JP2006258914A

JP2006258914A - 波長板

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Publication number: JP2006258914A
Application number: JP2005073094A
Authority: JP
Inventors: Makiko Imae; 真紀子今榮; Kazumi Furuta; 和三古田; Osamu Masuda; 修増田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】 λmin ／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの周期構造を波長板として用いたときに、いずれの波長においても高い０次光透過率を得ることが可能な波長板を提供する。
【解決手段】この広帯域用波長板１は、λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの凹凸周期構造を有し、凸状の柱部１１の幅が柱先端部に向かって狭くなる柱先端狭幅部１３を備える。但し、λmin：最短波長、λmax：最長波長、Ｐ：構造周期、ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率
【選択図】図１

Description

本発明は、凹凸周期構造を有する波長板に関するものである。

従来の構造性複屈折を利用した構造性複屈折波長板は、図１２のように、構造周期Ｐ、構造高さｈ、幅Ｌの周期的な凹凸形状の構造を有する。波長板の材料の屈折率をｎ２、凹凸形状の外側（例えば、空気）の屈折率をｎ１とすると、ｎ１＜ｎ２である。かかる波長板で、最短波長λmin〜最長波長λmax（μｍ）の広帯域波長板を実現するには、構造周期Ｐ（μｍ）を、λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎ、とすることが望ましい。ここで、ｎはそれぞれの波長における波長板の材料の屈折率である。しかし、この範囲の構造周期Ｐを持つ場合、波長によっては１次もしくは高次の回折光が発生してしまうため、高い０次光透過率を得ることは難しい。波長板は光学素子としてより高い透過率が望まれている。

下記特許文献１は、基板の表面付近で徐々に溝の幅が広がった形状にして屈折率を空気の屈折率１．０から徐々に変えることで光の反射防止機能を持たせた波長板を開示する。
特開２００４−１３３２９０号公報（図８）

しかし、上記特許文献１の波長板は、格子形状の工夫で透過率を向上させるが、構造周期が波長の１／２以下であり、かつ溝の幅が溝の上部で表面方向に向かって広がったもののみを提案している。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、λmin ／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの周期構造を波長板として用いたときに、いずれの波長においても高い０次光透過率を得ることが可能な波長板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による広帯域用波長板は、λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの凹凸周期構造を有し、凸状の柱部の幅が柱先端部に向かって狭くなる柱先端狭幅部を備えることを特徴とする。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率

この広帯域用波長板によれば、λmin ／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの周期構造を広帯域用波長板に用い、柱先端狭幅部で凸状の柱部の幅を柱先端部に向かって狭くすることで柱部先端における光の反射を低減でき透過率が向上し、いずれの波長においても高い０次光透過率を得ることができる。

上記広帯域用波長板において前記柱先端狭幅部の寸法が次の条件式（１）を満たすことが好ましく、０次光透過率が更に高くなる。
ｈ１≦２×Ｌ（１）
但し、ｈ１：狭幅形状部の高さ
Ｌ：柱部の幅

本発明による波長板は、凹凸周期構造を有し、凹状の溝の幅が溝底部に向かって狭くなる溝底狭幅部を備えることを特徴とする。

この波長板によれば、溝底狭幅部で凹凸周期構造の凹状の溝の幅を溝底部に向かって狭くすることで溝底における光の反射を低減でき透過率が向上し、いずれの波長においても高い０次光透過率を得ることができる。

上記波長板において前記溝底狭幅部の寸法が次の条件式（２）を満たすことが好ましく、０次光透過率が更に高くなる。
ｈ２≦Ｌ（２）
但し、ｈ２：溝底狭幅部の高さ
Ｌ：柱部の幅

また、上記波長板において前記凹凸周期構造がλmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎを満たし、前記波長板が広帯域用であるようにできる。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率

