(57)【要約】【課題】現在、プリズムから出射してくる不用光の吸収消滅に使われている冷却装置は液体が封止された構造であり、部品点数が多く組み立てに時間がかかりコストの高いものとなっている。【解決手段】従来の装置で液体と封止ガラスが占有していた空間に、プリズムの一部に光透過性のある接着剤で接着された、透明性の優れた非弾性材料から形成される硬質シリコーン樹脂１２を充填し放熱体１０と合体成形することで、要求機能を満たし、コストダウンを成した。【選択図】  図４
2004361849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入出射が行われるプリズムと、
前記プリズムの一部に光透過性のある接着剤で接着された非弾性材料から形成される光学結合媒体と、
前記光学結合媒体と接合している放熱体とを備えた、光学素子の冷却装置。
【請求項２】
前記非弾性材料は、硬質シリコーン樹脂である、請求項１記載の光学素子の冷却装置。
【請求項３】
前記プリズムの一平面上に前記光学結合媒体が形成されている、請求項１記載の光学素子の冷却装置。
【請求項４】
前記光学結合媒体と前記放熱体は、その接合部に、前記プリズムの一平面と実質上平行に、複数の櫛歯状の凹凸部が形成されている、請求項３記載の光学素子の冷却装置。
【請求項５】
前記光学結合媒体側からの前記凹凸部の凸部が、光線が入射する角度と実質上同角度に傾斜を有している、請求項４記載の光学素子の冷却装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの光学素子の冷却装置と、その冷却装置の前記プリズムの他面に形成され、投影レンズ方向、又は前記光学結合媒体方向のいずれかの方向へ光を反射させるためのデジタルマイクロミラーデバイスとを備えた、ビデオプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の冷却装置およびビデオプロジェクターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、デジタルマイクロミラーデバイス（以下ＤＭＤと表記する）を画像創生素子として用いるビデオプロジェクターが、市場で数多く販売されるようになってきた。ＤＭＤは、半導体製造プロセスと同様のプロセスで製造され、シリコン基板上に一辺が数ミクロンのマイクロミラーが縦横に整列して形成されている。この一つのＤＭＤチップには、マイクロミラーが数十万〜数百万個形成されており、この一つ一つが画像創生の一画素として機能する（特許文献１参照）。
【０００３】
この一画素のマイクロミラーは、所定の軸を回動軸として、電気信号のＯＮ−ＯＦＦによってシーソー運動を行う。したがってマイクロミラーは、電気信号のＯＮの位置と、ＯＦＦの位置との２つの位置を持つことになる。
【０００４】
図１は、マイクロミラーの構成及び動作を示す図である。ＤＭＤ１に形成されたマイクロミラー２（説明上マイクロミラー２は拡大して描いている）に、左斜め下方から入射して来た光線Ｌは、マイクロミラー２がどちらに傾いているかで、反射光の方向が２方向に分かれる。電気信号がＯＮの時は位置ｍをとり、反射光はＲｍの方向に出射される。また電気信号がＯＦＦの時は位置ｎをとり、反射光はＲｎの方向に出射される。
【０００５】
図２は、ＤＭＤを用いた投写光学系を示した図である。図に示す様に、投射光学系は、直方体形状のプリズム３と、三角柱形状のプリズム４及び５を備えている。このプリズム３の一面にマイクロミラー７が設置されている。又、プリズム３のマイクロミラー７が設置されている面に対向する面方向に、投射レンズ８が設置されている。この投射レンズ８とプリズム３の間に、プリズム３の側面と側面が平行になる様に、プリズム４が設置されており、プリズム４の側面と側面が平行になる様に、プリズム５が設置されている。これら、プリズム４とプリズム５は、それらの底面である三角形状が、上下逆になる様に、ごく薄い平行な空気層６（空気層厚は約５ミクロン）を保って結合されている。又、不用光を吸収消滅させるために、プリズム冷却装置９が、マイクロミラー７とプリズム４が設置されている以外の側面に設置されている。
【０００６】
上記構成の従来のＤＭＤを用いた投射光学系の動作について以下に述べる。
【０００７】
Ａの方向から入射した光線は、プリズム４の傾斜面４ａで全反射される（プリズム４と５の間には空気層６が存在するため全反射となる）。４ａ面で反射された光線は、光路Ｌを進行しプリズム３の右側面から出射する。ガラス中から空気中に出射する際に図２に示すように屈折が起こる。右面から出射した光線はＤＭＤチップに内に在るマイクロミラー７に入射する。マイクロミラー７がｍの位置にある時は、反射光線はプリズム３，４，５の中を通過しＲｍ方向に進行する。
