CN113366348A

CN113366348A - 光学部件、使用该光学部件的图像显示装置以及平视显示器

Info

Publication number: CN113366348A
Application number: CN202080010926.2A
Authority: CN
Inventors: 梅原干裕; 坪仓理; 梶原光广; 久保善则
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-09-07
Also published as: JPWO2020158627A1; US20220155488A1; WO2020158627A1; JP7295890B2

Abstract

本公开涉及的光学部件具备包含蓝宝石并具有对置的第1主面以及第2主面的基板，第1主面以及第2主面的倾斜相对于蓝宝石的c面为15°以下，在第1主面以及第2主面的至少一者设置散热部。

Description

光学部件、使用该光学部件的图像显示装置以及平视显示器

技术领域

本发明涉及在图像显示装置等光学设备中使用的光学部件以及使用该光学部件的图像显示装置、平视显示器。

背景技术

投影仪装置(PJ装置)、平视显示器装置(HUD装置)等图像显示装置是使用光源以及各种光学元件将显示在液晶面板等图像形成部的图像信息照射到墙壁、屏幕、窗户等，使使用者视觉辨认图像信息的装置。在这样的图像显示装置中具备各种光学部件。作为光学部件，例如可列举透镜、配置有荧光体的荧光板、偏振板、将液晶密封的密封玻璃等。

在专利文献1中，记载有车载用HUD装置，具备：显示元件，在入射侧偏振构件与出射侧偏振构件之间具有液晶单元；以及光源，对该显示元件照射光，并记载了将透射了显示元件的显示像投影到设置在驾驶员的前方视野内的显示构件而进行显示的情况。专利文献1所记载的车载用HUD装置在从液晶单元到显示构件之间的显示像的光路具备透射显示像并且与出射侧偏振构件相接的热传递构件(石英散热板)和包含金属材料并保持热传递构件的保持构件。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-313733号公报

发明内容

本公开涉及的光学部件具备包含蓝宝石并具有对置的第1主面以及第2主面的基板。第1主面以及第2主面的倾斜相对于蓝宝石的c面为15°以下。在第1主面以及第2主面的至少一者设置散热部。

本公开涉及的图像显示装置具备光源和位于从光源辐射的光的光路上的上述的光学部件。进而，本公开涉及的平视显示器具备该图像显示装置和显示图像的显示部。

附图说明

图1是示出使用本公开的一个实施方式涉及的光学部件的图像显示装置的概略图。

图2的(A)是用于说明本公开的一个实施方式涉及的光学部件的说明图，图2的(B)是从图2的(A)所示的箭头A方向观察本公开的一个实施方式涉及的光学部件的说明图。

图3是示出蓝宝石的晶体构造的说明图。

图4是本公开的一个实施方式涉及的光学部件为偏振板的情况下的说明图，图4的(A)示出俯视图，图4的(B)示出侧视图。

图5是本公开的其他实施方式涉及的光学部件为偏振板的情况下的说明图，图5的(A)示出俯视图，图5的(B)示出剖视图。

具体实施方式

对HUD装置等图像显示装置中使用的光学部件，要求提高传热性以及向外部的散热性。近年来，在不断推进所显示的图像的高密度化、高精细化的图像显示装置中，这样的要求变得强烈。在本说明书中，所谓“光学部件”，意味着对入射的光的强度、颜色(波长)、相位、偏振或光的方向进行控制的功能部件。作为这样的光学部件，例如可列举荧光板、波长滤波器、波片、偏振板、反射镜、透镜等。

本公开的光学部件具备包含蓝宝石并具有对置的第1主面以及第2主面的基板。第1主面以及第2主面相对于蓝宝石的c面的倾斜为15°以下。在第1主面以及第2主面的至少一者设置散热部。本公开的光学部件的第1主面以及第2主面的倾斜相对于蓝宝石的c面较小为15°以下，基板的厚度方向与蓝宝石的c轴方向大致一致。由于蓝宝石的导热率对于与c轴平行的方向上较高，所以有利于基板的厚度方向的传热。进而，通过在第1主面以及第2主面的至少一者设置散热部，能够在导热率高的方向即基板的厚度方向上效率优良地散热。

