JP2005037900A - 偏光光学素子、およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単独で表示装置に適用しても高いコントラストを有する表示を実現でき、薄型で光利用効率に優れた偏光光学素子を提供する。
【解決手段】入射する光の偏光に応じて光の反射率および／または透過率が変化する偏光光学素子であり、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第１グレーティング層２と、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第２グレーティング層３とを備える。第１グレーティング層２の平均格子ピッチ２ｐおよび第２グレーティング層３の平均格子ピッチ３ｐは、いずれも、光の波長よりも短く設定されている。第１グレーティング層２は、光に対して反射性を示す第１材料から形成され、第２グレーティング層３は、第１グレーティング層２による光の反射を抑制する第２材料から形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏光光学素子、およびそれを用いた表示装置に関する。

現在、最も広く用いられているタイプの偏光子は、吸収型二色性偏光子である。吸収型二色性偏光子は、延伸された高分子フィルムに、光の吸収異方性を有する化合物（ヨウ素や二色性色素など）を吸着、配向させることによって作製される。この偏光子は、偏光子に入射する光を直交する偏光成分に分解し、二色性色素の吸収軸に平行な偏光成分を吸収し、吸収軸と直交する偏光成分を透過する。従って、偏光子を透過した光は直線偏光となる。このような吸収型の偏光子を表示装置に用いると、自然光に対する透過率は原理的に５０％を超えることができないため、光の利用効率が低いという課題があった。

このような吸収型二色性偏光子の光吸収による損失を防ぐ目的で、特定方向の直線偏光を反射し、他方の偏光を透過する直線偏光反射型偏光子が開発され、実用化に至っている。直線偏光反射型偏光子は、例えば、２種の異なるポリマー材料ＡおよびＢが交互に積層（ＡＢＡＢＡ・・・）された非吸収性誘電体の積層物である。このような偏光子は、２種の材料ＡおよびＢを交互に積層した後、共に押出すことにより作製されるので、積層された材料は一軸ｘに沿って延伸されるが、他の軸ｙに沿って実質的に延伸されることはない。そのため、ｘ軸方向の直線偏光に対しては高い反射率を示し、ｙ軸方向の直線偏光に対しては高い透過率を示す。積層物の上下で層厚が異なるように作製すれば、広帯域の可視光に対して高い反射率を示す反射型偏光子が得られる。

また、他の直線偏光反射型偏光子として、微細金属格子（ワイヤー格子）による偏光子が挙げられる（例えば特許文献１など）。この偏光子は、単一金属で形成された金属線を平行に並べた構成を有しており、各金属線の直径は光の波長より十分小さい。このワイヤー格子偏光子は、金属線と平行な偏光成分（ＴＥ波）を反射し、金属線と直交する偏光成分（ＴＭ波）を透過する偏光特性を有する。
特開平９−９０１２２号公報

反射型偏光子を表示装置に用いると、偏光子は、偏光子の上面および下面にそれぞれ入射する同一偏光に対して等しい反射率を示すため、光利用効率は向上する。しかし、この偏光子を単独で表示装置に用いる場合には、光減衰性が小さいので暗表示が得られず、その結果、表示のコントラストが低下する。暗表示を得るためには、表示装置において、反射型偏光子と上述した吸収偏光子とを組み合わせて使用する必要があるが、組み合わせて利用すると、部材の数やコストが増大する。また、吸収偏光子の厚さ（およそ１００μｍ）の分だけ表示装置の厚さが増大するという問題もある。

本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、その主な目的は、単独で表示装置に適用しても高いコントラストを有する表示を実現できる、薄型で光利用効率に優れた偏光光学素子を提供することである。

本発明の偏光光学素子は、入射する光の偏光に応じて光の反射率および／または透過率が変化する偏光光学素子であって、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第１グレーティング層と、前記所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第２グレーティング層とを備え、前記第１グレーティング層の平均格子ピッチおよび前記第２グレーティング層の平均格子ピッチは、いずれも、前記光の波長よりも短く設定されており、前記第１グレーティング層は、前記光に対して反射性を示す第１材料から形成され、前記第２グレーティング層は、前記第１グレーティング層による前記光の反射を抑制する第２材料から形成されている。

ある好ましい実施形態において、前記第２材料は光吸収性を示す。

前記光に対する前記第２材料の反射率は、前記光に対する前記第１材料の反射率よりも小さいことが好ましい。

ある好ましい実施形態において、前記第１グレーティング層の前記複数のストライプ部分と、前記第２グレーティング層の前記複数のストライプ部分とは、同一の形状を有し、かつ重なっている。

ある好ましい実施形態において、前記第１グレーティング層の各ストライプ部分は、前記第２グレーティング層の対応するストライプ部分と積層構造を形成しており、前記積層構造は、基板に支持されている。

前記積層構造は、前記所定方向に延びる軸に関する１８０度の回転について非対称であることが好ましい。

前記積層構造の最下層または最上層は前記第１グレーティング層であってもよい。

ある好ましい実施形態において、前記第１グレーティング層は前記基板の一方の面に形成され、前記第２グレーティング層は前記基板の他方の面に形成されている。

可視光線の直線偏光に対する前記１グレーティング層の反射率は５０％より大きいことが好ましい。

ある好ましい実施形態において、前記複数のストライプ部分を覆う透明層をさらに備え、前記透明層の表面は略平坦である。

好ましくは、前記透明層は誘電体材料から形成される。

本発明の表示装置は、上記いずれかの偏光光学素子を用いている。

本発明の液晶表示装置は、第１基板と、第２基板と、前記第１基板および前記第２基板に挟持された液晶層とを備え、前記液晶層に電圧を印加することにより表示を行なう液晶表示装置において、前記第１基板と前記液晶層との間に配置され、入射する光の偏光に応じて光の反射率および／または透過率が変化する偏光光学素子をさらに備えており、前記偏光光学素子は、前記第１基板の上に形成され、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する積層構造を有し、前記積層構造の平均格子ピッチは、前記光の波長よりも短く設定されており、前記積層構造は、前記光に対して反射性を示す第１材料から形成された第１グレーティング層と、前記第１グレーティング層よりも前記液晶層側に形成され、前記第１グレーティング層による前記光の反射を抑制する第２材料から形成されている第２グレーティング層とを含む。

本発明によると、薄型で光利用効率に優れた偏光光学素子を提供できる。本発明の偏光光学素子を表示装置に適用すると、高いコントラストを有する表示を実現できる。

本発明の偏光光学素子の好ましい実施形態では、基板上に、反射防止効果を示す格子状の膜と光反射性を示す格子状の膜（以下、「光反射性膜」と呼ぶことがある）を含む多層膜（金属、誘電体、半導体等を含む）を形成する。

本発明の偏光光学素子は、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第１グレーティング層と、第１グレーティング層のストライプ部分と同じ方向に延びる複数のストライプ部分を有する第２グレーティング層とを備えている。これらのグレーティング層の平均格子ピッチはいずれも、光学素子に入射する光の波長よりも短い。本明細書では、「平均格子ピッチ」とは、グレーティング層において、互いに隣接するストライプ部分の幅の中心線間の距離をいう。第１グレーティング層は、入射する光に対して反射性を示す第１材料から形成されている。例えば、可視光線の直線偏光に対する第１グレーティング層の反射率は５０％より大きい。第２グレーティング層は、第１グレーティング層による光の反射を抑制する第２材料から形成されている。

