JP7101244B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本開示は、筐体内に、光源と、光源から入射する光の強度、色、位相、偏光または方向を制御する光学部品とを備える、光学装置に関する。

プロジェクタやヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置、白色ＬＥＤ照明や車両用前照灯などの光照射装置などの光学装置には、蛍光板、波長板、偏光板、液晶パネルなどの光学部品が使用されている。これらの光学部品は、外光、光源光などによって加熱される場合があり、光学部品の損傷防止、性能低下を防ぐために、放熱部品が使用される。

放熱部品の中でも、サファイアは、可視光の透過率、強度、剛性などの優れた特性に加えて、高い熱伝導率により放熱性に優れている。そのため、サファイアは光学部品の部材、または光学部品用の放熱部材として用いられている（例えば、特許文献１）。

特開２００５－３１３７３３号公報

本開示の光学装置は、内部に、光源と、サファイア板からなり、光源からの光が透過する入射面と出射面とを有する支持基板を含む光学部品と、入射面または出射面に配置された機能部とを備えた筐体と；筐体外に設けられ、機能部を冷却するための金属からなる放熱部とを備え、放熱部は、変形、伸縮、または回動可能である。

本開示の一実施形態であるヘッドアップディスプレイを示す概略図である。 本開示の他の実施形態であるヘッドアップディスプレイを示す概略図である。 本開示の他の実施形態であるヘッドアップディスプレイを示す概略図である。 本開示の他の実施形態であるヘッドアップディスプレイを示す概略図である。 サファイア板表面の電子顕微鏡写真であり、テラス構造層の写真である。

本開示の光学装置について、車載用ヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と記載する。）を例として、図を参照しながら説明する。図１は、ＨＵＤ装置２０の一実施形態、図２～４はＨＵＤ装置２０の他の実施形態を示す概略図である。

ＨＵＤ装置２０は、筐体１と、筐体１内に配置された、光源２および画像形成部３と、偏光子４およびサファイア板からなる支持基板５を備える偏光板Ａとを備える。本実施形態において、偏光板Ａが光学部品、偏光子４が機能部である。偏光子以外の機能部としては、例えば蛍光体、波長フィルタ、液晶、鏡、反射防止膜などがある。
筐体１の外に、偏光子４を冷却するための金属（例えば、銀、銅、アルミニウムまたはそれらの合金等）からなる放熱部８を備える。放熱部８は、変形、伸縮、または回動可能である。これにより、放熱部８の冷却される位置を所望の位置に移動させることができ、放熱性能が向上し、偏光子４へのダメージを抑制することができる。

ＨＵＤ装置２０は、偏光板Ａを放熱するための筐体１内の放熱部８とは別に、光源２を放熱するための金属からなる第２の放熱部１８を筐体１に備えている。光源２用の第２の放熱部１８と、偏光板Ａを放熱するための放熱部８を別体とすることで、放熱性能が高くなる。

図１、４は、放熱部８を伸縮可能に取り付けた実施形態を示す。図２は、放熱部８を変形可能に取り付けた実施形態を示す。図３は、放熱部８を接続部７との接続箇所を支点に回動可能に取り付けた実施形態を示す。
ここで、放熱部８を伸縮可能とするためには、放熱部８を、蛇腹状や、ハチの巣状、コイル状、管状部材に別の部材を摺動可能に挿入した形状などにするとよい。また、放熱部８を変形可能とするためには、放熱部８を、薄板状、蛇腹状、コイル状などにするとよい。また、放熱部８の材質は、金、銀、銅、アルミニウムなどの比較的変形しやすい金属を用いるとよい。

画像形成部３は、光源２から入射した光（光源光）から、画像を含む光（画像光）を形成し、出射する。偏光子４は、画像形成部３からの画像光を偏光する機能を有する。支持基板５は、サファイア板からなり、光源光を含む画像光が入射する入射面と出射する出射面とを有し、可視光からなる画像光を透過させる透光性を有する。

