CN105264411B - 相位差补偿元件及投射型图像投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够有效地补偿偏振光的散乱的相位差补偿元件及投射型图像投影装置。具备：双折射层（33），由多个斜方蒸镀膜的层叠膜构成，各斜方蒸镀膜的厚度为使用波长以下；以及Rd－AR膜（32），由折射率不同的两种以上的电介质膜的层叠膜构成，赋予对于双折射层（33）中的斜入射透射光的相位差的相位差。Rd－AR膜（32）所赋予的相位差Rd，在所使用的波长频带的任意的波长λ中，入射光角度0°～25°的范围内为1＜Rd（λ）/Rd（λ'）＜1.5（λ＜λ'）。

Description

相位差补偿元件及投射型图像投影装置

技术领域

本发明涉及由无机材料形成的具有高耐热性的相位差补偿元件。更具体涉及利用使用频带的光中因双折射层而形成的面内相位差和因电介质多层膜而形成的斜入射光的相位差的相位差补偿元件及投射型图像投影装置。本申请以在日本于2013年4月10日申请的日本专利申请号特愿2013－81775及2014年4月9日申请的日本专利申请号特愿2014－80245为基础主张优先权，通过参照该申请，引用到本申请。

背景技术

一直以来，相位差补偿元件通过石英等的无机光学单晶或高分子延伸膜来制作。作为相位差补偿元件，无机光学单晶的耐久性、可靠性优异，但是存在原材料费、加工成本高，另外，相对于入射光角度依赖性较大这一课题。另外，高分子延伸膜是最常用的相位差补偿元件，但是对于热或UV光线容易老化，在耐久性上存在课题。

另外，作为相位差补偿元件，已知具有斜柱状结构的斜方蒸镀膜（斜方蒸镀相位差元件）。该斜方蒸镀膜在原理上通过调整膜厚能够设定任意相位差，不仅较容易大面积化，而且通过大量生产能够谋求低成本化。另外，由于采用无机材料，所以能够提供耐光性/耐热性优异的相位差补偿元件。

另外，近年来，在投射型图像投影装置中，为了改善对比度特性、视场角特性，采用利用相位差补偿元件的光学补偿技术。作为利用相位差补偿元件的光学补偿技术，可举出例如图29所示那样的垂直取向液晶中的黑亮度修正。

垂直取向液晶100在无电压施加状态（黑状态）下液晶分子垂直取向，对于具备该垂直取向液晶100的反射型光调制元件110垂直入射光束的情况下不会发生双折射。因此，入射反射型偏光镜120、并成为既定直线偏振光的光束，偏振光不会散乱而再次入射反射型偏光镜并透射，光不会泄漏到屏幕。

然而，对于以既定角度入射反射型光调制元件110的光，由于发生双折射，所以作为直线偏振光入射反射型光调制元件110的光束成为椭圆偏振光。其结果，再次入射反射型偏光镜120的光的一部分到达屏幕，成为对比度恶化的原因。

另外，提出为了抑制横电场造成的液晶分子的取向散乱、或者改善液晶分子的响应速度，使液晶分子对于反射型光调制元件的面倾斜既定角度（预倾角）。在该情况下，对反射型光调制元件垂直入射的光束也因双折射而偏振光状态散乱，成为对比度恶化的原因。

作为补偿以上描述的偏振光的散乱、实现最佳偏振光状态的方法，提出了各种方式。提出了例如将前述的石英等的相位差补偿元件与反射型光调制元件的面平行地设置并进行相位差补偿的方法（例如，参照专利文献1。）、将高分子膜等的具有双折射的有机材料等与反射型光调制元件的面平行地设置并进行相位差补偿的方法（例如，参照专利文献2、3。）等。

然而，在作为光学补偿元件利用加工单晶的方法的情况下，还特别考虑液晶的预倾角度而想要进行补偿时，需要对结晶轴以既定角度切出，材料的切出、研磨等会需要非常高的精度，从而需要较高的成本。

另外，若用高分子类的延伸膜连同液晶分子的预倾角度也一起补偿，则需要组合2轴的相位差膜或多片相位差膜而制作。虽然在该方法中是能够比较容易制作的方法，但是如前所述对于热或UV光线容易老化，因此存在耐久性课题。

另外，专利文献4中，作为采用电介质材料的薄膜形成的相位差补偿元件，提出了组合通过高/低折射率材料的交替层叠而形成的负的C－板（C-plate）和由2层构成以上的斜方蒸镀膜形成的O－板的相位差补偿元件。该相位差补偿元件通过经高/低折射率材料的交替层叠形成的具有结构性双折射的负的C－板来修正对反射型光调制元件的斜入射光的偏振光的散乱，并通过由2层构成以上的斜方蒸镀膜形成的O－板来修正因预倾角而产生的偏振光的散乱。

然而，利用斜方蒸镀进行的O－板的形成，为了显现双折射需要将蒸镀角度规定在某一范围，从而柱（column）的生长角度会确定为既定宽度。这样生长的斜粒子未必适合修正因预倾角形成的偏振光的散乱。另外，为了制作负的C－板记载了要层叠共计80层，担心会高成本化、准备时间的长时间化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005－172984号公报；

专利文献2：日本特开2007－101764号公报；

专利文献3：国际公开第2009/001799号公报；

专利文献4：日本特开2006－171327号公报。

发明内容

发明要解决的课题

本发明鉴于这样的实情而提出，目的在于提供能够有效地补偿偏振光的散乱的相位差补偿元件及投射型图像投影装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述的课题，本发明所涉及的相位差补偿元件，其特征在于，具备：双折射层，层叠了使用波长以下的厚度的斜方蒸镀膜；以及相位差赋予防反射层，层叠折射率不同的两种以上的电介质膜，不仅有所述双折射层中的斜入射透射光的相位差，还赋予任意的相位差。

