(57)【要約】【課題】入射角度の変動による光量の損失を低減して合成することができ、それにより明るい画像を得ることが可能となる画像投射装置等を提供する。【解決手段】少なくとも２つの異なる色光を合成する色合成光学系であって、該色合成光学系は色偏光合成手段１３、３４を含み、該色偏光合成手段を、第１の色光の第１の偏光成分と、該第１の偏光成分に直交する前記第１の色光とは異なる第２の色光の第２の偏光成分を、基準入射角度（例えば４５度）に対して所定の角度範囲内において入射角度による特性の変動を抑制して合成するように構成する。【選択図】            図１
2004233931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの異なる色光を合成する色合成光学系であって、該色合成光学系は色偏光合成手段を含み、該色偏光合成手段が、第１の色光の第１の偏光成分と、該第１の偏光成分に直交する前記第１の色光とは異なる第２の色光の第２の偏光成分を、所定の入射角度範囲において入射角度による特性の変動を抑制して合成する構成を有することを特徴とする色合成光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色合成光学系に関し、特に色合成において光量損失の低減化を図るようにした色合成光学系、およびそれらを用いた画像投射装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例における反射型液晶表示素子と偏光ビームスプリッターを組み合わせた画像投影装置は、特許文献１等に開示されている。
この特許文献１には、図１１に示すように白色光源１００１と反射型液晶表示素子１００２Ｒ，１００２Ｇ，１００２Ｂと投射光学系１００３からなる画像投射装置において，白色光源１００１と反射型液晶表示素子１００２Ｒ，１００２Ｇ，１００２Ｂの間にダイクロイックミラー１００４が設けられている。さらに、ダイクロイックミラー１００４と反射型液晶表示素子１００２Ｒ，１００２Ｇ，１００２Ｂの間に偏光ビームスプリッター１００５，１００６を設けた色分解系と、反射型液晶表示素子と投射光学系の間に第１，第２，第３偏光ビームスプリッター１００５，１００６，１００７を設けた色合成系を有している。
【０００３】
ここで色分解系は、ダイクロイックミラー１００４により第１の色光（Ｇ）と第２第３の色光（ＲＢ）に分解され、第１の色光は第１の偏光ビームスプリッター１００５に至る。また、第２第３の色光は、前記ダイクロイックミラー１００４と第２の偏光ビームスプリッター１００６の間に設けられた所定の波長領域の光の偏光方向を９０度回転させることができる第１の色選択性位相差板１００８により色成分（Ｒ，Ｂ）と偏光方向（Ｐ，Ｓ）を関連付けられる。そして、第１の色選択性位相差板１００８によりＢの色光の偏光方向が９０度回転し、Ｂの色光がＰ偏光光、Ｒの色光がＳ偏光光として、第２の偏光ビームスプリッター１００６に入射し、偏光ビームスプリッターにおける色分解としてそれぞれ第２の色光（Ｒ）と第３の色光（Ｂ）に分割される構成となっている。
【０００４】
また、色合成系は、第１の偏光ビームスプリッター１００５を反射した光は第１の反射型液晶表示素子１００２Ｇで偏光方向を９０度回転して反射し、第１の偏光ビームスプリッター１００５を透過し、１／２位相板１０１２で偏光方向を９０度回転し、第３の偏光ビームスプリッター１００７を反射して投射光学系１００３へ至る。また、第２の光路の光は第２の反射型液晶表示素子１００２Ｒで偏光方向を９０度回転して反射し、第２の偏光ビームスプリッター１００６を透過し、第３の光路の光は第３の反射型液晶表示装置１００２Ｂで偏光方向を９０度回転して反射し、第２の偏光ビームスプリッター１００６を反射し、２つの色光（Ｒ，Ｂ）は一つの光路に合成される。そして、第２の偏光ビームスプリッター１００６と第３の偏光ビームスプリッター１００７の間に設けられた第２の色選択性位相差板１００９によりＢの色光の偏光方向が９０度回転し、Ｒ，Ｂの色光ともにＰ偏光光になり、第３の偏光ビームスプリッター１００７を透過して投射光学系１００３に至ることで、３つの色光が合成される構成となっている。
【特許文献１】特開２００１−１５４２６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例に示したような画像投射装置の色合成系において第１の色光と第２第３の色光を合成する色合成手段として偏光ビームスプリッターを使用しているため偏光ビームスプリッターに設けられた偏光分離膜の入射角度特性により、Ｐ偏光の透過率が低下し、光量の損失と色バランスがくずれるという問題があった。
図１２に、偏光分離膜のＰ偏光の透過率特性を示す。偏光分離膜は偏光分離膜を透過するＰ偏光光がブリュースター角を満足することで１００％近い透過率を得ているので、入射角度が変動すると偏光分離膜における入射角度がブリュースター角からずれることになる。これにより、透過率が大幅に低下するので、図１２のような角度変動が起きるという問題が生じる。
【０００６】
また、従来例では偏光ビームスプリッター１００７の代わりに色合成手段としてダイクロイックプリズムを用いる例も示されているが、このときには透過、反射の波長を分離する半値波長が入射角度特性によりシフトし分光特性が変化することになる。これにより、光量の損失と色バランスがくずれるという問題があった。
図１３に、偏光分離膜のＳ偏光の反射率特性を示す。ダイクロ膜は屈折率の異なる交互層を繰り返して構成し、等価屈折率を同一とすることで、光を透過する透過（波長）帯と光を反射する反射（波長）帯を交互に発生させることで、特定の波長帯域を透過させ、それ以外の波長域を反射するダイクロ特性を得ている。
【０００７】
このとき、反射帯の中心波長λ０は図１４に示すように交互層を形成する膜材の屈折率ｎと膜厚ｄと屈折面に対する光線角度θにより、
λ０＝４×ｎ１×ｄ１×ｃｏｓ（θ１）＝４×ｎ２×ｄ２×ｃｏｓ（θ２）
の関係が成り立つ。
ここで
ｎ１×ｄ１×ｃｏｓ（θ１）、ｎ２×ｄ２×ｃｏｓ（θ２）
が等価膜厚である。
入射角度が変化し、屈折面に対する光線角度θが変化すると反射帯の中心波長が変化するため、ダイクロ特性が波長方向にシフトし、図１３のような角度変動が起きてしまうこととなる。
【０００８】
