JP2004191878A - Prism system, projection display device using the same, rear projector, and multi-vision system - Google Patents

Prism system, projection display device using the same, rear projector, and multi-vision system Download PDF

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Yoshimasa Fushimi
吉正 伏見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the transmission characteristics of light on an air interface in a total reflection prism system in which a plurality of prisms are combined via air layer. <P>SOLUTION: The prism system is provided with a light bulb 31, a first prism 32 and a second prism 33. The first prism 32 and the second prism 33 are coupled together on both sides of the air layer 35. A light beam 36 made incident from a third surface 38 of the first prism 32 is all reflected on a second surface 37 of the first prism 32 as an interface with the air layer 35 and made incident on the light bulb 31. An image forming light beam 40 reflected on the light bulb 31 passes the air layer 35 and is emitted from a second surface 41 of the second prism 33. A periodic structure with pitch smaller than wavelength of the incident light is formed at least one of the second surface 37 of the first prism 32 and a first surface 39 of the second prism 33 forming the air layer 35. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリズム装置、及びこれを用いた投写型表示装置、リアプロジェクタ、マルチビジョンシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
大画面映像を得るために、ライトバルブ上に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来よりよく知られている。ライトバルブとして、映像信号に応じて光の進行方向を制御することにより画像を形成する反射型の空間光変調素子を用いれば光利用効率の高い高輝度の投写画像を表示できる。
【0003】
反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置の光学系の従来の構成例を図11に示す。ランプ1a、凹面鏡1bで光源1が構成されている。凹面鏡1bは楕円面鏡であり、ガラス製基材の内面に赤外光を透過させ可視光を反射させる光学多層膜を蒸着したものである。ランプ1aはその発光体の中心が凹面鏡1bの第1焦点f1に位置するように配置されている。ランプ1aから放射される光は凹面鏡1bにより反射され、凹面鏡1bの第2焦点f2に発光体像を形成し、第2焦点f2を通過した後、リレーレンズ2に入射する。リレーレンズ2を出射した光は全反射ミラー3によって反射され、フィールドレンズ4を経て全反射プリズム6に入射する。全反射プリズム6は2つの単体プリズムを空気層8を介して配置したものである。全反射プリズム6への入射光は空気層8の界面によって全反射してライトバルブ5に入射する。ライトバルブ5は映像信号に応じて画素ごとに光の進行方向を制御して反射角を変化させることにより光学像を形成する。ライトバルブ5からの反射光は、プリズム6を透過後、投写レンズ7に入射し、ライトバルブ5上の光学像は投写レンズ7によりスクリーン(図示せず)上に拡大投写される。ここで、全反射プリズム6の構成と作用について図12を用いて以下に説明する(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
全反射プリズム6は第1プリズム12と第2プリズム13とで構成される。第1プリズム12の第1面14に近接してライトバルブ5が配置され、第1プリズム12の第2面15は第2プリズム13の第1面17と空気層8を形成している。第2プリズム13の第2面18は、第1プリズム12の第1面14と平行であり、第2プリズム13の第3面19は第2面18と垂直である。第1プリズム12の第3面16から入射した光21は第1プリズム12の第2面15で全反射してライトバルブ5に斜め方向から入射する。投写画像として反射される光22はライトバルブ5に対して垂直に進行する。また、不要光として反射される光23,24は光22とは異なる角度で進行するが、このうち光24は第2プリズム13の第3面19で反射されて投写レンズ側に進行し、光23は第2プリズム13の第3面19で反射されることなく直接第2プリズム13の第2面18から出射する。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−010045号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の構成の、図12に示した全反射プリズム6を用いる場合、全反射プリズム6の全反射面(第1プリズム12の第2面)15は投写レンズ7の光軸(及びライトバルブ5の法線)に対して斜めに傾いて配置される。一般に光学界面での反射は入射角度が大きいほど大きくなる。図11に示した光学系では、ライトバルブ5で画像形成光として反射された光22の主光線が光学界面15,17を比較的大きな入射角度で通過するので、この面での反射は大きく、これらの光学界面での反射防止処理が必要である。
【0007】
図13に一般的な5層反射防止膜の特性を示す。縦軸は反射率、横軸は光線の波長を示す。条件Aは入射角0度のとき、条件Bは入射角56.5度の場合である。入射角が大きくなると反射防止帯域が狭くなるとともに、反射率が増加する。従って、投写光学系の透過率は低下する。
【0008】
従って、従来の全反射プリズム6には、空気層を挟む界面での透過率低下及び透過帯域の狭帯域化によって光学系全体の透過率が低下して表示画像の輝度が低下したり、空気界面での不要反射光の発生によりコントラストが低下したり、透過帯域の狭帯域化や不要反射光の発生により色純度が低下したりするなど、画質が著しく劣化するという課題があった。
【0009】
本発明は、このような従来の上記課題を考慮し、透過特性が改善され、その結果、コントラストが良好で高画質映像を実現可能にするプリズム装置、およびそのプリズム装置を用いた用いた投写型表示装置、リアプロジェクタ、マルチビジョンシステムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を本発明の第1のプリズム装置は、ライトバルブと、前記ライトバルブ側から順に設けられた第1プリズム及び第2プリズムとを備え、前記第1プリズムと前記第2プリズムとは空気層を挟んで結合され、前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第2プリズムとの間に前記空気層を形成する第2面と、光が入射する第3面とを有し、前記第2プリズムは、前記第1プリズムとの間に前記空気層を形成する第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、前記第1プリズムの前記第2面と前記第2プリズムの前記第1面のうちの少なくとも一方に、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とする。
【0011】
本発明の第2のプリズム装置は、ライトバルブと、第1プリズムと、第2プリズムと、貼り合わせ透明板とを備え、前記ライトバルブ側から順に、前記第1プリズム、前記貼り合わせ透明板、前記第2プリズムが配置されており、前記貼り合わせ透明板は、前記第1及び第2プリズムと屈折率が実質的に等しい第1透明基板と第2透明基板とが、空気層を挟んで結合されてなり、前記第1プリズム及び前記第1透明基板、前記第2プリズム及び前記第2透明基板は、それぞれ透明接着剤で接合されており、前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第1透明基板と接合されている第2面と、光が入射する第3面とを有し、前記第2プリズムは、前記第2透明基板と接合されている第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、前記第1透明基板及び前記第2透明基板の前記空気層と接する面のうちの少なくとも一方に、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とする。
【0012】
本発明の第3のプリズム装置は、ライトバルブと、前記ライトバルブ側から順に設けられた第1プリズム、第2プリズム、及び第3プリズムとを備え、前記第1プリズムと前記第2プリズム、及び前記第2プリズムと前記第3プリズムは、それぞれ空気層を挟んで結合され、前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第2プリズムとの間に前記空気層を形成する第2面と、前記ライトバルブからの反射光が入射する第3面とを有し、前記第2プリズムは、前記第1プリズムとの間に前記空気層を形成する第1面と、前記第3プリズムとの間に前記空気層を形成する第2面と、光が入射する第3面とを有し、前記第3プリズムは、前記第2プリズムとの間に前記空気層を形成する第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、前記第1プリズムの前記第2面、前記第2プリズムの前記第1面、前記第2プリズムの前記第2面、及び前記第3プリズムの前記第1面のうちの少なくとも一つに、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とする。
【0013】
本発明の第4のプリズム装置は、ライトバルブと、第1プリズムと、第2プリズムと、第3プリズムと、第1貼り合わせ透明板と、第2貼り合わせ透明板とを備え、前記ライトバルブ側から順に、前記第1プリズム、前記第1貼り合わせ透明板、前記第2プリズム、第2貼り合わせ透明板、及び前記第3プリズムが配置されており、前記第1及び第2貼り合わせ透明板は、いずれも前記第1〜第3プリズムと屈折率が実質上等しい第1透明基板と第2透明基板とが、空気層を挟んで結合されてなり、前記各透明基板と、これと隣り合う前記プリズムとは透明接着剤で接合されており、前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第1貼り合わせ透明板の前記第1透明基板と接合されている第2面と、前記ライトバルブからの反射光が入射する第3面とを有し、前記第2プリズムは、前記第1貼り合わせ透明板の前記第2透明基板と接合されている第1面と、前記第2貼り合わせ透明板の前記第1透明基板と接合されている第2面と、光が入射する第3面とを有し、前記第3プリズムは、前記第2貼り合わせ透明板の前記第2透明基板と接合されている第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、前記第1貼り合わせ透明板の前記第1及び第2透明基板、及び前記第2貼り合わせ透明板の前記第1及び第2透明基板の前記空気層と接する面のうちの少なくとも一つに、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とする。
【0014】
次に、本発明の投写型表示装置は、本発明の上記第1から第4のいずれかのプリズム装置と、光源と、投射レンズとを備え、前記光源からの光が前記プリズム装置に入射し、前記ライトバルブで変調された後、前記プリズム装置を出射し、前記投写レンズにより投写されることを特徴とする。
【0015】
また、本発明のリアプロジェクタは、本発明の前記投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を折り曲げるミラーと、前記投写された光を透過散乱させて画像を表示する透過型スクリーンとを少なくとも備える。
【0016】
更に、本発明のマルチビジョンシステムは、複数の本発明の前記投写型表示装置と、前記投写型表示装置と一対一に対応する複数の透過型スクリーンと、複数の前記投写型表示装置に映像信号を供給する映像信号供給手段とを少なくとも備える。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の第1から第4のプリズム装置は、隣り合うプリズムの間の空気層を形成する対向する2面のうちの少なくとも一方に、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有する。ここで、入射光の波長が幅を有する場合には、周期構造のピッチは入射光の波長帯の下限波長値より小さいことが必要である。また、周期構造のピッチとは、周期構造が多数の微細構造体の二次元的な配列により構成されている場合には、最も密な配列方向におけるピッチを意味する。
【0018】
これにより、臨界角以上の入射角で入射する第1の光に対しては、空気層との界面での全反射特性を維持しながら、前記第1の光より相対的に小さな入射角で入射する第2の光(画像形成光)に対しては、該界面での反射を入射光の波長帯域のほぼ全域にわたって抑制することができる。その結果、前記第2の光の透過特性が改善されたプリズム装置を提供できる。従って、このようなプリズム装置を用いて画像表示装置を構成することにより、明るく、コントラストが良好な高画質の画像表示を実現できる。
【0019】
本発明の上記第1及び第2のプリズム装置において、前記ライトバルブに空気中から入射する場合の照明光の入射角をθ0、光線が空気中から前記プリズムに前記入射角θ0で入射した場合の前記プリズム中での屈折角をθ1、前記プリズム中の臨界角をθ2、前記第1プリズムの前記第2面と前記第3面とがなす角度をθ3、前記第2プリズムの前記第1面と前記第2面とがなす角度をθ4、前記プリズムの屈折率をnとすると、以下の式(1)〜式(4)を満たしていることが好ましい。
【0020】
n・sinθ1=sinθ0 ・・・(1)
sinθ2=1/n ・・・(2)
θ3=θ1/2+θ2 ・・・(3)
θ4=θ2−θ1/2 ・・・(4)
これにより、画像形成光を効率よく第2プリズムの第2面から出射させることができる。
【0021】
本発明の上記第3及び第4のプリズム装置において、前記ライトバルブに空気中から入射する場合の照明光の入射角をθ0、光線が空気中から前記プリズムに前記入射角θ0で入射した場合の前記プリズム中での屈折角をθ1、前記プリズム中の臨界角をθ2、前記第2プリズムの前記第2面と前記第3面とがなす角度をθ3、前記第3プリズムの前記第1面と前記第2面とがなす角度をθ4、前記ライトバルブから出射する光線の空気中での出射角をθ5、前記第1プリズムの前記第1面と前記第2面とがなす角度をθ6、前記プリズムの屈折率をnとすると、以下の式(5)〜式(9)を満たしていることが好ましい。
【0022】
n・sinθ1=sinθ0 ・・・(5)
sinθ2=1/n ・・・(6)
θ3=θ1/2+θ2 ・・・(7)
θ4=θ2−θ1/2 ・・・(8)
θ6≧θ2−θ5 ・・・(9)
これにより、画像形成光を効率よく第3プリズムの第2面から出射させることができる。また、不要光を全反射させて第2、第3プリズム内に入射するのを防止することができる。
【0023】
本発明の上記第3及び第4のプリズム装置において、前記第1プリズムの前記第3面に光吸収手段を備えることが好ましい。これにより、不要光を光吸収手段に吸収させることができる。
【0024】
あるいは、本発明の上記第3及び第4のプリズム装置において、前記第1プリズムの前記第3面が研磨面又は鏡面であることが好ましい。これにより、不要光を前記第1プリズムの前記第3面からプリズム装置外に出射させることができる。
【0025】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記ライトバルブは反射型であり、映像信号に応じて画素ごとに光の進行方向を制御することにより画像を形成する空間光変調素子であることが好ましい。これにより、画像形成光のみを所定の方向に導くことができ、画像形成装置への適用が容易となる。
【0026】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記空気層と接する対向する2面の光学有効領域外に金属又は誘電体からなる薄膜が形成されており、前記薄膜が前記空気層の厚さを規制することが好ましい。これにより、空気層の厚みや空気層を形成する対向2面の平行度の管理が容易且つ高精度に行えるので、光学特性が高度に安定したプリズム装置を提供できる。
【0027】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記薄膜は、フッ化マグネシウム、二酸化シリコン、又は二酸化チタンからなることが好ましい。これらの材料は汎用性があり、かつ被形成基板であるガラスと同等の特性をもつので、温度膨張、耐久性などの面で有利である。
【0028】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記周期構造は、入射光の波長の1/2以下のピッチを有することが好ましい。これにより、空気層との界面での透過/反射特性の入射角依存性、波長依存性を一層低減でき、光の透過特性が向上する。
【0029】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記周期構造は、そのピッチの1倍以上、更には3倍以上の高さを有することが好ましい。これにより、光の透過特性が一層向上する。
【0030】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記周期構造を構成する一単位が錐体であることが好ましい。これにより、空気界面で屈折率が連続的に変化するので、広がりを有する光束に対しても均一な透過特性が得られる。
【0031】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記周期構造を構成する一単位の底面形状が略正6角形であることが好ましい。これにより、周期構造を高充填率で配置できるので、光の透過特性が一層向上する。
【0032】
本発明の上記第1〜第4のプリズム装置において、前記入射光の波長帯の下限値が400nm、更には430nm、特に450nmであることが好ましい。これにより、可視光帯のほぼ全域にわたって良好な透過特性が得られる。
【0033】
次に、本発明の投写型表示装置は、本発明の上記第1から第4のいずれかのプリズム装置と、光源と、投射レンズとを備え、前記光源からの光が前記プリズム装置に入射し、前記ライトバルブで変調された後、前記プリズム装置を出射し、前記投写レンズにより投写される。これにより、明るく、コントラストが良好な高画質の画像表示を実現できる。
【0034】
本発明の上記の投写型表示装置が、前記光源からの光が入射して青、緑、赤の3色に時間的に制限して出射する時分割色分離手段を更に備え、前記ライトバルブは入射する光の色に応じた光学像を形成することが好ましい。これにより、高画質のカラー画像表示が可能になる。
【0035】
更に、本発明のリアプロジェクタは、本発明の前記投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を折り曲げるミラーと、前記投写された光を透過散乱させて画像を表示する透過型スクリーンとを少なくとも備える。これにより、明るく、コントラストが良好な高画質の画像表示を実現できる。
【0036】
また、本発明のマルチビジョンシステムは、複数の本発明の上記投写型表示装置と、前記投写型表示装置と一対一に対応する複数の透過型スクリーンと、複数の前記投写型表示装置に映像信号を供給する映像信号供給手段とを少なくとも備える。これにより、大画面でありながら、明るく、コントラストが良好な高画質の画像表示を実現できる。
【0037】
本発明の上記のマルチビジョンシステムにおいて、前記映像信号供給手段は、一の画像の映像信号を分割して、分割された異なる映像信号を複数の前記投写型表示装置にそれぞれ供給し、複数の前記透過型スクリーン全体で前記一の画像を表示するように構成されていても良い。これにより、複数枚の透過型スクリーンで一の大画面を形成でき、しかも明るく、コントラストが良好で、画面全体において表示品質の均一性に優れた高画質の画像表示を実現できる。
【0038】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図11を用いて説明する。
【0039】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係るプリズム装置の構成を示したものであり、同図を参照しならが、本実施の形態の構成及び動作を述べる。
【0040】
同図において、31はライトバルブとしての空間光変調素子、44は全反射プリズムである。
【0041】
空間光変調素子31は、例えば、光学像面に多数の画素が配列形成され、各画素に映像信号に応じて傾斜角を独立して変更できる反射ミラーが備えられたデジタルミラーデバイスである。空間光変調素子31に入射する照明光36のうち画像形成する画素に入射した光は空間光変調素子31の光学像面の法線方向と平行な光学軸43に沿って反射され、画像形成に寄与しない画素に入射した光は不要光45として光学軸43とは異なる方向に反射される。
【0042】
全反射プリズム44は、空間光変調素子31側から順に、第1プリズム32、第2プリズム33の2個の三角プリズムで構成されている。プリズム32,33間には薄い空気層35が形成されている。プリズム32,33の材質はいずれも光学ガラスであり、屈折率は1.516である。