本発明による別の波長板は、凹凸周期構造を有し、凸状の柱部の幅が柱先端部に向かって狭くなる柱先端狭幅部と、凹状の溝の幅が溝底部に向かって狭くなる溝底狭幅部と、を備えることを特徴とする。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率

この波長板によれば、柱先端狭幅部で凸状の柱部の幅を柱先端部に向かって狭くすることで柱部先端における光の反射を低減できるとともに溝底狭幅部で凹凸周期構造の凹状の溝の幅を溝底部に向かって狭くすることで溝底における光の反射を低減できるので、透過率が向上し、いずれの波長においても高い０次光透過率を得ることができる。

上記波長板において前記柱先端狭幅部の寸法が次の条件式（１）を満たすことが好ましく、０次光透過率が更に高くなる。
ｈ１≦２×Ｌ（１）
但し、ｈ１：狭幅形状部の高さ
Ｌ：柱部の幅

また、前記溝底狭幅部の寸法が次の条件式（２）を満たすことが好ましく、０次光透過率が更に高くなる。
ｈ２≦Ｌ（２）
但し、ｈ２：溝底狭幅部の高さ
Ｌ：柱部の幅

また、前記凹凸周期構造がλmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎを満たし、前記波長板が広帯域用であるようにできる。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率

本発明の波長板によれば、いずれの波長においても高い０次光透過率を得ることができ、λmin ／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの周期構造を有する広帯域用の波長板においても高い０次光透過率を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

〈第１の実施の形態〉

図１乃至図３は、第１の実施の形態による各広帯域用波長板１乃至３の要部側断面図である。

図１の波長板１は、構造周期Ｐの凹凸周期構造を有し、凸状の柱部１１と、溝底部１４を有する凹状の溝部１２とからなる凹凸形状が周期的に形成されている。凸状の柱部１１は、その幅Ｌが柱先端部に向かって徐々に狭くなる柱先端狭幅部１３を有している。柱先端狭幅部１３の図の上方の先端は丸みを帯びた曲面状になっている。

図２の波長板２は図１と同様の凹凸周期構造を有し、凸状の柱部１１は、その幅Ｌが柱先端部に向かって徐々に狭くなる柱先端狭幅部１３を有し、その先端は丸みを帯びた曲面状になっているが、図１の場合よりも尖った形状である。

図３の波長板３は図１と同様の凹凸周期構造を有し、凸状の柱部１１は、その幅Ｌが柱先端部に向かって徐々に狭くなる柱先端狭幅部１３を有し、その先端はナイフエッジ状の尖った形状である。

図１，図２，図３の各波長板１，２，３において柱部１１の幅をＬ、柱先端狭幅部１３の高さをｈ１とすると、柱先端狭幅部１３の寸法は次の条件式（１）を満たしている。なお、図１〜図３では柱部１１の幅Ｌが一定の部分の高さをｈ０としている。
ｈ１≦２×Ｌ（１）

また、各波長板１，２，３の凹凸周期構造の構造周期Ｐが使用波長の最短波長λmin、最長波長λmaxに対し、λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎを満たすように決められている。なお、ｎは、それぞれの波長における波長板１，２，３の材料の屈折率である。

図１乃至図３の各波長板１乃至３によれば、凹凸周期構造の柱部１１を柱先端狭幅部１３においてその幅Ｌが柱先端部に向かって狭くなる形状にすることで、柱部１１の先端における光の反射を低減でき、図１２の従来の基本形の波長板構造のものと比べていずれの波長においても高い０次光透過率を得ることができる。

また、各波長板１乃至３の柱先端狭幅部１３が上述の条件式（１）を満たすことで、更に０次光透過率を高くできる。

また、図１乃至図３では、λmin ／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの周期構造を広帯域用波長板に用いているが、各波長板１乃至３の形状はどの波長に対しても透過率向上の効果があるので、広帯域用の波長板に対しても有効である。
上述の図１乃至図３の形状によれば、波長板１乃至３を例えばドライエッチングにより作製した成形金型によりインプリント成形等で製造する場合、柱先端狭幅部１３に対応する成形金型の根元部分が太くなり、成形金型の耐久性が向上する。また、柱先端狭幅部１３が徐々に細くなるので、インプリント成形のときの離型性が良くなる。

