JP2005258028A - Optical component and projection type display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学部品と、その光学部品を用いた投写型表示装置とに関するものである。 The present invention relates to an optical component and a projection display device using the optical component.
最初に液晶パネルを用いた投写型表示装置の光学系について、図７を参照しながら説明する。カラー画像を投写スクリーンに投写する投写型表示装置においては、光源１から出射された光束はレフレクタ２で反射され、インテグレータ３１、３２およびフィールドレンズ５により輝度分布の均一化が図られる。また、フィールドレンズ５に入射する前に、偏光変換素子4により偏光分離と偏光変換が行われＳ偏光の光束とされる。フィールドレンズ５を通過した白色光はダイクロイックミラー６１に入射し、赤色光（Ｒ）が分離され、さらにダイクロイックミラー６２によって緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）とが分離される。各色光のうち、赤色光（Ｒ）は反射ミラー７１とコンデンサレンズ９Ｒを経て赤色液晶パネル１１Ｒに入射する。緑色光（Ｇ）はコンデンサレンズを経て緑色液晶パネル１１Ｇに入射する。青色光（Ｂ）はリレーレンズ８１、８２と反射ミラー７２、７３とによって構成されたリレー光学系を経て、青色液晶パネル１１Ｂに入射する。ここで、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの入射側には入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂがそれぞれ配置されている。これら入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに入射する偏光の偏光面を揃えるためのものである。また、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出射側にも出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂがそれぞれ配置されている。これら出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、各色液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂで変調された偏光の偏光面を揃えるためのものである。尚、入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの透過軸は直交するように（クロスニコルに）設定され、出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの透過軸に等しい方向の光のみが透過し、それ以外の偏光方向を持つ光は出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂによって吸収されるようになっている。各液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに入射した各色光は、それら液晶パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂによって光変調を受け、変調された各色光はクロスダイクロイックプリズム１３によって色合成され、投写レンズ１４を介して投写スクリーン上に投射される。
First, an optical system of a projection display apparatus using a liquid crystal panel will be described with reference to FIG. In a projection display device that projects a color image on a projection screen, the light beam emitted from the
ここで、上記のような液晶パネル、入射側偏光板および出射側偏光板には、液晶やポリビニルアルコールなどの有機材料が使用されているのが通常である。しかし、有機材料は紫外線や熱により性能が劣化してしまう。そこで、液晶パネルや偏光板の手前にＵＶカットフィルターなどを配置することが一般的である。また、液晶パネルや偏光板を冷却する手段を設けて温度上昇を抑制することも一般的である。 Here, organic materials such as liquid crystal and polyvinyl alcohol are usually used for the liquid crystal panel, the incident side polarizing plate, and the outgoing side polarizing plate as described above. However, the performance of organic materials is degraded by ultraviolet rays and heat. Therefore, it is common to arrange a UV cut filter or the like in front of the liquid crystal panel or polarizing plate. It is also common to provide a means for cooling the liquid crystal panel and the polarizing plate to suppress the temperature rise.
特許文献１には、液晶パネルや偏光板を空冷して冷却する方法が開示されており、特許文献１に開示されている技術は、今日の標準的な技術として確立されている。しかし、特許文献１記載の技術のみでは、光源の光量増加に伴う液晶パネルや偏光板の温度上昇を十分に抑制することが困難な状況となった。そこで、偏光板の主要部材である透光性基板（一般的な偏光板は、ガラス基板などの透光性基板に有機材料が貼り付けられた構造を有する）の熱伝導率を高めることによって冷却効率を向上させる技術が開発された。例えば、特許文献２には、透光性基板として単結晶サファイア基板を用いる技術が、特許文献３には水晶基板を用いる技術が、特許文献４にはマグネシアセラミックス基板を用いる技術がそれぞれ開示されている。これらの技術は従来のガラス基板のよりも熱伝導率の大きな透光性基板を用いることにより冷却効率を向上させることを目的とする。
上述した従来技術のうち、特許文献２および特許文献３に記載のものは、供に一軸性結晶からなる透光性基板を用いる技術であり、それぞれの文献中に記載されているように、偏光板の偏光軸と一軸性結晶体の結晶軸とを規定された角度以内で一致させる必要がある。これは、一軸性結晶体からなる透光性基板を用いる以上、避けられない問題である。よって、透光性基板と有機材料との貼り付け工程において、角度ずれの管理など品質保証や作製工程のコスト高などの問題がある。特許文献４に記載の技術は、光学的に等方なマグネシアセラミックス基板を上記透光性基板として用いているので角度ずれの管理は必要ない。しかし、多結晶体であり粒界があること、その材料である酸化マグネシウムには吸湿性があることなどから、マグネシアセラミックス基板の透過率などが経時変化を生じてしまい信頼性に問題がある。
Among the above-described conventional techniques, those described in
本発明は上述したような従来技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、信頼性に富み、冷却効率が高い光学部品と、その光学部品を用いた投写型表示装置とを実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, and realizes an optical component having high reliability and high cooling efficiency, and a projection display device using the optical component. For the purpose.
