JP3610280B2

JP3610280B2 - 色合成光学素子およびそれを用いた投写型画像表示装置

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Publication number: JP3610280B2
Application number: JP2000106989A
Authority: JP
Inventors: 三郎菅原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: US20020003668A1; JP2001290010A; US6671101B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は色合成光学素子及びそれを用いた投写型画像表示装置に関し、例えばカラー液晶パネルに基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するカラー液晶プロジェクターに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶ライトバルブなどに基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした投写装置（液晶プロジェクター）が種々と提案されている。
【０００３】
この投写装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色光の画像に基づく画像表示素子（液晶パネル）を光源からの光を色分解した色光で各々照明している。そして画像表示素子を透過したそれぞれの色光を色合成手段を介して一つの投写レンズでスクリーン面上等に投写している。
【０００４】
従来より、液晶プロジェクターに用いられる色合成光学素子の１つとして、クロスダイクロプリズムがある。図５は従来のクロスダイクロプリズムを用いた投写型画像表示装置の要部概略図である。図５に示す投写型画像表示装置で用いているクロスダイクロプリズムＸＤＰは４つの直角プリズム３１、３２、３３、３４よりなり、２種類の反射波長域を有するダイクロイック層ＤＭ１，ＤＭ２をプリズム内部で交差させている。
【０００５】
尚、図５の投写型画像表示装置では、光源１から発せられた白色光を放物面鏡２よりほぼ平行な光束に変換し、複数の矩形のレンズアレイより構成される第１フライアイレンズ３により複数の矩形のレンズアレイより構成される第２フライアイ４の各コマのほぼ中心部に光源像を形成する。そして偏光変換素子５により、片方の偏光成分のみに揃えられた光束を、第１正レンズ６により画像変調手段上１６、１８、２０に重ね合わせる。青反射ダイクロイックミラー８により反射された青色光は光反射ミラー９、第２正レンズ１５を介して、青色用の画像変調手段１６の表示部に集光される。青反射ダイクロイックミラー８を透過した緑および赤色の光成分のなかの緑色成分は、緑色を反射するダイクロイックミラー１０により反射され、第３正レンズ１７を介して、緑色用の画像変調手段１８の表示部に集光される。ダイクロイックミラー１０を透過した赤色成分の光は、第４正レンズ２７、高反射ミラー２８、第５正レンズ２９、高反射ミラー３０、第６正レンズ２６を介して、赤色用の画像変調手段１６の表示部に集光される。
【０００６】
各色の画像変調手段１６、１８、２０で変調された光は、第１プリズム３１、第２プリズム３２、第３プリズム３３、第４プリズム３４より構成されるクロスダイクロプリズムＸＤＰにより色合成され、投写レンズ３５により、不図示のスクリーンにカラー画像として投影されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す色合成プリズムとしてのクロスダイクロプリズムは４つの直角プリズムの角度を正確に形成し、かつ各面を研磨して形成しないと、前記ダイクロイック層ＤＭ１，ＤＭ２が直角プリズムの頂角で折れ曲がってしまう。
【０００８】
このため、不図示のスクリーン上の投影像が二重像となり、解像感が著しく悪くなるという問題があった。また、スクリーン上の解像力を良好に保つため、４つの直角プリズム３１、３２、３３、３４を接合する場合、接合面で段差が生じないように接合しなければならず、接合時に細心の注意を必要とした。また、直角プリズムの直角な稜線部分はピリやカケ等の欠陥が許されず、稜線部分の幅が広いと、クロスプリズムのクロスする部分が縦筋となってスクリーン上に投影されてしまうという問題もあった。このように、従来のクロスダイクロプリズムは、プリズム加工およびプリズム接合が極めて難しく、製造するのに大変な時間と費用とを必要としていた。
【０００９】
一方、クロスダイクロプリズムの以上述べたような問題点を回避する為、特開平１０−１０４７６３号公報においては、ビデオカメラ等で色分解手段として使用されてきた３つのプリズムよりなる色分解プリズムを用いた液晶プロジェクターが提案されている。しかしながら、同公報では色分解プリズムの形状が、プリズムの光路長を最小にするような形状に最適化されていなかったため、図８（Ａ）に示すように、図７（Ａ）のクロスダイクロプリズムと比較して２倍近いプリズム光路長を必要とした。
【００１０】
また、同公報の明細書中にはプリズムの材料や屈折率に関する記載がないので、プリズムの屈折率を高めて、空気換算時の光路長を短くしているかどうかは不明であった。
【００１１】
以上のように上記公報の提案では、プリズムの製造自体は、クロスダイクロプリズムに対し容易になってはいるが、プリズムが大きくてプリズム光路長が長いために、投写レンズのバックフォーカスをクロスダイクロプリズムを使用する場合と比較してかなり長くする必要が生じていた。このため、投写レンズは大型化し、投写レンズの光学性能面において、特に倍率色収差が増大してくるといった問題が生じてきた。
【００１２】
本発明の目的は、上記公報のプリズムよりも光路長を短くできる色合成光学素子と、この色合成光学素子を用いた投写型画像表示装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在することを特徴としている。
【００１４】
請求項２の発明の色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であることを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明の色合成光学素子は、４つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明の色合成光学素子は、光の射出側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、前記第３プリズムと前記第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明の色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明の色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００１９】
