CN109642979B - 偏振板、使用了该偏振板的图像显示装置以及移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明的偏振板具备具有第一主面的蓝宝石板、以及位于所述蓝宝石板的第一主面且形成为条状的金属细线。所述蓝宝石板的c轴与所述金属细线的长度方向所成的角度为5°以下。

Description

偏振板、使用了该偏振板的图像显示装置以及移动体
技术领域
本发明涉及在投影装置、平视显示装置等图像显示装置中所使用的偏振板、使用了该偏振板的图像显示装置以及移动体。
背景技术
投影装置(PJ装置)、平视显示装置(HUD装置)等图像显示装置将显示于液晶面板等图像形成部的图像信息利用光源以及各种光学元件照射至墙壁、屏幕、窗户等，使使用者观看图像信息。
在专利文献1中记载了使用由水晶、蓝宝石构成的透明基板作为线栅偏振片的基板。另外，在专利文献2中记载了作为能够在可见光区域利用的偏振板，在玻璃板上形成金属细线的周期为150nm、高度为200nm、宽度为60nm的线栅偏振片。
图像显示装置的小型化、高精细化、高亮度化的要求以及基于此的光源的高输出化使得对偏振板的耐热性的要求越来越高。另外，在车载HUD装置等室外用途的装置中，除了来自光源的热量，由于太阳光的入射而产生的热量也成为问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-216957号公报
专利文献2：日本特开2016-24419号公报
发明内容
本发明的偏振板具备具有第一主面的蓝宝石板、以及位于所述蓝宝石板的第一主面的条状的金属细线，所述蓝宝石板的c轴与所述金属细线的长度方向所成的角度为5°以下。
附图说明
图1是使用了第一实施方式所涉及的偏振板的图像显示装置的概要图。
图2是第一实施方式所涉及的偏振板的概要图。
图3是第一实施方式所涉及的偏振板的概要图。
图4是第二实施方式所涉及的图像显示装置的概要图。
图5是示出了蓝宝石的晶体结构的图。
具体实施方式
以HUD装置为例，参照附图对本发明的偏振板、使用了该偏振板的图像显示装置进行说明。图1是第一实施方式所涉及的图像显示装置1即HUD装置1的概要图。
HUD装置1具备光源2、图像形成部3以及偏振板4。偏振板4例如为在图像形成部3的光源光出射侧配置的出射侧偏振板4a、在图像形成部3的光源光入射侧配置的入射侧偏振板4b，将入射至各自的偏振板4a、4b的光转换为直线偏振光。另外，HUD装置1具有镜6、以及出射窗7。在图1中，将包括来自光源2的出射光在内的图像光的出射光路L在图中以单点划线的箭头示出。作为成为偏振板4的加热原因的热源，考虑光源1来自以及外部的侵入光等。
以往，在投影装置(PJ装置)、平视显示装置(HUD装置)等图像显示装置中，使用偏振板作为光学元件。偏振板配置于液晶面板的光源光入射侧以及光源光出射侧，且具有将入射至偏振板的光转换为规定的方向的直线偏振光的功能。
以往，偏振板通过将由包括碘、染料的PVA(聚乙烯醇)等有机系材料构成的偏振膜夹入玻璃基板等透明基板、或粘贴于透明基板而构成。然而，这样的由有机系材料构成的偏振板缺乏耐热性，若在70℃以上的环境中使用，则存在由于变质而导致偏振功能降低的问题。
存在一种具有线栅偏振片的偏振板，在偏振板中，在透明基板的表面将由耐热性优于有机材料的细微的线状的金属构成的凸条部(以下，称为金属细线)排列为条状，通过利用金属细线中的衍射现象，将入射光转换为直线偏振光。这样，能够通过使用耐热性优异的素材来抑制变质。
使用了该线栅偏振片的偏振板在金属细线的间隔远小于入射光的波长时发挥功能。由于纳米加工技术的发展而开发出使用了能够在可见光区域利用的线栅偏振片的偏振板，正在研究将该偏振板向暴露于高温的投影器用途应用。
图像显示装置的小型化、高精细化、高亮度化的要求以及基于此的光源的高输出化使得对偏振板的耐热性的要求越来越高。另外，在车载HUD装置等室外用途的装置中，除了来自光源的热量，由于太阳光的入射而产生的热量也成为问题。
