(57)【要約】      （修正有）【課題】反射型表示素子からの不要光をダイクロイックコートに入射させずに分離処理することの可能な光学ユニットと、それを備えたプロジェクタを提供する。【解決手段】光学ユニットＰＵは、照明光Ｌ１を受けた３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢ，ＤＧ，ＤＲからの出射光のうち、画像投影に用いられる投影光Ｌ２をダイクロイックコートＣＢ，ＣＲで色合成するプリズムＰ２と、各デバイスから投影光Ｌ２とは異なる角度で出射するＯＦＦ光をダイクロイックコートに入射しない方向に導く楔形状プリズムＰ３とその傾斜面に設けられたＯＦＦ光反射コートＣ１を備える。楔形状プリズムは、デバイスの画像表示面に対して平行に対向する基準面と、照明光の入射角が小さくなるとともに不要光の入射角が大きくなる方向に傾斜した面とを有し、ＯＦＦ光反射コートが、入射角度の違いにより照明光と投影光を透過させてＯＦＦ光のみ反射させる分光特性を有する。【選択図】図１
2013125168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を受けた複数の反射型表示素子からの出射光のうち、画像投影に用いられる投影光をダイクロイックコートで色合成する色合成手段と、各反射型表示素子から投影光とは異なる角度で出射する不要光を、前記ダイクロイックコートに入射しない方向に導く不要光分離手段と、を備えた光学ユニットであって、
前記不要光分離手段として、楔形状プリズムとその傾斜面に設けられた誘電体多層膜を有し、
前記楔形状プリズムが、反射型表示素子の画像表示面に対して平行に対向する基準面と、照明光の入射角が小さくなるとともに不要光の入射角が大きくなる方向に傾斜した傾斜面と、を有し、前記誘電体多層膜が、前記傾斜面に対する入射角度の違いにより照明光と投影光を透過させて不要光のみ反射させる分光特性を有することを特徴とする光学ユニット。
【請求項２】
前記傾斜面で反射された不要光が全反射角度以上の入射角で前記基準面に入射するように、前記楔形状プリズムの楔角が設定されていることを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項３】
前記反射型表示素子が、複数のマイクロミラーから成る画像表示面において各マイクロミラー面の傾きが制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の光学ユニット；
θ＞［ｓｉｎ-1（１／ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋２×α−ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／ｎ）］／２  …（１）
ただし、
θ：楔形状プリズムの楔角、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーのチルト角、
β：デジタル・マイクロミラー・デバイスへの照明光の入射角度、
ｎ：楔形状プリズムの屈折率、
Ｆｎｏ：照明光のＦナンバー、
である。
【請求項４】
前記色合成手段が複数の角柱プリズムから成る色分解合成プリズムであり、前記色分解合成プリズムが、前記傾斜面に対して平行に対向するプリズム面を有することにより、前記反射型画像表示素子の画像表示面に対して、前記楔形状プリズムの楔角と同じ傾きを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学ユニット。
【請求項５】
照明光と投影光とを全反射により分離するＴＩＲプリズムを更に備え、前記色分解合成プリズムと前記ＴＩＲプリズムとの間に前記楔形状プリズムの楔角と同じ角度を有する第２の楔形状プリズムを有することを特徴とする請求項４記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記ＴＩＲプリズムと前記第２の楔形状プリズムとは一体化されていることを特徴とする請求項５記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記不要光分離手段として、傾斜面に誘電体多層膜が設けられていない楔形状のゴースト分離プリズムを更に有し、前記ゴースト分離プリズムが、反射型表示素子の画像表示面に対して平行に対向する基準面と、照明光の入射角が小さくなるとともに不要光の入射角が大きくなる方向に傾斜した傾斜面と、を有し、画像表示面に対して平行な面で反射されて基準面側から傾斜面に入射するゴースト光と投影光との分離を、ゴースト光が全反射条件を満たすことで行い、
前記反射型表示素子が、複数のマイクロミラーから成る画像表示面において各マイクロミラー面の傾きが制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、以下の条件式（２）及び（３）を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学ユニット；
ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β−２×α＋ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）＞Θ  …（２）
Θ＞ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）  …（３）
ただし、
Θ：ゴースト分離プリズムの楔角、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーのチルト角、
