JP3629556B2 - Color synthesis / decomposition optics - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、カラー映像を表示するプロジェクタ装置や、カラー映像を撮像する撮像装置等において、色合成乃至色分解するために設けられる色合成・分解光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、３板式の固体撮像装置においては、被写体からの光をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３原色の波長成分に分解して、３枚設けた固体撮像素子のそれぞれにＲＧＢの各波長成分の光をそれぞれ受光させて、光電変換させることによって、ＲＧＢの各色画像信号を取得するが、この被写体からの光を色分解するための光学系としては、ダイクロイックプリズムが一般に用いられる。また、ＲＧＢの各色の画像を合成してカラー画像を作り出し、これをスクリーンに投射するプロジェクタ装置においては、ＲＧＢの３色の画像を合成するための色合成光学系として、やはりダイクロイックプリズムが用いられる。
【０００３】
ダイクロイックプリズムは、周知のように、プリズムの所定の面に多層膜干渉フィルタからなるダイクロイック膜を積層し、例えば赤色の波長成分光を反射させ、他の波長成分光を透過させるダイクロイック膜と、緑色の波長成分光を透過させ、他の波長成分光を反射させるダイクロイック膜とを接合プリズムの所要のプリズム面に形成することによって、可視光を所定の方向から入射すると、ＲＧＢの３色に分解でき、また逆にＲＧＢの３原色をそれぞれ所定の方向からプリズムに入射すれば、各波長成分光が順次合成されて、自然色光として出力されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したダイクロイックプリズムにおけるダイクロイック膜は、角度依存性があり、このダイクロイック膜に対して垂直に入射される光は正確に反射または透過させるが、入射角が変化すると、反射または透過特性が変化してしまう。従って、発散光や収束光をダイクロイック膜に入射すると、このダイクロイック膜への入射角度に応じて透過率または反射率が部分的に変化するために、部分的に色のバランスが取れなくなり、色再現性や色分解性が低下して、映像の画質が低下するという問題点がある。とりわけ、ダイクロイックプリズムはガラス等の媒質で形成されているから、この媒質の屈折率の関係から、プリズムへの入射角よりダイクロイック膜への入射角の方が大きくなることから、色再現性は極めて悪くなってしまうという不都合が生じる。勿論、ダイクロイック膜の角度依存性を少なくすることも理論的には可能ではあるが、所期の目的を達成する程度にまで角度依存性をなくすには、ダイクロイック膜の層数を１００層乃至それ以上としなければならず、このために実用的には、角度依存性をなくすことはできない。
【０００５】
このような状況から、従来技術においては、色合成・分解光学系に対しては、ほぼ平行光とした状態で入射することによって、色再現性の低下を防止するようにしていた。このためには、ダイクロイックプリズムがある程度大型化すると共に、それに対する光の入射角を平行光束化するためのレンズを必要とする等、全体としての装置構成が大型化する等といった問題点がある。
【０００６】
本発明は、以上の従来技術における課題に鑑みて、小型でコンパクトな構成で、色の変化を極力防止できるようにした色合成・分解光学系を提供することを目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明において、色合成光学系の構成における特徴は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長領域の直線偏光のうち、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板からなる位相板を、光軸方向に離間させた一対の偏光分離部材の間に配置し、異なる波長領域の光を前記偏光分離部材により同一の光路を取らせ、かつ前記位相板で偏光方向が一致するように変換する構成としたことにある。また、色分解光学系として構成した場合の特徴は、直線偏光としたＲ，Ｇ，Ｂの各波長領域の光のうち、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板からなる位相板と、光軸方向において、少なくともこの位相板の後方に配置された偏光分離部材とからなり、前記異なる波長領域の光を前記位相板で偏光方向が相直交するように変換して、前記偏光分離部材によりそれぞれの波長領域の光路を分離させる構成としたものである。
【０００８】
また、本発明において、３原色の波長領域の光を自然色光となるように合成するための合成光学系は、それぞれ光路に対して４５°の角度を持った偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタを光軸方向に２個設けると共に、これら第１，第２の偏光ビームスプリッタ間に位相板を介装し、前記第１の偏光ビームスプリッタは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の波長領域のうち、所定の偏光方向の直線偏光からなる第１の波長領域光は透過させ、この第１の直線偏光とは異なる偏光方向の直線偏光である第２の波長成分の光は反射させる偏光分離膜を形成したものであり、前記位相板は、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板から構成され、また前記第２の偏光ビームスプリッタは、偏光方向が調整された第１，第２の波長領域の光を透過または反射させ、これとは偏光方向の異なる直線偏光からなる第３の波長領域を反射または透過させる偏光分離膜を形成したものであることを特徴とする。
【０００９】
さらに、ＲＧＢの３原色の色分解を行うための構成とする場合には、それぞれ光路に対して４５°の角度を持った偏光分離膜を有する第１，第２の偏光ビームスプリッタと、第１，第２の位相板とを備え、光の入射側から順に、３原色の波長領域のうちの第１の波長領域を選択的に偏光方向を変える第１の位相板、このように偏光方向を変えた第１の波長領域を他の波長領域から分離する第１の偏光ビームスプリッタ、この第１の偏光ビームスプリッタで分離された他の波長領域のうち、第２の波長領域を選択的に偏光方向を変える第２の位相板、それぞれ偏光方向が異なる第２，第３の波長領域の光を分離する第２の偏光ビームスプリッタを配置する構成となし、前記第１，第２の位相板は、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板で構成されたものであることをその特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
