JP6233419B2 - ３板式光学システム及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は３板式光学システム及びプロジェクターに関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)等の反射型表示素子と、色分解合成プリズムと、を備えた３板式の画像投影用光学システム、及びそれを有するプロジェクターに関するものである。

プロジェクターに搭載される反射型表示素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイスが知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、複数の微小なマイクロミラーからなる画像表示面を有しており、その画像表示面で各ミラー面の傾きを制御して、照明光を強度変調することにより画像を形成する。デジタル・マイクロミラー・デバイスの各画素のＯＮ／ＯＦＦは、例えば、画像表示面の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を中心とする±１２°のミラー面の回動により表現される。

デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型表示素子と色分解合成プリズムとを用いたプロジェクターにおいては、色分解合成プリズム内のダイクロイックコーティングへの入射角が照明光と投影光（ＯＮ光）とで異なるため、ダイクロイックコーティングの角度特性差により光量損失が生じてしまう。この光量損失を低減するため、特許文献１記載の光学システムでは、コーティングの角度特性を改善しており、特許文献２記載の光学システムでは、照明パスと投影パスとの入射角度差をなくすようなプリズム形状に工夫されている。

ＵＳ７，２３０，７６８ 特開２００２−２８７２４８号公報

しかし、特許文献１に記載されているようなコーティングの角度特性では、光量損失を十分に低減することが困難である。また、特許文献２に記載されているようにプリズム形状を複雑化すると、色分解合成プリズムを含む光学システムの大型化やそれに伴うコストアップを招くおそれがある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、小型で簡単な構成でありながら、ダイクロイックコーティングでの光量損失が低減された輝度効率の高い光学システムと、それを備えたプロジェクターを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の光学システムは、照明光の入射順に第１ダイクロイックコーティング及び第２ダイクロイックコーティングを有する色分解合成プリズムと、前記第１ダイクロイックコーティングで反射した照明光が入射する第１反射型表示素子と、前記第２ダイクロイックコーティングで反射した照明光が入射する第２反射型表示素子と、前記第１，第２ダイクロイックコーティングを透過した照明光が入射する第３反射型表示素子と、を備え、
前記色分解合成プリズムで照明光を色分解し、その色分解により得られた照明光で各反射型表示素子の画像表示面を照明し、照明された各反射型表示素子からの反射光のうち画像投影に用いられる投影光を前記色分解合成プリズムで色合成する３板式の画像投影用光学システムであって、
前記第３反射型表示素子の画像表示面での照明光軸及び投影光軸を含む平面を第１平面とし、前記第１，第２ダイクロイックコーティングの面法線と前記第３反射型表示素子の中心を通る面法線とを含む平面を第２平面とすると、前記第１平面と第２平面とが、直交した状態から、前記第１ダイクロイックコーティング又は第２ダイクロイックコーティングに対する照明光軸の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあることを特徴とする。

第２の発明の光学システムは、上記第１の発明において、前記第１〜第３反射型表示素子が、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成する第１〜第３デジタル・マイクロミラー・デバイスであり、前記第１ダイクロイックコーティング又は第２ダイクロイックコーティングが以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。
｜ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎα・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²α）／ｎ²｝］−ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎ（α−２・γ）・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²（α−２・γ））／ｎ²｝］｜≦３ｄｅｇ …（１）
ただし、
α：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスに対する照明光の入射角度、
β：ダイクロイックコーティングの面法線と第３デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面の法線とがなす角度、
γ：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーが投影状態にあるときの傾き角、
ｎ：色分解合成プリズムの硝材の屈折率、
θ：第１平面と第２平面との直交状態からの回転角度、
である。

第３の発明の光学システムは、上記第１又は第２の発明において、前記第１平面と第２平面とが、直交した状態から、前記第１ダイクロイックコーティングに対する照明光及び投影光の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあることを特徴とする。

第４の発明の光学システムは、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記第１ダイクロイックコーティングが、緑色波長帯域の色光を反射することを特徴とする。

