JP6859143B2 - 投射光学系および投射装置 - Google Patents

Description

この発明は、投射光学系および投射装置に関する。

液晶表示素子やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の「画像表示素子」に表示された原画像をスクリーン等の被投射面上に拡大画像として投射する投射装置（以下「プロジェクタ」とも言う。）は、近来広く普及している。
原画像の拡大画像を投射する投射光学系においては、原画像と拡大画像とが共役関係にあり、原画像は縮小側共役面（縮小側における共役面を言う。）に表示され、拡大画像は拡大側共役面（拡大側における共役面を言う。）に結像される。
このような投射光学系として、縮小側共役面上の原画像からの結像光束を、拡大側共役面に至る結像光路上において一度、中間像として結像させたのち、拡大側共役面上に拡大画像として結像させる投射光学系が知られている（特許文献１、２）。

被投射面上に表示される拡大画像は一般にカラー画像であり、色が異なる複数の原画像からの光束が投射光学系により合成され、合成拡大画像として投射される。
「カラー画像」を形成するには、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の組み合わせが一般的には行われているが、再現されるカラーの領域をより広げる目的で、第４の色を加えたプロジェクタの提案も行われている（特許文献３，４）。

また、上記赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に加えて波長がそれぞれ近接する第２の３原色である、赤（Ｒ’）、緑（Ｇ’）、青（Ｂ’）からなる画像を同時に投射して立体的に見える新たな３Ｄ投射方式も出現している。

これらの場合、投射光学系は複数の原画像からの結像光束を合成する機能を必要とする。

この発明は、複数の原画像からの結像光束を合成し、被投射面に至る結像光路上において合成中間像を結像させたのち、被投射面上に合成拡大画像として結像させる新規な投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、複数の原画像からの結像光束を合成し、合成拡大画像として結像させる投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かう光路上に順次、第１光学群、第２光学群、を配して構成され、前記縮小側における複数の共役面上の原画像からの結像光束を、前記拡大側における共役面に至る光路上において、合成中間像として結像させたのち、前記拡大側における共役面上に合成拡大画像として結像させるものであり、前記第１光学群は、第１レンズ群と、光路合成光学手段と、反射面を有する反射光学手段と、を有してなり、前記光路合成光学手段は、第１の光学面ないし第４の光学面を有し、前記縮小側における複数の共役面上の原画像からの複数の結像光束の一部を前記第１の光学面に、残りの結像光束を前記第２の光学面に入射され、これら複数の結像光束を内部で合成し、第３の光学面から前記反射光学手段に向けて入射結像光束として射出させ、前記反射光学手段の前記反射面により反射された光束を反射結像光束として前記第３の光学面から入射されて前記第４の光学面から前記第２光学群側に射出させる機能を有し、前記第１レンズ群は、少なくともその一部が、前記入射結像光束と前記反射結像光束とに共通化されている。

この発明によれば、複数の原画像からの結像光束を合成し、被投射面に至る光路上において合成中間像を結像させたのち、被投射面上に合成拡大画像として結像させる新規な投射光学系を実現できる。

投射装置の実施の１形態を概念的に示す図である。 図１の実施の形態の第１接合面Ｃ１の分光特性の例を示す図である。 図１の実施の形態の第２接合面Ｃ２の分光特性の例を示す図である。 投射装置の実施の別形態を概念的に示す図である。 図４の実施の形態の第１接合面Ｃ１の分光特性の例を示す図である。 図４の実施の形態の第２接合面Ｃ２の分光特性の例を示す図である。 投射装置の実施の他の形態を概念的に示す図である。 図７の実施の形態の第１接合面Ｃ１の分光特性の例を示す図である。 図７の実施の形態の第２接合面Ｃ２の分光特性の例を示す図である。

以下に、実施の形態を説明する。
図１に、この発明の投射装置の実施の１形態を概念的に示す。
図１において、符号Ｇ１で示す部分は「第１光学群」、符号Ｇ２で示す部分は「第２光学群」を示し、第１光学群Ｇ１と第２光学群Ｇ２とは「投射光学系」の要部を構成する。 第１光学群Ｇ１は、第１レンズ群と、光路合成光学手段と、反射光学手段ＲＦＤを有する。「第１レンズ群」は、図中に符号Ｌ１１、Ｌ１２で示す「レンズ群」により構成され、光路合成光学手段は、この実施の形態では「クロスプリズムＳＰＤと１／４位相差板ＲＴ４を有して」なる。
レンズ群Ｌ１１、Ｌ１２は、概念的に１枚のレンズとして図示されているが、実際にはこれらのレンズ群を「２枚以上のレンズにより構成」できることは言うまでもない。
反射光学手段ＲＦＤは反射面を有し、この例ではレンズ群Ｌ１１の側の面が「反射面」となっている。
第２光学群Ｇ２はレンズ群Ｌ２を有している。レンズ群Ｌ２は概念的に１枚のレンズとして図示されているが、勿論、２枚以上のレンズで構成できることは言うまでもなく、レンズ系とともに凹面鏡等のパワーを持つミラー光学系を１枚以上有することができる。

