JP2006018067A - 色合成素子及びこれを用いた投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 別々の入射面から入射した同一の色成分を含む光を合成することを可能にする。
【解決手段】 第１入射面１１と、第２入射面１２と、第３入射面１３と、内部で略直交する第１合成面２１と第２合成面２２とを有し、第１合成面２１は、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光を反射すると共に、第２入射面１２から入射し第１の色成分と少なくとも一部が同一の色成分を有する第２の色成分の光と、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光とを透過し、第２合成面２１は、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光を反射すると共に、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光と第２入射面１２から入射した第２の色成分の光を透過し、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３から入射した光は、第１合成面２１と第２合成面２２とを経て合成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、色合成素子及びこれを用いた投影装置に関する。

近年、赤、緑、青の３色を合成する色合成素子及びこれを使用した投影表示装置が提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）。特許文献１に記載の液晶プロジェクタ装置及び特許文献２に記載の投写型画像表示装置は、ランプ光源からの白色光を、ダイクロイックミラーによってＲＧＢの３つの色成分に分離した後、それぞれの光路に配置した液晶表示素子により３つの色成分の光に対し空間的な変調を行う。そして、色合成素子により３つの色成分の光を再び合成し、投影レンズにより合成した光を投影して画像を表示している。
また、白色光をダイクロイックミラーにより３つの色成分に分離しているため、３つの色成分の光は互いの色成分の重なりが無い。そして、２つのダイクロイック面を有する色合成素子により、３つの色成分の光を色成分の違いを利用して合成することで、３つの色成分の光を効率良く合成することができる。

具体的には、特許文献１に記載の液晶プロジェクタ装置１００は、図１２に示すように、超高圧水銀ランプ１０１からの白色光はインテグレータ（フライアレイレンズ）１０１ａを通った後、Ｂ成分透過のダイクロイックミラー１０２で青色成分が分離される。さらに、Ｒ成分透過のダイクロイックミラー１０３で、緑の色成分と赤の色成分とが分離される。各色成分の光はそれぞれの光路に配置されたＬＣＤパネル（Ｒ用ＬＣＤ：１０４，Ｇ用ＬＣＤ：１０５，Ｂ用ＬＣＤ：１０６）を透過し、クロスプリズム１０７の２つのダイクロイック面で再び合成される。この合成された光は投影レンズ１０８によりスクリーン１０９上に投影される。ここで、クロスプリズム１０７は色合成素子として用いられており、３つの入射面と１つの射出面とに囲まれた素子の内部に、２つのダイクロイック面が交差するように配置されている。

また、特許文献２に記載の投写型画像表示装置に用いられる色合成素子１１０では、図１３に示すように、まず第１のダイクロイック面１１０ａにおいて、青色成分と緑色成分との色を合成し、次に第２のダイクロイック面１１０ｂにおいて、赤色成分を合成している。これは、クロスプリズムの対向する入射面間で発生する迷光によるゴーストを避けるための構造であり、単一のランプ光源からの光を一旦別々の色成分の光に分解し、この分解した光を再合成する目的は、クロスプリズムと同様である。

さらに、従来の色合成素子を使用した投影装置に一般的に使用されている超高圧水銀ランプの発光スペクトルを図１４に示す。水銀の輝線スペクトルが基本であり、青成分としては４４０nm付近のスペクトルが、緑成分としては５５０nm付近のスペクトルがそれぞれ利用されている。また、赤成分は対応する輝線スペクトルが無く、弱い連続スペクトル成分が利用されている。さらに、５８０nm付近にある輝線スペクトルは橙色の成分であり、この成分を赤色や緑色の成分として使用すると色の鮮やかさが失われるため、通常は不要光成分として使わないようにしている。従って、従来の投影装置では、各色成分の波長間の間隔が広く、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム等により容易に色成分の分離や合成ができていた。
特開平１１−２３７６０４号公報 特開２００１−２９００１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の液晶プロジェクタ装置及び特許文献２に記載の投写型画像表示装置は、２つのダイクロイック面により３つの色成分の光を色成分の違いを利用して合成していたため、別々の入射面から入射した同一の色成分を含む光を合成することが困難である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、別々の入射面から入射した同一の色成分を含む光を合成することができる色合成素子及びこれを用いた投影装置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、以下の手段を提供する。
本発明の色合成素子は、複数の入射面から入射した光を内部で合成して射出する色合成素子であって、第１入射面と、該第１入射面と略直交する第２入射面と、前記第１入射面と略平行で前記第２入射面と略直交する第３入射面と、
内部で略直交する第１合成面と第２合成面とを有し、前記第１合成面は、前記第１入射面から入射した第１の色成分の光を反射すると共に、前記第２入射面から入射し前記第１の色成分と少なくとも一部が同一の色成分を有する第２の色成分の光と、第３入射面から入射した第３の色成分の光とを透過し、前記第２合成面は、前記第３入射面から入射した前記第３の色成分の光を反射すると共に、前記第１入射面から入射した前記第１の色成分の光と第２入射面から入射した前記第２の色成分の光を透過し、前記第１，第２，第３入射面から入射した光は、前記第１合成面と前記第２合成面とを経て合成されることを特徴とする。

