(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッドインテグレータと、
このロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、
前記ロッドインテグレータの出射側の開口に、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の前記半透過部分が前記ロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転し、前記半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高いカラーホイールとを有するカラーリキャプチャ方式の照明装置であって、
前記隣接領域では、前記半透過部分を形成する半透過膜が重畳されている照明装置。
【請求項２】
ロッドインテグレータと、
このロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、
前記ロッドインテグレータの出射側の開口に、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の前記半透過部分が前記ロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転し、前記半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高いカラーホイールとを有するカラーリキャプチャ方式の照明装置であって、
前記隣接領域では、前記半透過部分を形成する半透過膜が同じ厚みで重ねられている照明装置。
【請求項３】
ロッドインテグレータと、
このロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、
前記ロッドインテグレータの出射側の開口に、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の前記半透過部分が前記ロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転し、前記半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高いカラーホイールとを有するカラーリキャプチャ方式の照明装置であって、
前記隣接領域では、前記半透過部分を形成する半透過膜が、トータルの厚みが前記半透過部分と変わらないように重ねられている照明装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置において、前記隣接領域の幅は、０．５μｍ以上５００μｍ以下である照明装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置において、前記隣接領域の幅は、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲で重なっている照明装置。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置において、前記ロッドインテグレータの断面は方形で第１の方向の長さが第２の方向の長さより大きく、
前記ロッドインテグレータは、前記カラーホイールに対し、前記隣接領域が前記第２の方向に延びるように配置されている照明装置。
【請求項７】
第一色の光を透過し他の色を反射する第一の半透過部分と、
前記第一色とは異なる第二色の光を透過し他の色を反射する第二の半透過部分と、
を有し、回転とともに前記第一色の光および第二色の光を順に出力することが可能なカラーホイールであって、
前記第一の半透過部分と前記第二の半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高く、前記隣接領域では、前記半透過部分を形成する半透過膜が重畳されているカラーホイール。
【請求項８】
第一色の光を透過し他の色を反射する第一の半透過部分と、
前記第一色とは異なる第二色の光を透過し他の色を反射する第二の半透過部分と、
を有し、回転とともに前記第一色の光および第二色の光を順に出力することが可能なカラーホイールであって、
前記第一の半透過部分と前記第二の半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高く、前記隣接領域では、前記半透過部分を形成する半透過膜が同じ厚みで重ねられているカラーホイール。
【請求項９】
第一色の光を透過し他の色を反射する第一の半透過部分と、
前記第一色とは異なる第二色の光を透過し他の色を反射する第二の半透過部分と、
を有し、回転とともに前記第一色の光および第二色の光を順に出力することが可能なカラーホイールであって、
前記第一の半透過部分と前記第二の半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高く、前記隣接領域では、前記半透過部分を形成する半透過膜が、トータルの厚みが前記半透過部分と変わらないように重ねられているカラーホイール。
【請求項１０】
前記半透過部分は、
赤色の光を出力する赤色用フィルタと、
緑色の光を出力する緑色用フィルタと、
青色の光を出力する青色用フィルタと、
を有することを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載のカラーホイール。
【請求項１１】
ロッドインテグレータの出射側の開口に配置されるカラーホイールであって、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の前記半透過部分が前記ロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転するカラーホイールの製造方法であって、
