CN101501536A

CN101501536A - 透射型偏振元件以及使用该透射型偏振元件的复合偏振片

Info

Publication number: CN101501536A
Application number: CNA2007800289575A
Authority: CN
Inventors: 橘高重雄; 中泽达洋; 田中智; 池内一智; 常友启司
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-08-05

Abstract

由在其一侧的表面具有多个山形截面的隆起(2)平行排列的结构的介电体基板(3)、形成于多个山形截面的隆起(2)的表面的由光吸收性物质形成的薄膜(4)、和将由光吸收性物质形成的薄膜(4)的与介电体基板(3)相反侧的表面覆盖的第1介电体物质层(5)构成透射型偏振元件(1)。该透射型偏振元件(1)使垂直射入介电体基板(3)的光中的磁场的振动方向与隆起(2)的长度方向相同的TM偏振光成分透过、并将电场的振动方向与隆起(2)的长度方向相同的TE偏振光成分吸收。由此，能够以简易的构成提供回光少且耐久性优异的能用作偏振片的透射型偏振元件。

Description

透射型偏振元件以及使用该透射型偏振元件的复合偏振片

技术领域

本发明涉及使大致平行的光中的一种偏振光成分透过而将与其不同的偏振光成分吸收的能作为偏振片使用的透射型偏振元件、以及使用了该透射型偏振元件的复合偏振片。

背景技术

仅使入射光中的特定偏振光成分透过的偏振片广泛应用于液晶显示面板、光盘记录再生装置的读取用和写入用的读写头部分、光通信等中。

图50是表示液晶投影仪的光学系统的示意图。如图50所示，从光源13射出的光被分成红、绿、蓝的波长成分后，成为各个液晶显示面板14、15、16的照明光。然后，各液晶显示面板14、15、16的影像通过双色棱镜17重合后，通过投影透镜18被投影到屏幕等。这里，在各液晶显示面板14、15、16的前后，配置有用于仅使入射光中的一种偏振光成分透过的入射侧偏振片19和出射侧偏振片20。

对于液晶显示面板用偏振片，要求两偏振光成分的透射率的比率(消光比)大、透射的偏振光成分的透射率高，还要求出射侧偏振片的反射引起的回光少。这是因为若出射侧偏振片20的反射引起的回光再射入液晶显示面板，则会成为杂散光而导致影像的对比度下降。为了减少出射侧偏振片20的反射引起的回光，例如必须有吸收非透射偏振光成分的能量的结构。

作为吸收型的偏振片，已知有将吸收另一种偏振光成分的方向性有机膜和超薄金属膜以一定间距排列而成的层叠型偏振器(例如参照《第3·光的铅笔》鹤田匡夫著、株式会社新技术通信(新技術コミユニケ—シヨンズ)、285页、图23.7(1993年))、或者随机含有方向规整的微小针状金属的玻璃层(商品名：POLARCOR、美国康宁公司)、在由介电体形成的光学结晶体中将数层细长的金属部分重叠配置而得到的结构(例如参照日本专利特开平11-237507号公报)等。

然而，方向性有机膜虽然因廉价而广泛应用于液晶显示面板，但存在经光的照射而容易劣化的问题，特别是在绿色光和蓝色光的情况下很明显。另外，采用无机材料的偏振片具有优异的耐久性，但层叠型偏振器必须将非常薄的层多层重叠来成膜，因此成本高，还存在难以生产大面积偏振器的问题。另外，POLARCOR、或在由介电体等形成的光学结晶体中将数层细长的金属部分重叠配置而得到的结构存在制作费时费力且价高的问题。

发明内容

本发明的目的在于以简易的构成提供回光少的能作为偏振片使用的透射型偏振元件。

本发明的目的还在于提供使用了该透射型偏振元件以确保大消光比的复合偏振片。

为了实现上述目的，本发明的透射型偏振元件的构成为：具备介电体基板和薄膜，所述介电体基板在其一侧的表面具有多个山形截面的隆起平行排列的结构，所述薄膜设于上述多个山形截面的隆起上、并由光吸收性物质形成；该透射型偏振元件使在垂直射入上述介电体基板的光中的磁场的振动方向与上述隆起的长度方向相同的TM偏振光成分透过、并将电场的振动方向与上述隆起的长度方向相同的TE偏振光成分吸收。

此外，在上述本发明的透射型偏振元件的构成中，上述由光吸收性物质形成的薄膜的与上述介电体基板相反侧的表面被第1介电体物质层覆盖。

此外，上述第1介电体物质层的与上述介电体基板相反侧的表面优选为平面。

此外，在该情况下，上述第1介电体物质层的与上述介电体基板相反侧的表面优选为追随上述山形截面的形状。

此外，在该情况下，将上述由光吸收性物质形成的薄膜的与上述介电体基板相反侧的表面覆盖的上述第1介电体物质层优选为追随上述山形截面的形状的介电体多层膜。

此外，在上述本发明的透射型偏振元件的构成中，优选上述多个山形截面的隆起分别具有相同的截面形状，且以一定的周期平行排列。

此外，在本发明的透射型偏振元件的构成中，优选上述由光吸收性物质形成的薄膜夹持第2介电体物质层而多层配置。

此外，在本发明的透射型偏振元件的构成中，优选在上述由光吸收性物质形成的薄膜与上述介电体基板之间设有追随上述山形截面的形状的介电体多层膜。

此外，本发明的复合偏振片的构成为：具备配置在光入射侧的第1透射型偏振元件和配置在光出射侧的第2透射型偏振元件，上述第1和第2透射型偏振元件中只有上述第1透射型偏振元件由上述本发明的透射型偏振元件形成。

根据本发明，能用无机材料构成回光少的结构简易的偏振片。因此，与用有机材料构成的偏振片相比，具有耐久性优异的特点。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式的透射型偏振元件的截面图。

图2是表示本发明第2实施方式的透射型偏振元件的截面图。

图3是表示本发明第3实施方式的透射型偏振元件的截面图。

图4是表示本发明第4实施方式的复合偏振片的截面图。

图5是表示本发明第5实施方式的透射型偏振元件的截面图。

图6是表示本发明第6实施方式的透射型偏振元件的截面图。

图7是表示本发明第7实施方式的透射型偏振元件的截面图。

图8(a)、(b)是表示本发明实施方式的透射型偏振元件的其它例子的截面图。

图9是表示本发明实施方式的透射型偏振元件的其它例子的截面图。

图10是表示本发明的设计例1～5的透射型偏振元件的截面图。

图11(a)、(b)是分别表示本发明的设计例1中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图12(a)、(b)是分别表示本发明的设计例2中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图13(a)、(b)是分别表示本发明的设计例3中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图14(a)、(b)是分别表示本发明的设计例4中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图15(a)、(b)是分别表示本发明的设计例5中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图16是表示本发明的参考例1、2的透射型偏振元件的截面图。

图17(a)、(b)是分别表示本发明的参考例1中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图18(a)、(b)是分别表示本发明的参考例2中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图19是表示本发明的设计例6的透射型偏振元件的截面图。

图20(a)、(b)是分别表示本发明的设计例6中的关于TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板侧的透射率的图表。

图21(a)、(b)是分别表示本发明的设计例7中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率、吸收率的图表。

图22(a)、(b)是分别表示本发明的参考例3中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率、吸收率的图表。

