(57)【要約】【課題】偏光の乱れを効果的に補償することができる位相差補償素子及び投射型画像投影装置を提供する。【解決手段】偏光の乱れを効果的に補償することができる位相差補償素子及び投射型画像投影装置を提供する。複数の斜方蒸着膜の積層膜からなり、各斜方蒸着膜の厚さが使用波長以下である複屈折層３３と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜の積層膜からなり、複屈折層３３における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与するＲｄ−ＡＲ膜３２とを備える。Ｒｄ−ＡＲ膜３２が付与する位相差Ｒｄは、使用する波長帯域の任意の波長λにおいて、入射光角度０°〜２５°の範囲で、１＜Ｒｄ(λ)／Ｒｄ(λ')＜１．５（λ＜λ’）である。【選択図】図１１
2014219672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の斜方蒸着膜の積層膜からなり、各斜方蒸着膜の厚さが使用波長以下である複屈折層と、
屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜の積層膜からなり、前記複屈折層における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与する位相差付与反射防止層と
を備える位相差補償素子。
【請求項２】
前記位相差付与反射防止層は、前記複屈折層における斜入射透過光の位相差に対して逆位相差を付与する請求項１記載の位相差補償素子。
【請求項３】
前記位相差付与反射防止層は、前記誘電体膜の各膜厚がλ／１００以上λ／２以下（λは使用する波長帯域の任意の波長）であり、前記誘電体膜の層数が８以上１０００以下である請求項１又は２記載の位相差補償素子。
【請求項４】
前記位相差付与反射防止層は、前記誘電体膜の膜厚が全て異なる請求項３記載の位相差補償素子。
【請求項５】
前記位相差付与反射防止層は、相対的に最も高い屈折率ＮＨを有する誘電体と、相対的に最も低い屈折率ＮＬを有する誘電体との関係が、０．４＜ＮＨ−ＮＬ＜１．５を満たす請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項６】
前記位相差付与反射防止層は、相対的に最も高い屈折率を有する誘電体の膜厚をｔＨ、相対的に最も高い屈折率を有する誘電体の膜厚をｔＬとしたとき、ｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ)＞０.４である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項７】
前記位相差付与反射防止層が付与する位相差Ｒｄは、使用する波長帯域の任意の波長λにおいて、入射光角度０°〜２５°の範囲で、１＜Ｒｄ(λ)／Ｒｄ(λ')＜１．５（λ＜λ’）である請求項乃至６のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項８】
前記誘電体膜は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５から選択される少なくとも１種である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項９】
前記複屈折層は、基板法線方向に対して対称な２方向から蒸着材料を交互に堆積させてなり、前記斜方蒸着膜の１層あたりの厚みが、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項１０】
前記複屈折層は、入射光により生じる位相差が、該複屈折層が形成された基材面法線方向を中心として略対称の角度依存性を有し、前記複屈折層の位相差の角度依存性の中心となる入射光方向と、前記位相差付与反射防止層が形成された基材面法線方向とが略一致する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項１１】
前記斜方蒸着膜は、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５から選択される少なくとも１種である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項１２】
透明基板上に誘電体膜からなる応力調整層が形成され、前記複屈折層は、前記応力調整層側に形成される請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
【請求項１３】
複数の斜方蒸着膜の積層膜からなり、各斜方蒸着膜の厚さが使用波長以下である複屈折層と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜の積層膜からなり、前記複屈折層における斜入射透過光の位相差に対して逆位相差を付与する位相差付与反射防止層とを備える位相差補償素子が、反射型偏光子と反射型光変調素子との間に配置されている投射型画像投影装置。
【請求項１４】
前記位相差付与反射防止層が付与する位相差Ｒｄは、使用する波長帯域の任意の波長λにおいて、入射光角度０°〜２５°の範囲で、１＜Ｒｄ(λ)／Ｒｄ(λ')＜１．５（λ＜λ’）である請求項１３記載の投射型画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機材料で形成された高耐熱性を有する位相差補償素子に関する。さらに詳しくは、使用帯域の光において、複屈折層による面内位相差と、誘電体多層膜による斜入射光の位相差を利用した位相差補償素子及び投射型画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位相差補償素子は、水晶などの無機光学単結晶、又は高分子延伸フィルムにより作られている。無機光学単結晶は、位相差補償素子として耐久性、信頼性に優れるものの、原材料費、加工コストが高く、また、入射光に対して比較的角度依存性が大きいという課題がある。また、高分子延伸フィルムは、最も一般的に用いられている位相差補償素子であるが、熱やＵＶ光線に対して劣化しやすく耐久性に課題がある。
【０００３】
また、位相差補償素子として、斜め柱状構造をもつ斜方蒸着膜（斜方蒸着位相差素子）が知られている。この斜方蒸着膜は、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ともに、大量生産により低コスト化を図ることができる。また、無機材料を用いることから、耐光性・耐熱性に優れる位相差補償素子を提供することができる。
【０００４】
また、近年、投射型画像投影装置において、コントラスト特性や視野角特性を改善するために、位相差補償素子を用いた光学補償技術が用いられている。位相差補償素子を用いた光学補償技術としては、例えば、図２９に示すような垂直配向液晶における黒輝度補正が挙げられる。
【０００５】
垂直配向液晶１００は、無電圧印加状態（黒状態）で液晶分子が垂直に配向しており、この垂直配向液晶１００を備える反射型光変調素子１１０に対して垂直に光束を入射した場合には複屈折が生じない。そのため、反射型偏光子１２０に入射し、所定の直線偏光とされた光束は、偏光が乱れることなく、再び反射型偏光子に入射、透過し、スクリーンに光が漏れることはない。
