JP2006330221A

JP2006330221A - 偏光子

Info

Publication number: JP2006330221A
Application number: JP2005151871A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Murata; 久村田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-12-07
Also published as: US20060274415A1

Abstract

【課題】偏光分離特性が高く安価に製造できる偏光子を提供する。
【解決手段】基板１上に金属からなる微細格子２が形成されてなる偏光子において、基板１は表面に断面略山形形状で所定高さの突起部３を所定ピッチで多数有し、各突起部３には断面略山形を構成する一方の斜面３ｂに金属層４が設けられて微細格子２を形成すると共に、金属層４のピッチは使用光の波長の１／２以下で高さは使用光の波長の１／５以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射した光の偏光を制御する偏光子に関し、特に回折現象により光の偏光を制御する偏光子に関する。

従来から可視光域またはその近傍における偏光子は、ディスプレイや光ピックアップなど広範囲に応用され、高性能かつ低コスト化が望まれている。偏光子の原理としては、微細金属による吸収異方性を利用するものや、金属格子の高さと周期の厳密な関係による回折現象を利用するものなどが知られている。

このうち、吸収異方性を利用するものは、１層では消光比が低いために、多層構成とする必要がある。また、吸収を利用しているので、透過光については良好な偏光特性を得られるものの、反射光については偏光特性を利用することはできない。一方、回折現象を利用するものは、１層のみでも良好な偏光特性を得ることができると共に、反射光についても高い消光比を得ることができる。回折現象を利用した偏光子としては、例えば特許文献１に挙げるようなものがある。
特表２００３−５０２７０８号公報

しかし、回折現象を利用した偏光子は、極めて微細な金属格子のピッチ及び高さを精度よく加工することが必要であり、加工が困難であった。図６には、従来の偏光子の表面付近拡大断面図を示している。この図に示すように従来の偏光子は、基板１００上に所定高さの金属層１０２を所定ピッチで多数配列した金属格子１０１を有してなるものである。

図６に示す偏光子は、使用光の波長を５００ｎｍ、金属格子１０１を構成する金属層１０２のピッチを０．１４μｍとしている。このような偏光子の金属格子１０１の高さ依存性を図７に示している。図７（ａ）はＴＭ波について、図７（ｂ）はＴＥ波についての偏光分離特性を示している。なお、ＴＭ波は電界ベクトルが格子配列と直交する方向、ＴＥ波は電界ベクトルが格子配列と平行な方向の偏光を指している。

図７（ａ）に示すように、ＴＭ波については、金属格子１０１の高さを大きくするほど、良好な特性を得ることができる。一方で図７（ｂ）に示すように、ＴＥ波については、偏光分離特性が金属格子１０１の高さによって周期的に変化する。したがって、良好な特性を得るためには、金属格子１０１の高さを極めて精度よく形成する必要がある。図６に示す偏光子の場合、図７によれば充分な性能を得るための許容誤差は２０ｎｍ程度となる。

従来の偏光子は、基板上にホトリソグラフィ及びエッチング加工により微細な金属格子を形成していたが、許容誤差が２０ｎｍ程度であると、加工に高価な装置を用いる必要があり、加工コストが高くなる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、偏光分離特性が高く安価に製造できる偏光子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る偏光子は、基板上に金属からなる微細格子が形成されてなる偏光子において、
上記基板は表面に断面略山形形状で所定高さの突起部を所定ピッチで多数有し、各突起部には断面略山形を構成する一方の斜面に金属層が設けられて上記微細格子を形成すると共に、上記金属層のピッチは使用光の波長の１／２以下で高さは使用光の波長の１／５以上であることを特徴として構成されている。

また、本発明に係る偏光子は、上記金属層はアルミニウムまたは銀からなることを特徴として構成されている。

さらに、本発明に係る偏光子は、上記基板はその両側表面に上記微細格子を有してなることを特徴として構成されている。

さらにまた、本発明に係る偏光子は、上記微細格子を片側または両側表面に有する基板を複数枚積層して構成したことを特徴として構成されている。

本発明に係る偏光子によれば、基板は表面に断面略山形形状で所定高さの突起部を所定ピッチで多数有し、各突起部には断面略山形を構成する一方の斜面に金属層が設けられて微細格子を形成すると共に、金属層のピッチは使用光の波長の１／２以下で高さは使用光の波長の１／５以上であることにより、回折現象を利用した偏光子を金型による転写技術を用いて低コストに製造することができ、また可視光域において充分な偏光分離特性を得ることができる。

