JPH1097012A

JPH1097012A - 色合成光学装置および投写型表示装置

Info

Publication number: JPH1097012A
Application number: JP8249490A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Miyatake; 義人宮武
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】３つの色光を効率良く合成し、コンパクトで
安価な色合成光学装置を提供する。【解決手段】色合成光学装置は、第１のダイクロイッ
クミラーと、第２のダイクロイックミラーと、入射角選
択性ミラーとで構成される。入射角選択性ミラーは、ガ
ラス基板の一方の面に垂直入射光は透過させ、斜め入射
光は反射させる光学多層膜を着けたものである。第１の
色光と第２の色光は第１のダイクロイックミラーで合成
され、２色合成光となって出射する。第３の色光は入射
角選択性ミラーに斜めに入射して反射され、その反射光
と２色合成光は第２のダイクロイックミラーで合成さ
れ、３色合成光となって出射する。３色合成光は、入射
角選択性ミラーを垂直に透過する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３つの原色光を１
つの光に合成する色合成光学装置、その色合成光学系を
用いた投写型表示装置、１つの光を３つの原色光に分解
する色分解光学系、およびその色分解光学装置を用いた
撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大画面映像を得るために、ライトバルブ
に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を
照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する
方法が従来よりよく知られている。最近では、ライトバ
ルブとして液晶パネルを用いる投写型表示装置が注目さ
れ、ツイストネマッティック（ＴＮ）液晶の旋光性が電
界により変化する現象を用いた投写型表示装置は既に商
品化されている。

【０００３】ところで、ＴＮ液晶パネルは、入射側と出
射側に偏光板を必要とし、入射側偏光板で入射光のうち
の約半分の光を捨ててしまうために、光利用効率が低い
という問題を抱えている。この問題を解決できる可能性
のある液晶パネルとして高分子分散液晶パネルが提案さ
れている（例えば、特開平１−２６１６２０号公報）。

【０００４】高分子分散液晶パネルの基本構成と動作の
モデルを図１２ａ，図１２ｂに示す。ガラス基板１，２
の間に高分子分散液晶３が挟持されている。２つのガラ
ス基板１，２の内側の面にはそれぞれ透明電極４，５が
設けられている。高分子分散液晶３は水滴状の液晶７が
高分子樹脂材料８中に分散した構造となっている。液晶
７の常光線屈折率と高分子樹脂材料８の屈折率とはほぼ
等しい。液晶層３に電圧を印加しない場合、図１２ａに
示すように、液晶分子９はランダムな方向に向く。液晶
層３に垂直に入射する光線１０に対して液晶７と高分子
樹脂材料８との境界面で屈折率差を生じるので、光線１
０は屈折率差を有する境界面で屈折を繰り返し、散乱光
となって出射する。液晶層３に十分な電圧を印加する
と、図１２ｂに示すように、液晶分子９はガラス基板
１，２と垂直な方向に向き、入射光線１０に対して液晶
７と高分子材料８の屈折率が等しくなるため、入射光１
０は散乱されることなく直進して出射する。

【０００５】高分子分散液晶パネルを用いた投写型表示
装置の構成例を図１３に示す。ランプ１１から出た光
は、凹面鏡１２により集光されて液晶パネル１３に入射
する。液晶パネル１３の表示領域全体に十分な電圧が印
加された場合に、凹面鏡１２から出て液晶パネル１３に
入射した光がすべて投写レンズ１４に入射するようにし
てある。液晶パネル１３は高分子分散液晶パネルであ
り、ガラス基板１５，１６により高分子分散液晶１７が
挟持されている。一方のガラス基板１６の液晶層１７側
の面にはマトリックス状の画素電極が設けられ、他方の
ガラス基板１５には共通電極が設けられており、高分子
分散液晶パネル１３に映像信号に応じて散乱状態の変化
として光学像を形成することができる。十分な電圧を印
加された画素から出る光はすべて投写レンズ１４に入射
してスクリーン１８上に到達するので、スクリーン１８
上の対応する位置には明るい画素が表示される。電圧が
印加されない画素からは散乱光が出射し、その一部の光
だけが投写レンズ１４に入射するのでスクリーン１８上
の対応する位置には暗い画素が表示される。このように
して、液晶パネル１３上に散乱状態の変化として形成さ
れた光学像は、投写レンズ１４によりスクリーン１８上
に拡大投写される。

【０００６】光出力と解像度を有利にするには、液晶パ
ネルを赤用、緑用、青用と３枚用いると良い。エネルギ
ー効率を高くし、低コストにするために、ランプは１本
とし、投写レンズとスクリーンの位置関係を変えてもコ
ンバージェンスずれを発生させないために、投写レンズ
は１本とするのが良い。この場合、ランプから出射する
光を赤、緑、青の３つの原色光に分解するための色分解
光学装置と、３つのライトバルブから出射する光を１つ
の光に合成するための色合成光学装置が必要である。色
分解光学系と色合成光学系は、効率を高くするために、
ダイックロイックミラーを用いて構成すると良い。

【０００７】高分子分散液晶パネルを３枚用いる投写型
表示装置の構成例を図１４に示す。ランプ２１、凹面鏡
２２、フィルタ２３、コールドミラー２４、第１リレー
レンズ２５、第２リレーレンズ２６で光源が構成されて
いる。ランプ２１は、赤、緑、青の三原色を含む光を放
射し、その光は凹面鏡２２により第１リレーレンズ２５
に集光するようにしている。途中には、赤外光と紫外光
とを反射させ、可視光を透過させるフィルタ２３と、可
視光を反射し、赤外光を透過させるコールドミラー２４
が配置されている。

