JP2012215656A

JP2012215656A - プリズム装置の製造方法及びプリズム装置並びにプロジェクタ装置

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Publication number: JP2012215656A
Application number: JP2011079647A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Kadoma; 恒一郎門間
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-08

Abstract

【課題】プリズム装置の製造方法及びプリズム装置並びにプロジェクタ装置において、簡単な構成で光学収差を改善する。
【解決手段】プリズム１５を治具２３にセットし、プリズム１６の縁１６ｄに近い光入射面１６ａの２箇所の隅部に第１接着剤２０を各々塗布し、縁１６ｅに近い光入射面１６ａの２箇所の隅部に第２接着剤２１を各々塗布する。光入射面１６ａをプリズム１５の全反射面１５ｂ側に向け、プリズム１６を、縁１６ｄ側からプリズム１５と棒状支持部材２８との間に挿入し、面１６ｃをγ方向に一定の圧力で押圧する。第１，第２接着剤２０，２１の各粘度の差により、全反射面１５ｂと光入射面１６ａとの間に形成される空気層１７が薄い楔形状になる。出射・再入射面１５ｃと光出射面１６ｂとが互いに平行となるようにしてＵＶランプ３０，３１から紫外線を第１，第２接着剤２０，２１に照射する。
【選択図】図３

Description

本発明は、本発明はプリズム装置の製造方法及びプリズム装置並びにプロジェクタ装置に関し、更に詳しくは２個のプリズムを楔形状の空間を空けて接合したプリズム装置の製造方法及びプリズム装置並びにプロジェクタ装置に関するものである。

従来、光学系において入射光をその入射角に応じて選択的に透過又は反射するための光学装置として、例えばプリズムが用いられているが、その内の一つとして内部全反射(TIR:Total Internal Reflection) プリズムが知られている。ＴＩＲプリズムは、２個の三角プリズム（以下、単にプリズムという）からなり、この互いに対面する面同士の間に薄い空気層（０以上、好ましくは２〜２０μｍ以下）が形成されている。この空気層とプリズムガラスの屈折率の差により、プリズムの境界面に臨界角より大きい角度で入射された光が入射前の偏向状態に係わらず１００％反射（全反射）される作用を有するので、この特性を利用して入射光と反射光とを分離することができる。

ＴＩＲプリズムは、例えば、空間光変調素子であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device，登録商標）を用いたプロジエクタ装置等に用いられる。ＴＩＲプリズムは、プロジエクタ装置においてＤＭＤに照射光を導くと共にＤＭＤによって反射される画像光をプリズムに対する入射角に応じて分離し、有効光を選択するのに用いられる。ＤＭＤは、半導体基板に二次元的に配列された複数のメモリセルと、各メモリセルに傾斜自在に取り付けられたマイクロミラーとからなるデバイスであり、各メモリセルにデータを書き込むことで生じる静電気力によって、マイクロミラーの反射面の角度を変化させるように構成されている。

一般に光軸に対して垂直でない光学的不連続面は、そこを通過する結像光束に対して非点収差を生ずる作用をすることが知られている。したがって、ＴＩＲプリズムにおける光学的不連続面である空気層によって非点収差が生じ、例えばプロジエクタ装置であれば、投映レンズの結像性能を劣化させる。

空気層によって非点収差が生じる問題を解決するには、空気層を平行とせず、楔形状の空気層とすることが有効であることが知られている（特許文献１）。また、特許文献２記載の偏光ビームスプリッタでは、２個のプリズムの対面する面同士の隙間全体に接着剤を充填し、対面する面同士で形成される空気層を楔形状としている。

特開平４−１８００１０特開２００４−１０９４９０

上記特許文献１には、２個のプリズム同士の位置関係をどのように規定し保持するのかということについての記載がなく、具体的にどのようにして楔形状の空気層を形成するのか不明である。また、特許文献２記載の偏光ビームスプリッタでは、２個のプリズムの対面する面同士の隙間全体に接着剤を充填しているため、空気層とプリズムガラスの屈折率の差ではなく、接着剤とプリズムガラスの屈折率の差により光が全反射するように、対応した屈折率を有する接着剤を用いる必要がある。しかも、単に光を全反射させるだけなら、接着剤の屈折率だけの問題であるが、プロジエクタ装置に用いる場合、ＤＭＤによって反射される画像光は、２個のプリズム及び接着剤層を通過するため、接着剤層によって光量が減少したり、色が付くようなことはあってはならない。このため、無色透明で光透過率が非常に高い特別な接着剤を選定もしくは製造する必要があり、コスト高の原因になっている。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成でローコストでありながら光学収差を改善できるプリズム装置の製造方法及びプリズム装置並びにプロジェクタ装置を提供することを目的とする。

