JP7236230B2 - 光学素子、液晶表示装置および投射型画像表示装置 - Google Patents

光学素子、液晶表示装置および投射型画像表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、光学素子、液晶表示装置および投射型画像表示装置に関する。
液晶表示装置は、その画像形成原理から、液晶パネルに偏光板を配置することが必要不可欠である。また、液晶表示装置においては、コントラストや視野角特性を改善するために、位相差補償板を用いた光学補償技術が利用されている。
液晶表示装置に用いられる偏光板としては、例えば、使用帯域の光の波長より小さいピッチの金属格子を基板上に形成し、当該金属格子上に誘電層および無機微粒子層を形成することにより、金属格子から反射した光を干渉効果により打ち消すとともに、もう一方の偏光成分を透過させる吸収型のワイヤグリッド型偏光板が提案されている（特許文献１参照）。
また、光学補償技術としては、例えば、斜方蒸着膜で形成された２枚の位相差補償板を用いて、光学補償する方法が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載された光学補償方法では、２枚の位相差補償板を面内方向に回転させ、関係角度を最適な位置に調整することでコントラストを改善させる。
また、少なくとも２つの補償層を有し、それらの位相差の値や、面内の光学軸方向が互いに異なるように配置して貼り合わせた位相差補償板を用いた液晶表示装置が提案されている（特許文献３参照）。
しかしながら、近年、液晶表示装置は小型化が進んでおり、偏光板や位相差補償板を配置するスペースが不足しつつある。したがって、特許文献２に記載された光学補償方法では、２枚の位相差補償板と、当該２枚の位相差補償板を回転させる回転機構が必要となることから、搭載スペースの増加が懸念され、小型化への対応は困難である。
また、特許文献３に記載された位相差補償板は、２つの補償層の貼り合せによって形成されるため接着剤を必要とし、耐久性に課題がある。また、２枚の基板が必要となるため、高コスト化の懸念もある。
特開２００８－２１６９５６号公報 特開２００９－１４５８６３号公報 国際公開第２００８／０８ｌ９１９号
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、配置スペースを大幅に縮小し、耐久性に優れるとともに高コスト化も抑制できる、光学素子を提供することにある。
本発明者は、偏光板と位相差補償板の機能を一体化すれば、配置スペースを大幅に縮小しつつ、耐久性に優れるとともに高コスト化も抑制できる光学素子となることに着目し、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、透明基板と、前記透明基板の一面に、偏光子を有し、前記透明基板の前記偏光子とは反対の面に、位相差補償素子を有する光学素子である。
前記偏光子は、ワイヤグリッド構造を有し、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで前記透明基板上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部を有していてもよい。
前記格子状凸部は、前記透明基板側から順に、線状金属層と、第１の誘電体層と、吸収層と、を有していてもよい。
前記第１の誘電体層は、Ｓｉ酸化物またはＡｌ酸化物であってもよい。
前記格子状凸部は、前記透明基板側から順に、線状金属層と、誘電吸収層と、を有していてもよい。
前記線状金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、およびこれらのうちの２以上からなる合金からなる群より選ばれる少なくとも１種であってもよい。
前記格子状凸部は、少なくとも表面の一部が、第２の誘電体層で被覆されていてもよい。
前記第２の誘電体層の上に、さらに撥水層を有していてもよい。
前記位相差補償素子は、少なくとも、無機材料が堆積された複数の複屈折膜を含む光学異方性層と、位相差付与マッチング層を有していてもよい。
前記複屈折膜は、斜方蒸着膜であってもよい。
前記無機材料は、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｔａ、Ａｌ、Ｈｆ、およびＣｅからなる群より選択される少なくとも１種を含有する酸化物であってもよい。
前記位相差付与マッチング層は、屈折率の異なる２種以上の誘電体からなる誘電体膜の積層体であってもよい。
前記誘電体膜は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、およびＨｆＯ２からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。
さらに反射防止層を有していてもよい。
前記位相差補償素子は、前記光学異方性層と前記反射防止層との間に保護層を有していてもよい。
前記透明基板は、ガラス、水晶、またはサファイアからなる群から選ばれる１種であってもよい。
また別の本発明は、ＶＡモード液晶セルと、上記の光学素子とを有する液晶表示装置である。
また別の本発明は、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、前記光源と前記投射光学系との間の光路に配置された上記の液晶表示装置と、を有する投射型画像表示装置である。
本発明の光学素子は、偏光子と位相差補償素子の両者の機能を併せ持つため、例えば液晶表示装置が組み込まれた投射型画像表示装置において、配置スペースを大幅に縮小するとともに、部品点数の削減を図ることができ、高コスト化を抑制することができる。また、本発明の光学素子は、位相差補償素子の調整の工数を減ずることが可能となる。さらに、本発明の光学素子は、主として無機材料から成るため、耐久性および耐熱性に優れる。
