JP2005115112A - 画像投影光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない２つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムを利用したときに、貼り合わせ精度に起因する光量損失を軽減させることができる偏光変換素子を配置する。
【解決手段】 光束の中から１色の色成分のみを偏向して合成プリズムの第一の面に入射させる第一の偏向手段と、２色の色成分を、それぞれ異なった偏光状態にしつつ、第二の面に入射させる第二の偏向手段と、各色成分を変調させる、各色に対応した、第一から第三の反射型液晶素子と、変調後、合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群とを有し、第二の偏向手段は、該２色の色成分のうち１色の色成分のみを反射させる第一の反射手段と、各色成分の偏光状態を変換する偏光手段と、該各色成分を反射させる第二の反射手段とを貼り合わせたことにより形成されている。
【選択図】 図３

Description

この発明は、反射型液晶を利用した画像投影光学系であって、特に、対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない２つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムを利用して画像を投影する画像投影光学系に関する。

従来、例えばカラー液晶プロジェクタ等の装置に備えられた画像投影光学系には、光変調手段として使用する液晶素子の種類によって、透過型液晶を備えたタイプと反射型液晶を備えたタイプとの二種類に分類される。反射型液晶を備えたタイプは、透過型液晶を備えたタイプに比べ、液晶膜が薄く構成されており、ＯＮ−ＯＦＦの応答速度が速い、ライフサイクルが長い、光の利用効率が高い等の利点を有する。従って、反射型液晶を備えた画像投影光学系は、その実用性の高さから近年急速に普及している。

反射型液晶を備えた画像投影光学系には、代表的な構成として、１枚の反射型液晶を備えた反射液晶単板式と、３枚の反射型液晶を備えた反射液晶３板式とがある。単板式は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を１枚の液晶で変調することにより所定の画像を投影する。これに対して３板式は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を各液晶で変調することにより所定の画像を投影する。従って３板式は、単板式と比べて、大型化し、かつ製造コストも掛かる。しかし３板式は、各色成分を各液晶で変調させている為、単板式と比べて画質が高いという利点を有している。近年、３板式について種々の開発がなされ、様々な構造を有した画像投影光学系が実用に供されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−０９８９３７号公報

上述したように、３板式は、反射型液晶を３枚備えている為、大型化し易い。特に、各反射型液晶により変調された各色成分を合成し、該合成画像をスクリーン上に投影する投影レンズ群に向けて射出する合成プリズムと、各反射型液晶との間に配置された偏光ビームスプリッタ等の偏光部材は、画像投影光学系を大型化させる大きな要因となっている（特許文献１参照）。また、投影レンズ群から各反射型液晶までの光路長が長いと、該投影レンズ群の焦点距離を短くし難い。そのため投影画像を大画面（広角）で投影させることが難しかった。これらの問題点を解決すべく、近年、対角線を含む面上に配置された、互いに直交しない２つの偏向手段を含んだ立方体状の合成プリズムが提案されている（非特許文献１参照）。
有限会社ハイメック、[平成１５年７月検索]、インターネット〈http://www5.ocn.ne.jp/~hi-mec/topix.htm〉

上述の如き合成プリズム（非特許文献１）を画像投影光学系に採用した場合、該プリズムのうちの２つの面からＲ、Ｇ、Ｂの各色成分を入射させ、該プリズム内で該各色成分を合成させ、スクリーンに向けて射出させることが可能となる。この場合、ある１つの面から１つの色成分を入射させ、上記面と別の１面から２つの色成分を入射させることが想定される。このとき、上記別の１面から入射された２つの色成分を、合成プリズム内の偏向手段（例えば偏光ビームスプリッタ）によりそれぞれ異なった箇所に位置する各反射型液晶に導く必要がある。そのためには、上記別の１面に入射する際の２つの色成分の偏光状態を、それぞれ異なった状態にする必要がある。そこで、特許文献２の図１、図４、及び図５の如き偏光変換素子を応用して２つの色成分をそれぞれ異なった偏光状態に変換し、合成プリズムに入射させることが想定される。
特開２００２−４０２４６号公報

図６は、非特許文献１の合成プリズムを画像投影光学系に採用した場合に該光学系内に配置され得る偏光変換素子１の断面を示した断面図である。偏光変換素子１は、断面形状が平行四辺形のプリズム２ａとプリズム２ｂとを交互に貼り合わせたものである。プリズム２ａ及びプリズム２ｂは、図６中上面に入射面３を有し、下面に射出面６を有している。プリズム２ａは、図６中右側面に偏光分離膜４を有し、左側面に反射膜５を有している。また、プリズム２ｂは、図６中右側面に光吸収膜７を有している。偏光分離膜４は、Ｒ成分を透過しＧ成分を反射させる機能を果たすとともに、透過させた光束の偏光状態を９０度回転させる機能も果たす。また、反射膜５は、全帯域を反射させる機能を果たす。また、光吸収膜７は、全帯域を吸収する機能を果たす。なお、この例では、光源部側から偏光変換素子１に対して、Ｐ波の偏光状態であるＲ成分（以下、Ｒｐ成分）及びＧ成分（以下、Ｇｐ成分）が射出されるものとする。次に、偏光変換素子１の作用を説明する。

