JP2008268372A - 位相差補償素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】屈折率が異なる薄膜を交互に積層した多層膜構成の位相差補償層による位相差補償作用を改善する。
【解決手段】回転するドラム6に基板7a〜7eを保持させ、ドラム6を回転させながらターゲット材料9,10からの飛散粒子で位相差補償層をスパッタ成膜する。位相差補償層の半分に相当する第一ユニット層を成膜した後、基板ホルダ24を回転して各々の基板7a〜7eをその法線回りに90°回転する。その後、全く同様にして位相差補償層を構成する残り半分の第二ユニット層を成膜する。
【選択図】図1
【解決手段】回転するドラム6に基板7a〜7eを保持させ、ドラム6を回転させながらターゲット材料9,10からの飛散粒子で位相差補償層をスパッタ成膜する。位相差補償層の半分に相当する第一ユニット層を成膜した後、基板ホルダ24を回転して各々の基板7a〜7eをその法線回りに90°回転する。その後、全く同様にして位相差補償層を構成する残り半分の第二ユニット層を成膜する。
【選択図】図1
Description
本発明は、液晶表示パネルに組み合わせて用いられる位相差補償素子及びその製造方法に関するものである。
液晶表示パネルは、テレビジョン受像機や各種機器の直視型ディスプレイ装置に多用され、また液晶プロジェクタの画像表示デバイスとしても用いられている。液晶表示パネルは、多数の液晶セルを画素配列に応じた所定のパターンで配列したもので、液晶セル内に封入された液晶分子の動作モードの違いによりTN(Twisted Nematic)型、VAN (Vertical Alignment Nematic)型、IPS(In-Plane Switching)型、OCB(Optically Compensatory Bend)型など種々のものが知られている。
液晶プロジェクタに用いる液晶表示パネルには、スクリーン上での画像のコントラストを高くするために光遮断性に優れたものが適しており、例えばVAN型のものが多く用いられる傾向にある。VAN型のものは、液晶層を挟む基板間に電圧を印加しない無電圧状態では液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して略垂直配向となり、クロスニコル配置された一対の偏光板と組み合わせることにより良好な光遮断特性を得ることができ、高いコントラストを得ることができる。
一方、液晶表示パネルが一般的にもっている欠点として視野角の狭いことが知られている。例えば前述したVAN型の液晶表示パネルを無電圧状態とし、液晶分子を垂直配向させた場合、液晶層に垂直に入射する光線については十分に遮断することができるものの、液晶分子に斜めに入射した光線は入射角度に応じて様々に複屈折し、一般には直線偏光が楕円偏光に変換される。この結果、一部の偏光成分は出射面側にクロスニコル配置された偏光板を通り抜けてスクリーン上の黒レベルを明るくする方向に作用し、コントラストを低下させてしまう。また、液晶層内で液晶分子が水平配向あるいは中間配向となった場合でも、液晶層に入射する光線の角度による複屈折の違いによって表示画像の品質が低下することが避けられない。
液晶表示パネルがもつ上記問題は、特許文献1あるいは特許文献2で知られる位相差補償素子を用いることによって改善することができる。液晶層はその複屈折性により、入射した光線の正常光成分が異常光成分に対して位相の進むポジティブリターダとして作用するが、位相差補償素子は逆に正常光成分が異常光成分に対して位相遅れを生じるネガティブリターダとして作用する。したがって、液晶表示パネルに位相差補償素子を組み合わせることによって互いの複屈折性が相殺され、前述したコントラストの低下が抑えられるようになる。
特開2006−91388号公報
特開2004−102200号公報
特許文献1,2に記載のように、液晶プロジェクタには光源として高輝度ランプが用いられるため位相差補償素子には十分な耐熱性が要求される。特許文献1記載のように、光学異方体の結晶板を位相差補償素子に用いれば耐熱性に富んだものが得られるが、こうした結晶自体が高価で、加工時には結晶面の切り出しや寸法精度を厳密に管理しなければならず、組み立てや調整も面倒である。この点、特許文献2記載の位相差補償素子は無機材料からなる透明な薄膜を積層した多層膜で構成することができ、耐熱性や耐久性はもとより量産適性にも優れており、ローコストで提供できるという利点がある。
