JP2014194496A - 光学素子及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光が入射する際の入射角が設計値からずれた場合に、レーザ光の各偏光成分が出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる光学素子を提供する。
【解決手段】第１のプリズム面４４及び第２のプリズム面４６を有するプリズム３８と、第１のプリズム面４４上に設けられた第１の平行平板４８と、第１のプリズム面４４と第１の平行平板４８との間に介在された第１の偏光反射部５０と、第１の平行平板４８を挟んで第１の偏光反射部５０と反対側に設けられた第１の反射板５２と、第２のプリズム面４６上に設けられた第２の平行平板５４と、第２のプリズム面４６と第２の平行平板５４との間に介在された第２の偏光反射部５６と、第２の平行平板５４を挟んで第２の偏光反射部５６と反対側に設けられた第２の反射板５８と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光の各偏光成分の間で光路差を生じさせるための光学素子及びこれを用いたプロジェクタに関する。

例えば、赤色成分（Ｒ）のレーザ光、緑色成分（Ｇ）のレーザ光及び青色成分（Ｂ）のレーザ光を合成して投影面に投影することにより、投影面上にカラーの画像を投影するプロジェクタが知られている。このプロジェクタは、例えば、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）等として実用化されている。ヘッドアップディスプレイとは、プロジェクタから投影された画像を自動車等のフロントガラスに設けられたコンバイナ（透光性反射部材）で運転者に向けて反射させることにより、運転者がフロントガラスの前方の景色と虚像である画像とを重ねて視認できるようにするものである。

このようなレーザ光を用いたプロジェクタでは、レーザ光を粗面（投影面）に照射した際に、粗面の各点で拡散されたレーザ光が相互に干渉することによって斑点模様（いわゆる、スペックル）が生じる。このスペックルは、レーザ光が有する高いコヒーレンス性（可干渉性）に起因するものである。スペックルは、投影面に投影される画像の画質低下の原因となるため、スペックルを低減するための光学素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、図８を参照しながら、従来の光学素子の構成について説明する。図８は、従来の光学素子の構成を示す断面図である。図示の光学素子１００は、偏光ビームスプリッタ１０２と、偏光ビームスプリッタ１０２の両側に配置された一対のミラー１０４，１０６と、を備えている。偏光ビームスプリッタ１０２とミラー１０４との間には１／４波長板１０８が配置され、偏光ビームスプリッタ１０２とミラー１０６との間には１／４波長板１１０が配置されている。

レーザ光源（図示せず）からのレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０２の入射面１０２ａに略垂直に入射する。入射面１０２ａに入射したレーザ光の第１の偏光成分は、図８中の実線の矢印で示すように、偏光ビームスプリッタ１０２の内部に設けられた偏光分離部１１２を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２の出射面１０２ｂから出射する。

入射面１０２ａに入射したレーザ光の第２の偏光成分（すなわち、第１の偏光成分と直交する偏光成分）は、図８中の破線の矢印で示すように、偏光分離部１１２で反射された後に、偏光ビームスプリッタ１０２の第１の面１０２ｃから出射する。第１の面１０２ｃから出射したレーザ光の第２の偏光成分は、ミラー１０４で反射された後に第１の面１０２ｃに入射する。第１の面１０２ｃに入射したレーザ光の第２の偏光成分は、１／４波長板１０８を２回透過することによって、第１の偏光成分に変換される。当該レーザ光の第１の偏光成分は、偏光分離部１１２を透過した後に、偏光ビームスプリッタ１０２の第２の面１０２ｄから出射する。

第２の面１０２ｄから出射したレーザ光の第１の偏光成分は、ミラー１０６で反射された後に第２の面１０２ｄに入射する。第２の面１０２ｄに入射したレーザ光の第１の偏光成分は、１／４波長板１１０を２回透過することによって、第２の偏光成分に変換される。当該レーザ光の第２の偏光成分は、偏光分離部１１２で反射された後に、出射面１０２ｂから出射する。

以上のようにして、偏光ビームスプリッタ１０２により分離された２つの偏光成分を、所定の光路差を持たせて伝播させた後に合成する。すなわち、光学素子１００に入射したレーザ光を、互いに干渉しない２つの偏光成分の合成光に変換することにより、スペックルを低減することができる。

特開２０１２−７３４７６号公報

しかしながら、上述した従来の光学素子１００では、次のような課題が生じる。図９は、レーザ光が入射面に入射する際の入射角が設計値からずれた場合における、従来の光学素子の構成を示す断面図である。何らかの要因で、図９に示すように、レーザ光源からのレーザ光が入射面１０２ａに入射する際の入射角が設計値（例えば、０°）からずれることがある。この場合には、図９中の破線の矢印で示すように、レーザ光の各偏光成分がミラー１０４，１０６で反射する際の反射角が変化する。これにより、レーザ光の第１の偏光成分が出射面１０２ｂから出射する際の出射角と、レーザ光の第２の偏光成分が出射面１０２ｂから出射する出射角との間にずれが生じてしまう。その結果、投影面に投影される画像の解像度が低下してしまうという課題が生じる。

本発明は、上述した課題を解決しようとするものであり、その目的は、レーザ光が入射する際の入射角が設計値からずれた場合に、レーザ光の各偏光成分が出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる光学素子及びこれを用いたプロジェクタを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る光学素子は、第１のプリズム面及び第２のプリズム面を有するプリズムと、前記第１のプリズム面上に設けられた第１の平行平板と、前記第１のプリズム面と前記第１の平行平板との間に介在され、前記プリズムに入射したレーザ光の第１の偏光成分を反射し、且つ、前記プリズムに入射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を透過する第１の偏光反射部と、前記第１の平行平板を挟んで前記第１の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第１の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第１の反射板と、前記第２のプリズム面上に設けられた第２の平行平板と、前記第２のプリズム面と前記第２の平行平板との間に介在され、前記第１の偏光反射部で反射された前記レーザ光の前記第１の偏光成分を反射し、且つ、前記第１の反射板で反射された前記レーザ光の前記第２の偏光成分を透過する第２の偏光反射部と、前記第２の平行平板を挟んで前記第２の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第２の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第２の反射板と、を備える。

