(57)【要約】【課題】３００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光の透過率を１％以下に抑え、かつ急峻な遷移勾配を持つ紫外光遮蔽素子を、安定して精度良く生産性良く製作する。【解決手段】透明基板（１）上に、高屈折率膜（３）と低屈折率膜（２）とを含む膜を多層積層した紫外光遮蔽素子であって、高屈折率膜（３）及び低屈折率膜（２）から選ばれる少なくとも一つ膜の光吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある。この膜は、酸素を一部分導入するスパッタ方式により、吸収係数ｋが０．１を越える波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの半にある膜を作成し、３０ｎｍ以下の薄い膜を含む膜設計が可能になり急峻な遷移特性を有し且つ３００から４００ｎｍの紫外光を１％以下にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを含む膜を多層積層した紫外光遮蔽素子であって、
前記高屈折率膜及び低屈折率膜から選ばれる少なくとも一つ膜の光吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあることを特徴とする紫外光遮蔽素子。
【請求項２】
前記光吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜が、五酸化ニオブ、二酸化チタン、五酸化タンタル及び二酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも一つの酸化膜である請求項１に記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項３】
前記高屈折率膜及び低屈折率膜から選ばれる少なくとも一つ膜の物理的膜厚が、３０ｎｍより薄い層の膜を含む請求項１または２に記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項４】
前記物理的膜厚が２０ｎｍより薄い層の膜を含む請求項３に記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項５】
前記多層膜の層数が２０層以上６０層以下である請求項１〜４のいずれかに記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項６】
前記多層膜の層数が３０層以上である請求項５に記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項７】
前記紫外光遮蔽素子の紫外光から可視光への境界付近の透過率が１０％から９０％に遷移する波長幅が、１５ｎｍ以下である請求項１〜６のいずれかに記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項８】
前記紫外光遮蔽素子の紫外光から可視光への境界付近の透過率が１０％から９０％に遷移する波長幅が、１０ｎｍ以下である請求項７に記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項９】
前記紫外光遮蔽素子の可視光から紫外光へかけて透過率が１％以下に低下する波長が４０５から４２０ｎｍの間にあり、且つ前記透過率が１％以下に達する波長から３００ｎｍの波長まで透過率が１％以下である請求項１〜８のいずれかに記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項１０】
前記透明基板が板状ガラスである請求項１〜９のいずれかに記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項１１】
前記透明基板が、少なくとも片面にレンズアレイを有するガラス基板である請求項１〜９のいずれかに記載の紫外光遮蔽素子。
【請求項１２】
低屈折率膜用と高屈折率膜用の少なくとも２種類のターゲットをスパッタして透明基板に成膜し、前記基板を酸化領域に搬送し、スパッタ膜を酸化処理して酸化膜とする紫外光遮蔽素子の製造方法であって、
前記酸化膜の少なくとも１種類の膜を、光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御することを特徴とする紫外光遮蔽素子の製造方法。
【請求項１３】
前記光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御する方法が、前記酸化領域へ酸素ガスを導入し、圧力を０．０５Ｐａ以上５Ｐａ以下である請求項１２に記載の紫外光遮蔽素子の製造方法。
【請求項１４】
前記光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御する方法が、前記酸化領域における酸化処理の際、印加電力を１ｋＷ以上１０ｋＷ以下に制御して酸素プラズマを発生させる方法である請求項１２に記載の紫外光遮蔽素子の製造方法。