本発明においては、色合成や色分解を行うに当って、ダイクロイック膜を用いずに、偏光分離膜を備えた偏光分離部材として、例えば偏光ビームスプリッタを用いる。偏光ビームスプリッタは、周知のように、プリズムに４５°の角度を持たせて偏光分離膜を設けてなるものであり、この偏光分離膜は、それに入射される光のうち、一般的にＰ偏光成分，Ｓ偏光成分と呼ばれる直交する２つの直線偏光成分のうち、一方の直線偏光成分、例えばＰ偏光成分は透過させ、他方の直線偏光成分、例えばＳ偏光成分は反射する性質を有する。従って、２色の波長成分光を合成するには、一方の波長成分光をＰ偏光とし、他方の波長成分光をＳ偏光として、偏光ビームスプリッタに相互に９０°の方向から入射すると、Ｐ偏光成分は偏光分離膜を透過し、Ｓ偏光成分はこの偏光分離膜で反射するので、２つの光が合成される。ここで、偏光ビームスプリッタに入射するには、直線偏光成分の光でなければならないが、ランダム偏光の光等からＰ偏光またはＳ偏光というように直線偏光とするには、例えば液晶板等からなる偏光板を用いれば良い。
【００１１】
そして、この出力光にさらに別の第３の波長成分光を合成するために、偏光ビームスプリッタをもう１個光軸方向に並べる。ただし、前述した第１の偏光ビームスプリッタからの出力光は、一方の波長成分光はＰ偏光であり、他方の波長成分光はＳ偏光であるために、この第１の偏光ビームスプリッタからの出力光をそのまま第２の偏光ビームスプリッタに入射したのでは、その偏光分離膜で再び両波長成分の光が分離してしまう。このために、第１の偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとの間に位相板を介在させる。ここで、位相板は複数枚の波長板からなり、これら各波長板の光学軸をそれぞれ所定角度に設定して貼り合わせたもので構成され、直線偏光成分の光を、所定の波長成分のみの偏光方向を変え、残りの波長成分を偏光方向を変えずに透過させるものである。即ち、前述した一方の波長成分光をＳ偏光させるか、または他方の波長成分光をＰ偏光させることによって、これら２つの波長成分光の偏光方向を一致させる。これによって、第２の偏光ビームスプリッタで、前述した第１の偏光ビームスプリッタと同様に、２方向からのＰ偏光及びＳ偏光からなる入射光を合成することができ、これによってＲＧＢの３原色の光を合成できる。
【００１２】
ここで、第２の偏光ビームスプリッタからの出力光は、やはりＰ偏光成分とＳ偏光成分とが混在している。これらの偏光方向を一致させるには、第１の位相板と同様に、波長選択性のある第２の位相板をこの第２の偏光ビームスプリッタの出力側に配置する構成とすれば良い。このように、位相板は偏光方向を一致させる機能も発揮する。
【００１３】
一方、自然光のうちの可視光領域の波長成分をＲＧＢの各波長成分の要素光に分離するには、前述とは反対に第２の位相板でこれらの要素光のうちの１の波長成分の光を選択的に偏光方向を変えた上で、第２の偏光ビームスプリッタでこの第２の位相板で偏光方向を変えた１つの要素光を他から分離する。そして、残りの２つの要素光を含む他の光を第１の位相板で一方の要素光の波長成分の偏光方向を変えて、第１の偏光ビームスプリッタで２つの要素光を分離することによって、ＲＧＢの各波長成分からなる要素光に分解できる。
【００１４】
而して、偏光分離膜は、ダイクロイック膜と比較して入射角度に対する反射または透過の特性が変化する割合が少なく、また偏光分離膜の積層数や各層の組成や厚みを変えることによって、２０層乃至それ以下の層数でも角度依存性が実質的に無視できる程度にまで少なくでき、収束光や発散光というように、入射角度がかなり大きくても、殆ど反射，透過の特性が変化しないようになる。従って、光学系自体を小型化でき、かつ平行光束化するためのレンズ系等を設けなくとも良くなり、プロジェクション装置，撮像装置等として用いた場合に、簡単な構成で、色再現性，色分解性は極めて良好となる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図１に色合成を行うための光学系をプロジェクション装置に組み込むようにしたものの概略構成を示す。図中において、１Ｇは緑色の画像を出力する第１の受像管、１Ｂは青色の画像を出力する第２の受像管、１Ｒは赤色の画像を出力する第３の受像管をそれぞれ示す。また、これら各受像管１Ｇ，１Ｂ，１Ｒの出力側には、偏光板としての液晶板２Ｇ，２Ｂ，２Ｒが配置されている。３はスクリーンを示し、第１乃至第３の受像管１Ｇ，１Ｂ，１ＲからのＲＧＢの各色の画像は光合成光学系１０を介して合成されて、スクリーン３にカラー画像が投射される。
【００１６】
色合成光学系１０は、第１，第２の偏光ビームスプリッタ１１，１２と、これら２つの偏光ビームスプリッタ１１，１２間に配設した位相板１３とから構成される。偏光ビームスプリッタ１１，１２は、それぞれ４５°の角度をもって偏光分離膜１１ａ，１２ａが設けられている。
【００１７】
第１の受像管１Ｇからの緑色波長成分の光を液晶板２Ｇによって、Ｐ偏光となされて、第１の偏光ビームスプリッタ１１の入射面１１Ｇから入射されるようになっており、また第２の受像管１Ｂからの青色波長成分の光が液晶板２ＢによってＳ偏光となし、第１の偏光ビームスプリッタ１１の入射面１１Ｂに入射されるようになっている。そして、この第１の偏光ビームスプリッタ１１の偏光分離膜１１ａは、Ｐ偏光は透過させ、Ｓ偏光を反射させるものである。従って、第１の偏光ビームスプリッタ１１の出射面１１Ｔから出射される光は緑色の波長成分と青色の波長成分とが合成されたものとなる。
【００１８】
第１の偏光ビームスプリッタ１１から出射される光のうち、緑色の波長成分はＰ偏光であり、青色の波長成分はＳ偏光である。そこで、これら相異なる偏光方向を一致させるために、位相板１３が用いられる。この位相板１３は後述するように、複数枚の１／２波長板からなり、波長選択性を持ったものである。即ち、位相板１３は、図２に実線で示したように、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域の光をＳ偏光からＰ偏光に偏光方向を変え、またＰ偏光である緑色の波長領域の光はそのまま透過する特性を有するものである。従って、この位相板１３からの出力光は、共にＰ偏光となった緑色の波長成分と青色の波長成分とを含む一次合成光である。
【００１９】
次に、位相板１３からの緑色の波長成分の光と青色の波長成分の光とからなる一次合成光に、赤色の波長成分の光を合成させることによって、カラー画像の合成が行われる。このために、第２の偏光ビームスプリッタ１２が設けられている。この第２の偏光ビームスプリッタ１２の入射面１２Ｃには、前述したＰ偏光からなる一次合成光が入射されるようになっており、またこの入射面１２ｃとは９０°の方向から、入射面１２Ｒに対して第３の受像管１Ｒから液晶板２Ｒを経てＳ偏光となった赤色の波長成分光が入射されることになる。そして、このように２方向から入射された光のうち、Ｐ偏光の一次合成光は偏光分離膜１２ａを透過し、Ｓ偏光である赤色波長成分光はこの偏光分離膜１２ａで反射して、ＲＧＢの３原色の光が合成される。この第２の偏光ビームスプリッタ１２からの出力光をプロジェクション用レンズ１４を介してスクリーン３にカラー画像を映し出すことができる。