この発明では、第１合成面及び第２合成面を備えることにより、第１入射面と第２入射面とからの共通の色成分を持つ光を合成すると同時に、第３入射面からの別の色成分の光を合成することができる。したがって、必要とする量が少ない色成分の光は第３入射面から入射し、必要とする量が多い色成分の光は第１入射面と第２入射面とから入射することで、色成分の必要量に応じて光を合成することができる。

また、本発明の色合成素子は、前記第１合成面は、前記第１入射面から入射した第１の色成分の光のうち少なくとも前記第１合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を反射し、前記第２入射面から入射した前記第２の色成分の光のうち少なくとも前記第１合成面に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、前記第３入射面から入射した前記第３の色成分の光のうち少なくとも前記第１合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を透過すると共に、前記第２合成面は、前記第１入射面から入射した前記第１の色成分の光のうち少なくとも前記第２合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を透過し、前記第２入射面から入射した前記第２の色成分の光のうち少なくとも前記第２合成面に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、前記第３入射面から入射した第３の色成分の光のうち少なくとも前記第２合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を反射することを特徴とする。

この発明では、第１入射面と第２入射面とからの共通の色成分を持つ光を偏光成分の違いを利用して第１の合成面で効率良く合成できると同時に、第３入射面からの別の色成分の光を色成分の違いを利用して第１合成面と第２合成面とからの光を効率良く合成することができる。

また、本発明の色合成素子は、前記第２の色成分の中心波長は、前記第１の色成分の中心波長と前記第３の色成分の中心波長との間の波長であることを特徴とする。

この発明では、第１合成面及び第２合成面で透過する光と反射する光とは、色成分が近い場合には偏光成分を異ならせ、偏光成分が同じ場合には色成分の違いを大きくできるので、色成分と偏光成分との違いを利用して光を効率良く合成することができる。これにより、第１合成面及び第２合成面の膜設計を容易にすることも可能になる。

また、本発明の色合成素子は、前記第１の色成分と前記第２の色成分とは同一色成分であることを特徴とする。

この発明では、第１の色成分と第２の色成分とは同一色成分であるため、同じ色成分を合成することができるので、特定の色成分を多く有する合成光を得ることができる。

また、本発明の色合成素子は、前記第２の色成分の全光量に対して、前記第２の色成分における前記第１の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が、前記第２の色成分における前記第３の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合よりも多いことを特徴とする。

この発明では、第２の色成分における第１の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が多いため、同じ色成分を合成することができるので、特定の色成分を多く有する合成光を得ることが可能になる。

また、本発明の色合成素子は、第４入射面と、前記第１，第２，第３入射面から入射して前記第１合成面と前記第２合成面とを経て合成された第１の合成光を透過し、前記第４入射面から入射した第４の色成分の光を反射する第３合成面とを備えることを特徴とする。

この発明では、第４入射面から入射した第４の色成分の光を合成できるので、より多くの色成分を有する合成光を得ることができる。

また、本発明の色合成素子は、前記第３合成面は、入射する前記第１の合成光及び前記第４の色成分の光の入射角が、前記第１，第２，第３入射面から前記第１合成面に入射する光の入射角及び前記第１，第２，第３入射面から前記第２合成面に入射する光の入射角よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする。

この発明では、第３合成面に入射する光の入射角度が小さくなるように配置することで、合成面での偏光成分による透過反射特性の差を小さくできるとともに、透過や反射の波長帯域を広くすることができる。これにより、直交する偏光成分を有し、かつ複数の色成分が重なって波長帯域の広い第１の合成光と第４の色成分の光とを効率良く合成することが可能になる。

また、本発明の色合成素子は、前記第４の色成分の中心波長は、前記第１の色成分と前記第２の色成分と前記第３の色成分との中心波長の何れよりも、長波長または短波長であることを特徴とする。

この発明では、第１，第２，第３の色成分が重なって波長帯域の広い第１の合成光と第４の色成分の光をさらに効率良く合成することができる。

また、本発明の色合成素子は、前記第１の色成分の全光量に対して、前記第１の色成分における前記第２の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が、前記第１の色成分における前記第４の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合よりも多いことを特徴とする。

この発明では、第１の色成分における第２の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が多いため、同じ色成分を合成することができるので、特定の色成分を多く有する合成光を得ることが可能になる。

本発明の投影装置は、上記の色合成素子を有する投影装置であって、照明光を射出する光源と、該光源と前記第１入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第１の色成分の光を変調する第１の空間変調素子と、前記光源と前記第２入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第２の色成分の光を変調する第２の空間変調素子と、前記光源と前記第３入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第３の色成分の光を変調する第３の空間変調素子と、前記光源と前記第４入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第４の色成分の光を変調する第４の空間変調素子と、前記色合成素子により合成された光を投影する投影レンズとを備えることを特徴とする。