【０００８】
プリズム５から出射した光線は、投写レンズ８に入り、投写レンズ８前面に設置されたスクリーン（図示せず）に拡大投写される。
【０００９】
Ａ方向から入射する並行光束は、きわめてエネルギ密度の高い強力な均一光線束である。この光線束がＤＭＤチップのマイクロミラー群に入射する。個々のマイクロミラーは映像信号によって超高速で駆動され、入射光は投写光と不用光に振り分けられる。個々のマイクロミラー７（個々の画素に相当する）で反射された多数の光線群の組み合わせによって映像が形成される。
【００１０】
画像の明暗は、マイクロミラーを高速でＯＮ−ＯＦＦ駆動し、一定時間内に投写方向に駆動されている積算時間の差よって表現される。
【００１１】
一方、マイクロミラー７がｎの位置にあると、反射光線（不用光となる）はＲｎ方向に進行する。Ｒｎ方向に進行する光線は不用光であり、反射，散乱によるコントラストの低下やゴーストの発生を避けるために、出来るだけ速やかに吸収消滅させる必要がある。そのためにプリズム冷却装置９がプリズム３の上面に接合搭載されている。
【００１２】
もしプリズム冷却装置９が無い場合には、図３に示すように、Ｒ１の方向に反射された不用光はプリズム３内を進行し、プリズム３の上面３ａで全反射しプリズムの外へ出て行かない（ガラスの屈折率をＮｄ＝１．５２とすると、全反射角は４１．１４°であり、入射角がこの角度より大きいため）。
【００１３】
そうすると不用光Ｒ１の持っているエネルギの一部はプリズム３内部で熱に変化するため、プリズムの温度が極めて高くなり、プリズムどうしあるいは基台とプリズムを接着している接着剤が熱のため劣化するなど様々な面で不都合が出てくる。また上面３ａで反射した不用光Ｒ１は、各プリズム内をＲ２，Ｒ３，Ｒ４と経路をたどり、プリズム周辺に出て行き不用な光線として散乱し、投写像のコントラストを悪化させたり、ゴースト像発生の原因となったり、また光線の到達した部分の温度上昇を招くなどの深刻な不具合が発生する。
【００１４】
次に、従来のプリズム冷却装置９について説明する。図４は従来のプリズム冷却装置を示したものである。アルミなど熱伝導性の良い金属で造られたヒートシンク１０は、光の吸収がよく且つ熱の放散をよくするために艶消し黒色表面仕上げが成されている（例えば黒色アルマイト仕上げ）。１０ａは放熱効率を高めるための放熱フィンである。
【００１５】
ヒートシンク１０の底面部には、入射した光線を効率的に減衰させるために櫛歯状突起１０ｂが多数個形成されている。図５に示すように櫛歯状突起１０ｂに当った光線は、殆どがその部分で吸収されるが、わずかな反射光は図５に示すように櫛歯状突起１０ｂの間で多段反射を繰り返し最終的に熱に変換される。
【００１６】
１１は透明なシールガラスである。シールガラス１１はヒートシンク１０液密に接着されている。そして上記ヒートシンク１０とシールガラス１１とで構成される液密空間に、オプチカルカップリング液１２（以後ＯＣ液）が充填されている。１３はＯＣ液の注入栓である。図５には注入栓１３を１つしか図示していないが、実際にはＯＣ液注入用と空気抜き用の２つの注入栓が設置されている。ＯＣ液は、残留空気が無いように液密空間全体に充填される。
【００１７】
プリズム冷却器９全体が温度上昇すると、ＯＣ液も同様に温度上昇するので体積が膨張する。この体積膨張を吸収緩和する仕掛けが注入栓１３に組み込まれている。１３ａは中空軸であり、中心部には上下貫通して、ＯＣ液を注入あるいは空気を抜くための貫通孔が形成されている。そして中空軸１３ａを覆うようにゴムキャップ１３ｂが被せられている。さらにその上から封止キャップ１３ｃがねじ止めされている。ゴムキャップ１３ｂの基底部に形成されている断面が円形状しているシール部分が、封止キャップ１３ｃを螺合することで、中空軸１３ａと封止キャップ１３ｃに形成された双方の段差部に挟み込まれ液密なシールがなされる。ＯＣ液の膨張・収縮は、上記封止キャップ１３ｃの弾性によって吸収される。
【００１８】
さて図４のように組み立てられたプリズム冷却器９を、プリズム３の上に透明度の高い接着剤で接合する。接着層での反射を少なくするため、接着剤の屈折率は出来るだけプリズムの屈折率に近いものを用いる必要がある（屈折率Ｎｄ＝１．４８前後）。
【００１９】
図２に示すようにプリズム冷却器９が接合搭載されると、不要光Ｒｎはプリズム上面３ａで全反射することなく、接着層→シールガラス１１→ＯＣ液１２を透過しヒートシンク１０に形成された櫛歯状突起１０ｂに到達する。櫛歯状突起１０ｂに到達した光線は、既に図５で説明したような経過で減衰し熱に変換される。ヒートシンク１０は、自然空冷だけでは高温になる場合、送風空冷される場合もある。
