JP4253474B2 - 光学素子とその製造方法及びカラー液晶プロジェクター - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、カラー液晶プロジェクターに用いるマグネシア製の光学素子に関し、特にマグネシア製の偏光ビームスプリッターや偏光板、位相差板等に関する。この発明はまた、このような光学素子の製造方法や、それを配したカラー液晶プロジェクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラー液晶プロジェクターでは、その液晶画像形成部に偏光板を使用する為に光が吸収され、また１〜６インチの小面積の画像を数１０〜数１００インチ程度まで拡大することにより、明るさが低減する。その為光源としては高輝度のものが使用されるが、プロジェクターの明るさを向上するとの要望も根強く、その結果、使用する光源強度は益々高くなってきている。
【０００３】
ところで一般に、カラー液晶プロジェクターでは、光源と液晶パネルの間に偏光ビームスプリッターが使用される。偏光ビームスプリッターは、自然光を互いに直交する偏光に分離して、片方の偏光を他方の偏光方向に回転させて明るさを向上させる、光学部品である。偏光ビームスプリッターには、通常の非晶質のガラス、例えばＢＫ−７ガラスや白板ガラス等が硝材として使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近のカラー液晶プロジェクターの高輝度化、小型・軽量化の要請により、使用する光源強度は益々強くなり、しかも光学部品が小型化されているので、耐久性と投影画像の明るさを兼ね備えた偏光ビームスプリッターや偏光板、およびカラー液晶プロジェクターが望まれている。
【０００５】
一般に偏光ビームスプリッターをカラー液晶プロジェクターで使用する場合、まず光源からの光を、インテグレーターレンズで、予め等ピッチで帯状に集光させる。このようにして焦点を結び増幅された光が、偏光ビームスプリッターの帯状パターンに交互に入り、内部で互いに直交する偏光に分離される。ここで、偏光ビームスプリッターの偏光変換効率を上げる為、偏光ビームスプリッターのパターンに交互に、しかも、そのパターンの中心に光を帯状に焦点を結び、集光させる様に光学設計がなされている。この為、偏光ビームスプリッターの面内の照度のムラや温度のムラが大きく、照度や温度の最高部分から劣化が起こる。
【０００６】
ガラスに比較して熱伝導率の高い硝材を用いることにより、この種の問題は解決される。熱伝導率の高い硝材として産業応用可能な素材としては、結晶質のサファイアやＹＡＧセラミックス等がある。しかしながら、これらの結晶は非常に硬く、複雑な加工を要する偏光ビームスプリッターの硝材には不向きである。
【０００７】
偏光板の場合、サファイヤが硝材（基板）として主に用いられているが、サファイヤでは硬度が高いために研磨が困難で、また軸性結晶（３方晶）なので、結晶軸から少しでも傾いて硝材を切り出すと、画像がぼやける。これに対して、発明者は、マグネシアは結晶が立方晶系なので透光性が高く、またセラミックスなので軸合わせに注意する必要がないことに着目した。さらに、カラー液晶プロジェクターの偏光板での熱負荷を考えると、サファイヤの熱伝導率を１とした場合、ＹＡＧセラミックスが０.５、マグネシアで２で、マグネシアの熱伝導率が高いことに着目した。なおサファイヤの熱伝導率は２３(W/mK)、ＹＡＧセラミックスで１２(W/mK)、マグネシアで５５(W/mK)，光学ガラスで７(W/mK)程度である。
【０００８】
カラー液晶プロジェクターには、Ｒ，Ｇ，Ｂの３枚の偏光板が必要であるが、青色の偏光板ではサファイヤでも熱負荷の点で限界にきており、今後の高輝度化を考慮すると、透光性が高くかつ耐久性の高い材料が必要とされている。このような事情は１／２波長板や１／４波長板などの位相差板でも同様で、透光性が高く、かつ熱伝導率が高い位相差板が必要とされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の問題を解決するため種々検討した結果、ガラスより熱伝導率が高い上、ビッカース硬度が約４００とガラスに近い硬度を持つマグネシアを、偏光ビームスプリッターや偏光板、位相差板などの光学素子の硝材に使用することにより、硝材の表面温度を低下させ、且つ面内の温度を均一にさせることができるため長寿命で、しかも安価な光学素子が得られることを見い出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明のカラー液晶プロジェクター用の光学素子は、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の、透光性マグネシアセラミックスを硝材として用いたものである。本発明の光学素子をカラー液晶プロジェクター用の偏光ビームスプリッターに用いると、例えば１０００ANSIルーメン程度の出力のカラー液晶プロジェクターで５０００時間程度の耐久性が得られ、直線光透過率が７６％と７８％とでは、実施例で示すように耐久性に大差がある。ここで波長６００nmでの直線光透過率を４mm厚で８３％以上とすると、耐久性が更に増すので好ましく、特に好ましくは波長６００nmでの直線光透過率を４mm厚で８４％以上、最も好ましくは同じ条件で８５％以上とする。これらのことは偏光板や位相差板の場合も同様で、直線光透過率は高いほど好ましく、波長６００nmでの直線光透過率は４mm厚で少なくとも７８％以上、好ましくは８３％以上、特に好ましくは８４％以上とし、最も好ましくは８５％以上とする。サファイヤの直線光透過率の理論値は８５.４％なので、マグネシアセラミックスの透過率が８４％以上あれば、明るさの点でもサファイヤに匹敵する。マグネシアセラミックスを硝材とすると、これに、低コスト，研磨が容易，軸合わせが不要，熱伝導率が高いなどの利点が加わってくる。以下では透過率は、波長６００nmでの４mm厚での直線光透過率を意味する。
【００１１】
本発明の前記マグネシアセラミックスは、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上（好ましくは３００wtppm以上）となるように含有させる。Al2O3やSiO2はマグネシアセラミックスの直線光透過率を著しく改善し、低濃度域ではAl2O3はSiO2に比べて６倍程度効果が大きいので、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上（好ましくは３００wtppm以上）とする。なおAl2O3の不純物レベルは１０wtppm以下、SiO2の不純物レベルは３０wtppm以下である。
【００１２】
マグネシアセラミックスは、両面ラッピングや両面ポリッシングなどの研磨が容易で、カット時の軸合わせが不要であり、立方晶のためセラミックスとしては光透過率が高く、明るい画像が得られる。そして光透過率が高くかつ熱伝導率が高いため耐熱性も高く、偏光ビームスプリッターや偏光板、位相差板などの光学素子に用いると、光学素子の昇温を防止して、耐久性に富んだ素子が得られ、しかも均一な画像を投影できる（請求項２〜４）。
【００１３】
本発明の、偏光ビームスプリッターや偏光板などの光学素子の製造方法では、Al2O3又はSiO2を含有した塩基性炭酸マグネシウムを熱処理したマグネシア原料粉末とバインダーを用いて成形体を作製し、熱処理によりバインダーを除去した後に、水素雰囲気中もしくは真空中で、１２５０℃以上１５００℃以下で焼結し、さらにHIP処理（高温等方圧加圧）することにより、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の透光性マグネシアセラミックスを得て、これを硝材とする（請求項５）。
好ましくは、前記マグネシア原料粉末には、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上となるように含有させる（請求項６）。
【００１４】
また本発明は、請求項１〜４のいずれかの光学素子を用いたカラー液晶プロジェクターにある（請求項７）。より好ましくは、請求項２の偏光ビームスプリッターや、請求項３の偏光板、あるいは請求項４の位相差板を用いる。
【００１５】
【発明の実施の態様】
