特許 7597165 偏光変換素子及び画像表示装置

(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】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】偏光変換素子及び画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20241203BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20241203BHJP

   G02F 1/13357 20060101ALI20241203BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

G02B5/30

G02F1/13 505

G02F1/13357

G03B21/14 A

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2023122560

(22)【出願日】2023-07-27

(62)【分割の表示】P 2020509749の分割

【原出願日】2019-03-04

(65)【公開番号】P2023153170

(43)【公開日】2023-10-17

【審査請求日】2023-08-28

(31)【優先権主張番号】P 2018068011

(32)【優先日】2018-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002185

【氏名又は名称】ソニーグループ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】米澤 元

(72)【発明者】

【氏名】阿部 昇平

(72)【発明者】

【氏名】高橋 祐一

【審査官】鈴木 玲子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１８６７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－００５５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２５５８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１０８９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１０７４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７７５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２２１３４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｇ０３Ｂ ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光入射面と光出射面とを有する偏光分離素子であって、第１の接合面を有する第１のガラス基材と、第２の接合面を有する第２のガラス基材と、前記第１の接合面に設けられた光学機能膜と、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層とを有する偏光分離素子と、
前記無機接合層を透過した第１の偏光を、前記第１の偏光と直交する第２の偏光に変換する無機波長板と、
前記光入射面側に配置され複数のアパーチャを有する第１の支持フレームと、前記光出射面側に配置され前記無機波長板を支持する第２の支持フレームと、前記第２の支持フレームと前記無機波長板を接着するための接着部材とを有し、前記第１の支持フレームと前記第２の支持フレームが接合されることで、前記偏光分離素子に対して前記無機波長板が間隔を介して対向するように前記偏光分離素子と前記無機波長板とを共通に支持する支持体と
を具備する偏光変換素子。

【請求項2】

請求項１に記載の偏光変換素子であって、
前記接着部材は、入射光が照射されない領域に配置される
偏光変換素子。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子であって、
前記シリコン化合物は、シリコン酸化物である
偏光変換素子。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の偏光変換素子であって、
前記直接接合は、プラズマ接合である
偏光変換素子。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の偏光変換素子であって、
前記無機接合層及び前記第２の接合面の表面粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以下である
偏光変換素子。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の偏光変換素子であって、
前記無機接合層の厚みは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である
偏光変換素子。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の偏光変換素子であって、
前記光学機能膜は、第１の屈折率を有する第１の誘電体と、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体とを交互に積層した光学多層膜である
偏光変換素子。

【請求項8】

請求項７に記載の偏光変換素子であって、
前記光学多層膜は、偏光分離膜である
偏光変換素子。

【請求項9】

請求項８に記載の偏光変換素子であって、
前記第１のガラス基材及び前記第２のガラス基材各々の屈折率（ｎｄ）は、１．６以上１．８以下である
偏光変換素子。

【請求項10】

偏光変換素子と、前記偏光変換素子に入射する光を生成する光源とを有する照明光学系を具備する画像表示装置であって、
前記偏光変換素子は、光入射面と光出射面とを有する偏光分離素子であって、
第１の接合面を有する第１のガラス基材と、第２の接合面を有する第２のガラス基材と、前記第１の接合面に設けられた光学機能膜と、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層とを有する偏光分離素子と、
前記無機接合層を透過した第１の偏光を、前記第１の偏光と直交する第２の偏光に変換する無機波長板と、
前記光入射面側に配置され複数のアパーチャを有する第１の支持フレームと、前記光出射面側に配置され前記無機波長板を支持する第２の支持フレームと、前記第２の支持フレームと前記無機波長板を接着するための接着部材とを有し、前記第１の支持フレームと前記第２の支持フレームが接合されることで、前記偏光分離素子に対して前記無機波長板が間隔を介して対向するように前記偏光分離素子と前記無機波長板とを共通に支持する支持体と、を有する
画像表示装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記接着部材は、入射光が照射されない領域に配置される
画像表示装置。

【請求項12】

請求項１０または請求項１１に記載の画像表示装置であって、
前記偏光変換素子によって偏光変換された光を所定の色に対応する光に分光する少なくとも一つのダイクロイックミラーを有する分光光学系と、
前記分光光学系によって分光された光を変調する少なくとも一つの液晶パネルと、
前記液晶パネルによって変調された光を合成する光合成部と、
前記光合成部によって合成された光を投射する投射レンズと
をさらに具備する画像表示装置。

【請求項13】

請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の画像表示装置であって、
前記シリコン化合物は、シリコン酸化物である
画像表示装置。

【請求項14】

請求項１０乃至請求項１３のいずれか１項に記載の画像表示装置であって、
前記直接接合は、プラズマ接合である
画像表示装置。

【請求項15】

請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項に記載の画像表示装置であって、
前記無機接合層及び前記第２の接合面の表面粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以下である
画像表示装置。

【請求項16】

請求項１０乃至請求項１５のいずれか１項に記載の画像表示装置であって、
前記無機接合層の厚みは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である
画像表示装置。

