WO2019102902A1 - 光学素子及び投射型画像表示装置 - Google Patents

光学素子及び投射型画像表示装置 Download PDF

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淳一 菅原
芳 金賀
利明 菅原
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Definitions

  • the present technology relates to an optical element having an oblique deposition film and a projection type image display device.
  • an optical element in which an oblique deposition film of a dielectric material is formed on the surface of a transparent substrate.
  • the oblique deposition is a method of forming a film by inclining the substrate surface with respect to the direction in which the vapor deposition material is coming, and the structure of the vapor deposition film is such that a collection of fine columns is inclined at a certain angle to the substrate surface It is observed as a columnar structure.
  • the density of this column is anisotropic in the plane, and as a result of the refractive index having in-plane anisotropy, birefringence occurs in the oblique deposition film.
  • the oblique vapor deposition film is used for an optical element such as a 1 ⁇ 4 wavelength retardation plate or a 1 ⁇ 2 wavelength plate due to the birefringence phenomenon.
  • Patent Document 1 describes a retardation element having an oblique deposition film containing tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) as a main component.
  • the present technology has been proposed in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an optical element and a projection type image display device capable of obtaining excellent resistance to light of high brightness and high output. I assume.
  • an optical element includes a substrate that is transparent to light in the use wavelength band, and a birefringent layer that is an oblique deposition film containing hafnium oxide as a main component.
  • the birefringence layer is formed by alternately forming a first oblique vapor deposition film having a first inclination direction with respect to a normal to the substrate and a second oblique deposition film having a second inclination direction. It is characterized by being.
  • a projection type image display apparatus includes the above-described optical element, a light modulation device, a light source for emitting light, and a projection optical system for projecting modulated light, and the light modulation device
  • the optical element may be disposed on an optical path between the light source and the projection optical system.
  • a deposition material mainly composed of hafnium oxide is deposited in a first direction inclined to the normal to the deposition target surface, and the first oblique deposition film is formed.
  • a process of forming a film, and a process of depositing a vapor deposition material mainly composed of hafnium oxide in a second direction inclined with respect to the normal to the surface to be vapor deposited, and forming a second oblique vapor deposition film are repeated. , Forming a birefringent layer.
  • the oblique deposition film is formed with hafnium oxide as the main component, it is possible to obtain excellent resistance to light of high brightness and high output.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of the phase difference element.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the oblique deposition film.
  • FIG. 3 is a schematic view for explaining an oblique deposition method for forming an oblique deposition film.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the direction in which the deposition direction from the deposition source is projected onto the deposition target surface.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the antireflective layer.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method of manufacturing the phase difference element.
  • the optical element according to the present embodiment includes a substrate that is transparent to light in the use wavelength band, and a birefringent layer made of an oblique deposition film containing hafnium oxide as a main component. This makes it possible to obtain excellent resistance to light of high brightness and high output from a laser light source or the like. It is considered that this is because hafnium oxide having a high melting point prevents thermal collapse of the columnar structure of the oblique deposition film.
  • the birefringent layer is formed by alternately forming a first oblique vapor deposition film having a first inclination direction with respect to the normal to the substrate and a second oblique evaporation film having a second inclination direction. It is also good.
  • the birefringent layer is a film formed by alternately forming the first oblique vapor deposition film and the second oblique vapor deposition film, the filling factor of the columnar structure becomes large, and therefore, the light with high brightness and high output is obtained. The effect of resistance becomes remarkable.
  • the optical element includes at least one antireflection layer formed by laminating two or more types of dielectric films having different refractive indexes. This can reduce the reflection and increase the transmittance.
  • phase difference element which gives a phase difference to incident light
  • phase difference compensation polarizing element etc.
  • a phase difference element will be described as an example of the optical element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of the phase difference element.