そこで、本発明は、入射角度の変動による光量の損失を低減して合成することができ、それにより明るい画像を得ることが可能となる画像投射装置等を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも２つの異なる色光を合成する色偏光合成手段を含む色合成光学系において、該色偏光合成手段が、第１の色光の第１の偏光成分と、該第１の偏光成分に直交する前記第１の色光とは異なる第２の色光の第２の偏光成分を、所定の入射角度範囲において入射角度による特性の変動を抑制して、具体的には９０％以上の効率で合成するように構成したものであり、これにより色合成における光量の損失が低減し、明るい画像投射装置等を提供を可能にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下の実施例により説明する。
【００１１】
【実施例】
［実施例１］
図１に、本発明の実施例１における画像投射装置の構成例を示す。
図１において、１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２は光を所定の方向に集光するリフレクター、３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、３ｂは第１のフライアイレンズにおける個々のレンズに対応したレンズアレイからなる第２のフライアイレンズある。
また、４は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子、５ａ，５ｂはコンデンサーレンズ、５ｃは反射ミラーである。また、６ａはＢの光の偏光方向を９０度変換し、Ｒの光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板、６ｂはＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。
【００１２】
７は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ）の波長領域の光を透過するダイクロイックミラー、８ａと８ｂはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッターと第２の偏光ビームスプリッターであり、１３はＧのＰ偏光光を透過し、ＲＢのＳ偏光光を反射する色偏光合成プリズムである。
また、９ｒ、９ｇ、９ｂは光を反射し、画像変調して画像を表示する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子、１０ｒ、１０ｇ、１０ｂは赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板、１１は投射レンズ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄはそれぞれ偏光板である。
【００１３】
次に光学的な作用について説明する。光源１から発した光はリフレクター２により所定の方向に集光される。ここでリフレクター２は放物面形状をなしており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に平行な光束となる。ただし、光源１は理想的な点光源ではなく有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸に平行でない光の成分も多く含まれている。
これらの集光光束は第１のフライアイレンズ３ａに入射する。第１のフライアイレンズ３ａは外形が矩形の正の屈折力を有するレンズをマトリックス状に組み合わせて構成されており、入射した光束はそれぞれのレンズに応じた複数の光束に分割され、かつ集光され、第２のフライアイレンズ３ｂを経て、マトリックス状に複数の光源像を偏光変換素子の近傍に形成する。
偏光変換素子４は偏光分離面と反射面と１／２波長板からなり、マトリックス状に集光する複数の光束はその列に対応した偏光分離面に入射し、透過するＰ偏光成分の光と反射するＳ偏光成分の光に分割される。
【００１４】
反射されたＳ偏光成分の光は反射面で反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射し、Ｐ偏光成分は１／２波長板を透過しＳ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向が揃った光として射出する。偏光変換された複数の光束は偏光変換素子の近傍で集光した後、発散光束として集光光学系に至る。
集光光学系は、コンデンサーレンズ５ａ、５ｂからなる。複数の光束は集光光学系によりフライアイレンズの矩形形状の像ができる位置でそれぞれ重なり、矩形の均一な照明エリアを形成する。この照明エリアに反射型液晶表示素子９ｒ、９ｇ、９ｂを配置する。
【００１５】
照明光路中に設けられたダイクロミラー７は図２の実線で示すような特性を有している。
ダイクロミラー７において色分離されたＧの光は、偏光板１２ａによりダイクロミラーなどによる偏光の乱れを整えられた後、第１の偏光ビームスプリッター８ａに対してＳ偏光として入射し、偏光分離面を反射し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９ｇへと至る。
Ｇ用の反射型液晶表示素子９ｇにおいてＧの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のＳ偏光成分は再び偏光分離面を反射し、光源側に戻され投射光から除去される。画像変調されたＧの反射光のＰ偏光成分は偏光分離面を透過し投射光となる。
【００１６】
第１の偏光ビームスプリッター８ａを透過した光は、偏光板１２ｂでさらに不要な偏光成分を除去されて、色偏光合成プリズム１３へと至る。
ダイクロイックミラー７を反射したＲとＢの光は、偏光板１２ｃによりダイクロイックミラーなどによる偏光の乱れを整えられた後、第１の色選択性位相差板６ａに入射する。第１の色選択性位相差板６ａの特性を図３に示す。
図３は入射する光の偏光方向に対して９０度（直交する）方向に偏光方向が変換される変換率を表わしており，これによりＲの光は変換されずＳ偏光のままで、Ｂの光は変換されてＰ偏光になる。
これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒの光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッター８ｂに入射する。よって第２の偏光ビームスプリッター８ｂにおいてＢの光は偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子９ｂに至り、Ｒの光は偏光分離面を反射してＲ用の反射型液晶表示素子９ｒに至る。
