JP4596746B2

JP4596746B2 - 光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置

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Publication number: JP4596746B2
Application number: JP2003112422A
Authority: JP
Inventors: 邦夫黒部; 規高田; 鉄二鈴木; 政彦秋山
Original assignee: Fujifilm Corp; Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp; Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP2004317828A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイクロイック膜を有する色分解／合成プリズムや偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタ等の多層膜を有する光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置に関し、詳しくは、多層膜が形成された透光性光学部材と、他の透光性光学部材とを接合剤を用いて接合してなる光学素子、この光学素子を用いた光学系、および投映プロジェクタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばカラー用液晶投映プロジェクタ装置等の照明光学系において、光源光を３色に色分解したり、各色ライトバルブからの変調光を合成するためにダイクロイック多層膜が施された色分解／色合成プリズムが用いられている。また、このような光学系、特に、ライトバルブとして反射型液晶素子等を用いる場合には、このライトバルブへの入射光束と出射光束を分離するために偏光分離膜が施された偏光ビームスプリッタが用いられることがある。
【０００３】
このような色分解／色合成プリズムや偏光ビームスプリッタは、上述したような多層膜が形成されたガラスプリズム部材と他のガラスプリズム部材とを、この多層膜を内側として接着することにより形成されている。
このような多層膜は、可視光波長域全域に亘る良好な分光透過特性および分光反射特性を維持することが要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したカラー用液晶プロジェクタ装置等の照明にはメタルハライドランプ、キセノンランプ、タングステンハロゲンランプ、超高圧水銀ランプ等が使用され、光源照明光学系・色分離合成光学系においては、このようなプリズムが強い光源光を照射され続けられる。中でも、超高圧水銀ランプは高輝度点光源、長寿命という特長から多用されるようになってきているが、特に３５０〜４３０ｎｍの波長域を含む高出力（例えば、1.5ＫＷ以上）の照射光であるため、上記ガラスプリズム同士を接合する接合剤の構成物質が有機化学反応をおこし、酸化物からなる多層膜の構成物質を還元する。このような状態となると、多層膜が光を吸収するようになることから光透過率や光反射率が低下し、さらに分光反射特性が不正なリップルを有するようになる。このような現象は、上記多層膜の最上層がTiO₂層である場合には特に顕著であり、その対策が急務とされていた。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、２つの透光性光学部材を、該多層膜を挟むようにし接合剤を用いて接合してなる光学素子において、該接合剤の構成物質と該多層膜の構成物質中の酸素とが結合するのを抑制して、該光学素子の光透過率および光反射率の低下を防止し得るとともに分光反射特性に不正なリップルが発生するのを防止し得る光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子は、多層膜が形成された第１の透光性光学部材と、該第１の透光性光学部材と対向配置された第２の透光性光学部材とを、前記多層膜を挟むように接合剤を用いて接合してなる光学素子であって、
前記多層膜と前記接合剤との間に、前記接合剤の構成物質と前記多層膜の構成物質中の酸素が互いに結合するのを防止する、ランタンアルミネートから構成されてなるバリア層を設けたことを特徴とするものである。
また、前記ランタンアルミネートは、La _2x Al _2y O _3(x+y) （ただし、y/x＝3.0または3.3））、あるいは、La _2x Al _2y O _3(x+y) （ただし、y/x＝1.0）とすることが好ましい。
【０００８】
また、前記多層膜がTiO₂層を少なくとも前記バリア層と接する最上層に設けてなる場合に特に有用である。