上記目的を達成する本発明の光学部品は、酸化マグネシウムを硝材とし、表面が窒化物または酸化物で覆われている。このため、酸化マグネシウムの表面を被覆している窒化物や酸化物が保護膜（吸湿防止膜）として機能し、酸化マグネシウムの吸湿が抑制され、透過率低下が抑制される。このとき、粒界のない単結晶酸化マグネシウムを硝材として使用すると、吸湿に起因する透過率低下がさらに抑制される。 The optical component of the present invention that achieves the above object uses magnesium oxide as a glass material, and the surface is covered with nitride or oxide. For this reason, the nitride and oxide which coat | cover the surface of magnesium oxide function as a protective film (moisture absorption prevention film | membrane), the moisture absorption of magnesium oxide is suppressed, and the transmittance | permeability fall is suppressed. At this time, if single crystal magnesium oxide having no grain boundary is used as a glass material, a decrease in transmittance due to moisture absorption is further suppressed.
また、保護膜の屈折率を酸化マグネシウムの屈折率を等しくすることにより、各種コーティングに関する制約が緩和されるといった利点がある。窒化物からなる保護膜の屈折率を酸化マグネシウムの屈折率と等しくする方法は、成膜時に、窒化物に酸化物を結合させることによって実現可能である。例えば、反応性ＲＦスパッタ法によって保護膜を成膜する場合、スパッタガス圧を高圧側にすることによって窒化物に酸化物を結合させることができる。また、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって保護膜を成膜する場合、反応ガスに酸素を添加することによって窒化物に酸化物を結合させることができる。 Further, by making the refractive index of the protective film equal to the refractive index of magnesium oxide, there is an advantage that restrictions on various coatings are eased. A method of making the refractive index of the protective film made of nitride equal to the refractive index of magnesium oxide can be realized by bonding an oxide to the nitride at the time of film formation. For example, when the protective film is formed by reactive RF sputtering, the oxide can be bonded to the nitride by increasing the sputtering gas pressure. In addition, when a protective film is formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, an oxide can be bonded to a nitride by adding oxygen to a reaction gas.
上記目的を達成する本発明の投射型表示装置は、光源から出射された光を画像形成素子に照射するための照明光学系や、画像形成素子によって形成された画像光を投射するための投射光学系を構成する光学部品に、上記本発明の光学部品が使用されている。 The projection display device of the present invention that achieves the above object includes an illumination optical system for irradiating an image forming element with light emitted from a light source, and projection optics for projecting image light formed by the image forming element. The optical component of the present invention is used as an optical component constituting the system.
本発明の光学部品は、酸化マグネシウムを硝材とし、その表面が窒化物または酸化物によって被覆されている。従って、酸化マグネシウムの優れた冷却性能を損なうことなく、吸湿に起因する透過率の低下が抑制され、信頼性に富み、冷却効率が高い光学部品が実現される。 The optical component of the present invention uses magnesium oxide as a glass material, and the surface thereof is coated with nitride or oxide. Therefore, a reduction in transmittance due to moisture absorption is suppressed without impairing the excellent cooling performance of magnesium oxide, and an optical component having high reliability and high cooling efficiency is realized.
