JP2014194452A - 光学素子および光学装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のスプリットワイヤ素子では、複数のスプリットワイヤSPWのそれぞれにおいて、y方向に周期Λで間隙が形成されており、この周期Λがレイリー波長(λ/n)以上である。これにより、本発明のスプリットワイヤ素子によれば、y方向に周期構造を有さないストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも光学性能の向上を図ることができる。
【選択図】図9
Description
本実施の形態1における技術的思想は、マクスウェル方程式に記述される電磁波に幅広く適用することができるが、特に、本実施の形態1では、電磁波の一種である光(可視光)を例に挙げて説明する。まず、本実施の形態1における技術的思想を説明する前に、ワイヤグリッド素子について説明し、その後、本実施の形態1における技術的思想について説明する。
図1は、ワイヤグリッド素子の断面を示すTEM像である。図1において、ワイヤグリッド素子は、透光性を有する基板としての石英基板(SiO2)上に、アルミニウム(Al)膜からなる金属ワイヤが形成されていることがわかる。このとき、例えば、図1において、金属ワイヤのピッチ(x方向)は150nm、金属ワイヤの幅は47nm、金属ワイヤの高さは160nmである。以下に、このようなワイヤグリッド素子の模式図を示し、ワイヤグリッド素子が偏光素子として機能することについて説明する。
続いて、ワイヤグリッド素子の設計上の制限について説明する。例えば、ワイヤグリッド素子は、入射される光波との間で共鳴現象あるいは回折現象による相互作用を受ける。このとき、ワイヤグリッド素子の構造周期は、光波の共鳴現象あるいは回折現象と大きな関係がある。そして、光波の共鳴現象あるいは回折現象は、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比に大きな影響を与える。したがって、偏光コントラストの高いワイヤグリッド素子を製造するためには、光波の共鳴現象や回折現象を充分に考慮する必要があり、特に、ワイヤグリッド素子の構造周期は、光波の共鳴現象や回折現象に起因して、大きな制限を受けることになる。以下に、この点について説明することにする。
pr=λ/(ns±sinθx) ・・・(式1)
で与えられる。これは透光性を有する基板内に回折光が発生する条件に一致する。
<本発明者による新規な着目点>
上述したように、ワイヤグリッド素子においては、偏光素子の機能を充分に発揮する観点から、ワイヤグリッド素子の構造周期pは(式2)の制限を受ける。また、加工プロセスの制限を加味すると、現状のワイヤグリッド素子(直線状の金属グレーティング)では、さらなる偏光コントラスト比の向上を図ることが困難であることがわかる。
図8は、本実施の形態1における偏光素子の外観構成を示す斜視図である。図8に示すように、本実施の形態1における偏光素子は、透光性を有する基板1S上に、複数のスプリットワイヤSPWがx方向に配置しており、複数のスプリットワイヤSPWのそれぞれは、y方向に周期的な間隙を有しながら延在していることがわかる。ここで、本明細書では、図8に示すように、y方向に周期的な間隙を有しながら延在している金属ワイヤをスプリットワイヤ(図ではSPWと表記)と呼び、このスプリットワイヤからなる偏光素子をスプリットワイヤ素子(Split Wire Element)と呼ぶことにする。
例えば、電磁波の受信に用いられるアンテナは、一般に複数の金属ワイヤから構成され、その構造は等価回路で表されることがある。一方、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子も金属ワイヤから構成されるため、アンテナと同様に、等価回路で表すことができる。すなわち、本実施の形態1において、入射される入射光は光波であるが、光波は電磁波の一種であることから、電磁波と相互作用をする本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子も等価回路で表すことができると考えられる。以下では、等価回路を使用することにより、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子によれば、偏光コントラスト比を向上できる定性的なメカニズムについて説明することにする。
図13は、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子について、ワイヤの高さと光学性能の関係を示すシミュレーション結果である。比較のため、図13中には間隙が存在しないストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。ここでは、入射光の波長λ=460nm、隣り合うスプリットワイヤのx方向の周期p1=150nm、スプリットワイヤの幅w=50nm、y方向の周期Λ=400nm、間隙s=30nmとする。また、透光性を有する基板の屈折率を1.525とし、スプリットワイヤはアルミニウムから構成されているとしている。
