特許 6186311 偏光変換素子、光源ユニット及び光学機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6186311

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】偏光変換素子、光源ユニット及び光学機器

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20170814BHJP

   G02B 27/28 20060101ALI20170814BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20170814BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20170814BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/30

   G02B27/28 Z

   G03B21/00 E

   G03B21/14 Z

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-132515(P2014-132515)

(22)【出願日】2014年6月27日

(65)【公開番号】特開2015-215582(P2015-215582A)

(43)【公開日】2015年12月3日

【審査請求日】2016年8月16日

(31)【優先権主張番号】特願2014-89163(P2014-89163)

(32)【優先日】2014年4月23日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2013-135061(P2013-135061)

(32)【優先日】2013年6月27日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】特許業務法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 浩司

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 正俊

(72)【発明者】

【氏名】小池 伸幸

(72)【発明者】

【氏名】高田 昭夫

(72)【発明者】

【氏名】神道 勝寛

(72)【発明者】

【氏名】菅原 利明

(72)【発明者】

【氏名】宮城 孝一

(72)【発明者】

【氏名】大和田 雅弘

【審査官】 池田 博一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１２９１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０９０５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１６６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５３７１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２５５３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０８１９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２１５６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２８６６４４７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２８５８７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第４８７４６６４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｇ０２Ｂ ２７／２８

Ｇ０３Ｂ ２１／００

Ｇ０３Ｂ ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｐ波又はＳ波の一方を透過し他方を反射する偏光分離層を有する第１の透光部材と、前記偏光分離層によって反射されるＰ波又はＳ波の他方を反射する反射層を有する第２の透光部材とが、交互に貼り合わされてなり、入射面から入射したＰ波又はＳ波の他方が前記反射層により出射面へ反射される偏光ビームスプリッタアレイと、
前記偏光ビームスプリッタアレイの前記出射面上に選択的に設けられ、誘電体からなる斜方蒸着層を有する、無機１／２波長板と、
前記無機１／２波長板の前記斜方蒸着層の側面を被覆する保護膜とを備え、
前記保護膜は、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＬａＯ、及びＭｇＦ_２からなる群から選択され、
前記無機１／２波長板が、ガラス基板と第１の屈折率調整層と前記斜方蒸着層と第１の保護膜と第２の屈折率調整層と第２の保護膜とがこの順に積層されてなり、
前記第１の保護膜は、前記第１の屈折率調整層と前記斜方蒸着層の側面を被覆しており、
前記第２の保護膜は、前記第１の保護膜と前記第２の屈折率調整層の側面を被覆している
偏光変換素子。

【請求項2】

前記第１の保護膜の膜厚が、６０ｎｍ以上である請求項１に記載の偏光変換素子。

【請求項3】

前記無機１／２波長板が、前記偏光ビームスプリッタアレイのうちの前記第２の透光部材の出射面上に選択的に設けられている請求項１又は２に記載の偏光変換素子。

【請求項4】

最表面に反射防止膜が形成されてなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の偏光変換素子。

【請求項5】

前記偏光ビームスプリッタアレイが、前記無機１／２波長板の中心を通る垂直面を基準として面対称となるように前記第１の透光部材と前記第２の透光部材が貼り合わされている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏光変換素子。

【請求項6】

少なくとも、
光源と、
前記光源からの光を集光するレンズと、
前記集光された光を一方向の直線偏光に変換する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光変換素子と、
前記変換された光の均一性を向上させる拡散板と
を有する光源ユニット。

【請求項7】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光変換素子を備える光学機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ランダムな偏光方向を有する光を、一方向の偏光方向を有する光に変換する偏光変換素子、偏光変換素子を用いた光源ユニット並びに光学機器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、液晶表示装置は、用途の拡大や高機能化に伴い、液晶表示装置を構成する個々のデバイスに対して高い信頼性、耐久性が求められている。例えば透過型液晶プロジェクターのように光量の大きな光源を使用する場合、光源から出た自然光を直線偏光に変換する偏光変換素子は、強い輻射線を受ける。このため、偏光変換素子の耐久性が低い場合、照明効率が低下してしまう。

【0003】

偏光変換素子は、一般的に、偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタと、反射膜を有するプリズムとを交互に貼り合わせた偏光ビームスプリッタアレイを備え、偏光ビームスプリッタの出射面に位相差板が選択的に設けられて構成される。

【0004】

従来、偏光ビームスプリッタの出射面に選択的に設けられる位相差板として、フィルム内にヨウ素系や染料系の高分子有機物を含有させた二色性位相差板が多く用いられている。二色性位相差板の一般的な製法として、ポリビニルアルコール系フィルムとヨウ素などの二色性材料で染色を行った後、架橋剤を用いて架橋を行い、一軸延伸する方法が用いられる。このような高分子延伸フィルムからなる位相差板は、熱やＵＶ光線に対して劣化しやすく耐久性に劣る。また、延伸により作製された高分子延伸フィルムからなるため、この種の位相差板は、一般に収縮し易い。また、ポリビニルアルコール系フィルムは、親水性ポリマーを使用していることから、特に加湿条件下において非常に変形し易く、デバイスとしての機械的強度が弱い。この問題を解決するために水晶などの無機光学単結晶の位相差素子を使用する場合もあるが、大型化が困難であり、原材料費、加工コストも高いという欠点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−１４８３１号公報

