偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置
【課題】偏光変換光学系の偏光分離にともなう結像性能の劣化を抑えることができる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置を提供する。
【解決手段】投影レンズ系５１とＤＭＤ４との間に配置され、偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換するとともに、ＤＭＤ４に表示された画像から中間像Ｍを形成する偏光変換リレー光学系５２は、前群レンズ系５３と、後群レンズ系５４と、瞳面Ｐに配置される偏光変換光学系５５とを備える。偏光変換光学系５５は、複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光に分離するＰＢＳプリズムアレイ５６と、前記２つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板５７とを有し、有効像領域内に集光するすべての光線束において、前群レンズ系５３は下記の条件式（１）を満たし、後群レンズ系５４は下記の条件式（２）を満たす。Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）、Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
【解決手段】投影レンズ系５１とＤＭＤ４との間に配置され、偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換するとともに、ＤＭＤ４に表示された画像から中間像Ｍを形成する偏光変換リレー光学系５２は、前群レンズ系５３と、後群レンズ系５４と、瞳面Ｐに配置される偏光変換光学系５５とを備える。偏光変換光学系５５は、複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光に分離するＰＢＳプリズムアレイ５６と、前記２つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板５７とを有し、有効像領域内に集光するすべての光線束において、前群レンズ系５３は下記の条件式（１）を満たし、後群レンズ系５４は下記の条件式（２）を満たす。Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）、Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子にて表示された画像を被投影面に投影する画像投影装置に用いる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示素子に表示された画像をスクリーン等の被投影面に投影するプロジェクタにおいては、スイッチングスピードの速さから、デジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤと称する）を表示素子として用いたものが実用化されている。最近、立体画像（以下、３Ｄ画像と称する）として鑑賞可能な映画が製作され、その映画を鑑賞するための映画館もできはじめており、また、３Ｄ画像に対応した家庭用のプロジェクションテレビも発売されてきている。ＤＭＤを用いたプロジェクタは、右目用画像と左目用画像とを時分割で表示し、偏光メガネやシャッターメガネを鑑賞者が装着することで３Ｄ画像を鑑賞することできることから、３Ｄプロジェクタとして重用されている。
【０００３】
上記いずれのメガネも、円偏光または直線偏光を透過させて鑑賞者の左右の目に導くものであるため、ＤＭＤを用いたプロジェクタでランダム偏光のままで画像を投影すると、上記メガネで半分以上の光量をロスすることになる。このため、偏光方向の揃った光を用いて投影画像を得ることが望まれる。この点、例えば特許文献１のプロジェクタでは、投影光学系におけるリレー光学系の瞳位置の近傍に偏光変換光学系を配置し、この偏光変換光学系により、表示素子からの光を２つの直線偏光に分離した後に一方の光を他方と同じ偏光方向の光に変換し、表示素子の画像を投影するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００８／１４１２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した先行技術では、偏光変換光学系により２つの直線偏光に分離され異なる光路を通過するために、偏光変換光学系を通過する前の光線と偏光変換光学系を通過した後の光線とは、互いに平行偏心した光線が生じる。通常、コマ収差等の瞳径の２乗に比例する収差は、各レンズ群の収差を打ち消すように光学系の全系に作用することによって、瞳位置を挟んだ前群レンズ系と後群レンズ系においても、前群レンズ系と後群レンズ系が互いにコマ収差を打ち消し、リレー光学系としてコマ収差を抑えることができる。しかし、瞳位置近傍に偏光変換光学系を配置したリレー光学系においては、偏光変換光学系に起因して前群レンズ系と後群レンズ系に偏心が起こることになり、このように各レンズ系が偏心している場合には、前群レンズ系と後群レンズ系が互いにコマ収差を打ち消すことがなく、コマ収差が顕著に現れ、結像性能を劣化させるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、偏光変換光学系の偏光分離にともなう結像性能の劣化を抑えることができる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の偏光変換リレー光学系は、各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子と、光源の光から複数の光源像を形成するインテグレータ光学系を有し前記光源からの光を前記表示素子に導く照明光学系と、前記表示素子の画像を被投影面に投影する投影レンズ系と、を備えた画像投影装置における、前記投影レンズ系と前記表示素子との間に配置され、前記表示素子の表示画像の中間像を偏光方向が一方向に揃った状態で形成する偏光変換リレー光学系であって、前記偏光変換リレー光学系は、瞳面に対して中間像側に配置される前群レンズ系と、該瞳面に対して表示素子側に配置される後群レンズ系と、該瞳面に配置される偏光変換光学系とを備え、前記偏光変換光学系は、前記複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記２つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板とを有し、有効像領域内に集光するすべての光線束において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１）を満たし、前記後群レンズ系は、下記の条件式（２）を満たすことを特徴としている。
Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）
Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
但し、
Δｆ：前記前群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
Δｒ：前記後群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
ｋ：前記偏光変換リレー光学系の倍率
ｐ：前記表示素子の画素ピッチ
【０００８】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ａ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ａ）を満たすことが望ましい。
Δｆ＜２０×ｋ×ｐ ・・・（１Ａ）
Δｒ＜２０×ｐ ・・・（２Ａ）
【０００９】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ｂ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ｂ）を満たすことが望ましい。
Δｆ＜ｋ×ｐ ・・・（１Ｂ）
Δｒ＜ｐ ・・・（２Ｂ）
【００１０】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系と後群レンズ系は瞳面に対して対称に配置されることが望ましい。
【００１１】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記後群レンズ系は、前記表示素子の、前記後群レンズ系の光軸に対応する位置から出射した光線を瞳側で平行光にすることが望ましい。
【００１２】
前記偏光変換リレー光学系を備えた画像投影装置であることを特徴としている。
【００１３】
本発明の画像投影装置において、前記光源はレーザ光であることが望ましい。
【００１４】
本発明の画像投影装置において、前記偏光変換光学系から出射した光線を２種類に偏光した光線に交互に切り替える偏光切り替え素子をさらに備えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、前群レンズ系が条件式（１）を満たすことにより、前群レンズ系の最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの４０倍以下に抑えることができる。また、後群レンズ系が条件式（２）を満たすことにより、後群レンズ系の最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの４０倍以下に抑えることができる。このように、前群レンズ系及び後群レンズ系の夫々で最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの４０倍以下に抑えると、偏光変換光学系に起因して前群レンズ系と後群レンズ系に偏心があっても、偏光変換リレー光学系のコマ収差量を表示素子の略１画素以下に抑えることができ、良好な結像性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図
【図２】上記画像投影装置のＤＭＤの平面図
【図３】上記画像投影装置の偏光変換光学系の断面図
【図４】本発明の実施の一形態に係る偏光変換リレー光学系の断面図
【図５】上記偏光変換リレー光学系及び前群レンズ系（後群レンズ系）のコマ収差を示す図
【図６】上記偏光変換リレー光学系の前群レンズ系（後群レンズ系）の断面図
【図７】上記前群レンズ系（後群レンズ系）のコマ収差量を説明する図
【図８】上記偏光変換リレー光学系と前群レンズ系（後群レンズ系）とのコマ収差の相関を示す図
【図９】上記偏光変換光学系の一変形例を示す断面図
【図１０】上記偏光変換光学系の別の変形例を示す断面図
【図１１】上記偏光変換光学系のさらに別の変形例を示す断面図
【図１２】本発明の実施の別形態に係る画像投影装置の構成を示す断面図
【図１３】上記画像投影装置のカラープリズムの断面図
【図１４】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例１の前群レンズ系（後群レンズ系）の収差図
【図１５】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例１の偏心がある場合における収差図
【図１６】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例１の偏心がない場合における収差図
【図１７】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例２の前群レンズ系（後群レンズ系）の収差図
【図１８】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例２の偏心がある場合における収差図
【図１９】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例２の偏心がない場合における収差図
【図２０】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例３の前群レンズ系（後群レンズ系）の収差図
【図２１】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例３の偏心がある場合における収差図
【図２２】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例３の偏心がない場合における収差図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図である。この画像投影装置１００は、光源１と、照明光学系２と、ＴＩＲプリズム３と、ＤＭＤ４と、投影光学系５とを有している。なお、ロッドインテグレータ２２の長辺方向は、ＴＩＲプリズム３の後述する入射面に対して、実際は４５度傾いたねじれの関係にあるが、図１では、説明の理解をしやすくするため、上記入射面と偏光分離方向とを同一面内で示している。
【００１９】
上記の構成において、光源１から出射された光は、照明光学系２を介してＴＩＲプリズム３に入射し、そこで全反射された後、ＤＭＤ４に入射する。ＤＭＤ４に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、ＴＩＲプリズム３を透過し、投影光学系５を介して被投影面であるスクリーン（図略）に導かれる。この投影光学系５により、ＤＭＤ４に表示された画像がスクリーン上に拡大投影される。なお、被投影面は壁であってもよい。
【００２０】
３Ｄ画像を投影する場合には、右目用の画像と左目用の画像とをＤＭＤ４にて順次時分割した画像光を投影光学系５の後述する偏光変換光学系５５にてランダム偏光を直線偏光に変換してスクリーンに投影する。この場合、鑑賞者は、時分割表示のタイミングに同期して左右交互に直線偏光を透過させるシャッターメガネを介して投影画像を鑑賞すれば、３Ｄ画像を鑑賞することができる。以下、各構成の詳細について説明する。
【００２１】
尚、光源１からＤＭＤ４の矩形の画像表示領域の中心に向かう光線束の中心光線が光路中の任意の面に入射するときに、その面に入射する中心光線と、入射点における面の法線とを含む平面を入射面とする。そして、偏光方向が入射面に平行な直線偏光をＰ偏光とし、偏光方向が入射面に垂直な直線偏光をＳ偏光とする。また、光が光学部材を透過するときの光入射側の面を上記の入射面と区別するために光入射面とし、光出射側の面を光出射面とする。
【００２２】
光源１は、ＤＭＤ４を照明するための光を出射するものであり、発光部１１と、リフレクタ１２とで構成されている。発光部１１は、例えば白色光を発光する放電ランプで構成されている。リフレクタ１２は、発光部１１から出射される光を反射させて照明光学系２に導く反射板である。リフレクタ１２は、回転楕円面の反射面を有しており、リフレクタ１２の一方の焦点位置に発光部１１が配置されている。したがって、発光部１１からの光は、リフレクタ１２にて反射されて他方の焦点位置に集光し、照明光学系２の後述するカラーホイール２１を介してロッドインテグレータ２２に入射する。
【００２３】
照明光学系２は、光源１からの光をＤＭＤ４に導く光学系であり、カラーホイール２１と、ロッドインテグレータ２２と、照明リレー系２３とを有している。
【００２４】
カラーホイール２１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色光を順次透過させるカラーフィルターで構成されている。カラーホイール２１を回転させることにより、照明する色光を時間的に順次切り替えてＤＭＤ４を照明できるので、各色に対応した画像情報をＤＭＤ４に表示することにより、投影画像をカラー化することができる。
