JP2019095554A

JP2019095554A - 光学素子及び投射型画像表示装置

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Publication number: JP2019095554A
Application number: JP2017223769A
Authority: JP
Inventors: 淳一菅原; Junichi Sugawara; 芳金賀; Kaoru Kanega; 利明菅原; Toshiaki Sugawara
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-06-20
Also published as: US11573362B2; US20200284964A1; WO2019102902A1; US11294114B2; US20220155510A1; CN111316143A

Abstract

【課題】高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を得ることができる光学素子及び投射型画像表示装置を提供する。【解決手段】光学素子は、使用波長帯域の光に対して透明である基板と、酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜からなる複屈折層とを備える。投射型画像表示装置は、前述した光学素子を有する液晶表示装置と、光を出射する光源と、変調された光を投射する投射光学系とを備え、液晶表示装置が、光源と投射光学系との間の光路上に配置されてなる。【選択図】図１

Description

本技術は、斜方蒸着膜を有する光学素子及び投射型画像表示装置に関する。

従来、透明基板表面に誘電体材料の斜方蒸着膜を形成した光学素子が知られている。斜方蒸着は、蒸着材料の飛来方向に対して基板表面を傾斜させて成膜する方法であり、その蒸着膜の構造は、微細なコラムの集合体が基板表面に対して一定の角度で傾斜した柱状組織として観察される。このコラムの密度は、面内で異方性があり、屈折率が面内異方性を有する結果、斜方蒸着膜に複屈折現象が生じる。斜方蒸着膜は、その複屈折現象により、１／４波長位相差板、１／２波長板などの光学素子に用いられている。例えば、特許文献１には、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を主成分とした斜方蒸着膜を有する位相差素子が記載されている。

特開２０１２−２５６０２４号公報

近年、プロジェクタに用いられる光源として、高輝度かつ高出力の光が得られるレーザー光源が注目されている。しかしながら、前述の五酸化タンタルを主成分とした斜方蒸着膜では、レーザー光源からの高輝度かつ高出力の光によって損傷を受けることがあった。

本技術は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を得ることができる光学素子及び投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するために、本技術に係る光学素子は、使用波長帯域の光に対して透明である基板と、酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜からなる複屈折層とを備えることを特徴とする。

また、本技術に係る投射型画像表示装置は、前述した光学素子と、光変調装置と、光を出射する光源と、変調された光を投射する投射光学系とを備え、前記光変調装置と前記光学素子が、前記光源と前記投射光学系との間の光路上に配置されてなることを特徴とする。

また、本技術に係る光学素子の製造方法は、蒸着対象面の法線に対して傾斜する方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、斜方蒸着膜からなる複屈折層を形成することを特徴とする。

また、本技術に係る光学素子の製造方法は、蒸着対象面の法線に対して傾斜する第１の方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、第１の斜方蒸着膜を成膜する工程と、蒸着対象面の法線に対して傾斜する第２の方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、第２の斜方蒸着膜を成膜する工程とを繰り返し、複屈折層を形成することを特徴とする。

本技術によれば、斜方蒸着膜が酸化ハフニウムを主成分として形成されているため、高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を得ることができる。

図１は、位相差素子の構成例を示す断面図である。図２は、斜方蒸着膜の斜視模式図である。図３は、斜方蒸着膜を成膜する斜方蒸着法を説明するための模式図である。図４は、蒸着源からの蒸着方向を蒸着対象面に投影した向きを示す模式図である。図５は、反射防止層の断面模式図である。図６は、位相差素子の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本技術の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．光学素子
２．光学素子の製造方法
３．投射型画像表示装置
４．実施例

＜１．光学素子＞
本実施の形態に係る光学素子は、使用波長帯域の光に対して透明である基板と、酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜からなる複屈折層とを備える。これにより、レーザー光源などからの高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を得ることができる。これは、高い融点を有する酸化ハフニウムが、斜方蒸着膜の柱状組織の熱崩壊を防ぐためであると考えられる。

