JP2009020136A - 光吸収フィルタおよびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】色再現性を高めたプロジェクタを提供する。
【解決手段】反射鏡２を有する光源１から射出された光のうち、赤色帯域光RはダイクロイックミラーDM1（サファイア基板又は水晶基板にナノ微粒子分散薄膜を形成したフィルタ）を透過し全反射ミラーM1によって光路を変え、合成用ダイクロイックプリズム９に入射し光路を90度変えて投射レンズ１０に入る。前記ミラーDM１によって反射され光路を変えられた緑色帯域光と青色帯域光は、ダイクロイックミラーDM２（前記DM1と同一のフィルタ）で緑色帯域光Gのみ反射してその光路が分離され、前記プリズム９を経て投射レンズ１０に入る。前記ミラーDM２を透過した青色帯域光Bは、前記プリズム９に入射し光路を90度変えて投射レンズ１０に入る。前記プリズム９により合成された3色の光は投射レンズ１０によりスクリーン（図示省略）に向けて投射される。
【選択図】図４

Description

本発明は、波長選択吸収型のフィルタに係り、例えば高輝度光源を用いたプロジェクタに適用される光吸収フィルタおよびプロジェクタに関する。

近年、薄型テレビやプレゼンテーションツールとして広く使用されている液晶プロジェクタは、光源からの光束を、反射型若しくは透過型の液晶ライトバルブ等の光変調素子、偏光素子、ダイクロイックフィルタからなる光学系と投射レンズを通してスクリーン上に投影するものである。光源としては色再現性や明るさの点などで超高圧水銀（ＵＨＰ）ランプが広く用いられており、その発光スペクトルは図５に示すようなものとなっている。発光スペクトルの中で410〜430nmにある輝線は、放射される光強度が非常に大きいために色分離光学系で用いられる偏光板や液晶素子の劣化を生じる原因となっている。この波長成分の色再現への寄与が小さいことから、一般的には光学系に入る前にこの輝線をカットして機器の信頼性を高めることが行われている。

この紫外線カットのために紫外線吸収ガラスが用いられている。一般的な紫外線吸収ガラスはシリカを主成分とするガラス中にハロゲン化銀、セリウムイオン、チタンイオンなどを添加・析出したものであるが、この場合プロジェクタ向けの紫外線吸収で必要となる410〜430nmの吸収が十分でないという問題があった。この問題に対し、特許文献１では、ハロゲンの他、銅、スズやヨウ素を添加することでこの波長域の吸収を改善することが提案されている。

尚、紫外線吸収ガラスに関する公知例としては特許文献２に記載され、またプロジェクタについては特許文献３，４に記載され、また表面プラズマ振動吸収を利用した光吸収については特許文献５に記載されている。
特開２００３−４８７４９号公報 特開２００５−１１９９２４号公報 特許３０９１１８３ 特開２００６−３０１２０８号公報 特開７−２９４７２９号公報

しかしながら、この紫外線吸収ガラスに要求される特性は、410〜430nmの吸収を高めることだけでなく、可視域の透過平坦性、吸収による発熱のため高温での耐久性（例えば特許文献２参照）、加工性なども併せて満たす必要があり、組成の変更で全てを満足することは難しいという問題があった。

プロジェクタ用光学素子の高温耐性については、特許文献３にも記載されているように、最も光吸収が高く従って発熱量も多い偏光板部分に対して、その透明支持基板として熱伝導性の高いサファイアや水晶を用いることで熱放散の効率化を図っている。紫外線カットフィルタについては、偏光板よりもさらに光源に近い位置に配置するにも拘らず、吸収性ガラス自体が支持基板となっているため高熱伝導率材料による放熱構造をとることができず、光量分布に応じた温度分布が生じ、これによる熱膨張の不均一によってガラス内部に歪が堆積し割れるなどの問題が生じやすくなっている。

一方、ＵＨＰランプは、発光効率が高く明るい画面を要求されるデータプロジェクタに対しては多くのメリットがあるが、キセノンランプと異なりＲＧＢの光量バランスがあまりよくないため、高い色再現性を要するシネマプロジェクタなどに対しては一部の色成分の減光などによって色バランスを改善することが必要となる。

このため、例えば特許文献４では別途Ｒ成分を補助する固体光源を使用することが記載されている。しかしながら固体光源を使用する場合には2つの光源の寿命が異なることによる機器設計の難しさ、補助光源や合波のための光学系が別途必要になるなどコストアップの要因になるなどの問題があった。

光学系の途中にＢ（青）Ｇ（緑）成分を減光するフィルタを設けることも可能であるが、一般的な誘電体多層膜によるものであれば透過しない光成分は反射光となってしまうために、不要な迷光となってコントラストや色再現性に悪影響を与えてしまうという問題があった。

