JP2006323058A - 構造性複屈折波長板及び波長板組合せ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い０次光透過率を有しかつ加工による構造高さ誤差に対して０次光透過率の安定性が向上した構造性複屈折波長板及び波長板組合せ構造を提供する。
【解決手段】 この構造性複屈折波長板１は、柱状部６と溝部６’がほぼ三角形状に周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、凹凸周期構造を有する構造性複屈折波長板及び波長板組合せ構造に関するものである。

従来、構造性複屈折波長板は、矩形形状の格子が周期的に並んだ構造を有するものが一般的であった。しかし、このような矩形格子形状によれば、構造周期が波長に対して十分小さくない場合には、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かった。また、このときの０次光透過率は構造高さの変化に伴って周期的に変動するため、加工時に発生する構造高さ誤差によって透過率が大幅に減少してしまうことが問題となっていた。

下記特許文献１は、構造周期が波長の１/２以下であり、かつ格子の溝幅が溝の上部で表面方向に向かって広がっているものを提案し（請求項６）、また、波長板が形成されている面とは反対の面に断面が鋸歯状の溝を波長の１/２以下の周期で形成することで光の反射を防止し透過率を向上させている（請求項７）。しかし、下記特許文献１には、透過率の構造高さの変化に伴う周期的変動に関する記載はない。
特開２００４−１３３２９０号公報（図８）

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、高い０次光透過率を有しかつ加工による構造高さ誤差に対して０次光透過率の安定性が向上した構造性複屈折波長板及び波長板組合せ構造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、本発明による構造性複屈折波長板は、柱状部と溝部がほぼ三角形状に周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造を有することを特徴とする。

この構造性複屈折波長板によれば、０次光透過率が高く、しかも、０次光透過率の構造高さの変化に伴う周期的変動が少ないので、波長板の加工のときに構造高さ誤差が発生しても、かかる構造高さ誤差に対し０次光透過率が変動せずに安定する。

上記構造性複屈折波長板において前記柱状部の幅が前記溝部の底部から前記柱状部の先端に向けて徐々に狭くなるように構成できる。

また、前記凹凸周期構造の構造周期をＰ、構造高さをＨとしたとき、次式（１）、（２）を満たすことで、平均０次光透過率が９８％以上となる。
Ｐ≦λ／ｎ のとき、０．１８≦Ｈ／λ （１）
Ｐ＞λ／ｎ のとき、１≦Ｈ／λ （２）
但し、Ｐ＜λ
λ：使用波長
ｎ：使用波長λにおける波長板の材料の屈折率

また、前記凹凸周期構造の構造周期をＰ、構造高さをＨとしたとき、次式（３）、（４）を満たすことで、平均０次光透過率が９９％以上となる。
Ｐ≦λ／ｎのとき、０．２５≦Ｈ／λ≦３．７５ （３）
Ｐ＞λ／ｎのとき、１．２≦Ｈ／λ≦３．７５ （４）
但し、Ｐ＜λ
λ：使用波長
ｎ：使用波長λにおける波長板の材料の屈折率

本発明による組み合わせ波長板組合せ構造は、上述の構造性複屈折波長板を複数組み合わせたことを特徴とする。

この波長板組合せ構造によれば、複数の構造性複屈折波長板を組み合わせて所望の位相差を得る場合、各構造性複屈折波長板はどの構造高さでもほぼ一定で高い０次光透過率を得ることができるので、位相差の組み合わせのみで各構造性複屈折波長板の構造寸法を決めることができ、設計の自由度が向上する。特に、所望の位相差の半分の位相差が得られる構造性複屈折波長板を２枚組み合わせれば、２枚とも同じ構造寸法のものを使用でき、製造コスト的に有利である。

なお、上記構造性複屈折波長板において柱状部と溝部がほぼ三角形状であるとは、柱状部と溝部が三角形状となっていること以外に、三角形状の柱状部の先端及び三角形状の溝部の底部の少なくとも一方が丸みを帯びていてもよいことを意味する。また、三角形状は、三角形状を構成する２辺がほぼ等しい形状であってよいが、一辺が他辺よりも長い形状であってもよい。