マグネシアは電気絶縁性、熱伝導性に優れていることから、電融マグネシアの形でシースヒータの絶縁体として用いられているが、マグネシアの融点は２８００℃と高く、電融マグネシアの製造過程でまれに大型の結晶が得られることがある程度であり、現在までのところ産業的に応用できる大型単結晶育成技術は見出されていない。
【００１６】
一方、粉体製造技術ならびにセラミックス製造技術の方法については、特開昭５０−１５３７９８や特開昭５１−４７９１１に開示されており、光学応用可能な透光性セラミックスも製造されるようになってきた。本発明で使用するマグネシアセラミックスは、透光性マグネシアセラミックスを板状にしたものである。
【００１７】
光学素子に使用するに当たって、透光性マグネシアセラミックスの直線光透過率が重要である。直線光透過率が低い場合には入射した光が散乱され、透過光量の低下や縦偏光ないし横偏光への変換効率の低下などが起こる。更にはセラミックス内部で光吸収が起こり、硝材の表面温度が上昇する。これらの理由から、透光性マグネシアセラミックスの直線光透過率は波長６００nmにおいて４mm厚で７８％以上とし、好ましくは８３％以上とし、特に好ましくは８４％以上、最も好ましくは８５％以上とする。なお理論透過率は８６％である。
【００１８】
マグネシア製光学素子で使用する位相差膜には１／２波長膜があげられ、例えばポラテクノ社製のＷＢＲ−９０ＰＣＡＲやＷＢＲ−９０ＰＣ（ＣＬ）ＡＲなどのＷＢＲ−９０シリーズ（広帯域用１／２波長膜）などがある。なお「ＷＢＲ−９０ＰＣＡＲ」等は商品名で、１／２波長膜などは１／２波長板などと呼ばれることがある。本発明のマグネシア製偏光ビームスプリッターの表面には、ＡＲ（反射防止）層を設けても良く、例えば二酸化珪素、酸化チタン等の蒸着膜やスパッタリング膜などを用い、またフッ素系物質を薄く塗布しても形成できる。
【００１９】
本発明の光学素子の大きさは所望の大きさで良く、例えば一辺または径が５〜３００mm、好ましくは２０〜２００mm程度であり、その形状は長方形、正方形、円形等、特に制限はないが、通常は長方形とする。その厚さは一般的には０.３〜１０mm程度とし、好ましくは０.５〜５mm程度とする。偏光ビームスプリッターの場合は、厚さを例えば０.５〜１０mmとし、好ましくは１〜５mm程度とする。
【００２０】
本発明の偏光ビームスプリッターにおける一つの態様は、板状の透光性マグネシアセラミックスを研磨したマグネシア基板の片面に、偏光分離膜を蒸着マルチコート加工し、所望の枚数を接着し、正確に４５度方向に切り出したものを、硝材として使用し、１／２波長膜を等ピッチで貼付したものである。このようにすることにより、マグネシア基板の熱伝導性の高さの為に、高輝度、高温度または不均一な高温度に暴露されても、温度の均一化が起こり、最高温度部分の著しい温度低下をもたらし、貼付した１／２波長膜の耐久性が向上し、硝材の接合部の黄変や剥離を防止することができる。また、単板光透過率をより向上させるために、マグネシア面または１／２波長膜のピッチ面の一方もしくは双方の面にＡＲ（反射防止）層を設けることが好ましい。
【００２１】
本発明の偏光ビームスプリッターを製造するには、例えばまず１／２波長膜などの位相差膜の遅相軸または進相軸を測定し、１つの辺を基準として所望の軸角度と大きさで、短形に切り、硝材として準備した等ピッチで整列したマグネシア基板に透明な接着（粘着）剤を塗布し、ついでこの塗布面に位相差膜を貼付すれば良い。また、位相差膜に透明な接着（粘着）剤を塗布し、ついでこの塗布面にマグネシア基板を貼付しても良い。ここで使用する接着（粘着）剤は、例えばアクリル酸エステル系のものが好ましい。この１／２波長膜の大きさは所望の大きさで良く、例えば一辺が１〜３００mm、好ましくは３〜１５０mm程度であり、その形状は長方形、正方形等、特に制限はないが、通常は長方形が好ましい。その厚さは０.１〜１mm、好ましくは０.１〜０.３mm程度がよい。
【００２２】
また、偏光ビームスプリッターに使用する硝材を製造するには、透光性マグネシアセラミックスを板状にしたものから、厚みが均一になるように、正確に表面研磨したマグネシア基板を所望の枚数用意する。この厚みは所望の厚みでよく、例えば０.３〜１０mm、好ましくは０.５〜５mm程度がよい。このマグネシア基板の片面に蒸着マルチコート加工により偏光分離膜を形成させて、所望の枚数を重ね合わせて、接着する。ここで使用する接着（粘着）剤としては、例えば紫外線硬化型接着剤や熱硬化型接着剤のいずれも使用できる。
【００２３】
この接着したものを、正確に４５度方向に切り出し、厚みが均一になるように表面研磨する。この厚みは一般的には、偏光ビームスプリッターのピッチの幅と同一にし、例えば一つのピッチが０.５〜１０mm、好ましくは１〜５mm程度がよい。このマグネシアを所望の大きさに切り出して、本発明で使用する硝材を得る。この大きさは所望の大きさで良く、例えば一辺が５〜３００mm、好ましくは２０〜２００mm程度であり、その形状は長方形、正方形等、特に制限はないが、通常は長方形が好ましい。
【００２４】
本発明のカラー液晶プロジェクターには、上記のマグネシア製偏光ビームスプリッターを用い、通常は光源と入射側偏光板の間に配置する。また反射型液晶パネルを使用した場合は、各々のシステムによって最適な位置に配置する。
【００２５】
本発明のカラー液晶プロジェクターでは、例えば光源の直後に紫外線カットフィルタ、マルチレンズを順に設け、その後に上記のマグネシア製偏光ビームスプリッターを配置する。上記マルチレンズによって、偏光ビームスプリッターのピッチの一つおきに、光は焦点を結ばれ、この部分の光束密度は極めて高く、それにより温度も高くなる。ここに本発明のマグネシア製偏光ビームスプリッターを配置すると、硝材がマグネシアである為に熱伝導率が高く、周囲へ熱を分散させて高温部の温度を下げ、偏光ビームスプリッターの１／２波長膜や接合部への負荷を減らし、耐久性を向上させることができる。
【００２６】
好ましくは、偏光板の硝材として請求項３のようにマグネシアセラミックスを用いる。ここで光入射側偏光板は、液晶プロジェクター使用中に強い光にさらされ昇温する。通常の液晶表示素子のように、液晶セルと光入射側偏光板が密着していると、光入射側偏光板の熱が液晶セルに伝達し、液晶セル内の液晶がＮＩ点（液晶相と等方相の相変化温度）を越えて、表示ができなくなってしまう。これを避けるため、好ましくは液晶セルと光入射側偏光板とを離間して配置し、冷却ファン等により空気やガスを循環させ、あるいは水冷などの液冷により液晶セルの過熱を防止する。
【００２７】
また位相差板の硝材には、請求項４のように、マグネシアセラミックスを用いることが好ましく、位相差板には１／２波長板や１／４波長板などがある。このようにすると、マグネシアセラミックスの光透過率が高く、しかも熱伝導度が高いため、明るくかつ耐久性の高い位相差板が得られる。
【００２８】
また偏光ビームスプリッターも液晶プロジェクター使用中に強い光にさらされ温度が高くなり、偏光ビームスプリッターの劣化が進み、投影画像の明るさの減少や不具合が生じてしまう。これを避けるため、偏光ビームスプリッター周辺部に、冷却ファン等により空気やガスを循環させて、偏光ビームスプリッターの過熱を防止している。また過熱防止の方法としては水冷方式も用いられる。
【００２９】
本発明のカラー液晶プロジェクターの１例をあげると、メタルハライドランプ等の光源から放射された光は、紫外線カットフィルタや偏光ビームスプリッターを通過し、ついで３つのダイクロイックミラーでＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３原色の光に分けられ、それぞれ偏光板を通過して液晶表示パネルに照射される。液晶表示パネルを通過した３原色の光は、出射側の偏光板を通過しダイクロイックプリズムにより集光された後、投射レンズにより拡大されてスクリーンに投影される。
【００３０】
【実施例】
透光性マグネシアセラミックスの調整
透光性マグネシアセラミックスの調製を次の方法で行った。原料の塩化マグネシウムの純度は９９.９９％以上である。０.４(ｍｏｌ/ｌ)の塩化マグネシウム水溶液中に、塩化アルミニウム溶液又は珪酸ナトリウム溶液等の形態で、Al元素やSi元素を添加し、これを０.４(ｍｏｌ/ｌ)の炭酸ナトリウム溶液と反応させ、正炭酸マグネシウム（MgCO3・３H2O）を得た。得られた沈殿物をろ過洗浄し、炭酸ガスによりＰＨを９.７に調製した。さらに沈殿物を３５℃で２４時間熟成させて、塩基性炭酸マグネシウム（４MgCO3・Mg(OH)2・５H2O）を得た。原料中の不純物や珪酸ナトリウム中のナトリウムなどは、濾過と洗浄の過程で失われ、塩基性炭酸マグネシウム中に残存する不純物の大部分はAl2O3又はSiO2で、これらを意図的に添加しない場合の不純物レベルは各々１０wtppm以下及び３０wtppm以下であった。