本態様によれば、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分はそれぞれ、異なる光路で光学素子の内部を伝播する。すなわち、光学素子により分離されたレーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分を、所定の光路差を持たせて伝播させた後に合成する。これにより、スペックルを低減することができる。さらに、レーザ光が光学素子に入射する際の入射角が設計値からずれた場合であっても、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分がそれぞれ光学素子の内部で反射する回数及び反射する方向は同一である。これにより、レーザ光の各偏光成分が光学素子から出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる。

例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記プリズム、前記第１の平行平板及び前記第２の平行平板の各々の屈折率は同一であるように構成してもよい。

本態様によれば、プリズム、第１の平行平板及び第２の平行平板の各々の屈折率は同一であるので、レーザ光の第２の偏光成分がプリズムから第１の平行平板に（又は第１の平行平板からプリズムに）入射する際に、レーザ光の第２の偏光成分を直進させることができる。同様に、レーザ光の第２の偏光成分がプリズムから第２の平行平板に（又は第２の平行平板からプリズムに）入射する際に、レーザ光の第２の偏光成分を直進させることができる。これにより、光学素子の内部におけるレーザ光の第２の偏光成分の光路をコンパクトにすることができ、光学素子を小型化することができる。

例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第２の偏光反射部で反射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分及び前記第２の反射板で反射した前記レーザ光の前記第２の偏光成分はそれぞれ、前記プリズムを通過した後に前記プリズムから出射するように構成してもよい。

本態様によれば、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分はそれぞれ、光学素子の内部で２回反射された後に、プリズムから出射される。これにより、反射による光量ロスを最小限に抑制することができる。

例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第１の偏光反射部及び前記第２の偏光反射部は、４５°の角度で対向して配置されているように構成してもよい。

本態様によれば、第１の偏光反射部及び第２の偏光反射部は４５°の角度で対向して配置されているので、光学素子から出射するレーザ光の出射方向を、光学素子に入射するレーザ光の入射方向に対して略垂直にすることができる。これにより、例えば光学素子をプロジェクタに用いた場合などに、光学素子及びその周囲の光学部品等を容易に配置することができる。

例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記プリズムは、さらに、第３のプリズム面を有し、さらに、前記第３のプリズム面上に設けられた第３の平行平板と、前記第３のプリズム面と前記第３の平行平板との間に介在され、前記第２の偏光反射部で反射された前記レーザ光の前記第１の偏光成分を反射し、且つ、前記第２の反射板で反射された前記レーザ光の前記第２の偏光成分を透過する第３の偏光反射部と、前記第３の平行平板を挟んで前記第３の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第３の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第３の反射板と、を備え、前記第３の偏光反射部で反射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分及び前記第３の反射板で反射した前記レーザ光の前記第２の偏光成分はそれぞれ、前記プリズムを通過した後に前記プリズムから出射するように構成してもよい。

本態様によれば、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分はそれぞれ、光学素子の内部で３回反射された後に、プリズムから出射される。これにより、反射による光量ロスを効果的に抑制することができる。

例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記第１の偏光反射部及び前記第２の偏光反射部は、９０°の角度で対向して配置され、且つ、前記第２の偏光反射部及び前記第３の偏光反射部は、９０°の角度で対向して配置されているように構成してもよい。

本態様によれば、第１の偏光反射部及び第２の偏光反射部は９０°の角度で対向して配置され、且つ、第２の偏光反射部及び第３の偏光反射部は９０°の角度で対向して配置されているので、光学素子から出射するレーザ光の出射方向を、光学素子に入射するレーザ光の入射方向に対して略垂直にすることができる。これにより、例えば光学素子をプロジェクタに用いた場合などに、光学素子及びその周囲の光学部品等を容易に配置することができる。

例えば、本発明の一態様に係る光学素子において、前記プリズム、前記第１の平行平板、前記第２の平行平板及び前記第３の平行平板の各々の屈折率は同一であるように構成してもよい。

本態様によれば、プリズム、第１の平行平板、第２の平行平板及び第３の平行平板の各々の屈折率は同一であるので、レーザ光の第２の偏光成分がプリズムから第１の平行平板に（又は第１の平行平板からプリズムに）入射する際に、レーザ光の第２の偏光成分を直進させることができる。同様に、レーザ光の第２の偏光成分がプリズムから第２の平行平板に（又は第２の平行平板からプリズムに）入射する際に、レーザ光の第２の偏光成分を直進させることができる。同様に、レーザ光の第２の偏光成分がプリズムから第３の平行平板に（又は第３の平行平板からプリズムに）入射する際に、レーザ光の第２の偏光成分を直進させることができる。これにより、光学素子の内部におけるレーザ光の第２の偏光成分の光路をコンパクトにすることができ、光学素子を小型化することができる。

