JP2007139814A

JP2007139814A - 位相差素子

Info

Publication number: JP2007139814A
Application number: JP2005329054A
Authority: JP
Inventors: Kenji Inoue; 健二井上; Kenichi Ikeda; 健一池田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】法線方向から入射する光に位相差を付与可能であり、且つ高い信頼性を有する位相差素子を提供する。
【解決手段】位相差素子１は、基板１０と、基板１０の表面１２の上に形成された積層膜１３とを備えている。積層膜１３は、低屈折率膜１５と、低屈折率膜１５よりも高い屈折率を有する高屈折率膜１６とが交互に積層されてなる。基板１０の表面１１は平面に形成されており、積層膜１３は、その表面１１の法線に対して傾斜した法線を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は位相差素子に関する。

現在実用化されている位相差素子として、樹脂製の複屈折波長フィルムが挙げられる。樹脂製の複屈折波長フィルムは、長方向と短方向とで屈折率の異なる（複屈折を有する）高分子結合鎖が特定方向に配向された構造を有するものである。

一方、例えば特許文献１及び２には、ガラス製の位相差素子が開示されている。具体的に、特許文献１には、誘電体材料を基板に対して斜め方向から入射させて蒸着してなる位相差素子が開示されている。

また、特許文献２には、高アスペクト比を有する銀ハロゲン化物粒子がガラスマトリクス中に分散混入してなる位相差素子が開示されている。

また位相差素子とは異なるものであるが、特許文献３には、無機材料からなる構造性複屈折体で構成された位相差補償素子が開示されている。特許文献３において、構造性複屈折体は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された構造を有している。
特開昭５９−４９５０８号公報特開平５−１８８２２１号公報特開２００４−２１２４６８号公報

樹脂製の位相差素子は、高温環境、強い光線（特に青色、紫色、紫外の光線）が入射するような環境、又は高温且つ強い光線が入射する環境においては、寿命が短いという問題がある。これは、位相差素子の材料である樹脂が熱や光により劣化、損傷してしまうためである。具体的には変色、透過率低下、複屈折値の変動といった不具合が生じてしまうためである。

一方、特許文献１に開示された位相差素子は、位相差素子がおかれた環境の湿度や温度等によって、その位相差が経時的に変化してしまうという問題を有する。

また、特許文献２に開示されたガラス製の位相差素子は、熱処理により高アスペクト比を有する（針状の）銀ハロゲン化物粒子を析出させることにより製造される。しかしながら、アニール工程により銀ハロゲン化物粒子を析出させる場合、銀ハロゲン化物粒子の粒径や粒子濃度を制御することが困難である。従って、複屈折値を制御することが困難であるという問題がある。

また、特許文献３に記載された位相差補償素子は、位相差補償素子に対して垂直に入射する光に位相差を実質的に付与することができないため、位相差素子として使用することが困難であるという問題がある。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、法線方向から入射する光に位相差を付与可能であり、且つ高い信頼性を有する位相差素子を提供することにある。

本発明に係る位相差素子は、基板と、基板の内部又は表面に形成された積層膜とを備えている。積層膜は、低屈折率膜と、低屈折率膜よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とが交互に積層されてなる。基板の少なくとも一方の表面は平面に形成されており、積層膜は、その一方の表面の法線に対して傾斜した法線を有する。

本発明によれば、法線方向から入射する光に位相差を付与可能であり、且つ高い信頼性を有する位相差素子を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本実施形態１に係る位相差素子１の構成を表す斜視図である。

図２は積層膜１３の部分断面図である。

本実施形態１に係る位相差素子１は、第１の基板１０と、積層膜１３と、第２の基板１４とを備えている。第１の基板１０は、一方の表面１１が平面状に形成されている。他方の表面１２（詳細には表面１２の周辺部分を除く板央部分）は、表面１１に対して傾斜するように断面鋸歯状に形成されている。第２の基板１４は積層膜１３の上に積層膜１３を覆うように形成されている。

積層膜１３は、図２に示すように、複数の低屈折率膜１５と、複数の低屈折率膜１５よりも高い屈折率を有する高屈折率膜１６とが交互に積層されてなるものである。このため、積層膜１３は、積層膜１３に対して垂直に入射した光をそのまま（位相差を付与せずに）透過させるものの、積層膜１３に対して斜めに入射した光に対しては位相差を付与する特性を有する。

