JP5217215B2 - 光学システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば液晶ライトバルブを備えたプロジェクタ等に用いられる光学システムの技術分野に関する。

この種の光学システムとして、光源から出射する白色光を複数の光に分離した後、分離した複数の光夫々に対して液晶ライトバルブ等を用いて変調を行うカラーの光学システムがある。変調された複数の光は、最終的にプリズム等を用いて一つの光に合成されて出射されるが、３色以上の光を一つのプリズムで合成するのは技術的に困難とされており、一般的に３色以上の光の合成には複数のプリズム、複数のダイクロイックミラー等が用いられている。

これに対し、例えば特許文献１では、二つの相交差する選択反射面を内部に含む一つのプリズムによって、３色の光を分離及び合成する１ＰＢＳ（ポラリゼーション・ビーム・スプリッタ）方式の光学システムが提案されている。この技術によれば、プリズムが１つで済むため、光学系の構成の簡単化や省スペース化が可能であるとされている。

国際公開２００４／０６８１９７号公報

しかしながら、上述した技術においては、例えばプリズムから出射される光に輝度の不均一性が生ずる等、未だ解消されない様々な技術的問題点がある。このため、本願発明者の知るところによれば、このような技術を利用した光学システムは、本願出願時点では実際に製品として実用化されていない。

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、１ＰＢＳ方式の光学システムを採用しつつ、３色の光を夫々変調させた後に一つの光として合成することが可能である光学システムを提供することを課題とする。

本発明の光学システムは上記課題を解決するために、少なくとも波長及び偏光状態が相互に異なる第１光及び第２光を含む第１入射光を、前記波長及び偏光状態に応じて選択反射する第１選択反射面、並びに前記第１光及び第２光とは波長が異なる第３光含む第２入射光を選択反射するダイクロイックミラーからなる第２選択反射面が、相互に交差するように配置されており、前記第１及び第２選択反射面で選択反射することで、前記入射された第１入射光及び第２入射光を一つの光に合成して出射する合成手段と、前記第１光、第２光及び第３光に対して夫々設けられており、前記第１入射光及び第２入射光が前記一つの光に合成される前に前記第１光、第２光及び第３光を夫々変調する複数の変調手段とを備える。

本発明に係る光学システムによれば、その動作時に、先ず少なくとも波長及び偏光状態が相互に異なる第１光及び第２光（例えば、Ｒ（赤）光及びＧ（緑）光）を含む第１入射光が合成手段に入射され、第１選択反射面によって選択反射される。また、第１光及び第２光とは波長及び偏光状態のうち少なくとも一方が異なる第３光（例えば、Ｂ（青）光）を含む第２入射光も合成手段に入射され、第２選択反射面によって選択反射される。尚、ここでの「選択反射」とは、波長（例えば、ＲＧＢの違い）に応じて、反射及び透過のいずれか一方を選択的に行う動作、又はこれに代えて若しくは加えて、偏光状態（例えば、直線偏光の方向の違い）に応じて、反射及び透過のいずれか一方を選択的に行う動作のことをいう。

ここで本発明では特に、第１選択反射面は、第１入射光として入射する第１及び第２光を波長及び偏光状態に応じて選択反射する。これにより、例えば第１入射光を第１光と第２光とに分離した後に、再び一つの光として合成することが可能となる。よって、第１光と第２光とを分離した際に、夫々を変調手段によって変調することができる。変調手段は、典型的には液晶装置等のライトバルブであり、光を変調することによって、例えば合成された光をスクリーン等に投射して、画像を表示することが可能となる。

一方、第２選択反射面は、第１選択反射面と相互に交差するように配置されており、第２入射光として入射する第３光を波長及び偏光方向のうち、少なくとも第１及び第２光と異なる一方に応じて選択反射するため、上述した第１選択反射面により分離及び合成された第１及び第２光と第３光とを合成することが可能となる。尚、「異なる一方に応じて選択反射」とは、第１及び第２光と第３光とで、波長が相互に異なる場合は少なくとも波長に応じて選択反射され、偏光状態が相互に異なる場合は少なくとも偏光状態に応じて選択反射されることをいう。また、波長及び偏光状態共に相互に異なる場合は、少なくともいずれか一方に応じて選択反射されるものとする。第３光に対する変調手段による変調は、第３光が第１及び第２光と合成される前に行われる。