图23(a)、(b)是分别表示本发明的设计例8中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率、吸收率的图表。

图24(a)、(b)是分别表示本发明的设计例9中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率、吸收率的图表。

图25是表示本发明的实施例1的透射型偏振元件的截面图。

图26是表示本发明的实施例1中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表。

图27是表示本发明的实施例2的透射型偏振元件的截面图。

图28是本发明的实施例2的透射型偏振元件的电子显微镜照片。

图29是表示本发明的实施例2中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表。

图30是本发明的实施例3的透射型偏振元件的电子显微镜照片。

图31是表示本发明的实施例3中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表。

图32是表示本发明的实施例4中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表。

图33是表示本发明的设计例10的由金属Nb形成的金属膜的折射率(n+ki)的图表。

图34是表示本发明的设计例10的Nb₂O₅膜(H层)的折射率n的图表。

图35是表示本发明的设计例10的SiO₂膜(L层)的折射率n的图表。

图36(a)是分别表示本发明的设计例10中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为0°时)，图36(b)是反射率的局部放大的图表。

图37(a)是分别表示本发明的设计例10中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为10°时)，图37(b)是反射率的局部放大的图表。

图38(a)是分别表示本发明的设计例11中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为0°时)，图38(b)是反射率的局部放大的图表。

图39(a)是分别表示本发明的设计例11中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为10°时)，图39(b)是反射率的局部放大的图表。

图40(a)是分别表示本发明的设计例12中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为0°时)，图40(b)是反射率的局部放大的图表。

图41(a)是分别表示本发明的设计例12中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为10°时)，图41(b)是反射率的局部放大的图表。

图42(a)是分别表示本发明的设计例13中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为0°时)，图42(b)是反射率的局部放大的图表。

图43(a)是分别表示本发明的设计例13中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为10°时)，图43(b)是反射率的局部放大的图表。

图44(a)是分别表示本发明的设计例14中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为0°时)，图44(b)是反射率的局部放大的图表。

图45(a)是分别表示本发明的设计例14中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为10°时)，图45(b)是反射率的局部放大的图表。

图46(a)是分别表示本发明的设计例15中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为0°时)，图46(b)是反射率的局部放大的图表。

图47(a)是分别表示本发明的设计例15中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表(入射角θ为10°时)，图47(b)是反射率的局部放大的图表。

图48是分别表示本发明的实施例5中的关于TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率的图表。

图49是表示层叠型偏振器的示意图。

图50是表示液晶投影仪的光学系统的示意图。

具体实施方式

以下，用实施方式更具体地说明本发明。

[第1实施方式]

为了理解本发明的原理，首先对上述层叠型偏振器进行说明。图49是表示层叠型偏振器的示意图。如图49所示，层叠型偏振器是厚为数nm的金属膜11和厚为数百nm的介电体层12交替层叠而成的结构。对于层叠型偏振器，若向金属膜11的扩展方向射入光，则其TE偏振光成分由于电场的振动方向与金属膜11的扩展方向一致，因而使金属膜11内的自由电子振动。其结果是，电流在金属膜11内流动，光能变成热而被金属膜11吸收。与此相对，TM偏振光成分由于电场的振动方向为金属膜11的厚度方向，因而不易使金属膜11内的自由电子振动，光能几乎不被金属膜11吸收。因此，该层叠型偏振器能仅使TM偏振光成分透过。

接着，对本发明的透射型偏振元件进行说明。图1是表示本发明第1实施方式的透射型偏振元件的截面图。

如图1所示，本实施方式的透射型偏振元件1由介电体基板3、薄膜4、和第1介电体物质层5构成，所述介电体基板3在其一侧的表面具有多个山形截面的隆起2平行排列的结构，所述薄膜4形成于多个山形截面的隆起2的表面并由光吸收性物质形成，所述第1介电体物质层5覆盖由光吸收性物质形成的薄膜4的与介电体基板3相反侧的表面。

这里，多个山形截面的隆起2分别具有相同的截面三角形的形状，并以一定的周期平行排列。此外，作为由光吸收性物质形成的薄膜4，采用金属膜。此外，第1介电体物质层5的与介电体基板3相反侧的表面为平面。

此外，在本实施方式的透射型偏振元件1中，为避免产生有害的衍射光，使山形截面部分的大小和结构周期远远小于所使用的光的波长。

对从第1介电体物质层5侧垂直入射到透射型偏振元件1的光进行分析，其TE偏振光成分由于电场的振动方向与隆起2的长度方向(X轴方向)平行，因而易使由光吸收性物质形成的薄膜4即金属膜内的自由电子振动。其结果是，电流在金属膜内流动，光能变成热而被金属膜吸收。与此相对，TM偏振光成分的电场的振动方向为与隆起2的长度方向垂直的Y轴方向(即，TM偏振光成分的磁场的振动方向与隆起2的长度方向相同)。此时，由于电场的振动方向与金属膜的厚度方向接近，因此不易引起金属膜内的自由电子的振动，光能几乎未被金属膜吸收。因此，本实施方式的透射型偏振元件1能作为仅使TM偏振光成分透过的偏振片使用。

在本实施方式的透射型偏振元件1的情况下，TM偏振光成分的电场的振动方向并非完全垂直于金属膜的扩展方向(也称为面内方向(in-planedirection))，因此金属膜内的自由电子的振动比图49的层叠型偏振器容易发生，与TM偏振光成分相关的光能的吸收也比图49的层叠型偏振器时多。此外，在本实施方式的透射型偏振元件1的情况下，由于金属膜没有裂缝，因此光量的损失大。

另一方面，图49的层叠型偏振器由于必须将非常薄的层多层重叠来成膜，因此成本高，还存在很难生产大面积偏振器的问题。关于于此，根据本实施方式的透射型偏振元件1的结构，可以通过下述较为简单的连续工序即可廉价地生产大面积偏振器：(1)对介电体基板3进行的截面三角形的槽的加工(截面三角形的隆起2的形成)；(2)由光吸收性物质形成的薄膜4(金属膜)的形成；(3)第1介电体物质层5的层叠。而且，若采用本实施方式的透射型偏振元件1的构成，则如后述的设计例中所示那样，能将TM偏振光成分的光量损失控制在实用性范围内。

在本实施方式的透射型偏振元件1中，以介电体基板3的山形截面部分的底边(周期)为B，以高度为H，并将纵横比定义为H/B时(参照图10)，纵横比越大越好。这是因为，若由光吸收性物质形成的薄膜4(金属膜)的材料相同，则纵横比越大，越接近图49的层叠型偏振器的构成，能增加TM偏振光成分的透射率和消光比。

本实施方式的介电体基板3的材料只要是相对于使用的光的波长范围为透明的物质即可，优选熔融石英、光学玻璃、板玻璃、结晶化玻璃、单晶硅等半导体等耐热性良好的无机材料。另外，在对耐热性没有如此要求的用途中，作为介电体基板3的材料，也可以使用丙烯酸或聚碳酸酯等塑料材料。

介电体基板3的表面的多个山形截面的隆起2可以通过如下方法来形成：(a)在介电体基板3的表面形成平行槽状的掩模图案，进行蚀刻；(b)在介电体基板3的表面涂布树脂层，进行模压(所谓的纳米压印)；(c)在介电体基板3的表面形成溶胶凝胶玻璃层并进行模压后，使其固化；(d)直接对介电体基板3的表面进行模压。另外，介电体基板部分与山形截面部分的材料也可以不同。