使用了线栅偏振片的偏振板在具有高于有机材料的耐热性方面有利，但由于其为较薄且宽度较窄的金属细线与透明基板的层叠体，因此在温度发生变化时，偏振板可能会由于两者的热膨胀系数之差而破损。
如图2所示，本发明的偏振板4具备蓝宝石板40、以及在蓝宝石板40的第一主面40a隔开间隔地排列有多条金属细线42的偏振片。该金属细线42例如具有50～500nm左右的高度、30～150nm左右的宽度、60～300nm左右的金属细线42彼此的间隔，且沿长度方向延伸。
通过将金属细线42彼此的间隔设定为短于透射光的波长，能够将透射光转换为直线偏振光，从而发挥作为偏振板4的功能。
配置于蓝宝石板40的第一主面40a的金属细线42例如由热膨胀系数为23×10-6/℃的铝、热膨胀系数为16.8×10-6/℃铜等构成。金属细线42例如能够通过以下的工序来形成。
首先，通过蒸镀、溅射等制膜方法，使用金属膜来覆盖蓝宝石板40的第一主面40a。然后，在金属膜之上对抗蚀剂膜进行涂敷、曝光、显影从而形成抗蚀剂图案。接下来，使用蚀刻剂将金属膜蚀刻加工为恒定间隔的条状，然后，去除、清洗抗蚀剂图案从而能够形成金属细线42。
需要说明的是，蓝宝石是指氧化铝(化学式Al2O3)的单晶。蓝宝石除了耐热性优异，在导热性以及散热性优异从而能够抑制温度上升方面也很优异。
蓝宝石的40℃至400℃的热膨胀系数为7.0～7.7×10-6/℃。蓝宝石的热膨胀系数的值存在范围，这是因为，蓝宝石为具有热膨胀系数的各向异性的材料。例如在使用铝作为金属细线42的情况下，蓝宝石与铝的热膨胀系数差为15.3～16×10-6/℃。
当偏振板4的温度发生变化时，蓝宝石板40以及金属细线42膨胀或者收缩。并且，蓝宝石板40与金属细线42的热膨胀系数不同，因此在两者之间产生与温度的变化量相应的应力。蓝宝石板40与金属细线42的热膨胀差越大则应力越大，另外，蓝宝石板40与金属细线42接触的长度越大则应力越大。
因此，为了减小在蓝宝石板40与金属细线42之间产生的应力，减小金属细线42的长度方向上的蓝宝石板40与金属细线42的热膨胀差即可。
图5示出了本发明的偏振板4中的作为蓝宝石板40而使用的蓝宝石的晶体结构。如图5的(a)～(d)分别所示，蓝宝石具有c面、m面、a面、r面等结晶面作为代表性的结晶面。将与上述的结晶面垂直的轴分别称为c轴、m轴、a轴、r轴。
对蓝宝石的40℃至400℃的热膨胀系数而言，与蓝宝石的c轴平行的方向为7.7×10-6/℃，与c轴垂直的方向为7.0×10-6/℃。即，与c轴平行的方向的热膨胀系数比与c轴垂直的方向的热膨胀系数大10％左右，与金属细线42的热膨胀系数之差较小。
于是，若使蓝宝石板40的c轴与金属细线42的长度方向一致，则能够将金属细线42的长度方向上的蓝宝石板40的热膨胀系数设为7.7×10-6/℃。
该值为蓝宝石的热膨胀系数中的最大值，能够使与由热量引起的金属细线42的长度方向的热膨胀系数之差为最小。
在本发明的偏振板4中，蓝宝石板40的c轴与金属细线42的长度方向所成的角度为5°以下。
在图3的(a)、(b)中记载了蓝宝石板40的c轴与金属细线42的长度方向所成的角度为5°以下的例子。图3的(a)是蓝宝石板40的第一主面40a与c轴平行，且蓝宝石板40的c轴与金属细线42的长度方向所成的角度为5°以下的例子。c轴优选向图中的左右以±5°的范围与金属细线42的长度方向错开。需要说明的是，图3的(a)的上下方向为金属细线42的长度方向。
图3的(b)为侧视观察偏振板4的图，图3的(b)中的左右方向为金属细线42的长度方向。在该情况下，c轴优选向图中的上下以±5°的范围与金属细线42的长度方向错开。
若采用这样的结构，则能够减小在刚性较高的蓝宝石板40与金属细线42之间产生的应力。并且，即使在使用金属细线42形成与横纵比为3：4，且对角为1.8英寸～3.1英寸的大小的液晶相对应的偏振片的情况下，也能够抑制偏振板4的破损。需要说明的是，在形成上述大小的偏振片时，金属细线42的长度因偏振方向而不同，但为约2.7cm以上～约4.7cm以上或约3.6cm以上～约6.3cm以上。
蓝宝石板40的c轴与金属细线42的长度方向无需完全一致，即使在5°的范围内错开也足够有效，若错开1°以下则更好。