このように第１光、第２光及び第３光は、合成手段により一つの光へと合成されるが、上述したように、第１選択反射面は第１及び第２光の二つの光を選択反射するため、波長及び偏光状態の両方に応じて選択反射を行うのに対して、第３光を選択反射する第２選択反射面は、波長及び偏光状態のいずれか一方に応じて選択反射を行うことが可能であれば足りる。即ち、第２選択反射面は波長及び偏光状態のいずれか一方に選択性を有する面であればよい。よって、第２選択反射面は第１選択反射面と比較して、その構造が簡単で済む。従って、２面とも波長及び偏光状態の両方に応じて選択反射を行う面で構成する場合と比較して、コスト増大の防止や合成手段の製造の簡単化、それに伴う信頼性の向上等、様々な効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明に係る光学システムによれば、第１光、第２光及び第３光を夫々変調させた後、確実に一つの光に合成して出射させることができる。従って、１ＰＢＳ方式の光学システムで３色のカラー表示が可能となる。

本発明の光学システムの一態様では、前記第２選択反射面はダイクロイックミラーである。

この態様によれば、合成手段における第２選択反射面はダイクロイックミラーであり、入射する第２入射光をその波長によって（即ち、その偏光状態によらずに）選択反射する。

例えば、第２入射光に含まれる第３光が、第１入射光に含まれる第１光及び第２光と波長において異なっている場合、第３光の波長のみを反射するダイクロイックミラーで第２選択反射面を構成すれば、第１光及び第２光の進行方向に影響を与えることなく、第３光の進行方向を変更させることが可能となる。従って、第１及び第２選択反射面によって選択反射を行うことで、第１及び第２光と第３光とを合成して、一つの光として合成手段から出射させることが可能となる。この際、第２選択反射面は、波長によらずに偏光状態に応じて選択反射する光学面（例えばＰＢＳ面）から構成すれば足りるので、これを波長によっても選択反射する光学面（例えば波長選択性を有するＰＢＳ面）を用いて構成する場合と比較して、合成手段全体の構成を簡略化でき、製造上極めて有利となる。

上述した第２選択反射面がダイクロイックミラーで構成される態様では、前記複数の変調手段は、前記第１選択反射面で前記第１及び第２光を選択反射した段階で前記第１及び第２光を夫々変調し、前記合成手段に入射する前の段階で前記第３光を変調するように構成してもよい。

このように構成すれば、合成手段に入射する光のうち、第１及び第２光は第１選択反射面で選択反射された段階で夫々変調され、第３光は合成手段に入射する前の段階で変調される。

ここで本発明では特に、第１及び第２光は、第１選択反射面で選択反射されることにより分離される。そして、選択反射された段階で変調されるため、第１光と第２光は別々に変調される。よって、第１入射光として合成手段に入射した第１光及び第２光を夫々別々の変調手段により変調し、変調した後に一つの光へと合成することが可能となる。

他方、第３光は、合成手段に入射する前に変調されるため、第２選択反射面で選択反射する際にはすでに変調されている。そして、第２選択反射面による選択反射によって、変調された第１及び第２光と合成されることとなる。

以上説明したように、本態様に係る光学システムによれば、第１入射光及び第２入射光として合成手段に入射する第１、第２及び第３光を夫々別々の変調手段により変調した後、一つの光に合成して出射させることが可能である。

第２選択反射面をダイクロイックミラーで構成する態様では、前記複数の変調手段は、前記第１及び第２光のうち少なくとも一つの光が、前記第１選択反射面を反射又は透過した後に前記合成手段の外部へ一旦出射された段階で、前記少なくとも一つの光を変調すると共に前記合成手段へ向けて反射する反射型変調手段を含み、前記合成手段及び前記反射型変調手段間に、前記少なくとも一つの光の偏光状態を変える偏光手段を更に備えるように構成してもよい。

このように構成すれば、前記第１及び第２光のうち少なくとも１つの光は、第１選択反射されることによって合成手段の外部へ一旦出射される。そして、外部へと出射された光は、合成手段の外部に設けられた、例えば反射型液晶ライトバルブである反射型変調手段によって変調される。尚、合成手段と変調手段との間には、例えばλ／４板などの偏光手段が備えられており、入射した光の偏光状態を変更する。

