(57)【要約】【課題】光源にレーザー素子を用いた映像投射装置において、熱による寿命低下を効果的に防止することができる映像投射装置を提供する。【解決手段】映像投射装置を、第一の波長を持つレーザー素子から投射される第一のビームと、第二の波長を持つレーザー素子から投射される第二のビームと、第三の波長を持つレーザー素子から投射される第三のビームからなる光源ユニットと、前記第一、第二および第三のビームを略平行光に変換するために前記第一、第二および第三のビームの光軸上に配置された光学ユニットと、前記レンズユニットからの略平行光上に配置された映像を表示するための反射型液晶と、前記反射型液晶と前記レンズユニットとの間に無機材料からなる多層膜フィルタを持つ光学素子を備えて構成する。【選択図】図２
2008203493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長を持つレーザー素子から投射される第一のビームと、
第二の波長を持つレーザー素子から投射される第二のビームと、
第三の波長を持つレーザー素子から投射される第三のビームからなる光源ユニットと、
前記第一、第二および第三のビームを略平行光に変換するために前記第一、第二および第三のビームの光軸上に配置された光学ユニットと、
前記レンズユニットからの略平行光上に配置された映像を表示するための反射型液晶と、
前記反射型液晶と前記レンズユニットとの間に無機材料からなる多層膜フィルタを備えた光学素子とを備えた映像投射装置。
【請求項２】
前記光源ユニットは、
前記第一のビームを透過し、かつ前記第二のビームを反射してその反射光が前記第一のビームの光軸に一致するように前記第一のビームの光路上に配置された第一のダイクロイックミラーと、
第一のダイクロイックミラーからの前記第一と第二のビームを透過し、かつ前記第三のビームを反射してその反射光が前記第一と第二のビームの光軸に一致するように配置された前記第二のダイクロイックミラーとを備えた請求項１記載の映像投射装置。
【請求項３】
前記光学ユニットは、
前記第一、第二および第三のビームの光軸上に、
ビームの照度を均一化するために配置されたロッドインテグレータと、
前記均一化されたビームを略平行光にするために配置されたコンデンサーレンズとを備えた請求項１記載の映像投射装置。
【請求項４】
前記多層膜フィルタは、入射光を直交する二つの偏光方向の光に分離する偏光分離機能を備えた請求項１に記載の映像投射装置。
【請求項５】
前記光学素子は、前記第一から第三の波長において、入射光のＰ偏光成分を透過し、かつＳ偏光成分を反射するような偏光分離特性を備えた請求項１に記載の映像投射装置。
【請求項６】
前記光学素子は、前記第一から第三の波長において、入射光のＰ偏光成分の透過率９５％よりも大きく、且つＳ偏光成分の透過率は０．１％で未満である偏光分離特性を備えた請求項５に記載の映像投射装置。
【請求項７】
前記光学素子は、ガラス基材上に高屈折率材料からなる高屈折薄膜と低屈折率材料からなる低屈折率材料を順に形成して得られる光学多層膜を備えた請求項１に記載の映像投射装置。
【請求項８】
前記高屈折率材料は、屈折率が１．７以上であり、前記低屈折率材料は、屈折率が１．５以下である請求項７に記載の映像投射装置。
【請求項９】
前記高屈折率材料はＮｂ2Ｏ5，ＴｉＯ2、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＣｅＯ2、ＳｎＯ2、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｌａ2Ｏ3 、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3等のいずれかを主成分とする材料、
前記低屈折率材料はＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＡｌＦ3、Ｎａ3ＡｌＦ6等のいずれかを主成分とする材料を使用する光学多層膜を備えた請求項７に記載の映像投射装置。
【請求項１０】
前記光学素子は、前記第一から第三の波長に対応した三種類のバンドストップフィルタの合成積層膜から構成された光学多層膜を備えた請求項７記載の映像投射装置。
【請求項１１】
