JP2009515203A - 偏光および波長フィルタ処理用微細構造光学装置 - Google Patents
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Abstract
微細構造ベースの偏光子を記載する。装置は、スペクトルの光領域における電磁波フィルタとして機能し、多波長帯域をフィルタ処理する、および偏光状態をフィルタ処理する。装置は、フィルタ処理された電磁波の波長よりも小さい物理的寸法である誘電体を含む表面レリーフ構造を有する基板を有し、このような構造体が、基板の表面の少なくとも一部を被覆するアレイにおいて繰返される。開示される構造体は、液晶ディスプレイの反射偏光子として、またはディスプレイの各ピクセルの偏光カラーフィルタ素子として、特に有益である。偏光コード化機密保護ラベル、偏光室内照明および電子画像システム用カラーフィルタアレイなどの他の用途が本装置によって実用化される。
Description
発明の属する技術分野
本発明は、光の波長をフィルタ処理する、および光偏光をフィルタ処理する光学装置に関する。波長および偏光フィルタは、ディスプレイ、室内照明、ビデオおよびスチルイメージングカメラならびに機密保護ラベルおよびタグにおいて一般的な光学素子である。本発明は、通信および機密保護システムにおいて使用されるレーザおよびLED光源用の偏光素子としての、ならびに、きわめて重要なことに、液晶ディスプレイバックライトまたはカラーフィルタアレイ用の、安価な高効率偏光フィルタとしての、特定の用途を見出す。
本発明は、光の波長をフィルタ処理する、および光偏光をフィルタ処理する光学装置に関する。波長および偏光フィルタは、ディスプレイ、室内照明、ビデオおよびスチルイメージングカメラならびに機密保護ラベルおよびタグにおいて一般的な光学素子である。本発明は、通信および機密保護システムにおいて使用されるレーザおよびLED光源用の偏光素子としての、ならびに、きわめて重要なことに、液晶ディスプレイバックライトまたはカラーフィルタアレイ用の、安価な高効率偏光フィルタとしての、特定の用途を見出す。
発明の背景
液晶技術に基づく、薄くて扁平な情報およびビデオディスプレイが、携帯電話およびパーソナルデータアシスタント(PDA)などのポータブルコンピュータおよびハンドヘルド装置において専ら使用されている。液晶ディスプレイ、すなわちLCDは、デスクトップコンピュータおよびホームビデオ市場のブラウン管(CRT)ディスプレイと急速に置換わっている。
液晶技術に基づく、薄くて扁平な情報およびビデオディスプレイが、携帯電話およびパーソナルデータアシスタント(PDA)などのポータブルコンピュータおよびハンドヘルド装置において専ら使用されている。液晶ディスプレイ、すなわちLCDは、デスクトップコンピュータおよびホームビデオ市場のブラウン管(CRT)ディスプレイと急速に置換わっている。
ラップトップコンピュータまたはテレビに用いられる標準的なLCDは、2つの主要モジュールである、液晶パネルならびにバックライトとして知られる光源および分配システムから成る。液晶パネルは、電気信号を印加すると、バックライトをソースとする光を遮断するか透過させるためのシャッタとして機能する、何百万もの個々の画像素子、すなわちピクセルに分割されている。一般に赤色、緑色および青色の狭い範囲の色を除いたすべての色を吸収するダイ(染料)が白色光源と各ピクセルとの間に統合されて、フルカラー表示を生じさせる。
シャッタリング効果をもたらすために、有機の、長鎖の、円柱形分子の溶液として考えることができる液晶材料が、偏光フィルタリング膜のシート、すなわち偏光子の間に挟まれる。各偏光子は、電場が軸と平行に振動する光だけを透過させる固有の軸を有し、他のすべての光を吸収する。2つの偏光子を、それらの軸が交差する状態、すなわち90度回転した状態に配置することによって、光は透過しなくなる。長鎖液晶分子が、交差した偏光子の間に並べられると、第1偏光子を透過した偏光は、第2偏光子の透過軸に揃うように回転することができるので、光は透過することができる。液晶分子の回転は、液晶分子が沿って並ぶシート偏光子間に電場を印加することによって引き起こされる。電場が印加されると、シャッタが閉じられて光は遮断される。
液晶ピクセルを透過する光の量は、カラーフィルタリングダイおよび偏光シートの双方での吸収によって制限される。標準ポラロイド膜の整列ペアを通る白色光の透過率は20パーセント未満であり、1つのカラーフィルタの透過率は良くても70パーセントである。単一のカラーピクセルの透過率を組合せると、バックライトからの利用可能な光は12パーセント未満である。この乏しい光透過率が何年にもわたってLCDの市場への受け入れを制限していた。
LCDの明度を増加させるために、より透過率の高い偏光およびカラーフィルタリング膜が当面必要とされている。近年、3M社は、LCDの第1偏光子に代わって使用される、高透過率を有する反射偏光膜を発表した(2003年4月8日付の米国特許第6543153号明細書参照)。この単一の3M膜は、他の明度増強膜(BEF)と組合されると、LCDを透過する光を倍加し、表示がより広い範囲の環境条件において見えるようになる。さらに、3M膜は、バックライトを含む分配膜への後方反射によって、透過されない光をリサイクルする。
3Mによって生産される反射偏光膜は高度に複雑で高価である。3M偏光子は、プラスチックシートに被覆された薄膜の600を超える層の積重ねから成る。被覆されると、膜スタックは、偏光作用をもたらすのに必要な異方性を作り出すために、1以上の方向に伸長される。
表面レリーフ微細構造を構成して、偏光に作用する位相遅延装置を生産することができる。2分の1および4分の1波長板の双方が、表面レリーフ格子を用いて実証されてきた。このような構造体は、現代の複製技術を用いて安価に大量生産することが可能である。薄い金属層が格子線の上に(またはそれらの間の溝に)のみ選択的に堆積されると、偏光素子は、表面レリーフ格子から製造することが可能である。このような装置はワイヤグリッド偏光子として知られる。ワイヤグリッド偏光子は赤外光を偏光するために通常使用されるが、可視光に対して使用されることは容認されていなかった。なぜなら、金属線による吸収損失があり、また、ディスプレイ適用などにおいて大きくなり得る領域上にパターン化された、通常60〜75ナノメータ(nm)のオーダーの、極めて小さい格子線幅を生み出すことが必要だからである。ワイヤグリッド偏光子は、投影システムにおいて使用されるミクロディスプレイとの使用を見出すであろう。
光学波長フィルタとして機能し得る、当該技術において知られている、2タイプの表面レリーフ微細構造がある。第1のタイプは、文献において「アズテック(Aztec)」構造と呼ばれており、Cowanによって米国特許第4839250号明細書、米国特許第4874213号明細書および米国特許第4888260号明細書に開示され、詳細に記載されている。アズテック表面構造は階段状ピラミッドに似ており、各段の高さは、反射してコヒーレントに加わる光の波長の2分の1に対応する。アズテック構造は広い波長の光源からの狭い範囲の波長を反射する。アズテック構造は、一般に偏光に対してほとんど影響せず、実際、米国特許第6707518号明細書および米国特許第6791757号明細書において考察されるように、偏光不感応であるように特に設計されることが多い。
表面レリーフ微細構造から光学フィルタ機能を発揮するための第2の技術は、表面構造の導波路効果を活用することである。ここで、アズテック構造またはホールもしくはポストなどの単純な構造のアレイが、導波路共振器を作り出すために、高い屈折率の領域に組み込まれ得る。このような3次元または2次元構造フィルタは、光通信および光コンピューティングとの関連で、最近の文献においてかなり注目を浴びてきており、それらは「光バンドギャップ」装置として知られる。フィルタとして2次元および3次元導波モード導波路共振器を使用することは、当該技術においてあまりよく知られていないが、文献には記載されている。(Magnussonの米国特許第5216680号明細書、米国特許第5598300号明細書および米国特許第6154480号明細書参照。)また、S. PengおよびG. M. Morrisの「2次元格子の共振散乱」(1996年5月、J . Opt. Soc. Am. A.、第13巻第5号p.993)、R. MagnussonおよびS. S. Wangの「光学フィルタの新原則」(1992年8月、Appl. Phys. Lett.、第61巻第9号p.1022参照。)
共振効果を発揮するために、導波モード表面構造フィルタは、照明光に使用される光の波長より小さい寸法(高さ、幅および間隔)の構造から構成される。構造体は、周囲の媒体よりも高い密度の材料から成るため、導波路は、伝播方向に直交した方向に作られる。照明光の波長の範囲は制限され、構造体の面において短距離で放射状に伝播し、反射を受ける。面において外側へ放射状に進行する波は、制限されたビームのみが面から漏出するのを許容する構造体から反射された波に干渉し、入射方向の反対側方向に伝播する。アレイにおける構造の大きさ、形状および構成が、フィルタ帯域幅、フィルタ通過帯域プロフィールおよび中心波長を決定する。
導波路共振構造体は、反射において作用するフィルタを容易に生成する。透過フィルタを提供するために、導波路共振構造体は、標準的なファブリ・ペロー(Fabry-Perot)空洞共振器配置内の高反射性の広帯域ミラー構造体間に配設される。この概念は、狭い線幅、長いコヒーレンス長をもたらす、レーザ空洞共振器内への固体エタロンの配設、すなわち当該技術において知られているような、「単一周波数」作動、に直接類似している。薄膜透過フィルタは、非吸収誘電物質の積重ねを用いる、ファブリ・ペロー空洞を作り出す。空洞共振が、長手方向に伝播する光のために得られる。一方、構造導波路共振フィルタが、長手方向および横断方向の双方に共振を作り出すために構成されて、狭帯域透過を達成するのに必要とされる層の数を効果的に減少させる。導波路共振透過フィルタは、Magnussonによって米国特許第5598300号明細書において開示されており、全構造導波路共振透過フィルタ設計は、参照文献のHobbsによって示されている(Hobbs, D.
