CN110888193B - 光学元件、液晶显示装置及投射型图像显示装置 - Google Patents

光学元件、液晶显示装置及投射型图像显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学元件、液晶显示装置及投射型图像显示装置，本发明提供大幅缩小配置空间，且在耐久性优异的同时，可抑制高成本化的光学元件。将偏振器和相位差补偿元件的功能一体化。具体而言，本发明提供光学元件，所述光学元件具有透明基板，且在所述透明基板的一面具有偏振器，在所述透明基板的与所述偏振器相反的面具有相位差补偿元件。

Description

光学元件、液晶显示装置及投射型图像显示装置
技术领域
本发明涉及光学元件、液晶显示装置和投射型图像显示装置。
背景技术
液晶显示装置因其图像形成原理而必须在液晶面板上配置偏振板(偏光板)。另外，在液晶显示装置中，为了改善对比度或视角特性，利用使用相位差补偿板的光学补偿技术。
作为液晶显示装置所使用的偏振板，例如提出了吸收型的线栅型偏振板，所述偏振板通过在基板上形成比使用频带(使用帯域)的光的波长小的间距的金属格子，并在该金属格子上形成介电层和无机微粒层，在利用干扰效应消除从金属格子反射的光的同时，透过另一侧的偏振成分(参照专利文献1)。
另外，作为光学补偿技术，例如提出了使用通过倾斜蒸镀膜形成的2片相位差补偿板进行光学补偿的方法(参照专利文献2)。在专利文献2所述的光学补偿方法中，使2片相位差补偿板在面内方向旋转，通过将相对角度(関係角度)调整为最佳位置而改善对比度。
另外，提出了使用至少具有2个补偿层，按照它们的相位差的值或面内的光学轴方向互不相同来配置并贴合的相位差补偿板的液晶显示装置(参照专利文献3)。
但是，近年来，液晶显示装置不断小型化，配置偏振板或相位差补偿板的空间逐渐不足。因此，在专利文献2所述的光学补偿方法中，由于需要2片相位差补偿板和使这2片相位差补偿板旋转的旋转机构，所以担心搭载空间增加，难以适应小型化。
另外，由于专利文献3所述的相位差补偿板是通过贴合2个补偿层而形成，所以需要粘接剂，耐久性存在问题。另外，由于需要2片基板，所以还有高成本化的顾虑。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-216956号公报；
专利文献2：日本特开2009-145863号公报；
专利文献3：国际公开第2008/08l919号。
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述背景技术而进行的发明，其目的在于，提供大幅缩小配置空间，且在耐久性优异的同时，也可抑制高成本化的光学元件。
用于解决课题的手段
本发明人着眼于若将偏振板和相位差补偿板的功能一体化，则成为不仅大幅缩小配置空间，而且在耐久性优异的同时，也可抑制高成本化的光学元件，从而完成了本发明。
即，本发明为光学元件，所述光学元件具有透明基板，且在所述透明基板的一面具有偏振器，在所述透明基板的与所述偏振器相反的面具有相位差补偿元件。
所述偏振器可具有线栅结构，具有以比使用频带的光的波长短的间距排列在所述透明基板上，且在规定方向延伸(延在)的格子状凸部。
所述格子状凸部可从所述透明基板侧起依次具有线状金属层、第1介电体层和吸收层。
所述第1介电体层可为Si氧化物或Al氧化物。
所述格子状凸部可从所述透明基板侧起依次具有线状金属层和介电吸收层。
所述线状金属层可为选自Al、Ag、Cu、Mo、Cr、Ti、Ni、W、Fe、Si、Ge、Te和包含它们中的2种以上的合金的至少1种。
所述格子状凸部可至少将表面的一部分用第2介电体层覆盖。
可在所述第2介电体层上进一步具有防水层。
所述相位差补偿元件可至少具有含有堆积无机材料而成的多个双折射膜的光学各向异性层和相位差赋予匹配层(位相差付与マッチング層)。
所述双折射膜可为倾斜蒸镀膜。
所述无机材料可为含有选自Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta、Al、Hf和Ce的至少1种的氧化物。
所述相位差赋予匹配层可为包含折射率不同的2种以上的介电体的介电体膜的层合体。
所述介电体膜可含有选自TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、CeO2、ZrO2、ZrO、Nb2O5和HfO2的至少1种。
可进一步具有防反射层。
