CN101038374A - 偏振光转换元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种偏振光转换元件及其制造方法，在与玻璃平板的边界面上，偏振光分离膜不会剥离或产生裂纹。偏振光转换元件包括：具有偏振光分离膜(10)和反射膜(4)的第1透光性部件(2)；与第1透光性部件(2)交替贴合的第2透光性部件(3)；以及转换已透过偏振光分离膜(10)的偏振光的光路上或被反射膜(4)反射的偏振光的光路上的任一方的偏振光的1/2波长板(5)，偏振光分离膜(10)由交替层叠了具有压缩应力的SiO2膜(12)和钛酸镧膜(11)的第1偏振光分离膜层膜(10a)、和交替层叠了具有拉伸应力的MgF2膜(13)和钛酸镧膜(11)的第2偏振光分离膜层(10b)形成。

Description

偏振光转换元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及在液晶投影仪等中使用的、把从光源射出的自然光转换为直线偏振光的偏振光转换元件及其制造方法。
背景技术
图5是表示以往的偏振光转换元件的结构的图，该图5所示的以往的偏振光转换元件100通过利用光学粘接剂使断面呈平行四边形的多个棱镜101和102在这些棱镜的侧面之间相互接合而构成。在棱镜102的一个侧面上形成有偏振光分离膜110，在棱镜101的一个侧面上形成有反射膜120。这样，通过交替接合棱镜101和102的侧面之间，能够交替地配置偏振光分离膜110和反射膜120。另外，为了将直线偏振光设为一种类型，在棱镜101的侧面即直线偏振光的射出面101a上接合1/2波长板103来构成偏振光转换元件100。
另外，作为先行文献，专利文献1公开了不进行分割后的烦杂的镜面加工、而实施了镜面加工的光学装置的制造方法的技术，专利文献2公开了提高光的利用效率的光学元件。
并且，专利文献3公开了光学多层膜滤波器及光学多层膜滤波器的制造方法，通过进一步降低因层叠在透明基板上的电介质的薄膜应力形成的基板的翘曲幅度，来防止光学失真，专利文献4公开了一种光学多层膜滤波器，即使将电介质多层膜的膜数设为40层以上，相比以往的光学多层滤波器也能够减小膜的应力及翘曲。
[专利文献1]日本特开2000-143264公报
[专利文献2]日本特许第3486516号
[专利文献3]日本特开2005-43755公报
[专利文献4]日本特开平7-209516号公报
但是，上述偏振光转换元件100的偏振光分离膜110如图6所示，在成为玻璃棱镜102的玻璃平板113上交替层叠多层由作为高折射率材料的La(镧)和Al(铝)的混合氧化物构成的铝酸镧膜111、和作为低折射率材料的MgF2膜112而构成。
可是，在上述以往的偏振光转换元件100中，如图7所示，在玻璃棱镜102和偏振光分离膜110的边界面上，偏振光分离膜剥离或者偏振光分离膜产生裂纹，存在光学特性劣化的问题。
因此，本发明者们为了掌握上述问题产生的原因而进行了认真研究，结果发现上述问题是由于MgF2膜112的膜应力产生的。
图8是表示上述偏振光分离膜110的膜应力的作用的图。
在图8中，F1表示对基于成为玻璃棱镜102的玻璃平板113的弹性率的膜拉伸的力或者按压膜的力。另外，F1是根据玻璃平板113的玻璃材料而固有的。并且，在本说明书中，把F1称为玻璃弹性力。
并且，F2表示铝酸镧膜111的膜应力，F3表示MgF2膜112的膜应力，F0表示综合应力。另外，膜应力的方向和大小在很大程度上由蒸镀条件左右，所以此处的膜应力F2、F3的方向和大小实际上是通过形成铝酸镧膜111和MgF2膜112而求出的。另外，作为成膜方法，有电子束(以下称为EB)成膜和溅射成膜、离子镀法和离子促进法等的促进成膜等，设计者根据偏振光分离元件的要求规格等适当选择成膜方法。