【請求項１５】
前記光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御する方法が、前記低屈折率膜と高屈折率膜の各膜の成膜速度を０．１〜２．０ｎｍ／ｓである請求項１２に記載の紫外光遮蔽素子の製造方法。
【請求項１６】
前記低屈折率膜用と高屈折率膜用の２種類のターゲットをスパッタして基板に成膜を行う際、
前記スパッタ領域に酸素ガスを導入し酸化物を基板に付着させる反応性スパッタ方式を用い、前記酸化膜の少なくとも１種類の膜の光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御することを特徴とする紫外光遮蔽素子の製造方法。
【請求項１７】
反応性スパッタにおいてスパッタ領域に導入するガスにおける酸素の体積比率を０．１〜１．１に設定する請求項１６に記載の紫外光遮蔽素子の製造方法。
【請求項１８】
光源と、光源から出射された光を画像信号に変換する光変換装置と、前記変換した画像光を投射する投射光学系とを備え、
前記光源と光変換装置との間に、ターゲットをスパッタして成膜する高屈折率膜と低屈折率膜とを積層し、少なくとも一方の膜の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜を有する紫外光遮蔽素子を配置することを特徴とする光学装置。
【請求項１９】
前記光変換装置は、光源の出射光を３色の帯域に分離する色分離光学系と、分離した各色の画像信号に変換する素子と、前記変換した各色画像を合成する色合成光学系とで構成する請求項１８に記載の光学装置。
【請求項２０】
前記光変換装置は、光源の出射光を３色以上の色帯域に時系列分離する色分離光学系と、分離した各色の画像信号に変換する素子とで構成する請求項１８に記載の光学装置。
【請求項２１】
外部の光を取り込んで結像させる撮像光学系と、撮像素子との間に、ターゲットをスパッタして成膜する高屈折率膜と低屈折率膜とを積層し、少なくとも一方の膜の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜を有する紫外光遮蔽素子を配置することを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光を透過し紫外光を遮蔽する紫外光遮蔽素子とその製造方法及び光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可視光全域を利用する光学装置として、投射光学系を有するプロジェクターと撮像光学系を有するカメラとがあるが、これらの光学系には光源であるランプや太陽の発する紫外光が入射することで、様々な悪影響を被ることを防止するために、紫外光遮蔽素子が必要となっている。具体的にプロジェクターにおいては、光学系内にある有機材からなる偏光板、位相差板、液晶素子などの部材が、ランプから発せられる紫外光により損傷することが問題である。カメラにおいては、自然界に存在する紫外光が、光学系に入射して電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）等の撮像素子に当たると感応して撮影画像を劣化させる問題がある。そのために、前記光学系内に紫外光遮蔽素子を使用して紫外光を遮蔽することが必要となっている。特にプロジェクターにおいては、至近距離にある高輝度ランプから発せられる非常に強い紫外光を受けるために、厳重に紫外光を遮蔽しなければ偏光板等の劣化が必至であり、２〜３種類の紫外光遮蔽素子を併用することが普通となっている。
【０００３】
図１０に液晶プロジェクターの光学系構成図を示す。光源であるランプ１０１は超高圧水銀ランプやキセノンランプ等が用いられ、前記ランプは可視光だけでなく紫外光も発光して、ランプ前方に配置するインテグレータ１０２に入射する。このインテグレータ以後の素子には偏光板、位相差板、接着剤等の有機物が複数箇所に用いられているので、インテグレータの入射面に第１の紫外光遮蔽膜を蒸着成膜する。あるいは後述するように紫外光遮蔽膜を蒸着で成膜することは難しく、高価なインテグレータを成膜不良として歩留まり低下させることが多いために、インテグレータへは紫外光遮蔽膜を成膜しないで、別途ガラス基板に成膜して紫外光遮蔽素子としてインテグレータとランプの間に配置することもある。ここで、紫外光遮蔽膜の遮蔽性能が充分でないために、若干量の紫外光が可視光とともに透過していく。
【０００４】