  • a transparent substrate 11 and a high refractive index film and a low refractive index film are alternately stacked on the transparent substrate 11, and matching is performed such that the thickness of each layer is equal to or less than the use wavelength
  • a layer 12 a birefringent layer 13 formed of an oblique deposition film formed on the matching layer 12, and a protective layer 14 formed of a dielectric film formed on the birefringent layer 13 are provided.
  • a first antireflection layer 15A is provided on the transparent substrate 11 side
  • a second antireflection layer 15B is provided on the protective layer 14 side.
  • the transparent substrate 11 is transparent to light in the use wavelength band and has high transmittance to light in the use wavelength band.
  • Examples of the material of the transparent substrate 11 include glass, quartz, quartz, and sapphire.
  • the shape of the transparent substrate 11 is generally a quadrangle, but a shape according to the purpose is appropriately selected.
  • the thickness of the transparent substrate 11 is preferably, for example, 0.1 to 3.0 mm.
  • the matching layer 12 is a multilayer film in which dielectric films are stacked, and is provided between the transparent substrate 11 and the birefringent layer 13 as necessary.
  • the matching layer 12 is designed to reverse and cancel the phase of surface reflection light and interface reflection light, and prevents reflection at the interface between the transparent substrate 11 and the birefringent layer 14.
  • Matching layer 12 is constituted by TiO 2, SiO 2, Ta 2 O 5, Al 2 0 3, CeO 2, ZrO 2, ZrO, 2 or more types of dielectric films selected from Nb 2 O 5, HfO 2 be able to.
  • the dielectric film in contact with the birefringent layer 13 of the matching layer 12 is preferably SiO 2 which is excellent in adhesion to hafnium oxide. Thereby, light resistance to a laser light source or the like can be further improved.
  • the birefringent layer 13 is formed of an oblique deposition film containing hafnium oxide (HfO 2 ) as a main component.
  • the main component means a component having the largest proportion in the columnar structure of the oblique deposition film.
  • the birefringent layer 13 may be a single layer film of an oblique vapor deposition film or a film in which oblique vapor deposition films are alternately formed. Moreover, it is preferable that the thickness of each diagonal vapor deposition film is below a use wavelength.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the oblique deposition film.
  • the obliquely vapor deposited film is formed by depositing a vapor deposition material in a direction inclined with respect to the normal S of the vapor deposition target surface 21.
  • the inclination angle with respect to the normal S of the deposition target surface 21 is preferably 60 ° or more and 80 ° or less.
  • the obliquely vapor-deposited film has an oblique columnar structure in which a columnar bundle mainly composed of hafnium oxide is obliquely formed with respect to the normal to the surface to be evaporated.
  • This oblique columnar structure has a columnar portion on which fine particles mainly composed of hafnium oxide are deposited, and a void which is an air layer between the columnar portions.
  • FIG. 3 is a schematic view for explaining an oblique deposition method for forming an oblique deposition film
  • FIG. 4 is a direction in which the flying direction of the deposition material from the deposition source is projected onto the deposition target surface (deposition direction)
  • the film in which the oblique vapor deposition films are alternately formed is a film formed by vapor deposition from the first vapor deposition direction 31 and a film formed by vapor deposition from the second vapor deposition direction 32 And are alternately formed.
  • the second surface is rotated by 180 ° around the center line perpendicular to the vapor deposition target surface and passing through the center of the vapor deposition target surface.
  • a film formation by vapor deposition from the vapor deposition direction 32 is performed.
  • the first oblique vapor deposition film having the first inclination direction and the second oblique vapor deposition film having the second inclination direction alternate with respect to the normal line of the deposition target surface.
  • a film formed is obtained.
  • the protective layer 14 is made of a dielectric film, and is disposed in contact with the obliquely evaporated film of the birefringent layer 13. Thereby, the warpage of the retardation element 10 can be prevented, and the moisture resistance of the oblique deposition film can be improved.
  • the dielectric material of the protective layer 14 is not particularly limited as long as it can adjust the stress applied to the phase difference element 10 and is effective in improving the moisture resistance, and can be appropriately selected according to the purpose.
  • dielectric materials include SiO 2 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , Al 2 O 3 , Nb 2 O 5 , LaO, MgF 2 and the like, and in particular, they are excellent in adhesion to hafnium oxide. it is preferable that the SiO 2. Thereby, the moisture resistance can be further improved.
  • the first antireflection layer 15A is provided in contact with the surface of the transparent substrate 11 facing the birefringent layer 13 side, and the second antireflection layer 15B is opposed to the birefringent layer 13 side of the protective layer 14 It is provided as needed in contact with the surface to be
