JPH0784218A

JPH0784218A - 色合成・分解光学系

Info

Publication number: JPH0784218A
Application number: JP5250997A
Authority: JP
Inventors: Nobuji Kawamura; 宜司川村; Hiromoto Kameyama; 弘基亀山
Original assignee: SANO FUJI KOKI KK
Current assignee: SANO FUJI KOKI KK
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1995-03-31
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: JP3629556B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】小型でコンパクトな構成で、色の変化を極力
防止できるようにした色合成・分解光学系を提供する。【構成】受像管１Ｇからの緑色波長成分の光をＰ偏光
とし、また受像管１Ｂからの青色波長成分の光をＳ偏光
となし、それぞれを第１の偏光ビームスプリッタ１１に
入射して、緑色と青色の波長成分とを合成し、位相板１
３に入射して、青色の波長成分の光をＳ偏光からＰ偏光
に変える。これにより共にＰ偏光となった緑色と青色の
波長成分とを含む一次合成光に、受像管１ＲからＳ偏光
とした赤色の波長成分光を第２の偏光ビームスプリッタ
１２に入射して、赤色の波長成分を合成させ、ＲＧＢの
３原色の光を合成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラー映像を表示する
プロジェクタ装置や、カラー映像を撮像する撮像装置等
において、色合成乃至色分解するために設けられる色合
成・分解光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、３板式の固体撮像装置において
は、被写体からの光をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の
３原色の波長成分に分解して、３枚設けた固体撮像素子
のそれぞれにＲＧＢの各波長成分の光をそれぞれ受光さ
せて、光電変換させることによって、ＲＧＢの各色画像
信号を取得するが、この被写体からの光を色分解するた
めの光学系としては、ダイクロイックプリズムが一般に
用いられる。また、ＲＧＢの各色の画像を合成してカラ
ー画像を作り出し、これをスクリーンに投射するプロジ
ェクタ装置においては、ＲＧＢの３色の画像を合成する
ための色合成光学系として、やはりダイクロイックプリ
ズムが用いられる。

【０００３】ダイクロイックプリズムは、周知のよう
に、プリズムの所定の面に多層膜干渉フィルタからなる
ダイクロイック膜を積層し、例えば赤色の波長成分光を
透過させ、他の波長成分光を透過させるダイクロイック
膜と、緑色の波長成分光を透過させ、他の波長成分光を
反射させるダイクロイック膜とを接合プリズムの所要の
プリズム面に形成することによって、可視光を所定の方
向から入射すると、ＲＧＢの３色に分解でき、また逆に
ＲＧＢの３原色をそれぞれ所定の方向からプリズムに入
射すれば、各波長成分光が順次合成されて、自然色光と
して出力されることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したダ
イクロイックプリズムにおけるダイクロイック膜は、角
度依存性があり、このダイクロイック膜に対して垂直に
入射される光は正確に反射または透過させるが、入射角
が変化すると、反射または透過特性が変化してしまう。
従って、発散光や収束光をダイクロイック膜に入射する
と、このダイクロイック膜への入射角度に応じて透過率
または反射率が部分的に変化するために、部分的に色の
バランスが取れなくなり、色再現性や色分解性が低下し
て、映像の画質が低下するという問題点がある。とりわ
け、ダイクロイックプリズムはガラス等の媒質で形成さ
れているから、この媒質の屈折率の関係から、プリズム
への入射角よりダイクロイック膜への入射角の方が大き
くなることから、色再現性は極めて悪くなってしまうと
いう不都合が生じる。勿論、ダイクロイック膜の角度依
存性を少なくすることも理論的には可能ではあるが、所
期の目的を達成する程度にまで角度依存性をなくすに
は、ダイクロイック膜の層数を１００層乃至それ以上と
しなければならず、このために実用的には、角度依存性
をなくすことはできない。