請求項７の発明の色合成光学素子は、４つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２０】
請求項８の発明の色合成光学素子は、光の射出側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、前記第３プリズムと前記第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２１】
請求項９の発明の色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２２】
請求項１０の発明の色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２３】
請求項１１の発明は、請求項１から１０のいずれか１項の発明において、前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４５＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２４】
請求項１２の発明は、請求項１から１１のいずれか１項の発明において、前記射出側のダイクロイックミラー層が形成されている面と前記共通の面とのなす角度θ１は
２０度＜θ１＜３５度
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２５】
請求項１３の発明は、請求項１から１２のいずれか１項に発明において、前記共通の面と入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面のなす角度θ２は
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２６】
請求項１４の発明は、請求項１から１３のいずれか１項の発明において、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２７】
請求項１５の発明はの色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足し、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄ、プリズムの材質のアッベ数をνｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２８】
請求項１６の発明の色合成光学素子は、光の射出側から順に、３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、２面以上備えた第２プリズムと、３面以上備えた第３プリズムと、２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面の一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムが向かい合う面の一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムはそれぞれ頂角が４５度の直角三角柱プリズムより構成され、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００２９】
請求項１７の発明の投射型画像表示装置は、請求項１から１６のいずれか１つの色合成光学素子を用いたことを特徴としている。
【００３０】
請求項１８の発明の投射型画像表示装置は、光源側から順に、該光源からの光を用いて複数の光源像を形成する第１フライアイレンズと、前記複数の光源像それぞれの形成位置を中心とするレンズを複数有する第２フライアイレンズと、該第２フライアイレンズからの出射光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を複数有する偏光変換素子アレイと、前記偏光変換素子アレイからの光を３つのＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解する色分解手段と、該Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を変調する３つの液晶表示素子と、該３つの液晶表示素子からの出力光を合成する色合成手段と、該色合成手段で合成された光を投写する投写手段とを具備した投写型画像表示装置であって、
該色合成手段は、請求項１から１６のいずれか１項に記載の色合成光学素子を有していることを特徴としている。
【００３１】
請求項１９の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在することを特徴としている。
【００３２】
請求項２０の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であることを特徴としている。
【００３３】
請求項２１の発明の色分解光学素子は、４つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００３４】
請求項２２の発明の色分解光学素子は、光の入射側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、該第３プリズムと該第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００３５】
請求項２３の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００３６】
請求項２４の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００３７】
請求項２５の発明の色分解光学素子は、４つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００３８】
請求項２６の発明の色分解光学素子は、光の入射側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、該第３プリズムと該第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００３９】
請求項２７の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４０】
請求項２８の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４１】