【００３１】
得られた塩基性炭酸マグネシウムを１１０℃で乾燥後、酸素雰囲気中で９００℃で１８時間熱処理して、透光性マグネシアセラミックスの原料粉末とした。この原料粉末に対して、Al2O3やSiO2の含有量を測定した。得られたマグネシア原料粉末２００gに対して、解膠剤（例えば共栄社化学製フローレンＧ−７００を６ｇ、「フローレンＧ」は商品名）、バインダーとしてメチルセルロースを４g、エタノール１２０gを加え、ナイロンポット及びナイロンボールを用いて５時間混合し、アルコールスラリーとした。このスラリーを透水性の樹脂型に流し込み、１００mm×１００mm×７mmの成形体を得た。
【００３２】
この成形体を、酸素気流中１０℃/ｈｒにて昇温し、１０００℃で２０時間脱脂を行った。焼結は、水素雰囲気又は真空中（真空度は０.１Ｐａ以下）にて１２５０℃〜１５００℃で行った後（一次焼結）、１３００℃〜１５５０℃で、高純度アルゴンガス雰囲気中１０8Ｐａ（一般的には３×１０7Ｐａ以上）の圧力にて、４時間HIP処理を行った。得られた焼結体の両面を、ダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨を行い、分光光度計にて直線光透過率を測定した。得られた透光性マグネシアセラミックスの直線光透過率(６００nmで４mm厚)と製造条件の関係を、試験例１〜９として表１に示す。透光性マグネシアの粒径は１０〜２０μｍで均一な組織構造であり、Al2O3含有量（不純物）は３wtppm、SiO2含有量（珪酸ナトリウムとして添加）は６００wtppmであった。
【００３３】
【表１】
透光性マグネシアセラミックスの焼結条件
一次焼結温度 一次焼結後の ＨＩＰ温度（℃） ＨＩＰ後の
（℃×時間） 成型体密度 (%) 直線光透過率 (%)
試験例１ １２５０×１ ９２.５ １３５０ ７５.５
試験例２ １３００×１ ９３.８ １４００ ７６.０
試験例３ １３５０×１ ９４.９ １４５０ ７８.０
試験例４ １４００×１ ９６.３ １５００ ８３.０
試験例５ １４５０×１ ９７.８ １５５０ ８４.０
試験例６ １４７５×１ ９９.０ １５５０ ８４.５
試験例７ １４７５×１ ９９.０ １６００ ８５.０
試験例８ １５００×１ ９９.１ １６００ ８５.３
試験例９ １５００×１ ９９.１ １６２５ ８５.４
【００３４】
試験例５の条件で、Al2O3含有量を３wtppmに固定し、SiO2含有量を変化させ、他は試験例５と同様にして、マグネシアセラミックスを調製した。SiO2含有量と波長６００nmでの４mm厚での直線光透過率との関係を表２に示す。
【００３５】
【表２】
SiO 2 濃度（ wtppm ） １００ ３００ ６００ ２０００
直線光透過率（％） ４５.０ ８４.０ ８４.０ ８２.０
【００３６】
試験例５の条件で、SiO2含有量を３０wtppmに固定し、Al2O3含有量を変化させ、他は試験例５と同様にして、マグネシアセラミックスを調製した。Al2O3含有量と波長６００nmでの４mm厚での直線光透過率との関係を表３に示す。
【００３７】
【表３】
Al 2 O 3 濃度（ wtppm ） １０ ５０ ２０００
直線光透過率（％） ４５.０ ８４.０ ８２.０
【００３８】
表２，表３から、直線光透過率が７８％以上のマグネシアセラミックスを得るには、Al2O3又はSiO2が必要で、低濃度域ではAl2O3はSiO2よりも効果的に光透過率を向上させ、Al2O3の効果はSiO2の効果の約６倍であることが分かる。またAl2O3含有量やSiO2含有量が５０００wtppm程度では、固溶できないAl2O3やSiO2が粒界に析出して直線光透過率を著しく低下させ、また硝材として加工するのが困難となる程度に平均粒径が増してセラミックスの強度が低下した。このためAl2O3含有量やSiO2含有量は、合計で２０００wtppm以下とする。
【００３９】
偏光ビームスプリッターの構造（実施例１）
マグネシア製偏光ビームスプリッター４の例を図１に示す。ここで、図１の接合部４１は基板と基板を接着した部分で、貼付部４２は基板に１／２波長膜を貼付する部分である。透光性マグネシアセラミックスを板状にしたものから、厚みが２.８mm（＝２√２：一つのピッチが４.０mmとなる）になるように、正確に表面研磨したマグネシア基板を所望の枚数、用意した。なお、用いた透光性マグネシアセラミックス基板（試験例７）の直線光透過率は４mm厚で８５.０％であった。このマグネシア基板の片面に、蒸着マルチコート加工により偏光分離膜を形成し、１７枚を重ね合わせ、紫外線硬化型接着剤により接着した。この接着したものを、正確に４５度方向に切り出し、厚みが４mmになるように表面研磨し、縦６８.８mm、横６６.８mmのサイズに切り出した。また、片面に粘着層を有するポリカーボネート系１／２波長膜ＷＢＲ−９０ＰＣ（ポラテクノ社製で「ＷＢＲ−９０ＰＣ」は商品名）を、その原反から、縦６８.８mm、横４.０mmの大きさに正確に切り出した。切り出した８枚の１／２波長膜の粘着剤面を上記マグネシア硝材の貼付部４２と正確にあわせて貼付し、その双方の面にＡＲ加工処理（反射防止加工処理）を施し、マグネシア製偏光ビームスプリッター４を得た。
【００４０】
偏光ビームスプリッターの構造（実施例２）
試験例７で調製したマグネシアセラミックスを用い、偏光分離膜の形成と接着後で、１／２波長膜を貼り付ける前の、縦６８.８mm、横６６.８mm、厚み４mmの透光性マグネシアセラミックス硝材の双方の面に、ＡＲ加工処理を施した。また、その片面に粘着層を有するポリカーボネート系１／２波長膜ＷＢＲ−９０ＰＣＡＲ（表面ＡＲ加工処理品、ポラテクノ社製で、「ＷＢＲ−９０ＰＣＡＲ」は商品名）をその原反から、縦６８.８mm、横４.０mmの大きさに正確に切り出した。切り出した８枚の１／２波長膜の粘着剤面を上記マグネシア硝材の貼付部４２と正確にあわせて貼付し、マグネシア製偏光ビームスプリッターを得た。他の点は、実施例1と全く同様である。
【００４１】
硝材の変更
透光性マグネシアセラミックスとして、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７６％（試験例２）、７８％（試験例３）および８４％（試験例５）のものを用いた以外は、実施例1と同様にして、３種の偏光ビームスプリッターを作製した。
【００４２】
カラー液晶プロジェクター
実施例１の方法で得られたマグネシア製偏光ビームスプリッターを使用した、カラー液晶プロジェクターを図２に示す。この例では、通常のガラス板に１／２波長膜付き偏光板を貼付したガラス板付き偏光板を入射側偏光板として、偏光板面を液晶側に配置し、サファイア基板付き偏光板は液晶セルの出射側に配置している。光源（メタルハライドランプ）１から出射された可視光線はＵＶ／ＩＲカットフィルタ２を通過し、インテグレーターレンズ３と偏光ビームスプリッター４により大部分の自然光が一定方向の偏光に効率よく変換された後、最初の色分解用ダイクロイックミラー５で赤（Ｒ）が分離され、ついで２番目の色分解用ダイクロイックミラー５で緑（Ｇ）と青（Ｂ）に分解されて３原色を得る。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの光線は、青用入射側偏光板７Ｂ、赤用入射側偏光板７Ｒ、緑用入射側偏光板７Ｇに入射され、一定方向の偏光の光線のみがＴＦＴ液晶セル８に入射する。なお６はミラーである。液晶セル８を通過した偏光は青用出射側偏光板９Ｂ、赤用出射側偏光板９Ｒ、緑用出射側偏光板９Ｇに入射する。出射側偏光板９Ｂ、９Ｒを通過した偏光は、直接合成用ダイクロイックミラー付きクロスプリズム１１へ入射し、また緑用出射側偏光板９Ｇを通過した光線は、１／２波長膜１０を通過して、色合成用ダイクロイックミラー付きクロスプリズム１１へ入射する。その後、クロスプリズム１１を通過して合成された偏光は、投射レンズ１２を介して、スクリーン１３に投影される。
【００４３】
耐久性