所述相位差补偿元件可在所述光学各向异性层与所述防反射层之间具有保护层。
所述透明基板可为选自玻璃、水晶或蓝宝石的1种。
另外，本发明的另一个层面为具有VA模式液晶单元和上述光学元件的液晶显示装置。
另外，本发明的另一个层面为投射型图像显示装置，所述装置具有射出光的光源、投射经调制(変調)的光的投射光学系统和在所述光源与所述投射光学系统之间的光路上配置的上述液晶显示装置。
发明效果
由于本发明的光学元件同时具有偏振器和相位差补偿元件这两者的功能，所以例如在组装有液晶显示装置的投射型图像显示装置中，在大幅缩小配置空间的同时，可实现部件件数的削减，可抑制高成本化。另外，本发明的光学元件可减少相位差补偿元件的调整工时。此外，由于本发明的光学元件主要由无机材料构成，所以耐久性和耐热性优异。
附图说明
[图1]是本发明的一个实施方式所涉及的光学元件的截面(剖视)示意图。
[图2]是本发明的双折射膜的立体示意图。
[图3]是表示将双折射膜的成膜方向投射在透明基板表面而得到的线段的方向的图。
[图4]是本发明的一个实施方式所涉及的相位差赋予匹配层的截面示意图。
[图5]是表示实施例1的双折射膜的成膜方向的图。
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。
[光学元件]
本发明的光学元件具有透明基板，且在透明基板的一面具有偏振器，在透明基板的与偏振器相反的面具有相位差补偿元件。需说明的是，只要不损害本发明的效果，则本发明的光学元件可在透明基板与偏振器之间或透明基板与相位差补偿元件之间存在其它的层。
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的光学元件100的截面示意图。图1所示的光学元件100具有透明基板11，且在透明基板11的一个面上具有偏振器101，在透明基板11的与偏振器101相反的面具有相位差补偿元件102。
构成图1所示的光学元件100的偏振器101具有以比使用频带的光的波长短的间距排列的格子状凸部，格子状凸部从透明基板11侧起依次具有第3介电体层16、线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19和第2介电体层20。即，偏振器101为将线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19和第2介电体层20从透明基板11侧起按此顺序层合而形成的格子状凸部在透明基板11上排列成一维格子状而成的线栅结构。
构成图1所示的光学元件100的相位差补偿元件102具有防反射层12、光学各向异性层13、保护层14和相位差赋予匹配层15。
(透明基板)
作为透明基板(图1中的透明基板11)，若为对使用频带的光显示透光性的基板，则无特殊限制，可根据目的适宜选择。“对使用频带的光显示透光性”并不是指使用频带的光的透过率为100%，而是只要显示可保持作为偏振器的功能的透光性即可。作为使用频带的光，例如可列举出波长为380nm~810nm左右的可见光。
透明基板的主面形状无特殊限制，适宜选择与目的相适应的形状(例如矩形形状)。透明基板的平均厚度例如优选0.3mm~1mm。
作为透明基板的构成材料，优选折射率为1.1~2.2的材料，可列举出玻璃、水晶、蓝宝石等。从成本和透光性的观点出发，优选使用玻璃、特别是石英玻璃(折射率为1.46)或钠钙玻璃(折射率为1.51)。玻璃材料的成分组成无特殊限制，例如可使用作为光学玻璃广泛流通的硅酸盐玻璃等廉价的玻璃材料。
另外，从导热性的观点出发，优选使用导热性高的水晶或蓝宝石。由此，对强光得到高耐光性，优选用作发热量多的投影仪的光学引擎用偏振器。
需说明的是，在使用包含水晶等光学活性结晶的透明基板的情况下，优选在与结晶的光学轴平行方向或垂直方向配置格子状凸部。由此，得到优异的光学特性。
[偏振器]
构成本发明的光学元件的偏振器优选具有线栅结构的偏振器，且具有透明基板和以比使用频带的光的波长短的间距(周期)排列在透明基板上且在规定方向延伸的格子状凸部。另外，该格子状凸部优选从透明基板侧起依次至少具有线状金属层、第1介电体层和吸收层，或具有线状金属层和介电吸收层。需说明的是，只要不损害本发明的效果，构成本发明的光学元件的偏振器可存在线状金属层、第1介电体层、吸收层、介电吸收层以外的层。
<第1实施方式的偏振器>