〈第２の実施の形態〉

図４は第２の実施の形態による波長板の要部側断面図である。

図４の波長板４は、図１と同様の凹凸周期構造を有するが、凹状の溝部１２の幅を溝底部に向かって徐々に狭くなる溝底狭幅部１５を備える。また、波長板４において柱部１１の幅をＬ、溝底狭幅部１５の高さをｈ２とすると、溝底狭幅部１５の寸法は次の条件式（２）を満たしている。なお、図４では柱部１１の幅Ｌが一定の部分の高さをｈ０としている。
ｈ２≦Ｌ（２）

図４の波長板４によれば、凹凸周期構造の溝部１２を溝底狭幅部１５においてその幅が溝底部に向かって狭くなる形状にすることで、溝底における光の反射を低減でき透過率が向上し、図１２の従来の基本形の波長板構造のものと比べていずれの波長においても高い０次光透過率を得ることができる。

また、波長板４の凹凸周期構造の構造周期Ｐを、使用波長の最短波長λmin、最長波長λmaxに対し、λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎ（ｎは、それぞれの波長における波長板４の材料の屈折率）を満たすように決めることが好ましい。図４の波長板４の形状はどの波長に対しても透過率向上の効果があるので、広帯域用の波長板に対しても有効である。
上述の図４の形状によれば、波長板４を例えばドライエッチングにより作製した成形金型によりインプリント成形等で製造する場合、溝底狭幅部１５が徐々に細くなるので、インプリント成形のときの離型性が良くなる。

〈第３の実施の形態〉

図５は第３の実施の形態による波長板の要部側断面図である。

図５の波長板５は、図１と同様の凹凸周期構造を有するが、凸状の柱部１１の幅Ｌが柱先端部に向かって徐々に狭くなる柱先端狭幅部１３と、凹状の溝部１２の幅を溝底部に向かって徐々に狭くなる溝底狭幅部１５と、を備える。

また、図５の波長板５において柱部１１の幅をＬ、柱先端狭幅部１３の高さをｈ１、溝底狭幅部１５の高さをｈ２とすると、柱先端狭幅部１３の寸法は上述の条件式（１）を満たし、溝底狭幅部１５の寸法は上述の条件式（２）を満たしている。なお、図５では柱部１１の幅Ｌが一定の部分の高さをｈ０としている。

図５の波長板５によれば、凹凸周期構造の柱部１１を柱先端狭幅部１３においてその幅Ｌが柱先端部に向かって狭くなる形状にすることで、柱部１１の先端における光の反射を低減できるとともに、凹凸周期構造の溝部１２を溝底狭幅部１５においてその幅が溝底部に向かって狭くなる形状にすることで、溝底における光の反射を低減できので、透過率が一層向上する。従って、図１２の従来の基本形の波長板構造のものと比べていずれの波長においても更に高い０次光透過率を得ることができる。

また、波長板４の凹凸周期構造の構造周期Ｐを、使用波長の最短波長λmin、最長波長λmaxに対し、λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎ（ｎは、それぞれの波長における波長板４の材料の屈折率）を満たすように決めることが好ましい。図５の波長板５の形状はどの波長に対しても透過率向上の効果があるので、広帯域用の波長板に対しても有効である。
上述の図５の形状によれば、波長板５を例えばドライエッチングにより作製した成形金型によりインプリント成形等で製造する場合、柱先端狭幅部１３に対応する成形金型の根元部分が太くなり、成形金型の耐久性が向上する。また、柱先端狭幅部１３及び溝底狭幅部１５が徐々に細くなるので、インプリント成形のときの離型性が良くなる。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。なお、本実施例において、波長板の凹凸周期構造の構造周期Ｐを０．３５μｍ、柱部の幅Ｌを０．２３１μｍとした。また、波長板の材料の屈折率ｎは次のとおりとした。
ｎ（λ：４０５ｎｍ）＝１．５６０１４
ｎ（λ：６５０ｎｍ）＝１．５４０９０
ｎ（λ：７８０ｎｍ）＝１．５３７３４