【０００６】
しかし、反射型光変調素子１１０に所定の角度を持って入射した光に対しては、複屈折を生じるため、直線偏光として反射型光変調素子１１０に入射した光束は楕円偏光となる。その結果、再び反射型偏光子１２０に入射した光の一部がスクリーンに到達し、コントラスト悪化の原因となる。
【０００７】
また、横電界による液晶分子の配向乱れの抑制や、液晶分子の応答速度の改善のため、液晶分子を反射型光変調素子の面に対し所定の角度（プレチルト角）傾けることが提案されている。この場合は、反射型光変調素子に垂直に入射した光束も複屈折により偏光状態が乱され、コントラスト悪化の原因となる。
【０００８】
以上に述べた偏光の乱れを補償し、最適な偏光状態を実現する方法として、種々方式が提案されている。例えば、前述の水晶などの位相差補償素子を反射型光変調素子の面と平行に設置して位相差補償を行う方法（例えば、特許文献１参照。）や、高分子フィルム等の複屈折を有する有機材料などを反射型光変調素子の面と平行に設置して位相差補償を行う方法（例えば、特許文献２、３参照。）などが提案されている。
【０００９】
しかし、光学補償素子として単結晶を加工する方法を用いる場合、特に液晶のプレチルト角度までをも考慮して補償しようとしたとき、結晶軸に対して所定の角度で切り出す必要が生じ、材料の切り出し、研磨等に非常に高い精度が必要となり、高いコストが必要となる。
【００１０】
また、高分子系の延伸フィルムを用いて液晶分子のプレチルト角度をも含めて補償しようとすると、２軸の位相差フィルムや、複数枚の位相差フィルムを組みあせて作る必要がある。この方法では比較的に容易に作製できる方法であるものの、前述のように熱やＵＶ光線に対して劣化し易いため、耐久性に課題がある。
【００１１】
また、特許文献４には、誘電体材料の薄膜形成を用いた位相差補償素子として、高／低屈折率材料の交互積層により形成された負のＣ−プレートと、２層構成以上の斜方蒸着膜で形成されたＯ−プレートとを組み合わせた位相差補償素子が提案されている。この位相差補償素子は、高／低屈折率材料の交互積層による構造性複屈折を有する負のＣ−プレートによって反射型光変調素子への斜入射光の偏光の乱れを補正し、２層構成以上の斜方蒸着膜で形成されたＯ−プレートによってプレチルト角によって生じる偏光の乱れを補正する。
【００１２】
しかし、斜方蒸着によるＯ−プレートの形成は、複屈折を発現させるために蒸着角度をある範囲に規定する必要があり、コラムの成長角度が所定の幅に決まってしまう。このようにして成長した斜め粒子は、必ずしもプレチルト角による偏光の乱れを補正することに適してはいない。また、負のＣ−プレートを作製するためには計８０層の積層を要すると記載されており、高コスト化やリードタイムの長時間化が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１７２９８４号公報
【特許文献２】特開２００７−１０１７６４号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／００１７９９号公報
【特許文献４】特開２００６−１７１３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、偏光の乱れを効果的に補償することができる位相差補償素子及び投射型画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述した課題を解決するために、本発明に係る位相差補償素子は、使用波長以下の厚みの斜方蒸着膜が積層された複屈折層と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層され、前記複屈折層における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与する位相差付与反射防止層とを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る投射型画像投影装置は、複数の斜方蒸着膜の積層膜からなり、各斜方蒸着膜の厚さが使用波長以下である複屈折層と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜の積層膜からなり、前記複屈折層における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与する位相差付与反射防止層とを備える位相差補償素子が、反射型偏光子と反射型光変調素子との間に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、複屈折層にて面内位相差Ｒ０を制御し、位相差付与反射防止層にて斜入射透過光の位相差Ｒｄを制御するとともに反射を防止するため、偏光の乱れを効果的に補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ｒｄ−ＡＲ膜の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】光学薄膜の一例を示す断面図である。
【図３】屈折率が１／１．４１／１の構造における入射光θの角度を変化させたときの位相差の光学膜厚依存性を示すグラフである。
【図４】屈折率が２／１．４１／２の構造における入射光θの角度を変化させたときの位相差の光学膜厚依存性を示すグラフである。
【図５】Ｒｄ−ＡＲ膜を設計した際の斜入射光の位相差Ｒｄの層数依存性を示すグラフである。
【図６】Ｒｄ−ＡＲ膜を設計した際の斜入射光の位相差Ｒｄの膜厚依存性を示すグラフである。
【図７】Ｂｌｕｅの波長帯域における積層数と位相差Ｒｄの波長分散の関係を示すグラフである
【図８】相対的に最も高い屈折率ＮＨを有する誘電体と、相対的に最も低い屈折率ＮＬを有する誘電体とを用いて誘電体多層膜を形成したとき、２５度の斜入射光に付与できる最大の位相差を示すグラフである。
【図９】２５度の斜入射光に１８ｎｍの位相差を付与するときのｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ)と膜厚の関係を示すグラフである。
【図１０】斜方蒸着膜の膜厚を変化させたときの複屈折及び光学ロスの変化を示すグラフである。
【図１１】位相差補償素子の一例を示す断面図である。
【図１２】位相差補償素子の一例を示す断面図である。
【図１３】位相差補償素子の一例を示す断面図である。
【図１４】位相差補償素子の一例を示す断面図である。
【図１５】本発明の一実施の形態に係る位相差補償素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１６】投射型画像投影装置に用いられる光学エンジンの一部の構成を示す概略断面図である。
【図１７】実施例１のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。
【図１８】実施例１の位相差補償素子の透過率を示すグラフである。
【図１９】実施例１の位相差補償素子の反射率を示すグラフである。
【図２０】斜方蒸着による複屈折層を模式的に示す斜視図である。
【図２１】実施例１の位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（θ）依存性を示すグラフである。
