JP2006323119A - 固体偏光素子及びその製造方法、並びに、それを用いた液晶表示装置、液晶表示パネル及び光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】
近赤外域、可視域及び紫外域の光波領域で、高い光透過率及び消光比をもつ二色性偏光板とその製造方法、および前記偏光板を用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明に係る固体偏光素子からなる偏光板は、無機透明母材中に無機半導体ナノロッドが配向分散した複合体であり高い耐熱性を有する。従って、エネルギー密度の高い光の照射を受ける液晶プロジェクタ及び液晶スイッチ方式リアプロジェクションディスプレイなどの偏光板として、安定に使用することができる。また液晶表示装置において、透明基板と偏光板の２点の部品の組み合わせによって受け持たれている機能を本発明に係る固体偏光素子からなる偏光板一枚で代替できるため、液晶表示装置の構造が大幅に単純化される。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱安定性を有し、且つ近赤外域から紫外域の全域若しくは一部において透明な固体材料の中に、互いに独立した半導体ナノロッドをその長軸を同一の方向に揃えて配向分散させ、その結果出現する二色性を利用したダイクロイック偏光素子及びその製造法並びにその応用に関する。

液晶プロジェクタ（ＬＣＰ）、液晶型リアプロジェクションディスプレイ（ＬＣ−ＲＰＤ）などの投射型液晶表示装置において使用されている偏光板として本発明に係る固体偏光素子を用いることにより、これら装置の熱安定性が向上し且つ装置の構造が単純化される。また本発明に係る固体偏光素子からなる偏光板は、低温ポリシリコンＴＦＴプロセス温度に対する耐久性を有する。従って、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルに使用されている透明基板／偏光フィルム複合体を代替し、構造を単純化することが出来る。さらに、近赤外光から紫外光領域で利用される光アイソレータ素子等において必要とされる偏光子を提供する。

画像を含む各種情報の視覚による取り込みは、人類にとって最も自然な且つ本質的な知覚行為である。従って、多種多量のデジタル情報を、視覚を通して提供するためのインターフェース機器として、各種表示装置が開発され市場に供給されてきた。これら表示装置に関しては、大画面化、高精細化、高速化、高輝度化、フルカラー化などの能動的機能の向上と、小型化、薄型化、低消費電力化などの基盤機能の向上が普段に要請されている。

近年、大画面且つ薄型の表示装置に関する技術革新が急速に進んでいる。従来多用されてきたブラウン管方式のディスプレイは、ＬＣＤ、プラズマディスプレイテレビ（ＰＤＰ）、有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ）、無機ＥＬディスプレイ（無機ＥＬ）、電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）などによって置き換えられつつある。またさらに、拡大投影型大型表示装置の成長も著しい。ＬＣＰは、既にプレゼンテーション用途では世界的標準機器として定着している。一般用表示機器としては、ＬＣ−ＲＰＤが最近市場に投入されそのシェアを拡大させつつある。

標準的ＬＣＰの構造（例えば特許文献１を参照。）を、図１を用いて説明する。光源４から出射された無偏光白色光は偏光変換素子７で直線偏光に変換され、次いでダイクロイックミラー９、１０によって３原色光（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））に分解される。分解されたＲＧＢ光は、それぞれに対応して設けられた液晶パネル２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに導かれる。それぞれの液晶パネルの入射側には偏光子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂが、出射側には偏光子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂが設けられている。透過光量は、液晶スイッチにより映像信号に対応した階調に制御され、ついで色合成ダイクロイックプリズム１７によって白色光に合成され、拡大カラー画像としてスクリーン１９に投写される。

ここで用いられる液晶パネルの大きさは、対角線長で約１ｃｍから数ｃｍであるために、スクリーン上に投影される際には１０^３〜１０^４倍の面積に拡大される。投影スクリーン上で必要な輝度を実現するために、高輝度光源から液晶パネルに至る光学線路上に配置された各光学素子には、高いエネルギー密度の光が入射する。本発明に係る固体偏光素子は、ＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤの主要光学部品である偏光素子に関係する。

ＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤに使用されている偏光子及び液晶パネルの過熱損傷という第一の技術課題について説明する。これらの機器において現在多用されている偏光板は、有機高分子系二色性偏光フィルムである。このフィルムは、一軸伸長された鎖状構造有機ポリマーの分子鎖に沿ってヨウ素系物質或いは染料分子などの光吸収性材料を１次元状に吸着させ、その結果生ずる光吸収の異方性（二色性）に基づく偏光機能を利用したものである。この偏光機能は、無偏光入射光のうちその電場ベクトルが偏光フィルムの分子軸に平行な成分は吸収され、垂直成分は透過することによって発現している。従って、液晶パネルの入射側及び出射側の偏光板では光吸収のため温度が上昇し、その使用上限温度である約６０℃を容易に超え損傷に至る。

従って、ＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤでは、液晶パネルや有機系偏光素子の温度上昇を防ぐための種々の技術が発明されている。偏光フィルムを支持し同時に放熱効果を高めるために、例えば高い熱伝導率をもつ単結晶サファイア基板を用いる技術（例えば特許文献２を参照。）や単結晶水晶基板を用いる技術（例えば特許文献３又は４を参照。）が開示されている。より冷却効果を高めるため、現行機器では偏光子放熱基板及び液晶パネルを強制風冷して熱損傷を防いでいる（例えば特許文献５〜９を参照。）。さらに偏光板及び液晶パネルに液体冷却構造を張り合わせる技術の開示がある（例えば特許文献１０〜１３を参照。）。

上記諸冷却技術は、いずれも部品点数が増大し、装置を複雑化し、消費電力を増大させ、且つ製造及び保守コストを上昇させる。例えば単結晶基板は一般に高価であり、またこれらは光学的異方性結晶であるため、その加工及び組み付けの経費が大きい。即ちこれらの偏光素子に関する技術課題は、耐熱性の低い偏光フィルムを高耐熱性偏光子で代替することによって、装置の信頼性の向上、低消費電力化、低騒音化、小型化及び低価格化を実現することである。

次にＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤに使用されている偏光子に関する第二の技術課題について説明する。これら偏光子に対しては、画面の高精細鮮明カラー化及び高輝度化を実現するために、ＲＧＢ波長域対応性、高い光透過率、大きい消光比（偏光度）等の光学機能が要求される。現行偏光フィルムでは、光透過率と消光比の間にトレードオフの関係があり、透過率を４５％程度（理想限界は５０％）まで高めると消光比が８０〜９０％まで低下してしまう。従って透過偏光成分に対しては高い透過率を持ち、吸収偏光成分に対しては低い透過率を示す偏光子が待望されている。

熱安定性が高い無機材料及び金属材料を用いた偏光子としては、異なる原理に基づく数種類のものが実用に供されている。例えば、グラントムソン、グランテーラーなどの複屈折プリズム偏光子、金属細線と誘電体が交互に周期配列しているワイヤグリッド偏光子、金属薄膜と誘電体薄膜が交互に且つ周期的に積層された積層型偏光子、又は非球形金属微粒子が分散した二色性偏光ガラスがある。これらは、以下に述べる理由でＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤの偏光板には不適当或いは不十分である。或いは本発明に係る固体偏光素子とは異なる科学原理に基づく偏光素子である。

すなわち、グラントムソン及びグランテーラー偏光子は、ともに光学的異方性をもつ単結晶から作られたプリズムを利用する。従ってその製造工程が高コスト要因となっており、大量生産商品の部品としては使用できない。

