JP2005115176A - 分光素子、回折格子、複合回折格子、カラー表示装置、分波器、および回折格子の製造方法 - Google Patents

分光素子、回折格子、複合回折格子、カラー表示装置、分波器、および回折格子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 分光素子としての透過型回折格子において、回折効率を上げると共に、製造にかかる費用を大幅に低減する。
【解決手段】 例えば三角形状等、２つの直線で囲まれた断面形状を有する回折格子を形成する樹脂１２と、この樹脂１２によって形成される回折格子における断面形状の一方の直線部分に形成される遮光部材である金属１３とを含み、この金属１３は、入射光に対して０次の透過光を低減させ、１次の透過光の回折効率を上げるように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光素子等に係り、より詳しくは、光学機器に用いられる透過型回折格子などの分光素子等に関する。
回折格子は、様々な光学機器において使用されており、特にその鋭敏な分光特性を利用して分光器(スペクトロメータ)、波長フィルタなどにて多用されている。また、回折格子のピッチを任意に定めて製造することができることから、レーザなどの光源を用いた機器内にて、角度変換素子や光分離・混合素子等として用いられる場合もある。その応用は、光を通信手段としてではなく、表現手段として用いるディスプレイの分野においても広がっている。
この回折格子については、既に多くの基礎的な研究・実現例があり、たとえば、「回折光学素子入門」((社)応用物理学会 日本光学会 光設計研究グループ監修、オプトロニクス社)などにまとめられている。透過型回折格子については、その回折効率を高めるためにブレーズ型、バイナリ型などがある。
図１１は、従来用いられているブレーズ型の回折格子の構成を説明するための図である。ブレーズ型の回折格子では、断面形状が２つの直線を有する三角形であり、特定の波長に対して回折効率が高くなるように設計されている。即ち、図１１に示すように、ブレーズ型の回折格子では、表面の形状にて、例えば断面が三角形(鋸歯状)の溝となっており、この三角形の底角がブレーズ角である。
また、図示しないバイナリ型の回折格子では、断面形状にて高さの違う矩形が細かく並べられており、リソグラフィや電子線描画で作製される。
一方、回折格子ではなく、偏光素子として金属細線を並べた素子がある(例えば、「基礎光学」工藤恵栄・上原富美哉 共著、現代工学社)。これは、針金のような金属細線を格子状に等間隔に並べたもので、細線に平行な偏光成分を吸収・反射し、細線に垂直な方向の偏光だけが透過することを利用した素子である。通常、グリッド偏光子と呼ばれている。一般には、細線の間隔がせいぜい１μｍ程度しか作製できないため、例えば、赤外線の直線偏光素子としての利用に留まっている。これと同様の原理で、反射型回折格子の１種であるエシェレット回折格子と呼ばれるブレーズ角度の浅い回折格子があるが、ここに金属を斜方蒸着することで金属細線を作製し、格子間隔を小さくしたものがある。
図１２は、グリッド偏光子の一例を示した図である。ここでは、反射型回折格子であるエシェレット回折格子の形状を利用し、金属を斜方蒸着させることで、金属細線を尾根部分に形成している。格子間隔を狭くすることにより、近赤外線から可視光の領域における直線偏光器として利用する。このような偏光素子においては、金属を断面が三角形である回折格子の尾根部分にのみ蒸着することで、金属細線の幅をできるだけ小さくしている。これは、金属細線の幅が大きくなると、１次の回折光の強度が大きくなり偏光素子としての効率を下げてしまうからである。一般に、細線の間隔は波長の１/１０以下、細線の幅は波長の１/１００以下としなければ機能しない。このような素子は、平面に垂直入射および透過で使用するため、エシェレット回折格子そのものの働きも抑えられている。
また、公報記載の従来技術の中で、例えば、フォトレジストに用いられる回折格子の製造方法として、回折格子の一方の斜面にだけ、金属が蒸着されたパターンを作製する技術が存在する(例えば、特許文献１参照。)。更に、斜方蒸着により１方向の斜面にだけレジスト膜を作製し、エッチングを行い、その後、斜方蒸着したレジスト膜を除去する技術について開示されている(例えば、特許文献２参照。)。
特開昭６３−７１８５１号公報(第３頁、図１) 特開昭５９−２１０４０３号公報(第２−３頁、第１図)
ここで、上述したバイナリ型の回折格子では、断面形状にて高さの違う矩形を細かく並べる必要があり、製造工程が多く、得られた回折格子は非常に高価となる。一方で、ブレーズ型は、金型さえ用意できればモールディングやプレス加工により樹脂成型ができるため、より安価で量産性が高い。しかしながら、ブレーズ型の透過型回折格子では、１次の回折効率は高くても２０％程度であり、特定の波長に対して効率を上げてしまうと、例えばディスプレイなどの多色光源を扱う装置においては、他の波長の効率が低下するため不都合が生じる。そこで、透過型のブレーズ型回折格子を回折素子として用いる場合には、回折効率を上げ、特に０次の透過光を低減させることが必要である。
即ち、透過型回折格子を回折素子として用いる場合には、必ず０次の回折光、即ち入射光がそのまま透過していく光が発生するが、０次の回折光は、光の利用効率を損なうだけではなく、周囲の光学装置に対する迷光となり、装置のレイアウトや精度にも問題を生じさせてしまう。そこで、回折効率を上げるためには、０次の透過光を低減させることが有効である。
また一方で、回折効率を上げるためには、回折格子のパターンを最適な形状にしなければならず、その形状は複雑かつ微細である。そこで、作製に際しては、電子ビーム描画・リソグラフィ技術などを利用することが必要となる。光通信などの分野で用いる場合には、微小なサイズで良いことから、その加工も比較的容易である。しかし、ディスプレイやプロジェクタで使用する場合には、数センチから３０センチ角ぐらいの大きさが必要となり、加工も難しく、また、加工できたとしても、その加工費も膨大なものとなる。そのために、例えば、表示システムなどの分野において、大きなサイズで、安価に作製でき、且つ回折効率が高く、特に０次の透過光を低減した回折格子の要求が強い。特に、カラーフィルタを使用しない液晶ディスプレイ等の分野で、その要求が強くなっている。