この発明では、互いに共通の色成分を持つ第１の色成分の光及び第２の色成分の光と、第３の色成分の光と、第４の色成分の光とを別々に変調して合成することができるため、広い色の領域を細かく表現した画像を投影できる投影装置を実現することが可能になる。

また、本発明の投影装置は、前記光源は、前記第１の色成分の光を発生する第１の光源と、前記第２の色成分の光を発生する第２の光源と、前記第３の色成分の光を発生する第３の光源と、前記第４の色成分の光を発生する第４の光源とを備えることを特徴とする。

この発明では、第１，第２，第３，第４の色成分ごとに光源を設けることによって、それぞれの色成分の量を独立に調整することができるので、所望の色成分比率の合成光を得ることが可能になる。また、各色成分に分解する光学系が不要になるため、投影装置自体の小型化を図ることも可能になる。

また、本発明の投影装置は、前記光源は、前記第１の色成分の光と前記第２の色成分の光とを発生する共通光源と、前記第３の色成分の光を発生する第３の光源と、
前記第４の色成分の光を発生する第４の光源とを備え、前記共通光源からの光を前記第１の色成分の光と前記第２の色成分の光とに分離する光分離素子を有することを特徴とする。

この発明では、共通光源，第３の光源，第４の光源の３つの光源から光を照射した後、光分離素子により共通光源から照射した光を第１の色成分の光と第２の色成分の光とに分離するため、３つの光源から４種類の色成分の光を得ることができる。したがって、投影装置を小型に構成することが可能になる。

また、本発明の投影装置は、前記第１の色成分と前記第２の色成分とは同一色成分であり、前記光分離素子が偏光分離素子であることを特徴とする請求項１２に記載の投影装置。

この発明では、第１の色成分と第２の色成分とは同一色成分であるため、共通光源から入射した光を偏光分離素子により、２つの偏光成分に分離する。したがって、共通光源から照射された光を効率良く分離し、再合成することができる。

また、本発明の投影装置は、前記第１の色成分の色は青緑であり、前記第２の色成分の色は黄緑であり、前記第３の色成分の色は赤であり、前記第４の色成分の色は青であることを特徴とする。

また、本発明の投影装置は、前記第１の色成分の色は黄緑であり、前記第２の色成分の色は青緑であり、前記第３の色成分の色は青であり、前記第４の色成分の色は赤であることを特徴とする。

これらの発明では、青緑，黄緑，赤，青の４色を用いることにより、色表現範囲の広い投影装置が実現できる。

本発明においては以下の効果を奏する。
本発明に係る色合成素子及びこれを用いた投影装置によれば、別々の入射面から入射した同一の色成分を含む光を効率良く合成することができるという効果を奏する。

次に、本発明の第１実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
本実施形態に係る色合成素子１０は、図１に示すように、第１入射面１１と、この第１入射面１１と略直交する第２入射面１２と、第１入射面１１と略平行で第２入射面１２と略直交する第３入射面１３と、内部で略直交する第１合成面２１及び第２合成面２２と、第４入射面１４と、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３から入射して第１合成面２１と第２合成面２２とを経て合成された第１の合成光を透過し、第４入射面１４から入射した第４の色成分の光を反射する第３合成面２３とを備えている。

ここで、別々の色を発光するＬＥＤを用い、図２に示すような、各色成分のスペクトル分布を有する光を色合成素子１０に入射する。このとき、図１に示す第１入射面１１から入射する青緑色成分の光のスペクトル分布は、第２入射面１２から入射する黄緑色成分の光のスペクトル分布と大きく重なっている。具体的には、第２の色成分の全光量に対して、第２の色成分における第１の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が、第２の色成分における第３の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合よりも多く、第１の色成分における第４の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合よりも多くなっている。なお、ＬＥＤのスペクトルはランプの輝線スペクトルに比べてスペクトルの広がりが大きくなっている。

前記第１合成面２１は、第１入射面１１から入射した第１の色成分（例えば、図２に示す青緑色成分）の光を反射すると共に、第２入射面１２から入射し第１の色成分と少なくとも一部が同一の色成分を有する第２の色成分（例えば、図２に示す黄緑色成分）の光と第３入射面１３から入射した第３の色成分（例えば、図２に示す赤色成分）の光とを透過するようになっている。すなわち、本実施形態では、第１合成面２１は、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光のうち少なくとも第１合成面２１に対してＳ偏光成分で入射する光を反射し、第２入射面１２から入射した第２の色成分の光のうち少なくとも第１合成面２１に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、さらに、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光のうち少なくとも第１合成面２１に対してＳ偏光成分で入射する光を透過するようになっている。

前記第２合成面２２は、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光を反射させると共に、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光と第２入射面１２から入射した第２の色成分の光を透過させ、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３から入射した光は、第１合成面２１と第２合成面２２とを経て合成されるようになっている。すなわち、本実施形態では、第２合成面２２は、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光のうち少なくとも第２合成面２２に対してＳ偏光成分で入射する光を透過し、第２入射面１２から入射した第２の色成分の光のうち少なくとも第２合成面２２に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、さらに、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光のうち少なくとも第２合成面２２に対してＳ偏光成分で入射する光を反射するようになっている。