【図２２】実施例１の位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（φ）依存性を示すグラフである。
【図２３】複屈折層が単層構造である位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（θ）依存性を示すグラフである。
【図２４】複屈折層が単層構造である位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（φ）依存性を示すグラフである。
【図２５】実施例２のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。
【図２６】実施例３のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。
【図２７】実施例４のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。
【図２８】比較例１のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。
【図２９】従来の投射型画像投影装置に用いられる光学エンジンの一部の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明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．位相差補償素子
１．１  位相差付与反射防止層
１．２  複屈折層
２．位相差補償素子の製造方法
３．投射型画像投影装置への適用例
４．実施例
【００２０】
＜１．  位相差補償素子＞
本実施の形態における位相差補償素子は、使用波長以下の厚みの斜方蒸着膜が積層された複屈折層と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層され、複屈折層における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与する位相差付与反射防止層とを備える。この位相差補償素子によれば、複屈折層にて面内位相差Ｒ０を制御し、位相差付与反射防止層にて斜入射透過光の位相差Ｒｄを制御するとともに反射を防止するため、偏光の乱れを効果的に補償することができる。
【００２１】
例えば、無電解で垂直配向する液晶分子を持つ液晶プロジェクターに、本実施の形態における位相差補償素子を配置する場合、複屈折層で生じる斜入射光位相差とは逆の位相差を付与させ、さらに位相差の値を制御する。これにより、複屈折層により反射型光変調素子のプレチルト角によって生じる偏光の乱れを補正し、また、位相差付与反射防止層により反射型光変調素子への斜入射光によって生じる偏光の乱れを補正し、さらに、位相差付与反射防止層により反射を防止することができため、高いコントラストを得ることができる。
【００２２】
＜１．１  位相差付与反射防止層＞
先ず、複屈折層における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与する位相差付与反射防止層について説明する。
【００２３】
従来、構造性複屈折と呼ばれる光学多層膜は、膜厚方向の位相差Ｒｔｈを発現させる場合、光の干渉効果を利用しない。例えば、２種類の誘電体膜をそれぞれ誘電体膜ａ、誘電体膜ｂとし、誘電体膜ａと誘電体膜ｂとの積層を１構成単位として１００層近く積層した場合、誘電体膜ａの膜厚ｔａは、多層膜中で全て等価であり、誘電体膜ｂの膜厚ｔｂも多層膜中で全て等価である。例えば、国際公開第２００９／００１７９９号公報の技術では、誘電体膜の膜厚は全て１５ｎｍである。このような従来の光学多層膜は、別途、反射防止膜をその両側に設ける必要がある。
【００２４】
一方、本実施の形態における位相差付与反射防止層は、誘電体膜への斜入射によって生じる位相差を利用し、さらに光の干渉効果を積極的に利用して、反射防止膜としても機能する。すなわち、本実施の形態における位相差付与反射防止層は、斜方蒸着で制御困難である斜入射光の位相差の独立設計を可能とし、また、反射防止機能を有するため、別途、反射防止膜を成膜する必要がない。
【００２５】
また、本実施の形態における位相差付与反射防止層は、各層の膜厚を等価にする必要はなく、積層数も比較的少なくすることが可能である。具体的には、各層の膜厚をおおよそ全て異なるものとし、さらに積層数を最適なものとすることが好ましい。これは、従来の設計思想とは根本的に異なるものである。以下、本実施の形態における位相差付与反射防止層をＲｄ−ＡＲ膜とも称する。
【００２６】
図１は、Ｒｄ−ＡＲ膜の一例を模式的に示す断面図である。このＲｄ−ＡＲ膜１１は、図１に示すように、基材１０上に高屈折率の誘電体膜ａと低屈折率の誘電体膜ｂとが交互に積層された誘電体多層膜である。
【００２７】
Ｒｄ−ＡＲ膜は、所望の波長帯域において反射防止機能を有し、かつ所定の角度を有する斜入射光に対して任意の位相差を付与するため、反射防止の設計と同時に斜入射光の位相差の設計も行う必要がある。
【００２８】
Ｒｄ−ＡＲ膜は、可視光の帯域に対しても設計することができるが、Ｒｅｄの波長帯域（例えば５９０〜７００ｎｍ）、Ｇｒｅｅｎの波長帯域（例えば５１０〜５９０ｎｍ）、Ｂｌｕｅの波長帯域（例えば４２５〜５０５ｎｍ）の３原色の波長帯域のそれぞれに対して設計することが好ましい。誘電体は、屈折率の波長分散を有し、斜入射光の位相差も波長分散を持つため、可視光の帯域で一定の位相差を設計することは難しいが、ＲＧＢの３原色に分けることにより、斜入射光の位相差の波長分散を抑制し、また、反射防止の設計を容易にすることができる。
【００２９】
Ｒｄ−ＡＲ膜に用いられる誘電体膜としては、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５などの酸化物、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。本実施の形態では、高屈折率の誘電体膜ａとしてＮｂ２Ｏ５、低屈折率の誘電体膜ｂとしてＳｉＯ２が好ましく用いられる。
【００３０】
また、高屈折率の誘電体膜ａの膜厚ｔａ及び低屈折率の誘電体膜ｂの膜厚ｔｂは、共に使用波長λに対し、λ／１００≦ｔａ，ｔｂ≦λ／２の関係を満たすことが望ましい。誘電体膜への斜入射によって生じる位相差Ｒｄは、膜厚をλ／２以下とすることにより、位相差の符号を一定とすることができる。また、膜厚をλ／１００以上とすることにより、位相差を発現させることができる。
【００３１】
また、誘電体膜の層数ｄは、８≦ｄ≦１０００の関係を満たすことが望ましい。誘電体膜の層数ｄが８層未満であると、位相差Ｒｄの波長分散が大きくなってしまう。また、誘電体膜の層数ｄが１０００層以上であると、リードタイムが増加してしまう。
【００３２】
また、各誘電体膜の膜厚は、おおよそ全て異なることが好ましい。任意の位相差Ｒｄを付与しながら反射防止膜を形成するためには、各層の膜厚を微調整し、光の干渉を積極的に利用することが重要になる。
【００３３】
以下、誘電体膜の膜厚について、より具体的に説明する。図２は、光学薄膜の一例を示す断面図である。この光学薄膜２１は、厚みｄ、屈折率ｎを有し、屈折率がｎａの媒質２２とｎｂの媒質２３とに挟まれている。