基于图1～4对本公开的一个实施方式涉及的光学部件进行说明。在图1中示出具备本公开的一个实施方式涉及的光学部件的图像显示装置(HUD装置)1。图1所示的图像显示装置1具备光源2、图像形成部3、偏振板4、透镜5、反射镜6以及出射窗7。在构成图像显示装置1的构件之中，图像形成部3、偏振板4以及透镜5相当于本说明书中的光学部件。出射窗7例如在具有作为截止红外光的光学滤光器的功能的情况下也相当于光学部件。而且，在这些光学部件之中，至少一个(例如偏振板4)为本公开的一个实施方式涉及的光学部件4’。对于图像显示装置(HUD装置)1的详情将在后面叙述。

一个实施方式涉及的光学部件4’具备包含蓝宝石并如图2示出的那样具有对置的第1主面40a以及第2主面40b的基板40。作为包含蓝宝石的基板40，例如可列举蓝宝石基板。所谓蓝宝石，是氧化铝(Al₂O₃)的单晶。蓝宝石具有优异的耐热性、导热性以及散热性，还具有能够抑制温度上升这样的特性。基板40的厚度没有限定。为了平衡良好地满足机械强度以及散热性，基板40也可以具有0.1mm以上且15mm以下左右的厚度。

在基板40中，第1主面40a以及第2主面40b的倾斜相对于蓝宝石的c面为15°以下。在此，对蓝宝石的晶面进行说明。图3示出蓝宝石的晶体构造。如图3的(A)～(D)所示，蓝宝石具有六方晶构造，作为代表性的晶面，存在c面、m面、a面及r面。将与这些面垂直的轴分别称为c轴、m轴、a轴以及r轴。

所谓“第1主面40a以及第2主面40b的倾斜相对于蓝宝石的c面为15°以下”，表示例如在对蓝宝石锭(ingot)进行加工而得到基板40的情况下，基板40的第1主面40a以及第2主面40b与图3的(A)所示的c面大致平行。即，基板40的第1主面40a以及第2主面40b未必一定与图3的(A)所示的c面平行地加工，与蓝宝石的c面所成的角为15°以下的面也可以是基板40的第1主面40a以及第2主面40b。在基板40中，第1主面40a以及第2主面40b的倾斜也可以相对于蓝宝石的c面为5°以下。在第1主面40a(第2主面40b)为曲面时，在基板40的厚度方向的剖面观察下，与该弯曲的表面近似的平面与c面所成的角也可以为15°以下。近似的平面例如是通过最小二乘法求出的最小二乘平面。

如图2所示，在一个实施方式涉及的光学部件4’中，在基板40的第2主面40b设置散热部41。散热部41用于在具备了光学部件4’的HUD装置1等中，效率优良地释放在使装置1工作时产生的热、从装置1的外部受到的热等。与c轴平行的方向上的蓝宝石的导热率比与c轴正交的方向上的蓝宝石的导热率高。因此，热容易在c轴方向(基板40的厚度方向)上传递，并经由设置在第1主面40a以及第2主面40b的至少一者的散热部41进行散热。

散热部41的形态没有特别限定。将热阻比基板40的散热部41以外的部分小或者通过由外部的冷却机构进行冷却来促进散热的部分称为“散热部”。例如是与散热部41以外的部分相比每单位投影面积的表面积大的部分、表面粗糙度大的部分、导热率大的部分、或来自外部的冷却风接触的部分。可以将主面中的配置有金属材料(金属箔等)等的部分作为散热部41，也可以将使主面的至少一部分容易与风接触，或者容易与空气接触地进行加工的部分作为散热部41。或者，为了增大表面积或表面粗糙度，也可以在主面形成细线、凹凸等作为散热部41。

在能够配置在光路内的方面，这样的散热部41为不使来自光源2的光的透射率下降的大小和形状，例如为如不使入射光的反射率降低那样的大小和形状为宜。也可以将使蓝宝石的氧的一部分置换为氮等来使蓝宝石自身的导热率提高的区域作为散热部41。作为将蓝宝石的氧的一部分置换为氮的铝的氮化物，例如可列举氮化铝以及氮氧化铝。氮氧化铝是包含氧、氮、铝作为构成元素的化合物或固溶体。氮化铝以及氮氧化铝的导热率比氧化铝大，因此能够作为散热部41使用。氮化铝以及氮氧化铝可以是晶体，也可以是非晶，晶体性越高导热率越高。进而，如果是单晶，则没有晶粒边界，因此光的透射率高，能够配置在光路上。在散热部41包含金属等难以透射光的材料的情况下、由难以透射光的形状构成的情况下，在不阻碍光路的区域配置散热部41即可。

