JP6105849B2 - 位相差素子 - Google Patents

Description

本発明は、１／２波長板や１／４波長板に代表される位相差素子に関し、さらに詳しくは、使用帯域の光において、面内軸方向での光屈折率の違いを利用した位相差素子、およびそれを用いた液晶表示装置の技術分野に関するものである。

従来、位相差素子(波長板)は、水晶などの無機光学単結晶や高分子延伸フィルムにより作られている。しかし、無機光学単結晶は、位相差素子として、性能、耐久性、信頼性に優れるものの、原材料費、加工コストが高いという欠点があり、他方、高分子延伸フィルムは、熱やＵＶ光線に対して劣化しやすく耐久性が低いという欠点がある。

斜め柱状構造をもつ斜方蒸着膜（斜方蒸着位相差素子）は、原理的に膜厚を調整することによって任意の位相差を設定でき、大面積化が比較的容易であると共に、大量生産すると低コストになる可能性がある。

下記特許文献１〜７には、斜方蒸着位相差素子が記載され、特許文献１〜３は、蒸着材料にＴａ₂Ｏ₅を使用している。
Ｔａ₂Ｏ₅は高屈折率材料（約２．２）であり、斜方蒸着により大きな複屈折が得られるが、Ｔａ₂Ｏ₅に限らず斜方蒸着で形成した光学薄膜は、通常の蒸着法で形成された光学薄膜と比較して光学的なロスが大きく光の透過率が低下する。
さらに、斜方蒸着位相差素子を波長板として機能させるためには、１μｍ〜数μｍ程度の膜厚が必要となり、膜厚が厚いほど光学ロスの影響を受けやすくなる。

特許文献８には、光学ロスの低減のため、膜厚の薄い斜方蒸着膜と、同じく膜厚の薄い正面蒸着膜を多数積層する方法が述べられている。斜方蒸着膜の１層の膜厚を薄くすることで蒸着物質の針状構造の安定化を図り、斜め蒸着膜間に高密度の正面蒸着膜を配置することにより、膜の機械的強度を高める効果を得ようとしている。

しかし、上記のような膜構成では、斜方蒸着時と正面蒸着時とで基板の角度を交互に変える必要があり、さらに、特許文献８に記載されているような４０層を超える積層には、膨大な時間を必要とする。また、１層毎に大気暴露を行うと蒸着膜が水分や空気中のダストにより汚染される恐れがある。

特許文献９には、蒸着装置１内にプラズマ源、もしくはイオン源を併用し、装置内に形成されるプラズマを積極的に活用し、高いエネルギー状態の蒸着物質を基板に突入させることで、基板との密着性が高く光学ロスを軽減させる方法が記載されている。

特許文献８，９では複雑な膜構成や装置構造などにより膜の光学ロスを低減する方法が述べられているが、リードタイムの増加や、蒸着装置が限定されるなどの問題がある。

このように、耐熱性に優れる位相差素子として斜方蒸着位相差素子があるが、近年のプロジェクターにおける輝度向上の要求から、波長板へ適用する際の分光透過率特性が問題となっている。特に、１〜数μｍ程度の斜方蒸着膜厚を必要とする波長板では、４００〜５００ｎｍの波長帯域での透過率低下が顕著であり、例えば液晶プロジェクターに使用すると、青色光の輝度が低下してしまうという問題がある。

特開平９−１４５９２４号公報 特開平９−２９７２１４号公報 特開２００１−２２８３３０号公報 特開昭５９−４９５０８号公報 特開昭６３−１３２２０３号公報 特開平５−１３４１１５号公報 特開平１１−１０９１２９号公報 特開平１０−８１９５５号公報 特許第４００９０４４号公報

