(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層膜が形成される透光性光学基板の該多層膜側にバリア層が設けられた光学素子であって、
前記透光性光学基板の屈折率Nｓ（基準波長632.8nm）が1.7≦Nｓ≦1.9の範囲に設定され、
前記バリア層の屈折率Nｂ（基準波長632.8nm）が−0.1≦Nｂ−Nｓ≦0.1の範囲に設定されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記バリア層がLa2xAl2yO3(x+y)から構成されてなることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記バリア層の厚みが物理的膜厚で20nm以上であることを特徴とする請求項１または２記載の光学素子。
【請求項４】
前記透光性光学基板がPbO、Nb2O5、TiO2の少なくとも１つを50重量%以上含む硝材により構成されることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の光学素子。
【請求項５】
多層膜が形成される透光性光学基板の該多層膜側にバリア層が設けられた光学素子であって、
前記透光性光学基板の屈折率Nｓ（基準波長632.8nm）が1.7≦Nｓ≦1.9の範囲に設定され、
前記バリア層の屈折率Nｂ（基準波長632.8nm）が−0.1≦Nｂ−Nｓ≦0.1の範囲に設定され、
前記バリア層がLa2xAl2yO3(x+y)から構成されてなり、
前記バリア層の厚みが物理的膜厚で20nm以上であり、
前記透光性光学基板がPbO、Nb2O5、TiO2の少なくとも１つを50重量%以上含む硝材により構成されてなることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
前記多層膜がダイクロイック膜であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１から６のうちいずれか１項記載の光学素子が配設されていることを特徴とする光学系。
【請求項８】
請求項１から６のうちいずれか１項記載の光学素子が搭載されていることを特徴とする投映プロジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバリア層が付設された透明基板上に多層膜を形成してなる光学素子、この光学素子を用いた光学系、および投映プロジェクタ装置に関するものであり、特に、上記多層膜がダイクロイック膜等として機能する場合に好適な光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばカラー用液晶投映プロジェクタ装置等の照明光学系・色合成光学系において、光源光を３色に色分解したり、各色ライトバルブからの変調光を合成するためにダイクロイック多層膜が施された色分解あるいは色合成プリズムが用いられている。
このようなダイクロイック多層膜は、強い光源光が照射された状態で、可視光波長域全域に亘る良好な分光特性および位相差特性を維持することが要求される。
【０００３】
一方、上記ダイクロイック多層膜が形成されるガラス基板、すなわちプリズムは、偏光状態を良好に維持するために光弾性係数が低いものであること、および光吸収率の低いものであることが条件とされ、そのために、PbO等を多く含む硝材が構成材料として用いられる。
【０００４】
しかしながら、このようなプリズムは強い光源光（特に短波長側の光）を照射され続けるため、プリズム内に含有されているPb等の分子がダイクロイック多層膜内に拡散し、場合によっては、その最上層まで到達する。このとき、Pb等の分子はダイクロイック多層膜を構成している例えばTiO2中のTi等の分子と反応し、TiO2等を黒化させてしまい、これによりダイクロイック多層膜の光吸収率が高くなってしまうという問題が発生する。
【０００５】
このような問題の解決策として、ガラス基板上にバリア層を付設してガラス基板と多層膜との間での分子拡散を阻止する手法が考えられる。