【請求項17】

請求項１０乃至請求項１６のいずれか１項に記載の画像表示装置であって、
前記光学機能膜は、第１の屈折率を有する第１の誘電体と、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体とを交互に積層した光学多層膜である
画像表示装置。

【請求項18】

請求項１７に記載の画像表示装置であって、
前記光学多層膜は、偏光分離膜である
画像表示装置。

【請求項19】

請求項１８に記載の画像表示装置であって、
前記第１のガラス基材及び前記第２のガラス基材各々の屈折率（ｎｄ）は、１．６以上１．８以下である
画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、光学機能膜を有する光学素子、偏光変換素子及びこれを備えた画像表示装置、並びに光学素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

投射型画像表示装置（プロジェクタ）には、光の利用効率を上げるために偏光変換素子が用いられている。この種の偏光変換素子として、例えば特許文献１には、ＢＫ７等の光学ガラスで構成された第１基材及び第２基材と、第１基材と第２基材との間に配置された偏光分離膜と、偏光分離膜と第２基材との間に配置されたポリオルガノシロキサン等の有機膜からなる接合層とを有する偏光変換素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－１１３０５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、投射型画像表示装置においては、画像の高輝度化を実現するため、光源の高出力化あるいは光エネルギの高密度化が進められている。このため、偏光分離素子においては、耐熱性、耐光性及び光透過性の更なる向上が求められる。しかしながら、従来の偏光分離素子にはガラス基材と偏光分離膜との接合部に有機系の接着剤が用いられているため、耐熱性が低く、光による劣化が避けられない。さらには接合界面における屈折率差によって光の透過ロスも生じやすい。

【0005】

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、耐熱性、耐光性及び光透過性に優れた光学素子、偏光変換素子及びこれを備えた画像表示装置、並びに光学素子の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本技術の一形態に係る光学素子は、第１のガラス基材と、第２のガラス基材と、光学機能膜と、無機接合層とを具備する。
前記第１のガラス基材は、第１の接合面を有する。
前記第２のガラス基材は、第２の接合面を有する。
前記光学機能膜は、前記第１の接合面を被覆する。
前記無機接合層は、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる。

【0007】

上記光学素子は、光学機能膜と第２の接合面との接合部がシリコン化合物からなる無機接合層で構成されているため、耐熱性及び耐光性に優れる。さらに、上記接合層が第２の接合面に直接接合により接合されるため、界面における屈折率差が小さくなり、したがって透過率を向上させることができる。

【0008】

前記シリコン化合物は、シリコン酸化物であってもよい。

【0009】

前記直接接合は、プラズマ接合であってもよい。

【0010】

この場合、前記無機接合層及び前記第２の接合面の表面粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以下とすることができる。

【0011】

前記無機接合層の厚みは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。

【0012】

前記光学機能膜は、第１の屈折率を有する第１の誘電体と、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体とを交互に積層した光学多層膜であってもよい。

【0013】

前記光学多層膜は、偏光分離膜とすることができる。

【0014】

前記第１のガラス基材及び前記第２のガラス基材各々の屈折率（ｎ_ｄ）は、１．６以上１．８以下とすることができる。

【0015】

本技術の一形態に係る偏光変換素子は、偏光分離素子と、無機波長板と、支持体とを具備する。
前記偏光分離素子は、第１の接合面を有する第１のガラス基材と、第２の接合面を有する第２のガラス基材と、前記第１の接合面に設けられた光学機能膜と、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層とを有する。
前記無機波長板は、前記無機接合層を透過した第１の偏光を、前記第１の偏光と直交する第２の偏光に変換する。
前記支持体は、前記偏光分離素子に対して前記無機波長板が間隔を介して対向するように前記偏光分離素子と前記無機波長板とを共通に支持する。

【0016】

本技術の一形態に係る画像表示装置は、偏光変換素子を具備する。
前記偏光変換素子は、偏光分離素子と、無機波長板と、支持体とを有する。
前記偏光分離素子は、第１の接合面を有する第１のガラス基材と、第２の接合面を有する第２のガラス基材と、前記第１の接合面に設けられた光学機能膜と、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層とを有する。
前記無機波長板は、前記無機接合層を透過した第１の偏光を、前記第１の偏光と直交する第２の偏光に変換する。
前記支持体は、前記偏光分離素子に対して前記無機波長板が間隔を介して対向するように前記偏光分離素子と前記無機波長板とを共通に支持する。

【0017】

本技術の一形態に係る光学素子の製造方法は、
第１のガラス基材の表面に光学機能膜を形成し、
前記光学機能膜の上にシリコン化合物からなる無機接合層を形成し、
前記無機接合層に、第２のガラス基材をプラズマ接合により接合する。

【0018】

前記光学素子の製造方法は、前記無機接合層を形成した後、前記第２のガラス基材を接合する前に、前記無機接合層及び前記第２のガラス基材の接合面を研磨してもよい。

【0019】

あるいは、前記光学素子の製造方法は、前記光学機能膜を形成する前に、前記第１のガラス基材の表面を研磨し、前記第２のガラス基材を前記無機接合層に接合する前に、前記第２のガラス基材の接合面を研磨してもよい。

