JP2015125252A - 偏光板およびそれを用いた液晶プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】
偏光コントラスト比を向上し、Ｓ偏光反射率を低減した偏光板を提供する。
【解決手段】
液晶プロジェクタに好適な偏光板であって、２次元の周期構造パターンを有し、構造周期の少なくとも１つは、基板の屈折率ｎ，入射光の波長λとしたとき、λ／ｎ以上である。そして、膜厚方向に多層構造として、基板と、２次元の周期構造からなる金属パターンと、反射防止構造パターンを備え、前記反射防止構造のパターンの金属は、タングステン、モリブデンを含む金属材料である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶プロジェクタに代表される光学装置に好適な反射防止機能を有する偏光板およびそれを用いた液晶プロジェクタに関する。

非特許文献１および特許文献１（特表２００３−５０８８１３号公報）には、透光性を有する基板上に直線状の金属ワイヤの周期構造を有するワイヤグリッド素子（偏光フィルタ）に関する技術が記載されている。

特許文献２（ＷＯ ２０１２／０５３７５４号公報）には、透明性を有する基板上に形成された直線状の金属ワイヤの周期構造と、その上に形成された光吸収材料（金属酸化物）／金属／光吸収材料（金属酸化物）からなる吸収層を有し、室内照明に代表される外光（環境光）の反射を抑制することにより、液晶ディスプレイに好適なワイヤグリッド素子に関する技術が記載されている。

特許文献３（特開２０１２−２７２２１号公報）には、吸収型偏光板を、基板上に形成された直線状の金属ワイヤの周期構造と、その上に低屈折率材料と高屈折率材料の２層のワイヤ構造を有することにより、Ｓ偏光の反射率を増加させたワイヤグリッド素子に関する技術が記載されている。

特許文献４（特表２０１０−５３０９９５号公報）には、透明性を有する基板上に形成された直線状の金属ワイヤの周期構造と、その上に形成された透明誘電体／光吸収体／透明誘電体からなるワイヤ周期構造を有し、ワイヤ構造側から入射した偏光の反射を選択的に抑制するワイヤグリッド素子に関する技術が記載されている。

特許文献５（特開２０１２−９８４６８号公報）には、透明性を有する基板上に形成された直線状の金属ワイヤの周期構造と、それを覆う透明誘電体と、その上に形成された光吸収体／透明誘電体からなるワイヤ周期構造を有し、ワイヤ構造側から入射した偏光の反射を選択的に抑制するワイヤグリッド素子に関する技術が記載されている。

特表２００３−５０８８１３号公報 ＷＯ ２０１２／０５３７５４号公報 特開２０１２−２７２２１号公報 特表２００３−５３０９９５号公報 特開２０１２−９８４６８号公報

H. Tamada et al.,"Al wire-grid polarizer using the s-polarization resonance effect at the 0.8-μｍ-wavelength band", Optics Letters, Vol.22, No.6, pp.419-421(1997)

光学装置は広く一般に普及しており、例えば、液晶プロジェクタ、液晶ディスプレイ、光ピックアップ、光センサ等には、光を制御する光学素子が多く用いられている。そして、これらの装置の高機能化に伴い、光学素子においても高機能化、高付加価値化、低コスト化が求められている。

液晶プロジェクタおよび液晶ディスプレイでは、透過光の強度を表示画像に合わせて強度変調するために、液晶素子の前後に偏光板が配置される。偏光板としては、有機材料を用いたものの他に、透明性を有する基板上に直線状の金属ワイヤ（主としてアルミニウム）の周期構造を有するワイヤグリッド素子がある。非特許文献１には、ワイヤグリッド素子の定義が次のように記載されている。「A wire grid is a simple one-dimensional metal grating and is quite promising as a microminiaturized polarization component in the field of integrated optics」。すなわち、ワイヤグリッド素子は１次元の金属グレーティングである。ワイヤグリッド素子は、有機材料を用いた偏光板に比較して、無機物で構成されるため、耐熱性および耐光性に優れるという特長をもつ。

本発明ではワイヤグリッド素子に代表される偏光制御素子について、その反射と透過の特性について記述するため、ここで定義を統一する。基板の厚さ方向をｚ軸、基板上にｘ、ｙ軸をとり、基板上に形成された金属ワイヤが延伸する方向をｙ軸、それに垂直な方向をｘ軸とする。このとき、ｘ軸方向に電場の振動方向をもつ偏光をＰ偏光、ｙ軸方向に電場の振動方向をもつ偏光をＳ偏光とする。透過率と反射率に関しては、Ｐ偏光の透過率をＴｐ、反射率をＲｐ、Ｓ偏光の透過率をＴｓ、反射率をＲｓとする。非特許文献１に記載されるように、ワイヤグリッド素子はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離機能を有する。本発明は、液晶プロジェクタに搭載するのに好適な無機偏光板に関するものであり、重要な性能は偏光コントラスト比Ｔｐ／Ｔｓが大きく、不要光を発生するＲｓが小さいことである。

ワイヤグリッド素子を用いた偏光板の高機能化技術として、アルミニウムワイヤの上に、さらに複数の層状構造を形成して、外光やＳ偏光の反射率を制御する等の付加機能を追加したものがあり、代表的なものは特許文献２から５に記載されている。