また、ワイヤグリッド偏光子を応用する技術の開示がある（例えば特許文献１４を参照。）。ここでは、通常は電波領域で使用されるワイヤグリッド偏光子を可視光領域まで高周波化するための素子構造及び作製法が開示されている。この技術の応用には、実用上二つの問題点がある。第一の問題点は次の通りである。この技術では、ガラス等の透明基板上に、望ましくは誘電体薄層を介してアルミニウムや銀などの微細ストライプの格子を形成する。可視光領域で有効なｐ波の透過率を実現するためには、隣接するストライプ間の間隔（周期）、ストライプの幅並びに厚さ、及びストライプ間の誘電体層部位の形状並びに厚さのすべてについて、１０ｎｍオーダーでの制御が必要である。この精度の実現には、現在の最先端技術のひとつであるＬＳＩの製造と同等以上の精細なプロセス技術が必要である。第二の問題点は、ワイヤグリッド型偏光子の原理に関係する。即ちこの素子では、ｐ波は透過させ、ｓ波を反射させることにより偏光分離を実現している。従ってＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤ用の偏光素子としての応用では、反射波を吸収させ迷光を低減させるための付加的な光学設計が要求される。

ワイヤグリッド偏光子を構成する金属細線を半導体或いは透明導電性材料で置き換える技術の開示が有る（例えば特許文献１５を参照。）。特許文献１５における偏光機能発現には、金属的自由電子をもつ細線が誘電体細線と交互に周期的に配列していることが必須要件である。従ってここで使用される半導体は、不純物がドープされ、可動電子或いは可動正孔を有する不純物半導体でなければならない。

また積層型偏光子は、誘電体と金属或いは半導体が交互に積層されていることによって偏光機能が発現する偏光子である（例えば特許文献１６及び１７を参照。）。特許文献１６及び１７に開示されている技術では、誘電体層に有機高分子材料を用いているために耐熱性が低いという問題点を有する。

また耐熱性の高いガラス偏光子は、波長１．３μｍから１．５μｍの光を用いる光通信技術において、光アイソレータ部品として用いられている。この偏光子は、非球形の金属微粒子がガラス中に均一に或いは表面の近傍の薄層中に分散していることによって生じる二色性偏光機能を利用している。偏光機能を可視光域まで拡張し、ＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤの偏光子に適用するためには、微粒子の大きさをさらに小さくし且つアスペクト比を精密に制御する必要がある。これを実現することを目的とした技術の開示がある（例えば特許文献１８〜２１を参照。）。これらの技術では、板状酸化物系ガラスの内部に或いは表面近傍の薄層中に、銅や銀などの金属微粒子をその形状を制御して形成させるために、電子ビームリソグラフィー技術、Ｘ線リソグラフィー技術、或いは光リソグラフィー技術を用いる。このような方法によって青色領域を含む可視光域の偏光性を実現することは著しく困難であり、また可能であったとしても高コストとなる。

ところで、ＬＣＤパネルにおいては、ＬＣＰ及びＬＣ−ＲＰＤにおいて問題となった偏光子及び液晶パネルの過熱損傷の問題は発生しない。そこで、ガラス基板に偏光素子として前記有機高分子系二色性偏光フィルムが貼り合わされて使用されている。しかし、ＬＣＤパネルで使用されるガラス基板には制御用のＳｉ−ＴＦＴが載せられるため、そのガラス基板としてプロセス耐熱性の高いシリカガラスが使われているため、コスト高となっていた。そこで、近年ポリシリコンＴＦＴプロセス温度の低温化を目指す試みがあり、シリカガラスよりも低融点のガラス基板の使用が現実化しつつある。

特開２００４−７７８５０号公報 特開２０００−２０６５０７号公報 特開２００３−３２２８４８号公報 特開２００３−２２８０５８号公報 特開２００４−３４０９９０号公報 特開２００４−２２６９１４号公報 特開２００３−０４３４４４号公報 特開２００１−２８１６１３号公報 特開２０００−３３８４７８号公報 特開２００２−２８７２４４号公報 特開２００２−２１４５９６号公報 特開２００１−２８１６１２号公報 特開２００１−２０１７２８号公報 特表２００３−５０２７０８号公報 特開平１１−１７６６３７号公報 特開平１１−２３８４４号公報 特開平１１−２３８４５号公報 特表２００４−５２３８０４号公報 特開２０００−１４７２５３号公報 特開平６−１１８２３０号公報 ＵＳ２００３／０２２７６６９Ａ１号公報

本発明の目的は、近赤外域から紫外域に至る光を対象とした二色性の固体偏光素子において、高耐熱性、高透過率、高消光比を併せてもたせることである。またその固体偏光素子を容易に作製するための製造方法を提供することである。さらに本発明の目的は、ＬＣＰ又はＬＣ−ＲＰＤに用いられている液晶パネル光スイッチの偏光子など、高エネルギー密度の可視光の照射を受ける偏光素子として本発明に係る固体偏光素子を用いることで耐熱性を発揮させ、装置の信頼性の向上、低消費電力化、低騒音化、小型化及び低価格化を実現することである。また本発明の目的は、ＬＣＤパネルにおいて、低融点のガラス基板の使用が現実化しつつあることから、現在使用されている透明基板／偏光フィルム複合体を代替し、構造を単純化させることである。さらに本発明の目的は、光通信技術において使用される光アイソレータ用偏光子として本発明に係る固体偏光素子を用いることで低コスト製造技術を提供することである。

本発明に係る固体偏光素子は、従来実用に供されてきた各種の偏光素子とは異なる、また新たな科学原理に基づく。本発明は、例えば非特許文献１に記されているような確立された科学原理、すなわち誘電体及び半導体の大きさをバルク状態からｎｍオーダーまで縮小すると、そのバンドギャップはそれに応じて大きくなる（一種の量子サイズ効果）、から出発する。本発明者らは、この原理を利用し以下の現象の発見に至った。即ち、アスペクト比の大きい半導体ナノロッドが方向を揃えて分散している光学透明媒体に無偏光白色光を照射すると、半導体ナノロッドの長軸方向に電場が振動する光の偏光成分（平行偏光成分）と、これに垂直に振動する光の偏光成分（垂直偏光成分）とは異なる吸収端波長をもつこと、を発見した。この発見を利用することにより、これら二つの光吸収端波長の間の波長（以下これを「偏光窓」と呼ぶ）をもつ光に対しては、その垂直偏光成分は透過するが平行偏光成分は吸収されるという、二色性偏光子を作製することが出来る。

Ｌ. Ｉ. Ｓｃｈｉｆｆ，Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ（３ｒｄ Ｅｄ．），ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， Ｎ．Ｙ．，１９５５（井上健訳新版 量子力学上下、物理学叢書２，９、吉岡書店、ｐ.44、京都、１９７２）

すなわち、本発明に係る固体偏光素子は、近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な固体材料の中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散してなることを特徴とする。ここで本発明に係る固体偏光素子は、前記固体材料に、前記半導体ナノロッドの長軸にほぼ直交した方向から無偏光の白色光が入射した際に、該白色光の電場の振動方向が前記半導体ナノロッドの長軸に平行な成分と該長軸に垂直な成分それぞれに対する光吸収端波長が異なっていることによって二色性が生じることを含む。したがって、本発明に係る固体偏光素子は、二色性が生じる効果によって近赤外域から紫外域の光に対して発現した偏光作用を備えている。