通常のガラスを硝材とした偏光ビームスプリッター、ならびに透光性マグネシアセラミックスを用いた４種（直線光透過率７６％，７８％，８４％，８５％）の偏光ビームスプリッターを用いて、図２に示したカラー液晶プロジェクターを作成した。各液晶プロジェクターの出力（明るさ）は、１０００ANSIルーメン程度であった。さらにこれら5台のプロジェクターを４０℃環境下で同時に５０００時間連続運転を行い、偏光ビームスプリッター４の変化を確認した。通常のガラス製偏光ビームスプリッターならびに直線光透過率が７６％のマグネシア製偏光ビームスプリッターでは、１／２波長膜に焼けが発生し、接合部も黄変した。これに対して、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の、３種のマグネシア製偏光ビームスプリッターでは、何れも変化がなかった。
【００４４】
また、同様にして１００００時間連続運転を行い、偏光ビームスプリッター４の変化を確認したところ、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％のマグネシア製偏光ビームスプリッターでは１／２波長膜に焼けが発生し、接合部も黄変した。これに対して、直線光透過率が８４％以上のマグネシア製偏光ビームスプリッターには変化がなかった。以上のように、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上のマグネシア製偏光ビームスプリッターを使用することにより、連続５０００時間運転での１／２波長膜の焼けや接合部の黄変や剥離を防止でき、直線光透過率が８４％以上のマグネシア製偏光ビームスプリッターを使用することにより、連続１００００時間運転での１／２波長膜の焼けや接合部の黄変や剥離を防止でき、明るく、高コントラストで均一性の優れた画像を長時間安定に表示できる、カラー液晶プロジェクターが得られた。
【００４５】
偏光板の調製
表１の試験例７に相当する条件で、直線光透過率（６００nmで４mm厚）８５％のマグネシアセラミックス板を調製した。Al2O3含有量（不純物レベル）は３wtppm、SiO2含有量は６００wtppmであった。このマグネシアセラミックスを縦２７mm、横３３mm、厚さ０.５mmに切り出し、両面を鏡面研磨した後に、片面をＡＲ（反射防止）加工した。次に有機系偏光フィルム（片面をＡＲ加工しても良い。その場合はＡＲ加工面を接着面としない）を、ＡＲ加工していない側のマグネシアセラミックス面に、アクリル酸エステル系接着剤で貼り付ける。
【００４６】
図３に、得られた偏光板２０の構造を示すと、２２は前記のマグネシアセラミックス硝材、２３は反射防止コート層、２４は偏光フィルムである。このようにして、青用、緑用、赤用の３種類のマグネシア偏光板を得、図２の入射側偏光板７Ｒ〜７Ｂと、出射側偏光板９Ｒ〜９Ｂの双方に用いた。なお１／２波長膜は、ダイクロイックミラー付きクロスプリズム１１側に装着した。
【００４７】
比較のために、硝材をマグネシアからＢＫ−７ガラスに変更した他は同様の偏光板（比較例１）、硝材をＹＡＧセラミックスとした他は同様の偏光板（比較例２）、硝材をサファイヤとした他は同様の偏光板（比較例３）を調製した。これらを図２の入射側や出射側の偏光板（Ｒ，Ｇ，Ｂとも）に用い、４種類のカラー液晶プロジェクターを作成した。各プロジェクターの出力（明るさ）は１０００ANSIルーメン程度であった。これらの４台のカラー液晶プロジェクターを、４０℃の環境下で１０,０００時間連続運転した後に、熱負荷の大きい青用と緑用の偏光板について、表面温度を測定した。結果を表４に示す。
【００４８】
【表４】
１０ , ０００時間使用後の偏光板表面温度
試 料 表面温度 (℃)
７Ｂ ９Ｂ ７Ｇ ９Ｇ
実施例３(マグネシヤ) ４８ ５５ ４０ ５７
比較例１（ガラス） ６５ ７６ ５６ ７８
比較例２（ＹＡＧ） ５６ ６６ ４７ ６９
比較例３（サファイヤ） ５２ ６１ ４４ ６４
【００４９】
以上のように、熱伝導率が高く、透光性が高いために発熱の少ない、マグネシア基板を用いることにより、偏光板の表面温度を低く抑えられ、均一な画像を長時間維持できる偏光板が得られた。なおマグネシアセラミックスの直線光透過率は、波長６００nmで４mm厚の条件で、少なくとも７８％以上とし、好ましくは８３％以上、特に好ましくは８４％以上、最も好ましくは８５％以上とする。マグネシアセラミックスには、直線光透過率を向上させるため、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上（好ましくは３００wtppm以上）となるように含有させる。
【００５０】
偏光板の場合と同様に、１／２波長板や１／４波長板などの位相差板の硝材にも、マグネシアセラミックスを用いることが好ましい。位相差板の場合も、硝材のマグネシアセラミックスの直線光透過率は、波長６００nmで４mm厚の条件で、少なくとも７８％以上とし、好ましくは８３％以上、特に好ましくは８４％以上、最も好ましくは８５％以上とする。また硝材のマグネシアセラミックスには、直線光透過率を向上させるため、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上となるように含有させる。
【００５１】
位相差板の製造では、マグネシアセラミックスの両面を鏡面研磨し、例えば片面に反射防止コート層を設け、他面に１／２波長膜や１／４波長膜を透明な接着剤で貼り付ける。１／２波長膜や１／４波長膜は例えばポリビニルアルコールやポリカーボネートなどの膜を１軸延伸して異方性を持たせたもので、延伸の程度や添加物などにより赤用、青用、緑用等の種類を設けて、リタデーション値を異ならせたものを用いる。そして１／２波長膜や１／４波長膜は、進相軸や遅相軸が所定の向きを向くように切断し、アクリル酸エステル系やポリビニルアルコール系等の透明接着剤で、マグネシア硝材に貼り付ける。このようにすると、硝材の直線光透過率が高く、熱伝導度が高いため、１／２波長膜や１／４波長膜などに焼けや黄変が生じず、耐久性の高い１／２波長板などが得られ、光源を明るくできるため、高輝度のカラー液晶スプリッターが得られる。また硝材が等軸性のマグネシアセラミックスなので軸合わせの必要がない。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の光学素子を用いると、明るさと耐久性のいずれもが良好で、優れた画像を長時間安定的に表示できる、カラー液晶プロジェクターが得られる。
本発明の偏光ビームスプリッターを用いると、さらに高コントラストで均一性に優れた画像を長時間安定に表示できる。
本発明の偏光板や位相差板を用いると、セラミックスとしてはサファイヤに匹敵し得るほどに明るく、軸合わせが不要で、昇温が少ないため偏光層や１／２波長膜などの劣化を防止して、高輝度のカラー画像を長時間安定に表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の偏光ビームスプリッターの構造を示す図である。
【図２】 実施例の偏光ビームスプリッターを用いたカラー液晶プロジェクタの構造を示す図である。
【図３】 実施例の偏光板の断面図である。
【符号の説明】
１ 光源（メタルハライドランプ）
２ ＵＶ／ＩＲカットフィルタ
３ インテグレーターレンズ
４ 偏光ビームスプリッター
４１ 接合部
４２ 貼付部
５ 色分解用ダイクロイックミラー
６ ミラー
７Ｒ 赤用入射側偏光板
７Ｇ 緑用入射側偏光板
７Ｂ 青用入射側偏光板
８ ＴＦＴ液晶セル
９Ｒ 赤用出射側偏光板
９Ｇ 緑用出射側偏光板
９Ｂ 青用出射側偏光板
１０ １／２波長膜
１１ 色合成用ダイクロイックミラー付きクロスプリズム
１２ 投射レンズ
１３ スクリーン
２０ 偏光板
２２ マグネシアセラミックス硝材
２３ 反射防止コート層
２４ 偏光フィルム
【産業上の利用分野】
本発明は、カラー液晶プロジェクターに用いるマグネシア製の光学素子に関し、特にマグネシア製の偏光ビームスプリッターや偏光板、位相差板等に関する。この発明はまた、このような光学素子の製造方法や、それを配したカラー液晶プロジェクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラー液晶プロジェクターでは、その液晶画像形成部に偏光板を使用する為に光が吸収され、また１〜６インチの小面積の画像を数１０〜数１００インチ程度まで拡大することにより、明るさが低減する。その為光源としては高輝度のものが使用されるが、プロジェクターの明るさを向上するとの要望も根強く、その結果、使用する光源強度は益々高くなってきている。
【０００３】
