JP4267429B2 - 偏光変換素子、偏光変換素子の製造方法、および投射型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光変換素子等に関し、より詳しくは、耐熱性に優れた偏光変換素子等に関する。

近年、高度情報化社会の進展を背景に、画像をスクリーンに拡大投影する装置として、従来のスライドプロジェクタやオーバーヘッドプロジェクタ（ＯＨＰ）に代わって、電子データを直接投影することができる投射型液晶表示装置が利用されている。かかる投射型液晶表示装置では、投影画像の照度を向上させることができることから、明るい室内での投影も可能であるが、さらに明るく高精細な画像を表示するため、投射レンズの改良、高輝度ランプの改良、液晶パネルを均一に照明するためのインテグレータレンズの改良、あるいは、偏光方向をそろえて光の利用効率を向上するための偏光変換光学系の改良等が進められている。
そのような状況にあって、投影画像の照度を向上させる有力な手段として、光源に超高圧水銀ランプ等の高輝度ランプを用いるのが一般的となっている。このような高輝度ランプに対しては、レンズ、偏光変換素子等の光学素子の耐熱性を高める必要性があることから、特に、偏光変換素子においては、光透過性材料の基板上に多数の金属細線を固定したワイヤーグリッド型偏光変換素子が開発されている。

ここで図５は、このようなワイヤーグリッド型偏光変換素子を説明するための図である。図５に示したワイヤーグリッド型偏光変換素子２００は、光透過性材料からなる基板２０１と、この基板２０１上に固定された金属細線のワイヤーグリッド２０２とを有している。幅１００ｎｍ程度のワイヤーグリッド２０２は、１００ｎｍ程度の間隔で平行に多数設けられている。ワイヤーグリッド型偏光変換素子２００は、通常、蒸着法又はスパッタ法により、基板２０１上にアルミニウム等の金属層を形成し、これにエッチング処理を施すことによって、多数のワイヤーグリッド２０２が一定の間隔を設けて平行に並んだ凸部を形成する方法により調製される。また、基板２０１上に形成された金属細線による凸部の間を、基板２０１と同程度の屈折率を有する材料を用いて固める方法も報告されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特表２００３−５０２７０８号公報（第１９−２０頁、図４） 特開平１０−１５３７０６号公報（第４頁、図１）

しかし、このようなワイヤーグリッド型偏光変換素子は、支持体である基板上に金属細線のワイヤーグリッドを形成するために、スパッタ法等により形成した金属層について、製品個々に、エッチング処理を行う必要があり、製造コストが高く、また、大量に生産できないという不都合がある。
また、例えば、特許文献２に記載されたワイヤーグリッド型偏光変換素子のように、基板上に形成された金属細線による凸部の間を、基板と同程度の屈折率を有する材料を用いて固めた構造の偏光変換素子を、高温化において長時間使用すると、ワイヤーグリッドと基板とが剥離するおそれが有り、信頼性の点において問題がある。
そこで本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、耐熱性に優れた偏光変換素子を提供することにある。

かかる目的のもと、本発明の偏光変換素子は、所定の深さ及び幅を有する多数の直線状の溝部が、互いに平行で等間隔に形成された面を備えた基板と、基板の溝部が形成された面の頂部領域に形成された下地層と、溝部内に溝部と略同一の幅で形成された遮光層とを有することを特徴としている。これによって、高耐熱性を有するとともに、優れた光学性能を安定して発揮することが可能となる。
ここで、遮光層は、溝部の深さ以下の厚さで形成されることを特徴とすれば、遮光層が基板に埋め込まれた構成とすることができるので、遮光層の破損による性能低下を抑制することができる。
また、下地層は、遮光層よりも硬質な材料で形成されることを特徴とすれば、偏光変換素子の製造時に生じる遮光層の変形を抑制することができる。さらに、下地層は、ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄により形成すれば、遮光層の変形を抑制する効果が大きい。
加えて、遮光層は、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金で形成されることを特徴とすれば、効率的な遮光効果が得られるとともに、高温下での長時間の使用の際にも遮光層が基板から剥離することが抑制される。

また、本発明の偏光変換素子は、光透過性材料により形成された基板と、基板の表面に等間隔で互いに平行に埋め込まれた直線状の金属グリッドと、平行に埋め込まれた金属グリッドの間に形成された硬質層とを有し、金属グリッドは、基板と直接接触する領域を有することを特徴としている。これによって、高耐熱性を有するとともに、優れた光学性能を安定して発揮することが可能となる。
また、金属グリッドは、配置密度が２．５〜１０本／μｍであることを特徴とすることができる。