作为由光吸收性物质形成的薄膜4的材料，可以使用钛、锡、铬、金、银、铝、铜、铂、钨、钼、镍、铌等的单质或合金。另外，由光吸收性物质形成的薄膜4的材料不限于金属，也可以是硅、锗等半导体或化合物半导体、石墨等。这些材料可以通过溅射法、真空蒸镀法、化学镀覆法、液相沉积法、气相沉积法等方法来形成薄膜。

若由光吸收性物质形成的薄膜4与空气直接接触，则界面的反射率增大，回光的比例增加。另外，当采用金属作为由光吸收性物质形成的薄膜4的材料时，还存在难以去除附着于其表面的污垢的问题。为此，由光吸收性物质形成的薄膜4的与介电体基板3相反侧的表面优选如上所述那样被第1介电体物质层5覆盖以避免与空气接触。另外，第1介电体物质层5对于本发明并非必须，在可以忽略回光和污垢等问题的用途中，可以省略。

作为用第1介电体物质层5覆盖由光吸收性物质形成的薄膜4的与介电体基板3相反侧的表面的方法，可以例示出：

(e)用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法沉积以石英为主体的玻璃层；

(f)涂布溶胶凝胶玻璃并使其固化；

(g)涂布固化性树脂材料，通过紫外线照射或加热来使其固化；

(h)通过溅射将玻璃材料成膜。

另外，在本实施方式中，以第1介电体物质层5的与介电体基板3相反侧的表面为平面的情况为例进行了说明，但并非限于该构成。第1介电体物质层5的与介电体基板3相反侧的表面例如也可以是追随山形截面的形状(参照图3的“5a”)。

[第2实施方式]

图2是表示本发明第2实施方式的透射型偏振元件的截面图。

如图2所示，在第1介电体物质层5的与介电体基板3相反侧的表面，设有单层或多层的第1防反射层6。另外，在介电体基板3的与第1介电体物质层5相反侧的表面，设有单层或多层的第2防反射层7。其它构成与上述第1实施方式的透射型偏振元件1相同，因此与图1所示部件相同的部件采用相同的参照符号，省略它们的说明。

作为第1和第2防反射层6、7的材料，可以使用Ta₂O₅(折射率2.1)、TiO₂(折射率2.2～2.5)、Nb₂O₅(折射率2.35)、MgF₂(折射率1.38)、SiO₂(折射率1.45)、Y₂O₃(折射率1.8)、MgO(折射率1.7)、Al₂O₃(折射率1.63)等。这些材料可以通过真空蒸镀法、溅射法、CVD法等方法来成膜。

根据本实施方式的构成，以夹持上述第1实施方式的透射型偏振元件1的方式设置第1和第2防反射层6、7，因而能进一步减少回光。另外，第1和第2防反射层6、7对于本发明并非必须，在可以忽略回光问题的用途中，可以省略。

[第3实施方式]

图3是表示本发明第3实施方式的透射型偏振元件的截面图。

在本实施方式的透射型偏振元件中，由光吸收性物质形成的薄膜夹持第2介电体物质层而多层配置。以下，参照图3，对本实施方式的透射型偏振元件进行更详细的说明。

如图3所示，在本实施方式的透射型偏振元件1a中，由光吸收性物质形成的薄膜即第1和第2金属膜4a、4b夹持第2介电体物质层8而从介电体基板3侧依次配置。此外，第2金属膜4b的与介电体基板3相反侧的表面被第1介电体物质层5a覆盖。整体的消光比大致为各金属膜4a、4b的消光比之积，因此若采用本实施方式的构成，则能得到大的消光比。

本实施方式的透射型偏振元件1a可以通过在介电体基板3上交替进行金属的成膜和介电体物质的成膜来制作，所述介电体基板3在其一侧的表面具有多个山形截面的隆起2平行排列的结构。另外，在图3中，将第2金属膜4b覆盖的第1介电体物质层5a的与介电体基板3相反侧的表面为追随山形截面的形状。

在图3中，第1金属膜4a(Y轴方向的厚度W1)和第2金属膜4b(Y轴方向的厚度W2)分别反射入射光，第1和第2金属膜4a、4b的膜厚越厚，反射率越大。若调节各金属膜4a、4b的反射率和两金属膜4a、4b间的Z轴方向(光的入射方向)的间隔S，则能使两反射光的振幅为相同程度，并能使两反射光的相位错开半周期，由此，能通过干涉消除两反射光，减小整体的反射率。

如本实施方式那样将由光吸收性物质形成的薄膜(例如金属膜)多层配置，不仅能增大消光比，还能控制反射光，能增大设计的自由度。

另外，在本实施方式中，采用金属膜4a、4b作为由光吸收性物质形成的薄膜，但作为由光吸收性物质形成的薄膜的材料，除金属外，还可以使用上述第1实施方式中例示的材料。

[第4实施方式]

图4是表示本发明第4实施方式的复合偏振片的截面图。

当本发明的透射型偏振元件的消光比不足时，可以将该透射型偏振元件多个重叠使用，也可以通过与本发明以外的其它透射型偏振元件组合的构成(复合偏振片)来弥补消光比的不足。以下，参照图4，对本实施方式的复合偏振片进行更详细的说明。

如图4所示，本实施方式的复合偏振片为具备配置在光的入射侧的第1透射型偏振元件1b和配置在光的出射侧的第2透射型偏振元件9的构成。第1和第2透射型偏振元件1b、9中只有第1透射型偏振元件1b为本发明的透射型偏振元件。即，第1透射型偏振元件1b形成为如下结构：在上述第1实施方式的透射型偏振元件1(参照图1)中，在第1介电体物质层5的与介电体基板3相反侧的表面设有单层或多层的第1防反射层6。

作为第2透射型偏振元件9，可以采用例如一般的线栅式偏振片等。

在本实施方式的复合偏振片中，配置在光的入射侧的本发明第1透射型偏振元件1b使TM偏振光成分透过，将TE偏振光成分吸收。与此相对，配置在光的出射侧的本发明以外的第2透射型偏振元件9使TM偏振光成分透过，将TE偏振光成分反射。

图4所示的复合偏振片的第1透射型偏振元件1b的消光比小，这里，将第1透射型偏振元件1b的消光比设定为20。但是，通过将第2透射型偏振元件9(例如消光比为30)与第1透射型偏振元件1b重叠，能得到整体消光比为20×30＝600的较大值。若是线栅式偏振片等第2透射型偏振元件9的TM偏振光成分的透射率高、消光比小的偏振元件，则能得到90％以上的透射率。因此，能将复合偏振片整体的TM偏振光成分的透射率保持在高水平。另外，透过第1透射型偏振元件1b的TE偏振光成分的大部分被第2透射型偏振元件9反射，但是由于再次被第1透射型偏振元件1b吸收，因此几乎没有回光。