ところで一般に、カラー液晶プロジェクターでは、光源と液晶パネルの間に偏光ビームスプリッターが使用される。偏光ビームスプリッターは、自然光を互いに直交する偏光に分離して、片方の偏光を他方の偏光方向に回転させて明るさを向上させる、光学部品である。偏光ビームスプリッターには、通常の非晶質のガラス、例えばＢＫ−７ガラスや白板ガラス等が硝材として使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近のカラー液晶プロジェクターの高輝度化、小型・軽量化の要請により、使用する光源強度は益々強くなり、しかも光学部品が小型化されているので、耐久性と投影画像の明るさを兼ね備えた偏光ビームスプリッターや偏光板、およびカラー液晶プロジェクターが望まれている。
【０００５】
一般に偏光ビームスプリッターをカラー液晶プロジェクターで使用する場合、まず光源からの光を、インテグレーターレンズで、予め等ピッチで帯状に集光させる。このようにして焦点を結び増幅された光が、偏光ビームスプリッターの帯状パターンに交互に入り、内部で互いに直交する偏光に分離される。ここで、偏光ビームスプリッターの偏光変換効率を上げる為、偏光ビームスプリッターのパターンに交互に、しかも、そのパターンの中心に光を帯状に焦点を結び、集光させる様に光学設計がなされている。この為、偏光ビームスプリッターの面内の照度のムラや温度のムラが大きく、照度や温度の最高部分から劣化が起こる。
【０００６】
ガラスに比較して熱伝導率の高い硝材を用いることにより、この種の問題は解決される。熱伝導率の高い硝材として産業応用可能な素材としては、結晶質のサファイアやＹＡＧセラミックス等がある。しかしながら、これらの結晶は非常に硬く、複雑な加工を要する偏光ビームスプリッターの硝材には不向きである。
【０００７】
偏光板の場合、サファイヤが硝材（基板）として主に用いられているが、サファイヤでは硬度が高いために研磨が困難で、また軸性結晶（３方晶）なので、結晶軸から少しでも傾いて硝材を切り出すと、画像がぼやける。これに対して、発明者は、マグネシアは結晶が立方晶系なので透光性が高く、またセラミックスなので軸合わせに注意する必要がないことに着目した。さらに、カラー液晶プロジェクターの偏光板での熱負荷を考えると、サファイヤの熱伝導率を１とした場合、ＹＡＧセラミックスが０.５、マグネシアで２で、マグネシアの熱伝導率が高いことに着目した。なおサファイヤの熱伝導率は２３(W/mK)、ＹＡＧセラミックスで１２(W/mK)、マグネシアで５５(W/mK)，光学ガラスで７(W/mK)程度である。
【０００８】
カラー液晶プロジェクターには、Ｒ，Ｇ，Ｂの３枚の偏光板が必要であるが、青色の偏光板ではサファイヤでも熱負荷の点で限界にきており、今後の高輝度化を考慮すると、透光性が高くかつ耐久性の高い材料が必要とされている。このような事情は１／２波長板や１／４波長板などの位相差板でも同様で、透光性が高く、かつ熱伝導率が高い位相差板が必要とされる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の問題を解決するため種々検討した結果、ガラスより熱伝導率が高い上、ビッカース硬度が約４００とガラスに近い硬度を持つマグネシアを、偏光ビームスプリッターや偏光板、位相差板などの光学素子の硝材に使用することにより、硝材の表面温度を低下させ、且つ面内の温度を均一にさせることができるため長寿命で、しかも安価な光学素子が得られることを見い出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明のカラー液晶プロジェクター用の光学素子は、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の、透光性マグネシアセラミックスを硝材として用いたものである。本発明の光学素子をカラー液晶プロジェクター用の偏光ビームスプリッターに用いると、例えば１０００ANSIルーメン程度の出力のカラー液晶プロジェクターで５０００時間程度の耐久性が得られ、直線光透過率が７６％と７８％とでは、実施例で示すように耐久性に大差がある。ここで波長６００nmでの直線光透過率を４mm厚で８３％以上とすると、耐久性が更に増すので好ましく、特に好ましくは波長６００nmでの直線光透過率を４mm厚で８４％以上、最も好ましくは同じ条件で８５％以上とする。これらのことは偏光板や位相差板の場合も同様で、直線光透過率は高いほど好ましく、波長６００nmでの直線光透過率は４mm厚で少なくとも７８％以上、好ましくは８３％以上、特に好ましくは８４％以上とし、最も好ましくは８５％以上とする。サファイヤの直線光透過率の理論値は８５.４％なので、マグネシアセラミックスの透過率が８４％以上あれば、明るさの点でもサファイヤに匹敵する。マグネシアセラミックスを硝材とすると、これに、低コスト，研磨が容易，軸合わせが不要，熱伝導率が高いなどの利点が加わってくる。以下では透過率は、波長６００nmでの４mm厚での直線光透過率を意味する。
【００１１】
本発明の前記マグネシアセラミックスは、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上（好ましくは３００wtppm以上）となるように含有させる。Al2O3やSiO2はマグネシアセラミックスの直線光透過率を著しく改善し、低濃度域ではAl2O3はSiO2に比べて６倍程度効果が大きいので、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上（好ましくは３００wtppm以上）とする。なおAl2O3の不純物レベルは１０wtppm以下、SiO2の不純物レベルは３０wtppm以下である。
【００１２】
マグネシアセラミックスは、両面ラッピングや両面ポリッシングなどの研磨が容易で、カット時の軸合わせが不要であり、立方晶のためセラミックスとしては光透過率が高く、明るい画像が得られる。そして光透過率が高くかつ熱伝導率が高いため耐熱性も高く、偏光ビームスプリッターや偏光板、位相差板などの光学素子に用いると、光学素子の昇温を防止して、耐久性に富んだ素子が得られ、しかも均一な画像を投影できる（請求項２〜４）。
【００１３】
本発明の、偏光ビームスプリッターや偏光板などの光学素子の製造方法では、Al2O3又はSiO2を含有した塩基性炭酸マグネシウムを熱処理したマグネシア原料粉末とバインダーを用いて成形体を作製し、熱処理によりバインダーを除去した後に、水素雰囲気中もしくは真空中で、１２５０℃以上１５００℃以下で焼結し、さらにHIP処理（高温等方圧加圧）することにより、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の透光性マグネシアセラミックスを得て、これを硝材とする（請求項５）。
好ましくは、前記マグネシア原料粉末には、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上となるように含有させる（請求項６）。
【００１４】
また本発明は、請求項１〜４のいずれかの光学素子を用いたカラー液晶プロジェクターにある（請求項７）。より好ましくは、請求項２の偏光ビームスプリッターや、請求項３の偏光板、あるいは請求項４の位相差板を用いる。
【００１５】
【発明の実施の態様】
マグネシアは電気絶縁性、熱伝導性に優れていることから、電融マグネシアの形でシースヒータの絶縁体として用いられているが、マグネシアの融点は２８００℃と高く、電融マグネシアの製造過程でまれに大型の結晶が得られることがある程度であり、現在までのところ産業的に応用できる大型単結晶育成技術は見出されていない。
【００１６】
一方、粉体製造技術ならびにセラミックス製造技術の方法については、特開昭５０−１５３７９８や特開昭５１−４７９１１に開示されており、光学応用可能な透光性セラミックスも製造されるようになってきた。本発明で使用するマグネシアセラミックスは、透光性マグネシアセラミックスを板状にしたものである。
【００１７】
光学素子に使用するに当たって、透光性マグネシアセラミックスの直線光透過率が重要である。直線光透過率が低い場合には入射した光が散乱され、透過光量の低下や縦偏光ないし横偏光への変換効率の低下などが起こる。更にはセラミックス内部で光吸収が起こり、硝材の表面温度が上昇する。これらの理由から、透光性マグネシアセラミックスの直線光透過率は波長６００nmにおいて４mm厚で７８％以上とし、好ましくは８３％以上とし、特に好ましくは８４％以上、最も好ましくは８５％以上とする。なお理論透過率は８６％である。