請求項２９の発明は、請求項１９から２８のいずれか１項の発明において、前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４５＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４２】
請求項３０の発明は、請求項１９から２９のいずれか１項の発明において、前記入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面と前記共通の面とのなす角度θ１は
２０度＜θ１＜３５度
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４３】
請求項３１の発明は、請求項１９から３０のいずれか１項の発明において、前記共通の面と入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面のなす角度θ２は
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４４】
請求項３２の発明は、請求項１９から３１のいずれか１項の発明において、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４５】
請求項３３の発明の色分解光学素子は、３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も入射側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足し、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄ、プリズムの材質のアッベ数をνｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４６】
請求項３４の発明の色分解光学素子は、光の入射側から順に、３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、２面以上備えた第２プリズムと、３面以上備えた第３プリズムと、２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面の一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムが向かい合う面の一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムはそれぞれ頂角が４５度の直角三角柱プリズムより構成されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴としている。
【００４７】
請求項３５の発明の投射型画像表示装置は、請求項１９から３４のいずれか１つの色分解光学素子を用いたことを特徴としている。
【００４８】
請求項３６の発明の投射型画像表示装置は、光源側から順に、該光源からの光を用いて複数の光源像を形成する第１フライアイレンズと、前記複数の光源像それぞれの形成位置を中心とするレンズを複数有する第２フライアイレンズと、該第２フライアイレンズからの出射光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を複数有する偏光変換素子アレイと、前記偏光変換素子アレイからの光を３つのＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解する色分解手段と、該Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を変調する３つの液晶表示素子と、該３つの液晶表示素子からの出力光を合成する色合成手段と、該色合成手段で合成された光を投写する投写手段とを具備した投写型画像表示装置であって、
該色分解手段は、請求項１９から３５のいずれか１項に記載の色分解光学素子を有していることを特徴としている。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の色合成光学素子を用いた画像投写装置の実施形態１の要部概略図である。図中１はメタルハライドランプ等の光源（発光管）である。２は反射面が放物面又は楕円面から成るリフレクター（反射部材）である。同図は放物ミラーを示している。
【００５０】
光源１の発光部からの光束をリフレクター２で反射して平行光に変換し、この平行光を第１フライアイレンズ（第１光学素子）３に入射させている。
【００５１】
第１フライアイレンズ３は、正の屈折力を有する矩形のレンズ（凸レンズ）を複数個平板上に配置して構成している。
【００５２】
４は第２フライアイレンズ（第２光学素子）であり、正の屈折力を有する矩形のレンズ（平凸レンズ）を複数個、平板上に配置して構成している。
【００５３】
複数の矩形のレンズアレイより構成される第１フライアイレンズ３により複数の矩形のレンズアレイより構成される第２フライアイ４の各コマのほぼ中心部に光源像を形成している。
【００５４】
５は偏光変換素子アレイであり、例えば図１０に示す構成を有し、偏光変換素子毎に入射する無偏光（ランダム偏光）の光を特定の方向に偏光した直線偏光光として射出させている。各偏光変換素子から射出する偏光光の偏光方向は、図１０が示す通り、互いに一致している。
【００５５】
偏光変換素子５に入射した光は、その偏光分離層５Ｂにて、Ｐ波とＳ波に分離され、Ｐ波は偏光分離面５Ｂを透過し、Ｓ波は反射され、Ｐ波はλ／２位相板５Ａにより位相変換され、Ｓ波と偏光軸の方向をそろえている。これにより偏光変換素子５から射出される光束はすべて同一方向の偏光軸を有した偏光光となる。
【００５６】
偏光変換素子５から射出された光束は第１正レンズ６により偏向され、後述する色分解系でＲ，Ｇ，Ｂの各色に色分解され、ＲＧＢ各色別に変調される液晶パネル（液晶表示素子）よりなる画像変調装置の表示部１６，１８，２０上に重ね合わせている。
【００５７】
本実施形態では、第１正レンズ６から射出された光束のうち、青反射ダイクロイックミラー８により反射された青色光は高反射ミラー９、第２正レンズ１５を介して、青色用の画像変調手段１６の表示部に集光される。
【００５８】
青反射ダイクロイックミラー８を透過した緑色および赤色の光成分のなかの緑色成分は、緑色を反射するダイクロイックミラー１０により反射され、第３正レンズ１７を介して、緑色用の画像変調手段１８の表示部に集光される。ダイクロイックミラー１０を透過した赤色成分の光は、第４正レンズ１１、高反射ミラー１２、第５正レンズ１３、高反射ミラー１４、第６正レンズ１９を介して、赤色用の画像変調手段２０の表示部に集光される。第４正レンズ１１と第５正レンズ１３は、赤色チャンネルのみ他の色チャンネルより光路が長いため、ほぼ等倍結像するリレーレンズの役目を果たしている。
【００５９】
