JP2011064886A - 内部全反射プリズムユニット、画像投影装置、及び内部全反射プリズムユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張に起因するエアギャップの潰れの防止と非点隔差の効果的な抑制を実現する内部全反射プリズムユニットを提供する
【解決手段】鋭角をなす第１の表面２１ａと第２の表面２１ｂを有する第１のプリズム２１と、前記第２の表面と間隔を隔てて対向して配置された第３の表面２２ｂを有し、前記第２の表面と前記第３の表面の間に前記第１の表面の法線に対して傾斜したエアギャップが形成されている第２のプリズム２２とを備え、前記第２及び第３の表面の少なくとも一方が前記エアギャップに対して凹面であり、前記エアギャップの厚みは周辺領域よりも中央領域で厚い。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部全反射プリズムユニット、画像投影装置、及び内部全反射プリズムユニットの製造方法に関する。

デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等の反射型表示素子を備える画像投影装置（プロジェクタ）では、照明光と投影光を分離するために、内部全反射プリズムユニット（ＴＩＲプリズムユニット）が使用されている。ＴＩＲプリズムユニットは対向配置された２個のプリズムを備え、これらの間には微小な間隔（エアギャップ）が形成されている。エアギャップは投影光の光軸に対して傾斜している。一般に、このエアギャップを形成するプリズムの２つの表面は、いずれも平面で互いに平行に配置されている。照明光は、エアギャップを形成するプリズムの２つの表面の一方で全反射されて反射型表示素子に向かう。一方、反射型表示素子で反射された投影光は、エアギャップを透過してスクリーンへ向かう。

エアギャップは投影光の光軸に対して傾斜しているため、結像方向による集光位置の差異である非点隔差が生じる。具体的には、エアギャップを通過する投影光は、投影光の光軸とエアギャップの法線を含む面内と、この面に対して垂直な面内とでは集光位置が異なる。この非点隔差は結像性能を低下させ、スクリーンに投影された画像中のフレア発生の原因にもなる。

ＴＩＲプリズムユニットにおける非点隔差は、エアギャップの厚みが厚い程（エアギャップを形成する２つの表面間の間隔が広い程）大きくなる。従って、非点隔差抑制のためにはエアギャップの厚みは可能な限り薄いことが好ましい。しかし、エアギャップの厚みを過度に薄く設定した場合、光エネルギの吸収によるプリズムの熱膨張により、エアギャップを形成する２つの表面間の間隔が狭まって互いに接触し、エアギャップが潰れて機能しなくなる。従って、熱膨張に起因するエアギャップの潰れ防止のためには、エアギャップの厚みをある程度厚く設定する必要がある。

投影画像の高精細化の要求に応えるため、照明光の強度は高くなる傾向がある。高強度の照明光を使用する場合、プリズムの熱膨張も顕著となるので、エアギャップの潰れに対して十分な対策を採る必要がある。

特許文献１には、プリズムの２つの表面（平面）で形成されるエアギャップを楔形としたＴＩＲプリズムユニットが開示されている。この楔形のエアギャップは、プリズムの熱膨張によるエアギャップの潰れ防止に有効なエアギャップの厚みを確保しつつ、非点隔差を抑制することを意図している。しかし、エアギャップが楔形であると、エアギャップの厚みが厚い領域（エアギャップを形成する２つの表面間の間隔が広い領域）では、非点隔差を効果的に抑制できない。

特開２００２−４９０９４号公報

本発明は、熱膨張に起因するエアギャップの潰れの防止と非点隔差の効果的な抑制を実現する内部全反射プリズムユニットを提供することを目的とする。

本発明は、鋭角をなす第１の表面と第２の表面を有する第１のプリズムと、前記第２の表面と間隔を隔てて対向して配置された第３の表面を有し、前記第２の表面と前記第３の表面の間に前記第１の表面の法線に対して傾斜したエアギャップが形成されている第２のプリズムとを備え、前記第２及び第３の表面の少なくとも一方が前記エアギャップに対して凹面であり、前記エアギャップの厚みは周辺領域よりも中央領域で厚い、内部全反射プリズムユニット。

エアギャップを形成する第２及び第３の表面のうちの少なくとも１面を、エアギャップに対し凹面としているので、エアギャップの周辺領域より中央領域の方が厚みが厚くなっている。そのため、エアギャップの厚みを薄く設定しても、第１及び第２のプリズムを構成するガラスや第２の表面や第３の表面に設けられたコートの熱吸収による第１のプリズムや第２のプリズムの熱膨張によって第２の表面と第３の表面が互いに接触してエアギャップが潰れるのを防ぐことができる。熱膨張によるエアギャップの潰れを防止できるので、エアギャップの厚みを薄く設定した内部全反射プリズムが実現でき、傾斜したエアギャップに起因する非点隔差を効果的に抑制でき、画像投影装置に使用した場合にフレアの発生が、かなり抑えられた良好な投影画像が得られる。

具体的には、前記エアギャップの前記周辺領域において前記第２の表面と前記第３の表面の間に介在し、１μｍ以上５μｍ以下の範囲の均一な厚みを有するスペーサをさらに備える。

この場合、前記エアギャップの前記中央領域と前記周辺領域での厚みの差は０．３μｍ以上６μｍ以下が好ましい。

１μｍ以上５μｍ以下の均一な厚みを有するスペーサを第２の表面と第３の表面の間に介在させ、エアギャップの中央領域と周辺領域での厚みの差を０．３μｍ以上６μｍ以下に設定することで、エアギャップ層に起因する非点隔差を効果的に抑制でき、高輝度の画像投影装置に適した内部全反射プリズムユニットが得られる。

好ましくは、前記スペーサの厚みは１μｍ以上３μｍ以下の均一な厚みを有する。

この場合、前記エアギャップの前記中央領域と前記周辺領域での厚みの差は３μｍ以上６μｍ以下がより好ましい。

１μｍ以上３μｍ以下の均一な厚みを有するスペーサを第２の表面と第３の表面の間に介在させ、エアギャップの中央領域と周辺領域での厚みの差を３μｍ以上６μｍ以下に設定することで、エアギャップ層に起因する非点隔差をより効果的に抑制でき、より高輝度の画像投影装置に適した内部全反射プリズムユニットが得られる。

前記第１のプリズムは第４の平面をさらに備え、前記第４の平面から前記第１のプリズムに入射した光が前記エアギャップで全反射され、前記第２の表面が凹面である。

第１のプリズムはエアギャップで全反射される光が入射するので熱負荷の方が大きく、熱膨張が生じやすい。この第１のプリズムが有するエアギャップを構成して入射した光を全反射する面である第２の表面の形状を凹面とすることで、エアギャップの潰れを効果的に防止できる。また、第２の表面を凹面とすることで、熱膨張による第２の表面の凸面化をキャンセルする効果が得られ、画像投影装置に使用した場合に良好な投影画像が得られる。

前記第２の表面と前記第３の表面をいずれも前記エアギャップに対して凹面としてもよい。

エアギャップを構成する第２の表面と第２の表面を両方凹面とすることで、エアギャップの潰れをより効果的に防止できる。また、第２及び第３の表面を凹面とすることで、第２及び第３の表面の両方について熱膨張による凸面化をキャンセルする効果が得られ、画像投影装置に使用した場合により良好な投影画像が得られる。

前記エアギャップに対して凹面となる面は、前記第１の表面の法線と前記エアギャップの法線と含む第１の仮想平面での曲率が、前記エアギャップの法線を含み前記第１の仮想平面に対して垂直な第２の仮想平面での曲率よりも大きいことが好ましい。

