CN106154385B - 相位差元件、液晶显示装置以及投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

一种相位差元件，具有：透明基板；以及双折射多层结构体，其通过在透明基板上多次层叠由第一及第二双折射层组成的层叠结构而形成；在层叠结构中，第一双折射层平均厚度(t1)与第二双折射层平均厚度(t2)之间的关系满足式(1)及式(2)之一，当将表示第一双折射层的折射率异向性主轴的第一线段中位于透明基板侧的端部设为端部A，将表示第二双折射层的折射率异向性主轴的第二线段中位于透明基板侧的端部设为端部B，将第一及第二线段投影到透明基板并使端部A及端部B重叠时，投影到透明基板上的第一及第二线段间的夹角β满足式(3)，且层叠结构满足条件(4)，0＜t1/t2≤1···式(1)；0＜t2/t1≤1···式(2)；90°＜β≤180°···式(3)；t1≠t2或β≠180°···条件(4)。

Description

相位差元件、液晶显示装置以及投影型图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种相位差元件、液晶显示装置以及投影型图像显示装置。

背景技术

近年来，为了改善对比度特性以及视角特性，在投影型图像投影装置中采用了应用相位差元件的光学补偿技术。例如，可列举出垂直取向液晶中的黑辉度补正。为了对因液晶的预倾角以及在斜入射光中产生的双折射等而引起的偏振光混乱进行补正，可以考虑与液晶面板的面平行地设置石英晶体等的相位差元件从而进行光学补偿的方法，以及与液晶面板的面平行地设置高分子膜等具有双折射的有机材料等从而进行光学补偿的方法等(参照日本特开2005-172984号公报、日本特开2007-101764号公报、以及日本专利第4566275号公报)。

但是，在采用对单晶进行加工以作为相位差元件的方法时，特别是在考虑液晶的预倾角的角度的基础之上进行补偿时，需要相对于晶轴以规定角度切割单晶，而且，对材料进行切割、研磨等需要非常高的精度，为了实现这种技术方案，成本会变得很高。另外，不容易在拉伸后的膜等上对轴进行控制。

因此，提出了与液晶面板倾斜地配置相位差元件本身的方法(参照日本特开2009-229804号公报)。但是，在不断小型化的投影仪内部，用于使部件倾斜的空间可能会不足。进一步，容易因高温和UV光线而造成老化，在耐久性方面存在问题。

另外，在投影型图像投影装置中，作为偏振光转换元件的一部分而采用了1/2波长板。例如，提出了如下的技术方案，即在使用了石英晶体的1/2波长板中，使光轴的切割角度不与基板面平行，而是使其倾斜，并进一步将两张倾斜的石英晶体波长板粘贴在一起使用，从而使波长范围扩大，并使入射角度依赖性得到改善(参照日本特开2004-354935号公报、日本特开2009-133917号公报、以及日本特开2012-078436号公报)。但是，进一步以使光轴倾斜的方式对价格昂贵的石英晶体基板进行切割，有可能导致高成本化。

如上所述，虽然对使光轴角度从基板法线方向或面内方向倾斜的需求越来越高，但存在着技术上以及成本上的问题。

另一方面，耐热性及耐久性优异的斜向蒸镀相位差元件可制造出光轴原本就倾斜的元件，但存在其光轴方向受限的问题。下面将会进行详细描述。一般的斜向蒸镀法通过使蒸镀颗粒相对于基板从斜向方向入射、即所谓的自阴影效应，能够做出膜密度的异向性。密度的异向性能够在基板面内方向上使膜的折射率具有异向性，这是显现出双折射的主要原因。此时，根据膜厚，能够比较自由地对从基板法线方向入射的光赋予相位差。在斜向蒸镀中，蒸镀颗粒的成长角度由斜向蒸镀的角度决定，而光轴由蒸镀颗粒方向决定。但是，要改变光轴、即蒸镀颗粒的成长方向，就需要改变斜向蒸镀的入射角度，然而，当入射角度较小时，双折射会降低，因此，存在着难以制作出光轴的倾斜角度较小(接近基板法线方向)的相位差元件的问题(参照APPLIED OPTICS/Vol.28,No.13/1July 1989)。

另外，提出了一种交替执行一边旋转基板一边进行斜向蒸镀的工序、与停止旋转并从特定的方向进行斜向蒸镀的工序的技术方案(参照美国专利第6206065号的说明书)。但是，在该技术方案中，需要一边旋转基板一边进行斜向蒸镀，因此，存在着制造装置较为复杂的问题。

因此，当前要求提供一种相位差元件、液晶显示装置以及投影型图像显示装置，其能够通过简易的制造装置制造出来，并易于进行光轴的调整以及相位差的调整，并且耐热性及耐久性优异。

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题在于，解决上述现有技术中的各种问题，并达成以下的目的。即，本发明的目的在于提供一种相位差元件及其制造方法、一种液晶显示装置、以及一种投影型图像显示装置，其能够通过简易的制造装置制造出来，并易于进行光轴的调整以及相位差的调整，并且耐热性及耐久性优异。

用于解决技术问题的方案

用于解决所述技术问题的方案如下。即，

<1>一种相位差元件，其特征在于，具有：

透明基板；以及

双折射多层结构体，所述双折射多层结构体通过在所述透明基板上多次层叠由第一双折射层以及第二双折射层组成的层叠结构而形成，其中，所述第一双折射层具有光学异向性无机材料，所述第二双折射层具有光学异向性无机材料并与所述第一双折射层相接触；