また、本発明は偏光変換素子の製造方法として捉えることもでき、本発明の偏光変換素子の製造方法は、所定の深さおよび幅を有する多数の直線状の溝部が、互いに平行で等間隔に形成された面を備えた基板を形成する基板形成工程と、基板形成工程により形成された基板の溝部が設けられた面上の頂部領域に下地層を形成する下地層形成工程と、基板に形成された溝部の側面に直接接触させて充填され、かつ基板の表面上に所定の厚さを有する金属層を形成する金属層形成工程と、金属層形成工程により形成された金属層を研磨し、溝部に充填された金属層を残して金属層を除去する研磨工程とを有することを特徴としている。これによって、高耐熱性を有するとともに、優れた光学性能を安定して発揮することができる偏光変換素子を提供できる。
ここで、下地層形成工程は、基板の溝部が設けられた面上に、気相法により硬質材料からなる下地層を成膜することを特徴とすれば、均一な下地層を成膜することができる。また、金属層形成工程は、基板の溝部が設けられた面上に、気相法により遮光物質からなる金属層を成膜することを特徴とすれば、均一な金属層を成膜することができる。

さらに、本発明は投射型液晶表示装置として捉えることもでき、光源と、光源からの光を偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光された光を透過または反射する液晶表示素子と、液晶表示素子を透過または反射した光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えており、偏光変換素子は、所定の深さ及び幅を有する多数の直線状の溝部が、互いに平行で等間隔に形成された面を備えた基板と、基板の溝部が形成された面の頂部領域に形成された下地層と、溝部内に溝部と略同一の幅で形成された遮光層とを有することを特徴としている。これによって、偏光変換素子は長期間に亘る光照射を行っても熱による損傷もないので、安定して高品質の投影画像を得ることが可能となる。ここで、偏光変換素子は、下地層が遮光層よりも硬質な材料で形成されることを特徴とすれば、偏光変換素子の製造時に生じる遮光層の変形を抑制することができ、安定して高品質の投影画像を得る効果が大きい。

本発明の効果として、耐熱性に優れた偏光変換素子を提供することが可能となった。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[実施の形態１]
図１は、本実施の形態が適用される透過方式の投射型液晶表示装置を説明する図である。図１に示した透過方式の投射型液晶表示装置である３板式液晶プロジェクタ１は、光源である白色光源３０、白色光源３０から出射される白色光３１の一様化を図るインテグレータレンズ２１，２２、白色光３１をＳ偏光、Ｐ偏光に分離する偏光変換素子１０、白色光３１を波長の異なる光に分離するダイクロイックミラー５１，５２、波長の異なる光をそれぞれ透過する透過型液晶パネル６１，６２，６３、分離された光を合成するダイクロイックプリズム４５、ダイクロイックプリズム４５によって合成された光をスクリーン８０上に結像させる投影光学系である投射レンズ７０を備えている。さらに、光学部品としての、ミラー４１，４２，４３，４４、リレーレンズ２３，２４、コンデンサレンズ２５，２６，２７を有している。また、白色光源３０は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等の高輝度ランプと高輝度ランプからの光を集光するリフレクタ（楕円鏡）とから構成されている。

本実施の形態の３板式液晶プロジェクタ１では、白色光源３０からリフレクタにより略平行光に変換された白色光３１が出射される。出射された白色光３１は、インテグレータレンズ２１に入射する。インテグレータレンズ２１は、入射した白色光３１をマトリックス状に配置された複数のレンズセルで複数の光束に分割して、効率よくインテグレータレンズ２２と偏光変換素子１０を通過するように導く。インテグレータレンズ２１と同様に、マトリックス状に配置された複数のレンズセルを持つインテグレータレンズ２２は、構成するレンズセルそれぞれが対応するインテグレータレンズ２１のレンズセルの形状を透過型液晶パネル６１，６２，６３側に投影する。そして、これらインテグレータレンズ２１の各レンズセルの投影像をリレーレンズ２３，２４、コンデンサレンズ２５，２６，２７により、各透過型液晶パネル６１，６２，６３上に重ね合わせる。その際、白色光３１は、偏光変換素子１０により同じ方向の直線偏光に揃えられるので、透過型液晶パネル６１，６２，６３での光量のロスを減少させることができる。
また、かかる過程では、ダイクロイックミラー５１，５２により、白色光源３０より出射された白色光３１は青色光３２、緑色光３３、赤色光３４の３原色に分離され、それぞれ対応する透過型液晶パネル６１，６２，６３に照射される。なお、ここではダイクロイックミラー５１は緑青反射赤透過特性を有し、ダイクロイックミラー５２は緑反射青透過特性を有している。