インテグレータ１０２を透過した光は、第２インテグレータ１０３、偏光変換素子１０４、折り返しミラー１０５を経て、第１ダイクロイックミラー１０６により、例えば赤色光は透過して赤色画像用の液晶素子に到達し、約５９０ｎｍ以下の緑から青色光は反射して第２ダイクロイックミラー１０７に入射する。第２ダイクロイックミラーでは例えば緑色光は反射されて緑色画像用の液晶素子に到達し、約５００ｎｍ以下の青色光は透過していく。この青色光路には前述した第１の紫外光遮蔽膜で漏れて透過してきた紫外光が含まれており、この先の青色画像用液晶素子とそれに付属する偏光板に照射されてしまい、液晶素子と偏光板が紫外光により損傷して劣化する問題がある。この問題を防ぐために、第２の紫外光遮蔽素子１０９を挿入したり、或いは図１０の位置に通常の全反射ミラーに変えて紫外光遮蔽ミラーを採用することが必要になっている。更には紫外光遮蔽素子１０９を用いる場合でも、透明ガラス基板に紫外光遮蔽膜を形成した素子では不充分で、基板自体を紫外光吸収特性を持つ特殊ガラスにしてその表面に紫外光遮蔽膜を形成した素子とする場合もある。このように、紫外光を遮蔽することは重要であり、従来の紫外光遮蔽膜の特性が不充分であることがわかる。現在の非常に高輝度なランプが用いられるプロジェクターの光学系においてはランプから出射される光の３００ｎｍから４００ｎｍの紫外光の透過率は１％に抑制しなければならない。１１０は液晶パネル、１１１は色合成プリズム、１１２は投射レンズである。
【０００５】
従来の紫外光遮蔽膜の成膜方法である蒸着について図１１を用いて説明する。真空槽１２０内の上方に位置する基板ホルダー１２１に成膜される基板１２２を載置する。成膜する膜の材料を下方のハース内に入れる。真空槽内を真空に排気し、ハース内の蒸着材料に電子銃で電子を照射して加熱溶融した材料が蒸発して上方の基板に付着することで成膜が行われる。蒸着する膜厚は、基板ホルダー１２１内に配置したモニター基板１２３に光学式膜厚計１２４から光を投光し基板から反射して帰ってくる光を検知することで計測が行われる。蒸発源は通常２箇所設けられており、誘電体である低屈折率材料と高屈折率材料の２種類の材料１２５，１２６を交互に蒸着して基板１２２上に積層することができる。この多層膜の各層の膜厚を所定の設計厚さに制御することにより紫外光遮蔽膜を得ることができる。
【０００６】
蒸着における高屈折率膜としては、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコンなどが用いられ、低屈折率膜としては酸化珪素、弗化マグネシウムなどが用いられる。
【０００７】
紫外光遮蔽膜の特性は、４２０〜４３０ｎｍから約６８０ｎｍに亘る可視光を透過し、約４１０ｎｍからランプの発光領域である３００ｎｍ前後までの紫外光を遮蔽することが要求される。遮蔽帯から透過帯への遷移領域の波長は光学機器の設計仕様によって異なり、光の透過率が半値５０％になる半値波長は４１０ｎｍから４３０ｎｍの間に設定する。この遷移領域の勾配、透過帯の波長範囲と透過率、遮蔽帯の波長範囲と透過率とによって紫外光遮蔽膜の構成が変わってくる。
【０００８】
しかし、前記蒸着法により紫外光遮蔽膜を得るには幾つもの課題が存在し、その課題を回避する取り組みとして、下記特許文献１が提案されている。第一に、紫外光遮蔽膜の分光透過率曲線における遷移勾配を急峻にする程、また透過帯を広く透過率を高くする程、遮蔽帯を広く透過率を下げる程に、多層膜の層数が増し３０層以上の非常に多層になり、また各層の膜厚誤差が紫外光遮蔽膜の光学特性を劣化させる敏感度も増していくので、製造が困難になる。第２に、蒸着は前述のように加熱溶融した材料が蒸発して浮遊した粒子を基板に付着させるものであり、膜の密度が低く、屈折率が変動しやすく、基板に対する付着力も比較的弱い。ハース内の材料の溶融状態や、真空槽内壁の付着物や吸着ガスの状態により、成膜された膜の屈折率が変動しやすい。膜の屈折率が変動すれば積層した紫外光遮蔽膜の特性も変動する。第３に、前記のように不安定なプロセスであるので成膜速度も不安定であり、インプロセスでの膜厚計測が不可欠であるが、一般の光学多層膜と異なり紫外光遮蔽膜はその膜厚計測の精度が良くない。ここで膜の屈折率をｎ、物理的膜厚をｄ、光の波長をλとすると、膜の光学的膜厚ＤはＤ＝ｎ×ｄ×４／λで表され、高屈折率膜の光学的膜厚Ｈを１Ｈ＝ｎ×ｄ×４／λとし、低屈折率膜の光学的膜厚Ｌを１Ｌ＝ｎ×ｄ×４／λとする。モニター基板は安価で品質が良いことから、青色ガラスと通称されるソーダライムガラスや白板ガラスと通称される硼珪酸ガラスが用いられており、どちらも屈折率は約１．５２である。モニター基板１２３に投光して光学式膜厚計１２４で反射光を受光する場合、成膜前のモニター基板だけの光量に対して、高屈折率膜の場合は反射光が増加していき計測光波長λのλ／４の膜厚をピークに減少してλ／２で元の光量に戻ってから再び増加を繰り返す正弦波状の光量変化を示し、低屈折率膜の場合は初めに光量減少していきλ／４で増加に転ずる逆パターンの正弦波状光量変化を示す。このモニター基板上の膜厚に伴う光量変化を利用して成膜中の膜厚を計測する。多層膜における１層毎の所定の膜厚に対してモニター光量が幾らかを予め計算しておき、その光量に達した瞬間に蒸着を停止することで膜厚を制御する。前述したように蒸着においては膜の屈折率が不安定に変動するために、モニター光量も膜の屈折率に依存して変動する。この誤差を少しでも減少させるために、モニター光量変化のピークに到達した時にピーク光量に対する所定膜厚の光量を成膜中に瞬時に算出してピークを少し過ぎた光量の時に蒸着停止させるように設定すると比較的に光学的膜厚の精度が良い。しかしながら紫外光遮蔽膜は、一般的な可視光用光学薄膜よりも各層の膜が薄く、モニター光量のピークに達する前や、光量変化が緩慢で膜厚に対する敏感度が悪いピーク付近で蒸着を停止させることになり、膜厚制御精度が悪化するという問題がある。
