JP2020008793A - 色分離合成系およびこれを備える画像投射装置 - Google Patents

色分離合成系およびこれを備える画像投射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ミラー反射型の画像表示素子に光を導く色分離プリズムを小型化可能な色分離合成系およびこれを備える画像投射装置を提供すること。【解決手段】色分離合成系は、第１光学面を備える第１光学系と第２から第４光学面を備える第２光学系とを有し、光源からの光を第１および第２画像表示素子に導き、第１および第２画像表示素子からの光を投射光学系に導くための色分離合成系であって、第１光学面は光源からの光を第２光学面に導き、第２光学面は第１光学面からの第１の色光を第３光学面に導き、第１光学面から第１の色光とは波長が異なる第２の色光を第４光学面に導き、第３光学面は第１の色光を全反射させて第１画像表示素子に導き、第１画像表示素子からの光を投射光学系に導くように全反射させ、第４光学面は第２の色光を全反射させて第２画像表示素子に導き、第２画像表示素子からの光を投射光学系に導くように全反射させる。【選択図】図１

Description

本発明は、色分離合成系およびこれを備える画像投射装置に関する。
従来、光源から発生する光束を画像表示素子に照射し、画像表示素子で入力映像信号に応じて光束を変調した後、この光束を投射光学系で投射する画像投射装置、いわゆるプロジェクターが知られている。画像表示素子には様々な形態があるが、その１つとしてデジタル・マイクロミラー・デバイス（登録商標、以下、ＤＭＤ）などのミラー反射型の画像表示素子がある。
ＤＭＤでは、それぞれが微小ミラーを備える複数の画素が一面に敷き詰められて画像表示領域を形成している。複数の微小ミラーはそれぞれ、画像情報に対応してＯＮ状態とＯＦＦ状態の２つの傾き位置にスイッチされる。微小ミラーの回転軸に直交し、かつ画像表示領域の法線に対して所望の角度（一般には３４°）だけ傾斜する方向に沿って照明光を画像表示領域に入射すると、複数の微小ミラーがＯＮ状態である場合、画像表示領域の略法線方向に光束を反射する。これにより、投射光学系を介して画像が投射される。また、複数の微小ミラーがＯＦＦ状態である場合、投射光路外に光束を反射する。反射された光束は、不要光として処理される。また、画像情報の１フレームにおいて複数の微小ミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態を高速にスイッチすることで諧調表現を行い、画像表示を可能とする。
複数の微小ミラーがＯＦＦ状態で反射された光束（以下、ＯＦＦ光）は、ＯＮ状態で反射された光束（以下、ＯＮ光）と同レベルの高パワーを持つ光であり、通常は金属などの吸収体に吸収させ、かつ吸収体を冷却することで処理される。ＤＭＤの直近に配置されるプリズム内には、ＯＦＦ光を吸収体まで導くための適切な光路を確保する必要がある。適切な光路を確保できない場合、プリズム内で迷光となって投影画像のコントラスト低下を招いたり、投射光学系に侵入した迷光がレンズ鏡筒に入射することで温度上昇を発生させ解像性能の劣化を招いたりする。また、機構部品に意図せず光が入射すると、部品の発煙や溶融などが発生する。
しかしながら、ＯＦＦ光を吸収体まで導くために、プリズム内に適切な光路を確保すると、プリズムのサイズが大型化してしまう。プリズムのサイズが大きくなると、投射光学系のバックフォーカスが長大化し、投射光学系が大型化してしまう。
特許文献１には、ＯＦＦ光を放熱体に適切に吸収させるために、プリズム内に適切な光路を確保しつつ、ＤＭＤをプリズムに対して回転させることでプリズムの大型化を回避するプロジェクターが開示されている。図１２は、特許文献１のプロジェクターにおいて、ＤＭＤに入射する前後の光束の角度分布を示す図である。図１２（ａ）は、ＤＭＤの回転前の光束の角度分布を示している。図１２（ｂ）は、ＤＭＤの回転後の光束の角度分布を示している。ＯＦＦ光（不要光）Ｌ３は、照明光Ｌ１の入射方向（Ｙ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）へベクトル成分を有するため、ＯＦＦ光Ｌ３を吸収体まで導く光路を確保すると、図中の点線部の間隔で示すプリズムの幅が大型化する。特許文献１の光学ユニットでは、ＤＭＤをプリズムに対して回転させることで、ＯＮ光（投影光）Ｌ２とＯＦＦ光Ｌ３の間のＸ方向の間隔を狭くしてプリズムの幅を小型化している。