如后述设计例所示，在本发明的透射型偏振元件中，为了同时满足作为优选特性的(i)TM偏振光成分的透射率高、(j)TE偏振光成分的透射率低(即消光比大)、(k)反射率低，有效的方法有“加大纵横比”、“使由光吸收性物质形成的薄膜(例如金属膜)的层数增多”，但制作更加困难。与此相对，同时满足(l)TM偏振光成分的透射率高、(m)TE偏振光成分的透射率稍高(即消光比小)、(k)反射率低的本发明透射型偏振元件可以在“纵横比小”或“由光吸收性物质形成的薄膜(例如金属膜)的层数少”的条件下较容易地制作。因此，图4的复合偏振片虽然需要2块透射型偏振元件1b、9，但考虑到制作的难易度，是非常实用的。

另外，在图4的复合偏振片中，也可以采用廉价的吸收型方向性有机膜作为第2透射型偏振元件9，有机膜易因吸收TE偏振光成分的能量而容易劣化。但是，TE偏振光成分的大部分被第1透射型偏振元件1b除去，因此在图4的复合偏振片中不存在有机膜劣化的问题。

在图4的复合偏振片中，作为第1透射型偏振元件1b，也可以采用本发明的透射型偏振元件以外的吸收型偏振元件。例如，作为第1透射型偏振元件1b，可以使用上述“层叠型偏振器”、“随机含有方向规整的微小针状金属的玻璃层”、“在由介电体形成的光学结晶体中将数层细长金属部分重叠配置而成的偏振元件”等。

另外，在图4的复合偏振片中，在同一介电体基板3的两面上设有第1透射型偏振元件1b和第2透射型偏振元件9，但也可以分别设于其它基板后组合。

[第5实施方式]

图5是表示本发明的第5实施方式的透射型偏振元件的截面图。

在本实施方式的透射型偏振元件中，在由光吸收性物质形成的薄膜与介电体基板之间设有追随隆起的山形截面的形状的介电体多层膜。以下，参照图5，对本实施方式的透射型偏振元件进行更详细的说明。

如图5所示，在本实施方式的透射型偏振元件1b中，在由光吸收性物质形成的薄膜即金属膜4c与介电体基板3之间，设有追随隆起2的山形截面的形状的介电体多层膜10。此外，金属膜4c的与介电体多层膜10相反侧的表面被第1介电体物质层5b覆盖以防止反射和保护金属膜4c的表面。

本实施方式的透射型偏振元件1b可以通过如下方法来制作：在一侧的表面具有多个山形截面的隆起2平行排列的结构的介电体基板3上，交替层叠高折射率层(H层)和低折射率层(L层)，形成介电体多层膜10，在介电体多层膜10上，依次形成金属膜4c和第1介电体物质层5b。另外，介电体多层膜10还可以利用例如作为光学结晶的制造方法而已知的“自我复制(autocloning)”技术来形成(例如参照日本专利第3486334号公报)。

如上所述，在本实施方式的透射型偏振元件1b中，介电体多层膜10为追随山形截面的形状。此时，多个山形隆起2沿Y轴方向周期性配置(山形结构只存在于Y轴方向)，因此介电体多层膜10具有偏振光特性。因此，可以使介电体多层膜10具有如下特性：使TM偏振光几乎100％透过；使TE偏振光部分反射、其余透过。若使介电体多层膜10具有这样的特性，则入射光的TM偏振光成分被金属膜4c以一定程度吸收后透过介电体多层膜10，而入射光的TE偏振光成分大部分被金属膜4c吸收后被介电体多层膜10反射，再次被金属膜4c吸收。只有TE偏振光存在2次吸收，因而能更进一步提高消光比。图5的结构可以认为是将上述第4实施方式的“2块组合透射型偏振元件”一体化得到的结构。

[第6实施方式]

图6是表示本发明第6实施方式的透射型偏振元件的截面图。

在本实施方式的透射型偏振元件中，将由光吸收性物质形成的薄膜的与介电体基板相反侧的表面覆盖的第1介电体物质层由追随隆起的山形截面的形状的介电体多层膜形成。以下，参照图6对本实施方式的透射型偏振元件进行更详细的说明。

如图6所示，在本实施方式的透射型偏振元件1c中，将由光吸收性物质形成的薄膜即金属膜4d的与介电体基板3相反侧的表面覆盖的第1介电体物质层由追随隆起2的山形截面的形状的介电体多层膜5c形成。另外，图6中，θ是入射光的入射角(图7中也同样)。

本实施方式的透射型偏振元件1c可以通过如下方法来制作：在一侧的表面具有多个山形截面的隆起2平行排列的结构的介电体基板3上，形成金属膜4d，在金属膜4d上交替层叠低折射率层(L层)和高折射率层(H层)，形成介电体多层膜5c。另外，介电体多层膜5c也与上述第5实施方式的介电体多层膜10同样，可以利用例如作为光学结晶的制造方法而已知的“自我复制”技术来形成。

图6的结构是使上述第5实施方式的透射型偏振元件1b(图5)与入射光的方向反向的构成，金属膜4d设于介电体基板3侧。

[第7实施方式]

图7是本发明的第7实施方式的透射型偏振元件的截面图。

本实施方式的透射型偏振元件是将上述第5实施方式的构成与上述第6实施方式的构成组合并使金属膜的两侧为介电体多层膜的元件。以下，参照图7对本实施方式的透射型偏振元件进行更详细的说明。

如图7所示，在本实施方式的透射型偏振元件1d中，在由光吸收性物质形成的薄膜即金属膜4e与介电体基板3之间，设有追随隆起2的山形截面的介电体多层膜10a。另外，将金属膜4e的与介电体基板3(或介电体基板10a)相反侧的表面覆盖的第1介电体物质层由追随隆起2的山形截面的形状的介电体多层膜5d形成。

本实施方式的透射型偏振元件1d可以通过如下方法来制作：在一侧的表面具有多个山形截面的隆起2平行排列的结构的介电体基板3上，交替层叠高折射率层(H层)和低折射率层(L层)，形成介电体多层膜10a，在介电体多层膜10a上形成金属膜4e，在金属膜4e上交替层叠低折射率层(L层)和高折射率层(H层)，形成介电体多层膜5d。

根据本实施方式的构成，TE偏振光成分被夹持金属膜4e的两介电体多层膜10a、5d数次反射，因此能进一步提高金属膜4e的吸收量而提高消光比。

另外，在上述第1～第3或第5～第7实施方式中，也可以将入射侧与出射侧互换使用。

在上述第5～第7实施方式中，以金属膜为单层的情况为例进行了说明，但也可以与上述第3实施方式同样，使金属膜为多层而起防止反射等作用。

此外，在上述各实施方式中，以山形截面的隆起2为截面三角形状的情况为例进行了说明，但山型截面的隆起2不限于截面三角形状。只要能确保Z轴方向的进深，也可以是例如图8(a)、(b)所示的形状。

此外，在上述各实施方式中，以在山形截面的隆起2(或介电体多层膜10、10a)的整个面上形成由光吸收性物质形成的薄膜(例如金属膜)的情况为例进行了说明，但也可以如图9所示那样，由光吸收性物质形成的薄膜4在山形截面的顶点部分间断。若采用该构成，能得到提高TM偏振光成分的透射率的效果。

另外，即使多个山形截面的隆起2之间的底边B、高度H、形状存在一些不均匀，也能充分发挥本发明的透射型偏振元件的光学特性。

[设计例]

