CN110716257A - 相位差元件的制造方法、相位差元件及投射型图像显示装置 - Google Patents

相位差元件的制造方法、相位差元件及投射型图像显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供耐湿性优异的相位差元件的制造方法。在利用斜角蒸镀在基板上形成光学各向异性层后，通过利用原子层沉积法沉积无机化合物的保护层来包覆该光学各向异性层。具体而言，包括透明基板、包含双折射膜的光学各向异性层、和保护层的相位差元件的制造方法，包括：利用斜角蒸镀来成膜双折射膜而形成光学各向异性层的光学各向异性层形成工序；以及利用原子层沉积法沉积无机化合物而形成保护层的保护层形成工序。

Description

相位差元件的制造方法、相位差元件及投射型图像显示装置
技术领域
本发明涉及以1/2波长板或1/4波长板为代表的相位差元件的制造方法、相位差元件及投射型图像显示装置。
背景技术
一直以来，在透明基板表面成膜电介质材料的斜角蒸镀膜的光学元件为人们所知。斜角蒸镀是使基板表面相对于蒸镀材料的飞来方向倾斜而成膜的方法，该蒸镀膜的构造可被观察为细微的立柱的集合体相对于基板表面以一定角度倾斜的柱状组织。该立柱的密度在面内具有各向异性，折射率也在面内具有各向异性。其结果，在斜角蒸镀膜产生双折射现象。
这样的斜角蒸镀膜因该双折射现象而能用于1/4波长板、1/2波长板等的光学元件。例如，专利文献1中，记载了具有以二氧化硅（SiO2）或二氧化钛（TiO2）为主成分的斜角蒸镀膜的相位差元件（参照专利文献1）。
另外，液晶显示装置中，为了改善对比度特性或视角特性，利用采用了相位差补偿元件的光学补偿技术。作为这样的相位差补偿元件，提出了例如将五氧化钽（Ta2O5）作为斜角蒸镀膜的成分而采用的相位差补偿元件（参照专利文献2）。
然而，关于专利文献1及2中记载的斜角蒸镀膜，蒸镀材料从倾斜方向蒸镀，其结果，成为具有倾斜的柱状部、和由柱状部间的空气层构成的空隙部的构造。而且，当有水分进入到柱状部间的空隙部时，发生裂痕或膜剥离，在耐久性上产生问题。
另外，在专利文献3中，记载了通过CVD法在斜角蒸镀膜上形成保护层。然而，即便依据专利文献3的方法，对水分渗入的防止也还不充分。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2007－310052号公报
【专利文献2】日本特开2011－59715号公报
【专利文献3】日本特开2015－08210号公报。
发明内容
本发明鉴于上述背景技术而构思，其目的在提供耐湿性优异的相位差元件的制造方法。
本发明人发现：在利用斜角蒸镀在基板上形成光学各向异性层后，如果通过利用原子层沉积法沉积无机化合物的保护层来包覆该光学各向异性层，则能得到耐湿性优异的相位差元件，从而完成了本发明。
即本发明为相位差元件的制造方法，所述相位差元件包括透明基板、包含双折射膜的光学各向异性层、和保护层，所述制造方法包括：光学各向异性层形成工序，成膜双折射膜而形成光学各向异性层；以及保护层形成工序，以与所述光学各向异性层相接的方式利用原子层沉积法沉积无机化合物而形成保护层。
在所述光学各向异性层形成工序中，光学各向异性层也可以通过斜角蒸镀来形成。
所述光学各向异性层也可以至少包含Ta2O5或HfO2。
所述光学各向异性层也可以由Ta2O5和TiO2的混合物构成，使Ti原子数相对于Ta原子数和Ti原子数的合计的比例（Ti/（Ta＋Ti）×100）为4.0％以上且30％以下。
所述无机化合物也可以包含选自由TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、ZrO2、Nb2O5、及HfO2组成的群的至少一种。
所述保护层的厚度也可为2nm以上。
所述保护层也可以由2层以上构成。
也可以交替地多次反复进行所述光学各向异性层形成工序和所述保护层形成工序。
进而，也可以具有SiO2层形成工序，在所述保护层上形成由SiO2构成的层。
在所述SiO2层形成工序中，由SiO2构成的层也可以通过等离子体CVD法来形成。
也可以具有防反射层形成工序，层叠折射率不同的2种以上的电介质膜，形成防反射层。