构成图1所示的作为本发明的一个实施方式的光学元件100的偏振器101具有以比使用频带的光的波长短的间距排列的格子状凸部，格子状凸部从透明基板11侧起依次具有线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19和第2介电体层20。即，偏振器101为将线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19和第2介电体层20从透明基板11侧起按此顺序层合而形成的格子状凸部在透明基板11上排列成一维格子状而成的线栅结构。
在这里，如图1所示，将格子状凸部延伸的方向(规定方向)称为Y轴方向。另外，将与Y轴方向垂直，且格子状凸部沿透明基板11的主面排列的方向称为X轴方向。在这种情况下，入射至偏振器101的光在透明基板11的形成格子状凸部的一侧恰好从与X轴方向和Y轴方向垂直的方向入射。
具有线栅结构的偏振器101通过利用透过、反射、干扰和光吸收这4种作用，使具有与Y轴方向平行的电场成分的偏振波(TE波(S波))衰减，使具有与X轴方向平行的电场成分的偏振波(TM波(P波))透过。因此，在图1中，Y轴方向为偏振器的吸收轴的方向，X轴方向为偏振器的透过轴的方向。
在从图1所示的偏振器101的形成格子状凸部的一侧入射的光中，偏振波(TM波(P波))以高的比例通过线状金属层17。另一方面，偏振波(TE波(S波))由线状金属层17反射。由线状金属层17反射的TE波在通过吸收层19时一部分被吸收，另一部分反射而回到线状金属层17。由吸收层19反射的TE波在介电体层18中与由线状金属层17反射的TE波干扰而衰减。如上所述，通过进行TE波的衰减，偏振器101可得到所希望的偏振特性。
如图1所示，在从各个一维格子延伸的方向(规定方向)观察时，即在与规定方向垂直的截面图(断面視)中，构成本发明的光学元件的偏振器中的格子状凸部优选具有线状金属层17、第1介电体层18和吸收层19。
在构成本发明的光学元件的偏振器中，若格子状凸部的间距比使用频带的光的波长短，则无特殊限制。从制作的容易性和稳定性的观点出发，格子状凸部的间距例如优选100nm~200nm。该格子状凸部的间距可通过用扫描型电子显微镜或透过型电子显微镜观察来测定。例如，可使用扫描型电子显微镜或透过型电子显微镜，对任意(任选)的4个部位测定间距，将其算术平均值作为格子状凸部的间距。以下，将该测定方法称为电子显微镜法。
在从格子状凸部延伸的方向(规定方向：Y轴方向)观察时，构成本发明的光学元件的偏振器优选格子状凸部内的线状金属层与第1介电体层和吸收层具有近似相同的宽度。
(线状金属层)
线状金属层(图1中的线状金属层17)是将在透明基板的一侧面形成、且在作为吸收轴的Y轴方向延伸成带状的金属膜排列而成的层。需说明的是，在本发明中，可在透明基板与线状金属层之间存在其它的层。例如，图1所示的本发明的一个实施方式所涉及的偏振器101在透明基板11与线状金属层17之间具有第3介电体层16。
从格子状凸部延伸的方向(规定方向：Y轴方向)观察时，即在与规定方向垂直的截面图中，构成图1所示的本发明的一个实施方式所涉及的偏振器101的线状金属层17的金属膜具有矩形状。但是，构成线状金属层的金属膜的形状无特殊限定，可根据目的适宜选择，作为截面的形状，例如可列举出矩形、梯形等。
线状金属层具有作为线栅型偏振器的功能，反射在与格子状凸部延伸的方向(规定方向：Y轴方向)平行的方向具有电场成分的偏振波(TE波(S波))，透过在与格子状凸部延伸的方向(规定方向：X轴方向)垂直的方向具有电场成分的偏振波(TM波(P波))。
作为线状金属层的构成材料，若为对使用频带的光具有反射性的材料，则无特殊限制，例如可列举出Al、Ag、Cu、Mo、Cr、Ti、Ni、W、Fe、Si、Ge、Te等元素单质或含有它们中的1种以上元素的合金。其中，线状金属层优选由铝或铝合金构成。
线状金属层的膜厚无特殊限制，但从偏振特性的观点出发，优选20nm~400nm的范围，并且优选为格子状凸部的厚度的50%以上。需说明的是，线状金属层的膜厚例如可通过上述电子显微镜法测定。
(第1介电体层)
第1介电体层(图1中的第1介电体层18)是在线状金属层上形成、且在作为吸收轴的Y轴方向延伸成带状并排列而成的层。需说明的是，在本发明中，在线状金属层与第1介电体层之间也可存在其它的层。
在构成图1所示的本发明的一个实施方式所涉及的光学元件100的偏振器101中，在从格子状凸部延伸的方向(规定方向：Y轴方向)观察时，即在与规定方向垂直的截面图中，格子状凸部中的第1介电体层18具有矩形状。