【０００５】このような状況から、従来技術において
は、色合成・分解光学系に対しては、ほぼ平行光とした
状態で入射することによって、色再現性の低下を防止す
るようにしていた。このためには、ダイクロイックプリ
ズムがある程度大型化すると共に、それに対する光の入
射角を平行光束化するためのレンズを必要とする等、全
体としての装置構成が大型化する等といった問題点があ
る。

【０００６】本発明は、以上の従来技術における課題に
鑑みて、小型でコンパクトな構成で、色の変化を極力防
止できるようにした色合成・分解光学系を提供すること
を目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明は、入射角に対して４５°の角度を持っ
て偏光分離膜を配設した偏光分離部材を光軸方向に少な
くとも２個設け、これら両偏光分離部材の間に波長選択
性を持ち、所定の波長成分の光の偏光方向を他の波長成
分の光の偏光方向と一致するように揃える位相板を介装
する構成としたことをその特徴とするものである。

【０００８】また、本発明において、３原色の波長成分
光を自然色光となるように合成するための合成光学系と
する場合には、それぞれ光路に対して４５°の角度を持
った偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタを光軸方
向に２個設けると共に、これら第１，第２の偏光ビーム
スプリッタ間に位相板を介装し、前記第１の偏光ビーム
スプリッタは、３原色の波長成分光のうち、所定の偏光
方向の直線偏光からなる第１の波長成分の光は透過さ
せ、この第１の直線偏光とは異なる偏光方向の直線偏光
である第２の波長成分の光は反射させる偏光分離膜を形
成したものであり、前記位相板は前記第１の波長成分の
光または第２の波長成分の光を選択的に偏光方向を変え
るように構成され、また前記第２の偏光ビームスプリッ
タは、偏光方向が調整された第１，第２の波長成分の光
を透過または反射させ、これとは偏光方向の異なる直線
偏光からなる第３の波長成分の光を反射または透過させ
る偏光分離膜を形成したものであることを特徴とする。

【０００９】さらに、ＲＧＢの３原色の色分解を行うた
めの構成とする場合には、それぞれ光路に対して４５°
の角度を持った偏光分離膜を有する第１，第２の偏光ビ
ームスプリッタと、第１，第２の位相板とを備え、光の
入射側から順に、３原色の波長成分の光のうちの第１の
波長成分の光の波長成分を選択的に偏光方向を変える第
１の位相板、このように偏光方向を変えた第１の波長成
分の光を他の波長成分から分離する第１の偏光ビームス
プリッタ、この第１の偏光ビームスプリッタで分離され
た他の波長成分のうち、第２の波長成分の光を選択的に
偏光方向を変える第２の位相板、それぞれ偏光方向が異
なる第２，第３の波長成分のを分離する第２の偏光ビー
ムスプリッタを配置する構成としたことをその特徴とす
るものである。

【００１０】

【作用】本発明においては、色合成や色分解を行うに当
って、ダイクロイック膜を用いずに、偏光分離膜を備え
た偏光分離部材として、例えば偏光ビームスプリッタを
用いる。偏光ビームスプリッタは、周知のように、プリ
ズムに４５°の角度を持たせて偏光分離膜を設けてなる
ものであり、この偏光分離膜は、それに入射される光の
うち、一般的にＰ偏光成分，Ｓ偏光成分と呼ばれる直交
する２つの直線偏光成分のうち、一方の直線偏光成分、
例えばＰ偏光成分は透過させ、他方の直線偏光成分、例
えばＳ偏光成分は反射する性質を有する。従って、２色
の波長成分光を合成するには、一方の波長成分光をＰ偏
光とし、他方の波長成分光をＰ偏光として、偏光ビーム
スプリッタに相互に９０°の方向から入射すると、Ｐ偏
光成分は偏光分離膜を透過し、Ｓ偏光成分はこの偏光分
離膜で反射するので、２つの光が合成される。ここで、
偏光ビームスプリッタに入射するには、直線偏光成分の
光でなければならないが、ランダム偏光の光等からＰ偏
光またはＳ偏光というように直線偏光とするには、例え
ば液晶板等からなる偏光板を用いれば良い。