蓝宝石板40的第一主面40a与蓝宝石板40的c轴所成的角度也可以为0.1°以上。换言之，蓝宝石板40的c轴也可以向图中的上下方向错开。
在为这样的结构的情况下，由于c轴与蓝宝石板40的第一主面40a错开，结晶面相对于蓝宝石板40的第一主面40a而倾斜，因此在蓝宝石板40的主面40a形成有高度为几
Figure BDA0001980067010000051
宽度为几10～几
Figure BDA0001980067010000052
左右的台阶结构。为了增大台阶结构，蓝宝石板40的c轴也可以向图中的上下错开0.5°以上。
蓝宝石板40的第一主面40a与蓝宝石板40的c轴所成的角度越大则台阶的高度越大，宽度越小。若蓝宝石板40的主面40a具有这这样的台阶结构，则在金属细线42的制膜工序中，金属容易吸附于台阶部，从而能够实现均匀的制膜，并且由于锚定效果而使蓝宝石板40的第一主面40a与金属细线42的紧贴力提高。
若蓝宝石板40的第一主面40a与金属细线42的紧贴力提高，则即使反复加热、冷却偏振片4，也能够抑制金属细线42从第一主面40a剥离的情况。并且台阶结构充分小于可见光的波长(400～800nm)，因此偏振板1对光学特性的影响被抑制为无法察觉的程度。
另外，在本发明的偏振板4中，垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板的a轴或m轴所成的角度也可以为5°以下，优选为2°以下。若采用这样的结构，则难以产生向蓝宝石板40的主面40a入射的图像光的双折射。
双折射是指由于折射率的各向异性，在光透过物质时，因其偏振的状态而被分为两束的现象。例如，对于波长589nm的光，蓝宝石的折射率的c轴方向为1.768，与c轴垂直的方向为1.760。另外，在具有双折射的材料中，将即使入射有光也不会使光分散的方向称为光学轴。
蓝宝石的光学轴为c轴方向。无论向蓝宝石板40的主面40a入射的图像光的光轴与光学轴(c轴)平行还是垂直，都不会产生双折射。
在蓝宝石板40的主面40a为蓝宝石的a面或m面时，向蓝宝石板40的主面40a入射的图像光的光轴与光学轴(c轴)垂直，不产生双折射。在蓝宝石板40的主面40a与蓝宝石的a面或m面所成的角度为5°以下，优选为2°以下时，双折射小到能够忽视的程度。
在垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的a轴所成的角度为0°时，蓝宝石板40的第一主面40a为蓝宝石的a面。因此，在垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的a轴所成的角度为5°以下时，可以换言为，蓝宝石板40的第一主面40a与蓝宝石的a面所成的角度为5°以下。
在垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的m轴所成的角度为0°时，蓝宝石板40的第一主面40a为蓝宝石的m面。因此，在垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的m轴所成的角度为5°以下时，可以换言为，蓝宝石板40的第一主面40a与蓝宝石的m面所成的角度为5°以下。
蓝宝石的强度也具有各向异性，在蓝宝石板40的施加有应力的面为a面时，蓝宝石板40示出最高强度。另外，在蓝宝石板40的施加有应力的面为m面时，示出仅次于最高强度的强度。c面的强度低于a面、m面的强度，因此为了抑制蓝宝石板40的破损而形成难以破损的偏振板4，优选避免将蓝宝石板40的第一主面40a设为c面，而将第一主面40a设为a面或m面。
另外，垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的a轴或m轴所成的角度也可以为0.1°以上，特别优选为0.5°以上。若采用这样的结构，则结晶面相对于蓝宝石板40的第一主面40a倾斜，因此在蓝宝石板40的主面40a形成有高度为几
Figure BDA0001980067010000071
宽度为几10～几
