JP2018155795A - 光学位相差部材、偏光変換素子、テンプレート及び光学位相差部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
位相差を生じさせない非位相差部とを有し、
前記位相差部と前記非位相差部が、同一面上で交互に配置されている光学位相差部材が提供される。
前記位相差部が、前記第1位相差部材の前記複屈折部及び前記第2位相差部材の前記複屈折部から構成され、
前記非位相差部が、前記第1位相差部材の前記非複屈折部及び前記第2位相差部材の前記非複屈折部から構成されてよい。
前記位相差部が、前記第1位相差部材の前記第1複屈折部及び前記第2位相差部材の前記第3複屈折部から構成され、
前記非位相差部が、前記第1位相差部材の前記第12複屈折部及び前記第2位相差部材の前記第3複屈折部から構成されてよい。
前記複数の凸部の延在方向に垂直な面における断面が略台形状である前記凹凸構造を有する透明基体と、
前記透明基体の前記凸部の上面及び側面に形成された、前記凸部よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
前記凸部の上面の前記高屈折率層上に形成された、前記高屈折率層よりも低い屈折率を有する層から構成される中屈折率層とを備え、
隣り合う前記凸部の対向する前記側面に形成された前記高屈折率層の間に空気層が存在してよい。
前記複数の凸部の延在方向に垂直な面における断面が略台形状である前記凹凸構造を有する透明基体と、
前記透明基体の前記凸部の上面及び側面に形成された、前記凸部よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
前記凸部の上面の前記高屈折率層上に形成された、2n+1個(nは正の整数)の層から構成される積層体とを備え、
隣り合う前記凸部の対向する前記側面に形成された前記高屈折率層の間に空気層が存在し、
前記積層体は、前記高屈折率層上に形成された第1層と、第2k−1層(kは1〜nの整数)上に形成された第2k層と、前記第2k層上に形成された第2k+1層を備え、
前記第1層の屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く、
前記第2k+1層の屈折率が前記第2k層の屈折率よりも低くてよい。
偏光ビームスプリッタアレイとを備え、
前記偏光ビームスプリッタアレイが、
光源からの入射光のうち第1の偏光方向の光を透過し、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向の光を反射する複数の偏光膜と、
前記偏光膜で反射された前記第2の偏光方向の光を反射する複数の反射膜を備え、
前記偏光膜及び前記反射膜は、互いに平行であり、所定の間隔で交互に設けられ、
前記偏光ビームスプリッタアレイの前記第1の偏光方向の光及び前記第2の偏光方向の光の一方の出射面上に、前記光学位相差部材の位相差部が位置づけられ、
前記偏光ビームスプリッタアレイの前記第1の偏光方向の光及び前記第2の偏光方向の光の他方の出射面上に、前記光学位相差部材の非位相差部が位置づけられる偏光変換素子が提供される。
非凹凸部とを備えるテンプレートであって、
前記凹凸部及び前記非凹凸部は、第2方向に延在する矩形形状を有し、前記第2方向に直交する方向に隣接して交互に配置され、
前記第1方向と前記第2方向のなす角度が20度〜70度または110度〜160度である光学位相差部材製造用のテンプレートが提供される。
前記樹脂構造体の凹凸パターン面上に、開口部と遮蔽部が交互に配置されたマスクを配置することと、
前記開口部に位置する前記樹脂構造体の凸部をエッチングして、凹凸部と非凹凸部が交互に配置された表面を有するテンプレートを得ることと、
前記テンプレートの前記表面の形状を被転写材料に転写して、透明基体を得ることとを有する光学位相差部材の製造方法が提供される。
図1に示す光学位相差部材10Aは、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる位相差部7Aと、位相差を生じさせない非位相差部9Aとを有する。位相差部7A及び非位相差部9Aはいずれも一方向(図1において矢印A1で示される)に延在する矩形の形状であり、同一面上でこれらの延在方向に直交する方向に隣接して交互に配列されている。光学位相差部材10Aを偏光変換素子の製造に用いるためには、位相差部7A及び非位相差部9Aは、延在方向の長さが0.1mm〜100mmであり、幅方向の長さが0.1mm〜50mmであることが好ましい。位相差部7Aにおいて生じる位相差は、任意の大きさでよいが、λ/4又はλ/2(λは入射光の波長を示す)であることが好ましく、λ/2であることがより好ましい。
