JP6956180B2 - 偏光板、およびそれを用いた画像表示装置ならびに移動体 - Google Patents

Description

本開示は、プロジェクタ装置、ヘッドアップディスプレイ装置などの画像表示装置に用いられる偏光板および、それを用いた画像表示装置ならびに移動体に関する。

プロジェクタ装置（ＰＪ装置）、ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）などの画像表示装置は、液晶パネルなどの画像形成部に表示した画像情報を、光源および各種光学素子を用いて、壁、スクリーン、窓などに照射し、画像情報を使用者に視認させる装置である。

特許文献１には、ワイヤーグリッド偏光子の基板として水晶やサファイアからなる透明基板を用いることが記載されている。また、特許文献２には、可視光領域で利用可能な偏光板として、金属細線の周期が１５０ｎｍ、高さが２００ｎｍ、幅が６０ｎｍのワイヤーグリッド偏光子を、ガラス板上に形成することが記載されている。

画像表示装置の小型化、高精細化、高輝度化の要求とそれによる光源の高出力化により、偏光板に対する耐熱性の要求はますます高くなっている。また、車載ＨＵＤ装置などの屋外用途の装置では、光源からの熱に加え、太陽光の入射による熱も問題となる。

特開２００８−２１６９５７号公報 特開２０１６−２４４１９号公報

本開示の偏光板は、第１主面を有するサファイア板と、該サファイア板の第１主面にストライプ状の金属細線とを備え、前記サファイア板のｃ軸と前記金属細線の長手方向とのなす角が５°以下である。

第１の実施形態に係る偏光板を用いた画像表示装置の概略図である。 第１の実施形態に係る偏光板の概略図である。 第１の実施形態に係る偏光板の概略図である。 第２の実施形態に係る画像表示装置の概略図である。 サファイアの結晶構造を示す図である。

本開示の偏光板、およびそれを用いた画像表示装置について、ＨＵＤ装置を例として、図を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態に係る画像表示装置１であるＨＵＤ装置１の概略図である。

ＨＵＤ装置１は、光源２と画像形成部３と偏光板４とを備える。偏光板４は、例えば、画像形成部３の光源光出射側に配置された出射側偏光板４ａや、画像形成部３の光源光入射側に配置された入射側偏光板４ｂであり、それぞれの偏光板４ａ、４ｂに入射した光を直線偏光に変換する。また、ＨＵＤ装置１は、鏡６と、出射窓７とを有している。図１では、光源２からの出射光を含む画像光の出射光路Ｌを図中において一点鎖線の矢印で示している。偏光板４の加熱原因となる熱源としては、光源１および外部からの侵入光などが考えられる。

従来から、プロジェクタ装置（ＰＪ装置）、ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）などの画像表示装置において、光学素子として偏光板が用いられている。偏光板は、液晶パネルの光源光入射側および光源光出射側に配置され、偏光板に入射した光を所定の方向の直線偏光に変換する機能を有している。

従来、偏光板は、ヨウ素や染料を含んだＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の有機系材料からなる偏光フィルムを、ガラス基板等の透明基板で挟み込んだり、透明基板に張り付けたりして構成されていた。しかし、このような、有機系材料から構成された偏光板は、耐熱性に乏しく、７０℃以上の環境で使用されると、変質により偏光機能が低下するという問題があった。

偏光板には、透明基板の表面に、有機材料よりも耐熱性に優れる微細な線状の金属からなる凸条部（以下、金属細線という）をストライプ状に配列し、金属細線での回折現象を利用することにより、入射光を直線偏光に変換するワイヤーグリッド偏光子を有する偏光板がある。このように、耐熱性に優れた素材を用いることで、変質を抑制することができる。

このワイヤーグリッド偏光子を用いた偏光板は、金属細線の間隔が、入射光の波長に比べかなり小さいときに機能する。ナノ加工技術の発展により可視光領域で利用可能なワイヤーグリッド偏光子を用いた偏光板が開発され、高温に曝されるプロジェクタ用途への応用が検討されている。