複屈折層は、基板の法線に対して第１の傾斜方向を有する第１の斜方蒸着膜と第２の傾斜方向を有する第２の斜方蒸着膜とが交互に成膜されていてもよい。複屈折層が第１の斜方蒸着膜と第２の斜方蒸着膜とが交互に成膜された膜である場合、柱状組織の充填率が大きくなるため、高輝度かつ高出力の光に対する耐性の効果が顕著になる。

また、光学素子は、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層されてなる反射防止層を少なくとも１層備えることが好ましい。これにより、反射を軽減し、透過率を増加させることができる。

このような構成を有する光学素子としては、入射光に位相差を与える位相差素子、位相差補償偏光素子などを挙げることができる。以下、光学素子の一例として位相差素子について説明する。

図１は、位相差素子の構成例を示す断面図である。図１に示すように、位相差素子１０は、透明基板１１と、透明基板１１上に高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層され、各層の厚さが使用波長以下であるマッチング層１２と、マッチング層１２上に形成された斜方蒸着膜からなる複屈折層１３と、複屈折層１３上に形成された誘電体膜からなる保護層１４とを備える。また、透明基板１１側に第１の反射防止層１５Ａ、保護層１４側に第２の反射防止層１５Ｂを備える。

透明基板１１は、使用波長帯域の光に対して透明であり、使用波長帯域の光に対して高い透過率を有する。透明基板１１の材料としては、例えば、ガラス、石英、水晶、サファイアなどが挙げられる。透明基板１１の形状は、四角形が一般的であるが、目的に応じた形状が適宜選択される。透明基板１１の厚みは、例えば０．１〜３．０ｍｍであることが好ましい

マッチング層１２は、誘電体膜が積層された多層膜であり、透明基板１１と複屈折層１３との間に、必要に応じて設けられる。マッチング層１２は、表面反射光と界面反射光の位相を逆転させ打ち消し合うように設計され、透明基板１１と複屈折層１４の界面における反射を防止する。

マッチング層１２は、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２０_３、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２から選択される２種類以上の誘電体膜により構成することができる。また、マッチング層１２の複屈折層１３に接する誘電体膜は、酸化ハフニウムとの密着性に優れるＳｉＯ_２であることが好ましい。これにより、レーザー光源などに対する耐光性をさらに向上させることができる。

複屈折層１３は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）を主成分とする斜方蒸着膜からなる。ここで、主成分とは、斜方蒸着膜の柱状組織中で占める割合が最も大きい成分を意味する。また、複屈折層１３は、斜方蒸着膜の単層膜であっても、斜方蒸着膜が交互に成膜された膜であってもよい。また、各斜方蒸着膜の厚さは、使用波長以下であることが好ましい。

図２は、斜方蒸着膜の斜視模式図である。図２に示すように、斜方蒸着膜は、蒸着対象面２１の法線Ｓに対して傾斜する方向に蒸着材料を堆積して形成される。蒸着対象面２１の法線Ｓに対する傾斜角度は、６０°以上８０°以下であることが好ましい。

斜方蒸着膜は、酸化ハフニウムを主成分とする柱状の束が蒸着対象面の法線に対して斜めに構成された斜め柱状構造からなる。この斜め柱状構造は、酸化ハフニウムを主成分とする微粒子が堆積された柱状部と、柱状部間の空気層である空隙部とを有する。

図３は、斜方蒸着膜を成膜する斜方蒸着法を説明するための模式図であり、図４は、蒸着源からの蒸着材料の飛来方向を蒸着対象面に投影した向き（蒸着方向）を示す模式図である。図３及び図４に示すように、斜方蒸着膜が交互に成膜された膜は、第１の蒸着方向３１からの蒸着による成膜と、第２の蒸着方向３２からの蒸着による成膜とを交互に繰り返して形成される。具体的には、第１の蒸着方向３１からの蒸着による成膜後に、蒸着対象面を蒸着対象面に垂直で蒸着対象面の中心を通る中心線回りに１８０°回転させることにより、第２の蒸着方向３２からの蒸着による成膜を行う。そして、これを繰り返すことにより、蒸着対象面の法線に対して第１の傾斜方向を有する第１の斜方蒸着膜と第２の傾斜方向を有する第２の斜方蒸着膜とが交互に成膜された膜が得られる。