【００２５】
ロッドインテグレータ２２は、光源１からの光の光量分布を均一化して出射するものである。ロッドインテグレータ２２の断面形状は、ＤＭＤ４の矩形の画像表示領域と略相似となっている。これにより、ロッドインテグレータ２２は、ＤＭＤ４の矩形の画像表示領域と略相似な照明光束を形成するインテグレータ光学系を構成している。
【００２６】
照明リレー系２３の瞳面上には、ロッドインテグレータ２２内での反射回数に応じた位置に複数の光源像が形成される。また、照明リレー系２３の瞳面と後述する偏光変換リレー光学系５２の瞳面Ｐとは、略共役となっている。さらに、ロッドインテグレータ２２の光出射面とＤＭＤ４の画像表示領域とは、照明リレー系２３によって略共役となっている。
【００２７】
照明リレー系２３は、ロッドインテグレータ２２の光出射面の像をリレーしてＤＭＤ４に投影することにより、ＤＭＤ４を均一に照明する光学系である。この照明リレー系２３は、第１レンズ２３ａと、第２レンズ２３ｂと、光路を９０度折り曲げるミラー２３ｃと、第３レンズ２３ｄとで構成されている。照明リレー系２３によってロッドインテグレータ２２からの光を集光することにより、上記光の利用効率を向上させることができる。
【００２８】
照明光学系２の上記構成によれば、光源１からカラーホイール２１を介してロッドインテグレータ２２に時分割で入射する各色光は、そこでの内面反射を繰り返してミキシングされ、均一な光量分布となって光出射面から出射される。このロッドインテグレータ２２での反射回数に応じて、照明リレー系２３内（照明リレー系の瞳面）に複数の光源像が形成されるが、これらを重畳させることにより、光量分布の均質な照明光を実現することができる。ロッドインテグレータ２２から出射される光は、照明リレー系２３、及びＴＩＲプリズム３を介して、ＤＭＤ４に導かれる。このとき、ロッドインテグレータ２２の断面は、ＤＭＤ４の画像表示領域と略相似であるので、ＤＭＤ４には光が均一にかつ効率よく導かれる。このような光量分布の均一な光でＤＭＤ４を照明することにより、投影画像の光量ムラ（輝度ムラ）を無くすことができる。
【００２９】
ＴＩＲプリズム３は、ＤＭＤ４への照明光を全反射させ、ＤＭＤ４からの画像光（投影光）を透過させる全反射プリズム（臨界角プリズム）である。ＴＩＲプリズム３によって照明光の光路を折り曲げることにより、画像投影装置１００をコンパクトに構成することができる。
【００３０】
ＴＩＲプリズム３は、エアギャップ層を介して２つのプリズム３１、３２を貼り合わせて構成されている。プリズム３１は、第１光入射面３１ａ、臨界面３１ｂ及び第１光出射面３１ｃを有しており、プリズム３２は、第２光入射面３２ａ及び第２光出射面３２ｂを有している。プリズム３１の臨界面３１ｂとプリズム３２の第２光入射面３２ａとは、エアギャップ層を介して対向して配置されている。
【００３１】
照明光学系２からの照明光は、ＴＩＲプリズム３のプリズム３１の内部に第１光入射面３１ａから入射する。プリズム３１の臨界面３１ｂは、照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面３１ｂで反射されて、プリズム３１の第１光出射面３１ｃから出射され、ＤＭＤ４を照明する。
【００３２】
また、ＤＭＤ４からの反射光のうち、オン光が、再びＴＩＲプリズム３を経て、投影光学系５に入射し、スクリーンに導かれる。より詳しくは、ＤＭＤ４の画像表示状態の各画素（ミラー）で反射された光束（投影光）は、プリズム３１の第１光出射面３１ｃから再びプリズム３１内部に入射し、臨界面３１ｂに到達する。このとき、上記の投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面３１ｂに入射するため、臨界面３１ｂを透過し、エアギャップ層を経て、第２光入射面３２ａからプリズム３２内部に入射し、第２光出射面３２ｂ及び投影光学系５を介してスクリーンに導かれる。
【００３３】
ＤＭＤ４は、各画素に対応する複数の微小ミラーをマトリクス状に有するデジタルマイクロミラーデバイス（米国テキサスインスツルメント社製）であり、入射光を変調して画像を表示する表示素子である。ここで、図２は、ＤＭＤ４の平面図である。ＤＭＤ４は、矩形の画像表示領域４ａを有し、各画素を構成するミラー４ｂの回動軸４ｃが画像表示領域４ａの長辺４ａ１及び短辺４ａ２と４５度の角度をなしている。
【００３４】
ＤＭＤ４の各ミラー４ｂは、照明光軸の方に１２度傾いた状態で照明光を反射させることにより、ＤＭＤ４の画像表示領域４ａに垂直な方向に投影光としてのオン光を射出する。一方、各ミラー４ｂが逆方向に１２度傾いた状態で照明光を反射させることにより、４８度の射出角を持ってオフ光を射出する。オン光は、ＴＩＲプリズム３及び投影光学系５を順に介してスクリーンに導かれるが、オフ光は、ミラー４ｂから大きな射出角で射出されるため、投影光学系５には入射せず、スクリーンには到達しない。このように、各ミラー４ｂの傾きをＯＮ／ＯＦＦの２値で制御することにより、ＤＭＤ４に画像を表示して、その表示画像をスクリーンに投影することができる。
【００３５】
また、ＤＭＤ４では、回動軸４ｃの軸回りに±１２度回動することによってＯＮ／ＯＦＦを表現するため、臨界面３１ｂの入射面とＤＭＤ４のミラー４ｂの入射面とが互いに平行となるように、ＴＩＲプリズム３及びＤＭＤ４を配置している。この位置関係により、ＴＩＲプリズム３にて投影光と照明光とを効率よく分離しながら、ＤＭＤ４の各ミラー４ｂで反射される光のうちでオン光のみを、臨界面３１ｂを透過させてスクリーンに導くことができる。
【００３６】
図１に戻り、投影光学系５は、ＤＭＤ４の画像をスクリーン上に投影する光学系であり、投影レンズ系５１及び偏光変換リレー光学系５２を有している。
【００３７】
偏光変換リレー光学系５２は、ＤＭＤ４の画像の中間像Ｍを投影レンズ系５１の近傍に形成する光学系である。偏光変換リレー光学系５２によって形成された中間像Ｍは、投影レンズ系５１によってスクリーン上に投影される。偏光変換リレー光学系５２は、前群レンズ系５３と、後群レンズ系５４と、偏光変換光学系５５とを有している。
【００３８】
偏光変換光学系５５は、照明リレー系２３の瞳面上に形成された複数の光源像からの光（ランダム偏光）を、偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換して出射する光学系である。ここで、図３は、偏光変換光学系５５の断面図である。偏光変換光学系５５は、ＰＢＳプリズムアレイ５６と、位相板５７とで構成されている。
【００３９】
ＰＢＳプリズムアレイ５６は、偏光変換リレー光学系５２の瞳面Ｐ（図１参照）上に配置されており、照明リレー系瞳面の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に分離する偏光分離素子である。ＰＢＳプリズムアレイ５６は、複数のＰＢＳ膜５６ａと複数のプリズム５６ｂとが交互に配置されるように構成されている。各ＰＢＳ膜５６ａは、入射光のうちでＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる帯状の光学薄膜であり、互いに平行にかつ等間隔で配置されている。各プリズム５６ｂは、例えばガラスで構成されており、２つのＰＢＳ膜５６ａで挟まれるプリズム５６ｂの断面形状は平行四辺形となっている。
【００４０】
位相板５７は、ＰＢＳプリズムアレイ５６にて偏光分離された２つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば１／２波長板で構成され、ＰＢＳプリズムアレイ５６の中間像Ｍ側（図３の左側）にひとつおきのＰＢＳ膜５６ａと向かい合うように、ひとつおきのプリズム５６ｂに貼り合わされている。この位相板５７は、ＰＢＳ膜５６ａを透過した一方の直線偏光（例えばＰ偏光）を他方と同じ偏光方向の直線偏光（例えばＳ偏光）に変換する。
【００４１】
偏光変換光学系５５の上記構成により、照明リレー系２３の瞳面上に形成された複数の光源像の光束は、ＰＢＳプリズムアレイ５６上で結像するとともに、ＰＢＳ膜５６ａによってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。このうち、Ｐ偏光はＰＢＳ膜５６ａを透過して位相板５７に入射し、これを透過することによってＳ偏光に変換される。
【００４２】
一方、ＰＢＳ膜５６ａにて偏光分離されたＳ偏光は、ＰＢＳ膜５６ａにて反射された後、隣のＰＢＳ膜５６ａによって再度反射され、位相板５７が貼り合わされていない領域を通り出射する。
【００４３】
偏光変換光学系５５の上記構成によれば、立体視可能な画像を投影するときは、偏光変換光学系５５にて、ランダム偏光を偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換しているので、所定の偏光方向の直線偏光のみを取り出して（他の偏光方向の直線偏光を遮断して）、画像を投影する構成に比べて、光量損失の少ない、視覚的に明るい投影画像を得ることができる。
【００４４】
図４は、偏光変換リレー光学系５２を示す断面図である。偏光変換リレー光学系５２は、瞳面Ｐ上に配置される偏光変換光学系５５と、瞳面Ｐに対して中間像Ｍ側に配置される前群レンズ系５３と、瞳面Ｐに対してＤＭＤ４側に配置される後群レンズ系５４とを有する。
【００４５】
後群レンズ系５４は、ＤＭＤ４から出射した光線を瞳Ｐ側で略平行光とする光学系であり、瞳面Ｐ側からＤＭＤ４側に向かって順にレンズＬ１〜Ｌ８で構成される。
【００４６】
レンズＬ１は両凹レンズからなり、レンズＬ２は、レンズＬ１に貼り合わされる正メニスカスレンズからなり、レンズＬ３は正メニスカスレンズからなり、レンズＬ４は負メニスカスレンズからなり、レンズＬ５は両凸レンズからなり、レンズＬ６は両凹レンズからなり、レンズＬ７は両凸レンズからなり、レンズＬ８は正メニスカスレンズからなる。
【００４７】
前群レンズ系５３は、瞳面Ｐから入射した平行光を中間像Ｍ面の光軸ＡＸ（偏光変換リレー光学系５２の光軸）上に結像させる光学系であり、瞳面Ｐ側から中間像Ｍ側に向かって順にレンズＬ１〜Ｌ８で構成される。
【００４８】
前群レンズ系５３のレンズＬ１〜Ｌ８は、後群レンズ系５４のレンズＬ１〜Ｌ８と夫々同じ構成のレンズであり、後群レンズ系５４のレンズＬ１〜Ｌ８と同じレンズ間隔になるように配置されている。つまり、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とは瞳面Ｐに対して対称に配置されている。
【００４９】
前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との上記構成によれば、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との各レンズを同じ硝材にすることができ、偏光変換リレー光学系５２をコストダウンすることができ、また、等倍のリレー光学系を簡単に構成することができるために、投影光学系５を投影レンズ系５１のみで構成する場合と同様な取り扱いで画像形成装置として用いることができる。
【００５０】
また、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との上記構成によれば、偏光変換リレー光学系５２が瞳Ｐ近傍で平行光となる光学系であるために、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との間で光路長の差や光軸のずれが発生しても、レンズ性能の劣化を極めて小さくした光学系を得ることができる。
【００５１】
偏光変換リレー光学系５２は、偏光変換光学系５５によって偏光変換するために、偏光方向の異なる２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）が瞳面Ｐ上で分離されている。この偏光分離するときに、一方の偏光（例えばＳ偏光）は、ＰＢＳプリズムアレイ５６のＰＢＳ膜５６ａ（図３参照）で２回反射するために、他方の偏光（例えばＰ偏光）に対して光路がシフトしていることになる。すなわち、偏光変換光学系５５を通過する前の光線と偏光変換光学系５５を通過した後の光線とは、互いに平行偏心した光線が生じる。
【００５２】
通常、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４の夫々単独の光学系に大きなコマ収差があっても、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とが互いにコマ収差を打ち消すために、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを含むリレー光学系としては、コマ収差を抑えることができる。しかし、瞳位置近傍に偏光変換光学系５５を配置した偏光変換リレー光学系５２においては、偏光変換光学系５５に起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とに平行偏心が起こることになり、各レンズ系が偏心している場合には、前記のように前群レンズ系５３と後群レンズ系５４が互いにコマ収差を打ち消すことがなく、コマ収差が顕著に現れる。このコマ収差について図５、図６を用いて詳しく説明する。
【００５３】
図５は、偏光変換リレー光学系５２と、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の夫々のコマ収差を示す図である。図６は、偏光変換リレー光学系５２の前群レンズ系５３と後群レンズ系５４の断面図である。尚、図５の横軸は、瞳面上において光軸を通過する主光線を基準（原点０）とした入射光線の位置を示し、その縦軸は各入射光線の位置におけるコマ収差量を示す。また、図５の「前群レンズ系コマ収差」は、図６に示す前群レンズ系５３の瞳面Ｐから平行光が入射した場合の像面におけるコマ収差を示し、また、図５の「後群レンズ系コマ収差」は、図６の後群レンズ系５４の瞳面Ｐから平行光が入射した場合の像面におけるコマ収差を示す。さらに、図５の「全光学系コマ収差」は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とからなるレンズ系（全光学系）のコマ収差を示し、図５の「偏心系」は、平行偏心しているレンズ系のコマ収差を示す。
【００５４】
図５に示すように、「前群レンズ系コマ収差」と「後群レンズ系コマ収差」とは、原点０を含む横軸に対して互いに反対方向に略対称にコマ収差が出現しているために、「全光学系コマ収差」では前群レンズ系コマ収差と後群レンズ系コマ収差とが互いに打ち消しあい、全光学系コマ収差が抑えられている。
【００５５】
前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とからなるレンズ系（全光学系）において、例えば、後群レンズ系５４が前群レンズ系５３に対して平行偏心した場合、図５の「後群レンズ系コマ収差（偏心系）」に示すように、図５の「後群レンズ系コマ収差」（偏芯がない場合）に対して、コマ収差が原点０を基準として時計回り方向に回転するように偏る。このために、全光学系において前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とが互いにコマ収差を打ち消すことができず、図５の「全光学系コマ収差（偏心系）」に示すように、コマ収差が大きく残存し、レンズ性能を劣化させる。
【００５６】
