JP6027199B2

JP6027199B2 - 位相差素子及びその製造方法

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Publication number: JP6027199B2
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Inventors: 伸幸小池; 佐々木　正俊; 正俊佐々木; 直樹花島; 昭夫高田; 山田　隆俊; 隆俊山田
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Description

本発明は、１／２波長板や１／４波長板に代表される位相差素子に関する。さらに詳しくは、使用帯域の光において、面内軸方向での光屈折率の違いを利用した位相差素子及びその製造方法に関する。

従来、位相差素子は、水晶などの無機光学単結晶、あるいは高分子延伸フィルムにより作られている。しかし、無機光学単結晶は、位相差素子として性能、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問題があるという欠点を有している。

また、位相差素子として、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（例えば、特許文献１乃至３、及び非特許文献１を参照。）。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共に、大量生産により低コスト化の可能性がある。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素子を提供することができる。

特開２００１−２２８３３０号公報特開２００６−１７１３２８号公報特開昭６３−１３２２０３号公報

Serial bideposition of anisotropic thin films with enhanced linear birefringence /APPLIED OPTICS / Vol. 38, No. 16 / 1 June 1999

前述のように斜方蒸着膜による位相差素子は、耐光性・耐熱性に優れているものの、蒸着材料にＴａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２などの高屈折率物質を用いているため、主たる透明基板であるガラス、石英などの屈折率と大きな差が生じ、基板／蒸着膜界面で入射光の反射が起こってしまう。

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、入射光の反射を低減することができる位相差素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するために、本発明に係る位相差素子は、透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、前記透明基板と斜方蒸着膜の間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜とを備え、前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なることを特徴とする。

また、本発明に係る位相差素子の製造方法は、透明基板上に低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層し、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、前記３層の誘電層の平均屈折率が、前記透明基板の屈折率よりも大きく、次に形成される斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜を形成し、前記界面反射防止膜上に誘電体材料を１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着して、２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なり、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る液晶プロジェクターは、透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、前記透明基板と前記斜方蒸着膜との間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜とを備え、前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なる位相差素子が、偏光ビームスプリッタと液晶セルとの間に配置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光学機器は、透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、前記透明基板と前記斜方蒸着膜との間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜とを備え、前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なる位相差素子が搭載されていることを特徴とする。

本発明では、透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜との間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜を備え、前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なるため、入射光の反射を低減し、光学特性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る位相差素子を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態に係る位相差素子の製造方法を示すフローチャートである。反射型液晶プロジェクター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。界面反射防止膜が形成されていない位相差素子のシミュレーションモデルを示す模式図である。石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。界面反射防止膜が形成されていない位相差素子の反射率を示すグラフである。界面反射防止膜が形成されている位相差素子のシミュレーションモデルを示す模式図である。Ａｌ_２Ｏ_３界面反射防止膜、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。Ａｌ_２Ｏ_３界面反射防止膜が形成された位相差素子の反射率を示すグラフである。ＳｉＯ_２界面反射防止膜、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。ＳｉＯ_２界面反射防止膜が形成された位相差素子の反射率を示すグラフである。最適界面反射防止膜、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。最適界面反射防止膜が形成された位相差素子の反射率を示すグラフである。最適界面反射防止膜の反射率を示すグラフである。３層構造膜及び最適界面反射防止膜の反射率を示すグラフである。３層構造膜のＮｂ_２Ｏ_５膜の厚さを２．３ｎｍ、３．３ｎｍ、又は４．３ｎｍとしたときの反射率を示すグラフである。３層構造の第２層をＡｌ_２Ｏ_３膜としたときの位相差素子の反射率を示すグラフである。３層構造の第２層をＮｂ_２Ｏ_５膜としたときの位相差素子の反射率を示すグラフである。３層構造の界面反射防止膜を形成した位相差素子及び界面反射防止膜が形成されていない位相差素子の反射率を示すグラフである。斜方蒸着膜の屈折率に対する３層構造の界面反射防止膜を形成した位相差素子の反射率を示すグラフである。３層構造の第１層のＳｉＯ_２膜及び第３層のＳｉＯ_２膜の厚さを変えたときの位相差素子の反射率を示すグラフである。実施例の位相差素子の構造を示す模式図である。実施例の位相差素子の構造を示す模式図である。リタデーション（Ｒｅ）の波長依存性を示すグラフである。透過率の波長依存性を示すグラフである。反射率の波長依存性を示すグラフである。実施例及び比較例の位相差素子の反射率を示すグラフである。実施例の位相差素子のリタデーションの入射角度依存性を示すグラフである。実施例の位相差素子のリタデーションの入射角度依存性を示すグラフである。比較例の位相差素子のリタデーションの入射角度依存性を示すグラフである。位相差素子に対する入射角度を説明するための模式図である。