【００１８】
マグネシア製光学素子で使用する位相差膜には１／２波長膜があげられ、例えばポラテクノ社製のＷＢＲ−９０ＰＣＡＲやＷＢＲ−９０ＰＣ（ＣＬ）ＡＲなどのＷＢＲ−９０シリーズ（広帯域用１／２波長膜）などがある。なお「ＷＢＲ−９０ＰＣＡＲ」等は商品名で、１／２波長膜などは１／２波長板などと呼ばれることがある。本発明のマグネシア製偏光ビームスプリッターの表面には、ＡＲ（反射防止）層を設けても良く、例えば二酸化珪素、酸化チタン等の蒸着膜やスパッタリング膜などを用い、またフッ素系物質を薄く塗布しても形成できる。
【００１９】
本発明の光学素子の大きさは所望の大きさで良く、例えば一辺または径が５〜３００mm、好ましくは２０〜２００mm程度であり、その形状は長方形、正方形、円形等、特に制限はないが、通常は長方形とする。その厚さは一般的には０.３〜１０mm程度とし、好ましくは０.５〜５mm程度とする。偏光ビームスプリッターの場合は、厚さを例えば０.５〜１０mmとし、好ましくは１〜５mm程度とする。
【００２０】
本発明の偏光ビームスプリッターにおける一つの態様は、板状の透光性マグネシアセラミックスを研磨したマグネシア基板の片面に、偏光分離膜を蒸着マルチコート加工し、所望の枚数を接着し、正確に４５度方向に切り出したものを、硝材として使用し、１／２波長膜を等ピッチで貼付したものである。このようにすることにより、マグネシア基板の熱伝導性の高さの為に、高輝度、高温度または不均一な高温度に暴露されても、温度の均一化が起こり、最高温度部分の著しい温度低下をもたらし、貼付した１／２波長膜の耐久性が向上し、硝材の接合部の黄変や剥離を防止することができる。また、単板光透過率をより向上させるために、マグネシア面または１／２波長膜のピッチ面の一方もしくは双方の面にＡＲ（反射防止）層を設けることが好ましい。
【００２１】
本発明の偏光ビームスプリッターを製造するには、例えばまず１／２波長膜などの位相差膜の遅相軸または進相軸を測定し、１つの辺を基準として所望の軸角度と大きさで、短形に切り、硝材として準備した等ピッチで整列したマグネシア基板に透明な接着（粘着）剤を塗布し、ついでこの塗布面に位相差膜を貼付すれば良い。また、位相差膜に透明な接着（粘着）剤を塗布し、ついでこの塗布面にマグネシア基板を貼付しても良い。ここで使用する接着（粘着）剤は、例えばアクリル酸エステル系のものが好ましい。この１／２波長膜の大きさは所望の大きさで良く、例えば一辺が１〜３００mm、好ましくは３〜１５０mm程度であり、その形状は長方形、正方形等、特に制限はないが、通常は長方形が好ましい。その厚さは０.１〜１mm、好ましくは０.１〜０.３mm程度がよい。
【００２２】
また、偏光ビームスプリッターに使用する硝材を製造するには、透光性マグネシアセラミックスを板状にしたものから、厚みが均一になるように、正確に表面研磨したマグネシア基板を所望の枚数用意する。この厚みは所望の厚みでよく、例えば０.３〜１０mm、好ましくは０.５〜５mm程度がよい。このマグネシア基板の片面に蒸着マルチコート加工により偏光分離膜を形成させて、所望の枚数を重ね合わせて、接着する。ここで使用する接着（粘着）剤としては、例えば紫外線硬化型接着剤や熱硬化型接着剤のいずれも使用できる。
【００２３】
この接着したものを、正確に４５度方向に切り出し、厚みが均一になるように表面研磨する。この厚みは一般的には、偏光ビームスプリッターのピッチの幅と同一にし、例えば一つのピッチが０.５〜１０mm、好ましくは１〜５mm程度がよい。このマグネシアを所望の大きさに切り出して、本発明で使用する硝材を得る。この大きさは所望の大きさで良く、例えば一辺が５〜３００mm、好ましくは２０〜２００mm程度であり、その形状は長方形、正方形等、特に制限はないが、通常は長方形が好ましい。
【００２４】
本発明のカラー液晶プロジェクターには、上記のマグネシア製偏光ビームスプリッターを用い、通常は光源と入射側偏光板の間に配置する。また反射型液晶パネルを使用した場合は、各々のシステムによって最適な位置に配置する。
【００２５】
本発明のカラー液晶プロジェクターでは、例えば光源の直後に紫外線カットフィルタ、マルチレンズを順に設け、その後に上記のマグネシア製偏光ビームスプリッターを配置する。上記マルチレンズによって、偏光ビームスプリッターのピッチの一つおきに、光は焦点を結ばれ、この部分の光束密度は極めて高く、それにより温度も高くなる。ここに本発明のマグネシア製偏光ビームスプリッターを配置すると、硝材がマグネシアである為に熱伝導率が高く、周囲へ熱を分散させて高温部の温度を下げ、偏光ビームスプリッターの１／２波長膜や接合部への負荷を減らし、耐久性を向上させることができる。
【００２６】
好ましくは、偏光板の硝材として請求項３のようにマグネシアセラミックスを用いる。ここで光入射側偏光板は、液晶プロジェクター使用中に強い光にさらされ昇温する。通常の液晶表示素子のように、液晶セルと光入射側偏光板が密着していると、光入射側偏光板の熱が液晶セルに伝達し、液晶セル内の液晶がＮＩ点（液晶相と等方相の相変化温度）を越えて、表示ができなくなってしまう。これを避けるため、好ましくは液晶セルと光入射側偏光板とを離間して配置し、冷却ファン等により空気やガスを循環させ、あるいは水冷などの液冷により液晶セルの過熱を防止する。
【００２７】
また位相差板の硝材には、請求項４のように、マグネシアセラミックスを用いることが好ましく、位相差板には１／２波長板や１／４波長板などがある。このようにすると、マグネシアセラミックスの光透過率が高く、しかも熱伝導度が高いため、明るくかつ耐久性の高い位相差板が得られる。
【００２８】
また偏光ビームスプリッターも液晶プロジェクター使用中に強い光にさらされ温度が高くなり、偏光ビームスプリッターの劣化が進み、投影画像の明るさの減少や不具合が生じてしまう。これを避けるため、偏光ビームスプリッター周辺部に、冷却ファン等により空気やガスを循環させて、偏光ビームスプリッターの過熱を防止している。また過熱防止の方法としては水冷方式も用いられる。
【００２９】
本発明のカラー液晶プロジェクターの１例をあげると、メタルハライドランプ等の光源から放射された光は、紫外線カットフィルタや偏光ビームスプリッターを通過し、ついで３つのダイクロイックミラーでＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３原色の光に分けられ、それぞれ偏光板を通過して液晶表示パネルに照射される。液晶表示パネルを通過した３原色の光は、出射側の偏光板を通過しダイクロイックプリズムにより集光された後、投射レンズにより拡大されてスクリーンに投影される。
【００３０】
【実施例】
透光性マグネシアセラミックスの調整
透光性マグネシアセラミックスの調製を次の方法で行った。原料の塩化マグネシウムの純度は９９.９９％以上である。０.４(ｍｏｌ/ｌ)の塩化マグネシウム水溶液中に、塩化アルミニウム溶液又は珪酸ナトリウム溶液等の形態で、Al元素やSi元素を添加し、これを０.４(ｍｏｌ/ｌ)の炭酸ナトリウム溶液と反応させ、正炭酸マグネシウム（MgCO3・３H2O）を得た。得られた沈殿物をろ過洗浄し、炭酸ガスによりＰＨを９.７に調製した。さらに沈殿物を３５℃で２４時間熟成させて、塩基性炭酸マグネシウム（４MgCO3・Mg(OH)2・５H2O）を得た。原料中の不純物や珪酸ナトリウム中のナトリウムなどは、濾過と洗浄の過程で失われ、塩基性炭酸マグネシウム中に残存する不純物の大部分はAl2O3又はSiO2で、これらを意図的に添加しない場合の不純物レベルは各々１０wtppm以下及び３０wtppm以下であった。
【００３１】
得られた塩基性炭酸マグネシウムを１１０℃で乾燥後、酸素雰囲気中で９００℃で１８時間熱処理して、透光性マグネシアセラミックスの原料粉末とした。この原料粉末に対して、Al2O3やSiO2の含有量を測定した。得られたマグネシア原料粉末２００gに対して、解膠剤（例えば共栄社化学製フローレンＧ−７００を６ｇ、「フローレンＧ」は商品名）、バインダーとしてメチルセルロースを４g、エタノール１２０gを加え、ナイロンポット及びナイロンボールを用いて５時間混合し、アルコールスラリーとした。このスラリーを透水性の樹脂型に流し込み、１００mm×１００mm×７mmの成形体を得た。
【００３２】