前記第３合成面２３は、入射する第１の合成光及び第４の色成分（例えば、図２に示す青色成分）の光の入射角が、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３から第１合成面２１に入射する光の入射角及び第１，第２，第３入射面１１，１２，１３から第２合成面２２に入射する光の入射角よりも小さくなるように配置されている。ここで、第１，第２合成面２１，２２は、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３に対して略４５度傾斜し、また、第１，第２合成面２１，２２が、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３で囲まれる範囲の内側に形成され、互いに直交している。これにより、第１，第２，第３入射面１１，１２，１３に対して垂直に入射した光は、第１合成面２１と第２合成面２２とに対して約４５度の入射角で入射することになる。一方、第３合成面２３は、第１の合成光及び第４の色成分の光の入射角が４５度以下、例えば本実施形態では２６度になるように配置されている。
さらに、各色成分の光が通過する第１，第２，第３，第４入射面１１，１２，１３，１４から射出面１５までの光学的距離は概ね等しくなるようにしている。

次に、以上の構成からなる本実施形態の色合成素子１０の作用について、以下に説明する。
まず、第１入射面１１から入射した青緑色成分の光のうち少なくとも第１，第２，第３合成面２１，２２，２３に対してＳ偏光成分の光は、第１合成面２１で反射されると同時に第２合成面２２を透過し、さらに第３合成面２３を透過して射出面１５から射出される。また、第２入射面１２から入射した黄緑色成分の光のうち少なくとも第１，第２，第３合成面２１，２２，２３に対してＰ偏光成分の光は、第１合成面２１と第２合成面２２とを透過し、さらに第３合成面２３を透過して射出面１５から射出される。そして、第３入射面１３から入射した赤色成分の光のうち少なくとも第１，第２，第３合成面２１，２２，２３に対してＳ偏光成分の光は、第１合成面２１を透過すると同時に第２合成面２２で反射され、さらに第３合成面２３を透過して射出面１５から射出される。また、第４入射面１４から入射した青色成分の光のうち第３合成面２３に対して少なくともＳ偏光成分の光は、第３合成面２３で反射され射出面１５から射出される。このようにして、第１，第２，第３，第４入射面１１，１２，１３，１４から入射した各色成分の光が第１，第２，第３合成面２１，２２，２３を経て合成され、射出面１５から合成光として射出される。

ここで、一般に、各入射面に入射する光は、図４に示すように、各入射面に垂直に入射する光を中心に円錐形の角度の広がりをもっており、各合成面に対する入射角にも円錐形の光の外側と内側で差が生じる。

実際に、第１，第２，第３合成面２１，２２，２３に形成される誘電体多層膜などの光学膜による分光特性は、実際に各色成分の光が各合成面に入射する際にもつ円錐形状の広がり（例えば、±７．５度）を考慮し、第１合成面２１と第２合成面２２とに対しては、入射角度の中心角度４５度及び４５度±7.5度の入射角度に対し、図３（ａ），（ｂ）に示す特性を与え、第３合成面２３に対しては、入射角度の中心角度２６度及び２６度±７．５度の入射角度に対し、図３（ｃ）に示す特性を与えている。また、Ｒｓは各入射角度におけるＳ偏光成分の分光反射特性を示し、Ｒｐは各入射角度におけるＰ偏光成分の分光反射特性を示す。

この特性から分かるように、第１合成面２１は、４８０〜６００nm付近でＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過する偏光特性を与えると同時に６００nm以上の波長成分を透過する特性を与えられている。中心の入射角が４５度と大きいため同一波長に対する偏光特性が与えやすくなり、青緑色成分のＳ偏光を効率良く反射し、黄緑色成分のＰ偏光を効率良く透過する特性が得られる。また、誘電体多層膜では適当な層数の膜設計を行うことで特にＳ偏光成分の波長特性を急峻にすることが容易であり、赤色成分のＳ偏光を効率良く透過しながら、青緑色成分のＳ偏光を効率良く反射する特性が得られる。

また、第２合成面２２は、４８０〜６００nm付近の波長成分を透過すると同時に５８０nm以上のＳ偏光成分を反射する特性が与えられている。中心の入射角が４５度と大きいため偏光特性が与えやすくなり、赤色成分のＳ偏光を効率良く反射しながら、波長の近い黄緑色成分のＰ偏光を効率良く透過する特性が得られる。また、誘電体多層膜では適当な層数の膜設計を行うことで特にＳ偏光成分の波長特性を急峻にすることが容易であり、赤色成分のＳ偏光を効率良く反射しながら、青緑色成分のＳ偏光を効率良く透過する特性が得られる。

さらに、第３合成面２３は、４８０nm以上の波長成分を偏光成分に依存することなく透過すると同時に、４８０nm以下のＳ偏光成分を特に反射するような特性が与えられている。中心の入射角が２６度と小さいため、偏光依存性が少なくできるとともに、偏光に依存しない透過帯域を広くすることができる。したがって、第１合成面２１と第２合成面２２とで合成された両偏光成分を持ち且つ波長範囲の広い光を効率良く透過し、青色成分のＳ偏光を効率良く反射する特性が得られる。

