CN113728254A

CN113728254A - 光学部件

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Publication number: CN113728254A
Application number: CN202080029819.4A
Authority: CN
Inventors: 久保善则
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2040-04-22
Also published as: CN113728254B; WO2020218350A1; JP7238106B2; JPWO2020218350A1

Abstract

本公开所涉及的光学部件具备包含蓝宝石并具有相互对置的主面的基板，在俯视主面的情况下，在至少一部分存在通过掺杂材料而被着色的区域。

Description

光学部件

技术领域

本发明涉及图像显示装置等的光学设备中使用的光学部件以及使用该光学部件的图像显示装置、平视显示器。

背景技术

投影仪装置(PJ装置)、平视显示器装置(HUD装置)等的图像显示装置是使用光源以及各种光学元件将被液晶面板等的图像形成部所显示的图像信息照射至墙壁、屏幕、窗等，使得使用者视觉识别图像信息的装置。这种装置中具备各种光学部件。

作为光学部件的一种，列举色轮。色轮是为了显示彩色图像而使用的光学构件。例如专利文献1中记载了具备色轮的投影仪装置。以往，色轮的着色部包含荧光体等。通常，从光源被照射至荧光体的光的大部分被变换为热，成为色轮发热的原因。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2011-186132号公报

发明内容

本公开所涉及的光学部件具备基板，所述基板包含蓝宝石并具有相互对置的主面，在俯视主面的情况下，在至少一部分存在被掺杂材料着色的区域。

本公开所涉及的图像显示装置具备：光源、位于从光源放射的光的光路上的上述的光学部件。再有，本公开所涉及的平视显示器具备：该图像显示装置、显示图像的显示部。

附图说明

图1是作为本公开的一实施方式所涉及的光学部件而表示色轮的说明图，(A)是平面图，(B)是表示在X-X’线切断时的剖面的说明图。

图2是表示蓝宝石的结晶构造的说明图。

图3是用于说明台阶构造层的示意图。

具体实施方式

对于HUD装置等的图像显示装置中使用的色轮(光学部件)，要求针对来自光源的光的光变换效率(例如向RGB着色光的变换效率)的提高。近年来，在被显示的图像的高密度化、高精细化不断发展的图像显示装置中，这种要求进一步变强。

本公开所涉及的光学部件具备包含蓝宝石并具有相互对置的主面的基板，在俯视主面的情况下，在至少一部分存在被掺杂材料着色的区域。因此，针对来自光源的光的光变换效率得以提高，进而在亮度的提高、以及向外部的散热性提高(发热的减少)方面也有利。

基于图1来说明本公开的一实施方式所涉及的光学部件。图1的(A)所示的光学部件(色轮)1存在基板2，在俯视基板2的主面的情况下存在着色区域3。

基板2具有相互对置的主面，主面在俯视的情况下具有圆形状。基板2的大小没有特别限定，根据搭载的图像显示装置等的大小而适当被设定。基板2可以具有例如10mm以上且100mm以下的直径，可以具有例如0.1mm以上且1mm以下的厚度。

基板2包含蓝宝石。所谓蓝宝石，是氧化铝(Al₂O₃)的单晶体。蓝宝石具有优异的耐热性、热传导性以及散热性，能够抑制色轮的温度上升。进而，蓝宝石在机械强度方面优异，即使受到比较强的离心力也难以损坏，在光的透射性方面也优异。作为这种基板2，例如列举蓝宝石基板等。在基板2的主面的大致中央部，如图1的(B)所示那样形成有用于固定于旋转保持部的固定用孔21。

基板2的透射率没有限定。包含蓝宝石的基板2具有比较高的透射率，例如不包含着色用的掺杂材料4的蓝宝石基板2的波长400～800nm处的透射率为82％以上。在包含掺杂材料4的蓝宝石基板2中，其一部分的光进一步被吸收，从而形成着色光。着色光的透射率(即变换效率)取决于掺杂材料4的种类和浓度，但是比荧光体的变换效率(例如几％)大。因此，能够减小基于着色而导致的发热。光的透射率例如能够使用紫外可见近红外分光光度计等来进行测量。

