JP6447511B2 - 色分解合成プリズムおよびそれを用いた光学系 - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタが備える色分解合成プリズムに関し、特に、照明用光源としてレーザー光源を用いたプロジェクタに好適な色分解合成プリズムおよびそれを用いた光学系に関する。

従来から、録画装置に内蔵したビデオ映像やパソコンに内蔵した文書や画像などのデジタル情報を投影する装置として、反射型の液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの画像表示素子を用いたプロジェクタが知られている。このプロジェクタは、照明光を放射する照明用光源と、照明用光源からの照明光を画像表示素子に導く照明光学系と、画像表示素子からの投影光を投射レンズに導く投影光学系を有する。

照明用光源から出射された照明光は、照明光学系を介して導光され赤、青、緑の３色の光に分離されて各色に対応する画像表示素子に照射される。画像表示素子に照射された照明光は投影光として画像表示素子から出射され、この投影光を再度合成し投影光学系を介して投射レンズに導きスクリーンに投影する。

また、照明光の分離と投影光の合成を行うために色分解合成プリズムを用いる。すなわち、色分解合成プリズムは、照明光を導く光学系と投影光を導く光学系の両方に用いられる光学部材であって、それぞれが三角柱状のプリズムを複数個組み合わされて構成される。また、光の分離と合成を行うためのダイクロイック膜を所定の面に形成しており、このダイクロイック膜を介して所定波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させることにより、照明光の分離と投影光の合成を行う。

照明用光源としては、従来、高輝度のキセノンランプや高圧水銀ランプなどが用いられている。近年では、発光効率の向上や発光量の増加と共にＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）や半導体レーザーを用いたレーザー光源が実用化されている。特に、青色レーザー光源が開発されて以来、この青色レーザー光源と緑色レーザー光源と赤色レーザー光源との三原色のレーザー光源を用いた照明用光源が開発されている。

そのために、青色と緑色と赤色との三原色のレーザー光源からなる照明用光源と色分解合成プリズムと反射型の画像表示素子を備えた画像投影装置が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、大きなスクリーンに画像を投影できるように、大出力のキセノンランプからなる光源と色分解合成プリズムと反射型の画像表示素子を備えた画像投影装置が既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−１１１８８９号公報 特開２００７−５８１６６号公報

色分解合成プリズムを用いた光学系においては、所定の波長帯の光を確実に反射し、その他の光を確実に透過させることが望まれる。透過させるべき光の一部が反射されると、不要な反射光が結像性能を悪化させるだけでなく、その分が光量ロスとなり照明光の利用効率が低下して問題となる。

また、反射されるべき波長帯の光の一部が透過すると、迷光となって画像劣化の要因となったり、その分が光量ロスとなり照明光の利用効率が低下したりして問題となる。

特許文献１記載の光学系は、画像表示素子からの不要光をダイクロイック膜に入射させずに分離処理させることにより、投影画像のコントラストを向上させている。しかし、ダイクロイック膜を透過する投影光の反射率を低減することにより、不要な反射光に起因する問題を抑制し、光源が放射する光の利用効率を向上させることについては十分検討されていない。

特許文献２記載の光学系は、高出力な光源を用いても投影画像が劣化しないように、ダイクロイック膜中に高熱伝導物質を含有させている。しかし、この特許文献２も光の分離と合成を行う際に、ダイクロイック膜を透過する投影光の反射率を低減することにより、不要な反射光に起因する問題を抑制し、光源が放射する光の利用効率を向上させることについては十分検討されていない。

高出力のレーザー光を用いた場合は、透過域における不要な反射光が結像性能を悪化させて問題となるだけでなく、プリズム光学面以外へ反射して接着剤などに吸収され発熱することにより不要な損傷を発生させる懸念が生じて問題となる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、レーザー光を放射する照明用光源と色分解合成プリズムを備えたプロジェクタにおいて、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制でき、光の利用効率を向上できる色分解合成プリズムおよびそれを用いた光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、青色、緑色、赤色のレーザー光源が発する照明光を画像表示素子に導く照明光学系と、前記画像表示素子からの投影光を投射レンズに導く投影光学系を備えるプロジェクタに装備され、照明光を分離し投影光を合成する機能を有する色分解合成プリズムであって、青色域の第１波長範囲と、緑色域の第２波長範囲と、赤色域の第３波長範囲のうち、第１あるいは第３のいずれかの波長範囲の光を反射し、残りの隣接する二つの波長範囲の光を透過し、所定の入射角度において、その透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜を有することを特徴としている。

上記の構成によると、レーザー光源は所定の波長範囲の光を放射するので、青色域の第１波長範囲と緑色域の第２波長範囲と赤色域の第３波長範囲は、それぞれ特有の波長範囲を有することになる。それ故、所定のダイクロイック膜を透過する隣接する二つの波長範囲の光は、それぞれ特有の波長範囲の光が主であり、二つの波長範囲に挟まれる波長域の光はほとんどないことは明らかである。従って、この範囲全ての波長範囲の反射率を一様に低く抑える必要がなく、それぞれ特有の波長範囲に相当する範囲部分の反射率を低くすることにより、不要な反射光の生成を抑制できる。従って、レーザー光を放射する照明用光源と色分解合成プリズムを備えた光学系において、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制でき、光の利用効率を向上できる色分解合成プリズムを得ることができる。

