(57)【要約】【課題】空隙を必要とすることなく、機械的な信頼性や安定性を向上した複合光学素子、及びこの複合光学素子を備え光源光の利用効率に優れコンパクトで堅牢な投影光学装置を提供するものである。【解決手段】複合光学素子４１は、複数の光学素子４２、４３及び４４を有し、光学素子のうち少なくとも１つは光路を変更する素子４２で形成され、光路を変更する素子４２の入射側面又は／及び出射側面に低屈折率材料層５６Ａ，５６Ｂを介して他の光学素子４３，４４が接合された構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学素子を有し、
前記光学素子のうち少なくとも１つは光路を変更する素子で形成され、
前記光路を変更する素子の入射側面又は／及び出射側面に低屈折率材料層を介して他の前記光学素子が接合されている
ことを特徴とする複合光学素子。
【請求項２】
前記低屈折率材料層が、使用する光の波長をλとするときλ／４以上の厚みを有している
ことを特徴とする請求項１記載の複合光学素子。
【請求項３】
前記低屈折率材料層に接する面に１層以上の光学膜からなる反射防止膜が積層されている
ことを特徴とする請求項１記載の複合光学素子。
【請求項４】
前記反射防止膜は、前記低屈折率材料層を中心に対称な膜厚及び材料で形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の複合光学素子。
【請求項５】
前記低屈折率材料層の屈折率をｎＡ、前記光学素子の屈折率をｎＧ、光学系の放射角をθ、前記光路を変更する素子での光路の折り曲げ角度をφとしたとき、
ｃｏｓ（φ−θ）＜ｎＡ／ｎＧ＜ｃｏｓ（θ）が成り立つ
ことを特徴とする請求項１記載の複合光学素子。
【請求項６】
複数の光学素子を有し、
前記光学素子のうち少なくとも１つは光路を変更する素子で形成され、
前記光路を変更する素子の入射側面又は／及び出射側面に低屈折率材料層を介して他の前記光学素子が接合されて成る複合光学素子を備えている
ことを特徴とする投影光学装置。
【請求項７】
前記低屈折率材料層が、使用する光の波長をλとするときλ／４以上の厚みを有している
ことを特徴とする請求項６記載の投影光学装置。
【請求項８】
前記低屈折率材料層に接する面に１層以上の光学膜からなる反射防止膜が積層されている
ことを特徴とする請求項６記載の投影光学装置。
【請求項９】
前記反射防止膜は、前記低屈折率材料層を中心に対称な膜厚及び材料で形成されている
ことを特徴とする請求項８記載の投影光学装置。
【請求項１０】
前記低屈折率材料層の屈折率をｎＡ、前記光学素子の屈折率をｎＧ、光学系の放射角をθ、前記光路を変更する素子での光路の折り曲げ角度をφとしたとき、
ｃｏｓ（φ−θ）＜ｎＡ／ｎＧ＜ｃｏｓ（θ）が成り立つ
ことを特徴とする請求項６記載の投影光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光学素子を有し、少なくとも１つの光学素子が光路を変更する素子である複合光学素子に関する。
また本発明は、上記複合素子を備えて、スクリーン上に画像を投影する投影光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光学素子、例えば導光路となるライトパイプと光路を曲げるプリズムを組み合わせた光学系が知られている（特許文献１参照）。ライトパイプは光の損失を少なくし、かつパイプ内の輝度を均一にしながら光を伝播することのできる導光路である。距離の長い導光路の場合は、光ファイバーのようにコアとクラッドの屈折率の異なる同軸構造の媒質を用いて光の伝播が行われている。そして、このような光ファイバーでは、コアとクラッドの屈折率差とコア径によってその最小曲げ半径が決まることが知られている。そこで、プロジェクターのような光学システムでも光ファイバーと同等な柔軟性を有するライトパイプを用いれば、複数の光学素子を組み合わせる必要はなくなる。しかし、現状では、そのような柔軟性、透明性を有する量産可能な材料、すなわちライトパイプに適した材料を用いて、小型で信頼性を有する導光路を製作することは困難である。
【０００３】
ライトパイプでは、光の伝播方向を変更するためにはプリズムを用いることが多い。このような複数の光学素子を組み合わせた光学系としては、例えば図１４及び図１５に示す光学系がある。図１４の光学系１は、光路を直角に曲げる直角プリズム２と、これを挟む２つのライトパイプ３及び４を組み合わせ、一方のライトパイプ３から入射した光Ｌを直角プリズム１で直角に曲げて、他方のライトパイプ４に導くように構成される。図１５の光学系６は、光路を直角でない所要の方向に曲げる非直角プリズム７と、これを挟む２つのライトパイプ８及び９を組み合わせ、一方のライトパイプ８から入射した光Ｌを非直角プリズム７で直角でない所要の角度に曲げて、他方のライトパイプ９に導くように構成される。
【０００４】
図１４の光学系１では、２つのライトパイプ３及び４と直角プリズム２との間にエアーギャップと呼ぶ空隙（空気層）１１を設けて、一方のライトパイプ３から入射した光Ｌ、すなわち直進する光Ｌａ及び斜めに導光して来た光Ｌｂのいずれも直角プリズム２で全反射して、他方のライトパイプ４に導くような構成となっている（図１６参照）。図１５の光学系６も同様に、２つのライトパイプ８及び９と非直角プリズム７との間に空隙１２を設けて、一方のライトパイプ８から入射した光Ｌを非直角プリズム７で全反射して、他方のライトパイプ９に導くような構成となっている。
【０００５】
