JP2011059593A

JP2011059593A - ガラス偏光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2011059593A
Application number: JP2009212047A
Authority: JP
Inventors: Nobuhito Takeshima; 延仁武島; Masayuki Kikuchi; 正幸菊池; Kazumasa Ikeda; 和正池田; Takamichi Hirano; 孝倫平野
Original assignee: Okamoto Glass Co Ltd
Current assignee: Okamoto Glass Co Ltd
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】主に大きな張力での延伸工程に起因する引張応力による割れを防止又は低減可能なガラス偏光素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るガラス偏光素子の製造方法は、銀イオンおよび塩素イオンを含有するガラスを溶解する溶融工程と；前記溶融ガラス内部に塩化銀を析出させる塩化銀析出工程と；前記ガラスを所望の大きさに加工するプリフォーム製造工程と；前記プリフォームを加熱し、前記塩化銀粒子を一軸方向に伸張させてガラスシートを成形する延伸工程と；前記ガラスシートの表面に圧縮応力層を形成する強化工程と；前記ガラスシート中の伸張された塩化銀を還元する還元工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明はガラス偏光素子及びその製造方法に関する。特に、可視光から近赤外領域の光に対し工業的に利用可能な偏光特性を有するガラス偏光素子に関する。

ガラス偏光素子は所定の偏光面を有する光を選択的に通過させる機能を有するため、各種光学系で広く使用されている。例えば、光通信用デバイスおよび投写型液晶ディスプレイを含む液晶ディスプレイに使用される。

ところで、近年、大型画面を表示する映像表示装置として投射型液晶表示装置が広く利用されている。リア型投射型液晶表示装置は大型テレビとして、フロント型液晶表示装置はパソコンデータのプレゼンテーションに主に使用される。投射型液晶表示装置は投射光学系を利用して小さな液晶素子上の画像を大画面に拡大投影する構成を持つ。技術的に詳細な説明は、例えば非特許文献１に示されている。
西田信夫, 大画面ディスプレイ（シリーズ先端ディスプレイ技術7）, 共立出版, 東京, 2002年発行

図１は、代表的な投射型液晶表示装置の構成を示す。光源４の光は光学部品５〜１６により青（Ｂ）、緑（Ｇ）および赤（Ｒ）の成分に分離され、それぞれに対応する液晶素子２Ｒ、２Ｇおよび２Ｂに導かれる。各液晶表示素子２Ｒ、２Ｇおよび２Ｂは入射側に入射側偏光素子１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂを、出射側に出射側偏光素子３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂを備えている。赤、緑および青に対応する、入射側偏光素子および出射側偏光素子から成る一組の偏光素子は、液晶素子を通過した所定の偏光方向の光を選択的に通過させる機能を持つ。この機能により液晶素子２Ｒ、２Ｇおよび２Ｂを通過した三原色の光は、光強度変調された画像信号となる。これら３原色光は、更に合成プリズム１７で光合成され、更に拡大投射レンズ系１８を通してスクリーン１９に投影される。

偏光素子に要求される偏光特性は、希望の偏光面をもつ光信号を透過させ、それと直交する偏光面を持つ不要光信号を阻止する性質を持つ事である。すなわち、希望する偏光面を持つ光に対し大きな透過率を有し、これと直交する偏光面を持つ光に対しては、小さな透過率を持つ事が望ましい。

これらの透過率の比は消光比と呼ばれ、当業者により偏光素子の性能を表現する性能指数として広く利用されている。この指標を利用すると、投射型液晶表示装置に適用する偏光素子に要求される性能は、光信号に対し大きな透過率と大きな消光比を持つ事であると表現される。投射型液晶表示装置の場合、偏光素子に要求される性能は、使用する波長の光に於いて75％以上の透過率と400：1以上の消光比を持つことが望ましいと言われている（特許文献１）。もちろん、偏光素子に要求される透過率および消光比の値は偏光素子を適用する装置に依存して決められる。
特開２００４−７７８５０号公報

