JP2016038537A - Wire grid polarizer, light source module and projection display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワイヤグリッド型偏光子およびそれを用いた光源モジュールおよび投射型表示装置に関する。 The present invention relates to a wire grid polarizer, a light source module using the same, and a projection display device.
様々な光学装置に使用される光学部品として、入射する光のうち互いに直交する直線偏光の一方を透過し、他方を反射する反射型偏光子が知られており、該反射型偏光子の一つにワイヤグリッド型偏光子が挙げられる。図19は、一般的なワイヤグリッド型偏光子の構成図である。図19に示すワイヤグリッド型偏光子900は、透明基材940の一方の主面上に、金属細線911が互いに平行に並んで配される構造のワイヤグリッド910が形成されている。ワイヤグリッド910周辺の雰囲気、すなわち金属細線911間の間隙部920は空気で満たされている。
As an optical component used in various optical devices, a reflective polarizer that transmits one of linearly polarized light orthogonal to each other and reflects the other of incident light is known. One of the reflective polarizers A wire grid type polarizer may be mentioned. FIG. 19 is a configuration diagram of a general wire grid polarizer. In the
また、図20は、図19に示すワイヤグリッド型偏光子900における入射光と反射光と透過光の例を示す説明図である。図20において、光の入射面は、ワイヤグリッド910が形成されている面すなわち透明基材940の主表面と直交しており、かつ金属細線911の長手方向を法線とするような面(図20でいうX−Z平面)である。直線状の金属細線911の間隔であるワイヤグリッド910のピッチPiが入射光801の波長よりも十分短い場合、入射光801のうち、金属細線911の長手方向に直交する電場ベクトルを有する成分であるP偏光の光は透過し(図20の透過光802参照)、金属細線911の長手方向と平行な電場ベクトルを有する成分であるS偏光の光は反射される(図20の反射光803参照)。このようなワイヤグリッド型偏光子900は高い偏光分離性能を有するため、例えば、赤外の波長領域の光を取扱う場合において有用な偏光子として古くから利用されている(例えば、非特許文献1)。
FIG. 20 is an explanatory diagram showing an example of incident light, reflected light, and transmitted light in the
ワイヤグリッド型偏光子900の性能を決定する要因の一つがワイヤグリッド910のピッチPiと入射する光の波長λとの関係である。例えば、ピッチPiが波長λのほぼ1/2から2倍の範囲では、特定波長の光に対して偏光分離性能が著しく低下する。このような現象は一般に「レイリー共鳴」と呼ばれており、この共鳴が起こる最も長い波長である最大共鳴波長λres−maxは、以下の式(1)で表される。なお、式(1)で示されるような関係は、例えば、特許文献1にも記載されている。式(1)において、nsは透明基材940の屈折率を表し、θはワイヤグリッド910に対する光の入射角を表している。
One of the factors that determine the performance of the
λres−max=Pi(ns+sinθ) ・・・式(1) λ res−max = Pi (n s + sin θ) (1)
レイリー共鳴が起こる波長およびその近辺の波長においては、ワイヤグリッド型偏光子の性能が急激に低下する。したがって、可視光に対して十分な偏光分離性能を得るためには、最大共鳴波長λres−maxを、可視光の波長よりも短くしなければならない。 At the wavelength at which Rayleigh resonance occurs and in the vicinity of the wavelength, the performance of the wire grid polarizer sharply decreases. Therefore, in order to obtain sufficient polarization separation performance for visible light, the maximum resonance wavelength λ res-max must be shorter than the wavelength of visible light.
最大共鳴波長λres−maxを短波長側に移動させる方法としては、上記の式(1)から3つの方法が挙げられる。第一の方法は、ワイヤグリッド910のピッチPiを短くする。しかし、S偏光の光を透過しないよう金属細線911の厚さtを維持しながらピッチPiのみを短くしなければならず、そのような超微細加工は技術的に難しいという問題がある。第二の方法は、ワイヤグリッド910への入射角θをゼロにする、すなわちワイヤグリッド型偏光子900への光の入射が斜入射とならないよう垂直に光を入射させる。しかし、入射角θを制限すると偏光子としての用途が著しく制限されてしまうという問題がある。第三の方法は、ワイヤグリッド910を形成する透明基材940の屈折率(ns)を小さくする。しかし、可視光に対し透明でかつ屈折率が十分に小さい光学材料は少なく、また加工が容易な樹脂素材の場合は特に選択肢が限られるという問題がある。
As a method of moving the maximum resonance wavelength λ res-max to the short wavelength side, there are three methods based on the above formula (1). In the first method, the pitch Pi of the
上述した方法のうち第三の方法における課題を解決するための技術として、非特許文献1には、上記の透明基材940とワイヤグリッド910との間に、「ブルーミング層(blooming layer)」と称する単一層の反射防止膜を形成することが有効であると記載されている。なお、非特許文献1には、簡単なインピーダンス・マッチング公式と、完全に導電性のある薄い金属ストリップのパラメータとに基づき、ブルーミング層が、透明基材940の屈折率nsの平方根に等しい屈折率nと、目的の波長λの1/4の光学的膜厚とを有しなければならないと記載されている。なお、ここで光学的膜厚とは屈折率n×膜の厚さdをいう。
As a technique for solving the problem in the third method among the methods described above, Non-Patent
また、特許文献1には、非特許文献1に記載されているブルーミング層に相当するフッ化マグネシウム層を有するワイヤグリッド型偏光子が記載されている。また、特許文献1の図8には、このフッ化マグネシウム層の効果として、フッ化マグネシウム層を有するワイヤグリッド型偏光子における、入射角45°のP偏光の光に対する透過率波長依存性の計算結果が示されている。なお、該ワイヤグリッド型偏光子は、屈折率ns=1.525のガラス基板上に、ブルーミング層として屈折率n=1.38のフッ化マグネシウム層が形成され、さらにその上に銀またはアルミニウムの細線を、ピッチPi=200nm、ワイヤ幅w=100nm、厚さt=100nmとなるように形成してなるワイヤグリッドを備える。
しかし、特許文献1に記載されているような、透明基材940とワイヤグリッド910との間に屈折率1.38程度のフッ化マグネシウム層を設ける方法では、当該層の厚さdにかかわらずP偏光の光に対する透過率が低く、偏光分離性能が十分でない。例えば、特許文献1の図8によれば、可視波長域におけるP偏光の光に対する最大透過率は約84%程度に留まり、450nm以下の波長域では80%以下とさらに低い。そのため、偏光子からのP偏光の透過光を利用する光学装置に用いた場合に、光利用効率の低下を招くという問題があった。
However, in the method of providing a magnesium fluoride layer having a refractive index of about 1.38 between the
そこで、本発明は、可視光に対し高い偏光分離性能が得られるワイヤグリッド型偏光子の提供を目的とする。より具体的には、可視波長域において、S偏光反射率を低下させることなく、より高いP偏光透過率が得られるワイヤグリッド型偏光子の提供を目的とする。また、本発明は、直線偏光の光を効率よく出射できる光源モジュールの提供を目的とする。また、本発明は、光利用効率の高い投射型表示装置の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a wire grid type polarizer capable of obtaining high polarization separation performance with respect to visible light. More specifically, an object of the present invention is to provide a wire grid polarizer that can obtain a higher P-polarized light transmittance without reducing the S-polarized light reflectance in the visible wavelength region. Another object of the present invention is to provide a light source module that can efficiently emit linearly polarized light. Another object of the present invention is to provide a projection display device with high light utilization efficiency.
本発明によるワイヤグリッド型偏光子は、透明基材と、透明基材の一方の面上に透明基材よりも低い屈折率の材料を用いて形成される反射防止層と、反射防止層の上に形成されるワイヤグリッドとを備え、ワイヤグリッドのピッチは、可視波長域の入射光の波長の1/2以下であり、反射防止層は、透明材料を用いて形成される構造体と粒径が100nm以下の空孔との複合体からなる多孔質構造の光学材料である多孔質材料を用いて形成されており、ワイヤグリッド周辺の雰囲気である間隙部の屈折率をn1、透明基材の屈折率をnS、nAR=(n1・nS)1/2としたとき、当該反射防止層の屈折率nは、n=nAR−0.1nAR〜nAR+0.1nARの範囲内であることを特徴とする。 The wire grid polarizer according to the present invention includes a transparent substrate, an antireflection layer formed on one surface of the transparent substrate using a material having a lower refractive index than the transparent substrate, and an antireflection layer. The pitch of the wire grid is ½ or less of the wavelength of incident light in the visible wavelength range, and the antireflection layer is made of a transparent material and has a particle size Is formed using a porous material, which is an optical material having a porous structure composed of a composite with pores of 100 nm or less, and the refractive index of the gap, which is the atmosphere around the wire grid, is n 1 , a transparent substrate the refractive index n S of, when the n AR = (n 1 · n S) 1/2, refractive index n of the antireflection layer, n = n AR -0.1n AR ~n AR + 0.1n AR It is in the range of.
また、該ワイヤグリッド型偏光子は、間隙部に、反射防止層の材料と同じまたは異なる多孔質材料により形成される多孔質構造体が充填されていてもよい。 In the wire grid polarizer, the gap may be filled with a porous structure formed of the same or different porous material as the material of the antireflection layer.
また、多孔質材料は、主成分が金属酸化物からなるマトリックス成分により、空孔を含む金属酸化物微粒子が結合されたものであってもよい。 In addition, the porous material may be a material in which metal oxide fine particles including pores are bonded by a matrix component whose main component is a metal oxide.
金属酸化物微粒子は、中空シリカ粒子であってもよい。 The metal oxide fine particles may be hollow silica particles.
また、ワイヤグリッドの金属細線は、銀またはアルミニウムに、パラジウム、ネオジム、イリジウム、ビスマス、金、銅、白金、亜鉛、スズのいずれか1種または複数種を含む合金によって形成されていてもよい。 The fine metal wires of the wire grid may be formed of silver or aluminum and an alloy containing any one or more of palladium, neodymium, iridium, bismuth, gold, copper, platinum, zinc, and tin.
また、該ワイヤグリッド型偏光子は、波長460nm〜600nmにおいて、ワイヤグリッドの金属細線の長手方向に直交するP偏光の光の透過率が90%以上であってもよい。 Further, the wire grid polarizer may have a transmittance of 90% or more of P-polarized light orthogonal to the longitudinal direction of the fine metal wires of the wire grid at a wavelength of 460 nm to 600 nm.
また、本発明による光源モジュールは、容器内に設けられる発光素子と、発光素子の上方に設けられ、光出射面を形成する基板とを備え、該基板を透明基材として、上記のいずれかに記載のワイヤグリッド型偏光子が形成されていることを特徴とする。 In addition, a light source module according to the present invention includes a light emitting element provided in a container and a substrate provided above the light emitting element and forming a light emission surface. The wire grid polarizer described is formed.
また、該基板は、蛍光体を含有する蛍光体含有基板であり、蛍光体含有基板のワイヤグリッドが形成されている面と反対側の面に、発光素子からの発光波長の光を透過し、かつ蛍光体からの発光波長である蛍光発光波長の光を反射するダイクロイックミラー層が形成されていてもよい。 Further, the substrate is a phosphor-containing substrate containing a phosphor, and transmits light having a light emission wavelength from the light-emitting element to the surface opposite to the surface on which the wire grid of the phosphor-containing substrate is formed, In addition, a dichroic mirror layer that reflects light having a fluorescence emission wavelength that is the emission wavelength from the phosphor may be formed.
また、本発明による投射型表示装置は、各々異なる波長の光を発光する3つの光源を含む光源ユニットと、入射された光を反射してスクリーン上を走査させるスキャンミラーと、偏光分離機能を利用して、光源ユニットからの光を反射してスキャンミラーに導くとともにスキャンミラーによって反射された光を透過してスクリーンに到達させる偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタとスキャンミラーとの間の光路中に配置される1/4波長板とを備えた投射型表示装置であって、偏光ビームスプリッタとして、上記のいずかに記載のワイヤグリッド型偏光子を備えることを特徴とする。 The projection display device according to the present invention utilizes a light source unit including three light sources that emit light of different wavelengths, a scan mirror that reflects incident light and scans the screen, and a polarization separation function. In the optical path between the polarization beam splitter and the scan mirror, the polarization beam splitter that reflects the light from the light source unit and guides it to the scan mirror and transmits the light reflected by the scan mirror to reach the screen A projection-type display device including a quarter-wave plate to be disposed, wherein the wire-grid polarizer described in any of the above is provided as a polarizing beam splitter.
また、本発明による投射型表示装置は、各々異なる波長の光を発光する3つの光源を含む光源ユニットと、反射型液晶表示素子と、投射レンズと、偏光分離機能を利用して、光源ユニットからの光を反射して反射型液晶表示素子に導くとともに反射型液晶表示素子によって反射された光を透過して投射レンズに到達させる偏光ビームスプリッタとを備え、偏光ビームスプリッタとして、上記のいずかに記載のワイヤグリッド型偏光子を備えることを特徴とする。 Further, the projection display device according to the present invention utilizes a light source unit including three light sources that emit light of different wavelengths, a reflective liquid crystal display element, a projection lens, and a polarization separation function, from the light source unit. A polarizing beam splitter that reflects and guides the reflected light to the reflective liquid crystal display element and transmits the light reflected by the reflective liquid crystal display element to reach the projection lens. It comprises the wire grid type polarizer as described in above.
また、偏光ビームスプリッタは、ワイヤグリッドが、光源ユニットからの光の入射領域に限定して形成されていてもよい。 Further, the polarization beam splitter may be formed so that the wire grid is limited to the incident region of the light from the light source unit.
本発明によれば、簡易な構成によって、可視波長域におけるS偏光反射率を低下させることなくP偏光透過率を向上できるので、可視光に対して高い偏光分離性能を有するワイヤグリッド型偏光子を提供できる。また、本発明によれば、直線偏光の光を効率よく出射できる光源モジュールを提供できる。また、本発明によれば、光利用効率の高い投射型表示装置を提供できる。 According to the present invention, the P-polarized light transmittance can be improved with a simple configuration without reducing the S-polarized light reflectance in the visible wavelength region. Therefore, a wire grid polarizer having high polarization separation performance for visible light can be obtained. Can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to provide a light source module capable of efficiently emitting linearly polarized light. Further, according to the present invention, it is possible to provide a projection display device with high light utilization efficiency.
実施形態1.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態にかかるワイヤグリッド型偏光子の例を示す構成図である。また、図2は、図1に示すワイヤグリッド型偏光子100における入射光と出射光(反射光および透過光)の関係を示す説明図である。図1に示すワイヤグリッド型偏光子100は、透明基材140上に、透明基材140の屈折率に比べて低い屈折率を有する光学部材により形成される反射防止層130が積層され、その反射防止層130の上に、一方向に伸びる形状の複数の金属細線111が互いに平行に所定のピッチで並んで配されたワイヤグリッド110を有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a wire grid polarizer according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between incident light and outgoing light (reflected light and transmitted light) in the
ワイヤグリッド110のピッチPi、すなわち各金属細線111の間隔は、入射する光の波長よりも十分短く設定される。これにより、図2に示すように、入射光151のうち、金属細線111の長手方向に直交する電場ベクトルを有する成分であるP偏光の光は透過され(図2の透過光152)、金属細線111の長手方向と平行な電場ベクトルを有する成分であるS偏光の光は反射される(図2の反射光153)。なお、図2では、ワイヤグリッド型偏光子100に対する光の入射面の例として、ワイヤグリッド110が形成される透明基材140の面と直交し、かつワイヤグリッド110を構成している金属細線111の長手方向を法線とする面(X−Z平面)を示している。
The pitch Pi of the
なお、図示省略しているが、透明基材140の他方の主面上に、反射防止膜が形成されていてもよい。当該反射防止膜の構成は特に問わないが、例えば、透明誘電体材料の光学多層膜が挙げられる。
Although not shown, an antireflection film may be formed on the other main surface of the
透明基材140は、可視波長域において実質的に光吸収の無い透明な光学材料により構成されたものであれば特に限定されない。該光学材料は、例えば、ガラス、光学結晶、樹脂、焼結体やそれらの複合材料が挙げられる。例えば、安価で光学均一性が高い一般的な光学ガラスや樹脂材料が使用できる。なお、例えば、可視波長域の光に対する屈折率が1.40〜1.64の透明基材であっても、後述する反射防止層130により、ワイヤグリッド110周辺の雰囲気と透明基材140との界面による反射を抑えられるので、P偏光透過率を向上できる。ここで、可視波長域は比較的視感度の高い430nm〜660nmの波長域とするが、これに限定されない。また、波長460nm〜600nmにおいて、P偏光透過率が90%以上であれば、十分に本発明の効果が得られていると言える。
The
反射防止層130は、可視波長域において実質的に光吸収の無い透明な光学材料であって、かつ、実質的に以下の式(2)を満たす光学材料により構成される。
The
n=(n1・nS)1/2 ・・・(2) n = (n 1 · n S ) 1/2 (2)
ここで、n1はワイヤグリッド110周辺の雰囲気の屈折率、すなわち各金属細線111間の隙間(以下、間隙部120という。)の充填材の屈折率を表し、nは反射防止層130の屈折率を表し、nSは透明基材140の屈折率を表す。
Here, n 1 represents the refractive index of the atmosphere around the
式(2)は、ワイヤグリッド110周辺の雰囲気と透明基材140との界面に対する反射防止条件である。式(2)で示される反射防止条件を満たす光学材料を用いて反射防止層130を形成することにより、P偏光透過率を向上できる。
Formula (2) is an antireflection condition for the interface between the atmosphere around the
なお、現実的な範囲として、上記の式(2)に示されるnにおいて−10%〜+10%の範囲内の相違であれば、反射防止条件が満たされているとする。なお、−5%〜+5%の範囲内の相違であればより好ましい。すなわち、式(2)に基づいて、nAR=(n1・nS)1/2とするnARを与えたとき、n=nAR−0.1nAR〜nAR+0.1nARの範囲内であればよく、n=nAR−0.05nAR〜nAR+0.05nARの範囲内であれば、より好ましい。 Note that, as a realistic range, if n shown in the above equation (2) is within a range of −10% to + 10%, the antireflection condition is assumed to be satisfied. In addition, it is more preferable if the difference is within a range of −5% to + 5%. That is, based on equation (2), when given an n AR to n AR = (n 1 · n S) 1/2, range of n = n AR -0.1n AR ~n AR + 0.1n AR may be any internal, within the range of n = n AR -0.05n AR ~n AR + 0.05n AR, more preferred.