【００１１】そして、この出力光にさらに別の第３の波
長成分光を合成するために、偏光ビームスプリッタをも
う１個光軸方向に並べる。ただし、前述した第１の偏光
ビームスプリッタからの出力光は、一方の波長成分光は
Ｐ偏光であり、他方の波長成分光はＳ偏光であるため
に、この第１の偏光ビームスプリッタからの出力光をそ
のまま第２の偏光ビームスプリッタに入射したのでは、
その偏光分離膜で再び両波長成分の光が分離してしま
う。このために、第１の偏光ビームスプリッタと第２の
偏光ビームスプリッタとの間に位相板を介在させる。こ
こで、位相板としては、波長選択性のある１／２波長板
であって、前述した一方の波長成分光をＳ偏光させる
か、または他方の波長成分光をＰ偏光させることによっ
て、これら２つの波長成分光の偏光方向を一致させる。
これによって、第２の偏光ビームスプリッタで、前述し
た第１の偏光ビームスプリッタと同様に、２方向からの
Ｐ偏光及びＳ偏光からなる入射光を合成することがで
き、これによって３つの波長成分光、例えばＲＧＢの３
原色の光を合成できる。

【００１２】ここで、第２の偏光ビームスプリッタから
の出力光は、やはりＰ偏光成分とＳ偏光成分とが混在し
ている。これらの偏光方向を一致させるには、第１の位
相板と同様に、波長選択性のある第２の位相板をこの第
２の偏光ビームスプリッタの出力側に配置する構成とす
れば良い。

【００１３】一方、自然光のうちの可視光領域の波長成
分をＲＧＢの各波長成分の要素光に分離するには、前述
とは反対に第２の位相板でこれらの要素光のうちの１の
波長成分の光を選択的に偏光方向を変えた上で、第２の
偏光ビームスプリッタでこの第２の位相板で偏光方向を
変えた１つの要素光を他から分離する。そして、残りの
２つの要素光を含む他の光を第１の位相板で一方の要素
光の波長成分の偏光方向を変えて、第１の偏光ビームス
プリッタで２つの要素光を分離することによって、ＲＧ
Ｂの各波長成分からなる要素光に分解できる。

【００１４】而して、偏光分離膜は、ダイクロイック膜
と比較して入射角度に対する反射または透過の特性が変
化する割合が少なく、また偏光分離膜の積層数や各層の
組成や厚みを変えることによって、２０層乃至それ以下
の層数でも角度依存性が実質的に無視できる程度にまで
少なくでき、収束光や発散光というように、入射角度が
かなり大きくても、殆ど反射，透過の特性が変化しない
ようになる。従って、光学系自体を小型化でき、かつ平
行光束化するためのレンズ系等を設けなくとも良くな
り、プロジェクション装置，撮像装置等として用いた場
合に、簡単な構成で、色再現性，色分解性は極めて良好
となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず、図１に色合成を行うための光学系を
プロジェクション装置に組み込むようにしたものの概略
構成を示す。図中において、１Ｇは緑色の画像を出力す
る第１の受像管、１Ｂは青色の画像を出力する第２の受
像管、１Ｒは赤色の画像を出力する第３の受像管をそれ
ぞれ示す。また、これら各受像管１Ｇ，１Ｂ，１Ｒの出
力側には、偏光板としての液晶板２Ｇ，２Ｂ，２Ｒが配
置されている。３はスクリーンを示し、第１乃至第３の
受像管１Ｇ，１Ｂ，１ＲからのＲＧＢの各色の画像は光
合成光学系１０を介して合成されて、スクリーン３にカ
ラー画像が投射される。

【００１６】色合成光学系１０は、第１，第２の偏光ビ
ームスプリッタ１１，１２と、これら２つの偏光ビーム
スプリッタ１１，１２間に配設した位相板１３とから構
成される。偏光ビームスプリッタ１１，１２は、それぞ
れ４５°の角度をもって偏光分離膜１１ａ，１２ａが設
けられている。