【０００９】
また、前記接合剤がエポキシ系、アクリル系およびポリエステル系の中から選択される接着剤である場合に特に有用である。
【００１０】
また、上記光学素子は、前記多層膜がダイクロイック膜とされた色分解／合成プリズム、または前記多層膜が偏光分離膜とされた偏光ビームスプリッタ等からなる。
【００１１】
ここで色分解／合成プリズムは、色分解プリズムと色合成プリズムのいずれかとして機能する場合であってもよいし、これら両者として機能する場合であってもよい。
【００１２】
また、本発明の光学系は、上記いずれかの光学素子が配設されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の投映プロジェクタ装置は、上記いずれかの光学素子を搭載してなることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る光学素子、光学系および投映プロジェクタについて、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図２は、本実施形態に係る光学素子が配設された光学系および投映プロジェクタ装置を示す概略図である。なお、この場合において、本発明の光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置は、各々、偏光ビームスプリッタ、照明光学系、および反射型液晶投映プロジェクタ装置からなる。また、偏光分離膜およびバリア層は偏光ビームスプリッタの偏光分離面に配されているが、詳しくは後述する。
【００１６】
図２において、無偏光白色光として光源１０３から出力された照明光は、偏光板１０４により所定のＳ偏光に揃えられ、偏光ビームスプリッタ５に入射する。ここで、光源１０３には、光の有効利用を図るためのリフレクタが設けられている。また、この光源１０３としては、一般に超高圧水銀ランプが用いられるが、その他メタルハライドランプ、キセノンランプ、タングステンハロゲンランプ等の使用が可能である。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ５に入射した照明光はＳ偏光とされているので偏光分離面５Ａにおいて反射され、この偏光ビームスプリッタ５と接合している色分解合成プリズム１に入射する。なお、本実施形態においては偏光分離面５Ａの構成がポイントとなるので、この部分の詳細については後述する。
【００１８】
上記色分解合成プリズム１は、３つのプリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃを組み合わせてなる。すなわち、光軸に沿って偏光ビームスプリッタ５側から順に第１のプリズム１Ａ、第２のプリズム１Ｂおよび第３のプリズム１Ｃが配列され、第１のプリズム１Ａと第２のプリズム１Ｂは緑色光のみを反射する第１のダイクロイック層１０１Ｄを介して接合され、さらに第２のプリズム１Ｂと第３のプリズム１Ｃとは赤色光を反射し、青色光を透過する第２のダイクロイック層１０１Ｅを介して接合されている。これにより、第１のプリズム１Ａからこの色分解合成プリズム１に入射した光束はＧ、Ｂ、Ｒ３原色光に分解され、さらに、各色光毎に対応するプリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光入出射端面１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃから射出されるとともに、各色光に対応する反射型液晶表示パネル２、３、４上に照射され、これらの液晶表示パネル２、３、４上に形成された各色光の被写体像情報を担持した状態で、対応する各プリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光入出射端面１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに再入射せしめられる。
【００１９】
なお、反射型液晶表示パネル２、３、４においては、Ｓ偏光として入射した各色光をＰ偏光に変換して出力するため、各プリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光入出射端面１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに再入射した各色光はＰ偏光とされている。
【００２０】
この後、各色光の被写体像が映出された反射型液晶表示パネル２、３、４により被写体像情報を担持せしめられた各色光は各反射型液晶表示パネル２、３、４への入射光路を戻るように導かれ、上記色分解合成プリズム１によって色合成される。
【００２１】