【００２０】
ここで、偏光分離膜１１ａ，１２ａは、図３に示したように、可視光領域（即ち、４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいて、Ｐ偏光をほぼ１００％透過させ、またＳ偏光をほぼ１００％反射させる機能を備え、かつ角度依存性を極力抑制するように構成する。偏光分離膜は、通常、ＴｉＯ_２ ，ＺｎＯ_２ ，ＳｉＯ_２ ，ＭｇＦ_２ 等の誘電体膜を多層に積層してなるものであり、これらの組成，積層数，膜厚等を適宜選択・設定することによって、所望の特性のものが得られる。例えば、偏光分離膜として、ＴｉＯ_２ とＭｇＦ_２ とを用い、前者をＨ、後者をＬとした時に、基板（４５°）／（ＨＬ）^５ Ｈ／接合／基板の１１層膜とすれば良い。
【００２１】
また、位相板１３は、図２に示した特性を持ったものとするが、このためには、貼り合わせにより複数層の波長板で位相板１３を構成する。そして、この貼り合わせ時には、これら各波長板の光学軸をそれぞれ所定の角度に設定する。これによって、所定の波長領域の光は偏光方向が変わり、それ以外の波長領域の光は偏光方向が不変の状態で透過するように制御することができる。例えば、青色の波長領域の光の偏光方向を９０°回す位相板１３を構成するには、中心波長６００ｎｍのλ／２波長板３枚を用い、それらの光軸を２８．５°，５５°，２８．５°に配置させ、入射角の偏光方向の角度を０とすれば良い。
【００２２】
以上のように、色合成を行うに当って、偏光ビームスプリッタを用いるように構成することによって、入射角による透過率及び反射率の変化が抑制されるので、収束光や発散光であっても、スクリーン３に映し出されるカラー画像の色再現性が良好となるので、この色合成を行う光学系を著しく小型化、コンパクト化できると共に、各受像管からの映像を平行光束化する必要がないので、プロジェクション装置の全体構成を小型化，簡略化できるようになる。
【００２３】
次に、図４に本発明の第２の実施例を示す。本実施例においては、被写体を撮像する固体撮像装置において、ＲＧＢの３色に色分解するための光学系として用いた場合を示す。
【００２４】
図中において、２１は結像レンズ、２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇはそれぞれ赤，青，緑の各色の画像を撮像する固体撮像素子である。結像レンズ２１で撮影した被写体像は、色分解光学系によって３色に色分解されて、それぞれ固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇによりそれぞれ電気信号に変換されるようになっている。而して、色分解光学系は、２個の偏光ビームスプリッタ２３，２４と２個の位相板２５，２６とから構成される。偏光ビームスプリッタ２３，２４は、前述した第１の実施例の偏光ビームスプリッタ１１，１２と同様の構成となっている。結像レンズ２１に近い側の偏光ビームスプリッタを第１の偏光ビームスプリッタ２３とし、また結像レンズ２１から遠い側の偏光ビームスプリッタを第２の偏光ビームスプリッタ２４とする。また、両偏光ビームスプリッタ２３，２４間に位置する位相板２５は、前述した第１の実施例の位相板１３と全く同様の構成を有するものであり、この位相板を第２の位相板２６とする。また、第１の偏光ビームスプリッタ２３における結像レンズ２１側に位置する位相板は第１の位相板２５とする。さらに、この第１の位相板２５と結像レンズ２１との間には、結像レンズ２１から入射される光をＰ偏光となるように調整する偏光板としての液晶板２７が介装されている。
【００２５】
ここで、第１の位相板２５は、結像レンズ２１から入射される光が液晶板２７でＰ偏光に整えられた状態で入射されると、この光の波長成分のうち、６００ｎｍ〜７００ｎｍ、即ち赤色の波長成分の光がＳ偏光に変えられ、他の波長成分は透過する、図２の点線で示した特性を持ったものを用いる。
【００２６】
以上のように構成すると、被写体の像は結像レンズ２１を介して撮像装置に取り込まれて、まず液晶板２７により入射光の偏光方向がＰ偏光となる。そして、第１の位相板２５において、赤色の波長成分だけが選択的にＳ偏光に変換され、他の波長成分はＰ偏光のままこの第１の位相板２５を透過する。これが第１の偏光ビームスプリッタ２３に入射されると、その偏光分離膜２３ａで赤色の波長成分が他から分離されて、固体撮像素子２２Ｒに入射される。また、第１の偏光ビームスプリッタ２３の偏光分離膜２３ａを透過した光は、第２の位相板２６によって、青色の波長成分だけがＳ偏光され、緑色の波長成分はＰ偏光のまま透過する。そして、この光は第２の偏光ビームスプリッタ２４の偏光分離膜２４ａによって青色の波長成分と緑色の波長成分とに分けられて、それぞれ固体撮像素子２２Ｂ，２２Ｇに入射される。従って、これら固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇで光電変換されて、ＲＧＢの各色の画像信号が生成される。而して、このように、偏光ビームスプリッタを用いることによって、入射光が発散光や収束光であっても、正確に色分解することができる。
【００２７】
なお、前述した第１の実施例である色合成を行う光学系において、第２の実施例で示した第２の位相板と同様の部材を設けるように構成すれば、ＲＧＢの出力光の偏光方向は全て同一となるように揃えられる。また、各実施例における偏光ビームスプリッタにおいては、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させるようにしたが、これとは逆にＳ偏光を透過させ、Ｐ偏光を反射させるように構成したものを用いることもできることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、小型でコンパクトな構成によって、ＲＧＢの各色の画像を合成してカラー画像を形成したり、また可視光をＲＧＢの３色に分解したり等を行う際に、入射される光が発散光や収束光であっても、色再現性が良好となり、また色分解を極めて高精度に行うことができる等といった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の色合成・分解光学系を色合成光学系として構成し、この色合成光学系を備えたプロジェクション装置の構成説明図である。
【図２】位相板の偏光特性線図である。
【図３】偏光ビームスプリッタの特性線図である。
【図４】本発明の色合成・分解光学系を色分解光学系として構成し、この色分解光学系を備えた固体撮像装置の構成説明図である。
【符号の説明】
１Ｂ，１Ｇ，１Ｒ 受像管
２Ｂ，２Ｇ，２Ｒ，２７ 液晶板
３ スクリーン
１１，１２，２３，２４ 偏光ビームスプリッタ
１３，２５，２６ 位相板
２１ 結像レンズ