液晶プロジェクタと液晶ディスプレイでは、偏光板に求められる付加機能が異なる。図２は、液晶プロジェクタと液晶ディスプレイの摸式図である。図２(a)に示す液晶プロジェクタ５０では、液晶パネル５４を挟んで入射側偏光板５５と出射側偏光板５６が配置されている。ここでは、入射側と出射側の偏光板が直行ニコル配置にされているとする。入射側偏光板５５を透過した直線偏光は、液晶パネル５４の画素に印加される電圧によって偏光方向が回転し、出射側偏光板５６で選択された偏光成分だけがスクリーンに到達して強度変調された画像が投影される。このとき、スクリーンが遠方にあるため外光の影響は無視できる。スクリーン上の画像の照度を向上するために、液晶パネルと2枚の偏光板を透過する光の密度は極めて大きくなる。このため、出射側偏光板５６で反射された光（S偏光）は不要光となり、一部が液晶パネル５４を加熱して動作を不安定にしてしまう。この問題を避けるために、液晶プロジェクタ５０に搭載される出射側偏光板５６には、S偏光の反射を抑止する付加機能が求められる。また光の密度が大きいため、偏光板には高い耐熱性と対光性（主として紫外光劣化耐性）が求められる。液晶プロジェクタに搭載するのに好適な偏光板としては、ワイヤグリッド素子のように無機偏光板が良い。

図２(b)に示す液晶ディスプレイ５２においても、液晶パネル５４と２枚の偏光板５５，５６の配置と基本機能は同じである。液晶ディスプレイにおいては、画像の表示部位がディスプレイそのものであるため、液晶プロジェクタに比較して、液晶パネルおよび２枚の偏光板を透過する光の密度が極めて小さい。このため、出射側偏光板５６で反射されたS偏光の影響は小さい。一方で、外光の反射があるとコントラストや色再現性といった表示性能の低下に直接結びつくため、外光の反射低減機能等が求められる。液晶プロジェクタに搭載するのに好適な偏光板としては、大型化が容易でコストメリットの大きい有機物を主体とした偏光板が良い。

本発明では、液晶プロジェクタに搭載するのに好適なS偏光の反射防止機能を有する無機偏光板として、偏光コントラスト比の向上、S偏光反射率の低減、および加工プロセスの簡素化による製造コストの低減を同時に実現する無機偏光板を提供する。

上記の目的に照らして、従来の技術の課題を述べる。
非特許文献１および特許文献１に記載される、アルミニウムを用いたワイヤグリッド素子では、ワイヤの周期、幅、高さによってＴｐとＴｓの光学性能が定まる。平行な直線状のワイヤ構造は干渉露光法を用いてレジストマスクを形成できるため、製造コストの低減の意味で優れたものであるが、一方で、形状の簡素さによって光学性能が制限を受けているとも言える。液晶プロジェクタの画質向上のためには、偏光コントラスト比のさらなる向上が望まれることは言うまでもない。

特許文献２に記載の技術では、光源の光は基板側から入射し、光吸収層によって、室内照明に代表される外光（環境光）の反射を抑制することができる。この技術は液晶ディスプレイに搭載するのに好適な技術である。素子構造としては、金属ワイヤの下に有機高分子材料からなる第1のワイヤ構造を有しており、耐熱性と対光性の点において液晶プロジェクタへの搭載が困難である。また、マジックミラーの例に見られるように、光学技術者の一般常識として、基板上に形成された層状構造の部材に対して、基板側から光を入射した場合の反射率と、層状構造側から入射した光の反対率は異なる。基板／ワイヤグリッド／光吸収層で形成された素子において、基板側から入射したＳ偏光は最初のワイヤグリッドによって大きく反射されてしまう。液晶プロジェクタに搭載するのに好適な無機偏光板においては、層状構造側から光源の光を入射するのに適した素子構造を持たない場合、Ｓ偏光の反射を低減することができない。特許文献２では光吸収層に用いられる金属材料として第1にＡｌを掲げているが、後述するように、記載されている素子に対して開示技術と逆の層状構造側から光を入射した場合についても、多層膜干渉計算の結果から、ＡｌではＳ偏光の反射抑制の機能が十分でないという課題がある。

特許文献３に記載の技術では、Ｓ偏光の反射率を増加させたワイヤグリッド素子が提供されているが、Ｓ偏光の反射率低減を目的とする本発明とは異なる。

特許文献４に記載の技術では、ワイヤ構造側から入射した偏光の反射を選択的に抑制するワイヤグリッド素子が提供される。光吸収体としてはケイ素（Ｓｉ）のほかに炭素、ケイ化ニオビウム、タンタルが開示されている。特許文献４に記載の素子は、段落［００３５］に記載されているように、ケイ素の入射光に対する光学的指標および光学的吸収特性により、Ｓ偏光の反射率Ｒｓを低減することができ、液晶プロジェクタに搭載するのに好適な無機偏光板である。しかしながら、光吸収体として開示されているケイ素や炭素などの場合、複素屈折率の波長依存性が大きいため、Ｓ偏光反射率Ｒｓの波長依存性が顕著となり、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長幅（≒１００ｎｍ）の範囲において、Ｒｓの平均値が増加するという課題がある。