偏光ガラスにおいて可視光領域の透過率を向上させようとした場合、小さな粒子径を持つ塩化銀粒子を高い荷重で延伸する必要性がある。これは、粒子径が小さくなるほどガラスを延伸した際に粒子に応力が作用しにくいことに起因しており、目的のアスペクト比を有する銀微粒子を作製するために粒子径が小さいものほど高い荷重を必要とする。

ところで、塩化銀粒子の粒子径が増大するほど散乱効果が大きくなり短波長域における透過率の低下を招く。このため、大きな粒子径を持つガラスを延伸して製造された偏光ガラスは、可視光領域において75%以上の透過率を実現することが困難となる。また、粒子径の大きなガラスを大きな張力で延伸し、透過率を向上させようとした場合は、直交透過率が最も低くなる波長領域が長波長側へ移動するため、可視光領域で満足の行く偏光特性を実現することが困難となる。

上述したように、偏光ガラスにおいて可視光領域の透過率を向上させようとした場合、小さな粒子径を持つ塩化銀粒子を使用する必要がある。ここで、目的のアスペクト比を有する銀微粒子を作製するためには、粒子径が小さいものほど大きな張力を必要とする。これは、粒子径が小さくなるほどガラスを延伸した際に粒子に応力が作用しにくいことに起因しているためである。

発明者らは、可視光領域、特に緑色光領域において75%以上の透過率を実現するためには塩化銀の粒径を50nm以下にすることが必要であることを明らかにした（特許文献２）。
国際公開ＷＯ２００８／０７２３６８

また、センサやアイソレータに使用される偏光素子は、40dBの消光比を必要とし、透過率もARコートを施さない状態で90%以上が要求される。さらにできる限り複屈折の影響を排除するために、非還元領域に存在するハロゲン化銀粒子の大きさをできる限り小さくする必要がある。しかし、この程度まで粒径が小さくなると必要とする延伸張力は500Kgf/cm²を超え、延伸中に破断する確率が上昇する。延伸中の破断は、コストの増大の要因となる。

更に、500Kgf/cm2を超える応力で延伸した際には、延伸後、ガラスシートの幅方向に大きな引張応力が残存しており、割れの原因となっていた。

特許文献３には、延伸後アニール処理を行うことにより割れを防止する方法が開示されている。しかしながら、アニール処理は、歪を緩和させさらに歪点以下の温度まで徐々に冷却する必要がある。また、歪を緩和させるためには徐冷点まで加熱することが一般的であり、ガラス転移温度以下でアニール処理を施す場合には長い時間を必要とする。徐冷点まで加熱した際には、短時間においても延伸されたハロゲン化銀粒子の再球状化が進行し、所定のアスペクト比を有する銀微粒子を得ることが困難となる。
特開２００５−１５７４０２号公報

また、アスペクト比を大きくするために早いローラー引張速度で延伸した際には、延伸工程において、延伸によりプリフォームの幅が２倍以上縮小されるためガラスシートの幅方向に引張応力が形成される。この引張応力によりガラスシートが左右に引っ張られ、中心部から裂けるように割れが発生する。これを解決するためには、引張応力を緩和させるか、引張応力と同程度の圧縮応力を形成させる必要がある。しかしながら、応力を緩和させるためにはアニール処理が必要であり、前記と同様な問題が生じてしまう。

本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、主に大きな張力での延伸工程に起因する引張応力による割れを防止又は低減可能なガラス偏光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上記のような課題を解決するために研究を重ねた結果、ガラスシートの表面に、圧縮応力層を均一に設けることにより、ガラスシート外周部の引張応力による割れを防止できることを見出した。

本発明に係るガラス偏光素子の製造方法は、銀イオンおよび塩素イオンを含有するガラスを溶解する溶融工程と；前記溶融ガラス内部に塩化銀を析出させる塩化銀析出工程と；前記ガラスを所望の大きさに加工するプリフォーム製造工程と；前記プリフォームを加熱し、前記塩化銀粒子を一軸方向に伸張させてガラスシートを成形する延伸工程と；前記ガラスシートの表面に圧縮応力層を形成する強化工程と；前記ガラスシート中の伸張された塩化銀を還元する還元工程と、を含む。

好ましくは、前記強化工程において、前記ガラスシートを、ガラス転移温度近傍の温度で保温した後、冷却することによって当該ガラスシートの表面に前記圧縮応力層を形成する。