国際公開第２０１５／１９４４５４号
しかしながら、特許文献１のプロジェクターでは、ＯＦＦ光Ｌ３は、ＤＭＤの動作原理上、照明光Ｌ１の入射方向に対して必ず直交する方向へベクトル成分を有する。そのため、ＤＭＤを回転させても、小型化には原理的に限界が生じる。また、特許文献１のプロジェクターでは、ＯＦＦ光Ｌ３はＯＮ光Ｌ２の直上に導かれるため、投射光学系とプリズムとの間にＯＦＦ光の処理部を配置する必要がある。ＯＦＦ光を適切に処理するために、ＯＦＦ光の処理部は冷却を必要とし、ある程度の空間が必要となる。このとき、投射光学系のバックフォーカスが長大化する懸念がある。また、実際には画像表示素子は駆動回路基盤や冷却用のヒートシンクを備えるため、ＤＭＤを回転させると、こうした付随物とプリズムが干渉する懸念がある。このような干渉を避けるためには、プリズムから画像表示素子を離して空間の余裕を取る必要があるが、これも投射光学系のバックフォーカスが長大化する一因となる。
本発明は、ミラー反射型の画像表示素子に光を導く色分離プリズムを小型化可能な色分離合成系およびこれを備える画像投射装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての色分離合成系は、第１光学面を備える第１光学系と、第２光学面、第３光学面および第４光学面を備える第２光学系と、を有し、光源からの光を第１画像表示素子および第２画像表示素子に導くとともに、第１画像表示素子および第２画像表示素子からの光を投射光学系に導くための色分離合成系であって、第１光学面は、光源からの光を第２光学面に導き、第２光学面は、第１光学面からの光のうち第１の色光を第３光学面に導くとともに、第１光学面からの光のうち第１の色光とは波長が異なる第２の色光を第４光学面に導き、第３光学面は、第１の色光を全反射させて第１画像表示素子に導くとともに、第１画像表示素子からの光を投射光学系に導くように全反射させ、第４光学面は、第２の色光を全反射させて第２画像表示素子に導くとともに、第２画像表示素子からの光を投射光学系に導くように全反射させることを特徴とする。
本発明によれば、ミラー反射型の画像表示素子に光を導く色分離プリズムを小型化可能な色分離合成系およびこれを備える画像投射装置を提供することができる。
実施例１の画像投射装置の構成図である。 実施例１の色分離合成系の構成図である。 デジタル・マイクロミラー・デバイスに入射した光の振る舞いを示す図である。 従来の色分離プリズムと実施例１の色分離プリズムとの比較図である。 実施例１のＯＦＦ光処理の説明図である。 画像表示素子に入射する前後の光束の角度分布の比較図である（実施例１）。 画像表示素子に入射する前後の光束の角度分布の比較図である（実施例２）。 実施例３の色分離合成系の構成図である。 実施例３のＯＦＦ光処理の説明図である。 実施例４の色分離合成系の構成図である。 実施例４のＯＦＦ光処理の説明図である。 デジタル・マイクロミラー・デバイスに入射する前後の光束の角度分布を示す図である（従来技術）。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、実施例１の画像投射装置１００の構成図である。画像投射装置は、光源装置、照明光学系１０、光路折り曲げミラー１１、全反射プリズム（第１光学系）１２、色分離プリズム（第２光学系）１３、第１画像表示素子１４、第２画像表示素子１５および投射光学系１６を有する。光源装置は、青色レーザー光源１、正レンズ２、負レンズ３、ダイクロイックミラー４、集光レンズ５、蛍光体ホイール６、コリメートレンズ７、リレーレンズ系８および光路折り曲げミラー９を有する。第１画像表示素子１４および第２画像表示素子１５は、ＤＭＤなどのミラー反射型の画像表示素子である。各画像表示素子は、複数の微小ミラーがＯＮ状態であり、画像表示領域の法線方向へ光束を反射する第１状態および複数の微小ミラーがＯＦＦ状態であり、法線方向に対して傾斜する方向へ光束を反射する第２状態のうち一方の状態から他方の状態に遷移可能である。投射光学系１６は、照明光学系からの光を被投射面に投射する。本実施例では、全反射プリズム１２および色分離プリズム１３により色分離合成系が構成される。また、光学装置、色分離合成系、第１画像表示素子１４および第２画像表示素子１５により光学ユニットが構成される。
