JP2010066571A - Polarizing element and production method, and liquid crystal projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光板や偏光フィルタ等に代表される偏光素子及びその製造方法に関し、更に詳しくは、使用帯域の光の干渉と面内軸方向での光学異方性による光吸収率の違いを利用した無機偏光素子及びその製造方法に関し、また該偏光素子を用いた液晶プロジェクタに関するものである。 The present invention relates to a polarizing element represented by a polarizing plate, a polarizing filter, and the like, and a manufacturing method thereof. The present invention relates to an inorganic polarizing element used and a manufacturing method thereof, and also relates to a liquid crystal projector using the polarizing element.
液晶表示装置(特に透過型液晶表示装置)は、その画像形成原理から液晶パネル表面に偏光板を配置することが必要不可欠である。偏光板は、直交する偏光成分(いわゆるP偏光波、S偏光波)の一方を吸収し他方を透過させる機能を有する。このような偏光板として従来では、フィルム内にヨウ素系や染料系の高分子有機物を含有させた二色性の偏光板が多く用いられている。 In a liquid crystal display device (particularly, a transmissive liquid crystal display device), it is indispensable to dispose a polarizing plate on the surface of the liquid crystal panel from the principle of image formation. The polarizing plate has a function of absorbing one of the orthogonally polarized components (so-called P-polarized wave and S-polarized wave) and transmitting the other. Conventionally, as such a polarizing plate, a dichroic polarizing plate in which an iodine-based or dye-based high molecular organic substance is contained in a film is often used.
二色性の偏光板の一般的な製法としては、ポリビニルアルコール系フィルムとヨウ素などの二色性材料で染色を行った後、架橋剤を用いて架橋を行い、一軸延伸する方法が用いられる。このように延伸により作製されるため、一般にこの種の偏光板は収縮し易い。また、ポリビニルアルコール系フィルムは親水性ポリマーを使用していることから、特に加湿条件下においては非常に変形し易い。そして、根本的にフィルムを用いているため、デバイスとしての機械的強度が弱い。これを避けるため透明保護フィルムを接着する方法が用いられることがある。 As a general method for producing a dichroic polarizing plate, there is used a method in which a dichroic material such as a polyvinyl alcohol film and iodine is dyed, followed by crosslinking using a crosslinking agent and uniaxial stretching. Since it is produced by stretching as described above, this type of polarizing plate generally tends to shrink. Further, since the polyvinyl alcohol film uses a hydrophilic polymer, it is very easily deformed particularly under humidified conditions. And since the film is fundamentally used, the mechanical strength as a device is weak. In order to avoid this, a method of adhering a transparent protective film may be used.
近年、液晶表示装置はその用途が拡大し高機能化している。それに伴い、液晶表示装置を構成する個々のデバイスに対して高い信頼性、耐久性が求められる。例えば、透過型液晶プロジェクタのような光量の大きな光源を使用する液晶表示装置の場合には、偏光板は強い輻射線を受ける。よって、これらに使用される偏光板には優れた耐熱性が必要となる。しかしながら、上述のようなフィルムベースの偏光板は有機物で構成されていることから、これらの特性を上げることには自ずと限界がある。 In recent years, the use of liquid crystal display devices has expanded and their functions have been enhanced. Accordingly, high reliability and durability are required for individual devices constituting the liquid crystal display device. For example, in the case of a liquid crystal display device using a light source with a large amount of light, such as a transmissive liquid crystal projector, the polarizing plate receives strong radiation. Therefore, the heat resistance required for the polarizing plate used for these is required. However, since the film-based polarizing plate as described above is made of an organic material, there is a limit to raising these characteristics.
一方、耐熱性の高い偏光板として無機偏光板がある。例えば米国コーニング社製の無機偏光板(商品名「Polarcor」)は、銀微粒子をガラス内に拡散させた構造をしており、フィルム等の有機物が使用されていない。無機偏光板の偏光原理には、島状微粒子のプラズマ共鳴を利用している。すなわち、貴金属や遷移金属の島状粒子に光が入射した時の表面プラズマ共鳴による光吸収を利用するもので、吸収波長は、粒子形状、周囲の誘電率の影響を受ける。金属微粒子の形状を楕円形にすると長軸方向と短軸方向の共鳴波長が異なり、これにより偏向特性を得るものである。つまり長波長側での長軸に平行な偏光光成分を吸収し短軸と平行な偏光成分を透過させるという所定の偏光特性が得られる。Polarcorの場合には銀微粒子を用いている。しかしながらPolarcorの場合、偏光特性を得られる波長域は赤外部に近い領域であり、液晶表示装置で求められるような可視光域をカバーしていない。これは銀の物理的性質によるものである。 On the other hand, there is an inorganic polarizing plate as a polarizing plate having high heat resistance. For example, an inorganic polarizing plate (trade name “Polarcor”) manufactured by Corning, USA has a structure in which silver fine particles are diffused in glass, and organic substances such as films are not used. For the polarization principle of the inorganic polarizing plate, plasma resonance of island-shaped fine particles is used. That is, light absorption by surface plasma resonance when light is incident on noble metal or transition metal island-like particles is used, and the absorption wavelength is affected by the particle shape and the surrounding dielectric constant. When the shape of the metal fine particles is an ellipse, the resonance wavelengths in the major axis direction and the minor axis direction are different, thereby obtaining deflection characteristics. That is, a predetermined polarization characteristic is obtained in which a polarized light component parallel to the long axis on the long wavelength side is absorbed and a polarized light component parallel to the short axis is transmitted. In the case of Polarcor, silver fine particles are used. However, in the case of Polarcor, the wavelength range in which the polarization characteristics can be obtained is a region close to the infrared region, and does not cover the visible light range required for a liquid crystal display device. This is due to the physical properties of silver.