本発明の投射型表示装置は、光学系の全部または一部が信頼性及び冷却効率に優れた本発明の光学部品によって構成されている。従って、光学部品の温度上昇に起因する制約が緩和され、設計の自由度が向上し、光源の光量増大による高輝度化を始めとする様々な要請に対応し得る。 In the projection display device of the present invention, all or part of the optical system is constituted by the optical component of the present invention having excellent reliability and cooling efficiency. Therefore, the restriction caused by the temperature rise of the optical component is relaxed, the degree of freedom of design is improved, and various demands such as high luminance by increasing the light quantity of the light source can be met.
（実施形態１）
以下、光学部品が偏光素子である場合を例にとって、本発明の光学部品の実施形態の一例について説明する。図１は、ここで説明する偏光素子の模式的斜視図である。図１に示す偏光素子は、酸化マグネシウムの単結晶（以下「単結晶酸化マグネシウム」と記す）からなる平凸レンズ２００の全面に不図示の保護膜が成膜され、平凸レンズ２００の平坦な面２０１を被覆している保護膜の上に、偏光板２０２が貼り付けられてなる。すなわち、本例の偏光素子の主要部は、平凸レンズ２００であり、その平凸レンズ２００は単結晶酸化マグネシウムを硝材として形成されたものである。また、偏光板２０２は、既存の偏光板であって、透光性のある板材の表面に偏光膜が成膜されたものである。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an example of an embodiment of the optical component of the present invention will be described by taking as an example the case where the optical component is a polarizing element. FIG. 1 is a schematic perspective view of a polarizing element described here. In the polarizing element shown in FIG. 1, a protective film (not shown) is formed on the entire surface of a planoconvex lens 200 made of a single crystal of magnesium oxide (hereinafter referred to as “single crystal magnesium oxide”), and the flat surface 201 of the planoconvex lens 200 is formed. A polarizing plate 202 is pasted on the protective film covering the film. That is, the main part of the polarizing element of this example is a plano-convex lens 200, and the plano-convex lens 200 is formed using single crystal magnesium oxide as a glass material. The polarizing plate 202 is an existing polarizing plate in which a polarizing film is formed on the surface of a light-transmitting plate material.
平凸レンズ２００の硝材である単結晶酸化マグネシウムは面心立法（ｆｃｃ）の結晶構造を持ち光学的には等方である。従って、どの面を切り出しても屈折率や透過率などが一様である。このことは、単結晶サファイヤや水晶などの一軸性結晶からなる平凸レンズを用いた場合のように、偏光板２０２の偏光軸と結晶方位とを一致させる必要がないことを意味しており、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いることの利点の一つである。尚、本例では、経済性を考慮して単結晶酸化マグネシウムの（１００）面が、平凸レンズ２００の平坦な面２０１となるように平凸レンズ２００を形成した。 Single crystal magnesium oxide, which is a glass material of the plano-convex lens 200, has a face-centered cubic (fcc) crystal structure and is optically isotropic. Accordingly, the refractive index and transmittance are uniform regardless of which surface is cut out. This means that it is not necessary to make the polarization axis of the polarizing plate 202 coincide with the crystal orientation as in the case of using a plano-convex lens made of uniaxial crystal such as single crystal sapphire or crystal. This is one of the advantages of using the plano-convex lens 200 made of crystalline magnesium oxide. In this example, the plano-convex lens 200 is formed so that the (100) plane of the single crystal magnesium oxide becomes the flat surface 201 of the plano-convex lens 200 in consideration of economy.