さらに、上記色分解合成プリズム１によって色合成された光束は、上述したようにＰ偏光に変換されているので、偏光ビームスプリッタ５の偏光分離面５Ａを直進し、投映レンズ６によりスクリーン上に所望のカラー被写体像が拡大投射される。
【００２２】
ところで、上述した偏光ビームスプリッタ５は、第１のプリズム１０５Ａと第２のプリズム１０５Ｂが偏光分離面５Ａにおいて接合されており、前述したように、光源１０３側から入射したＳ偏光を色分解合成プリズム１側に反射し、色分解合成プリズム１側から入射したＰ偏光をスクリーン側に透過させる機能を有する。
【００２３】
このような機能は、偏光分離面５Ａに設けられた図１に示す如き偏光分離膜（以下ＰＢＳ膜と称する）２１によって付与される。すなわち、この偏光ビームスプリッタ５は、第１のプリズム１０５Ａ上に、多層膜からなるＰＢＳ膜２１とバリア層２３をこの順に形成し、接合剤２５を用いて第２のプリズム１０５Ｂと接着してなるものである。なお、本実施形態においては、第１のプリズム１０５Ａ上にＰＢＳ膜２１とバリア層２３を形成しているが、これに替えて、ＰＢＳ膜２１とバリア層２３を第２のプリズム１０５Ｂ上に形成するようにしてもかまわない。
【００２４】
ここで、上記ＰＢＳ膜２１は、SiO₂層２１ＡとTiO₂層２１Ｂを交互に積層した、例えば数十層からなるいわゆるハイブリッド多層膜であり、第１プリズム１０５Ａ側の第１層、およびバリア層２３と接する最上層はいずれもTiO₂層２１Ｂとなるように、例えば共蒸着法等の周知の成膜方法により形成されている。もっとも、このＰＢＳ膜２１は、種々の層構成とすることができ、例えば、上部に位置する各層はSiO₂層２１ＡとTiO₂層２１Ｂの交互層とし、一方、それよりも下部に位置する各層はLa_2xAl_2yO_3(x+y)層２１ＣとTiO₂層２１Ｂの交互層とするような構成とすることもできる。
【００２５】
また、バリア層２３はAl₂O₃（アルミナ）またはLa_2xAl_2yO_3(x+y)（（ランタンアルミネート）；商品名：Substance M2（登録商標）、Substance M3（登録商標）、メルク社製）から構成されている。これらのバリア層構成材料は緻密な六方晶系または立方晶系の構造をなし、これにより接合剤２５の構成物質とＰＢＳ膜２１の構成物質中の酸素とが結合するのを阻止する。
【００２６】
ただし、バリア層２３の構成物質としては、その他の緻密な膜を構成しうるものであってもよく、例えば上記ランタンアルミネートを構成するＬａに替えて、Ｐｒ（プラセオジム）等のその他のランタン系材料を用いることが可能と考えられる。屈折率ｎは、例えば１．６０〜１．８３（使用基準波長６３２．８ｎｍ）の範囲とされている。また、バリア層２５の厚みは、例えば５０〜３００ｎｍ程度（物理的膜厚）が好ましい。
【００２７】
また、上記接合剤としては、例えば、エポキシ系、アクリル系およびポリエステル系のいずれかから選択される接着剤が用いられる。ただし、その他の接合剤を用いることも勿論可能である。
【００２８】
ところで、このような偏光ビームスプリッタ５は、投映プロジェクタ装置の照明光学系に用いられており、スクリーン上に明るい画像を映出するために、光源１０３から大きなパワーをもって出力された光束が長時間に亘って照射され続けることになる。これにより、この偏光ビームスプリッタ５が高温となり、50°Ｃ以下の温度においては生じなかった、接合剤２５の構成物質による、ＰＢＳ膜２１中の還元作用による影響が顕著となる。
【００２９】
すなわち、上記高照度照明（特に、３５０〜４３０ｎｍ）により接合剤２５の構成物質が有機化学反応をおこし、高分子の連鎖が次々と切断され、この構成物質が上記ＰＢＳ膜２１中の構成物質の酸素を奪う還元作用をおこす。これにより、ＰＢＳ膜２１が光吸収をおこし光透過率や光反射率が低下し、さらに分光反射特性が不正なリップルを有するようになる。特に，上記ＰＢＳ膜２１の最上層がTiO₂層２１Ｂである場合には、接合剤２５の構成物質により、容易にTiO₂が還元され、黒化されるため、上述したような問題が顕著となる。
【００３０】
そこで本実施形態においては、図１に示すように接合剤２５とＰＢＳ膜２１の間にバリア層２３を介在させることにより、偏光ビームスプリッタ５が高温となり、接合剤２５の構成物質の連鎖が次々と切断された状態となっても、ＰＢＳ膜２１中の構成物質の酸素の移動をバリア層２３で阻止することによって、接合剤２５の構成物質とＰＢＳ膜２１中の構成物質の酸素とが結合するのを防止するようにしている。
【００３１】
これにより、偏光ビームスプリッタ５を、投映プロジェクタ装置の照明光学系に用いた場合にも、ＰＢＳ膜２１中の構成物質が還元されることにより光透過率や光反射率が低下し、さらに分光反射特性が不正なリップルを有する、というような事態を防止し得る。
【００３２】