そして、透過型液晶パネル６１，６２，６３上の画像は、ダイクロイックプリズム４５によって色合成され、さらに、投射レンズ７０によってスクリ−ン８０上へと投射され、大画面映像を得ることができる。
なお、リレーレンズ２３，２４は、透過型液晶パネル６２，６３に対して、透過型液晶パネル６１の白色光源３０から液晶パネル面までの光路長が長くなっていることを補うものである。また、コンデンサレンズ２５，２６，２７はそれぞれ透過型液晶パネル６１，６２，６３を通過した後の光線の広がりを押さえ、投射レンズ７０によって効率のよい投射を実現している。

次に、本実施の形態の偏光変換素子１０について説明する。図２は、本実施の形態が適用される偏光変換素子１０を説明する図である。図２に示したように、本実施の形態の偏光変換素子１０は、互いに平行で等間隔に配置された多数の直線状の溝部１２が一方の面に形成された基板１１、基板１１の溝部１２が形成された面上の頂部領域に形成された下地層１３、および底部領域に形成された下地層１４、基板１１の溝部１２内に充填された遮光層１５、溝部１２が形成された面とは反対側の面に形成された反射防止膜１６により構成されている。

基板１１を形成する材料としては、光透過性材料であれば特に限定されず、例えば、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリスチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルフォン、フェノール樹脂、ノルボルネン系非晶質ポリオレフィン樹脂等の合成樹脂や、青板ガラス、白板ガラス、サファイアガラス等のガラス等を用いることができる。その中でも、ポリカーボネート系樹脂、ノルボルネン系非晶質ポリオレフィン、ポリイミド等は、耐熱性が良好である点で好ましい。さらには、ポリカーボネート系樹脂は、高い光透過性を有する点で特に好ましい。
また、基板１１の厚さは、通常０．１〜２．０ｍｍ、好ましくは０．７〜１．１ｍｍである。基板１１の形状及び外形寸法は、使用される態様に応じて適宜選択され、特に限定されないが、一般的には、一辺が１０〜１００ｍｍの長方形又は正方形、直径が５〜１００ｍｍの円形又は楕円形等が用いられる。

基板１１の一方の面に形成された溝部１２は、例えば、溝幅（Ｗ）が５０〜１２０ｎｍ、溝深さ（Ｈ）が３０〜１２０ｎｍの直線形状を有している。また、溝部１２の溝ピッチ（Ｐ）は、５０〜１８０ｎｍの間隔で、互いに平行に等間隔で設けられており、その密度は、２．５〜１０本／μｍである。
基板１１の溝部１２が設けられた面上の頂部領域および底部領域にそれぞれ形成される下地層１３および下地層１４の材質は、特に限定されないが、研磨やエッチング処理による被加工速度が遮光層１５を形成する遮光物質に比べて低いものが望ましい。また、下地層１３，１４の材質は光透過性物質であることが望ましいが、十分に光透過性を得られる程度に下地層１３，１４の厚さを薄くするならば非光透過性物質であってもよい。特にＳｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等は、研磨やエッチング処理による被加工速度が、通常、遮光物質として用いられるアルミニウム、アルミニウム合金等に比べて十分に低いため、偏光変換素子１０の製造時に生じる基板パターン形状の変形を抑制することができるので、良好な偏光変換特性を得ることができる。
なお、下地層としては、偏光変換素子１０の製造時に生じる基板パターン形状の変形を抑制するためには、基板１１の溝部１２が設けられた面上の頂部領域において下地層１３を形成すれば十分であり、底部領域に形成される下地層１４については必要条件ではない。

遮光層１５を形成する遮光物資としては、光を遮断する物質であれば特に限定されないが、通常は、金属や半導体材料等が用いられる。例えば、アルミニウム、銀、アルミニウム合金、銀合金等は、屈折率が大きく、さらには光の吸収が大きいので好ましい。その中でも、アルミニウムは熱伝導率が大きいことから、遮光物質としてアルミニウムを用いた場合には、偏光変換素子１０は、耐熱性に特に優れ、例えば、４００℃で１時間放置した後においても、外見上も、性能上も変化を生ずることがない。また、このような偏光変換素子１０を本実施の形態の３板式液晶プロジェクタ１のような投射型液晶表示装置に組み込んだ場合には、偏光変換素子１０は、およそ１５０〜２００℃程度の温度雰囲気下に置かれることとなるが、遮光物質としてアルミニウム等を用いた場合には、通常の耐熱性樹脂を使用した場合よりも優れた耐熱性を発揮することができることから、投射型液晶表示装置の性能の安定化に貢献する。
また、遮光物質として金属を使用する場合は、金属表面に自己保護膜として酸化層を形成することが好ましい。このような酸化層を形成する化合物としては、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム等が挙げられる。酸化層は、屈折率及び厚さを成膜条件により調整することで、所望の波長範囲における反射率を低減するように形成される。

