JP5816378B2

JP5816378B2 - 光学補償板

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Publication number: JP5816378B2
Application number: JP2014538295A
Authority: JP
Inventors: 高橋　裕樹; 裕樹高橋
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN104737040A; US20150192723A1; WO2014050408A1; DE112013004797B4; US10101516B2; JPWO2014050408A1; CN104737040B; DE112013004797T5

Description

本発明は、液晶表示装置等に用いられ、光の位相差を補償する光学補償板に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）に表示させた画像等をスクリーンに拡大投影する液晶プロジェクタが普及している。周知のように、液晶表示装置は液晶パネルの両側に偏光板をクロスニコル配置した構造を有し、画素毎に液晶分子の配向状態を制御して光の透過率を調節することにより画像等を表示する。また、液晶パネルは、垂直に入射する光によって白色及び黒色を正確に表示できるように液晶層の厚さ等が調節されているので、液晶層を斜めに通過する光があると、黒色を表示する場合でも出射側偏光板を漏れ通る成分が発生する。

液晶プロジェクタの場合、斜め入射による光の漏れがあると投影像のコントラストが低下するので、光学補償板によって斜めに入射する光の位相差を補償することにより、コントラストを向上させている。光学補償板としては、例えば、ガラス基板上に屈折率が異なる２種類の誘電体薄膜を交互に複数積層した誘電体多層膜層によって位相差補償層を形成したもの（いわゆるネガティブＣプレート）や、無機材料を斜め方向から蒸着して形成される斜方蒸着膜で位相差補償層を形成したもの（いわゆるＯプレート）が知られている（特許文献１）。

国際公開２００８／０７８７６４号パンフレット

光学素子の表面には、通常、表面反射を抑えるために反射防止層が設けられる。光学補償板も例外ではなく、その表面には反射防止層が設けられていることが好ましい。反射防止層としては、例えば、屈折率の異なる誘電体薄膜を交互に複数積層した誘電体多層膜からなる誘電体多層膜層が用いられる。このように誘電体多層膜層により位相差補償層を形成した光学補償板に、誘電体多層膜層からなる反射防止層をさらに形成する場合にはほぼ不具合は生じない。また、位相差補償層自体に反射防止特性を持たせることもできる。

一方、斜方蒸着膜で位相差補償層を形成した光学補償板の場合、斜方蒸着膜上に誘電体多層膜層を形成すると、光学補償板が帯電し、チリやホコリを吸着しやすくなるという不具合がある。光学補償板の表面にチリやホコリが付着すると、当然、表示画像の画質は低下する。付着したチリやホコリに透光性がある場合でも、チリやホコリの付着した部分では位相差が正確に補償されないので、コントラスト性能が悪化する。特に液晶プロジェクタに使用する光学補償板の場合は像が拡大投影されるので、微小なチリやホコリでも、投影画質の低下が目立ちやすい。

本発明は、チリやホコリの付着による画質低下を防止することができる光学補償板を提供することを目的とする。

本発明の光学補償板は、位相差補償層と、反射防止層と、中間層と、を備える。位相差補償層は基板の表面に斜方蒸着層として形成され、前記基板の表面に対して傾斜した柱状構造が林立している無機材料からなる微細構造を有する。反射防止層は、位相差補償層の上側に設けられ、網目状多孔構造による凹凸構造が一面に一様に形成されている。中間層は、位相差補償層と同じ材料によって形成された第１稠密膜と、反射防止層と同じ材料で形成された第２稠密膜とを有し、第１稠密膜は、中間層の最も位相差補償層側に設けられ、第２稠密膜は、中間層の最も反射防止層側に設けられている。なお、以下の説明では、各層の基板側を下側、基板から離れる側を上側とする。

