JP4338066B2 - 無機可視光反射偏光子 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は偏光子、特に、無機材料から作製された可視光偏光子に関する。
【０００２】
特に投影カラーテレビ用途に関する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）産業において、ＬＣＤパネル中のサブピクセルのセルによる選択的偏光により、次に光を遮断したり透過させたりするＬＣＤパネルに入射する前に、投影光源の光を偏光する必要がある。透過光は、サブピクセルのカラーフィルタを通過し、それにより投影カラー画像を作り出す。最近、投影カラーテレビ技術において大型スクリーンが流行しつつある。これにより、これらの大型スクリーン上に十分に鮮明な投影画像を維持するためにより強力な光源が必要とされるようになってきた。一方で、より強力な光源を使用することによって、投影テレビに用いられることがある有機偏光子は時間の経過とともに劣化し、画像品質の低下に導かれるような高エネルギー負荷（load）（熱的および光子的）が光の偏光子に加えられる。この問題に対処するために、無機材料から製造されたプレ偏光子が光源と主（有機）偏光子との間に配置されてきた。無機材料から作製されたプレ偏光子は、光源の増大したエネルギーに耐えることができるが、それと同時に、有機偏光子上に加えられる負荷も減少させてしまう。
【０００３】
二色偏光子、ワイヤグリッド(wire grid)偏光子、異方性結晶偏光子、並びに反射および透過型ブルースター角偏光子を含む様々な種類の偏光子が知られている。これらの偏光子の相違点が、High-quality Brewster's angle polarizer for broadband infrared application, APPLIED OPTICS, Vol.37, No.7, pp.1194-1204 (March 1, 1998)に記載されている。ここに記載されているように、ブルースター角偏光子は、２つの材料間の界面でのｓおよびｐ波偏光に関して異なる透過および反射係数に依存する。偏光子のブルースター角は、入射光に関する最大偏光の角度であり、入射角および材料の屈折率に依存する。
【０００４】
異なる屈折率の材料が交互に配された、例えば、フッ化マグネシウム層および硫化亜鉛層を交互に有する、光学的に透明な誘電材料から作製された多数のコーティングを有する透過性基板を用いたブルースター角偏光子が知られている。これらの偏光子の多くは、ブルースター角がその誘電材料の屈折率に依存するように、光が誘電コーティングに入射する。多層の誘電偏光子が従来技術に数多くある。その１つの例が、シリカガラス基板の２つの表面の各々に３層の誘電材料を施すことにより形成された誘電偏光子を開示する米国特許第4,515,441号である。得られた誘電偏光子は、誘電層のブルースター角で動作する。さらに、多層誘電偏光子は、多光子(multiphoton)吸収により生じる多層中の局部加熱のために損傷を受けることが示唆されている。他にも例がある。例えば、米国特許第4,553,822号において、誘電材料の多層が２つの透明基板の間に挟まれているブルースター角偏光子が開示されている。グラン・トムソン方解石プリズムまたは広帯域スプリッターキューブのような他の種類の無機可視光偏光子には、ＬＣＤ産業において普及した用途は見出されていない。
【０００５】
したがって、耐久性のある、効果的な無機可視光偏光子を開発することが引き続き必要とされている。よって、本発明の目的は、単純で効果的な可視光偏光子を提供することにある。
【０００６】
発明の概要
手短に言えば、本発明の目的は、一方の表面が誘電材料の１つの薄層により被覆され、他方の表面が完全に反射性の金属層で被覆されたガラス基板からなる偏光子ユニットの設計および製造により達成される。好ましくは、この誘電材料は、その材料の屈折率の実体部分（real part）に由来する高反射力を示す。より好ましくは、その材料の屈折率は、透明基板の屈折率よりもかなり高い。さらに、その材料は低吸収であり、その屈折率および吸収は、可視波長スペクトルに亘り比較的一定である。
【０００７】