このような空隙１１、１２を有する構成を取るのは、次の理由による。例えば、図１７に示すように、直角プリズム２と２つのライトパイプ３、４を単に貼り合わせて一体に構成した光学系、すなわち一部品とした光学素子１′の場合を例にとる。この光学系１′では、図示するように、ライトパイプ３に斜めに導光して来た光Ｌｂが、プリズム面に入射することなく直接ライトパイプ４を横切って外部に漏れ出し、あるいは４５°のプリズム面で反射して外部に漏れ出す等、適正に他方のライトパイプ４に導光できないためである。この現象は、図１５の光学系６を単に貼り合わせて一体化し、一部品の光学素子として構成した場合でも同様である。
【０００６】
一方、液晶パネルやＤＭＤ（digital micromirror device）素子などの画像形成用ライトバルブを照明光学系によって照明し、この画像形成用ライトバルブからの透過光、もしくは反射光を投影レンズによりスクリーン上に投影するように構成された投影光学装置、いわゆる光学式プロジェクターが知られている。一般的な投影光学装置は、光源からの光を赤、緑、青の波長帯域に分離して上述の画像形成用ライトバルブによって、それぞれ画像情報に対応して変調し、再び各色光を合成してスクリーン上に投影することによって、カラー画像表示を行っている。
【０００７】
投影光学装置においては、小型化を実現する方法として、ライトパイプを利用したものが提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００８】
図１８に、従来の投影光学装置、いわゆる光学式プロジェクターの例を示す。この投影光学装置２１は、白色光源２２と、赤、緑、青に対応した画像形成用ライトバルブ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂと、白色光源２２からの光を赤、緑、青の波長帯域に分離してそれぞれの波長帯域の光を対応する画像形成用ライトバルブ２３Ｒ、２３Ｇ、２３に入射する照明光学系２４と、画像形成用ライトバルブ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂにより画像情報に対応して変調した各色光を合成する光学素子であるクロスプリズム２５と、投影レンズ２６とを備えて構成される。
【０００９】
照明光学系２４は、白色光源２２からの光を導光するテーパー状のライトパイプ２７と、白色光源２２からの光をＰ波及びＳ波に分割する偏光ビームスプリッタ２８と、偏光ビームスプリッタ２８の一方の出射側面に配置された１／２波長板２９と、偏光ビームスプリッタ２８の他方の出射側面に配置された光路を直角に曲げる第１の直角プリズム３０を有する。さらに、照明光学系２４は、１／２波長板２９及び第１の直角プリズム３０の出射側面に配置された光を分割する光学素子である第１のダイクロイックプリズム３１と、第１のダイクロイックプリズム３１の一方の出射側面にライトパイプ３２を介して配置された第２の直角プリズム３３と、第１のダイクロイックプリズム３１の他方の出射側面にライトパイプ３４を介して配置された第２のダイクロイックプリズム３５とを有する。さらに、照明光学系２４は、第２のダイクロイックプリズム３５の一方の出射側面にライトパイプ３６を介して配置された第３の直角プリズム３７と、第３の直角プリズム３７の出射側面にライトパイプ３８を介して配置された第４の直角プリズム３９を有して構成される。
【００１０】
第１のダイクロイックプリズム３１は、第１の色光例えば赤色光を透過し、第２及び第３の色光例えば緑色光及び青色光を反射するように構成される。第２のダイクロイックプリズム３５は、例えば第２の色光である青色光を透過し、第３に色光である緑色光を反射するように構成される。第２の直角プリズム３３の出射側面が例えば赤の画像形成用ライトバルブ２３Ｒに対向する。第２のダイクロイックプリズム３５の他方の出射側面が例えば緑の画像形成用ライトバルブ２３Ｇに対向する。第４の直角プリズム３９の出射側面が例えば青の画像形成用ライトバルブ２３Ｂに対向する。
【００１１】
画像形成用ライトバルブ２３Ｒ，２３Ｇ、２３Ｂは、例えば液晶パネル及び偏光板で構成される。偏光ビームスプリッタ２８は、例えばＰ波が透過し、Ｓ波が反射されるように構成される。
【００１２】
そして、偏光ビームスプリッタ２８、第１及び第２のダイクロイックプリズム３１及び３６、第１、第２、第３及び第４の直角プリズム３０、３３、３７及び３９、クロスプリズム２５等のいわゆる光路を変更する素子と、その入射側及び／又は出射側の光学素子との間に、空隙Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ１，Ｅ２，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｇ，Ｈ，Ｉが形成される。
【００１３】
この投影光学装置２１では、白色光源２２からの光がテーパー状のライトパイプ２７を導光して偏光ビームスプリッタ２８に入射される。偏光ビームスプリッタ２８に入射された光のうち、分割された一方のＰ波が偏光ビームスプリッタ２８を透過し、１／２波長板２９でＳ波に変換されて第１のダイクロイックプリズム３１に入射される。一方、偏光ビームスプリッタ２８で分割された（反射した）他方のＳ波は、第１の直角プリズム３０で直角に曲げられて第１のダイクロイックプリズム３１に入射される。
【００１４】
第１のダイクロイックプリズム３１に入射された光は分割され、一方の赤色光がダイクロイックプリズム３１を透過してライトパイプ３２、第２の直角プリズム３３を経て赤の画像形成用ライトバルブ２３Ｒに入射される。他方の緑色光及び青色光は、ダイクロイックプリズム３１で反射されライトパイプ３４を導光して第２のダイクロイックプリズム３５に入射されて分割される。すなわち、一方の緑光はダイクロイックプリズム３５で反射されて緑の画像形成用ライトバルブ２３Ｇに入射される。他方の青色光はダイクロイックプリズム３５を透過し、ライトパイプ３６、第３の直角プリズム３７、ライトパイプ３８及び第４の直角プリズム３９を経て青の画像形成用ライトバルブ２３Ｂに入射される。