Figure BDA0001980067010000072
左右的台阶结构。
垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的a轴或m轴所成的角度越大则台阶的高度越大，宽度越小。若蓝宝石板40的主面40a具有这这样的台阶结构，则在金属细线42的制膜工序中，金属容易吸附于台阶部，从而能够实现均匀的制膜，并且由于锚定效果而使蓝宝石板40的第一主面40a与金属细线42的紧贴力提高。
若蓝宝石板40的第一主面40a与金属细线42的紧贴力提高，则即使反复加热、冷却偏振片4，也能够抑制金属细线42从第一主面40a剥离的情况。并且台阶结构充分小于可见光的波长(400～800nm)，因此偏振板1对光学特性的影响被抑制为无法察觉的程度。
另外，若垂直于蓝宝石板40的第一主面40a的轴与蓝宝石板40的a轴或m轴所成的角度为0.1°以上，则在蓝宝石板40的第一主面40a的表面实施热处理、等离子体处理来作为用于形成金属细线42的前处理，从而容易在第一主面40a产生具有更加均匀的台阶的台阶结构。由于这样的台阶结构，第一主面40a与在第一主面40a形成的金属细线42的密接强度变高，并且，密接强度的偏差变小。例如，作为前处理，对蓝宝石板40以800℃以上的温度，例如以1000℃进行3小时左右热处理即可。
需要说明的是，对于金属细线42的长度方向与蓝宝石板40的面、轴的关系，能够利用使用了X射线衍射法的结晶方位测定装置等来确定。
在结晶方位测定装置中，以金属细线42的长度方向成为规定角度的方式设置偏振板4，在此基础上，向蓝宝石板40照射X射线，对表示蓝宝石板40的单晶的晶格的状态的所谓的X射线衍射强度进行测定，能够根据该X射线衍射强度来确定金属细线42的长度方向与蓝宝石板40的轴等的关系。
例如，作为X射线衍射装置，使用株式会社Rigaku制的自动X射线结晶方位测定装置(型式2991F2)等即可。
像这样使用X射线衍射装置来确定蓝宝石板40的结晶方位，其结晶方位与金属细线42的关系成为本发明中的任意一项即可。
蓝宝石板40的厚度也可以为0.1mm以上且0.5mm以下。若采用这样的结构，则作为偏振板4能够具有足够的机械强度以及散热性。
在示出第二实施方式的图4中，示出HUD装置1在偏振板4与镜6之间具备凸透镜等扩光构件8的例子。这样，在HUD装置1在偏振板4与镜6之间具备扩光构件8时，能够通过扩光构件8来扩大图像光。
另外，在图1中，若将镜6设为凹面镜，则镜6也具有扩光构件8的功能，因此能够减少构件个数。
需要说明的是，示出第一以及第二实施方式的图1、4中的HUD装置1所具备的入射侧偏振板4b用于向液晶3入射偏振光。在入射侧偏振板4b中，若将金属细线42设为铝、铜等导热率大于蓝宝石的材料，并配置在光源光的入射侧，则散热性进一步提高，因此是优选的。在蓝宝石板40的主面为蓝宝石的a面或m面时，入射的光根据其偏振方向与结晶的光轴(c轴)之间的角度而偏振方向发生变化。若偏振方向与c轴平行，则光在保持其偏振方向的状态下从背面出射。在本实施方式中，金属细线42的长度方向与蓝宝石的c轴大致平行，因此由于金属细线42而偏振的光在保持偏振方向的状态下，从入射侧偏光版4b出射，并入射至液晶3。
出射侧偏振板4a用于对从液晶3出射的光中的图像显示所不需要的方向的偏振光进行遮挡。入射侧偏振板4b与出射侧偏振板4a的偏振方向的组合根据液晶3的种类而决定。例如，使用TN型液晶作为液晶3时，入射侧偏振板4b与出射侧偏振板4a使偏振方向旋转90°而配置。在本实施方式中，金属细线42的长度方向与蓝宝石的c轴大致平行，因此将金属细线42配置在图像光的入射侧，从而使由于金属细线42而偏振的光在保持偏振方向的状态下从出射侧偏振板4a出射。
HUD装置1也可以设计为偏振板4被气流冷却。对于利用气流的冷却，为了利用空气来冷却偏振板4而使用风扇等送风体即可。另外，也可以利用伴随车辆等移动体的移动而产生的气流。另外，为了提高冷却效果，也可以在偏振板4连接散热片。散热片形成在偏振板4的光所照射的范围以外的部分中的至少一部分即可。