  • the first antireflection layer 15A and the second antireflection layer 15B have an antireflection function in a desired use wavelength band.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the first antireflection layer.
  • the first antireflection layer 15A is an optical multilayer film in which two or more types of dielectric films having different refractive indexes are stacked, and for example, the first dielectric film 151 having different refractive indexes.
  • the second dielectric film 152 are formed in a multilayer film alternately stacked.
  • the number of antireflective layers is appropriately determined as necessary, and about 5 to 40 layers are preferable in terms of productivity.
  • the second antireflection layer 15B is also configured in the same manner as the first antireflection layer 15A.
  • the first antireflective layer 15A and the second antireflective layer 15B are formed of TiO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , CeO 2 , ZrO 2 , ZrO, Nb 2 O 5 , HfO 2 respectively. It is composed of two or more types of dielectric films to be selected.
  • the anti-reflection layer includes a first dielectric film 151 made of Nb 2 0 5 having a relatively high refractive index, and a second dielectric film 152 made of SiO 2 having a relatively low refractive index. Can be a multilayer film laminated alternately.
  • phase difference element having such a configuration, it is possible to obtain excellent resistance to light of high brightness and high output from a laser light source or the like.
  • a method of manufacturing the optical element according to the present embodiment will be described.
  • a deposition material containing hafnium oxide as a main component is deposited in a direction inclined with respect to the normal to the deposition target surface, and from an oblique deposition film containing hafnium oxide as a main component Form a birefringent layer.
  • a vapor deposition material containing hafnium oxide as a main component is deposited in a first direction inclined with respect to the normal to the surface to be vapor deposited.
  • a second oblique vapor deposited film by depositing a vapor deposition material mainly composed of hafnium oxide in a second direction inclined with respect to the normal to the surface to be vapor deposited; Repeatedly, a birefringent layer is formed which is a film in which oblique vapor deposition films are alternately formed. As a result, it is possible to obtain an optical element having excellent resistance to light of high brightness and high output from a laser light source or the like.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method of manufacturing the phase difference element.
  • step S1 the transparent substrate 11 is prepared.
  • step S2 in order to prevent reflection at the interface between the birefringent layer 13 and the transparent substrate 11, a matching layer 12 formed by laminating a dielectric film on the transparent substrate 11 is formed.
  • step S3 the first antireflection layer 15A (rear surface AR layer) is formed on the opposite surface of the substrate 21 on which the matching layer 12 is not formed.
  • step S4 the birefringent layer 13 is formed on the matching layer 12 by the oblique deposition method.
  • the vapor deposition target surface is rotated 180 ° around the center line perpendicular to the vapor deposition target surface and passing through the center of the vapor deposition target surface.
  • deposition by deposition from the second deposition direction 32 is performed.
  • the first oblique vapor deposition film having the first inclination direction and the second oblique vapor deposition film having the second inclination direction alternate with respect to the normal line of the deposition target surface. A film formed is obtained.
  • the birefringent layer 13 is annealed at a temperature of 200 ° C. or more and 600 ° C. or less. More preferably, the birefringent layer 13 is annealed at a temperature of 300 ° C. to 500 ° C., more preferably at a temperature of 400 ° C. to 500 ° C. Thereby, the characteristics of the birefringent layer 13 can be stabilized.
  • step S6 the protective layer 14 is formed on the birefringent layer 13.
  • the protective layer 14 is formed on the birefringent layer 13.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • the SiO 2 CVD film formed by the plasma CVD apparatus is characterized by using a vaporized material gas unlike the physical vapor deposition represented by the sputtering method, so the TEOS gas can be relatively easily formed into a columnar structure. Can be made to intrude into the void portion, and the adhesion to the birefringent layer 13 can be further improved.
  • step S7 the second antireflection layer 15B (surface AR layer) is deposited on the protective layer 14.
  • step S8 scribing cutting is performed to a size according to the specifications.
  • a projection type image display apparatus includes the above-described optical element, a light modulation device, a light source for emitting light, and a projection optical system for projecting modulated light, And the optical element is disposed on the light path between the light source and the projection optical system.
  • a liquid crystal display device having a transmissive liquid crystal panel or the like As a light modulation device, a liquid crystal display device having a transmissive liquid crystal panel or the like, a micro mirror display device having a DMD (Digital Micro-mirror Device) or the like, a reflective liquid crystal display device having a reflective liquid crystal panel or the like, one-dimensional diffraction -Dimensional diffraction display device having a light modulation element (GLV) and the like.