【０００８】第１リレーレンズ２５から出射した光は、
第２リレーレンズ２６により拡がり角の小さい光に変換
され、２枚のダイクロイックミラー２７，２８と平面ミ
ラー２９で構成される色分解光学装置に入射し、赤、
緑、青の３つの原色光に分解される。各原色光はそれぞ
れフィールドレンズ３０，３１，３２を透過して、液晶
パネル３３，３４，３５に入射する。各液晶パネル３
３，３４，３５は光散乱状態の変化として光学像を形成
し、各液晶パネル３３，３４，３５からの出射光は２枚
のダイクロイックミラー３６，３７と平面ミラー３８で
構成される色合成光学装置に入射し、１つの光に合成さ
れ、投写レンズ３９に入射する。こうして、３つの液晶
パネルに形成された光学像は投写レンズ３９によりスク
リーン上に拡大投写される。

【０００９】図１３に示した色合成光学系の他に、接合
面がＸ字状となるように４個の直角プリズムを貼り合わ
せ、接合面にダイクロイック多層膜を設けた色合成光学
装置が知られている。また、３つの撮像素子を用いたビ
デオカメラでは、撮像レンズから出射する光を３つの原
色光に分解するために、３個の三角プリズムを組み合わ
せ、プリズムにダイクロイック多層膜を蒸着ミラーした
色分解プリズムが用いられている（例えば、特公昭３８
−２３７２４号公報、特開昭５０−１５９６１８号公
報）。この色分解プリズムも色合成光学装置として利用
できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ダイクロイックミラー
には、分光透過率特性がＳ偏光とＰ偏光とで異なり、分
光透過率特性のカットオフ波長（透過率が５０％となる
波長）が入射角により変化するという性質がある。偏光
状態を変調する方式のライトバルブを用いる場合には、
ライトバルブから直線偏光が出射するので、色合成ダイ
クロイックミラーにＳ偏光またはＰ偏光の一方のみを入
射させることができ、ＰＳ差による効率低下の問題は生
じない。しかし、高分子分散液晶を用いたライトバルブ
を用いる場合には、ライトバルブから自然光が出射し、
色合成ダイクロイックミラーにＳ偏光とＰ偏光の両方が
入射するので、分光透過率特性のＰＳ差が大きい場合に
は色合成光学装置の効率が低くなる。高分子分散液晶を
用いる投写型表示装置は、偏光板を用いる投写型表示装
置に比べて装置全体の効率が高いとされているが、色分
解光学系と色合成光学系の総合効率が低い場合には、装
置全体のエネルギー効率が低くなってしまうという問題
がある。

【００１１】ダイクロイックミラーには、平板型とプリ
ズム型がある。プリズム型ダイクロイックミラーは平板
型ダイクロイックミラーに比べて、入射角依存性が大き
く、高価である。そこで、色合成光学装置には平板型ダ
イクロイックミラーを用いたい。しかし、平板型ダイク
ロイックミラーには、反射面の平面度と非点隔差による
解像度への影響が問題となる。反射面の平面度を良好に
するにはガラス基板を厚くすると良いが、ガラス基板が
厚くなるほど非点隔差が大きくなり、解像度が低下す
る。

【００１２】この問題に対し、平板型ダイクロイックミ
ラーへの入射光に対する入射角を小さくする構成が提案
されている（特開平７−５１４１９号公報）。しかし、
この構成は、ライトバルブから投写レンズまでの光路が
長くなるため、投写レンズのバックフォーカスを長くす
る必要があり、そのために投写レンズが高価になるとい
う問題があった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明の色合成光学装置は、第１の色光と第２の色光と
を２色合成光に合成する平板状の第１のダイクロイック
ミラーと、２色合成光と第３の色光とを３色合成光に合
成する平板状の第２のダイクロイックミラーと、垂直に
入射する３色合成光を透過させ斜めに入射する第３の色
光を反射させる平板状の入射角選択性ミラーとを備え、
第３の色光は入射角選択性ミラーに斜めに入射し、第２
のダイクロイックミラーで反射され入射角選択性ミラー
を垂直に透過するようにしたものである。

【００１４】本発明の色合成光学装置はライトバルブを
用いた投写型表示装置に用いることができる。

【００１５】本発明の色合成光学装置は、光の進む方向
を逆にして、色分解光学装置として利用することもで
き、色分解光学装置は撮像装置に用いることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１から図１０を用いて説明する。

【００１７】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における色合成光学装置の構成を示したものであ
り、同図において、４１は青反射ダイクロイックミラ
ー、４２は赤反射ダイクロイックミラー、４３は入射角
選択性ミラーである。

【００１８】２枚のダイクロイックミラー４１，４２が
Ｖ字状となるように所定の光軸４４に対して斜めに配置
され、入射角選択性ミラー４３が光軸４４に対して垂直
に配置され、ている。２枚のダイクロイックミラー４
１，４２のそれぞれの法線４５，４６と光軸４４とのな
す角はいずれも３０°である。

【００１９】青反射ダイクロイックミラー４１は、ガラ
ス基板４７の赤反射ダイクロイックミラー４２側の面に
青色光を反射し、赤色光と緑色光とを透過する光学多層
膜４８を蒸着し、他方の面に反射防止膜４９を蒸着した
ものである。青反射ダイクロイックミラー４１の入射角
３０°における分光透過率特性を図２に示す。青反射ダ
イクロイックミラー４１のカットオフ波長（透過率が５
０％となる波長）は５００ｎｍである。