各色の画像変調手段１６、１８、２０で変調された光は、第１プリズム２３、第２プリズム２４、第３プリズム２１、第４プリズム２２より構成される色合成手段としての色合成プリズム（色合成光学素子）Ｐにより色合成され、投写レンズ２５により、不図示のスクリーンにカラー画像として投影される。
【００６０】
次に図１の実施形態１で用いた色合成プリズムＰの構成について、図４を用いて詳しく説明する。
【００６１】
本実施形態の色合成プリズム（色合成光学素子）Ｐは投写レンズ２５からの白色光を複数の色光に分解する色分解プリズム（色分解光学素子）として使用することもできるが、ここでは色合成手段としての作用のみを述べる。
【００６２】
色分解光学素子として用いるときは光束の入射，射出が逆となるだけであり、基本的な光学作用は全く同じである。
【００６３】
図４において、１６，１８，２０は図１の画像変調手段に相当している。色合成プリズムは、図４に示すように、光透過面でありかつ全反射面でもある共通の面２３Ａと、赤色成分を反射させ青および緑色成分を透過させるダイクロイック膜が形成されたダイクロイック面２３Ｂと、光透過面２３Ｃより構成される第１プリズム２３と、２つの光透過面２４Ａ、２４Ｂを有する第２プリズム２４と、ふたつの光透過面２１Ａ、２１Ｃと、青色成分を反射させ緑色成分を透過させるダイクロイック膜が形成されたダイクロイック面２１Ｂより構成される第３プリズム２１と、２つの光透過面２２Ａ，２２Ｂを有する第４プリズム２２より構成されている。
【００６４】
図４において、光透過面２３Ａ、２３Ｃ、２１Ｃ、２２Ｂには、空気とガラスの界面で生ずる表面反射光による光量損失を防ぐため、反射防止コートを形成することが望ましい。
【００６５】
第２プリズムの２４Ｃ面と第４プリズムの２２Ｃ面は、プリズム内部の内面反射によるゴースト発生を防ぐため、研磨面ではなく、砂ズリ面とするのがよく、さらには黒色の塗料を塗布するのが良い。
【００６６】
また、第１プリズム２３のダイクロイック面２３Ｂに形成されているダイクロイック膜は第２プリズム２４の光透過面２４Ａに形成してもよい。第２プリズム２４のほうが、第１プリズム２３より小さいので、ダイクロイック膜を蒸着するときに、蒸着釜にたくさんプリズムを入れることができるので、製造コストが安くなる利点がある。
【００６７】
また、第３プリズム２１のダイクロイック面２１Ｂに形成されているダイクロイック膜は第４プリズム２２の光透過面２２Ａに形成しても良い。
【００６８】
本発明に係る色合成プリズムＰでは、従来の色分解プリズム等で良く使用されてきた３つのプリズムから構成される色分解プリズムに対し、プリズムの光路長を短くするために、４つのプリズムを利用している。
【００６９】
２つのダイクロイックミラー層２３Ｂ，２１Ｂに挟まれるプリズムを２つに分割することにより、該プリズムによる光射出側の有効光束のケラレを防ぎ、光入射側のプリズム２１を小さくしている。
【００７０】
さらに、プリズムの空気換算時の光路長を短くするために、従来より屈折率の高いガラスを使用している。たとえば、（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＢＳＭ２５（ｄ線の屈折率１．６５８４４、アッベ数５０．９）、商品名Ｓ−ＢＳＭ１５（ｄ線の屈折率１．６２２９９、アッベ数５８．２）等が屈折率も高く、透過率も良いので好ましい。
【００７１】
さらに高屈折率のものとしては、同じく（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＬＡＬ１４（ｄ線の屈折率１．６９６８、アッベ数５５．５）、商品名Ｓ−ＬＡＬ８（ｄ線の屈折率１．７１３００、アッベ数５３．９）等が可視域全域で透過率が高く、本発明のプリズム用として適している。
【００７２】
また、第１プリズム２３と第２プリズム２４の間のダイクロイック面２３Ｂを第１プリズム２３の光射出面２３Ａに対して２７度に設定することにより、プリズムの光路長を短くし、ダイクロイック面の反射によるゴーストの発生を抑えている。
【００７３】
また、第１プリズム２３の光射出面２３Ａにおける全反射条件を十分に満足している。
【００７４】
また、第３プリズム２１と第４プリズム２２の間のダイクロイック面２１Ｂを第１プリズム２３の光射出面２３Ａ対して４５度に設定することにより、プリズムの光路長を短くしている。
【００７５】
プリズムの光路長を短くすることにより、プリズム自体を小型化できるだけでなく、投写レンズのバックフォーカスを短くできるので、投写レンズとそれを用いる投写装置の小型化および高性能化を実現している。
【００７６】
次に色合成光学素子Ｐとしての各発明の特徴について説明する。第１発明としての色合成光学素子は、３つ以上のプリズムを接合して構成され、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と光透過面が共通の面である面を備えるプリズムを有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき断面図外形は４つ以上の線分（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２１Ｃ，２１Ｂ）により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点Ｐｔの少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分（２３Ｂ，２１Ｂ）の両端を結んだ線分より内側に存在することを特徴としている（図４参照）。
【００７７】
ここで、色合成方向の平面とは、合成される前の３色の異なった色の３本の光線と、色合成素子により合成された１本の光線を含む平面を示す。又、交差とは２つの線分が互いに交わることをいう。
【００７８】
他の発明としての色合成光学素子は３つ以上のプリズムを接合して構成され、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と光透過面が共通の面である面を備えるプリズムを最も光射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつの角度γは１８０度を超える角度であることを特徴としている（図６（Ａ）参照）。
【００７９】
他の発明としての色合成光学素子は４つ以上のプリズムを接合して構成され、該４つのプリズムのうちひとつは全反射面と光透過面を兼ねた面を備えるプリズムを有し、互いに波長域が異なる、つまり、色が異なる２つの色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間のプリズムは複数のプリズム（２４，２１）より構成されていることを特徴としている。
【００８０】