【0043】
第1プリズム32は、空間光変調素子31に近接する第1面34と、第2のプリズム33との間に空気層35を形成し、照明光36を全反射して空間光変調素子31へプリズム中の屈折角θ1で入射させる第2面37と、外部から照明光36が入射する第3面38とを有する。
【0044】
第2プリズム33は、第1プリズム32との間に空気層35を形成する第1面39と、空間光変調素子31で反射され、空気層35を通過した画像形成光40が出射する第2面41と、第3面42とを有する。
【0045】
第1プリズム32は、入射光36を空間光変調素子31に斜めから入射させ、投写画像として用いる反射光40の主光線が空間光変調素子31と垂直な光学軸43と平行になるように構成されている。
【0046】
全反射プリズム44全体として、投写光学軸43方向で平行平面とするため、第1プリズム32の第1面34と第2プリズム33の第2面41とは、それぞれ空間光変調素子31の光学像面と平行である。
【0047】
第2プリズム33の第3面42は、空間光変調素子31からの不要光45を吸収もしくは反射しないように、空間光変調素子31からの不要光45の主光線方向と略平行である。
【0048】
ここで、第1プリズム32の第2面37及び第2プリズム33の第1面39の有効領域には、空間光変調素子31から出射し、これらの面に入射する光線の波長より小さい周期を有する微小な突起群(周期構造)が形成されている。具体的には、図2に示すような、ピッチp1,高さh1の微細な突起群が形成されている。
【0049】
各突起は、ピッチp1が250nm以下、高さh1が750nmの錐体である。これら錐体は、基材上に塗布したレジストに対し、電子ビーム露光法を用いて、レジスト層を露光、現像を繰り返し行うことにより形成される。これにより、面37、39には図2に示すような周期構造をもつ微小な錐体群を形成できる。
【0050】
このような使用波長以下のピッチp1を有する微小構造体からなる周期構造を形成することで、入射光に対し見かけ上、屈折率を連続的に変化させることができ、入射角依存性、波長依存性の小さい反射防止機能面を形成でき、反射率が低減される。しかしながら、このような微小な周期構造を有する面は、屈折率が高い媒質から屈折率が低い媒質方向へ光が入射する場合、入射角が臨界角以上に大きいと全反射する特性は反射防止処理を施さない場合と同様である。
【0051】
第1プリズム32に入射する照明光36は第1のプリズム32の第2面37で全反射し、ライトバルブ31に入射するとともに、ここで反射された画像形成光40は第1プリズム32の第2面37及び第2プリズム33の第1面39を通過して全反射プリズム44を出射する。このとき、画像形成光40は、このような周期構造により、そのほぼ全波長帯において空気層35との界面である面37,39での反射により低減されることがない。これにより、明るい、色再現性のよい映像が得られる。
【0052】
周期的な微細構造体は、ピッチp1が入射する光の波長(以下、「使用波長」)以下であればよい。ピッチp1が使用波長の1/2以下であれば界面での入射角依存性、波長依存性を一層低減でき、光の透過特性が向上するのでより好ましい。また、微細構造体の高さh1は、好ましくはピッチp1以上、より好ましくはピッチp1の3倍以上である。このように高さh1が高いほど、光の透過特性が一層向上する。
【0053】
周期構造を構成する一単位である微細構造体の形状は、図2に示すような円錐形状に限定されず、図3(A)に示すような円柱形状や、図3(B)に示すような角錐形状であっても良い。あるいは、中心軸を通る高さ方向の断面形状が略正弦波状である、錐体に近似した形状であっても良い。但し、微小構造体が錐体やそれに近似した形状であれば、空気界面で屈折率が連続的に変化するのでより望ましい。
【0054】
隣り合う微小構造体との間隔は小さい方が好ましい。隣り合う微小構造体の間の平面部分は、従来と同様の反射特性を有するからである。また、微小構造体の底面形状は、円形、楕円形の他、四角形、六角形、三角形などの多角形などのいずれであっても良いが、正六角形であれば、微細構造体の充填率が最大となるので、入射光に対する反射抑制効果は一層向上する。
【0055】
いずれの構造でも、透過光に対し、周期構造が形成された面で、ごく緩やかに屈折率が変化するのと同等の効果をもつので、反射が低減される。このような周期的な微細構造体は、通常の反射防止膜より帯域の広い、入射角依存性の小さい反射防止手段となる。
【0056】
第1プリズム32の第2面37と第2プリズム33の第1面39とはスペーサ45,46によりその面間隔(空気層35の厚み)が規制されて固定されている。スペーサ45,46は蒸着により形成された金属又は誘電体からなる薄膜である。スペーサ45,46は、第1プリズム32の第2面37、第2プリズム33の第1面39の光学有効領域外の全体に設けられる必要は無く、4隅に形成されていればよい。本実施の形態では、スペーサ45,46は蒸着法により形成された誘電体膜からなり、第1プリズム32の第2面37と第2プリズム33の第1面39との間の間隔は約5μmである。
【0057】
スペーサ45,46の形成時には、光学有効領域には遮蔽を施し、周期構造形成領域内に金属もしくは誘電体が付着しないようにする。また、4隅に形成するスペーサ45,46は均一厚さの薄膜とする。通常光学薄膜の蒸着では厚み精度は数nm程度であり、誤差はきわめて小さく、その結果、きわめて平行度の高い空気層35が形成できる。
【0058】
スペーサ層45,46を構成する材料としては、特性が安定で、安価なものが好ましいが、特に二酸化シリコン、二酸化チタン、フッ化マグネシウムは、反射防止膜の蒸着時にも良く用いられており、汎用性があり、かつ基板であるガラスと同等の特性をもつので、温度膨張、耐久性などの面で有利である。
【0059】
ここで、第1プリズム32及び第2プリズム33の屈折率をnとし、照明光36の空間光変調素子31への空気中の入射角をθ0、プリズム中の屈折角をθ1とすると、以下の式(1)が成り立つ。
【0060】
【数10】
n・sinθ1=sinθ0 ・・・(1)
【0061】
また、第1プリズム32中を進行する照明光36が、空気との界面(第1プリズム32の第2面37)で全反射される臨界角θ2は、以下の式(2)で表すことが出来る。
【0062】
【数11】
sinθ2=1/n ・・・(2)
【0063】
また、第1プリズム32の第2面37と第3面38とがなす角度θ3は、照明光36が第2面37で全反射されてプリズム中の屈折角θ1で空間光変調素子31側へ進行するようにするために、以下の条件式(3)を満たす必要がある。
【0064】
【数12】
θ3=θ1/2+θ2 ・・・(3)
【0065】
さらに、第2プリズム33の第1面39と第2面41とがなす角度θ4は、画像形成光40が出射する第2面41を空間光変調素子31の光学像面及び第1プリズム32の第1面34と互いに平行とするため、以下の条件式(4)を満たす必要がある。
【0066】
【数13】
θ4=θ2−θ1/2 ・・・(4)
【0067】
第1プリズム32の第1面34及び第3面38、第2プリズム33の第2面41には誘電体多層膜による反射防止膜が形成されている。反射防止膜は、可視光帯域である400〜700nm全体で反射を低減できるよう、3層もしくは5層以上で構成される。この多層膜の材料として二酸化チタン、フッ化マグネシウム、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどが用いられる。蒸着は通常毎秒1nm程度の厚みを形成するように行う。面34,38,41に入射する光線の入射角は小さく、通常の反射防止膜でも十分有効である。コストに応じて、入射光の波長より小さい前記の周期構造による反射防止構造としてもよい。
【0068】
本実施の形態によれば、画像形成光の透過特性が改善された、コンパクトな全反射プリズム44が実現できる。
【0069】
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2に係るプリズム装置の構成を示したものであり、同図を参照しながら本実施の形態の構成及び動作を述べる。
【0070】
同図において、51はライトバルブとしての空間光変調素子、66は全反射プリズムである。
【0071】
空間光変調素子51は、例えば、光学像面に多数の画素が配列形成され、各画素に映像信号に応じて傾斜角を独立して変更できる反射ミラーが備えられたデジタルミラーデバイスである。空間光変調素子51に入射する照明光61のうち画像形成する画素に入射した光は空間光変調素子51の光学像面の法線方向と平行な光学軸70に沿って反射され、画像形成に寄与しない画素に入射した光は不要光69として光学軸70とは異なる方向に反射される。
【0072】
全反射プリズム66は、空間光変調素子51側から順に、第1プリズム52、貼り合わせ透明板67、第2プリズム53で構成されている。プリズム52,53及び貼り合わせ透明板67の材質はいずれも光学ガラスであり、屈折率は1.516である。
【0073】
貼り合わせ透明板67は、2枚の第1,第2透明基板55,56をスペーサ57,58を間に介して結合してなり、スペーサ57,58により透明基板55,56間の面間隔が規制されて薄い空気層59が形成されている。
【0074】
第1プリズム52は、空間光変調素子51に近接する第1面54と、貼り合わせ透明板67を構成する第1透明基板55に接合される第2面60と、外部から照明光61が入射する第3面62とを有する。第1プリズム52と第1透明基板55とは透明接着剤により接合されている。
【0075】
第2プリズム53は、貼り合わせ透明板67を構成する第2透明基板56と接合される第1面68と、空間光変調素子51で反射され、空気層59を通過した画像形成光65が出射する第2面63と、第3面64とを有する。第2プリズム53と第2透明基板56とは透明接着剤により接合されている。
【0076】
第1プリズム52及び第1透明基板55は、入射光61を空間光変調素子51に斜めから入射させ、投写画像として用いる反射光65の主光線が空間変調素子51と垂直な光学軸70と平行になるように構成されている。
【0077】
全反射プリズム66全体として、投写光学軸70方向で平行平面とするため、第1プリズム52の第1面54と第2プリズム53の第2面63とは、それぞれ空間光変調素子51の光学像面と平行である。
【0078】
第2プリズム53の第3面64は、空間光変調素子51からの不要光69を吸収もしくは反射しないように、空間光変調素子51からの不要光69の主光線方向と略平行である。
【0079】
第1,第2透明基板55,56の空気層59との界面側の面の有効領域には、空間光変調素子51から出射し、これらの面に入射する光線の波長より小さい周期を有する、実施の形態1で説明したのと同様の微小な突起群(周期構造)が形成されている。具体的には、図2に示すような、ピッチp1,高さh1の微細な突起群が形成されている。
【0080】
各突起は、ピッチp1が250nm以下、高さh1が300nmの錐体である。この突起群は、実施の形態1と同様に、基材上に塗布したレジストに対し、電子ビーム露光法などで形成される。
【0081】
このような使用波長以下のピッチp1を有する微小構造体からなる周期構造を形成することで、入射光に対し見かけ上、屈折率を連続的に変化させることができ、入射角依存性、波長依存性の小さい反射防止機能面を形成でき、反射率が低減される。しかしながら、このような微小な周期構造を有する面は、屈折率が高い媒質から屈折率が低い媒質方向へ光が入射する場合、入射角が臨界角以上に大きいと全反射する特性は反射防止処理を施さない場合と同様である。
【0082】
第1プリズム52に入射する照明光61は第1透明基板55の空気層59との界面で全反射し、ライトバルブ51に入射するとともに、ここで反射された画像形成光65は第1透明基板55及び第2透明基板56を通過して全反射プリズム66を出射する。このとき、画像形成光65は、このような周期構造により、そのほぼ全波長帯において空気層59との界面での反射により低減されることがない。これにより、明るい、色再現性のよい映像が得られる。
【0083】
周期的な微細構造体は、ピッチp1が入射する光の波長(以下、「使用波長」)以下であればよい。ピッチp1が使用波長の1/2以下であれば界面での入射角依存性、波長依存性を一層低減でき、光の透過特性が向上するのでより好ましい。また、微細構造体の高さh1は、好ましくはピッチp1以上、より好ましくはピッチp1の3倍以上である。このように高さh1が高いほど、光の透過特性が一層向上する。
【0084】
周期構造を構成する一単位である微細構造体の形状は、図2に示すような円錐形状に限定されず、図3(A)に示すような円柱形状や、図3(B)に示すような角錐形状であっても良い。あるいは、中心軸を通る高さ方向の断面形状が略正弦波状である、錐体に近似した形状であっても良い。但し、微小構造体が錐体やそれに近似した形状であれば、空気界面で屈折率が連続的に変化するのでより望ましい。
【0085】
隣り合う微小構造体との間隔は小さい方が好ましい。隣り合う微小構造体の間の平面部分は、従来と同様の反射特性を有するからである。また、微小構造体の底面形状は、円形、楕円形の他、四角形、六角形、三角形などの多角形などのいずれであっても良いが、正六角形であれば、微細構造体の充填率が最大となるので、入射光に対する反射抑制効果は一層向上する。
【0086】
いずれの構造でも、透過光に対し、周期構造が形成された面で、ごく緩やかに屈折率が変化するのと同等の効果をもつので、反射が低減される。このような周期的な微細構造体は、通常の反射防止膜より帯域の広い、入射角依存性の小さい反射防止手段となる。
【0087】
貼り合わせ透明板67の薄い空気層59を形成するためのスペーサ57,58は蒸着により形成された金属又は誘電体からなる薄膜である。スペーサ57,58は、2枚の透明基板55,56の空気層59側の面の光学有効領域外全体に設けられる必要は無く、4隅に形成されていればよい。本実施の形態では、スペーサ57,58は蒸着法により形成された誘電体膜からなり、透明基板55,56の面間隔は約5μmである。
【0088】
第1の実施の形態と同様に、スペーサ57,58は、光学有効領域を遮蔽した状態で形成するのが好ましく、蒸着法によれば精度のよいスペーサを実現できる。
【0089】
全反射プリズム66における各角度条件は、実施の形態1と同様に、式(1)〜式(4)を満たすことが好ましい。
【0090】
第1プリズム52の第1面54及び第3面62、第2プリズム53の第2面63には誘電体多層膜による反射防止膜が形成されている。反射防止膜は、可視光帯域である400〜700nm全体で反射を低減できるよう、3層もしくは5層以上で構成される。この多層膜の材料として二酸化チタン、フッ化マグネシウム、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどが用いられる。蒸着は通常毎秒1nm程度の厚みを形成するように行う。面54,62,63に入射する光線の入射角は小さく、通常の反射防止膜でも十分有効である。コストに応じて、入射光の波長より小さい前記の周期構造による反射防止構造としてもよい。
【0091】
本実施の形態によれば、実施の形態1と同様に、画像形成光の透過特性が改善された、コンパクトな全反射プリズム66が実現できる。また、周期構造を第1,第2プリズムに直接形成するのではなく、透明基板55,56に形成するので、反射防止効果の高い薄い空気層を容易且つ安価に形成できる。
【0092】
(実施の形態3)
図5は本発明の実施の形態3に係るプリズム装置の構成を示したものであり、同図を参照しならが、本実施の形態の構成及び動作を述べる。
【0093】
同図において、81はライトバルブとしての空間光変調素子、101は全反射プリズムである。
【0094】
空間光変調素子81は、例えば、光学像面に多数の画素が配列形成され、各画素に映像信号に応じて傾斜角を独立して変更できる反射ミラーが備えられたデジタルミラーデバイスである。空間光変調素子81に入射する照明光96のうち画像形成する画素に入射した光は空間光変調素子81の光学像面の法線方向と平行な光学軸に沿って反射され(画像形成光97)、画像形成に寄与しない画素に入射した光は不要光98として画像形成光97とは異なる方向に反射される。
【0095】
全反射プリズム101は、空間光変調素子81側から順に、第1プリズム82、第2プリズム83、第3プリズム84の3個の三角プリズムで構成されている。プリズム82,83の間及びプリズム83,84の間にはそれぞれ薄い空気層94,95が形成されている。プリズム82,83,84の材質はいずれも光学ガラスであり、屈折率は1.516である。
【0096】
第1プリズムは82は、空間光変調素子31に近接する第1面85と、第2プリズム83との間に空気層94を形成し、空間光変調素子81で反射される画像形成光97を透過し、画像形成光97の主光線に対して角度θ5で反射される不要光98を全反射する第2面86と、第2面86で反射された不要光98が入射する第3面87とを有する。
【0097】
第2プリズム83は、第1プリズム82との間に空気層94を形成する第1面88と、第3プリズム84との間に空気層95を形成し、画像形成光97を透過し、照明光96を全反射して空間光変調素子81へプリズム中の屈折角θ1で入射させる第2面89と、外部から照明光96が入射する第3面90とを有する。
【0098】
第3プリズム84は、第2プリズム83との間に空気層95を形成する第1面91と、空間光変調素子81から反射された画像形成光97が出射する第2面92と、第2面92と直角をなす第3面93とを有する。
【0099】
第2プリズム83は、入射光96を空間光変調素子81に斜めから入射させ、投写画像として用いる反射光97の主光線が空間光変調素子81と垂直な光学軸と平行になるように構成されている。
【0100】
また、第1プリズム82は、空間光変調素子81からの不要光98をその第2面86で全反射させ、投写レンズ及びスクリーン側に進行させない作用を有する。
【0101】
全反射プリズム101全体として、投写光学軸方向で平行平面とするため、第1プリズム82の第1面85と第3プリズム84の第2面92は、それぞれ空間光変調素子81の光学像面と平行である。
【0102】
薄い空気層94、95を形成する第1プリズムの第2面86、第2プリズム83の第1面88、第2プリズム83の第2面89、第3プリズム84の第1面91の各有効領域には,これらの面に入射する光線の波長より小さい周期を有する、実施の形態1で説明したのと同様の微小な突起群(周期構造)が形成されている。
【0103】
このような使用波長以下のピッチp1を有する微小構造体からなる周期構造を形成することで、入射光に対し見かけ上、屈折率を連続的に変化させることができ、入射角依存性、波長依存性の小さい反射防止機能面を形成でき、反射率が低減される。しかしながら、このような微小な周期構造を有する面は、屈折率が高い媒質から屈折率が低い媒質方向へ光が入射する場合、入射角が臨界角以上に大きいと全反射する特性は反射防止処理を施さない場合と同様である。
【0104】
第2プリズム83に入射する照明光96は第2プリズム83の第2面89で全反射した後、第2プリズム83の第1面88、第1プリズム82の第2面86を通過してライトバルブ81に入射するとともに、ここで反射された画像形成光97は第1プリズム82の第2面86、第2プリズム83の第1面88、第2プリズム83の第2面89、第3プリズム84の第1面91を順に大きな入射角で通過して全反射プリズム101を出射する。このとき、画像形成光97は、このような周期構造により、そのほぼ全波長帯において空気層94,95との界面で反射により低減されることがない。これにより、明るい、色再現性のよい映像が得られる。
【0105】
周期的な微細構造体は、ピッチp1が入射する光の波長(以下、「使用波長」)以下であればよい。ピッチp1が使用波長の1/2以下であれば界面での入射角依存性、波長依存性を一層低減でき、光の透過特性が向上するのでより好ましい。また、微細構造体の高さh1は、好ましくはピッチp1以上、より好ましくはピッチp1の3倍以上である。このように高さh1が高いほど、光の透過特性が一層向上する。
【0106】
周期構造を構成する一単位である微細構造体の形状は、図2に示すような円錐形状に限定されず、図3(A)に示すような円柱形状や、図3(B)に示すような角錐形状であっても良い。あるいは、中心軸を通る高さ方向の断面形状が略正弦波状である、錐体に近似した形状であっても良い。但し、微小構造体が錐体やそれに近似した形状であれば、空気界面で屈折率が連続的に変化するのでより望ましい。
【0107】
隣り合う微小構造体との間隔は小さい方が好ましい。隣り合う微小構造体の間の平面部分は、従来と同様の反射特性を有するからである。また、微小構造体の底面形状は、円形、楕円形の他、四角形、六角形、三角形などの多角形などのいずれであっても良いが、正六角形であれば、微細構造体の充填率が最大となるので、入射光に対する反射抑制効果は一層向上する。
【0108】
いずれの構造でも、透過光に対し、周期構造が形成された面で、ごく緩やかに屈折率が変化するのと同等の効果をもつので、反射が低減される。このような周期的な微細構造体は、通常の反射防止膜より帯域の広い、入射角依存性の小さい反射防止手段となる。
【0109】
第1のプリズム82の第2面86と第2のプリズム83の第1面88とはスペーサ102,103により、また、第2のプリズム83の第2面89と第3のプリズム84の第1面91とはスペーサ104,105により、それぞれ面間隔(空気層94,95の厚み)が規制されて固定されている。スペーサ102,103およびスペーサ104,105は蒸着により形成された金属又は誘電体からなる薄膜である。本実施の形態では、空気層94,95をそれぞれ形成する面間隔は約5μmである。
【0110】
スペーサ102,103,104,105は、それぞれ第1プリズム82の第2面86、第2プリズム83の第1面88、第2プリズム83の第2面89、第3プリズム84の第1面91の光学有効領域外の全体に設けられる必要は無く、4隅に形成されればよい。
【0111】
スペーサ102,103,104,105の形成時には、光学有効領域には遮蔽を施し、周期構造形成領域内に金属もしくは誘電体が付着しないようにする。また、4隅に形成するスペーサ102,103,104,105は均一厚さの薄膜とする。通常光学薄膜の蒸着では厚み精度は数nm程度であり、誤差はきわめて小さく、その結果、きわめて平行度の高い空気層94,95が形成できる。
【0112】
ここで、第1プリズム82、第2プリズム83、第3プリズム84の屈折率をnとし、照明光96の空間光変調素子81への空気中の入射角をθ0、プリズム中の屈折角をθ1とすると、以下の式(5)が成り立つ。
【0113】