以上说明的透射型偏振元件的设计例如下所示。

从图10所示的透射型偏振元件的空气侧(第1防反射层6侧)垂直射入平面波(TE偏振光和TM偏振光)，计算透射率、反射率、吸收率。TE偏振光的电场振动方向是X轴方向(隆起的长度方向)，TM偏振光的磁场振动方向是X轴方向。透射型偏振元件的多个山形截面的隆起沿Y轴方向周期性配置，其结构周期与底边的长度B相等。另外，使用美国RSoft DesignGroup，Inc.制的采用RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法的计算软件“DiffractMOD”来计算透射率、反射率、吸收率。

(设计例1)

设计例1根据图10所示的透射型偏振元件，如下设定。

(A)介电体基板3的折射率：1.45

(B)介电体基板3的山形截面部分的底边：B＝180nm(与Y轴方向的结构周期相等)

(C)介电体基板3的山形截面部分的高度：H＝360nm(纵横比为2.0)

(D)介电体基板3的山形截面部分的折射率：1.45

(E)由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度：W＝10nm

(F)由光吸收性物质形成的薄膜4的双折射率：n＝2.91+4.07i(与光的频率无关，为恒定值)

(G)第1介电体物质层5的折射率：1.45

(H)以山形截面部分的顶点为基准的第1介电体物质层5的Z轴方向的厚度：T＝28nm

(I)第1防反射层6的结构

(基板侧)

第1层：折射率1.62 物理厚度60nm

第2层：折射率2.10 物理厚度69nm

第3层：折射率1.38 物理厚度77nm

(空气侧)

由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度W设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为0.2％以下。此外，由光吸收性物质形成的薄膜4的双折射率n接近于波长为0.47μm时的Cr(铬)的值。

当从空气侧向设计例1的透射型偏振元件垂直射入在真空中的波长为0.42μm～0.52μm的光时的TE偏振光和TM偏振光的向空气侧的反射率和向介电体基板3侧的透射率分别示于图11(a)、图11(b)。在以下所示的设计例和参考例中，也采用同样波长的光，TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别如图所示。

反射和透射以外的入射能量被由光吸收性物质形成的薄膜4吸收。这里，透射率由光线无法从介电体基板3向外部射出的状态下的能量来计算。这是为了消除向外部(例如空气层)射出时产生的菲涅尔反射的影响。

如图11(a)所示，当为TE偏振光时，反射率和透射率极小，几乎所有的入射能量均被由光吸收性物质形成的薄膜4吸收。与此相对，如图11(b)所示，当为TM偏振光时，透射率大，为46～53％，可知设计例1的透射型偏振元件起偏振片作用。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率4.0％、透射率0.2％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率1.5％、透射率50％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为250。

(设计例2)

设计例2是纵横比大于设计例1的例子。由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度W设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为0.2％以下。下述事项以外的事项与设计例1的情况相同。

(C)介电体基板3的山形截面部分的高度：H＝720nm(纵横比为4.0)

(E)由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度：W＝4.5nm

(H)以山形截面部分的顶点为基准的第1介电体物质层5的Z轴方向的厚度：T＝6nm

(I)第1防反射层6的结构

(基板侧)

第1层：折射率 1.62 物理厚度 69nm

第2层：折射率 2.10 物理厚度 79nm

第3层：折射率 1.38 物理厚度 75nm

(空气侧)

设计例2的透射型偏振元件的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别示于图12(a)、图12(b)。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率0.23％、透射率0.10％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率0.6％、透射率79％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为790。

如上所述，设计例2的纵横比大于设计例1，因此特性提高。

(设计例3)

设计例3是将设计例1的由光吸收性物质形成的薄膜4改为吸收更少(作为折射率的虚数部分的消光系数小)的材料代替的例子。即，设计例3中的由光吸收性物质形成的薄膜4的双折射率接近于波长为0.47μm时的Sn(锡)的值。此外，由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度W设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为0.2％以下。下述事项以外的事项与设计例1的情况相同。

(E)由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度：W＝12nm

(F)由光吸收性物质形成的薄膜4的双折射率：n＝2.83+2.80i(与光的频率无关，为恒定值)

(H)以山形截面部分的顶点为基准的第1介电体物质层5的Z轴方向的厚度：T＝18nm

(I)第1防反射层6的结构

(基板侧)

第1层：折射率 1.62 物理厚度 69nm

第2层：折射率 2.10 物理厚度 79nm

第3层：折射率 1.38 物理厚度 82nm

(空气侧)

设计例3的透射型偏振元件的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别示于图13(a)、图13(b)。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率1.75％、透射率0.24％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率1.2％、透射率51％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为213。

(设计例4)

设计例4是减少设计例1的由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度W并设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为4％以下。下述事项以外的事项与设计例1的情况相同。

(E)由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度：W＝4.4nm

(H)以山形截面部分的顶点为基准的第1介电体物质层5的Z轴方向的厚度：T＝47nm

(I)第1防反射层6的结构

(基板侧)

第1层：折射率 1.62 物理厚度 75nm

第2层：折射率 2.10 物理厚度 125nm

第3层：折射率 1.38 物理厚度 83nm

(空气侧)

设计例4的透射型偏振元件的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别示于图14(a)、图14(b)。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率0.6％、透射率3.3％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率0.45％、透射率76％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为23。

设计例4是减少设计例1的由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度W而增大TM偏振光成分的透射率的例子，其代价是TE偏振光成分的透射率也增加，消光比变小。但是，采用图4所示的构成，能弥补消光比的不足。

(设计例5)

设计例5是没有设计例1的第1介电体物质层5和第1防反射层6而使由光吸收性物质形成的薄膜4的表面与空气层直接接触的例子。由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度W设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为0.2％以下。下述事项以外的事项与设计例1的情况相同。

(E)由光吸收性物质形成的薄膜4的Y轴方向的厚度：W＝7.7nm

第1介电体物质层5：无

第1防反射层6：无

设计例5的透射型偏振元件的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别示于图15(a)、图15(b)。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率21％、透射率0.14％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率0.12％、透射率45％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为329。

在设计例5中，由光吸收性物质形成的薄膜4的表面与空气层直接接触，因此TE偏振光成分的反射率变大。因此，设计例5的透射型偏振元件可以用于即使反射光多也无影响的用途。

(参考例1)

从图16所示的具有矩形截面的隆起2a的透射型偏振元件的空气侧(第1防反射层6侧)垂直射入平面波(TE偏振光和TM偏振光)，计算透射率、反射率、吸收率。矩形截面部分沿Y轴方向周期性配置，其结构周期为P。矩形截面部分的底边的长度和高度分别为B、H。

对图16所示的透射型偏振元件，如下设定。

(A)介电体基板3的折射率：1.45

(B)介电体基板3的矩形截面部分的底边：B＝90nm

(B1)介电体基板3的矩形截面部分的Y轴方向的结构周期：P＝180nm

(C)介电体基板3的矩形截面部分的高度：H＝360nm(纵横比为4.0)

(D)介电体基板3的矩形截面部分的折射率：1.45

(E)由光吸收性物质形成的薄膜10的厚度：W＝6.5nm

(F)由光吸收性物质形成的薄膜10的双折射率：n＝2.91+4.07i(与光的频率无关，为定值)