変調された光は、反射型変調手段により合成手段へ向けて反射され、合成手段へ入射する。そして、合成手段に入射した光は、再び第１選択反射面によって反射又は透過される。この際、光は偏光手段によって偏光状態が変化させられているため、第１選択反射面において、反射及び透過のうち、最初に入射した際とは異なる挙動を示す。即ち、最初に入射した際に反射されていれば、変調後に入射した際は透過され、最初に入射した際に透過されていれば、変調後に入射した際は反射される。よって、光は合成手段に対して最初に入射した方向とは異なる方向に出射される。従って、例えば互いに異なる方向から合成手段に対して入射される光を合成することが可能となる。

以上説明したように、本態様に係る光学システムによれば、合成手段に入射する第１及び第２光夫々を、夫々に対応して設けられた変調手段によって変調した後に、確実に一つの光へと合成することが可能である。また、変調手段を合成手段の外部に設けることができるため、製造工程等において比較的簡単に組み立てることが可能である。

第２選択反射面をダイクロイックミラーで構成する態様では、前記合成手段は、二つの交差する対角面として前記第１及び第２選択反射面を内部に有する６面体の外形を持ち、前記６面体のうち、第１面から前記第１入射光が入射され、第２面から前記第２入射光が入射され、第３面から前記第１光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第１変調手段により変調された後に前記第３面から入射され、第４面から前記第２光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第２変調手段により変調された後に前記第４面から入射され、第５面に到達することなく第６面から前記合成された第１及び第２入射光が出射されるように構成されているように構成してもよい。

このように構成すれば、合成手段は、二つの交差する対角面として第１及び第２選択反射面を内部に有する６面体の外形を持っている。尚、「対角面」とは、６面体における対向する２つの辺を夫々対向する一辺としてもつ４角形の面である。

本態様に係る光学システムの動作時には、合成手段の第１面から第１入射光が入射され、第２面からは第２入射光が入射される。そして、第１入射光が第１選択反射面によって選択反射されることで、第１光は第３面から、第２光は第４面から夫々合成手段外部に一旦出射される。合成手段外部に出射した光は夫々、第１光が第１変調手段、第２光が第２変調手段によって変調される。即ち、第１及び第２光は夫々別々の変調手段により変調される。変調された第１及び第２光は、例えば夫々を変調した変調手段により反射され、出射した面と同じ面から再び合成手段へと入射する。

他方、第２入射光に含まれる第３光は、第５面に到着することなく（即ち、第１及び第２光のように、合成手段外部へ一旦出射されることなく）、第２選択反射面によって選択反射される。そして、この選択反射によって、上述した第１及び第２光と共に一つの光に合成され、第６面から合成手段の外部へと出射される。

ここで本発明では特に、合成手段が６面体という外形を持つため、第１入射光及び第２入射光の入射と、第１及び第２光夫々の出射及び入射と、合成された光の出射を夫々異なる面を用いて行うことができる。これにより、例えば１つのプリズム等であっても、その構成面を効率的に利用して光の合成を行うことが可能となる。従って、確実に１ＰＢＳ方式の光学システムにおいて、３色の光を合成させることが可能である。

本発明の光学システムの他の態様では、前記複数の変調手段は、前記第１選択反射面で前記第１及び第２光を選択反射した段階で前記第１及び第２光を夫々変調し、前記第２選択反射面で前記第３光を選択反射した段階で前記第３光を変調する。

この態様によれば、第１光及び第２光は、第１選択反射面で選択反射された段階で変調手段により夫々変調される。また第３光も同様に、第２選択反射面で選択反射された段階で変調される。

ここで本発明では特に、第１光及び第２光は、第１選択反射面で選択反射されることにより分離される。そして、選択反射された段階で変調されるため、第１光と第２光は別々に変調される。よって、第１入射光として合成手段に入射した第１光及び第２光を夫々別々の変調手段により変調し、変調した後に一つの光へと合成することが可能となる。

他方、第３光も、第２選択反射面で選択反射された段階で変調されるため、一旦合成手段に入射させて、第１及び第２光と合成される前に変調を行うことが可能となる。

以上説明したように、本態様に係る光学システムによれば、第１入射光及び第２入射光として合成手段に入射する第１、第２及び第３光を夫々別々の変調手段により変調した後、一つの光に合成して出射させることが可能である。