図１２に示すエシェレット回折格子を利用したグリッド偏光子は、特定の波長を選択する等の分光素子における回折格子としての応用ではなく、あくまでも細線に平行な偏光成分を吸収・反射するための偏光子としての利用である。そのために、金属は凹凸の尾根部分だけに蒸着されており、これを回折格子として利用しても、０次の透過光を低減できず、回折効率を上げることは困難である。
また、特許文献２の技術は、斜方蒸着は行っているものの、斜方蒸着した膜はレジスト膜であり、最終品については蒸着された膜は除去されている。そのために、作製した回折格子に金属膜が形成されておらず、分光子としての回折格子において、０次の透過光を低減させ、回折効率の向上を図ることはできない。
更に、上記特許文献１では、金属を斜方蒸着しているが、分光素子としての回折格子を念頭には置いておらず、あくまでもフォトレジストとしての利用を前提としている。そのために、この特許文献１では、回折格子の投影パターンの明暗比が最も大きくなる場合を考慮し、０次と１次の回折光の強度比が１：１となるように、斜方蒸着される金属膜として半透過性なものを選択している。より具体的には、酸化クロムなどの金属が１０〜１００ｎｍの厚さとなるように薄く蒸着している。そのために、特許文献１の技術を応用しても、０次の透過光を低減させ、回折効率の向上を図ることはできず、分光素子に用いられる回折格子として、近年、求められている性能を達成することは困難である。
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、分光素子としての透過型回折格子において、回折効率を上げると共に、製造にかかる費用を大幅に低減することにある。
また他の目的は、０次の透過回折光をできるだけ抑制し、１次の回折光を積極的に利用することにより、回折効率を大幅に向上させることにある。
かかる目的のもと、本発明が適用される分光素子は、２つの直線または曲線で囲まれた断面形状を有する回折格子と、この回折格子における断面形状の一方の直線または曲線の一側に形成される遮光部材とを含む。ここで、この遮光部材は、入射光に対して０次の透過光を低減させ、１次の透過光の回折効率を上げるように構成すれば、光の利用効率が高いシステムを構築できる点で好ましい。また、この遮光部材は、断面形状の一方の直線または曲線の一側に斜め方向から金属を蒸着することを特徴とすることができる。更に、この遮光部材は、断面形状の一方の直線または曲線の一側に、厚さ２００ｎｍ以上の金属が蒸着されることを特徴とすれば、０次の透過光をより抑制し、反射膜としての機能を高める点から優れている。また更に、この回折格子パターンは、２つの直線で囲まれた三角形の断面形状を有し、遮光部材は、三角形の断面形状における一方の斜面に金属が蒸着されることを特徴とすることができる。
尚、「遮光部材」は、「反射部材」と言い換えることもできる。この「反射部材」としては、銀かアルミニウムの金属が用いられ、その反射率は、使用波長において９０％以上となる。
一方、本発明が適用される回折格子は、樹脂層と、この樹脂層の内部に設けられ、各々が膜面から所定のブレーズ角だけ傾き周期的に並んで配置される複数の金属面とを有する。ここで、この金属面の所定のブレーズ角は、入射光に対して透過の０次光を抑え、透過の１次光の回折効率を上げるように決定されることを特徴とすれば、回折効率を大幅に向上させることができる点で好ましい。
また、本発明が適用される複合回折素子は、入射光における透過の０次光を遮蔽する方向に傾けられた複数の金属面が配列される透過型回折格子と、入射光における透過型回折格子からの反射の０次光を透過型回折格子に戻すための反射部材とを含む。ここで、この透過型回折格子は、回折格子の一方から金属が斜方蒸着されて形成されることを特徴とすることができる。また、反射部材としては、透過型回折格子の基板に略平行に対置させれば、反射の０次光を入射光と同様な角度で透過型回折格子に再入射させることができる点で好ましい。また、この反射鏡を複数枚、配置させれば、反射光を循環させることができる点で優れている。
更に他の観点から把えると、本発明が適用される複合回折素子は、光源と、この光源から照射された光を導くライトガイドと、このライトガイドと一体化されて設けられ、反射率の高い金属面がブレーズ角だけ傾いて周期的に並んで配列される回折格子とを含む。ここで、この回折格子は、ライトガイドよりも屈折率が低い接着材料を用いて接着されることを特徴とすることができる。また、この回折格子は、ライトガイドよりも屈折率が低い樹脂を用いて形成されることを特徴とすることができる。
しかして、本発明が適用されるカラー表示装置は、光源と、この光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する回折格子と、回折格子により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光するレンズとを含み、この回折格子は、反射率の高い金属面が所定角度だけ傾いて周期的に並んで配列されることを特徴とすることができる。ここで、光源からの光を導く導光板と、この導光板により導かれる光を回折格子側に向けて反射させる反射板とを更に含み、また、回折格子により分離され、レンズにより集光された光の透過/遮断を実行する液晶セルを更に含むことができる。