(G)第1介电体物质层5的折射率：1.45

(H)以矩形截面部分的前端为基准的第1介电体物质层5的Z轴方向的厚度：T＝6nm

(I)第1防反射层6的结构

(基板侧)

第1层：折射率 1.62 物理厚度 117nm

第2层：折射率 2.10 物理厚度 57nm

第3层：折射率 1.38 物理厚度 79nm

(空气侧)

由光吸收性物质形成的薄膜10的厚度W设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为0.2％以下。

参考例1的透射型偏振元件的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别如图17(a)、图17(b)所示。反射和透射以外的入射能量被由光吸收性物质形成的薄膜10吸收。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率2.8％、透射率0.13％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率0.12％、透射率33％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为254。

将参考例1的透射型偏振元件与高度H相同的设计例1比较时，TM偏振光成分的透射率非常低。因此，参考例1这样的具有矩形截面的隆起2a的透射型偏振元件不适合作为偏振片使用。

(参考例2)

参考例2是纵横比小于参考例1的例子。由光吸收性物质形成的薄膜10的厚度W设定成使TE偏振光成分的透射率在使用的光的波长区域内大概为0.2％以下。下述事项以外的事项与参考例1相同。

(C)介电体基板3的矩形截面部分的高度：H＝90nm(纵横比为1.0)

(E)由光吸收性物质形成的薄膜10的厚度：W＝28nm

(H)以矩形截面部分的前端为基准的第1介电体物质层5的Z轴方向的厚度：T＝14nm

(I)第1防反射层6的结构

(基板侧)

第1层：折射率 1.62 物理厚度 127nm

第2层：折射率 2.10 物理厚度 37nm

第3层：折射率 1.38 物理厚度 42nm

(空气侧)

参考例2的透射型偏振元件的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别示于图18(a)、图18(b)。反射和透射以外的入射能量被由光吸收性物质形成的薄膜10吸收。

例如，在波长为0.47μm时，

TE偏振光：反射率18％、透射率0.13％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率13％、透射率2.1％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为16。

参考例2的透射型偏振元件的TM偏振光成分的透射率比参考例1更低。因此，参考例2的透射型偏振元件完全不适合作为偏振片使用。

(设计例6)

对图19所示的透射型偏振元件1a(参照上述第3实施方式(图3))如下设定。

(A)介电体基板3的折射率：1.45

(B)介电体基板3的山形截面部分的底边：B＝180nm(与Y轴方向的结构周期相同)

(C)介电体基板3的山形截面部分的高度：H＝128nm(纵横比为0.711)

(E1)第1金属膜4a的Y轴方向的厚度：W1＝4.0nm

(E2)第2金属膜4b的Y轴方向的厚度：W2＝3.0nm

(J)第1和第2金属膜4a、4b间的Z轴方向的间距：S＝100nm

(K)第2介电体物质层8的折射率：1.45

(F)第1和第2金属膜4a、4b的双折射率：n＝2.91+4.07i(与光的频率无关，为定值)

(G)第1介电体物质层5a的折射率：1.45

(H)以第2金属膜4b的顶点为基准的第1介电体物质层5a的Z轴方向的厚度：T＝95nm

这里，参数W1、W2、S、T设定成使反射光少。

设计例6的透射型偏振元件1a的TE偏振光和TM偏振光的反射率和透射率分别如图20(a)、图20(b)所示。但是，使用的光的波长为0.34μm～0.52μm。反射和透射以外的入射能量被第1和第2金属膜4a、4b吸收。

例如，在波长为0.42μm时，

TE偏振光：反射率0.17％、透射率9.2％(其余吸收)，

TM偏振光：反射率0.51％、透射率43％(其余吸收)，

因此透射光的偏振光消光比为4.7。设计例6的透射型偏振元件1a单独作为偏振片使用时由于消光比小，因此必须如图4那样与其它的透射型偏振元件组合。另外，反射率如上述第3实施方式中说明的那样被抑制成非常低的值。

(设计例7)

对图5所示的透射型偏振元件，进行如下最佳设计使在波长范围0.44μm～0.50μm(蓝色)中的消光比变大。另外，在本设计例中，H层的数目为1层。

(A)介电体基板3的折射率：1.45

(B)介电体基板3的山形截面部分的底边：B＝288.0nm(与Y轴方向的结构周期相同)

(C’)介电体基板3的山形截面部分的纵横比：0.50

(α)高折射率层(H层)的折射率：2.10

(β)低折射率层(L层)的折射率：1.45

(E)金属膜(由光吸收性物质形成的薄膜)4c的Y轴方向的厚度：W＝3nm

(F)金属膜(由光吸收性物质形成的薄膜)4c的双折射率：使用了Ge薄膜在波长510nm下的实测值，n＝4.721，k＝2.189

(G)第1介电体物质层5b的折射率：1.45

(I’)介电体各层的Z轴方向的物理厚度

(基板侧)

H层：208.2nm

L层：153.4nm

(金属膜层)

L层：92.8nm

(空气侧)

另外，Ge薄膜的双折射率如表1所示。

[表1]

表1中，n为折射率，k为消光系数。

从空气侧向设计例7的透射型偏振元件垂直射入在真空中的波长为0.40μm～0.54μm的光时的TE偏振光和TM偏振光的透射率、反射率、吸收率分别示于图21(a)、图21(b)。与后述参考例3比较可知，TM偏振光的透射率在0.45μm～0.51μm的波长范围内几乎没有变化，但TE偏振光的透射率在波长0.45μm附近变得极小，远远小于参考例3，消光比提高。这是在介电体基板3侧设置由介电体多层膜10形成的反射层的效果。

(参考例3)

参考例3为了与设计例7进行比较，不设H层、L层(介电体多层膜)，进行如下最佳设计使在波长范围0.44μm～0.50μm(蓝色)中的消光比变大。下述事项以外的事项与设计例7相同。

(B)介电体基板3的山形截面部分的底边：B＝288.4nm(与Y轴方向的结构周期相同)

(I’)介电体各层的Z轴方向的物理厚度

(基板侧)

(金属膜层)

L层：113.5nm

(空气侧)

从空气侧向参考例3的透射型偏振元件垂直射入在真空中的波长为0.40μm～0.54μm的光时的TE偏振光和TM偏振光的透射率、反射率、吸收率分别示于图22(a)、图22(b)。在本参考例中，由于未设置由介电体多层膜形成的反射层，因此不会出现在设计例7、设计例8中所见的TE偏振光的极小的透射率。

(设计例8)

对图5所示的透射型偏振元件，进行如下最佳设计使在波长范围0.43μm～0.50μm(蓝色)中的消光比变大。另外，下述事项以外的事项与设计例7相同。在设计例7中，H层的数目为1层，但在本设计例中，H层的数目为2层。

(B)介电体基板3的山形截面部分的底边：B＝295.4nm(与Y轴方向的结构周期相同)

(I’)介电体各层的Z轴方向的物理厚度

(基板侧)

H层：189.6nm

L层：122.0nm

H层：188.7nm

L层：193.0nm

(金属膜层)

L层：91.4nm

(空气侧)

从空气侧向设计例8的透射型偏振元件垂直射入在真空中的波长为0.38μm～0.55μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率、吸收率分别示于图23(a)、图23(b)。在本设计例中，介电体多层膜10的H层的数目为2层，因此在波长范围0.43μm～0.48μm下的TE偏振光的透射率比设计例7更小。