  • DMD Digital Micro-mirror Device
  • a reflective liquid crystal display device having a reflective liquid crystal panel or the like As a light modulation device, a liquid crystal display device having a transmissive liquid crystal panel or the like, a micro mirror display device having a DMD (Digital Micro-mirror Device) or the like, a reflective liquid crystal display device having a reflective liquid crystal panel or the like, one-dimensional diffraction -Dimensional diffraction display device having a light modulation element (GLV) and the
  • the liquid crystal display device includes at least a liquid crystal panel, a first polarizing plate, and a second polarizing plate, and further, if necessary, Of the
  • the liquid crystal panel is not particularly limited, and includes, for example, a substrate and a VA mode liquid crystal layer containing liquid crystal molecules having a pretilt in the direction perpendicular to the main surface of the substrate, and modulates an incident light beam.
  • VA mode Vertical alignment mode
  • the VA mode means a mode in which liquid crystal molecules arranged vertically (or with pretilt) to the substrate are moved using a vertical electric field in the vertical direction.
  • the first polarizing plate is disposed on the incident side of the liquid crystal panel, and the second polarizing plate is disposed on the outgoing side of the liquid crystal panel.
  • the first polarizing plate and the second polarizing plate are preferably inorganic polarizing plates in terms of durability.
  • the phase difference element includes, for example, the oblique deposition film having hafnium oxide of the configuration example shown in FIG. 1 as the main component, and is provided at a required position on the optical path constituting the projection type image display device. Be placed.
  • phase difference element is provided on the same optical path in combination with a diffusion plate, a polarization beam splitter, or the like.
  • the liquid crystal display device includes an optical element having an oblique deposition film containing hafnium oxide as a main component, a laser light source or the like that emits light with high brightness and high output can be used.
  • a projection optical system if it is a member which projects modulated light, According to the objective, it can select suitably, For example, the projection lens etc. which project modulated light on a screen are mentioned.
  • the projection type image display apparatus having such a configuration, it is possible to display an image of high brightness and high output using light of high brightness and high output from a laser light source or the like.
  • Example> Hereinafter, examples of the present technology will be described. Here, a phase difference element having an oblique deposition film was produced, and a laser irradiation test was performed. The present technology is not limited to these examples.
  • Example 1 First, a matching layer was formed by laminating three layers of SiO 2 / Nb 2 O 5 / SiO 2 by sputtering on one surface of a glass substrate (average thickness 0.7 mm).
  • an antireflective layer was formed by alternately laminating 11 layers by sputtering using Nb 2 O 5 and SiO 2 .
  • HfO 2 is used as a deposition material on the matching layer, and a deposition source is disposed at a position inclined 70 degrees with respect to the normal direction of the substrate.
  • the first deposition direction is 0 degree and the second deposition direction is 180 degrees.
  • oblique deposition was performed alternately.
  • annealing was performed at 450 ° C. to stabilize the characteristics.
  • a SiO 2 film was formed by plasma CVD using TEOS (tetraethoxysilane) gas and O 2 to form a protective layer.
  • an antireflective layer was formed by alternately laminating seven layers by sputtering using Nb 2 0 5 and SiO 2 . Then, scribing cutting was performed to a size according to the specifications, and a retardation element was manufactured.
  • Comparative Example 1 A retardation element was produced in the same manner as in Example 1 except that the evaporation material was changed to Ta 2 O 5 .
  • An optical element comprising: a birefringent layer composed of an oblique deposition film containing hafnium oxide as a main component.
  • a first oblique vapor deposition film having a first inclination direction and a second oblique evaporation film having a second inclination direction with respect to the normal to the substrate are alternately formed.
  • the optical element of [4], wherein the dielectric film of the protective layer is SiO 2 .
  • the optical element of [5], wherein the dielectric film in contact with the birefringence layer of the matching layer is SiO 2 .
  • the antireflection layer TiO 2, SiO 2, Ta 2 O 5, Al 2 0 3, CeO 2, ZrO 2, ZrO, 2 or more types of dielectric films selected from Nb 2 O 5, HfO 2 is laminated
  • the projection type image display apparatus by which the said light modulation apparatus and the said optical element are arrange
  • a method of manufacturing an optical element comprising depositing a deposition material containing hafnium oxide as a main component in a direction inclined with respect to a normal to a deposition target surface to form a birefringent layer composed of an oblique deposition film.
  • annealing is performed at a temperature of 200 ° C. or more and 600 ° C. or less. [11] or [12].