一方、本発明は、分波器として把握することができる。その分波器の１つとしては、光を導く導波路と、この導波路に隣接して設けられ、導波路を進む光を透過の０次光を抑えて分波する透過型回折素子と、この透過型回折素子により分波された光を検出する検出素子とを含む。ここで、この透過型回折素子は、各々が膜面から所定のブレーズ角だけ傾き周期的に並んで配置される複数の金属面を有することを特徴とすることができる。また、この導波路は、コア層と、このコア層よりも屈折率が低いクラッド層とを含んで構成され、透過型回折素子は、このコア層とクラッド層との間に形成されることを特徴とすることができる。
他方、本発明が適用される分波器は、コアとクラッドとの屈折率差で決定される臨界角内の光を導く導波路と、この導波路におけるコアとクラッドとの間に設けられ、金属面が斜めに周期的に配列される透過型回折素子とを含む。
更に、本発明が適用される回折格子の製造方法は、金型と樹脂を用いて回折格子を作製する工程と、作製された回折格子に対して斜め方向から金属を蒸着する工程と、回折格子における金属が蒸着された面に対して樹脂を埋めて平坦化する工程とを含む。
本発明によれば、例えば、分光素子などに適用された場合において、高い回折効率を得ることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用される第１の透過型回折格子を説明するための図である。図１に示す透過型回折格子１０は、基板であるガラス１１上に、透明な鋸歯状の樹脂１２によって、ブレーズ型回折格子が形成される。図１に示す透過型回折格子１０では、透明な樹脂１２の部分が上向き型になっている。このブレーズ型回折格子における鋸歯状の一方の斜面(断面形状が三角形を形成する２つの直線の一方の斜面)に、金属１３が蒸着される。この金属１３は、使用する波長で吸収が少なく、容易に蒸着できるものが望ましく、例えば、アルミニウムや銀等が用いられている。蒸着される金属１３は、分光素子として用いられる本実施の形態の性質上、２００ｎｍ以上の厚さで蒸着される。例えば、フォトマスクとして用いるために１０〜１００ｎｍ程度の金属膜を蒸着させ半透過させる従来技術とは、この点で大きく異なる。また、本実施の形態では、各金属１３の片がガラス１１面となす角をαとしており、これがブレーズ角に相当する。一般にブレーズ角は、回折格子(グレーティング)に対して刻まれた溝のなす角度を指す。ブレーズ型回折格子の片面にアルミなどの金属１３を蒸着すると、０次の透過回折光(真っ直ぐ突き抜ける光)を低減でき、かつ、１次の回折効率を上げることができる。
透過回折の基本式は下記のようになる。
sinθt1 − sinθi ＝ sinθr1 − sinθi ＝ ｍλ/ｐ
θt0 ＝ θr0 ＝ θi
ここで、θiは入射光の入射角、θt1は１次の透過回折光の出射角、θr1は１次の反射回折光の出射角、λは入射光の波長、ｐは回折のピッチである。また、ｍは回折次数である。１次の透過回折光の式では、ｍ＝１となる。
上式から明らかなように、回折格子のピッチｐと入射光の波長λ、入射角θiによって、回折角度(透過回折光の出射角、反射回折光の出射角)が決まる。回折効率は、透過型回折格子１０の場合、複雑な計算を必要とするが、表面形状、材質(吸収特性、分散)、屈折率などによって決定される。
本実施の形態では、溝の片面に金属１３を蒸着することで、透過の０次光の経路を遮断し(但し、完全な遮断ではなく、０に近付け)、反射面が新たな回折面となるように構成した。回折方向はピッチｐによって決定されるが(式中のｍで決まる次数)、透過の０次へのエネルギの配分が、この金属１３の金属面の効果によって小さくなり、その分が透過の１次および反射の０次へ配分されている。この配分の比は、断面形状(主にブレーズ角)で決定される。従って、入射光には制限があり、ブレーズ角をαとすると、入射角はαから９０度の範囲に制限される。また、入射の向きは、金属１３の蒸着面側から、あるいは、それとは反対側の両者を選択することができるが、反対側から入射させることが望ましい。回折格子のピッチについては、用いる入射光の波長・角度によって決定されるが、可視光・赤外線を中心に、０.４μｍ〜５μｍの範囲が好ましい。
尚、図１に示す例では、樹脂１２の鋸歯状の一方の斜面、即ち、断面形状が三角形を形成する２つの直線の一方に、遮光部材(反射部材)である金属１３を形成した。しかしながら、樹脂１２の断面形状としては、例えば全体が円弧状である場合や、片側が円弧状である場合もある。即ち、断面形状の一側が直線で一側が曲線の場合に、その直線側や曲線側に金属１３を蒸着させることができる。また、全体が円弧状の曲線の一側に金属１３を形成することもできる。このときに形成される遮光部材としての金属１３は、例えば、弧の接線が底面となす角度をブレーズ角αとみなすことができる。
次に、図１に示す透過型回折格子１０の一般的な製造方法について説明する。
まず、金属蒸着前のブレーズ型回折格子を製造する。この製造方法としては、例えば、ルーリングエンジンと呼ばれる溝を刻む切削装置によって断面形状が三角形の溝を銅やニッケルなどの金属に刻み付ける。具体的に切削する部分はダイヤモンドの刃(バイト)であり、このバイトの形状を断面形状に加工しておく。ルーリングエンジンによって切削するだけで反射型回折格子は出来上がるが、溝面の平坦度を上げるため、異方性のあるイオンビームエッチングが行われる。これにより、片側が平坦な面で構成されるブレーズ型回折格子が出来上がる。この原型を電鋳反転させて金型を作製し、透明な樹脂を用いてモールディングを行う。こうして透過型のブレーズ型回折格子を作成することができる。
また、金属蒸着前のブレーズ型回折格子の他の製造方法として、まず、シリコン基板など結晶のエッジを利用してマスクによる異方性イオンエッチングを行い、溝面の両面に滑らかなブレーズ型回折格子を作成する。そして、この原型を電鋳反転させて金型を作製し、透明な樹脂でモールディングを行うことで、透過型回折格子１０を作製することができる。３０ｃｍ角以上の大型のサイズは、原型を電鋳により複写し、タイリングすることで大きな金型を作製する方法もある。このように金型を作製すれば、樹脂によるモールディングあるいはプレス加工で回折格子が作製できるため、安価に量産できる。樹脂は熱硬化性でも光硬化性でもよい。使用する波長域で透明であり、金型から容易に剥離できれば種類は問わない。作製された回折格子はブロック状にもシート状にもできる。
