JP2007140097A - 画像投射光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光透過部材を接着剤により接合して作られる光分離素子で発生する倍率変動を抑える。
【解決手段】 画像投射光学系は、光源１からの光束により画像形成素子１１を照明する照明光学系と、第１の断面内で照明光学系から画像形成素子に向かう光束の光路と画像形成素子から投射レンズ１４に向かう光束の光路とを分離する光分離素子９とを有する。光分離素子は、少なくとも屈折率が異なる第１の光透過部材２０１と第２の光透過部材２０２とを接着剤で接合する接合層２０３を有し、以下の条件を満足する。−０．３５≦Δ／ｐ≦０．３５。但し、画像形成素子の１画素の大きさをｐ、光分離素子において倍率変動をもたらす主光線のずれ量をΔとする。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、反射型液晶表示素子等の画像形成素子に形成された画像を投射する画像投射光学系およびこれを備えた画像投射装置に関する。

従来の反射型液晶表示素子を用いた画像投射光学系は、光源からの光を集光する照明光学系と、偏光ビームスプリッターと、投射レンズとを有する。照明光学系からの光は偏光ビームスプリッターで反射されて反射型液晶表示素子に導かれ、該反射型液晶表示素子からの光は偏光ビームスプリッターを透過して投射レンズに導かれる。これにより、反射型液晶表示素子に形成（表示）された原画が拡大投射される。

偏光ビームスプリッターは、２つの三角柱形状のプリズムのうち一方のプリズムに偏光分離膜を形成し、該一方のプリズムのうち偏光分離膜が形成された面と他方のプリズムとを接着剤で接合して作られる。

ここで、特許文献１には、偏光ビームスプリッターにおける接着剤からなる接合層の厚みにより発生する非点収差を、該接合層の形状を工夫することにより補正する構成が開示されている。
特開２００４−１０９４９０号公報（段落００２３〜００２５、図２等）

しかしながら、偏光ビームスプリッターの接合層においては、非点収差のほかに、投射倍率変動を引き起こすという問題がある。以下に、投射倍率変動の発生原因について説明する。

偏光ビームスプリッターを構成する２つのプリズムの屈折率が互いに異なるとき、接合面において光が屈折し、投射倍率変動が発生する。これを図５に示す。反射型液晶表示素子Ｐから投射レンズＱへの光がテレセントリックな光であるとき、画像の位置を示す主光線は投射レンズＱの光軸ｏに平行な光線となる。

図５では、反射型液晶表示素子Ｐの一方の端への主光線をａ、該一方の端からＬ離れた他方の端への主光線をｂとし、投射レンズ側から該光線を逆トレースして示している。主光線ａと主光線ｂとでは、これらが接合面を通過する位置から液晶表示素子Ｐに到達するまでの距離が異なる。このため、接合面で屈折することによる主光線ａ，ｂの光軸ｏに垂直な方向への移動量が異なる。そして、この移動量の差が倍率の変動量となる。なお、図５では、接合層は平行であるとし、接合層での屈折は省略して示している。

接合面への光線の入射角度をθ、接合面からの光線の射出角度をθ’、入射側のプリズムＰｒ１の屈折率ｎ１，射出側のプリズムＰｒ２の屈折率ｎ２とすると、
ｎ１≠ｎ２において
ｎ１＊ｓｉｎθ＝ｎ２＊ｓｉｎθ’
となる。

主光線は光軸に対して、
α＝θ’−θ
傾く。ここで角度は接合面の法線に対して時計回り方向を正とする。

このとき、主光線の光軸ｏに垂直な方向への移動量の差Δ１は、
Δ１＝Ｌ＊ｔａｎα
となる。これが倍率変動の要因となる。

投射倍率がβであるときに倍率変動があると、倍率変動後の投射倍率β’は、
β’＝β＊Ｌ／（Ｌ＋Δ１）
となる。Δ１が負のとき画像は伸張し、見かけ上倍率が増大する（ただし、屈折の発生する方向のみ）。

これとは別に、接合層が楔形状を有すると、該接合層の厚みが不均一となるため、倍率変動が発生する。これを図６に示す。図６においても、図５と同様に、投射レンズＱがテレセントリックである場合において、光線を逆トレースして示している。投射レンズＱを射出した主光線ａ，ｂは、プリズムＰｒ１のガラスと接着剤との界面ｋで屈折し、さらに界面ｊで屈折して反射型液晶表示素子Ｐへと至る。

このとき、接合層内において光線は光軸ｏに対して垂直な方向へ移動するが、このとき接合層の楔形状によって厚みが異なるため、倍率変動Δ２が発生する。さらに、界面ｊで屈折した後の光線ａ，ｂが光軸ｏに角度α’傾くため、接合層から反射型液晶表示素子Ｐまでの距離の差により倍率変動Δ３が発生する。