別の態様において、本発明は、互いに平行となるように切断され、研磨された、２つの対抗するプレーナ被覆表面および２つの対向するエッジ（入射エッジおよび射出エッジ）を有する透明基板を含む可視光偏光子であって、入射エッジの平面が切断され、研磨されて、誘電材料の層を有する基板表面の平面に対してブルースター角と等しい角度を形成しており、第２のエッジの平面が切断され、研磨されて、完全に反射性の金属層を有する基板表面の平面に対してブルースター角と等しい角度を形成しており、それによって、２つのエッジの平面間の距離が使用される誘電材料の種類、および基板の厚さの関数となる偏光子に関する。
【０００８】
さらなる態様において、本発明は、光の入射方向にかかわらず、等しい偏光子性能が得られる点で特徴付けられる両方向性(bi-directional)偏光子に関する。
【０００９】
さらに別の態様において、本発明は、入射光を第１のエッジに入射させ、基板の一方の表面上の誘電体層に衝突する前に透明基板を通過させる光路を有するように設計された可視光偏光子に関する。本発明の光路設計は、透明基板の屈折率を誘電体層の高い屈折率と組み合わせている。透明基板の屈折率は空気の屈折率よりも高いので、基板の屈折率と誘電体層の屈折率との本発明のこの組合せにより、空気の屈折率と誘電体層の屈折率との組合せに対して優れた偏光が得られる。
【００１０】
本発明の好ましい偏光子は、以下に説明するように、いくつかの偏光子ユニットを組み立てることにより作製される小型偏光子である。
【００１１】
発明の詳細な説明
本発明による小型偏光子を製造する特に有用な方法の１つは：
ａ） ２つの対抗するプレーナ表面を有する複数の基板を調製し；
ｂ） 該基板の一方の表面に誘電材料の層を施し、必要に応じて、誘電材料の層上に炭素または黒鉛のような光吸収材料の層を施し；
ｃ） 各々の基板の第２の表面に高反射性金属層または誘電体層を施し；
ｄ） 各々の基板の黒鉛層が隣接する基板の金属層と接触するように前記基板を平行に組み立てて、ブールを形成し；
ｅ） 該ブールを個々の偏光子素子に切断する；
ことによるものである。
【００１２】
どのような適切な透明材料を基板として用いてもよい。特に有用な基板は、誘電材料の屈折率と組み合わせたときに、最適な偏光性能を生じるような適切な屈折率、所望の波長での低光吸収を有することにより特徴付けられる基板である。有用な基板材料の例としては、溶融シリカ、ガラスおよびガラスセラミックが挙げられる。所望の特性を有する材料を基板として選択することにより、他の望ましい特性を偏光子に与えてもよい。例えば、紫外線吸収ガラスのような、選択された波長の光を吸収するガラスを基板として用いてもよい。最後に、基板の長さ、幅および厚さは、所望の偏光子の性質に依存する。
【００１３】
偏光子にとって有用な誘電材料の例としては、多結晶シリコン、非晶質シリコン、リン化ガリウム、ヒ化アルミニウム、リン酸アルミニウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化亜鉛および他の同様の材料が挙げられる。誘電層の厚さは、誘電材料の屈折率および光吸収に依存して異なる。任意の所定の誘電材料に関して、誘電層の最適厚さは異なり、したがって、実験により決定される。最適厚さは、Ｓ偏光成分の処理量がその外側では減少する厚さである。最適厚さより厚いと、Ｓ偏光成分の光吸収は増大し、それより薄いと、Ｓ偏光成分の光反射が減少する。実施例において用いられる多結晶シリコン材料に関して、最適厚さは26から36ｎｍまでの範囲にあることが分かった。同様に、高反射材料の厚さは、その材料に応じて異なってもよい。その厚さは、最初の誘電層で反射される光を実質的に全て効果的に方向を変えるまたは向け直すようなものでなければならない。
【００１４】
多結晶シリコンは、ガラスに対する高屈折率、低吸収、および屈折率と吸収の両方が可視波長スペクトルに亘り比較的一定であるという事実のために、偏光硬化を向上させるのに特に有用な誘電材料である。高屈折率と低吸収との組合せにより、ＰおよびＳ偏光成分の分離が著しく向上する。
【００１５】
誘電体層の表面上にどのような効果的な光吸収材料を施しても差し支えない。有用な光吸収材料の例としては、炭素および黒鉛が挙げられる。光吸収材料の厚さは、一部には誘電材料の厚さに依存するが、誘電層を通る光透過を防ぐまたは制御するのに十分であるべきである。
【００１６】
基板の対抗するプレーナ表面にどのような高反射金属を施しても差し支えない。有用な例としては、銀およびアルミニウムが挙げられる。
【００１７】