另外，本发明所涉及的投射型图像投影装置，其特征在于，在反射型偏光镜与反射型光调制元件之间配置有相位差补偿元件，所述相位差补偿元件具备：双折射层，由多个斜方蒸镀膜的层叠膜构成，各斜方蒸镀膜的厚度为使用波长以下；以及相位差赋予防反射层，由折射率不同的两种以上的电介质膜的层叠膜构成，不仅有所述双折射层中的斜入射透射光的相位差，还赋予任意的相位差。

依据本发明，通过双折射层控制面内相位差R0，并通过相位差赋予防反射层控制斜入射透射光的相位差Rd并且防止反射，因此能够有效地补偿偏振光的散乱。

附图说明

图1是示意性示出Rd－AR膜的一个例子的截面图。

图2是示出光学薄膜的一个例子的截面图。

图3是示出改变折射率为1/1.41/1的结构中的入射光θ的角度时的相位差的光学膜厚依赖性的图表。

图4是示出改变折射率为2/1.41/2的结构中的入射光θ的角度时的相位差的光学膜厚依赖性的图表。

图5是示出设计Rd－AR膜时的斜入射光的相位差Rd的层数依赖性的图表。

图6是示出设计Rd－AR膜时的斜入射光的相位差Rd的膜厚依赖性的图表。

图7是示出蓝（Blue）的波长频带中的层叠数与相位差Rd的波长色散的关系的图表

图8是示出当利用具有相对最高的折射率NH的电介质和具有相对最低的折射率NL的电介质形成电介质多层膜时，对25度的斜入射光能够赋予的最大相位差的图表。

图9是示出对25度的斜入射光赋予18nm的相位差时的tL/（tH＋tL）与膜厚的关系的图表。

图10是示出改变斜方蒸镀膜的膜厚时的双折射及光学损耗的变化的图表。

图11是示出相位差补偿元件的一个例子的截面图。

图12是示出相位差补偿元件的一个例子的截面图。

图13是示出相位差补偿元件的一个例子的截面图。

图14是，相位差补偿元件的一个例子を示す截面图。

图15是示出本发明的一实施方式所涉及的相位差补偿元件的制造方法的流程图。

图16是示出用于投射型图像投影装置的光学引擎的一部分结构的概略截面图。

图17是示出实施例1的Rd－AR膜的各膜厚的图。

图18是示出实施例1的相位差补偿元件的透射率的图表。

图19是示出实施例1的相位差补偿元件的反射率的图表。

图20是示意性示出用斜方蒸镀形成的双折射层的立体图。

图21是示出实施例1的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（θ）依赖性的图表。

图22是示出实施例1的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（φ）依赖性的图表。

图23是示出双折射层为单层结构的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（θ）依赖性的图表。

图24是示出双折射层为单层结构的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（φ）依赖性的图表。

图25是示出实施例2的Rd－AR膜的各膜厚的图。

图26是示出实施例3的Rd－AR膜的各膜厚的图。

图27是示出实施例4的Rd－AR膜的各膜厚的图。

图28是示出比较例1的Rd－AR膜的各膜厚的图。

图29是示出用于现有的投射型图像投影装置的光学引擎的一部分结构的概略截面图。

具体实施方式

以下，参照附图，按照以下顺序说明本发明的实施方式。

1. 相位差补偿元件

1.1 相位差赋予防反射层

1.2 双折射层

2. 相位差补偿元件的制造方法

3. 对投射型图像投影装置的适用例

4. 实施例

＜1.相位差补偿元件＞

本实施方式中的相位差补偿元件具备：双折射层，层叠了使用波长以下的厚度的斜方蒸镀膜；以及相位差赋予防反射层，层叠折射率不同的两种以上的电介质膜，不仅有双折射层中的斜入射透射光的相位差，还赋予任意的相位差。依据该相位差补偿元件，通过双折射层控制面内相位差R0，并通过相位差赋予防反射层控制斜入射透射光的相位差Rd并且防止反射，因此能够有效地补偿偏振光的散乱。

例如，在对非电解且具有垂直取向的液晶分子的液晶投影仪配置本实施方式中的相位差补偿元件的情况下，赋予与在双折射层产生的斜入射光相位差相反的相位差，进而控制相位差的值。由此，通过双折射层修正因反射型光调制元件的预倾角而产生的偏振光的散乱，另外，通过相位差赋予防反射层修正因对反射型光调制元件的斜入射光而产生的偏振光的散乱，进而，通过相位差赋予防反射层能够防止反射，因此能够得到较高的对比度。

＜1.1相位差赋予防反射层＞

首先，对于不仅有双折射层中的斜入射透射光的相位差，还赋予任意的相位差的相位差赋予防反射层进行说明。

一直以来，称为结构性双折射的光学多层膜，在显现出膜厚方向的相位差Rth的情况下，不利用光的干涉效应。例如，将两种电介质膜分别设为电介质膜a、电介质膜b，将电介质膜a和电介质膜b的叠层作为1个构成单位而层叠接近100层的情况下，电介质膜a的膜厚ta在多层膜中全部等效，电介质膜b的膜厚tb也在多层膜中全部等效。例如，国际公开第2009/001799号公报的技术中，电介质膜的膜厚全部为15nm。这样的现有的光学多层膜需要在其两侧另行设置防反射膜。

另一方面，本实施方式中的相位差赋予防反射层利用因对电介质膜斜入射而产生的相位差，进而积极地利用光的干涉效应，从而也作为防反射膜发挥功能。即，本实施方式中的相位差赋予防反射层可以独立设计在斜方蒸镀难以控制的斜入射光的相位差，另外，具有防反射功能，因此无需另行成膜防反射膜。