入射側のプリズムＰｒ１と射出側のプリズムＰｒ２の平均屈折率をｎａとすると、
ｎａ＝（ｎ１＋ｎ２）／２
となる。接合層Ｃの屈折率をｎｃとするときの倍率変動を、図７および図８に拡大して示す。

図７において、光線ａは界面ｋの点Ｕで屈折し、
ｎａ＊ｓｉｎθ＝ｎｃ＊ｓｉｎφ’
となる。さらに、光線ａは界面ｊの点Ｖで屈折し、
ｎｃ＊ｓｉｎφ＝ｎａ＊ｓｉｎθ”
となる。ここで、
φ＝φ’−ε
である。

なお、角度は、接合面の法線に対して時計回り方向を正とし、楔の角度は界面ｋに対する界面ｊの角度とし、界面ｋに対して時計回り方向を正とする。

このとき界面ｉ，ｊが平行ではなく、角度εを有する楔形状となっているので、接合層内で光が光軸と垂直な方向へ移動する量に光線ａと光線ｂとでは差が発生する。これを図８を用いて説明する。

図８における点Ｖから界面ｋに平行な線をｍとすると、楔の角度はｍとｊのなす角度ともいえる。接合層内の光線と線ｍの交点をＳとし、点Ｓから界面ｊへの垂線を点Ｒ、接合層内の光線の界面ｊでの屈折点をＴとすると、点Ｓから点Ｔへ至る光路における光軸ｏに垂直な方向へのシフトの差Δ２が倍率変動となる。

ここで、
線分ＶＳ＝Ｌ／ｃｏｓθ
線分ＳＲ＝ＶＳ＊ｓｉｎε
線分ＳＴ＝ＳＲ／ｃｏｓ（∠ＴＳＲ）
∠ＴＳＲ＝φ＝φ’−ε
である。

点Ｓを通り、光軸ｏに平行な線と界面ｊとの交点をＷとすると、Δ２は、
Δ２＝線分ＳＴ＊ｓｉｎ（∠ＴＳＷ）
である。ここで ∠ＴＳＷ＝φ’−θであるので、
Δ２＝−Ｌ＊ｓｉｎε＊ｓｉｎ（φ’−θ）／｛ｃｏｓθ＊ｃｏｓ（φ’＋ε）｝
となる。

図７において、接合層と射出側のプリズムのガラスとの界面ｊで光線ａ，ｂが再び屈折するとき、界面ｊは界面ｋとは平行ではないので、主光線ａ，ｂは光軸ｏに対して傾く。その傾き角α’は、
α’＝θ”−θ
となる。

ここでも主光線ａと主光線ｂとでは接合面を通過する位置から液晶表示素子までの距離が異なるため、主光線ａ，ｂの光軸ｏに垂直な方向への移動量が互いに異なり、その移動量の差Δ３は、
Δ３＝ Ｌ＊ｔａｎα’＊ｓｇｎ（ε）
となる。ここで、ｓｇｎ（ε）は、εの符号が正のときには１を、負のときには−１を返す関数である。

そして、Δ２＋Δ３が接合層が楔形状であることにより発生する倍率変動となる。これらの偏光ビームスプリッターを構成するプリズムの屈折率差と、両プリズムを接合する接合層のなす角度を０に管理すれば倍率変動は発生しない。しかし、実際のプリズムの製造工程では、大きなガラスブロックから必要な大きさのブロックを切り出してプリズムの形状に研磨加工するため、屈折率の不均一性は０にすることはきわめて困難である。このため、２つのプリズムはある程度の屈折率差を有して組み合わされ、接合層を平行に形成してしまうと該屈折率差による倍率変動が残存してしまうという問題がある。

本発明は、複数の光透過部材を接着剤により接合して作られる光分離素子で発生する倍率変動を抑えられるようにした画像投射光学系およびこれを備えた画像投射装置を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての画像投射光学系は、画像形成素子と、光源からの光束により画像形成素子を照明する照明光学系と、第１の断面内で照明光学系から画像形成素子に向かう光束の光路と画像形成素子から投射レンズに向かう光束の光路とを分離する光分離素子とを有する。

また、本発明の他の側面としての画像投射光学系は、複数の画像形成素子と、光源からの光束により画像形成素子を照明する照明光学系と、第１の断面内で照明光学系からの光束を複数の色光に分解して複数の画像形成素子に導き、該複数の画像形成素子からの光束を合成して投射レンズに向かわせる光分離素子とを有する。

そして、両画像投射光学系において、光分離素子は屈折率が異なる第１の光透過部材と第２の光透過部材とを接着剤で接合する接合層を有する。さらに、以下の条件を満足することを特徴とする。

