JP2013104992A - 偏光素子、偏光素子の製造方法、プロジェクター、液晶装置、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高温での信頼性に優れた偏光素子を提供する。
【解決手段】偏光素子１００は、基板１１と、基板１１上に平面視ストライプ状に設けられた第１のグレーティング１と、基板１１上に平面視ストライプ状に設けられた第２のグレーティング２と、を備えている。第１のグレーティング１は、複数のストライプ状の金属層１２を備え、第２のグレーティング２は、金属層１２の延在方向と平行に延在する複数のストライプ状の吸収層１４を備えており、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含む。さらに、第１のグレーティング１と第２のグレーティング２とは積層体５をなし、金属層１２と吸収層１４との間に、誘電体層１３が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光素子とその製造方法、プロジェクター、液晶装置、電子機器に関するものである。

偏光素子の一種としてワイヤーグリッド偏光素子が知られている。ワイヤーグリッド偏光素子は、透明な基板上に金属からなるグリッドが、用いる光の波長よりも短いピッチで敷き詰められた構成を備えている。ワイヤーグリッド偏光素子は、無機物のみで構成できるため、有機物を用いた偏光板と比較して光照射による劣化が著しく少なく、高輝度化が進む液晶プロジェクターにおいて有効なデバイスとして注目されている。

特開２００５−３７９００号公報 特開２００９−１８６９２９公報

ワイヤーグリッド偏光素子は優れた耐熱性を備えているが、近年の液晶プロジェクターの高輝度化に伴い、さらなる高温での信頼性が求められている。

特許文献１では、基板上に光反射性の高いグレーティング層と、光吸収性の高いグレーティング層とを積層することにより、コントラストが高く、光利用効率に優れた偏光素子を提供できるとしている。しかしながら、特許文献１で開示されている光吸収性薄膜は、タングステン、クロム、モリブデン等の高融点材料ではあるが耐酸化性が低く、３００℃以上の高温環境下では実用上、使用に適さない。

特許文献２では、光吸収性を高めるという観点から、光吸収材料として炭素、炭化物、酸化物、硫化物または窒化物が好ましいとされている。具体的には、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化銅、酸化バナジウム及び酸化クロムを光吸収材料として用いた偏光素子が開示されている。しかしながら、金属酸化物は、高温環境下で最も耐酸化性が高い材料ではあるが、特許文献２の実施例に示された金属酸化物の消衰係数ｋは、可視域で極めて小さく実用に適さない。ここで、消衰係数ｋは複素屈折率Ｎ＝ｎ＋ｉｋの虚部である。また、光吸収材料として酸化物の他に、炭化物、硫化物および窒化物が例示されているが、具体的な組成は開示されておらず、かつそれらの材料の光吸収特性と高温環境下での耐酸化性も不明である。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、高温での信頼性に優れた偏光素子とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の偏光素子は、基板と、前記基板上に平面視ストライプ状に設けられた第１のグレーティングと、前記基板上に平面視ストライプ状に設けられ、前記第１のグレーティングの延在方向に延在する第２のグレーティングと、を備えた偏光素子であって、前記第１のグレーティングは光に対して反射性を示す材料からなり、前記第２のグレーティングは、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。

この構成によれば、第２のグレーティングの耐酸化性が高いため、高温での信頼性に優れ、かつ吸収特性の良い吸収型の偏光素子を実現できる。

また、上記に記載された偏光素子の好ましい態様としては、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとは積層体をなす構成としてもよい。

この構成によれば、第１のグレーティングと第２のグレーティングとを同時にパターニングできるので、製造プロセスが軽減できる。

また、上記に記載された偏光素子の好ましい態様としては、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとの間に、誘電体層が設けられている構成としてもよい。

この構成によれば、第１のグレーティングと第２のグレーティングとの間で、第１のグレーティングの構成元素と第２のグレーティングの構成元素の相互拡散が生じるのを防止することができる。そのため、上記の相互拡散に起因する偏光分離特性の変動を抑えることができる。

また、上記に記載された偏光素子の好ましい態様としては、前記第１のグレーティングのピッチと前記第２のグレーティングのピッチとは、可視光の波長よりも短い構成としてもよい。