前記半透過部分の隣接領域の反射率を前記半透過部分より高く形成する加工工程を有し、前記加工工程では、前記隣接領域において、前記半透過部分が重なり合うように各々の前記半透過部分をテーパ状またはエッジ状に加工するカラーホイールの製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置と、
この装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有するプロジェクタ。
【請求項１３】
請求項７ないし１０のいずれかに記載のカラーホイールと、光を供給する光源と、ロッドインテグレータと、出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを有するプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーリキャプチャ方式の照明装置に用いるカラーホイールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１つの光源からの光を時分割して変調する光学系を備えた、いわゆる単板式のプロジェクタなどの画像表示装置は、回転式のカラーフィルタであって、白色光を選択的に透過または吸収させて３原色に時分割するカラーホイール（カラーフィルタ）と、光の強度分布を均一にするインテグレータとを備えており、時分割された色の光束をマイクロミラーデバイスなどのライトバルブで色変調し、スクリーンに投射してカラー画像を合成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、２００１年のＳＩＤにてカラーリキャプチャ方式の光学系４０．２「Sequential Color Recapture and Dynamic Filtering A method of Scrolling color」が提案されている。カラーリキャプチャ方式の光学系では、カラーフィルタの代わりに、特定の色を透過し他の色の光を反射する半透過性のダイクロイック膜（ミラー）が螺旋状などの適当な形状に組み合わされたカラーホイールが採用されている。各色のダイクロイック膜では、色分離を行うと共に透過しない光は入射側に反射する。したがって、カラーホイールの光源側にカラーホイールに再照射する反射構造を備えたインテグレータを配置することにより、カラーホイールのダイクロイック膜（フィルタ）を通らない光は捨てられずに、インテグレータに戻され、インテグレータ内で多重反射して再度、カラーホイールに照射される。そして、そのときに異なる色のダイクロイック膜であれば透過して出力され、カラーホイールを通過しない光が利用される。このため、光のロスが減り、従来のカラーフィルタを用いた光学系に比べて、光の利用効率を向上させることができるので、カラーリキャプチャ方式の光学系を採用することにより、さらに明るく鮮明なマルチカラー画像を表示する画像表示装置を提供できる。
【０００４】
図２０に、カラーリキャプチャ方式の照明装置１００のインテグレータ２０の出射側の開口２３に面するように配置されたカラーホイール１４０の状態を拡大して示してある。カラーホイール１４０でインテグレータ２０の内部を伝播した白色光７１Ｗを色分離して出力し、リレーレンズ５１を通しライトバルブ５２へ照射することによりマルチカラーの画像を表示することができる。この際に、カラーホイール１４０の各色のダイクロイック膜１４１Ｒ、１４１Ｇおよび１４１Ｂの境界あるいは隣接部分１４２は、それぞれのダイクロイック膜１４１Ｒ〜１４１Ｂが互いに隣接するが、図２１に示すように、微視的には各膜の端の部分が重ならないように隙間Ｗを開けて形成されている。したがって、各ダイクロイック膜１４１Ｒ〜１４１Ｂの端部はエッジ状に形成されることになる。この隣接部分１４２にもインテグレータ２０の出射側の開口２３からは光７１Ｗが出力されるので、ここを通過する光７１Ｗは色分離されず、すなわち白色光としてライトバルブ５２へ供給され、投影される画像の彩度が低下する要因となる。また、白色光をスイッチングしてもカラー画像が得られないので、実質的にライトバルブ５２の開口率を低減させる要因ともなる。したがって、カラーリキャプチャ方式の照明装置１００を採用しても画像表示装置としては、そのメリットである光の利用効率の高さを生かした鮮明なカラー画像を表示することが難しい。
【０００５】
また、図２２に示すように、各色のダイクロイック膜１４１Ｒ、１４１Ｇおよび１４１Ｂの波長特性（透過量）を考えると、各々のダイクロイック膜１４１Ｒ〜１４１Ｂの中心部分は、所定の均一な膜厚に形成されているので、その部分を通過する光線に対して、実線で示すように、９５〜９９％程度の非常に高い色分離性能を示す。しかしながら、隣接領域１４２では、ダイクロイック膜の端がエッジ状に膜厚の薄い部分１４１Ｒｔ、１４１Ｇｔおよび１４１Ｂｔを光が通ることになるため、色分離されたとしても、一点鎖線で示すように、５０％以下の低い色分離性能しか得られない。そして、隙間Ｗの部分を通る光は全く色分離されない。このため、隙間Ｗでは光７１が色分離されずに出力されてしまい、ダイクロイック膜１４１Ｒ〜１４１Ｂの端では、明確に色分離されずにカラーホイール１４０を通過し、また、カラーホイール１４０で反射されてインテグレータ２０に戻される光量が減少する。したがって、境界あるいは隣接領域１４２の効果により、ライトバルブ５２で利用可能な光が減り、また、リキャプチャされる光も減る。このため、隣接領域１４２の処理は、カラーリキャプチャ方式の光学系において、光の利用効率をさらに向上するために重要な要因となる。
【０００６】