第５の発明の光学システムは、上記第４の発明において、前記第２ダイクロイックコーティングが、青色波長帯域の色光を反射し、かつ、赤色波長帯域の色光を透過することを特徴とする。

第６の発明のプロジェクターは、３板式のプロジェクターであって、光源と、その光源からの光を集光して照明光を射出する照明光学系と、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係る光学システムと、前記第１〜第３反射型表示素子に表示された画像をスクリーン面に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする。

本発明の光学システムによれば、第１平面と第２平面とは、直交した状態から、第１ダイクロイックコーティング又は第２ダイクロイックコーティングに対する照明光軸の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあるので、第１，第２平面同士の相対的な傾きにより、第１又は第２ダイクロイックコーティングに対する照明光入射角度を変化させることができる。これにより、第１又は第２ダイクロイックコーティングへの最大入射角度を緩和し、第１又は第２ダイクロイックコーティングに対する照明光と投影光の入射角度差によるコート特性での光量損失を減らすことができる。したがって、小型で簡単な構成でありながら、ダイクロイックコーティングでの光量損失を低減して、輝度効率を高くすることができる。そして、その光学システムをプロジェクターに備えることにより、小型で明るく高性能の３板式のプロジェクターを実現することができる。

光学システムの一実施の形態を示す斜視図。 図１の光学システムを示す上面図。 図１の光学システムを示す側面図。 図１の光学システムを示す正面図。 図１の光学システムを搭載したプロジェクターの概略構成例を示す模式図。 従来の色分解合成プリズムを備えた光学システムの比較例を示す概略構成図。 図６の光学システムを示す上面図。 図６の光学システムを示す側面図。 図６の光学システムを示す正面図。 比較例の光学ユニット（θ＝０°）における第１，第２ダイクロイックコーティングの分光特性を示すグラフ。 実施例１の光学ユニット（θ＝１５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングの分光特性を示すグラフ。 比較例，実施例１の光学ユニット（θ＝０°，１５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングでの光量損失を示すグラフ。 比較例，実施例２の光学ユニット（θ＝０°，３．５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングでの光量損失を示すグラフ。 実施例３の光学ユニット（θ＝１５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングの分光特性を示すグラフ。 実施例１，３の光学ユニット（θ＝１５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングでの光量損失を示すグラフ。

以下、本発明に係る光学システム及びプロジェクターの実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

図１〜図４に、光学システムＰＵ１の第１の実施の形態を示す。図１は光学システムＰＵ１を斜め上方向から見た状態で示しており、図２は光学システムＰＵ１を上面側から見た状態で示しており、図３は光学システムＰＵ１を側面側から見た状態で示しており、図４は光学システムＰＵ１を正面側から見た状態で示している。また図５に、光学システムＰＵ１を搭載したプロジェクターＰＪの概略構成例を示す。プロジェクターＰＪは、図５に示すように、投影光学系ＬＮ，光学システムＰＵ１，光源１１，照明光学系１２，制御部１３，アクチュエータ１４等を備えており、光学システムＰＵ１はＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムＰＡ，色分解合成プリズムＰＢ，デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ等からなっており、制御部１３によりプロジェクターＰＪ全体の制御が行われる。

図５に示すように、光源１１から射出した照明光Ｌ１は、照明光学系１２で集光され、ＴＩＲプリズムＰＡ及び色分解合成プリズムＰＢでデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導かれる。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、光を変調して画像を生成する反射型表示素子であり、画像を表示する画像表示面ＤＳ上にはカバーガラスＣＧが設けられている。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画素は、画像表示面ＤＳが構成する長方形の画像表示領域の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。そして、ＯＮ状態のマイクロミラー（画素面）で反射した光のみが、後述するように光学システムＰＵ１及び投影光学系ＬＮを通過することになる。