２２Ｂ，２２Ｇ，２２Ｒ 固体撮像素子[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a color synthesizing / separating optical system provided for color synthesis or color separation in a projector apparatus that displays a color video, an imaging apparatus that captures a color video, or the like.
[0002]
[Prior art]
For example, in a three-plate type solid-state imaging device, each of three solid-state imaging devices provided by decomposing light from a subject into wavelength components of three primary colors of R (red), G (green), and B (blue). The RGB color component signals are respectively received and photoelectrically converted to obtain RGB color image signals. A dichroic prism is generally used as an optical system for color-separating the light from the subject. Used. Further, in a projector device that synthesizes RGB images to create a color image and projects the image on a screen, a dichroic prism is also used as a color synthesis optical system for synthesizing the RGB three-color images. .
[0003]
As is well known, a dichroic prism is formed by laminating a dichroic film composed of a multilayer interference filter on a predetermined surface of a prism, for example,reflecting a red wavelength component light and transmitting another wavelength component light, and a green color. By forming a dichroic film that transmits the other wavelength component light and reflecting the other wavelength component light on the required prism surface of the cemented prism, when visible light is incident from a predetermined direction, it can be decomposed into three colors of RGB. Conversely, if the three primary colors of RGB are incident on the prism from predetermined directions, the respective wavelength component lights are sequentially synthesized and output as natural color light.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the dichroic film in the dichroic prism described above has angle dependency, and light incident perpendicularly to the dichroic film accurately reflects or transmits, but when the incident angle changes, the reflection or transmission characteristics change. Resulting in. Therefore, when diverging light or convergent light is incident on the dichroic film, the transmittance or reflectance changes partially depending on the incident angle to the dichroic film, so that the color balance cannot be achieved partially, and color reproduction is achieved. There is a problem that the image quality of the video is deteriorated due to a decrease in the image quality and color separation. In particular, since the dichroic prism is made of a medium such as glass, the incident angle to the dichroic film is larger than the incident angle to the prism because of the refractive index of this medium, so the color reproducibility is extremely high. The inconvenience of getting worse occurs. Of course, it is theoretically possible to reduce the angle dependency of the dichroic film, but in order to eliminate the angle dependency to the extent that the intended purpose is achieved, the number of layers of the dichroic film can be 100 layers or more. For this reason, the angle dependency cannot be eliminated practically.