【0020】

前記光学機能膜は、イオンビームスパッタ法又はバイアススパッタ法により形成されてもよい。

【発明の効果】

【0021】

以上のように、本技術によれば、耐熱性、耐光性及び光透過性に優れた光学素子を得ることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本技術の一実施形態に係る偏光変換素子の構成を示す分解斜視図である。

【図2】上記偏光変換素子の構成を示す要部の概略断面図である。

【図3】上記偏光変換素子における偏光分離素子の構成を示す要部の概略断面図である。

【図4】上記偏光分離素子の作製方法を説明する図である。

【図5】上記偏光分離素子の作製方法を説明する図である。

【図6】上記偏光分離素子の製造方法の一例を示す概略工程図である。

【図7】上記偏光分離素子における偏光分離膜の層構造の一例を示す模式図である。

【図8】上記偏光分離素子の製造方法の他の一例を示す概略工程図である。

【図9】上記偏光分離素子の光学特性の一例を示す図である。

【図10】本技術の一実施形態に係る画像表示装置を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0024】

＜第１の実施形態＞
図１は、本技術の一実施形態に係る偏光変換素子１００の構成を示す分解斜視図、図２は偏光素子１００の要部の概略断面図である。偏光変換素子１００は、偏光分離素子１０と、無機波長板２０と、これらを支持する支持体３０とを備える。偏光変換素子１００は、無偏光の入射光Ｌを所定の偏光（本例ではＰ偏光）に変換する光学素子である。

【0025】

［偏光分離素子］
偏光分離素子１０は、光入射面１０１と、光出射面１０２とを有する。偏光分離素子１０は、入射光Ｌの偏光方向によって入射光Ｌを透過し又は反射する光学素子（偏光ビームスプリッタ）である。

【0026】

偏光分離素子１０は、例えば、平行六面体形状の複数のプリズムをＺ軸方向に貼り合わせることにより構成される。本実施形態において複数のプリズムは、第１のガラス基材１１と、第２のガラス基材１２とを有する。第１のガラス基材１１及び第２のガラス基材１２の間には、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する偏光分離層１３と、偏光分離層１３によって反射されたＳ偏光を再び反射する反射層１４とが交互に配置されている。

【0027】

図３は、偏光分離素子１０の構成を示す要部の概略断面図である。同図に示すように、偏光分離層１３は、偏光分離膜１３１と、無機接合層１３２との積層体で構成される。

【0028】

偏光分離膜１３１は、Ｓ偏光光Ｌｓを反射し、Ｐ偏光光Ｌｐを透過する光学機能膜であり、第１のガラス基材１１の接合面１１ａ（第１の接合面）を被覆する誘電体多層膜で構成される。接合面１１ａと入射面１０１とのなす角は、典型的には、４５°である。偏光分離膜１３１は、第１の屈折率を有する第１の誘電体と、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体とを交互に積層した光学多層膜である。

【0029】

第１の誘電体は、第２の誘電体よりも屈折率（ｎd）が小さい材料で構成される。第１の誘電体及び第２の誘電体各々の屈折率は、第１及び第２のガラス基材１１，１２の屈折率によって選定される。例えば、第１及び第２のガラス基材１１，１２の屈折率（ｎd）が１．６～１．８の場合、第１の誘電体はＳｉＯ₂（ｎd：１．４６）、第２の誘電体はＴａ₂Ｏ₅（ｎd：２．１６）である。屈折率（ｎd）が１．６～１．８のガラス材としては、例えば、OHARA製硝材S-TIH（ｎd：１．７２）等が挙げられる。

【0030】

無機接合層１３２は、偏光分離膜１３１と第２のガラス基材１２の接合面１２ａ（第２の接合面）との間に設けられる。接合面１２ａは、接合面１１ａと平行な平面である。無機接合層１３２は、シリコン化合物からなり、第２のガラス基材１２の接合面１２ａと直接接合により接合される。接合面１２ａと対向する無機接合層１３２の表面は、第２のガラス基材１２と直接接合される接合界面を形成する。つまり、無機接合層１３２は、当該接合界面を形成するためのバッファ層として機能する。当該バッファ層は、偏光分離層１３の一部を構成し、偏光分離膜１３１に積層されることで所定の偏光分離機能を果たす。

【0031】

無機接合層１３２を構成するシリコン化合物としては、シリコン酸化物（ＳｉＯ₂、ＳｉＯ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、シリコン酸化炭化物（ＳｉＯＣ）等が挙げられる。無機接合層１３２は、第２のガラス基材１２の接合面１２ａと直接接合されているため、界面に接着剤を介在させることなく、無機接合層１３２を接合面１２ａに一体的に接合することができる。

【0032】

直接接合としては、例えば、プラズマ接合が挙げられる。プラズマ接合では、無機接合層１３２と接合面１２ａとの間に、シリコン－酸素共有結合あるいはシリコン－シリコン共有結合を形成することで、無機接合層１３２が接合面１２ａに強固に固定される。直接接合には、プラズマ接合のほか、拡散接合などの固相接合法が採用されてもよい。