所述电介质膜也可以包含选自由TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、CeO2、ZrO2、ZrO、Nb2O5、及HfO2组成的群的至少一种。
也可以具有匹配层形成工序，以与所述透明基板相接的方式形成匹配层。
所述透明基板也可以选自由玻璃、石英、水晶、及蓝宝石组成的群的一种。
另外，另一本发明为相位差元件，包括：透明基板；包含双折射膜的光学各向异性层；以及与所述光学各向异性层相接的、无机化合物的原子层沉积层即保护层。
所述双折射膜也可为斜角蒸镀膜。
另外，另一本发明为投射型图像显示装置，具备上述相位差元件。
另外，另一本发明为投射型图像显示装置，包括：
出射光的光源；光调制装置；将调制后的光投射的投射光学系统；以及配置在所述光源与所述投射光学系统之间的光路的上述相位差元件。
发明效果
依据本发明，能够得到耐湿性优异的相位差元件。
附图说明
图1是本发明的一实施方式所涉及的相位差元件的截面示意图。
图2是本发明的一实施方式所涉及的防反射层的截面示意图。
图3是本发明的双折射膜的斜视示意图。
图4是示出将双折射膜的成膜方向投影在透明基板的表面的线段的朝向的图。
图5是示出实施例1的成膜方向的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
＜相位差元件的制造方法＞
本发明的相位差元件的制造方法是至少包括透明基板、包含双折射膜的光学各向异性层和保护层的相位差元件的制造方法，至少包括：成膜双折射膜而形成光学各向异性层的光学各向异性层形成工序；以及以与所得到的光学各向异性层相接的方式，通过原子层沉积法沉积无机化合物而形成保护层的保护层形成工序。
图1是可用本发明的制造方法获得的一实施方式所涉及的相位差元件10的截面示意图。如图1所示，本实施方式所涉及的相位差元件10具备：透明基板11；第1防反射层12A；光学各向异性层13；保护层14；匹配层15；SiO2层17；以及第2防反射层12B。此外，依据本发明的相位差元件，至少具备透明基板、包含双折射膜的光学各向异性层和保护层即可。
[光学各向异性层形成工序]
本发明的相位差元件的制造方法中的光学各向异性层形成工序，是成膜双折射膜而形成光学各向异性层的工序。依据斜角蒸镀的双折射膜，可以直接成膜在透明基板，或者也可以在透明基板上层叠其他层，并在该其他层上成膜。
（透明基板）
构成相位差元件的透明基板，只要对所期望的使用波段的光具有透光性，就无特别限定。作为透明基板的材料，可举出例如玻璃、石英、水晶、蓝宝石等。作为透明基板的形状，一般为四方形，但是也可以适当选择与目的相应的形状。另外，透明基板的厚度例如优选为0.1～3.0mm的范围。
在图1所示的相位差元件10中，透明基板11被配置在第1防反射层12A与匹配层15之间。
（光学各向异性层）
用光学各向异性层形成工序形成的光学各向异性层，包含双折射膜。双折射膜既可为单层膜，也可以沉积多个膜。光学各向异性层在本发明的相位差元件中成为体现相位差的层。
图1所示的相位差元件10中，光学各向异性层13被配置在匹配层15与保护层14之间。
图3是示出光学各向异性层所包含的双折射膜的一实施方式的斜视示意图。如图3所示，利用斜角蒸镀形成的光学各向异性层13所包含的双折射膜131，是相对于与透明基板1的表面正交的方向（以下，称为基板法线方向）即基板法线S倾斜的方向沉积而形成的膜。
本发明的光学各向异性层形成工序中，既可以仅形成一块由这样的膜构成的双折射膜，也可以沉积多个双折射膜而形成光学各向异性层，任一方均可。
双折射膜优选通过斜角蒸镀来成膜。在通过斜角蒸镀来成膜的情况下，由于沿相对于透明基板的基板法线倾斜的方向沉积而形成，所以构成双折射膜的无机材料的成膜方向与透明基板的表面所成的角的角度并不是90度。
此外，在沉积多个双折射膜的情况下，改变成膜方向反复实施多次的斜角蒸镀，得到最终的光学各向异性层。作为改变成膜方向的方法，可举出例如使透明基板在面内方向旋转到既定角度的方法。
图4是示出将双折射膜的成膜方向投影在透明基板的表面的线段的朝向的图。在从蒸镀源以蒸镀方向D朝向透明基板11成膜了双折射膜的情况下，用d示出将双折射膜的成膜方向投影在透明基板的表面的线段的朝向。