光学システムＰＵ１は、図１〜図４に示すように３板式の画像投影用光学システムである。つまり、ＴＩＲプリズムＰＡ及び色分解合成プリズムＰＢからなるプリズムユニット，第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３（図５中のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに相当する。）等を備えたプリズムシステムであり、照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離、及び投影光（ＯＮ光）Ｌ２と不図示の不要光（ＯＦＦ光）との分離を行う。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示された画像は、投影光学系ＬＮでスクリーン面ＳＣに拡大投影される。なお、投影光学系ＬＮ又はその一部の移動（例えば、ズーミング，フォーカシング）は、アクチュエータ１４（図５）で行われる。

前述した光量損失を低減するための光学システムＰＵ１の構成を、図１〜図４を用いて更に詳しく説明する。また、従来の色分解合成プリズムＰＢとの配置の違いを明確にするため、比較例として光学システムＰＵ０の構成を図６〜図９に示す。なお、図１〜図４と同様、図６は光学システムＰＵ０を斜め上方向から見た状態で示しており、図７は光学システムＰＵ０を上面側から見た状態で示しており、図８は光学システムＰＵ０を側面側から見た状態で示しており、図９は光学システムＰＵ１を正面側から見た状態で示している。

光学システムＰＵ０，ＰＵ１では（図１〜図９）、ＴＩＲプリズムＰＡは略三角柱状の第４，第５プリズムＰ４，Ｐ５からなっており、プリズム斜面間にエアギャップ層が設けられている。このＴＩＲプリズムＰＡによって、第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３に対する照明光（入力光）Ｌ１と投影光（出力光）Ｌ２との分離が行われる。照明光学系１２から射出した照明光Ｌ１は、ＴＩＲプリズムＰＡに入射し、エアギャップ層を形成する斜面に全反射条件を満たした角度で入射し、全反射して色分解合成プリズムＰＢに入射する。

光学システムＰＵ０，ＰＵ１において、色分解合成プリズムＰＢは、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）に対応した３つのプリズムＰ１，Ｐ２，Ｐ３が組み合わされた構成になっている。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図５）としては、赤，緑，青の各色光に用いられる第１，第２，第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１，Ｄ２，Ｄ３が設けられており、照明光Ｌ１は色分解合成プリズムＰＢで赤，緑，青の各色に分解される。色分解合成プリズムＰＢを構成している３つのプリズムＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、略三角柱状の２つのプリズムとブロック状のプリズムである。第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２との間には、第１の色光を反射する第１ダイクロイックコーティングＣ１、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。また、第２プリズムＰ２と第３プリズムＰ３との間には、第２の色光を反射する第２ダイクロイックコーティングＣ２、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。

色分解合成プリズムＰＢの第１プリズムＰ１に入射した照明光Ｌ１（図５）は、第１ダイクロイックコーティングＣ１（図２，図７）で第１の色光が反射され、他の第２の色光及び第３の色光は透過する。第１ダイクロイックコーティングＣ１で反射された第１の色光は、全反射された後、色分解合成プリズムＰＢから射出し、第１のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１を照明する。ダイクロイックコーティングＣ１を透過した第２，第３の色光のうち、第２の色光は第２ダイクロイックコーティングＣ２（図２，図７）で反射され、第３の色光は透過する。第２ダイクロイックコーティングＣ２で反射された第２の色光は、全反射された後、色分解合成プリズムＰＢから射出し、第２のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ２を照明する。第２ダイクロイックコーティングＣ２を透過した第３の色光は、色分解合成プリズムＰＢから射出し、第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３を照明する。

第１のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１で反射された第１の色光からなる投影光Ｌ２（図５）は、色分解合成プリズムＰＢに入射して全反射された後、第１ダイクロイックコーティングＣ１で反射される。第２のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ２で反射された第２の色光からなる投影光Ｌ２は、色分解合成プリズムＰＢに入射して全反射された後、第２ダイクロイックコーティングＣ２で反射され、更に第１ダイクロイックコーティングＣ１を透過する。第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３で反射された第３の色光からなる投影光Ｌ２は、色分解合成プリズムＰＢに入射して第２ダイクロイックコーティングＣ２及び第１ダイクロイックコーティングＣ１を透過する。このようにして、照明光Ｌ１を受けた３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３からの出射光のうち、画像投影に用いられる投影光Ｌ２は第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２で色合成される。