青色レーザー光源１は複数配置され、それぞれが４５０ｎｍを主波長とする青色光を発生する。複数の青色レーザー光源１から射出された複数の光束はそれぞれ平行光束として、正レンズ２に向かって進行する。ここで、図中の実線で示される矢印Ｌ１は、青色光を表している。青色光Ｌ１は、正レンズ２で集光されつつ、負レンズ３によって平行化される。これにより、青色光Ｌ１の幅は、適正な大きさに設定される。負レンズ３から射出された青色光Ｌ１は、ダイクロイックミラー４に入射する。ダイクロイックミラー４は、４７０ｎｍ以下の波長帯域の光を反射し、４７０ｎｍ以上の波長帯域の光を透過させる分光特性を有する。そのため、青色光Ｌ１は、ダイクロイックミラー４で反射し、集光レンズ５に入射する。集光レンズ５に入射した青色光Ｌ１は、蛍光体ホイール６上に集光される。
蛍光体ホイール６では、高反射アルミなど熱伝導性に優れる金属製ホイールの円周上に、バインダーによって蛍光体が固定された蛍光体層が形成されている。蛍光体層の一部の領域では、金属ホイールごと切り欠かれており、代わりに透光性の拡散層が形成されている。拡散層は、すりガラスやマイクロレンズアレイであってもよい。蛍光体ホイールが回転すると、蛍光体層上に青色光Ｌ１が集光される場合と、拡散層上に青色光Ｌ１が集光される場合がある。
蛍光体層上に青色光Ｌ１が集光されると、蛍光体に青色光Ｌ１が吸収され、蛍光体が励起される。これにより、青色光Ｌ１は、４８０ｎｍ〜７００ｎｍの幅広い分光分布を有する図中点線で示される蛍光光Ｌｐｈｏｓに変換される。蛍光光Ｌｐｈｏｓは、全方位に発生するが、蛍光体ホイール６の基板は反射率が高い金属ホイールであるため、ほとんどの成分が反射され、集光レンズ５に向かって進行する。
集光レンズ５に入射した蛍光光Ｌｐｈｏｓは、ダイクロイックミラー４に入射する。前述したように、ダイクロイックミラー４は、４７０ｎｍ以上の波長帯域の光を透過させる分光特性を有する。そのため、蛍光光Ｌｐｈｏｓは、ダイクロイックミラー４を透過し、光源装置から照明光学系１０に向かって射出される。
一方、拡散層上に青色光Ｌ１が集光されると、拡散層に対応する領域では金属ホイールが切り欠かれているので、青色光Ｌ１は拡散されながら拡散層を透過し、コリメートレンズ７に入射する。コリメートレンズ７に入射した青色光Ｌ１は、リレーレンズ系８および光路折り曲げミラー９を介して、再びダイクロイックミラー４に入射する。青色光Ｌ１は、図中の上側からダイクロイックミラー４に進行するので、照明光学系１０に向かって反射し、光源装置から射出される。蛍光体ホイール６が回転することで、光源装置から青色光Ｌ１と蛍光光Ｌｐｈｏｓが順次射出される。
照明光学系１０に入射した光束は、照明光学系１０により適切な形状に成形され、折り曲げミラー１１を介して、色分離合成系に導かれる。なお、照明光学系１０は、画像表示素子を均一に照明するために、フライアイレンズ、ロッドインテグレータ、およびこれらからの光束を画像表示素子上で重畳するコンデンサレンズなどの光学素子を有するが、ここでは説明を省略する。
図２は、本実施例の色分離合成系の構成図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）はそれぞれ、色分離合成系の立体図、側面図および上面図を示している。全反射プリズム１２は、２つのプリズムがＰ１面（第１光学面）を介して接合された光学素子である。光束が全反射プリズム１２に入射すると、Ｐ１面での全反射により光路が折り曲げられる。折り曲げられた光束は、色分離プリズム１３に入射する。なお、Ｐ１面には、１０μｍ程度のエアギャップ層が含まれている。
色分離プリズム１３は、２つの三角プリズムがＰ２面（第２光学面）を介して接合された光学素子であり、４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色光帯域および６００〜７００ｎｍの赤色光帯域を反射し、４９０ｎｍ〜５９０ｎｍの緑色光帯域を透過させる分光特性を有する。なお、本実施例では、Ｐ２面には、誘電体多層膜が含まれている。
光源装置から射出され、Ｐ１面で全反射した４８０ｎｍ〜７００ｎｍの分光分布を有する蛍光光Ｌｐｈｏｓは、Ｐ２面によって、赤色光Ｌ２と緑色光Ｌ３に分離される。赤色光Ｌ２は、色分離プリズム１３のＰ３面（第３光学面）で全反射して第１画像表示素子１４に入射する。緑色光Ｌ３は、色分離プリズム１３のＰ４面（第４光学面）で全反射して第２画像表示素子１５に入射する。また、光源装置から射出された青色光Ｌ１は、Ｐ２面で反射した後、Ｐ３面で全反射して第１画像表示素子１４に入射する。