【特許文献2】特許第３４８６５１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、高輝度化に伴う熱や光に対する耐久性に優れた偏光変換素子、この偏光変換素子を備える光源ユニット及び光学機器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】

【0007】

上述した課題を解決するために、本発明に係る偏光変換素子は、Ｐ波又はＳ波の一方を透過し他方を反射する偏光分離層を有する第１の透光部材と、前記偏光分離層によって反射されるＰ波又はＳ波の他方を反射する反射層を有する第２の透光部材とが、交互に貼り合わされてなり、入射面から入射したＰ波又はＳ波の他方が前記反射層により出射面へ反射される偏光ビームスプリッタアレイと、前記偏光ビームスプリッタアレイの前記出射面上に選択的に設けられ、誘電体からなる斜方蒸着層を有する、無機１／２波長板と、前記無機１／２波長板の前記斜方蒸着層の側面を被覆する保護膜とを備え、前記保護膜は、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＬａＯ、及びＭｇＦ_２からなる群から選択されたことを特徴としている。

【0008】

そして、本発明の偏光変換素子は、さらに、前記無機１／２波長板が、ガラス基板と第１の屈折率調整層と前記斜方蒸着層と第１の保護膜と第２の屈折率調整層と第２の保護膜とがこの順に積層されてなり、前記第１の保護膜は、前記第１の屈折率調整層と前記斜方蒸着層の側面を被覆しており、前記第２の保護膜は、前記第１の保護膜と前記第２の屈折率調整層の側面を被覆している。

【0009】

また、本発明に係る光源ユニットは、少なくとも、光源と、光源からの光を集光するレンズと、集光された光を一方向の直線偏光に変換する偏光変換素子と、変換された光の均一性を向上させる拡散板とを有し、偏光変換素子は、偏光ビームスプリッタアレイが、無機１／２波長板の中心を通る垂直面を基準として面対称となるように第１の透光部材と第２の透光部材が貼り合わされていることを特徴としている。

【0010】

また、本発明に係る光学機器は、上述した偏光変換素子を備えることを特徴としている。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、無機１／２波長板が、誘電体からなる斜方蒸着層を有することにより、高分子延伸フィルムに比べて耐熱性及び耐光性を向上させることができる。また、斜方蒸着層の側面が保護膜で被覆されていることにより、斜方蒸着層内に大気中の水分が入り込み、透過率・位相差が変動するのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る偏光変換素子を示す平面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る偏光変換素子を示す断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る偏光変換素子の変形例を示す断面図である。

【図4】無機位相差板の高温高湿試験前後の透過率の変化を示すグラフである。

【図5】斜方蒸着膜面にＳｉＯ_２膜を成膜した無機位相差板の高温高湿試験前後の透過率の変化を示すグラフである。

【図6】図６Ａは、無機位相差板の断面のＳＥＭ写真であり、図６Ｂは、図６Ａを拡大したＳＥＭ写真である。

【図7】シリコーン系接着剤とＵＶ系接着剤との耐光加速試験の結果を示すグラフである。

【図8】耐光加速試験のサンプルの構成を示す断面図である。

【図9】斜方蒸着層が単層の場合のＰ→Ｓ変換効率のシミュレーション結果である。

【図10】斜方蒸着層が複数層の場合のＰ→Ｓ変換効率のシミュレーション結果である。

【図11】偏光変換素子の具体例１の構成を示す断面図である。

【図12】具体例１の無機１／２波長板の作製方法を説明するための図である。

【図13】具体例２の無機１／２波長板の構成を示す断面図である。

【図14】具体例３の無機１／２波長板の構成を示す断面図である。

【図15】具体例４の無機１／２波長板の構成を示す断面図である。

【図16】偏光板と反射板とを交互に貼り合わせる工程を説明するための模式図である。

【図17】偏光板と反射板との積層板を切断する工程を説明するための模式図である。

【図18】偏光ビームスプリッタアレイに無機１／２波長板を選択的に貼り付ける工程を説明するための模式図である。

【図19】図１９Ａは、本発明の一実施形態に係る光源ユニットを示す正面断面図であり、図１９Ｂは、本発明の一実施形態に係る光源ユニットを示す側面断面図である。

【図20】液晶プロジェクターの光学系を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明について、図面を参照しながら以下の順序にて詳細に説明する。
１−１．偏光変換素子
１−２．無機１／２波長板の側面保護
１−３．第１の接着剤層及び第２の接着剤層
１−４．積層構造からなる斜方蒸着層
１−５．具体例１
１−６．具体例２
１−７．具体例３
１−８．具体例４
２．偏光変換素子の製造方法
３．光源ユニット
４．光学機器

【0014】

なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

【0015】

＜１−１．偏光変換素子＞
図１及び図２は、それぞれ本発明の一実施形態に係る偏光変換素子を示す平面図及び断面図である。この偏光変換素子は、偏光分離層１１ａを有する偏光ビームスプリッタ１１と、反射層１２ａを有する反射プリズム１２とを交互に貼り合わせた偏光ビームスプリッタアレイ１３を備える。偏光ビームスプリッタ１１の出射面には、無機１／２波長板１４が選択的に設けられる。

