WO2005040911A1 - 耐熱性リフレクター及びそれを搭載した光学装置 - Google Patents

耐熱性リフレクター及びそれを搭載した光学装置 Download PDF

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WO2005040911A1
WO2005040911A1 PCT/JP2004/015409 JP2004015409W WO2005040911A1 WO 2005040911 A1 WO2005040911 A1 WO 2005040911A1 JP 2004015409 W JP2004015409 W JP 2004015409W WO 2005040911 A1 WO2005040911 A1 WO 2005040911A1
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reflective film
heat
reflector
film
substrate
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PCT/JP2004/015409
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Inventor
Masazumi Nakashima
Sumihiko Kurita
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Koransha
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0816—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers
    • G02B5/0825—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only
    • G02B5/0833—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers the reflecting layers comprising dielectric materials only comprising inorganic materials only

Definitions

  • the present invention relates to a reflector constituting a light source and an optical device equipped with the same.
  • a projector which is one of the optical devices, is a device for enlarging and projecting an image, and since it can directly connect and project an image produced by a computer or the like with a projector, it has been developed as a presentation tool for meetings. Was. Recently, it is becoming popular as a home optical device such as a rear projection TV or home theater. These optical devices require a light source.
  • the light source is composed of a lamp and a reflector that efficiently reflects the light from the lamp.
  • a dielectric alternately laminated thin film hereinafter referred to as a reflection film
  • the reflector 1 is composed of a concave (tea bowl) -shaped substrate and a reflection film formed on the concave inner surface of the substrate.
  • Patent Document 1 describes a heat countermeasure that uses a translucent silica sintered body as a base material to control the heat ray transmission of the base material.
  • Patent Document 2 also discloses that ceramics with excellent heat resistance Although the use of a base material is described, in this case, the reflection film is peeled off due to the difference in thermal expansion characteristics between the ceramic base material and the reflection film.
  • the shape is limited to a shape in which radiation fins are integrally provided on the outer surface of the material.
  • Heat from the lamp is transmitted to the reflective film and the substrate.
  • the direction of improving the heat resistance or heat dissipation of the base material is being aimed at, and the heat resistance of the reflection film itself has not been improved at all.
  • no measures are taken against the heat of the reflector due to the downsizing of the light source and the increase in the output, especially the heat deterioration of the reflective film.
  • Patent Document 1 JP 2001-160303
  • Patent Document 2 JP-A-11-273432
  • the problem to be solved by the present invention is a countermeasure against heat of a reflector that constitutes a light source of an optical device such as a projector.
  • a reflector that constitutes a light source of an optical device such as a projector.
  • An object of the present invention is to provide a practical reflector which does not cause deterioration of the reflection characteristics of the reflection film and an optical device equipped with the reflector.
  • the present invention provides a heat-resistant inorganic base material having a concave surface, and a reflective film comprising a dielectric alternately laminated film coated on the concave surface, wherein the reflective film Has a pull resistance of 0.02 kgf or more.
  • the inorganic base material is a heat-resistant glass
  • the heat-resistant glass is a sintered silica glass.
  • the reflective film is composed of a laminated film of TiO and SiO or a laminated film of TaO and SiO.
  • the present inventor accidentally discovered that, while developing a reflector having excellent heat resistance, the harder the reflection film, the higher the heat resistance of the reflection film. Even if the reflective film has the same material composition and the same number of layers, a reflective film that does not scratch when the reflective film surface is linearly pulled with a force of 0.02 kgf or more is considered to be practical in the past.
  • the heat resistance of the reflective film is much higher than that of 450-500 ° C.
  • the reflective film formed on the concave inner surface of the reflector base material selectively reflects only visible light wavelengths of about 400 nm to 700 nm out of the light generated by the lamp power, and transmits infrared light and ultraviolet light. It is good to design.
  • Such selective reflection characteristics of light can be realized by alternately laminating two types of dielectric thin films (hereinafter, referred to as single-layer films) having different refractive indexes. In this case, the light reflection efficiency increases as the difference in refractive index between the two types of single-layer films used increases. In other words, if the difference in refractive index is large, light can be efficiently reflected even if the number of laminated single-layer films is small.
  • the difference in refractive index is small, the intended reflection efficiency is obtained. Therefore, a large number of stacked layers are required, and as a result, the thickness of the entire reflective film is increased. This means that the time required to form the reflective film is prolonged, which increases the production cost and is inferior in economical efficiency.
  • the refractive index of a single-layer film is one important factor that determines the number of stacked reflective films and, consequently, the total thickness of the reflective film, and the refractive index strongly depends on the components of the dielectric used. .
  • a reflective film is formed using TiO and SiO as dielectric components,
  • the number is about 24 layers to 40 layers, and the thickness of the whole film is about 1.-2. It is enough.
  • the total thickness of the film is approximately 1.5 m to 2.8 / z m when the number of layers is 30 and the number of layers is 60. If the thickness of the film is unnecessarily large, it is not only economically disadvantageous, but also it becomes difficult to secure uniformity of the film in production, and the reflection efficiency may decrease. As described above, in the present invention, the components, the number of layers, and the total thickness of the dielectric alternately laminated film constituting the reflection film may be appropriately selected so as to satisfy the required reflection efficiency.
  • the reflective film is coated on the concave inner surface of the base material along its shape.
  • the concave inner surface of the substrate is designed to collect the light of the lamp or reflect it with parallel light.