【００１５】
各画像形成用ライトバルブ２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂにおいて、画像情報に対応して変調した赤、緑及び青の各色光は、クロスプリズム２５に入射されて合成される。合成された画像情報光は、投影レンズ２６で拡大され、スクリーン上に投影される。
【００１６】
【特許文献１】米国特許公開公報  ２００５／００６３１９６Ａ１
【特許文献２】欧州特許１，５８１，０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、上述した図１４の光学系１及び図１５の光学系６においては、プリズム２、７へ斜め入射した光を全反射させて出射側のライトパイプ４、９へ導光させるために、それぞれ３つの光学素子（直角プリズム２，７と、ライトパイプ３，８、ライトパイプ４，９）を相互に空隙１１、１２を設けて配置する必要があり、相互に貼り合わせる等して一体化することが出来なかった。
【００１８】
そして、これらの光学系１、６では、小さな隙間の空隙１１、１２を維持する機構が必要で、機械的にライトパイプ３、４とプリズム２、あるいはライトパイプ８、９とプリズム７を高精度に維持して配置することが困難であった。したがって、このような光学系１、６は、衝撃や温度変化などによる環境負荷によって、相互の光学素子のアライメントがずれる虞れがあり、持ち歩く用途には使用することができなかった。
【００１９】
また、上記光学系１、６は、空隙１１、１２を有するために、光学系の大きさを小さくすることが出来なかった。さらに、光路を変更する素子を含む複数の光学素子による光学系をモジュールとして考えたときに、複数点の部品を１点に集約することが出来なかった。このように、従来の光学系は機械的な信頼性や安定性にかけるという問題があった。
【００２０】
一方、図１８に示す投影光学装置２１においても、光路を偏光する素子を含む複数の光学素子を備えることから、上述と同様の問題があると共に、光源光の利用効率の向上、装置全体がコンパクトでかつ堅牢に構成されることが望まれている。
【００２１】
本発明は、上述の点に鑑み、空隙を必要とすることなく、機械的な信頼性や安定性を向上した複合光学素子を提供するものである。
また、本発明は、この複合光学素子を備え、光源光の利用率に優れコンパクトで堅牢な投影光学装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る複合光学素子は、複数の光学素子を有し、光学素子のうち少なくとも１つは光路を変更する素子で形成され、光路を変更する素子の入射側面又は／及び出射側面に低屈折率材料層を介して他の光学素子が接合されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る投影光学装置は、複数の光学素子を有し、光学素子のうち少なくとも１つは光路を変更する素子で形成され、光路を変更する素子の入射側面又は／及び出射側面に低屈折率材料層を介して他の光学素子が接合されてなる複合光学素子を、備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る複合光学素子によれば、光路を変更する素子を有して構成される複合光学素子において、空隙（エアーギャップ）の必要性をなくし、一体化した一部品として構成することができる。従って、機械的な信頼性や安定性を向上することができる。
【００２５】
本発明に係る投影光学装置によれば、上記複合光学素子を備えた構成であるので、装置全体の機械的な信頼性や安定性を向上することができる。また、光学素子間で形成される反射面が空隙を設けた従来に比べて削減できるので光源光の利用率に優れ、しかも複数の光学素子が低屈折率材料層で接合されているのでコンパクトで堅牢な投影光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２７】
先ず、本発明に係る複合光学素子の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る複合光学素子は、用途に応じた各種の光学装置に用いられる。例えば、この複合光学素子は、光源と照明光学系と、透過パネルもしくは反射パネル（いわゆるライトバルブあるいは画像形成用ライトバルブ）と、投影光学系（いわゆる投影レンズ）を備えて成る透過型もしくは反射型の光学式プロジェクターにも用いられる。
【００２８】
本実施の形態に係る複合光学素子は、複数の光学素子を有し、その少なくとも１つの光学素子が光路を変更する素子であって、この光路を変更する素子の入射側又は／及び出射側の面、すなわち入射側または出射側の一方の面、あるいは入射側と出射側の双方の面を、低屈折率材料層を介して他の光学素子に接合して構成される。
【００２９】
ここで、光路を変更する光学素子とは、次のように定義する。すなわち、光路を変更する光学素子は、光を所要の角度で曲げる（変更する）光学素子例えばプリズム、光を分割する光学素子例えば偏光ビームスプリッタやダイクロイックプリズム、各光を合成する光学素子例えばクロスプリズム等を含む。
【００３０】