【００１７】
Ｂ用の反射型液晶表示素子９ｂにおいてＢの光が画像変調されて反射される。
変調されたＢの反射光のＰ偏光成分は再び偏光分離面を透過し、光源側に戻され投射光から除去される。変調されたＢの反射光のＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター８ｂの偏光分離面で反射し色偏光合成プリズム１３へと至る。同様にＲ用の反射型液晶表示素子９ｒにおいてＲの光が画像変調されて反射される。
変調されたＲの反射光のＳ偏光成分は再び偏光分離面を反射し、光源側に戻され投射光から除去される。変調されたＲの反射光のＰ偏光成分は偏光ビームスプリッター８ｂの偏光分離面を透過し、ＢとＲの投射光は一つの光束に合成される
。
【００１８】
合成されたＲとＢの投射光は第２の色選択性位相差板６ｂに入射する。第２の色選択性位相差板は図４に示すような特性を有しており、Ｂの光はＳ偏光のままで、Ｒの光はＳ偏光に変換され、偏光板１２ｄでさらに不要な偏光成分を除去されて、色偏光合成プリズム１３にＳ偏光として入射し、色偏光合成膜を反射することで色偏光合成膜を透過したＰ偏光のＧの投射光と合成される。
合成されたＲＧＢの投射光は投射レンズ１１によりスクリーンなどに投影される。
【００１９】
本実施例における色偏光合成プリズム１３は２つの三角プリズム１３ａ、１３ｂを接合する構成でできており、一方の三角プリズム１３ａの接合面に色偏光合成膜を設け、もう一方の三角プリズム１３ｂと接着剤により接合している。
ここで、表１に本実施例に用いる色偏光合成膜の設計例を示す。図５ａ，図５ｂはその特性図である。図５ａには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＰ偏光の透過率、図５ｂには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＳ偏光の透過率を示している。
【００２０】
【表１】
2004233931.tif 000003
このとき緑（Ｇ）の波長範囲を５００〜５７０ｎｍ、赤（Ｒ）の波長範囲を５９０〜６５０ｎｍ、青（Ｂ）の波長範囲を４３０〜４８０ｎｍとするとき、基準の入射角度４５度に対して所定の角度範囲（±５度）における平均透過率、平均反射率を求めると、
ここで所定の角度範囲の平均透過率は、入射角度４５度におけるＧの波長範囲に対する平均透過率をＴｐｇ４５とし、±５度のＧの波長範囲に対する平均透過率をＴｐｇ４０，Ｔｐｇ５０とするとき、
Ｔｐｇ＝（Ｔｐｇ４０＋Ｔｐｇ４５＋Ｔｐｇ５０）／３
で求められる。他の波長範囲および反射率も同様にして求める。
これよりＧの波長範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｇ＝９４．７％＞９０％
Ｒの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｒ＝９７．２％＞９０％
Ｂの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｂ＝９６．７％＞９０％
である。
【００２１】
この膜構成において屈折率の高い材質の屈折率ｎＨが２．３で屈折率が低い材質の屈折率ｎＬが１．４６であるので、膜に対して４５度で入射する光がブリュースター角となるようにプリズムのガラスの屈折率ｎＢをもとめると、
ｎＢ＝√（２×ｎＨ２＋ｎＬ２／（ｎＨ２＋ｎＬ２））＝１．７４
となるが、ここでは基板の屈折率として１．５２のガラスを用いているので、Ｐ偏光の光に対してはブリュースター条件を満足していないが、Ｇの波長範囲に対してのみ低反射特性が得られるような膜構成となっている。
また、膜構成は屈折率の高い材質と屈折率が低い材質の交互層になっているが、繰り返される膜厚をそれぞれ異なる膜厚になるように構成することで，交互層の周期性を低減させ、反射帯と透過帯が交互に発生しないようにしている。
これにより角度特性に左右されない高効率の透過率と反射率を所定の波長範囲で得ている。
【００２２】
ここで可視光の波長範囲を４３０〜６５０ｎｍとすると、
可視光の波長範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｗ＝８４．５％＞７５％
可視光の波長範囲におけるＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｗ＝８６．８％＞７５％
となり、大部分のＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する特性であるが、通常の偏光分離膜とは異なり、入射角度４５度±５度の角度範囲において各波長範囲の特性は均一ではない。
【００２３】
Ｇの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｇ＝２．６％
Ｒの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｒ＝２５．９％
Ｂの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｂ＝２３．６％
Ｇの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｇ＝３０．４％
Ｒの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｒ＝２．８％
Ｂの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｂ＝３．３％
となる。
【００２４】
Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比は、
Ｒｐｇ／Ｒｐｒ＝０．０９９＜０．５
Ｒｐｇ／Ｒｐｂ＝０．１０８＜０．５
Ｇの波長範囲のＳ偏光の平均透過率に対するＲ，Ｂの波長範囲のＳ偏光の平均透過率の比は、
Ｔｓｒ／Ｔｓｇ＝０．０９１＜０．５
Ｔｓｂ／Ｔｓｇ＝０．１０８＜０．５
であり、色合成として利用する波長範囲のみを高効率になるように膜特性を設定することで、角度変動を少なくできている。
【００２５】
［実施例２］
図６に、本発明の実施例２における画像投射装置の構成例を示す。