その後、その回折格子を蒸着装置に入れ、金属１３を斜方蒸着する。斜方蒸着の方法は、一般的な方法でよく、磁気テープの磁性体蒸着における斜方蒸着などを参考にすればよい。前述のように、金属１３は使用する波長で吸収が少なく、容易に蒸着できるものが望ましく、例えばアルミニウムや銀がよい。以上のような製造工程によって、図１に示す透過型回折格子１０を製造することが可能となる。
次に、実際に試作をして測定を行った場合の実施例について説明する。試作した素子において、回折格子は、シリコンを異方性エッチングにより作製した原型をもとに電鋳反転して金型を起こし、その金型から光硬化樹脂(フォトポリマー)によって成型して作製したものである。使用したフォトポリマーは可視光で透明性に優れており、透過型回折格子１０に適した材料を選択した。このようにして作製した鋸歯状の回折格子に、金属１３としてアルミニウムを斜方蒸着させた。試作条件は以下の通りである。
格子ピッチ ： １８００本/ｍｍ (５５６ｎｍ)
ブレーズ角 ： ５８度
屈折率(光硬化樹脂) ： １.４９
アルミ蒸着厚 ： ２００ｎｍ
蒸着角度 ： ６０度
また、測定条件としては以下の通りである。
入射角度 ： ８０度
使用波長 ： ５４３ｎｍ(レーザ)
図２は、上述した実施例にて得られた透過型回折格子１０について、金属１３の蒸着前と蒸着後における各効率の測定結果を示した図である。図２に示すように、透過の１次の効率については、Ｓ偏光では、金属を蒸着する前に比べて若干効率が落ちている(２４.１％→２２.２％)が、Ｐ偏光については、約４倍(６.６％→２５.１％)に効率が上がっている。また、透過の０次の効率を見ると、両偏光とも著しく低減されている(Ｓ偏光で１９.８％→３.０％、Ｐ偏光で４８.４％→１０.７％)。その一方で、Ｓ偏光では反射の０次光が増えている(４１.９％→５７.１％)。これは、金属１３の斜方蒸着により透過の０次は遮蔽され、そのエネルギは透過の１次光と反射光とに分配されるためである。反射の回折光においては、ブレーズ角αは透過型に最適化しているため、その殆どのエネルギが０次の回折光に分配される。この結果より、両偏光を併せた光の利用効率は１.５倍以上となっていることが解る。更に、０次の透過光が、多くても１０％程度に抑えられることが解る。
このように、金属１３をブレーズ型の透過型回折格子１０に斜方蒸着することにより、回折効率を上げ、かつ０次の透過光を低減できるが、実験から、回折格子の形状が綺麗な三角形ではなくとも、効果が大きいことが分かった。一般にモールディングによる成型よりも押型プレス加工で作製したもののほうが、複製の精度は悪い。しかし、樹脂の塗布・硬化といった工程が必要ではないため、安価に量産ができる。このような回折格子においても、効率が３倍以上に上がることが確認された(例えば、１次の回折効率で、５％→１５％)。
単体でもこのように回折効率を上げることが可能だが、反射の０次光が増えるため、これを再利用することが考えられる。即ち、反射鏡を用意することで、光の利用効率の高い複合回折素子を構築することが可能となる。
図３(ａ),(ｂ)は、複合回折素子の実施形態例を示した図である。図３(ａ)は、透過型回折格子１０と反射鏡１５とを平行に対置させた構造例を示している。平行であれば、反射の０次光は入射光と同じ角度で透過型回折格子に再入射させることができる。また、図３(ｂ)は、鏡を２枚置き(ハーフミラー１６および反射鏡１７)、反射光を循環させた構造例を示している。この入射光が入る鏡としてハーフミラー１６を用いている。反射鏡としては、プリズムやコーナーキューブの全反射が望ましいが、通常の鏡や、フレネルミラーなどでも良い。勿論、他の光学素子であるレンズ、スリットやピンホール、あるいは偏光子などのフィルタを使用目的に応じて挿入しても構わない。図３(ａ),(ｂ)に示すような複合回折素子とすることで、大面積に亘って光利用効率の高い分光(または光結合)照明装置となる。反射光の再利用を考慮した光利用効率を有効性(Effectiveness)として、算出された値が図２にも記されている。本実施の形態に示す構成を採用することにより、有効性の算出結果は１.６倍以上(２４.２％→３９.５％)になることが確認された。
次に、他の透過型回折格子について説明する。
図４は、本実施の形態が適用される第２の透過型回折格子を説明するための図である。図４に示す透過型回折格子２０は、金属小面２３が樹脂２２中(内部)に周期的に並んだ構造を備えている。図１に示したような透過型回折格子１０では、反射率の高い金属１３をブレーズ型回折格子に斜方蒸着することで、ブレーズ面(あるいは、反対の斜面)のみに金属を蒸着することができる。このような構成をとることで、０次の透過回折光の強度を著しく低減し、かつ１次の透過回折光の強度を向上させることができた。しかし、このままでは回折格子面が凹凸を持っており、他の光学素子や基板と密着させて用いる場合に不都合が生じる場合が考えられる。そのような場合、図４に示す透過型回折格子２０のように、凹凸を持った回折格子面に回折格子を形成する樹脂２２ａ(後述)と同じ屈折率の樹脂２２ｂ(後述)で埋めることで、斜方蒸着をした金属小面２３だけを同じ屈折率の媒質の内側に周期的に並ばせた構造を作製することができる。このようにすると、両面が平面で取り扱いが容易な回折格子となる。膜面に対してブレーズ角αだけ傾いた金属小面２３が周期的に並び、この金属小面２３が回折格子となる。このような構造をとると、原理的に金属小面２３を反射面とする反射型回折格子と同じになり、高い１次の回折効率が得られ、かつ０次の透過光の強度を著しく低減することができる。
次に、図４に示す透過型回折格子２０の製造方法について説明する。