本実施形態に係る色合成素子１０によれば、第１入射面１１と第２入射面１２とからの共通の色成分を持つ光を合成すると同時に、第３入射面１３からの別の色成分の光を合成することができ、さらに、第４入射面１４から入射した第４の色成分の光を合成できるので、より多くの色成分を有する合成光を得ることができる。また、第１入射面１１と第２入射面１２とからの共通の色成分を持つ光を偏光成分の違いを利用して第１の合成面２１で効率良く合成できると同時に、第３入射面１３からの別の色成分の光を色成分の違いを利用して第１合成面２１と第２合成面２２とからの光を効率良く合成することができる。

なお、本実施形態において、図５に示すように、第４入射面１４から入射した青色成分の光を一旦射出面１５の内面で全反射させてから第３合成面１３に入射する色合成素子３０であっても良い。この構成の場合には、第４入射面１４と射出面１５と第３合成面２３とを有するプリズム部品を小さくすることができるとともに、各色成分の光が通過する各入射面から射出面までの光学的距離を短くすることができるので、入射光の円錐形の角度分布による光の広がりを考慮すると、更に色合成素子全体を小さく形成することができる。

また、図６に示すように、第１合成面２１と第２合成面２２及び第３合成面２３で囲まれるプリズムを、第２入射面１２と平行な面で２つの第１プリズム３２と第２プリズム３３とに分割し、分割した第１プリズム３２と第２プリズム３３との間は、接合するか微小なエアギャップを持つ色合成素子３１としても良い。この構成の場合には、プリズムの分割により単純な形状のプリズムの組合せにできるため製作性が良くなる。

さらに、図５に示す色合成素子３０に入射する第１の色成分と第２の色成分とが、図７に示すように、同一色成分（例えば、緑色成分）であっても良い。この場合、図８に示すように、第１入射面１１からは緑色成分のＳ偏光成分を入射し、第２入射面１２からは、緑色成分のＰ偏光成分を入射する。すなわち、第１入射面１１と第２入射面１２とから偏光成分は異なるが、色成分が同じ緑色成分の光を入射し、第３入射面１３から赤色成分を、第４入射面１４から青色成分をそれぞれ入射し光を合成する。したがって、同じ色成分を合成することができるので、特定の色成分を多く有する合成光を得ることが可能になる。
また、赤色成分、黄緑色成分、青緑色成分の３色で十分であるときは、図９に示すように、第１入射面１１，第２入射面１２，第３入射面１３，第１合成面２１及び第２合成面２２を備える色合成素子３４であっても良い。

次に、本発明に係る第２実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る色合成素子１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る投影装置４０は、図１０に示すように、図５に示す色合成素子３０を用いて構成されている。

投影装置４０は、各色成分の照明光を射出する光源５０と、各色成分の光を変調する透過型液晶パネル（空間変調素子）６０と、この透過型液晶パネル６０に光源５０より射出した照明光を色合成素子３０に誘導する導光部７０と、明るさを調整する明るさ絞り４１ａを有し色合成素子３０により合成された光を投影する投影レンズ４１とを備えている。

光源５０は、第１の色成分及び第２の色成分の光を第１入射面１１及び第２入射面１２に向かって発光（発生）する緑ＬＥＤ（共通光源）５１と、第３の色成分の光を第３入射面１３に向かって発光する赤ＬＥＤ（第３の光源）５３と、第４の色成分の光を第４入射面１４に向かって発光する青ＬＥＤ（第４の光源）５４とを備えている。ここで、第１の色成分と第２の色成分とは同一色成分で、例えば緑色成分であり、第３の色成分は赤色成分であり、第４の色成分は青色成分である。また、光源５０には各ＬＥＤ５１，５３，５４からの各色成分の光を、導光部７０に効率良く取り込むために、放物面形状の反射面やレンズ面などを有する取込素子５１ａ，５３ａ，５４ａを備えている。

空間変調素子６０は、緑ＬＥＤ５１と第１入射面１１との間に配置され緑ＬＥＤ５１からの照明光のうち第１の色成分の光を変調する緑用ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ，第１の空間変調素子）６１と、緑ＬＥＤ５１と第２入射面１２との間に配置され、緑ＬＥＤ５１からの照明光のうち第２の色成分の光を変調する緑用ＬＣＤ（第２の空間変調素子）６２と、赤ＬＥＤ５３と第３入射面１３との間に配置され、赤ＬＥＤ５３からの照明光のうち第３の色成分の光を変調する赤用ＬＣＤ（第３の空間変調素子）６３と、青ＬＥＤ５４と第４入射面１４との間に配置され、青ＬＥＤ５４からの照明光のうち第４の色成分の光を変調する青用ＬＣＤ（第４の空間変調素子）６４とを備えている。

導光部７０は、緑ＬＥＤ５１により照射された光を導光する共通導光部７１と、赤ＬＥＤ５３により照射された光を導光する第３導光部７３と、青ＬＥＤ５４により照射された光を導光する第４導光部７４とを備えている。