在所述层叠结构中，所述第一双折射层的平均厚度t1与所述第二双折射层的平均厚度t2之间的关系满足下述式(1)及式(2)中的任意一个，并且，当将表示所述第一双折射层的折射率异向性的主轴的线段、即第一线段中位于所述透明基板一侧的端部设为端部A，将表示所述第二双折射层的折射率异向性的主轴的线段、即第二线段中位于所述透明基板一侧的端部设为端部B，将所述第一线段以及所述第二线段投影到所述透明基板上并使所述端部A以及所述端部B重叠时，投影到所述透明基板上的所述第一线段以及所述第二线段之间的夹角β满足下述式(3)，且所述层叠结构满足下述条件(4)，

0＜t1/t2≤1 式(1)

0＜t2/t1≤1 式(2)

90°＜β≤180° 式(3)

t1≠t2或β≠180° 条件(4)。

<2>根据上述<1>中所述的相位差元件，

与透明基板的表面垂直的方向上的双折射大于等于0.1。

<3>根据上述<1>至<2>中的任一项所述的相位差元件，

所述相位差元件为双轴性相位差元件，其光轴方向从与透明基板的表面垂直的方向朝着x方向以及y方向中的至少一个方向倾斜，其中，所述x方向表示将由双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体投影到所述透明基板上时所述双折射多层结构体的折射率异向性的主轴方向，所述y方向是在所述透明基板上与所述x方向垂直的方向。

<4>根据上述<1>至<3>中的任一项所述的相位差元件，

第一双折射层以及第二双折射层中的至少一个满足下式：

Nx＞Ny＞Nz，

其中，所述Nx表示与折射率异向性的主轴平行的方向上的折射率，所述Ny表示与所述Nx垂直的方向上的折射率，所述Nz表示与所述Nx以及所述Ny垂直的方向上的折射率。

<5>根据上述<1>至<4>中的任一项所述的相位差元件，

由双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体满足下式：

Nax＞Nay＞Naz，

其中，所述Nax表示由所述双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体在与折射率异向性的主轴平行的方向上的折射率，所述Nay表示与所述Nax垂直的方向上的折射率，所述Naz表示与所述Nax以及所述Nay垂直的方向上的折射率。

<6>根据上述<1>至<5>中的任一项所述的相位差元件，

层叠结构的平均厚度小于等于30nm。

<7>根据上述<1>至<6>中的任一项所述的相位差元件，

第一双折射层的光学异向性无机材料的材质为至少含有Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta以及Al中的任意一种的氧化物，

第二双折射层的光学异向性无机材料的材质为至少含有Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta以及Al中的任意一种的氧化物。

<8>一种液晶显示装置，其特征在于，具有：

液晶面板；以及

上述<1>至<7>中的任一项所述的相位差元件。

<9>一种投影型图像显示装置，其特征在于，具有：

光源，用于射出光；

投影光学系统，用于投影调制后的光；以及

上述<8>所述的液晶显示装置，其配置在所述光源与所述投影光学系统之间的光路上。

<10>一种相位差元件的制造方法，用于制造上述<1>至<7>中的任一项所述的相位差元件，其特征在于，包括：

第一双折射层形成工序，通过斜向蒸镀，在透明基板上形成第一双折射层；以及

第二双折射层形成工序，通过斜向蒸镀，在所述第一双折射层上形成第二双折射层。

发明效果

根据本发明，能够解决上述现有技术中的各种问题，并能够达成上述目的，能够提供一种相位差元件及其制造方法、一种液晶显示装置、以及一种投影型图像显示装置，其能够通过简易的制造装置制造出来，并易于进行光轴的调整以及相位差的调整，并且耐热性及耐久性优异。

附图说明

图1是通过一层由斜向蒸镀而形成的双折射层近似形成的折射率椭圆体的概略图。

图2A是本发明的相位差元件的一个示例的示意图(x-z剖面图)。

图2B是本发明的相位差元件的一个示例的示意图(x-y剖面图)。

图2C是本发明的相位差元件的一个示例的示意图(y-z剖面图)。

图3是通过图2A～图2C的相位差元件中的双折射层整体(双折射多层结构体)近似形成的折射率椭圆体的示意图。

图4A是本发明的相位差元件的另一个示例的示意图(x-z剖面图)。

图4B是本发明的相位差元件的另一个示例的示意图(x-y剖面图)。

图4C是本发明的相位差元件的另一个示例的示意图(y-z剖面图)。

图5是通过图4A～图4C的相位差元件中的双折射层整体(双折射多层结构体)近似形成的折射率椭圆体的示意图。

图6是示出投影型图像显示装置的一个示例的概略图。

图7是示出双折射层的平均厚度与光轴角度以及双折射之间的关系的图。

图8是通过实施例2得到的相位差元件的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图9A是通过实施例3得到的相位差元件的示意图(剖面图)。

图9B是通过实施例3得到的相位差元件的示意图(俯视图)。

图10是示出角度β与光轴角度Φ以及双折射之间的关系的图。

图11A是用于对角度β小于等于90°时的光轴角度的变化进行说明的示意图(x-z剖面图)。

图11B是用于对角度β小于等于90°时的光轴角度的变化进行说明的示意图(x-y剖面图)。

图11C是用于对角度β小于等于90°时的光轴角度的变化进行说明的示意图(y-z剖面图)。

图12A是通过实施例5得到的相位差元件的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图12B是通过实施例5得到的相位差元件的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图13A是具有小于等于使用波长的细微图案(pattern)的透明基板的剖面模式图。

图13B是本发明的相位差元件的另一个示例的剖面模式图。

图13C是本发明的相位差元件的另一个示例的俯视模式图。

图13D是示出本发明的另一个示例的相位差元件中的第一双折射层以及第二双折射层的详细结构的剖面模式图。

附图标记说明

1：透明基板 2：第一双折射层 2＇：折射率椭圆体

3：第二双折射层 3＇：折射率椭圆体 5＇：折射率椭圆体

10：透明基板 11：高折射率部 12：低折射率部

22：第一双折射层 23：第二双折射层

40：垂直取向液晶层 41：透射型光调制元件

42：透射型偏振器 43：相位差元件 44：透射型偏振器

45：入射光 P：P偏振光 S：S偏振光

具体实施方式

(相位差元件及其制造方法)

