイレンズ５３を射出した無偏光光をＳ偏光に変換する。偏光変換素子５４から射出した青および赤光は、コンデンサレンズ５５によって集光され、赤光の偏光方向のみを９０°回転させる波長選択性位相子６３に入射する。波長選択性位相子６３をＳ偏光として射出した青光およびＰ偏光として射出した赤光は、色合成プリズム１に入射し、それぞれ青および赤パネル４４，４５を重畳的に照明する。
【０１４４】
色合成プリズム１の作用は実施例３と同様である。このため、青画像光および赤画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出して投射レンズ７１に入射し、スクリーン上に投射される。なお、波長選択性位相子６３を、コンデンサレンズ５５の入射側に配置してもよい。
【０１４５】
アレイ光源９１Ｇから発せられた緑光は、個々の発光ダイオードの光束分布に対応した複数のレンズセルを有するレンズアレイ９２に入射する。レンズアレイ９２は、個々の発光ダイオードからの光をコリメートレンズ９３の有効径部の全域に重畳的に入射させる。コリメートレンズ９３からは平行光束が射出する。この平行光束は、第１のフライアイレンズ５２によって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、第２のフライアイレンズ５３および偏光変換素子５４の近傍に集光され、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。
【０１４６】
偏光変換素子５４は、第２のフライアイレンズ５３を射出した無偏光光をＳ偏光に変換する。偏光変換素子５４からＳ偏光として射出した緑光は、コンデンサレンズ５５によって集光されて色合成プリズム１に入射し、緑パネル４６を重畳的に照明する。色合成プリズム１の作用は実施例３と同様である。このため、緑画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射（画像投射）される。
【０１４７】
このように、波長の異なる光を発生するアレイ光源と実施例１の色合成プリズム１を１つ用いることにより、部品点数が少なく、小型のプロジェクタを実現できる。
【０１４８】
また、レンズアレイ９２、コリメートレンズ９３およびフライアイレンズ５２，５３を用いることにより、各反射型液晶パネルの均一照明が可能となる。これにより、均一な明るさの投射画像を得ることができるだけでなく、個々の発光ダイオードの輝度ばらつきおよび波長ばらつきによる色むらを低減することができる。
【０１４９】
また、実施例７と同様に、冷却機構が不要又は簡素化できるため、光学系以外の部品の点数を削減したり、騒音を低減させたりすることができる。
【０１５０】
また、本実施例のプロジェクタにおいても、色合成プリズムを実施例４で説明したものを用いてもよい。但し、その場合は、実施例４で示したように色合成プリズムに入射する青光、赤光および緑光の偏光方向は全てＳ偏光である。このため、本実施例のプロジェクタにおいて、波長選択性位相子６３で赤光をＰ偏光に変換する必要はなく、Ｓ偏光のまま、色合成プリズムに入射させることとなる。すなわち、波長選択性位相子６３を除去することが必要となる。同時に緑光の光路にあり、緑光の光路長を青光および赤光の光路長と等しくするために設けられている光学部材６４も除去することが必要である。これより、実施例４の色合成プリズムを用いることにより、プロジェクタの構成部品点数をさらに削減することが可能であるとともに、該プロジェクタの低コスト化が可能である。
【実施例９】
【０１５１】
図１５には、本発明の実施例９であるプロジェクタの概略構成を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１で説明した色合成プリズム１と、実施例７，８で説明した光源アレイ９１ＢＲ，９１Ｇを用いている。また、実施例５〜８と同じ構成要素については、これら実施例と同符号を付す。
【０１５２】
アレイ光源９１ＢＲから発せられた青光および赤光は、ロッドレンズ９４に入射する。ロッドレンズ９４は、その入射面から入射した複数の光束を内壁または外壁にて全反射させて重畳的に均一な光束として射出する。ロッドレンズ９４を射出した光束は、ロッドレンズ９５の射出面に配置された反射型偏光子９５に入射する。反射型偏光子９５は、Ｓ偏光を透過し、Ｐ偏光を反射する。このため、反射型偏光子９５からの射出光は、Ｓ偏光となる。
【０１５３】
反射型偏光子９５で反射したＰ偏光は、再びロッドレンズ９４に入射し、該ロッドレンズ９４内で反射を繰り返す。反射を繰り返すことで偏光方向が回転し、最終的に反射型偏光子９５からＳ偏光として射出する。なお、反射型偏光子９５に代えて、無偏光光をＳ偏光に変換する偏光変換素子を用いてもよい。
【０１５４】
反射型偏光子９５から射出したＳ偏光である青光および赤光は、コンデンサレンズ５５によって集光され、波長選択性位相子６３で赤光の偏光方向のみが９０°回転する。波長選択性位相子６３をＳ偏光として射出した青光およびＰ偏光として射出した赤光はそれぞれ、色合成プリズム１に入射して青および赤パネル４４，４５を重畳的に照明する。色合成プリズム１の作用は実施例３と同様である。このため、青画像光および赤画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射される。なお、波長選択性位相子６３を、コンデンサレンズ５５の入射側に配置してもよい。
【０１５５】
アレイ光源９１Ｇから発せられた緑光は、青光および赤光用のロッドレンズ９４と同様の機能を有するロッドレンズ９４および反射型偏光子９５に入射して、反射型偏光子９５からＳ偏光として射出する。反射型偏光子９５に代えて、無偏光光をＳ偏光に変換する偏光変換素子を用いてもよい。
【０１５６】
反射型偏光子９５から射出したＳ偏光としての緑光は、コンデンサレンズ５５によって集光され、色合成プリズム１に入射して緑パネル４６を重畳的に照明する。色合成プリズム１の作用は実施例３と同様である。このため、緑画像光は、射出面１３から色合成プリズム１外に射出し、投射レンズ７１に入射してスクリーン上に投射される。
【０１５７】