画像表示装置の小型化、高精細化、高輝度化の要求とそれによる光源の高出力化により、偏光板に対する耐熱性の要求はますます高くなっている。また、車載ＨＵＤ装置などの屋外用途の装置では、光源からの熱に加え、太陽光の入射による熱も問題となる。

ワイヤーグリッド偏光子を用いた偏光板は、有機材料に比べ高い耐熱性を有している点で有利であるものの、薄く、幅も狭い金属細線と透明基板との積層体であることから、温度が変化すると両者の熱膨張係数の差に起因して偏光板が破損するおそれがある。

本開示の偏光板４は、図２に示すように、サファイア板４０と、サファイア板４０の第１主面４０ａに、金属細線４２が間隔をおいて複数整列した偏光子を備えている。この金属細線４２は、例えば、５０〜５００ｎｍ程度の高さで、３０〜１５０ｎｍ程度の幅、６０〜３００ｎｍ程度の金属細線同士４２同士の間隔を有し、長手方向に延びている。

金属細線４２同士の間隔を透過光の波長よりも短く設定することで、透過光を直線偏光に変換することができ、偏光板４としての機能が発現する。

サファイア板４０の第１主面４０ａに配置されている金属細線４２は、例えば、熱膨張係数が２３×１０^−６／℃のアルミニウムや、熱膨張係数が１６．８×１０^−６／℃の銅などからなる。金属細線４２は、例えば、以下の工程で形成することができる。

まず、蒸着、スパッタリングなどの製膜方法により、サファイア板４０の第１主面４０ａを金属膜で被覆する。その後、金属膜の上にレジスト膜を塗布、露光、現像してレジストパターンを形成する。次に、エッチャントを用いて金属膜を一定間隔のストライプ状にエッチング加工し、その後、レジストパターンを除去、洗浄することで金属細線４２を形成することができる。

なお、サファイアとは、酸化アルミニウム（化学式Ａｌ_２Ｏ_３）の単結晶をいう。サファイアは、耐熱性に優れていることに加え、熱伝導性および放熱性に優れており温度上昇を抑制できる点においても優れている。

サファイアの４０℃から４００℃における熱膨張係数は、７．０〜７．７×１０^−６／℃である。サファイアの熱膨張係数の値に幅があるのは、サファイアが熱膨張係数の異方性を有する材料であることに起因している。金属細線４２として、例えばアルミニウムを用いた場合、サファイアとアルミニウムの熱膨張係数差は、１５．３〜１６×１０^−６／℃となる。

偏光板４の温度が変化すると、サファイア板４０および金属細線４２は、膨張または収縮することになる。そして、サファイア板４０と金属細線４２の熱膨張係数が異なるため、両者の間に温度の変化量に応じた応力が発生する。応力は、サファイア板４０と金属細線４２との熱膨張差が大きいほど大きくなり、また、サファイア板４０と金属細線４２とが接触している長さが大きいほど大きくなる。

従って、サファイア板４０と金属細線４２との間に生じる応力を小さくするためには、金属細線４２の長さ方向におけるサファイア板４０と金属細線４２との熱膨張差を小さくすればよい。

図５に、本開示の偏光板４におけるサファイア板４０として用いるサファイアの結晶構造を示す。図５（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すように、サファイアは代表的な結晶面として、ｃ面、ｍ面、ａ面、ｒ面等の結晶面を有している。これらの結晶面に垂直な軸を、それぞれｃ軸、ｍ軸、ａ軸、ｒ軸という。

サファイアの４０℃から４００℃における熱膨張係数は、サファイアのｃ軸に平行な方向が７．７×１０^−６／℃であり、ｃ軸に垂直な方向が７．０×１０^−６／℃である。すなわち、ｃ軸に平行な方向の熱膨張係数は、ｃ軸に垂直な方向の熱膨張係数よりも約１０％大きく、金属細線４２の熱膨張係数との差が比較的小さい。