【００３４】
ここでは、どの媒質も吸収はないものとする。また、媒質２２の側から最初の界面に入射角θで入射する光に対するＦｒｅｓｎｅｌ係数をｒｐａ、ｒｓａ、ｔｐａ、ｔｓａ、もう一方の媒質２３の界面でのＦｒｅｓｎｅｌ係数をｒｐｂ、ｒｓｂ、ｔｐｂ、ｔｓｂとする。ｒは反射係数、ｔは透過係数、ｐとｓはそれぞれの偏光を表す。
【００３５】
この単層の光学薄膜の透過係数をτｐ、τｓとすると、（１）式で表わすことができる。
【００３６】
【数１】
2014219672.tif 000003
【００３７】
また、（２）式の関係がある。
【００３８】
【数２】
2014219672.tif 000004
【００３９】
媒質に吸収はないとすると、Ｆｒｅｓｎｅｌ係数のｔ、ｒは、実数である。（１）式を有理化すると、（３）式になる。
【００４０】
【数３】
2014219672.tif 000005
【００４１】
したがって、透過係数τｐ、τｓは、それぞれ（４）、（５）式となる。
【００４２】
【数４】
2014219672.tif 000006
【００４３】
ただし、α、δ、β、εは実数である。入射角が０でないとき、一般にδ、εは０ではない。さらに、（３）式から明らかなように、偏光によってｔやｒの大きさが違うため、δ、εの値も偏光によって異なる可能性がある。すなわち、入射角０以外では、位相差が生じるように作用するといえる。
【００４４】
ここで、ある媒質０から別の媒質１へのｐ偏光とs偏光のＦｒｅｓｎｅｌ係数ｒｐ０ｌ、ｒｓ０１、ｔｐ０１、ｔｓ０ｌは、以下のとおりである。
【００４５】
【数５】
2014219672.tif 000007
【００４６】
ただし、（８）式、（９）式の関係にある。
2014219672.tif 000008
【００４７】
これを（５）式に代入することで、位相差を計算することができる。
【００４８】
例えば図２において、ｎａ＝ｎｂ＝１、ｎ＝１．４１のような屈折率を持つ構造を考える。このとき、入射光θの角度を変化させたときの位相差の光学膜厚依存性は、図３に示すようなグラフになる。光学膜厚がλ／２までは位相差の符号は同一になるが、λ／２以上となると、特にθが小さい時には、符号が反転する。
【００４９】
また、例えば図２において、ｎａ＝ｎｂ＝２、ｎ＝１．４１のような屈折率を持つ構造を考える。このとき、入射光θの角度を変化させたときの位相差の光学膜厚依存性は、図４に示すようなグラフになる。図３と同様の傾向であり、光学膜厚がλ／２までは位相差の符号が同一であるが、λ／２以上となると、特にθが小さい時には、符号が反転する。
【００５０】
以上のように、相対的に屈折率の異なる誘電体膜を積層する場合、光学膜厚がλ／２までは、光に生じる位相差の符号が一方向になる。そのため、Ｒｄ−ＡＲ膜を用いてＲｄを制御する場合には、光学膜厚をλ／２以下とすることが好ましい。また、図３、４からわかるように、光学膜厚が薄すぎても位相差が生じにくくなる。そのため、光学膜厚はλ／１００以上であることが好ましい。
【００５１】
次に、Ｒｄ−ＡＲ膜における誘電体膜の層数について、より具体的に説明する。図５は、誘電体多層膜の層数を４〜３６層と変化させ、それぞれの層数でＲｄ−ＡＲ膜を設計したときの、最大付与できる位相差Ｒｄを示す。縦軸は、位相差の絶対値を示している。高屈折率の誘電体膜としてＮｂ２Ｏ５、低屈折率の誘電体膜としてＳｉＯ２を用いた。入射光角度は２５°とした。図５に示すグラフより、Ｒｄ−ＡＲ膜を設計する場合は、誘電体膜の層数が多くなるほど、最大付与できる位相差Ｒｄを増加させることが可能となることが分かる。
【００５２】
また、図６は、誘電体多層膜各層の膜厚の総和をＲｄ−ＡＲ膜を２００〜１３００ｎｍと変化させ、それぞれの膜厚でＲｄ−ＡＲ膜を設計したときの、最大付与できる位相差Ｒｄを示す。縦軸は、位相差の絶対値を示している。高屈折率の誘電体膜としてＮｂ２Ｏ５、低屈折率の誘電体膜としてＳｉＯ２を用いた。入射光角度は２５度とした。図６に示すグラフより、Ｒｄ−ＡＲ膜の総膜厚が大きいほど、最大付与できる位相差Ｒｄを増加させることが可能となることが分かる。
【００５３】
また、図７は、Ｂｌｕｅの波長帯域において、位相差補償素子を透過する２５°斜入射光の位相差であるＲｄ（２５°）が１ｎｍ、２.６ｎｍ、４ｎｍ、８ｎｍ、１６ｎｍを目標値とした場合の積層数と位相差Ｒｄの波長分散の関係を示すグラフである。波長分散とは、所定の波長帯域内での位相差Ｒｄのばらつきを示す。図７に示すグラフより、層数が８層以上であれば、Ｒｄの分散が抑制でき、良好な位相差素子が作製できることが分かる。また、Ｂｌｕｅの波長帯域に限らず、Ｇｒｅｅｎの波長帯域やＲｅｄの波長帯域でも同様の傾向が得られる。特に、大きな位相差Ｒｄを付与する場合、層数を多くすることにより、分散を抑制することができる。通常透明基材に対する反射防止膜は、４〜６層程度で形成されるが、Ｒｄ−ＡＲ膜は、以上の理由から、８層以上であることが好ましい。
【００５４】
次に、相対的に最も高い屈折率ＮＨを有する誘電体と、相対的に最も低い屈折率ＮＬを有する誘電体とを含む誘電体多層膜について説明する。
【００５５】
Ｒｄ−ＡＲ膜は、相対的に最も高い屈折率ＮＨを有する誘電体と、相対的に最も低い屈折率ＮＬを有する誘電体との関係が下記式を満たすことが好ましい。
【００５６】
０．４＜ＮＨ−ＮＬ＜１．５
【００５７】
図８は、相対的に最も高い屈折率ＮＨを有する誘電体と、相対的に最も低い屈折率ＮＬを有する誘電体とを用いて誘電体多層膜を形成したとき、２５度の斜入射光に付与できる最大の位相差を示すグラフである。縦軸は、位相差の絶対値を示している。ＮＨ−ＮＬが０.４以上であると、比較的大きな位相差Ｒｄを与えやすい。一方、ＮＨ−ＮＬが１．５以上であると、波長分散が大きくなる懸念がある。
【００５８】
また、Ｒｄ−ＡＲ膜は、相対的に最も高い屈折率を有する誘電体の膜厚をｔＨ、相対的に最も高い屈折率を有する誘電体の膜厚をｔＬとすると、ｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ)＞０.４であることが好ましい。図８に合わせて示すように、２５度の斜入射光に最大の位相差を付与するように相対的に最も高い屈折率ＮＨを有する誘電体と、相対的に最も低い屈折率ＮＬを有する誘電体とを用いて誘電体多層膜を形成する場合は、ｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ)＞０.４とする必要がある。
【００５９】
また、図９は、２５度の斜入射光に１８ｎｍの位相差を付与するときのｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ)と膜厚の関係を示すグラフである。ｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ）が小さくなるほど、反射防止膜と位相差付与を両立するために必要な膜厚は増加してしまうことが分かる。このため、ｔＬ／（ｔＨ＋ｔＬ）＞０．４であることが好ましい。
【００６０】