そこで、本実施形態では、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の夫々の単独コマ収差量を小さく抑えている。それにより、瞳位置に偏光変換光学系５５を配置することに起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とに平行偏心が起こっても、レンズ性能の劣化を抑えるようにしている。ここで、図７は像面Ｉ上の任意の一点での集光状態を模式的に示す図であり、つまり、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の各単独コマ収差量を示す図である。単独コマ収差量は、像面Ｉ上の一点に集光する光線束において、各レンズ系の瞳面Ｐ（図６参照）の上端を通過する光線Ａの像面Ｉ上の座標Ａｈと該瞳面Ｐの下端を通過する光線Ｂの像面Ｉ上の座標Ｂｈとの中間点Ｄｈから、該瞳面Ｐの中心（光軸上）を通過する光線Ｃ（主光線）の像面Ｉ上の座標Ｃｈまでの距離として定義される。ここに像面Ｉは、前群レンズ系５３あるいは後群レンズ系５４において、各レンズ系の瞳側から入射した光軸に平行な光線束が集光する点を含む光軸に垂直な面である。また、本実施形態では、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の像面側の主光線はいずれも略平行となるテレセントリック光学系である。
【００５７】
前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４おける一方のレンズ系の偏心量を一方のレンズ系の瞳径の１／１０として、また、ＤＭＤ４の画素ピッチを８μｍに設定すると、一方のレンズ系の有効像領域内の単独コマ収差量と全光学系の有効像領域内のコマ収差量とは図８に示す相関が得られる。ここで、有効像領域とは、前記像面Ｉ上の領域であって、後群レンズ系５４においてはＤＭＤ４の画像表示領域に相当する領域であり、前群レンズ系５３においてはＤＭＤ４の画像表示領域に偏光変換リレー光学系の倍率が乗じられた面積を持つＤＭＤ４の画像表示領域に相似の領域である。
【００５８】
図８は、上記の偏心量における単独コマ収差量と全光学系のコマ収差量とを示すグラフであり、横軸に単独コマ収差量を示し、縦軸に全光学系のコマ収差量を示す。図８の破線は単独コマ収差量と全光学系のコマ収差量との相関を示す。このグラフから明らかなように、単独コマ収差量が３００μｍ以下であると、全光学系のコマ収差量は略８μｍに収まり、ＤＭＤ４の１画素程度に抑えることができる。このことから、全光学系のコマ収差量をＤＭＤ４の１画素程度に抑えるには、単独コマ収差量を画素ピッチの略３７倍以下のコマ収差量に収めればよいことになる。
【００５９】
従って、前群レンズ系５３の単独コマ収差量の絶対値をΔｆ（単位ｎｍ）、後群レンズ系５４の単独コマ収差量の絶対値をΔｒ（単位ｎｍ）で表し、また、ＤＭＤ４の画素ピッチの画素ピッチをｐ（単位ｎｍ）、偏光変換リレー光学系５２の倍率をｋで表す場合に、有効像領域内に集光するすべての光線束において、
Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）
Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
の条件式（１）、（２）を満たすことによって、偏光変換光学系５５に起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４に互いに偏心があっても、偏光変換リレー光学系５２のコマ収差量がＤＭＤ４の略画素ピッチ以下に抑えることができ、良好な結像性能が得られる。
【００６０】
また、図８に示すように、単独コマ収差量が２００μｍ以下であると、全光学系のコマ収差量は略４μｍに収まり、ＤＭＤ４の画素の半画素程度に抑えることができる。このことから、全光学系のコマ収差量をＤＭＤ４の画素の半画素程度に抑えるには、単独コマ収差量を画素ピッチの略２５倍以下のコマ収差量に収めればよいことになる。
【００６１】
従って、下記の条件式（１Ａ）、（２Ａ）を満たすことによって、偏光変換光学系５５に起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４に互いに偏心があっても、偏光変換リレー光学系５２のコマ収差量がＤＭＤ４の画素の略半画素以下に抑えることができ、一層良好な結像性能が得られる。
Δｆ＜２０×ｋ×ｐ ・・・（１Ａ）
Δｒ＜２０×ｐ ・・・（２Ａ）
【００６２】
さらに、以下の条件式（１Ｂ）、（２Ｂ）を満たすと、単独コマ収差量をＤＭＤ４の画素程度（８μｍ程度）に収めることになり、偏光変換光学系５５に起因したレンズ性能の劣化がさらに一層抑えられ、偏心のない光学系の程度に良好な結像性能が得られる。
Δｆ＜ｋ×ｐ ・・・（１Ｂ）
Δｒ＜ｐ ・・・（２Ｂ）
【００６３】
尚、図９に示すように偏光変換光学系５５を配置しても、本実施形態に適用することができる。図９は、偏光変換光学系の一変形例を示す断面図である。この偏光変換光学系５５は、図３に示す偏光変換光学系５５と同じ構成であるが、前群レンズ系５３及び偏光変換光学系５５の光軸ＡＸ１に対して、後群レンズ系５４の光軸ＡＸ２を平行偏心させている。
【００６４】
後群レンズ系５４は、偏光変換光学系５５によってＰ偏光とＳ偏光とに分離されるピッチに対して１／２だけの平行偏心している。このように後群レンズ系５４の平行偏心量を設定すると、光軸ＡＸ１に対して、分離されるＰ偏光とＳ偏光とのズレ量が等しくなる。Ｐ偏光とＳ偏光とのズレ量が等しくなることによって、図３に示す偏光変換光学系５５の構成に比較して、光軸ＡＸ１に対するＰ偏光とＳ偏光とのズレ量を半分にすることができる。このように、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを平行偏心させることで、偏光変換光学系５５に起因するレンズ性能の劣化を抑えることができる。
【００６５】
また、偏光変換光学系５５は図１０に示すように構成にしてもよい。図１０は、偏光変換光学系の別の変形例を示す断面図である。偏光変換光学系５５は、ＰＢＳプリズムアレイ５６と、位相板５７とで構成されている。
【００６６】
ＰＢＳプリズムアレイ５６は、偏光変換リレー光学系５２の瞳面Ｐ（図１参照）上に配置されており、複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に分離する偏光分離素子である。ＰＢＳプリズムアレイ５６は、ＰＢＳ膜５６ｃと反射膜５６ｈを形成したプリズム５６ｄと、ＰＢＳ膜５６ｆと反射膜５６ｉを形成したプリズム５６ｇと、プリズム５６ｄのＰＢＳ膜５６ｃ及びプリズム５６ｇのＰＢＳ膜５６ｆと貼り合わされた分岐プリズム５６ｅと、プリズム５６ｄの反射膜５６ｈ及びプリズム５６ｇの反射膜５６ｉと貼り合わされた反射プリズム５６ｊで構成されている。分岐プリズム５６ｅ及び反射プリズム５６ｊの各断面形状は直角二等辺三角形をなし、ＰＢＳ膜５６ｃと反射膜５６ｈで挟まれるプリズム５６ｄ及びＰＢＳ膜５６ｆと反射膜５６ｉで挟まれるプリズム５６ｇの各断面形状は平行四辺形となっている。ＰＢＳ膜５６ｃ、５６ｆは、入射光のうちでＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる。なお、反射膜５６ｈ、５６ｉは、ＰＢＳ膜で構成されていてもよい。
【００６７】
位相板５７は、ＰＢＳプリズムアレイ５６にて偏光分離された２つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば１／２波長板で構成され、分岐プリズム５６ｅの前記一面と向かい合って貼り合わされている。この位相板５７は、ＰＢＳ膜５６ｃ、５６ｆを透過した一方の直線偏光（例えばＰ偏光）を他方と同じ偏光方向の直線偏光（例えばＳ偏光）に変換する。
【００６８】
偏光変換光学系５５の上記構成により、ＰＢＳ膜５６ｃ、５６ｆによってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。このうち、Ｐ偏光はＰＢＳ膜５６ｃを透過して分岐プリズム５６ｅを介して位相板５７に入射し、これを透過することによってＳ偏光に変換される。また、Ｐ偏光はＰＢＳ膜５６ｆを透過して分岐プリズム５６ｅを介して位相板５７に入射し、これを透過することによって上記Ｓ偏光とは異なる位置でＳ偏光に変換される。
【００６９】
一方、ＰＢＳ膜５６ｃにて偏光分離されたＳ偏光は、ＰＢＳ膜５６ｃにて反射された後、隣の反射膜５６ｈによって再度反射され、分岐プリズム５６ｅの横（図１０の上側）を通り出射する。また、ＰＢＳ膜５６ｆにて偏光分離されたＳ偏光は、ＰＢＳ膜５６ｆにて反射された後、隣の反射膜５６ｉによって再度反射され、分岐プリズム５６ｅの横（図１０の下側）を通り出射する。
【００７０】
偏光変換光学系５５の上記構成によれば、複数の光源像の光路を分岐プリズム５６ｅによって２つの光路に分けるために、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを平行偏心させることなく、Ｐ偏光とＳ偏光とのズレ量を、図３に示す偏光変換光学系５５の構成に対して半分にすることができる。これによって、偏光変換光学系５５に起因するレンズ性能の劣化を抑えることができる。
【００７１】
さらに、偏光変換光学系５５は図１１に示すように構成にしてもよい。図１１は、偏光変換光学系のさらに別の変形例を示す断面図である。偏光変換光学系５５は、ＰＢＳ膜５８ａを形成された三角プリズム５８と、ＰＢＳ膜５８ａに対面して貼り合わされる平行平板５９と、瞳位置近傍に配置される位相板５７とで構成されている。ＰＢＳ膜５８ａは、入射光のうちでＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる光学薄膜で形成される。位相板５７は、ＰＢＳ膜５８ａにて偏光分離された２つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば１／２波長板で構成され、平行平板５９の厚みに対応して１つおきに、三角プリズム５８の９０度折り曲げた光出射面に貼り合わされている。
【００７２】
偏光変換光学系５５の上記構成により、複数の光源像の光束は、後群レンズ系５４を介して三角プリズム５８に入射し、ＰＢＳ膜５８ａによってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｓ偏光は、ＰＢＳ膜５８ａにて反射された後、三角プリズム５８の光出射面を通過し、隣り合う位相板５７、５７の間を通り出射する。
【００７３】
一方、ＰＢＳ膜５８ａにて偏光分離されたＰ偏光は、ＰＢＳ膜５８ａを透過して平行平板５９の反射面にて反射され、再びにＰＢＳ膜５８ａを透過する。ＰＢＳ膜５８ａを透過Ｐ偏光は、位相板５７に入射し、これを透過することによってＳ偏光に変換される。
【００７４】
偏光変換光学系５５の上記構成によれば、プリズムをアレイ状に設ける必要がなく、ＰＢＳ膜５８ａを三角プリズム５８の一面のみに形成すればよく、これによって、プリズムアレイに発生するおそれがあるＰＢＳ膜５８ａの相互の位置ずれ、角度ずれが抑えられ、偏光変換光学系５５によって精度良く偏光変換することができる。
【００７５】
（第２実施形態）
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、第１実施形態と同一の構成には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【００７６】
図１２は、本実施形態の画像投影装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態の画像投影装置１００は、光源１にレーザユニット６１を用いた点、ＴＩＲプリズム３とＤＭＤ４との間の光路中にカラープリズム６３を配置した点、投影光学系５のスクリーン側に偏光切り替え素子６８を配置した点、ＤＭＤ４を赤、緑、青の各色光に対応して設けた点以外は、第１実施形態と同様の構成である。
【００７７】
レーザユニット６１は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のレーザ光源を有し、ＲＧＢの各色光から白色の光束を合成するものである。放電ランプ等の光源に比べると光源サイズが小さく、レーザユニット６１から小さいサイズの光源像が形成される光束が出射され、偏光変換光学系５５によって効率良く偏光変換することができる。
【００７８】
レーザユニット６１の光源光束はロッドインテグレータ２２に入射する。ロッドインテグレータ２２の光出射面には拡散板ホイール６２が設けられる。拡散板ホイール６２は高速で回転することによって、ロッドインテグレータ２２から出射した光束のスペックルをさらに低減させるが、ロッドインテグレータ２２から出射した光束はランダム偏光状態になる。
【００７９】
上記の構成において、光源１から出射された光は、照明光学系２を介してＴＩＲプリズム３に入射し、そこで全反射された後、カラープリズム６３を介してＤＭＤ４に入射する。ＤＭＤ４に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、カラープリズム６３を介してＴＩＲプリズム３を透過し、さらに、投影光学系５（偏光変換リレー光学系５２、投影レンズ系５１）及び偏光切り替え素子６８を介してスクリーンに導かれる。
【００８０】
図１３にカラープリズム６３の断面図を示す。カラープリズム６３は、ＴＩＲプリズム３（図１２参照）とＤＭＤ４との間の光路中に配置される色分離合成手段である。本実施形態では、ＤＭＤ４は、異なる３つの色光（赤、緑、青の各色光）に対応して設けられるＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂからなっており、カラープリズム６３は、ＴＩＲプリズム３からの光を上記３つの色光に分離して各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに導くとともに、各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂからの反射光を同一光路に合成する。
【００８１】
カラープリズム６３は、三角柱状の第１カラープリズム６４及び第２カラープリズム６５、略四角柱状の第３カラープリズム６６、三角柱状の第４カラープリズム６７が組み合わされている。第１カラープリズム６４の、第２カラープリズム６５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とともに青色光及び緑色光を透過するダイクロイック膜６４Ｒが形成されている。なお、第１カラープリズム６４と第２カラープリズム６５との間にはエアギャップ層が設けられている。また、第２カラープリズム６５の、第３カラープリズム６６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とともに緑色光を透過するダイクロイック膜６５Ｂが設けられている。第２カラープリズム６５と第３カラープリズム６６との間、第１カラープリズム６４と第４カラープリズム６７との間にもそれぞれエアギャップ層が設けられている。
【００８２】
第４カラープリズム６７の光入出射面より入射した照明光は、ダイクロイック膜６４Ｒで赤色光が反射し、青色光及び緑色光は透過する。ダイクロイック膜６４Ｒで反射した赤色光は、第１カラープリズム６４の側面で全反射して、第１カラープリズム６４の光入出射面より出射してＤＭＤ４Ｒを照明する。一方、ダイクロイック膜６４Ｒを透過した青色光と緑色光のうち、青色光は第２カラープリズム６５のダイクロイック膜６５Ｂで反射し、緑色光は透過する。ダイクロイック膜６５Ｂで反射した青色光は、第２カラープリズム６５の側面で全反射され、第２カラープリズム６５の光入出射面より出射してＤＭＤ４Ｂを照明する。ダイクロイック膜６５Ｂを透過した緑色光は、第３カラープリズム６６の光入出射面より出射してＤＭＤ４Ｇを照明する。