反射防止層は、酸化亜鉛で形成されることが好ましい。

さらに、少なくとも２種類以上の屈折率が異なる誘電体薄膜を交互に積層して形成された第１誘電体多層膜層が、基板と位相差補償層との間に設けられていることが好ましい。

また、中間層は、第１稠密膜と第２稠密膜との間に、互いに屈折率が異なる２種類以上の誘電体薄膜を積層して形成された第２誘電体多層膜層を備えても良い。

反射防止層の上側に、耐油性コーティングを備えることが好ましい。この耐油性コーティングは、フッ化マグネシウムで形成されていることが好ましい。

反射防止層は、棒状または針状の結晶が表面に対して垂直に林立したモスアイ構造そのものであっても良い。

反本発明の光学補償板は、モスアイ構造に類する構造の反射防止層によってチリやホコリの付着が防止され、それによる画質劣化を招くことがない。

光学補償板の層構造を示す断面図である。光学補償板の特に好ましい層構造を示す断面図である。ネガティブＣプレートを一体に設けた光学補償板の断面図である。基板と位相差補償層の間にネガティブＣプレートを設けた光学補償板の断面図である。基板の裏面側にネガティブＣプレートを設けた光学補償板の断面図である。耐油性コーティングを施した光学補償板の断面図である。

［第１実施形態］
図１に示すように、光学補償板１０は、基板１１上に、位相差補償層１２、中間層１３、反射防止層１４をこの順に積層して形成される。

基板１１は、例えばガラス基板である。基板１１には、ＴＡＣやＰＥＴ等のフィルム、や、アクリル樹脂，ポリカーボネート等の有機ガラスを使用しても良いが、無機ガラスを使用することが好ましい。液晶プロジェクタ等の過酷な環境で使用しても経時劣化が殆ど無いからである。なお、図示しないが、基板１１の裏面（位相差補償層１２が設けられている面の反対側の面）には反射防止層が形成されている。この反射防止層は、例えば、誘電体多層膜によって形成される。

位相差補償層１２は、基板１１に対して斜め方向から無機材料を蒸着して形成された斜方蒸着膜からなる層であり、基板１１の表面に対して傾斜して柱状構造体が林立した微細構造を有する。この傾斜した柱状構造に基づく構造性複屈折によって、位相差補償層１２を透過する光には所定の位相差が与えられる。これにより、光学補償板１０は、ＶＡ型液晶パネルの液晶分子のプレチルトによって生じる位相差を補償するＯプレートとして機能する。

なお、位相差補償層１２を形成する個々の柱状構造体は例えば数ｎｍ〜数百ｎｍのオーダであり、柱状構造体の傾斜角度や林立密度、位相差補償層１２の厚さ等のパラメータは光学補償板１０で補償する位相差の大きさと製造適性に応じて定められる。位相差補償層１２の斜方蒸着膜を形成する無機材料は任意であるが、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等を用いることができる。

中間層１３は、一つの材料で形成される場合、位相差補償層１２または反射防止層１４のいずれかと同じ材料、あるいは位相差補償層１２と反射防止層１４の中間の屈折率を有する材料で形成される。但し、中間層１３は、位相差補償層１２や反射防止層１４のような微細な内部構造を有さない稠密な膜（いわゆるベタ膜）である。すなわち、中間層１３は、基板１１表面にほぼ垂直な方向から材料粒子を均一に堆積させる通常の真空蒸着法やＣＶＤ等により形成される。

例えば、中間層１３を位相差補償層１２と同じ材料（Ｔａ_２Ｏ_５等）で形成する場合、基板１１の表面に位相差補償層１２を形成した後、位相差補償層１２の表面を蒸着源に正対させ、基板１１を回転させながら蒸着をすることにより、中間層１３を形成することができる。また、中間層１３を反射防止層１４と同じ材料（ＺｎＯ等）で形成する場合は、位相差補償層１２を形成するための蒸着装置内に、反射防止層１４と同じ材料の蒸着源を用意しておけば、上述と同様にその蒸着源に位相差補償層１２の表面を正対させて蒸着をすることにより、反射防止層１４と同じ材料からなる中間層１３を形成することができる。

反射防止層１４は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等で形成され、棒状（あるいは針状）結晶が複雑に絡み合って結合した網目状の多孔構造を有する。この網目状多孔構造は、少なくとも表面の網部分と穴部分によって可視光の波長程度のオーダ（数ｎｍ〜数百ｎｍ）の凹凸構造が一面に一様に形成されており、蛾の目のような微小な凹凸構造（いわゆるモスアイ構造）に類する微細構造である。このため、反射防止層１４もモスアイ構造と同様の原理で、一面の凹凸構造によって反射防止作用を示す。