図５(ａ)〜(ｃ)は、透過型回折格子２０の製造方法を説明するための図である。まず、金型を用いて、図５(ａ)に示すように、基板上に樹脂２２ａからなる回折格子を作製する。また、この樹脂２２ａの凹凸に当接する樹脂２２ｂが作製される。この樹脂２２ａと樹脂２２ｂは、例えば、同一種類の樹脂とすることができる。作製に用いられる金型は、機械切削で作ることが可能である。回折格子の作製に用いる樹脂２２ａは、熱硬化樹脂あるいは光硬化樹脂を用いることができる。次に、図５(ｂ)に示すように、回折格子面の片側に金属小面２３を斜方蒸着する。金属小面２３は反射率が高いものが望ましく、銀あるいはアルミニウムが望ましい。その後、金属小面２３を斜方蒸着した回折格子面に、図５(ａ)で作製された樹脂２２ｂで平坦化を行い、図５(ｃ)に示すような透過型回折格子２０を作製する。以上のようにして、樹脂２２中に、膜面に対して一定の角度を持って周期的に並んだ金属小面２３を形成でき、この金属小面２３が回折格子となる。
尚、平坦化に用いる樹脂２２ｂの材料は、必ずしも回折格子を作製した樹脂２２ａと同じ屈折率である必要はなく、必要に応じて屈折率を変えた材料を用いることができる。また、他の素子との密着性を向上させるために、平坦化面あるいは基板面上に他の樹脂や接着剤を塗布したり、紫外線処理や放電処理を施すことも有効である。
このようにして製造された、図４に示すような透過型回折格子２０の構成を採用すると、例えば、格子面に直接触れることがないことから、扱い易くなるという利点がある。また、他の素子や基板などへの密着性が向上し、素子や装置としてよりコンパクトになる点も利点として挙げられる。更に、金属小面２３が空気中に露出しないため、酸化しないことから腐食しにくく、高い反射率を保持できる点も優れている。尚、入射角度には制限があり、図４にあるように金属小面２３の膜面方向に対する角度(ブレーズ角に相当)をαとすると、入射角θiは、α以上であることが必要となる。
次に、入射角とブレーズ角、および周期の関係について説明する。
図６(ａ)〜(ｃ)は、これらの関係を説明するための図である。図６(ａ)は図４に示す埋め込み型、図６(ｂ)は下向き型、図６(ｃ)は図１に示した上向き型を示している。
図６(ａ)は、最も単純な、金属小片(図４に示す金属小面２３)が斜めに配列された分光回折格子の場合を示している。ここでは、波長λからなる入射光の入射角をθi、１次の透過回折光の出射角をθt1、金属小面２３が基板面となす角をα(ブレーズ角に相当)、周期(ピッチ)をｐ、樹脂２２に入射した際の屈折光の角度をφ、樹脂基材の屈折率をｎとしている。そして、入射角θiと出射角θt1が既知である場合に、ブレーズ角αとピッチｐを求める。
まず、回折の一般式である次式より、周期(ピッチ)ｐを求めることができる。
Figure 2005115176
 即ち、
Figure 2005115176
 また、ブレーズ角αは、光線が回折せずに進んだ場合、金属小面２３が鏡面として作用したと考えたときに所望の出射角θt1に一致するように決定される。即ち、
Figure 2005115176
 を満たすようなαを選べば良い。具体的に書き下すと、
Figure 2005115176
 となる。
図６(ｂ)は、溝面が下向きの場合を示している。周期(ピッチｐ)は、図６(ａ)と同様の原理(数１〜数２)で求めることができる。また、φ１は、樹脂基材に光が入射した場合の、溝の斜面に垂直な方向に対して屈折する光の屈折角を示している。
光線が回折せずにそのまま直進すると、樹脂内に屈折して進行し、金属面で反射してから再び空気中へと進行する。かかる場合の、空気中へ出射した光の角度が所望の角度θt1に一致するように、αとβが選択される。
式を書き下すと、以下のようになる。
Figure 2005115176
 特に、β＝θiとなるように選ぶと、反射光が最も減り、効率が高くなる。このとき、
Figure 2005115176
 となる。
図６(ｃ)は、図１に示したものと同様な、鋸歯状の斜面が上向きである場合を示している。φ１は、樹脂基材の底面から光が入射した場合の、底面に垂直な方向に対する屈折角を示し、φ２は、樹脂基材の斜面から光が出射する際の、斜面に垂直な方向に対する屈折角を示している。
周期(ピッチｐ)は、図６(ａ)と同様の原理(数１〜数２)で求めることができる。また、αとβも図６(ａ),(ｂ)と同様に求めていく。その結果は、以下の式となる。
Figure 2005115176
 特に、φ１＝βのときを選ぶと、効率が最大となり、そのとき、
Figure 2005115176
 となる。
次に、上述した透過型回折格子１０,２０の応用例について説明する。以下では、単板式プロジェクタへの応用、カラーフィルタレス液晶ディスプレイへの応用、バックライトを構成するライトガイドとの一体化システムへの応用、および、導波路に付設される分波器としての応用について説明する。
図７は、単板式プロジェクタへの応用例を示した図である。図１に示す透過型回折格子１０や図４に示す透過型回折格子２０は、透過の０次光が殆どない(非常に少ない)という特長により、単板式プロジェクタへの応用が可能である。液晶プロジェクタには三板式と単板式との２種類があり、使用するアクティブマトリックス液晶の数により区別される。各色(赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ))に対応して３枚のアクティブマトリックス液晶を配置したものを三板式という。図７では単板式プロジェクタの例が示されている。図７に示す単板式プロジェクタは、例えば白色のキセノンランプ等からなる光源１０１、分光された光を導くマイクロレンズアレイ１０２、Ｒ、Ｇ、Ｂに分光された光を、Ｒ、Ｇ、Ｂの各サブピクセルごとに独立に変調するアクティブマトリックス液晶(ＴＦＴ ＬＣＤ)１０３、変調された光をスクリーンに投影するための投射レンズ１０４を備えている。