また、単結晶酸化マグネシウムには、当然のことながら多結晶体のような粒界が存在しない。粒界が存在すると、その粒界から水分が内部に浸透し、吸湿による酸化マグネシウムの透過率の低下を招き易いといった不都合がある。しかし、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いた本例の偏光素子によれば、上記のような不都合はない。このことも、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いることの利点の一つである。さらに、粒界から水分が浸透すると、粒界近傍から透過率の低下が始まるので、透過率に分布が生じてしまい、表示ムラや偏光膜のミクロ的な部分劣化を引き起こし、著しい信頼性や寿命の低下に繋がる。単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いることは、このような信頼性低下や寿命低下を回避し得る点でも有利である。加えて、酸化マグネシウムの多結晶体からなる平凸レンズを用いた場合、粒界による「粒界ノイズ」が発生する。この粒界ノイズは、通常では大きな問題とはならないが、レーザ光などのコヒーレンスが高い光源を使用する時には無視できないものとなる。例えば、上記特許文献５には、光源にレーザを用いた投写型表示装置に関する技術が開示されている。このような投写型表示装置に、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を用いた本例の偏光素子を使用することは、結晶粒界による結晶欠陥や粒界ノイズが少なく、局所的な高温にも耐えられる点で有効である。また、多結晶体と比較して単結晶体は、その面精度をλ／２０程度まで精密に平坦化できるという点で優れている。従って、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００を使用した本例の偏光素子は、光通信分野など高信頼・高精度を要求する場面で特に有効である。
In addition, the single crystal magnesium oxide does not have a grain boundary like a polycrystal as a matter of course. If there is a grain boundary, moisture permeates into the inside from the grain boundary, and there is a disadvantage that the transmittance of magnesium oxide tends to decrease due to moisture absorption. However, according to the polarizing element of this example using the plano-convex lens 200 made of single crystal magnesium oxide, there is no such inconvenience as described above. This is also one of the advantages of using the plano-convex lens 200 made of single crystal magnesium oxide. Furthermore, when moisture permeates from the grain boundary, the transmittance starts to decrease from the vicinity of the grain boundary, resulting in a distribution in the transmittance, causing display unevenness and microscopic partial deterioration of the polarizing film, and significant reliability and lifetime. Leading to a decline. The use of the plano-convex lens 200 made of single crystal magnesium oxide is advantageous in that it can avoid such a decrease in reliability and a decrease in life. In addition, when a plano-convex lens made of a magnesium oxide polycrystal is used, “grain boundary noise” is generated due to the grain boundary. This grain boundary noise is not usually a big problem, but cannot be ignored when using a light source with high coherence such as laser light. For example,
次に、平凸レンズ２００を被覆している保護膜について説明する。この保護膜は、前述の通り平凸レンズ２００の表面全体を被覆している。酸化マグネシウム自体には吸湿性があるので、単結晶化して粒界を排除したとしても、吸湿による透過率低下などの特性変化を完全に防止することは難しい。そこで本例では、単結晶酸化マグネシウムからなる平凸レンズ２００の全面を保護膜で被覆することによって、平凸レンズ２００の吸湿を防止した。かかる吸湿防止の観点からは、窒化シリコンまたは酸化シリコンによって保護膜を成膜することが望ましい。また、吸湿防止効果をより確実なものとするためには、保護膜の厚みを１０ｎｍ以上とすることが望ましい。保護膜の厚みが１０ｎｍであることが望ましい理由に関しては、他の実施形態中で説明する。 Next, the protective film covering the plano-convex lens 200 will be described. This protective film covers the entire surface of the plano-convex lens 200 as described above. Since magnesium oxide itself has a hygroscopic property, it is difficult to completely prevent a characteristic change such as a decrease in transmittance due to moisture absorption even if the single crystal is formed to eliminate the grain boundary. Therefore, in this example, moisture absorption of the plano-convex lens 200 is prevented by covering the entire surface of the plano-convex lens 200 made of single crystal magnesium oxide with a protective film. From the viewpoint of preventing moisture absorption, it is desirable to form a protective film with silicon nitride or silicon oxide. Moreover, in order to make the moisture absorption preventing effect more reliable, it is desirable that the thickness of the protective film is 10 nm or more. The reason why the thickness of the protective film is desirably 10 nm will be described in another embodiment.
（実施形態２）
以下、光学部品が偏光素子である場合を例にとって、本発明の光学部品の実施形態の他例について説明する。図２は、ここで説明する偏光素子の模式的断面図である。図２に示す偏光素子の基本構成は、実施形態１で説明した偏光素子と同一である。異なるは、偏光板２０２が図１に示すような平凸レンズ２００ではなく、厚み０．５ｍｍの平板状の基板３００に貼り付けられている点である。すなわち、本例の偏光素子の主要部は、基板３００であり、その基板３００は単結晶酸化マグネシウムを硝材して形成されたものである。尚、図中の符号３０１は、保護膜として窒化シリコン膜を示している。
(Embodiment 2)
Hereinafter, another example of the embodiment of the optical component of the present invention will be described by taking the case where the optical component is a polarizing element as an example. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the polarizing element described here. The basic configuration of the polarizing element shown in FIG. 2 is the same as that of the polarizing element described in the first embodiment. The difference is that the polarizing plate 202 is not attached to the plano-convex lens 200 as shown in FIG. 1 but to a flat substrate 300 having a thickness of 0.5 mm. That is, the main part of the polarizing element of this example is a substrate 300, and the substrate 300 is formed by using single crystal magnesium oxide as a glass material. Note that reference numeral 301 in the drawing indicates a silicon nitride film as a protective film.