(设计例9)

对图7所示的透射型偏振元件如下设定。金属膜(由光吸收性物质形成的薄膜)4e被L层夹持，H层的数目在基板侧为2层、在空气侧(入射侧)为1层。另外，下述事项以外的事项与设计例7相同。

(B)介电体基板3的山形截面部分的底边：B＝292.0nm(与Y轴方向的结构周期相同)

(I’)介电体各层的Z轴方向的物理厚度

(基板侧)

H层：171.9nm

L层：233.3nm

H层：26.0nm

L层：188.7nm

(金属膜层)

L层：17.1nm

H层：104.0nm

L层：94.5nm

(空气侧)

从空气侧向设计例9的透射型偏振元件垂直射入在真空中的波长为0.38μm～0.55μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率、吸收率分别示于图24(a)、图24(b)。与设计例8比较可知，TE偏振光的透射率更小，消光比提高。

(实施例1)

制作图25所示的透射型偏振元件，所述透射型偏振元件由在其一侧的表面具有多个截面三角形状的隆起平行排列的结构的介电体基板和形成于多个截面三角形状的隆起的表面的1层由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)所形成，然后评价其特性。作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的材料，采用Cr。以下对其详细内容进行说明。

首先，在石英基板上，使用光刻技术，形成周期为200nm的线宽间距(line and space)的Cr掩模的图案。然后，通过采用氟类气体的干蚀刻，对石英基板进行蚀刻加工。此时，通过将蚀刻条件的气体流量和RF功率等最佳化，来形成周期性排列的多个截面三角形状的隆起(山形结构)。接着，在石英基板的山形结构的表面，使用RF溅射装置，形成Cr膜作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)。

使用分光光度计测定透射谱图和反射谱图，对本透射型偏振元件的偏振光特性进行评价(以下的实施例也同样)。

图26所示为测定的谱图，表2所示为代表波长下的特性值。另外，在图26中，实线表示TM偏振光的透射率和反射率，虚线表示TE偏振光的透射率和反射率(图29、图31、图32也同样)。

[表2]

由图26、表2可知：相对于TM偏振光的透射率，TE偏振光的透射率低，作为偏振元件起作用。而且，在遍及400nm到600nm的波长范围内显示出消光比约为3dB的平稳特性。

(实施例2)

制作图27所示的透射型偏振元件，所述透射型偏振元件由在其一侧的表面具有多个截面三角形状的隆起平行排列的结构的介电体基板和形成于多个截面三角形状的隆起的表面的1层由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)、将由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的表面覆盖的1层第1介电体物质层形成，然后评价其特性。作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的材料，采用Ge，作为第1介电体物质层的材料，采用SiO₂。以下对其详细内容进行说明。

首先，采用与实施例1相同的方法，在石英基板上形成山形结构(多个截面三角形状的隆起)。接着，使用RF溅射装置，在石英基板的山形结构的表面形成Ge膜作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)。然后，使用同样的RF溅射装置，在Ge膜上形成SiO₂膜。

使用扫描型电子显微镜(SEM(Scanning Electron Microscope))观察制作的透射型偏振元件的截面。图28表示制作的透射型偏振元件的截面照片。由图28可知：在周期性排列的多个截面三角形状的隆起的表面，形成厚度为数nm～20nm左右的Ge膜和厚度为50nm～130nm的SiO₂膜。

图29所示为测定的谱图，表3所示为代表波长下的特性值。

[表3]

由图29、表3可知：与实施例1相比，反射率非常小。这是由在由光吸收性物质形成的薄膜(Ge膜)上形成的第1介电体物质层(SiO₂膜)的防反射效果所致。

(实施例3)

与实施例2同样，制作透射型偏振元件，所述的透射型偏振元件由在其一侧的表面具有多个截面三角形状的隆起平行排列的结构的介电体基板和形成于多个截面三角形状的隆起的表面的1层由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)、将由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的表面覆盖的1层第1介电体物质层形成。作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的材料，采用Ge，作为第1介电体物质层的材料，采用SiO₂。以下对其详细内容进行说明。

首先，采用与实施例1相同的方法，在石英基板上形成山形结构(多个截面三角形状的隆起)。接着，使用RF溅射装置，在石英基板的山形结构的表面形成Ge膜作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)。然后，使用化学气相沉积(CVD)装置，在Ge膜上形成SiO₂膜。

使用扫描型电子显微镜(SEM)观察制作的透射型偏振元件的截面。图30表示制作的透射型偏振元件的截面照片。由图30可知：在周期性排列的多个截面三角形状的隆起的表面，形成厚度为数nm～20nm左右的Ge膜和厚度为50nm的SiO₂膜。CVD法与设计例11所示的物理成膜法(溅射、蒸镀、离子镀等)相比具有如下优点：台阶覆盖更好且能得到均一的被覆层，是更优选的成膜方法。

图31所示为测定的谱图，表4所示为代表波长下的特性值(加热处理前)。

[表4]

如图31、表4所示：本实施例的透射型偏振元件的消光比提高。这是因为由光吸收性物质形成的薄膜(Ge膜)较厚。

此外，本实施例这样的仅由无机材料形成的透射型偏振元件与目前的有机薄膜偏振元件相比，具有耐热性高的优点。为此，对本实施例的透射型偏振元件进行加热处理，评价加热处理前后的特性变化。具体而言，在200℃的干燥烘箱中，将本实施例的透射型偏振元件加热处理35小时后，测定透射谱图和反射谱图。表4中还记载了加热处理后的代表波长下的特性值。如表4所示，加热处理前后的特性值没有变化，耐热性非常高。因此，本实施例的透射型偏振元件可以优选用于暴露在高功率的灯或激光中的投影仪或光存储头等中。

(实施例4)

与实施例2同样，制作透射型偏振元件，所述的透射型偏振元件由在其一侧的表面具有多个截面三角形状的隆起平行排列的结构的介电体基板、形成于多个截面三角形状的隆起的表面的1层由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)、和将由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的表面覆盖的1层第1介电体物质层形成。作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)的材料，采用Si，作为第1介电体物质层的材料，采用SiO₂。以下对其详细内容进行说明。

首先，采用与实施例1相同的方法，在石英基板上形成山形结构(多个截面三角形状的隆起)。接着，使用RF溅射装置，在石英基板的山形结构的表面形成Si膜作为由光吸收性物质形成的薄膜(金属膜)。然后，使用化学气相沉积(CVD)装置，在Si膜上形成SiO₂膜。

图32所示为测定的谱图，表5所示为代表波长下的特性值(加热处理前)。

[表5]

由图32、表5所示：本实施例的透射型偏振元件的消光比高，特别是在蓝色区域得到20dB的良好消光比。这是因为由光吸收性物质形成的薄膜(Si膜)较厚。

(设计例10)

设计例10对在金属膜两侧具有多层膜部分的构成的透射型偏振元件(参照图7)进行最佳化设计，使得在波长范围0.43μm～0.51μm(蓝色)中的消光比变大。在本设计例中，H层的数目在金属膜的基板侧为1层、在空气侧(入射侧)为1层。表6所示为具体的设计值。

[表6]

图33所示的金属膜的折射率(n+ki)是金属Nb的下述文献中所示的值，图34和图35所示的折射率n分别是基于SiO₂值(H层)和Nb₂O₅膜(L层)的实测数据的值。

文献：“Handbook of Optical Constants of Solids II”，E.D.Palik，AcademicPress(1991)，pp396-408.

