JP2006215278A - 光学素子および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 紫外線や近赤外線を含む光源出射光が照射されると光学素子の光学機能膜が損なわれて変色、特性劣化が引き起こされる。
【解決手段】 ミラー１１において、反射膜１３より光源側に紫外線遮蔽膜１２を形成する。光学機能膜の上層に保護膜を積層した構成、あるいは光源側の別の表面に保護膜を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学機能膜を形成した光学素子に関するものである。特に、プロジェクタのように高輝度光源の近傍で利用される光学素子に関するものである。

プロジェクタのような画像表示装置においては、明るく鮮明な画像を得るためにその光源である超高圧水銀灯やキセノン灯は高輝度化の一途にある。これらの光源は必要な可視光だけでなく紫外線や近赤外線も放射している。これら紫外線と近赤外線はプロジェクタ内の様々な素子にとって有害な光線であるので紫外線遮蔽フィルタや紫外線近赤外線遮蔽フィルタのいずれかが設けられることが一般的である。例えば特開平８−３１４０１２においても光源出射光は紫外線遮蔽フィルタに入射し、紫外線は反射して光源側に戻りそれ以外の光はそのまま透過して直進する。図６は前記従来例と同様のプロジェクタの光学系を示すが光源６１から出射した光は紫外線遮蔽フィルタ６２に入射しフィルタに形成された紫外線遮蔽膜により光源側に反射されている。

しかしプロジェクタの中には上記紫外線遮蔽フィルタより光源側に別の光学素子を配置しなければならない場合がある。例えば、２灯以上の複数の光源を用いて光量を稼いで非常に高輝度なプロジェクターを実現する場合には、個々の光源出射光を板状ミラーやプリズム型ミラーで反射して一つの光束に合成する手法が取られており、これらミラー素子は光源の近傍に配置されて、紫外線遮蔽フィルタはその後の合成光束に対して設置されている。また上記例に限らず設置スペースの制約により折り返しミラーやその他の光学素子が紫外線遮蔽フィルタより光源側に用いられることもある。その場合は光学素子に光源からの強烈な紫外線を含む出射光が直接照射される状況に陥る。また光源からは紫外線だけでなく近赤外線も放射されるので、光学素子は温度上昇した状態で紫外線を照射されることもままある。紫外線は活性化エネルギーが高く化学結合状態や組成に影響を与えるものであり、また発熱要因でもある。近赤外線は主に熱エネルギーが大きく発熱要因となる。よって光学素子の光学機能膜は紫外線や近赤外線により分子結合や組成を損なわれて変色、焼け、特性変化といった損傷が引き起こされることが課題である。

本発明は上記課題を解決するための光学素子を提供するものである。
本願発明に係る光学素子は、光学機能膜を形成した光学素子であって、光学機能膜より光源側に保護膜を形成してあることを特徴とする。保護膜が紫外線遮蔽膜もしくは近赤外線遮蔽膜または紫外線と近赤外線双方の遮蔽膜であることが好適である。

また、光学素子において光学機能膜の上層に保護膜を積層した構造であることが好適であり、また光学機能膜より光源側の別の基材表面に保護膜を形成してあることも好適である。また、本発明は光学機能膜が反射膜である光学素子に好適である。
本願発明に係る照明装置は、光源と反射型光学素子と透過型光学素子とからなる照明装置である。光源からの光が入射する反射型光学素子は光源側表面に保護膜を形成してある。反射型光学素子から出射した光が入射する透過型光学素子には、紫外線遮蔽膜または近赤外線遮蔽膜が形成してあることが好適である。

光学機能膜を備えた光学素子に紫外線や近赤外線が照射される状態であっても光学機能膜より光源側に保護膜を形成することで紫外線や近赤外線を遮蔽することが可能になり、光学機能膜の損傷を防ぐことができる。
光学機能膜が光源からの光が最初に入射する面に設けられる場合には、光学機能膜の上層に保護膜を形成することにより光学機能膜の直前で紫外線や近赤外線を遮蔽して光学機能膜に入射する有害光線量を減らすことが可能である。新たに別体の紫外線遮蔽素子などを付加することなくスペースを使うことなく有害光線の遮蔽を実現できる。

光学素子に光学機能膜より先に光源からの光が表面に入射する基材がある場合には、その表面に保護膜を形成することにより保護膜単体で確実に成膜することと有害光線の遮蔽が可能になる。光学機能膜の上層に積層する場合に比べて成膜不良が減り生産性は良い。
従来は、光学機能膜が反射膜である場合には、紫外線遮蔽膜などの保護膜を成膜しても反射した紫外線がこの光学系に入射してしまう。しかし、著者らは同じ素子内でも紫外線や近赤外線を遮蔽することが有効であることを見いだした。