次に、本例の偏光素子の冷却効率を確認すべく行なった試験の結果について述べる。この試験では、本例の偏光素子との比較対象として、次の３つの偏光素子を用意した。一つは、単結晶サファイアからなる厚さ０．５ｍｍの基板（単結晶サファイヤ基板）の表面に偏光板を直接貼り付けてなる偏光素子である。他の一つは、水晶からなる厚さ０．５ｍｍの基板（水晶基板）の表面に偏光板を直接貼り付けてなる偏光素子である。他の一つは、水晶からなる厚さ１．５ｍｍの基板（水晶基板）の表面に偏光板を直接貼り付けてなる偏光素子である。さらに、この試験では、本例の偏光素子及び比較対象の３つの偏光素子に、１８０Ｗの高圧水銀ランプから出射された光をレンズで集光して照射しつつ、下方からファンにより４ｍ／ｓで送風し、そのときの各偏光素子の温度を熱伝対によって測定した。 Next, the results of tests conducted to confirm the cooling efficiency of the polarizing element of this example will be described. In this test, the following three polarizing elements were prepared for comparison with the polarizing element of this example. One is a polarizing element in which a polarizing plate is directly attached to the surface of a 0.5 mm thick substrate (single crystal sapphire substrate) made of single crystal sapphire. The other is a polarizing element in which a polarizing plate is directly attached to the surface of a 0.5 mm thick substrate (quartz substrate) made of quartz. The other is a polarizing element in which a polarizing plate is directly attached to the surface of a 1.5 mm thick substrate (quartz substrate) made of quartz. Furthermore, in this test, the light emitted from the 180 W high-pressure mercury lamp was condensed and irradiated on the polarizing element of this example and the three polarizing elements to be compared with a lens, and from below, by a fan at 4 m / s. Air was blown, and the temperature of each polarizing element at that time was measured by a thermocouple.
上記試験の測定結果を図３に示す。図３に示すグラフより、水晶基板を用いた偏光素子の温度が最も高く、単結晶サファイア基板を用いた偏光素子と本例の偏光素子との温度差は殆どないことが分かる。このことから本例の偏光素子の冷却能力は、水晶基板を用いた偏光素子よりも高く、単結晶サファイア基板を用いた偏光素子と同程度であるといえる。この結果は、単結晶酸化マグネシウムからなる基板３００の熱伝導率が単結晶サファイア基板と同程度であり、基板３００の全面を保護膜３０１によって被覆しても冷却効率は何ら損なわれないことを意味する。 The measurement results of the above test are shown in FIG. The graph shown in FIG. 3 shows that the temperature of the polarizing element using the quartz substrate is the highest, and there is almost no temperature difference between the polarizing element using the single crystal sapphire substrate and the polarizing element of this example. From this, it can be said that the cooling capacity of the polarizing element of this example is higher than that of the polarizing element using the quartz substrate and is comparable to that of the polarizing element using the single crystal sapphire substrate. This result means that the thermal conductivity of the substrate 300 made of single crystal magnesium oxide is comparable to that of the single crystal sapphire substrate, and cooling efficiency is not impaired at all even if the entire surface of the substrate 300 is covered with the protective film 301. To do.
尚、本実施形態では、偏光素子の冷却効率を中心に説明したが、基板３００が保護膜３０１によって被覆されていることによって、基板３００の吸湿が防止されている点については実施形態１と同様である。 In the present embodiment, the cooling efficiency of the polarizing element has been mainly described. However, the substrate 300 is covered with the protective film 301 so that moisture absorption of the substrate 300 is prevented as in the first embodiment. It is.