用本发明的相位差元件的制造方法形成的光学各向异性层，由无机材料构成。作为成为原料的无机材料，优选电介质材料，可举出含有例如选自由Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta、Al、Hf及Ce组成的群的至少一种的氧化物。其中，为了使Δn（折射率差）较大，优选包含Ta2O5或HfO2。
作为光学各向异性层的材料，为了减少光学损耗、使透射率变高，特别优选为Ta2O5和TiO2的混合物，且混合物中的Ti原子数相对于Ta原子数和Ti原子数的合计的比例（Ti/（Ta＋Ti）×100）为4.0％以上且30％以下的范围。
此外，关于多个双折射膜各自的相位差，无特别限定，能够根据所期望的相位差进行最优化。
光学各向异性层整体的厚度无特别限定，能够根据所期望的相位差进行最优化。
[保护层形成工序]
本发明的相位差元件的制造方法中的保护层形成工序，是以与用上述光学各向异性层形成工序得到的光学各向异性层相接的方式，利用原子层沉积法（Atomic LayerDeposition，ALD法）沉积无机化合物而形成保护层的工序。
用本发明得到的相位差元件中，保护层包覆通过斜角蒸镀形成的柱状部间的空隙部。因为通过保护层形成工序得到的保护层的存在，即便水分进入到柱状部间的空隙部的情况下，也能抑制裂痕或膜剥离，实现耐湿性优异的相位差元件。
在图1所示的相位差元件10中，保护层14与光学各向异性层13相接而设置在光学各向异性层13上。
作为成为保护层的材料的无机化合物，从提高耐湿性的观点考虑，优选包含选自由Ti02、Si02、Ta205、Al2O3、ZrO2、Nb2O5、及HfO2组成的群的至少一种。
另外，从提高耐湿性的观点考虑，保护层的厚度优选为2nm以上。
另外，从提高耐湿性的观点考虑，保护层也可为2层以上的多层膜。
此外，在本发明的相位差元件的制造方法中，从提高耐湿性的观点考虑，也可以交替地多次反复进行光学各向异性层形成工序和保护层形成工序。
[SiO2层形成工序]
在本发明的相位差元件的制造方法中，根据需要，也可以具有SiO2层形成工序，以在用上述保护层形成工序形成的保护层上以与保护层相接的方式形成SiO2层。在SiO2层形成工序中，也可以利用等离子体CVD法来将SiO2层形成在保护层上。
在图1中的相位差元件10中，SiO2层17与保护层14相接，并配置在保护层14与防反射层16之间。
[防反射层形成工序]
在本发明的相位差元件的制造方法中，根据需要，也可以具有防反射层形成工序，以在构成相位差元件的层的最外层形成防反射层。在防反射层形成工序中，层叠折射率不同的2种以上的电介质膜而形成防反射层。
图2是一实施方式所涉及的防反射层的截面示意图。图2所示的防反射层12是通过层叠折射率不同的2种电介质膜来形成的多层膜。在本实施方式中，防反射层12由交替层叠第1电介质膜121和第2电介质膜122的电介质多层膜构成。作为层数没有特别限定，但是例如设为交替层叠第1电介质膜121和第2电介质膜122的合计5～40层左右的电介质多层膜。
作为形成构成防反射层的、由折射率不同的2种以上的电介质构成的电介质膜的材料，可举出分别包含选自由TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、CeO2、ZrO2、ZrO、Nb2O5、及HfO2组成的群的至少一种的无机氧化物。例如，在图2所示的一实施方式所涉及的防反射层12中，优选第1电介质膜121利用相对高折射率的Nb2O5形成，第2电介质膜122利用相对低折射率的SiO2形成。
在图1所示的相位差元件10中，第1防反射层12A在透明基板11的与存在双折射层13的一侧相反的面，与透明基板11相接配置，第2防反射层12B在SiO2层17的与存在保护层14的一侧相反的面，与SiO2层17相接地配置。即，第1防反射层12A和第2防反射层12B分别设置在相位差元件的最外层。第1防反射层12A及第2防反射层12B在期望的使用波段中具有防反射的功能。
[匹配层形成工序]
在本发明的相位差元件的制造方法中，根据需要，也可以具有匹配层形成工序，以与透明基板相接的方式形成匹配层。在匹配层形成工序中，以与透明基板相接的方式，在设置有光学各向异性层的面形成匹配层。