光学位相差部材10Aの位相差部7Aは、周期的な凹凸パターン80が形成された複屈折部11から構成される。複屈折部11の凹凸パターン80は、一方向に延在するとともに延在方向に垂直な面における断面が台形状(略台形状)である複数の凸部及び隣接する凸部の間の凹部が周期的に配列した、一次元周期パターンである。すなわち複屈折部11は一次元周期凹凸構造を有する。それにより、複屈折部11は複屈折性(屈折率の異方性)を有する。凸部及び凹部は、位相差部7A及び非位相差部9Aの延在方向に対して20度〜70度、または110度〜160度の角度をなす方向に延在してよく、45度または135度の角度をなす方向に延在してもよい。
光学位相差部材10Aの非位相差部9Aは、複屈折性のない非複屈折部13から構成される。非複屈折部13は、複屈折性を有さなければ任意の表面形状(構造)を有してよく、例えば、凹凸のない平坦な構造を有していてもよいし、異方性の無い凹凸、可視光よりピッチの長い凹凸等を有していてもよい。
図3に示す光学位相差部材10Bは、第1実施形態の光学位相差部材10Aと同様に、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる位相差部7Bと、位相差を生じさせない非位相差部9Bとを有する。位相差部7B及び非位相差部9Bの配列、形状及び位相差特性は、第1実施形態の光学位相差部材10Aの位相差部7A及び非位相差部9Aと同様である。
図5(a)に示す光学位相差部材10Cは、第1実施形態の光学位相差部材10Aと同様に、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる位相差部7Cと、位相差を生じさせない非位相差部9Cとを有する。位相差部7C及び非位相差部9Cの配列、形状及び位相差特性は、第1実施形態の光学位相差部材10Aの位相差部7A及び非位相差部9Aと同様である。
上述した光学位相差部材を用いた偏光変換素子について、図6を参照しながら説明する。偏光変換素子100は、光学位相差部材10と、偏光ビームスプリッタアレイ101を備える。
光学位相差部材の製造方法について、第1実施形態に従う光学位相差部材10Aの製造方法を例に挙げて説明する。光学位相差部材10Aの製造方法は、図7に示すように、主に、一方向に延在する凹部及び凸部から構成される凹凸パターン面を有する樹脂構造体を作製する工程S1と、前記樹脂構造体の凹凸パターン面上に、開口部と遮蔽部が同一面上で隣接して交互に配置されたマスクを配置する工程S2と、前記開口部に位置する前記樹脂構造体の凸部をエッチングして、凹凸部と非凹凸部が同一面上で隣接して交互に配置された表面を備えるテンプレート(転写用の型)を得る工程S3と、前記テンプレートの前記表面の形状を被転写材料に転写して、透明基体を得る工程S4と、高屈折率層を形成する工程S5と、中屈折率層または積層体を形成する工程S6とを有する。なお、S5、S6は任意の工程である。各工程について図8(a)〜(h)を参照しながら説明する。
一方向に延在する凹部及び凸部から構成される凹凸パターン面を有する樹脂構造体は、任意の方法で作製することができるが、例えば以下のようにして製造することができる。
図8(d)に示すように、樹脂構造体140の凹凸パターン面(第2凹凸パターン82が形成された表面)の上に、開口部162及び遮蔽部164を有するマスク160を配置する。マスク160としては金属製マスク等を用いることができる。開口部162及び遮蔽部164はいずれも一方向に延在する矩形の形状を有し、開口部162及び遮蔽部164の延在方向に直交する方向に隣接して交互に配列されている。なお、樹脂構造体140は一方向に延在する凹部及び凸部から構成される凹凸パターン82を表面に有するが(図9(a)参照)、マスクの160の開口部162及び遮蔽部164の延在方向が凹凸パターン82の凹部及び凸部の延在方向に対して20度〜70度または110度〜160度の角度、特に45度または135度の角度をなすように、マスク160を配置してよい(図9(b)参照)。