反射防止効果を有する膜（第２グレーティング層）を用いて光反射性膜（第１グレーティング層）による反射を防止する手法として、Ａ）金属などの光反射性膜の光入射側に、非干渉性の光吸収性を示す膜を設けることによる反射防止手法、およびＢ）薄膜の干渉や吸収を利用して、光反射性膜とその上の（多層）膜の光学アドミッタンスを揃えることによる反射防止手法が考えられる。後者の反射防止手法Ｂ）には、（Ｂ１）透明膜による（光反射性膜の光入射側に透明膜を設けることによる）反射防止、（Ｂ２）光吸収性を示す膜による（光反射性膜の光入射側に光吸収性の膜を設けることによる）反射防止、（Ｂ３）光反射性膜に干渉フィルター型の多層コーティングを施すことによる反射防止が含まれる。上記Ｂの手法では、反射防止効果を有する膜を１層設けると、特定波長の単色光に対して完全反射防止の条件が成り立つ。また、これらの反射防止効果を有する膜を複数用いると、広帯域で反射防止が可能となる。例えば、反射防止効果を有する膜を、２層、３層と積み重ねた多層構造とし、各層の材料や厚さを適宜選択することにより、可視スペクトル全域に渡って反射防止可能な偏光光学素子を構成できる。広帯域で反射防止が可能となれば、直視型の多色表示装置に好適に適用できるなど、偏光光学素子の用途が広がる。

本発明の偏光光学素子は、上記構成を有しているので、入射する光の偏光に応じて光の反射率および／または透過率を変化させることができる。より具体的には、上記ストライプ部分の方向に振動する直線偏光ＴＥが第１グレーティング層に入射すると、直線偏光ＴＥの大部分は反射されるが、上記直線偏光ＴＥが第２グレーティング層に入射すると、直線偏光の大部分は吸収などされる。一方、上記ストライプ部分と直交する方向に振動する直線偏光ＴＭの大部分は、第１および第２グレーティング層を透過する。従って、光学素子の一方の表面（甲面）に入射する光の反射率を第１グレーティング層によって制御し、他方の面（乙面）に入射する光の反射率を第２グレーティング層によって制御することができる。第２グレーティング層の第２材料が光吸収性を示す材料であれば、この光学素子を表示装置に適用した場合にコントラストの高い表示が可能となるので有利である。また、第２材料は、第１材料の反射率よりも小さい反射率を有していてもよい。第１材料または第２材料として、金属、誘電体、半導体などを用いることができる。

このように、本発明の偏光光学素子は、吸収型偏光子や反射型偏光子としてのみでなく、それら２種の偏光子を組み合わせた偏光子ユニットとしても機能できる。また、表示装置に適用されると、第１および第２材料の選択により、表示のコントラストを向上できる。さらに、従来の吸収型偏光子または反射型偏光子の厚さ（１００μｍ程度）と比べて、本発明の偏光光学素子の厚さ（０．２μｍ程度、保護層で覆う場合は１μｍ程度）は小さいので、光学素子およびそれを用いた表示装置の薄型化が可能になる。特に、従来の表示装置で用いる、吸収型偏光子と反射型偏光子とを組み合わせた偏光子ユニットと比べると、１／１００程度の厚さの光学素子を形成できるので有利である。

第１グレーティング層の複数のストライプ部分と、第２グレーティング層の複数のストライプ部分とは、同一の形状を有し、かつ重なっていてもよい。このような第１および第２グレーティング層は、例えば、第１材料および第２材料を基板の同一の面に同一パターンで堆積させることによって積層膜を形成した後、上記複数のストライプ部分を有するように、上記積層膜をパターニングすることによって得られる。このように、２層同時にパターニングできるので、製造プロセスが軽減される。

本発明の偏光光学素子は、第１グレーティング層および第２グレーティング層を含む２層以上の積層構造を有してもよい。この積層構造は、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有するようにパターニングされている。ストライプ部分のそれぞれが、所定方向に延びる軸に関する１８０度の回転について非対称であれば、積層構造の上面と下面とで反射率を異ならせることができる。例えば、第１グレーティング層を積層構造の最上層として用い、第１グレーティング層よりも反射率の低い（および／または光吸収性の）グレーティング層を最下層として用いてもよい。また、この積層構造は基板の上に形成できる。このような積層構造を有する光学素子を表示装置に用いると、高い光利用効率を維持しつつ、コントラストを向上させることができる。この積層構造の厚さは、０．０５μｍ以上１μｍ以下であり、従来の偏光子の厚さよりも極めて小さい。

代わりに、第１グレーティング層を基板の一方の表面（甲面）に形成し、第２グレーティング層を基板の他の表面（乙面）に形成することもできる。これによって、基板の甲面と乙面とで光反射率を独立に制御できる。このような光学素子は、基板の甲面および乙面に第１および第２材料をそれぞれ堆積して薄膜を形成した後、各薄膜を別個にパターニングすることによって得られる。パターニングは片面ずつ行うので、パターニング精度が向上し、光学設計の際に計算された値に近い高性能な光学特性が得られやすい。また、第１グレーティング層のストライプ部分と第２グレーティング層のストライプ部分とを位置合わせする必要がないので、製造プロセスにおける負担が軽減される。

ここで、図面を参照しながら、第１グレーティング層のストライプ部分と第２グレーティング層のストライプ部分との間で位置合わせを行う必要がない理由を説明する。図１Ａおよび図１Ｂは、基板３１の甲面３１ａに反射性の金属を用いて第１グレーティング層３２が形成され、基板３１の乙面３１ｂに光吸収材料を用いてグレーティング層３３が形成された偏光光学素子を示す。第１グレーティング層３２のストライプ部分と第２グレーティング層３３のストライプ部分との間で位置合せは行われていない。ただし、これらのグレーティング層３２、３３におけるストライプ部分は同じ方向に延びている。また、第１および第２グレーティング層３２、３３のライン幅は可視光よりも十分小さく、例えば可視光線の波長の１／４以下（すなわち１００ｎｍ以下）とする。

まず、図１Ａを参照しながら、基板３１の甲面３１ａの側から光が入射する場合について説明する。

第１および第２グレーティング層３２、３３のストライプ部分と平行に振動する電気ベクトルを有する偏光可視光（ＴＥ波）３６が基板１の甲面側から偏光光学素子に入射すると、ＴＥ波３６の大部分は基板甲面３１ａの第１グレーティング層３２で反射されるので、基板乙面３１ｂには達しない。他方、第１および第２グレーティング層３２、３３のストライプ部分と垂直に振動する電気ベクトルを有するＴＭ波３５が基板３１の甲面３１ａの側から入射すると、ＴＭ波３５は第１グレーティング層３２を認識せずに第１グレーティング層３２を透過し、さらに基板３１を透過して基板３１の乙面３１ｂに達する。ここで、ＴＭ波３５は第２グレーティング層３３のストライプ部分に対しても平行な直線偏光であるため、第２グレーティング層３３を認識せずに第２グレーティング層３３を透過する。従って、第１グレーティング層３２のストライプ部分の位置と第２グレーティング層３３のストライプ部分の位置とが整合しているか否かにかかわらず、ＴＭ波３５の大部分は偏光光学素子を透過する。