【0016】

偏光ビームスプリッタ１１は、平行四辺形の断面を有する透光部材の１つの面に偏光分離層１１ａが形成されてなる。透光部材の基材としては、サファイアガラス、石英ガラス、ソーダガラス等が挙げられる。偏光分離層１１ａは、入射光のうちＰ波又はＳ波の一方を透過し他方を反射する性質を有する。このような偏光分離層１１ａは、例えば誘電体膜を積層することによって形成される。

【0017】

反射プリズム１２は、平行四辺形の断面を有する透光部材に反射層１２ａが形成されてなる。透光部材の基材としては、サファイアガラス、石英ガラス、ソーダガラス等が挙げられる。反射層１２ａは、特定の直線偏光成分（例えばＰ波）に対し、高い反射率を有する。このような反射層１２ａは、例えば誘電体膜を積層することや、アルミニウム等の金属膜によって形成される。

【0018】

偏光ビームスプリッタアレイ１３は、偏光ビームスプリッタ１１の偏光分離層１１ａと反射プリズム１２の反射層１２ａとは反対側の面とが貼り合わされ、また、偏光ビームスプリッタ１１の偏光分離層１１ａとは反対側の面と反射プリズム１２の反射層１２ａとが貼り合わされて構成される。そして、偏光ビームスプリッタアレイ１３において、偏光分離層１１ａ及び反射層１２ａは、入射面に対して所定の角度を有し、平行関係にある。この偏光ビームスプリッタアレイ１３は、略矩形板状をなし、出射面上に、出射面より出射される偏光状態がすべてＳ波（又はＰ波）の光束となるように無機１／２波長板１４が選択的に接着される。

【0019】

また、偏光ビームスプリッタアレイ１３は、偏光ビームスプリッタ１１と反射プリズム１２とが、シリコーン系接着剤からなる第１の接着剤層１５を介して貼り付けられて構成される。シリコーン系接着剤としては、耐熱性及び耐光性に優れるジメチルシリコーン、メチルゴムなどが挙げられる。偏光ビームスプリッタ１１と反射プリズム１２とが、シリコーン系接着剤からなる第１の接着剤層１５を介して貼り付けられて構成されることにより、耐熱性及び耐光性を向上させることができる。

【0020】

無機１／２波長板１４は、偏光ビームスプリッタ１１の出射面上に設けられ、Ｐ波又はＳ波の一方を他方へ変換する。すなわち、無機１／２波長板１４は、偏光分離層１１ａを透過した特定の直線偏光成分の偏光方向を９０°回転させ、偏光ビームスプリッタ１１および反射プリズム１２によって反射されたＰ波又はＳ波と同一の偏光状態に変更させる。

【0021】

無機１／２波長板１４は、略矩形板状をなし、反射プリズム１２の透光部材上に設けられている。この無機１／２波長板１４は、単層又は複層の斜方蒸着層を有する無機位相差素子である。斜方蒸着層は、斜め蒸着法により形成された誘電体微粒子からなる。誘電体微粒子としては、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＭａＦ_２等を含有する高屈折材料を使用することが可能である。これにより、高分子延伸フィルムを有する有機位相差素子に比べて、熱やＵＶ光線に対して高い耐久性を得ることができる。また、水晶などの無機光学単結晶の位相差素子に比べて、大型化が容易であり、原材料費及び加工コストを低下させることができる。

【0022】

斜方蒸着層は、一般的に高い複屈折を得るためにより高多孔質構造を有する。したがって、大気中の水分が吸着し易く、透過率・位相差といった光学特性が変動しやすい。斜方蒸着層は、低密度の柱状組織であり、体積比２０〜３０％の空隙がある。作製直後の斜方蒸着層の空隙部は、空気（屈折率１．０）が主成分であるが、室温で大気中の水分（屈折率１．３）を取り込み光学特性が変動する。１００℃以上の雰囲気にさらすと取り込んだ水分は蒸発して再び空気が主成分となる。このように、温度によって斜方蒸着層中の水分量が変化すると、空隙部の屈折率が変化し、結果として斜方蒸着層の複屈折が変わり、透過率・位相差が変動する要因となる。

【0023】

このため、斜方蒸着層の側面は、緻密性の高い保護膜で被覆されている。保護膜を成膜することにより、斜方蒸着層への大気中の水分の出入りを防止することができ、耐湿性を向上することができる。

【0024】

保護膜の材料としては、湿度透過性が低い、例えばＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＬａＯ、ＭｇＦ_２等の無機化合物を使用することが好ましい。
保護膜の成膜方法は、このような無機化合物を高密度に形成することで低湿度透過性の保護膜を成膜することが可能な方法を採用する。このような保護膜の成膜方法としては、例えば化学蒸着（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を挙げることができる。ＣＶＤ法により保護膜を成膜する場合、大気圧〜中真空（１００〜１０^−１Ｐａ）とした容器内に複屈折層が形成された基板を設置し、保護膜の材料であるガス状の無機化合物をこの容器内に送り込み、熱、プラズマ、光等のエネルギーを与えてガス状の無機化合物と複屈折層とを化学反応させる。このようなＣＶＤ法によれば、複屈折層上に無機化合物を高密度に形成して低湿度透過性の保護膜とすることができる。保護膜の成膜方法は、このようなＣＶＤ法に替えて、例えばプラズマアシスト蒸着法、スパッタ法等、無機化合物を高密度に形成することが可能な何れの方法を採用するようにしてもよい。