  • the concave inner surface is designed to have a spheroidal surface with an optical axis cross-sectional shape, and in the case of parallel light, it is designed to be a paraboloid of revolution.
  • the lamp is located at the focal point of the ellipsoid or paraboloid, and the light emitted from the lamp is reflected by the concave inner surface of the base material covered with the reflective film, and then various lenses, optical filters, liquid crystal panels, DMDs (digital Through the optical element of the micromirror device) and is finally projected as an enlarged image. Therefore, when the shape of the concave inner surface of the base material that covers the reflective film is not manufactured according to the design value, a problem such as a decrease in the brightness of the projected image occurs. High shape accuracy is required.
  • the substrate used in the present invention basically any heat-resistant inorganic substrate produced so as to satisfy the above-described shape accuracy of the concave inner surface can be used.
  • a metal material such as nickel and nickel alloys, alumina, mullite (Mullite), Cody light (Cordierit e), silicon nitride, aluminum nitride, dense ceramic material such as silicon carbide, Pyrex (Pyrex : A borosilicate glass material represented by a registered trademark of Corning Glass Co. of the United States of America, or ⁇ -Spodmene as a basic crystal structure.
  • ⁇ is a crystal phase having 13 eucryptite ( ⁇ -Ecryptite).
  • Glass ceramics is called crystallized glass), or glass such as silica (SiO 2) glass
  • the method of manufacturing the base material is not particularly limited, and may be selected in consideration of the characteristics and economy of the material used.
  • a method of cold pressing a material is preferred.
  • a method of directly pressing a glass melt is preferred.
  • the crystallized glass substrate it is preferable that the glass after press molding is further heat-treated to precipitate a crystal phase. Since the force glass itself is capable of direct press molding in principle, the melting point of the force material itself is high, so that it is molded into a predetermined shape with powder in the same way as a ceramic substrate and then sintered. It is preferable to apply a powder sintering method. As the molding means in the powder sintering method, all ordinary molding means can be applied.
  • slip casting, dry pressing, An injection method, a self-curing method, or the like can be used.
  • the point when using such a forming means is to sufficiently promote densification during sintering and to sufficiently increase the density of the formed body so as to minimize shrinkage during sintering. If the density of the molded body is low, the densification does not proceed sufficiently and the substrate becomes porous, or fine pores are present especially on the concave inner surface of the substrate, and the surface condition of the substrate This is because it becomes a defect of the reflection film that transfers the image as it is.
  • the shrinkage during sintering is large, the deviation of the ideal shape force of the designed concave inner surface of the base material becomes large, and this is a force that impairs the reflection function as a reflector.
  • the water absorption which is an index of the fineness, may be approximately 2% or less, preferably 1% or less. If the molding density (the filling ratio of the powder particles constituting the molded body) is 60% by volume or more, preferably 70% by volume or more, and more preferably 74% by volume or more, the state of the dense concave inner surface is practically possible. A sintered silica glass or a sintered ceramic substrate having excellent shape accuracy can be manufactured.
  • the reflective film needs to have smoothness so as to efficiently reflect the light of the lamp. If there is no lubricity, even if dielectrics are alternately laminated, light from the lamp will be irregularly reflected, and will not function as a reflective film.
  • the reflective film is coated by faithfully transferring the surface state of the substrate. That is, the smoothness of the reflective film is governed by the surface roughness of the concave surface of the base material used. Therefore, the concave inner surface of the base material covering the reflective film needs to be smoothed to the mirror level.
  • mirror surface refers to a center line surface roughness Ra (Arithmetical mean deviation) not more than 0.05 / zm in JIS (Japanese Industrial Standards) B0601.
  • the specularity of the concave inner surface of the above-mentioned metathermal inorganic base material can be realized in different forms depending on the method of manufacturing each base material.
  • a convex mold surface corresponding to the concave inner surface of the base material is preferably formed with a mirror surface and pressed. Press molding in this manner can provide a metal or glass substrate having excellent smoothness by transferring the mirror surface of the mold.
  • the material surface corresponding to the concave inner surface of the substrate is polished to a mirror surface in advance, the mirror surface after pressing can be further secured.
  • the surface is roughened by the crystal phase precipitated by the heat treatment.Therefore, the crystal grains are reduced using existing means such as heat treatment conditions and component adjustment of the base material.
  • the surface may be roughened to prevent the surface from being roughened, or may be mechanically polished so that the mirror surface is finally obtained.
  • sintered silica glass or ceramic substrate there are always irregularities derived from the powder particles constituting the compact, so that the concave inner surface of the sintered substrate is preferably mirror-polished by mechanical polishing.
  • abrasive used for mechanical polishing a slurry in which diamond, silicon carbide, ceria, or the like, which is generally used, is dispersed in water may be used.
  • the present inventors evaluated and improved the heat resistance of the reflector.
  • the heat resistance of the reflective film can be dramatically improved as compared with the conventional 400 ° C-500 ° C as the pulling resistance of the coated reflective film is harder than 0.02kgf. I discovered it by accident.
  • the pulling strength referred to here is that the tip cross section is 90 degrees, the apex has a radius of 0.05 mm, and a force is applied to the conical diamond stylus at a speed of 75 mmZ for a linear speed.
  • the heat resistance of the reflective film means that the reflective film after the test floats (hereinafter referred to as “floating”) or peels off from the base material after a thermal cycle test in which the turning on and off of the lamp in an optical device such as a projector is simulated.