第1介电体层的膜厚在由线状金属层反射的偏振光的相位相对于由吸收层反射的偏振光偏移半个波长的范围形成。具体而言，第1介电体层的膜厚在可提高干扰效应的1~500nm的范围适宜设定。该第1介电体层的膜厚例如可通过上述的电子显微镜法测定。
作为构成第1介电体层的材料，例如可列举出Si、Al、Be、Bi、Ti、Ta、B等元素的氧化物，Si、B等元素的氮化物，Mg、Ca等元素的氟化物等。这些介电材料可单独使用1种，也可并用2种以上。在并用2种以上的介电材料的情况下，可混合使用2种以上的介电材料，也可在膜厚方向使用不同的介电材料。其中，第1介电体层优选由Si氧化物或Al氧化物构成，进一步特别优选SiO2或Al2O3。
第1介电体层的折射率优选比1.0大且为2.5以下。由于线状金属层的光学特性也会受周围的折射率影响，所以可通过选择第1介电体层的材料来控制偏振特性。
另外，通过适宜调整第1介电体层的膜厚或折射率，对于由线状金属层反射的TE波，可在介电体层与吸收层的界面将一部分反射而回到线状金属层，可通过干扰使由吸收层反射的光和由线状金属层反射的光而衰减。如上所述，通过进行TE波的衰减，可得到所希望的偏振特性。
(吸收层)
吸收层(图1中的吸收层19)是在第1介电体层上形成、且在作为吸收轴的Y轴方向延伸成带状并排列而成的层。需说明的是，在本发明中，在第1介电体层与吸收层之间也可存在其它的层。
在构成图1所示的本发明的一个实施方式所涉及的光学元件100的偏振器101中，从格子状凸部延伸的方向(规定方向：Y轴方向)观察时，即在与规定方向垂直的截面图中，格子状凸部中的吸收层19具有矩形状。
作为构成吸收层的材料，可列举出金属材料或半导体材料等消光值(消衰数)不为零的具有光吸收作用的物质中的1种以上，根据应用的光的波长范围适宜选择。作为金属材料，可列举出Ta、Al、Ag、Cu、Au、Mo、Cr、Ti、W、Ni、Fe、Sn等元素单质或含有它们中的1种以上元素的合金。另外，作为半导体材料，可列举出Si、Ge、Te、ZnO、硅化物材料(β-FeSi2、MgSi2、NiSi2、BaSi2、CrSi2、CoSi2、TaSi等)。这些吸收材料可单独使用1种，也可并用2种以上。在并用2种以上的吸收材料的情况下，可混合使用2种以上的吸收材料，也可在膜厚方向使用不同的吸收材料。通过使用这些吸收材料，偏振器对应用的可见光区得到高消光比。其中，吸收层优选在含有Fe或Ta的同时，含有Si而构成。
在使用半导体材料作为吸收层的情况下，由于半导体的带隙能参与吸收作用，所以需要带隙能为使用频带以下。例如，在可见光下使用时，需要使用在400nm以上的波长下吸收、即带隙能为3.1eV以下的材料。
吸收层的膜厚无特殊限制，可根据目的适宜选择，但优选设为1nm~100nm的范围，更优选5nm~80nm，特别优选10nm~50nm。吸收层的膜厚例如可通过上述的电子显微镜法测定。
需说明的是，吸收层可通过蒸镀法或溅射法形成为高密度的膜。另外，吸收层也可由构成材料不同的2层以上构成。
格子状凸部中的吸收层的宽度可与位于吸收层的下层的例如第1介电体层的宽度近似相同。需说明的是，它们的宽度例如可通过上述电子显微镜法测定。
<第2实施方式的偏振器>
构成本发明的光学元件的偏振器的第2实施方式为格子状凸部从透明基板侧起依次具有线状金属层和介电吸收层的结构。即，偏振器至少为将线状金属层和介电吸收层从透明基板侧起按此顺序层合而形成的格子状凸部在透明基板上排列成一维格子状而成的线栅结构。
第2实施方式的偏振器中的介电吸收层为含有介电材料和吸收材料的层。
作为介电吸收层中所含的介电材料，例如可列举出Si、Al、Be、Bi、Ti、Ta、B等元素的氧化物，Si、B等元素的氮化物，Mg、Ca等元素的氟化物等。这些介电材料可单独使用1种，也可并用2种以上。在并用2种以上的介电材料的情况下，可混合使用2种以上的介电材料，也可在膜厚方向使用不同的介电材料。
作为介电吸收层中所含的吸收材料，可列举出金属材料或半导体材料等，作为金属材料，例如可列举出Ta、Al、Ag、Cu、Au、Mo、Cr、Ti、W、Ni、Fe、Sn等元素单质或含有它们中的1种以上元素的合金。另外，作为半导体材料，可列举出Si、Ge、Te、ZnO、硅化物材料(β-FeSi2、MgSi2、NiSi2、BaSi2、CrSi2、CoSi2、TaSi等)。这些吸收材料可单独使用1种，也可并用2种以上。在并用2种以上的吸收材料的情况下，可混合使用2种以上的吸收材料，也可在膜厚方向使用不同的吸收材料。