この場合、凹面とした第３の表面にエアギャップ層により生じる非点隔差をキャンセルする効果があり、画像投影装置に使用した場合に良好な投影画像が得られる。

前記スペーサは、ポリフェニレンサルファイドフィルム、パラジウム系アラミドフィルム、ポリエステルフィルム、又はポリイミドフィルムからなるシート状の部材である。

これらの材料は、極めて薄いフィルムを寸法精度よく安定して製造でき、薄いエアギャップを安価に精度よく実現できるので、非点隔差を効果的に抑制でき、画像投影装置に使用した場合に良好な投影画像が得られる内部全反射プリズムが得られる。また、ポリイミドフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィルム、及びパラジウム系アラミドフィルムは耐熱性が良好で、投影装置のように投影光により熱が上昇しやすい用途に用いるのに最適である。

前記スペーサは、蒸着又はスパッタリングにより形成された金属膜又は誘電体膜であってもよい。

金属や誘電体の蒸着やスパッタリングでスペーサを形成することにより、非常に薄い厚みのスペーサを非常に安定して精度良く形成できる。また、熱に対する信頼性、長期的な信頼性も非常に高いスペーサを実現できる。

また、本発明は、投影光学系と反射型画像表示素子の間に前述の内部全反射プリズムユニットが配置されている画像投影装置を提供する。

熱膨張による内部全反射プリズムユニットのエアギャップの潰れを確実に防止して高い信頼性を確保しつつ、このエアギャップの厚みを薄く設定できるので、非点隔差を効果的に抑制してフレアの極め小さい良好な投影画像を実現する画像投影装置が得られる。

さらに、本発明は、第１のプリズムが有する第１の表面と第２のプリズムが有する第２の表面との間に周辺領域の厚みよりも中央領域の厚みが厚いエアギャップを形成するように、前記第１の表面のＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数と、前記第２の表面のＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数の和を−１本から−２０本に設定し、前記第１の表面と前記第２の表面をスペーサを介在させて互いに突き合わせるように前記第１のプリズムと前記第２のプリズムを互いに固定する、内部全反射プリズムユニットの製造方法を提供する。なお、ニュートンフリンジの数は凹面を負、凸面を正の本数で数える。

この製造方法により、周辺領域よりも中央領域で厚みの薄いエアギャップを有する内部全反射プリズムが容易かつ確実に得られる。

具体的には、前記第１の表面を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が−１本から−１０本の凹面に研磨し、前記第２の表面を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が−１本から−１０本の凹面に研磨する。

あるいは、前記第１の表面又は前記第２の表面のいずれか一方をＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が±２本以内となるように研磨し、他方をＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が−３本から−１８本の凹面に研磨する。

前記スペーサは１μｍ以上５μｍ以下の均一な厚みを有することが好ましい。

本発明の内部全反射プリズムでは、エアギャップを形成する第２及び第３の表面のうちの少なくとも１面をエアギャップに対し凹面とし、エアギャップは周辺領域より中央領域の方が厚みを厚いので、熱膨張に起因するエアギャップの潰れの防止できる。また、熱膨張に起因する潰れの防止できるので、エアギャップの厚みを薄くできるため、非点隔差を効果的に抑制できる。

本発明の第１実施形態の画像投影装置の側面図。 図１の部分平面図。 図１の画像投影装置が備える内部全反射（ＴＩＲ）プリズムユニットの模式的な斜視図。 図１の画像投影装置が備えるＴＩＲプリズムユニットの模式的な側面図。 図４の部分Ｖの模式的な部分拡大図。 第１プリズムのギャップ形成面を示す正面図。 第２プリズムのギャップ形成面を示す正面図。 第２プリズムのギャップ形成面を凹面化することによる非点隔差抑制効果を説明するための模式図。 ニュートンフリンジの計数を説明するための模式図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な側面図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な斜視図。 ＴＩＲプリズムユニットの他の例を示す模式的な斜視図。 ＴＩＲプリズムユニットの２つのプリズムの結合の他の例を示す模式的な斜視図。 ＴＩＲプリズムユニットの２つのプリズムの結合の他の例を示す模式的な斜視図。 カラープリズムユニットを図２の矢印Ａ１方向から見た図。 カラープリズムユニットを図２の矢印Ａ２方向から見た図。 本発明の第２実施形態の画像投影装置の側面図。 図１５の部分平面図。

（第１実施形態）
図１及び図２を参照すると、第１実施形態の画像投影装置（プロジェクタ）１は、照明光学系２、内部全反射（ＴＩＲ）プリズムユニット３、カラープリズムユニット４、反射型画像表示素子の一例であって光変調を行うデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）５Ｂ，５Ｒ，５Ｇ、及び投影光学系６を備える。照明光学系２からの照明光は、ＴＩＲプリズムユニット３で全反射されてカラープリズムユニット４に入射する。カラープリズムユニット４に入射した照明光は、青、赤、及び緑の色光に分解された後、対応するＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇに入射する。個々のＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇに照射された照明光（色光）は、ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇが備える後述のマイクロミラーの角度に応じて投影光又は非投影光として反射される。ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇからの投影光は、カラープリズムユニット４で合成された後、ＴＩＲプリズムユニット３を透過して、複数のレンズ等から成る投影光学系６により図示しないスクリーンに投影される。一方、非投影光はカラープリズムユニット４を経て、ＴＩＲプリズム３から外れた方向に射出される。

図１を参照すると、照明光学系２は、光源１１、リフレクタ１２、ロッドインテグレータ１３、集光レンズ１４、リレー光学系１５、及びエントランスレンズ１６を備える。光源１１は超高圧水銀ランプであり、白色光を発生させる。リフレクタ１２は光源１１を取り囲むように配置され、回転楕円面である反射面を有している。光源１１の後方には、ロッドインテグレータ１３が長手方向を光軸に沿うように配置されている。光源１１は回転楕円面の一方の焦点位置に配置されており、ここから出た光は他方の焦点位置に集光されて、ロッドインテグレータ１３の一端の入射面より入射する。ロッドインテグレータ１３に入射した光は、ここで内面反射を繰り返し、均一な光量分布となって他端の射出面より射出する。ロッドインテグレータ１３の射出面直後に集光レンズ１４が配置されており、さらに後方にはリレー光学系１５が配置されている。ロッドインテグレータ１３から射出した光は、集光レンズ１４で効率よくリレー光学系１５に導かれ、ＴＩＲプリズムユニット３の入射側に配置されたエントランスレンズ１６を介してＴＩＲプリズムユニット３に入射し、カラープリズムユニット４を経てＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇを略テレセントリックで均一に照明する。

図１及び図３から図７を参照すると、ＴＩＲプリズムユニット３はいずれも概ね三角柱状で３つの表面（側面）を有する光学ガラス製の第１プリズム２１と第２プリズム２２を備える。

第１プリズム２１は、互いに鋭角をなす入射出面２１ａとギャップ形成面２１ｂを備える。また、第１プリズム２１は、入射出面２１ａとギャップ形成２１ｂを接続する入射面２１ｃを備える。入射出面２１ａはＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇからカラープリズムユニット４を経て投影光学系６に向かう投影光の光軸に対して、概ね垂直な姿勢で配置されている。ギャップ形成面２１ｂは投影光学系６に向かう投影光の光軸に対して傾斜する姿勢で配置されている。第２プリズム２２は互いに鋭角をなす射出面２２ａとギャップ形成面２２ｂとを備える。また、第２プリズム２２は、射出面２２ａとギャップ形成面２２ｂを接続する表面２２ｃを備える。

第１プリズム２１と第２プリズム２２は、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂが微小な間隔を隔てて対向するように組み合わせられている。そのため、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの間には、ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇからカラープリズムユニット４を経て投影光学系６に向かう投影光の光軸に対して傾斜したエアギャップ２３が形成されている。本実施形態では、エアギャップ２３は投影光軸に対して３３°傾斜している。なお、前述のように第１プリズム２１の入射出面２１ａは投影光学系６に向かう投影光の光軸に対して概ね垂直であるので、エアギャップ２３は入射出面２１ａの法線に対して傾斜している。