この成形体を、酸素気流中１０℃/ｈｒにて昇温し、１０００℃で２０時間脱脂を行った。焼結は、水素雰囲気又は真空中（真空度は０.１Ｐａ以下）にて１２５０℃〜１５００℃で行った後（一次焼結）、１３００℃〜１５５０℃で、高純度アルゴンガス雰囲気中１０8Ｐａ（一般的には３×１０7Ｐａ以上）の圧力にて、４時間HIP処理を行った。得られた焼結体の両面を、ダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨を行い、分光光度計にて直線光透過率を測定した。得られた透光性マグネシアセラミックスの直線光透過率(６００nmで４mm厚)と製造条件の関係を、試験例１〜９として表１に示す。透光性マグネシアの粒径は１０〜２０μｍで均一な組織構造であり、Al2O3含有量（不純物）は３wtppm、SiO2含有量（珪酸ナトリウムとして添加）は６００wtppmであった。
【００３３】
【表１】
透光性マグネシアセラミックスの焼結条件
一次焼結温度 一次焼結後の ＨＩＰ温度（℃） ＨＩＰ後の
（℃×時間） 成型体密度 (%) 直線光透過率 (%)
試験例１ １２５０×１ ９２.５ １３５０ ７５.５
試験例２ １３００×１ ９３.８ １４００ ７６.０
試験例３ １３５０×１ ９４.９ １４５０ ７８.０
試験例４ １４００×１ ９６.３ １５００ ８３.０
試験例５ １４５０×１ ９７.８ １５５０ ８４.０
試験例６ １４７５×１ ９９.０ １５５０ ８４.５
試験例７ １４７５×１ ９９.０ １６００ ８５.０
試験例８ １５００×１ ９９.１ １６００ ８５.３
試験例９ １５００×１ ９９.１ １６２５ ８５.４
【００３４】
試験例５の条件で、Al2O3含有量を３wtppmに固定し、SiO2含有量を変化させ、他は試験例５と同様にして、マグネシアセラミックスを調製した。SiO2含有量と波長６００nmでの４mm厚での直線光透過率との関係を表２に示す。
【００３５】
【表２】
SiO 2 濃度（ wtppm ） １００ ３００ ６００ ２０００
直線光透過率（％） ４５.０ ８４.０ ８４.０ ８２.０
【００３６】
試験例５の条件で、SiO2含有量を３０wtppmに固定し、Al2O3含有量を変化させ、他は試験例５と同様にして、マグネシアセラミックスを調製した。Al2O3含有量と波長６００nmでの４mm厚での直線光透過率との関係を表３に示す。
【００３７】
【表３】
Al 2 O 3 濃度（ wtppm ） １０ ５０ ２０００
直線光透過率（％） ４５.０ ８４.０ ８２.０
【００３８】
表２，表３から、直線光透過率が７８％以上のマグネシアセラミックスを得るには、Al2O3又はSiO2が必要で、低濃度域ではAl2O3はSiO2よりも効果的に光透過率を向上させ、Al2O3の効果はSiO2の効果の約６倍であることが分かる。またAl2O3含有量やSiO2含有量が５０００wtppm程度では、固溶できないAl2O3やSiO2が粒界に析出して直線光透過率を著しく低下させ、また硝材として加工するのが困難となる程度に平均粒径が増してセラミックスの強度が低下した。このためAl2O3含有量やSiO2含有量は、合計で２０００wtppm以下とする。
【００３９】
偏光ビームスプリッターの構造（実施例１）
マグネシア製偏光ビームスプリッター４の例を図１に示す。ここで、図１の接合部４１は基板と基板を接着した部分で、貼付部４２は基板に１／２波長膜を貼付する部分である。透光性マグネシアセラミックスを板状にしたものから、厚みが２.８mm（＝２√２：一つのピッチが４.０mmとなる）になるように、正確に表面研磨したマグネシア基板を所望の枚数、用意した。なお、用いた透光性マグネシアセラミックス基板（試験例７）の直線光透過率は４mm厚で８５.０％であった。このマグネシア基板の片面に、蒸着マルチコート加工により偏光分離膜を形成し、１７枚を重ね合わせ、紫外線硬化型接着剤により接着した。この接着したものを、正確に４５度方向に切り出し、厚みが４mmになるように表面研磨し、縦６８.８mm、横６６.８mmのサイズに切り出した。また、片面に粘着層を有するポリカーボネート系１／２波長膜ＷＢＲ−９０ＰＣ（ポラテクノ社製で「ＷＢＲ−９０ＰＣ」は商品名）を、その原反から、縦６８.８mm、横４.０mmの大きさに正確に切り出した。切り出した８枚の１／２波長膜の粘着剤面を上記マグネシア硝材の貼付部４２と正確にあわせて貼付し、その双方の面にＡＲ加工処理（反射防止加工処理）を施し、マグネシア製偏光ビームスプリッター４を得た。
【００４０】
偏光ビームスプリッターの構造（実施例２）
試験例７で調製したマグネシアセラミックスを用い、偏光分離膜の形成と接着後で、１／２波長膜を貼り付ける前の、縦６８.８mm、横６６.８mm、厚み４mmの透光性マグネシアセラミックス硝材の双方の面に、ＡＲ加工処理を施した。また、その片面に粘着層を有するポリカーボネート系１／２波長膜ＷＢＲ−９０ＰＣＡＲ（表面ＡＲ加工処理品、ポラテクノ社製で、「ＷＢＲ−９０ＰＣＡＲ」は商品名）をその原反から、縦６８.８mm、横４.０mmの大きさに正確に切り出した。切り出した８枚の１／２波長膜の粘着剤面を上記マグネシア硝材の貼付部４２と正確にあわせて貼付し、マグネシア製偏光ビームスプリッターを得た。他の点は、実施例1と全く同様である。
【００４１】
硝材の変更
透光性マグネシアセラミックスとして、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７６％（試験例２）、７８％（試験例３）および８４％（試験例５）のものを用いた以外は、実施例1と同様にして、３種の偏光ビームスプリッターを作製した。
【００４２】
カラー液晶プロジェクター
実施例１の方法で得られたマグネシア製偏光ビームスプリッターを使用した、カラー液晶プロジェクターを図２に示す。この例では、通常のガラス板に１／２波長膜付き偏光板を貼付したガラス板付き偏光板を入射側偏光板として、偏光板面を液晶側に配置し、サファイア基板付き偏光板は液晶セルの出射側に配置している。光源（メタルハライドランプ）１から出射された可視光線はＵＶ／ＩＲカットフィルタ２を通過し、インテグレーターレンズ３と偏光ビームスプリッター４により大部分の自然光が一定方向の偏光に効率よく変換された後、最初の色分解用ダイクロイックミラー５で赤（Ｒ）が分離され、ついで２番目の色分解用ダイクロイックミラー５で緑（Ｇ）と青（Ｂ）に分解されて３原色を得る。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの光線は、青用入射側偏光板７Ｂ、赤用入射側偏光板７Ｒ、緑用入射側偏光板７Ｇに入射され、一定方向の偏光の光線のみがＴＦＴ液晶セル８に入射する。なお６はミラーである。液晶セル８を通過した偏光は青用出射側偏光板９Ｂ、赤用出射側偏光板９Ｒ、緑用出射側偏光板９Ｇに入射する。出射側偏光板９Ｂ、９Ｒを通過した偏光は、直接合成用ダイクロイックミラー付きクロスプリズム１１へ入射し、また緑用出射側偏光板９Ｇを通過した光線は、１／２波長膜１０を通過して、色合成用ダイクロイックミラー付きクロスプリズム１１へ入射する。その後、クロスプリズム１１を通過して合成された偏光は、投射レンズ１２を介して、スクリーン１３に投影される。
【００４３】
耐久性
通常のガラスを硝材とした偏光ビームスプリッター、ならびに透光性マグネシアセラミックスを用いた４種（直線光透過率７６％，７８％，８４％，８５％）の偏光ビームスプリッターを用いて、図２に示したカラー液晶プロジェクターを作成した。各液晶プロジェクターの出力（明るさ）は、１０００ANSIルーメン程度であった。さらにこれら5台のプロジェクターを４０℃環境下で同時に５０００時間連続運転を行い、偏光ビームスプリッター４の変化を確認した。通常のガラス製偏光ビームスプリッターならびに直線光透過率が７６％のマグネシア製偏光ビームスプリッターでは、１／２波長膜に焼けが発生し、接合部も黄変した。これに対して、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の、３種のマグネシア製偏光ビームスプリッターでは、何れも変化がなかった。
【００４４】