例えば、透明基材140の屈折率nSが1.40〜1.64であれば、反射防止層130は、屈折率nが1.18〜1.28の光学材料により構成されればよい。なお、一般的な反射防止膜の構成の一つに光学多層膜が挙げられるが、このような光学多層膜、すなわち複数の層が積層されてなり、各層界面の干渉を利用して反射を防止するような構成は、反射防止層130の構成には適用されない。換言すると、反射防止層130は、複数層からなる構成である場合には、各層の屈折率が少なくとも透明基材140の屈折率nSよりも低いことを条件とする。
For example, if the refractive index n S of the
反射防止層130の膜厚dは、その光学的膜厚、すなわち屈折率n×膜厚dが可視波長域中の波長λ0に対し、λ0/4に略等しくなるように調整する。例えば、入射角θの入射光の場合、反射防止層130における光路長差はn×d×cosθで表されるため、反射防止層130の膜厚dを、λ0/(4×n×cosθ)に略等しくなるように調整すればよい。ここで、波長λ0は、視感度の高い510nm〜590nmの範囲で設定されるのが好ましい。また、上記の「略」は、それぞれ−10%〜+10%の範囲内の相違であればよい。
Thickness d of the
ところで、可視波長域において実質的に光吸収の無い透明な光学材料であって、屈折率が、一般的な光学ガラスや樹脂の屈折率(nS)に対して式(2)を満たすような値、すなわちn=1.18〜1.28であるような低屈折率材料は、製品化できるレベルでは実在していない。そこで、本発明では、反射防止層130を構成する光学材料として、多孔質構造の光学材料(以下、多孔質材料という。)を用いる。より具体的には、屈折率が1.33以上の透明材料を用いて形成される構造体131と、屈折率が1.0の空気または真空による空孔132との複合体からなる多孔質材料を用いる。ここで、構造体131の材料とされる透明材料は、単一屈折率の材料であってもよく、複数の屈折率の材料の混合物であってもよい。
By the way, it is a transparent optical material having substantially no light absorption in the visible wavelength region, and the refractive index satisfies the formula (2) with respect to the refractive index (n S ) of general optical glass or resin. A low refractive index material having a value, i.e., n = 1.18 to 1.28, does not exist at a level that can be commercialized. Therefore, in the present invention, an optical material having a porous structure (hereinafter referred to as a porous material) is used as the optical material constituting the
図3は、反射防止層130に用いる多孔質材料の例を示す模式断面図である。図3(a)に示す多孔質材料130aは、屈折率が1.33以上の透明材料からなる構造体131a中に、屈折率が1.0の空気または真空からなる空孔132a(例えば、気泡)が分散されており、全体として多孔質構造となっている光学部材の例である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a porous material used for the
また、図3(b)に示す多孔質材料130bは、屈折率が1.33以上の透明材料からなる構造体である外殻131bと、外殻131bの内部に屈折率が1.0の空気または真空からなる中空部132bとを有する中空粒子133が複数結合しており、全体として多孔質構造となっている光学部材の例である。なお、多孔質材料130bにおける空孔132には、各中空粒子133の中空部132bだけでなく、中空粒子133と中空粒子133との間に形成される空隙部132cも含まれる。
Also, the
複合体からなる多孔質材料の場合における反射防止層130の屈折率nは、反射防止層130を構成している多孔質材料に含まれる各媒質の屈折率と体積比とから求めればよい。例えば、反射防止層130の全体積中、屈折率がnaの透明材料により形成される構造体131の体積比率をVa、屈折率がn0の空孔132の体積比率をVo(ただしVo+Va=1)とすると、n=n0×Vo+na×Vaで近似できる。
The refractive index n of the
例えば、構造体131の材料に酸化シリコン(SiO2:シリカ)を用いた場合、屈折率は1.45程度であるため、na=1.45とすると、体積比率Vaを0.40〜0.62の間で調整することにより、屈折率n=1.18〜1.28の光学材料とできる。構造体131の材料は、最終的に得られる多孔質材料からなる反射防止層130の(実効的な)屈折率nが上記反射防止条件を満たすものとなれば特に限定されないが、酸化シリコン以外にも、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3:アルミナ)、酸化チタン(TiO2:チタニア)、酸化ジルコニウム(ZrO2:ジルコニア)、五酸化タンタル(Ta2O5)、酸化スズ(SnO)などの金属酸化物や、有機材料が挙げられる。以下では、金属酸化物を用いて形成される微粒子を金属酸化物微粒子という場合がある。
For example, when silicon oxide (SiO 2 : silica) is used as the material of the structure 131, the refractive index is about 1.45. Therefore, when n a = 1.45, the volume ratio V a is set to 0.40. By adjusting between 0.62, it can be set as the optical material of refractive index n = 1.18-1.28. The material of the structure 131 is not particularly limited as long as the (effective) refractive index n of the
また、空孔132に起因する可視波長域の入射光の散乱を低減または防止するため、多孔質材料に含まれる空孔132の最大径Rは、可視最短波長の略1/4以下である100nm以下が好ましく、略1/8以下である50nm以下がより好ましい。なお、図3(b)に示したような粒子を結合させる構造の場合、最大径Rの代わりに平均一次粒子径が上記条件を満たしていればよい。このような平均一次粒子径の粒子を用いれば、多孔質材料中の空孔132の最大径Rが100nm以下または50nm以下となりやすく、透明性も良好となる。 In addition, in order to reduce or prevent scattering of incident light in the visible wavelength region due to the holes 132, the maximum diameter R of the holes 132 included in the porous material is approximately 100 nm or less of the shortest visible wavelength. The following is preferable, and 50 nm or less which is approximately 1/8 or less is more preferable. In the case of a structure in which particles are bonded as shown in FIG. 3B, the average primary particle diameter only needs to satisfy the above condition instead of the maximum diameter R. When particles having such an average primary particle diameter are used, the maximum diameter R of the pores 132 in the porous material tends to be 100 nm or less or 50 nm or less, and the transparency is also improved.
また、多孔質材料130bにおいて、粒子同士を結合する方法として、マトリックス成分(バインダ成分)を用いてもよい。マトリックス成分を用いて粒子同士を結合する方法を用いれば、湿式法によって当該多孔質材料からなる反射防止層130を形成できるため、乾式法、例えば真空蒸着法などの物理蒸着法や熱CVDなどの化学蒸着法に比べて安価に形成できる。
Moreover, in the
マトリックス成分は、上述したような金属酸化物が好ましい。なお、粒子の材料に用いる金属酸化物とマトリックス成分に用いる金属酸化物とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、マトリックス成分は、金属酸化物のみからなることが好ましいが、例えば樹脂などの成分を30質量%以下、好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは2質量%以下含有してもよい。なお、マトリックス成分を用いる場合には、マトリックス成分の体積比率を含めて算出される反射防止層130の屈折率nが上述した反射防止条件を満たすようにすればよい。すなわち、反射防止層130の全体積中、屈折率がnaの透明材料により形成される構造体131の体積比率をVa、屈折率がnmのマトリックス成分の体積比率をVm、屈折率がn0の空孔132の体積比率をV0(ただしV0+Vm+Va=1)とすると、n=n0×V0+nm×Vm+na×Vaで近似できる。
The matrix component is preferably a metal oxide as described above. The metal oxide used for the particle material and the metal oxide used for the matrix component may be the same or different. The matrix component is preferably composed only of a metal oxide. For example, a component such as a resin may be contained in an amount of 30% by mass or less, preferably 10% by mass or less, and more preferably 2% by mass or less. In the case where the matrix component is used, the refractive index n of the
また、結合される側の粒子についても、必ずしも1種の形状または材料からなるものに限られず、2種以上の形状または材料からなるものを併用できる。例えば、形状の異なる2種類以上の粒子を用いてもよいし、材料の異なる2種類以上の粒子を用いてもよい。また、複数の材料からなる粒子を用いてもよい。粒子の形状は、特に限定されないが、例えば球状、円筒状、直方体状などが挙げられる。 Also, the particles on the side to be bonded are not necessarily limited to those made of one type or material, and those made of two or more types or materials can be used in combination. For example, two or more types of particles having different shapes may be used, or two or more types of particles having different materials may be used. Further, particles made of a plurality of materials may be used. The shape of the particle is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, a cylindrical shape, and a rectangular parallelepiped shape.
また、粒子は、内部に空隙を有する中空状のもの(中空粒子)が好適なものとして挙げられ、特に、最終的に形成される多孔質材料の(実効的な)屈折率nを低くでき、かつ作製が容易な中空シリカ粒子が好適例として挙げられる。中空シリカ粒子は、外殻131bの主成分が酸化シリコンである中空粒子133である。なお、外殻131bは必ずしも中空部132b全体を覆うように形成される必要はなく、中空部132bの一部は外殻131bから露出していてもよい。中空粒子であれば、外殻131bの厚さを調整することによって、多孔質材料の平均屈折率ひいては反射防止層130の屈折率nを容易に調整できるため、好ましい。また、中空シリカ粒子であれば、多孔質材料の平均屈折率ひいては反射防止層130の屈折率nを、例えば波長550nmで1.1〜1.4にすることも容易に可能となる。
Moreover, the hollow particles having voids inside (hollow particles) are preferred as the particles, and in particular, the (effective) refractive index n of the finally formed porous material can be lowered, Moreover, hollow silica particles that are easy to produce are preferred examples. The hollow silica particles are
中空シリカ粒子を用いる場合、各中空シリカ粒子の外殻131bの厚さは、特に限定されず、また粒径によっても異なるが、一例として0.5nm〜50nmが好ましく、1nm〜20nmがより好ましい。他の粒子においても、参考として、外殻131bの厚さは、粒径に対して1/50〜1/3程度の厚さが好ましく、1/5〜1/3程度の厚さがより好ましい。
When hollow silica particles are used, the thickness of the
また、中空シリカ粒子は、マトリックス成分中で凝集していてもよい。例えば2〜10個程度凝集したものが、マトリックス成分中に分散していてもよい。この場合、反射防止層130を構成する金属酸化膜の強度や磨耗耐性が高まる傾向がある。また、この場合、凝集体としての粒径(以下、平均凝集粒子径ともいう)は、60nm〜400nmが好ましく、100nm〜200nmがより好ましい。他の粒子においても、参考として、平均凝集粒子径は、凝集していない状態での平均粒径(平均一次粒子径)の1.5倍以上が好ましい。なお、本発明における粒子の平均粒径とは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた観測により測定される値を指す。
Further, the hollow silica particles may be aggregated in the matrix component. For example, about 2 to 10 aggregates may be dispersed in the matrix component. In this case, the strength and wear resistance of the metal oxide film constituting the
また、多孔質材料は、上述したような複数の粒子を結合する方法のほか、例えば、焼成により自身の一部(例えば、一部の含有物質)が消滅して、最終的に空孔を形成するような空孔形成物質を用いても形成できる(図3(a)参照)。このような空孔形成物質を用いる場合も、湿式法によって多孔質材料からなる反射防止層130を形成でき、乾式法に比べて安価に形成できる。構造体131の材料にもなる、空孔形成物質のうち消滅しない材料は、金属酸化物からなることが好ましいが、例えば有機樹脂などの成分を30質量%以下、好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは2質量%以下含有してもよい。また、該金属酸化物は、最終的に得られる反射防止層130の屈折率nが上述した反射防止条件を満たすものであれば特に制限されないが、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、五酸化タンタル、酸化スズなどが好適なものとして挙げられる。
In addition to the method of bonding a plurality of particles as described above, the porous material, for example, a part of itself (for example, a part of contained substances) disappears by firing, and finally pores are formed. Such a pore-forming substance can also be used (see FIG. 3A). Even when such a pore-forming substance is used, the
また、上述したように反射防止層130は必ずしも単層構造に限られない。例えば、多孔質材料が2層以上積層されて反射防止層130を構成してもよい。多層構造の反射防止層130の例としては、種類の異なる多孔質材料からなる多孔質構造体が交互に積層されたものであってもよいし、同種の多孔質材料であって組成の異なる多孔質材料からなる多孔質構造体が交互に積層されたものであってもよい。いずれの場合も、反射防止層130全体の平均屈折率nが上述した反射防止条件を満たすものであれば、特に制限されない。
Further, as described above, the
次に、反射防止層130の形成方法について説明する。以下では、反射防止層130として、金属酸化物粒子(中空シリカ粒子)を用いた金属酸化物膜を形成する方法を説明する。なお、中空シリカ粒子は、以下に示すようなコア−シェル型微粒子のコアを除去することにより製造できるが、それに限らない。
Next, a method for forming the
コア−シェル型微粒子は、例えばコアとなるコア微粒子を分散媒に分散させ、その後に外殻となる前駆物質を反応させて製造する。コア微粒子としては、中空シリカ粒子の製造方法によっても異なるが、熱、酸もしくは光によって溶解、分解または昇華するものが挙げられる。例えば、界面活性剤ミセル、水溶性有機重合体、スチレン樹脂、アクリル樹脂等の熱分解性有機重合体微粒子や、アルミン酸ナトリウム、炭酸カルシウム、塩基性炭酸亜鉛、酸化亜鉛等の酸溶解性無機微粒子や、硫化亜鉛、硫化カドミウム等の金属カルコゲナイド半導体や、酸化亜鉛等の光溶解性無機微粒子等が使用できる。なお、これらより選ばれる2種以上の混合物であってもよい。これらの中でも、コアを除去するときの作業性や生産性が良好であり、またコア除去中に中空シリカ粒子の急激な凝集を抑制でき、透明性の高い金属酸化物膜が得られる点で、酸化亜鉛が好ましい。 The core-shell type fine particles are produced, for example, by dispersing core fine particles as a core in a dispersion medium and then reacting a precursor as an outer shell. Examples of the core fine particles include those that dissolve, decompose, or sublime by heat, acid, or light, depending on the production method of the hollow silica particles. For example, thermally decomposable organic polymer particles such as surfactant micelles, water-soluble organic polymers, styrene resins, acrylic resins, and acid-soluble inorganic particles such as sodium aluminate, calcium carbonate, basic zinc carbonate, and zinc oxide Alternatively, metal chalcogenide semiconductors such as zinc sulfide and cadmium sulfide, and photodissolvable inorganic fine particles such as zinc oxide can be used. In addition, the mixture of 2 or more types chosen from these may be sufficient. Among these, workability and productivity when removing the core are good, and rapid aggregation of the hollow silica particles can be suppressed during the core removal, and a highly transparent metal oxide film can be obtained. Zinc oxide is preferred.
コア微粒子は、気相法等による乾式法、液相法等による湿式法のどちらで合成されたものでもよく、単分散体であっても凝集体であってもよい。コア微粒子の大きさや形状は、特に限定されず、コア微粒子の溶解速度、中空シリカ粒子における空孔(中空部132b)の大きさ等を考慮して適宜選択する。
The core fine particles may be synthesized by either a dry method such as a gas phase method or a wet method such as a liquid phase method, and may be a monodisperse or an aggregate. The size and shape of the core fine particles are not particularly limited, and are appropriately selected in consideration of the dissolution rate of the core fine particles, the size of the pores (
分散媒も特に限定されず、例えば、水、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、グリコールエーテル類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類が挙げられる。分散媒は、必ずしも水を含有する必要はないが、外殻となる前駆物質を加水分解・重縮合する場合にそのまま使用できることを考慮すると、分散媒は水単独または水と有機溶媒との混合溶媒が好ましい。 The dispersion medium is not particularly limited, and examples thereof include water, alcohols, ketones, esters, ethers, glycol ethers, nitrogen-containing compounds, and sulfur-containing compounds. The dispersion medium does not necessarily contain water, but considering that it can be used as it is in the case of hydrolysis / polycondensation of the precursor as the outer shell, the dispersion medium is water alone or a mixed solvent of water and an organic solvent. Is preferred.