前記光学素子は、前記第一から第三の波長にかけて屈折率の波長分散特性を有するとともに消衰係数が略ゼロに漸近する特性を持つ光学多層膜を備えた請求項１０に記載の映像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー素子を光源に用いる反射型液晶プロジェクタ装置に適するのに最適な映像投射装置であって、特に光学的多層膜を形成した光学素子を用いた映像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術を、図６に示す。図６は、反射型液晶を使った映像投射装置で、符号３１は光源であるハロゲンランプ、符号３２はＲＧＢのカラーフィルタを備えたカラーホイールであり、符号３３のモータにより高速で回転している。光源から出た光はカラーフィルタによりＲＧＢの単色光に分けられ、符号３４のレンズユニットで集光されて、符号３５の偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと表記）を通過して符号３６の反射型液晶に導かれる。反射型液晶では、図示しない映像信号発生器から出力された映像信号の輝度値に応じて動作するため、ＰＢＳから導かれた光は、偏光状態を制御して映像信号に応じた画像を発生する。すなわち、反射型液晶に入射した光の反射光は、映像信号の輝度に応じてＰ偏光とＳ偏光の割合が変化するため、反射光中に配置されたＰＢＳにより、その映像信号に応じた光画像が選択され、符号３７で示す経路を辿って投射光となる（例えば特許文献1参照）。
【０００３】
また、近年、従来のランプ光源に換えて、レーザー素子を用いたレーザー光源を用いて、投射装置の色再現性や光源寿命の向上を図る技術が公開されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−２７８０号公報
【特許文献２】特開２００３−９８４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、映像投射装置は、従来の業務用途からリアプロジェクションＴＶに代表される家庭用途に需要が広がり、その結果、映像投射装置の要である光学エンジンは、より小型なものが要求されている。そのため、光学エンジンに使われている反射型液晶は、従来の１．５インチサイズから０．７インチサイズへと小さくなっており、さらに０．５インチ以下となることが予想されている。このダウンサイジングは反射型液晶のみに留まらず、光学エンジン内のその他の素子にもあてはまる。そのため、光学エンジンへ内部を構成する各素子の単位面積あたりのエネルギー密度が益々増大している。このため、使用する素子の熱寿命が問題になってきている。
【０００５】
さらに近年では、色再現性や高輝度画像の要望に応えるため、従来のランプ光源に換えて、特許文献２に示すレーザー素子が光源として用いられて来た。このような光源では、さらにエネルギー密度が高いため、従来の技術で使用されている光学素子、例えばＰＢＳのような有機系接着剤にて個々のプリズムを張り合わせて構成している部品では、熱による有機系接着剤の劣化が激しくなる。その結果、ＰＢＳを構成しているプリズム同士がズレてしまい、初期の光学性能を満たせないため、結果として映像投射装置の寿命が低下するという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するもので、光源にレーザー素子を用いた場合においても、熱による寿命低下を効果的に防止することができる映像投射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の映像投射装置は、第一の波長を持つレーザー素子から投射される第一のビームと、第二の波長を持つレーザー素子から投射される第二のビームと、第三の波長を持つレーザー素子から投射される第三のビームからなる光源ユニットと、前記第一、第二および第三のビームを略平行光に変換するために前記第一、第二および第三のビームの光軸上に配置された光学ユニットと、前記レンズユニットからの略平行光上に配置された映像を表示するための反射型液晶と、前記反射型液晶と前記レンズユニットとの間に無機材料からなる多層膜フィルタを持つ光学素子を備えたことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように本発明の映像投射装置によれば、偏光処理にＰＢＳを用いないため、レーザー光源のような高エネルギー密度の光源を用いても、熱による光学素子の劣化が生じ難いため、映像投射装置の熱による寿命低下を効果的に防止することができる。更に、鉛フリー化も達成しており、従来のＰＢＳのように材料組成に鉛を混入させた特殊なガラスを使用しないために耐環境にも優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の投射装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図１は、従来のＰＢＳの構成を示す。図１に示すＰＢＳは、直角プリズム１の斜面に蒸着膜２を形成し、もう一方の直角プリズム３の斜面とをエポキシ系接着剤、紫外線硬化型接着剤、可視光硬化型接着剤等の有機系接着剤４で張り合わせた構成になっている。ここで、入射光５にレーザー光のように非常に明るいコヒーレントな光を放射する光源を使用した場合に、直角プリズムを張り合わせている接着剤の光吸収が増大することで接着剤が劣化してしまう。また、それに加えてレーザー光に対する接着剤の温度変化によって直角プリズムががたつき、入射光の偏角を生じ結合損失が増加してしまう。このように有機系材料を使用した場合には、信頼性の問題が生じる。