本発明の課題は、斜方蒸着位相差素子において、膜構成や蒸着装置などに依存せず、斜方蒸着の材料組成により、光透過率が大幅に向上した位相差素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、透明基板と、Ｔａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２とを含有する蒸着材料から放出されて直進する材料蒸気が、透明基板上に第一の斜め方向から入射し、前記材料蒸気が入射する前記第一の斜め方向に沿って成長された第一の光屈折膜と、前記材料蒸気が、前記第一の斜め方向とは異なる方向である第二の斜め方向から入射し、前記第一の光屈折膜上に、前記材料蒸気が入射する前記第二の斜め方向に沿って成長された第二の光屈折膜とを有する複屈折膜とが設けられた位相差素子であって、前記複屈折膜は、前記第一、第二の光屈折膜が交互に複数層積層されて形成され、前記第一、第二の光屈折膜のＴａとＴｉの合計量に対するＴｉの割合(Ｔｉ／(Ｔａ＋Ｔｉ))は、４．０原子％以上３０原子％以下にされ、透過率が８６％以上にされた位相差素子である。
また、本発明は、前記複屈折膜は、前記第一、第二の光屈折膜が、互いに平行に配置された複数の直線状の突条の上に、交互に複数層積層された積層膜として形成され、前記突条の上の前記積層膜は離間し、前記積層膜の間には空気層が配置された位相差素子である。
また、本発明は、前記突条は等幅等間隔で形成され、隣接する前記突条の中心線間の距離である中心線間距離を、複屈折させる光のうち、最短波長の光の波長よりも短くされた位相差素子である。
また、本発明は、透明基板と、Ｔａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２とを含有する蒸着材料から放出されて直進する材料蒸気が、透明基板上に第一の斜め方向から入射し、前記材料蒸気が入射する前記第一の斜め方向に沿って成長された第一の光屈折膜と、前記材料蒸気が、前記第一の斜め方向とは異なる方向である第二の斜め方向から入射し、前記第一の光屈折膜上に、前記材料蒸気が入射する前記第二の斜め方向に沿って成長された第二の光屈折膜とを有する複屈折膜とが設けられた位相差素子であって、前記第一、第二の光屈折膜のＴａとＴｉの合計量に対するＴｉの割合(Ｔｉ／(Ｔａ＋Ｔｉ))は、４．０原子％以上３０原子％以下にされ、前記複屈折膜は、前記第一、第二の光屈折膜が、互いに平行に配置された複数の直線状の突条の上に、交互に複数層積層された積層膜として形成され、前記突条の上の前記積層膜は離間し、前記積層膜の間には空気層が配置された位相差素子である。
また、本発明は、前記突条は等幅等間隔で形成され、隣接する前記突条の中心線間の距離である中心線間距離を、複屈折させる光のうち、最短波長の光の波長よりも短くされた位相差素子である。
また、本発明は、前記透明基板は石英ガラス基板である位相差素子である。
また、本発明は、前記第一の斜め方向の前記透明基板の表面と平行な成分と、前記第二の斜め方向の前記透明基板の表面と平行な成分とは、互いに逆方向に向けられた位相差素子である。
また、本発明は、波長５１０〜４３０ｎｍの青色光が含まれる光が透過する位相差素子である。
また、本発明は、上記記載の前記位相差素子を有し、液晶と前記位相差素子とを通過した光が外部に放出される表示装置である。

本発明の位相差素子は、従来の位相差素子よりも著しく高い透過率を有しており、可視光を高強度で透過させることができる。従って、本発明は透明性が高く、複屈折量が大きい位相差素子が得られる。
また、無機材料を用いているため、耐熱性にも優れており、特に、拡散光を放出するような液晶プロジェクター等の液晶表示装置では、透過率が高いので高強度の光を放出でき、また、耐熱性が高いので、光学ユニット部を小型化することもできる。

本発明に用いる蒸着装置の一例 (ａ)〜(ｅ)：本発明の位相差素子の製造工程を説明するための図面 斜方蒸着によって形成された薄膜の構造を説明するための図面 表面に突条を有する透明基板 その透明基板上に形成された複屈折膜を説明するための図面 Ｔｉ／(Ｔｉ＋Ｔａ)の値と透過率の関係を説明するためのグラフ 突条を有する透明基板上と、平坦な透明基板上とに複屈折膜を形成した場合の、波長と複屈折Δｎとの関係を示すグラフ