【0025】

また、反射プリズム１２と無機１／２波長板１４とは、偏光ビームスプリッタアレイ１３と同様、シリコーン系接着剤からなる第２の接着剤層１６を介して貼り付けられていることが好ましい。これにより、耐熱性及び耐光性を向上させることができる。

【0026】

また、偏光ビームスプリッタ１１の出射面上及び無機１／２波長板１４の出射面上に、反射防止膜（ＡＲ膜）が形成されていることが好ましい。反射防止膜は、例えば、高屈折率膜、低屈折率膜からなる多層薄膜であり、表面反射を防ぎ、透過性を向上させることができる。

【0027】

このような構成から成る偏光変換素子において、光入射面には、Ｓ波とＰ波とを含むランダムな偏光方向を有する光が入射される。この入射光は、まず、偏光分離層１１ａによってＳ波とＰ波とに分離される。Ｓ波（又はＰ波）は、偏光分離層１１ａによって反射され、偏光ビームスプリッタアレイ１３の入射面にほぼ平行となり、反射層１２ａによってさらに反射され、偏光ビームスプリッタアレイ１３の出射面にほぼ垂直に出射される。一方、Ｐ波（又はＳ波）は、偏光分離層１１ａをそのまま透過し、無機１／２波長板１４によってＳ波（又はＰ波）に変換されて出射される。従って、この光学素子に入射したランダムな偏光方向を有する光束は、すべてＳ波（又はＰ波）の光束となって出射される。

【0028】

図３は、本発明の一実施形態に係る偏光変換素子の変形例を示す断面図である。図２における偏光変換素子１０では、偏光分離層１１ａ及び反射層１２ａが同一方向に傾斜する構成となっているが、例えば、図３に示す偏光変換素子７０のように、偏光ビームスプリッタアレイ７３が、無機１／２波長板７４の中心を通る垂直面Ｌを基準として面対称となるように第１の透光部材（偏光分離層）７１ａと第２の透光部材（反射層）７２ａを貼り合わせた構造とすることもできる。このような構成とすることで、無機１／２波長板７４の枚数を減らすことができ、構造をシンプルにすることができる。

【0029】

図３に示す偏光変換素子においても、入射した光のうち、例えば、Ｐ偏光成分は第１の透光部材（偏光分離層）７１ａを通過し、無機１／２波長板７４によってＳ偏光に変換される。一方、Ｓ偏光成分は第１の透光部材（偏光分離層）７１ａ及び第２の透光部材（反射層）７２ａによって反射され、Ｓ偏光のまま出射する。これにより、本発明の一実施形態に係る偏光変換素子７０に入射したランダムな偏光方向を有する光束は、すべて同一のＳ波（又はＰ波）の光束となって出射される。

【0030】

＜１−２．無機１／２波長板の保護＞
ここで、無機位相差板の耐湿性について検証する。図４は、無機位相差板の高温高湿試験前後の透過率の変化を示すグラフである。斜方蒸着層を有する無機位相差板を所望のサイズに切断した後、斜方蒸着層を露出したサンプルを用い、高温高湿試験の前後の透過率変化量を算出した。透過率変化量は、高温高湿試験後、サンプルを常温でそれぞれ７、２３、１７３時間放置した後、透過率を測定して算出した。高温高湿試験の条件は、６０℃、９０％、４８時間とした。

【0031】

図４から分かるように、無機位相差板は、７時間放置後では透過率特性が波長４５０ｍｍで約−５．５％低下するが、２３時間放置後では、約−２．５％まで透過率特性が回復し、１７３時間放置後では−１．０％まで透過率特性が回復した。すなわち、無機位相差板は、斜方蒸着層の高多孔質部分に大気中の水分が吸着し易く、徐々に水分が蒸発することが分かる。したがって、斜方蒸着層を有する無機位相差板を１００℃以上の雰囲気下に放置することにより、さらに短時間で透過率特性を回復可能であるものと考えられる。

【0032】

図５は、斜方蒸着膜面にＳｉＯ_２膜を成膜した無機位相差板の高温高湿試験前後の透過率の変化を示すグラフである。斜方蒸着層を有する無機位相差板を所望のサイズに切断した後、斜方蒸着層上にＣＶＤによりＳｉＯ_２膜を成膜したサンプルを用い、高温高湿試験の前後の透過率変化量を算出した。透過率変化量は、高温高湿試験後、サンプルを常温で２４時間放置した後、透過率を測定して算出した。高温高湿試験の条件は、６０℃、９０％、４８時間とした。

【0033】

図５から分かるように、斜方蒸着層上のＳｉＯ_２膜の膜厚を６０ｍｍ以上成膜することにより、透過率変化量を減少させることができた。また、ＳｉＯ_２膜の膜厚を６０ｍｍ以上成膜することにより、斜方蒸着層の厚み方向がＳｉＯ_２で覆われることが分かった。