本発明の一実施形態に係る光学素子の断面模式図である。 本発明の複屈折膜の斜視模式図である。 複屈折膜の成膜方向を透明基板の表面に投影した線分の向きを示す図である。 本発明の一実施形態に係る位相差付与マッチング層の断面模式図である。 実施例１の複屈折膜の成膜方向を示す図である。
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。
［光学素子］
本発明の光学素子は、透明基板と、透明基板の一面に偏光子を有し、透明基板の偏光子とは反対の面に位相差補償素子を有する。なお、本発明の光学素子は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、透明基板と偏光子との間、あるいは、透明基板と位相差補償素子との間に、他の層が存在していてもよい。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子１００を示す断面模式図である。図１に示す光学素子１００は、透明基板１１と、透明基板１１の一方の面上に、偏光子１０１を有し、透明基板１１の偏光子１０１とは反対の面に、位相差補償素子１０２を有する。
図１に示される光学素子１００を構成する偏光子１０１は、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列された格子状凸部を有し、格子状凸部は、透明基板１１側から順に、第３の誘電体層１６と、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、第２の誘電体層２０と、を有する。すなわち、偏光子１０１は、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、第２の誘電体層２０とが、透明基板１１側からこの順に積層されて形成された格子状凸部が、透明基板１１上に一次元格子状に配列されたワイヤグリッド構造となっている。
図１に示される光学素子１００を構成する位相差補償素子１０２は、反射防止層１２と、光学異方性層１３と、保護層１４と、位相差付与マッチング層１５と、を有する。
（透明基板）
透明基板（図１における透明基板１１）としては、使用帯域の光に対して透光性を示す基板であれば特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。「使用帯域の光に対して透光性を示す」とは、使用帯域の光の透過率が１００％であることを意味するものではなく、偏光子としての機能を保持可能な透光性を示せばよい。使用帯域の光としては、例えば、波長３８０ｎｍ～８１０ｎｍ程度の可視光が挙げられる。
透明基板の主面形状は特に制限されず、目的に応じた形状（例えば、矩形形状）が適宜選択される。透明基板の平均厚みは、例えば、０．３ｍｍ～１ｍｍが好ましい。
透明基板の構成材料としては、屈折率が１．１～２．２の材料が好ましく、ガラス、水晶、サファイア等が挙げられる。コストおよび透光性の観点からは、ガラス、特に石英ガラス（屈折率１．４６）やソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）を用いることが好ましい。ガラス材料の成分組成は特に制限されず、例えば光学ガラスとして広く流通しているケイ酸塩ガラス等の安価なガラス材料を用いることができる。
また、熱伝導性の観点からは、熱伝導性が高い水晶やサファイアを用いることが好ましい。これにより、強い光に対して高い耐光性が得られ、発熱量の多いプロジェクタの光学エンジン用の偏光子として好ましく用いられる。
なお、水晶等の光学活性の結晶からなる透明基板を用いる場合には、結晶の光学軸に対して平行方向または垂直方向に格子状凸部を配置することが好ましい。これにより、優れた光学特性が得られる。
［偏光子］
本発明の光学素子を構成する偏光子は、ワイヤグリッド構造を有する偏光子であって、透明基板と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチ（周期）で透明基板上に配列されて所定方向に延在する格子状凸部と、を有することが好ましい。また、この格子状凸部は、透明基板側から順に、少なくとも、線状金属層と、第１の誘電体層と、吸収層と、を有するか、線状金属層と、誘電吸収層と、を有することが好ましい。なお、本発明の光学素子を構成する偏光子は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、線状金属層、第１の誘電体層、吸収層、誘電吸収層以外の層が存在していてもよい。
＜第１実施形態の偏光子＞
図１に示される本発明の一実施形態である光学素子１００を構成する偏光子１０１は、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列された格子状凸部を有し、格子状凸部は、透明基板１１側から順に、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、第２の誘電体層２０と、を有する。すなわち、偏光子１０１は、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、第２の誘電体層２０とが、透明基板１１側からこの順に積層されて形成された格子状凸部が、透明基板１１上に一次元格子状に配列されたワイヤグリッド構造となっている。
ここで、図１に示すように格子状凸部の延在する方向（所定方向）を、Ｙ軸方向と称する。また、Ｙ軸方向に直交し、透明基板１１の主面に沿って格子状凸部が配列する方向を、Ｘ軸方向と称する。この場合、偏光子１０１に入射する光は、透明基板１１の格子状凸部が形成されている側において、好適にはＸ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向から入射する。
ワイヤグリッド構造を有する偏光子１０１は、透過、反射、干渉および光吸収の４つの作用を利用することで、Ｙ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。従って、図１においては、Ｙ軸方向が偏光子の吸収軸の方向であり、Ｘ軸方向が偏光子の透過軸の方向である。