【００２０】赤反射ダイクロイックミラー４２は、ガラ
ス基板５０の入射角選択性ミラー４３側の面に赤色光を
反射し、緑色光と青色光とを透過する光学多層膜５１を
蒸着し、他方の面に反射防止膜５２を蒸着したものであ
る。赤反射ダイクロイックミラー４２の入射角３０°に
おける分光透過率特性を図３に示す。赤反射ダイクロイ
ックミラー４２のカットオフ波長は６００ｎｍである。

【００２１】入射角選択性ミラー４３は、ガラス基板５
３の赤反射ダイクロイックミラー側の面に光学多層膜５
４を蒸着し、他方の面に反射防止膜５５を蒸着したもの
である。光学多層膜５４は二酸化チタンと二酸化シリコ
ンとを交互に積層したものである。入射角選択性ミラー
４３の分光透過率特性を図４に示す。一点鎖線は入射角
が０°の場合、破線は入射角が６０°のＳ偏光の場合、
実線は入射角が６０°のＰ偏光の場合である。垂直入射
の場合には、赤、緑、青の自然光がすべて効率良く透過
し、入射角が６０°の場合には赤色光が効率良く反射す
る。

【００２２】垂直入射の場合に所定の波長領域で短波長
側に透過帯、長波長側に反射帯を有する光学多層膜を考
えると、入射角が大きくなるとカットオフ波長が短波長
側にシフトするため、ある波長領域において垂直入射の
場合には透過率が高く、斜め入射の場合には反射率が低
くなる。この性質を利用すると、斜め入射の場合には所
望の色光を反射させ、垂直入射の場合には赤、緑、青の
色光を透過させる入射角選択性ミラーを実現することが
できる。

【００２３】緑色光の入射光軸６１に沿って入射した緑
色光６２は青反射ダイクロイックミラー４１を透過し、
青色光の入射光軸６３に沿って入射した青色光６４は青
反射ダイクロイックミラー４１で反射されるので、緑色
光６２と青色光６４とが合成されて２色合成光６５とな
り、２色合成光６５は赤反射ダイクロイックミラー４２
に入射する。赤色光の入射光軸６６に沿って入射した赤
色光６７は入射角選択性ミラー４３で反射され、その反
射光６８は赤反射ダイクロイックミラー４２に入射す
る。２色合成光６５は赤反射ダイクロイックミラー４２
を透過し、赤色光６８は赤反射ダイクロイックミラー４
２で反射されるので、２色合成光６５と赤色光６８とが
合成されて３色合成光６９となる。３色合成光６９は入
射角選択性ミラー４３を透過し、出力光７０となって光
軸４４に沿って出射する。こうして、赤、緑、青の３つ
の色光６２，６４，６７が１つの光７０に合成される。

【００２４】２枚のダイクロイックミラー４１，４２の
基準入射角（光軸とダイクロイックミラーとのなす角）
はすべて３０°、赤色光の入射角選択性ミラー４３への
最初の基準入射角は６０°、３色合成光の入射角選択性
ミラー４３への基準入射角は０°である。なお、赤色光
の入射角選択性ミラー４３への基準入射角は赤反射ダイ
クロイックミラー４２の基準入射角の２倍である。

【００２５】ダイクロイックミラーのカットオフ波長は
Ｓ偏光とＰ偏光とで異なり、入射角が大きいほど両者の
差が大きくなる。また、入射角が大きくなるにつれてカ
ットオフ波長が短波長側に移動するが、入射角が大きく
なるほどカットオフ波長の入射角依存性が大きくなる。
この２つの性質により、基準入射角が大きい場合には、
赤、緑、青の３つの自然光を合成するときの効率が低く
なる。そこで、基準入射角を従来例に示した４５°から
３０°にすれば、カットオフ波長のＰＳ差と入射角依存
性をともに小さくすることができるので、赤、緑、青の
３つの自然光を効率良く合成することができる。

【００２６】色合成光学装置に入射する光の拡がり角が
小さい場合には、２枚のダイクロイックミラー４１，４
２の基準入射角を３０°にすると、色合成光学装置の光
路長が最も短くなる。入射光の拡がり角が大きい場合に
は、２枚のダイックロイックミラー４１，４２の基準入
射角を２５°以上３５°以下にすると良い。入射角選択
性ミラー４３に近いダイクロイックミラー４２の基準入
射角が２５°より小さい場合、入射角選択性ミラー４３
は、斜め入射では反射して垂直入射では透過する色光の
波長帯域を確保することが困難となる。また、基準入射
角が３５°より大きい場合には、後述のように、２枚の
ダイクロイックミラーの非点隔差を確保できないか、ま
たは反射面の平面度を確保できなくなる。さらに、上記
範囲を満足しない場合には、３つの色光が２枚のダイク
ロイックミラー４１，４２で遮蔽されないようにする必
要があるため、投写レンズに必要なバックフォーカスが
長くなり、投写レンズが高価になってしまう。

【００２７】平板型ダイクロイックミラーは、非点隔差
によりメリディオナル方向とサジタル方向で最適像点が
異なるという問題がある。厚さｔ、屈折率ｎのガラス基
板の非点隔差ｄは、次式で与えられる（久保田広、「光
学」、岩波書店、１９７９年９月２５日第１０刷発行、
第１３０ページ〜第１３１ページ）。

【００２８】

【数１】

【００２９】ここで、θ₁は空気中の入射角、θ₂はガ
ラス基板中の屈折角であり、次のスネルの法則が成り立
つ。

【００３０】

【数２】

【００３１】（数１）より、非点隔差を小さくするに
は、ガラス基板を薄くすれば良いことが分かる。しか
し、ガラス基板を薄くすると、ガラス基板が反り易くな
り、解像度の低下とコンバージェンスずれが問題とな
る。従って、ガラス基板は、反らないだけの厚さにし、
同時に非点隔差を小さくする必要がある。