この構成によれば、コントラストが高く、光利用効率に優れた偏光素子を実現することができる。

本発明の偏光素子の製造方法は、基板と、前記基板上に平面視ストライプ状に設けられた第１のグレーティングと、前記基板上に平面視ストライプ状に設けられ、前記第１のグレーティングの延在方向に延在する第２のグレーティングと、を備えた偏光素子の製造方法であって、前記第２のグレーティングを窒素雰囲気中で反応生成することを特徴とする。

この製造方法によれば、耐酸化性に優れた第２のグレーティングを容易に形成できる。そのため、高温での信頼性に優れ、かつ吸収特性の良い吸収型の偏光素子を容易に製造することができる。

また、上記に記載された偏光素子の製造方法の好ましい態様としては、前記第２のグレーティングは、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。

この製造方法によれば、耐酸化性がさらに高い偏光素子を製造することができる。

本発明のプロジェクターは、光を射出する照明光学系と、前記光を変調する液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブで変調された光を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、前記液晶ライトバルブと前記照明光学系との間、及び前記液晶ライトバルブと前記投射光学系との間のうち少なくとも一方に、先に記載の偏光素子が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、高温での信頼性に優れた偏光素子を備えるプロジェクターを提供することができる。

本発明の液晶装置は、一対の基板間に液晶層を挟持してなり、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板の前記液晶層側に、先の偏光素子が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、高温での信頼性に優れた偏光素子を備える液晶装置を提供することができる。

本発明の電子機器は、液晶装置を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、高温での信頼性に優れた表示部を具備した電子機器を提供することができる。

第１実施形態の偏光素子の概略図。 第１実施形態における偏光素子の製造方法を示す工程図。 プロジェクターの一実施形態を示す図である。 実施形態に係る偏光素子を備えた液晶装置を示す断面模式図。 実施形態に係る液晶装置を用いた電子機器の一例を示す斜視図。

［第１実施形態］
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る偏光素子及び偏光素子の製造方法について説明する。図１は本実施形態の偏光素子１００の概略図であり、図１（ａ）は部分斜視図、図１（ｂ）は偏光素子１００をＹＺ平面で切った部分断面図である。

なお、以下の説明においてはＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。この際、基板１１の面１１ａと平行な面をＸＹ平面とし、第１のグレーティングが有するストライプ状の金属層１２の延在方向をＸ軸方向とする。複数の金属層１２の並び方向（配列軸）はＹ軸方向である。また、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせている。

（偏光素子）
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、偏光素子１００は、基板１１と、基板１１上に平面視ストライプ状に設けられた第１のグレーティング１と、基板１１上に平面視ストライプ状に設けられた第２のグレーティング２と、を備えている。第１のグレーティング１は、複数のストライプ状の金属層１２を備え、第２のグレーティング２は、金属層１２の延在方向と平行に延在する複数のストライプ状の吸収層１４を備えている。さらに、第１のグレーティング１と第２のグレーティング２とは積層体５をなし、金属層１２と吸収層１４との間に、誘電体層１３が設けられている。

基板１１は透光性を有する材料であればよく、例えば、石英、プラスチック等を用いてもよい。本実施形態では基板１１としてガラス基板を用いている。偏光素子１００の用途によっては、偏光素子１００が蓄熱して高温になる場合があるため、基板１１の材料としては、耐熱性の高いガラスや石英を用いることが好ましい。

金属層１２は、基板１１上で所定の方向に延びる金属細線であり、複数の金属層１２は基板１１上に所定のピッチで互いに平行に配列されている。複数の金属層１２は、可視光の波長よりも短い周期でＹ軸方向に略均等な間隔で設けられている。これにより、第１のグレーティングは可視光に対する偏光素子として機能する。金属層１２の材料としては、可視域において光の反射率が高い材料が用いられる。具体的には、例えばアルミニウム、銀、銅、クロム、チタン、ニッケル、タングステン、鉄などを金属層１２の材料として用いることができる。本実施形態では金属層１２の材料としてアルミニウムを用いている。