複合光学素子を構成する光学素子としては、例えば、導光路となるライトパイプ、上記の光路を変更する光学素子、その他の光学素子を含む。低屈折率材料層は、接合する光学素子の材料より十分低い屈折率を有する材料層であり、浅い角度（低屈折率材料層の面とのなす角度）で入射した光に対して全反射条件を満たすように設計されている。低屈折率材料層は、例えば光学素子がガラス材料で形成されているときには、屈折率１．４以下の材料を用いるのが望ましい。屈折率１．４以下の材料としては、ＭｇＦ２やフッ素系樹脂を添加したアクリル樹脂、フッ素系樹脂を添加したエポキシ樹脂等を用いることができる。
【００３１】
低屈折率材料層の膜厚は、使用する光の波長をλとするときλ／４以上（すなわち波長λの２５％以上）とするのが望ましい。低屈折率材料層の膜厚が、λ／４より薄くなり過ぎると、エバネッセント波の結合効果により光が低屈折率材料層を透過し反射する機能が損なわれる。低屈折率材料層の膜厚の実用上の上限は２００μｍ程度、より現実的には１００μｍ以下である。あまり厚くなり過ぎると１つの光学素子として見做されて光学系を乱す虞れがあり、好ましくない。
【００３２】
光路を変更する光学素子の入射側の面に対して光の伝播方向の軸に近い所要の角度で入射する光に対しても、光路を変更する光学素子と低屈折率材料層の屈折率差に応じた反射が発生し、光損失となる。この現象をなくすために、低屈折率材料層に接する面、実質的には両面には、１層以上の光学膜からなる反射防止膜が形成される。この反射防止膜は、低屈折率材料層を中心に対称な膜厚、材料で形成されるのが望ましい。すなわち、低屈折率材料層の両面に、同じ膜厚で、かつ同じ材料例えば複数層の場合には対称的にそれぞれ同じ材料膜を積層して形成する。
【００３３】
この反射防止膜は、複数層で形成するときは、高屈折率膜と低屈折率膜とを積層している。高屈折率膜としては、例えば酸化ニオブ(Ｎｂ２Ｏ５)、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化チタニウム（ＴｉＯ２）などを用いることができる。低屈折率膜としては、例えば酸化ケイ素(ＳｉＯ２)、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などを用いることができる。この反射防止膜を設けることにより、光路を変更する光学素子の入射側の面に対して光の伝播方向の軸に近い所要の角度で入射した光に関しては全て透過することができる。
【００３４】
低屈折率材料層が従来の空隙と同様の作用を有するためには、条件として、詳細は後述するが、次の式（１）が成り立つような材料が選ばれる。すなわち、光路を変更する光学素子に接合される導光路となる光学素子を通る光の放射角をθ、低屈折率材料層の屈折率をｎＡ、低屈折率材料層に結合される光学素子の入射面、出射面の屈折率、つまり導光路の光学素子と光路を変更する光学素子の屈折率をｎＧ、光路の折り曲げ角度をφとしたときに、低屈折率材料層としては、
ｃｏｓ（φ−θ）＜ｎＡ／ｎＧ＜ｃｏｓ（θ）・・・（１）
が成り立つ低屈折率材料が選ばれる。
【００３５】
図１に、本発明に係る複合光学素子の第１実施の形態を示す。本実施の形態に係る複合光学素子４１は、光路を変更する光学素子の一つである直角プリズム４２を挟んでその互いに直交する入射側面と出射側面に、それぞれ両面に反射防止膜４５Ａ１、４５Ａ２ が積層された低屈折率材料層４６Ａ、同じく両面に反射防止膜４５Ｂ１ 、４５Ｂ２ が積層された低屈折率材料層４６Ｂを介して、導光部品である例えばライトパイプ４３及び４４を接合して構成される。
【００３６】
低屈折率材料層４６〔４６Ａ、４６Ｂ〕は、直角プリズム４２及びライトパイプ４３、４４の材料より低屈折率の材料で形成される。反射防止膜４５〔４５Ａ１、４５Ａ２、４５Ｂ１ 、４５Ｂ２ 〕は、１層以上の光学膜で形成される。例えば反射防止膜４５は、低屈折率材料膜と高屈折率材料膜の積層膜で形成することができる。
【００３７】
第１実施の形態に係る複合光学素子４１によれば、直角プリズム４２、ライトパイプ４３、４４が低屈折率材料層４６Ａ、４６Ｂを介して接合される。これにより、空隙を設けた構成と同じく、ライトパイプ４３を伝播して低屈折率材料層４６Ａを介して直角プリズム４２に浅い角度で入射した光は、低屈折率材料層４６Ａの界面で全反射され、光路から外に出射されることなく、ライトパイプ４４へ導光される。直角プリズム４２の出射側面にも低屈折率材料層４６Ｂが介在しているので、前述の図１７のような光路から外に出射されることもない。また、低屈折率材料層４６〔４６Ａ，４６Ｂ〕を挟んで反射防止膜４５〔４５Ａ１、４５Ａ２ 、４５Ｂ１ 、４５Ｂ２ 〕が積層されるので、反射防止されて光が全て低屈折率材料層４６〔４６Ａ，４６Ｂ〕を透過する。
【００３８】
このように、複数の光学素子、すなわち直角プリズム４２、ライトパイプ４３、４４の相互間が両面に反射防止膜４５を有する低屈折率材料層４６で一体に接合され、一部品として構成することができる。複数の光学素子をモジュールとして構成するときは、複数点の光学素子を１点に集約することができる。また、従来の空隙が省略されるので、複合光学素子の小型化ができる。一部品として構成されるので、相互の光学素子間で高い位置精度が得られ、複合光学素子としての信頼性を向上することができる。アライメントの調整工数を削減することができる。
【００３９】
また、例えばライトパイプとプリズム間に空隙が有る場合には、ライトパイプと空気との界面（反射面）、空気とプリズムとの界面（反射面）の２つの反射面ができる。しかし、本実施の形態では低屈折率材料層を介してライトパイプとプリズムとが一体に接合されるため、実効的にライトパイプとプリズムとの界面による１つの反射面だけになり、空隙を有する場合に比べて反射面が減る。したがって、この反射面の削減により光の透過率を向上することができる。さらに、通常、光学面は高精度に形成されている。この高精度の光学面同志を低屈折率材料層を介して接着するので、組み立て精度を向上することができる。  機械的な精度を維持できるので、衝撃や環境負荷（例えば温度変化など）によってアライメントがずれることもなく、持ち歩く用途の光学系を有する装置に適用して好適である。