他の発明としての色合成光学素子は、光の射出側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が光透過面と全反射面を兼ねている第１プリズム２３と、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズム２４と、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズム２１と、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズム２２とを備え、該第１プリズムと該第２プリズムが向かい合う面の一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズム２と該第４プリズム２２が向かい合う面の一方又は双方に第１の色光とは色（波長域）が異なる第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を備えることを特徴としている。
【００８１】
尚、本発明においては次の構成のうち１以上を満足させる構成とするのが良い。
【００８２】
（ア−１）前記第１プリズム２３と前記第２プリズム２４は前記ダイクロイックミラー層をはさんで接合され、前記第３のプリズム２１と前記第４のプリズム２２は前記ダイクロイックミラー層をはさんで接合されていることである。
【００８３】
（ア−２）前記第２プリズム２４と前記第３プリズム２１は接合されていることである。
【００８４】
（ア−３）前記第３プリズム２１と前記第４プリズム２２はそれぞれ頂角が４５度の直角三角柱プリズムより構成されることである。又、第１〜第４発明においては次の構成のうち１以上を満足させる構成とするのが良い。
【００８５】
（ア−４）前記第２プリズムと前記第３プリズムは一体成形されていることである。
【００８６】
（イ−１）前記光射出側のダイクロイックミラー層が形成されている面と前記光透過面と全反射面を兼ねた面とのなす角度θ１は
２０度＜θ１＜３５度 ‥‥‥（１）
の条件式を満足することである。
【００８７】
更に望ましくは、
２２度＜θ１＜３３度 ‥‥‥（１Ａ）
とすることである。
【００８８】
（イ−２）前記光透過面と全反射面を兼ねた面と光入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面のなす角度θ２は
４０度＜θ２＜５０度 ‥‥‥（２）
の条件式を満足することである。
【００８９】
さらに望ましくは
４２度＜θ１＜４８度 ‥‥‥（２Ａ）
とすることである。
【００９０】
（イ−３）前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ ‥‥‥（３）
の条件式を満足することである。
【００９１】
さらに望ましくは
１．６＜Ｎｄ ‥‥‥（３Ａ）
とすることである。
【００９２】
（イ−４）前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ ‥‥‥（４）
の条件式を満足することである。
【００９３】
さらに望ましくは
４５＜νｄ ‥‥‥（４Ａ）
とすることである。
【００９４】
他の発明としての色合成光学素子は、３つ以上のプリズムより構成され、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と光透過面を兼ねた面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、以下の条件式を満足することを特徴としている。
【００９５】
２０度＜θ１＜３５度 ‥‥‥（１）
さらに望ましくは
２２度＜θ１＜３３度 ‥‥‥（１Ａ）
４０度＜θ２＜５０度 ‥‥‥（２）
さらに望ましくは
４２度＜θ２＜４８度 ‥‥‥（２Ａ）
ここで、θ１；該色合成光学素子の光射出面と光射出側のダイクロイックミラー層のなす角度
θ２；該色合成光学素子の光射出面と光入射側のダイクロイックミラー層のなす角度
尚、第５発明において、更に好ましくは以下の条件式を満足することが良い。
【００９６】
１．５６＜Ｎｄ ‥‥‥（３）
さらに望ましくは、
１．６＜Ｎｄ ‥‥‥（３Ａ）
４０＜νｄ ‥‥‥（４）
さらに望ましくは、
４５＜Ｎｄ ‥‥‥（４Ａ）
ここで、Ｎｄ；プリズムのｄ線における屈折率
νｄ；プリズムのアッベ数
である。
【００９７】
本発明の投写型画像表示装置は、上記色合成光学素子の少なくとも１つを備えている。
【００９８】
また、本発明の投写型画像表示装置は、３原色の色成分を含む光を放射する光発生手段と、該光発生手段の放射光を３つの原色光に分解する色分離手段と、該３つの原色光が入射し、該原色光を変調して光学像を形成する３つの画像変調手段と、該３つの画像変調手段からの出力光を１つに合成する色合成手段と、該色合成手段で合成された光を投写する投写手段とを具備し、該色合成手段は、上記記載の色合成光学素子の少なくとも１つを有するように構成される。
【００９９】
次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。
【０１００】
条件式（１）は、光射出側のダイクロイックミラー層が形成されている面２３Ｂと該色合成光学素子の光射出面２３Ａとのなす角度θ１について限定したもので、条件式（１）の下限値を超える領域では、図４における最も光射出側のプリズム２３の該光透過面と全反射面を兼ねている光射出面２３Ａにおいて全反射条件を満たさなくなり、画像のケラレが生じてくるので良くない。また、条件式（１）の上限値を超える領域では、最も光射出側のプリズム２３の有効光路が最も射出側のプリズムのダイクロイックミラー面２３Ｂと干渉してくるので、それを防ぐために最も射出側のプリズム２３を大きくしなければならず、色合成プリズム全体の光路長が増大してくるので良くない。
【０１０１】
条件式（２）は、該色合成光学素子の光射出面２３Ａと該光入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面２１Ｂのなす角度θ２について限定したもので、条件式（２）の下限値を超える領域では、図４における、プリズム２１の光入射面２１Ｃが反時計回転方向に傾くので、プリズム内部の有効光路にプリズム２１の光入射面２１Ｃが食い込んでくるので良くない。これを防ぐためには、プリズム２１を光源側に延長させねばならず、プリズムが大型化してくる。
【０１０２】
また、条件式（２）の上限値を超える領域では、図４におけるプリズム２１の光入射面２１Ｃが時計回転方向に傾くので、図４に示す画像変調手段１６と１８が接近してきて、干渉してくるので良くない。
【０１０３】
条件式（３）は、該色合成光学素子を構成しているプリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄについて限定したもので、条件式（３）の下限値を超える領域では、プリズム内部の空気換算時の光路長が増大してくるので良くない。また、最も射出側のプリズムの全反射面で全反射条件を満たさず、最も光射出側のプリズムを透過する光量が減少してくるので良くない。