【００８３】
各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射される。ＤＭＤ４Ｒで反射した赤色の画像光は、第１カラープリズム６４の光入出射面に入射して、第１カラープリズム６４の側面で全反射した後、さらにダイクロイック膜６４Ｒで反射する。また、ＤＭＤ４Ｂで反射された青色の画像光は、第２カラープリズム６５の光入出射面に入射して、第２カラープリズム６５の側面で全反射した後、ダイクロイック膜６５Ｂでさらに反射する。さらに、第１カラープリズム６４のダイクロイック膜６４Ｒを透過する。一方、ＤＭＤ４Ｇで反射した緑色の画像光は、第３カラープリズム６６の光入出射面に入射して、ダイクロイック膜６５Ｂ及びダイクロイック膜６４Ｒを透過する。そして、これら赤色、青色及び緑色の各画像光は、同一光軸に合成され、第４カラープリズム６７の光入出射面から出射して、ＴＩＲプリズム３（図１２参照）に入射する。
【００８４】
図１２に戻り、偏光切り替え素子６８は、投影光学系５のスクリーン側に配置される。尚、偏光切り替え素子６８は偏光変換光学系５５よりもスクリーン側であるなら、投影レンズ系５１と偏光変換リレー光学系５２の間に配置してもよく、また、偏光変換リレー光学系５２内に配置してもよい。偏光切り替え素子６８としては、例えばReal D社のZ-Screenと呼ばれる偏光切り替え素子を用いることができる。この偏光切り替え素子６８は、入射する直線偏光の光束を、右円偏光と左円偏光とで時分割で交互にかつ高速に切り替えて出射するものである。したがって、立体視可能な画像を投影するときは、ＤＭＤ４に左目用の画像と右目用の画像とを交互に表示し、それに同期して偏光切り替え素子６８にて右円偏光と左円偏光とを交互に切り替えて出射すればよい。この場合、鑑賞者は、偏光メガネ（例えば右目部分に右円偏光のみを透過する偏光板を有し、左目部分に左円偏光のみを透過する偏光板を有するもの）を装着することにより、右目用の投影画像を右目で、左目用の投影画像を左目で時分割されて鑑賞して、ひとつの画像投影装置１００によって投影画像を立体的に鑑賞することが可能となる。
【００８５】
上記、第１及び第２実施形態によれば、画像投影装置１００に偏光変換リレー光学系５２を用いることで、偏光状態が乱れていない単一の直線偏光で画像を投影することができる。従って、投影する画像の光量が低下するのを回避することができ、偏光スクリーンに投影しても、投影する画像の明るさ、コントラストが低下することなく、良好な３Ｄ画像を鑑賞することができる。また、３Ｄ画像の鑑賞には、２つの画像をひとつの投影光学系で投影することが可能であるために、２つの投影光学系で夫々画像を投影し、スクリーン上に２つの画像の重ね合わせる調整作業が必要でなく、また、平面画像の鑑賞と同様に投影距離等の投影条件を容易に設定することができる。
【００８６】
尚、上記第１及び第２実施形態では、インテグレータ光学系にロッドインテグレータ２２を用いる構成を示したが、本発明はこれに限らず、インテグレータ光学系として複数のレンズからなるレンズアレイを設け、レンズアレイによって光源からの光束を複数の光束に分割して複数の光源像を形成するようにしてもよい。
【００８７】
また、図９〜図１１に示す偏光変換光学系５５の配置、構成を第２実施形態の画像形成装置１００に適用するようにしてもよい。
【実施例】
【００８８】
本発明の偏光変換リレー光学系５２における一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）の構成を、実施例のレンズ構成データ及び収差図を用いて、さらに具体的に説明する。尚、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。実施例１〜３は夫々図６の光学系に対応させて、各レンズの面番号ｓを記載している。
【００８９】
実施例のレンズ構成について、面データは、左側の欄から順に、面番号ｓ、曲率半径ｒ（単位ｍｍ）、軸上での面間隔ｔ（単位ｍｍ）、波長５４６．００ｎｍにおける屈折率ｎｄ及びアッベ数ｖｄ、有効径ｄ（単位ｍｍ）を示す。尚、面番号ｓ１、ｓ２は偏光変換光学系５５を示し、ｓ１８は像面を示す。
【００９０】
各種データに示す記号は下記の通りである。
Ｆ：瞳径（単位ｍｍ）
Ｙ'max：最大像高（単位ｍｍ）
【００９１】
（実施例１）
単位 ｍｍ
［面データ］
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 20.84
2 inf 6.73 20.85
3 -71.429 11.24 1.51680 64.20 20.88
4 46.676 7.02 1.80611 40.73 23.18
5 92.076 9.36 23.18
6 -126.287 14.13 1.83400 37.35 24.10
7 -54.652 6.15 26.18
8 -40.663 12.15 1.67270 32.17 25.99
9 -73.756 2.22 30.29
10 122.193 15.35 1.49700 81.61 32.79
11 -86.155 5.03 32.93
12 -100.159 4.94 1.78590 43.93 31.85
13 106.254 10.02 32.76
14 175.342 18.96 1.49700 81.61 36.45
15 -72.215 14.52 37.33
16 106.690 22.42 1.49700 81.61 37.01
17 3585.545 145.00 35.00
18 inf 8.59 18.50
【００９２】
［各種データ］
Ｆ：20.84
Ｙ'max：18.50
【００９３】
（実施例２）
単位 ｍｍ
［面データ］
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.19
2 inf 13.06 21.19
3 -72.934 4.20 1.51680 64.20 21.26
4 46.386 7.12 1.80611 40.73 22.78
5 90.848 10.62 22.79
6 -122.750 14.72 1.83400 37.35 24.04
7 -53.921 6.20 26.30
8 -40.627 12.03 1.67270 32.17 26.12
9 -73.676 2.49 30.49
10 119.966 15.88 1.49700 81.61 33.13
11 -84.324 5.06 33.25
12 -96.301 4.27 1.78590 43.93 32.09
13 106.243 10.01 33.00
14 175.375 18.92 1.49700 81.61 36.77
15 -71.832 6.65 37.62
16 107.636 27.96 1.49700 81.61 37.58
17 3644.289 145.00 35.00
18 inf 3.74 17.96
【００９４】
［各種データ］
Ｆ：21.19
Ｙ'max：17.96
【００９５】
（実施例３）
単位 ｍｍ
［面データ］
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.36
2 inf 11.03 21.37
3 -74.746 5.03 1.51680 64.20 21.42
4 46.005 7.12 1.80611 40.73 23.02
5 89.269 9.53 23.01
6 -117.534 14.29 1.83400 37.35 23.95
7 -52.926 5.85 26.15
8 -40.676 12.16 1.67270 32.17 25.97
9 -73.704 2.10 30.29
10 117.059 15.58 1.49700 81.61 32.86
11 -85.659 4.87 32.97
12 -96.140 4.40 1.78590 43.93 31.91
13 105.818 10.01 32.86
14 174.322 18.91 1.49700 81.61 36.69
15 -72.532 4.23 37.56
16 105.704 27.28 1.49700 81.61 37.53
17 3147.328 145.00 35.00
18 inf 5.01 18.08
【００９６】
［各種データ］
Ｆ：21.36
Ｙ'max：18.08
【００９７】
図１４〜図２２は、波長５４６．００ｎｍにおける各像高のコマ収差（横収差）を示す。各図の（ａ）は最大像高に至る光線束のコマ収差、各図の（ｂ）は最大像高の０．８７倍の位置に至る光線束のコマ収差、各図の（ｃ）は最大像高の０．７１倍の位置に至る光線束のコマ収差、各図の（ｄ）は軸上に至る光線束のコマ収差を示す。横軸に瞳面上における入射光線の位置を示し、縦軸は各入射光線の位置におけるコマ収差量を示す。
【００９８】
図１４〜図１６は実施例１のコマ収差を示す。図１４は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４、図６参照）のコマ収差を示し、図１５、図１６は、夫々倍率１倍の全光学系（図４参照）のコマ収差を示す。図１５は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを互いに２ｍｍ平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図１６は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例１は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）のコマ収差量がＤＭＤ４の画素程度（８μｍ程度）になるように設計したものであり、平行偏心が在る全光学系のコマ収差量は平行偏心がない全光学系のコマ収差（図１６参照）と同じ程度に抑えられている。
【００９９】
図１７〜図１９は実施例２のコマ収差を示す。図１７は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４、図６参照）のコマ収差を示し、図１８、図１９は、夫々倍率１倍の全光学系（図４参照）のコマ収差を示す。図１８は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを互いに２ｍｍ平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図１９は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例２は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）のコマ収差量が２００μｍ以下になるように設計したものであり、平行偏心した全光学系のコマ収差量はＤＭＤ４の画素の半画素（４μｍ）程度に抑えられている。
【０１００】
図２０〜図２２は実施例３のコマ収差を示す。図２０は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４、図６参照）のコマ収差を示し、図２１、図２２は、夫々倍率１倍の全光学系（図４参照）のコマ収差を示す。図２１は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを互いに２ｍｍ平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図２２は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例３は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）のコマ収差量が３００μｍ以下になるように設計したものであり、平行偏心した全光学系のコマ収差量はＤＭＤ４の１画素（８μｍ）程度に抑えられている。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、表示素子にて表示された画像を被投影面に投影する画像投影装置に用いる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 光源
２ 照明光学系
４ ＤＭＤ（表示素子）
４Ｂ ＤＭＤ（表示素子）
４Ｇ ＤＭＤ（表示素子）
４Ｒ ＤＭＤ（表示素子）
５ 投影光学系
２２ ロッドインテグレータ（インテグレータ光学系）
２３ 照明リレー系
５１ 投影レンズ系
５２ 偏光変換リレー光学系
５３ 前群レンズ系
５４ 後群レンズ系
５５ 偏光変換光学系
５６ ＰＢＳプリズムアレイ（偏光分離素子）
５６ｃ ＰＢＳ膜
５６ｄ プリズム
５６ｅ 分岐プリズム
５６ｆ ＰＢＳ膜
５６ｇ プリズム
５６ｈ 反射膜
５６ｉ 反射膜
５６ｊ 反射プリズム
５７ 位相板
５８ 三角プリズム
５８ａ ＰＢＳ膜
５９ 平行平板
６１ レーザユニット
６３ カラープリズム
６８ 偏光切り替え素子
１００ 画像投影装置
Ｍ 中間像
Ｐ 瞳面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子にて表示された画像を被投影面に投影する画像投影装置に用いる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示素子に表示された画像をスクリーン等の被投影面に投影するプロジェクタにおいては、スイッチングスピードの速さから、デジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤと称する）を表示素子として用いたものが実用化されている。最近、立体画像（以下、３Ｄ画像と称する）として鑑賞可能な映画が製作され、その映画を鑑賞するための映画館もできはじめており、また、３Ｄ画像に対応した家庭用のプロジェクションテレビも発売されてきている。ＤＭＤを用いたプロジェクタは、右目用画像と左目用画像とを時分割で表示し、偏光メガネやシャッターメガネを鑑賞者が装着することで３Ｄ画像を鑑賞することできることから、３Ｄプロジェクタとして重用されている。
【０００３】