以上説明したように、Ｒｄ−ＡＲ膜は、所定の角度を有する斜入射光に位相差を付与するものであって、誘電体多層膜が負のＣプレートで表わされるような複屈折を有するものではない。なぜなら、Ｒｄ−ＡＲ膜が付与する位相差は、複屈折では定義されないからである。すなわち、Ｒｄ−ＡＲ膜は、負のＣプレートのような屈折率楕円体としてふるまうことなく、所定の角度を有する光に対して、任意の位相差を付与する機能を持つ。この機能は、例えば反射型光変調素子において、垂直配向液晶分子を通過する斜入射光に生じる位相差を補正するには十分なものである。
【００６１】
＜１．２  複屈折層＞
次に、使用波長以下の厚みの斜方蒸着膜が積層された複屈折層について説明する。複屈折層は、斜方蒸着により使用波長以下の厚みの斜方蒸着膜を積層してなる斜方蒸着多層膜である。斜方蒸着においては、高屈折率材料の粒子が基材に対して斜め方向から入射され、複屈折層は、基材法線方向に対して対称な２方向から高屈折率材料を交互に堆積させて形成される。高屈折率材料としては、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５などの酸化物、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。本実施の形態では、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料が好ましく用いられ、例えばＴａ２Ｏ５にＴｉＯ２を５〜１５ｗｔ％添加した材料が好ましく用いられる。
【００６２】
斜方蒸着膜は、セルフシャドーイングと呼ばれる効果により、基材面内において蒸着粒子の入射方向に垂直な方向（ｘ方向とする。）の密度が相対的に高く、基材面内において蒸着粒子の入射方向に平行な方向（ｙ方向とする。）の密度が相対的に低くなる。この蒸着膜に対して基材の垂直方向から光を入射すると、膜の密度の粗密差は屈折率の差異となり、複屈折を発現する。ｘ方向の屈折率をＮｘ、ｙ方向の屈折率をＮｙとすると、以下の関係となる。
【００６３】
Ｎｘ＞Ｎｙ
【００６４】
このとき、基材面内に生じる位相差をＲ０とすると、面内位相差Ｒ０は以下の式で表わされる。
【００６５】
Ｒ０＝（Ｎｘ−Ｎｙ）×ｔ
【００６６】
ここで、Ｎｘ−Ｎｙは、一般的に複屈折△ｎと呼ばれる。複屈折△ｎは蒸着される物質の屈折率と、蒸着条件などによって決定される。
【００６７】
面内位相差Ｒ０は、複屈折△ｎと蒸着膜の厚みtとの積であるため、複屈折△ｎがある程度大きい蒸着膜であれば、膜厚によって位相差を制御することが可能となる。通常、位相差素子に必要な面内位相差Ｒ０は１〜３０ｎｍ程度であり、例えば液晶のプレチルト角によって具体的な位相差の値が決定される。本実施の形態では、蒸着膜厚の制御によって、面内位相差Ｒ０を０＜Ｒ０＜１０００ｎｍの範囲で設定することができ、１／４波長板や１／２波長板にも適用することができる。
【００６８】
さらに、複屈折層の膜厚方向の位相差をＲｔｈとすると、Ｒｔｈは以下の式で表わされる。
【００６９】
Ｒｔｈ＝〔Ｎｚ−（Ｎｘ＋Ｎｙ）／２〕×ｄ
式中、Ｎｚは、複屈折層の膜厚方向の屈折率である。
【００７０】
特開２００５−１７２９８４号公報、特開２００７−１０１７６４号公報では、位相差補償素子において、斜入射光に生じる偏光の乱れを補正するために、位相差Ｒｔｈを所定の値に設定しているが、斜方蒸着においては、Ｎｘ、Ｎｙ、及びＮｚをそれぞれ独立して制御することは困難である。蒸着条件等を変更すると、ＮｘとＮｙが同時に変化し、その変化量が異なることで複屈折△ｎが変化するため、Ｎｘ、Ｎｙ、及びＮｚを独立に制御することは難しい。特にＮｚは、斜め粒子形状や粒子間の空隙などによって影響を受けるため、Ｎｘ、Ｎｙ、及びＮｚの制御はさらに難しくなる。
【００７１】
本実施の形態における複屈折層は、斜方蒸着により形成した２層以上の斜方蒸着多層膜による面内複屈折を利用して、例えば反射型光変調素子のプレチルト角によって生じる偏光の乱れを補正する。
【００７２】
複屈折層の斜方蒸着膜の１層あたりの厚みは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。図１０は、斜方蒸着膜の膜厚を変化させたときの複屈折及び光学ロスの変化を示すグラフである。図１０に示すように、複屈折は、斜方蒸着膜の１層あたりの膜厚の増加に伴って増大する。また、光学ロスは、膜厚に増加に伴って減少するが、５ｎｍ未満では増加に転じる。これは、５ｎｍ未満の膜厚では、複屈折の発現に必要な構造体の形成が不十分なためだと考えられる。よって、斜方蒸着膜の１層の厚みは５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００７３】
また、斜方蒸着膜の１層あたりの膜厚が１００ｎｍより厚くなると、光学ロスが増加傾向にある。さらに、斜方蒸着膜の１層あたりの膜厚が光の波長よりも十分小さくない場合、斜入射光に対する位相差の正確な測定ができない。これは、光の波長より十分小さくない膜厚で積層すると、複屈折の軸が異なる２つの位相差素子が重なったようにふるまい、単純な「屈折率差と軸方向」という評価を行うことはできないからである。光の波長より十分に小さな膜厚で積層する場合、各層の複屈折の軸は無視できるようになり、全層で基材に対してほぼ垂直方向（ｚ方向）に向いた１つの軸をもつ位相差補償素子と見なすことができるようになる。
【００７４】
また、複屈折層の面内位相差Ｒ０は、０＜Ｒ０＜１０００ｎｍであり、複屈折層の面内屈折率（Ｎｘ−Ｎｙ）は、０．０１＜Ｎｘ−Ｎｙ＜１であることが好ましい。また、各斜方蒸着膜において、Ｎｘ≠Ｎｙ≠Ｎｚであることが好ましく、より具体的には、Ｎｘ＞Ｎｙ≠Ｎｚであることが好ましい。
【００７５】
また、複屈折層の入射光に生じる位相差は、複屈折層が形成された基材面法線方向を中心として略対称の角度依存性を有することが好ましい。さらに、複屈折層の位相差の角度依存性の中心となる入射光方向と、Ｒｄ−ＡＲ膜が形成された基材面法線方向とが略一致することが好ましい。
【００７６】
＜１．３  複屈折層と反射防止層とを備える位相差補償素子＞
本実施の形態における位相差補償素子は、前述のように、使用波長以下の厚みの斜方蒸着膜が積層された複屈折層と、屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層され、複屈折層における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与するＲｄ−ＡＲ膜とを備える。
【００７７】
位相差補償素子は、複屈折層により面内位相差Ｒ０を制御し、Ｒｄ−ＡＲ膜により斜入射光の位相差Ｒｄを制御する。Ｒ０を制御する際にＲｄがどのような値を取ったとしても、Ｒｄ−ＡＲ膜によりＲｄを制御する。また、Ｒｄ−ＡＲ膜は、反射防止機能を有するため、別途反射防止膜を形成する必要はなく、リードタイムや設計工数を削滅することができる。また、位相差補償素子は、全て無機材料で形成されることから、耐光性・耐熱性の面で非常に有利である。また、薄膜プロセスで作製されることから、位相差の制御が容易、基板種類や基板の厚み、基板のサイズを自由に選択できるなどメリットが非常に多い。
【００７８】
図１１は、位相差補償素子の一例を示す断面図である。図１１に示すように、位相差補償素子は、透明基板３１と、透明基板３１の一方の面に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２と、透明基板３１の他方の面に形成された複屈折層３３と、複屈折層３３上に形成されたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）誘電体膜３４と、ＣＶＤ誘電体膜３４上に形成された反射防止膜３５とを備える。