分散媒へのコア微粒子の分散は、好ましくは分散剤を加えて、ボールミル、ビーズミル、サンドミル、ホモミキサー、ペイントシェーカー等の分散機で解膠することにより行う。このコア微粒子の分散液に、酸やアルカリ等の加水分解触媒を添加し、例えばpH8以上で外殻となる前駆物質を反応させる。これにより、コア微粒子の表面に外殻を形成し、コア−シェル型微粒子を得る。外殻となる前駆物質としては、例えば、ケイ酸、ケイ酸塩、ケイ酸アルコキサイドより選ばれる1種または2種以上の混合物が挙げられ、これらの加水分解物または重合物であってもよい。 The dispersion of the core fine particles in the dispersion medium is preferably performed by adding a dispersant and peptizing with a dispersing machine such as a ball mill, a bead mill, a sand mill, a homomixer, or a paint shaker. A hydrolysis catalyst such as acid or alkali is added to the dispersion of the core fine particles, and a precursor which becomes an outer shell is reacted at a pH of 8 or higher, for example. Thereby, an outer shell is formed on the surface of the core fine particles, and core-shell type fine particles are obtained. Examples of the precursor serving as the outer shell include one or a mixture of two or more selected from silicic acid, silicate, and alkoxide silicate, and may be a hydrolyzate or polymer thereof.
外殻の形成時間を短縮するために、コア微粒子の分散液の混合時のpHは9〜11が好ましく、温度は20℃〜100℃が好ましい。コア微粒子の分散液には、イオン強度を高めて外殻の形成を容易とするために、水酸化マグネシウム等の電解質を添加し、これらの電解質によりpHを調整してもよい。 In order to shorten the formation time of the outer shell, the pH during mixing of the core fine particle dispersion is preferably 9 to 11, and the temperature is preferably 20 ° C to 100 ° C. In order to increase the ionic strength and facilitate the formation of the outer shell, the core fine particle dispersion may be added with an electrolyte such as magnesium hydroxide, and the pH may be adjusted with these electrolytes.
その後、例えばコア−シェル型微粒子内のコア微粒子を溶解させて中空シリカ粒子とする。コア微粒子は、例えばpH8以下でイオンとなって溶解する。コア微粒子がZnO微粒子の場合はZn2+イオンとなって溶解する。コア微粒子の溶解は、酸の添加や、酸性カチオン交換樹脂の使用によって実施できる。酸性カチオン交換樹脂によれば、コア微粒子の溶解が緩やかに進行することから、イオン濃度の急激な上昇を抑制し、中空シリカ粒子の急激な凝集を抑制できる。急激な凝集が起こると、凝集粒子径が大きくなりすぎ、金属酸化物膜の透明性が低下するおそれがある。 Thereafter, for example, the core fine particles in the core-shell type fine particles are dissolved to form hollow silica particles. The core fine particles dissolve as ions, for example, at pH 8 or lower. When the core fine particles are ZnO fine particles, they are dissolved as Zn 2+ ions. The core fine particles can be dissolved by adding an acid or using an acidic cation exchange resin. According to the acidic cation exchange resin, since the dissolution of the core fine particles proceeds slowly, it is possible to suppress a rapid increase in ion concentration and to suppress rapid aggregation of the hollow silica particles. When agglomeration occurs rapidly, the aggregated particle diameter becomes too large, and the transparency of the metal oxide film may be reduced.
酸性カチオン交換樹脂は、少なくともコア微粒子を溶解し、分散液のpHを8以下、好ましく6以下の範囲とするものが好ましい。ここで酸性カチオン交換樹脂の酸性度は官能基によって決まり、強酸性では−SO3H基、弱酸性では−COOH基が挙げられる。酸性カチオン交換樹脂の添加量は、少なくとも発生する上記のZn2+のようなイオンの量よりも総交換容量が大きい範囲であることが好ましい。樹脂量は、必要量の1.1〜5倍の範囲が好ましい。酸性カチオン交換樹脂の添加量が多いほどコア微粒子の溶解速度が速まる傾向がある。 The acidic cation exchange resin preferably dissolves at least the core fine particles, and the dispersion has a pH of 8 or less, preferably 6 or less. Here, the acidity of the acidic cation exchange resin is determined by the functional group, and includes —SO 3 H group for strong acidity and —COOH group for weak acidity. The addition amount of the acidic cation exchange resin is preferably in a range where the total exchange capacity is larger than at least the amount of ions such as Zn 2+ generated. The resin amount is preferably in the range of 1.1 to 5 times the required amount. There is a tendency that the dissolution rate of the core fine particles increases as the amount of the acidic cation exchange resin added increases.
溶解温度は、特に限定されず、室温であっても基本的に溶解反応が進行する。温度は、高い方が溶解反応および溶解イオン等の拡散速度が増大するために好ましく、例えば10℃〜100℃が好ましく、20℃〜80℃がより好ましい。コア微粒子の溶解後、ろ過等の固液分離操作によりカチオン交換樹脂を分離して中空シリカ粒子の分散液を得ることができる。 The dissolution temperature is not particularly limited, and the dissolution reaction basically proceeds even at room temperature. A higher temperature is preferable for increasing the diffusion rate of dissolution reaction and dissolved ions, for example, preferably 10 ° C to 100 ° C, more preferably 20 ° C to 80 ° C. After dissolution of the core fine particles, the dispersion of the hollow silica particles can be obtained by separating the cation exchange resin by solid-liquid separation operation such as filtration.
その後、中空シリカ粒子の分散液と、マトリックス成分となる前駆物質とを混合し、透明基材140の表面に塗布する塗工液を調製する。マトリックス成分となる前駆物質の固形分換算量は、中空シリカ粒子の質量に対して0.05〜15倍が好ましい。このような割合とすることで、良好な多孔質構造を有するとともに、高い硬度を有する金属酸化物膜(反射防止層130)を形成できる。
Thereafter, a dispersion of hollow silica particles and a precursor as a matrix component are mixed to prepare a coating liquid that is applied to the surface of the
マトリックス成分となる前駆物質としては、マトリックス成分に含ませる金属の金属アルコキサイドおよび/またはその加水分解重縮合物等が挙げられる。金属アルコキサイドとしては、ケイ酸アルコキサイドが好ましく、例えばケイ酸エチルの他、パーフルオロポリエーテル基および/またはパーフルオロアルキル基等のフッ素含有官能基を含むケイ酸アルコキサイド、ビニル基およびエポキシ基より選ばれる官能基の1種または2種以上を含有するケイ酸アルコキサイドでもよい。 Examples of the precursor used as the matrix component include metal alkoxides of metals contained in the matrix component and / or hydrolyzed polycondensates thereof. As the metal alkoxide, silicate silicate is preferable, and is selected from, for example, silicate alkoxide having a fluorine-containing functional group such as perfluoropolyether group and / or perfluoroalkyl group, vinyl group and epoxy group in addition to ethyl silicate. Silicate alkoxides containing one or more functional groups may be used.
パーフルオロポリエーテル基を含有するケイ酸アルコキサイドとしては、例えばパーフルオロポリエーテルトリエトキシシランが挙げられ、パーフルオロアルキル基を含有するケイ酸アルコキサイドとしては、パーフルオロエチルトリエトキシシランが挙げられ、ビニル基を含有するケイ酸アルコキサイドとしては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシランが挙げられ、エポキシ基を含有するケイ酸アルコキサイドとしては、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。 Examples of the silicate alkoxide containing a perfluoropolyether group include perfluoropolyether triethoxysilane, and examples of the silicate alkoxide containing a perfluoroalkyl group include perfluoroethyltriethoxysilane, vinyl Examples of the silicate alkoxide containing a group include vinyltrimethoxysilane and vinyltriethoxysilane. Examples of the silicate alkoxide containing an epoxy group include 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3 -Glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, etc. are mentioned.
また、マトリックス成分の一部に有機樹脂を用いる場合、紫外線硬化型有機樹脂が好ましく、例えば、アクリル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。 Further, when an organic resin is used as a part of the matrix component, an ultraviolet curable organic resin is preferable, and examples thereof include an acrylic resin, a urethane acrylate resin, an epoxy acrylate resin, a polyester acrylate, a polyether acrylate, an epoxy resin, and a silicone resin. It is done.
塗工液は、中空シリカ粒子、マトリックス成分の前駆物質の他、塗布表面へのぬれ性を向上させるための界面活性剤を含むことができる。界面活性剤はアニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤のいずれのものも使用できる。界面活性剤としては、−CH2CH2O−、−SO2−、−NR−(Rは水素原子または有機基)、−NH2−、−SO3Y、−COOY(Yは水素原子、ナトリウム原子、カリウム原子またはアンモニウムイオン)の構造単位を有するノニオン性界面活性剤が好ましい。 The coating liquid can contain a surfactant for improving the wettability to the coating surface in addition to the hollow silica particles and the precursor of the matrix component. As the surfactant, any of an anionic surfactant, a cationic surfactant, and a nonionic surfactant can be used. As the surfactant, —CH 2 CH 2 O—, —SO 2 —, —NR— (R is a hydrogen atom or an organic group), —NH 2 —, —SO 3 Y, —COOY (Y is a hydrogen atom, Nonionic surfactants having a structural unit of sodium atom, potassium atom or ammonium ion are preferred.
ノニオン系の界面活性剤としては、例えば、アルキルポリオキシエチレンエーテル、アルキルポリオキシエチレン−ポリプロピレンエーテル、脂肪酸ポリオキシエチレンエステル、脂肪酸ポリオキシエチレンソルビタンエステル、脂肪酸ポリオキシエチレンソルビトールエステル、アルキルポリオキシエチレンアミン、アルキルポリオキシエチレンアミド、ポリエーテル変性のシリコーン系界面活性剤等が挙げられる。 Nonionic surfactants include, for example, alkyl polyoxyethylene ether, alkyl polyoxyethylene-polypropylene ether, fatty acid polyoxyethylene ester, fatty acid polyoxyethylene sorbitan ester, fatty acid polyoxyethylene sorbitol ester, alkyl polyoxyethylene amine , Alkyl polyoxyethylene amide, polyether-modified silicone surfactants, and the like.
塗工液は、界面活性剤以外にも、必要に応じて各種添加剤を含むことができる。例えば、着色、導電、偏光、紫外線遮蔽、赤外線遮蔽、防汚、防曇、光触媒、抗菌、蓄光、電池、屈折率制御、撥水、撥油、指紋除去、滑り性等より選ばれる1種または2種以上の機能を付与するものを含んでもよい。 The coating liquid can contain various additives as required in addition to the surfactant. For example, one selected from coloring, conductivity, polarization, ultraviolet shielding, infrared shielding, antifouling, antifogging, photocatalyst, antibacterial, phosphorescent, battery, refractive index control, water repellency, oil repellency, fingerprint removal, slipperiness, etc. What gives 2 or more types of functions may be included.
塗工液の塗布は、例えば、ローラー塗布、手塗り、刷毛塗り、ディッピング、回転塗布、浸漬塗布、各種印刷方式による塗布、カーテンフロー、バーコート、ダイコート、グラビアコート、マイクログラビアコート、リバースコート、ロールコート、フローコート、スプレーコート、インクジェット、ディップコート等により行うことができる。 Application of the coating liquid is, for example, roller coating, hand coating, brush coating, dipping, spin coating, dip coating, coating by various printing methods, curtain flow, bar coating, die coating, gravure coating, micro gravure coating, reverse coating, Roll coating, flow coating, spray coating, ink jet, dip coating or the like can be used.
塗布後、塗膜を乾燥させることにより、多孔質構造を有する金属酸化物膜からなる反射防止層130を形成できる。乾燥は、溶媒を除去できるとともに、前駆物質をマトリックス成分に変換できればよく、例えば室温〜200℃程度で保持すればよいが、より強固なものとするために、500℃〜700℃で1分〜60分間程度の熱処理が好ましい。
After coating, the
また、必要に応じて、例えば機械的強度を高めるために、紫外線や電子線等による照射を行ってもよい。さらに、密着性を高めるために、プラズマ処理、コロナ処理、UV処理、オゾン処理等の放電処理、水、酸やアルカリ等の化学処理、または研磨剤を用いた物理的処理を施すことができる。 Moreover, you may perform irradiation by an ultraviolet-ray, an electron beam, etc. as needed, for example, in order to raise mechanical strength. Furthermore, in order to improve adhesion, discharge treatment such as plasma treatment, corona treatment, UV treatment, ozone treatment, chemical treatment such as water, acid or alkali, or physical treatment using an abrasive can be performed.
なお、上述した作製方法のうちコア−シェル型微粒子の分散媒に水単独または水と有機溶媒との混合液溶媒を用いる部分以外については、中空シリカ粒子以外の金属酸化物微粒子全般に適用可能である。また、コア−シェル型微粒子の作製方法については、中空粒子全般に適用可能である。また、マトリックス成分の例、塗工液への機能付与、塗工液の乾燥方法については、粒子を結合させた構成の多孔質材料全般に適用可能である。 In addition, in the above-described production method, except for a portion using water alone or a mixed solvent of water and an organic solvent as a dispersion medium for core-shell type fine particles, it can be applied to metal oxide fine particles in general other than hollow silica particles. is there. The method for producing core-shell type fine particles can be applied to all hollow particles. Further, examples of matrix components, imparting functions to the coating liquid, and drying methods of the coating liquid are applicable to all porous materials having a structure in which particles are bonded.
次に、空孔形成物質を用いて多孔質構造の反射防止層130(金属酸化物膜)を形成する方法を説明する。以下に示す例では、溶媒に、マトリックス成分(本例では、構造体131a)に含ませる金属の金属アルコキサイドおよび/またはその加水分解重縮合物などと、多孔質構造における空孔を形成するための粒子状の有機物とを添加して塗工液を得る。有機物としては、例えば、アクリル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂、スチレン系樹脂などが挙げられる。塗工液には、必要に応じて、上記した界面活性剤などの各種添加剤を含ませてもよい。
Next, a method for forming the antireflection layer 130 (metal oxide film) having a porous structure using a pore-forming substance will be described. In the example shown below, a metal alkoxide and / or hydrolyzed polycondensate thereof contained in a matrix component (in this example, the
その後、透明基材140の表面に塗工液を塗布し、乾燥させた後、200℃〜700℃の温度で焼成する。この焼成により、粒子状の有機物を気化させて除去できる。これにより、粒子状の有機物の位置に空孔132aが形成され、多孔質構造を有する金属酸化物膜からなる反射防止層130を形成できる。
Then, after apply | coating a coating liquid to the surface of the
また、他の方法として、上記の製法または上記とは異なる製法により作製された中空シリカ粒子等の中空粒子を有機溶剤中に分散させた分散液を透明基材140の表面に塗布し、塗布した分散液を乾燥することにより、多孔質構造の反射防止層130を形成できる。有機溶剤の代わりに透明樹脂バインダー中に中空粒子を分散させた塗工液を作製し、透明基材140の表面に塗布した後に、バインダーの透明樹脂を紫外線または熱により硬化させて、多孔質構造の反射防止層130を得てもよい。一次粒子径が100nm以下の中空シリカ粒子として、例えば、日揮触媒化成社製のスルーリア(登録商標)、日鉄鉱業社製のシリナックス(登録商標)、グランデックス社製のナノバルーン(登録商標)等を用いてもよい。透明樹脂バインダーを用いる場合、中空粒子の使用量を少なくして低屈折率の反射防止層130を実現するために、バインダーに用いる透明樹脂は低屈折率ほど好ましい。例えば、屈折率が1.34のアモルファスフッ素樹脂(例えば、旭硝子社製のサイトップ(登録商標))が好ましい。
Further, as another method, a dispersion liquid in which hollow particles such as hollow silica particles produced by the above production method or a production method different from the above is dispersed in an organic solvent is applied to the surface of the
次に、ワイヤグリッド110について説明する。ワイヤグリッド110を構成する各金属細線111の材料は特に限定されないが、可視波長域の光に対し高い反射率を示し、かつ高導電率を有する銀(Ag)、アルミニウム(Al)等が好ましい。すなわち、ワイヤグリッド110の光学定数(nw:屈折率、kw:消衰係数)である屈折率nwが1より小さな値で、消衰係数kwがより大きくなるような金属材料が好ましい。例えば、可視波長域における屈折率が相対的に小さい金属材料である銀を用いれば、高いP偏光透過率(以下、TPで表す)が得られるため、好ましい。また、可視波長域における消衰係数が相対的に大きい金属材料であるアルミニウムを用いれば、S偏光透過率(以下、TSで表す)を低減して、高い消光比TP/TSが得られるため、好ましい。
Next, the
銀を用いる場合、パラジウム(Pd)などの金属を1%程度添加して合金化する(例えば、APCとする)ことで、耐熱性、および高温かつ高湿度の環境における経時劣化が改善されるため好ましい。銀薄膜の耐食性に及ぼす合金元素添加効果については、例えば、文献「大西 隆他、”銀薄膜の耐食性に及ぼす合金元素添加効果”、神戸製鋼技報 Vol.52 No.2、2002年9月」に記載されている。銀に対して、反射率低下を伴わずに耐酸化性を改善するには、銅(Cu)、金(Au)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)等を0.3〜1.5原子量%添加した合金が有効である。また、耐硫化性の改善には、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)等を2原子量%程度添加した合金が有効である。また、NaCl耐性の改善には、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)を添加した合金が有効である。また、銀−ネオジム−銅(Ag−Nd−Cu)系、銀−金−銅(Ag−Au−Cu)系、銀−ビスマス(Ag−Bi)系の合金なども使用できる。 When using silver, adding about 1% of a metal such as palladium (Pd) and alloying (for example, APC) improves heat resistance and deterioration over time in a high-temperature and high-humidity environment. preferable. Regarding the effect of alloying element addition on the corrosion resistance of silver thin films, see, for example, the document “Takashi Onishi et al.,“ Effect of alloying element addition on the corrosion resistance of silver thin films ”, Kobe Steel Technical Report Vol.52 No.2, September 2002”. It is described in. In order to improve the oxidation resistance without reducing the reflectivity with respect to silver, 0.3 to 1.5 atomic weight of copper (Cu), gold (Au), iridium (Ir), palladium (Pd), etc. % Added alloy is effective. An alloy to which zinc (Zn), tin (Sn) or the like is added in an amount of about 2 atomic% is effective for improving the sulfidation resistance. An alloy to which gold (Au), platinum (Pt), or palladium (Pd) is added is effective for improving NaCl resistance. Further, silver-neodymium-copper (Ag-Nd-Cu) -based, silver-gold-copper (Ag-Au-Cu) -based, silver-bismuth (Ag-Bi) -based alloys, and the like can also be used.
