JP2017223893A - 光学装置、光学ユニット、表示装置、及びプリズム固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリズムを容易に精度よく固定することを可能にする。【解決手段】光束を反射及び透過させる反射透過面２５ａを有する直方体のプリズム２４ａと、プリズムの底面が接着剤によって固定されるように設けられた座面２６と、座面の周囲の少なくとも一部に設けられた溝部２９と、を有し、溝部は、プリズムが接着剤によって座面に固定されるときに、プリズムの第１側面が所定の直線上に沿うようにプリズムの位置を決める第１部材２７と、プリズムの第１側面に直交する第２側面が直線方向に移動することを制限する第２部材２８とに向けて、プリズムが押圧された場合に、プリズムの底面と座面との間からはみ出した接着剤を受入れ可能に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、光学装置、光学ユニット、表示装置、及びプリズム固定方法に関する。

色分解、色合成の光学系構成部品としてダイクロイックプリズムや、ビームスプリッタプリズム等のプリズムがプロジェクタ等で使用されている。これらは複数個使用されることが一般的であり、多くの場合、紫外線硬化樹脂などの接着剤で固定される。また、光の入射面の相対的位置関係は、各色光の画素の位置ずれや光軸ずれなどが直接画像品質にも影響を与える。よって、光学系構成部品は、高精度で安定した固定方法が必要となっている。

例えば、特許文献１には、プリズム台座が、プリズムの反射面に直交する面に対して当接する少なくとも３つの座面と、接着剤によりプリズムと接着され、少なくとも３つの座面よりも高さが低い接着座面部とを備え、少なくとも３つの座面の形状は円形又は多角形であり、少なくとも３つの座面と接着座面部の間に、少なくとも３つの座面の形状に沿った形状を持つ溝部が形成されており、座面と溝部が隣接しており、溝部と接着座面部が隣接しているプリズムユニットが開示されている。

しかしながら、従来のダイクロイックプリズム等のプリズム固定方法は、プリズムの底面と台板等を直に接着する構成であるため、両者の間に介在する接着層の厚みが正確に均一でないと、プリズムが台板の上で直立せずに傾斜してしまうことがあった。

この欠点を解消するため、複数の座面と座面より低い接着剤だまりと、座面周囲に接着剤排除溝を設けて、プリズム座面と接着剤塗布面を分離して、座面に接着剤を付着させないことにより、座面の高さを一定にする方法が知られている。ここで対象となるプリズムは、当接面の１辺が１０ｍｍを超えるような大型のプリズムである。１０ｍｍ以下のプリズムに対しては、座面（受け面）製作のための金型の加工が難しく、３つの座面を設けることになるとさらに難しくなるためである。また、座面へプリズムをセットすることや接着剤の塗布も難しくなり、誤って座面（プリズム当接面）に塗布してしまうことがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プリズムを容易に精度よく固定することを可能にした光学装置、光学ユニット、表示装置、及びプリズム固定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光束を反射及び透過させる反射透過面を有する直方体のプリズムと、前記プリズムの底面が接着剤によって固定されるように設けられた座面と、前記座面の周囲の少なくとも一部に設けられた溝部と、を有し、前記溝部は、前記プリズムが接着剤によって前記座面に固定されるときに、前記プリズムの第１側面が所定の直線上に沿うように前記プリズムの位置を決める第１部材と、前記プリズムの第１側面に直交する第２側面が前記直線方向に移動することを制限する第２部材とに向けて、前記プリズムが押圧された場合に、前記プリズムの底面と前記座面との間からはみ出した接着剤を受入れ可能に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、プリズムを容易に精度よく固定することを可能にした光学装置、光学ユニット、表示装置、及びプリズム固定方法を提供することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態にかかる表示装置の概要を示す図である。 図２は、プリズムユニットの構成例を示す斜視図である。 図３は、プリズムユニットにおけるプリズムが固定される前の状態を示す図である。 図４は、プリズムユニットにおけるプリズムが固定されるときの押圧方向を示す図である。 図５は、プリズムが固定された状態を示す斜視図である。 図６は、レーザ光束の入射方向と、第１部材及び第２部材が設けられる位置との関係を示す図である。 図７は、第１部材及び第２部材の第１変形例を示す斜視図である。 図８は、第１部材及び第２部材の第２変形例を示す斜視図である。 図９は、第１部材及び第２部材の第３変形例を示す斜視図である。