共通導光部７１は、緑ＬＥＤ５１により照射され共通のテーパ状導光ロッド７１ａを導光した光を第１の色成分の光と第２の色成分の光とに分離する偏光分離面７５ａを有する偏光分離素子（光分離素子）７５と、偏光分離素子７５により反射した光を導光する導光ロッド７６ａ，７６ｂと、導光ロッド７６ａ，７６ｂからの光を略９０度曲げる反射プリズム７７ａ，７７ｂとを備えている。

また、導光ロッド７６ａ，７６ｂの全ての面と、反射プリズム７７ａ，７７ｂの全ての面が、偏光分離面７５ａにより反射したＳ偏光成分の光の偏光方向と平行もしくは垂直に構成されている。このため、導光ロッド７６ａ，７６ｂと反射プリズム７７ａ，７７ｂとによって、偏光分離素子７５の偏光分離面７５ａにより反射したＳ偏光成分の光の偏光方向を保存した状態で、Ｓ偏光成分の光を略１８０度曲げることが可能になっている。
なお、偏光分離素子７５及び反射プリズム７７ａ，７７ｂの屈折率は、共通のテーパ状導光ロッド７１ａ及び導光ロッド７６ａ，７６ｂの屈折率より高くなっており、反射プリズム７７ａ，７７ｂと導光ロッド７６ａ，７６ｂとの界面での全反射を利用し、偏光分離面７５ａや反射プリズム７７ａ，７７ｂの４５度反射面に全ての光が確実に入射するようにして、緑ＬＥＤ５１により照射された緑色成分の光を効率良く導光するようにしている。

第３導光部７３は、赤ＬＥＤ５３により照射され第３のテーパ状導光ロッド７３ａを導光した光を略９０度曲げる反射プリズム７８を備えている。この反射プリズム７８は、青色成分用の第４のテーパ状導光ロッド７４ａとの干渉を避けるために配置されたものである。なお、反射プリズム７８の屈折率は、第３のテーパ状導光ロッド７３ａの屈折率より高くなっており、第３のテーパ状導光ロッド７３ａを導光し、反射プリズム７８に向かった光が効率良く赤用ＬＣＤ６３に向かうようにしている。
第４導光部７４は、青ＬＥＤ５４により照射された光を青用ＬＣＤ６４に導光する第４のテーパ状導光ロッド７４ａを備えている。

なお、各テーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａは、ガラス材質からなり、各ＬＥＤ５１，５３，５４から色合成素子３０に向かって漸次内径が大きくなる形状である。これにより、各テーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａは、各ＬＣＤ６１，６３，６４，６５に対する光の入射角度を所定の範囲内に納め、所定のＮＡを有する光に変換している。なお、各ＬＣＤ６１，６２，６３，６４は前後に偏光方向が直交するように配置された偏光板を有しており、光が透過する状態で、各ＬＣＤ６１，６２，６３，６４は前後の偏光方向がＰ偏光からＳ偏光またはＳ偏光からＰ偏光に変換される。

次に、以上の構成からなる本実施形態の投光装置４０の作用について、以下に説明する。
まず、各ＬＥＤ５１，５３，５４から光を照射し、照射された光が各取込素子５１ａ，５３ａ，５４ａにより効率良く各テーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａに入射する。各テーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａを導光した光は、各テーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａにより所定のＮＡをもつ光に変換されると同時に、各ＬＣＤ６１，６２，６３，６４を充分に照明可能な面積に拡大される。青色成分の光は青用ＬＣＤ６４に直接入射し、赤色成分の光は、反射プリズム７８により反射されてから赤用ＬＣＤ６３に入射する。また緑色成分の光は偏光分離素子７８によりＰ偏光成分の光とＳ偏光成分の光とに分離され、Ｐ偏光成分の光は、偏光分離面７５ａを透過し直接色合成素子３０の第１入射面１１に配置された緑用ＬＣＤ６１に入射する。そして、Ｓ偏光成分の光は、導光ロッド７６ａ，７６ｂと反射プリズム７７ａ，７７ｂを介して偏光方向を維持したまま第２入射面１２に配置された緑用ＬＣＤ６２に入射する。各ＬＣＤ６１，６２，６３，６４から射出された光は色合成素子３０に入射し、再合成され射出面１５から射出され投影レンズ４１に入射した後、スクリーン（図示略）にカラー画像として投影される。

本実施形態に係る投影装置４０では、各ＬＣＤ６１，６２，６３，６４は前後に偏光板を有しており、入力された画像データに応じて入射光の偏光面を回転することで透過率を制御しているので、各ＬＣＤ６１，６２，６３，６４に入射した光のうち一方向の偏光成分しか利用することができない。従って、各ＬＥＤ５１，５３，５４の光は無偏光であるので、赤色成分や青色成分は赤用ＬＥＤ５３，青用ＬＥＤ５４の光うち１／２しか利用することできないが、緑色成分は２つの緑用ＬＣＤ５１に対してそれぞれ必要な偏光成分のみを入射しているので、緑用ＬＥＤ５１から照射の光を有効に利用することができる。
また、色合成素子３０で一旦分離した緑色成分の光を効率良く再合成することができるので、白バランスの取れた投影画像を得るために、その輝度成分として最も光量の必要な緑色の成分の損失を少なくすることができる。