光源１０１として白色のキセノンランプ等を用いた場合、光の利用効率を考えると、Ｒ、Ｇ、Ｂに分光した光をそれぞれ別の液晶により変調することが必要である。三板式では、分光に、通常、ダイクロイックミラーが使用され、これを用いてＲ、Ｇ、Ｂへの分光が実施される。しかしながら、この三板式では、液晶パネルが３枚必要になり、かつダイクロイックミラーもＲ、Ｇ、Ｂの３枚が必要となることから、コストが高くなると同時にコンパクトに実装することが難しくなる。そこで、図７に示すようなアクティブマトリックス液晶(ＴＦＴ ＬＣＤ)１０３を１枚だけ使用する単板式が提案されている。単板式では、分光素子(回折素子)として、回折格子やホログラムが用いられる。
光源１０１から出射され、回折素子である透過型回折格子１０,２０(１０または２０)によって分光された光は、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長に応じた角度で出射され、マイクロレンズアレイ１０２を通してアクティブマトリックス液晶１０３に入射する。アクティブマトリックス液晶１０３にはＲ、Ｇ、Ｂのサブピクセルがあり、それぞれの光が対応するサブピクセルに入射することで、独立に変調が実行される。アクティブマトリックス液晶１０３を通った光は、投射レンズ１０４により、スクリーンに投影される。
尚、回折格子が用いられる場合は、一般には反射型の回折格子が用いられ、ホログラムの場合は透過型の回折格子が用いられる。反射型の場合、光源１０１とアクティブマトリックス液晶１０３が同じ側に来ることから、光源１０１からの光を遮蔽することが必要となり、レイアウトに問題が生じる。また、透過型の場合、特定の波長に対して透過の０次光を低減すると、別の波長に対しては同様の低減が同時に行えない。Ｒ、Ｇ、Ｂに対応したホログラムを積層する構造もあるが、全体として光の利用効率は落ちる。また、ホログラムは材料に制限があり、高価であることに加え、耐熱の面や一様性の問題が大きい。
しかしながら、本実施の形態に示す金属蒸着を施した透過型回折格子１０,２０では、波長によらず透過の０次を低減できるため、光源１０１とアクティブマトリックス液晶１０３とを回折格子により分離でき、迷光を少なくすることができる。また、反射型と異なり、光源１０１とアクティブマトリックス液晶１０３、スクリーンが、回折素子に対して異なる面に存在することから、レイアウトもしやすく、装置のコンパクト化を図ることも可能となる。
図８は、カラーフィルタレス液晶表示装置(カラーフィルタレス直視型液晶表示装置)への応用例を示した図である。このカラーフィルタレス液晶表示装置は、例えば直線状の白色蛍光灯を用いた光源２０１、光源２０１からの光を導く入射光学系２０２、例えばくさび形状を有する導光板２０３、例えば金属で生成される反射シート(反射板)２０４、入射白色光をＲ、Ｇ、Ｂの光に分離する分光素子として、本実施の形態が適用される透過型回折格子１０,２０(１０または２０)を備えている。また、光の透過/遮断を実行する液晶セル２０９、複数のシリンドリカルレンズなどを備えた光学素子(集光素子)である円筒状レンズアレイ２０６、偏光フィルム２０７、および拡散フィルム２０８を備えている。液晶セル２０９では、２枚のガラス基板の間に液晶層が封入されている。
光源２０１から照射された光は、入射光学系２０２を介して導光板２０３に入射する。導光板２０３に入射した光は、導光板２０３の下面(反射シート２０４側の面)と上面(液晶セル２０９側の面)とで反射を繰り返しながら徐々に角度が急峻になる。上面において光の方向が臨界角を超えると、この上面から光が出射される。出射された光は、斜面に金属面が形成される透過型回折格子によってＲ、Ｇ、Ｂの光に分離される。分離された光は、偏光フィルム２０７によって偏光され、円筒状レンズアレイ２０６に入射する。円筒状レンズアレイ２０６は、複数のシリンドリカルレンズが設けられ、例えば１画素に１つのシリンドリカルレンズが対応している。１画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのサブ画素から構成されている。分離され偏光された光は、液晶セル２０９によって各サブ画素ごとに光の透過または遮断が制御される。液晶セル２０９を透過した各サブ画素ごとの光は、偏光フィルム２０７を経て拡散フィルム２０８によって拡散されて出力される。このように、図８に示すような液晶表示装置に、本実施の形態が適用される透過型回折格子１０,２０を用いることで、液晶表示装置の輝度を上げることができる。また、金属の反射シート２０４と組み合わせることで、光利用効率の高い複合回折素子を形成することが可能となる。
図９(ａ),(ｂ)は、バックライトを構成するライトガイド(導光板)との一体化システムへの応用例を示した図である。図９(ａ)は、回折格子とライトガイドとを接着させ、一体化させたバックライトを例示している。また、図９(ｂ)は、透過型回折格子１０,２０を構成する樹脂１２,２２(図１,図４参照)の屈折率をライトガイドの屈折率よりも小さくした場合を示している。回折格子とライトガイドとを一体化させることで、部品点数を減らし、積層数を減らすことが可能となる。また、空気の介在をなくし、光の利用効率を上げられる利点もある。
図９(ａ)に示す平面型バックライトは、例えば直線状の白色蛍光灯等が用いられる光源３０１、例えばくさび形状で構成され、光源３０１からの光を導く導光板であるライトガイド３０２、例えばアルミや銀などが蒸着された鏡面の反射シート３０３、ライトガイド３０２と透過型回折格子１０,２０(１０または２０)とを接着する接着剤３０４、光の透過/遮断を制御する液晶セル(ＴＦＴ ＬＣＤ)３０５、光を拡散する拡散フィルム３０６を備えている。図９(ａ)に示す例では、接着剤３０４として、ライトガイド３０２の主材料であるアクリル系樹脂よりも屈折率が低い材料が用いられている。アクリル系樹脂の屈折率は１.４９程度なので、これよりも低いフッ素系の光硬化樹脂(屈折率は１.３〜１.５)などを用いることができる。この低屈折率材料を接着剤３０４にして、図９(ａ)に示すように透過型回折格子１０,２０とライトガイド３０２とを一体化することにより、ライトガイド３０２の内部全反射を損なうことなく、コリメートされた光が透過型回折格子１０,２０に入射し、分光出射が可能となる。