本発明に係る固体偏光素子は、前記半導体ナノロッドを構成する半導体材料の主成分がセレン、テルル、燐のいずれかであることを含む。

本発明に係る固体偏光素子は、前記半導体ナノロッドを構成する半導体材料の主成分がセレン及びテルルの混合物であることを含む。

本発明に係る固体偏光素子は、前記半導体ナノロッドを構成する半導体材料の第一の主成分が燐であり、第二の主成分がセレン又はテルルのいずれかであるか或いは第二の主成分がセレン及びテルルの混合物であることを含む。

本発明に係る固体偏光素子では、前記半導体ナノロッドは、長軸に垂直な断面における最大径φが０．３ｎｍから２０ｎｍであり、軸長Ｌが２ｎｍから２００ｎｍであり、且つ軸長Ｌ／最大径φで示されるアスペクト比が２以上であることが好ましい。

本発明に係る固体偏光素子は、前記固体材料が酸化物系ガラスであることを含む。

本発明に係る固体偏光素子では、前記酸化物系ガラスがその構成成分として、ＳｅＯ_２、ＴｅＯ_２又はＰ_２Ｏ_５の少なくともいずれか１種を含むことが好ましい。

本発明に係る固体偏光素子の製造方法は、近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な酸化物系ガラスの中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散してなる固体偏光素子の製造方法であって、前記酸化物系ガラスの融液の中に半導体微粒子を析出させる微粒子析出工程と、前記融液を、前記半導体微粒子の融解点及び前記酸化物系ガラスのガラス転移点の両者よりも高い温度で一軸延伸し、前記半導体微粒子をナノロッド形状に変形させ且つ配向させる一軸延伸工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る固体偏光素子の製造方法は、前記微粒子析出工程において、前記酸化物系ガラスの融解温度又は融解雰囲気の少なくともいずれか一方を制御することにより、或いは、前記酸化物系ガラスの融解時に還元剤を添加することにより、前記酸化物系ガラスの前記融液の中に前記半導体微粒子を還元析出させることを含む。ここで、前記還元剤はＳｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃ又は炭化水素等の有機物の少なくともいずれか１種を含むことが好ましい。

本発明に係る固体偏光素子の製造方法は、近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な酸化物系ガラスの中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散してなる固体偏光素子の製造方法であって、固化している前記酸化物系ガラスの中に半導体微粒子を析出させる微粒子析出工程と、前記半導体微粒子を析出させた固化状態の前記酸化物系ガラスを昇温して融液としたものを、前記半導体微粒子の融解点及び前記酸化物系ガラスのガラス転移点の両者よりも高い温度で一軸延伸し、前記半導体微粒子をナノロッド形状に変形させ且つ配向させる一軸延伸工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る固体偏光素子の製造方法は、前記微粒子析出工程において、固化している前記酸化物系ガラスを還元性雰囲気下で加熱することにより該酸化物系ガラス中に前記半導体微粒子を還元析出させることを含む。

本発明に係る固体偏光素子の製造方法は、前記一軸延伸工程において、前記半導体ナノロッドは、長軸に垂直な断面における最大径φが０．３ｎｍから２０ｎｍであり、軸長Ｌが２ｎｍから２００ｎｍであり、且つ軸長Ｌ／最大径φで示されるアスペクト比が２以上となるように変形させられることが好ましい。

本発明に係る液晶表示装置は、白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、前記光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して前記液晶表示素子に照射する照明光学系ユニットと、前記液晶表示素子の上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置において、前記液晶表示素子の入射側若しくは出射側の少なくともいずれか一方に偏光板を備え、該偏光板が前記本発明に係る固体偏光素子であることを特徴とする。

本発明に係る液晶表示装置は、白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、前記光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して前記液晶表示素子に照射する照明光学系ユニットと、前記液晶表示素子の上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置において、前記液晶表示素子の入射側若しくは出射側の透明基板の少なくともいずれか一方が前記本発明に係る固体偏光素子であることを特徴とする。ここで、本発明に係る液晶表示装置は、独立部品としての偏光板を有しないことを含む。

本発明に係る液晶表示パネルは、対向する２枚の偏光特性を付与した透明基板を備えた液晶表示パネルにおいて、前記偏光特性を付与した透明基板の少なくともいずれか一方が前記本発明に係る固体偏光素子であることを特徴とする。これにより、現在ＬＣＤパネルに使用されているＴＦＴつき透明基板/偏光フィルム複合体、又は、表面ガラス／偏光フィルム複合体の少なくともいずれか一方を前記本発明に係る固体偏光素子で置換することができる。

本発明に係る光アイソレータは、入射側偏光板、偏光面回転子及び出射側偏光板を含む光アイソレータにおいて、前記入射側偏光板又は前記出射側偏光板のいずれか一方又は両方が前記本発明に係る固体偏光素子であることを特徴とする。

本発明によれば、高耐熱性、高透過率、高消光比を併せて有し、且つ近赤外域から紫外域の全域若しくは一部において透明な固体材料の中に互いに独立した半導体ナノロッドをその長軸を同一の方向に揃えて配向分散させ、その結果出現する二色性を利用したダイクロイック偏光素子が提供される。また、その固体偏光素子を容易に作製できる。

ＬＣＰ、ＬＣ−ＲＰＤなどの投射型液晶表示装置において使用されている偏光板として本発明に係る固体偏光素子を用いることにより、これら装置の熱安定性が向上し且つ構造が単純化される。それに伴い、低消費電力化、低騒音化、小型化及び低価格化が実現される。さらに、これら投射装置の中心部品である液晶スイッチパネルを構成する透明基板と偏光フィルムの複合体を本発明に係る固体偏光素子一枚で代替することにより、さらなる簡素化が図れる。

また本発明に係る固体偏光素子は低温ポリシリコンＴＦＴプロセス温度に対する耐久性を有する。従って、モバイル機器用小型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルに使用されている透明基板／偏光フィルム複合体を代替し、構造を単純化することが出来る。

さらに、本発明に係る固体偏光素子により、近赤外光から紫外光領域で利用される光アイソレータ素子等において用いられる偏光子を低コストで提供することができる。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。
（作用）
本発明に係る固体偏光素子の偏光機能発現の科学的原理を説明する。図２は、半導体の光吸収エネルギーに対する量子サイズ効果の原理図である。直径がｄ１とｄ２であるほぼ球形の微粒子（１０２ａ，１０２ｂ）がバンドギャップＥｇｍをもつ透明母材に分散している場合（図２（ａ））を考える。これらに関係する一次元エネルギー準位モデルを図２（ｂ）に示す。バルク状態の半導体材料のバンドギャップをＥｇｓ（１０６）、母材と半導体間のバンドオフセットエネルギーをΔＥｖ（価電子帯側、１１４）及びΔＥｃ（伝導帯側、１１３）で示した。このような状況下では、微粒子（１０２ａ，１０２ｂ）に対する許容エネルギー準位はバルク状態の値とは異なるものに変化する。それぞれの変化分をΔＥｃ１（１０９）、ΔＥｖ１（１１０、ｄ１粒子）及びΔＥｃ２（１１１）、ΔＥｖ２（１１２、ｄ２粒子）で示した。この変化量の大きさは、微粒子の大きさｄとオフセットエネルギーΔＥｖ或いはΔＥｃとに依存する。オフセットエネルギーが同じ場合は、ｄが小さい方が大きくなる。したがって、それぞれのバンドギャップはＥｇ１（１０７）、Ｅｇ２（１０８）となる。同種物質から構成され、異なる直径ｄ１又はｄ２をもつ二種類の微粒子が同一種の透明母材にそれぞれ単独に分散している場合の、無偏光の光に対する吸収スペクトルを図２（ｃ）に示した。図２（ｂ）に示したΔＥｃ１、ΔＥｖ１（ｄ１粒子）及びΔＥｃ２、ΔＥｖ２の大きさに対応し、ｄ１粒子（１１５）とｄ２粒子（１１６）に対する光吸収端エネルギー、Ｅｇ１及びＥｇ２に差異が生じている。このように図２では、透明母材中に分散している半導体微粒子の大きさがナノメートルオーダーまで小さくなると、量子サイズ効果があらわれ光吸収端エネルギーが高エネルギー側にシフトすることが示されている。