また本発明は上記構成の色分解合成プリズムにおいて、照明光の中心入射角度と投影光の中心入射角度における前記透過する波長範囲内の波長平均反射率が、ともに０．５％以下であることを特徴としている。この構成によると、ダイクロイック膜を透過する際に、透過光の反射率が０．５％以下であるので、レーザー光源が放射する高出力の光であっても、不要な反射光に起因する問題を抑制できて、光の利用効率を向上できる。

また本発明は上記構成の色分解合成プリズムにおいて、青色域の第１波長範囲が４４０〜４７０ｎｍ、緑色域の第２波長範囲が５２０〜５５０ｎｍ、赤色域の第３波長範囲が６３０〜６６０ｎｍであることを特徴としている。この構成によると、所定の波長範囲で発光する半導体レーザーやＬＥＤなどに加えて、半導体レーザーの出力を非線形結晶を用いて波長変換して得られる各種のレーザー光源を適用できる。

また本発明は、上記構成の色分解合成プリズムを用いた光学系であることを特徴としている。この構成によると、透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜を有する色分解合成プリズムを用いているので、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制でき、光の利用効率を向上できる光学系を得ることができる。

本発明によれば、レーザー光を放射する照明用光源と色分解合成プリズムを備えたプロジェクタにおいて、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制でき、光の利用効率を向上できる色分解合成プリズムおよびそれを用いた光学系を得ることができる。

本発明に係る色分解合成プリズムを用いた光学系の概要を示す概略説明図である。 図１の光学系が備える色分解合成プリズムの垂直断面図である。 青色光を反射するダイクロイック膜の比較例の構成を示す説明図である。 青色光を反射するダイクロイック膜の実施例１の構成を示す説明図である。 青色光を反射するダイクロイック膜の実施例２の構成を示す説明図である。 赤色光を反射するダイクロイック膜の比較例の構成を示す説明図である。 赤色光を反射するダイクロイック膜の実施例１の構成を示す説明図である。 赤色光を反射するダイクロイック膜の実施例２の構成を示す説明図である。 青色光を反射する比較例のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 青色光を反射する比較例のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 青色光を反射する実施例１のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 青色光を反射する実施例１のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 青色光を反射する実施例２のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 青色光を反射する実施例２のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 赤色光を反射する比較例のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 赤色光を反射する比較例のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 赤色光を反射する実施例１のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 赤色光を反射する実施例１のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 赤色光を反射する実施例２のダイクロイック膜の反射率を示す図である。 赤色光を反射する実施例２のダイクロイック膜の反射率を示す図である。

以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。また、同一構成部材については同一の符号を用い、重複する説明は適宜省略する。

本発明に係る色分解合成プリズムおよびこの色分解合成プリズムを用いる光学系は、例えばプロジェクタの光学系であり、プロジェクタに好適に適用される色分解合成プリズムである。また、照明用光源としてレーザー光を用いたプロジェクタに好適に適用されるものである。例えば、図１に示すように、レーザー光を放射する照明用光源１からの照明光Ｉを導く照明光学系ＩＬと、投影光学系用プリズムＰＲと、色分解合成プリズムＤＰと、画像表示素子１３と、画像表示素子１３からの投影光Ｐを投射スクリーンに導く投影光学系ＰＬを備える。

照明用光源１は、例えば、第１波長範囲の青色光を発光する青色レーザー光源２ａと、第２波長範囲の緑色光を発光する緑色レーザー光源２ｂと、第３波長範囲の赤色光を発光する赤色レーザー光源２ｃと、の３原色の半導体レーザーから成るレーザー光源２を有する。また、複数の光源からのレーザー光は、光合成手段２Ｄを介して一本の照明光Ｉに合成される。光合成手段２Ｄは従来公知の装置を用いることができ、例えば、各色光を反射するダイクロイックミラーを組み合わせて用いるとよい。

照明用光源１が放射する照明光Ｉは照明光学系ＩＬを介して投影光学系用プリズムＰＲに入射し、第１の面ＰＲ１ａを介して色分解合成プリズムＤＰに向けて全反射し、色分解合成プリズムＤＰから画像表示素子１３に入射する。また、画像表示素子１３により変調された光は投影光として色分解合成プリズムＤＰに向けて出射し、色分解合成プリズムＤＰと投影光学系用プリズムＰＲを透過して投影光学系ＰＬを介して図示しないスクリーンに投射される。

ここで、照明光学系ＩＬは、例えば、ロッドインテグレータ３と集光レンズ４とリレーレンズ５とを有する。照明用光源１からのレーザー光はロッドインテグレータ３に入射し、内部で内面反射を繰り返して均一な光量分布となって出射して、集光レンズ４とリレーレンズ５を経由して、投影光学系用プリズム（全反射プリズム）ＰＲの入射側に配置されたエントランスレンズ６を介して投影光学系用プリズムＰＲに入射する。