【数14】
n・sinθ1=sinθ0 ・・・(5)
【0114】
また、第2プリズム83中を進行する照明光96が、空気との界面(第2プリズム83の第2面89)で全反射される臨界角θ2は、以下の式(6)で表すことが出来る。
【0115】
【数15】
sinθ2=1/n ・・・(6)
【0116】
また、第2プリズム83の第2面89と第3面90とがなす角度θ3は、照明光96が第2面89で全反射されてプリズム中の屈折角θ1で空間光変調素子81側へ進行するようにするために、以下の条件式(7)を満たす必要がある。
【0117】
【数16】
θ3=θ1/2+θ2 ・・・(7)
【0118】
さらに、第3プリズム84の第1面91と第2面92とがなす角度θ4は、画像形成光97が出射する第2面92が空間光変調素子81の光学像面及び第1プリズム82の第1面85と互いに平行とするため、以下の条件式(8)を満たす必要がある。
【0119】
【数17】
θ4=θ2−θ1/2 ・・・(8)
【0120】
プリズム中での屈折角θ5で反射される不要光98が第1プリズム82の第2面86で全反射されるためには、第1プリズム82の第1面85と第2面86とがなす角度θ6が以下の条件式(9)を満たす必要がある。
【0121】
【数18】
θ6≧θ2−θ5 ・・・(9)
【0122】
式(9)を満たしていれば、不要光98は第2面86で全反射され、第3面87に入射する。第3面87は研磨面であり、空気との界面には光吸収手段として黒色塗料が塗布されている。従って、不要光98のほとんどがここで吸収される。
【0123】
プリズムの外面に光吸収塗料を塗着した場合、境界面への入射角が小さい場合には反射率は低いが、入射角が大きくなり境界面とほぼ平行に入射するような場合には反射率がかなり高くなる。図5に示した全反射プリズム101の場合には、空間光変調素子81から出射した不要光98が第1プリズム82の第3面87に小さな入射角で入射するため、反射率は低い。従って、不要光98のほとんどが黒色塗料に吸収され、スクリーンに達することがない。
【0124】
本実施の形態によれば、画像形成光の透過特性が改善され、しかも不要光98が全くスクリーン側に進行しない全反射プリズムが実現できる。
【0125】
(実施の形態4)
図6は本発明の実施の形態4に係るプリズム装置の構成を示したものであり、同図を参照しながら本実施の形態の構成及び動作を述べる。
【0126】
同図において、111はライトバルブとしての空間光変調素子、140は全反射プリズムである。
【0127】
空間光変調素子111は、例えば、光学像面に多数の画素が配列形成され、各画素に映像信号に応じて傾斜角を独立して変更できる反射ミラーが備えられたデジタルミラーデバイスである。空間光変調素子111に入射する照明光132のうち画像形成する画素に入射した光は空間光変調素子111の光学像面の法線方向と平行な光学軸に沿って反射され(画像形成光133)、画像形成に寄与しない画素に入射した光は不要光135として画像形成光133とは異なる方向に反射される。
【0128】
全反射プリズム131は、空間光変調素子111側から順に、第1プリズム112、第1貼り合わせ透明板127、第2プリズム113、第2貼り合わせ透明板131、第3プリズム114が配置されている。プリズム112,113,114及び貼り合わせ透明板127,131の材質はいずれも光学ガラスであり、屈折率は1.516である。
【0129】
第1貼り合わせ透明板127は、2枚の第1,第2透明基板124,125をスペーサ136,137を間に介して結合してなり、スペーサ136,137により透明基板124,125間の面間隔が規制されて薄い空気層126が形成されている。同様に、第2貼り合わせ透明板131は、2枚の第1,第2透明基板128,129をスペーサ138,139を間に介して結合してなり、スペーサ138,139により透明基板128,129間の面間隔が規制されて薄い空気層130が形成されている。
【0130】
第1プリズム112は、空間光変調素子111に近接する第1面115と、第1貼り合わせ透明板127を構成する第1透明基板124と接合され、空間光変調素子111で反射される画像形成光133を透過する第2面116と、空間光変調素子111からの不要光123が入射する第3面117とを有する。
【0131】
第2のプリズム113は、第1貼り合わせ透明板127を構成する第2透明基板125と接合される第1面118と、第2貼り合わせ透明板131を構成する第1透明基板128と接合され、画像形成光97を透過する第2面119と、外部から照明光132が入射する第3面120とを有する。
【0132】
第3のプリズム114は、第2貼り合わせ透明板131を構成する第2透明基板129と接合される第1面121と、空間光変調素子111から反射された画像形成光133が出射する第2面122と、第2面122と直角をなす第3面123とを有する。
【0133】
第2プリズム113及び第2貼り合わせ透明板131の第1透明基板128は、入射光132を空間光変調素子111に斜めから入射させ、投写画像として用いる反射光133の主光線が空間光変調素子111と垂直な光学軸と平行になるように構成されている。
【0134】
また、第1プリズム112及び第1貼り合わせ透明板127の第1透明基板124は、空間光変調素子111からの不要光135を全反射させ、投写レンズ及びスクリーン側に進行させない作用を有する。
【0135】
全反射プリズム140全体として、投写光学軸方向で平行平面とするため、第1プリズム112の第1面115と第3プリズム114の第2面112は、それぞれ空間光変調素子111の光学像面と平行である。
【0136】
薄い空気層126,130を形成する第1貼り合わせ透明板127の第1透明基板124及び第2透明基板125の空気層126との界面側の面、及び第2貼り合わせ透明板131の第1透明基板128及び第2透明基板129の空気層130との界面側の面の各有効領域には、これらの面に入射する光線の波長より小さい周期を有する、実施の形態1で説明したのと同様の微小な突起群(周期構造)が形成されている。
【0137】
このような使用波長以下のピッチp1を有する微小構造体からなる周期構造を形成することで、入射光に対し見かけ上、屈折率を連続的に変化させることができ、入射角依存性、波長依存性の小さい反射防止機能面を形成でき、反射率が低減される。しかしながら、このような微小な周期構造を有する面は、屈折率が高い媒質から屈折率が低い媒質方向へ光が入射する場合、入射角が臨界角以上に大きいと全反射する特性は反射防止処理を施さない場合と同様である。
【0138】
第2プリズム113に入射する照明光132は第2貼り合わせ透明板131の第1透明基板128の空気界面で全反射しした後、第1貼り合わせ透明板127の第2透明基板125及び第1透明基板124を通過してライトバルブ111に入射するとともに、ここで反射された画像形成光133は第1貼り合わせ透明板127の第1透明基板124及び第2透明基板125、第2貼り合わせ透明板131の第1透明基板128及び第2透明基板129を順に大きな入射角で通過して全反射プリズム140を出射する。このとき、画像形成光133は、このような周期構造により、そのほぼ全波長帯において空気層126,130との界面で反射により低減されることがない。これにより、明るい、色再現性のよい映像が得られる。
【0139】
周期的な微細構造体は、ピッチp1が入射する光の波長(以下、「使用波長」)以下であればよい。ピッチp1が使用波長の1/2以下であれば界面での入射角依存性、波長依存性を一層低減でき、光の透過特性が向上するのでより好ましい。また、微細構造体の高さh1は、好ましくはピッチp1以上、より好ましくはピッチp1の3倍以上である。このように高さh1が高いほど、光の透過特性が一層向上する。
【0140】
周期構造を構成する一単位である微細構造体の形状は、図2に示すような円錐形状に限定されず、図3(A)に示すような円柱形状や、図3(B)に示すような角錐形状であっても良い。あるいは、中心軸を通る高さ方向の断面形状が略正弦波状である、錐体に近似した形状であっても良い。但し、微小構造体が錐体やそれに近似した形状であれば、空気界面で屈折率が連続的に変化するのでより望ましい。
【0141】
隣り合う微小構造体との間隔は小さい方が好ましい。隣り合う微小構造体の間の平面部分は、従来と同様の反射特性を有するからである。また、微小構造体の底面形状は、円形、楕円形の他、四角形、六角形、三角形などの多角形などのいずれであっても良いが、正六角形であれば、微細構造体の充填率が最大となるので、入射光に対する反射抑制効果は一層向上する。
【0142】
いずれの構造でも、透過光に対し、周期構造が形成された面で、ごく緩やかに屈折率が変化するのと同等の効果をもつので、反射が低減される。このような周期的な微細構造体は、通常の反射防止膜より帯域の広い、入射角依存性の小さい反射防止手段となる。
【0143】
第1貼り合わせ透明板127を構成する第1,第2透明基板124,125はスペーサ136,137により、また、第2貼り合わせ透明板131を構成する第1,第2透明基板128,129はスペーサ138,139により、それぞれ面間隔(空気層126,130の厚み)が規制されて固定されている。スペーサ136,137およびスペーサ138,139は蒸着により形成された金属又は誘電体からなる薄膜である。本実施の形態では、空気層126,130をそれぞれ形成する面間隔は約5μmである。
【0144】
スペーサ136,137,138,139は、それぞれ第1貼り合わせ透明板127を構成する第1,第2透明基板124,125及び第2貼り合わせ透明板131を構成する第1,第2透明基板128,129の空気層側の面の光学有効領域外全体に設けられる必要は無く、4隅に形成されればよい。
【0145】
スペーサ136,137,138,139の形成時には、光学有効領域には遮蔽を施し、周期構造形成領域内に金属もしくは誘電体が付着しないようにする。また、4隅に形成するスペーサ136,137,138,139は均一厚さの薄膜とする。通常光学薄膜の蒸着では厚み精度は数nm程度であり、誤差はきわめて小さく、その結果、きわめて平行度の高い空気層126,130が形成できる。
【0146】
全反射プリズム140における各角度条件は、実施の形態3と同様に、式(5)〜式(9)を満たすことが好ましい。
【0147】
第1プリズム112の第3面117は、研磨された平滑面又は鏡面である。従って、第1貼り合わせ透明板127の第1透明基板124の空気界面で全反射され、第1プリズム112の第3面117に入射した不要光135はこれを通過して全反射プリズム140外に出射する。よって、不要光135がスクリーンに達することがない。
【0148】
本実施の形態によれば、画像形成光の透過特性が改善され、しかも不要光135が全くスクリーン側に進行しない全反射プリズムが実現できる。また、周期構造を第1〜第3プリズムに直接形成するのではなく、透明基板に形成するので、反射防止効果の高い薄い空気層を容易且つ安価に形成できる。
【0149】
(実施の形態5)
次に、本発明のプリズム装置を用いた実施の形態5に係る投写型表示装置を図7に示す。
【0150】
図7に示すように、本実施の形態5に係る投写型表示装置は、投写レンズ161と、プリズム装置162と、光源163とを少なくとも備えている。
【0151】
光源163はランプ165と凹面鏡166とで構成される。凹面鏡166の第1焦点f1に配置されたランプ165からの光は、凹面鏡166で反射され、第2焦点f2上に効率よく集光された後、コンデンサレンズ167、反射ミラー168、フィールドレンズ169を経て、プリズム装置162に入射する。
【0152】
プリズム装置162は全反射プリズム44と空間光変調素子31とで構成された実施の形態1に示したプリズム装置である。プリズム装置162に入射した光は全反射プリズム44の全反射面で反射されて、空間光変調素子31を照明する。本実施の形態では空間変調素子31としてDMDが使用される。空間光変調素子31は、映像信号により駆動されて光学像を形成する。空間変調素子31上の光学像は光源163から放射される光によって照明され、画素ごとに反射光の方向が制御される。画像形成光40は投射レンズ161に入射し、図示しないスクリーン上に光学像が拡大投写される。
【0153】
なお、プリズム装置162は実施の形態1で示したものに限定されず、実施の形態2〜実施の形態4に示したプリズム装置のいずれであっても良い。
【0154】
本実施の形態5の投写型表示装置によれば、上述した本発明のプリズム装置を使用することにより、画像形成光の透過特性が良好で、且つ不要光が投射レンズに入射しないので、明るく、コントラストが良好な、高画質の画像表示を行うことができる。
【0155】
(実施の形態6)
次に、本発明のプリズム装置を用いた実施の形態6に係る投写型表示装置を図8(A)に示す。
【0156】
図8(A)に示すように、本実施の形態6に係る投写型表示装置は、実施の形態5と同様に、投写レンズ161と、プリズム装置172と、光源173とを少なくとも備えている。但し、本実施の形態6にかかる投写型表示装置には、実施の形態5にかかる投写型表示装置と異なり、更に、光源173からの光を青、緑、赤の3色に時間的に制限して透過させる時分割色分離手段190と、空間変調素子111の有効表示領域を均一に照明するための照明光学系178とを備える。また、光源173のランプ175は白色光を放射する。実施の形態5を示す図7と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての詳細な説明を省略する。
【0157】
光源173はランプ175と凹面鏡176とで構成される。凹面鏡176の第1焦点f1に配置されたランプ175からの白色光は、凹面鏡176で反射され、第2焦点f2上に効率よく集光される。
【0158】
第2焦点f2近傍に、時分割色分離手段190として、カラーホイールが配置される。図8(B)に示すようにカラーホイール190は、等しい中心角を有する3つの扇型状のカラーフィルターを備え、各カラーフィルターはそれぞれ赤(R)、緑(G)、青(B)の色光を透過させる。3つのカラーフィルターを備えた円盤状のカラーホイール190はモータなどの原動機(図示せず)により中心軸191を中心にして高速で回転する。
【0159】
この結果、光源173からの白色光は、時分割色分離手段190により、青、緑、赤の3色に一定時間ごとに色分離されてここを透過し、照明光学系178に入射する。
【0160】
照明光学系178は、光源173からの光束を効率よく均一化するためのものであり、コンデンサレンズ179と、第1のレンズアレイ180と、第2のレンズアレイ181と、リレーレンズ182とがこの順に配置されて構成されている。
【0161】
カラーホイール190を通過した光はコンデンサレンズ179により略平行光に変換される。変換された略平行光は第1のレンズアレイ180に入射する。第1のレンズアレイ180は平面上に配列された複数の正パワーを有するレンズ素子で構成されており、この複数の正パワーのレンズ素子はそれぞれ空間光変調素子111の有効表示領域の形状と略相似形の開口を有する。
【0162】
第2のレンズアレイ181も第1のレンズアレイ180と同様に平面上に配列された複数の正パワーのレンズ素子で構成されている。よって、第1のレンズアレイ180に入射した略平行光は、第1のレンズアレイ180を構成する複数のレンズ素子によって分割され、該レンズ素子に一対一に対応する第2のレンズアレイ181を構成する各レンズ素子に発光体像を形成する。
【0163】
第2のレンズアレイ181を構成する各レンズ素子から出射した複数の光束は、リレーレンズ182を透過し、反射ミラー168で反射され、フィールドレンズ169を透過して、プリズム装置172に入射する。
【0164】
プリズム装置172は全反射プリズム140と空間光変調素子111とで構成された実施の形態4に示したプリズム装置である。プリズム装置172に入射した光は全反射プリズム140の全反射面で反射されて、空間光変調素子111を照明する。このとき、第2のレンズアレイ181の各レンズ素子から出射した複数の光束が空間光変調素子111の有効表示領域上で重ね合わされる。これにより、空間光変調素子111の有効表示領域が均一に照明される。
【0165】
本実施の形態では空間変調素子111としてDMDが使用される。空間光変調素子111は、入射する光の色に応じた映像信号により駆動されて光学像を形成する。空間変調素子111上の光学像は光源173から放射される光によって照明され、画素ごとに反射光の方向が制御される。画像形成光133は投射レンズ161に入射し、図示しないスクリーン上に光学像が拡大投写される。
【0166】
時分割色分離手段190により発生した時間的に高速に切り替わる赤緑青の各色光で空間変調素子111を照明し、空間変調素子111を駆動する映像信号を入射する色光の切り替わりのタイミングに合わせて切り替えることにより、スクリーン上にフルカラーの拡大投射画像を形成できる。
【0167】
本実施の形態6の投写型表示装置によれば、上述した本発明のプリズム装置を使用することにより、画像形成光の透過特性が良好で、且つ不要光が投射レンズに入射しないので、明るく、コントラストが良好な、高画質のカラー画像表示を行うことができる。
【0168】
なお、プリズム装置172は実施の形態4で示したものに限定されず、実施の形態1〜実施の形態3に示したプリズム装置のいずれであっても良い。
【0169】
また、本実施の形態6では、白色光源173と時分割色分離手段190とを用いて、一定時間毎に青、緑、赤に切り替わる色光で空間光変調素子111を照明することでフルカラーの拡大投写を実現しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、光源として、青、緑、赤の単色を発光する3つの光源を用い、各光源の発光時間を一定時間毎に順次切り替えて空間光変調素子111を照明することでもフルカラー画像を形成できる。このような光源の例としては、高輝度LEDやレーザーを用いた光源などが挙げられる。
【0170】
(実施の形態7)
次に、本発明の実施の形態7に係るリアプロジェクタについて図面を参照しながら説明する。図9は本発明の実施の形態7にかかるリアプロジェクタの構成図である。
【0171】
図9に示すように、本実施の形態7にかかるリアプロジェクタは、投写型表示装置201と、投写型表示装置201を構成する投写レンズから投写された光を折り曲げるミラー202と、投写された光を透過散乱させて画像を表示するスクリーン203とを少なくとも備えている。204は構成部品を収納するための筐体である。投写型表示装置201は実施の形態5又は6で示したものと同様である。
【0172】
投写型表示装置201から投写された映像光は、ミラー202によって反射され、透過型スクリーン203上に結像される。
【0173】
本実施の形態7においては、ミラー202によって反射された拡大映像を透過型スクリーン203上に映し出す構成としているため、セットの奥行きと高さを小さく抑えることができ、コンパクトなセットを実現できる。
【0174】
また、投写型表示装置201として実施の形態5又は6で示した投写型表示装置を用いているので、従来のプリズム装置を用いた投写型表示装置に比べ、明るく、コントラストが良好な、高画質の投写画像を得ることができる。
【0175】
(実施の形態8)
次に、本発明の実施の形態12にかかるマルチビジョンシステムについて図面を参照しながら説明する。図10は本発明の実施の形態8にかかるマルチビジョンシステムの構成図である。
【0176】
図10に示すように、本実施の形態8にかかるマルチビジョンシステムは、複数の投写型表示装置211と、各投写型表示装置211に一対一に対応して備えられた複数枚の透過型スクリーン212と、各投写型表示装置211に映像信号を供給する映像信号供給手段214とで構成されている。なお、213は、複数の投写型表示装置211と複数の透過型スクリーン212とを収納するための筐体である。投写型表示装置212は実施の形態5又は6で示したものと同様である。
【0177】
映像信号供給手段214は、一の画像を表示するための映像信号を分割し、各投写型表示装置211に、分割された異なる映像信号を供給する機能を有している。この機能は、映像信号供給手段214に備えられた映像分割回路によって達成される。よって、本実施の形態8にかかるマルチビジョンシステムでは、一の画像の映像信号を映像分割回路によって分割して複数台の投写型表示装置211に送り、各投写型表示装置211から投写された映像を透過型スクリーン212上に結像し、全体として1枚の画像を構成することができる。
【0178】
このように本実施の形態8にかかるマルチビジョンシステムによれば、大画面でありながら、明るく、コントラストが良好な、高画質の画像表示を実現できる。
【0179】
また、本実施の形態7にかかるマルチビジョンシステムにおいては、映像信号供給手段214は、各投写型表示装置211に相互に独立した異なる画像の映像信号を供給することもできる。この場合には、各透過型スクリーン212上にそれぞれ異なる画像を表示させることができ、多様な情報を同時に表示することができる。
【0180】
本実施の形態8にかかるマルチビジョンシステムにおいては、各透過型スクリーン212の点灯開始時の光出力や色再現性を検知するためのセンサを筐体213に取り付けても良い。これにより、映像信号供給手段214は、各透過型スクリーン212の点灯開始時の光出力や色再現性に応じて、各投写型表示装置211に分配する信号の輝度や色度を加工することができる。これにより、複数枚の透過型スクリーン212で構成された大画面においても、明るく、コントラストが良好で、画面全体において表示品質の均一性に優れた表示を得ることができる。
【0181】
上記の実施の形態1〜4では、周期構造は空気層を形成する対向する2面の両方に形成されていたが、本発明はこれに限定されない。いずれか一方のみであっても、効果は劣るものの上述した透過特性の改善効果は得られる。
【0182】
また、上記の実施の形態1〜4では、ライトバルブとしてDMDを用いたが、本発明はこれに限定されない。各画素にON状態とOFF状態とで光の進行方向を独立して制御できる素子を備えたライトバルブであれば使用できる。
【0183】
また、上記の実施の形態1〜4では、空気層の厚みを規制するためのスペーサとして蒸着により形成された薄膜を使用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、対向する2面間に微小な球状ビーズを介在させることにより、空気層の厚みを規制しても良い。