【０００９】
そして各層の設計膜厚が不均一でばらばらでは光学式膜厚計による膜厚制御性も悪く再現性が劣る為に、できるだけ同程度の膜厚を規則的に繰り返す膜構成が用いられており、それが紫外光遮蔽膜の設計自由度を制限し、元々の設計性能の劣化や、それを補うための層数増加を余儀なくされている。更には薄い膜ほど膜厚制御性が劣るために薄い膜を避けた膜構成にしなければならないことも、設計の制限と性能劣化の原因であり問題である。
【００１０】
下記特許文献１の技術は、上記課題の対策であり、二つの解決手段を提案している。その一つは、モニター基板は遮蔽せず紫外光遮蔽膜を成膜する基板に対して膜付着量を遮蔽する補正板を設置して、モニター基板よりも紫外光遮蔽膜基板の付着膜厚を４０％〜１５％少なくする手段である。これはつまり蒸発した材料の成膜を阻害して成膜速度が低下させ、蒸着材料の利用効率も低下し、生産効率の低下とコストアップを引き起こす。そして紫外光遮蔽膜の設計膜厚に対してモニター基板での制御膜厚が１５〜４０％増えるだけであり、一般の光学薄膜に比べて各層の膜厚が低く光学式膜厚計での制御精度の向上度合いが小さい。もう一つの手段は、膜構成における繰り返し交互層における高屈折率膜の光学的膜厚Ｈと低屈折率膜の光学的膜厚Ｌの比をＨ／Ｌ又はＬ／Ｈを１．２〜２．０として、厚い方の膜を先にモニター基板に成膜し光学式膜厚計の光量変化のピーク越えさせることにし、薄い方の膜は厚い方の膜の上に重ねて成膜してモニター光量を計測することでピーク越えさせようとするものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２５８０３５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の方法では、高屈折率膜と低屈折率膜の膜厚に大きな制限を設ける為に設計自由度が小さく充分な設計性能を得ることが難しい。そのために膜層数を増やして設計せざるを得ず、その結果として、製造困難度とコストが増すことになる。またモニター基板に２層を積層するために、２層目の計測精度は１層目の膜の光学定数の変動と膜厚制御誤差が重畳して不安定になるという問題がある。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、生産性良く安定して高精度な紫外光遮蔽素子とその製造方法およびこれを用いた光学装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の紫外光遮蔽素子は、透明基板上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを含む膜を多層積層した紫外光遮蔽素子であって、前記高屈折率膜及び低屈折率膜から選ばれる少なくとも一つ膜の光吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明の紫外光遮蔽素子の製造方法は、低屈折率膜用と高屈折率膜用の少なくとも２種類のターゲットをスパッタして透明基板に成膜し、前記基板を酸化領域に搬送し、スパッタ膜を酸化処理して酸化膜とする紫外光遮蔽素子の製造方法であって、前記酸化膜の少なくとも１種類の膜を、光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御することを特徴とする。
【００１６】
次に本発明の別の紫外光遮蔽素子の製造方法は、前記低屈折率膜用と高屈折率膜用の２種類のターゲットをスパッタして基板に成膜を行う際、前記スパッタ領域に酸素ガスを導入し酸化物を基板に付着させる反応性スパッタ方式を用い、前記酸化膜の少なくとも１種類の膜の光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあるように制御することを特徴とする。
【００１７】
次に本発明の光学装置は、光源と、光源から出射された光を画像信号に変換する光変換装置と、前記変換した画像光を投射する投射光学系とを備え、前記光源と光変換装置との間に、ターゲットをスパッタして成膜する高屈折率膜と低屈折率膜とを積層し、少なくとも一方の膜の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜を有する紫外光遮蔽素子を配置することを特徴とする。
【００１８】