このＴＩＲプリズムユニット３によって、照明光と投影光の分離が行われる。

まず、照明光学系２から射出されて入射面２１ｃから入射した照明光は、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂで全反射する（ギャップ形成面２１ｂは全反射面として機能する。）。このときの照明光のギャップ形成面２１ｂに対する入射角は４８.５°である。本実施形態では、照明光のＦナンバーは２．７であり、主光線に対して空気中で片側約１０.７°、プリズム中で片側約７.０°の角度分布を持つ。一方、第１及び第２プリズム２２を構成する光学ガラスの屈折率は、ｎ＝１．５２なので、ギャップ形成面２１ｂにおける全反射条件はエアギャップ２３を満たしている空気との界面に対する入射角が約４１．１°以上となる。故に、照明光は全反射条件を満たし、ギャップ形成面２１ｂで全反射する。ギャップ形成面２１ｂで全反射した照明光は、入射出面２１ａから射出されてカラープリズムユニット４に入射する。

一方、カラープリズムユニット４で合成された投影光は、入射出面２１ａからＴＩＲプリズムユニット３の第１プリズム２１に入射し、エアギャップ２３に入射角３３°で入射する。このとき、照明光と同じく投影光のＦナンバーも２．７であり、主光線に対して空気中で片側約１０．７°、プリズム中で片側約７．０°の角度分布を持つが、ここでは全反射条件を満たさない。従って、投影光はエアギャップ２３を透過して第２プリズム２２の射出面２２ａから射出され、投影光学系６によって図示しないスクリーンに投影される。

図４及び図５に最も明瞭に示すように、エアギャップ２３の厚みは一定ではなく、周辺領域より中央領域の方が厚みが厚い。具体的には、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂのうち第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂは平面であるが、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂの投影光が通過する領域はエアギャップ２３に対して窪んだ凹面２４である。本実施形態では、ギャップ形成面２２ｂの凹面２４は、ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇからカラープリズムユニット４を介してＴＩＲプリズムユニット３に入射した投影光学系６に向かう投影光の光軸と、エアギャップ２３の法線Ｎ１とを含む第１仮想平面Ｐ１と、エアギャップ２３の法線Ｎ１を含み仮想平面Ｐ１に対して垂直な第２仮想平面Ｐ２の両方で概ね同一の曲率を有する凹球面状である。エアギャップ２３の法線Ｎ１は、エアギャップ２３を平面に近似した場合の法線である。

エアギャップ２３は周辺領域より中央領域で厚みが厚くなっている。そのため、エアギャップ２３の厚みを薄く設定しても、第１及び第２プリズム２１，２２を構成する光学ガラスやギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの表面に設けられた反射防止コート等の熱吸収によるプリズム２１，２２の熱膨張によって、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂが互いに接触してエアギャップ２３が潰れるのを防ぐことができる。熱膨張によるエアギャップ２３の潰れを防止できるので、エアギャップ２３の厚みを薄く設定することができる。その結果、エアギャップ２３が投影光の光軸に対して傾斜していることに起因する非点隔差を効果的に抑制でき、フレアの発生もかなり抑えられた良好な投影画像が得られる。

前述のように、エアギャップ２３が周辺領域より中央領域で厚みが厚くなるように第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂに凹面２４を設け、この凹面２４は第１及び第２仮想平面Ｐ１，Ｐ２の両方で曲率を有している。図８は、ギャップ形成面２２ｂが第１仮想平面Ｐ１において曲率を有しない場合の投影光のエアギャップ２３からエアギャップ形成面２２ｂへの入射角度θｉ’と、本実施形態のようにギャップ形成面２２ｂが第１仮想平面Ｐ１において曲率を有する場合のエアギャップ２３かギャップ形成面２２ｂへの入射角度θｉの比較を示す。この図８から、入射角θｉ’よりも入射角θｉは小さい。そのため、ギャップ形成面２２ｂが第１仮想平面Ｐ１において曲率を有しない場合の仮想平面Ｐ１での非点隔差ε’よりも、本実施形態のようにギャップ形成面２２ｂが第１仮想平面Ｐ１において曲率を有する場合の非点隔差εが小さい。このように、ギャップ形成面２２ｂが第１仮想平面Ｐ１において曲率を有することは、非点隔差をキャンセルする効果がある。従って、ギャップ形成面２２ｂは第１仮想平面Ｐ１での曲率が第２仮想平面Ｐ２での曲率よりも大きいことが好ましい。例えば、図１１Ａに示すように、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂの凹面２４の形状を第１仮想平面Ｐ１でのみ曲率を有し、第２仮想平面Ｐ２では曲率を有さない円筒面状であってもよい。また、図１１Ｂに示すように、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂ全体を第１仮想平面Ｐ１でのみ曲率を有し、第２仮想平面Ｐ２では曲率を有さない円筒面状としてもよい。

図３、図６、及び図７に示すように、本実施形態では、エアギャップ２３を形成するギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの４隅にそれぞれスペーサ２５を配置し、これらのスペーサ２５を挟み込んだギャップ形成面２１ｂ，２２ｂを４箇所に塗布した接着剤２６で接合することで、第１プリズム２１と第２プリズム２２を互いに組み付けている。接着剤２６は耐熱性の点でエポキシ系が好ましい。本実施形態では、スペーサ２５と接着剤２６は凹面２４の外側の領域、つまりギャップ形成面２１ｂ，２２ｂがいずれも平面の領域に配置されている。具体的には、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの図３において上隅付近の２箇所にそれぞれスペーサ２５が配置され、これらのスペーサ２５の下側に接着剤２６が塗布されている。また、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの図３において左下隅付近に１個のスペーサ２５が配置され、その下側に接着剤２６が塗布されている。さらに、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの図３において右下隅付近に１個のスペーサ２５が配置それ、その上側に接着剤２６が塗布されている。接着剤２６がスペーサ２５にかからないようにプリズム２１，２２を貼り合わせており、接着剤２６の厚みがエアギャップ２３の厚みに影響しないようになっている。

スペーサ２５は互い３６ｍｍから４０ｍｍ程度の間隔をあけて配置することが好ましい。後述するように２.５μｍであるスペーサ２５の厚みに対し、スペーサ２５間の配置間隔を３６ｍｍから４０ｍｍ程度しかあけていない（スペーサ２５を比較的近接して配置している）ことも、エアギャップ２３の潰れを防止する効果を有している。

本実施形態では、スペーサ２５は一定の厚み２.５μｍを有するパラジウム系アラミドフィルム（東レ社の商品名ミクトロン）を例えば一辺５ｍｍの正方形に切断したものである。このスペーサ２５を挟み込んだ状態で、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂを接着剤２６で貼り合わせることで、極めて薄いエアギャップ２３を形成している。

パラジウム系アラミドフィルムの他、ポリフェニレンサルファイドフィルム（東レ社の商品名トレリナ）、ポリエステルフィルム（東レ社の商品名ルミラー）、又は、ポリイミドフィルム（デュポン社の商品名カプトン）等を適切な形状及び寸法に切断したものをスペーサ２５として用いてもよい。パラジウム系アラミドフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィルム、又はポリイミドフィルムを使用すれば、極めて薄いフィルムを寸法精度よく安定して製造でき、薄いエアギャップ２３を安価に精度よく実現できる。また、比較的高温となりやすい画像投影装置１では、耐熱性があるパラジウム系アラミドフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィルム、ポリイミドフィルム等がスペーサ２５として適している。

一般的に、スペーサとして、微小な粒子が混ぜ込まれたビーズ接着剤が用いられるが、ビーズ接着剤では、一定の厚みを保つことは困難で、厚みにばらつきが生じ、エアギャップの平行度も悪化する傾向がある。本実施形態のような厚みが一定のフィルム状のスペーサ２５を用いることにより、厚みの安定性、平行度の安定性を得ることができる。