図14は、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子について、y方向の周期Λと偏光コントラスト比の関係を示すシミュレーション結果を示すグラフである。ここでは、入射光の波長λ=460nm、隣り合うスプリットワイヤのx方向の周期p1=150nm、スプリットワイヤの幅w=50nm、スプリットワイヤの高さh=150nm、間隙s=25nmとしている。垂直入射に対応するレイリー共鳴現象が発生する周期prは301nmである。図14に示すように、偏光コントラスト比は、y方向の周期Λの範囲が300〜560nmの範囲において、同じ幅、高さ、ピッチを有するワイヤグリッド素子の値よりも大きくなることがわかる。したがって、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子による偏光コントラスト比の向上効果は、y方向の周期Λがレイリー共鳴現象の生じる周期(Λ=pr)以上で大きくなり、透光性を有する基板の裏面からの回折光が発生する条件(Λ=λ)付近で最大となり、Λ=2×pr程度まで継続することがわかる。
続いて、スプリットワイヤに形成される間隙と光学性能の関係について説明する。上述したように、スプリットワイヤに形成される間隙は、容量素子として機能することから、間隙のサイズによって容量素子の容量値が変わることになり、これによって、Z=R+1/jωCで示されるインピーダンスの値も変化する。この結果、s偏光光の反射や吸収による共鳴現象も、スプリットワイヤに形成される間隙のサイズに依存すると考えられる。以下では、この点について説明することにする。
次に、x方向に隣り合うスプリットワイヤのそれぞれに形成されている間隙のy方向の距離差δの影響に関して説明する。
続いて、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子の波長依存性について説明する。図18は、図9に示す本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子について、可視光の青色波長帯における波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。ここでは、隣り合うスプリットワイヤのx方向の周期p1=150nm、スプリットワイヤの幅w=50nm、スプリットワイヤの高さh=150nm、y方向の周期Λ=400nm、間隙s=25nmとしている。なお、比較のため、図18には、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。
本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子の特徴点は、例えば、図9に示すように、複数のスプリットワイヤSPWのそれぞれにおいて、y方向に周期Λで間隙が形成されている点にある。そして、図14に示すように、この周期Λがレイリー波長以上である点に特徴がある。これにより、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子によれば、y方向に周期構造を有さないストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも光学性能の向上を図ることができる。つまり、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子によれば、ワイヤグリッド素子の限界を超えた偏光コントラスト比を有する偏光素子を実現することができるのである。
本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子は、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について、図面を参照しながら説明する。
まず、図20に示すように、スタンパの型となるマスタ基板Mを形成する。例えば、シリコン(Si)基板などからなるマスタ基板Mを加工することにより、スプリットワイヤの形状に対応する凸部MPを形成する。具体的には、シリコン基板上に、フォトレジスト膜(図示せず)を形成し、露光・現像処理であるフォトリソグラフィ技術を使用することにより、凸部形成領域にのみフォトレジスト膜を残存させる。次に、このフォトレジスト膜をマスクにして、シリコン基板の表面を所定の深さまでエッチングすることにより、凸部MPを形成する。そして、凸部MP上に残存するフォトレジスト膜をアッシング処理などにより除去する。