本発明の構造性複屈折波長板によれば、高い０次光透過率を有しかつ加工による構造高さ誤差に対して０次光透過率の安定性が向上できる。

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。
図１乃至図４は、本実施の形態による構造性複屈折波長板１乃至４の要部側断面図である。

図１の構造性複屈折波長板１は、先端１３を有する三角形状の柱状部６と、底部１４を有する三角形状に凹んだ溝部６’とからなる凹凸形状が周期的に形成された構造周期Ｐ及び構造高さＨの凹凸周期構造を備えている。三角形状の柱状部６は、その幅が先端１３に向かって徐々に狭くなっており、長さがほぼ等しい側面部１１，１２を有する。先端１３と底部１４は尖った形状となっており、丸みを帯びていない。

図２の構造性複屈折波長板２は、先端１７を有する三角形状の柱状部７と、底部１８を有する三角形状に凹んだ溝部７’とからなる凹凸形状が周期的に形成された構造周期Ｐ及び構造高さＨの凹凸周期構造を備えている。三角形状の柱状部７は、その幅が先端１７に向かって徐々に狭くなっており、柱状部７の一辺の側面部１５が他辺の側面部１６よりも長くなっている。先端１７と底部１８は尖った形状となっており、丸みを帯びていない。長い側の側面部１５の幅をＳとすると、Ｓ＞Ｐ／２である。

図３の構造性複屈折波長板３は、丸みを帯びた先端１９を有する三角形状の柱状部８と、底部１４を有する三角形状に凹んだ溝部８’とからなる凹凸形状が周期的に形成された構造周期Ｐ及び構造高さＨの凹凸周期構造を備えている。三角形状の柱状部８は、その幅が先端１９に向かって徐々に狭くなっており、長さがほぼ等しい側面部１１，１２を有する。先端１９は丸みを帯びているが、底部１４は図１と同じく尖った形状となっている。

図４の構造性複屈折波長板４は、丸みを帯びた先端１９を有する三角形状の柱状部９と、丸みを帯びた底部２０を有する三角形状に凹んだ溝部９’とからなる凹凸形状が周期的に形成された構造周期Ｐ及び構造高さＨの凹凸周期構造を備えている。三角形状の柱状部９は、その幅が先端１９に向かって徐々に狭くなっており、長さがほぼ等しい側面部１１，１２を有する。図４のように、先端１９及び底部２０はともに丸みを帯びている。

従来の構造性複屈折波長板の格子構造は図５のような矩形形状であり、ここで構造周期Ｐ（μｍ）、柱幅Ｌ（μｍ）、構造高さＨ（μｍ）であるが、図５の格子構造を図１のように三角形状にすることで、光の反射を低減でき、従来の矩形形状のものよりも高い透過率を得ることができる。また、図２のように三角形状がの二辺が等しくない場合や図３や図４のように三角形状の柱状部の先端が丸みを帯びていたり、先端及び底部が丸みを帯びていても同様の効果が得られる。

また、図１，図２，図３，図４の構造周期Ｐ（μｍ）及び構造高さＨ（μｍ）の各構造性複屈折波長板１，２，３において、使用波長をλ（μｍ）とし、使用波長λにおける各構造性複屈折波長板１〜４の材料の屈折率をｎとしたとき、式（１）、（２）を満たすことで、９８％以上の平均０次光透過率を実現できる。
Ｐ≦λ／ｎ のとき、０．１８≦Ｈ／λ （１）
Ｐ＞λ／ｎ のとき、１≦Ｈ／λ （２）
但し、Ｐ＜λ

更に、式（３）、（４）を満たすことで、９９％以上の平均０次光透過率を実現できる。
Ｐ≦λ／ｎのとき、０．２５≦Ｈ／λ≦３．７５ （３）
Ｐ＞λ／ｎのとき、１．２≦Ｈ／λ≦３．７５ （４）
但し、Ｐ＜λ

