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CN100340896C - 彩色合成光学系统以及图像投射装置 - Google Patents

彩色合成光学系统以及图像投射装置 Download PDF

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CN100340896C
CN100340896C CNB2004100032916A CN200410003291A CN100340896C CN 100340896 C CN100340896 C CN 100340896C CN B2004100032916 A CNB2004100032916 A CN B2004100032916A CN 200410003291 A CN200410003291 A CN 200410003291A CN 100340896 C CN100340896 C CN 100340896C
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Abstract

本发明公开了可以降低因对彩色偏振光合成膜的入射角度的变动引起的光量损失并合成多束色光的彩色合成光学系统。合成第一色光和第二色光的彩色合成光学系统具有由多层膜构成的偏振光合成膜。该彩色偏振光合成膜在规定的入射角度范围内以90%以上的效率合成上述第一色光的第一偏振光成分和上述第二色光的第二偏振光成分，且该第二偏振光成分具有与上述第一偏振光成分近于正交的偏振光方向。

Description

彩色合成光学系统以及图像投射装置
技术领域
本发明涉及投影仪等图像投射装置中使用的彩色合成光学系统。
背景技术
在特开2001-154268号公报等中公开了组合有反射型液晶显示元件和偏振光光束分离器的图像投影装置。
该公报所公开的投射型图像显示装置如图12所示的那样，具有白色光源1001、反射型液晶显示元件1002R、1002G、1002B和投射光学系统1003，在白色光源1001和反射型液晶显示元件1002R、1002G、1002B之间设置有二向色反射镜1004。进而，具有在二向色反射镜1004与反射型液晶显示元件1002R、1002G、1002B之间设置了偏振光光束分离器1005、1006的彩色分解系统和在反射型液晶显示元件1002R、1002G、1002B与投射光学系统1003之间设置了第一、第二以及第三偏振光光束分离器1005、1006、1007的彩色合成系统。
这里，彩色分解系统利用二向色反射镜1004将白光分解成第一色光(Green)、第二色光以及第三色光(Red、Blue)。第一色光入射到第一偏振光光束分离器1005。第二以及第三色光入射到设置在二向色反射镜1004和第二偏振光光束分离器1006之间的第一彩色选择性相位差板1008。第一彩色选择性相位差板1008可以使规定波长区域的光的偏振方向旋转90度。由此，可以使彩色成分(R、B)和偏振光方向(P、S)相互关连起来。
进而，通过第一彩色选择性相位差板1008，B光的偏振方向旋转90度，B光作为P偏振光，R光作为S偏振光入射到第二偏振光束分离器1006并在该第二偏振光束分离器1006被分离成第二色光(R)和第三色光(B)。
此外，在彩色合成系统中，在第一偏振光光束分离器1005反射的G光在第一反射型液晶显示元件1002G其偏振光方向被旋转90度反射，透过第一偏振光光束分离器1005，在1/2相位板1012被旋转90度偏振光方向并在第三偏振光光束分离器1007反射到达投射光学系统1003。
另外，R光在第二反射型液晶显示元件1002R其偏振光方向被旋转90度反射，透过第二偏振光光束分离器1006。而B光在第三反射型液晶显示元件1002B其偏振光方向被旋转90度反射，进而被第二偏振光光束分离器1006反射。这样，2束色光(R、B)被合成为1束光。
这里，由于B光被设置在第二偏振光光束分离器1006和第三偏振光光束分离器1007之间的第二彩色选择性相位差板1009旋转90度其偏振光方向，故成为与R光相同的P偏振光。由此，通过使这些R、B光透过第三偏振光光束分离器1007到达投射光学系统1003，可以合成3束色光。
但是，在以往例所示那样的图像投射装置的彩色合成系统中，由于为了合成第一色光和第二以及第三色光需要使用偏振光光束分离器，故如果因设置在偏振光光束分离器的偏振光分离膜的入射角度特性而导致P偏振光的透过率低下，则会存在光量损失和彩色平衡被破坏之类的问题。
图13中给出了偏振光分离膜处的P偏振光的透过率特性。由于通过使透过偏振光分离膜的P偏振光满足布儒斯特角可以使偏振光分离膜得到接近100％的透过率，故如果入射角度变动则偏振光分离膜处的入射角度将偏离布儒斯特角。因而，将因透过率大幅度地降低而产生图13那样的引起角度变动之类的问题。
此外，以往也有代替偏振光光束分离器1007而使用二向色棱镜的例子。但是，因该情况下分离反射的波长的半值波长随入射角度特性而偏移，故分光特性易于变化。因此，存在光量损失和彩色平衡被破坏之类的问题。
图14给出了二向色膜的透过率特性。二向色膜通过交互地重复配置折射率不同的层构成。并且，通过使等价折射率同一，交互地产生透过光的透过(波长)带和反射光的反射(波长)带，可以得到使特定的波长带域透过，使其以外的波长带域反射的二向色特性。
此时，反射带的中心波长λ0如图15所示的那样，通过形成交互层的膜材料的折射率n和膜厚d以及对应折射面的光线角度θ，使
λ0＝4×n1×d1×cos(θ1)＝4×n2×d2×cos(θ2)
的关系成立。
这里，4×n1×d1×cos(θ1)、4×n2×d2×cos(θ2)为等价膜厚度。
根据上述关系，如果对应二向色膜的光的入射角度变化，则对应折射面的光线角度θ变化，由于反射带的中心波长变化，故其二向色特性也在波长方向偏移，将引起图14那样的角度变动。
发明内容
本发明之目的在于提供可以降低因入射角度的变动引起的光量的损失并合成多种的色光，得到明亮的图像的彩色合成光学系统以及配备了该系统的图像投射装置。