また、本発明に係る偏光子によれば、金属層はアルミニウムまたは銀からなることにより、偏光分離特性をさらに容易に確保することができる。

さらに、本発明に係る偏光子によれば、基板はその両側表面に微細格子を有してなることにより、基板の両側で消光比を累乗してより高い偏光分離特性を得ることができる。

さらにまた、本発明に係る偏光子によれば、微細格子を片側または両側表面に有する基板を複数枚積層して構成したことにより、複数の基板の表面により消光比を累乗してさらに高い偏光分離特性を得ることができる。

本発明の実施形態について図面に沿って詳細に説明する。本実施形態における偏光子は、透明な光学用樹脂からなる基板１上に微細な金属層４を所定高さ、所定ピッチで多数配列した金属格子２を有してなるものである。基板１の材料としては、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＥＴ、その他汎用の透明樹脂材料を用いることができる。図１には、本実施形態における偏光子の表面付近拡大断面図を示している。

図１に示すように基板１は、表面に断面略山形形状の突起部３を多数有している。突起部３は、長手方向に略同じ断面形状となる直線状に形成される。また突起部３は、金属格子２と略同じ高さで略同じピッチに形成されており、頂部３ａを中心に左右に傾斜面３ｂ、３ｂを有してなっている。

各突起部３の片側の傾斜面３ｂには、アルミニウムを堆積した金属層４がそれぞれ設けられている。金属層４は、全ての突起部３について同じ側の傾斜面３ｂに設けられる。金属層４が所定ピッチ及び所定高さの突起部３の傾斜面３ｂに設けられていることにより、所定ピッチ及び所定高さを有する金属格子２を構成している。

なお、本実施形態では金属層４にアルミニウムを用いているが、この他にも銀や金、さらには銅などを用いることもできる。また、基板１の表面形状は、本実施形態のように鋭角の頂部３ａを有する断面略山形形状としているが、部分的に頂部３ａが曲線状の正弦波状としても、所要の実用的な特性を確保することは可能である。

本実施形態の偏光子は、使用波長を可視光域である４００〜７００ｎｍと設定する。図２には、金属格子２の格子高さに対する偏光分離特性を示している。図２（ａ）はＴＭ波について、図２（ｂ）はＴＥ波について、光の透過・反射特性をそれぞれ示している。図２においては、金属格子２のピッチを０．１４μｍに固定し、５００ｎｍの波長を有する光を入射角０°で入射させた場合の特性を示している。また、金属層４の厚さは、ピッチの１５％の大きさに相当する２１ｎｍとしている。

図２（ａ）に示すように、ＴＭ波については、格子高さを大きくするほど反射効率が上昇し、透過効率が低下して偏光分離特性が良好になる。また、図２（ｂ）に示すように、ＴＥ波については、格子高さが小さい領域での違いはあるものの、概ね格子高さを大きくするほど反射効率が低下し、透過効率が上昇して偏光分離特性が良好になる。図２より、格子高さが０．１５μｍでは９０％以上の偏光分離効率を、格子高さが０．２μｍ以上であれば概ね９５％以上の偏光分離効率を得ることができると言える。

本発明の偏光子は、図６に示す従来の偏光子の場合と比べて、ＴＥ波において偏光分離特性の周期変化がほとんど見られないので、格子高さが一定以上であれば若干の誤差があっても偏光分離特性は大きく変化しない。したがって、許容誤差を大きく取ることができる。

図３には、金属格子２のピッチに対する偏光分離特性を示している。図３（ａ）はＴＭ波について、図３（ｂ）はＴＥ波について、光の透過・反射特性をそれぞれ示している。図３においては、金属格子２の高さを０．２μｍに固定し、５００ｎｍの波長を有する光を入射角０°で入射させた場合の特性を示している。また、金属層４の厚さは、図２の場合と同様、２１ｎｍである。

図３（ａ）に示すように、ＴＭ波については、金属格子２のピッチを小さくするほど反射効率が上昇し、透過効率が低下して偏光分離特性が良好になる。また、図３（ｂ）に示すように、ＴＥ波については、金属格子２のピッチが大きい領域での違いはあるものの、概ね金属格子２のピッチを小さくするほど反射効率が低下し、透過効率が上昇して偏光分離特性が良好になる。図３より、金属格子２のピッチが０．２μｍで８０％以上の偏光分離効率を、金属格子２のピッチが０．１５μｍ以下であれば概ね９５％以上の偏光分離効率を得ることができると言える。

図４には、使用光の波長に対する偏光分離特性を示している。図４（ａ）はＴＭ波について、図４（ｂ）はＴＥ波について、光の透過・反射特性をそれぞれ示している。この図においては、金属格子２の高さを０．２μｍに、金属格子２のピッチを０．１４μｍに、それぞれ固定すると共に、光を入射角０°で入射させた場合の特性を示している。この図に示すように、波長を可視光域である４００ｎｍから７００ｎｍまで変化させても、偏光分離特性にはほとんど影響がなく、良好な偏光分離を得ることができる。