誘電体層１３は金属層１２の上に積層され、複数の誘電体層１３は、複数の金属層１２と同様に、基板１１上に所定のピッチで互いに平行に配列されている。誘電体層１３は、第１のグレーティング１と第２のグレーティング２との間に設けられている。誘電体層１３は、後述する吸収層１４と金属層１２との間で、金属層１２の構成元素と吸収層１４の構成元素の相互拡散が生じるのを防止するためのバリア層として機能する。これにより、金属層１２が変質して偏光分離機能が変動するのを防止することができる。

誘電体層１３の材料は、上記のバリア性を有する誘電体材料であれば特に限定されないが、シリコン、アルミニウム、クロム、チタン、ニッケル、タングステンなどの窒化物や酸化物により形成することができる。本実施形態の場合は、誘電体層１３の材料としてシリコン酸化物を用いている。

吸収層１４は、誘電体層１３の上に積層されている。複数の吸収層１４は、複数の金属層１２と同様に、基板１１上に所定のピッチで互いに平行に配列されている。吸収層１４は、金属層１２の延在方向（Ｘ軸方向）に沿って延在している。吸収層１４の材料としては、可視領域において高い光吸収率を有する金属窒化物が用いられる。具体的には、吸収層１４は、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含む。本実施形態では、吸収層１４の材料として、窒化クロムを用いている。

互いに隣り合って配置された２つの金属層１２の間には溝部１５が設けられている。溝部１５は、金属層１２と同様に、可視光の波長よりも短い周期でＹ軸方向に略均等な間隔で設けられている。

本実施形態の偏光素子１００における各部の寸法は例えば以下のように設定することができる。金属層１２の高さＨ１は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、誘電体層１３の金属層１２上における高さＨ２は、１０ｎｍ以下５０ｎｍ以下の範囲である。また、吸収層１４の誘電体１３上における高さＨ３は、１０ｎｍ以下５０ｎｍ以下の範囲である。互いに隣り合って配置された２つの金属層１２同士の間隔Ｓ（溝部１５のＹ軸方向の幅）は、８３ｎｍであり、周期Ｐ（ピッチ）は、１４５ｎｍである。金属層１２、誘電体層１３、吸収層１４の幅Ｌは全て等しく、６２ｎｍである。

以上で説明した本実施形態の偏光素子１００は、金属層１２が、可視域において光反射率の高いアルミニウムにより形成されており、誘電体層１３が、可視域において光透過率の高いシリコン酸化物により形成されている。また、吸収層１４は、可視領域における光の吸収率が高い窒化クロムにより形成されている。かかる構成を備えた本実施形態の偏光素子１００によれば、以下の作用効果を得ることができる。

まず、本実施形態の偏光素子１００は、互いに平行に延在している金属層１２と誘電体層１３と吸収層１４との積層体を備えていることで、図１（ｂ）に示したように、金属層１２の延在方向と直交する方向に振動する直線偏光であるＴＭ波２１を透過させ、金属層１２の延在方向に振動する直線偏光であるＴＥ波２２を吸収させることができる。

より詳しくは、基板１１の吸収層１４（第２のグレーティング２）側から入射したＴＥ波２２は、主に吸収層１４の光吸収作用によって減衰され、場合によっては誘電体層１３によりさらに減衰される。一部のＴＥ波２２は、吸収層１４によって吸収されることなく誘電体層１３に入射するが、誘電体層１３を通過する際に位相差を付与される。誘電体層１３を通過したＴＥ波２２は金属層１２（第１のグレーティング１）で反射される。この反射したＴＥ波２２は、誘電体層１３を通過する際にさらに位相差を付与され、干渉効果により減衰されるともに、残りが吸収層１４で再吸収される。以上のようなＴＥ波２２の減衰効果により、吸収型の所望の偏光分離特性を得ることができる。

このように本実施形態によれば、偏光素子１００は、高温環境下での耐酸化性が高い吸収層１４（第２のグレーティング２）を備えている。そのため、高温での信頼性に優れ、かつ光吸収特性に優れた偏光素子１００を得ることができる。