特許文献1には、上記の原理を応用し熱還元によりガラス中に微粒子を析出させることによるUV偏光板が示されており、金属微粒子として銀を用いることが具体例として示されている。この場合は先のPolarcorとは逆に短軸方向での吸収を用いるものと考えられる。特許文献1(Figure1)に示されているように400nm付近でも偏光板として機能はしているが消光比が小さくかつ吸収できる帯域が非常に狭いので、仮にPolarcorと特許文献1のものとを組み合わせたとしても可視光全域をカバーできる偏光板にはならない。
また、非特許文献1には、金属島状微粒子のプラズマ共鳴を使った無機偏光板の理論解析が述べられている。この文献によればアルミニウム微粒子は銀微粒子より共鳴波長が200nm程度短く、このためアルミニウム微粒子を用いることで可視光域をカバーする偏光板を製作できる可能性があることが記述されている。
Non-Patent
また特許文献2には、アルミニウム微粒子を使った偏光板の幾つかの作成方法が示されている。その中でケイ酸塩をベースとしたガラスではアルミニウムとガラスが反応するので基板としては望ましくなくカルシウム・アルミノ硼酸塩ガラスが適している記述されている([0018],[0019])。しかしケイ酸塩を使用したガラスは光学ガラスとして広く流通しており、信頼性の高い製品を安価に入手でき、これが適さないという事は経済的に好ましくない。またレジストパターンをエッチングすることで島状粒子を形成する方法が述べられている([0037],[0038])。
通常プロジェクタで使用する偏光板は数cm程度の大きさが必要でかつ高い消光比が要求される。従って、可視光用偏光板を目的とした場合、レジストパターンサイズは可視光波長より充分に短い、すなわち数十ナノメートルの大きさが必要であり、またかつ高い消光比を得るためにはパターンを高密度に形成する必要がある。またプロジェクタ用として使用する場合には大面積が必要である。しかしながら記述されているようなリソグラフィにより高密度微細パターン形成を応用する方法では、そのようなパターンを得るために電子ビーム描画などを用いる必要がある。電子ビーム描画は個々のパターンを電子ビームより描く方法であり生産性が悪く実用的でない。また、アルミニウムを塩素プラズマにより除去すると記述されているが、通常そのようにエッチングした場合にはアルミニウムパターンの側壁に塩化物が付着する。市販のウエットエッチング液(例えば東京応化工業のSST−A2)により除去可能であるが、アルミ塩化物に反応するこのような薬液はアルミニウムにもエッチング速度は遅いながらも反応はするので、述べられているような方法で所望のパターン形状を実現する事は難しい。 Usually, a polarizing plate used in a projector needs to have a size of about several centimeters and a high extinction ratio. Therefore, for the purpose of a polarizing plate for visible light, the resist pattern size must be sufficiently shorter than the visible light wavelength, that is, several tens of nanometers, and the pattern must be formed in order to obtain a high extinction ratio. It is necessary to form it with high density. Moreover, when using it for projectors, a large area is required. However, in the method of applying high-density fine pattern formation by lithography as described, it is necessary to use electron beam drawing or the like in order to obtain such a pattern. Electron beam drawing is a method of drawing individual patterns from an electron beam, and is not practical because of poor productivity. In addition, although it is described that aluminum is removed by chlorine plasma, when etching is usually performed, chloride adheres to the sidewall of the aluminum pattern. Although it can be removed with a commercially available wet etching solution (for example, SST-A2 from Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.), such a chemical solution that reacts with aluminum chloride reacts with aluminum even though the etching rate is slow. It is difficult to realize a desired pattern shape by such a method.
特許文献2には、さらに別な方法として、パターン化されたフォトレジスト上に斜め成膜によりアルミニウムを堆積しフォトレジストを除去する方法が記述されている([0045],[0047])。このような方法では、基板とアルミニウムの密着性を得るために、ある程度基板面にもアルミニウムを堆積する必要があるものと考えられる。しかしこれは堆積したアルミニウム膜の形状が[0015]に記述されている適当な形状である扁長の楕円体を含む扁長の球体とは異なる事を意味する。[0047]には表面に垂直な異方性エッチングにより過沈積分を除去すると記述されている。
偏光板として機能させるにはアルミニウムの形状異方性は極めて重要である。従ってレジスト部と基板面に堆積するアルミニウムの量をエッチングにより所望の形状が得られるように調整する必要があると考えられるが、[0047]に記述されているような0.05μmというサブミクロン以下のサイズでこれらを制御する事は非常に困難と考えられ、生産性の高い製作方法として適しているか疑問である。また偏光板の特性として透過軸方向は高い透過率が求められるが、通常基板にガラスを用いる場合ガラス界面から数%の反射は避けられず、これに対する対策がなされておらず高い透過率を得ることが難しい。 In order to function as a polarizing plate, the shape anisotropy of aluminum is extremely important. Therefore, it is considered necessary to adjust the amount of aluminum deposited on the resist portion and the substrate surface so that a desired shape can be obtained by etching. However, as described in [0047], the submicron is 0.05 μm or less. It is thought that it is very difficult to control these by the size of this, and it is doubtful whether it is suitable as a production method with high productivity. In addition, as a characteristic of the polarizing plate, high transmittance is required in the direction of the transmission axis, but when glass is usually used for the substrate, reflection of several% from the glass interface is unavoidable, and no countermeasure is taken against this to obtain high transmittance. It is difficult.