前記強化工程において、前記ガラスシートを、５〜６０分の間、ガラス転移温度近傍の温度でガラスシート全体を均一な温度にするように保温した後、即座に冷却することによって当該ガラスシートの表面に前記圧縮応力層を形成することができる。ここで、ガラスシート全体を均一な温度にした後、「即座に冷却する」とは、炉内で徐々に冷却することなくガラス転移温度近傍の温度に保温した後、急速に冷却する意味である。

上記のように、本発明においては、ガラス転移温度近傍の温度で一定時間保温し、ガラスシート全体を均一な温度にする。その後、炉外に即座に取り出しガラスシート表面から冷却し、表面に圧縮応力層を形成する。これにより、圧縮応力層と引張り応力層が均衡し、ガラスシートの中心部からの裂けるような割れを防止することができる。圧縮応力層を形成することにより、後工程における切断加工時の割れも防止可能となった。

その結果、可視光から近赤外領域において優れた透過率および消光比を有する偏光ガラスを安定的に製造することが可能となる。

図１は、本発明が適用可能な一般的な投射型液晶表示装置の構成を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例を用いて詳細に説明する。

本発明を実施するための製造技術は、公知の赤外線用偏光ガラスを製造する技術を基に、延伸後の工程を工夫することにより行われる。

まず、所定の組成のガラスバッチを準備する。この時、下記の事項に注意して組成及び原料を選定する。可視光領域で使用する偏光素子に適用するガラスは、光照射により透過率が劣化する、いわゆるフォトクロミック特性を持たないガラスを選定する必要がある。このためには、ガラス原料は酸化銅の不純物混入を厳密に避けるなどの工夫が必要になる。また、銀およびハロゲンの添加量は最終的に透過率と消光比を両立可能な量に選択する。

所定の組成のガラスバッチを溶解し、型に注ぎ入れることにより板状のガラスを作製する。次に、本発明の製造技術では、熱処理によりハロゲン化銀を析出させる。この時、熱処理温度は軟化点より少なくとも20℃低い温度、可視光用偏光素子においては好ましくは40℃以上低い温度で行う。

塩化銀粒子を析出させたプリフォームを延伸する。延伸工程では、ハロゲン化銀粒子が適切なアスペクト比を有するように、ガラスの粘度を調整し、プリフォームを延伸する。

延伸されたガラスシートは、ガラス転移温度近傍の温度で一定時間保温し、ガラスシート全体を均一な温度にする。その後、炉外に即座に取り出しガラスシート表面から急冷し、表面に圧縮応力層を形成する。ここで、「ガラス転移温度近傍の温度」とは、例えば、ガラス転移温度±１０℃とすることができる。

ガラスシートは、420℃から450℃の温度で0.5から48時間還元処理される。還元処理を行う時間は、目的とする消光比により異なるが、可視光用偏光素子においては粒子径が50nm以下と小さいため、厚み方向においてより深くのハロゲン化銀粒子まで還元させなければならない。一方、センサ、アイソレータ用偏光素子においては、可視光用偏光素子と比較すると粒子径が大きいため、より短い時間で還元することが可能である。また、必要に応じて還元前に成形加工を行い、製品形状を形成する。

還元されたガラスシートは、必要に応じて反射防止膜を成膜して本発明の偏光素子が完成する。
(実施例1)
目的の組成比となるように調合された原料を10リットルの白金坩堝に入れ、1450℃の温度で攪拌をしながら溶融した。ここで、原料としては、例えば、銀および塩素の添加量を調整することと、ノンフォトミックガラスになるように、硝酸塩を含有させ銅などの物質を含有させない組成とする。上記原料を一定時間溶融後、融液を金型に流し出しガラスブロックを作製した。その後、成形加工し、軟化点より20℃低い温度で5時間熱処理を行い均一な塩化銀粒子を析出させた。塩化銀を析出させたガラスブロックは延伸機に合わせた大きさに加工されプリフォームとした。