特許文献2に記載された位相差補償素子は、互いに屈折率が異なる二種類の薄膜を可視光で干渉が生じない程度の薄い膜厚で交互に積層した多層膜で構成され、結晶光学的には一軸性の負のc−plateとして作用する。二種類の薄膜としては、高屈折率膜としてTiO2、ZrO2、Nb2O5など、低屈折率膜としてSiO2、MgF2、CaF2など種々の薄膜を用いることができる。また、これらの薄膜は、蒸着やスパッタリング、さらにはイオンプレーティングなどの多層膜形成手法を用いて製造することが可能で、例えば図7に示すスパッタ装置により簡便に製造することができる。
図7は、無機材料からなる二種類の薄膜を交互に積層した位相差補償素子を製造するスパッタ装置を概念的に示すもので、真空チャンバ2には排気管3及び、放電ガスの導入ノズル4、反応ガスの導入ノズル5,5が連通している。真空チャンバ2の内部には、垂直な支軸の回りにドラム6が回転自在に組み込まれ、ドラム6の外周面に薄膜を成膜する透明な基板7が支持される。なお、図では八角筒形状をしたドラム6の平坦な外周面の一面だけに5枚の基板7を縦に並べた状態を図示しているが、実際には八面全てに同様に基板7が支持される。また、ドラム6の回転中心から等距離に基板7を支持できる構造であれば、ドラム6の形状も六角筒形状、円筒形状など適宜に決めてよく、さらにドラム6の外周面に支持させる基板7の枚数は、基板7やドラム6のサイズに応じて適宜に増減させればよい。
基板7に対面するように真空チャンバ2内に二種類のターゲット材料9,10が設けられる。これらのターゲット材料9,10は基板7に交互に積層する二種類の薄膜の材料となるもので、一例としてNb(ニオブ)とSi(シリコン)が用いられている。そして、ドラム6を一定の速さで回転させながら、これらのターゲット材料9,10を酸素ガス雰囲気中で化学反応性スパッタを行うことによって、基板7上に高屈折率(n=2.38)のNb2O5膜と、低屈折率(n=1.48)のSiO2膜とを交互に積層した多層膜が得られる。
これらの高屈折率膜と低屈折率膜とを例えば物理的膜厚を10〜20nm程度に薄くして積層すると、複屈折Δnをもつ位相差補償素子(ネガティブリターダ)が得られる。複屈折Δnの大きさは、高屈折率薄膜及び低屈折率薄膜の相互の屈折率の差及び、各薄膜の物理的な膜厚比によって決まり、この複屈折Δnと多層膜全体の膜厚dとの積によってリターデーションdΔnが決まるから、適用する液晶表示パネルの液晶層によって生じる正のリターデーションdΔnの値に合わせて膜設計が行われる。なお、成膜工程を簡略にするうえでは二種類の薄膜を交互に積層してゆくのが有利であるが、互いに屈折率が異なる三種類以上の薄膜を組み合わせても同様の位相差補償作用を得ることが可能である。
図8に示すように、こうして得られた位相差補償素子20は基板7の表面に多層膜からなる位相差補償層21を成膜した構造をもち、必要に応じて基板7の裏面、さらには位相差補償層21の最上層や基板7に接する最下層に反射防止膜を設けることができる。この位相差補償素子20を前述したVAN型の液晶表示パネルに適用する場合、例えば無電圧状態ではVAN型の液晶層は垂直に入射した光線P1に対してはほとんど複屈折性を現さないので、位相差補償素子20も光線P1に対しては負のリターデーションを発生させない。しかし、入射角θで入射した光線P2に対しては、液晶層を通過するときに液晶層内の光路長に応じた正のリターデーションdΔnが生じるから、これを補償するために位相差補償素子20は負のリターデーションdΔnを生じさせるようになっている。