本発明のプリズム装置の製造方法は、２個の三角プリズムの互いに対向する矩形状をした各面同士を空気層を空けて接着するプリズム装置の製造方法において、前記各面のうち少なくとも一方の面の一辺の近傍に第１接着剤を塗布するとともに、前記一方の面の前記一辺と反対側の他辺の近傍に第１接着剤よりも高い粘度の第２接着剤を塗布する第１ステップと、前記各面が互いに狭まる方向に圧力を各面に対して加えることにより、前記空気層を、前記第１接着剤側の厚みが薄く第２接着剤側の厚みが厚い楔形状に形成する第２ステップと、からなることを特徴とする。

前記第１，第２接着剤は、紫外線を照射することにより硬化するＵＶ硬化型接着剤であることが好ましい。

少なくとも第１，第２接着剤への紫外線照射開始時と紫外線照射終了時とに、前記各面同士の間隔の大きさを測定し、前記空気層の形成状態を確認することが好ましい。

前記プリズム装置は、照射された照明光を変調して反射することにより画像光を投射する空間光変調素子と画像光をスクリーンに投映する投映光学系との間に設けられ、前記照明光を前記空間光変調素子に照射するとともに、前記空間光変調素子からの画像光を投映光学系へ向けて出射するプロジェクタ用のＴＩＲプリズムであって、前記２個の三角プリズムのうち一方の三角プリズムは、前記照明光が入射される照明光入射面と、この照明光入射面から内部に入射した照明光を全反射する全反射面と、この全反射面で反射された照明光を前記空間光変調素子に向けて出射するとともに空間光変調素子からの画像光を入射する出射・再入射面とを備え、この出射・再入射面から入射された画像光を前記全反射面を透過して出射する第１三角プリズムであり、他方の三角プリズムは、前記全反射面を透過して第１三角プリズムから出射された画像光を入射する画像光入射面と、前記画像光を前記投映光学系へ向けて出射する画像光出射面とを有する第２三角プリズムであり、前記互いに対向する矩形状をした各面は、前記第１三角プリズムの全反射面と前記第２三角プリズムの画像光入射面であることが好ましい。

前記第１接着剤は、前記第１三角プリズムの照明光入射面に近い側に設けられていることが好ましい。

本発明のプリズム装置は、照射された照明光を変調して反射することにより画像光を投射する空間光変調素子と画像光をスクリーンに投映する投映光学系との間に設けられ、照明光を前記空間光変調素子に照射するとともに、空間光変調素子からの画像光を前記投映光学系へ向けて出射するプロジェクタ用のプリズム装置において、照明光が入射される照明光入射面と、この照明光入射面から内部に入射した照明光を全反射する全反射面と、この全反射面で反射された照明光を前記空間光変調素子に向けて出射するとともに空間光変調素子からの画像光が入射する出射・再入射面とを備え、この出射・再入射面から入射された画像光を前記全反射面を透過して出射する第１三角プリズムと、前記全反射面を透過して前記第１三角プリズムから出射された画像光を入射する画像光入射面と、前記画像光を投映光学系へ向けて出射する画像光出射面とを有する第２三角プリズムと、前記第１三角プリズムの全反射面、前記第２三角プリズムの画像光入射面のうち少なくとも一方の面の、前記第１三角プリズムの照明光入射面に近い側の一辺の近傍に塗布された第１接着剤と、前記一方の面の前記一辺と反対側の他辺の近傍に塗布され、前記第１接着剤よりも高い粘度の第２接着剤と、前記第１三角プリズムの全反射面と前記第２三角プリズムの画像光入射面とを前記第１接着剤、前記第２接着剤によって接着することにより、前記全反射面と前記画像光入射面との間に、前記第１接着剤が塗布された前記第１三角プリズムの照明光入射面に近い側の厚みが薄く、前記第２接着剤側の厚みが厚い楔形状の空気層を形成したことを特徴とする。

本発明のプロジェクタ装置は、前記プリズム装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、２個のプリズムの互いに対向する矩形状をした各面のうち少なくとも一方の面の一辺の近傍に第１接着剤を塗布するとともに、前記一方の面の一辺と反対側の他辺の近傍に第１接着剤よりも高い粘度の第２接着剤を塗布し、各面が互いに狭まる方向に圧力を各面に対して加えることにより、空気層を、第１接着剤側の厚みが薄く第２接着剤側の厚みが厚い楔形状に形成するので、簡単な構成でローコストでありながら光学収差を改善できる。

