JP2007310052A

JP2007310052A - 波長板

Info

Publication number: JP2007310052A
Application number: JP2006137415A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Oto; 正之大戸
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】耐熱性に優れた小型で信頼性の高い波長板を提供することを目的とする。
【解決手段】ガラスなどからなる透明基板１１の表面上に、斜め蒸着膜を３層積層したも
のであり、透明基板１１側から順に第一の斜め蒸着膜１２と、第二の斜め蒸着膜１３と、
第三の斜め蒸着膜１４とを積層するようにした。これにより、斜め蒸着膜の構造複屈折性
を用いて広帯域な１／２波長板の機能を実現したものである。第一の斜め蒸着膜１２と、
第二の斜め蒸着膜１３と、第三の斜め蒸着膜１４は、夫々、ある単色光に対して位相差が
１８０°であるよう機能する。また、斜め蒸着膜の蒸着材料としては、誘電体が使用され
、例えば、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂などが有効である。
【選択図】図１

Description

本発明は波長板に関し、特に液晶プロジェクタで使用する偏光変換素子に内蔵も可能な
波長４００ｎｍから波長７００ｎｍの広帯域な波長域に対して、１／２波長の位相差を与
えることができる波長板に関するものである。

波長板は、複屈折性を有する水晶のような結晶材料、或いは樹脂製フィルムなどにより
構成し、常光線と異常光線との速度差を利用して両光線間に位相差を作り出し、透過する
光線の偏光状態を変化させるものである。周知のように、１／２波長板は、入射した直線
偏光の偏光面を所望の角度だけ回転した直線偏光に変換させる機能を有する。一方、波長
板の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変化すると位相差も変化するという
波長依存性を有している。そこで、広帯域な波長範囲で１／２波長板を使用すると位相差
が変化してしまい、位相差を１／２波長に維持できないという問題が生じていた。
そこで、従来、波長板を広帯域化するため、所定の位相差を有する二枚の波長板を積層
して構成した広帯域１／２波長板が実用化されている。この広帯域１／２波長板は、第一
の１／２波長板と第二の１／２波長板とを所定の角度で光軸が交差するよう貼り合わせて
、全体として広帯域１／２波長板としての機能を得るものである。

図６は、従来の広帯域１／２波長板の外観構造例を示し、図６（ａ）は正面図（透過面
）を示し、図６（ｂ）は側面図を示す。この広帯域１／２波長板１は、所定の光学特性を
有する第一の１／２波長板２と第二の１／２波長板３とを所定の角度で光軸が交差するよ
う貼り合わせており、第一の波長板２の光学軸方位角（以降、面内方位角と称す）はθ₁
であり、第二の波長板３の面内方位角は、θ₂である。
一方、例えば、液晶プロジェクタで使用する偏光変換素子に内蔵する１／２波長板の性
能は、波長４００ｎｍから波長７００ｎｍの広帯域な波長域に対して位相が１８０°ずれ
る必要があるが、従来の広帯域１／２波長板は、波長４００ｎｍから波長７００ｎｍの全
波長範囲を最適化することは困難であった。

図７に、従来の広帯域１／２波長板の位相差特性例を示す。図７に示すように、広帯域
１／２波長板１の位相差特性は、波長帯域の中央波長である５５０ｎｍ近辺を設計波長と
しており、設計波長からずれる４００ｎｍ、及び７００ｎｍ近辺の波長域においては、位
相差特性は１８０°を満足していない。
そこで、この問題を解決する手段として、例えば、特許文献１に示した特許第３１７４
３６７号により開示された手法がある。これによれば、広帯域１／２波長板は、単色光に
対して１／２波長の位相差を与える複数の延伸フィルムをそれらの光軸を交差させて積層
し、全体として１／２波長板として機能させるものである。延伸フィルムの積層数は任意
であるが、光の透過率などの点より２〜５枚の積層が一般的である。

