(57)【要約】【課題】  冷却能力及び信頼性が高い、酸化マグネシウムを硝材とする光学部品を提供する。【解決手段】  単結晶酸化マグネシウムを硝材する平凸レンズ２００の表面全体が窒化シリコンからなる保護膜で被覆され、保護膜で被覆されている平凸レンズ２００の平坦な面２０１には、偏光板２０２が貼り付けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムを硝材とし、表面が窒化物で覆われている光学部品。
【請求項２】
酸化マグネシウムを硝材とし、表面が酸化物で覆われている光学部品。
【請求項３】
酸化マグネシウムを硝材とし、表面が窒化物と酸化物の混合物で覆われている光学部品
【請求項４】
前記窒化物が窒化シリコンである請求項１又は請求項３記載の光学部品。
【請求項５】
前記酸化物が酸化シリコンである請求項２又は請求項３記載の光学部品。
【請求項６】
前記酸化マグネシウムが単結晶である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学部品。
【請求項７】
光を発散又は収束させる屈折作用を有する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学部品。
【請求項８】
光を反射する反射作用を有する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学部品。
【請求項９】
光の偏光状態を変換する偏光変換作用を有する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学部品。
【請求項１０】
光源と、前記光源から出射された光を画像信号に基づいて変調して画像光を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子によって形成された画像光を投射する投射レンズ又は投射ミラーを有し、前記光源から前記投射レンズ又は投射ミラーに至る光路上に、前記請求項１乃至請求項９記載のいずれかに記載の光学部品が少なくとも１つ配置されている投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品と、その光学部品を用いた投写型表示装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最初に液晶パネルを用いた投写型表示装置の光学系について、図７を参照しながら説明する。カラー画像を投写スクリーンに投写する投写型表示装置においては、光源１から出射された光束はレフレクタ２で反射され、インテグレータ３１、３２およびフィールドレンズ５により輝度分布の均一化が図られる。また、フィールドレンズ５に入射する前に、偏光変換素子4により偏光分離と偏光変換が行われＳ偏光の光束とされる。フィールドレンズ５を通過した白色光はダイクロイックミラー６１に入射し、赤色光（Ｒ）が分離され、さらにダイクロイックミラー６２によって緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）とが分離される。各色光のうち、赤色光（Ｒ）は反射ミラー７１とコンデンサレンズ９Ｒを経て赤色液晶パネル１１Ｒに入射する。緑色光（Ｇ）はコンデンサレンズを経て緑色液晶パネル１１Ｇに入射する。青色光（Ｂ）はリレーレンズ８１、８２と反射ミラー７２、７３とによって構成されたリレー光学系を経て、青色液晶パネル１１Ｂに入射する。ここで、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの入射側には入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂがそれぞれ配置されている。これら入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに入射する偏光の偏光面を揃えるためのものである。また、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出射側にも出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂがそれぞれ配置されている。これら出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂで変調された偏光の偏光面を揃えるためのものである。尚、入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの透過軸は直交するように（クロスニコルに）設定され、出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの透過軸に等しい方向の光のみが透過し、それ以外の偏光方向を持つ光は出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂによって吸収されるようになっている。各液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに入射した各色光は、それら液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂによって光変調を受け、変調された各色光はクロスダイクロイックプリズム１３によって色合成され、投写レンズ１４を介して投写スクリーン上に投射される。