図１に示される偏光子１０１の格子状凸部が形成された側から入射した光のうち、偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））は、高い割合で線状金属層１７を通過する。一方、偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））は、線状金属層１７で反射される。線状金属層１７で反射されたＴＥ波は、吸収層１９を通過する際に一部は吸収され、一部は反射して線状金属層１７に戻る。吸収層１９で反射されたＴＥ波は、誘電体層１８において線状金属層１７で反射されたＴＥ波と干渉して減衰する。以上のようにＴＥ波の減衰を行うことにより、偏光子１０１は、所望の偏光特性を得ることができる。
本発明の光学素子を構成する偏光子における格子状凸部は、図１に示すように各一次元格子の延在する方向（所定方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、を有することが好ましい。
本発明の光学素子を構成する偏光子において、格子状凸部のピッチは、使用帯域の光の波長よりも短ければ特に制限されない。作製の容易性および安定性の観点から、格子状凸部のピッチは、例えば、１００ｎｍ～２００ｎｍが好ましい。この格子状凸部のピッチは、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡で観察することにより測定することができる。例えば、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて、任意の４箇所についてピッチを測定し、その算術平均値を格子状凸部のピッチとすることができる。以下、この測定方法を電子顕微鏡法と称する。
本発明の光学素子を構成する偏光子は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、格子状凸部内における線状金属層と第１の誘電体層および吸収層は、略同一の幅を有していることが好ましい。
（線状金属層）
線状金属層（図１における線状金属層１７）は、透明基板の片側面に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に、帯状に延びた金属膜が配列されたものである。なお、本発明においては、透明基板と線状金属層との間には、別の層が存在していてもよい。例えば、図１に示される本発明の一実施形態に係る偏光子１０１は、透明基板１１と線状金属層１７との間に、第３の誘電体層１６を有する。
図１に示される本発明の一実施形態に係る偏光子１０１の線状金属層１７を構成する金属膜は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、矩形状を有する。しかしながら、線状金属層を構成する金属膜の形状は特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択することができ、断面における形状として、例えば、矩形、台形等が挙げられる。
線状金属層は、ワイヤグリッド型偏光子としての機能を有し、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）に平行な方向に電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を反射させ、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｘ軸方向）に直交する方向に電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。
線状金属層の構成材料としては、使用帯域の光に対して反射性を有する材料であれば特に制限されず、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ等の元素単体、またはこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。中でも、線状金属層は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されることが好ましい。
線状金属層の膜厚は、特に制限されるものではないが、偏光特性の観点から２０ｎｍ～４００ｎｍの範囲が好ましく、かつ、格子状凸部の厚みの５０％以上であることが好ましい。なお、線状金属層の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
（第１の誘電体層）
第１の誘電体層（図１における第１の誘電体層１８）は、線状金属層上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びて配列されたものである。なお、本発明においては、線状金属層と第１の誘電体層との間には、別の層が存在していてもよい。
図１に示される本発明の一実施形態に係る光学素子１００を構成する偏光子１０１においては、格子状凸部における第１の誘電体層１８は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、矩形状を有する。
第１の誘電体層の膜厚は、吸収層で反射した偏光に対して、線状金属層で反射した偏光の位相が半波長ずれる範囲で形成される。具体的には、第１の誘電体層の膜厚は、干渉効果を高めることが可能な１～５００ｎｍの範囲で適宜設定される。この第１の誘電体層の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