【００７９】
透明基板３１は、使用帯域の光に対して透明で、屈折率が１．１〜２．２の材料、例えば、ガラス、石英、水晶などで構成されている。本実施の形態では、透明基板３１の構成材料として、石英を用いることが好ましい。石英は、優れた耐熱性と極めて低い熱膨張係数を持ち、光透過率が紫外から赤外の全波長にわたって非常に高いため、特に好ましく用いられる。
【００８０】
Ｒｄ−ＡＲ膜３２は、前述のように屈折率の異なる２種類以上の誘電体膜が積層され、複屈折層３３における斜入射透過光の位相差に加え、任意の位相差を付与する。また、誘電体膜の膜厚ｔは、位相差の符号を同一にするため、使用波長λに対し、λ／１００≦ｔ≦λ／２の関係を満たすことが望ましい。また、誘電体膜の層数ｄは、位相差Ｒｄの波長分散を小さくするため、８≦ｄ≦１０００の関係を満たすことが望ましい。
【００８１】
複屈折層３３は、前述のように斜方蒸着により使用波長以下の厚みの斜方蒸着膜を積層してなる斜方蒸着多層膜である。複屈折層３３は、基板法線方向に対して対称な２方向から蒸着粒子を交互に堆積させてなり、１層あたりの膜厚が３０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００８２】
ＣＶＤ誘電体膜３４は、緻密性の高い膜であり、ＣＶＤ法により成膜することにより得ることができる。このＣＶＤ誘電体膜３４を成膜することにより、複屈折層３３への大気中の水分の出入りを防止することができる。
【００８３】
反射防止膜（ＡＲ膜）３５は、例えば、高屈折率膜、低屈折率膜から成る多層薄膜であり、表面反射を防ぎ、透過性を向上させる。
【００８４】
このような構成の位相差補償素子によれば、複屈折層にて面内位相差Ｒ０を制御し、位相差付与反射防止層にて斜入射透過光の位相差Ｒｄを制御するとともに反射を防止し、偏光の乱れを効果的に補償することができる。
【００８５】
また、図１２、図１３に示す位相差補償素子の構成例のように複屈折層３３上にＲｄ−ＡＲ膜３２１、３２２、３２３を形成したり、図１４に示す位相差補償素子の構成例のように透明基板３１の両面にＲｄ−ＡＲ膜３２４、３２５、３２６を形成したりしても構わない。位相差補償素子に複数のＲｄ−ＡＲ膜を形成する場合、目的とする位相差Ｒｄは、各Ｒｄ−ＡＲ膜の位相差の合計である。
【００８６】
図１２に示す位相差補償素子は、透明基板３１と、透明基板３１の一方の面に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２１と、透明基板３１の他方の面に形成された複屈折層３３と、複屈折層３３上に形成されたＣＶＤ誘電体膜３４と、ＣＶＤ誘電体膜３４上に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２２とを備える。
【００８７】
また、図１３に示す位相差補償素子は、透明基板３１と、透明基板３１の一方の面に形成された反射防止膜３５と、透明基板３１の他方の面に形成された複屈折層３３と、複屈折層３３上に形成されたＣＶＤ誘電体膜３４と、ＣＶＤ誘電体膜３４上に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２３とを備える。
【００８８】
また、図１４に示す位相差補償素子は、透明基板３１と、透明基板３１の一方の面に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２４と、透明基板３１の他方の面に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２５と、複屈折層３３と、Ｒｄ−ＡＲ膜３２５上に形成された複屈折層３３と、複屈折層３３上に形成されたＣＶＤ誘電体膜３４と、ＣＶＤ誘電体膜３４上に形成されたＲｄ−ＡＲ膜３２６とを備える。
【００８９】
このような構成例によれば、両面の誘電体多層膜の応力差を抑制することができ、基板の反りを小さくすることが可能となる。また、厚みが薄い透明基板を使用し、Ｒｄ−ＡＲ膜の応力による基板の反りが問題となる場合、透明基板３１上に誘電体膜からなる応力調整層を形成し、複屈折層３３を応力調整層側に形成することが好ましい。具体的には、透明基板３１と複屈折層３３の間に、透明基板３１の屈折率に近い、例えばＳｉＯ２などの誘電体膜を応力調整層として１ｎｍ〜５０００ｎｍ挿入する。透明基板３１と複屈折層３３の間であれば、位相差素子の反射特性に大きな影響を与えることはない。
【００９０】
＜２．位相差補償素子の製造方法＞
次に、本実施の形態における位相差補償素子の製作方法について説明する。図１５は、本発明の一実施の形態に係る位相差補償素子の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、図１１に示す構成の位相差補償素子の製造方法について説明する。
【００９１】
先ず、ステップＳ１では、透明基板３１の一方の面に、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などによりＲｄ−ＡＲ膜３２を成膜する。誘電体には、前述のように、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５などの酸化物、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。
【００９２】
ステップＳ２では、透明基板３１の他方の面に、斜方蒸着により複屈折層３３を成膜する。斜方蒸着は、基板法線方向に対して対称な２方向から蒸着材料を交互に堆積させる。
具体的には、成膜する度に透明基板３１を面内方向に１８０°回転させることにより、成膜方向が異なる多数層からなる斜方蒸着膜を成膜する。この際、１層あたりの膜厚を使用波長以下とする多層構造とする。蒸着材料としては、前述のようにＴａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＺｒＯ、Ｎｂ２Ｏ５などの酸化物、又はこれらを組み合わせたものを用いることができる。なお、基板の回転角度は１８０℃に限らず、位相差補償素子の用途によって任意の回転角度としても構わない。
【００９３】
また、複屈折層３３の成膜後に、色抜き、及び柱状組織間に吸着している水分を蒸発させるためにアニール処理を行う。アニール処理は、柱状組織間の水分が十分に蒸発する１００℃以上であることが好ましい。また、温度を上げすぎると、柱状組織同士が成長して空隙部が減少し、複屈折の低下、透過率の低下などが起こるため、３００℃以下であることが好ましい。また、アニール処理後、複屈折層３３への大気中の水分の出入りを防止するため、プラズマＣＶＤにより緻密性の高いＣＶＤ誘電体膜３４を成膜する。
【００９４】
ステップＳ３では、透過率向上の目的で、スパッタによりＣＶＤ誘電体膜３４上に反射防止膜（ＡＲ膜）３５を成膜する。ＡＲ膜は一般的に用いられる高屈折膜、低屈折膜からなる多層薄膜としても構わない。
【００９５】
ステップＳ４では、所望の大きさに切断する。切断には、ガラススクライバー、ダイシング等の切断装置を用いることができる。
【００９６】