特許文献５に記載の技術では、金属ワイヤの周期構造を透明誘電体で覆っているため、特許文献４に記載の素子に比較して、耐環境性に優れるという特長をもち、これも、液晶プロジェクタに搭載するのに好適な無機偏光板である。光吸収体として、特許文献４に記載されているケイ素のほかに、金属材料であるクロムも開示されている。後述するように、クロムの場合、Ｓ偏光反射率の波長依存性がケイ素に比較して小さいという利点がある。素子の作製プロセスは、基板上に金属ワイヤを形成するステップ１、それを透明誘電体で覆うステップ２、およびその上に光吸収体／透明誘電体からなるワイヤ構造を形成するステップ３になる。このとき、ステップ１とステップ３においてパターニングのためのレジストマスクの形成が必要となる。特にステップ３においては、下部に形成された金属ワイヤと上部の吸収体／透明誘電体の位置合わせをする高精度位置合わせ機構を有するレジストマスクの形成が必須となる。半導体回路向けのステッパを用いれは可能であるが、特許文献４に記載の素子では、比較的安価な干渉露光法やナノインプリント法による１回のみのレジストマスクの形成で素子作製が可能であることを考慮すると、作製プロセスの複雑化による製造コストの増加が課題である。また、後述するように、クロムは透明誘電体のワイヤ加工に一般的なフッ素系ガスを用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法で加工が困難であるため、さらなる作製プロセスの複雑化が必要になる。

本発明は、液晶プロジェクタに搭載するのに好適なS偏光の反射防止機能を有する無機偏光板であって、偏光コントラスト比の向上、S偏光反射率の低減、および加工プロセスの簡素化による製造コストの低減を同時に実現する無機偏光板を提供すること、および当該無機偏光板を搭載した液晶プロジェクタ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明の偏光板の一例を挙げるならば、第１の偏光を透過し、第２の偏光の反射を抑制する偏光フィルタ機能を有する偏光板であって、入射光に対して透光性を有する基板と、前記基板上に形成された周期構造からなる金属パターンと、前記金属パターンの上に形成され、前記金属パターンと同じ周期構造を有する誘電体／金属／誘電体からなる反射防止構造パターンと、を有し、前記第１の偏光と第２の偏光は、前記基板と反対側から入射するものであり、前記金属パターンが延伸する第１方向に直交する第２の方向の周期ｐが、前記第１および第２の偏光の波長λと前記基板の屈折率ｎとして表される周期λ／ｎよりも小さく、前記反射防止構造パターンの前記金属はタングステン、モリブデンを含む金属材料または合金材料であることを特徴とするものである。

また、本発明の他の偏光板の１例を挙げるならば、第１の偏光を透過し、第２の偏光の反射を抑制する偏光フィルタ機能を有する偏光板であって、入射光に対して透光性を有する基板と、前記基板上に形成された２次元の周期構造からなる金属パターンと、前記金属パターンの上に形成され、前記金属パターンと同じ周期構造を有する誘電体／金属／誘電体からなる反射防止構造パターンと、を有し、前記第１の偏光と第２の偏光は、前記基板と反対側から入射するものであり、前記金属パターンが延伸する第１方向、またはそれに直交する第２の方向の少なくとも一方の周期が、前記第１および第２の偏光の波長λと前記基板の屈折率ｎとして表される周期λ／ｎよりも大きく、前記反射防止構造パターンの前記金属はタングステン、モリブデンを含む金属材料または合金材料であることを特徴とするものである。

本発明の液晶プロジェクタは、これらの偏光板を、出射側の偏光板として備えるものである。

本発明によれば、液晶プロジェクタに搭載するのに好適な耐熱性と対光性を有する無機偏光板であって、大きな偏光コントラスト比と、小さく波長依存性の小さなＳ偏光反射率とを有し、簡易な製造プロセスで作製が可能な無機偏光板を提供することができる。

また、本発明の無機偏光板を搭載することによって、液晶プロジェクタ装置の照度と画質の向上を図ることができる。

本発明の実施例１の光学素子の平面および断面構造を示す摸式図である。 液晶プロジェクタと液晶ディスプレイに求められる偏光板の性能を説明する摸式図である。 ワイヤグリッド素子の平面構造を示す摸式図である。 ＦＤＴＤ計算方法を使用し、垂直入射光に関して、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐとの光学性能の関係を計算した結果である。 本発明の実施例１の光学素子の平面構造を示す摸式図である。 本発明の実施例１の光学素子の構造周期と偏光コントラスト比の関係を表す計算結果である。 本発明の変形例の光学素子の平面構造を示す摸式図である。 本発明の光学素子の金属ワイヤの高さと光学性能の関係を表す計算結果である。 本発明の光学素子の反射防止機能の考え方を示す摸式図である。 アルミニウム上に形成した３層構造の反射率の波長依存性を示す計算結果である。 アルミニウム上に形成した３層構造の反射率の波長依存性を示す計算結果である。 本発明の光学素子の作製プロセスを示す摸式図である。 本発明の光学素子の偏光コントラスト比とＳ偏光反射率の波長依存性を示す計算結果である。 本発明の実施例２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。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。