S.、「赤外線透過材料上に造設された表面構造に基づくレーザ線遮断または透過フィルタ」、2005年3月、Proceedings SPIE、第5786巻、Window and Dome Technologies and Materials IX)。
S.、「赤外線透過材料上に造設された表面構造に基づくレーザ線遮断または透過フィルタ」、2005年3月、Proceedings SPIE、第5786巻、Window and Dome Technologies and Materials IX)。
表面構造導波路フィルタの構造が高度の円対称性を有する場合、構造導波路内を伝播する光は、全方向において同じ反射に遭遇して、照明光の偏光状態には関係なく、導波路から反射出射する。この偏光非依存性は、HobbsおよびCowanによって米国特許第6707518号明細書、米国特許第6791757号明細書および米国特許第6870624号明細書に開示されている装置の主な態様の1つである。
偏光に作用する表面構造導波路フィルタは、したがって、1次元アレイの線(格子)または2次元アレイの長方形形状などの非対称構造を用いて構成することが可能である。Magnussonは、米国特許第5598300号明細書において、開示される導波路共振フィルタを偏光フィルタ、および非Brewster角偏光レーザミラーとして使用することができると主張している。Magnussonは、表面構造導波路フィルタがどのように偏光に作用し得るのか、または、そのようなフィルタが広いスペクトル成分を含む非偏光源の偏光子としてどのように機能し得るのか、を教示していない。
発明の要約
以下の明細書において、偏光表面構造導波路フィルタを開示する。フィルタは、ある波長範囲について、特定の偏光状態を透過させ、直交する偏光状態を反射するように機能する。この効果は、線のアレイなどの非対称性構造から成る表面構造導波路によってもたらされる。構造導波路の構造は、格子線に平行な偏光の波長に、および格子線と垂直方向の偏光の別の波長に共振する。個々の構造が長方形などの非対称であるか、一方向におけるアレイの構造間隔が直交方向の構造間隔とは異なる、2次元アレイの構造によって、同じ効果がもたらされる。照明源がレーザまたは発光ダイオード(LED)光源と同様に狭い範囲の波長を含む場合、レーザまたはLED波長に適合する偏光を透過させるか反射するように、偏光表面構造導波路フィルタを構成することが可能である。ランダムに偏光された広帯域光源によって照明される同フィルタは、直交状態で偏光された2つの狭帯域スペクトル域を反射するか透過させる。多波長帯域に同時に機能する非対称表面構造導波路フィルタを設計することによって、液晶ディスプレイを照明するのに使用される標準的な蛍光ランプおよびLED光源の不連続なスペクトル成分を偏光することが可能な偏光多帯域フィルタを実現することができる。本発明の装置は、表面レリーフ微細構造光学位相差板および導波路共振フィルタで見出された単純で安価な製造の利点と、延伸誘電体膜スタックで見出された低損失大面積偏光機能とを組合せている。
以下の明細書において、偏光表面構造導波路フィルタを開示する。フィルタは、ある波長範囲について、特定の偏光状態を透過させ、直交する偏光状態を反射するように機能する。この効果は、線のアレイなどの非対称性構造から成る表面構造導波路によってもたらされる。構造導波路の構造は、格子線に平行な偏光の波長に、および格子線と垂直方向の偏光の別の波長に共振する。個々の構造が長方形などの非対称であるか、一方向におけるアレイの構造間隔が直交方向の構造間隔とは異なる、2次元アレイの構造によって、同じ効果がもたらされる。照明源がレーザまたは発光ダイオード(LED)光源と同様に狭い範囲の波長を含む場合、レーザまたはLED波長に適合する偏光を透過させるか反射するように、偏光表面構造導波路フィルタを構成することが可能である。ランダムに偏光された広帯域光源によって照明される同フィルタは、直交状態で偏光された2つの狭帯域スペクトル域を反射するか透過させる。多波長帯域に同時に機能する非対称表面構造導波路フィルタを設計することによって、液晶ディスプレイを照明するのに使用される標準的な蛍光ランプおよびLED光源の不連続なスペクトル成分を偏光することが可能な偏光多帯域フィルタを実現することができる。本発明の装置は、表面レリーフ微細構造光学位相差板および導波路共振フィルタで見出された単純で安価な製造の利点と、延伸誘電体膜スタックで見出された低損失大面積偏光機能とを組合せている。
多帯域適合フィルタ装置は、照明光の入射角度に特に敏感である。構造導波路配置に応じて、照明角の範囲を設計軸から数度も下げることができる。広角拡散の照明すなわち光錐を必要とする用途に対して、透過フィルタはより良い選択である。構造化されているか均一である高反射層の間に構造導波路層が位置する場合に、導波路共振表面構造透過フィルタが作り出され、ファブリ・ペロー空洞をもたらす。高反射構造体および/または均一導波路層によって形成される空洞内で共振する光だけが透過する。非対称構造体が導波路を形成していると、波長の狭い範囲内のS−偏光だけが共振状態を満たし、透過する。空洞内で共振しない波長のS−偏光は、照明ビーム方向の反対方向に後方反射される。P−偏光については、空洞共振器は作り出されず、広帯域P−偏光が透過する。波長の狭い範囲内のP−偏光について、表面構造導波路内の共振がもたらされ、これらの波長はS−偏光反射ビーム上に重なって後方反射される。微細構造または微細構造配置によって設定される空洞共振器のいずれでも共振しない照明光は、波長の広い範囲で偏光されている。したがって、特定の照明源のスペクトル成分に適合する共振帯域を有する偏光カラーフィルタをもたらす前述の偏光適合阻止フィルタとは対照的に、透過フィルタの設計は、照明源によって放射されない光の波長に共振帯域を配置することを必要とする。微細構造に基づいて広帯域反射偏光子を作り出す結果として、微細構造で共振する光の帯域幅を最小限に抑えること、および広帯域偏光機能だけを残して共振を効果的に抑制または最小化するという導波路の欠点を導入することさえも所望される。微細構造の導波路層間でのコヒーレンスを最小限に抑えることで、3次元構造を、3つの軸すべてで異なる平均屈折率を有するバルク材料として考えることができる。微細構造導波路の性質は、非常に少数の層が、多数の層および小さい屈折率で造設される装置と同等の機能を実行することを可能にする、大きな屈折率変化をもたらす。
非吸収広帯域微細構造反射偏光子の広い用途が、LCDを照明するために使用されるバックライトにおいて見出される。前述のように、LCDは、1つの偏光状態の光すべてを選択的に吸収する吸収偏光子を採用する。吸収偏光子を、所望されない偏光状態を光源に後方反射し、偏光変換を受けて透過光として再利用する効果的な偏光子に置換えることによって、微細構造に基づく非吸収反射偏光子は、LCD明度に顕著な増加をもたらす。微細構造は、DBEF製品を有する3M社によって現在排他的に享受される10億ドルの反射偏光子市場に、効果的に参加することができる偏光膜などの低コスト大量生産を可能にする。
本発明の1つの態様は、広帯域光源内に含まれる光波長の狭い範囲を同時にフィルタ処理し偏光する導波モード共振表面構造光学フィルタを含む。表面構造偏光フィルタは、従来の偏光装置およびカラーフィルタにおいて見られるような吸収による損失のない、高性能反射または透過偏光を提供する。低コスト製造は、偏光フィルタを含む表面レリーフ構造の複製によっても可能である。
本発明の別の態様は、入射光の広いスペクトルからの光の波長の1つ以上の不連続の帯域の偏光を反射するか透過させるための、複数の導波モード表面構造を有する偏光光学フィルタアレイに向けられる。表面構造フィルタは予め定めた領域に制限され、各領域は予め定めた距離によって空間的に分離されており、領域は2次元アレイにおいて繰返されている。アレイにおける各フィルタ領域すなわち「ウィンドウ」は、異なる波長の光を偏光し、反射するか透過させるために構成される。たとえば、偏光された赤色(R)、緑色(G)および青色(B)の光を透過させるそれぞれ3つのフィルタウィンドウの繰返し群から成るアレイは、ほとんどの液晶ディスプレイにおいて使用されるものと同様のRGBカラーフィルタアレイを形成する。このような偏光RGBフィルタアレイは、現代のLCDにおいて使用される標準的な吸収ダイカラーフィルタアレイおよび反射偏光膜の双方に取って代わる。偏光透過フィルタアレイの代わりの実施形態は、ほとんどのデジタルカメラシステムにおいて使用される、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)すなわちCMYカラースキームをもたらすために、偏光RGB光を反射する。偏光フィルタアレイの別の代わりの実施形態は、暗視用途用のカラーおよび偏光識別画像センサをもたらすための、赤外光の広いスペクトルからの波長の狭い領域内の偏光を反射する。