本発明の偏光子は、その最も基本的な形態において、基板表面の一方を誘電材料で被覆することにより構成される。好ましい実施の形態において、基板の第２の表面は、銀またはアルミニウムのような高反射材料により被覆される。別の実施の形態において、高反射材料は、第１の表面上に被覆されたものと同様のまたは異なる誘電材料と置き換えられている。いずれの場合においても、誘電材料は、基板の屈折率と組み合わせられたときに、最適な偏光性能を与えるように選択される。例えば、約1.5の屈折率を有する基板に関して、最適な偏光性能は、3.5から4.5までの範囲の屈折率を有する誘電材料により得られることが分かった。多結晶シリコンの屈折率は約４である。
【００１８】
ここで、本発明を図面を参照して説明する。
【００１９】
偏光は、ガラスシートの反射面のような反射面上に非法線入射角で非偏光を向けることにより得られることが知られている。そのようなシステムにおける反射光はほぼ100％平面偏光されているが、反射される光の強度は、入射光の強度よりも著しく小さい。この理由は、偏光の１つの平面−Ｐ偏光成分−が存在しないためである。さらに、そのようなシステムにおいて、Ｓ偏光成分は、完全には反射されず、Ｐ偏光成分と共にガラスシートを通過する。その結果、そのような偏光子は、透過による所望のＳ偏光の過剰な損失のために実用的ではない。
【００２０】
逆に言えば、ガラスを透過する光の強度はずっと大きいが、その光はＰおよびＳ偏光成分の両方からなり、Ｓ成分は、ある量が反射されるためにいくぶん低い。したがって、透過光は、一部が偏光されているが、高コントラスト比を与えるほど十分には偏光されていない。図１は、入射角の全範囲に亘り被覆されていないガラスシートで反射した計算されたＰおよびＳ偏光成分を示す。示されているように、50°領域の入射角で、Ｐ偏光成分は、反射されていないようである。特に、Ｐ偏光成分は56°で消える。これは、そのガラスのブルースター角または偏光角である。
【００２１】
潜在的に有用な非法線入射の反射および透過偏光子が、透明基板の表面に金属または誘電材料の層を施して、全体の反射、透過および吸収を偏光することによって、上述した現象を「向上」させることにより得られることが他者により示された。
【００２２】
多結晶シリコン層の１つの薄層が、本発明の偏光子にとって特に有用な誘電材料であることが分かった。その薄層は、ガラスに対して高い屈折率のために偏光効果を向上させ、反射性であり、その屈折率および吸収が可視波長スペクトルに亘り比較的一定である。高屈折率および低吸収の組合せにより、ＰおよびＳ偏光成分の分離が向上する。図２は、ガラス基板上の36ｎｍ厚の多結晶シリコン層で反射した計算されたＰおよびＳ偏光成分を示す。図１と比較して、Ｓ偏光成分の反射が、入射角の全範囲に亘り著しく増加している。Ｐ偏光成分の反射もまた増加しているが、79°領域において最小の増加がある。このことは、最適偏光角（非被覆ガラスに対して）が、シリコン層の付加によりシフトされることも示している。79°での偏光角度は、約５：１のコントラスト比を与える。
【００２３】
このコントラスト比は、入射光を最初にガラスに透過させ、次いで、ガラス基板の背面または後面上のシリコン層コーティングで反射させることにより著しく改善できることが分かった。図３は、この本発明の形態におけるＰおよびＳ偏光成分の反射率を示す。ここで、Ｐ偏光成分は、70°の入射角で１％未満であり、Ｓ偏光成分の反射率はわずかだけ減少した。示されるように、最適偏光角は、非被覆ガラスの偏光角に向かってもどるようにシフトされた。最適入射角でのＰ偏光成分の反射が非常に低レベルであるときに、反射されたＳ偏光成分が許容できるレベルで、高偏光コントラスト比が得られる。
【００２４】
上述した現象を活用するために、その基本的適用が図４に示されている独特な偏光子を設計した。ここに用いたように、偏光子「ユニット」は、一方の表面が多結晶シリコン層により、他方の表面が全反射金属層により被覆されたガラス基板からなる。また、炭素または黒鉛のような光吸収材料の追加の層がシリコン層上に被覆されていてもよい。その基板の厚さおよび長さは、入射および射出エッジの「斜面」とともに、70°の鋭角を有する平行四辺形を形成するように選択される。図４を参照して、この幾何学形状により、以下の事項：
ａ） 光が空気とガラスとの界面に対して垂直に偏光子ユニットに進入し、したがって、屈折および反射が避けられる；
ｂ） この光は、垂直から70°の最適ブルースター偏光角でシリコン表面上に衝突する前にガラス基板を伝搬する；
ｃ） シリコン表面で反射した後、この光は銀表面で方向が変えられるまたはそらされる；および