図9は、入射角θが30°程度の斜め入射光に対し、図7に示すスパッタ装置で製造した位相差補償素子20が発生する負のリターデーションdΔnをコノスコープ型のグラフ表示で表したものである。特性線Q1に示すように、リターデーションdΔnの値が方位角(光線P2を一定方向に固定し基板7を法線回りに回転させた角度に相当)によらずにほぼ一定であれば問題はないが、特性線Q2のように方位角によってその値が変動する位相差補償素子20が製造されることがある。このような位相差補償素子20は、液晶表示パネルを観察する方向によっては液晶層で生じたリターデーションdΔnが補償できないことを意味し、入射角θの値が大きくなればなる程その影響も大きくなる。しかも、光線P2に対して特性線Q2のような傾向をもつ位相差補償素子は、垂直入射した光線P1に対しても1nmを越える負のリターデーションdΔnを生じさせることが確認されており、より高精度な位相差補償作用を得ようとする上では妨げになる。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、互いに屈折率が異なり、可視光で干渉を生じさせない程度に薄くした少なくとも二種類の薄膜を多数層積層させた位相差補償層がもつ位相差補償作用を改善することを目的とし、またこのような位相差補償層を成膜した位相差補償素子の効率的な製造を可能とする製造方法を提供することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するにあたり、上述した多層膜構造からなる位相差補償層を製造する際の個々の薄膜の成膜条件が必ずしも一定でないことから、この成膜条件の差が個々の薄膜の物性を変化させ、そして多層膜構成にすることに伴って各薄膜の物性の変化が蓄積・強調されることによって位相差補償作用に変動が及ぶことに着目し、多層構造をもつ位相差補償層をそれぞれ少なくとも二種類の薄膜を積層させた第一ユニット層と第二ユニット層との組み合わせで構成し、入射した光線の方位角に関して前記第一ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性と前記第二ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性とを略直交させることによって、特に斜め入射光に対する位相差補償作用を均一化したものである。
入射光線の方位角に関してリターデーションの発生分布特性が互いに直交する前記第一ユニット層と第二ユニット層とを基板の片側に一体的に積層するほか、基板の一方の面に第一ユニット層を、他方の面に第二ユニット層を形成するようにしてもよい。第一ユニット層と第二ユニット層を構成する多層膜構造を同一の膜構成にすると、製造効率を高める上で有利である。また、個々の薄膜を形成するには様々な薄膜材料を用いることが可能であるが、薄膜の物理的な強度や安定した屈折率を得るには酸化膜を好適に用いることができる。
入射光線の方位角に関し、リターデーションの発生分布特性が互いに直交する第一ユニット層、第二ユニット層を得るには、真空チャンバ内の成膜条件については一律に保ちながら、基板を90°回転させることが製造上最も簡便な手法となる。真空チャンバ内の成膜条件を一定に保ったとしても、現実的には真空チャンバ内における基板と薄膜材料との相対位置によっては、成膜された個々の薄膜には方向性をもった物性が現れやすくなる。こうした成膜条件のわずかな違いによって薄膜に生じる物性の変化は一般の光学干渉薄膜では所望の光学性能を得る上でほとんど無視できるが、薄膜の積層数が数十層さらには百数十層〜数百層にも達することがある位相差補償層では蓄積・強調され無視できなくなるが、第一ユニット層の成膜後に基板を90°回転させてから第二ユニット層を成膜すれば方向性をもつ物性が相補的に矯正され、良好な位相差補償作用を得ることができる。
また、基板の一方の面に第一ユニット層、他方の面に第二ユニット層を形成する場合には、第一ユニット層を形成した後に基板を法線回りに90°回転させるだけでなく表裏反転も必要になるが、一連の成膜工程中に真空チャンバを大気圧にリークすることなく基板の反転と90°回転とを行うことが好ましい。このような位相差補償素子の製造には様々な成膜手法を用いることが可能で、スパッタリングによる成膜法が好ましい。
本発明を用いることにより、ネガティブリターダとして良好に作用する位相差補償素子を簡便かつ効率的に製造することが可能となる。また、本発明の位相差補償素子によれば、従来の多層膜構造の位相差補償素子で生じがちであった斜め入射光に対する不完全な位相差補償作用が良好に改善され、同時に垂直入射光に対してはリターデーションの発生を1nm以下に抑えることも可能となる。