スペーサ２５と接着剤２６の配置は、図３、図６、及び図７に限定されない。例えば、図１２Ａに示すように、エアギャップ２３の４隅付近にスペーサ２５を配置し、それらのスペーサ２５の外側に接着剤２６を配置してもよい。また、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂに接着剤２６を塗布するのではなく、図１２Ｂに示すように、プリズム２１，２２の両端面に例えばガラス製の連結部材２７を配置し、これらの連結部材２７をそれぞれプリズム２１，２２の端面と接着剤等で接続することで、プリズム２１，２２を接合してもよい。

図５を参照してスペーサ２５の厚みｔとエアギャップ２３の周辺領域と中央領域の厚みの差δとの関係について説明する。スペーサ２５が１μｍ以上５μｍ以下の範囲の均一な厚みｔを有し、エアギャップ２３の中央領域と周辺領域での厚みの差δを０．３μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましい。厚みｔと差δをこの範囲に設定することで、エアギャップ２３の最大厚みＴｍａｘは１．３μｍ以上１１μｍ以下となり、エアギャップ２３の厚みを確保しつつ十分に薄くなるので、エアギャップ潰れを防ぎつつ投影光の光軸に対して傾斜したエアギャップ２３に起因する非点隔差を効果的に抑制できる。スペーサ２５が１μｍ以上３μｍ以下の範囲の均一な厚みｔを有し、エアギャップ２３の中央領域と周辺領域での厚みの差δを３μｍ以上６μｍ以下とすることがより好ましい。厚みｔと差δをこの範囲に設定することで、エアギャップ２３の厚みは４μｍ以上９μｍ以下となり、エアギャップ２３の厚みをより確保しつつさらに薄くなるので、エアギャップ潰れを十分防ぎ、投影光の光軸に対して傾斜したエアギャップ２３に起因する非点隔差をさらに効果的に抑制できる。

前述のように本実施形態では、ＴＩＲプリズムユニット３の第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂに凹面２４を設けている。図９を参照すると、ギャップ形成面２２ｂはＨｅ−Ｎｅレーザ（波長は６３３ｎｍ）の光を用いたときのニュートンフリンジ２８の数が例えば−１本以上−２０本以下となる凹面２４に研磨される（ニュートンフリンジ２８の数は凹面を負、凸面を正の本数で数える。）。このように研磨することで、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差δ（図５を併せて参照）が０．３μｍ以上６μｍ以下となる。研磨後にスペーサ２５を介在させてエアギャップ形成面２１ｂ，２２ｂを突き合わせるように、第１及び第２プリズム２１，２２が互いに固定される。ニュートンフリンジ２８による測定を利用して凹面２４を研磨することで、周辺領域よりも中央領域で厚みの厚いエアギャップ２３を有するＴＩＲプリズムユニット３が容易かつ確実に得られる。後述するように第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂに凹面を形成する場合にも、ニュートンフリンジによる測定を利用して研磨を行うことで、所望の凹面が容易かつ確実に得られる。

図１０Ａ〜図１０Ｊは、ＴＩＲプリズムユニット３のエアギャップ２３に関する種々の代案を示す。

図１０Ａ、図１０Ｆの例では、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂと第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂの両方に凹面２４を形成している。図１０Ａの例では凹面２４がギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの光が通過する領域にのみ形成されているのに対して、図１０Ｆの例では、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂ全体を凹面２４としている。図１０Ａ、図１０Ｆの例のようにギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの両方に凹面２４を形成することで、エアギャップ２３の潰れをより効果的に防止できると共に、ギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの両方について熱膨張による凸面化をキャンセルする効果が得られる。

図１０Ａ，図１０Ｆのような場合、エアギャップ形成面２１ｂ，２２ｂがエアギャップを形成する領域（以下、エアギャップ領域と呼ぶ）において、エアギャップ形成面２１ｂ，２２ｂを、平面に対しニュートンフリンジの数が−１本から−１０本（凹面）となるように研磨すると、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂとのニュートンフリンジの数の和が−２本から−２０本となり、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差は０．６μｍ以上６μｍ以下となる。また、エアギャップ形成面２１ｂ、２２ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が−５本から−１０本（凹面）となるように研磨すると、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂとのニュートンフリンジの数の和が−１０本から−２０本となり、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差は３μｍ以上６μｍ以下となる。

図１０Ｂ、図１０Ｇの例では、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂに凹面２４を形成し、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂに凹面２４よりも曲率の小さい凸面２９を形成している。図１０Ｂの例では凹面２４や凸面２９がギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの光が通過する領域にのみ形成されているのに対して、図１０Ｇの例ではギャップ形成面２１ｂ，２２ｂ全体が凹面２４や凸面２９となっている。

図１０Ｂ，図１０Ｇのような場合、エアギャップ領域において、エアギャップ形成面２１ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が４本から１０本（凸面）となるように研磨し、エアギャップ形成面２２ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が−１１本から−１６本（凹面）となるように研磨すると、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂとのニュートンフリンジの数の和が−１本から−２０本となり、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差は０．３μｍ以上６μｍ以下となる。

図１０Ｃ、図１０Ｈの例では、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂに凹面２４を形成し、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂは全体を平面としている。図１０Ｃの例ではギャップ形成面２１ｂの光が通過する領域にのみ凹面２４が形成されているのに対して、図１０Ｈの例ではギャップ形成面２１ｂの全体が凹面２４となっている。

図１０Ｃ，図１０Ｈのような場合、エアギャップ領域において、エアギャップ形成面２１ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が−３本から−１８本（凹面）となるように研磨し、エアギャップ形成面２２ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が±２本以内（略平面）で研磨すると、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂとのニュートンフリンジの数の和が−１本から−２０本となり、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差は０．３μｍ以上６μｍ以下となる。また、エアギャップ領域において、エアギャップ形成面２１ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が−１２本から−１８本（凹面）となるように研磨し、エアギャップ形成面２２ｂを、平面に対しニュートンフリンジの数が±２本の間で研磨すると、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂのニュートンフリンジの数の和が−１０本から−２０本となり、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差３μｍ以上６μｍ以下となる。

図１０Ｄ、図１０Ｉの例では、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂに凹面２４を形成し、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂに凹面２４よりも曲率の小さい凸面２９を形成している。図１０Ｄの例では凹面２４や凸面２９がギャップ形成面２１ｂ，２２ｂの光が通過する領域にのみ形成されているのに対して、図１０Ｉの例ではギャップ形成面２１ｂ，２２ｂ全体が凹面２４や凸面２９となっている。

図１０Ｄ，図１０Ｉのような場合、エアギャップ領域において、エアギャップ形成面２１ｂを平面に対しニュートンフリンジの数が−１１本から−１６本（凹面）となるように研磨し、エアギャップ形成面２２ｂを平面に対しニュートンフリンジの数で４本から１０本（凸面）となるように研磨すると、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂとのニュートンフリンジの数の和が−１本から−２０本となり、エアギャップ２３の中央領域の周辺領域に対する厚みの差は０．３μｍ以上６μｍ以下となる。

図１０Ｅの例では、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂと第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂの光が通過する領域にのみ凹面２４を設け、その周辺の平面部分をスペーサを介することなく突き合わせて、第１及び第２プリズム２１，２２を貼り合わせている。