ｄ） 最後に、この光は、ガラスと空気との界面に対して垂直に射出エッジを通って偏光子から射出し、したがって、屈折および反射が避けられる；
が達成されることを示した。偏光子ユニットの長さは、光ビームが一回だけシリコンおよび銀表面で反射されるような大きさである。また、この偏光子は両方向性であるように設計されている。両方向性とは、光ビームが基板に進入する方向にかかわらずに等しい偏光性能が得られることを意味する。すなわち、光がシリコン表面に最初に衝突し、銀表面により方向を変えられるか、または光ビームが、シリコン表面に衝突し、方向が変えられる前に金属表面に最初に衝突するかにかかわらない。偏光子のブルースター角は、誘電材料の屈折率および吸収並びに基板の屈折率および吸収および誘電層の厚さに依存する。
【００２５】
上述したようにいくつかの偏光子ユニットを組み合わせることにより、小型偏光子を製造する独特の方法を発見した。本小型偏光子の独特な設計および構造は、約40×40ｍｍの開口を有するプレ偏光子を使用する必要のある、図示した応用例を参照して最良に説明される。明らかに、そのような偏光子を構成するのに必要とされる１つのガラス基板の全体のサイズは、その基板の広い開口および必要とされる光路のために、実際的に大きい必要がある。意外なことに、その偏光子は、基板の厚さを減少させることにより、また、平行に積重された多数の基板を使用することにより、著しく小型化できることが分かった。したがって、各々１ｍｍ厚の40個のガラス基板を積重することにより、40ｍｍの正方形の開口および全体で約５ｍｍの厚さを有する偏光子を製造することができる。図５および以下の実施例がこの独特の設計および構造を説明する。
【００２６】
実施例
以下の実施例において、40ｍｍ×40ｍｍの正方形の入射および射出開口を有し、例として、選択される誘電材料に依存する70度のブルースター角を必要とする小型偏光子を製造する好ましい方法の１つを説明する。
【００２７】
１） 各々厚さが１ｍｍであり、幅が40ｍｍであり、長さが100ｍｍである40個の基板を調製した。
【００２８】
２） これらの基板の各々を以下のように被覆した：各々の基板の最初の表面を薄層（約36ｎｍ）の多結晶シリコン層で最初に被覆し、高反射銀層（約100ｎｍ）を各々の基板の第２の表面上に被覆し、次いで、光吸収層（黒鉛）をシリコン層上に被覆した。
【００２９】
３） 40個の全ての基板を、各々の基板の黒鉛層が隣接した基板の金属層と接触するように平行に積重した。
【００３０】
４） 基板アセンブリを、ワイヤまたはプラスチック製の「ケーブルタイ」を用いて、長い（100ｍｍ）寸法の各々の端部で互いに束ねた。
【００３１】
５） 束ねられた基板アセンブリを、この基板アセンブリがアセンブリの40ｍｍ×40ｍｍの寸法の「端部」上にあるように、50ｍｍ平方で100ｍｍの深さの正方形のキャビティを有する金型内の中央に配置した。
【００３２】
６） 金型内部の壁と基板アセンブリとの間の環状の空間にエポキシポリマーを充填し、硬化させて、偏光子「ブール」を形成した。
【００３３】
７） 硬化したら、その偏光子ブールを、長い（100）寸法が切断テーブル上に水平に置かれ、基板がそのエッジで立つようにブールを配置することにより、個々の偏光子素子に切断した。次いで、ブールを、ダイヤモンド鋸を用いて、ブールの長（100）軸の平面に対して70度の角度で、40ｍｍの寸法に亘って水平に切断した。このプロセスを用い、切断と他の損失を考慮して、各々厚さが５ｍｍであり、40×40ｍｍの開口を有する少なくとも12の偏光子素子を得られることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、入射角の全範囲に亘る被覆されていないガラスシートから反射した、計算されたＰおよびＳ偏光成分を示すグラフである
【図２】 図２は、ガラス基板上の多結晶シリコン層から反射した、計算されたＰおよびＳ偏光成分を示すグラフである
【図３】 図３は、入射光が最初にガラスを通過し、次いで、シリコン層コーティングで反射し、次いで、ガラスを通過して、空気中に射出している、図２のシリコン被覆基板の本発明の形態におけるＰおよびＳ偏光成分の反射率を示すグラフである
【図４】 図４は、図３に説明された光路を示す概略図である
【図５】 図５は、本発明による小型偏光子を形成するように組み立てられた多数の被覆ガラス基板を示す概略図である
【図６】 図６は、図５の偏光子のＰおよびＳ偏光成分に関する透過率対波長のグラフである