図６において、２１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２２は光を所定の方向に集光するリフレクター、２３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、２３ｂは第１のフライアイレンズの個々のレンズに対応したレンズアレイからなる第２のフライアイレンズであり、２４は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子、２５ａ，２５ｂはコンデンサーレンズ、２５ｃは反射ミラーである。
また、２６ａはＢの光の偏光方向を９０度変換し、Ｒの光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板で、２６ｂはＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板で、２７はＧの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ，Ｒの光の偏光方向は変換しない第３の色選択性位相差板である。
【００２６】
２８は１／２位相板であり、２９ａ、２９ｂ、２９ｃはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッター、第３の偏光ビームスプリッターである。
また、３４はＧのＰ偏光光を透過し、ＲＢのＳ偏光光を反射する色偏光合成プリズムであり、３０ｒ、３０ｇ、３０ｂは光を反射し、画像変調して画像を表示する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。
３１ｒ、３１ｇ、３１ｂは赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板であり、３２は投射レンズ、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄはそれぞれ偏光板である。
【００２７】
ここで偏光変換素子２４は偏光分離面と反射面と１／２波長板からなりＳ偏光成分に揃った偏光光として射出する構成としている。照明光路中に設けられた第３の色選択性位相差板２７は図７の実線で示すような特性を有しており、ＢとＲの光はＳ偏光のままで、Ｇの光はＰ偏光に変換される。
第３の色選択性位相差板２７において偏光方向を調整された光は第１の偏光ビームスプリッター２９ａに入射する。Ｐ偏光であるＧの光は偏光分離面を透過し、Ｓ偏光であるＲ，Ｂの光は偏光面を反射することで色分離が行われる。
【００２８】
色分離されたＧの光は、１／２位相板２８により偏光方向を変換され，偏光板３３ａにより変更を整えられたのち、第２の偏光ビームスプリッター２９ｂに対してＳ偏光として入射し、偏光分離面を反射し、Ｇ用の反射型液晶表示素子３０ｇへと至る。
Ｇ用の反射型液晶表示素子３０ｇにおいてＧの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のＳ偏光成分は再び偏光分離面を反射し、光源側に戻され投射光から除去される。
画像変調されたＧの反射光のＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッターの偏光分離面を透過し、偏光板３３ｂによりさらに不要な偏光成分を除去されて、色偏光合成プリズムに対してＰ偏光として入射し、色偏光合成面を透過し、投射レンズ３２へと至る。
【００２９】
第１の偏光ビームスプリッター２８ａを反射したＲとＢの光は、第１の色選択性位相差板２６ａに入射する。第１の色選択性位相差板２６ａは図３で示したような特性を有しており、Ｒの光はＰ偏光のままで、Ｂの光はＳ偏光に変換される。
これによりＢの光はＰ偏光として、Ｒの光はＳ偏光として第３の偏光ビームスプリッター２９ｃに入射する。よって第３の偏光ビームスプリッター２９ｃにおいてＢの光は偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子３０ｂに至り、Ｒの光は偏光分離面を反射してＲ用の反射型液晶表示素子３０ｒに至る。
【００３０】
Ｂ用の反射型液晶表示素子３０ｂにおいてＢの光が画像変調されて反射される。変調されたＢの反射光のＰ偏光成分は再び偏光分離面を透過し、光源側に戻され投射光から除去される。
変調されたＢの反射光のＳ偏光成分は偏光分離面で反射し投射光となる。同様にＲ用の反射型液晶表示素子３０ｒにおいてＲの光が画像変調されて反射される。変調されたＲの反射光のＳ偏光成分は再び偏光分離面を反射し、光源側に戻され投射光から除去される。変調されたＲの反射光のＰ偏光成分は偏光分離面を透過し投射光となる。これによりＢとＲの投射光は一つの光束に合成される。
【００３１】
合成されたＲとＢの投射光は第２の色選択性位相差板２６ｂに入射する。第２の色選択性位相差板は図４で示したような特性を有しており、Ｒの偏光方向のみを９０度回転し、Ｒ、ＢともにＳ偏光に変換され、色偏光合成プリズムに至り、色偏光合成面を反射することでＧの投射光と合成される。
【００３２】
本実施例における色偏光合成プリズム３４は２つの三角プリズム３４ａ、３４ｂを接合する構成でできており、一方の三角プリズム３４ａの接合面に色偏光合成膜を設け、もう一方の三角プリズム３４ｂと接着剤により接合している。
ここで、表２に本実施例に用いる色偏光合成膜の設計例を示す。図８ａ，８ｂはその特性図である。図８ａには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＰ偏光の透過率、図８ｂには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＳ偏光の透過率を示している。
【００３３】
【表２】
2004233931.tif 000004
ここで、接着剤の屈折率が１．５１で、基板の屈折率が１．６１であるので接着剤と三角プリズム３４ｂの接合面においてフレネル反射が発生し光量がわずかに損失するので、三角プリズム３４ｂの接合面に反射防止膜を設けて色偏光合成膜と反射防止膜を接着剤で接合する構成でもよい。
【００３４】
色偏光合成膜の特性は、緑（Ｇ）の波長範囲を５００〜５７０ｎｍ、赤（Ｒ）の波長範囲を５９０〜６５０ｎｍ、青（Ｂ）の波長範囲を４３０〜４８０ｎｍとするとき、
Ｇの範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｇ＝９９．０％＞９０％
Ｒの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｒ＝９８．２％＞９０％