光源と反射型素子と透過型光学素子とからなる照明装置において、光源からの光が最初に入射する反射型光学素子は光源側表面に保護膜を形成してある。この場合は、有害光線による反射型光学素子の損傷を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる光学素子および照明装置について図を用いて説明する。図１は実施の形態１の光学素子の図である。光源１４はプロジェクタなどによく用いられる超高圧水銀灯であり、発光体である水銀を超高圧で封じ込めた発光管と光を前方に導き出すためのリフレクタなどから構成されている。光源出射光１５は、可視光だけでなく強い紫外線と近赤外線も含まれた状態で図の右横方向へ出射している。本発明の光学素子であるミラー１１は光源出射光１５に対して約４５度傾斜した形で配置される。ミラー１１は、基材１１ａと、その光源側面に形成された紫外線遮蔽膜１２と、光源側と反対側面に形成された反射膜１３とから構成されている。紫外線遮蔽膜１２は、誘電体多層膜であり、紫外線を反射して可視光を透過するタイプのものを用いている。反射膜１３は、光学機能膜の１種であり、コールドミラーと呼ばれる膜種である。反射膜１３は、可視光を反射して進行方向を曲げる機能を有しているだけでなく、光源１４から出射される近赤外線を透過光１８として分離する機能も有している。反射膜１３は、紫外線遮蔽膜１２を透過した光から近赤外線を分離してそれを透過光１８としている。近赤外線を出射光として後の光学系に供給すると温度上昇の要因となるからである。

従来は基材の光源側表面に反射膜を形成していたが、それでは紫外線から近赤外線まで全ての光線を間近で受けるために、ミラーが温度上昇した状態で紫外線を受けて反射膜が焼けて変色するという問題が発生していた。本発明では反射膜１３は基材１１ａの光源から反対側の表面に形成して裏面ミラーとして機能させる。そして光源出射光１５が最初に入射する表面である図の左側の表面に保護膜として紫外線遮蔽膜１２を形成している。そのため、ミラーが温度上昇した状態で紫外線を受けて反射膜が焼けて変色するという問題が生じにくくなっている。

図２は、横軸は光線波長を、縦軸は透過率もしくは反射率として、紫外線遮蔽膜１２の透過率、反射膜１３の反射率および両面の反射率を示したグラフである。いずれもＳ偏光とＰ偏光が等しく混在する光が４５度の角度で入射した場合の分光特性である。グラフの細い実線が紫外線遮蔽膜１２の透過率特性である。波長３００ｎｍから４００ｎｍの紫外線は、紫外線遮蔽膜１２を殆ど透過することなく、つまり第１の反射光１６として出射される。また、４２０ｎｍ以上の光（４２０ｎｍから６８０ｎｍの可視光を含む）は、紫外線遮蔽膜１２を透過して裏面の反射膜１３へ出射される。このように紫外線を遮蔽することにより反射膜１３への紫外線入射量は大きく減少するので、反射膜１３が紫外線で損なわれることを防ぐことが可能になった。

図の破線は、反射膜１３の反射率特性である。反射膜１３では、紫外線の特性は特に考慮しておらず、４２０ｎｍから６８０ｎｍの可視光はできるだけ反射して第２の反射光１７として出射される。７００ｎｍ以上の光の反射膜１３における反射率は波長がなくなるにつれて低下していき、８００ｎｍ以上の近赤外線の大部分は反射膜１３を透過して透過光１８となる。

よって表裏両面合わせたミラー１１としての特性はグラフの太い実線のようになる。活性化エネルギーの高い４００ｎｍ以下の紫外線は大部分が紫外線遮蔽膜１２によって反射され第１の反射光１６となり、４２０ｎｍから６８０ｎｍの可視光は反射膜１３によって反射されて第２の反射光となり、７００ｎｍ以上の近赤外線の多くは透過光１８として抜けていき光学系において利用されることはない。