本発明の製造工程を説明する。
図１を参照し、予め、蒸着装置５の真空槽６内に、Ｔａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂とを含有する蒸着材料１４を配置しておき、透明基板を真空槽６内に搬入し、蒸着材料１４に対して表面を斜め姿勢にして、透明基板を蒸着材料１４の上方位置に配置する。図１、図２(ａ)の符号１は真空槽６内に斜め姿勢で配置された透明基板であり、ここでは石英ガラスの基板が用いられている。

次いで、真空雰囲気にされた真空槽６内で蒸着材料１４を加熱し、Ｔａ₂Ｏ₅の蒸気と、ＴｉＯ₂の蒸気とが混合された材料蒸気を真空槽６内に放出させ、透明基板１から見て、材料蒸気を、透明基板１の表面に第一の斜め方向に入射させると、図２(ｂ)に示すように、透明基板１上には、第一の屈折膜２１が形成される。

第一の屈折膜２１を構成する結晶粒１９は、図３に示すように、材料蒸気が入射した第一の斜め方向１８に沿って成長する。
第一の屈折膜２１が所定膜厚に形成された後、透明基板１を、透明基板１表面に垂直で、透明基板１の中心を通る中心線回りに１８０°回転させる。

この状態では、透明基板１から見て、第一の斜め方向とは異なる第二の斜め方向から第一の屈折膜２１表面に材料蒸気が入射し、図２(ｃ)に示すように、第一の屈折膜２１の表面に、第二の屈折膜２３が形成される。

図１の符号１０が付された矢印は、材料蒸気の進行方向であり、符号１１は、透明基板１の薄膜が形成される表面に対して垂直な法線を示している。第一の斜め方向と透明基板１の法線１１とによって、６０°以上８０°以下の角度θが形成されるように設定されている。また、第二の斜め方向と法線１１との間でも、６０°以上８０°以下の第二角度φが形成されるように設定されている。

ここでは、第一角度θと第二角度φとは、同じ値であるが、透明基板１に対する入射方向が異なっており、特に、透明基板１が中心線周りに１８０°回転されているから、第一の斜め方向の透明基板１の表面と平行な成分と、第二の斜め方向の透明基板１の表面と平行な成分とは、互いに逆向きになっている。要するに、第一、第二の方向の、透明基板１の表面と平行な成分が成す角度は１８０°である。

第二の屈折膜２３が所定膜厚に形成された後、透明基板１を、中心線回りに１８０°回転させ、第二の屈折膜２３の表面に第一の斜め方向から材料蒸気を入射させ、第二の屈折膜２３表面に第一の屈折膜２１を形成する。

このように、同じ組成の材料蒸気によって、透明基板１を１８０°回転させることで、第一の屈折膜２１と第二の屈折膜２３とを切り替えて形成し、第一の屈折膜２１と第二の屈折膜２３とを交互に複数層積層させると、図２（ｄ）に示すように、透明基板１の表面に、交互に積層された複数の第一の屈折膜２１と第二の屈折膜２３とから成る複屈折膜２０が形成される。第一、第二の屈折膜２１、２３は、それぞれ数層であり、ここでは、複屈折膜２０の総厚は６μｍとした。

各第一、第二の屈折膜２１、２３は、同じ組成であり、複屈折膜２０は、複屈折膜２０中のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｔａ）の値(この式中「Ｔｉ」と「Ｔａ」は、チタン原子数とタンタル原子数を表す)は、４原子％以上３０原子％以下になるようにされた酸化物薄膜であり、可視光に対する直線偏光の光透過率が大幅に向上されている。