【００４０】
このように第１実施の形態の複合光学素子は、光性能に優れ、安価で、光信頼性の高い複合光学部品を提供することができる。
【００４１】
実施例１を示す。波長５２５ｎｍの光がライトパイプ４３、４４内に±７°の角度をもって伝播する複合光学素子に適用する（図３参照）。但し、図３は模式的に入射側のライトパイプ４３と直角プリズム４２のみを示しているが、直角プリズム４２と出射側のライトパイプ４３との間の低屈折率材料層及び反射防止膜の構成は同じである。直角プリズム４２及びライトパイプ４３、４４を構成する材料は、屈折率１．７５の硝材（高屈折率ガラス）を用いる。低屈折率材料層４６Ａ、４６Ｂを構成する材料は、屈折率１．３７のＭｇＦ２を用いる。反射防止膜４５Ａ１ 、４５Ａ２ 、４５Ｂ１ 、４５Ｂ２ は、それぞれ高屈折率材料にＮｂ２Ｏ５ 、低屈折率材料にＳｉＯ２ を用いた２層膜を用いた。
【００４２】
ライトパイプ４３の表面にＮｂ２Ｏ５ 膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ａ１１）、ＳｉＯ２ 膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ａ１２）、ＭｇＦ２層（低屈折率材料層４６Ａ）、ＳｉＯ２ 膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ａ２１）、Ｎｂ２ Ｏ５膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ａ２２）の順にスパッタ法や真空蒸着法などの物理蒸着法を用いて積層した後、ライトパイプ４３及び直角プリズム４２と屈折率が一致するように調整された接着剤４８を用いて直角プリズム４２に接合する。同様に、ライトパイプ４４の表面にＮｂ２Ｏ５ 膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ｂ１１）、ＳｉＯ２ 膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ｂ１２）、ＭｇＦ２層（低屈折率材料層４６Ｂ）、ＳｉＯ２ 膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ｂ２１）、Ｎｂ２ Ｏ５膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ｂ２２）の順にスパッタ法や真空蒸着法などの物理蒸着法を用いて積層し、その後に、ライトパイプ４４及び直角プリズム４２と屈折率が一致するように調整された接着剤４８を用いて直角プリズム４２に接合して複合光学素子４１を得る。
【００４３】
この実施例１における各ライトパイプ、低屈折率材料層、反射防止膜の材料、屈折率及び厚さは表１に示す通りである。
【００４４】
【表１】
2007286430.tif 000003
【００４５】
この構成により得られる反射特性を図４に示す。膜面に対して±１０°以内で入射する光に対しては、無反射であることを示しており、７０°以上の角度で入射した光はすべて反射することが可能である。
【００４６】
実施例２を示す（図５参照）。但し、図５は模式的に入射側のライトパイプ４３と直角プリズム４２のみを示しているが、直角プリズム４２と出射側のライトパイプ４３との間の低屈折率材料層及び反射防止膜の構成は同じである。低屈折率材料層４６Ａ、４６Ｂを構成する材料は、ＭｇＦ２と同じ屈折率を持つように調整されたフッ素樹脂添加のアクリル系あるいはエポシキ系の接着剤等の低屈折率接着剤を用いる。直角プリズム４２、ライトパイプ４３、４４、反射防止膜４５Ａ１、４５Ａ２ 、４５Ｂ１ 、４５Ｂ２ 等は、具体例１と同様である。実施例２では、ライトパイプ４３及び直角プリズム４２の対向面にそれぞれ同じプロセスで反射防止膜４５Ａ１、４５Ａ２ となるＮｂ２ Ｏ５ 膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ａ１１，４５Ａ２２）、ＳｉＯ２膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ａ１２，４５Ａ２１）を順に物理蒸着法を用いて積層する。対向面にＮｂ２Ｏ５ 膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ａ１１，４５Ａ２２）、ＳｉＯ２ 膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ａ１２，４５Ａ２１）が積層されたライトパイプ４３と直角プリズム４２を低屈折率接着剤４６Ａを用いて貼り合わせる。同様に、ライトパイプ４４及び直角プリズム４２の対向面にそれぞれ反射防止膜４５Ｂ１、４５Ｂ２ となるＮｂ２ Ｏ５ 膜（反射防止用高屈折率材料膜４５Ｂ１１，４５Ｂ２２）、ＳｉＯ２膜（反射防止用低屈折率材料膜４５Ｂ１２，４５Ｂ２１）を積層し、その後に、低屈折率接着剤４６Ｂを用いて貼り合せる。このようにして、複合光学素子４１を得る。
【００４７】
この実施例２における各ライトパイプ、低屈折率材料層、反射防止膜の材料、屈折率及び厚さは表２に示す通りである。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