そこで、本発明では、カラーリキャプチャ方式を用いた照明装置あるいは画像表示装置において、より光の利用効率の高い明るく、彩度の高い高画質なカラー画像を表示できる照明装置およびカラーホイールを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従来、光学系で色分離するカラーフィルタにおいては、光の利用効率を高めるためには、光が透過する面積をできるだけ増やす必要があり、その方向でカラーフィルタの設計が行われている。これに対し、カラーリキャプチャ方式のカラーホイールでは、光が透過しなくてもインテグレータの方向に反射すれば、光の利用効率は大幅には低くならない。したがって、白色や色分離が不十分な利用できない光を放出することにより、実質的な光の利用効率が低下することを考えると、白色や色分離が不十分な光を出力しないで、反射させる方が光の利用効率は向上する。このため、本発明では、各々の色の半透過部分の隣接領域を、隣接する半透過部分を重ねたり、反射性の材料で覆うことにより反射率が高くなるように形成し、半透過部分の隣接領域からライトバルブで利用できない、あるいは効率良く利用できない白色光や色分離が不十分な光が出力されないようにしている。
【０００８】
すなわち、本発明のカラーリキャプチャ方式の照明装置は、ロッドインテグレータと、このロッドインテグレータの入射側の開口に光を供給する光源と、ロッドインテグレータの出射側の開口に、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の半透過部分がインテグレータの出射側の開口を分割するように回転し、半透過部分の隣接領域の反射率が半透過部分より高いカラーホイールとを有している。ロッドインテグレータは中空で反射性の内周面を備えたもの、ガラスなどの導波体の周面で全反射したり、周面が反射膜で覆われているものがある。このため、本発明においては、ロッドインテグレータの出射側の開口に配置されるカラーホイールであって、３原色の光の内、１つの色の光を透過し他の色の光を反射する半透過部分を備え、各々の色の半透過部分がロッドインテグレータの出射側の開口を分割するように回転し、半透過部分の隣接領域の反射率が前記半透過部分より高いカラーホイールを提供する。また、本発明は、各々の色の半透過部分の隣接領域の反射率を半透過部分より高く形成する加工工程を有するカラーホイールの製造方法も含むものである。
【０００９】
本発明のカラーホイールでは、隣接領域の反射率が半透過部分よりも高いので、隣接領域を透過する光量は小さいか、あるいは殆どない。したがって、上述したように、隣接領域から白色光が出力されたり、色分離が不十分な光が出力されることが殆どなく、ライトバルブの実質的な開口率を下げたり、カラー画像の彩度が低下するのを防止できる。その一方で、カラーホイールの隣接領域で反射された光はロッドインテグレータの内部に戻され再利用されるので、照明装置としての光の利用効率は殆ど低下しない。このため、本発明のカラーホイールを有する照明装置と、この装置から出力された各色の光束に基づいて画像データを形成するライトバルブと、このライトバルブからの光を投影するレンズシステムとを設けることで、明るく、ムラのない高品質なカラー画像を表示するプロジェクタなどの画像表示装置においては、彩度が高く、コントラストの高いマルチカラー表示が可能となる。そして、カラーリキャプチャ方式の照明装置が採用されているので、コンパクトで明るい画像表示装置を提供できる。
【００１０】
隣接領域を反射率を高くするには、隣接領域における各々の半透過部分を形成する半透過膜が重畳させることが可能である。これにより、隣接領域を、隣接したダイクロイック膜などの半透過膜が、共通する波長領域しか透過しないするようにできるので、半透過膜の透過特性が重なっていないのであれば、ほぼ１００％に近い反射率の隣接領域を形成することができる。
【００１１】
さらに、隣接領域では、半透過部分を形成する半透過膜が、トータルの厚みが他の半透過部分と変わらないように重ねることも可能であり、カラーホイールの厚みを均一にできるので、回転ノイズの抑制や面ぶれなどを防止できる。このような隣接領域を備えたカラーホイールは、マスク成膜法や半導体製造技術において微細加工に適した、フォトリソグラフィ、濃淡（透過率または反射率）が変化したグレーマスクや階調性マスク等を用いて製造することができる。
【００１２】
また、隣接領域にアルミニウム膜や銀膜などによる反射膜を形成して反射率を向上しても良い。半透過膜の特性に関わらず、確実に隣接領域の反射率を高くすることができる。
【００１３】
カラーリキャプチャ方式の光学系では、隣接領域で反射された光は再利用されるが、出力の低下を考慮すると、隣接領域の幅は、０．５μｍ〜１００μｍ程度に形成することが望ましく、ガラスマスク等を用いて製造することで実現できる。さらに、隣接領域の幅は、０．１μｍ〜１００μｍ程度に形成することが望ましい。この程度のサイズは、フォトリソ技術やリフトオフ加工などにより実現することが可能である。
【００１４】
そして、隣接領域の幅の下限を０．５μｍ以上、あるいは１μｍ以上とすることで、本発明に係るカラーホイールをプロジェクタ等に用いた際に、リレーレンズなどによる色収差や色光線の拡散によるライトバルブ上での色の交わりを抑制でき彩度の向上に寄与することができる。
【００１５】
また、本発明に係るカラーホイールを用いた照明装置では、インテグレータの断面は方形で第１の方向の長さが第２の方向の長さより大きく、このインテグレータは、カラーホイールに対し、隣接領域が第２の方向に延びるように配置することも可能である。すなわち、画像表示装置においては、横長の画面サイズが採用されることが多いが、隣接領域が横方向に画面を横切る配置に対し、隣接領域が縦方向に画面を横切る配置にすることにより、画面に隣接領域が占める割合を減らすことができ、さらに明るい画像を表示することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明に係る照明装置１０を用いたプロジェクタ１の概略構成を示してある。本例のプロジェクタ１も、カラーリキャプチャ方式の照明装置１０と、照明装置１０から色分離されて出力された各色の光束７１Ｒ（赤色）、７１Ｇ（緑色）および７１Ｂ（青色）を伝達するリレーレンズ５１と、このレンズ５１からの光束７１Ｒ〜７１Ｂを画像データにより変調する液晶などの透過型のライトバルブ５２と、このライトバルブ５２から出力される表示光７４をスクリーン５８に投射してカラー画像を形成する投射レンズ５３とを備えている。