従来バリア層を用いた光学素子としては、基材と反射防止多層膜の界面付近で生じる反応を阻止するため、基材と反射防止多層膜との間に、MgF2またはSiO2からなるバリア層を介在させ、これにより上記界面付近での光吸収を抑制したものが知られている（特開2000−275402号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術を、前述したような問題解決に適用しようとすると、バリア層を設けたことで、分光特性および位相差特性が乱れてしまい、可視光域全域に亘る良好な分光特性および偏光状態を維持しうる位相差特性が要求されるカラー液晶投映プロジェクタ装置の色分解あるいは色合成プリズム等としては性能的に劣ったものとなってしまう。
【０００７】
上記従来技術のバリア層の厚みを調整し、多層膜とバリア層を、全体として分光特性および位相差特性が良好となるようにした場合には、このバリア層が、バリア層として機能しない程度の薄い膜（例えば数nm〜十数nm）となってしまう。
【０００８】
また、多層膜とバリア層全体として膜設計を行う場合には、多層膜の機能に影響を及ぼさないように配慮することが条件となるため、その設計の難易度が高く、開発に多大な時間およびコストを要する。
【０００９】
本発明は、多層膜が形成される透光性光学基板の該多層膜側にバリア層が設けられた光学素子において、バリア層としての機能を良好に維持しつつ、分光特性および位相差特性を良好なものとすることができ、かつ膜設計に要する時間の効率化および低廉化を図りうる光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子は、多層膜が形成される透光性光学基板の該多層膜側にバリア層が設けられた光学素子であって、
前記透光性光学基板の屈折率Nｓ（基準波長632.8nm）が1.7≦Nｓ≦1.9の範囲に設定され、
前記バリア層の屈折率Nｂ（基準波長632.8nm）が−0.1≦Nｂ−Nｓ≦0.1の範囲に設定されていることを特徴とするものである。
上記光学素子において、前記バリア層がLa2xAl2yO3(x+y)から構成されてなることが好ましい。
【００１１】
また、前記バリア層の厚みは物理的膜厚で20nm以上であることが好ましい。
【００１２】
また、通常前記透光性光学基板はPbO、Nb2O5、TiO2の少なくとも１つを50重量%以上含む硝材により構成される。
【００１３】
また、本発明の光学素子は、多層膜が形成される透光性光学基板の該多層膜側にバリア層が設けられた光学素子であって、
前記透光性光学基板の屈折率Nｓ（基準波長632.8nm）が1.7≦Nｓ≦1.9の範囲に設定され、
前記バリア層の屈折率Nｂ（基準波長632.8nm）が−0.1≦Nｂ−Nｓ≦0.1の範囲に設定され、
前記バリア層がLa2xAl2yO3(x+y)から構成されてなり、
前記バリア層の厚みが物理的膜厚で20nm以上であり、
前記透光性光学基板がPbO、Nb2O5、TiO2の少なくとも１つを50重量%以上含む硝材により構成されてなることを特徴とするものである。
また、上述したいずれかの光学素子において、前記多層膜がダイクロイック膜であることが好ましい。
また、本発明の光学系は、上記いずれかの光学素子が配設されてなることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の投映プロジェクタ装置は、上記いずれかの光学素子が配設されてなることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る光学素子、光学系および投映プロジェクタについて、図面を参照しながら説明する。
図２は、本実施形態に係る光学素子が配設された光学系および投映プロジェクタ装置を示す概略平面図である。なお、この場合において、各々、光学素子は色分解合成プリズム、光学系は照明光学系、投映プロジェクタ装置は反射型投映プロジェクタ装置からなる。また、ダイクロイック多層膜およびバリア層は色分解合成プリズムの各プリズム間に介在しているが、詳しくは後述する。
【００１６】
図２において、無偏光白色光として光源１０３から出力された照明光は、偏光板１０４により所定のＳ偏光に揃えられ、偏光ビームスプリッタ５に入射する。ここで、光源１０３には、光の有効利用を図るためのリフレクタが設けられている。また、この光源１０３としては、例えばメタルハライドランプ、キセノンランプ、タングステンハロゲンランプ等が使用される。
偏光ビームスプリッタ５に入射した照明光はＳ偏光とされているので偏光分離面５Ａにおいて反射され、この偏光ビームスプリッタ５と接合している色分解合成プリズム１に入射する。