第１の誘電体層を構成する材料としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｂ等の元素の酸化物、Ｓｉ、Ｂ等の元素の窒化物、Ｍｇ、Ｃａ等の元素のフッ化物等が挙げられる。これらの誘電材料は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。２種以上の誘電材料を併用する場合には、２種以上の誘電材料を混合して用いてもよく、膜厚方向で異なる誘電材料を用いてもよい。中でも、第１の誘電体層は、Ｓｉ酸化物またはＡｌ酸化物で構成されることが好ましく、さらには、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３が特に好ましい。
第１の誘電体層の屈折率は、１．０より大きく、２．５以下であることが好ましい。線状金属層の光学特性は、周囲の屈折率によっても影響を受けるため、第１の誘電体層の材料を選択することで、偏光特性を制御することができる。
また、第１の誘電体層の膜厚や屈折率を適宜調整することにより、線状金属層で反射したＴＥ波について、誘電体層と吸収層との界面で一部を反射して線状金属層に戻すことができ、吸収層で反射した光と線状金属層で反射した光を干渉により減衰させることができる。このようにしてＴＥ波の減衰を行うことにより、所望の偏光特性を得ることができる。
（吸収層）
吸収層（図１における吸収層１９）は、第１の誘電体層上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びて配列されたものである。なお、本発明においては、第１の誘電体層と吸収層との間には、別の層が存在していてもよい。
図１に示される本発明の一実施形態に係る光学素子１００を構成する偏光子１０１においては、格子状凸部内における吸収層１９は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、矩形状を有する。
吸収層を構成する材料としては、金属材料や半導体材料等の消衰数が零でない、光吸収作用を持つ物質の１種以上が挙げられ、適用される光の波長範囲によって適宜選択される。金属材料としては、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ等の元素単体、またはこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。また、半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料（β－ＦｅＳｉ２、ＭｇＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＢａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＴａＳｉ等）が挙げられる。これらの吸収材料は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。２種以上の吸収材料を併用する場合には、２種以上の吸収材料を混合して用いてもよく、膜厚方向で異なる吸収材料を用いてもよい。これらの吸収材料を用いることにより、偏光子は、適用される可視光域に対して高い消光比が得られる。中でも、吸収層は、ＦｅまたはＴａを含むとともに、Ｓｉを含んで構成されることが好ましい。
吸収層として半導体材料を用いる場合には、吸収作用に半導体のバンドギャップエネルギーが関与するため、バンドギャップエネルギーが使用帯域以下であることが必要である。例えば、可視光で使用する場合、波長４００ｎｍ以上での吸収、すなわち、バンドギャップとしては３．１ｅＶ以下の材料を使用する必要がある。
吸収層の膜厚は、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができるが、１ｎｍ～１００ｎｍの範囲とすることが好ましく、５ｎｍ～８０ｎｍがより好ましく、１０ｎｍ～５０ｎｍが特に好ましい。吸収層の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
なお、吸収層は、蒸着法やスパッタ法により、高密度の膜として形成可能である。また、吸収層は、構成材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。
格子状凸部における吸収層の幅は、吸収層の下層に位置する、例えば第１の誘電体層の幅と略同一であってもよい。なお、これらの幅は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
＜第２実施形態の偏光子＞
本発明の光学素子を構成する偏光子の第２の実施形態は、格子状凸部が、透明基板側から順に、線状金属層と、誘電吸収層と、を有する構成である。すなわち、偏光子は、少なくとも、線状金属層と、誘電吸収層とが、透明基板側からこの順に積層されて形成された格子状凸部が、透明基板上に一次元格子状に配列されたワイヤグリッド構造となっている。
第２実施形態の偏光子における誘電吸収層は、誘電材料と吸収材料とを含む層である。
誘電吸収層に含まれる誘電材料としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｂ等の元素の酸化物、Ｓｉ、Ｂ等の元素の窒化物、Ｍｇ、Ｃａ等の元素のフッ化物等が挙げられる。これらの誘電材料は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。２種以上の誘電材料を併用する場合には、２種以上の誘電材料を混合して用いてもよく、膜厚方向で異なる誘電材料を用いてもよい。
誘電吸収層に含まれる吸収材料としては、金属材料や半導体材料等が挙げられ、金属材料としては、例えば、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ等の元素単体、またはこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。また、半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料（β－ＦｅＳｉ２、ＭｇＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＢａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＴａＳｉ等）が挙げられる。これらの吸収材料は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。２種以上の吸収材料を併用する場合には、２種以上の吸収材料を混合して用いてもよく、膜厚方向で異なる吸収材料を用いてもよい。