柱状組織間に水分が付着していると、蒸着膜の屈折率が変化し、特性が大きく変わってしまうため、形成された複屈折膜２０を、２００℃に加熱してアニール処理を行い、複屈折膜２０の色抜きと、複屈折膜２０の柱状組織間に吸着している水分の蒸発とを行うとよい。

アニール処理は、水分が蒸発する１００℃以上の温度に複屈折膜２０を昇温させることが好ましい。他方、温度を上げすぎると、柱状組織同士が成長してコラム状となり、複屈折の低下や透過率の低下などが発生するため、３００℃以下であることが好ましい。

アニール処理後、図２(ｅ)に示すように、複屈折膜２０上に保護膜２６を形成すると、本発明の位相差素子７が得られる。
なお、複屈折膜２０の複屈折は、第一、第二の屈折膜２１、２３を形成するときに第一、第二の角度を変更することによって変化させることができる。

保護膜２６には、湿度透過性の小さい薄膜を形成するとよい。また、保腹膜２６は、光透過率を向上させるために、反射防止膜（ＡＲ膜）の機能を備えたものも望ましい。ここでＡＲ膜は、一般的に用いられる高屈折膜、低屈折膜から成る多層薄膜でもよい。ＡＲ膜を形成した後、所望の大きさに切断する際には、切断には、ガラススクライバー等の切断装置を用いることができる。

＜透過率＞
真空槽内にＴａ₂Ｏ₅にＴｉＯ₂が添加された蒸着材料を配置し、ガラス基板(石英基板)の法線方向と、ガラス基板に入射する材料蒸気の進行方向との間の第一、第二の角度が７０°になるようにして複屈折膜を形成した。

ここではＴａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂の比率が異なる蒸着材料を配置し、組成が異なる６種類の複屈折膜を形成し、それぞれ２００℃でアニール処理を行った。形成した複屈折膜のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｔａ）の値をＥＤＸ(エネルギー分散型Ｘ線分光法)の測定器によって測定したところ、０、３、５、１０、１９、３３原子％であった。各複屈折膜の膜厚は広帯域１／２波長板に必要な６．０μｍとした。
ガラス基板の裏面には、入射光の反射率を低減する目的で、反射防止膜を成膜した。
形成した各複屈折膜に対して、波長が６８０〜６００ｎｍ、５９０〜５２０ｎｍ、５１０〜４３０ｎｍの三種類の測定光を照射し、各波長の測定光に対する透過率（各波長域の平均値）を測定した。

図６のグラフは、横軸がＴｉ／（Ｔｉ＋Ｔａ）の値、縦軸が透過率の値であり、各屈折膜の測定結果から、４原子％以上では透過率の向上が見られ、特に５１０〜４３０ｎｍの青色光の波長帯域で透過率が著しく向上していることが分かる。
透過率が向上する要因は、Ｔｉが不純物のゲッターとして働くこと、およびＴｉＯ₂が活性化してＴａ₂Ｏ₅の酸素欠損の部位に酸素を供給していることと考えられる。

他方、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｔａ）が３０原子％を越えると透過率は減少しており、ＴｉＯ₂の含有量が大きくなると、透過率が低下することが分かる。
その原因は、ＴｉＯ₂の光吸収端はＴａ₂Ｏ₅よりも長波長側にあり、ＴｉＯ₂は可視光を吸収しやすいので、複屈折膜中のＴｉＯ₂の含有量が増加するとＴｉＯ₂に吸収される光の量が増加するためと考えられる。

その結果、特に広帯域の１／２波長板など、複屈折膜の膜厚が厚い位相差素子においては、形成される複屈折膜のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｔａ）の値が、４原子％以上３０原子％以下の範囲となるＴａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂の含有率の蒸着材料を真空槽内に配置して材料蒸気を発生させることで、透過率に優れた位相差素子を提供することができる。