本发明的相位差元件至少具有透明基板以及双折射多层结构体，并进一步根据需要具有其他的部件。

本发明的相位差元件的制造方法是用于制造本发明的所述相位差元件的制造方法，至少包括第一双折射层形成工序以及第二双折射层形成工序，并进一步根据需要包括其他的工序。

所述第一双折射层形成工序是如下工序：通过斜向蒸镀，在所述透明基板以及所述相位差赋予防反射层中的任意一个之上形成第一双折射层。

所述第二双折射层形成工序是如下工序：通过斜向蒸镀，在所述第一双折射层上形成所述第二双折射层。

从抑制膜厚增厚的观点来看，所述相位差元件的双折射△n优选为大于等于0.1，更优选为0.1～0.4。

所述相位差元件为双轴性相位差元件，其光轴方向优选为从与所述透明基板的表面垂直的方向朝着x方向以及y方向中的至少一个方向倾斜，其中，所述x方向表示将由所述双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体投影到所述透明基板上时所述双折射多层结构体的折射率异向性的主轴方向，所述y方向是在所述透明基板上与所述x方向垂直的方向，更优选为倾斜大于0°且小于等于80°。由此，例如，能够确切地对在像液晶的预倾角那样倾斜的折射率椭圆体上发生的相位差进行光学补偿。

下面，通过对所述相位差元件的各结构进行说明，同时也对本发明的所述相位差元件的制造方法进行说明。

<透明基板>

作为所述透明基板，只要是相对于使用波长范围的光具有透光性的基板即可，没有特别的限制，可根据目的适当选择。

作为所述透明基板的材质，没有特别的限制，可根据目的适当选择，例如可列举出玻璃、石英、石英晶体等。

作为所述透明基板的形状，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但优选为四边形。

作为所述透明基板的平均厚度，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但是，从防止基板翘曲的观点来看，优选为0.1mm～3.0mm，更优选为0.1mm～2.0mm。

所述透明基板的表面可以形成有细微图案。由此，在通过斜向蒸镀形成双折射多层结构体时，双折射多层结构体中将被加入结构性双折射效应，双折射量会增大。

<双折射多层结构体>

所述双折射多层结构体通过多次层叠由第一双折射层以及第二双折射层组成的层叠结构而形成。

作为所述双折射多层结构体中的所述层叠结构的层叠数，只要大于等于2即可，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但优选为10～5000，更优选为50～2000。当所述层叠数在上述更优选的范围内时，能够将各个双折射层的膜厚设置成比光的波长小很多的膜厚，因此，能够减少因多层结构体的倾斜结构部分而引起的光散射，这一点是很有利的。

从控制各个折射率的观点来看，优选为，由所述双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体满足下式：

Nax＞Nay＞Naz。

其中，所述Nax表示由所述双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体在与折射率异向性的主轴平行的方向上的折射率，所述Nay表示与所述Nax垂直的方向上的折射率，所述Naz表示与所述Nax以及所述Nay垂直的方向上的折射率。

<<层叠结构>>

所述层叠结构由第一双折射层以及第二双折射层组成。

从减少如上所述的光散射的观点来看，所述层叠结构的平均厚度优选为小于等于30nm，更优选为3nm～10nm。

<<<第一双折射层以及第二双折射层>>>

所述第一双折射层具有光学异向性无机材料。

所述第二双折射层具有光学异向性无机材料。

在所述层叠结构中，所述第一双折射层的平均厚度t1与所述第二双折射层的平均厚度t2之间的关系满足下述式(1)以及式(2)中的任意一个。

在所述层叠结构中，当将表示所述第一双折射层的折射率异向性的主轴的线段、即第一线段中位于所述透明基板一侧的端部设为端部A，将表示所述第二双折射层的折射率异向性的主轴的线段、即第二线段中位于所述透明基板一侧的端部设为端部B，将所述第一线段以及所述第二线段投影到所述透明基板上并使所述端部A以及所述端部B重叠时，投影到所述透明基板上的所述第一线段以及所述第二线段之间的夹角β(在下面的说明中，有时称为“夹角β”。)满足下述式(3)。

并且，所述层叠结构满足下述条件(4)。

0＜t1/t2≤1 式(1)

0＜t2/t1≤1 式(2)

90°＜β≤180° 式(3)

t1≠t2或β≠180° 条件(4)

进一步，从能够将双折射维持在较高的值的观点来看，所述平均厚度t1与所述平均厚度t2之间的关系优选为满足下述式(1-1)以及式(2-1)中的任意一个。

0.1≤t1/t2≤1 式(1-1)

0.1≤t2/t1≤1 式(2-1)

在使所述端部A以及所述端部B重叠时，使二者重叠，而不使投影到所述透明基板上的所述第一线段以及所述第二线段相对于投影面旋转。

另外，所述第一线段以及所述第二线段之间的夹角通常可取合计为360°的两个角度中的任意一个，但在这里是指角度较小的角(劣角)。

从能够将双折射维持在较高的值的观点来看，所述夹角β优选为满足下述式(3-1)。

160°＜β≤180° 式(3-1)

作为一个所述层叠结构中的所述第一双折射层的平均厚度，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但优选为3nm～10nm。

作为一个所述层叠结构中的所述第二双折射层的平均厚度，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但优选为3nm～10nm。