また、実施の形態で用いる図面において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

光学素子の性能計算にはマクスウェル方程式の数値的解法であるＦＤＴＤ（Finite Differential Time Domain）法、および多層膜の性能計算には特性行列法を用いる。

金属や半導体材料の屈折率としては、特に断わらない限り、Palikのハンドブック「Palik E.D. (ed.) (1991) Handbook of Optical Constants of Solids II. Academic Press、 New York.」を参照するものとする。また、特に記載しない場合、透光性を有する基板は標準的なガラス材として、その屈折率は１．５２５であり、金属ワイヤの材質はアルミニウムとして話を進めることにする。

本発明の実施例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、実施例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、実施例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、実施例１における技術的思想について説明する。
また、ワイヤグリッド素子の動作原理については周知のものとして、ここでは説明を加えない。

＜ワイヤグリッド素子の制限＞
図３にワイヤグリッド素子の平面構造を摸式的に示す。定義によって、金属ワイヤはｙ方向に延伸された平行直線パターンであって、幅ｗ，周期ｐ，および図示しない高さｈが構造パラメータである。ワイヤグリッド素子の構造周期はｐであり、光波の共鳴現象あるいは回折現象と大きな関係があり、その性能はレイリー共鳴条件の制約を受ける。透光性を有する基板の屈折率をｎ、入射される光波の波長をλ、ｘ方向の入射角をθｘとすると、レイリー共鳴現象が発生する周期ｐｒは、
ｐｒ＝λ／（ｎ±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。ワイヤグリッド素子が偏光分離性能を有するための制限条件は、構造周期ｐ＜ｐｒである。光波が垂直入射（θｘ＝０）の場合、最も緩和された制限条件が得られ、
ｐ＜λ／ｎ ・・・（式２）
となる。

図４は、上述したＦＤＴＤ法を使用し、垂直入射光（θｘ＝０に関して、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐとの光学性能の関係を計算した結果である。ここでは、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐを１５０ｎｍ、金属ワイヤの材料をアルミニウム、金属ワイヤの幅を５０ｎｍ、金属ワイヤの高さを１５０ｎｍ、透光性を有する基板として石英基板（ｎ＝１．４７）を使用し、入射される光波の波長を４６０ｎｍとしている。

図４（ａ）は、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐと透過率Ｔｐ、Ｔｓの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐと偏光コントラスト比Ｔｐ／Ｔｓの関係を示すグラフである。両図において、横軸はレイリー共鳴現象が発生する周期ｐｒで規格化した構造周期（ｐ／ｐｒ）となっている。

図４（ａ）において、縦軸は、ｐ偏光光の透過率とｓ偏光光の透過率を示している。図４（ａ）に見られるように、ｐ／ｐｒ＜０．５の場合には、ＴｐとＴｓに顕著な変化は見られないが、ｐ／ｐｒ＝１の近傍領域では、レイリー共鳴現象に起因する急激なＴｐの減少とＴｓの増加が発生し、レイリー共鳴現象によって偏光フィルタとしての性能が著しく低下することがわかる。

また、図４（ｂ）に示すように、偏光コントラスト比は、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐの増加とともに減少し、レイリー共鳴現象が発生すると１未満となり、もはや偏光フィルタとして機能を果たさなくなることが確認される。以上のことから、ワイヤグリッド素子においては、レイリー共鳴現象を回避する制限（式２）が必要である。

図４の結果は、もし金属ワイヤを２次元構造として、不要なＳ偏光に対してのみレイリー共鳴を発現させることができれば、ワイヤグリッド素子よりも、偏光コントラスト性能の高い偏光素子を提供することが可能なことを示唆している。

ここでは先ず、ワイヤグリッド素子に比較して高い偏光コントラスト比を得るために、基板上に形成した金属ワイヤの構造について考察する。

＜本発明者による新規な着目点１＞
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。

そこで、本発明者は、ｘ方向だけでなく、各金属ワイヤが延在するｙ方向においても、構造周期を導入することを考えた。Ｓ偏光に対して選択的にレイリー共鳴を発現させるためには、ｙ方向の構造周期Λについて
Λ≧λ／ｎ ・・・（式３）
とすればよい。

図５は金属ワイヤ幅を周期的に変調した２次元構造素子２０の平面パターンを示す摸式図である。ここで、金属ワイヤ２２はｘ方向に幅ｗ１とｗ２（ｗ１＜ｗ２）を持ち、それぞれｙ方向に長さＬ１とＬ２をもつ。ｙ方向の構造周期ΛはＬ１＋Ｌ２である。
図６は、図５に示した２次元構造素子について、構造周期Λと偏光コントラスト比Ｔｐ／Ｔｓの関係を計算した結果である。図３に示したワイヤグリッド素子と可能な限り同一条件で比較するため、ｘ方向の構造周期ｐ＝１５０ｎｍ、金属ワイヤの材料をアルミニウム、金属ワイヤの高さを１５０ｎｍ、基板を石英基板、入射光波の波長を４６０ｎｍとした。また、金属ワイヤの平均幅が５０ｎｍになるようにｗ１＝４０ｎｍ、ｗ２＝６０ｎｍ、Ｌ１＝Ｌ２＝Λ／２とした。図６に見られるように、構造周期Λが概ねλ／ｎ〜λの範囲において、同一条件のワイヤグリッド素子（点線）よりも大きな偏光コントラスト比が得られ、その最大値は約3500で、ワイヤグリッドの場合の10倍に近い性能となることが判る。これにより（式３）に示した条件の２次元構造素子が、ワイヤグリッド素子に比較して、偏光コントラスト比の向上に有効であることが判る。