偏光子４と放熱部８とは、支持基板５の、入射面または出射面に配置されたメタライズ層６、および金属からなる接続部７によって接続される。

偏光子４は、画像光（光源光）またはＨＵＤ装置２０の外から入射した太陽光などの外光によって加熱されることがある。特に、ヘッドアップディスプレイ、車両用前照灯など、屋外で使用される光学装置では、筐体１内に入射した外光が拡光調整部材１３（レンズ等）（図４参照）、鏡１１等によって集光されて光学部品Ａが高熱になる場合がある。光源２および偏光板Ａは、防塵、防水上の要請から、密閉された筐体１内に収納されることが多く、偏光板Ａの放熱が課題となる。本実施形態のＨＵＤ装置２０は、支持基板５、放熱部８を備えているため、偏光子４へのダメージを抑制することができる。

支持基板５の材質は、サファイア（酸化アルミニウムの単結晶のこと）が好適である。サファイアは熱伝導率が高い（熱伝導率の値が大きい）。例えば、ガラスが０．５～１．０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率であるのに対し、サファイアは、４２Ｗ／ｍ・Ｋと高い熱伝導率を有する。さらに、サファイアは、機械的強度と剛性が高く、可視光の透過率が８０％以上と大きい。波長が４００～８００ｎｍの範囲の光が、いわゆる可視光である。

支持基板５は偏光子４よりも光源２側に配置してもよいし、出射側に配置してもよい。支持基板５は、偏光子４よりも面積が大きい。支持基板５は、例えば、１辺が２０ｍｍ～１５０ｍｍ、厚みが０．２ｍｍ～１０ｍｍの矩形板状である。

メタライズ層６は、支持基板５から熱伝導によって熱を奪い、接続部７を介して放熱部に熱を伝達する。メタライズ層６は金属を主成分とし、ガラス成分を含む。銀および銀合金は金属の中でも熱伝導性が高いので好適である。メタライズ層６は、支持基板５との界面付近に存在するガラス成分により、支持基板５と強固に固着される。ガラス成分を含むメタライズ層６は、金属単体と比べて剛性が高い。そのため、メタライズ層６は偏光板Ａの熱変形を低減できる。ガラスは、例えば、酸化ケイ素を主成分とするガラスである。メタライズ層６の厚みは、例えば１０μｍ～２００μｍである。放熱部８と、接続部７の材質は銀、銅、またはアルミニウム、およびそれらの合金が好適である。

メタライズ層６は、支持基板５の入射面と出射面のどちらの面に形成してもよい。メタライズ層６と接続部７とは、ろう付けまたは、はんだ付けによって接続するとよい。

以下、偏光板Ａの製造方法について説明する。

まず、支持基板５となるサファイア板を準備する。サファイア板は多結晶アルミナを原材料として育成されたサファイアインゴットを切断、加工して形成される。サファイアインゴットの育成方法に特に制限はなく、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ－ｄｅｆｉｎｅｄ ｆｉｌｍ－ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ）法、ＣＺ（チョクラルスキー法）、カイロポーラス法などで育成したサファイアインゴットを使用することができる。

サファイア板は、ラッピング装置により、両主面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以下となるように加工する。ラッピングは、例えば、鋳鉄製の定盤と平均粒径２５μｍのダイヤモンド砥粒を用いて自重モードで行えばよい。

本明細書における算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２０１３）に準拠する値である。算術平均粗さＲａは、例えばキーエンス社製レーザ顕微鏡装置ＶＫ－９５１０を用いて測定することができる。測定条件は、例えば、測定モードをカラー超深度、測定倍率を１０００倍、測定ピッチを０．０２μｍ、カットオフフィルタλｓを２．５μｍ、カットオフフィルタλｃを０．０８ｍｍ、測定長さを１００μｍ～５００μｍとするとよい。

ラッピング後に、サファイア板の表面および内部の残留応力と結晶欠陥の低減、光の透過率の向上、または、後述するテラス構造層２３を形成するための熱処理を行ってもよい。

続いて、コロイダルシリカを用いたＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行い、サファイア板の両主面を算術平均粗さＲａが５０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下となるように鏡面研磨加工することで、支持基板５を作製することができる。