本発明の別の光学装置は、外部の光を取り込んで結像させる撮像光学系と、撮像素子との間に、ターゲットをスパッタして成膜する高屈折率膜と低屈折率膜とを積層し、少なくとも一方の膜の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜を有する紫外光遮蔽素子を配置することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の紫外光遮蔽素子は、多層積層膜を構成する高屈折率膜及び低屈折率膜から選ばれる少なくとも一つ膜の光吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある。これにより、３００ｎｍから４００ｎｍの紫外光の透過率を１％以下に抑えて、かつ急峻な遷移勾配を持つ紫外光遮蔽素子を、安定して精度良く生産性良く製作することが可能になり、プロジェクターの部品点数削減と長寿命化を実現できる。また撮像光学系においては色むら等の画質劣化を抑止することができる。
【００２０】
上記の光の吸収係数が０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜としては、五酸化ニオブ、二酸化チタン、五酸化タンタル、二酸化ジルコニウムが好適である。また、物理的膜厚が３０ｎｍより薄い膜を含むことが好ましく、特に物理的膜厚が２０ｎｍ以下であることが好適である。さらに層数が２０層以上６０層以下であることが好ましく、特に３０層以上であることが好適である。
【００２１】
可視光と紫外光の境界付近の透過率が１０％から９０％に遷移する波長幅が１５ｎｍ以下であることが好ましく、特に１０ｎｍ以下であることが好適である。可視光から紫外光へかけて透過率が１％以下に低下する波長が４０５から４２０ｎｍの間にあり且つ３００ｎｍの波長まで透過率が１％以下であることが好ましい。
【００２２】
上記の紫外光遮蔽素子における透明基板が板ガラスであることが好ましい。又は、上記紫外光遮蔽素子における透明基板として少なくとも片面にレンズアレイを有するガラス基板であることが好ましい。
【００２３】
次に、本発明方法においては、酸化領域へ酸素ガスを導入し圧力を０．０５Ｐａ〜５Ｐａの範囲にすることが好ましい。酸素を入れないと膜の酸化に必要な酸素が不足して酸化不充分で吸収係数が過大になり不透明な膜になる傾向となる。逆に酸素過多では酸化が進みすぎて吸収係数が過小で紫外光遮蔽効果が薄くなる傾向となる。
【００２４】
さらに酸素プラズマを発生させる印加電力を１ｋＷ〜１０ｋＷが好ましい。酸化領域への印可電力過小だと酸素プラズマが弱く膜の酸化が不十分で吸収係数過大になる傾向となる。逆に電力過大になると、酸化過多となり、吸収係数が過小となる傾向がある。
【００２５】
また、成膜速度を０．１〜２．０ｎｍ／ｓとすることが好適である。成膜速度過小だと膜が酸化される時間が十分にあり、酸化が進みすぎて吸収係数過小になる傾向となる。逆に成膜速度過大であると、酸化過少になり、吸収係数が過大になる傾向となる。
【００２６】
本発明の別の製造方法においては、反応性スパッタにおいては、導入するガスにおける酸素の体積比率を０．１〜０．８に設定することが好適である。酸素導入量により吸収係数を制御することができる。
【００２７】
本発明の光学装置においては、光変換装置は、ランプの出射光を３色の帯域に分離する色分離光学系と、分離した各色の画像信号に変換する素子と、前記変換した各色画像を合成する色合成光学系とで構成することが好ましい。前記画像信号変換素子が液晶パネルかもしくはデジタルミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）が用いられる。また上記光変換装置は、ランプの出射光を３色以上の色帯域に時系列分離する色分離光学系と、分離した各色の画像信号に変換する素子とで構成することが好ましい。
【００２８】
以下、具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の一実施例を示す図である。透明な基板１の表面に低屈折率膜２と高屈折率膜３とを交互に積層した紫外光遮蔽膜を形成している。図１の膜構成を表１に示す。設計波長は３６０ｎｍとし、基板は光学ガラスＢＫ７、低屈折率膜として二酸化珪素、高屈折率膜として五酸化ニオブを用いた。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１の屈折率、吸収係数、光学的膜厚は設計波長３６０ｎｍの値であり、これらの値は分散と呼ばれる波長依存性があり、波長によって異なる値になる。本実施例においては、可視光の４３０ｎｍから６８０ｎｍの領域で透過率が９６％以上で、紫外光３００〜４０５ｎｍの領域で透過率が１％以下、紫外光から可視光に向けて透過率が上がっていく遷移領域の透過率５０％にあたる波長のことを半値と称して半値４２０ｎｍに設計仕様を設定している。
【００３２】