光学システムＰＵ０，ＰＵ１では、上記赤，緑，青の各色光からなる投影光Ｌ２が、同一光軸ＡＸ（図５）に合成され、色分解合成プリズムＰＢから射出して、ＴＩＲプリズムＰＡに入射する。ＴＩＲプリズムＰＡに入射した投影光Ｌ２は、ここでは全反射条件を満たさないのでエアギャップ層を透過し、投影光学系ＬＮによってスクリーンＳＣに投影される。

図２〜４，図７〜９に示すように、第３デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３の画像表示面ＤＳでの照明光軸ＡＸ１及び投影光軸ＡＸ２を含む平面を第１平面Ｈ１とし、第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２の面法線と第３デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３の中心を通る面法線とを含む平面を第２平面Ｈ２とする。光学システムＰＵ０では、図９に示すように、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とが直交するように配置されている（θ＝０°，θ：第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２との直交状態からの回転角度）。それに対し、光学システムＰＵ１では、図４に示すように、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とが直交しないように配置されている。つまり、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とが、直交した状態から第１ダイクロイックコーティングＣ１又は第２ダイクロイックコーティングＣ２に対する照明光軸ＡＸ１の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にある。

表１に、第１の色光が赤色光（Ｒ）であり、第２の色光が青色光（Ｂ）であり、第３の色光が緑色光（Ｇ）である場合の第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２の誘電体多層膜構成を示す。表２に、第１の色光が緑色光（Ｇ）であり、第２の色光が青色光（Ｂ）であり、第３の色光が赤色光（Ｒ）である場合の第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２の誘電体多層膜構成を示す。表３に、第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２の誘電体多層膜に用いられる薄膜材料の屈折率及び波長を示す。

図１０に、光学システムＰＵ０（比較例，θ＝０°）における第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２（表１に示す誘電体多層膜構成）の分光反射率特性を示す。図１０中、実線は第１ダイクロイックコーティングＣ１の照明パスでの反射率（％）、破線は第１ダイクロイックコーティングＣ１の投影パスでの反射率（％）、点線は第２ダイクロイックコーティングＣ２の照明パスでの反射率（％）、一点鎖線は第２ダイクロイックコーティングＣ２の投影パスでの反射率（％）、をそれぞれ示している。

光学システムＰＵ０では、ダイクロイックコーティング面に対する入射角度が照明パスと投影パスとで異なるため、図１０から分かるように、コーティングの特性がシフトする。また、入射角度が大きくなる第１ダイクロイックコーティングＣ１面では偏光による特性差も大きくなるため、カットオフの立ち上がり性能が悪くなる。この特性差が大きくなると、照明パスと投影パスとで反射透過の条件が異なるため、プリズム内で迷光となり光量損失が増えることになる。また、カットオフの立ち上がり性能は色分離性能に関係するので、色純度を劣化させる要因となる。

光学システムＰＵ１（図１〜図４）では、上記問題点を解消するため、前述したように、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とが、直交した状態から第１ダイクロイックコーティングＣ１又は第２ダイクロイックコーティングＣ２に対する照明光軸ＡＸ１の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態になっている。この構成によれば、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とは、直交した状態から、第１ダイクロイックコーティングＣ１又は第２ダイクロイックコーティングＣ２に対する照明光軸ＡＸ１の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあるので、第１，第２平面Ｈ１，Ｈ２同士の相対的な傾きにより、第１又は第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２に対する照明光Ｌ１の入射角度を変化させることができる。

上記照明光Ｌ１の入射角度変化により、第１又は第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２への最大入射角度を緩和し、第１又は第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２に対する照明光Ｌ１と投影光Ｌ２の入射角度差によるコート特性での光量損失（つまり、色分解合成プリズムＰＢでの光量ロス）を減らすことができる。したがって、小型で簡単な構成でありながら、ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２での光量損失を低減して、輝度効率を高くすることができる。そして、この光学システムＰＵ１をプロジェクターＰＪ（図５）に備えることにより、３板式のプロジェクターＰＪの小型化，低コスト化，高輝度効率化等を達成することができる。