以上の製造方法により、入射光の反射が低減され、かつ視野角依存性が改善された位相差素子を得ることができる。
【００９７】
＜３．液晶プロジェクターへの適用例＞
次に、本実施の形態における位相差補償素子を投射型画像投影装置に搭載させた適用例について説明する。
【００９８】
投射型画像投影装置に適用させた位相差補償素子において、Ｒｄ−ＡＲ膜が付与する位相差Ｒｄは、使用する波長帯域の任意の波長λにおいて、入射光角度０°〜２５°の範囲で、１＜Ｒｄ(λ)／Ｒｄ(λ')＜１．５（λ＜λ’）であることが好ましい。Ｒｄ（λ）／Ｒｄ（λ'）が１．５以上であると、液晶分子によって生じる位相差の波長分散を大きく上回ってしまうため、コントラストが低下するおそれがある。Ｒｄ（λ）／Ｒｄ（λ'）を１．５より小さくすることにより、コントラスト低下を抑制できる。また、液晶分子の波長分散は通常１以上であるため、Ｒｄ（λ）／Ｒｄ（λ'）も１以上であることが好ましい。
【００９９】
投射型画像投影装置では、液晶セル上に表示される画像に対して平面偏光を入射し、液晶セル上の画像に対応する画素により反射される楕円偏光から所定の平面偏光を取り出し、投射レンズによりスクリーン上に投射する。
【０１００】
図１６は、投射型画像投影装置に用いられる光学エンジンの一部の構成を示す概略断面図である。この投射型画像投影装置は、垂直配向液晶層４０と、反射型光変調素子４１と、位相差補償素子４３と、反射型偏光子４２とを備える反射型液晶プロジェクターである。ここで、位相差補償素子４３は、前述のように複屈折層と、位相差付与反射防止層とを備え、位相差付与反射防止層は、複屈折層で生じる斜入射光位相差とは逆の位相差を付与させ、さらに位相差の値を制御する。これにより、複屈折層により反射型光変調素子４１のプレチルト角によって生じる偏光の乱れを補正し、また、位相差付与反射防止層により反射型光変調素子４１への斜入射光によって生じる偏光の乱れを補正し、さらに、位相差付与反射防止層により反射を防止することができるため、高いコントラストを得ることができる。
【０１０１】
この反射型液晶プロジェクターにおいて、光源より発せられた光は、平面偏光に変換されたのちＲ（赤）、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の各色光に分解され、各色に設けられた反射型偏光子４２に入射される。反射型偏光子４２の偏光面で反射するＳ偏光、又は透過するＰ偏光は、位相差補償素子４３を介して反射型液晶層４０に入射し、画素ごとに変調した反射光が出射し、再度位相差補償素子４３を介して反射型偏光子４２に戻る。
【０１０２】
垂直配向液晶４０は、無電圧印加状態（黒状態）で液晶分子が垂直に配向しており、この垂直配向液晶４０を備える反射型光変調素子４１に対して垂直に光束を入射した場合には複屈折は生じない。そのため、反射型偏光子４２に入射し、所定の直線偏光とされた光束は、偏光が乱れることなく、再び反射型偏光子４２に入射、透過し、スクリーンに光が漏れることはない。
【０１０３】
また、反射型光変調素子４１に所定の角度を持って入射した場合、複屈折により偏光状態が乱れるが、反射型光変調素子４１と反射型偏光子４２との間に位相差補償素子４３を設けることにより、偏光が補正されるため、再び反射型偏光子４２に入射した光の一部がスクリーンに到達するのを防ぐことができる。
【０１０４】
また、横電界による液晶分子の配向乱れの抑制や、液晶分子の応答速度の改善のため、液晶分子を反射型光変調素子の面に対し所定の角度（プレチルト角）傾けた場合は、反射型光変調素子４１に垂直に入射した光束も複屈折により偏光状態が乱れるが、反射型光変調素子４１と反射型偏光子４２との間に位相差補償素子４３を設けることにより、偏光が補正されるため、再び反射型偏光子４２に入射した光の一部がスクリーンに到達するのを防ぐことができる。
【０１０５】
このように位相差補償素子を用いて黒輝度補正を行うことにより、表示画像のコントラストを向上させることができる。なお、本技術を適用した位相差補償素子は、前述した適用例に限られるものではなく、例えば、斜入射光の位相差の制御を必要とする１／４波長板や１／２波長板などにも応用可能である。また、本技術を適用した位相差補償素子は、光ピックアップ、レーザ機器などの光学機器にも適用することができる。
【実施例】
【０１０６】
＜４．実施例＞
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１０７】
［実施例１］
実施例１として、図１１に示す構成の位相差補償素子を作成した。透明基板３１として石英基板を用い、石英基板の一方の面上に、相対的高い屈折率Ｎａを有する誘電体ａと、比較的低い屈折率Ｎｂを有する誘電体膜ｂを交互に積層させ、Ｒｄ−ＡＲ膜３２を成膜した。誘電体ａ及び誘電体ｂの屈折率は、それぞれλ＝４５０ｎｍにおいてＮａ＝２．４２、Ｎｂ＝１．４８であった。
【０１０８】
図１７は、実施例１のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。実施例１のＲｄ−ＡＲ膜は、Ｂｌｕｅ帯域での反射防止膜として機能し、かつ位相差補償素子を透過する２５°斜入射光の位相差Ｒｄ（２５）が約−１６ｎｍになるように設計した。ここで、負の位相差は、複屈折層における斜入射光の位相差と符号が逆の位相差であることを意味する。以下同様である。実際に作製したＲｄ−ＡＲ膜を測定した結果、４５０ｎｍの波長でＲｄ（２５）＝−１７ｎｍが得られた。
【０１０９】
このＲｄ−ＡＲ膜を形成した面と反対側の面に、Ｔａ２０５を主成分とした蒸着材料を、基板法線方向に対して蒸着源が７０°になるように蒸着を行った。この際、７ｎｍ成膜することに基板を面内方向に１８０°回転させ、成膜方向が異なる斜方蒸着多層膜からなる複屈折層３３を作製した。複屈折層３３の膜厚は、Ｂｌｕｅ帯域での面内リタデーションＲ０が１４ｎｍとなるように約１４０ｎｍとした。
【０１１０】
蒸着後、色抜き、及び柱状組織間に吸着している水分を蒸発させるために、２００℃でのアニール処理を行った。アニール後、斜方蒸着膜への大気中の水分の出入りを防止するため、プラズマＴＥＯＳ−ＣＶＤにより緻密性の高いＣＶＤ誘電体膜を成膜した。その後、スパッタにより蒸着膜上に、相対的高い屈折率Ｎａを有する誘電体ａと、比較的低い屈折率Ｎｂを有する誘電体膜ｂとの５層構造の反射防止膜３５を成膜し、位相差補償素子を作成した。
【０１１１】
図１８及び図１９は、それぞれ実施例１の位相差補償素子の透過率、及び反射率を示すグラフである。図１８及び図１９に示すように、透過率９９．５％以上、反射率０．２％以下の実用的な特性を持つ位相差補償素子が得られた。また、位相差補償素子は、ＲＯ＝１４ｎｍ、Ｒｄ（２５）＝−１６ｎｍであった。すなわち、複屈折層は、斜入射光の位相差Ｒｄ（２５）が＋１ｎｍほどであり、これをＲｄ−ＡＲ膜がキャンセルしてＲｄ（２５）＝−１６ｎｍとすることができた。また、実施例１の位相差補償素子を投射型画像投影装置に適用したところ、例えば反射防止膜に位相差を付与していない位相差補償素子と比較して、約２倍のコントラストを得ることができた。
【０１１２】