支持基板５のいずれかの主面の所望の領域に、偏光子４となる金属または樹脂を蒸着などの方法で形成する。

さらに、支持基板５の光路外の領域に、金属を主成分とするメタライズ層６を形成する。メタライズ層６は、金属粉末とガラス粉末とを含む組成物を塗布、焼成して形成するとよい。メタライズ層６は、入射面、出射面、入射面と出射面を接続する側面のいずれに形成してもよい。入射面または出射面は、側面と比べて表面の処理が容易なので、メタライズ層６を形成しやすい。入射面または出射面は、側面と比べて面積が大きいので、放熱の効果も得られやすい。メタライズ層６は、支持基板５の同一主面に形成してもよいし、反対の面に形成してもよいし、両方の面に形成してもよい。

メタライズ層６の焼成温度は、通常６００℃以上であるが、低温焼成用金属ペーストを用いて、２００～３００℃の低温で焼成してもよい。低温により焼成すれば、メタライズ層６の厚みを大きくしても、焼成時の熱応力による支持基板５の変形を小さくすることができる。メタライズ層６は、金属粉末を含む金属ペーストの塗布、焼成を繰り返して形成してもよい。

偏光子４とメタライズ層６とはどちらを先に形成してもよい。支持基板５のメタライズ層６を形成する主面に段差面（段差上面と段差下面）を形成し、段差下面にメタライズ層６を形成してから、段差上面に偏光子４を形成してもよい。これにより、メタライズ層６の形成後に偏光子４の形成面である段差上面を研磨することができる。そのため、機能部である偏光子４の形成面を清浄にすることが容易になり、偏光板Ａの性能が向上する。

図１においては、鏡１１と、出射窓１２とを有する例を示しており、光源２からの出射光（光源光）を含む画像光の出射光路（光軸）Ｌを図中において一転鎖線の矢印で示している。

このＨＵＤ装置２０が搭載された車両が、太陽光に曝される環境におかれ、出射窓１２から光軸Ｌの逆の向きに太陽光が入ってきた場合、太陽光は鏡１１で反射されて、偏光板Ａに到達し、偏光子４が加熱される。太陽光とは、太陽光そのものでなくとも、車両の窓を通過した太陽光なども含まれる。

図４のように、ＨＵＤ装置２０は、偏光板Ａと鏡１１との間に光の拡がりを調整する拡光調整部材１３を備えていてもよい。偏光板Ａと鏡１１との間に拡光調整部材１３を備えているときには、拡光調整部材１３により画像光を拡大することができる。同じ大きさの画像とするためであれば、各部材が小さくて済むため、ＨＵＤ装置２０の小型化を図ることができる。拡光調整部材１３としては、例えば、凸レンズを用いることができる。

鏡１１は凹面鏡１１であってもよい。凹面鏡１１は、鏡１１と拡光調整部材１３との両方の機能を有している。そのため、ＨＵＤ装置２０の部材点数を少なくすることができる。

偏光板Ａは、偏光子４と支持基板５との間に偏光子４を形成するための他の基板を有していてもよい。偏光子４と支持基板５が当接していると、両者間の熱の伝達は固体間の熱伝導によって行われる。そのため、放熱性が向上し、偏光子４を冷却する効果が多くなり、熱による偏光子４の損傷を抑制することができる。図１の例では、支持基板５が、偏光子４に当接している。支持基板５の表面に偏光子４が直接、形成されていてもよく、あるいは熱伝導性接着層を介して両者が接着されていてもよい。

ＨＵＤ装置２０は、放熱部８が気流により冷却されるような機構を有していてもよい。気流による冷却は、放熱部８を空冷するためにファンなどの送風体を用いてもよく、また、車両などの移動体の移動に伴って生じる気流を利用してもよい。冷却効果を向上させるため、放熱部８に冷却フィンを設けてもよい。