ワイヤグリッド110の高さ、すなわち各金属細線111の厚さtは、所望とする偏光分離性能から必要な値が定まる。例えば、S偏光の入射光の透過率Tsが1%以下であれば良い場合には、金属細線111の厚さtが30nm以上であれば、良好な偏光分離性能が得られる。金属細線111が薄過ぎると、金属細線111における光の透過が無視できず、偏光分離性能が低下する。逆に金属細線111が厚すぎると、P偏光透過率TPやS偏光反射率Rsが低下するため、厚さtの上限は約300nmであればよい。
The height of the
金属細線111を銀またはその合金で形成する場合、厚さtは100nm〜250nm程度が望ましい。なお、金属細線111と反射防止層130との界面の接着強度が低い場合、反射防止層130との密着性を向上するため、金属細線111と反射防止層130との間に、接着層としてクロムCrなどの金属膜や金属酸化物膜を、光学特性に影響しない10nm以下の厚さで形成してもよい。
When the metal
ワイヤグリッド110のピッチPiは、例えば、0°入射時の最大共鳴波長λres−maxが、入射光の波長以下になる値であればよい。例えば、間隙部120の充填材、すなわち、ワイヤグリッド110周辺の雰囲気が空気(屈折率n1=1)の場合、可視波長域においては入射光の最短波長を430nm程度に見積もれば視感度の高い可視波長域をカバーでき、可視光用光学素子として問題が無いことから、ピッチPiは400nm以下であればよい。さらに、0°以外の斜入射光に対しても、回折光を発生させずに高いP偏光透過率およびS偏光反射率を維持するために、ピッチPiは200nm以下がより好ましい。ピッチPiが小さくなるほど金属材料に対する微細加工が技術的に難しくなるため、安定した偏光分離性能を得るためにはPi=150nm〜200nmがさらに好ましい。
For example, the pitch Pi of the
ワイヤグリッド110のワイヤ幅w、すなわち各金属細線111の幅(短手方向の長さ)は、ピッチPiの約半分程度(w=0.5Pi)のときに偏光分離性能が良好であるため、0.3Pi≦w≦0.7Piを満たす値が好ましい。
Since the wire width w of the
また、金属細線111の断面形状は、特に限定されるものではなく、正方形、長方形、台形、三角形、楕円形、その他様々な形状でよい。ここで、断面形状が正方形、長方形以外の断面形状である場合、ワイヤ幅wは、ワイヤ断面形状の高さ方向における金属細線110の幅の平均値に相当する。
The cross-sectional shape of the
ワイヤグリッド110は種々の製法で形成できる。可視波長域の光が入射するワイヤグリッド型偏光子の場合、例えば、図4に示されるように、反射防止層130上に金属細線111の材料とされる金属(合金を含む)を用いて形成した金属膜601を所定の厚さで成膜し(図4(a))、その後、微細加工して各金属細線111を得てもよい。なお、金属膜の厚さは、少なくとも金属細線111の高さtを満足する厚さとする。
The
具体的には、金属膜601上にワイヤグリッド110のピッチPiに相当するピッチの凹凸形状に加工された樹脂レジスト602をマスクとして形成した後(図4(b))、該金属膜601をエッチング加工すればよい(図4(c))。樹脂レジスト602のパターニングは、極紫外レーザを用いた干渉露光法、電子線リソグラフィを用いた製造方法が一般的に使用できる。樹脂レジストの他の作製技術としては、ワイヤグリッドの各金属細線111によって形成される断面凸形状を反転させた断面凹形状を有するモールドを用いて、紫外線硬化樹脂や熱硬化性樹脂を成形することでパターニングする方法が挙げられる。次に、パターニングされた樹脂レジスト602をマスクとして用いて、金属膜601をエッチング加工して複数の金属細線111からなるワイヤグリッド110とする。ここで、樹脂と金属の微細加工に適したドライエッチング条件、または、金属膜溶解液およびウェットエッチング条件を適宜調整する。ドライエッチングや金属膜溶解やウェットエッチングは、何れも所望のピッチPi、ワイヤ幅w、厚さtを有するワイヤグリッド110をエッチング加工で作製する方法である。
Specifically, a resin resist 602 processed into a concavo-convex shape with a pitch corresponding to the pitch Pi of the
また、以下にワイヤグリッド110の他の作製方法を示す。反射防止層130の上に、図5(a)に示されるような、ワイヤグリッド110の各金属細線111が形成される位置に当該金属細線111の形状に合致する形状の断面凹形状を有するようパターニングされた樹脂レジスト603を、各凹形状の深さが金属細線111の厚さt以上となるように形成する。樹脂レジスト603のパターニングは、樹脂レジスト602と同様の方法を用いればよい。ここで、反射防止層130上の樹脂レジスト603の凹形状位置にも樹脂レジストが残留する場合、アルゴンに酸素ガスが混合されたガスを用いた反応性ドライエッチングを行って、残留する樹脂レジストを排除する。これにより、反射防止層130の表面に、金属細線111の形状(特に、幅と高さ)に対応する開口部6031が設けられた状態になる。次に、ワイヤグリッド110の金属細線111の材料となる金属膜604を所定の膜厚tとなるように、パターニングされた樹脂レジストの凹形状位置を含む全面に成膜する(図5(b))。最後に、樹脂レジスト603を有機溶剤で剥離(リフトオフ)することにより、所望のピッチPi、ワイヤ幅w、厚さtを有する複数の金属細線111からなるワイヤグリッド110を反射防止層130上に作製できる(図5(c))。
Further, another manufacturing method of the
なお、上記実施形態では、ワイヤグリッド110の間隙部120の充填材が空気(屈折率n1=1.0)の場合を例に説明したが、間隙部120の充填材は空気以外であってもよい。そのような場合であっても、反射防止層130は間隙部120の充填材との界面に対し、上述した反射防止条件を満たすように構成されていればよい。なお、例えば、間隙部120は、反射防止層130の材料に用いた多孔質材料で充填されてもよい。その場合は、n1を充填材の上層に位置する媒質である空気の屈折率として、充填材を(2)式により規定される屈折率nまたはそれ以下の屈折率を有する多孔質材料とすればよい。
In the above embodiment, the case where the filler in the
ワイヤグリッド110の間隙部120の充填材は、各媒質の界面で上記の反射防止条件を満たしやすいよう、低屈折率材料が好ましい。なお、充填材は、反射防止層130の材料に用いた多孔質材料に限定されず、例えば、別の多孔質材料であってもよい。ワイヤグリッド110の間隙部120が多孔質材料層等の固体で充填されれば、金属細線111の変形防止や防傷に役立つとともに、金属細線111が外気に接する面積が減るため高温高湿度環境下での耐久性も向上できる。
The filler in the
実施形態2.
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。以下では、本発明によるワイヤグリッド型偏光子を利用した光源モジュールについて説明する。図6は、本実施形態の光源モジュールの例を示す模式断面図である。図6に示すLED光源200aは、表面実装型のLED光源に、第1の実施形態のワイヤグリッド型偏光子100を組み合わせた例である。図6に示すLED光源200aは、リードフレーム等が実装された基材210上に発光素子であるLEDチップ220が実装されている。また、本例では、基材210と側壁部230とが、LEDチップ220から放射された光の波長を変換する蛍光体を充填するための容器を形成している。該容器内には、蛍光体240が充填されているとともに、該容器を構成している基材210および側壁部230の内表面のうち少なくとも蛍光体240と接する部分が、反射部材250で覆われている。そして、容器内に充填された蛍光体240の光出射面を封止するように、ワイヤグリッド型偏光子100が、側壁部230の上端に固定されている。なお、図6では、LEDチップ220の電極配線や基材210上のリードフレームは図示省略した。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, a light source module using the wire grid polarizer according to the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the light source module of the present embodiment. An
蛍光体240は、例えば、大きさが1μm〜30μm程度の無機蛍光体微粒子粉末をシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの封止樹脂に分散したものであってもよい。
For example, the
例えば、青発光のLEDチップ220(例えば、GaInNを用いたLEDチップ)を用いる場合、蛍光体240として、黄色蛍光を用いることで白色LEDとなる。黄色蛍光は、例えば、Y3Al5O12:Ce(簡易的な記載はYAG:Ce)などが使用できる。また、紫外から紫発光のLEDチップ220(例えば、GaInNを用いたLEDチップ)を用いる場合、蛍光体240として、青色蛍光と黄色蛍光の混合体または青色蛍光と緑色蛍光と赤色蛍光体の混合体を用いることで白色LEDとなる。青色蛍光(紫外励起蛍光体)は、例えば、(Sr,Ca,Ba)10(PO4)6Cl2:EuやSr10(PO4)6Cl2:Euなどが使用できる。また、緑色蛍光は、例えば、(Ba,Sr,Mg)2SiO4:Eu,MnやSr3Si13Al3O2N21:Euや3(Ba,Mg)O・8Al2O3:Eu,Mnなどが使用できる。また、赤色蛍光は、例えば、Sr2Si7Al3ON13:Euや組成La2O2S:Euなどが使用できる。他に種々のLEDチップと蛍光体の組み合わせがある。
For example, when a blue light emitting LED chip 220 (for example, an LED chip using GaInN) is used, a yellow LED is used as the
容器(基材210および側壁部230)は、樹脂成形品がコスト面で有利であるが、LEDチップ220の光出力が高い場合には、ガラスやセラミックスなどの耐熱性および放熱性の高い材料を用いるのが好ましい。なお、図6に示す例では、容器の底面部でもある基材210と、側壁部230とを別々の部材としているが、これらは一体型の容器であってもよい。
For the container (
なお、容器の材料としてアルミナセラミックスを用いた場合、可視波長域の反射率が約75%に留まる。そのような場合には、より高い反射率を得るために上述した反射部材250を備える構成が好ましい。
When alumina ceramics is used as the material for the container, the reflectance in the visible wavelength region remains at about 75%. In such a case, a configuration including the above-described reflecting
LEDチップ220の発光301および蛍光体240の蛍光発光302は拡散光であるので、蛍光体240に接する部位(基材210(リードフレーム含む)および側壁部230の内表面等)を高い反射率を有する部材で覆うことにより、光を効率よく前方(図6の−Z方向)に出射させることができる。例えば、反射部材250として、樹脂に、固体散乱材として、酸化チタン、アルミナ、酸化亜鉛などの微粒子を混ぜたものを用いてもよい。このような部材を用いれば、可視波長光に対して80〜90%の反射率が得られる。また、銀系の部材(銀の反射膜等)を用いれば、90%以上の高い反射率を得られる。なお、容器自体を、上述したような反射率の高い部材で形成することも可能である。
Since the
また、例えば、屈折率差の大きなガラスフリット(ガラス微粉末)とセラミックスフィラーを原材料に用い、低温焼成によりガラスとセラミックスの複合体であるガラスセラミックスで容器を作製してもよい。具体例として、旭硝子社製のGCHP(Glass-Ceramics Substrate for High-Power LED Lighting)が挙げられる。GCHPは可視波長域で約95%の高い反射率を有する。このような部材を用いれば、別途反射部材250を設けることなく、光取出し効率の高いLED光源を実現できる。また、銀の反射膜の経時的反射率劣化に起因した光取り出し効率の低下が無いため、安定した出射光量を得られる効果もある。
Further, for example, a glass frit (glass fine powder) having a large refractive index difference and a ceramic filler may be used as raw materials, and the container may be made of glass ceramics which is a composite of glass and ceramics by low-temperature firing. A specific example is GCHP (Glass-Ceramics Substrate for High-Power LED Lighting) manufactured by Asahi Glass. GCHP has a high reflectivity of about 95% in the visible wavelength region. If such a member is used, an LED light source with high light extraction efficiency can be realized without providing a separate reflecting
また、例えばリードフレームの表面には、反射部材250として、反射率の高い銀系やニッケル系のメッキが施されるのが好ましい。
For example, the surface of the lead frame is preferably subjected to silver or nickel plating having a high reflectance as the reflecting
また、図6に示す例では、単一のLEDチップ220が基材210に実装されているが、出射光量を増やすために複数のLEDチップ220が基材210に実装されていてもよい。
In the example shown in FIG. 6, the
また、図7に示すLED光源200bのように、蛍光体240を容器内全体に充填せずに、LEDチップ220の前方平坦表面にのみ塗布してもよい。チップ側面からの出射光を抑制しチップ表面からの前方出射光が主となるようなLEDチップ220を用いる場合、LEDチップ220の前方平坦表面にのみ蛍光体240を設ける構造が、高い発光密度が維持でき好ましい。
Moreover, you may apply | coat only to the front flat surface of the
LEDチップ220の発光301および蛍光体240の蛍光発光302がランダム偏光の場合、ワイヤグリッド型偏光子100に入射する光のうち、金属細線111の長手方向に直交する電場ベクトルを有するP偏光成分の光は、ワイヤグリッド110を透過して前方に出射するP偏光の光303となる。一方、ワイヤグリッド型偏光子100に入射した光のうち、金属細線111の長手方向の電場ベクトルを有するS偏光成分の光は、ワイヤグリッド110で反射されて蛍光体240に再入射するS偏光の光304となる。該S偏光の光304は、その後、蛍光体240中の蛍光体微粒子との相互作用による光散乱や、基材210、側壁部230または反射部材250との反射などにより、S偏光が偏光解消されて再びワイヤグリッド型偏光子100に入射するP偏光の光305に変換される。該P偏光の光305は、ワイヤグリッド110を透過してそのまま前方に出射される。なお、ワイヤグリッド110で反射された光304の中にはS偏光の光を維持するものもある。光304がS偏光の光を維持したままワイヤグリッド型偏光子100に再び入射した場合、ワイヤグリッド110で反射されて蛍光体240に再入射するS偏光の光304となる。
In the case where the
すなわち、その光がLEDチップ220からの発光301であるか、蛍光体240からの蛍光発光302であるか、または過去にワイヤグリッド110で反射された光304であるかにかかわらず、ワイヤグリッド型偏光子100に入射する光のうちのP偏光成分の光はワイヤグリッド110を透過して外部に出射される。一方、S偏光成分の光は、P偏光に変換されるまで容器内に閉じ込められる。なお、該S偏光成分の光が、容器内での反射および光散乱を経てP偏光の光となって再びワイヤグリッド型偏光子100に入射されれば、ワイヤグリッド110を透過して外部に出射される。したがって、可視波長域で光吸収の少ない蛍光体240と、P偏光透過率およびS偏光反射率の高いワイヤグリッド型偏光子100とを用いることにより、効率よくP偏光の光(光303および光305)を出射するLED光源が得られる。
That is, regardless of whether the light is the
例えば、LED光源200aから出射するP偏光の光の取り出し効率Ip_outを、ワイヤグリッド型偏光子100を用いない従来のLED光源のP偏光の光の取り出し効率Ip_nowgに対する光量比で表すと、以下の式(3)のように表される。式(3)において、Ip_inはLEDチップ220の発光301および蛍光体240の蛍光発光302におけるP偏光成分比率を表す。また、Tp_wgおよびRs_wgはそれぞれワイヤグリッド型偏光子100のP偏光透過率およびS偏光反射率を表す。また、R_pkgは蛍光体240と容器の界面における反射率を表す。なお、R_pkgは、反射部材250やLEDチップ220の面積、およびそれらの反射率を考慮した反射率に対応する。また、T_phは、蛍光体の透過率を表す。なお、T_phは、100%から蛍光体240の光吸収率を差し引いたものでよい。また、ηpは、蛍光体微粒子の光散乱や反射部材250の光散乱により、反射光304(ほぼS偏光成分の光)がP偏光の光に変換される確率を表す。
For example, when the extraction efficiency I p_out of P-polarized light emitted from the
Ip_out=[Ip_in・Tp_wg/{1−Rs_wg・R_pkg・T_ph・ηp}]/Ip_nowg
・・・式(3)
Ip_out = [ Ip_in * Tp_wg / {1- Rs_wg * R_pkg * T_ph * (eta) p }] / Ip_nowg
... Formula (3)
以下、具体例を示す。Ip_inおよびIp_nowgは、例えば、LEDチップ220からの発光301および蛍光体240からの蛍光発光302が完全ランダム偏光の場合、0.5(50%)とすればよい。また、ηpは、例えば、容器界面などでの反射および蛍光体微粒子や反射部材での光散乱により、ワイヤグリッド型偏光子に再入射する光が偏光解消されて完全なランダム偏光になる場合には、0.5(50%)とすればよい。このような前提の下、例えば、Ip_in=0.5(50%)、Tp_wg=0.95(95%)、Rs_wg=0.98(98%)、R_pkg=0.85(85%)、T_ph=0.98(98%)、ηp=0.5(50%)であるとすると、Ip_out=1.61となる。
Specific examples are shown below. I p_in and I p_nowg may be set to 0.5 (50%), for example, when the
すなわち、ランダム偏光が出射されるLEDチップ220を搭載した従来のLED光源の場合、該LED光源から得られるP偏光成分の出射光は発光の50%であるが、LED光源200aによれば、ワイヤグリッド型偏光子100を備えることによって、従来のLED光源の約1.61倍である約80%のP偏光成分の出射光が得られる。
That is, in the case of a conventional LED light source equipped with an
さらに、比較対象として、ワイヤグリッド型偏光子100の代わりに従来のワイヤグリッド型偏光子を用いた場合、Tp_wg=0.9(90%)、Rs_wg=0.98(98%)と見積もったとしても、Ip_out=1.52となり、76%のP偏光成分の出射光が得られるに留まり、波長480nm以下の青色波長域ではさらに低い。このように、反射防止層130を備えることにより、S偏光反射率が高いだけでなくP偏光透過率も高くできる本発明のワイヤグリッド型偏光子をLED光源の光取り出し用途に使用すれば、P偏光成分の光を効率よく取り出せるLED光源が得られる。
Furthermore, as a comparison object, when a conventional wire grid polarizer is used instead of the
次に、本実施形態のLED光源の使用例をいくつか示す。本実施形態のLED光源は、例えば、バックライトからの光を、偏光板を用いて直線偏光の光に変換して液晶層に入射させるような液晶表示装置のバックライトに好適である。LED光源から出射される光の多くをP偏光成分の光にできるので、偏光板による吸収偏光成分を低減できる。したがって、同じ表示輝度を得るのに必要なLED光源の消費電力を削減できるとともに、偏光板の光吸収に伴う発熱を低減でき、また液晶表示装置の冷却に関わるコストも削減できる。 Next, some usage examples of the LED light source of this embodiment will be shown. The LED light source of the present embodiment is suitable for a backlight of a liquid crystal display device that converts light from a backlight into linearly polarized light using a polarizing plate and enters the liquid crystal layer, for example. Since most of the light emitted from the LED light source can be converted to P-polarized component light, the absorbed polarized component by the polarizing plate can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the LED light source necessary for obtaining the same display luminance, to reduce the heat generated by the light absorption of the polarizing plate, and to reduce the cost for cooling the liquid crystal display device.