光源部から射出されたＲｐ成分及びＧｐ成分が入射面３からプリズム２ａ内に入射すると、該成分のうちＲｐ成分は、偏光分離膜４を透過し該膜４の作用によりＳ波の偏光状態（以下、Ｒｓ成分）となり、射出面６から射出される。また、該成分のうちＧｐ成分は、偏光分離膜４により反射され、さらに反射膜５により反射され、Ｇｐ成分のまま射出面６から射出される。その後、射出面６から射出されたＲｓ成分及びＧｐ成分は、合成プリズムに入射され、該プリズム内の偏向手段によりそれぞれ異なった方向に偏向され、各反射型液晶に導かれる。

すなわち、光源部と合成プリズムとの間に上述の如き偏光変換素子を配置することにより、各色成分はそれぞれ異なった偏光状態となり合成プリズムに導かれる。従って上述の如き偏光変換素子を採用すると、合成プリズムの１面から２つの色成分を入射させた場合であっても、該各色成分を、各反射型液晶に導くことができる。

ところが、上述の如き偏光変換素子は、平行四辺形のプリズムを多数貼り合わせて形成されていることに起因した問題点を有している。すなわち上述の如き偏光変換素子では、該プリズムを貼り合わせる毎に貼り合わせの際に生じる誤差が徐々に蓄積されて行く為、プリズムの数が多ければ多いほど最終的な該誤差が大きくなってしまう。その結果、光束が正確に入射せず散乱してしまい、光量損失が大きくなってしまう。光量損失増加を防止する為には、上記プリズム１つ１つの貼り合わせ精度を高精度に保つ必要がある。しかしながら貼り合わせ精度を向上させると、不良率が上昇したり製造コストが増加したりしてしまう。そのため、比較的簡単に製造でき、かつ性能上問題のない偏光変換素子が要求されている。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、上述の如き合成プリズムを利用した画像投影光学系であって、貼り合わせ精度に起因する光量損失を軽減させることができる偏光変換素子を備えた画像投影光学系を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明の一態様に係る画像投影光学系は、対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない２つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムであって、所定の面から入射されるＲ、Ｇ、Ｂの各色成分を合成して射出する合成プリズムを利用して画像を投影する光学系であって、第一の偏光状態であり、各色成分を含んだ光束を射出する照明手段と、該光束の中から１色の色成分のみを偏向し、該偏向した色成分を、合成プリズムの第一の面に入射させる第一の偏向手段と、該偏向されなかった２色の色成分を、それぞれ異なった偏光状態にしつつ、第一の面と異なる第二の面に入射させる第二の偏向手段と、各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させるとともに、第一の偏光状態を９０度回転した第二の偏光状態にする、各色に対応した、第一から第三の反射型液晶素子と、変調後、合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群とを有しており、第二の偏向手段は、該２色の色成分のうち１色の色成分のみを反射させる第一の反射手段と、各色成分の偏光状態を変換する偏光手段と、該各色成分を反射させる第二の反射手段とを貼り合わせたことにより形成されている。すなわち、本発明の画像投影光学系に備えられた第二の偏向手段は、少数枚の光学素子を貼り合わせたことにより形成されている。従って、第二の偏向手段の各素子を高い精度で貼り合わせなくても貼り合わせ誤差に起因する光量損失は少ない。つまり第二の偏向手段によると、光束を効率良く偏光及び偏向させられる。

また、上記画像投影光学系において、第二の偏向手段は、照明手段側から、第一の反射手段、偏光手段、第二の反射手段の順になるよう配置されていてもよい。

また、上記画像投影光学系において、偏光手段はλ／４波長板であってもよい。

また、上記画像投影光学系において、第一から第三の反射型液晶素子の各々は、それぞれ異なった面であって、合成プリズムの一角に接する３面のいずれかの面近傍に配置されていてもよいし、該３面のいずれかの面に貼り付けられていてもよい。

また、上記画像投影光学系において、２色の色成分はＲ成分とＧ成分であって、第一の反射手段はＧ成分のみを反射させるものであってもよい。

上記画像投影光学系において、第一の偏光状態はＰ偏光である。また、合成プリズム内の２つの偏向手段は、Ｐ波を透過し、Ｓ波を反射する機能を果たすものであってもよい。

本発明の画像投影光学系は、２色の色成分をそれぞれ異なった偏光状態にしつつ合成プリズムに入射させる偏向手段であって、少数枚の光学素子を貼り合わせたことにより形成された偏向手段を備えている。該偏向手段は貼り合わせ枚数が少ない為、該偏向手段を画像投影光学系に採用すると、貼り合わせ誤差に起因する光量損失を軽減させることができる。従って、該２色の色成分を効率良く偏光及び偏向させることができる。また、高い精度で各光学素子を貼り合わせる必要がない為、製造コスト及び不良率を抑えられる。