接下来，对蓝宝石的结晶面进行说明。图2表示蓝宝石的结晶构造。如图2的(A)～(D)所示，蓝宝石具有六方晶构造，作为代表性的结晶面，存在c面、m面、a面以及r面。将与这些面垂直的轴分别称为c轴、m轴、a轴以及r轴。在色轮1中，基板2可以被加工为蓝宝石的任意的结晶面成为主面，特别地，由于被加工为蓝宝石的c面成为主面的基板不产生双折射(折射率的各向异性)，因此优选。此外，被加工为蓝宝石的a面成为主面的基板在机械强度方面优异。

存在于色轮1的着色区域3包含第1着色区域31、第2着色区域32以及第3着色区域33，各个着色区域3被着色为不同的颜色。第1着色区域31、第2着色区域32以及第3着色区域33在俯视的情况下，分别形成为大致具有120°的中心角的环状扇形。

着色区域3在第1着色区域31、第2着色区域32以及第3着色区域33分别如图1的(B)所示那样添加掺杂材料4从而被着色。以下，以RGB色轮为例来说明色轮1。所谓“RGB”表示红、绿以及蓝的三原色。

掺杂材料4如果是使第1着色区域31、第2着色区域32以及第3着色区域33分别显色为不同的所期望的颜色的材料，则没有限定。作为这种掺杂材料4，列举例如包含金属元素的物质。具体而言，列举包含Cr(铬)、Co(钴)、Fe(铁)、Ti(钛)、Ni(镍)等的元素的化合物。例如，在将各个着色区域3以不同的掺杂材料4着色为不同的颜色的情况下，使用如下这种的掺杂材料4。

在使第1着色区域31显色为红色的情况下，作为掺杂材料4，例如使用包含氧化铬等的Cr元素的化合物。在使第2着色区域32显色为绿色的情况下，作为掺杂材料4，例如使用包含氧化钴等的Co元素的化合物。在使第2着色区域33显色为蓝色的情况下，作为掺杂材料4，例如使用包含氧化铁(和氧化钛)等的Fe元素的化合物。在使第2着色区域33显色为黄色的情况下，作为掺杂材料4，例如使用包含氧化镍等的Ni元素的化合物。这种的化合物(掺杂材料4)可以在各个着色区域3中单独使用，只要不妨碍显色也可以并用两种以上。对于掺杂材料4的添加量，也考虑显色的浓淡、基板2的大小、厚度等而适当被设定。掺杂材料4例如被添加为相对于着色区域3各自的蓝宝石的质量为100～50000ppm左右的浓度。

或者，可以并用不同的两种以上的掺杂材料4，并通过调整器混合比来使其显色为所期望的颜色。该情况下，可以在第1着色区域31、第2着色区域32以及第3着色区域33各自中包含的多个掺杂材料的种类在各区域彼此相同。例如，能够在蓝宝石中添加氧化铁、氧化钛和氧化镍，通过调整它们的添加量从而使其显色为黄色～黄绿～蓝。

色轮1的外周面、即图1的(B)所示的基板侧面22可以是平滑的，也可以在至少一部分形成有台阶构造层5。基于图3来说明台阶构造层5。

台阶构造层5包含：台阶面6和抵接于台阶面6的边缘线7的侧面8。台阶面6是扩展为平面状的面。侧面8是从一个台阶面6的边缘线7大致垂直地延伸至另一个台阶面6的面。如图3所示，台阶构造层5具有凹凸形状。因此，若这种的台阶构造层5被形成于基板侧面22，则相比于平滑的情况，能够增大基板侧面22的表面积。通过增大基板侧面22的表面积，从而能够提高从基板侧面22的散热性。台阶构造层5的凹凸与容易成为裂纹、断裂的起点的极端尖锐的凹部或凸部不同。

形成有台阶构造层5的台阶面6具有例如1μm²以上且100μm²以下的面积。侧面8若以3000倍左右的电子显微镜进行观察，则具有能够至少识别出在台阶面6与侧面8的边界存在的边缘的程度的高度。具体而言，侧面8具有几原子层以上且0.1μm以下的高度。