为达成上述目的，本发明的第一实施形态是一种彩色合成光学系统，包含由多层膜构成的合成第一色光和第二色光的彩色偏振光合成膜，其特征在于：上述彩色偏振光合成膜在预定的入射角度范围内以90％以上的效率合成上述第一色光的第一偏振光成分和上述第二色光的第二偏振光成分，该第二偏振光成分具有与上述第一偏振光成分大致正交的偏振光方向；该彩色合成光学系统合成分别来自形成原图像的第一以及第二图像形成元件的上述第一以及第二色光和来自形成原图像的第三图像形成元件的第三色光，并将该合成光引导到投射光学系统；上述彩色合成光学系统进一步具有第一以及第二检光部件，来自上述第一图像形成元件的上述第一色光经由上述第一检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统，并且来自上述第二以及第三图像形成元件的上述第二色光以及第三色光分别经由上述第二检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统；上述第一色光是500～570nm的第一波长范围的光，上述第二色光是430～480nm的第二波长范围的光，上述第三色光是590～650nm的第三波长范围的光；在设入射到上述彩色偏振光合成膜的光的入射角度为45度±5度时，该彩色偏振光合成膜的上述第一波长范围的透过率为90％以上，上述第二以及第三波长范围的反射率为90％以上；上述彩色偏振光合成膜具有透过65％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的P偏振光、反射65％以上的S偏振光的特性，且满足以下的条件：
Rp1/Rp2＜0.5
Rp1/Rp3＜0.5
这里，Rp1是上述第一波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp2是上述第二波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp3是上述第三波长范围的P偏振光的平均反射率，
Ts2/Ts1＜0.5
Ts3/Ts1＜0.5
这里，Ts1是上述第一波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts2是上述第二波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts3是上述第三波长范围的S偏振光的平均透过率。
本发明的第二实施形态是一种彩色合成光学系统，包含由多层膜构成的合成第一色光和第二色光的彩色偏振光合成膜，其特征在于：上述彩色偏振光合成膜在预定的入射角度范围内以90％以上的效率合成上述第一色光的第一偏振光成分和上述第二色光的第二偏振光成分，该第二偏振光成分具有与上述第一偏振光成分大致正交的偏振光方向；该彩色合成光学系统合成分别来自形成原图像的第一以及第二图像形成元件的上述第一以及第二色光和来自形成原图像的第三图像形成元件的第三色光，并将该合成光引导到投射光学系统；上述彩色合成光学系统进一步具有第一以及第二检光部件，来自上述第一图像形成元件的上述第一色光经由上述第一检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统，并且来自上述第二以及第三图像形成元件的上述第二色光以及第三色光分别经由上述第二检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统；上述第一色光是500～570nm的第一波长范围的光，上述第二色光是430～480nm的第二波长范围的光，上述第三色光是590～650nm的第三波长范围的光；在设入射到上述彩色偏振光合成膜的光的入射角度为45度±5度时，该彩色偏振光合成膜的上述第一波长范围的透过率为90％以上，上述第二以及上述第三波长范围的反射率为90％以上；上述彩色偏振光合成膜具有透过65％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的P偏振光、反射65％以上的S偏振光的特性，且满足以下的条件：
Rp2/Rp1＜0.5
Rp3/Rp1＜0.5
这里，Rp1是上述第一波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp2是上述第二波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp3是上述第三波长范围的P偏振光的平均反射率，
Ts1/Ts2＜0.5
Ts1/Ts3＜0.5
这里，Ts1是上述第一波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts2是上述第二波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts3是上述第三波长范围的S偏振光的平均透过率。
通过参照附图进行的下面的具体实施例的说明，我们将进一步明确本发明的彩色合成光学系统乃至图像投射装置的特征。
附图说明
图1所示是本发明实施例1的图像投射装置的构成例；
图2是说明实施例1的二向色反射镜的图；
图3是说明实施例1的彩色选择性相位差板的图；
图4是说明实施例1的彩色选择性相位差板的图；
图5A以及图5B是说明实施例1的彩色偏振光合成棱镜的图；
图6所示是本发明实施例2的图像投射装置的构成例；
图7是说明实施例2的彩色选择性相位差板的图；
图8A以及图8B是说明实施例2的彩色偏振光合成棱镜的图；
图9A以及图9B是说明本发明实施例3的彩色偏振光合成棱镜的图；
图10A以及图10B是说明本发明实施例4的彩色偏振光合成棱镜的图；
图11A以及图11b是说明本发明实施例4的彩色偏振光合成棱镜的图；
图12是说明现有的图像投射装置的构成的图；
图13所示是现有的偏振光分离面的P偏振光的透过率特性；
图14所示是现有的二向色膜的透过率特性；
图15是说明现有的二向色膜的特性的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施形态进行说明。
[实施例1]
图1中给出了作为本发明的实施例1的图像投射装置的构成例。图1中，1是以连续频谱发出白色光的光源，2是向规定的方向会聚光的反射望远镜，3a是矩阵状地配置了矩形的透镜的第一复眼透镜列阵，3b是具有由对应了第一复眼透镜列阵3a的各个透镜的透镜列阵构成的第二复眼透镜列阵。
4是将具有无偏振方向的光处理成特定的偏振光的偏振光变换元件，5a、5b是聚光透镜，5c是反射镜。此外，6a是90度变换蓝色(以下记为B)光的偏振方向但不变换红色(以下记为R)光的偏振方向的第一彩色选择性相位差板，6b是90度变换R光的偏振方向但不变换B光的偏振方向的第二彩色选择性相位差板。这里，绿色以下记为G。