図１は、本発明の第１の実施形態の画像投影光学系１０の構成を模式的に示した図である。画像投影光学系１０は、スクリーン上に所定の画像情報を投影するカラー液晶プロジェクタ等の装置に備えられた光学系であって、画像を投影する為の光を照射する光源部と、該光源部から照射された光束を所定の状態にする光学系と、該所定の状態にされた光束に画像情報を付加する液晶素子、及び該画像情報が付加された光束をスクリーン上に投影する光学系から構成されている。また、該画像投影光学系１０は、反射型の液晶を利用して画像情報を投影するものであって、３枚の液晶素子を備えた３板式からなる。以下に、図１を用いて、この画像投影光学系１０の構成及び作用を説明する。

画像投影光学系１０は、光源部１１０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１２２と、偏光変換素子１２４と、コンデンサレンズ１２６と、フィールドレンズ１２８と、第１プリズム部１３０と、第２プリズム部１４０と、合成プリズム１５０と、Ｒ用反射型液晶素子１６０Ｒと、Ｇ用反射型液晶素子１６０Ｇと、Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂと、投影レンズ群１７０から構成されている。

光源部１１０は、高圧水銀ランプ１１２及び放物面リフレクタ１１４を有している。高圧水銀ランプ１１２から照射された白色光は、放物面リフレクタ１１４で反射して第１レンズアレイ１２０に導かれる。該白色光は、第１レンズアレイ１２０の作用によりその強度分布が均一化され、かつ平行光に変換されて後段にある第２レンズアレイ１２２に導かれる。第２レンズアレイ１２２に入射された白色光は、該レンズアレイ１２２の作用によりその強度分布がさらに均一化され、光軸と直交する断面の形状が略直方状の光束として偏光変換素子１２４に導かれる。

偏光変換素子１２４は入射されるＰ波とＳ波の混在光をすべてＰ波に偏光する機能を果たす。このとき該素子１２４に入射された白色光は、該素子１２４の作用によりその偏光状態がＰ波に揃えられ、該素子１２４からコンデンサレンズ１２６に向けて射出される。

コンデンサレンズ１２６に入射された白色光は、画像投影光学系１０の光軸に向けて集光されていき、フィールドレンズ１２８に入射され、再び平行光となる。平行光とされた白色光は、次に、第１プリズム部１３０に導かれる。

なお、コンデンサレンズ１２６及びフィールドレンズ１２８を通過した白色光は、第１及び第２レンズアレイの作用により、第１の方向（コンデンサレンズ１２６においては図１の紙面に対して平行な方向）と、該第１の方向と直交する第２の方向（コンデンサレンズ１２６においては図１の紙面に対して垂直な方向）とでそれぞれ異なった径を有した、光軸と直交する断面の形状が略直方状の平行光に整形される。このとき第２の方向の白色光の径を長軸として第１の方向の白色光の径を短軸とした場合、該長軸と該短軸との径の比は、例えば、１６：９であったり、４：３であったりする（ここでは１６：９とする）。この白色光の縦横比（別の言い方をするとアスペクト比）は、スクリーン上に投影される投影画像のアスペクト比と一致する。そのため本実施形態の画像投影光学系１０では、フィールドレンズ１２８から射出された白色光は、後述する該光学系１０の作用により画像投影に効率良く利用される。従って、本実施形態の画像投影光学系１０を採用すると、明るい画像をスクリーン上に投影できる。

図２は、本発明の第１の実施形態の画像投影光学系１０の構成要素である合成プリズム１５０近傍の構成を拡大して示した斜視図である。図２によると、第１プリズム部１３０及び第２プリズム部１４０は、それぞれ複数個のプリズムから形成されている。以下に、図１に加えて図２を用いて、この合成プリズム１５０近傍の構成及び作用を説明する。

第１プリズム部１３０は、Ｂ用ダイクロイックミラー面１３１と、ミラー面１３２、１３３、１３４を有している。該Ｂ用ダイクロイックミラー面１３１は、４００ｎｍから４９０ｎｍまでの帯域の光、すなわちＢ成分を反射させ、他の帯域の光を透過させる機能を果たす。また、ミラー面１３２、１３３、１３４は、全ての帯域の光を反射する機能を果たす。なお、Ｂ用ダイクロイックミラー面１３１と同様に、ミラー面１３２、１３３、及び１３４にもＢ成分のみを反射する機能を付与してもよい。