一实施方式所涉及的色轮1的制造方法没有限定，例如通过以下的方法来获得。准备基板2。在作为基板2使用蓝宝石基板的情况下，例如蓝宝石锭切断并加工为具有期望的大小、例如10mm以上且100mm以下的直径以及0.1mm以上且1mm以下的厚度，从而得到基板2。

接下来，在基板2的大致中央部，形成用于将得到的色轮1固定于旋转保持部的固定用孔21。接下来，使用研磨装置加工为基板2的两主面的算术平均粗糙度Ra为1μm以下。研磨例如使用铸铁制的平板和金刚石磨粒来进行即可。

算术平均粗糙度Ra是依据JIS B0601(2013)的值。算术平均粗糙度Ra能够使用例如激光显微镜装置VK-9510(由KEYENCE CORPORATION制造)来测定。测定条件例如将测定模式设为彩色超深度，将测定倍率设为1000倍，将测定间距设为0.02μm，将截止滤波器λs设为2.5μm，将截止滤波器λc设为0.08mm，将测定长度设为100～500μm即可。

在研磨工序之后，也可以进行使用胶体二氧化硅的CMP(Chemical MechanicalPolishing)研磨。通过进行镜面研磨加工以使得基板2的两主面的算术平均粗糙度Ra为例如0.2μm以下，从而能够得到主面平滑的基板2。也可以实施镜面研磨加工，以使得基板2的两主面的算术平均粗糙度Ra为30nm以下。通过实施CMP研磨，从而能够减少基板2的两主面的加工损伤层，进一步提高光的透射率。

根据需要，也可以在基板侧面22形成台阶构造层7。具体而言，台阶构造层7形成在研磨工序与CMP研磨工序之间即可。台阶构造层7通过对基板侧面22实施热处理来形成。具体而言，以1800℃以上且2000℃以下左右的温度对基板2处理5小时以上、超过6小时以上来冷却至室温，从而形成台阶构造层7。

热处理在氩气等的惰性气体环境中、或者真空中进行即可。通过这样进行热处理，从而在基板2的表面以及内部进行原子、结晶缺陷的重排列，也能够减少在加工工序中形成于表面以及内部的微裂纹、结晶缺陷、或者内部应力。通过热处理，不仅在基板侧面22，在基板的两主面也形成台阶构造层7。但是，通过之后的CMP研磨工序，在基板的两主面所形成的台阶构造层7被研磨、去除。其结果，仅在基板侧面22残留台阶构造层7。

接下来，将基板2分为第1着色区域31、第2着色区域32以及第3着色区域33。通过在各个着色区域3加入所期望的掺杂材料，从而得到色轮1。这样，一实施方式所涉及的色轮1不需要组合预先被着色为各种颜色的基板来进行制造，能够将一个基板2分为多个着色区域3并使其显色为不同的颜色。掺杂材料4的添加能够通过基于离子束等的加入、涂敷为糊膏状之后的热扩散等的方法来进行。掺杂材料4的添加可以在CMP研磨工序之前实施。

一实施方式所涉及的色轮1被配备为位于从光源放射的光的光路上，并根据需要设置其他部件(例如各种透镜、保持色轮1并使其旋转的保持部、微镜等)，从而得到图像显示装置。作为光源，例如列举白色光(水银灯等)、紫外光、LED、激光等。

在来自光源的光具有白色光等较宽的波长光谱的情况下，在着色区域3一部分的波长区域被吸收，从而透射光着色。因此，相比于利用荧光等的波长变换的色轮，颜色的变换效率变高。此外，由于入射光之中的短波长的光容易被吸收，因此存在出射光相比于入射光而波长变长的趋势。因此，出射面(背面)的算术平均粗糙度Ra可以设为小于入射面(表面)的算术平均粗糙度Ra。也可以将出射面(背面)设为非镜面(算术平均粗糙度Ra大于0.2μm)，从而出射扩散光。这样在将背面设为非镜面的情况下，不需要扩散板，能够简化图像显示装置的结构(节省空间、低成本)。