続いて、上述したスタンパSTを使用したナノインプリント法により、スプリットワイヤ素子を形成する。以下に、この工程について説明する。
続いて、本実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子と、関連技術との相違点を明確化するために、対比することにする。
<実施の形態2における基本思想>
前記実施の形態1で説明したように、使用する光源がレーザやLEDのように波長範囲の狭いものに対して、前記実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子は、優れた偏光コントラスト比を実現することができる。例えば、図18(b)に示すように、入射光の波長が450nmの場合、前記実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子では、約200,000という高い偏光コントラスト比を得ることができる。一方で、前記実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子では、図18(b)に示すように、入射光の波長が480nm以上になると、偏光コントラスト比が、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも低くなる。すなわち、より広い波長範囲において、良好な偏光コントラスト比を実現する必要がある場合においては、前記実施の形態1におけるスプリットワイヤ素子では、充分に対応できず、さらなる改善の余地が存在するのである。
図33は、本実施の形態2におけるスプリットワイヤ素子の構成を示す平面図である。図33に示すように、本実施の形態2におけるスプリットワイヤ素子においては、y方向に周期的に形成された間隙sを有するスプリットワイヤSPW1とスプリットワイヤSPW2に挟まれるように、1本のストレートワイヤSTWが配置されている。このように構成されている本実施の形態2におけるスプリットワイヤ素子において、構造周期は、隣り合うスプリットワイヤSPW1とストレートワイヤSTWの周期p1、y方向の間隙sの周期Λ、x方向において、間隙sを挟むスプリットワイヤSPW1とスプリットワイヤSPW2の周期p3である。
図34は、本実施の形態2におけるスプリットワイヤ素子での青色波長帯における波長依存性を示すシミュレーション結果である。ここでは、隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤのx方向の周期p1=135nm、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの幅w=45nm、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの高さh=130nm、スプリットワイヤにおけるy方向の周期Λ=400nm、間隙s=50nmとしている。比較のため、図34には、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。
続いて、本実施の形態2におけるスプリットワイヤ素子において、斜入射される入射光に対する波長依存性について説明する。ここでは、例えば、入射光の入射角をx方向に20度傾けている場合について説明する(θx=20度)。なお、図35は、x方向に傾いた入射角を説明する図である。本明細書において、x方向に傾いた入射角は、図35に示すように、xz平面において、z軸からの傾き角をθxと定義することにする。
<実施の形態3の基本思想>
本実施の形態3では、液晶プロジェクタへの適用を想定し、波長範囲が400nmから500nmである青色波長帯にわたって優れた偏光コントラスト比を提供することができ、かつ、入射角が20度の範囲まで偏光コントラスト比を維持できるスプリットワイヤ素子について説明する。
図40は、本実施の形態3におけるスプリットワイヤ素子の構成を示す平面図である。図40に示すように、本実施の形態3におけるスプリットワイヤ素子においては、y方向に周期的に形成された間隙sを有するスプリットワイヤSPW1とスプリットワイヤSPW2に挟まれるように、2本のストレートワイヤSTW2およびストレートワイヤSTE3が配置されている。このように構成されている本実施の形態3におけるスプリットワイヤ素子において、構造周期は、隣り合うスプリットワイヤSPW1とストレートワイヤSTW1の周期p1、y方向の間隙sの周期Λ、x方向において、間隙sを挟むストレートワイヤSTW1とストレートワイヤSTW2の周期p3(=2×p1)である。さらに、本実施の形態3では、スプリットワイヤSPW1とスプリットワイヤSPW2のスキップ周期SP(=3×p1)も存在することになる。