図８は、特許文献１に示した従来の広帯域１／２波長板の外観構造例を示す。図８に示
すように、広帯域１／２波長板４は、１／２波長の位相差を与える延伸フィルムを４層重
ねたものであり、第一の延伸フィルム５、第二の延伸フィルム６、第三の延伸フィルム７
、及び第四の延伸フィルム８を透明な接着剤９を用いて積層している。そこで、広帯域１
／２波長板４は、単色光に対して１／２波長の位相差を与える４枚の延伸フィルムをそれ
らの光軸を交差させて積層し、複屈折光の屈折率差と厚さの積で定義されるリターデーシ
ョンの波長分散を重畳ないし加減することにより、位相差特性を任意に制御する。従って
、上述したような手法を採用することにより、広帯域１／２波長板４の全体としての位相
差を所定の値に制御しつつ波長分散を抑制して、広い波長域にわたり所望の位相差を示す
広帯域１／２波長板４を実現している。
特許第３１７４３６７号

しかしながら、従来の複数の延伸フィルムを積層してなる広帯域１／２波長板は、波長
板の材料として延伸フィルムを使用しており、耐熱性に問題を生ずるとともに、積層する
際に何層にもわたって接着剤を使用しているため、信頼性に問題があった。
また、この問題を解決するために、例えば、水晶などの結晶材料を使用すると、耐熱性
の向上が図られるが、広帯域１／２波長板の厚みが増し、小型化が困難であるとともに、
コストアップの要因となり問題であった。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、耐熱性に優れ
た小型で信頼性の高い波長依存性補償波長板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る波長板は以下の構成をとる。
本発明における波長板は、入射した直線偏光の偏光面を９０°回転させた直線偏光に変
換する波長板であって、透明基板と、透明基板の表面上に、透明基板に対して斜め方向か
ら蒸着材料を蒸着した斜め蒸着膜を複数積層するようにした。
これによれば、本発明の波長板は、構造複屈折性を有する斜め蒸着膜を透明基板に複数
積層して形成することにより、１／２波長板を広帯域化した。従って、本発明の波長板は
、延伸フィルムなどを複数枚、接着剤を用いて接着するなどの手段により構成していない
ので、信頼性の向上が図られる。また、形状の小型化もなされ、コストも低減することか
ら、波長板を使用する上で大きな効果を発揮することができる。

また本発明における波長板は、透明基板の表面上に、透明基板の表面から順に第一の斜
め蒸着膜と、第二の斜め蒸着膜と、第三の斜め蒸着膜とを積層するようにした。
このように積層数を３層にすると、コスト面において最も優れた波長板を実現すること
が可能になる。よって、低コストで所望の光学特性が得られ、波長板を使用する上で大き
な効果を発揮する。

また、本発明における波長板は、複数積層した斜め蒸着膜のｍ層目の面内方位角ψ_mが
、入射偏光面と出射偏光面とのなす角度をθ、積層する斜め蒸着膜の総数をＮ、第一の斜
め蒸着膜の面内方位角をψ₁とすると、（但し、ｍ＝２、３、４、・・・Ｎ）ψ₁＝θ／２
Ｎ、ψ_m＝ψ_m-1＋２ψ₁の関係式を満足するようにした。
これによれば、波長板を形成する複数の斜め蒸着膜の各面内方位角は、上記関係式を用
いて算出することができ、算出した面内方位角を満足するよう複数の斜め蒸着を行うこと
により、所望の光学特性を有する１／２波長板を実現することができる。

また、本発明における波長板は、第一の斜め蒸着膜の位相差は１８０°（波長５５０ｎ
ｍ）、面内方位角は１５°であり、第二の斜め蒸着膜の位相差は１８０°（波長５５０ｎ
ｍ）、面内方位角は４５°であり、第三の斜め蒸着膜の位相差は１８０°（波長５５０ｎ
ｍ）、面内方位角は７５°とした。

また、本発明における波長板は、波長４００ｎｍから波長７００ｎｍの波長帯域におい
て１／２波長板として機能するようにした。
これによれば、波長板は、透明基板に積層した３層の斜め蒸着膜の各位相差を、波長５
５０ｎｍにおいて１８０°となるよう設定すると共に、前述した関係式を用いて求めた各
斜め蒸着膜の面内方位角を満足するよう斜め蒸着を行うことにより、可視光帯域である波
長４００ｎｍから波長７００ｎｍの帯域に渡って所望の１／２波長板としての機能を実現
できる。従って、本発明に係る波長板は、液晶プロジェクタで使用する偏光変換素子に内
蔵も可能であり、偏光変換素子の性能を向上させるとともに、小型化、低コスト化を図る
上で大きな効果を発揮する。