符号ＩＭは「合成中間像」を示している。
図１において、符号ＭＤ１Ａ、ＭＤ１Ｂ、ＭＤ２Ｃは、画像表示素子を示す。
画像表示素子ＭＤ１Ａ、ＭＤ１Ｂ、ＭＤ２Ｃは、この例では「反射型の液晶表示素子」である。画像表示素子ＭＤ１Ａには合成拡大画像の「１Ａ色の画像成分」が原画像として表示され、画像表示素子ＭＤ１Ｂには合成拡大画像の「１Ｂ色の画像成分」が原画像として表示され、画像表示素子ＭＤ２Ｃには合成拡大画像の「２Ｃ色の画像成分」が原画像として表示されるようになっている。
説明の具体性のために、合成拡大画像が「カラー画像」であるとすれば、１Ａ色、１Ｂ色、２Ｃ色は、カラー画像を合成できる３原色、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の組み合わせや、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃｙ）の組み合わせ等、種々の組み合わせが可能である。

以下の説明では説明の具体性のため、１Ａ色を赤、１Ｂ色を青、２Ｃ色を緑とする。

図１において、符号ＤＭは「ダイクロイックミラー」、符号Ｍは「平面鏡」、符号ＰＰ１とＰＰ２は「偏光ビームスプリッタ」、符号ＲＴ２は「１／２位相差板」、符号ＲＴ４は「１／４位相差板」、符号ＣＳ１、ＣＳ２は「波長選択性位相差板」を示し、これらは「入射結像光束生成手段」を構成している。

クロスプリズムＳＰＤは、４つの三角プリズムの直角面同士が接合され、第１乃至第４の４つの光学面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を有し、三角プリズムの接合面として、互いに直交する第１接合面Ｃ１および第２接合面Ｃ２を有する構成である。
図１において図示を省略されている照明光源からの照明光（直線偏光した白色光）ＬＳは、ダイクロイックミラーＤＭに入射し、その赤色成分と青色成分とが反射され、緑色成分は透過する。
ダイクロイックミラーＤＭにより反射された赤色成分と青色成分は平面鏡Ｍに入射して反射され、波長選択性位相差板ＣＳ１に入射する。

ダイクロイックミラーＤＭにより反射される成分の波長領域を「第１波長域」、ダイクロイックミラーＤＭを透過する成分の波長領域を「第２波長域」と称する。第１波長域に属する光のうち、画像表示素子ＭＤ１Ａに入射すべき光の波長領域を「１Ａ波長域」、画像表示素子に入射すべき光の波長領域を「１Ｂ波長域」と呼ぶ。
波長選択性位相差板ＣＳ１は、１Ｂ波長域の光（説明中の例で青色成分光）のみ、その偏光方向を９０°回転させて透過させ、１Ａ波長域の光（説明中の例で赤色成分光）は、偏光方向を変えることなく透過させる。
即ち、波長選択性位相差板ＣＳ１は、１Ｂ波長域の光に対してのみ、１／２位相差板として機能する。
波長選択性位相差板ＣＳ１を透過した第１波長域の光は、偏光ビームスプリッタＰＰ１に入射する。偏光ビームスプリッタＰＰ１は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させる。
波長選択性位相差板ＣＳ１に入射する第１波長域の光は、偏光ビームスプリッタＰＰ１に対してＳ偏光状態である。
従って１Ａ波長域の光はＳ偏光状態（図中に実線で示す。）であって、偏光ビームスプリッタＰＰ１により反射されて画像表示素子ＭＤ１Ａに入射し、画像表示素子ＭＤ１Ａに表示された１Ａ色（赤色）の画像成分である原画像（以下、便宜上「１Ａ原画像」と称する。）を照射し、反射されて「１Ａ原画像からの結像光束」となる。
一方、１Ｂ波長域の光はＰ偏光状態（図中に破線で示す。）であって、偏光ビームスプリッタＰＰ１を透過し、画像表示素子ＭＤ１Ｂに表示された１Ｂ色（青色）の画像成分である原画像（以下、便宜上「１Ｂ原画像」と称する。）を照射し、反射されて「１Ｂ原画像からの結像光束」となる。

よく知られたように、「反射型の液晶表示素子」では、反射された結像光束の偏光方向が照明光の偏光方向から９０度旋回する。
従って、「１Ａ原画像からの結像光束」は偏光ビームスプリッタＰＰ１に対してＰ偏光状態（破線）となり、偏光ビームスプリッタＰＰ１を透過して、波長選択性位相差板ＣＳ２に入射する。また、「１Ｂ原画像からの結像光束」は偏光ビームスプリッタＰＰ１に対してＳ偏光状態（実線）となり、偏光ビームスプリッタＰＰ１により反射されて、波長選択性位相差板ＣＳ２に入射する。

波長選択性位相差板ＣＳ２は、１Ａ波長域の光（説明中の例で赤色成分光）を、その偏光方向を９０°回転させて透過させ、１Ｂ波長域の光（説明中の例で青色成分光）は、偏光方向を変えることなく透過させる。
即ち、波長選択性位相差板ＣＳ２は、１Ａ波長域の光に対してのみ１／２位相差板として機能する。
従って、波長選択性位相差板ＣＳ２を透過した第１波長域の結像光束（１Ａ原画像および１Ｂ原画像からの結像光束）は、共に、クロスプリズムＳＰＤに対してＳ偏光の状態でクロスプリズムＳＰＤの「第１の光学面Ｓ１」に入射する。
一方、ダイクロイックミラーＤＭを透過した「第２波長域」の光（緑色成分光）は「偏光ビームスプリッタＰＰ２に対してＳ偏光状態（実線）」で偏光ビームスプリッタＰＰ２に入射し、反射されて画像表示素子ＭＤ２Ｃに入射し、２Ｃ色（緑色）の原画像（以下、便宜上「２Ｃ原画像」と称する。）により変調されて「２Ｃ原画像からの結像光束」となり、偏光方向を９０度旋回されて、偏光ビームスプリッタＰＰ２に入射する。
「２Ｃ原画像からの結像光束」は、偏光ビームスプリッタＰＰ２に対してＰ偏光状態であり、偏光ビームスプリッタＰＰ２を透過し、１／２位相差板ＲＴ２に入射し、偏光方向を９０度旋回され透過し、クロスプリズムＳＰＤに対してＳ偏光（実線）の状態で、クロスプリズムＳＰＤに「第２の光学面Ｓ２」から入射する。
即ち、縮小側における複数の共役面上の原画像（１Ａ原画像、１Ｂ原画像、２Ｃ原画像）からの複数の結像光束の一部（１Ａ原画像および１Ｂ原画像からの結像光束）は第１の光学面Ｓ１から、残りの結像光束（２Ｃ原画像からの結像光束）は前記第２の光学面Ｓ２からクロスプリズムＳＰＤに入射する。