【００１７】
上記色分解合成プリズム１は、３つのプリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃを組み合わせてなる。すなわち、光軸に沿って偏光ビームスプリッタ５側から順に第１のプリズム１Ａ、第２のプリズム１Ｂおよび第３のプリズム１Ｃが配列され、第１のプリズム１Ａと第２のプリズム１Ｂは緑色光のみを反射する第１のダイクロイック層／バリア層１０１Ｄを介して接合され、さらに第２のプリズム１Ｂと第３のプリズム１Ｃとは赤色光を反射し、青色光を透過する第２のダイクロイック層／バリア層１０１Ｅを介して接合されている。これにより、第１のプリズム１Ａからこの色分解合成プリズム１に入射した光束はＢ、Ｒ、Ｇ３原色光に分解され、さらに、各色光毎に対応するプリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光入出射端面１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃから射出されるとともに、各色光に対応する反射型液晶表示パネル２、３、４上に照射され、これらの液晶表示パネル２、３、４上に形成された各色光の被写体像情報を担持した状態で、対応する各プリズム１Ａ、１Ｂ、１Ｃの光入出射端面１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに再入射せしめられる。
【００１８】
この後、各色光の被写体像が映出された反射型液晶表示パネル２、３、４により被写体像情報を担持せしめられた各色光は各反射型液晶表示パネル２、３、４への入射光路を戻るように導かれ、上記色分解合成プリズム１によって色合成され、さらに偏光ビームスプリッタ５の偏光分離面５Ａを直進し、投映レンズ６によりスクリーン上に所望のカラー被写体像が拡大投射される。
【００１９】
なお、各反射型液晶表示パネル２、３、４に入射したＳ偏光がＰ偏光に変換されることとなるため、該表示パネル２、３、４からの戻り光は偏光ビームスプリッタ５の偏光分離面５Ａを透過することとなる。
【００２０】
ところで、前述したように、第１のプリズム１Ａと第２のプリズム１Ｂは緑色光のみを反射する第１のダイクロイック層／バリア層１０１Ｄを介して接合され、さらに第２のプリズム１Ｂと第３のプリズム１Ｃとは赤色光を反射し、青色光を透過する第２のダイクロイック層／バリア層１０１Ｅを介して接合されている。
その層構成を、説明の便宜のため、一方のプリズム基材上に形成されたものとして模式的に図示すると図１に示すようになる。
すなわち、プリズム基材１０上にバリア層１２とダイクロイック多層膜１４を積層してなる。
【００２１】
ここで、上記プリズム基材１０はPbOを多く含むため、その屈折率（基準波長632.8nm；以下同じ）は高くなり1.7≦NS≦1.9となっている。なお、PbO含有率は５０重量％以上とすることが望ましく、その場合、その屈折率NSは1.8≦NS≦1.9となる。
【００２２】
また、上記バリア層１２としては、上記プリズム基材１０の屈折率NSに近い屈折率Nｂ（基準波長632.8nm；以下同じ）とすることが必要であり、−0.1≦Nｂ−Nｓ≦0.1の範囲とされる。また、プリズム基材１０との化学的反応が発生せず、かつ、充填率ρが高い（ρ≧0.95）組成のものであることが必要である。なお、Nｂ−Nｓの絶対値は小さい程好ましく、±0.05の範囲に設定することが好ましい。
【００２３】
バリア層１２としては、例えばLa2xAl2yO3(x+y)（商品名：Substance  M3  Patinal（登録商標），メルク社製）が適している。なお、上記ｘ、ｙは0.5≦ｘ、ｙ≦1.5を満足する。
上記La2xAl2yO3(x+y)は真空蒸着法（あるいはイオンプレーティング法等）で屈折率−0.1≦Nｂ−Nｓ≦0.1の範囲、かつ、充填率ρ≧0.95の範囲を満足する膜が容易に形成可能である。ここでLaはバリア層１２の屈折率Nｂを上昇させるために必要なものであるが、光学特性に何ら悪影響を及ぼさないという点で優れている。なお、上記ｘ、ｙの値を選択することにより、バリア層１２について上記範囲内での所望の屈折率Nｂが得られる。
【００２４】
また、ダイクロイック多層膜１４は、TiO２層１４ａとSiO２層１４ｂを交互に例えば１２層積層してなるものである。