（実施形態３）
以下、光学部品が偏光素子である場合を例にとって、本発明の光学部品の実施形態のさらに他例について説明する。図４は、ここで説明する偏光素子の模式的断面図である。図４に示す偏光素子の基本構成は実施形態２で説明した偏光素子と同一である。異なるは、基板３００の上面３０２を被覆している保護膜３０１の上に偏光膜４００が重ねて成膜されている点である。すなわち、実施形態２の偏光素子は、保護膜３０１で被覆された基板３００に別体の偏光板２０２が貼り付けられてなるものであったが、本例の偏光素子は、保護膜３０１で被覆された基板３００に偏光膜４００が成膜されてなる。
(Embodiment 3)
Hereinafter, still another example of the embodiment of the optical component of the present invention will be described by taking the case where the optical component is a polarizing element as an example. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the polarizing element described here. The basic configuration of the polarizing element shown in FIG. 4 is the same as that of the polarizing element described in the second embodiment. The difference is that the polarizing film 400 is formed on the protective film 301 covering the upper surface 302 of the substrate 300. That is, the polarizing element of
本例の偏光素子においても、単結晶酸化マグネシウムからなる基板３００が保護膜３０１によって被覆されているので、基板３００の冷却効率を何ら損なうことなく、吸湿が防止される。但し、本例のように、基板３００に偏光膜４００を成膜する場合には、吸湿防止の観点のみでなく、光学特性をも考慮して保護膜３０１の膜厚や屈折率を設定する必要がある。何故なら、偏光素子を始めとする光学部品の表面には様々なコーティングが施されることがある。ここでのコーティングとは、光の多重干渉を利用して、光の反射率や透過率を制御するための手段を意味し、通常は、様々な膜厚や屈折率を有する１層または２層以上の膜を成膜することによって実現される。さらに、光の多重干渉は、基板３００上に存在する膜の層数、膜厚及び屈折率で定まる。従って、保護膜３０１がコーティング特性に影響を与えないように、保護膜３０１の膜厚及び屈折率の好適化を図ることが望ましい。 Also in the polarizing element of this example, since the substrate 300 made of single crystal magnesium oxide is covered with the protective film 301, moisture absorption is prevented without impairing the cooling efficiency of the substrate 300 at all. However, when the polarizing film 400 is formed on the substrate 300 as in this example, it is necessary to set the film thickness and refractive index of the protective film 301 in consideration of not only moisture absorption prevention but also optical characteristics. There is. This is because various coatings may be applied to the surface of an optical component such as a polarizing element. The coating here means means for controlling the reflectance and transmittance of light using multiple interference of light, and usually one layer or two layers having various film thicknesses and refractive indexes. This is realized by forming the above film. Furthermore, the multiple interference of light is determined by the number of layers, the film thickness, and the refractive index of the film existing on the substrate 300. Therefore, it is desirable to optimize the film thickness and refractive index of the protective film 301 so that the protective film 301 does not affect the coating characteristics.
まず、図４に示す保護膜３０１の膜厚に関して述べる。保護膜３０１の膜厚は、必要十分な吸湿防止性能を確保しつつ、可能な限り薄くすることがコーティング特性への影響を低減し、様々なコーティング対する汎用性を高める上で好ましい。そこで、単結晶酸化マグネシウムからなる基板上に、膜厚の異なる窒化シリコン膜が成膜された複数の試料について環境試験を実施し、その前後における透過率の変化を測定した。より具体的には、（１００）単結晶酸化マグネシウムからなる厚さ０．５mmの基板の上に、プラズマＣＶＤ法によって、５ｎｍから１００ｎｍまで段階的に膜厚の異なる窒化シリコン膜を成膜した試料を用意し、それら試料を８０℃、９０％ＲＨの雰囲気中に２００時間暴露させ、その前後で透過率の変化を測定した。光源にはヘリウムネオンレーザ（λ＝６３３ｎｍ）を用い、垂直入射で測定した。 First, the film thickness of the protective film 301 shown in FIG. 4 will be described. The film thickness of the protective film 301 is preferably as thin as possible while ensuring the necessary and sufficient moisture absorption prevention performance, in order to reduce the influence on the coating characteristics and increase the versatility for various coatings. Therefore, an environmental test was conducted on a plurality of samples in which silicon nitride films having different film thicknesses were formed on a substrate made of single crystal magnesium oxide, and the change in transmittance before and after that was measured. More specifically, a sample in which silicon nitride films having different thicknesses from 5 nm to 100 nm are formed on a 0.5 mm thick substrate made of (100) single crystal magnesium oxide by plasma CVD. The samples were exposed to an atmosphere of 80 ° C. and 90% RH for 200 hours, and the change in transmittance was measured before and after that. A helium neon laser (λ = 633 nm) was used as a light source, and measurement was performed at normal incidence.