保護層１４は、誘電体膜からなり、複屈折層１３の斜方蒸着膜に接して配置される。これにより、位相差素子１０の反りを防止することができ、斜方蒸着膜の耐湿性を向上させることができる。

保護層１４の誘電体材料としては、位相差素子１０にかかる応力を調整可能であり、且つ耐湿性向上に効果のあるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。このような誘電体材料としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＬａＯ、ＭｇＦ_２などが挙げられ、特に酸化ハフニウムとの密着性に優れるＳｉＯ_２であることが好ましい。これにより、耐湿性をさらに向上させることができる。

第１の反射防止層１５Ａは、透明基板１１の複屈折層１３側とは対向する面に接して設けられ、第２の反射防止層１５Ｂは、保護層１４の複屈折層１３側とは対向する面に接して必要に応じて設けられる。第１の反射防止層１５Ａ及び第２の反射防止層１５Ｂは、所望の使用波長帯域において反射防止の機能を有する。

図５は、第１の反射防止層の断面模式図である。図５に示すように第１の反射防止層１５Ａは、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層された光学多層膜であり、例えば、屈折率が各々異なる第１の誘電体膜１５１と、第２の誘電体膜１５２とが交互に積層された多層膜で形成される。反射防止層の層数は、必要に応じて適宜決定され、５〜４０層程度が生産性の点から好ましい。なお、第２の反射防止層１５Ｂも、第１の反射防止層１５Ａと同様に構成される。

第１の反射防止層１５Ａ及び第２の反射防止層１５Ｂは、それぞれＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２０_３、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２から選択される２種類以上の誘電体膜により構成される。例えば、反射防止層は、相対的に高屈折率であるＮｂ_２０_５からなる第１の誘電体膜１５１と、相対的に低屈折率であるＳｉＯ_２からなる第２の誘電体膜１５２とが交互に積層された多層膜とすることできる。

このような構成の位相差素子によれば、レーザー光源などからの高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を得ることができる。

＜２．光学素子の製造方法＞
次に、本実施形態に係る光学素子の製造方法について説明する。本実施形態に係る光学素子の製造方法は、蒸着対象面の法線に対して傾斜する方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜からなる複屈折層を形成する。また、本実施形態に係る光学素子の製造方法は、蒸着対象面の法線に対して傾斜する第１の方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、第１の斜方蒸着膜を成膜する工程と、蒸着対象面の法線に対して傾斜する第２の方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、第２の斜方蒸着膜を成膜する工程とを繰り返し、斜方蒸着膜が交互に成膜された膜からなる複屈折層を形成する。これにより、レーザー光源などからの高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を有する光学素子を得ることができる。

以下、光学素子の製造方法の具体例として、図１に示す構成例の位相差素子の製造方法について説明する。図６は、位相差素子の製造方法を示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ１において、透明基板１１を準備する。次に、ステップＳ２において、複屈折層１３と透明基板１１の界面における反射を防止するため、透明基板１１上に誘電体膜が積層されてなるマッチング層１２を形成する。次に、ステップＳ３において、マッチング層１２が形成されていない基板２１の反対面に対して、第１の反射防止層１５Ａ（裏面ＡＲ層）を形成する。

次に、ステップＳ４において、マッチング層１２上に複屈折層１３を斜方蒸着法により形成する。例えば、図３及び図４に示すように、第１の蒸着方向３１からの蒸着による成膜後に、蒸着対象面を蒸着対象面に垂直で蒸着対象面の中心を通る中心線回りに１８０°回転させることにより、第２の蒸着方向３２からの蒸着による成膜を行う。そして、これを繰り返すことにより、蒸着対象面の法線に対して第１の傾斜方向を有する第１の斜方蒸着膜と第２の傾斜方向を有する第２の斜方蒸着膜とが交互に成膜された膜が得られる。

次に、ステップＳ５において、複屈折層１３を２００℃以上６００℃以下の温度でアニール処理する。より好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、さらに好ましくは４００℃以上５００℃以下の温度で、複屈折層１３をアニール処理する。これにより、複屈折層１３の特性を安定化させることができる。

次に、ステップＳ６において、複屈折層１３上に保護層１４を成膜する。例えば、保護層１４としてＳｉＯ_２を成膜する場合、ＳｉＯ_２の材料として、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ_２を用い、プラズマＣＶＤ装置を使用することが好ましい。