投影光学系用プリズムＰＲは、それぞれ略三角柱状の第１プリズムＰＲ１と第２プリズムＰＲ２とから成っており、照明光Ｉが全反射する第１の面ＰＲ１ａを有する。この第１の面ＰＲ１ａを投影光Ｐは透過する。また、第１の面ＰＲ１ａとエアギャップを介して対向する第２の面ＰＲ２ａを有し、第１の面ＰＲ１ａから出射する投影光Ｐはこの第２の面ＰＲ２ａを透過する。

すなわち、投影光学系用プリズムＰＲは、照明光Ｉが全反射し投影光Ｐが透過する第１の面ＰＲ１ａと、エアギャップを介して投影光Ｐが入射して透過する第２の面ＰＲ２ａを有する。第１の面ＰＲ１ａは照明光Ｉを全反射し投影光Ｐは透過するが、これは、照明光Ｉの第１の面ＰＲ１ａに対する入射角θ１は全反射角度以上に設定し、投影光Ｐの第１の面ＰＲ１ａに対する入射角θ３は全反射角度よりも小さな角度に設定することにより実現できる。

また、第１の面ＰＲ１ａおよび第２の面ＰＲ２ａは投影光Ｐが透過する面であるので、この面に反射防止膜を具備しておれば、投影光Ｐが透過する際に、この面における反射率を低減して、不要な反射光の生成を防止できる。

上記したように、この投影光学系用プリズムＰＲによって画像表示素子１３に対する入力光と出力光との分離が行われる。第１プリズムＰＲ１は、照明光学系ＩＬからの照明光Ｉを第１の面ＰＲ１ａで全反射させ、色分解合成プリズムＤＰに入射させる。

色分解合成プリズムＤＰでは照明光Ｉが赤、緑、青の各色に分解されるとともに、画像表示素子１３で変調された各色光が合成される。

次に図２を用いて色分解合成プリズムＤＰの一例について説明する。色分解合成プリズムＤＰは、略三角柱状の第１プリズムＤＰ１及び第２プリズムＤＰ２、略四角柱状の第３プリズムＤＰ３、略三角柱状のクリアプリズムＤＰ４が組み合わされている。第１プリズムＤＰ１の、第２プリズムＤＰ２と対向する面がダイクロイック面として機能し、この面に赤色光を反射するダイクロイック膜Ｒが形成されている。なお、第１プリズムＤＰ１と第２プリズムＤＰ２との間にはエアギャップが設けられている。そしてまた、第２プリズムＤＰ２の、第３プリズムＤＰ３と対向する面がダイクロイック面として機能し、この面に青色光を反射するダイクロイック膜Ｂが設けられている。

第２プリズムＤＰ１と第３プリズムＤＰ３との間にもエアギャップが設けられている。なお、ダイクロイック膜Ｒとダイクロイック膜Ｂの形成位置は逆であっても構わない。また本実施形態では、色分解合成プリズムＤＰにクリアプリズムＤＰ４を用いているが、クリアプリズムＤＰ４は特に用いなくても構わない。

クリアプリズムＤＰ４の上面である入出射面ＤＰａより入射した照明光Ｉは、ダイクロイック膜Ｒで赤色光が反射し、他の青色光及び緑色光は透過する。ダイクロイック膜Ｒで反射した赤色光は、第１プリズムＤＰ１の側面ＤＰ１ｂで全反射して、第１プリズムＤＰ１の入出射面ＤＰ１ａより出射して赤用の画像表示素子１１を照明する。なお、画像表示素子としてＤＭＤの他、反射型の液晶表示装置を用いても構わない。

一方、ダイクロイック膜Ｒを透過した青色光と緑色光のうち、青色光は第２プリズムＤＰ２のダイクロイック膜Ｂで反射し、緑色光は透過する。ダイクロイック膜Ｂで反射した青色光は、第２プリズムＤＰ２の側面ＤＰ２ｂで全反射され、第２プリズムＤＰ２の入出射面ＤＰ２ａより出射して青用の画像表示素子（ＤＭＤ）１２を照明する。ダイクロイック膜Ｂを透過した緑色光は、第３プリズムＤＰ３の入出射面ＤＰ３ａより出射して緑用の画像表示素子（ＤＭＤ）１３を照明する。

画像表示素子としてＤＭＤを用いた場合には、ＤＭＤ各画素のマイクロミラー（不図示）は±１２°に傾斜し、照明光Ｉの光軸側に１２°傾いた状態では、入射角θ２＝２４°で入射する照明光をＤＭＤに垂直な方向（投影光Ｐの光軸方向）に投影光（ＯＮ光）として出射させる。他方、照明光Ｉの光軸側とは逆方向に１２°傾いた状態では、照明光を出射角４８°でＯＦＦ光として出射させる。これによって光変調が行われる。

次に、各画像表示素子（ＤＭＤ）からの投影光の光路、すなわち光の合成について説明する。赤用画像表示素子１１で反射した赤色の投影光は、第１プリズムＤＰ１の入出射面ＤＰ１ａに入射して、第１プリズムＤＰ１の側面ＤＰ１ｂで全反射した後、さらにダイクロイック膜Ｒで反射する。また、青用の画像表示素子１２で反射された青色の投影光は、第２プリズムＤＰ２の入出射面ＤＰ２ａに入射して、第２プリズムＤＰ２の側面ＤＰ２ｂで全反射した後、ダイクロイック膜Ｂでさらに反射する。そして更に、第１プリズムＤＰ１のダイクロイック膜Ｒを透過する。一方、緑用の画像表示素子１３で反射した緑色の投影光は、第３プリズムＤＰ３の入出射面ＤＰ３ａに入射して、ダイクロイック膜Ｂ及びダイクロイック膜Ｒを透過する。