図７は、金属ワイヤに周期的な間隙を形成した２次元構造素子２０の平面パターンを示す別の摸式図である。本素子においては、ｙ方向に周期的に形成された間隙ｓを有するワイヤがｘ方向に周期的で配置されている。本素子においてｘ方向の構造周期は、隣接するワイヤ周期ｐ１と間隙を挟む周期ｐ２（＝２ｐ１）である。ｙ方向の構造周期は、間隙の形成周期Λ、隣接するワイヤに形成された間隙のｙ方向間隔δである。上と同様にΛに関する（式３）の制限を満たすことが重要である。

図８は、図７に示した２次元構造素子について、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、図中には間隙が存在しない直線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、隣り合うワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１５０ｎｍ、ワイヤの幅ｗ＝５０ｎｍ、ｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍ、間隙ｓ＝３０ｎｍとした。また、透光性を有する基板の屈折率を１．５２５とし、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８（ａ）は、ワイヤの高さとＴｐの関係を示すグラフである。図に示すように、本２次元構造素子のＴｐは、同じ幅、高さ、ピッチを有する直線ワイヤから構成されるワイヤグリッド素子とほぼ一致することがわかる。このことは、２次元構造化によってｐ偏光との相互作用に関して、ワイヤグリッドと同等であることを示している。

一方、図８（ｂ）は偏光コントラストＴｐ／Ｔｓのワイヤ高さ依存性である。直線ワイヤで形成されたワイヤグリッド素子の場合、偏光コントラスト比がワイヤの高さに応じて単調に指数的に増加するのに対して、２次元構造素子では、Ｓ偏光光に対する共鳴を示す複数のピークが存在することがわかる。隣接する極大値と極小値の差は、基準となるワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比の１０倍以上であり、ｙ方向の構造周期による共鳴が偏光コントラストを決める主要因になっていることが示される。

＜本発明者による新規な着目点２＞
前述の２次元構造素子の上に形成するＳ偏光の反射防止構造について考える。特許文献４，５に記載の技術において、Ｓ偏光の反射防止機能を果たすのは、ワイヤグリッド素子上に形成された光吸収構造によるＳ偏光の吸収である。光吸収構造は基本的に誘電体／光吸収体／誘電体の３層構造となっており、光吸収体としては、ケイ素，クロム等が優れたものとして開示されている。特許文献４によれば［００３５］に記載されているように、ケイ素の入射光に対する光学的吸収特性により、Ｓ偏光の反射を抑止していることが確認される。一方で、光吸収層の厚さはワイヤグリッドを構成するアルミニウムよりも小さくなっている。こうした素子において、液晶プロジェクタのように大きな密度の光が照射されると、熱浴である基板から遠く、体積の大きなアルミニウムでもなく、熱伝導率の小さな誘電体で断熱された、小さな体積をもつ光吸収体で、大きな光エネルギーを吸収することになり、光吸収体の温度上昇による劣化が懸念される。

そこで発明者らは、光吸収ではなく、光干渉を主体として反射防止の機能を実現することを考えた。図９はアルミニウム上に形成された３層の層状構造において光干渉を主体として反射防止をするための考え方の摸式図である。図において、基板２４上に、金属膜２２および反射防止構造２５が設けられている。ここで、反射防止構造２５は、誘電体２６、ＡＲ材料２７および誘電体２８から成る。広く普及しているＡＲコートは反射体の上に光吸収のない誘電体を１層以上形成することで、２つ以上の反射面を形成し、それらが互いに打消し合うように、１／２波長程度の位相差をつけている。無機偏光板の場合、アルミニウムの反射率が可視光に対して約９０％以上と大きいため、同等の反射率を得るには非常に大きな層数の誘電体層を形成する必要がある。図に示すように、ＡＲ材料として、アルミニウムよりも薄い金属を用いると、ＡＲ材料を透過しアルミニウムで反射し、再びＡＲ材料を透過した光の強度と、ＡＲ材料の表面で反射された光の強度を同等にでき、かつ１／２波長の位相差をつけることができるはずである。こうした構造において、図中の上方から入射したＳ偏光は、反射ができないため、ＡＲ材料とアルミニウムを透過して基板方向に進行する。このとき、ＡＲ材料とアルミニウムは大きな消衰係数をもつため、概ねその膜厚に比例してＳ偏光を吸収すると考えてよい。このように形成された素子においては、発熱が光吸収材料に集中することを避けることができ、熱浴である基板に近く熱伝導率の大きなアルミニウムに発熱を分散することができるようになる。こうした条件を満たすためには、アルミニウム表面での反射光がＡＲ層の往復透過によって減衰することを考慮して、ＡＲ材料の反射率がアルミニウムよりも小さいことが必要となる。したがって、ＡＲ材料としては貴金属のように反射率の高い材料でなく、タングステン、モリブデンのように、アルミニウムに比較して反射率の小さな材料が好ましい。また、ここでは誘電体材料としてＳｉＯ_２を示しているが、これは後述するように素子の作製プロセスを簡素化するための選択である。原理的には、透明誘電体であればよく、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＮ，ＺｎＳ，およびＺｎＳとＳｉＯ_２の混合物も使用することができる。