【００２０】
【特許文献１】
特許第３０６５０６８号
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
拡大投写した時、明るい画像を得るために、ＤＭＤに入射してくる光線束はきわめてエネルギ密度が高い。基本的に投写光と不用光は、光のエネルギ密度は同等である。投写光は投写レンズを通してスクリーンに拡大投射されるため問題はないが、不用光は速やかにプリズム外に取り出し、光吸収体に導き入れ熱に変換して減衰消滅させる必要がある。
【００２２】
図４に示す、不用光を導き入れ減衰消滅させる従来のプリズム冷却装置は、光学結合媒体として液体が使われているため、その液体を封止するための透明ガラスが必要であり、また液密にシールするための封止ガラスの接着、注入栓の取り付け、ＯＣ液の注入封止、液漏れ確認作業等々必要であり、現プリズム冷却装置は組み立てにも時間がかかりかなりコストの高いものとなっている。
【００２３】
本発明は、このような課題に鑑み、光学結合媒体である液体の使用を無くし、その帰結として複雑な組み立て工程を必要とする液体封止作業がなくなり、簡単な構成で安価なプリズム冷却装置を提供するものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光の入出射が行われるプリズムと、前記プリズムの一部に光透過性のある接着剤で接着された非弾性材料から形成される光学結合媒体と、前記光学結合媒体と接合している放熱体を備えた光学素子の冷却装置である。
【００２５】
すなわち、例えば、光学結合媒体として屈折率がプリズムガラスのそれに近い、透明度の高い硬質シリコーン樹脂を用いる（理論的には密接するＡ，Ｂの材質の屈折率が同じであれば、境界面で反射が起こらない、また屈折率が近いほど境界面での反射は少なくなる）。
【００２６】
従来例で示した、液体と封止ガラスが占めていた空間に、上記した硬質シリコーン樹脂を充填固化せしめ、アルミなどの金属で造られた放熱体と結合一体化したものを造り、上記硬質シリコーン樹脂の平面部とプリズムガラスの平面部を、光学用接着剤で密着接合する。
【００２７】
この様に構成することでプリズムと放熱体が硬質シリコーンを介して光学的に結合され、硬質シリコーン樹脂を透過してきた不用光は、放熱体に突き当たりそこで光エネルギが熱に変換される。放熱体の温度はかなり上昇するので、放熱効率を高めるために送風空冷を行えばさらに効率的に冷却が行える。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００２９】
図６は、本発明の主要な構成を示した図面である。プリズム４２と４３の間は、ごく薄い平行空気層４４（５〜１０ミクロン）が形成されている。Ｊ方向から入ってきた光線は、プリズム４２の斜面４２ａで全反射されＬ方向に進行し、プリズム４１の右側面４１ａから出射した光線は、ＤＭＤのマイクロミラー４５に入射する。マイクロミラー４５が左倒れの位置（位置ｍ）にある時は、反射光線はＲｎ方向に反射される。Ｒｍ方向に進行した光線は、プリズム４２に進入し斜面４２ａに到達する。光線Ｒｍは斜面４２ａから出射し、微小な空気層４４を経てプリズム４３に入射しその中をさらに進行する（図では見易いように空気層４４は大きな間隔で描いている）。
【００３０】
光線は斜面４２ａで屈折し、さらにプリズム４３の斜面４３ａで屈折する。プリズム４２と４３は同材質なので進行方向は元に戻るが、ごくわずかな段差が生じる。しかし空気層４４は数ミクロンの間隔であり、段差量はごく僅かなので実質上は一直線といえる。斜面４２ａおよび斜面４３ａには、反射防止膜が施されている。
【００３１】
プリズム４３を通過してきた光線は、投写レンズ４６に入射し、先方に設置されたスクリーン（図示せず）に拡大投写される。
【００３２】
さてプリズム４１の上部には、プリズム冷却装置４７が配設されている。図７にそのプリズム冷却装置４７の詳細を示す。４８はアルミニウムなどの金属でできたヒートシンクである。ヒートシンク４８には放熱のためのフィン４８ａが形成されている。また基底凹部には櫛歯状の突起４８ｂが多数個形成されている。
【００３３】
そして底面凹部には硬質シリコーン樹脂４９が合体形成されている。硬質シリコーン樹脂４９は、ヒートシンク４８を鋳型として成形されているので、入り組んだ櫛歯状突起４８ｂとも完全に密着している。また硬質シリコーン樹脂４９の平面部４９ａは、プリズム４１に密着接合させるため平滑な面に仕上げられている。
【００３４】