ここで、図３を参照して、ＤＭＤに入射した光の振る舞いについて説明する。図３は、ＤＭＤに入射した光の振る舞いを示す図である。図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、ＤＭＤの斜視図および正面図を示している。照明光（以下、ＩＮ光）は、ＤＭＤの法線に対して斜めから入射する。ＤＭＤで微小ミラーがＯＮ状態である場合、微小ミラーはｙｚ断面に沿って傾きを有する。したがって、照明系ＩＮがｙｚ断面に沿って斜め入射することで、ＤＭＤの画像表示領域の法線方向へＯＮ光が進む。なお、「法線方向」には、実質的に法線方向とみなされる方向、すなわち「略法線方向」も含まれている。また、微小ミラーがＯＦＦ状態である場合、微小ミラーはｘｚ断面に沿って傾きを有する。したがって、ＩＮ光がｙｚ断面に沿って斜め入射することで、ｙｚ断面およびｘｚ断面のベクトル成分を有する斜め方向へＯＦＦ光が進む。なお、ＩＮ光、ＯＮ光およびＯＦＦ光を囲む円形状は光線がＤＭＤに入射またはＤＭＤから射出する際の光線の角度分布を示している。
各画像表示素子から射出されたＯＮ光は、Ｐ３面およびＰ４面で再び全反射してＰ２面に向かい、色合成された後、Ｐ１面に再入射する。Ｐ１面は、微小ミラーがＯＮ状態に切り替えられた際に、ＯＮ光を透過するように設定されている。そのため、ＯＮ光は全反射プリズム１２の透過光路側に配置された投射光学系１６に導かれ、映像が表示される。青色光Ｌ１と蛍光光Ｌｐｈｏｓが光源装置から順次射出されるので、この切り替え周期に同期して２つの画像表示素子で入力映像信号を切り替えることで、フルカラーの映像を投射可能である。
各画像表示素子の背面には、素子を駆動する駆動回路基板や冷却用のヒートシンクなどの部材が配置されている。各画像表示素子と背面に配置された部材とにより、画像表示素子ユニットが構成される。画像表示素子ユニットを配置するためには、画像表示素子の画像表示領域の面積よりも広く、画像表示素子の体積よりも大きいスペースが必要となる。そのため、画像表示素子ユニット同士、または画像表示素子ユニットと色分離プリズム１３との干渉を避けるように、色分離プリズム１３のサイズを適切に決定する必要がある。
図４は、一般的な色分離プリズムと本実施例の色分離プリズム１３との比較図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）はそれぞれ、キューブ型の色分離プリズム、フィリップス型の色分離プリズムおよび本実施例の色分離プリズム１３である。
図４（ａ）のキューブ型の色分離プリズムでは、画像表示素子ユニット同士に干渉が生じる恐れがあるため、画像表示素子ユニットがさらに大きくなる場合には色分離プリズムを大きくするか、画像表示素子を色分離プリズムから離す必要がある。
図４（ｂ）のフィリップス型の色分離プリズムでは、色分離プリズムと画像表示素子ユニットとの干渉が発生しやすい。これを避けるためには画像表示素子を色分離プリズムから離す必要があるが、画像表示素子から射出される光束は角度分布を有するため、画像表示素子を色分離プリズムから離すほど色分離プリズムのサイズは大きくなる。
図４（ｃ）の本実施例の色分離プリズム１３では、Ｐ２面は、Ｐ１面からの光のうち赤色光および青色光をＰ３面に（直接）導くとともに、Ｐ１面からの光のうち赤色光および青色光とは波長が異なる緑色光をＰ４面に（直接）導く。Ｐ３面は、Ｐ２面からの赤色光および青色光を全反射させて第１画像表示素子１４に導くとともに、第１画像表示素子１４からの光を全反射させて投射光学系１６に導く。Ｐ４面は、Ｐ２面からの緑色光を全反射させて第２画像表示素子１５に導くとともに、第２画像表示素子１５からの光を全反射させて投射光学系１６に導く。以上の構成により、本実施例では、第１画像表示素子１４および第２画像表示素子は、色分離プリズム１３を挟んで対向するように配置されている。そのため、例えば冷却性能を高めるためにヒートシンクのサイズを大きくすることで画像表示素子ユニットが大きくなっても、画像表示素子ユニット同士、または画像表示素子ユニットと色分離プリズム１３との干渉を避けるための無駄なスペースが不要になる。したがって、本実施例では、従来例に対して色分離プリズムを大幅に小型化可能である。また、色分離プリズム１３のサイズが同じであれば、画像表示素子ユニットのサイズを大きくしてもよいので、冷却性能を高めるためにヒートシンクのサイズを大きくしたり、駆動回路設計に自由度を持たせたりすることも可能である。