  • the heat resistance test method is as follows: a substrate coated with a reflective film is directly charged into an electric furnace heated and held at a predetermined temperature, held in the electric furnace for 15 minutes, and then quickly taken out of the electric furnace glass for 30 minutes at room temperature. This is a heat cycle test in which the sample is allowed to cool down, and this operation is repeated three times.
  • floating floats
  • the heat resistance test method is as follows: a substrate coated with a reflective film is directly charged into an electric furnace heated and held at a predetermined temperature, held in the electric furnace for 15 minutes, and then quickly taken out of the electric furnace glass for 30 minutes at room temperature
  • a reflective film consisting of 32 layers of TiO and SiO alternately laminated on one surface of various base materials of 20 mm X 20 mm and 3 mm thickness polished to Ra (center line surface roughness) of 0.
  • V-hardness which does not scratch when the pulling force related to the type of substrate is 0.02 kgf or more, is high at 500 ° C, and is a reflective film even at heat-resistant temperatures. No peeling or film floating phenomenon was observed, indicating good heat resistance. On the other hand, the reflective film with a scratching force of 0.02 kgfC had defects such as film peeling and film floating.
  • a reflective film consisting of 40 layers of Ta O and SiO alternately laminated on one side of various glass substrates of 20 mm X 20 mm and 3 mm thickness polished to 0 with Ra (center line surface roughness)
  • various test pieces coated by a (beam) evaporation method were produced.
  • Table 2 shows the results of the heat resistance test at 550 ° C.
  • the heat resistance temperature of the reflective film were measured.
  • the inner surface of the concave portion of the base material before coating with the reflective film was reduced to Ra (center line surface roughness) of 0.05 m or less by mechanical polishing.
  • the heat resistance test was evaluated by visually examining changes such as peeling and whitening of the reflection film after the heat resistance test in the same manner as in Examples 1 and 2, and applying Scotch tape (registered trademark of 3M) to the reflection film.
  • the temperature at which the reflective film did not peel when the film was attached and peeled was indicated as the heat-resistant temperature.
  • the pulling test was performed using a Peeling Slipping Scratching Tester (model HEIDON — 14S) manufactured by Shinto Kagaku Co., Ltd.
  • the reason is as follows. Although it is not clear, the heat resistance of the reflective film itself is improved regardless of the substrate and the film forming method.
  • the adhesion between the inorganic base material and the reflection film is larger than the total thermal stress generated in them.
  • the adhesion between the inorganic substrate and the reflective film is larger than the total thermal stress generated in them, it has been confirmed by a heat test that the reflective film does not peel off from the inorganic substrate. If the hardness of the reflective film is 0.02 kgf or more in the proof strength, the fine particles constituting the reflective film become smaller and their density increases (that is, they become a dense amorphous state), forming the reflective film. It is thought that the number of fine particles increases and the number of contact points between the reflective film and the inorganic substrate increases, and the amorphous state is maintained even at high temperatures. It is assumed that the effect of the present invention is based on such a reason.
  • the present invention focuses on the hardness of a reflective film in order to realistically configure a reflector having excellent heat resistance and an optical device equipped with the same.
  • the pull strength according to the present invention is 0.
  • the use of a reflector with a reflective film of at least 02kgf coated on the concave inner surface of the substrate makes it possible to secure the heat resistance of the reflective film, which has never been seen before, at 500 ° C or higher even in a practical thermal cycle test.
  • it is possible to secure the heat resistance of the reflector which is a technical bottleneck in realizing miniaturization and high luminance of optical devices such as projectors.
  • the present invention is characterized in that the drawing resistance of the reflective film is set to 0.02 kgf or more.
  • As a film forming method for forming a reflective film on the surface of a base material there are a physical deposition method [PVD (Phsical Vapor Deposition)] and a chemical deposition method [CVD (Chemical Vapor Deposition)] which are vapor deposition methods.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • Optimum force No matter which deposition method is used, the energy (activity) of the vaporized atomic particles is high, and the energy of the particles is not lost when moving to the substrate surface. Basically, it is a basic requirement that the active state can be maintained, so that the reflective film deposited on the substrate surface becomes dense and has high hardness.
  • the method for gasifying the raw material (method by heating using direct current, alternating current, high frequency, etc. or the sputtering method), the amount of energy (power) input, the amount of gas phase particles, and the type of raw material (metal , Oxides, types of organic metals, crystals, etc.), the pressure of the atmosphere gas during the film formation (degree of vacuum), the amount and type of the reactive gas introduced, the presence or absence of forced ionization of the particles and the atmosphere gas, the ion concentration,
  • the temperature of the base material Method by heating using direct current, alternating current, high frequency, etc. or the sputtering method
  • the amount of energy (power) input the amount of gas phase particles
  • the type of raw material metal , Oxides, types of organic metals, crystals, etc.
  • the pressure of the atmosphere gas during the film formation degree of vacuum
  • the amount and type of the reactive gas introduced the presence or absence of forced ionization of the particles and the atmosphere gas, the ion concentration
  • a silica glass substrate which can be easily polished as compared with a ceramic substrate and has a thermal expansion up to a high temperature of almost zero is preferable. Further, in consideration of the formability and the degree of freedom in shape, a sintered silica glass substrate produced by molding a powder into a predetermined shape and sintering the same is preferable. [0026] Further, when a glass substrate is used to constitute a reflector having better heat resistance, the present invention is based on conventional techniques, such as means for improving the heat dissipation of the substrate. For this purpose, cooling radiating fins are integrally formed on the outer surface of the glass substrate, or the thickness of the substrate is reduced to reduce the apparent heat capacity of the substrate and enhance heat dissipation.