次に、図１Ｂを参照しながら、基板３１の乙面３１ｂの側から光が入射する場合について説明する。

第１および第２グレーティング層３２、３３のストライプ部分と平行に振動する電気ベクトルを有する偏光可視光（ＴＥ波）３８が基板３１の乙面３１ｂの側から偏光光学素子に入射すると、ＴＥ波３８の多くは第２グレーティング層３３で吸収されるが、ＴＥ波３８の一部は第２グレーティング層３３で吸収されずに基板３１の甲面３１ａに達する。基板３１の甲面３１ａに達したＴＥ波３８の大部分は第１グレーティング層３２で反射されて、再度基板３１の乙面３１ｂの第２グレーティング層３３で吸収される。他方、第１および第２グレーティング層３２、３３のストライプ部分と垂直に振動する電気ベクトルを有する偏光可視光（ＴＭ波）３７が基板３１の乙面３１ｂの側から入射すると、ＴＭ波３７は第２グレーティング層３３を認識せずに第２グレーティング層３３を透過し、さらに基板３１を透過して基板３１の甲面３１ａに達する。ここで、ＴＭ波３７は第１グレーティング層３２のストライプ部分に対しても平行な直線偏光であるため、第１グレーティング層３２を認識せずに第１グレーティング層３２を透過する。従って、第１グレーティング層３２のストライプ部分の位置と第２グレーティング層３３のストライプ部分の位置とが整合しているか否かにかかわらず、ＴＭ波３７の大部分は偏光光学素子を透過する。

このように、基板３１の甲面３１ａに形成された反射性の第１グレーティング層３２と乙面３１ｂに形成された吸収性の第２グレーティング層３３とは互いに独立して機能するので、これらのグレーティング層３２、３３のストライプ部分の位置を合わせる必要はない。

上記では、単純なストライプ形状を有する第１および第２グレーティング層３２、３３を例に説明したが、これらのグレーティング層３２、３３は、基板３１の面内において異方性を示す構造を有していれば良い。例えば、一定の方向（長軸方向）に光の波長以上の長さを有し、長軸方向と直交する短軸方向に光の波長よりも十分に短い幅を有する単位構造から構成されていれば良い。また、グレーティング層３２、３３の構造は互いに異なっていても良い。なお、グレーティング層３２、３３の構造にかかわらず、上述した理由により、これらのグレーティング層３２、３３におけるグレーティング位置は基板３１を介して整合されている必要はない。

また、グレーティング層を形成した基板の表面に、ストライプ部分を覆う透明層をさらに設けることによって、基板の表面を平坦化してもよい。透明層は、例えば誘電体材料から形成される。これにより、略平坦な表面を有する偏光光学素子が構成できるので、偏光光学素子の上に電極や配向膜などの膜を形成しやすくなる。また、この透明層はグレーティング層表面の損傷を防止する保護膜としても機能するので、偏光光学素子の光学特性の劣化を抑制できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面を通じて同様の部材には同一の参照符号を付している。以下に説明する実施形態１は、上述したＡの反射防止手法を用いた偏光光学素子である。同様に、実施形態２はＢ（２）、実施形態３はＢ（３）、実施形態４はＢ（１）の反射防止手法をそれぞれ用いた偏光光学素子である。

（実施形態１）
本発明による偏光光学素子の実施形態１を図２に示す。

本実施形態の偏光光学素子は、基板１と、基板１の一方の表面１ａに形成された光反射性の第１グレーティング層２と、基板１の他方の表面１ｂに形成された第２グレーティング層３と、これらのグレーティング層２、３をそれぞれ覆う保護層４および５を備えている。

基板１は、例えば光学的に等方なガラスから形成される。第１グレーティング層２は、例えば、光反射性の高いアルミニウムの膜（厚さ：１５０ｎｍ）から形成され、格子状のライン／スペースにパターニングされている。ライン幅、スペース幅および平均格子ピッチ２ｐは、それぞれ例えば８０ｎｍ、７０ｎｍおよび１５０ｎｍに設定される。

第２グレーティング層３は、例えば、光吸収性を示すタングステン膜（厚さ：１５０ｎｍ）から形成され、第１グレーティング層２と同様の方向に延びる格子状のライン／スペースにパターニングされている。ライン幅、スペース幅および平均格子ピッチ３ｐは、それぞれ例えば８０ｎｍ、７０ｎｍおよび１５０ｎｍである。

本実施形態では、第２グレーティング層３のストライプ部分と、第１グレーティング層のストライプ部分とが完全に重なり合うように位置合わせを行う必要はない。

第１グレーティング層を覆う保護層４および第２グレーティング層を覆う保護層５は、それぞれ、例えば透過性を有する光硬化性樹脂から形成されている。保護層４および５の厚さは、基板に入射する光が薄膜干渉しないように十分大きいことが好ましい。保護層４および５の好適な厚さは、５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。本実施形態では、これらの厚さは１０００ｎｍ程度である。このように保護層４および５を設けると、微細格子パターンを有するグレーティング層の劣化や損傷が防止できるので、寿命の長い偏光光学素子を得ることができる。

以下に、この偏光光学素子の作製方法を説明する。

まず、基板１の表面１ａに、例えばアルミニウム膜などの光反射性の膜を形成する。次いで、光反射性の膜の表面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフおよびエッチング技術を用いて光反射性の膜を上記ライン／スペースとなるようにパターニングする。本実施形態では、ホログラフィーによる干渉フォトリソグラフ法を用いて、微細なレジストパターンを形成した後、Ａｒイオンを用いたイオンビームエッチングを行い、光反射性の膜のうちレジストパターンから露出している部分を除去する。このようにして、微細な格子ピッチ（例えば１００ｎｍ程度）を有する第１グレーティング層２が得られる。

次いで、レジストを剥離し、基板１の表面１ａ全面に透明な光硬化性樹脂を塗布した後、露光により光硬化性樹脂を硬化させる。これにより、第１グレーティング層の微細パターンを保護する保護層４が形成できる。

この後、基板１の他方の表面１ｂにタングステン膜などの光吸収性の膜を形成する。次に、上記の光反射性の膜のパターニング方法と同様の方法で、光吸収性の膜をパターニングする。光吸収性の膜は、第１グレーティング層の格子と同方向に延びる格子状にパターニングされる。これにより、基板１の表面１ｂに第２グレーティング層３が形成される。なお、第２グレーティング層３のパターンは、可視光線の波長より十分小さい平均格子ピッチを有することと、第１グレーティング層２のパターンと格子の向きが同じであることが必要であり、第１グレーティング層２のパターンと厳密に同じライン幅および同じ間隔（スペース）を有している必要はない。すなわち、第２グレーティング層３は、第１グレーティング層２と位置を合わせるようにパターニングしなくてもよい。

最後に、第２グレーティング層３の上にも、保護層４を形成した方法と同様の方法で、保護層５を形成すると、偏光光学素子が完成する。

本実施形態では、第１グレーティング層２は光反射性を示す膜から形成されている。光反射性の膜の材料として、導電性の良好なアルミニウムの他、銀、ニッケル、白金およびこれらの合金などを用いることができる。本明細書において、「光反射性の膜」または「光反射性を有する膜」という文言は、少なくとも光反射性を有していることを意味しており、その膜が光反射性という性質以外に光透過性や光吸収性を有していてもよい。

また、第２グレーティング層３は、光吸収性の膜から形成されている。光吸収性の膜の材料として、タングステンの他、クロム、モリブデン、クロムおよびモリブテンの合金、カーボンブラック、ヨウ素錯体、染料、顔料などを用いることができる。光吸収性の膜は、これらの材料のうち１以上を含む薄膜であってもよい。