【0184】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明のプリズム装置によれば、臨界角以上の入射角で入射する第1の光に対しては、空気層との界面での全反射特性を維持しながら、前記第1の光より相対的に小さな入射角で入射する第2の光(画像形成光)に対しては、該界面での反射を入射光の波長帯域のほぼ全域にわたって抑制することができる。その結果、前記第2の光の透過特性が改善されたプリズム装置を提供できる。従って、このようなプリズム装置を用いて画像表示装置を構成することにより、明るく、コントラストが良好な高画質の画像表示を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係るプリズム装置の構成を示す概略図
【図2】図1に示したプリズム装置が備える周期構造の一例の概略を示した斜視図
【図3】図3(A):図1に示したプリズム装置が備える別の周期構造の概略を示した斜視図図3(B):図1に示したプリズム装置が備える更に別の周期構造の概略を示した斜視図
【図4】本発明の実施の形態2に係るプリズム装置の構成を示す概略図
【図5】本発明の実施の形態3に係るプリズム装置の構成を示す概略図
【図6】本発明の実施の形態4に係るプリズム装置の構成を示す概略図
【図7】本発明の実施の形態5に係る投写型表示装置の概略構成図
【図8】図8(A):本発明の実施の形態6に係る投写型表示装置の概略構成図
図8(B):本発明の実施の形態6に係る投写型表示装置が備える時分割色分離手段の概略構成を示した正面図
【図9】本発明の実施の形態7に係るリアプロジェクタの概略構成図
【図10】本発明の実施の形態8に係るマルチビジョンシステムの概略構成図
【図11】従来の投写型表示装置の一例の概略構成図
【図12】従来のプリズム装置の一例を示す概略構成図
【図13】一般的な5層反射防止膜の反射特性を示した図
【符号の説明】
31 ライトバルブ
32 第1プリズム
33 第2プリズム
35 空気層
36 照明光
44 全反射プリズム
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a prism device, a projection display device using the same, a rear projector, and a multi-vision system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In order to obtain a large screen image, a method of forming an optical image according to an image signal on a light valve, irradiating the optical image with light, and enlarging and projecting the image on a screen by a projection lens has been well known. If a reflective spatial light modulator that forms an image by controlling the traveling direction of light according to a video signal is used as a light valve, a high-brightness projected image with high light use efficiency can be displayed.
[0003]
FIG. 11 shows a conventional configuration example of an optical system of a projection display device using a reflection type light valve. The light source 1 is constituted by the lamp 1a and the concave mirror 1b. The concave mirror 1b is an elliptical mirror, and is formed by depositing an optical multilayer film that transmits infrared light and reflects visible light on the inner surface of a glass substrate. The lamp 1a is arranged such that the center of the light emitter is located at the first focal point f1 of the concave mirror 1b. The light emitted from the lamp 1a is reflected by the concave mirror 1b, forms an illuminant image at the second focal point f2 of the concave mirror 1b, passes through the second focal point f2, and then enters the relay lens 2. The light emitted from the relay lens 2 is reflected by the total reflection mirror 3 and enters the total reflection prism 6 via the field lens 4. The total reflection prism 6 has two single prisms arranged via an air layer 8. Light incident on the total reflection prism 6 is totally reflected by the interface of the air layer 8 and enters the light valve 5. The light valve 5 forms an optical image by controlling the traveling direction of light for each pixel according to a video signal and changing the reflection angle. The reflected light from the light valve 5 passes through the prism 6 and then enters the projection lens 7, and the optical image on the light valve 5 is enlarged and projected on a screen (not shown) by the projection lens 7. Here, the configuration and operation of the total reflection prism 6 will be described below with reference to FIG. 12 (for example, see Patent Document 1).
[0004]
The total reflection prism 6 includes a first prism 12 and a second prism 13. The light valve 5 is arranged near the first surface 14 of the first prism 12, and the second surface 15 of the first prism 12 forms the air surface 8 with the first surface 17 of the second prism 13. The second surface 18 of the second prism 13 is parallel to the first surface 14 of the first prism 12, and the third surface 19 of the second prism 13 is perpendicular to the second surface 18. Light 21 incident from the third surface 16 of the first prism 12 is totally reflected by the second surface 15 of the first prism 12 and enters the light valve 5 from an oblique direction. Light 22 reflected as a projected image travels perpendicular to light valve 5. The lights 23 and 24 reflected as unnecessary light travel at an angle different from that of the light 22, but the light 24 is reflected by the third surface 19 of the second prism 13 and travels to the projection lens side, and The light 23 exits directly from the second surface 18 of the second prism 13 without being reflected by the third surface 19 of the second prism 13.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-010045 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the total reflection prism 6 having the above-described conventional configuration and shown in FIG. 12 is used, the total reflection surface (the second surface of the first prism 12) 15 of the total reflection prism 6 is connected to the optical axis (and light) of the projection lens 7. (The normal line of the valve 5). Generally, the reflection at the optical interface increases as the incident angle increases. In the optical system shown in FIG. 11, since the principal ray of the light 22 reflected as the image forming light by the light valve 5 passes through the optical interfaces 15 and 17 at a relatively large incident angle, the reflection on this surface is large. Antireflection treatment at these optical interfaces is required.
[0007]
FIG. 13 shows characteristics of a general five-layer antireflection film. The vertical axis indicates the reflectance, and the horizontal axis indicates the wavelength of the light. Condition A is a case where the incident angle is 0 degree, and condition B is a case where the incident angle is 56.5 degrees. As the incident angle increases, the antireflection band becomes narrower, and the reflectivity increases. Therefore, the transmittance of the projection optical system decreases.
[0008]
Therefore, in the conventional total reflection prism 6, the transmittance of the entire optical system is reduced due to the decrease in transmittance at the interface sandwiching the air layer and the narrowing of the transmission band. However, there is a problem that the image quality is significantly degraded, for example, the contrast is reduced due to the generation of unnecessary reflected light, and the color purity is reduced due to the narrower transmission band and the generation of unnecessary reflected light.
[0009]
The present invention has been made in consideration of the above-described conventional problems, and has improved a transmission characteristic, and as a result, a prism device capable of realizing a high-quality image with good contrast, and a projection device using the prism device. It is an object to provide a display device, a rear projector, and a multi-vision system.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a first prism device of the present invention includes a light valve, and a first prism and a second prism provided in this order from the light valve side, wherein the first prism and the second prism are air. A first surface proximate to the light valve; a second surface forming the air layer between the second prism; and a third surface on which light is incident. And the second prism has a first surface that forms the air layer between the first prism and the first prism, the reflected light from the light valve being emitted, and the first prism having the first surface. A second surface substantially parallel to a surface, and a third surface, wherein at least one of the second surface of the first prism and the first surface of the second prism is smaller than a wavelength of incident light. It has a periodic structure of pitch.
[0011]
A second prism device according to the present invention includes a light valve, a first prism, a second prism, and a bonded transparent plate, and the first prism, the bonded transparent plate, in order from the light valve side. The second prism is disposed, and the bonded transparent plate is formed by joining a first transparent substrate and a second transparent substrate having substantially the same refractive index as the first and second prisms with an air layer interposed therebetween. The first prism and the first transparent substrate, the second prism and the second transparent substrate are respectively bonded by a transparent adhesive, and the first prism is a second substrate that is close to the light valve. One surface, a second surface joined to the first transparent substrate, and a third surface on which light is incident, wherein the second prism is a first surface joined to the second transparent substrate. And the reaction from the light valve A surface from which light is emitted and which has a second surface substantially parallel to the first surface of the first prism and a third surface, and which is in contact with the air layer of the first transparent substrate and the second transparent substrate. Has a periodic structure with a pitch smaller than the wavelength of the incident light.
[0012]
A third prism device of the present invention includes a light valve, and a first prism, a second prism, and a third prism provided in this order from the light valve side, wherein the first prism, the second prism, and The second prism and the third prism are coupled to each other with an air layer interposed therebetween, and the first prism forms the air layer between a first surface adjacent to the light valve and the second prism. A second surface, and a third surface on which the reflected light from the light valve is incident, wherein the second prism forms the air layer between the first prism and the first surface; A second surface forming the air layer between the third prism and a third surface on which light is incident, wherein the third prism forms the air layer between the third prism and the second prism; First surface and reflection from the light valve Has a second surface substantially parallel to the first surface of the first prism, and a third surface, wherein the second surface of the first prism and the first surface of the second prism And at least one of the second surface of the second prism and the first surface of the third prism has a periodic structure with a pitch smaller than the wavelength of incident light.