在此，“折射率异向性的主轴”是指在双折射层中折射率最高的方向。

在对第一双折射层以及第二双折射层进行共通地说明时，有时不区分第一双折射层以及第二双折射层，而称为双折射层。

例如可通过扫描电子显微镜(SEM)对双折射层的截面进行观察，从而测定出双折射层的厚度。可通过在10个位置测定所述厚度并对测定值取算术平均，由此求得平均厚度。

对于所述相位差元件来说，在所述双折射多层结构体的多个所述层叠结构中，至少一个所述层叠结构满足上述式(1)或上述式(2)、上述式(3)以及上述条件(4)即可，优选为所有的所述层叠结构都满足上述式(1)或上述式(2)、上述式(3)以及上述条件(4)。

在所述双折射多层结构体的多个所述层叠结构中，t1/t2、t2/t1以及β既可以相同，也可以不相同。换言之，在多个所述层叠结构中，可以是如下情况：

t1/t2、t2/t1以及β相同；

或t1/t2以及t2/t1相同，而β不相同；

或β相同，而t1/t2以及t2/t1不相同；

或t1/t2、t2/t1以及β均不相同。

在所述第一双折射层中，所述光学异向性无机材料的折射率异向性的主轴与所述透明基板的表面之间的夹角优选不为90°，而优选为大于等于20°且小于等于80°，更优选为大于等于40°且小于等于70°。

在所述第二双折射层中，所述光学异向性无机材料的折射率异向性的主轴与所述透明基板的表面之间的夹角优选不为90°，而优选为大于等于20°且小于等于80°，更优选为大于等于40°且小于等于70°。

此外，主轴与透明基板的表面之间的夹角通常可取合计为180°的两个角度中的任意一个，但在这里是指小于90°的夹角。

对于所述第一双折射层中所述光学异向性无机材料的折射率异向性的主轴与所述透明基板的表面之间的夹角、以及所述第二双折射层中所述光学异向性无机材料的折射率异向性的主轴与所述透明基板的表面之间的夹角，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但是，优选为大致相同的角度。在此，大致相同的角度是指角度相差在±5°以内。

作为所述第一双折射层的所述光学异向性无机材料的材质，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但优选为至少含有Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta以及Al中的任意一种的氧化物。

作为所述第二双折射层的所述光学异向性无机材料的材质，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但优选为至少含有Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta以及Al中的任意一种的氧化物。

优选为，所述第一双折射层以及所述第二双折射层中的至少一个满足下式：Nx＞Ny＞Nz。

其中，所述Nx表示与折射率异向性的主轴平行的方向上的折射率，所述Ny表示与所述Nx垂直的方向上的折射率，所述Nz表示与所述Nx以及所述Ny垂直的方向上的折射率。

所述第一双折射层以及所述第二双折射层例如能够通过斜向蒸镀而形成。

例如，在斜向蒸镀中，相对于透明基板从斜方向射入高折射率材料的颗粒。作为高折射率材料，例如可使用Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、ZrO、Nb₂O₅等氧化物、或它们的组合物。优选使用以Ta₂O₅为主要成分的材料。

在斜向蒸镀之后，为了脱色以及使吸附在柱状组织间的水分蒸发，优选进行退火处理。当柱状组织间附着有水分时，蒸镀膜的折射率会发生变化，特性有可能会发生较大的变化。因此，退火处理的温度优选为大于等于使水分蒸发的100℃的温度。另外，当使温度升得过高时，柱状组织会成长并变为圆柱状，从而导致折射率下降、透射率下降等，因此，温度优选为小于等于300℃。

<其他的部件>

作为所述其他的部件，例如可列举出应力调整层、防反射层等。

<<应力调整层>>

作为所述应力调整层，只要是为了防止相位差元件的翘曲而配置的、并且是用于对应力进行调整的层即可，没有特别的限制，可根据目的适当选择，作为其材质例如可列举出SiO₂等。

(液晶显示装置)

本发明的液晶显示装置至少具有液晶面板以及本发明的所述相位差元件，进一步根据需要具有其他的部件。

<液晶面板>

作为所述液晶面板，没有特别的限制，可根据目的适当选择，例如可列举出VA模式液晶面板等。

所述VA模式(vertical alignment mode：垂直取向模式)是指，使用垂直方向的纵向电场使垂直于基板(或具有预倾斜)配置的液晶分子移动的方式。

<相位差元件>

所述相位差元件是本发明的所述相位差元件。

<其他的部件>

作为所述其他的部件，例如可列举出偏光板等。

作为所述偏光板，没有特别的限制，可根据目的适当选择，但从耐久性的观点来看，优选为无机偏光板。作为所述无机偏光板，例如可列举出如下的偏光板：通过溅镀、真空蒸镀等真空成膜法，在相对于使用波长范围为透明的基板(玻璃基板)上形成大小比使用波长范围更短、并且具有形状异向性的无机微粒(半导体、金属)而制成的偏光板等。

(投影型图像显示装置)

本发明的投影型图像显示装置至少具有光源、投影光学系统、以及本发明的所述液晶显示装置，进一步根据需要具有其他的部件。

<光源>

作为所述光源，只要是用于射出光的部件即可，没有特别的限制，可根据目的适当选择，例如可列举出射出白色光的超高压汞灯等。

<投影光学系统>

作为所述投影光学系统，只要是用于投影调制后的光的部件即可，没有特别的限制，可根据目的适当选择，例如可列举出将调制后的光投影到屏幕上的投影透镜等。

<液晶显示装置>

所述液晶显示装置配置在所述光源与所述投影光学系统之间的光路上。

对本发明的相位差元件的一个示例以及制造工序的一个示例一起进行说明。

[1]在透明基板上，(a)通过斜向蒸镀法形成第一双折射层。接下来，(b)从相对于所述透明基板的面内方向呈180°反向的蒸镀角度，通过斜向蒸镀法形成第二双折射层。此时，使第一双折射层的平均厚度t1不同于第二双折射层的平均厚度t2(t1/t2≠1)。另外，与作为相位差元件而使用的波长范围相比，将各双折射层的平均厚度设置成足够小的厚度。优选为小于等于λ/4，更优选为小于等于λ/10。反复进行上述(a)的工序与上述(b)的工序，执行蒸镀直至达到能够获得所需的相位差的合计厚度为止，从而形成具有期望的相位差的多层结构。