【００１７】第１の受像管１Ｇからの緑色波長成分の光
を液晶板２Ｇによって、Ｐ偏光となされて、第１の偏光
ビームスプリッタ１１の入射面１１Ｇから入射されるよ
うになっており、また第２の受像管１Ｂからの青色波長
成分の光が液晶板２ＢによってＳ偏光となし、第１の偏
光ビームスプリッタ１１の入射面１１Ｂに入射されるよ
うになっている。そして、この第１の偏光ビームスプリ
ッタ１１の偏光分離膜１１ａは、Ｐ偏光は透過させ、Ｓ
偏光を反射させるものである。従って、第１の偏光ビー
ムスプリッタ１１の出射面１１Ｔから出射される光は緑
色の波長成分と青色の波長成分とが合成されたものとな
る。

【００１８】第１の偏光ビームスプリッタ１１から出射
される光のうち、緑色の波長成分はＰ偏光であり、青色
の波長成分はＳ偏光である。そこで、これら相異なる偏
光方向を一致させるために、位相板１３が用いられる。
この位相板１３は１／２波長板からなり、波長選択性を
持ったものである。即ち、位相板１３は、図２に実線で
示したように、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域の光
をＳ偏光からＰ偏光に偏光方向を変え、またＰ偏光であ
る緑色の波長領域の光はそのまま透過する特性を有する
ものである。従って、この位相板１３からの出力光は、
共にＰ偏光となった緑色の波長成分と青色の波長成分と
を含む一次合成光である。

【００１９】次に、位相板１３からの緑色の波長成分の
光と青色の波長成分の光とからなる一次合成光に、赤色
の波長成分の光を合成させることによって、カラー画像
の合成が行われる。このために、第２の偏光ビームスプ
リッタ１２が設けられている。この第２の偏光ビームス
プリッタ１２の入射面１２Ｃには、前述したＰ偏光から
なる一次合成光が入射されるようになっており、またこ
の入射面１２ｃとは９０°の方向から、入射面１２Ｒに
対して第３の受像管１Ｒから液晶板２Ｒを経てＳ偏光と
なった赤色の波長成分光が入射されることになる。そし
て、このように２方向から入射された光のうち、Ｐ偏光
の一次合成光は偏光分離膜１２ａを透過し、Ｓ偏光であ
る赤色波長成分光はこの偏光分離膜１２ａで反射して、
ＲＧＢの３原色の光が合成される。この第２の偏光ビー
ムスプリッタ１２からの出力光をプロジェクション用レ
ンズ１４を介してスクリーン３にカラー画像を映し出す
ことができる。

【００２０】ここで、偏光分離膜１１ａ，１２ａは、図
３に示したように、可視光領域（即ち、４００ｎｍ〜７
００ｎｍにおいて、Ｐ偏光をほぼ１００％透過させ、ま
たＳ偏光をほぼ１００％反射させる機能を備え、かつ角
度依存性を極力抑制するように構成する。偏光分離膜
は、通常、ＴｉＯ₂ ，ＺｎＯ₂ ，ＳｉＯ₂ ，ＭｇＦ₂ 等
の誘電体膜を多層に積層してなるものであり、これらの
組成，積層数，膜厚等を適宜選択・設定することによっ
て、所望の特性のものが得られる。例えば、偏光分離膜
として、ＴｉＯ₂ とＭｇＦ₂ とを用い、前者をＨ、後者
をＬとした時に、基板（４５°）／（ＨＬ）⁵ Ｈ／接合
／基板の１１層膜とすれば良い。

【００２１】また、位相板１３は、図２に示した特性を
持ったものとするが、このためには、複数層の波長板を
用い、これら各波長板の光学軸をそれぞれ所定の角度に
設定して貼り合せる。これによって、所定の波長成分の
光は偏光方向が変わり、それ以外の波長成分の光は偏光
方向が不変の状態で透過するように制御することができ
る。例えば、青色の波長領域の光の偏光方向を９０°回
すには、中心波長６００ｎｍのλ／２波長板３枚を用
い、それらの光軸を２８．５°，５５°，２８．５°に
配置させ、入射角の偏光方向の角度を０とすれば良い。