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．位相差素子の構成
２．位相差素子の製造方法
３．液晶プロジェクターへの適用例
４．実施例

＜１．位相差素子の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る位相差素子を示す概略断面図である。図１に示すように、位相差素子１は、透明基板１１と、透明基板１１上に高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層された界面反射防止膜１２と、界面反射防止膜１２上に誘電体材料が１８０°異なる２方向から各層の厚さが使用波長以下であるように交互に斜方蒸着された斜方蒸着膜１３と、斜方蒸着膜１３上に形成されたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）誘電体膜１４とを備える。また、これらの表裏両面に積層誘電体からなる反射防止膜１５Ａ、１５Ｂを備える。

透明基板１１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１１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、例えば反射型液晶プロジェクターの位相差素子の場合、特に好ましく用いられる。

界面反射防止膜１２は、透明基板１１と斜方蒸着膜１３との間に高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層されて構成され、透明基板１１と斜方蒸着膜１３との界面での入射光の反射を低減させるマッチング膜として機能する。この界面反射防止膜１２は、ある単層材料からだけでは、基材の表面性と反射防止効果を持つ屈折率の両方を満たすことは難しい。そこで、本実施の形態では、界面反射防止膜１２を高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層された２層以上とすることにより、反射率を低減させる。

また、界面反射防止膜１２は、斜方蒸着膜１３に接する膜がＳｉＯ_２であることが好ましい。界面反射防止膜１２の最上部を透明基板と同材質のＳｉＯ_２とすることにより、斜方蒸着膜１３の光学特性の変動を抑えることができる。また、このＳｉＯ_２の膜厚は、６０ｎｍ以上であることが好ましい。ＳｉＯ_２の膜厚を６０ｎｍ以上とすることにより、優れた光学特性を有する斜方蒸着膜１３を得ることができる。斜方蒸着膜１３においては、複屈折などの光学特性は成膜する基材表面に大きく依存するため、斜方蒸着膜／基板界面では、一般的な反射防止膜設計に斜方蒸着膜特有の効果を考慮する必要がある。

界面反射防止膜１２の屈折率は、透明基板１１の屈折率よりも高く、斜方蒸着膜１３の屈折率よりも小さい。これにより、入射光の反射を低減させることができる。

より具体的には、界面反射防止膜１２の平均屈折率ｎは、下記式（１）の関係にあることが好ましい。

ここで、ｎｓｕｂは透明基板１１の屈折率、ｎ_ｏｂｌｘ，ｎ_ｏｂｌｙ（ｎ_ｏｂｌｘ＞ｎ_ｏｂｌｙ）はそれぞれ斜方蒸着膜１３の面内の直交２軸ｘ，ｙの屈折率である。

界面反射防止膜１２の屈折率は、位相差素子を利用する波長帯域によって決定され、例えば、基準波長を５５０ｎｍとしたとき、ガラス基板の屈折率が１．５１、斜方蒸着膜の屈折率が約１．６３であるとすると、これらの中間値である屈折率１．５３相当となるような誘電体を成膜すればよい。

また、界面反射防止膜１２は、低屈折率膜と高屈折率膜と低屈折率膜とがこの順に積層された３層構造であり、低屈折率膜の屈折率ｎＬが１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率ｎＨが２．０より大きいことが好ましい。このような高屈折率膜としては、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＬａＴｉＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５などの高屈折材料を用いることができる。

また、斜方蒸着膜の面内直交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以下の範囲にあるとき、３層構造の高屈折率膜の膜厚が０．５以上５．５ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。これにより、青色波長帯域（４４０〜５１０ｎｍ）において０．３％以下の反射率を実現することができる。

また、この３層構造の界面反射防止膜の膜厚は、設計中心波長の９０％以下であることが好ましい。界面反射防止膜の膜厚が設計中心波長の９０％以下であることにより、反射率を低減させることができる。