本発明の別の態様は、入射光の広いスペクトルからの光の波長の1つ以上の不連続の帯域の偏光を反射するか透過させるための1つ以上の導波モード表面構造を有する偏光光学フィルタに向けられる。表面構造は、照明広帯域光が伝播するにつれて各フィルタに順次遭遇するように配置すなわち積重ねられる。スタック中の各フィルタは、照明源のスペクトル成分に適合する、波長の狭帯域を偏光し、反射するか透過させるように設計される。スタック中の各フィルタは、少なくとも照明光源と同じ大きさの領域を被覆する。たとえば、それぞれ赤色(R)、緑色(G)および青色(B)の光を偏光して反射するか透過させる3つの偏光表面構造フィルタは、RGBカラーフィルタシートを形成するように層状にされており、RGBフィルタは、ほとんどの液晶ディスプレイにおいて使用される光源のスペクトル成分に適合するように設定される。このような偏光フィルタシートは、前述の3M社の反射偏光子膜に対する低コストの競争相手となるだろう。
本発明の別の態様は、広いスペクトルの入射光からの2つ以上の光の波長の不連続な帯域における偏光を、同時に反射するか透過させる単一の導波モード表面構造を有する偏光光学フィルタに向けられる。本実施形態において、導波モードフィルタを形成する構造の寸法は、2つ以上の共振波長を支持するように調整される。通常、2〜5個の不連続の波長帯域が、単一の表面レリーフ構造から偏光されて、反射されるか透過することができる。照明光源のスペクトル分布を表面構造フィルタの共振に適合させることによって、一般に液晶ディスプレイに採用される光源に対して機能し得る高効率偏光子が提供される。同じように、ロケット噴出またはジェットエンジンの赤外光シグネチャ、またはレーザ通信システムなどによって不連続の波長および/もしくは不連続の偏光状態にて情報を伝達する意図的にコード化された光源などの、注目するターゲットのシグネチャに適合する特定のスペクトル分布を反射するか透過させるように、偏光表面構造フィルタを構成することが可能である。
これらの態様は、通常、導波モード表面構造フィルタを設けることによって達成され、かかるフィルタは、線、または基板の表面にわたって繰り返される楕円形または長方形のポストまたはホールなどの、予め定められた種々の形状の誘電体から形成されて、格子または矩形もしくは直角三角形のアレイなどの予め定めた非対称パターンに配置される、線または楕円または長方形ポストまたはホールなどの種々の予め定めた形状の誘電体の形状を成す導波モード表面構造フィルタを提供することによって、達成される。ここで使用される用語「体」は、空気または他のいくつかの誘電物質で満たされる「ホール」を含むことに留意されたい。
別の用途において、反射偏光表面構造光学フィルタはレーザ空洞共振器ミラーとして使用され、透過フィルタはレイジング媒体のフェーセット上に造設される。両フィルタは、レーザ光の狭帯域反射と組合されて、ポンプ光照明の高い透過率という特別な利点を提供する。さらに、高出力レーザで使用される多層薄膜フィルタで通常見られる熱レンズ問題および熱損傷を低下させるために、レイジング媒体そのものからフィルタを構成することが可能である。
別の用途において、偏光および非偏光構造の双方を含む表面構造フィルタを提供することができる。情報は、予め定めた波長および偏光状態にコード化されたフィルタを通過する広帯域の光線に載せて、伝達される。予め定めた多波長帯域を利用することが可能である。
さらに別の用途において、レーザ通信システムにおいて信号識別を強化するために、偏光表面構造フィルタを提供することができる。振幅変調情報は、レーザ光源の1つ以上の偏光状態にコード化される。たとえば、地球と火星との間の自由空間レーザ通信システムは、長時間の通信をサポートするために、偏光および偏光狭帯域フィルタを採用する。なぜなら、地球に対する火星の相対的な軌道は、太陽からの背景光の増加をもたらすからである。
本発明は、電磁波をフィルタ処理し偏光する装置を特徴とし、装置は、フィルタ処理された電磁波の波長よりも小さい物理的寸法である少なくとも1つの誘電体を含む表面レリーフ構造を有する第1基板を有し、このような構造は、第1基板の表面の少なくとも一部を被覆する1次元または2次元アレイにおいて繰返され、基板の表面レリーフ構造は、導波モード共振フィルタを形成するのに充分な材料から成るか材料に埋没し、誘電体は、基板を含む面に平行な面において観察されるのと同等でない寸法で構成され、すなわち、2次元アレイの1方向における誘電体の繰返し周期が直交方向の繰返し周期とは等しくない。
表面レリーフ構造の寸法は、電磁波の2つ以上の波長帯をフィルタ処理および偏光するように調整することが可能である。フィルタ処理された電磁波の波長帯は、冷陰極蛍光ランプの波長分布と、またはLED光源の波長分布と対応可能である。表面テクスチャの個々の誘電体は、基板表面上のアレイにおいて繰返される線であってもよい。個々の誘導体は円錐形、楕円形、正方形、長方形、正弦波形、六角形または八角形の断面プロフィールを有する。表面テクスチャの個々の誘電体は、基板表面上のアレイにおいて繰返される長方形または楕円形のポストまたはホールであってもよい。個々の誘導体は円錐形、楕円形、正方形、長方形、正弦波形、六角形または八角形の断面プロフィールを有する。
本装置はそのような表面レリーフ構造を含む1つ以上の基板をさらに有し、各基板上の表面レリーフ構造は、照明電磁波からの異なる波長帯をフィルタ処理および偏光するように構成され、基板は、照明電磁波が各基板によって順番にフィルタ処理されるように重ねられる。代わりに、装置は、そのような表面レリーフ構造を含む各基板上に局在領域をさらに有し、各局在領域内の表面レリーフ構造は、照明電磁波からの異なる波長帯をフィルタ処理および偏光するように構成され、局在領域は、照明電磁波の異なる領域が異なる局在領域によって同時に平行にフィルタ処理されるように、基板を被覆するアレイにおいて繰返される。
特徴はまた、光源、光源からの1つの偏光状態の光を選択的に透過させて、直交する偏光状態の光を反射する反射偏光子、および反射偏光子を透過する光を受ける液晶モジュールであって、前述の偏光アレイを含む液晶モジュールを含む、LCDディスプレイである。前述の装置を含むレーザ空洞共振器ミラーも特徴とされる。さらに、本発明は、光学コード化装置を特徴とし、光源、および光源からの光を受けて、少なくとも1つの波長の1つの偏光状態を有する光を反射し、少なくとも他の1つの波長の直交する偏光状態を有する光を透過させる、前述の装置、を含む。
本発明の別の態様は、偏光カラーフィルタを特徴とし、別々のピクセルアレイを有し、各ピクセルは、可視光スペクトルの異なる狭い部分をそれぞれ透過させる複数の別々のカラーフィルタウィンドウを含み、各ウィンドウは前述の装置を含む。さらに別の態様は、第1屈折率の材料の均一層によって定義される導波路、および第2屈折率の材料で製造される表面レリーフ構造、を有する前述の装置を含む偏光フィルタを意図し、ここで、第1屈折率は第2屈折率よりも実質的に大きい。
本発明のこれらの利点は以下の明細書および特許請求の範囲から、より明らかとなるであろう。
本発明の前述の、ならびに他の目的、特徴および利点は、異なる図面を通して同じ参照符合が同じ部分を示す添付図面によって説明される、本発明の好ましい実施形態のより特定された以下の記載から明らかになるであろう。図面は、本発明の原理を説明するものであり、必ずしも拡大縮小、強調をするのもではない。
発明の詳細な説明
図1は、特定の波長範囲の光を反射することができる表面構造偏光光学フィルタ10の断面斜視図を、ならびに広スペクトルからの、ランダム偏光光線20が垂直入射にて装置を貫く、特定の電場方位24Pおよび24S、すなわち偏光状態を示す。透過光線22は、反射光24Pおよび24Sに直交する電場方位で伝播する波長26Pおよび26Sを除けば、入射ビーム20と同じランダム偏光広スペクトル光を含む。識別語「S」および「P」は、以下の記載すべてにおいて、直交する電場方位を示し、Sは電場が表面構造の長手に平行して振動し、Pは電場が直交方向に、すなわち表面構造の長手に垂直に振動するという意味で使用されることに留意されたい。
図1は、特定の波長範囲の光を反射することができる表面構造偏光光学フィルタ10の断面斜視図を、ならびに広スペクトルからの、ランダム偏光光線20が垂直入射にて装置を貫く、特定の電場方位24Pおよび24S、すなわち偏光状態を示す。透過光線22は、反射光24Pおよび24Sに直交する電場方位で伝播する波長26Pおよび26Sを除けば、入射ビーム20と同じランダム偏光広スペクトル光を含む。識別語「S」および「P」は、以下の記載すべてにおいて、直交する電場方位を示し、Sは電場が表面構造の長手に平行して振動し、Pは電場が直交方向に、すなわち表面構造の長手に垂直に振動するという意味で使用されることに留意されたい。