[0005]
Under such circumstances, in the prior art, the color reproducibility optical system is prevented from being deteriorated in color reproducibility by being incident in a substantially parallel light state. For this purpose, the dichroic prism is increased in size to some extent, and a lens for converting the incident angle of light to the parallel beam into a parallel light beam is required.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems in the prior art described above, and an object of the present invention is to provide a color synthesizing / separating optical system capable of preventing color change as much as possible with a compact and compact configuration.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, in thepresent invention, the color synthesis optical system is characterized by changing the polarization direction of only a predetermined wavelengthregionout of linearly polarized light in eachof the R, G, and B wavelengthregions. The remaining wavelengthregion iscomposed of a wave plate bonded using three or more wave plates so that each optical axis is at a predetermined angle so as to exhibit the characteristic of transmitting without changing the polarization direction.A phase plate is disposed between a pair of polarization separation members spaced apart in the optical axis direction, and light of different wavelength regions is caused to take the same optical path by the polarization separation member, and the polarization direction is matched by the phase plate. Thus, the conversion is performed.In addition, when configured as a color separation optical system, a characteristic is that among the light in the R, G, and B wavelength regions that are linearly polarized, only the predetermined wavelength region is changed in its polarization direction, and the remaining wavelength regions are changed. Is a phase plate composed of a wave plate bonded with an optical axis of a predetermined angle using three or more wave plates so as to exhibit a characteristic of transmitting without changing the polarization direction, and an optical axis A polarization separation member disposed at least behind the phase plate in the direction, and converts the light in the different wavelength regions so that the polarization directions are orthogonal to each other by the phase plate. The optical path in the wavelength region is separated.
[0008]
Further, in the present invention, a combining optical system for combining light in the wavelengthregions of the three primary colors so as to become natural color light includes a polarizing beam splitter having a polarization separating film having an angle of 45 ° with respect to the optical path. Two are provided in the optical axis direction, and a phase plate is interposed between the first and second polarizing beam splitters, and the first polarizing beam splitter is selected from the wavelengthregions of the three primary colors R, G, and B. A polarization separation film that transmitslight of a first wavelengthregion composed of linearly polarized light having a predetermined polarization direction and reflects light of a second wavelength component that is linearly polarized light having a polarization direction different from that of the first linearly polarized light. The phase plate hasthree or more wavelengths so that only apredetermined wavelength region changes its polarization direction, and the remaining wavelength region transmits without changing the polarization direction. Each using a plate Optical axis consists wave plate bonded to a predetermined angle and said second polarization beam splitter, first, by transmitting or reflecting the light of the second wavelengthregion whose polarization direction is adjusted, This is characterized in that a polarization separation film for reflecting or transmitting a third wavelengthregion composed of linearly polarized light having different polarization directions is formed.
[0009]
Furthermore, in the case of a configuration for performing color separation of the three primary colors of RGB, first and second polarization beam splitters each having a polarization separation film having an angle of 45 ° with respect to the optical path, , and a second phase plate, in order from the light incident side, a first phase plate for changing the selectively polarized direction of the first wavelengthregion in the wavelengthrange of the three primary colors, thus the polarization direction first polarizing beam splitter, among other wavelengthregions separated by the first polarization beam splitter, selectively polarizing the second wavelengthregion separating the first wavelengthregion is changed from the other wavelengthregion A second phase plate that changes direction, a second polarization beam splitter that separates light in the second and third wavelengthregions having different polarization directions, are arranged, and the first and second phase plates are ,only a predetermined wavelength region, changing its polarization direction, In order to achieve the transmission characteristics without changing the polarization direction, each wavelength region is composed of three or more wavelength plates and bonded to each other so that their optical axes are at a predetermined angle. It is characterized by being
[0010]
[Action]
In the present invention, when performing color synthesis or color separation, for example, a polarization beam splitter is used as a polarization separation member having a polarization separation film without using a dichroic film. As is well known, a polarization beam splitter is formed by providing a prism with an angle of 45 ° and a polarization separation film, and this polarization separation film is generally P-polarized light among the light incident thereon. Of two linearly polarized light components orthogonal to each other called a component and an S-polarized light component, one linearly polarized light component, for example, a P-polarized light component is transmitted, and the other linearly polarized light component, for example, an S-polarized light component is reflected. Therefore, in order to synthesize two color component light components, one wavelength component light is P-polarized light and the other wavelength component light isS- polarized light. component is transmitted through the polarization separation film, since the S-polarized light component is reflected by the polarization splitting film, the two lightRu synthesized. Inhere, the incident on the polarization beam splitter, a must be a linearly polarized light component from the light such as the randomly polarized light and P-polarized light or linearly polarized light as the S polarized light, for example, a liquid crystal panel or the like A polarizing plate may be used.
[0011]
Then, in order to synthesize another third wavelength component light with this output light, another polarizing beam splitter is arranged in the optical axis direction. However, the output light from the first polarizing beam splitter described above is output from the first polarizing beam splitter because one wavelength component light is P-polarized light and the other wavelength component light is S-polarized light. If the light is incident on the second polarization beam splitter as it is, the light of both wavelength components is separated again by the polarization separation film. For this purpose, a phase plate is interposed between the first polarizing beam splitter and the second polarizing beam splitter. Here, the phase plateis composed of a plurality of wave plates, and is formed by bonding the optical axes of these wave plates to respective predetermined angles. The polarization direction is changed, and the remaining wavelength components are transmitted without changing the polarization direction. That is, the polarization direction of these two wavelength component lights is made to coincide by either S-polarizing one wavelength component light mentioned above or P-polarizing the other wavelength component light. Thus, in the second polarization beam splitter, as in the first polarization beam splitter as described above, the incident light of P polarized light and S polarized light from the two directions can be synthesized, forR GBThis ensuresthat Three primary colors can be combined.