[0013]
A fourth prism device of the present invention includes a light valve, a first prism, a second prism, a third prism, a first bonded transparent plate, and a second bonded transparent plate, The first prism, the first bonded transparent plate, the second prism, the second bonded transparent plate, and the third prism are arranged in this order from the side, and the first and second bonded transparent plates are arranged. A first transparent substrate and a second transparent substrate, each having a refractive index substantially equal to that of the first to third prisms, are coupled with an air layer interposed therebetween, and each of the transparent substrates is adjacent to the transparent substrate. The prism is bonded with a transparent adhesive, and the first prism is bonded to a first surface adjacent to the light valve and a first transparent substrate of the first bonded transparent plate. Surface and the light valve A second surface of the first bonded transparent plate, which is joined to the second transparent substrate, and a second surface of the second bonded transparent plate, A second surface joined to the first transparent substrate, and a third surface on which light is incident. The third prism is joined to the second transparent substrate of the second bonded transparent plate. A first surface, a second surface substantially parallel to the first surface of the first prism from which reflected light from the light valve is emitted, and a third surface, wherein the first bonding is performed. At least one of the first and second transparent substrates of the transparent plate and the surface of the second bonded transparent plate in contact with the air layer of the first and second transparent substrates is smaller than the wavelength of the incident light. It has a periodic structure of pitch.
[0014]
Next, a projection display device of the present invention includes any one of the first to fourth prism devices of the present invention, a light source, and a projection lens, and light from the light source is incident on the prism device. After being modulated by the light valve, the light exits the prism device and is projected by the projection lens.
[0015]
Further, the rear projector of the present invention includes the projection display device of the present invention, a mirror that bends light projected from the projection display device, and a transmission type that transmits and scatters the projected light to display an image. At least a screen.
[0016]
Further, the multi-vision system of the present invention includes a plurality of the projection display devices of the invention, a plurality of transmissive screens corresponding one-to-one with the projection display devices, and a plurality of the projection display devices. And video signal supply means for supplying
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The first to fourth prism devices of the present invention have a periodic structure with a pitch smaller than the wavelength of incident light on at least one of the two opposing surfaces forming an air layer between adjacent prisms. Here, when the wavelength of the incident light has a width, the pitch of the periodic structure needs to be smaller than the lower limit wavelength value of the wavelength band of the incident light. In addition, the pitch of the periodic structure means a pitch in the densest arrangement direction when the periodic structure is configured by a two-dimensional array of many fine structures.
[0018]
Thus, the first light incident at an incident angle equal to or greater than the critical angle is incident at an incident angle relatively smaller than the first light while maintaining the total reflection characteristic at the interface with the air layer. With respect to the second light (image forming light), the reflection at the interface can be suppressed over almost the entire wavelength band of the incident light. As a result, it is possible to provide a prism device with improved transmission characteristics of the second light. Therefore, by configuring an image display device using such a prism device, it is possible to realize bright, high-contrast image display with good contrast.
[0019]
In the first and second prism devices of the present invention, the incident angle of the illumination light when incident on the light valve from the air is θ0, and the incident light is incident on the prism at the incident angle θ0 from the air. The refraction angle in the prism is θ1, the critical angle in the prism is θ2, the angle between the second surface and the third surface of the first prism is θ3, and the first surface of the second prism is Assuming that the angle formed by the second surface is θ4 and the refractive index of the prism is n, it is preferable that the following formulas (1) to (4) are satisfied.
[0020]
n · sin θ1 = sin θ0 (1)
sin θ2 = 1 / n (2)
θ3 = θ1 / 2 + θ2 (3)
θ4 = θ2−θ1 / 2 (4)
Thus, the image forming light can be efficiently emitted from the second surface of the second prism.
[0021]
In the third and fourth prism devices of the present invention, the incident angle of the illumination light when entering the light valve from the air is θ0, and when the light beam enters the prism from the air at the incident angle θ0. The refraction angle in the prism is θ1, the critical angle in the prism is θ2, the angle between the second surface and the third surface of the second prism is θ3, and the first surface of the third prism is The angle formed by the second surface is θ4, the angle of light emitted from the light valve in air is θ5, the angle formed between the first surface of the first prism and the second surface is θ6, Assuming that the refractive index of the prism is n, it is preferable that the following expressions (5) to (9) are satisfied.
[0022]
n · sin θ1 = sin θ0 (5)
sin θ2 = 1 / n (6)
θ3 = θ1 / 2 + θ2 (7)
θ4 = θ2−θ1 / 2 (8)
θ6 ≧ θ2−θ5 (9)
Thus, the image forming light can be efficiently emitted from the second surface of the third prism. Further, it is possible to prevent unnecessary light from being totally reflected and entering the second and third prisms.
[0023]
In the third and fourth prism devices of the present invention, it is preferable that a light absorbing means is provided on the third surface of the first prism. Thereby, the unnecessary light can be absorbed by the light absorbing means.
[0024]
Alternatively, in the third and fourth prism devices of the present invention, it is preferable that the third surface of the first prism is a polished surface or a mirror surface. Thereby, unnecessary light can be emitted from the third surface of the first prism to the outside of the prism device.
[0025]
In the first to fourth prism devices of the present invention, the light valve is a reflection type, and is a spatial light modulation element that forms an image by controlling a traveling direction of light for each pixel according to a video signal. Is preferred. Accordingly, only the image forming light can be guided in a predetermined direction, and application to the image forming apparatus is facilitated.
[0026]
In the first to fourth prism devices of the present invention, a thin film made of a metal or a dielectric is formed outside two optically effective areas opposed to the air layer, and the thin film has a thickness of the air layer. It is preferable to regulate the height. This makes it possible to easily and accurately control the thickness of the air layer and the parallelism between the two opposing surfaces forming the air layer, thereby providing a prism device with highly stable optical characteristics.
[0027]
In the first to fourth prism devices of the present invention, it is preferable that the thin film is made of magnesium fluoride, silicon dioxide, or titanium dioxide. These materials are versatile and have the same properties as glass as a substrate on which they are formed, and are therefore advantageous in terms of temperature expansion, durability, and the like.
[0028]
In the first to fourth prism devices of the present invention, it is preferable that the periodic structure has a pitch equal to or less than half the wavelength of the incident light. Thereby, the dependence of the transmission / reflection characteristics at the interface with the air layer on the incident angle and the wavelength can be further reduced, and the light transmission characteristics are improved.
[0029]
In the first to fourth prism devices of the present invention, it is preferable that the periodic structure has a height of at least one time, more preferably at least three times the pitch. Thereby, the light transmission characteristics are further improved.
[0030]
In the first to fourth prism devices of the present invention, it is preferable that one unit constituting the periodic structure is a cone. As a result, the refractive index continuously changes at the air interface, so that a uniform transmission characteristic can be obtained even for a light beam having a spread.
[0031]
In the first to fourth prism devices of the present invention, it is preferable that a bottom surface of one unit constituting the periodic structure is a substantially regular hexagon. Accordingly, the periodic structure can be arranged at a high filling rate, so that the light transmission characteristics are further improved.
[0032]
In the first to fourth prism devices of the present invention, the lower limit of the wavelength band of the incident light is preferably 400 nm, more preferably 430 nm, and particularly preferably 450 nm. Thereby, good transmission characteristics can be obtained over almost the entire visible light band.
[0033]
Next, a projection display device of the present invention includes any one of the first to fourth prism devices of the present invention, a light source, and a projection lens, and light from the light source is incident on the prism device. After being modulated by the light valve, the light exits the prism device and is projected by the projection lens. As a result, it is possible to realize high-quality image display that is bright and has good contrast.
[0034]
The above-mentioned projection type display device of the present invention further comprises a time-division color separation unit in which the light from the light source is incident, and the light is time-limited to three colors of blue, green, and red and emitted, and the light valve is It is preferable to form an optical image according to the color of incident light. As a result, a high-quality color image can be displayed.
[0035]
Further, the rear projector according to the present invention includes the projection display device according to the present invention, a mirror that bends light projected from the projection display device, and a transmission type device that transmits and scatters the projected light to display an image. At least a screen. As a result, it is possible to realize high-quality image display that is bright and has good contrast.
[0036]
Further, the multi-vision system of the present invention includes a plurality of the projection display devices of the invention, a plurality of transmissive screens corresponding one-to-one with the projection display devices, and a plurality of video signals to the projection display devices. And video signal supply means for supplying As a result, it is possible to realize a high-quality image display that is bright, has good contrast, and has a large screen.
[0037]
In the above-described multi-vision system of the present invention, the video signal supply unit divides a video signal of one image, and supplies the divided different video signals to a plurality of the projection display devices, respectively. The single image may be displayed on the entire transmission screen. As a result, one large screen can be formed by a plurality of transmissive screens, and high-quality image display that is bright, has good contrast, and has excellent display quality uniformity over the entire screen can be realized.
[0038]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0039]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the configuration of a prism device according to Embodiment 1 of the present invention. The configuration and operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0040]
In the figure, reference numeral 31 denotes a spatial light modulator as a light valve, and reference numeral 44 denotes a total reflection prism.
[0041]
The spatial light modulator 31 is, for example, a digital mirror device in which a large number of pixels are arrayed and formed on an optical image plane, and each pixel is provided with a reflection mirror capable of independently changing the tilt angle according to a video signal. Of the illumination light 36 incident on the spatial light modulator 31, the light incident on the pixel on which an image is formed is reflected along an optical axis 43 parallel to the normal direction of the optical image plane of the spatial light modulator 31 to form an image. Light that has entered a pixel that does not contribute is reflected as unnecessary light 45 in a direction different from the optical axis 43.
[0042]
The total reflection prism 44 is composed of two triangular prisms of a first prism 32 and a second prism 33 in order from the spatial light modulation element 31 side. A thin air layer 35 is formed between the prisms 32 and 33. Each of the prisms 32 and 33 is made of optical glass and has a refractive index of 1.516.
[0043]
The first prism 32 forms an air layer 35 between the first surface 34 close to the spatial light modulator 31 and the second prism 33, and totally reflects the illumination light 36 to the spatial light modulator 31. It has a second surface 37 for incidence at a refraction angle θ1 in the prism, and a third surface 38 on which illumination light 36 enters from the outside.
[0044]
The second prism 33 has a first surface 39 forming an air layer 35 between the first prism 32 and a second surface 39 from which the image forming light 40 reflected by the spatial light modulation element 31 and passing through the air layer 35 is emitted. It has a surface 41 and a third surface 42.
[0045]
The first prism 32 is configured so that the incident light 36 is obliquely incident on the spatial light modulator 31 and that the principal ray of the reflected light 40 used as a projection image is parallel to the optical axis 43 perpendicular to the spatial light modulator 31. Have been.
[0046]
Since the total reflection prism 44 as a whole is a plane parallel in the direction of the projection optical axis 43, the first surface 34 of the first prism 32 and the second surface 41 of the second prism 33 are optical images of the spatial light modulator 31 respectively. Parallel to the plane.
[0047]
The third surface 42 of the second prism 33 is substantially parallel to the principal ray direction of the unnecessary light 45 from the spatial light modulator 31 so that the unnecessary light 45 from the spatial light modulator 31 is not absorbed or reflected.
[0048]
Here, the effective area of the second surface 37 of the first prism 32 and the first surface 39 of the second prism 33 has a period smaller than the wavelength of the light beam emitted from the spatial light modulator 31 and incident on these surfaces. A group of minute projections (periodic structure) is formed. Specifically, as shown in FIG. 2, a fine projection group having a pitch p1 and a height h1 is formed.
[0049]
Each projection is a cone having a pitch p1 of 250 nm or less and a height h1 of 750 nm. These cones are formed by repeatedly exposing and developing the resist layer on the resist applied on the base material using an electron beam exposure method. Thereby, a group of minute cones having a periodic structure as shown in FIG. 2 can be formed on the surfaces 37 and 39.
[0050]
By forming such a periodic structure including a microstructure having a pitch p1 equal to or smaller than the wavelength used, the apparent refractive index of incident light can be changed continuously, and the incident angle dependence and the wavelength dependence can be improved. It is possible to form an anti-reflection function surface having low property, and the reflectance is reduced. However, when light is incident from a medium with a high refractive index to a medium with a low refractive index, the surface having such a minute periodic structure is totally anti-reflective when the incident angle is larger than the critical angle. Is the same as in the case where is not applied.
[0051]
The illumination light 36 incident on the first prism 32 is totally reflected by the second surface 37 of the first prism 32 and is incident on the light valve 31. The light passes through the second surface 37 and the first surface 39 of the second prism 33 and exits the total reflection prism 44. At this time, due to such a periodic structure, the image forming light 40 is not reduced by reflection at the surfaces 37 and 39 which are interfaces with the air layer 35 in almost all wavelength bands. Thereby, a bright image with good color reproducibility can be obtained.
[0052]
The periodic fine structure may have a pitch p1 equal to or less than the wavelength of the incident light (hereinafter, “used wavelength”). It is more preferable that the pitch p1 is equal to or less than 使用 of the used wavelength, since the incident angle dependency and the wavelength dependency at the interface can be further reduced and the light transmission characteristics are improved. Further, the height h1 of the microstructure is preferably at least the pitch p1, more preferably at least three times the pitch p1. The higher the height h1 is, the more the light transmission characteristics are improved.
[0053]
The shape of the microstructure, which is one unit constituting the periodic structure, is not limited to a conical shape as shown in FIG. 2, but may be a cylindrical shape as shown in FIG. The shape may be a simple pyramid. Alternatively, it may be a shape similar to a pyramid in which the cross-sectional shape in the height direction passing through the central axis is substantially sinusoidal. However, if the microstructure is a cone or a shape similar to the cone, it is more desirable because the refractive index changes continuously at the air interface.
[0054]
It is preferable that the distance between adjacent microstructures is small. This is because the plane portion between the adjacent microstructures has the same reflection characteristics as in the related art. In addition, the bottom shape of the microstructure may be any of a circle, an ellipse, a quadrangle, a hexagon, a polygon such as a triangle, and the like. Since the maximum value is obtained, the effect of suppressing reflection of incident light is further improved.
[0055]
Either structure has the same effect on transmitted light as the refractive index changes very gently on the surface where the periodic structure is formed, so that reflection is reduced. Such a periodic microstructure serves as an antireflection means having a wider band than an ordinary antireflection film and having a small incident angle dependence.
[0056]
The spacing (the thickness of the air layer 35) between the second surface 37 of the first prism 32 and the first surface 39 of the second prism 33 is regulated by spacers 45 and 46 and fixed. The spacers 45 and 46 are thin films made of metal or dielectric formed by vapor deposition. The spacers 45 and 46 do not need to be provided outside the optically effective area of the second surface 37 of the first prism 32 and the first surface 39 of the second prism 33, and may be formed at four corners. In the present embodiment, the spacers 45 and 46 are made of a dielectric film formed by a vapor deposition method, and the distance between the second surface 37 of the first prism 32 and the first surface 39 of the second prism 33 is about 5 μm. It is.
[0057]
When the spacers 45 and 46 are formed, the optically effective area is shielded so that a metal or a dielectric does not adhere to the area where the periodic structure is formed. The spacers 45 and 46 formed at the four corners are thin films having a uniform thickness. Usually, in the deposition of an optical thin film, the thickness accuracy is on the order of several nm, and the error is extremely small. As a result, an air layer 35 with extremely high parallelism can be formed.
[0058]
As a material for forming the spacer layers 45 and 46, a material having stable characteristics and inexpensiveness is preferable. In particular, silicon dioxide, titanium dioxide, and magnesium fluoride are often used when depositing an antireflection film. It is advantageous in terms of temperature expansion, durability and the like because it has properties and is equivalent to the glass as the substrate.
[0059]
Here, assuming that the refractive index of the first prism 32 and the second prism 33 is n, the incident angle of the illumination light 36 to the spatial light modulator 31 in the air is θ0, and the refraction angle in the prism is θ1, Equation (1) holds.
[0060]
(Equation 10)
n · sin θ1 = sin θ0 (1)
[0061]
The critical angle θ2 at which the illumination light traveling in the first prism 32 is totally reflected at the interface with the air (the second surface 37 of the first prism 32) can be expressed by the following equation (2). I can do it.
[0062]
[Equation 11]
sin θ2 = 1 / n (2)
[0063]
The angle θ3 formed between the second surface 37 and the third surface 38 of the first prism 32 is such that the illumination light 36 is totally reflected by the second surface 37 and is directed toward the spatial light modulation element 31 at a refraction angle θ1 in the prism. In order to proceed, it is necessary to satisfy the following conditional expression (3).
[0064]
(Equation 12)
θ3 = θ1 / 2 + θ2 (3)
[0065]
Further, the angle θ4 between the first surface 39 and the second surface 41 of the second prism 33 is determined by setting the second surface 41 from which the image forming light 40 is emitted to the optical image surface of the spatial light modulator 31 and the first prism 32. In order to be parallel to the first surface 34, it is necessary to satisfy the following conditional expression (4).
[0066]
(Equation 13)
θ4 = θ2−θ1 / 2 (4)
[0067]
An antireflection film made of a dielectric multilayer film is formed on the first surface 34 and the third surface 38 of the first prism 32 and on the second surface 41 of the second prism 33. The antireflection film is composed of three layers or five or more layers so that reflection can be reduced over the entire visible light band of 400 to 700 nm. Titanium dioxide, magnesium fluoride, silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, or the like is used as the material of the multilayer film. The vapor deposition is usually performed so as to form a thickness of about 1 nm per second. The incident angles of the light rays incident on the surfaces 34, 38 and 41 are small, and a normal antireflection film is sufficiently effective. Depending on the cost, an antireflection structure using the above-mentioned periodic structure smaller than the wavelength of the incident light may be used.