上述した夫々の光を選択反射した段階で変調する態様では、前記複数の変調手段は、前記第１、第２及び第３光のうち少なくとも一つの光が、前記第１及び第２選択反射面を反射又は透過した後に前記合成手段の外部へ一旦出射された段階で、前記少なくとも一つの光を変調すると共に前記合成手段へ向けて反射する反射型変調手段を含み、前記合成手段及び前記反射型変調手段間に、前記少なくとも一つの光の偏光状態を変える偏光手段を更に備えるように構成してもよい。

このように構成すれば、合成手段に入射した第１、第２及び第３の光のうち少なくとも一つの光が、第１及び第２選択反射面を反射又は透過した後に、一旦合成手段の外部へ出射される。そして、外部へと出射された光は、合成手段の外部に設けられた、例えば反射型液晶ライトバルブである反射型変調手段によって変調される。尚、合成手段と変調手段との間には、例えばλ／４板などの偏光手段が備えられており、入射した光の偏光状態を変更する。

変調された光は、反射型変調手段により合成手段へ向けて反射され、合成手段へ入射する。そして、合成手段に入射した光は、再び第１及び第２選択反射面によって反射又は透過される。この際、光は偏光手段によって偏光状態が変化させられているため、第１及び第２選択反射面において、反射及び透過のうち、最初に入射した際とは異なる挙動を示す。即ち、最初に入射した際に反射されていれば、変調後に入射した際は透過され、最初に入射した際に透過されていれば、変調後に入射した際は反射される。よって、光は合成手段に対して最初に入射した方向とは異なる方向に出射される。従って、例えば互いに異なる方向から合成手段に対して入射される光を合成することが可能となる。

以上説明したように、本態様に係る光学システムによれば、合成手段に入射する第１、第２及び第３の光夫々を、夫々に対応して設けられた変調手段によって変調した後に、確実に一つの光へと合成することが可能である。また、変調手段を合成手段の外部に設けることができるため、製造工程等において比較的簡単に組み立てることが可能である。

或いは、夫々の光を選択反射した段階で変調する態様では、前記合成手段は、二つの交差する対角面として前記第１及び第２選択反射面を内部に有する６面体の外形を持ち、前記６面体のうち、第１面から前記第１入射光が入射され、第２面から前記第２入射光が入射され、第３面から前記第１光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第１変調手段により変調された後に前記第３面から入射され、第４面から前記第２光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第２変調手段により変調された後に前記第４面から入射され、第５面から前記第３光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第２変調手段により変調された後に前記第５面から入射され、第６面から前記合成された第１及び第２入射光が出射されるように構成されているようにしてもよい。

このように構成すれば、合成手段は、二つの交差する対角面として第１及び第２選択反射面を内部に有する６面体の外形を持っている。

本態様に係る光学システムの動作時には、合成手段の第１面から第１入射光が入射され、第２面からは第２入射光が入射される。そして、第１及び第２入射光が第１及び第２選択反射面によって夫々選択反射されることで、第１光は第３面から、第２光は第４面から、第３光は第５面から夫々合成手段外部に一旦出射される。

合成手段外部に出射した光は夫々、第１光が第１変調手段、第２光が第２変調手段、第３光が第３変調手段によって変調される。即ち、第１、第２及び第３光は夫々別々の変調手段により変調される。変調された第１、第２及び第３光は、例えば夫々を変調した変調手段により反射され、出射した面と同じ面から再び合成手段へと入射する。

合成手段へと入射した光は夫々、再度第１及び第２選択反射面により選択反射される。この際、第１、第２及び第３光は、夫々変調された際に位相が変化しているため、最初に入射した際とは異なる挙動を示す。そして、この選択反射によって、第１、第２及び第３光は一つの光に合成され、第６面から合成手段の外部へと出射される。

ここで本発明では特に、合成手段が６面体という外形を持つため、第１入射光及び第２入射光の入射と、第１、第２及び第３光の夫々の出射及び入射と、合成された光の出射を夫々異なる面を用いて行うことができる。これにより、例えば１つのプリズム等であっても、その構成面を効率的に利用して光の合成を行うことが可能となる。従って、確実に１ＰＢＳ方式の光学システムにおいて、３色の光を合成させることが可能である。