クロスプリズムＳＰＤは前述のごとく、互いに直交する第１接合面Ｃ１および第２接合面Ｃ２を有するが、これら第１接合面Ｃ１および第２接合面Ｃ２は「波長選択性ビームスプリッタ」となっている。
「波長選択性ビームスプリッタ」は、選択した波長領域におけるＳ偏光状態の光を反射し、他の波長領域のＳ偏光状態の光を透過させる機能を持つ。
説明中の例のように、赤色成分と青色成分による「第１波長域」の結像光束、緑色成分による「第２波長域」の結像光束の場合につき、第１接合面Ｃ１の分光特性の例を図２に示し、第２接合面Ｃ２の分光特性の例を図３に示す。
図２に示すように、第１接合面Ｃ１は、第１波長域、第２波長域の別なく、これら波長領域に含まれる波長成分のＰ偏光の光を１００％透過させ、Ｓ偏光の光は第１波長域の光のみを反射し、第２波長域の光は略１００％透過させる。
図３に示すように、第２接合面Ｃ２は、第１波長域、第２波長域の別なく、これら波長領域に含まれる波長成分のＰ偏光の光を１００％透過させ、Ｓ偏光の光は第２波長域の光のみを反射し、第１波長域の光は略１００％透過させる。

図１を参照すると、クロスプリズムＳＰＤに第１の光学面Ｓ１から入射する「第１波長域の結像光束」、第２の光学面Ｓ２から入射する「第２波長域の結像光束」は、ともにＳ偏光状態であるから、これら結像光束は、それぞれ第１接合面Ｃ１、第２接合面Ｃ２により、Ｓ偏光状態を保ってクロスプリズムＳＰＤの第３の光学面Ｓ３の側へ反射され、光学面Ｓ３から射出する。光学面Ｓ３から射出する結像光束は「第１波長域と第２波長域の結像光束が合成された結像光束」であるので、以下、この結像光束を便宜的に「合成結像光束」とよぶ。
第３の光学面Ｓ３から射出した合成結像光束は「入射結像光束」として、反射光学手段ＲＦＤへ向かい、１／４位相差板ＲＴ４を透過すると「円偏光状態（２点鎖線）」に変換され、第１レンズ群のレンズ群Ｌ１１を透過して反射光学手段ＲＦＤに入射し、その反射面で反射されて「反射結像光束」になる。
反射結像光束は、レンズ群Ｌ１１を透過し、さらに１／４位相差板ＲＴ４を透過することにより、偏光状態がクロスプリズムＳＰＤに対してＰ偏光状態となってクロスプリズムＳＰＤを透過し、クロスプリズムＳＰＤの第４の光学面Ｓ４から射出してレンズ群Ｌ１２に入射する。

即ち、第１光学群Ｇ１の第１レンズ群に含まれるレンズ群Ｌ１１、Ｌ１２のうち、クロスプリズムＳＰＤと反射光学手段ＲＦＤとの間に配されたレンズ群Ｌ１１は「入射結像光束と反射結像光束とに共通化され」ている。
クロスプリズムＳＰＤの第４の光学面Ｓ４から射出した合成結像光束は、第１レンズ群の作用により合成中間象ＩＭとして結像したのち、レンズ群Ｌ２を含む第２光学群Ｇ２に入射し、第２光学群Ｇ２の作用により、図示を省略された拡大側の共役面（スクリーン等）上に合成拡大画像として結像する。かくして、カラーの合成拡大画像が得られる。

図４に、投射装置の実施の別形態を示す。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１と符号を共通化する。
図１〜図３に即して実施の形態を説明した投射装置では、３色（１Ａ色、１Ｂ色、２Ｃ色）によりカラー画像を表現する場合を説明し、１Ａ色、１Ｂ色、２Ｃ色として、それぞれ赤、青、緑の３色を例示した。
表示すべきカラー画像における「イエローやシアン等の一部の色域」には、上記３色を使っても色の再現が難しいものがある。
図４に実施の形態を示す投射光学系は、再現の難しい色域の光に照射される反射型の画像表示素子を追加して、４色成分によりカラー画像を合成するようにしたもので、図１〜図３に即して説明した投射装置よりも「色再現域」を広げることができる。

カラー画像を合成する色成分として、１Ａ色、１Ｂ色、２Ｃ色、２Ｄ色の４成分が用いられている。
説明の具体性のために、１Ａ色を青、１Ｂ色を青緑、２Ｃ色をイエロー、２Ｄ色を赤とする。
これらは単なる例示であって、これらに限定されるものではない。図４に示す実施の形態における１Ａ色、１Ｂ色、２Ｃ色は「図１に示す実施の形態における１Ａ色、１Ｂ色、２Ｃ色」と同じ訳ではない。