【0034】

図６Ａは、無機位相差板の断面のＳＥＭ写真であり、図６Ｂは、図６Ａを拡大したＳＥＭ写真である。この無機位相差板は、斜方蒸着層上にＳｉＯ_２膜を９０ｍｍ成膜したものである。図６Ａ及び図６Ｂから分かるように、斜方蒸着層の側面が覆われているのが確認できる。よって、斜方蒸着層上のＳｉＯ_２膜の膜厚を６０ｍｍ以上成膜することにより、斜方蒸着層の側面が覆われ、優れた耐湿特性が得られることが分かった。

【0035】

＜１−３．第１の接着剤層及び第２の接着剤層＞
次に、第１の接着剤層１５及び第２の接着剤層１６の耐熱性及び耐光性について検証する。従来の偏光変換素子は、偏光ビームスプリッタとプリズムとを交互に貼り合わせる光学接着剤として、ＵＶ（ultraviolet）硬化系の接着剤が多く用いられている。また、偏光ビームスプリッタの出射面と１／２波長板との貼り付けにも、同様にＵＶ硬化系の接着剤が、多用されている。

【0036】

図７は、シリコーン系接着剤とＵＶ系接着剤との耐光加速試験の結果を示すグラフである。また、図８は、サンプルの構成を示す断面図である。サンプルは、２枚のガラス基板を接着剤にて貼り合わせて作製した。また、耐光加速試験条件は、ある高輝度プロジェクター（実機）の約４０倍のパワー密度３２Ｗ／ｃｍ^２とし、サンプルの基板の表面温度を７０℃とした。すなわち、実機の４０倍の加速度として実施した。

【0037】

図７に示すグラフのようにＵＶ系接着剤Ａ（共立化学（株）製、ＸＬＶ９０）を使用したサンプルは、約５０００時間の実機相当時間経過後、接着剤層が黄変した。また、約６０００時間の実機相当時間経過後サンプルに破壊が起こった。したがって、ＵＶ系接着剤Ａを使用した偏光変換素子をプロジェクターに使用した場合、約５０００時間でプロジェクターの輝度が低下してしまうため、５０００時間ごとに新たな偏光変換素子に交換する必要がある。

【0038】

また、ＵＶ系接着剤Ｂ（（株）アーデル製、ＵＴ２０）を使用したサンプルは、約１８０００時間の実機相当時間経過後、接着剤層が黄変し、破壊が起こった。したがって、ＵＶ接着剤Ｂを使用した偏光変換素子をプロジェクターに用いた場合も同様に、１８０００時間ごとに新たな偏光変換素子に交換する必要がある。

【0039】

一方、シリコーン系接着剤Ｃ（ジメチルシリコーン）を使用したサンプルは、５００００時間の実機相当時間を経過しても、透過率の低下は見られなかった。よって、シリコーン系接着剤を用いることにより、耐熱性及び耐光性が向上し、従来のＵＶ系接着剤Ａを使用した偏光変換素子に比べて約１０倍以上長く使い続けることが可能となる。

【0040】

このように、放置時間や放置温度によって斜方蒸着膜中の水分量が変化する。すると、空隙部の屈折率が変化し、結果として斜方蒸着膜の複屈折が変わり、透過率・位相差が変動する要因となる。本発明は、この対策として、斜方蒸着膜を用いた無機位相差板を所望のサイズに切断した後に、ＣＶＤ製法によりＳｉＯ_２保護膜で蒸着膜側面の蒸着膜厚み方向を覆った構造にすることで蒸着膜中に大気中の水分が入り込み難くなる。また、入った場合においても、本発明の斜め蒸着法により形成した１層以上の高屈折微粒子を備えた無機位相差板と、透光部材に入射した光のうちＰ波を透過しＳ波を反射する偏光分離層を備えた透光部材と、この反射されたＳ波を更に反射する反射層を備えた透光部材をそれぞれシリコーン系接着剤にて貼り合せ構成されている事を特徴とする高耐久偏光変換素子であれば、高耐光・高耐熱性に優れた偏光変換素子であるため、１００℃以上の雰囲気にさらす事でより短時間で斜方蒸着膜の高多孔質部分からの水分が蒸発し透過率特性が回復させることが可能である。

【0041】

＜１−４．積層構造からなる斜方蒸着層＞
次に、無機１／２波長板における斜方蒸着層について説明する。本実施の形態における斜方蒸着層は、積層構造からなることが好ましい。複数層の斜方蒸着層は、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することが可能である。また、各層間の反射率は、各層の膜厚に比例するため、各層の膜厚は、使用波長以下であることが好ましい。

【0042】

斜方蒸着層の誘電体材料は、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｌａのいずれかの酸化物、又はそれらの組み合わせであることが好ましい。具体的な誘電体材料としては、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５にＴｉＯ_２を５〜１５ｗｔ％添加した材料などが挙げられる。このような誘電体材料を用いることにより、面内直交２軸ｘ，ｙの屈折率ｎ_ｏｂｌｘ，ｎ_ｏｂｌｙ（ｎ_ｏｂｌｘ＞ｎ_ｏｂｌｙ）のそれぞれが１．５５以上１．７以下となるような斜方蒸着層を得ることが可能となる。

