JP2007101859A - 偏光分離素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率の異なる材料の積層数が少なく、簡単な構成で、所望のまたはより高い偏光分離機能を得ることができる偏光分離素子および高い生産性で、より容易にかつ低コストで低価格の偏光分離素子の製品を製造できる偏光分離素子の製造方法を提供する。
【解決手段】断面が矩形形状または楔型状である凸部が設計または使用波長より短い周期で配列された凹凸構造を上面に有する基板と、共に、凸部より高い屈折率を持ち、凹凸構造の凸部に堆積された第１被覆膜と、凹部に充填され、膜厚が凸部の高さより薄い第２被覆膜とを備えること、および、さらに、凹凸構造の全面を覆うように、第１被覆膜の上面に形成された透明な第３被覆膜を備えることにより、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光を互いに直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離素子およびその製造方法に関する。

光通信デバイス、光ディスクのピックアップ、液晶ディスプレイ、光応用計測などに利用される光学素子の一つとして偏光分離素子が知られている。偏光分離素子は、不特定の方向に電磁界が振動する無偏光光または楕円偏光光を入射した場合に、ある特定方向の振動成分の光だけを透過させて直線偏光として出射する光学素子である。
入射光を互いに２つの直交する偏光成分に分離するために、材料の複屈折性（屈折率の偏光依存性）を利用する方法や、等方性材料の表面に設計波長または使用波長より短い周期構造に現れる構造性複屈折性を利用する方法などが用いられており、これらの方法を利用した偏光分離素子が作製されている。また、このような偏光分離素子においては、偏光分離機能を向上させるために、物性が異なる複数の材料を交互に積層する必要がある。

ここで、構造性複屈折性を用いた偏光分離素子は、透明の基板上に設計波長より短い凹凸周期構造を作製することにより得られるものである。波長より短い周期を持つ凹凸構造（サブ波長構造）に光が入射すると、周期的な凹凸構造の溝方向と平行な方向に振動する偏光成分（電界が長さの方向に平行であるＴＥ波）と溝方向と垂直な方向に振動する偏光成分（磁界が長さの方向に平行であるＴＭ波）に対して凹凸構造の実効屈折率（構造を透明薄膜と見なす時の平均屈折率）は異なる。そのため、凹凸構造の界面での反射率は、入射光の各偏光成分に依存する。多層のサブ波長構造を設計することで、一方の偏光成分を反射させ、この偏光と垂直な他方の偏光成分を透過させることができる。このような多層構造のサブ波長構造の偏光子およびその作製方法が、例えば、特許文献１、非特許文献１および２に提案されている。

非特許文献１および２には、平板ガラス基板上に予め屈折率の異なる２種類以上の透明材料、例えば、ＳｉとＳｉＯ_２との２種、もしくは、Ｓｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２との２種を、それぞれ所望の厚みで３〜５層に成膜した後、これらの多層膜をパターンニングおよびエッチングを行って、凹凸構造を形成し、多層のサブ波長構造を持つ複屈折性多層偏光分離素子や複屈折性多層格子に基づく波長板偏光分離素子を形成する技術が開示されている。

一方、特許文献１には、矩形状に形成した石英ガラス基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより、使用される光の波長以下の周期的な溝を形成し、例えば、Ｖ字形、方形、波形などの周期的凹凸構造を形成し、この基板上に、ＳｉＯ₂およびＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリング法により、下層（基板）の周期的な凹凸の形状、例えば、波形（Ｖ字形）を保存しながら成膜を行い、屈折率の高いアモルファス透明材料と屈折率の低いアモルファス透明材料、例えば、屈折率の異なるＳｉＯ₂層とＳｉ層を、例えば、波形（Ｖ字形）の、所定厚みの連続な透明薄膜として、交互に積層して多層構造、例えば５層構造を形成して、偏光子を製造する技術が開示されている。

特開２００１−８３３２１号公報 R. C. Tyan et al. "design, fabrication, and characteriza-tion of form-birefringent multilayer polarizing beam splitter," Journal of the Optical Society of America A, Vol. 14, P1627-1636 (1997) A. G. Lopez and H. G. Craighead, "Wave-plate polarizing beam splitter based of a form-birefringent multilayer grating," Optics Letters, Vol. 23, No. 20, P1627-1629 (1998)

ところで、非特許文献１および２に開示の偏光分離素子の技術は、平板ガラス基板上への屈折率の異なる２種類以上の透明材料の多層膜の成膜、パターンニングおよびエッチングというプロセスを経て、多層膜に、使用される光の波長以下の周期的な溝を形成し、周期的な凹凸構造を形成する必要がある。
また、特許文献１に開示の偏光子は、多層構造の層間における屈折率の変化が小さく、所望の偏光分離機能をもたせるためには、積層する層数を多くすることが必要である。

このため、これらの先行文献に開示された技術では、基板上に多層膜を形成する際に、屈折率の異なる材料を交互に積層する層数が少ないと、所望の偏光分離機能が得られないという問題があった。すなわち、これらの先行文献に開示の偏光分離素子では、簡単な構成で所望の偏光分離機能を得ることができないという問題があった。
したがって、これらの先行文献に開示された方法で、所望の偏光分離機能を持つ偏光分離素子を得るためには、基板上に多層膜を成膜した後に多層膜に周期的な溝を形成する必要があるし、また、基板上に形成された波形などの周期的な凹凸構造に沿わせて所定厚みの連続膜を多数積層して多層膜とする必要があるので、偏光分離素子の生産性が悪く、低価格の製品が得られないという問題があった。