介电吸收层中的介电材料和吸收材料的含量(含有率)可在膜厚方向上变化。通过变化，可提高光学元件的光学特性。另外，通过调整吸收材料的含量的变化，可调整吸收轴反射率Rs的最小点的波长。需说明的是，从进一步提高光学元件的光学特性的观点出发，介电吸收层中的吸收材料的含量优选随着远离线状金属层而增加。即，第2实施方式的介电吸收层优选吸收材料的含量具有随着远离线状金属层而增加的组成梯度。
<偏振器中的任意的层>
构成本发明的光学元件的偏振器可存在线状金属层、第1介电体层、吸收层、介电吸收层以外的层。以下，对任意的层进行说明。
(第2介电体层)
构成本发明的光学元件的偏振器可在吸收层或介电吸收层之上具有第2介电体层。第2介电体层的膜厚、材料、折射率、形状等与上述的第1介电体层相同。
在构成图1所示的作为本发明的一个实施方式的光学元件100的偏振器101中，格子状凸部从透明基板11侧起依次具有线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19和第2介电体层20。另外，第2介电体层20不只是覆盖偏振器101的格子状凸部，而是遍布偏振器101的整个表面，覆盖偏振器101。通过具有第2介电体层，可抑制作为格子状凸部的构成材料的金属材料过度地进行氧化反应。
第2介电体层可利用例如CVD (Chemical Vapor Deposition)或ALD (AtomicLayer Deposition)在偏振器的表面(形成线栅的面)上形成。
(防水层)
此外，构成本发明的光学元件的偏振器可用防水层覆盖光的入射侧的表面、即第2介电体层的表面。防水层优选为在利用使用纯水的θ/2法的测定中例如显示接触角为90°以上的层。
作为防水层的材料，若为具有防水性的物质，则无特殊限制，但从与包含介电材料的层的粘附性的观点出发，优选为具有与介电材料或介电材料表面所含的羟基等显示反应性的官能团的化合物。
此外，从提高接触角，从而提高防水性的观点出发，优选为具有长链的烷基链或氟烷基链的化合物。作为如上所述的化合物，例如可列举出FDTS (全氟癸基三乙氧基硅烷)或FOPA (全氟正辛基膦酸)、ODPA(十八烷基膦酸)等，但并不限定于这些。
防水层例如可通过利用上述的CVD或ALD来形成。
(扩散阻挡层)
构成本发明的光学元件的偏振器可在第1介电体层与吸收层之间具有扩散阻挡层。即，若以图1所示的偏振器101为例，则格子状凸部为从透明基板11侧起依次具有线状金属层17、第1介电体层18、扩散阻挡层和吸收层19的结构。通过具有扩散阻挡层，可防止吸收层中的光的扩散。扩散阻挡层可由Ta、W、Nb、Ti等的金属膜构成。
(第3介电体层)
构成本发明的光学元件的偏振器可在透明基板与格子状凸部之间具有第3介电体层。通过设置第3介电体层，可提高耐热性和耐湿性。需说明的是，第3介电体层的膜厚、材料、折射率、形状等与上述的第1介电体层相同。
在构成图1所示的作为本发明的一个实施方式的光学元件100的偏振器101中，在透明基板11与形成格子状凸部的线状金属层17之间具有第3介电体层16。然后，在第3介电体层上具有成为格子状凸部的线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19和第2介电体层20。
[偏振器的制备方法]
构成本发明的光学元件的偏振器可通过经历金属膜形成工序、第1介电体膜形成工序、吸收膜形成工序和蚀刻工序来制备。
在金属膜形成工序中，在透明基板的一面的整个基板表面，形成通过之后的蚀刻工序成为线状金属层的金属膜。在第1介电体膜形成工序中，在通过金属膜形成工序形成的金属膜的整个表面上，层合通过之后的蚀刻工序成为第1介电体层的第1介电体膜。在吸收膜形成工序中，在通过第1介电体膜形成工序形成的第1介电体膜的整个表面上，层合通过之后的蚀刻工序成为吸收层的吸收膜。在这些各个形成工序中，例如可通过溅射法或蒸镀法形成各种膜。需说明的是，可根据需要，经历形成任意的层的工序。
在蚀刻工序中，通过选择性地蚀刻经历上述的各个形成工序而形成的层合体，形成以比使用频带的光的波长短的间距在透明基板上排列的格子状凸部。具体而言，例如通过光刻法或纳米压印法，形成一维格子状的掩模图案。然后，通过在进行蚀刻后除去掩模图案，形成以比使用频带的光的波长短的间距在透明基板上排列的格子状凸部。作为蚀刻方法，例如可列举出使用与蚀刻对象对应的蚀刻气体的干蚀刻法。
特别是，在本发明中，通过组合各向同性蚀刻和各向异性蚀刻而使平衡发生变化，从而也可使线状金属层、第1介电体层和吸收层的宽度不同。