[2]在透明基板上，(c)通过斜向蒸镀形成第一双折射层。接下来，(d)相对于透明基板面内方向，从大于等于90°且小于180°的另一个的蒸镀角度，通过斜向蒸镀法形成第二双折射层。此时，使第一双折射层的平均厚度t1与第二双折射层的平均厚度t2相同(t1＝t2)。另外，与作为相位差元件而使用的波长范围相比，将双折射层的平均厚度设置成足够小的厚度。反复进行上述(c)的工序与上述(d)的工序，执行蒸镀直至达到能够获得所需的相位差的合计厚度为止，从而形成具有期望的相位差的多层结构。

通过单独地或组合地执行上述[1]以及上述[2]，从而获得如下的相位差元件，即、在保持较大的双折射的状态下，控制蒸镀颗粒的成长方向，并将光轴及相位差设置为期望值。

图1是通过由斜向蒸镀而形成的一层双折射层近似形成的折射率椭圆体2’的概略图。一般而言，在相对于蒸镀方向平行的方向上的折射率最大(以下称为Nx)。另外，设与蒸镀方向垂直的方向的折射率为Ny，设与Nx和Ny二者都垂直的方向的折射率为Nz，则典型地存在Nx＞Ny＞Nz的关系。在图1中，附图标记1表示透明基板。

图2A～图2C是本发明的相位差元件的一个示例的示意图。图3是在图2A～图2C的相位差元件中通过双折射层整体(双折射多层结构体)近似形成的折射率椭圆体5’的示意图。图2A是图3的x-z剖面图。图2B是图3的x-y剖面图。图2C是图3的y-z剖面图。

在图2A～图2C的相位差元件中，以第一双折射层2、第二双折射层3、第一双折射层2、以及第二双折射层3的顺序，在透明基板1上层叠着第一双折射层2和第二双折射层3。第一双折射层2是通过以蒸镀方向1进行斜向蒸镀而形成的，并具有平均厚度t1。第二双折射层3是通过以蒸镀方向2进行斜向蒸镀而形成的，并具有平均厚度t2。第一双折射层2的平均厚度t1与第二双折射层3的平均厚度t2满足上述式(2)、且t1≠t2。另外，对于第一双折射层2与第二双折射层3，所述夹角β为180°。

此外，在图2A～图2C中，附图标记2’表示通过第一双折射层2近似形成的双折射椭圆体，附图标记3’表示通过第二双折射层3近似形成的双折射椭圆体。附图标记Nx1表示第一双折射层2中的Nx的轴，附图标记Ny1表示第一双折射层2中的Ny的轴。附图标记Nx2表示第二双折射层3中的Nx的轴，附图标记Ny2表示第二双折射层3中的Ny的轴。

通过对第一双折射层2的平均厚度t1以及第二双折射层3的平均厚度t2进行调整，能够在保持较高的双折射的状态下对通过双折射层整体(双折射多层结构体)近似形成的折射率椭圆体的光轴角度θ(x-z面内的角度)进行控制。其结果是，能够控制相位差元件整体的光轴。

图4A～图4C是本发明的相位差元件的另一个示例的示意图。图5是在图4A～图4C的相位差元件中通过双折射层整体(双折射多层结构体)近似形成的折射率椭圆体5’的示意图。图4A是图5的x-z剖面图。图4B是图5的x-y剖面图。图4C是图5的y-z剖面图。

在图4A～图4C的相位差元件中，以第一双折射层2、第二双折射层3、第一双折射层2、以及第二双折射层3的顺序，在透明基板1上层叠着第一双折射层2和第二双折射层3。第一双折射层2是通过以蒸镀方向1进行斜向蒸镀而形成的。第二双折射层3是通过以蒸镀方向2进行斜向蒸镀而形成的。第一双折射层2的平均厚度与第二双折射层3的平均厚度相同。另外，第一双折射层2与第二双折射层3之间的夹角β满足上述式(3)、且不为180°。

此外，在图4A～图4C中，附图标记2’表示通过第一双折射层2近似形成的双折射椭圆体，附图标记3’表示通过第二双折射层3近似形成的双折射椭圆体。附图标记Nx1表示第一双折射层2中的Nx的轴，附图标记Ny1表示第一双折射层2中的Ny的轴。附图标记Nx2表示第二双折射层3中的Nx的轴，附图标记Ny2表示第二双折射层3中的Ny的轴。

通过对第一双折射层2与第二双折射层3之间的夹角β进行调整，能够在保持较高的双折射的状态下对通过双折射层整体(双折射多层结构体)近似形成的折射率椭圆体的光轴角度Φ(y-z面内的角度)进行控制。其结果是，能够控制相位差元件整体的光轴。

与日本特开2005-172984号公报、日本特开2007-101764号公报、以及日本专利第4566275号公报中记载的发明不同，本发明的相位差元件仅由无机材料构成，耐热性及耐光性较高。另外，本发明能够提供光轴倾斜的相位差元件。另外，与日本特开2004-354935号公报、日本特开2009-133917号公报、以及日本专利第2012-078436号公报中记载的发明不同，本发明能够通过斜向蒸镀形成多层结构，因此，与对单晶进行特殊切割等相比，可预期实现低成本化。另外，与APPLIED OPTICS/Vol.28,No.13/1July 1989中记载的发明不同，本发明由多层结构形成，具有较高的双折射。另外，与美国专利第6206065号的说明书中记载的发明不同，本发明不需要一边旋转透明基板一边进行蒸镀，能够实现装置的简化。另外，在本发明中还能够选择使光轴发生倾斜的方向。