フィールドレンズ１２８を射出した白色光は、第１プリズム部１３０に入射され、該プリズム部１３０内をＢ用ダイクロイックミラー面１３１に向かって進行していく。そしてＢ用ダイクロイックミラー面１３１に入射すると、該白色光は、Ｂ成分のみが該ミラー面１３１の作用により９０度折り曲げられて反射され、ミラー面１３２に向かって進行する（このときのＢ成分の進行方向は図１の紙面と平行方向）。また、Ｂ成分以外の色成分、すなわちＲ成分及びＧ成分は、Ｂ用ダイクロイックミラー面１３１を透過して第２プリズム部１４０に向かって進行する。

ミラー面１３２の作用により反射されたＢ成分は、該ミラー面１３２の作用により９０度折り曲げられて反射され、ミラー面１３３に向かって進行する（このときのＢ成分の進行方向は図１の紙面と垂直方向）。そしてミラー面１３３の作用により９０度折り曲げられて反射され、ミラー面１３４に向かって進行する（このときのＢ成分の進行方向は図１の紙面と平行方向）。さらにＢ成分は、ミラー面１３４の作用により９０度折り曲げられて反射され、合成プリズム１５０に向かって進行する（このときのＢ成分の進行方向は図１の紙面と平行方向）。なお、このときＢ成分は、第１プリズム部１３０の各ミラー面の作用により複数回反射された結果、第１の方向に短軸を有し、第２の方向に長軸を有した光束として合成プリズム１５０に向かって進行する。

第２プリズム部１４０は、波長選択偏光ミラー面１４１と、ミラー面１４２を有している。図３は、第２プリズム部１４０の中から波長選択偏光ミラー面１４１の断面のみを抽出した図である。波長選択偏光ミラー面１４１は、Ｇ用ダイクロイックミラー１４１ａと、λ／４波長板１４１ｂと、ミラー１４１ｃとを貼り合わせたものである。該Ｇ用ダイクロイックミラー１４１ａは、４９０ｎｍから５８０ｎｍまでの帯域の光、すなわちＧ成分を反射させ、他の帯域の光を透過させる機能を果たす。λ／４波長板１４１ｂは、直線偏光の光を円偏光に変換し、また、円偏光の光を直線偏光に変換する機能を果たす。ミラー１４１ｃは、全ての帯域の光を反射する機能を果たす。

Ｂ用ダイクロイックミラー面１３１を透過した色成分、すなわちＲ成分及びＧ成分は、第２プリズム部１４０に入射し、該プリズム部１４０内を波長選択偏光ミラー面１４１に向かって進行していく。そして波長選択偏光ミラー面１４１（より具体的にはＧ用ダイクロイックミラー１４１ａ）に入射すると、Ｒ成分及びＧ成分のうちＧ成分のみが該ミラー面１４１ａの作用により９０度折り曲げられて反射され、ミラー面１４２に向かって進行する（このときのＧ成分の進行方向は図１の紙面と垂直方向）。そして該ミラー面１４２の作用により９０度折り曲げられて反射され、合成プリズム１５０に向かって進行する（このときのＧ成分の進行方向は図１の紙面と平行方向）。

また、Ｒ成分は、Ｇ用ダイクロイックミラー１４１ａを透過し、λ／４波長板１４１ｂの作用によりＰ波の直線偏光状態から円偏光状態に変換されてミラー１４１ｃに入射される。そして該ミラー１４１ｃの作用により９０度折り曲げられて反射され、再びλ／４波長板１４１ｂ及びＧ用ダイクロイックミラー１４１ａを透過する。このときＲ成分は、λ／４波長板１４１ｂの作用により円偏光状態から再び直線偏光状態に戻され、図１の紙面と垂直な方向に沿ってミラー面１４２に進行する。また、このときＲ成分は、λ／４波長板１４１ｂを２回通過する為、その偏光状態が９０度回転し、Ｓ波の直線偏光状態となってミラー面１４２に向かって進行する。そしてＲ成分は、該ミラー面１４２の作用により９０度折り曲げられて反射され、合成プリズム１５０に向かって進行する（このときのＲ成分の進行方向は図１の紙面と平行方向）。なお、Ｇ用ダイクロイックミラー１４１ａ及びλ／４波長板１４１ｂは極めて薄い。そのため、波長選択偏光ミラー面１４１の作用により生じるＲ成分とＧ成分との光路差は、極めて小さい。従って、該光路差は、スクリーン上に投影される画像に何ら支障を生じさせるものではない。

波長選択偏光ミラー面１４１は僅か３枚の光学素子を貼り合わせて形成されたものである。従来想定され得る偏光手段と比較すると、貼り合わされる素子数が格段に少ない。従って、各素子を高い精度で貼り合わせなくても貼り合わせ誤差に起因する光量損失が少ない。そのため、光束を効率良く偏光及び偏向させられる。結果、波長選択偏光ミラー面１４１の如き偏光変換素子を採用すると、製造コスト及び不良率を抑えられる。