偏光表面構造光学フィルタ10は、光学屈折率n2のプラットホームすなわち基板12上に造設される。フィルタは、屈折率n3の均一材料層14、および屈折率n4の材料から製造される、通常は長方形断面プロフィールの線のアレイとして構成される表面レリーフ構造16から成る。線16間の空間は、屈折率n1の材料で満たされる。線16は、周期的な間隔、すなわちΛのピッチをもって、基板12上の均一材料層14の表面にわたるアレイにおいて繰り返される。線16のアレイは、格子として当該技術において知られる。光学フィルタとして機能するために、格子のピッチは、フィルタ処理される光の波長よりも短くなければならない。このような格子は、当該技術において「サブ波長」と呼ばれる。さらに、偏光フィルタ10は、導波路を形成する材料で製作されなければならない。これは、材料層の屈折率がn2<n3>n1、およびn3≧n4であることを必要とする。
偏光表面構造光学フィルタ設計10の性能は、厳密なベクトル回折計算を用いてシミュレートされる。ソフトウェアシミュレーションは、多重構造均一材料から成るユーザ定義の3次元表面テクスチャを通る広域スペクトル光のスペクトル反射率および透過率を予測する。計算は、任意の偏光状態および光入射角から成る。材料のライブラリの光学定数についての測定データが含まれる。図2は、図1に示される偏光フィルタ設計の予測性能のプロットを示す。モデルは、材料層14についてn3=2.1の五酸化タンタル(Ta2O5)、格子線16についてn4=1.62の感光性ポリマ、n2=1.48のガラス基板、およびn1=1の空気環境を採用した。格子ピッチΛは550nmに設定され、格子線の幅および高さはそれぞれ275nmおよび90nmに設定された。Ta2O5層14の厚みは150nmに設定された。広帯域光線20がフィルタ構造面に垂直に入射すると、モデルは、850nmの波長のP−偏光が光線24Pとして反射され、925nmの波長のS−偏光が光線24Sとして反射されるということを予測する。透過広帯域光線22は、波長850nmおよび925nmのS偏光およびP偏光スペクトル成分26Pおよび26Sをそれぞれ含む。装置10は、波長および偏光フィルタとして機能する。図2は、偏光機能の潜在効率が100%に迫る、すなわち、光線20内に含まれる、850nmの波長のP−偏光の100%が反射されるということを表している。光線20が偏光されていないと、装置10は850nmの光の50%を反射してP偏光状態にし、850nmの光の50%を透過させてS偏光状態にする。925nmの波長では、光の半分は反射されてS偏光状態になり、他方半分は透過してP偏光状態になる。
図1の偏光フィルタ設計のプロトタイプが、偏光効果を実証するために製作された。Ta2O5の150nm層で被覆されたガラス基板が、フォトレジストとして知られる、80nmの厚い層の感光性ポリマで被覆された。フォトレジストは、干渉リソグラフィ技術を用いて530nmのピッチの格子パターンで露光された。標準的な湿式現像プロセスの後、フォトレジスト層は線のアレイから成る表面構造を含んだ。製作された構造体の正面図および断面図を、図3の走査型電子顕微鏡(SEM)画像に示す。基板12、均一材料層14および格子線16が顕微鏡写真において示されている。
図4は、図3に示される偏光フィルタプロトタイプの測定反射率のプロットである。2つの曲線が示されており、破線は、垂直入射でのS偏光広帯域光で照明されたときの装置からの反射率を示し、実線は、垂直入射でのP偏光広帯域光で照明されたときの装置からの反射率を示す。測定は、ファイバ結合光源およびアルミニウムミラー基準の格子ベースのスペクトロメータを用いてなされた。偏光効率は、双方の偏光波長帯域で約80%であり、帯域分離は75nmである。偏光フィルタ帯域の形、位置および分離は、図2の計算によって予測されたものと厳密に一致する。
図5は、図1の設計に厳密に一致する格子構造によって製作された偏光フィルタプロトタイプの測定反射率のプロットである。図4と同様に、2つの曲線が示されており、破線は、垂直入射でのS偏光広帯域光で照明されたときの装置からの反射率を示し、実線は、垂直入射でのP偏光広帯域光で照明されたときの装置からの反射率を示す。スペクトロメータの測定結果は、925nmに中心があるS−偏光について102%の偏光効率を、860nmに中心があるP−偏光について約95%の効率を示す。(効率測定結果のエラーは、白色光源を偏光するのに使用された従来の吸収型偏光子の透過の変動による。)偏光フィルタ帯域の形、位置および分離は、図2の計算によって予測されたものとよく一致し、偏光効率は高く、フィルタ材料からの分散またはフィルタ材料による吸収に起因する光損失が最小限であると示している。
LCDにおいて使用される、カラーフィルタアレイおよび反射偏光子などの多くの用途にとって、光源のスペクトル成分に適合するために、より広い波長帯域のフィルタ応答をもたらすことが所望される。さらに、より少ない材料層で偏光フィルタ機能を生み出すことは、有力な反射偏光子技術に必要とされる何百もの材料層と関連するコストと比較して、顕著に削減された製造コストをもたらす。図6は、540nmに中心がある緑色の光、つまり、LCDにおいて使用される冷陰極蛍光ランプ(CCFL)および発光ダイオード(LED)によって放射される一般的な波長、に対して機能するように設計された、偏光フィルタ構造30を示す。装置30は、基板12によって支持され、表面レリーフ構造36を含む単一材料層34から成る。このような構造は、従来の、大量生産の、ロールツーロール複製方法を用いて、可撓性のプラスチック基板上に容易に製作することが可能である。装置10のように、偏光フィルタとして機能するために、装置30はn1<n3>n2の関係に適合する材料から構成され、表面レリーフ構造36のピッチΛはフィルタ処理される光の波長より短くあるべきで、表面レリーフ構造36は偏光効果を生み出すために非対称の程度を高くして構成されなければならない。
図7は、図6の偏光フィルタ設計からの予測反射率を示す。上述のプロットおよび以下に続く全プロットのように、2つの曲線が示されており、破線は、垂直入射でのS偏光広帯域光で照明されたときの図6のモデルからの予測反射率を示し、実線は、垂直入射でのP偏光広帯域光で照明されたときの図6のモデルからの予測反射率を示す。モデルは、複合の材料および構造層34および36について、Ta2O5(n3=2.1)、n2=1.48のガラス基板、およびn1=1の空気環境を採用している。格子ピッチΛは350nmに設定され、格子線36の幅および高さはそれぞれ175nm(ピッチの半分、すなわち50%のデューティサイクル)および75nmに設定された。Ta2O5層34の厚みは75nmに設定された。広帯域光線20がフィルタ構造面に垂直に入射すると、モデルは、585nmの波長のS−偏光が光線24Sとして反射され、540nmの波長のP−偏光が光線24Pとして反射されるということを予測する。透過広帯域光線22は、波長585nmおよび540nmのS偏光およびP偏光スペクトル成分26Pおよび26Sをそれぞれ含む。
装置30は、半値全幅(FWHM)点にて測定された15〜20nm幅であり、45nmで分離される、2つの波長帯域に効果的な偏光子として機能する。偏光帯域の中心波長は、格子線のピッチによって主に決定される。図8は、双方ともがCCFLによって放射される標準的な波長である、青色の430nmに、および赤色の610nmに、偏光フィルタ帯域を中央化させるように格子ピッチを変化させる予測効果を示す。4つの曲線が示されており、赤色フィルタモデル用の2つは、格子ピッチが400nmに設定され、青色フィルタモデル用の2つは、格子ピッチが250nmに設定された。その他のすべての装置パラメータは、図6のモデルのように設定された。モデル結果は、固定セットの材料から成る1タイプの構造が、ほとんどのLCDおよびデジタルカメラで使用されるカラーフィルタアレイに特有である、赤色、緑色および青色の偏光フィルタ帯域を作り出すために使用することが可能であるということを示している。その後、ピクセルで構成されたマスター構造をもたらすことができ、ピクセルアレイは、それぞれが異なる格子ピッチを含む3つのサブ領域によって構成される。マスターアレイは、標準的なドットマトリックス干渉リソグラフィ手段を用いて製作することが可能である。何十万ものピクセルを含む偏光カラーフィルタアレイは、標準的なロールツーロール複製技術を用いて可撓性のプラスチックシート上に一度に複製することが可能である。
図9は、赤色R、緑色Gおよび青色Bに対応する、可視光スペクトルの狭い部分を透過させる3つのカラーフィルタウィンドウの1組をそれぞれが含む、1024列C1〜C1024および768行R1〜R768の画素(ピクセル)121で構成される、標準的なカラーフィルタアレイ120の平面図を表す。アレイ120は、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータモニタ、およびテレビなどに使用される、フラットパネルLCDの標準的な要素である。