さらに、本実施例では、ＯＦＦ光の処理も適切に行うことができる。図５は、本実施例のＯＦＦ光処理の説明図である。図５（ａ）は、色分離プリズム１３のＯＦＦ光処理の好ましい構成を示している。図３に示されるように、ＩＮ光の入射方向がｙｚ断面に沿っている場合、ＯＦＦ光は画像表示素子に対してｙｚ断面だけでなくｘｚ断面にもベクトル成分を有する。図５（ａ）に示されるように、ｘｚ断面とはＰ２面、Ｐ３面およびＰ４面に直交する断面である。また、ｙｚ断面とは、ｘｚ断面に直交し、かつＰ１面に直交する断面である。言い換えれば、色分離合成系は、互いに直交するｘｚ断面およびｙｚ断面のうち、ｙｚ断面に直交するＰ１面とｘｚ断面に直交するＰ２面、Ｐ３面およびＰ４面を有する。なお、「直交」には、実質的に直交とみなされる場合、すなわち「略直交」の場合も含んでいる。
したがって、点線で示されるＯＦＦ光は、Ｐ２面で色分離された第１の色光および第２の色光のＰ３面およびＰ４面への入射角度や、ＯＮ光のＰ３面およびＰ４面への入射角度より小さい角度でＰ３面およびＰ４面に入射する。このように、ＯＦＦ光がＰ３面およびＰ４面に臨界角より小さい角度で入射するように各面の角度を設定しておくことで、ＯＦＦ光はＰ３面およびＰ４面を透過する。ＯＦＦ光が透過した先に金属吸収体などのＯＦＦ光処理部（不要光処理部）Ｄ１、Ｄ２を配置することで、ＯＦＦ光の処理を適切に行うことができる。
本実施例では、臨界角による光路の切り替えを利用し、Ｐ３面およびＰ４面においてＯＦＦ光を透過させることで、ＯＦＦ光の処理を行う。そのため、従来のようにＯＦＦ光の光路を確保するために色分離プリズム１３内に余分な光路を確保する必要がない。
図６は、ＤＭＤに入射する前後の光束の角度分布の比較図である。図６（ａ）は、従来の色分離プリズムを使用した場合の光束の角度分布を示している。図６（ｂ）は、本実施例の色分離プリズム１３を使用した場合の光束の角度分布を示している。図６（ａ）に示されるように、従来では、ＯＦＦ光を色分離プリズム内で散乱させないためにｘ方向に沿って色分離プリズムの幅Ｗ１を大きくしている。一方、図６（ｂ）に示されるように、本実施例では、ＯＦＦ光をＰ３面およびＰ４面で透過させるため、色分離プリズム１３の幅Ｗ２はＩＮ光およびＯＮ光が通る幅のみを確保すればよい。したがって、色分離プリズム１３を大幅に小型化可能であり、投射光学系１６のバックフォーカスを小さくすることができる。
また、本実施例では、臨界角による光路の切り替えを利用するため、ＯＮ光とは離れた方向へＯＦＦ光を飛ばすことができる。そのため、従来のように、ＯＦＦ光がＯＮ光の直上に導かれることはない。特に、Ｐ４面側の光路では投射光学系１６に対向する方向へＯＦＦ光を透過させることができるため、Ｐ３面側の光路に比べて投射光学系１６へのＯＦＦ光の混入を避けることができる。本実施例では、緑色光はＰ４面を介して第２画像表示素子１５に入射させる。比視感度が高くゴーストとなった際に視認されやすい緑色光をＯＦＦ光処理に有利な側に導くことで、ゴーストのリスクをさらに低減することができる。
また、Ｐ４面には、反射防止膜を施すことが好ましい。Ｐ３面はＯＮ光も透過するため、通常でも反射防止膜を施す必要があるが、Ｐ４面はＯＦＦ光のみが透過する。ＯＮ光の光路のみを考慮するならば、Ｐ４面に反射防止膜を施すことは不要である。しかしながら、ＯＦＦ光の光路を考慮してＰ４面に反射防止膜を施すことで、ＯＦＦ光のＰ４面における反射を低減することができ、より適切なＯＦＦ光処理を実現可能である。
なお、図５（ａ）の構成に対して図５（ｂ）に示されるように色分離プリズム１３の左右を反転させた構成であっても、画像表示素子ユニットの干渉の観点で小型化の効果を得ることはできる。しかしながら、図５（ｂ）の構成では、ＯＦＦ光がＰ３面およびＰ４面を透過しないため、図５（ａ）の構成に比べてＯＦＦ光処理を適切に行うことができないおそれがある。そのため、図５（ｂ）の構成は、ＯＦＦ光処理が問題とならない、光源の輝度が比較的低い場合に使用することが好ましい。
以上説明したように、本実施例の構成により、ミラー反射型の画像表示素子に光を導く色分離プリズム１３を小型化可能であるとともに、ＯＦＦ光（不要光）の処理を適切に行うことが可能である。