なお、本発明の光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、本発明の光学素子における多層膜の種類は特に限定されるものではなく、上述したＰＢＳ膜５Ａの他、図２に示す色分解合成プリズム１の各プリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃ間に設けられたダイクロイック多層膜１０１Ｄ、１０１Ｅや、その他の反射防止多層膜等の場合にも本発明が適用され得ることは勿論である。
【００３３】
また、透光性光学部材としては、偏光状態を良好に維持するために光弾性係数が低いものであり、かつ光吸収率が低いものであることが好ましい。具体的にはPbOやNb₂O₅を多く含有するものであることが好ましい。
【００３４】
このような場合において、上記プリズム基材１０５ＡとＰＢＳ膜２１等の多層膜との間にも、上述したランタンアルミネート等から構成されたバリア層を設けることが可能である。なお、前述した例において、ＰＢＳ膜２１の一部を、La_2xAl_2yO_3(x+y)層とTiO₂層の交互層とし、La_2xAl_2yO_3(x+y)層をプリズム基材１０５Ａ側の第１層とすれば、これによってバリア層としての機能を付加し得る。
【００３５】
これにより、プリズム基材に含有されているPb分子等の、多層膜中の構成物質の還元作用が阻止され、このPb分子等とダイクロイック多層膜１０１Ｄ、１０１Ｅを構成しているTiO₂中のTi分子との反応が回避され、TiO₂の黒化現象によるダイクロイック多層膜１０１Ｄ、１０１Ｅの光吸収率の上昇を阻止することができる。
【００３６】
なお、バリア層を用いた光学素子として特開2000−275402号公報に記載された技術が知られているが、この技術は、基材と反射防止多層膜の界面付近で生じる反応を阻止するため、これら基材と反射防止多層膜との間に、MgF₂またはSiO₂からなるバリア層を介在させたものであり、その目的および構成が本願発明のものとは相違する。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例を用いてさらに詳細に説明する。ここで、図３に示す構成に係る実施例と、図４に示す構成に係る比較例について、図５（Ａ）に示す如くして測定した分光透過特性および図５（Ｂ）に示す如くして測定した膜面入射分光反射特性を得た。
【００３８】
(実施例)
本実施例に係る光学素子は、図３に示すように、第１のガラス基板１０５Ｃ（第１のプリズム１０５Ａに相当する）上に、バリア層２３Ａ、多層膜からなるＰＢＳ膜２１、バリア層２３Ｂをこの順に形成し、接合剤２５を用いて第２のガラス基板１０５Ｄ（第２のプリズム１０５Ｂに相当する）と接着してなるものである。
【００３９】
ここで、上記ＰＢＳ膜２１は、TiO₂層２１ＢとLa_2xAl_2yO_3(x+y)層２１Ｃの交互層上に、SiO₂層２１ＡとTiO₂層２１Ｂの交互層を積層した、５３層からなる多層膜であり、第１のガラス基板１０５Ｃ側のバリア層２３Ａと接する第１層、および第２のガラス基板１０５Ｄ側のバリア層２３Ｂと接する最上層はいずれもTiO₂層２１Ｂとなるように、共蒸着法により形成した。
【００４０】
また、バリア層２３ＢはAl₂O₃（屈折率は、約１．６２５（使用基準波長632.8nm））によって形成し、バリア層２３ＡはLa_2xAl_2yO_3(x+y)（屈折率は、約１．８２（使用基準波長632.8nm））によって形成した。また、各バリア層２３Ａ、Ｂの膜厚は、物理的膜厚が約１１０ｎｍ（光学的膜厚が約１８０ｎｍ）となるように設定した。
また、上記接合剤としては、例えば、エポキシ系、アクリル系およびポリエステル系のいずれかから選択される接着剤を採用した。
【００４１】
このようにして形成された実施例に係る光学素子は、照明光の長時間に亘る照射によっても、膜面入射分光反射特性および分光透過特性が、図６（Ａ）および図７（Ａ）に示すように、ほとんど変化していない。また、照明光照射による不正なリップルも発生していない。
【００４２】
(比較例)
本比較例は、図４に示すように、第１のガラス基板１０５Ｃ（第１のプリズム１０５Ａに相当する）上に、バリア層２３Ａ、多層膜からなるＰＢＳ膜２１をこの順に形成し、接合剤２５を用いて第２のガラス基板１０５Ｄ（第２のプリズム１０５Ｂに相当する）と接着してなるものである。本実施例における特徴的な構成である、第２のガラス基板１０５Ｄ側のバリア層２３Ｂは設けられていない。
【００４３】
ここで、上記ＰＢＳ膜２１は、上記実施例と同様の構成とされた多層膜であり、第１のガラス基板１０５Ｃ側のバリア層２３Ａと接する第１層、および第２のガラス基板１０５Ｄ側の最上層はいずれもTiO₂層２１Ｂとなるように、共蒸着法により形成した。
また、第１のガラス基板１０５Ｃ側のバリア層２３Ａ、上記接合剤２５の組成は上記実施例と同様に形成されている。
【００４４】