β：デジタル・マイクロミラー・デバイスへの照明光の入射角度、
Ｎ：ゴースト分離プリズムの屈折率、
Ｆｎｏ：照明光のＦナンバー、
である。
【請求項８】
３チップタイプのプロジェクタであって、画像を表示する３つの反射型表示素子と、光源と、その光源からの光を集光する照明光学系と、その照明光学系からの光を前記反射型表示素子に導く請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学ユニットと、前記反射型表示素子に表示された画像をスクリーン面に拡大投影する投影レンズと、を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学ユニット及びプロジェクタに関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)等の反射型表示素子からの出射光のうち、画像投影に不要なＯＦＦ光を適正に分離処理する機能を備えた光学ユニットと、それを有するプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタに搭載される反射型表示素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイスが知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、複数の微小なマイクロミラーから成る画像表示面を有しており、その画像表示面で各ミラー面の傾きを制御して、照明光を強度変調することにより画像を形成する。デジタル・マイクロミラー・デバイスの各画素のＯＮ／ＯＦＦは、例えば、画像表示面の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を中心とする±１２°のミラー面の回動により表現される。
【０００３】
デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型表示素子では、投影画像に使われないＯＦＦ光と呼ばれる不要光が発生する。そのＯＦＦ光は、投影画像のコントラスト低下や機構部品を含む光学ユニットの温度上昇を招く原因となる。１チップタイプのプロジェクタでは、特許文献１〜３で提案されているように、ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムでの全反射角度を利用してＯＦＦ光を処理することができる。また、色分解合成プリズムと３枚の反射型表示素子を含む３チップ（多チャンネル）タイプのプロジェクタでは、投影レンズと表示素子との間隔が広く、ＯＮ光（投影光）とＯＦＦ光との分離が容易であるため、色分解合成プリズムの高さを増やすことによってＯＦＦ光を処理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１８８１１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５４９５号公報
【特許文献３】特開２００６−１１９３７６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、３チップタイプのプロジェクタにおいて色分解合成プリズムの高さが十分でない場合、ＯＦＦ光は正しく処理されず色分解合成プリズム内で迷光になって、プロジェクタ性能低下の原因となる。つまり、色合成に使用されるダイクロイックコートは照明光と投影光を中心に設計されているので、ＯＦＦ光の一部は正しく透過又は反射されず、色分解合成プリズム内で迷光となって投影画像のコントラスト低下や光学ユニットの温度上昇の要因となる。ＯＦＦ光を、迷光とならないようにプリズム外に導出するために、３チップタイプのプロジェクタでは、色分解合成プリズムを含む光学ユニットが大型化する傾向にあり、その大型化に伴ってコストアップを招いたりプリズム保持の信頼性が低下したりするおそれがある。
【０００６】
特許文献１〜３に記載されているように、ＯＦＦ光による迷光の発生を抑制するために全反射を利用して投影光とＯＦＦ光との分離を行おうとすると、全反射角度を得るために大きなスペースが必要になる。つまり、一部のチャンネルでしかＯＦＦ光を処理することができないため、全反射角度を利用したＯＦＦ光処理技術を３チップタイプのプロジェクタに対してコンパクトに適用することは困難である。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、小型でありながら反射型表示素子からの不要光をダイクロイックコートに入射させずに分離処理することの可能な光学ユニットと、それを備えたプロジェクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明の光学ユニットは、照明光を受けた複数の反射型表示素子からの出射光のうち、画像投影に用いられる投影光をダイクロイックコートで色合成する色合成手段と、各反射型表示素子から投影光とは異なる角度で出射する不要光を、前記ダイクロイックコートに入射しない方向に導く不要光分離手段と、を備えた光学ユニットであって、前記不要光分離手段として、楔形状プリズムとその傾斜面に設けられた誘電体多層膜を有し、前記楔形状プリズムが、反射型表示素子の画像表示面に対して平行に対向する基準面と、照明光の入射角が小さくなるとともに不要光の入射角が大きくなる方向に傾斜した傾斜面と、を有し、前記誘電体多層膜が、前記傾斜面に対する入射角度の違いにより照明光と投影光を透過させて不要光のみ反射させる分光特性を有することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明の光学ユニットは、上記第１の発明において、前記傾斜面で反射された不要光が全反射角度以上の入射角で前記基準面に入射するように、前記楔形状プリズムの楔角が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明の光学ユニットは、上記第１又は第２の発明において、前記反射型表示素子が、複数のマイクロミラーから成る画像表示面において各マイクロミラー面の傾きが制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。