【００３２】（数１）より、入射角が小さいほど非点隔
差が小さいことが分かる。例えば、ｎ＝１．５２とする
と、入射角４５°の場合の非点隔差に対する入射角３０
°の場合の非点隔差の比は４１％となる。そのため、非
点隔差が同一であれば、ガラス基板を２．４倍厚くする
ことができ、ガラス基板が反りにくくなる。

【００３３】なお、入射角選択性ミラーには光が垂直に
入射するので、ガラス基板を厚くしても非点隔差は生じ
ない。そこで、入射角選択性ミラーは、基板厚を厚くし
て反射面の平面度を良好にすると良い。

【００３４】ガラス製のプリズムを用いた色合成光学装
置は、ガラスプリズムの加工、接合の作業が複雑になる
ために、大幅なコスト高を招く。しかし、本発明の色合
成光学装置は、ガラス基板がガラスプリズムに比べて圧
倒的に安価であるので、ガラスプリズムを用いた色合成
光学装置に比べて圧倒的に安価になる。

【００３５】図１４に示した従来の投写型表示装置の構
成において、色合成ダイクロイックミラーの基準入射角
を小さくすると、色合成光学装置を通過する光の光路長
が長くなる。この場合、投写レンズに必要なバックフォ
ーカスを長くする必要があり、投写レンズがコスト高に
なる。これに対して、本発明の色合成光学装置では入射
角選択性ミラー４３を用いることにより、色合成光学装
置を通過する光の光路長がそれほど長くならず、従来と
ほぼ同じとなる。

【００３６】色合成光学装置の具体的な構成を図５，図
６に示す。図５は側断面図、図６は平面図である。２枚
のダイクロイックミラー４１，４２、入射角選択性ミラ
ー４３をいずれも枠体７１，７２，７３に取り付け、枠
体７１，７２，７３は２つの側板７４，７５に挟まれる
ようにビスにより取り付けている。こうすれば、２枚の
ダイクロイックミラー４１，４２、入射角選択性ミラー
４３を精密に保持固定することができる。

【００３７】（実施の形態２）図７は本発明の実施の形
態２における色分解光学装置の構成を示したものであ
り、同図において、８２は入射角選択性ミラー、８５は
赤反射ダイクロイックミラー、９０は青反射ダイクロイ
ックミラーである。図７に示した色分解光学装置の構成
は、図１に示した色合成光学装置の構成と全く同一であ
る。

【００３８】光軸８１に沿って入射角選択性ミラー８２
に入射した入力光８３は、垂直に透過し、その透過光８
４は、赤反射ダイクロイックミラー８５に入射し、反射
される赤色光８６と、透過する緑色光と青色光の合成光
８７とに分解される。赤反射ダイクロイックミラー８５
で反射された赤色光８６は、入射角選択性ミラー８２に
斜めに入射し、反射されて、赤色出力光８８となって赤
出力光軸８９に沿って出射する。赤反射ダイクロイック
ミラー８５を透過した緑色光と青色光の合成光８７は、
青反射ダイクロイックミラー９０に入射し、青色光は反
射されて、青色出力光９１となって青出力光軸９２に沿
って出射し、緑色光は透過して、緑色出力光９３となっ
て緑出力光軸９４に沿って出射する。

【００３９】図１に示した色合成光学装置と同様に、２
枚のダイクロイックミラー８５，９０の基準入射角が小
さいために、カットオフ波長のＰＳ差と入射角依存性と
が小さくなり、非点隔差も小さくなる。前者の作用によ
り入射光を効率良く赤、緑、青の３つの原色光に分解す
ることができ、後者の作用により色分解光学装置で発生
する解像度の低下を低減することができる。本発明の色
分解光学装置は、解像度の低下が非常に小さく、さらに
プリズム型ダイクロイックミラーを用いた色分解光学装
置に比べて圧倒的に安価である。また、入射角選択性ミ
ラー８２を用いることにより、色分解光学装置を通過す
る光の光路長がそれほど長くならず、従来とほぼ同じと
なる。

【００４０】（実施の形態３）図８は本発明の実施の形
態３における投写型表示装置の構成を示したものであ
り、同図において、１０２はランプ、１０９，１１０は
色分解用ダイクロイックミラー、１１９，１２０，１２
１は液晶パネル、１２２は色合成光学装置、１２３，１
２４は色合成用ダイクロイックミラー、１２５は入射角
選択性ミラー、１２６は投写レンズである。色合成光学
装置１２２は図１に示したものと同一の構成である。

【００４１】ランプ１０２、凹面鏡１０３、フィルタ１
０４、コールドミラー１０５、第１リレーレンズ１０
６、第２リレーレンズ１０７で光源が構成されている。
ランプ１０２は、メタルハライドランプであり、赤、
緑、青の三原色を含む光を放射する。凹面鏡１０３は楕
円面鏡であり、ガラス基材の内面に可視光を反射し、赤
外光を透過させる光学多層膜を蒸着したものである。ラ
ンプ１０２は発光体の中心が凹面鏡１０３の第１焦点に
位置するように配置されている。フィルタ１０４は、ガ
ラス基板の一方の面に可視光を透過させ、赤外光と紫外
光とを反射させる光学多層膜を蒸着し、他方の面に反射
防止膜を蒸着したものである。コールドミラー１０５
は、ガラス基板に可視光を反射し、赤外光を透過させる
光学多層膜を蒸着したものであり、凹面鏡１０３の光軸
１０８に対して４５°傾いて配置されている。第１リレ
ーレンズ１０６は凹面鏡１０３の第２焦点に配置されて
いる。