また、本発明の一態様に係るプロジェクタは、レーザ光を出力する光源と、前記光源からの前記レーザ光が入射する光学素子と、を備え、前記光学素子は、第１のプリズム面及び第２のプリズム面を有するプリズムと、前記第１のプリズム面上に設けられた第１の平行平板と、前記第１のプリズム面と前記第１の平行平板との間に介在され、前記プリズムに入射した前記レーザ光の第１の偏光成分を反射し、且つ、前記プリズムに入射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を透過する第１の偏光反射部と、前記第１の平行平板を挟んで前記第１の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第１の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第１の反射板と、前記第２のプリズム面上に設けられた第２の平行平板と、前記第２のプリズム面と前記第２の平行平板との間に介在され、前記第１の偏光反射部で反射された前記レーザ光の前記第１の偏光成分を反射し、且つ、前記第１の反射板で反射された前記レーザ光の前記第２の偏光成分を透過する第２の偏光反射部と、前記第２の平行平板を挟んで前記第２の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第２の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第２の反射板と、を有する。

本態様によれば、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分はそれぞれ、異なる光路で光学素子の内部を伝播する。すなわち、光学素子により分離されたレーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分を、所定の光路差を持たせて伝播させた後に合成する。これにより、投影面に画像を投影する際に、スペックルを低減することができる。さらに、レーザ光が光学素子に入射する際の入射角が設計値からずれた場合であっても、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分がそれぞれ光学素子の内部で反射する回数及び反射する方向は同一である。これにより、レーザ光の各偏光成分が光学素子から出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる。その結果、投影面に投影される画像の解像度が低下するのを抑制することができる。

例えば、本発明の一態様に係るプロジェクタにおいて、前記プリズムは、さらに、前記光源からの前記レーザ光が入射する入射プリズム面を有し、前記レーザ光は、前記入射プリズム面に略垂直に入射するように構成してもよい。

本態様によれば、レーザ光は入射プリズム面に略垂直に入射するので、レーザ光の波長による色の分離を抑制することができる。

本発明の一態様に係る光学素子及びプロジェクタによれば、レーザ光が光学素子に入射する際の入射角が設計値からずれた場合に、レーザ光の各偏光成分が光学素子から出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる。

実施の形態１に係るプロジェクタを搭載したヘッドアップディスプレイを示す図である。 実施の形態１に係るプロジェクタにより投影される画像の一例を示す図である。 実施の形態１に係るプロジェクタの構成を簡略的に示す図である。 実施の形態１に係る光学素子の構成を示す断面図である。 レーザ光が入射プリズム面に入射する際の入射角が設計値からずれた場合における、実施の形態１に係る光学素子の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る光学素子の構成を示す断面図である。 レーザ光が入射プリズム面に入射する際の入射角が設計値からずれた場合における、実施の形態２に係る光学素子の構成を示す断面図である。 従来の光学素子の構成を示す断面図である。 レーザ光が入射面に入射する際の入射角が設計値からずれた場合における、従来の光学素子の構成を示す断面図である。

以下、実施の形態に係る光学素子及びプロジェクタについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（実施の形態１）
［プロジェクタの概要］
まず、図１及び図２を参照しながら、実施の形態１に係るプロジェクタの概要について説明する。図１は、実施の形態１に係るプロジェクタを搭載したヘッドアップディスプレイを示す図である。図２は、実施の形態１に係るプロジェクタにより投影される画像の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態のプロジェクタ２は、例えばヘッドアップディスプレイに搭載されている。プロジェクタ２は、例えば、自動車４のダッシュボード６の内部に設置されている。プロジェクタ２から投影された画像８は、自動車４のフロントガラス１０に設けられたコンバイナ１２で運転者１４に向けて反射される。これにより、図２に示すように、運転者１４は、フロントガラス１０の前方の景色１６と虚像である画像８とを重ねて視認することができる。フロントガラス１０（以下、「投影面１０」ともいう）に投影される画像８は、例えば、スピードメータ表示及び道路の分岐案内表示等である。

［プロジェクタの全体構成］
次に、図３を参照しながら、実施の形態１に係るプロジェクタの全体構成について説明する。図３は、実施の形態１に係るプロジェクタの構成を簡略的に示す図である。

本実施の形態のプロジェクタ２は、赤色成分（Ｒ）のレーザ光、緑色成分（Ｇ）のレーザ光及び青色成分（Ｂ）のレーザ光を合成して投影面１０に投影することにより、投影面１０上にカラーの画像８を投影するレーザプロジェクタである。

図３に示すように、プロジェクタ２は、第１のレーザ光源１８、第２のレーザ光源２０、第３のレーザ光源２２（第１のレーザ光源１８、第２のレーザ光源２０及び第３のレーザ光源２２の各々は光源を構成する）、第１のダイクロイックミラー２４及び第２のダイクロイックミラー２６を備えている。

第１のレーザ光源１８、第２のレーザ光源２０及び第３のレーザ光源２２はそれぞれ、特定の波長の単色色成分のレーザ光を出力するレーザダイオード（ＬＤ）である。具体的には、第１のレーザ光源１８は赤色成分のレーザ光を出力し、第２のレーザ光源２０は緑色成分のレーザ光を出力し、第３のレーザ光源２２は青色成分のレーザ光を出力する。なお、第１のレーザ光源１８、第２のレーザ光源２０及び第３のレーザ光源２２の各々から出力されるレーザ光は、例えば直線偏光のレーザ光である。

第１のダイクロイックミラー２４及び第２のダイクロイックミラー２６はそれぞれ、特定の波長のレーザ光のみを反射し、その他の波長のレーザ光を透過する光学的性質を有している。具体的には、第１のダイクロイックミラー２４は、緑色成分のレーザ光のみを反射し、その他の色成分のレーザ光を透過する。第２のダイクロイックミラー２６は、赤色成分のレーザ光のみを反射し、その他の色成分のレーザ光を透過する。