また特許文献3には、斜め蒸着による偏光板について記述されている。この方法は使用帯域の波長に対して透明及び不透明な物質を斜め蒸着により微小柱状構造を製作することで偏光特性を得るものである。特許文献2と違い簡便な方法で微細パターンを得られるため生産性の高い方法と考えられるが問題点もある。始めに形成される使用帯域に対し不透明な物質の微小柱状構造のアスペクト比、個々の微小柱状構造の間隔、直線性は良好な偏光特性を得るために重要な要素であり特性の再現性の観点からも意図的に制御されるべきものである。
しかし、この方法は蒸着粒子の初期体積層の影となる部分に次に飛来する蒸着粒子が堆積せず、このため柱状構造が得られるという現象を利用しているため、上記の項目を意図的に制御するこが難しい。これを改善する方法として、蒸着前にラビング処理により基板に研磨痕を設ける方法が記述されている。しかし一般的には蒸着膜の粒子径は最大でも数十ナノm程度の大きさであり、このような粒子の異方性を制御するにはサブミクロン以下のピッチを研磨により意図的に製作する必要がある。しかし一般の研磨シート等ではサブミクロン程度が限界でありそのような微細な研磨痕を製作することは容易でない。また前記のようにAl微粒子の共鳴波長は周りの屈折率に大きく依存しこの場合の透明及び不透明な物質の組み合わせが重要であるが可視光域で良好な偏光特性を得るための組み合わせについて記述がされていない。また特許文献2と同様に通常基板にガラスを用いる場合、ガラス界面から数%の反射は避けられず、これに対する対策がなされていない。
However, this method makes use of the phenomenon that the next flying vapor particles do not accumulate in the shadowed part of the initial layer stack of vapor deposited particles, and thus a columnar structure is obtained. Difficult to control. As a method for improving this, a method of providing a polishing mark on a substrate by rubbing before vapor deposition is described. However, in general, the particle size of the deposited film is about several tens of nanometers at the maximum, and in order to control the anisotropy of such particles, a pitch of submicron or less is intentionally manufactured by polishing. There is a need. However, a general polishing sheet or the like has a limit of about submicron, and it is not easy to manufacture such fine polishing marks. In addition, as described above, the resonance wavelength of the Al fine particles greatly depends on the refractive index of the surroundings, and in this case, the combination of transparent and opaque materials is important. However, there is a description of the combination for obtaining good polarization characteristics in the visible light region. It has not been. Similarly to
また非特許文献2には、Lamipolと称する赤外通信用の偏光板についての記述されている。これはAlとSiO2の積層構造をしており、この文献によれば非常に高い消光比を示す。また非特許文献3にはLamipolの光吸収を担うAlの代わりにGeを使うことで波長1ミクロン以下で高い消光比を実現できることが述べられている。また同資料中のFig3からTe(テルル)も高い消光比が得られることが期待できる。このようにLamipolは高い消光比が得られる吸収型偏光板であるが、吸光物質と透過性物質の積層厚が受光面の大きさとなるために数cm角の大きさが必要なプロジェクタ用途の偏光板には向かない。
また特許文献4には、ワイヤグリッド型偏光板が開示されている。これは、基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで金属細線を形成したもので、金属細線と平行とする偏光成分の光を反射し、直交する偏光成分を透過させる事で所定の偏光特性を出現させる。また特許文献5には、ワイヤグリッド型偏光素子を金属格子上に誘電層/金属層を形成し、計3層とする事で金属格子から反射した光を干渉効果により打ち消す事により、一般には反射型であるワイヤグリッドを吸収型として用いる方法が開示されている。
このような多層構造で得られる光学特性を利用し吸収型偏光板として使用する場合には、誘電膜上に形成される金属層の膜厚及び光学特性が所望の特性を得るために重要な要素となると考えられるが当該発明ではそれが考慮されていない。すなわち当該文献ではこの点について記述されておらず詳細は不明であるが、記述されているような干渉効果を得るためには上部金属層を光が通過する必要がある。光が通過するという事はその過程で光の一部が上部金属膜で吸収される事を意味する。吸収があると透過軸方向の透過率が下がり、これは偏光透過軸の特性としては望ましくない。特に可視域で高い透過率が要求される液晶表示装置においては好ましくない。すなわち吸収効果を持つ偏光板は、本質的に吸収層の光学異方性の制御しなければ機能せず、偏光板として応用する事は実用上難しい。 When using optical characteristics obtained with such a multilayer structure as an absorption-type polarizing plate, the film thickness and optical characteristics of the metal layer formed on the dielectric film are important factors for obtaining desired characteristics. However, this is not considered in the present invention. That is, in this document, this point is not described and details are unknown. However, in order to obtain an interference effect as described, it is necessary for light to pass through the upper metal layer. The passage of light means that part of the light is absorbed by the upper metal film in the process. Absorption reduces the transmission in the direction of the transmission axis, which is undesirable as a property of the polarization transmission axis. In particular, it is not preferable in a liquid crystal display device that requires high transmittance in the visible range. That is, a polarizing plate having an absorption effect essentially does not function unless the optical anisotropy of the absorbing layer is controlled, and is practically difficult to apply as a polarizing plate.
また特許文献6には、半導体ナノロッドをガラス中に分散させた無機偏光板が記載されている。可視光域で良好な偏光特性を得られる事が記載されているが、これは前記のコーニングPolarcorと同様の手法で製作されるために延伸工程が必要となり大型化が難しい。 Patent Document 6 describes an inorganic polarizing plate in which semiconductor nanorods are dispersed in glass. Although it is described that good polarization characteristics can be obtained in the visible light region, this is manufactured by the same method as the above-mentioned Corning Polarcor, so that a stretching process is required and it is difficult to increase the size.
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、使用帯域において所望の偏光特性を得ることができるとともに外力に強く汚れにくいワイヤグリッド構造をもつ偏光素子及びその製造方法、並びに該偏光素子を用いた液晶プロジェクタを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. A polarizing element having a wire grid structure that can obtain desired polarization characteristics in a use band and is resistant to external force and hardly contaminated, a manufacturing method thereof, and a liquid crystal projector using the polarizing element It is an issue to provide.