在基板40的第1主面40a以及第2主面40b的至少与散热部41对置的一者设置功能部。在本说明书中，所谓“功能部”，是指对入射的光的强度、颜色、相位、偏振或光的方向进行控制的功能、增强的部分、使入射的光折射的功能等。作为功能部，具体地，可列举对入射光的一部分进行透射或吸收的光学滤光器、防反射膜、反射膜、荧光体、色轮等。这样的功能部在第1主面40a以及第2主面40b的至少一者中可以仅设置有一种，也可以设置有两种以上。

作为光学滤光器，例如可列举对特定的波段的光进行透射或吸收的光学滤光器(IR截止膜等)、对特定的偏振方向的光进行透射或吸收的光学滤光器(液晶、偏振片等)等。进而，在反射膜中还包含透射特定的波长的光，并反射其他波长的光的分色(dichroic)膜等。

在功能部被设置于第1主面40a的情况下，散热部41被设置于第2主面40b为宜。通常，光学部件4’在功能部发热。在功能部和散热部41被设置于对置的主面的情况下，容易使功能部与散热部41的分离距离变短。而且，如果第1主面40a以及第2主面40b与c面大致平行，也就是说，基板40的厚度方向与c轴大致平行，则热容易在基板40的厚度方向上传递，容易经由散热部41进行散热。

在第1主面40a以及第2主面40b设置有两种以上的功能部的情况下，发热量最大的功能部(有时记载为第1功能部)被设置于第1主面40a，散热部41被设置于第2主面40b即可。如果第1主面40a以及第2主面40b与c面大致平行，也就是说，基板40的厚度方向与c轴大致平行，则热容易在基板40的厚度方向上传递，第1功能部的热容易经由散热部41进行散热。

对于功能部，以一个实施方式涉及的光学部件4’为偏振板4的情况为例进行具体的说明。如图4的(A)以及图4的(B)所示，偏振板4具备基板40、形成在基板40的第1主面40a的偏振片42、设置在基板40的第2主面40b的散热部41。偏振片42例如具有多个金属细线设置间隙而排列的构造。

金属细线只要由金属形成则没有特别限定，作为金属，例如可列举铝、铜、金、银以及它们的合金等。金属细线例如通过如下的方法形成。

首先，例如通过蒸镀法、溅射法等成膜方法，用金属膜对基板40的第1主面40a进行涂层。接下来，在金属膜的表面涂敷抗蚀剂膜并进行曝光以及显影，形成抗蚀剂图案。接下来，使用蚀刻剂使金属膜呈一定间隔的条纹状地实施蚀刻加工。接下来，通过去除抗蚀剂图案并进行清洗，从而能够在基板40的第1主面40a形成金属细线。

金属细线例如具有50nm以上且500nm以下左右的厚度，具有30nm以上且150nm以下左右的宽度。通过将金属细线与金属细线的间隙的宽度比透射光的波长设定得短，能够将透射光变换为直线偏振光，表现出作为偏振板4的功能。金属细线与金属细线的间隙的宽度通常为60nm以上且300nm以下左右。

如图4所示的方式的光学部件4’(偏振板4)那样，也可以在第1功能部存在于第1主面40a时，在第2主面40b形成有散热部41(第1方式)。在该情况下，也可以使第2主面40b的一部分或全部的表面粗糙度(例如算术平均粗糙度Ra)比第1主面40a的表面粗糙度大。通过使第2主面40b的表面积比较大，能够使第2主面40b的至少一部分作为有利于向外部的散热的散热部41’。在该情况下，散热部41’也可以处于光路上(包含俯视下的第2主面40b的中央部分)。即使表面粗糙度变得稍微大，只要是满足作为光学部件4’的光学特性(例如透射率)的范围，则在实用上也没有障碍。作为散热部的其他方式，例如也可以是将金属构件等不透明的独立体作为散热部41’安装在基板40的方式(第2方式)。在图5示出其一个例子。