7是反射B和R波长区域的光，透过G波长区域的光的二向色反射镜，8a和8b是具有反射S偏振光的偏振光分离面的第一偏振光光束分离器以及第二偏振光光束分离器。13是透过G的P偏振光，反射R以及B的S偏振光的彩色偏振光合成棱镜。
此外，9r、9g、9b分别是反射并图像调制各种色光(入射光)的红色用反射型液晶显示元件(图像形成元件)、绿色用反射型液晶显示元件以及蓝色用反射型液晶显示元件。
这些液晶显示元件9r、9g、9b上连接着驱动电路51。在驱动电路51上供给有来自个人计算机、DVD播放器、视频系统、电视接收机等图像信息供给装置52的图像信号，驱动电路51对应于所供给的图像信号驱动液晶显示元件9r、9g、9b。由此，入射到液晶显示元件9r、9g、9b的各种色光在受到图像调制的同时还被反射。
10r、10g、10b分别是红色用的1/4波长片、绿色用的1/4波长片以及蓝色用的1/4波长片。11是投射透镜，12a、12b、12c、12d分别为偏光板。
下面对光学上的作用进行说明。从光源1发出的光束通过反射望远镜2被会聚到特定的方向上。这里，反射望远镜2具有抛物面形状，来自抛物面的焦点位置的光成为平行于抛物面的对称轴的光束。但是，由于光源1不是理想的点光源而具有有限的大小，故在会聚的光束中也包含着很多不与抛物面的对称轴平行的光的成分。
这些会聚光光束入射到第一复眼透镜列阵3a。第一复眼透镜列阵3a矩阵状地组合外形是矩形的具有正的光焦度的透镜构成，入射的光束被分别对应于各个透镜的多个光束被分割、会聚。进而，这些被分割、会聚了的光束经由第二复眼透镜列阵3b，在偏振光变换元件4的附近矩阵状地形成多个光源像。
偏振光变换元件4由偏振光分离面、反射面和1/2波长片组成，矩阵状地会聚了的多个光束入射到对应于其列的偏振光分离面，被分割成透过的P偏振光成分的光和反射的S偏振光成分的光。
被反射的S偏振光成分的光在反射面处反射，出射到与P偏振光成分相同的方向，P偏振光成分的光透过1/2波长片，被变换成与S偏振光成分同样的偏振光成分。由此，从偏振光变换元件4出射经过处理了偏振方向的光束。
从偏振光变换元件4出射的多束光束在偏振光变换元件4的附近会聚后，作为发散光束到达聚光光学系统。
会聚光光学系统由会聚透镜5a、5b组成。多束的光束通过会聚光光学系统分别在可以形成复眼透镜的矩形形状的像的位置重叠，形成矩形的均匀的照明区域。在该照明区域配置有反射型液晶显示元件9r、9g、9b。
设置在照明光路中的分色反射镜7具有由图2的实线所示那样的特性。
在分色反射镜7处，被进行了彩色分离的G光在通过偏光板12a修整了分色反射镜7等造成的偏光方向的紊乱后，作为S偏振光相对于第一偏振光光束分离器8a入射，在偏振光分离面反射，到达G光用的反射型液晶显示元件9g。
在G光用的反射型液晶显示元件9g处，G光受到图像调制并被反射。受到图像调制的G光反射光的S偏振光成分再次在第一偏振光光束分离器8a的偏振光分离面处反射，返回光源侧并被从投射光中除去。受到图像调制的G光的反射光的P偏振光成分透过第一偏振光光束分离器8a的偏振光分离面成为投射光。透过第一偏振光光束分离器8a的光在偏光板12b被进一步除去不需要的偏振光成分到达彩色偏振光合成棱镜13。
在分色反射镜7处反射了的R光以及B光通过偏光板12c修整了由分色反射镜7等造成的偏光方向的紊乱后，入射到第一彩色选择性相位差板6a。图3给出了第一彩色选择性相位差板6a的特性。
图3中，横轴表示入射光的波长，纵轴表示在相对于入射光的偏振方向90度(正交)方向上偏振光方向被变换的变换率。由此，R光不被变换地作为S偏振光不变地从第一彩色选择性相位差板6a射出，B光则被变换成P偏振光从第一彩色选择性相位差板6a射出。
这样，B光作为P偏振光，R光作为S偏振光入射到第二偏振光光束分离器8b。进而，在第二偏振光光束分离器8b，B光透过偏振光分离面到达B光用的反射型液晶显示元件9b，R光则在偏振光分离面反射到达R光用的反射型液晶显示元件9r。
在B光用的反射型液晶显示元件9b，B光受到图像调制并反射。调制后的B反射光的P偏振光成分再次透过第二偏振光光束分离器8b的偏振光分离面，返回光源侧并被从投射光中除去。调制后的B光的S偏振光成分在第二偏振光光束分离器8b的偏振光分离面处反射，到达彩色偏振光合成棱镜13。
同样地，在R光用的反射型液晶显示元件9r，R光受到图像调制并反射。调制后的R反射光的S偏振光成分再次反射于第二偏振光光束分离器8b的偏振光分离面，返回光源侧并被从投射光中除去。调制后的R光的P偏振光成分透过第二偏振光光束分离器8b的偏振光分离面，到达彩色偏振光合成棱镜13。由此，B投射光和R投射光被合成为一个光束。
合成后的R光和B光入射到第二彩色选择性相位差板6b。第二彩色选择性相位差板6b具有图4所示那样的特性。图4中，横轴表示入射光的波长，纵轴表示在相对于入射光的偏振方向90度(正交)方向上偏振光方向被变换的变换率。由此，B光按S偏振光原样从第二彩色选择性相位差板6b射出，R光被变换成S偏振光从第二彩色选择性相位差板6b射出。
进而，B光和R光在偏光板12d被进一步除去不需要的偏振光成分，作为S偏振光入射到彩色偏振光合成棱镜13。并且，通过在彩色偏振光合成棱镜13的彩色偏振光合成膜13c处的反射，被合成为透过了该彩色偏振光合成膜13c的P偏振光的G投射光。
合成后的RGB投射光通过投射透镜11被投影到屏幕等投射面上。
本实施例中的彩色偏振光合成棱镜13是粘合了2个三角棱镜13a、13b构成的。在第一三角棱镜13a的粘合面设置有由多层膜构成的彩色偏振光合成膜13c，其通过粘合剂与第二三角棱镜13b粘合在一起。
这里，表1中给出了本实施例中使用的彩色偏振光合成膜13c的设计例。该彩色偏振光合成膜13c是在作为基板的第一三角棱镜13a上堆积15层的膜(2种材质的膜)而成的。此外，图5A、图5B分别为其特性图。图5A给出的是对彩色偏振光合成膜13c的光的入射角度为40、45、50度时的P偏振光的透过率，图5B给出的是对彩色偏振光合成膜13c的光的入射角度为40、45、50度时的S偏振光的反射率。
【表1】
  膜   厚度(nm)   折射率
  粘合剂   1.51
  1   97   1.46
  2   82   2.30
  3   158   1.46
  4   93   2.30
  5   156   1.46
  6   85   2.30
  7   98   1.46
  8   141   2.30
  9   107   1.46
  10   61   2.30
  11   88   1.46
  12   45   2.30
  13   86   1.46