ところで、発明者は別途出願した特願2007−170583号において、金属格子上に誘電層と無機微粒子層が堆積した構造の無機偏光板の構造及び特性の発明を提案している。この3層構造において無機微粒子層は光学異方性を有する。また無機微粒子層は金属微粒子、半導体微粒子である。金属微粒子の吸収原理は前記のような自由電子のプラズマ共鳴であるが、半導体の場合には自由電子の寄与とともにバンドギャップによるバンド吸収が関連する。偏光板として実用上重要な事は、前記のように吸収に異方性がある事であり、前記偏光板は優れた偏光特性を有する。しかしながら、反射層の凸形状の部分が数10nmの幅の非常に細い幅のため、外力に弱く、また、反射層間に隙間があるために異物が堆積しやすいという欠点があった。 By the way, the inventor has proposed an invention of the structure and characteristics of an inorganic polarizing plate having a structure in which a dielectric layer and an inorganic fine particle layer are deposited on a metal lattice in Japanese Patent Application No. 2007-170583, which is separately filed. In this three-layer structure, the inorganic fine particle layer has optical anisotropy. The inorganic fine particle layer is a metal fine particle or a semiconductor fine particle. The absorption principle of the metal fine particles is the plasma resonance of free electrons as described above, but in the case of a semiconductor, the band absorption due to the band gap is related to the contribution of free electrons. What is practically important as a polarizing plate is that there is anisotropy in absorption as described above, and the polarizing plate has excellent polarizing properties. However, the convex portion of the reflective layer is very thin with a width of several tens of nanometers, so that it is weak against external force, and there are gaps between the reflective layers, so that foreign matter is likely to accumulate.
発明者は、この問題について現行の回折格子における凹凸構造のままでは外力によわく、異物が堆積して汚れ易いために、凹凸構造の改善について鋭意検討を行い、本発明を成すに至った。 The inventor has been eagerly studied to improve the concavo-convex structure, because the problem is that the concavo-convex structure in the current diffraction grating in the current diffraction grating is affected by an external force, and foreign matter is easily deposited and easily contaminated.
すなわち、前記課題を解決するために提供する本発明は、使用帯域の光に透明な基板(基板11)と、前記基板上で直線状に延びた凸状反射膜(凸状反射膜12a)が前記使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列され、前記凸状反射膜間に前記基板よりも屈折率の低い無機材料が充填(充填部12b,12c)されてなる反射層(反射層12)と、前記凸状反射膜上に形成された誘電体層(誘電体層13)と、前記誘電体層上に無機微粒子が直線状に配列されてなる無機微粒子層(無機微粒子層14)と、を備える偏光素子(偏光素子10,10’)である(図2,図4)。
That is, the present invention provided to solve the above-described problems includes a substrate transparent to the light in the use band (substrate 11) and a convex reflection film (
ここで、前記反射層における無機材料の厚さは、前記凸状反射膜の厚さの5〜100%であることが好ましい。
また、前記凸状反射膜間における無機材料の充填率は、50%以下であるとよい。
また、前記無機材料はポーラスシリカであることが好適である。
Here, the thickness of the inorganic material in the reflective layer is preferably 5 to 100% of the thickness of the convex reflective film.
The filling rate of the inorganic material between the convex reflective films is preferably 50% or less.
The inorganic material is preferably porous silica.
また前記課題を解決するために提供する本発明は、使用帯域の光に透明な基板上に、直線状に延びた凸状反射膜を前記使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列する工程(図5(a))と、前記凸状反射膜間及び該凸状反射膜上に、前記基板よりも屈折率の低い無機材料をコーティングする工程(図5(b))と、表面からエッチングして少なくとも前記凸状反射膜上の前記無機材料を除去する工程(図5(c),(d))と、前記凸状反射膜上に誘電体層を形成する工程と、前記誘電体層上に無機微粒子を直線状に配列して無機微粒子層を形成する工程と、を備える偏光素子の製造方法である。 Further, the present invention provided to solve the above-described problems is a process of arranging a convex reflection film extending linearly on a substrate transparent to light in the use band at a pitch smaller than the wavelength of the light in the use band. (FIG. 5A), a step of coating an inorganic material having a refractive index lower than that of the substrate between the convex reflective films and on the convex reflective film (FIG. 5B), and etching from the surface Removing at least the inorganic material on the convex reflective film (FIGS. 5C and 5D), forming a dielectric layer on the convex reflective film, and the dielectric layer And a step of forming an inorganic fine particle layer by linearly arranging inorganic fine particles thereon.
ここで、前記無機材料をコーティングする工程は、ゾルゲル法により行うことが好ましい。 Here, the step of coating the inorganic material is preferably performed by a sol-gel method.
また前記課題を解決するために提供する本発明は、ランプと、液晶パネル(液晶パネル50)と、請求項1〜4のいずれかに記載の偏光素子(偏光素子10,10’)と、を備える液晶プロジェクタ(液晶プロジェクタ100)である(図7)。
Moreover, this invention provided in order to solve the said subject includes a lamp, a liquid crystal panel (liquid crystal panel 50), and the polarizing element (polarizing
本発明の偏光素子によれば、凸状反射膜の間に、所定の無機材料を充填することにより、回折格子を構成する凸状反射膜の付着強度を高めるとともに、異物の侵入を防ぐことができ、高い偏光特性を維持したまま偏光素子の防汚効果を向上させることができる。
本発明の偏光素子の製造方法によれば、凸状反射膜の間に所望の無機材料を確実に充填することができ、防汚効果を有する偏光素子を簡便に製造することができる。
本発明の液晶プロジェクタによれば、液晶プロジェクタのセット本体への組み立てを行う際のハンドリングが容易な偏光素子を用いることにより、信頼性の高い液晶プロジェクタを提供することができる。
According to the polarizing element of the present invention, by filling a predetermined inorganic material between the convex reflection films, the adhesion strength of the convex reflection film constituting the diffraction grating can be increased, and foreign matter can be prevented from entering. The antifouling effect of the polarizing element can be improved while maintaining high polarization characteristics.