【０１０４】
条件式（４）は、該色合成光学素子を構成しているプリズムの材質のアッベ数νｄについて限定したもので、条件式（４）の下限値を超える領域では、現状存在するガラス材料においては、青の透過率が低下してくるので、光路長の長いプリズムに使用した場合、青チャンネルの光量が減少してしまうので良くない。
【０１０５】
図２は本発明の色合成光学素子を用いた投写型画像表示装置の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は、色合成光学素子の第２プリズム３６の形状が、図１の第２プリズム２４の形状と異なる以外は全く同一である。
【０１０６】
図２の第２プリズム３６では、該第２プリズム３６と画像変調手段１６との干渉を防ぐために、第２プリズム３６の紙面上部を斜めにカットしている。このため、図１と比較すると第２プリズム３６が小型になり、第２プリズム３６の軽量化を実現している。
【０１０７】
図３は本発明の色合成光学素子を用いた投写型画像表示装置の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は、図２の第２プリズム３６と第３プリズム２１をひとつの第２プリズム３７として構成したものである。研磨を行わず成型のみでプリズムを作製すれば、このような形状も可能である。この第２プリズム３７のダイクロイックミラー層が形成されていない面は２つの平面３７Ａ，３７Ｂより構成され、その２つの平面の内角（プリズム側の角度）は１９６度となっている。第２プリズム３７を図３に示すような形状とすることにより、光射出側の有効光束のケラレを発生させずに、色合成光学素子のプリズム光路長を短くすることができる。図１、図２の素子と比較すると、プリズムの部品点数が減少するので、さらに簡素化及びコストダウンが可能となる。
【０１０８】
次に本発明に係る色合成プリズムの形状（大きさ）に関して、従来の色合成プリズムと比較して説明する。
【０１０９】
図６から図９は、実際に各方式のプリズムの設計を行い、各方式のプリズムの大きさを比較した概略図である。以下は画像変調手段１６，１８，２０を０．９インチ（有効表示範囲１８．２８８Ｘ１３．７１６ｍｍ）の液晶パネルと仮定し、Ｆナンバー１．７の投写レンズを使用し、液晶パネルの表示面１６，１８，２０から、色合成プリズムＰの光入射面までの距離を６ｍｍとした場合の設計値である。
【０１１０】
図６（Ａ）は、図２に示す本発明の色合成光学素子Ｐの設計例の液晶パネルの長辺方向（色合成光学素子の色分解方向）の断面図である。プリズム材料は（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＢＳＭ２５（屈折率Ｎｄ＝１．６５８４４アッベ数νｄ＝５０．９）を使用している。
【０１１１】
前述のθ１は２７度、θ２は４５度である。プリズムの空気換算光路長は５０．９７／１．６５８４４＝３０．７３ｍｍとなる。
【０１１２】
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）での液晶パネルの短辺方向のプリズムの断面の大きさを示している。図６（Ｂ）に示すように第３，第４プリズム２１，２２の高さを軽量化のため第１，第２プリズム２３、３６より小さくしている。
【０１１３】
図７（Ａ）は従来のクロスダイクロプリズムの設計例の液晶パネルの長辺方向の断面図である。プリズム材料は（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＢＳＬ７（屈折率Ｎｄ＝１．５１６３３アッベ数νｄ＝６４．１）を使用している。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の液晶パネルの短辺方向の断面図である。
【０１１４】
プリズムの空気換算光路長は３２／１．５１６３３＝２１．１０ｍｍとなる。
【０１１５】
本発明の色合成プリズムと比較するとやや小型であるが、前述の問題点のため、製造コストが高く、スクリーン上に縦筋が発生する等の欠点を有する。
【０１１６】
図８（Ａ）は従来の３つプリズムを用いた色合成光学素子の設計例の液晶パネルの長辺方向の断面図である。プリズム材料は（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＢＳＬ７（屈折率Ｎｄ＝１．５１６３３アッベ数νｄ＝６４．１）を使用している。
【０１１７】
図８（Ｂ）は図８（Ａ）の設計例の液晶パネルの短辺方向の断面図である。
【０１１８】
プリズムの空気換算光路長は５７．３７／１．５１６３３＝３７．８３ｍｍとなる。
【０１１９】
本発明の色合成プリズムと比較すると空気換算時の光路長がかなり増大している。このため、投写レンズがかなり大型化してくる。また、画像変調手段１８と２０との距離が本発明と比較するとかなり広がるので、照明光学系が大型化してくる。
【０１２０】
図９（Ａ）は従来の直角プリズムおよび菱形プリズムを組み合わせたプリズムの設計値に基づく液晶パネルの長辺方向の断面図である。プリズム材料は（株）オハラ社製の商品名Ｓ−ＢＳＬ７（屈折率Ｎｄ＝１．５１６３３アッベ数νｄ＝６４．１）を使用している。
【０１２１】
図９（Ｂ）は図９（Ａ）の液晶パネルの短辺方向の断面図である。
【０１２２】
プリズムの空気換算光路長は７５／１．５１６３３＝４９．４６ｍｍとなる。本発明の色合成プリズムと比較すると空気換算時の光路長が非常に増大している。このため、投写レンズのバックフォーカスが非常に長くなり、収差補正が困難となってくるためレンズ全長およびレンズ径が極めて大型化してくる。
【０１２３】
これらの設計例との比較により、本発明の色合成プリズムは、クロスダイクロプリズムを使用した色合成光学素子と比較すると、やや大型化するが、他の方式のふたつのダイクロイックミラー層がプリズム内部で交差しない色合成光学素子と比較した場合、プリズム内部の光路長および、空気換算時の光路長を非常に短縮することが可能であることが明らかである。
【０１２４】
尚、以上の各実施形態において、各プリズムの光学作用をしない面（例えば図４の第２プリズム２４の面２４ｃ、第４プリズム２２の面２２ｃ、図３の第２プリズム３７の面３７Ｂ、図６（Ａ）の第２プリズム３６の面３６ａ等）は平面に限定されずに曲面としても良い。
【０１２５】
以上のように、本実施形態に係る色合成光学素子は、プリズム内部においてダイクロイックミラー層が交差しないので、従来のクロスダイクロプリズムに対し、プリズムの製造およびプリズムの接合が容易となり、製造コストの安い色合成光学素子が実現できる。また、クロスダイクロプリズムに対してプリズム内部に光路長が長くなる点に関しては、従来の３つのプリズムより構成される色合成光学素子に対し、２つのダイクロイックミラー層に挟まれるプリズムを２つに分割し、かつプリズムの屈折率を高くすることにより、プリズムの光路長の空気換算時の増大を極力小さくすることができる。