【０００３】
ここで、上記のような液晶パネル、入射側偏光板および出射側偏光板には、液晶やポリビニルアルコールなどの有機材料が使用されているのが通常である。しかし、有機材料は紫外線や熱により性能が劣化してしまう。そこで、液晶パネルや偏光板の手前にＵＶカットフィルターなどを配置することが一般的である。また、液晶パネルや偏光板を冷却する手段を設けて温度上昇を抑制することも一般的である。
【０００４】
特許文献１には、液晶パネルや偏光板を空冷して冷却する方法が開示されており、特許文献１に開示されている技術は、今日の標準的な技術として確立されている。しかし、特許文献１記載の技術のみでは、光源の光量増加に伴う液晶パネルや偏光板の温度上昇を十分に抑制することが困難な状況となった。そこで、偏光板の主要部材である透光性基板（一般的な偏光板は、ガラス基板などの透光性基板に有機材料が貼り付けられた構造を有する）の熱伝導率を高めることによって冷却効率を向上させる技術が開発された。例えば、特許文献２には、透光性基板として単結晶サファイア基板を用いる技術が、特許文献３には水晶基板を用いる技術が、特許文献４にはマグネシアセラミックス基板を用いる技術がそれぞれ開示されている。これらの技術は従来のガラス基板のよりも熱伝導率の大きな透光性基板を用いることにより冷却効率を向上させることを目的とする。
【特許文献１】特開平１−２８９９１２号公報
【特許文献２】特開平１１−３３７９１９号公報
【特許文献３】特開２００２−１４４１９号公報
【特許文献４】特開２００３−２９４９４９号公報
【特許文献５】特開２００２−２１４７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来技術のうち、特許文献２および特許文献３に記載のものは、供に一軸性結晶からなる透光性基板を用いる技術であり、それぞれの文献中に記載されているように、偏光板の偏光軸と一軸性結晶体の結晶軸とを規定された角度以内で一致させる必要がある。これは、一軸性結晶体からなる透光性基板を用いる以上、避けられない問題である。よって、透光性基板と有機材料との貼り付け工程において、角度ずれの管理など品質保証や作製工程のコスト高などの問題がある。特許文献４に記載の技術は、光学的に等方なマグネシアセラミックス基板を上記透光性基板として用いているので角度ずれの管理は必要ない。しかし、多結晶体であり粒界があること、その材料である酸化マグネシウムには吸湿性があることなどから、マグネシアセラミックス基板の透過率などが経時変化を生じてしまい信頼性に問題がある。
【０００６】
本発明は上述したような従来技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、信頼性に富み、冷却効率が高い光学部品と、その光学部品を用いた投写型表示装置とを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の光学部品は、酸化マグネシウムを硝材とし、表面が窒化物または酸化物で覆われている。このため、酸化マグネシウムの表面を被覆している窒化物や酸化物が保護膜（吸湿防止膜）として機能し、酸化マグネシウムの吸湿が抑制され、透過率低下が抑制される。このとき、粒界のない単結晶酸化マグネシウムを硝材として使用すると、吸湿に起因する透過率低下がさらに抑制される。
【０００８】
また、保護膜の屈折率を酸化マグネシウムの屈折率を等しくすることにより、各種コーティングに関する制約が緩和されるといった利点がある。窒化物からなる保護膜の屈折率を酸化マグネシウムの屈折率と等しくする方法は、成膜時に、窒化物に酸化物を結合させることによって実現可能である。例えば、反応性ＲＦスパッタ法によって保護膜を成膜する場合、スパッタガス圧を高圧側にすることによって窒化物に酸化物を結合させることができる。また、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって保護膜を成膜する場合、反応ガスに酸素を添加することによって窒化物に酸化物を結合させることができる。
【０００９】
上記目的を達成する本発明の投射型表示装置は、光源から出射された光を画像形成素子に照射するための照明光学系や、画像形成素子によって形成された画像光を投射するための投射光学系を構成する光学部品に、上記本発明の光学部品が使用されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光学部品は、酸化マグネシウムを硝材とし、その表面が窒化物または酸化物によって被覆されている。従って、酸化マグネシウムの優れた冷却性能を損なうことなく、吸湿に起因する透過率の低下が抑制され、信頼性に富み、冷却効率が高い光学部品が実現される。