θ＞［ｓｉｎ-1（１／ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋２×α−ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／ｎ）］／２  …（１）
ただし、
θ：楔形状プリズムの楔角、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーのチルト角、
β：デジタル・マイクロミラー・デバイスへの照明光の入射角度、
ｎ：楔形状プリズムの屈折率、
Ｆｎｏ：照明光のＦナンバー、
である。
【００１１】
第４の発明の光学ユニットは、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記色合成手段が複数の角柱プリズムから成る色分解合成プリズムであり、前記色分解合成プリズムが、前記傾斜面に対して平行に対向するプリズム面を有することにより、前記反射型画像表示素子の画像表示面に対して、前記楔形状プリズムの楔角と同じ傾きを有することを特徴とする。
【００１２】
第５の発明の光学ユニットは、上記第４の発明において、照明光と投影光とを全反射により分離するＴＩＲプリズムを更に備え、前記色分解合成プリズムと前記ＴＩＲプリズムとの間に前記楔形状プリズムの楔角と同じ角度を有する第２の楔形状プリズムを有することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明の光学ユニットは、上記第５の発明において、前記ＴＩＲプリズムと前記第２の楔形状プリズムとは一体化されていることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明の光学ユニットは、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記不要光分離手段として、傾斜面に誘電体多層膜が設けられていない楔形状のゴースト分離プリズムを更に有し、前記ゴースト分離プリズムが、反射型表示素子の画像表示面に対して平行に対向する基準面と、照明光の入射角が小さくなるとともに不要光の入射角が大きくなる方向に傾斜した傾斜面と、を有し、画像表示面に対して平行な面で反射されて基準面側から傾斜面に入射するゴースト光と投影光との分離を、ゴースト光が全反射条件を満たすことで行い、前記反射型表示素子が、複数のマイクロミラーから成る画像表示面において各マイクロミラー面の傾きが制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、以下の条件式（２）及び（３）を満たすことを特徴とする。
ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β−２×α＋ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）＞Θ  …（２）
Θ＞ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）  …（３）
ただし、
Θ：ゴースト分離プリズムの楔角、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーのチルト角、
β：デジタル・マイクロミラー・デバイスへの照明光の入射角度、
Ｎ：ゴースト分離プリズムの屈折率、
Ｆｎｏ：照明光のＦナンバー、
である。
【００１５】
第８の発明のプロジェクタは、３チップタイプのプロジェクタであって、画像を表示する３つの反射型表示素子と、光源と、その光源からの光を集光する照明光学系と、その照明光学系からの光を前記反射型表示素子に導く上記第１〜第７のいずれか１つの発明に係る光学ユニットと、前記反射型表示素子に表示された画像をスクリーン面に拡大投影する投影レンズと、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明では、楔形状プリズムとその傾斜面に設けられた誘電体多層膜とを組み合わせて、誘電体多層膜の角度依存性を利用する構成になっているため、全反射角より小さい入射角度でも全反射と同様の効果が得られる。したがって、楔形状プリズムや色分解合成プリズム等の光学要素を大きくする必要が無く、小型でありながら反射型表示素子から投影光とは異なる角度で出射する不要光をダイクロイックコートに入射させずに分離処理することができる。そして、不要光がダイクロイックコートに入射しないため、不要光が迷光となって投影画像のコントラスト低下や機構部品を含む光学ユニットの温度上昇を招くことを防止することができる。さらに、色分解合成プリズム等の光学要素から成る光学ユニットの小型化が可能になるため、コストダウンやプリズム保持での信頼性向上が可能となる。第８の発明では、第１の発明に係る光学ユニットを備えているため、小型で低コスト・高コントラストの３チップタイプのプロジェクタを実現することができる。
【００１７】