−０．３５≦Δ／ｐ≦０．３５ …（１）
但し、第１の光透過部材の屈折率をｎ１、第２の光透過部材の屈折率をｎ２、接合層の屈折率をｎｃ、接合層における第１の光透過部材側の第１接合面と第２の光透過部材側の第２接合面とのなす角度をε、第１接合面への光線の入射角度をθ、該第１接合面からの該光線の射出角度をθ’（＝φ’）、第２接合面への該光線の入射角度をφ、該第２接合面からの該光線の射出角度をθ”、第１の断面内での画像形成素子の幅をＬ、画像形成素子の１画素の大きさをｐ、光分離素子において倍率変動をもたらす主光線のずれ量をΔとするとき、
Δ＝Δ１＋Δ２＋Δ３
Δ１＝Ｌ＊ｔａｎα
ｎ１＊ｓｉｎθ＝ｎ２＊ｓｉｎθ’
α＝θ’−θ
Δ２＝−Ｌ＊ｓｉｎε＊ｓｉｎ（φ’−θ）／｛ｃｏｓθ＊ｃｏｓ（φ’＋ε）｝
Δ３＝Ｌ＊ｔａｎα’＊ｓｇｎ（ε）
ｎａ＝（ｎ１＋ｎ２）／２
ｎａ＊ｓｉｎθ＝ｎｃ＊ｓｉｎφ’
φ＝φ’−ε
ｎｃ＊ｓｉｎφ＝ｎａ＊ｓｉｎθ”
α’＝θ”−θ
ｓｇｎ（ε）はεの符号が正のときには１を、負のときには−１を返す関数
である。

本発明によれば、屈折率差を有する光透過部材を接着剤により接合して光分離素子を作った場合でも、（１）式の条件を満足するように接合層の角度を設定することにより、倍率差のほとんどない高品位な投射画像を提示することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１Ａおよび図１Ｂには、本発明の実施例１である画像投射光学系の構成を示している。図１Ａは、後述する光分離素子としての偏光ビームスプリッターにより光が分離される方向を含む断面（第１の断面）を示す。また、図１Ｂは図１Ａの断面に垂直な断面（第２の断面）を示す。図１Ａは、後述する反射型液晶表示素子の長辺に平行な断面であり、図１Ｂは、反射型液晶表示素子の短辺に平行な断面である。

これらの図において、１は放電ランプからなる光源、２はリフレクターである。３は図１Ｂの断面において屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズにより構成される第１のレンズアレイ、４は第１のレンズアレイ３を構成する複数のシリンドリカルレンズに対応する複数のシリンドリカルレンズにより構成される第２のレンズアレイである。

５はコンデンサーレンズ、６は無偏光光を所定の偏光光に変換する偏光変換素子である。また、７は図１Ａの断面においてのみ屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ、８は図１Ａの断面においてのみ屈折力を有する第２のシリドリカルレンズである。これら光源１から第２のシリンドリカルレンズ８までにより照明光学系が構成される。

９は光分離素子としての偏光ビームスプリッターである。１０は１／４位相板、１１は反射型画像形成素子としての反射型液晶表示素子である。１２は第１の偏光板、１３は第２の偏光板、１４は投射レンズである。

図１Ｂでは、偏光ビームスプリッター９から反射型液晶表示素子１１に至る光路がまっすぐに延びるよう光学系を展開して示している。

本実施例の画像投射光学系の光学的作用を説明する。光源１から放射された白色光は、リフレクター２で集光されて略平行光束とされ、第１のレンズアレイ３に入射する。第１のレンズアレイ３に入射した光は、第１のレンズアレイ３を構成する複数のシンドリカルレンズによって図１Ｂの断面において複数の光束に分割される。各分割光束は第２のレンズアレイ４を構成する各シリンドリカルレンズを透過して、偏光変換素子６に入射する。

偏光変換素子６は、偏光分離膜と反射膜と１／２位相板とを有する。偏光変換素子６に入射した無偏光光のうちＳ偏光は偏光分離膜で反射され、Ｐ偏光は偏光分離膜を透過して偏光変換素子６から射出する。偏光分離膜で反射されたＳ偏光は、反射膜で射出方向に反射され、さらに１／２位相板によってその偏光方向が９０度回転されることでＰ偏光となって偏光変換素子６から射出する。これにより、偏光変換素子６からの射出光はＰ偏光に揃えられる。

図１Ｂの断面において、偏光変換素子６を射出した複数の分割光束は、コンデンサーレンズ５によって反射型液晶表示素子１１上にて重ね合わされる。また、図１Ａの断面において、偏光変換素子６を射出した光束は、第１のシリンドリカルレンズ７によって集光され、その集光位置よりも遠い位置に配置された第２のシリンドリカルレンズ８とコンデンサーレンズ５によって再び略平行光束に変換される。これにより、光束の幅をリフレクター２の幅から反射型液晶表示素子１１の幅に変換（圧縮）し、反射型液晶表示素子１１への光束（照明光）の入射角度範囲を図１Ｂの断面での入射角度範囲よりも小さくしている。