本実施例では、照明光学系１０の形状や構成を調整することでｘｚ断面の入射光束の角度分布をｙｚ断面の入射光束の角度分布より小さくする。照明光学系１０が通常備えるフライアイレンズやロッドインテグレータとして、偏心フライアイやテーパ―形状のロッドインテグレータを採用することでこうした非対称の角度分布を容易に実現可能である。なお、このような技術は一般的であるので、ここでは説明を省略する。本実施例の他の光学構成は実施例１と同一であるため、詳細な説明は省略する。
図７は、画像表示素子に入射する前後の光束の角度分布の比較図である。図７（ａ）は、実施例１の光束の角度分布を示している。図７（ｂ）は、本実施例の光束の角度分布を示している。図７（ａ）では、ＩＮ光（入射光束）の角度分布は円形状であり、ｘｚ断面のＩＮ光の角度分布とｙｚ断面のＩＮ光の角度分布は等しい。図７（ｂ）では、ＩＮ光の角度分布は楕円形状であり、ｘｚ断面のＩＮ光の角度分布はｙｚ断面のＩＮ光の角度分布に比べて小さい。言い換えれば、画像表示素子の法線を含み互いに直交する第１断面（ｘｚ断面）および第２断面（ｙｚ断面）があり、画像表示素子に入射する入射光束の角度分布のうち、第１断面の入射光束の角度分布は第２断面の入射光束の角度分布に比べて小さい。なお、実施例１で説明したように、ｙｚ断面はＰ１面に直交し、ｘｚ断面はＰ２面、Ｐ３面およびＰ４面に直交する。
本実施例の構成では、Ｐ３面およびＰ４面でＯＦＦ光を透過させる。実施例１で説明したように、本実施例でも臨界角による光の切り替えを利用してＯＦＦ光を透過させるので、ｘｚ断面の入射光束の角度分布が大きすぎると一部のＯＦＦ光が臨界角以上になり、投射光路側に全反射してしまう。本実施例では、ｘｚ断面の入射光束の角度分布を小さくすることで、このような漏れ光成分を抑制し、ＯＦＦ光処理をより適切に行うことができる。
また、一般に入射光束の角度分布を小さくすると、照明光学系における光利用効率が悪くなる。そこで、本実施例では、ｘｚ断面に直交するｙｚ断面の入射光束の角度分布を大きくすることで、光利用効率の悪化を抑制している。なお、ｙｚ断面の入射光束の角度分布を大きくしても、ＯＦＦ光処理に悪影響を与えない。
以上説明したように、本実施例の構成により、実施例１で説明した効果に加えて、ＯＦＦ光処理をより適切に行いながら光利用効率つまり投射画像の明るさとのバランスを取ることが可能である。また、ｘｚ断面の入射光束の角度分布が小さくなるので、この断面の色分離プリズム１３の幅Ｗ３をさらに小さくすることができる。これにより、投射光学系１６のバックフォーカスをさらに短縮することが可能である。
本実施例では、色分離プリズム１３の構成が実施例１と異なる。本実施例の他の光学構成は実施例１と同一であるため、詳細な説明は省略する。
図８は、本実施例の色分離合成系の構成図である。図８（ａ）〜図８（ｃ）はそれぞれ、色分離合成系の立体図、側面図および上面図を示している。本実施例では、色分離プリズム１３は、３つの三角プリズムがＰ２面およびＰ３面を介して接合された光学素子である。図８に示されるように、色分離プリズム１３は、実施例１の構成に加えて、Ｐ５面を有する追加プリズムを備える。本実施例では、Ｐ３面には、Ｐ１面と同様に、エアギャップ層が含まれている。Ｐ２面は、Ｐ１面からの光のうち赤色光および青色光をＰ３面に（直接）導くとともに、Ｐ１面からの光のうち赤色光および青色光とは波長が異なる緑色光をＰ４面に（直接）導く。Ｐ３面は、Ｐ２面からの赤色光および青色光を全反射させて第１画像表示素子１４に導くとともに、第１画像表示素子１４からの光を全反射させて投射光学系１６に導く。Ｐ４面は、Ｐ２面からの緑色光を全反射させて第２画像表示素子１５に導くとともに、第２画像表示素子１５からの光を全反射させて投射光学系１６に導く。
図９は、本実施例のＯＦＦ光処理の説明図である。本実施例では、Ｐ３面を透過したＯＦＦ光は、Ｐ５面で全反射して追加プリズムの射出側に設けられたＯＦＦ光処理部Ｄ１に導かれる。実施例１では、Ｐ３面を透過したＯＦＦ光は（直接）ＯＦＦ光処理部Ｄ１に導かれるため、ＯＦＦ光処理部Ｄ１は投射光学系１６の側面付近に配置される。この場合、一部の光が全反射プリズム１２の側面部に侵入し、投射光学系１６に入射する恐れがある。一方、本実施例では、Ｐ３面を透過したＯＦＦ光はＰ５面で全反射してＯＦＦ光処理部Ｄ１に導かれる。すなわち、ＯＦＦ光を投射光学系１６や全反射プリズム１２が配置されている側とは異なる側に導くことが可能である。このため、投射光学系１６への迷光侵入の可能性をより低減することができる。なお、Ｐ４面は、実施例１と同様に、ＯＦＦ光を透過させる。