そして、これら赤色および青色、緑色の各投影光は、同一光軸の投影光Ｐに合成され、クリアプリズムＤＰ４の入出射面ＤＰａから出射して、投影光学系用プリズムＰＲに入射する。続いて、この合成された投影光Ｐは、投影光学系用プリズムＰＲの各プリズムの全反射条件を満たさないので、投影光学系用プリズムＰＲ及びエアギャップを透過し、複数のレンズ等から成る投影光学系ＰＬによって、図示しないスクリーンに投影される。ここで、投影光学系ＰＬのレンズ等は、図示を省略している。

上記したように、ダイクロイック膜Ｂとダイクロイック膜Ｒは、青色域の第１波長範囲と、緑色域の第２波長範囲と、赤色域の第３波長範囲のうち、第１あるいは第３のいずれかの波長範囲の光を反射し、残りの隣接する二つの波長範囲の光を透過する。そこで本実施形態においては、所定の入射角度において、その透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜Ｂ、Ｒとしている。

レーザー光源は所定の波長範囲の光を放射するので、青色域の第１波長範囲と緑色域の第２波長範囲と赤色域の第３波長範囲は、それぞれ特有の波長範囲を有することになる。それ故、ダイクロイック膜Ｂ、Ｒを透過する隣接する二つの波長範囲の光は、それぞれ特有の波長範囲の光が主であり、これらの二つの波長範囲に挟まれる波長域の光はほとんどないことは明らかである。従って、二つの波長範囲全ての光の反射率を一様に低く抑える必要がなく、それぞれ特有の波長範囲に相当する光の反射率を低くすることにより、不要な反射光の生成を抑制できる。従って、レーザー光源を用いた照明用光源１と色分解合成プリズムＤＰを備えた光学系において、レーザー光源が放射する高出力の光であっても、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制できて、光の利用効率を向上できる色分解合成プリズムＤＰを得ることができる。

また、照明光Ｉの中心入射角度と投影光Ｐの中心入射角度における透過する波長範囲内の波長平均反射率が、ともに０．５％以下であることが好ましい。この構成であれば、ダイクロイック膜Ｂ、Ｒを透過する際に、透過光の反射率を十分低く抑えることができるので、レーザー光源が放射する光の利用効率を十分向上させることができる。

ダイクロイック膜Ｂ、Ｒは、誘電体薄膜を複数層積層した誘電体多層膜から成る。この誘電体多層膜の形成方法は、真空蒸着法やＩＡＤ（Ion Assisted Deposition）法、ＩＰ（Ion Plating）法、スパッタリング法など従来公知の方法を用いることができる。従来から在る通常のダイクロイック膜は、透過する波長範囲内の全ての光に対する波長平均反射率を低減することを目指した誘電体多層膜から構成される。しかしながら、レーザー光源を照明用光源１として採用する場合には、所定波長帯の波長平均反射率を主に低減する構成であればよい。

例えば、照明用光源１が放射するレーザー光は、青色域の第１波長範囲が４４０〜４７０ｎｍ、緑色域の第２波長範囲が５２０〜５５０ｎｍ、赤色域の第３波長範囲が６３０〜６６０ｎｍであることが好ましい。この構成であれば、所定の波長範囲で発光する半導体レーザーやＬＥＤなどに加えて、半導体レーザーの出力を非線形結晶を用いて波長変換して得られる各種のレーザー光源を適用できるからである。

例えば、青色レーザー光源としては、青色半導体レーザーの４４５ｎｍ付近や、９３０ｎｍ半導体レーザーを非線形性結晶により波長変換した４６５ｎｍを用い、緑色においては、緑色半導体レーザーの５２５ｎｍ付近や５４５ｎｍ付近、１０６４ｎｍレーザー光を非線形性結晶により波長変換した５３２ｎｍを用い、赤色においては、赤色半導体レーザーの６３０〜６６０ｎｍ付近の波長帯を用いることが多いためである。

そこで、本実施形態では、第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍの赤色光を反射し第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍと第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍの光を透過すると共にこの波長帯の光に対する反射率を好適に低減できるダイクロイック膜Ｒ、および、第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍの青色光を反射し第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍと第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍの光を透過すると共にこの波長帯の光に対する反射率を好適に低減できるダイクロイック膜Ｂを適用している。

次に、青色光を反射するダイクロイック膜Ｂ（ＢＬＵＥダイクロ）の比較例と実施例、および、赤色光を反射するダイクロイック膜Ｒ（ＲＥＤダイクロ）の比較例と実施例について順に説明する。この反射膜の成膜工程は、基板ガラスとしてＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７を用い、１５０℃加熱下におけるＩＡＤ法により成膜している。

〈ＢＬＵＥダイクロ比較例〉
まず、青色光を反射する３０層の誘電体多層膜から成る従来構成のダイクロイック膜（ＢＬＵＥダイクロ）について図３Ａ、図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図３Ａにはダイクロイック膜の構成を示し、図５Ａ、図５Ｂにダイクロイック膜の反射率を示す。