このように２つの断面で異なる光学作用で集光された光は、第１の偏光板１２で不要な偏光成分が除去された後、照明光の入射角度が小さい方の断面において偏光を分離する偏光ビームスプリッター９の偏光分離膜ｐｌで反射される。そして、１／４位相板１０を透過して、反射型液晶表示素子１１に至る。

反射型液晶表示素子１１は、駆動回路５０によって、画像を表示する場合は照明光の偏光状態を変化させ、黒を表示する場合は照明光の偏光状態を変化させないように制御される。駆動回路５０は、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤー、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像情報供給装置６０から画像情報を受け取り、該画像情報に応じて反射型液晶表示素子１１を制御する。

反射型液晶表示素子１１で反射した光のうち画像表示に必要な偏光成分は、１／４位相板１０を再度透過して偏光ビームスプリッター９の偏光分離膜ｐｌを透過する。一方、画像表示に不要な偏光成分は、偏光分離膜ｐｌで反射（検光）されて投射光から除去される。偏光分離膜ｐｌを透過した投射光は、第２の偏光板１３で偏光分離膜ｐｌでは十分に検光できなかった不要偏光成分をさらに除去（検光）される。第２の偏光板１３を透過した投射光は、投射レンズ１４により不図示のスクリーンなどの投射面に投射される。これにより、反射型液晶表示素子１１に表示された原画が投射面に拡大されて投射される。

ここで、図１Ｃに示すように、偏光ビームスプリッター９は、屈折率ｎ１の第１のプリズム（第１の光透過部材）２０１と屈折率ｎ２の第２のプリズム（第２の光透過部材）２０２とが、屈折率ｎｃの接着剤である接合層２０３により接合されて構成されている。光学多層膜である偏光分離膜ｐｌは、第１のプリズム２０１の接合層２０３に面した面に形成されている。

屈折率ｎｃの接合層２０３において、第１のプリズム２０１側の第１接合面２０３ａと第２のプリズム２０２側の第２接合面２０３ａとが平行である場合、すなわち接合層２０３の厚みが均一である場合の倍率変動Δ１は、以下のようになる。

ｎ１＊ｓｉｎθ＝ｎ２＊ｓｉｎθ’
α＝θ’−θ
Δ１＝Ｌ＊ｔａｎα
但し、第１接合面２０３ａへの光線の入射角度をθ、該第１接合面２０３ａからの該光線の射出角度をθ’、図１Ａの断面内での反射型液晶表示素子１１の幅をＬとする。

例えば、ｎ１＝１．８４＋０．０００５、ｎ２＝１．８４−０．０００５、ｎｃ＝１．５で、反射型液晶表示素子１１のサイズが０．７”（対角インチ）、１画素の大きさｐが０．０１ｍｍであるとき、以下のようになる。

Ｌ（反射型液晶表示素子１１における表示領域の長辺の長さ）
＝２５．４＊０．７／５＊４＝１４．２２４ｍｍ
Δ１＝−０．００７７ｍｍ
これに対し、接合層２０３に楔角（第１のプリズム２０１側の第１接合面２０３ａと第２のプリズム２０２側の第２接合面２０３ｂとがなす角度）εを与えることにより、該楔によって倍率変動Δ２は以下のようになる。

ｎａ＝（ｎ１＋ｎ２）／２
ｎａ＊ｓｉｎθ＝ｎｃ＊ｓｉｎφ’
φ＝φ’−ε
ｎｃ＊ｓｉｎφ＝ｎａ＊ｓｉｎθ”
これにより、
Δ２＝−Ｌ＊ｓｉｎε＊ｓｉｎ（φ’−θ）／｛ｃｏｓθ＊ｃｏｓ（φ’＋ε）｝
が得られる。

但し、第１接合面２０３ａからの光線の射出角度をφ’（＝θ’）、第２接合面２０３ｂへの該光線の入射角度をφ、該第２接合面２０３ｂからの該光線の射出角度をθ”、反射型液晶表示素子１１の１画素の大きさをｐとする。

さらに、
α’＝θ”−θ
から、倍率変動Δ３として、
Δ３＝Ｌ＊ｔａｎα’＊ｓｇｎ（ε）
が得られる。但し、ｓｇｎ（ε）はεの符号が正のときには１を、負のときには−１を返す関数である。

ここで 楔をε＝−１’とすると、ｓｇｎ（ε）＝−１であり、
Δ２＝０．００３１ｍｍ
Δ３＝０．００１８ｍｍ
の倍率変動が発生する。したがって、
Δ／ｐ
＝（Δ１＋Δ２＋Δ３）／ｐ
＝０．３（≒０）
となり、（１）式を満足し、倍率変動をほぼキャンセルすることができる。