上記いずれのメガネも、円偏光または直線偏光を透過させて鑑賞者の左右の目に導くものであるため、ＤＭＤを用いたプロジェクタでランダム偏光のままで画像を投影すると、上記メガネで半分以上の光量をロスすることになる。このため、偏光方向の揃った光を用いて投影画像を得ることが望まれる。この点、例えば特許文献１のプロジェクタでは、投影光学系におけるリレー光学系の瞳位置の近傍に偏光変換光学系を配置し、この偏光変換光学系により、表示素子からの光を２つの直線偏光に分離した後に一方の光を他方と同じ偏光方向の光に変換し、表示素子の画像を投影するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００８／１４１２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した先行技術では、偏光変換光学系により２つの直線偏光に分離され異なる光路を通過するために、偏光変換光学系を通過する前の光線と偏光変換光学系を通過した後の光線とは、互いに平行偏心した光線が生じる。通常、コマ収差等の瞳径の２乗に比例する収差は、各レンズ群の収差を打ち消すように光学系の全系に作用することによって、瞳位置を挟んだ前群レンズ系と後群レンズ系においても、前群レンズ系と後群レンズ系が互いにコマ収差を打ち消し、リレー光学系としてコマ収差を抑えることができる。しかし、瞳位置近傍に偏光変換光学系を配置したリレー光学系においては、偏光変換光学系に起因して前群レンズ系と後群レンズ系に偏心が起こることになり、このように各レンズ系が偏心している場合には、前群レンズ系と後群レンズ系が互いにコマ収差を打ち消すことがなく、コマ収差が顕著に現れ、結像性能を劣化させるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、偏光変換光学系の偏光分離にともなう結像性能の劣化を抑えることができる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の偏光変換リレー光学系は、各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子と、光源の光から複数の光源像を形成するインテグレータ光学系を有し前記光源からの光を前記表示素子に導く照明光学系と、前記表示素子の画像を被投影面に投影する投影レンズ系と、を備えた画像投影装置における、前記投影レンズ系と前記表示素子との間に配置され、前記表示素子の表示画像の中間像を偏光方向が一方向に揃った状態で形成する偏光変換リレー光学系であって、前記偏光変換リレー光学系は、瞳面に対して中間像側に配置される前群レンズ系と、該瞳面に対して表示素子側に配置される後群レンズ系と、該瞳面に配置される偏光変換光学系とを備え、前記偏光変換光学系は、前記複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記２つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板とを有し、有効像領域内に集光するすべての光線束において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１）を満たし、前記後群レンズ系は、下記の条件式（２）を満たすことを特徴としている。
Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）
Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
但し、
Δｆ：前記前群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
Δｒ：前記後群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
ｋ：前記偏光変換リレー光学系の倍率
ｐ：前記表示素子の画素ピッチ
【０００８】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ａ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ａ）を満たすことが望ましい。
Δｆ＜２０×ｋ×ｐ ・・・（１Ａ）
Δｒ＜２０×ｐ ・・・（２Ａ）
【０００９】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ｂ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ｂ）を満たすことが望ましい。
Δｆ＜ｋ×ｐ ・・・（１Ｂ）
Δｒ＜ｐ ・・・（２Ｂ）
【００１０】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系と後群レンズ系は瞳面に対して対称に配置されることが望ましい。
【００１１】
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記後群レンズ系は、前記表示素子の、前記後群レンズ系の光軸に対応する位置から出射した光線を瞳側で平行光にすることが望ましい。
【００１２】
前記偏光変換リレー光学系を備えた画像投影装置であることを特徴としている。
【００１３】
本発明の画像投影装置において、前記光源はレーザ光であることが望ましい。
【００１４】
本発明の画像投影装置において、前記偏光変換光学系から出射した光線を２種類に偏光した光線に交互に切り替える偏光切り替え素子をさらに備えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、前群レンズ系が条件式（１）を満たすことにより、前群レンズ系の最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの４０倍以下に抑えることができる。また、後群レンズ系が条件式（２）を満たすことにより、後群レンズ系の最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの４０倍以下に抑えることができる。このように、前群レンズ系及び後群レンズ系の夫々で最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの４０倍以下に抑えると、偏光変換光学系に起因して前群レンズ系と後群レンズ系に偏心があっても、偏光変換リレー光学系のコマ収差量を表示素子の略１画素以下に抑えることができ、良好な結像性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図
【図２】上記画像投影装置のＤＭＤの平面図
【図３】上記画像投影装置の偏光変換光学系の断面図
【図４】本発明の実施の一形態に係る偏光変換リレー光学系の断面図
【図５】上記偏光変換リレー光学系及び前群レンズ系（後群レンズ系）のコマ収差を示す図
【図６】上記偏光変換リレー光学系の前群レンズ系（後群レンズ系）の断面図
【図７】上記前群レンズ系（後群レンズ系）のコマ収差量を説明する図
【図８】上記偏光変換リレー光学系と前群レンズ系（後群レンズ系）とのコマ収差の相関を示す図
【図９】上記偏光変換光学系の一変形例を示す断面図
【図１０】上記偏光変換光学系の別の変形例を示す断面図
【図１１】上記偏光変換光学系のさらに別の変形例を示す断面図
【図１２】本発明の実施の別形態に係る画像投影装置の構成を示す断面図
【図１３】上記画像投影装置のカラープリズムの断面図
【図１４】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例１の前群レンズ系（後群レンズ系）の収差図
【図１５】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例１の偏心がある場合における収差図
【図１６】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例１の偏心がない場合における収差図
【図１７】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例２の前群レンズ系（後群レンズ系）の収差図
【図１８】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例２の偏心がある場合における収差図
【図１９】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例２の偏心がない場合における収差図
【図２０】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例３の前群レンズ系（後群レンズ系）の収差図
【図２１】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例３の偏心がある場合における収差図
【図２２】上記偏光変換リレー光学系に係る実施例３の偏心がない場合における収差図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図である。この画像投影装置１００は、光源１と、照明光学系２と、ＴＩＲプリズム３と、ＤＭＤ４と、投影光学系５とを有している。なお、ロッドインテグレータ２２の長辺方向は、ＴＩＲプリズム３の後述する入射面に対して、実際は４５度傾いたねじれの関係にあるが、図１では、説明の理解をしやすくするため、上記入射面と偏光分離方向とを同一面内で示している。
【００１９】
上記の構成において、光源１から出射された光は、照明光学系２を介してＴＩＲプリズム３に入射し、そこで全反射された後、ＤＭＤ４に入射する。ＤＭＤ４に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、ＴＩＲプリズム３を透過し、投影光学系５を介して被投影面であるスクリーン（図略）に導かれる。この投影光学系５により、ＤＭＤ４に表示された画像がスクリーン上に拡大投影される。なお、被投影面は壁であってもよい。
【００２０】
３Ｄ画像を投影する場合には、右目用の画像と左目用の画像とをＤＭＤ４にて順次時分割した画像光を投影光学系５の後述する偏光変換光学系５５にてランダム偏光を直線偏光に変換してスクリーンに投影する。この場合、鑑賞者は、時分割表示のタイミングに同期して左右交互に直線偏光を透過させるシャッターメガネを介して投影画像を鑑賞すれば、３Ｄ画像を鑑賞することができる。以下、各構成の詳細について説明する。
【００２１】
尚、光源１からＤＭＤ４の矩形の画像表示領域の中心に向かう光線束の中心光線が光路中の任意の面に入射するときに、その面に入射する中心光線と、入射点における面の法線とを含む平面を入射面とする。そして、偏光方向が入射面に平行な直線偏光をＰ偏光とし、偏光方向が入射面に垂直な直線偏光をＳ偏光とする。また、光が光学部材を透過するときの光入射側の面を上記の入射面と区別するために光入射面とし、光出射側の面を光出射面とする。
【００２２】
光源１は、ＤＭＤ４を照明するための光を出射するものであり、発光部１１と、リフレクタ１２とで構成されている。発光部１１は、例えば白色光を発光する放電ランプで構成されている。リフレクタ１２は、発光部１１から出射される光を反射させて照明光学系２に導く反射板である。リフレクタ１２は、回転楕円面の反射面を有しており、リフレクタ１２の一方の焦点位置に発光部１１が配置されている。したがって、発光部１１からの光は、リフレクタ１２にて反射されて他方の焦点位置に集光し、照明光学系２の後述するカラーホイール２１を介してロッドインテグレータ２２に入射する。
【００２３】
照明光学系２は、光源１からの光をＤＭＤ４に導く光学系であり、カラーホイール２１と、ロッドインテグレータ２２と、照明リレー系２３とを有している。
【００２４】
カラーホイール２１は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色光を順次透過させるカラーフィルターで構成されている。カラーホイール２１を回転させることにより、照明する色光を時間的に順次切り替えてＤＭＤ４を照明できるので、各色に対応した画像情報をＤＭＤ４に表示することにより、投影画像をカラー化することができる。
【００２５】
ロッドインテグレータ２２は、光源１からの光の光量分布を均一化して出射するものである。ロッドインテグレータ２２の断面形状は、ＤＭＤ４の矩形の画像表示領域と略相似となっている。これにより、ロッドインテグレータ２２は、ＤＭＤ４の矩形の画像表示領域と略相似な照明光束を形成するインテグレータ光学系を構成している。
【００２６】
照明リレー系２３の瞳面上には、ロッドインテグレータ２２内での反射回数に応じた位置に複数の光源像が形成される。また、照明リレー系２３の瞳面と後述する偏光変換リレー光学系５２の瞳面Ｐとは、略共役となっている。さらに、ロッドインテグレータ２２の光出射面とＤＭＤ４の画像表示領域とは、照明リレー系２３によって略共役となっている。
【００２７】
照明リレー系２３は、ロッドインテグレータ２２の光出射面の像をリレーしてＤＭＤ４に投影することにより、ＤＭＤ４を均一に照明する光学系である。この照明リレー系２３は、第１レンズ２３ａと、第２レンズ２３ｂと、光路を９０度折り曲げるミラー２３ｃと、第３レンズ２３ｄとで構成されている。照明リレー系２３によってロッドインテグレータ２２からの光を集光することにより、上記光の利用効率を向上させることができる。
【００２８】
照明光学系２の上記構成によれば、光源１からカラーホイール２１を介してロッドインテグレータ２２に時分割で入射する各色光は、そこでの内面反射を繰り返してミキシングされ、均一な光量分布となって光出射面から出射される。このロッドインテグレータ２２での反射回数に応じて、照明リレー系２３内（照明リレー系の瞳面）に複数の光源像が形成されるが、これらを重畳させることにより、光量分布の均質な照明光を実現することができる。ロッドインテグレータ２２から出射される光は、照明リレー系２３、及びＴＩＲプリズム３を介して、ＤＭＤ４に導かれる。このとき、ロッドインテグレータ２２の断面は、ＤＭＤ４の画像表示領域と略相似であるので、ＤＭＤ４には光が均一にかつ効率よく導かれる。このような光量分布の均一な光でＤＭＤ４を照明することにより、投影画像の光量ムラ（輝度ムラ）を無くすことができる。
【００２９】
ＴＩＲプリズム３は、ＤＭＤ４への照明光を全反射させ、ＤＭＤ４からの画像光（投影光）を透過させる全反射プリズム（臨界角プリズム）である。ＴＩＲプリズム３によって照明光の光路を折り曲げることにより、画像投影装置１００をコンパクトに構成することができる。
【００３０】
ＴＩＲプリズム３は、エアギャップ層を介して２つのプリズム３１、３２を貼り合わせて構成されている。プリズム３１は、第１光入射面３１ａ、臨界面３１ｂ及び第１光出射面３１ｃを有しており、プリズム３２は、第２光入射面３２ａ及び第２光出射面３２ｂを有している。プリズム３１の臨界面３１ｂとプリズム３２の第２光入射面３２ａとは、エアギャップ層を介して対向して配置されている。
【００３１】
照明光学系２からの照明光は、ＴＩＲプリズム３のプリズム３１の内部に第１光入射面３１ａから入射する。プリズム３１の臨界面３１ｂは、照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面３１ｂで反射されて、プリズム３１の第１光出射面３１ｃから出射され、ＤＭＤ４を照明する。
【００３２】
また、ＤＭＤ４からの反射光のうち、オン光が、再びＴＩＲプリズム３を経て、投影光学系５に入射し、スクリーンに導かれる。より詳しくは、ＤＭＤ４の画像表示状態の各画素（ミラー）で反射された光束（投影光）は、プリズム３１の第１光出射面３１ｃから再びプリズム３１内部に入射し、臨界面３１ｂに到達する。このとき、上記の投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面３１ｂに入射するため、臨界面３１ｂを透過し、エアギャップ層を経て、第２光入射面３２ａからプリズム３２内部に入射し、第２光出射面３２ｂ及び投影光学系５を介してスクリーンに導かれる。
【００３３】
ＤＭＤ４は、各画素に対応する複数の微小ミラーをマトリクス状に有するデジタルマイクロミラーデバイス（米国テキサスインスツルメント社製）であり、入射光を変調して画像を表示する表示素子である。ここで、図２は、ＤＭＤ４の平面図である。ＤＭＤ４は、矩形の画像表示領域４ａを有し、各画素を構成するミラー４ｂの回動軸４ｃが画像表示領域４ａの長辺４ａ１及び短辺４ａ２と４５度の角度をなしている。
【００３４】
ＤＭＤ４の各ミラー４ｂは、照明光軸の方に１２度傾いた状態で照明光を反射させることにより、ＤＭＤ４の画像表示領域４ａに垂直な方向に投影光としてのオン光を射出する。一方、各ミラー４ｂが逆方向に１２度傾いた状態で照明光を反射させることにより、４８度の射出角を持ってオフ光を射出する。オン光は、ＴＩＲプリズム３及び投影光学系５を順に介してスクリーンに導かれるが、オフ光は、ミラー４ｂから大きな射出角で射出されるため、投影光学系５には入射せず、スクリーンには到達しない。このように、各ミラー４ｂの傾きをＯＮ／ＯＦＦの２値で制御することにより、ＤＭＤ４に画像を表示して、その表示画像をスクリーンに投影することができる。
【００３５】