本発明者らは、上記の公知科学原理を勘案し、二色性偏光作用を発現し得る素子構造とその作製法を発明するに至った。その内容を説明する。図３は本発明に係る固体偏光素子の偏光性発現の原理を示す。図３（ａ）は、偏光素子の模式的構造を示している。透明母材（１０１）の中に、半導体ナノロッド（１２１）がその長軸を一方向（紙面に対して左右方向）に揃えて分散している。図３（ｂ）は、半導体ナノロッド（１２１）の配向方向に平行な母材表面に無偏光の光が垂直入射した様子を示している。入射光は半導体ナノロッド（１２１）中でその電場の振動方向が長軸方向と一致する偏光成分（Ｅｌｌ）とこれに垂直な成分（Ｅ⊥）とに分解される。この場合、偏光成分Ｅｌｌ及びＥ⊥から見た半導体ナノロッド（１２１）は、それぞれ直径ｄ２及びｄ１を持つ微粒子と等価である。従って本発明に係る固体偏光素子の光吸収スペクトルをＥｌｌ偏光とＥ⊥偏光に対し独立に測定すると、図３（ｃ）に示した二つのスペクトル（Ｅｌｌに対しては１２７が、Ｅ⊥に対しては１２６）が得られる。λｌｌとλ⊥の間に入る波長を持つ光では、Ｅ⊥偏光成分は透過するがＥｌｌ成分は半導体ナノロッド（１２１）によって吸収される。この波長域を、偏光窓と呼ぶ。１０（Ａｌｌ−Ａ⊥）（ｄＢ）が消光比である。消光比が４０ｄＢである場合と、３０ｄＢである場合の偏光窓を示した。即ち偏光窓内の波長をもつ光に対する二色性偏光性が発現する。このように図３では、ナノロッドに入射する光のＥｌｌ偏光成分とＥ⊥成分とでは、実効的に異なる大きさの粒子をみていることになり、光吸収端波長に差異が生じることが説明されている。

偏光現象が発現する波長域、即ち 偏光窓（λｌｌ≧λ≧λ⊥）は、半導体素材のバンドギャップエネルギーと量子サイズ効果の大きさによって決定される。近赤外域での応用には、バンドギャップＥｇが約０．５ｅＶより大きい半導体を選択する必要がある。また可視光域における応用では、約１ｅＶ程度の半導体であることが望ましい。

本実施形態に係る固体偏光素子は、上記原理を利用するため、近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な固体材料の中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散させてなる。このとき、図３で説明した通り、前記固体材料に、前記半導体ナノロッドの長軸にほぼ直交した方向から無偏光の白色光が入射した際に、該白色光の電場の振動方向が前記半導体ナノロッドの長軸に平行な成分と該長軸に垂直な成分それぞれに対する光吸収端波長が異なっていることによって二色性が生じる。

近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域とは、例えば約３００ｎｍから１．７μｍまでの範囲である。

透明母材１０１である固体材料として、この光波領域の全域若しくは一部において透明な材料を選択する。一部においてとしたのは、偏光窓の光波領域との関係で、固体材料に光吸収の光波領域があっても良いからである。すなわち、少なくとも偏光窓となる光波領域において透明である固体材料を選択する。このような固体材料としては、例えば酸化物系ガラス、硫化物ガラス又はハロゲン化物ガラスがあり、この中で酸化物系ガラスが耐熱性、耐候性等の安定性の理由から好ましい。酸化物系ガラスとしては、その構成成分として、ＳｅＯ_２、ＴｅＯ_２又はＰ_２Ｏ_５の少なくともいずれか１種を含んでいるガラスが好ましい。

半導体ナノロッド１２１は、互いに独立した状態で、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散される。ナノロッドとは、長さが数百ｎｍ以下の棒状形状を有する微細構造をいう。本実施形態では、半導体ナノロッド１２１は、長軸に垂直な断面における最大径φが０．３ｎｍから２０ｎｍであり、軸長Ｌが２ｎｍから２００ｎｍであり、且つ軸長Ｌ／最大径φで示されるアスペクト比が２以上であることが好ましい。φが０．３ｎｍ未満であるとナノロッドが原子鎖となり固体半導体としての性質を持たない場合、及び光吸収端波長が透明母材のそれより短波長に移ってしまう場合があり、一方φが２０ｎｍを超えるとその性質がバルク状態のものとなって量子サイズ効果が現れない場合がある。また、Ｌが２ｎｍ未満であると偏光窓波長域が遠紫外域に移ってしまう場合があり、一方Ｌが２００ｎｍを超えると紫外域から青色の光が散乱されてしまう場合がある。さらにアスペクト比が２未満であると、偏光波長窓の広さが実用上意味のある大きさにならない場合がある。

目的波長域（約３００ｎｍから１．７μｍ）での偏光作用を実現するためには、バンドギャップの量子サイズ効果がこの波長領域に現れる半導体種を選択することが必要である。即ちバルク構造体の室温下でのバンドギャップが約０．５ｅＶより大きい半導体を選ぶことが必要である。これを満足する半導体種は多数存在する。ＩＶ族、ＩＩＩ―Ｖ族、ＩＩ―ＶＩ族、Ｉ―ＶＩＩ族、カルコゲナイド、ニクタイド等の典型半導体の中に多くの材料を見出すことが出来る。具体的な半導体種として、例えばＳｅ、Ｔｅ、Ｐ、Ａｓ、ＡｇＩ又はこれらの混合物がある。混合物としてはＳｅ及びＴｅの混合物が好ましい。また、半導体ナノロッドを構成する半導体材料の第一の主成分を燐とし、第二の主成分をセレン又はテルルのいずれかとしても良い。或いは半導体材料の第一の主成分を燐とし、第二の主成分をセレン及びテルルの混合物としても良い。

特許文献１５に記載された技術は半導体微細構造体を用いる点で本発明と外見的類似性をもつが、両者は本質的に異なる技術である。即ち、特許文献１５における偏光機能発現には、金属的自由電子をもつ細線が誘電体細線と交互に周期的に配列していることが必須要件である。従って特許文献１５で使用される半導体は、不純物がドープされ、可動電子或いは可動正孔を有する不純物半導体でなければならない。他方本実施形態に係る固体偏光素子では、半導体ナノロッドは透明母材中にランダムに分散しており、偏光性の発現に規則的周期構造を要しない。さらに、本実施形態で用いられる半導体は、不純物がドープされていない、従って可動キャリアをもたない、真性半導体である。