本発明の光学システムの他の態様では、光源光を出射する光源手段と、該出射された光源光のうち、波長が互いに異なる二つの光の偏光状態を相互に異なるように変化させ、前記第１光及び第２光とすると共に、前記二つの光及び前記第３光との光路を分離することで、前記出射された光源光を前記第１入射光及び第２入射光へと分離する分離手段とを更に備える。

この態様によれば、例えば白色光である光源光を、波長の違いによって偏光状態が相互に異なる二つの光となるように変化させる。これにより、光源光に含まれる二つの光は、波長及び偏光状態が異なる第１光及び第２光とされる。そして更に、第１及び第２光とは波長及び偏光状態の少なくとも一方が異なる第３光の光路を分離することで、第１入射光及び第２入射光とする。尚、上述した偏光状態の変化と光路の分離とは、同時に又は相前後して行われてよい。

以上説明したように、本態様では分離手段を設けることにより、光源光は第１光及び第２光を含む第１入射光と、第３光を含む第２入射光とされる。よって、合成手段に確実に第１及び第２入射光を入射させることができる。従って、１ＰＢＳ方式の光学システムにおいて、３色の光を合成させることが可能である。

本発明の光学システムの他の態様では、前記合成手段は、前記第１選択反射面及び前記第２選択反射面を接合面として接合された複数の光学部材を含む。

この態様によれば、合成手段は、例えば複数の透過部材が組み合わされたプリズム等であって、第１選択反射面及び第２選択反射面を接合面として接合されている。よって、比較的簡単に１ＰＢＳ方式の光学システムを構築しつつ、合成手段に入射された第１及び第２入射光を、接合面である第１及び第２選択反射面によって反射又は透過することができる。従って、第１、第２及び第３光を確実に一つの光として合成して出射させることが可能である。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。

先ず、本実施形態に係る光学システムの全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、光学システムの全体構成を概略的に示す斜視図である。

図１において、本実施形態に係る光学システムは、本発明の「光源手段」の一例である光源１１０と、インテグレータ１２０と、偏光板１３０と、本発明の「分離手段」の一例であるダイクロイックミラー１４０及びカラーセレクタ１５０と、反射ミラー１６０及び１７０と、本発明の「合成手段」の一例であるプリズム２００と、本発明の「変調手段」の一例である第１液晶装置３１０、第２液晶装置３２０及び第３液晶装置３３０とを備えて構成されている。

光源１１０は、例えば発光ダイオードや高圧水銀ランプ等であり、例えば比較的強い白色光等を照射する。

インテグレータ１２０は、例えば基板上に同じ形状の複数のレンズが配置されたインテグレータレンズアレイである。インテグレータレンズアレイは、入射する光を複数のレンズと同じ形状に変形させる。典型的には、複数のレンズは長方形のレンズが用いられ、入射する光を長方形に変形させる。

偏光板１３０は、例えば特定の偏光方向の光だけを通すようなものであって、入射する光の偏光方向を統一する。

ダイクロイックミラー１４０は、例えばガラスに特定の波長域を反射する薄膜をコーティングしたものであって、入射した光を波長（即ち、色）によって分離する。

カラーセレクタ１５０は、例えば複数の波長の光を含む光に対して、特定波長の光の偏光方向を変化させる。

反射ミラー１６０及び１７０は、例えばガラスにアルミニウム（Ａｌ）等の薄膜をコーティングしたものであり、光に対し比較的高い反射率を有する。

プリズム２００は、１ＰＢＳ方式の光学システムを構築するものであり、６面体の外形を持つ。また、複数の透過性部材を接合することにより構成されており、その接合面に、本発明の「第１選択反射面」の一例である第１ＰＢＳ面２１０及び「第２選択反射面」の一例であるダイクロイックミラー面２２０が配置されている。第１ＰＢＳ面２１０は、波長及び偏光状態に応じて入射する光を選択反射する。即ち、第１選択反射面２１０は、波長選択性を有するＰＢＳ面である。一方、ダイクロイックミラー面２２０は、波長に応じて入射する光を選択反射する。即ち、ダイクロイックミラー面２２０は、偏光状態によらずに選択反射を行う。尚、第１ＰＢＳ面２１０及びダイクロイックミラー面２２０は、互いに平行及び直交しないように交差して配置されている。また、第１ＰＢＳ面２１０は、本発明の「第２光」の一例である青色光の入射方向に対して平行であり、第ダイクロイックミラー面は、本発明の「第１光」の一例である赤色光及び「第２光」の一例である緑色光の入射方向に対して平行である。