【００１７】
本例のカラーリキャプチャ方式の照明装置１０も、キセノンランプなどから白色の光７１を出力する光源部１２と、中空で反射性の内周面２４と光線をリキャプチャさせる反射面２１を備えた角柱状のインテグレータとなるロッドインテグレータ２０と、白色の入射光７１を時分割するカラーホイール４０とを備えており、これらが順番に配置されている。したがって、本例の照明装置１０においても、光源部１２から照射された白色の光束７１は、ロッドインテグレータ２０で、ライトバルブ５０の形状に合わせて強度分布が均一化され、カラーホイール４０から時間および空間的に色分割された状態で出力される。すなわち、カラーホイール４０は、特定の色を透過し他の色の光を反射する半透過性のダイクロイック膜（ミラー）４１Ｒ、４１Ｇおよび４１Ｂが螺旋状などの適当な形状に組み合わされているので、各色光７１Ｒ〜７１Ｂが時間および空間的に分離されて出力される。そして、カラーホイール４０を透過しない光はインテグレータ２０に戻され、リキャプチャ（奪遷）されるようになっている。したがって、この照明装置１０は、カラーリキャプチャ方式の照明装置となっている。
【００１８】
図２に、本例のカラーホイール４０の概要を拡大し、断面を用いて示してある。本例のカラーホイール４０は、インテグレータ２０の出射側の開口２３に対面するように適度なギャップを開けて配置されている。カラーホイール４０には、赤色の光を透過し、他の色の光を反射するダイクロイック膜で形成された半透過部分４１Ｒと、緑色の光を透過し、他の色の光を反射するダイクロイック膜で形成された半透過部分４１Ｇと、青色の光を透過し、他の色の光を反射するダイクロイック膜で形成された半透過部分４１Ｂとが渦巻状に形成されている。このため、カラーホイール４０の周方向の適当な位置に面するようにインテグレータ２０を配置することにより、インテグレータ２０の出射側の開口２３を各色の半透過部分４１Ｒ〜４１Ｂにより約３分の１程度に分割し、その順番がカラーホイール４０を回転させることにより時間で入れ替わるようにすることができる。
【００１９】
本例のカラーホイール４０は、円盤状のガラス基板９１が支持部材として採用されており、その裏面側、すなわちライトバルブ５２に面する側に、ＡＲコート（無反射防止膜）９２が施されている。一方、ガラス基板９１の表面側、すなわち、インテグレータの出射側の開口２３に面する側には、薄膜のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂが螺旋状に連続するようにコーティングされている。所謂、アルキメデススパイラルと称されているものである。
【００２０】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、カラーホイール４０によりインテグレータの出力側の開口２３が色分割される様子を示してある。インテグレータの出力側の開口２３は画像サイズあるいはライトバルブのサイズに合わせて、水平方向Ｈの長さが垂直方向Ｖの長さより長い長方形になっており、本例の照明装置１０では、インテグレータの出力側の開口２３が、その水平方向Ｈが半透過部分４１Ｒ〜４１Ｂを横切るように配置されている。すなわち、半透過部分４１Ｒ〜４１Ｂは開口２３を、水平方向Ｈより短い垂直方向Ｖに延びた状態で開口２３を動く。インテグレータの開口２３は、これらのダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂが上下方向に平行に並んだ領域に配置することも可能であるが、図３に示すような配置を採用することにより、後述する半透過部部４１Ｒ〜４１Ｂの隣接領域の長さが短くなるので、本例のような配置の方が光の利用効率が高くなる。
【００２１】
このような配置であれば、水平方向Ｈに隣接領域４２が延びた配置に比べて、カラーホイール４０のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの各々の隣接領域４２の面積を２．５％程度減少することが可能であり、光の利用効率では１．８％程度の向上することが可能である。
【００２２】
カラーホイール４０が回転するにつれて図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）にそれぞれ示すように、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂにより開口２３がほぼ３分割され、それぞれの色を通過し、他の色を反射する半透過な領域４１Ｒ〜４１Ｂが左右方向に順番に移動する。したがって、カラーホイール４０からは各色の光束７１Ｒ〜７１Ｂが領域および時間的にセパレートされた状態（空間および時分離された状態）で出射され、カラーホイール４０の回転と共に出力される。このため、ライトバルブ５２の側を、照射される光の色の領域に分けて、時分離されたタイミングで制御することにより、マルチカラーの画像を表示することができる。
【００２３】