上述のように、本実施形態１に係る位相差素子１では、積層膜１３は表面１１に対して傾斜して配置されている。すなわち、表面１１の法線と傾斜する法線を有するように配置されている。このため、表面１１から位相差素子１に垂直に入射した垂直光は、積層膜１３に対して傾斜して（積層膜１３の法線方向に対して傾斜して）入射することとなる。従って、本実施形態１に係る位相差素子１は表面１１から位相差素子１に垂直に入射した光に対しても位相差を付与することができる。

大きな位相差を付与可能な位相差素子１を実現する観点から、低屈折率膜１５と高屈折率膜１６との屈折率差は大きいことが好ましい。具体的には、高屈折率膜１６が、低屈折率膜１５のｄ線の屈折率（以下、「ｄ線屈折率」とする。）よりも０．３以上高いｄ線屈折率を有するものであることが好ましい。

低屈折率膜１５と高屈折率膜１６との屈折率差を大きくするために、低屈折率膜１５は、低屈折率材料により形成されることが好ましい。低屈折率材料の具体例としては、例えば、酸化ケイ素、アルカリ金属フッ化物（ＮａＦ、ＫＦ等）、アルカリ土類金属フッ化物（ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＢａＦ₂等）、酸化アルミニウム等が挙げられる。それらの中でも、酸化ケイ素、フッ化マグネシウム等が特に好ましい。

一方、高屈折率膜１６は１種又は複数の種類の高屈折率イオンを含む膜であることが好ましい。高屈折率イオンとしては、例えば、ニオブイオン、チタンイオン、ジルコンイオン、タンタルイオン、ランタノイドイオン（ランタンイオン、ガドリニウムイオン等）、イットリウムイオン等が挙げられる。具体的には、高屈折率膜１６は、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ジルコン、酸化タンタル、酸化ランタノイド（酸化ランタン、酸化ガドリニウム等）、酸化イットリウム等により形成してもよい。また、高屈折率膜１６は、酸素イオン以外の陰イオン、例えばフッ素イオンを含有するものであってもよい。

低屈折率膜１５及び高屈折率膜１６は、上記材料以外で形成されていてもよい。例えば有機材料等により形成されていてもよい。しかし、低屈折率膜１５及び高屈折率膜１６は、例えば上述したような無機材料により実質的に形成されていることが好ましい。無機材料により形成することにより、耐光性、機械的耐久性等に優れた積層膜１３、さらには位相差素子１を実現することができる。

同様に、大きな位相差を付与可能な位相差素子１を実現する観点から、低屈折率膜１５及び高屈折率膜１６のそれぞれの膜厚は、位相差素子１に入射する光の波長（設計波長）をλとしたとき、３λ／２００以上であることが好ましい。且つ、λ／５以下であることが好ましい。膜厚がλ／５よりも大きい場合は、積層膜１３の光透過率が低下する傾向にある。例えば、位相差素子１に４００ｎｍ〜８００ｎｍの光が入射する場合は、３×８００／２００ｎｍ以上（すなわち、１２ｎｍ以上）、４００／５ｎｍ以下（すなわち、８０ｎｍ以下）であることが好ましい。

また、同様に、大きな位相差を付与可能な位相差素子１を実現する観点から、積層膜１３の膜数は５０以上であることが好ましい。且つ、２０００以下であることが好ましい。膜数が２０００よりも多い場合は、積層膜１３の光透過率が低下する傾向にある。

尚、位相差素子１の複屈折率は、積層膜１３の膜数、低屈折率膜１５及び高屈折率膜１６のそれぞれの膜厚等により容易に制御することができる。従って、銀ハロゲン化物粒子を用いた位相差素子等と比較して容易に複屈折率等の物性の制御を行うことができる。すなわち、本実施形態１に係る位相差素子１は、比較的容易に、且つ安定して生産することができる。