另外，本实施方式中的相位差赋予防反射层无需使各层的膜厚等效，也可以使层叠数比较少。具体而言，优选使各层的膜厚大体上全部不同，进而使层叠数最佳。这与现有的设计思想根本不同。以下，将本实施方式中的相位差赋予防反射层也称为Rd－AR膜。

图1是示意性示出Rd－AR膜的一个例子的截面图。如图1所示，该Rd－AR膜11是在基体材料10上交替层叠高折射率的电介质膜a和低折射率的电介质膜b的电介质多层膜。

Rd－AR膜在期望的波长频带中具有防反射功能，且对于具有既定角度的斜入射光赋予任意的相位差，因此与防反射的设计同时也需要进行斜入射光的相位差的设计。

Rd－AR膜也能对可见光的频带进行设计，但是优选对红（Red）的波长频带（例如590～700nm）、绿（Green）的波长频带（例如510～590nm）、蓝（Blue）的波长频带（例如425～505nm）的3原色的波长频带分别进行设计。电介质具有折射率的波长色散，斜入射光的相位差也带有波长色散，因此在可见光的频带难以设计一定的相位差，但是通过分为RGB的3原色，抑制斜入射光的相位差的波长色散，另外，能够容易进行防反射的设计。

作为用于Rd－AR膜的电介质膜，能够使用TiO₂、SiO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅等的氧化物或组合这些后的材料。在本实施方式中，作为高折射率的电介质膜a优选使用Nb₂O₅，作为低折射率的电介质膜b优选使用SiO₂。

另外，高折射率的电介质膜a的膜厚ta及低折射率的电介质膜b的膜厚tb优选均对于使用波长λ满足λ/100≤ta、tb≤λ/2的关系。关于因对电介质膜斜入射而产生的相位差Rd，通过使膜厚为λ/2以下，能够使相位差的符号恒定。另外，通过使膜厚为λ/100以上，能够显现相位差。

另外，电介质膜的层数d优选满足8≤d≤1000的关系。若电介质膜的层数d小于8层，则相位差Rd的波长色散会变大。另外，若电介质膜的层数d为1000层以上，则会增加准备时间。

另外，各电介质膜的膜厚优选大体上全部不同。为了一边赋予任意的相位差Rd一边形成防反射膜，重要的是对各层的膜厚进行微调，并积极地利用光的干涉。

以下，更具体说明电介质膜的膜厚。图2是示出光学薄膜的一个例子的截面图。该光学薄膜21具有厚度d、折射率n，并被折射率为na的介质22和nb的介质23夹住。

在此，设无论哪个介质都没有吸收。另外，将对于从介质22的一侧以入射角θ入射最初的界面的光的菲涅尔（Fresnel）系数设为r_pa、r_sa、t_pa、t_sa，将另一个介质23的界面的菲涅尔系数设为r_pb、r_sb、t_pb、t_sb。r表示反射系数，t表示透射系数，p和s表示各自的偏振光。

若设该单层的光学薄膜的透射系数为τ^p、τ^s，则能由（1）式表示。

[数1]

另外，有（2）式的关系。

[数2]

若介质无吸收，则菲涅尔系数的t、r为实数。将（1）式有理化，则成为（3）式。

[数3]

因此，透射系数τ^p、τ^s分别成为（4）、（5）式。

[数4]

其中，α、δ、β、ε为实数。当入射角不为0时，一般δ、ε不为0。而且，由（3）式可知，因偏振光而t、r的大小不同，因此δ、ε的值也有因偏振光而不同的可能性。即，可以说除了入射角0以外，以产生相位差的方式作用。

在此，从某一介质0到其他介质1的p偏振光和s偏振光的菲涅尔系数rp01、rs01、tp01、ts01，如以下所述。

[数5]

其中，处于（8）式、（9）式的关系。

将它代入（5）式中，从而能够计算相位差。

例如在图2中，考虑具有na＝nb＝1、n＝1.41这样的折射率的结构。此时，改变入射光θ的角度时的相位差的光学膜厚依赖性，成为如图3所示的图表。光学膜厚为λ/2之前相位差的符号相同，但在λ/2以上时，特别是θ变小时，符号反转。

另外，例如在图2中，考虑具有na＝nb＝2、n＝1.41这样的折射率的结构。此时，改变入射光θ的角度时的相位差的光学膜厚依赖性，成为如图4所示的图表。具有与图3同样的倾向，光学膜厚为λ/2之前相位差的符号相同，但在λ/2以上时，特别是θ变小时，符号反转。

如以上那样，在层叠折射率相对不同的电介质膜的情况下，在光学膜厚为λ/2之前，光中产生的相位差的符号为一个方向。因此，在利用Rd－AR膜来控制Rd的情况下，优选使光学膜厚为λ/2以下。另外，由图3、4可知，光学膜厚过薄也难以产生相位差。因此，优选使光学膜厚为λ/100以上。

接着，更具体说明Rd－AR膜中的电介质膜的层数。图5示出将电介质多层膜的层数改变为4～36层，在各自的层数下设计Rd－AR膜时的、能够最大赋予的相位差Rd。纵轴表示相位差的绝对值。作为高折射率的电介质膜使用Nb₂O₅，作为低折射率的电介质膜使用SiO₂。入射光角度设为25°。由图5所示的图表可知，在设计Rd－AR膜的情况下，电介质膜的层数越多，可以越增加能够最大赋予的相位差Rd。

另外，图6示出关于电介质多层膜各层的膜厚的总和将Rd－AR膜改变为200～1300nm，在各自的膜厚下设计Rd－AR膜时的、能够最大赋予的相位差Rd。纵轴表示相位差的绝对值。作为高折射率的电介质膜使用Nb₂O₅，作为低折射率的电介质膜使用SiO₂。入射光角度设为25度。由图6所示的图表可知，Rd－AR膜的总膜厚越大，可以越增加能够最大赋予的相位差Rd。