并且，作为离子促进法的特征，利用离子使将要成膜的材料加速，从而成膜于玻璃平板的表面上，由此提高膜材料与玻璃平板的紧密粘接性。
该情况时，铝酸镧膜111的膜应力F2沿拉伸方向对玻璃平板113进行作用，MgF2膜112的膜应力F3也沿拉伸方向对玻璃平板113进行作用。并且，在比较膜应力F2和膜应力F3的大小的情况下，例如铝酸镧膜111的膜应力F2约为0.15GPa，而MgF2膜112的膜应力F3约为0.31GPa，合计约0.46GPa的膜应力沿拉伸方向对玻璃平板113进行作用。结果，可知即使加上玻璃平板113的弹性力F1，膜的综合应力F0也沿拉伸方向对玻璃平板113进行作用，在玻璃平板113和偏振光分离膜110的边界面上产生偏振光分离膜110的剥离和裂纹。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种偏振光转换元件及其制造方法，在与玻璃平板的边界面上，偏振光分离膜不会剥离或产生裂纹。
为了达到上述目的，本发明提供一种偏振光转换元件，其特征在于，该偏振光转换元件包括：第1透光性部件，其具有光射入面和与所述光射入面大致平行的光射出面，并且具有大致平行的第1和第2膜形成面、形成于所述第1膜形成面上的偏振光分离膜和形成于所述第2膜形成面上的反射膜，所述第1和第2膜形成面形成为与所述光射入面和光射出面构成规定的角度；多个第2透光性部件，其与所述第1透光性部件交替贴合，并且分别具有形成于分别与所述第1透光性部件的各个光射入面和各个光射出面相同的平面上的光射入面和光射出面；偏振光转换部件，其转换配置在已透过偏振光分离膜的偏振光的光路上或由反射膜反射的偏振光的光路上的任一方上的偏振光，偏振光分离膜由第1偏振光分离膜层和第2偏振光分离膜层形成，所述第1偏振光分离膜层交替层叠了由具有压缩应力的第1低折射率材料构成的第1低折射率膜和由高折射率材料构成的高折射率膜，所述第2偏振光分离膜层交替层叠了由具有拉伸应力的第2低折射率材料构成的第2低折射率膜和高折射率膜。
根据本发明，利用交替层叠了具有压缩应力的第1低折射率膜和高折射率膜的第1偏振光分离膜层、和交替层叠了具有拉伸应力的第2低折射率膜和高折射率膜的第2偏振光分离膜层来形成偏振光分离膜，由此利用在压缩方向上对第1透光性部件进行作用的第2偏振光分离膜层的膜应力，抵消在拉伸方向上对第1透光性部件进行作用的第1偏振光分离膜层的膜应力，所以在第1透光性部件和偏振光分离膜的边界面上，偏振光分离膜不会剥离或者偏振光分离膜不会产生裂纹。由此，可以防止偏振光转换元件的光学特性劣化。
并且，利用SiO2膜形成第1低折射率膜、利用MgF2膜形成第2低折射率膜时，可以利用SiO2膜的压缩应力来抵消MgF2膜的拉伸应力，所以在第1透光性部件和偏振光分离膜的边界面上，偏振光分离膜不会剥离或者偏振光分离膜不会产生裂纹。由此，可以可靠地防止偏振光转换元件的光学特性劣化。
并且，本发明提供一种偏振光转换元件的制造方法，该方法包括：准备工序，其准备作为平行平板的第1透光性板材和作为平行平板的第2透光性板材；成膜工序，其在第1透光性板材的一个主面上形成偏振光分离膜，并且在第1透光性板材的另一个主面上形成反射膜；层叠体形成工序，其交替层叠第1透光性板材和第2透光性板材，同时使第1和第2透光性板材的面方向的位置依次错开并通过粘接剂层叠成阶梯状形成层叠体，并且使连接第1和第2透光性板材的端缘的平面与第1和第2透光性板材之间的形成角度是约45度的倾斜角度；第1切割工序，其将在层叠体形成工序中一体化的层叠体按照沿着约45度的倾斜角度的具有规定间距的多个平行切割面切割成为多个层叠分割体；以及粘贴工序，其在层叠分割体的射出面上选择性地粘贴1/2波长板。根据这种本发明的制造方法，在第1透光性部件和偏振光分离膜的边界面上，偏振光分离膜不会剥离或者偏振光分离膜不会产生裂纹，所以能够提高偏振光转换元件的成品率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式涉及的偏振光转换元件的结构的图。