  14   172   2.30
  15   84   1.46
  基板   1.52
在取绿(G)的波长范围为500～570nm，红(R)的波长范围590～650nm，蓝(B)的波长范围为430～480nm时，相对于对彩色偏振光合成膜13c的基准入射角度45度，可以用
Tpg＝(Tpg40+Tpg45+Tpg50)/3
来求规定角度范围(±5度)的平均透过率(以及平均反射率)。
这里，Tpg45是对应入射角度45度的G的波长范围的平均透过率，Tpg40、Tpg50是对应45度±5度的G的波长范围的平均透过率。
采用同样的做法还可以求在其他的波长范围的平均透过率(以及平均反射率)。
由此，可以求出彩色偏振光合成膜13c的G的波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpg＝94.7％＞90％
R波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsr＝97.2％＞90％
B波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsb＝96.7％＞90％。
在表1所示的膜构成的彩色偏振光合成膜13c中，由于折射率高的材质的折射率nH为2.3，折射率低的材质的折射率nL为1.46，因此，如果求彩色偏振光合成棱镜13的玻璃材料(基板)的折射率nB以使相对于彩色偏振光合成膜13c以45度入射的光达到布儒斯特角，则有
nB＝(2×nH2+nL2/(nH2+nL2))1/2＝1.74
这里，由于使用了折射率1.52的玻璃材料(基板)，故虽然相对于P偏振光不满足布儒斯特条件，但可以形成能够只对G的波长范围获得低反射特性这样的膜构成。
此外，虽然彩色偏振光合成膜13c的膜构成是交互地堆积折射率高的材质和折射率低的材质而成的膜构成，但通过使各层的厚度(膜厚)各不相同，可以减低交互层的周期性，不交互地产生反射带和透过带。由此，可以在规定的波长范围内得到不被角度特性左右的高效率的透过率和反射率。
这里，如果设可见光的波长范围为430～650nm，则彩色偏振光合成膜13c的可见光波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpw＝84.5％＞75％，
可见光波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsw＝86.8％＞75％。
即，彩色偏振光合成膜13c具有透过可见光波长范围的大部分的P偏振光、反射S偏振光的特性。但是，与通常的偏振光分离面不同，在入射角度为45度±5度的角度范围，其对各个波长范围的光的特性并不是均一的。
此外，彩色偏振光合成膜13c的G波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpg＝2.6％
R波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpr＝25.9％
B波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpb＝23.6％
G波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsg＝30.4％
R波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsr＝2.8％
B波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsb＝3.3％。
对应在彩色偏振光合成膜13c的R、B的波长范围的P偏振光的平均反射率的G波长范围的P偏振光的平均反射率之比为
Rpg/Rpr＝0.099＜0.5
Rpg/Rpb＝0.108＜0.5
另外，对应在彩色偏振光合成膜13c的G波长范围的S偏振光的平均透过率的R、B波长范围的S偏振光的平均透过率之比为
Tsr/Tsg＝0.091＜0.5
Tsb/Tsg＝0.108＜0.5。
这样，通过设定特性使之只在本实施例的进行彩色合成的波长范围达到高效率，可以减少角度变动。
[实施例2]
图6所示是作为本发明的实施例2的图像投射装置的构成例。图6中，21是以连续频谱发出白色光的光源，22是向规定的方向会聚光的反射望远镜，23a是矩阵状地配置了矩形的透镜的第一复眼透镜列阵，23b是由对应了第一复眼透镜列阵23a的各个透镜的透镜列阵构成的第二复眼透镜列阵，24是将无偏振方向的光处理成具有特定的偏振方向的光的偏振光变换元件，25a、25b是聚光透镜，25c是反射镜。
此外，26a是90度变换B光的偏振方向但不变换R光的偏振方向的第一彩色选择性相位差板，26b是90度变换R光的偏振方向但不变换B光的偏振方向的第二彩色选择性相位差板。
27是90度变换G光的偏振方向但不变换B、R光的偏振方向的第三彩色选择性相位差板。
28是1/2相位板，29a、29b、29c分别是透过P偏振光，反射S偏振光的第一偏振光光束分离器、第二偏振光光束分离器以及第三偏振光光束分离器。
此外，34是透过G的P偏振光，反射R以及B的S偏振光的彩色偏振光合成棱镜。
30r、30g、30b分别是反射并图像调制(入射光)的红色用反射型液晶显示元件(图像形成元件)、绿色用反射型液晶显示元件以及蓝色用反射型液晶显示元件。
这些液晶显示元件30r、30g、30b上连接有驱动电路51。在驱动电路51上供给有来自个人计算机、DVD播放器、视频系统、电视接收机等图像信息供给装置52的图像信号，驱动电路51对应于所供给的图像信号驱动液晶显示元件30r、30g、30b。由此，入射到液晶显示元件30r、30g、30b的各种色光在受到图像调制的同时还被反射。
31r、31g、31b分别是红色用的1/4波长片、绿色用的1/4波长片以及蓝色用的1/4波长片。32是投射透镜，33a、33b、33c、33d分别为偏光板。
这里，偏振光变换元件24由偏振光分离面和1/2波长片组成，具有将入射的无偏振光处理成S偏振光出射的构成。
此外，设置在照明光路中的第三彩色选择性相位差板27具有由图7的实线给出的那样的特性，其以S偏振光原样不变地出射入射的B和R光，但却将G光变换成P偏振光出射。
在彩色选择性相位差板27，被调整了偏振光方向的光入射到第一偏振光光束分离器29a。作为P偏振光的G光透过第一偏振光光束分离器29a的偏振光分离面，作为S偏振光的R、B光则在该偏振光分离面处反射。由此，可以进行色彩分离。