以下に添付図面を参照して、表示装置の実施形態について説明する。図１は、実施形態にかかる表示装置１の概要を示す図である。表示装置１は、例えばＨｕＤ（ヘッドアップディスプレイ）であり、車両、航空機、船舶等の移動体に搭載される。

表示装置１は、例えば光源部（光学ユニット）１０、２次元偏向部１１、凹面鏡１２、被走査面素子１３、凹面鏡１４、及び反射面素子１５を有し、観察者が拡大虚像１７を観ることができるようにされている。

光源部１０は、プリズムユニット（光学装置）２（図２を用いて後述）を備えてカラー画像表示用の画素表示用ビームＬＣ（レーザ光）を照射するレーザ光源である。画素表示用ビームＬＣは、赤（以下「Ｒ」と示す）、緑（以下、「Ｇ」と示す）、青（以下「Ｂ」と示す）の３色のビームを１本に合成したビームであり、プリズムユニット２がＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光束を１本の光束に合成し、２次元偏向部１１に対して照射している。

２次元偏向部１１は、光源部１０が照射した画素表示用ビームＬＣを２次元方向に偏向させる。例えば、２次元偏向部１１は、微小なミラーを「互いに直交する２軸」を揺動軸として揺動するように構成されたものである。つまり、２次元偏向部１１は、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）などである。また、２次元偏向部１１は、例えば１軸の回りに揺動する微小ミラーを２個、揺動方向が互いに直交するように組み合わせたもの等であってもよい。

２次元方向に偏向された画素表示用ビームＬＣは、凹面鏡１２に対して照射される。凹面鏡１２は、入射された画素表示用ビームＬＣを被走査面素子１３に向けて反射させる。凹面鏡１２の光学作用は、２次元方向に偏向されて入射される画素表示用ビームＬＣを反射し、反射する画素表示用ビームＬＣの向きを一定方向に揃えることである。

すなわち、凹面鏡１２により反射された画素表示用ビームＬＣは、２次元偏向部１１による偏向に伴って平行移動しつつ被走査面素子１３に入射され、被走査面素子１３を２次元方向に走査する。被走査面素子１３は、例えば「微細凸レンズ構造」のマイクロレンズアレイである。この２次元方向の走査により、被走査面素子１３に「カラーの２次元画像」が形成される。もちろん、各瞬間に表示されるのは「画素表示用ビームＬＣが、その瞬間に照射している画素のみ」である。つまり、カラーの２次元画像は、画素表示用ビームＬＣによる２次元方向の走査により「各瞬間に表示される画素の集合」として形成される。

凹面鏡１４は、被走査面素子１３に形成された「カラーの２次元画像」を構成する光を反射させる。つまり、被走査面素子１３及び凹面鏡１４は、虚像結像光学系を構成する。「虚像結像光学系」は、カラーの２次元画像の拡大虚像１７を結像させる。拡大虚像１７の結像位置の手前側には、反射面素子１５が設けられ、拡大虚像１７を結像する光束を、観察者（図には観察者の目を示す）の側へ反射する。この反射光により、観察者は拡大虚像１７を視認できる。

図２は、プリズムユニット２の構成例を示す斜視図である。光源２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、ＬＤ基板２１に固定されたレーザダイオードなどであり、それぞれＲ、Ｇ、Ｂのレーザ光を照射する。カップリングレンズ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、光源２０ａ、２０ｂ、２０ｃから照射される各色のレーザ光の発散性を抑制する。

Ｂのレーザ光束ＬＢは、ミラー２３によって偏向され、プリズム２４ｂに入射される。また、Ｇのレーザ光束ＬＧも、プリズム２４ｂに入射される。ここで、プリズム２４ｂは、レーザ光束ＬＢを透過させ、レーザ光束ＬＧを反射させるダイクロイック膜２５ｂを有する。つまり、プリズム２４ｂは、予め定められた波長の光束を反射させ、他の波長の光束を透過させる１つの反射透過面（ダイクロイック膜２５ｂ）が少なくとも４つの頂点と底面とに囲まれるように内部に設けられた直方体のプリズムとなっており、レーザ光束ＬＧを偏向させ、レーザ光束ＬＢを透過させてプリズム２４ａに入射する。

Ｒのレーザ光束ＬＲは、プリズム２４ａに入射される。プリズム２４ａは、レーザ光束ＬＧ・ＬＢを透過させ、レーザ光束ＬＲを反射させるダイクロイック膜２５ａを有する。つまり、プリズム２４ａは、予め定められた波長の光束を反射させ、他の波長の光束を透過させる１つの反射透過面（ダイクロイック膜２５ａ）が少なくとも４つの頂点と底面とに囲まれるように内部に設けられた直方体のプリズムとなっている。従って、プリズム２４ａからは、ＬＲ、ＬＧ、ＬＢの各色レーザ光束が１本の光束に合成されて射出される。プリズム２４ａが射出する光束は、レンズによって所定の光束径の「平行ビーム」に変換される。この「平行ビーム」が、画素表示用ビームＬＣである。