また、本実施形態のLED光源を、例えば、小型の透過型液晶表示素子や反射型液晶表示素子を用いた投射型表示装置の光源として用いても、同様の効果が得られる。 Further, even when the LED light source of the present embodiment is used as a light source of a projection display device using a small transmissive liquid crystal display element or a reflective liquid crystal display element, for example, the same effect can be obtained.
また、例えば、本実施形態のLED光源は、プロジェクタの光源や屋内照明用の光源にも好適である。そのような場合に、本実施形態のLED光源から出射される光がスクリーンや窓ガラスなどの透明な部材界面に斜入射するときに当該界面において反射率の低いP偏光の入射光になるように、LED光源を配置するのが好ましい。これにより、映り込みなどの迷光となるS偏光の界面反射光の強度を低減でき、視認性が向上する。 Further, for example, the LED light source of the present embodiment is also suitable as a light source for a projector or a light source for indoor lighting. In such a case, when the light emitted from the LED light source of the present embodiment is obliquely incident on a transparent member interface such as a screen or a window glass, it becomes P-polarized incident light having a low reflectance at the interface. It is preferable to arrange an LED light source. Thereby, the intensity | strength of the S-polarized interface reflected light used as stray light, such as a reflection, can be reduced, and visibility improves.
また、図8は、本実施形態のLED光源の他の例を示す模式断面図である。図8に示すLED光源200cは、光源となる発光素子であるLEDチップ220と蛍光体とが離れて配置される、いわゆる「リモートフォスファー」と呼ばれる構成のLED光源の例である。より具体的には、LED光源200cは、容器の中空部260に蛍光体を充填しないで大気層とし、また光取り出し用のワイヤグリッド型偏光子100cの透明基材を、蛍光体が形成された基板である蛍光体含有基板270とした上で、ワイヤグリッド型偏光子100cをLEDチップ220と離して配置している。また、図8に示すLED光源200cでは、さらに、蛍光体含有基板270のLEDチップ220側の面上にダイクロイックミラー層280が形成されている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing another example of the LED light source of the present embodiment. An
LEDチップ220と離れた位置に蛍光体(より具体的には蛍光体含有基板270)を配置することにより、LEDチップ220の発熱が蛍光体に直接影響しなくなり、温度上昇に伴う蛍光体の蛍光発光効率の低下を抑制できる。また、後述するように、LEDチップ220に入射する蛍光体からの蛍光発光を減らす構成が可能なため、蛍光吸収に伴うLEDチップ220の発熱も抑制できる。
By disposing the phosphor (more specifically, the phosphor-containing substrate 270) at a position away from the
蛍光体含有基板270は、例えば、ガラスや樹脂などの透明基板中に蛍光体が均一に分散された形態や、透明基板のLEDチップ220側の表面に蛍光体が塗布された形態や、蛍光体を2枚の透明基板により狭持した形態など、種々の構成が可能である。図9(a)および図9(b)は蛍光体含有基板270の例を示すワイヤグリッド型偏光子100cの模式構成図である。図9(a)は、2枚の透明基板271a、271bにより蛍光体240を狭持する構成の蛍光体含有基板270を有するワイヤグリッド型偏光子100cの例である。例えば、蛍光体含有基板270は、片面に反射防止層130およびワイヤグリッド110が形成されたガラスなどの透明基板271aと、片面にダイクロイックミラー層280が成膜されたガラスなどの透明基板271bとにより、蛍光体240が均一厚に狭持された構成であってもよい。また、図9(b)は、透明基板271のLEDチップ220側の表面に蛍光体240が塗布された構成の蛍光体含有基板270を有するワイヤグリッド型偏光子100cの例である。例えば、蛍光体含有基板270は、片面に反射防止層130およびワイヤグリッド110が形成されたガラスなどの透明基板271の他方の表面に、蛍光体240を均一厚に塗布し、その蛍光体240の表面にダイクロイックミラー層280が成膜された構成であってもよい。
The phosphor-containing
ここで、蛍光体含有基板270に使用される蛍光体以外の材料(例えば、透明基板271,271a,271bの材料)は、LEDチップ220の発光波長および蛍光体の蛍光発光波長に対して光吸収が少ないものが好ましい。また、蛍光体含有基板270は、内部で光散乱が生じて偏光状態が変化する構造を有しているのが好ましい。また、ワイヤグリッド型偏光子100c内の反射防止層130とダイクロイックミラー層280との間の光路中に、可視波長域用の1/4波長板などを配置し、積極的に偏光状態を変化させてもよい。
Here, materials other than the phosphor used for the phosphor-containing substrate 270 (for example, the materials of the
ダイクロイックミラー層280は、蛍光体含有基板270のLEDチップ220側の最表面、すなわち中空部260と接する面に形成される光学的機能層であって、蛍光体含有基板270と中空部260との界面において、LEDチップ220の発光301の反射を防止する後方反射防止機能と、同界面において、蛍光体含有基板270に含まれる蛍光体の蛍光発光302を反射させる前方反射機能とを有している。ダイクロイックミラー層280は、例えば、LEDチップ220の発光波長に対しては高い透過性能を発現するとともに、蛍光体含有基板270に含まれる蛍光体の蛍光発光波長に対しては高い反射性能を発現するよう構成された光学多層膜が好ましい。
The
例えば、GaInN等の半導体材料により発光波長域が430nm〜510nm(青色)であるLEDチップ220と、生成される蛍光発光の波長域が510nm〜670nm(黄色)であるYAG:Ce等の蛍光体240とを用いる場合、ダイクロイックミラー層280は、波長430nm〜500nmの透過率が95%以上で、波長520nm〜670nmの反射率が95%以上の光学多層膜であればよい。また、例えば、GaInN等の半導体材料により発光波長域が350nm〜400nm(紫外〜紫)であるLEDチップ220と、青色蛍光と黄色蛍光との混合体または青色蛍光と緑色蛍光と赤色蛍光体との混合体等により可視波長域430nm〜670nmの蛍光発光を生成する蛍光体240とを用いる場合、ダイクロイックミラー層280は、波長350nm〜410nmの透過率が95%以上で、波長430nm〜670nmの反射率が95%以上の光学多層膜であればよい。これらの条件を満たすようなダイクロイックミラー層280は、例えば、高屈折率誘電体薄膜と低屈折率誘電体薄膜とを、各光学的膜厚が入射光の波長以下で、交互に20〜60層程度に積層成膜することにより、得られる。このような光学多層膜は、当業者にとって公知の設計および作製技術であるため、説明省略する。
For example, an
また、蛍光体含有基板270は、側面から外部に出射する光を低減するため、側面にもLEDチップ220の発光301および蛍光体含有基板270に含まれる蛍光体の蛍光発光302を反射する反射部材(図示せず)が形成されているのが好ましい。
In addition, since the phosphor-containing
また、容器内の中空部260を満たす気体は、空気など、LEDチップ220からの発熱を外界に効率よく放熱できるものが好ましい。なお、ダイクロイックミラー層280および蛍光体含有基板270を含む他の部材も、高い放熱性を有しているとより好ましい。なお、容器内の中空部260を透明樹脂で充填してもよい。この場合、LEDチップ220の発熱が蛍光体含有基板270中の蛍光体に直接伝わるため冷却効果が低下するが、LEDチップ220内で発光されたが気体との界面における全反射によりLEDチップ220から出射されなかった光を利用できるため光利用効率が向上する。すなわち、LEDチップの光取り出し効率向上と、蛍光体の発熱に伴う蛍光発光効率低下を抑制する放熱の観点から、容器内の中空部260を最適設計すればよい。
The gas filling the
図8に示すLED光源200c内において、LEDチップ220の発光301は、ダイクロイックミラー層280を透過して蛍光体含有基板270に入射する。蛍光体含有基板270に入射した光の少なくとも一部は、蛍光体含有基板270内の蛍光体を励起して蛍光体の蛍光発光波長の光(蛍光発光302)に変換される。このとき、蛍光体含有基板270に入射したLEDチップ220の発光301の一部や蛍光体の蛍光発光302の一部は、蛍光体含有基板270内において前方に向かう光となる。該光は、反射防止層130を通過してワイヤグリッド110に入射する。ワイヤグリッド110に入射した光のうち、金属細線111の長手方向に直交する電場ベクトルを有するP偏光成分は、ワイヤグリッド110を透過してP偏光の光303となって出射される。一方、ワイヤグリッド110に入射した光のうち、金属細線111の長手方向の電場ベクトルを有するS偏光成分は、ワイヤグリッド110で反射されて蛍光体含有基板270に再入射するS偏光の光304となる。ワイヤグリッド110による反射光である光304は、その後、蛍光体含有基板270中の蛍光体微粒子との相互作用による光散乱や、ダイクロイックミラー層280による反射などにより、S偏光の光が偏光解消されて再び反射防止層130およびワイヤグリッド110に入射するP偏光の光305となって、そのままワイヤグリッド110を透過して前方に出射される。
In the
本例の場合、前方に向かう発光301および蛍光発光302のうちワイヤグリッド型偏光子100から見てP偏光成分の光はワイヤグリッド110を透過して外部に出射される。一方、S偏光成分の光は、そのほとんど(例えば、98%以上)がP偏光に変換されるまで蛍光体含有基板270内に閉じ込められる。なお、該S偏光成分の光は、蛍光体含有基板270内での反射を経て前方に向かうP偏光成分の光となり、ワイヤグリッド110を透過して外部に出射される。したがって、ワイヤグリッド型偏光子100cのように、可視波長域で光吸収の少ない蛍光体を有し、かつワイヤグリッド110と蛍光体含有基板270の界面におけるP偏光透過率およびS偏光反射率の高いワイヤグリッド型偏光子を用いることにより、効率よくP偏光の光(光303および光305)を出射するLED光源が得られる。
In the case of this example, the light of the P-polarized component of the
実施形態3.
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。以下では、上述したワイヤグリッド型偏光子を利用した偏光ビームスプリッタを備える投射型表示装置について説明する。図10は、本実施形態にかかる投射型表示装置の例を示す構成図である。図10に示す投射型表示装置400は、RGB光源ユニット410と、偏光ビームスプリッタとして機能するワイヤグリッド型偏光子420と、RGB対応の1/4波長板430と、MEMSスキャナ440とを備える。
Embodiment 3. FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Below, a projection type display apparatus provided with the polarization beam splitter using the wire grid type polarizer mentioned above is explained. FIG. 10 is a configuration diagram illustrating an example of a projection display device according to the present embodiment. A projection display device 400 shown in FIG. 10 includes an RGB
RGB光源ユニット410は、青色(B)、緑色(G)、赤色(R)の3色の直線偏光の光を同じ光軸に合波して出射する光源ユニットである。RGB光源ユニット410は、例えば、青色(B)、緑色(G)、赤色(R)の各々に対応した3個のレーザ光源と、それらレーザ光源からの直線偏光の出射光を所定の光路上に導く光源光学系とを含む。ここで、青色(B)は450nm±10nmすなわち440nm〜460nm、緑色(G)は520nm±15nmすなわち505nm〜535nm、赤色(R)は638nm±15nmすなわち623nm〜653nmの範囲の波長である。
The RGB
本実施形態のワイヤグリッド型偏光子420は、基本的には第1の実施形態のワイヤグリッド型偏光子100と同様である。なお、ワイヤグリッド型偏光子420は、既に説明したように、投射型表示装置400において偏光ビームスプリッタとして機能する。すなわち、入射されるRGB光を、その偏光成分によって分岐させる機能を有する。より具体的には、入射されるRGB光のうちのS偏光成分の光を反射し、P偏光成分の光を透過する。
The
1/4波長板430は、ワイヤグリッド型偏光子420で反射されたS偏光のRGB光がMEMSスキャナ440に入射した後反射され、当該1/4波長板430を往復透過した際にP偏光のRGB光に変換されるように、1/4波長の位相差を生じさせるものであればよい。
The quarter-
MEMSスキャナ440は、MEMS技術により形成されるマイクロメカニカルミラーなどであって、スクリーン450の表示面に光を走査するために用いられる。なお、MEMSスキャナ440の代わりに、横方向に光を走査させる第1スキャンミラーと、縦方向に光を走査させる第2スキャンミラーとを備える構成であってもよい。また、第1スキャンミラーと第2スキャンミラーにはガルバノミラーを用いてもよく、1つのミラーをガルバノミラー他の1つのミラーをマイクロメカニカルミラーとしてもよい。
The
なお、一般的な偏光ビームスプリッタを利用した投射型表示装置の構成には種々あり、例えば、特許第4856758号明細書にもいくつか記載されている。本実施形態の投射型表示装置400は、偏光ビームスプリッタ以外の構成要素については特に限定されない。 There are various configurations of a projection type display device using a general polarization beam splitter, and some examples are described in, for example, Japanese Patent No. 4856758. The projection display device 400 of the present embodiment is not particularly limited with respect to the components other than the polarization beam splitter.