（偏光素子の製造方法）
次に、本実施形態の偏光素子１００の製造方法について説明する。図２は、第１実施形態における偏光素子１００の製造方法を示す工程図である。本実施形態の偏光素子１００の製造方法は、第２のグレーティング２が備える吸収層１４を窒素雰囲気中で反応生成する工程を含むものである。

以下、図面を参照しながら説明する。まず、図２（ａ）に示した金属層１２、誘電体層１３および吸収層１４を形成する工程では、基板１１の面１１ａの上に金属層１２、誘電体１３、吸収層１４をこの順に形成する。具体的には、基板１１上に、スパッタ法などを用いてアルミニウム膜、シリコン酸化物、窒化クロムをこの順に成膜する。次に、この窒化クロム膜上にレジスト膜を形成する。次いで、レジスト膜を露光・現像することによって、ストライプ状のマスク１６を形成する。

具体的な窒化クロムの成膜条件は、次の通りである。まず、ステンレス製容器内に、金属層１２と誘電体層１３が形成された基板１１を配置する。次いで、窒素ガスとアルゴンガスからなる混合ガスをステンレス製容器内に導入し、ステンレス製容器内の圧力を例えば０．２Ｐａの圧力に制御する。そして、クロムターゲットに対し、例えば５００Ｗの電力（直流電圧）を投入する。これにより、窒素雰囲気中で、３分間で厚さ６０ｎｍの窒化クロム膜を反応生成させることができる。この製造方法によれば、耐酸化性に優れた窒化クロム膜からなる第２のグレーティングを容易に形成できる。

次に、図２（ｂ）に示すドライエッチング工程では、マスク１６を用いて、窒化クロム、シリコン酸化物、アルミニウム膜の順に、基板１１の面１１ａまでエッチングする。その後、マスク１６を除去することにより、図２（ｂ）に示すように、ストライプ状の複数の金属層１２を備えた第１のグレーティング１とストライプ状の複数の吸収層１４を備えた第２のグレーティング２とを含む積層体５が形成される。金属層１２と吸収層１４との間には、誘電体層１３が設けられている。

以上の工程を経ることにより、偏光素子１００を製造することができる。
なお、本実施形態では、クロム窒化物からなる吸収層１４を用いたが、先に挙げたタングステンやタンタルの窒化物からなる吸収層１４を用いてもよい。クロム以外の金属の窒化物を用いる場合にも、上記と同様に反応性スパッタを用いて成膜してもよく、成膜速度という点で反応性スパッタよりも劣るが、金属窒化物のターゲットを用いたＲＦスパッタや、蒸着法を用いてもよい。

［投射型表示装置］
図３は、プロジェクターの一実施形態を示す図である。図３に示すプロジェクター８００は、光源８１０、ダイクロイックミラー８１３、ダイクロイックミラー８１４、反射ミラー８１５、反射ミラー８１６、反射ミラー８１７、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９、射出レンズ８２０、光変調部８２２、光変調部８２３、光変調部８２４、クロスダイクロイックプリズム８２５、投射レンズ８２６、を有している。

光源８１０は、メタルハライド等のランプ８１１とランプの光を反射するリフレクター８１２とからなる。なお、光源８１０としては、メタルハライド以外にも超高圧水銀ランプ、フラッシュ水銀ランプ、高圧水銀ランプ、Ｄｅｅｐ ＵＶランプ、キセノンランプ、キセノンフラッシュランプ等を用いることも可能である。

ダイクロイックミラー８１３は、光源８１０からの白色光に含まれる赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー８１７で反射されて、赤色光用の光変調部８２２に入射される。また、ダイクロイックミラー８１３で反射された青色光と緑色光のうち、緑色光は、ダイクロイックミラー８１４によって反射され、緑色光用の光変調部８２３に入射される。青色光は、ダイクロイックミラー８１４を透過し、長い光路による光損失を防ぐために設けられた入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９及び射出レンズ８２０を含むリレー光学系８２１を介して、青色光用の光変調部８２４に入射される。