【００４２】ランプ１０２から出た光は凹面鏡１０３に
より集光されて、コールドミラー１０４で反射された
後、第１リレーレンズ１０６、第２リレーレンズ１０７
の順に透過し、色分解光学装置に入射する。

【００４３】色分解光学装置は、青透過ダイクロイック
ミラー１０９、緑反射ダイクロイックミラー１１０、第
３リレーレンズ１１１、第４リレーレンズ１１２、３枚
の平面ミラー１１３，１１４，１１５、フィールドレン
ズ１１６，１１７，１１８で構成されている。光源から
出射した光は青透過ダイクロイックミラー１０９に入射
し、青色光は透過し、赤色光と緑色光とは反射される。
青透過ダイクロイックミラー１０９を透過した光は平面
ミラー１１３で反射され、フィールドレンズ１１６を透
過して、青の液晶パネル１１９に入射する。青透過ダイ
クロイックミラー１０９で反射された光は緑反射ダイク
ロイックミラー１１０に入射し、緑色光は反射し、赤色
光は透過する。緑色光は、フィールドレンズ１１７を透
過して緑の液晶パネル１２０に入射し、赤色光は第３リ
レーレンズ１１２、平面ミラー１１４、第４リレーレン
ズ１１２、平面ミラー１１５、フィールドレンズ１１８
の順に透過した後、赤の液晶パネル１２１に入射する。

【００４４】凹面鏡１０３はランプ１０２の発光体に対
応する像を第１リレーレンズ１０６の位置に形成し、さ
らに第２リレーレンズ１０７は第１リレーレンズ１０６
上の発光体像に対応する像を青の液晶パネル１１９上、
緑の液晶パネル１２０上、第３リレーレンズ１２１上に
形成する。第３リレーレンズ１１１は第２リレーレンズ
１０７上の物体に対応する実像を第４リレーレンズ１１
２の位置に形成する。第４リレーレンズ１１２は第３リ
レーレンズ１１１上の発光体像を赤の液晶パネル１２１
上に形成する。第１リレーレンズ１０６と第２リレーレ
ンズ１０７が拡がろうとする光を収束光に変換するの
で、ランプ１０２から放射される光を効率良く青の液晶
パネル１１９、緑の液晶パネル１２０、第３リレーレン
ズ１１１に導くことができる。また、光源から液晶パネ
ル１１９，１２０，１２１までの光路長は青の光路と緑
の光路に比較して赤の光路だけ長いが、第３リレーレン
ズ１１１と第４リレーレンズ１１２が外に拡がろうとす
る光を収束光に変換するので、第３リレーレンズ１１１
から放射される光を効率良く赤の液晶パネル１２１に導
くことができる。

【００４５】３枚の液晶パネル１１９，１２０，１２１
を透過した光は、色合成光学装置１２２に入射し、１つ
の光に合成される。色合成光学装置１２２は図１に示し
たものと同一であり、青反射ダイクロイックミラー１２
３、赤反射ダイクロイックミラー１２４、入射角選択性
ミラー１２５により構成されている。色合成光学装置１
２２により１つに合成された光は投写レンズ１２６を透
過して、スクリーン上に到達する。こうして、３枚の液
晶パネル１１９，１２０，１２１に形成された光学像は
投写レンズ１２６によりスクリーン上に拡大投写され
る。

【００４６】３枚の液晶パネル１１９，１２０，１２１
は、透過型の高分子分散液晶パネルである。２枚のガラ
ス基板の間にネマティック液晶と高分子とを混ぜ、ネマ
ティック液晶の常光線に対する屈折率と高分子の屈折率
は等しくしている。ガラス基板の液晶層側には透明電極
が設けられている。電圧を印加しない場合には、液晶分
子がランダムな方向に向き、ガラス基板に垂直に入射す
る光に対して液晶分子の屈折率と高分子の屈折率が等し
くないために、光が散乱する。液晶層に電圧を印加する
と、液晶分子がガラス基板に垂直に配列され、液晶分子
の屈折率と高分子の屈折率が等しくなるため、光は直進
する。こうして、液晶層に印加する電圧を制御すること
により、液晶層に散乱状態の変化として光学像を形成す
ることができる。投写レンズ１２６の瞳により、液晶パ
ネルから出射する光のうち一定の拡がり角の光だけが透
過するので、散乱状態の変化として形成された光学像は
スクリーン上の輝度変化の光学像に変換することができ
る。高分子分散液晶パネルは、ツイストネマティック液
晶に必要な偏光板が不要であるため、効率が良い。

【００４７】色合成光学装置１２２を構成する２枚のダ
イクロイックミラー１２３，１２４の基準入射角が３０
°であることから、色分解光学装置を構成する２枚のダ
イクロイックミラー１０９，１１０の基準入射角も３０
°にすることができる。色分解光学装置は、ダイクロイ
ックミラー１０９，１１０への入射角が小さいために、
効率良く均一性の良好な赤、緑、青の原色光を得ること
ができる。また、前述のように、色合成装置１２２もカ
ットオフ波長のＰＳ差と入射角依存性が小さいので、投
写型表示装置の効率は高い。さらに、色合成光学装置１
２２は２枚のダイクロイックミラー１２３，１２４の基
板厚を厚くしても非点隔差が小さいので、ダイクロイッ
クミラー１２３，１２４による解像度低下は小さい。ま
た、色合成光学装置の光路長は従来と同じであるため、
投写レンズが従来より高価になることはない。こうし
て、光出力が大きく、高解像度で安価な投写型表示装置
を提供することができる。

【００４８】（実施の形態４）図９は本発明の実施の形
態４における投写型表示装置の構成を示したものであ
り、同図において１３６は投写レンズ、１３９は色分解
合成光学装置、１４６，１４７，１４８は液晶パネルで
ある。