投射型表示装置400は、RGB光源ユニット410から出射したRGBの直線偏光の光(図10の光501)がワイヤグリッド型偏光子420に対してS偏光(電場ベクトルが図10のY軸方向)の光となるように、RGB光源ユニット410およびワイヤグリッド型偏光子420が配置される。そのようにすると、RGB光源ユニット410から出射される光501のほとんど(例えば、98%以上)は、ワイヤグリッド型偏光子420のワイヤグリッド110で反射されて1/4波長板430に入射する(図10の光502)。1/4波長板430に入射した直線偏光の光502は、円偏光に変換された後、MEMSスキャナ440に入射する。MEMSスキャナ440は駆動電源(図示せず)の電気信号に応じて、紙面に垂直な軸(Y’軸)と紙面内の軸(X’軸)を中心とする2軸の回転振動をしながら、入射した光を反射する。MEMSスキャナ440によって反射された光(RGBに対応する円偏光の光)は、再び1/4波長板430を透過することによって直線偏光の光に変換されて、ワイヤグリッド110におけるP偏光の光503となってワイヤグリッド型偏光子420に入射する。ワイヤグリッド型偏光子420に入射したP偏光の光は、ワイヤグリッド110を透過して、スクリーン450上を水平方向および垂直方向に走査する(図10の光503)。
In the projection display apparatus 400, RGB linearly polarized light (light 501 in FIG. 10) emitted from the RGB
光503は、MEMSスキャナ440の走査信号に同期して、外部から入力される映像信号に応じて高速に点灯駆動される。その結果、スクリーン450上の紙面水平方向に±Φh°および垂直方向に±Φv°の走査カラー画像が生成される。なお、ワイヤグリッド型偏光子420および1/4波長板430は、走査カラー画像の光503が照射される領域を少なくとも有効面積とする素子サイズであればよい。
The light 503 is driven to be lit at high speed in accordance with a video signal input from the outside in synchronization with the scanning signal of the
ところで、投射型表示装置に用いられる偏光ビームスプリッタの多くは、光学多層膜によるP偏光透過とS偏光反射を利用するものである。例えば、偏光ビームスプリッタが平板タイプであった場合、すなわちガラス等の平板にS偏光反射機能とP偏光透過機能とを有する光学多層膜を成膜する構成であった場合、RGBの広い波長帯域で高いS偏光反射かつP偏光透過の特性実現が困難であった(課題1)。また、例えば、偏光ビームスプリッタが2つの直角二等辺三角形柱ガラスの一方の斜面に光学多層膜を成膜し、斜面を貼り合わせた構造であった場合、MEMSスキャナ440の反射面と平行な空気とガラスとの界面による残留反射がスクリーン上に固定輝点として残留して、迷光ノイズが発生する問題があった(課題2)。
By the way, most of the polarization beam splitters used in the projection display device utilize P-polarized light transmission and S-polarized light reflection by the optical multilayer film. For example, when the polarizing beam splitter is of a flat plate type, that is, when an optical multilayer film having an S-polarized reflection function and a P-polarized light transmission function is formed on a flat plate such as glass, it has a wide wavelength band of RGB. It was difficult to realize high S-polarized reflection and P-polarized light transmission characteristics (Problem 1). For example, when the polarizing beam splitter has a structure in which an optical multilayer film is formed on one inclined surface of two right-angled isosceles triangular prism glasses and the inclined surfaces are bonded together, air parallel to the reflecting surface of the
本実施形態の投射型表示装置400は、このような従来の課題を、偏光ビームスプリッタとしてワイヤグリッド型偏光子420を利用することで解決している。なお、本実施形態では、ワイヤグリッド型偏光子420は、RGB光源ユニット410からの光501(光束径約1mm)が当該ワイヤグリッド型偏光子420へ入射される領域(以下、光束面積という)をカバーする範囲(例えば、光束径に対して1〜1.5倍の領域内)に限定してワイヤグリッド110を形成する。なお、光501が入射されない領域(例えば、周辺領域)にはワイヤグリッド110を形成しない。なお、反射防止層130は全面に形成されることが好ましい。
The projection display apparatus 400 of the present embodiment solves such a conventional problem by using a
例えば、ワイヤグリッド型偏光子420は、透明基材140上の全面に形成された反射防止層130上のRGB光源ユニット410から出射される光501の光軸を中心とする直径1.5mmの範囲のみに、ワイヤグリッド110を形成してもよい。また、例えば、ワイヤグリッド110を、スクリーン450における走査の水平方向に対応するX軸方向では光軸を中心に幅1.5mmの範囲内、スクリーン450における走査の垂直方向に対応するY軸方向ではMEMSスキャナ440で走査される光束幅相当の範囲内にのみ形成してもよい。
For example, the
このようにワイヤグリッド110の形成範囲を限定することにより、RGB光源ユニット410からの広い波長帯域のS偏光の光501およびMEMSスキャナ440からの広い入射角範囲のP偏光の光503に対しても、効率の高い偏光ビームスプリッタとして使用できる。
By limiting the formation range of the
以下、図10を参照しながら具体例を用いて説明する。例えば、RGB光源ユニット410から出射される光は、光束径が約1mmのRGBレーザ光であるとする。また、当該光は、紙面に垂直な方向(図10のY軸方向)の直線偏光の光であって、紙面に平行な面内(図10のX−Z面内)を進みながら、反射防止層130の面上の一部の領域にのみ形成されているワイヤグリッド110に対して、入射角θ=35°かつS偏光の光として入射するものとする(図10の光501参照)。
Hereinafter, a specific example will be described with reference to FIG. For example, it is assumed that light emitted from the RGB
上記例において、ワイヤグリッド110が形成されている領域に入射する光501は、ワイヤグリッド110のS偏光反射率に従い、そのほとんど(例えば、98%以上)が反射されて、1/4波長板430に入射する(図10の光502)。その後、光502は、1/4波長板430で円偏光に変換されて、MEMSスキャナ440に入射する。その後、円偏光となった光は、MEMSスキャナ440で反射されて1/4波長板430により直線偏光の光に変換されて、ワイヤグリッド110におけるP偏光の光503となってワイヤグリッド型偏光子420に再び入射する。
In the above example, most of the light 501 incident on the region where the
この時、MEMSスキャナ440のミラー回転角度に応じて、ワイヤグリッド型偏光子420に入射するP偏光の光503の入射角および入射位置が変化する。ここで、例えば、光503のワイヤグリッド型偏光子420への入射角θが、上記MEMSスキャナ440のミラー回転角度に応じて、紙面に平行な方向(図10のX軸方向)で35°±24°の範囲(例えば、光503aではθ=35°+24°=59°、光503cではθ=35°−24°=11°等)で変化し、紙面に垂直な方向(図10のY軸方向)で0°±16°の範囲で変化するとする。このような場合であっても、ワイヤグリッド110が形成される領域が、例えば光501が入射する位置から直径1.5mmの範囲に限定されていれば、ワイヤグリッド110へ入射する光503の入射角の変化は、紙面に平行な方向で35°±5°以内、紙面に垂直な方向で0°±5°以内に収まる。このように、ワイヤグリッド110に入射する光503bの入射角θを小さく、かつθの角度範囲を狭くできるので、ワイヤグリッド110に入射するP偏光の光のほとんど(例えば、90%以上)を透過できる。
At this time, the incident angle and the incident position of the P-polarized
一方で、ワイヤグリッド型偏光子420に入射する光503のうち、ワイヤグリッド110が形成されていない領域に入射する光(例えば、光503a,503c等)は、反射防止層130が空気と透明基材140との界面反射を抑制する反射防止膜として機能するため、そのほとんど(例えば、95%以上)がワイヤグリッド型偏光子420を透過できる。
On the other hand, among the light 503 incident on the
また、本実施形態の投射型表示装置400は、上述した課題2も解決している。すなわち、本実施形態の投射型表示装置400によれば、迷光ノイズとなる固定輝点は以下に理由により発生しない。 Moreover, the projection type display apparatus 400 of this embodiment has also solved the above-described problem 2. That is, according to the projection display apparatus 400 of the present embodiment, the fixed bright spot that becomes the stray light noise does not occur for the following reason.
本実施形態の投射型表示装置400では、MEMSスキャナ440の反射面が駆動により傾斜するが、その傾斜角は紙面に平行な方向(図10のX’軸方向)で0±12°、紙面に垂直な方向(図10のY’軸方向)で0°±8°程度である。このため、ワイヤグリッド型偏光子420と空気との界面での傾斜角と等しくなることはない。すなわち、MEMSスキャナ440の反射面とワイヤグリッド型偏光子420の透明基材140の表面とが平行な関係にないため、当該界面での残留反射光がスクリーン上の固定輝点として投射されることは無い。
In the projection display device 400 of the present embodiment, the reflection surface of the
なお、さらに好ましい形態として、1/4波長板430を、その空気界面による反射光がスクリーン上の固定輝点とならないように、例えば、MEMSスキャナ440の反射面の角度0°基準である、紙面に垂直な面(図10のX’Y’平面)に対し、該垂直方向の走査角度である0°±8°の範囲と一致しないよう傾斜して配置する。より具体的には、1/4波長板430の表面がY’軸に対して傾斜を有するように、1/4波長板を配置する。例えば、X’軸を回転中心としてY軸’に対して8°より大きな傾斜角となるように配置する。そのようにすれば、1/4波長板430の空気界面による反射光がスクリーン上に投影されるのを防止できる。
In addition, as a more preferable form, the
以上のように、本実施形態によれば、不要な迷光ノイズが無い投射像が得られるとともに、光利用効率が高く、小型な投射型表示装置を提供できる。 As described above, according to the present embodiment, a projection image free from unnecessary stray light noise can be obtained, and a small projection display device with high light utilization efficiency can be provided.
なお、上記説明では、入射角θ=35°で最良特性となるようにワイヤグリッド型偏光子420が設計される場合を例に説明したが、最良特性となる入射角の設定は35°以外であってもよい。例えば、45°であってもよい。なお、45°入射でも特性を維持するためには、微細加工の点で作製は難しくなるが、ワイヤグリッド110のピッチPiを狭くすればよい。
In the above description, the case where the
図11は、可視波長域に対するワイヤグリッド型偏光子420の最適入射角を35°とした場合の、ワイヤグリッド型偏光子420のS偏光反射率RsおよびP偏光透過率Tpの入射角依存性を示すグラフである。より具体的には、図10のX−Z面内、すなわち透明基材140の法線方向とワイヤグリッド110の金属細線111の短手方向とで規定される平面内での入射角がθxz面=35°である可視波長域の入射光に対し、高いP偏光透過率Tpが得られるよう、反射防止層130およびワイヤグリッド110の最適設計を行って得られたワイヤグリッド型偏光子420における、θxz面=25°、30°、35°、40°、45°の可視波長域の入射光に対する分光反射率(Rs)と分光透過率(Tp)の計算結果の例を示すグラフである。
FIG. 11 shows the incident angle dependence of the S-polarized light reflectance R s and the P-polarized light transmittance T p of the
図11によれば、入射角度によって偏光効率の波長依存性は異なるが、可視光波長領域の入射光であって入射角θxz面=35°±10°の範囲内であれば、高い偏光効率、すなわち高い分光反射率(Rs)および高い分光透過率(Tp)を有しているのがわかる。例えば、図11によれば、本例のワイヤグリッド型偏光子420は、波長445nm〜660nmの入射光であって、入射角θxz面=35°±10°の範囲内の入射光に対して、例えば、98%以上のS偏光反射率Rsと、約85%以上(波長平均で約95%)のP偏光透過率Tpとを有しているのがわかる。また、入射角θxz面=35°±5°の範囲内であれば、波長440nm〜660nmの入射光に対して、約90%以上(波長平均で約95%)のP偏光透過率Tpとなる。
According to FIG. 11, the wavelength dependence of the polarization efficiency varies depending on the incident angle, but if the incident light is in the visible wavelength region and the incident angle θ xz plane is within the range of 35 ° ± 10 °, the high polarization efficiency. That is, it has high spectral reflectance (R s ) and high spectral transmittance (T p ). For example, according to FIG. 11, the
なお、ワイヤグリッド型偏光子420を用いる以外にも、所定の入射角(例えば、35°)のRGB波長域の入射光に対し、S偏光反射率RsおよびP偏光透過率Tpがともに高い偏光ビームスプリッタ機能面が平板形状の基板の特定領域に形成された偏光ビームスプリッタであれば同様の効果が得られる。
In addition to the use of
また、図10には、画像生成手段として機能するMEMSスキャナ440と、1/4波長板430と、偏光ビームスプリッタとして機能するワイヤグリッド型偏光子420とを用いた投射型表示装置400の例が示されているが、本実施形態の投射型表示装置の構成はこれに限定されない。例えば、投射型表示装置は、MEMSスキャナ440と1/4波長板430に代えて、2次元画像を生成する反射型液晶表示素子を画像生成手段として用い、加えてワイヤグリッド型偏光子420の透過光の出射側に、該反射型液晶表示素子が生成した2次元画像をスクリーン450上に拡大結像する投射レンズを配置した構成であってもよい。
FIG. 10 shows an example of a projection display device 400 using a
反射型液晶表示素子として、例えば、画素毎に金属反射膜からなる電極が形成され、各電極に画像信号に応じた電圧を印加するCMOSトランジスタが接続された反射画素電極付きアクティブマトリクス・シリコン半導体基板と、透明電極が表示面全面に形成されたガラス基板とにより液晶層が狭持されたLCoS(Liquid Crystal on Silicon)を用いてもよい。LCoSは、透明電極の印加電圧を基準に画素電極に印加される電圧に応じて液晶層のリタデーション値が変化するため、電圧可変位相差板として機能する。 As the reflective liquid crystal display element, for example, an active matrix silicon semiconductor substrate with a reflective pixel electrode in which an electrode made of a metal reflective film is formed for each pixel, and a CMOS transistor that applies a voltage according to an image signal is connected to each electrode Alternatively, LCoS (Liquid Crystal on Silicon) in which a liquid crystal layer is sandwiched by a glass substrate having a transparent electrode formed on the entire display surface may be used. LCoS functions as a voltage variable phase difference plate because the retardation value of the liquid crystal layer changes according to the voltage applied to the pixel electrode with reference to the voltage applied to the transparent electrode.