なお、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とが、直交した状態から、第１ダイクロイックコーティングＣ１に対する照明光Ｌ１及び投影光Ｌ２の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあることが更に好ましい。第１ダイクロイックコーティングＣ１面に回転方向を限定することにより、更に高い効果を得ることができる。

次に、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とが直交しないように配置された構成（図４）の数値化を検討する。まず、プリズム内部からダイクロイックコーティング面への照明パス入射角度ＡＯＩ_illと投影パス入射角度ＡＯＩ_onは、以下の式（Ａ１），（Ａ２）で求められる。
ＡＯＩ_ill＝ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎα・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²α）／ｎ²｝］ …（Ａ１）
ＡＯＩ_on＝ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎ（α−２・γ）・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²（α−２・γ））／ｎ²｝］ …（Ａ２）
ただし、
α：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスに対する照明光の入射角度、
β：ダイクロイックコーティングの面法線と第３デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面の法線とがなす角度、
γ：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーが投影状態にあるときの傾き角、
ｎ：色分解合成プリズムの硝材の屈折率、
θ：第１平面と第２平面との直交状態からの回転角度、
である。

そして、反射型表示素子として第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３を用いた場合（つまり、複数のマイクロミラーからなる画像表示面ＤＳにおいて各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光Ｌ１を強度変調することにより画像を形成する素子構成の場合）に有効な入射角度差｜ＡＯＩ_ill−ＡＯＩ_on｜を考えると、第１ダイクロイックコーティングＣ１又は第２ダイクロイックコーティングＣ２は以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
｜ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎα・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²α）／ｎ²｝］−ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎ（α−２・γ）・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²（α−２・γ））／ｎ²｝］｜≦３ｄｅｇ …（１）
ただし、
α：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスに対する照明光の入射角度、
β：ダイクロイックコーティングの面法線と第３デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面の法線とがなす角度、
γ：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーが投影状態にあるときの傾き角、
ｎ：色分解合成プリズムの硝材の屈折率、
θ：第１平面と第２平面との直交状態からの回転角度、
である。

表４に、角度α＝２４°、第１ダイクロイックコーティングＣ１に関する角度β１＝２７．５°、第２ダイクロイックコーティングＣ２に関する角度β２＝−１１．２５°、傾き角γ＝１２°、屈折率ｎ＝１．５１６８とした場合の入射角度ＡＯＩ_ill，ＡＯＩ_on及び入射角度差｜ＡＯＩ_ill−ＡＯＩ_on｜を示す。ただし、比較例は回転角度θ＝０°の状態（直交状態）であり、実施例２は回転角度θ＝３．５°の状態であり、実施例１は回転角度θ＝１５°の状態である。

第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２とを相対的に１５°回転させることにより（実施例１）、第１ダイクロイックコーティングＣ１面での照明光入射角度ＡＯＩ_illが３１．２９°から２７．５５°に緩和され、入射角度差も３．７９°から０．０５°と小さくなる。回転以外の条件は同一として、回転角度θを３．５°にしてやると（実施例２）、入射角度差｜ＡＯＩ_ill−ＡＯＩ_on｜は２．９５°となり、条件式（１）を略境界値で満たすことになる。

図１１に、光学システムＰＵ１（実施例１，θ＝１５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２（表１に示す誘電体多層膜構成）の分光反射率特性を示す。図１１中、実線は第１ダイクロイックコーティングＣ１の照明パスでの反射率（％）、破線は第１ダイクロイックコーティングＣ１の投影パスでの反射率（％）、点線は第２ダイクロイックコーティングＣ２の照明パスでの反射率（％）、一点鎖線は第２ダイクロイックコーティングＣ２の投影パスでの反射率（％）、をそれぞれ示している。この図１１から、第１ダイクロイックコーティングＣ１での照明パスの立ち上がり特性が改善されると同時に投影パスとの特性差がなくなっていることが分かる。