なお、本実施の形態が適用される偏光変換素子１０では、入射光の偏光効率を高めるために、基板１１の溝部１２が形成された面とは反対側の面に、反射防止膜１６を設けることが好ましい。反射防止膜１６を形成する材料としては、通常、金属、金属酸化物及び金属フッ化物から選ばれる化合物が用いられる。具体的には、金属としては、例えば、銀等が挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム等が挙げられる。金属フッ化物としては、例えば、弗化マグネシウム等が挙げられる。反射防止膜は、単層又は多層であってもよい。反射防止膜の厚さ、多層である場合の各層の厚さは、層数、各層に用いる物質の屈折率等により適宜選択される。

本実施の形態が適用される偏光変換素子１０では、遮光層１５は基板１１と一体に形成された溝部１２内に遮光物質が充填された構造を有している。そのため、従来のワイヤーグリッド型偏光変換素子のような金属製のワイヤーグリッド部が基板上に突出した構造とは異なり、ワイヤーグリッド部の破損による性能低下の発生といった問題を解消することができる。また、溝部１２は基板１１と一体成形されているため、遮光層１５を構成する溝部１２に充填された遮光物質が、高温環境下で長時間使用しても基板１１から剥離することが無いので、高い耐熱性を実現することもできる。
特に、本実施の形態の偏光変換素子１０では、溝部１２の側面において、基板１１と遮光層１５を構成する遮光物質とが直接接触することで結合されている。すなわち、溝部１２内に溝部１２の幅と略同一の幅の遮光層１５が形成されている。基板１１を構成する樹脂材料と遮光物質である金属等とは強固に付着させることができるので、遮光層１５を基板１１に対して十分に強く固定させておくことができる。後段で述べるが、下地層１３および下地層１４は基板１１の溝部１２が設けられた面上の頂部領域および底部領域にそれぞれ形成され、溝部１２の側面には形成されないか、または形成されても極く僅かである。したがって、遮光物質は、溝部１２の側面において基板１１を構成する樹脂材料と直接的に接触することができる。

次に、本実施の形態が適用される偏光変換素子１０の製造方法について説明する。図３は、偏光変換素子１０の製造方法を説明する図である。図３（ａ）に示すように、まず光透過性材料を用いて、一方の面に多数の溝部１２が設けられた基板１１を形成する。基板１１の材料として、例えば、ポリカーボネート等の耐熱性合成樹脂を用いる場合は、予め、所定の溝幅、溝深さを有し、所定の溝ピッチで、多数の直線状の溝部１２が等間隔で平行に並ぶようにプリフォーマットが形成された型（スタンパ）を使用し、射出成形法により、溝部１２を備えた一体の基板１１を大量に生産することができる。また、２Ｐ法によることも可能である。
このような方法により、溝部１２を基板１１上に直接的に成形加工することにより、溝部１２を所望の溝形状に高精度で形成することができるので、偏光変換素子１０の偏光特性の向上を図ることができる

次に、図３（ｂ）に示すように、このように形成された基板１１の頂部領域および底部領域のそれぞれに下地層１３および下地層１４を形成する。下地層１３および下地層１４は、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の材料を、基板１１の溝部１２を設けた面に、真空蒸着法、スパッタ法等の気相法により成膜することにより形成する。下地層１３および下地層１４の層厚は、溝部１２の形状を大幅に変化させない程度が望ましく、通常１０〜５０ｎｍに形成される。
ここで、気相法では、専ら基板１１の表面と平行な面において成膜が進行する。したがって、基板１１に形成される溝部１２の断面形状として、溝部１２の側面と基板１１の表面（頂部領域）とのなす角θ（図２参照）が５５〜９０°である台形形状、さらには矩形形状に形成することによって、基板１１の頂部領域および底部領域においては十分な成膜が行われ、溝部１２の側面では殆ど成膜されないか、または全く成膜されないようにすることができる。このように溝部１２の断面形状を設定することで、基板１１の頂部領域と底部領域とにおいて、それぞれ下地層１３と下地層１４とを形成する。
なお、底部領域に形成される下地層１４については、上述したように必要条件ではないため、底部領域には成膜が行われないように設定してもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、このように形成された基板１１の溝部１２を覆うように、金属膜１７を形成する。その際には、溝部１２の側面には下地層が殆ど成膜されず、または全く成膜されていないので、溝部１２内では溝部１２の幅と略同一の幅の遮光層１５となる金属膜１７が充填される。ここで、金属膜１７は、例えば、アルミニウム、銀、アルミニウム合金、銀合金等の金属を、基板１１の溝部１２が設けられた面に、真空蒸着法、スパッタ法等の気相法により成膜する。金属膜１７の厚さは特に限定されないが、通常、１００〜５００ｎｍ程度で形成される。
続いて、図３（ｄ）に示すように、基板１１の溝部１２を覆うように形成された金属膜１７の表面を、研磨または化学エッチングにより除去し、溝部１２にのみ金属が充填され、溝部１２の深さ、またはそれ以下の厚さの遮光層１５を形成する。研磨の方法は特に限定されないが、例えば、研磨布(パッド)上に基板１１の表面を当てるように配置し、基板１１に裏面から均一に加重をかけつつ、パッド−基板１１間に研磨液(スラリー)を供給しながら研磨を行う方法が挙げられる。