第１のダイクロイックミラー２４は、レーザ光の光路の上流側に配置され、第２のダイクロイックミラー２６は、レーザ光の光路の下流側に配置されている。第２のレーザ光源２０からの緑色成分のレーザ光は、第１のダイクロイックミラー２４で反射され、第３のレーザ光源２２からの青色成分のレーザ光は、第１のダイクロイックミラー２４を透過する。これにより、緑色成分のレーザ光及び青色成分のレーザ光が第１のダイクロイックミラー２４において合成される。

さらに、第１のレーザ光源１８からの赤色成分のレーザ光は、第２のダイクロイックミラー２６で反射され、上述のように合成された緑色成分のレーザ光及び青色成分のレーザ光は、第２のダイクロイックミラー２６を透過する。これにより、赤色成分のレーザ光、緑色成分のレーザ光及び青色成分のレーザ光が第２のダイクロイックミラー２６において合成される。

図３に示すように、プロジェクタ２は、さらに、レンズ２８、光学素子３０及びＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー３２を備えている。

レンズ２８は、上述のように第２のダイクロイックミラー２６において合成されたレーザ光を集光するための集光レンズである。

光学素子３０は、スペックルを低減するためのものである。光学素子３０は、レンズ２８とＭＥＭＳミラー３２との間におけるレーザ光の光路上に配置されている。本実施の形態のプロジェクタ２では、光学素子３０の構成に特徴がある。光学素子３０の構成については後述する。

ＭＥＭＳミラー３２は、水平方向に比較的高速で走査され、且つ、垂直方向に比較的低速で走査される。ＭＥＭＳミラー３２は、入射したレーザ光を自己の振れ角に応じた方向に反射する。光学素子３０から出射したレーザ光は、ＭＥＭＳミラー３２で反射される。ＭＥＭＳミラー３２が水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査されることにより、投影面１０に投影されるレーザ光が水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査され、投影面１０に画像８が投影される。

図３に示すように、プロジェクタ２は、さらに、制御部３４を備えている。制御部３４は、第１のレーザ光源１８、第２のレーザ光源２０及び第３のレーザ光源２２の各々に供給される駆動電流を制御する。さらに、制御部３４は、ＭＥＭＳミラー３２の振れ角を制御する。

なお、図３に示すように、プロジェクタ２の上述した各構成要素は、例えばハウジング３６の内部に所定の配置で収納されている。

［光学素子の構成］
次に、図４を参照しながら、上述した光学素子３０の構成について説明する。図４は、実施の形態１に係る光学素子の構成を示す断面図である。なお、説明の都合上、図４等では、断面を表すハッチングの図示を省略している。

図４に示すように、光学素子３０は、プリズム３８を備えている。このプリズム３８は、例えば断面が五角形の多面体である。プリズム３８は、入射プリズム面４０、出射プリズム面４２、第１のプリズム面４４及び第２のプリズム面４６を有している。

入射プリズム面４０は、レンズ２８により集光されたレーザ光が入射するプリズム面である。出射プリズム面４２は、プリズム３８の内部を伝播したレーザ光が出射するプリズム面である。入射プリズム面４０及び出射プリズム面４２は、角度θ１（例えば、θ１＝９０°）をなすように互いに隣接して配置されている。

第１のプリズム面４４は、出射プリズム面４２に隣接して、且つ、入射プリズム面４０に対向して配置されている。第２のプリズム面４６は、入射プリズム面４０に隣接して、且つ、出射プリズム面４２に対向して配置されている。第１のプリズム面４４及び第２のプリズム面４６は、角度θ２（例えば、θ２＝４５°）をなすように配置されている。すなわち、第１のプリズム面４４及び第２のプリズム面４６は、互いに平行とならないように配置されている。

第１のプリズム面４４上には、第１の偏光反射部５０（後述する）を介して第１の平行平板４８が密着して設けられている。第１の平行平板４８は、透光性を有する材料、例えばガラス等で形成されている。第１の平行平板４８の屈折率は、プリズム３８の屈折率と同一である。

第１のプリズム面４４と第１の平行平板４８との間には、第１の偏光反射部５０が介在されている。第１の偏光反射部５０は、例えば誘電体多層膜で構成されている。第１の偏光反射部５０は、レーザ光の特定の偏光成分を反射する光学的性質を有している。具体的には、レーザ光が第１の偏光反射部５０に入射した際に、レーザ光の第１の偏光成分は第１の偏光反射部５０で反射され、レーザ光の第２の偏光成分（すなわち、第１の偏光成分と直交する偏光成分）は第１の偏光反射部５０を透過する。

第１の平行平板４８を挟んで第１の偏光反射部５０とは反対側には、第１の反射板５２が設けられている。第１の反射板５２は、例えばアルミニウムで形成されたミラーであり、入射した光を全反射する光学的性質を有している。第１の反射板５２には、第１の偏光反射部５０を透過したレーザ光の第２の偏光成分が入射する。第１の反射板５２は、当該入射したレーザ光の第２の偏光成分を反射する。

第２のプリズム面４６上には、第２の偏光反射部５６（後述する）を介して第２の平行平板５４が密着して設けられている。第２の平行平板５４は、透光性を有する材料、例えばガラス等で形成されている。第２の平行平板５４の屈折率は、プリズム３８の屈折率と同一である。

第２のプリズム面４６と第２の平行平板５４との間には、第２の偏光反射部５６が介在されている。第２の偏光反射部５６は、例えば、誘電体多層膜で構成されている。第２の偏光反射部５６は、第１の偏光反射部５０と同様に、レーザ光の特定の偏光成分を反射する光学的性質を有している。具体的には、レーザ光が第２の偏光反射部５６に入射した際に、レーザ光の第１の偏光成分は第２の偏光反射部５６で反射され、レーザ光の第２の偏光成分は第２の偏光反射部５６を透過する。