また、ＤＭＤ４では、回動軸４ｃの軸回りに±１２度回動することによってＯＮ／ＯＦＦを表現するため、臨界面３１ｂの入射面とＤＭＤ４のミラー４ｂの入射面とが互いに平行となるように、ＴＩＲプリズム３及びＤＭＤ４を配置している。この位置関係により、ＴＩＲプリズム３にて投影光と照明光とを効率よく分離しながら、ＤＭＤ４の各ミラー４ｂで反射される光のうちでオン光のみを、臨界面３１ｂを透過させてスクリーンに導くことができる。
【００３６】
図１に戻り、投影光学系５は、ＤＭＤ４の画像をスクリーン上に投影する光学系であり、投影レンズ系５１及び偏光変換リレー光学系５２を有している。
【００３７】
偏光変換リレー光学系５２は、ＤＭＤ４の画像の中間像Ｍを投影レンズ系５１の近傍に形成する光学系である。偏光変換リレー光学系５２によって形成された中間像Ｍは、投影レンズ系５１によってスクリーン上に投影される。偏光変換リレー光学系５２は、前群レンズ系５３と、後群レンズ系５４と、偏光変換光学系５５とを有している。
【００３８】
偏光変換光学系５５は、照明リレー系２３の瞳面上に形成された複数の光源像からの光（ランダム偏光）を、偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換して出射する光学系である。ここで、図３は、偏光変換光学系５５の断面図である。偏光変換光学系５５は、ＰＢＳプリズムアレイ５６と、位相板５７とで構成されている。
【００３９】
ＰＢＳプリズムアレイ５６は、偏光変換リレー光学系５２の瞳面Ｐ（図１参照）上に配置されており、照明リレー系瞳面の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に分離する偏光分離素子である。ＰＢＳプリズムアレイ５６は、複数のＰＢＳ膜５６ａと複数のプリズム５６ｂとが交互に配置されるように構成されている。各ＰＢＳ膜５６ａは、入射光のうちでＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる帯状の光学薄膜であり、互いに平行にかつ等間隔で配置されている。各プリズム５６ｂは、例えばガラスで構成されており、２つのＰＢＳ膜５６ａで挟まれるプリズム５６ｂの断面形状は平行四辺形となっている。
【００４０】
位相板５７は、ＰＢＳプリズムアレイ５６にて偏光分離された２つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば１／２波長板で構成され、ＰＢＳプリズムアレイ５６の中間像Ｍ側（図３の左側）にひとつおきのＰＢＳ膜５６ａと向かい合うように、ひとつおきのプリズム５６ｂに貼り合わされている。この位相板５７は、ＰＢＳ膜５６ａを透過した一方の直線偏光（例えばＰ偏光）を他方と同じ偏光方向の直線偏光（例えばＳ偏光）に変換する。
【００４１】
偏光変換光学系５５の上記構成により、照明リレー系２３の瞳面上に形成された複数の光源像の光束は、ＰＢＳプリズムアレイ５６上で結像するとともに、ＰＢＳ膜５６ａによってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。このうち、Ｐ偏光はＰＢＳ膜５６ａを透過して位相板５７に入射し、これを透過することによってＳ偏光に変換される。
【００４２】
一方、ＰＢＳ膜５６ａにて偏光分離されたＳ偏光は、ＰＢＳ膜５６ａにて反射された後、隣のＰＢＳ膜５６ａによって再度反射され、位相板５７が貼り合わされていない領域を通り出射する。
【００４３】
偏光変換光学系５５の上記構成によれば、立体視可能な画像を投影するときは、偏光変換光学系５５にて、ランダム偏光を偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換しているので、所定の偏光方向の直線偏光のみを取り出して（他の偏光方向の直線偏光を遮断して）、画像を投影する構成に比べて、光量損失の少ない、視覚的に明るい投影画像を得ることができる。
【００４４】
図４は、偏光変換リレー光学系５２を示す断面図である。偏光変換リレー光学系５２は、瞳面Ｐ上に配置される偏光変換光学系５５と、瞳面Ｐに対して中間像Ｍ側に配置される前群レンズ系５３と、瞳面Ｐに対してＤＭＤ４側に配置される後群レンズ系５４とを有する。
【００４５】
後群レンズ系５４は、ＤＭＤ４から出射した光線を瞳Ｐ側で略平行光とする光学系であり、瞳面Ｐ側からＤＭＤ４側に向かって順にレンズＬ１〜Ｌ８で構成される。
【００４６】
レンズＬ１は両凹レンズからなり、レンズＬ２は、レンズＬ１に貼り合わされる正メニスカスレンズからなり、レンズＬ３は正メニスカスレンズからなり、レンズＬ４は負メニスカスレンズからなり、レンズＬ５は両凸レンズからなり、レンズＬ６は両凹レンズからなり、レンズＬ７は両凸レンズからなり、レンズＬ８は正メニスカスレンズからなる。
【００４７】
前群レンズ系５３は、瞳面Ｐから入射した平行光を中間像Ｍ面の光軸ＡＸ（偏光変換リレー光学系５２の光軸）上に結像させる光学系であり、瞳面Ｐ側から中間像Ｍ側に向かって順にレンズＬ１〜Ｌ８で構成される。
【００４８】
前群レンズ系５３のレンズＬ１〜Ｌ８は、後群レンズ系５４のレンズＬ１〜Ｌ８と夫々同じ構成のレンズであり、後群レンズ系５４のレンズＬ１〜Ｌ８と同じレンズ間隔になるように配置されている。つまり、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とは瞳面Ｐに対して対称に配置されている。
【００４９】
前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との上記構成によれば、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との各レンズを同じ硝材にすることができ、偏光変換リレー光学系５２をコストダウンすることができ、また、等倍のリレー光学系を簡単に構成することができるために、投影光学系５を投影レンズ系５１のみで構成する場合と同様な取り扱いで画像形成装置として用いることができる。
【００５０】
また、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との上記構成によれば、偏光変換リレー光学系５２が瞳Ｐ近傍で平行光となる光学系であるために、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４との間で光路長の差や光軸のずれが発生しても、レンズ性能の劣化を極めて小さくした光学系を得ることができる。
【００５１】
偏光変換リレー光学系５２は、偏光変換光学系５５によって偏光変換するために、偏光方向の異なる２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）が瞳面Ｐ上で分離されている。この偏光分離するときに、一方の偏光（例えばＳ偏光）は、ＰＢＳプリズムアレイ５６のＰＢＳ膜５６ａ（図３参照）で２回反射するために、他方の偏光（例えばＰ偏光）に対して光路がシフトしていることになる。すなわち、偏光変換光学系５５を通過する前の光線と偏光変換光学系５５を通過した後の光線とは、互いに平行偏心した光線が生じる。
【００５２】
通常、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４の夫々単独の光学系に大きなコマ収差があっても、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とが互いにコマ収差を打ち消すために、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを含むリレー光学系としては、コマ収差を抑えることができる。しかし、瞳位置近傍に偏光変換光学系５５を配置した偏光変換リレー光学系５２においては、偏光変換光学系５５に起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とに平行偏心が起こることになり、各レンズ系が偏心している場合には、前記のように前群レンズ系５３と後群レンズ系５４が互いにコマ収差を打ち消すことがなく、コマ収差が顕著に現れる。このコマ収差について図５、図６を用いて詳しく説明する。
【００５３】
図５は、偏光変換リレー光学系５２と、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の夫々のコマ収差を示す図である。図６は、偏光変換リレー光学系５２の前群レンズ系５３と後群レンズ系５４の断面図である。尚、図５の横軸は、瞳面上において光軸を通過する主光線を基準（原点０）とした入射光線の位置を示し、その縦軸は各入射光線の位置におけるコマ収差量を示す。また、図５の「前群レンズ系コマ収差」は、図６に示す前群レンズ系５３の瞳面Ｐから平行光が入射した場合の像面におけるコマ収差を示し、また、図５の「後群レンズ系コマ収差」は、図６の後群レンズ系５４の瞳面Ｐから平行光が入射した場合の像面におけるコマ収差を示す。さらに、図５の「全光学系コマ収差」は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とからなるレンズ系（全光学系）のコマ収差を示し、図５の「偏心系」は、平行偏心しているレンズ系のコマ収差を示す。
【００５４】
図５に示すように、「前群レンズ系コマ収差」と「後群レンズ系コマ収差」とは、原点０を含む横軸に対して互いに反対方向に略対称にコマ収差が出現しているために、「全光学系コマ収差」では前群レンズ系コマ収差と後群レンズ系コマ収差とが互いに打ち消しあい、全光学系コマ収差が抑えられている。
【００５５】
前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とからなるレンズ系（全光学系）において、例えば、後群レンズ系５４が前群レンズ系５３に対して平行偏心した場合、図５の「後群レンズ系コマ収差（偏心系）」に示すように、図５の「後群レンズ系コマ収差」（偏芯がない場合）に対して、コマ収差が原点０を基準として時計回り方向に回転するように偏る。このために、全光学系において前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とが互いにコマ収差を打ち消すことができず、図５の「全光学系コマ収差（偏心系）」に示すように、コマ収差が大きく残存し、レンズ性能を劣化させる。
【００５６】
そこで、本実施形態では、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の夫々の単独コマ収差量を小さく抑えている。それにより、瞳位置に偏光変換光学系５５を配置することに起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とに平行偏心が起こっても、レンズ性能の劣化を抑えるようにしている。ここで、図７は像面Ｉ上の任意の一点での集光状態を模式的に示す図であり、つまり、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の各単独コマ収差量を示す図である。単独コマ収差量は、像面Ｉ上の一点に集光する光線束において、各レンズ系の瞳面Ｐ（図６参照）の上端を通過する光線Ａの像面Ｉ上の座標Ａｈと該瞳面Ｐの下端を通過する光線Ｂの像面Ｉ上の座標Ｂｈとの中間点Ｄｈから、該瞳面Ｐの中心（光軸上）を通過する光線Ｃ（主光線）の像面Ｉ上の座標Ｃｈまでの距離として定義される。ここに像面Ｉは、前群レンズ系５３あるいは後群レンズ系５４において、各レンズ系の瞳側から入射した光軸に平行な光線束が集光する点を含む光軸に垂直な面である。また、本実施形態では、前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４の像面側の主光線はいずれも略平行となるテレセントリック光学系である。
【００５７】
前群レンズ系５３及び後群レンズ系５４おける一方のレンズ系の偏心量を一方のレンズ系の瞳径の１／１０として、また、ＤＭＤ４の画素ピッチを８μｍに設定すると、一方のレンズ系の有効像領域内の単独コマ収差量と全光学系の有効像領域内のコマ収差量とは図８に示す相関が得られる。ここで、有効像領域とは、前記像面Ｉ上の領域であって、後群レンズ系５４においてはＤＭＤ４の画像表示領域に相当する領域であり、前群レンズ系５３においてはＤＭＤ４の画像表示領域に偏光変換リレー光学系の倍率が乗じられた面積を持つＤＭＤ４の画像表示領域に相似の領域である。
【００５８】
図８は、上記の偏心量における単独コマ収差量と全光学系のコマ収差量とを示すグラフであり、横軸に単独コマ収差量を示し、縦軸に全光学系のコマ収差量を示す。図８の破線は単独コマ収差量と全光学系のコマ収差量との相関を示す。このグラフから明らかなように、単独コマ収差量が３００μｍ以下であると、全光学系のコマ収差量は略８μｍに収まり、ＤＭＤ４の１画素程度に抑えることができる。このことから、全光学系のコマ収差量をＤＭＤ４の１画素程度に抑えるには、単独コマ収差量を画素ピッチの略３７倍以下のコマ収差量に収めればよいことになる。
【００５９】
従って、前群レンズ系５３の単独コマ収差量の絶対値をΔｆ（単位ｎｍ）、後群レンズ系５４の単独コマ収差量の絶対値をΔｒ（単位ｎｍ）で表し、また、ＤＭＤ４の画素ピッチの画素ピッチをｐ（単位ｎｍ）、偏光変換リレー光学系５２の倍率をｋで表す場合に、有効像領域内に集光するすべての光線束において、
Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）
Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
の条件式（１）、（２）を満たすことによって、偏光変換光学系５５に起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４に互いに偏心があっても、偏光変換リレー光学系５２のコマ収差量がＤＭＤ４の略画素ピッチ以下に抑えることができ、良好な結像性能が得られる。
【００６０】
また、図８に示すように、単独コマ収差量が２００μｍ以下であると、全光学系のコマ収差量は略４μｍに収まり、ＤＭＤ４の画素の半画素程度に抑えることができる。このことから、全光学系のコマ収差量をＤＭＤ４の画素の半画素程度に抑えるには、単独コマ収差量を画素ピッチの略２５倍以下のコマ収差量に収めればよいことになる。
【００６１】
従って、下記の条件式（１Ａ）、（２Ａ）を満たすことによって、偏光変換光学系５５に起因して前群レンズ系５３と後群レンズ系５４に互いに偏心があっても、偏光変換リレー光学系５２のコマ収差量がＤＭＤ４の画素の略半画素以下に抑えることができ、一層良好な結像性能が得られる。
Δｆ＜２０×ｋ×ｐ ・・・（１Ａ）
Δｒ＜２０×ｐ ・・・（２Ａ）
【００６２】
さらに、以下の条件式（１Ｂ）、（２Ｂ）を満たすと、単独コマ収差量をＤＭＤ４の画素程度（８μｍ程度）に収めることになり、偏光変換光学系５５に起因したレンズ性能の劣化がさらに一層抑えられ、偏心のない光学系の程度に良好な結像性能が得られる。
Δｆ＜ｋ×ｐ ・・・（１Ｂ）
Δｒ＜ｐ ・・・（２Ｂ）
【００６３】
尚、図９に示すように偏光変換光学系５５を配置しても、本実施形態に適用することができる。図９は、偏光変換光学系の一変形例を示す断面図である。この偏光変換光学系５５は、図３に示す偏光変換光学系５５と同じ構成であるが、前群レンズ系５３及び偏光変換光学系５５の光軸ＡＸ１に対して、後群レンズ系５４の光軸ＡＸ２を平行偏心させている。
【００６４】
後群レンズ系５４は、偏光変換光学系５５によってＰ偏光とＳ偏光とに分離されるピッチに対して１／２だけの平行偏心している。このように後群レンズ系５４の平行偏心量を設定すると、光軸ＡＸ１に対して、分離されるＰ偏光とＳ偏光とのズレ量が等しくなる。Ｐ偏光とＳ偏光とのズレ量が等しくなることによって、図３に示す偏光変換光学系５５の構成に比較して、光軸ＡＸ１に対するＰ偏光とＳ偏光とのズレ量を半分にすることができる。このように、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを平行偏心させることで、偏光変換光学系５５に起因するレンズ性能の劣化を抑えることができる。