本発明の位相差補償素子は例えば図1に示すスパッタ装置で製造される。このスパッタ装置は図7に示す従来装置と基本的には同じ構造であるが、基板7を支持するドラム6に基板7をその法線回りに回転させる機構が設けられている。そして、ドラム6にはその外周面上で回転自在な基板ホルダ24が設けられ、この基板ホルダ24に5枚の基板7a〜7eが保持されており、これらの基板7a〜7eは基板ホルダ24を90°回転させることによって、その法線回りに90°回転させることができる。なお、90°の回転方向は時計回り、反時計回りのいずれの方向であってもよい。
このスパッタ装置の他の構成は図7に示す従来装置と共通で、ターゲット材料9には高屈折率のNb2O5膜の成膜材料となるNbが用いられ、ターゲット材料10には低屈折率のSiO2膜の成膜材料となるSiが用いられる。これらのターゲット材料9,10の縦サイズはドラム6の縦サイズよりも長くしてあり、1段目の基板7aや5段目の基板7eに対して極端に成膜条件が変わらないようにしてある。
成膜に先立ってまず真空チャンバ2の排気が行われる。所定の真空度まで排気が行われると放電ガスの導入口ノズル4から放電ガスとしてアルゴンガスが導入され、排気を並行して行うことによって真空チャンバ2内は規定ガス圧のアルゴンガスで満たされる。ターゲット材料9,10に電圧を印加すると、ターゲット材料9,10とドラム6との間にアルゴンガスのプラズマが生成される。
その状態で反応ガスの導入ノズル5,5から酸素ガスが導入され、アルゴンガスのプラズマ中に酸素ガスが含まれるようになる。ドラム6を一定の速さで回転させると、ターゲット材料9,10に対面するスパッタ領域を基板7a〜7eが通過する間にスパッタリングが行われ、それぞれのターゲット材料9,10から叩き出されたNb粒子とSi粒子は酸素雰囲気中で酸化してそれぞれNb2O5とSiO2になって基板7a〜7eに順次に堆積し、Nb2O5膜からなる高屈折率膜と、低屈折率のSiO2膜からなる低屈折率膜とが交互に成膜される。なお、各々の薄膜の膜厚を制御するにはドラム6の回転速度の調節、放電電圧・電力の調節、さらには各ターゲット材料とドラムとの間にシャッタを設け、その開閉時間を調節することでも対応が可能であり、シャッタを設けた場合には、スパッタリング領域に基板7a〜7eが移動してきたときにドラム6を停止させ、その状態でシャッタの開閉を制御する手法でも基板上に任意の膜厚で高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層することができる。
これらの酸化膜以外にも、液晶層によって生じるリターデーションdΔnの大きさに応じてターゲット材料9,10には種々のものを用いることができるが、そのほかにもTiO2膜、ZrO2膜、CeO2膜、SnO2膜、Ta2O5膜などの酸化膜は、膜強度があり光吸収も少ないことから、高屈折率の薄膜として好適に用いることができる。また、低屈折率の薄膜に用いることができる酸化膜としては、Al2O3膜やMgO膜がある。こうした酸化膜を成膜するにあたっては、上記のようにスパッタ領域に酸素ガスを導入して酸化させながら成膜するほかに、スパッタ領域に酸素ガスを導入せずにアルゴンガスだけでターゲット材料9,10からスパッタリングを行った後、その上に次層の薄膜が成膜される前に基板を酸素ガスで満たされた酸化領域を通過させて酸化膜にすることも可能である。
高屈折率薄と低屈折率膜とを所定の膜厚で交互に100層ずつ重ね、合計で200層の多層構造からなる位相差補償層を成膜する場合、基板7a〜7eに合計で100層分の成膜を行った時点で、各基板ホルダ24を一斉に90°回転させる。その後は全く同様にして残りの100層分の成膜を行う。図2は、こうして基板7に積層された位相差補償層30の構成を概念的に示すもので、合計200層の位相差補償層30は、高屈折率膜L1と低屈折率膜L2とを交互に100層まで積層した第一ユニット層30aと、さらにその上層に同様にして高屈折率膜L1と低屈折率膜L2とを交互に100層まで積層した第二ユニット層30bとから構成されることになる。