接下来，对投影型图像显示装置的一个示例进行说明。

图6是示出应用于投影型图像显示装置的光学引擎的一部分结构的概略剖面图。该投影型图像显示装置是具备透射型偏振器44、垂直取向液晶层40、透射型光调制元件41、相位差元件43、以及透射型偏振器42的透射型液晶投影仪。在此，相位差元件43具备透明基板、第一双折射层、第二双折射层、以及相位差赋予防反射层，相位差赋予防反射层将赋予不同于在双折射层上产生的斜入射光相位差的相位差，并进一步对相位差的值进行控制。由此，通过双折射层，能够对因透射型光调制元件41的预倾角而产生的偏振光混乱进行补正，另外，通过相位差赋予防反射层，能够对因入射至透射型光调制元件41的斜入射光而产生的偏振光混乱进行补正，进一步，通过相位差赋予防反射层，能够防止反射，因此，能够获得高对比度。在图6中，附图标记45表示入射光，附图标记P表示P偏振光，附图标记S表示S偏振光。

在该液晶投影仪中，从光源发出的光被转换为平面偏振光，然后被分解成R(红)、G(绿)、B(蓝)各种色光，并入射到为各种色光设置的透射型偏振器44。

通过透射型偏振器44透射的直线偏振光(S偏振光成分)入射到垂直取向液晶层40，并射出以像素为单位进行调制后的透射光，在透射过相位差元件43之后，透射过透射型偏振器42、或被其反射以及吸收。透射过透射型偏振器42后的光通过棱镜再次被合成RGB，从而在投影屏幕上显示出图像。

另外，例如进行黑色显示时，通过透射型偏振器44透射的S偏振光被设定为直接以S偏振光的形式通过垂直取向液晶层40透射，但是，如上所述，由于透射时的偏振光混乱，不希望得到的偏振光成分(P偏振光成分)也会透射过来。在不具备相位差元件43的情况下，P偏振光成分会透射过透射型偏振器42，因此，这是在屏幕上显示出光、并导致黑色显示劣化的主要原因。通过使装置具备本发明的相位差元件，从而对偏振光混乱进行补正，并尽量减少P偏振光成分，能够使黑色显示得到提高，其结果是能够提高投影图像的对比度。

[实施例]

下面，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。

(实施例1)

<相位差元件的制作>

在玻璃基板(平均厚度0.7mm)上，(a)以蒸镀源相对于基板法线方向(垂直于基板表面的方向)呈70°的方式斜向蒸镀以Ta₂O₅为主要成分的材料，从而形成第一双折射层。(b)接下来，从相对于基板面内方向呈180°反向的方向，同样以70°的蒸镀角度进行斜向蒸镀，从而形成第二双折射层。交替反复进行上述(a)的工序与上述(b)的工序，从而形成多层结构的双折射层。双折射层形成后，为了脱色以及使吸附在柱状组织间的水分蒸发，在200℃下进行5小时的退火处理。使双折射层的整体形成为1500nm的膜厚。为了降低入射光的反射率，在基板的背面形成了防反射膜。

下面，对第一双折射层、第二双折射层以及光轴角度之间的定量关系进行说明。图7是示出第一双折射层的平均厚度t1与第二双折射层的平均厚度t2之比t1/t2、通过双折射层整体近似形成的折射率椭圆体的第一光轴角度θ(x-z面内的角度)、以及在入射至双折射层的垂直入射光中产生的双折射的值之间的关系的图。如图7所示，通过使t1/t2变化，能够任意地控制折射率椭圆体的光轴。图中进一步显示出，即使t1/t2发生变化，双折射也几乎不发生变化，△n为大于等于0.1的值。这与文献(APPLIED OPTICS/Vol.28,No.13/1July1989)中所记载的、当蒸镀角度、即折射率椭圆体的光轴变化时△n会发生变化的结构不同，在本发明中，能够在将双折射保持为较大的值的状态下对光轴进行控制。而且，通常通过斜向蒸镀Ta₂O₅这样的高折射率材料所能得到的双折射为0.07，而本发明的双折射能够大大超过0.07。

(实施例2)

<相位差元件的制作>

在玻璃基板(平均厚度0.7mm)上，(a)以蒸镀源相对于基板法线方向呈70°的方式斜向蒸镀以Ta₂O₅为主要成分的蒸镀材料，从而形成第一双折射层。(b)接下来，从相对于基板面内方向呈180°反向的方向，同样以70°的蒸镀角度进行斜向蒸镀，从而形成第二双折射层。交替反复进行上述(a)的工序与上述(b)的工序，从而形成多层结构的双折射层。双折射层形成后，为了脱色以及使吸附在柱状组织间的水分蒸发，在200℃下进行5小时的退火处理。将第一双折射层及第二双折射层的平均厚度分别设置成9nm、5nm。另外，将整体的膜厚设置成2000nm。SEM图像如图8所示。光轴为约18°。进一步，在波长为550nm条件下的正面相位差为272nm。双折射大约为0.136。如上所述，通过采用本发明的实施方式，能够很容易地制作出光轴倾斜的1/2波长板。

(实施例3：变形例)