第１の基板１０は、例えばプラスチック製であってもよく、また、ガラス製であってもよい。さらには、光透過性セラミックス製、結晶化ガラス製であってもよい。耐光性、機械的耐久性（信頼性）の観点から、第１の基板１０はガラス製であることが特に好ましい。また、ガラスは比較的熱膨張係数が小さく、且つ光弾性定数も小さいため、実質的にガラスにより第１の基板１０を形成することで、光学装置への実装時に生じる歪みや経時的に発生する歪みに対する位相差素子１の複屈折率の変化を抑制することができる。

第２の基板１４も第１の基板１０と同様に、プラスチック製であってもよく、またガラス製であってもよい。さらには、光透過性セラミックス製、結晶化ガラス製であってもよい。第２の基板１４は、これらの材料の中でも特に低い融点を有する材料により形成されていることが好ましい。具体的には、低融点ガラス等により形成されていることが好ましい。低融点ガラスの場合、積層膜１３が形成された第１の基板１０の上に低融点ガラス材をヒートプレスすることにより容易に第２の基板１４を形成することができる。低融点ガラスの具体例としては、リン酸塩系ガラス、アルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンを含む硼珪酸塩系ガラス、酸化鉛含有ガラス、酸化ビスマス含有ガラス等が挙げられる。

この第２の基板１４と第１の基板１０との間に積層膜１３を介在させた構成とすることにより、空気層から直接積層膜１３に光が入射する場合と比較して、積層膜１３内の光進行角度（光の進行方向と積層膜１３の法線とのなす角度）が大きくなる。このため、入射光に対して比較的大きな位相差を付与することが可能となる。

また、第１の基板１０は空気よりも屈折率が高いため、積層膜１３への入射光の積層膜１３表面における表面反射を抑制することができる。従って、高い光透過率を有する位相差素子１を実現することができる。

さらに、第１の基板１０と第２の基板１４とを設けることにより第１の基板１０側から入射した垂直光と第２の基板１４側から出射する出射光とのなす角度を小さくすることができる。すなわち、光直進性が高い位相差素子１を実現することができる。

また、例えば、第１の基板１０と第２の基板１４とがガラス製である場合、位相差素子１に入射した光の通過するガラス媒質の距離を相互に略同一にすることができる。

また、機能膜たる積層膜１３が他の部材と接触することが抑制される。

上述のように、第１の基板１０の表面１２は、断面鋸歯状に形成されている。具体的には、表面１２は、表面１１の法線に対して傾斜した法線を有する第１の平面部１２ａと、表面１１の法線及び第１の平面部１２ａの法線のそれぞれに対して傾斜した法線を有する第２の平面部１２ｂとが交互に連続して配置されてなるものである。第２の平面部１２ｂは、その法線が表面１１の法線と第１の平面部１２ａの法線とを含む平面上に位置するように配置されている。

このため、積層膜１３は、第１の平面部１２ａの上に形成された第１の積層部１３ａと、第２の平面部１２ｂの上に形成された第２の積層部１３ｂとが連続して交互に配置された構成となっている。すなわち、積層膜１３は、表面１１の法線に対して傾斜した法線を有する第１の積層部１３ａと、表面１１の法線及び第１の積層部１３ａの法線のそれぞれに対して傾斜した法線を有する第２の積層部１３ｂとが連続して交互に配置された構成となっている。このような構成にすることによって、表面１１の法線方向（光軸ＡＸ方向）の厚さが比較的薄い面状の位相差素子１を実現することができる。従って、本実施形態１に係る位相差素子１を用いることで比較的小型・薄型な光学装置を実現することができる。

第１の積層部１３ａ、第２の積層部１３ｂと表面１１の法線とのなす角度は、特に限定されるものではないが、例えば、２０度以上７０度以下であることが好ましい。また、一対の第１の積層部１３ａと第２の積層部１３ｂとの幅及び高さも特に限定されるものではない。但し、製造容易性の観点、及び積層膜１３の膜厚の高い均一性を実現する観点から、幅は１／１００ｍｍ以上であることが好ましい。例えば、幅を１．５ｍｍ、高さを１．５ｍｍとし、第１の積層部１３ａ、第２の積層部１３ｂと表面１１の法線とのなす角度を４５度としてもよい。

また、位相差素子１に含まれる第１の積層部１３ａ、第２の積層部１３ｂの数量も特に限定されるものではない。例えば、第１の積層部１３ａと第２の積層部１３ｂとを９組形成してもよい。