なお、本実施形態において、色成分ごとに光源を用いたが、これに代えて、広帯域のスペクトルを有する例えばハロゲンランプやキセノンランプ，超高圧水銀ランプ等であっても良い。
また、各デーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａをガラス材質としたが、これに限るものではなく、例えば各デーパ状導光ロッド７１ａ，７３ａ，７４ａの内部を中空として内面に反射コーティングを施しても良い。
また、色合成素子３０に代えて、色合成素子１０，３１を用いても良い。ここで、赤色成分、黄緑色成分、青緑色成分の３色で十分であるときは、色合成素子３４を用いても良い。

また、緑ＬＥＤ５１が緑色成分の光を発生するとしたが、これに代えて、図１１に示すように、青緑色成分の光を発生する青緑ＬＥＤ（第１の光源）５２ａと、黄緑色成分の光を発生する黄緑ＬＥＤ（第２の光源）５２ｂとを備える投影装置８０であっても良い。このとき、偏光分離素子７５、導光ロッド７６ａ，７６ｂ、反射プリズム７７ａ，７７ｂは必要なく、黄緑ＬＥＤ５２ｂを黄緑用ＬＥＤ（第２の空間変調素子）６２ａに導光する第２のテーパ状導光ロッド７２を備える。この構成の場合には、青緑色成分と黄緑色成分とを別々のＬＥＤで発光する構成であるため、４つの色成分による画像を別々に生成して合成し投影することができるので、色表現範囲の広い投影装置が実現できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、第１の合成面２１は、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光のうち第１合成面２１に対してＳ偏光成分で入射する光を反射したが、これに代えて、Ｐ偏光成分で入射する光を反射しても良い。同様にして、第２入射面１２から入射した第２の色成分の光のうち第１合成面２１に対してＳ偏光成分で入射する光を透過しても良く、また、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光の第１合成面２１に対してＰ偏光成分で入射する光を透過しても良い。さらに、第２合成面２２は、第１入射面１１から入射した第１の色成分の光のうち第２合成面２２に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、第２入射面１２から入射した第２の色成分の光の第２合成面２２に対してＳ偏光成分で入射する光を透過しても良く、また、第３入射面１３から入射した第３の色成分の光のうち少なくとも第２合成面２２に対してＰ偏光成分で入射する光を反射しても良い。

また、第２の色成分を黄緑色成分としたが、第２の色成分の中心波長は、第１の色成分の中心波長と第３の色成分の中心波長との間の波長であれば良い。
また、第４の色成分として第１の色成分と第２の色成分と第３の色成分との中心波長の何れよりも、短波長である青色を用いたが、長波長であっても同様の効果が得られる。

本発明の第１実施形態に係る色合成素子を示す平面図である。 図１の色合成素子に入射させる４つの色成分のスペクトル分布であり、縦軸に強度、横軸に波長を示す。 図１の第１合成面の分光特性であり、縦軸に反射率、横軸に波長を示す。 図１の各合成面に対する入射光の角度範囲を示す図である。 図１の色合成素子の変形例を示す平面図である。 図１の色合成素子の他の変形例を示す平面図である。 図１の色合成素子の他の変形例に入射する３つの色成分のスペクトル分布であり、縦軸に強度、横軸に波長を示す。 図１の色合成素子の他の変形例を示す平面図である。 図１の色合成素子の他の変形例を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る色合成素子を示す平面図である。 図１０の投影装置の変形例を示す平面図である。 従来の色合成素子を使用した投影装置を示す平面図である。 従来の色合成素子を示す平面図である。 従来の投影装置に使用されているランプのスペクトル分布であり、縦軸に強度、横軸に波長を示す。

符号の説明

１０，３０，３１，３４ 色合成素子
１１ 第１入射面
１２ 第２入射面
１３ 第３入射面
１４ 第４入射面
２１ 第１合成面
２２ 第２合成面
２３ 第３合成面
４０，８０ 投影装置
４１ 投影レンズ
５１ 緑ＬＥＤ（共通光源）
５２ａ 青緑ＬＥＤ（第１の光源）
５２ｂ 黄緑ＬＥＤ（第２の光源）
５３ 赤ＬＥＤ（第３の光源）
５４ 青ＬＥＤ（第４の光源）
６１ 緑用ＬＣＤ（第１の空間変調素子）
６２ 緑用ＬＣＤ（第２の空間変調素子）
６２ａ 黄緑用ＬＣＤ（第２の空間変調素子）
６３ 赤用ＬＣＤ（第３の空間変調素子）
６４ 青用ＬＣＤ（第４の空間変調素子）
７５ 偏光分離素子（光分離素子）

Claims (15)

