JP2012108354A

JP2012108354A - 反射型位相差板

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Publication number: JP2012108354A
Application number: JP2010257728A
Authority: JP
Inventors: Shingo Maruyama; 伸吾丸山; Toshitaka Toda; 敏貴戸田
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-06-07

Abstract

【課題】凹凸構造の高さを低くし、低アスペクトを実現することで、構造性複屈折を用いた光学素子としての反射型位相差板の作製、量産を容易に実現する。
【解決手段】構造性複屈折を利用した光学素子において、異なる屈折率を有する二つの材料の界面に、当該界面と平行な一次元方向に周期的な凹凸構造３０を有し、異なる屈折率を有する材料の一方に透明材料２１を、他方に金属材料２０を用いて、反射型にすることで、電界方向が互いに直交する光の位相差δ［ｒａｄ］を大きくすることができ、これにより低アスペクトを実現することができる。凹凸構造は、正弦波形状の凹凸構造３１や、二次元方向に周期的に配列された凹凸構造３２でもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、周期的な凹凸構造を有する反射型位相差板に関するものである。

従来、光の偏光状態を制御するために、直交する二つの電界方向に対し異なる屈折率を有する異方性材料の複屈折性を利用した位相差板が使用されている。特に直交する電界方向の位相差をπ／４にしたものを１／４波長板或いは１／４ラムダ板、π／２にしたものを１／２波長板或いは１／２ラムダ板と呼び、光学素子（光学部材）として、多く使用される。

近年、微細加工技術の向上により、位相差板として使われる材料に異方性材料だけでなく、異なる屈折率を有する材料を組み合わせて、複屈折性を持つ材料を製造することが可能となっている。
これは、構造性複屈折と呼ばれるもので、異なる屈折率を有する２つの材料の界面で、使用波長以下の凹凸構造を配することにより、構造に対し平行方向と垂直方向での有効屈折率を変化させることで、複屈折性を持つ光学素子を作製することが可能である。（非特許文献１）
非特許文献１よると、単純な構成である屈折率ｎ₁と屈折率ｎ₂の平板を組み合わせた図７のような構成では、平板による凹凸構造３０に対し、電界方向が平行である場合（ＴＥ：Transverse Electric方向）の屈折率ｎ_TE、電界方向が垂直である場合（ＴＭ：Transverse Magnetic方向）の屈折率ｎ_TMは、それぞれ下記（４）式、及び（５）式によって表される。なお、図中の符号２１は透明材料、符号２２は空気、３０は矩形形状の凹凸構造、４０は入射光である。

ここで、ｔ₁、ｔ₂はそれぞれの平板の厚みであり、検討している波長より十分小さいときに成り立つ。この他にも、薄い円筒状のロッドが平行に多数配列する構成も挙げているように平板だけでなく、さまざまな構成で複屈折性を実現できる。

現在、大きな屈折率差ｎ_TE−ｎ_TMを実現するために、前述の平板構成にて、大きな屈折率差を有する２つの材料として、一方には透明樹脂やガラス、石英等の屈折率ｎ₂＝１．５前後の材料を、他方には空気ｎ₁＝１．０を用いることが多い。
特許文献１等では、高いアスペクトを解消するために、波長板を複数重ねることで、高さを半分以下にしている。

特開２００６−２６８００９号公報

BORN AND WOLF "PRINCIPLES OF OPTICS Fourth edition" P705(PERGAMON PRESS)

しかし、これほど大きな屈折率差を持つ材料を使用しても、よく用いられる可視光用の１／２波長板として使用するためにはｔ₁＝ｔ₂＝１５０ｎｍ、高さＨ＝２７００ｎｍ程度と高いアスペクトが必要となり、まだまだ、実際に作製することは困難である。特許文献１等にしても、まだまだアスペクトは高く、作製は困難である。このように、近年の微細加工技術を持ってしても、高いアスペクトの構造を作製するのは困難であり、量産することも難しい。

本発明の目的は、凹凸構造の高さを低くし、低アスペクトを実現することで、構造性複屈折を用いた光学素子としての反射型位相差板の作製、量産を容易に実現することにある。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の本発明は、構造性複屈折を利用した光学素子であって、異なる屈折率を有する二つの材料の界面に、当該界面と平行な一次元方向又は二次元方向に周期的な凹凸構造を有し、前記異なる屈折率を有する材料の一方に透明材料を、他方に金属材料を用いたことを特徴とする反射型位相差板である。
また、請求項２に記載の本発明は、前記透明材料の屈折率をｎ₁、使用する光又は電磁波の最低波長をλとしたとき、前記凹凸構造の周期Ｐが下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の反射型位相差板である。