本発明の第１の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、屈折率の異なる材料の積層の層数が少なく、簡単な構成で、使用される設計波長の入射光に対して所望の偏光分離機能を得ることができ、さらには、より高い偏光分離機能を得ることができ、液晶ディスプレイのバックライトや、液晶プロジェクタや、光ピックアップ系デバイス等への応用で光利用効率を向上させることのできる偏光分離素子を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、屈折率の異なる材料の積層の層数が少なく、簡単な構成で、使用される設計波長の入射光に対して所望の、あるいは、より高い偏光分離機能を得るための偏光分離素子の設計を容易に行うことができ、量産技術の適用が可能であり、高い生産性で、より容易に、かつ低コストで、従って、低価格の偏光分離素子の製品を得ることができる偏光分離素子の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記第１および第２の目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、
１）屈折率の低い基板上に設計波長または使用波長より短い周期的凹凸構造を作製する、
２）凹凸構造上に屈折率の高い材料を成膜することで、三層構造を生成する、
３）カバー層を形成し、偏光分離効果を高める、
４）屈折率の低い基板は、可塑性材料を用い、基板上の波長より短い凹凸構造を量産技術である成形法やプレス加工によって作製する、
５）屈折率の高い薄膜の製膜手段として、量産性の高い電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法などで行う、
ことにより、所望の偏光分離機能を持つ偏光分離素子を作製することができることを知見し、本発明に至ったものである。

すなわち、本発明の第１の態様は、断面形状が矩形形状、または楔型状である凸部が設計波長または使用波長より短い周期で配列された凹凸構造を上面に有する基板と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造の前記凸部に形成（堆積）された第１被覆膜と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上の凹部に形成（充填）された第２被覆膜とを備え、前記第２被覆膜の膜厚は、前記基板上の前記凹凸構造の前記凸部の高さより薄いことを特徴とする偏光分離素子を提供するものである。

ここで、前記第１被覆膜の膜厚は、前記基板上の前記凹凸構造の前記凸部の高さより薄いのが好ましい。
また、前記第１および第２被覆膜の膜厚は、略同一であるのが好ましい。
また、さらに、前記凹凸構造を覆うように、前記第１被覆膜の上面に形成された透明な第３被覆膜を備えるのが好ましい。
また、前記第１および第２被覆膜は、それぞれ、前記凹凸構造の前記凸部および前記凹部に積層され、前記第３被覆膜は、前記第１被覆膜の上面に積層されるのが好ましい。

また、前記凸部、前記第１および第２被覆膜の屈折率に対して、前記第１被覆膜およびその間の空気層からなる第１実効層と、前記凸部の高さ方向においてその側面が前記第２被服膜で覆われていない部分およびその間の空気層からなる第２実効層と、前記第２被服膜およびその間の前記凸部からなる第３実効層とするとき、前記第１、第２および記第３実効層の各層の厚みは、前記凸部、前記第１および第２被覆膜の屈折率に対して、前記設計波長または使用波長を持つ入射光から分離される互いに直交する２つの偏光成分について求められる各層の有効屈折率を用いて、前記設計波長または使用波長の垂直入射光に対して、各層における前記２つの偏光成分の一方の偏光波成分の位相遅れが前記設計波長または使用波長の１／４の奇数倍となるように、設計された厚みであるのが好ましい。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、基板上面に、断面形状が矩形形状または楔型状である凸部が設計波長または使用波長より短い周期で配列された凹凸構造を形成し、前記凸部より高い屈折率を持つ第１および第２被覆膜を、それぞれ前記凹凸構造の前記凸部および凹部に、少なくとも該凹部上の前記第２被覆膜の膜厚が前記凸部の高さより低くなるように、成膜することを特徴とする偏光分離素子の製造方法を提供するものである。

ここで、前記凹凸構造は、射出成形法、プレス成形法、エッチング処理法のいずれかによって形成されるのが好ましい。
また、前記第１および第２被覆膜の成膜は、それぞれ電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法のいずれかによって行なわれるのが好ましい。
また、前記第１被覆膜は、前記基板上の前記凹凸構造の前記凸部の高さより薄い膜厚となるように成膜されるのが好ましい。
また、前記第１および第２被覆膜は、同時に、同一の成膜法により、略同一の膜厚に成膜されるのが好ましい。
また、さらに、前記凹凸構造を覆うように、前記第１被覆膜の上面に透明な第３被覆膜を形成するのが好ましい。
また、前記第３被覆膜の形成は、前記基板上の前記凹凸構造上への塗布によって行われるのが好ましい。

また、前記凸部、前記第１および第２被覆膜の屈折率に対して、前記第１被覆膜およびその間の空気層からなる第１実効層と、前記凸部の高さ方向においてその側面が前記第２被服膜で覆われていない部分およびその間の空気層からなる第２実効層と、前記第２被服膜およびその間の前記凸部からなる第３実効層との各層における前記２つの偏光成分の有効屈折率を求め、求めたこれらの有効屈折率を用いて、前記設計波長または使用波長の垂直入射光に対して、各層における前記２つの偏光成分の一方の偏光波成分の位相遅れが前記設計波長または使用波長の１／４の奇数倍となるように、各層の厚みを設計し、前記凹凸構造は、前記凸部の高さが前記第２および第３実効層の各層の合計厚みとなるように前記基板上に形成され、前記第１および第２被覆膜は、それぞれ前記第１および第３実効層の各層の厚みとなるように成膜されるのが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、屈折率の異なる材料の積層の層数が少なく、簡単な構成で、使用される設計波長の入射光に対して所望の偏光分離機能、さらには、より高い偏光分離機能を得ることができる。また、本態様によれば、液晶ディスプレイのバックライトや、液晶プロジェクタや、光ディスクのピックアップなどの光ピックアップ系デバイス、光通信デバイス、光応用計測デバイス等に応用した場合には、光利用効率を向上させることができる。
また、本発明の第２の態様によれば、屈折率の異なる材料の積層の層数が少なく、簡単な構成で、使用される設計波長の入射光に対して所望の、あるいは、より高い偏光分離機能を得るための偏光分離素子の設計を容易に行うことができ、量産技術の適用が可能であり、高い生産性で、より容易に、かつ低コストで、従って、低価格の偏光分離素子の製品を得ることができる。