需说明的是，构成本发明的光学元件的偏振器的制备方法可具有将其表面用包含介电体的第2介电体层覆盖的工序。另外，可进一步具有将其表面用防水层覆盖的工序。
[相位差补偿元件]
构成本发明的光学元件的相位差补偿元件具有补偿由液晶单元产生的光的相位差的功能，至少具有光学各向异性层和相位差赋予匹配层。
构成图1所示的作为本发明的一个实施方式的光学元件100的相位差补偿元件102在透明基板11的与偏振器101相反的面形成，从透明基板11侧起依次具有相位差赋予匹配层15、光学各向异性层13、保护层14和防反射层12。
[光学各向异性层]
在构成本发明的光学元件的相位差补偿元件中，光学各向异性层含有堆积无机材料而成的多个双折射膜。光学各向异性层和相位差赋予匹配层是在构成本发明的光学元件的相位差补偿元件中具有补偿相位差的功能，从而有助于改善对比度的层。
在图1所示的相位差补偿元件102中，光学各向异性层13配置在相位差赋予匹配层15与保护层14之间。光学各向异性层13为含有多个双折射膜的层。
光学各向异性层中所含的多个双折射膜是堆积无机材料而成的膜。作为无机材料，优选介电材料，例如可列举出含有选自Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta、Al、Hf和Ce的至少1种的氧化物。此外，优选以Ta2O5为主要成分的材料，进一步优选在Ta2O5中添加有5~15质量%的TiO2的材料。
光学各向异性层中所含的双折射膜的制备方法无特殊限定，例如优选通过倾斜蒸镀而成膜。即，光学各向异性层中所含的双折射膜优选为倾斜蒸镀膜。需说明的是，在通过倾斜蒸镀而将双折射膜成膜的情况下，通过使透明基板在面内方向旋转规定的角度，可变更蒸镀方向。
图2是表示光学各向异性层中所含的双折射膜的一个实施方式的立体示意图。如图2所示，光学各向异性层13中所含的双折射膜131是在相对于作为与透明基板11的表面垂直的方向(以下，称为基板法线方向)的基板法线S倾斜的方向堆积而形成的膜。在构成本发明的光学元件的相位差补偿元件中，光学各向异性层是将如上所述的双折射膜改变面内的方向并反复成膜，从而成为多个堆积的结构。
即，光学各向异性层中所含的双折射膜的各自优选通过倾斜蒸镀，在相对于透明基板的基板法线倾斜的方向堆积而形成，且构成双折射膜的无机材料的成膜方向与透明基板表面所成的角的角度不为90度。
图3是表示将利用倾斜蒸镀的双折射膜的成膜方向投影在透明基板表面而得到的线段的方向的图。在从蒸镀源以蒸镀方向D朝向透明基板11将双折射膜成膜的情况下，将双折射膜的成膜方向投影在透明基板表面而得到的线段的方向用d表示。
需说明的是，光学各向异性层中所含的多个双折射膜的材料或组成相同。另外，对于多个双折射膜各自的相位差，无特殊限定，可根据液晶单元来优化。
光学各向异性层中所含的双折射膜的各自的膜厚无特殊限定，可根据液晶单元来优化。需说明的是，在本说明书中层的厚度(膜厚)是指平均的膜厚。
对于光学各向异性层整体的厚度，也无特殊限定，可根据液晶单元来优化。
需说明的是，在本发明的光学元件中，光学各向异性层配置在透明基板的与设置偏振器的面相反的面(反面)，按照在透明基板与光学各向异性层之间夹持后述的相位差赋予匹配层来设置。
[相位差赋予匹配层]
在构成本发明的光学元件的相位差补偿元件中，相位差赋予匹配层是必需的层。相位差赋予匹配层设置在透明基板与光学各向异性层之间。
相位差赋予匹配层具有防止在透明基板与光学各向异性层的界面的反射的作用和C板的作用。即，相位差赋予匹配层的定位是在起C板的作用的同时，同时执行防止在透明基板与光学各向异性层的界面的反射。
在图1所示的相位差补偿元件102中，从透明基板11侧起依次层合相位差赋予匹配层15、光学各向异性层13、保护层14，防反射层12作为其上面的最外层而配置。
相位差赋予匹配层优选为包含折射率不同的2种以上的介电体的介电体膜的层合体。图4是本发明的一个实施方式所涉及的相位差赋予匹配层的截面示意图。图4所示的相位差赋予匹配层15是通过层合折射率不同的2种介电体膜而形成的多层膜。在本实施方式中，相位差赋予匹配层15由将第1介电体膜151和第2介电体膜152交替层合而成的介电体多层膜构成。作为层数，无特殊限定，例如可列举出将第1介电体膜151和第2介电体膜152交替层合而成的包含总计34层的介电体多层膜。