そこで、サファイア板４０のｃ軸と金属細線４２の長手方向とを一致させると、金属細線４２の長手方向におけるサファイア板４０の熱膨張係数を７．７×１０^−６／℃とすることができる。

この値は、サファイアの熱膨張係数の中で最も大きい値であり、熱による金属細線４２の長手方向の熱膨張係数との差を最も小さくすることができる構成となる。

本開示の偏光板４は、サファイア板４０のｃ軸と金属細線４２の長手方向とのなす角が５°以下である。

図３（ａ）、（ｂ）に、サファイア板４０のｃ軸と金属細線４２の長手方向とのなす角が５°以下である例を記載する。図３（ａ）は、サファイア板４０の第１主面４０ａとｃ軸が平行であり、ファイア板４０のｃ軸と金属細線４２の長手方向とのなす角が５°以下である例である。ｃ軸は図中における左右に±５°の範囲で金属細線４２の長手方向とずれてよい。なお、図３（ａ）の上下方向が金属細線４２の長手方向である。

図３（ｂ）は、偏光板４を側面視したものであり、図３（ｂ）における左右方向が金属細線４２の長手方向である。この場合、ｃ軸は、図中における上下に±５°の範囲で金属細線４２の長手方向とずれてよい。

このような構成とすると、剛性の高いサファイア板４０と金属細線４２との間に生じる応力を小さくすることができる。そして、横縦比が３：４で、対角が１．８インチ〜３．１インチの大きさの液晶に対応する偏光子を金属細線４２で形成した場合であっても、偏光板４の破損を抑制することができる。なお、上記の大きさの偏光子を形成したとき、金属細線４２の長さは、偏光方向によって異なるが、約２．７ｃｍ以上〜約４．７ｃｍ以上または約３．６ｃｍ以上〜約６．３ｃｍ以上となる。

サファイア板４０のｃ軸と金属細線４２の長手方向は、完全に一致する必要はなく、５°の範囲でずれていても十分に効果があり、ずれが１°以下であればさらによい。

サファイア板４０の第１主面４０ａとサファイア板４０のｃ軸のなす角度が０．１°以上であってもよい。言い換えると、サファイア板４０のｃ軸が、図中における上下方向にずれていてもよい。

このような構成である場合には、サファイア板４０の第１主面４０ａとｃ軸がずれているため、結晶面がサファイア板４０の第１主面４０ａに対して傾くため、サファイア板４０の主面４０ａに高さ数Å、幅数１０〜数１００Å程度のステップ構造が形成される。ステップ構造を大きくするために、サファイア板４０のｃ軸が、図中における上下に０．５°以上ずれるようにしてもよい。

サファイア板４０の第１主面４０ａと、サファイア板４０のｃ軸とのなす角度が大きいほどステップの高さは大きく、幅は小さくなる。サファイア板４０の主面４０ａがこのようなステップ構造を有すると、金属細線４２の製膜工程で、金属がステップ部に吸着しやすいので、均一な製膜が可能となるとともに、アンカー効果によりサファイア板４０の第１主面４０ａと金属細線４２との密着力が向上する。

サファイア板４０の第１主面４０ａと金属細線４２との密着力が高くなると、偏光子４が加熱、冷却を繰り返されても第１主面４０ａから金属細線４２が剥がれることを抑制することができる。またステップ構造は、可視光の波長（４００〜８００ｎｍ）と比べて充分小さいので、偏光板１の光学的特性への影響は知覚し得ない程度に抑制される。

また、本開示の偏光板４は、サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板のａ軸またはｍ軸とのなす角度を５°以下、好ましくは２°以下としてもよい。このような構成とすると、サファイア板４０の主面４０ａに入射する画像光の複屈折が生じにくい。

複屈折とは、屈折率の異方性により、光が物質を透過したときに、その偏光の状態によって２つに分かれる現象である。例えば、波長５８９ｎｍの光に対し、サファイアの屈折率は、ｃ軸方向が１．７６８であり、ｃ軸と垂直な方向が１．７６０である。また、複屈折を有する材料において、光を入射しても光が分かれない方向のことを光学軸と呼ぶ。