第１プリズム２１はエアギャップ２３で全反射される照明光が照明光学系２から入射するので熱負荷の方が大きく、熱膨張が生じやすい。従って、図１０Ａ，１０Ｃ〜１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｈ，１０Ｉの例のように第１プリズム２１が有する照明光の全反射面であるギャップ形成面２１ｂに凹面２４を形成することで、エアギャップ２３の潰れを効果的に防止できる。また、ギャップ形成面２１ｂを凹面２４とすることで、熱膨張によるギャップ形成面２１ｂの凸面への変形を防止できる。この点でもエアギャップ２３の潰れを効果的に防止でき、良好な投影画像が得られる。図４、及び図１０Ａから図１０Ｉで示した種々の構成のうち、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂとは、略平面と凹面の組み合わせ、あるいは、ともに凹面の組み合わせであることが好ましい。特に、エアギャップ形成面２１ｂとエアギャップ形成面２２ｂがともに凹面の場合が最も好ましい。

図１及び図２を参照すると、カラープリズムユニット４は、ＴＩＲプリズムユニット３の図において右側に配置されており、概ね三角柱状である青プリズム３１、同様に概ね三角柱状である赤プリズム３２、及びブロック状の緑プリズム３３がこの順で図において右側に順次配置されて互いに組み合わされている。

青プリズム３１は、鋭角をなす入射出面３１ａと青ダイクロイック面３１ｂ（青ダイクロイックコート層３８が形成されている。）を備える。また、青プリズム３１は青色用のＤＭＤ５Ｂが対向して配置された青入射出面３１ｃを備える。赤プリズム３２は、青プリズム３１の青ダイクロイック面３１ｂに対向して配置された赤ギャップ形成面３２ａと、この赤ギャップ形成面３２ａと鋭角をなす赤ダイクロイック面３２ｂ（赤ダイクロイックコート層３９が形成されている。）とを備える。また、赤プリズム３２は赤色用のＤＭＤ５Ｒが対向した配置された赤入射出面３２ｃを備える。緑プリズム３３は、赤ダイクロイック面３２ｂに対向して配置された緑ギャップ形成面３３ａと、この緑ギャップ形成面３３ａと鋭角をなすように対向する緑入射出面３３ｃを備える。緑入射出面３３ｃと対向して緑色用のＤＭＤ５Ｇが配置されている。

青プリズム３１と赤プリズム３２との間、具体的には青ダイクロイック面３１ｂと赤ギャップ形成面３２ａとの間には、エアギャップ３４が設けられている。このエアギャップ３４は投影光の光軸に対し２８.５°傾斜しており、投影光の光軸とエアギャップ３４の法線からなる面は、ＴＩＲプリズムユニット３のエアギャップ２３の法線Ｎ１と投影光の光軸からなる面（第１仮想平面Ｐ１）に対して直交している。また、赤プリズム３２と緑プリズム３３との間、具体的には赤ダイクロイック面３２ｂと緑ギャップ形成面３３ａとの間に、エアギャップ３５が設けられている。このエアギャップ３５は投影光の光軸に対し１１.５°傾斜しており、投影光軸とエアギャップ３５の法線からなる面は、同様に第１仮想平面Ｐ１に対して直交している。

図１３は、赤プリズム３２の赤ギャップ形成面３２ａ（青プリズム３１の青ダイクロイック面３１ｂと対向している）を図２の矢印Ａ１で示すように青プリズム３１側から見た図である。また、図１４は、赤プリズム３２の赤ダイクロイック面３２ｂを図２の矢印Ａ２で示すように緑プリズム３３側から見た図である。カラープリズムユニット４が備えるエアギャップ３４，３５は、照明光と投影光を透過させると共に、迷光・ゴースト等の発生を防ぐために非投影光も透過させるので、図１３及び図１４に最も明瞭に示すようにエアギャップ３４，３５の領域は細長い形状となっている。

以下、図２、図１３、及び図１４を参照して、カラープリズムユニット４における照明光、投影光、及び非投影光の光路を説明する。

照明光の光路は以下の通りである。まず、ＴＩＲプリズムユニット３からの照明光は、入射出面３１ａから青プリズム３１に入射する。青プリズム３１に入射した照明光のうち、青色光は青ダイクロイック面３１ｂで反射され、他の緑色光及び赤色光は青ダイクロイック面３１ｂを透過する（図１３の照明光有効領域ＥＩ）。青ダイクロイック面３１ｂで反射された青色光は、入射出面３１ａで全反射され、青プリズム３１の青入射出面３１ｃより射出して、青色用のＤＭＤ５Ｂを照明する。青ダイクロイック面３１ｂを透過した照明光のうち、赤色光は赤ダイクロイック面３２ｂで反射され、緑色光は赤ダイクロイック面３２ｂを透過する（図１４の照明光有効領域ＥＩ’）。赤ダイクロイック面３２ｂで反射された赤色光は、青ダイクロイック面３１ｂに隣接するエアギャップ３４により全反射され（図１３の照明光全反射領域ＲＩ）、赤プリズム３２の赤入射出面３２ｃより射出して、赤色用のＤＭＤ５Ｒを照明する。赤ダイクロイック面３２ｂを透過した緑色光は、緑プリズム３３の緑入射出面３３ｃより射出して、緑色用のＤＭＤ５Ｇを照明する。

ここで、各ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇの偏向角は±１２°であり、図２に示す投影光軸は各ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇ（緑用ＤＭＤで例示）に垂直即ち法線方向となり、照明光軸は法線に対して２４°を成すように設定されている。具体的には、各色の照明光は対応するＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇを入射角２４°で照明する。ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇが備えるマイクロミラー（投影画像の各画素に対応する）は、照明光軸側に１２°傾いた状態で照明光を反射することにより、ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇに垂直な方向に投影光を射出する。また、マイクロミラーは照明光軸側とは逆方向に１２°傾いた状態で照明光を反射することにより、射出角４８°で非投影光を射出する。このマイクロミラーの傾斜方向の切り替えにより光変調が行われる。

各ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇから射出された投影光の光路は以下の通りである。青色用のＤＭＤ５Ｂで反射された青色の投影光は、青入射出面３１ｃに入射して入射出面３１ａで全反射され、その後、青ダイクロイック面３１ｂで反射される（図１３の投影光有効領域ＥＰ）。赤色用のＤＭＤ５Ｒで反射された赤色の投影光は、赤入射出面３２ｃに入射して、青ダイクロイック面３１ｂに隣接するエアギャップ３４により全反射され（図１３の投影光全反射領域ＲＰ）、その後、赤ダイクロイック面３２ｂで反射され（図１４の投影光有効領域ＥＰ’）、さらに青ダイクロイック面３１ｂを透過する（図１３の投影光有効領域ＥＰ）。緑色用ＤＭＤ５Ｇで反射された緑色の投影光は、緑入射出面３３ｃに入射して、赤ダイクロイック面３２ｂ（図１４の投影光有効領域ＥＰ’）と青ダイクロイック面３１ｂ（図１３の投影光有効領域ＥＰ）を透過する。青色、赤色、及び緑色の各投影光は同一光軸に合成され、入射出面３１ａから射出されて、ＴＩＲプリズムユニット３に入射する。

各ＤＭＤ５Ｂ〜５Ｇから射出された非投影光の光路は以下の通りである。青色用のＤＭＤ５Ｂで反射された青色の非投影光は、青入射出面３１ｃに入射して入射出面３１ａで全反射され、その後、青ダイクロイック面３１ｂで反射される（図１３の非投影光有効領域ＥＮＰ）。赤色用のＤＭＤ５Ｒで反射された赤色の非投影光は、赤入射出面３２ｃに入射して、エアギャップ３４により全反射され（図１３の非投影光全反射領域ＲＮＰ）、その後、赤ダイクロイック面３２ｂで反射され（図１４の非投影光有効領域ＥＮＰ’）、さらに青ダイクロイック面３１ｂを透過する（図１３の非投影光有効領域ＥＮＰ）。緑色用ＤＭＤ５Ｇで反射された緑色の非投影光は、緑入射出面３３ｃに入射して、赤ダイクロイック面３２ｂ（図１４の非投影光有効領域ＥＮＰ’）と青ダイクロイック面３１ｂ（図１３の非投影光有効領域ＥＮＰ）を透過する。青色、赤色、及び緑色の各投影光は、入射出面３１ａからＴＩＲプリズムユニット３に入射しない方向に射出される。