酸化亜鉛で網目状多孔構造を形成する場合、例えば、硝酸亜鉛とエチレンジアミンを含む溶液を中間層１３の表面に塗布し、溶媒等を蒸発させて酸化亜鉛を析出させれば良い。位相差補償層１２と中間層１３を設けた基板１１を硝酸亜鉛とエチレンジアミンを含む溶液に浸漬し、加温しながら酸化亜鉛を析出させても良い。また、アルミナを用いる場合は、中間層１３上にアルミナ薄膜を形成した後、温水処理をすることにより網目状多孔構造にすることができる。

上述のように、光学補償板１０は、位相差補償層１２によってＯプレートとして機能し、反射防止層１４が設けられているので表面反射も抑えられる。

位相差補償層１２の上に反射防止層１４を直接形成すると、位相差補償層１２と反射防止層１４がともに微細な内部構造を有しているため、こうした微細構造が露呈した表面同士の密着性が悪い。このため、製造が難しく、製造できたとしても高コストになる。また、液晶プロジェクタという過酷な環境下で使用するには耐久性に難がある。しかし、光学補償板１０では、位相差補償層１２と反射防止層１４の間に稠密な中間層１３を設けることにより、位相差補償層１２と中間層１３と密着性と、中間層１３と反射防止層１４の密着性をそれぞれ高めている。すなわち、光学補償板１０は、中間層１３により位相差補償層１２と反射防止層１４の密着性が良いので、製造適性に優れ、液晶プロジェクタ等の過酷な環境での使用にも耐え得る。

さらに、光学補償板１０は、反射防止層１４の網目状多孔構造による凹凸が表面に露呈されているのでチリやホコリが付着しにくい。酸化亜鉛は導電性を有するので、反射防止層１４に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いると光学補償板１０の帯電が防止され、チリやホコリを吸着し離くなるので、特に防塵性能が良い。

防塵性の評価のために、表面に凹凸が露呈されている第１実施形態の光学補償板１０（反射防止膜層１４に酸化亜鉛を使用）と、位相差補償層１２の上に誘電体多層膜からなる表面が平坦な反射防止層を設けた比較用の光学補償板を製造した。そして、各々の反射防止層の表面を布で擦って帯電させた後、防塵試験用ビーズ（１０μｍφ）を乗せ、吸着されていない余分なビーズを払い落とし、３×３ｍｍのエリア内の吸着数を計数した。また、この防塵性評価を複数回繰り返し行なった。すると、光学補償板１０の場合、ビーズの付着数は概ね３００個以下であったが、比較用の光学補償板では概ね５００個以上であった。このことからも、光学補償板１０は従来のものよりも防塵性が向上していることがわかる。

［第２実施形態］
第１実施形態の光学補償板１０では、中間層１３を、位相差補償層１２または反射防止層１４のいずれかと同じ材料からなる一つの膜で形成しているが、図２に示す光学補償板２０のように、中間層２１を第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの２つの薄膜で形成することが好ましい。この場合、位相差補償層１２に接する第１薄膜２１ａは、位相差補償層１２と同じ材料からなる稠密膜にし、反射防止層１４に接する第２薄膜２１ｂは、反射防止層１４と同じ材料からなる稠密膜にする。

こうすると、位相差補償層１２と第１薄膜２１ａ、第２薄膜２１ｂと反射防止層１４はそれぞれ同じ材料で形成されているので、他の材料で形成するよりも密着性が良い。また、位相差補償層１２や反射防止層１４に微細な内部構造があっても、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂはどちらも稠密膜なので、中間層２１と位相差補償層１２との間で良い密着性が得られ、かつ、中間層２１と反射防止層１４との間で良い密着性が得られる。これらのことから、光学補償板２０のように、中間層２１を第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの二膜構成にすれば、第１実施形態の光学補償板１０よりもさらに位相差補償層１２と反射防止膜層１４の密着性が向上する。

［第３実施形態］
第２実施形態の光学補償板２０では、中間層２１を第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの二膜構成にしているが、中間層２１を三膜構成の誘電体多層膜層（第１誘電体多層膜層）で構成しても良い。この場合、図３に示す光学補償板２６の中間層２７のように、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの間に第３薄膜２８を加える。そして、この第３薄膜２８は、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの中間の屈折率になるように材料や膜数を決定し、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの屈折率差を緩和することが好ましい。こうすると、中間層２７は、位相差補償層１２との密着性及び反射防止膜層１４との密着性を良好に維持しつつ、光学補償板２０の第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの界面における反射も抑制することができる。中間層２１を四膜以上で構成する場合には、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの間に設ける薄膜数を増やせば良い。