図41は、本実施の形態3におけるスプリットワイヤ素子について、青色波長帯での波長依存性を示すシミュレーション結果である。ここでは、垂直入射光に対する結果を示す。隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤのx方向の周期p1=135nm、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの幅w=45nm、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの高さh=130nm、y方向の周期Λ=400nm、間隙s=50nmとしている。比較のため、図41には、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。
続いて、本実施の形態3におけるスプリットワイヤ素子において、斜入射される入射光に対する波長依存性について説明する。ここでは、例えば、入射光の入射角をx方向に20度傾けている場合について説明する(θx=20度)。
y方向に周期的な間隙を形成したスプリットワイヤ間にストレートワイヤを挿入した場合のスプリットワイヤ間のx方向に配置間隔であるスキップ周期に着目すると、隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤ間の周期p1と、挿入されるストレートワイヤの本数nによって、x方向のスキップ周期は(n+1)×p1となる。すなわち、スプリットワイヤ間に挿入されるストレートワイヤの本数が増加すると、スキップ周期が大きくなる。この場合、挿入されるストレートワイヤの本数が増加して、スキップ周期が大きくなると、スキップ周期に応じて基板を透過する回折光が発生する場合がある。
続いて、斜入射による回折光の影響について説明する。図46は、本実施の形態3のスプリットワイヤ素子において、入射角θxと、1次透過回折光を含む透過光の透過率との関係を示すシミュレーション結果である。図46において、Tpはp偏光光の透過率であり、Tsはs偏光光の透過率である。また、Tp(回折)は、p偏光光の1次透過回折光の透過率であり、Ts(回折)は、s偏光光の1次透過回折光の透過率である。なお、図46では、入射光の波長λ=460nmの場合の結果が示されている。
本実施の形態4では、前記実施の形態1〜3におけるスプリットワイヤ素子を適用した光学装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態4では、様々な光学装置のうち、特に、画像投影装置の1つである液晶プロジェクタを例に挙げて説明する。
図47は、本実施の形態4における液晶プロジェクタの光学系を示す模式図である。図47において、本実施の形態4における液晶プロジェクタは、光源LS、導波光学系LGS、ダイクロイックミラーDM(B)、DM(G)、反射ミラーMR1(R)、MR1(B)、MR2(R)、スプリットワイヤ素子SWE1(B)、SWE1(G)、SWE1(R)、SWE2(B)、SWE2(G)、SWE2(R)、液晶パネルLCP(B)、LCP(G)、LCP(R)、投影レンズLENを有している。
本実施の形態4における液晶プロジェクタは、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。まず、図47に示すように、ハロゲンランプなどより構成される光源LSから青色光と緑色光と赤色光を含む白色光が射出される。そして、光源LSから射出された白色光は、導波光学系LGSに入射されることにより、白色光に対して光分布の一様化やコリメートなどが実施される。その後、導波光学系LGSを射出した白色光は、最初にダイクロイックミラーDM(B)に入射する。ダイクロイックミラーDM(B)では、白色光に含まれる青色光だけが反射され、緑色光と赤色光は、ダイクロイックミラーDM(B)を透過する。
DIT 溝部
DM(B) ダイクロイックミラー
DM(G) ダイクロイックミラー
HW1 半値幅
HW2 半値幅
HW3 半値幅
LCP 液晶パネル
LCP(B) 液晶パネル
LCP(G) 液晶パネル
LCP(R) 液晶パネル
LEN 投影レンズ
LGS 導波光学系
LS 光源
M マスタ基板
ML 金属層
MP 凸部
MR1(R) 反射ミラー
MR1(B) 反射ミラー
MR2(R) 反射ミラー
p1 周期
p3 周期
RR レジスト樹脂
Rs 紫外線硬化樹脂
s 間隙
SP スキップ周期
SPW スプリットワイヤ
SPW1 スプリットワイヤ
SPW2 スプリットワイヤ
Ss 支持基板
ST スタンパ
STW ストレートワイヤ
STW1 ストレートワイヤ
STW2 ストレートワイヤ
STW3 ストレートワイヤ
SWE スプリットワイヤ素子
SWE1(B) スプリットワイヤ素子
SWE1(G) スプリットワイヤ素子
SWE1(R) スプリットワイヤ素子
SWE2(B) スプリットワイヤ素子
SWE2(G) スプリットワイヤ素子
SWE2(R) スプリットワイヤ素子
w 幅
w1 幅
w2 幅
WG ワイヤグリッド
Λ 周期
δ 距離差
