JP6528835B2 - 光学システム - Google Patents

Description

本発明は光学システム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、を備えた画像投影用光学システム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。つまり、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（つまり、１軸に関するマイクロミラー駆動）により表現される。そのマイクロミラーの動きに関しては、直交する２軸に関してマイクロミラー駆動を行う新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイス(Tilt & Roll Pixel DMD)も、非特許文献１で提案されている。

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。このような光量損失を低減するため、ダイクロイックコーティングに対する光の入射角度を工夫したプロジェクターが、特許文献１〜３で提案されている。

特許文献１〜３で提案されているプロジェクターには、ＲＧＢの３色のうちＧを先に分離するプリズムユニットが搭載されており、ＢＲの分離カットオフはＧの反射帯域のほぼ中央に設定されている。Ｇを先に分離するタイプのプリズムユニットは、ビデオ光学系用，ＬＣＯＳ（反射型液晶）方式プロジェクター用等として知られているが、その色合成では投影光のみを考慮すればよいことから、ＢＲの分離波長がＧ波長域のどこであっても性能に影響することはない。

特開平１０−１０４７６３号公報 特開平１０−３１９３４４号公報 特開平１１−１４２９９２号公報

DLP Tilt & Roll Pixel Architecture and DLP IntelliBrightTM、インターネット＜URL：http://www.dlp.com/pico-projector/pico-product-developers/2trp-chip.aspx＞

例えば、前記新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスに対応したプロジェクター光学系では、照明光路と投影光路でＢＲの分離・合成時の入射角度が異なる。ダイクロイックコーティングでは入射角度によってカットオフ波長が変わるため、投影光路のみを考慮した膜構成のＢＲダイクロイックコーティングを用いて立ち上がりの波長位置を設定すると、照明光路で極端に効率が低下する可能性がある。したがって、特許文献１〜３に記載されているようなダイクロイックコーティングの角度特性では、照明光の光量損失を十分に低減することが困難である。

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、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２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画像投影用光学システムであって、各画像表示面に対する照明主光線の入射角と投影主光線の出射角とが異なり、前記第２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、前記ダイクロイックコーティングの面法線と前記第２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平面と第２平面とが、直交した状態から、前記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、前記ダイクロイックコーティングに対する入射角が投影主光線と照明主光線とで略等しくなるように配置されてい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。

本発明の光学システムによれば、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を実現することができる。

プリズムユニットの一実施の形態を示す斜視図。 図１のプリズムユニットを示す上面図。 図１のプリズムユニットを示す側面図。 図１のプリズムユニットを示す正面図。 図１のプリズムユニットを搭載したプロジェクターの概略構成例を示す模式図。 直交する２軸に関してマイクロミラー駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスの動作を説明するための斜視図。 実施例１のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 実施例２のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 実施例３のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 実施例４のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 実施例５のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 比較例１のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 比較例２のプリズムユニットにおける第１，第２ダイクロイックコーティングの分光透過率特性を示すグラフ。 実施例１と比較例１のプリズムユニットにおける光利用効率を示すグラフ。 実施例４と比較例２のプリズムユニットにおける光利用効率を示すグラフ。

以下、本発明に係る光学システムの実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４に、プリズムユニットとして色分解合成プリズムＰＢ等を備えた光学システムＰＵ１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，アクチュエーター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，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。

従来よりよく知られているデジタル・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。一方、新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスの場合（非特許文献１等参照。）、ミラー面の回動は１つの回転軸を中心とするものではなく、直交する２つの回転軸を中心とするものである。

図６に、新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの要部、つまりマイクロミラーＭＲが矩形の画素反射面（マイクロミラー面）ＭＳで構成する画素のＯＮ状態とＯＦＦ状態を示す。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図６）は、複数の画素反射面ＭＳからなる画像表示面ＤＳにおいて、各画素反射面ＭＳがＯＮ／ＯＦＦ制御されて、マイクロミラーＭＲが画像表示状態（ＯＮ状態）と画像非表示状態（ＯＦＦ状態）と、の２つの角度状態をとることにより、照明光Ｌ１を強度変調して所望の画像を形成することができる。