光変調部８２２、光変調部８２３、光変調部８２４各々は、液晶ライトバルブ８３０を挟んで両側に、入射側偏光素子８４０と射出側偏光素子部８５０と、が配置されている。入射側偏光素子８４０は、光源８１０から射出された光の光路上の、光源８１０と液晶ライトバルブ８３０との間に設けられている。また、射出側偏光素子部８５０は、液晶ライトバルブ８３０を通過した光の光路上の、液晶ライトバルブ８３０と投射レンズ８２６との間に設けられている。入射側偏光素子８４０と射出側偏光素子部８５０とは、互いの透過軸が直交して（クロスニコル配置）配置されている。

入射側偏光素子８４０は反射型の偏光素子であり、透過軸と直交する振動方向の偏光を反射させる。

一方、射出側偏光素子部８５０は、第１偏光素子（プリポラライザー）８５２と、第２偏光素子８５４と、を有している。第２偏光素子８５４には、上述した第１実施形態の偏光素子が用いられている。第１偏光素子８５２及び第２偏光素子８５４は、いずれも吸収型の偏光素子であり、第１偏光素子８５２と第２偏光素子８５４とが協働して光を吸収している。なお、入射側偏光素子８４０として第１実施形態の偏光素子を用いることもできる。

光変調部８２２により変調された赤色光と、光変調部８２３により変調された緑色光と、光変調部８２４により変調された青色光とは、クロスダイクロイックプリズム８２５に入射する。このクロスダイクロイックプリズム８２５は４つの直角プリズムを貼り合わせたものであり、その界面には赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とがＸ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ８２６によってスクリーン８２７上に投写され、画像が拡大されて表示される。

以上のような構成のプロジェクター８００は、射出側偏光素子部８５０に、上述した実施形態の偏光素子を用いることとしているため、高出力の光源を用いても偏光素子の劣化が抑えられる。そのため、信頼性が高く優れた表示特性を有するプロジェクター８００とすることができる。

［液晶装置］
図４は、本発明に係る偏光素子を備えた液晶装置３００の一例を示した断面模式図である。本実施形態の液晶装置３００は、素子基板３１０，対向基板３２０の間に液晶層３５０が挟持され構成されている。

素子基板３１０は偏光素子３３０を備え、対向基板３２０は偏光素子３４０を備えている。偏光素子３３０及び偏光素子３４０は、前述した第１実施形態の偏光素子である。

偏光素子３３０は基板本体３３１と金属層３３２（第１のグレーティング）及び保護膜３３３を備え、偏光素子３４０は基板本体３４１と金属層３４２（第１のグレーティング）及び保護膜３４３を備えている。ただし、金属層３３２と保護膜３３３との間には、既に説明した誘電体層１３及び吸収層１４（第２のグレーティング）が設けられているが、図４では省略してある。金属層３４２と保護膜３４３との間にも、既に説明した誘電体層１３及び吸収層１４（第２のグレーティング）が設けられているが、図４では省略してある。本実施形態では、基板本体３３１および基板本体３４１は偏光素子の基板であると同時に液晶装置用の基板も兼ねている。また、金属層３３２の延在方向と金属層３４２の延在方向とは、互いに交差している。いずれの偏光素子も、金属層が基板本体の液晶層３５０側に配置されている。

偏光素子３３０の液晶層３５０側には、画素電極３１４や不図示の配線やＴＦＴ素子を備え、配向膜３１６が設けられている。同様に、偏光素子３４０の内面側には、共通電極３２４や配向膜３２６が設けられている。

このような構成の液晶装置においては、基板本体３３１、基板本体３４１が、液晶装置用の基板と、偏光素子用の基板との機能を兼ねることから、部品点数を削減することができる。そのため、装置全体が薄型化でき、液晶装置３００の機能を向上させることができる。さらに、装置構造が簡略化されるので、製造が容易であるとともにコスト削減を図ることができる。

［電子機器］
次に、本発明の電子機器に係る他の実施形態について説明する。図５は、図４に示した液晶装置を用いた電子機器の一例を示す斜視図である。図５に示す携帯電話（電子機器）１３００は、本発明の液晶装置を小サイズの表示部１３０１として備え、複数の操作ボタン１３０２、受話口１３０３、及び送話口１３０４を備えて構成されている。これにより、信頼性に優れ、高品質な表示が可能な表示部を具備した携帯電話１３００を提供することができる。