図３Ａに示すように、比較例のダイクロイック膜（ＢＬＵＥダイクロ）は、基板ガラスの上の第１、３、〜２９の各奇数層に屈折率が２．４１のＴｉＯ₂を積層し、第２、４〜２８の各偶数層に屈折率が１．７４のＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃の混合膜を積層し、第３０層として屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している。

基板ガラスは従来公知のＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７であって、屈折率は１．５２である。また、図３Ａには、各層の膜厚ｄ（ｎｍ）を示している。

また、このダイクロイック膜における反射率の計測は、照明光に対しては入射角３９°（中心入射角度）にて行い、投影光に対しては入射角２８°（中心入射角度）にて行った。その結果を図５Ａ、図５Ｂに示す。図５Ａは横軸に４００〜７５０ｎｍの波長領域を示し、縦軸に反射率０〜１００％を示し、図５Ｂは縦軸に反射率０〜５％を示す。すなわち、図５Ｂは反射率の変化度合を拡大表示したものである。

図３Ａのダイクロイック膜の反射率（照明光入射角３９°、投影光入射角２８°の光に対する）は図５Ａでは、５００〜７５０ｎｍの範囲において略０％のように見えるが、図５Ｂの拡大表示によれば、５００〜７００ｎｍの範囲では０〜１％の範囲を変動しており、７００〜７５０ｎｍの範囲では３％程度まで上昇していることが判る。

例えば、このダイクロイック膜をレーザー光に適用すると、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対しては１％程度、第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍに対しては０．５〜１．０％程度の反射率を呈することが想定される。

〈ＲＥＤダイクロ比較例〉
次に、赤色光を反射する２７層の誘電体多層膜から成る従来構成のダイクロイック膜（ＲＥＤダイクロ）について図４Ａ、図８Ａ、図８Ｂを用いて説明する。従来構成の比較例は図４Ａに示すように、基板ガラスの上の第１、３、〜２５の各奇数層に屈折率が１．６６のＡｌ₂Ｏ₃を積層し、第２、４〜２６の各偶数層に屈折率が２．２３のＮｂ₂Ｏ₅を積層し、第２７層として屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している。

基板ガラスは従来公知のＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７であって、屈折率は１．５２である。また、図４Ａには、各層の膜厚ｄ（ｎｍ）を示している。

また、このダイクロイック膜における反射率の計測は、照明光に対しては入射角３９°にて行い、投影光に対しては入射角２８°にて行った。その結果を図８Ａ、図８Ｂに示す。図８Ａは横軸に４００〜７５０ｎｍの波長領域を示し、縦軸に反射率０〜１００％を示し、図８Ｂは縦軸に反射率０〜５％を示す。すなわち、図８Ｂは反射率の変化度合を拡大表示したものである。

図４Ａのダイクロイック膜の反射率（照明光入射角３９°、投影光入射角２８°の光に対する）は図８Ａでは、４００〜５６０ｎｍの範囲において略０％のように見えるが、図８Ｂの拡大表示によれば、４００〜５００ｎｍの範囲では０〜０．５％の範囲を変動しており、５００〜５６０ｎｍの範囲では１％程度まで上昇していることが判る。

例えば、このダイクロイック膜をレーザー光に適用すると、第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍに対しては０．５％程度、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対しては１％程度の反射率を呈することが想定される。

そこで、このようなレーザー光の波長範囲において反射率をさらに低減できるダイクロイック膜の作製を検討した結果、図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃに示す誘電体多層膜を用いることで良好な反射率低減効果を得られることが判った。

〈ＢＬＵＥダイクロ実施例１〉
図３Ｂ、図６Ａ、図６Ｂを用いて本実施形態に係るダイクロイック膜（本発明に係るダイクロイック膜Ｂに相当）について説明する。図３Ｂにはダイクロイック膜の構成を示し、図６Ａ、図６Ｂにダイクロイック膜の反射率を示す。

図３Ｂに示すように、本実施形態に係るダイクロイック膜（ＢＬＵＥダイクロ実施例１）は、先に示した比較例と同様に、基板ガラスの上の第１、３、〜２９の各奇数層に屈折率が２．４１のＴｉＯ₂を積層し、第２、４〜２８の各偶数層に屈折率が１．７４のＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃の混合膜を積層し、第３０層として屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している。

ただし、比較例とは各層の膜厚ｄ（ｎｍ）が異なる。基板ガラスは従来公知のＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７であって、屈折率は１．５２である。

このＢＬＵＥダイクロ実施例１のダイクロイック膜における反射率を計測した結果を図６Ａ、図６Ｂに示す。図６Ａは横軸に４００〜７５０ｎｍの波長領域を示し、縦軸に反射率０〜１００％を示し、図６Ｂは縦軸に反射率０〜５％を示す。すなわち、図６Ｂは反射率の変化度合を拡大表示したものである。