以上の考え方に沿った場合、Ｓ偏光の反射率Ｒｓは小さくなるが、透過率Ｔｓが増加して偏光コントラスト比を低下させるという逆の効果も発生する。前述の２次元構造素子を下地に用いれば、ワイヤグリッド素子よりも大きな偏光コントラスト比が得られるので、結果的に小さなＲｓと大きな偏光コントラスト比の両立が可能なはずである。

図１０は図９に示した層状構造に対して基板と反対側から光を入射した場合の反射率の計算結果である。計算は多層膜の特性計算に広く用いられている特性行列法を使った。各層の膜厚はそれぞれ０〜１００ｎｍの範囲において１ｎｍ単位で変化させながら、可視光領域における平均反射率が最小になるように、それぞれ定めた。ＡＲ材料としては、特許文献１に記載のアルミニウム、特許文献３，５に記載のケイ素（ここではアモルファスＳｉ）、およびこれらに記載のないタングステンを比較している。図に見られるように、反射率はアルミニウム＞ケイ素＞タングステンの順になることが判る。アルミニウムの場合、下地のアルミニウムと同じ反射率をもつので、前述の光干渉による反射防止条件を満たすことができない。ケイ素の場合、反射率は小さくなるが、半導体材料の屈折率の波長依存性を反映して、反射率の波長依存性が大きくなる。これらに比較してタングステンを用いた場合、反射率が最小でかる波長依存性が小さくなることが判る。

図１１は同様な計算を、種々の金属材料に対して実施した結果である。ここでは、タングステン，モリブデン，クロム，鉄，コバルト，ニッケルに対する結果を示した。図に見られるように、可視光域に対する反射率が小さい順に、タングステン＜モリブデン＜鉄＜クロム＜コバルト＜ニッケルとなることが判る。鉄は酸化による劣化が激しいため、ＡＲ材料として好適なものは、タングステン，モリブデン，クロムである。

２次元構造素子の上に形成する反射防止構造として説明してきたが、図３に示される従来のストレートワイヤグリッド構造の上に、タングステン，モリブデン，クロムを含むＡＲ構造を付けたものも、吸収型偏光板として機能する。

ＡＲ材料として選択される金属材料としては、素子の作製プロセスが簡素にできるという検討が必要である。

図１２は本発明の光学素子の作製プロセスを摸式的に示したものである。最初のステップ（ａ）で、基板上にアルミニウム／ＳｉＯ_２／タングステン／ＳｉＯ_２の順にスパッタリング法で順次積層した層状構造を作製する。次のステップ（ｂ）では、２次元構造素子に対応したレジストパターンをナノインプリント法等で形成する。このとき、干渉露光法は、ワイヤグリッド素子の直線パターンにしか対応しない点に留意する必要がある。次のステップ（ｃ）では、フッ素系ガスを用いたＲＩＥ法によって、ＳｉＯ_２／タングステン／ＳｉＯ_２からなるＡＲ構造を２次元パターン加工する。フッ素系ガスとしては、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_６、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、ＳＦ_６などを用いることができる。フッ素系ガスによるＳｉＯ２の加工は確立されたプロセスである。このとき、タングステンおよびモリブデンはフッ化物沸点が室温程度であるので、同時に３層加工が可能となる。一方で、特許文献５に記載されているクロムに関しては、フッ化物沸点が１０００℃以上と高いため、３層同時加工をすることができないため、作製プロセスの複雑化を招いてしまう。最後のステップ（ｄ）では、最上部のＳｉＯ_２をマスクとして、アルミニウムのＲＩＥ加工をする。このときＣｌ_２、ＢＣｌ_３などの塩素系ガスをエッチングガスとして用いることによって、大きなエッチング選択比を得ることができる。したがって、最初のレジストマスクは上部の３層を加工するために必要十分な高さがあればよい。発明者らが実験的に見積もった必要レジスト厚さは１１０ｎｍから１５０ｎｍ程度であり、これは、ナノインプリント法を用いてレジストマスクを形成することが十分に可能な条件である。

以上により、本発明の光学素子に用いるＡＲ材料として好ましい金属はタングステンもしくはモリブデンであると言える。ここに示していない金属種として、例えばチタン，ニオブ，アンチモン，テルル，ジルコニウム，タンタル等がある。これらはフッ素系ガスによるＲＩＥ処理において、フッ化物の沸点が概ね２００℃以上であり、ドライエッチングレートが小さい。これらを使用することも可能であるが、ワイヤ加工の形状精度の緩和や、膜厚を２０ｎｍ以下に薄くする等の設計上の配慮が必要である。