According to the method for manufacturing a polarizing element of the present invention, a desired inorganic material can be reliably filled between the convex reflective films, and a polarizing element having an antifouling effect can be easily manufactured.
According to the liquid crystal projector of the present invention, it is possible to provide a highly reliable liquid crystal projector by using a polarizing element that is easy to handle when assembling the liquid crystal projector into a set body.
図1に、本発明の前提となる偏光素子のワイヤグリッド構造を示す。
偏光素子90は、基板11上で直線状に延びた凸状薄膜12aが一定ピッチで配列された反射層92と、反射層92の上に形成された誘電体層13と、誘電体層13の上に形成された無機微粒子層14と、無機微粒子層14上に形成された保護層15と、で構成されている。
FIG. 1 shows a wire grid structure of a polarizing element which is a premise of the present invention.
The
ここで、偏光素子90では、偏光特性を向上させるために、凸状薄膜12aのピッチを使用帯域の光の波長よりも小さくしている。偏光素子90を可視光用とすることを考えると、青域は波長400nm近辺であるため、凸状薄膜12aのピッチをそれ以下、例えば150nmとする。このとき、反射層12におけるライン/スリット比(L/S)=1であれば、凸状薄膜12aの幅は75nmと非常に狭くなる。
Here, in the
偏光素子90の回折格子は、このような微細な凹凸構造であるため、格子上もしくは格子間に異物(ゴミ)が付着した場合にはこれを除去することが困難である。また異物を除去しようとして、綿棒などでふき取ろうとすると回折格子自体が破壊されてしまうという問題があった。なお、本発明における回折格子とは、基板11上の凸状反射膜12a、誘電体層13、無機微粒子層14までの凸部で形成される格子、あるいはこれに保護層15を加えた凸部で形成される格子をいう。
Since the diffraction grating of the
発明者は、このような問題の解決を図る上で、回折格子を構成する凸状反射膜12aの基板との付着強度、あるいは回折格子の層間の付着強度を高める、そして異物の侵入を防ぐため、本発明では回折格子の凹部に偏光特性に影響を与えない材料を充填する発想のもとに鋭意検討を行い、本発明を成すに至った。
In order to solve such problems, the inventor increases the adhesion strength of the convex
以下に、本発明に係る偏光素子及びその製造方法、並びに液晶ディスプレイについて説明する。なお、本発明を図面に示した実施形態をもって説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、実施の態様に応じて適宜変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Below, the polarizing element which concerns on this invention, its manufacturing method, and a liquid crystal display are demonstrated. The present invention will be described with reference to the embodiment shown in the drawings, but the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed according to the embodiment. -As long as an effect is produced, it is included in the scope of the present invention.
図2に、本発明に係る偏光素子の第1の実施の形態における構成を示す。
図2に示すように、偏光素子10は、使用帯域の光に透明な基板11と、基板11上で直線状に延びた凸状反射膜12aが前記使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列され、凸状反射膜12a間に基板11よりも屈折率の低い無機材料が充填された充填部12bが形成されてなる反射層12と、凸状反射膜12a上に形成された誘電体層13と、誘電体層13上の凸状反射膜12aに対応する位置に無機微粒子が直線状に配列されてなる無機微粒子層14と、無機微粒子層14上の凸状反射膜12aに対応する位置に形成された保護層15と、を備える。
FIG. 2 shows a configuration of the polarizing element according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, the
基板11は、使用帯域の光(本実施形態では可視光域)に対して透明な材料、例えば、ガラス、サファイア、水晶などで構成されている。本実施形態では、ガラス、特に、石英(屈折率1.46)やソーダ石灰ガラス(屈折率1.51)が用いられている。ガラス材料の成分組成は特に制限されず、例えば光学ガラスとして広く流通しているケイ酸塩ガラスなどの安価なガラス材料を用いることができ、製造コストの低減を図ることができる。
The
なお、基板11の構成材料として、熱伝導性の高い水晶やサファイア基板を用いることにより、発熱量の多いプロジェクタの光学エンジン用偏光素子として有利に用いることができる。
By using a quartz or sapphire substrate with high thermal conductivity as the constituent material of the
反射層12における凸状反射膜12aの構成材料には、通常のワイヤグリッド型偏光子の格子材料を用いることができ、本例ではAlやAl−Si合金が好適に用いられるが、これ以外にも、銀、金、銅、モリブデン、クロム、チタン、ニッケル、タングステン、鉄、シリコン、ゲルマニウム、テルルなどの金属あるいは半導体材料の単体や合金を用いることができる。なお、金属材料以外にも、例えば着色等により表面の反射率が高く形成された金属以外の無機膜や樹脂膜で構成されていてもよい。
As a constituent material of the convex
凸状反射膜12aの厚さは、10nm〜1μm、より好ましくは10〜300nmであり、通常200nm程度とする。
The thickness of the convex
また凸状反射膜12aは、可視光域の波長よりも小さいピッチで基板11の表面に回折格子(一次元格子)状に配列されている。例えば、フォトリソグラフィ技術を用いた上記金属膜のパターン加工によって形成されるものである。
The