このように本発明の偏光子は可視光域における波長依存性が少ないので、図２及び図３により、金属格子２の高さを０．１５μｍ以上で、金属格子２のピッチを０．２μｍ以下とすることで、可視光域の光においては充分な偏光分離効率を得ることができる。したがって、４００ｎｍから７００ｎｍの範囲の波長に対しては、金属格子２の高さを最大波長である７００ｎｍの概ね１／５以上とし、金属格子２のピッチを最小波長である４００ｎｍの概ね１／２以下とすることで、回折現象を利用した偏光子として充分な特性を得ることができる。

また、金属層４の厚さは、上述のようにピッチの１５％の大きさに相当する２１ｎｍとしているが、これをピッチの１０％の大きさに相当する１４ｎｍとすると、ＴＭ波の格子高さ依存性が若干緩慢な立ち上がりとなるため、２１ｎｍの場合と同様の特性を得るためには、金属格子２の高さを高めに設定する必要がある。このように、金属層４の厚さは金属格子２のピッチの１０％以上とすることが望ましい。

金属格子２の表面には、金属層４の耐環境性を高めるために、表面保護層（図示しない）を付加することもできる。表面保護層は誘電体薄膜で構成することができ、３ｎｍ程度の薄さとすることで、偏光分離特性にほとんど影響を与えることなく、金属層４の耐環境性を高めることができる。

次に、本実施形態における偏光子の製造方法について説明する。図５には本実施形態における偏光子の製造工程を表した図を示している。図５（ａ）は、基板１の形成について示している。この図に示すように、基板１は突起部３の反転した形状を有する金型１０から突起部３を表面に転写されることにより形成される。金型１０から基板１に対する表面形状の転写は、射出成形や光硬化法、または熱プレス法などを適用することができる。

表面に微細な形状を有した金型１０は、金属基板に対してダイヤモンドバイトにより直接切削加工することで形成することができる。また、シリコンの基板について異方性エッチングをなして、頂部を鋭角状としたＶ溝を形成し、これからニッケル電鋳によりニッケルの金型を形成することもできる。さらに、溝形状を高アスペクト比とする場合には、ＥＢ法によりレジストを加工してグレースケールマスクを形成し、シリコン基板をエッチングしてマスター基板を形成し、このマスター基板からニッケル電鋳によりニッケルの金型を形成する。

図５（ｂ）は、突起部３を形成された基板１に対する金属層４の形成について示している。この図に示すように、金属層４の形成は、基板１の表面に対してアルミニウムを蒸着させることで行う。突起部３を構成する２つの傾斜面３ｂ、３ｂのうち、一方の傾斜面３ｂだけにアルミニウムを蒸着させるには、基板１を蒸着源からの粒子の流れに対して斜めに設置することによる斜め蒸着法を用いている。この場合、突起部３を構成する傾斜面３ｂの傾斜角に合わせて、基板１の設置角度と蒸着源の配置を適正化することで、一方の傾斜面３ｂだけにアルミニウムを蒸着させ、金属層４を形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用はこの実施形態に限られず、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。本発明の偏光子においては、金型１０を一定領域毎に移動させながら順次、微細形状を基板１に転写するようにすることで、金型１０の大きさに限定されずより大面積の偏光子を製造することもできる。この場合において、基板１を可堯性を有するフィルム状とすることで、離型性をよくすることもできる。また、突起部３の形状が断面略山形形状であることにより、金型１０を円筒状にすることにより、これを回転させながら基板１の表面に金属格子２の形状を転写することもできる。

本実施形態における偏光子の表面付近拡大断面図である。本実施形態における偏光子の格子高さ依存性を示した図である。本実施形態における偏光子の格子周期依存性を示した図である。本実施形態における偏光子の波長依存性を示した図である。本実施形態における偏光子の製造工程を表した図である。従来の偏光子の表面付近拡大断面図である。従来の偏光子の格子高さ依存性を示した図である。

符号の説明

１基板
２金属格子
３突起部
３ａ頂部
３ｂ傾斜面
４金属層

Claims

基板上に金属からなる微細格子が形成されてなる偏光子において、
上記基板は表面に断面略山形形状で所定高さの突起部を所定ピッチで多数有し、各突起部には断面略山形を構成する一方の斜面に金属層が設けられて上記微細格子を形成すると共に、上記金属層のピッチは使用光の波長の１／２以下で高さは使用光の波長の１／５以上であることを特徴とする偏光子。
上記金属層はアルミニウムまたは銀からなることを特徴とする請求項１記載の偏光子。
上記基板はその両側表面に上記微細格子を有してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光子。
上記微細格子を片側または両側表面に有する基板を複数枚積層して構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光子。