次に本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法について説明する。本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法では、二色性偏光性を発現させるために、図３に示すように、半導体ナノロッド１２１を、透明な固体材料中にその長軸を同一方向に揃えて配向分散させることが必要である。本実施形態では、確立された公知ガラス技術を組み合わせてこれを実現する。公知ガラス技術として次の２例を挙げる。公知ガラス技術の一つであるガラス細工という一般用語の存在から明らかなように、ガラス材料はガラス転移点以上の適当な温度域では高粘性の液体として振舞う。この温度域では、ガラスを延伸加工することも容易である。例えば、泡を含んだガラス生地を引き伸ばせば泡も同時に引き伸ばされる。この技術は、一部のガラス工芸品で利用されている成型法でもある。また、ガラス偏光子は次の公知ガラス技術で製造される。即ち、ガラス中に低温融解性のハロゲン化銀或いはハロゲン化銅微粒子を析出させ、ガラスの延伸によりこれらを円柱状微粒子に変形配向させる技術である。

前記公知ガラス技術を応用した本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法の原理を説明するにあたり、光学的に透明なガラス母材に、半導体微粒子が分散している複合体を考える。半導体微粒子の融解温度は、ガラスの延伸加工温度より低いと仮定する。この条件は、半導体材料種を適当に選択し、且つガラス母材の組成を微調整することにより実現可能である。以上の条件を満足するガラス／半導体微粒子複合体を一軸延伸すると、ほぼ球形の液体半導体微粒子は周囲のガラスと同時に引き伸ばされ、ナノロッド形状に変形する。半導体ナノロッドは、その長軸を延伸方向に揃えて配向した状態で冷却固定化される。

上記原理を利用した本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法の第一形態は、酸化物系ガラスの融液の中に半導体微粒子を析出させる微粒子析出工程と、融液を、半導体微粒子の融解点及び酸化物系ガラスのガラス転移点の両者よりも高い温度で一軸延伸し、半導体微粒子をナノロッド形状に変形させ且つ配向させる一軸延伸工程と、を含む。

微粒子析出工程では、ほぼ球形の半導体微粒子を透明母材中に形成する。例えば公知のＣｄＳ_ｘＳｅ_１−ｘ半導体微粒子分散カラーフィルターの製造技術と同様の化学的原理を用いることができる。即ち、酸化物系ガラス融液中での酸化還元反応が利用できる。微粒子析出によるカラーフィルターガラスの製造は、公知の古典的ガラス技術である。赤燐については、燐酸塩ガラスからのコロイド析出現象が詳細に研究され公知技術となっている（例えば非特許文献２を参照。）。燐酸から酸素を引き抜き燐へ還元する反応は、Ｓｉなどの還元剤の添加割合と融解の温度、時間、雰囲気によって制御される。また生成燐がコロイドに成長する過程は、燐の拡散・成長を促すアニーリング温度と時間とによって制御できる。

Ａ．Ｎａｒｕｓｅ ａｎｄ Ｙ． Ａｂｅ， Ｊ． Ｃｅｒａｍ Ａｓｓｏｃ. Ｊｐｎ．， ７３ ２５３−２５８（１９６５）。

本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法の第一形態における微粒子析出工程では、非特許文献２と同様の原理により、半導体微粒子、例えばＳｅ、Ｔｅ、及びＰについて、ガラス母材組成、融解温度と時間、雰囲気、還元剤の種類と濃度及びアニーリング温度と時間などの作製パラメータを最適に選択することにより、これらの微粒子を濃度と大きさを制御しながら析出させることが出来る。即ち微粒子析出工程では、酸化物系ガラスの融解温度を制御することにより、又は、酸化物系ガラスの融解雰囲気を制御することにより、又は、酸化物系ガラスの融解温度及び融解雰囲気の両方を制御することにより、或いは、酸化物系ガラスの融解時に還元剤を添加することにより、酸化物系ガラスの融液の中に半導体微粒子を還元析出させる。還元剤はＳｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃ又は炭化水素等の有機物の少なくともいずれか１種を含むものを使用することが好ましい。なお、半導体材料としては、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐなどの、低温融解性のものを想定しているが、これに限られるわけではない。

一軸延伸工程において、ガラス材料の延伸は、固体ガラスが過冷却液体に変化するガラス転移点以上の特定温度で行なわれる。分散している半導体微粒子が目的形状のナノロッド形状に変形されるためには、半導体微粒子はガラスの延伸温度で液体状態であることが特に望ましい。通常の酸化物系ガラス材料のガラス転移温度を勘案すると、延伸温度より低い融解温度をもつ可能性がある半導体材料としては、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐ、Ａｓ、ＡｇＩ及びこれらの混合物が挙げられる。

本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法の第二形態は、固化している酸化物系ガラスの中に半導体微粒子を析出させる微粒子析出工程と、半導体微粒子を析出させた固化状態の酸化物系ガラスを昇温して融液としたものを、半導体微粒子の融解点及び酸化物系ガラスのガラス転移点の両者よりも高い温度で一軸延伸し、半導体微粒子をナノロッド形状に変形させ且つ配向させる一軸延伸工程と、を含む。

微粒子析出工程において、固化している酸化物系ガラスを還元性雰囲気下で加熱することにより酸化物系ガラス中に半導体微粒子を還元析出させる。還元性雰囲気は水素等の還元ガスを流すことにより作られる。

一軸延伸工程において、本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法の第一形態と同様に、ガラス材料の延伸は、固体ガラスが過冷却液体に変化するガラス転移点以上の特定温度で行なわれる。そのため、半導体微粒子を析出させた固化状態の酸化物系ガラスを昇温して融液とする必要がある。そして、分散している半導体微粒子が目的形状のナノロッド形状に変形されるためには、半導体微粒子はガラスの延伸温度で液体状態であることが特に望ましい。第一形態と同様に半導体材料としては、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐ、Ａｓ、ＡｇＩ及びこれらの混合物が挙げられる。

本実施形態に係る固体偏光素子の製造方法の第一形態及び第二形態のいずれにおいても、一軸延伸工程において、長軸に垂直な断面における最大径φが０．３ｎｍから２０ｎｍであり、軸長Ｌが２ｎｍから２００ｎｍであり、且つ軸長Ｌ／最大径φで示されるアスペクト比が２以上である半導体ナノロッドが得られるまで一軸延伸を行なって球状半導体微粒子を変形させる。

作製した半導体ナノロッドを分散した固体材料は、切断、研磨等の加工手段により所望の形状に加工され、本実施形態に係る固体偏光素子が製造される。

得られた本実施形態に係る固体偏光素子は、液晶表示装置の部品として用いることができる。即ち、白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、前記光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して前記液晶表示素子に照射する照明光学系ユニットと、前記液晶表示素子の上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置において、前記液晶表示素子の入射側若しくは出射側の少なくともいずれか一方に偏光板を備えているものについて、その偏光板として、得られた本実施形態に係る固体偏光素子を使用することができる。装置の熱安定性が向上し且つ構造が単純化される。それに伴い、低消費電力化、低騒音化、小型化及び低価格化が実現される。

或いは液晶表示装置において、液晶表示素子の入射側若しくは出射側の透明基板の少なくともいずれか一方として、得られた本実施形態に係る固体偏光素子を使用することができる。これによって、液晶表示装置は、独立部品としての偏光板を用いる必要がなくなる。投射装置の中心部品である液晶スイッチパネルを構成する透明基板と偏光フィルムの複合体を本実施形態に係る固体偏光素子一枚で代替することにより、さらなる簡素化が図れる。

さらに、対向する２枚の偏光特性を付与した透明基板を備えた液晶表示パネルにおいて、前記偏光特性を付与した透明基板の少なくともいずれか一方として、得られた本実施形態に係る固体偏光素子を使用することができる。モバイル機器用小型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルに使用されている透明基板／偏光フィルム複合体を代替し、構造を単純化することが出来る。