また、請求項３に記載の本発明は、前記凹凸構造の高さが４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型位相差板である。
また、請求項４に記載の本発明は、前記金属材料の膜厚が３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の反射型位相差板である。

また、請求項５に記載の本発明は、直交する光の位相差δ［ｒａｄ］が下記（２）式を満たし、１／２波長板と同等の性能を持つことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の反射型位相差板である。

また、請求項６に記載の本発明は、直交する光の位相差δ［ｒａｄ］が以下式（３）を満たし、１／４波長板と同等の性能を持つことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の反射型位相差板である。

請求項１に記載の発明によれば、構造性複屈折を利用した光学素子において、異なる屈折率を有する二つの材料の界面に、当該界面と平行な一次元方向又は二次元方向に周期的な凹凸構造を有し、前記異なる屈折率を有する材料の一方に透明材料を、他方に金属材料を用いて、反射型にすることで、電界方向が互いに直交する光の位相差δ［ｒａｄ］を大きくすることが可能である。なお、直交する光の位相差δは下記（６）式で表されるものであり、電界方向が互いに直交する２つの光（ＴＥ、ＴＭ）の光路長の差が一波長分になると、δ＝２πとなる。

本発明の反射型構造性複屈折部材と、従来の透過型構造性複屈折部材を比較する。異なる二つの屈折率を有する材料として、（ａ）透明樹脂（ｎ₂＝１．５）とアルミニウム（Ａｌ）を用いた図１に示す反射型構造性複屈折部材１０、（ｂ）透明樹脂（ｎ₂＝１．５）と空気（ｎ₁＝１．０）を用いた図７に示す透過型構造性複屈折部材、とした場合、凹凸構造の高さＨと電界方向が互いに直交する光の位相差δの関係を図２に示す。形状は一次元の矩形形状をしており、前記凹凸構造の周期Ｐ＝ｔ₁＋ｔ₂＝３００ｎｍであり、ｔ₁＝ｔ₂＝１５０ｎｍで使用波長は５３２ｎｍである。なお、図１中の符号２０は金属材料、符号２１は透明材料、符号３０は矩形形状の凹凸構造、符号４０は入射光である。

図２に示すとおり、凹凸構造の高さＨと位相差δの関係が作るグラフは、本発明の（ａ）反射型構造制服屈折部材１０の方が明らかに傾きが大きく、１／２波長板や、１／４波長板を実現するために必要な位相遅延δ＝π、π／２を実現する凹凸構造の高さＨを低くすることが可能である。
本発明で用いる透明材料としては、空気や透明樹脂、石英など使用波長にとって透明であれば使用可能である。また、金属材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）等、様々な材料が使用可能で、使用波長に対し反射率の高い材料が望ましい。

本発明の、界面と平行な一次元方向又は二次元方向に周期的な凹凸構造は図１に例示した矩形形状の凹凸構造３０だけでなく、図３に示すような正弦波形状の凹凸構造３１や、図６に示すような二次元方向に配列した凹凸構造３２など様々な形状でも効果を発揮する。
当然、透明材料の屈折率や、金属材料、凹凸構造が異なれば、凹凸構造の高さＨに対する位相差δは異なるが、従来の透過型構造性複屈折部材と比較すると格段に凹凸構造の高さＨを低くすることが可能である。

次に、請求項２に記載の発明によれば、前記透明材料の屈折率をｎ₁、使用する光の最低波長をλとしたとき、前記凹凸構造の周期Ｐが（１）式を満たすことにより、回折光の発生を抑えることができる。
次に、請求項３に記載の発明によれば、前記凹凸構造の高さが４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下にすることで、凹凸構造を低アスペクトにでき、作製が容易になる。

次に、請求項４に記載の発明によれば、前記金属材料の膜厚が３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下にすることで、蒸着やスパッタ等の方法により、凹凸構造を有する透明材料に金属材料を容易に付加することが可能である。
次に、請求項５に記載の発明によれば、前記反射型位相差板の直交する光の位相差δ［ｒａｄ］が前記（２）式を満たすことで、従来の１／２波長板と同等の性能を持たせることが可能である。勿論、下記（７）式を満たすときが、１／２波長板として最適な設計となる。