第２の発明では、傾斜面で反射された不要光が全反射角度以上の入射角で基準面に入射するように、楔形状プリズムの楔角が設定されており、第３の発明では、反射型表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合に有効な楔角の設定になっている。したがって、楔形状プリズムや色分解合成プリズム等の光学要素を大きくすることなく、反射型表示素子からの不要光を効果的に処理することができる。
【００１８】
第４の発明では、色分解合成プリズムが、楔形状プリズムの傾斜面に対して平行に対向するプリズム面を有することにより、前記反射型画像表示素子の画像表示面に対して、楔形状プリズムの楔角と同じ傾きを有する構成になっているため、作製の容易な角柱形状の色分解合成プリズムの使用が可能となり、また色分解合成プリズムの高さを更に減らすことも可能となる。
【００１９】
第７の発明では、傾斜面に誘電体多層膜が設けられていない楔形状のゴースト分離プリズムを、不要光分離手段として更に有しており、画像表示面に対して平行な面で反射されて基準面側から傾斜面に入射するゴースト光と投影光との分離を、ゴースト光が全反射条件を満たすことで行う構成になっているため、例えば、比視感度の最も高い緑色チャンネルにこのゴースト分離プリズムを備えた場合、投影画像のコントラストをより一層向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光学ユニットの第１の実施の形態を示す図。
【図２】色分解合成プリズムの大型化を説明するための第１の比較例を示す図。
【図３】図１の光学ユニット（α＝１２゜，β＝２４゜，ｎ＝１．５１６８，Ｆｎｏ＝３．０）の要部を示す断面図。
【図４】図３の光学ユニットにおいてＯＦＦ光反射コートを設けずに全反射角度のみを使用したときの楔形状プリズムの変化を説明するための第２の比較例を示す要部断面図。
【図５】図３の光学ユニットにおいてＯＦＦ光反射コートの代わりに通常のＡＲコートを設けたときの光路変化を説明するための第３の比較例を示す要部断面図。
【図６】図１の光学ユニットに用いられる青色用のＯＦＦ光反射コートの分光特性を示すグラフ。
【図７】図１の光学ユニットに用いられる緑色用のＯＦＦ光反射コートの分光特性を示すグラフ。
【図８】図１の光学ユニットに用いられる赤色用のＯＦＦ光反射コートの分光特性を示すグラフ。
【図９】光学ユニットの第２の実施の形態を示す図。
【図１０】光学ユニットの第３の実施の形態を示す図。
【図１１】図１０の光学ユニットの要部を示す断面図。
【図１２】図１の光学ユニットを搭載したプロジェクタの概略構成例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る光学ユニット及びプロジェクタの実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００２２】
図１に光学ユニットＰＵの第１の実施の形態を示し、図３にその要部を拡大して示す。また、図１２に光学ユニットＰＵを搭載したプロジェクタＰＪの概略構成例を示す。プロジェクタＰＪは、図１２に示すように、投影レンズＬＮ，光学ユニットＰＵ，デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ，光源１１，照明光学系１２，制御部１３，アクチュエータ１４等を備えており、制御部１３によりプロジェクタＰＪ全体の制御が行われる。
【００２３】
光源１１から射出した照明光は、照明光学系１２及び光学ユニットＰＵでデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導かれる。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、光を変調して画像を生成する反射型表示素子であり、画像を表示する表示面ＤＳ上にはカバーガラスが設けられている。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画素は、画像表示面ＤＳが構成する矩形の画像表示領域の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。そして、ＯＮ状態のマイクロミラー（画素面）で反射した光のみが、後述するように光学ユニットＰＵ及び投影レンズＬＮを通過することになる。
【００２４】
光学ユニットＰＵは、３チップタイプのプロジェクター用のプリズムユニットであり、図１に示すように、ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムＰ１，色分解合成プリズムＰ２，楔形状プリズムＰ３等から成るプリズムユニットであり、照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離、及び投影光（ＯＮ光）Ｌ２と不要光（ＯＦＦ光）Ｌ３との分離を行う。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示された画像は、投影レンズＬＮでスクリーン面ＳＣに拡大投影される。なお、投影レンズＬＮ又はその一部の移動（例えば、ズーミング，フォーカシング）は、アクチュエータ１４（図１２）で行われる。
【００２５】
光学ユニットＰＵの構成を、図１を用いて更に詳しく説明する。図１（Ａ）は光学ユニットＰＵを上面側から見た状態で示しており、図１（Ｂ）は光学ユニットＰＵを側面側から見た状態で示している。ＴＩＲプリズムＰ１は略三角柱状の２つのプリズムから成っており（図１（Ｂ））、プリズム斜面間にエアギャップ層が設けられている。このＴＩＲプリズムＰ１によって、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図１２）に対する入力光（照明光）Ｌ１と出力光（投影光）Ｌ２との分離が行われる。照明光学系１２から射出した照明光Ｌ１は、ＴＩＲプリズムＰ１に入射し、エアギャップ層を形成する斜面に全反射条件を満たした角度で入射し、全反射して色分解合成プリズムＰ２に入射する。