第２の平行平板５４を挟んで第２の偏光反射部５６とは反対側には、第２の反射板５８が設けられている。第２の反射板５８は、例えばアルミニウムで形成されたミラーであり、入射した光を全反射する光学的性質を有している。第２の反射板５８には、第２の偏光反射部５６を透過したレーザ光の第２の偏光成分が入射する。第２の反射板５８は、当該入射したレーザ光の第２の偏光成分を反射する。

なお、上述のように、第１のプリズム面４４及び第２のプリズム面４６は角度θ２をなすように配置されているので、第１の偏光反射部５０及び第２の偏光反射部５６は、角度θ２で（すなわち、４５°の角度で）対向して配置されている。

［スペックルの低減効果］
次に、図４を参照しながら、本実施の形態の光学素子３０により得られるスペックルの低減効果について説明する。

レンズ２８により集光されたレーザ光は、図４中の実線の矢印及び破線の矢印で示すように、プリズム３８の入射プリズム面４０に略垂直に入射する。すなわち、レーザ光が入射プリズム面４０に入射する際の入射角の設計値は、０°である。なお、図４中の実線の矢印は、レーザ光の第１の偏光成分の光路を表し、図４中の破線の矢印は、レーザ光の第２の偏光成分の光路を表している。なお、入射プリズム面４０に入射するレーザ光の第１の偏光成分の光軸は、入射プリズム面４０に入射するレーザ光の第２の偏光成分の光軸と同軸である。

まず、レーザ光の第１の偏光成分の光路について説明する。入射プリズム面４０に入射したレーザ光の第１の偏光成分は、プリズム３８の内部を伝播した後に、入射角φ１（例えば、φ１＝２２．５°）で第１の偏光反射部５０に入射し、さらに、反射角φ１で第１の偏光反射部５０で反射する。

第１の偏光反射部５０で反射したレーザ光の第１の偏光成分は、再度、プリズム３８の内部を伝播する。その後、レーザ光の第１の偏光成分は、入射角φ２（例えば、φ２＝２２．５°）で第２の偏光反射部５６に入射し、さらに、反射角φ２で第２の偏光反射部５６で反射する。

第２の偏光反射部５６で反射したレーザ光の第１の偏光成分は、再度、プリズム３８の内部を伝播する。その後、レーザ光の第１の偏光成分は、出射プリズム面４２から略垂直に出射する。なお、出射プリズム面４２から出射するレーザ光の出射方向は、入射プリズム面４０に入射するレーザ光の入射方向に対して略垂直である。

次に、レーザ光の第２の偏光成分の光路について説明する。入射プリズム面４０に入射したレーザ光の第２の偏光成分は、プリズム３８の内部を伝播した後に、第１の偏光反射部５０を透過する。第１の偏光反射部５０を透過したレーザ光の第２の偏光成分は、第１の平行平板４８の内部を伝播した後に、入射角φ３（例えば、φ３＝２２．５°）で第１の反射板５２に入射し、さらに、反射角φ３で第１の反射板５２で反射する。

第１の反射板５２で反射したレーザ光の第２の偏光成分は、再度、第１の偏光反射部５０を透過した後に、プリズム３８の内部を伝播する。このとき、レーザ光の第２の偏光成分の光軸は、第１の偏光反射部５０で反射したレーザ光の第１の偏光成分の光軸と略平行である。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、第２の偏光反射部５６を透過した後に、第２の平行平板５４の内部を伝播する。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、入射角φ４（例えば、φ２＝２２．５°）で第２の反射板５８に入射し、さらに、反射角φ４で第２の反射板５８で反射する。

第２の反射板５８で反射したレーザ光の第２の偏光成分は、再度、第２の偏光反射部５６を透過した後に、プリズム３８の内部を伝播する。このとき、プリズム３８の内部を伝播するレーザ光の第２の偏光成分の光軸は、第２の偏光反射部５６で反射したレーザ光の第１の偏光成分の光軸とほぼ同軸である。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、出射プリズム面４２から略垂直に出射する。出射プリズム面４２から出射したレーザ光の第２の偏光成分は、出射プリズム面４２から出射したレーザ光の第１の偏光成分と合成される。

以上のように、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分はそれぞれ、異なる光路で光学素子３０の内部を伝播する。これにより、光学素子３０により分離されたレーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分を、所定の光路差を持たせて伝播させた後に合成することができる。すなわち、光学素子３０に入射したレーザ光を、互いに干渉しない第１の偏光成分及び第２の偏光成分の合成光に変換することができる。その結果、スペックルを低減することができる。

［本願特有の効果］
次に、図５を参照しながら、本実施の形態の光学素子３０により得られる本願特有の効果について説明する。図５は、レーザ光が入射プリズム面に入射する際の入射角が設計値からずれた場合における、実施の形態１に係る光学素子の構成を示す断面図である。

何らかの要因で、図５に示すように、レーザ光が入射プリズム面４０に入射する際の入射角が設計値（例えば、０°）からずれることがある。このような場合であっても、レーザ光の第１の偏光成分及びレーザ光の第２の偏光成分がそれぞれ光学素子３０の内部で反射する回数及び反射する方向は同一であるので、出射プリズム面４２から出射するレーザ光の第１の偏光成分及び第２の偏光成分の各々の光軸はほぼ同軸のままとなる。これにより、レーザ光の各偏光成分が出射プリズム面４２から出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる。その結果、投影面１０に投影される画像８の解像度が低下するのを抑制することができる。