【0033】

本実施形態において無機接合層１３２は、シリコン酸化物、特に、二酸化ケイ素で構成される。これにより、ＳｉＯ₂を主成分とするガラス材に近い屈折率が得られるため、無機接合層１３２と第２のガラス基材１２との接合界面における屈折率差はあるが当該接合界面の厚みが１ｎｍ以下と波長に比べて十分に小さいので、屈折率差に起因する反射をなくすことができる。

【0034】

無機接合層１３２及び接合面１２ａの表面粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以下である。これにより、第２のガラス基材１２に対する無機接合層１３２のプラズマ接合による直接接合処理を安定に行うことができる。無機接合層１３２及び接合面１２ａの表面粗さ（Ｒａ）は、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以下であることがより好ましい。

【0035】

無機接合層１３２の厚みは、上記接合界面を形成するのに十分な厚みを有していればよく、例えば、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。これにより、第１及び第２のガラス基材１１，１２間の接合厚みを小さくすることができるため、偏光分離素子１０及び偏光変換素子１００の小型化を図ることができるとともに、第２のガラス基材１２との接合時の加熱によるガスの発生量を抑制することができる。無機接合層１３２の厚みを２００ｎｍ以上とすることで、偏光分離層１３の一部（低屈折率材料層）として無機接合層１３２を機能させることができる。なお、無機接合層１３２の厚みは２００ｎｍ未満であってもよく、接合界面を形成することが可能であれば特に限定されない。

【0036】

一方、反射層１４は、偏光分離層１３によって反射されたＳ偏光光Ｌｓを光出射面１０２に向けて再び反射する光学機能膜であり、第１のガラス基材１１と第２のガラス基材１２との間に偏光分離層１３と平行に配置される。反射層１４は、例えば、誘電体多層膜で構成される。誘電体多層膜としては、酸化ケイ素と酸化チタンとを交互に積層した多層膜が挙げられる。反射層１４は、誘電体多層膜で構成されてもよい。

【0037】

反射層１４は、第１のガラス基材１１の表面（接合面１１ａとは反対側の面）に上記誘電体多層膜が形成された後、第２のガラス基材１２の表面（接合面１２ａとは反対側の面）に接合される。接合方法は特に限定されず、直接接合でもよいし、接着剤を用いた接合であってもよい。直接接合の場合、誘電体多層膜の表面に二酸化ケイ素膜を形成し、当該に酸化ケイ素膜を第１のガラス基材１１へプラズマ接合により接合される。

【0038】

偏光分離素子１０は、例えば図４に示すように、偏光分離層１３及び反射層１４がそれぞれ形成された第１のガラス基材１１の両面に第２のガラス基材１２が接合された素子集合体１０Ｍを、切断線Ｃに沿って切断することで形成される。図５Ａ～Ｃに示すように、個片化された個々の偏光分離素子１０ｐは、長手方向の両端がラップ研磨され、光入射面１０１及び光出射面１０２に反射防止膜１０１ｍ，１０２ｍが形成された後、長手方向に両端どうし接合される。

【0039】

［無機波長板］
無機波長板２０は、反射層１４で反射されたＳ偏光光ＬｓをＰ偏光光Ｌｐに変換する光学素子（１／２波長板）である。無機波長板２０は、典型的には、Ｘ軸方向に長手の矩形状の水晶板で構成され、偏光分離素子１０の光出射面１０２に所定の間隔をおいて配置される。

【0040】

無機波長板２０の光入射側及び光出射側の各面には、反射防止膜２１が形成される。反射防止膜２１は、誘電体多層膜であり、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅などの誘電体多層膜で構成される。

【0041】

無機波長板２０は、Ｘ軸方向の長手の短冊形状を有し、図１に示すように反射層１４からの反射光（Ｓ偏光光Ｌｓ）の光路上にそれぞれ間隔をあけて複数配置される。各無機波長板２０は、第２の支持フレーム１２０に共通に支持される。

【0042】

［支持体］
支持体３０は、第１の支持フレーム１１０と第２の支持フレーム１２０との接合体で構成される。第１の支持フレーム１１０は、複数のアパーチャ１１１を有する金属板で構成され、偏光分離素子１０の光入射面１０１側に配置される。第２フレーム１２０は、偏光分離素子１０の光出射面１０２側に配置された額縁状の金属板で構成される。第１の支持フレーム１１０及び第２の支持フレーム１２０は、偏光分離素子１０及び無機波長板２０を挟んで接着層１３０もしくは適宜の連結機構を介して相互に接合される。

【0043】

支持体３０は、無機波長板２０が偏光分離素子１０の光出射面１０２の所定位置に対向するように偏光分離素子１０と無機波長板２０とを共通に支持する。これにより、偏光分離素子１０と無機波長板２０との間を接着剤等により相互に接合することなく、偏光分離素子１０と無機波長板２０との相対的位置関係が維持される。したがって、偏光分離素子１０と無機波長板２０との間の接着剤の存在による耐熱性、耐光性及び透光性の低下を回避することができる。