反射型プロジェクタの概略的な構成を示す説明図である。プリズム装置の構成を示す斜視図である。プリズム装置を製造する様子を示す説明図である。プリズム装置の製造手順を示すフローチャートである。

本発明の製造方法により製造された一実施形態のプリズム装置１０は、図１に示すように、反射型プロジェクタ１１（プロジェクタ装置）のＤＭＤ１２（空間光変調素子）と投映光学系１３との間に配置して用いられる。ＤＭＤ１２は、二次元的に配列された複数のマイクロミラーからなり、各マイクロミラーは、それぞれ入射した照明光を１画素分の画素光として投映光学系１３に向けて反射するオン状態と、照明光を光吸収体（図示省略）に向けて反射するオフ状態とに傾斜自在になっている。投映光学系１３は、ズームレンズからなりプリズム装置１０から出射された画像光をスクリーン１４上に投映する。

プリズム装置１０は、それぞれ３つの光学面によって形成された三角プリズムである２個のプリズム１５，１６からなる内部全反射(TIR:Total Internal Reflection) プリズムである。プリズム１５，１６は、光学ガラスから形成され、一対の側面が三角形の柱状部材である。側面はすり面をしており、側面を除く他の３面は、それぞれ透明な面をしている。なお、３面のうち光が通過する必要がない面は、すり面であってもよい。

プリズム１５（第１三角プリズム）は、図示しない光源から照射される光軸αの照明光が入射される光入射面１５ａと、この光入射面１５ａから内部に入射した照明光を全反射する全反射面１５ｂと、この全反射面１５ｂで反射された照明光をＤＭＤ１２に向けて出射するとともにオン状態のＤＭＤ１２から出射される光軸βの画像光を入射する出射・再入射面１５ｃとを備えている。出射・再入射面１５ｃから入射された画像光は、全反射面１５ｂを透過してプリズム１５から外部に出射される。プリズム１５の光入射面１５ａ，全反射面１５ｂ，出射・再入射面１５ｃは、それぞれ矩形状をしている。なお、オフ状態のＤＭＤ１２から出射された画像光は、光吸収体（図示省略）に向けられる。

プリズム１６（第２三角プリズム）は、プリズム１５の全反射面１５ｂと薄い楔形状の空気層１７を空けて対面され、出射・再入射面１５ｃからプリズム１５の内部に入射した画像光が全反射面１５ｂ及び空気層１７を通過して入射される光入射面１６ａと、この光入射面１６ａから内部に入射した画像光を投映光学系１３へ向けて出射する光出射面１６ｂとを備えている。プリズム１６の光入射面１６ａ，光出射面１６ｂは、それぞれ矩形状をしている。出射・再入射面１５ｃと光出射面１６ｂとは互いに平行になる。また、空気層１７の長手方向は光軸βに対して傾いて配置されている。なお、光入射面１６ａ及び光出射面１６ｂを除く面１６ｃは、光が通過しないため、すり面になっている。

薄い楔形状の空気層１７を形成するプリズム１５の全反射面１５ｂとプリズム１６の光入射面１６ａとを比べると、光入射面１６ａの方が全反射面１５ｂよりも面積が小さい。このため、図２に示すように、光入射面１６ａの四隅に接着剤を塗布する。具体的には、光入射面１６ａと光出射面１６ｂとがなす縁１６ｄ（一辺）に近い光入射面１６ａの２箇所の隅部に、第１接着剤２０を凸状にやや盛り上がったほぼ半球形状にそれぞれ塗布する。そして、縁１６ｄに対向する縁１６ｅ（他辺）に近い光入射面１６ａの２箇所の隅部に、第１接着剤２０よりも高い粘度の第２接着剤２１を第１接着剤２０と同様のほぼ半球形状にそれぞれ塗布する。第１，第２接着剤２０，２１は、画像光が通過しない位置に塗布される。

第１接着剤２０，第２接着剤２１は、ＵＶ硬化型接着剤であり、高圧水銀ランプ等のＵＶランプから紫外線を照射することにより、数十秒で初期硬化をはじめ数分後には完全に硬化する。第１接着剤２０の粘度は、例えば１０００mPa・s（ミリパスカル・秒）であり、第２接着剤２１の粘度は、例えば４０００mPa・sである。