また、本発明における波長板は、複数積層した斜め蒸着膜が、蒸着源に対して斜めに配
置した透明基板を、各斜め蒸着膜の面内方位角の角度に応じて、所定の角度だけ回転させ
つつ蒸着することにより形成するようにした。
これによれば、波長板は、透明基板に複数の斜め蒸着膜を蒸着する際に、透明基板を蒸
着ごとに所定の角度で回転すれば、容易に所望の面内方位角を有する斜め蒸着が実現でき
る。

また、本発明における波長板は、斜め蒸着膜の蒸着材料が、誘電体であり、ＳｉＯ₂、
または、ＴｉＯ₂とした。
これによれば、波長板は、斜め蒸着膜の蒸着材料として誘電体を用いることが有効であ
り、汎用的に使用されている蒸着材料を用いて容易に斜め蒸着膜を形成することが可能で
ある。

以下、図示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
波長板の基板材料として、廉価な延伸フィルムや樹脂製のものを使用すると耐熱性の向
上は見込めず、また、耐熱性の優れた水晶基板を使用するとコストアップや小型化の妨げ
などの要因となるため、本発明者は、他の波長板を得る手段として斜め蒸着膜を利用した
波長板に注目した。周知のように斜め蒸着膜は構造複屈折性を有しており、その性質を利
用し、例えば、ＳｉＯ₂、或いはＴｉＯ₂などからなる誘電体を蒸着材料として透明基板に
所定の角度で斜め蒸着することにより、所望の光学特性を有する波長板を実現することが
可能である。そこで、本発明に係る波長依存性補償波長板は、１／２波長板を広帯域化す
る手段として、単色光に対して１／２波長の位相差を与える斜め蒸着膜を複数積層して構
成した。

図１は、本発明に係る波長板の実施形態として波長依存性補償波長板の構造を示す図で
ある。本実施形態に係る波長依存性補償波長板１０は、ガラスなどからなる透明基板１１
の表面上に、斜め蒸着膜を３層積層したものであり、透明基板１１側から順に第一の斜め
蒸着膜１２と、第二の斜め蒸着膜１３と、第三の斜め蒸着膜１４とを積層して形成し、積
層した斜め蒸着膜の構造複屈折性を用いて広帯域な１／２波長板の機能を実現したもので
ある。

第一の斜め蒸着膜１２と、第二の斜め蒸着膜１３と、第三の斜め蒸着膜１４は、夫々、
ある単色光に対して位相差が１８０°であるよう機能する。本発明における実施形態では
、夫々の斜め蒸着膜に対して、波長５５０ｎｍにおいて位相差が１８０°であるよう設計
した。
次に、第一の斜め蒸着膜１２と、第二の斜め蒸着膜１３と、第三の斜め蒸着膜１４の夫
々の面内方位角の算出方法について説明する。

図２は、本実施形態に係る波長依存性補償波長板の面内方位角を示す図である。
図２は、斜め蒸着膜の積層数をＮとし、第一の斜め蒸着膜の面内方位角をψ₁、第二の
斜め蒸着膜の面内方位角をψ₂、第三の斜め蒸着膜の面内方位角をψ₃、第Ｎの斜め蒸着膜
の面内方位角をψ_Nとしたものである。また、横軸は入射偏光面を示し、縦軸は出射偏光
面を示し、入射偏光面と出射偏光面とがなす角度θは９０°である。このとき、ｍ層目の
面内方位角ψ_mは、下記（１）式、及び（２）式のように表すことができる。

ψ₁＝θ／２Ｎ・・・・（１）
ψ_m＝ψ_m-1＋２ψ₁・・・・（２）

そこで、本実施形態では、斜め蒸着膜を３層積層して構成したので、Ｎを３とすると、
このときの具体的な各斜め蒸着膜の面内方位角は、次のとおりである。
ψ₁＝９０／６＝１５°
ψ₂＝１５＋３０＝４５°
ψ₃＝４５＋３０＝７５°
従って、本実施形態においては、第一の斜め蒸着膜１２と、第二の斜め蒸着膜１３と、
第三の斜め蒸着膜１４の夫々の光学特性は以下のとおりとなる。

第一の斜め蒸着膜１２：位相差１８０°（５５０ｎｍ）、面内方位角１５°
第二の斜め蒸着膜１３：位相差１８０°（５５０ｎｍ）、面内方位角４５°
第三の斜め蒸着膜１４：位相差１８０°（５５０ｎｍ）、面内方位角７５°
次に、斜め蒸着膜について説明する。