図１２に、光学システムＰＵ０（比較例，θ＝０°）と光学システムＰＵ１（実施例１，θ＝１５°）でのコーティング特性による光量損失を示す。図１２中、実線は実施例１の第１ダイクロイックコーティングＣ１での光量損失（％）、破線は実施例１の第２ダイクロイックコーティングＣ２での光量損失（％）、二点鎖線は比較例の第１ダイクロイックコーティングＣ１での光量損失（％）、点線は比較例の第２ダイクロイックコーティングＣ２での光量損失（％）、をそれぞれ示している。この図１２から、第２ダイクロイックコーティングＣ２では損失が若干増加しているが、第１ダイクロイックコーティングＣ１では光量損失が大きく減少（損失の面積比で約２５％）していることが分かる。

図１３に、光学システムＰＵ０（比較例，θ＝０°）と光学システムＰＵ１（実施例２，θ＝３．５°）でのコーティング特性による光量損失を示す。図１３中、実線は実施例２の第１ダイクロイックコーティングＣ１での光量損失（％）、破線は実施例２の第２ダイクロイックコーティングＣ２での光量損失（％）、二点鎖線は比較例の第１ダイクロイックコーティングＣ１での光量損失（％）、点線は比較例の第２ダイクロイックコーティングＣ２での光量損失（％）、をそれぞれ示している。この図１３に示すように、入射角度差は３°以下になる程度の回転であっても、光量損失は改善（損失の面積比で約７％）する。

したがって、条件式（１）を満たすことによって、小型で簡単な構成としながらも、ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２での光量損失を効果的に低減して、輝度効率をより一層高くすることができる。

図１４に、光学システムＰＵ１（実施例３，θ＝１５°）における第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２（表２に示す誘電体多層膜構成）の分光反射率特性を示す。図１４中、実線は第１ダイクロイックコーティングＣ１の照明パスでの反射率（％）、破線は第１ダイクロイックコーティングＣ１の投影パスでの反射率（％）、点線は第２ダイクロイックコーティングＣ２の照明パスでの反射率（％）、一点鎖線は第２ダイクロイックコーティングＣ２の投影パスでの反射率（％）、をそれぞれ示している。

第１ダイクロイックコーティングＣ１では緑色波長帯域の第１の色光（Ｇ）が反射され、第２ダイクロイックコーティングＣ２では青色波長帯域の第２の色光（Ｂ）が反射され、かつ、赤色波長帯域の第３の色光（Ｒ）が透過される。このように第１ダイクロイックコーティングＣ１が、緑色波長帯域の色光（Ｇ）を反射することが好ましく、第２ダイクロイックコーティングＣ２が、青色波長帯域の色光（Ｂ）を反射し、かつ、赤色波長帯域の色光（Ｒ）を透過することが更に好ましい。この構成によると、緑色波長帯域を先に分離し、その帯域で青色波長帯域と赤色波長帯域を分離することにより、第２ダイクロイックコーティングＣ２での角度特性が大きくなっても、その影響を受けなくなる。

図１５に、光学システムＰＵ１（実施例１，θ＝１５°）と光学システムＰＵ１（実施例３，θ＝１５°）でのコーティング特性による光量損失を示す。図１５中、実線は実施例１の第１ダイクロイックコーティングＣ１での光量損失（％）、破線は実施例１の第２ダイクロイックコーティングＣ２での光量損失（％）、二点鎖線は実施例３の第１ダイクロイックコーティングＣ１での光量損失（％）、点線は実施例３の第２ダイクロイックコーティングＣ２での光量損失（％）、をそれぞれ示している。