【００６５】
また、偏光変換光学系５５は図１０に示すように構成にしてもよい。図１０は、偏光変換光学系の別の変形例を示す断面図である。偏光変換光学系５５は、ＰＢＳプリズムアレイ５６と、位相板５７とで構成されている。
【００６６】
ＰＢＳプリズムアレイ５６は、偏光変換リレー光学系５２の瞳面Ｐ（図１参照）上に配置されており、複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に分離する偏光分離素子である。ＰＢＳプリズムアレイ５６は、ＰＢＳ膜５６ｃと反射膜５６ｈを形成したプリズム５６ｄと、ＰＢＳ膜５６ｆと反射膜５６ｉを形成したプリズム５６ｇと、プリズム５６ｄのＰＢＳ膜５６ｃ及びプリズム５６ｇのＰＢＳ膜５６ｆと貼り合わされた分岐プリズム５６ｅと、プリズム５６ｄの反射膜５６ｈ及びプリズム５６ｇの反射膜５６ｉと貼り合わされた反射プリズム５６ｊで構成されている。分岐プリズム５６ｅ及び反射プリズム５６ｊの各断面形状は直角二等辺三角形をなし、ＰＢＳ膜５６ｃと反射膜５６ｈで挟まれるプリズム５６ｄ及びＰＢＳ膜５６ｆと反射膜５６ｉで挟まれるプリズム５６ｇの各断面形状は平行四辺形となっている。ＰＢＳ膜５６ｃ、５６ｆは、入射光のうちでＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる。なお、反射膜５６ｈ、５６ｉは、ＰＢＳ膜で構成されていてもよい。
【００６７】
位相板５７は、ＰＢＳプリズムアレイ５６にて偏光分離された２つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば１／２波長板で構成され、分岐プリズム５６ｅの前記一面と向かい合って貼り合わされている。この位相板５７は、ＰＢＳ膜５６ｃ、５６ｆを透過した一方の直線偏光（例えばＰ偏光）を他方と同じ偏光方向の直線偏光（例えばＳ偏光）に変換する。
【００６８】
偏光変換光学系５５の上記構成により、ＰＢＳ膜５６ｃ、５６ｆによってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。このうち、Ｐ偏光はＰＢＳ膜５６ｃを透過して分岐プリズム５６ｅを介して位相板５７に入射し、これを透過することによってＳ偏光に変換される。また、Ｐ偏光はＰＢＳ膜５６ｆを透過して分岐プリズム５６ｅを介して位相板５７に入射し、これを透過することによって上記Ｓ偏光とは異なる位置でＳ偏光に変換される。
【００６９】
一方、ＰＢＳ膜５６ｃにて偏光分離されたＳ偏光は、ＰＢＳ膜５６ｃにて反射された後、隣の反射膜５６ｈによって再度反射され、分岐プリズム５６ｅの横（図１０の上側）を通り出射する。また、ＰＢＳ膜５６ｆにて偏光分離されたＳ偏光は、ＰＢＳ膜５６ｆにて反射された後、隣の反射膜５６ｉによって再度反射され、分岐プリズム５６ｅの横（図１０の下側）を通り出射する。
【００７０】
偏光変換光学系５５の上記構成によれば、複数の光源像の光路を分岐プリズム５６ｅによって２つの光路に分けるために、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを平行偏心させることなく、Ｐ偏光とＳ偏光とのズレ量を、図３に示す偏光変換光学系５５の構成に対して半分にすることができる。これによって、偏光変換光学系５５に起因するレンズ性能の劣化を抑えることができる。
【００７１】
さらに、偏光変換光学系５５は図１１に示すように構成にしてもよい。図１１は、偏光変換光学系のさらに別の変形例を示す断面図である。偏光変換光学系５５は、ＰＢＳ膜５８ａを形成された三角プリズム５８と、ＰＢＳ膜５８ａに対面して貼り合わされる平行平板５９と、瞳位置近傍に配置される位相板５７とで構成されている。ＰＢＳ膜５８ａは、入射光のうちでＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる光学薄膜で形成される。位相板５７は、ＰＢＳ膜５８ａにて偏光分離された２つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば１／２波長板で構成され、平行平板５９の厚みに対応して１つおきに、三角プリズム５８の９０度折り曲げた光出射面に貼り合わされている。
【００７２】
偏光変換光学系５５の上記構成により、複数の光源像の光束は、後群レンズ系５４を介して三角プリズム５８に入射し、ＰＢＳ膜５８ａによってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｓ偏光は、ＰＢＳ膜５８ａにて反射された後、三角プリズム５８の光出射面を通過し、隣り合う位相板５７、５７の間を通り出射する。
【００７３】
一方、ＰＢＳ膜５８ａにて偏光分離されたＰ偏光は、ＰＢＳ膜５８ａを透過して平行平板５９の反射面にて反射され、再びにＰＢＳ膜５８ａを透過する。ＰＢＳ膜５８ａを透過Ｐ偏光は、位相板５７に入射し、これを透過することによってＳ偏光に変換される。
【００７４】
偏光変換光学系５５の上記構成によれば、プリズムをアレイ状に設ける必要がなく、ＰＢＳ膜５８ａを三角プリズム５８の一面のみに形成すればよく、これによって、プリズムアレイに発生するおそれがあるＰＢＳ膜５８ａの相互の位置ずれ、角度ずれが抑えられ、偏光変換光学系５５によって精度良く偏光変換することができる。
【００７５】
（第２実施形態）
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、第１実施形態と同一の構成には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【００７６】
図１２は、本実施形態の画像投影装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態の画像投影装置１００は、光源１にレーザユニット６１を用いた点、ＴＩＲプリズム３とＤＭＤ４との間の光路中にカラープリズム６３を配置した点、投影光学系５のスクリーン側に偏光切り替え素子６８を配置した点、ＤＭＤ４を赤、緑、青の各色光に対応して設けた点以外は、第１実施形態と同様の構成である。
【００７７】
レーザユニット６１は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のレーザ光源を有し、ＲＧＢの各色光から白色の光束を合成するものである。放電ランプ等の光源に比べると光源サイズが小さく、レーザユニット６１から小さいサイズの光源像が形成される光束が出射され、偏光変換光学系５５によって効率良く偏光変換することができる。
【００７８】
レーザユニット６１の光源光束はロッドインテグレータ２２に入射する。ロッドインテグレータ２２の光出射面には拡散板ホイール６２が設けられる。拡散板ホイール６２は高速で回転することによって、ロッドインテグレータ２２から出射した光束のスペックルをさらに低減させるが、ロッドインテグレータ２２から出射した光束はランダム偏光状態になる。
【００７９】
上記の構成において、光源１から出射された光は、照明光学系２を介してＴＩＲプリズム３に入射し、そこで全反射された後、カラープリズム６３を介してＤＭＤ４に入射する。ＤＭＤ４に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、カラープリズム６３を介してＴＩＲプリズム３を透過し、さらに、投影光学系５（偏光変換リレー光学系５２、投影レンズ系５１）及び偏光切り替え素子６８を介してスクリーンに導かれる。
【００８０】
図１３にカラープリズム６３の断面図を示す。カラープリズム６３は、ＴＩＲプリズム３（図１２参照）とＤＭＤ４との間の光路中に配置される色分離合成手段である。本実施形態では、ＤＭＤ４は、異なる３つの色光（赤、緑、青の各色光）に対応して設けられるＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂからなっており、カラープリズム６３は、ＴＩＲプリズム３からの光を上記３つの色光に分離して各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに導くとともに、各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂからの反射光を同一光路に合成する。
【００８１】
カラープリズム６３は、三角柱状の第１カラープリズム６４及び第２カラープリズム６５、略四角柱状の第３カラープリズム６６、三角柱状の第４カラープリズム６７が組み合わされている。第１カラープリズム６４の、第２カラープリズム６５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とともに青色光及び緑色光を透過するダイクロイック膜６４Ｒが形成されている。なお、第１カラープリズム６４と第２カラープリズム６５との間にはエアギャップ層が設けられている。また、第２カラープリズム６５の、第３カラープリズム６６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とともに緑色光を透過するダイクロイック膜６５Ｂが設けられている。第２カラープリズム６５と第３カラープリズム６６との間、第１カラープリズム６４と第４カラープリズム６７との間にもそれぞれエアギャップ層が設けられている。
【００８２】
第４カラープリズム６７の光入出射面より入射した照明光は、ダイクロイック膜６４Ｒで赤色光が反射し、青色光及び緑色光は透過する。ダイクロイック膜６４Ｒで反射した赤色光は、第１カラープリズム６４の側面で全反射して、第１カラープリズム６４の光入出射面より出射してＤＭＤ４Ｒを照明する。一方、ダイクロイック膜６４Ｒを透過した青色光と緑色光のうち、青色光は第２カラープリズム６５のダイクロイック膜６５Ｂで反射し、緑色光は透過する。ダイクロイック膜６５Ｂで反射した青色光は、第２カラープリズム６５の側面で全反射され、第２カラープリズム６５の光入出射面より出射してＤＭＤ４Ｂを照明する。ダイクロイック膜６５Ｂを透過した緑色光は、第３カラープリズム６６の光入出射面より出射してＤＭＤ４Ｇを照明する。
【００８３】
各ＤＭＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射される。ＤＭＤ４Ｒで反射した赤色の画像光は、第１カラープリズム６４の光入出射面に入射して、第１カラープリズム６４の側面で全反射した後、さらにダイクロイック膜６４Ｒで反射する。また、ＤＭＤ４Ｂで反射された青色の画像光は、第２カラープリズム６５の光入出射面に入射して、第２カラープリズム６５の側面で全反射した後、ダイクロイック膜６５Ｂでさらに反射する。さらに、第１カラープリズム６４のダイクロイック膜６４Ｒを透過する。一方、ＤＭＤ４Ｇで反射した緑色の画像光は、第３カラープリズム６６の光入出射面に入射して、ダイクロイック膜６５Ｂ及びダイクロイック膜６４Ｒを透過する。そして、これら赤色、青色及び緑色の各画像光は、同一光軸に合成され、第４カラープリズム６７の光入出射面から出射して、ＴＩＲプリズム３（図１２参照）に入射する。
【００８４】
図１２に戻り、偏光切り替え素子６８は、投影光学系５のスクリーン側に配置される。尚、偏光切り替え素子６８は偏光変換光学系５５よりもスクリーン側であるなら、投影レンズ系５１と偏光変換リレー光学系５２の間に配置してもよく、また、偏光変換リレー光学系５２内に配置してもよい。偏光切り替え素子６８としては、例えばReal D社のZ-Screenと呼ばれる偏光切り替え素子を用いることができる。この偏光切り替え素子６８は、入射する直線偏光の光束を、右円偏光と左円偏光とで時分割で交互にかつ高速に切り替えて出射するものである。したがって、立体視可能な画像を投影するときは、ＤＭＤ４に左目用の画像と右目用の画像とを交互に表示し、それに同期して偏光切り替え素子６８にて右円偏光と左円偏光とを交互に切り替えて出射すればよい。この場合、鑑賞者は、偏光メガネ（例えば右目部分に右円偏光のみを透過する偏光板を有し、左目部分に左円偏光のみを透過する偏光板を有するもの）を装着することにより、右目用の投影画像を右目で、左目用の投影画像を左目で時分割されて鑑賞して、ひとつの画像投影装置１００によって投影画像を立体的に鑑賞することが可能となる。
【００８５】
上記、第１及び第２実施形態によれば、画像投影装置１００に偏光変換リレー光学系５２を用いることで、偏光状態が乱れていない単一の直線偏光で画像を投影することができる。従って、投影する画像の光量が低下するのを回避することができ、偏光スクリーンに投影しても、投影する画像の明るさ、コントラストが低下することなく、良好な３Ｄ画像を鑑賞することができる。また、３Ｄ画像の鑑賞には、２つの画像をひとつの投影光学系で投影することが可能であるために、２つの投影光学系で夫々画像を投影し、スクリーン上に２つの画像の重ね合わせる調整作業が必要でなく、また、平面画像の鑑賞と同様に投影距離等の投影条件を容易に設定することができる。
【００８６】
尚、上記第１及び第２実施形態では、インテグレータ光学系にロッドインテグレータ２２を用いる構成を示したが、本発明はこれに限らず、インテグレータ光学系として複数のレンズからなるレンズアレイを設け、レンズアレイによって光源からの光束を複数の光束に分割して複数の光源像を形成するようにしてもよい。
【００８７】
また、図９〜図１１に示す偏光変換光学系５５の配置、構成を第２実施形態の画像形成装置１００に適用するようにしてもよい。
【実施例】
【００８８】
本発明の偏光変換リレー光学系５２における一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）の構成を、実施例のレンズ構成データ及び収差図を用いて、さらに具体的に説明する。尚、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。実施例１〜３は夫々図６の光学系に対応させて、各レンズの面番号ｓを記載している。
【００８９】
実施例のレンズ構成について、面データは、左側の欄から順に、面番号ｓ、曲率半径ｒ（単位ｍｍ）、軸上での面間隔ｔ（単位ｍｍ）、波長５４６．００ｎｍにおける屈折率ｎｄ及びアッベ数ｖｄ、有効径ｄ（単位ｍｍ）を示す。尚、面番号ｓ１、ｓ２は偏光変換光学系５５を示し、ｓ１８は像面を示す。
【００９０】
各種データに示す記号は下記の通りである。
Ｆ：瞳径（単位ｍｍ）
Ｙ'max：最大像高（単位ｍｍ）
【００９１】
（実施例１）
単位 ｍｍ
［面データ］
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 20.84
2 inf 6.73 20.85
3 -71.429 11.24 1.51680 64.20 20.88
4 46.676 7.02 1.80611 40.73 23.18
5 92.076 9.36 23.18
6 -126.287 14.13 1.83400 37.35 24.10
7 -54.652 6.15 26.18
8 -40.663 12.15 1.67270 32.17 25.99
9 -73.756 2.22 30.29
10 122.193 15.35 1.49700 81.61 32.79
11 -86.155 5.03 32.93
12 -100.159 4.94 1.78590 43.93 31.85
13 106.254 10.02 32.76
14 175.342 18.96 1.49700 81.61 36.45
15 -72.215 14.52 37.33