【００２５】
本実施形態においては、上述したように構成されたバリア層１２を設けることにより、プリズム基材１０に含有されているPb分子のダイクロイック多層膜１４中への拡散が阻止され、このPb分子とダイクロイック多層膜１４を構成しているTiO2中のTi分子との反応が回避され、TiO2の黒化現象によりダイクロイック多層膜１４の光吸収率の上昇を阻止することができる。
しかも、上記バリア層１２の屈折率を上記プリズム基材１０の屈折率に極めて近い屈折率とすることにより、その膜厚を薄くすることなく分光特性や位相差特性を良好に維持できるので、バリア層１２としての本来の機能を損なうことなく光学特性が良好な光学素子を得ることができる。
【００２６】
また、バリア層１２とダイクロイック多層膜１４は互いに独立した状態で膜設計すればよく、開発設計に要する時間の効率化および製造コストの低廉化を図ることができる。また、膜設計の自由度も増加する。
【００２７】
なお、本発明の光学素子、光学系および投映プロジェクタ装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、バリア層１２を構成する組成としてはLa2xAl2yO3(x+y)に限られず、バリア層１２の屈折率を透光性光学基板の屈折率に近いものとすることができ、かつ光学性能に悪影響を及ぼさないものであれば、その他の種々の組成を選択可能である。
【００２８】
また、透光性光学基板としては、偏光状態を良好に維持するために光弾性係数が低いものであり、かつ光吸収率が低いものであることが好ましい。具体的には上記PbOを多く含有するものの他、Nb2O5やTiO2を多く含有するものであることが好ましく、Nb2O5やTiO2についてもPbOの場合と同様に５０重量％以上であることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の光学素子における多層膜の種類は特に限定されるものではなく、上述したダイクロイック多層膜のほか反射防止多層膜等の場合にも本発明が適用され得ることは勿論である。
以下、本発明を具体的な実施例を用いてさらに詳細に説明する。
【００３０】
PbOを多く含むPBH55（商品名）をガラス基材１０として使用し、その上に膜厚87nmのLa2xAl2yO3(x+y)（商品名：Substance  M3  Patinal（登録商標），メルク社製）をバリア層１２として形成し、その上に１２層（TiO2/SiO2の交互層）のダイクロイック多層膜１４を成膜した。バリア層１２およびダイクロイック多層膜１４の成膜は蒸着法を用いて行った。ガラス基材１０の温度は300度Cであった。このときのガラス基材１０の屈折率は1.84、バリア層１２の屈折率は1.84、ダイクロイック多層膜１４のうちTiO2層１４ａの屈折率は2.30、SiO2層１４ｂの屈折率は1.47となった。各膜の屈折率および厚みを表１に示す。
【００３１】
【表１】
（実施例１）
0004174216.tif 000002
【００３２】
このようにして形成された光学素子は、PbとTiO2の反応が認められず、膜内での光吸収も略０であった。
【００３３】
バリア層１２およびダイクロイック多層膜１４の分光透過特性（入射角30度とした場合の(p偏光光量+s偏光光量)／2）および反射光の位相差特性を図３および４に示す。分光透過特性および反射光の位相差特性は良好である。
【００３４】
PbOを多く含むPBH55（商品名）をガラス基材１０として使用し、その上に膜厚100nmのLa2xAl2yO3(x+y)（商品名：Substance  M3  Patinal（登録商標），メルク社製）をバリア層１２として形成し、その上に４層（TiO2/SiO2の交互層）の反射防止多層膜１４を成膜した。バリア層１２および反射防止多層膜１４の成膜は蒸着法を用いて行った。ガラス基材１０の温度は300度Cであった。このときのガラス基材１０の屈折率は1.84、バリア層１２の屈折率は1.82、反射防止多層膜１４のうちTiO2層１４ａの屈折率は2.30、SiO2層１４ｂの屈折率は1.47となった。各膜の屈折率および厚みを表２に示す。
【００３５】
【表２】
（実施例２）
0004174216.tif 000003
【００３６】