なお、中間層２１を三膜以上の膜数にする場合、例えば第３薄膜２７の代わりに、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの間にネガティブＣプレートとして機能する誘電体多層膜からなる層（第２誘電体多層膜層）を設けても良い。ネガティブＣプレートは、少なくとも２種類以上の屈折率が異なる誘電体薄膜を交互に積層することによって形成される。

第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの間にネガティブＣプレートを設ける場合、位相差補償層１２だけで位相差補償をする場合よりも、設計の自由度が向上するので、より高精度な位相差補償が可能になる。また、従来のようにネガティブＣプレートを光軸に対して斜めに配置して位相差補償をする場合と比較すると、位相差補償の精度を向上させつつ、ネガティブＣプレートを光軸に対して斜めに配置していた分のスペースを削減し、液晶プロジェクタを小型化あるいは薄型化することができる。但し、位相差補償層１２の上に誘電体多層膜層を設けると光学補償板２０が帯電してチリやホコリを吸着しやすくなるので、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの間にネガティブＣプレートを設ける場合には、光学補償板２０の帯電を防止するために、反射防止層１４を導電性のある酸化亜鉛で形成することが好ましい。もちろん、中間層２１全体、すなわち第１薄膜２１ａや第２薄膜２１ｂとこれらの間に設ける誘電体多層膜の全体でネガティブＣプレートとして機能する誘電体多層膜層を形成しても良い。

第１実施形態の光学補償板１０のように、中間層１３を一つの膜で形成した光学補償板１０にネガティブＣプレート機能を持たせる場合には、例えば、図４に示す光学補償板３０のように、ネガティブＣプレートを形成する誘電体多層膜層３１は、基板１１と位相差補償層１２の間に設ければ良い。

また、図５に示す光学補償板３３のように、ネガティブＣプレートとして機能する誘電体多層膜層３１を基板１１の裏面（位相差補償層１２が設けられる面とは反対側の面）に設けても良い。誘電体多層膜層３１の上側（基板１１の反対側）には反射防止層３２を設ける。反射防止層３２は、第１，第２実施形態の各光学補償板１０，２０，２６，３０で裏面側に設けるものと同様のものでも良いし、モスアイ構造（あるいはモスアイ構造に類する構造）を有するものでも良い。図５では、反射防止層３２を、反射防止層１４と同様の網目状多孔構造を有する。

このように基板１１の裏面に誘電体多層膜層３１を設ける場合、第１実施形態の光学補償板１０と同様に中間層１３を位相差補償層１２または反射防止層１４のいずれかと同じ材料からなる一つの膜で形成しても良いし、第２実施形態の光学補償板２０のように第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの二膜構成にしても良い。さらに、光学補償板２６の中間層２７のように、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの間に第３薄膜２８を加え（図３参照）、第１薄膜２１ａと第２薄膜２１ｂの界面における反射も抑制しても良い。

［第４実施形態］
第１〜第３実施形態の各光学補償板１０，２０，２６，３０，３３では、網目状多孔構造の反射防止層１４が表面に露呈されているが、図６に示す光学補償板４０のように、反射防止層１４に耐油性コーティング４１を施しておくことが好ましい。耐油性コーティング４１は、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）で形成される。また、耐油性コーティング４１は、フッ素樹脂でも良い。

光学補償板１０，２０，２６，３０，３３は、通常は人が直に触れたりしない箇所に用いられるが、例えば、液晶プロジェクタのメンテナンス時に、サービスマンが誤って光学補償板１０，２０，２６，３０，３３に触れて油脂等が付着してしまうことがある。この場合、油脂等を完全に拭き取ることは難しく、残留した油脂等により正常な位相差補償効果が得られなくなる。また、残留した油脂等は位相差補償層１２に浸透すると、さらに位相差補償性能が悪化する。このため、光学補償板１０，２０，２６，３０，３３を液晶プロジェクタに用いる場合には、コントラスト性能が悪化する。しかし、耐油性コーティング４１を設けておけば、光学補償板４０に誤って触れ、油脂等が付着しても拭き取りが容易になり、残留する油脂等も少なくなるので、位相差補償性能の悪化を最小限に抑えることができる。また、光学補償板４０を液晶プロジェクタに組み込む場合も誤って光学補償板１０，２０，２６，３０，３３に触れてしまうことがあるが、この場合も同様に位相差補償性能の悪化を最小限に抑えることができるので、耐油性コーティング４１を設けた光学補償板４０を用いることで歩留まりを向上し、組み立てコストを低減することもできる。