また、本実施例では、Ｐ２面には色分離を行う誘電体多層膜が含まれているが、実施例１の場合と比べて、光線に対する膜面の角度が浅くなっている。これにより、膜の設計難易度を低減することが可能である。
また、Ｐ３面には、エアギャップ層に加えて５００ｎｍ帯域の光や６００ｎｍ帯域の光などの所定の波長光をカットする誘電体多層膜が含まれていてもよい。５００ｎｍや６００ｎｍ帯域の光を選択的にカットさせると投射画像の緑色や赤色の色再現範囲を拡大することができるが、この場合カットされた光は不要光となる。本実施例の構成では、カットされた光はＰ５面の全反射を介してＯＦＦ光処理部Ｄ１で同時に処理できるため、色域拡大のために新たにＯＦＦ光処理部を設ける必要がない。
本実施例では、実施例３で説明した色分離プリズムの構成に加えて、追加プリズムの１面に第３画像表示素子１７を配置することが実施例１と異なる。本実施例の他の光学構成は実施例１と同一であるため、詳細な説明は省略する。
図１０は、本実施例の色分離合成系の構成図である。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）はそれぞれ、色分離合成系の立体図、側面図および上面図を示している。Ｐ２面は、Ｐ１面からの光のうち青色光をＰ３面に（直接）導くとともに、Ｐ１面からの光のうち青色光とは波長が異なる緑色光をＰ４面に（直接）導く。Ｐ３面は、Ｐ２面からの青色光を全反射させて第１画像表示素子１４に導くとともに、第１画像表示素子１４からの光を全反射させて投射光学系１６に導く。Ｐ４面は、Ｐ２面からの緑色光を全反射させて第２画像表示素子１５に導くとともに、第２画像表示素子１５からの光を全反射させて投射光学系１６に導く。
本実施例では、Ｐ３面には、実施例３と同様のエアギャップ層に加えて、６００〜７００ｎｍの赤色光帯域を反射する誘電体多層膜が含まれている。これにより、赤色光は、Ｐ３面で反射され、Ｐ５面での全反射を介して第３画像表示素子１７に導かれる。前述したように、第１画像表示素子１４には青色光が、第２画像表示素子１５には緑色光が入射する。これにより、上述した実施例において、２つの画像表示素子に分けていた赤色光、緑色光および青色光を３つの画像表示素子にそれぞれ振り分けることができる。上述した実施例では、光源装置から青色光と蛍光光が順次射出され、この切り替えタイミングに同期して２つの画像表示素子で映像信号を入力することで、時分割表示でフルカラー映像を投射する。しかしながら、時分割表示である以上、投影画像に色の瞬間的な移り変わりが視認される、いわゆるカラーブレイク現象が発生することは避けられない。本実施例では、赤色光、緑色光および青色光に対応する３つの画像表示素子を設けることで、カラーブレイク現象を発生させなくすることができる。
図１１は、本実施例のＯＦＦ光処理の説明図である。第１画像表示素子１４および第２画像表示素子１５から射出されたＯＦＦ光の挙動は実施例３と同様である。すなわち、Ｐ４面ではＯＦＦ光が透過してＯＦＦ光処理部Ｄ２に導かれ、Ｐ３面ではＯＦＦ光が透過した後、Ｐ５面で全反射してＯＦＦ光処理部Ｄ１に導かれる。本実施例では、ＯＦＦ光処理部Ｄ１が配置される側には第３画像表示素子１７が配置されるが、ＯＦＦ光はｙｚ方向にベクトル成分を有するため、第３画像表示素子１７のｙ方向の直上にＯＦＦ光処理部Ｄ１を配置することができる。
また、本実施例では、第３画像表示素子１７から射出されたＯＦＦ光は構成上Ｐ５面を透過し得ないため、図１１に示されるように、Ｐ３面で反射して投射光学系１６側に進行する。すなわち、迷光の発生の恐れがある。そのため、第３画像表示素子１７に入射する色光は赤色光、緑色光および青色光のうち最もパワーの弱い赤色光とすることが好ましい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、Ｐ２面における色分離の波長帯域を異ならせてもよい。上述した実施例では、緑色光を透過させるが、緑色光および青色光を透過させてもよい。青色レーザー光と蛍光光からなる白色光源装置では、画像投射装置として適切なホワイトバランスに設定した際に赤色光、青色光、緑色光の順番に光パワーが強くなる傾向にある。ＯＦＦ光処理においてより好適なＰ４面において、パワーが強い緑色光と青色光を透過させて、金属吸収体に吸収させ、ここを集中的に冷却することでパワーが弱い赤色光が入射するＰ３面側のＯＦＦ光処理機構を簡略化することもできる。