本例のカラーホイール４０は、図２に模式的に示すように、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの境界となる隣接領域４２では、隣接する異なる色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｇの端（エッジ）４４が互いに重ねられている。さらに、この重ねられた表面（インテグレータの側）に、アルミニウムなどによる反射膜４３が形成されている。したがって、隣接領域４２ではインテグレータ２０から照射された光が全て反射され、各々のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｇよりも高い反射率を備えた状態となっている。
【００２４】
したがって、図２に示すように、光源１２から照射された白色の入射光７１Ｗは、インテグレータ２０の入射側２０ａの開口２２から内部に入り、周囲の反射性の内周面２４に至る。そして、内周面２４で反射された入射光Ｗは、出射側２０ｂの開口２３へ向かい、カラーホイール４０の緑色のダイクロイック膜４１Ｇに至る。ここで、白色光７１Ｗは、緑色の波長を含む光束７１Ｇのみが透過され、ライトバルブ５２の側へ緑色の光７１Ｇとして出力される。
【００２５】
一方、カラーホイール４０のダイクロイック膜４１Ｇから出射されなかった色の光束（７１Ｒおよび７１Ｂ）は、反射されてインテグレータ２０の内部に戻され、リキャプチャ反射面２１に反射しカラーホイール４０側に戻され、次に開口２３に至ったときに、その色の光束を透過するダイクロイック膜に当たれば出力され、当たらなければ、再びインテグレータ２０の内部に戻される。
【００２６】
これに対して、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｇの隣接領域４２に照射された入射光７１Ｗは、この隣接領域４２の表面に施された反射膜４３により反射され、全ての色成分の光７１Ｗがインテグレータ２０の側へ戻る。すなわち、カラーホイール４０を透過せず、白色光は出力されない。そして、再びインテグレータ２０の内周面２４で多重反射されて出口側２０ｂの開口２３へ進み、たとえば、カラーホイール４０の緑色のダイクロイック膜４１Ｇに至った場合は、緑色の光束７１Ｇが透過されライトバルブ５２へ出力される。そして、透過されなかった他の色を含んだ光束、本例では赤色の光束７１Ｒおよび青色の光束７１Ｂは、反射されインテグレータ２０に戻される。このため、インテグレータ２０のリキャプチャ反射面２１に反射し、さらに反射性の内周面２４で反射され、再び出口側２０ｂの開口２３へ進み、次に、青色のダイクロイック膜４１Ｂに至れば、青色の光束７１Ｂが透過されライトバルブ５２へ出力される。
【００２７】
さらに、この段階でも出力されなかった赤色の光束７１Ｒは、インテグレータ２０に戻され、その内周面２４およびリキャプチャ反射面２１で反射されながら、赤色のダイクロイック膜４１Ｒに至ると、それを透過して、赤色の光束７１Ｒがライトバルブ５２へ出力される。
【００２８】
このように、隣接領域４２で反射された光７１Ｗであっても、インテグレータ２０へ戻されることにより、リキャプチャする機会が与えられ、数回の反射を繰り返えすことにより、光源１２からの白色光７１Ｗのほぼ全てを無駄なく、３つの色に分離された状態で出力できる。したがって、白色光７１Ｗが漏れ出たり、色分離の不十分な光が漏れ出ることを防止でき、ライトバルブにおける光の利用効率を向上できる。加えて、隣接領域４２で反射された光は再利用されるので、カラーリキャプチャ方式の光学系におけるリキャプチャリング効率を向上できる。このため、インテグレータ２０に入射した光の利用効率が向上し、発明者らのシミュレーションによると１３％程度は利用効率を向上させることが可能となっている。このため、本例の照明装置１０を用いた画像表示装置においては、明るく、さらに彩度の高いカラー画像を出力できる。
【００２９】
図４（ａ）〜（ｃ）および図５（ａ）〜（ｃ）に、本例のカラーホイール４０の製造プロセスを示してある。先ず、図４（ａ）に示すように、ガラス基板９１の表面に、緑色のダイクロイック膜４１Ｇを蒸着により薄膜状に多倍積層コーティングし、レジスト層９９をパターニングした後、図４（ｂ）に示すように、ＣＨＦ3またはフッ素系ガスをエッチャントとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching  反応性イオンエッチング）加工する。この段階で緑色のダイクロイック膜４１Ｇが形成されたので、特性評価を行う。この段階で緑色のダイクロイック膜の評価を行うことで、品質を向上させ、製造上の無駄を省き歩留りを向上できる。いずれの色用のダイクロイック膜から成膜しても良いが、緑色のダイクロイック膜４１Ｇは特性の制御が難しいので、歩留まりを向上するには、このように緑色の膜４１Ｇを最初に形成することが望ましい。
【００３０】
図４（ｃ）では、ガラス基板９１の表面で、緑色のダイクロイック膜４１Gの隣に赤色のダイクロイック膜４１Ｒを形成する。この際に、既存の緑色のダイクロイック膜４１Ｇの隣（本図では右側で、後に青色のダイクロイック膜４１Ｂを形成する領域）と、緑色のダイクロイック膜４１Ｇの表面を覆うように犠牲層９８を設ける。この犠牲層９８は、緑色のダイクロイック膜４１Ｇの端４４Ｇの隣接領域４２には形成しない。この犠牲層９８の上に赤色のダイクロイック膜４１Ｒをコーティングする。したがって、緑色のダイクロイック膜４１Ｇの上に、一部に犠牲層９８を挟んで、赤色のダイクロイック膜４１Ｒが重ねられた状態となる。
【００３１】
その後、図５（ａ）に示すように、ＣＨＦ3またはＯ2をエッチャントとして、ＲＩＥ加工し、赤色のダイクロイック膜４１Ｒを加工する。この際に、隣接部分４２は、緑色のダイクロイック膜４１Ｇの端４４Ｇの部分に、赤色のダイクロイック膜４１Ｒが乗るように重なって形成され、隙間があくことはない。同様に緑色のダイクロイック膜４１Ｇの隣（本図では右側）に、青色のダイクロイック膜４１Ｂを成膜成膜する。
【００３２】