  • a glass base material provided with physical means, such as, for example, is appropriately selected and used. Reducing the thickness of the glass substrate is disadvantageous from the viewpoint of securing strength, which is effective for heat control of the reflector. Realistically, the reflector mounted on the reflector may burst. This tendency increases as the size and brightness of the lamp increase.
  • a high-pressure mercury lamp is usually used for a small high-intensity lamp, but if the lamp ruptures to the base material, the mercury enclosed in the lamp leaks out of the reflector, that is, outside the light source. Therefore, the glass substrate needs to have a strength that does not cause the lamp to burst.

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Abstract

　プロジェクター等の光学装置及び光源の小型高輝度化に伴い、実用的なリフレクターの耐熱性を確保するために、リフレクターの耐熱性無機基材の凹内面に耐熱性に優れる誘電体交互積層反射膜を被覆する。反射膜被覆手段に拘わらず、耐熱性無機基材の凹内面に被覆された上記反射膜の引っ掻き耐力が０．０２kgf以上であるとき、従来にない５００°C以上の高耐熱性に優れるリフレクターが得られ、光学装置の小型高輝度化への対応が可能となる。

Description

明 細 書
耐熱性リフレタター及びそれを搭載した光学装置
技術分野
[0001] 本発明は、光源を構成するリフレタター及びこれを搭載した光学装置に関するもので める。
背景技術
[0002] 光学装置の一つであるプロジェクタ一は画像を拡大投影する装置であり、ノ ソコン等 で作製された画像を直接プロジェクターで接続投影できるために、会議用のプレゼン テーシヨンツールとして発達してきた。最近では、リアプロジェクシヨン TVやホームシ ァターなど家庭用の光学装置として普及しつつある。これら光学装置には光源が必 要である。光源は、ランプとランプの光を効率よく反射するリフレタターから構成される 。リフレタターの凹内面には誘電体交互積層型の薄膜 (以下反射膜)が形成されてお り、ランプ力 発せられた光は分光的に制御されて反射する。
例えばプロジェクターには、年々小型軽量ィ匕及び投影画像の明るさ向上が求められ ている。投影画像の明るさを増すには、光源のランプを明るくする必要がある。ランプ には高輝度化を図るために高圧水銀ランプが採用され、またその出力も増大傾向に ある。ランプに入力されるエネルギーの大半は光と熱で消費される。つまりランプは光 と同時に熱を発生するので、ランプを明るくすることは即ち、ランプの温度上昇を伴う ことを意味し、また、小型で高輝度光源を実現可能とする時には、例えば、口径が小 さなリフレタターが使用されることになる力 この際、高温になるランプとリフレタターと の距離が近くなり、リフレタターの耐熱温度が大きな問題となる。このように、光源の熱 対策、特にランプ力 の光や熱を直接受けて厳し 、高温度環境に曝されるリフレクタ 一の熱対策が、光学装置上の重要な技術課題となっている。
リフレクタ一は、凹（お茶碗)形状をした基材と基材凹内面に形成される反射膜から 構成されている。このような構成のリフレタターの熱対策として、特許文献 1には、半 透明のシリカ焼結体を基材として用いることで、基材の熱線透過性を制御する熱対 策が記載されている。また、特許文献 2には、熱対策として耐熱性に優れるセラミック 基材を採用することが記載されているが、この場合にはセラミック基材と反射膜の熱 膨張特性の違 、から反射膜が剥離するので、基材力 の放熱性を良くするために基 材外面に放熱フィンを一体的に設けた形状に限定されている。
ランプからの熱は、反射膜と基材に伝えられる。上記二つの文献に開示されるよう に、現状は基材の耐熱性あるいは放熱性を改善する方向に向けられており、反射膜 自体の耐熱性向上は全く成されていない状況にある。つまり光源の小型化、高出力 化に伴うリフレタターの熱対策特に、反射膜の熱劣化対策は全く行われていないの が現状である。
[0003] 特許文献 1 :特開 2001— 160303
特許文献 2：特開平 11—273432