（実施の形態２）
次に、図６を参照しながら、実施の形態２に係る光学素子の構成について説明する。図６は、実施の形態２に係る光学素子の構成を示す断面図である。なお、本実施の形態において、上記実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

［光学素子の構成］
図６に示すように、本実施の形態の光学素子３０Ａでは、プリズム３８Ａは、入射プリズム面４０、出射プリズム面４２、第１のプリズム面４４Ａ及び第２のプリズム面４６Ａに加えて、第３のプリズム面６０を有している。

第１のプリズム面４４Ａは、出射プリズム面４２に隣接して、且つ、入射プリズム面４０に対向して配置されている。第２のプリズム面４６Ａは、第１のプリズム面４４Ａに隣接して配置されている。第３のプリズム面６０は、第２のプリズム面４６Ａ及び入射プリズム面４０の各々に隣接して、且つ、出射プリズム面４２に対向して配置されている。第１のプリズム面４４Ａ及び第２のプリズム面４６Ａは、角度θ３（例えば、θ３＝９０°）をなすように配置されている。すなわち、第１のプリズム面４４Ａ及び第２のプリズム面４６Ａは、互いに平行とならないように配置されている。第２のプリズム面４６Ａ及び第３のプリズム面６０は、角度θ４（例えば、θ４＝９０°）をなすように配置されている。すなわち、第２のプリズム面４６Ａ及び第３のプリズム面６０は、互いに平行とならないように配置されている。

第１のプリズム面４４Ａ上には、第１の偏光反射部５０Ａを介して第１の平行平板４８Ａが密着して設けられている。第１の平行平板４８Ａを挟んで第１の偏光反射部５０Ａとは反対側には、第１の反射板５２Ａが設けられている。これら第１の平行平板４８Ａ、第１の偏光反射部５０Ａ及び第１の反射板５２Ａの各々の構成は、上記実施の形態１と同様であるので、それらの説明を省略する。

第２のプリズム面４６Ａ上には、第２の偏光反射部５６Ａを介して第２の平行平板５４Ａが密着して設けられている。第２の平行平板５４Ａを挟んで第２の偏光反射部５６Ａとは反対側には、第２の反射板５８Ａが設けられている。これら第２の平行平板５４Ａ、第２の偏光反射部５６Ａ及び第２の反射板５８Ａの各々の構成は、上記実施の形態１と同様であるので、それらの説明を省略する。

なお、上述のように、第１のプリズム面４４Ａ及び第２のプリズム面４６Ａは角度θ３をなすように配置されているので、第１の偏光反射部５０Ａ及び第２の偏光反射部５６Ａは、角度θ３で（すなわち、９０°の角度で）対向して配置されている。

第３のプリズム面６０上には、第３の偏光反射部６４（後述する）を介して第３の平行平板６２が密着して設けられている。第３の平行平板６２は、透光性を有する材料、例えばガラス等で形成されている。第３の平行平板６２の屈折率は、プリズム３８Ａの屈折率と同一である。

第３のプリズム面６０と第３の平行平板６２との間には、第３の偏光反射部６４が介在されている。第３の偏光反射部６４は、例えば、誘電体多層膜で構成されている。第３の偏光反射部６４は、レーザ光の特定の偏光成分を反射する光学的性質を有している。具体的には、レーザ光が第３の偏光反射部６４に入射した際に、レーザ光の第１の偏光成分は第３の偏光反射部６４で反射され、レーザ光の第２の偏光成分は第３の偏光反射部６４を透過する。

第３の平行平板６２を挟んで第３の偏光反射部６４とは反対側には、第３の反射板６６が設けられている。第３の反射板６６は、例えばアルミニウムで形成されたミラーであり、入射した光を全反射する光学的性質を有している。第３の反射板６６には、第３の偏光反射部６４を透過したレーザ光の第２の偏光成分が入射する。第３の反射板６６は、当該入射したレーザ光の第２の偏光成分を反射する。

なお、上述のように、第２のプリズム面４６Ａ及び第３のプリズム面６０は角度θ４をなすように配置されているので、第２の偏光反射部５６Ａ及び第３の偏光反射部６４は、角度θ４で（すなわち、９０°の角度で）対向して配置されている。

［スペックルの低減効果］
次に、図６を参照しながら、本実施の形態の光学素子３０Ａにより得られるスペックルの低減効果について説明する。

レンズ２８（図３参照）により集光されたレーザ光は、図６中の実線の矢印及び破線の矢印で示すように、プリズム３８Ａの入射プリズム面４０に略垂直に入射する。すなわち、レーザ光が入射プリズム面４０に入射する際の入射角の設計値は、０°である。

まず、レーザ光の第１の偏光成分の光路について説明する。入射プリズム面４０に入射したレーザ光の第１の偏光成分は、プリズム３８Ａの内部を伝播した後に、入射角φ５（例えば、φ５＝４５°）で第１の偏光反射部５０Ａに入射し、さらに、反射角φ５で第１の偏光反射部５０Ａで反射する。

第１の偏光反射部５０Ａで反射したレーザ光の第１の偏光成分は、再度、プリズム３８Ａの内部を伝播する。その後、レーザ光の第１の偏光成分は、入射角φ６（例えば、φ６＝４５°）で第２の偏光反射部５６Ａに入射し、さらに、反射角φ６で第２の偏光反射部５６Ａで反射する。

第２の偏光反射部５６Ａで反射したレーザ光の第１の偏光成分は、再度、プリズム３８Ａの内部を伝播する。その後、レーザ光の第１の偏光成分は、入射角φ７（例えば、φ７＝４５°）で第３の偏光反射部６４に入射し、さらに、反射角φ７で第３の偏光反射部６４で反射する。