この研磨工程では、頂部領域の下地層１３を形成するＳｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等は、研磨やエッチング処理による被加工速度が、通常、遮光層１５の遮光物質として用いられるアルミニウム、アルミニウム合金等に比べて十分に低いため、遮光層１５のパターン形状の変形を抑制することができる。すなわち、研磨に際しては、頂部領域の下地層１３が研磨の進行に対するストッパーの作用を果たすので、基板１１の頂部領域の下地層１３より深く金属膜１７および基板１１が削られることを抑制する。そのため、部分的に研磨が必要以上に進んで遮光層１５が不均一な厚さとなることを防ぐことができる。また、遮光層１５の中央部の削れが大きくなって、遮光層１５が湾曲した形状となることもないので、遮光層１５の表面を安定して平滑に形成することができる。

このように、本実施の形態の偏光変換素子１０の製造方法によれば、基板１１の一方の面に溝部１２を成形加工し、この溝部１２が形成された面の頂部領域および底部領域において、それぞれに下地層１３および下地層１４を形成している。これにより、遮光層１５を精度良く所望の形状に形成することができるとともに、平滑な表面を安定して形成することができるので、偏光変換素子１０において優れた光学性能を安定して得ることが可能となる。
特に、遮光層１５を構成する遮光物質としてアルミニウム等の金属を用いることができ、さらに形状を精度良く形成できるので、偏光変換素子１０は、安定した光学性能に加えて、耐熱性に特に優れており、また、遮光層１５を基板に対して強固に固定させておくことができるので、破損の発生も生じ難い。

以下、実施例に基づき、本実施の形態の偏光変換素子１０を具体的に説明する。なお、本実施の形態の偏光変換素子１０は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
厚さ１．１ｍｍの耐熱性高分子基板上に、溝幅１００ｎｍ、溝深さ５０ｎｍの形状の溝部が、溝ピッチ１７０ｎｍで、等間隔で平行に設けられたプリフォーマットを形成し、耐熱性高分子基板の溝部とは反対側の面に、Ｔａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂を２層積層した反射防止膜を形成した。次に、耐熱性高分子基板の溝部を設けた面上に、スパッタリングにより、厚さ２０ｎｍのＳｉＯ₂を成膜した。さらにＳｉＯ₂層の上から基板の溝部を充填し、さらに溝に覆うように、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜を形成した。続いて、このＡｌ膜を研磨して、基板の溝部にＡｌ金属が充填された偏光変換素子を調製した。このように調製した偏光変換素子を、図１に示した３板式液晶プロジェクタに取り付け、１０００時間投射の実験を行った。実験の結果、偏光変換素子の外観に、何らの損傷も見られなかった。また、投影される画像についても表示品質の低下は見られなかった。

（実施例２）
予め、電子ビームを用いて、クロムマスク上に２００ｎｍピッチのラインアンドスペースのパターンを形成した。シリコンウエハ上にレジストを塗布し、マスク露光を施し、パターニングを行った。その後、レジストの感光部分を除去し、シリコンの異方性エッチングを施し、溝深さ１１０ｎｍとした。この溝を形成したシリコン基板に無電解めっきを施し、めっき部分をシリコンから剥離したものを基板形成に必要な金型とした。この金型を用いて、ガラス２Ｐ法により、溝幅１００ｎｍ、溝深さ９０ｎｍの形状を有する多数の溝が、溝ピッチ１７０ｎｍで互いに平行に形成されたプリフォーマットを有するガラス基板を得た。
また、溝部とは反対側の面に、反射防止膜をＴａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂の２層で形成した。その後、基板プリフォーマット上に、厚さ１５ｎｍのＳｉＣを形成した。さらに厚さ２００ｎｍのＡｌ膜を形成し、続いて、基板の溝部分に埋め込まれたＡｌ金属のみを残し、余分な部分を研磨により除去した。
このようにして調製した偏光変換素子を、図１に示した３板式液晶プロジェクタに取り付け、投射実験を行った。１０００時間投射した後、偏光変換素子を取り出し、目視にて観察を行ったが、何らの損傷も見られなかった。また、投影される画像についても表示品質の低下は見られなかった。