プリズム装置１０を製造するには、図３に示すような治具２３を用いる。治具２３は、板状のベース部材２４と、この表面２４ａに対して垂直方向に立設された４本の円柱状の棒状支持部材２５〜２８とからなり、これらは一体に樹脂成形されている。棒状支持部材２５〜２８の表面２４ａからの突出長さは、プリズム１５，１６の幅とほぼ同じ長さである。

図４に示すフローチャートにおいて、光入射面１５ａが棒状支持部材２５に当接すると同時に出射・再入射面１５ｃが棒状支持部材２６，２７に当接するように、出射・再入射面１５ｃを下側にし、プリズム１５の側面を平板２４の表面２４ａに当接させ、プリズム１５を治具２３にセットする（ｓｔ１）。なお、括弧内のｓｔ（ステップの意）１等は、図４に示すｓｔ１等に対応する。

次に、プリズム１６の縁１６ｄに近い光入射面１６ａの２箇所の隅部に、第１接着剤２０をほぼ半球形状にそれぞれ塗布するとともに、縁１６ｅに近い光入射面１６ａの２箇所の隅部に、第２接着剤２１をほぼ半球形状にそれぞれ塗布する（ｓｔ２）。

続いて、プリズム１６の光入射面１６ａをプリズム１５の全反射面１５ｂ側に向け、光出射面１６ｂを棒状支持部材２８の周面に当接させながら、プリズム１６を、縁１６ｄ側から、プリズム１５の全反射面１５ｂと棒状支持部材２８との間に挿入し（ｓｔ３）、面１６ｃを光出射面１６ｂに平行なγ方向に一定の圧力で押圧する（ｓｔ４）。

面１６ｃへの押圧力により、第１接着剤２０，第２接着剤２１の各々には、全反射面１５ｂと光入射面１６ａとから、ほぼ均一な力が加えられる。この結果、第１接着剤２０，第２接着剤２１のそれぞれの粘度の差により、全反射面１５ｂと光入射面１６ａとの間には、第１接着剤２０側の厚みが薄く第２接着剤２１側の厚みが厚い楔形状の空気層１７が形成される。

また、面１６ｃへの押圧力を調整し、出射・再入射面１５ｃと光出射面１６ｂとが互いに平行となるようにして、プリズム１６の光出射面１６ｂ側からＵＶランプ３０，３１を発光させる。ＵＶランプ３０，３１から射出された紫外線は、プリズム１６の内部を通過して第１接着剤２０，第２接着剤２１に照射される（ｓｔ５）。

第１接着剤２０，第２接着剤２１への紫外線照射開始時からエアギャップ測定装置３３によって、空気層１７の楔形状の形成過程が観測される。エアギャップ測定装置３３は、周知のモノクロメータ（分光器）３４、プリズム１５の全反射面１５ｂ，プリズム１６の光入射面１６ａにより反射された光を検出するＴＶカメラ３５等からなる。モノクロメータ３４から波長を変化させつつ光ビームをプリズム１５の全反射面１５ｂ，プリズム１６の光入射面１６ａに照射して干渉縞を生じさせ、ＴＶカメラ３５が全反射面１５ｂ，光入射面１６ａの各々で反射された光ビームを撮像する。エアギャップ測定装置３３は、ＴＶカメラ３５からの出力信号等に基づいて、プリズム１５，１６間のエアギャップ量（空気層１７の各部の厚み）を高精度に測定する。

空気層１７の各部の厚みが、第１接着剤２０，第２接着剤２１の初期硬化から数分後の完全硬化まで、エアギャップ測定装置３３によって継続して測定される（ｓｔ６）。この測定結果に基づいて、第１接着剤２０，第２接着剤２１の完全硬化時に、空気層１７が所定の楔形状となるように、面１６ｃへの押圧力が調整される（ｓｔ７）。

第１接着剤２０，第２接着剤２１が完全に硬化した後、プリズム装置１０を治具２３から取り外す（ｓｔ８）。そして、プリズム装置１０は、反射型プロジェクタ１１のＤＭＤ１２と投映光学系１３との間に組み込まれて使用される。

以上説明した実施形態では、第１接着剤，第２接着剤としては、紫外線の照射によって硬化するＵＶ硬化型接着剤を用いたが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、エポキシ樹脂等を使用することもできる。また、接着剤を一方のプリズムに塗布したが、２個のプリズムの両方に塗布してもよい。

上記実施形態では、接着剤を矩形状をした面の四隅に塗布したが、本発明はこれに限定されることなく、対向する一対の辺近傍であれば、例えば各辺近傍に１箇所ずつ合計２箇所でもよいし、また、各辺に沿って連続する線状に塗布しても、また、連続しない領域に塗布してもよい。また、接着剤をほぼ半球形状に塗布したが、本発明はこのような塗布形状に限定されず、例えば、矩形の凸状でもよい。