图2是示意性地表示本实施方式涉及的偏振光转换元件的偏振光分离膜的结构的图。
图3是表示本实施方式的偏振光转换元件的膜应力的作用的图。
图4是说明本实施方式涉及的偏振光转换元件的制造方法的工序图。
图5是说明以往的偏振光转换元件的结构及使用方法的图。
图6是示意性地表示图5所示的偏振光转换元件的偏振光分离膜的结构的图。
图7是说明以往的偏振光转换元件的问题的说明图。
图8是表示以往的偏振光分离膜的膜应力的作用的图。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的实施方式涉及的偏振光转换元件的结构的图。
该图1所示的本实施方式的偏振光转换元件1通过交替贴合第1透光性部件2和第2透光性部件3而形成。第1透光性部件2具有光射入面2a和与射入面2a大致平行的光射出面2b，在与射入面2a和射出面2b构成规定角度(例如45°)而形成的大致平行的第1和第2膜形成面2c、2d中，在第1膜形成面2c上形成有偏振光分离膜10，在第2膜形成面2d上形成有反射膜4。
并且，第2透光性部件3分别具有形成于分别与第1透光性部件2的射入面2a和射出面2b相同的平面上的射入面3a和射出面3b。
并且，在第2透光性部件3的射出面3b上设有1/2波长板5作为偏振光转换部件。另外，在本实施方式中，在已透过偏振光分离膜10的偏振光的光路上设置1/2波长板5，但也可以在通过反射膜4反射的偏振光的光路上、即第1透光性部件2的射出面2b上设置1/2波长板5。
第1、第2透光性部件2、3使用玻璃板。但是，也可以使用玻璃以外的透光性板状材料。偏振光分离膜10是具有使S偏振光和P偏振光任一方选择性透过，使另一方选择性反射的性质的膜。另外，关于偏振光分离膜10将在后面叙述。
反射膜4优选利用使通过偏振光分离膜10反射的直线偏振光成分(S偏振光或P偏振光)反射的电介质多层膜构成。另外，反射膜4也可以通过蒸镀铝形成。
在利用电介质多层膜形成反射膜4时，能够以约98％的反射率反射特定的直线偏振光成分(例如S偏振光)。另一方面，在铝膜中，反射率至多约92％。因此，如果利用电介质多层膜来形成反射膜4，则可以提高从偏振光转换元件1射出的光量。另外，电介质多层膜对光的吸收小于铝膜，所以具有发热较少的优点。此外，为了提高特定的直线偏振光成分的反射率，使形成用于构成反射膜4的电介质多层膜(通常为两种膜交替层叠的结构)的各个膜的厚度或膜的材料最佳化即可。
并且，在这样构成的本实施方式的偏振光转换元件1中，其特征在于按照下面所述形成偏振光分离膜10。
图2是示意性地表示本实施方式涉及的偏振光转换元件1的偏振光分离膜10的结构的图。
该图2所示的本实施方式的偏振光转换元件1的偏振光分离膜10在成为第1透光性部件2的玻璃平板14上形成第1偏振光分离膜层10a，该第1偏振光分离膜层10a交替层叠了多层由作为高折射率材料的La(镧)和Ti(钛)的混合氧化物构成的钛酸镧膜(高折射率膜)11、和由作为第1低折射率材料的二氧化硅(SiO2)构成的SiO2膜(第1低折射率膜)12。并且，形成第2偏振光分离膜层10b，该第2偏振光分离膜层10b交替层叠了多层由作为第2低折射率材料的氟化镁(MgF2)构成的MgF2膜(第2低折射率膜)13和钛酸镧膜(高折射率膜)11。