また、本発明の液晶装置は、上記携帯電話の他にも、電子ブック、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、液晶テレビ、プロジェクター、ビューファインダー型あるいはモニター直視型のビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等々の画像表示手段として好適に用いることができる。

尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

［高耐熱吸収材料の試作および信頼性評価］
発明の効果を確認するため、まず初めに、いろいろな窒化物系材料の高温安定性を評価した。これらは、後述の偏光素子のシミュレーション解析に必要な光学特性である。

（実施例１）
反応性スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ３５．０ｎｍの窒化クロムの薄膜を形成することによって、サンプル２を作成した。サンプル２を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル２の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。屈折率ｎと消衰係数ｋの測定には、エリプソメーター法（Ｊ．Ａ．ウーラム社製 Ｍ−２０００）を使用した。測定波長は５３２ｎｍである。測定結果を表１に示す。

（実施例２）
反応性スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ４８．０ｎｍの窒化タンタルの薄膜を形成することによって、サンプル４を作成した。サンプル４を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル４の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。測定結果を表１に示す。

（実施例３）
反応性スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ５５．０ｎｍの窒化タングステンの薄膜を形成することによって、サンプル６を作成した。サンプル６を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル６の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例１）
反応性スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ３５．４ｎｍの窒化銅の薄膜を形成することによって、サンプル１を作成した。サンプル１を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル１の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例２）
反応性スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ３５．０ｎｍの窒化モリブデンの薄膜を形成することによって、サンプル３を作成した。サンプル３を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル３の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例３）
反応性スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ３３．０ｎｍの窒化チタンの薄膜を形成することによって、サンプル５を作成した。サンプル５を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル５の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例４）
スパッタを用いて、ガラス基板上に厚さ１０．０ｎｍの金属クロムの薄膜を形成することによって、サンプル７を作成した。金属クロムは、特許文献１に記載された高融点材料（融点１８６３℃）である。サンプル７を大気雰囲気中において３００℃で１５０時間加熱する前と後とで、サンプル７の屈折率ｎと消衰係数ｋとを測定した。測定結果を表１に示す。

表１に、各種薄膜の加熱前後における光学特性を示す。窒化物であっても、構成元素によって耐熱性に差が認められた。これらは、次に述べる偏光素子のシミュレーション解析に必要な光学特性である。

［シミュレーション解析による光学特性評価］
第１実施形態に係る偏光素子のシミュレーション解析結果について説明する。

解析においては、本発明の偏光素子を液晶プロジェクターのライトバルブ用の偏光素子として適用することを想定して評価を行った。本発明の偏光素子は、無機材料で形成されており耐熱性が高いことから、前述した高出力の光源を有する液晶プロジェクターの出射偏光板として適用できる。

このような出射偏光板には、ＴＭ光に対しては高い光透過率を有し、ＴＥ光に対しては高い光吸収率と低い光透過率とを有する必要がある。具体的には、ＴＭ光の透過率が８０％より大きく、ＴＥ光の吸収率が８０％より大きく、かつＴＥ光の透過率が０．１％より小さければ高コントラスト比の画像を表示することができる。さらには、ＴＥ光が出射偏光板で反射しライトバルブへ戻ることを防ぐために、ＴＥ光の反射率は低い方が良く、２０％以下であることが望まれる。

そこで、以下の解析においては、大気中で加熱する前後で、ＴＭ光の透過率が８０％より大きく、ＴＥ光の吸収率が８０％より大きく、ＴＥ光の反射率が２０％より小さく、かつＴＥ光の透過率が０．１％より小さいことを信頼性基準として評価を行った。

シミュレーション解析には、Grating Solver Development社製の解析ソフトであるＧＳｏｌｖｅｒを用いて、偏光素子の形状や構成材料の屈折率ｎと消衰係数ｋとをパラメーターとした。