【００４９】光源を構成するランプ１３２、凹面鏡１３
３、フィルタ１３４、コールドミラー１３５はそれぞれ
図８に示したものと同一である。光源から出射した光は
投写レンズ１３６の中央部に配置された平面ミラー１３
７で反射され後群レンズ１３８を透過して、色分解合成
光学装置１３９に入射し、赤、緑、青の原色光に分解さ
れる。色分解合成光学装置１３９は、図１に示したもの
と同一であり、青反射ダイクロイックミラー１４０、赤
反射ダイクロイックミラー１４１、入射角選択性ミラー
１４２で構成されている。色分解合成光学装置１３９か
ら出射する各原色光は、それぞれフィールドレンズ１４
３，１４４，１４５を透過した後、液晶パネル１４６，
１４７，１４８に入射する。

【００５０】３つの液晶パネル１４６，１４７，１４８
は、いずれも高分子分散液晶を用いた反射型の液晶パネ
ルであり、散乱状態の変化として光学像を形成する。各
液晶パネル１４６，１４７，１４８からの出射光は、フ
ィールドレンズ１４３，１４４，１４５を透過し、色分
解合成光学装置１３９に入射して１つの光に合成された
後、投写レンズ１４９に入射する。投写レンズ１４９の
平面ミラー１３７の近傍に絞り１５０が配置されてお
り、この絞り１５０により液晶パネル１４６，１４７，
１４８に形成された光散乱状態の変化した光学像を輝度
変化の光学像に変換し、スクリーン上に拡大投写するこ
とができる。

【００５１】図９に示した色分解合成光学装置１３９
は、色分解と色合成とを兼ねている。色分解合成光学装
置１３９を構成する２枚のダイクロイックミラー１４
０，１４１の基準入射角が３０°と小さいために、図８
に示した投写型表示装置と同様に、光出力が大きく、高
解像度で安価な投写型表示装置を提供することができ
る。

【００５２】なお、図９に示した投写型表示装置には、
散乱状態の変化として光学像を形成するライトバルブ、
微少ミラーを用いて光反射方向の変化として光学像を形
成するライトバルブ、回折を利用して反射光の配光特性
の変化として光学像を形成するライトバルブなどを用い
ることができる。

【００５３】（実施の形態５）図１０は本発明の実施形
態５における投写型表示装置の構成を示したものであ
り、同図において、１６５は前置偏光子、１６６は偏光
ビームスプリッタ、１７０は色分解合成光学装置、１７
１，１７２，１７３は液晶パネル、１７４は投写レンズ
である。

【００５４】光源を構成するランプ１６１、凹面鏡１６
２、フィルタ１６３、コールドミラー１６４はそれぞれ
図８に示したものと同一である。光源から出射した光
は、前置偏光子１６５を透過し、偏光ビームスプリッタ
１６６に入射する。偏光ビームスプリッタ１６６は、２
つのガラス製プリズム１６７，１６８の接合面に偏光選
択性を有する多層膜１６９を着けたものであり、Ｐ偏光
成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる。前置偏光子
１６５は、偏光ビームスプリッタ１６６と同様の構成で
あり、偏光ビームスプリッタ１６６の主平面（多層膜１
６９の法線と光軸とを含む面）と前置偏光子１６５の主
平面とが直交するように配置されている。偏光ビームス
プリッタ１６６を出射した光は、色分解合成光学装置１
７０に入射し、赤、緑、青の原色光に分解され、各原色
光はそれぞれ赤用、緑用、青用の液晶パネル１７１，１
７２，１７３に入射する。色分解合成光学装置１７０は
図９に示したものと同一である。

【００５５】液層パネル１７１，１７２，１７３は、反
射電極を有し、ネマティック液晶を垂直配向させた反射
型の液晶パネルであり、映像信号に応じて復屈折性の変
化として光学像を形成する。液晶パネルは、復屈折性の
大きさにより入射Ｓ偏光成分をＰ偏光成分に変換する。

【００５６】３つの液晶パネル１７１，１７２，１７３
から出射する光は、色分解合成光学装置１７０に入射
し、１つの光に合成され、偏光ビームスプリッタ１６６
に入射し、Ｐ偏光成分は透過して投写レンズ１７４に入
射する。こうして、液晶パネル１７１，１７２，１７３
に復屈折性の変化として形成された光学像は投写レンズ
１７４によりスクリーン上に拡大投写される。

【００５７】前置偏光子１６５は投写画像のコントラス
トを高くするために用いる。これは、偏光ビームスプリ
ッタは一般にＰ偏光透過率が１００％に近くないので、
前置偏光子１６５を用いない場合には、偏光ビームスプ
リッタ１６６から反射して出射する光は理想的にはＳ偏
光成分のみである必要があるのに、そこにＰ偏光成分が
混じってしまう。前置偏光子１６５を用いることによ
り、液晶パネルに入射する光に混じるＰ偏光成分を大幅
に低減することができる。

【００５８】色分解合成光学装置の２枚のダイクロイッ
クミラー１４０，１４１は、色分解時にはＳ偏光の光が
入射し、色合成時にはＰ偏光の光が入射する。これは、
図８に示した色合成光学装置１２２、図９に示した色分
解合成光学装置１３９もＳ偏光の光とＰ偏光の光とが入
射することと共通している。

【００５９】図１０に示した投写型表示装置も、図８、
図に示したのと同じ構成の色分解合成光学装置を用いる
ため、図８、図９に示した投写型表示装置の場合の同様
に、光出力が大きく、高解像度で安価な投写型表示装置
を提供することができる。