斜方蒸着膜１３は、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着されている。斜方蒸着は、膜内不均質（成膜初期と終期の屈折率差）が生じることが知られている。斜方蒸着膜１３による積層構造を設けた素子は、この屈折率差により、各層間で反射率が大きくなる。また、この屈折率差は、各層の膜厚に比例する。そこで、本実施の形態では、各層の厚さを使用波長以下とすることにより、層内での屈折率差を小さくし、各層間での反射を低減させることができる。さらに、各層の厚さを使用波長以下とすることにより、視野角依存性を改善させることができる。したがって、例えば反射型液晶プロジェクターに適用すれば、投影画像のコントラスト向上、色むらや色度のずれを低減することが可能となる。

斜方蒸着膜１３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膜を得ることが可能となる。

ＣＶＤ誘電体膜１４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１４を成膜することにより、斜方蒸着膜１３への大気中の水分の出入りを防止することができる。

反射防止膜（ＡＲ膜）１５Ａ、１６Ｂ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。

このような構成の位相差素子によれば、入射光の反射を低減し、かつ視野角依存性を改善させることができる。

＜２．位相差素子の製造方法＞
次に、本実施の形態における位相差素子の製作方法について説明する。図２は、本発明の一実施の形態に係る位相差素子の製造方法を示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ１では、透明基板に、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより界面反射防止膜として積層の誘電体膜を成膜する。誘電体には、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｌａなどの酸化物、Ｍｇのフッ化物、又はそれらを組み合わせたものを用いることができる。そして、透明基板１１の屈折率と斜方蒸着膜１３の屈折率の中間の値を持つ界面反射防止膜１２を得る。この界面反射防止膜１２の斜方蒸着膜１３と接する最上部の膜は、ＳｉＯ_２であることが好ましい。

ステップＳ２では、界面反射防止膜１２に、斜方蒸着により高屈折率材料を成膜する。具体的には、成膜する度に透明基板１１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１３を成膜する。この際、１層あたりの膜厚を波長以下とする多層構造とする。また、斜方蒸着膜中に耐湿性向上の目的で低屈折率物質(23) JP 2012-242449 A 2012.12.10を充填してもよい。高屈折率材料としては、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｌａなどの酸化物、又はそれらを組み合わせたものを用いることができる。

また、斜方蒸着膜１３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、斜方蒸着膜１３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誘電体を成膜する。

ステップＳ３では、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。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。

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等の切断装置を用いることができる。

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。

＜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素子を１／４波長板として機能させ、反射型の液晶セルを用いた反射型液晶プロジェクターに搭載させた適用例について説明する。反射型液晶プロジェクターでは、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、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される。

図３は、反射型液晶プロジェクター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。この反射型液晶プロジェクターは、偏光ビームスプリッタ２１と、本技術を適用した１／４波長板２２と、液晶セル２３とを備える。

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、各色に設けられた偏光ビームスプリッタ２１に入射する。偏光ビームスプリッタ２１の偏光面で反射するＳ偏光、又は透過するＰ偏光は、反射型液晶セル２３に入射し、画素ごとに変調した反射光が出射して再度偏光ビームスプリッタ２１に戻る。その際、各偏光ビームスプリッタ２１に入射する光は、平行光のみではなく、ある程度角度を有して入射する光も存在する。これにより、偏光ビームスプリッタ２１に入射する光線と入射光軸のなす角度が大きくなると、投影画像のコントラストが低下する。そのため、偏光ビームスプリッタ２１と液晶セル２３の間に１／４波長板２２を配置する。

ここで、仮に１／４波長板２２の基板／蒸着膜界面で入射光（ここではＳ偏光とする）がわずかに反射したとすると、入射光は１／４波長板を往復することになるため１／２波長板を通過したときと同様の影響を受け、Ｓ偏光からＰ偏光に変換されてしまう。この場合、反射型液晶プロジェクターで投影画像を黒表示としたいとき、Ｐ偏光が偏光ビームスプリッタに戻り、明部として投影（白表示）され、投影画像のコントラストが大幅に低下する。

一方、本技術を適用した１／４波長板２２は、入射光の反射が低減されているため、液晶セル２３から偏光ビームスプリッタ２１に戻る光は全てＳ偏光となり、Ｐ偏光として偏光ビームスプリッタ２２に戻ることがないため、投影画像のコントラストを大幅に改善することができる。