図10は、日本の大日本印刷株式会社によって生産される吸収性ダイカラーフィルタ材料を通して、近赤外光(380〜780nmの範囲の波長)で見える既報の透過を示す。ほとんどのLCDカラーフィルタアレイに使用される、赤色(点線)、緑色(実線)および青色(破線)材料の透過に対応する、3つの曲線が示される。3つの材料はそれぞれ、通過帯域の外側の波長の光を強く吸収すると同時に、波長の狭帯域を最小限の吸収だけをともなって透過させるダイを含む硬化ポリマの均一層から成る。各ダイの通過帯域は、LCDに使用される標準的なCCFLランプのスペクトル分布に適合するように、ピーク透過に最適化される。本発明の目的は、アレイ120において一般的に採用される吸収性ダイフィルタを、狭い範囲の波長を透過させるか反射し、反射を通じて、カラーフィルタ帯域の外側の波長すべてを再利用する、非吸収偏光カラーフィルタと、置き換えることである。
発明装置の用途をさらに図解するために、標準的な背面照明型LCDの断面を示す略図を図11に示す。LCDは、液晶モジュール100、光成形、分布および偏光膜130ならびに光源140から成る。光源140は、CCFLランプ146(または代わりに、LEDのアレイ)および光反射拡散面144と結合している導光体142を含む。非偏光122は、符号142と符号144との組合せによって発散し、ディスプレイ領域を覆い、液晶モジュール100に向かって伝播する。モジュール100に達する前に、広い範囲の角度で放射される非偏光122は、その照明の角拡散を削減して狭い錐の光124を発生させるように機能する、光コリメーティング膜134および133に遭遇する。膜134および133は、交差配置される三角断面格子132として通常形成される。別の設計は、マイクロレンズのアレイを利用する。これらの光コリメーティングまたはプリズム膜は、当該技術において輝度上昇膜すなわちBEFとしばしば呼ばれる。
照明光124は、直線偏光状態の光128を選択的に透過させ、直交偏光状態の光126を反射する反射偏光子136に遭遇するとき、非偏光である。液晶モジュール100の透過軸にそって偏光されない光の吸収を除去すること(前記参照)、ならびに反射光126が符号133,134,142および144からの多重反射の後、偏光128に変換されて最終的に透過すること(当該技術において光再利用として知られる操作)、によって、反射偏光子136は、モジュール100を透過する光を増加させるように機能する。反射偏光子136の機能は、照明光の色への依存性をほとんど有さず、軸および30度までの軸外の入射光に効果的に作用するべきである。前述のように、3M社は有力な反射偏光子膜をLCD市場に供給している。3Mの膜はDBEFとして知られる。本発明のさらなる目的は、低コストで大量生産することができる微細構造に基づく、別の、非吸収、光再利用、広帯域偏光膜を提供することである。
次に、偏光128は、基板106および液晶材料114で構成される液晶モジュール100へ入射する。偏光128は、従来の吸収偏光層103の透過軸に整列された偏光軸に整列される。次に、光128は、前述のように、電気信号の印加を可能にするために、個々のトランジスタに連結される透明伝導膜116を含むウィンドウアレイを伝播する。層118は、電気信号によって変更することができる、基底状態の液晶分子を整列させるように機能する。光128は、層114および118を通過後、不連続の、赤色108、緑色110および青色112フィルタウィンドウを含むカラーフィルタアレイ120に入射する。スペクトル成分を変化させた偏光は、アレイ120を透過し、透明導電層105および上側の基板106を伝播する。印加される電気信号に応じて、カラーフィルタアレイ120を透過する光は、吸収偏光子層104の透過軸または消光軸のいずれかに沿って偏光される。層104の透過軸と平行に偏光された光は、反射防止層102を透過し、そこで観察することが可能である。
本発明のさらなる目的は、透明導電層105、外部偏光子104および潜在的に配向層118の機能をも提供する材料から製作することが可能である、微細構造の偏光アレイに基づく改良カラーフィルタアレイ120を提供することである。
本発明のさらなる目的は、低コストで大量生産することができ、吸収偏光子103の除去を可能にするのに充分な偏光効率をも提供することができる微細構造に基づく、別の、非吸収、光再利用、広帯域偏光膜136を提供することである。
本発明の特定の目的は、LCDとともに使用される照明源に機能し得る偏光フィルタを提供することである。図12aおよび12bは、LCDを照明するのに一般的に採用される2つの光源のスペクトル分布を示す。図12aは、610nm、540nmおよび430nmの3つの狭帯域輝線を示すCCFLバックライトの出力のプロットである。蛍光体輝線のスペクトル幅は、青色および赤色の線については3nm未満のFWHMで、緑色の線については約10nmのFWHMである。図12bは、630nm、535nmおよび465nmに中心がある3つのLED源を用いて構成されたバックライトのスペクトル分布の混合プロットである。各LEDのスペクトル幅は25〜40nmのFWHMである。
白色光源から赤色偏光を抽出するように設計された様々なプロトタイプの製作において実行するために、図6の偏光カラーフィルタ用の設計に変更された。Ta2O5の150nm層で被覆されたガラス基板が、フォトレジストの385nmの厚さの層で被覆された。フォトレジストは、干渉リソグラフィ技術を用いて405nmのピッチの格子パターンで露光された。標準的な湿式現像プロセスの後、フォトレジスト層は線のアレイから成る表面構造を含んだ。その後、フォトレジスト層は、反応性イオンエッチングすなわちRIEとして知られるドライエッチング技術を用いて下方のTa2O5の層をエッチングするための、犠牲マスクとして採用された。RIE後であって残余フォトレジストマスク層の除去前の、製作された構造の正面図および断面図を、図13aのSEM画像に示す。基板12、均一材料層34および格子線36が顕微鏡写真において示される。図13bは、残余フォトレジストマスク材料が除去されたということ以外、図13aのプロトタイプに類似した方法で製作された偏光カラーフィルタのプロトタイプを示す。
図14aは、図13aに示される偏光フィルタのプロトタイプの測定反射率のプロットである。2つの曲線が示されており、破線は、垂直入射でのS偏光広帯域光で照明されたときの装置からの反射率を示し、実線は、垂直入射でのP偏光広帯域光で照明されたときの装置からの反射率を示す。測定は、ファイバ結合光源およびアルミニウムミラーを基準とする格子ベースのスペクトロメータを用いてなされた。偏光効率は、一般的なヘリウムネオンガスレーザの放射に対応する波長である、633nmに中心があるP−偏光について90%を超える。100%の偏光効率が、675nmに中心があるS−偏光について観察される。両帯域での偏光消光比すなわち対比は、200:1を大幅に上回り、記録された実測値は測定システムによって限定される。図14aのプロトタイプは効果的なレーザ空洞共振器ミラーを作るので、レーザ周波数を安定化させ、標準的なブルースターウィンドウの必要性を削減するのに機能し得る、偏光フィードバックを提供する。
図14bは、図13bのプロトタイプの偏光効率を示す。このプロトタイプにおいて、帯域幅は顕著に広がり、帯域は、CCFL源からの赤色放射に適合する610nmに中心がある。帯域の外側の反射は最小限であること、すなわち、青色および緑色の光の透過率が高いことに、留意されたい。このようなフィルタは、CMYカラースキームのシアンに対応する。
図15は、微細構造に基づく偏光カラーフィルタアレイ120をもたらすために採用することができる単純な製造方法を説明する。アレイの1つのピクセル121は、赤色、緑色および青色の反射(すなわち、シアン、マゼンタ、イエロー透過)に対応する、3つのサブピクセルウィンドウから成ることが示される。構造体の断面150が示されており、屈折率n1の環境に囲まれる、屈折率n3の材料層は、屈折率n2の基板によって支持され、nl<n3>n2である。フィルタの設計は図6のモデルに従い、構造層は、構造体の深さが材料層の厚みの半分未満であるように、均一材料層内に製作される。屈折率n3の材料層は、1.7〜1.9の範囲の屈折率n3の高温ポリマ樹脂から成り得る。基板は、ディスプレイ膜(n3=1.6)に共通の選択である、ポリエチレンまたはPETシートプラスチック膜を備える、1.4〜1.65の範囲の屈折率のガラスまたはプラスチックであり得る。システム160は、符号120および150に示されるパターンを高い屈折率の材料に施すように機能する突起162を含むドラムローラ164を採用する、単一のパス複製プロセスにおいて、カラーフィルタアレイの連続パターニングをもたらすために使用することができる。代わりに、高い屈折率材料は、一般に紫外線から青色のスペクトル域の光を放射する光源146に露光することによって材料の硬化を可能にする光開始剤を含んでもよい。
多くのLCD用途において、偏光フィルタは、照明源によって放射される5つもの不連続な波長帯域に対して機能しなければならない。発明装置の構造の改良を通して、偏光フィルタは同時に多くの波長帯域に機能するように製造されることが可能である。図16は、青色および緑色の光双方を同時に反射および偏光するように設計された偏光光学フィルタ装置40を示す。正弦プロフィール線から成る表面レリーフ格子構造46は、基板12によって支持される材料層44の表面に組込まれる。ここでも、材料の屈折率は、導波路共振効果をもたらすのに必要な状態、n1<n3>n2に設定される。格子構造46の深さおよびピッチならびに均一層44の厚みは、複数の共振帯域に順応するように調整される。図6の設計のような共振波長の約4分の1から共振波長の約4分の3にまで層44および格子46の厚みを増加させることによって、2つの偏光フィルタ帯域をもたらすことができる。