次に、マスク160を介してエキシマUV光等の紫外線に代表されるエネルギー線を樹脂構造体140に照射する。それにより、マスク160の開口部162の下に位置する樹脂構造体140の凸部がエッチングされて、図8(e)に示すようにテンプレート180が得られる。テンプレート180は、一方向に延在する複数の凸部186及び凹部187から構成される凹凸部181と非凹凸部183とが形成された表面を有する。凹凸部181と非凹凸部183はいずれも一方向に延在する矩形形状であり、同一面上でこれらの延在方向に直交する方向に隣接して交互に配列されている。凹凸部181の凸部187及び凹部187は、凹凸部181と非凹凸部183の延在方向に対して20度〜70度または110度〜160度の角度、特に45度または135度の角度をなす方向に延在してよい。なお、非凹凸部183は平坦であってよいが、位相差を生じない程度に十分低い(浅い)凹凸を有していてもよい。
次に、テンプレート180の表面形状を被転写材料(凹凸構造層材料)に転写して、透明基体を形成する。被転写材料として無機材料を用いる場合、無機材料の前駆体溶液を調製する溶液調製工程、調製された前駆体溶液を基材に塗布して塗膜を形成する塗布工程、塗膜を乾燥する乾燥工程、テンプレートを塗膜に押し付ける押圧工程、テンプレートが押し付けられた塗膜を仮焼成する仮焼成工程、テンプレートを塗膜から剥離する剥離工程、及び塗膜を硬化させる硬化工程により透明基体を形成することができる。
最初に無機材料の前駆体の溶液を調製する。ゾルゲル法を用いて無機材料からなる凹凸構造層を形成する場合、無機材料の前駆体の溶液としてSi、Ti、Sn、Al、Zn、Zr、In等のアルコキシド(金属アルコキシド)の溶液を調製する。例えば、WO2016/056277号に記載される無機材料の前駆体を用いることができる。前駆体溶液の溶媒としては、WO2016/056277号に記載される溶媒を用いることができる。前駆体溶液には、WO2016/056277号に記載される添加物を添加してよい。また、無機材料の前駆体としてWO2016/056277号に記載されるポリシラザンを用いてもよい。
上記のように調製した無機材料の前駆体溶液を基材上に塗布して塗膜を形成する。基材上には密着性を向上させるために、表面処理や易接着層を設けるなどをしてもよい。前駆体溶液の塗布方法として、バーコート法、スピンコート法、スプレーコート法、ディップコート法、ダイコート法、インクジェット法などの任意の塗布方法を使用することができるが、比較的大面積の基材に前駆体溶液を均一に塗布可能であること、前駆体溶液が硬化する前に素早く塗布を完了させることができることからすれば、バーコート法、ダイコート法及びスピンコート法が好ましい。
前駆体溶液の塗布後、塗膜(前駆体膜)中の溶媒を蒸発させるために基材を大気中もしくは減圧下で保持してもよい。パターン形成の安定性の観点から、パターン転写が良好にできる乾燥時間範囲が十分広いことが望ましく、これは乾燥温度(保持温度)、乾燥圧力、前駆体の材料種、前駆体の材料種の混合比、前駆体溶液調製時に使用する溶媒量(前駆体の濃度)等によって調整することができる。なお、基材をそのまま保持するだけでも塗膜中の溶媒が蒸発するので、必ずしも加熱や送風などの積極的な乾燥操作を行う必要はなく、塗膜を形成した基材をそのまま所定時間だけ放置したり、後続の工程を行うために所定時間の間に搬送したりするだけでもよい。
次いで、図8(f)に示すように、テンプレート180を基材42上の塗膜(前駆体膜)52に押圧して、テンプレート180の表面の形状を塗膜52に転写する。テンプレート180をロール体に巻きつけてロール状モールドを作製し、ロールプロセスによりテンプレート180の表面形状を転写してもよい。ロール状モールドを用いたロールプロセスは、プレート状モールドを用いたプレス式プロセスと比較してモールドと塗膜とが接する時間が短いため、モールド、基材及び基材を設置するステージなどの熱膨張係数の差によるパターンくずれを防ぐことができること、塗膜中の溶媒の突沸によってパターン中にガスの気泡が発生したり、ガス痕が残ったりすることを防止することができること、塗膜とモールドが線接触するため転写圧力及び剥離力を小さくでき、大面積化に対応し易いこと、押圧時に気泡をかみ込むことがないことなどの利点を有する。また、テンプレート180を塗膜52に押し付けながら塗膜52を加熱してもよい。
塗膜(前駆体膜)にテンプレートを押し付けた後、塗膜を仮焼成してもよい。仮焼成することにより前駆体が無機材料に転化して塗膜が硬化し、剥離の際に崩れにくくなる。仮焼成を行う場合は、大気中で室温〜300℃の温度で加熱することが好ましい。なお、仮焼成は必ずしも行う必要はない。また、前駆体溶液に紫外線などの光を照射することによって酸やアルカリを発生する材料を添加した場合には、前駆体膜を仮焼成する代わりに、例えばエキシマUV光等の紫外線に代表されるエネルギー線を照射することによって塗膜を硬化してもよい。