また、非点収差に関しては、偏光ビームスプリッター９の偏光分離面ｐｌが光束をＰ偏光とＳ偏光に分離する断面（図１Ａ）での該偏光分離面ｐｌに対する光束の入射角度を、該断面に直交する断面（図１Ｂ）での入射角度よりも小さくすることで対処する。これにより、非点収差が発生する方向の焦点深度を深くし、かつ接着剤（接合層）の厚みｄを０．０１５ｍｍとすると、
ｄ／ｐ＝１．５＜３
となり、非点収差の画質への影響を取り除くことができる。

ここで、非点収差と倍率変動のバランスをとるには、接合層の厚みｄと反射型液晶表示素子１１の１画素の大きさｐとの関係が、
０．５≦ｄ／ｐ≦３ …（２）
となるようにすることが望ましい。ｄ／ｐが０．５より小さくなると接合層が薄くなりすぎて接合強度が弱くなり、３より大きくなると非点収差が無視できなくなるので好ましくない。

第１および第２のシリンドリカルレンズ７，８で光束を所定の光束幅に変換する光学系には、図２に示すように、第１のシリンドリカルレンズ７の集光位置又はその近傍に第３および第４のレンズアレイ１５，１６を設けてもよい。第３および第４のレンズアレイ１５，１６はそれぞれ、第１のレンズアレイ３とは異なる断面方向に配置された複数のシリンドリカルレンズを有する。第３のレンズアレイ１５で分割された光束は、第４のレンズアレイ１６、コンデンサーレンズ５および第２のシリンドリカルレンズ８により、反射型液晶表示素子１１上に重ね合わされる。このような構成でも、第１のシリンドリカルレンズ７で集光される断面方向での偏光分離面ｐｌへの光束の入射角度が小さくなる照明系とすることができる。

また、本実施例で説明したシリンドリカルレンズやシリンドリカルレンズアレイは、この形状に限らず、一方の断面で大きなパワーを有し、他方の断面で該一方の断面より小さなパワーを有するトーリックレンズで構成してもよい。

また、この実施例１において、「第１接合面２０３ａへの光線」と記載した光線は、照明光学系の光軸上を通る光線（そのような光線が存在しない場合には、「第１接合面２０３ａへの光線」を「照明光学系の光軸」と読み替えても構わない）とする。また、その他には、反射型液晶表示素子の中心（又は中心近傍）に入射する光束の主光線、又は第１接合面２０３aの中心に入射する光束の主光線としても構わない。これは以下の実施例においても同じである。

実施例１とは異なり、偏光ビームスプリッター９が、ｎ１＝１．８００５、ｎ２＝１．７９９５、ｎｃ＝１．５の場合には、
Δ１＝−０．００７９ｍｍ
となる。

そこで、接合層２０３に楔角εを−１．９５’を与えることにより、該楔によって、
Δ２＝０．００４９ｍｍ
Δ３＝０．００３０ｍｍ
の倍率変動が発生する。これにより、
Δ１＋Δ２＋Δ３＝０
とすることができ、倍率変動を完全にキャンセルすることができる。

このとき楔の角度の誤差が±３０”であっても、Δは±０．００２０ｍｍであり、Δ／ｐは±０．２となり、（１）式を満足する。

また、偏光ビームスプリッター９が、ｎ１＝１．６９９８、ｎ２＝１．７００２、ｎｃ＝１．５の場合には、
Δ１＝０．００３３ｍｍ
となる。

そこで、接合層２０３に楔角εを０．５’与えることにより、該楔によって、
Δ２＝−０．０００７ｍｍ
Δ３＝−０．０００５ｍｍ
の倍率変動が発生する。これにより、
（Δ１＋Δ２＋Δ３）／ｐ＝０．２１
とすることができ、倍率変動をほぼキャンセルすることができる。

以上説明したように、上記各実施例によれば、屈折率差を有する光透過部材を組み合わせで光分離素子を形成した場合でも、（１）式の条件を満足するように接合層の角度を設定することにより、倍率差のほとんどない高品位な投射画像を提示することができる。

ここで、（１）式を満足し、さらに、
−０．３≦Δ／ｐ≦０．３ …（１）’
を満足するとなおよい。

さらに、
−０．２５≦Δ／ｐ≦０．２５ …（１）”
を満足するとより一層、倍率変動をキャンセルすることができる。

また、上記各実施例によれば、光分離素子で光束が分離される断面での照明光束の光分離素子（分離面）への入射角度を、この断面に直交する断面における入射角度よりも小さくすることにより、光分離素子において発生する非点収差を小さく抑えることができる。