次に、本実施形態１に係る位相差素子１の製造方法について説明する。

まず、第１の基板１０を作製する。第１の基板１０は、例えば、平板状のガラス板を切削・研削及び研磨することにより作製することができる。また、第１の基板１０をヒートプレスにより作製してもよい。

次に、第１の基板１０の上に積層膜１３を形成する。積層膜１３は、例えばスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等により形成することができる。最後に、積層膜１３の上に、積層膜１３を被覆するように、例えばヒートプレス法により第２の基板１４を形成することにより位相差素子１を製造することができる。

次に、本実施形態１に係る位相差素子１の一適用例について図３を参照しながら説明する。

図３は液晶プロジェクタ２の要部の構成を表す図である。

液晶プロジェクタ２は、光源２１と、位相差素子１と、偏光板２２、２４、２６と、液晶パネル２３と、ガラス基板２５とを備えている。光源２１は直線偏光を出射するものである。位相差素子１は、光源２１の光出射方向側に、光源２１からの主光線が表面１１に垂直に入射するように配置されている。光源２１から出射された光には位相差素子１により位相差が付与され、入射光とは異なる偏光方向の光（例えば入射光に対して偏光方向が９０度回転した光）とされて位相差素子１から出射される。位相差素子１から出射された光は液晶パネル２３に入射し、液晶パネル２３にて変調される。液晶パネル２３にて変調された光はガラス基板２５に貼り付けられた偏光板２４、２６に入射し、不要な偏光が取り除かれて、各画素ごとに光量制御された画像光として液晶プロジェクタ２から出射される。

上述の通り、本実施形態１に係る位相差素子１は垂直入射光に対して位相差を好適に付与することができるものであるため、高品位な液晶プロジェクタ２を実現することができる。

また、ガラス製の第１の基板１０、第２の基板１４、及び無機材料により形成された積層膜１３を用いた場合は、液晶プロジェクタ２内の熱や光線による位相差素子１の劣化を抑制することができる。従って、長寿命を有する液晶プロジェクタ２を実現することができる。

以上、本実施形態１においては、板状の位相差素子１を例に挙げて本発明の好ましい形態の一例について説明してきたが、本発明に係る位相差素子の形状は板状に限定されない。例えば、レンズ状、プリズム状に形成されていてもよい。以下、実施形態２として、板状ではない位相差素子の例について説明する。

（実施形態２）
図４は本実施形態２に係る位相差素子３の構成を表す斜視図である。

尚、本実施形態２及び下記実施形態３、４の説明において、図２は実施形態１と共通に参照する。また、実質的に同じ機能を有する構成要素を実施形態１と共通の参照符号で説明し、説明を省略する。

本実施形態２に係る位相差素子３は、第１の基板１０と、積層膜１３とを備えている。

本実施形態２において、第１の基板１０の表面１２には、一対の第１の平面部１２ａ及び第２の平面部１２ｂのみが形成されており、第１の基板１０は略三角柱状に形成されている。そして、積層膜１３は、第１の平面部１２ａの上に形成された第１の積層部１３ａと、第２の平面部１２ｂの上に形成された第２の積層部１３ｂとにより構成されている。

本実施形態２では、第２の基板１４は設けられていない。このため、安価且つ少ない製造工程で容易に製造することができる。

（実施形態３）
図５は、本実施形態３に係る位相差素子４の構成を表す斜視図である。

本実施形態３に係る位相差素子４は、基板４０と、積層膜１３とを備えている。本実施形態３においては、積層膜１３は基板４０の内部に形成されている。具体的には、基板４０は、端面が平行四辺形の四角柱状の複数の基材４１により構成されており、積層膜１３は隣接する基材４１相互間に形成されている。このため、複数の積層膜１３は、それぞれ基板４０の表面の法線に対して傾斜した法線を有するように、相互に平行に配置されている。従って、本実施形態３に係る位相差素子４も上記実施形態１に係る位相差素子１と同様に、位相差素子４に垂直に入射した光に対しても位相差を付与することができる。