【００２６】
色分解合成プリズムＰ２は、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）に対応した３つのプリズムと１つのプリズム（以下、クリアプリズムと呼ぶ）とが組み合わされた構成になっており（図１（Ａ））、３つのプリズムのそれぞれの射出側には、図３に示すように、エアギャップ層ＡＧを介して楔形状プリズムＰ３が配置されている。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図１２）としては、赤用，緑用，青用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢが設けられており（図１（Ａ））、照明光Ｌ１は色分解合成プリズムＰ２で赤，緑，青の各色に分解される。色分解合成プリズムＰ２を構成している４つのプリズムは、略三角柱状の赤用プリズム，青用プリズム及びクリアプリズム、並びにブロック状の緑用プリズムである。クリアプリズムと赤用プリズムとの間にはエアギャップ層が設けられている。赤用プリズムと青用プリズムとの間には、赤色光を反射するダイクロイックコートＣＲ、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。また、青用プリズムと緑用プリズムとの間には、青色光を反射するダイクロイックコートＣＢ、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。クリアプリズムは、ダイクロイックコートＣＲへの照明光の入射角度を小さくするために用いられているが、必ずしも必要ではない。色分解合成プリズムＰ２は３つのプリズムで構成されていてもよい。
【００２７】
色分解合成プリズムＰ２のクリアプリズムに入射した照明光Ｌ１は、エアギャップ層を透過し、ダイクロイックコートＣＲ（図１（Ａ））で赤色光が反射され、他の緑色光及び青色光は透過する。ダイクロイックコートＣＲで反射された赤色の照明光Ｌ１は、全反射された後、色分解合成プリズムＰ２から射出し、楔形状プリズムＰ３を透過し、赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲを照明する。ダイクロイックコートＣＲを透過した緑色と青色の照明光Ｌ１のうち、青色の照明光Ｌ１はダイクロイックコートＣＢで反射され、緑色の照明光Ｌ１は透過する。ダイクロイックコートＣＢで反射された青色の照明光Ｌ１は、全反射された後、色分解合成プリズムＰ２から射出し、楔形状プリズムＰ３を透過し、青用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢを照明する。ダイクロイックコートＣＢを透過した緑色の照明光Ｌ１は、色分解合成プリズムＰ２から射出し、楔形状プリズムＰ３を透過し、緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧを照明する。
【００２８】
赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲで反射された赤色の投影光Ｌ２は、楔形状プリズムＰ３を透過し、色分解合成プリズムＰ２に入射して全反射された後、ダイクロイックコートＣＲで反射される。青用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢで反射された青色の投影光Ｌ２は、楔形状プリズムＰ３を透過し、色分解合成プリズムＰ２に入射して全反射された後、ダイクロイックコートＣＢで反射され、更にダイクロイックコートＣＲを透過する。緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧで反射された緑色の投影光Ｌ２は、楔形状プリズムＰ３を透過し、色分解合成プリズムＰ２に入射してダイクロイックコートＣＢ及びダイクロイックコートＣＲを透過する。このように、照明光Ｌ１を受けた３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢからの出射光のうち、画像投影に用いられる投影光Ｌ２はダイクロイックコートＣＢ，ＣＲで色合成される。
【００２９】
そして、これら赤色，青色，及び緑色の各投影光Ｌ２は、同一光軸ＡＸに合成され、色分解合成プリズムＰ２（クリアプリズム）から射出して、ＴＩＲプリズムＰ１に入射する。ＴＩＲプリズムＰ１に入射した投影光Ｌ２は、ここでは全反射条件を満たさないのでエアギャップ層を透過し、投影レンズＬＮによってスクリーンＳＣに投影される。
【００３０】
上述した光学ユニットＰＵに搭載されているデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢでは、投影画像に使われないＯＦＦ光Ｌ３と呼ばれる不要光が発生して、投影画像のコントラスト低下や機構部品等を含む光学ユニットＰＵの温度上昇を招く原因となる。これを解消するため、光学ユニットＰＵは、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢと色分解合成プリズムＰ２との間に、楔形状プリズムＰ３と、その傾斜面Ｓ１（図３）に設けられたＯＦＦ光反射コート（誘電体多層膜）Ｃ１と、を有している。
【００３１】