第一ユニット層30aと第二ユニット層30bとは全く膜構成が同じであるが、その境界でターゲット材料9,10に対して基板7が90°回転しているため、第一ユニット層30aが成膜条件のわずかな違いで方向性のある物性、特に入射光線の方位角に関し、リターデーションdΔnの発生分布特性が偏りをもつ場合、第二ユニット層30bがこのような偏りを相補的に矯正するように作用する。
すなわち、位相差補償層30のリターデーションdΔnの値は全体の膜厚dと複屈折Δnで決まるから、高屈折率膜L1と低屈折率膜L2の成膜時に、わずかな成膜条件の偏りによって膜厚や屈折率が必ずしも一律にならないことが十分に考えられる。ところが、上記のように第一ユニット層30aを成膜した時点で基板7を90°回転させ、しかる後に同一の膜構成からなる第二ユニット層30bを積層することにより全体として成膜条件の違いによる偏りが矯正され、良好な位相差補償作用を得ることができるものである。
なお、高屈折率膜L1,低屈折率L2の個々の膜厚は通常の光学干渉薄膜と比較してかなり薄く、例えば可視光(基準波長を550nm)に対して、その光学的膜厚はλ/100〜λ/5、好ましくはλ/50〜λ/5、より好ましくはλ/30〜λ/10程度である。したがって、第一ユニット層30aと第二ユニット層30bとの境界が100層目と101層目との間から数層程度の範囲でずれたとしてもほとんど有意の差は生じないが、好ましくは100層目までを第一ユニット層30aとし、101層以降を第二ユニット層30bとして各ユニット層30a,30bとを同一の多層膜構造にするのがよい。
図3に、基板7の表裏に上述した第一ユニット層30aと第二ユニット層30bとを成膜した位相差補償素子を示す。この位相差補償素子を製造するには、基板7の一方の面をターゲット材料9,10に対面させて第一ユニット層30aを成膜した後、基板7の表裏を反転させて他方の面をターゲット材料9,10に対面させるとともに、基板7をその法線回りに90°回転させてから第一ユニット層30aの成膜と全く同様にして第二ユニット層30bを成膜すればよい。
図4に反射防止層を付加した位相差補償素子の例を示す。同図(A)は図2に示す位相差補償素子に反射防止層31,32,33を付加したもので、反射防止層31は位相差補償層30と基板7との界面反射を防止し、反射防止層32は位相差補償層30と空気との界面反射を防止し、反射防止層33は基板7と空気との界面反射を防止する。これらの反射防止層は、例えば反射防止層33については低屈折率膜L2をλ/4の光学膜厚で成膜し、また反射防止層31,32については高屈折率膜L1と低屈折率膜L2とをそれぞれ干渉薄膜を構成する膜厚で組み合わせた多層反射防止層で構成することも可能である。
図4(B)は図3に示す位相差補償素子に反射防止層を組み合わせた例を示すもので、図4(A)に用いた反射防止層31,32を図示のように組み合わせることによって、位相差補償素子の反射防止を行うことができる。これらの反射防止層は、いずれも位相差補償層30の成膜工程の前後に組み合わせて成膜することができるので、真空チャンバを途中で大気圧までリークする必要もなく製造効率を低下させることがない。
本発明を用いた位相差補償素子の具体的な実施例について説明する。原理的に図1に示す構造を有するスパッタ装置を用い、基本的に図4(A)に示す多層構造をもつ位相差補償層30を成膜した。ドラム6には基板7a〜7eを縦列に並べて支持させ、これらの基板7a〜7eに一斉に高屈折率膜L1としてNb2O5膜、低屈折率膜L2としてSiO2膜を交互に積層した。下記の表1は、その具体的な膜構成の一例を示すもので、基板側の第1層と第2層が反射防止層31に相当し、最上層側の第175層〜第178層の4層が反射防止層32に相当する。なお、基板7の裏面側の反射防止層は省略したが、実用的には4〜6層程度の多層膜からなる反射防止層を設けるのが望ましい。