【図７】 図７は、図５の偏光子のコントラスト比対波長を示すグラフである
【図８】 図８は、図５による最適化された偏光子の理論的性能を示すグラフである

Claims (11)

1. 第１の表面、第２の表面、第1のエッジ及び第２のエッジを有してなる透明基板を含む無機可視光反射偏光子であって、
   前記第１の表面が、多結晶シリコン、非晶質シリコン、リン化ガリウム、ヒ化アルミニウム、リン酸アルミニウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、およびテルル化亜鉛からなる群より選択される誘電材料の単一層により被覆されたものであり、
   前記第２の表面が、高反射金属の単一層により被覆されたものであり、
   前記誘電材料が低光吸収および前記透明基板の屈折率より大きい屈折率を有し、
   前記第１のエッジ及び第２のエッジが対向しており、前記第１のエッジの平面が前記第１の表面の平面に対してブルースター角と等しい角度を形成するものであり、前記第２のエッジの平面が前記第２の表面の平面に対してブルースター角と等しい角度を形成するものであり、
   入射光が前記第１のエッジを通って前記基板に進入し、前記被覆された第１の表面に衝突する前に該基板を通って伝搬するような光路を有し、前記被覆された第１の表面に衝突した後、前記光が該表面で反射して前記第２の表面に向かい、そこで、該光が前記第２の表面により方向が変えられまたは向け直され、該光が前記基板に進入したときと同じ方向に前記第２のエッジを通って前記偏光子から出るものであり、
   前記無機可視光反射偏光子が、全可視スペクトルにおいて偏光を示すことを特徴とする偏光子。
2. 前記誘電材料の屈折率および光吸収が、全可視波長スペクトルに亘り一定であることを特徴とする請求項１記載の偏光子。
3. 前記第２の表面を被覆する高反射金属層が、銀及びアルミニウムからなる群より選択される層であり、前記基板の屈折率が空気の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の偏光子。
4. 前記被覆された第１の表面の上に光吸収材料の層を有し、当該光吸収材料が炭素または黒鉛であることを特徴とする請求項１記載の偏光子。
5. 前記基板が、前記第１の表面を被覆する前記誘電体層の屈折率と組み合わせられたときに、高偏光コントラストが得られるように偏光性能が最適化されるような屈折率を有することを特徴とする請求項１記載の偏光子。
6. 前記基板が紫外線吸収ガラスであることを特徴とする請求項５記載の偏光子。
7. 請求項１から６いずれか１項記載の前記偏光子を複数含むことを特徴とする偏光子素子。
8. 前記偏光子の前記第１の表面を被覆する炭素の層または黒鉛の層が隣接する前記偏光子の前記第２の表面を被覆する前記高反射金属層と接し平行に組み立てられることを特徴とする請求項７記載の偏光子素子。
9. 請求項８記載の偏光子素子を含むことを特徴とする装置。
10. ａ） 互いに対向する第１の表面と第２の表面とを有する複数の基板の当該第１の表面を誘電材料の層により被覆し、当該誘電材料の層の上に炭素または黒鉛のコーティングを施し、当該第２の表面を高反射金属からなる層により被覆することにより調製し；
    ｂ） 各々の前記基板の前記炭素または黒鉛のコーティングが、隣接する前記基板の前記第２の層に隣接するように前記基板を平行に積み重ねて、基板アセンブリを形成し；
    ｃ） 積み重ねられた前記基板を互いに結合させ、この結合された積重体を、金型の内側の壁と前記基板アセンブリとの間に環状の空間があるように金型内に配置し；
    ｄ） 該金型中に封入化合物を注ぎ入れて、前記環状の空間を完全に満たし、該化合物を硬化させて、偏光子ブールを形成し；
    ｅ） 該偏光子ブールを前記金型から取り出し、該ブールを、前記基板アセンブリに含まれる前記複数の基板の前記第１の表面とブルースター角を成すように第１のエッジを切り出し、前記基板の前記第２の表面とブルースター角を成すように第２のエッジを切り出すように切断して、複数の偏光子素子を形成する；
    ことにより偏光子素子を形成することを特徴とする方法。
11. 前記封入化合物が、エポキシ高分子、ソーレルセメント、および低融点合金からなる群より選択されることを特徴とする請求項１０記載の方法。

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