図３Ｂのダイクロイック膜の反射率（照明光入射角３９°、投影光入射角２８°の光に対する）は図６Ａでは、５２０〜５５０ｎｍ、６２０〜６６０ｎｍの範囲において略０％のように見えるが、図６Ｂの拡大表示によれば、５２０〜５５０ｎｍ、６２０〜６６０ｎｍの範囲では０〜０．３％の範囲を変動しており、５６０〜６２０ｎｍの範囲では３％程度まで上昇していることが判る。

例えば、このダイクロイック膜をレーザー光に適用すると、反射すべき第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍでは略１００％反射し、透過すべき第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対しては０．３％程度、第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍに対しても０．３％程度の反射率を呈することが想定される。

本実施形態に係るＢＬＵＥダイクロ実施例１のダイクロイック膜は、５６０〜６２０ｎｍの範囲では反射率は高くなっているが、この波長領域はレーザー光の波長領域には該当しないので問題とはならず、所定の第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍ、第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍに対して０．５％以下の良好な反射率低減効果を発揮可能になることが明らかになった。

〈ＢＬＵＥダイクロ実施例２〉
次に、図３Ｃ、図７Ａ、図７Ｂを用いて本実施形態に係るダイクロイック膜（本発明に係るダイクロイック膜Ｂに相当）について説明する。図３Ｃにはダイクロイック膜の構成を示し、図７Ａ、図７Ｂにダイクロイック膜の反射率を示す。

図３Ｃに示すように、本実施形態に係るダイクロイック膜（ＢＬＵＥダイクロ実施例２）は、先に示した比較例と同様に、基板ガラスの上の第１、３、〜２９の各奇数層に屈折率が２．４１のＴｉＯ₂を積層している。ただし、第２、４〜３０の各偶数層に屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している点が異なる。

また、各層の膜厚ｄ（ｎｍ）も異なる。基板ガラスは従来公知のＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７であって、屈折率は１．５２である。

このＢＬＵＥダイクロ実施例２のダイクロイック膜における反射率を計測した結果を図７Ａ、図７Ｂに示す。図７Ａは横軸に４００〜７５０ｎｍの波長領域を示し、縦軸に反射率０〜１００％を示し、図７Ｂは縦軸に反射率０〜５％を示す。すなわち、図７Ｂは反射率の変化度合を拡大表示したものである。

図３Ｃのダイクロイック膜の反射率（照明光入射角３９°、投影光入射角２８°の光に対する）は図７Ａでは、５２０〜５５０ｎｍ、６２０〜７００ｎｍの範囲において略０％のように見えるが、図７Ｂの拡大表示によれば、５２０〜５５０ｎｍ、６２０〜７００ｎｍの範囲では０〜０．３％の範囲を変動しており、５５０〜６２０ｎｍの範囲では４％程度まで上昇していることが判る。

例えば、このダイクロイック膜をレーザー光に適用すると、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対しては０．３％程度、第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍに対しても０．３％程度の反射率を呈することが想定される。

すなわち、本実施形態に係るＢＬＵＥダイクロ実施例２のダイクロイック膜は、５５０〜６２０ｎｍの範囲では反射率は高くなっているが、この波長領域はレーザー光の波長領域には該当しないので問題とはならず、所定の第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍ、第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍに対して良好な反射率低減効果を発揮可能になることが明らかになった。

また、その反射率低減効果は、照明光の中心入射角度と投影光の中心入射角度における透過する波長範囲内の波長平均反射率が、ともに０．５％以下であることが判る。この構成であれば、ダイクロイック膜を透過する際に、透過光の反射率が０．５％以下であるので、レーザー光源が放射する高出力の光であっても、不要な反射光に起因する問題を抑制できて、光の利用効率を向上できる。

〈ＲＥＤダイクロ実施例１〉
次に、図４Ｂ、図９Ａ、図９Ｂを用いて本実施形態に係るダイクロイック膜（本発明に係るダイクロイック膜Ｒに相当）について説明する。図４Ｂにはダイクロイック膜の構成を示し、図９Ａ、図９Ｂにダイクロイック膜の反射率を示す。

図４Ｂに示すように、本実施形態に係るダイクロイック膜（ＲＥＤダイクロ実施例１）は、先に示した比較例と同様に、基板ガラスの上の第１、３、〜２５の各奇数層に屈折率が１．６６のＡｌ₂Ｏ₃を積層し、第２、４〜２６の各偶数層に屈折率が２．２３のＮｂ₂Ｏ₅を積層し、第２７層として屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している。

ただし、各層の膜厚ｄ（ｎｍ）が異なる。基板ガラスは従来公知のＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７であって、屈折率は１．５２である。

このＲＥＤダイクロ実施例１のダイクロイック膜における反射率を計測した結果を図９Ａ、図９Ｂに示す。図９Ａは横軸に４００〜７５０ｎｍの波長領域を示し、縦軸に反射率０〜１００％を示し、図９Ｂは縦軸に反射率０〜５％を示す。すなわち、図９Ｂは反射率の変化度合を拡大表示したものである。

図４Ｂのダイクロイック膜の反射率（照明光入射角３９°、投影光入射角２８°の光に対する）は図９Ａでは、４４０〜５５０ｎｍの範囲において略０％のように見えるが、図９Ｂの拡大表示によれば、４３０〜４７０ｎｍ、５２０〜５５０ｎｍの範囲では０〜０．３％の範囲を変動しており、４７０〜５２０ｎｍの範囲では１％程度まで上昇していることが判る。