図３は、斜め蒸着の原理を説明する図であり、図３（ａ）は、蒸着方法の概略図を示し
、図３（ｂ）は、透明基板に斜め蒸着膜を成膜した際の斜め蒸着膜の構造の概略図を示す
。図３（ａ）に示すように、斜め蒸着を行う際は、斜め蒸着膜を成膜する透明基板１５を
蒸着方向に対して所定の角度だけ傾けて配置し、真空環境において蒸着源１６を過熱する
ことにより蒸着物質１７を蒸着する。蒸着物質１７としては、誘電体が使用され、例えば
、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂などが有効である。本実施形態においては、透明基板に面内方位角
の異なる３層の斜め蒸着膜を成膜している。３層の斜め蒸着膜は、夫々所定の面内方位角
を有しており、蒸着する際は、１層ごとに面内方位角の角度に従って透明基板を回転させ
て行う。即ち、斜め蒸着膜の面内方位角が所定の角度となるように透明基板の方向を定め
る。

例えば、本実施形態においては、先ず、所定の面内方位角となるよう透明基板を所定の
位置に定め、１層目の斜め蒸着を実施する。次に、２層目の斜め蒸着を行う際は、第一の
斜め蒸着膜の面内方位角が１５°に対して第二の斜め蒸着膜の面内方位角が４５°である
ので、透明基板を３０°だけ所定の方向に回転させて２層目の斜め蒸着を行う。次に、３
層目の斜め蒸着を行う際は、第二の斜め蒸着膜の面内方位角が４５°に対して第三の斜め
蒸着膜の面内方位角が７５°であるので、透明基板を３０°だけさらに所定の方向に回転
させて３層目の斜め蒸着を行う。

また、斜め蒸着膜１８の構造は、図３（ｂ）に示すように、蒸着物質１７が透明基板１
５に対して斜めに配向した蒸着膜であり、この斜め蒸着膜１８が構造複屈折性を有するこ
ととなる。
本実施形態における波長依存性補償波長板は、図３（ｂ）に示したような斜め蒸着膜を
３層積層して形成したものである。

次に、斜め蒸着膜が構造複屈折性を有する現象について説明する。
透明基板に蒸着膜を斜めに配向して蒸着することにより、光線の入射面に垂直なＸ方向
の蒸着膜の成長と、光線の入射面に平行なＹ方向の蒸着膜の成長との成長の比率が相違す
る。そこで、Ｙ方向の蒸着膜の成長がＸ方向の蒸着膜の成長と比べて劣るため、Ｘ方向の
屈折率とＹ方向の屈折率とが異なり、斜め蒸着膜には所定の複屈折特性が生ずると考えら
れている。
そこで、透明基板に斜め蒸着膜を成膜した波長板に光線が入射すると、前述したように
斜め蒸着膜は複屈折性を有しているため、Ｘ方向の直線偏光成分とＹ方向の直線偏光成分
の位相にはずれが生ずる。このずれの長さであるリターデーションＲｅを、斜め蒸着膜の
各パラメータを適宜設定することにより決定すれば、任意の光学特性を有する波長板を得
ることが可能となる。

次に、本実施形態に係る波長依存性補償波長板について、シミュレーションにより求め
た光学特性を示し、斜め蒸着膜を積層して広帯域化する際の最適な積層数について説明す
る。
図４は、波長依存性補償波長板の変換効率特性例を示すグラフ図である。図４は、横軸
に波長を示し、縦軸に変換効率を示している。ここで、１／２波長板の機能を有する波長
依存性補償波長板の光学特性として、変換効率を用いた理由は次のとおりである。

波長板の光学特性を示すものとしては、他に位相差特性などがあるが、本発明に係る波
長依存性補償波長板の使用目的は、直線偏光の偏光面を所定の角度である９０°回転させ
ることにある。また、直線偏光を入射した際の入射偏光状態を必要な偏光状態に変調する
ためには、位相差を１８０°とすることが要求されるが、位相差を１８０°としただけで
は、入射偏光状態が必要とする偏光状態に変調されたかを判断することはできない。そこ
で、波長板の光学特性を、位相差特性を用いて評価せずに、偏光面の方位に関係する光量
を評価値とした変換効率を用いて評価した。
図４は、波長４００ｎｍから７００ｎｍの波長帯域において、斜め蒸着膜の積層数を可
変した際の変換効率の波長依存性についてグラフに表したものである。グラフに示したよ
うに、積層数が増えるほど変換効率が１に近づくことがわかり、斜め蒸着膜を複数層形成
すると波長依存性補償波長板は広帯域化される。