【0044】

第１の支持フレーム１１０は額縁形状を有し、偏光分離素子１０の光入射面１０１に接する。第２の支持フレーム１２０は、無機波長板２０を支持する開口部が面内に形成された板形状を有する。第１及び第２の支持フレーム１１０，１２０は、周辺を補強することで互いの接合強度が確保される。第１及び第２の支持フレーム１１０，１２０の構成材料は特に限定されず、典型的には金属材料で構成される。接着層１３０は、紫外線硬化樹脂等の有機材料で構成され、第２の支持フレーム１２０と無機波長板２０及び偏光分離素子１０との間を接着し、入射光Ｌが照射されない領域に配置される。これにより、光の照射による接着層１３０の劣化を回避することができる。

【0045】

［偏光分離素子の製造方法］
続いて、偏光分離素子１０の製造方法、特に、偏光分離層１３の製造方法について説明する。

【0046】

本実施形態の偏光分離素子１０の製造方法は、第１のガラス基材１１の表面（接合面１１ａ）に偏光分離膜１３１を形成する工程と、偏光分離膜１３１の上にシリコン化合物からなる無機接合層１３２を形成する工程と、無機接合層１３２に、第２のガラス基材１２をプラズマ接合により接合する工程とを有する。

【0047】

（方法１）
図６は、偏光分離素子１０の製造方法の一例を示す概略工程図である。この例では、第１のガラス基材１１上に偏光分離膜１３１及び無機接合層１３２が成膜され（図６Ａ）、無機接合層１３２の表面及び第２のガラス基材１２の接合面１２ａが研磨により平坦化された後（図６Ｂ）、無機接合層１３２と第２のガラス基材１２とが直接接合される（図６Ｃ）。つまり、本例では、無機接合層１３２を形成した後、第２のガラス基材１２を接合する前に、無機接合層１３２及び第２のガラス基材１２の接合面１２ａが研磨される。

【0048】

偏光分離膜１３１及び無機接合層１３２の成膜方法は特に限定されず、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、真空蒸着法、イオンアシスト蒸着法等が適用可能である。偏光分離膜１３１を構成する誘電体多層膜には、例えば、低屈折率材料層としてＳｉＯ₂を、高屈折率材料層としてＴａ₂Ｏ₅を用いることができる。各材料層の厚み、層数等は、要求される偏光分離特性に応じて適宜設定可能である。一例として、図７に示すように、偏光分離膜１３１は１２層の誘電体多層膜で構成され、その上層（１３層目）に無機接合層１３２を構成する二酸化ケイ素膜が形成される。

【0049】

無機接合層１３２及び第２のガラス基材１２の接合面１２ａは、表面粗さ（Ｒａ）が１ｎａｍ以下、より好ましくは、０．５ｎｍ以下となるように研磨される。研磨方法は特に限定されず、典型的には、ｎｍオーダで表面粗さを調整できる高精度研磨法が採用される。これにより、後述するプラズマ接合により、所望とする接合強度を得ることができる。

【0050】

無機接合層１３２の表面を研磨することで第２のガラス基材１２との接合に必要な表面粗さが得られるため、第１のガラス基材１１の接合面１１ａやその上に成膜される偏光分離膜１３１の表面粗さは１ｎｍ以上であってもよい。これにより、接合面１１ａの加工コストや偏光分離膜１３１の膜厚制御が容易となる。また、無機接合層１３２は、研磨により厚みが削減されるため、例えば５０００ｎｍの厚みで成膜され、その後、例えば２０００ｎｍ以下の厚みになるまで研磨される。

【0051】

無機接合層１３２と第２のガラス基材１２との接合には、プラズマ接合が用いられる。プラズマ接合では、まず、第１のガラス基材１１上の無機接合層１３２の表面と、第２のガラス基材１２の接合面１２ａとに、プラズマ活性処理が施される。これにより、無機接合層１３２の表面及び接合面１２ａにＯＨ基が生成されることで親水化される。

【0052】

プラズマ活性処理に使用されるガスには、酸素（Ｏ₂）、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ₂）等を用いることができる。特に、無機接合層１３２及び接合面１２ａの構成元素と同種のガス（本例では酸素）を使用することで、無機接合層１３２及び接合面１２ａの変質を抑制することができる。

【0053】

続いて、無機接合層１３２と第２のガラス基材１２とが貼り合わされ、各々のＯＨ基間の水素結合により仮接合状態となる。この状態で、例えば２００℃以上の温度に熱処理（アニール）し、界面のＳｉ－ＯＨを脱水縮合反応させ、シリコン－酸素共有結合あるいはシリコン－シリコン共有結合を形成することで、プラズマ接合が完了する。