このようなLCoSを備えた投射型表示装置400aの例を図12に示す。図12に示す投射型表示装置400aは、反射型液晶表示素子としてのLCoS460を備えている。なお、470は投射レンズである。図12に示す投射型表示装置400aにおいて、RGB光源ユニット410から出射された後、ワイヤグリッド型偏光子420で反射されたS偏光の光(図12の光束502’)が、LCoS460内の電圧設定がVoffの画素、すなわち入射光の波長λに対して液晶層のリタデーション値がゼロとなる電圧が印加された画素に入射した場合、該光は、該画素に形成されている反射画素電極で反射されて液晶層を往復透過するが、LCos460の入射前と出射後とで光の偏光状態は変わらない。したがって、該光は、S偏光の光のままLCoS460を出射し、再びワイヤグリッド型偏光子420に入射する。その結果、該光はワイヤグリッド110で反射されて、スクリーン450に到達しない。このため、Voffの画素は暗表示画素となる。なお、図12には、該光の例として光504’が示されている。
An example of a
一方、RGB光源ユニット410から出射されてワイヤグリッド型偏光子420で反射されたS偏光の光(図12の光束502’)が、LCoS460内の電圧設定がVonの画素、すなわち入射光の波長λに対して液晶層のリタデーション値がλ/4となる電圧が印加された画素に入射した場合、該画素に形成されている反射画素電極で反射されて液晶層を往復透過するが、LCoS460の入射前と出射後とで光の偏光状態が変化する。本例の場合、S偏光の光で入射した光はP偏光の光に変換されて出射される。したがって、該S偏光の光は、P偏光の光に変換されてLCoS460を出射し、再びワイヤグリッド型偏光子420に入射する。その結果、該光はワイヤグリッド110を透過し、スクリーン450に到達する。このため、Vonの画素は明表示画素となる。なお、図12には、該光の例として光503’が示されている。
On the other hand, S-polarized light (
なお、LCoS460への印加電圧を、VoffとVonの中間電圧にすると、液晶層のリタデーション値は0〜λ/4の範囲における中間値となる。この場合、該画素に入射した光は、該印加電圧に応じたS偏光成分とP偏光成分の比率を有する光となってLCoS460から出射され、ワイヤグリッド型偏光子420に再入射する。すると、該光のうちP偏光成分はワイヤグリッド110を透過し、S偏光成分はワイヤグリッド110を反射する。このように、ワイヤグリッド型偏光子420に再入射するLCoS460からの出射光のS偏光成分とP偏光成分の比率を、LCoS460における液晶層への印加電圧に応じて調整できるため、明暗の中間域である階調表示が可能となる。
If the voltage applied to
なお、図12に示すように、LCoSを用いる場合、偏光ビームスプリッタとして機能するワイヤグリッド型偏光子420は、ワイヤグリッド110を少なくともLCoS460の表示画素全面に照射された光束に対応した面積に形成する。すなわち、図12に示すように、LCoSを用いる場合、RGB光源ユニット410から、LCoS460の表示画素全面を覆う断面積を有する光束501’が出射される。このため、該光束501’がワイヤグリッド型偏光子420で反射されてLCoS460を往復透過した光束503’も、LCoS460の表示画素全面を覆う断面積を有する光束として、ワイヤグリッド型偏光子420のワイヤグリッド110に再入射する。該光束がワイヤグリッド型偏光子420のワイヤグリッド110に入射すると、各々の光に含まれるP偏光成分の比率に従い、ワイヤグリッド110を透過してP偏光の光束503’となって出射される。該光束503’が投射レンズ470によりスクリーン450上に拡大投影される。
As shown in FIG. 12, when LCoS is used, the
また、例えば、RGB光源ユニット410に、3個のRGBレーザ光源を用いる場合、出射光をコリメートレンズにより平行光に近い光にできるため、偏光ビームスプリッタとしてのワイヤグリッド型偏光子420に入射するRGB光源ユニット410からの出射光(例えば、光束501’)およびLCoS460からの出射光(例えば、光束503’)は、ワイヤグリッド型偏光子420に対して入射角θ=45°近傍となる。そのような場合には、入射角θ=45°の可視波長域の入射光に対し、偏光効率が最大となるように、すなわち、S偏光反射率RsおよびP偏光透過率Tpがともに高くなるように、設計を調整することが好ましい。具体的には、ワイヤグリッド110のピッチPiおよびワイヤ幅wを、それぞれ200nmおよび100nmよりも細かく加工すればよい。
Further, for example, when three RGB laser light sources are used for the RGB
また、図12に示すように、RGB光源ユニット410として、3個のRGBレーザ光源の代わりに、3個のRGBに対応した第2の実施形態のLED光源200R,200G,200Bを用いてもよい。RGBに対応した第2の実施形態のLED光源200R,200G,200Bを用いる場合、RGB光源ユニット410は、偏光ビームスプリッタとしてのワイヤグリッド型偏光子420に対してS偏光となる直線偏光の光を効率よく入射できる光源構成が好ましい。従来のLED光源はランダム偏光出射のため、ワイヤグリッド型偏光子420に入射する光のうち、該LED光源の出射光量の半分に相当するP偏光の光はワイヤグリッド110を透過し、投影光に寄与しない。したがって、第2の実施形態のLED光源200R,200G,200Bを用いることにより、LEDチップ220からの発光または蛍光体240により波長変換された蛍光発光のうちワイヤグリッド型偏光子420から見てP偏光の光をS偏光の光に変換し、S偏光成分の出射光を増加させることが光利用効率の向上に有効である。
Also, as shown in FIG. 12, the LED
図12に示す例では、青色(B)、緑色(G)、赤色(R)をそれぞれ発光する3個のLED光源200B、200G、200Rからの出射光を、集光レンズ411B、411G、411Rおよびコリメートレンズ414により平行光に近い光とし、RGB合波ダイクロイックミラー412、413を用いてRGB3色が同一の光軸に合波されたRGB光源ユニット410としている。
In the example shown in FIG. 12, the emitted light from the three
LED光源200Bは、蛍光体を用いないでGaInNのLEDチップから波長430nm〜460nmの青色(B)発光を直接利用してもよいし、LEDチップの紫外から紫発光を青色蛍光体に照射して発生する青色蛍光を用いてもよい。LED光源200Gおよび200Rは、LEDチップの紫外から紫発光を緑色蛍光体および赤色蛍光体に照射して発生する緑色蛍光および赤色蛍光を用いてもよい。
The LED
RGB合波ダイクロイックミラー412は、例えば、中心入射角45°の発散光に対し青色(B)を反射し、緑色(G)と赤色(R)を透過するように設計された光学多層膜が透明ガラス基板の片面に成膜されていてもよい。
The RGB combining
また、RGB合波ダイクロイックミラー413は、例えば、中心入射角45°の発散光に対し赤色(R)を反射し、緑色(G)と青色(B)を透過するように設計された光学多層膜が透明ガラス基板の片面に成膜されていてもよい。
The RGB combining
LED光源200B、200G、200Rの光出射面には、第2の実施形態で示したように、ワイヤグリッド型偏光子が形成されており、このワイヤグリッド110の金属細線111の長手方向を紙面に平行方向(図12のX’−Z’平面内)とすることで、該LED光源内のワイヤグリッド型偏光子にとってのP偏光成分となる紙面に垂直な偏光成分の光が効率よく出射する。ただし、本実施形態においてRGB光源として用いる場合には、各々RGB各波長域で偏光効率が最大となるようLED光源200B、200G、200Rのワイヤグリッド型偏光子を設計調整することで、さらに高い偏光出射光が得られる。
As shown in the second embodiment, a wire grid type polarizer is formed on the light emission surface of the
なお、偏光ビームスプリッタとして用いるワイヤグリッド型偏光子420は、ワイヤグリッドの金属細線111の長手方向を紙面に垂直方向(図12のY’軸方向)とすることで、RGB光源ユニット410から出射する直線偏光の光(本例では紙面に垂直な偏光成分の光であり、ワイヤグリッド型偏光子420にとってのS偏光成分の光)を効率よく反射して、多くの光をLCoS460に入射する直線偏光の光とできる。
The
また、高コントラストの投射型表示画像を得るため、偏光ビームスプリッタとして用いるワイヤグリッド型偏光子420の消光比を補完するように、RGB光源ユニット410とワイヤグリッド型偏光子420の間の光路(以下、光路Aという)、または、ワイヤグリッド型偏光子420と投射レンズ470の間の光路(以下、光路Bという)に、高消光比の吸収型の偏光子(図示省略)を配置してもよい。光路Aには紙面に垂直な偏光成分の光(ワイヤグリッド型偏光子420にとってのS偏光成分の光)を透過し紙面に平行な偏光成分の光(ワイヤグリッド型偏光子420にとってのP偏光成分の光)を吸収する偏光子を、光路Bには紙面に垂直な偏光成分の光を吸収し紙面に平行な偏光成分の光を透過する偏光子を配置すればよい。
In addition, in order to obtain a high-contrast projection display image, an optical path between the RGB
以上のように、本実施形態によれば、迷光が発生せず、かつ光利用効率の高い投射型表示装置を提供できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a projection display device that does not generate stray light and has high light utilization efficiency.
以下、上述した各実施形態のワイヤグリッド型偏光子およびそれを用いた光学装置の実施例について、具体的に説明する。 Hereinafter, examples of the wire grid polarizer of each embodiment described above and an optical device using the same will be described in detail.
実施例1.
第1の実施例は、図1に示した第1の実施形態にかかるワイヤグリッド型偏光子100の一実施例である。
Example 1.
The first example is an example of the
本実施例では、透明基材140として、可視波長域において屈折率nS=1.52のホウケイ酸ガラスを用い、その一方の表面に可視波長域で0°入射角の入射光に対する反射率が0.5%以下の反射防止膜(図示せず)を形成する。次に、透明基材140の他方の表面に平均屈折率n=1.25の多孔質材料を用いて、膜厚d=202nmの反射防止層130を成膜する。
In this embodiment, borosilicate glass having a refractive index n S = 1.52 in the visible wavelength region is used as the
本実施例では、多孔質材料として中空シリカ粒子を結合した中空シリカ膜を用いて、反射防止層130を以下に示す手順で形成する。
In this embodiment, the
まず、以下の手順(1)〜(2)により中空シリカゾルを得る。 First, a hollow silica sol is obtained by the following procedures (1) to (2).
(1)容量200mlのガラス製反応容器に、エタノール60g、ZnO微粒子水分散ゾル(境化学工業社製、製品名:NANOFINE−50、平均1次粒子径20nm、平均凝集粒子径100nm、固形分換算濃度10質量%)30g、テトラエトキシシラン(SiO2固形分濃度29質量%)10gを加えた後、アンモニア水溶液を添加してpH=10として、20℃で6時間撹拌して、コア−シェル型微粒子分散液(固形分濃度6質量%)100gを得る。
(1) In a glass reaction vessel having a capacity of 200 ml, ethanol 60 g, ZnO fine particle water dispersion sol (product of Sakai Chemical Industry Co., Ltd., product name: NANOFINE-50, average primary particle size 20 nm, average aggregated
(2)得られたコア−シェル型微粒子分散液に強酸性カチオン交換樹脂(三菱化学社製、商品名:ダイヤイオン(登録商標)、総交換容量2.0meq/ml以上)を100g加え、1時間撹拌してpH=4となった後、ろ過により強酸性カチオン交換樹脂を除去することで、中空状SiO2微粒子分散液100gを得る。当該SiO2中空粒子の外殻の厚さは10nm程度、空孔径は20nm程度である。また、当該SiO2微粒子は凝集体粒子であり、平均凝集粒子径は100nmである。 (2) 100 g of a strongly acidic cation exchange resin (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, trade name: Diaion (registered trademark), total exchange capacity of 2.0 meq / ml or more) is added to the obtained core-shell type fine particle dispersion. After stirring for a time to reach pH = 4, the strongly acidic cation exchange resin is removed by filtration to obtain 100 g of a hollow SiO 2 fine particle dispersion. The thickness of the outer shell of the SiO 2 hollow particles is about 10 nm, and the pore diameter is about 20 nm. The SiO 2 fine particles are aggregate particles, and the average aggregate particle size is 100 nm.
上記の手順で得た中空シリカゾル(0.7g、固形分濃度:15質量%)、テトラエトキシシランの硝酸部分加水分解物(2g、固形分濃度:2.25質量%)、イソプロパノール(7.3g)を室温で混合し、塗工液を調製する。塗工液に含まれる中空シリカ粒子とマトリックス成分との比は、SiO2換算で7:3(質量比)である。 Hollow silica sol obtained by the above procedure (0.7 g, solid content concentration: 15% by mass), nitric acid partial hydrolyzate of tetraethoxysilane (2 g, solid content concentration: 2.25% by mass), isopropanol (7.3 g) ) At room temperature to prepare a coating solution. The ratio between the hollow silica particles and the matrix component contained in the coating liquid is 7: 3 (mass ratio) in terms of SiO 2 .
その後、透明基材140の一方の表面(反射防止膜が形成されていない側の表面)に、スピンコート法により、上記塗工液を塗布する。その後、200℃で45分間の熱処理を行い、前駆物質の脱水反応を行い、金属酸化物膜である中空シリカ膜を形成する。これにより、マトリックス成分中に中空シリカ粒子が分散された多孔質構造の中空シリカ膜からなる反射防止層130を得る。
Then, the said coating liquid is apply | coated to one surface (surface on the side in which the antireflection film is not formed) of the
次に、得られた反射防止層130の表面に、ワイヤグリッド110の金属細線111となるAPC膜を膜厚t=156nmとなるようにスパッタリング法により形成する。ここで、APCは銀(Ag)にパラジウム(Pd)と銅(Cu)が添加された銀の合金で、純銀の低抵抗と高反射を保ち環境耐性を向上した特徴を有し、APCからなるスパッタリングターゲットを用いることにより、APC膜が得られる。
Next, an APC film to be the metal
次に、得られたAPC膜上に紫外線硬化性樹脂を塗布し、あらかじめ用意したピッチPi=200nmに対応するワイヤグリッド110の凹凸形状が石英基板に刻み込まれたナノインプリントモールドを圧着し、圧着したまま紫外線を照射して樹脂を硬化させ、ナノインプリントモールドを引き離す。これにより、ワイヤグリッド110の凹凸形状が転写されたレジスト樹脂602を得る。
Next, an ultraviolet curable resin is applied onto the obtained APC film, and a nanoimprint mold in which the uneven shape of the
次に、酸素とアルゴンの混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、上記レジスト樹脂602の凹部底面に残る残渣を除去して開口部とする。これにより、各開口部においてAPC膜が、幅がPi/2=100nm程度で露出される。さらに、窒素化合物とアルゴンの混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、上記レジスト樹脂602の開口部に露出するAPC膜をエッチング除去する。最後に、残留するレジスト樹脂602を有機溶剤で除去することにより、ピッチPi=200nm、ワイヤ幅w=100nm、厚さt=156nmのAPC膜からなる金属細線111を形成し、ワイヤグリッド110を得る。このようにして、ワイヤグリッド型偏光子100を作製する。
Next, the residue remaining on the bottom surface of the concave portion of the resist
図13は、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100の偏光効率の計算結果を示すグラフである。図13では、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100に、入射角θ=0°で可視波長域の光が入射する場合における、ワイヤグリッド110の長手方向(図1のY軸方向)の直線偏光であるS偏光の光に対する分光反射率(S偏光反射率Rs)と、それに直交する(図1のX軸方向)直線偏光であるP偏光の光に対する分光透過率(P偏光透過率Tp)の計算結果を示している。なお、偏光効率の計算には、APC膜の光学定数(nw:屈折率、kw:消衰係数)として銀(Ag)の値(nw=0.00006λ―0.015、kw=0.0072λ;λはnm単位の波長)を用いている。また、計算は文献「M.G.Moharam, D.A.Pommet, E.B.Grann, and T.K.Gayload,“Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface relief gratings: enhanced transmittance matrix approach”, Journal of the Optical Society of America A, vol.12, no.5, May 1995, p.1077-1086.」に基づく厳密結合波理論(RCWA)を用いた電磁界シミュレーションにより行った。
FIG. 13 is a graph showing the calculation result of the polarization efficiency of the
図13に示すように、可視波長域の420nm〜640nmにおいて、Tpが90%以上、Rsが約98%という高いP偏光透過率およびS偏光反射率が得られる。ここで、440nm〜580nmの波長域においては95%以上の高いP偏光透過率となっている。したがって、高効率で高い偏光分離機能を有するワイヤグリッド型偏光子が得られる。 As shown in FIG. 13, in the visible wavelength region of 420 nm to 640 nm, high P-polarized light transmittance and S-polarized light reflectance with T p of 90% or more and R s of about 98% are obtained. Here, in the wavelength region of 440 nm to 580 nm, the P-polarized light transmittance is as high as 95% or more. Therefore, a wire grid polarizer having a high efficiency and a high polarization separation function can be obtained.
なお、本実施例では、中空シリカ膜を用いて反射防止層130を形成する例を示したが、反射防止層130の材料として、可視波長域で透明な媒質中に散乱および回折が生じない粒径の空気または真空の気泡が分散されて、平均屈折率n=1.25となる多孔質構造であれば中空シリカ膜以外の材料を用いてもよい。
In this embodiment, an example in which the
実施例2.
第2の実施例は、第1の実施例のワイヤグリッド110の材料をアルミニウム(Al)とした例である。本実施例では、第1の実施例でワイヤグリッド110の金属細線111となるAPC膜を形成する工程において、アルミニウム膜を膜厚t=175nmで形成する。その他に関しては第1の実施例と同様である。
Example 2
The second embodiment is an example in which the material of the
図14は、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100の偏光効率の計算結果を示すグラフである。図14においても、対象のワイヤグリッド型偏光子100に入射角θ=0°で可視波長域の光が入射する場合における、S偏光反射率RsとP偏光透過率Tpの計算結果を示している。なお、アルミニウム膜の光学定数としてnw=0.0004λ―0.109、kw=0.0119λ+0.006を用いている。
FIG. 14 is a graph showing the calculation results of the polarization efficiency of the
図14に示すように、本実施例では第1の実施例と比べてTpが低下するが、430nm〜620nmの可視波長域において、Tpが概ね90%以上、Rsが約97%の高いP偏光透過率とS偏光反射率となっている。したがって、高効率で高い偏光分離機能を有するワイヤグリッド型偏光子が得られる。 As shown in FIG. 14, in this example, T p is lower than that in the first example. However, in the visible wavelength range of 430 nm to 620 nm, T p is approximately 90% or more and R s is about 97%. It has high P-polarized light transmittance and S-polarized light reflectance. Therefore, a wire grid polarizer having a high efficiency and a high polarization separation function can be obtained.
比較例1.
次に、第1の実施例に対する比較例を示す。第1の比較例は、第1の実施例のワイヤグリッド型偏光子100と同じ材料を用い、ただし反射防止層130を形成せず、透明基材140上にワイヤグリッド110を形成する。図15は、本比較例のワイヤグリッド型偏光子の偏光効率の計算結果を示すグラフである。図15においても、対象のワイヤグリッド型偏光子に入射角θ=0°で可視波長域の光が入射する場合における、S偏光反射率RsとP偏光透過率Tpとを示している。
Comparative Example 1
Next, a comparative example with respect to the first embodiment will be shown. In the first comparative example, the same material as that of the
比較例2.