16 106.690 22.42 1.49700 81.61 37.01
17 3585.545 145.00 35.00
18 inf 8.59 18.50
【００９２】
［各種データ］
Ｆ：20.84
Ｙ'max：18.50
【００９３】
（実施例２）
単位 ｍｍ
［面データ］
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.19
2 inf 13.06 21.19
3 -72.934 4.20 1.51680 64.20 21.26
4 46.386 7.12 1.80611 40.73 22.78
5 90.848 10.62 22.79
6 -122.750 14.72 1.83400 37.35 24.04
7 -53.921 6.20 26.30
8 -40.627 12.03 1.67270 32.17 26.12
9 -73.676 2.49 30.49
10 119.966 15.88 1.49700 81.61 33.13
11 -84.324 5.06 33.25
12 -96.301 4.27 1.78590 43.93 32.09
13 106.243 10.01 33.00
14 175.375 18.92 1.49700 81.61 36.77
15 -71.832 6.65 37.62
16 107.636 27.96 1.49700 81.61 37.58
17 3644.289 145.00 35.00
18 inf 3.74 17.96
【００９４】
［各種データ］
Ｆ：21.19
Ｙ'max：17.96
【００９５】
（実施例３）
単位 ｍｍ
［面データ］
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.36
2 inf 11.03 21.37
3 -74.746 5.03 1.51680 64.20 21.42
4 46.005 7.12 1.80611 40.73 23.02
5 89.269 9.53 23.01
6 -117.534 14.29 1.83400 37.35 23.95
7 -52.926 5.85 26.15
8 -40.676 12.16 1.67270 32.17 25.97
9 -73.704 2.10 30.29
10 117.059 15.58 1.49700 81.61 32.86
11 -85.659 4.87 32.97
12 -96.140 4.40 1.78590 43.93 31.91
13 105.818 10.01 32.86
14 174.322 18.91 1.49700 81.61 36.69
15 -72.532 4.23 37.56
16 105.704 27.28 1.49700 81.61 37.53
17 3147.328 145.00 35.00
18 inf 5.01 18.08
【００９６】
［各種データ］
Ｆ：21.36
Ｙ'max：18.08
【００９７】
図１４〜図２２は、波長５４６．００ｎｍにおける各像高のコマ収差（横収差）を示す。各図の（ａ）は最大像高に至る光線束のコマ収差、各図の（ｂ）は最大像高の０．８７倍の位置に至る光線束のコマ収差、各図の（ｃ）は最大像高の０．７１倍の位置に至る光線束のコマ収差、各図の（ｄ）は軸上に至る光線束のコマ収差を示す。横軸に瞳面上における入射光線の位置を示し、縦軸は各入射光線の位置におけるコマ収差量を示す。
【００９８】
図１４〜図１６は実施例１のコマ収差を示す。図１４は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４、図６参照）のコマ収差を示し、図１５、図１６は、夫々倍率１倍の全光学系（図４参照）のコマ収差を示す。図１５は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを互いに２ｍｍ平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図１６は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例１は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）のコマ収差量がＤＭＤ４の画素程度（８μｍ程度）になるように設計したものであり、平行偏心が在る全光学系のコマ収差量は平行偏心がない全光学系のコマ収差（図１６参照）と同じ程度に抑えられている。
【００９９】
図１７〜図１９は実施例２のコマ収差を示す。図１７は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４、図６参照）のコマ収差を示し、図１８、図１９は、夫々倍率１倍の全光学系（図４参照）のコマ収差を示す。図１８は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを互いに２ｍｍ平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図１９は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例２は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）のコマ収差量が２００μｍ以下になるように設計したものであり、平行偏心した全光学系のコマ収差量はＤＭＤ４の画素の半画素（４μｍ）程度に抑えられている。
【０１００】
図２０〜図２２は実施例３のコマ収差を示す。図２０は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４、図６参照）のコマ収差を示し、図２１、図２２は、夫々倍率１倍の全光学系（図４参照）のコマ収差を示す。図２１は、前群レンズ系５３と後群レンズ系５４とを互いに２ｍｍ平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図２２は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例３は、一方の光学系（前群レンズ系５３、後群レンズ系５４）のコマ収差量が３００μｍ以下になるように設計したものであり、平行偏心した全光学系のコマ収差量はＤＭＤ４の１画素（８μｍ）程度に抑えられている。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、表示素子にて表示された画像を被投影面に投影する画像投影装置に用いる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 光源
２ 照明光学系
４ ＤＭＤ（表示素子）
４Ｂ ＤＭＤ（表示素子）
４Ｇ ＤＭＤ（表示素子）
４Ｒ ＤＭＤ（表示素子）
５ 投影光学系
２２ ロッドインテグレータ（インテグレータ光学系）
２３ 照明リレー系
５１ 投影レンズ系
５２ 偏光変換リレー光学系
５３ 前群レンズ系
５４ 後群レンズ系
５５ 偏光変換光学系
５６ ＰＢＳプリズムアレイ（偏光分離素子）
５６ｃ ＰＢＳ膜
５６ｄ プリズム
５６ｅ 分岐プリズム
５６ｆ ＰＢＳ膜
５６ｇ プリズム
５６ｈ 反射膜
５６ｉ 反射膜
５６ｊ 反射プリズム
５７ 位相板
５８ 三角プリズム
５８ａ ＰＢＳ膜
５９ 平行平板
６１ レーザユニット
６３ カラープリズム
６８ 偏光切り替え素子
１００ 画像投影装置
Ｍ 中間像
Ｐ 瞳面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子と、
光源の光から複数の光源像を形成するインテグレータ光学系を有し前記光源からの光を前記表示素子に導く照明光学系と、
前記表示素子の画像を被投影面に投影する投影レンズ系と、を備えた画像投影装置における、前記投影レンズ系と前記表示素子との間に配置され、前記表示素子の表示画像の中間像を偏光方向が一方向に揃った状態で形成する偏光変換リレー光学系であって、
前記偏光変換リレー光学系は、瞳面に対して中間像側に配置される前群レンズ系と、該瞳面に対して表示素子側に配置される後群レンズ系と、該瞳面に配置される偏光変換光学系とを備え、
前記偏光変換光学系は、前記複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記２つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板とを有し、
有効像領域内に集光するすべての光線束において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２）を満たすことを特徴とする偏光変換リレー光学系。
Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）
Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
但し、
Δｆ：前記前群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
Δｒ：前記後群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
ｋ：前記偏光変換リレー光学系の倍率
ｐ：前記表示素子の画素ピッチ
【請求項２】
前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ａ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ａ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換リレー光学系。
Δｆ＜２０×ｋ×ｐ ・・・（１Ａ）
Δｒ＜２０×ｐ ・・・（２Ａ）
【請求項３】
前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ｂ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ｂ）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の偏光変換リレー光学系。
Δｆ＜ｋ×ｐ ・・・（１Ｂ）
Δｒ＜ｐ ・・・（２Ｂ）
【請求項４】
前記前群レンズ系と後群レンズ系は瞳面に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の偏光変換リレー光学系。
【請求項５】
前記後群レンズ系は、前記表示素子の、前記後群レンズ系の光軸に対応する位置から出射した光線を瞳側で平行光にすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の偏光変換リレー光学系。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の偏光変換リレー光学系を備えた画像投影装置。
【請求項７】
前記光源はレーザ光であることを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。
【請求項８】
前記偏光変換光学系から出射した光線を２種類に偏光した光線に交互に切り替える偏光切り替え素子をさらに備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の画像投影装置。
【請求項１】
各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子と、
光源の光から複数の光源像を形成するインテグレータ光学系を有し前記光源からの光を前記表示素子に導く照明光学系と、
前記表示素子の画像を被投影面に投影する投影レンズ系と、を備えた画像投影装置における、前記投影レンズ系と前記表示素子との間に配置され、前記表示素子の表示画像の中間像を偏光方向が一方向に揃った状態で形成する偏光変換リレー光学系であって、
前記偏光変換リレー光学系は、瞳面に対して中間像側に配置される前群レンズ系と、該瞳面に対して表示素子側に配置される後群レンズ系と、該瞳面に配置される偏光変換光学系とを備え、
前記偏光変換光学系は、前記複数の光源像からの光を偏光方向の異なる２つの直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記２つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板とを有し、
有効像領域内に集光するすべての光線束において、前記前群レンズ系は下記の条件式（１）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２）を満たすことを特徴とする偏光変換リレー光学系。
Δｆ＜４０×ｋ×ｐ ・・・（１）
Δｒ＜４０×ｐ ・・・（２）
但し、
Δｆ：前記前群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
Δｒ：前記後群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
ｋ：前記偏光変換リレー光学系の倍率
ｐ：前記表示素子の画素ピッチ
【請求項２】
前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ａ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ａ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換リレー光学系。
Δｆ＜２０×ｋ×ｐ ・・・（１Ａ）
Δｒ＜２０×ｐ ・・・（２Ａ）
【請求項３】
前記前群レンズ系は下記の条件式（１Ｂ）を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式（２Ｂ）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の偏光変換リレー光学系。
Δｆ＜ｋ×ｐ ・・・（１Ｂ）
Δｒ＜ｐ ・・・（２Ｂ）
【請求項４】
前記前群レンズ系と後群レンズ系は瞳面に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の偏光変換リレー光学系。
【請求項５】
前記後群レンズ系は、前記表示素子の、前記後群レンズ系の光軸に対応する位置から出射した光線を瞳側で平行光にすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の偏光変換リレー光学系。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の偏光変換リレー光学系を備えた画像投影装置。
【請求項７】
前記光源はレーザ光であることを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。
【請求項８】
前記偏光変換光学系から出射した光線を２種類に偏光した光線に交互に切り替える偏光切り替え素子をさらに備えることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の画像投影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−１４１５７４（Ｐ２０１２−１４１５７４Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５７０４（Ｐ２０１１−１９５７０４）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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