[0068]
According to the present embodiment, a compact total reflection prism 44 with improved transmission characteristics of image forming light can be realized.
[0069]
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows a configuration of a prism device according to Embodiment 2 of the present invention. The configuration and operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0070]
In the figure, reference numeral 51 denotes a spatial light modulator as a light valve, and 66 denotes a total reflection prism.
[0071]
The spatial light modulation element 51 is, for example, a digital mirror device in which a large number of pixels are arrayed and formed on an optical image plane, and each pixel is provided with a reflection mirror capable of independently changing an inclination angle according to a video signal. Of the illumination light 61 incident on the spatial light modulation element 51, light incident on a pixel on which an image is formed is reflected along an optical axis 70 parallel to the normal direction of the optical image plane of the spatial light modulation element 51 to form an image. The light incident on the pixels that do not contribute is reflected as unnecessary light 69 in a direction different from the optical axis 70.
[0072]
The total reflection prism 66 includes a first prism 52, a bonded transparent plate 67, and a second prism 53 in this order from the spatial light modulation element 51 side. The prisms 52 and 53 and the bonded transparent plate 67 are all made of optical glass, and have a refractive index of 1.516.
[0073]
The laminated transparent plate 67 is formed by joining two first and second transparent substrates 55 and 56 with spacers 57 and 58 interposed therebetween, and the spacers 57 and 58 reduce the surface interval between the transparent substrates 55 and 56. A regulated thin air layer 59 is formed.
[0074]
The first prism 52 has a first surface 54 close to the spatial light modulator 51, a second surface 60 bonded to a first transparent substrate 55 forming a bonded transparent plate 67, and illumination light 61 incident from the outside. And a third surface 62. The first prism 52 and the first transparent substrate 55 are joined by a transparent adhesive.
[0075]
The second prism 53 emits image forming light 65 reflected by the spatial light modulator 51 and passing through the air layer 59, and a first surface 68 joined to the second transparent substrate 56 forming the bonded transparent plate 67. A second surface 63 and a third surface 64. The second prism 53 and the second transparent substrate 56 are joined by a transparent adhesive.
[0076]
The first prism 52 and the first transparent substrate 55 make the incident light 61 obliquely enter the spatial light modulator 51, and the principal ray of the reflected light 65 used as a projection image is parallel to the optical axis 70 perpendicular to the spatial modulator 51. It is configured to be.
[0077]
Since the total reflection prism 66 as a whole is a plane parallel to the projection optical axis 70, the first surface 54 of the first prism 52 and the second surface 63 of the second prism 53 are optical images of the spatial light modulator 51, respectively. Parallel to the plane.
[0078]
The third surface 64 of the second prism 53 is substantially parallel to the principal ray direction of the unnecessary light 69 from the spatial light modulator 51 so that the unnecessary light 69 from the spatial light modulator 51 is not absorbed or reflected.
[0079]
In the effective area on the surface of the first and second transparent substrates 55 and 56 on the interface side with the air layer 59, the period has a period smaller than the wavelength of light emitted from the spatial light modulator 51 and incident on these surfaces. A fine projection group (periodic structure) similar to that described in the first embodiment is formed. Specifically, as shown in FIG. 2, a fine projection group having a pitch p1 and a height h1 is formed.
[0080]
Each projection is a cone having a pitch p1 of 250 nm or less and a height h1 of 300 nm. As in the first embodiment, the projections are formed on the resist applied on the base material by an electron beam exposure method or the like.
[0081]
By forming such a periodic structure including a microstructure having a pitch p1 equal to or smaller than the wavelength used, the apparent refractive index of incident light can be changed continuously, and the incident angle dependence and the wavelength dependence can be improved. It is possible to form an anti-reflection function surface having low property, and the reflectance is reduced. However, when light is incident from a medium with a high refractive index to a medium with a low refractive index, the surface having such a minute periodic structure is totally anti-reflective when the incident angle is larger than the critical angle. Is the same as in the case where is not applied.
[0082]
The illumination light 61 incident on the first prism 52 is totally reflected at the interface between the first transparent substrate 55 and the air layer 59 and is incident on the light valve 51, and the image forming light 65 reflected there is applied to the first transparent substrate 55. The light passes through 55 and the second transparent substrate 56 and exits from the total reflection prism 66. At this time, the image forming light 65 is not reduced by the reflection at the interface with the air layer 59 in almost the entire wavelength band due to such a periodic structure. Thereby, a bright image with good color reproducibility can be obtained.
[0083]
The periodic fine structure may have a pitch p1 equal to or less than the wavelength of the incident light (hereinafter, “used wavelength”). It is more preferable that the pitch p1 is equal to or less than 使用 of the used wavelength, since the incident angle dependency and the wavelength dependency at the interface can be further reduced and the light transmission characteristics are improved. Further, the height h1 of the microstructure is preferably at least the pitch p1, more preferably at least three times the pitch p1. The higher the height h1 is, the more the light transmission characteristics are improved.
[0084]
The shape of the microstructure, which is one unit constituting the periodic structure, is not limited to a conical shape as shown in FIG. 2, but may be a cylindrical shape as shown in FIG. The shape may be a simple pyramid. Alternatively, it may be a shape similar to a pyramid in which the cross-sectional shape in the height direction passing through the central axis is substantially sinusoidal. However, if the microstructure is a cone or a shape similar to the cone, it is more desirable because the refractive index changes continuously at the air interface.
[0085]
It is preferable that the distance between adjacent microstructures is small. This is because the plane portion between the adjacent microstructures has the same reflection characteristics as in the related art. In addition, the bottom shape of the microstructure may be any of a circle, an ellipse, a quadrangle, a hexagon, a polygon such as a triangle, and the like. Since the maximum value is obtained, the effect of suppressing reflection of incident light is further improved.
[0086]
Either structure has the same effect on transmitted light as the refractive index changes very gently on the surface where the periodic structure is formed, so that reflection is reduced. Such a periodic microstructure serves as an antireflection means having a wider band than an ordinary antireflection film and having a small incident angle dependence.
[0087]
The spacers 57, 58 for forming the thin air layer 59 of the bonded transparent plate 67 are thin films made of metal or dielectric formed by vapor deposition. The spacers 57 and 58 need not be provided on the entire surface of the two transparent substrates 55 and 56 on the air layer 59 side outside the optically effective area, and may be formed at four corners. In the present embodiment, the spacers 57 and 58 are made of a dielectric film formed by a vapor deposition method, and the spacing between the transparent substrates 55 and 56 is about 5 μm.
[0088]
As in the first embodiment, it is preferable that the spacers 57 and 58 be formed in a state where the optically effective area is shielded, and a highly accurate spacer can be realized by the vapor deposition method.
[0089]
Each angle condition in the total reflection prism 66 preferably satisfies Expressions (1) to (4), as in the first embodiment.
[0090]
On the first surface 54 and the third surface 62 of the first prism 52 and on the second surface 63 of the second prism 53, an antireflection film made of a dielectric multilayer film is formed. The antireflection film is composed of three layers or five or more layers so that reflection can be reduced over the entire visible light band of 400 to 700 nm. Titanium dioxide, magnesium fluoride, silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium oxide, or the like is used as the material of the multilayer film. The vapor deposition is usually performed so as to form a thickness of about 1 nm per second. The incident angles of the light beams incident on the surfaces 54, 62, 63 are small, and a normal antireflection film is sufficiently effective. Depending on the cost, an antireflection structure using the above-mentioned periodic structure smaller than the wavelength of the incident light may be used.
[0091]
According to the present embodiment, as in the first embodiment, a compact total reflection prism 66 with improved transmission characteristics of image forming light can be realized. Further, since the periodic structure is not formed directly on the first and second prisms but on the transparent substrates 55 and 56, a thin air layer having a high antireflection effect can be formed easily and at low cost.
[0092]
(Embodiment 3)
FIG. 5 shows the configuration of a prism device according to Embodiment 3 of the present invention. The configuration and operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0093]
In the figure, reference numeral 81 denotes a spatial light modulator as a light valve, and 101 denotes a total reflection prism.
[0094]
The spatial light modulator 81 is, for example, a digital mirror device in which a large number of pixels are arrayed and formed on an optical image plane, and each pixel is provided with a reflection mirror capable of independently changing an inclination angle according to a video signal. Of the illumination light 96 incident on the spatial light modulator 81, the light incident on the image forming pixel is reflected along an optical axis parallel to the normal direction of the optical image plane of the spatial light modulator 81 (image forming light 97). Light incident on pixels that do not contribute to image formation is reflected as unnecessary light 98 in a direction different from that of image formation light 97.
[0095]
The total reflection prism 101 includes three triangular prisms of a first prism 82, a second prism 83, and a third prism 84 in this order from the spatial light modulation element 81 side. Thin air layers 94 and 95 are formed between the prisms 82 and 83 and between the prisms 83 and 84, respectively. The material of each of the prisms 82, 83, 84 is optical glass, and the refractive index is 1.516.
[0096]
The first prism 82 forms an air layer 94 between the first surface 85 near the spatial light modulator 31 and the second prism 83, and transmits the image forming light 97 reflected by the spatial light modulator 81. A second surface 86 that totally reflects unnecessary light 98 that is transmitted and reflected at an angle θ5 with respect to the principal ray of the image forming light 97, and a third surface 87 on which the unnecessary light 98 reflected by the second surface 86 is incident And
[0097]
The second prism 83 forms an air layer 95 between a first surface 88 forming an air layer 94 between the first prism 82 and the third prism 84, transmits image forming light 97, and illuminates. It has a second surface 89 for totally reflecting the light 96 and entering the spatial light modulator 81 at a refraction angle θ1 in the prism, and a third surface 90 on which the illumination light 96 is incident from the outside.
[0098]
The third prism 84 has a first surface 91 that forms an air layer 95 between itself and the second prism 83, a second surface 92 from which image forming light 97 reflected from the spatial light modulator 81 is emitted, and a second surface 92. It has a third surface 93 perpendicular to the surface 92.
[0099]
The second prism 83 is configured so that the incident light 96 is obliquely incident on the spatial light modulator 81 and that the principal ray of the reflected light 97 used as a projection image is parallel to an optical axis perpendicular to the spatial light modulator 81. ing.
[0100]
Further, the first prism 82 has a function of totally reflecting the unnecessary light 98 from the spatial light modulator 81 on the second surface 86 thereof, and preventing the unnecessary light 98 from traveling to the projection lens and the screen side.
[0101]
Since the total reflection prism 101 as a whole is a plane parallel to the direction of the projection optical axis, the first surface 85 of the first prism 82 and the second surface 92 of the third prism 84 correspond to the optical image surface of the spatial light modulator 81, respectively. Parallel.
[0102]
The effective surfaces of the second surface 86 of the first prism, the first surface 88 of the second prism 83, the second surface 89 of the second prism 83, and the first surface 91 of the third prism 84, which form the thin air layers 94 and 95, respectively. In the region, a group of minute projections (periodic structure) similar to that described in the first embodiment and having a period smaller than the wavelength of the light beam incident on these surfaces is formed.
[0103]
By forming such a periodic structure including a microstructure having a pitch p1 equal to or smaller than the wavelength used, the apparent refractive index of incident light can be changed continuously, and the incident angle dependence and the wavelength dependence can be improved. It is possible to form an anti-reflection function surface having low property, and the reflectance is reduced. However, when light is incident from a medium with a high refractive index to a medium with a low refractive index, the surface having such a minute periodic structure is totally anti-reflective when the incident angle is larger than the critical angle. Is the same as in the case where is not applied.
[0104]
The illumination light 96 incident on the second prism 83 is totally reflected by the second surface 89 of the second prism 83, and then passes through the first surface 88 of the second prism 83 and the second surface 86 of the first prism 82 to be illuminated. The image forming light 97 that is incident on the bulb 81 and reflected here is subjected to the second surface 86 of the first prism 82, the first surface 88 of the second prism 83, the second surface 89 of the second prism 83, and the third prism. The light passes through the first surface 91 at a large incident angle and exits the total reflection prism 101. At this time, due to such a periodic structure, the image forming light 97 is not reduced by reflection at the interface with the air layers 94 and 95 in almost the entire wavelength band. Thereby, a bright image with good color reproducibility can be obtained.
[0105]
The periodic fine structure may have a pitch p1 equal to or less than the wavelength of the incident light (hereinafter, “used wavelength”). It is more preferable that the pitch p1 is equal to or less than 使用 of the used wavelength, since the incident angle dependency and the wavelength dependency at the interface can be further reduced and the light transmission characteristics are improved. Further, the height h1 of the microstructure is preferably at least the pitch p1, more preferably at least three times the pitch p1. The higher the height h1 is, the more the light transmission characteristics are improved.
[0106]
The shape of the microstructure, which is one unit constituting the periodic structure, is not limited to a conical shape as shown in FIG. 2, but may be a cylindrical shape as shown in FIG. The shape may be a simple pyramid. Alternatively, it may be a shape similar to a pyramid in which the cross-sectional shape in the height direction passing through the central axis is substantially sinusoidal. However, if the microstructure is a cone or a shape similar to the cone, it is more desirable because the refractive index changes continuously at the air interface.
[0107]
It is preferable that the distance between adjacent microstructures is small. This is because the plane portion between the adjacent microstructures has the same reflection characteristics as in the related art. In addition, the bottom shape of the microstructure may be any of a circle, an ellipse, a quadrangle, a hexagon, a polygon such as a triangle, and the like. Since the maximum value is obtained, the effect of suppressing reflection of incident light is further improved.
[0108]
Either structure has the same effect on transmitted light as the refractive index changes very gently on the surface where the periodic structure is formed, so that reflection is reduced. Such a periodic microstructure serves as an antireflection means having a wider band than an ordinary antireflection film and having a small incident angle dependence.
[0109]
The second surface 86 of the first prism 82 and the first surface 88 of the second prism 83 are separated by spacers 102 and 103, and the second surface 89 of the second prism 83 and the first surface of the third prism 84 are separated. The space 91 (the thickness of the air layers 94 and 95) is fixed to the surface 91 by spacers 104 and 105, respectively. The spacers 102 and 103 and the spacers 104 and 105 are thin films made of metal or dielectric formed by vapor deposition. In the present embodiment, the spacing between the surfaces forming the air layers 94 and 95 is about 5 μm.
[0110]
The spacers 102, 103, 104, and 105 form a second surface 86 of the first prism 82, a first surface 88 of the second prism 83, a second surface 89 of the second prism 83, and a first surface 91 of the third prism 84, respectively. Need not be provided on the entire area outside the optically effective area, and may be formed at four corners.
[0111]
When the spacers 102, 103, 104, and 105 are formed, the optically effective area is shielded so that a metal or dielectric does not adhere to the area where the periodic structure is formed. The spacers 102, 103, 104, and 105 formed at the four corners are thin films having a uniform thickness. Normally, in the deposition of an optical thin film, the thickness accuracy is on the order of several nm, the error is extremely small, and as a result, the air layers 94 and 95 having extremely high parallelism can be formed.
[0112]
Here, the refractive index of the first prism 82, the second prism 83, and the third prism 84 is n, the incident angle of the illumination light 96 to the spatial light modulator 81 in air is θ0, and the refractive angle of the prism is θ1. Then, the following equation (5) holds.
[0113]
[Equation 14]
n · sin θ1 = sin θ0 (5)
[0114]
The critical angle θ2 at which the illumination light 96 traveling in the second prism 83 is totally reflected at the interface with the air (the second surface 89 of the second prism 83) can be expressed by the following equation (6). I can do it.
[0115]
(Equation 15)
sin θ2 = 1 / n (6)
[0116]
The angle θ3 between the second surface 89 and the third surface 90 of the second prism 83 is such that the illumination light 96 is totally reflected by the second surface 89 and is directed toward the spatial light modulator 81 at the refraction angle θ1 in the prism. In order to proceed, it is necessary to satisfy the following conditional expression (7).
[0117]
(Equation 16)
θ3 = θ1 / 2 + θ2 (7)
[0118]
Further, the angle θ4 formed between the first surface 91 and the second surface 92 of the third prism 84 is such that the second surface 92 from which the image forming light 97 is emitted is the optical image surface of the spatial light modulator 81 and the first prism 82. In order to be parallel to the first surface 85, it is necessary to satisfy the following conditional expression (8).
[0119]
[Equation 17]
θ4 = θ2−θ1 / 2 (8)
[0120]
In order for the unnecessary light 98 reflected at the refraction angle θ5 in the prism to be totally reflected by the second surface 86 of the first prism 82, the first surface 85 and the second surface 86 of the first prism 82 form. The angle θ6 needs to satisfy the following conditional expression (9).
[0121]
(Equation 18)
θ6 ≧ θ2−θ5 (9)
[0122]
If Expression (9) is satisfied, the unnecessary light 98 is totally reflected by the second surface 86 and enters the third surface 87. The third surface 87 is a polished surface, and a black paint is applied to the interface with air as light absorbing means. Therefore, most of the unnecessary light 98 is absorbed here.