可根据用途对实施例1以及实施例2进行各种变形。

在玻璃基板(平均厚度0.7mm)上，(a)以蒸镀源相对于基板法线方向呈70°的方式斜向蒸镀以Ta₂O₅为主要成分的蒸镀材料，从而形成第一双折射层。(b)接下来，从相对于基板面内方向呈180°反向的方向，同样以70°的蒸镀角度进行斜向蒸镀，从而形成第二双折射层。交替反复进行上述(a)的工序与上述(b)的工序，从而形成多层结构的双折射层。双折射层形成后，为了脱色以及使吸附在柱状组织间的水分蒸发，在200℃下进行5小时的退火处理。将第一双折射层及第二双折射层的平均厚度分别设置成9nm、5nm。当多个第一双折射层及多个第二双折射层成膜的合计厚度达到2000nm时，(c)从将玻璃基板沿面内方向旋转45°后的方向，形成5nm的第一双折射层，(d)从与该方向呈180°反向的方向，形成9nm的第二双折射膜。交替反复进行上述(c)的工序与上述(d)的工序，从而形成多层结构的双折射层。模式图如图9A及图9B所示。设通过上述(a)的工序与上述(b)的工序而得到的结构部为A，设通过上述(c)的工序与上述(d)的工序而得到的结构部为B。根据这种变形例，能够很容易地通过一张基板来实现如下的结构，即、将两张轴倾斜的波长板以使其面内轴任意旋转的方式粘贴在一起而形成的结构。以往必须对石英晶体这样的单轴性波长板分别进行切割、粘贴，成本相当高。通过使用本发明，能够用一张基板容易地制作出宽波长范围的波长板。此外，在图9A中，第一双折射层2是通过以蒸镀方向1进行斜向蒸镀而形成的。第二双折射层3是通过以蒸镀方向2进行斜向蒸镀而形成的。如图9B所示，将结构部A的光轴A与结构部B的光轴B投影到基板上而得到的线段所形成的夹角为45°。

(实施例4)

<相位差元件的制作>

在玻璃基板(平均厚度0.7mm)上，(a)以蒸镀源相对于基板法线方向从某个特定方向偏离70°的方式斜向蒸镀以Ta₂O₅为主要成分的蒸镀材料，从而形成第一双折射层。(b)接下来，使玻璃基板沿面内方向旋转β°，并同样以70°的蒸镀角度进行斜向蒸镀，从而形成第二双折射层。接下来，使基板旋转，回到上述(a)的工序的位置，并再次执行上述(a)的工序。交替反复进行上述(a)的工序与上述(b)的工序，从而形成多层结构的双折射层。通过上述(a)的工序与上述(b)的工序成膜的双折射层的平均厚度均设置成7nm。双折射层形成后，为了脱色以及使吸附在柱状组织间的水分蒸发，在200℃下进行5小时的退火处理。使双折射层的整体形成为1500nm的厚度。为了降低入射光的反射率，在基板的背面形成了防反射膜。

下面，对从工序(a)移至工序(b)时的基板面内旋转角度β与光轴角度之间的定量关系进行说明。图10是示出角度β、与通过双折射层整体近似形成的折射率椭圆体的第二光轴角度Φ(y-z面内的角度)、以及在入射至双折射层的垂直入射光中产生的双折射的值之间的关系的图。通过使角度β变化，能够任意地控制折射率椭圆体的光轴。另外，图中显示出，即使角度β发生变化，双折射也几乎不发生变化，△n为大于等于0.1的值。在以往的斜向蒸镀技术中，原本不存在使Φ倾斜的技术，但通过使用本发明，能够在保持具有实用性的△n的状态下制作出具有使Φ发生倾斜的折射率椭圆体的相位差元件。此外，当β的角度小于等于90°时，无助于Φ的倾斜。利用图11A～图11C对这一点进行说明。

图11A～图11C是相位差元件的一个示例的示意图。图11A是在如图3所示的x-y-z的坐标空间中的x-z剖面图。图11B是在如图3所示的x-y-z的坐标空间中的x-y剖面图。图11C是在如图3所示的x-y-z的坐标空间中的y-z剖面图。

如图11A～图11C所示，当角度β小于等于90°时，特别是通过图11C可以明显看出，各层的光轴被平均化，光轴Φ的方向与基板法线方向一致。另外，通过图11A可以明显看出，其只具备与从一个方向进行斜向蒸镀的情况相同的功能，双折射会降低。因此，β需要大于90°。

(实施例5)

实施例1与实施例4是分别以不同的方法使光轴角度倾斜的方法，但是，当然也能够将两者组合起来，从而同时对θ和Φ进行控制。下面举出一个示例。

在玻璃基板(平均厚度0.7mm)上，(a)以蒸镀源相对于基板法线方向从某个特定方向偏离70°的方式斜向蒸镀以Ta₂O₅为主要成分的蒸镀材料，从而形成第一双折射层。平均厚度设置成8nm。(b)接下来，使玻璃基板沿面内方向旋转170°，同样以70°的蒸镀角度进行斜向蒸镀，从而形成第二双折射层。平均厚度设置成4nm。接下来，使基板旋转，回到上述(a)的工序的位置，并再次执行上述(a)的工序。交替反复进行上述(a)的工序与上述(b)的工序，从而形成多层结构的双折射层。

这样制作出的相位差元件的SEM图像如图12A及图12B所示。由图可知，光轴角度θ(x-z面内的角度)为约20°，Φ(y-z面内的角度)倾斜约10°的样子。此时，与基板法线方向的入射光相对应的双折射的值为0.14。

如上所述，通过采用本发明，能够在保持较高的双折射的状态下任意控制两种光轴角度。

(实施例6：应用例)