このようにして形成された光学素子は、PbとTiO2の反応が認められず、膜内での光吸収も略０であった。
【００３７】
バリア層１２および反射防止多層膜１４の分光反射特性（入射角０度とした場合の(p偏光光量+s偏光光量)／2）を図５に示す。分光反射特性は良好である。
【００３８】
PbOを多く含むPBH55（商品名）をガラス基材１０として使用し、その上にバリア層１２を形成することなく、１２層（TiO2/SiO2の交互層）のダイクロイック多層膜１４を成膜した。ダイクロイック多層膜１４の成膜は蒸着法を用いて行った。ガラス基材１０の温度は300度Cであった。このときのガラス基材１０の屈折率は1.84、ダイクロイック多層膜１４のうちTiO2層１４ａの屈折率は2.30、SiO2層１４ｂの屈折率は1.47となった。各膜の屈折率および厚みを表３に示す。
【００３９】
【表３】
（比較例１）
0004174216.tif 000004
【００４０】
このようにして形成された光学素子を投映プロジェクタ装置内に実装し、照明光を照射すると、約１〜１０時間でPb分子がTiO2層１４ａ内に拡散したことが認められ、両者の反応によるTiO2の黒化現象が認められた。膜内での光吸収も認められた。
【００４１】
ダイクロイック多層膜１４の分光透過特性（入射角30度とした場合の(p偏光光量+s偏光光量)／2）および反射光の位相差特性は図６および７に示されるように最適化がなされている。
【００４２】
PbOを多く含むPBH55（商品名）をガラス基材１０として使用し、その上にSiO2層をバリア層１２として形成し、その上に１２層（TiO2/SiO2の交互層）のダイクロイック多層膜１４を成膜した。バリア層１２およびダイクロイック多層膜１４の成膜は蒸着法を用いて行った。ガラス基材１０の温度は300度Cであった。このときのガラス基材１０の屈折率は1.84、バリア層１２の屈折率は1.47、ダイクロイック多層膜１４のうちTiO2層１４ａの屈折率は2.30、SiO2層１４ｂの屈折率は1.47となった。各膜の屈折率および厚みを表４に示す。
【００４３】
【表４】
（比較例２）
0004174216.tif 000005
【００４４】
このとき、バリア層１２およびダイクロイック多層膜１４の分光透過特性（入射角30度とした場合の(p偏光光量+s偏光光量)／2）および反射光の位相差特性を最適化するように各膜厚を設定した。バリア層１２およびダイクロイック多層膜１４の分光透過特性および反射光の位相差特性は図８および９に示されるように良好である。
【００４５】
しかしながら、分光透過特性および反射光の位相差特性を最適化したことで、上記バリア層１２を構成するSiO2層の膜厚が約17nmとなってしまいバリア層１２の本来の機能を充分に発揮できず、また膜厚制御が難しいものとなっている。
【００４６】
PbOを多く含むPBH55（商品名）をガラス基材１０として使用し、その上に４層（TiO2/SiO2の交互層）の反射防止多層膜１４を成膜した。反射防止多層膜１４の成膜は蒸着法を用いて行った。ガラス基材１０の温度は300度Cであった。このときのガラス基材１０の屈折率は1.84、反射防止多層膜１４のうちTiO2層１４ａの屈折率は2.30、SiO2層１４ｂの屈折率は1.47となった。各膜の屈折率および厚みを表５に示す。
【００４７】
【表５】
（比較例３）
0004174216.tif 000006
【００４８】
このようにして形成された光学素子を投映プロジェクタ装置内に実装し、照明光を照射すると、約１〜１０時間でPb分子がTiO2層１４ａ内に拡散したことが認められ、両者の反応によるTiO2の黒化現象が認められた。膜内での光吸収も認められた。
【００４９】
反射防止多層膜１４の分光反射特性（入射角０度とした場合の(p偏光光量+s偏光光量)／2）を図１０に示す。分光反射特性は良好である。
【００５０】
PbOを多く含むPBH55（商品名）をガラス基材１０として使用し、その上にSiO2層をバリア層１２として形成し、その上に４層（TiO2/SiO2の交互層）の反射防止多層膜１４を成膜した。バリア層１２および反射防止多層膜１４の成膜は蒸着法を用いて行った。ガラス基材１０の温度は300度Cであった。このときのガラス基材１０の屈折率は1.84、バリア層１２の屈折率は1.47、反射防止多層膜１４のうちTiO2層１４ａの屈折率は2.30、SiO2層１４ｂの屈折率は1.47となった。各膜の屈折率および厚みを表６に示す。