上記のようにマイクロミラー駆動は直交する２軸に関して行われるため、図６から分かるように、マイクロミラーＭＲの画素反射面ＭＳは、ある一辺方向に傾斜した状態がＯＮ状態であり、それと直交する辺方向に傾斜した状態がＯＦＦ状態である。通常想定されるＯＮ／ＯＦＦ制御では、画素反射面ＭＳがＯＮ状態のとき、マイクロミラーＭＲに入射した照明光Ｌ１は、画像表示面ＤＳの法線方向に反射されて、ＯＮ光（投影光）Ｌ２となる。また、画素反射面ＭＳがＯＦＦ状態のとき、マイクロミラーＭＲに入射した照明光Ｌ１は、画像表示面ＤＳの法線方向から大きな角度を持って反射されて、ＯＦＦ光（不要光）Ｌ３となる。

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、光学システムＰＵ１は、ＴＩＲプリズムＰＡ及び色分解合成プリズムＰＢからなるプリズム光学系，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、アクチュエーター１４（図５）で行われる。

光学システムＰＵ１では（図１〜図５）、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の第５プリズムＰ５に入射し、第４，第５プリズムＰ４，Ｐ５間の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ＰＵ１において、色分解合成プリズムＰＢは、３つのプリズムＰ１，Ｐ２，Ｐ３が組み合わされることにより、３原色：Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の３色に対応し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（図２）、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（図２）、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。なお、図２中のβ１，β２は、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のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３の画像表示面ＤＳの法線（投影光軸ＡＸ２に対して平行に位置する。）とがなす角度である。

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）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。第１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）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。なお、図３中のαは、第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３に対する照明光Ｌ１の入射角度である。

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（図１〜図３中の投影光軸ＡＸ２，図５中の光軸ＡＸに相当する。）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。なお、ＲＧＢの３色を分離したり合成したりする色分解合成プリズムＰＢ等を備えたプリズム光学系は、画像表示装置（プロジェクター等）に限らず、画像記録装置（ビデオカメラ等）にも使用可能である。

図２〜４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。図４中のθ（＝２０．８°）は、第１平面Ｈ１と第２平面Ｈ２との直交状態からの回転角度である。

照明光路と投影光路でダイクロイックコーティング面に対する入射角度が異なると、コーティングの分光特性にも差が生じる。入射角度が大きくなると、大まかには全体に短波長へシフトした分光特性となり、カットオフ波長は短くなる。照明光路と投影光路の分光特性差が大きくなると、照明光路と投影光路とで反射透過の条件が異なる波長が生じ、その波長の光はプリズム内で迷光となり光量損失が増えて光利用効率が低下することになる。光学システムＰＵ１（図１〜図４）では、この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，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の入射角度が変化するので、例えば、第１ダイクロイックコーティングＣ１では照明光路と投影光路とで入射角度が略等しくなるようにＧ光を反射させることにより、第２ダイクロイックコーティングＣ２ではカットオフ波長を適正に設定することにより、光利用効率を高めることができる。

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。

ＲＧＢの３色の分離・合成の順序には色々な組み合わせが考えられるが、色分解合成プリズムＰＢとしてＲ光とＢ光との分離前にＧ光の分離を行うタイプを想定すると、第１ダイクロイックコーティングＣ１でＧ光がＲ光及びＢ光から分離し、第２ダイクロイックコーティングＣ２でＲ光とＢ光とが分離することになる。つまり、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又はＲ）が反射され、かつ、赤色波長帯域の第３の色光（Ｒ又はＢ）が透過される。

上記のように第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）を透過するか、又は赤色波長帯域の色光（Ｒ）を反射し、かつ、青色波長帯域の色光（Ｂ）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。

前述の照明光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分光特性での光量損失（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・低コスト化とともに高い光利用効率を達成することができる。

具体的には、３原色ＲＧＢの３色の光を同一光軸に色合成するプリズムユニットにおいて、Ｇの光を反射しＲとＢの光を透過するＧ反射ダイクロイックコーティングと、Ｒ，Ｂのいずれか一方を反射し他方を透過するＲＢダイクロイックコーティングとを有し、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
λｒｇ≧λｒｂ≧０．６７×λｒｇ＋０．３３×λｇｂ …（１）
ただし、
λｇｂ：Ｇ反射ダイクロイックコーティングにおいて合成光軸でのＧとＢとの色合成を行ったときに透過率が５０％となる波長、
λｒｇ：Ｇ反射ダイクロイックコーティングにおいて合成光軸でのＲとＧとの色合成を行ったときに透過率が５０％となる波長、
λｒｂ：ＲＢダイクロイックコーティングにおいて合成光軸でのＲとＢとの色合成を行ったときに透過率が５０％となる波長、
である。