【００２２】以上のように、色合成を行うに当って、偏
光ビームスプリッタを用いるように構成することによっ
て、入射角による透過率及び反射率の変化が抑制される
ので、収束光や発散光であっても、スクリーン３に映し
出されるカラー画像の色再現性が良好となるので、この
色合成を行う光学系を著しく小型化、コンパクト化でき
ると共に、各受像管からの映像を平行光束化する必要が
ないので、プロジェクション装置の全体構成を小型化，
簡略化できるようになる。

【００２３】次に、図４に本発明の第２の実施例を示
す。本実施例においては、被写体を撮像する固体撮像装
置において、ＲＧＢの３色に色分解するための光学系と
して用いた場合を示す。

【００２４】図中において、２１は結像レンズ、２２
Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇはそれぞれ赤，青，緑の各色の画像
を撮像する固体撮像素子である。結像レンズ２１で撮影
した被写体像は、色分解光学系によって３色に色分解さ
れて、それぞれ固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇに
よりそれぞれ電気信号に変換されるようになっている。
而して、色分解光学系は、２個の偏光ビームスプリッタ
２３，２４と２個の位相板２５，２６とから構成され
る。偏光ビームスプリッタ２３，２４は、前述した第１
の実施例の偏光ビームスプリッタ１１，１２と同様の構
成となっている。結像レンズ２１に近い側の偏光ビーム
スプリッタを第１の偏光ビームスプリッタ２３とし、ま
た結像レンズ２１から遠い側の偏光ビームスプリッタを
第２の偏光ビームスプリッタ２４とする。また、両偏光
ビームスプリッタ２３，２４間に位置する位相板２５
は、前述した第１の実施例の位相板１３と全く同様の構
成を有するものであり、この位相板を第２の位相板２６
とする。また、第１の偏光ビームスプリッタ２３におけ
る結像レンズ２１側に位置する位相板は第１の位相板２
５とする。さらに、この第１の位相板２５と結像レンズ
２１との間には、結像レンズ２１から入射される光をＰ
偏光となるように調整する偏光板としての液晶板２７が
介装されている。

【００２５】ここで、第１の位相板２５は、結像レンズ
２１から入射される光が液晶板２７でＰ偏光に整えられ
た状態で入射されると、この光の波長成分のうち、６０
０ｎｍ〜７００ｎｍ、即ち赤色の波長成分の光がＳ偏光
に変えられ、他の波長成分は透過する、図２の点線で示
した特性を持ったものを用いる。

【００２６】以上のように構成すると、被写体の像は結
像レンズ２１を介して撮像装置に取り込まれて、まず液
晶板２７により入射光の偏光方向がＰ偏光となる。そし
て、第１の位相板２５において、赤色の波長成分だけが
選択的にＳ偏光に変換され、他の波長成分はＰ偏光のま
まこの第１の位相板２５を透過する。これが第１の偏光
ビームスプリッタ２３に入射されると、その偏光分離膜
２３ａで赤色の波長成分が他から分離されて、固体撮像
素子２２Ｒに入射される。また、第１の偏光ビームスプ
リッタ２３の偏光分離膜２３ａを透過した光は、第２の
位相板２６によって、青色の波長成分だけがＳ偏光さ
れ、緑色の波長成分はＰ偏光のまま透過する。そして、
この光は第２の偏光ビームスプリッタ２４の偏光分離膜
２４ａによって青色の波長成分と緑色の波長成分とに分
けられて、それぞれ固体撮像素子２２Ｂ，２２Ｇに入射
される。従って、これら固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，
２２Ｇで光電変換されて、ＲＧＢの各色の画像信号が生
成される。而して、このように、偏光ビームスプリッタ
を用いることによって、入射光が発散光や収束光であっ
ても、正確に色分解することができる。