Ｒ成分及びＧ成分は、第２プリズム部１４０の各ミラー面の作用により複数回反射された結果、第１の方向に長軸を有し、第２の方向に短軸を有した光束として合成プリズム１５０に入射する。すなわち、Ｂ成分と、Ｒ成分及びＧ成分とは、それぞれの進行方向と直交する方向に関し、合成プリズム１５０に対してその断面形状が互いに９０度回転された状態で入射する。別の観点から説明すると、第１プリズム部１３０及び第２プリズム部１４０は、それぞれのプリズム部に入射された光束を、上述の状態で合成プリズム１５０に射出するよう構成されている。この作用は特に投影画面の縦横比がそれぞれ異なった画像投影光学系に有効であり、以下、合成プリズム１５０の構成及び作用を説明する際にその有効性も併せて説明する。

合成プリズム１５０は、第１面１５１と、第２面１５２と、偏光ビームスプリッタ１５３、１５４と、第３面１５５を有している。第１面１５１は第１プリズム部１３０からのＢ成分が入射される面であり、第２面１５２は第２プリズム部１４０からのＲ成分及びＧ成分が入射される面である。また、第３面１５５は、第１面１５１及び第２面１５２に隣接する面であって、図２において奥側に位置する面である。偏光ビームスプリッタ１５３は、第１面１５１の対角線、及び該第１面１５１と対向する面の対角線を含む平面上に配置されている。また、偏光ビームスプリッタ１５４は、第２面１５２の対角線、及び該第２面１５２と対向する面の対角線を含む平面上に配置されている。偏光ビームスプリッタ１５３と偏光ビームスプリッタ１５４は、第１の方向及び第２の方向のいずれに関しても、互いが４５度ずれた状態で配置されている。

図４は、偏光ビームスプリッタ１５３及び偏光ビームスプリッタ１５４の偏光特性を示したグラフである。具体的には、図４（Ａ）は偏光ビームスプリッタ１５３の偏光特性を示し、図４（Ｂ）は偏光ビームスプリッタ１５４の偏光特性を示している。

図４（Ａ）によると、偏光ビームスプリッタ１５３は、Ｐ波に対して、極めて低い反射率を有している。具体的には、４００ｎｍから４９０ｎｍの帯域（すなわちＢ成分に相当する帯域）に対しては０．３％以下の反射率を有し、４９０ｎｍから５８０ｎｍの帯域（すなわちＧ成分に相当する帯域）に対しては１．０％以下の反射率を有し、５８０ｎｍから７００ｎｍの帯域（すなわちＲ成分に相当する帯域）に対しては０．３％以下の反射率を有している。

また、偏光ビームスプリッタ１５３は、Ｓ波に対して、帯域によって極めて高い反射率または低い反射率を有している。具体的には、４００ｎｍ（または４９０ｎｍ）以下の帯域に対しては極めて低い反射率を有し、４００ｎｍ（または４９０ｎｍ）より上の帯域に対しては９８．０％以上の反射率を有している。なお、４００ｎｍから４９０ｎｍの帯域に対しては、基本的には不問であって、特に反射率を所定の値（例えば低反射率）に設定する必要はない。

また、図４（Ｂ）によると、偏光ビームスプリッタ１５４は、Ｐ波に対して、帯域によって極めて高い反射率または低い反射率を有している。具体的には、４００ｎｍから５８０ｎｍの帯域（すなわちＢ成分及びＧ成分に相当する帯域）に対しては０．３％以下の反射率を有し、５８０ｎｍより上の帯域に対しては特に反射率は設定されていない。

また、偏光ビームスプリッタ１５４は、Ｓ波に対して、帯域によって極めて高い反射率または低い反射率を有している。具体的には、４００ｎｍから４９０ｎｍの帯域（すなわちＢ成分に相当する帯域）に対しては９８．０％以上の反射率を有し、５１５ｎｍから７００ｎｍの帯域（すなわちＧ成分及びＲ成分に相当する帯域）に対しては０．３％以下の反射率を有している。また、５００±５ｎｍの帯域に対しては５０．０％の反射率を有している。

合成プリズム１５０の各面には、各色に対応した反射型液晶素子が備えられている。具体的には、第１面１５１と対向する面にＢ用反射型液晶素子１６０Ｂが備えられ、第２面１５２と対向する面にＧ用反射型液晶素子１６０Ｇが備えられ、第３面１５５にＲ用反射型液晶素子１６０Ｒが備えられている。また、第３面１５５と対向する面の前面には、投影レンズ群１７０が配置されており、該投影レンズ群１７０のさらに前面には、画像が投影されるスクリーン（不図示）が配置されている。なお、各反射型液晶素子１６０Ｒ、１６０Ｇ、１６０Ｂは、上述した各面近傍に配置されていてもよいし、該各面に貼り付けられていてもよい。次に、合成プリズム１５０内における各色成分の作用を説明する。

