(57)【要約】【課題】ガラス平板との境界面において偏光分離膜が剥離したり、或いはクラックが発生したりすることがない偏光変換素子を提供する。【解決手段】偏光分離膜１０と反射膜４とを備える第１の透光性部材２と、第１の透光性部材２と交互に貼り合わされる第２の透光性部材３と、偏光分離膜１０を透過した偏光光の光路上又は反射膜４により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に偏光光を変換する１／２波長板５とを有し、偏光分離膜１０を、圧縮応力を有するＳｉＯ2膜１２とランタンチタネート膜１１とを交互に積層した第１の偏光分離膜層膜１０ａと、引張応力を有するＭｇＦ2膜１３とランタンチタネート膜１１とを交互に積層した第２の偏光分離膜層１０ｂとにより形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と、前記光入射面にほぼ平行な光出射面とを有し、前記光入射面及び光出射面と所定の角度をなすように形成されたほぼ平行な第１及び第２の膜形成面と、前記第１の膜形成面上に形成された偏光分離膜と、前記第２の膜形成面上に形成された反射膜と、を備える第１の透光性部材と、
前記第１の透光性部材と交互に貼り合わされ、前記第１の透光性部材の前記各光入射面及び各光出射面と夫々同一平面に形成された光入射面及び光出射面を夫々有する複数の第２の透光性部材と、
前記偏光分離膜を透過した偏光光の光路上又は前記反射膜により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に配置された偏光光を変換する偏光変換部材と、を備え、
前記偏光分離膜を、圧縮応力を有する第１の低屈折率材料から成る第１の低屈折率膜と高屈折率材料から成る高屈折率膜とを交互に積層した第１の偏光分離膜層と、引張応力を有する第２の低屈折率材料から成る第２の低屈折率膜と前記高屈折率膜とを交互に積層した第２の偏光分離膜層と、により形成したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
前記第１の低屈折率膜がＳｉＯ2膜、前記第２の低屈折率膜がＭｇＦ2膜であることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の偏光変換素子の製造方法であって、
平行平板の第１の透光性板材と、平行平板の第２の透光性板材とを準備する準備工程と、
前記第１の透光性板材の一方の主面に偏光分離膜を形成すると共に、第１の透光性板材の他方の主面に反射膜を形成する成膜工程と、
前記第１の透光性板材と前記第２の透光性板材とを交互に積層すると共に、前記第１及び第２の透光性板材の端縁を結ぶ平面と前記第１及び第２の透光性部材との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように前記第１及び第２の透光性部材の面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に積層して積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体形成工程において一体化された積層体を、前記略４５度の傾斜角度に沿った複数の所定ピッチの平行な切断面にて複数の積層分割体に切断する第１の切断工程と、
前記積層分割体の出射面において選択的に１／２波長板を貼付する貼付工程と、を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶プロジェクタ等に用いられ光源から出射される自然光を直線偏光光に変換する偏光変換素子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の偏光変換素子の構造を示した図であり、この図５に示す従来の偏光変換素子１００は断面が平行四辺形のプリズム１０１と１０２との側面同士を、複数個光学接着剤にて接合して構成したものである。プリズム１０２の一方の側面には偏光分離膜１１０が形成され、プリズム１０１の一方の側面には反射膜１２０が形成されている。このようにプリズム１０１と１０２とを交互にその側面同士を接合することにより、偏光分離膜１１０と反射膜１２０とが交互に配置される。さらに、直線偏光光を一種類にするため、プリズム１０１の側面である直線偏光光の出射面１０１ａに、１／２波長板１０３を接合して偏光変換素子１００が構成される。
【０００３】
なお、先行文献として、特許文献１には分割した後の煩雑な鏡面加工を行わずに、鏡面加工が施された光学デバイスの製造方法に関する技術が開示され、特許文献２には光の利用効率を高めるようにした光学素子が開示されている。