充填部12bは、凸状反射膜12aの間に無機材料が充填されてなるものであり、回折格子を構成する凸状反射膜12aの付着強度を高めるとともに、異物の侵入を防ぐためのものである。本実施形態では、充填部12bの厚さは、凸状反射膜12aの厚さの5〜100%とする。図2では、充填部12bの厚さは、凸状反射膜12aの厚さの100%(同じ厚さ)の場合を示している。
The filling
充填する無機材料は、偏光素子10の偏光特性を劣化させないために、その屈折率が空気の屈折率=1に極力近い低屈折率材料であることが好ましい。例えば、セラミックス中に微細な空孔を分散させて形成してなる多孔質のセラミックス材料が好ましく、ポーラスシリカ(SiO2)、ポーラスフッ化マグネシウム(MgF)、ポーラスアルミナ(Al2O3)などが挙げられる。また、これらの低屈折率の程度はセラミックス中の空孔の数や大きさ(ポーラス度)によって決まるものである。このうち、とくに基板11に主成分がシリカの水晶やガラスからなる場合にはポーラスシリカ(n=1.22〜1.26)であれば、基板11よりも屈折率が小さくなり好適である。
The inorganic material to be filled is preferably a low refractive index material whose refractive index is as close as possible to the refractive index of air = 1 so as not to deteriorate the polarization characteristics of the
このように構成された反射層12は、ワイヤグリッド偏光子としての機能を有し、基板11の表面に入射した光のうち、格子に平行な方向(格子軸方向、Y軸方向)に電界成分をもつ偏光波(TE波(S波))を減衰させ、格子に垂直な方向(格子直角方向、X軸方向)に電界成分をもつ偏光波(TM波(P波))を透過させる。
The
なお、反射層12を構成する金属格子(凸状反射膜12aの回折格子(一次元格子)パターン)のピッチ、ライン幅/ピッチ、格子深さ、格子長さは、それぞれ以下の範囲とするのが好ましい。
50nm<ピッチ<800nm
0.1<(ライン幅/ピッチ)<0.9
10nm<格子深さ<1μm
50nm<格子長さ
Note that the pitch, line width / pitch, grating depth, and grating length of the metal grating (the diffraction grating (one-dimensional grating) pattern of the convex reflecting
50 nm <pitch <800 nm
0.1 <(line width / pitch) <0.9
10 nm <lattice depth <1 μm
50 nm <lattice length
また、反射層12の充填部12bにおける基板表面の反射を軽減するために、基板11の表面にあらかじめ無反射コートを施し、その後、反射膜12、誘電体層13、無機微粒子層14の形成を行うようにしてもよい。無反射コートとしては、一般的な高屈折率膜と低屈折率膜の積層膜で構成できる。基板11の裏面に対しても同様な無反射コートをすることで、基板面の反射を軽減することができる。
Further, in order to reduce the reflection of the substrate surface at the filling
誘電体層13は、凸状反射膜12a上にスパッタ法により成膜されたSiO2などの可視光に対して透明な光学材料で形成されている。誘電体層13は、無機微粒子層14の下地層を形成するとともに、無機微粒子層14を反射した偏光に対して、無機微粒子層14を透過し反射層12で反射した当該偏光の位相を調整し干渉効果を高める目的で形成され、半波長ずれる膜厚が望ましいが、無機微粒子層14が吸収効果を有するので反射した光を吸収する事ができ、膜厚が最適化されていなくてもコントラストの向上は実現できる。実用上は、所望の偏光特性と実際の作製工程の兼ね合いで決定してかまわない。実用上の膜厚範囲は1〜500nm、より好ましくは300nm以下である。
The
誘電体層13を構成する材料は、SiO2、Al2O3、MgF2などの一般的な材料を用いることができる。これらは、スパッタ、気相成長法、蒸着法などの一般的な真空成膜で薄膜化が可能である。また、誘電体層13の屈折率は1より大、2.5以下とすることが好ましい。また、無機微粒子層14の光学特性は、周囲の屈折率によっても影響を受けるため、誘電層材料により偏光素子特性を制御する事も可能である。
A general material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or MgF 2 can be used as the material constituting the
無機微粒子層14は、図3に示すように、反射層12の凸状反射膜12aの長手方向(一次元格子方向,Y軸方向)に平行に長軸方向を有するとともに凸状反射膜12aの短手方向(格子方向に直交する方向、X軸方向)に短軸方向を有する長楕円形状の島状の無機微粒子14aが基板11の主面と平行な一方向(一次元格子方向)に直線状に配列されて構成されている。また、無機微粒子層14は反射層12を構成する金属格子(凸状反射膜12a)上方であって誘電体層13上にそれぞれ設けられている。したがって、無機微粒子層14は基板11上に反射層12の凸状反射膜12aと同様のパターンのワイヤグリッド構造となる。
As shown in FIG. 3, the inorganic
また無機微粒子層14を構成する無機微粒子14aをX軸方向とY軸方向との間で形状的な異方性を持たせると、長軸方向と短軸方向とで光学定数を異ならせることができる。その結果、長軸と平行な偏光成分を吸収し短軸と平行な偏光成分を透過させるという所定の偏光特性が得られる。なお、無機微粒子14aが形状異方性を有さない場合(例えば円形など)、TE波の吸収帯でTM波の吸収も発生してしまうため好ましくない。
Further, if the inorganic
無機微粒子層14の形状異方性の制御のためには、反射層12を構成する凸状反射膜12aの配列ピッチを小さくして無機微粒子14aが誘電体層13の頂部にのみ堆積されるようにすることが有効である。これにより、金属微粒子14aの孤立化が図れる。また、金属微粒子14aの成膜方法としては、斜めスパッタ成膜、例えば基板11の表面に対して斜め方向から成膜するイオンビームスパッタ法等が有効である。なお、金属微粒子14aは完全な島状に形成されている必要はなく、粒界が形成されていればよい。
In order to control the shape anisotropy of the inorganic
保護層15は、無機微粒子層14の上で、凸状反射膜12aの位置に対応して、使用帯域で透明な材料が偏光特性に影響を与えない範囲の膜厚で薄膜として形成されたものである。この材料としては屈折率が2以下、消衰係数が零に近い物質が望ましい。このような物質としてSiO2、Al2O3などがある。これらは一般的な真空成膜法(気相成膜法、スパッタ法、蒸着法など)により成膜するとよい。保護層15により耐湿性や防汚性が向上し、偏光素子10の信頼性向上に寄与する。
The
図4に、本発明に係る偏光素子の第2の実施の形態における構成を示す。
偏光素子10’は、偏光素子10の構成と比較すると、反射層12’における充填部12cのみが異なり、それ以外は偏光素子10と構成が同じである。
FIG. 4 shows the configuration of the polarizing element according to the second embodiment of the present invention.