また、図９(ｂ)に示すように、透過型回折格子１０,２０(１０または２０)を形成する樹脂(１２または２２)に、低屈折率材料を用いることで、ライトガイド３０２に、透過型回折格子１０,２０(１０または２０)を直接成型することもできる。この構成において、回折格子のピッチｐを大きくしていくと、回折の効果は小さくなるが、透過型のフレネルミラーとして機能させることができる。
図１０(ａ),(ｂ)は、本実施の形態が適用される回折格子を導波路(waveguide)に付設して分波器として利用する構成例を示した図である。図１０(ａ)は、導波路から基板４０４上の素子(検出素子４０５)へ光を分波する場合の構成例を示し、図１０(ｂ)は、基板４０４上の素子(発光素子４０６)からの光信号を導波路に結合させる場合の構成例を示している。本実施の形態が適用される透過型回折格子１０,２０は、透過の０次光を著しく低減できるので、導波路に付設させて用いることができる。図１０(ａ),(ｂ)では、導波路として、屈折率がやや異なる層、即ち、コア４０２の層とクラッド４０１の層とを設け、コア４０２をクラッド４０１で挟み、このコア４０２とクラッド４０１との間に回折格子を形成している。また、図１０(ａ)では、このコア４０２とクラッド４０１とで形成される導波路から出力される光を集光するレンズ４０３、レンズ４０３からの光を検出するための検出素子４０５を備えた基板４０４を備えている。入射される光は、透過型回折格子１０,２０における回折格子のピッチによって回折角度が変えられ、ブレーズ角と格子の全長によって分波率を制御できる。導波路から分波された光は、集光レンズ(レンズ４０３)を通して基板４０４上の検出素子４０５に入射し、電気信号に変換される。
一方、図１０(ｂ)では、面発光型半導体レーザ(ＶＣＳＥＬ)等の発光素子４０６を備えた基板４０４と、この発光素子４０６から出力される光を導波路へ導くレンズ４０３を備えており、図１０(ａ)とは逆向きに光を入れている。図１０(ｂ)に示す分波器では、基板４０４上の各素子からの電気信号を半導体レーザなどの発光素子４０６により光信号に変え、基板４０４下部の導波路に出射する。出射光は透過型回折格子１０,２０に入り、導波路へ進入する。その際、金属１３(金属小面２３)の斜方蒸着の効果により、左右への回折の比率が大きく異なり、一方向に光を進行させることを可能としている。
導波路を構成するコア４０２とクラッド４０１では、コア４０２の屈折率がクラッド４０１の屈折率よりも高くなるように構成されている。その屈折率差は０.０１〜０.１程度であり、コア４０２の中を進む光は非常にコリメートされた光となっている。光はコア４０２の層に進入し、コア４０２とクラッド４０１との屈折率差で決定される臨界角以上の角度で進行していく(即ち、全反射を繰り返していく)。特に、マルチモードの導波路では、コア４０２の径が１０μｍから１００μｍと大きく、短距離通信で使用されている。この導波路は、基板の表層部(あるいは内部)に形成されており、基板４０４上にあるチップ(例えば、検出素子４０５、発光素子４０６)との間で光の送受信を行っている。特に、導波路から複数のチップへ光信号を送りたいときには、光を分岐させる必要があり、所謂分波器が必要となる。
本実施の形態では、導波路を形成する際に、コア４０２とクラッド４０１との間に回折格子を形成し、特に、金属小片を斜めに並べた構造を持つ透過型回折格子１０,２０を挿入し、分波器として用いている。コア４０２の層を進む光は臨界角以上の光だけであるが、臨界角から９０度までの様々な角度の光が進行している(マルチモード)。ただの鏡を導波路内に挿入すると、この角度の広がりがそのまま空気中へ出射されることから、レンズ４０３によって集光しきれない場合が生じる。回折格子の場合、角度の選択性があることから、ある角度(回折格子から見ると入射角に相当する)の光だけを上部へ分岐させることができる。また、信号を伝達する光を基板４０４上の各チップなどに分岐させるときには鏡や回折格子を用いるが、回折格子は導波路を形成する際に一体化して成型できるので、プロセス上都合がよい。透過型の回折格子を用いる場合、一般に透過の０次光が多いため、ロスになるだけでなく、迷光となり、Ｓ/Ｎ比を下げる原因となってしまう。本実施の形態が適用される透過型回折格子(１０,２０等)を用いると、このような迷光を防ぐことが可能となる。
このように、本実施の形態が適用される回折格子を分波器に適用することで、０次の透過光を著しく低減でき、パワーロスを少なくすることができる。また、反射の０次も増えるが、これはそのまま導波路中を進行していくことから、ロスになることはない。更に、所望の透過の一次が増え、且つ、角度広がりが少ないことから、レンズ４０３によって集光することで、基板４０４上部のチップへ光信号を確実に伝達することができる。また更に、この構造は双方向とすることができ、全く逆の進路で光を導波路内に進入させることができる。
以上、詳述したように本実施の形態によれば、安価に量産できる透過型回折格子において、透過の１次光への回折効率を上げると共に、透過の０次光への分岐を極めて少なくすることができる。更に、反射回折光を透過型回折格子と平行に置かれた鏡面などで反射することにより、反射光を再利用することができ、光の利用効率が高いシステムを構築することができる。その結果、これらを用いた液晶ディスプレイやプロジェクタなどの表示装置において、輝度を上げることができる一方、部品点数を削減することが可能となる。
本発明の活用例としては、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置の他、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置等のカラー表示装置、バックライトを構成するライトガイドとの一体化システムへの応用、導波路に付設される分波器等がある。