また、特許文献３には透明基板に積層された誘電体の薄膜の応力による基板の反り幅をより低減することで光学的歪を防止した光学多層膜フィルタと光学多層膜フィルタの製造方法が開示され、特許文献４には誘電体多層膜の膜数を４０層以上にしても従来の光学多層フィルタに比べ膜の応力や反りを小さくできる光学多層膜フィルタが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１４３２６４号公報
【特許文献２】特許第３４８６５１６号
【特許文献３】特開２００５−４３７５５号公報
【特許文献４】特開平７−２０９５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記した偏光変換素子１００の偏光分離膜１１０は、図６に示すようにガラスプリズム１０２となるガラス平板１１３上に高屈折率材料であるＬａ（ランタン）とＡｌ（アルミニウム）との混合酸化物から成るランタンアルミネート膜１１１と、低屈折率材料であるＭｇＦ2膜１１２とを交互に複数積層して構成するようにしている。
しかしながら、上記した従来の偏光変換素子１００においては、図７に示すようにガラスプリズム１０２と偏光分離膜１１０との境界面において、偏光分離膜が剥離したり、或いは偏光分離膜にクラックが発生したりして光学特性が劣化するという問題点があった。
そこで、本願発明者は上述した問題点が発生する要因を把握するために鋭意検討を行った結果、ＭｇＦ2膜１１２の膜応力によって上記したような問題が発生していることが分かった。
【０００６】
図８は上記した偏光分離膜１１０の膜応力の作用を示した図である。
図８において、Ｆ１はガラスプリズム１０２となるガラス平板１１３の弾性率による膜を引っ張る力或いは膜を押す力を表している。なお、Ｆ１はガラス平板１１３のガラス材料により固有のものである。また本明細書ではＦ１のことをガラス弾性力と呼ぶこととする。
またＦ２はランタンアルミネート膜１１１の膜応力、Ｆ３はＭｇＦ2膜１１２の膜応力、Ｆ０は総合応力を夫々表している。なお、膜応力の方向及び大きさは蒸着条件に大きく左右されるため、ここでの膜応力Ｆ２，Ｆ３の方向及び大きさは、実際にランタンアルミネート膜１１１及びＭｇＦ2膜を成膜して求めたものである。尚、成膜方法としては、電子ビーム（以下、ＥＢと称す）成膜やスパッタ成膜、更にはイオンプレーティング法やイオンアシスト法等のアシスト成膜などがあり、偏光分離素子の要求仕様等に基づいて設計者が適宜、成膜方法を選定する。
また、イオンアシスト法の特徴として、成膜する材料をイオンで加速させてガラス平板の表面に成膜させることにより、膜材料をガラス平板との密着性を向上させることができる。
【０００７】
この場合、ランタンアルミネート膜１１１の膜応力Ｆ２はガラス平板１１３に対して引張方向に作用し、ＭｇＦ2膜１１２の膜応力Ｆ３もガラス平板１１３に対して引張方向に作用する。また、膜応力Ｆ２と膜応力Ｆ３の大きさを比較した場合、例えばランタンアルミネート膜１１１の膜応力Ｆ２は約０．１５ＧＰａであるのに対してＭｇＦ2膜１１２の膜応力Ｆ３は約０．３１ＧＰａであり、合計するとガラス平板１１３に対して引張方向に約０．４６ＧＰａの膜応力が作用することとなる。この結果、ガラス平板１１３の弾性力Ｆ１を加味したとしても、膜の総合応力Ｆ０がガラス平板１１３に対して引張方向に作用してガラス平板１１３と偏光分離膜１１０との境界面において偏光分離膜１１０の剥離やクラックが発生することがわかった。
そこで、本発明は、上記したような点を鑑みてなされたものであり、ガラス平板との境界面において偏光分離膜が剥離したり、或いはクラックが発生したりすることがない偏光変換素子とその製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、光入射面と、光入射面にほぼ平行な光出射面とを有し、光入射面及び光出射面と所定の角度をなすように形成されたほぼ平行な第１及び第２の膜形成面と、第１の膜形成面上に形成された偏光分離膜と、第２の膜形成面上に形成された反射膜と、を備える第１の透光性部材と、第１の透光性部材と交互に貼り合わされ、第１の透光性部材の各光入射面及び各光出射面と夫々同一平面に形成された光入射面及び光出射面を夫々有する複数の第２の透光性部材と、偏光分離膜を透過した偏光光の光路上又は反射膜により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に配置された偏光光を変換する偏光変換部材と、を備え、偏光分離膜を、圧縮応力を有する第１の低屈折率材料から成る第１の低屈折率膜と高屈折率材料から成る高屈折率膜とを交互に積層した第１の偏光分離膜層と、引張応力を有する第２の低屈折率材料から成る第２の低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層した第２の偏光分離膜層とにより形成した。