また、反射型液晶プロジェクターにおいては、１／４波長板２２、及び液晶セル２３に入射する光は、±１０度程度の角度依存性を有することが一般的であるが、本技術を適用した１／４波長板２２は、入射光に対する位相差の角度依存性が垂直入射光に対して小さく、かつ対称であるため、明るさや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素子は、前述した適用例に限られるものではなく、例えば、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。

＜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。

＜４．１位相差素子の界面反射防止膜を形成するためのシミュレーション＞
１／４波長板の界面反射防止膜を形成するため、シミュレーションを行った。ここでは、先ず、界面反射防止膜が形成されていない位相差素子と界面反射防止膜が形成された位相差素子とを比較した。そして、反射率を低減可能な界面反射防止膜として、高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層された３層構造について検討した。

［界面反射防止膜が形成されていない位相差素子］
図４は、界面反射防止膜が形成されていない位相差素子のシミュレーションモデルを示す模式図である。この位相差素子は、透明基板を石英とし、斜方蒸着膜をＴａ２Ｏ５とした。また、表面のみに反射防止膜（ＡＲ）を設けた。

また、図５は、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。また、図６は、界面反射防止膜が形成されていない位相差素子の反射率を示すグラフである。

図５及び図６から分かるように、石英基板と斜方蒸着膜には大きな屈折率差があり、図４に示す位相差素子の構造では、ｓ偏光成分及びｐ偏光成分の双方の反射率（Ｒｐ，Ｒｓ）を下げるのは困難であることが分かった。

［界面反射防止膜が形成された位相差素子］
次に、透明基板と斜方蒸着膜との間に界面反射防止膜を形成した位相差素子についてシミュレーションを行った。位相差素子は、図７に示すように、透明基板と斜方蒸着膜との間に界面反射防止膜を形成した。それ以外は図４に示す位相差素子と同様に、透明基板１１を石英とし、斜方蒸着膜１３をＴａ_２Ｏ_５とした。また、表面のみに反射防止膜（ＡＲ）を設けた。

図８は、Ａｌ_２Ｏ_３界面反射防止膜、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。また、図９は、Ａｌ_２Ｏ_３界面反射防止膜が形成された位相差素子の反射率を示すグラフである。

図８及び図９から分かるように、Ａｌ_２Ｏ_３界面反射防止膜は、屈折率がＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜よりも高く、青色波長帯域において反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）の低減の効果が小さいことが分かった。

図１０は、ＳｉＯ２界面反射防止膜、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。また、図１１は、ＳｉＯ_２界面反射防止膜が形成された位相差素子の反射率を示すグラフである。

図１０及び図１１から分かるように、ＳｉＯ_２界面反射防止膜は、屈折率が石英基板と差が小さく、青色波長帯域において反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）の低減の効果が小さいことが分かった。

次に、位相差素子の反射率が低くなる最適界面反射防止膜について、屈折率をシミュレーションにより求めた。

図１２は、最適界面反射防止膜、石英基板及びＴａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜の屈折率波長分散を示すグラフである。また、図１３は、最適界面反射防止膜が形成された位相差素子の反射率を示すグラフである。

図１２及び図１３から分かるように、最適界面反射防止膜の屈折率は、石英基板よりも高く、Ｔａ_２Ｏ_５斜方蒸着膜よりも低い。この最適界面反射防止膜は、反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）の低減の効果が大きく、青色波長帯域において０．２％以下の反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）が得られることが分かった。

以上より、界面反射防止膜の屈折率が、透明基板の屈折率よりも高く、斜方蒸着膜の屈折率よりも小さいことにより、位相差素子の反射率を低減させることが可能であることが分かった。

［３層構造による界面反射防止膜］
前述の最適界面反射防止膜は、単層で最適屈折率を満たす材料が存在しないため、積層による最適界面反射防止膜のシミュレーションを行った。その結果、最適設計膜厚が６６ｎｍの単層の最適界面反射防止膜は、ＳｉＯ_２膜とＮｂ_２Ｏ_５膜とＳｉＯ_２膜とがこの順に積層された３層構造膜で実現可能であることが分かった。

図１４は、最適界面反射防止膜の反射率を示すグラフである。また、図１５は、３層構造膜及び最適界面反射防止膜の反射率を示すグラフである。図１５に示すグラフより、ＳｉＯ２膜を７６ｎｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５膜を３．３ｎｍ、及びＳｉＯ２膜を４４ｎｍ、この順番に積層することにより、反射率が最適界面反射防止膜の最適反射率とほぼ一致することが分かった。