エアギャップ３４は、スペーサ３６を挟み込んだ青ダイクロイック面３１ｂ（青プリズム３１）と赤ギャップ形成面３２ａ（赤プリズム３２）を接着剤３７で接合することで形成している。同様に、エアギャップ３５は、スペーサ３６を挟み込んだ赤ダイクロイック面３２ｂ（赤プリズム３２）と緑ギャップ形成面３３ａ（緑プリズム３３）を接着剤３７で接合することで形成している。本実施形態では、スペーサ３６は７．５μｍの均一な厚みを有するポリイミドフィルムを一辺５ｍｍの正方形に切断したものを使用している。

図１３を参照すると、エアギャップ３４では、破線を付して示す非有効領域ＮＥ（青ダイクロイック面３１ｂと赤ギャップ形成面３２ａのいずれにおいても照明光、投影光、及び非投影光のいずれも通過も反射もしない領域）のうち、投影光有効領域ＥＰ（前述のように青ダイクロイック面３１ｂで青色の投影光が反射される一方、赤色及び緑色の投影光は透過する領域）と、非投影光有効領域ＥＮＰ（前述のように青ダイクロイック面３１ｂで青色の非投影光が反射される一方、赤色及び緑色の非投影光は透過する領域）との間に一対のスペーサ３６が配置されている。非有効領域ＮＥのうち投影光有効領域ＥＰと非投影光有効領域ＥＮＰの間の箇所は青ダイクロイック面３１ｂ（青プリズム３１）と赤ギャップ形成面３２ａ（赤プリズム３２）の長手方向の両端部から離れた位置にあるので、青プリズム３１や赤プリズム３２の熱膨張によるエアギャップ３４の潰れが生じやすい。従って、この箇所にスペーサ３６を配置することで、熱膨張によるエアギャップ３４の潰れを防止できる。潰れを防止できるのでエアギャップ３４の厚みを薄く設定できるため、エアギャップ３４が投影光の光軸に傾斜していることに起因する非点隔差を効果的に抑制し、良好な投影画像が得られる。なお、スペーサ３６はエアギャップ３４の短手方向の両端に一対設けられているが、いずれか１箇所でもエアギャップ３４の潰れを防止する効果はある。ただし、短手方向の両端２箇所に設けるほうが、エアギャップ３４の潰れを防止する効果がより高いので好ましい。

また、エアギャップ３４では、非有効領域ＮＥのうち非投影光有効領域ＥＮＰ側の端部と、照明光有効領域ＥＩ（前述のように青ダイクロイック面３１ｂで青色の照明光が反射される一方、赤色及び緑色の照明光が透過する領域）側の端部にも、それぞれ一対のスペーサ３６が配置されている。このように、青ダイクロイック面３１ｂ（青プリズム３１）と赤ギャップ形成面３２ａ（赤プリズム３２）の長手方向の両端部にもスペーサ３６を配置することで、青プリズム３１や赤プリズム３２の熱膨張によるエアギャップ３４の潰れをより確実に防止できる。なお、スペーサ３６はエアギャップ３４の長手方向のそれぞれの端部に一対設けられているが、長手方向の端部のいずれか一方は１箇所にのみスペーサ３６を配置する構成でもエアギャップ３４の潰れを防止する効果はある。ただし、長手方向の両端部にそれぞれ一対のスペーサを設けるほうが、エアギャップ３４の潰れを防止する効果がより高いので好ましい。

図１４を参照すると、エアギャップ３５では、破線を付して示した非有効領域ＮＥ’（赤ダイクロイック面３２ｂと緑ギャップ形成面３３ａのいずれにおいても照明光、投影光、及び非投影光のいずれも通過も反射もしない領域）のうち、投影光有効領域ＥＰ’（前述のように赤ダイクロイック面３２ｂで赤色の投影光が反射される一方、緑色の投影光は透過する領域）と、非投影光有効領域ＥＮＰ’（前述のように赤ダイクロイック面３２ｂで赤色の非投影光が反射される一方、緑色の非投影光は透過する領域）との間に一対のスペーサ３６が配置されている。非有効領域ＮＥ’のうち投影光有効領域ＥＰ’と非投影光有効領域ＥＮＰ’の間の箇所は赤ダイクロイック面３２ｂ（赤プリズム３２）と緑ギャップ形成面３３ａ（緑プリズム３３）の長手方向の両端部から離れた位置にあるので、赤プリズム３２や緑プリズム３３の熱膨張によるエアギャップ３５の潰れが生じやすい。従って、この箇所にスペーサ３６を配置することで、熱膨張によるエアギャップ３５の潰れを防止できる。潰れを防止できるのでエアギャップ３５の厚みを薄く設定でき、エアギャップ３５が投影光の光軸に傾斜していることに起因する非点隔差を効果的に抑制し、良好な投影画像が得られる。

また、エアギャップ３５では、非有効領域ＮＥ’のうち非投影光有効領域ＥＮＰ’側の端部と、照明光有効領域ＥＩ’（前述のように赤ダイクロイック面３２ｂで赤色の照明光が反射される一方、緑色の照明光が透過する領域）側の端部にも、それぞれ一対のスペーサ３６が配置されている。このように、赤ダイクロイック面３２ｂ（赤プリズム３２）と緑ギャップ形成面３３ａ（緑プリズム３３）の長手方向の両端部にもスペーサ３６を配置することで、赤プリズム３２や緑プリズム３３の熱膨張によるエアギャップ３４の潰れをより確実に防止できる。

図１３に示すように、エアギャップ３４では、青ダイクロイック面３１ｂの青ダイクロイックコート層３８が形成された領域は、スペーサ３６が配置されている領域を含む。同様に、図１４に示すように、エアギャップ３５では、赤ダイクロイック面３２ｂの赤ダイクロイックコート層３９が形成された領域は、スペーサ３６が配置されている領域を含む。このようにダイクロイックコート層３８，３９が形成された領域がスペーサ３６が配置された箇所を含むことで、ダイクロイックコート層３８，３９の厚みの影響を受けることなく、エアギャップ３４，３５の厚みを設定できる。

ダイクロイックコート層３８，３９は、ＡＬ_２Ｏ_３又はその混合物を含む。高い熱伝導率を有するＡＬ_２Ｏ_３をダイクロイックコート層３８，３９に含有させることで、吸収した熱をカラープリズムユニット４の表面全体に速く伝達させて局所的な熱膨張を抑制できるので、エアギャップ３４，３５の潰れをより効果的に防止できる。

図２を参照すると、青及び赤ダイクロイック面３１ｂ，３２ｂの光の通過する領域は、それぞれエアギャップ３４，３５に対して凹面としている。ダイクロイックコート層３８，３９を形成した青及び赤ダイクロイック面３１ｂ，３２ｂは熱吸収が顕著である。青及び赤ダイクロイック面３１ｂ，３２ｂを凹面とすることで、ダイクロイックコート層３８，３９の熱膨張に起因する凸面化をキャンセルする効果が得られ、エアギャップ３４，３５の潰れをより効果的に防止できる。例えば、青及び赤ダイクロイック面３１ｂ，３２ｂは、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長は６３３ｎｍ）の光を用いたときのニュートンフリンジの数が例えば−６本以上−１０本以下の凹面に研磨される。