テンプレートの押圧または前駆体膜の仮焼成の後、塗膜(前駆体膜又は前駆体膜を転化することにより形成された無機材料膜)からテンプレートを剥離する。それにより、テンプレートの表面形状が転写された凹凸構造層が得られる。テンプレートの剥離方法として公知の剥離方法を採用することができる。テンプレートの凹凸部の凸部及び凹部は一様な方向に延在して配列されているため、離形性がよい。テンプレートの剥離方向は凸部及び凹部の延在方向と平行な方向にしてよい。それによりテンプレートの離形性をさらに向上することができる。塗膜を加熱しながらテンプレートを剥離してもよく、それにより塗膜から発生するガスを逃がし、塗膜内に気泡が発生することを防ぐことができる。ロールプロセスを使用する場合、プレス式に比べて剥離力は小さくてよく、塗膜がテンプレートに残留することなく容易にモールドを塗膜から剥離することができる。特に、塗膜を加熱しながら押圧することで反応が進行し易く、押圧直後にモールドが塗膜から剥離し易くなる。
塗膜(凹凸構造層)からテンプレートを剥離した後、凹凸構造層を本硬化してもよい。本焼成により凹凸構造層を本硬化させることができる。ゾルゲル法によりシリカに転化する前駆体を用いた場合、凹凸構造層を構成するシリカ(アモルファスシリカ)中に含まれている水酸基などが本焼成により脱離して凹凸構造層がより強固となる。本焼成は、200〜1200℃の温度で、5分〜6時間程度行うのが良い。この時、凹凸構造層がシリカからなる場合、焼成温度、焼成時間に応じて非晶質または結晶質、または非晶質と結晶質の混合状態となる。なお、硬化工程は必ずしも行う必要はない。また、前駆体溶液に紫外線などの光を照射することによって酸やアルカリを発生する材料を添加した場合には、凹凸構造層を焼成する代わりに、例えばエキシマUV光等の紫外線に代表されるエネルギー線を照射することによって、凹凸構造層を本硬化することができる。
次いで、図8(h)に示すように、透明基体40の上に高屈折率層30を形成してよい。上述のような膜厚を有する高屈折率層30を複屈折部11の凸部の上面及び側面に形成するためには、高屈折率層30を付き回り性(カバレッジ性)の高い成膜方法で形成することが好ましく、例えば、メッキ法、原子層堆積法、化学気相成長法、スパッタ法、蒸着法等により形成することができる。
さらに、高屈折率層30上に中屈折率層20を形成してよい。中屈折率層20は、付き回り性の低い成膜方法、例えば、スパッタ法、蒸着法等により形成することが好ましい。それにより、凸部の側面の高屈折率層30上に中屈折率層20が形成されないようにしながら、あるいは凸部の側面の高屈折率層30上に形成される中屈折率層20の膜厚を上述のような範囲内に制御しながら、凸部の上面の高屈折率層30上に中屈折率層20を形成することができる。
2…光学薄膜
3…プリズムアレイ
4…1/2波長板
7,7A,7B,7C…位相差部
9,9A,9B,9C…非位相差部
10,10A,10B,10C…光学位相差部材
11,11a,11b,11c,111a,111b…複屈折部
13,113a,113b…非複屈折部、20…中屈折率層、25…積層体
22…第1層、24…第2層、26…第3層、30…高屈折率層
40…透明基体、42…基材、50…凹凸構造層、60…凸部
70…凹部、90…空気層、80…凹凸パターン
100…偏光変換素子、101…偏光ビームスプリッタアレイ
102a…偏光膜、102b…反射膜、104a,104b…透明部材
106a,106b…ブロック
140…樹脂構造体、142…支持基板、144…樹脂層、160…マスク
162…開口部、164…遮蔽部、180…テンプレート、181…凹凸部
183…非凹凸部
Claims (11)
- 一方向に延在する複数の凸部及び隣接する該凸部の間の凹部が周期的に配列している凹凸構造により位相差を生じさせる位相差部と、
位相差を生じさせない非位相差部とを有し、
前記位相差部と前記非位相差部が、同一面上で交互に配置されている光学位相差部材。 - 前記光学位相差部材が、交互に配置された複屈折部及び非複屈折部を各々有する第1位相差部材及び第2位相差部材を重ねた構造を有し、
前記位相差部が、前記第1位相差部材の前記複屈折部及び前記第2位相差部材の前記複屈折部から構成され、
前記非位相差部が、前記第1位相差部材の前記非複屈折部及び前記第2位相差部材の前記非複屈折部から構成される請求項1に記載の光学位相差部材。 - 前記光学位相差部材が、交互に配置された第1複屈折部及び第2複屈折部を有する第1位相差部材と、第3複屈折部を有する第2位相差部材を重ねた構造を有し、