また、図１６は、３層構造膜のＮｂ_２Ｏ_５膜の厚さを２．３ｎｍ、３．３ｎｍ、又は４．３ｎｍとしたときの反射率を示すグラフである。図１６に示すグラフより、Ｎｂ_２Ｏ_５膜の厚さが±１ｎｍ変化すると大幅に反射率が変化し、Ｎｂ_２Ｏ_５膜の厚さが重要であることが分かった。

図１７は、３層構造の第２層をＡｌ_２Ｏ_３膜としたときの位相差素子の反射率を示すグラフである。３層構造のＮｂ_２Ｏ_５膜をＡｌ_２Ｏ_３膜に代えて最適化を試みたが、例えば、図１７に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３膜の屈折率が比較的小さいため、青色波長帯域において反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）の低減の効果が小さいことが分かった。

図１８は、３層構造の第２層をＮｂ_２Ｏ_５膜としたときの位相差素子の反射率を示すグラフである。ＳｉＯ_２膜を９５ｎｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５膜を３．０ｎｍ、及びＳｉＯ_２膜を３５ｎｍに最適化したところ、青色波長帯域において０．２％以下の反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）が得られた。

また、図１７及び図１８に示す結果より、３層構造の第２層をＴｉＯ_２、ＬａＴｉＯ_３，Ｔａ_２Ｏ_５などの高屈折材料で代用可能であることが分かった。

図１９は、３層構造の界面反射防止膜を形成した位相差素子及び界面反射防止膜が形成されていない位相差素子の反射率を示すグラフである。図１９に示すグラフから明らかなように、透明基板と斜方蒸着膜との間に、高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層された界面反射防止膜を設けることにより、位相差素子の反射率（Ｒｐ、Ｒｓ）を低減させることができることが分かった。

［斜方蒸着膜と界面反射防止膜との関係］
次に、ＳｉＯ_２膜、Ｎｂ_２Ｏ_５膜、及びＳｉＯ_２膜をこの順番に積層した３層構造の界面反射防止膜と、斜方蒸着膜の屈折率との関係についてシミュレーションを行った。なお、波長４５０ｎｍにおける透明基板の屈折率を１．４７とした。

図２０は、斜方蒸着膜の屈折率に対する３層構造の界面反射防止膜を形成した位相差素子の反射率を示すグラフである。ここで、界面反射防止膜は、ＳｉＯ_２膜を９３ｎｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５膜を３ｎｍ、及びＳｉＯ_２膜を３５ｎｍ、この順番に積層した３層構造とした。

図２０に示すグラフより、斜方蒸着膜の面内直交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以下の範囲にあるとき、青色波長帯域（４４０〜５１０ｎｍ）の反射率が０．３％以下となることが分かった。

表１に、斜方蒸着膜の屈折率ｎ_ｏｂｌｘ，ｎ_ｏｂｌｙ（ｎ_ｏｂｌｘ＞ｎ_ｏｂｌｙ）に対するＮｂ_２Ｏ_５膜の有効膜厚範囲のシミュレーション結果を示す。

斜方蒸着膜の屈折率ｎ_ｏｂｌｘ，ｎ_ｏｂｌｙ（ｎ_ｏｂｌｘ＞ｎ_ｏｂｌｙ）が１．５５のときＮｂ_２Ｏ_５膜の有効膜厚範囲は０．５〜３．５ｎｍとなり、斜方蒸着膜の屈折率ｎ_ｏｂｌｘ，ｎ_ｏｂｌｙ（ｎ_ｏｂｌｘ＞ｎ_ｏｂｌｙ）が１．７０のときＮｂ_２Ｏ_５膜の有効膜厚範囲は３．０〜５．５ｎｍとなることが分かった。

次に、図２１に示すように、３層構造の第２層のＮｂ_２Ｏ_５膜を３ｎｍに固定し、第１層のＳｉＯ_２膜や第３層のＳｉＯ_２膜の厚さを変えてシミュレーションを行った。図２１に示すグラフより、第１層のＳｉＯ_２膜及び第３層のＳｉＯ_２膜の厚さが±１０ｎｍ変動しても、反射率は大きく変動しないことが分かった。