第１グレーティング層２および第２グレーティング層３の平均格子ピッチは、可視光線の波長よりも十分に小さければよく、好ましくは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。格子ピッチは、各グレーティング層内で均一である必要はなく、分布を有していてもよい。

また、第１グレーティング層２および第２グレーティング層のライン幅は、いずれも入射光の波長の１／４程度以下であることが好ましい。

第１グレーティング層２における可視光線の直線偏光に対する反射率は５０％より大きいことが好ましい。反射率が５０％より大きいと、この偏光光学素子を表示装置に用いた場合に、高いコントラストが実現できる。

第２グレーティング層３は、光吸収性とともに光反射性を有していてもよいが、第２グレーティング層３の反射率は、第１グレーティング層２の反射率よりも小さいことが好ましい。

異方的な格子形状の形成方法（パターニング方法）は、上記のイオンビームエッチングに限定されず、公知の微細加工技術が適用できる。具体的には、加工されるべき膜の上に光反応性レジスト層を塗布した後、フォトリソグラフィ工程で所望のパターン（潜像）をレジスト層に形成した後、現像工程を行うことにより、エッチングマスクとして機能するレジストマスクを形成する。その後、光反射性の膜のうち、レジストマスクで覆われていない部分を、種々のウェットエッチングおよび／または／ドライエッチングによって除去し、基板を露出させればよい。また、このようなフォトリソグラフィ技術を用いる代わりに、電子線リソグラフィー法によって所望のパターンに直接加工されたレジストマスクを用いても良いし、あるいは、レジストマスクを用いることなく、電子やレーザービームによる直接描画法によるパターニングを行ってもよい。さらには、レプリカ（複製）法や光学ホログラフィーなどを用いることもできる。

本実施形態では、第１グレーティング層および第２グレーティング層は金属の単層膜から形成されるが、所望の性質（光反射性、光吸収性）を示す膜から形成されればよく、金属材料、半導体材料、誘電体材料などから形成された単層膜もしくは多層膜を用いて形成できる。従って、これらの膜のパターニング方法も、光反射性の膜または光吸収性の膜の材質や厚さなどにより適時選択することが好ましい。

次に、上記方法により作製された偏光光学素子の光学特性を測定した結果を説明する。偏光光学素子の第１グレーティング層（アルミニウム膜）２側の表面４ａに光（波長：１０００ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は８７％であり、ＴＭ波の透過率は８０％であった。一方、偏光光学素子のグレーティング層（タングステン膜）３側の表面５ｂに光（波長：１０００ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は３１％であり、ＴＭ波の透過率は８０％であった。この結果から、本実施形態の偏光光学素子に波長が１０００ｎｍの光を入射すると、表面４ａから入射したＴＥ波の大部分はアルミニウム膜で反射されるが、表面５ｂから入射したＴＥ波の大部分はタングステン膜によって吸収されることがわかる。すなわち、表面５ｂから入射したＴＥ波のアルミニウム膜による反射は、タングステン膜によって抑制されている。また、いずれの表面４ａおよび５ｂから入射するかにかかわらず、入射光のＴＭ波の大部分は、グレーティング層２、３の格子を透過することもわかる。

上記のように、本実施形態による偏光光学素子は、可視光線のみでなく、赤外領域の光線に対しても適用できる。

（実施形態２）
本発明による偏光光学素子の実施形態２を図３に示す。本実施形態の偏光光学素子は、基板１と、基板１の一方の表面１ａに形成された第２グレーティング層３と、第２グレーティング層３の上に形成された光反射性の第１グレーティング層２と、これらのグレーティング層を覆う保護層４を備えている。基板１は、例えば光学的に等方なガラス基板である。第１グレーティング層２は、例えば光反射性の高いアルミニウムの膜（厚さ：１５０ｎｍ）であり、第２グレーティング層３は、例えば、光吸収性を示すカーボンブラック膜（厚さ：１５０ｎｍ）である。第１グレーティング層２および第２グレーティング層３は、同一の格子状のライン／スペースを有するようにパターニングされている。ライン幅、スペース幅および平均格子ピッチ２ｐは、それぞれ例えば８０ｎｍ、７０ｎｍおよび１５０ｎｍである。第１グレーティング層２および第２グレーティング層３を覆う保護層４は、例えば透過性を有する光硬化性樹脂から形成されている。保護層４の厚さは、基板に入射する光が薄膜干渉しないように十分大きいことが好ましく、例えば１０００ｎｍ程度である。

以下に、この偏光光学素子の作製方法を説明する。

まず、基板１の表面１ａに、例えばカーボンブラック膜などの光吸収性の膜、およびアルミニウム膜などの光反射性の膜をこの順に積層する。次いで、光反射性の膜の表面にレジストを塗布し、電子描画法を用いて、これらの膜を格子状（平均格子ピッチ：約１５０ｎｍ）にパターニングすることにより、光吸収性を有する第２グレーティング層３と、光反射性を有する第１グレーティング層２とが得られる。本実施形態では、積層された光反射性の膜および光吸収性の膜は、同一のパターンを用いて同時にパターニングされるが、同一のパターンを用いて、それぞれの膜の材質に適合した方法によって別個にパターニングすることもできる。

次いで、レジストを剥離し、基板１の表面１ａ全面に透明な光硬化性樹脂を塗布した後、露光により光硬化性樹脂を硬化させる。これにより、第１および第２グレーティング層２、３の微細パターンを保護する保護層４が形成され、偏光光学素子が完成する。

本実施形態においても、光反射性の膜および光吸収性の膜として、上記に限らず、実施形態１で例示したような種々の膜を用いることができる。また、これらの膜のパターニング方法も上記に限らず、実施形態１と同様に、適宜選択することができる。

次に、上記方法により作製された偏光光学素子の光学特性を測定した結果を説明する。偏光光学素子の第１グレーティング層（アルミニウム膜）２側の表面４ａに光（波長：１０００ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は８０％であり、ＴＭ波の透過率は７８％であった。一方、偏光光学素子のグレーティング層（カーボンブラック膜）３側の表面１ｂに光（波長：１０００ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は３５％であり、ＴＭ波の透過率は７８％であった。この結果から、図３の偏光光学素子に波長が１０００ｎｍの光を入射すると、表面４ａから入射したＴＥ波の大部分はアルミニウム膜で反射されるが、表面１ｂから入射したＴＥ波の大部分は、基板１を透過した後、カーボンブラック膜によって吸収されることがわかる。すなわち、表面１ｂから入射したＴＥ波のアルミニウム膜による反射は、カーボンブラック膜によって抑制されている。また、いずれの表面４ａおよび１ｂから入射するかにかかわらず、入射光のＴＭ波の大部分は、グレーティング層２、３の格子を透過することもわかる。

（実施形態３）
本発明による偏光光学素子の実施形態３を図４に示す。本実施形態の偏光光学素子は、基板１と、基板１の一方の表面１ａに形成された積層体１０と、積層体１０を覆う保護層４を備えている。基板１は、例えば光学的に等方なガラス基板である。積層体１０は、基板の表面１ａに順次積層された光反射性の第１グレーティング層２と、第１誘電体層６と、第２グレーティング層３と、第２誘電体層７とを有している。第１グレーティング層２は、例えば光反射性の高い銀（Ａｇ）膜（厚さ：１５０ｎｍ）であり、第２グレーティング層３は、例えば、光吸収性を示すタングステン膜（厚さ：１２．８ｎｍ）である。第１誘電体層６は、例えばＳｉＯ₂膜（厚さ：６６．４ｎｍ）であり、第２誘電体層７は、例えばＺｒＯ₂膜（厚さ：１１４．１ｎｍ）である。積層体１０は、格子状のライン／スペースを有するようにパターニングされている。ライン幅、スペース幅および平均格子ピッチ２ｐは、それぞれ例えば８０ｎｍ、７０ｎｍおよび１５０ｎｍである。積層体１０を覆う保護層４は、例えば透過性を有する光硬化性樹脂から形成されている。保護層４の厚さは、基板に入射する光が薄膜干渉しないように十分大きいことが好ましく、例えば１０００ｎｍ程度である。