例えば、このダイクロイック膜をレーザー光に適用すると、第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍに対しては０．３％程度、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対しても０．３％程度の反射率を呈することが想定される。

すなわち、本実施形態に係るＲＥＤダイクロ実施例１のダイクロイック膜は、４７０〜５２０ｎｍの範囲では反射率は高くなっているが、この波長領域はレーザー光の波長領域から外れているので問題とはならず、所定の第１波長範囲４７０〜５２０ｎｍ、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対して０．５％以下の良好な反射率低減効果を発揮可能になることが明らかになった。

〈ＲＥＤダイクロ実施例２〉
次に、図４Ｃ、図１０Ａ、図１０Ｂを用いて本実施形態に係るダイクロイック膜（本発明に係るダイクロイック膜Ｒに相当）について説明する。図４Ｃにはダイクロイック膜の構成を示し、図１０Ａ、図１０Ｂにダイクロイック膜の反射率を示す。

図４Ｃに示すように、本実施形態に係るダイクロイック膜（ＲＥＤダイクロ実施例２）は、先に示した比較例と同様に、基板ガラスの上の第２、４〜２６の各偶数層に屈折率が２．２３のＮｂ₂Ｏ₅を積層しており、最外層の第２７層に屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している。ただし、第１、３、〜２５の各奇数層に屈折率が１．４７のＳｉＯ₂を積層している点が異なる。

また、各層の膜厚ｄ（ｎｍ）も異なる。基板ガラスは従来公知のＳｃｈｏｔｔ社製ＢＫ７であって、屈折率は１．５２である。

このＲＥＤダイクロ実施例２のダイクロイック膜における反射率を計測した結果を図１０Ａ、図１０Ｂに示す。図１０Ａは横軸に４００〜７５０ｎｍの波長領域を示し、縦軸に反射率０〜１００％を示し、図１０Ｂは縦軸に反射率０〜５％を示す。すなわち、図１０Ｂは反射率の変化度合を拡大表示したものである。

図４Ｃのダイクロイック膜の反射率（照明光入射角３９°、投影光入射角２８°の光に対する）は図１０Ａでは、４４０〜５５０ｎｍの範囲において略０％のように見えるが、図１０Ｂの拡大表示によれば、４４０〜４７０ｎｍ、５２０〜５５０ｎｍの範囲では０〜０．３％の範囲を変動しており、４７０〜５２０ｎｍの範囲では４％程度まで上昇していることが判る。

例えば、このダイクロイック膜をレーザー光に適用すると、第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍに対しては０．３％程度、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対しても０．３％程度の反射率を呈することが想定される。

すなわち、本実施形態に係るＲＥＤダイクロ実施例２のダイクロイック膜は、４７０〜５２０ｎｍの範囲では反射率は高くなっているが、この波長領域はレーザー光の波長領域から外れているので問題とはならず、所定の第１波長範囲４４０〜４７０ｎｍ、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍに対して０．５％以下の良好な反射率低減効果を発揮可能になることが明らかになった。

上記したように、本実施形態に係る色分解合成プリズムＤＰは、青色、緑色、赤色のレーザー光源が発する照明光を画像表示素子に導く照明光学系と、画像表示素子からの投影光を投射レンズに導く投影光学系を備えるプロジェクタに装備され、照明光を分離し投影光を合成する機能を有する。また、青色域の第１波長範囲と、緑色域の第２波長範囲と、赤色域の第３波長範囲のうち、第１あるいは第３のいずれかの波長範囲の光を反射し、残りの隣接する二つの波長範囲の光を透過し、所定の入射角度において、その透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜を有することを特徴とする。

例えば、ＢＬＵＥダイクロ実施例１は、第２波長範囲と第３波長範囲を含む５２０〜６６０ｎｍの波長域において、第２波長範囲５２０〜５５０ｎｍと第３波長範囲６３０〜６６０ｎｍに対しては０．３％程度の反射率を呈しているが、５６０〜６２０ｎｍの範囲では３％程度まで上昇しているので、第１の波長範囲の光を反射し、残りの隣接する二つの波長範囲の光を透過する面に、所定の入射角度において、その透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜を有すると言える。

従って、本実施形態に係るダイクロイック膜Ｂ、Ｒは、第２の波長範囲と、第１或いは第３のいずれかの波長範囲との２色の波長域を透過させなければならない第１プリズムＤＰ１において特に有効なものである。もちろん、第２プリズムＤＰ２に対しても有効であることに変わりはない。

ＢＬＵＥダイクロ比較例とＢＬＵＥダイクロ実施例１、実施例２の反射率比較結果を表１に示し、ＲＥＤダイクロ比較例とＲＥＤダイクロ実施例１、実施例２の反射率比較結果を表２に示す。反射率は照明光に対する反射率（入射角３９°）と投影光に対する反射率（入射角２８°）をそれぞれ計測したものである。

表１に示すように、青色光を反射するダイクロイック膜（本発明に係るダイクロイック膜Ｂに相当）を比較すると、透過域５２０〜５５０ｎｍにおける照明光の反射率（波長平均反射率）は、比較例では０．６７％であるが、実施例１では０．２６％であり実施例２では０．１９％と反射率低減効果を発揮している。ただし、所定の波長領域を外れた５５０〜６３０ｎｍにおいては、比較例では０．４９％であるが、実施例１は１．２２％で実施例２は１．６７％と悪化している。