另外，图7是示出蓝的波长频带中，以透射相位差补偿元件的25°斜入射光的相位差即Rd（25°）1nm、2.6nm、4nm、8nm、16nm为目标值的情况下的层叠数与相位差Rd的波长色散的关系的图表。波长色散是指在既定波长频带内的相位差Rd的偏差。由图7所示的图表可知，如果层数为8层以上，就能抑制Rd的色散，能够制作良好的相位差元件。另外，不限于蓝的波长频带，在绿的波长频带或红的波长频带也能得到同样的倾向。特别是，在赋予较大的相位差Rd的情况下，通过增加层数，能够抑制色散。通常对于透明基体材料的防反射膜以4～6层左右形成，但是出于以上的理由，Rd－AR膜优选为8层以上。

接着，对于包含具有相对最高的折射率NH的电介质和具有相对最低的折射率NL的电介质的电介质多层膜进行说明。

Rd－AR膜优选使具有相对最高的折射率NH的电介质和具有相对最低的折射率NL的电介质的关系满足下述式。

0.4＜NH－NL＜1.5

图8是示出利用具有相对最高的折射率NH的电介质和具有相对最低的折射率NL的电介质形成电介质多层膜时，能够对25度的斜入射光赋予的最大的相位差的图表。纵轴表示相位差的绝对值。当NH－NL为0.4以上时，容易提供比较大的相位差Rd。另一方面，当NH－NL为1.5以上时，有波长色散变大的担忧。

另外，Rd－AR膜优选在设具有相对最高的折射率的电介质的膜厚为tH、具有相对最低的折射率的电介质的膜厚为tL时，tL/（tH＋tL）＞0.4。如对照图8所示，在以对25度的斜入射光赋予最大的相位差的方式利用具有相对最高的折射率NH的电介质和具有相对最低的折射率NL的电介质形成电介质多层膜的情况下，有必要tL/（tH＋tL）＞0.4。

另外，图9是示出对25度的斜入射光赋予18nm的相位差时的tL/（tH＋tL）与膜厚的关系的图表。可知tL/（tH＋tL）越小，为兼顾防反射膜和相位差赋予而所需要的膜厚越增加。因此，优选tL/（tH＋tL）＞0.4。

如以上说明的那样，Rd－AR膜对于具有既定角度的斜入射光赋予相位差，并不具有如电介质多层膜在负的C板显示的双折射。原因是，Rd－AR膜赋予的相位差不由双折射定义。即，Rd－AR膜不是作为负的C板那样的折射率椭圆体，而是具有对于具有既定角度的光赋予任意的相位差的功能。该功能足够修正例如反射型光调制元件中，在通过垂直取向液晶分子的斜入射光产生的相位差。

＜1.2双折射层＞

接着，对于层叠使用波长以下的厚度的斜方蒸镀膜的双折射层进行说明。双折射层是通过斜方蒸镀来层叠使用波长以下的厚度的斜方蒸镀膜而成的斜方蒸镀多层膜。在斜方蒸镀中，高折射率材料的粒子从倾斜方向对基体材料入射，双折射层是从相对于基体材料法线方向对称的2个方向交替沉积高折射率材料而形成。作为高折射率材料，能够使用Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅等的氧化物或组合这些的材料。在本实施方式中，优选以Ta₂O₅为主成分的材料，例如优选使用对Ta₂O₅以5～15wt％添加TiO₂的材料。

斜方蒸镀膜因称为自遮蔽（self shadowing）的效应而在基体材料面内与蒸镀粒子的入射方向垂直的方向（设为x方向。）的密度相对较高，并且在基体材料面内与蒸镀粒子的入射方向平行的方向（设为y方向。）的密度相对较低。若对该蒸镀膜使光从基体材料的垂直方向入射，则膜的密度的粗密差成为折射率的差异，显现双折射。若设x方向的折射率为Nx、y方向的折射率为Ny，则成为以下的关系。

Nx＞Ny

此时，若设在基体材料面内产生的相位差为R0，则面内相位差R0由以下的式表示。

R0＝（Nx－Ny）×t

在此，Nx－Ny一般称为双折射△n。双折射△n取决于蒸镀的物质的折射率和蒸镀条件等。

面内相位差R0为双折射△n和蒸镀膜的厚度t的积，因此如果双折射△n为某种程度大的蒸镀膜时，能够通过膜厚来控制相位差。通常，相位差元件所需要的面内相位差R0为1～30nm左右，例如通过液晶的预倾角决定具体的相位差的值。在本实施方式中，通过蒸镀膜厚的控制，能够将面内相位差R0设定在0＜R0＜1000nm的范围，还能够适用于1/4波长板、1/2波长板。

进而，若设双折射层的膜厚方向的相位差为Rth，则Rth由以下的式表示。

Rth＝［Nz－（Nx＋Ny）/2］×d

式中，Nz是双折射层的膜厚方向的折射率。

在日本特开2005－172984号公报、日本特开2007－101764号公报中，为了修正在斜入射光产生的偏振光的散乱，相位差补偿元件中将相位差Rth设定为既定值，但是在斜方蒸镀中，难以分别独立地控制Nx、Ny及Nz。若变更蒸镀条件等，则Nx和Ny同时变化，因其变化量不同而双折射△n发生变化，因此难以独立控制Nx、Ny及Nz。特别是Nz因斜粒子形状、粒子间的空隙等而受影响，因此更加难以控制Nx、Ny及Nz。

本实施方式中的双折射层利用通过斜方蒸镀形成的2层以上的斜方蒸镀多层膜的面内双折射，修正例如因反射型光调制元件的预倾角而产生的偏振光的散乱。

双折射层的斜方蒸镀膜的每层的厚度为5nm以上100nm以下，更优选为5nm以上30nm以下。图10是示出改变斜方蒸镀膜的膜厚时的双折射及光学损耗的变化的图表。如图10所示，双折射随着斜方蒸镀膜的每层的膜厚的增加而增大。另外，光学损耗随着膜厚增加而减少，但小于5nm时增加反转。这认为是小于5nm的膜厚时，表现双折射所需要的结构体的形成不充分。因而，斜方蒸镀膜的1层的厚度优选为5nm以上。