Ｂの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｂ＝９７．８％＞９０％
である。
【００３５】
ここで可視光の波長範囲を４３０〜６５０ｎｍとすると、
可視光の波長範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｗ＝９０．７％＞７５％
可視光の波長範囲におけるＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｗ＝９０．３％＞７５％
となり、大部分のＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する特性であるが、通常の偏光分離膜とは異なり、入射角度４５度±５度の角度範囲において各波長範囲の特性は均一ではない。
【００３６】
Ｇの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｇ＝１．０％
Ｒの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｒ＝１４．４％
Ｂの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｂ＝１６．４％
Ｇの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｇ＝２２．６％
Ｒの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｒ＝１．８％
Ｂの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｂ＝２．２％
となる。
【００３７】
また、Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比は、
Ｒｐｇ／Ｒｐｒ＝０．０７３＜０．５
Ｒｐｇ／Ｒｐｂ＝０．０６４＜０．５
Ｇの波長範囲のＳ偏光の平均透過率に対するＲ，Ｂの波長範囲のＳ偏光の平均透過率の比は、
Ｔｓｒ／Ｔｓｇ＝０．０８０＜０．５
Ｔｓｂ／Ｔｓｇ＝０．０９７＜０．５
である。
【００３８】
［実施例３］
表３は本発明の実施例３における実施例１または実施例２に用いる色偏光合成プリズム１３または３４における色偏光合成膜の設計例で、図９ａ，９ｂはその特性図である。図９ａには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＰ偏光の透過率、図９ｂには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＳ偏光の透過率を示している。
【００３９】
【表３】
2004233931.tif 000005
緑（Ｇ）の波長範囲を５００〜５７０ｎｍ、赤（Ｒ）の波長範囲を５９０〜６５０ｎｍ、青（Ｂ）の波長範囲を４３０〜４８０ｎｍとするとき、
Ｇの範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｇ＝９６．６％＞９０％
Ｒの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｒ＝９７．８％＞９０％
Ｂの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｂ＝９７．５％＞９０％
である。
【００４０】
本実施例では色偏光合成プリズムを構成するガラスの屈折率はブリュースターをほぼ満足する屈折率となるが、あえて膜厚を狭帯域の反射防止になるように調整することにより実施例１、実施例２と同様な効果が得られている。このとき、設計としては基準となる入射角度（４５度）からずれた入射角度（４０，５０度）において狭帯域の反射防止になるように調整する。
ここで、可視光の波長範囲を４３０〜６５０ｎｍとすると、可視光の波長範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｗ＝９２．２％＞７５％
可視光の波長範囲におけるＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｗ＝９４．６％＞７５％
となり、大部分のＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する特性であるが、通常の偏光分離膜とは異なり、入射角度４５度±５度の角度範囲において各波長範囲の特性は均一ではない。
【００４１】
Ｇの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｇ＝３．４％
Ｒの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｒ＝７．７％
Ｂの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｂ＝１４．３％
Ｇの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｇ＝１０．５％
Ｒの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｒ＝２．２％
Ｂの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｂ＝２．５％
となる。
また、Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比は、
Ｒｐｇ／Ｒｐｒ＝０．４４１＜０．５
Ｒｐｇ／Ｒｐｂ＝０．２３６＜０．５
Ｇの波長範囲のＳ偏光の平均透過率に対するＲ，Ｂの波長範囲のＳ偏光の平均透過率の比は、
Ｔｓｒ／Ｔｓｇ＝０．２０４＜０．５
Ｔｓｂ／Ｔｓｇ＝０．２３４＜０．５
である。
【００４２】
［実施例４］
表４は、本発明の実施例４における実施例１または実施例２に用いる色偏光合成プリズム１３または３４における色偏光合成膜の設計例である。
これまでに示した本発明による色偏光合成膜の実施例は、２種類の材質の薄膜を積層する構造であるが、さらに本実施例のように多数の種類の材料を用いても本発明の効果を得ることができる。
【００４３】
【表４】
2004233931.tif 000006
図１０ａ，図１０ｂはその特性図である。図１０ａには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＰ偏光の透過率、図１０ｂには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＳ偏光の透過率を示している。