ＨＵＤ装置２０は、図４のように、画像形成部３の出射側の偏光子４に加えて、光源２と画像形成部３との間に配置された入射側偏光子１４を有していてもよい。入射側偏光子１４を有するＨＵＤ装置２０は、入射側偏光子１４を放熱するための支持基板１５と、メタライズ層１６と、金属からなる接続部１７とを有して、放熱部８と接続されるとよい。ＨＵＤ装置２０は、画像形成部３を放熱するための支持基板（不図示）と、メタライズ層（不図示）と、金属からなる接続部（不図示）とを有して放熱部８と接続されていてもよい。

サファイアには異方性があることから、支持基板５として用いるサファイアの結晶方位と光路や偏光子４との関係は様々な組合せがあり得る。

サファイアの異方性と光学特性との関係について説明する。サファイアは、光学特性の面では、ｃ軸に対して傾いた方向に進行する光に対しては複屈折性（透過した光が２つの光線に分けられること）を有している。一方、ｃ軸に平行な方向の光に対しては複屈折性を有さない。そのため、サファイアからなる支持基板５のｃ面を偏光子４に対向するようにする（入射面と出射面とをサファイアのｃ面にする）と、支持基板５を偏光子４よりも出射側に配置した場合でも、画像形成部３から偏光子４を透過した画像光が支持基板５のｃ面に入射する。そのため、画像の歪みや滲みを抑制できる。なお、支持基板５と表示部との間の距離が２ｍ以下のように短い場合には、サファイアのａ面やｍ面、ｒ面などを偏光子４と対向するように配置してもよい。
サファイアは、熱伝導率にも異方性があり、ｃ軸に平行な方向の熱伝導率が高い。したがって、偏光子４が配置される主面がｃ面とほぼ平行な支持基板５を用いると、基板の厚み方向とサファイアのｃ軸方向とがほぼ一致するため、基板の厚み方向の放熱性能が向上する。また、主面がｃ面とほぼ垂直な支持基板５を用い、接続部７を、発熱部である偏光子４に対し、ほぼｃ軸方向（ｃ軸とななす角が１５°以下の方向）に配置すると、接続部７および放熱部８への放熱性能が向上する。ここで、ｃ面（ｃ軸）とほぼ平行とは、ｃ面（ｃ軸）とのなす角が１５°以下であることをいう。ｃ面（ｃ軸）とほぼ垂直とは、ｃ面（ｃ軸）とのなす角が７５°以上であることをいう。

さらに、矩形状のサファイアを特定の条件で熱処理すると、結晶方位に応じて、図５に示すように、表面に凹凸が生じる。テラス面２１は平面状に広がる面であり、サイド面２２は一のテラス面のエッジラインに当接し、他のテラス面２１に垂直に延びる面である。このテラス面２１とサイド面２２からなるテラス構造層２３は、凹凸形状を有していることから、凹凸がない場合に比べ表面積は大きくなっている。このテラス構造層２３におけるテラス面２１は、１μｍ四方以上の面積を備えており、テラス面２１の幅は１～１０μｍ程度である。また、サイド面２２の高さは、３，０００倍程度の電子顕微鏡による観察で少なくともテラス面２１とサイド面２２の境にあるエッジが知覚できる程度の高さを備えている。

図５はテラス構造層２３を例示する３，０００倍の倍率の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

サファイアは元々高い熱伝導率を有し、テラス構造層２３を有する部分では、空気との熱交換が活発に行われる。すなわち、このテラス構造層２３を有する部分は、高い放熱の効果を有する。このようなテラス構造層２３を表面の少なくとも一部に複数備えた支持基板５を用いると放熱効果がさらに向上する。

熱処理の具体的な条件としては、サファイア板５を１８００℃以上、２０００℃以下の温度で５時間以上保持した後、６時間以上の降温時間で室温まで冷却する。熱処理工程は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中、または真空中で行う。これにより、サファイアの表面および内部において、原子、結晶欠陥の再配列が進行し、加工工程において表面および内部に形成された、マイクロクラックや結晶欠陥や内部応力が低減し、光の透過率が向上し、強度も向上する。