第２ダイクロイックコーティングＣ２のカットオフ波長は、条件式（１）を満たす構成により、投影光路と照明光路の両方の入射角においてＧ波長域内での立ち上がりとなるため、投影光Ｌ１と照明光Ｌ２の両方で光量ロスを効果的に低減して、明るさをより一層向上させることができる。

Ｇ反射ダイクロイックコーティングとＲＢダイクロイックコーティングが、高屈折率材料，中間屈折率材料，低屈折率材料のうちの少なくとも２つの蒸着材料からなり、前記高屈折率材料がＴｉＯ₂，Ｎｂ₂Ｏ₅又はＴａ₂Ｏ₅であり、前記中間屈折率材料がＡｌ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合酸化物であり、前記低屈折率材料がＳｉＯ₂であることが好ましい。これらの屈折率材料をＧ反射ダイクロイックコーティングとＲＢダイクロイックコーティングに用いることにより、第１，第２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。

プリズムユニットと、ＲＧＢの画像をそれぞれ画像表示面に表示する３つの画像表示素子と、各画像表示面を照明する照明光学系と、各画像表示面に表示された画像をスクリーンに投影する投影光学系とを備え、前記プリズムユニットが照明光の色分解と投影光の色合成とを行う色分解合成プリズムであり、前記画像表示面に対する照明主光線の入射角と投影主光線の出射角とが異なるプロジェクターにおいて、前記Ｇ反射ダイクロイックコーティングに対する入射角が投影主光線と照明主光線とで略等しくなるように配置されていることが好ましい。その入射角の範囲は、数度程度、例えば±１°の範囲が更に好ましい。また、プリズムユニットの合成光軸と投影主光線とは一致することが好ましい。

また、上記プロジェクターは以下の条件式（２Ａ）及び（２Ｂ）を満足することが好ましい。
λｉｒｇ≧λｐｒｂ≧０．６７×λｐｒｇ＋０．３３×λｐｇｂ …（２Ａ）
０．５×λｐｒｇ＋０．５×λｐｇｂ＞λｉｒｂ≧λｐｇｂ …（２Ｂ）
ただし、
λｉｒｇ：Ｇ反射ダイクロイックコーティングにおいて照明主光線でのＲとＧとの色分離を行ったときに透過率が５０％となる波長、
λｐｒｇ：Ｇ反射ダイクロイックコーティングにおいて投影主光線でのＲとＧとの色合成を行ったときに透過率が５０％となる波長、
λｉｒｂ：ＲＢダイクロイックコーティングにおいて照明主光線でのＲとＢとの色分離を行ったときに透過率が５０％となる波長、
λｐｒｂ：ＲＢダイクロイックコーティングにおいて投影主光線でのＲとＢとの色合成を行ったときに透過率が５０％となる波長、
λｐｇｂ：Ｇ反射ダイクロイックコーティングにおいて投影主光線でのＧとＢとの色合成を行ったときに透過率が５０％となる波長、
である。

第２ダイクロイックコーティングＣ２のカットオフ波長は、条件式（２Ａ）及び（２Ｂ）を満たす構成により、投影光路と照明光路の両方の入射角においてＧ波長域内での立ち上がりとなるため、投影光Ｌ１と照明光Ｌ２の両方で光量ロスを効果的に低減して、明るさをより一層向上させることができる。

以下、本発明に係る光学システムの構成等を、実施例１〜５及び比較例１，２を挙げて更に具体的に説明する。

表１〜表２０に、Ｇ反射ダイクロイックコーティングＧ１〜Ｇ３及びＲＢダイクロイックコーティングＲＢ１〜ＲＢ７の膜構成を示す。表１〜表２０に示す膜構成では、左側の欄から順に、各層の層番号，成膜材料，物理膜厚（ｎｍ），屈折率及び光学膜厚である（設計主波長：λ₀＝５５０ｎｍ）。

実施例１は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ１を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ１を有する。実施例２は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ２を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ２を有する。実施例３は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ３を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ３を有する。実施例４は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ３を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ４を有する。実施例５は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ２を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ５を有する。

比較例１は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ１を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ６を有する。比較例２は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ３を有し、第２ダイクロイックコーティングＣ２としてＲＢダイクロイックコーティングＲＢ７を有する。

表２１に、第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２の面角度β１，β２（°）と、第１，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，投影光Ｌ２の光線入射角（°）を示す。表２１において、角度（°）はガラス中（in glass）と空気中（in air）とに分けて示す。表２２に、実施例１〜５及び比較例１，２における各条件式の対応値及び関連データを示し、表２３に、各条件式との対応状態（○：満足，×：不満足）を示す。表２３から分かるように、比較例１は条件式（２Ｂ）を満足しているが、比較例２は条件式（２Ｂ）を満足していない。