[0012]
Here, the output light from the second polarizing beam splitter also contains a P-polarized component and an S-polarized component. In order to make these polarization directions coincide with each other, a configuration in which a second phase plate having wavelength selectivity is arranged on the output side of the second polarization beam splitter as in the case of the first phase plate.Thus, the phase plate also exhibits the function of matching the polarization direction.
[0013]
On the other hand, in order to separate the wavelength component in the visible light region of the natural light into the component light of each wavelength component of RGB, the wavelength component of one of the component light components of the component light is reversed by the second phase plate. After selectively changing the polarization direction of light, one element light whose polarization direction is changed by the second phase plate is separated from the other by the second polarization beam splitter. Then, by changing the polarization direction of the wavelength component of one element light with the first phase plate, the other light including the remaining two element lights is separated by the first polarization beam splitter. , And can be decomposed into element lights composed of RGB wavelength components.
[0014]
Thus, the polarization separation film has a smaller ratio of change in the reflection or transmission characteristics with respect to the incident angle as compared to the dichroic film, and the number of layers of the polarization separation film and the composition and thickness of each layer are changed to 20 layers. Even if the number of layers is less than that, the angle dependency can be reduced to a level that can be substantially ignored, and the reflection and transmission characteristics are hardly changed even when the incident angle is very large, such as convergent light or divergent light. Become. Therefore, the optical system itself can be miniaturized, and it is not necessary to provide a lens system for collimating light beams. When used as a projection device, an imaging device, etc., color reproducibility and color separation can be achieved with a simple configuration. The properties are very good.
[0015]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical system for color synthesis that is incorporated in a projection apparatus. In the figure, 1G denotes a first picture tube that outputs a green image, 1B denotes a second picture tube that outputs a blue image, and 1R denotes a third picture tube that outputs a red image. Further,liquid crystal plates 2G, 2B, and 2R as polarizing plates are disposed on the output side of thepicture tubes 1G, 1B, and 1R. Reference numeral 3 denotes a screen. The RGB images from the first tothird picture tubes 1G, 1B, and 1R are combined via the light combining optical system 10, and a color image is projected onto the screen 3.
[0016]
The color synthesis optical system 10 includes first and secondpolarization beam splitters 11 and 12 and aphase plate 13 disposed between the twopolarization beam splitters 11 and 12. Thepolarization beam splitters 11 and 12 are respectively provided withpolarization separation films 11a and 12a at an angle of 45 °.
[0017]
The light of the green wavelength component from thefirst picture tube 1G is converted to P-polarized light by theliquid crystal plate 2G and is incident from theincident surface 11G of the firstpolarization beam splitter 11, and the second The light of the blue wavelength component from thepicture tube 1B is converted into S-polarized light by the liquid crystal plate 2B and is incident on the incident surface 11B of the firstpolarizing beam splitter 11. Thepolarization separation film 11a of the firstpolarization beam splitter 11 transmits P-polarized light and reflects S-polarized light. Accordingly, the light emitted from theemission surface 11T of the firstpolarization beam splitter 11 is a combination of the green wavelength component and the blue wavelength component.
[0018]
Of the light emitted from the firstpolarizing beam splitter 11, the green wavelength component is P-polarized light, and the blue wavelength component is S-polarized light. Therefore, thephase plate 13 is used to match these different polarization directions. Aswill be described later, thephase plate 13 is composedof a plurality of half-wave plates and has wavelength selectivity. That is, as shown by the solid line in FIG. 2, thephase plate 13 changes the polarization direction of light in the wavelength region of 400 nm to 500 nm from S-polarized light to P-polarized light, and the light in the green wavelength region that is P-polarized light is left as it is. It has the property of transmitting. Accordingly, the output light from thephase plate 13 is primary combined light including a green wavelength component and a blue wavelength component, both of which are P-polarized light.
[0019]
Next, the color image is synthesized by synthesizing the light of the red wavelength component with the primary synthesized light composed of the light of the green wavelength component and the light of the blue wavelength component from thephase plate 13. For this purpose, a secondpolarizing beam splitter 12 is provided. The primary combined light composed of the P-polarized light is incident on theincident surface 12C of the secondpolarization beam splitter 12, and theincident surface 12R is incident on the incident surface 12c from a direction of 90 °. On the other hand, red wavelength component light that has become S-polarized light is incident from thethird picture tube 1R through theliquid crystal plate 2R. Of the light incident from two directions in this way, the primary combined light of P-polarized light is transmitted through the polarization separation film 12a, and the red wavelength component light that is S-polarized light is reflected by this polarization separation film 12a, and is converted into RGB. The three primary colors of light are synthesized. A color image can be projected on the screen 3 from the output light from the secondpolarizing beam splitter 12 via theprojection lens 14.
[0020]
Here, as shown in FIG. 3, thepolarization separation films 11a and 12a have a function of transmitting almost 100% of P-polarized light and reflecting almost 100% of S-polarized light in the visible light region (that is, in the range of 400 nm to 700 nm). The polarization separation film is usually formed by laminating dielectric films such as TiO₂ , ZnO₂ , SiO₂ , MgF₂ in multiple layers, and the like. The desired characteristics can be obtained by appropriately selecting and setting the composition, the number of layers, the film thickness, etc. For example, TiO₂ and MgF₂ are used as the polarization separation film, the former being H and the latter being L. In this case, the 11-layer film of substrate (45 °) / (HL)⁵ H / bonding / substrate may be used.