またＮＤフィルタでは波長選択性を持たないため、これによるＢＧ成分の調整では色チャンネル毎にフィルタが1枚ずつ必要になり、これもコストアップの要因となっていた。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、フィルタとしての信頼性を改善するとともにプロジェクタの色再現性を高めた光吸収フィルタおよびプロジェクタを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の光吸収フィルタは、サファイア基板にナノ微粒子分散薄膜を形成したことを特徴としている。
また請求項２に記載の光吸収フィルタは、水晶基板にナノ微粒子分散薄膜を形成したことを特徴としている。

また請求項３に記載の光吸収フィルタは、請求項１において、前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAgであることを特徴としている。

また請求項４に記載の光吸収フィルタは、請求項２において、前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAgであることを特徴としている。

また請求項５に記載の光吸収フィルタは、請求項１において、前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAuであることを特徴としている。

また請求項６に記載の光吸収フィルタは、請求項２において、前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAuであることを特徴としている。
また請求項７に請求項２に記載の光吸収フィルタは、請求項１において、前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する誘電体はSiO₂であることを特徴としている。

また請求項８に記載の光吸収フィルタは、請求項２において、前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する誘電体はSiO₂であることを特徴としている。

また、請求項９に記載のプロジェクタは、請求項１に記載の光吸収フィルタを備えたことを特徴としている。

また請求項１０に記載のプロジェクタは、請求項２に記載の光吸収フィルタを備えたことを特徴としている。

（１）請求項１〜８に記載の発明によれば、成膜基板として熱伝導率の良いサファイアや水晶を用いているので、放熱の効率化によって基板の内温度分布を小さくすることが可能となり、フィルタの信頼性が大きく改善される。

また、特定の色成分を一枚のみによって選択的に吸収することが可能となり、コストアップなしで色再現性を高めることができる。
（２）請求項９，１０に記載の発明によれば、例えば高輝度プロジェクタにおいて、ナノ微粒子分散膜による表面プラズマ共鳴吸収を用いて当該光フィルタを構成することができる。このため偏光板については、支持基板として熱伝導性のよいサファイアや水晶を用いることができUV吸収ガラスに比べて高い信頼性を得ることが可能になる。また光吸収の波長選択性を用いると青（Ｂ）と緑（Ｇ）成分を一枚で選択的に吸収させることができるため、反射光の問題やＮＤフィルタを用いる場合に比べて使用するフィルタ数量を低減できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。光吸収の原理として金属微粒子の表面プラズマ振動吸収を利用したものが特許文献５に記載されている。これはAu,Ag,Cuなどの島状微粒子を誘電体マトリクスであるSiO₂と積層堆積したもので、原理的には微粒子材料や形状、密度、分布などを最適化することで所望の吸収特性を得ることが可能である。

波長選択吸収する部分をこの金属微粒子分散薄膜とすることで、高熱伝導率を持つサファイアや水晶をその成膜基板として用いることができる。従って放熱の効率化による基板内温度分布を小さくすることができ、フィルタの信頼性を大きく改善できる。また、Ｒ（赤）成分に比べてＢ（青）Ｇ（緑）成分を選択的に吸収減光させるようにすることもでき、ＵＨＰランプを用いた高輝度プロジェクタにおいて大きなコストアップなしに色再現を高めることが可能となる。

例えば、ＵＶカットフィルタを構成する場合、発明者らの検討によれば410〜430nmの吸収端はSiO₂膜にAgナノ微粒子を分散したもので実現できる。吸収端波長近傍のシャープカット特性については、成膜方法や熱処理方法によって最適化でき、例えば、微粒子分散膜の形成方法は、上に示した島状薄膜の積層によるものの他、単純な同時スパッタによるもの、成膜方法も真空蒸着や化学蒸着(CVD)など種々の方法から選ぶことができる。またナノ微粒子の析出方法も、単純な熱処理による凝集だけでなく還元雰囲気中での金属酸化物の還元析出によるものであってもよい。また分光特性の細かな調整のため一般的な損失のない誘電体多層膜を複合して形成することも可能である。

（実施例１）
サファイア基板上に同時スパッタによって形成したAg/SiO₂とAg/SiNの微粒子分散膜の透過率測定結果を図１に示す。図１において、特性線ｌ₁はAg/Si₂N₃膜、ｌ₂はAg/SiO₂膜の分光特性を各々示している。膜厚は共に170nmである。Agは融点が<700度であり、また酸化されやすいため成膜後に窒素雰囲気中600度で1時間の熱処理を行った。Agの表面プラズマ振動共鳴による光吸収のピークが400〜420nmに見られ、Agが酸化されずナノ金属微粒子として存在していることを裏付けている。透過率が半値となる波長は各々420nm,430nmとなり、紫外線吸収フィルタとしてガラスによるものと同等の性能を示している。上記サンプルの膜断面を透過電子顕微鏡（TEM）で観察したものを図２に示す。分光特性の結果を裏付けるようにAgナノ粒子同士の凝集は見られていない。このフィルタを、従来のガラスフィルタと同様な放熱機構の元でUHPランプに隣接して配置した。表面の温度分布を測定したところガラスフィルタの場合に比べて大きく低下していることが確認できた。これは、サファイア基板の熱伝導率が高いため放熱効率がよくなったためと考えられる。これによってフィルタに加わる温度衝撃が低減され、光学系の信頼性が大幅に改善される。