【０００９】
本発明によれば、偏光分離膜を、圧縮応力を有する第１の低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層した第１の偏光分離膜層と、引張応力を有する第２の低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層した第２の偏光分離膜層とにより形成したことで、第１の透光性部材に対して引張方向に作用する第１の偏光分離膜層の膜応力を第１の透光性部材に対して圧縮方向に作用する第２の偏光分離膜層の膜応力によりキャンセルできるので、第１の透光性部材と偏光分離膜との境界面において偏光分離膜が剥離したり、或いは偏光分離膜にクラックが発生したりすることがない。これにより、偏光変換素子の光学特性の劣化を防止することができる。
【００１０】
また第１の低屈折率膜をＳｉＯ2膜、第２の低屈折率膜をＭｇＦ2膜により形成すると、ＭｇＦ2膜の引張応力をＳｉＯ2膜の圧縮応力によりをキャンセルできるので、第１の透光性部材と偏光分離膜との境界面において偏光分離膜が剥離したり、偏光分離膜にクラックが発生したりすることがない。これにより、偏光変換素子の光学特性の劣化を確実に防止することができる。
【００１１】
また本発明は、偏光変換素子の製造方法であって、平行平板の第１の透光性板材と、平行平板の第２の透光性板材とを準備する準備工程と、第１の透光性板材の一方の主面に偏光分離膜を形成すると共に、第１の透光性板材の他方の主面に反射膜を形成する成膜工程と、第１の透光性板材と第２の透光性板材とを交互に積層すると共に、第１及び第２の透光性板材の端縁を結ぶ平面と第１及び第２の透光性部材との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように第１及び第２の透光性部材の面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に積層して積層体を形成する積層体形成工程と、積層体形成工程において一体化された積層体を、略４５度の傾斜角度に沿った複数の所定ピッチの平行な切断面にて複数の積層分割体に切断する第１の切断工程と、積層分割体の出射面において選択的に１／２波長板を貼付する貼付工程と、を有する。このような本発明の製造方法によれば、第１の透光性部材と偏光分離膜との境界面において偏光分離膜が剥離したり、或いは偏光分離膜にクラックが生じたりしないため、偏光変換素子の歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る偏光変換素子の構造を示した図である。
この図１に示す本実施形態の偏光変換素子１は、第１の透光性部材２と第２の透光性部材３とを交互に貼り合わるようにしている。第１の透光性部材２は、光の入射面２ａと、入射面２ａにほぼ平行な光の出射面２ｂとを有し、入射面２ａ及び出射面２ｂと所定角度（例えば４５°）をなすように形成されたほぼ平行な第１及び第２の膜形成面２ｃ、２ｄのうち、第１の膜形成面２ｃに偏光分離膜１０が形成され、第２の膜形成面２ｄに反射膜４が形成されている。
【００１３】
また第２の透光性部材３は、第１の透光性部材２の入射面２ａ及び出射面２ｂとそれぞれ同一平面に形成された入射面３ａ及び出射面３ｂを夫々有している。
また第２の透光性部材３の出射面３ｂには偏光変換部材として１／２波長板５が設けられている。なお、本実施形態では、偏光分離膜１０を透過した偏光光の光路上に１／２波長板５を設けるようにしているが、反射膜４により反射された偏光光の光路上、即ち第１の透光性部材２の出射面２ｂに１／２波長板５を設けるようにしてもよい。
第１、第２の透光性部材２，３としては板ガラスが用いられる。ただし、ガラス以外の透光性の板状材料を用いることも可能である。偏光分離膜１０は、Ｓ偏光光とＰ偏光光のいずれか一方を選択的に透過させ、他方を選択的に反射する性質を有する膜である。なお、偏光分離膜１０については後述する。
【００１４】
反射膜４は、偏光分離膜１０で反射された直線偏光成分（Ｓ偏光光またはＰ偏光光）を反射するような誘電体多層膜で構成されたものが好ましい。なお、反射膜４は、アルミニウムを蒸着することによって形成するようにしてもよい。