このように、波長の異なる光を発生するアレイ光源と実施例１の色合成プリズムを用いることにより、部品点数が少なく、小型化のプロジェクタを実現できる。また、ロッドレンズ９４を用いることにより、各反射型液晶パネルの均一照明が可能となる。これにより、均一な明るさの投射画像を得ることができるだけでなく、個々の発光ダイオードの輝度ばらつきおよび波長ばらつきによる色むらを低減することができる。
【０１５８】
また、実施例６と同様に、冷却機構が不要又は簡素化できるため、光学系以外の部品の点数を削減したり、騒音を低減させたりすることができる。
【０１５９】
また、本実施例のプロジェクタにおいても、色合成プリズムを実施例４で説明したものを用いてもよい。但し、その場合は、実施例４で示したように色合成プリズムに入射する青光、赤光および緑光の偏光方向は全てＳ偏光である。このため、本実施例のプロジェクタにおいて、波長選択性位相子６３で赤光をＰ偏光に変換する必要はなく、Ｓ偏光のまま、色合成プリズムに入射させることとなる。すなわち、波長選択性位相子６３を除去することが必要となる。同時に緑光の光路にあり、緑光の光路長を青光および赤光の光路長と等しくするために設けられている光学部材６４も除去することが必要である。これより、実施例４の色合成プリズムを用いることにより、プロジェクタの構成部品点数をさらに削減することが可能であるとともに、該プロジェクタの低コスト化が可能である。
【０１６０】
以上説明したように、上記各実施例によれば、全反射減衰を利用することによって、入射角６０°で入射したＳ偏光を透過してＰ偏光を反射し、さらに入射角０°の光線を透過する反射防止機能を有する多層膜を得ることができる。
また、上記各実施例によれば、全反射減衰を利用することや特定の膜構成を用いることによって所定の入射角の光線に対しては第１の波長領域において透過機能を有している。さらに、他の入射角で入射する第２の波長領域の光のうちＳ偏光に対する透過率よりもＰ偏光に対する透過率が高く、第３の波長領域の光のうちＰ偏光に対する透過率よりもＳ偏光に対する透過率が高い偏光分離機能を有している多層膜を得ることができる。
【０１６１】
そして、反射型画像形成素子を用いた色分解合成光学系において、この多層膜を設けた六角柱形状ベースの色合成プリズムを用いることで、投射レンズのバックフォーカスを短くし、投射レンズの小型化を図ることができる。そして、これにより、プロジェクタの部品点数を削減し、プロジェクタ全体の小型化が可能となる。特に、光源アレイを用いることにより、光源ランプを用いる従来のプロジェクタに比べてきわめて小型のプロジェクタを実現することができる。
【０１６２】
なお、上記各実施例では、光学素子として六角柱形状ベースのプリズム形態のものについて説明したが、本発明の光学素子はこのようなプリズム形態のものに限られず、種々の形態で実施することが可能である。
【０１６３】
【表１】
2008020892.tif 000003
【０１６４】
【表２】
2008020892.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１Ａ】本発明の実施例１である色合成プリズムの概略図。
【図１Ｂ】実施例１の色合成プリズムの光学面配置を説明する図。
【図２Ａ】実施例１の色合成プリズムの青光に対する基本的光学作用を示す図。
【図２Ｂ】実施例１の色合成プリズムの赤光に対する基本的光学作用を示す図。
【図２Ｃ】実施例１の色合成プリズムの緑光に対する基本的光学作用を示す図。
【図３Ａ】実施例１の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図３Ｂ】実施例１の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図４】本発明の実施例２である色合成プリズムの概略図。
【図５Ａ】実施例２の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図５Ｂ】実施例２の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図６】本発明の実施例３である色合成プリズムの概略図。
【図７Ａ】実施例３の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図７Ｂ】実施例３の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図８】本発明の実施例４である色合成プリズムの概略図。
【図９Ａ】実施例４の色合成プリズムの青光に対する基本的光学作用を示す図。
【図９Ｂ】実施例４の色合成プリズムの赤光に対する基本的光学作用を示す図。
【図９Ｃ】実施例４の色合成プリズムの緑光に対する基本的光学作用を示す図。
【図１０Ａ】実施例４の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図１０Ｂ】実施例４の色合成プリズムに用いられている多層膜の特性を示す図。
【図１１】本発明の実施例５であるプロジェクタの概略図。
【図１２】本発明の実施例６であるプロジェクタの概略図。
【図１３】本発明の実施例７であるプロジェクタの概略図。
【図１４】本発明の実施例８であるプロジェクタの概略図。
【図１５】本発明の実施例９であるプロジェクタの概略図。
【符号の説明】
【０１６６】
１，１０１，２０１，３０１  色合成プリズム
１１，１２  入射面
１３  射出面
１４，１５，１６  入射出面
２１，２２，２３，２４，２５，２６  多層膜.
３１１  青波長域光線
３１２  赤波長域光線
３１３  緑波長域光線
４４，４５，４６  反射型液晶パネル
５１  白色光源
５２，５３  フライアイレンズ
５４  偏光変換素子
５５  コンデンサレンズ
５６  リレーレンズ
６１  ダイクロイックミラー
６２  ミラー
６３  波長選択性位相子
６４  光学部材
７１  投射レンズ
９１ＢＲ、９１Ｇ  アレイ光源
９２  レンズアレイ
９３  コリメートレンズ
９４  ロッドレンズ
９５  反射型偏光子
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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