ここで、光分離素子（偏光ビームスプリッター）を構成する２つのプリズムの屈折率を１．７より大きくすることで、効率良く投射光と不要光とを分離することが可能となる。また、安価で製造できる上に非点収差と倍率変動のバランスをとるには、２つのプリズムの屈折率差｜ｎ１−ｎ２｜が、
２０＊１０^−６≦｜ｎ１−ｎ２｜≦１００＊１０^−６ …（３）
を満足するとよい。（３）式において、｜ｎ１−ｎ２｜が下限値より小さいと、プリズムの組み合わせが厳しくなり、製造コストが上昇する。また、｜ｎ１−ｎ２｜が上限値より大きいと、非点収差が無視できなくなる。

上記各実施例は、図１Ａおよび図１Ｂに示した画像投射光学系について説明したが、本発明は、図３Ａおよび図３Ｂに示すような画像投射光学系にも適用することができる。

図３Ａおよび図３Ｂにおいて、２１は光源、２２はリフレクター、２３は第１のシリンドリカルレンズ、２４は第２のシリンドリカルレンズである。

２５は２次元方向に配列された複数のレンズを有する第１のレンズアレイで、２６は第１のレンズアレイを構成する複数のレンズに対応して２次元方向に配列された複数のレンズを有する第２のレンズアレイである。

２８は無偏光光を所定の偏光光に変換する偏光変換素子である。２７はコンデンサーレンズである。これら光源２１からコンデンサーレンズ２７までにより照明光学系が構成される。

２９は偏光ビームスプリッター、３０は１／４位相板、３１は反射型液晶表示素子である。３２は第１の偏光板、３３は第２の偏光板、３４は投射レンズである。

光源２１から放射された白色光は、リフレクター２２で集光されて略平行光束とされ、第１のシリンドリカルレンズ２３に入射する。光束は、第１のシリンドリカルレンズ２３により図３Ａに示す断面（第１の断面）においてのみ集光される。第２のシリンドリカルレンズ２４は第１のシリンドリカルレンズ２３からの光束を略平行光束に変換するとともに、図３Ａの断面においてのみ光束幅を圧縮する。

第２のシリンドリカルレンズ２４により光束幅が圧縮された略平行光束は、第１のレンズアレイ２５に入射し、図３Ａの断面および図３Ｂの断面（第２の断面）のそれぞれにおいて、該レンズアレイ２５を構成する複数のレンズによって複数の光束に分割される。複数の分割光束は、第２のレンズアレイ２６を透過して偏光変換素子２８に入射する。

偏光変換素子２８は、偏光分離膜と反射膜と１／２位相板とを有する。偏光変換素子２８に入射した無偏光光のうちＳ偏光は偏光分離膜で反射され、Ｐ偏光は偏光分離膜を透過して偏光変換素子６から射出する。偏光分離膜で反射されたＳ偏光は、反射膜で射出方向に反射され、さらに１／２位相板によってその偏光方向が９０度回転されることでＰ偏光となって偏光変換素子２８から射出する。これにより、偏光変換素子２８からの射出光はＰ偏光に揃えられる。

偏光変換素子２８を射出した複数の分割光束は、コンデンサーレンズ２７によって集光され、反射型液晶表示素子３１上で重ね合わされる。これにより、第１のシリンドリカルレンズ２３による集光が行われる断面（図３Ａ）での反射型液晶表示素子３１への光束の入射角度を、これと直交する断面での入射角度よりも小さくしている。

上記各実施例では、いわゆる単板式の画像投射光学系について説明したが、本発明は、図４に示すような三板式の画像投射光学系にも適用することができる。

図４において、１〜８は実施例１〜３（図１Ａおよび図１Ｂ）にて説明した照明光学系の構成要素と同じものである。本実施例では、３つの反射型液晶表示素子を有し、さらに偏光ビームスプリッターと偏光変換素子との間に色分解作用を有するダイクロイックミラーを設けている。また、偏光ビームスプリッターと投射レンズとの間に、色合成作用を有するダイクロイック偏光プリズムを設けている。

４１はダイクロイックミラーであり、４２，４３，４４はそれぞれ、Ｇ（緑），Ｒ（赤），Ｂ（青）の原画を表示（形成）する反射型液晶表示素子である。なお、図示しないが、実施例１と同様に、各反射型液晶素子は、画像情報供給装置から入力された画像情報に応じて駆動回路によって駆動される。

４５は第１の偏光ビープスプリッター、４６は第２の偏光ビープスプリッターである。４７は第１の偏光板、４８は第２の偏光板である。

４９はＲ光の偏光方向を９０度変換させ、Ｂ光の偏光方向を変換しない色選択性位相板である。５０は第３の偏光板、５１は第４の偏光板である。５４，５５，５６はそれぞれ、Ｇ，Ｒ，Ｂ光の波長に最適化された１／４位相板である。