次に、液晶装置３１０、３２０及び３３０の構成について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。ここに図２は、液晶装置の構成を示す平面図であり、図３は、図２のＨ−Ｈ´線断面図である。尚ここでは、駆動回路内蔵型のＴＦＴ（Thin Film Transistor）アクティブマトリクス駆動方式の液晶装置を例にとって説明する。

図２及び図３において、本実施形態に係る液晶装置では、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０とが対向配置されている。ＴＦＴアレイ基板１０は、例えば石英基板、ガラス基板、シリコン基板等の透明基板である。対向基板２０も、ＴＦＴアレイ基板１０と同様に、透明基板である。ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間に液晶層５０が封入されている。ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０とは、複数の画素電極が設けられた画像表示領域１０ａの周囲に位置するシール領域に設けられたシール材５２により相互に接着されている。

シール材５２は、両基板を貼り合わせるための、例えば紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいてＴＦＴアレイ基板１０上に塗布された後、紫外線照射、加熱等により硬化させられたものである。シール材５２中には、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間隔（即ち、基板間ギャップ）を所定値とするためのグラスファイバ或いはガラスビーズ等のギャップ材が散布されている。

シール材５２が配置されたシール領域の内側に並行して、画像表示領域１０ａの額縁領域を規定する遮光性の額縁遮光膜５３が、対向基板２０側に設けられている。但し、このような額縁遮光膜５３の一部又は全部は、ＴＦＴアレイ基板１０側に内蔵遮光膜として設けられてもよい。

周辺領域のうち、シール材５２が配置されたシール領域の外側に位置する領域には、データ線駆動回路１０１及び外部回路接続端子１０２がＴＦＴアレイ基板１０の一辺に沿って設けられている。走査線駆動回路１０４は、この一辺に隣接する２辺に沿い、且つ、額縁遮光膜５３に覆われるようにして設けられている。更に、このように画像表示領域１０ａの両側に設けられた二つの走査線駆動回路１０４間をつなぐため、ＴＦＴアレイ基板１０の残る一辺に沿い、且つ、額縁遮光膜５３に覆われるようにして複数の配線１０５が設けられている。

ＴＦＴアレイ基板１０上には、対向基板２０の４つのコーナー部に対向する領域に、両基板間を上下導通材１０７で接続するための上下導通端子１０６が配置されている。これらにより、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間で電気的な導通をとることができる。

図３において、ＴＦＴアレイ基板１０上には、画素スイッチング用のＴＦＴや走査線、データ線等の配線が形成された後の画素電極９ａ上に、配向膜が形成されている。画素電極９ａは、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などの透明導電膜からなり、配向膜は、ポリイミド膜などの有機膜からなる。他方、対向基板２０上には、格子状又はストライプ状の遮光膜２３が形成された後に、その全面に亘って対向電極２１が設けられており、更には最上層部分に配向膜が形成されている。対向電極２１は、ＩＴＯ膜などの透明導電膜からなり、配向膜は、ポリイミド膜などの有機膜からなる。このように構成され、画素電極９ａと対向電極２１とが対面するように配置されたＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間には、液晶層５０が形成されている。液晶層５０は、例えば一種又は数種類のネマティック液晶を混合した液晶からなり、これら一対の配向膜間で所定の配向状態をとる。

尚、本実施形態において、第１液晶装置３１０及び第２液晶装置３２０は、反射型の液晶パネルを有しており、第３液晶装置３３０は、透過型の液晶パネルを有している。また、ここでは図示しないが、液晶装置３１０、３２０及び３３０には本発明の「偏光手段」の一例であるλ／４板等が設けられていてもよい。

次に、本実施形態に係る光学システムの動作及び効果について、図１に加えて図４から図６を参照して説明する。ここに図４から図６は夫々、プリズム内での光の透過及び反射を示す平面図である。