図17は、ガラス基板12(n2=1.48)、およびn1=1の空気に囲まれる硫化亜鉛の構造層44,46(n3=2.4)によって構成される装置40を通る透過率の計算結果を示す。均一ZnS層44の厚みは180nmに設定され、格子の深さは195nmに設定され、格子ピッチは253nmに設定されている。図9の実曲線は、広域スペクトル光線20から反射されるP偏光が、図16の符号24Pおよび25Pによってそれぞれ示される、540nmおよび440nmに中心がある2つの波長を有することを示す。図8の26Sおよび27Sによって示されるS偏光だけが、波長540nmおよび440nmにて透過する。図17の破曲線は、広域スペクトル光線20から反射されるS偏光が、図16の符号24Sおよび25Sによってそれぞれ示される、550nmおよび450nmに中心がある2つの波長を有することを示す。図16の26Pおよび27Pによって示されるP偏光だけが、波長550nmおよび450nmにて透過する。550,540,450および440nmの波長に中心がある偏光フィルタ帯域は、図17の網掛け領域によって強調されており、図においてG2、G1、B2およびB1として指定される。
均一材料層の厚みをさらに共振波長の4分の1増加させることによって、第3の偏光フィルタ帯域をもたらすことができる。図18は、装置40と同じ材料で設計された偏光フィルタ装置50を示すが、長方形プロフィールの線、および厚みが240nmに増した層54を有する、表面レリーフ構造56を含む。格子線の幅は、本例については、280nmに設定されている格子ピッチのわずか40%に狭められる。
図19は、装置50を通る透過率の計算結果を示す。図19の実曲線は、広域スペクトル光線20から反射されるP偏光が、図10の符号23P、24Pおよび25Pによってそれぞれ示される、595nm、490nmおよび425nmに中心がある3つの波長を有することを示す。図18の28S、26Sおよび27Sによって示されるS偏光だけが、波長595nm、490nmおよび425nmにて透過する。図19の破曲線は、広域スペクトル光線20から反射されるS偏光が、図18の符号23S、24Sおよび25Sによってそれぞれ示される、610nm、520nmおよび430nmに中心がある3つの波長を有することを示す。図18の26Pおよび27Pによって示されるP偏光だけが、波長610nm、520nmおよび430nmにて透過する。610nm、595nm、520nm、495nm、440nmおよび430nmの波長に中心がある偏光フィルタ帯域は、図19の網掛け領域によって強調されており、図においてR2、R1、G2、G1、B2およびB1として指定される。
図20に、近赤外光に機能するように設計された、トリプルノッチ、非偏光導波路共振フィルタの測定反射率データを示す。フィルタは、ガラス基板に堆積するZnS層を用いて製作された。メサ構造(亀甲模様)の円状対称アレイが、約半分の共振波長の厚みを有するZnS層内に製作された。データは、ほとんどの光源のスペクトル放射を、同等の性能を有する多層薄膜と比較しても薄い単純な構造に適合させるように、導波路共振フィルタを設計および製作することが可能であることを示す。
図21は、CCFLバックライトからの不連続の放射帯域を偏光させるように設計された偏光光学フィルタ装置60を示す。3つの非偏光波長帯域72,74,76は、垂直入射にて装置60を照明する。本実施形態において、正弦プロフィールおよび線間隔Λである格子線から成る表面レリーフ構造68は、基板12の表面に製作される。これは、構造をプラスチック基板にエンボス加工するか、構造を、基板上に被覆されるポリマ層に複製することによって達成することができ、両技術は、図15に示すものと類似する、低コスト大容量のロールツーロール複製プロセスを用いて実行される。その後、基板12の表面構造68は、層64の上面に表面構造66として表面構造68を複製する材料層64によってさらに被覆される。ここでも、材料の屈折率はn1<n3>n2に設定され、空気はn1=1、ZnSはn3=2.4、およびガラスはn2=1.48である。格子構造66,68の深さおよびピッチ、ならびに均一層64の厚みは、CCFL輝線に適合する3つの共振帯域をもたらすように調整される。モデルとしたパターンピッチは230nmで、格子の深さは80nmで、層64の厚みは335nmである。
図22は、可視スペクトルのS偏光(破曲線)およびP(実曲線)偏光の双方で照明されたときの偏光フィルタ60の予測透過率を示す。4つの偏光帯域は、615nm、545nm、480nmおよび430nmの波長に中心があると予測され、R、G、B2およびBと標示した、重なる灰色の帯域によって強調される。これらの帯域のうち、S偏光は、図21の72S、74Sおよび76Sによって示されるように、光源に戻る方向に反射される。図21の符号72P、74Pおよび76Pによって示されるように、P偏光だけが、それらの波長にて透過する。CCFL光源からのスペクトル放射もまた、図に重ねられている。540nmのスペクトル線が装置60によって適切に偏光されるだけであることに留意されたい。層64の厚みとともに、格子66、68のピッチ、線幅、および深さを調整することによって、435nmおよび610nmにてCCFLスペクトル線を効果的に偏光し得る。
図23は、偏光フィルタ構造の別の実施形態の、俯瞰、正面および断面図を示す。2つのタイプの構造が示されており、前述の実施形態で見られる線構造アレイが、長方形または正方形構造の2次元配列によって置き換えられている。図の左半分に、長方形のアレイが示されており、アレイ中の長方形の間隔は両方向ともに等しい。偏光効果を達成するのに必要とされる非対称の長方形構造は、断面図に示される、線対間隔の比、またはデューティサイクルの顕著な差異として見ることができる。方向1への偏光は、異なる共振状態に遭遇し、直交方向への偏光とは異なる波長にて反射する。このような長方形アレイは、従来の二光束干渉リソグラフィ技術を用いて製作することができ、2つの格子パターン露光は、フォトレジスト層が、1つの露光においてより広い特徴をもたらすように、露光間で90度回転して、露光エネルギを変化させて行われる。
図23の右半分は、2次元偏光フィルタアレイの別の実施形態を示す。この場合、均一構造層は1つの導波路構造に組合される。所望の非対称性は、直交方向に構造体のピッチを変化させることによって、対称性特徴を用いてもたらされる。これはまた、直交方向への偏光に比べて、一方向への偏光が異なる共振状態を与える。2次元アレイは、フィルタ帯域位置にわたるさらなる制御を可能にする、パターン対称性を変化させるために、付加パラメータの利点を提供する。
他の多くのタイプの非対称構造が、偏光フィルタを生産するのに適している。垂直またはテーパ側壁を有する錐体またはホールおよび楕円形基部などの構造を用いることができる。正方格子上の楕円ホールアレイは、直角三角形配置に三光束干渉リソグラフィを用いて容易にもたらされる。
前述の実施形態の1つの態様は、広いスペクトル成分の光によって照明されると、偏光帯域が反射ビームにおいて単離されるということである。透過中、偏光帯域は非偏光広帯域ビームに重なる。そのような装置は、当該技術において阻止フィルタとして知られる。いくつかのカラーフィルタアレイの適用において、透過ビームの波長帯域を偏光および単離し、他のすべての波長を反射することが所望される。これらの装置は、当該技術において透過フィルタとして知られる。一般に、透過フィルタは大角度の入射光に対して大きな耐性を有し、LCDの場合、非フィルタ処理光および非偏光は、偏光フィルタによって反射されると、バックライトコリメーティング(図11の符号130,140)および分配膜において再利用することが可能である。この再利用は、より多くの光がLCDを通過することを可能にするので、より明るいディスプレイを生み出す。
偏光表面構造透過フィルタは、非偏光を再利用するのに設計することが可能である。図24は、CCFLバックライトから放射された青色および緑色の光を、同時に偏光するために設計された偏光光学透過フィルタ90を示す。前述の実施形態のように、装置は、基板12上に造設された材料層の表面構造から成り、材料はn1<n3>n2の関係に従う。装置90において、均一層94が基板12の上に堆積され、長方形プロフィールの線のアレイから成る構造層95が、n2に類似の屈折率の材料で、材料層94の上に造設される。その後、構造層95は、屈折率n3の別の材料層によってさらに被覆され、表面構造95は表面構造96として複製される。この配置において、構造導波路層は、1つが構造層96で1つが均一層94である、高反射層間に位置し、ファブリ・ペロー空洞を作り出す。構造および均一導波路層94,95によって形成された空洞内で共振する光だけが透過する。導波路を形成する非対称構造では、波長の狭い範囲内のS−偏光だけが共振状態を満たし、透過する。空洞内で共振しない波長のS−偏光は、図に示されるビーム92S内に反射される。P−偏光の空洞共振器は作られておらず、広帯域P−偏光はビーム92Pとして透過する。波長の狭い範囲内のP−偏光について、均一導波路94内で共振がもたらされ、これらの波長はS−偏光反射ビーム92Sと重なって後方反射される。