另外，在本实施方式中，作为高折射率膜11，举例说明钛酸镧膜，但是，例如也可以使用由La和Al(铝)的混合氧化物构成的铝酸镧膜等各种高折射率膜。并且，作为第1低折射率膜12，举例说明SiO2膜，但是，例如也可以使用Ta2O5膜、TiO2膜、Nb2O5膜、Al2O3膜等各种低折射率膜。
图3是表示偏振光分离膜10的膜应力的作用的图。
在该图3中，F1表示成为第1透光性部件2的玻璃平板14的玻璃弹性力，F2表示钛酸镧膜11的膜应力，F3表示MgF2膜13的膜应力，F4表示SiO2膜12的膜应力，F0表示综合应力。另外，膜应力的方向和大小在很大程度上由蒸镀条件左右，所以膜应力F2、F3、F4的方向和大小实际上通过利用EB成膜和溅射成膜、促进成膜等在玻璃平板14上形成钛酸镧膜11、SiO2膜12和MgF2膜13而求出。该情况时，钛酸镧膜11的膜应力F2和SiO2膜的膜应力F4在压缩方向上对玻璃平板14进行作用，MgF2膜13的膜应力F3在拉伸方向上对玻璃平板14进行作用。
并且，在比较膜应力F2和膜应力F4的大小时，例如，钛酸镧膜11的膜应力F2为0.05GPa，而SiO2膜12的膜应力F4为0.3GPa。并且，MgF2膜13的膜应力F3为0.31GPa。因此，在比较这些膜应力F2、F3、F4时，MgF2膜13的膜应力F3和SiO2膜的膜应力F4的大小大致相同，而钛酸镧膜11的膜应力F2与MgF2膜13的膜应力F3和SiO2膜12的膜应力F4相比，属于充分小的可以忽视的应力。
因此，在本实施方式中，通过与对玻璃平板14具有拉伸应力的由MgF2膜13和钛酸镧膜11构成的第2偏振光分离膜层10b一起，形成对玻璃平板14具有压缩应力的由SiO2膜12和钛酸镧膜11构成的第1偏振光分离膜层10a，MgF2膜13的拉伸方向的膜应力F3可以被SiO2膜12的压缩方向的膜应力F4抵消，所以将SiO2膜12的膜层数设定为与MgF2膜13的膜层数大致相同，或者使MgF2膜13的膜层数大于SiO2膜12的膜层数。
由此，可以使本实施方式的偏振光分离膜10的综合应力F0保持均衡状态，或者使其在压缩方向上对玻璃平板14进行作用，所以能够在玻璃平板14与偏振光分离膜10的边界面上防止偏振光分离膜10的剥离和产生裂纹。
另外，第2偏振光分离膜层10b中的MgF2膜13的膜层数和第1偏振光分离膜层10a中的SiO2膜12的膜层数，可以考虑所要求的光学特性、MgF2膜13和SiO2膜12的膜应力、以及成为第1透光性部件2的玻璃平板14的玻璃弹性力等而适当设定。
并且，关于偏振光分离膜10中的第1偏振光分离膜层10a和第2偏振光分离膜层10b的制造顺序，为了使玻璃平板14与偏振光分离膜层的边界面的紧密粘接性更加可靠，优选在玻璃平板14侧形成由具有压缩应力的膜材料构成的第1偏振光分离膜层10a。
下面，说明本实施方式的偏振光转换元件的制造方法。
图4是说明本实施方式的偏振光转换元件的制造方法的工序图。
在本实施方式中，作为准备工序，准备上下面已进行镜面加工的玻璃平板(第1透光性板材)20和同样上下面已进行镜面加工的玻璃平板14。然后，作为成膜工序，如图4(a)所示，在玻璃平板14的一个主面14a上形成偏振光分离膜10，在另一个主面14b上形成反射膜4，构成第2透光性板材21。在本实施方式中，在形成偏振光分离膜10时利用离子促进法形成。即，在玻璃平板14上与第1偏振光分离膜层10a一起形成第2偏振光分离膜层10b，该第1偏振光分离膜层10a交替层叠了多层作为高折射率材料的钛酸镧膜(高折射率膜)11、和由作为第1低折射率材料的SiO2构成的SiO2膜(第1低折射率膜)12，该第2偏振光分离膜层10b交替层叠了多层由作为第2低折射率材料的MgF2构成的MgF2膜(第2低折射率膜)13和钛酸镧膜(高折射率膜)11。