以上説明したように、本実施の形態の偏光変換素子１０では、基板１１の一方の面に溝部１２を形成し、この溝部１２が形成された面の頂部領域および底部領域のそれぞれにおいて、下地層１３および下地層１４を形成している。そのため、溝部１２に金属等の遮光物質を充填して形成される遮光層１５が、溝部１２に密着して所定の形状に精度良く形成され、さらに平滑な表面形状で形成することができる。これにより、偏光変換素子１０において優れた光学性能を安定して発揮することが可能となる。
特に、遮光層１５を構成する遮光物質としてアルミニウム等の金属を用いることができるので、偏光変換素子１０は、耐熱性に特に優れた特性を実現することができる。その際、遮光層１５は基板１１と一体に形成された溝部１２に遮光物質が充填された構造を有しているので、遮光層１５の破損が生じ難く、優れた光学性能を長期に亘って実現することができる。また、溝部１２は基板１１と一体成形され、遮光層１５を溝部１２の側面に対して十分に強く固定させているため、遮光層１５を構成する溝部１２に充填された遮光物質が、高温環境下で長時間使用しても基板１１から剥離することが無いので、その点にからも高い耐熱性を実現している。
このような本実施の形態の偏光変換素子１０の特性から、偏光変換素子１０を３板式液晶プロジェクタ１のような投射型液晶表示装置に適用することによって、長期間に亘る光照射を行っても熱による損傷もなく、安定して優れた光学性能を維持できるので、高品質の投影画像を得ることが可能となる。

[実施の形態２]
実施の形態１では、透過方式の投射型液晶表示装置である３板式液晶プロジェクタ１について説明した。実施の形態２では、反射方式の投射型液晶表示装置である液晶プロジェクタ２について説明する。尚、実施の形態１と同様な構成については同様な符号を用い、ここではその詳細な説明を省略する。

図４は、本実施の形態が適用される反射方式の投射型液晶表示装置を説明する図である。図４に示した反射方式の投射型液晶表示装置である液晶プロジェクタ２は、光源である白色光源３０、白色光源３０から出射される白色光をＳ偏光に変換する偏光変換素子９０、白色光を波長の異なる光に分離するダイクロイックミラー５３、波長の異なる３つの光をそれぞれ反射する３つの反射型液晶パネル６４，６５，６６、一方向の偏光成分のみを通過させる偏光子９１，９３，９５，９６、偏光方向を９０°回転させる偏光回転素子９２，９４，９７，９８、それぞれの光の偏光成分を選択的に透過・反射する偏光ビームスプリッタ１０１，１０２，１０３、合成された光をスクリーン８０上に結像させる投影光学系である投射レンズ７０を備えている。

白色光源３０からは、白色光源３０に備えられたリフレクタ（楕円鏡）により略平行光に変換された白色光が出射される。白色光は、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、赤色光（Ｒ）の３原色からなり、偏光変換素子９０によりＳ偏光へと変換される。
緑反射赤青透過特性を有するダイクロイックミラー５３に入射したＲのＳ偏光、ＢのＳ偏光は、ダイクロイックミラー５３のダイクロイック面を透過した後、偏光子９１を透過しＰ偏光成分がほぼ完全にカットされ、ＲのＳ偏光、ＢのＳ偏光となる。なお、この位置に偏光子９１を配置する理由は、偏光変換素子９０による偏光の整流化が充分ではなく、偏光変換素子９０を通過した時点での入射光には一部Ｐ偏光が含まれ、画像のコントラストを劣化させるため、偏光子９１により偏光を揃えることでより高い画像のコントラストが得られることにある。ＲのＳ偏光とＢのＳ偏光とはＢ光の偏光を回転させる偏光回転素子９２に入射し、ＲのＳ偏光は変化せず、ＢのＳ偏光は偏光が回転してＢのＰ偏光となる。

第１のプリズムに相当する偏光ビームスプリッタ１０１に入射したＲのＳ偏光はスプリッタ面である誘電体多層膜１０１ａにより反射され、ＲのＳ偏光として反射型液晶パネル６４に入射する。ここで、反射型液晶パネル６４によって明るく表示させる光は、ＲのＰ偏光として反射され、暗く表示させる光はＲのＳ偏光のまま反射される。明るく表示させる光であるＲのＰ偏光は、再び偏光ビームスプリッタ１０１に入射し、今度はＰ偏光であるためスプリッタ面１０１ａを透過する。