図４に示す実施の形態においては、４つの画像表示素子ＭＤ１Ａ、ＭＤ１Ｂ、ＭＤ２Ｃ、ＭＤ２Ｄが用いられている。これらは何れも「反射型の液晶表示素子」である。
画像表示素子ＭＤ１Ａには合成拡大画像の「１Ａ色の画像成分」が原画像として表示され、画像表示素子ＭＤ１Ｂには合成拡大画像の「１Ｂ色の画像成分」が原画像として表示され、画像表示素子ＭＤ２Ｃには合成拡大画像の「２Ｃ色の画像成分」が原画像として表示され、画像表示素子ＭＤ２Ｄには合成拡大画像の「２Ｄ色の画像成分」が原画像として表示されるようになっている。
図４において図示を省略されている照明光源からの照明光（直線偏光した白色光）ＬＳは、ダイクロイックミラーＤＭに入射し、その１Ａ色成分と１Ｂ色成分が反射され、２Ｃ色成分と２Ｄ色成分が透過する。
図４〜図６に即して以下に説明する実施の形態においては、ダイクロイックミラーＤＭに反射される「１Ａ色成分と１Ｂ色成分」の波長領域を「第１波長域」と呼び、ダイクロイックミラーＤＭを透過する「２Ｃ色成分と２Ｄ色成分」の波長領域を「第２波長域」と呼ぶ。
即ち、照明光ＬＳはダイクロイックミラーＤＭにより第１波長域の光と第２波長域の光に分離される。
ダイクロイックミラーＤＭにより反射された「第１波長域の光」である１Ａ色成分と１Ｂ色成分は平面鏡Ｍに入射して反射され、波長選択性位相差板ＣＳ１に入射する。
第１波長域に属する光のうち、画像表示素子ＭＤ１Ａに入射すべき光の波長領域を「１Ａ波長域」、画像表示素子ＭＤ１Ｂに入射すべき光の波長領域を「１Ｂ波長域」と呼ぶ。

照明光ＬＳはＳ偏光状態であり、波長選択性位相差板ＣＳ１は１Ｂ波長域の光（説明中の例で青緑色成分光）のみ、その偏光方向を９０°回転させＰ偏光状態にして透過させ、１Ａ波長域の光（説明中の例で赤色成分光）は、偏光方向を変えることなく透過させる。 Ｓ偏光状態の１Ａ波長域の光は、偏光ビームスプリッタＰＰ１により反射されて、画像表示素子ＭＤ１Ａに入射し、画像表示素子ＭＤ１Ａに表示された１Ａ色の画像成分である１Ａ原画像を照射し、反射されて「１Ａ原画像からの結像光束」となる。
１Ｂ波長域の光はＰ偏光状態であって、偏光ビームスプリッタＰＰ１を透過し、画像表示素子ＭＤ１Ｂに表示された１Ｂ色の画像成分である１Ｂ原画像を照射し、反射されて「１Ｂ原画像からの結像光束」となる。

「１Ａ原画像からの結像光束」は、Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタＰＰ１を透過し、波長選択性位相差板ＣＳ２を透過してＳ偏光状態に変換される。
「１Ｂ原画像からの結像光束」は、Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッタＰＰ１に反射され、偏光状態を変えることなく波長選択性位相差板ＣＳ２を透過する。
このようにして、波長選択性位相差板ＣＳ２を透過したＳ偏光状態の「第１波長域の結像光束」は、クロスプリズムＳＰＤに第１の光学面Ｓ１から入射する。
ダイクロイックミラーＤＭを透過した「第２波長域の光」である２Ｃ色成分と２Ｄ色成分は波長選択性位相差板ＣＳ３に入射する。
第２波長域に属する光のうち、画像表示素子ＭＤ２Ｃに入射すべき光の波長領域を「２Ｃ波長域」、画像表示素子ＭＤ２Ｄに入射すべき光の波長領域を「２Ｄ波長域」と呼ぶ。

照明光ＬＳはＳ偏光状態であり、波長選択性位相差板ＣＳ３は２Ｄ波長域の光（説明中の例で赤色成分光）のみ、その偏光方向を９０°回転させＰ偏光状態にして透過させ、２Ｃ波長域の光（説明中の例でイエロー色成分光）は、偏光方向を変えることなく透過させる。
Ｓ偏光状態の２Ｃ波長域の光は、偏光ビームスプリッタＰＰ２により反射されて、画像表示素子ＭＤ２Ｃに入射し、画像表示素子ＭＤ２Ｃに表示された２Ｃ色の画像成分である２Ｃ原画像を照射し、反射されて「２Ｃ原画像からの結像光束」となる。
２Ｄ波長域の光はＰ偏光状態であり、偏光ビームスプリッタＰＰ２を透過し、画像表示素子ＭＤ２Ｄに表示された２Ｄ色の画像成分である２Ｄ原画像を照射し、反射されて「２Ｄ原画像からの結像光束」となる。

「２Ｃ原画像からの結像光束」は、Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタＰＰ２を透過し、波長選択性位相差板ＣＳ４を透過してＳ偏光状態に変換される。
「２Ｄ原画像からの結像光束」は、Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッタＰＰ２に反射され、偏光状態を変えることなく波長選択性位相差板ＣＳ４を透過する。