另外，若斜方蒸镀膜的每层的膜厚厚于100nm，则光学损耗有增加倾向。进而，在斜方蒸镀膜的每层的膜厚不充分小于光的波长的情况下，不能正确地测定对斜入射光的相位差。这是因为如果以不充分小于光的波长的膜厚层叠，可视为双折射的轴不同的两个相位差元件重叠，从而不能进行单纯的“折射率差与轴方向”这一评价。在以比光的波长充分小的膜厚层叠的情况下，可以无视各层的双折射的轴，能够视为在全层具有对于基体材料朝向大体垂直方向（z方向）的1个轴的相位差补偿元件。

另外，优选双折射层的面内相位差R0为0＜R0＜1000nm，双折射层的面内折射率（Nx－Ny）为0.01＜Nx－Ny＜1。另外，各斜方蒸镀膜中，优选Nx≠Ny≠Nz，更具体而言，优选Nx＞Ny≠Nz。

另外，在双折射层的入射光产生的相位差，优选具有以形成双折射层的基体材料面法线方向为中心大体对称的角度依赖性。进而，优选成为双折射层的相位差的角度依赖性的中心的入射光方向和形成Rd－AR膜的基体材料面法线方向大体一致。

＜1.3具备双折射层和防反射层的相位差补偿元件＞

本实施方式中的相位差补偿元件，如前所述，具备：双折射层，层叠了使用波长以下的厚度的斜方蒸镀膜；以及Rd－AR膜，层叠折射率不同的两种以上的电介质膜，不仅有双折射层中的斜入射透射光的相位差，还赋予任意的相位差。

相位差补偿元件通过双折射层控制面内相位差R0，并通过Rd－AR膜控制斜入射光的相位差Rd。当控制R0时无论Rd取何种值，都通过Rd－AR膜控制Rd。另外，Rd－AR膜具有防反射功能，因此无需另行形成防反射膜，能够削减准备时间、设计工时数。另外，相位差补偿元件全部用无机材料形成，因此在耐光性/耐热性的方面非常有利。另外，以薄膜工艺制作，因此容易控制相位差、能够自由选择基板种类、基板厚度、基板尺寸等优点非常多。

图11是示出相位差补偿元件的一个例子的截面图。如图11所示，相位差补偿元件具备：透明基板31；在透明基板31的一个面形成的Rd－AR膜32；在透明基板31的另一个面形成的双折射层33；在双折射层33上形成的CVD（Chemical Vapor Deposition）电介质膜34；以及在CVD电介质膜34上形成的防反射膜35。

透明基板31由对使用频带的光透明且折射率为1.1～2.2的材料例如玻璃、石英、水晶等构成。在本实施方式中，作为透明基板31的构成材料，优选使用石英。石英具有优异的耐热性和极低的热膨胀系数，光透射率从紫外到红外的全波长上非常高，因此特别优选使用。

Rd－AR膜32如前所述层叠折射率不同的两种以上的电介质膜，不仅有双折射层33中的斜入射透射光的相位差，还赋予任意的相位差。另外，电介质膜的膜厚t为了使相位差的符号同一，优选对于使用波长λ满足λ/100≤t≤λ/2的关系。另外，电介质膜的层数d为了减小相位差Rd的波长色散，优选满足8≤d≤1000的关系。

双折射层33如前所述是通过斜方蒸镀来层叠使用波长以下的厚度的斜方蒸镀膜而成的斜方蒸镀多层膜。双折射层33将蒸镀粒子从对于基板法线方向对称的2个方向交替沉积而成，优选每层的膜厚为30nm以下。

CVD电介质膜34是致密性高的膜，能够通过CVD法成膜而得到。通过成膜该CVD电介质膜34，能够防止大气中的水分对双折射层33的进出。

防反射膜（AR膜）35为例如由高折射率膜、低折射率膜构成的多层薄膜，防止表面反射，并提高透射性。

依据这种结构的相位差补偿元件，通过双折射层控制面内相位差R0，并通过相位差赋予防反射层控制斜入射透射光的相位差Rd并且防止反射，能够有效地补偿偏振光的散乱。

另外，如图12、图13所示的相位差补偿元件的结构例那样在双折射层33上形成Rd－AR膜321、322、323，或者如图14所示的相位差补偿元件的结构例那样在透明基板31的两面形成Rd－AR膜324、325、326也无妨。在相位差补偿元件形成多个Rd－AR膜的情况下，作为目标的相位差Rd为各Rd－AR膜的相位差的总计。

图12所示的相位差补偿元件具备：透明基板31；在透明基板31的一个面形成的Rd－AR膜321；在透明基板31的另一个面形成的双折射层33；在双折射层33上形成的CVD电介质膜34；以及在CVD电介质膜34上形成的Rd－AR膜322。

另外，图13所示的相位差补偿元件具备：透明基板31；在透明基板31的一个面形成的防反射膜35；在透明基板31的另一个面形成的双折射层33；在双折射层33上形成的CVD电介质膜34；以及在CVD电介质膜34上形成的Rd－AR膜323。

另外，图14所示的相位差补偿元件具备：透明基板31；在透明基板31的一个面形成的Rd－AR膜324；在透明基板31的另一个面形成的Rd－AR膜325；在Rd－AR膜325上形成的双折射层33；在双折射层33上形成的CVD电介质膜34；以及在CVD电介质膜34上形成的Rd－AR膜326。