この膜構成において、完全に膜を酸化させて吸収係数をほぼ０に近い値の膜を用いた場合は、図２に示す分光特性となり、波長３２０ｎｍ以下の領域で急に透過率が悪化し３１４ｎｍでは３６％もの紫外光を透過してしまい、紫外光遮蔽機能が大幅に低下する。またこの場合、物理膜厚２０ｎｍ以下の膜が６層もあり、光学式膜厚計で膜厚制御しながら蒸着して設計通りの特性を得ることは困難であった。
【００３３】
しかし、成膜方法や膜の特性などに着目して鋭意検討した結果、少なくとも一方の膜の吸収係数ｋが０．１以上となる波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にある薄膜を有する紫外光遮蔽膜を用いることにより、紫外光遮蔽素子の分光透過率が図３に示すように大きく改善することを見いだした。
【００３４】
五酸化ニオブの光波長λに対する屈折率ｎと吸収係数ｋの関係を示すグラフを図４に示す。図４の細い実線が屈折率、太い実線が波長３００ｎｍに対する吸収係数ｋが０．１１である五酸化ニオブの吸収係数、波線は吸収係数が０．１を越えるのは３２５ｎｍである五酸化ニオブの吸収係数を示している。吸収係数が０．１を越える波長が３００ｎｍから３６０ｎｍの範囲にあれば、図３のように３００から４００ｎｍの紫外光の透過率を最大でも０．９％と１％以下に抑制することができた。さらに波長３２５ｎｍで吸収係数が０．１を越える五酸化ニオブを用いる場合には、３００から４００ｎｍの紫外光の透過率を最大でも０．２％と高い遮蔽能力を発揮できた。
【００３５】
ここで比較例として図１２に示す分光透過率の特性は、従来の膜のように各層の物理的膜厚を３０ｎｍ以上にしたものである。このように３９０から４００ｎｍ付近の紫外光が１％を超えており、４１５ｎｍで１０％に達し、また４３０ｎｍ付近の可視光透過率が９０％前後に下がっており充分な特性を得ることが出来ない。
【００３６】
本実施の形態のように物理的膜厚が３０ｎｍ以下の薄い膜や、さらに薄い２０ｎｍ以下の蒸着では制御が困難な薄い膜を用いることで、３００から４００ｎｍの紫外光全域に亘って透過率を下げつつ、紫外光から可視光へ向かって透過率が上がっていく遷移領域の勾配を急峻にすることができる。透過率が１０％から９０％に遷移する波長幅を１５ｎｍ以下やさらに急峻な１０ｎｍ以下にすることが可能になり、図３の例では４１５ｎｍから４２３．５ｎｍの８．５ｎｍにすることができた。
【００３７】
ここで比較例として図１３に示す分光透過率の特性は、１９層の紫外光遮蔽膜のものである。このように３８９ｎｍ以上から紫外光透過率が１％を超え、４０９ｎｍで１０％に達し、４２７ｎｍで９０％になっており、１０％から９０％への遷移波長幅が１８ｎｍと緩慢な勾配である。また可視光の透過率も大きく変動して良くない。これに対して広い範囲の紫外光遮蔽性能と急峻な遷移勾配を得るためには多層膜の層数を２０層以上にすれば可能になり、また多くても６０層を越えると特性改善は実質的に小さくかつ成膜時間が長くなり生産性が低下する傾向となる。
【００３８】
次に上記の紫外光遮蔽素子を得るための手段について、図５に原理図を、図６にスパッタ装置の概要図を示す。第１真空槽１６は、図６では一部だけが簡易表示されているが開閉可能な真空槽であり、大気開放して円筒状の基板ホルダー６に透明な基板１を取り付けてから真空排気し、真空状態で基板を第１真空槽１６から第２真空槽１５に搬送してさらに所定の圧力まで真空排気を行ってからスパッタ成膜を始める。
【００３９】
図５に示す第１スパッタ領域１２には、低屈折率膜の元となる珪素であるターゲット４を備えており、ターゲット背面には図示していないが磁石と電力を供給する電極装置が備えられている。なお、ターゲット４とターゲット５については、図６のように各２個のターゲット電極を対にしたデュアルターゲット構成であれば交流電圧を印加してターゲット表面の帯電を防いで安定な放電ができるが、各１個ずつのターゲット電極を備えて放電させる方式でも良い。第１スパッタ領域１２には、アルゴンガスを１００ｓｃｃｍ導入し、圧力０．２Ｐａにてターゲットに交流で６ｋＷの電力を印加すると、アルゴンのプラズマ放電が発生してスパッタが始まる。プラズマ内のアルゴンイオン７が磁力によりターゲット４に衝突し、ターゲットから弾き飛ばされた粒子８が基板１に付着する。このスパッタ領域にて付着したばかりの膜は、珪素が周辺雰囲気に存在する酸素とある程度結合した酸化珪素である。アルゴンガスだけでなく酸素ガスも導入すれば膜の酸化度合いは増すが、成膜速度が減少する傾向にあるので生産効率の点から最適な条件に設定すれば良い。基板１は基板ホルダー６の回転に伴い酸化領域１４に搬送される。その途中で第２スパッタ領域１３を通過するが、通常は第２のターゲット５でのスパッタ成膜は行わない。酸化領域１４には酸素ガスを２００ｓｃｃｍ導入し、圧力を０．３Ｐａにする。アンテナ９により窓１０を介して高周波電力５ｋＷ印加することにより、酸素プラズマを発生させる。そして基板上の膜が、酸素プラズマ中の酸素イオンや酸素ラジカルの粒子１１に晒されて、酸化膜、つまり二酸化珪素膜が形成できる。
【００４０】