本発明に係る偏光分離素子およびその製造方法を添付の図面に示す好適実施形態に基づいて以下に詳細に説明する。
図１は、本発明に係る偏光分離素子の一実施形態（第１実施形態）の一部を模式的に示す断面図である。なお、図１に示す偏光分離素子の第１実施形態の断面構造は、図中紙面に垂直方向においても連続しており、また、図中左右方向に畝状の表面形状が基板上に形成され、周期凹凸構造が連続している。

図１に示す偏光分離素子１０は、断面形状が矩形形状である凸部１２ａが設計波長または使用波長より短い周期Ｔで配列され、隣接する凸部１２ａ間に凹部１２ｂが形成された周期的な凹凸構造（サブ波長構造）１２を上面に有する基板１４と、基板１４の凹凸構造１２の凸部１２ａの屈折率より高い屈折率を有し、凸部１２ａのみの上面に堆積（形成）された第１被覆膜１６と、基板１４の凹部１２ｂの屈折率より高い屈折率を有し、凹凸構造１２の凹部１２ｂの基板１４の本体１４ａの上面に充填（形成）され、凸部１２ａの高さ（Ｄ_１）より膜厚（Ｄ_２’）の薄い第２被覆膜１８とを備える。
すなわち、本発明の第１の実施形態の偏光分離素子１０は、断面視略矩形形状の低屈折率の凸部１２ａが設計（使用）波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造１２を基板本体１４ａの上面に有する低屈折率の基板１２と、この基板の凹凸構造１２の上に、凸部１２ａの屈折率より高い屈折率を有する少なくとも一種類の被覆膜２０、図示例では第１被服膜１６および第２被服膜１８を被覆することによって得られた多層構造（図示例では、３層構造）２８とを備えるものであるということができる。ここで、高屈折率の被覆膜２０は、基板１４の凹凸構造１２の凸部１２ａに第１被服膜１６として堆積し、凹部１２ｂに第２被服膜１８として充填され、第１被服膜１６および第２被服膜１８によって構成される。

すなわち、本発明の偏光分離素子１０は、凸部１２ａの上面の高屈折率の第１被覆膜１６とその間の空気層によって形成される第１実効層２２と、凸部１２ａの高さ方向において凸部１２ａの側面が第２被服膜１８で覆われていない低屈折率の凸部１２ａの部分およびその間の空気層によって形成される第２実効層２４と、凹部１２ｂに充填される高屈折率の第２被服膜１８およびその間の凸部１２ａの部分によって形成される第３実効層２６とを有する３層構造２８の偏光分離素子である。
例えば、被覆膜２０が、一種類の被覆膜材料によって被覆された場合には、図1に示すように、第１実効層２２、第２実効層２４および第３実効層２６の３層構造２８になる。したがって、第１実効層２２は、堆積した第１被覆膜１６の被覆膜材料（厚さＤ₂、屈折率ｎ₂）と空気（屈折率ｎ_０＝１．０）によって構成され、第２実効層２４は、凸部１２ａの基板材料（厚さＤ_１−Ｄ_２’、屈折率ｎ₁）と空気（屈折率ｎ_０＝１．０）によって構成され、第３実効層２６は、凸部１２ａの基板材料と充填した第２被服膜１８の被服膜材料（厚さＤ_２’、屈折率ｎ₂）によって構成されることになる。

基板１２は、屈折率の低い透明光学材料、例えば、アクリル樹脂（屈折率１・５）やメタクリル樹脂などにより構成することができるが、屈折率の低い透明光学材料であれば、特に制限的ではなく、石英ガラス、熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂などのプラスチック、光の吸収の少ない誘電体基板などによっても構成することもできる。本発明においては、基板１２の上面に設計波長または使用波長より短い周期で配列された凹凸構造を作製する際に、射出成形法などの成形法やプレス加工法などの量産技術が適用できるように、屈折率の低い基板１２には、アクリル樹脂やメタクリル樹脂などのアクリル系樹脂、光硬化性樹脂などの可塑性材料を用いるのが好ましい。

基板１４の本体１４ａの上面に形成される凹凸構造１２の周期Ｔは、使用する光の波長（設計波長）λより短く設計される。
また、凸部１２ａの周期方向の幅ｔと凹凸構造１２の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．２から０．８までのいずれかの値であるのが好ましい。
なお、後述する例では、周期Ｔは、２２０ｎｍに設定し、可視光の中心波長である５５０ｎｍを設計波長λとして、実施例の評価では、He−Neレーザー（波長６３３ｎｍ）を用いた。なお、これらの近傍の波長域を使用光として想定しているが、設計波長λおよび周期Ｔの値はこれに制限されない。

本発明では、このような凹凸構造１２は、コスト面および生産性を考慮して、射出成形法やプレス成形法などの量産可能な成形法により形成されるのが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されず、格子パターンを形成したフォトレジストをマスクとしたエッチング処理によっても形成可能である。
また、本実施形態では、基板１４の上面の凹凸構造１２を形成している凸部１２ａは、基板１４の本体１４ａと同一の基板材料で一体に形成されているが、基板１４の本体１４ａの表面上に本体１４ａと異なる材料の誘電体層、光硬化性樹脂層（例えば、紫外線（ＵＶ）硬化樹脂層）または熱硬化性樹脂層を形成し、これをエッチング加工またはプレス加工などによりパターニングして、基板本体１４ａと異なる材料で凸部１２ａを形成し、凹凸構造１２を有する基板１４を作製してもよい。