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Abstract

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。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。

Description

光学素子及び投射型画像表示装置
　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。本出願は、日本国において２０１７年１１月２１日に出願された日本特許出願番号特願２０１７－２２３７６９を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照されることにより、本出願に援用される。
　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（Ｔａ２Ｏ５）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、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、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２０３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２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ＳｉＯ２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（ＨｆＯ２）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、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＬａＯ、ＭｇＦ２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ＳｉＯ２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ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２０３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２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Ｎｂ２０５からなる第１の誘電体膜１５１と、相対的に低屈折率であるＳｉＯ２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ＳｉＯ２を成膜する場合、ＳｉＯ２の材料として、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）ガスとＯ２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ＳｉＯ２ＣＶＤ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、ＳｉＯ２/Ｎｂ２Ｏ５/ＳｉＯ２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、Ｎｂ２Ｏ５とＳｉＯ２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ＨｆＯ２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Ｏ２を用い、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を成膜して保護層を形成した。
　次いで、Ｎｂ２０５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Ｔａ２Ｏ５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：４５５ｎｍ　ＣＷ（連続波）半導体レーザー
　レーザー出力：６１Ｗ
　パワー密度：１０．２Ｗ／ｍｍ２
　照射時間：３分間
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、斜方蒸着膜をＴａ２Ｏ５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ＨｆＯ２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。
　以上説明したように、本明細書には、下記技術が記載されている。
［１］
　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。
［２］
　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[１]記載の光学素子。
［３］
　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［１］又は［２］記載の光学素子。
［４］
　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［１］乃至［３］のいずれか１項に記載の光学素子。
［５］
　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［１］乃至［３］のいずれか１項に記載の光学素子。
［６］
　前記保護層の誘電体膜が、ＳｉＯ２である［４］の光学素子。
［７］
　前記マッチング層の前記複屈折層に接する誘電体膜が、ＳｉＯ２である［５］の光学素子。
［８］
　前記反射防止層が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２０３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２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［３］に記載の光学素子。
［９］
　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［１］乃至［８］のいずれか１項に記載の光学素子。
［１０］
　［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。
［１１］
　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。
［１２］
　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。
［１３］
　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［１１］又は［１２］記載の光学素子の製造方法。
　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
 

Claims (13)

  1. 　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、
    　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光学素子。
  2. 　前記第１の斜方蒸着膜及び前記第２の斜方蒸着膜の厚さが、使用波長以下である請求項１記載の光学素子。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　前記保護層の誘電体膜が、ＳｉＯ２である請求項４記載の光学素子。
  7. 　前記マッチング層の前記複屈折層に接する誘電体膜が、ＳｉＯ２である請求項５記載の光学素子。
  8. 　前記反射防止層が、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２０３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２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
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　前記第１の斜方蒸着膜及び前記第２の斜方蒸着膜の厚さが、使用波長以下である請求項１１記載の光学素子の製造方法。
  13. 　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。
     
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