さて次に図６に示すように、プリズム４１の上面にプリズム冷却装置４７を密着接合させる。この時、接着面に空気が残留しないように接合する必要がある。硬質シリコーン樹脂４９が密着すると、不用光Ｒｎはプリズム４１の上面での全反射が無くなり、少し屈折して硬質シリコーン樹脂４９に進入する。硬質シリコーン樹脂４９は光線透過率が高いのでその内部で光線が減衰することはない。そして不用光Ｒｎはヒートシンク４８に形成された櫛歯状突起４８ｂに突き当たる。
【００３５】
ヒートシンク４８外面は光線の吸収を高めるために、黒く着色されかつ表面は微細な凹凸を有する梨地状態に仕上がっている。櫛歯状突起４８ｂに突き当たり不用光Ｒｎは、図５に示すように多段反射を経ながら減衰してゆく。光エネルギの多くは初回の反射で吸収されるが、図５に示すように多段回反射することでほぼ完全に熱エネルギに変換される。
【００３６】
硬質シリコーン樹脂４９は断熱性が高いので、櫛歯状突起４８ｂ部分で発生した熱は、プリズム４８側に流れるより、熱伝導性の良い放熱フィン４８ａの方に速やかに伝導し空気中に放熱される。ヒートシンク４８を送風空冷すればさらに効率的にプリズム４１の冷却が行える。
【００３７】
また高透明性の硬質シリコーン樹脂４９は、ほとんど光を吸収することなく透し、かつ断熱効果は高いので、櫛歯状突起４８ｂ部分で発生した熱がプリズム４１側に伝導するのを抑制し、熱伝導のよい放熱フィン４８ａ側に伝熱するように作用する。
【００３８】
図７の例では、ヒートシンク４８に硬質シリコーン樹脂を合体成形しているが、既によく知られた、インジェクション成形で金属と樹脂を合体成形する所謂アウトサート成形工法で、光透過性の高い樹脂（例えばアクリル樹脂）を合体成形することも可能である。インジェクション成形の場合、成形直後の成形品が高温の状態から常温の固化状態に至る過程でヒケという現象が生じる。例えばヒートシンク４８の底面にある櫛歯状の如き凹凸のあるものにインジェクション成形を行うと、図８に示すように樹脂の平面部に、櫛歯状の凹凸と同じ周期でヒケによる波打ちが生じる。このようなヒケがあるとプリズム４８の上面に接着する際に、接着層厚が不均一となり気泡が残留し易く、密接着するのが困難な事態が発生する。
【００３９】
さて硬質シリコーン樹脂は、２種類の液状の材料を混合することによって互いの分子が重合し固体化する樹脂材料である（加熱することによって重合が促進される）。重合の前後（液状→固体化）で体積が変化しないため、一般の熱軟化性樹脂のようなヒケが発生することはない。したがって固化した時に、底面４９ａの平面性は極めて良好であり、プリズム４１の上面に接着する時、接着層が均一な層厚になり円滑な貼り付けが出来る。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、光学結合媒体である液体の使用を無くし、その帰結として複雑な組み立て工程を必要とする液体封止作業がなくなり、簡単な構成で安価なプリズム冷却装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＤＭＤデバイスのなかに形成されたマイクロミラーの動作を説明する面図
【図２】従来のプリズム冷却装置が搭載された投写光学系の説明図
【図３】プリズム冷却装置が無い場合の、不用光の進行経路を説明する面図
【図４】従来のプリズム冷却装置の詳細説明図
【図５】不用光が多段反射しながら吸収消滅していく過程を示す説明図
【図６】本発明のプリズム冷却装置が搭載された投写光学系の説明図
【図７】本発明のプリズム冷却装置の詳細説明図
【図８】ヒートシンクに合体成形した透明樹脂のヒケの状態を示す説明図
【符号の説明】
１  ＤＭＤデバイス
２  マイクロミラー
Ｌ  ＤＭＤへの入射光
Ｒｍ  投写光
Ｒｎ  不用光
３  カラープリズム
４  プリズム
５  プリズム
６  空気層
７  マイクロミラー
８  投写レンズ
９  プリズム冷却装置
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４  不用光の光線進路
４１  カラープリズム
４２  プリズム
４３  プリズム
４４  空気層
４５  マイクロミラー
４６  投写レンズ
４７  プリズム冷却装置
４８  ヒートシンク
４９  硬質シリコーン樹脂
【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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【図７】
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【図８】
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