依据这样的结构例，能够抑制两面的电介质多层膜的应力差，并能减小基板的翘曲。另外，使用厚度薄的透明基板，因Rd－AR膜的应力而基板的翘曲成为问题的情况下，优选在透明基板31上形成由电介质膜构成的应力调整层，将双折射层33形成在应力调整层侧。具体而言，在透明基板31与双折射层33之间，作为应力调整层插入1nm～5000nm的接近透明基板31的折射率的、例如SiO₂等的电介质膜。如果是在透明基板31与双折射层33之间，就不会对相位差元件的反射特性产生较大的影响。

＜2.相位差补偿元件的制造方法＞

接着，对本实施方式中的相位差补偿元件的制作方法进行说明。图15是示出本发明的一实施方式所涉及的相位差补偿元件的制造方法的流程图。在此，对图11所示的构成的相位差补偿元件的制造方法进行说明。

首先，在步骤S1中，在透明基板31的一个面利用溅射法、CVD法、蒸镀法等成膜Rd－AR膜32。电介质如前所述，能够使用Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅等的氧化物或组合这些的材料。

步骤S2中，在透明基板31的另一个面，通过斜方蒸镀成膜双折射层33。斜方蒸镀使蒸镀材料从对于基板法线方向对称的2个方向交替沉积。

具体而言，每次成膜时使透明基板31在面内方向旋转180°，从而成膜由成膜方向不同的多数层构成的斜方蒸镀膜。此时，设为使每层的膜厚为使用波长以下的多层结构。作为蒸镀材料，如前所述能够使用Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅等的氧化物或组合这些的材料。此外，基板的旋转角度不限于180°，根据相位差补偿元件的用途而设为任意的旋转角度也无妨。

另外，在成膜双折射层33之后，为了脱色及蒸发吸附在柱状组织间的水分而进行退火处理。退火处理优选柱状组织间的水分充分地蒸发的100℃以上。另外，若过提升温度，则柱状组织彼此生长而空隙部减少，发生双折射下降、透射率下降等，因此优选为300℃以下。另外，退火处理后，为了防止大气中的水分对双折射层33的进出，利用等离子体CVD成膜致密性高的CVD电介质膜34。

步骤S3中，为了提高透射率的目的，利用溅射在CVD电介质膜34上成膜防反射膜（AR膜）35。AR膜也可为一般使用的由高折射膜、低折射膜构成的多层薄膜。

步骤S4中，切断为期望的大小。切断能够使用玻璃划线器、切片器等的切断装置。

通过以上的制造方法，能够得到入射光的反射降低且视场角依赖性得到改善的相位差元件。

＜3.对液晶投影仪的适用例＞

接着，对投射型图像投影装置搭载本实施方式中的相位差补偿元件的适用例进行说明。

在适用于投射型图像投影装置的相位差补偿元件中，Rd－AR膜赋予的相位差Rd，优选在所使用的波长频带的任意的波长λ，且在入射光角度0°～25°的范围为1＜Rd（λ）/Rd（λ'）＜1.5（λ＜λ'）。若Rd（λ）/Rd（λ'）为1.5以上，则会使因液晶分子而产生的相位差的波长色散显著超出，有对比度下降的担忧。通过使Rd（λ）/Rd（λ'）小于1.5，能够抑制对比度下降。另外，液晶分子的波长色散通常为1以上，因此优选使Rd（λ）/Rd（λ'）也1以上。

投射型图像投影装置中，对于液晶盒（cell）上显示的图像入射平面偏振光，通过与液晶盒上的图像对应的像素从反射的椭圆偏振光中抽出既定平面偏振光，利用投射透镜投射到屏幕上。

图16是示出用于投射型图像投影装置的光学引擎的一部分结构的概略截面图。该投射型图像投影装置是具备垂直取向液晶层40、反射型光调制元件41、相位差补偿元件43和反射型偏光镜42的反射型液晶投影仪。在此，相位差补偿元件43如前所述具备双折射层和相位差赋予防反射层，相位差赋予防反射层赋予与在双折射层产生的斜入射光相位差相反的相位差，进而控制相位差的值。由此，通过双折射层修正因反射型光调制元件41的预倾角而产生的偏振光的散乱，另外，通过相位差赋予防反射层修正因对反射型光调制元件41的斜入射光而产生的偏振光的散乱，进而，通过相位差赋予防反射层能够防止反射，因此能得到高的对比度。

在该反射型液晶投影仪中，从光源发出的光转换为平面偏振光后分解为R（红）、G（绿）、B（蓝）的各色光，向设在各色的反射型偏光镜42入射。在反射型偏光镜42的偏振光面反射的S偏振光或透射和P偏振光，经由相位差补偿元件43向垂直取向液晶层40入射，出射按每个像素调制的反射光，再次经由相位差补偿元件43返回到反射型偏光镜42。

垂直取向液晶层40在无电压施加状态（黑状态）下液晶分子垂直取向，在对具备该垂直取向液晶层40的反射型光调制元件41垂直入射光束的情况下不发生双折射。因此，向反射型偏光镜42入射，并成为既定直线偏振光的光束，偏振光不会散乱，再次向反射型偏光镜42入射、透射，光不会泄漏到屏幕。

另外，在以既定角度入射反射型光调制元件41的情况下，因双折射而偏振光状态散乱，但是通过在反射型光调制元件41与反射型偏光镜42之间设置相位差补偿元件43，修正偏振光，因此能够防止再次入射反射型偏光镜42的光的一部分到达屏幕。

另外，为了抑制横电场造成的液晶分子的取向散乱或改善液晶分子的响应速度，使液晶分子相对于反射型光调制元件的面倾斜既定角度（预倾角）的情况下，对反射型光调制元件41垂直入射的光束也因双折射而偏振光状态发生散乱，但是通过在反射型光调制元件41与反射型偏光镜42之间设置相位差补偿元件43，修正偏振光，因此能够防止再次入射反射型偏光镜42的光的一部分到达屏幕。