図６では、耐油性コーティング４１を厚く描いているが、耐油性コーティング４１は、網目状多孔構造による表面の凹凸が無くならないように薄く設けることが好ましい。前述のように、表面の凹凸によっても防塵性が向上するからである。但し、表面が平坦になってしまう程度に耐油性コーティング４１を厚く形成しても、反射防止層１４に耐油性コーティング４１の材料が浸透していなければ、反射防止層１４の反射防止性能にほぼ変わりはない。

なお、図６の光学補償板４０では、第１実施形態の光学補償板１０に耐油性コーティング４１を設けているが、第２，第３実施形態の各光学補償板２０，２６，３０，３３の場合も同様であり、反射防止層１４上に耐油性コーティング４１を設けることが好ましい。

なお、第１〜第４実施形態の各光学補償板１０，２０，２６，３０，３３，４０では、反射防止層１４をモスアイ構造に類する網目状多孔構造にしているが、反射防止層１４は、酸化亜鉛等の棒状結晶が表面にほぼ垂直に林立させたモスアイ構造そのものにして良い。

なお、第１〜第４実施形態の各光学補償板１０，２０，２６，３０，３３，４０では、基板１１の裏面側に誘電体多層膜からなる反射防止層（図示しない）を設けているが、基板１１の裏面に設ける反射防止層は、表面の反射防止層１４と同様に、モスアイ構造に類する網目状多孔構造の反射防止層でも良い。また、モスアイ構造の反射防止膜層でも良い。さらに、基板１１の裏面側には、単に反射防止層を設けるだけでなく、例えば、ネガティブＣプレートを形成しても良い。

なお、光学補償板１０，２０，２６，３０，３３，４０は、ＶＡ型液晶パネルを用いる液晶プロジェクタに特に好適である。液晶パネルに入射する光の偏光状態を制限する偏光板（偏光子）と、液晶パネルから出射する光の偏光状態を制限する偏光板（検光子）との間であれば、液晶プロジェクタ内での配置は任意である。液晶パネルは透過型でも良いし、反射型でも良い。

また、光学補償板１０，２０，２６，３０，３３，４０を、表示画像を直接観察する液晶ディスプレイに用いても良い。液晶ディスプレイに光学補償板１０，２０，２６，３０，３３，４０を用いれば、視野角を向上させることができる。

１０，２０，２６，３０，３３，４０光学補償板
１１基板
１２位相差補償層
１３，２１中間層
１４反射防止層
３１誘電体多層膜層
４１耐油性コーティング

Claims

基板の表面に斜方蒸着層として形成され、前記基板の表面に対して傾斜した柱状構造が林立している無機材料からなる微細構造を有する位相差補償層と、
前記位相差補償層の上側に設けられ、網目状多孔構造による凹凸構造が一面に一様に形成された反射防止層と、
前記位相差補償層と前記反射防止層との間に、稠密膜で形成された中間層と、を備え、
前記中間層は、前記位相差補償層と同じ材料によって形成された第１稠密膜と、前記反射防止層と同じ材料で形成された第２稠密膜とを有し、
前記第１稠密膜は、前記中間層の最も前記位相差補償層側に設けられ、
前記第２稠密膜は、前記中間層の最も前記反射防止層側に設けられている、
光学補償板。
少なくとも２種類以上の屈折率が異なる誘電体薄膜を交互に積層して形成された第１誘電体多層膜層が、前記基板と前記位相差補償層との間に設けられている請求項１記載の光学補償板。
前記中間層は、前記第１稠密膜と前記第２稠密膜との間に、互いに屈折率が異なる２種類以上の誘電体薄膜を積層して形成された第２誘電体多層膜層を備える請求項１記載の光学補償板。
前記反射防止層の上側に、耐油性コーティングを備える請求項１〜３いずれか１項に記載の光学補償板。
前記耐油性コーティングは、フッ化マグネシウムで形成されている請求項４記載の光学補償板。
前記反射防止層が、棒状または針状の結晶が表面に対して垂直に林立したモスアイ構造を有する請求項１記載の光学補償板。
前記反射防止層が酸化亜鉛で形成される請求項６記載の光学補償板。