以上の検討結果をまとめて、本発明の光学素子の平面および断面形状を摸式的に表したものを図１に示す。図１（ａ）は図５に示した２次元構造素子２０の平面パターンである。図１（ｂ）は上部の３層ＡＲ構造を含んだ素子の断面形状である。ここではＡＲ材料としてタングステンを用いる場合を示した。この他に図７に示した２次元構造やＡＲ材料としてモリブデンを用いることも可能である。また、本発明の光学素子の２次元構造としては（式３）に示した条件に沿うものであれば、他の２次元周期性をもつものを用いることができる。その他、金属材料としてはタングステン，モリブデンを含む金属材料または合金材料を使用することが好ましいが、前述のように、例えばチタン，ニオブ，アンチモン，テルル，ジルコニウム，タンタル等を使用する場合については、膜厚を薄く設計する等の注意が必要である。

図１３は、本発明の光学素子の偏光コントラスト比Ｔｐ／ＴｓとＲｓの波長依存性を示すＦＤＴＤ計算結果である。ここで素子構造は図１に示したものを用い、ｘ方向の構造周期ｐ＝１３５ｎｍ，ｗ１＝３５ｎｍ，ｗ２＝４５ｎｍ，ｙ方向の構造周期Λ＝４００ｎｍ，Ｌ１＝３００ｎｍ，Ｌ２＝１００ｎｍとした。アルミニウムワイヤの高さは１７０ｎｍである。また、基板の屈折率を1.525とし各層の基板側からアルミニウム（１７０ｎｍ）、ＳｉＯ_２（６０ｎｍ）／タングステン（２０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（８０ｎｍ）とした。比較のため、直線状ワイヤからなるワイヤグリッド素子上にアモルファスＳｉを光吸収材料に用いた場合の計算結果についても示している。この場合、ｘ方向の構造周期ｐ＝１３５ｎｍ、ｗ＝４０ｎｍ、アルミニウムワイヤの高さを１７０ｎｍとして、断面の平均形状を上と同じにした。また、基板の屈折率を1.525で同じとして、各層の基板側からアルミニウム（１７０ｎｍ）、ＳｉＯ_２（５ｎｍ）／アモルファスＳｉ（２５ｎｍ）／ＳｉＯ_２（２０ｎｍ）とした。これら２つの場合において、上部３層の膜厚は、波長範囲４００〜６００ｎｍにおいて、平均Ｒｓが最小、かつ偏光コントラスト比が５００以上になる条件を各層の膜厚を５ｎｍ単位で計算した結果の中から選択したものである。図に見られるように、本発明の光学素子が、偏光コントラスト比が大きく、不要光であるＳ偏光の反射率Ｒｓが小さく、その波長依存性も小さいことが確認できる。

本発明の実施例２では、前記実施例１における光学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。実施例２では、液晶プロジェクタを例に挙げて説明する。

＜液晶プロジェクタの構成＞
図１４は、実施例２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１４において、実施例２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）、偏光板ＰＦ１（Ｂ）、ＰＦ１（Ｇ）、ＰＦ１（Ｒ）、ＰＦ２（Ｂ）、ＰＦ２（Ｇ）、ＰＦ２（Ｒ）、液晶パネルＬＣＰ（Ｂ）、ＬＣＰ（Ｇ）、ＬＣＰ（Ｒ）、投影レンズＬＥＮを有している。このうち、実施例１に示した出射側無機偏光板はＰＦ２（Ｂ）、ＰＦ２（Ｇ）、ＰＦ２（Ｒ）である。

光源ＬＳは、ハロゲンランプなどから構成され、青色光と緑色光と赤色光とを含む白色光を射出するようになっている。そして、導波光学系ＬＧＳは、光源ＬＳから射出された光分布の一様化やコリメートなどを実施するように構成されている。
ダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）は、青色光に対応した波長の光を反射し、その他の緑色光や赤色光を透過するように構成されている。同様に、ダイクロイックミラーＤＭ（Ｇ）は、緑色光に対応した波長の光を反射し、その他の赤色光を透過するように構成されている。また、反射ミラーＭＲ１（Ｒ）は、赤色光を反射するように構成されている。
偏光板ＰＦ１（Ｂ）、ＰＦ２（Ｂ）は、青色光を入射して図示しない画像制御信号に応じて強度変調するように構成されており、偏光板ＰＦ１（Ｇ）、ＰＦ２（Ｇ）は、緑色光を入射して強度変調するように構成されており。また、偏光板ＰＦ１（Ｒ）、ＰＦ２（Ｒ）は、赤色光を入射して強度変調するように構成されている。
反射ミラーＭＲ１（Ｂ）は、青色光を反射するように構成されており、反射ミラーＭＲ１（Ｒ）および反射ミラーＭＲ２（Ｒ）は、赤色光を反射するように構成されている。
液晶パネルＬＣＰ（Ｂ），ＬＣＰ（Ｇ），ＬＣＰ（Ｒ）は、青色，緑色，赤色の各色の、図示しない画像制御信号に応じて入射光の偏光状態を制御する作用をもつ。投影レンズＬＥＮは、画像を投影するためのレンズである。
こうした構成の液晶プロジェクタを用いれば、図示しないスクリーン上に、高輝度、高精彩の画像を投影することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、実施例２では、本発明の偏光板を液晶プロジェクタに適用した例を説明したが、本発明の偏光板は、光ピックアップ、光センサ、顕微鏡等の光学装置に適用できる。
また、前記実施の形態では、可視光から近赤外線光に対応する光学素子や光学装置について説明したが、これに限らず、マクスウェル方程式に従う電磁波であれば、本願発明の技術的思想を同様に適用することができる。具体的には、７７ＧＨｚの無線デバイスでは、電磁波の波長は約４ｍｍであり、このような電磁波に対しても、例えば、本発明の光学素子を偏光フィルタとして適用することができる。