【0043】

図９は、無機１／２波長板における斜方蒸着層が単層の場合のＰ→Ｓ変換効率のシミュレーション結果である。斜方蒸着層は、Ｔａ_２Ｏ_５からなる微粒子が入射光（基板法線）に対し４５度軸が傾いたものとし、膜厚は、赤色波長帯域、緑色波長帯域、及び青色波長帯域でそれぞれ最適となるように設定した。図９から分かるように、斜方蒸着層が単層の場合では、広い波長帯域において高いＰ→Ｓ変換効率を得ることができない。

【0044】

また、図１０は、無機１／２波長板における斜方蒸着層が複数層の場合のＰ→Ｓ変換効率のシミュレーション結果である。斜方蒸着層は、１層目がＴａ_２Ｏ_５からなる微粒子が入射光（基板法線）に対し２４度軸が傾いたものとし、２層目がＴａ_２Ｏ_５からなる微粒子が入射光（基板法線）に対し６６度軸が傾いたものとした。図１０から分かるように、斜方蒸着層が複数層（積層）の場合、広い波長帯域において高いＰ→Ｓ変換効率を得ることができる。

【0045】

＜１−５．具体例１＞
図１１は、偏光変換素子の具体例１の構成を示す断面図である。具体例１として示す偏光変換素子は、偏光ビームスプリッタ１１の透光部材と、反射プリズム１２の透光部材と、無機１／２波長板１４の基板とが、屈折率ｎが１．４６のガラス基板から構成される。

【0046】

無機１／２波長板１４は、ガラス基板２１と、第１の屈折率調整層２２と、斜方蒸着層２３と、第２の屈折率調整層２４と、ＳｉＯ_２膜２５とがこの順に積層されてなる。また、無機１／２波長板１４は、ガラス基板２１側を接着面としてシリコーン系接着剤（ｎ：１．４１）からなる第２の接着層１６を介して貼り付けられている。

【0047】

具体例１として示す偏光変換素子は、屈折率調整層２４上にＳｉＯ_２膜２５が形成されているため、大気との界面で反射を抑えるＦｉｎａｌ−ＡＲ膜２６を全て同じ設計で成膜することができる。また、高多孔質構造を有する斜方蒸着層２３の側面が、ＳｉＯ_２膜２５ａで被覆されているため、斜方蒸着層２３内への水分の浸入を防止し、耐湿性を向上させることができる。

【0048】

図１２は、具体例１の無機１／２波長板の作製方法を説明するための図である。ガラス基板２１上に、第１の屈折率調整層２２と、斜方蒸着層２３と、第２の屈折率調整層２４とを成膜した後、スクライバー等で切断し、例えばＣＶＤ製法によりＳｉＯ_２膜を膜厚が６０ｎｍ以上となるように成膜する。これにより、斜方蒸着層２３の厚み方向をＳｉＯ_２膜２５ａで覆うことができ、耐湿性を向上させることができる。

【0049】

また、図１１に示す偏光変換素子において、無機１／２波長板１４が、ＳｉＯ_２膜２５側を接着面として貼り付けられていても良い。この場合も、具体例１と同様に、耐湿性を向上させることができる。また、例えば映画館などで使われるシネマ用プロジェクターに適用された場合、ポップコーンオイルと呼ばれるオイルミストが表面に付着するため、定期的に表面の払拭清掃が行われるが、蒸着面側をシリコーン接着剤で貼り付けることにより、直接蒸着面が払拭されるのを防ぐことができる。

【0050】

＜１−６．具体例２＞
図１３は、具体例２の無機１／２波長板の構成を示す断面図である。偏光変換素子のビームスプリッタアレイ１３は、具体例１と同様である。図１３に示すように、無機１／２波長板１４は、ガラス基板３１と、第１の屈折率調整層３２と、斜方蒸着層３３と、ＳｉＯ_２膜３４と、第２の屈折率調整層３５とがこの順に積層されてなる。

【0051】

この無機位相差板は、第２の屈折率調整層３５の一部としてＳｉＯ_２膜３４を設けるものである。この無機位相差板は、斜方蒸着層３３の成膜後、スクライバー等で切断し、例えばＣＶＤ製法によりＳｉＯ_２膜３４を成膜することにより得ることができる。これにより、斜方蒸着層３３の厚み方向をＳｉＯ_２膜３４ａで覆うことができ、耐湿性を向上させることができる。

【0052】

＜１−７．具体例３＞
図１４は、具体例３の無機１／２波長板の構成を示す断面図である。偏光変換素子のビームスプリッタアレイ１３は、具体例１と同様である。図１４に示すように、無機１／２波長板１４は、ガラス基板４１と、第１の屈折率調整層４２と、斜方蒸着層４３と、第１のＳｉＯ_２膜４４と、第２の屈折率調整層４５と、第２のＳｉＯ_２膜４６とがこの順に積層されてなる。

【0053】

この無機位相差板は、第２の屈折率調整層４５の一部としてＳｉＯ_２膜４４を設けるものであり、さらに、第２の屈折率調整層４５上に、保護のためのＳｉＯ_２膜４６を設けたものである。この無機位相差板は、第２の屈折率調整層４５の成膜後、スクライバー等で切断し、例えばＣＶＤ製法によりＳｉＯ_２膜４６を成膜することにより得ることができる。これにより、斜方蒸着層４３の厚み方向をＳｉＯ_２膜４６ａで覆うことができ、耐湿性を向上させることができる。