これらのシミュレーション結果より、低屈折率膜、高屈折率膜、及び低屈折率膜をこの順番に積層した３層構造の界面反射防止膜は、低屈折率膜の屈折率ｎ_Ｌが１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率ｎ_Ｈが２．０より大きいことにより、反射率の低減が可能であることが分かった。そして、斜方蒸着膜の面内直交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以下の範囲にあり、３層構造の高屈折率膜の膜厚が０．１以上５．５ｎｍ以下の範囲にあることにより、青色波長帯域（４４０〜５１０ｎｍ）において０．３％以下の反射率を実現可能であることが分かった。

＜４．２１／４波長板の作製＞
次に、前述のシミュレーション結果を実証するために、１／４波長板を作製した。図２２は、実施例の位相差素子の構造を示す模式図である。また、図２３は、比較例の位相差素子の構造を示す模式図である。

［実施例］
石英基板上に、石英基板の屈折率と、斜方蒸着膜の屈折率の中間の値を持つ誘電体膜（界面反射防止膜）をスパッタにより成膜した。この界面反射防止膜は、相対的に高屈折率物質と低屈折率物質の２種類の物質を交互に積層した構造とした。具体的には、石英基板／ＳｉＯ_２（９３ｍ）／Ｎｂ_２Ｏ_５(３ｎｍ)／ＳｉＯ_２(３５ｎｍ)の構造とし、界面反射防止膜の最上部は、斜方蒸着膜の光学特性が変動しないように、基板と同材質のＳｉＯ_２とした。

次に、Ｔａ_２Ｏ_５を主成分とした蒸着材料を石英基板の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成膜するごとに石英基板を面内方向に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作製した。斜方蒸着膜の全層の膜厚は、青色波長帯域で１／４波長板として機能する約９００ｎｍとした。

［比較例］
界面反射防止膜を形成せずに、石英基板上に２層からなる斜方蒸着膜を作製した以外は、実施例と同様にして比較例の位相差素子を作製した。

石英基板上にＴａ_２Ｏ_５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、７５０ｎｍ成膜したのち基板を１８０°回転させ、成膜方向が異なる２層からなる斜方蒸着膜を作製した。２層の膜厚は、青色波長帯域で１／４波長板として機能する約１５００ｎｍとした。以上のようにして図２３に示す比較例の位相差素子を作製した。

［実施例及び比較例の光学特性］
図２４は、リタデーション（Ｒｅ）の波長依存性を示すグラフである。実施例及び比較例の位相差素子は、４６０ｎｍのリタデーションが約１１５ｎｍであり、１／４波長板として機能することが確認できた。

図２５は、透過率の波長依存性を示すグラフである。また、図２６は、反射率の波長依存性を示すグラフである。実施例の位相差素子は、比較例の位相差素子よりも透過率が１％程度高く、反射率が０．５％程度低い値を示すことが分かった。反射率の低下は、界面反射防止膜、及び斜方蒸着膜の多層化の効果であり、反射率を低下させたことで、透過率も向上させることができた。

次に、界面反射防止膜の効果を見積もるため、シミュレーションを行った。実施例で作製した位相差素子について、ＳｉＯ_２（９３ｍ）／Ｎｂ_２Ｏ_５(３ｎｍ)／ＳｉＯ_２(３５ｎｍ)の３層構造の界面反射防止膜の有無について、青色波長帯域の反射率を計算した。

図２７は、実施例及び比較例の位相差素子の反射率を示すグラフである。界面反射防止膜がない比較例の位相差素子に比べ、界面反射防止膜がある実施例の位相差素子は、反射率の平均値及びピーク値の両者とも半減する効果が示された。

また、本技術においては、反射率の低減に加えて、視野角依存性改善の効果もあることが分かった。図２８及び図２９は、実施例の位相差素子のリタデーションの入射角度依存性を示すグラフである。また、図３０は、比較例の位相差素子のリタデーションの入射角度依存性を示すグラフである。

図３１に示すように、位相差素子面内において、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、及び素子法線方向をｚ軸としたとき、ｚ軸方向からの入射光角度を０とした。また、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とした。なお、図２８〜３０に示すグラフは、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ものである。