さらに、図５（ｂ）に示すように、重なった隣接部分４２を含めて、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｇの表面に、例えばリフトオフ用レジストであるＭＳ−２３０Ｃを剥離層９８として成膜し、その上に０．１μｍ程度に反射膜のアルミニウムの層９７を成膜し、さらに、隣接部分４２の上にレジスト層９９をパターニングする。次に、図５（ｃ）に示すように、アルミニウム層９７をエッチングすると、隣接部分４２の表面にアルミニウムの層、すなわち反射膜４３が形成され、図２に示したようなカラーホイール４０が製造される。
【００３３】
隣接領域４２では、各色の光７１Ｒ〜７１Ｂのいずれもが透過しないので、その領域４２の面積を大きくすると開口率が低下する。そのため、この隣接領域４２の幅Ｗは、０．５μｍ以上５００μｍ以下、さらには１．０μｍ以上１００μｍ以下に形成することが望ましい。上記の方法の製造公差を考慮すると５μｍ程度までは充分に制御することが可能である。
【００３４】
そして、隣接領域の幅の下限を０．５μｍ以上、あるいは１μｍ以上とすることで、カラーホイール４０をプロジェクタ１に用いた際に、リレーレンズ５１などによる色収差や色光線の拡散によるライトバルブ５２上での色の交わりを抑制でき彩度の向上に寄与することができる。
【００３５】
また、図６（ａ）に示すように、本例のカラーホイール４０では、各々のダイクロイック膜４１Ｒ、４１Ｇおよび４１Ｂの隣接部分４２を互いに重ねるのではなく、この隣接部分４２に直接、アルミニウムなどの反射部材４３を設けて、隣接部分４２の反射率を上げることもできる。反射部材４３は、アルミ合金、ＡｌＮｄ等、Ａｇ、Ａｇ合金などを用いることができる。さらに、隣接部分４２に反射部材として、ＳｉＯ2とＴａなど屈折率の異なる材料を多層に積層し、多層膜を形成するようにしても良い。
【００３６】
あるいは、図６（ｂ）に示すように、反射部材４３を隣接部分４２の異なる色のダイクロイック膜４１Ｒと４１Ｇの間に埋めるように設けても良い。さらに、隣接部分４２の反射部材４３の端側は、ダイクロイック膜４１Ｒおよび４１Ｇ〜４１Ｂの上に重なるように設けることも可能である。このようにして、隣接部分４２に隙間が生じることなく、確実に反射率を向上できる。
【００３７】
図７に本発明の異なる例を示してある。このカラーホイール６１は、螺旋状に形成された各色のダイクロイック膜４１Ｒ、４１Ｇおよび４１Ｂの端４４Ｒ、４４Ｇおよび４４Ｂは、各々の隣接領域４２で、異なる色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂに積み重なるように形成されている。カラーホイール６１では、複数の特性のダイクロイック膜を重ねることで、隣接領域４２に反射機能を与え、上記のカラーホイール４０と同様に、白色光７１Ｗを出力することなく、またその分のリキャプチャリング効率を向上できるようにしている。このカラーホイール６１はフォトリソ技術などを用いて製造することができ、各色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの僅かな隣接部分４２に、異なる色、すなわちダイクロイック特性の異なる膜を重畳させることで、この領域４２の反射率を高めており、比較的簡単に製造することができる。
【００３８】
図８〜図１０に、各色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの重なった隣接部分の特性をシミュレーションした結果を示してある。図８は、緑色のダイクロイック膜４１Ｇに、赤色のダイクロイック膜４１Ｒを重ねた特性を示しており、このグラフから分かるように、これらのダイクロイック膜４１Ｇおよび４１Ｒは共通の透過波長領域を含まないので、殆ど全ての波長域の光は、透過せずに反射される。
【００３９】
図９は、緑色のダイクロイック膜４１Ｇに、青色のダイクロイック膜４１Ｂを重ねた特性を示している。通常用いられるこれらの色のダイクロイック膜４１Ｇおよび４１Ｂは共通の透過波長領域を含み、その共通の領域では、光はほぼ透過するがリップルが大きくなる。一方、独立した透過波長領域（非共通波長領域）では、反射膜として作用する。したがって、青色のダイクロイック膜４１Ｂあるいは緑色のダイクロイック膜４１Ｇの波長領域をずらして、重なりの少ないものにすることが望ましい。たとえば、４９０ｎｍ付近で、緑色のダイクロイック膜４１Ｇと、青色のダイクロイック膜４１Ｂとに分割することにより、隣接領域４２の反射率を大きくできる。あるいは、この組合せになる隣接領域４２にだけ、アルミニウムなどによる反射膜を設けても良い。
【００４０】
図１０は、赤色のダイクロイック膜４１Ｒに、青色のダイクロイック膜４１Ｂを重ねた特性を示している。図８に示した場合と同様に、共通の透過波長領域を含まないので、殆ど全ての波長域の光は、透過せずに反射される。
【００４１】
このカラーホイール６１は、上記の図４および図５に示したように、フォトリソ加工により形成し、図５（ａ）の段階で、各色のダイクロイック膜の端部を重ね合わせた状態で終せることによっても製造できる。
【００４２】
あるいは、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、リフトオフ加工によっても製造することが可能である。リフトオフ加工は、エッチング不可能な薄膜のパターニングに用いられている方法である。リフトオフ加工では、目的とするパターンの逆パターンを、基板上に金属フォトレジスト等により構成する。そして、目的の色のダイクロイック膜４１Ｂまたは４１Ｒとなる薄膜の層を蒸着する。そして、蒸着後に不用部分を金属、フォトレジストと共に除去し、目的とするパターンを残し形成する。
【００４３】