以上のことから高輝度光を発する光源に対しても本発明のミラー１１は光学機能膜である反射膜１３が紫外線により損なわれることを防いで長時間安定して使用することが可能である。
次に本発明の照明装置について図３を用いて説明する。照明装置１９は、光源１４と、反射型光学素子であるミラー１１と、透過型光学素子である紫外線遮蔽フィルター２０とから構成される。本例では高輝度光を供給するために光源を２個用いているが１個の光源でもよい。光源１４から出射した光は紫外線から近赤外線までを含んだ光であり、間近に配置されたミラー１１に入射する。ミラー１１も各光源に対するように２個用いているが光源が１個であればミラーも１個でよく、逆に光源が３個、４個あるときはミラーも３個、４個と複数個になっていく。ミラー１１は、最終的に必要な可視光を反射して光路を曲げるものであるので反射型光学素子とみなすことができる。ミラー１１は、光源からの光に対して４５度傾いており、反射光を図の右側の紫外線遮蔽フィルター２０へ向けて出射する。なお、透過光は照明装置１９内で吸収される。前述したようにミラー１１からは紫外線と可視光が出射されるが、紫外線は、紫外線遮蔽フィルター２０の光源側表面に成膜された紫外線遮蔽膜２１により再び反射されて戻される。このように紫外線は、ミラー１１で反射して出射されるが紫外線遮蔽フィルター２０にて確実に遮蔽されて、それ以後の光学系には伝わらないようになっている。そして可視光は、紫外線遮蔽フィルター２０内を透過して以後の光学系に供給することができる。このように必要な光を透過するので、紫外線遮蔽フィルター２０は透過型光学素子とみなせる。なお、紫外線遮蔽フィルター２０は、単に可視光を透過するだけでなく光束内の光量分布を均一化するインテグレータ機能を有していても良い。

照明装置１９からの出射光の一つの利用形態を説明する。ダイクロイックミラー２２により赤色光を反射し、反射した赤色光は、折り返しミラー２５によって液晶パネル２９に照射され、液晶パネル２９により赤色画像に変調される。ダイクロイックミラー２２を透過した光は、次のダイクロイックミラー２３により緑色と青色に分離される。反射した緑色光は、液晶パネル２８に照射して緑色画像に変調される。青色光は、折り返しミラー２４と２６を経て液晶パネル２７に照射して青色画像に変調される。３色の画像は、クロスプリズム３０により合成されて、投射レンズ３１から出射されることになる。本発明のミラー１１を搭載した照明装置１９はそこから紫外線が出射されることがないので、以後の光学系の各素子が紫外線により損なわれることもなく、また照明装置１９内部の光学素子も長寿命であり、長時間安定した光学機器を実現することが可能になる。

なお、本実施形態では保護膜として紫外線遮蔽膜を用い、透過型光学素子へも紫外線遮蔽膜を形成した場合について説明したが、光学機能膜を損傷させる主要因が近赤外線による温度上昇である場合は反射型光学素子の保護膜及び透過型光学素子の遮蔽膜として近赤外線遮蔽膜を用いれば良く、紫外線と近赤外線の双方が要因である場合は紫外線と近赤外線双方の遮蔽膜を用いればより効果的に光学機能膜の損傷を防ぐことが可能になる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２にかかる光学素子および照明装置について図を用いて説明する。図４のプリズム４１が本発明の光学素子の一形態であり、２等辺直角三角形のガラスプリズムの基材４１ａの直角をなす２面の下層に光学機能膜である反射膜４３が成膜されており、その上層に保護膜として近赤外線遮蔽膜４２が積層された構成である。キセノンランプである光源４４からは、紫外線と可視光と近赤外線からなる光源出射光４５が出射される。この光源光がそのままプリズム表面の反射膜に照射されると近赤外線により温度上昇し膜材が変質し反射膜が変色してしまう。その課題を解決するために、この実施の形態では、反射膜４３の上層に近赤外線遮蔽膜４２を積層してある。この近赤外線遮蔽膜により有害な近赤外線は第１の反射光４６として反射され、可視光は透過する。よって可視光は、反射膜４３に入射し、第２の反射光４７として図の上方へ出射される。その結果、可視光は、後の光学系で利用される。このように、本発明の光学素子であるプリズム４１は、強い近赤外線を放射する光源の近傍という厳しい環境で用いられても、光学機能膜である反射膜４３が損なわれることなく安定した性能で長時間用いることが可能になった。光源からは紫外線も放射されており紫外線の影響も無視できないが、本例においては近赤外線による温度上昇を防ぐことで光学機能膜の長寿命化ができた。