第３の偏光反射部６４で反射したレーザ光の第１の偏光成分は、再度、プリズム３８Ａの内部を伝播する。その後、レーザ光の第１の偏光成分は、出射プリズム面４２から略垂直に出射する。なお、出射プリズム面４２から出射するレーザ光の出射方向は、入射プリズム面４０に入射するレーザ光の入射方向に対して略垂直である。

次に、レーザ光の第２の偏光成分の光路について説明する。入射プリズム面４０に入射したレーザ光の第２の偏光成分は、プリズム３８Ａの内部を伝播した後に、第１の偏光反射部５０Ａを透過する。第１の偏光反射部５０Ａを透過したレーザ光の第２の偏光成分は、第１の平行平板４８Ａの内部を伝播した後に、入射角φ８（例えば、φ８＝４５°）で第１の反射板５２Ａに入射し、さらに、反射角φ８で第１の反射板５２Ａで反射する。

第１の反射板５２Ａで反射したレーザ光の第２の偏光成分は、再度、第１の偏光反射部５０Ａを透過した後に、プリズム３８Ａの内部を伝播する。このとき、レーザ光の第２の偏光成分の光軸は、第１の偏光反射部５０Ａで反射したレーザ光の第１の偏光成分の光軸と略平行である。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、第２の偏光反射部５６Ａを透過した後に、第２の平行平板５４Ａの内部を伝播する。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、入射角φ９（例えば、φ９＝４５°）で第２の反射板５８Ａに入射し、さらに、反射角φ９で第２の反射板５８Ａで反射する。

第２の反射板５８Ａで反射したレーザ光の第２の偏光成分は、再度、第２の偏光反射部５６Ａを透過した後に、プリズム３８Ａの内部を伝播する。このとき、レーザ光の第２の偏光成分の光軸は、第２の偏光反射部５６Ａで反射したレーザ光の第１の偏光成分の光軸と略平行である。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、第３の偏光反射部６４を透過した後に、第３の平行平板６２の内部を伝播する。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、入射角φ１０（例えば、φ１０＝４５°）で第３の反射板６６に入射し、さらに、反射角φ１０で第３の反射板６６で反射する。

第３の反射板６６で反射したレーザ光の第２の偏光成分は、再度、第３の偏光反射部６４を透過した後に、プリズム３８Ａの内部を伝播する。このとき、プリズム３８Ａの内部を進行するレーザ光の第２の偏光成分の光軸は、第３の偏光反射部６４で反射したレーザ光の第１の偏光成分の光軸とほぼ同軸である。その後、レーザ光の第２の偏光成分は、出射プリズム面４２から略垂直に出射する。

以上のようにして、本実施の形態の光学素子３０Ａでは、上記実施の形態１と同様に、スペックルを低減することができる。

［本願特有の効果］
次に、図７を参照しながら、本実施の形態の光学素子３０Ａにより得られる本願特有の効果について説明する。図７は、レーザ光が入射プリズム面に入射する際の入射角が設計値からずれた場合における、実施の形態２に係る光学素子の構成を示す断面図である。

図７に示すように、レーザ光が入射プリズム面４０に入射する際の入射角が設計値（例えば、０°）からずれた場合であっても、上記実施の形態１と同様に、レーザ光の各偏光成分が出射プリズム面４２から出射する際の出射角の間に生じるずれを抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態１及び２に係る光学素子及びプロジェクタについて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施の形態を組み合わせるようにしてもよい。

上記各実施の形態では、プロジェクタが自動車用のヘッドアップディスプレイに搭載される場合について説明したが、これに限定されず、プロジェクタは、例えば航空機用のヘッドアップディスプレイに搭載することもできる。

上記各実施の形態では、プロジェクタがヘッドアップディスプレイに搭載される場合について説明したが、これに限定されず、プロジェクタは、例えば壁等に設置されたスクリーン上に画像を投影するための投影機として用いることもできる。

上記各実施の形態では、光学素子をレンズとＭＥＭＳミラーとの間におけるレーザ光の光路上に配置したが、これに限定されず、例えば各レーザ光源に対応して１つずつ光学素子を配置することもできる。すなわち、第１のレーザ光源と第２のダイクロイックミラーとの間におけるレーザ光の光路上、第２のレーザ光源と第１のダイクロイックミラーとの間におけるレーザ光の光路上、及び、第３のレーザ光源と第１のダイクロイックミラーとの間におけるレーザ光の光路上にそれぞれ光学素子を配置することもできる。

上記各実施の形態では、第１の偏光反射部、第２の偏光反射部及び第３の偏光反射部をそれぞれ誘電体多層膜で構成したが、これに限定されず、例えばワイヤグリッド偏光子又は反射型偏光子等で構成することもできる。なお、第１の偏光反射部、第２の偏光反射部及び第３の偏光反射部の各々の形状は、プレート状でもよく、あるいは、膜状でもよい。

上記各実施の形態では、第１の反射板、第２の反射板及び第３の反射板をそれぞれアルミニウムで形成されたミラーで構成したが、これに限定されず、例えば銀で形成されたミラー又は誘電体多層膜等で形成することもできる。なお、第１の反射板、第２の反射板及び第３の反射板の各々の形状は、プレート状でもよく、あるいは、膜状でもよい。

上記各実施の形態では、レーザ光が光学素子の内部で２回又は３回反射する場合について説明したが、４回以上反射するように構成することもできる。

上記実施の形態１では、プリズム、第１の平行平板及び第２の平行平板の各々の屈折率を同一としたが、これらの屈折率を互いに異ならせることもできる。同様に、上記実施の形態２では、プリズム、第１の平行平板、第２の平行平板及び第３の平行平板の各々の屈折率を同一としたが、これらの屈折率を互いに異ならせることもできる。