同様に第２スパッタ領域１３には、高屈折率膜の元であるニオブからなるターゲット５が備えられており、アルゴンガス１００ｓｃｃｍと酸素ガス５ｓｃｃｍとを合わせて導入して圧力０．３Ｐａの状態にする。ここで導入する酸素ガスはニオブの酸化を補助するためであり、後の酸化処理の条件と合わせて最適な酸化度合いで、最適な吸収係数が得られるように設定するものであり、酸素ガスを導入しない場合もある。交流の電力４ｋＷを印加して放電しターゲットをスパッタする。基板上にはある程度酸化したニオブ膜が形成され、すぐに基板ホルダーの回転に伴い酸化領域１４に搬送され、酸素プラズマに晒されて五酸化ニオブ膜が得られる。そして各層の膜厚に対して成膜速度に応じた所定の時間のスパッタを行うことにより低屈折率膜と高屈折率膜を交互に積層した紫外光遮蔽膜を基板上に形成した紫外光遮蔽素子を得ることができる。
【００４１】
上述のようなスパッタ方式によれば、加速されたアルゴンイオンに弾き飛ばされた粒子は強いエネルギーを有しており、これが基板に付着してできた膜は緻密で付着力も強い安定した膜となる。そのため、膜の屈折率が多層膜の初めから終わりまで、またバッチ間においても蒸着よりも安定した膜が得られる。また、膜厚制御性が膜厚に関係なく薄い膜でも高い膜厚精度が得られる。このように膜の光学定数と膜厚が安定しているので、各層の膜厚が薄く且つ層数が多くて蒸着では困難であった紫外光遮蔽膜を設計通りの特性で精度良く安定して作ることが可能になる。
【００４２】
五酸化ニオブ膜の吸収係数ｋについて、真空排気してから酸化領域へ酸素ガスを導入した状態の圧力は、０．０５Ｐａから１０Ｐａの範囲が好適である。これより小さな圧力では膜の酸化度合いが不足して吸収係数が過大になり可視光透過率が低下することと酸素プラズマ濃度が薄く不安定になる傾向となる。また１０Ｐａより大きな圧力では、膜の酸化が進みすぎて吸収係数ｋが過小になり紫外光の透過率が上がってしまい、また酸素ガスが酸化領域内に留まらずスパッタ領域に到達する量が過大でターゲット表面が酸化して成膜速度が遅くなる傾向となる。
【００４３】
また、酸素プラズマを発生させる印可電力にも吸収係数は影響を受け、印加電力が１ｋＷ未満では酸化度合いが不足して可視光透過率が低下し、１０ｋＷより大きければ酸化が進みすぎて紫外光透過率が上がる傾向となる。また、成膜速度については、０．１ｎｍ／ｓ未満では、基板ホルダー１回転あたりの膜厚が非常に薄くなり、少しの酸素プラズマでも容易に酸化膜となるので、吸収係数ｋが過小になり紫外光透過率が上がる傾向となる。逆に１．２ｎｍ／ｓ以上では１回転あたりに酸化しなければならない原子の量が過大で酸化度合いが不足し可視光透過率が低下する傾向となる。
【００４４】
なお、本発明は図６に示すスパッタ装置の構成に限定されるものではなく、スパッタ領域や酸化領域を囲む仕切がない構成、基板ホルダーが概円盤状の回転体であり第１と第２のターゲット及び酸化領域が同じ向きに並列する構成などであっても有効である。
【００４５】
次に本発明の光学装置の一例について、図７を用いて説明する。これは液晶プロジェクターの一例である。超高圧水銀ランプか又はキセノンランプである光源３１から光が出射される。出射光は光の強度分布が偏っているので均一化するために第１インテグレータ３２と第２インテグレータ３３とで均一な強度分布に調整する。ここで、第１インテグレータ３２を基板として前述の紫外光遮蔽膜を形成してあるので、第１インテグレータ自体が紫外光遮蔽素子となっており、図３のように４０７．５ｎｍから３００ｎｍまで透過率１％以下に、また４１５ｎｍまで１０％以下に抑えられた急峻な遷移勾配を持っているので、第１インテグレータ３２以後は紫外光が遮蔽されて無くすことができる。また薄い膜も高精度に、全層の膜の屈折率も安定しているので、成膜不良が激減し高価なインテグレータの歩留まりを落とすことなく成膜することができる。
【００４６】
第２インテグレータ３３は偏光変換素子３４と接しており、偏光変換素子には有機材料である波長板が用いられており、従来の紫外光遮蔽素子では遮蔽しきれなかった紫外光により前記波長板が２０００時間程度の長期間経過すると損傷劣化していたが、本装置では５０００時間でも損傷劣化がなく長寿命化することができた。そして偏光変換素子以後は折り返しミラー３５を経て第１ダイクロイックミラー３６に入射し、本例では約５９０ｎｍ以下の緑から青色光は反射して、赤色光を透過して赤色画像用の液晶パネルに入射する。緑から青色光は第２ダイクロイックミラー３７に入射し、約５００ｎｍ以下の青色光は透過し、緑色光は反射して緑色画像用の液晶パネルに入射する。青色光は折り返しミラー３８を経て青色画像用の液晶パネル３９に入射する。従来ならばこの青色光に紫外光が含まれていたのでもう一つの紫外光遮蔽素子が組み込まれていたが、本発明では１個の紫外光遮蔽素子だけで充分に紫外光を遮蔽できるので青色光の光路の紫外光遮蔽素子を除去することが実現できる。さらに青色画像用液晶パネル自体とその近傍の有機材料からなる偏光板も従来より長い５０００時間以上の長寿命化ができる。