【００６０】（実施の形態６）図１１は本発明の実施の
形態６における撮像装置の構成を示したものであり、同
図において、１８１は色分解光学装置、１８５は撮像レ
ンズ、１８６，１８７，１８８は撮像素子である。

【００６１】色分解光学装置１８１は図７に示したもの
と同一の構成であり、入射角選択性ミラー１８２、赤反
射ダイクロイックミラー１８３、青反射ダイクロイック
ミラー１８４で構成されている。被写体から出射した光
は撮像レンズ１８５に入射し、その出射光は色分解光学
装置１８１に入射し、赤、緑、青の原色光に分解された
後、対応する撮像素子１８６，１８７，１８８に入射す
る。

【００６２】色分解光学装置を構成するダイクロイック
ミラー１８３，１８４の基準入射角が３０°と小さいた
めに、解像度の低下が少なく、平板型ダイクロイックミ
ラーはプリズム型ダイクロイックミラーに比べて安価で
ある。また、入射角選択性ミラー１８２を用いることに
より、撮像レンズのバックフォーカスが短くなるので、
撮像レンズも安価に構成できる。

【００６３】

【発明の効果】以上のように本発明の色合成装置は、ダ
イクロイックミラーへの入射角を小さくすることができ
るので、分光透過率特性のＰＳ差を小さくすることがで
き、また反射面の平面度を確保するためにガラス基板を
厚くしても非点隔差を小さくすることができ、３枚のガ
ラス基板の両面にそれぞれ光学薄膜を着けたものである
ので、解像度が高く、効率が高く、安価である。また、
入射角選択性ミラーを用いることにより、色合成光学装
置の光路長の長大化を防げるため、組み合わせて用いる
投写レンズが安価になる。

【００６４】本発明の色分解光学装置も、色合成光学装
置と同様の作用により、解像度が高く、効率が高く、光
路長が短く、安価である。

【００６５】本発明の色合成光学装置を用いれば、高効
率で高解像度の安価な投写型表示装置を提供することが
できる。また、本発明の色分解光学装置を用いれば、高
効率で高解像度で安価な撮像装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の色合成光学装置の構成
を示す概略構成図