[0123]
When light absorbing paint is applied to the outer surface of the prism, the reflectance is low when the angle of incidence on the boundary is small, but the reflectance is high when the angle of incidence is large and the light is incident almost parallel to the boundary. Is considerably higher. In the case of the total reflection prism 101 shown in FIG. 5, the reflectance is low because the unnecessary light 98 emitted from the spatial light modulation element 81 is incident on the third surface 87 of the first prism 82 at a small incident angle. Therefore, most of the unnecessary light 98 is absorbed by the black paint and does not reach the screen.
[0124]
According to the present embodiment, it is possible to realize a total reflection prism in which the transmission characteristics of the image forming light are improved and the unnecessary light 98 does not travel toward the screen at all.
[0125]
(Embodiment 4)
FIG. 6 shows the configuration of a prism device according to Embodiment 4 of the present invention, and the configuration and operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0126]
In the figure, 111 is a spatial light modulator as a light valve, and 140 is a total reflection prism.
[0127]
The spatial light modulator 111 is, for example, a digital mirror device in which a large number of pixels are arrayed and formed on an optical image plane, and each pixel is provided with a reflection mirror capable of independently changing an inclination angle according to a video signal. Of the illumination light 132 incident on the spatial light modulation element 111, light incident on a pixel on which an image is formed is reflected along an optical axis parallel to a normal direction of an optical image plane of the spatial light modulation element 111 (image forming light 133). ), The light incident on the pixels that do not contribute to the image formation is reflected as unnecessary light 135 in a direction different from the image forming light 133.
[0128]
The total reflection prism 131 includes a first prism 112, a first bonded transparent plate 127, a second prism 113, a second bonded transparent plate 131, and a third prism 114 arranged in this order from the spatial light modulator 111 side. . The materials of the prisms 112, 113, 114 and the bonded transparent plates 127, 131 are all optical glass, and the refractive index is 1.516.
[0129]
The first bonded transparent plate 127 is formed by bonding two first and second transparent substrates 124 and 125 with spacers 136 and 137 therebetween, and the spacers 136 and 137 provide a surface between the transparent substrates 124 and 125. The gap is regulated to form a thin air layer 126. Similarly, the second bonded transparent plate 131 is formed by joining two first and second transparent substrates 128 and 129 with spacers 138 and 139 interposed therebetween, and the transparent substrates 128 and 129 are formed by the spacers 138 and 139. The thin air layer 130 is formed with the interplanar spacing restricted.
[0130]
The first prism 112 is joined to the first surface 115 close to the spatial light modulator 111 and the first transparent substrate 124 forming the first bonded transparent plate 127, and forms an image reflected by the spatial light modulator 111. It has a second surface 116 that transmits the light 133 and a third surface 117 on which unnecessary light 123 from the spatial light modulator 111 enters.
[0131]
The second prism 113 is bonded to a first surface 118 that is bonded to a second transparent substrate 125 that forms the first bonded transparent plate 127, and is bonded to a first transparent substrate 128 that forms the second bonded transparent plate 131. , A second surface 119 through which the image forming light 97 is transmitted, and a third surface 120 on which the illumination light 132 is incident from the outside.
[0132]
The third prism 114 has a first surface 121 bonded to a second transparent substrate 129 forming a second bonded transparent plate 131 and a second surface from which the image forming light 133 reflected from the spatial light modulator 111 is emitted. It has a surface 122 and a third surface 123 perpendicular to the second surface 122.
[0133]
The second prism 113 and the first transparent substrate 128 of the second bonded transparent plate 131 allow the incident light 132 to be obliquely incident on the spatial light modulator 111, and the principal ray of the reflected light 133 used as a projected image is changed by the spatial light modulator. It is configured to be parallel to an optical axis perpendicular to 111.
[0134]
Further, the first prism 112 and the first transparent substrate 124 of the first bonded transparent plate 127 have a function of totally reflecting the unnecessary light 135 from the spatial light modulator 111 and preventing the unnecessary light 135 from traveling to the projection lens and the screen side.
[0135]
Since the total reflection prism 140 as a whole is a plane parallel in the projection optical axis direction, the first surface 115 of the first prism 112 and the second surface 112 of the third prism 114 are respectively located on the optical image surface of the spatial light modulator 111. Parallel.
[0136]
The surface of the first bonded transparent plate 127 forming the thin air layers 126 and 130 on the interface side of the first transparent substrate 124 and the second transparent substrate 125 with the air layer 126, and the first bonded transparent plate 131 of the second bonded transparent plate 131 Each effective area on the surface of the transparent substrate 128 and the second transparent substrate 129 on the interface side with the air layer 130 has a period smaller than the wavelength of light rays incident on these surfaces, as described in the first embodiment. A similar minute projection group (periodic structure) is formed.
[0137]
By forming such a periodic structure including a microstructure having a pitch p1 equal to or smaller than the wavelength used, the apparent refractive index of incident light can be changed continuously, and the incident angle dependence and the wavelength dependence can be improved. It is possible to form an anti-reflection function surface having low property, and the reflectance is reduced. However, when light is incident from a medium with a high refractive index to a medium with a low refractive index, the surface having such a minute periodic structure is totally anti-reflective when the incident angle is larger than the critical angle. Is the same as in the case where is not applied.
[0138]
After the illumination light 132 incident on the second prism 113 is totally reflected at the air interface of the first transparent substrate 128 of the second bonded transparent plate 131, the second transparent substrate 125 and the first transparent substrate 127 of the first bonded transparent plate 127 are reflected. After passing through the transparent substrate 124 and being incident on the light valve 111, the image forming light 133 reflected there is applied to the first transparent substrate 124 and the second transparent substrate 125 of the first bonded transparent plate 127, and the second bonded transparent plate 127. The light passes through the first transparent substrate 128 and the second transparent substrate 129 of the plate 131 in order at a large incident angle and exits the total reflection prism 140. At this time, due to such a periodic structure, the image forming light 133 is not reduced by reflection at the interface with the air layers 126 and 130 in almost all wavelength bands. Thereby, a bright image with good color reproducibility can be obtained.
[0139]
The periodic fine structure may have a pitch p1 equal to or less than the wavelength of the incident light (hereinafter, “used wavelength”). It is more preferable that the pitch p1 is equal to or less than 使用 of the used wavelength, since the incident angle dependency and the wavelength dependency at the interface can be further reduced and the light transmission characteristics are improved. Further, the height h1 of the microstructure is preferably at least the pitch p1, more preferably at least three times the pitch p1. The higher the height h1 is, the more the light transmission characteristics are improved.
[0140]
The shape of the microstructure, which is one unit constituting the periodic structure, is not limited to a conical shape as shown in FIG. 2, but may be a cylindrical shape as shown in FIG. The shape may be a simple pyramid. Alternatively, it may be a shape similar to a pyramid in which the cross-sectional shape in the height direction passing through the central axis is substantially sinusoidal. However, if the microstructure is a cone or a shape similar to the cone, it is more desirable because the refractive index changes continuously at the air interface.
[0141]
It is preferable that the distance between adjacent microstructures is small. This is because the plane portion between the adjacent microstructures has the same reflection characteristics as in the related art. In addition, the bottom shape of the microstructure may be any of a circle, an ellipse, a quadrangle, a hexagon, a polygon such as a triangle, and the like. Since the maximum value is obtained, the effect of suppressing reflection of incident light is further improved.
[0142]
Either structure has the same effect on transmitted light as the refractive index changes very gently on the surface where the periodic structure is formed, so that reflection is reduced. Such a periodic microstructure serves as an antireflection means having a wider band than an ordinary antireflection film and having a small incident angle dependence.
[0143]
The first and second transparent substrates 124 and 125 forming the first bonded transparent plate 127 are formed by spacers 136 and 137, and the first and second transparent substrates 128 and 129 forming the second bonded transparent plate 131 are formed by the spacers 136 and 137. Spaces (thicknesses of the air layers 126 and 130) are regulated and fixed by the spacers 138 and 139, respectively. The spacers 136 and 137 and the spacers 138 and 139 are thin films made of metal or dielectric formed by vapor deposition. In the present embodiment, the spacing between the surfaces forming the air layers 126 and 130 is about 5 μm.
[0144]
The spacers 136, 137, 138, and 139 form first and second transparent substrates 124 and 125 forming the first bonded transparent plate 127 and first and second transparent substrates 128 forming the second bonded transparent plate 131, respectively. , 129 need not be provided on the entire surface outside the optically effective area on the air layer side, but may be formed at four corners.
[0145]
When the spacers 136, 137, 138, and 139 are formed, the optically effective area is shielded so that a metal or a dielectric does not adhere to the area where the periodic structure is formed. The spacers 136, 137, 138, and 139 formed at the four corners are thin films having a uniform thickness. Normally, in the deposition of an optical thin film, the thickness accuracy is on the order of several nm, the error is extremely small, and as a result, the air layers 126 and 130 with extremely high parallelism can be formed.
[0146]
Each angle condition in the total reflection prism 140 preferably satisfies Expressions (5) to (9), as in the third embodiment.
[0147]
The third surface 117 of the first prism 112 is a polished smooth surface or a mirror surface. Therefore, the unnecessary light 135 totally reflected at the air interface of the first transparent substrate 124 of the first bonded transparent plate 127 and incident on the third surface 117 of the first prism 112 passes therethrough and goes out of the total reflection prism 140. Emit. Therefore, the unnecessary light 135 does not reach the screen.
[0148]
According to the present embodiment, it is possible to realize a total reflection prism in which the transmission characteristics of the image forming light are improved and the unnecessary light 135 does not travel toward the screen at all. In addition, since the periodic structure is not formed directly on the first to third prisms but is formed on a transparent substrate, a thin air layer having a high antireflection effect can be easily and inexpensively formed.
[0149]
(Embodiment 5)
Next, a projection type display device according to a fifth embodiment using the prism device of the present invention is shown in FIG.
[0150]
As shown in FIG. 7, the projection display device according to the fifth embodiment includes at least a projection lens 161, a prism device 162, and a light source 163.
[0151]
The light source 163 includes a lamp 165 and a concave mirror 166. The light from the lamp 165 disposed at the first focal point f1 of the concave mirror 166 is reflected by the concave mirror 166 and is efficiently condensed on the second focal point f2, and then passes through the condenser lens 167, the reflection mirror 168, and the field lens 169. After that, the light enters the prism device 162.
[0152]
The prism device 162 is the prism device described in the first embodiment and configured by the total reflection prism 44 and the spatial light modulation element 31. Light incident on the prism device 162 is reflected by the total reflection surface of the total reflection prism 44 and illuminates the spatial light modulator 31. In the present embodiment, a DMD is used as the spatial modulation element 31. The spatial light modulator 31 is driven by a video signal to form an optical image. The optical image on the spatial modulation element 31 is illuminated by light emitted from the light source 163, and the direction of reflected light is controlled for each pixel. The image forming light 40 enters the projection lens 161, and an optical image is enlarged and projected on a screen (not shown).
[0153]
In addition, the prism device 162 is not limited to the one described in the first embodiment, and may be any of the prism devices described in the second to fourth embodiments.
[0154]
According to the projection display apparatus of the fifth embodiment, by using the above-described prism apparatus of the present invention, the transmission characteristics of image forming light are good, and unnecessary light does not enter the projection lens. High-quality image display with good contrast can be performed.
[0155]
(Embodiment 6)
Next, a projection display according to a sixth embodiment using the prism device of the present invention is shown in FIG.
[0156]
As shown in FIG. 8A, the projection display device according to the sixth embodiment includes at least a projection lens 161, a prism device 172, and a light source 173, as in the fifth embodiment. However, the projection display device according to the sixth embodiment differs from the projection display device according to the fifth embodiment in that the light from the light source 173 is temporally limited to three colors of blue, green, and red. A time-division color separation unit 190 for transmitting the light through the light source, and an illumination optical system 178 for uniformly illuminating the effective display area of the spatial light modulator 111. The lamp 175 of the light source 173 emits white light. The same components as those in FIG. 7 showing the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0157]
The light source 173 includes a lamp 175 and a concave mirror 176. White light from the lamp 175 arranged at the first focal point f1 of the concave mirror 176 is reflected by the concave mirror 176 and is efficiently collected on the second focal point f2.
[0158]
A color wheel is disposed near the second focal point f2 as the time-division color separation unit 190. As shown in FIG. 8B, the color wheel 190 has three fan-shaped color filters having the same central angle, and each color filter has a red (R), green (G), and blue (B) color filter, respectively. Transmits colored light. A disc-shaped color wheel 190 provided with three color filters is rotated at high speed about a central axis 191 by a motor (not shown) such as a motor.
[0159]
As a result, the white light from the light source 173 is color-separated into three colors of blue, green, and red by the time-division color separation means 190 at regular time intervals, passes therethrough, and enters the illumination optical system 178.
[0160]
The illumination optical system 178 is for efficiently equalizing the light beam from the light source 173, and the condenser lens 179, the first lens array 180, the second lens array 181, and the relay lens 182 They are arranged in order.
[0161]
Light that has passed through the color wheel 190 is converted by the condenser lens 179 into substantially parallel light. The converted substantially parallel light enters the first lens array 180. The first lens array 180 is composed of a plurality of lens elements having positive power arranged on a plane, and each of the plurality of lens elements having positive power has substantially the same shape as the effective display area of the spatial light modulator 111. It has a similar opening.
[0162]
The second lens array 181 is also formed of a plurality of positive power lens elements arranged on a plane similarly to the first lens array 180. Therefore, the substantially parallel light incident on the first lens array 180 is divided by the plurality of lens elements constituting the first lens array 180 to form the second lens array 181 corresponding to the lens elements one-to-one. An illuminant image is formed on each of the lens elements.
[0163]
A plurality of light beams emitted from each lens element constituting the second lens array 181 pass through the relay lens 182, are reflected by the reflection mirror 168, pass through the field lens 169, and enter the prism device 172.
[0164]
The prism device 172 is the prism device described in the fourth embodiment and includes the total reflection prism 140 and the spatial light modulator 111. Light incident on the prism device 172 is reflected by the total reflection surface of the total reflection prism 140 and illuminates the spatial light modulator 111. At this time, a plurality of light beams emitted from each lens element of the second lens array 181 are superimposed on the effective display area of the spatial light modulator 111. Thus, the effective display area of the spatial light modulator 111 is uniformly illuminated.
[0165]
In the present embodiment, a DMD is used as spatial modulation element 111. The spatial light modulator 111 is driven by a video signal corresponding to the color of incident light to form an optical image. The optical image on the spatial modulation element 111 is illuminated by light emitted from the light source 173, and the direction of reflected light is controlled for each pixel. The image forming light 133 enters the projection lens 161, and an optical image is enlarged and projected on a screen (not shown).
[0166]
The spatial modulation element 111 is illuminated with each of the red, green and blue color lights generated by the time-division color separation means 190 and switched at high speed in time, and the video signal for driving the spatial modulation element 111 is switched in accordance with the switching timing of the incoming color light. Thereby, a full-color enlarged projection image can be formed on the screen.
[0167]
According to the projection display device of the sixth embodiment, by using the above-described prism device of the present invention, the image forming light has good transmission characteristics, and unnecessary light does not enter the projection lens. A high-quality color image with good contrast can be displayed.
[0168]
The prism device 172 is not limited to the one described in the fourth embodiment, and may be any of the prism devices described in the first to third embodiments.
[0169]
Further, in the sixth embodiment, the white light source 173 and the time-division color separation unit 190 are used to illuminate the spatial light modulator 111 with color light that switches to blue, green, and red at regular time intervals, thereby expanding the full color. Although projection is realized, the present invention is not limited to this. For example, a full-color image can also be formed by using three light sources that emit a single color of blue, green, and red as the light sources and sequentially illuminating the spatial light modulator 111 with the light emission time of each light source being switched at regular intervals. Examples of such a light source include a light source using a high-brightness LED and a laser.
[0170]
(Embodiment 7)
Next, a rear projector according to Embodiment 7 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a configuration diagram of a rear projector according to the seventh embodiment of the present invention.
[0171]
As shown in FIG. 9, the rear projector according to the seventh embodiment includes a projection display device 201, a mirror 202 that bends light projected from a projection lens included in the projection display device 201, and a projected light. And a screen 203 for displaying an image by transmitting and scattering light. Reference numeral 204 denotes a housing for housing components. The projection display device 201 is the same as that described in Embodiment 5 or 6.
[0172]
The image light projected from the projection display device 201 is reflected by the mirror 202 and forms an image on the transmission screen 203.
[0173]
In the seventh embodiment, since the enlarged image reflected by the mirror 202 is projected on the transmissive screen 203, the depth and height of the set can be reduced, and a compact set can be realized.
[0174]
In addition, since the projection display device described in Embodiment 5 or 6 is used as the projection display device 201, it is brighter, has better contrast, and has higher image quality than a projection display device using a conventional prism device. Can be obtained.
[0175]
(Embodiment 8)
Next, a multi-vision system according to a twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a configuration diagram of the multi-vision system according to the eighth embodiment of the present invention.
[0176]
As shown in FIG. 10, the multi-vision system according to the eighth embodiment includes a plurality of projection display devices 211 and a plurality of transmission screens provided in one-to-one correspondence with each projection display device 211. 212 and video signal supply means 214 for supplying a video signal to each projection display device 211. Reference numeral 213 denotes a housing for housing the plurality of projection display devices 211 and the plurality of transmission screens 212. The projection display device 212 is similar to that shown in the fifth or sixth embodiment.