実施例の位相差素子は、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ことが分かった。比較例の位相差素子は、θ方向のリタデーションは比較的左右対称となっているが、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かった。その理由は、比較例のように斜方蒸着膜が光の波長より十分に小さくない膜厚で積層されている場合、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みなされ、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。そのため、比較例の位相差素子は、角度依存性をもつ入射光に対して使用することは困難である。

実施例の位相差素子は、光の波長より十分に小さな膜厚で積層しているため、各層の複屈折の軸が無視できるようになり、全層で一つの軸（実施例の場合、z軸方向）をもつ位相差素子と見なすことができるため、角度依存性を有する入射光に対して、適切な位相差素子となり得ることが分かった。

以上のように、界面反射防止膜を導入し、さらに斜方蒸着膜の１層あたりの膜厚を使用波長以下とすることにより、反射率が低減され、かつ角度依存性が左右対称に改善されることがわかった。

これらの実施例及び比較例の位相差素子を青色波長帯域用の１／４波長板として、反射型液晶プロジェクターに適用したところ、実施例の位相差素子を適用した場合、比較例の位相差素子を適用した場合と比べて明るさで１％、コントラストで５％の向上が見られた。当然、本技術を緑色波長帯域用、赤色用の１／４波長板として適用することで、明るさ及びコントラストのさらなる向上が期待できる。

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、前述した実施例の位相差素子は、各層の膜厚が等しいため、複屈折の軸はｚ軸方向となるが、例えば、各層の膜厚を変えることで、軸方向を任意に傾けるようにしてもよい。

また、前述した実施例では、青色波長帯域の１／４波長板について説明したが、本技術は、緑色波長帯域、赤色波長帯域の１／４波長板や各チャンネルの１／２波長板、広帯域の１／４波長板、１／２波長板、位相差補償素子などに応用してもよい。

１１透明基板、１２界面反射防止膜、１３斜方蒸着膜、１４ＣＶＤ誘電体膜、１５Ａ，１５Ｂ反射防止膜、２１偏光ビームスプリッタ、２２１／４波長板、２３液晶セル

Claims

透明基板と、
誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、
前記透明基板と斜方蒸着膜の間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜と
を備え、
前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、
前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なる位相差素子。
前記界面反射防止膜の平均屈折率ｎは、下記式（１）の関係にある請求項１記載の位相差素子。
ここで、ｎｓｕｂは前記透明基板の屈折率、ｎ_ｏｂｌｘ，ｎ_ｏｂｌｙ（ｎ_ｏｂｌｘ＞ｎ_ｏｂｌｙ）はそれぞれ前記斜方蒸着膜面内の直交２軸ｘ，ｙの屈折率である。
前記界面反射防止膜は、前記斜方蒸着膜に接する膜がＳｉＯ_２である請求項１又は２記載の位相差素子。
前記界面反射防止膜の膜厚は、設計中心波長の９０％以下である請求項１記載の位相差素子。
前記斜方蒸着膜に接するＳｉＯ_２の膜厚が６０ｎｍ以上である請求項３記載の位相差素子。
前記斜方蒸着膜上に誘電体からなるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）膜を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位相差素子。
表裏両面に反射防止膜を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位相差素子。
前記斜方蒸着膜の誘電体材料が、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請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位相差素子。
透明基板上に低屈折率膜と高屈折率膜とを交互に積層し、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、前記３層の誘電層の平均屈折率が、前記透明基板の屈折率よりも大きく、次に形成される斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜を形成し、
前記界面反射防止膜上に誘電体材料を１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着して、２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なり、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜を形成する
位相差素子の製造方法。
透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、前記透明基板と斜方蒸着膜の間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜とを備え、前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なる位相差素子が、偏光ビームスプリッタと液晶セルとの間に配置されている液晶プロジェクター。
透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、前記透明基板と斜方蒸着膜の間に、２枚の低屈折率膜で高屈折率膜が挟まれた３層の誘電層からなり、低屈折率膜の屈折率が１．５より小さく、高屈折率膜の屈折率が２．０より大きく、高屈折率膜の膜厚が０．５ｎｍから５ｎｍの界面反射防止膜とを備え、前記３層の誘電層からなる界面反射防止膜の平均屈折率が前記透明基板の屈折率よりも大きく、前記斜方蒸着膜の屈折率よりも小さく、前記斜方蒸着膜の２方向の屈折率が１．５５よりも大きく１．７よりも小さい範囲にあり互いに異なる位相差素子が搭載されている光学機器。