また、同様にして１００００時間連続運転を行い、偏光ビームスプリッター４の変化を確認したところ、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％のマグネシア製偏光ビームスプリッターでは１／２波長膜に焼けが発生し、接合部も黄変した。これに対して、直線光透過率が８４％以上のマグネシア製偏光ビームスプリッターには変化がなかった。以上のように、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上のマグネシア製偏光ビームスプリッターを使用することにより、連続５０００時間運転での１／２波長膜の焼けや接合部の黄変や剥離を防止でき、直線光透過率が８４％以上のマグネシア製偏光ビームスプリッターを使用することにより、連続１００００時間運転での１／２波長膜の焼けや接合部の黄変や剥離を防止でき、明るく、高コントラストで均一性の優れた画像を長時間安定に表示できる、カラー液晶プロジェクターが得られた。
【００４５】
偏光板の調製
表１の試験例７に相当する条件で、直線光透過率（６００nmで４mm厚）８５％のマグネシアセラミックス板を調製した。Al2O3含有量（不純物レベル）は３wtppm、SiO2含有量は６００wtppmであった。このマグネシアセラミックスを縦２７mm、横３３mm、厚さ０.５mmに切り出し、両面を鏡面研磨した後に、片面をＡＲ（反射防止）加工した。次に有機系偏光フィルム（片面をＡＲ加工しても良い。その場合はＡＲ加工面を接着面としない）を、ＡＲ加工していない側のマグネシアセラミックス面に、アクリル酸エステル系接着剤で貼り付ける。
【００４６】
図３に、得られた偏光板２０の構造を示すと、２２は前記のマグネシアセラミックス硝材、２３は反射防止コート層、２４は偏光フィルムである。このようにして、青用、緑用、赤用の３種類のマグネシア偏光板を得、図２の入射側偏光板７Ｒ〜７Ｂと、出射側偏光板９Ｒ〜９Ｂの双方に用いた。なお１／２波長膜は、ダイクロイックミラー付きクロスプリズム１１側に装着した。
【００４７】
比較のために、硝材をマグネシアからＢＫ−７ガラスに変更した他は同様の偏光板（比較例１）、硝材をＹＡＧセラミックスとした他は同様の偏光板（比較例２）、硝材をサファイヤとした他は同様の偏光板（比較例３）を調製した。これらを図２の入射側や出射側の偏光板（Ｒ，Ｇ，Ｂとも）に用い、４種類のカラー液晶プロジェクターを作成した。各プロジェクターの出力（明るさ）は１０００ANSIルーメン程度であった。これらの４台のカラー液晶プロジェクターを、４０℃の環境下で１０,０００時間連続運転した後に、熱負荷の大きい青用と緑用の偏光板について、表面温度を測定した。結果を表４に示す。
【００４８】
【表４】
１０ , ０００時間使用後の偏光板表面温度
試 料 表面温度 (℃)
７Ｂ ９Ｂ ７Ｇ ９Ｇ
実施例３(マグネシヤ) ４８ ５５ ４０ ５７
比較例１（ガラス） ６５ ７６ ５６ ７８
比較例２（ＹＡＧ） ５６ ６６ ４７ ６９
比較例３（サファイヤ） ５２ ６１ ４４ ６４
【００４９】
以上のように、熱伝導率が高く、透光性が高いために発熱の少ない、マグネシア基板を用いることにより、偏光板の表面温度を低く抑えられ、均一な画像を長時間維持できる偏光板が得られた。なおマグネシアセラミックスの直線光透過率は、波長６００nmで４mm厚の条件で、少なくとも７８％以上とし、好ましくは８３％以上、特に好ましくは８４％以上、最も好ましくは８５％以上とする。マグネシアセラミックスには、直線光透過率を向上させるため、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上（好ましくは３００wtppm以上）となるように含有させる。
【００５０】
偏光板の場合と同様に、１／２波長板や１／４波長板などの位相差板の硝材にも、マグネシアセラミックスを用いることが好ましい。位相差板の場合も、硝材のマグネシアセラミックスの直線光透過率は、波長６００nmで４mm厚の条件で、少なくとも７８％以上とし、好ましくは８３％以上、特に好ましくは８４％以上、最も好ましくは８５％以上とする。また硝材のマグネシアセラミックスには、直線光透過率を向上させるため、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上となるように含有させる。
【００５１】
位相差板の製造では、マグネシアセラミックスの両面を鏡面研磨し、例えば片面に反射防止コート層を設け、他面に１／２波長膜や１／４波長膜を透明な接着剤で貼り付ける。１／２波長膜や１／４波長膜は例えばポリビニルアルコールやポリカーボネートなどの膜を１軸延伸して異方性を持たせたもので、延伸の程度や添加物などにより赤用、青用、緑用等の種類を設けて、リタデーション値を異ならせたものを用いる。そして１／２波長膜や１／４波長膜は、進相軸や遅相軸が所定の向きを向くように切断し、アクリル酸エステル系やポリビニルアルコール系等の透明接着剤で、マグネシア硝材に貼り付ける。このようにすると、硝材の直線光透過率が高く、熱伝導度が高いため、１／２波長膜や１／４波長膜などに焼けや黄変が生じず、耐久性の高い１／２波長板などが得られ、光源を明るくできるため、高輝度のカラー液晶スプリッターが得られる。また硝材が等軸性のマグネシアセラミックスなので軸合わせの必要がない。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の光学素子を用いると、明るさと耐久性のいずれもが良好で、優れた画像を長時間安定的に表示できる、カラー液晶プロジェクターが得られる。
本発明の偏光ビームスプリッターを用いると、さらに高コントラストで均一性に優れた画像を長時間安定に表示できる。
本発明の偏光板や位相差板を用いると、セラミックスとしてはサファイヤに匹敵し得るほどに明るく、軸合わせが不要で、昇温が少ないため偏光層や１／２波長膜などの劣化を防止して、高輝度のカラー画像を長時間安定に表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の偏光ビームスプリッターの構造を示す図である。
【図２】 実施例の偏光ビームスプリッターを用いたカラー液晶プロジェクタの構造を示す図である。
【図３】 実施例の偏光板の断面図である。
【符号の説明】
１ 光源（メタルハライドランプ）
２ ＵＶ／ＩＲカットフィルタ
３ インテグレーターレンズ
４ 偏光ビームスプリッター
４１ 接合部
４２ 貼付部
５ 色分解用ダイクロイックミラー
６ ミラー
７Ｒ 赤用入射側偏光板
７Ｇ 緑用入射側偏光板
７Ｂ 青用入射側偏光板
８ ＴＦＴ液晶セル
９Ｒ 赤用出射側偏光板
９Ｇ 緑用出射側偏光板
９Ｂ 青用出射側偏光板
１０ １／２波長膜
１１ 色合成用ダイクロイックミラー付きクロスプリズム
１２ 投射レンズ
１３ スクリーン
２０ 偏光板
２２ マグネシアセラミックス硝材
２３ 反射防止コート層
２４ 偏光フィルム
Claims (7)
- Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、 Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上となるように含有し、かつ波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の透光性マグネシアセラミックスを硝材とした、カラー液晶プロジェクター用の光学素子。
- 前記光学素子が偏光ビームスプリッターであることを特徴とする、請求項１の光学素子。
- 前記光学素子が偏光板であることを特徴とする、請求項１の光学素子。
- 前記光学素子が位相差板であることを特徴とする、請求項１の光学素子。
- Al2O3又はSiO2を含有する塩基性炭酸マグネシウムを熱処理したマグネシア原料粉末と、バインダーとを用いて成形体を作製し、熱処理によりバインダーを除去した後に、水素雰囲気中もしくは真空中で、１２５０℃以上１５００℃以下で焼結し、さらにHIP処理（高温等方圧加圧）することにより得た、波長６００nmでの直線光透過率が４mm厚で７８％以上の透光性マグネシアセラミックスを硝材とする、カラー液晶プロジェクター用の光学素子の製造方法。
- 前記マグネシア原料粉末には、Al2O3とSiO2を、合計含有量が２０００wtppm以下で、Al 2 O 3 濃度の６倍と SiO 2 濃度の和が２５０ wtppm 以上となるように含有させることを特徴とする、請求項５の光学素子の製造方法。
- 請求項１〜４のいずれかの光学素子を用いたカラー液晶プロジェクター。
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