この構成により、図６に示すような反射特性が得られる。
【００５０】
図２に、本発明に係る複合光学素子の第２実施の形態を示す。本実施の形態に係る複合光学素子５１は、光路を変更する光学素子の一つである非直角プリズム５２を挟んでその入射側面と出射側面に、それぞれ前述と同様の両面に反射防止膜５５Ａ１、５５Ａ２ が積層された低屈折率材料層５６Ａ、同じく両面に反射防止膜５５Ｂ１ 、５５Ｂ２ が積層された低屈折率材料層５６Ｂを介して、導光部品である例えばライトパイプ５３及び５４を接合して構成される。ここで、非直角プリズムとは、光を直角でない所要の角度に曲げるプリズムをいう。
【００５１】
非直角プリズム５２、ライトパイプ５３、５４の材料、及び低屈折率材料層４６Ａ，４６Ｂ、反射防止膜４５Ａ１，４５Ａ２ ，４５Ｂ１ ，４５Ｂ２ の材料は、第１実施の形態と同じ材料が使えるので重複説明を省略する。その他の構成についても、第１実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００５２】
第２実施の形態に係る複合光学素子５１によれば、非直角プリズム５２、ライトパイプ５３、５４が低屈折率材料層５６Ａ、５６Ｂを介して接合されるので、前述と同様に空隙を設けた構成と同じく、入射側のライトパイプ５３から伝播した光を光路から外に出射させることなく、効率よく非直角プリズム５２を介して出射側のライトパイプ５４へ導光させることができる。その他、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。
【００５３】
第１、第２の実施の形態の複合光学素子４１、５１を含んで、上述の低屈折率材料層の界面で全反射が成り立つ条件を示す。図７を参照する。導光路（１０１、１０２、１０３）の偏角をφ、導光路１０１を通る光の放射角をθとする。また、低屈折率材料層１０４の屈折率をｎＡ、導光路（１０１、１０２、１０３）の屈折率をｎＧとする。放射角θを光学系のＦ値で表すと、１／Ｆ＝２ｎＧ・ｓｉｎ（θ）となる。この場合、以下の３つの条件をみたせば、低屈折率材料層１０４の界面での全反射が成り立つ。
１）ｃｏｓ（φ−θ）＜ｎＡ／ｎＧ
２）ｃｏｓ（θ＋φ／２）＞１／ｎＧ
３）ｃｏｓ（θ）＞ｎＡ／ｎＧ
【００５４】
次に、本発明の複合光学素子を用いて構成した投影光学装置の実施の形態を、この投影光学装置に用いた複合光学素子と併せて説明する。
【００５５】
図８に、本発明に係る投影光学装置の一実施の形態を示す。本実施の形態に係る投影光学装置は、前述した図１８の投影光学装置における光路を変更する光学素子とこれに対向する他の光学素子との間の空隙を、上述の本発明の両面に反射防止膜を有する低屈折率材料層に置き換えて構成したものである。
【００５６】
本実施の形態に係る投影光学装置（いわゆる光学式プロジェクター）６１は、図８に示すように、前述の図１８と同様に、白色光源６２と、赤、緑、青に対応した画像形成用ライトバルブ６３Ｒ、６３Ｇ、６３Ｂと、白色光源６２からの光を赤、緑、青の波長帯域に分離してそれぞれの波長帯域の光を対応する画像形成用ライトバルブ６３Ｒ、６３Ｇ、６３に入射する照明光学系６４と、画像形成用ライトバルブ（光学素子の一つ）６３Ｒ、６３Ｇ、６３Ｂにより画像情報に対応して変調した各色光を合成する光学素子であるクロスプリズム６５と、投影レンズ６６とを備えて構成される。
【００５７】
光学系６４は、白色光源６２からの光を導光するテーパー状のライトパイプ６７と、白色光源６２からの光をＰ波及びＳ波に分割する光学素子である偏光ビームスプリッタ６８と、偏光ビームスプリッタ６８の一方の出射側面に配置された１／２波長板６９と、偏光ビームスプリッタ６８の他方の出射側面に配置された光路を直角に曲げる第１の直角プリズム７０を有する。さらに、光学系６４は、１／２波長板６９及び第１の直角プリズム７０の出射側面に配置された光を分割する光学素子である第１のダイクロイックプリズム７１と、第１のダイクロイックプリズム７１の一方の出射側面にライトパイプ７２を介して配置された第２の直角プリズム７３と、第１のダイクロイックプリズム７１の他方の出射側面にライトパイプ７４を介して配置された第２のダイクロイックプリズム７５とを有する。さらに、光学系６４は、第２のダイクロイックプリズム７５の一方の出射側面にライトパイプ７６を介して配置された第３の直角プリズム７７と、第３の直角プリズム７７の出射側面にライトパイプ７８を介して配置された第４の直角プリズム７９を有して構成される。
【００５８】
第１のダイクロイックプリズム７１は、第１の色光例えば赤色光を透過し、第２及び第３の色光例えば緑色光及び青色光を反射するように構成される。第２のダイクロイックプリズム７５は、例えば第２の色光である青色光を透過し、第３に色光である緑色光を反射するように構成される。第２の直角プリズム７３の出射側面が例えば赤の画像形成用ライトバルブ６３Ｒに対向する。第２のダイクロイックプリズム７５の他方の出射側面が例えば緑の画像形成用ライトバルブ６３Ｇに対向する。第４の直角プリズム７９の出射側面が例えば青の画像形成用ライトバルブ６３Ｂに対向する。
【００５９】
画像表示装置６３Ｒ，６３Ｇ、６３Ｂは、例えば液晶パネル及び偏光板で構成される。偏光ビームスプリッタ６８は、例えばＰ波が透過し、Ｓ波が反射されるように構成される。
【００６０】