前記位相差部が、前記第1位相差部材の前記第1複屈折部及び前記第2位相差部材の前記第3複屈折部から構成され、
前記非位相差部が、前記第1位相差部材の前記第2複屈折部及び前記第2位相差部材の前記第3複屈折部から構成される請求項1に記載の光学位相差部材。 - 前記位相差部により生じる位相差がλ/4またはλ/2である請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 前記光学位相差部材の前記位相差部が、
前記複数の凸部の延在方向に垂直な面における断面が略台形状である前記凹凸構造を有する透明基体と、
前記透明基体の前記凸部の上面及び側面に形成された、前記凸部よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
前記凸部の上面の前記高屈折率層上に形成された、前記高屈折率層よりも低い屈折率を有する層から構成される中屈折率層とを備え、
隣り合う前記凸部の対向する前記側面に形成された前記高屈折率層の間に空気層が存在する請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学位相差部材。 - 前記中屈折率層が、前記凸部の上面及び側面の前記高屈折率層上に形成されている請求項5に記載の光学位相差部材。
- 前記光学位相差部材の前記位相差部が、
前記複数の凸部の延在方向に垂直な面における断面が略台形状である前記凹凸構造を有する透明基体と、
前記透明基体の前記凸部の上面及び側面に形成された、前記凸部よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
前記凸部の上面の前記高屈折率層上に形成された、2n+1個(nは正の整数)の層から構成される積層体とを備え、
隣り合う前記凸部の対向する前記側面に形成された前記高屈折率層の間に空気層が存在し、
前記積層体は、前記高屈折率層上に形成された第1層と、第2k−1層(kは1〜nの整数)上に形成された第2k層と、前記第2k層上に形成された第2k+1層を備え、
前記第1層の屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く、
前記第2k+1層の屈折率が前記第2k層の屈折率よりも低い請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学位相差部材。 - 偏光変換素子に用いる請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学位相差部材。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学位相差部材と、
偏光ビームスプリッタアレイとを備え、
前記偏光ビームスプリッタアレイが、
光源からの入射光のうち第1の偏光方向の光を透過し、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向の光を反射する複数の偏光膜と、
前記偏光膜で反射された前記第2の偏光方向の光を反射する複数の反射膜を備え、
前記偏光膜及び前記反射膜は、互いに平行であり、所定の間隔で交互に設けられ、
前記偏光ビームスプリッタアレイの前記第1の偏光方向の光及び前記第2の偏光方向の光の一方の出射面上に、前記光学位相差部材の位相差部が位置づけられ、
前記偏光ビームスプリッタアレイの前記第1の偏光方向の光及び前記第2の偏光方向の光の他方の出射面上に、前記光学位相差部材の非位相差部が位置づけられる偏光変換素子。 - 第1方向に延在する複数の凸部及び凹部からなる凹凸部と、
非凹凸部とを備えるテンプレートであって、
前記凹凸部及び前記非凹凸部は、第2方向に延在する矩形形状を有し、前記第2方向に直交する方向に隣接して交互に配置され、
前記第1方向と前記第2方向のなす角度が20度〜70度または110度〜160度である光学位相差部材製造用のテンプレート。 - 一方向に延在する凹部及び凸部から構成される凹凸パターン面を有する樹脂構造体を作製することと、
前記樹脂構造体の凹凸パターン面上に、開口部と遮蔽部が交互に配置されたマスクを配置することと、
前記開口部に位置する前記樹脂構造体の凸部をエッチングして、凹凸部と非凹凸部が交互に配置された表面を有するテンプレートを得ることと、
前記テンプレートの前記表面の形状を被転写材料に転写して、透明基体を得ることとを有する光学位相差部材の製造方法。
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