【００１１】
本発明の投射型表示装置は、光学系の全部または一部が信頼性及び冷却効率に優れた本発明の光学部品によって構成されている。従って、光学部品の温度上昇に起因する制約が緩和され、設計の自由度が向上し、光源の光量増大による高輝度化を始めとする様々な要請に対応し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施形態１）
以下、光学部品が偏光素子である場合を例にとって、本発明の光学部品の実施形態の一例について説明する。図１は、ここで説明する偏光素子の模式的斜視図である。図１に示す偏光素子は、酸化マグネシウムの単結晶（以下「単結晶酸化マグネシウム」と記す）からなる平凸レンズ２００の全面に不図示の保護膜が成膜され、平凸レンズ２００の平坦な面２０１を被覆している保護膜の上に、偏光板２０２が貼り付けられてなる。すなわち、本例の偏光素子の主要部は、平凸レンズ２００であり、その平凸レンズ２００は単結晶酸化マグネシウムを硝材として形成されたものである。また、偏光板２０２は、既存の偏光板であって、透光性のある板材の表面に偏光膜が成膜されたものである。
【００１３】
平凸レンズ２００の硝材である単結晶酸化マグネシウムは面心立法（ｆｃｃ）の結晶構造を持ち光学的には等方である。従って、どの面を切り出しても屈折率や透過率などが一様である。このことは、単結晶サファイヤや水晶などの一軸性結晶からなる平凸レンズを用いた場合のように、偏光板２０２の偏光軸と結晶方位とを一致させる必要がないことを意味しており、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いることの利点の一つである。尚、本例では、経済性を考慮して単結晶酸化マグネシウムの（１００）面が、平凸レンズ２００の平坦な面２０１となるように平凸レンズ２００を形成した。
【００１４】
また、単結晶酸化マグネシウムには、当然のことながら多結晶体のような粒界が存在しない。粒界が存在すると、その粒界から水分が内部に浸透し、吸湿による酸化マグネシウムの透過率の低下を招き易いといった不都合がある。しかし、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いた本例の偏光素子によれば、上記のような不都合はない。このことも、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いることの利点の一つである。さらに、粒界から水分が浸透すると、粒界近傍から透過率の低下が始まるので、透過率に分布が生じてしまい、表示ムラや偏光膜のミクロ的な部分劣化を引き起こし、著しい信頼性や寿命の低下に繋がる。単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いることは、このような信頼性低下や寿命低下を回避し得る点でも有利である。加えて、酸化マグネシウムの多結晶体からなる平凸レンズを用いた場合、粒界による「粒界ノイズ」が発生する。この粒界ノイズは、通常では大きな問題とはならないが、レーザ光などのコヒーレンスが高い光源を使用する時には無視できないものとなる。例えば、上記特許文献５には、光源にレーザを用いた投写型表示装置に関する技術が開示されている。このような投写型表示装置に、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いた本例の偏光素子を使用することは、結晶粒界による結晶欠陥や粒界ノイズが少なく、局所的な高温にも耐えられる点で有効である。また、多結晶体と比較して単結晶体は、その面精度をλ／２０程度まで精密に平坦化できるという点で優れている。従って、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を使用した本例の偏光素子は、光通信分野など高信頼・高精度を要求する場面で特に有効である。
【００１５】
次に、平凸レンズ２００を被覆している保護膜について説明する。この保護膜は、前述の通り平凸レンズ２００の表面全体を被覆している。酸化マグネシウム自体には吸湿性があるので、単結晶化して粒界を排除したとしても、吸湿による透過率低下などの特性変化を完全に防止することは難しい。そこで本例では、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００の全面を保護膜で被覆することによって、平凸レンズ２００の吸湿を防止した。かかる吸湿防止の観点からは、窒化シリコンまたは酸化シリコンによって保護膜を成膜することが望ましい。また、吸湿防止効果をより確実なものとするためには、保護膜の厚みを１０ｎｍ以上とすることが望ましい。保護膜の厚みが１０ｎｍであることが望ましい理由に関しては、他の実施形態中で説明する。
【００１６】
（実施形態２）