【００１１】
図２は、本発明の投射装置の基本構成を示す。光源としては、第一の波長を持つレーザー素子８（ここでは、６３０ｎｍ）と第二の波長を持つレーザー素子９（ここでは、５３０ｎｍ）と第三の波長を持つレーザー素子１０（ここでは、４３０ｎｍ）から構成されている。そして、レーザー素子８から投射される第一のビームを透過し、かつレーザー素子９から投射される第二のビームを反射してその反射光が第一のビームの光軸に一致するように第一のビームの光路上に配置された第一のダイクロイックミラー１１と第一のダイクロイックミラー１１からの第一と第二のビームを透過し、かつレーザー素子１０から投射される第三のビームを反射してその反射光が第一と第二のビームの光軸に一致するように第一と第二のビームの光路上に配置された第二のダイクロイックミラー１２によって、それぞれのレーザー素子から投射されるビームは同一光軸に構成される。
【００１２】
また、投射されたビームを略平行光にするためにロッドインテグレータ１３と、コンデンサーレンズ１４が光軸上に配置されている。略平行光になった光はＰ偏光成分とＳ偏光成分を有しているが、光軸上に光軸に対して４５度傾けて配置された無機材料からなる多層膜を持つ光学素子１５によって、Ｓ偏光成分かＰ偏光成分かによって選択的に透過または反射させる。ここでは、Ｓ偏光成分１６は反射され不要光となり、Ｐ偏光成分１７は映像を表示するための反射型液晶１８に投射される。透過されたＰ偏光成分１７は反射型液晶１８が動作時にはＰ偏光成分１７はＳ偏光成分１９に変換され、非動作時にはＰ偏光成分の状態のまま再び光学素子１５に反射される。反射されたＰ偏光成分の光は光学素子１５を透過し光源側への戻り光となる。また変換されたＳ偏光成分１９は光学素子１５によって反射され、投射レンズ２０によって、スクリーン２１に映し出される。
【００１３】
次に図３を使って多層膜を持つ光学素子１５の概要を説明する。図３は入射光４５度における光学素子１５の光学特性を示す。図中の実線はＰ偏光成分、破線はＳ偏光成分をそれぞれ示す。光学素子１５は各ビーム波長に対してＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分は透過するような光学特性を有するようなＰ／Ｓ分離特性を備えている。ここで、図４に第一の波長６３０ｎｍでの光学特性を例に詳細な説明をする。図中のレーザー光の光エネルギーはレーザーの基本波長で規格を行っている。第一の波長６３０ｎｍにおいてＳ偏光成分は反射、Ｐ偏光成分は透過していることがわかる。レーザー光源はコヒーレント性に優れており、本実施で使用しているレーザー光源の半値波長としては±０．５ｎｍである。つまり、ここでは、６３０ｎｍでの特性に加えて、６２９．５ｎｍでもＳ偏光成分は反射、Ｐ偏光成分は透過、かつ６３０．５ｎｍでもＳ偏光成分は反射、Ｐ偏光成分は透過を示す光学特性を示す必要がある。第二の波長５３０ｎｍ、第三の波長４３０ｎｍについても同様である。そして、光学素子１５の光学特性はこれらの波長すべてで特性が成立しなければいけない。更に、ＴｐをＰ偏光成分の透過率、ＴｓをＳ偏光成分の透過率とした場合、コントラスト比（Ｔｐ／Ｔｓ）を１０００：１以上の実現をするために、各レーザー波長に対して、Ｔｐ＞９５％、Ｔｓ＜０．１％の条件が必要である。
【００１４】
本実施の形態では、光学素子１５の膜構成として各三波長のレーザーに対応したバンドストップフィルタの設計を行った。図５に各波長に対するバンドパスフィルタの光学特性を示す。図５（ａ）に第一の波長用のバンドストップフィルタ、図５（ｂ）に第二の波長用のバンドストップフィルタ、図５（ｃ）に第三の波長用のバンドストップフィルタを示す。このように各バンドパスフィルタを構成した後に、それぞれの合成積層膜を構成し、所望特性になるように最適化を施した構成となっている。
【００１５】
第一の波長用のバンドストップフィルタとしては、可視光４００〜７００ｎｍで透明であるガラス基材（ここではＢＫ−７）上に、低屈折率材料であるＳｉＯ2と高屈折率材料であるＮｂ2Ｏ5の積層膜を基材側から数えて５９層で形成した。表１に各層の膜厚の詳細を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
設計波長λ１は５６７ｎｍ、入射光４５度とし、それぞれの光学膜厚を示している。
【００１８】
同様に表２に設計波長λ２は５１５ｎｍ、入射光４５度の条件で第二の波長用のバンドパスフィルタ、表３に設計波長λ３は４００ｎｍ、入射光４５度の条件で第三の波長用のバンドパスフィルタの各層の光学膜厚の詳細を示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
【表３】
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【００２１】