誘電吸収層中の誘電材料と吸収材料の含有率は膜厚方向に変化させてもよい。変化させることにより、光学素子の光学特性を向上させることができる。また、吸収材料の含有率の変化を調整することにより、吸収軸反射率Ｒｓの最小点における波長を調整することができる。なお、光学素子の光学特性をより向上させる観点から、誘電吸収層における吸収材料の含有率は、線状金属層から離れるに従って増加させることが好ましい。すなわち、第２の実施形態による誘電吸収層は、吸収材料の含有率が、線状金属層から離れるに従って増加する組成勾配を有することが好ましい。
＜偏光子における任意の層＞
本発明の光学素子を構成する偏光子は、線状金属層、第１の誘電体層、吸収層、誘電吸収層以外の層が存在していてもよい。以下に、任意の層について説明する。
（第２の誘電体層）
本発明の光学素子を構成する偏光子は、吸収層または誘電吸収層の上に、第２の誘電体層を有していてもよい。第２の誘電体層の膜厚、材料、屈折率、形状等については、上述した第１の誘電体層と同様である。
図１に示される本発明の一実施形態である光学素子１００を構成する偏光子１０１においては、格子状凸部は、透明基板１１側から順に、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、第２の誘電体層２０と、を有する。そして第２の誘電体層２０は、偏光子１０１の格子状凸部のみならず、偏光子１０１の表面の全面にわたって、偏光子１０１を被覆している。第２の誘電体層を有することにより、格子状凸部の構成材料となる金属材料が、必要以上に酸化反応が進行するのを抑制することができる。
第２の誘電体層は、偏光子の表面（ワイヤグリッドが形成された面）上に、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）を利用して形成することができる。
（撥水層）
さらに、本発明の光学素子を構成する偏光子は、光の入射側の表面、すなわち第２の誘電体層の表面が、撥水層により覆われていてもよい。撥水層は、純水を用いたθ／２法による測定で、例えば接触角９０°以上を示す層であることが好ましい。
撥水層の材料としては、撥水性を有する物質であれば特に制限はないが、誘電材料からなる層との密着性の観点から、誘電材料または誘電材料表面に含まれる水酸基等との反応性を示す官能基を有する化合物であることが好ましい。
さらに、接触角を高くし、撥水性を高める観点から、長鎖のアルキル鎖やフルオロアルキル鎖を有する化合物であることが好ましい。このような化合物としては、例えば、ＦＤＴＳ（パーフルオロデシルトリエトキシシラン）やＦＯＰＡ（パーフルオロ－ｎ－オクチルホスホン酸）、ＯＤＰＡ（オクタデシルホスホン酸）等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
撥水層は、例えば、上述のＣＶＤやＡＬＤを利用することにより形成することができる。
（拡散バリア層）
本発明の光学素子を構成する偏光子は、第１の誘電体層と吸収層との間に、拡散バリア層を有していてもよい。すなわち図１に示される偏光子１０１を例にすると、格子状凸部は、透明基板１１側から順に、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、拡散バリア層と、吸収層１９と、を有する構成となる。拡散バリア層を有することにより、吸収層における光の拡散を防止することができる。拡散バリア層は、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ等の金属膜で構成することができる。
（第３の誘電体層）
本発明の光学素子を構成する偏光子は、透明基板と格子状凸部との間に、第３の誘電体層を有していてもよい。第３の誘電体層を設けることにより、耐熱性と耐湿性を向上させることができる。なお、第３の誘電体層の膜厚、材料、屈折率、形状等については、上述した第１の誘電体層と同様である。
図１に示される本発明の一実施形態である光学素子１００を構成する偏光子１０１においては、透明基板１１と格子状凸部を構成する線状金属層１７との間に、第３の誘電体層１６を有する。そして、第３の誘電体層の上に、格子状凸部となる、線状金属層１７と、第１の誘電体層１８と、吸収層１９と、第２の誘電体層２０と、を有する。
［偏光子の製造方法］
本発明の光学素子を構成する偏光子は、金属膜形成工程と、第１誘電体膜形成工程と、吸収膜形成工程と、エッチング工程と、を経ることにより、製造することができる。
金属膜形成工程では、透明基板の片面の基板表面全体に、後のエッチング工程によって線状金属層となる金属膜を形成する。第１誘電体膜形成工程では、金属膜形成工程で形成された金属膜の表面全体の上に、後のエッチング工程によって第１の誘電体層となる第１の誘電体膜を積層する。吸収膜形成工程では、第１誘電体膜形成工程で形成された第１の誘電体膜の表面全体の上に、後のエッチング工程によって吸収層となる吸収膜を積層する。これらの各形成工程では、例えばスパッタ法や蒸着法により、各膜を形成することができる。なお、必要に応じて、任意の層を形成する工程を経てもよい。
エッチング工程では、上述の各形成工程を経て形成された積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板上に配列される格子状凸部を形成する。具体的には、例えばフォトリソグラフィ法やナノインプリント法により、一次元格子状のマスクパターンを形成する。そして、エッチングを行った後にマスクパターンを除去することにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板上に配列される格子状凸部を形成する。エッチング方法としては、例えば、エッチング対象に対応したエッチングガスを用いたドライエッチング法が挙げられる。