【0054】

＜１−８．具体例４＞
図１５は、具体例４の無機１／２波長板の構成を示す断面図である。偏光変換素子のビームスプリッタアレイ１３は、具体例１と同様である。この無機位相差板は、図１３に示す具体例２の無機１／２波長板の構成に、さらに第２のＳｉＯ_２膜３６を設けたものである。すなわち、無機１／２波長板１４は、図１５に示すように、ガラス基板３１と、第１の屈折率調整層３２と、斜方蒸着層３３と、第１のＳｉＯ_２膜３４と、第２の屈折率調整層３５と、第２のＳｉＯ_２膜３６とがこの順に積層されてなる。

【0055】

この無機位相差板は、斜方蒸着層３３の成膜後、スクライバー等で切断し、例えばＣＶＤ製法によりＳｉＯ_２膜３４を成膜し、第２の屈折率調整層３５の成膜後、さらにＳｉＯ_２膜３６を成膜することにより得ることができる。これにより、斜方蒸着層３３の厚み方向をＳｉＯ_２膜３４ａ及びＳｉＯ_２膜３６ａで覆うことができ、耐湿性をさらに向上させることができる。

【0056】

＜２．偏光変換素子の製造方法＞
次に、本実施の形態に係る偏光変換素子の製作方法について説明する。本実施の形態に係る偏光変換素子の製造方法は、偏光分離層が成膜された偏光板と反射層が形成された反射板とをシリコーン系接着剤を介して交互に貼り合わせる工程と、貼り合わせた基板面の法線に対して所定角度で切断し、偏光ビームスプリッタアレイを得る工程と、誘電体からなる斜方蒸着層を有し、斜方蒸着層の側面が保護膜で被覆されてなる無機１／２波長板を作成する工程と偏光ビームスプリッタアレイに無機１／２波長板を選択的に貼り付ける工程と、最表面に反射防止膜を成膜する工程とを有する。

【0057】

先ず、図１６に示すように偏光板と反射板とを一方向に所定幅ずらして交互に貼り合わせる。貼り合わせには、ジメチルシリコーン、メチルゴムなどのシリコーン系接着剤が用いられる。

【0058】

次の工程では、図１７に示すように、所定幅ずらして積層された方向と同じ方向に切断し、偏光ビームスプリッタと反射プリズムとが平行四辺形からなる断面で交互に貼り合わされた偏光ビームスプリッタアレイを得る。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。

【0059】

無機１／２波長板を作製する工程では、誘電体からなる斜方蒸着層を成膜後、ガラススクライバー等の切断装置を用いて所定のサイズに切断し、例えばＣＶＤ製法によりＳｉＯ_２膜を膜厚が６０ｎｍ以上となるように成膜する。これにより、斜方蒸着層の厚み方向をＳｉＯ_２膜で覆うことができ、耐湿性を向上させることができる。

【0060】

次に、図１８に示すように、偏光ビームスプリッタアレイに無機１／２波長板１４を選択的に貼り付ける。無機１／２波長板１４は、ジメチルシリコーン、メチルゴムなどのシリコーン系接着剤により貼り付けられることが好ましい。また、無機１／２波長板１４は、シリコーン系接着剤が接着面から側面に亘ってはみ出して接着されることが好ましい。これにより、無機１／２波長板１４の斜方蒸着層に水分が進入するのを防止することができる。また、無機１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタアレイとの接続強度を維持することができる。

【0061】

また、透過率向上の目的で、スパッタにより表裏両面に反射防止膜（ＡＲ膜）を成膜することが好ましい。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良い。

【0062】

このように斜方蒸着層の側面が保護膜で被覆されてなる無機１／２波長板を、偏光ビームスプリッタアレイに選択的に貼り付けることにより、優れた耐湿性を有する偏光変換素子を得ることができる。

【0063】

＜３．光源ユニット＞
次に、本発明の一実施形態に係る偏光変換素子を用いた光源ユニット８０について説明する。図１９Ａは、本発明の一実施形態に係る光源ユニット８０を示す正面断面図であり、図１９Ｂは、本発明の一実施形態に係る光源ユニット８０を示す側面断面図である。光源ユニット８０は、少なくとも、光源８１と、光源８１からの光を集光するレンズ８２と、集光された光を一方向の直線偏光に変換する上述した本発明の一実施形態に係る偏光変換素子８３と、変換された光の均一性を向上させる拡散板８４とを有する。

【0064】

光源８１は例えば、ＬＥＤであり、２次元方向に複数のＬＥＤを配置することができる。レンズは、例えば図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、２種類の集光レンズ８２ａ、８２ｂからなる集光レンズ群８２とし、各集光レンズ８２ａ、８２ｂは、光源８１の数に対応したレンズの数を有することができる。ＬＥＤ等の光源８１から出射された光は集光レンズ群８２により偏光変換素子８３に入射される。