実施例３では、実施例１より光量損失を更に減らすことができる（損失の面積比で約５２％）。また実施例３では、第２ダイクロイックコーティングＣ２の特性で被視感度の高い赤色波長帯域の色光（Ｒ）を透過させている。これは、色分解合成プリズムＰＢ内でのエアーギャップを２回通過させることで、第２デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ２より第３デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３の方が収差にカウンターをあてることができ、高い結像性能が期待できるからである。

ＰＪ プロジェクター
ＬＮ 投影光学系
ＰＵ０，ＰＵ１ 光学システム
ＤＰ デジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｄ１ 第１のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｄ２ 第２のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｄ３ 第３のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
ＤＳ 画像表示面
ＰＡ ＴＩＲプリズム
ＰＢ 色分解合成プリズム
Ｐ１ 第１プリズム
Ｐ２ 第２プリズム
Ｐ３ 第３プリズム
Ｃ１ 第１ダイクロイックコーティング
Ｃ２ 第２ダイクロイックコーティング
Ｈ１ 第１平面
Ｈ２ 第２平面
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ 投影光
ＡＸ１ 照明光軸
ＡＸ２ 投影光軸
ＳＣ スクリーン
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ 制御部
１４ アクチュエータ
ＡＸ 光軸

Claims (6)

1. 照明光の入射順に第１ダイクロイックコーティング及び第２ダイクロイックコーティングを有する色分解合成プリズムと、前記第１ダイクロイックコーティングで反射した照明光が入射する第１反射型表示素子と、前記第２ダイクロイックコーティングで反射した照明光が入射する第２反射型表示素子と、前記第１，第２ダイクロイックコーティングを透過した照明光が入射する第３反射型表示素子と、を備え、
   前記色分解合成プリズムで照明光を色分解し、その色分解により得られた照明光で各反射型表示素子の画像表示面を照明し、照明された各反射型表示素子からの反射光のうち画像投影に用いられる投影光を前記色分解合成プリズムで色合成する３板式の画像投影用光学システムであって、
   前記第３反射型表示素子の画像表示面での照明光軸及び投影光軸を含む平面を第１平面とし、前記第１，第２ダイクロイックコーティングの面法線と前記第３反射型表示素子の中心を通る面法線とを含む平面を第２平面とすると、前記第１平面と第２平面とが、直交した状態から、前記第１ダイクロイックコーティング又は第２ダイクロイックコーティングに対する照明光軸の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあることを特徴とする光学システム。
2. 前記第１〜第３反射型表示素子が、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成する第１〜第３デジタル・マイクロミラー・デバイスであり、前記第１ダイクロイックコーティング又は第２ダイクロイックコーティングが以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする請求項１記載の光学システム；
   ｜ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎα・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²α）／ｎ²｝］−ｃｏｓ^-1［｛（ｓｉｎ（α−２・γ）・ｓｉｎβ・ｓｉｎθ）／ｎ｝＋ｃｏｓβ・√｛１−（ｓｉｎ²（α−２・γ））／ｎ²｝］｜≦３ｄｅｇ …（１）
   ただし、
   α：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスに対する照明光の入射角度、
   β：ダイクロイックコーティングの面法線と第３デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面の法線とがなす角度、
   γ：第３デジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーが投影状態にあるときの傾き角、
   ｎ：色分解合成プリズムの硝材の屈折率、
   θ：第１平面と第２平面との直交状態からの回転角度、
   である。
3. 前記第１平面と第２平面とが、直交した状態から、前記第１ダイクロイックコーティングに対する照明光及び投影光の入射角度が小さくなる方向へと、相対的に回転した状態にあることを特徴とする請求項１又は２記載の光学システム。
4. 前記第１ダイクロイックコーティングが、緑色波長帯域の色光を反射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学システム。
5. 前記第２ダイクロイックコーティングが、青色波長帯域の色光を反射し、かつ、赤色波長帯域の色光を透過することを特徴とする請求項４記載の光学システム。
6. ３板式のプロジェクターであって、光源と、その光源からの光を集光して照明光を射出する照明光学系と、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学システムと、前記第１〜第３反射型表示素子に表示された画像をスクリーン面に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。