（第２実施形態）
図１５及び図１６は、第２実施形態の画像投影装置１を示す。

図１５を参照すると、本実施形態では、ＴＩＲプリズムユニット３のスペーサ２５’が第１実施形態とは異なる。

本実施形態におけるスペーサ２５’は、ＴＩＲプリズムユニット３を構成する２つのプリズム２１，２２のうち小さい方のプリズムである第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂに膜厚５μｍのＳｉＯ_２膜を作成することにより形成される。具体的には、プリズム２１の第２ギャップ形成面２２ｂのスペーサ２５’を配置する箇所以外を覆うマスクを装着し、蒸着、或いは、スパッタリングによってＳｉＯ_２膜を形成する。その後、プリズム２１，２２を例えば接着剤により互いに貼り合わせる。スペーサ２５’の形成箇所は、第１実施形態のスペーサ２５と同様である（例えば図３、図６、及び図７参照）。膜厚５μｍに対してスペーサ２５’の間隔は２７ｍｍから５０ｍｍ程度とすることが好ましい。第１実施形態と同様に、接着剤はスペーサ２５’にかからない位置に塗布され、接着剤の厚みがエアギャップ２３の厚みに影響しないようになっている。

本実施形態のように、成膜によりスペーサ２５’を形成することにより、エアギャップ２３の厚み精度、平行度の精度がより一層向上する。また、スペーサ２５’は第２プリズム２２と一体となっているので、プリズム２１，２２の貼り合わせ時の作業性も非常に良好である。

ＳｉＯ_２以外に、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等の蒸着材料、Ａｌ等の金属材料を用いて、成膜タイプのスペーサ２５’を形成してもよい。

本実施形態では、第２プリズム２２のギャップ形成面２２ｂは、平面に対しニュートンフリンジの数で±２本の間で、凹面や凸面への形状ズレを許容した範囲で研磨される。一方、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂは、平面に対しＨｅ−Ｎｅレーザ（波長は６３３ｎｍ）の光を用いたときのニュートンフリンジの数で−１２本から−１８本の間で、エアギャップ２３に対して凹面形状となるよう研磨されており、貼り合わしてエアギャップ２３を形成したとき、エアギャップ２３の厚みは周辺領域より中央領域が３μｍ以上６μｍ以下程度厚くなっている。このようにエアギャップ２３の中央領域の厚みを周辺領域の厚みよりも十分大きく設定することにより、熱膨張によるエアギャップ２３の潰れをより効果的に防止できる。

ＴＩＲプリズムユニット３のうち、照明光が通過する第１プリズム２１のほうが、熱の影響を受けやすい。しかし、第１プリズム２１のギャップ形成面２１ｂを凹面形状とすることで、熱膨張によるエアギャップ形成面２１ｂの凸面への変形を防止できる。この点でも、エアギャップ２３の潰れを効果的に防止でき、良好な投影画像が得られる。

本実施形態はカラープリズムユニット４の構成が第１実施形態と異なる。具体的には、本実施形態におけるカラープリズムユニット４は、ＴＩＲプリズムユニット３の図において右側に配置されており、概ね三角柱状であるクリアプリズム４１、同様に概ね三角柱状である赤プリズム３２’と青プリズム３１’、及びブロック状の緑プリズム３３’がこの順で図において右側に順次配置されて互いに組み合わされている。

クリアプリズム４１は互いに鋭角をなす入射出面４１ａとギャップ形成面４１ｂを備える。赤プリズム３２’はクリアプリズム４１のギャップ形成面４１ｂに対向して配置された赤ギャップ形成面３２ａ’と、この赤ギャップ形成面３２ａ’と鋭角をなす赤ダイクロイック面３２ｂ’（赤ダイクロイックコート層３９’が設けられている）とを備える。また、赤プリズム３２’は赤色用のＤＭＤ５Ｒが対向して配置された赤入射出面３２ｃ’を備える。青プリズム３１’は赤プリズム３２’の赤ダイクロイック面３２ｂ’に対向して配置された青ギャップ形成３１ａ’と、このギャップ形成３１ａ’と鋭角をなす青ダイクロイック面３１ｂ’（青ダイクロイックコート層３８’が設けられている）を備える。また、青プリズム３１’は青色用のＤＭＤ５Ｂが対向した配置された青入射出面３１ｃ’を備える。緑プリズム３３’は青プリズム３１’の青ダイクロイック面３１ｂ’に対向して配置された緑ギャップ形成面３３ａ’と、緑色用のＤＭＤ５Ｇが対向した配置された緑入出射面３３ｃ’を備える。

クリアプリズム４１のギャップ形成面４１ｂと赤プリズム３２’の赤ギャップ形成面３２ａ’との間には、エアギャップ４２が設けられている。このエアギャップ４２は投影光の光軸に対し１８°傾斜している。また、投影光の光軸とエアギャップ４２の法線からなる面は、ＴＩＲプリズムユニット３のエアギャップ２３の法線Ｎ１と投影の光軸からなる面（図３に示す第１仮想平面Ｐ１）と直交している。

赤プリズム３２’の赤ダイクロイック面３２ｂ’と青プリズム３１’の青ギャップ形成面３１ａ’との間には、エアギャップ４３が設けられている。このエアギャップ４３は投影光の光軸に対し１８°傾斜している。また、投影光の光軸とエアギャップ４３の法線からなる面は、ＴＩＲプリズムユニット３のエアギャップ２３の法線Ｎ１と投影光の光軸からなる面（第１仮想平面Ｐ１）と直交している。１８度の傾斜方向は、クリアプリズム４１と赤プリズム３２’によるエアギャップ４２の傾き方向とは逆方向である。

青プリズム３１’の青ダイクロイック面３１ｂ’と緑プリズム３３’の緑ギャップ形成面３３ａ’との間には、エアギャップ４４が設けられている。このエアギャップ４４も投影光の光軸に対し１８°傾斜している。また、投影光の光軸とエアギャップ４４の法線からなる面は、同様にＴＩＲプリズムユニット３のエアギャップ２３の法線Ｎ１と投影光の光軸からなる面（第１仮想平面Ｐ１）と直交している。１８度の傾斜方向は、クリアプリズム４１と赤プリズム３２’によるエアギャップ４２の傾き方向と同じ方向である。

第１実施形態と同様に、本実施形態におけるカラープリズムユニット４が備えるエアギャップ４２〜４４も照明光と投影光を透過させると共に、迷光・ゴースト等の発生を防ぐために非投影光も透過させるので、細長い形状となっている（図１３及び図１４参照）。これらのエアギャップ４２〜４４には、ＴＩＲプリズムユニット３と同様、厚み１０μｍのＳｉＯ_２膜からなるスペーサ３６’が形成されている。スペーサ３６’は、エアギャップ４２〜４４の非有効領域（図１３，１４の符号ＮＥ，ＮＥ’参照）の両端部の４箇所（４隅）に加え、投影有効領域（図１３，図１４の符号ＥＰ，ＥＰ’参照）と非投影光有効領域（図１３，図１４の符号ＥＮＰ，ＥＮＰ’参照）の間の箇所（２箇所）に配置されている。これらの箇所にスペーサ３６’を配置することで、細長いエアギャップ４２，４３，４４の熱膨張時の潰れを確実に防止している。

カラープリズムユニット４における照明光の光路は以下の通りである。ＴＩＲプリズムユニット３からの照明光は、入射出面４１ａからクリアプリズム４１に入射し、さらにエアギャップ４２を介して赤プリズム３２’に入射する。赤ダイクロイック面３２ｂ’で照明光のうち赤色光が反射され、他の緑色光及び青色光は赤ダイクロイック面３２ｂ’を透過する。赤ダイクロイック面３２ｂ’で反射された赤色光は、エアギャップ４２により全反射され、赤入射出面３２ｃ’より射出してＤＭＤ５Ｒを照明する。一方、赤ダイクロイック面３２ｂ’を透過した緑色光と青色光のうち、青色光は青ダイクロイック面３１ｂ’で反射され、緑色光は青ダイクロイック面３１ｂ’を透過する。青ダイクロイック面３１ｂ’で反射された青色光は、エアギャップ４３により全反射され、青入射出面３１ｃ’より射出して、ＤＭＤ５Ｂを照明する。青ダイクロイック面３１ｂ’を透過した緑色光は、緑プリズム３３’の緑入射出面３３ｃ’より射出して、ＤＭＤ５Ｇを照明する。