【００４７】
各色の液晶パネルで変換した画像は、色合成プリズム３９で合成されて投射レンズ４１にて投射される。以上の光学装置構成により、紫外光遮蔽素子が１個だけで部品点数が少なく小型化とコストダウンが可能になり、且つ画像劣化の寿命が長い装置とすることができる。なお本発明は、図７の構成に限定されず、プリズムで色分離する光学系、ダイクロイックミラーで合成する光学系、カラーホイールで時系列に色分離する光学系、反射型液晶パネルを用いた光変換装置、デジタル・ミラー・デバイスを用いた光変換装置などに対しても有効である。
【００４８】
（実施の形態２）
本発明の別の実施形態について図８を用いて説明する。透明な基板２１が円盤状の基板ホルダー２２に取り付けられている。真空槽内を真空排気してから第１スパッタ領域２６にアルゴンガスを５０ｓｃｃｍと酸素ガスを１０ｓｃｃｍ導入して０．７Ｐａの圧力にする。第１スパッタ領域には低屈折率膜の元となる珪素からなるターゲット２３を備え、高周波電力を印加して反応性スパッタを行う。スパッタ領域に導入する酸素量が多いので珪素ターゲットの最表面は酸化状態にあり、またスパッタされて基板に付着した時も酸化が進んで二酸化珪素の膜が得られる。同様に第２スパッタ領域２８には、高屈折率膜の元になるタンタルからなるターゲット２７を備え、アルゴンガス５０ｓｃｃｍと酸素ガス２５ｓｃｃｍを導入して１Ｐａの圧力にする。酸素ガス量が多いのでタンタルターゲットの最表面は酸化状態にあり、またスパッタされて基板に付着した時も酸化が進んで五酸化タンタルの膜が得られる。このように低屈折率膜のスパッタ成膜と高屈折率膜のスパッタ成膜とを所定の膜厚に対して成膜速度に応じた所定の時間行うことにより紫外光遮蔽膜を基板上に形成した紫外光遮蔽素子を得ることができる。
【００４９】
この実施形態は、スパッタ領域に導入するガスにおける体積比率が０．１未満であれば膜の酸化が不充分で可視光の透過率が低下してしまう。酸素ガスの比率が０．１から１．１の範囲であれば五酸化ニオブ膜の吸収係数ｋを０．１以上に制御することができる。そして酸素ガスの比率が１．１以上であれば五酸化ニオブの吸収係数が過小になり、紫外光の透過率が上がって紫外光遮蔽降下が大きく低下する。
【００５０】
本実施形態においても実施形態１のスパッタ方式と同様に、緻密で屈折率が安定した膜を、膜厚に影響されず薄い膜でも高精度に成膜することができるので、物理的膜厚３０ｎｍ以下の特に２０ｎｍ以下の非常に薄い膜でも精度良く成膜可能になり、蒸着では困難であった紫外光遮蔽膜を形成した紫外光遮蔽素子を得ることができる。
【００５１】
さらに本実施形態では図９に示す光学装置に、上記の紫外光遮蔽素子３１を、レンズ３３ａ〜３３ｄからなる撮像光学系とＣＣＤからなる撮像素子３２の間に導入することにより、紫外光にＣＣＤが感応して撮像画像の品質が劣化するという問題を解決することができた。３４はハウジングである。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明により、３００ｎｍから４００ｎｍの紫外光の透過率を１％以下に抑え、かつ急峻な遷移勾配を持つ紫外光遮蔽素子を、安定して精度良く生産性良く製作することが可能になり、プロジェクターの部品点数削減と長寿命化を実現できる。また撮像光学系においては色むら等の画質劣化を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における多層積層膜の模式的断面図。
【図２】従来の比較例の波長と透過率の関係を示す光学特性図。
【図３】本発明の第１の実施形態における波長と透過率の関係を示す光学特性図。
【図４】本発明の第１の実施形態における波長と屈折率及び吸収係数の関係を示す光学特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態における多層積層膜の製造工程を示す模式的断面図。
【図６】本発明の第１の実施形態における多層積層膜の製造装置を示す模式的断面図。
【図７】本発明の第１の実施形態における液晶プロジェクターの模式的構成図。
【図８】本発明の第２の実施形態における多層積層膜の製造工程を示す模式的断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態における光学装置模式的断面図。
【図１０】従来の液晶プロジェクターの模式的構成図。
【図１１】従来の紫外光遮蔽膜の成膜方法である蒸着を示す説明図。
【図１２】比較例の分光透過率の特性図。
【図１３】比較例の分光透過率の特性図。
【符号の説明】
１  透明基板
２  低屈折率膜
３  高屈折率膜
４，５  ターゲット
６  ホルダー
７  アルゴンイオン
８  粒子
９  アンテナ
【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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