位相差補償層30は第3層〜第174層までの合計172層で構成され、Nb2O5膜とSiO2膜とが交互に15nmの膜厚で積層されている。位相差補償層30を構成する基板側の第一ユニット層30aは第3層〜第88層までの合計86層であり、その上にさらに積層される第二ユニット層30bは第89層から第174層までの合計86層となっている。第一ユニット層30aを成膜した後、基板7をドラム6上で時計方向に90°回転させた後に第二ユニット層30bの成膜を行うことによって本発明位相差補償素子のサンプル(1)〜(5)を作製した。また、比較のために基板7を全く回転させることなく第3層から第174までの位相差補償層30を一連に成膜して比較サンプル(1)〜(5)を作製した。これらのサンプル(1)〜(5)のそれぞれは、ドラム6上での基板位置に応じたもので、一段目の基板7aに成膜したサンプルを(1)とし、二段目の基板7b、三段目の基板7c、四段目の基板7d、五段目の基板7eにそれぞれ成膜したものを、順にサンプル(2)、(3)、(4)、(5)としている。
なお、反射防止層31,32及び、位相差補償層30の物理的膜厚は成膜後のサンプルについて実際に解析・測定した値ではなくいずれも成膜時の設定膜厚であり、ドラム6の回転速度、ターゲット材料9,10に印加される放電電圧・電力などの成膜条件の設定により得られる推定の膜厚で、少なくとも成膜を行いながら膜厚測定を行った場合の測定膜厚とよく一致する。また、各薄膜の屈折率も事前の成膜実験により同様にして確認されたもので、製造した位相差補償層30そのものの各層を測定した得た実測値ではない。
上記の表2は、作製された比較サンプルと本発明サンプルのそれぞれについて、550nmの光を入射角30°で入射させたときのリターデーションdΔnの測定値を示すもので、測定は方位角を30°刻みに変えながら行った。一般の光学干渉薄膜では、ドラム6に基板7a〜7eを縦に並べて同様の成膜を行っても、基板の位置によって有意の差はほとんどないのに対し、比較サンプル(1),(5)で特に顕著なように、位相差補償素子では明らかにリターデーションdΔnの値に方位角に依存する差が認められる。
図5は、表2中の比較サンプル(3)と比較サンプル(5)が示すリターデーションdΔnの値をグラフ化したもので、半径の長さがリターデーションの値に相当する。比較サンプル(3)、すなわちドラム6の高さ方向の中央に位置する基板7cの位相差補償層が示すリターデーションR(3)は、30°の入射光線に対して方位角に依存する極端な偏りはないが、比較サンプル(5)、すなわちドラム6の五段目の基板7eに成膜した位相差補償層が示すリターデーションR(5)は、明らかに方位角に依存して大きく変化している。なお、表2から確認できるように、第1段目の基板7aに位相差補償層を成膜した比較サンプル(1)も比較サンプル(5)とほぼ同じ傾向をもつ。また、比較サンプル(2),(4)が示すリターデーションはグラフ化を省略したが、比較サンプル(3)のもつ特性に近いものとなっている。
以上の知見から、図1に示すような成膜手法を採った場合、ターゲット材料9,10の大きさや位置、酸素ガスの導入ノズル5,5の位置による酸素ガス濃度のバラツキなど、厳密な意味では基板7a〜7eに薄膜を堆積させるときの成膜条件が一律ではないことが分かる。したがって、従来のようにドラム6に基板7a〜7eを固定してそのまま位相差補償層30を単に積層して位相差補償素子を製造した場合には、サンプル(2)〜(4)は問題なく製品化が可能であるが、方位角依存性のない高精度の位相差補償作用が要求されるような場合にはサンプル(1)及び(5)は製品化ができなくなる可能性が生じてくる。
これに対し本発明サンプル、すなわち位相差補償層をその中間の第一ユニット層まで成膜した時点で基板を90°回転させ、引き続き第二ユニット層を成膜して製造した本発明サンプル(1)〜(5)では、特にサンプル(3)及び(5)について図6に示すように、基板7cに成膜した位相差補償層のリターデーションR(3)と、基板7eに成膜した位相差補償層のリターデーションR(5)とはいずれも方位角に依存して大きく変化することがなくいずれも良好な位相差補償作用が得られ、製品化が可能であることが分る。また、表2に参考として付記したとおり、それぞれのサンプル(1)〜(5)について方位角に関するリターデーション値の最大値(MAX)、最小値(MIN)、最大値と最小値との差、平均値(Average)、標準偏差(σ)を評価しても、本発明サンプルの方が比較サンプルよりも偏りのない良好な位相差補償作用を発揮することがわかる。