高屈折率の被覆膜２０は、凸部１２ａの上面に形成された第１被覆膜１６と、凹部１２ｂの上面に形成された第２被覆膜１８から構成される。
本実施形態では、第１被覆膜１６と第２被覆膜１８とを、同じ被覆膜材料で、かつ同じ条件で同時に形成していることから、第１被覆膜１６の厚さＤ_２と第２被覆膜１８の厚さＤ_２’とは、同じ厚さとなっているが、凸部１２ａの高さＤ_１より薄い必要がある。
なお、このような場合においても、基板１４の凹凸構造１２の形状効果等により成膜条件に差が生じてしまい、第１被覆膜１６の厚さＤ_２と第２被覆膜１８の厚さＤ_２’とが、異なる高さとなっていても良い。すなわち、第１被覆膜１６の厚さＤ_２と第２被覆膜１８の厚さＤ_２’とは、必ずしも同じ厚さである必要はないが、この場合でも、第２被覆膜１８の厚さＤ_２’は、凸部１２ａの高さＤ_１より薄い必要があるし、第１被覆膜１６の厚さＤ_２も、凸部１２ａの高さＤ_１より薄いのが好ましい。

ここで、高屈折率の被覆膜２０の第１被覆膜１６および第２被覆膜１８は、生産性および製造の容易性から同じ被覆膜材料で、かつ同じ条件で同時に形成するのが好ましいが、異なる被覆膜材料で形成しても良いし、または異なる条件で形成しても良いし、あるいは異なるタイミングで行っても良いし、もしくは異なるプロセスで形成しても良い。
この場合においても、本発明においては、第２被覆膜１８の厚さＤ_２’は、凸部１２ａの高さＤ_１より薄い必要がある。なお、第１被覆膜１６の厚さＤ_２も、凸部１２ａの高さＤ_１より薄いのが好ましい。
本発明においては、第１被覆膜１６および第２被覆膜１８などの被覆膜２０を、Ｓｉ_３Ｎ_４（屈折率２．１）、Ｎｂ_２Ｏ_５（屈折率２．５）またはシリコン（Ｓｉ）（屈折率３．５）などの高屈折率の被覆膜材料によって構成するのが好ましいが、本発明はこれらに限定されず、他の高屈折率の被覆膜材料で構成しても良い。例えば、Ｚｎ_２ＳｎＯ_４やＴｉＯ_２など屈折率の高い他の誘電体材料により構成することもできる。

第１被覆膜１６および第２被覆膜１８などの被覆膜２０は、量産性の高い電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、またはイオンビーム蒸着法などにより形成することができる。
本発明では、このような成膜方法によって、一種類の被覆膜材料（屈折率ｎ₂）を用いて一工程で成膜を行うことができる。以下では、第１被覆膜１６および第２被覆膜１８などの被覆膜２０は、一種類の被覆膜材料（屈折率ｎ₂）を用いて一工程で成膜されたものとして、すなわち、第１被覆膜１６および第２被覆膜１８は、同じ屈折率ｎ₂を持ち、それぞれの厚さ（膜厚）は、等しい（Ｄ_２＝Ｄ_２’）ものとして説明する。

このようにして、基板１４（屈折率ｎ_１）の凹凸構造１２上に基板１４より屈折率の高い被覆膜２０（屈折率ｎ₂＞ｎ_１）を設けることにより、図１に示すような第１、第２、第３の実効層２２、２４、２６からなる３層構造２８が形成される。上述したように、この３層構造２８の第１の実効層２２（ｊ＝１）は、第１被覆膜１６（屈折率ｎ_２）および空気（屈折率１．０）、第２の実効層２４（ｊ＝２）は、凸部１２ａ（屈折率ｎ_１）および空気（屈折率１．０）、第３の実効層２６（ｊ＝３）は、凸部１２ａ（屈折率ｎ_１）および第２被覆膜（屈折率ｎ_２）によってそれぞれ構成される。ここで、基板１４の凹凸構造１２の周期Ｔは、上述のように入射光に対する回折波を発生させないくらいに短いので、第１〜第３の実効層２２、２４、２６のそれぞれは、人工的な複屈折による光学的異方性を具備した薄膜と見なすことができる。
このような基板１４の凹凸構造１２の溝（凹部１２ｂ）と平行な方向に振動する光波（ＴＥ波）と溝に垂直な方向に振動する光波（ＴＭ波）とを含む入射光が、各実効層２２〜２６に入射すると、ＴＥ波とＴＭ波とは、それぞれ異なる有効屈折率（実効屈折率）を持つ。

以下では、ｊ（＝１、２、３）をそれぞれ第１、第２、第３の実効層２２、２４、２６に対応させて、第１〜第３の実効層２２〜２６におけるＴＥ波、ＴＭ波の有効屈折率を、ｎ_ＴＥ（ｊ）、ｎ_ＴＭ（ｊ）と表し、各実効層２２〜２６の光学的異方性によって生じる偏光分離効果を詳細に説明する。
基板１４の表面の凹凸構造１２の周期Ｔは、各実効層２２〜２６に対して垂直に入射した光の各実効層２２〜２６における波長λより短いため、光が各実効層２２〜２６に入射する際には０次光以外の回折光が発生しない。このような周期Ｔの条件は、凸部１２ａの屈折率ｎ_１、被覆膜２０の有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ），ｎ_ＴＭ（ｊ）を用いて下記式（１）で与えられる。

図１に示す偏光分離素子１０は、各実効層２２〜２６間の有効屈折率の差によって４つの反射界面を持っている。界面間の反射率は、各実効層２２〜２６間の屈折率の差に依存する。このため、屈折率の差が大きければ大きいほど、大きな反射率が得られる。
偏光分離素子１０の３層構造２８全体の反射率または反射強度は、各界面の反射率および界面間の光路長、すなわち各実効層２２、２４、２６の厚さＤ_２、Ｄ_１−Ｄ_２、Ｄ_２に依存する。このため、各界面の反射光を強め合う条件としては、各実効層２２〜２６を通過する光の位相差が０．５πとすればよい。