画素表示用ビームＬＣを構成するＲ、Ｇ、Ｂの各色レーザ光束は、表示するべき「２次元のカラー画像」の画像信号により強度変調されている。発光光量は、受光センサが検出した光量に基づいて設定される。受光センサは、プリズム２４ａによって反射されずに透過したレーザ光束ＬＲと、プリズム２４ａによって透過されなかったレーザ光束ＬＧ、ＬＢの光量を検出する。

なお、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、ハウジング２０１内でそれぞれ座面２６に対して接着剤で固定されている。また、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、固定されるときに、それぞれ第１部材２７及び第２部材２８によって位置決めされる。座面２６の周囲の一部には、溝部２９が形成されている。

次に、プリズムユニット２におけるプリズム２４ａ及びプリズム２４ｂの固定について、図３〜図５を用いて詳述する。図３は、プリズムユニット２におけるプリズム２４ａ及びプリズム２４ｂが固定される前の状態を示す図である。図４は、プリズムユニット２におけるプリズム２４ａ及びプリズム２４ｂが固定されるときの押圧方向を示す図である。図５は、プリズム２４ａが固定された状態を示す斜視図である。

座面２６は、プリズム２４ａ又はプリズム２４ｂの底面（接着面）が接着剤によって固定されるように設けられている。座面２６それぞれは、プリズム２４ａ、プリズム２４ｂそれぞれの接着面と同等、又は少し大きめに設定されることが好ましい。

プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、例えば１辺の長さが１０ｍｍ以下の直方体（又は立方体）である。よって、座面２６それぞれも、例えば一辺が約１０ｍｍ程度にされる。座面２６は、面積が小さいので、分割されるとさらに各面が小さくなって、加工及び接着剤塗布も困難になる。一方、座面２６は、面積が小さいため、それぞれの平面度のばらつきが生じにくい。つまり、座面２６は、分割される必要がない。

また、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂの接着面は、十分な平面性が確保されている。よって、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂの接着面に対向する面に均一な荷重をかけることにより、接着層の膜厚が均一化され、厚みムラがなくなる。つまり、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂがチルトすることなく接着される。座面２６それぞれの面積が狭いので、接着剤の量が少なくなるが、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂの重量が軽量であるため、十分な接着力を得ることが可能である。

座面２６それぞれの近傍には、第１部材２７及び第２部材２８が設けられている。第１部材２７は、例えば２つの基準ピンによって構成され、プリズム２４ａ又はプリズム２４ｂの第１側面が所定の直線上に沿うように位置決めを行う。第２部材２８は、例えば１つの基準ピンによって構成され、プリズム２４ａ又はプリズム２４ｂの第１側面に直交する第２側面が上記の直線の延びる方向に移動することを制限する。

図３等に示すように、接着剤塗布位置３０と、第１部材２７及び第２部材２８との間に溝部２９が設けられている。例えば、溝部２９は、座面２６から第１部材２７又は第２部材２８に向かう方向の長さに対し、座面２６から第１部材２７又は第２部材２８に向かう方向に交差する方向の長さが長くなるように形成されている。第１部材２７及び第２部材２８と、溝部２９との間を埋める部材面２６ａは、座面２６それぞれと同じ高さ、又はやや低めに設定されており、溝部２９よりも高くされている。

プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、接着剤によってそれぞれ座面２６に接着されるときに、図４に示した矢印の方向に押圧されて位置決めされる。また、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂが座面２６それぞれに押し付けられることにより、余分な接着剤が押し出され、接着剤膜厚が均一にされる。

図４に示したように、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、矢印方向に押圧されることによって第１部材２７及び第２部材２８に当接する。プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂそれぞれは、第１部材２７の押し付けられた後に、第２部材２８に押し付けられてもよい。

プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂが接着剤によってそれぞれ座面２６に接着されるときに、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂに押しつぶされた余分な接着剤は、図３に示した矢印方向に流れ、溝部２９に流れても第１部材２７及び第２部材２８に到達しない。仮に、第１部材２７及び第２部材２８と、溝部２９との間に余分な接着剤が流れても少量であり、接着剤は第１部材２７及び第２部材２８には到達しない。また、第１部材２７及び第２部材２８と、溝部２９との間の部分が座面２６より低く設定されている場合、接着剤がプリズム２４ａ及びプリズム２４ｂの固定後の姿勢に影響を与えることはない。その後、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、紫外線照射や高温保管等をされることにより、確実に座面２６それぞれに接着される。