１ 青色レーザー光源（光源）
１２ 全反射プリズム（第１光学系）
１３ 色分離プリズム（第２光学系）
１４ 第１画像表示素子
１５ 第２画像表示素子
１６ 投射光学系
Ｐ１ 第１光学面
Ｐ２ 第２光学面
Ｐ３ 第３光学面
Ｐ４ 第４光学面

Claims (9)

  1. 第１光学面を備える第１光学系と、
    第２光学面、第３光学面および第４光学面を備える第２光学系と、を有し、光源からの光を第１画像表示素子および第２画像表示素子に導くとともに、前記第１画像表示素子および第２画像表示素子からの光を投射光学系に導くための色分離合成系であって、
    前記第１光学面は、前記光源からの光を前記第２光学面に導き、
    前記第２光学面は、前記第１光学面からの光のうち第１の色光を前記第３光学面に導くとともに、前記第１光学面からの光のうち前記第１の色光とは波長が異なる第２の色光を前記第４光学面に導き、
    前記第３光学面は、前記第１の色光を全反射させて前記第１画像表示素子に導くとともに、前記第１画像表示素子からの光を前記投射光学系に導くように全反射させ、
    前記第４光学面は、前記第２の色光を全反射させて前記第２画像表示素子に導くとともに、前記第２画像表示素子からの光を前記投射光学系に導くように全反射させることを特徴とする色分離合成系。
  2. 前記第１画像表示素子および前記第２画像表示素子はそれぞれ、画像表示領域の法線方向へ光束を反射する第１状態および前記法線方向に対して傾斜する方向へ光束を反射する第２状態のうち一方の状態から他方の状態に遷移可能であり、
    前記第３光学面は、前記第１状態である前記第１画像表示素子からの光を前記投射光学系に導くように全反射させ、
    前記第４光学面は、前記第１状態である前記第２画像表示素子からの光を前記投射光学系に導くように全反射させることを特徴とする請求項１に記載の色分離合成系。
  3. 前記第１画像表示素子および前記第２画像表示素子はそれぞれ、画像表示領域の法線方向へ光束を反射する第１状態および前記法線方向に対して傾斜する方向へ光束を反射する第２状態のうち一方の状態から他方の状態に遷移可能であり、
    前記第３光学面は、前記第２状態である前記第１画像表示素子からの光を前記投射光学系に導かないように透過させ、
    前記第４光学面は、前記第２状態である前記第２画像表示素子からの光を前記投射光学系に導かないように透過させることを特徴とする請求項１または２に記載の色分離合成系。
  4. 前記第４光学面には、反射防止膜が施されていることを特徴とする請求項３に記載の色分離合成系。
  5. 前記第２の色光は、緑色光であることを特徴とする請求項３または４に記載の色分離合成系。
  6. 前記第２光学面、前記第３光学面および前記第４光学面に直交し、前記第１画像表示素子の法線を含む断面を第１断面とし、前記第１断面に直交し、前記第１画像表示素子の法線を含む断面を第２断面としたとき、
    前記第１画像表示素子または前記第２画像表示素子に入射する入射光束の角度分布のうち、前記第１断面の入射光束の角度分布は、前記第２断面の入射光束の角度分布より小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の色分離合成系。
  7. 前記第３光学面には、エアギャップ層が含まれることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の色分離合成系。
  8. 前記第３光学面には、前記エアギャップ層および所定の波長光を反射する誘電体多層膜が含まれることを特徴とする請求項７に記載の色分離合成系。
  9. 光源と、
    第１画像表示素子と、
    第２画像表示素子と、
    前記光源からの光を用いて前記第１画像表示素子および前記第２画像表示素子を照明する照明光学系と、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の色分離合成系と、を有することを特徴とする画像投射装置。
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