そして、本実施の形態においては、特に、偏光ビームスプリッタ６８、第１及び第２のダイクロイックプリズム７１及び７６、第１、第２、第３及び第４の直角プリズム７０、７３、７７及び７９、クロスプリズム６５等のいわゆる光路を変更する素子と、その入射側面及び／又は出射側面の光学素子とが、前述した本発明による両面に反射防止膜を積層した低屈折率材料層（以下、ＩＡＦ層：Incident Angle Film、という）８０〔８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ，８０ｅ１，８０ｅ２，８０ｆ１，８０ｆ２，８０ｆ３，８０ｇ，８０ｈ，８０ｉ〕を介して接合されて成る。このＩＡＦ層８０を介して接合される複合光学素子についての詳細は、後述する。
【００６１】
この投影光学装置６１では、前述の図１８と同様に、白色光源６２からの光がテーパー状のライトパイプ６７を導光して偏光ビームスプリッタ６８に入射される。偏光ビームスプリッタ６８に入射された光のうち、分割された一方のＰ波が透過し１／２波長板６９でＳ波に変換されて第１のダイクロイックプリズム７１に入射される。一方、偏光ビームスプリッタ６８で分割された（反射した）他方のＳ波は、第１の直角プリズム７０で直角に曲げられて第１のダイクロイックプリズム７１に入射される。
【００６２】
第１のダイクロイックプリズム７１に入射された光は分割され、一方の赤色光がダイクロイックプリズム７１を透過してライトパイプ７２、第２の直角プリズム７３を経て赤の画像形成用ライトバルブ６３Ｒに入射される。他方の緑色光及び青色光は、ダイクロイックプリズム７１で反射されライトパイプ７４を導光して第２のダイクロイックプリズム７５に入射されて分割される。すなわち、一方の緑光はダイクロイックプリズム７５で反射されて緑の画像形成用ライトバルブ６３Ｇに入射される、他方の青色光はダイクロイックプリズム７５を透過し、ライトパイプ７６、第３の直角プリズム７７、ライトパイプ７８及び第４の直角プリズム７９を経て青の画像形成用ライトバルブ６３Ｂに入射される。
【００６３】
各画像形成用ライトバルブ６３Ｒ，６３Ｇ，６３Ｂにおいて、画像情報に対応して変調した赤、緑及び青の各色光は、光合成素子であるクロスプリズム６５に入射されて合成される。合成された画像情報光は、投影レンズ６６で拡大され、スクリーン上に投影される。
【００６４】
本実施の形態に係る投影光学装置６１によれば、その構成要素の複数の光学素子、すなわち照明光学系６４、画像表示装置２３〔２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ〕、クロスプリズム６５等を構成する光学素子のうち、光路を変更する光学素子を含む複数の光学素子が、ＩＡＦ層８０を介して接合される。このように、従来の空隙に代えてＩＡＦ層８０を用いて複数の光学素子を一体に接合し、一部品の複合光学素子として構成することができるので、相互の光学素子間の位置精度を向上することができ、装置全体の信頼性を向上することができる。光学系をモジュールとして構成するとき、複数点の光学素子を１点に集約することができ、かつ従来の空隙が省略されるので、装置の小型化、堅牢化が可能になる。また、従来の空隙を設けないので、反射面が削減して光の透過率を向上することができる。さらに、ＩＡＦ層８０を介して光学面同志を接合するので、組み立て精度を向上することができる。
【００６５】
従って、本実施の形態の投影光学装置６１は、光源光の利用効率に優れコンパクトで堅牢な投影光学装置、つまり投射型表示装置を提供することができる。
【００６６】
図９は、図８の投影光学装置６１の各々の部分Ｉ，II，III，IVを領域分けして示した図である。この各領域Ｉ，II，III，IVで見たときの複合光学素子を、図１０〜図１３に示す。
【００６７】
図１０Ａは、領域Ｉに対応し、ライトパイプ６７、偏光ビームスプリッタ６８、１／２波長板６９、第１の直角プリズム７０及びダイクロイックプリズム７１を相互にＩＡＦ層８０を介して接合してなる複合光学素子である。すなわち、ライトパイプ６７と偏光ビームスプリッタ６８の入射側面がＩＡＦ層８０ａを介して接合される。偏光ビームスプリッタ６８の一方の出射側面と第１の直角プリズム７０の入射側面とがＩＡＦ層８０ｃを介して接合される。偏光ビームスプリッタ６８の他方の出射側面に配置された１／２波長板６９の出射側面及び第１の直角プリズム７０の出射側面と、第１のダイクロイックプリズム７１の入射側面とがＩＡＦ層８０ｂを介して接合される。この複合光学素子では、伝播する光を矢印で示すように、ライトパイプ６７を伝播した光が外に漏れることなく分割、変更して全てダイクロイックプリズム７１へ入る。
【００６８】
因みに、図１０Ｂに示すように、上記の各光学素子６７、６８、７０、６９、７１を単に貼り付けた場合には、太矢印で示すように、一部の光が外に漏れ出し、機能が損なわれてしまうことが分かる。
【００６９】
図１１Ａは、領域IIに対応し、偏光ビームスプリッタ６８、１／２波長板６９、第１の直角プリズム７０（これらは一つのブロックとして示している）、ダイクロイックプリズム７１、ライトパイプ７２及び７４を、その偏光ビームスプリッタ６８の入射側面及び出射側面にそれぞれＩＡＦ層８０を介在させて接合した複合光学素子である。すなわち、ブロック（６８、６９、７０）の出射側面と第１のダイクロイックプリズム７１の入射側面がＩＡＦ層８０ｂを介して接合される。第１のダイクロイックプリズム７１の一方の出射側面とライトパイプ７４がＩＡＦ層８０ｄを介して接合される。この複合光学素子では、伝播する光を矢印で示すように、ブロック（６８、６９、７０）からの光が光路の外に漏れることなくダイクロイックプリズム７１を介してライトパイプ７２あるいはライトパイプ７４へ伝播される。
【００７０】
因みに、図１１Ｂに示すように、上記の各光学素子（６８、６９、７０）、７１、７４を単に貼り付けた場合には、太矢印で示すように、一部の光が外に漏れ出し、機能が損なわれてしまうことが分かる。