図７〜図１３のグラフに、実施例１〜５及び比較例１，２の分光透過率（％）を示す。各グラフにおいて、実線（Ｇ投影Ｔａｖｅ）はＧ反射ダイクロイックコーティングにおける投影光Ｌ２の透過率（Ｓ偏光とＰ偏光の平均値）を示しており、短い破線（Ｇ照明Ｔａｖｅ）はＧ反射ダイクロイックコーティングにおける照明光Ｌ１の透過率（Ｓ偏光とＰ偏光の平均値）を示している。また、長い破線（ＲＢ投影Ｔａｖｅ）はＲＢダイクロイックコーティングにおける投影光Ｌ２の透過率（Ｓ偏光とＰ偏光の平均値）を示しており、一点鎖線（ＲＢ照明Ｔａｖｅ）はＲＢダイクロイックコーティングにおける照明光Ｌ１の透過率（Ｓ偏光とＰ偏光の平均値）を示している。

実施例１〜３と比較例１では、第２ダイクロイックコーティングＣ２（図２）を構成するＲＢダイクロイックコーティングにおいて、Ｂ光（第２の色光）は反射し、Ｒ光（第３の色光）は透過する。実施例４，５と比較例２では、第２ダイクロイックコーティングＣ２（図２）を構成するＲＢダイクロイックコーティングにおいて、Ｒ光（第２の色光）は反射し、Ｂ光（第３の色光）は透過する。

実施例１と比較例１は、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ１を有している。そこで、実施例１と比較例１とを比較すると、比較例１では一点鎖線（ＲＢ照明Ｔａｖｅ）がＢ領域に入り込んでいるため、Ｂ領域の長波長側で光量ロスが発生していることが分かる。一方、第１ダイクロイックコーティングＣ１としてＧ反射ダイクロイックコーティングＧ３を有する実施例４と比較例２とを比較すると、比較例２では長い破線（ＲＢ投影Ｔａｖｅ）がＲ領域に入り込んでいるため、Ｒ領域の短波長側で光量ロスが発生していることが分かる。つまり、比較例１の場合、ＲＢダイクロイックコーティングでの立ち上がりがＧ領域の短波長側にはみ出る例であるのに対し、比較例２の場合、それとは逆にＧ領域の長波長側へはみ出る例である。

図１４，図１５のグラフに、色分解合成プリズムＰＢにおける光利用効率（各ダイクロイックコーティング特性によるＲＧＢそれぞれの光利用効率）を示す。図１４では実施例１と比較例１の色分解合成プリズムＰＢにおける光利用効率を示しており、図１５では実施例４と比較例２の色分解合成プリズムＰＢにおける光利用効率を示している。図１４，図１５のグラフにおいて、実線はＢ光、破線はＧ光、一点鎖線はＲ光にそれぞれ対応しており、太い線は実施例１，４、細い線は比較例１，２にそれぞれ対応している。

図１４のグラフから、実施例１では、比較例１と比較して、Ｂ領域の長波長側で光利用効率が改善していることが分かる。また図１５のグラフから、実施例４では、比較例２と比較して、Ｒ領域の短波長側で光利用効率が改善していることが分かる。

ＰＪ プロジェクター
ＬＮ 投影光学系
ＰＵ１ 光学システム
ＤＰ デジタル・マイクロミラー・デバイス（画像表示素子）
Ｄ１ 第１のデジタル・マイクロミラー・デバイス（画像表示素子）
Ｄ２ 第２のデジタル・マイクロミラー・デバイス（画像表示素子）
Ｄ３ 第３のデジタル・マイクロミラー・デバイス（画像表示素子）
ＤＳ 画像表示面
ＭＲ マイクロミラー
ＭＳ 画素反射面
ＰＡ ＴＩＲプリズム
ＰＢ 色分解合成プリズム（プリズムユニット）
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（合成光軸）
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ 制御部
１４ アクチュエーター
ＡＸ 光軸
ＳＣ スクリーン

Claims (4)

1. 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２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画像投影用光学システムであって、各画像表示面に対する照明主光線の入射角と投影主光線の出射角とが異なり、前記第２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、前記ダイクロイックコーティングの面法線と前記第２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平面と第２平面とが、直交した状態から、前記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記載の光学システム。
3. 前記ダイクロイックコーティングに対する入射角が投影主光線と照明主光線とで略等しくなるように配置されてい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。

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