また、実施例１における位相差補償素子の複屈折層は、斜方蒸着多層膜であるため、角度依存性を向上させる効果を有する。図２０は、斜方蒸着による複屈折層を模式的に示す斜視図である。この素子面内において、進相軸（斜方蒸着方向と平行な方向）をｘ軸、遅相軸（斜方蒸着方向と垂直な方向）をｙ軸とし、素子法線方向をｚ軸とする。このとき、ｚ軸方向からの入射光角度を０とする。ｘｚ平面上に入射光を傾けた場合の角度をθとし、ｙｚ平面上に傾けた場合の角度をφとする。
【０１１３】
図２１は、実施例１の位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（θ）依存性を示すグラフである。また、図２２は、実施例１の位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（φ）依存性を示すグラフである。また、図２３は、複屈折層が単層構造である位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（θ）依存性を示すグラフである。また、図２４は、複屈折層が単層構造である位相差補償素子のリタデーションの入射光角度（φ）依存性を示すグラフである。これらは、入射光角度０のときのリタデーションの値で規格化した。
【０１１４】
図２１及び図２２に示すように、実施例１の位相差補償素子は、光軸に対してリタデーションの分布が左右対称となっているが、複屈折層が単層構造である場合は、図２３に示すようにθ方向のリタデーションは左右対称になっていないことが分かる。これは斜方蒸着により成長したコラムが斜め構造を持つためである。
【０１１５】
図２１及び図２２に示すように実施例１の位相差補償素子は、入射光により生じる複屈折層の位相差が基材面法線方向を中心として略対称の角度依存性を有し、さらに、複屈折層の位相差の角度依存性の中心となる入射光方向と、Ｒｄ−ＡＲ膜が形成された基材面法線方向とが略一致している。
【０１１６】
また、積層構造であっても１層辺りの膜厚が光の波長より小さくない場合、前述したようにφ方向のリタデーションは、正確な測定を行うことができないが、実施例のように光の波長より十分に小さな膜厚で積層した場合、全層で基材に対してほぼ垂直方向に向いたひとつの軸を持つ位相差補償素子と見なすことができ、実用的な位相差補償素子を得ることができる。
【０１１７】
［実施例２］
位相差補償素子を透過する斜入射光の位相差が、Ｇｒｅｅｎ帯域でＲｄ（２５）が約−１６ｎｍとなるＲｄ−ＡＲ膜を設計した以外は、実施例１と同様に位相差補償素子を作成した。
【０１１８】
図２５は、実施例２のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。このＲｄ−ＡＲ膜を備えた位相差補償素子のＲｄ（２５）の測定結果は、５４０ｎｍの波長で−１６ｎｍであった。このＲｄ−ＡＲ膜を備える位相差補償素子を投射型画像投影装置に適用したところ、反射防止膜に所定の位相差を付与していない位相差補償素子と比較して、数倍のコントラストを得ることができた。
【０１１９】
［実施例３］
位相差補償素子を透過する斜入射光の位相差が、Ｒｅｄ帯域でＲｄ（２５）が約−１６ｎｍとなるＲｄ−ＡＲ膜を設計した以外は、実施例１と同様に位相差補償素子を作成した。
【０１２０】
図２６は、実施例３のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。このＲｄ−ＡＲ膜を備えた位相差補償素子のＲｄ（２５）の測定結果は、６３２ｎｍの波長で−１６ｎｍであった。このＲｄ−ＡＲ膜を備える位相差補償素子を投射型画像投影装置に適用したところ、反射防止膜に所定の位相差を付与していない位相差補償素子と比較して、数倍のコントラストを得ることができた。
【０１２１】
［実施例４］
位相差補償素子を透過する斜入射光の位相差が、可視光帯域（４５０〜６５０ｎｍ)でＲｄ（２５）が約−１６ｎｍとなるＲｄ−ＡＲ膜を設計した以外は、実施例１と同様に位相差補償素子を作成した。
【０１２２】
図２７は、実施例４のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。このＲｄ−ＡＲ膜を備えた位相差補償素子のＲｄ（２５）の測定結果は、５４０ｎｍの波長で−１６ｎｍであった。このＲｄ−ＡＲ膜を備える位相差補償素子を投射型画像投影装置に適用したところ、反射防止膜に所定の位相差を付与していない位相差補償素子と比較して、数倍のコントラストを得ることができた。ただし、Ｒｄ（２５）の波長分散は大きかった。
【０１２３】
［比較例１］
位相差補償素子を透過する斜入射光の位相差が、Ｂｌｕｅ帯域でＲｄ（２５）が約−１６ｎｍとなるＲｄ−ＡＲ膜を設計した。このとき、実施例１と比較して少ない層数でＲｄ−ＡＲ膜を設計した。それ以外は、実施例１と同様に位相差補償素子を作成した。
【０１２４】
図２８は、比較例１のＲｄ−ＡＲ膜の各膜厚を示す図である。このＲｄ−ＡＲ膜を備えた位相差補償素子のＲｄ（２５）の測定結果は、４６０ｎｍの波長で−１６ｎｍであった。また、Ｒｄ（２５，４３５）／Ｒｄ（２５，４９５）＝１．５７であった。ここで、Ｒｄ（２５，４３５）は、λ＝４３５ｎｍでの２５°の斜入射光に付与する位相差であり、Ｒｄ（２５，４９５）は、λ＝４９５ｎｍでの２５°の斜入射光に付与する位相差である。このＲｄ−ＡＲ膜を備える位相差補償素子を投射型画像投影装置に適用したところ、Ｒｄ（２５，４３５）／Ｒｄ（２５，４９５）＝１．２６である実施例１の位相差補償素子と比較して、コントラストが２０％低下した。
【０１２５】
以上のように、本実施の形態における位相差補償素子は、斜方蒸着膜により面内の位相差（Ｒ０）を、誘電体多層膜により斜入射光の位相差（Ｒｄ）をそれぞれ独立に制御するため、位相差制御性を著しく向上させることができる。また、誘電体多層膜に位相差と反射防止の機能とを付与することにより、作製プロセスを大幅に低減することができる。
【０１２６】
また、本実施の形態における位相差補償素子を投射型画像投影装置に適用することにより、輝度、コントラスト、及び視野角特性を改善することができる。
【０１２７】
なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形や変更が行えることは勿論である。例えば、実施例では、複屈折層の斜方蒸着膜の膜厚が全て等しいため、複屈折の軸はz軸方向となるが、例えば、各膜厚を交互に変えることにより、軸方向を任意に傾けることができる。
【０１２８】
また、実施例では、位相差補償素子について説明したが、本技術は、斜入射光の位相差の制御を必要とする１／４波長板や１／２波長板などにも応用可能である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０  基材、  １１  Ｒｄ−ＡＲ膜、  ２１  光学薄膜、  ２２  媒質、  ３１  透明基板、  ３２  Ｒｄ−ＡＲ膜、  ３３  複屈折層、  ３４  ＣＶＤ誘電体膜、  ３５  反射防止膜、  ４０  垂直配向液晶層、  ４１  反射型光変調素子、  ４２  反射型偏光子、  ４３  位相差補償素子、  １００  垂直配向液晶層、  １１０  反射型光変調素子、  １２０  反射型偏光子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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