[0021]
Further, although thephase plate 13 has the characteristics shown in FIG. 2, for this purpose, thephase plate 13 is composed of a plurality of wave plates by bonding. At the time of bonding, the optical axes of these wave plates are set to predetermined angles. Accordingly, it is possible to control the light in a predetermined wavelength region so that the polarization direction is changed, and the light in other wavelength regions is transmitted with the polarization direction unchanged. For example, in orderto configure thephase plate 13 that rotates the polarization direction of light in the blue wavelength region by 90 °, three λ / 2 wavelength plates having a center wavelength of 600 nm are used, and their optical axes are set to 28.5 ° and 55 °. , 28.5 °, and the angle of polarization of the incident angle may be zero.
[0022]
As described above, when performing color synthesis, by using a polarization beam splitter, changes in transmittance and reflectance due to an incident angle are suppressed. Since the color reproducibility of the color image displayed on the screen 3 is improved, the optical system for performing this color composition can be remarkably reduced in size and size, and the image from each picture tube does not need to be converted into a parallel beam. Therefore, the overall configuration of the projection apparatus can be reduced in size and simplified.
[0023]
Next, FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, a solid-state imaging device that captures an image of a subject is used as an optical system for color separation into three colors of RGB.
[0024]
In the figure,reference numeral 21 denotes an imaging lens, and 22R, 22B, and 22G are solid-state image sensors for picking up images of red, blue, and green colors, respectively. The subject image photographed by theimaging lens 21 is color-separated into three colors by the color separation optical system, and converted into electric signals by the solid-state imaging devices 22R, 22B, and 22G, respectively. Thus, the color separation optical system is composed of twopolarization beam splitters 23 and 24 and twophase plates 25 and 26. Thepolarizing beam splitters 23 and 24 have the same configuration as thepolarizing beam splitters 11 and 12 of the first embodiment described above. The polarizing beam splitter closer to theimaging lens 21 is referred to as a firstpolarizing beam splitter 23, and the polarizing beam splitter farther from theimaging lens 21 is referred to as a secondpolarizing beam splitter 24. Thephase plate 25 positioned between thepolarizing beam splitters 23 and 24 has the same configuration as thephase plate 13 of the first embodiment described above, and this phase plate is used as thesecond phase plate 26. And The phase plate located on theimaging lens 21 side in the firstpolarization beam splitter 23 is afirst phase plate 25. Further, aliquid crystal plate 27 as a polarizing plate for adjusting the light incident from theimaging lens 21 to be P-polarized light is interposed between thefirst phase plate 25 and theimaging lens 21. Yes.
[0025]
Here, when the light incident from theimaging lens 21 is incident on thefirst phase plate 25 while being adjusted to P-polarized light by theliquid crystal plate 27, among the wavelength components of the light, 600 nm to 700 nm, That is, the light having the characteristics shown by the dotted line in FIG. 2 is used, in which the light of the red wavelength component is changed to S-polarized light and the other wavelength components are transmitted.
[0026]
With the configuration described above, the image of the subject is taken into the image pickup device via theimaging lens 21, and the polarization direction of the incident light is first changed to P-polarized light by theliquid crystal plate 27. Then, in thefirst phase plate 25, only the red wavelength component is selectively converted into S-polarized light, and the other wavelength components are transmitted through thefirst phase plate 25 while remaining as P-polarized light. When this is incident on the firstpolarization beam splitter 23, the red wavelength component is separated from the others by thepolarization separation film 23 a and is incident on the solid-state imaging device 22 </ b> R. Further, the light transmitted through thepolarization separation film 23a of the firstpolarization beam splitter 23 is S-polarized only by the blue wavelength component by thesecond phase plate 26, and the green wavelength component is transmitted as P-polarized light. The light is divided into a blue wavelength component and a green wavelength component by thepolarization separation film 24a of the secondpolarization beam splitter 24, and is incident on the solid-state imaging devices 22B and 22G, respectively. Accordingly, photoelectric conversion is performed by these solid-state imaging devices 22R, 22B, and 22G, and RGB color image signals are generated. Thus, by using the polarization beam splitter as described above, even if the incident light is divergent light or convergent light, color separation can be performed accurately.
[0027]
If the optical system that performs color composition according to the first embodiment is configured to have the same members as those of the second phase plate shown in the second embodiment, the polarization of RGB output light may be changed. All directions are aligned to be the same. In each of the embodiments, the polarization beam splitter transmits the P-polarized light and reflects the S-polarized light. On the contrary, the polarizing beam splitter transmits the S-polarized light and reflects the P-polarized light. it goeswithout saying that you can also beused.
[0028]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, with a small and compact configuration, RGB color images are synthesized to form a color image, or visible light is decomposed into RGB three colors. In this case, even if the incident light is divergent light or convergent light, the color reproducibility is good and color separation can be performed with extremely high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of a projection apparatus that includes a color synthesizing optical system according to the present invention as a color synthesizing optical system.
FIG. 2 is a polarization characteristic diagram of a phase plate.
FIG. 3 is a characteristic diagram of a polarizing beam splitter.
FIG. 4 is a configuration explanatory diagram of a solid-state imaging device including the color combining / separating optical system of the present invention as a color separating optical system and including the color separating optical system.