各実効層２２〜２６（ｊ＝１〜３）における有効屈折率ｎ_ＴＥ０（ｊ）およびｎ_ＴＭ０（ｊ）は、下記式（２）〜（７）を用いて表すことができる。下記式中、ｆは、凸部１２ａの周期方向の幅ｔと凹凸構造１２の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔを略記したものである。すなわち、ｆ＝ｔ／Ｔである。

しかし、図１に示す偏光分離素子１０の３層構造２８、すなわち基板１４の凹凸構造１２の周期Ｔが、前述した高次回折光を発生しない条件（上記式(１)）を満足しつつも、使用光の設計波長λより十分短いという条件を満足しない場合には、各実効層２２〜２６（ｊ＝１〜３）における有効屈折率は、設計波長λに依存し、上記式（２）〜（７）を用いて位相差を求めることができない。
この場合には、各実効層２２〜２６における有効屈折率は、上記式（２）〜（７）よりも精度の高い「Ｒｙｔｏｖの２次近似式」と呼ばれる有効屈折率の式を用いて求める必要がある（非特許文献３：S. M. Rytov, "Electromagnetic Properties of Finely Stratified Medium, Sov. Phys. JETP 2, 466-475 (1956) 参照）。ここで用いられる２次近似式としては、３層構造２８（凹凸構造１２）の周期をＴとして、入射光のＴＥ波とＴＭ波に対する各実効層２２〜２６（ｊ＝１〜３）における有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ）およびｎ_ＴＭ（ｊ）は、下記式（８）および（９）で表すことができる。

ここで、ｎ_３およびｎ_４は、第１実効層２２（ｊ＝１）の場合にはｎ_３＝１およびｎ_４＝ｎ_２、第２実効層２４（ｊ＝２）の場合にはｎ_３＝１．０およびｎ_４＝ｎ_１、第３実効層２６（ｊ＝３）の場合にはｎ_３＝ｎ_２およびｎ_４＝ｎ_１となる。

上記式（８）および（９）から明らかなように、各実効層２２〜２６の有効屈折率は、設計波長以下の３層構造２８（凹凸構造１２）を構成する種々の材料の屈折率に依存しており、各実効層２２〜２６間の屈折率の差を大きくするため、基板１４の本体１４ａおよび凹凸構造１２の凸部１２ａに屈折率が低い基板材料を用いることが好ましく、さらに、被覆膜２０に屈折率が高い被覆膜材料を用いることが好ましい。

本発明に係る偏光分離素子１０は、以下に示す手順に従って設計されたものであるのが好ましい。
まず、基板１４の凹凸構造１２の凸部１２ａおよび被覆膜２０の屈折率（第１被服膜１６と第２被服膜１８とが異なる場合はそれぞれの屈折率）に対して、上記式（８）および（９）を用いて、入射光のＴＥ波とＴＭ波に対する各実効層２２〜２６（ｊ＝１〜３）における有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ）およびｎ_ＴＭ（ｊ）を求める。

次に、求められた各実効層２２〜２６の有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ）およびｎ_ＴＭ（ｊ）を用いて、設計波長λの光が垂直に入射した場合に各実効層２２〜２６におけるＴＥ波の位相遅れがλ／４の奇数倍になるように、各実効層２２〜２６の厚さ（Ｄ_２、Ｄ_１−Ｄ_２、Ｄ_２）を求めて、偏光分離素子１０を設計する。
こうして、上記式（２）から（９）を用いて各実効層２２〜２６の有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ）およびｎ_ＴＭ（ｊ）を計算し、垂直入射光に対して各偏光成分（ＴＥ波、ＴＭ波）の透過率および反射率を算出することができる。

しかしながら、斜に入射した光に対して、各実効層２２、２４、２６における有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ）およびｎ_ＴＭ（ｊ）は、上記式（２）〜（９）によって正確に計算することができないため、斜入射光の各偏光成分（ＴＥ波、ＴＭ波）の透過率および反射率を求めることができない。このため、このような多層構造膜の透過率および反射率の正確な計算法として格子厳密電磁界解析法がある。格子厳密電磁界解析法としては、例えば、非特許文献４：F. Montiel and M. Neviere "Differential theory of gratings: extension to deep gratings of arbitrary profile and permittivity through the R-matrix propagation algorithm," Journal of the Optical Society of America A, Vol. 11, P3241-3252に詳しく記述されているものを用いることができる。
本発明においては、各実効層２２、２４、２６における有効屈折率ｎ_ＴＥ（ｊ）およびｎ_ＴＭ（ｊ）は、この格子厳密電磁界解析法を用いて数値計算で求めることができる。

以下では、非特許文献４に記載された格子厳密電磁界解析法による計算法をプログラム化にして、各偏光成分（ＴＥ波、ＴＭ波）の反射率および透過率を求めた。
図２は、こうして求められた設計波長λの入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率と入射角度との関係を示すグラフである。図２において、設計波長λは、５５０ｎｍ、基板１４の凸部１２ａの屈折率ｎ_１は、１．５、被覆膜２０（第１、第２被服膜１６、１８）の屈折率ｎ_２は、２．５、基板１４の凹凸構造１２の周期Ｔは、２２０ｎｍ、凸部１２ａの幅ｔは、１１０ｎｍ、凸部１２ａの高さＤ_１は、１８０ｎｍ、被覆膜２０（第１、第２被服膜１６、１８）の厚さＤ_２は、７０ｎｍであり、３層構造２８の各実効層２２、２４、２６の膜厚Ｄ_２、Ｄ_１−Ｄ_２、Ｄ_２は、それぞれ、７０ｎｍ、１１０ｎｍ、７０ｎｍであった。
図２から明らかなように、波長５５０ｎｍの垂直入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率は、それぞれ約６４％および７７％で最も低く、入射角度が大きくなるにつれて波長５５０ｎｍの斜入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率は、大きくなり、４５度の斜入射光で、それぞれ約８９％および９１％となり、ＴＥ波の反射率は、５５度以上で略１００％となり、ＴＭ波の透過率は、５０度で９２％のピークとなった。