【0054】

（方法２）
図８は、偏光分離素子１０の製造方法の他の一例を示す概略工程図である。この例では、第１のガラス基材１１の接合面１１ａ及び第２のガラス基材１２の接合面１２ａが研磨により平坦化され（図８Ａ）、第１のガラス基材の接合面１１ａに偏光分離膜１３１及び無機接合層１３２が順に成膜された後（図８Ｂ）、無機接合層１３２と第２のガラス基材１２とが直接接合される（図８Ｃ）。つまり、本例では、偏光分離層１３が形成される前に、第１のガラス基材の接合面１１ａが研磨され、第２のガラス基材１２を無機接合層１３２に接合する前に、第２のガラス基材１２の接合面１２ａが研磨される。

【0055】

偏光分離膜１３１及び無機接合層１３２の成膜方法は、本例では、表面の平坦度が高い成膜法が用いられる。このような成膜方法としては、例えば、イオンビームスパッタリング、バイアススパッタリング等のような成膜面の面粗度の小さい成膜方法が適用可能であり、これにより、表面粗さ（Ｒａ）が例えば０．５ｎｍ以下の高い平坦度をもった蒸着膜を形成することができる。このような成膜法によって偏光分離層１３が形成されることで、研磨処理を必要とすることなく無機接合層１３２の表面を所望とする平坦度で形成することができるため、無機接合層１３２の厚みを例えば２００ｎｍ程度にまで薄くすることができる。

【0056】

無機接合層１３２と第２のガラス基材１２との接合工程では、上述の方法１と同様なプラズマ接合処理が行われる。本例では、無機接合層１３２の厚みを小さくすることができるため、アニール時における無機接合層１３２からの脱ガス量を低減することができるという利点がある。

【0057】

以上のように構成される本実施形態の偏光変換素子１００においては、偏光分離層１３と第２のガラス基材１２の接合面１２ａとの接合部がシリコン化合物からなる無機接合層１３２で構成されているため、耐熱性及び耐光性の向上を実現することができる。さらに、無機接合層１３２が接合面１２ａに直接接合により接合されるため、接合界面における屈折率差はあるが当該接合界面の厚みが１ｎｍ以下と波長に比べて十分小さいので、屈折率差に起因する反射をなくして透過率を向上させることができる。

【0058】

例えば、図９に、上述の方法１で作製された偏光分離素子１０の光学特性を示す。図９より、可視光域において高い偏波消光比が得られることが確認される。図示せずとも、上述の方法２で作製された偏光分離素子によっても図９と同様な光学特性が得られることが確認されている。

【0059】

ここで、一般的に、屈折率（ｎd）が１．５付近の汎用ガラス（白板ガラス、青板ガラス、ＢＫ７など）をガラス基材に用いて偏光分離膜を成膜する場合、低屈折率材料であるＭｇＦ₂（フッ化マグネシウム、ｎd：１．３８）を用いないと所望とする光学特性（透過率）が得られにくい。しかし、ＭｇＦ₂は、膜応力が大きいため、誘電体多層膜を形成することが困難であり、接合時に温度を２００℃に上げた際に多層膜が破壊されてしまう。このため、プラズマ接合などの直接接合により偏光分離膜をガラス基材に接合することができず、紫外線硬化型接着剤などの有機系の接着剤を用いる必要があった。
しかしながら、ガラス基材と偏光分離膜との接合部に有機系の接着剤が用いられているため、耐熱性が低く、光による劣化が避けられない。

【0060】

これに対して本実施形態の偏光分離素子１０によれば、ガラス基材と偏光分離膜との接合部に有機系の接着剤が介在していないため、耐熱性及び耐光性が向上し、光源の高出力化あるいは光エネルギの高密度化にも十分に対応することが可能となる。また、光の光路上に接着剤が存在しないため、接合界面における屈折率差はあるが当該接合界面の厚みが１ｎｍ以下と波長に比べて十分小さいので、屈折率差に起因する反射をなくして透過率を向上させることができる。

【0061】

しかも、本実施形態では、第１及び第２のガラス基材１１，１２に屈折率が１．６以上１．８以下のガラス材が用いられるため、偏光分離膜１３１の低屈折率材料に二酸化ケイ素を、高屈折率材料にＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅などの一般的な材料を用いて、所望とする光学特性を確保することができる。

【0062】

さらに本実施形態の偏光変換素子１００によれば、無機波長板２０が偏光分離素子１０を支持する支持体３０に共通に支持されているため、偏光分離素子１０から無機波長板２０に至る光路上に有機系の接着剤を介在させることなく無機波長板２０を偏光分離素子１０の光出射面１０２に対して非接触で配置することができる。これにより、偏光変換素子１００の耐熱性、耐光性及び光透過率を向上させることができる。

【0063】

なお、一般的に屈折率（ｎd）が１．４５の石英や１．５付近の汎用ガラス（白板ガラス、青板ガラス、ＢＫ７、Bolofloatなど）に対して低屈折率材料に膜応力の大きいＭｇＦ₂を用いる場合にも本技術は適用可能である。この場合、接合時に温度を上げた際に多層膜中にマイクロクラックが発生したり、光学特性に劣ったりすることはあるが、素子の作製は可能である。

【0064】

同様に、屈折率（ｎd）が１．４５の石英や１．５付近の汎用ガラス（白板ガラス、青板ガラス、ＢＫ７、Bolofloatなど）に対して低屈折率材料に膜応力の小さい二酸化ケイ素を用いてもよい。この場合もやはり光学特性は劣るが素子の作製は可能である。