特に本発明においては、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせてバランスを変化させることにより、線状金属層と第１の誘電体層と吸収層の幅を異ならせることも可能である。
なお、本発明の光学素子を構成する偏光子の製造方法は、その表面を誘電体からなる第２の誘電体層で被覆する工程を有していてもよい。また、さらに、その表面を撥水層で被覆する工程を有していてもよい。
［位相差補償素子］
本発明の光学素子を構成する位相差補償素子は、液晶セルで生じる光の位相差を補償する機能を有し、少なくとも、光学異方性層と、位相差付与マッチング層とを有する。
図１に示される本発明の一実施形態である光学素子１００を構成する位相差補償素子１０２は、透明基板１１の偏光子１０１とは反対の面に形成され、透明基板１１側から順に、位相差付与マッチング層１５と、光学異方性層１３と、保護層１４と、反射防止層１２と、を有する。
［光学異方性層］
本発明の光学素子を構成する位相差補償素子において、光学異方性層は、無機材料が堆積された複数の複屈折膜を含む。光学異方性層と位相差付与マッチング層は、本発明の光学素子を構成する位相差補償素子において位相差を補償する機能を有し、コントラストを改善することに寄与する層である。
図１に示される位相差補償素子１０２においては、光学異方性層１３は、位相差付与マッチング層１５と保護層１４との間に配置される。光学異方性層１３は、複数の複屈折膜を含む層となっている。
光学異方性層に含まれる複数の複屈折膜は、無機材料が堆積された膜である。無機材料としては、誘電材料が好ましく、例えば、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｔａ、Ａｌ、Ｈｆ、およびＣｅからなる群より選択される少なくとも１種を含有する酸化物が挙げられる。さらには、Ｔａ２Ｏ５を主成分とするものが好ましく、Ｔａ２Ｏ５にＴｉＯ２を５～１５質量％添加した材料がさらに好ましい。
光学異方性層に含まれる複屈折膜の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、斜方蒸着により成膜することが好ましい。すなわち、光学異方性層に含まれる複屈折膜は、斜方蒸着膜であることが好ましい。なお、斜方蒸着により複屈折膜を成膜する場合には、透明基板を面内方向に所定の角度に回転させることにより、蒸着方向を変更することができる。
図２は、光学異方性層に含まれる複屈折膜の一実施態様を示す斜視模式図である。図２に示すように、光学異方性層１３に含まれる複屈折膜１３１は、透明基板１１の表面に直交する方向（以下、基板法線方向という）である基板法線Ｓに対して、傾斜する方向に堆積して形成された膜である。本発明の光学素子を構成する位相差補償素子において、光学異方性層は、このような複屈折膜が、面内の方向を変えて繰り返し成膜され、複数堆積された構成となっている。
すなわち、光学異方性層に含まれる複屈折膜の各々は、斜方蒸着により、透明基板の基板法線に対して傾斜する方向に堆積して形成され、複屈折膜を構成する無機材料の成膜方向と透明基板の表面とのなす角の角度は９０度ではないことが好ましい。
図３は、斜方蒸着による複屈折膜の成膜方向を透明基板の表面に投影した線分の向きを示す図である。蒸着源から蒸着方向Ｄにて透明基板１１に向かって複屈折膜を成膜した場合には、複屈折膜の成膜方向を透明基板の表面に投影した線分の向きはｄで示される。
なお、光学異方性層に含まれる複数の複屈折膜の材料や組成は、同一である。また、複数の複屈折膜の各々の位相差については、特に限定されるものではなく、液晶セルに応じて最適化することができる。
光学異方性層に含まれる複屈折膜それぞれの膜厚は、特に限定されるものではなく、液晶セルに応じて最適化することができる。なお、本明細書において層の厚み（膜厚）とは、平均の膜厚を意味する。
光学異方性層全体の厚みについても、複特に限定されるものではなく、液晶セルに応じて最適化することができる。
なお、本発明の光学素子においては、光学異方性層は、透明基板の偏光子が設けられた面とは反対の面（逆の面）に配置され、透明基板と光学異方性層との間に、後述する位相差付与マッチング層を挟むようにして設けられる。
［位相差付与マッチング層］
位相差付与マッチング層は、本発明の光学素子を構成する位相差補償素子において、必須の層である。位相差付与マッチング層は、透明基板と、光学異方性層との間に設けられる。
位相差付与マッチング層は、透明基板と光学異方性層との界面における反射防止の作用と、Ｃプレートの作用とを有する。すなわち位相差付与マッチング層は、Ｃプレートの作用とともに、透明基板と光学異方性層との界面における反射防止を同時に行う位置づけとなっている。
図１に示される位相差補償素子１０２においては、透明基板１１側から順に、位相差付与マッチング層１５、光学異方性層１３、保護層１４が積層され、反射防止層１２は、その上の最外層として配置される。
位相差付与マッチング層は、屈折率の異なる２種以上の誘電体からなる誘電体膜の積層体であることが好ましい。図４は、本発明の一実施形態に係る位相差付与マッチング層の断面模式図である。図４に示す位相差付与マッチング層１５は、屈折率の異なる２種類の誘電体膜を積層することで形成された多層膜である。本実施形態では、位相差付与マッチング層１５は、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誘電体多層膜で構成される。層数としては特に限定されるものではないが、例えば、第１の誘電体膜１５１と第２の誘電体膜１５２が交互に積層された合計３４層からなる誘電体多層膜が挙げられる。