図３は、図２と同様の３層構造２８を用いているが、設計波長λを変化させた場合における、すなわち、垂直入射光の設計波長λに対する垂直入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を示すグラフである。
図３から明らかなように、垂直入射光のＴＥ波の反射率は、上に凸の曲線となり、４８０ｎｍで略６０％に近づき、５００ｎｍで６０％を超え、５３０ｎｍ〜５６０ｎｍで約６４％のピークとなり、６２０ｎｍで６０％となり、６５０ｎｍでも略５６％であった。これに対し、垂直入射光のＴＭ波の透過率は、ＴＥ波の反射率に比べて変化は大きくないが逆に下に凸の曲線となり、４８０ｎｍ〜５２０ｎｍで約７５％ボトム（底）となり、５５０ｎｍでは約７７％となり、５９０ｎｍで略８０％となり、６５０ｎｍでも略８５％であった。

以上の結果から、ここで、設計波長５５０ｎｍに対して設計された本発明の第１の実施形態の偏光分離素子１０は、４８０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長の入射光に対して、良好な偏光分離機能を持つことが分かる。
本実施形態の偏光分離素子１０は、このように優れた偏光分離機能を持つものであるので、液晶ディスプレイのバックライト等や、液晶プロジェクタや、光ピックアップ系デバイス、光通信デバイス、光応用計測デバイスなどに応用した場合に、光利用効率を向上させることができる。

図４は、本発明に係る偏光分離素子の他の実施形態（第２実施形態）の一部を模式的に示す断面図である。なお、図４に示す偏光分離素子の第２実施形態の断面構造も、図中紙面に垂直方向においても連続しており、また、図中左右方向に畝状の表面形状が基板上に形成され、周期凹凸構造が連続しているものである。
図４に示す偏光分離素子３０は、図１に示す偏光分離素子１０と、第３被服膜３２が設けられている点を除いて、同様の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４に示す偏光分離素子３０は、凸部１２ａおよび凹部１２ｂからなる周期的な凹凸構造（サブ波長構造）１２を上面に有する低屈折率の基板１４と、凸部１２ａの上面に堆積（形成）された高屈折率の第１被覆膜１６と、凹部１２ｂの基板１４の本体１４ａの上面に充填（形成）され、凸部１２ａの高さ（Ｄ_１）より膜厚（Ｄ_２’）の高屈折率の薄い第２被覆膜１８と、第１被覆膜１６の上面に、すなわち、３層構造２８の上にその全面を覆う（カバーする）ように設けられる第３被服膜３２とを備える。

したがって、本第２の実施形態の偏光分離素子３０も、基板１４の本体１４ａと第３被服膜３２との間に、上述の第１の実施形態の偏光分離素子１０と同様に、凸部１２ａの上面の高屈折率の第１被覆膜１６とその間の空気層によって形成される第１実効層２２と、その側面が第２被服膜１８で覆われていない低屈折率の凸部１２ａの部分およびその間の空気層によって形成される第２実効層２４と、凹部１２ｂに充填される高屈折率の第２被服膜１８およびその間の凸部１２ａの部分によって形成される第３実効層２６とを有する３層構造２８を有する。

ここで、第３被覆膜３２は、基板１４の凸部１２ａの第１被覆膜１６の上面に全面に、すなわち、３層構造２８上に全面にカバーするように形成されるカバー層であって、基板１４の上面の凹凸構造１２、ならびに第１被覆膜１６および第２被覆膜１８などの被覆膜２０からなる３層構造２８を保護するとともに、ＴＭ波の透過率を向上させる、すなわち改善させるためのものである。第３被覆膜３２は、基板１４の凸部１２ａの第１被覆膜１６の上面に、凹部１２ｂの第２被覆膜１８の上方も含めて全面に透明なカバー層として形成できれば、特に制限的ではなく、どのようなものであっても良いし、どのような透明材料を用いて形成しても良いし、どのような方法によって形成しても良い。
例えば、第３被覆膜３２としては、基板１４の３層構造２８上（凸部１２ａの第１被覆膜１６の上面）に全面に透明性材料を塗布することにより形成されるが、この他、例えば真空蒸着法、CVD法、スパッタ法等を用いて成膜することにより、形成しても良い。
また、第３被覆膜３２を形成する透明性材料としては、カバー層として機能できる材料であれば、特に制限的ではなく、例えば、アクリル、ポリビニルイソブチルエーテル、ポリエチルアクリレート、ポリビニルメチルエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネット等の樹脂およびSiO₂、TiO₂、HfO₂等の誘電体材料などを挙げることができる。

なお、本実施形態の偏光分離素子３０においても、上述した第１実施形態の偏光分離素子１０の場合と同様にして、入射光の各偏光成分（ＴＥ波、ＴＭ波）の反射率および透過率を求めた。
図５は、こうして求められた設計波長λの入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率とカバー層の厚み（第３被覆膜３２の膜厚）との関係を示すグラフ、すなわち、第３被覆膜３２の膜厚Ｄを０ｎｍから４００ｎｍまで変化させた場合における、入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を示すグラフである。