カラープリズムユニット４における投影光の光路は以下の通りである。赤色用のＤＭＤ５Ｒで反射された赤色の投影光は、赤入射出面３２ｃ’から入射してエアギャップ４２で全反射された後、赤ダイクロイック面３２ｂ’で反射される。また、青色用のＤＭＤ５Ｂで反射された青色の投影光は、青入射出面３１ｃ’に入射して、エアギャップ４３により全反射された後、青ダイクロイック面３１ｂ’で反射され、さらに赤ダイクロイック面３２ｂ’を透過する。さらに、緑色用のＤＭＤ５Ｇで反射された緑色の投影光は、緑入射出面３３ｃ’に入射して、青ダイクロイック面３１ｂ’と赤ダイクロイック面３２ｂ’を透過する。そして、これら赤色、青色、及び緑色の各投影光は、同一光軸に合成され、クリアプリズム４１の入射出面４１ａから射出して、ＴＩＲプリズムユニット３に入射する。なお、カラープリズムユニット４における非投影光の光路は、通過及び反射する位置が図において上方であり、クリアプリズム４１の入射出面４１ａからＴＩＲプリズムＰＲから外れた方向に向かう方向に射出される点を除いて投影光と同様である。

第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様である。図１０Ａ〜図１０Ｉ、図１１Ａ，１１Ｂ、及び図１２Ａ，１２Ｂの構成は、第２実施形態でも採用可能である。

１ 画像投影装置
２ 照明光学系
３ 内部全反射（ＴＩＲ）プリズムユニット
４ カラープリズムユニット
５Ｂ，５Ｒ，５Ｇ デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）
６ 投影光学系
１１ 光源
１２ リフレクタ
１３ ロッドインテグレータ
１４ 集光レンズ
１５ リレー光学系
１６ エントランスレンズ
２１ 第１プリズム
２１ａ 入射出面
２１ｂ ギャップ形成面
２１ｃ 入射面
２２ 第２プリズム
２２ａ 射出面
２２ｂ ギャップ形成面
２２ｃ 表面
２３ エアギャップ
２４ 凹面
２５，２５’ スペーサ
２６ 接着剤
２７ 連結部材
２８ ニュートンフリンジ
２９ 凸面
３１，３１’ 青プリズム
３１ａ 入射出面
３１ｂ 青ダイクロイック面
３１ｃ 青入射出面
３１ａ’ 青ギャップ形成面
３１ｂ’ 青ダイクロイック面
３１ｃ’ 青入射出面
３２，３２’ 赤プリズム
３２ａ 赤ギャップ形成面
３２ｂ 赤ダイクロイック面
３２ｃ 赤入射出面
３２’ａ 赤ギャップ形成面
３２ｂ’ 赤ダイクロイック面
３２ｃ’ 赤入射出面
３３，３３’ 緑プリズム
３３ａ 緑ギャップ形成面
３３ｃ 緑入射出面
３３ａ’ 緑ギャップ形成面
３３ｃ’ 緑入射出面
３４，３５ エアギャップ
３６，３６’ スペーサ
３７ 接着剤
３８，３８’ 青ダイクロイックコート層
３９，３９’ 赤ダイクロイックコート層
４１ クリアプリズム
４１ａ 入射出面
４１ｂ ギャップ形成面
４２，４３，４４ エアギャップ
Ｎ１ 法線
Ｐ１ 第１仮想平面
Ｐ２ 第２仮想平面
ｔ スペーサ２５の厚み
δ エアギャップ２３の周辺領域と中央領域の厚みの差
Ｔｍａｘ エアギャップの最大厚み
θｉ，θｉ’ 入射角度
ε，ε’ 非点隔差
ＮＥ，ＮＥ’ 非有効領域
ＥＩ，ＥＩ’ 照明光有効領域
ＥＰ，ＥＰ’ 投影光有効領域
ＥＮＰ，ＥＮＰ’ 非投影光有効領域
ＲＩ 照明光全反射領域
ＲＰ 投影光全反射領域
ＲＮＰ 非投影光全反射領域

Claims (15)

1. 鋭角をなす第１の表面と第２の表面を有する第１のプリズムと、
   前記第２の表面と間隔を隔てて対向して配置された第３の表面を有し、前記第２の表面と前記第３の表面の間に前記第１の表面の法線に対して傾斜したエアギャップが形成されている第２のプリズムとを備え、
   前記第２及び第３の表面の少なくとも一方が前記エアギャップに対して凹面であり、前記エアギャップの厚みは周辺領域よりも中央領域で厚い、内部全反射プリズムユニット。
2. 前記エアギャップの前記周辺領域において前記第２の表面と前記第３の表面の間に介在し、１μｍ以上５μｍ以下の範囲の均一な厚みを有するスペーサをさらに備える、請求項１に記載の内部全反射プリズムユニット。
3. 前記エアギャップの前記中央領域と前記周辺領域での厚みの差は０．３μｍ以上６μｍ以下である、請求項２に記載の内部全反射プリズムユニット。
4. 前記スペーサの厚みは１μｍ以上３μｍ以下の均一な厚みを有する、請求項２に記載の内部全反射プリズムユニット。
5. 前記エアギャップの前記中央領域と前記周辺領域での厚みの差は３μｍ以上６μｍ以下である、請求項３に記載の内部全反射プリズムユニット。
6. 前記第１のプリズムは第４の平面をさらに備え、
   前記第４の平面から前記第１のプリズムに入射した光が前記エアギャップで全反射され、
   前記第２の表面が凹面である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニット。
7. 前記第２の表面と前記第３の表面がいずれも前記エアギャップに対して凹面である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニット。
8. 前記エアギャップに対して凹面となる面は、前記１の表面の法線と前記エアギャップの法線と含む第１の仮想平面での曲率が、前記エアギャップの法線を含み前記第１の仮想平面に対して垂直な第２の仮想平面での曲率よりも大きい、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニット。
9. 前記スペーサは、ポリフェニレンサルファイドフィルム、パラジウム系アラミドフィルム、ポリエステルフィルム、又はポリイミドフィルムからなるシート状の部材である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニット。
10. 前記スペーサは、蒸着又はスパッタリングにより形成された金属膜又は誘電体膜である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニット。
11. 投影光学系と反射型画像表示素子の間に請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニットが配置されている、画像投影装置。
12. 第１のプリズムが有する第１の表面と第２のプリズムが有する第２の表面との間に周辺領域の厚みよりも中央領域の厚みが厚いエアギャップを形成するように、前記第１の表面のＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数と、前記第２の表面のＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数の和を−１本から−２０本に設定し、前記第１の表面と前記第２の表面をスペーサを介在させて互いに突き合わせるように前記第１のプリズムと前記第２のプリズムを互いに固定する、内部全反射プリズムユニットの製造方法。
13. 前記第１の表面を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が−１本から−１０本の凹面に研磨し、
    前記第２の表面を、前記Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）を用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が−１本から−１０本の凹面に研磨している請求項１２に記載の内部全反射プリズムユニットの製造方法。
14. 前記第１の表面又は前記第２の表面のいずれか一方をＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が±２本以内となるように研磨し、
    他方をＨｅ−Ｎｅレーザを用いたときの平面に対するニュートンフリンジの数が−３本から−１８本の凹面に研磨する請求項１２に記載の内部全反射プリズムユニットの製造方法。
15. 前記スペーサは１μｍ以上５μｍ以下の均一な厚みを有する、請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の内部全反射プリズムユニットの製造方法。

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