テラス構造層２３は、サファイアのｍ面には形成されにくく、ａ面とｃ面には形成されやすい。矩形状の支持基板５を用いる場合には、サファイアのｍ軸が、垂直に交わらない面に、テラス構造層２３が生成しやすい。特に、サファイアのｃ軸またはａ軸が表面と垂直に交わるようにすると、テラス構造層２３が生成しやすい。表面にテラス構造層２３を広い面積で有する支持基板５を用いると表面積が増加し、テラス構造層２３を有さない支持基板５よりも放熱性が高くなる。

支持基板５の入射面と出射面を、サファイアのｍ軸と垂直に交わるようにすると、熱処理後に支持基板５の側面にテラス構造層２３が形成されやすい。特に、側面がａ軸またはｍ軸と垂直に交わるようにすると、テラス構造層２３が生成しやすい。

支持基板５の入射面と出射面を熱処理後に研磨加工してもよい。

このように、本開示の光学装置は、光学部品に掛かる熱の放熱性能に優れている。そのため、光学部品の損傷が少なく、性能低下が少ないため、長期間にわたる使用が可能である。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の範囲内で、各種の改良および改善を行なってもよい。例えば、本開示の光学装置は、車載用のＨＵＤ装置２０に限定されず、各種の画像表示装置、白色ＬＥＤ照明や車載用前照灯などの照明装置などに適用できる。偏光板Ａ（光学部品）は図示を含めた上記に限定されず、波長板、蛍光板、液晶パネル（本実施形態における画像形成部３）などの各種光学部品に適用できる。

１ ：筐体
２ ：光源
３ ：画像形成部（液晶パネル）
Ａ ：偏光板（光学部品）
４ ：偏光子（機能部）
５、１５：支持基板（サファイア板）
６、１６：メタライズ層
７、１７：接続部
８ ：放熱部
１１：鏡
１２：出射窓
１３：拡光調整部材
１４：入射側偏光子
１８：第２の放熱部
２０：光学装置（ＨＵＤ装置）
２１：テラス面
２２：サイド面
２３：テラス構造層

Claims (13)

1. 筐体の内部に、
   光源と、
   サファイア板からなり前記光源からの光が透過する入射面と出射面とを有する支持基板および前記入射面または前記出射面に配置された機能部を含む光学部品とを備え、
   前記筐体外に設けられ、前記機能部を冷却するための金属からなる放熱部と、
   前記光学部品と前記放熱部とを接続する接続部とを備え、
   前記放熱部は、前記接続部を介して伝達された熱を放熱し、
   前記放熱部は、変形、伸縮、または回動可能である、光学装置。
2. 前記光学部品が、偏光板、波長板、蛍光板、または、液晶パネルである、請求項１に記載の光学装置。
3. 屋外用の光学装置である、請求項１または２に記載の光学装置。
4. 画像表示装置、または照明装置である、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記放熱部に気流を供給する機構を備える、請求項１～４のいずれかに記載の光学装置。
6. 前記放熱部は、銀、銅、アルミニウム、または、それらの合金からなる、請求項１～５のいずれかに記載の光学装置。
7. 前記筐体外に、前記放熱部とは別に、前記光源を冷却するための第２の放熱部を備える、請求項１～６のいずれかに記載の光学装置。
8. 前記出射面と前記入射面とがサファイアのｃ面である、請求項１～７のいずれかに記載の光学装置。
9. 前記接続部が、前記機能部に対し、ほぼサファイアのｃ軸方向に配置されている、請求項１～８のいずれかに記載の光学装置。
10. 前記支持基板の前記出射面および前記入射面がサファイアのｍ面、前記支持基板の側面の一方がａ面、前記支持基板の側面の他方がｃ面である、請求項１～７のいずれかに記載の光学装置。
11. 前記支持基板の前記入射面と前記出射面とを接続する側面の少なくとも一部に、テラス面と、前記テラス面のエッジラインに当接するサイド面とを有するテラス構造層が複数位置している、請求項１～１０のいずれかに記載の光学装置。
12. 前記テラス面の幅が１．０μｍ～５．０μｍである、請求項１１に記載の光学装置。
13. メタライズ層をさらに備え、
    前記メタライズ層は、前記光学部品と前記接続部との間に位置している請求項１～１２のいずれかに記載の光学装置。

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