図６に、図１の構造性複屈折波長板においてλ/Ｐを変えた場合の、Ｈ／λと平均０次光透過率との関係を示す。図６のグラフからわかるように、λ/Ｐの屈折率ｎに対する大小で、特にＨ／λが小さい値のときの平均０次光透過率の挙動が異なる。図６から、上記式（１）、（２）及び（３）、（４）が成立することが分かる。なお、屈折率ｎは、１．５０２６６２（λ：４３５．８ｎｍ）、１．４８９４００（λ：６５０ｎｍ）、１．４８６１７４（λ：７８０ｎｍ）とした。

図１〜図４の各構造性複屈折波長板１〜４は、４３５．８ｎｍ，６５０ｎｍ，７８０ｎｍのいずれの波長に対しても透過率向上の効果があるので、広帯域波長板としても有効である。

また、凹凸周期構造を三角形状にすることで、この構造性複屈折波長板を例えばドライエッチングにより作製した成形金型を用いてインプリント成形等で製造する場合、柱幅が徐々に狭くなるので、インプリント成形のときの離型性がよくなり、好ましい。

次に、本発明を実施例により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。本実施例の構造性複屈折波長板の材料にはＰＭＭＡ樹脂を用い、その屈折率は以下の通りである。
ｎ＝１．５０２６６２（λ：４３５．８ｎｍ）
ｎ＝１．４８９４００（λ：６５０ｎｍ）
ｎ＝１．４８６１７４（λ：７８０ｎｍ）

〈実施例１〉

実施例１は図１と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを２５０ｎｍ、波長λを４３５．８ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図７に示す。

比較例１として、図５の従来の矩形形状の格子構造とし、構造周期Ｐを２５０ｎｍ、Ｌ／Ｐ（フィリングファクタ）を０．４３、波長λを４３５．８ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図８に示す。

図７と図８から分かるように、実施例１では図１の三角形状にすることで、図５の従来の矩形形状よりも高い０次光透過率を得ることができる。また、図５の従来の矩形形状の格子構造は０次光透過率が構造高さの変化に伴い周期的に変動するのに対し、図１の三角形状の格子構造は、０次光透過率の構造高さに伴う周期的な変動が殆どないため、加工による構造高さ誤差に強い波長板を実現できることが分かる。

〈実施例２，３，４（λ：４３５．８ｎｍ）〉

実施例２は図１と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、波長λを４３５．８ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図９に示す。

実施例３は図２と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、Ｓを２１０ｎｍ、波長λを４３５．８ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１０に示す。

実施例４は図３と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、波長λを４３５．８ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１１に示す。

比較例２として、図５の従来の矩形形状の格子構造とし、構造周期Ｐを３００ｎｍ、Ｌ／Ｐ（フィリングファクタ）を０．４、波長λを４３５．８ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１２に示す。

〈実施例５，６，７（λ：６５０ｎｍ）〉

実施例５は図１と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、波長λを６５０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１３に示す。

実施例６は図２と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、Ｓを２１０ｎｍ、波長λを６５０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１４に示す。

実施例７は図３と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、波長λを６５０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１５に示す。

比較例３として、図５の従来の矩形形状の格子構造とし、構造周期Ｐを３００ｎｍ、Ｌ／Ｐ（フィリングファクタ）を０．４、波長λを６５０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１６に示す。

〈実施例８，９，１０（λ：７８０ｎｍ）〉

実施例８は図１と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、波長λを７８０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１７に示す。

実施例９は図２と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、Ｓを２１０ｎｍ、波長λを７８０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１８に示す。

実施例１０は図３と同様の三角形状の格子構造であり、構造周期Ｐを３００ｎｍ、波長λを７８０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図１９に示す。

比較例４として、図５の従来の矩形形状の格子構造とし、構造周期Ｐを３００ｎｍ、Ｌ／Ｐ（フィリングファクタ）を０．４、波長λを７８０ｎｍとしたとき、構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を図２０に示す。

以上の実施例２〜４と比較例２，実施例５〜７と比較例３，実施例８〜１０と比較例４から分かるように、実施例２〜１０では図１，図２または図３のような三角形状にすることで、図５の従来の矩形形状よりも高い０次光透過率を得ることができる。