先ず、Ｂ成分について説明する。Ｂ成分は、偏光変換素子１２４の作用によりＰ波の偏光状態（以下、Ｂｐ成分と称する）とされ、第１プリズム部１３０を介して第１面１５１から合成プリズム１５０内に入射される。Ｂｐ成分は、Ｐ波の偏光状態を有している為、その光路上に位置する偏光ビームスプリッタ１５４を透過し、第１面１５１と対向する面から射出され、Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂに入射される。

Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂは、周知の反射型液晶素子であって、第１の方向が短辺で、第２の方向が長辺となる変調領域（アスペクト比１６：９）を有する素子である。該Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂは、図示しない制御部の制御下、所定のＢ用の映像情報に基づいてＯＮビットに入射したＢｐ成分を、変調させて、偏光ビームスプリッタ１５４に向けて反射させる機能を果たす。なお変調の際、液晶の性質によって、反射光束の偏光状態は、入射光束の偏光状態が９０度回転したＳ偏光状態のＢ成分（以下、Ｂｓ成分と称する）となる。また、Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂは、ＯＦＦビットに入射したＢｐ成分を、変調させることなく該入射光路に向けて逆反射させる。反射されたＢｐ成分は、該入射光路を逆にたどり光源に戻ることとなる。

第１プリズム１３０を介して合成プリズム１５０に入射したＢｐ成分は、その断面が第１の方向に短軸を有し第２の方向に長軸を有した略直方状の光束であり、そのアスペクト比がＢ用反射型液晶素子１６０Ｂの変調領域と一致した状態で該素子１６０Ｂに入射される。そのためＢｐ成分は、該変調領域から溢れることなく該領域全体に渡って入射される。そして上述したＢ用反射型液晶素子１６０Ｂの作用によりその一部が変調・反射されてＢｓ成分となった光束は、偏光ビームスプリッタ１５４の作用により９０度折り曲げられて反射され、第３面１５５と対向する面から射出され、投影レンズ群１７０に入射されてスクリーン上に投影される。

上述したように、Ｂｐ成分は、Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂの変調領域から溢れることなく入射する為、その光量損失が最小限に抑えられてスクリーン上に投影される。従って明るい画像がスクリーン上に投影される。また、Ｂｐ成分を該変調領域全体に渡って入射させる、言い方を換えると該変調領域を最小限の面積に抑えている。そのため液晶素子に掛けるコストを最小限に抑えられる。

次に、Ｇ成分及びＲ成分について説明する。Ｇ成分及びＲ成分は、偏光変換素子１２４の作用によりＰ波の偏光状態（以下、Ｇｐ成分、Ｒｐ成分と称する）とされ、第２プリズム部１４０の作用によりＲ成分のみがＳ波（以下、Ｒｓ成分と称する）となり、第２面１５２から合成プリズム１５０内に入射される。

Ｇｐ成分は、Ｐ波の偏光状態を有している為、その光路上に位置する偏光ビームスプリッタ１５３を透過し、第２面１５２と対向する面から射出され、Ｇ用反射型液晶素子１６０Ｇに入射される。

Ｇ用反射型液晶素子１６０Ｇは、Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂと同様の素子であり、第１の方向が長辺で、第２の方向が短辺となる変調領域を有している。該Ｇ用反射型液晶素子１６０Ｇは、図示しない制御部の制御下、所定のＧ用の映像情報に基づいてＯＮビットに入射したＧｐ成分を、変調させてＧｓ成分とし、偏光ビームスプリッタ１５３に向けて反射させる機能を果たす。

第２プリズム１４０を介して合成プリズム１５０に入射したＧｐ成分は、その断面が第１の方向に長軸を有し第２の方向に短軸を有した略直方状の光束であり、そのアスペクト比がＧ用反射型液晶素子１６０Ｇの変調領域と一致した状態で該素子１６０Ｇに入射される。そのためＧｐ成分は、該変調領域から溢れることなく該領域全体に渡って入射される。そして上述したＧ用反射型液晶素子１６０Ｇの作用によりその一部が変調・反射されてＧｓ成分となった光束は、偏光ビームスプリッタ１５３の作用により９０度折り曲げられて反射され、第３面１５５と対向する面から射出され、投影レンズ群１７０に入射されてスクリーン上に投影される。

また、Ｒｓ成分は、Ｓ波の偏光状態を有している為、その光路上に位置する偏光ビームスプリッタ１５３の作用により反射され、第３面１５５から射出され、Ｒ用反射型液晶素子１６０Ｒに入射される。

Ｒ用反射型液晶素子１６０Ｒは、Ｂ用反射型液晶素子１６０Ｂと同様の素子であり、第１の方向が長辺で、第２の方向が短辺となる変調領域を有している。該Ｒ用反射型液晶素子１６０Ｒは、図示しない制御部の制御下、所定のＲ用の映像情報に基づいてＯＮビットに入射したＲｓ成分を、変調させてＲｐ成分とし、偏光ビームスプリッタ１５３に向けて反射させる機能を果たす。