ただし、所定の波長領域を外れた５５０〜６３０ｎｍ波長帯はレーザー光源が放射するレーザー光の所定波長領域から外れているので、問題とはならない。

同様に、透過域５２０〜５５０ｎｍにおける投影光の反射率（波長平均反射率）は、比較例では０．６６％であるが、実施例１では０．１０％であり実施例２では０．１４％と反射率低減効果を発揮している。また、透過域６３０〜６６０ｎｍにおける照明光の反射率は、比較例では０．５５％であるが、実施例１では０．２１％であり実施例２では０．２２％であり、透過域６３０〜６６０ｎｍにおける投影光の反射率は、比較例では０．３１％であるが、実施例１では０．０６％であり実施例２では０．０７％と反射率低減効果を発揮していることが判る。

また、表２からは、赤色光を反射するダイクロイック膜（本発明に係るダイクロイック膜Ｒに相当）について、透過域４４０〜４７０ｎｍにおける照明光の反射率（波長平均反射率）は、比較例では０．４１％であるが、実施例１では０．２５％であり実施例２では０．３１％であり、透過域５２０〜５５０ｎｍにおける照明光の反射率は、比較例では０．６７％であるが、実施例１では０．２６％であり実施例２では０．２７％と反射率低減効果を発揮していることが判る。

また、投影光に関しては、透過域４４０〜４７０ｎｍにおいて、比較例では０．１８％であるが、実施例１では０．０８％であり実施例２では０．１４％であり、透過域５２０〜５５０ｎｍにおいては、比較例では０．２４％であるが、実施例１では０．０８％であり実施例２では０．１２％となっている。

上記したように、本実施形態によれば、従来例に比べ各色のレーザー波長域において十分に低い反射率が得られている。従って、不要な反射光に起因する、光学部品や接着剤の損傷、および、迷光による画像劣化などの問題を抑制できる。なお、入射角度については、低角側（２８°）、高角側（３９°）ともに、±１０°まで、該当する波長域において従来のダイクロイック膜よりも不要光の低減効果が得られることが判った。

また、それぞれの反射域においては９９．８％以上の高い反射率を発揮しており、所定の波長帯の光を確実に反射し、その他の光を良好に透光させていることが判る。従って、本実施形態に係るダイクロイック膜Ｂ、Ｒを具備した色分解合成プリズムＤＰは、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制できて、光の利用効率を向上できる色分解合成プリズムとなる。

また、この色分解合成プリズムＤＰを用いた光学系であれば、透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜を有する色分解合成プリズムＤＰを用いているので、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制できて、光の利用効率を向上できる光学系を得ることができる。

上記したように、本発明によれば、レーザー光を放射する照明用光源と色分解合成プリズムを備えたプロジェクタにおいて、レーザー光源が放射する高出力の光であっても、プリズムを透過する光の反射を低減して不要な反射光に起因する問題を抑制できて、光の利用効率を向上できる色分解合成プリズムおよびそれを用いた光学系を得ることができる。

そのために、本発明に係る色分解合成プリズムおよびそれを用いた光学系は、大きなスクリーンに画像を表示するために高出力のレーザー光を用いることが求められる大型のプロジェクタなどに好適に適用することができる。

１ 照明用光源
２ レーザー光源
ＩＬ 照明光学系
ＰＬ 投影光学系
ＰＲ 投影光学系用プリズム
ＰＲ１ 第１プリズム
ＰＲ２ 第２プリズム
ＤＰ 色分解合成プリズム
ＤＰ１ 第１プリズム
ＤＰ２ 第２プリズム
Ｂ ダイクロイック膜（ＢＬＵＥダイクロ）
Ｒ ダイクロイック膜（ＲＥＤダイクロ）
Ｉ 照明光
Ｐ 投影光

Claims (3)

1. 青色、緑色、赤色のレーザー光源が発する照明光を画像表示素子に導く照明光学系と、前記画像表示素子からの投影光を投射レンズに導く投影光学系を備えるプロジェクタに装備され、照明光を分離し投影光を合成する機能を有する色分解合成プリズムであって、
   青色域の第１波長範囲と、緑色域の第２波長範囲と、赤色域の第３波長範囲のうち、第１あるいは第３のいずれかの波長範囲の光を反射し、残りの隣接する二つの波長範囲の光を透過し、所定の入射角度において、その透過する二つの波長範囲内の平均反射率が、二つの波長範囲に挟まれる波長域の波長平均反射率よりも低いダイクロイック膜を有し、
   青色域の第１波長範囲が４４０〜４７０ｎｍ、緑色域の第２波長範囲が５２０〜５５０ｎｍ、赤色域の第３波長範囲が６３０〜６６０ｎｍであることを特徴とする色分解合成プリズム。
2. 照明光の中心入射角度と投影光の中心入射角度における前記透過する波長範囲内の波長平均反射率が、ともに０．５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の色分解合成プリズム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の色分解合成プリズムを用いたことを特徴とする光学系。

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