一方、Ｂの偏光を回転させる偏光回転素子９２を透過したＢのＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ１０１に入射し、スプリッタ面である誘電体多層膜１０１ａを透過してＢのＰ偏光としてＢの反射型液晶パネル６５に入射する。ここでＢの反射型液晶パネル６５により、明るく表示させる光は、ＢのＳ偏光として反射され、暗く表示させる光はＢのＰ偏光のまま反射される。明るく表示させる光であるＢのＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ１０１に再度入射し、今度はＳ偏光であるため、スプリッタ面である誘電体多層膜１０１ａにより反射され、ＢのＳ偏光となってＲのＰ偏光と合成される。

偏光ビームスプリッタ１０１によって合成されたＲのＰ偏光とＢのＳ偏光とは、Ｂ光の偏光を回転させる偏光回転素子９４に入射し、ＲのＰ偏光は変化せずにＲのＰ偏光となり、ＢのＳ偏光は偏光が回転してＢのＰ偏光となる。Ｒ、Ｂ共にＰ偏光となった光は、次にＰ偏光を通過させるように配置された偏光子９３に入射して、不要なＳ偏光の迷光がカットされ、高いコントラストを持つＲのＰ偏光およびＢのＰ偏光となる。
ＲのＰ偏光とＢのＰ偏光とは第２のプリズムに相当する偏光ビームスプリッタ１０２に入射し、スプリッタ面１０２ａを透過し、ＲのＰ偏光およびＢのＰ偏光となる。

また、Ｇの光については、白色光源３０より出射したＧの光は、偏光変換素子９０によりＧのＳ偏光に変換された後、緑反射赤青透過特性を有するダイクロイックミラー５３により反射され、ＧのＳ偏光となって偏光子９５に入射する。
ダイクロイックミラー５３により反射されたＧのＳ偏光が偏光子９５に入射すると、Ｐ偏光成分がほぼ完全にカットされ、ＧのＳ偏光となり、第３のプリズムに相当する偏光ビームスプリッタ１０３に入射する。
偏光ビームスプリッタ１０３に入射したＧのＳ偏光は、スプリッタ面である誘電体多層膜１０３ａにより反射されＧのＳ偏光となり、Ｇの反射型液晶パネル６６に入射する。ここで明るく表示させる光はＧのＰ偏光として反射され、再び偏光ビームスプリッタ１０３に入射し、今度はＰ偏光であるため、スプリッタ面である誘電体多層膜１０３ａを透過する。

ここで、ＧのＰ偏光は、Ｐ偏光を透過させるように配置された偏光子９６を透過した後、偏光回転素子９７に入射して偏光が回転され、ＧのＳ偏光となる。
ＧのＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ１０２に入射し、スプリッタ面１０２ａで反射され、ＲのＰ偏光およびＢのＰ偏光と合成される。
そして、ＲのＰ偏光、ＧのＳ偏光およびＢのＰ偏光は、Ｒ光とＢ光の偏光を回転させる偏光回転素子９８に入射し、ＧのＳ偏光は変化せず、ＲのＰ偏光とＢのＰ偏光とは偏光が回転し、ＲのＳ偏光とＢのＳ偏光とになる。したがって、偏光ビームスプリッタ１０２によって合成された映像光はＲ、Ｇ、Ｂ全てＳ偏光の成分を持ち、投写レンズ７０によってスクリーン８０に拡大投写される。投写レンズ７０から出射する偏光面を全て同一のＳ偏光とすることにより、偏光スクリーンへの対応や、所定の偏光方向の光の入射が指定されている背面投写型スクリーンへの対応が可能である。

ここで、本実施の形態の偏光変換素子９０や偏光子９１，９３，９５，９６においても、実施の形態１の偏光変換素子１０と同様に、基板１１の一方の面に溝部１２を形成し、この溝部１２が形成された面の頂部領域および底部領域のそれぞれにおいて、下地層１３および下地層１４を形成している。そのため、溝部１２に金属等の遮光物質を充填して形成される遮光層１５が、溝部１２に密着して所定の形状に精度良く形成され、さらに平滑な表面形状で形成することができる。これにより、偏光変換素子１０において優れた光学性能を安定して発揮することが可能となる。
特に、遮光層１５を構成する遮光物質としてアルミニウム等の金属を用いることができるので、偏光変換素子１０は、耐熱性に特に優れた特性を実現することができる。その際、遮光層１５は基板１１と一体に形成された溝部１２に遮光物質が充填された構造を有しているので、遮光層１５の破損が生じ難く、優れた光学性能を長期に亘って実現することができる。また、溝部１２は基板１１と一体成形され、遮光層１５を溝部１２の側面に対して十分に強く固定させているため、遮光層１５を構成する溝部１２に充填された遮光物質が、高温環境下で長時間使用しても基板１１から剥離することが無いので、その点にからも高い耐熱性を実現している。
このような本実施の形態の偏光変換素子９０や偏光子９１，９３，９５，９６の特性から、これらを液晶プロジェクタ２に適用することによって、長期間に亘る光照射を行っても熱による損傷もなく、安定して優れた光学性能を維持できるので、高品質の投影画像を得ることが可能となる。