作为形成构成相位差赋予匹配层的包含折射率不同的2种以上的介电体的介电体膜的材料，分别可列举出含有选自TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、CeO2、ZrO2、ZrO、Nb2O5和HfO2的至少1种的无机氧化物。例如，在图5所示的一个实施方式所涉及的相位差赋予匹配层15中，优选第1介电体膜151由相对高折射率的Nb2O5形成，第2介电体膜152由相对低折射率的SiO2形成。
相位差赋予匹配层优选按照使相对于与透明基板表面垂直的方向(基板法线方向)倾斜15度的斜入射光赋予的相位差为1.0~25.0nm来设计。通过按照为该范围的相位差，来将各个介电体膜的膜厚设为不同的厚度，进而将层合数设为最优的层数，从而不仅具有防反射的作用，而且使来自倾斜方向的入射光赋予相位差，其结果，可起C板的作用。另外，在各个介电体膜的膜厚不同的情况下，与介电体膜的膜厚完全相同的情况相比，可减少所层合的层数。因此，相位差赋予匹配层的膜厚只要设为得到所希望的相位差所需要的膜厚即可，无特殊限定。
[防反射层]
防反射层是根据需要设置、且具有所希望的使用波长频带下的防反射作用的层。防反射层例如是将介电体膜层合而成的层，可按照需要的特性和生产率，适宜设定所使用的介电体和层数。
图1中的光学元件100的防反射层12按照成为设置光学各向异性层13或相位差赋予匹配层15、保护层14的一侧的最外部来设置。
[保护层]
在本发明的光学元件中，保护层为任意的层，为了防止光学元件的弯曲，并且提高光学各向异性层的耐湿性而设置。作为保护层的材料，若为可调整对光学元件施加的应力、并且有助于提高耐湿性的材料，则无特殊限定。例如可列举出SiO2等的薄膜。
图1中的相位差补偿元件102中的保护层14配置在光学各向异性层13与防反射层12之间。在设置保护层的情况下，在相位差补偿元件中，优选配置在光学各向异性层上。
[液晶显示装置]
本发明的液晶显示装置具有液晶单元和上述本发明的光学元件。在本发明中，液晶单元优选为VA模式。
VA模式液晶单元为垂直取向型的液晶单元，无电压施加状态下的液晶分子相对于基板面的法线方向在一定的方向倾斜取向。将该倾斜角度称为预倾角。
根据本发明，仅通过将在液晶单元的入射侧或射出侧配置的偏振板置换为本发明的光学元件，即可改善液晶显示装置的对比度，可得到充分的光学补偿效果。
[投射型图像显示装置]
另外，本发明的投射型图像显示装置具有射出光的光源、投射经调制的光的投射光学系统、和在光源与投射光学系统之间的光路上配置的上述液晶显示装置。
光源为射出光的部件，例如可列举出射出白色光的超高压汞灯等。投射光学系统为投射经调制的光的部件，例如可列举出将经调制的光投射到屏幕上的投射透镜等。
作为投射光学系统，若为投射经调制的光的部件，则无特殊限制，可根据目的适宜选择。例如，可列举出将经调制的光投射到屏幕上的投射透镜等。
具有VA模式液晶单元和本发明的光学元件的液晶显示装置配置在光源与投射光学系统之间的光路上。
根据本发明，通过将夹持液晶单元的2片偏振板中的至少1片置换为本发明的光学元件，可省空间地实现液晶显示装置的偏振控制和对比度的改善。
需说明的是，本发明并不限定于上述的实施方式，在可达成本发明目的的范围的变形、改良包含在本发明中。
实施例
接下来，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>
在实施例1中，制作图1所示的构成的光学元件。
[偏振器的制作]
(第3介电体层的形成)
在玻璃基板(平均厚度为0.7mm)的一面，通过溅射法将SiO2膜成膜，由此形成第3介电体层(图1中的第3介电体层16)。
(金属膜的形成)
接着，在第3介电体层上，通过溅射法将Al膜成膜，由此形成金属膜。
(第1介电体膜的形成)
接着，在金属膜上，通过溅射法将SiO2膜成膜，由此形成第1介电体膜。
(吸收膜的形成)
接着，在第1介电体膜上，通过溅射法将Si成膜，由此形成吸收膜。
(格子状凸部的形成)
接着，在吸收膜上涂布抗蚀剂，通过实施曝光和显像，形成抗蚀剂图案。然后，以抗蚀剂图案为掩模进行蚀刻，由此形成包含线状金属层、第1介电体层、吸收层的格子状凸部(图1中的线状金属层17、第1介电体层18、吸收层19)。
(第2介电体层的形成)
然后，使用TEOS (四乙氧基硅烷)气体和O2，通过等离子体CVD法，对形成有格子状凸部的整个面将SiO2膜成膜，由此形成第2介电体层(图1中的第2介电体层20)。
(防水层的形成)
最后，以FDTS (全氟癸基三氯硅烷)为原料，在第2介电体层上形成防水层(图1中无记载)。
[相位差补偿元件的制作]
(相位差赋予匹配层的形成)