【図２】本発明の実施の形態１の色合成光学装置に用い
る青反射ダイクロイックミラーの分光透過率特性の一例
を示す特性図

【図３】本発明の実施の形態１の色合成光学装置に用い
る赤反射ダイクロイックミラーの分光透過率特性の一例
を示す特性図

【図４】本発明の実施の形態１の色合成光学装置に用い
る入射角選択性ミラーの分光透過率特性の一例を示す特
性図

【図５】本発明の実施の形態１の色合成光学装置の具体
構成を示す側断面図

【図６】本発明の実施の形態１の色合成光学装置の具体
構成を示す平面図

【図７】本発明の実施の形態２の色分解光学装置の構成
を示す概略構成図

【図８】本発明の実施の形態３の投写型表示装置の構成
を示す概略構成図

【図９】本発明の実施の形態４の投写型表示装置の構成
を示す概略構成図

【図１０】本発明の実施の形態５の投写型表示装置の構
成を示す概略構成図

【図１１】本発明の実施の形態５の撮像装置の構成を示
す概略構成図

【図１２】高分子分散液晶パネルの構成例を示す概略構
成図

【図１３】従来の投写型表示装置の一例を示す概略構成
図

【図１４】従来の投写型表示装置の一例を示す概略構成
図

【符号の説明】

４１青反射ダイクロイックミラー４２赤反射ダイクロイックミラー４３入射角選択性ミラー７１，７２，７３枠体８２入射角選択性ミラー８５赤反射ダイクロイックミラー９０青反射ダイクロイックミラー１０２ランプ１０９，１１０，１２３，１２４ダイクロイックミラ
ー１１９，１２０，１２１液晶パネル１２２色合成光学装置１２５入射角選択性ミラー１２６投写レンズ１３２ランプ１３９色分解合成光学装置１４０，１４１ダイクロイックミラー１４２入射角選択性ミラー１４６，１４７，１４８液晶パネル１４９投写レンズ１６１ランプ１６５前置偏光子１６６偏光ビームスプリッタ１７０色分解合成光学装置１７１，１７２，１７３液晶パネル１７４投写レンズ１８１色分解光学装置１８５撮像レンズ１８２入射角選択性ミラー１８３，１８４ダイクロイックミラー１８６，１８７，１８８撮像素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の色光を透過させ第２の色光を反射さ
せて２色合成光に合成する平板状の第１のダイクロイッ
クミラーと、前記２色合成光を透過させ第３の色光を反
射させて３色合成光に合成する平板状の第２のダイクロ
イックミラーと、垂直に入射する前記３色合成光を透過
させ斜めに入射する前記第３の色光を反射させる平板状
の入射角選択性ミラーとを備え、前記第３の色光は前記
入射角選択性ミラーに斜めに入射し前記第２のダイクロ
イックミラーで反射され前記入射角選択性ミラーを垂直
に透過するようにした色合成光学装置。
【請求項２】入射角選択性ミラーの法線と第１のダイク
ロイックミラーの法線とのなす角は２５°以上３５°以
下である請求項１記載の色合成光学装置。
【請求項３】入射角選択性ミラーの法線と第２のダイク
ロイックミラーの法線とのなす角は２５°以上３５°以
下である請求項１記載の色合成光学装置。
【請求項４】第１のダイクロイックミラーと第２のダイ
クロイックミラーとをＶ字状に配置した請求項１記載の
色合成光学装置。
【請求項５】第３の色光は赤色光である請求項１記載の
色合成光学装置。
【請求項６】垂直に入射する第１の色光と第２の色光と
第３の色光とは透過させ斜めに入射する前記第３の色光
は反射させる平板状の入射角選択性ミラーと、前記第１
の色光と前記第２の色光とは透過させ前記第３の色光は
反射させる平板状の第１のダイクロイックミラーと、前
記第１の色光は透過させ前記第２の色光は反射させる平
板状の第２のダイクロイックミラーとを備え、前記第１
の色光は前記入射角選択性ミラーを垂直に透過し前記第
１および第２のダイクロイックミラーを順に透過し、前
記第２の色光は前記入射角選択性ミラーを垂直に透過し
前記第１のダイクロイックミラーを透過し前記第２のダ
イクロイックミラーで反射され、前記第３の色光は前記
入射角選択性ミラーを垂直に透過し前記第１のダイクロ
イックミラーで反射され前記入射角選択性ミラーで反射
されるようにした色分解光学装置。
【請求項７】入射角選択性ミラーの法線と第１のダイク
ロイックミラーの法線とのなす角は２５°以上３５°以
下である請求項６記載の色分解光学装置。
【請求項８】入射角選択性ミラーの法線と第２のダイク
ロイックミラーの法線とのなす角は２５°以上３５°以
下である請求項６記載の色分解光学装置。
【請求項９】第１のダイクロイックミラーと第２のダイ
クロイックミラーとをＶ字状に配置した請求項６記載の
色分解光学装置。
【請求項１０】第３の色光は赤色光である請求項６記載
の色分解光学装置。
【請求項１１】赤、緑、青の色成分を含む光を放射する
光源と、前記光源からの放射光を赤、緑、青の３つの原
色光に分解する色分解手段と、前記各原色光がそれぞれ
入射し電気信号により光学像を形成する３つのライトバ
ルブと、前記３つのライトバルブからの出射光を１つの
光に合成する色合成手段と、前記色合成手段からの出射
光が入射し前記ライトバルブに形成された光学像をスク
リーン上に投写する投写レンズとを備え、前記色合成手
段として請求項１記載の色合成光学装置を用いた投写型
表示装置。
【請求項１２】色分解手段は、平板状の第１の色分解ダ
イクロイックミラーと、平板状の第２の色分解ダイクロ
イックミラーとを備え、前記第１の色分解ダイクロイッ
クミラーは光源からの出射光から赤、緑、青のうちの１
色を分離し、前記第２の色分解ダイクロイックミラーは
前記第１の色分解ダイクロイックミラーで分離されなか
った２色から１色を分離するようにした請求項１１記載
の投写型表示装置。
【請求項１３】色分解手段を構成する２枚の色分解ダイ
クロイックミラーは、いずれも色合成光学装置の第２の
ダイクロイックミラーと平行である請求項１１記載の投
写型表示装置。
【請求項１４】第２の色分解ダイクロイックミラーから
対応するライトバルブまでの光路に光伝達手段を備え、
前記光伝達光学手段は、入力部収束レンズと、中央部収
束レンズと出力部収束レンズと、前記入力部収束レンズ
と前記中央部収束レンズとの間に配置される第１の平面
ミラーと、前記中央部収束レンズと前記出力部収束レン
ズとの間に配置される第２の平面ミラーとを備え、前記
入力部収束レンズは光源に対応する像を前記中央部収束
レンズの位置に形成し、前記中央部収束レンズは前記入
力部収束レンズに対応する像を前記出力部収束レンズの
位置に形成する請求項１１記載の投写型表示装置。
【請求項１５】３つのライトバルブはいずれも高分子分
散液晶パネルである請求項１１記載の投写型表示装置。
【請求項１６】赤、緑、青の色成分を含む光を放射する
光源と、映像信号に応じて光学的特性の変化として光学
像を形成する３つの反射型のライトバルブと、前記光源
からの放射光を赤、緑、青の３つの原色光に分解し前記
３つのライトバルブに前記原色光を入射させると共に前
記３つのライトバルブからの出射光を１つの光に合成す
る色分解合成手段と、前記色分解合成手段からの出射光
が入射し前記ライトバルブに形成された光学像をスクリ
ーン上に投写する投写レンズとを備え、前記色分解合成
手段として請求項１記載の色合成光学装置を用いた投写
型表示装置。
【請求項１７】３つのライトバルブはいずれも高分子分
散液晶パネルである請求項１６記載の投写型表示装置。
【請求項１８】３つのライトバルブはいずれも光反射方
向の変化として光学像を形成するライトバルブである請
求項１６記載の投写型表示装置。
【請求項１９】赤、緑、青の色成分を含む光を放射する
光源と、映像信号に応じて復屈折性の変化として光学像
を形成する３つの反射型のライトバルブと、前記光源か
らの出射光が入射し直進するＰ偏光成分と反射するＳ偏
光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、前記Ｓ偏光
成分を赤、緑、青の３つの原色光に分解し前記３つのラ
イトバルブに前記原色光を入射させると共に前記３つの
ライトバルブからの出射光を１つの光に合成する色分解
合成手段と、前記ライトバルブに形成された光学像をス
クリーン上に投写する投写レンズとを備え、前記色分解
合成手段からの出射光を前記偏光ビームスプリッタに入
射させ、入射光に含まれるＰ偏光成分は直進して前記投
写レンズに入射するようにし、前記色分解合成手段とし
て請求項１記載の色合成光学装置を用いた投写型表示装
置。
【請求項２０】３つの撮像素子と、被写体に対応する像
を形成する撮像レンズと、前記撮像レンズからの出射光
を赤、緑、青の３つの原色光に分解する色分解光学装置
とを備え、前記色分解光学装置として請求項６記載の色
分解光学装置を用いた撮像装置。