さらに、入射側偏光板、偏光面回転子及び出射側偏光板を含む光アイソレータにおいて、前記入射側偏光板又は前記出射側偏光板のいずれか一方又は両方として、得られた本実施形態に係る固体偏光素子を使用することができる。

次に本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

Ｔｅナノロッド配向分散型偏光素子の偏光機能及び作製法に関する実施例を説明する。本実施例では、ＴｅＯ_２成分を含むガラスに還元剤を加えてＴｅ微粒子を析出させる工程と、Ｔｅ微粒子分散ガラスを延伸して配向ナノロッド化する工程とからなる製造方法を説明する。母材ガラスには、Ｎａ_２Ｏ-ＢａＯ-Ｐ_２Ｏ_５-ＴｅＯ_２系から２５（ＢａＯ，Ｎａ_２Ｏ）・２５Ｐ_２Ｏ_５・５０ＴｅＯ_２（モル％）組成を選択した。出発原料としてＮａ_２ＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、８５％Ｈ_３ＰＯ_４、ＴｅＯ_２、Ｔｅ、及びＳｉを用いた。融解温度及び雰囲気は、それぞれ８００℃から１２００℃及び空気とした。融解温度により、アルミナルツボ、或いは金ルツボを使い分けた。Ｔｅ微粒子の濃度及び平均直径を制御するために、Ｔｅ原料の一部にＴｅを用い、またその酸化抑制剤としてＳｉを用いた。バッチ中のＴｅとＳｉそれぞれの濃度は、表１に示されている。徐冷後のガラス試料は黒色から赤色に着色していた。このガラスから幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの延伸用試料を作製し、残部を他の評価用とした。表１にＴｅ微粒子析出ガラスの作製条件と微粒子径の関係を示した。

Ｔｅコロイド生成の確認及び結晶子径の粗い評価は、Ｘ線回折によって行なった。これらの結果を表１に示した。Ｔｅ原料の一部として加えたＴｅと還元剤として加えたＳｉの濃度を増大させるとＴｅ微粒子径が増大し、それとともに着色が黒色に近づく。それぞれのガラスの光吸収スペクトルを図４に示した。各スペクトルに付した記号は、表１に示した各ガラスに対応している。微粒子系が約２ｎｍから約１００ｎｍの間で増大すると、光吸収端波長は約５５０ｎｍ（サンプルＡ）から２μｍ（サンプルＨ）までシフトすることがわかる。即ち、バンドギャップの量子サイズ効果が確認された。以上の結果は、図２に示したモデルを考えることによって理解できる。

続いてＴｅ微粒子分散ガラスの一軸延伸による微粒子のナノロッド化と配向制御法について説明する。本実施例では、延伸は、Ｔｅ微粒子析出とは独立の分離した工程として行った。図５にガラスを一軸延伸する装置の概略図を示す。図５（ａ）は全体の概略図、図５（ｂ）はＡの部分拡大図である。幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍで厚さ約１０ｍｍの試験片（３４）を作製し、端部を加工してワイア取り付け部を設けた。これを固定ブロック（３０）にワイア（３１）でとりつけ、電気炉（３２）を用いて延伸温度に保持した。温度と下部加重（３５）を適当に制御することによって、約３倍から１０倍の長さに伸張させた。

表１に示したガラスの中からＥの条件下で作製した試料についての偏光特性の測定結果を示す。得られた短冊状の試料（幅約７ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）について、Ｅ⊥とＥｌｌ偏光光に対する光吸収スペクトルを測定した。これを図６に示す。約６００ｎｍから１２００ｎｍの波長域が消光比３０ｄＢ以上の偏光窓となっている。即ち近赤外域の一部から赤色光の領域で、優れた二色性偏光機能が発現している。また緑色光に対する偏光子としても高い消光比、透過率を有していることがわかる。

実施例１に示した方法によって作製した偏光素子の耐熱性を、以下の方法を用いて評価した。図６に示した偏光吸収スペクトルを示す状態を初期状態とする。この偏光素子を３００℃で１０００時間、空気中で加熱し、偏光吸収スペクトルを再測定する。その際、偏光素子の測定部に金属マスクをかぶせ、試料表面の同一部分についての再測定が可能なように配慮した。スペクトルは、加熱前後で、測定誤差範囲内で完全に一致した。即ち３００℃という実使用環境下よりはるかに高温の条件下でも、本偏光素子の機能は損なわれない。

Ｔｅナノロッド配向分散型偏光素子の機能は、本実施例に示したものに限られるわけではない。ガラス組成、融解条件、還元剤の種類と濃度、及び延伸条件の選択により、さらに拡張できる。

本実施例では、Ｔｅナノロッド配向分散型偏光素子の作製法に関し、特にＴｅ微粒子を析出させる工程を固体のガラスを水素還元することによって行なう製造方法を説明する。母材ガラスには、水素の拡散が早いガラスである２０（ＢａＯ，Ｎａ_２Ｏ）・３０Ｐ_２Ｏ_５・１５ＷＯ_３・３５ＴｅＯ_２（モル％）組成を選択した。出発原料としてＮａ_２ＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、８５％Ｈ_３ＰＯ_４、ＷＯ_３、ＴｅＯ_２を用いた。この実施例ではＴｅＯ_２原料の一部としてＴｅを用いることはせず、且つ酸化抑制剤としてのＳｉを加えていない。融解条件等は実施例１と同様である。徐冷後のガラス試料はやや黄色に着色していた。このガラスから幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの延伸用試料を作製し、残部を他の評価用とした。

続いて管状電気炉に延伸用試料をセットし、フォーミングガス(５％Ｈ_２−９５％Ｎ_２)の流通下で温度を４００℃まで昇温し、その後１０時間同温度を保持した。この試料ガラスの４００℃での水素の拡散係数から見積もられたガラスの還元層の厚さは、表面から約５μｍであった。還元後の試料は、黒く着色していた。

表面層にＴｅ微粒子が分散したガラスの一軸延伸による微粒子のナノロッド化と配向制御については、実施例１と同様に行なった。

赤燐ナノロッド配向分散型偏光子の偏光機能及び作製法に関する実施例を説明する。本実施例では、Ｐ_２Ｏ_５成分を含むガラスに還元剤を加えて燐微粒子を析出させる工程と、燐微粒子分散ガラスを延伸して配向ナノロッド化する工程と、燐ナノロッドを赤燐に変化させる工程とからなる方法を説明する。出発原料としてＮａ_２ＣＯ₃、Ｈ_３ＢＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、８５％Ｈ_３ＰＯ_４、Ｓｉを用い、６．７Ｎａ_２Ｏ・１１．３Ｂ_２Ｏ_３・１５．３Ａｌ_２Ｏ_３・６６．７Ｐ_２Ｏ_５組成のガラスを作製した。融解温度及び時間は、それぞれ１４００℃、１時間である。融解にはアルミナルツボを用いた。還元剤Ｓｉ濃度は、０．０５モルＳｉ／Ｐ_２Ｏ_５とした。徐冷後のガラス試料は無色透明であった。このガラスから幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの延伸用試料を作製し、残部を他の評価用とした。

無色のガラスから赤燐を析出させる加熱処理方法について説明する。延伸用試料を切り出した残部から、厚さ１．５ｍｍの板状ガラスを切り出した。このガラスを６５０℃で加熱した時の光吸収スペクトルの変化を、加熱時間をパラメータとして図７に示す。加熱時間は、それぞれ０、３、８、１８、３０、５０時間とした。加熱処理前は無色であったガラスが、処理時間の増加とともに赤橙色に着色してゆく過程が鮮明にあらわれている。この着色は、約５０時間の加熱で飽和する。透過率スペクトルから、赤燐の生成が確認される。即ち、融解時には無着色状態で分散していた還元燐が、熱処理過程で凝集し赤燐コロイドに成長したことが分かる。