本発明は、例えば、画像を投影するためのプロジェクタに用いられる光学素子として適用することができる。

２ プロジェクタ
４ 自動車
６ ダッシュボード
８ 画像
１０ フロントガラス（投影面）
１２ コンバイナ
１４ 運転者
１６ 風景
１８ 第１のレーザ光源
２０ 第２のレーザ光源
２２ 第３のレーザ光源
２４ 第１のダイクロイックミラー
２６ 第２のダイクロイックミラー
２８ レンズ
３０，３０Ａ，１００ 光学素子
３２ ＭＥＭＳミラー
３４ 制御部
３６ ハウジング
３８，３８Ａ プリズム
４０ 入射プリズム面
４２ 出射プリズム面
４４，４４Ａ 第１のプリズム面
４６，４６Ａ 第２のプリズム面
４８，４８Ａ 第１の平行平板
５０，５０Ａ 第１の偏光反射部
５２，５２Ａ 第１の反射板
５４，５４Ａ 第２の平行平板
５６，５６Ａ 第２の偏光反射部
５８，５８Ａ 第２の反射板
６０ 第３のプリズム面
６２ 第３の平行平板
６４ 第３の偏光反射部
６６ 第３の反射板
１０２ 偏光ビームスプリッタ
１０２ａ 入射面
１０２ｂ 出射面
１０２ｃ 第１の面
１０２ｄ 第２の面
１０４，１０６ ミラー
１０８，１１０ １／４波長板
１１２ 偏光分離部

Claims (9)

1. 第１のプリズム面及び第２のプリズム面を有するプリズムと、
   前記第１のプリズム面上に設けられた第１の平行平板と、
   前記第１のプリズム面と前記第１の平行平板との間に介在され、前記プリズムに入射したレーザ光の第１の偏光成分を反射し、且つ、前記プリズムに入射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を透過する第１の偏光反射部と、
   前記第１の平行平板を挟んで前記第１の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第１の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第１の反射板と、
   前記第２のプリズム面上に設けられた第２の平行平板と、
   前記第２のプリズム面と前記第２の平行平板との間に介在され、前記第１の偏光反射部で反射された前記レーザ光の前記第１の偏光成分を反射し、且つ、前記第１の反射板で反射された前記レーザ光の前記第２の偏光成分を透過する第２の偏光反射部と、
   前記第２の平行平板を挟んで前記第２の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第２の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第２の反射板と、を備える
   光学素子。
2. 前記プリズム、前記第１の平行平板及び前記第２の平行平板の各々の屈折率は同一である
   請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第２の偏光反射部で反射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分及び前記第２の反射板で反射した前記レーザ光の前記第２の偏光成分はそれぞれ、前記プリズムを通過した後に前記プリズムから出射する
   請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記第１の偏光反射部及び前記第２の偏光反射部は、４５°の角度で対向して配置されている
   請求項３に記載の光学素子。
5. 前記プリズムは、さらに、第３のプリズム面を有し、
   さらに、
   前記第３のプリズム面上に設けられた第３の平行平板と、
   前記第３のプリズム面と前記第３の平行平板との間に介在され、前記第２の偏光反射部で反射された前記レーザ光の前記第１の偏光成分を反射し、且つ、前記第２の反射板で反射された前記レーザ光の前記第２の偏光成分を透過する第３の偏光反射部と、
   前記第３の平行平板を挟んで前記第３の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第３の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第３の反射板と、を備え、
   前記第３の偏光反射部で反射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分及び前記第３の反射板で反射した前記レーザ光の前記第２の偏光成分はそれぞれ、前記プリズムを通過した後に前記プリズムから出射する
   請求項１又は２に記載の光学素子。
6. 前記第１の偏光反射部及び前記第２の偏光反射部は、９０°の角度で対向して配置され、且つ、前記第２の偏光反射部及び前記第３の偏光反射部は、９０°の角度で対向して配置されている
   請求項５に記載の光学素子。
7. 前記プリズム、前記第１の平行平板、前記第２の平行平板及び前記第３の平行平板の各々の屈折率は同一である
   請求項５又は６に記載の光学素子。
8. レーザ光を出力する光源と、
   前記光源からの前記レーザ光が入射する光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、
   第１のプリズム面及び第２のプリズム面を有するプリズムと、
   前記第１のプリズム面上に設けられた第１の平行平板と、
   前記第１のプリズム面と前記第１の平行平板との間に介在され、前記プリズムに入射した前記レーザ光の第１の偏光成分を反射し、且つ、前記プリズムに入射した前記レーザ光の前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を透過する第１の偏光反射部と、
   前記第１の平行平板を挟んで前記第１の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第１の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第１の反射板と、
   前記第２のプリズム面上に設けられた第２の平行平板と、
   前記第２のプリズム面と前記第２の平行平板との間に介在され、前記第１の偏光反射部で反射された前記レーザ光の前記第１の偏光成分を反射し、且つ、前記第１の反射板で反射された前記レーザ光の前記第２の偏光成分を透過する第２の偏光反射部と、
   前記第２の平行平板を挟んで前記第２の偏光反射部と反対側に設けられ、且つ、前記第２の偏光反射部を透過した前記レーザ光の前記第２の偏光成分を反射する第２の反射板と、を有する
   プロジェクタ。
9. 前記プリズムは、さらに、前記光源からの前記レーザ光が入射する入射プリズム面を有し、
   前記レーザ光は、前記入射プリズム面に略垂直に入射する
   請求項８に記載のプロジェクタ。

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