このようにして、波長選択性位相差板ＣＳ４を透過したＳ偏光状態の「第２波長域の結像光束」は、クロスプリズムＳＰＤに第２の光学面Ｓ２から入射する。

図４に実施の形態を示す投射装置においても、クロスプリズムＳＰＤの第１接合面Ｃ１および第２接合面Ｃ２は「波長選択性ビームスプリッタ」である。
第１接合面Ｃ１の分光特性を図５に示し、第２接合面Ｃ２の分光特性を図６に示す。
図５に示すように、第１接合面Ｃ１は、第１波長域（１Ａ波長域、１Ｂ波長域）、第２波長域（２Ｃ波長域、２Ｄ波長域）の別なく、これら波長領域に含まれる波長成分のＰ偏光の光を１００％透過させ、Ｓ偏光の光は第１波長域の光のみを反射し、第２波長域の光は略１００％透過させる。
図６に示すように、第２接合面Ｃ２は、第１波長域、第２波長域の別なく、これら波長領域に含まれる波長成分のＰ偏光の光を１００％透過させ、Ｓ偏光の光は第２波長域（２Ｃ波長域、２Ｄ波長域）の光のみを反射し、第１波長域の光は略１００％透過させる。

クロスプリズムＳＰＤに第１の光学面Ｓ１から入射する「第１波長域の結像光」は、第１接合面Ｃ１に対してＳ偏光状態であり、第２の光学面から入射する「第２波長域の結像光」は接合面Ｃ２に対してＳ偏光状態である。

従って、これら第１、第２波長域の結像光束は、第１接合面Ｃ１、第２接合面Ｃ２に反射され、合成結像光束として合成され、第３の光学面Ｓ３から入射結像光束として、１／４位相差板ＲＴ４に入射し、円偏光（２点鎖線）に変換されて、レンズ群Ｌ１１を透過して反射光学部材ＦＤに入射し、その反射面で反射されて「反射結像光束」なる。
反射結像光束は、レンズ群Ｌ１１を透過し、さらに１／４位相差板ＲＴ４を透過することにより、偏光状態がクロスプリズムＳＰＤに対してＰ偏光状態となってクロスプリズムＳＰＤを透過し、クロスプリズムＳＰＤの第４の光学面Ｓ４から射出してレンズ群Ｌ１２に入射する。

即ち、第１レンズ群Ｇ１に含まれるレンズ群Ｌ１１、Ｌ１２のうち、クロスプリズムＳＰＤと反射光学手段ＲＦＤとの間に配されたレンズ群Ｌ１１は「入射結像光束と反射結像光束とに共通化され」ている。
クロスプリズムＳＰＤの第４の光学面Ｓ４から射出した合成結像光束は、第１レンズ群の作用により合成中間象ＩＭとして結像したのち、レンズ群Ｌ２を含む第２光学群Ｇ２に入射し、第２光学群Ｇ２の作用により、図示を省略された拡大側の共役面（スクリーン等）上に合成拡大画像として結像する。かくして、カラーの合成拡大画像が得られる。

上に、図１、図４に即して説明した投射装置は、画像表示素子として「反射型の液晶表示素子」を用いている。反射型の画像表示素子を用いる投射装置は画素の開口率が高く、拡大投射画像が高精細で近来注目を集めている。
図１、図４に説明した実施の形態により、画素の開口率が高く、高精細なカラーの拡大投射画像を実現可能な投射装置を実現できる。
投射装置に用いる画像表示素子は、反射型の液晶表示素子に限るものでないことは言うまでもない。画像表示素子として、液晶表示素子以外にも、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の公知の適宜のものを用いることができることは勿論である。

以下に、画像表示素子として「透過型の液晶表示素子」を用いる場合の実施の１形態を、図７〜図９を参照して説明する。
以下においても、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１、図４におけると符号を共通化する。
ただし、符号を共通化しても「関連する波長域等」は同一というわけではない。
図７において、符号ＭＤ１Ａ、ＭＤ１Ｂ、ＭＤ１Ｃ、ＭＤ２Ｄ、ＭＤ２Ｅ、ＭＤ２Ｆが画像表示素子を示し、これらの画像表示素子は透過型の液晶表示素子である。
この実施の形態において、画像表示素子ＭＤ１Ａ、ＭＤ１Ｂ、ＭＤ１Ｃを照射する光の波長域を「第１波長域」、画像表示素子ＭＤ２Ｄ、ＭＤ２Ｅ、ＭＤ２Ｆを照射する光の波長域を「第２波長域」とする。また、画像表示素子ＭＤ１ＡないしＭＤ２Ｆの個々を照射する光成分を「１Ａ色成分ないし２Ｆ色成分」とする。
これらの色成分の波長域は、例えば、図８、図９に示すように、カラー画像を構成する波長領域を６分したものである。

各画像表示素子ＭＤ１Ａ〜ＭＤ２Ｆを照明する照明方法は、従来から知られた適宜の照明機構により実施することができる。
上に説明したところに倣って、各画像表示素子ＭＤ１ＡないしＭＤ２Ｆに表示される原画像をそれぞれ１Ａ原画像ないし２Ｆ原画像と呼び、これらから得られる結像光束をそれぞれ「１Ａ原画像からの結像光束」ないし「２Ｆ原画像からの結像光束」と呼ぶ。

各原画像を照明する照明光は、原画像の色に対応する色の光であり、直線偏光状態である。図に示す例では、画像表示素子ＭＤ１Ａ、ＭＤ１Ｃ、ＭＤ２Ｄ、ＭＤ２Ｆを照明する照明光はそれぞれＳ偏光状態であり、画像表示素子ＭＤ１Ｂ、ＭＤ２Ｅを照明する照明光はＰ偏光状態である。