【００７１】
図１２Ａは、領域IIIに対応し、ライトパイプ７４、第２のダイクロイックプリズム７５、緑の画像形成用ライトバルブ６３Ｇ、ライトパイプ７６、第３の直角プリズム７７及びライトパイプ７８を、その第２のダイクロイックプリズム７５の入射側面及び一方の出射側面、第３の直角プリズム７７の入射側面及び出射側面にＩＡＦ層８０を介在させて接合した複合光学素子である。すなわち、第２のダイクロイックプリズム７５の入射側面とライトパイプ７４がＩＡＦ層８０ｇを介して接合される。第２のダイクロイックプリズム７５の一方の出射側面と緑の画像形成用ライトバルブ６３Ｇの入射側面がＩＡＦ層８０ｆ３を介して接合される。第２のダイクロイックプリズム７５の他方の出射側面に配置されたライトパイプ７６と第３の直角プリズム７７の入射側面がＩＡＦ層８０ｈを介して接合される。第３の直角プリズム７７の出射側面とライトパイプ７８がＩＡＦ層８０ｉを介して接合される。この複合光学素子では、矢印で示すように、光が光路の外に漏れることなく、全て緑の画像形成用ライトバルブ６３Ｇあるいはライトパイプ７８へ伝播される。
【００７２】
因みに、図１２Ｂに示すように、上記の各光学素子７４、７５、６３Ｇ、７７、７８を単に貼り付けた場合には、太矢印で示すように、一部の光が光路の外に漏れ出し、機能が損なわれてしまうことが分かる。
【００７３】
図１３Ａは、領域IVに対応し、ライトパイプ７８、第４の直角プリズム７９及び青の画像形成用ライトバルブ６３Ｂを相互にＩＡＦ層８０を介して接合した複合光学素子である。すなわち、ライトパイプ７８と第４の直角プリズム７９の入射側面がＩＡＦ層８０ｅ２を介して接合される。第４の直角プリズム７９の出射側面と青の画像形成用ライトバルブ６３ＢがＩＡＦ層８０ｆ２を介して接合される。この複合光学素子では、矢印で示すように、光が光路の外に漏れることなく青の画像形成用ライトバルブ６３Ｂへ入る。
【００７４】
因みに、図１３Ｂに示すように、上記の各光学素子７８、７９、６３Ｂを単に貼り付けた場合には、太矢印で示すように、一部の光が光路の外に漏れ出し、機能が損なわれてしまうことが分かる。
【００７５】
上例の図８に示す投影光学装置は、本発明の一実施の形態に過ぎず、他の各種の投影光学装置に本発明の複合光学素子を用いて構成することができる。例えば、画像形成用ライトバルブ６３としては、偏光板を有した液晶パネルを用いたが、ＤＭＤ素子、その他のライトバルブ等を用いることができる。光源６２についても、超高圧水銀ランプ、レーザ光源、その他の光源を用いることができる。また、上例では１つの白色光源を用いたが、赤、緑及び青の３つの光源を用いることもできる。これらの構成に応じて、投影光学装置の構成、例えば照明光学系の構成等が変更されることは言うまでもない。
【００７６】
本発明の投影光学装置は、画像を電気的に変換するプロジェクター、その他、画像を単に投写するスライドプロジェクター等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る複合光学素子の第１実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る複合光学素子の第２実施の形態を示す構成図である。
【図３】第１実施の形態による複合光学素子の具体例１に係る要部の構成図である。
【図４】具体例１の複合光学素子の反射特性を示す特性図である。
【図５】第１実施の形態による複合光学素子の具体例２に係る要部の構成図である。
【図６】具体例２の複合光学素子の反射特性を示す特性図である。
【図７】本発明による複合光学素子の低屈折率材料層界面での全反射条件の説明に供する説明図である。
【図８】本発明に係る投影光学装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図９】図８の投影光学装置の各々の部分を領域分けして示した区分図である。
【図１０】Ａ，Ｂ  領域Ｉの複合光学素子及びその導光状態を示す構成図，及び比較例の構成図である。
【図１１】Ａ，Ｂ  領域・の複合光学素子及びその導光状態を示す構成図、及び比較例の構成図である。
【図１２】Ａ，Ｂ  領域・の複合光学素子及びその導光状態を示す構成図、及び比較例の構成図である。
【図１３】Ａ，Ｂ  領域・の複合光学素子及びその導光状態を示す構成図、及び比較例の構成図である。
【図１４】従来の光学系の一例を示す構成図である。
【図１５】従来の光学系の他の例を示す構成図である。
【図１６】図１４の光学系の導光状態を示す説明図である。
【図１７】比較例の光学系の導光状態を示す説明図である。
【図１８】従来の投影光学装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
４１、５１・・複合光学素子、４２・・直角プリズム、４３、４４・・ライトパイプ、５２・・非直角プリズム、５３、５４・・ライトパイプ、４５Ａ1 ，４５Ａ2 ，４５Ｂ1 ，４５Ｂ・・反射防止膜、４６Ａ，４６Ｂ・・低屈折率材料層、６１・・投影光学装置、６２・・白色光源、６３Ｒ，６３Ｇ，６３Ｂ・・画像形成用ライトバルブ、６４・・照明光学系、６５・・クロスプリズム、６６・・投影レンズ、６７、７２、７４、７６、７８・・ライトパイプ、６８・・偏光ビームスプリッタ、７０、７３、７７、７９・・直角プリズム、７１、７５・・ダイクロイックプリズム、８０〔８０ａ〜８０ｉ〕・・ＩＡＦ層
【図１】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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