另外，作为偏振板4的蓝宝石板40，若使用使向偏振板4照射的光中的紫外光等规定波长区域的光衰减的蓝宝石板40，则能够对由外部光引起的图像形成部3、波长板等各种光学构件的损伤进行抑制。例如，蓝宝石板40的200～400nm的波长区域中的透射率的平均值也可以小于400～800nm的波长区域中的透射率的平均值。在蓝宝石板40满足这种结构时，能够使所谓的紫外光区域的光衰减，能够对由侵入HUD装置内的太阳光所包含的紫外光引起的图像形成部3波长板等各种光学构件的损伤进行抑制。
另外，蓝宝石板40可以在205～260nm的波长区域具有吸收带。通过将蓝宝石的结晶培育时或培育后的热处理时的气氛控制为还原性气氛，将由氧空位引起的缺陷导入蓝宝石，能够使紫外光区域具有吸收带，制造减少紫外光的蓝宝石。具有由氧空位引起的缺陷的蓝宝石具有被称为F中心、F+中心的缺陷。F中心在205nm具有吸收带，F+中心在210nm、230nm、260nm具有吸收带。若使用这样的在205nm～260nm的波长区域具有吸收带的蓝宝石板40，则能够使侵入HUD装置1内部的紫外光衰减。
这样，本发明的偏振板4适用于经常暴露于太阳光等外部光的移动体用HUD装置1。移动体例如是指车辆，也包括船舶、飞机等。需要说明的是，太阳光不仅指太阳光本身，也包括通过车辆的窗户的太阳光等。
搭载有本发明的图像显示装置1的移动体的图像显示装置1难于破损，该移动体的可靠性优异。
以上，对本发明的偏振板4以及使用了该偏振板4的图像显示装置1、移动体的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施方式，可以在不脱离本发明的要旨的范围内进行各种改良以及变更。
偏振板4可以在蓝宝石板40的第一主面40a条状地排列有金属制的细微的线状的凸条部，通过利用凸条部处的衍射现象将入射光转换为直线偏振光，偏振板4也可以在蓝宝石板40的第一主面40a的反射层上层叠电介质层以及无机微粒子层，该反射层由以恒定间隔设置的带状金属薄膜构成。图像显示装置1也可以为PJ装置。HUD装置1也可以为在镜或窗户的对面侧或跟前侧识别虚像的形态。
特别是，如车载用的HUD装置1那样，在于室外使用的图像显示装置1中，太阳光有时会入射至HUD装置1，由配置在光路上的镜、透镜聚光并到达出射侧偏振板4a。在由于被聚光的太阳光而使出射侧偏振板4a成为高温的情况下，存在功能降低或破损的可能性。本发明即使在这样的于室外使用的HUD装置1中，也难以破损，能够减少由太阳光引起的出射侧偏振板4a的功能降低。
附图标记说明
1：图像显示装置(HUD装置)；2：光源；3：图像形成部(液晶)；4：偏振板；4a：出射侧偏振板；4b：入射侧偏振板；L：图像光的出射光路；6：镜；7：出射窗；8：扩光构件(透镜)；40：蓝宝石板；40a：第一主面；42：金属细线。

Claims (6)

1.一种偏振板，具备：
具有第一主面的蓝宝石板；以及
位于所述蓝宝石板的第一主面的条状的金属细线，
所述蓝宝石板的c轴与所述金属细线的长度方向所成的角度为5°以下，
所述蓝宝石板的第一主面与所述蓝宝石板的c轴所成的角度为0.1°以上，在所述第一主面具有台阶结构，
所述蓝宝石板的200～400nm的波长区域中的透射率的平均值小于400～800nm的波长区域中的透射率的平均值，
所述蓝宝石板在205～260nm的波长区域具有吸收带，
垂直于所述蓝宝石板的所述第一主面的轴与所述蓝宝石板的a轴或m轴所成的角度为0.1°以上且5°以下。
2.根据权利要求1所述的偏振板，其中，
所述蓝宝石板的厚度为0.1mm以上且0.5mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的偏振板，其中，
所述金属细线的长度为27mm以上。
4.根据权利要求3所述的偏振板，其中，
所述金属细线的长度为63mm以上。
5.一种图像显示装置，其具备权利要求1至4中任一项所述的偏振板。
6.一种移动体，其搭载有权利要求5所述的图像显示装置。
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