１Ａ原画像からの結像光束、１Ｂ原画像からの結像光束および１Ｃ原画像からの結像光束は、ダイクロイックプリズムＤＰ１に入射する。ダイクロイックプリズムＤＰ１は、１Ａ原画像からの結像光束と１Ｃ原画像からの結像光束を反射し、１Ｂ原画像からの結像光束を透過させる。従って、１Ａ原画像からの結像光束、１Ｂ原画像からの結像光束および１Ｃ原画像からの結像光束は、ダイクロイックプリズムＤＰ１により合成され、波長選択性位相差板ＣＳ１に入射する。波長選択性位相差板ＣＳ１は、１Ａ色成分、１Ｃ色成分はそのまま透過させ、１Ｂ色成分は偏光方向をＳ偏光に変換して透過させる。
その結果、１Ａ原画像、１Ｂ原画像、１Ｃ原画像からの各結像光束は、Ｓ偏光状態に揃えられて、クロスプリズムＳＰＤに第１の光学面Ｓ１から入射する。

２Ｄ原画像からの結像光束、２Ｅ原画像からの結像光束および２Ｆ原画像からの結像光束は、ダイクロイックプリズムＤＰ２に入射する。ダイクロイックプリズムＤＰ２は、２Ｄ原画像からの結像光束と２Ｆ原画像からの結像光束を反射し、２Ｅ原画像からの結像光束を透過させる。従って、２Ｄ原画像からの結像光束、２Ｅ原画像からの結像光束および２Ｆ原画像からの結像光束は、ダイクロイックプリズムＤＰ２により合成され、波長選択性位相差板ＣＳ２に入射する。波長選択性位相差板ＣＳ２は、２Ｄ色成分、２Ｆ色成分はそのまま透過させ、２Ｅ色成分は偏光方向をＳ偏光に変換して透過させる。
その結果、２Ｄ原画像、２Ｅ原画像、２Ｆ原画像からの各結像光束は、Ｓ偏光状態に揃えられて、クロスプリズムＳＰＤに第２の光学面Ｓ２から入射する。

クロスプリズムＳＰＤにおける第１接合面Ｃ１の分光特性は、図８に示す如くであり、第２接合面Ｃ２の分光特性は、図９に示す如くである。

従って、クロスプリズムＳＰＤの第１の光学面Ｓ１から入射した第１波長域の結像光束、第２の光学面Ｓ２から入射した第２波長域の結像光束は、それぞれ第１接合面Ｃ１、第２接合面Ｃ２により反射されて「合成結像光束」となり、第３の光学面Ｓ３から射出し、１／４波長板ＲＴ４を透過して円偏光状態の「入射結像光束」としてレンズ群Ｌ１１を介して反射光学手段ＲＦＤに入射して反射されると「反射結像光束」となり、１／４位相差板ＲＴ４を透過し、偏光状態がクロスプリズムＳＰＤに対してＰ偏光状態となってクロスプリズムＳＰＤを透過し、クロスプリズムＳＰＤの第４の光学面Ｓ４から射出してレンズ群Ｌ１２に入射する。

即ち、第１レンズ群Ｇ１に含まれるレンズ群Ｌ１１、Ｌ１２のうち、クロスプリズムＳＰＤと反射光学手段ＲＦＤとの間に配されたレンズ群Ｌ１１は「入射結像光束と反射結像光束とに共通化され」ている。
クロスプリズムＳＰＤの第４の光学面Ｓ４から射出した合成結像光束は、第１レンズ群の作用により合成中間象ＩＭとして結像したのち、レンズ群Ｌ２を含む第２光学群Ｇ２に入射し、第２光学群Ｇ２の作用により、図示を省略された拡大側の共役面（スクリーン等）上に合成拡大画像として結像する。かくして、カラーの合成拡大画像が得られる。

付言すると、上に説明した実施の形態では、第１光学群Ｇ１に含まれる反射光学手段ＲＦＤは「平面による反射面」を有するものであるが、投射光学系の設計によっては、反射光学手段の反射面は平面でなく曲面（凹面や凸面）でもよく、「入射結像光束が最後に入射するレンズ面」として形成されることもできる。
また、投射光学系は「縮小側に略テレセントリック」であることが好ましい。

以上に説明したように、この発明によれば以下の如き投射光学系および投射装置を実現できる。

［１］
複数の原画像からの結像光束を合成し、合成拡大画像として結像させる投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かう結像光路上に順次、第１光学群（Ｇ１）、第２光学群（Ｇ２）、を配して構成され、前記縮小側における複数の共役面上の原画像からの結像光束を、前記拡大側における共役面に至る結像光路上において、合成中間像（ＩＭ）として結像させたのち、前記拡大側における共役面上に合成拡大画像として結像させるものであり、前記第１光学群（Ｇ１）は、第１レンズ群（Ｌ１１、Ｌ１２）と、光路合成光学手段（ＳＰＤ、ＲＴ４）と、反射面を有する反射光学手段（ＲＦＤ）と、を有してなり、前記光路合成光学手段は、第１の光学面（Ｓ１）ないし第４の光学面（Ｓ４）を有し、前記縮小側における複数の共役面上の原画像からの複数の結像光束の一部を前記第１の光学面に、残りの結像光束を前記第２の光学面に入射され、これら複数の結像光束を内部で合成し、第３の光学面（Ｓ３）から前記反射光学手段に向けて入射結像光束として射出させ、前記反射光学手段の前記反射面により反射された光束を反射結像光束として前記第３の光学面から入射されて前記第４の光学面（Ｓ４）から前記第２光学群（Ｇ２）側に射出させる機能を有し、前記第１レンズ群は、少なくともその一部（Ｌ１１）が、前記入射結像光束と前記反射結像光束とに共通化されている投射光学系（図１、図４、図７）。