通过这样利用相位差补偿元件进行黑亮度修正，能够提高显示图像的对比度。此外，适用本技术的相位差补偿元件并不限于前述的适用例，例如，也能对需要斜入射光的相位差的控制的1/4波长板、1/2波长板等应用。另外，适用本技术的相位差补偿元件也能适用于光拾取器、激光设备等的光学设备。

[实施例]

＜4.实施例＞

以下，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不局限于这些实施例。

[实施例1]

作为实施例1，制成了图11所示的构成的相位差补偿元件。作为透明基板31使用石英基板，在石英基板的一个面上，使具有相对高的折射率Na的电介质膜a和具有比较低的折射率Nb的电介质膜b交替层叠，从而成膜Rd－AR膜32。电介质膜a及电介质膜b的折射率分别在λ＝450nm中Na＝2.42、Nb＝1.48。

图17是示出实施例1的Rd－AR膜的各膜厚的图。实施例1的Rd－AR膜作为蓝频带的防反射膜发挥功能，且以使透射相位差补偿元件的25°斜入射光的相位差Rd（25）约为－16nm的方式设计。在此，负的相位差是指符号与双折射层中的斜入射光的相位差相反的相位差。以下同样。测定实际制作的Rd－AR膜的结果，在450nm的波长下得到Rd（25）＝－17nm。

在与形成该Rd－AR膜的面相反侧的面，以使蒸镀源相对于基板法线方向成为70°的方式蒸镀以Ta₂0₅为主成分的蒸镀材料。此时，每成膜7nm使基板在面内方向旋转180°，制作了由成膜方向不同的斜方蒸镀多层膜构成的双折射层33。双折射层33的膜厚以使在蓝频带的面内延迟R0成为14nm的方式约为140nm。

蒸镀后，为了脱色及蒸发吸附在柱状组织间的水分，进行了200℃下的退火处理。退火后，为了防止大气中的水分对斜方蒸镀膜的进出，利用等离子体TEOS－CVD成膜了致密性高的CVD电介质膜。然后，利用溅射在蒸镀膜上，成膜具有相对高的折射率Na的电介质膜a和具有比较低的折射率Nb的电介质膜b的5层结构的防反射膜35，制成了相位差补偿元件。

图18及图19分别是示出实施例1的相位差补偿元件的透射率及反射率的图表。如图18及图19所示，得到了透射率99.5％以上、反射率0.2％以下的具有实用特性的相位差补偿元件。另外，相位差补偿元件R0＝14nm、Rd（25）＝－16nm。即，双折射层中，斜入射光的相位差Rd（25）为＋1nm左右，Rd－AR膜消除该相位差而能够使Rd（25）＝－16nm。另外，当将实施例1的相位差补偿元件适用于投射型图像投影装置时，例如与未对防反射膜赋予相位差的相位差补偿元件相比，能够得到约2倍的对比度。

另外，实施例1中的相位差补偿元件的双折射层为斜方蒸镀多层膜，因此具有提高角度依赖性的效果。图20是示意性示出经斜方蒸镀形成的双折射层的立体图。该元件面内，设进相轴（与斜方蒸镀方向平行的方向）为x轴、迟相轴（与斜方蒸镀方向垂直的方向）为y轴，并将元件法线方向设为z轴。此时，使从z轴方向起的入射光角度为0。将在xz平面上使入射光倾斜时的角度设为θ，将在yz平面上倾斜时的角度设为φ。

图21是示出实施例1的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（θ）依赖性的图表。另外，图22是示出实施例1的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（φ）依赖性的图表。另外，图23是示出双折射层为单层结构的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（θ）依赖性的图表。另外，图24是示出双折射层为单层结构的相位差补偿元件的延迟的入射光角度（φ）依赖性的图表。这些以入射光角度0时的延迟的值进行了归一化。

如图21及图22所示，实施例1的相位差补偿元件的延迟的分布相对于光轴成为左右对称，在双折射层为单层结构的情况下，可知如图23所示θ方向的延迟没有左右对称。这是因为因斜方蒸镀而生长的柱具有倾斜结构。

如图21及图22所示实施例1的相位差补偿元件，因入射光而产生的双折射层的相位差具有以基体材料面法线方向为中心大体对称的角度依赖性，进而，成为双折射层的相位差的角度依赖性的中心的入射光方向和形成Rd－AR膜的基体材料面法线方向大体一致。

另外，即便为层叠结构，在1层左右的膜厚不小于光的波长的情况下，如前所述对于φ方向的延迟也不能进行正确的测定，但是如实施例那样以比光的波长充分小的膜厚层叠的情况下，能够视作为全层具有对于基体材料朝着大体垂直方向的一个轴的相位差补偿元件，能够得到实用的相位差补偿元件。

[实施例2]

除了设计透射相位差补偿元件的斜入射光的相位差在绿频带Rd（25）成为约－16nm的Rd－AR膜以外，与实施例1同样地制成了相位差补偿元件。

图25是示出实施例2的Rd－AR膜的各膜厚的图。具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件的Rd（25）的测定结果，在540nm的波长下为－16nm。当将具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件适用于投射型图像投影装置时，与不对防反射膜赋予既定相位差的相位差补偿元件相比，能够得到数倍的对比度。

[实施例3]

除了设计透射相位差补偿元件的斜入射光的相位差在红频带Rd（25）成为约－16nm的Rd－AR膜以外，与实施例1同样地制成了相位差补偿元件。

图26是示出实施例3的Rd－AR膜的各膜厚的图。具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件的Rd（25）的测定结果，在632nm的波长下为－16nm。当将具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件适用于投射型图像投影装置时，与不对防反射膜赋予既定相位差的相位差补偿元件相比，能够得到数倍的对比度。

[实施例4]