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 本発明が解決しょうとする課題は、プロジェクタ一等の光学装置の光源を構成する リフレタターの熱対策であって、特にリフレタターが高温に曝されても反射膜に剥離 や結晶化等が生じず、反射膜の反射特性が劣化しない実用的なリフレタター及びそ れを搭載した光学装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0005] カゝかる課題を解決するために、本発明は、凹面を有する耐熱性無機基材と、上記凹 面に被覆された誘電体交互積層膜からなる反射膜とを備え、上記反射膜が 0. 02kgf 以上の引つ搔き耐力を有することを特徴とするリフレタターを提供する。本発明のリフ レクターにおいては、上記無機基材は、耐熱性ガラスであることが望ましぐまた、上 記耐熱性ガラスは焼結シリカガラスであることが望ましい。典型的には、上記反射膜 は TiO及び SiOの積層膜、または Ta O及び SiOの積層膜で構成される。
2 2 2 5 2
発明の効果
[0006] 本発明による引つ搔き耐力に優れる反射膜を基材の凹内面に被覆したリフレタター を用いることで、プロジェクタ一等の光学装置及び光源の小型高輝度化に十分に対 応できる。 発明を実施するための最良の形態
[0007] 本発明者は、耐熱性に優れるリフレタターを開発している際に、反射膜が硬い程、 反射膜の耐熱性が向上することを偶然に発見した。同じ材料成分、同じ積層数の反 射膜であっても、 0. 02kgf以上の力で反射膜表面を直線的に引つ搔いた際に傷が 入らない反射膜は、従来力も実用的とされている反射膜の耐熱性 450— 500°Cに比 ベて飛躍的に高い 500°C以上の耐熱性を有すことを見出した。以下に本発明を実施 するための最良の形態を詳細に説明する。
[0008] リフレクタ一基材の凹内面に施される反射膜は、ランプ力 発せられる光のうち概ね 400nm— 700nm程度の可視光波長のみを選択的に反射し、赤外光及び紫外光を 透過するように設計すると良い。このような光の選択的な反射特性は、互いに屈折率 の異なる二種類の誘電体薄膜 (以下単層膜とする)を交互に積層することで実現でき る。この場合、光の反射効率は、用いる二種類の単層膜間の屈折率の差が大きいほ ど高くなる。つまり、屈折率の差が大きいと積層する単層膜の数が少なくても光を効 率よく反射することが可能となり、逆に屈折率の差が小さい場合は、目的とする反射 効率を得るための積層数が多く必要となり、結果として反射膜全体の厚みが厚くなる 。このことは、反射膜を作製する時間が長くなることを意味し、製造コストのアップとな り経済性に劣る。
[0009] 単層膜の屈折率は、反射膜の積層数、ひ ヽては反射膜のトータル厚みを決定する 一つの重要な因子であり、そして屈折率は用いる誘電体の成分に強く依存する。例 えば、誘電体成分として、 TiO及び SiOを用いて反射膜を構成する場合は、積層
2 2
数は概ね 24層一 40層、膜全体の厚みは概ね 1. — 2. で十分である。同 様に、 Ta O及び SiO、あるいは Bi O又は Nb Oをドープした Ta O及び SiOで
2 5 2 2 3 2 5 2 5 2 構成する反射膜の場合は、積層数 30層一 60層で膜の全厚みは概ね 1. 5 m— 2. 8 /z mで十分である。膜の厚みが必要以上に厚くなると、経済的に不利となるばかり でなぐ膜の均一性を確保することが製造上困難となり、反射効率が低下する場合が 生じる。このように本発明では、反射膜を構成する誘電体交互積層膜は、要求される 反射効率を満足する様にその成分や積層数及び全膜厚を適宜選択するとよい。
[0010] 反射膜は、基材の凹内面にその形状に沿って被覆されるが、プロジェクタ一等の光 学装置用リフレタターにおいて、基材凹内面は、ランプの光を集光あるいは平行な光 で反射するように設計される。具体的には、集光の場合は凹内面が光軸断面形状で 回転楕円面、平行光の場合は回転放物面で設計すると良い。ランプは楕円面あるい は放物面の焦点に配置され、ランプから発せられる光は、反射膜を被覆した基材凹 内面で反射し、その後、各種レンズや光フィルター及び液晶パネルや DMD (デジタ ルマイクロミラーデバイス)の光学素子を通り、最終的に拡大画像として投影される。 従って、反射膜を被覆する基材凹内面の形状が、設計値通りに作製されないときに は、投影画像の明るさが低下する等の問題が生じるので、リフレタターを構成する基 材には凹内面に高い形状精度が要求される。
[0011] 本発明で用いられる基材は、上述した凹内面の形状精度を満足するように作製さ れた耐熱無機基材であれば基本的に全て使用できる。例えば、アルミニウム、ステン レス鋼、ニッケル及びニッケル合金等の金属材料、アルミナ、ムライト (Mullite)、コー ディライト (Cordierite)、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等の緻密なセラミック 材料、パイレックス（Pyrex:米国 Corning Glass社の登録商標名）に代表されるホウケ ィ酸ガラス材料、あるいは基本結晶構造として βースポデュメン( β -Spodmene)ある ヽ は 13 ユークリプタイト（ β - Eucryptite)を持つ結晶相がガラス中に分散してなる" LAS
"系ガラスセラミックス (Li O-Al O— SiO )あるいはキータイト (Keatite)を基本構造と
2 2 3 2
する結晶相がガラス中に分散してなる" AS"系ガラスセラミックス (Al O SiO ) (以
2 3 2 下ガラスセラミックスを結晶化ガラスと呼ぶ）、あるいはシリカ（SiO )ガラス等のガラス
2
材料が適宜選択して用いられる。