図５において、使用される設計波長λは、５５０ｎｍ、基板１４の凸部１２ａの屈折率ｎ_１は、１．５、被覆膜２０（第１、第２被服膜１６、１８）の屈折率ｎ_２は、２．５、第３被覆膜３２の屈折率ｎ_３は、１．５、基板１４の凹凸構造１２の周期Ｔは、２２０ｎｍ、凸部１２ａの幅ｔは、１１０ｎｍ、凸部１２ａの高さＤ_１は、１８０ｎｍ、被覆膜２０（第１、第２被服膜１６、１８）の厚さＤ_２は、７０ｎｍであり、３層構造２８の各実効層２２、２４、２６の膜厚Ｄ_２、Ｄ_１−Ｄ_２、Ｄ_２は、それぞれ７０ｎｍ、１１０ｎｍ、７０ｎｍであり、第３被覆膜３２の厚さＤ_３は、０ｎｍ〜４００ｎｍまで変化させた。
図５から明らかなように、第３被覆膜３２の厚さＤ_３が、７０ｎｍ〜１７０ｎｍおよび２６０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲で、波長５５０ｎｍの垂直入射光のＴＥ波の反射率の改善が見られたが、第３被覆膜３２を設けると、垂直入射光のＴＭ波の透過率の改善は見られず、むしろ低下したが、１４０ｎｍ〜２００ｎｍおよび３２０ｎｍ〜３９０ｎｍでは、あまり低下が見られず、１４０ｎｍ〜１７０ｎｍおよび３２０ｎｍ〜３５０ｎｍでは、ＴＥ波の反射率の改善のみを享受できることが分かる。

図６は、本実施形態の偏光分離素子３０の設計波長λの入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率と入射角度との関係を示すグラフである。図６において、図５と同様の３層構造２８を用いているが、第３被覆膜３２の厚さＤ_３を３２０ｎｍに固定した。
図６から明らかなように、波長５５０ｎｍの垂直入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率は、それぞれ約５８％および９３％であり、波長５５０ｎｍの斜入射光のＴＥ波の反射率は、入射角度が大きくなるにつれて大きくなり、４５度の斜入射光で約７３％、５７度で略１００％となり、一方、斜入射光のＴＭ波の透過率は、２０度近傍で約９５％のピークとなり、４５度の斜入射光で約８７％、５０度近傍で約８６％のボトム（底）となった。

図７は、図６と同様の構造の偏光分離素子３０を用いているが、垂直入射光の設計波長λに対する垂直入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を示すグラフである。
図３から明らかなように、垂直入射光のＴＥ波の反射率は、略上に凸の曲線となり、４９０ｎｍで６０％となり、５１０ｎｍ〜５２０ｎｍで約６４％のピークとなり、５５０ｎｍで５８％となり、６３０ｎｍで急激に低下して約３１％のボトム（底）となり、６５０ｎｍでは３３％であった。これに対し、垂直入射光のＴＭ波の透過率は、ＴＥ波の反射率に比べて変化は大きくないが、４８０ｎｍで約７４％ボトム（底）となり、５５０ｎｍでは約９３％となり、５６０ｎｍ〜５７０ｎｍで略９５％のピークとなり、６５０ｎｍでは略７４％であった。

以上の結果から、設計波長５５０ｎｍに対して設計された本発明の第２の実施形態の偏光分離素子３０は、４８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長の入射光に対して、良好な偏光分離機能を持つことが分かる。
なお、本実施形態の偏光分離素子３０は、偏光分離機能を発揮する３層構造２８の上面に第３被覆膜３２を備えており、３層構造２８の全面が第３被覆膜３２でカバーされているので、３層構造２８が保護され、偏光分離機能を保護できるのが分かる。
また、本実施形態の偏光分離素子３０も、このように優れた偏光分離機能を持つものであるので、液晶ディスプレイのバックライト等や、液晶プロジェクタや、光ピックアップ系デバイス、光通信デバイス、光応用計測デバイスなどに応用した場合に、光利用効率を向上させることができる。

以下に、本発明に係る偏光分離素子およびその製造方法を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例１）
石英基板を用いて、図１に示す第１実施形態の偏光分離素子１０を作製した。
まず、石英基板上に周期Ｔが２２０ｎｍ、凸部の周期方向の幅が１２０ｎｍ、溝深さが１８０ｎｍの凹凸構造を形成した。
次に、この凹凸構造を、紫外線硬化樹脂上に転写した。具体的には、基板本体１４ａとなるアクリル基板と石英基板の凹凸構造との間に厚さ５００ｎｍの紫外線硬化樹脂を配置し、石英基板側から紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂を硬化させ、硬化後に紫外線硬化樹脂を剥離した。この処理によって、アクリル基板上の紫外線硬化樹脂に周期Ｔが２２０ｎｍ、凸部１２ａの周期方向の幅ｔが１００ｎｍ、凸部１２ａの高さＤ_１が１８０ｎｍの凹凸構造１２を転写した。こうして、上面に凹凸構造１２が形成された、紫外線硬化樹脂およびアクリル基板からなる基板１４を容易に、かつ良好な生産性で製造することができた。

最後に、スパッタ装置を用いて、被覆膜２０として、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５：屈折率２．５）を紫外線硬化樹脂の凹凸構造１２上に７０ｎｍの厚さで成膜した。
こうして、低屈折率の紫外線硬化樹脂製の凸部１２ａが配列され、その簡に凹部１２ｂが形成された凹凸構造１２を持ち、紫外線硬化樹脂の凹凸構造１２の下側部分とアクリル基板とを基板本体１４ａとし、凹凸構造１２の上面に高屈折率の酸化ニオブ被覆膜２０を持つ本実施形態の偏光分離素子１０を作製することができた。
上記のようにして作製された偏光分離素子１０に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（波長６３３ｎｍ）を入射光として照射し、入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を測定した。その結果、ＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率は、垂直入射光に対して、それぞれ、６０％および８０％であり、４５度の入射角度に対して、それぞれ、８６％および９１％であり、良好な偏光分離機能を示した。

（実施例２）
実施例１において作製された偏光分離素子１０の第１の被覆膜１６の上部に塗布工程でアクリル透明材料を塗布して乾燥させ、透明薄膜を第３の被覆膜３２として形成して、図４に示す第２の実施形態の偏光分離素子３０を作製した。第３の被覆膜（透明薄膜）３２の屈折率は、１．５であり、その厚みは、３２０ｎｍであった。
上記のようにして作製された偏光分離素子３０に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を入射光として照射し、入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を測定した。その結果、ＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率は、垂直入射光に対して、それぞれ６１％および８８％であった。４５度の入射角度に対してそれぞれ９０％および９５％であり、実施例１の偏光分離素子１０より、さらに、良好な偏光分離機能を示した。
以上の実施例１および２の結果から明らかなように、本発明の効果は明らかである。