在玻璃基板的未制作偏振器的面上，使用Nb2O5和SiO2，通过溅射法层合34层，由此形成相位差赋予匹配层(图1中的相位差赋予匹配层15)。相对于从基板的法线方向倾斜15°的入射光，使赋予的位相差为7.0nm。
(光学各向异性层的形成)
在相位差赋予匹配层上，以Ta2O5与TiO2的混合物为蒸镀材料，在相对于基板法线方向倾斜70度的位置配置蒸镀源，实施倾斜蒸镀，将2片双折射膜成膜，由此形成光学各向异性层(图1中的光学各向异性层13)。
在图5中示出各个蒸镀过程的面内方向的成膜方向。在蒸镀过程1中，如图5所示，在蒸镀面上规定xy轴并将从中心起顺时针旋转的方向计为+的情况下，从-93°的方向实施倾斜蒸镀，将膜厚为160nm的双折射膜1成膜。接着，作为蒸镀过程2，从-177°的方向实施倾斜蒸镀，将膜厚为160nm的双折射膜2成膜。然后，为了使特性稳定，在300℃下进行退火处理，形成光学各向异性层(图1中的光学各向异性层13)。
(保护层的形成)
接着，使用TEOS (四乙氧基硅烷)气体和O2，通过等离子体CVD法，将SiO2膜成膜，由此形成保护层(图1中的保护层14)。
(防反射层的形成)
接着，使用Nb2O5和SiO2，通过溅射法交替层合7层，由此形成防反射层(图1中的防反射层12)。
<比较例1>
将在实施例1中，在玻璃基板的一面只制作偏振器，而不制作相位差补偿元件的光学元件作为比较例1。
[对比度的测定]
对于实施例1和比较例1的光学元件，测定对比度。比较例1的光学元件的平均对比度为398.8，与之相对的是，实施例1的光学元件的平均对比度为630.4。
符号说明
100 光学元件
101 偏振器
102 相位差补偿元件
11  透明基板
12  防反射层
13  光学各向异性层
131 双折射膜
14  保护层
15  相位差赋予匹配层
151 第1介电体膜
152 第2介电体膜
16  第3介电体层
17  线状金属层
18  第1介电体层
19  吸收层
20  第2介电体层
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表面而得到的线段的方向
p1  双折射膜1的成膜方向
p2  双折射膜2的成膜方向
l   将液晶分子投影在透明基板表面而得到的线段的方向。

Claims (9)

1.光学元件，其中，所述光学元件具有透明基板，且
在所述透明基板的一面具有偏振器，
在所述透明基板的与所述偏振器相反的面具有相位差补偿元件，
所述偏振器具有线栅结构，具有以比使用频带的光的波长短的间距排列在所述透明基板上、且在规定方向延伸的格子状凸部，
所述格子状凸部从所述透明基板侧起依次具有线状金属层、第1介电体层和吸收层，
所述偏振器的形成有所述格子状凸部的表面的整面依次用第2介电体层和防水层覆盖，并且在所述透明基板与所述格子状凸部之间具有第3介电体层，
所述相位差补偿元件从所述透明基板侧起依次具有相位差赋予匹配层、光学各向异性层、保护层和防反射层，
所述相位差赋予匹配层为包含折射率不同的2种以上介电体的介电体膜的层合体，
所述光学各向异性层含有堆积无机材料而成的多个双折射膜，
所述双折射膜为倾斜蒸镀膜。
2.权利要求1所述的光学元件，其中，所述第1介电体层为Si氧化物或Al氧化物。
3.权利要求1所述的光学元件，其中，所述格子状凸部具有介电吸收层，以代替所述第1介电体层和所述吸收层。
4.权利要求1所述的光学元件，其中，所述线状金属层为选自Al、Ag、Cu、Mo、Cr、Ti、Ni、W、Fe、Si、Ge、Te和包含它们中的2种以上的合金的至少1种。
5.权利要求1所述的光学元件，其中，所述无机材料为含有选自Si、Nb、Zr、Ti、La、Ta、Al、Hf和Ce的至少1种的氧化物。
6.权利要求1所述的光学元件，其中，所述介电体膜含有选自TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、CeO2、ZrO2、ZrO、Nb2O5和HfO2的至少1种。
7.权利要求1～6中任一项所述的光学元件，其中，所述透明基板为选自玻璃、石英、水晶或蓝宝石的1种。
8.液晶显示装置，其中，所述装置具有：
液晶单元，和
权利要求1～7中任一项所述的光学元件。
9.投射型图像显示装置，其中，所述装置具有：
射出光的光源，
投射经调制的光的投射光学系统，和
在所述光源与所述投射光学系统之间的光路上配置的权利要求8所述的液晶显示装置。
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