図24の設計によって、微細構造または微細構造配置によって配置される空洞共振器のいずれでも共振しない光は、波長の広い範囲で偏光される。したがって、特定の照明源のスペクトル成分に適合する共振帯域を有する偏光カラーフィルタをもたらす前述のすべての実施形態とは対照的に、図24の設計は、照明源によって放射されない光の波長に共振帯域を配置することを必要とする。微細構造に基づいて広帯域反射偏光子を作り出す結果として、微細構造で共振する光の帯域幅を最小限に抑えること、および広帯域偏光機能だけを残して共振を効果的に抑制または最小化するという導波路の欠点を導入することさえも所望される。微細構造の導波路層間のコヒーレンスを最小限に抑えることで、3次元構造を、3つの軸すべてにおいて異なる平均屈折率を有するバルク材料として考えることができる。微細構造導波路の性質は、非常に少数の層が、多数の層および小さい屈折率変化で造設される装置と同等の機能を実行することを可能にする、大きな屈折率変化をもたらす。
図25は、垂直入射にて装置90に入射するS(破線)およびP(実線)偏光について、装置90を通る予測透過率を示す。シミュレーションは、基板12の屈折率n2をガラスの1.5に等しくし、均一導波路層94の屈折率をZnSの2.4に等しくし、厚みを280nmに設定した。構造層95の屈折率n3は1.5に設定され、全厚みが110nmであり、そのうち80nmは長方形断面格子によって調節される。ZnSは、厚み80nmの被覆材料96の屈折率としても設定され、空気が、光が装置に入射する前に伝播する媒体として設定された。格子の間隔Λは275nmに設定され、格子のデューティサイクルは50%に設定された。400nm〜800nmにわたる波長を含む広帯域白色光92は、垂直入射にて装置に入射する。
前述のように、モデルによって予測される透過光の性質は、SおよびP偏光について顕著に異なる。S偏光については、2つの狭い波長帯域が透過するが、P偏光については、少しの狭い波長帯域が反射されるだけで、予測透過率は広帯域にわたって高い。本実施形態は、前述の実施形態よりもかなり広い波長範囲に及ぶ共振帯域の外側に位置する効果的な偏光帯域を示す。前述の図のように、偏光帯域はG、B2、BおよびB3と標示した灰色のバーによって強調される。ここでもCCFLスペクトルは図25に重ねられている。6つのCCFL輝線のうち4つが装置90によって効果的に偏光されることに留意されたい。
図26は、可撓性のプラスチックシート膜12のロール上で、図24の発明装置を生産するのに採用できる、共通の大量製造方法を説明する略図180を示す。プラスチックシート膜12は、図24の設計基準を満たす、PET、ポリカーボネートまたは他の材料であり、ZnSなどのより高い屈折率の材料の均一層で被覆される。ZnS被覆プラスチックシート膜は、セキュリティホログラムおよびIDカードにおけるその使用によって、種々のソースから購入することが可能である。被覆プラスチックシート膜は、一連の円筒形ローラ186,188および184によって、システム180を通される。ローラ184は、ローラが回転するにつれて、レリーフ構造の繰り返しアレイをプラスチック層の表面にもたらすことができるように成形および配置される、周辺に一連の突起線182を含む。プラスチック層は最初、ローラ184とプラスチックシートとの間に、ホッパ192から液体194として分注され、その後、紫外線185にさらされて(または代わりに熱もしくは電子ビームにさらされて)固化される。ピールローラ186は、ドラムローラ184から硬化プラスチックを解放するように機能する。その後、微細構造シート膜は被覆チャンバ198に導入され、ZnSなどの高い屈折率材料196の別の層が等角に頂部に堆積されて、表面レリーフ格子線間の溝が削り取られる。
図27は、広帯域操作のため、および共振帯域数を削減するために設計された偏光微細構造フィルタ170を表す。モデルは、PET膜をシミュレートするために屈折率n2=1.62の基板12から成り、微細構造格子は、高い屈折率の材料(ZnSをシミュレートするためにn3=2.4である)から成り、PET膜基板の表面に組み込まれ、この微細構造は、320nmの格子周期Λ、60%の格子デューティサイクルおよび85nmの変調度を有する。硬化ポリマまたはエポキシ樹脂をシミュレートするためにn4=1.5に設定された、より低い屈折率の材料175の層は、全厚みが170nmになるまで、等角に構造174の頂部に被覆されて、格子構造174は層175の表面に複製される。2番目に高い屈折率材料(ZnSをシミュレートするためにここでもn3=2.4である)が、空気であるn1=1の外部媒体によって囲まれる格子構造176をもたらすために、等角に85nmの厚みに堆積される。400nm〜800nmにわたる波長を含む広帯域白色光172が、垂直入射にて装置に入射する。
図28は、S偏光(破線)およびP(実線)偏光について、装置170を通る予測透過率を示す。2つの広い偏光帯域が、可視光スペクトルの緑色および赤色の領域において予測され、RおよびGと標示した、重なる灰色の帯域によって強調される。これらの帯域のうち、S偏光は、図27の符号172Sによって示されるように、光源に戻る方向に反射される。図27の符号172Pによって示されるように、P偏光だけが、それらの波長にて透過する。CCFL光源からのスペクトル放射もまた、図に重ねられている。モデルは、装置170が、CCFL源によって放射された緑色および赤色の光を効果的に偏光し、偏光コントラストが、緑色の輝線において90:1を超え、赤色の輝線について100:1を超えるということを示す。偏光帯域の外側の青色の光は、平均約70%が透過し、残りの30%が光源に戻る方向に反射される。構造導波路層の厚みが削減されたことで、S−偏光の共振帯域は除去され、P−偏光の共振帯域は効果的に狭められ抑制されるということに留意されたい。
単純に格子間隔を320nmから260nmの周期に変更するだけで、図28に示される偏光帯域は、図29に示されるように青色および緑色スペクトル域にシフトすると予測される。前述のプロットのように、SおよびP偏光について、装置170を通る予測透過率は、それぞれ破線および実線によって示される。2つの広い偏光帯域および1つのあまり効果的でない偏光帯域は、可視光スペクトルの緑色および青色の領域において予測され、BL、B2およびGと標示した、重なる灰色の帯域によって強調される。これらの帯域のうち、S偏光は、図27の符号172Sによって示されるように、光源に戻る方向に反射される。図27の符号172Pによって示されるように、P偏光だけが、それらの波長にて透過する。CCFL光源からのスペクトル放射もまた、図に重ねられている。モデルは、装置170が、CCFL源によって放射された青色の光のほとんどを効果的に偏光し、偏光コントラストが、90:1を超えるということを示す。
図30aおよび30bは、図27の反射偏光フィルタ設計の製造手段を説明する。プロセスは、ZnS(n3=2.4)およびSiO2(n4=1.5)またはアクリル(n4=1.48)から成る薄膜の3つの積層で被覆される、可撓性のプラスチックシート膜(PET、n2=1.62)のロールから始まる。ZnS層の厚みd1は85nmに設定され、アクリル層の厚みd2は170nmである。膜スタックおよび基板の断面が、被覆膜シートを通る可視帯域光の垂直入射透過率のプロットへの挿入図として示される。SおよびP偏光双方について透過率は一致し、偏光効果を示さないことに留意されたい。
図30bは、図27の格子構造を被覆PET膜に直接エンボス加工するように機能する、ロールツーロール製造システム200を説明する。被覆PET膜は、円筒形ローラ188,186および204によって、システムを通される。ローラ188は、3つの膜層に、押し付けられる表面突起202を生じさせるのに充分な力で、ローラ204に対してPET被覆膜を押圧し、一連の繰り返しの正方形断面の溝が、各膜層およびPET膜の面に複製される。ピールローラ186は、マスタローラ202からエンボス加工された膜を解放するように機能する。