続いて赤燐微粒子分散ガラスの一軸延伸による微粒子のナノロッド化と配向制御法について説明する。６５０℃で８時間加熱処理したガラスについて幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの試験片を作製し、端部を加工してワイア取り付け部を設けた。これを図５に概略を示した一軸延伸装置にとりつけ、延伸温度と下部加重を適当に選択することによって、約１０倍の長さに伸張させた。延伸後の急冷操作により、ガラスの着色強度は低下するか無色になる。即ち赤燐ナノ粒子は、ナノロッドに変形される際に受けた加熱とその後の急冷処理により白燐に変化して無色化する。

続いて燐のナノロッド配向分散ガラスの再着色処理法とその後の偏光特性の測定結果を示す。再着色は、ガラス及びナノロッドが変形しないようにＴｇ以下の温度である５００℃まで昇温し徐冷することによって行なった。この過程で白燐ナノロッドが赤燐ナノロッドに相変化を起こし着色する。

得られた赤燐ナノロッド配向分散ガラスの短冊状の試料（幅約５ｍｍ、厚さ１ｍｍ）ついて、Ｅ⊥とＥｌｌ偏光光に対する光吸収スペクトルを測定した。加熱時間８時間の試料についてこれを図８に示す。約３３０ｎｍから５１０ｎｍの波長域が消光比３０ｄＢ以上の偏光窓として得られている。即ち紫外域の一部から青色光の領域で、優れた二色性偏光機能が発現している。

実施例３に示した方法によって作製した固体偏光素子の耐熱性を、以下の方法を用いて評価した。図８に示した偏光吸収スペクトルを示す状態を初期状態とする。この偏光素子を４００℃で１０００時間空気中で加熱し、偏光吸収スペクトルを再測定する。その際、偏光素子の測定部に金属マスクをかぶせ、試料表面の同一部分についての再測定が可能なように配慮した。スペクトルは、加熱前後で、測定誤差範囲内で完全に一致した。即ち４００℃という実使用環境下よりはるかに高温の条件下でも、本偏光素子の機能は損なわれない。

赤燐ナノロッド配向分散型偏光子の機能は、本実施例に示したものに限られるわけではない。ガラス組成、融解条件、還元剤の種類と濃度、赤燐析出条件、及び延伸条件の選択により、さらに拡張できる。

ＴｅとＳｅ混合ナノロッド配向分散型偏光素子の偏光機能及び作製法に関する実施例を説明する。本実施例では、特にＴｅＯ_２及びＳｅＯ_２を含むガラスに還元剤を加えてＴｅ／Ｓｅ混合微粒子を析出させる工程について説明する。母材ガラスには、Ｎａ_２Ｏ-ＢａＯ-Ｐ_２Ｏ_５-ＳｅＯ_２-ＴｅＯ_２系から３５（ＢａＯ，Ｎａ_２Ｏ）・３５Ｐ_２Ｏ_５・３０（Ｔｅ_１−ｘ，Ｓｅ_ｘ）Ｏ_２（モル％）組成を選択した。出発原料としてＮａ_２ＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、８５％Ｈ_３ＰＯ_４、ＴｅＯ_２、Ｔｅ、Ｎａ_２ＳｅＯ_３及びＳｉを用いた。融解温度及び雰囲気は、それぞれ８００℃から１０００℃及び空気である。融解温度により、アルミナルツボと金ルツボを使い分けた。Ｔｅ／Ｓｅ微粒子の濃度、平均直径及びＴｅ／Ｓｅ比を制御するために、Ｔｅ原料の一部にＴｅを用い、またその酸化抑制剤としてＳｉを用いた。バッチ中のＴｅ／Ｓｅ比は、表２に示されている。徐冷後のガラス試料はＴｅ／Ｓｅ比が大きいものは黒色に、この比が小さいものは黄褐色に着色していた。これらのガラスから幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの延伸用試料を作製し、残部を他の評価用とした。表２にＴｅ／Ｓｅ混合微粒子析出ガラスの作製条件を示した。

それぞれのガラスの光吸収スペクトルを図９に示した。還元条件及びＴｅ／Ｓｅ比により、吸収端波長が大きく異なるスペクトルが得られている。

続いてＳｅ／Ｔｅ微粒子分散ガラスの一軸延伸による微粒子のナノロッド化と配向制御法について説明する。幅約５０ｍｍ、長さ約１００ｍｍで厚さ約１０ｍｍの試験片を作製し、端部を加工してワイア取り付け部を設けた。これを図５に概略を示した延伸装置にとりつけ、延伸温度と下部加重を適当に選択することによって、約１０倍の長さに伸張させた。

表２に示した組成のガラスの中からＢの条件下で作製した試料についての偏光特性の測定結果を示す。得られた短冊状の試料（幅約５ｍｍ、厚さ１ｍｍ）ついて、Ｅ⊥とＥｌｌ偏光光に対する光吸収スペクトルを測定した。これを図１０に示す。約４００ｎｍから８００ｎｍの波長域が消光比３０ｄＢ以上の偏光窓となっている。即ち可視域の全域の波長域で優れた二色性偏光機能が発現している。

液晶プロジェクタの標準的構造を示す図である。 半導体の光吸収エネルギーに対する量子サイズ効果の原理図であり、（ａ）は、直径がｄ１とｄ２であるほぼ球形の微粒子がバンドギャップＥｇｍをもつ透明母材に分散している場合、（ｂ）はこれらに関係する一次元エネルギー準位モデル、（ｃ）は同種物質から構成され、異なる直径ｄ１又はｄ２をもつ二種類の微粒子が同一種の透明母材にそれぞれ単独に分散している場合の、無偏光の光に対する吸収スペクトル、をそれぞれ示す。 本発明に係る固体偏光素子の偏光性発現の原理を示す。（ａ）は偏光素子の模式的構造、（ｂ）は半導体ナノロッドの配向方向に平行な母材表面に無偏光の光が垂直入射した様子、（ｃ）はＥｌｌ偏光とＥ⊥偏光の光吸収スペクトルを独立に測定した結果、をそれぞれ示している。 Ｔｅ微粒子が析出したガラスの光吸収スペクトルを表す図である。 ガラスを一軸延伸する装置の概略図であり、（ａ）は全体の概略図、（ｂ）はＡの部分拡大図である。 Ｔｅナノロッドが配向分散している二色性偏光素子の偏光機能を表す図である。 燐超微粒子が分散しているガラスを熱処理し、それらを凝集させ赤燐コロイドに成長させる工程における光吸収スペクトルの変化を表す図である。 赤燐ナノロッドが配向分散している二色性偏光素子の偏光機能を表す図である。 Ｔｅ／Ｓｅ混合微粒子が析出したガラスの光吸収スペクトルを表す図である。 Ｔｅ／Ｓｅ混合ナノロッドが配向分散している二色性偏光素子の偏光機能を表す図である。