位相差付与マッチング層を構成する、屈折率の異なる２種以上の誘電体からなる誘電体膜を形成する材料としては、それぞれ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、およびＨｆＯ２からなる群より選択される少なくとも１種を含む無機酸化物が挙げられる。例えば、図５に示す一実施形態に係る位相差付与マッチング層１５においては、第１の誘電体膜１５１は、相対的に高屈折率のＮｂ２Ｏ５にて形成し、第２の誘電体膜１５２は、相対的に低屈折率のＳｉＯ２にて形成することが好ましい。
位相差付与マッチング層は、透明基板の表面に直交する方向（基板法線方向）に対して１５度傾斜した斜入射光に付与する位相差が、１．０～２５．０ｎｍとなるように設計することが好ましい。この範囲の位相差となるように、各誘電体膜の膜厚を異なるものとし、さらに積層数を最適なものとすることで、反射防止の作用を有しつつ、斜め方向からの入射光に位相差を付与し、その結果、Ｃプレートの作用をすることができる。また、各誘電体膜の膜厚が異なる場合には、誘電体膜の膜厚が全て同じ場合と比較して、積層する層数を減らすことが可能となる。したがって、位相差付与マッチング層の膜厚は、所望の位相差を得るために必要な膜厚とすればよく、特に限定されるものではない。
［反射防止層］
反射防止層は、必要に応じて設けられ、所望の使用波長帯域における反射防止の作用を有する層である。反射防止層は、例えば誘電体膜が積層されたものであり、必要とする特性と生産性に応じて、用いる誘電体と層数とを適宜設定することができる。
図１における光学素子１００における反射防止層１２は、光学異方性層１３や位相差付与マッチング層１５、保護層１４が設けられている側の最外部となるように設けられている。
［保護層］
保護層は、本発明の光学素子においては任意の層であり、光学素子の反りを防止し、かつ、光学異方性層の耐湿性を向上するために設けられる。保護層の材料としては、光学素子にかかる応力が調整可能であり、かつ、耐湿性向上に寄与するものであれば特に限定されるものではない。例えばＳｉＯ２等の薄膜が挙げられる。
図１における位相差補償素子１０２における保護層１４は、光学異方性層１３と、反射防止層１２との間に配置されている。保護層を設ける場合には、位相差補償素子において、光学異方性層上に配されることが好ましい。
［液晶表示装置］
本発明の液晶表示装置は、液晶セルと、上記の本発明の光学素子と、を有する。本発明においては、液晶セルはＶＡモードであることが好ましい。
ＶＡモード液晶セルは、垂直配向型の液晶セルであり、無電圧印加状態における液晶分子は、基板面の法線方向に対して一定の方向に傾いて配向する。この傾き角度をプレチル卜角と呼ぶ。
本発明によれば、液晶セルの入射側、または、出射側に配置されている偏光板を本発明の光学素子と置き換えるだけで、液晶表示装置のコントラストを改善させることができ、十分な光学補償効果を得ることができる。
［投射型画像表示装置］
また、本発明の投射型画像表示装置は、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、光源と投射光学系との間の光路に配置された上記の液晶表示装置と、を有する。
光源は、光を出射するものであり、例えば、白色光を出射する超高圧水銀ランプ等が挙げられる。投射光学系は、変調された光を投射するものであり、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等が挙げられる。
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、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜選択することができる。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。
ＶＡモード液晶セルと、本発明の光学素子と、を有する液晶表示装置は、光源と投射光学系との間の光路上に配置される。
本発明によれば、液晶セルを挟む２枚の偏光板のうち少なくとも１枚を本発明の光学素子に置き換えることにより、液晶表示装置の偏光制御とコントラストの改善とを、省スペースで実現することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
実施例１においては、図１に示す構成の光学素子を作製した。
［偏光子の作製］
（第３の誘電体層の形成）
ガラス基板（平均厚み０．７ｍｍ）の一面に、Ｓｉ０２膜をスパッタ法で成膜することにより、第３の誘電体層（図１における第３の誘電体層１６）を形成した。
（金属膜の形成）
続いて、第３の誘電体層上に、Ａｌ膜をスパッタ法で成膜することにより、金属膜を形成した。
（第１の誘電体膜の形成）
続いて、金属膜上に、ＳｉＯ２膜をスパッタ法で成膜することにより、第１の誘電体膜を形成した。
（吸収膜の形成）
続いて、第１の誘電体膜上に、Ｓｉをスパッタ法で成膜することにより、吸収膜を形成した。
（格子状凸部の形成）
続いて、吸収膜上にレジストを塗布し、露光および現像を実施することにより、レジストパターンを形成した。しかる後、レジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことにより、線状金属層、第１の誘電体層、吸収層からなる格子状凸部を形成した（図１における、線状金属層１７、第１の誘電体層１８、吸収層１９）。
（第２の誘電体層の形成）
その後、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ２を用い、プラズマＣＶＤ法により、格子状凸部が形成された面全体に対してＳｉＯ２膜を成膜することにより、第２の誘電体層（図１における第２の誘電体層２０）を形成した。
（撥水層の形成）
最後に、ＦＤＴＳ（パーフルオロデシルトリクロロシラン）を原料として、第２の誘電体層の上に、撥水層（図１には記載なし）を形成した。
［位相差補償素子の作製］
（位相差付与マッチング層の形成）