【０１２６】
これにより、製造コストが安く、かつスクリーン上の投影像の劣化や、縦筋の発生のない小型で高性能な投写型画像表示装置が実現している。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明によれば、製造が容易で小型の色合成光学素子を提供し、製造が容易で小型の投写型画像表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の色合成光学素子を用いた投写型画像表示装置の実施形態１の要部概略図
【図２】本発明の色合成光学素子を用いた投写型画像表示装置の実施形態２の要部概略図
【図３】本発明の色合成光学素子を用いた投写型画像表示装置の実施形態３の要部概略図
【図４】図１の色合成光学素子の色分解方向の断面図
【図５】従来の投写型画像表示装置の断面図
【図６】本発明の実施形態２の色合成光学素子の設計例の画像変調手段の長辺方向（色分解方向）と短辺方向の断面図
【図７】従来のクロスダイクロプリズムを用いた色合成光学素子の設計例の長辺方向（色分解方向）と短辺方向の断面図
【図８】従来の３つのプリズムを用いた色合成光学素子の設計例の長辺方向（色分解方向）と短辺方向の断面図
【図９】従来の４つのプリズムを用いた色合成光学素子の設計例の長辺方向（色分解方向）と短辺方向の断面図
【図１０】図１の偏光変換素子の要部断面図
【符号の説明】
２３第１プリズム
２４，３６第２プリズム
２１第３プリズム
２２第４プリズム
３７プリズム
２３Ｂ，２１Ｂダイクロイックミラー層
１光源
２放物面鏡
３第１フライアイレンズ
４第２フライアイレンズ
５偏光変換素子
６第１正レンズ
７，９，１２，１４高反射ミラー
８青反射ダイクロイックミラー
１０緑色光を反射するダイクロイックミラー
１１第４正レンズ
１３第５正レンズ
１５第２正レンズ
１６，１８，２０画像変調手段
１７第３正レンズ
１９第６正レンズ
２５投写レンズ

Claims

３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在することを特徴とする色合成光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であることを特徴とする色合成光学素子。
４つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
光の射出側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、前記第３プリズムと前記第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
４つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
光の射出側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、前記第３プリズムと前記第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も射出側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色合成方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４５＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項の色合成光学素子。
前記射出側のダイクロイックミラー層が形成されている面と前記共通の面とのなす角度θ１は
２０度＜θ１＜３５度
の条件式を満足することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項の色合成光学素子。
前記共通の面と入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面のなす角度θ２は
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項の色合成光学素子。
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項の色合成光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色合成光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も射出側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と射出側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足し、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄ、プリズムの材質のアッベ数をνｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
光の射出側から順に、３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、２面以上備えた第２プリズムと、３面以上備えた第３プリズムと、２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面の一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムが向かい合う面の一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムはそれぞれ頂角が４５度の直角三角柱プリズムより構成され、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色合成光学素子。
請求項１から１６のいずれか１つの色合成光学素子を用いたことを特徴とする投写型画像表示装置。
光源側から順に、該光源からの光を用いて複数の光源像を形成する第１フライアイレンズと、前記複数の光源像それぞれの形成位置を中心とするレンズを複数有する第２フライアイレンズと、該第２フライアイレンズからの出射光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を複数有する偏光変換素子アレイと、前記偏光変換素子アレイからの光を３つのＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解する色分解手段と、該Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を変調する３つの液晶表示素子と、該３つの液晶表示素子からの出力光を合成する色合成手段と、該色合成手段で合成された光を投写する投写手段とを具備した投写型画像表示装置であって、