一实施方式所涉及的色轮1提高了向外部的散热性，在比较高温的条件下也能够使用。作为在这种高温条件下被使用的图像显示装置，列举车辆、铁路、船舶、飞机等的移动体所搭载的图像显示装置(例如HUD装置等)、在屋外使用的图像显示装置、例如车载用的HUD装置。

由HUD装置得到的图像光被投影于处在HUD装置的外部的显示部(屏幕)。作为显示部，例如列举玻璃、屏幕等。在HUD装置被用作为车载用的HUD装置的情况下，作为显示部，例如列举汽车的挡风玻璃、后玻璃、窗户等。

本公开的光学部件并不限定于上述的一实施方式所涉及的光学部件(色轮)1。一实施方式所涉及的色轮1被分为三个着色区域3。但是，着色区域如果被分为两个以上则没有限定。具体而言，在俯视基板的主面的情况下，主面可以被分为大致具有相同中心角的n个(n为2以上的整数)的扇形(存在固定用孔的情况下为环状扇形)的区域。

一实施方式所涉及的色轮1的三个着色区域3的所有区域被着色。但是，不需要被划分出的所有的区域被着色。例如，如上述那样被分为n个区域并至少n-1个的区域被着色即可。未被着色的区域不变换作为光源使用的光的颜色，以原来的颜色被使用。

本公开的光学部件能够用作为色轮，也能够用作为滤色器等的其他部件。例如，在一实施方式所涉及的色轮1中，在俯视的情况下，基板2的主面具有圆形状。但是，基板的主面也可以具有三角形状、四边形状、五边形状、六边形状等多边形状。这种具有多边形状的情况下，本公开的光学部件例如被用作为滤色器等。

本公开的光学部件1也可以用作为与受光设备、显示设备组合使用的滤色器。例如，通过使用光刻技术来形成各着色区域(31、32、…)，从而得到与CCD(固体摄像元件)、液晶等组合而使用的高分辨率的多色滤色器。现有的多色滤色器在各着色区域之间存在无法用作为过滤器的边界区域，相对于此，本发明的滤色器能够制作出没有这种边界区域的高分辨率的滤色器。

符号说明

1 光学部件(色轮)

2 基板

21 固定用孔

22 基板侧面

3 着色区域

31 第1着色区域

32 第2着色区域

33 第3着色区域

4 掺杂材料

5 台阶构造层

6 台阶面

7 边缘线

8 侧面。

Claims

1.一种光学部件，具备：

包含蓝宝石并具有相互对置的主面的基板，

在俯视主面的情况下，在至少一部分存在通过掺杂材料而被着色的区域。

2.根据权利要求1所述的光学部件，其中，

通过所述掺杂材料而被着色的区域包含被着色为不同的颜色的多个区域。

3.根据权利要求1所述的光学部件，其中，

通过所述掺杂材料而被着色的区域具有通过不同的掺杂材料而被着色为不同的颜色的多个区域。

4.根据权利要求1所述的光学部件，其中，

通过所述掺杂材料而被着色的区域具有多个区域，所述多个区域包含相同的多个掺杂材料，并通过各掺杂材料的混合比的调整而被着色为不同的颜色。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的光学部件，其中，

所述掺杂材料是包含金属元素的物质。

6.根据权利要求1至5的任意一项所述的光学部件，其中，

所述主面在俯视的情况下具有圆形状。

7.根据权利要求6所述的光学部件，其中，

在俯视所述主面的情况下，所述主面被分为具有大致相同的中心角的n个扇形的区域，至少n-1个扇形的区域通过不同的掺杂材料而被着色为不同的颜色，其中，n为2以上的整数。

8.根据权利要求6或者7所述的光学部件，其中，

所述光学部件是色轮。

9.根据权利要求1至5的任意一项所述的光学部件，其中，

所述主面在俯视的情况下具有多边形状。

10.根据权利要求9所述的光学部件，其中，

所述光学部件是滤色器。

11.一种图像显示装置，具备：光源、和位于从光源放射的光的光路上的权利要求1至10的任意一项所述的光学部件。

12.一种平视显示器，具备：权利要求11所述的图像显示装置、和显示图像的显示部。