このように各ビーム波長に対して所望の光学特性を示す多層膜フィルタをそれぞれ設計し、それらの合成積層膜を基本構成とし、所望特性を満たすように最適化を行っている。ここで材料にＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5を用いているが、第一から第三のビーム波長範囲において屈折率の波長分散特性を有し、かつ消衰係数が略ゼロに漸近する特性を有する材料で高屈折率材料として屈折率が１．７以上、低屈折率材料として屈折率が１．５以下であれば良い。一例として高屈折率材料には、ＴｉＯ2、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＣｅＯ2、ＳｎＯ2、Ａｌ2 Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3等のいずれかを主成分とする材料を、またや低屈折率材料には、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＡｌＦ3、Ｎａ3ＡｌＦ6等のいずれかを主成分とする材料を用いることができる。また、本実施の形態では２種類の材料の積層膜で構成したが、２種類以上の材料を使った積層膜でも良い。
【００２２】
多層膜の作製として、シンクロン社製のラジカルアシストスパッタ装置を使って行った。ラジカルアシストスパッタ装置は、スパッタリング法を用いているが、通常の反応性スパッタと違う点は、通常同じ領域にあるスパッタ工程と反応工程を空間的・電気的に分離し、独立に制御できるようになっており、高速レート成膜が可能である。また、この方式ではスパッタ付着粒子の運動エネルギーが非常に高いため、緻密な微細構造を持ち、吸収係数の小さい膜を作製するのに適している。
【００２３】
成膜としては、カルーセルといわれるドラム状の基板ホルダーに基板を格納し、成膜チャンバー内の回転機構によって、成膜室内を高速回転し、成膜室内の側面に備えられているターゲットによって、スパッタ成膜が行われ、その後、成膜領域以外に配置されているラジカル源によって酸化膜が形成される。そして、これらの繰り返しによって多層膜が形成される。
【００２４】
ここでは、ターゲットして、金属ターゲットであるＳｉとＮｂを使用した。また、スパッタガスとしてはアルゴン、ラジカルガスとしては酸素を用いて行った。カルーセルはφ９６０ｍｍ、基板ホルダーとしては正２４角形筒の多角形筒でサイズはＷ：２５０ｍｍ×Ｈ：５５０ｍｍ、基板はＷ：１００ｍｍ×Ｈ：１００ｍｍが縦方向に３枚格納されているものを用いて、スパッタ成膜時の回転速度としては１００ｒｐｍで行った。実際に積層したＳｉＯ2、ならびにＮｂ2Ｏ5は無機材料であり、かつ吸収係数も０．０００５以下とレーザー光に対する光劣化も心配ない。
【００２５】
以上のように本発明の映像投射装置によれば、レーザー光源のような高エネルギー密度の光源を用いても、無機材料からなる多層膜を持つ光学素子を偏光子として用いることで、レーザー光による光吸収の劣化が生じ難いため、映像投射装置の熱による寿命低下効果的に防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明にかかる映像投射装置は、レーザー光源による高エネルギー密度の光束による熱的劣化を効果的に防止でき、リアプロジェクション装置あるいはフロントプロジェクション装置・ポケットプロジェクター装置等に用いる映像投射装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の従来のＰＢＳの構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における投射装置の基本構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における光学素子の光学特性を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における光学素子の第一の波長に対する光学特性を示す図
【図５】本発明の実施の形態１における光学素子の構成を示す図
【図６】従来の投射装置の基本構成を示す図
【符号の説明】
【００２８】
１、３  直角プリズム
２  蒸着膜
４  有機系接着剤
５  入射光
８、９、１０  レーザー素子
１１、１２  ダイクロイックミラー
１３  ロッドインテグレータ
１４  コンデンサーレンズ
１５  光学素子
１６、１９  Ｓ偏光成分
１７  Ｐ偏光成分
１８、３６  反射型液晶
２０  投射レンズ
２１  スクリーン
３１  ハロゲンランプ
３２  カラーホイール
３３  モータ
３４  レンズユニット
３５  ＰＢＳ
３７  投射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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