さらに詳細に図を参照しながら説明すると、図１１（ａ）に示すように、裏面側にＡＲコート膜９２が形成されたガラス基板９１の表面の側に、まず、緑色のダイクロイック膜４１Ｇを形成する。そのために、緑色のダイクロイック膜４１Ｇを形成する領域の周囲に、日本ゼオン社製のＺＲＮ−１１００等によりリフトオフレジスト層９８ａを形成する。このレジスト層９８ａには、アルミニウムや銅などを用いることも可能である。レジスト層を生成する際は、３０秒、３００ｒｐｍ程度でスピンコートし、既存のダイクロイック膜４１Ｇより厚くなるように４μｍ程度の膜厚ｄ２にリフトオフレジスト層９８ａを形成する。そして、それらの表面にダイクロイック膜４１Ｇを形成し、不用部分をレジスト層９８ａごと剥離液によりエッチングし除去する。アルミニウムや銅などの金属層はスパッタリングや蒸着成膜した後に、剥離液に希硫酸などの酸性液を使用し除去することも可能である。
【００４４】
次に、図１１（ｂ）に示すように、青色のダイクロイック膜４１Ｂを製造する場合は、青色のダイクロイック膜を生成したい領域を除いて、リフトオフレジスト層９８ａを成膜し、その上にダイクロイック膜４１Ｂを成膜する。そして、レジスト層９８ａを除去することにより、緑色のダイクロイック膜４１Ｇの端に、青色のダイクロイック膜４１Ｂの一部がオーバコートされた、重なった状態でこれら２つのダイクロイック膜４１Ｇおよび４１Ｂが生成される。同様に、赤色のダイクロイック膜４１Ｒを成膜することが可能であり、図１１（ｃ）に示すように、ダイクロイック膜の境界領域である隣接領域４２には、図１２に示すように同じ厚みの２つの種類の異なるダイクロイック膜が積層されたカラーホイール６１を製造することができる。
【００４５】
図１３に、本発明のさらに異なるカラーホイール６３を使用した照明装置１０の例を示してある。このカラーホイール６３の一部を拡大した様子を図１４に示してある。本例のカラーホイール６３では、ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの端の薄くなった部分だけが隣接領域４２として積層されており、カラーホイール６３に積層されたダイクロイック膜は、中心部分でも隣接領域でも厚みｔが変わらない。そのために、各色のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの端部はエッジ状に、またはテーパ状に加工されており、重なり合う部分は断面形状が互いに補完し合う形状に形成されている。このように透過特性の異なるダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを積層することにより、上記と同様に隣接領域４２を反射性にすることができる。そして、このカラーホイール６３であると、ダイクロイック膜の厚みが全体的に均一となるので、カラーホイール６３を回転させたときに面ぶれなどが生じにくく、また、騒音も発生し難い。したがって、コンパクトで、低騒音で出力の大きな照明装置を提供することができる。
【００４６】
このように、薄膜状のダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂを、隣接部分６４のトータル厚みを変えず、隙間ができないように形成するには、各ダイクロイック膜４１Ｒ〜４１Ｂの境界位置を高精度で制御する必要がある。例えば、マスク成膜方式では、高精度のマスク作成および高精度な位置決め、さらに成膜する際の温度上昇によるマスク膨張でのマスクずれを制御する必要がある。
【００４７】
このため、図１５に示すようなマスク２００に基準面２０２を２面設け、図１６および図１７に示すような成膜装置３００のトレイ３０１に載せ、基準面となるガイド３０２に対してばね３０５で押し付ける方法で、マスク２００と基板９１の位置精度を確保している。このような方法で位置決めするためには、マスク２００が５Ｎ以上の荷重に耐えられる構造が必要である。このため、基準面２０２に対するマスク２００の配置精度を保ちつつ、薄膜のマスク２００のパターニングとマスク強度を有するマスク筺体２０３とを一体成形している。
【００４８】
また、マスク筐体の材料としては、成膜対象となる基板９１にガラスを用いて、一般的なマスク材料のステンレス、アルミニウムを採用すると、３００℃程度の成膜温度において、熱膨張による位置ずれが発生してしまう。このため、位置ずれを制御する方法として、成膜対象材料と同等の線膨張率を有するマスク材料を用いることが有効である。例えば、珪素３．５、シリコン３．５、タンタル６．８、ニッケル鋼（６４Ｆｅ，３６Ｎｉ）５．１、ガラス２．８〜１０などをマスク材料を用いる。これらの線膨張係数は、２．８〜１０程度であり、ガラス基板の線膨張係数が４程度であることから、ほぼ同等である。それにより、成膜する際の温度変化による位置ずれを抑制できる。
【００４９】
次に、マスク２００の厚みが成膜付近で１ｍｍ厚の場合には、マスク２００の影響で基板９１上の蒸着膜に厚さ分布が発生し、均一なダイクロイック特性を得ることができない。このため、マスク２００の影響を極力軽減するために、図１８に断面図で示すように、マスクエッジ２０１をレーザ等により０．１ｍｍ〜０．５ｍｍに薄膜加工し、またはテーパ形状に加工することで、膜厚分布を軽減している。ここで、０．１ｍｍは、マスク２００のエッジ強度を保つために必要な厚さである。０．５ｍｍは、マスク２００による影響を抑制できる最大厚みである。この際に、エッジ２０１はレーザ光をマスク２００の表面に対し、矢印２０８に示すように、斜めからの分子の入射を許容することで、均一な膜厚に形成できる。図１９は、同様の目的で製造されたマスク２００の異なる例の断面図である。
【００５０】
このようなマスク２００は、マスク２００の基準ポイントに対し、基準面２０２およびマスクパターンを割り出し、高性能ＮＣ加工機（例えば、ファイナック社のロボナノ）で、ダイヤモンドバイトでの切削加工する方法で製造できる。または、高性能ＮＣネオジウムＹＡＧ等のレーザ加工や、フォトリソグラフィ技術を活用し、上述したようなパターニングおよびエッチングでのマスク形成が可能である。また、エッチングでのテーパ形状を形成するためには、グレーレベルマスクや階調マスクを用いることが可能である。