符号の説明

４，光源
５，第１レンズアレイ
６，第２レンズアレイ
７，偏光変換素子
８，集光レンズ
９，ダイクロイックミラー
１０，ダイクロイックミラー
１１、１２、１３，反射ミラー
１４、１５，リレーレンズ
１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ，コンデンサレンズ
１７，ダイクロイックプリズム
１８，投射レンズ
１９，スクリーン
２０，冷却ファン
１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ，入射側偏光子
２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ，液晶パネル
３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ，出射側偏光子
３０，固定ブロック
３１，カンタルワイア
３２，電気炉
３３，炉芯管
３４，試験片
３５，下部加重（分銅）
１０１，透明母材
１０２ａ，１０２ｂ，半導体ナノ粒子
１０３，半導体ナノ粒子の直径ｄ１
１０４，半導体ナノ粒子の直径ｄ２
１０５，透明母材のバンドギャップＥｇｍ
１０６，バルク半導体のバンドギャップＥｇｓ
１０７，直径ｄ１をもつ半導体ナノ粒子のバンドギャップＥｇ１
１０８，直径ｄ２をもつ半導体ナノ粒子のバンドギャップＥｇ２
１０９，直径ｄ１をもつ半導体ナノ粒子の伝導帯端エネルギーとバルク半導体のそれとの差ΔＥｃ１
１１０，直径ｄ１をもつ半導体ナノ粒子の価電子帯端エネルギーとバルク半導体のそれとの差ΔＥｖ１
１１１，直径ｄ２をもつ半導体ナノ粒子の伝導帯端エネルギーとバルク半導体のそれとの差ΔＥｃ２
１１２，直径ｄ２をもつ半導体ナノ粒子の価電子帯端エネルギーとバルク半導体のそれとの差ΔＥｖ２
１１３，透明母材と半導体との間の伝導帯端オフセットエネルギーΔＥｃ
１１４，透明母材と半導体との間の伝導帯端オフセットエネルギーΔＥｖ
１１５，直径ｄ１をもつ半導体微粒子が分散している透明母材の模式的光吸収スペクトル
１１６，直径ｄ２をもつ半導体微粒子が分散している透明母材の模式的光吸収スペクトル
１２１，半導体ナノロッド
１２２，半導体ナノロッド直径ｄ１
１２３，半導体ナノロッド長軸長ｄ２
１２４，半導体ナノロッド断面直径に相当する直径をもつナノ粒子のバンドギャップＥｇ１
１２５，半導体ナノロッド長軸長に相当する直径をもつナノ粒子のバンドギャップＥｇ２
１２６，電場ベクトルが半導体ナノロッドの長軸と垂直である偏光の光吸収スペクトル
１２７，電場ベクトルが半導体ナノロッドの長軸と並行である偏光の光吸収スペクトル

Claims (19)

1. 近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な固体材料の中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散してなることを特徴とする固体偏光素子。
2. 前記固体材料に、前記半導体ナノロッドの長軸にほぼ直交した方向から無偏光の白色光が入射した際に、該白色光の電場の振動方向が前記半導体ナノロッドの長軸に平行な成分と該長軸に垂直な成分それぞれに対する光吸収端波長が異なっていることによって二色性が生じることを特徴とする請求項１に記載の固体偏光素子。
3. 前記半導体ナノロッドを構成する半導体材料の主成分がセレン、テルル、燐のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体偏光素子。
4. 前記半導体ナノロッドを構成する半導体材料の主成分がセレン及びテルルの混合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体偏光素子。
5. 前記半導体ナノロッドを構成する半導体材料の第一の主成分が燐であり、第二の主成分がセレン又はテルルのいずれかであるか或いは第二の主成分がセレン及びテルルの混合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体偏光素子。
6. 前記半導体ナノロッドは、長軸に垂直な断面における最大径φが０．３ｎｍから２０ｎｍであり、軸長Ｌが２ｎｍから２００ｎｍであり、且つ軸長Ｌ／最大径φで示されるアスペクト比が２以上であることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の固体偏光素子。
7. 前記固体材料が酸化物系ガラスであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の固体偏光素子。
8. 前記酸化物系ガラスがその構成成分として、ＳｅＯ_２、ＴｅＯ_２又はＰ_２Ｏ_５の少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体偏光素子。
9. 近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な酸化物系ガラスの中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散してなる固体偏光素子の製造方法であって、
   前記酸化物系ガラスの融液の中に半導体微粒子を析出させる微粒子析出工程と、
   前記融液を、前記半導体微粒子の融解点及び前記酸化物系ガラスのガラス転移点の両者よりも高い温度で一軸延伸し、前記半導体微粒子をナノロッド形状に変形させ且つ配向させる一軸延伸工程と、
   を含むことを特徴とする固体偏光素子の製造方法。
10. 前記微粒子析出工程において、前記酸化物系ガラスの融解温度又は融解雰囲気の少なくともいずれか一方を制御することにより、或いは、前記酸化物系ガラスの融解時に還元剤を添加することにより、前記酸化物系ガラスの前記融液の中に前記半導体微粒子を還元析出させることを特徴とする請求項９に記載の固体偏光素子の製造方法。
11. 前記還元剤はＳｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃ又は炭化水素等の有機物の少なくともいずれか１種を含むことを特徴とする請求項１０に記載の固体偏光素子の製造方法。
12. 近赤外光から可視光を経て紫外光にわたる光波領域の全域若しくは一部において透明な酸化物系ガラスの中に、互いに独立した半導体ナノロッドが、その長軸を同一の方向に揃えて配向分散してなる固体偏光素子の製造方法であって、
    固化している前記酸化物系ガラスの中に半導体微粒子を析出させる微粒子析出工程と、
    前記半導体微粒子を析出させた固化状態の前記酸化物系ガラスを昇温して融液としたものを、前記半導体微粒子の融解点及び前記酸化物系ガラスのガラス転移点の両者よりも高い温度で一軸延伸し、前記半導体微粒子をナノロッド形状に変形させ且つ配向させる一軸延伸工程と、
    を含むことを特徴とする固体偏光素子の製造方法。
13. 前記微粒子析出工程において、固化している前記酸化物系ガラスを還元性雰囲気下で加熱することにより該酸化物系ガラス中に前記半導体微粒子を還元析出させることを特徴とする請求項１２に記載の固体偏光素子の製造方法。
14. 前記一軸延伸工程において、前記半導体ナノロッドは、長軸に垂直な断面における最大径φが０．３ｎｍから２０ｎｍであり、軸長Ｌが２ｎｍから２００ｎｍであり、且つ軸長Ｌ／最大径φで示されるアスペクト比が２以上となるように変形させられることを特徴とする請求項９、１０、１１、１２又は１３に記載の固体偏光素子の製造方法。
15. 白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、前記光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して前記液晶表示素子に照射する照明光学系ユニットと、前記液晶表示素子の上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置において、
    前記液晶表示素子の入射側若しくは出射側の少なくともいずれか一方に偏光板を備え、該偏光板が請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の固体偏光素子であることを特徴とする液晶表示装置。
16. 白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、前記光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して前記液晶表示素子に照射する照明光学系ユニットと、前記液晶表示素子の上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置において、
    前記液晶表示素子の入射側若しくは出射側の透明基板の少なくともいずれか一方が請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の固体偏光素子であることを特徴とする液晶表示装置。
17. 独立部品としての偏光板を有しないことを特徴とする請求項１６に記載の液晶表示装置。
18. 対向する２枚の偏光特性を付与した透明基板を備えた液晶表示パネルにおいて、前記偏光特性を付与した透明基板の少なくともいずれか一方が請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の固体偏光素子であることを特徴とする液晶表示パネル。
19. 入射側偏光板、偏光面回転子及び出射側偏光板を含む光アイソレータにおいて、前記入射側偏光板又は前記出射側偏光板のいずれか一方又は両方が請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の固体偏光素子であることを特徴とする光アイソレータ。
    
    
    
    
    
    

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