经过色彩分离的G光通过1/2相位差板28被改变了偏振光方向，并在由偏光板33a调整了偏振光方向后，相对于第二偏振光光束分离器29b作为S偏振光入射。进而，在第二偏振光光束分离器29b的偏振光分离面处反射，到达G光用的反射型液晶显示元件30g。
在G光用的反射型液晶显示元件30g中，G光受到图像调制并被反射。经过图像调制的G反射光的S偏振光成分再次在第二偏振光光束分离器29b的偏振光分离面处反射，返回到光源侧并被从投射光中除去。
经过图像调制的G反射光的P偏振光成分透过第二偏振光光束分离器29b的偏振光分离面，被偏光板33b进一步除去不需要的偏振光成分并相对于彩色偏振光合成棱镜34作为P偏振光入射，透过彩色偏振光合成膜34c到达投射透镜32。
反射于第一偏振光光束分离器29a的R和B光入射到第一彩色选择性相位差板26a。第一彩色选择性相位差板26a具有图3所示那样的特性，R光作为P偏振光原样不变，B光则被变换成S偏振光出射。
由此，B光作为P偏振光，R光作为S偏振光入射到第三偏振光光束分离器29c。B光透过第三偏振光光束分离器29c到达B光用的反射型液晶显示元件30b。此外，R光在第三偏振光光束分离器29c的偏振光分离面反射，到达R光用的反射型液晶显示元件30r。
在B光用的反射型液晶显示元件30b，B光受到图像调制并反射。调制后的B反射光的P偏振光成分再次透过第三偏振光光束分离器29c的偏振光分离面，返回光源侧并被从投射光中除去。
调制后的B反射光的S偏振光成分在偏振光分离面反射并成为投射光。同样地，在R光用的反射型液晶显示元件30r，R光受到图像调制并反射。调制后的R反射光的S偏振光成分再次反射于第三偏振光光束分离器29c的偏振光分离面，返回光源侧并被从投射光中除去。调制后的R反射光的P偏振光成分透过第三偏振光光束分离器29c的偏振光分离面成为投射光。由此，B和R的投射光被合成为一个光束。
合成后的R和B的投射光入射到第二彩色选择性相位差板26b。第二彩色选择性相位差板26b具有图4所示那样的特性，其只使R光的偏振光方向旋转90度。由此，R、B光均被变换成S偏振光到达彩色偏振光合成棱镜34。进而，通过在彩色偏振光合成膜34c进行反射而被合成为G投射光。
本实施例中的彩色偏振光合成棱镜34是粘合了2个三角棱镜34a、34b而成的。在第一三角棱镜34a的粘合面设置有由多层膜构成的彩色偏振光合成膜34c，其通过粘合剂与第二三角棱镜34b粘合在一起。
这里，表2中给出了本实施例中使用的彩色偏振光合成膜34c的设计例。该彩色偏振光合成膜34c是在作为基板的第一三角棱镜34a上堆积15层的膜(2种材质的膜)而成的。此外，图8A、图8B分别为其特性图。图8A给出的是对彩色偏振光合成膜34c的光的入射角度为40、45、50度时的P偏振光的透过率，图8B给出的是对彩色偏振光合成膜34c的光的入射角度为40、45、50度时的S偏振光的反射率。
【表2】
  膜   厚度(nm)   折射率
  粘合剂   1.51
  1   100   1.46
  2   84   2.30
  3   167   1.46
  4   91   2.30
  5   175   1.46
  6   85   2.30
  7   100   1.46
  8   147   2.30
  9   110   1.46
  10   61   2.30
  11   93   1.46
  12   47   2.30
  13   96   1.46
  14   164   2.30
  15   44   1.46
  基板   1.61
这里，由于粘合剂的折射率为1.51，基板的折射率为1.61，故在粘合剂和第二三角棱镜34b的粘合面将产生菲涅尔反射，损失微小的光量。因此，也可以采用在第二三角棱镜34b的粘合面设置防反射膜，用粘合剂粘合彩色偏振光合成膜34c和防反射膜的构成。
在取绿(G)的波长范围为500～570nm，红(R)的波长范围590～650nm，蓝(B)的波长范围为430～480nm时，彩色偏振光合成膜34c具有在G的波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpg＝99.0％＞90％
R波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsr＝98.2％＞90％
B波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsb＝97.8％＞90％
这样的特性。
这里，如果设可见光的波长范围为430～650nm，则彩色偏振光合成膜34c的可见光波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpw＝90.7％＞75％，
可见光波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsw＝90.3％＞75％。
即，彩色偏振光合成膜34c具有在可见光波长范围透过大部分的P偏振光、反射S偏振光的特性。但是，与通常的偏振光分离膜不同，在入射角度为45度±5度的角度范围，其对各个波长范围的光的特性并不是均一的。
此外，彩色偏振光合成膜34c的G波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpg＝1.0％
R波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpr＝14.4％
B波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpb＝16.4％
G波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsg＝22.6％
R波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsr＝1.8％
B波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsb＝2.2％。
此外，对应R、B的波长范围的P偏振光的平均反射率的G波长范围的P偏振光的平均反射率之比为
Rpg/Rpr＝0.073＜0.5
Rpg/Rpb＝0.064＜0.5
另外，对应G波长范围的S偏振光的平均透过率的R、B波长范围的S偏振光的平均透过率之比为
Tsr/Tsg＝0.080＜0.5