【0065】

偏光変換素子８３は、本発明の一実施形態に係る偏光変換素子であり、偏光ビームスプリッタアレイ８３ａと無機１／２波長板８３ｂとを有する。特に、図３に示すような偏光ビームスプリッタアレイ７３が、無機１／２波長板７４の中心を通る垂直面Ｌを基準として面対称となるように第１の透光部材７１ａと第２の透光部材７２ａが貼り合わされている偏光変換素子７０を用いることが好ましい。このような偏光変換素子８３を用いることで、無機１／２波長板８３ｂの枚数を減らすことができ、構造をシンプルにすることができ、光源ユニット８０をコンパクトにすることができる。

【0066】

偏光変換素子８３を透過した光は、拡散板８４により拡散され、光の均一性を向上させるために用いられる。拡散板８４としては、例えば、マイクロレンズのような構造を持つ模型用エンビ板（セミクリアーＥＢ−０４、光栄堂）や、耐光性が必要な場合にはガラス材料などの無機材料から成るマイクロレンズアレイを用いることができる。

【0067】

また、本発明の一実施形態に係る偏光変換素子を用いた光源ユニット８０は、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、さらに液晶パネル８５、放熱板８６、放熱器８７、ハウジング８８を備えることで単板透過型の液晶プロジェクター９０等に適応することができる。

【0068】

液晶パネル８５を拡散板８４より出射した光の偏光方向と同じ方向の光を透過する向きに配置することで、拡散板８４を透過した光は効率よく液晶パネルを透過することが可能となる。その結果、液晶パネル８５を出射した光は効率よく均一に投影面に投影することができる。

【0069】

このように、ＬＥＤ等の光源から出射された光の偏光を一方向の直線偏光に変換する本発明の一実施形態に係る偏光変換素子を備えることにより、ＬＥＤ等の光源から出射された光を効率よく液晶パネルに透過させて投影面に投影される光の輝度を向上させることができる。また、消費電力の低減による燃費向上、さらには構成部品にかかる熱負荷を低減させて部品の寿命を延ばすことができる。

【0070】

＜４．光学機器＞
次に、光学機器への適用例について、液晶プロジェクターを参照して説明する。図２０は、液晶プロジェクターの光学系を示す図である。このプロジェクターは、光源５１と、光束を略平行にするフライアイレンズ５２、入射ランダム偏光を一定の偏光方向に揃える偏光変換素子５３と、赤色光、緑色光、青色光に分離に分離する色分解ミラー（ダイクロイックミラー）５４，５５，５６と、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれるシリコン基板上に液晶を形成した赤色，緑色，青色表示用の反射型液晶表示パネル５７，５８，５９と、３色の色光を合成してカラー画像を形成する色合成プリズム６０と、ミラー６１，６２と、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）６３，６４，６５とを備える。

【0071】

光源５１として例えば白色ランプから出射された光束は、フライアイレンズ５２でほぼ並行にされ、偏光変換素子５３でランダム偏光が一定の偏光方向（Ｐ波又はＳ波）に揃えられる。一定の偏光方向に揃えられた光束は、色分解ミラー５４，５５により赤色光と緑色青色光とに分離される。緑色青色光は、ミラー６２で反射されて色分解ミラー５６により緑色光と青色光とに分離される。赤色光は、ミラー６１で反射されてＰＢＳ６３に入射し、緑色光及び青色光は、それぞれＰＢＳ６４，６５に入射する。

【0072】

ＰＢＳ６３，６４，６５では、一つの振動方向の直線偏光のみが反射され、反射光がそれぞれ赤色，緑色，青色表示用の反射型液晶表示パネル５７，５８，５９に入射する。各反射型液晶表示パネル５７，５８，５９から出射した映像光は、それぞれ再びＰＢＳ６３，６４，６５に入射して検光される。ＰＢＳ６３，６４，６５を通過した直線偏光は、色合成プリズム６０で合成され、カラー画像が投射レンズによりスクリーンに投射される。
なお、光学機器には上述の光源ユニット８０を適用することもできる。

【0073】

このような光学機器において、偏光変換素子５３が上述した構成を有することにより、耐熱性及び耐光性が向上され、高輝度化による熱や光によっても焦げ付き等の劣化を防止することができる。また、偏光変換素子５３は、ポップコーンオイルと呼ばれるオイルミストが表面に付着するため、定期的に表面の払拭清掃が行われて強い圧力が加わるが、シリコーン接着剤の接着層がクッション効果の働きをするため、優れた耐衝撃性を得ることができる。

【符号の説明】

【0074】

１０，７０ 偏光変換素子、１１，７１ 偏光ビームスプリッタ、１２，７２ 反射プリズム、１３，７３ 偏光ビームスプリッタアレイ、１４，７４ 無機１／２波長板、１５，７５ 第１の接着層、１６，７６ 第２の接着層、５１ 光源、５２ フライアイレンズ、５３ 偏光変換素子、５４，５５，５６ 色分解ミラー、５７，５８，５９ 反射型液晶表示パネル、６０ 色合成プリズム、６１，６２ ミラー、６３，６４，６５ ＰＢＳ、８０ 光源ユニット、８１ 光源、８２ 集光レンズ群、８３ 偏光変換素子、８４ 拡散板、８５ 液晶パネル、８６ 放熱板、８７ 放熱器、８８ ハウジング、９０ 単板式液晶プロジェクター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】