【0065】

＜第２の実施形態＞
続いて、以上のように構成される偏光変換素子１００を有する照明光学系を備えた画像表示装置について説明する。図１０は、本技術の一実施形態に係る画像表示装置２００を示す概略構成図である。

【0066】

本実施形態の画像表示装置２００は、偏光を出射する照明光学系２４０と、照明光学系２４０から出射された光を分光する分光光学系２５０と、分光光学系２５０によって分光された光をそれぞれ変調する液晶パネル６３，６８，７３を備える。また、画像表示装置２００は、液晶パネル６３，６８，７３によって変調されたそれぞれの光を合成する光合成部８０と、光合成部８０により合成された光を投射する投射レンズ９０を備える。

【0067】

照明光学系２４０において、超高圧水銀ランプ等の光源４１から出射された白色光は、リフレクタ４２によって反射され、防爆ガラス４３を透過して出射される。ＵＶカットフィルタ４４は、防爆ガラス４３を透過した光から紫外線を除去する。ＵＶカットフィルタ４４を透過した光は、第１のフライアイレンズ４５及び第２のフライアイレンズ４６によって輝度ムラが低減され、偏光変換素子１００に入射する。偏光変換素子１００は、入射した光を例えばＰ偏光光に変換する。そして、このＰ偏光光が照明光学系２４０から出射される。

【0068】

照明光学系２４０から出射された光は、コンデンサレンズ４８によってコリメートされ、分光光学系２５０に入射する。分光光学系２５０は、照明光学系２４０からの白色光のうち青色光を透過し、赤色光及び緑色光を反射するダイクロイックミラー４９を含む。また、分光光学系２５０は、ダイクロイックミラー４９によって反射された光の光路上に配置され、緑色光を反射し、赤色光を透過するダイクロイックミラー５３を含んで構成される。

【0069】

ダイクロイックミラー４９を透過した青色光は、ＵＶ吸収フィルタ５１を透過することにより紫外線をカットされる。ＵＶ吸収フィルタ５１を透過した青色光は、ミラー５２によって反射されるとともに、コンデンサレンズ６１に入射する。コンデンサレンズ６１によって集光された青色光は、入射側偏光板６２によって直線偏光に偏光方向が揃えられ、液晶パネル６３に入射する。液晶パネル６３の後段には、検光子としての出射側偏光板６４が配置されており、液晶パネル６３を透過した光のうち、所定の偏光方向の光のみを透過させる。

【0070】

液晶パネル６３には、例えば、ツイストネマチック型のものを用いることができる。この場合、液晶パネル６３の各画素には、画像情報に応じた青色光用の信号電圧が印加され、この電圧に応じて各画素を透過する青色光の偏光方向が回転される。画素毎に偏光方向の異なった青色光を出射側偏光板６４に透すことにより、画像情報に対応した強度分布を有する青色像光が得られる。出射側偏光板６４を透過した青色光は、光合成部８０の入射面に設けられた１／２波長フィルム６５を透過することによって偏光方向が９０°回転された後、合成プリズム等の光合成部８０に入射する。

【0071】

ダイクロイックミラー５３によって反射された緑色光は、コンデンサレンズ６６に入射する。コンデンサレンズ６６によって集光された緑色光は、入射側偏光板６７によって直線偏光となり、液晶パネル６８に入射する。液晶パネル６８は、画像情報に応じて、各画素を透過する緑色光の偏光方向を回転させる。液晶パネル６８を透過した緑色光が出射側偏光板６９を透過することによって、画像情報に対応した強度分布を有する緑色像光が得られる。出射側偏光板６９を透過した緑色光は、光合成部８０に入射する。

【0072】

一方、ダイクロイックミラー５３を透過した赤色光は、集光レンズ５４及びミラー５５を介して波長選択フィルタ５６へ入射する。波長選択フィルタ５６は、バンドパスフィルタ等で構成され、有効な赤色光のみを後段に透過させる。波長選択フィルタ５６を透過した赤色光は、集光レンズ５７及びミラー５８を介してコンデンサレンズ７１に入射する。

【0073】

コンデンサレンズ７１によって集光された赤色光は、入射側偏光板７２によって直線偏光となり、液晶パネル７３に入射する。液晶パネル７３は、画像情報に応じて、各画素を透過する赤色光の偏光方向を回転させる。液晶パネル７３を透過した赤色光が出射側偏光板７４を透過することによって、画像情報に対応した強度分布を有する赤色像光が得られる。出射側偏光板７４を透過した赤色光は、光合成部８０の入射面に設けられた１／２波長フィルム７５を透過することによって偏光方向が９０°回転された後、光合成部８０に入射する。

【0074】

光合成部８０は、赤色光と緑色光と青色光とを同一光路上に合成する。合成プリズムから出射された合成光は、投射レンズ９０によって、図示しないスクリーンに拡大投射される。