該色合成手段は、請求項１から１６のいずれか１項に記載の色合成光学素子を有していることを特徴とする投写型画像表示装置。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在することを特徴とする色分解光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であることを特徴とする色分解光学素子。
４つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
光の入射側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、該第３プリズムと該第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
４つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間には複数のプリズムが配置されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
光の入射側から順に、光学的に平滑な面を３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第２プリズムと、光学的に平滑な面を３面以上備えた第３プリズムと、光学的に平滑な面を２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、前記第２プリズムと前記第３プリズムとが接合されており、該第３プリズムと該第４プリズムの向かい合う面が一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を介して接合されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該ダイクロイックミラー層が形成されていない面の断面図の屈曲点の少なくともひとつは、該２つのダイクロイックミラー層が形成されている面の断面図の線分の両端を結んだ線分よりプリズムの内側に存在し、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、全反射面と透過面を兼ねる面である面を備えるプリズムを最も入射側に有し、互いに波長域が異なる光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず、該２つのダイクロイックミラー層の間に配置されるプリズムを色分解方向の平面で切断したとき、断面図外形は４つ以上の線分により形成され、該断面図外形の内角の少なくともひとつは１８０度を超える角度であり、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
前記プリズムの材質のアッベ数νｄは
４５＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする請求項１９から２８のいずれか１項の色分解光学素子。
前記入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面と前記共通の面とのなす角度θ１は
２０度＜θ１＜３５度
の条件式を満足することを特徴とする請求項１９から２９のいずれか１項の色分解光学素子。
前記共通の面と入射側のダイクロイックミラー層が形成されている面のなす角度θ２は
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足することを特徴とする請求項１９から３０のいずれか１項の色分解光学素子。
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率Ｎｄは
１．６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする請求項１９から３１のいずれか１項の色分解光学素子。
３つ以上のプリズムより構成される色分解光学素子であって、該３つのプリズムのうちひとつは全反射面と透過面を兼ねる面であるプリズムを最も入射側に有し、２種類の異なる波長域の色光を反射する２つのダイクロイックミラー層を有し、該２つのダイクロイックミラー層はプリズム内部で交差せず該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ１、該共通の面と入射側のダイクロイックミラー層のなす角度をθ２としたとき、
２０度＜θ１＜３５度
４０度＜θ２＜５０度
の条件式を満足し、前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄ、プリズムの材質のアッベ数をνｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
４０＜νｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
光の入射側から順に、３面以上備え、該３以上の面の中のひとつの面が透過面と全反射面を兼ねる面を備える第１プリズムと、２面以上備えた第２プリズムと、３面以上備えた第３プリズムと、２面以上備えた第４プリズムとを備え、該第１プリズムと該第２プリズムの向かい合う面の一方又は双方に第１の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムが向かい合う面の一方又は双方に第２の色光を反射するダイクロイックミラー層を備え、該第３プリズムと該第４プリズムはそれぞれ頂角が４５度の直角三角柱プリズムより構成されており、
前記プリズムの材質のｄ線における屈折率をＮｄとしたとき、
１．５６＜Ｎｄ
の条件式を満足することを特徴とする色分解光学素子。
請求項１９から３４のいずれか１つの色分解光学素子を用いたことを特徴とする投写型画像表示装置。
光源側から順に、該光源からの光を用いて複数の光源像を形成する第１フライアイレンズと、前記複数の光源像それぞれの形成位置を中心とするレンズを複数有する第２フライアイレンズと、該第２フライアイレンズからの出射光を直線偏光光に変換する偏光変換素子を複数有する偏光変換素子アレイと、前記偏光変換素子アレイからの光を３つのＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分解する色分解手段と、該Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を変調する３つの液晶表示素子と、該３つの液晶表示素子からの出力光を合成する色合成手段と、該色合成手段で合成された光を投写する投写手段とを具備した投写型画像表示装置であって、
該色分解手段は、請求項１９から３５のいずれか１項に記載の色分解光学素子を有していることを特徴とする投写型画像表示装置。