プラズマＣＶＤ装置によって形成されるＳｉＯ_２ＣＶＤ膜は、スパッタ法を代表とする物理的気相成長と異なり、気化された材料ガスを用いることを特徴とするため、ＴＥＯＳガスを比較的容易に柱状構造の空隙部に侵入させることができ、複屈折層１３との密着性をさらに向上させることができる。

次に、ステップＳ７において、保護層１４の上に第２の反射防止層１５Ｂ（表面ＡＲ層）を成膜する。最後に、ステップＳ８において、仕様に合せたサイズにスクライブ切断を実施する。

以上の製造方法により、レーザー光源などからの高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を有する位相差素子を得ることができる。

＜３．投射型画像表示装置＞
前述した光学素子は、高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐性を有するため、液晶プロジェクタ、ＤＬＰ（登録商標）（Digital Light Processing）プロジェクタ、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）プロジェクタ、ＧＬＶ（登録商標）（Grating Light Valve）プロジェクタなどのプロジェクタ用途として好適に用いられる。すなわち、本実施の形態に係る投射型画像表示装置は、前述した光学素子と、光変調装置と、光を出射する光源と、変調された光を投射する投射光学系とを備え、光変調装置及び光学素子が、光源と投射光学系との間の光路上に配置されてなるものである。光変調装置としては、透過型液晶パネルなどを有する液晶表示装置、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを有するマイクロミラー表示装置、反射型液晶パネルなどを有する反射型液晶表示装置、１次元回析型光変調素子（ＧＬＶ）などを有する１次元回析型表示装置などが挙げられる。

例えば液晶表示装置を用いた投射型画像表示装置に於いて、液晶表示装置は、液晶パネルと、第１の偏光板と、第２の偏光板とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。

液晶パネルは、特に制限はなく、例えば、基板と、基板の主面の直交方向に対してプレチルトを有する液晶分子を含有するＶＡモード液晶層とを有し、入射された光束を変調する。ＶＡモード（Vertical alignment mode）とは、基板に垂直に（又はプレチルトを有して）配置した液晶分子を、垂直方向の縦電界を使って動かす方式を意味する。

第１の偏光板は、液晶パネルの入射側に配置されるものであり、第２の偏光板は、液晶パネルの出射側に配置されるものである。第１の偏光板及び第２の偏光板は、耐久性の点から、無機偏光板であることが好ましい。

位相差素子は、例えば図１に示す構成例の酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜を備えるものであり、投射型画像表示装置を構成する光路上に於いて、必要とされる位置に配置される。

また、マイクロミラー表示装置を用いた投射型画像表示装置に於いても、位相差素子は拡散板や偏光ビームスプリッタなどと組み合わせ、同一光路上に設けられる。

光源としては、光を出射する部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。本実施の形態では、液晶表示装置が酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜を有する光学素子を備えるため、高輝度かつ高出力の光を出射するレーザー光源などを使用することができる。

投射光学系としては、変調された光を投射する部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、変調された光をスクリーンに投射する投射レンズなどが挙げられる。

このような構成の投射型画像表示装置によれば、レーザー光源などからの高輝度かつ高出力の光を用いて、高輝度かつ高出力の画像を表示することができる。

＜４．実施例＞
以下、本技術の実施例について説明する。ここでは、斜方蒸着膜を有する位相差素子を作製し、レーザー照射試験を行った。なお、本技術はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
先ず、ガラス基板（平均厚み０．７ｍｍ）の一方の面上に、ＳｉＯ_２/Ｎｂ_２Ｏ_５/ＳｉＯ_２の３層をスパッタ法により積層することによって、マッチング層を形成した。

次いで、ガラス基板の他方の面上に、Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とを用いて、１１層をスパッタ法により交互積層することによって反射防止層を形成した。

続けて、マッチング層上にＨｆＯ_２を蒸着材料として、基板法線方向に対して７０度傾斜した位置に蒸着源を配置し、第１の蒸着方向を０度、第２の蒸着方向を１８０度とし、交互に斜方蒸着を行った。蒸着後、特性を安定化させるため、４５０℃でアニール処理を行った。アニール処理後、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ_２を用い、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ_２膜を成膜して保護層を形成した。