【0075】

なお、ここでは、画像情報に応じて光を変調する変調器として透過型の液晶パネルを示したが、反射型液晶パネルや、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いた他の方式により変調が行われてもよい。

【0076】

本実施形態の画像表示装置２００によれば、第１の実施形態で説明した偏光変換素子１００を照明光学系２４０に備えているため、耐熱性、耐光性及び光透過率に優れた照明光学系を構築することができる。また、光源の高出力化あるいは光エネルギの高密度化にも対応することができるため、高輝度の画像を形成することができる。

【0077】

以上、本技術の実施形態について説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、種々変更を加え得ることは勿論である。

【0078】

例えば以上の実施形態では、偏光分離素子１０の偏光分離膜１３１がＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する光学機能膜で構成されたが、これに限られず、Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する光学機能膜で構成されてもよい。あるいは、無機波長板２０には、Ｓ偏光をＰ偏光に変換する波長板に限られず、Ｐ偏光をＳ偏光に変換する波長板が用いられてもよい。

【0079】

偏光分離膜１３１の層数は１２層に限られず、例えば、９～１３層であってもよい。各層の厚みも任意に設定することができる。偏光分離膜１３１の総厚も特に限定されず、例えば、１５００～２０００ｎｍで適宜設定することができる。

【0080】

さらに以上の実施形態では、光学素子として偏光分離膜を有する偏光分離素子を例に挙げて説明したが、これに限られず、反射防止膜や波長選択膜等の光学機能膜を備えた光学素子にも本技術は適用可能である。

【0081】

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１） 第１の接合面を有する第１のガラス基材と、
第２の接合面を有する第２のガラス基材と、
前記第１の接合面を被覆する光学機能膜と、
前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層と
を具備する光学素子。
（２）上記（１）に記載の光学素子であって、
前記シリコン化合物は、シリコン酸化物である
光学素子。
（３）上記（１）又は（２）に記載の光学素子であって、
前記直接接合は、プラズマ接合である
光学素子。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の光学素子であって、
前記無機接合層及び前記第２の接合面の表面粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以下である
光学素子。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の光学素子であって、
前記無機接合層の厚みは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である
光学素子。
（６）上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の光学素子であって、
前記光学機能膜は、第１の屈折率を有する第１の誘電体と、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体とを交互に積層した光学多層膜である
光学素子。
（７）上記（６）に記載の光学素子であって、
前記光学多層膜は、偏光分離膜である
光学素子。
（８）上記（７）に記載の光学素子であって、
前記第１のガラス基材及び前記第２のガラス基材各々の屈折率（ｎ_ｄ）は、１．６以上１．８以下である
光学素子。
（９） 第１の接合面を有する第１のガラス基材と、第２の接合面を有する第２のガラス基材と、前記第１の接合面に設けられた光学機能膜と、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層とを有する偏光分離素子と、
前記無機接合層を透過した第１の偏光を、前記第１の偏光と直交する第２の偏光に変換する無機波長板と
前記偏光分離素子に対して前記無機波長板が間隔を介して対向するように前記偏光分離素子と前記無機波長板とを共通に支持する支持体と
を具備する偏光変換素子。
（１０） 第１の接合面を有する第１のガラス基材と、第２の接合面を有する第２のガラス基材と、前記第１の接合面に設けられた光学機能膜と、前記光学機能膜と前記第２の接合面との間に設けられ、前記第２の接合面と直接接合により接合されたシリコン化合物からなる無機接合層とを有する偏光分離素子と、
前記無機接合層を透過した第１の偏光を、前記第１の偏光と直交する第２の偏光に変換する無機波長板と
前記偏光分離素子に対して前記無機波長板が間隔を介して対向するように前記偏光分離素子と前記無機波長板とを共通に支持する支持体と
を有する偏光変換素子
を具備する画像表示装置。
（１１） 第１のガラス基材の表面に光学機能膜を形成し、
前記光学機能膜の上にシリコン化合物からなる無機接合層を形成し、
前記無機接合層に、第２のガラス基材をプラズマ接合により接合する
光学素子の製造方法。
（１２）上記（１１）に記載の光学素子の製造方法であって、さらに、
前記無機接合層を形成した後、前記第２のガラス基材を接合する前に、前記無機接合層及び前記第２のガラス基材の接合面を研磨する
光学素子の製造方法。
（１３）上記（１１）に記載の光学素子の製造方法であって、さらに、
前記光学機能膜を形成する前に、前記第１のガラス基材の表面を研磨し、
前記第２のガラス基材を前記無機接合層に接合する前に、前記第２のガラス基材の接合面を研磨する
光学素子の製造方法。
（１４）上記（１１）～（１３）のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法であって、
前記無機接合層は、イオンビームスパッタ法又はバイアススパッタ法により形成される
光学素子の製造方法。

【符号の説明】

【0082】

１０…偏光分離素子
１１…第１のガラス基材
１２…第２のガラス基材
１３…偏光分離層
１４…反射層
２０…無機波長板
３０…支持体
１００…波長変換素子
１３１…偏光分離膜
１３２…無機接合層
２００…画像表示装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】