なお、第１部材２７及び第２部材２８は、図５に示したように、プリズム２４ａ（又はプリズム２４ｂ）の光束が通過する光学的有効エリア２００ａ、２００ｂを遮ったり、傷つけたりしないように設けられている。第１部材２７及び第２部材２８は、光束の通過を妨げないように配置されていればよく、光学的有効エリア２００ａ、２００ｂの下方に配置されてもよいし、光学的有効エリア２００ａ、２００ｂの側方に配置されてもよい。

次に、プリズム２４ａ（プリズム２４ｂ）に対して入射されるレーザ光束の入射方向と、第１部材２７及び第２部材２８が設けられる位置との関係について説明する。図６は、レーザ光束の入射方向と、第１部材２７及び第２部材２８が設けられる位置との関係を示す図である。図６（ａ）は実施例であり、図６（ｂ）は比較例を示している。

図６（ａ）に示した実施例のように、第１部材２７及び第２部材２８がダイクロイック膜２５ａを含む平面を挟むように配置されると、プリズム２４ａが位置決めされるときにずれる可能性がある方向は、図６（ａ）の矢印の方向になる。つまり、プリズム２４ａが位置決めされるときにダイクロイック膜２５ａの延びる方向にずれても、ダイクロイック膜２５ａにおける光束を透過又は反射させる位置が変わるだけであり、光束が透過又は反射する方向が大きくずれることがない。

一方、図６（ｂ）に示した比較例のように、第１部材２７０及び第２部材２８０がダイクロイック膜２５ａを含む平面を挟まないように配置されると、プリズム２４ａが位置決めされるときにずれる可能性がある方向は、図６（ｂ）の矢印の方向になる。この場合、プリズム２４ａが光束を透過又は反射させる方向が変わってしまうことがある。つまり、比較例では、光束の合成が正しく行われないことがある。

このように、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂは、それぞれ座面２６に接着剤によって接着されるときに、第１部材２７及び第２部材２８に突き当てられて位置決められ、溝部２９が余分な接着剤を受入れるので、容易に精度よく固定される。

次に、第１部材２７及び第２部材２８の変形例について説明する。図７は、第１部材及び第２部材の第１変形例を示す斜視図である。図７に示すように、上述した実施形態における２つの基準ピンからなる第１部材２７は、１つの部材である第１部材２７ａによって構成されてもよい。

図８は、第１部材及び第２部材の第２変形例を示す斜視図である。図８に示すように、上述した実施形態における第１部材２７及び第２部材２８は、一体化された１つの部材である第１部材２７ｂによって構成されてもよい。第１部材２７ｂは、プリズム２４ａ（又はプリズム２４ｂ）の当接面の交差部に逃げ溝２９ａが設けられている。逃げ溝２９ａにより、第１部材２７ｂの交差部に接触することなく、プリズム２４ａ（又はプリズム２４ｂ）を確実に当接面に突き当てることができる。第１部材２７ｂのプリズム２４ａに当接する各２面は１度に加工可能であるため高位置精度が実現できる。また、第１部材２７ｂは、逃げ溝２９及び２９ａによって接着剤のはみ出しを受入れることができるので、接着剤がプリズム２４ａに付着することを防止することができる。

図９は、第１部材及び第２部材の第３変形例を示す斜視図である。図９に示すように、上述した実施形態における第１部材２７及び第２部材２８は、治具４に設けられた複数の第１部材４０及び第２部材４２によって代替えされてもよい。治具４は、例えば４つの第１部材４０と、２つの第２部材４２とが上方に延びるように設けられている。

プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂが固定されるハウジング２０１内の基板２１０には、治具４に設けられた複数の第１部材４０及び第２部材４２がそれぞれ下方から上方へ通過可能なように、例えば６つの開口部２０２が設けられている。

開口部２０２は、上述した第１部材２７及び第２部材２８に対応する位置に設けられており、第１部材４０及び第２部材４２よりも径が大きくされている。つまり、治具４が所定の位置で上下方向に移動させられることにより、第１部材４０及び第２部材４２が開口部２０２に対して通過又は退避を行う。