このようにして形成された比較例に係る光学素子は、照明光の長時間に亘る照射によって、分光透過特性は若干の変化にとどまる（図７（Ｂ）参照）。しかしながら、膜面入射分光反射特性は、図６（Ｂ）に示すように、この照明光の長時間照射によって、大幅に低下する。このことは、接合剤２５の構成物質（還元物質）が、照明光の長時間照射によりＰＢＳ膜２１のTiO₂層２１Ｂ中から酸素を奪い、TiO₂を還元したために、黒化現象が生じ、ＰＢＳ膜２１の反射率低下をきたしたものと考えられる。
【００４５】
しかも図６（Ｂ）に示すように、照明光の照射時間に応じて、特に可視域長波長側に不正なリップルが目立つようになり、投映プロジェクタ装置のスクリーン上の映出画像に色ムラを生ぜしめる原因となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置によれば、多層膜が形成された第１の透光性光学部材と、該第１の透光性光学部材と対向配置された第２の透光性光学部材とを、該多層膜を挟むようにし接合剤を用いて接合し、この接合剤と多層膜との間にバリア層を介在させるようにしており、光学素子が高温となり、接合剤中の有機物質が還元機能を有する状態となっても、この有機物質と多層膜の構成物質の酸素が結合するのを、上記バリア層によって阻止するようにしている。
【００４７】
これにより、この光学素子を、投映プロジェクタ装置の照明光学系に用いた場合にも、光透過率や光反射率が低下し、さらに分光反射特性が不正なリップルを有する、というような事態を防止し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子のプリズム境界面に形成された多層膜およびバリア層の層構成を模式的に説明する断面図
【図２】本発明の実施形態に係る光学素子が配設された光学系および投映プロジェクタ装置を示す概略平面図
【図３】本発明の実施例に係る光学素子の層構成を示す模式図
【図４】本発明の比較例に係る光学素子の層構成を示す模式図
【図５】実施例および比較例の分光透過特性を測定する際の光束の進行方向を示す概略図（Ａ）、ならびに実施例および比較例の膜面入射分光反射特性を測定する際の光束の進行方向を示す概略図（Ｂ）
【図６】本実施例に係るバリア層付サンプルの膜面入射分光反射特性を示すグラフ（Ａ）、および比較例に係るバリア層無しサンプルの膜面入射分光反射特性を示すグラフ（Ｂ）
【図７】本実施例に係るバリア層付サンプルの分光透過特性を示すグラフ（Ａ）、および比較例に係るバリア層無しサンプルの分光透過特性を示すグラフ（Ｂ）
【符号の説明】
１色分解合成プリズム
１Ａ第１のプリズム
１Ｂ第２のプリズム
１Ｃ第３のプリズム
２、３、４液晶表示パネル
５偏光ビームスプリッタ
５Ａ偏光分離面
６投映レンズ
２１偏光分離膜（ＰＢＳ膜）
２１Ａ SiO₂層
２１Ｂ TiO₂層
２１Ｃ La_2xAl_2yO_3(x+y)層
２３、２３Ａ、２３Ｂバリア層
２５接合剤
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ光入出射端面
１０１Ｄ第１のダイクロイック層
１０１Ｅ第２のダイクロイック層
１０３光源
１０４偏光板
１０５Ａ第１のプリズム
１０５Ｂ第２のプリズム
１０５Ｃ第１のガラス基板
１０５Ｄ第２のガラス基板

Claims

多層膜が形成された第１の透光性光学部材、および該第１の透光性光学部材と対向配置された第２の透光性光学部材を、前記多層膜を挟むように接合剤を用いて接合してなる光学素子において、
前記多層膜と前記接合剤との間に、前記接合剤の構成物質と前記多層膜の構成物質中の酸素が互いに結合するのを防止する、ランタンアルミネートから構成されてなるバリア層を設けたことを特徴とする光学素子。
前記ランタンアルミネートが、La _2x Al _2y O _3(x+y) （ただし、y/x＝3.0または3.3））であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記ランタンアルミネートが、La _2x Al _2y O _3(x+y) （ただし、y/x＝1.0）であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記多層膜が、TiO₂層を少なくとも前記バリア層と接する最上層に設けてなることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の光学素子。
前記接合剤がエポキシ系、アクリル系およびポリエステル系の中から選択される接着剤であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の光学素子。
請求項１から５のうちいずれか１項記載の光学素子が配設されていることを特徴とする光学系。
請求項１から５のうちいずれか１項記載の光学素子が搭載されていることを特徴とする投映プロジェクタ装置。