本発明の活用例として、光伝送装置、光増幅装置等の各種光学装置、さらには透過方式または反射方式の投射型液晶表示装置等がある。

透過方式の投射型液晶表示装置を説明する図である。 偏光変換素子の構造を説明する断面図である。 偏光変換素子の製造方法を説明する図である。 反射方式の投射型液晶表示装置を説明する図である。 従来のワイヤーグリッド型偏光変換素子を説明するための図である。

符号の説明

１０,９０…偏光変換素子、１１…基板、１２…溝部、１３…下地層（頂部領域）、１４…下地層（底部領域）、１５…遮光層、１６…反射防止膜、１７…金属膜、２１,２２…インテグレータレンズ、２３,２４…リレーレンズ、２５,２６,２７…コンデンサレンズ、３０…白色光源、９１,９３,９５,９６…偏光子、４１,４２,４３,４４…ミラー、４５…ダイクロイックプリズム、５１,５２,５３…ダイクロイックミラー、６１,６２,６３…透過型液晶パネル、６４,６５,６６…反射型液晶パネル、７０…投射レンズ、８０…スクリーン、９２,９４,９７,９８…偏光回転素子、１０１,１０２,１０３…偏光ビームスプリッタ

Claims (11)

1. 所定の深さ及び幅を有する多数の直線状の溝部が、互いに平行で等間隔に形成された面を備えた基板と、
   前記基板の前記溝部が形成された面における互いに隣り合う当該溝部と当該溝部との間に位置する頂部領域において形成された下地層と、
   前記溝部内に当該溝部と略同一の幅で形成され、表面が前記下地層の表面と略同一面を形成する遮光層と、
   を有することを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記下地層は、前記遮光層よりも硬質な材料で形成されることを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
3. 前記下地層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４により形成されることを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
4. 前記遮光層は、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金で形成されることを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
5. 光透過性材料により形成された基板と、
   前記基板の表面に等間隔で互いに平行に埋め込まれた直線状の金属グリッドと、
   平行に埋め込まれた互いに隣り合う前記金属グリッドと当該金属グリッドとの間に形成され、表面が当該金属グリッドの表面と略同一面を形成する下地層とを有し、
   前記金属グリッドは、前記基板と直接接触する領域を有することを特徴とする偏光変換素子。
6. 前記金属グリッドは、配置密度が２．５〜１０本／μｍであることを特徴とする請求項５記載の偏光変換素子。
7. 所定の深さおよび幅を有する多数の直線状の溝部が、互いに平行で等間隔に形成された面を備えた基板を形成する基板形成工程と、
   前記基板形成工程により形成された前記基板の前記溝部が設けられた面上の頂部領域に下地層を形成する下地層形成工程と、
   前記基板に形成された前記溝部の側面に直接接触させて充填され、かつ当該基板の表面上に所定の厚さを有する金属層を形成する金属層形成工程と、
   前記金属層形成工程により形成された前記金属層を研磨し、前記溝部に充填された当該金属層を残して当該金属層を除去する研磨工程と
   を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
8. 前記下地層形成工程は、前記基板の前記溝部が設けられた面上に、気相法により硬質材料からなる前記下地層を成膜することを特徴とする請求項７記載の偏光変換素子の製造方法。
9. 前記金属層形成工程は、前記基板の前記溝部が設けられた面上に、気相法により遮光物質からなる前記金属層を成膜することを特徴とする請求項７記載の偏光変換素子の製造方法。
10. 光源と、
    前記光源からの光を偏光分離する偏光変換素子と、
    前記偏光変換素子により偏光された光を透過または反射する液晶表示素子と、
    前記液晶表示素子を透過または反射した光をスクリーンに投射する投射光学系とを備え、
    前記偏光変換素子は、
    所定の深さ及び幅を有する多数の直線状の溝部が、互いに平行で等間隔に形成された面を備えた基板と、
    前記基板の前記溝部が形成された面における互いに隣り合う当該溝部と当該溝部との間に位置する頂部領域において形成された下地層と、
    前記溝部内に当該溝部と略同一の幅で形成され、表面が前記下地層の表面と略同一面を形成する遮光層と、
    を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
11. 前記偏光変換素子は、前記下地層が前記遮光層よりも硬質な材料で形成されることを特徴とする請求項１０記載の投射型液晶表示装置。

Images