[0012] 基材の製造方法は、基本的に特に限定されず、用いる材料の特性と経済性を考慮 して選択するとよい。例えば、金属基材では、素材を冷間プレスする方法が好ましぐ ガラス基材では、ガラス融体をダイレクトにプレスする方法が好ましい。結晶化ガラス 基材ではプレス成形後のガラスを、更に熱処理し、結晶相を析出させると良い。シリ 力ガラス基材は原理的にはダイレクトプレス成形が可能である力 材料自体の融点が 高いために、セラミック基材と同じように粉末で所定の形状に成形後、焼結する、所 謂、粉末焼結法を適応することが好ましい。粉末焼結法においての成形手段は、一 般的な成形手段が全て適応できる。具体的には、スリップキャスト法、乾式プレス法、 インジェクション法、自己硬化法等が利用できる。このような成形手段を用いる際のポ イントは、焼結時の緻密化を十分に促進させ、且つ焼結時の収縮を極力小さくするよ うに成形体の密度を十分に高めることにある。成形体の密度が低い場合は、緻密化 が十分に進行せず基材が多孔質になるか、あるいは、特に基材凹内面に微細な気 孔が存在するようになり、基材の表面状態をそのまま転写する反射膜の欠陥となるか らである。また、焼結時の収縮が大きいと設計される基材凹内面の理想形状力ものず れが大きくなり、リフレクタ一としての反射機能を損ねる力もである。緻密性の指標とな る吸水率は、概ね 2%以下、好ましくは 1%以下で良い。また成形密度 (成形体を構 成する粉末粒子の充填率）は 60体積％以上、好ましくは 70体積％以上、更に好まし くは 74体積％以上あれば、実用的に緻密な凹内面状態を持ち且つ形状精度に優れ る焼結シリカガラスあるいは焼結セラミック基材が製造できる。
一方、反射膜には、ランプの光を効率的に反射するように平滑性が必要となる。平 滑性が無い場合は、誘電体を交互に積層してもランプの光を乱反射し、反射膜とし ての機能を果たさなくなる。反射膜は、基材の表面状態を忠実に転写して被覆される 。つまり、反射膜の平滑性は用いる基材凹面の表面粗さが支配する。従って、反射 膜を被覆する基材の凹内面は鏡面レベルに平滑にする必要がある。ここでいう鏡面 とは、 JIS(Japanese Industrial Standards)B0601の中心線表面粗さ Ra(Arithmetical mean deviation)表示で 0. 05 /z m以下をいう。上記而熱無機基材における凹内面の 鏡面性は、それぞれの基材の製造方法で異なった形で実現できる。プレス成形では 、基材凹内面に相当する凸型の金型表面を鏡面で作製し、プレスするとよい。このよ うにしてプレス成形すると金型の鏡面を転写した平滑性に優れる金属あるいはガラス 基材が得られる。金属基材の場合は、基材の凹内面に相当する素材表面を予め鏡 面に研磨しておくとプレス後の鏡面性は更に確保できる。また、結晶化ガラス基材の 場合は、熱処理で析出する結晶相によって表面が粗面化するので、例えば、熱処理 条件及び基材を構成する成分調整等の既存の手段を用いて結晶粒を小さくして粗 面化を防止してもよいし、あるいは最終的に鏡面になるように機械研磨するとよい。焼 結シリカガラスやセラミック基材においては、成形体を構成する粉末粒子に由来する 凹凸が必ず存在するので、焼結後の基材凹内面を機械研磨で鏡面にするとよい。機 械研磨する際に用いる研磨材は、一般的に使用さているダイヤモンド、炭化珪素、セ リア (Ceria)等を水に分散させたスラリーを使用するとよい。
[0014] 以上説明したような耐熱性無機基材の凹面に誘電体交互積層膜からなる反射膜を 被覆したリフレタターの基本構成において、本発明者は、リフレタターの耐熱性の評 価と改善を行っていたところ、被覆される反射膜の引つ搔き耐力が 0. 02kgf以上と硬 い程、反射膜の耐熱性が従来の 400°C— 500°Cに比べて飛躍的に向上することを 偶然に発見した。ここでいう引つ搔き耐力とは、先端断面が 90度、頂点に 0. 05mm の Rが付!、た円錐形状のダイヤモンド製触針に力をかけて、速度 75mmZ分の速度 で直線的に反射膜を引つ搔く引つ搔き試験において、反射膜へ傷が入らないときの 印加力である。また反射膜の耐熱性とは、プロジェクタ一等の光学装置でのランプの オンオフをシユミレーシヨンした熱サイクル試験にぉ 、て、試験後の反射膜が基材か ら浮く（以下膜浮き)あるいは剥離する、このような現象が見られない試験温度を意味 する。耐熱試験方法は、所定の温度に加熱保持された電気炉中に反射膜を被覆し た基材を直接投入して 15分間電気炉内で保持後、素早く電気炉カゝら取り出し 30分 間室温で放冷する熱サイクル試験とし、この作業を 3回繰り返す条件で行うものであ る。以下実施例をあげて説明する。
[0015] 実施例 1
Ra (中心線表面粗さ）で 0. に研磨した大きさ 20mm X 20mm、厚み 3mmの 各種基材の片面に、 TiOと SiOを交互に 32層積層させた反射膜を EB (電子ビーム
2 2
)蒸着法で被覆した各種試験片を作製した。新東科学株式会社（日本)製の Peeling Slipping Scratching Tester (型式 HEIDON—14S)を用い、反射膜の引つ搔き試験を 行い、更に 500°Cで耐熱試験を行った結果を表 1に示した。尚、引つ搔き試験は、先 端断面が 90度、頂点に 0. 05mmの Rが付いた円錐形状のダイヤモンド製触針に所 定のカを印加して、速度 75mmZ分の速度で直線的に反射膜を引つ搔いた。表 1か ら明らかなように、基材の種類に関係なぐ引つ搔き力が 0. 02kgf以上で傷が入らな Vヽ硬 、反射膜は、 500°Cの高 、耐熱温度でも反射膜の剥離や膜浮き現象が観察さ れず、良好な耐熱性を示した。これに対し、引つ搔き力が 0. 02kgfC傷が入った反射 膜は膜剥離や膜浮きなどの欠陥が生じた。 [0016] 表:
Figure imgf000008_0001
[0017] 実施例 2
Ra (中心線表面粗さ）で 0. に研磨した大きさ 20mm X 20mm、厚み 3mmの 各種ガラス基材の片面に、 Ta Oと SiOを交互に 40層積層させた反射膜を EB (電 子ビーム)蒸着法で被覆した各種試験片を作製した。新東科学株式会社（日本)製 の Peeling Slipping Scratching Tester (型式 HEIDON— 14S)を用い、反射膜の引つ搔 き試験を行い、更に 550°Cで耐熱試験を行った結果を表 2に示した。尚、引つ搔き試 験は、先端断面が 90度、頂点に 0. 05mmの Rが付いた円錐形状のダイヤモンド製 触針に所定の力を印加して、速度 75mmZ分の速度で直線的に反射膜を引っ搔 、 た。表 2から明らかなように、基材ガラスの種類に関係なぐ引つ搔き力が 0. 02kgfC 傷が入らな 、硬 、反射膜は、 550°Cの高 、耐熱温度でも反射膜に剥離や膜浮き現 象が観察されず、良好な耐熱性を示した。これに対し、引つ搔き力が 0. 02kgfで傷が 入った反射膜は膜浮きの欠陥が生じた。
表 2
Figure imgf000009_0001
実施例 3
反射膜の被覆手段として ΕΒ (電子ビーム)真空蒸着法、 IBAD (イオンアシスト)真 蒸着法、イオンプレーティング法、スッパッタリング法及び CVD法を用いて、同じ凹形 状を持つ焼結シリカガラス基材凹内面に可視光のみを反射するように設計された Ti Oと SiOの交互 28積層型反射膜をそれぞれ形成したリフレタターを作製し、反射膜
2 2
の引つ搔き耐力と反射膜の耐熱温度を測定した。尚、反射膜を被覆する前の基材凹 内面は、機械研磨で Ra (中心線表面粗さ） 0. 05 m以下とした。耐熱試験の評価は 、耐熱試験後の反射膜の剥がれや白色化等の変化を実施例 1及び実施例 2と同様 に目視で評価し且つスコッチテープ (3M社の登録商標）を反射膜に貼り付けて剥が したときに反射膜が剥離しない温度を耐熱温度として表示した。尚、引つ搔き試験は 、新東科学株式会社（日本）製の Peeling Slipping Scratching Tester (型式 HEIDON — 14S)を用い、先端断面が 90度、頂点に 0. 05mmの Rが付いた円錐形状のダイヤ モンド製触針に所定の力を印力 tlして、速度 75mmZ分の速度で直線的に反射膜を 引つ搔いた。結果を表 3に示す。表 3から明らかなように、反射膜の引つ搔き耐力が 0 . 02kgf以上の場合に反射膜の耐熱性は従来の 450°C— 500°Cに比べ 500°C以上 に高くなる事を発見した。これに対し、引つ搔き力が 0. 02kgfC傷が入った反射膜は 耐熱温度が 500°Cに達しな力つた。
表 3
成膜手法 印加力 膜の傷の有無 耐熱温度
E B蒸着法 0 . 0 2 kgf あり 4 5 0 °C
0 . 0 2 kgf なし 5 0 0 °C
0 . 0 5 kgf なし 5 5 0 °C
0 . 0 7 kgf なし 6 0 0 °C
0 . 0 8 kgf なし 6 5 0 °C
I B A D蒸着法 0 . 1 5 kgf なし 7 4 0 °C
0 . 1 0 kgf なし 7 0 0 °C
0 . 0 5 kgf なし 5 5 0 °C
0 . 0 2 kgf なし 5 0 0 °C
0 . 0 2 kgf あり 4 5 0 °C
イオンプレーティ 0 . 0 2 kgf あり 4 0 0 °C
ング法 0 . 0 2 kgf なし 5 0 0 °C
0 . 0 5 kgf なし 5 5 0 °C
スッパタ リ ング法 0 . 2 5 kgf なし 7 5 0 °C
0 . 1 kgf なし 7 0 0 °C
0 . 0 5 kgf なし 6 5 0 °C
0 . 0 2 kgf なし 5 5 0 °C
0 . 0 2 kgf あり 4 5 0 °C
C V D法 0 . 0 2 kgf あり 4 5 0 °C
0 . 0 5 kgf なし 6 0 0 °C
0 . 1 5 kgf なし 7 0 0 °C
[0020] 以上実施例を挙げて本発明をより具体的に説明した力 本発明では、引つ搔き試 験で反射膜の硬さが引つ搔き耐力で 0. 02kgf以上あれば、理由は明確ではないが、 基材ゃ成膜方法に拘わらず反射膜自体の耐熱性が向上する。
[0021] 一般的に、無機基材と反射膜の密着力はそれらに発生する全熱応力より大きいこと が要求される。すなわち、無機基材と反射膜の密着力がそれらに発生する全熱応力 より大き!、場合は、耐熱試験で反射膜が無機基材から剥がれな!/、ことが確認されて いる。反射膜の硬さが引つ搔き耐力で 0. 02kgf以上の場合、反射膜を構成する微粒 子が小さくなつてその密度が高まり（つまり、緻密なアモルファス状態になり）、反射膜 を構成する微粒子の数が増カロして反射膜と無機基材の接触点の数が増え、しかも、 アモルファス状態は高温下でも維持されると考えられる。本発明の効果はこのような 理由に基づくのではないかと想像される。
[0022] 本発明は、耐熱性に優れるリフレタター及びこれを搭載した光学装置を現実的に構 成するために、反射膜の硬さに着目したものである。本発明による引つ搔き耐力が 0 . 02kgf以上を持つ反射膜を基材凹内面に被覆したリフレタターを用いると、実用的 な熱サイクル試験によっても 500°C以上と従来に見られない反射膜の耐熱性を確保 することが可能となり、プロジェクタ一等の光学装置の小型化高輝度化を実現するた めに技術ネックとなるリフレタターの耐熱性を確保できる。