Compared with the configuration of the
すなわち、充填部12cは、充填部12bと同じ無機材料が凸状反射膜12aの間に充填されてなるものである。本実施形態では、充填部12cは、凸状反射膜12aから離れるにつれてくぼんでおり、隣接する凸状反射膜12aの中間点でもっとも薄くなっている。これにより、凸状反射膜12a間における無機材料の充填率は、50%以下となっている。図4では、隣接する凸状反射膜12aの中間点における充填部12cの厚さは、ほぼ0μmとなる場合を示している。
That is, the filling
以上のように、本発明の偏光素子10,10’では、凸状反射膜12aの間に、充填部12b,12cを設けることにより、回折格子を構成する凸状反射膜12aの付着強度を高めるとともに、異物の侵入を防ぐことができ、高い偏光特性を維持したまま偏光素子10,10’の防汚効果を向上させることができる。なお、回折格子の凹部に充填部12b,12cの無機材料が単に充填されていればいいわけではなく、誘電体層13の間や無機微粒子層14の間にまで無機材料が充填されると偏光特性が劣化するので好ましくない。また、凸状反射膜12a間の領域の屈折率は小さい方が偏光特性は向上するため、充填部の形状は偏光素子10’のほうが望ましい。
また、これにより液晶プロジェクタのセット本体への組み立てを行う際に、ハンドリングが容易となり、組み立て効率を向上させることができる。
As described above, in the
In addition, this facilitates handling when assembling the liquid crystal projector into the set main body, and improves the assembling efficiency.
つぎに、本発明に係る偏光素子の製造方法について説明する。
図5は、本発明に係る偏光素子の製造工程の要部を示す概略図である。
(S11)使用帯域の光に透明な基板11上に、直線状に延びた凸状反射膜12aを前記使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列する(図5(a))。基板11全面に前述した所定の金属膜を形成し、ついでフォトリソグラフィ技術を用いた前記金属膜のパターン加工によって凸状反射膜12aとすればよい。
Next, a method for manufacturing a polarizing element according to the present invention will be described.
FIG. 5 is a schematic view showing the main part of the manufacturing process of the polarizing element according to the present invention.
(S11) On the
(S12)つぎに、凸状反射膜12a間及び該凸状反射膜12a上に、基板11よりも屈折率の低い無機材料からなる無機材料膜12zをコーティングにより形成する(図5(b))。通常のスパッタリングやCVDなどの真空成膜方法によって無機材料を凸状反射膜12a間に充填しようとしても、凸部(凸状反射膜12a)のシャドーイングのために完全に充填することは難しい。本発明では、ゾルゲル法(例えばスピンコート法によりゾルをコートし熱硬化によりゲル化させる方法)を採用して、所定のセラミックス塗料を塗布して凸状反射膜12a間及び該凸状反射膜12a上に無機材料膜12zを形成する。例えば、コロイダルシリカを用いたシロキサン溶液をスピンコート法により凸状反射膜12a形成面に塗布した後、所定温度(例えば400℃)で焼成して、ポーラスシリカからなる無機材料膜12zを形成する(参考文献;(1)Japanese Journal of Applied Physics Vol. 47,No.1 2008, pp.538-540、(2)Japanese Journal of Applied Physics V0l.44, No.8, 2005, pp. 5982-5986)。シロキサン溶液としては、(株)アルバックのULKS溶液やSOG−ISM溶液を用いればよい。
(S12) Next, an
(S13)ついで、無機材料膜12zの表面からエッチングして少なくとも凸状反射膜12a上の前記無機材料を除去する(図5(c),(d))。このときのエッチング処理は、酸素プラズマやCF4系のフッ素プラズマにより行う。図5(c)は、凸状反射膜12a上の不要な前記無機材料を除去した時点で当該工程を終了した場合の構成であり、充填部12bは凸状反射膜12a間を無機材料により完全に充填した状態となっている。
(S13) Next, at least the inorganic material on the convex
さらに前記プラズマエッチングを続行すると、図5(d)に示すような充填部12cの中央がくぼんだ構成となる。凸状反射膜12aにアルミ系物質(Al,Al−Siなど)を用いた場合、これらの材料は酸素プラズマやフッ素プラズマに対するエッチングレートが非常に小さいので、図5(d)の形状は容易に実現できる。また、このときの無機材料の除去量により充填部12cの屈折率を調整することが可能であり、除去量が多いほど低屈折率化を図ることができる。
When the plasma etching is further continued, the center of the filling
(S14)凸状反射膜12a上にスパッタ、気相成長法、蒸着法などの一般的な真空成膜で誘電体層13を形成する。
(S14) The
(S15)さらに該誘電体層13上の凸状反射膜12aに対応する位置に無機微粒子を直線状に配列して無機微粒子層14を形成する。
本発明の無機微粒子層14を形成するための斜めスパッタ成膜の様子を図6に示す。なお、ここではイオンビームスパッタの例を示しているが、これに限定されるものではなく、スパッタリング法であればいずれの方式のものでもよい。
(S15) Further, inorganic
The state of oblique sputtering film formation for forming the inorganic
図6において、1は基板11を支持するステージ、2はターゲット、3はビームソース(イオン源)、4は制御板である。ステージ1は、ターゲット2の法線方向に対して所定角度θ傾斜しており、基板11は凸状反射膜12aの長手方向がターゲット2からの無機微粒子の入射方向に対して直交する向きに配置されている。角度θは、例えば0°から20°である。ビームソース3から引き出されたイオンは、ターゲット2へ照射される。イオンビームの照射によりターゲット2から叩き出された無機微粒子は、基板11の表面に斜め方向から入射して付着する。このとき、基板11上に一定間隔(例えば50mm)で平板状の制御板4を配置すれば基板11表面への入射粒子の方向を制御し、誘電体層13上の凸状反射膜12aに対応する位置にのみ粒子を堆積させることができる。このときの無機微粒子層14の膜厚は、200nm以下であることが好ましい。
In FIG. 6, 1 is a stage for supporting the
(S16)最後に、保護層15を形成して、本発明の偏光素子を得る。図5(c)の充填部12bの状態のものにステップS14〜S16の処理を施したものが偏光素子10(図2)となる。また、図5(d)の充填部12cの状態のものにステップS14〜S16の処理を施したものが偏光素子10’(図4)となる。
(S16) Finally, the
なお、ステップS12の無機材料層12zを形成する工程及びステップS13のエッチング処理する工程は、ステップS15の無機微粒子層15を形成した後でもよい。
Note that the step of forming the
つぎに、本発明に係る偏光素子を用いた液晶プロジェクタについて説明する。
本発明の液晶プロジェクタは、光源となるランプと、液晶パネルと、前述した本発明の偏光素子10(あるいは10’)とを備えるものである。
Next, a liquid crystal projector using the polarizing element according to the present invention will be described.