サファイアの光学軸はｃ軸方向である。サファイア板４０の主面４０ａに入射する画像光の光軸が、光学軸（ｃ軸）と平行であるか、垂直であると、複屈折は起こらない。

サファイア板４０の主面４０ａがサファイアのａ面またはｍ面である場合、サファイア板４０の主面４０ａに入射する画像光の光軸は、光学軸（ｃ軸）に垂直となり、複屈折は生じない。サファイア板４０の主面４０ａがサファイアのａ面またはｍ面とのなす角が５°以下、好ましくは２°以下である場合、複屈折は無視できるほど小さい。

サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のａ軸のなす角度が０°の場合、サファイア板４０の第１主面４０ａが、サファイアのａ面となる。従って、サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のａ軸のなす角度が５°以下である場合、サファイア板４０の第１主面４０ａとサファイアのａ面のなす角度が５°以下と言い換えることができる。

サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のｍ軸のなす角度が０°の場合、サファイア板４０の第１主面４０ａが、サファイアのｍ面となる。従って、サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のｍ軸のなす角度が５°以下である場合、サファイア板４０の第１主面４０ａとサファイアのｍ面のなす角度が５°以下と言い換えることができる。

サファイアは、強度にも異方性を有しており、サファイア板４０における応力がかかる面がａ面となるとき、サファイア板４０は最も高い強度を示す。また、サファイア板４０における応力がかかる面がｍ面となるとき、それに次ぐ強度を示す。ｃ面は、ａ面、ｍ面よりも強度が劣っているため、サファイア板４０の破損を抑制し、破損しにくい偏光板４とするためには、サファイア板４０の第１主面４０ａをｃ面とすることを避け、第１主面４０ａをａ面またはｍ面とする方がよい。

また、サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のａ軸またはｍ軸とのなす角度を０．１°以上、特に好ましくは０．５°以上としてもよい。このような構成とすると、結晶面がサファイア板４０の第１主面４０ａに対して傾くため、サファイア板４０の主面４０ａに高さ数Å、幅数１０〜数１００Å程度のステップ構造が形成される。

サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のａ軸またはｍ軸とのなす角度が大きいほどステップの高さは大きく、幅は小さくなる。サファイア板４０の主面４０ａがこのようなステップ構造を有すると、金属細線４２の製膜工程で、金属がステップ部に吸着しやすいので、均一な製膜が可能となるとともに、アンカー効果によりサファイア板４０の第１主面４０ａと金属細線４２との密着力が向上する。

サファイア板４０の第１主面４０ａと金属細線４２との密着力が高くなると、偏光子４が加熱、冷却を繰り返されても第１主面４０ａから金属細線４２が剥がれることを抑制することができる。またステップ構造は、可視光の波長（４００〜８００ｎｍ）と比べて充分小さいので、偏光板１の光学的特性への影響は知覚し得ない程度に抑制される。

また、サファイア板４０の第１主面４０ａに垂直な軸と、サファイア板４０のａ軸またはｍ軸とのなす角度を０．１°以上とすると、サファイア板４０の第１主面４０ａの表面に金属細線４２を形成するための前処理として熱処理やプラズマ処理を施すことで、第１主面４０ａに、より均一な段差を有するステップ構造が生じやすい。このようなステップ構造によって第１主面４０ａと、第１主面４０ａに形成された金属細線４２との密着強度が高く、また、密着強度のばらつきが小さくなる。例えば、前処理としてサファイア板４０を８００℃以上の温度、例えば１０００℃で３時間程度熱処理するとよい。

なお、金属細線４２の長手方向と、サファイア板４０の面や軸との関係については、Ｘ線回折法を用いた結晶方位測定装置等を用いて特定することができる。

結晶方位測定装置では、金属細線４２の長手方向が所定の角度となるように偏光板４を設置した上で、サファイア板４０にＸ線を照射して、サファイア板４０の単結晶の結晶格子の状態を表す、いわゆるＸ線回折強度を測定して、このＸ線回折強度に基づいて、金属細線４２の長手方向と、サファイア板４０の軸等との関係を特定することができる。