５２はＧ光を反射し、Ｂ光を透過し、Ｒ光のうち不要偏光成分を反射し、Ｒ投射光を透過する特性を有するダイクロイック偏光プリズムである。５３は投射レンズである。

照明光学系からの白色光は、ダイクロイックミラー４１によって、Ｇ光と、Ｒ光およびＢ光とに分解される。Ｇ光は第１の偏光板４７で不要な偏光成分をカットされ、第１の偏光ビームスプリッター４５および１／４位相板５４を通過して、Ｇ用の反射型液晶表示素子４２に導かれる。

Ｇ用の反射型液晶表示素子４２で画像変調されたＧ光は、第１の偏光ビームスプリッター４５で検光され、さらに第３の偏光板５０で検光されてダイクロイック偏光プリズム５２に入射する。そして、ダイクロイック偏光プリズム５２にて反射して、投射レンズ５３へと至る。

また、ダイクロイックミラー４１を透過したＲ光およびＢ光は、第２の偏光板４８で不要偏光成分をカットされる。そして、Ｒ光は色選択性位相板４９により第２の偏光ビームスプリッター４６で反射される偏光状態に変換され、第２の偏光ビームスプリッター４６で反射され、１／４位相板５５を通過して、Ｒ用の反射型液晶表示素子４３に導かれる。また、Ｂ光は第２の偏光ビームスプリッター４６および１／４位相板５６を通過して、Ｂ用の反射型液晶表示素子４４に導かれる。

Ｒ用の反射型液晶表示素子４３で画像変調されたＲ光は、第２の偏光ビームスプリッター４６で検光され、さらにダイクロイック偏光プリズム５２で検光されて投射レンズ５３へと至る。Ｂ用の反射型液晶表示素子４４で画像変調されたＢ光は、第２の偏光ビームスプリッター４６で検光され、さらに第４の偏光板５１で検光され、ダイクロ偏光プリズム５２を透過して投射レンズ５３へと至る。

本実施例では、特にＲおよびＢ用の光路に設けられた第２の偏光ビームスプリッター４６について実施例１〜３にて説明した（１）（又は（１）’，（１）”）〜（３）式を満足する。これにより、ＲおよびＢ光路における倍率変動を抑えることが可能となる。

なお、反射型液晶表示素子を本実施例とは異なる位置にレイアウトした場合でも、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかの光路において、偏光ビームスプリッターやダイクロイック偏光プリズムを（１）（又は（１）’，（１）”）〜（３）式を満足するように構成するとよい。これにより、倍率差のほとんどない高品位なフルカラー投射画像を提示することができる。

なお、上記各実施例では、反射型液晶表示素子を用いた画像投射光学系について説明したが、本発明は、透過型液晶表示素子やデジタルミラーデバイス等の他の画像形成素子を用いた画像投射光学系にも適用することができる。

また、上記各実施例では、２つの光透過部材（プリズム）を接合した光分離素子を用いめ場合について説明したが、本発明は、３つ以上の光透過部材を接合した光分離素子を用いる場合にも適用することができる。

本発明の実施例１である画像投射光学系および画像投射装置の一断面を示す図。 実施例１の画像投射光学系および画像投射装置の他の断面を示す図。 実施例１の画像投射光学系に用いられた偏光ビームスプリッターの拡大図。 実施例１の画像投射光学系の変形例を示す図。 本発明の実施例４である画像投射光学系および画像投射装置の一断面を示す図。 実施例４の画像投射光学系および画像投射装置の他の断面を示す図。 本発明の実施例５である画像投射光学系および画像投射装置の一断面を示す 従来の光分離素子における倍率変動を説明する図。 従来の光分離素子における倍率変動を説明する図。 図６の光分離素子における倍率変動を説明する図。 図７の拡大図。

符号の説明

１，２１ 光源
２，２２ リフレクター
３，２５ 第１のレンズアレイ
４，２６ 第２のレンズアレイ
５，２７ コンデンサーレンズ
６，２８ 偏光変換素子
７，２３ 第１のシリンドリカルレンズ
８，２４ 第２のシリドリカルレンズ
９，２９，４５，４６ 偏光ビームスプリッター
１１，３１，４２〜４４ 反射型液晶表示素子
１４，３４，５３ 投射レンズ
５２ ダイクロイック偏光プリズム

Claims (11)