［２］
［１］記載の投射光学系であって、前記光路合成光学手段の第４の光学面（Ｓ１〜Ｓ４）の拡大側に、第１レンズ群の一部である、正の屈折力を持つレンズ（Ｌ１２）が１枚以上配置されている投射光学系（図１、図４、図７）。

［３］
［１］または［２］記載の投射光学系であって、前記反射光学手段の前記反射面が、前記第１レンズ群の、前記入射結像光束が最後に入射するレンズ面として形成されている投射光学系。

［４］
［１］〜［３］の何れか１に記載の投射光学系であって、
前記反射光学手段の前記反射面が、曲面である投射光学系。

［５］
［１］〜［４］の何れか１に記載の投射光学系であって、縮小側に略テレセントリックである投射光学系。

［３］
［１］〜［５］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記光路合成光学手段は、４つの三角プリズムの直角面同士が接合され、第１乃至第４の４つの光学面（Ｓ１〜Ｓ４）を有し、前記三角プリズムの接合面として、互いに直交する第１接合面（Ｃ１）および第２接合面（Ｃ２）を有するクロスプリズム（ＳＰＤ）を有し、該クロスプリズムの対向する前記第１および第２の光学面に入射される、前記複数の原画像からの結像光束をクロスプリズム内部で前記第１および第２接合面により合成し、第３の光学面（Ｓ３）から前記反射光学手段（ＲＦＤ）へ向かって射出する入射結像光束の光路と、前記反射光学手段により反射されて前記第３の光学面から入射し、前記第４の光学面（Ｓ４）から射出して前記第２光学群（Ｇ２）へ向かう反射結像光束の光路と、を分離する投射光学系。

［７］
［６］記載の投射光学系であって、光路合成光学手段は、前記クロスプリズム（ＳＰＤ）とともに１／４位相差板（ＲＴ４）とを有し、前記クロスプリズムの前記第１および前記第２接合面（Ｃ１、Ｃ２）は波長選択性偏光ビームスプリッタであり、前記光路合成光学手段の前記第１の光学面（Ｓ１）には第１波長域の結像光束がＳ偏光として入射し、前記第２の光学面（Ｓ２）には前記第１波長域とは異なる第２波長域の結像光束がＳ偏光として入射し、前記第１接合面（Ｃ１）は、前記第１波長域の結像光束を反射し、前記第２波長域の結像光束を透過させる第１波長選択特性（図２、図５、図８）を有し、前記第２接合面（Ｃ２）は、前記第２波長域の結像光束を反射し、前記第１波長域の結像光束を透過させる第２波長選択特性（図３、図６、図９）を有し、前記１／４位相差板（ＲＴ４）は、前記クロスプリズムの第３の光学面（Ｓ３）と前記反射光学手段（ＲＦＤ）との間に配置され、前記第３の光学面に入射する反射結像光束を前記第１、第２接合面に対してＰ偏光とする、投射光学系（図１、図４、図７）。

［８］
色が異なる複数の原画像からの光束を［７］記載の投射光学系により合成し、合成拡大画像として表示する投射装置であって、それぞれに色の異なる原画像が表示される複数の画像表示素子（ＭＤ１Ａ〜ＭＤ２Ｆ）と、これら複数の画像表示素子に表示される原画像からの結像光束の一部を第１波長域の結像光束として、前記クロスプリズムの第１の光学面にＳ偏光として入射させ、残りの結像光束を第２の光学面にＳ偏光として入射させる入射結像光束生成手段（ＣＳ１、ＣＳ２、ＰＰ１、ＰＰ２等）と、を有する投射装置（図１、図４、図７）。

［９］
［８］記載の投射装置であって、前記複数の画像表示素子は、反射型もしくは透過型の液晶表示素子（ＭＤ１Ａ〜ＭＤ２Ｆ）である投射装置（図１、図４、図７）。

［１０］
［９］記載の投射装置であって、複数の前記液晶表示素子の数は３ないし６個である投射装置（図１、図４、図７）。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、画像表示素子として反射型と透過型の液晶表示素子を例示したが、画像表示素子はこれらに限定されるものではなく、前述の如く、例えばＤＭＤを用いてもよいし、あるいは各種の発光素子の２次元アレイを用いることもできる。
また、合成中間像ＩＭを１度結像させる場合を例示したが、これに限らず、２以上の合成中間像が結像されるようにすることもできる。

図１、図４に示す投射装置の実施の形態では、１つの白色光源からの照明光ＬＳを各波長域の光に分解し、「反射型の液晶表示素子」である画像表示素子ＭＤ１Ａ〜ＭＤ２Ｄを照明しているが、照射の手段はこれに限らず任意であり、特定の波長域の光を出す光源をそれぞれ配置し照明してもよい。

図１、図４、図７に示す実施の形態において、λ／４位相差板ＲＴ４は、図示の位置に限らず、クロスプリズムＳＰＤと反射光学手段ＲＦＤの間であれば適宜の位置に配置してよい。各画像表示素子を照明する光、例えば、画像表示素子ＭＤ１Ａを照射する照明光は、上に説明した１Ａ波長域に亘る連続スペクトルを持つ必要はなく、１Ａ領域内に含まれる単色光でもよい。