誘電体多層膜で反射膜４を形成した場合には、特定の直線偏光成分（たとえばＳ偏光）を約９８％程度の反射率で反射することができる。一方、アルミニウム膜では、反射率は高々９２％程度である。従って、誘電体多層膜で反射膜４を形成するようにすれば、偏光変換素子１から出射される光量を高めることができる。さらに、誘電体多層膜は、アルミニウム膜よりも光の吸収が少ないので、発熱も少ないという利点もある。なお、特定の直線偏光成分の反射率を向上させるには、反射膜４を構成する誘電体多層膜（通常は２種類の膜が交互に積層された構造である）を構成するそれぞれの膜の厚さ、あるいは膜の材料を最適化すれば良い。
そして、このように構成される本実施形態の偏光変換素子１においては、偏光分離膜１０を以下のように形成した点に特徴がある。
【００１５】
図２は本実施形態に係る偏光変換素子１の偏光分離膜１０の構造を模式的に示した図である。
この図２に示す本実施形態の偏光変換素子１の偏光分離膜１０は、第１の透光性部材２と成るガラス平板１４上に、高屈折率材料であるＬａ（ランタン）とＴｉ（チタン）との混合酸化物から成るランタンチタネート膜（高屈折率膜）１１と、第１の低屈折率材料である二酸化珪素（ＳｉＯ2）から成るＳｉＯ2膜（第１の低屈折率膜）１２とを交互に複数層積層した第１の偏光分離膜層１０ａを形成する。また第２の低屈折率材料であるフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）から成るＭｇＦ2膜（第２の低屈折率膜）１３と、ランタンチタネート膜（高屈折率膜）１１とを交互に複数積層した第２の偏光分離膜層１０ｂを形成する。
なお、本実施形態では、高屈折率膜１１として、ランタンチタネート膜を例に挙げて説明するが、例えばＬａとＡｌ（アルミニウム）との混合酸化物から成るランタンアルミネート膜等の各種高屈折率膜を用いることも可能である。また、第１の低屈折率膜１２として、ＳｉＯ2を例に挙げて説明するが、例えばＴａ2Ｏ5、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3等の各種低屈折率膜を用いることも可能である。
【００１６】
図３は、偏光分離膜１０の膜応力の作用を示した図である。
この図３において、Ｆ１は第１の透光性部材２となるガラス平板１４のガラス弾性力、Ｆ２はランタンチタネート膜１１の膜応力、Ｆ３はＭｇＦ2膜１３の膜応力、Ｆ４はＳｉＯ2膜１２の膜応力、Ｆ０は総合応力を夫々表している。なお、膜応力の方向及び大きさは、蒸着条件に大きく左右されるため、膜応力Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の方向及び大きさは、実際にガラス平板１４にランタンチタネート膜１１、ＳｉＯ2膜１２、及びＭｇＦ2膜１３をＥＢ成膜やスパッタ成膜、アシスト成膜等により成膜して求めたものである。この場合、ランタンチタネート膜１１の膜応力Ｆ２、及びＳｉＯ2膜１２の膜応力Ｆ４は、ガラス平板１４に対して圧縮方向に作用するのに対して、ＭｇＦ2膜１３の膜応力Ｆ３は、ガラス平板１４に対して引張方向に作用する。
【００１７】
また、膜応力Ｆ２と膜応力Ｆ４の大きさを比較した場合、例えばランタンチタネート膜１１の膜応力Ｆ２は、０．０５ＧＰａであるのに対して、ＳｉＯ2膜１２の膜応力Ｆ４は、０．３ＧＰａとなる。また、ＭｇＦ2膜１３の膜応力Ｆ３は０．３１ＧＰａとなる。従って、これらの膜応力Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を比較した場合、ＭｇＦ2膜１３の膜応力Ｆ３とＳｉＯ2膜１２の膜応力Ｆ４とは、ほぼ同じ大きさであるのに対して、ランタンチタネート膜１１の膜応力Ｆ２は、ＭｇＦ2膜１３の膜応力Ｆ３、及びＳｉＯ2膜１２の膜応力Ｆ４に比べて充分小さく無視できる程度の応力とされる。
【００１８】
そこで、本実施形態では、ガラス平板１４に対して引張応力を有するＭｇＦ2膜１３とランタンチタネート膜１１とからなる第２の偏光分離膜層１０ｂと共に、ガラス平板１４に対して圧縮応力を有するＳｉＯ2膜１２とランタンチタネート膜１１とからなる第１の偏光分離膜層１０ａを形成することで、ＭｇＦ2膜１３の引張方向の膜応力Ｆ３は、ＳｉＯ2膜１２の圧縮方向の膜応力Ｆ４によってキャンセルされるので、ＳｉＯ2膜１２の膜層数をＭｇＦ2膜１３の膜層数とほぼ同じに設定するか、或いはＭｇＦ2膜１３の膜層数をＳｉＯ2膜１２の膜層数より増やすようにした。
これにより、本実施形態の偏光分離膜１０の総合応力Ｆ０を均衡状態に保つ、もしくはガラス平板１４に対して圧縮方向に作用させることができるので、ガラス平板１４と偏光分離膜１０との境界面において偏光分離膜１０の剥離やクラックの発生を防止することができる。
【００１９】