在图5所示的偏振板4中，安装有框架(框体)以使得一部分与第2主面40b的外周相接。在图5所示的偏振板4中，该框体作为散热部41’发挥作用，散热部41’位于光路外。在位于第1主面40a的功能部产生的热在基板40的厚度方向上效率优良地传导到第2主面40b侧向外部散热。该散热通过散热部41’进一步促进。该情况下的散热部41’，例如如图5所示，可以从第2主面40b的外周部相接到基板的侧面，进而还可以相接至第1主面40a的外周。

一个实施方式涉及的光学部件4’也能够作为透镜5使用。在将光学部件4’作为透镜5使用的情况下，只要将基板40加工为凹透镜或凸透镜即可。在将光学部件4’作为透镜5使用的情况下，散热部41例如设置在第2主面40b的光路外，以使得不成为光路的阻碍。

一个实施方式涉及的光学部件4’例如与光源2一起作为图像显示装置1的构件使用。如上所述，在图1所示的图像显示装置(HUD装置)1中，偏振板4以及透镜5相当于一个实施方式涉及的光学部件4’。此外，在出射窗7作为功能部而具备IR截止膜的情况下，出射窗7相当于一个实施方式涉及的光学部件4’。以下，对于本公开的一个实施方式涉及的图像显示装置1，列举图1所示的HUD装置1的情况为例进行具体的说明。如上所述，图1所示的HUD装置1具备光源2、图像形成部3、偏振板4、透镜5、反射镜6以及出射窗7。偏振板4使用入射侧偏振板4a以及出射侧偏振板4b这两种。

在图1所示的HUD装置1中，从靠近光源2的一方起依次配置有入射侧偏振板4a、图像形成部3、出射侧偏振板4b、透镜5以及反射镜6。在图1中，将包含来自光源2的出射光的图像光的出射光路L用单点划线的箭头来示出。

偏振板4之中的入射侧偏振板4a用于对来自光源2的光进行偏振而入射到图像形成部3。在入射侧偏振板4a中，通过使偏振片42包含导热率比蓝宝石大的材料(例如铝、铜等)，能够使散热性进一步提高。作为图像形成部3，例如可列举扭曲向列液晶(TN液晶)等液晶面板。

偏振板4之中的出射侧偏振板4b用于阻断从图像形成部3出射的图像光中的图像显示中不需要的方向的偏振。对于出射侧偏振板4b，也通过使偏振片42包含导热率比蓝宝石大的材料(例如铝、铜等)，能够使散热性进一步提高。入射侧偏振板4a以及出射侧偏振板4b的偏振方向的组合可根据图像形成部3的种类适当设定。例如，在使用TN液晶作为图像形成部3的情况下，入射侧偏振板4a和出射侧偏振板4b使偏振方向旋转90°而配置。

透射出射侧偏振板4b的图像光入射到透镜5。若HUD装置1具备透镜5，则能够放大图像光。为了放大图像光，透镜5为凸透镜。由透镜5放大的图像光被反射镜6反射，经由出射窗7投影到位于HUD装置1的外部的显示部(屏幕)。作为显示部，例如可列举玻璃、屏幕等。在HUD装置1作为车载用的HUD装置1使用的情况下，作为显示部，例如可列举汽车的前挡风玻璃、后挡风玻璃、窗户等。

如以上那样，一个实施方式涉及的光学部件4’的第1主面40a以及第2主面40b的倾斜相对于蓝宝石的c面较小为15°以下，基板40的厚度方向与蓝宝石的c轴方向大致一致。由于蓝宝石的导热率对于与c轴平行的方向上高，所以有利于基板的厚度方向上的传热。进而，通过在第1主面40a以及第2主面40b的至少一者中设置散热部41，能够在导热率高的方向即基板40的厚度方向上效率优良地散热。

具备一个实施方式涉及的光学部件4’作为构件的一种的图像显示装置1因光学部件4’具有的优异的散热性，即使在成为比较高的温度的条件下也能够使用。作为在这样的高温条件下使用的图像显示装置1，可列举搭载在车辆、铁道、船舶、飞机等移动体的图像显示装置1、在室外使用的图像显示装置1，例如车载用的HUD装置1。

本公开的光学部件并不限定于上述的一个实施方式涉及的光学部件4’。在一个实施方式涉及的光学部件4’中使用的基板40是四边形形状。但是，在本公开的光学部件中使用的基板40的形状例如可根据用途等适当设定，例如可列举三角形形状、五边形形状、六边形形状等四边形形状以外的多边形形状、圆形形状、椭圆形形状等。