本実施形態では、第２グレーティング層３および誘電体層６、７が反射防止効果を有している。このように、第２グレーティング層３による光吸収のみでなく、誘電体層６、７による薄膜干渉も利用することにより、より広い帯域の光に対して反射を防止することができる。

以下、図４の偏光光学素子の作製方法を、図８（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、基板１の表面１ａに、光反射性の膜（Ａｇ膜）２Ａ、誘電体の膜（ＳｉＯ₂膜）６Ａ、光吸収性の膜（Ｗ膜）３Ａおよび誘電体の膜（ＺｒＯ₂膜）７Ａを順次積層し、積層膜を形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、最上面であるＺｒＯ₂膜の表面にレジスト８を塗布し、電子リソグラフィー法により、上述したようなライン／スペースを有するように積層膜をパターニングする（図８（ｃ））。この後、レジスト８を剥離することにより、図８（ｄ）に示すような積層体（厚さ：約０．２μｍ）１０が得られる。必要に応じて、基板の表面１ａ全面に透明な誘電体（ｎ＝１．５）である光硬化性樹脂を塗布した後、露光により樹脂を硬化させると、図８（ｅ）に示すように、微細格子パターンを保護する保護層４が形成される。保護層４の厚さは、薄膜干渉しないように十分大きいことが好ましく、例えば１０００ｎｍ程度である。これにより、基板１に支持された偏光光学素子２０が完成する。

積層体１０に含まれる各層の材料や厚さは、上記に限定されない。各層の屈折率、厚さを変えることにより、偏光光学素子の積層体１０側の表面４ａに入射する光の反射率、偏光光学素子の基板１側の表面１ｂに入射する光の反射率、反射率ニ色比などを制御できる。例えば、第１グレーティング層２の厚さを大きくすることによって、第１グレーティング層２の光反射率を高くでき、その結果、偏光光学素子の表面１ｂ（積層体１０の第１グレーティング層２側）から入射したＴＥ波の反射率を高くすることができる。具体的には、Ａｇの光反射性が十分得られるように、Ａｇ膜の厚さは５０ｎｍ以上であることが好ましい。Ａｇ膜の厚さが５０ｎｍ以上であれば、偏光光学素子の表面１ｂから光を入射した際のＴＥ波の反射率を高めることができると共に、表面１ｂから入射する光の反射率二色比を向上できる。また、偏光光学素子の表面４ａから入射する光の反射率と、表面１ｂから入射する光の反射率とのコントラストを向上できる。積層体１０の各層は、用途に応じて複屈折性を有する材料を用いて形成してもよい。また、積層体１０の積層数も上記に限定されず、５層以上の積層構造を有していてもよい。

本実施形態における積層体１０の厚さは、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。このように、本実施形態では、偏光光学素子の厚さを従来の偏光子の厚さと比べて極めて小さくできる。

上記方法に従って作製した偏光光学素子について、保護層４を形成する前に、各偏光の光の反射率、透過率のスペクトルを測定したので、その結果を図５から図７に示す。

図５は、基板の表面１ｂ側から入射するＴＥ波の波長と、反射率との関係を表すグラフである。図５におけるＴＥ波の反射率は、主に第１グレーティング層２によって制御されている。図６は、基板の表面１ａ側から入射するＴＥ波の波長と反射率および透過率との関係を表すグラフである。図６からわかるように、ＴＥ波の反射は広帯域において抑制されている。また透過率も略ゼロであることから、入射したＴＥ波の大部分は第２グレーティング層３に吸収されていると考えられる。このように積層体１０が反射防止作用を有する理由を以下に説明する。反射防止作用は、一般的に、反射層と吸収層とを含む多層膜において、これらの層の光学アドミッタンスを調整することによって得られる。本実施形態では、第１グレーティング（Ａｇ）層２が反射層、第２グレーティング（Ｗ）層が吸収層にそれぞれ相当する。また、誘電体（ＳｉＯ₂）層６は反射層と吸収層との光学アドミッタンスを調整する役割を果たし、誘電体（ＺｒＯ₂）層７は吸収層と空気との光学アドミッタンスを調整する役割を果たしているからである。図７は、表面１ａおよび１ｂから入射するＴＭ波の波長と透過率を表すグラフである。これらのスペクトルに基づいて偏光光学素子の光学特性を計算すると、以下の値が得られる。

偏光光学素子の基板１の表面１ｂ側から単一波長の光（波長：５３９ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は９４％であり、ＴＭ波の透過率は８２％であった。一方、積層体１０が形成された基板１の表面１ａ側から光（波長：５３９ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は１％であり、ＴＭ波の透過率は８２％であった。この結果から、偏光光学素子に波長が５３９ｎｍの光が入射する場合、表面１ｂ側から入射したＴＥ波の大部分は、基板１を透過した後、第１グレーティング層（Ａｇ膜）２によって反射され、一方、表面１ａ側から入射したＴＥ波の大部分は、ＺｒＯ₂膜を透過した後、第２グレーティング層（タングステン膜）３によって吸収されることがわかる。すなわち、表面１ａ側から入射したＴＥ波のＡｇ膜による反射は、タングステン膜によって抑制されている。また、いずれの表面１ａおよび１ｂ側から入射するかにかかわらず、入射光のＴＭ波の大部分は、積層体１０の格子を透過することもわかる。

また、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の波長を有する可視光を偏光光学素子に入射すると、基板１の表面１ｂ側から入射したＴＥ波の反射率は平均９１％であり、ＴＭ波の透過率は平均７５％であった。一方、基板１の表面１ａ側から入射したＴＥ波の反射率は平均３％であり、ＴＭ波の透過率は平均７５％であった。この結果から、本実施形態の偏光光学素子は、特定波長においてのみでなく、可視波長の広帯域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）においても優れた光学特性を示すことがわかる。

（実施形態４）
本発明による偏光光学素子の実施形態４は、図３に示す実施形態２の偏光光学素子と同様の構成を有するが、第２グレーティング層３として、透明な誘電体膜を用いる点で異なっている。

本実施形態の偏光光学素子における第２グレーティング層３は、誘電体であり、かつ消衰係数ｋ＝０の透明層である。透明層は、例えば酸化チタン膜（厚さ：２５ｎｍ）である。また、本実施形態では、第１グレーティング層２は、実施形態２と同様に、導電性を示す光反射性の金属膜（例えば、厚さが１５０ｎｍのタングステン膜）から形成されている。これらのグレーティング層２、３は、例えば、ライン幅が１００ｎｍ、スペース幅が１００ｎｍ、格子ピッチが２００ｎｍの格子状にパターニングされている。これらのグレーティング層は、保護層４（厚さ：１０００ｎｍ程度）に覆われている。