本実施形態３に係る位相差素子４は、角柱状の基材４１の一側面に、スパッタ法等を用いて積層膜１３を形成し、その後、貼り合わせることにより製造することができる。このため、例えば、断面鋸歯状の基板の制作を要する場合等と比較して、容易且つ安価に製造することができる。また、平面に積層膜１３を形成することとなるため、比較的均一な層厚の積層膜１３を実現することができる。

（実施形態４）
図６は本実施形態４に係る位相差素子５の構成を表す斜視図である。

立方体状に形成された本実施形態４に係る位相差素子５は、第１の基材５１と、第２の基材５２と、積層膜１３とを備えている。

第１の基材５１と第２の基材５２とはそれぞれ三角柱状に形成されており、一端面同士が対向するように配置されている。積層膜１３は第１の基材５１と第２の基材５２との間に形成されている。このような構成の位相差素子５も、上記実施形態１に係る位相差素子１と同様に、位相差素子４に垂直に入射した光に対しても位相差を付与することができる。また、上記実施形態３と同様に、容易且つ安価に製造することができる。さらに、平面に積層膜１３を形成することとなるため、比較的均一な層厚の積層膜１３を実現することができる。

以上説明したように、本発明に係る位相差素子は、法線方向から入射する光に位相差を付与可能であり、且つ高い信頼性を有するため、液晶プロジェクタ、光ディスク装置、それに用いるピックアップ装置、液晶表示装置等に有用である。

実施形態１に係る位相差素子１の構成を表す斜視図である。積層膜１３の部分断面図である。液晶プロジェクタ２の要部の構成を表す図である。実施形態２に係る位相差素子１の構成を表す斜視図である。実施形態３に係る位相差素子４の構成を表す斜視図である。実施形態４に係る位相差素子５の構成を表す斜視図である。

符号の説明

１、３、４、５位相差素子
２液晶プロジェクタ
１０基板
１０、１４、２５、４０基板
１３積層膜
１５低屈折率膜
１６高屈折率膜
２１光源
２２、２４、２６偏光板
２３液晶パネル
４１、５１、５２基材

Claims

少なくとも一方の表面が平面である基板と、
上記一方の表面の法線に対して傾斜した法線を有するように上記基板の内部又は表面に形成され、低屈折率膜と、該低屈折率膜よりも高い屈折率を有する高屈折率膜とが交互に積層されてなる積層膜と、
を備えた位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記低屈折率膜及び上記高屈折率膜は、共に実質的に無機材料からなる位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記基板はガラス製である位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記積層膜は、上記一方の表面の法線に対して傾斜した法線を有する第１の積層部と、上記一方の表面の法線及び上記第１の積層部の法線のそれぞれに対して傾斜した法線を有する第２の積層部とを有する位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記積層膜は、各々、上記一方の表面の法線に対して傾斜した法線を有する複数の第１の積層部と、各々、上記一方の表面の法線及び上記第１の積層部の法線のそれぞれに対して傾斜した法線を有する複数の第２の積層部とを有し、該複数の第１の積層部と該複数の第２の積層部とが交互に連続して配置されてなる位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記積層膜を複数備えており、該複数の積層膜は相互に平行に配置されている位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記基板は、その他方の表面が上記一方の表面に対して傾斜するように形成されており、上記積層膜は、該他方の表面の上に形成されている位相差素子。
請求項７に記載された位相差素子に於いて、
上記積層膜の上に、該積層膜を覆うように形成されたさらなる基板を備えた位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記位相差素子は、その一方の表面から入射した光に位相差を付与して他方の表面から出射させるものであり、該入射光の波長をλとしたとき、上記低屈折率膜及び上記高屈折率膜のそれぞれは、その膜厚が３λ／２００以上λ／５以下である位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記積層膜は、その積層された膜の数が５０以上２０００以下である位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記高屈折率膜は、そのｄ線の屈折率が上記低屈折率膜の同屈折率よりも０．３以上高い位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記高屈折率膜は、ニオブイオン、チタンイオン、ジルコンイオン、タンタルイオン、ガドリニウムイオン、ランタンイオン、及びイットリウムイオンからなる群より選ばれた１種又は２種以上の金属イオンを含む膜である位相差素子。
請求項１に記載された位相差素子において、
上記低屈折率膜は、実質的に、酸化ケイ素、フッ化マグネシウム、又は酸化アルミニウムからなる位相差素子。