図30bの製造プロセスによって、PET膜に隣接する材料層について、傾斜した溝の側壁および浅くした深さの構造体など、図27の設計からの僅かな変更が予想される。これらの構造の各欠陥は、偏光コントラストを低下させることなくもたらされる狭帯域共振を抑制するように機能するだろう。図31は、傾斜した側壁の溝および同等でない層の厚みを含むように改良された図27の構造を通る可視帯域光の予測透過率を示す。他のすべてのパラメータは、図29のモデルと同じままである。青色のスペクトル域における効果的な偏光帯域幅は、P−偏光について1つの共振を強く抑制して、ほぼ100nmに広がった。偏光帯域は網掛けの灰色領域によって示され、BBと標示される。ここでも、重なるCCFL放射スペクトルは、照明されたすべての青紫色の光の効果的な偏光を実現することが可能であるということを示す。図31のモデルによって予測される性能を明らかにするために、図32は発明構造からの可視光の予測反射率のプロットを示す。このプロットにおいて、破線で表わされるS−偏光は青紫色の波長について強く反射されるが、P−偏光の青紫色の光(実線)はほとんど反射されない。このプロットにおいてはまた、LCD用に使用される標準的な光源の効果的な偏光を実現することが可能であるということを図解するために、共通の青色LEDの放射スペクトルが重ねられている。図32は、図31に示される曲線の逆曲線を示し、発明装置の性質に損失がなく、後方照明LCDの用途に使用されるときに光を再利用できる可能性を裏付けた。
反射偏光子136からの反射の結果としてのLCDバックライトにおける光の再利用の概念は、S状態からP状態へ、またはP状態からS状態への反射偏光状態の交代に依存する。BEF133,134および拡散膜144からの多重反射の後、偏光状態は、反射偏光子136によって反射される状態から反射偏光子136を透過する状態へ変換されるということが予想される。遮断状態から透過状態へ偏光状態を変換するために、少しの反射を必要とするだけの反射光もあれば、何百もの反射を利用して、光がシステム開口およびハウジングとは無関係である可能性を増加させる光もある。反射偏光子装置からの反射光の偏光状態のより迅速な変換を促進するために、位相遅延要素を採用することが可能である。発明装置の格子方向に対して45度回転した異常光屈折率結晶軸によって方向づけられる、一軸結晶4分の1波長位相遅延要素をわずか2つ透過すると、光偏光状態が90度回転し、S偏光をP偏光に、P偏光をS偏光に変換する。本発明の別の目的は、反射偏光子と後方照明LCDの照明源との間に位置する4分の1波長位相遅延要素の取込みによって、開示された反射偏光子装置を通る増大した偏光の透過を提供することである。この目的は、標準的な延伸薄膜4分の1波長プラスチックシートを用いて、またはPETなどの適したプラスチック膜表面にサブ波長周期の、高アスペクト比格子をエンボス加工することによって、達成することが可能である。発明装置170は、好ましい実施形態において使用されるPET基板の背面側に、エンボス加工された4分の1波長遅延構造などを取込む。
ここでも図28,29および31を参照すると、偏光帯域の外側の透過率は高いので、図28の装置の機能は、可視光スペクトル全体を効果的に偏光する広帯域反射偏光子装置をもたらすために、図29または30の装置と直列に組合せることができるということを示唆していることに留意されたい。図28の装置を図29または30の装置と組合せることができる1つの方法は、図30aの膜スタックの両側に被覆されたPET膜をエンボス加工することと、その後、膜の一方側に図28の装置を、および膜の反対側に図29または30の装置を別々に、または同時にエンボス加工することとである。
図33は、膜の両側の、図27に示されるように基板を支持するPET膜を通る可視光の予測透過率を示す。図28および29のモデルがシミュレートされ、図33の結果をもたらした。P−偏光の透過率は実線で表わされ、S−偏光の透過率は破線で表わされる。ここでもCCFL光源のスペクトルが図に含まれる。図は、CCFL源によって放射された光の全スペクトルが発明装置によって偏光され、かなり効果的な偏光が、強い赤色、緑色および青色の輝線についてもたらされるということを示す。これらの効果的な偏光帯域は、図において灰色の領域によって示されており、B1、B2、GおよびRと標示される。スペクトルの青色の領域における透過率の低下が、光損失を示していないことに留意されたい。この領域の透過しない光は、LCD光源に後方反射され、前述のように再利用することができる。
図34はまた、膜の両側の、図27に示されるように基板を支持するPET膜を通る可視光の予測透過率を示す。組合せ構造による共振を抑制する効果を示すために、図30のモデルは図28のモデルと組合されて図34の結果をもたらす。P−偏光の透過率は実線で表わされ、S−偏光の透過率は破線で表わされる。ここでもCCFL光源のスペクトルが図に含まれる。図は、CCFL源によって放射された光の全スペクトルが発明装置によって偏光され、かなり効果的な偏光が、強い赤色、緑色および青色の輝線についてもたらされるということを示す。これらの効果的な偏光帯域は、図において灰色の領域によって示されており、B1、B2、GおよびRと標示される。この設計によって、P−偏光透過率の共振ノッチの幅は、青色の領域において狭められ、抑制された。S−偏光の透過率はまた、共振光による微小ピークを有するだけの、200nmの帯域幅で顕著に低下した。特に、可視光に対する平均の偏光コントラストは80:1を超える。
Claims (15)
- 電磁波をフィルタ処理し偏光する装置であって、
フィルタ処理される電磁波の波長よりも小さい物理的寸法の少なくとも1つの誘電体を含む表面レリーフ構造を有する第1基板であって、かかる構造が、前記第1基板の表面の少なくとも一部を被覆する1次元または2次元アレイにおいて繰返される第1基板を有し、
前記基板の表面レリーフ構造が、導波モード共振フィルタを形成するのに充分な材料から成るか、または該材料に埋設され、
各誘電体が、基板を含む面に平行な面において観察して等しくない寸法の構成であって、または、2次元アレイの1方向における各誘電体の繰返し周期が直交方向の繰返し周期と等しくないことを特徴とする装置。 - 表面レリーフ構造の寸法が、電磁波の2つ以上の波長帯をフィルタ処理および偏光するように調整されることを特徴とする請求項1記載の装置。
- フィルタ処理される電磁波の波長帯が、冷陰極蛍光ランプの波長分布と対応することを特徴とする請求項2記載の装置。
- フィルタ処理される電磁波の波長帯が、LED光源の波長分布と対応することを特徴とする請求項2記載の装置。
- 表面テクスチャの個々の誘電体が、基板表面にわたるアレイにおいて繰返される線であることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 個々の誘導体が円錐形、楕円形、正方形、長方形、正弦波形、六角形または八角形の断面プロフィールを有することを特徴とする請求項5記載の装置。
- 表面テクスチャの個々の誘電体が、基板表面にわたるアレイにおいて繰返される長方形または楕円形のポストまたはホールであることを特徴とする請求項1記載の装置。
- 個々の誘導体が円錐形、楕円形、正方形、長方形、正弦波形、六角形または八角形の断面プロフィールを有することを特徴とする請求項7記載の装置。
- 請求項1記載の表面レリーフ構造を含む基板であって、各基板上の前記表面レリーフ構造が、照明電磁波からの異なる波長帯をフィルタ処理および偏光するように構成される基板を1またはそれ以上をさらに有し、
照明電磁波が各基板によって順番にフィルタ処理されるように前記基板が重ねられることを特徴とする請求項1記載の装置。 - 請求項1記載の表面レリーフ構造を含む各基板上の局在領域であって、各局在領域内の前記表面レリーフ構造が、照明電磁波からの異なる波長帯をフィルタ処理および偏光するように構成される局在領域をさらに有し、
照明電磁波の異なる領域が異なる局在領域によって同時に平行にフィルタ処理されるように、前記局在領域が基板を被覆するアレイにおいて繰返されることを特徴とする請求項1記載の装置。 - 光源、
前記光源からの1つの偏光状態の光を選択的に透過させ、直交偏光状態の光を反射する反射偏光子、および
反射偏光子を透過する光を受ける液晶モジュールであって、請求項1記載の装置を含む偏光アレイを含む液晶モジュール、を含むことを特徴とするLCDディスプレイ。 - 請求項1記載の装置を含むことを特徴とするレーザ空洞共振器ミラー。
- 光源、および
光源からの光を受けて、少なくとも1つの波長の、1つの偏光状態を有する光を反射し、少なくとも他の1つの波長の、直交偏光状態を有する光を透過させる、請求項1記載の装置を含むことを特徴とする光学コード化装置。 - それぞれ別個のピクセルのアレイを有し、各ピクセルが、可視光スペクトルの異なる狭い部分をそれぞれ透過させる複数の別個のカラーフィルタウィンドウを含み、各ウィンドウが請求項1記載の装置を含むことを特徴とする偏光カラーフィルタ。
- 請求項1記載の装置であって、第1屈折率の材料の均一層によって定義される導波路、および第2屈折率の材料で製造される表面レリーフ構造を有する装置を有し、第1屈折率が第2屈折率よりも実質的に大きいことを特徴とする偏光フィルタ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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