本実施形態の偏光光学素子は、実施形態２の偏光光学素子の作製方法と同様の方法により作製される。

まず、基板１の表面１ａに、例えば酸化チタン膜などの透明膜、およびタングステン膜などの光反射性の膜をこの順に積層する。次いで、フォトリソグラフ法により光反射性の膜の表面にレジストを塗布し、Ａｒスパッタ法により、これらの膜を約２００ｎｍの平均格子ピッチを有するライン／ストライプとなるようにパターニングすることにより、透明な第２グレーティング層３と、光反射性を有する第１グレーティング層２とが得られる。次いで、レジストを剥離し、実施形態２で説明した方法と同様の方法で、基板１の表面１ａ全面に保護層４を形成する。

本実施形態においても、光反射性の膜および透明膜として、上記に限らず、実施形態１で例示したような種々の膜を用いることができる。また、これらの膜のパターニング方法も上記に限らず、実施形態１と同様に、適宜選択することができる。

次に、上記方法により作製された偏光光学素子の光学特性を測定した結果を説明する。偏光光学素子の第１グレーティング層（タングステン膜）２側の表面４ａに光（波長：５３０ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は３７％であり、ＴＭ波の透過率は８７％であった。一方、偏光光学素子の第２グレーティング層（酸化チタン膜）３側の表面１ｂに光（波長：５３０ｎｍ）を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は２％であり、ＴＭ波の透過率は８７％であった。本実施形態では、表面１ｂから入射したＴＥ波は基板１と酸化チタン膜とを透過し、一部はタングステン膜で吸収され、残りはタングステン膜で反射される。反射された光は、酸化チタン膜によるタングステン膜との薄膜干渉によって弱められ、表面１ｂから出射されない。すなわち、表面１ｂから入射したＴＥ波のタングステン膜による反射は、酸化チタン膜によって抑制されている。また、いずれの表面４ａおよび１ｂから入射するかにかかわらず、入射光のＴＭ波の大部分は、グレーティング層２、３の格子を透過することもわかる。

（実施形態５）
本発明による実施形態５は、実施形態３の偏光光学素子を備えた半透過型液晶表示装置である。前述したように、実施形態３の偏光光学素子は、単一波長の光に適用する場合と比べてコントラストは若干低くなるものの、光学設計次第では可視波長の広帯域においても、単一波長に対する光学特性と同様の優れた光学特性を示す。従って、この偏光光学素子を表示装置における偏光板として用いることができる。

以下、実施形態３の偏光光学素子を用いて半透過型液晶表示装置の製造方法および構成を説明する。

図８（ａ）〜（ｅ）を参照しながら実施形態３で説明した方法で、偏光光学素子２０を作製する。偏光光学素子２０は透明な絶縁性保護層４で被覆された状態である。

まず、図８（ｆ）に示すように、偏光光学素子２０の保護層４上に透明電極１１を形成した後、透明電極１１の表面に配向膜１２を塗布する。配向膜１２には、ラビングによる配向処理を施す。これにより、液晶表示装置の第１基板２１が得られる。

次に、第１基板２１と対向する第２基板２２を作製する。第２基板２２は、透明基板の液晶層側の表面に、第１基板２１と同様に、透明電極１１および配向膜１２を形成し、配向膜１２にラビングによる配向処理を施すことにより作製される。

第1基板２１と第２基板２２との間に数μｍのギャップ保持用のスペーサーを担持し、それぞれの配向膜１２のラビング方向が互いに直交するように第１および第２基板２１、２２を貼り合わせてセルを形成する。その後、セルの周囲をシール剤で接着する。このセル中に液晶材料を注入することにより、液晶層２３を有する液晶セル２４が得られる。液晶層２３内では、液晶分子はＴＮ配向している。

図９は、液晶セル２４を備えた反射／透過両用液晶表示装置の構成の一例を示す断面模式図である。図９に示すように、液晶セル２４の観察者側には、吸収偏光板２５が設けられている。吸収偏光板２５は、その透過軸が第１基板２１に形成された偏光光学素子２０の透過軸と直交するように貼り合わされている。また、液晶セル２４の背面側にはバックライト２６および導光体２７が設置されている。

ここで、図９に示す表示装置の表示原理を説明する。図１０Ａおよび図１０Ｂはそれぞれ、液晶層２３に電場を印加していない時に明状態、および電場を印加した時に暗状態が実現される表示装置の原理を説明するための模式図である。

まず、図１０Ａを参照しながら、電場無印加時に明状態が実現される原理について説明する。

透過表示の場合、光源はバックライト２６であり、バックライト２６からはあらゆる偏光状態の光が液晶セル２４に入射する。入射光のうち、第１基板２１側の偏光光学素子２０の透過軸と一致する直線偏光Ｂ１は、偏光光学素子２０を透過し、ＴＮ液晶層２３で９０度旋光される。その後、観察者側の吸収偏光板２５も透過して観察者側に出射するので、透過モードにおいて明状態が得られる。バックライト２６から出射された光のうち、直線偏光Ｂ１と直交する直線偏光Ｂ２は、偏光光学素子２０（の第１グレーティング層）、および導光体２７の背面に配置された反射層３０によって繰り返し反射される。反射された後、場合によってはリサイクルされる。

一方、反射表示の場合、光源は外光であり、透過表示の場合と同様に、あらゆる偏光状態を有する光が液晶セル２４に入射する。入射光のうち第２基板２２側の吸収偏光板２５の透過軸と一致する直線偏光Ｆ１は、吸収偏光板２５を透過し、ＴＮ液晶層２３で９０度旋光される。その後、第１基板２１側の偏光光学素子２０を透過し、導光体２７の背面の反射層３０で反射される。反射された直線偏光Ｆ１は、往路と同様に、偏光光学素子２０を透過し、ＴＮ液晶層で旋光され、さらに吸収偏光板２５を透過して観察者側に出射する。その結果、反射モードにおいても明状態が得られる。また、外部から入射する光のうち、直線偏光Ｆ１と直交する直線偏光Ｆ２は、第２基板２２側の吸収偏光板２５で吸収されるので、表示には寄与しない。

次に、図１０Ｂを参照しながら、電場印加時に暗状態が実現される原理について説明する。

透過表示の場合、光源であるバックライト２６から入射する光のうち、第１基板２１側の偏光光学素子２０の透過軸と一致する直線偏光Ｂ１は、偏光光学素子２０を透過するが、電場印加時の液晶層２３では入射光の偏光状態が保持されるため、観察者側の吸収偏光板２５を透過することができない。そのため、透過モードにおいて暗状態が得られる。バックライト２６から出射された光のうち、直線偏光Ｂ１と直交する直線偏光Ｂ２は、偏光光学素子２０で反射されるため、直接的には表示には寄与しない。

一方、反射表示の場合、光源である外光から入射する光のうち、第２基板２２側の吸収偏光板２５の透過軸と一致する直線偏光Ｆ１は、吸収偏光版２５および液晶層２３を透過し、第１基板２１側の偏光光学素子２０で吸収される。そのため、反射モードにおいても暗状態が得られる。また、外部から入射する光のうち、直線偏光Ｆ１と直交する直線偏光Ｆ２は、第２基板２２側の吸収偏光板２５で吸収されるため、直接的に表示には寄与しない。

上記に述べたように、実施形態３の偏光光学素子２０を液晶表示装置の偏光板として用いると、表示のコントラストを維持できると共に、バックライト２６から出射される光または外光を有効に利用できるため、明るく、高コントラストな表示が得られる。