プリフォームを加熱し、60Kgfの荷重で延伸を行った。延伸されたガラスシートは、ガラス転移温度より5℃高い温度で20分保温した。保温したガラスシートは即座に炉外に取り出して室温で冷却することにより、圧縮応力層を形成した。圧縮応力層形成後、24時間放置し破断の発生を観察した。破断の発生は見られなかった。なお、ガラスシートを冷却するには、例えば室温〜９０℃程度とすることが好ましい。

その後ガラスシートは、目的の大きさに加工された。加工中の破断の発生も見られなかった。次に加工されたガラスに周知の還元処理を施した。

完成したガラス偏光素子の透過率を測定したところ、1550nmにおける平行透過率は93%であり、消光比は48dBであった。

(実施例2)
目的の組成比となるように調合された原料を10リットルの白金坩堝に入れ、1450℃の温度で攪拌をしながら溶融した。一定時間溶融後、融液を金型に流し出しガラスブロックを作製した。その後、成形加工し、軟化点より60℃低い温度で4時間熱処理を行い均一な塩化銀粒子を析出させた。塩化銀を析出させたガラスブロックは延伸機に合わせた大きさに加工されプリフォームとした。

プリフォームを加熱し、100Kgfの荷重で延伸を行った。延伸されたガラスシートは、ガラス転移温度で30分保温した。保温したガラスシートは即座に炉外に取り出して室温で冷却することにより、圧縮応力層を形成した。圧縮応力層形成後、24時間放置し破断の発生を観察した。破断の発生は見られなかった。なお、ガラスシートを冷却するには、例えば室温〜９０℃程度とすることが好ましい。

完成したガラス偏光素子の透過率を測定したところ、500-600nmにおける平均平行透過率は80%であり、消光比は32dBであった。

(実施例3)
目的の組成比となるように調合された原料を10リットルの白金坩堝に入れ、1450℃の温度で攪拌をしながら溶融した。一定時間溶融後、融液を金型に流し出しガラスブロックを作製した。その後、成形加工し、軟化点より40℃低い温度で5時間熱処理を行い均一な塩化銀粒子を析出させた。塩化銀を析出させたガラスブロックは延伸機に合わせた大きさに加工されプリフォームとした。

プリフォームを加熱し、50Kgfの加重で延伸を行った。延伸されたガラスシートは、ガラス転移温度より5℃低い温度で50分保温した。保温したガラスシートは即座に炉外に取り出して室温で冷却することにより、圧縮応力層を形成した。圧縮応力層形成後、24時間放置し破断の発生を観察した。破断の発生は見られなかった。なお、ガラスシートを冷却するには、例えば室温〜９０℃程度とすることが好ましい。

完成したガラス偏光素子の透過率を測定したところ、600-700nmにおける平均平行透過率は87%であり、消光比は35dBであった。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例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技術的思想を逸脱しない範囲で種々の設計変更等が可能である。

Claims

ガラス偏光素子の製造方法において、
銀イオンおよび塩素イオンを含有するガラスを溶解する溶融工程と；
前記溶融ガラス内部に塩化銀を析出させる塩化銀析出工程と；
前記ガラスを所望の大きさに加工するプリフォーム製造工程と；
前記プリフォームを加熱し、前記塩化銀粒子を一軸方向に伸張させてガラスシートを成形する延伸工程と；
前記ガラスシートの表面に圧縮応力層を形成する強化工程と；
前記ガラスシート中の伸張された塩化銀を還元する還元工程と、を含むことを特徴とするガラス偏光素子の製造方法。
前記ガラスシートを、ガラス転移温度近傍の温度で保温した後、冷却することによって当該ガラスシートの表面に前記圧縮応力層を形成することを特徴とするガラス偏光素子の製造方法。
前記ガラスシートを、５〜６０分の間、ガラス転移温度近傍の温度で保温ガラスシート全体を均一な温度にするように保温した後、即座に冷却することによって当該ガラスシートの表面に前記圧縮応力層を形成することを特徴とする請求項２に記載のガラス偏光素子の製造方法。
請求項１に記載のガラス偏光素子を使用した投写型液晶表示装置。
請求項１に記載のガラス偏光素子を使用した光電センサ。
請求項１に記載のガラス偏光素子を使用してなるアイソレータ。