以下、光学部品が偏光素子である場合を例にとって、本発明の光学部品の実施形態の他例について説明する。図２は、ここで説明する偏光素子の模式的断面図である。図２に示す偏光素子の基本構成は、実施形態１で説明した偏光素子と同一である。異なるは、偏光板２０２が図１に示すような平凸レンズ２００ではなく、厚み０．５ｍｍの平板状の基板３００に貼り付けられている点である。すなわち、本例の偏光素子の主要部は、基板３００であり、その基板３００は単結晶酸化マグネシウムを硝材して形成されたものである。尚、図中の符号３０１は、保護膜として窒化シリコン膜を示している。
【００１７】
次に、本例の偏光素子の冷却効率を確認すべく行なった試験の結果について述べる。この試験では、本例の偏光素子との比較対象として、次の３つの偏光素子を用意した。一つは、単結晶サファイアからなる厚さ０．５ｍｍの基板（単結晶サファイヤ基板）の表面に偏光板を直接貼り付けてなる偏光素子である。他の一つは、水晶からなる厚さ０．５ｍｍの基板（水晶基板）の表面に偏光板を直接貼り付けてなる偏光素子である。他の一つは、水晶からなる厚さ１．５ｍｍの基板（水晶基板）の表面に偏光板を直接貼り付けてなる偏光素子である。さらに、この試験では、本例の偏光素子及び比較対象の３つの偏光素子に、１８０Ｗの高圧水銀ランプから出射された光をレンズで集光して照射しつつ、下方からファンにより４ｍ／ｓで送風し、そのときの各偏光素子の温度を熱伝対によって測定した。
【００１８】
上記試験の測定結果を図３に示す。図３に示すグラフより、水晶基板を用いた偏光素子の温度が最も高く、単結晶サファイア基板を用いた偏光素子と本例の偏光素子との温度差は殆どないことが分かる。このことから本例の偏光素子の冷却能力は、水晶基板を用いた偏光素子よりも高く、単結晶サファイア基板を用いた偏光素子と同程度であるといえる。この結果は、単結晶酸化マグネシウムからなる基板３００の熱伝導率が単結晶サファイア基板と同程度であり、基板３００の全面を保護膜３０１によって被覆しても冷却効率は何ら損なわれないことを意味する。
【００１９】
尚、本実施形態では、偏光素子の冷却効率を中心に説明したが、基板３００が保護膜３０１によって被覆されていることによって、基板３００の吸湿が防止されている点については実施形態１と同様である。
【００２０】
（実施形態３）
以下、光学部品が偏光素子である場合を例にとって、本発明の光学部品の実施形態のさらに他例について説明する。図４は、ここで説明する偏光素子の模式的断面図である。図４に示す偏光素子の基本構成は実施形態２で説明した偏光素子と同一である。異なるは、基板３００の上面３０２を被覆している保護膜３０１の上に偏光膜４００が重ねて成膜されている点である。すなわち、実施形態２の偏光素子は、保護膜３０１で被覆された基板３００に別体の偏光板２０２が貼り付けられてなるものであったが、本例の偏光素子は、保護膜３０１で被覆された基板３００に偏光膜４００が成膜されてなる。
【００２１】
本例の偏光素子においても、単結晶酸化マグネシウムからなる基板３００が保護膜３０１によって被覆されているので、基板３００の冷却効率を何ら損なうことなく、吸湿が防止される。但し、本例のように、基板３００に偏光膜４００を成膜する場合には、吸湿防止の観点のみでなく、光学特性をも考慮して保護膜３０１の膜厚や屈折率を設定する必要がある。何故なら、偏光素子を始めとする光学部品の表面には様々なコーティングが施されることがある。ここでのコーティングとは、光の多重干渉を利用して、光の反射率や透過率を制御するための手段を意味し、通常は、様々な膜厚や屈折率を有する１層または２層以上の膜を成膜することによって実現される。さらに、光の多重干渉は、基板３００上に存在する膜の層数、膜厚及び屈折率で定まる。従って、保護膜３０１がコーティング特性に影響を与えないように、保護膜３０１の膜厚及び屈折率の好適化を図ることが望ましい。
【００２２】
まず、図４に示す保護膜３０１の膜厚に関して述べる。保護膜３０１の膜厚は、必要十分な吸湿防止性能を確保しつつ、可能な限り薄くすることがコーティング特性への影響を低減し、様々なコーティング対する汎用性を高める上で好ましい。そこで、単結晶酸化マグネシウムからなる基板上に、膜厚の異なる窒化シリコン膜が成膜された複数の試料について環境試験を実施し、その前後における透過率の変化を測定した。より具体的には、（１００）単結晶酸化マグネシウムからなる厚さ０．５mmの基板の上に、プラズマＣＶＤ法によって、５ｎｍから１００ｎｍまで段階的に膜厚の異なる窒化シリコン膜を成膜した試料を用意し、それら試料を８０℃、９０％ＲＨの雰囲気中に２００時間暴露させ、その前後で透過率の変化を測定した。光源にはヘリウムネオンレーザ（λ＝６３３ｎｍ）を用い、垂直入射で測定した。
【００２３】
上記試験の測定結果を図５に示す。図５より、窒化シリコン膜（SiN膜）が成膜されていない場合には基板が着色し透過率が２０％も低下しているが、窒化シリコン膜の膜厚が１０ｎｍ以上の場合には、透過率はほとんど変化していないことが分かる。よって、少なくとも膜厚１０nm以上の窒化シリコン膜を保護膜３０１とすれば、十分な吸湿防止効果を確保しつつ、コーティング特性に与える影響をなるべく小さくすることができる。尚、１０ｎｍの保護膜３０１によって十分な吸湿防止効果を確保し得る点は、実施形態１及び２においても同一である。