また、従来の液晶表示装置では、第１基板２１とバックライト２６との間に偏光板（厚さ：例えば１００μｍ）または偏光子ユニット（厚さ：例えば３００μｍ）が設けられていた。これに対し、本実施形態では、偏光光学素子２０は、液晶表示装置の第１基板２１上に形成できるので、第１基板２１側の偏光板として必要な厚さは、実質的に積層体１０の厚さ（約０．２μｍ）のみである。積層体１０を覆う保護層４を設けた場合でも、必要な厚さは保護層４の厚さ（例えば１μｍ）のみである。その結果、本実施形態の液晶表示装置の厚さを、従来の液晶表示装置の厚さよりも大幅に小さくすることができる。

なお、上記で図１０Ａおよび図１０Ｂを参照しながら表示装置の原理を説明したが、この説明は、導光体２７の背面の反射層３０で反射されても、光の偏光状態が保存されるという前提で行ったものである。従って、液晶層と反射層の間に位相差フィルムの類を配置したり、反射層３０によって強く光拡散させたりすること等により、反射層３０で反射されると光の偏光状態が変わるように表示装置を構成すると、反射層３０で反射された直線偏光Ｂ２の一部は第１基板２１側の偏光光学素子２０を透過できるようになる。従って、バックライト２６からの直線偏光Ｂ２のリサイクル効率を増加させることができる。一方、このように反射層３０を構成すると、外光の直線偏光Ｆ１の一部は、反射層３０で反射された後に偏光光学素子２０を透過せず、表示に寄与できなくなる。すなわち、直線偏光Ｆ１の損失が生じてしまう。これらを考慮しながら反射層３０の偏光保存性を制御することにより、透過モードおよび反射モードの明るさの割合をパネルの用途に適するように設定できる。

本実施形態では、実施形態３の偏光光学素子２０を、液晶表示装置の第１基板２１に組み込むことにより、液晶表示装置を構成しているが、本発明の液晶表示装置はこれに限定されない。例えば、偏光光学素子２０をそのまま従来の液晶表示装置の第１基板とバックライトとの間に配置することもできる。しかし、薄型、高コントラストといった本発明の偏光光学素子の特徴を効果的に発揮させるためには、偏光光学素子２０を表示装置の内部に組み込む構成が好ましい。特に、本実施形態のように、偏光光学素子２０の積層体１０を液晶表示装置の基板上に形成すると、偏光光学素子２０の基板１を省略できるので、表示装置の薄型化だけでなく、製造コストの面でも有利である。

本実施形態によれば、表示装置の厚さを小さく抑えながら、光を効率良く利用できる。以下に、本実施形態の半透過型液晶表示装置におけるこれらのメリットを、従来の半透過型液晶表示装置と比較して詳しく説明する。

まず、従来の半透過型液晶表示装置として、図１１に示す表示装置を用いる。この装置では、第１基板２１０側の偏光板として、第２基板２２側の吸収偏光板２５と同様の吸収偏光板２００を用いている。吸収偏光板２００は、第１基板２１０とバックライト２６との間に配置されている。吸収偏光板２００の吸収軸は、第２基板２２側の吸収偏光板２５の吸収軸と直交するように配置される。

図１１の半透過型液晶表示装置において、透過表示の場合には、バックライト２６からの光量Ｂのうち表示に用いられる光量は、吸収偏光板２００の透過軸に平行な偏光Ｂ１のみであるため、最大でも０．５Ｂである。バックライト２６からの光量Ｂのうち吸収偏光板２００の吸収軸に平行な偏光Ｂ２は、吸収偏光板２００によって吸収されるので表示に用いられることはない。

一方、反射表示の場合、外部から表示装置に入射する光のうち吸収偏光板２５の吸収軸に平行な偏光Ｆ１は、吸収偏光板２５によって吸収されるので表示に用いられないが、偏光Ｆ１と直交する偏光Ｆ２は、液晶層２３を旋光しながら通過した後、吸収偏光板２００を通過して導光体２７背面の反射層３０で反射される。反射後、再び吸収偏光板２００および液晶層２３を通過して観察者に還る。この時、導光体２７および反射層３０における偏光解消度をα（０＜α＜１）とすると、外部から表示装置に入射する光量Ｆのうち観測者に還る光量は０．５αＦと表現できる。

従って、図１１に示すような従来の半透過型表示装置において、バックライト２６から出射される光量Ｂおよび外部から表示装置に入射する光量Ｆのうち、表示に利用できる光量は理想的には０．５Ｂ＋０．５αＦとなる。

一方、図９に示す本実施形態の半透過型液晶表示装置では、バックライト２６からの光（光量：Ｂ）のうち偏光光学素子２０の透過軸に平行な偏光（ＴＭ波）Ｂ１（光量：０．５Ｂ）が表示に用いられるだけでなく、バックライト２６からの光のうち偏光Ｂ１と直交するＴＥ波Ｂ２も部分的にリサイクルされて、表示に用いられ得る。ＴＥ波Ｂ２は、偏光光学素子２０で吸収されずに反射され、その後も、導光体背面の反射層３０および偏光光学素子２０によって繰り返し反射される。この時、ＴＥ波Ｂ２の一部は、導光体や反射層３０によって偏光が解消されるので、偏光光学素子２０を通過して表示に利用される。従って、バックライト２６からの光量Ｂのうち表示に用いられる光量は、導光体および反射層３０における偏光解消度をα（０＜α＜１）とすると、理想的には０．５Ｂ＋０．５αＢ＋０．５（１−α）αＢ＋・・・となる。

一方、外部からの光（光量：Ｆ）のうち、吸収偏光板２５の吸収軸に平行な偏光Ｆ１は吸収されるので表示に用いられないが、偏光Ｆ１と直交する偏光Ｆ２（光量：０．５Ｆ）は液晶層２３に入射し、液晶層２３を旋光しながら通過する。その後、偏光光学素子２０を通過して導光体２７背面の反射層３０で反射される。反射後、再び偏光光学素子２０および液晶層２３を通過して観察者に還る。すなわち、外部からの光量Ｆのうち表示に利用される光量は、導光体２７および反射層３０における偏光解消度をα（０＜α＜１）とすると、理想的には０．５αＦ＋０．５（１−α）αＦ＋・・・と表現することができる。

従って、本実施形態の半透過型表示装置において、バックライト２６から出射される光量Ｂおよび外部から表示装置に入射する光量Ｆのうち、表示に利用できる光量は、０．５Ｂ＋０．５αＢ＋０．５（１−α）αＢ＋０．５αＦ＋０．５（１−α）αＦよりも大きくなる。この光量は、上述の従来の半透過型表示装置における表示に利用される光量（０．５Ｂ＋０．５αＦ）よりも大きい。このことから、本実施形態によれば、光の利用効率を向上できることがわかる。

上述したように、図１１に示す従来の半透過型液晶表示装置では、光の利用効率が低いので、表示が暗いという問題がある。そこで、光の利用効率を向上させるために、吸収型偏光子と併せて直線偏光反射型偏光子を用いる半透過型液晶表示装置が特許文献１などにより提案されている。この表示装置では、第１基板側の偏光板として、図１２に示すように、吸収偏光板２００（厚さ：例えば１００μｍ）と反射型偏光子２０１（厚さ：例えば２００μｍ）とを組み合わせて構成され、入射方向によってＴＥ波の反射率が異なる偏光子ユニット（厚さ：例えば３００μｍ）を備えている。