上記試験の測定結果を図５に示す。図５より、窒化シリコン膜（SiN膜）が成膜されていない場合には基板が着色し透過率が２０％も低下しているが、窒化シリコン膜の膜厚が１０ｎｍ以上の場合には、透過率はほとんど変化していないことが分かる。よって、少なくとも膜厚１０nm以上の窒化シリコン膜を保護膜３０１とすれば、十分な吸湿防止効果を確保しつつ、コーティング特性に与える影響をなるべく小さくすることができる。尚、１０ｎｍの保護膜３０１によって十分な吸湿防止効果を確保し得る点は、実施形態１及び２においても同一である。 The measurement results of the above test are shown in FIG. From FIG. 5, when the silicon nitride film (SiN film) is not formed, the substrate is colored and the transmittance is reduced by 20%, but when the silicon nitride film has a thickness of 10 nm or more, It can be seen that the transmittance has hardly changed. Therefore, if at least a silicon nitride film having a thickness of 10 nm or more is used as the protective film 301, it is possible to minimize the influence on the coating characteristics while ensuring a sufficient moisture absorption preventing effect. In addition, the point which can ensure sufficient moisture absorption prevention effect with the protective film 301 of 10 nm is the same also in the first and second embodiments.
次に、図１に示す保護膜３０１の屈折率に関して述べる。保護膜３０１の材料として好適な窒化シリコンの屈折率はｎ＝２．０（λ＝６３３ｎｍ）である。また、単結晶酸化マグネシウムの屈折率はｎ＝１．７４（λ＝６３３ｎｍ）である。従って、窒化シリコンによって保護膜３０１を成膜した場合、保護膜３０１と基板３００の屈折率が異なり、保護膜３０１を考慮してＡＲ（Anti Reflection）コートなどのコーティングをしなければならない。保護膜３０１の膜厚を変化させるだけでコーティング条件が満たされる場合は問題ないが、保護膜３０１の屈折率を変化させなければ対応できない場合も想定し得る。そこで、窒化シリコンによって保護膜３０１を成膜する場合に、その保護膜３０１の屈折率を変化させる方法について説明する。窒化シリコンからなる保護膜３０１は、プラズマＣＶＤ法だけでなく、反応性ＲＦスパッタ法でも成膜できる。シリコンターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒと窒素の１対１の混合ガスを用いた場合、λ＝６３３ｎｍにおける窒化シリコン（ｄ＝１００ｎｍ）の屈折率のスパッタガス圧依存特性を図６に示す。図６からはスパッタガス圧を変化させることより窒化シリコンの屈折率を制御できることが分かる。スパッタガス圧を高くするにつれ、窒化シリコンの屈折率が低くなるので、酸化マグネシウムのそれと一致させることができる。窒化シリコンの屈折率が酸化マグネシウムの屈折率と一致すると、窒化シリコンからなる保護膜３０１の膜厚に係わらず、光学的には保護膜３０１の存在を無視することが可能となる。つまり、保護膜３０１の膜厚を厚くして十分な吸湿防止効果を確保しつつ、保護膜３０１がない場合と同じように基板３００を扱えることになる。これはコーティングに関する制限が無くなることを意味し、応用範囲が広がり工業上重要である。ここでは反応性ＲＦスパッタ法によって窒化シリコンからなる保護膜３０１を成膜する例を示したが、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコンからなる保護膜３０１を成膜するときには、供給ガス中に酸素を添加し、そのときの酸素濃度を制御することによって窒化シリコンの屈折率を制御し、保護膜４００と基板３００の屈折率を一致させることができる。ここで示した窒化シリコンの屈折率の制御は、窒化シリコンの生成時に酸素が添加されることによって、酸素とシリコンの結合が生じ、酸化シリコンの屈折率（ｎ＝１．４５）に近づくためである。 Next, the refractive index of the protective film 301 shown in FIG. 1 will be described. The refractive index of silicon nitride suitable for the material of the protective film 301 is n = 2.0 (λ = 633 nm). The refractive index of single crystal magnesium oxide is n = 1.74 (λ = 633 nm). Therefore, when the protective film 301 is formed of silicon nitride, the refractive index of the protective film 301 and the substrate 300 are different, and the protective film 301 needs to be taken into account for coating such as an AR (Anti Reflection) coat. There is no problem when the coating condition is satisfied only by changing the film thickness of the protective film 301, but it may be possible to cope with this by changing the refractive index of the protective film 301. Therefore, a method of changing the refractive index of the protective film 301 when the protective film 301 is formed using silicon nitride will be described. The protective film 301 made of silicon nitride can be formed not only by a plasma CVD method but also by a reactive RF sputtering method. FIG. 6 shows the sputtering gas pressure dependence characteristics of the refractive index of silicon nitride (d = 100 nm) at λ = 633 nm when a silicon target is used and a one-to-one mixed gas of Ar and nitrogen