Tsb/Tsg＝0.097＜0.5。
[实施例3]
表3中给出的是作为本发明的实施例3的、设置在通过实施例1或者实施例2说明过的图像投射装置的彩色偏振光合成棱镜(13、34)上的彩色偏振光合成膜(13c、34c)的设计例。该彩色偏振光合成膜是在作为基板的第一三角棱镜(13a、34a)上堆积13层的膜(2种材质的膜)而成的。此外，图9A、图9B分别为其特性图。图9A给出的是对彩色偏振光合成膜的光的入射角度为40、45、50度时的P偏振光的透过率，图9B给出的是对彩色偏振光合成膜的光的入射角度为40、45、50度时的S偏振光的反射率。
【表3】
  膜   厚度(nm)   折射率
  粘合剂   1.51
  1   268   1.46
  2   142   2.30
  3   109   1.46
  4   117   2.30
  5   202   1.46
  6   45   2.30
  7   155   1.46
  8   46   2.30
  9   172   1.46
  10   142   2.30
  11   136   1.46
  12   34   2.30
  13   114   1.46
  基板   1.74
在取绿(G)的波长范围为500～570nm，红(R)的波长范围590～650nm，蓝(B)的波长范围为430～480nm时，本实施例的彩色偏振光合成膜具有在G的波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpg＝96.6％＞90％
R波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsr＝97.8％＞90％
B波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsb＝97.5％＞90％
这样的特性。
在本实施例中，虽然构成彩色偏振光合成棱镜的玻璃的折射率为近似满足布儒斯特条件的折射率，但通过强行调整膜厚使之得到窄带域的防反射效果，也可以得到与实施例1以及实施例2同样的效果。此时，作为设计，可以通过调整使之在偏离了基准入射角度(45度)的入射角度(40度、50度)得到窄带域的防反射效果。
如果设可见光的波长范围为430～650nm，则彩色偏振光合成膜的可见光波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpw＝92.2％＞75％，
可见光波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsw＝94.6％＞75％。
即，彩色偏振光合成膜具有在可见光波长范围透过大部分的P偏振光、反射S偏振光的特性。但是，与通常的偏振光分离膜不同，在入射角度为45度±5度的角度范围，其对各个波长范围的光的特性并不是均一的。
进而，彩色偏振光合成膜的G波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpg＝3.4％
R波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpr＝7.7％
B波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpb＝14.3％
G波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsg＝10.5％
R波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsr＝2.2％
B波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsb＝2.5％。
此外，对应R、B的波长范围的P偏振光的平均反射率的G波长范围的P偏振光的平均反射率之比为
Rpg/Rpr＝0.441＜0.5
Rpg/Rpb＝0.236＜0.5
另外，对应G波长范围的S偏振光的平均透过率的R、B波长范围的S偏振光的平均透过率之比为
Tsr/Tsg＝0.204＜0.5
Tsb/Tsg＝0.234＜0.5。
[实施例4]
表4中给出的是作为本发明的实施例4的、设置在通过实施例1或者实施例2说明过的图像投射装置的彩色偏振光合成棱镜(13、34)上的彩色偏振光合成膜(13c、34c)的设计例。该彩色偏振光合成膜是在作为基板的第一三角棱镜(13a、34a)上堆积17层的膜(2种材质的膜)而成的。此外，在此前说明过的实施例1～3中，具有积层了2种材质的薄膜的构造，但在本实施例中则是堆积了3种以上材质的薄膜。
图10A、图10B分别为其特性图。图10A给出的是对彩色偏振光合成膜的光的入射角度为40、45、50度时的P偏振光的透过率，图10B给出的是对彩色偏振光合成膜的光的入射角度为40、45、50度时的S偏振光的反射率。
【表4】
  膜   厚度(nm)   折射率
  粘合剂   1.6
  1   118   2.12
  2   187   1.46
  3   74   2.35
  4   178   1.46
  5   99   2.35
  6   157   1.46
  7   78   2.35
  8   112   1.46
  9   137   2.35
  10   100   1.46
  11   73   2.35
  12   106   1.46
  13   145   2.35
  14   115   1.46
  15   55   2.35
  16   94   1.46
  17   168   2.12
  基板   1.6
在取绿(G)的波长范围为500～570nm，红(R)的波长范围590～650nm，蓝(B)的波长范围为430～480nm时，本实施例的彩色偏振光合成膜具有在G的波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpg＝99.6％＞90％
R波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsr＝98.2％＞90％
B波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsb＝98.0％＞90％
这样的特性。
本实施例的彩色偏振光合成膜的可见光波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpw＝87.7％＞75％，