ガラス基板の偏光子が作製されていない面上に、Ｎｂ２Ｏ５とＳｉＯ２とを用いて、３４層をスパッタ法により積層することにより、位相差付与マッチング層（図１における位相差付与マッチング層１５）を形成した。付与した位相差は、基板の法線方向から１５°傾斜した入射光に対して、７．０ｎｍとなるようにした。
（光学異方性層の形成）
位相差付与マッチング層の上に、Ｔａ２０５とＴｉ０２の混合物を蒸着材料として、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て、斜方蒸着を実施し、２枚の複屈折膜を成膜することにより光学異方性層（図１における光学異方性層１３）を形成した。
図５に、各蒸着プロセスの面内方向の成膜方向を示す。蒸着プロセス１においては、図５に示すように、蒸着面にｘｙ軸を規定して中心から時計回りの方向を＋とした場合に、－９３°の方向から斜方蒸着を実施し、膜厚が１６０ｎｍとなる複屈折膜１を成膜した。次いで、蒸着プロセス２として、－１７７°の方向から斜方蒸着を実施して、膜厚が１６０ｎｍとなる複屈折膜２を成膜した。その後、特性を安定化させるため、３００℃でアニール処理を行い、光学異方性層（図１における光学異方性層１３）を形成した。
（保護層の形成）
次いで、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ２を用い、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を成膜することにより、保護層（図１における保護層１４）を形成した。
（反射防止層の形成）
次いで、Ｎｂ２Ｏ５とＳｉＯ２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り、反射防止層（図１における反射防止層１２）を形成した。
＜比較例１＞
実施例１において、ガラス基板の片面に偏光子のみを作製し、位相差補償素子を作製しない光学素子を、比較例１とした。
［コントラストの測定］
実施例１および比較例１の光学素子について、コントラストを測定した。比較例１の光学素子の平均コントラストは３９８．８であったのに対し、実施例１の光学素子の平均コントラストは６３０．４であった。
１００ 光学素子
１０１ 偏光子
１０２ 位相差補償素子
１１ 透明基板
１２ 反射防止層
１３ 光学異方性層
１３１ 複屈折膜
１４ 保護層
１５ 位相差付与マッチング層
１５１ 第１の誘電体膜
１５２ 第２の誘電体膜
１６ 第３の誘電体層
１７ 線状金属層
１８ 第１の誘電体層
１９ 吸収層
２０ 第２の誘電体層
Ｓ 基板法線
Ｄ 複屈折膜の成膜方向
ｄ 複屈折膜の成膜方向を透明基板の表面に投影した線分の向き
ｐ１ 複屈折膜１の成膜方向
ｐ２ 複屈折膜２の成膜方向
ｌ 液晶分子を透明基板の表面に投影した線分の向き

Claims (9)

  1. 透明基板と、
    前記透明基板の一面に、偏光子を有し、
    前記透明基板の前記偏光子とは反対の面に、位相差補償素子を有し、
    前記偏光子は、ワイヤグリッド構造を有し、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで前記透明基板上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部を有し、
    前記格子状凸部は、前記透明基板側から順に、線状金属層と、第１の誘電体層と、吸収層と、を有し、
    前記偏光子は、前記格子状凸部が形成されている表面の全面が、第２の誘電体層および撥水層で順次被覆されているとともに、前記透明基板と前記格子状凸部との間に、第３の誘電体層を有し、
    前記位相差補償素子は、前記透明基板側から順に、位相差付与マッチング層と、光学異方性層と、保護層と、反射防止層と、を有し、
    前記位相差付与マッチング層は、屈折率の異なる２種以上の誘電体からなる誘電体膜の積層体であり、
    前記光学異方性層は、無機材料が堆積された複数の複屈折膜を含み、
    前記複屈折膜は、斜方蒸着膜である、光学素子。
  2. 前記第１の誘電体層は、Ｓｉ酸化物またはＡｌ酸化物である、請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記格子状凸部は、前記第１の誘電体層と、前記吸収層の代わりに、誘電吸収層を有する、請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記線状金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、およびこれらのうちの２以上からなる合金からなる群より選ばれる少なくとも１種である、請求項１から３いずれか記載の光学素子。
  5. 前記無機材料は、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｔａ、Ａｌ、Ｈｆ、およびＣｅからなる群より選択される少なくとも１種を含有する酸化物である、請求項１から４いずれかに記載の光学素子。
  6. 前記誘電体膜は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、およびＨｆＯ２からなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項１から５いずれかに記載の光学素子。
  7. 前記透明基板は、ガラス、石英、水晶、またはサファイアからなる群から選ばれる１種である、請求項１から６いずれか記載の光学素子。
  8. 液晶セルと、
    請求項１から７いずれか記載の光学素子と、を有する、液晶表示装置。
  9. 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、
    前記光源と前記投射光学系との間の光路に配置された請求項８に記載の液晶表示装置と、を有する、投射型画像表示装置。
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