对于一个实施方式涉及的光学部件4’，以功能部为偏振片42的情况为例进行了说明。但是，功能部并不限定于偏振片42，诸如偏振片42以外的光学滤光器、防反射膜、反射膜、荧光体等，功能部只要根据光学部件的用途适当设定即可。

进而，本公开涉及的图像显示装置1并不限定于图1所示的HUD装置1。本公开涉及的图像显示装置1还可以具备送风部，所述送风部为了冷却作为构件使用的光学部件，能够对光学部件进行送风。具体地，还可以具备能够对本公开的光学部件中的设置有散热部41的主面进行送风的送风部。例如，具备有送风部，以使得当在基板40的第1主面40a设置有功能部并在第2主面40b设置有散热部41的情况下，对第2主面40b送风。

作为送风部，例如可列举西洛克风扇、螺旋桨式风扇等。在它们之中，西洛克风扇送出空气的力强，进而风扇的旋转轴的方向与送风方向不同。因此，设置场所的自由度也变高，也可以使用西洛克风扇。

在光路的截面积比较小的光学部件4’的冷却中，也可以将作为筒状体的送风部配置在光路上使用。具体地，配置为在具有内部流路的筒状体的内周面设置有风的吹出部，图像光通过筒状体的中空部。通过使用作为这样的筒状体的送风部，例如在光学部件为如图1所示的偏振板4的情况下，可配置为偏振板4的主面与筒状体的开口部对置。因此，从开口部出去的风效率优良地吹到偏振板4的主面，能够在不阻碍图像光的光路的情况下，效率优良地冷却设置有散热部41的主面。以偏振板4为例进行了说明，但是对于偏振板4以外的光学部件，也能够同样地效率优良地进行冷却。

本公开涉及的图像显示装置并不限定于上述的图像显示装置1。例如，通过光路的光并不限于光路的剖面为二维的光，也可以是激光等。作为该情况下的光学部件，例如能够列举激光用荧光板以及色轮等。在该方式的情况下，由于激光的入射面积比较小(相对于俯视下的基板的面积，光路的范围比较窄)，所以容易提高散热部41的位置以及形状等的设计的自由度。

符号说明

1：图像显示装置(HUD装置)；

2：光源；

3：图像形成部；

4：偏振板；

4’：光学部件；

4a：入射侧偏振板；

4b：出射侧偏振板；

40：基板；

40a：第1主面；

40b：第2主面；

41、41’：散热部；

42：偏振片。

Claims

1.一种光学部件，具备：

基板，包含蓝宝石，具有对置的第1主面以及第2主面，

第1主面以及第2主面的倾斜相对于蓝宝石的c面为15°以下，

在第1主面以及第2主面的至少一者设置散热部。

2.根据权利要求1所述的光学部件，其中，

所述散热部被设置于所述第2主面，至少在所述第1主面设置有功能部。

3.根据权利要求2所述的光学部件，其中，

所述功能部是从包含对入射光的一部分进行透射或吸收的光学滤光器、防反射膜、反射膜以及荧光体的组中选择的至少一种。

4.根据权利要求2或3所述的光学部件，其中，

设置具有不同的功能的多个所述功能部，多个所述功能部之中发热量最大的第1功能部被设置于所述第1主面。

5.根据权利要求1所述的光学部件，其中，

所述光学部件是光透射所述第1主面以及所述第2主面的透镜，在所述第2主面，所述散热部被设置于光路外。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光学部件，其中，

所述散热部包含铝的氮化物。

7.一种图像显示装置，具备：

光源；和

位于从光源辐射的光的光路上的权利要求1～6中任一项所述的光学部件。

8.根据权利要求7所述的图像显示装置，其中，

所述图像显示装置还具备：送风部，能够对所述第1主面以及所述第2主面之中设置有所述散热部的主面进行送风。

9.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中，

所述送风部为西洛克风扇。

10.根据权利要求8所述的图像显示装置，其中，

所述送风部是包含内周面和设置在该内周面的风的吹出部的筒状体，被配置在所述光路上。

11.一种平视显示器，具备：

权利要求7～10中任一项所述的图像显示装置；以及

显示部，显示图像。