The liquid crystal projector of the present invention includes a lamp serving as a light source, a liquid crystal panel, and the polarizing element 10 (or 10 ′) of the present invention described above.
図7に、本発明に係る液晶プロジェクタの光学エンジン部分の構成例を示す。
液晶プロジェクタ100の光学エンジン部分は、赤色光LRに対する入射側偏光素子10A、液晶パネル50、出射プリ偏光素子10B、出射メイン偏光素子10Cと、緑色光LGに対する入射側偏光素子10A、液晶パネル50、出射プリ偏光素子10B、出射メイン偏光素子10Cと、青色光LBに対する入射側偏光素子10A、液晶パネル50、出射プリ偏光素子10B、出射メイン偏光素子10Cと、それぞれの出射メイン偏光素子10Cから出てくる光を合成し投射レンズに出射するクロスダイクロプリズム60とを備えている。ここで、本発明の偏光素子10(あるいは10’)は、出射メイン偏光素子10Cに適用されている。
FIG. 7 shows a configuration example of the optical engine portion of the liquid crystal projector according to the present invention.
Optical engine portion of the
本発明の液晶プロジェクタ100では、光源ランプ(不図示)から出射される光をダイクロイックミラー(不図示)により赤色光LR、緑色光LG、青色光LBに分離し、それぞれの光に対応する入射側偏光素子10Aに入射させ、ついでそれぞれの入射側偏光素子10Aで偏光された光LR、LG、LBは液晶パネル50にて空間変調されて出射され、出射プリ偏光素子10B、出射メイン偏光素子10Cを通過した後、クロスダイクロプリズム60にて合成されて投射レンズ(不図示)から投射される構成となっている。光源ランプは高出力のものであっても強い光に対して優れた耐光特性をもち、面内の分光特性分布が均一な本発明の偏光素子10を用いているため、信頼性の高い液晶プロジェクタを実現することができる。
In the
なお、本発明の偏光素子は、前記液晶プロジェクタへの適用に限定されるわけではなく、使用環境として熱を受ける偏光素子として好適である。例えば、自動車のカーナビやインパネの液晶ディスプレイの偏光素子として適用することができる。 The polarizing element of the present invention is not limited to application to the liquid crystal projector, but is suitable as a polarizing element that receives heat as a use environment. For example, the present invention can be applied as a polarizing element for a car navigation system of an automobile or a liquid crystal display of an instrument panel.
1・・・ステージ、2・・・ターゲット、3・・・ビームソース、4・・・制御板、10,10’,10A,10B,10C,90…偏光素子、11…基板、12,92…反射層、12a…凸状反射膜、12b,12c・・・充填部、12z・・・無機材料膜、13…誘電体層、14…無機微粒子層、14a・・・無機微粒子、15・・・保護層、50・・・液晶パネル、60・・・クロスダイクロプリズム、100・・・液晶プロジェクタ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基板上で直線状に延びた凸状反射膜が前記使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列され、前記凸状反射膜間に前記基板よりも屈折率の低い無機材料が充填されてなる反射層と、
前記凸状反射膜上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層上に無機微粒子が直線状に配列されてなる無機微粒子層と、を備える偏光素子。 A substrate transparent to the light in the use band,
The convex reflection films extending linearly on the substrate are arranged at a pitch smaller than the wavelength of light in the use band, and an inorganic material having a lower refractive index than the substrate is filled between the convex reflection films. A reflective layer,
A dielectric layer formed on the convex reflective film;
A polarizing element comprising: an inorganic fine particle layer in which inorganic fine particles are linearly arranged on the dielectric layer.
前記凸状反射膜間及び該凸状反射膜上に、前記基板よりも屈折率の低い無機材料をコーティングする工程と、
表面からエッチングして少なくとも前記凸状反射膜上の前記無機材料を除去する工程と、
前記凸状反射膜上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層上に無機微粒子を直線状に配列して無機微粒子層を形成する工程と、を備える偏光素子の製造方法。 Arranging a convex reflection film extending linearly at a pitch smaller than the wavelength of light in the use band on a substrate transparent to the light in the use band; and
Coating an inorganic material having a refractive index lower than that of the substrate between the convex reflective films and on the convex reflective films;
Etching from the surface to remove at least the inorganic material on the convex reflective film;
Forming a dielectric layer on the convex reflective film;
And a step of forming inorganic fine particle layers by linearly arranging inorganic fine particles on the dielectric layer.
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