可见光波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsw＝84.5％＞75％。
即，本实施例的彩色偏振光合成膜具有在可见光波长范围透过大部分的P偏振光、反射S偏振光的特性。但是，与通常的偏振光分离膜不同，在入射角度为45度±5度的角度范围，其对各个波长范围的光的特性并不是均一的。
此外，彩色偏振光合成膜的G波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpg＝0.4％
R波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpr＝18.9％
B波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpb＝23.7％
G波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsg＝35.4％
R波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsr＝1.8％
B波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsb＝2.0％。
此外，对应R、B的波长范围的P偏振光的平均反射率的G波长范围的P偏振光的平均反射率之比为
Rpg/Rpr＝0.023＜0.5
Rpg/Rpb＝0.018＜0.5
进而，对应G波长范围的S偏振光的平均透过率的R、B波长范围的S偏振光的平均透过率之比为
Tsr/Tsg＝0.051＜0.5
Tsb/Tsg＝0.057＜0.5。
这里，通过实施例1～4说明过的彩色偏振光合成棱镜的膜(彩色偏振光合成膜)的构成可以不仅仅限于与上述实施例1以及实施例2给出的光学系统的组合。即，也可以在用一个膜面合成G光的P偏振光和R、B的S偏振光的彩色合成系统中使用上述实施例1以及实施例2给出的光学系统之外构成的光学系统。
此外，关于彩色偏振光合成膜，只要是满足本发明给出的数值条件的特性的彩色偏振光合成膜即可，即使是实施例1～4所示的设计值以外的设计值也可以得到同样的效果。
另外，在用一个膜面合成G光的S偏振光和R、B的P偏振光的彩色合成系统中，也可以使用具有使实施例1～4所示的透过与反射的关系相反的膜特性的彩色偏振光合成膜。
[实施例5]
表5中给出了作为本发明的实施例5的彩色偏振光合成膜的设计例。虽然实施例1～4所示的彩色偏振光合成膜是透过G光、反射品红光的构成，但本实施例的彩色偏振光合成膜则是反射G光、透过品红光。使用这样的构成也可以得到与实施例1～4相同的效果。
【表5】
  膜   厚度(nm)   折射率
  粘合剂   1.51
  1   63   1.45
  2   233   2.11
  3   62   1.45
  4   112   2.11
  5   55   1.45
  6   112   2.11
  7   61   1.45
  8   109   2.11
  9   66   1.45
  10   103   2.11
  11   56   1.45
  12   111   2.11
  13   75   1.45
  14   98   2.11
  15   106   1.45
  16   220   2.11
  17   104   1.45
  18   114   2.11
  19   52   1.45
  20   229   2.11
  21   58   1.45
  基板   1.6
本实施例的彩色偏振光合成膜是在基板(三角棱镜等)上堆积了21层的膜而成的。此外，图11A、图11B分别为其特性图。图11A给出的是对彩色偏振光合成膜的光的入射角度为40、45、50度时的P偏振光的透过率，图11B给出的是对彩色偏振光合成膜的光的入射角度为40、45、50度时的S偏振光的反射率。
在取绿(G)的波长范围为500～570nm，红(R)的波长范围590～650nm，蓝(B)的波长范围为430～480nm时，本实施例的彩色偏振光合成膜具有在G的波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsg＝99.7％＞90％
R波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsr＝99.3％＞90％
B波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsb＝99.1％＞90％
这样的特性。
此外，本实施例的彩色偏振光合成膜的G波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpg＝30.8％
R波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpr＝0.7％
B波长范围的P偏振光的平均反射率为
Rpb＝0.9％
G波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsg＝0.3％
R波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsr＝51.9％
B波长范围的S偏振光的平均透过率为
Tsb＝61.8％。
此外，对应R、B的波长范围的P偏振光的平均反射率的G波长范围的P偏振光的平均反射率之比为
Rpr/Rpg＝0.022＜0.5
Rpb/Rpg＝0.029＜0.5
对应G波长范围的S偏振光的平均透过率的R、B波长范围的S偏振光的平均透过率之比为
Tsg/Tsr＝0.004＜0.5
Tsg/Tsb＝0.005＜0.5。
这里，彩色偏振光合成膜的可见光波长范围的P偏振光的平均透过率为
Tpw＝67.2％，
可见光波长范围的S偏振光的平均反射率为
Rsw＝88.0％，
即，在P偏振光处其偏振光分离比例变低。因此，其残存一些二向色特性，因角度变化其反射、透过的范围会产生变动，但由于其变动范围狭小，故还是可以进行效率良好的色彩合成的。
如以上所说明过的这样，利用上述实施例，可以在彩色合成光学系统中谋求减少光量的损失，此外，还可以由之实现明亮的图像投射装置。

Claims (10)

1.一种彩色合成光学系统，包含由多层膜构成的合成第一色光和第二色光的彩色偏振光合成膜，其特征在于：