第１実施形態（図１）に係る偏光素子１００は、金属層１２上に誘電体層１３が積層されており、誘電体層１３上に吸収層１４が積層された構造をとっている。そこでシミュレーションでは、基板から金属層１２（アルミニウム）、誘電体層１３（酸化シリコン）、吸収層１４の順で積層されたモデルを用いて数値計算を行った。

（シミュレーション１）
金属層１２としてアルミニウムを用い、誘電体層１３として酸化シリコンを用い、吸収層１４として窒化クロムを用いた。金属層１２の高さＨ１を１５２ｎｍ、金属層１２の幅Ｌを６２ｎｍとし、誘電体層１３の高さＨ２を２５ｎｍ、誘電体層１３の幅Ｌを６２ｎｍとし、吸収層１４の高さＨ３を２０ｎｍ、吸収層１４の幅Ｌを６２ｎｍとし、溝部１５のＹ軸方向の幅Ｓを８３ｎｍ、複数の金属層１２（あるいは誘電体層１３）の周期Ｐを１４５ｎｍとした。アルミニウムの屈折率ｎとアルミニウムの消衰係数ｋと酸化シリコンの屈折率ｎと酸化シリコンの消衰係数ｋとしては、ＧＳｏｌｖｅｒに格納されている各パラメーターを用いた。また、窒化クロムの屈折率ｎ及び窒化クロムの消衰係数ｋとしては、大気雰囲気中で３００℃で１５０時間加熱する前と後それぞれに対して上述したエリプソメーターによって測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として窒化クロムを用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。

表２に、数値計算による３００℃加熱前の偏光素子の偏光特性を、表３に、加熱後の偏光特性を示す。これらは、ＴＭ光及びＴＥ光に対する偏光分離特性のシミュレーション結果を示す表であり、表中、Ｒ_TMはＴＭ光の反射率（％）、Ｔ_TMはＴＭ光の透過率（％）、Ｒ_TEはＴＥ光の反射率（％）、Ｔ_TEはＴＥ光の透過率（％）、Ａ_TEはＴＥ光の光吸収率（１００−Ｔｃ−Ｒｃ（％））である。さらに表４に、加熱前後の特性変化量を示す。

（シミュレーション２）
吸収層１４として窒化タンタルを用いたことと、吸収層１４の厚さを１０ｎｍにしたこと以外は、シミュレーション１と同様である。窒化タンタルの屈折率ｎ及び消衰係数ｋは、上述したエリプソメーターによって３００℃加熱前後それぞれで測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として窒化タンタルを用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。その結果を表２、表３および表４に示す。

（シミュレーション３）
吸収層１４として窒化タングステンを用いたこと以外は、シミュレーション１と同様である。窒化タングステンの屈折率ｎ及び消衰係数ｋは、上述したエリプソメーターによって３００℃加熱前後それぞれで測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として窒化タングステンを用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。その結果を表２、表３および表４に示す。

（シミュレーション４）
比較例として本シミュレーションを行った。吸収層１４として窒化銅を用いたことと、吸収層１４の厚さを３５ｎｍにしたこと以外は、シミュレーション１と同様である。窒化銅の屈折率ｎ及び消衰係数ｋは、上述したエリプソメーターによって３００℃加熱前後それぞれで測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として窒化銅を用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。その結果を表２、表３および表４に示す。

（シミュレーション５）
比較例として本シミュレーションを行った。吸収層１４として窒化モリブデンを用いたことと、吸収層１４の厚さを２５ｎｍにしたこと以外は、シミュレーション１と同様である。窒化モリブデンの屈折率ｎ及び消衰係数ｋは、上述したエリプソメーターによって３００℃加熱前後それぞれで測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として窒化モリブデンを用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。その結果を表２、表３および表４に示す。

（シミュレーション６）
比較例として本シミュレーションを行った。吸収層１４として窒化チタンを用いたことと、吸収層１４の厚さを３０ｎｍにしたこと以外は、シミュレーション１と同様である。窒化チタンの屈折率ｎ及び消衰係数ｋは、上述したエリプソメーターによって３００℃加熱前後それぞれで測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として窒化チタンを用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。その結果を表２、表３および表４に示す。