【００２４】
次に、図１に示す保護膜３０１の屈折率に関して述べる。保護膜３０１の材料として好適な窒化シリコンの屈折率はｎ＝２．０（λ＝６３３ｎｍ）である。また、単結晶酸化マグネシウムの屈折率はｎ＝１．７４（λ＝６３３ｎｍ）である。従って、窒化シリコンによって保護膜３０１を成膜した場合、保護膜３０１と基板３００の屈折率が異なり、保護膜３０１を考慮してＡＲ（Anti Reflection）コートなどのコーティングをしなければならない。保護膜３０１の膜厚を変化させるだけでコーティング条件が満たされる場合は問題ないが、保護膜３０１の屈折率を変化させなければ対応できない場合も想定し得る。そこで、窒化シリコンによって保護膜３０１を成膜する場合に、その保護膜３０１の屈折率を変化させる方法について説明する。窒化シリコンからなる保護膜３０１は、プラズマＣＶＤ法だけでなく、反応性ＲＦスパッタ法でも成膜できる。シリコンターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒと窒素の１対１の混合ガスを用いた場合、λ＝６３３ｎｍにおける窒化シリコン（ｄ＝１００ｎｍ）の屈折率のスパッタガス圧依存特性を図６に示す。図６からはスパッタガス圧を変化させることより窒化シリコンの屈折率を制御できることが分かる。スパッタガス圧を高くするにつれ、窒化シリコンの屈折率が低くなるので、酸化マグネシウムのそれと一致させることができる。窒化シリコンの屈折率が酸化マグネシウムの屈折率と一致すると、窒化シリコンからなる保護膜３０１の膜厚に係わらず、光学的には保護膜３０１の存在を無視することが可能となる。つまり、保護膜３０１の膜厚を厚くして十分な吸湿防止効果を確保しつつ、保護膜３０１がない場合と同じように基板３００を扱えることになる。これはコーティングに関する制限が無くなることを意味し、応用範囲が広がり工業上重要である。ここでは反応性ＲＦスパッタ法によって窒化シリコンからなる保護膜３０１を成膜する例を示したが、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコンからなる保護膜３０１を成膜するときには、供給ガス中に酸素を添加し、そのときの酸素濃度を制御することによって窒化シリコンの屈折率を制御し、保護膜４００と基板３００の屈折率を一致させることができる。ここで示した窒化シリコンの屈折率の制御は、窒化シリコンの生成時に酸素が添加されることによって、酸素とシリコンの結合が生じ、酸化シリコンの屈折率（ｎ＝１．４５）に近づくためである。
【００２５】
尚、実施形態１及び２で説明したような、偏光板を貼り付けるタイプの偏光素子では、保護膜が光の多重干渉条件に与える影響は非常に小さい。従って、保護膜の屈折率を必ずしも調整する必要はない。
【００２６】
実施形態１〜３では、偏光素子を例にとって本発明の光学部品の詳細を説明した。しかし、本発明の光学部品は偏光素子に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された構成を備える全ての光学部品が含まれる。例えば、偏光素子以外のプリズムやミラーなども含まれる。
【００２７】
実施形態１〜３で説明した偏光素子は勿論のこと、その他の本発明の光学部品は様々な光学機器に適用可能である。例えば、実施形態１〜３で説明した偏光素子は、図６に示す投射型表示装置が備える入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂや出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの代わりに、実施形態１〜３で説明した本発明の偏光素子を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１の偏光素子を示す模式的斜視図である。
【図２】実施形態２の偏光素子を示す模式的断面図である。
【図３】基板の冷却性能を示す図である。
【図４】実施形態３の偏光素子を示す模式的断面図である。
【図５】窒化シリコン膜の吸湿防止性能を示す図である。
【図６】窒化シリコン膜の屈折率のスパッタガス圧依存を示す図である。
【図７】投写型表示装置の構成図を示した図
【符号の説明】
【００２９】
１  光源
２  レフレクタ
４  偏光変換素子
５  フィールドレンズ
９Ｒ  コンデンサレンズ
１０  入射側偏光板
１１  液晶パネル
１２  出射側偏光板
１３  クロスダイクロイックプリズム
１４  投写レンズ
６１、６２、６３  ダイクロイックミラー
７１  反射ミラー
７２、７３  反射ミラー
８１、８２  リレーレンズ
２００  平凸レンズ
２０１  平凸レンズの平坦な面
２０２  偏光板
３００  基板
３０１  保護膜
３０２  基板の上面
４００  偏光膜
【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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