〈実施例１〉

実施例１は、０次光透過率について図１〜図５における柱先端狭幅部１３と溝底狭幅部１５の各形状（形状例１〜５）を、図１２の従来の波長板形状（以下、「基本形状」ともいう。）と比較したものである。その結果を表１及び図６に示す。なお、形状例１〜５は、それぞれ図１〜図５の各形状にそれぞれ対応する。

表１及び図６から、形状例１〜５の各形状にすることで、従来の基本形状よりも、高い透過率が得られることが分かる。

〈実施例２〉

実施例２は、図７（ａ）に示す各形状例３，４，５（図３，図４，図５にそれぞれ対応する。）について０次光透過率を比較したものである。その結果を表２及び図７（ｂ）に示す。

表２及び図７（ｂ）から、柱先端狭幅部と溝底狭幅部の両方を備える形状例５は、柱先端狭幅部のみを有する形状例３及び溝底狭幅部のみを有する形状例４のどちらに対しても高い透過率が得られることが分かる。

〈実施例３〉

実施例３は、図８（ａ）に示す形状例３（図３に対応する。）において、柱先端狭幅部の高さｈ１を表３のように柱部の幅Ｌに対して(1)０倍，(2)０．５倍，(3)１倍，(4)１．５倍，(5)２倍，(6)３倍，(7)５倍，にそれぞれ変えた場合について０次光透過率及び位相差を比較したものである。その結果を表３、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示す。なお、(1)は幅Ｌの０倍であるので、図１２の基本形状である。

表３及び図８（ｂ）から、柱先端狭幅部の高さｈ１が上記条件式（１）を満たす柱部の幅Ｌの０．５〜２倍である(2)〜(5)は、(1)の基本形状と比べて透過率が向上することが分かる。なお、高さｈ１が柱部の幅Ｌの３倍，５倍である(6)，(7)は、特に波長４０５ｎｍの場合、透過率が(1)の基本形状よりも低下してしまう。

また、表３及び図８（ｃ）から、柱先端狭幅部の高さｈ１が柱部の幅Ｌの０．５〜２倍である(2)〜(5)は、(1)の基本形状と比べて若干広帯域性が悪くなる傾向にあるが、高さｈ１が上記条件式（１）の範囲を超えて柱部の幅Ｌの３倍，５倍である(6)，(7)は、上記条件式（１）を満たす(2)〜(5)に比べ著しく広帯域性が悪くなることが分かる。

〈実施例４〉

実施例４は、図９（ａ）に示す形状例４（図４に対応する。）において、溝底狭幅部の高さｈ２を表４のように柱部の幅Ｌに対して(1)０倍，(8)０．５倍，(9)１倍，(10)１．５倍，(11)２倍，(12)３倍，(13)５倍，にそれぞれ変えた場合について０次光透過率及び位相差を比較したものである。その結果を表４、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示す。なお、(1)は幅Ｌの０倍であるので、図１２の基本形状である。

表４及び図９（ｂ）から、溝底狭幅部の高さｈ２が上記条件式（２）を満たす柱部の幅Ｌの０．５倍，１倍である(8)，(9)は、(1)の基本形状と比べて透過率が向上することが分かる。なお、高さｈ２が上記条件式（２）の範囲を越えて柱部の幅Ｌの１．５倍，２倍，３倍，５倍である(10)〜(13)は、特に波長４０５ｎｍの場合、透過率が(1)の基本形状よりも低下してしまう。なお、表４及び図９（ｃ）から分かるように、溝底狭幅部の高さｈ２が柱部の幅Ｌの０．５〜５倍である(8)〜(13)は広帯域性の低下が殆どみられない。