なお、第２の偏光分離膜層１０ｂにおけるＭｇＦ2膜１３の膜層数、及び第１の偏光分離膜層１０ａにおけるＳｉＯ2膜１２の膜層数は、要求される光学特性、ＭｇＦ2膜１３とＳｉＯ2膜１２との膜応力、及び第１の透光性部材２となるガラス平板１４のガラス弾性力等を考慮して適宜設定すれば良い。
また、偏光分離膜１０における第１の偏光分離膜層１０ａと第２の偏光分離膜層１０ｂの作製順序は、ガラス平板１４と偏光分離膜層との境界面における密着性をより確実にするため、圧縮応力を有する膜材料から成る第１の偏光分離膜層１０ａをガラス平板１４側に形成するほうが好ましい。
【００２０】
次に本実施形態の偏光変換素子の製造方法を説明する。
図４は本実施形態の偏光変換素子の製造方法を示した工程図である。
本実施形態においては、準備工程として、上下面が鏡面加工されたガラス平板（第１の透光性板材）２０と、同じく上下面が鏡面加工されたガラス平板１４とを用意する。次に、成膜工程として、図４（ａ）に示すように、ガラス平板１４の一方の主面１４ａに偏光分離膜１０を形成し、他方の主面１４ｂに反射膜４を形成して第２の透光性板材２１を構成する。本実施形態では偏光分離膜１０を成膜する際にイオンアシスト法により形成するようにしている。即ち、ガラス平板１４上に高屈折率材料であるランタンチタネート膜（高屈折率膜）１１と、第１の低屈折率材料であるＳｉＯ2から成るＳｉＯ2膜（第１の低屈折率膜）１２とを交互に複数層積層した第１の偏光分離膜層１０ａを形成すると共に、第２の低屈折率材料であるＭｇＦ2から成るＭｇＦ2膜（第２の低屈折率膜）１３とランタンチタネート膜（高屈折率膜）１１とを交互に複数積層した第２の偏光分離膜層１０ｂを形成するようにしている。
【００２１】
次に積層体形成工程として、図４（ｂ）に示すような治具２５を用いて第１の透光性板材２０と第２の透光性板材２１とを交互に積層する。治具２５は、水平な板状のベース２５ａと、このベース２５ａから４５度の傾斜角度で上方に傾斜して固定された傾斜側壁２５ｂとからなり、積層する第１の透光性板材２０と第２の透光性板材２１との端縁を結ぶ平面と、第１の透光性板材２０と第２の透光性板材２１との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように第１の透光性板材２０と第２の透光性板材２１の面方向に順次に等距離ずらして階段状に積層して積層体２３を形成する。
なお、積層前に第１の透光性板材２０と第２の透光性板材２１との間にＵＶ硬化型の接着剤２７を塗布しておき、積層体２３を加圧して接着剤２７を均一に展開させた状態で、図示しない紫外線照射装置から紫外線を積層体２３に照射し、接着剤２７を硬化させて積層体２３を貼り合わせるようにしている。
【００２２】
次いで、第１の切断工程として、上記のように一体化された積層体２３を治具２５から取り出し、図示しない固定板に積層体２３の背面側の側面を剥離可能な接着剤等により仮固定した後、この仮固定状態で図４（ｃ）に点線で示した略４５度の切断線に沿って切断する。即ちワイヤーソーにより積層体２３を等間隔で４５度の傾斜角度に沿った所定ピッチの複数の平行な切断面にて複数の積層分割体２４に切断する。
次いで、第２の切断工程として、図４（ｄ）に示すように切断した積層分割体２４の両端の鋭角状に突出した突出部２５を切断した後、貼付工程として積層分割体２４の出射面において選択的に１／２波長板５を貼付することにより、偏光変換素子１の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る偏光変換素子の構造を示した図。
【図２】本実施形態に係る偏光変換素子の偏光分離膜の構造を模式的に示した図。
【図３】本実施形態の偏光変換素子における膜応力の作用を示した図。
【図４】本実施形態に係る偏光変換素子の製造方法を説明するための工程図。
【図５】従来の偏光変換素子の構造及び使用方法の説明図。
【図６】図５に示した偏光変換素子の偏光分離膜の構造を模式的に示した図。
【図７】従来の偏光変換素子の問題点を説明する説明図。
【図８】従来の偏光分離膜における膜応力の作用を示した図。
【符号の説明】
【００２４】
１…偏光変換素子、２…第１の透光性部材、３…第２の透光性部材、４…反射膜、５…１／２波長板、１０…偏光分離膜、１０ａ…第１の偏光分離膜層、１０ｂ…第２の偏光分離膜層、１１…高屈折率膜（ランタンチタネート膜）、１２…第１の低屈折率膜（ＳｉＯ2膜）、１３…第２の低屈折率膜（ＭｇＦ2膜）、１４…ガラス平板、２０…ガラス平板、２１…ガラス平板、２３…積層体、２５…治具、２７…接着剤。
【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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