１０ ワイヤグリッド素子
１２ 金属ワイヤ
２０ ２次元構造素子
２２ 金属ワイヤ
２３ 金属ワイヤ
２４ 基板
２５ 反射防止膜
２６ 誘電体
２７ ＡＲ材料
２８ 誘電体
５０ 液晶プロジェクタ
５２ 液晶ディスプレイ
５４ 液晶
５５ 入射側偏光板
５６ 出射側偏光板
ＤＭ（Ｂ） ダイクロイックミラー
ＤＭ（Ｇ） ダイクロイックミラー
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
ＭＲ１（Ｒ） 反射ミラー
ＭＲ１（Ｂ） 反射ミラー
ＭＲ２（Ｒ） 反射ミラー
ＰＦ１（Ｂ） 偏光板
ＰＦ１（Ｇ） 偏光板
ＰＦ１（Ｒ） 偏光板
ＰＦ２（Ｂ） 偏光板
ＰＦ２（Ｇ） 偏光板
ＰＦ２（Ｒ） 偏光板

Claims (10)

1. 第１の偏光を透過し、第２の偏光の反射を抑制する偏光フィルタ機能を有する偏光板であって、
   入射光に対して透光性を有する基板と、
   前記基板上に形成された周期構造からなる金属パターンと、
   前記金属パターンの上に形成され、前記金属パターンと同じ周期構造を有する誘電体／金属／誘電体からなる反射防止構造パターンと、を有し、
   前記第１の偏光と第２の偏光は、前記基板と反対側から入射するものであり、
   前記金属パターンが延伸する第１方向に直交する第２の方向の周期ｐが、前記第１および第２の偏光の波長λと前記基板の屈折率ｎとして表される周期λ／ｎよりも小さく、
   前記反射防止構造パターンの前記金属はタングステン、モリブデンを含む金属材料または合金材料であることを特徴とする偏光板。
2. 請求項１に記載の偏光板において、
   レイリー共鳴現象が発生する周期ｐｒで規格化した前記金属パターンの周期ｐ／ｐｒが、０．５よりも小さいことを特徴とする偏光板。
3. 第１の偏光を透過し、第２の偏光の反射を抑制する偏光フィルタ機能を有する偏光板であって、
   入射光に対して透光性を有する基板と、
   前記基板上に形成された２次元の周期構造からなる金属パターンと、
   前記金属パターンの上に形成され、前記金属パターンと同じ周期構造を有する誘電体／金属／誘電体からなる反射防止構造パターンと、を有し、
   前記第１の偏光と第２の偏光は、前記基板と反対側から入射するものであり、
   前記金属パターンが延伸する第１方向、またはそれに直交する第２の方向の少なくとも一方の周期が、前記第１および第２の偏光の波長λと前記基板の屈折率ｎとして表される周期λ／ｎよりも大きく、
   前記反射防止構造パターンの前記金属はタングステン、モリブデンを含む金属材料または合金材料であることを特徴とする偏光板。
4. 請求項３に記載の偏光板において、
   前記少なくとも一方の周期が、前記第１および第２の偏光の波長λよりも小さいことを特徴とする偏光板。
5. 請求項３に記載の偏光板において、
   前記金属パターンが延伸する第１方向の周期Λが、前記第１および第２の偏光の波長λと前記基板の屈折率ｎとして表される周期λ／ｎよりも大きく、
   前記第１方向に直交する第２の方向の周期ｐが、前記周期λ／ｎよりも小さいことを特徴とする偏光板。
6. 請求項３〜５の何れか１つに記載の偏光板であって、
   前記金属パターンは、金属パターンが延伸する方向に金属パターンの幅を周期的に変調したものであることを特徴とする偏光板。
7. 請求項３〜５の何れか１つに記載の偏光板であって、
   前記金属パターンは、金属パターンが延伸する方向に周期的な間隙を形成したものであることを特徴とする偏光板。
8. 請求項１〜７の何れか１つに記載の偏光板であって、
   前記金属パターンの材料は、アルミニウムであることを特徴とする偏光板。
9. 請求項１〜７の何れか１つに記載の偏光板であって、
   前記第１の偏光はｐ偏光であり、前記第２の偏光はｓ偏光であることを特徴とする偏光板。
10. 光源、
    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、
    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、
    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、
    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２偏光素子は、前記請求項１〜９の何れか１つに記載の偏光板であることを特徴とする液晶プロジェクタ。

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