1. 画像形成素子と、
   光源からの光束により前記画像形成素子を照明する照明光学系と、
   第１の断面内で前記照明光学系から前記画像形成素子に向かう光束の光路と前記画像形成素子から投射レンズに向かう光束の光路とを分離する光分離素子とを有し、
   前記光分離素子は、屈折率が異なる第１の光透過部材と第２の光透過部材とを接着剤で接合する接合層を有し、
   以下の条件を満足することを特徴とする画像投射光学系。
   −０．３５≦Δ／ｐ≦０．３５
   但し、前記第１の光透過部材の屈折率をｎ１、前記第２の光透過部材の屈折率をｎ２、前記接合層の屈折率をｎｃ、前記接合層における前記第１の光透過部材側の第１接合面と前記第２の光透過部材側の第２接合面とのなす角度をε、前記第１接合面への光線の入射角度をθ、該第１接合面からの該光線の射出角度をθ’（＝φ’）、前記第２接合面への該光線の入射角度をφ、該第２接合面からの該光線の射出角度をθ”、前記第１の断面内での前記画像形成素子の幅をＬ、前記画像形成素子の１画素の大きさをｐ、前記光分離素子において倍率変動をもたらす主光線のずれ量をΔとするとき、
   Δ＝Δ１＋Δ２＋Δ３
   Δ１＝Ｌ＊ｔａｎα
   ｎ１＊ｓｉｎθ＝ｎ２＊ｓｉｎθ’
   α＝θ’−θ
   Δ２＝−Ｌ＊ｓｉｎε＊ｓｉｎ（φ’−θ）／｛ｃｏｓθ＊ｃｏｓ（φ’＋ε）｝
   Δ３＝Ｌ＊ｔａｎα’＊ｓｇｎ（ε）
   ｎａ＝（ｎ１＋ｎ２）／２
   ｎａ＊ｓｉｎθ＝ｎｃ＊ｓｉｎφ’
   φ＝φ’−ε
   ｎｃ＊ｓｉｎφ＝ｎａ＊ｓｉｎθ”
   α’＝θ”−θ
   ｓｇｎ（ε）はεの符号が正のときには１を、負のときには−１を返す関数
   である。
2. 複数の画像形成素子と、
   光源からの光束により前記画像形成素子を照明する照明光学系と、
   第１の断面内で前記照明光学系からの光束を複数の色光に分解して前記複数の画像形成素子に導き、該複数の画像形成素子からの光束を合成して投射レンズに向かわせる光分離素子とを有し、
   前記光分離素子は、屈折率が異なる第１の光透過部材と第２の光透過部材とを接着剤で接合する接合層を有し、
   以下の条件を満足することを特徴とする画像投射光学系。
   −０．３５≦Δ／ｐ≦０．３５
   但し、前記第１の光透過部材の屈折率をｎ１、前記第２の光透過部材の屈折率をｎ２、前記接合層の屈折率をｎｃ、前記接合層における前記第１の光透過部材側の第１接合面と前記第２の光透過部材側の第２接合面とのなす角度をε、前記第１接合面への光線の入射角度をθ、該第１接合面からの該光線の射出角度をθ’（＝φ’）、前記第２接合面への該光線の入射角度をφ、該第２接合面からの該光線の射出角度をθ”、前記第１の断面内での前記画像形成素子の幅をＬ、前記画像形成素子の１画素の大きさをｐ、前記光分離素子において倍率変動をもたらす主光線のずれ量をΔとするとき、
   Δ＝Δ１＋Δ２＋Δ３
   Δ１＝Ｌ＊ｔａｎα
   ｎ１＊ｓｉｎθ＝ｎ２＊ｓｉｎθ’
   α＝θ’−θ
   Δ２＝−Ｌ＊ｓｉｎε＊ｓｉｎ（φ’−θ）／｛ｃｏｓθ＊ｃｏｓ（φ’＋ε）｝
   Δ３＝Ｌ＊ｔａｎα’＊ｓｇｎ（ε）
   ｎａ＝（ｎ１＋ｎ２）／２
   ｎａ＊ｓｉｎθ＝ｎｃ＊ｓｉｎφ’
   φ＝φ’−ε
   ｎｃ＊ｓｉｎφ＝ｎａ＊ｓｉｎθ”
   α’＝θ”−θ
   ｓｇｎ（ε）はεの符号が正のときには１を、負のときには−１を返す関数
   である。
3. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像投射光学系。
   −０．２５≦Δ／ｐ≦０．２５
4. 前記第１の断面における前記光分離素子への光束の入射角度が、該第１の断面に直交する第２の断面内での該光束の入射角度よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
5. 前記照明光学系は、光源からの光束を複数の光束に分割するレンズアレイと、該レンズアレイからの複数の光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、該偏光変換素子からの複数の光束を前記画像形成素子上に集める集光素子とを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
6. 前記光分離素子は、偏光ビームスプリッターであり、前記第１および第２の光透過部材の屈折率は１．７より大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
7. 前記第１および第２の光透過部材の屈折率差｜ｎ１−ｎ２｜が、
   ２０＊１０^−６≦｜ｎ１−ｎ２｜≦１００＊１０^−６
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
8. 以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
   ０．５≦ｄ／ｐ≦３
   但し、前記接合層の厚さをｄとする。
9. 前記画像形成素子は、反射型画像形成素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載の画像投射光学系を有することを特徴とする画像投射装置。
11. 請求項１０に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像投射システム。