次に、請求項６に記載の発明によれば、前記反射型位相差板の直交する光の位相差δ［ｒａｄ］が前記（３）式を満たすことで、従来の１／４波長板と同等の性能を持たせることが可能である。勿論、下記（８）式を満たすときが、１／４波長板として最適な設計となる。

本発明の反射型位相差板に用いられる反射型構造性複屈折部材（矩形形状）の説明図である。反射型構造制服屈折部材（矩形形状）と透過型構造性複屈折部材（矩形形状）の位相差の比較である。本発明の反射型位相差板に用いられる反射型構造性複屈折部材（正弦波形状）の説明図である。本発明の反射型位相差板の実施例１の波長別位相差を示す図である。本発明の反射型位相差板の実施例２のＴＭ方向断面図である。本発明の反射型位相差板に用いられる反射型構造性複屈折部材（二次元配列）の説明図である。従来の透過型構造性複屈折部材の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図３は、本発明の反射型位相差板の実施例１の構成図である。符号は、前述の図１と同等であるが、凹凸構造が正弦波形状であることから符号を３１とした。この実施例の反射型位相差板（反射型構造性副屈折部材）１０では、透明材料２１として透明樹脂（ｎ₂＝１．５）、金属材料２０としてアルミニウムＡｌを用いており、凹凸構造の周期Ｐ＝２４０ｎｍである。

図４には、実施例１の構成における凹凸構造の高さＨと位相差δの関係の可視光の代表値として、青（４４２ｎｍ）、緑（５３２ｎｍ）、赤（６３３ｎｍ）を用いたシミュレーション結果を示す。シミュレーション方法としてＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法を用いた。
図４からわかるように、位相差δを２πにするには、凹凸構造の高さＨが３００ｎｍあれば十分であることがわかる。実際に使用する位相差板として、δ＝πである１／２波長板や、δ＝π／２である１／４波長板として用いることが多い。

図４より、１／２波長板として用いる場合は、青でＨ＝７０ｎｍ、緑でＨ＝１００ｎｍ、赤でＨ＝１３０ｎｍ程度で、位相差δ＝πを実現することが可能である。

図６は、本発明の反射型位相差板の実施例２を示すＴＭ方向断面図である。実施例２の反射型位相差板１０は透明材料２１の樹脂に正弦波形状の凹凸構造３１を付加した後、金属材料２０として、蒸着によってＡｌ膜を凹凸構造３１に付加し、保護層２３を配したものである。この構成においても、実施例１と同様に反射型位相差板として用いることが可能である。量産することを考慮すると、金属材料を加工する実施例１よりも実施例２の方が、簡単に作製することが可能である。また、保護層２３を配することにより、薄いＡｌ膜を保護することが可能である。

なお、以上に本発明の実施形態および実施例を説明したが、前記実施形態における構成は本発明の一例であり、当該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。また、前述の説明では主に可視光領域の波長の光について述べたが、紫外線や赤外線ほか、電磁波一般に適用することが可能である。

１０・・・反射型構造性複屈折部材（反射型位相差板）
２０・・・金属材料
２１・・・透明材料
２２・・・空気
２３・・・保護層
３０・・・凹凸構造（矩形形状）
３１・・・凹凸構造（正弦波形状）
３２・・・凹凸構造（二次元方向配列）
４０・・・入射光

Claims

構造性複屈折を利用した光学素子であって、異なる屈折率を有する二つの材料の界面に、当該界面と平行な一次元方向又は二次元方向に周期的な凹凸構造を有し、前記異なる屈折率を有する材料の一方に透明材料を、他方に金属材料を用いたことを特徴とする反射型位相差板。
前記透明材料の屈折率をｎ₁、使用する光又は電磁波の最低波長をλとしたとき、前記凹凸構造の周期Ｐが下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の反射型位相差板。
前記凹凸構造の高さが４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型位相差板。
前記金属材料の膜厚が３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の反射型位相差板。
直交する光の位相差δ［ｒａｄ］が下記（２）式を満たし、１／２波長板と同等の性能を持つことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の反射型位相差板。
直交する光の位相差δ［ｒａｄ］が以下式（３）を満たし、１／４波長板と同等の性能を持つことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の反射型位相差板。