例えば、Ｘ線回折装置として、株式会社リガク製の自動Ｘ線結晶方位測定装置（型式２９９１Ｆ２）等を用いればよい。

このようにＸ線回折装置を用いて、サファイア板４０における結晶方位を特定し、その結晶方位と金属細線４２との関係が本開示のいずれかとなればよい。

サファイア板４０の厚みは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下としてもよい。このような構成とすると、偏光板４として充分な機械的強度と放熱性を有することができる。

第２の実施形態を示す図４には、ＨＵＤ装置１が偏光板４と鏡６との間に凸レンズなどの拡光部材８を備えている例を示している。このように、ＨＵＤ装置１が偏光板４と鏡６との間に拡光部材８を備えているときには、拡光部材８により画像光を拡大することができる。

また、図１において、鏡６を凹面鏡とすれば、鏡６が、拡光部材８の機能も有しているため、部材点数を少なくすることができる。

なお、第１および第２の実施形態を示す、図１、４におけるＨＵＤ装置１が備える入射側偏光板４ｂは、液晶３に偏光光を入射するために用いられる。入射側偏光板４ｂでは、金属細線４２をアルミニウム、銅などサファイアよりも熱伝導率の大きい材料とし、光源光の入射側に配置すると、より放熱性が高くなるので好適である。サファイア板４０の主面がサファイアのａ面またはｍ面である場合、入射した光は、その偏光方向と結晶の光軸（ｃ軸）との角度に応じて偏光方向が変化する。偏光方向がｃ軸に平行であれば、光はその偏光方向を保ったまま裏面から出射する。本実施形態では金属細線４２の長手方向がサファイアのｃ軸と略平行なので、金属細線４２により偏光された光は、偏光方向を保ったまま、入射側偏光版４ｂから出射され、液晶３に入射する。

出射側偏光板４ａは、液晶３から出射された光のうち、画像表示に不要な方向の偏光を遮断するために用いられる。入射側偏光板４ｂと出射側偏光板４ａの偏光方向の組合せは液晶３の種類によって決定される。例えば、液晶３としてＴＮ型液晶を使用する場合、入射側偏光板４ｂと出射側偏光板４ａとは偏光方向を９０°回転させて配置する。本実施形態では金属細線４２の長手方向がサファイアのｃ軸と略平行なので、金属細線４２を画像光の入射側に配置することで、金属細線４２により偏光された光は偏光方向を保ったまま出射側偏光板４ａから出射される。

ＨＵＤ装置１は、偏光板４が気流により冷却されるように設計してもよい。気流による冷却は、偏光板４を空冷するためにファンなどの送風体を用いればよい。また、車両などの移動体の移動に伴って生じる気流を利用してもよい。また、冷却効果を向上させるため、偏光板４に冷却フィンを接続してもよい。冷却フィンは、偏光板４の光が照射される範囲以外の部分の少なくとも一部に、形成されていればよい。

また、偏光板４のサファイア板４０として、偏光板４に照射した光のうち、紫外光など所定の波長領域の光を減衰するものを用いると、外光による画像形成部３や波長板など各種光学部材の損傷を抑制することができる。例えば、サファイア板４０の２００〜４００ｎｍの波長領域における透過率の平均値が、４００〜８００ｎｍの波長領域における透過率の平均値よりも小さくてもよい。サファイア板４０がこのような構成を満たすときには、いわゆる紫外光領域の光を減衰させ、ＨＵＤ装置内に侵入した太陽光に含まれる紫外光による画像形成部３や波長板など各種光学部材の損傷を抑制することができる。