（実施例２）
ナノ微粒子分散膜としてAuSiO₂を用い、基板に水晶を用いた例について記載する。まずAuSiO₂膜を作製する。微粒子分散方法としてここでは積層蒸着によるものとし、Au：1nm、SiO₂：4.8nmの35回繰り返しとした。水晶基板上にこの総膜厚210nmからなるAuSiO₂を成膜した後、600度4時間の熱処理を行った。

図３に熱処理温度と分光特性の関係について示した。図３において、特性線ｌ₁は１０００℃、特性線ｌ₂は８００℃、特性線ｌ₃は熱処理無しの場合の分光特性を各々示している。AUSiO₂膜を形成したものでは短波長域の反射が大幅に抑制されており、本構成の有用性が証明されている。

（実施例３）
次に本発明の光吸収フィルタ（実施例１，２のフィルタ）を用いたプロジェクタの実施例を図４とともに説明する。図４は本実施例のプロジェクタの光学系の一例を示している。反射鏡２を有する光源１から射出された白色光は、フライアイレンズ３、４、とＰＳ変換素子５、コンデンサレンズ６を通過し色分離合成光学系に入射する。赤色帯域光RはダイクロイックミラーDM1（実施例１又は２のフィルタ）を透過し全反射ミラーM1によって光路を変え、フィールドレンズ７R、トリミングフィルタTRを通過し、赤色用液晶パネル８Rと偏光板からなる光変調部を透過した後、合成用ダイクロイックプリズム９に入射し光路を90度変えて投射レンズ１０に入る。

一方、当該ダイクロイックミラーDM１によって反射され光路を変えられた緑色帯域光と青色帯域光は、ダイクロイックミラーDM２（実施例１又は２のフィルタ）で緑色帯域光Gのみ反射してその光路が分離され、フィールドレンズ７G、トリミングフィルタTGを通過し、緑色用液晶パネル８Gと偏光板からなる光変調部を透過した後、合成用ダイクロイックプリズム９を経て投射レンズ１０に入る。

前記ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した青色帯域光Bは、コンデンサレンズ１１、全反射ミラーＭ２、リレーレンズ１２、全反射ミラーＭ３、フィールドレンズ７Bを通過し、青色用液晶パネル８Bと偏光板からなる光変調部を透過した後、合成用ダイクロイックプリズム９に入射し光路を90度変えて投射レンズ１０に入る。合成用ダイクロイックプリズム９により合成された3色の光は投射レンズ１０によりスクリーン（図示省略）に向けて投射される。

また、色再現を高める場合には、上記ＲＧＢの各色光路中に減光用のＮＤフィルタを挿入し、光源の白色光に内在する各色強度アンバランスの調整が行われる。

本発明の光吸収フィルタにおけるAg/SiO₂膜の分光特性を示す特性図。 本発明の光吸収フィルタにおけるAg/SiO₂膜の断面図。 本発明の光吸収フィルタにおけるAU/SiO₂膜の分光特性を示す特性図。 本発明のプロジェクタの構成図。 超高圧水銀ランプの発光スペクトルを示す特性図。

符号の説明

１…光源、２…反射鏡、７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ…フィールドレンズ、８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ…液晶パネル、９…合成用ダイクロイックプリズム、１０…投射レンズ、ＤＭ１，ＤＭ２…ダイクロイックミラー、Ｍ１〜Ｍ３…全反射ミラー。

Claims (10)

1. サファイア基板にナノ微粒子分散薄膜を形成したことを特徴とする光吸収フィルタ。
2. 水晶基板にナノ微粒子分散薄膜を形成したことを特徴とする光吸収フィルタ。
3. 前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAgであることを特徴とする請求項１に記載の光吸収フィルタ。
4. 前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAgであることを特徴とする請求項２に記載の光吸収フィルタ。
5. 前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAuであることを特徴とする請求項１に記載の光吸収フィルタ。
6. 前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する金属はAuであることを特徴とする請求項２に記載の光吸収フィルタ。
7. 前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する誘電体はSiO₂であることを特徴とする請求項１に記載の光吸収フィルタ。
8. 前記ナノ微粒子分散薄膜を構成する誘電体はSiO₂であることを特徴とする請求項２に記載の光吸収フィルタ。
9. 請求項１に記載の光吸収フィルタを備えたことを特徴とするプロジェクタ。
10. 請求項２に記載の光吸収フィルタを備えたことを特徴とするプロジェクタ。