また、第1の実施例に対する他の比較例を示す。第2の比較例は、反射防止層130に相当するものとして屈折率n=1.38のフッ化マグネシウムMgF2膜を形成し、他の点は第1の実施例のワイヤグリッド型偏光子100と同様にして、ワイヤグリッド型偏光子を作製する。なお、本比較例では、可視波長域でP偏光透過率Tpの平均が最大となるようにフッ化マグネシウムMgF2膜の膜厚d=190nmとしている。図16は、本比較例のワイヤグリッド型偏光子の偏光効率の計算結果を示すグラフである。図16においても、対象のワイヤグリッド型偏光子に入射角θ=0°で可視波長域の光が入射する場合における、S偏光反射率RsとP偏光透過率Tpとを示している。
Comparative Example 2
Further, another comparative example with respect to the first embodiment will be shown. In the second comparative example, a magnesium fluoride MgF 2 film having a refractive index n = 1.38 is formed as an equivalent to the
第1の比較例および第2の比較例は、第1の実施例および第2の実施例と比べて、500nm以下の可視短波長域でTpが急激に低下している。また、Tpが90%以上の波長範囲も狭いため、可視波長域用のワイヤグリッド型偏光子には適さない。 In the first comparative example and the second comparative example, the T p sharply decreases in the visible short wavelength region of 500 nm or less as compared with the first and second examples. Further, since T p is narrower wavelength range of 90% or more, it is not suitable for a wire grid polarizer for the visible wavelength range.
実施例3.
第3の実施例は、第3の実施形態において偏光ビームスプリッタとして用いるワイヤグリッド型偏光子420の一例である。本実施例では、図10のX−Z面内、すなわち透明基材140の法線方向とワイヤグリッド110の金属細線111の短手方向とで規定される平面内での入射角がθxz面=35°の可視波長域の入射光に対し、高いP偏光透過率Tpが得られるよう、反射防止層130およびワイヤグリッド110の最適設計を行った。
Example 3
The third example is an example of a
まず、第1の実施例と同様の方法で、透明基材140の面上に反射防止膜と、反射防止層130とを形成する。本実施例では、反射防止層130の材料として第1の実施例と同じ中空シリカ膜を用い、平均屈折率n=1.25で膜厚d=250nmの反射防止層130を形成する。次いで、第1の実施例と同様の方法で、ピッチPi=200nm、ワイヤ幅w=100nm、厚さt=135nmのAPC膜からなる金属細線111を形成し、ワイヤグリッド110を得る。
First, an antireflection film and an
上述した図11は、本実施例のワイヤグリッド型偏光子420の入射角θ=25°、30°、35°、40°、45°の可視波長域の入射光に対する、S偏光反射率RsとP偏光透過率Tpの計算結果を示すグラフである。図11に示すように、本実施例のワイヤグリッド型偏光子420では、入射角が大きいほど短波長側でTpが低下する傾向が見られる。しかし、例えば、45°入射で450nm以下の短波長域に対して、Tpが低下する傾向にあるが、概ね可視波長域において、Tpが90%以上の高いP偏光透過率と、Rsが約98%以上の高いS偏光反射率とが得られる。したがって、入射角θ=35°±10°の可視光に対して高効率で高い偏光分離機能を有するワイヤグリッド型偏光子となる。また、入射角θ=35°±5°の可視光に対してはさらに高いP偏光透過率が得られるため、さらに高効率で高い偏光分離機能を有するワイヤグリッド型偏光子となる。すなわち、入射光をP偏光の透過光とS偏光の反射光に、分離角110°で偏光分離する、高効率の偏光ビームスプリッタが得られる。
FIG. 11 described above shows the S-polarized reflectance R s for the incident light in the visible wavelength range of the incident angles θ = 25 °, 30 °, 35 °, 40 °, and 45 ° of the
実施例4.
第4の実施例は、第1の実施形態のワイヤグリッド型偏光子100の構成において、ワイヤグリッド110周辺の雰囲気すなわち間隙部120に、直径が100nm以下の空孔が透明材料中に分散された複合体からなる多孔質材料を充填した例である。なお、ワイヤグリッド110の間隙部120を多孔質材料で充填する点および反射防止層130の平均屈折率nおよび膜厚dが異なる点以外は、第1の実施例と同様である。
Example 4
In the fourth example, in the configuration of the
本実施例では、まず、透明基材140の表面に、平均屈折率n=1.18で膜厚d=210nmの中空シリカ膜からなる反射防止層130を成膜する。次に、第1の実施例と同様の方法で、反射防止層130上に、ピッチPi=200nm、ワイヤ幅w=100nm、厚さt=142nmのAPC膜からなる金属細線111を形成し、ワイヤグリッド110を得る。さらに、作製したワイヤグリッド110の間隙部120に、反射防止層130に用いた材料と同じ多孔質材料である中空シリカ膜を、平均屈折率nが1.18となるように形成する。
In this embodiment, first, an
第1〜第3の実施例では、平均屈折率n=1.25の中空シリカ膜を形成して反射防止層130としたが、本実施例では平均屈折率n=1.18となるように多孔質材料の構成すなわち中空シリカ膜の各種パラメータを調整する。中空シリカ膜は、中空シリカ粒子とマトリックス成分となる前駆材料とを混合して形成されるため、例えば、中空シリカ粒子とマトリックス成分の質量比の調整や、マトリックス成分材料の選定により、屈折率nを調整できる。具体的には、中空体積比率約70%の中空シリカ粒子を、シリカ(SiO2)同等の屈折率1.45のマトリックス成分に、中空シリカ粒子の体積比が約85%となるように混合することで、平均屈折率n=1.18の多孔質構造の中空シリカ膜が得られる。
In the first to third examples, a hollow silica film having an average refractive index n = 1.25 is formed as the
ここで、上述したようにワイヤグリッド110の作製後にその間隙部120に中空シリカ膜を形成する場合、中空シリカ粒子を有機溶剤中に分散させた分散液を、間隙部120を埋めるように金属細線111上に塗布し、分散液を乾燥する。または、アモルファスフッ素樹脂バインダー中に中空シリカ粒子が分散させた塗工液を、間隙部120を埋めるように金属細線111上に塗布し、樹脂を硬化して固体化する。このとき、ワイヤグリッド110の金属細線111上に中空シリカ膜が残留してもよいが、残留した中空シリカ膜は薄いほど可視波長域で高いP偏光透過率を実現できるので好ましい。具体的には、100nm以下が好ましい。
Here, as described above, when a hollow silica film is formed in the
他のワイヤグリッド110の製法として、透明基材140の表面に平均屈折率n=1.18で膜厚(d+t)=352nmの中空シリカ膜を形成した後、形成した中空シリカ膜の表面にドライエッチングによりピッチPi=200nm、幅100nm、深さt=142nmの凹部を有する直線格子を形成し、形成した直線格子の凹部を埋めるように、ワイヤグリッド110の金属細線111となるAPC膜を形成してもよい。すなわち、本方法では、反射防止層130と一緒にワイヤグリッド110周辺の間隙部120に充填される中空シリカ膜を形成し、その後でワイヤグリッド110の金属細線111となるAPC膜を形成する。なお、中空シリカ膜からなる直線格子の凹部にAPC膜を形成する工程で、凹部以外の中空シリカ膜面にAPC膜が残留しないように、凹部以外をあらかじめレジストなどの樹脂で覆い、APC成膜後のレジスト剥離にて除去する。あるいは、表面を研磨して中空シリカ膜の凹部以外のAPC膜を除去してもよい。
As another method for manufacturing the
図17は、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100の偏光効率の計算結果を示すグラフである。図17においても、対象のワイヤグリッド型偏光子に入射角θ=0°で可視波長域の光が入射する場合における、S偏光反射率RsとP偏光透過率Tpとを示している。
FIG. 17 is a graph showing the calculation results of the polarization efficiency of the
図17に示すように、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100においても、視感度の高い460nm〜600nmの波長域において90%以上、また440nm〜650nmの波長域において80%以上の高いP偏光透過率Tpが得られる。
As shown in FIG. 17, also in the
実施例5.
本実施例は、上述した第4の本実施例の構成において、ワイヤグリッド110の金属細線111の材料をアルミニウム(Al)としたものである。本実施例では、第4の実施例のワイヤグリッド110の金属細線111となるAPC膜を形成する工程において、アルミニウム膜を膜厚t=162nmで形成する。また、反射防止層130を屈折率n=1.20の中空シリカ膜によって形成する。すなわち、屈折率n=1.20で膜厚d=210nmの中空シリカ膜を反射防止層130とし、同じ屈折率の中空シリカ膜で、ピッチPi=200nm、ワイヤ幅w=100nm、厚さt=162nmのアルミニウムからなる金属細線111の間隙部120を充填する。
Example 5 FIG.
In this embodiment, in the configuration of the above-described fourth embodiment, the material of the
図18は、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100の偏光効率の計算結果を示すグラフである。図18においても、対象のワイヤグリッド型偏光子に入射角θ=0°で可視波長域の光が入射する場合における、S偏光反射率RsとP偏光透過率Tpとを示している。図18に示すように、本実施例のワイヤグリッド型偏光子100においても、視感度の高い460nm〜610nmの波長域において90%以上、また440nm〜660nmの波長域において80%以上のP偏光透過率Tpが得られる。
FIG. 18 is a graph showing the calculation results of the polarization efficiency of the
本発明のワイヤグリッド型偏光子は、可視波長域においてP偏光透過率およびS偏光反射率の高い偏光子となるので、一方の偏光を再利用する偏光変換素子や偏光ビームスプリッタとして利用できる。特に、特定の直線偏光を効率よく出射する光源モジュールの窓用部材に設けられる偏光変換素子や、MEMSスキャナを用いた投射型表示装置の偏光ビームスプリッタとして利用できる。 Since the wire grid polarizer of the present invention is a polarizer having high P-polarized light transmittance and S-polarized light reflectance in the visible wavelength region, it can be used as a polarization conversion element or polarizing beam splitter that reuses one of the polarized light. In particular, it can be used as a polarization conversion element provided on a window member of a light source module that efficiently emits specific linearly polarized light, or as a polarization beam splitter of a projection display device using a MEMS scanner.
100、100c ワイヤグリッド型偏光子
110 ワイヤグリッド
111 金属細線
120 間隙部
130 反射防止層
130a、130b 多孔質材料
131、131a 構造体
132、132a 空孔
133 中空粒子
131b 外殻
132b 中空部
132c 空隙部
140 透明基材
151 入射光
152 透過光
153 反射光
200、200a、200b、200c、200R、200G、200B LED光源
210 基材
220 LEDチップ
230 側壁部
240 蛍光体
250 反射部材
260 中空部
270 蛍光体含有基板
271、271a、271b 透明基板
280 ダイクロイックミラー層
400、400a 投射型表示装置
410 RGB光源ユニット
411R、411G、411B 集光レンズ
412、413 RGB合波ダイクロイックミラー
414 コリメートレンズ
420 ワイヤグリッド型偏光子
430 1/4波長板
440 MEMSスキャナ
450 スクリーン
460 反射型液晶表示素子(LCoS)
470 投射レンズ
601、604 金属膜
602、603 樹脂レジスト
6031 開口部
900 ワイヤグリッド型偏光子
940 透明基材
910 ワイヤグリッド
911 金属細線
920 間隙部
801 入射光
802 透過光
803 反射光
DESCRIPTION OF
470
Claims (11)
前記透明基材の一方の面上に前記透明基材よりも低い屈折率の材料を用いて形成される反射防止層と、
前記反射防止層の上に形成されるワイヤグリッドとを備え、
前記ワイヤグリッドのピッチは、可視波長域の入射光の波長の1/2以下であり、
前記反射防止層は、透明材料を用いて形成される構造体と粒径が100nm以下の空孔との複合体からなる多孔質構造の光学材料である多孔質材料を用いて形成されており、前記ワイヤグリッド周辺の雰囲気である間隙部の屈折率をn1、前記透明基材の屈折率をnS、nAR=(n1・nS)1/2としたとき、当該反射防止層の屈折率nは、n=nAR−0.1nAR〜nAR+0.1nARの範囲内である
ことを特徴とするワイヤグリッド型偏光子。 A transparent substrate;
An antireflection layer formed on one surface of the transparent substrate using a material having a refractive index lower than that of the transparent substrate;
A wire grid formed on the antireflection layer,
The pitch of the wire grid is ½ or less of the wavelength of incident light in the visible wavelength range,
The antireflection layer is formed using a porous material which is an optical material having a porous structure composed of a composite of a structure formed using a transparent material and pores having a particle size of 100 nm or less, When the refractive index of the gap, which is the atmosphere around the wire grid, is n 1 , and the refractive index of the transparent base material is n S , n AR = (n 1 · n S ) 1/2 , refractive index n, n = n AR -0.1n AR ~n AR + 0.1n wire-grid polarizer being in the range of AR.
請求項1に記載のワイヤグリッド型偏光子。 The wire grid polarizer according to claim 1, wherein the gap is filled with a porous structure formed of a porous material that is the same as or different from the material of the antireflection layer.
請求項1または請求項2に記載のワイヤグリッド型偏光子。 3. The wire grid polarizer according to claim 1, wherein the porous material includes metal oxide fine particles including pores bonded together by a matrix component whose main component is a metal oxide.
請求項3に記載のワイヤグリッド型偏光子。 The wire grid polarizer according to claim 3, wherein the metal oxide fine particles are hollow silica particles.
請求項1〜4のいずれか1項に記載のワイヤグリッド型偏光子。 Each thin metal wire of the wire grid is formed of silver, aluminum, or an alloy containing one or more of palladium, neodymium, iridium, bismuth, gold, copper, platinum, zinc, and tin. The wire grid type polarizer of any one of -4.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のワイヤグリッド型偏光子。 The wire grid polarizer according to any one of claims 1 to 5, wherein, at a wavelength of 460 nm to 600 nm, the transmittance of P-polarized light orthogonal to the longitudinal direction of the fine metal wires of the wire grid is 90% or more.
前記基板を透明基材として、請求項1〜6のいずれか1項に記載のワイヤグリッド型偏光子が形成されている
ことを特徴とする光源モジュール。 A light emitting element provided in a container, and a substrate provided above the light emitting element and forming a light emitting surface,
The wire grid type polarizer of any one of Claims 1-6 is formed by using the said board | substrate as a transparent base material. The light source module characterized by the above-mentioned.
前記蛍光体含有基板のワイヤグリッドが形成されている面と反対側の面に、前記発光素子からの発光波長の光を透過し、かつ前記蛍光体からの発光波長である蛍光発光波長の光を反射するダイクロイックミラー層が形成されている
請求項7に記載の光源モジュール。 The substrate is a phosphor-containing substrate containing a phosphor,
Light of the emission wavelength from the phosphor is transmitted to the surface opposite to the surface on which the wire grid of the phosphor-containing substrate is formed, and the light of the fluorescence emission wavelength that is the emission wavelength from the phosphor is transmitted. The light source module according to claim 7, wherein a reflecting dichroic mirror layer is formed.
入射された光を反射してスクリーン上を走査させるスキャンミラーと、
1/4波長板と、
前記光源ユニットと前記1/4波長板との間に配され、偏光分離機能を利用して、前記光源ユニットからの光を反射して前記スキャンミラーに導くとともに前記スキャンミラーによって反射された光を透過してスクリーンに到達させる偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記スキャンミラーとの間の光路中に配置される1/4波長板とを備え、
前記偏光ビームスプリッタとして、請求項1〜6のいずか1項に記載のワイヤグリッド型偏光子を備える
ことを特徴とする投射型表示装置。 A light source unit including three light sources each emitting light of a different wavelength;
A scan mirror that reflects incident light and scans the screen;
A quarter wave plate,
Light disposed between the light source unit and the quarter-wave plate and utilizing a polarization separation function, reflects light from the light source unit and guides it to the scan mirror and reflects light reflected by the scan mirror. A polarizing beam splitter that passes through and reaches the screen;
A quarter wave plate disposed in an optical path between the polarizing beam splitter and the scan mirror;
A projection display apparatus comprising the wire grid polarizer according to any one of claims 1 to 6 as the polarization beam splitter.
反射型液晶表示素子と、
投射レンズと、
偏光分離機能を利用して、前記光源ユニットからの光を反射して前記反射型液晶表示素子に導くとともに前記反射型液晶表示素子によって反射された光を透過して前記投射レンズに到達させる偏光ビームスプリッタとを備え、
前記偏光ビームスプリッタとして、請求項1〜6のいずか1項に記載のワイヤグリッド型偏光子を備える
ことを特徴とする投射型表示装置。 A light source unit including three light sources each emitting light of a different wavelength;
A reflective liquid crystal display element;
A projection lens;
A polarized beam that reflects the light from the light source unit and guides it to the reflective liquid crystal display element and transmits the light reflected by the reflective liquid crystal display element to reach the projection lens by using a polarization separation function. With a splitter,
A projection display apparatus comprising the wire grid polarizer according to any one of claims 1 to 6 as the polarization beam splitter.
請求項9または請求項10に記載の投射型表示装置。 The projection type display device according to claim 9 or 10, wherein in the wire grid polarizer provided as the polarization beam splitter, the wire grid is formed only in an incident region of light from the light source unit.
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