第２プリズム１４０を介して合成プリズム１５０に入射したＲｓ成分は、Ｇｐ成分と同様に、その断面が第１の方向に長軸を有し第２の方向に短軸を有した略直方状の光束であり、そのアスペクト比がＲ用反射型液晶素子１６０Ｒの変調領域と一致した状態で該素子１６０Ｒに入射される。そのためＲｓ成分は、該変調領域から溢れることなく該領域全体に渡って入射される。そして上述したＲ用反射型液晶素子１６０Ｒの作用によりその一部が変調・反射されてＲｐ成分となった光束は、偏光ビームスプリッタ１５３を透過し、第３面１５５と対向する面から射出され、投影レンズ群１７０に入射されてスクリーン上に投影される。

Ｂ成分がＢ用ダイクロイックミラー面１３１に入射して第３面１５５と対向する面から射出するまでの光路長と、Ｒ成分及びＧ成分が該ミラー面１３１に入射して該面１５５と対向する面から射出するまでの光路長は、略同等の光路長である。従って、各色成分は、位相がずれることなく同時に第３面１５５と対向する面から射出され、スクリーン上に画像として投影される。

本実施形態によると、Ｂ成分と、Ｒ成分及びＧ成分とを、それぞれ進行方向と直交する方向に関し、合成プリズム１５０に対して互いの断面形状を９０度回転させた状態で入射させている。従って、本実施形態の如き合成プリズム１５０を利用した場合であっても、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分は、その断面形状の長軸と短軸が一致した状態で第３面１５５と対向する面から射出される。すなわち各色成分は、アスペクト比が一致した状態で合成プリズム１５０から射出される。そのためスクリーン上で各色がずれることなく正確な画像が投影される。また、プリズムの数を削減できる為、光学系全体を小型化できる。また、本実施形態によると、合成プリズム１５０と各反射型液晶素子との間に光学素子を配置する必要がない。従って、各反射型液晶素子から投影レンズ群１７０までの光路長を短くすることができる。そのため該投影レンズ群１７０の焦点距離を短くすることができ、結果、スクリーン上に大画面で画像を投影できる。

図５は、本発明の第２の実施形態の画像投影光学系の構成要素である合成プリズム１５０近傍の構成を拡大して示した側面図及び上面図である。図５（Ａ）は、合成プリズム１５０近傍の構成を拡大して示した側面図であり、図５（Ｂ）は、合成プリズム１５０近傍の構成を拡大して示した上面図である。第２の実施形態では、Ｂ成分と、Ｒ成分及びＧ成分との互いの断面形状を、それぞれ進行方向と直交する方向に関して、見掛け上９０度回転させている。なお、第２の実施形態の画像投影光学系において、図１及び図２示す第１の実施形態の画像投影光学系１０と同一の構成には、同一の符号を付してここでの詳細な説明は省略する。

第２の実施形態の画像投影光学系は、第１の実施形態の第１プリズム１３０及び第２プリズム１４０に相当する光学素子として、シリンダミラー２３１と、ミラー２３２と、コンデンサレンズ２３３と、波長選択偏光シリンダミラー２４１と、コンデンサレンズ２４２を有している。また、第１の実施形態と異なり、コンデンサレンズ１２６を備えていない。そのため第２の実施形態では、光源部１１０から射出された白色光は、光軸と直交する断面の形状が略正方状であり、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１２２、偏光変換素子１２４、フィールドレンズ１２８を介してシリンダミラー２３１に入射される。以下に、第２の実施形態の画像投影光学系の構成及び作用を説明する。

シリンダミラー２３１は、フィールドレンズ１２８から射出された白色光のうち、４００ｎｍから４９０ｎｍまでの帯域の光、すなわちＢ成分をミラー２３２に向かって反射させ、他の帯域の光をシリンダミラー２３１に向かって透過させる機能を果たす。また、該ミラー２３１は、反射させたＢ成分を、第１の方向に関してのみ集光させるパワーを有する。従って、シリンダミラー２３１は、反射させたＢ成分を、その断面が第１の方向に短軸を有し第２の方向に長軸を有した略直方状の光束に変換してミラー２３２に導く。

ミラー２３２は、入射されたＢ成分を、コンデンサレンズ２３３に向けて反射させる。該コンデンサレンズ２３３は、該Ｂ成分を平行光に変換し、合成プリズム１５０に導く。該Ｂ成分は、その断面が第１の方向に短軸を有し第２の方向に長軸を有した略直方状の光束として、合成プリズム１５０の第１面１５１に入射される。