以上のように本発明を実施するための最良の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、第１の実施の形態における図１〜図３の波長板は、図１０のように、柱先端狭幅部１３が一方向にのみ傾斜した平面になるように構成してもよく、また、図１１のように、柱先端狭幅部１３が複数の小階段状になるように構成してもよい。図１０，図１１の構成により、図１〜図３と同様の効果を得ることができる。

第１の実施の形態による波長板１の要部側断面図である。第１の実施の形態による波長板２の要部側断面図である。第１の実施の形態による波長板３の要部側断面図である。第２の実施の形態による波長板の要部側断面図である。第３の実施の形態による波長板の要部側断面図である。実施例１における形状例１〜５の０次光透過率の変化の様子を示すグラフである。実施例２における形状例３，４，５を示す要部側断面図（ａ）及び形状例３〜５の０次光透過率の変化の様子を示すグラフ（ｂ）である。実施例３における形状例３を示す要部側断面図（ａ）、高さｈ１を変えた場合の０次光透過率の変化の様子を示すグラフ（ｂ）及び位相差の変化の様子（ｃ）を示すグラフである。実施例４における形状例４を示す要部側断面図（ａ）、高さｈ２を変えた場合の０次光透過率の変化の様子を示すグラフ（ｂ）及び位相差の変化の様子（ｃ）を示すグラフである。第１の実施の形態による波長板の変形例を示す要部側断面図である。第１の実施の形態による波長板の別の変形例を示す要部側断面図である。従来の波長板（基本形状）の要部側断面図である。

符号の説明

１，２，３波長板
４波長板
５波長板
１１柱部
１２溝部
１３柱先端狭幅部
１４溝底部
１５溝底狭幅部
Ｌ柱部の幅
Ｐ構造周期
ｈ１柱先端狭幅部１３の高さ
ｈ２溝底狭幅部１５の高さ

Claims

λmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎの凹凸周期構造を有し、凸状の柱部の幅が柱先端部に向かって狭くなる柱先端狭幅部を備えることを特徴とする広帯域用波長板。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率
前記柱先端狭幅部の寸法が次の条件を満たす請求項１に記載の広帯域用波長板。
ｈ１≦２×Ｌ
但し、ｈ１：狭幅形状部の高さ
Ｌ：柱部の幅
凹凸周期構造を有し、凹状の溝の幅が溝底部に向かって狭くなる溝底狭幅部を備えることを特徴とする波長板。
前記溝底狭幅部の寸法が次の条件を満たす請求項３に記載の波長板。
ｈ２≦Ｌ
但し、ｈ２：溝底狭幅部の高さ
Ｌ：柱部の幅
前記凹凸周期構造がλmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎを満たし、前記波長板が広帯域用である請求項３または４に記載の波長板。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率
凹凸周期構造を有し、凸状の柱部の幅が柱先端部に向かって狭くなる柱先端狭幅部と、凹状の溝の幅が溝底部に向かって狭くなる溝底狭幅部と、を備えることを特徴とする波長板。
前記柱先端狭幅部の寸法が次の条件を満たす請求項６に記載の波長板。
ｈ１≦２×Ｌ
但し、ｈ１：狭幅形状部の高さ
Ｌ：柱部の幅
前記溝底狭幅部の寸法が次の条件を満たす請求項６または７に記載の波長板。
ｈ２≦Ｌ
但し、ｈ２：溝底狭幅部の高さ
Ｌ：柱部の幅
前記凹凸周期構造がλmin／ｎ＜Ｐ＜λmax／ｎを満たし、前記波長板が広帯域用である請求項６，７または８に記載の波長板。
但し、λmin：最短波長
λmax：最長波長
Ｐ：構造周期
ｎ：それぞれの波長における波長板の材料の屈折率