is used as the sputtering gas. FIG. 6 shows that the refractive index of silicon nitride can be controlled by changing the sputtering gas pressure. As the sputtering gas pressure is increased, the refractive index of silicon nitride is lowered, so that it can be matched with that of magnesium oxide. When the refractive index of silicon nitride matches the refractive index of magnesium oxide, the presence of the protective film 301 can be ignored optically regardless of the thickness of the protective film 301 made of silicon nitride. That is, the substrate 300 can be handled in the same manner as when the protective film 301 is not provided while increasing the thickness of the protective film 301 to ensure a sufficient moisture absorption preventing effect. This means that there are no restrictions on the coating, and the range of application is wide and is industrially important. Although an example in which the protective film 301 made of silicon nitride is formed by reactive RF sputtering is shown here, when forming the protective film 301 made of silicon nitride by plasma CVD, oxygen is added to the supply gas. The refractive index of silicon nitride can be controlled by controlling the oxygen concentration at that time, so that the refractive indexes of the protective film 400 and the substrate 300 can be matched. The control of the refractive index of silicon nitride shown here is because oxygen and silicon are combined when oxygen is added during the generation of silicon nitride, and approaches the refractive index of silicon oxide (n = 1.45). is there.
尚、実施形態１及び２で説明したような、偏光板を貼り付けるタイプの偏光素子では、保護膜が光の多重干渉条件に与える影響は非常に小さい。従って、保護膜の屈折率を必ずしも調整する必要はない。 Incidentally, in the type of polarizing element to which a polarizing plate is attached as described in the first and second embodiments, the influence of the protective film on the multiple interference condition of light is very small. Therefore, it is not always necessary to adjust the refractive index of the protective film.
実施形態１〜３では、偏光素子を例にとって本発明の光学部品の詳細を説明した。しかし、本発明の光学部品は偏光素子に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された構成を備える全ての光学部品が含まれる。例えば、偏光素子以外のプリズムやミラーなども含まれる。 In the first to third embodiments, the details of the optical component of the present invention have been described using the polarizing element as an example. However, the optical component of the present invention is not limited to the polarizing element, and includes all optical components having the structure described in the claims. For example, prisms and mirrors other than the polarizing element are also included.
実施形態１〜３で説明した偏光素子は勿論のこと、その他の本発明の光学部品は様々な光学機器に適用可能である。例えば、実施形態１〜３で説明した偏光素子は、図６に示す投射型表示装置が備える入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂや出射側偏光板１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの代わりに、実施形態１〜３で説明した本発明の偏光素子を採用することができる。
In addition to the polarizing elements described in the first to third embodiments, other optical components of the present invention can be applied to various optical devices. For example, the polarizing elements described in the first to third embodiments are different from the incident-side
１ 光源
２ レフレクタ
４ 偏光変換素子
５ フィールドレンズ
９Ｒ コンデンサレンズ
１０ 入射側偏光板
１１ 液晶パネル
１２ 出射側偏光板
１３ クロスダイクロイックプリズム
１４ 投写レンズ
６１、６２、６３ ダイクロイックミラー
７１ 反射ミラー
７２、７３ 反射ミラー
８１、８２ リレーレンズ
２００ 平凸レンズ
２０１ 平凸レンズの平坦な面
２０２ 偏光板
３００ 基板
３０１ 保護膜
３０２ 基板の上面
４００ 偏光膜
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