楔形状プリズムＰ３は、図３に示すように、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢの画像表示面ＤＳに対して平行に対向する基準面Ｓ２と、照明光Ｌ１の入射角が小さくなるとともにＯＦＦ光（不要光）Ｌ３の入射角が大きくなる方向に傾斜した傾斜面Ｓ１と、を有している。また、誘電体多層膜から成るＯＦＦ光反射コートＣ１は、傾斜面Ｓ１に対する入射角度の違いにより照明光Ｌ１と投影光Ｌ２を透過させてＯＦＦ光Ｌ３のみ反射させる分光特性を有している。
【００３２】
上記光学ユニットＰＵでは、楔形状プリズムＰ３にその傾斜面Ｓ１に設けられたＯＦＦ光反射コートＣ１を組み合わせて、ＯＦＦ光反射コートＣ１の角度依存性を利用する構成になっているため、全反射角より小さい入射角度でも全反射と同様の効果が得られる。したがって、楔形状プリズムＰ３や色分解合成プリズムＰ２等の光学要素を大きくする必要が無く、小型でありながらデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢから投影光Ｌ２とは異なる角度で出射するＯＦＦ光Ｌ３をダイクロイックコートＣＢ，ＣＲに入射させずに分離処理することができる。
【００３３】
そして、ＯＦＦ光Ｌ３がダイクロイックコートＣＢ，ＣＲに入射せず（図１（Ａ））、色分解合成プリズムＰ２内にすら入射しないため、ＯＦＦ光Ｌ３が迷光となって投影画像のコントラスト低下や機構部品を含む光学ユニットＰＵの温度上昇を招くことを効果的に防止することができる。さらに、色分解合成プリズムＰ２等の光学要素から成る光学ユニットＰＵの小型化が可能になるため、コストダウンやプリズム保持での信頼性向上が可能となる。３チップタイプのプロジェクタＰＪは、このように光学ユニットＰＵを備えることにより、小型化，低コスト化及び高コントラスト化を達成している。
【００３４】
図２に、楔形状プリズムＰ３（楔角θ＝８．６°）を用いずに構成された光学ユニットＰＵ（第１の比較例）の構成を、図１と対応するように示す。図１に示す光学ユニットＰＵにおける色分解合成プリズムＰ２の高さｈを９０ｍｍとすると、図２に示す光学ユニットＰＵにおける色分解合成プリズムＰ２の高さｈは１３５ｍｍとなる。図２に示す光学ユニットＰＵでは、投影レンズＬＮ（図１２）とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢとの間隔が広く、投影光Ｌ２とＯＦＦ光Ｌ３との分離が容易であるため、色分解合成プリズムＰ２の高さｈを増やすことによってＯＦＦ光Ｌ３を処理することができる。しかし、光学ユニットＰＵを小型化するために色分解合成プリズムＰ２の高さｈを低くしようとすれば、前述したようにＯＦＦ光Ｌ３を正しく処理することができず、投影画像のコントラスト低下等の問題が生じることになる。
【００３５】
図４に、ＯＦＦ光反射コートＣ１を用いずに構成された光学ユニットＰＵ（第２の比較例）の要部構成を、図３と対応するように示す。図３に示す光学ユニットＰＵでは、楔形状プリズムＰ３（楔角θ＝８．６°）を用いて、基準面Ｓ２に対する全反射角度の最小値θ２が４１．３８°となっているのに対し、図４に示す光学ユニットＰＵでは、楔形状プリズムＰ３（楔角θ＝１７．２°）を用いて、傾斜面Ｓ１に対する全反射角度の最小値θ１が４１．３８°となっている。このように、ＯＦＦ光Ｌ３による迷光の発生を抑制するために全反射のみを利用して投影光Ｌ２とＯＦＦ光Ｌ３との分離を行おうとすると、全反射角度を得るために大きなスペースが必要になる。例えば、ＧチャンネルでしかＯＦＦ光Ｌ３を処理することができない。Ｇチャンネルでは大きな楔角度θの楔形状プリズムＰ３を配置することができても、ＢチャンネルやＲチャンネルでは全反射条件を満たすような大きな楔角度θの楔形状プリズムＰ３を配置することができない。
【００３６】
図５に、楔形状プリズムＰ３の楔角度θ（＝８．６°）が全反射角度に対して十分に大きくないときの状態（第３の比較例）を示す。通常のＡＲコート(Anti Reflection coating)Ｃ２が形成された傾斜面Ｓ１に対する全反射角度の最小値θ１が３２．７８°となっており、全反射条件を満たさないＯＦＦ光Ｌ３は反射分離されないことが分かる。このＯＦＦ光Ｌ３を反射分離して図３に示す状態にするために使用されるＯＦＦ光反射コートＣ１の誘電体多層膜構成を表１に示し、それに用いる薄膜材料の屈折率及び波長を表２に示す。
【００３７】
【表１】
2013125168.tif 000003
【００３８】
【表２】
2013125168.tif 000004
【００３９】
図６〜図８に、ＯＦＦ光反射コートＣ１（表１）の分光特性を示す。この誘電体多層膜から成るＯＦＦ光反射コートＣ１を用いれば、照明光Ｌ１と投影光Ｌ２から成る必要光はその最小入射角度から最大入射角度の範囲で透過するが、不必要なＯＦＦ光Ｌ３は全反射条件を満たない入射角度であっても反射することができる。また、エアギャップ層ＡＧにより全反射条件を満たすＯＦＦ光Ｌ３については問題なく反射することができる。したがって、従来の色分解合成プリズムでは全反射角度の楔形状プリズムを配置できなかった場所であっても、ＯＦＦ光Ｌ３を容易に分離することができ、色分解合成プリズムＰ２を小型化すること（高さｈを低くすること）ができる。また、色合成に用いられるダイクロイックコートＣＢ，ＣＲが照明光Ｌ１と投影光Ｌ２の入射角度を中心に設計され、ＯＦＦ光Ｌ３の入射角度では十分な性能を有していない場合でも、色合成前にＯＦＦ光Ｌ３が分離されるため、ＯＦＦ光処理は容易である。
【００４０】