緑（Ｇ）の波長範囲を５００〜５７０ｎｍ、赤（Ｒ）の波長範囲を５９０〜６５０ｎｍ、青（Ｂ）の波長範囲を４３０〜４８０ｎｍとするとき、Ｇの範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｇ＝９９．６％＞９０％
Ｒの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｒ＝９８．２％＞９０％
Ｂの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｂ＝９８．０％＞９０％
である。
【００４４】
可視光の波長範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｗ＝８７．７％＞７５％
可視光の波長範囲におけるＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｗ＝８４．５％＞７５％
となり、大部分のＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する特性であるが、通常の偏光分離膜とは異なり、入射角度４５度±５度の角度範囲において各波長範囲の特性は均一ではない。
【００４５】
Ｇの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｇ＝０．４％
Ｒの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｒ＝１８．９％
Ｂの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｂ＝２３．７％
Ｇの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｇ＝３５．４％
Ｒの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｒ＝１．８％
Ｂの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｂ＝２．０％
となる。
【００４６】
また、Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比は、
Ｒｐｇ／Ｒｐｒ＝０．０２３＜０．５
Ｒｐｇ／Ｒｐｂ＝０．０１８＜０．５
Ｇの波長範囲のＳ偏光の平均透過率に対するＲ，Ｂの波長範囲のＳ偏光の平均透過率の比は、
Ｔｓｒ／Ｔｓｇ＝０．０５１＜０．５
Ｔｓｂ／Ｔｓｇ＝０．０５７＜０．５
である。
【００４７】
実施例１、実施例２に示した光学系と色偏光合成プリズムの膜構成は、この組合せに限られるものではなく、ここで示した光学系以外にもＧのＰ偏光光とＲＢのＳ偏光光を１つの反射面で合成する色合成系において用いることもできる。
また、色偏光合成プリズムの膜構成も実施例３、実施例４に示した膜構成も含めて組み合わせることが可能である。
また、色偏光合成膜も本発明で示した数値条件を満足する特性の色偏光合成膜を用いれば、ここに示した膜設計値に限定されるものではなく、それ以外においても同様な効果が得られる。
また、ＧのＳ偏光光とＲＢのＰ偏光光を１つの反射面で合成する色合成系では、ここまでに示した透過と反射の関係を逆にした膜特性の色偏光合成膜を用いればよい。
【００４８】
［実施例５］
表５は、本発明の実施例５の色偏光合成膜の設計例である。
これまでに示した本発明による色偏光合成膜の実施例は、Ｇの光を透過し、マゼンダの光を反射する構成であったが，さらに本実施例のようにＧの光を反射し、マゼンダの光を透過する構成を用いても本発明の効果を得ることができる。
【００４９】
【表５】
2004233931.tif 000007
図１５ａ，図１５ｂはその特性図である。図１５ａには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＰ偏光の透過率、図１５ｂには偏光分離膜に入射する角度が４０，４５，５０度のときのＳ偏光の透過率を示している。
緑（Ｇ）の波長範囲を５００〜５７０ｎｍ、赤（Ｒ）の波長範囲を５９０〜６５０ｎｍ、青（Ｂ）の波長範囲を４３０〜４８０ｎｍとするとき、Ｇの範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｒｓｇ＝９９．７％＞９０％
Ｒの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｔｐｒ＝９９．３％＞９０％
Ｂの波長範囲においてＳ偏光の平均反射率は、
Ｔｐｂ＝９９．１％＞９０％
である。
【００５０】
Ｇの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｇ＝３０．８％
Ｒの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｒ＝０．７％
Ｂの波長範囲においてＰ偏光の平均反射率は、
Ｒｐｂ＝０．９％
Ｇの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｇ＝０．３％
Ｒの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｒ＝５１．９％
Ｂの波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率は、
Ｔｓｂ＝６１．８％
となる。
【００５１】
また、Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比は、
Ｒｐｒ／Ｒｐｇ＝０．０２２＜０．５
Ｒｐｂ／Ｒｐｇ＝０．０２９＜０．５
Ｇの波長範囲のＳ偏光の平均透過率に対するＲ，Ｂの波長範囲のＳ偏光の平均透過率の比は、
Ｔｓｇ／Ｔｓｒ＝０．００４＜０．５
Ｔｓｇ／Ｔｓｂ＝０．００５＜０．５
である。
【００５２】
ただし、
可視光の波長範囲におけるＰ偏光の平均透過率は、
Ｔｐｗ＝６７．２％
可視光の波長範囲におけるＳ偏光の平均反射率は、
Ｒｓｗ＝８８．０
となり、Ｐ偏光光において偏光分離の割合が低くなっている。このため若干ダイクロイック特性が残存し角度により反射、透過の範囲が変動が起きているが変動範囲が狭いので効率よい色合成が可能である。
【００５３】
本願発明の実施の態様は以下のように書き表すことができる。