以上、本発明に係る偏光分離素子およびその製造方法について種々の実施形態および種々の実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、これらの実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係る偏光分離素子の一実施形態の一部を模式的に示す断面図である。 図１に示す偏光分離素子における、入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率と入射角度との関係を示すグラフである。 図２と同様の構造の偏光分離素子における、垂直入射光の設計波長に対する垂直入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を示すグラフである。 本発明に係る偏光分離素子の他の実施形態の一部を模式的に示す断面図である。 図４に示す偏光分離素子における、入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率とカバー層の厚みとの関係を示すグラフである。 図４に示す偏光分離素子における、入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率と入射角度との関係を示すグラフである。 図６と同様の構造の偏光分離素子における、垂直入射光の設計波長に対する垂直入射光のＴＥ波の反射率およびＴＭ波の透過率を示すグラフである。

符号の説明

１０，３０ 偏光分離素子
１２ 凹凸構造
１２ａ 凹凸構造の凸部
１２ｂ 凹凸構造の凹部
１４ 基板
１６ 第１被覆膜
１８ 第２被覆膜
２０ 被覆膜
２２ 第１実効層
２４ 第２実効層
２６ 第３実効層
２８ ３層構造
３２ 第３被覆膜（カバー層）

Claims (14)

1. 断面形状が矩形形状または楔型状である凸部が設計波長または使用波長より短い周期で配列された凹凸構造を上面に有する基板と、
   前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造の前記凸部に形成された第１被覆膜と、
   前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上の凹部に形成された第２被覆膜とを備え、
   前記第２被覆膜の膜厚は、前記基板上の前記凹凸構造の前記凸部の高さより薄いことを特徴とする偏光分離素子。
2. 前記第１被覆膜の膜厚は、前記基板上の前記凹凸構造の前記凸部の高さより薄い請求項１に記載の偏光分離素子。
3. 前記第１および第２被覆膜の膜厚は、略同一である請求項１または２に記載の偏光分離素子。
4. さらに、前記凹凸構造を覆うように、前記第１被覆膜の上面に形成された透明な第３被覆膜を備える請求項１〜３のいずれかに記載の偏光分離素子。
5. 前記第１および第２被覆膜は、それぞれ、前記凹凸構造の前記凸部および前記凹部に積層され、前記第３被覆膜は、前記第１被覆膜の上面に積層される請求項１〜４のいずれかに記載の偏光分離素子。
6. 前記凸部、前記第１および第２被覆膜の屈折率に対して、前記第１被覆膜およびその間の空気層からなる第１実効層と、前記凸部の高さ方向においてその側面が前記第２被服膜で覆われていない部分およびその間の空気層からなる第２実効層と、前記第２被服膜およびその間の前記凸部からなる第３実効層とするとき、前記第１、第２および記第３実効層の各層の厚みは、前記凸部、前記第１および第２被覆膜の屈折率に対して、前記設計波長または使用波長を持つ入射光から分離される互いに直交する２つの偏光成分について求められる各層の有効屈折率を用いて、前記設計波長または使用波長の垂直入射光に対して、各層における前記２つの偏光成分の一方の偏光波成分の位相遅れが前記設計波長または使用波長の１／４の奇数倍となるように、設計された厚みである請求項１〜５のいずれかに記載の偏光分離素子。
7. 基板上面に、断面形状が矩形形状または楔型状である凸部が設計波長または使用波長より短い周期で配列された凹凸構造を形成し、
   前記凸部より高い屈折率を持つ第１および第２被覆膜を、それぞれ前記凹凸構造の前記凸部および凹部に、少なくとも該凹部上の前記第２被覆膜の膜厚が前記凸部の高さより低くなるように、成膜することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
8. 前記凹凸構造は、射出成形法、プレス成形法、エッチング処理法のいずれかによって形成される請求項７に記載の偏光分離素子の製造方法。
9. 前記第１および第２被覆膜の成膜は、それぞれ電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法のいずれかによって行なわれる請求項７または８に記載の偏光分離素子の製造方法。
10. 前記第１被覆膜は、前記基板上の前記凹凸構造の前記凸部の高さより薄い膜厚となるように成膜される請求項７〜９のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法。
11. 前記第１および第２被覆膜は、同時に、同一の成膜法により、略同一の膜厚に成膜される請求項７〜１０のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法
12. さらに、前記凹凸構造を覆うように、前記第１被覆膜の上面に透明な第３被覆膜を形成する請求項７〜１１のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法。
13. 前記第３被覆膜の形成は、前記基板上の前記凹凸構造上への塗布によって行われる請求項７〜１２のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法。
14. 前記凸部、前記第１および第２被覆膜の屈折率に対して、前記第１被覆膜およびその間の空気層からなる第１実効層と、前記凸部の高さ方向においてその側面が前記第２被服膜で覆われていない部分およびその間の空気層からなる第２実効層と、前記第２被服膜およびその間の前記凸部からなる第３実効層との各層における前記２つの偏光成分の有効屈折率を求め、
    求めたこれらの有効屈折率を用いて、前記設計波長または使用波長の垂直入射光に対して、各層における前記２つの偏光成分の一方の偏光波成分の位相遅れが前記設計波長または使用波長の１／４の奇数倍となるように、各層の厚みを設計し、
    前記凹凸構造は、前記凸部の高さが前記第２および第３実効層の各層の合計厚みとなるように前記基板上に形成され、
    前記第１および第２被覆膜は、それぞれ前記第１および第３実効層の各層の厚みとなるように成膜される請求項７〜１３のいずれかに記載の偏光分離素子の製造方法。

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