【００５１】
【表６】
（比較例４）
0004174216.tif 000007
【００５２】
このとき、バリア層１２および反射防止多層膜１４の分光反射特性（入射角30度とした場合の(p偏光光量+s偏光光量)／2）を最適化するように各膜厚を設定した。バリア層１２および反射防止多層膜１４の分光反射特性は図１１に示されるように良好である。
【００５３】
しかしながら、分光反射特性を最適化したことで、上記バリア層１２を構成するSiO2層の膜厚が約６nmとなってしまいバリア層１２の本来の機能を充分に発揮できず、また膜厚制御が難しいものとなっている。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のバリア層を有する光学素子によれば、ダイクロイック膜等の多層膜をバリア層が付設された透光性光学基板上に形成してなる光学素子において、透光性光学基板の屈折率に対するバリア層の屈折率範囲を規定することにより、透光性光学基板内のPb等の多層膜中への拡散を阻止し、多層膜構成要素との反応に伴う多層膜の光吸収率の上昇を阻止する機能を確保しつつ、分光特性や位相差特性に優れ、光学特性が良好な光学素子を得ることができる。
【００５５】
さらに、バリア層とダイクロイック多層膜の膜設計を互いに独立に行うことができるので、開発設計に要する時間の効率化および製造コストの低廉化を図ることができる。
【００５６】
また、本発明の光学系およびこの投映プロジェクタ装置は本発明のバリア層を有する光学素子を備えているので、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子間の層構成を模式的に説明する断面図
【図２】本発明の実施形態に係る光学素子が配設された光学系および投映プロジェクタ装置を示す概略平面図
【図３】本発明の実施例１に係るバリア層およびダイクロイック多層膜の分光透過特性を示す図
【図４】本発明の実施例１に係るバリア層およびダイクロイック多層膜の反射光の位相差特性を示す図
【図５】本発明の実施例２に係るバリア層および反射防止多層膜の分光反射特性を示す図
【図６】比較例１に係るダイクロイック多層膜の分光透過特性を示す図
【図７】比較例１に係るダイクロイック多層膜の反射光の位相差特性を示す図
【図８】比較例２に係るバリア層およびダイクロイック多層膜の分光透過特性を示す図
【図９】比較例２に係るバリア層およびダイクロイック多層膜の反射光の位相差特性を示す図
【図１０】比較例３に係る反射防止多層膜の分光反射特性を示す図
【図１１】比較例４に係るバリア層および反射防止多層膜の分光反射特性を示す図
【符号の説明】
１            色分解合成プリズム
１Ａ          第１のプリズム
１Ｂ          第２のプリズム
１Ｃ          第３のプリズム
２、３、４    液晶表示パネル
５            偏光ビームスプリッタ
５Ａ          偏光分離面
６            投映レンズ
１０          プリズム基板
１２          バリア層
１４          多層膜
１４ａ        ＴｉＯ２層
１４ｂ        ＳｉＯ２層
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ      光入出射端面
１０１Ｄ      第１のダイクロイック層／バリア層
１０１Ｅ      第２のダイクロイック層／バリア層
１０３        光源
１０４        偏光板
【図１】
0004174216.tif 000008
【図２】
0004174216.tif 000009
【図３】
0004174216.tif 000010
【図４】
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【図５】
0004174216.tif 000012
【図６】
0004174216.tif 000013
【図７】
0004174216.tif 000014
【図８】
0004174216.tif 000015
【図９】
0004174216.tif 000016
【図１０】
0004174216.tif 000017
【図１１】
0004174216.tif 000018