また、サファイア板４０は、２０５〜２６０ｎｍの波長領域に吸収帯を有していてもよい。サファイアの結晶育成時または、育成後の熱処理時の雰囲気を還元製雰囲気に制御して、酸素空孔に起因する欠陥をサファイアに導入することで、紫外光領域に吸収帯を持ち、紫外光を減少させられるサファイアを製造することができる。酸素空孔に起因する欠陥を有するサファイアは、Ｆセンター、Ｆ＋センターと呼ばれる欠陥を有している。Ｆセンターは２０５ｎｍ、Ｆ＋センターは、２１０ｎｍ、２３０ｎｍ、２６０ｎｍに吸収帯を持っている。このような２０５ｎｍ〜２６０ｎｍの波長領域に吸収帯を有するサファイア板４０を用いると、ＨＵＤ装置１の内部に侵入する紫外光を減衰させることができる。

このように、本開示の偏光板４は、太陽光などの外部光に曝されることの多い移動体用ＨＵＤ装置１に好適である。移動体とは、例えば車両であり、船舶や飛行機なども含む。なお、太陽光とは、太陽光そのものでなくとも、車両の窓を通過した太陽光なども含まれる。

本開示の画像表示装置１を搭載した移動体は、画像表示装置１が破損しにくく、信頼性に優れたものとなる。

以上、本開示の偏光板４およびそれを用いた画像表示装置１、移動体の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。

偏光板４は、サファイア板４０の第１主面４０ａに金属で微細な線状の凸条部をストライプ状に配列し、凸条部での回折現象を利用することにより、入射光を直線偏光に変換する偏光板４であってもよいし、サファイア板４０の第１主面４０ａに一定間隔で設けられた帯状金属薄膜からなる反射層上に誘電体層と無機微粒子層とを積層した偏光板４であってもよい。画像表示装置１は、ＰＪ装置であってもよい。ＨＵＤ装置１は、鏡または窓の向こう側または手前側に虚像を認識させる形態であってもよい。

特に、車載用のＨＵＤ装置１のように、屋外で使用される画像表示装置１では、太陽光がＨＵＤ装置１に入射して、光路上に配置された鏡やレンズによって集光されて出射側偏光板４ａに達することがある。集光された太陽光により出射側偏光板４ａが高温となった場合、機能が低下したり、破損したりする恐れがある。本開示は、このような屋外で使用されるＨＵＤ装置１においても、破損しにくく、太陽光による出射側偏光板４ａの機能低下を低減することができる。

１ ：画像表示装置（ＨＵＤ装置）
２ ：光源
３ ：画像形成部（液晶）
４ ：偏光板
４ａ：出射側偏光板
４ｂ：入射側偏光板
Ｌ ：画像光の出射光路
６ ：鏡
７ ：出射窓
８ ：拡光部材（レンズ）
４０：サファイア板
４０ａ：第１主面
４２：金属細線

Claims (7)

1. 第１主面を有するサファイア板と、
   該サファイア板の第１主面にストライプ状の金属細線とを備え、
   前記サファイア板のｃ軸と前記金属細線の長手方向とのなす角が５°以下であり、
   前記サファイア板の第１主面と前記サファイア板のｃ軸とがずれており、
   前記サファイア板の２００〜４００ｎｍの波長領域における透過率の平均値が、４００〜８００ｎｍの波長領域における透過率の平均値よりも小さく、
   前記サファイア板は２０５〜２６０ｎｍの波長領域に吸収帯を有し、
   前記サファイア板の前記第１主面に垂直な軸と、前記サファイア板のａ軸またはｍ軸とのなす角度が０．１°以上５°以下である、偏光板。
2. 前記サファイア板の第１主面と前記サファイア板のｃ軸のなす角度が０．１°以上である請求項１に記載の偏光板。
3. 前記サファイア板の厚みが０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の偏光板。
4. 前記金属細線の長さは、２７ｍｍ以上である、請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光板。
5. 前記金属細線の長さは、６３ｍｍ以上である、請求項４に記載の偏光板。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の偏光板を備えた、画像表示装置。
7. 請求項６に記載の画像表示装置を搭載した、移動体。
   
   

Images