1. 複数の入射面から入射した光を内部で合成して射出する色合成素子であって、
   第１入射面と、
   該第１入射面と略直交する第２入射面と、
   前記第１入射面と略平行で前記第２入射面と略直交する第３入射面と、
   内部で略直交する第１合成面と第２合成面とを有し、
   前記第１合成面は、前記第１入射面から入射した第１の色成分の光を反射すると共に、前記第２入射面から入射し前記第１の色成分と少なくとも一部が同一の色成分を有する第２の色成分の光と、第３入射面から入射した第３の色成分の光とを透過し、
   前記第２合成面は、前記第３入射面から入射した前記第３の色成分の光を反射すると共に、前記第１入射面から入射した前記第１の色成分の光と第２入射面から入射した前記第２の色成分の光を透過し、前記第１，第２，第３入射面から入射した光は、前記第１合成面と前記第２合成面とを経て合成されることを特徴とする色合成素子。
2. 前記第１合成面は、前記第１入射面から入射した第１の色成分の光のうち少なくとも前記第１合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を反射し、前記第２入射面から入射した前記第２の色成分の光のうち少なくとも前記第１合成面に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、前記第３入射面から入射した前記第３の色成分の光のうち少なくとも前記第１合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を透過すると共に、
   前記第２合成面は、前記第１入射面から入射した前記第１の色成分の光のうち少なくとも前記第２合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を透過し、前記第２入射面から入射した前記第２の色成分の光のうち少なくとも前記第２合成面に対してＰ偏光成分で入射する光を透過し、前記第３入射面から入射した第３の色成分の光のうち少なくとも前記第２合成面に対してＳ偏光成分で入射する光を反射することを特徴とする請求項１に記載の色合成素子。
3. 前記第２の色成分の中心波長は、前記第１の色成分の中心波長と前記第３の色成分の中心波長との間の波長であることを特徴とする請求項２に記載の色合成素子。
4. 前記第１の色成分と前記第２の色成分とは同一色成分であることを特徴とする請求項１に記載の色合成素子。
5. 前記第２の色成分の全光量に対して、前記第２の色成分における前記第１の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が、前記第２の色成分における前記第３の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合よりも多いことを特徴とする請求項１記載の色合成素子。
6. 第４入射面と、
   前記第１，第２，第３入射面から入射して前記第１合成面と前記第２合成面とを経て合成された第１の合成光を透過し、前記第４入射面から入射した第４の色成分の光を反射する第３合成面とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の色合成素子。
7. 前記第３合成面は、入射する前記第１の合成光及び前記第４の色成分の光の入射角が、前記第１，第２，第３入射面から前記第１合成面に入射する光の入射角及び前記第１，第２，第３入射面から前記第２合成面に入射する光の入射角よりも小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の色合成素子。
8. 前記第４の色成分の中心波長は、前記第１の色成分と前記第２の色成分と前記第３の色成分との中心波長の何れよりも、長波長または短波長であることを特徴とする請求項６に記載の色合成素子。
9. 前記第１の色成分の全光量に対して、前記第１の色成分における前記第２の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合が、前記第１の色成分における前記第４の色成分と共通のスペクトル範囲の光量の割合よりも多いことを特徴とする請求項６記載の色合成素子。
10. 請求項６に記載の色合成素子を有する投影装置であって、
    照明光を射出する光源と、
    該光源と前記第１入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第１の色成分の光を変調する第１の空間変調素子と、
    前記光源と前記第２入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第２の色成分の光を変調する第２の空間変調素子と、
    前記光源と前記第３入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第３の色成分の光を変調する第３の空間変調素子と、
    前記光源と前記第４入射面の間に配置され、前記光源からの照明光のうち前記第４の色成分の光を変調する第４の空間変調素子と、
    前記色合成素子により合成された光を投影する投影レンズとを備えることを特徴とする投影装置。
11. 前記光源は、
    前記第１の色成分の光を発生する第１の光源と、
    前記第２の色成分の光を発生する第２の光源と、
    前記第３の色成分の光を発生する第３の光源と、
    前記第４の色成分の光を発生する第４の光源とを備えることを特徴とする請求項１０記載の投影装置。
12. 前記光源は、
    前記第１の色成分の光と前記第２の色成分の光とを発生する共通光源と、
    前記第３の色成分の光を発生する第３の光源と、
    前記第４の色成分の光を発生する第４の光源とを備え、
    前記共通光源からの光を前記第１の色成分の光と前記第２の色成分の光とに分離する光分離素子を有することを特徴とする請求項１０に記載の投影装置。
13. 前記第１の色成分と前記第２の色成分とは同一色成分であり、前記光分離素子が偏光分離素子であることを特徴とする請求項１２に記載の投影装置。
14. 前記第１の色成分の色は青緑であり、
    前記第２の色成分の色は黄緑であり、
    前記第３の色成分の色は赤であり、
    前記第４の色成分の色は青であることを特徴とする請求項１０記載の投影装置。
15. 前記第１の色成分の色は黄緑であり、
    前記第２の色成分の色は青緑であり、
    前記第３の色成分の色は青であり、
    前記第４の色成分の色は赤であることを特徴とする請求項１０記載の投影装置。
    
    

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