[Explanation of symbols]
1B, 1G,1R Picture tube 2B, 2G, 2R, 27 Liquid crystal plate 3Screen 11, 12, 23, 24Polarizing beam splitter 13, 25, 26Phase plate 21 Imaging lens 22B, 22G, 22R Solid-state image sensor

Claims (4)

Translated fromJapanese

Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長領域の直線偏光のうち、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板からなる位相板を、光軸方向に離間させた一対の偏光分離部材の間に配置し、異なる波長領域の光を前記偏光分離部材により同一の光路を取らせ、かつ前記位相板で偏光方向が一致するように変換する構成としたことを特徴とする色合成光学系。R, G,out of the linearly polarized light in each wavelengthregion of B,so that only a predetermined wavelengthrange, changes its polarization direction,exhibits the property of transmitting without changing the polarization direction for the remaining wavelengthregion, 3 A phase plate made of a wave plate bonded using a plurality of wave plates so that each optical axis is at a predetermined angle is arranged between a pair of polarization separation members spaced apart in the optical axis direction. Acolor synthesizing optical system characterized in thatlight in a wavelength region is configured to cause the polarization separating member to take the same optical path and to convert the polarization direction so as to coincide with the phase plate .直線偏光としたＲ，Ｇ，Ｂの各波長領域の光のうち、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板からなる位相板と、光軸方向において、少なくともこの位相板の後方に配置された偏光分離部材とからなり、前記異なる波長領域の光を前記位相板で偏光方向が相直交するように変換して、前記偏光分離部材によりそれぞれの波長領域の光路を分離させる構成としたことを特徴とする色分解光学系。Of the light in the R, G, and B wavelength regions that are linearly polarized, only a predetermined wavelength region is changed in its polarization direction, and the remaining wavelength regions are transmitted without changing the polarization direction. In addition, a phase plate composed of a wave plate bonded using three or more wave plates so that their optical axes are at a predetermined angle, and polarized light disposed at least behind the phase plate in the optical axis direction. And a separation member, wherein the light of the different wavelength regions is converted by the phase plate so that the polarization directions are orthogonal to each other, and the optical path of each wavelength region is separated by the polarization separation member, Color separation optical system.Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の波長領域の光を自然色光となるように合成するための合成光学系において、 それぞれ光路に対して４５°の角度を持った偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタを光軸方向に２個設けると共に、これら第１，第２の偏光ビームスプリッタ間に位相板を介装し、 前記第１の偏光ビームスプリッタは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の波長領域のうち、所定の偏光方向の直線偏光からなる第１の波長領域光は透過させ、この第１の直線偏光とは異なる偏光方向の直線偏光である第２の波長成分の光は反射させる偏光分離膜を形成したものであり、 前記位相板は、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板から構成され、 また前記第２の偏光ビームスプリッタは、偏光方向が調整された第１，第２の波長領域の光を透過または反射させ、これとは偏光方向の異なる直線偏光からなる第３の波長領域を反射または透過させる偏光分離膜を形成したものである ことを特徴とする色合成光学系。In a synthesis optical system for synthesizing light in the wavelengthregions of the three primary colors R, G, and B so as to be natural color light, a polarization beam splitter having a polarization separation film having an angle of 45 ° with respect to the optical path is provided. Two are provided in the optical axis direction, and a phase plate is interposed between the first and second polarization beam splitters. The first polarization beam splitter is formed of the wavelengthregions of the three primary colors R, G, and B. A polarization separation film that transmitslight of a first wavelengthregion composed of linearly polarized light having a predetermined polarization direction and reflects light of a second wavelength component that is linearly polarized light having a polarization direction different from that of the first linearly polarized light. The phase plate hasthree or more wavelengths so that only thepredetermined wavelength region changes its polarization direction and the remaining wavelength region transmits without changing the polarization direction. Each using a plate Manabu axis consists wave plate bonded to a predetermined angle and said second polarization beam splitter, first, by transmitting or reflecting the light of the second wavelengthregion whose polarization direction is adjusted, A color synthesizing optical system characterized in that a polarization separation film for reflecting or transmitting a third wavelengthregion composed of linearly polarized light having different polarization directions is formed.直線偏光となった可視光を、３原色の波長領域の光に分解するための光学系において、 それぞれ光路に対して４５°の角度を持った偏光分離膜を有する第１，第２の偏光ビームスプリッタと、第１，第２の位相板とを備え、 光の入射側から順に、 ３原色の波長領域のうちの第１の波長領域を選択的に偏光方向を変える第１の位相板、 このように偏光方向を変えた第１の波長領域を他の波長領域から分離する第１の偏光ビームスプリッタ、 この第１の偏光ビームスプリッタで分離された他の波長領域のうち、第２の波長領域を選択的に偏光方向を変える第２の位相板、 それぞれ偏光方向が異なる第２，第３の波長領域の光を分離する第２の偏光ビームスプリッタを配置する構成となし、 前記第１，第２の位相板は、所定の波長領域のみは、その偏光方向を変え、残りの波長領域については偏光方向を変えずに透過させる特性を発揮するように、３枚以上の波長板を用いて、それぞれの光学軸が所定角度となるように貼り合わせた波長板で構成されたものであることを特徴とする色分解光学系。In an optical system for decomposing visible light that has been linearly polarized into light in the wavelengthregions of the three primary colors, the first and second polarized beams each having a polarization separation film having an angle of 45 ° with respect to the optical path comprising a splitter, and first and second phase plates, in order from the light incident side, a first phase plate for changing the selectively polarized direction of the first wavelengthregion in the wavelengthrange of the three primary colors, this first the first polarization beam splitter for separating the wavelengthregion from other wavelengthregions, of the other wavelengthareas separated by the first polarization beam splitter, the second wavelengthregion by changing the polarization direction so A second phase plate that selectively changes the polarization direction, and a second polarization beam splitter that separates light in the second and third wavelengthregions having different polarization directions, respectively, 2 phase plate,only a predetermined wavelength region, Using three or more wavelength plates, the optical axes are bonded to each other at a predetermined angle so that the polarization direction can be changed and the remaining wavelength region can be transmitted without changing the polarization direction. It is composed of a wave plate A color separation optical system.

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