除了设计透射相位差补偿元件的斜入射光的相位差在可见光频带（450～650nm）Rd（25）成为约－16nm的Rd－AR膜以外，与实施例1同样地制成了相位差补偿元件。

图27是示出实施例4的Rd－AR膜的各膜厚的图。具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件的Rd（25）的测定结果，在540nm的波长下为－16nm。当将具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件适用于投射型图像投影装置时，与不对防反射膜赋予既定相位差的相位差补偿元件相比，能够得到数倍的对比度。但是，Rd（25）的波长色散较大。

[比较例1]

设计了透射相位差补偿元件的斜入射光的相位差在蓝频带中Rd（25）成为约－16nm的Rd－AR膜。此时，以比实施例1少的层数设计了Rd－AR膜。除此以外，与实施例1同样地制成了相位差补偿元件。

图28是示出比较例1的Rd－AR膜的各膜厚的图。具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件的Rd（25）的测定结果，在460nm的波长下为－16nm。另外，成为Rd（25，435）/Rd（25，495）＝1.57。在此，Rd（25，435）是在λ＝435nm下的对25°的斜入射光赋予的相位差，Rd（25，495）是在λ＝495nm下的对25°的斜入射光赋予的相位差。当将具备该Rd－AR膜的相位差补偿元件适用于投射型图像投影装置时，与Rd（25，435）/Rd（25，495）＝1.26的实施例1的相位差补偿元件相比，对比度下降20％。

如以上那样，本实施方式中的相位差补偿元件通过斜方蒸镀膜和电介质多层膜分别独立地控制面内的相位差（R0）和斜入射光的相位差（Rd），因此能够显著提高相位差控制性。另外，难过对电介质多层膜赋予相位差和防反射的功能，能够大幅减少制作工艺。

另外，通过将本实施方式中的相位差补偿元件适用于投射型图像投影装置，能够改善亮度、对比度及视场角特性。

此外，本发明不局限于这些实施例，显然在不脱离本发明的宗旨的范围内可进行各种变形、变更。例如，实施例中，由于双折射层的斜方蒸镀膜的膜厚全部相等，所以双折射的轴成为z轴方向，但是，通过例如交替改变各膜厚，能够使轴方向任意倾斜。

另外，实施例中，对相位差补偿元件进行了说明，但是本技术也能应用到需要斜入射光的相位差的控制的1/4波长板或1/2波长板等。

标号说明

10 基体材料；11 Rd－AR膜；21 光学薄膜；22 介质；31 透明基板；32 Rd－AR膜；33 双折射层；34 CVD电介质膜；35 防反射膜；40 垂直取向液晶层；41 反射型光调制元件；42 反射型偏光镜；43 相位差补偿元件；100 垂直取向液晶层；110 反射型光调制元件；120反射型偏光镜。

Claims (13)

1.一种相位差补偿元件，其中具备：

双折射层，由多个斜方蒸镀膜的层叠膜构成，各斜方蒸镀膜的厚度为使用波长以下；以及

相位差赋予防反射层，由折射率不同的2种以上的电介质膜的层叠膜构成，不仅有所述双折射层中的斜入射透射光的相位差，还赋予相位差，

所述相位差赋予防反射层赋予对于所述双折射层中的斜入射透射光的相位差符号相反的相位差。

2.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述相位差赋予防反射层中，所述电介质膜的各膜厚为λ/100以上λ/2以下，所述电介质膜的层数为8以上1000以下，其中λ为所使用的波长频带的任意的波长。

3.如权利要求2所述的相位差补偿元件，其中，

所述相位差赋予防反射层中，所述电介质膜的膜厚全部不同。

4.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述相位差赋予防反射层中，具有相对最高的折射率NH的电介质和具有相对最低的折射率NL的电介质的关系，满足0.4＜NH－NL＜1.5。

5.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述相位差赋予防反射层中，在将具有相对最高的折射率的电介质的膜厚设为tH、将具有相对最低的折射率的电介质的膜厚设为tL时，tL/（tH＋tL）＞0.4。

6.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述相位差赋予防反射层所赋予的相位差Rd，在所使用的波长频带的任意的波长λ上，在入射光角度0°～25°的范围内为1＜Rd（λ）/Rd（λ'）＜1.5，其中λ'为所使用的波长频带的任意的波长且λ＜λ'。

7.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述电介质膜是从Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅中选择的至少1种。

8.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述双折射层从对于基板法线方向对称的2个方向交替沉积蒸镀材料而成，所述斜方蒸镀膜的每1层的厚度为5nm以上100nm以下。

9.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述双折射层中，因入射光而产生的相位差具有以形成该双折射层的基体材料面法线方向为中心对称的角度依赖性，成为所述双折射层的相位差的角度依赖性的中心的入射光方向与形成所述相位差赋予防反射层的基体材料面法线方向一致。

10.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

所述斜方蒸镀膜是从Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅中选择的至少1种。

11.如权利要求1所述的相位差补偿元件，其中，

在透明基板上形成由电介质膜构成的应力调整层，所述双折射层形成在所述应力调整层侧。

12.一种投射型图像投影装置，在反射型偏光镜与反射型光调制元件之间配置有相位差补偿元件，所述相位差补偿元件具备：双折射层，由多个斜方蒸镀膜的层叠膜构成，各斜方蒸镀膜的厚度为使用波长以下；以及相位差赋予防反射层，由折射率不同的2种以上的电介质膜的层叠膜构成，赋予对于所述双折射层中的斜入射透射光的相位差符号相反的相位差。

13.如权利要求12所述的投射型图像投影装置，其中，

所述相位差赋予防反射层所赋予的相位差Rd，在所使用的波长频带的任意的波长λ上，在入射光角度0°～25°的范围内为1＜Rd（λ）/Rd（λ'）＜1.5，其中λ'为所使用的波长频带的任意的波长且λ＜λ'。