上記実施形態では、プロジェクタ用のプリズム装置であったが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、ＴＶカメラ等に使用される色分解用のプリズム装置であってもよい。

１０プリズム装置
１５，１６プリズム
１５ｂ全反射面
１６ａ光入射面
１７空気層
２０第１接着剤
２１第２接着剤

Claims

２個の三角プリズムの互いに対向する矩形状をした各面同士を空気層を空けて接着するプリズム装置の製造方法において、
前記各面のうち少なくとも一方の面の一辺の近傍に第１接着剤を塗布するとともに、前記一方の面の前記一辺と反対側の他辺の近傍に第１接着剤よりも高い粘度の第２接着剤を塗布する第１ステップと、
前記各面が互いに狭まる方向に圧力を各面に対して加えることにより、前記空気層を、前記第１接着剤側の厚みが薄く第２接着剤側の厚みが厚い楔形状に形成する第２ステップと、
からなることを特徴とするプリズム装置の製造方法。
前記第１，第２接着剤は、紫外線を照射することにより硬化するＵＶ硬化型接着剤であることを特徴とする請求項１記載のプリズム装置の製造方法。
少なくとも第１，第２接着剤への紫外線照射開始時と紫外線照射終了時とに、前記各面同士の間隔の大きさを測定し、前記空気層の形成状態を確認することを特徴とする請求項２記載のプリズム装置の製造方法。
前記プリズム装置は、照射された照明光を変調して反射することにより画像光を投射する空間光変調素子と画像光をスクリーンに投映する投映光学系との間に設けられ、前記照明光を前記空間光変調素子に照射するとともに、前記空間光変調素子からの画像光を投映光学系へ向けて出射するプロジェクタ用のＴＩＲプリズムであって、
前記２個の三角プリズムのうち一方の三角プリズムは、前記照明光が入射される照明光入射面と、この照明光入射面から内部に入射した照明光を全反射する全反射面と、この全反射面で反射された照明光を前記空間光変調素子に向けて出射するとともに空間光変調素子からの画像光を入射する出射・再入射面とを備え、この出射・再入射面から入射された画像光を前記全反射面を透過して出射する第１三角プリズムであり、
他方の三角プリズムは、前記全反射面を透過して第１三角プリズムから出射された画像光を入射する画像光入射面と、前記画像光を前記投映光学系へ向けて出射する画像光出射面とを有する第２三角プリズムであり、
前記互いに対向する矩形状をした各面は、前記第１三角プリズムの全反射面と前記第２三角プリズムの画像光入射面であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載のプリズム装置の製造方法。
前記第１接着剤は、前記第１三角プリズムの照明光入射面に近い側に設けられていることを特徴とする請求項４記載のプリズム装置の製造方法。
照射された照明光を変調して反射することにより画像光を投射する空間光変調素子と画像光をスクリーンに投映する投映光学系との間に設けられ、照明光を前記空間光変調素子に照射するとともに、空間光変調素子からの画像光を前記投映光学系へ向けて出射するプロジェクタ用のプリズム装置において、
照明光が入射される照明光入射面と、この照明光入射面から内部に入射した照明光を全反射する全反射面と、この全反射面で反射された照明光を前記空間光変調素子に向けて出射するとともに空間光変調素子からの画像光が入射する出射・再入射面とを備え、この出射・再入射面から入射された画像光を前記全反射面を透過して出射する第１三角プリズムと、
前記全反射面を透過して前記第１三角プリズムから出射された画像光を入射する画像光入射面と、前記画像光を投映光学系へ向けて出射する画像光出射面とを有する第２三角プリズムと、
前記第１三角プリズムの全反射面、前記第２三角プリズムの画像光入射面のうち少なくとも一方の面の、前記第１三角プリズムの照明光入射面に近い側の一辺の近傍に塗布された第１接着剤と、
前記一方の面の前記一辺と反対側の他辺の近傍に塗布され、前記第１接着剤よりも高い粘度の第２接着剤と、
前記第１三角プリズムの全反射面と前記第２三角プリズムの画像光入射面とを前記第１接着剤、前記第２接着剤によって接着することにより、前記全反射面と前記画像光入射面との間に、前記第１接着剤が塗布された前記第１三角プリズムの照明光入射面に近い側の厚みが薄く、前記第２接着剤側の厚みが厚い楔形状の空気層を形成したことを特徴とするプリズム装置。
前記請求項６記載のプリズム装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。