シリンダミラー２３１を透過した色成分、すなわちＲ成分及びＧ成分は、その断面が略正方状のまま、波長選択偏光シリンダミラー２４１に入射される。波長選択偏光シリンダミラー２４１は、第１の実施形態の波長選択偏光ミラー面１４１と同様に、Ｇ用ダイクロイックミラーと、λ／４波長板と、ミラーとを貼り合わせたものである。波長選択偏光シリンダミラー２４１が備える各光学素子は、それぞれ、Ｇ用ダイクロイックミラー１４１ａ、λ／４波長板１４１ｂ、ミラー１４１ｃと同様の機能を有し、さらに、反射させたＲ成分及びＧ成分を、第２の方向に関してのみ集光させるパワーを有する。従って、波長選択偏光シリンダミラー２４１に入射されたＲ成分は、その偏光状態が変換されてＲｓ成分とされ、その断面が第１の方向に長軸を有し第２の方向に短軸を有した略直方状の光束に変換され、コンデンサレンズ２４２に向かって反射される。また、Ｇ成分は、その偏光状態を変換されることなく、Ｒｓ成分と同様の断面形状を有したＧｐ成分として、コンデンサレンズ２４２に向かって反射される。該コンデンサレンズ２４２は、該Ｒ成分及びＧ成分を平行光に変換し、合成プリズム１５０に導く。該Ｒ成分及びＧ成分は、その断面が第１の方向に長軸を有し第２の方向に短軸を有した略直方状の光束として、合成プリズム１５０の第２面１５２に入射される。

第２の実施形態によると、Ｂ成分と、Ｒ成分及びＧ成分との互いの断面形状を、それぞれ進行方向と直交する方向に関して、見掛け上９０度回転させている。この実施形態では、光学素子の部品点数を削減できる為、より小型化を達成できる。

以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。

なお、第１の実施形態では、第１プリズム部及び第２プリズム部の各面により各色成分を反射・透過させているが、別の実施形態では、プリズムをミラーに置き換えて、上記プリズム部に相当する光学系を構成してもよい。

本発明の第１の実施形態の画像投影光学系の構成を模式的に示した図である。 本発明の第１の実施形態の画像投影光学系の構成要素である合成プリズム近傍の構成を拡大して示した斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第２プリズム部の中から波長選択偏光ミラー面の断面のみを抽出した図である。 本発明の第１の実施形態の合成プリズム内の各偏光ビームスプリッタの偏光特性を示したグラフである。 本発明の第２の実施形態の画像投影光学系の構成要素である合成プリズム近傍の構成を拡大して示した側面図及び上面図である。 従来の画像投影光学系内に配置され得る偏光変換素子の断面を示した断面図である。

符号の説明

１０ 画像投影光学系
１３０ 第１プリズム部
１４０ 第２プリズム部
１５０ 合成プリズム
１６０Ｒ、Ｇ、Ｂ 反射型液晶素子

Claims (8)

1. 対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない２つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムであって、所定の面から入射されるＲ、Ｇ、Ｂの各色成分を合成して射出する合成プリズムを利用して画像を投影する画像投影光学系であって、
   第一の偏光状態であり、各色成分を含んだ光束を射出する照明手段と、
   前記光束の中から１色の色成分のみを偏向し、該偏向した色成分を、前記合成プリズムの第一の面に入射させる第一の偏向手段と、
   前記偏向されなかった２色の色成分を、それぞれ異なった偏光状態にしつつ、前記第一の面と異なる第二の面に入射させる第二の偏向手段と、
   各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させるとともに、前記第一の偏光状態を９０度回転した第二の偏光状態にする、各色に対応した、第一から第三の反射型液晶素子と、
   変調後、前記合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群と、を有し、
   前記第二の偏向手段は、前記２色の色成分のうち１色の色成分のみを反射させる第一の反射手段と、各色成分の偏光状態を変換する偏光手段と、該各色成分を反射させる第二の反射手段と、を貼り合わせたことにより形成されていること、を特徴とする画像投影光学系。
2. 前記第二の偏向手段は、前記照明手段側から、前記第一の反射手段、前記偏光手段、前記第二の反射手段の順になるよう配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の画像投影光学系。
3. 前記偏光手段はλ／４波長板であること、を特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の画像投影光学系。
4. 前記第一から第三の反射型液晶素子の各々は、それぞれ異なった面であって、前記合成プリズムの一角に接する３面のいずれかの面近傍に配置されていること、を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像投影光学系。
5. 前記第一から第三の反射型液晶素子の各々は、それぞれ異なった面であって、前記合成プリズムの一角に接する３面のいずれかの面に貼り付けられていること、を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像投影光学系。
6. 前記２色の色成分はＲ成分とＧ成分であって、
   前記第一の反射手段は、Ｇ成分のみを反射させること、を特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の画像投影光学系。
7. 前記第一の偏光状態はＰ偏光であること、を特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の画像投影光学系。
8. 前記合成プリズム内の２つの偏向手段は、Ｐ波を透過し、Ｓ波を反射すること、を特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の画像投影光学系。

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