Claims (15)
- 偏光フィルタとして機能する光学素子であって、
(a)入射される電磁波に対して透光性を有する基板、
(b)前記基板の主面上に形成された複数の金属ワイヤであって、第1方向に第1周期間隔で配置され、かつ、前記第1方向と直交する第2方向にそれぞれ延在する前記複数の金属ワイヤ、
を備え、
前記複数の金属ワイヤのうち、少なくとも一部の金属ワイヤには、前記第2方向に第2周期間隔で複数の間隙が形成されており、
前記電磁波の波長をλとし、前記基板の屈折率をnとした場合、
前記複数の間隙の前記第2周期間隔は、λ/n以上である、光学素子。 - 請求項1に記載の光学素子において、
前記複数の金属ワイヤのそれぞれには、前記第2方向に前記第2周期間隔で前記複数の間隙が形成されている、光学素子。 - 請求項2に記載の光学素子において、
前記複数の金属ワイヤのうち、第1金属ワイヤに形成されている前記複数の間隙の前記第2方向における第1形成位置と、前記第1金属ワイヤと隣り合う第2金属ワイヤに形成されている前記複数の間隙の前記第2方向における第2形成位置は、ずれている、光学素子。 - 請求項3に記載の光学素子において、
前記複数の金属ワイヤのうち、前記第1金属ワイヤとは反対側で前記第2金属ワイヤと隣り合うように第3金属ワイヤが配置されており、
前記第1金属ワイヤに形成されている前記複数の間隙の前記第2方向における前記第1形成位置と、前記第3金属ワイヤに形成されている前記複数の間隙の前記第2方向における第3形成位置は、一致している、光学素子。 - 請求項4に記載の光学素子において、
前記第1金属ワイヤと前記第3金属ワイヤとの前記第1方向における第3周期間隔は、前記第1周期間隔の2倍である、光学素子。 - 請求項5に記載の光学素子において、
前記第3周期間隔は、λ/nよりも大きい、光学素子。 - 請求項1に記載の光学素子において、
前記第2周期間隔をΛとし、前記複数の間隙の前記第2方向の幅をSとした場合、
1%≦S/Λ≦10%の関係を満たす、光学素子。 - 請求項1に記載の光学素子において、
前記複数の間隙が形成されている金属ワイヤをスプリットワイヤとし、
前記複数の間隙が形成されていない金属ワイヤをストレートワイヤとした場合、
第1スプリットワイヤと、前記第1スプリットワイヤと隣り合う第2スプリットワイヤとの間に前記ストレートワイヤが配置されている、光学素子。 - 請求項8に記載の光学素子において、
前記第1スプリットワイヤと前記第2スプリットワイヤとの間には、1本の前記ストレートワイヤが配置されている、光学素子。 - 請求項9に記載の光学素子において、
前記第1スプリットワイヤと前記第2スプリットワイヤとの前記第1方向における第3周期間隔は、前記第1周期間隔の2倍であり、
前記第3周期間隔は、λ/nよりも大きい、光学素子。 - 請求項8に記載の光学素子において、
前記第1スプリットワイヤと前記第2スプリットワイヤとの間には、複数の前記ストレートワイヤが配置されている、光学素子。 - 請求項11に記載の光学素子において、
前記第1スプリットワイヤと隣り合う第1ストレートワイヤと、前記第1ストレートワイヤとは反対側で前記第1スプリットワイヤと隣り合う第2ストレートワイヤとの間の第3周期間隔は、前記第1周期間隔の2倍であり、
前記第3周期間隔は、λ/nよりも大きい、光学素子。 - 請求項11に記載の光学素子において、
前記第1スプリットワイヤと前記第2スプリットワイヤとの前記第1方向におけるスキップ周期間隔は、前記第1周期間隔の10倍以下である、光学素子。 - 請求項1に記載の光学素子において、
前記第1周期間隔は、λ/nよりも小さく、
前記第2周期間隔は、λ/n以上であり、2×λ/n以下である、光学素子。 - (a)光源、
(b)前記光源から射出される光から特定の偏光光を選択透過する第1偏光素子、
(c)前記第1偏光素子から射出された前記偏光光を入射し、前記偏光光の偏光方向を変化させる液晶パネル、
(d)前記液晶パネルを透過することによって偏光方向が変化した前記偏光光を入射する第2偏光素子、
(e)前記第2偏光素子から射出された前記偏光光を入射して画像を投影する投影レンズ、
を備え、
前記第1偏光素子および前記第2偏光素子は、
偏光フィルタとして機能する光学素子であって、
入射される電磁波に対して透光性を有する基板と、
前記基板の主面上に形成された複数の金属ワイヤであって、第1方向に第1周期間隔で配置され、かつ、前記第1方向と直交する第2方向にそれぞれ延在する前記複数の金属ワイヤと、
を有し、
前記複数の金属ワイヤのうち、少なくとも一部の金属ワイヤには、前記第2方向に第2周期間隔で複数の間隙が形成されており、
前記電磁波の波長をλとし、前記基板の屈折率をnとした場合、
前記複数の間隙の前記第2周期間隔は、λ/n以上である、光学装置。
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