然后，作为层叠体形成工序，使用图4(b)所示的夹具25来交替层叠第1透光性板材20和第2透光性板材21。夹具25包括水平板状的基座25a、和从该基座25a向上方以45度的倾斜角度倾斜固定的倾斜侧壁25b。使第1透光性板材20和第2透光性板材21在面方向以相等距离依次错开并层叠成阶梯状而形成层叠体23，并且使连接层叠的第1透光性板材20和第2透光性板材21的端缘的平面、与第1透光性板材20和第2透光性板材21之间的形成角度约为45度的倾斜角度。
另外，在层叠之前，在第1透光性板材20和第2透光性板材21之间涂覆UV固化型的粘接剂27，在对层叠体23加压使粘接剂27均匀展开的状态下，从未图示的紫外线照射装置向层叠体23照射紫外线，使粘接剂27固化并使层叠体23贴合。
然后，作为第1切割工序，将上述一体化的层叠体23从夹具25中取出，利用可以剥离的粘接剂等将层叠体23的背面侧的侧面临时固定在未图示的固定板上，然后在该临时固定状态下，沿着图4(c)中虚线所示的约45度的切割线切割。即，利用钢丝锯将层叠体23以相等间隔按照沿着45度倾斜角度的规定间距的多个平行切割面，切割成为多个层叠分割体24。
然后，作为第2切割工序，在将图4(d)所示的已切割的层叠分割体24的两端突出成锐角状的突出部25切断后，作为粘贴工序，在层叠分割体24的射出面上选择性地粘贴1/2波长板5，由此可以提高偏振光转换元件1的成品率。

Claims (3)

1.一种偏振光转换元件，其特征在于，该偏振光转换元件包括：
第1透光性部件，其具有光射入面和与所述光射入面大致平行的光射出面，并且具有大致平行的第1和第2膜形成面、形成于所述第1膜形成面上的偏振光分离膜和形成于所述第2膜形成面上的反射膜，所述第1和第2膜形成面形成为与所述光射入面和光射出面构成规定的角度；
多个第2透光性部件，其与所述第1透光性部件交替贴合，并且分别具有形成于分别与所述第1透光性部件的所述各个光射入面和各个光射出面相同的平面上的光射入面和光射出面；以及
偏振光转换部件，其转换配置在已透过偏振光分离膜的偏振光的光路上或由所述反射膜反射的偏振光的光路上的任一方上的偏振光，
所述偏振光分离膜利用第1偏振光分离膜层和第2偏振光分离膜层形成，所述第1偏振光分离膜层交替层叠了由具有压缩应力的第1低折射率材料构成的第1低折射率膜和由高折射率材料构成的高折射率膜，所述第2偏振光分离膜层交替层叠了由具有拉伸应力的第2低折射率材料构成的第2低折射率膜和所述高折射率膜。
2.根据权利要求1所述的偏振光转换元件，其特征在于，所述第1低折射率膜是SiO2膜，所述第2低折射率膜是MgF2膜。
3.一种权利要求1或2所述的偏振光转换元件的制造方法，该方法包括：
准备工序，其准备作为平行平板的第1透光性板材和作为平行平板的第2透光性板材；
成膜工序，其在所述第1透光性板材的一个主面上形成偏振光分离膜，在第1透光性板材的另一个主面上形成反射膜；
层叠体形成工序，其交替层叠所述第1透光性板材和所述第2透光性板材，同时使所述第1和第2透光性板材的面方向的位置依次错开并通过粘接剂层叠成阶梯状而形成层叠体，并且使连接所述第1和第2透光性板材的端缘的平面与所述第1和第2透光性板材之间的形成角度是约45度的倾斜角度；
第1切割工序，其将在所述层叠体形成工序中一体化的层叠体按照沿着所述约45度的倾斜角度的具有规定间距的多个平行切割面切割成为多个层叠分割体；以及
粘贴工序，其在所述层叠分割体的射出面上选择性地粘贴1/2波长板。
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