以下に、図１２の偏光子ユニットを備える従来の半透過型液晶表示装置と比較した場合の、本実施形態の半透過型液晶表示装置のメリットについて説明する。

図１２の偏光子ユニットを備える半透過型液晶表示装置の断面模式図を図１３に示す。この表示装置は、第１基板２１０側の吸収偏光子２００（厚さ：例えば０．１０ｍｍ）とバックライト２６との間に直線偏光反射型偏光板２０１（厚さ：例えば０．２０ｍｍ）を備えている。この反射型偏光板２０１は、特定方向の直線偏光を反射し、これと直交する偏光を透過する。直線偏光反射型偏光子２０１は、例えば、２種の異なるポリマー材料を交互に積層（ＡＢＡＢＡＢＡ・・・）することによって作製される非吸収性誘電体の積層物である。

図１３の半透過型液晶表示装置では、吸収偏光板２００と反射偏光板２０１とを併用しているので、本実施形態の表示装置と同様に、バックライト光および周囲光を部分的にリサイクルできる。図１３の表示装置によれば、本実施形態の表示装置におけるリサイクル効率および光利用効率とそれぞれ同程度のリサイクル効率および光利用効率を実現できる。しかし、図１３の表示装置は、偏光子ユニットを備えているため、表示装置の厚さが大きい。具体的には、観察者側吸収偏光板の厚さを０．１ｍｍ、液晶パネルの厚さを１．４ｍｍ、背面側偏光子ユニットの厚さを０．３ｍｍ、バックライトユニットの厚さを１．５ｍｍとすると、図１３の表示装置の厚さは３．３ｍｍである。これに対し、図９に示す本実施形態の表示装置の厚さは３．０ｍｍであり、本実施形態の表示装置の方が図１３の表示装置よりもおよそ０．３ｍｍ薄いことがわかる。この厚さの差（０．３ｍｍ）は、表示装置の厚さのおよそ１割に相当する。

このように、本実施形態では、吸収偏光子２００（厚さ：０．１０ｍｍ）および反射偏光子２０１（厚さ：０．２０ｍｍ）に代わって、偏光光学素子２０（積層体１０の厚さ：０．２μｍ）を用いることにより、高い光利用効率を維持しながら、表示装置の大幅な薄型化が可能である。

単独で表示装置に適用しても高いコントラストを有する表示を実現でき、かつ薄型で光利用効率に優れた偏光光学素子を提供できる。

本発明の偏光光学素子は、透過型、反射型、半透過型表示装置の偏光板として好適に適用される。

基板の一方の表面に反射性グレーティング層、他の表面に吸収性グレーティング層が形成された構成を有する偏光光学素子の作用を説明するための断面模式図である。 基板の一方の表面に反射性グレーティング層、他の表面に吸収性グレーティング層が形成された構成を有する偏光光学素子の作用を説明するための断面模式図である。 本発明の実施形態１の偏光光学素子を示す断面模式図である。 本発明の実施形態２の偏光光学素子を示す断面模式図である。 本発明の実施形態３の偏光光学素子を示す断面模式図である。 本発明の実施形態３の偏光光学素子における、保護層の上方から入射するＴＥ波に対する光学特性を示すグラフである。 本発明の実施形態３の偏光光学素子における、積層体が形成された基板の背面から入射するＴＥ波に対する光学特性を示すグラフである。 本発明の実施形態３の偏光光学素子における、ＴＭ波に対する光学特性を示すグラフである。 本発明の実施形態３の偏光光学素子の作製工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施形態５の半透過型液晶表示装置を示す断面模式図である。 本発明の実施形態５の半透過型液晶表示装置における、液晶層に電界を印加していない時の偏光光学素子の作用を説明するための図である。 本発明の実施形態５の半透過型液晶表示装置における、液晶層に電界を印加した時の偏光光学素子の作用を説明するための図である。 従来の半透過型液晶表示装置を示す断面模式図である。 吸収型偏光子と反射型偏光子とを貼り合わせた構成を有する従来の偏光子ユニットを示す図である。 図１２の偏光子ユニットを備えた、従来の半透過型液晶表示装置を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ、１ｂ 基板の表面
２ 第１グレーティング層
３ 第２グレーティング層
４、５ 保護層
６、７ 誘電体層
８ レジスト
１０ 積層体
１１ 透明電極
１２ 配向膜
２０ 偏光光学素子
２１ 第１基板
２２ 第２基板
２３ 液晶層
２４ 液晶セル
２５ 吸収型偏光子
２６ バックライト
２７ 導光体
３０ 反射層
Ｂ１、Ｂ２、Ｆ１、Ｆ２ 直線偏光

Claims (13)

1. 入射する光の偏光に応じて光の反射率および／または透過率が変化する偏光光学素子であって、
   所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第１グレーティング層と、
   前記所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する第２グレーティング層と
   を備え、
   前記第１グレーティング層の平均格子ピッチおよび前記第２グレーティング層の平均格子ピッチは、いずれも、前記光の波長よりも短く設定されており、
   前記第１グレーティング層は、前記光に対して反射性を示す第１材料から形成され、
   前記第２グレーティング層は、前記第１グレーティング層による前記光の反射を抑制する第２材料から形成されている、偏光光学素子。
2. 前記第２材料は光吸収性を示す、請求項１に記載の偏光光学素子。
3. 前記光に対する前記第２材料の反射率は、前記光に対する前記第１材料の反射率よりも小さい、請求項１または２に記載の偏光光学素子。
4. 前記第１グレーティング層の前記複数のストライプ部分と、前記第２グレーティング層の前記複数のストライプ部分とは、同一の形状を有し、かつ重なっている、請求項１から３のいずれかに記載の偏光光学素子。
5. 前記第１グレーティング層の各ストライプ部分は、前記第２グレーティング層の対応するストライプ部分と積層構造を形成しており、前記積層構造は、基板に支持されている、請求項１から４のいずれかに記載の偏光光学素子。
6. 前記積層構造は、前記所定方向に延びる軸に関する１８０度の回転について非対称である、請求項５に記載の偏光光学素子。
7. 前記積層構造の最下層または最上層は前記第１グレーティング層である、請求項５または６に記載の偏光光学素子。
8. 前記第１グレーティング層は前記基板の一方の面に形成され、前記第２グレーティング層は前記基板の他方の面に形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の偏光光学素子。
9. 可視光線の直線偏光に対する前記１グレーティング層の反射率は５０％より大きい、請求項１から８のいずれかに記載の偏光光学素子。
10. 前記複数のストライプ部分を覆う透明層をさらに備え、前記透明層の表面は略平坦である、請求項１から９のいずれかに記載の偏光光学素子。
11. 前記透明層は、誘電体材料から形成される、請求項１０に記載の偏光光学素子。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の偏光光学素子を用いた表示装置。
13. 第１基板と、第２基板と、前記第１基板および前記第２基板に挟持された液晶層とを備え、前記液晶層に電圧を印加することにより表示を行なう液晶表示装置において、前記第１基板と前記液晶層との間に配置され、入射する光の偏光に応じて光の反射率および／または透過率が変化する偏光光学素子をさらに備えており、前記偏光光学素子は、
    前記第１基板の上に形成され、所定方向に延びる複数のストライプ部分を有する積層構造を有し、前記積層構造の平均格子ピッチは、前記光の波長よりも短く設定されており、前記積層構造は、
    前記光に対して反射性を示す第１材料から形成された第１グレーティング層と、
    前記第１グレーティング層よりも前記液晶層側に形成され、前記第１グレーティング層による前記光の反射を抑制する第２材料から形成されている第２グレーティング層と
    を含む、液晶表示装置。
    

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