また、第１接合面、第２接合面の分光特性も、図２、図３、図５、図６、図８、図９に示したものに限らない。図２、図３、図５、図６、図８、図９は例示に過ぎず、例えば、透過率も１００％である必要はなく、７０％程度まで許容される。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

Ｇ１ 第１光学群
Ｇ２ 第２光学群
ＩＭ 中間像
ＳＰＤ クロスプリズム
ＲＦＤ 反射光学手段
ＰＰ１ 偏光ビームスプリッタ
ＰＰ２ 偏光ビームスプリッタ
ＤＰ１ クロスダイクロイックプリズム
ＤＰ２ クロスダイクロイックプリズム
ＣＳ１ 波長選択性位相差板
ＣＳ２ 波長選択性位相差板
ＣＳ３ 波長選択性位相差板
ＣＳ４ 波長選択性位相差板
ＲＴ２ λ／２位相差板
ＲＴ４ λ／４位相差板
ＤＭ ダイクロイックミラー
ＭＤ１Ａ〜ＭＤ２Ｆ 画像表示素子

特開２０１４-０２９３９２号公報 特開２０１６-１４３０３２号公報 特表２００８-５３７７８４号公報 特開２００７-２７９６２７号公報

Claims (10)

1. 複数の原画像からの結像光束を合成し、合成拡大画像として結像させる投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かう結像光路上に順次、第１光学群、第２光学群、を配して構成され、前記縮小側における複数の共役面上の原画像からの結像光束を、前記拡大側における共役面に至る結像光路上において、合成中間像として結像させたのち、前記拡大側における共役面上に合成拡大画像として結像させるものであり、
   前記第１光学群は、第１レンズ群と、光路合成光学手段と、反射面を有する反射光学手段と、を有してなり、
   前記光路合成光学手段は、第１の光学面ないし第４の光学面を有し、前記縮小側における複数の共役面上の原画像からの複数の結像光束の一部を前記第１の光学面に、残りの結像光束を前記第２の光学面に入射され、これら複数の結像光束を内部で合成し、第３の光学面から前記反射光学手段に向けて入射結像光束として射出させ、前記反射光学手段の前記反射面により反射された光束を反射結像光束として前記第３の光学面から入射されて前記第４の光学面から前記第２光学群側に射出させる機能を有し、
   前記第１レンズ群は、少なくともその一部が、前記入射結像光束と前記反射結像光束とに共通化されている投射光学系。
2. 請求項１記載の投射光学系であって、
   前記光路合成光学手段の第４の光学面の拡大側に、第１レンズ群の一部である、正の屈折力を持つレンズが１枚以上配置されている投射光学系。
3. 請求項１または２記載の投射光学系であって、
   前記反射光学手段の前記反射面が、前記第１レンズ群の、前記入射結像光束が最後に入射するレンズ面として形成されている投射光学系。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の投射光学系であって、
   前記反射光学手段の前記反射面が、曲面である投射光学系。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の投射光学系であって、
   縮小側に略テレセントリックである投射光学系。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の投射光学系であって、
   前記光路合成光学手段は、４つの三角プリズムの直角面同士が接合され、第１乃至第４の４つの光学面を有し、前記三角プリズムの接合面として、互いに直交する第１接合面および第２接合面を有するクロスプリズムを有し、
   該クロスプリズムの対向する前記第１および第２の光学面に入射される、前記複数の原画像からの結像光束をクロスプリズム内部で前記第１および第２接合面により合成し、第３の光学面から前記反射光学手段へ向かって射出する入射結像光束の光路と、前記反射光学手段により反射されて前記第３の光学面から入射し、前記第４の光学面から射出して前記第２光学群へ向かう反射結像光束の光路と、を分離する投射光学系。
7. 請求項６記載の投射光学系であって、
   光路合成光学手段は、前記クロスプリズムとともに１／４位相差板とを有し、
   前記クロスプリズムの前記第１および前記第２接合面は波長選択性偏光ビームスプリッタであり、
   前記光路合成光学手段の前記第１の光学面には第１波長域の結像光束がＳ偏光として入射し、前記第２の光学面には前記第１波長域とは異なる第２波長域の結像光束がＳ偏光として入射し、
   前記第１接合面は、前記第１波長域の結像光束を反射し、前記第２波長域の結像光束を透過させる第１波長選択特性を有し、
   前記第２接合面は、前記第２波長域の結像光束を反射し、前記第１波長域の結像光束を透過させる第２波長選択特性を有し、
   前記１／４位相差板は、前記クロスプリズムの第３の光学面と前記反射光学手段との間に配置され、前記第３の光学面に入射する反射結像光束を前記第１、第２接合面に対してＰ偏光とする、投射光学系。
8. 色が異なる複数の原画像からの光束を請求項７記載の投射光学系により合成し、合成拡大画像として表示する投射装置であって、
   それぞれに色の異なる原画像が表示される複数の画像表示素子と、
   これら複数の画像表示素子に表示される原画像からの結像光束の一部を第１波長域の結像光束として、前記クロスプリズムの第１の光学面にＳ偏光として入射させ、残りの結像光束を第２の光学面にＳ偏光として入射させる入射結像光束生成手段と、を有する投射装置。
9. 請求項８記載の投射装置であって、
   前記複数の画像表示素子は、反射型もしくは透過型の液晶表示素子である投射装置。
10. 請求項９記載の投射装置であって、
    複数の前記液晶表示素子の数は３ないし６個である投射装置。

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