楔形状プリズムＰ３の楔角θは、傾斜面Ｓ１で反射されたＯＦＦ光Ｌ３が全反射角度以上の入射角で基準面Ｓ２に入射するように設定されているので、色分解合成プリズムＰ２や楔形状プリズムＰ３等の光学要素を大きくすることなく、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢからのＯＦＦ光Ｌ３を効果的に処理することができる。なお、楔形状プリズムＰ３内において、傾斜面Ｓ１と基準面Ｓ２のそれぞれに対する最初のＯＦＦ入射で全反射条件を満たせば、それ以降のＯＦＦ入射でも全反射条件を満たすことになる。
【００４１】
ここで、反射型表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合に有効な楔角θの設定を考えると、以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
θ＞［ｓｉｎ-1（１／ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋２×α−ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／ｎ）］／２  …（１）
ただし、
θ：楔形状プリズムの楔角、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーのチルト角、
β：デジタル・マイクロミラー・デバイスへの照明光の入射角度、
ｎ：楔形状プリズムの屈折率、
Ｆｎｏ：照明光のＦナンバー、
である。
【００４２】
条件式（１）を満たすことによって、傾斜面Ｓ１で反射されたＯＦＦ光Ｌ３が次に入射する基準面Ｓ２で全反射条件を満たすことになるため、ＯＦＦ光Ｌ３がデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢに戻ることなく楔形状プリズムＰ３の中を伝播し、光学ユニットＰＵの上方で処理することが可能となる。
【００４３】
基準面Ｓ２に対するＯＦＦ光Ｌ３の最も小さい入射角度θ２は、２×θ＋ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋２×α−ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／ｎ）であり、全反射角度が、ｓｉｎ-1（１／ｎ）であることから、この光線が全反射するためには、２×θ＋ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋２×α−ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／ｎ）＞ｓｉｎ-1（１／ｎ）を満たす必要がある。つまり、楔角θは条件式（１）を満たす必要がある。例えば、α＝１２゜，β＝２４゜，ｎ＝１．５１６８，Ｆｎｏ＝３．０とすると、θ＞８．５３°となる。
【００４４】
図９に、光学ユニットＰＵの第２の実施の形態を示す。第２の実施の形態に用いられている色分解合成プリズムＰ２は、傾斜面Ｓ１に対して平行に対向するプリズム面Ｐ２ｓを有することにより、画像表示面ＤＳに対して、楔形状プリズムＰ３の楔角θと同じ傾きを有する構成になっている。第１の実施の形態の場合（図１（Ｂ））、楔形状プリズムＰ３が配置されるスペースを確保するために色分解合成プリズムＰ２の一部が切り欠かれているが、第２の実施の形態の場合（図９（Ｂ））、色分解合成プリズムＰ２は角柱形状になっている。このため、楔形状プリズムＰ３の楔角度θ分だけ色分解合成プリズムＰ２は傾斜しており、ＴＩＲプリズムＰ１の色分解合成プリズムＰ２側のプリズム面Ｐ１ｓも楔角θと同じ角度（８．６°）で傾斜している。すなわち、色分解合成プリズムＰ２の画像表示面ＤＳ側のプリズム面Ｐ２ｓと、色分解合成プリズムＰ２のＴＩＲプリズムＰ１側のプリズム面Ｐ２ｓｓとは光学的に平行であり、プリズム面Ｐ２ｓ及びプリズム面Ｐ２ｓｓは画像表示面ＤＳに対して楔角θ傾いている。色分解合成プリズムＰ２のプリズム面Ｐ２ｓｓとＴＩＲプリズムＰ１のプリズム面Ｐ１ｓとは平行であり、ＴＩＲプリズムＰ１のプリズム面Ｐ１ｓはＴＩＲプリズムＰ１の投影レンズＬＮ側のプリズム面（射出面）Ｐ１ｓｓに対し、楔角θ傾いている。ＴＩＲプリズムＰ１のプリズム面Ｐ１ｓｓと楔形状プリズムＰ３の基準面Ｓ２とは光学的に平行である。ＴＩＲプリズムＰ１を構成する２つのプリズムのうち色分解合成プリズムＰ２側のプリズムは、従来のＴＩＲプリズムに対して楔角θの楔形状プリズムが付加された形状をしている。なお、この楔形状プリズムはＴＩＲプリズムに対して分離されていてもよい。
【００４５】
上記のように、色分解合成プリズムＰ２が、楔形状プリズムＰ３の傾斜面Ｓ１に対して平行に対向するプリズム面Ｐ２ｓを有することにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧの画像表示面ＤＳ（図１２）に対して、楔形状プリズムＰ３の楔角θと同じ傾きを有する構成になっているため、作製の容易な角柱形状の色分解合成プリズムＰ２の使用が可能となり、また色分解合成プリズムＰ２の高さｈを更に減らすこと（ｈ＝７５ｍｍ）も可能となる。
【００４６】
図１０に、光学ユニットＰＵの第３の実施の形態を示し、図１１にその要部を拡大して示す。第３の実施の形態では、緑色（Ｇ）チャンネルの不要光分離手段として、傾斜面Ｓ１にＯＦＦ光反射コートＣ１が設けられていない楔形状のゴースト分離プリズム（ゴースト光分離手段）Ｐ４を有している。ゴースト分離プリズムＰ４は、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧの画像表示面ＤＳ（図１２）に対して平行に対向する基準面Ｓ２と、照明光Ｌ１の入射角が小さくなるとともにＯＦＦ光Ｌ３の入射角が大きくなる方向に傾斜した傾斜面Ｓ１と、を有し、画像表示面ＤＳに対して平行な面で反射されて基準面Ｓ２側から傾斜面Ｓ１に入射するゴースト光Ｌ４と投影光Ｌ２との分離を、ゴースト光Ｌ４が全反射条件を満たすことで行い、以下の条件式（２）及び（３）を満たした構成になっている。
ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β−２×α＋ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）＞Θ  …（２）
Θ＞ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β＋ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）  …（３）
ただし、
Θ：ゴースト分離プリズムの楔角、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーのチルト角、
β：デジタル・マイクロミラー・デバイスへの照明光の入射角度、
Ｎ：ゴースト分離プリズムの屈折率、
Ｆｎｏ：照明光のＦナンバー、
である。
【００４７】
少なくとも上記条件式（２）及び（３）を満たすことが好ましく、以下の条件式（４）も満たすことが更に好ましい。
Θ＞ｓｉｎ-1（１／Ｎ）−ｓｉｎ-1（ｓｉｎ{β−ｓｉｎ-1（１／２／Ｆｎｏ）}／Ｎ）  …（４）
【００４８】
条件式（２）は投影光Ｌ２が通るための角度条件を規定しており、条件式（３）はゴースト光Ｌ４が分離され始める角度条件を規定しており、条件式（４）はゴースト光Ｌ４が完全に分離される角度条件を規定している。また、画像表示面ＤＳに対して平行な面とは、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧのフレーム部分、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧのカバーガラス、色分解合成プリズムＰ２のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧと対向する側の端面等である。
【００４９】
光学ユニットＰＵの第３の実施の形態では、傾斜面Ｓ１にＯＦＦ光反射コートＣ１が設けられていない楔形状のゴースト分離プリズムＰ４（楔角Θ＝３２°）を、不要光分離手段として比視感度の最も高いＧチャンネルに有しており、そのゴースト分離プリズムＰ４がゴースト光分離手段として、画像表示面ＤＳに対して平行な面で反射されて基準面Ｓ２側から傾斜面Ｓ１に入射するゴースト光Ｌ４と投影光Ｌ２との分離を、ゴースト光Ｌ４が全反射条件を満たすことで行う構成になっているため、投影画像のコントラストをより一層向上させることが可能となる。Ｇは比視感度が最も高いのでコントラストアップに有効である。また、ＢチャンネルやＲチャンネルでは全反射条件を満たすような大きな楔角度θの楔形状プリズムＰ４を配置することは難しいが、Ｇチャンネルでは大きな楔角度θの楔形状プリズムＰ４を配置することが可能である。なお、全反射角度による分離領域ＳＰ（図１１）で、ＯＦＦ光Ｌ３及びゴースト光Ｌ４が全反射によって投影光Ｌ２から分離される。
【００５０】
条件式（２）は、図１１中の角度θＡが全反射角度を超えないようにして、投影光Ｌ２が傾斜面Ｓ１を透過するための角度条件である。α＝１２゜，β＝２４゜，Ｎ＝１．５１６８，Ｆｎｏ＝３．０とすると、３４．９４゜＞Θである。
【００５１】
条件式（３）は、図１１中の角度θＢが全反射角度を超え始めることにより、ゴースト光Ｌ４が分離され始める角度条件である。α＝１２゜，β＝２４゜，Ｎ＝１．５１６８，Ｆｎｏ＝３．０とすると、Θ＞１９．８５゜である。
【００５２】
条件式（４）は、図１１中の角度θＣが全反射角度を超え始めることにより、ゴースト光Ｌ４が完全に分離される角度条件である。α＝１２゜，β＝２４゜，Ｎ＝１．５１６８，Ｆｎｏ＝３．０とすると、Θ＞３１．８０゜である。
【符号の説明】
【００５３】
ＰＪ    プロジェクタ
ＬＮ    投影レンズ
ＰＵ    光学ユニット
ＤＰ    デジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
ＤＢ    青用のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
ＤＧ    緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
ＤＲ    赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｐ１    ＴＩＲプリズム
Ｐ２    色分解合成プリズム（色合成手段）
Ｐ３    楔形状プリズム
Ｐ４    ゴースト分離プリズム
ＣＢ，ＣＲ    ダイクロイックコート
Ｃ１    ＯＦＦ光反射コート（誘電体多層膜）
Ｃ２    ＡＲコート
ＡＧ    エアギャップ層
ＳＰ    分離領域
Ｐ１ｓ，Ｐ２ｓ    プリズム面
Ｌ１    照明光
Ｌ２    ＯＮ光（投影光，必要光）
Ｌ３    ＯＦＦ光（不要光）
Ｌ４    ゴースト光（不要光）
ＳＣ    スクリーン
１１    光源
１２    照明光学系
１３    制御部
１４    アクチュエータ
ＡＸ  光軸
【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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