次いで、Ｎｂ_２０_５とＳｉＯ_２とを用いて、７層をスパッタ法により交互積層することによって反射防止層を形成した。そして、仕様に合せたサイズにスクライブ切断を実施し、位相差素子を作製した。

［比較例１］
蒸着材料をＴａ_２Ｏ_５とした以外は、実施例１と同様のプ口セスで位相差素子を作製した。

［レーザー照射試験］
実施例及び比較例の方法で作成した各３０個の位相差素子に対して、以下の条件にてレーザー照射を行ない、損傷の個数をカウントした。損傷の基準は、透明な位相差素子のレーザーが照射された部位が白濁することとし、これを目視にて確認した。表１に、レーザー照射による位相差素子の損傷個数の結果を示す。
波長：４５５ｎｍＣＷ（連続波）半導体レーザー
レーザー出力：６１Ｗ
パワー密度：１０．２Ｗ／ｍｍ^２
照射時間：３分間

表１に示すように、斜方蒸着膜をＴａ_２Ｏ_５とした比較例では、レーザー照射によって半数以上の破損が生じた。一方、斜方蒸着膜をＨｆＯ_２とした実施例では損傷は生じず、高輝度かつ高出力の光に対して優れた耐久性を示すことが分かった。

１０位相差素子、１１透明基板、１２マッチング層、１３複屈折層、１４保護層、１５Ａ，１５Ｂ反射防止層、２１蒸着対象面、３１第１の蒸着方向、３２第２の蒸着方向、１５１第１の誘電体膜、１５２第２の誘電体膜

前述した課題を解決するために、本技術に係る光学素子は、使用波長帯域の光に対して透明である基板と、酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜からなる複屈折層と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層されてなる反射防止層を少なくとも１層とを備え、前記反射防止層が、ＴｉＯ _２、ＳｉＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３、ＣｅＯ _２、ＺｒＯ _２、ＺｒＯ、Ｎｂ _２Ｏ _５、ＨｆＯ _２から選択される２種類以上の誘電体膜が積層されてなることを特徴とする。

Claims

使用波長帯域の光に対して透明である基板と、
酸化ハフニウムを主成分とする斜方蒸着膜からなる複屈折層と
を備える光学素子。
前記複屈折層が、前記基板の法線に対して第１の傾斜方向を有する第１の斜方蒸着膜と第２の傾斜方向を有する第２の斜方蒸着膜とが交互に成膜されてなる請求項１記載の光学素子。
屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層されてなる反射防止層を少なくとも１層備える請求項１又は２記載の光学素子。
前記複屈折層上に誘電体膜からなる保護層をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層されてなるマッチング層をさらに備え、
前記基板と前記マッチング層と前記複屈折層とが、この順に積層されてなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
前記保護層の誘電体膜が、ＳｉＯ_２である請求項４記載の光学素子。
前記マッチング層の前記複屈折層に接する誘電体膜が、ＳｉＯ_２である請求項５記載の光学素子。
前記反射防止層が、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２０_３、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２から選択される２種類以上の誘電体膜が積層されてなる請求項３に記載の光学素子
前記基板が、ガラス、石英、水晶、サファイアから選択されるいずれか１種である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学素子。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子と、光変調装置と、光を出射する光源と、変調された光を投射する投射光学系とを備え、
前記光変調装置及び前記光学素子が、前記光源と前記投射光学系との間の光路上に配置されてなる投射型画像表示装置。
蒸着対象面の法線に対して傾斜する方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、斜方蒸着膜からなる複屈折層を形成する光学素子の製造方法。
蒸着対象面の法線に対して傾斜する第１の方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、第１の斜方蒸着膜を成膜する工程と、蒸着対象面の法線に対して傾斜する第２の方向に酸化ハフニウムを主成分とする蒸着材料を堆積し、第２の斜方蒸着膜を成膜する工程とを繰り返し、複屈折層を形成する光学素子の製造方法。
前記複屈折層を形成後に２００℃以上６００℃以下の温度でアニール処理を行うことを特徴とする請求項１１又は１２記載の光学素子の製造方法。