次に本実施形態の光学素子を用いた照明装置について図５を用いて説明する。照明装置４９は、光源４４と、反射型光学素子であるプリズム４１と、透過型光学素子である紫外線近赤外線遮蔽フィルター５０とから構成される。本例では高輝度光を供給するために光源を２個用いている。光源４４から出射した光は紫外線から近赤外線までを含んだ光であり、間近に配置されたプリズム４１に入射する。プリズム４１の反射面は光源出射光に対して４５度傾いており、反射光は図の右側の紫外線近赤外線遮蔽フィルター５０へ向けて出射される。前述したようにプリズム４１からは可視光と近赤外線および漏れてきた紫外線が出射されるが、紫外線近赤外線遮蔽フィルター５０の光源側表面に成膜された紫外線近赤外線遮蔽膜５１により再び反射されて戻される。このように発熱要因となる近赤外線は、プリズム４１で反射して出射されるが、紫外線近赤外線遮蔽フィルター５０にて確実に遮蔽されてここ以後の光学系には伝わらないようになっている。そして必要な可視光は紫外線近赤外線遮蔽フィルター５０内を透過して以後の光学系に供給することができる。この照明装置４９からの出射光の利用形態は、プロジェクターに用いることが１例であり実施形態１と同様であるので省略する。本発明の光学素子であるプリズム４１を搭載した照明装置４９はそこから紫外線も近赤外線も出射しないので、以後の光学系の各素子が紫外線や近赤外線により損なわれることがない。また照明装置４９内部の光学素子も長寿命であり、長時間安定した光学機器を実現することが可能になる。また本形態の場合は、光学機能膜である反射膜と同じ面に連続して保護膜を形成することが可能であるので、成膜面数が増えることなくシンプルな光学系を構成することが可能であり、製造工程数も増すことなく比較的低コストで実現することができる。なお本形態においては、保護膜として近赤外線遮蔽膜を用い、透過型光学素子には紫外線近赤外線遮蔽膜を形成した場合について説明したが、光学機能膜を損傷させる主要因が紫外線による場合は保護膜として紫外線遮蔽膜を用いれば良く、紫外線と近赤外線の双方が要因である場合は保護膜として紫外線近赤外線遮蔽膜を用いればより効果的に光学機能膜の損傷を防ぐことが可能になる。

また本発明は光学機能膜を保護する構成を提供するものであり、光学機能膜は反射膜に限定されず反射防止膜、色分離膜、偏光変換膜などの様々な干渉フィルター膜に対して有効である。

本発明の光学素子は、紫外線や近赤外線を含む高輝度光に対して損傷することなく長時間安定して特性を発揮する光学機能膜を有する光学素子を実現するものであり、また紫外線や近赤外線を含む光源から有害光線を排除した光を出射することを可能にする照明装置を実現するものであり、プロジェクター、光投射器に利用する価値が大きい。

本発明の第１の実施形態の光学素子を示す図 第１の実施形態の分光特性グラフ 第１の実施形態の照明装置示す図 第２の実施形態の光学素子を示す図 第２の実施形態の照明装置を示す図 従来例の光学系を示す図

符号の説明

１１ ミラー（光学素子）
１２ 紫外線遮蔽膜（保護膜）
１３ 反射膜（光学機能膜）
１４ 光源
１５ 光源出射光
１６ 第１の反射光（紫外線）
１７ 第２の反射光（可視光）
１８ 透過光（近赤外線）
４１ プリズム（光学素子）
４２ 近赤外線遮蔽膜（保護膜）
４３ 反射膜（光学機能膜）

Claims (10)

1. 光学機能膜を形成した光学素子であって、前記光学機能膜より光源側に保護膜を形成してあることを特徴とする光学素子。
2. 前記保護膜が特定の波長の光を遮蔽する遮蔽膜であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記保護膜が紫外線遮蔽膜または近赤外線遮蔽膜であることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
4. 前記光学機能膜より光源側の基材をさらに備え、
   前記基材の表面に前記保護膜を形成してあることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の光学素子。
5. 前記光学機能膜の上層に前記保護膜を積層した構造であることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の光学素子。
6. 前記光学機能膜が反射膜であることを特徴とする請求光１から５のいずれか記載の光学素子。
7. 光源と、
   前記光源からの光が入射する請求項６記載の光学素子と、
   前記請求項６記載の光学素子から出射した光が入射する透過型光学素子とを備えていることを特徴とする照明装置。
8. 光源と、
   前記光源からの光が入射する反射型光学素子と、
   前記反射型光学素子から出射した光が入射する透過型光学素子とを備え、
   前記反射型光学素子は光源側表面に保護膜を形成していることを特徴とする照明装置。
9. 前記保護膜は特定の波長の光を遮蔽する膜であり、
   前記透過型光学素子は前記特定の波長の光を遮蔽する膜が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
10. 前記特定の波長の光を遮蔽する膜は紫外線遮蔽膜または近赤外線遮蔽膜であることを特徴とする請求項９に記載の照明装置
    
    

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