【００２７】なお、前述した第１の実施例である色合成
を行う光学系において、第２の実施例で示した第２の位
相板と同様の部材を設けるように構成すれば、ＲＧＢの
出力光の偏光方向は全て同一となるように揃えられる。
また、各実施例における偏光ビームスプリッタにおいて
は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させるようにした
が、これとは逆にＳ偏光を透過させ、Ｐ偏光を反射させ
るように構成したものを用いることもできることは言う
までもない。さらに、分解・合成できるのは、ＲＧＢに
限定されるものではなく、また３色の波長成分だけでな
く、４色以上の異なる波長成分を分解したり、合成した
りすることもでき、この場合には、偏光ビームスプリッ
タ及び位相板の数を増やせば良い。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成したので、
小型でコンパクトな構成によって、ＲＧＢの各色の画像
を合成してカラー画像を形成したり、また可視光をＲＧ
Ｂの３色に分解したり等を行う際に、入射される光が発
散光や収束光であっても、色再現性が良好となり、また
色分解を極めて高精度に行うことができる等といった効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の色合成・分解光学系を色合成光学系と
して構成し、この色合成光学系を備えたプロジェクショ
ン装置の構成説明図である。

【図２】位相板の偏光特性線図である。

【図３】偏光ビームスプリッタの特性線図である。

【図４】本発明の色合成・分解光学系を色分解光学系と
して構成し、この色分解光学系を備えた固体撮像装置の
構成説明図である。

【符号の説明】

１Ｂ，１Ｇ，１Ｒ受像管２Ｂ，２Ｇ，２Ｒ，２７液晶板３スクリーン１１，１２，２３，２４偏光ビームスプリッタ１３，２５，２６位相板２１結像レンズ２２Ｂ，２２Ｇ，２２Ｒ固体撮像素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射角に対して４５°の角度を持って偏
光分離膜を配設した偏光分離部材を光軸方向に少なくと
も２個設け、これら両偏光分離部材の間に波長選択性を
持ち、所定の波長成分の光の偏光方向を他の波長成分の
光の偏光方向と一致するように揃える位相板を介装する
構成としたことを特徴とする色合成・分解光学系。
【請求項２】３原色の波長成分光を自然色光となるよ
うに合成するための合成光学系において、それぞれ光路
に対して４５°の角度を持った偏光分離膜を有する偏光
ビームスプリッタを光軸方向に２個設けると共に、これ
ら第１，第２の偏光ビームスプリッタ間に位相板を介装
し、前記第１の偏光ビームスプリッタは、３原色の波長
成分光のうち、所定の偏光方向の直線偏光からなる第１
の波長成分の光は透過させ、この第１の直線偏光とは異
なる偏光方向の直線偏光である第２の波長成分の光は反
射させる偏光分離膜を形成したものであり、前記位相板
は前記第１の波長成分の光または第２の波長成分の光を
選択的に偏光方向を変えるように構成され、また前記第
２の偏光ビームスプリッタは、偏光方向が調整された第
１，第２の波長成分の光を透過または反射させ、これと
は偏光方向の異なる直線偏光からなる第３の波長成分の
光を反射または透過させる偏光分離膜を形成したもので
あることを特徴とする色合成光学系。
【請求項３】直線偏光となった可視光を、３原色の波
長成分の光に分解するための光学系において、それぞれ
光路に対して４５°の角度を持った偏光分離膜を有する
第１，第２の偏光ビームスプリッタと、第１，第２の位
相板とを備え、光の入射側から順に、３原色の波長成分
の光のうちの第１の波長成分の光の波長成分を選択的に
偏光方向を変える第１の位相板、このように偏光方向を
変えた第１の波長成分の光を他の波長成分から分離する
第１の偏光ビームスプリッタ、この第１の偏光ビームス
プリッタで分離された他の波長成分のうち、第２の波長
成分の光を選択的に偏光方向を変える第２の位相板、そ
れぞれ偏光方向が異なる第２，第３の波長成分のを分離
する第２の偏光ビームスプリッタを配置する構成とした
ことを特徴とする色分解光学系。