また、垂直入射(入射角θ=0°)におけるリターデーションは方位角とは無関係であるが、比較サンプル(1)〜(5)と本発明サンプル(1)〜(5)とでは次の表3に示すように差が認められた。比較サンプル(1),(5)では垂直入射光に対しても1nmを越えるリターデーションが生じるのに対し、本発明サンプル(1)〜(5)ではいずれも0.2nm未満のリターデーションしか生ぜず、良好な特性を示すことが確認された。
以上のとおり、本発明の位相差補償素子は、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に数十層〜百数十層、さらには数百層まで積層させた位相差補償層により位相差補償作用を得ている。したがって、個々の薄膜の成膜時に厳密には制御し得ないわずかな成膜条件のバラツキに伴う膜厚や複屈折率などの物性の偏りが徐々に蓄積されてゆき、最終的には無視できない程度にまで物性が偏ってしまうことを想定し、成膜の途中で基板をその法線に関して90°回転させ、しかる後に全く同様にして成膜を継続することによって物性の偏りを相補的に解消して、トータル的に位相差補償層全体の物性を良好に保つようにしている。この手法は、成膜条件のわずかな違いや、それに伴う物性値の変化を定量的に把握していなくても適用できるという実用的価値が高く、単に一般のスパッタ成膜法に限らず、蒸着法やイオンプレーティング法など、種々の成膜法に適用可能である。
また、本発明を実施する上では、位相差補償層を構成する個々の薄膜の屈折率や膜厚、さらにはその積層数は、上述した実施例に限定されるものではなく、組み合わせて用いる液晶層の種類に応じて適宜に設定されることはもちろんである。さらに本発明は、例えば反射型液晶パネルと組み合わせて用いられる位相差補償素子にも適用することができる。この場合、位相差補償素子は液晶層の光入射面と偏光板との間に配置して用いられるのが通常であるが、液晶層の背面側すなわち反射面側に配置することも可能である。特に、反射面上に位相差補償層を成膜する場合には位相差補償素子の基板は不透明であってもよく、位相差補償素子の基板は透明なものに限られない。
なお、位相差補償層の膜構成としては、以上の実施形態で説明したように高・低二種類の屈折率をもつ薄膜を交互に同じ物理的膜厚で積層したものが製造工程を簡略化するうえで最も好ましいが、互いに屈折率が異なる薄膜の種類数を三種類以上にしたり、個々の膜厚を変えたりすることも可能である。また、実用的には基板、位相差補償層、空気の互いの界面に適数層の反射防止層を設けることが望ましく、しかも反射防止層を構成する薄膜も位相差補償層の成膜に用いたものと同じ薄膜材料を用いることが好ましいが、例えば低屈折率材料として安定的に多用されるMgF2膜のように、反射防止層を構成する少なくとも一部の薄膜には専用の薄膜材料を用いてもよい。もちろん、位相差補償作用のみが目的であればこれらの反射防止層は省略することも可能である。
2 真空チャンバ
6 ドラム
7、7a〜7e 基板
9,10 ターゲット材料
20 位相差補償素子
30 位相差補償層
30a 第一ユニット層
30b 第二ユニット層
31、32、33 反射防止層
6 ドラム
7、7a〜7e 基板
9,10 ターゲット材料
20 位相差補償素子
30 位相差補償層
30a 第一ユニット層
30b 第二ユニット層
31、32、33 反射防止層
Claims (9)
- 基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を備え、入射した光線に入射角に応じた負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子において、