図１において、光源１１０から出射された白色光（即ち、青色光、赤色光及び緑色光を含む光）は、先ずインテグレータ１２０に入射する。インテグレータ１２０では、光の形状を長方形に変形する。そして、変形された光は偏光板１３０に入射し、偏光方向が図中の矢印Ｐ１方向（即ち、Ｙ方向）に統一される。

続いて、光はダイクロイックミラー１４０に入射し、波長（即ち、色）の違いによって２つの光に分離される。ここでは、青色光のみを反射することで、青色光をＸ方向に分離し、他の光（即ち、赤色光及び緑色光）は透過させＹ方向に進行させている。Ｘ方向に分離された青色光は、反射ミラー１６０によってＺ方向に反射され、プリズム２００に入射する。尚、この際の青色光の偏光方向は矢印Ｐ２方向（即ち、Ｙ方向）である。

他方、ダイクロイックミラー１４０を透過した赤色光及び緑色光は、カラーセレクタ１５０に入射する。カラーセレクタ１５０は、緑色光の偏光方向を９０度変化させ、矢印Ｐ４方向（即ち、Ｘ方向）とする。尚、赤色光の偏光方向は変化されず、矢印Ｐ３方向（即ち、Ｙ方向）のままである。

続いて、赤色光及び緑色光は、反射ミラー１７０によりＸ方向に反射され、プリズム２００に入射する。ここで、赤色光の偏光方向は矢印Ｐ５方向（即ち、Ｙ方向）のままであるが、緑色光の偏光方向は、反射によって矢印Ｐ６方向（即ち、Ｚ方向）となる。

次に、プリズム２００内における光の反射及び透過の状態を、青色光、赤色光及び緑色光の夫々について別々に説明する。

図４において、赤色光はプリズム２００に対しＸ方向に入射する。赤色光は、プリズム２００に入射すると、第１ＰＢＳ面２１０を透過して、第１液晶装置３１０に入射する。そして、第１液晶装置３１０により変調及び反射され、再び第１ＰＢＳ面２１０に入射する。この際、赤色光は第１液晶装置３１０により位相が変化させられているため、第１ＰＢＳ面２１０によって反射される。例えば、赤色光は第１液晶装置３１０に設けられたλ／４板によって位相が変化する。このため、変調後の赤色光は第１ＰＢＳ面２１０において、変調前とは異なる挙動を示す。こうして、赤色光はプリズム２００からＹ方向へ出射される。

図５において、緑色光はプリズム２００に対しＸ方向に入射する。緑色光は、プリズム２００に入射すると、赤色光とは偏光方向が異なるため、第１ＰＢＳ面２１０によって反射され（即ち、この時点で赤色光と分離される。）、第２液晶装置３２０に入射する。そして、第２液晶装置３２０により変調及び反射され、再び第１ＰＢＳ面２１０に入射する。この際、緑色光は上述した赤色光と同様に、第２液晶装置３２０により位相が変化させられているため、第１ＰＢＳ面２１０を透過する。こうして、赤色光はプリズム２００からＹ方向へ出射される。

尚、赤色光及び緑色光の波長は、ダイクロイックミラー面２２０が反射する波長とは異なるため、夫々ダイクロイックミラー面２２０を透過する。

図６において、青色光はプリズムに入射する際に、第３液晶装置３３０によって変調される。そして、青色光は第３液晶装置３３０を透過してプリズム２００に入射し、ダイクロイックミラー面２２０において反射される。こうして青色光はプリズム２００からＹ方向に出射される。

尚、青色光の波長及び偏光方向は、第１ＰＢＳ面２１０が反射する波長及び偏光方向とは異なるため、第１ＰＢＳ面２１０を透過する。

上述したように、プリズム２００に入射した光は第１ＰＢＳ面２１０及びダイクロイックミラー面２２０において透過又は反射されることにより、夫々異なる液晶装置によって変調される。そして、再び第１ＰＢＳ面２１０及びダイクロイックミラー面２２０において透過又は反射され、１つの光に合成されてプリズム２００からＹ方向に出射される。