【実施態様１】少なくとも２つの異なる色光を合成する色合成光学系であって、該色合成光学系は色偏光合成手段を含み、該色偏光合成手段が、第１の色光の第１の偏光成分と、該第１の偏光成分に略直交する前記第１の色光とは異なる第２の色光の第２の偏光成分を、所定の入射角度範囲において入射角度による特性の変動を抑制して合成する構成を有することを特徴とする色合成光学系。
【実施態様２】前記色偏光合成手段は、前記少なくとも２つの異なる色光を９０％以上の効率で合成することを特徴とする実施態様１に記載の色合成光学系。
【実施態様３】前記色偏光合成手段は、色偏光合成面を有し、前記色偏光合成面には薄膜からなる色偏光合成膜が設けられていることを特徴とする実施態様１または実施態様２に記載の色合成光学系。
【実施態様４】前記第１の色光と第２の色光が入射する所定の角度範囲は、前記色偏光合成面に対して±５度であることを特徴とする実施態様１〜３のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様５】前記色合成手段は、少なくとも２つの画像表示素子と、該画像表示素子からの光を検光する検光手段と、色合成手段により色合成した光を拡大投射する画像投射手段とを有し、これらを前記画像表示素子から、検光手段、色偏光合成手段、画像投射手段の順に配して構成されていることを特徴とする実施態様１〜４のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様６】前記検光手段は、第１の検光手段と第２の検光手段を有し、画像表示素子から、第１の検光手段、第２の検光手段の順に配して構成されていることを特徴とする実施態様５に記載の色合成光学系。
【実施態様７】前記色偏光合成手段は、プリズムで構成され、該プリズム内に設けられた１つの面で色合成することを特徴とする実施態様１〜６のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様８】前記第１の色光は緑で、第２の色光はマゼンタであることを特徴とする実施態様１〜７のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様９】前記第１の偏光成分は色偏光合成面に対してＰ偏光であり、前記第２の偏光成分は色偏光合成面に対してＳ偏光であることを特徴とする実施態様１〜８のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様１０】前記第１の偏光成分は色偏光合成面に対してＳ偏光であり、前記第２の偏光成分は色偏光合成面に対してＰ偏光であることを特徴とする実施態様１〜８のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様１１】前記色合成手段は、第１、第２及び第３の画像表示素子を有し、前記第１の画像表示素子からの光は、第１の検光手段、色偏光合成プリズム、画像投射手段を経て投射され、前記第２及び第３の画像表示素子からの光は色合成プリズム、第２の検光手段、色偏光合成プリズム、画像投射手段を経て投射されることを特徴とする実施態様１〜１０のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様１２】前記色合成プリズムと前記第２の検光手段は、一つの偏光ビームスプリッターからなり、偏光ビームスプリッターと色偏光合成プリズムの間に色選択性位相差板を設けることを特徴とする実施態様１１に記載の色合成光学系。
【実施態様１３】前記第１の検光手段は第１の偏光ビームスプリッターと第１の偏光板からなり、前記色合成プリズムと前記第２の検光手段は第２の偏光ビームスプリッターからなり、前記第２の偏光ビームスプリッターと前記色偏光合成プリズムの間には色選択性位相差板を設け、色選択性位相差板と色偏光合成プリズムの間には第２の偏光板を設けることを特徴とする実施態様１１に記載の色合成光学系。
【実施態様１４】第１の偏光ビームスプリッターと第２の偏光ビームスプリッターには、同じ偏光分離膜が設けられていることを特徴とする実施態様１３に記載の色合成光学系。
【実施態様１５】前記第１の色光は５００〜５７０ｎｍの第１の波長範囲からなり、前記第２の色光は４３０〜４８０ｎｍの第２の波長範囲と５９０〜６５０ｎｍの第３の波長範囲からなることを特徴とする実施態様１１〜１４のいずれか１項に記載の色合成光学系。
【実施態様１６】前記色偏光合成膜に入射する光の入射角度を４５度±５度としたとき、該色偏光合成膜における前記第１の波長範囲の透過率が９０％以上であり、前記第２及び前記第３の波長範囲の反射率が９０％以上であることを特徴とする実施態様１５に記載の色合成光学系。
【実施態様１７】前記色偏光合成膜が、前記所定の入射角度で入射する可視の波長範囲の光のＰ偏光を６５％以上透過し、Ｓ偏光を６５％以上反射する特性で、かつ、前記第１の波長範囲におけるＰ偏光の平均反射率をＲｐ１、前記第２の波長範囲におけるＰ偏光の平均反射率をＲｐ２、前記第３の波長範囲におけるＰ偏光の平均反射率をＲｐ３とするとき、
Ｒｐ１／Ｒｐ２＜０．５
Ｒｐ１／Ｒｐ３＜０．５
とし、
前記第１の波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率をＴｓ１、前記第２の波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率をＴｓｒ、前記第３の波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率をＴｓｂとするとき、Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比が、
Ｔｓ２／Ｔｓ１＜０．５
Ｔｓ３／Ｔｓ１＜０．５
とする条件を満足することを特徴とする実施態様１６に記載の色合成光学系。
【実施態様１８】前記色偏光合成膜が、前記所定の入射角度で入射する可視の波長範囲の光のＰ偏光を７５％以上透過する特性を有することを特徴とする実施態様１７記載の色合成光学系。
【実施態様１９】前記色偏光合成膜が、前記所定の入射角度で入射する可視の波長範囲の光のＳ偏光を７５％以上反射する特性を有することを特徴とする実施態様１７または実施態様１８に記載の色合成光学系。
【実施態様２０】前記色偏光合成膜に入射する光の入射角度を４５度±５度としたとき該色偏光合成膜における前記第１の波長範囲の反射率が９０％以上であり、前記第２及び前記第３の波長範囲の透過率が９０％以上であることを特徴とする実施態様１５に記載の色合成光学系。