在实施例1～实施例5中，利用了斜向蒸镀在平坦玻璃基板上的微粒，但是，本发明人发现，在如图13A所示那样的、具有小于等于使用范围波长的细微图案的透明基板10上，通过斜向蒸镀堆积双折射层，能够增大双折射的值。在图13B～图13D中示出了应用例。图13B是相位差元件的剖面模式图，图13C是俯视模式图，图13D是示出相位差元件中的第一双折射层22以及第二双折射层23的详细结构的剖面模式图。附图标记11表示由光学异向性无机材料组成的高折射率部，附图标记12表示由空气组成的低折射率部。在具有间距为150nm、深度为50nm的一维晶格的玻璃基板上，以蒸镀源垂直于晶格线并且相对于基板面法线方向呈70°的方式，斜向蒸镀添加了TiO₂的Ta₂O₅。与以往的斜向蒸镀相比，双折射量为2.8倍。因此，在获得期望的相位特性时，与以往相比能够实现薄膜化。薄膜化具有生产工序的高速化及效率化、抑制成膜所使用的材料费等诸多优点。可以认为，通过在图案上成膜从而使双折射的值变大的成因在于，由于在晶格间形成了间隔，从而加入了结构性双折射效应。此外，对于低折射率部来说，除了空气以外，还可以是折射率低于构成高折射率部的光学异向性无机材料的材料，并没有特别的限制，可根据目的适当选择。虽然在该应用例中采用了一维晶格，但是，只要图案小于等于使用范围的波长即可，可以是随机图案，或者也可以是通过文献(东芝评论(Toshiba Review)Vol.60,No.10,2005)中记载的利用嵌段共聚物的图案形成方式(即，在玻璃基板上以与上述同样的方式形成SiO₂膜，并通过嵌段共聚物形成图案，再将嵌段共聚物的图案转写到SiO₂上的方法)形成的图案。此外，也可以不形成SiO₂膜，而在玻璃上直接形成图案。在由此形成的波长板中，通过使用本发明的相位差元件也能够使光轴任意倾斜。

如图13B～图13D所示，当将基板图案与斜向蒸镀膜配合起来时，双折射量将进一步增加，能够使总的膜厚更薄。

产业上的利用可能性

由于本发明的相位差元件能够通过简易的制造装置制造出来，并易于进行光轴的调整以及相位差的调整，并且耐热性及耐久性优异，因此，能够适宜应用在液晶显示装置以及使用液晶显示装置的投影型图像显示装置中。

Claims (8)

1.一种相位差元件，其特征在于，具有：

透明基板；以及

双折射多层结构体，所述双折射多层结构体通过在所述透明基板上多次层叠由第一双折射层以及第二双折射层组成的层叠结构而形成，其中，所述第一双折射层具有光学异向性无机材料，所述第二双折射层具有光学异向性无机材料并与所述第一双折射层相接触；

在所述层叠结构中，所述第一双折射层的平均厚度(t1)与所述第二双折射层的平均厚度(t2)之间的关系满足下述式(1)及式(2)中的任意一个，并且，当将表示所述第一双折射层的折射率异向性的主轴的线段、即第一线段中位于所述透明基板一侧的端部设为端部A，将表示所述第二双折射层的折射率异向性的主轴的线段、即第二线段中位于所述透明基板一侧的端部设为端部B，将所述第一线段以及所述第二线段投影到所述透明基板上并使所述端部A以及所述端部B重叠时，投影到所述透明基板上的所述第一线段以及所述第二线段之间的夹角(β)满足下述式(3)，且所述层叠结构满足下述条件(4)，

所述相位差元件为双轴性相位差元件，其光轴方向从与透明基板的表面垂直的方向朝着x方向以及y方向中的至少一个方向倾斜，其中，所述x方向表示将由双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体投影到所述透明基板上时所述双折射多层结构体的折射率异向性的主轴方向，所述y方向是在所述透明基板上与所述x方向垂直的方向，

与所述透明基板的表面垂直的方向上的双折射大于等于0.1且小于等于0.14，

0＜t1/t2≤1 式(1)

0＜t2/t1≤1 式(2)

90°＜β≤180° 式(3)

t1≠t2或β≠180° 条件(4)。

2.根据权利要求1所述的相位差元件，其特征在于，

第一双折射层以及第二双折射层中的至少一个满足下式：

Nx＞Ny＞Nz，

其中，所述Nx表示与折射率异向性的主轴平行的方向上的折射率，所述Ny表示与所述Nx垂直的方向上的折射率，所述Nz表示与所述Nx以及所述Ny垂直的方向上的折射率。

3.根据权利要求1所述的相位差元件，其特征在于，

由双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体满足下式：

Nax＞Nay＞Naz，

其中，所述Nax表示由所述双折射多层结构体近似形成的折射率椭圆体在与折射率异向性的主轴平行的方向上的折射率，所述Nay表示与所述Nax垂直的方向上的折射率，所述Naz表示与所述Nax以及所述Nay垂直的方向上的折射率。

4.根据权利要求1所述的相位差元件，其特征在于，

层叠结构的平均厚度小于等于30nm。

5.根据权利要求1所述的相位差元件，其特征在于，

第一双折射层的光学异向性无机材料的材质为至少含有Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta以及Al中的任意一种的氧化物，

第二双折射层的光学异向性无机材料的材质为至少含有Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta以及Al中的任意一种的氧化物。

6.一种液晶显示装置，其特征在于，具有：

液晶面板；以及

权利要求1至5中的任一项所述的相位差元件。

7.一种投影型图像显示装置，其特征在于，具有：

光源，用于射出光；

投影光学系统，用于投影调制后的光；以及

权利要求6所述的液晶显示装置，其配置在所述光源与所述投影光学系统之间的光路上。

8.一种相位差元件的制造方法，用于制造权利要求1至5中的任一项所述的相位差元件，其特征在于，包括：

第一双折射层形成工序，通过斜向蒸镀，在透明基板上形成第一双折射层；以及

第二双折射层形成工序，通过斜向蒸镀，在所述第一双折射层上形成第二双折射层。