从空气侧向设计例10的透射型偏振元件垂直射入在真空中的波长为0.4μm～0.6μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率分别示于图36、图37。图36表示入射角θ为0°的情况，图37表示入射角θ为10°的情况。这里，入射角θ是指入射光与Z轴所成的角度(参照图7)。另外，关于反射率，在各图的(b)中一并表示局部放大的图表(关于这些图表，在以下的设计例11～14也同样。)

(设计例11)

设计例11是纵横比大于设计例10的例子。

对图7所示构成的透射型偏振元件进行最佳化设计使在波长范围0.43μm～0.51μm(蓝色)下的消光比变大。在本设计例中，H层的数目在金属膜的基板侧为1层、在空气侧(入射侧)为1层，入射光从空气侧射入。具体的设计值如上述表6所示。

从空气侧向设计例11的透射型偏振元件射入在真空中的波长为0.4μm～0.6μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率分别示于图38、图39。

(设计例12)

设计例12是将重点特别放在减小反射率上的设计例。

对在金属膜的空气侧具有多层膜部分的构成的透射型偏振元件(参照图6)进行最佳化设计使在波长范围0.42μm～0.52μm(蓝色)下的反射率变小。在本设计例中，H层的数目在空气侧仅为1层，入射光从空气侧射入。具体的设计值如上述表6所示。

从空气侧向设计例12的透射型偏振元件射入在真空中的波长为0.4μm～0.6μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率分别示于图40、图41。

(设计例13)

设计例13与设计例12同样是将重点放在减小反射率上的设计例，L层的折射率设为1.62而与波长无关。

对图6所示构成的透射型偏振元件进行最佳化设计使在波长范围0.42μm～0.52μm(蓝色)下的反射率变小。在本设计例中，H层的数目在空气侧仅为1层，入射光从空气侧射入。具体的设计值如上述表6所示。

从空气侧向设计例13的透射型偏振元件射入在真空中的波长为0.4μm～0.6μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率分别示于图42、图43。

(设计例14)

设计例14是纵横比A＝1.0并将重点放在减小反射率上的设计例。

从空气侧向设计例14的透射型偏振元件射入在真空中的波长为0.4μm～0.6μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率分别示于图44、图45。

(设计例15)

设计例15是纵横比A＝0.5并使金属膜多层化来提高消光比的设计例，L层的折射率设定为1.62而与波长无关。

将图6所示构成的透射型偏振元件的金属膜分为4层并进行最佳化设计使在波长范围0.42μm～0.52μm(蓝色)下的反射率变小。金属膜为4层厚度为1.5nm的层，L层位于金属膜中间。H层的数目在空气侧仅为1层，入射光从空气侧射入。具体的设计值如上述表6所示。

从空气侧向设计例15的透射型偏振元件射入在真空中的波长为0.4μm～0.6μm的光时的TM偏振光和TE偏振光的透射率、反射率分别示于图46、图47。

(实施例5)

在实施例5中，根据上述设计例12，制作由三角结构的金属膜和介电体多层膜形成的透射型偏振元件，评价其特性。

以下，对制作工序进行说明。

(1)首先，在石英基板(50mm×50mm、厚度为1.5mm)上通过旋转涂布法涂布电子射线用抗蚀剂。接着，利用加热板进行烘烤，涂布导电剂进行导电化处理后，用电子射线扫描装置扫描图案。然后，将该石英基板依次浸入显影液和洗涤液中，形成由线状部分和空白部分形成的抗蚀剂的周期图案。图案区域为10mm×10mm，图案周期为292nm。该抗蚀剂图案作为之后的干蚀刻的掩模(抗蚀剂掩模)使用。接着，通过采用氟类气体的反应性干蚀刻，对该石英基板进行加工，形成具有深度为130nm、周期为292nm的矩形截面形状的凹凸结构。

然后，将该石英基板暴露在氧等离子体中，除去残留的抗蚀剂掩模。然后，在合适的条件下，通过反应性干蚀刻，将凹凸结构调整成周期为292nm、深度为140nm的截面三角形状。

(2)采用以金属Ge为靶为对置型RF溅射装置，在石英基板的截面三角形状的表面形成Ge膜。此时，调节溅射时间使Ge膜的厚度在与石英基板表面垂直的方向上为3.1nm。

(3)采用自我复制装置，在该Ge膜上依次形成SiO₂膜(H层)、Nb₂O₃膜(L层)、SiO₂膜(H层)的各膜。此时，调节溅射时间使各层的厚度为设计例13中所述的数值(参照上述表6)。另外，自我复制装置的一个例子在上述日本专利第3486334号公报中有公开。

从该透射型偏振元件的空气侧表面以入射角θ＝5°来射入光，使用分光光度计测定透射谱图和反射谱图，对本透射型偏振元件的偏振特性进行评价。图48所示为测定的谱图。在图48中，实线表示TM偏振光的透射率和反射率，虚线表示TE偏振光的透射率和反射率。由图48可知：TE偏振光的透射率比TM偏振光的透射率低，作为偏振元件起作用。

Claims

1、一种透射型偏振元件，其具备介电体基板和薄膜，所述介电体基板在其一侧的表面具有多个山形截面的隆起平行排列的结构，所述薄膜设于所述多个山形截面的隆起上，并由光吸收性物质形成；

该透射型偏振元件使在垂直射入所述介电体基板的光中的磁场的振动方向与所述隆起的长度方向相同的TM偏振光成分透过、并将电场的振动方向与所述隆起的长度方向相同的TE偏振光成分吸收。

2、根据权利要求1所述的透射型偏振元件，其中，所述由光吸收性物质形成的薄膜的与所述介电体基板相反侧的表面被第1介电体物质层覆盖。

3、根据权利要求2所述的透射型偏振元件，其中，所述第1介电体物质层的与所述介电体基板相反侧的表面为平面。

4、根据权利要求2所述的透射型偏振元件，其中，所述第1介电体物质层的与所述介电体基板相反侧的表面为追随所述山形截面的形状。

5、根据权利要求1所述的透射型偏振元件，其中，所述多个山形截面的隆起分别具有相同的截面形状，且以一定的周期平行排列。

6、根据权利要求1所述的透射型偏振元件，其中，所述由光吸收性物质层形成的薄膜夹持第2介电体物质层而多层配置。

7、根据权利要求1所述的透射型偏振元件，其中，在所述由光吸收性物质形成的薄膜与所述介电体基板之间设有追随所述山形截面的形状的介电体多层膜。

8、根据权利要求2所述的透射型偏振元件，其中，将所述由光吸收性物质形成的薄膜的与所述介电体基板相反侧的表面覆盖的所述第1介电体物质层为追随所述山形截面的形状的介电体多层膜。

9、一种复合偏振片，其特征在于，具备配置在光入射侧的第1透射型偏振元件和配置在光出射侧的第2透射型偏振元件，

所述第1透射型偏振元件和第2透射型偏振元件中，只有所述第1透射型偏振元件由权利要求1～8中任一项所述的透射型偏振元件形成。