【実施態様２１】前記色偏光合成膜が、前記所定の入射角度で入射する光のＰ偏光を６５％以上透過し、Ｓ偏光を６５％以上反射する特性で、かつ、前記第１の波長範囲におけるＰ偏光の平均反射率をＲｐ１、前記第２の波長範囲におけるＰ偏光の平均反射率をＲｐ２、前記第３の波長範囲におけるＰ偏光の平均反射率をＲｐ３とするとき、
Ｒｐ２／Ｒｐ１＜０．５
Ｒｐ３／Ｒｐ１＜０．５
とし、
前記第１の波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率をＴｓ１、前記第２の波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率をＴｓｒ、前記第３の波長範囲におけるＳ偏光の平均透過率をＴｓｂとするとき、Ｒ，Ｂの波長範囲のＰ偏光の平均反射率に対するＧの波長範囲のＰ偏光の平均反射率の比が、
Ｔｓ１／Ｔｓ２＜０．５
Ｔｓ１／Ｔｓ３＜０．５
とする条件を満足することを特徴とする実施態様２０に記載の色合成光学系。
【実施態様２２】前記色偏光合成膜が、前記所定の入射角度で入射する可視の波長範囲の光のＰ偏光を７５％以上透過する特性を有することを特徴とする実施態様２１記載の色合成光学系。
【実施態様２３】前記色偏光合成膜が、前記所定の入射角度で入射する可視の波長範囲の光のＳ偏光を７５％以上反射する特性を有することを特徴とする実施態様２１または実施態様２２に記載の色合成光学系。
【実施態様２４】光源と、該光源からの光を少なくとも２つの色光に分解する色分解手段と、少なくとも２つの画像表示素子、該画像表示素子からの異なる色光を合成する色偏光合成手段、該色偏光合成手段によって色合成した光を拡大投射する画像投射手段を有する色合成光学系と、を備えた画像投射装置において、
前記色合成光学系を実施態様１〜２３のいずれか１項に記載の色合成光学系によって構成したことを特徴とする画像投射装置。
【実施態様２５】光源と、光源からの光を少なくとも２つの色光に分解する色分解手段と、少なくとも２つの反射型の画像表示素子、該画像表示素子からの異なる色光を合成する色偏光合成手段、該色偏光合成手段によって色合成した光を拡大投射する画像投射手段を有する色合成光学系と、を備えた画像投射装置において、
前記色合成光学系を実施態様１〜２３のいずれか１項に記載の色合成光学系によって構成したことを特徴とする画像投射装置。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、色合成光学系において光量損失の低減化を図ることができ、また、それにより明るい画像投射装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における画像投射装置の構成例を示す図。
【図２】本発明の実施例１のダイクロイックミラーを説明する図。
【図３】本発明の実施例１の色選択性位相差板を説明する図。
【図４】本発明の実施例１の色選択性位相差板を説明する図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例１の色偏光合成プリズムを説明する図。
【図６】本発明の実施例２における画像投射装置の構成例を示す図。
【図７】本発明の実施例２における色選択性位相差板を説明する図。
【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例２の色偏光合成プリズムを説明する図。
【図９】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例３の色偏光合成プリズムを説明する図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例４の色偏光合成プリズムを説明する図。
【図１１】従来例における画像投射装置の構成を説明する図。
【図１２】従来例における偏光分離膜のＰ偏光の透過率特性を示す図。
【図１３】従来例における偏光分離膜のＳ偏光の反射率特性を示す図。
【図１４】従来例におけるダイクロ特性が波長方向にシフトして角度変動が起きてしまう状態を説明する図。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例５の色偏光合成プリズムを説明する図。
【符号の説明】
１：光源
２：リフレクター
３ａ：第１のフライアイレンズ
３ｂ：第２のフライアイレンズ
４：偏光変換素子
５ａ，５ｂ：コンデンサーレンズ
５ｃ：反射ミラー
６ａ：第１の色選択性位相差板
６ｂ：第２の色選択性位相差板
７：ダイクロイックミラー
８ａ：第１の偏光ビームスプリッター
８ｂ：第２の偏光ビームスプリッター
１３：色偏光合成プリズム
９ｒ、９ｇ、９ｂ：反射型液晶表示素子
１０ｒ、１０ｇ、１０ｂ：１／４波長板
１１：投射レンズ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：偏光板
２１：光源
２２：リフレクター
２３ａ：第１のフライアイレンズ
２３ｂ：第２のフライアイレンズ
２４：偏光変換素子
２５ａ，５ｂ：コンデンサーレンズ
２５ｃ：反射ミラー
２６ａ：第１の色選択性位相差板
２６ｂ：第２の色選択性位相差板
２７：第３の色選択性位相差板
２８：１／２位相板
２９ａ：第１の偏光ビームスプリッター
２９ｂ：第１の偏光ビームスプリッター
２９ｃ：第１の偏光ビームスプリッター
３０ｒ、３０ｇ、３０ｂ：反射型液晶表示素子
３１ｒ、３１ｇ、３１ｂ：１／４波長板
３２：投射レンズ
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ：偏光板
３４：色偏光合成プリズム
【図１】
2004233931.tif 000008
【図２】
2004233931.tif 000009
【図３】
2004233931.tif 000010
【図４】
2004233931.tif 000011
【図５】
2004233931.tif 000012
【図６】
2004233931.tif 000013
【図７】
2004233931.tif 000014
【図８】
2004233931.tif 000015
【図９】
2004233931.tif 000016
【図１０】
2004233931.tif 000017
【図１１】
2004233931.tif 000018
【図１２】
2004233931.tif 000019
【図１３】
2004233931.tif 000020
【図１４】
2004233931.tif 000021
【図１５】
2004233931.tif 000022