[0177]
The video signal supply unit 214 has a function of dividing a video signal for displaying one image and supplying different divided video signals to each projection display device 211. This function is achieved by a video division circuit provided in the video signal supply unit 214. Therefore, in the multivision system according to the eighth embodiment, the video signal of one image is divided by the video division circuit and sent to the plurality of projection display devices 211, and the image projected from each projection display device 211 is transmitted. Is imaged on the transmission screen 212 to form a single image as a whole.
[0178]
As described above, according to the multi-vision system according to the eighth embodiment, it is possible to realize high-quality image display that is bright, has good contrast, and has a large screen.
[0179]
Further, in the multi-vision system according to the seventh embodiment, the video signal supply unit 214 can supply video signals of mutually different and different images to the respective projection display devices 211. In this case, different images can be displayed on the respective transmissive screens 212, and various information can be displayed at the same time.
[0180]
In the multivision system according to the eighth embodiment, a sensor for detecting light output and color reproducibility at the start of lighting of each transmissive screen 212 may be attached to the housing 213. Thereby, the video signal supply unit 214 can process the luminance and chromaticity of the signal distributed to each projection display device 211 according to the light output and the color reproducibility at the start of lighting of each transmission screen 212. it can. Thus, even on a large screen including a plurality of transmissive screens 212, it is possible to obtain a display that is bright, has good contrast, and has excellent uniformity of display quality over the entire screen.
[0181]
In the first to fourth embodiments, the periodic structure is formed on both of the two opposing surfaces forming the air layer, but the present invention is not limited to this. Even if only one of them is used, the above-described effect of improving the transmission characteristics can be obtained although the effect is inferior.
[0182]
In the first to fourth embodiments, the DMD is used as the light valve, but the present invention is not limited to this. Any light valve having an element capable of independently controlling the traveling direction of light between the ON state and the OFF state in each pixel can be used.
[0183]
In the first to fourth embodiments, the thin film formed by vapor deposition is used as the spacer for regulating the thickness of the air layer, but the present invention is not limited to this. For example, the thickness of the air layer may be regulated by interposing minute spherical beads between two opposing surfaces.
[0184]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the prism device of the present invention, the total reflection characteristic at the interface with the air layer is maintained for the first light incident at an incident angle equal to or greater than the critical angle. However, for the second light (image forming light) incident at a relatively smaller incident angle than the first light, the reflection at the interface can be suppressed over almost the entire wavelength band of the incident light. it can. As a result, it is possible to provide a prism device with improved transmission characteristics of the second light. Therefore, by configuring an image display device using such a prism device, it is possible to realize bright, high-contrast image display with good contrast.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a prism device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of a periodic structure provided in the prism device shown in FIG.
3A is a perspective view schematically showing another periodic structure provided in the prism device shown in FIG. 1. FIG. 3B is a further periodic structure provided in the prism device shown in FIG. Perspective view showing the outline of
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a prism device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a prism device according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a prism device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a projection display apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 8A is a schematic configuration diagram of a projection display apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 8B is a front view showing a schematic configuration of a time-division color separation unit included in a projection display according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a rear projector according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a multi-vision system according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an example of a conventional projection display device.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional prism device.
FIG. 13 is a diagram showing the reflection characteristics of a general five-layer antireflection film.
[Explanation of symbols]
31 Light Bulb
32 1st prism
33 2nd prism
35 air layer
36 Illumination light
44 Total reflection prism

Claims (22)

ライトバルブと、前記ライトバルブ側から順に設けられた第1プリズム及び第2プリズムとを備え、
前記第1プリズムと前記第2プリズムとは空気層を挟んで結合され、
前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第2プリズムとの間に前記空気層を形成する第2面と、光が入射する第3面とを有し、
前記第2プリズムは、前記第1プリズムとの間に前記空気層を形成する第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、
前記第1プリズムの前記第2面と前記第2プリズムの前記第1面のうちの少なくとも一方に、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とするプリズム装置。
A light valve, and a first prism and a second prism provided in order from the light valve side;
The first prism and the second prism are coupled with an air layer interposed therebetween,
The first prism has a first surface close to the light valve, a second surface forming the air layer between the second prism, and a third surface on which light is incident.
The second prism has a first surface on which the air layer is formed between the first prism and the first prism, and the reflected light from the light valve is emitted, and is substantially parallel to the first surface of the first prism. It has a second surface and a third surface,
A prism device, wherein at least one of the second surface of the first prism and the first surface of the second prism has a periodic structure with a pitch smaller than the wavelength of incident light.
ライトバルブと、第1プリズムと、第2プリズムと、貼り合わせ透明板とを備え、
前記ライトバルブ側から順に、前記第1プリズム、前記貼り合わせ透明板、前記第2プリズムが配置されており、
前記貼り合わせ透明板は、前記第1及び第2プリズムと屈折率が実質的に等しい第1透明基板と第2透明基板とが、空気層を挟んで結合されてなり、
前記第1プリズム及び前記第1透明基板、前記第2プリズム及び前記第2透明基板は、それぞれ透明接着剤で接合されており、
前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第1透明基板と接合されている第2面と、光が入射する第3面とを有し、
前記第2プリズムは、前記第2透明基板と接合されている第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、
前記第1透明基板及び前記第2透明基板の前記空気層と接する面のうちの少なくとも一方に、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とするプリズム装置。
A light valve, a first prism, a second prism, and a laminated transparent plate;
In order from the light valve side, the first prism, the bonded transparent plate, and the second prism are arranged,
The bonded transparent plate is formed by bonding a first transparent substrate and a second transparent substrate having substantially the same refractive index as the first and second prisms with an air layer interposed therebetween.
The first prism and the first transparent substrate, the second prism and the second transparent substrate are respectively bonded with a transparent adhesive,
The first prism has a first surface close to the light valve, a second surface bonded to the first transparent substrate, and a third surface on which light is incident,
The second prism has a first surface bonded to the second transparent substrate, and a second surface that emits reflected light from the light valve and is substantially parallel to the first surface of the first prism. , A third surface,
A prism device, wherein at least one of the first transparent substrate and the second transparent substrate in contact with the air layer has a periodic structure with a pitch smaller than the wavelength of incident light.
前記ライトバルブに空気中から入射する場合の照明光の入射角をθ0、光線が空気中から前記プリズムに前記入射角θ0で入射した場合の前記プリズム中での屈折角をθ1、前記プリズム中の臨界角をθ2、前記第1プリズムの前記第2面と前記第3面とがなす角度をθ3、前記第2プリズムの前記第1面と前記第2面とがなす角度をθ4、前記プリズムの屈折率をnとすると、以下の条件を満たしている請求項1又は2に記載のプリズム装置。
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
The incident angle of the illumination light when incident on the light valve from the air is θ0, the refraction angle in the prism when the light beam is incident on the prism at the incident angle θ0 from the air is θ1, The critical angle is θ2, the angle between the second surface and the third surface of the first prism is θ3, the angle between the first surface and the second surface of the second prism is θ4, the angle of the prism is The prism device according to claim 1, wherein the following condition is satisfied, where n is a refractive index.
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
ライトバルブと、前記ライトバルブ側から順に設けられた第1プリズム、第2プリズム、及び第3プリズムとを備え、
前記第1プリズムと前記第2プリズム、及び前記第2プリズムと前記第3プリズムは、それぞれ空気層を挟んで結合され、
前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第2プリズムとの間に前記空気層を形成する第2面と、前記ライトバルブからの反射光が入射する第3面とを有し、
前記第2プリズムは、前記第1プリズムとの間に前記空気層を形成する第1面と、前記第3プリズムとの間に前記空気層を形成する第2面と、光が入射する第3面とを有し、
前記第3プリズムは、前記第2プリズムとの間に前記空気層を形成する第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、
前記第1プリズムの前記第2面、前記第2プリズムの前記第1面、前記第2プリズムの前記第2面、及び前記第3プリズムの前記第1面のうちの少なくとも一つに、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とするプリズム装置。
A light valve, and a first prism, a second prism, and a third prism provided in order from the light valve side;
The first prism and the second prism, and the second prism and the third prism are respectively coupled via an air layer,
The first prism has a first surface adjacent to the light valve, a second surface forming the air layer between the second prism, and a third surface on which light reflected from the light valve is incident. Has,
The second prism has a first surface forming the air layer between the first prism and the second prism, a second surface forming the air layer between the third prism, and a third surface on which light is incident. Surface and
The third prism has a first surface forming the air layer between the second prism and the first prism, and the reflected light from the light valve is emitted, and is substantially parallel to the first surface of the first prism. It has a second surface and a third surface,
Incident light is incident on at least one of the second surface of the first prism, the first surface of the second prism, the second surface of the second prism, and the first surface of the third prism. A periodic structure having a pitch smaller than the wavelength of the prism device.
ライトバルブと、第1プリズムと、第2プリズムと、第3プリズムと、第1貼り合わせ透明板と、第2貼り合わせ透明板とを備え、
前記ライトバルブ側から順に、前記第1プリズム、前記第1貼り合わせ透明板、前記第2プリズム、第2貼り合わせ透明板、及び前記第3プリズムが配置されており、
前記第1及び第2貼り合わせ透明板は、いずれも前記第1〜第3プリズムと屈折率が実質上等しい第1透明基板と第2透明基板とが、空気層を挟んで結合されてなり、
前記各透明基板と、これと隣り合う前記プリズムとは透明接着剤で接合されており、
前記第1プリズムは、前記ライトバルブに近接する第1面と、前記第1貼り合わせ透明板の前記第1透明基板と接合されている第2面と、前記ライトバルブからの反射光が入射する第3面とを有し、
前記第2プリズムは、前記第1貼り合わせ透明板の前記第2透明基板と接合されている第1面と、前記第2貼り合わせ透明板の前記第1透明基板と接合されている第2面と、光が入射する第3面とを有し、
前記第3プリズムは、前記第2貼り合わせ透明板の前記第2透明基板と接合されている第1面と、前記ライトバルブからの反射光が出射し、かつ前記第1プリズムの前記第1面と略平行な第2面と、第3面とを有し、
前記第1貼り合わせ透明板の前記第1及び第2透明基板、及び前記第2貼り合わせ透明板の前記第1及び第2透明基板の前記空気層と接する面のうちの少なくとも一つに、入射光の波長より小さいピッチの周期構造を有することを特徴とするプリズム装置。
A light valve, a first prism, a second prism, a third prism, a first bonded transparent plate, and a second bonded transparent plate;
In order from the light valve side, the first prism, the first bonded transparent plate, the second prism, the second bonded transparent plate, and the third prism are arranged,
The first and second bonded transparent plates are each formed by combining a first transparent substrate and a second transparent substrate having substantially the same refractive index as the first to third prisms with an air layer interposed therebetween,
Each of the transparent substrates and the prism adjacent thereto are bonded with a transparent adhesive,
The first prism has a first surface proximate to the light valve, a second surface of the first bonded transparent plate joined to the first transparent substrate, and reflected light from the light valve incident thereon. A third surface,
The second prism is a first surface of the first bonded transparent plate bonded to the second transparent substrate, and a second surface of the second bonded transparent plate bonded to the first transparent substrate. And a third surface on which light is incident,
The third prism includes a first surface of the second bonded transparent plate joined to the second transparent substrate, a light beam emitted from the light valve, and a first surface of the first prism. A second surface substantially parallel to and a third surface,
The light is incident on at least one of the first and second transparent substrates of the first bonded transparent plate and the surface of the first and second transparent substrates of the second bonded transparent plate which is in contact with the air layer. A prism device having a periodic structure with a pitch smaller than the wavelength of light.
前記ライトバルブに空気中から入射する場合の照明光の入射角をθ0、光線が空気中から前記プリズムに前記入射角θ0で入射した場合の前記プリズム中での屈折角をθ1、前記プリズム中の臨界角をθ2、前記第2プリズムの前記第2面と前記第3面とがなす角度をθ3、前記第3プリズムの前記第1面と前記第2面とがなす角度をθ4、前記ライトバルブから出射する光線の空気中での出射角をθ5、前記第1プリズムの前記第1面と前記第2面とがなす角度をθ6、前記プリズムの屈折率をnとすると、以下の条件を満たしている請求項4又は5に記載のプリズム装置。
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
The incident angle of the illumination light when incident on the light valve from the air is θ0, the refraction angle in the prism when the light beam is incident on the prism at the incident angle θ0 from the air is θ1, The critical angle is θ2, the angle between the second surface and the third surface of the second prism is θ3, the angle between the first surface and the second surface of the third prism is θ4, The following condition is satisfied, assuming that the emission angle of the light beam emitted from the air in the air is θ5, the angle between the first surface and the second surface of the first prism is θ6, and the refractive index of the prism is n. The prism device according to claim 4 or 5, wherein:
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
Figure 2004191878
前記第1プリズムの前記第3面に光吸収手段を備える請求項4又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 4, further comprising a light absorbing unit on the third surface of the first prism. 前記第1プリズムの前記第3面が研磨面又は鏡面である請求項4又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 4, wherein the third surface of the first prism is a polished surface or a mirror surface. 前記ライトバルブは反射型であり、映像信号に応じて画素ごとに光の進行方向を制御することにより画像を形成する空間光変調素子である1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to 1, 2, 4, or 5, wherein the light valve is a reflection type, and is a spatial light modulation element that forms an image by controlling a traveling direction of light for each pixel according to a video signal. 前記空気層と接する対向する2面の光学有効領域外に金属又は誘電体からなる薄膜が形成されており、前記薄膜が前記空気層の厚さを規制する請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。6. A thin film made of a metal or a dielectric is formed outside two opposing optically effective areas in contact with the air layer, and the thin film regulates the thickness of the air layer. The prism device according to item 1. 前記薄膜は、フッ化マグネシウム、二酸化シリコン、又は二酸化チタンからなる請求項10に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 10, wherein the thin film is made of magnesium fluoride, silicon dioxide, or titanium dioxide. 前記周期構造は、入射光の波長の1/2以下のピッチを有する請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 1, 2, 4, or 5, wherein the periodic structure has a pitch equal to or less than half the wavelength of the incident light. 前記周期構造は、そのピッチの1倍以上の高さを有する請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 1, 2, 4, or 5, wherein the periodic structure has a height that is at least one time the pitch thereof. 前記周期構造は、そのピッチの3倍以上の高さを有する請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 1, wherein the periodic structure has a height that is at least three times the pitch. 前記周期構造を構成する一単位が錐体である請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 1, wherein one unit constituting the periodic structure is a cone. 前記周期構造を構成する一単位の底面形状が略正6角形である請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 1, 2, 4, or 5, wherein a bottom shape of one unit constituting the periodic structure is a substantially regular hexagon. 前記入射光の波長帯の下限値が400nmである請求項1、2、4、又は5に記載のプリズム装置。The prism device according to claim 1, 2, 4, or 5, wherein a lower limit value of a wavelength band of the incident light is 400 nm. 請求項1〜17のいずれかに記載のプリズム装置と、光源と、投射レンズとを備え、
前記光源からの光が前記プリズム装置に入射し、前記ライトバルブで変調された後、前記プリズム装置を出射し、前記投写レンズにより投写される投写型表示装置。
A prism device according to any one of claims 1 to 17, a light source, and a projection lens.
A projection display device in which light from the light source enters the prism device, is modulated by the light valve, exits the prism device, and is projected by the projection lens.
前記光源からの光が入射して青、緑、赤の3色に時間的に制限して出射する時分割色分離手段を更に備え、
前記ライトバルブは入射する光の色に応じた光学像を形成する請求項18に記載の投写型表示装置。
Further provided is a time-division color separation unit in which light from the light source enters, and is time-limited to three colors of blue, green, and red and emitted.
19. The projection display device according to claim 18, wherein the light valve forms an optical image according to a color of incident light.
請求項18又は19に記載の投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を折り曲げるミラーと、前記投写された光を透過散乱させて画像を表示する透過型スクリーンとを少なくとも備えるリアプロジェクタ。20. At least a projection type display device according to claim 18 or 19, a mirror for bending light projected from the projection type display device, and a transmission type screen for displaying an image by transmitting and scattering the projected light. Rear projector. 請求項18又は19に記載の複数の投写型表示装置と、前記投写型表示装置と一対一に対応する複数の透過型スクリーンと、複数の前記投写型表示装置に映像信号を供給する映像信号供給手段とを少なくとも備えるマルチビジョンシステム。20. A plurality of projection display devices according to claim 18 or 19, a plurality of transmissive screens corresponding one-to-one with the projection display devices, and a video signal supply for supplying video signals to the plurality of projection display devices. And a multi-vision system comprising: 前記映像信号供給手段は、一の画像の映像信号を分割して、分割された異なる映像信号を複数の前記投写型表示装置にそれぞれ供給し、複数の前記透過型スクリーン全体で前記一の画像を表示する請求項21に記載のマルチビジョンシステム。The video signal supply unit divides a video signal of one image, and supplies each of the divided different video signals to the plurality of projection display devices. 22. The multi-vision system according to claim 21 for displaying.
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