一方、図５は、波長依存性補償波長板の積層数と変換効率との関係を示すグラフ図であ
る。図５は、横軸に積層数を示し、縦軸に変換効率を示しており、変換効率は、波長帯域
４００ｎｍから７００ｎｍにおける平均変換効率を示す。グラフによれば、変換効率は、
積層数が多いほど向上するが、積層数を３層としたときに、変換効率が約９９．４％に達
し、以降積層数を増やしても大きな変化は認められない。従って、この結果より、本発明
に係る波長依存性補償波長板は、斜め蒸着膜を３層としたときがコスト面を考慮すると最
適であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る波長依存性補償波長板は、複屈折性を得る手段
として斜め蒸着膜を用い、その斜め蒸着膜を３層積層して構成することにより、１／２波
長板としての機能を広帯域化するとともに、信頼性の向上と小型化、及び低コスト化を図
った。

本発明の実施形態に係る波長依存性補償波長板の構造を示す図である。本実施形態に係る波長依存性補償波長板の面内方位角を示す図である。斜め蒸着の原理を説明する図である。波長依存性補償波長板の変換効率特性例を示すグラフ図である。波長依存性補償波長板の積層数と変換効率との関係を示すグラフ図である。従来の広帯域１／２波長板の外観構造例を示す図である。従来の広帯域１／２波長板の位相差特性例を示すグラフ図である。特許文献１に示した従来の広帯域１／２波長板の外観構造例を示す図である。

符号の説明

１・・広帯域１／２波長板、２・・第一の１／２波長板、３・・第二の１／２波長板、
４・・広帯域１／２波長板、５・・第一の延伸フィルム、６・・第二の延伸フィルム、７
・・第三の延伸フィルム、８・・第四の延伸フィルム、９・・接着剤、１０・・波長依存
性補償波長板、１１・・透明基板、１２・・第一の斜め蒸着膜、１３・・第二の斜め蒸着
膜、１４・・第三の斜め蒸着膜、１５・・透明基板、１６・・蒸着源、１７・・蒸着物質
、１８・・斜め蒸着膜

Claims

入射した直線偏光の偏光面を所望の角度だけ回転した直線偏光に変換する波長板であっ
て、
透明基板と、前記透明基板の表面上に、前記透明基板に対して斜め方向から蒸着材料を
蒸着した斜め蒸着膜を複数積層したことを特徴とする波長板。
前記透明基板の表面上に、前記透明基板の表面から順に第一の斜め蒸着膜と、第二の斜
め蒸着膜と、第三の斜め蒸着膜と、を積層したことを特徴とする請求項１に記載の波長板
。
前記複数積層した斜め蒸着膜のｍ層目の面内方位角ψ_mは、入射偏光面と出射偏光面と
のなす角度をθ、積層する斜め蒸着膜の総数をＮ、第一の斜め蒸着膜の面内方位角をψ₁
とすると、（但し、ｍ＝２、３、４、・・・Ｎ）
ψ₁＝θ／２Ｎ
ψ_m＝ψ_m-1＋２ψ₁
の関係式を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長板。
前記第一の斜め蒸着膜の位相差は１８０°、面内方位角は１５°であり、前記第二の斜
め蒸着膜の位相差は１８０°、面内方位角は４５°であり、前記第三の斜め蒸着膜の位相
差は１８０°、面内方位角は７５°であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載
の波長板。
当該波長板は、波長４００ｎｍから波長７００ｎｍの波長帯域において１／２波長板と
して機能することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の波長板。
前記複数積層した斜め蒸着膜は、蒸着源に対して斜めに配置した透明基板を、各斜め蒸着
膜の面内方位角の角度に応じて、所定の角度だけ回転させつつ蒸着することにより形成し
たことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の波長板。
前記斜め蒸着膜の蒸着材料は、誘電体であり、ＳｉＯ₂、または、ＴｉＯ₂であることを
特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の波長板。