[0023] 本発明はこのように反射膜の引つ搔き耐力を 0. 02kgf以上にすることに特徴がある 力 高い値の引つ搔き耐力、すなわち硬さをもつ反射膜を製造する方法は種々考え られる。基材の面上に反射膜を形成する成膜方法としては、気相成膜法である物理 的堆積法 [PVD(Phsical Vapor Deposition)]および化学的堆積法 [CVD(Chemical Vapor Deposition)]が最適である力 いずれの成膜方法を用いるにしても、気相化さ れた原子粒子の持つエネルギー (活性度）が高 ヽこと、および基材表面に移動する 際に粒子のエネルギーが損失なく高 、活性状態を維持できることが基本要件で、こ れによって基材面上に堆積する反射膜は緻密で高い硬さを持つようになる。
[0024] これらの基本要件を満たすためには、次のような諸条件を勘案する。すなわち、原 料を気相化するための方式 (直流、交流、高周波等を用いる加熱による方式やスパッ タ方式)、入力されるエネルギー (パワー）量、気相粒子の量、原料の種類 (金属、酸 化物，有機金属等の種類や結晶等)、成膜中における雰囲気ガスの圧力 (真空度)、 反応性ガスの導入量や種類、粒子や雰囲気ガスの強制イオン化の有無やイオンィ匕 濃度、基材の温度等、の諸条件を勘案する。
[0025] 耐熱性に更に優れるリフレタターを構成する場合は、本発明の引つ搔き耐力がある 反射膜を被覆することを基本として、応力の発生原因となる基材の熱膨張を小さい方 向で選択し制御するとよい。この観点から、熱膨張が大きい金属基材よりも熱膨脹が 小さなガラス基材ある 、はセラミック基材を用いることが好ま U、。セラミック基材は、 前述したように製造上反射膜を被覆する基材凹内面を研磨する必要性がある。しか もセラミック基材は材料自体が非常に硬く鏡面研磨に時間が力かるので経済性を考 慮すると、ガラス基材を用いることが現実的で好ましい。また、ガラス基材の中でもセ ラミック基材に比べ研磨が容易に可能で且つ高温までの熱膨張がほぼゼロに近いシ リカガラス基材が好ましい。更に、成形性や形状自由度を考慮すると粉末を所定の形 に成形してこれを焼結して製造される焼結シリカガラス基材が好ましい。 [0026] また、より耐熱性に優れるリフレタターを構成するためにガラス基材を用いる場合は 、本発明を基本として、これに従来の技術、例えば、基材の放熱性を向上させる手段 、具体的には、ガラス基材の外表面に冷却用の放熱フィンを一体的に形成させる、あ るいは基材の厚みを薄くして基材の見掛けの熱容量を小さくすると共に放熱性を高 めること等、物理的な手段を講じたガラス基材が適宜選択して用いられる。ガラス基 材の厚みを薄くすることは、リフレタターの熱対策には有効である力 強度の確保の 観点からは不利となる。現実的にリフレタターでは、搭載するランプが破裂する場合 がある。この傾向は、ランプの小型高輝度化が進むにつれて増大する。小型高輝度 ランプには通常、高圧水銀ランプが使用されるが、ランプの破裂によって基材まで破 壊するとランプに封入された水銀がリフレタターの外部、即ち光源外に漏洩すること になる。従って、ガラス基材にはランプの破裂に対して破壊しない強度が必要となる。
[0027] ガラス基材はそもそも材料自体の強度ゃ靭性がな!ヽために、特にガラス基材の厚 みを薄くする場合は、ランプの破裂による光源外への水銀の漏洩対策が必要となる。 水銀漏洩の対策として、ガラス基材の外表面に、例えばシリコンゴムやイミド榭脂ある いはテフロン (Du Pont de Nemours社の登録商標名）等の薄い保護膜を配設したガ ラス基材を用いることができる。保護膜を配設することで、仮にランプの破裂によって ガラス基材が割れても保護膜によってガラス基材の形状が保持され、ランプ中の水銀 が光源外へ漏洩することを防止できる。
産業上の利用可能性
[0028] 本発明による引つ搔き耐力が 0. 02kgf以上ある反射膜を基材に被覆した構成のリ フレタターを用いることにより、従来力も技術ネックとなっていたリフレタターの実用的 な高耐熱性を確保することが可能となり、プロジェクタ一等の光学装置の小型化高輝 度化を促進することが可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 凹面を有する耐熱性無機基材と、上記凹面に被覆された誘電体交互積層膜からな る反射膜とを備え、上記反射膜が 0. 02kgf以上の引つ搔き耐力を有することを特徴と するリフレタター。
[2] 上記無機基材が、耐熱性ガラスである請求項 1に記載のリフレタター。
[3] 上記耐熱性ガラスが焼結シリカガラスである請求項 1あるいは請求項 2に記載のリフ レクター。
[4] 上記焼結シリカガラスが 2%以下の吸水率をもつ請求項 3に記載のリフレタター。
[5] 上記反射膜が TiO及び SiOの積層膜からなる請求項 1に記載のリフレタター。
2 2
[6] 上記反射膜が Ta O及び SiOの積層膜からなる請求項 1に記載のリフレタター。
2 5 2
[7] 上記請求項 1から請求項 6のいずれかに記載されたリフレタターを搭載することを特 徴とした光学装置。
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