＜変形例＞
上記位相差素子７では、表面が平坦な透明基板１上に斜め蒸着して複屈折膜２０を形成したが、図４の符号２に示すように、ガラス基板(石英基板)３３の表面に、エッチング法によって平行な溝３１を形成することで、ガラス基板３３の表面に直線状の突条３２が離間して平行に形成された透明基板２を作成し、材料蒸気を突条３２の表面に到達させ、突条３２の表面に複屈折膜を成長させて位相差素子を形成することもできる。

一例として、ガラス基板３３に深さＤが５０ｎｍの溝３１を平行に等幅等間隔で形成することで、隣接する中心線間距離Ｐを一定値１５０ｎｍにして突条３２を形成し、Ｔａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂とを含有する蒸着材料に対して、図１のように、第一、第二の角度θ、φが７０°となるように透明基板を配置して、材料蒸気を到達させ、突条３２の表面に複数の第一、第二の屈折膜を交互に積層させて、複屈折膜３０を形成した。第一、第二の屈折膜の形成を切り換えるときには、透明基板を１８０°回転させ、材料蒸気が入射する方向に対する透明基板の向きを複数回変更し、図５に示す位相差素子８を得た。
この位相差素子８は、第一、第二の屈折膜２２、２４が交互に複数層成膜された複屈折膜３０を有している。

突条３２の中心線間距離Ｐは、複数列が互いに平行に配置された突条３２のピッチであり、複屈折させる光のうち、最短波長の値よりも中心線間距離Ｐを短くしておくと、最短波長以上の波長の光に対して大きな複屈折量が得られる。

同じ組成、同じ膜厚の複屈折膜を、平坦な透明基板１の表面上と、溝３１と突条３２とを有する透明基板２の突条３２の表面上とにそれぞれ形成して、複屈折Δｎ(Δｎ＝ｎ_e−ｎ₀ ｎ_e：異常光線の屈折率、ｎ₀：通常光線の屈折率)を測定した。

図７のグラフの横軸は光の波長、縦軸は複屈折Δｎであり、同図の曲線Ｌ₁は、突条３２上に形成された複屈折膜の測定結果であり、同図曲線Ｌ₂は、平坦な透明基板上１の表面上に形成した複屈折膜の測定結果である。
図７を見ると、突条３２上に形成された複屈折膜の複屈折量は、平坦な透明基板１の表面に形成された複屈折膜の複屈折量の２．８倍になっている。

よって、所望の複屈折量を得るためには、表面が平坦な透明基板に比べて複屈折膜を薄膜化する事ができる。薄膜化は、生産工程の高速化及び効率化や、成膜に使用する材料費の抑制など、多くのメリットを持つ。

平行に配置された突条３２上に複屈折膜を形成すると、複屈折の値が大きくなるのは、隣接する突条３２上に形成された複屈折膜は離間して形成され、その間には隙間が形成されており、複屈折膜と複屈折膜との間には第一、第二の屈折膜よりも屈折率が低い空気層が存していて、構造複屈折の効果が加味された事によると考えられる。

この溝３１と突条３２とは、言わば一次元格子が形成されているが、波長以下であれば、ランダムパターンや、文献(東芝レビューｖｏｌ.６０ Ｎｏ.１０２００５)に記載のブロックコポリマーを用いたパターン形成方式、すなわち、ガラス基板上に上記と同様にＳｉＯ₂を成膜し、ブロックコポリマーによりパターン形成を行ない、ＳｉＯ₂にブロックコポリマーのパターンを転写することによって得ることができる。

なお、ＳｉＯ₂を成膜しないで、ガラス上に直接パターン形成してもかまわない。このようにして形成されて波長板においても、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｔａ）が４原子％以上３０原子％以下の範囲となるようなＴａ₂Ｏ₅＋ＴｉＯ₂の含有比率の蒸着材料を用いることで、透過率に優れた位相差素子を提供することができる。