上述彩色偏振光合成膜在预定的入射角度范围内以90％以上的效率合成上述第一色光的第一偏振光成分和上述第二色光的第二偏振光成分，该第二偏振光成分具有与上述第一偏振光成分大致正交的偏振光方向；
该彩色合成光学系统合成分别来自形成原图像的第一以及第二图像形成元件的上述第一以及第二色光和来自形成原图像的第三图像形成元件的第三色光，并将该合成光引导到投射光学系统；
上述彩色合成光学系统进一步具有第一以及第二检光部件，来自上述第一图像形成元件的上述第一色光经由上述第一检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统，并且来自上述第二以及第三图像形成元件的上述第二色光以及第三色光分别经由上述第二检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统；
上述第一色光是500～570nm的第一波长范围的光，上述第二色光是430～480nm的第二波长范围的光，上述第三色光是590～650nm的第三波长范围的光；
在设入射到上述彩色偏振光合成膜的光的入射角度为45度±5度时，该彩色偏振光合成膜的上述第一波长范围的透过率为90％以上，上述第二以及第三波长范围的反射率为90％以上；
上述彩色偏振光合成膜具有透过65％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的P偏振光、反射65％以上的S偏振光的特性，且满足以下的条件：
Rp1/Rp2＜0.5
Rp1/Rp3＜0.5
这里，Rp1是上述第一波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp2是上述第二波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp3是上述第三波长范围的P偏振光的平均反射率，
Ts2/Ts1＜0.5
Ts3/Ts1＜0.5
这里，Ts1是上述第一波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts2是上述第二波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts3是上述第三波长范围的S偏振光的平均透过率。
2.根据权利要求1所记载的彩色合成光学系统，其特征在于：
上述彩色偏振光合成膜具有透过75％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的P偏振光的特性。
3.根据权利要求1所记载的彩色合成光学系统，其特征在于：
上述彩色偏振光合成膜具有反射75％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的S偏振光的特性。
4.一种图像投射装置，其特征在于具有：
光源；
将来自该光源的光分解成至少2种色光的彩色分解光学系统；
至少2个图像形成元件；
合成来自该图像形成元件的色光的权利要求1至3中任一项所述的彩色合成光学系统；以及
投射利用该彩色合成光学系统合成的光的投射光学系统。
5.根据权利要求4所记载的图像投射装置，其特征在于：
上述图像形成元件是反射型图像显示元件。
6.一种彩色合成光学系统，包含由多层膜构成的合成第一色光和第二色光的彩色偏振光合成膜，其特征在于：
上述彩色偏振光合成膜在预定的入射角度范围内以90％以上的效率合成上述第一色光的第一偏振光成分和上述第二色光的第二偏振光成分，该第二偏振光成分具有与上述第一偏振光成分大致正交的偏振光方向；
该彩色合成光学系统合成分别来自形成原图像的第一以及第二图像形成元件的上述第一以及第二色光和来自形成原图像的第三图像形成元件的第三色光，并将该合成光引导到投射光学系统；
上述彩色合成光学系统进一步具有第一以及第二检光部件，来自上述第一图像形成元件的上述第一色光经由上述第一检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统，并且来自上述第二以及第三图像形成元件的上述第二色光以及第三色光分别经由上述第二检光部件以及上述彩色偏振光合成膜被导向上述投射光学系统；
上述第一色光是500～570nm的第一波长范围的光，上述第二色光是430～480nm的第二波长范围的光，上述第三色光是590～650nm的第三波长范围的光；
在设入射到上述彩色偏振光合成膜的光的入射角度为45度±5度时，该彩色偏振光合成膜的上述第一波长范围的反射率为90％以上，上述第二以及上述第三波长范围的透过率为90％以上；
上述彩色偏振光合成膜具有透过65％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的P偏振光、反射65％以上的S偏振光的特性，且满足以下的条件：
Rp2/Rp1＜0.5
Rp3/Rp1＜0.5
这里，Rp1是上述第一波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp2是上述第二波长范围的P偏振光的平均反射率，Rp3是上述第三波长范围的P偏振光的平均反射率，
Ts1/Ts2＜0.5
Ts1/Ts3＜0.5
这里，Ts1是上述第一波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts2是上述第二波长范围的S偏振光的平均透过率，Ts3是上述第三波长范围的S偏振光的平均透过率。
7.根据权利要求6所记载的彩色合成光学系统，其特征在于：
上述彩色偏振光合成膜具有透过75％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的P偏振光的特性。
8.根据权利要求6所记载的彩色合成光学系统，其特征在于：
上述彩色偏振光合成膜具有反射75％以上的、以上述预定的入射角度范围入射的可见光波长范围的光的S偏振光的特性。
9.一种图像投射装置，其特征在于具有：
光源；
将来自该光源的光分解成至少2种色光的彩色分解光学系统；
至少2个图像形成元件；
合成来自该图像形成元件的色光的权利要求6至8中任一项所述的彩色合成光学系统；以及
投射利用该彩色合成光学系统合成的光的投射光学系统。
10.根据权利要求9所记载的图像投射装置，其特征在于：
上述图像形成元件是反射型图像显示元件。
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