以上説明したように、本実施形態に係る光学システムによれば、波長及び偏光状態に応じて選択反射を行う第１ＰＢＳ面２１０、及び偏光状態に応じて選択反射を行うダイクロイックミラー面２２０を用いることにより、一つのプリズム２００で確実に３色の光を合成することが可能となる。従って、例えば本実施形態の光学システムを液晶プロジェクタ等に用いることにより、１つのプリズムで３色のカラー画像を表示させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る光学システムによれば、波長及び偏光状態に応じて選択反射を行う第１ＰＢＳ面２１０、及び波長に応じて選択反射を行うダイクロイックミラー面２２０を用いることにより、一つのプリズム２００で確実に３色の光を合成することが可能となる。従って、例えば本実施形態の光学システムを液晶プロジェクタ等に用いることにより、１つのプリズムで３色のカラー画像を表示させることが可能となる。

尚、本実施形態におけるダイクロイックミラー面２２０は、波長によって選択反射を行うものでなくともよく、例えば偏光状態によって選択反射を行うＰＢＳによって、ＰＢＳ面として構成されてもよい。このように構成することによって、光学システムの構成は本実施形態と比較して多少複雑化するものの、本実施形態において説明した効果と同様の効果を得ることが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光学システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

光学システムの全体構成を概略的に示す斜視図である。 液晶装置の構成を示す平面図である。 図２のＨ−Ｈ´線断面図である。 プリズム内での赤色光の透過及び反射を示す平面図である。 プリズム内での緑色光の透過及び反射を示す平面図である。 プリズム内での青色光の透過及び反射を示す平面図である。

符号の説明

１１０…光源、１２０…インテグレータ、１３０…偏光板、１４０…ダイクロイックミラー、１５０…カラーセレクタ、１６０、１７０…反射ミラー、２００…プリズム、２１０…第１ＰＢＳ面、２２０…ダイクロイックミラー面、３１０…第１液晶装置、３２０…第２液晶装置、３３０…第３液晶装置

Claims (6)

1. 少なくとも波長及び偏光状態が相互に異なる第１光及び第２光を含む第１入射光を、前記波長及び偏光状態に応じて選択反射する第１選択反射面、並びに前記第１光及び第２光とは波長が異なる第３光含む第２入射光を選択反射するダイクロイックミラーからなる第２選択反射面が、相互に交差するように配置されており、前記第１及び第２選択反射面で選択反射することで、前記入射された第１入射光及び第２入射光を一つの光に合成して出射する合成手段と、
   前記第１光、第２光及び第３光に対して夫々設けられており、前記第１入射光及び第２入射光が前記一つの光に合成される前に前記第１光、第２光及び第３光を夫々変調する複数の変調手段と
   を備えることを特徴とする光学システム。
2. 前記複数の変調手段は、前記第１選択反射面で前記第１及び第２光を選択反射した段階で前記第１及び第２光を夫々変調し、前記合成手段に入射する前の段階で前記第３光を変調することを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記複数の変調手段は、前記第１及び第２光のうち少なくとも一つの光が、前記第１選択反射面を反射又は透過した後に前記合成手段の外部へ一旦出射された段階で、前記少なくとも一つの光を変調すると共に前記合成手段へ向けて反射する反射型変調手段を含み、
   前記合成手段及び前記反射型変調手段間に、前記少なくとも一つの光の偏光状態を変える偏光手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
4. 前記合成手段は、二つの交差する対角面として前記第１及び第２選択反射面を内部に有する６面体の外形を持ち、
   前記６面体のうち、第１面から前記第１入射光が入射され、第２面から前記第２入射光が入射され、第３面から前記第１光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第１変調手段により変調された後に前記第３面から入射され、第４面から前記第２光が一旦出射されると共に前記複数の変調手段のうち第２変調手段により変調された後に前記第４面から入射され、第５面に到達することなく第６面から前記合成された第１及び第２入射光が出射されるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学システム。
5. 光源光を出射する光源手段と、
   該出射された光源光のうち、波長が互いに異なる二つの光の偏光状態を相互に異なるように変化させ、前記第１光及び第２光とすると共に、前記二つの光及び前記第３光との光路を分離することで、前記出射された光源光を前記第１入射光及び第２入射光へと分離する分離手段と
   を更に備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学システム。
6. 前記合成手段は、前記第１選択反射面及び前記第２選択反射面を接合面として接合された複数の光学部材を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学システム。