上記各実施例では、Ｔａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂とを混合した蒸着材料を昇温させて材料蒸気を放出させていたが、Ｔａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂とを真空槽内の別々の容器に配置して個別に昇温させ、Ｔａ₂Ｏ₅の蒸気とＴｉＯ₂の蒸気とを別々に発生させて材料蒸気としてもよい。この場合も、Ｔａ₂Ｏ₅の蒸気とＴｉＯ₂の蒸気とは同じ透明基板に一緒に到達するので、ＴａとＴｉの合計量に対するＴｉの割合(Ｔｉ／(Ｔａ＋Ｔｉ))が、４．０原子％以上３０原子％以下にされた複屈折膜が形成されるように、別々に配置されたＴａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂とから蒸気を放出させればよい。

１、２……透明基板
１４……蒸着材料
１８……第一の斜め方向
２１、２２……第一の屈折膜
２３、２４……第二の屈折膜
２０、３０……複屈折膜

Claims (9)

1. 透明基板と、
   Ｔａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２とを含有する蒸着材料から放出されて直進する材料蒸気が、透明基板上に第一の斜め方向から入射し、前記材料蒸気が入射する前記第一の斜め方向に沿って成長された第一の光屈折膜と、
   前記材料蒸気が、前記第一の斜め方向とは異なる方向である第二の斜め方向から入射し、前記第一の光屈折膜上に、前記材料蒸気が入射する前記第二の斜め方向に沿って成長された第二の光屈折膜とを有する複屈折膜とが設けられた位相差素子であって、
   前記複屈折膜は、前記第一、第二の光屈折膜が交互に複数層積層されて形成され、
   前記第一、第二の光屈折膜のＴａとＴｉの合計量に対するＴｉの割合(Ｔｉ／(Ｔａ＋Ｔｉ))は、４．０原子％以上３０原子％以下にされ、
   透過率が８６％以上にされた位相差素子。
2. 前記複屈折膜は、前記第一、第二の光屈折膜が、互いに平行に配置された複数の直線状の突条の上に、交互に複数層積層された積層膜として形成され、前記突条の上の前記積層膜は離間し、前記積層膜の間には空気層が配置された請求項１記載の位相差素子。
3. 前記突条は等幅等間隔で形成され、隣接する前記突条の中心線間の距離である中心線間距離を、複屈折させる光のうち、最短波長の光の波長よりも短くされた請求項２記載の位相差素子。
4. 透明基板と、
   Ｔａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２とを含有する蒸着材料から放出されて直進する材料蒸気が、透明基板上に第一の斜め方向から入射し、前記材料蒸気が入射する前記第一の斜め方向に沿って成長された第一の光屈折膜と、
   前記材料蒸気が、前記第一の斜め方向とは異なる方向である第二の斜め方向から入射し、前記第一の光屈折膜上に、前記材料蒸気が入射する前記第二の斜め方向に沿って成長された第二の光屈折膜とを有する複屈折膜とが設けられた位相差素子であって、
   前記第一、第二の光屈折膜のＴａとＴｉの合計量に対するＴｉの割合(Ｔｉ／(Ｔａ＋Ｔｉ))は、４．０原子％以上３０原子％以下にされ、
   前記複屈折膜は、前記第一、第二の光屈折膜が、互いに平行に配置された複数の直線状の突条の上に、交互に複数層積層された積層膜として形成され、前記突条の上の前記積層膜は離間し、前記積層膜の間には空気層が配置された位相差素子。
5. 前記突条は等幅等間隔で形成され、隣接する前記突条の中心線間の距離である中心線間距離を、複屈折させる光のうち、最短波長の光の波長よりも短くされた請求項４記載の位相差素子。
6. 前記透明基板は石英ガラス基板である請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の位相差素子。
7. 前記第一の斜め方向の前記透明基板の表面と平行な成分と、前記第二の斜め方向の前記透明基板の表面と平行な成分とは、互いに逆方向に向けられた請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の位相差素子。
8. 波長５１０〜４３０ｎｍの青色光が含まれる光が透過する請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の位相差素子。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載された前記位相差素子を有し、液晶と前記位相差素子とを通過した光が外部に放出される表示装置。

Images