図９に示した例において、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂを接着剤によって固定する場合、作業者は、基板２１０の下方に配置された治具４の高さを調整し、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂの光学的有効エリア２００ａ、２００ｂよりも低い高さになるように、各開口部２０２に第１部材４０及び第２部材４２を下方から通過させる。

作業者は、基板２１０のプリズム接着面に接着剤を塗布し、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂを設置する。このとき、作業者は、プリズム２４ａ及びプリズム２４ｂを第１部材４０及び第２部材４２にそれぞれ突き当てて位置決めし、余分な接着剤を基板２１０に設けられた溝部に排出する。その後、作業者は、ＵＶ照射や高温保管によって接着剤を硬化させ、治具４を下方に下げて第１部材４０及び第２部材４２を開口部２０２から退避させる。

１ 表示装置
２ プリズムユニット（光学装置）
４ 治具
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 光源
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ カップリングレンズ
２３ ミラー
２４ａ、２４ｂ プリズム
２５ａ、２５ｂ ダイクロイック膜
２６ 座面
２６ａ 部材面
２７、２７ａ、２７ｂ 第１部材
２８ 第２部材
２９ 溝部
３０ 接着剤塗布位置
４０ 第１部材
４２ 第２部材
２００ａ、２００ｂ 光学的有効エリア
２０２ 開口部

特許第５３９８８９４号公報

Claims (12)

1. 光束を反射及び透過させる反射透過面を有する直方体のプリズムと、
   前記プリズムの底面が接着剤によって固定されるように設けられた座面と、
   前記座面の周囲の少なくとも一部に設けられた溝部と、
   を有し、
   前記溝部は、
   前記プリズムが接着剤によって前記座面に固定されるときに、前記プリズムの第１側面が所定の直線上に沿うように前記プリズムの位置を決める第１部材と、前記プリズムの第１側面に直交する第２側面が前記直線方向に移動することを制限する第２部材とに向けて、前記プリズムが押圧された場合に、前記プリズムの底面と前記座面との間からはみ出した接着剤を受入れ可能に形成されていること
   を特徴とする光学装置。
2. 前記第１部材及び前記第２部材は、
   前記反射透過面を含む平面を挟むように配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記溝部は、
   前記座面から前記第１部材又は前記第２部材に向かう方向の長さに対し、前記座面から前記第１部材又は前記第２部材に向かう方向に交差する方向の長さが長くなるように形成されていること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記第１部材及び前記第２部材と、前記溝部との間を埋める部材面は、前記座面と同じ高さ又は前記座面よりも低く、前記溝部よりも高くされていること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記第１部材及び前記第２部材は、
   光束の通過を妨げないように配置されること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記第１部材及び前記第２部材は、
   前記プリズムの光束が通過する光学的有効エリアの位置よりも高さが低くされていること
   を特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記第１部材は、
   前記プリズムの光束が通過する光学的有効エリアを側方から挟むように設けられていること
   を特徴とする請求項５又は６に記載の光学装置。
8. 前記溝部を挟んで前記座面に対向する位置に前記第１部材及び前記第２部材を有すること
   を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記溝部を挟んで前記座面に対向する位置で開口する開口部を有し、
   前記第１部材及び前記第２部材は、
   前記開口部を通過することにより、前記溝部を挟んで前記座面に対向する位置に配置されること
   を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
10. レーザ光を照射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源が照射するレーザ光に対して、予め定められた波長の光束を反射させ、他の波長の光束を透過させるように前記反射透過面が設けられた前記プリズムを有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学装置と、
    を備えたことを特徴とする光学ユニット。
11. 請求項１０に記載の光学ユニットと、
    前記光学ユニットが照射したレーザ光を２次元方向に偏向させる２次元偏向部と、
    前記２次元偏向部が２次元方向に偏向させたレーザ光が走査される被走査面素子と
    を有することを特徴とする表示装置。
12. 予め定められた波長の光束を反射させ、他の波長の光束を透過させる１つの反射透過面が少なくとも４つの頂点と底面とに囲まれるように内部に設けられた直方体のプリズムを接着剤によって座面に固定するプリズム固定方法であって、
    前記プリズムの第１側面が所定の直線上に沿うように前記プリズムの位置を決める第１部材と、前記プリズムの第１側面に直交する第２側面が前記直線の延びる方向に移動することを制限する第２部材とに向けて、前記プリズムを押圧する工程と、
    前記プリズムの底面と前記座面との間からはみ出した接着剤を、前記座面の周囲の少なくとも一部に設けられた溝部に受け入れさせる工程と、
    を含むプリズム固定方法。

Images