前記位相差補償層が、前記基板側に前記少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の第一ユニット層と、この第一補償層の上に前記少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の第二ユニット層との組み合わせで構成され、入射した光線の方位角に関して前記第一ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性を前記第二ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性に対して略直交させたことを特徴とする位相差補償素子。 - 透明な基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を備え、入射した光線に入射角に応じた負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子において、
前記位相差補償層が、前記基板の一方の面に前記少なくとも二種類の薄膜を交互に積層した多層構造の第一ユニット層と、前記基板の他方の面に前記少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の第二ユニット層との組み合わせで構成され、入射した光線の方位角に関して前記第一ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性を前記第二ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性に対して略直交させたことを特徴とする位相差補償素子。 - 前記第一ユニット層を構成する多層構造と第二ユニット層を構成する多層構造とが、略同一の膜構成であることを特徴とする請求項1又は2記載の位相差補償素子。
- 前記第一及び第二ユニット層を構成する少なくとも二種類の薄膜の少なくともいずれかが酸化雰囲気中で成膜された酸化膜又は、成膜後に酸素雰囲気に曝されることによって酸化された酸化膜であることを特徴とする請求項3記載の位相差補償素子。
- 真空チャンバ内に基板と少なくとも二種類の薄膜材料とを収容し、前記薄膜材料から順次に粒子を放射して前記基板に堆積させ、前記基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を形成し、前記位相差補償層を通過する光線に入射角に対応した負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子の製造方法において、
前記位相差補償層の中間まで前記少なくとも二種類の薄膜を積層して第一ユニット層を形成した後、前記基板をその法線に対して90°回転してから前記少なくとも二種類の薄膜を積層して前記第一ユニット層と協同して前記位相差補償層を構成する第二ユニット層を形成することを特徴とする位相差補償素子の製造方法。 - 真空チャンバ内に基板と少なくとも二種類の薄膜材料とを収容し、前記薄膜材料の各々から個別に粒子を放射して前記基板に堆積させ、前記基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を形成し、前記位相差補償層を通過する光線に入射角に対応した負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子の製造方法において、
前記基板の一方の面に、前記位相差補償層の中間まで前記少なくとも二種類の薄膜を積層して第一ユニット層を形成し、しかる後に前記基板をその法線に対して90°回転させるとともに表裏を反転させ、前記基板の裏面に前記少なくとも二種類の薄膜を積層して前記第一ユニット層と協同して前記位相差補償層を構成する第二ユニット層を形成することを特徴とする位相差補償素子の製造方法。 - 前記第一ユニット層を構成する多層構造と第二ユニット層を構成する多層構造とを略同一の膜構成にしたことを特徴とする請求項5又は6記載の位相差補償素子の製造方法。
- 前記第一及び第二ユニット層を構成する少なくとも二種類の薄膜の少なくともいずれかが酸化雰囲気中で成膜された酸化膜又は、成膜後に酸素雰囲気に曝されることによって酸化された酸化膜であることを特徴とする請求項7記載の位相差補償素子の製造方法。
- 前記第一及び第二ユニット層を構成する二種類の薄膜をスパッタリングで成膜することを特徴とする請求項5〜8のいずれか記載の位相差補償素子の製造方法。
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