匹配层是防止透明基板与光学各向异性层的界面上的反射的层。匹配层设置在透明基板与光学各向异性层之间，例如是电介质的多层膜。匹配层被设计成将透明基板与匹配层的界面反射光、和匹配层与光学各向异性层的界面反射光一同消除。
在图1中的相位差元件10中，匹配层15配置在透明基板11与光学各向异性层13之间。因为匹配层15的存在，相位差元件10成为进一步防止反射的元件。
＜相位差元件＞
本发明的相位差元件是以1/2波长板或1/4波长板为代表的相位差元件，此外，包含光学补偿元件等能够控制相位差的各种元件。本发明的相位差元件包括：透明基板；包含双折射膜的光学各向异性层；以及与所述光学各向异性层相接的、无机化合物的原子层沉积层即保护层。
本发明的相位差元件能够通过上述制造方法采用上述材料来制造。
＜投射型图像显示装置＞
本发明的投射型图像显示装置是具备上述相位差元件的投射型图像显示装置。而且，本发明的投射型图像显示装置具有：出射光的光源；光调制装置；投射调制后的光的投射光学系统；以及配置在光源与投射光学系统之间的光路的上述相位差元件。
光源出射光，可举出例如出射白色光的超高压水银灯等。投射光学系统投射调制后的光，可举出例如向屏幕投射调制后的光的投射透镜等。
作为光调制装置，可举出具有透射型液晶面板等的液晶显示装置；具有DMD（Digital Micro－mirror Device）等的微镜显示装置；具有反射型液晶面板等的反射型液晶显示装置；具有一维衍射型光调制装置（GLV）等的一维衍射型显示装置等。
作为投射光学系统，只要为投射调制后的光的部件，就无特别限制，能够根据目的进行适当选择。可举出例如向屏幕投射调制后的光的投射透镜等。
即，本发明的相位差元件是耐湿性优异的元件，所以能够适于用于各种图像显示装置，例如，能够作为液晶投影仪、DLP（注册商标）投影仪、LCOS投影仪、GLV（注册商标）投影仪等的投影仪用途而适于采用。
此外，本发明并不限定于上述的实施方式，在能够达成本发明的目的的范围内的变形、改良将包括在本发明。
[实施例]
接着，对本发明的实施例进行说明，但是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]
（匹配层的制作）
准备玻璃基板（平均厚度0.7mm），利用溅射法在一个面上层叠SiO2/Nb2O5/SiO2的3层，从而形成了匹配层。
（第1防反射层的制作）
接着，在玻璃基板的另一个面上，采用Nb2O5和SiO2，利用溅射法交替层叠10层，从而形成第1防反射层。
（光学各向异性层的制作）
在匹配层上，以Ta2O5为蒸镀材料，将蒸镀源配置在相对于基板法线方向倾斜70度的位置，利用斜角蒸镀实施多个蒸镀工艺，成膜多个双折射膜，从而形成光学各向异性层，得到了相位差元件。
图5中示出各蒸镀工艺的面内方向的角度。蒸镀工艺1中，如图5所示，在蒸镀面规定xy轴并设从中心顺时针旋转的方向为“＋”的情况下，从0°的方向实施斜角蒸镀，成膜了双折射膜1。接着，作为蒸镀工艺2，从180°的方向实施蒸镀，成膜了双折射膜2。将此工艺交替地反复后，为了稳定特性，在300℃进行退火处理，从而得到了具有多个双折射膜的光学各向异性层。
（保护层的制作）
在所得到的光学各向异性层上，利用原子层沉积法，沉积厚度2nm的SiO2，从而形成了保护层。
（第2防反射层的制作）
最后，采用Nb2O5和SiO2，利用溅射法交替层叠7层而形成第2防反射层，从而得到了相位差元件。
＜比较例1＞
除了替换原子层沉积法，而以采用TEOS（四乙氧基硅烷）气体和O2的等离子体CVD法实施成为保护层的SiO2层的制作以外，与实施例1同样地制作了相位差元件。
[耐湿性试验]
将实施例1及比较例1的相位差元件分别制作30个，比较了在85℃85％RH下静放1000小时后的破损状况。破损是以是否存在光学各向异性层的双折射膜的剥离来判断。
[表1]
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
依据本发明的制造方法的相位差元件，由于具有通过原子层沉积法形成的保护层，判断出耐湿性与依据通过CVD法形成的保护层的相位差元件相比显著优异。