本実施の形態が適用される第１の透過型回折格子を説明するための図である。 透過型回折格子について、金属の蒸着前と蒸着後における各効率の測定結果を示した図である。 (ａ),(ｂ)は、複合回折素子の実施形態例を示した図である。 本実施の形態が適用される第２の透過型回折格子を説明するための図である。 (ａ)〜(ｃ)は、透過型回折格子の製造方法を説明するための図である。 (ａ)〜(ｃ)は、入射角とブレーズ角、および周期の関係を説明するための図である。 単板式プロジェクタへの応用例を示した図である。 カラーフィルタレス液晶表示装置(カラーフィルタレス直視型液晶表示装置)への応用例を示した図である。 (ａ),(ｂ)は、バックライトを構成するライトガイド(導光板)との一体化システムへの応用例を示した図である。 (ａ),(ｂ)は、本実施の形態が適用される回折格子を導波路に付設して分波器として利用する構成例を示した図である。 従来用いられているブレーズ型の回折格子の構成を説明するための図である。 グリッド偏光子の一例を示した図である。
符号の説明
１０…透過型回折格子、１１…ガラス、１２…樹脂、１３…金属、１５…反射鏡、１６…ハーフミラー、１７…反射鏡、２０…透過型回折格子、２２…樹脂、２３…金属小面、１０１…光源、１０２…マイクロレンズアレイ、１０３…アクティブマトリックス液晶(ＴＦＴ ＬＣＤ)、１０４…投射レンズ、２０１…光源、２０３…導光板、２０４…反射シート(反射板)、２０６…円筒状レンズアレイ、２０９…液晶セル、３０１…光源、３０２…ライトガイド、３０３…反射シート、３０４…接着剤、３０５…液晶セル(ＴＦＴ ＬＣＤ)、４０１…クラッド、４０２…コア、４０３…レンズ、４０４…基板、４０５…検出素子、４０６…発光素子

Claims (20)

  1. ２つの直線または曲線で囲まれた断面形状を有する回折格子と、
    前記回折格子における前記断面形状の一方の直線または曲線の一側に形成される遮光部材と
    を含む分光素子。
  2. 前記遮光部材は、入射光に対して０次の透過光を低減させることを特徴とする請求項１記載の分光素子。
  3. 前記遮光部材は、前記断面形状の前記一方の直線または前記曲線の一側に斜め方向から金属を蒸着することを特徴とする請求項１記載の分光素子。
  4. 前記遮光部材は、前記断面形状の前記一方の直線または前記曲線の一側に、厚さ２００ｎｍ以上の金属が蒸着されることを特徴とする請求項１記載の分光素子。
  5. 前記回折格子のパターンは、三角形の断面形状を有し、前記遮光部材は、当該三角形の断面形状における一方の斜面に金属が蒸着されることを特徴とする請求項１記載の分光素子。
  6. 樹脂層と、
    前記樹脂層の内部に設けられ、各々が膜面から所定のブレーズ角だけ傾き周期的に並んで配置される複数の金属面と
    を有する回折格子。
  7. 前記金属面の前記所定のブレーズ角は、入射光に対して透過の０次光を抑え、透過の１次光の回折効率を上げるように決定されることを特徴とする請求項６記載の回折格子。
  8. 入射光における透過の０次光を遮蔽する方向に傾けられた複数の金属面が配列される透過型回折格子と、
    前記入射光における前記透過型回折格子からの反射の０次光を当該透過型回折格子に戻すための反射部材と
    を含む複合回折素子。
  9. 前記透過型回折格子は、回折格子の一方から金属が斜方蒸着されて形成されることを特徴とする請求項８記載の複合回折素子。
  10. 光源と、
    前記光源から照射された光を導くライトガイドと、
    前記ライトガイドと一体化されて設けられ、反射率の高い金属面がブレーズ角だけ傾いて周期的に並んで配列される回折格子と、
    を含む複合回折素子。
  11. 前記回折格子は、前記ライトガイドよりも屈折率が低い接着材料を用いて接着されることを特徴とする請求項１０記載の複合回折素子。
  12. 前記回折格子は、前記ライトガイドよりも屈折率が低い樹脂を用いて形成されることを特徴とする請求項１０記載の複合回折素子。
  13. 光源と、
    前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する回折格子と、
    前記回折格子により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光するレンズとを含み、
    前記回折格子は、反射率の高い金属面が所定角度だけ傾いて周期的に並んで配列されることを特徴とするカラー表示装置。
  14. 前記回折格子により分離され、前記レンズにより集光された光の透過/遮断を実行する液晶セルを更に含む請求項１３記載のカラー表示装置。
  15. 前記光源からの光を導く導光板と、
    前記導光板により導かれる光を前記回折格子側に向けて反射させる反射板と、を更に含む請求項１３記載のカラー表示装置。
  16. 光を導く導波路と、
    前記導波路に隣接して設けられ、当該導波路を進む光を透過の０次光を抑えて分波する透過型回折素子と、
    前記透過型回折素子により分波された光を検出する検出素子と
    を含む分波器。
  17. 前記透過型回折素子は、各々が膜面から所定のブレーズ角だけ傾き周期的に並んで配置される複数の金属面を有することを特徴とする請求項１６記載の分波器。
  18. 前記導波路は、コア層と、当該コア層よりも屈折率が低いクラッド層とを含んで構成され、
    前記透過型回折素子は、前記コア層と前記クラッド層との間に形成されることを特徴とする請求項１６記載の分波器。
  19. コアとクラッドとの屈折率差で決定される臨界角内の光を導く導波路と、
    前記導波路における前記コアと前記クラッドとの間に設けられ、金属面が斜めに周期的に配列される透過型回折素子と
    を含む分波器。
  20. 金型と樹脂を用いて回折格子を作製する工程と、
    作製された前記回折格子に対して斜め方向から金属を蒸着する工程と、
    前記回折格子における前記金属が蒸着された面に対して樹脂を埋めて平坦化する工程と
    を含む回折格子の製造方法。
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