（シミュレーション７）
比較例として本シミュレーションを行った。吸収層１４として金属クロムを用いたことと、吸収層１４の厚さを１３ｎｍにしたこと以外は、シミュレーション１と同様である。金属クロムの屈折率ｎ及び消衰係数ｋは、上述したエリプソメーターによって３００℃加熱前後それぞれで測定した値を用いた。このようにして、吸収層１４として金属クロムを用いた偏光素子の偏光特性を、３００℃加熱前後それぞれについてシミュレーションした。その結果を表２、表３および表４に示す。

表２、３、４から、大気雰囲気中で３００℃で１５０時間加熱しても、特に、窒化クロム、窒化タングステンおよび窒化タンタルの偏光特性の変化は、高融点材料である金属クロムや窒化銅、窒化モリブデン、窒化チタンの偏光特性の変化に比べ小さく、３００℃大気環境下でも安定した偏光特性を示すことが認められる。この３種類の窒化物は酸化の進行が極めて遅いため、偏光特性の変化が小さいと考えられる。よって、上記窒化物は、高温環境下において、好適な特性を有するものであると認められる。なお、金属クロムと窒化銅は、３００℃加熱前において上記の信頼性基準を満足せず、吸収型偏光素子には適用できないことが分かる。

上記の実施例では、第２のグレーティング（吸収層）が、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうちいずれか一つを含む場合について説明したが、これに限られない。第２のグレーティング（吸収層）は、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち２つ以上の材料を含んでいてもよい。

また、上記の実施例では、基板１１の面１１ａの上に第１のグレーティングを設け、その上層に第２のグレーティングを設けたが、これに限られない。第２のグレーティングの上層に第１のグレーティングを設けてもよい。

また、上記の実施例では、基板１１の面１１ａの上に第１のグレーティングと第２のグレーティングとを設けたが、これに限られない。基板１１の面１１ａの上に第１のグレーティングを設け、基板１１の面１１ａとは反対側の面に第２のグレーティングを設けてもよい。

以上説明したように、第２のグレーティング（吸収層）が、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含むことにより、高温で使用しても偏光特性の劣化が小さく、かつ吸収特性の良い吸収型の偏光素子を実現することができる。

１００，３３０，３４０…偏光素子、１１…基板、１１ａ…面、１２，３３２，３４２…金属層、１３…誘電体層、１４…吸収層、３００…液晶装置、３５０…液晶層、８００…プロジェクター、８３０…液晶ライトバルブ、１３００…携帯電話（電子機器）。

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に平面視ストライプ状に設けられた第１のグレーティングと、
   前記基板上に平面視ストライプ状に設けられ、前記第１のグレーティングの延在方向に延在する第２のグレーティングと、
   を備えた偏光素子であって、
   前記第１のグレーティングは光に対して反射性を示す材料からなり、
   前記第２のグレーティングは、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする偏光素子。
2. 前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとは積層体をなすことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
3. 前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとの間に、誘電体層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の偏光素子。
4. 前記第１のグレーティングのピッチと前記第２のグレーティングのピッチとは、可視光の波長よりも短いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の偏光素子。
5. 基板と、
   前記基板上に平面視ストライプ状に設けられた第１のグレーティングと、
   前記基板上に平面視ストライプ状に設けられ、前記第１のグレーティングの延在方向に延在する第２のグレーティングと、
   を備えた偏光素子の製造方法であって、
   前記第２のグレーティングを窒素雰囲気中で反応生成することを特徴とする偏光素子の製造方法。
6. 前記第２のグレーティングは、窒化クロム、窒化タングステン、窒化タンタルのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項５に記載の偏光素子の製造方法。
7. 光を射出する照明光学系と、前記光を変調する液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブで変調された光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記液晶ライトバルブと前記照明光学系との間、及び前記液晶ライトバルブと前記投射光学系との間のうち少なくとも一方に、請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光素子が設けられていることを特徴とするプロジェクター。
8. 一対の基板間に液晶層を挟持してなり、前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板の前記液晶層側に、請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光素子が設けられていることを特徴とする液晶装置。
9. 請求項８に記載の液晶装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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