また、各比較例のように図５の従来の矩形形状の格子構造は０次光透過率が構造高さの変化に伴い周期的に変動するのに対し、実施例２〜１０の三角形状の格子構造は、０次光透過率の構造高さに伴う周期的な変動が殆どないため、加工による構造高さ誤差に強い波長板を実現できることが分かる。

更に、構造性複屈折波長板を２枚構成で用いる場合、所望の位相差を得るために２枚合わせて所望の位相差となりかつ高い透過率を得られる構造寸法を選ばなくてはならなかったが、実施例１〜１０の波長板の場合は、どの構造高さでもほぼ一定で高い透過率を得ることができるため、位相差の組み合わせのみで構造寸法を選ぶことができる。特に、所望の位相差の半分の位相差が得られる波長板を２枚組み合わせれば、２枚とも同じ構造寸法のものを使用できるため、製造コストにおいても有利となる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態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、図２１のように、図３の構造とは反対に、図１の底部１４を底部２０のような丸みを帯びた構成にしてもよく、同様の効果を得ることができる。

また、図２において側面部１６を側面部１５よりも長くしてもよく、また、図３や図４において、図２のように、一方の側面部を他方の側面部よりも長く構成してもよく、同様の効果を得ることができる。

本実施の形態による構造性複屈折波長板１の要部側断面図である。 本実施の形態による別構成の構造性複屈折波長板２の要部側断面図である。 本実施の形態による別構成の構造性複屈折波長板３の要部側断面図である。 本実施の形態による別構成の構造性複屈折波長板４の要部側断面図である。 従来の構造性複屈折波長板の要部側断面図である。 図１の構造性複屈折波長板においてλ/Ｐを変えた場合の、Ｈ／λと平均０次光透過率との関係を示すグラフである。 実施例１における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 比較例１における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例２における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例３における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例４における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 比較例２における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例５における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例６における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例７における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 比較例３における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例８における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例９における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 実施例１０における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 比較例４における構造高さＨ（μｍ）と、ＴＥ０次光透過率、ＴＭ０次光透過率及び位相差との関係を示すグラフである。 本実施の形態による変形例を示す構造性複屈折波長板５の要部側断面図である。

符号の説明

１〜５ 構造性複屈折波長板
６ 柱状部
６’ 溝部
７ 柱状部
７’ 溝部
８ 柱状部
８’ 溝部
９ 柱状部
９’ 溝部
１１，１２ 側面部
１３ 先端
１４ 底部
１５，１６ 側面部
１７ 先端
１８ 底部
１９ 先端
２０ 底部
λ 波長
Ｈ 構造高さ
Ｐ 構造周期
ｎ 屈折率

Claims (5)

1. 柱状部と溝部がほぼ三角形状に周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造を有することを特徴とする構造性複屈折波長板。
2. 前記柱状部の幅が前記溝部の底部から前記柱状部の先端に向けて徐々に狭くなる請求項１に記載の構造性複屈折波長板。
3. 前記凹凸周期構造の構造周期をＰ、構造高さをＨとしたとき、次式（１）、（２）を満たす請求項１または２に記載の構造性複屈折波長板。
   Ｐ≦λ／ｎ のとき、０．１８≦Ｈ／λ （１）
   Ｐ＞λ／ｎ のとき、１≦Ｈ／λ （２）
   但し、Ｐ＜λ
   λ：使用波長
   ｎ：使用波長λにおける波長板の材料の屈折率
4. 前記凹凸周期構造の構造周期をＰ、構造高さをＨとしたとき、次式（３）、（４）を満たす請求項１，２または３に記載の構造性複屈折波長板。
   Ｐ≦λ／ｎのとき、０．２５≦Ｈ／λ≦３．７５ （３）
   Ｐ＞λ／ｎのとき、１．２≦Ｈ／λ≦３．７５ （４）
   但し、Ｐ＜λ
   λ：使用波長
   ｎ：使用波長λにおける波長板の材料の屈折率
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の構造性複屈折波長板を複数組み合わせたことを特徴とする波長板組合せ構造。
   
   

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