标号说明
10 相位差元件；11 透明基板；12A 第1防反射层；12B 第2防反射层；121 第1电介质膜；122 第2电介质膜；13 光学各向异性层；131 双折射膜；14 保护层；15 匹配层；17 SiO2层；S 基板法线；D 双折射膜的成膜方向；d 将双折射膜的成膜方向投影在透明基板的表面的线段的朝向。

Claims (18)

1.一种相位差元件的制造方法，其中，
所述相位差元件包括透明基板、包含双折射膜的光学各向异性层、和保护层，
所述制造方法包括：
光学各向异性层形成工序，成膜双折射膜而形成光学各向异性层；以及
保护层形成工序，以与所述光学各向异性层相接的方式利用原子层沉积法沉积无机化合物而形成保护层。
2.根据权利要求1所述的相位差元件的制造方法，其中，在所述光学各向异性层形成工序中，光学各向异性层通过斜角蒸镀来形成。
3.根据权利要求1或2所述的相位差元件的制造方法，其中，所述光学各向异性层至少包含Ta2O5或HfO2。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，
所述光学各向异性层由Ta2O5和TiO2的混合物构成，
使Ti原子数相对于Ta原子数和Ti原子数的合计的比例（Ti/（Ta＋Ti）×100）为4.0％以上且30％以下。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，所述无机化合物包含选自由TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、ZrO2、Nb2O5、及HfO2组成的群的至少一种。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，所述保护层的厚度为2nm以上。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，所述保护层由2层以上构成。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，交替地多次反复进行所述光学各向异性层形成工序和所述保护层形成工序。
9.根据权利要求1至8的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，进而具有SiO2层形成工序，在所述保护层上形成由SiO2构成的层。
10.根据权利要求9所述的相位差元件的制造方法，其中，在所述SiO2层形成工序中，通过等离子体CVD法来形成由SiO2构成的层。
11.根据权利要求1至10的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，具有防反射层形成工序，层叠折射率不同的2种以上的电介质膜，形成防反射层。
12.根据权利要求11所述的相位差元件的制造方法，其中，所述电介质膜包含选自由TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、CeO2、ZrO2、ZrO、Nb2O5、及HfO2组成的群的至少一种。
13.根据权利要求1至12的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，具有匹配层形成工序，以与所述透明基板相接的方式形成匹配层。
14.根据权利要求1至13的任一项所述的相位差元件的制造方法，其中，所述透明基板为选自由玻璃、石英、水晶、及蓝宝石组成的群的一种。
15.一种相位差元件，包括：透明基板；包含双折射膜的光学各向异性层；以及与所述光学各向异性层相接的、无机化合物的原子层沉积层即保护层。
16.根据权利要求15所述的相位差元件，其中，所述双折射膜为斜角蒸镀膜。
17.一种投射型图像显示装置，具备权利要求15或16所述的相位差元件。
18.一种投射型图像显示装置，包括：
出射光的光源；
光调制装置；
将调制后的光投射的投射光学系统；以及
配置在所述光源与所述投射光学系统之间的光路的、权利要求15或16所述的相位差元件。
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