【００５１】
以上に説明したように、本発明のカラーホイールは、アルキメデススパイラルパターンの作成と、リキャプチャリング効果を向上させる目的において、隣接領域４２の反射係数を増すことにより、白色光が透過することを防止し、さらに、カラーホイールから反射された光はカラーリキャプチャ方式で回収することができる。したがって、照明装置１０としての光の利用効率も高く、さらに、プロジェクタなどの画像表示装置に採用した場合にも、ライトバルブにおける光の利用効率を向上できる。また、本例の照明装置１０を採用することにより、ライトバルブで変調されるカラー画像のコントラストと彩度も向上することができ、さらに明るく、高品質のカラー画像を表示することが可能となる。
【００５２】
なお、上記では、中空型のロッドインテグレータを例に説明しているが、中空でないロッドインテグレータであっても同様な効果が得られることを本発明者らは確認している。また、画像表示デバイス（ライトバルブ）として、透過型の液晶デバイスを例に説明しているが、反射型のミラースイッチングデバイスや、波長レベルの動きでエバネセント光を利用してオンオフする画像表示デバイスなどの他のタイプのライトバルブと組み合わせることも可能である。また、本発明の照明装置は、プロジェクタに限らず、色分離された光が要求される直視型の表示装置や、プリンタなどにおいても適用することが可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のカラーリキャプチャ方式の照明装置において、カラーホイールの各々の半透過部分の隣接領域の反射率を高めることで、白色光の透過を防止し、さらにカラーリキャプチャ方式の光学系のリキャプチャリング効率を向上させることが可能であり、カラーリキャプチャ方式でさらに光の利用効率の高い照明装置および画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカラーリキャプチャ方式の照明装置を用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】図１に示す照明装置のカラーホイールの概要を示す図である。
【図３】図２に示すカラ−ホイールがインテグレータの出射側の開口を横切る様子を示す図である。
【図４】図２に示すカラーホイールの製造プロセスを示す図である。
【図５】図２に示したカラーホイールの製造プロセスを示す図である。
【図６】図２に示したカラーホイールの異なる例を示す図である。
【図７】本発明に係るカラーホイールのさらに異なる例を示す図である。
【図８】図２に示したカラーホイールの隣接領域に関するダイクロイックの特性を示すグラフであり、緑色のダイクロイック膜に赤色のダイクロイック膜を重ねた特性を示すグラフである。
【図９】図２に示したカラーホイールの隣接領域に関するダイクロイックの特性を示すグラフであり、緑色のダイクロイック膜に青色のダイクロイック膜を重ねた特性を示すグラフである。
【図１０】図２に示したカラーホイールの隣接領域に関するダイクロイックの特性を示すグラフであり、赤色のダイクロイック膜に青色のダイクロイック膜を重ねた特性を示すグラフである。
【図１１】図７に示したカラーホイールの製造プロセスを示す図である。
【図１２】図１１に示したカラーホイールの隣接領域を拡大した様子を示す図である。
【図１３】本発明に係るカラーホイールのさらに異なる例を示す図である。
【図１４】図１３に示すカラーホイールの隣接領域を拡大した様子を示す図である。
【図１５】本発明に係るカラーホイールを形成するマスクの概要を示す図である。
【図１６】図１５に示すマスクの成膜装置の概要を上方から見た様子を示す図である。
【図１７】図１８に示したマスクの成膜装置を側面側から見た様子を示す図である。
【図１８】図１５に示すマスクの断面を模式的に示す図である。
【図１９】図１５に示すマスクの断面の異なるパターンを模式的に示す図である。
【図２０】従来のカラーリキャプチャ方式の照明装置のカラーホイールの概要を示す図である。
【図２１】図２０に示したカラーホイールの各色のダイクロイック膜の隣接部分を拡大して示す図である。
【図２２】ダイクロイック特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１    プロジェクタ
１０    照明装置
１２    光源部
２０    インテグレータ
２０ａ    入射側の面
２０ｂ    出射側の面
２１    リキャプチャ反射面
２２    入射側の開口
２３    出口側の開口
２４    内周面
４０、６１、６３、１４０    カラーホイール
４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ    各色のダイクロイック膜
４２    隣接部分
４２    反射膜
４４    ダイクロイック膜の端
５１    リレーレンズ
５２    ライトバルブ
５３    投射レンズ
５８    スクリーン
７１Ｗ    光源から照射される白色光の光束（入射光）
７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂ    色分離された各色の光束（出射光）
９１    ガラス基板
９２    ＡＲコート膜
２００    マスク形成装置
２００    マスク
２０１    マスクエッジ
２０２    マスク基準面
２０３    マスク筺体
３００    マスクの成膜装置
３０１    トレイ
３０２    ガイド
３０５    バネ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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