JP2020016906A - 偏光解消素子及びその製造方法、並びにそれを用いた光学機器及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の偏光解消素子よりも比較的簡便に作製可能であり、かつ、確実に偏光解消することのできる偏光解消素子を提供する。【解決手段】本発明の偏光解消素子は、透光基板１０と、該透光基板１０上に設けられる、入射光の波長以下のピッチ幅Ｐで配置されるグリッド構造からなる複屈折層２０と、を有し、前記グリッド構造のデューティー比が前記グリッド構造の軸方向に沿って連続的に変化することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の偏光状態の光を入射した際に、その偏光状態を解消することのできる偏光解消素子及びその製造方法、並びにそれを用いた光学機器及び液晶表示装置に関する。

分光器、増幅器及び測定器等の光学機器に偏光依存性がある場合、これら光学機器に入射する光が所定の偏光状態にあると偏光依存性により出力低下、反射特性変化等が発生し、光学機器の機能を十分に果たすことができない。例えば、単焦点プロジェクター等では投射される光の偏光状態によってスクリーンの反射特性が異なるために、投射画面上に輝度ムラや色ムラが発生してしまう。そこで、偏光依存性のある光学機器に光が入射する前に、偏光状態を解消できる偏光解消素子が利用されている。

従来の偏光解消素子では、複屈折性結晶の厚みを入射面内で変化させ、それにより面内でリタデーション量を変化させるバビネ型の偏光解消素子が用いられてきた。複屈折性結晶を使用して偏光解消素子を作製する場合には、作製可能なサイズが結晶サイズに依存してしまう。また、複屈折層の厚みに変化があると、光の屈折による入射光の方向変化も不可避である。

そこで、偏光解消素子として、基板と異なる光学特性のサブ波長構造体領域を基板表面に複数形成し、入射光を各周期構造体に応じた偏光状態に変換することで偏光を解消するものがこれまで検討されてきている。

例えば、特許文献１では、基板の表層部に光の波長よりも短い周期で屈折率の異なる２種類の媒質を交互にストライプ状に設けることにより構造性複屈折を呈するようにした複数の構造物をその光学軸が同一面内の異なる方向に向くように平面状に配置した偏光解消素子が提案されている。特許文献１によると、この偏光解消素子を用いることで、入射光が特定の方向に偏光されたものであっても、入射光が各構造物を通過することにより、出射光では各構造物の光学軸の向きに応じた異なる方向に偏光されたものが混在した状態となり、結果的に偏光が解消された状態となる。

また、特許文献２では、基板の表層部に構造複屈折をもつ複数のサブ波長構造体領域が互いに隣接して配置された偏光解消素子であって、前記サブ波長構造体領域は使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち、前記溝の配列方向である光学軸方向が隣接するサブ波長構造体領域間で異なる部分をもつように配置されており、かつ、該偏光解消素子は前記溝として深さの異なるものを含む偏光解消素子が提案されている。特許文献２の偏光解消素子は、溝の深さを異ならせることでリタデーションを変化させ、出射光の偏光を基板の位置毎に変化させて偏光を解消する。

特開２００４−３４１４５３号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報

特許文献１に記載の偏光解消板では、同一面内の異なる方向に光学軸が向くようにストライプ状に設けた構造物を複数配置しており、各構造物が分割領域となるため、偏光を十分に解消することができないと考えられる。また、偏光をより確実に解消するために分割領域（構造物）を小さくしようとすると、パターン形成も難しくなるし、各構造物をランダムに配置したとしても一定程度の規則性が残るため、限界がある。さらに、特許文献１に記載の偏光解消板では分割領域が直線状のラインによって形成されているため、ラインのピッチによっては回折光が生じて光学特性に悪影響を及ぼすことも懸念される。また、斯かる偏光解消板を液晶表示装置に用いた場合にはモアレや回折が生じる可能性があり、画質の低下を招きかねない。

また、特許文献２に記載された溝を含む偏光解消素子を作製するためには、基板上に高屈折率の平坦な膜をスパッタリング法等により先ず堆積し、次いでフォトリソグラフィによるパターニングで分割パターンの形成を行い、最後にエッチングを行う必要がある。この際、溝深さを異ならせるためには複雑なプロセスが必要であり、パターン形成も難しく、コスト増及び歩留まり悪化等が懸念される。また、斯かる製造プロセスの困難性故に、実際に作製される偏光解消素子の溝による光学軸方向及び溝深さでは、入射光の偏光を十分に解消できないことも想定される。

そこで、本発明は、従来の偏光解消素子よりも比較的簡便に作製可能であり、かつ、確実に偏光解消することのできる偏光解消素子及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この偏光解消素子を用いた光学機器及び液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明者は、前記諸目的を達成すべく鋭意検討を行った。ここで、使用する光（すなわち入射光）の波長よりも短い周期構造からなるサブ波長構造体が屈折率ｎＨとｎＬとの（ｎＨ＞ｎＬ）繰り返し構造からなる１次元格子構造の場合、デューティー比をｆとすると、ＴＥ波及びＴＭ波の有効屈折率は下記式（１）、（２）でそれぞれ与えられ、複屈折の大きさΔｎ（一般に、Δｎ＝ｎＴＥ−ｎＴＭである。）も求まる。なお、下記式（１）、（２）は入射光の波長に比べてピッチが小さい場合に成り立つ近似式である。

そして、この構造による偏光変換はリタデーション（光路長差）Ｒｅに依存する。リタデーションＲｅは、複屈折部分（すなわち、周期構造）の厚さｄを用いると、下記式（３）で表される。

そこで、特許文献１、２に提案されるような、光学軸及び溝深さにより偏光を変化させることに替えて、入射光の波長以下のピッチ幅で配置されるグリッド構造によるデューティー比ｆに本発明者は着目した。そして、グリッド構造のデューティー比をグリッド構造の軸方向に沿って連続的に変化させることによって、偏光解消素子のリタデーションを基板面全体で変化させることができることを知見した。また、このような偏光解消素子であれば、従来の偏光解消素子よりも比較的簡便に作製可能であり、かつ、確実に偏光解消することのできることも知見し、本発明を完成するに至った。

本発明は、本発明者による前記知見に基づくものであり、前記諸課題を解決するための手段としては以下の通りである。即ち、
＜１＞ 透光基板と、
該透光基板上に設けられる、入射光の波長以下のピッチ幅で配置されるグリッド構造からなる複屈折層と、を有し、
前記グリッド構造のデューティー比が前記グリッド構造の軸方向に沿って連続的に変化することを特徴とする偏光解消素子である。
該＜１＞に記載の偏光解消素子は、グリッド構造のデューティー比が前記グリッド構造の軸方向に沿って連続的に変化するので、従来の偏光解消素子よりも比較的簡便に作製可能であり、かつ、確実に偏光解消することのできる偏光解消素子を提供することができる。

＜２＞ 前記デューティー比が、０．２以上０．６以下の範囲内で変化する、前記＜１＞に記載の偏光解消素子である。

＜３＞ 入前記ピッチ幅が２００ｎｍ未満である、前記＜１＞又は＜２＞に記載の偏光解消素子である。

＜４＞ 前記グリッド構造の高さが一定である、前記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の偏光解消素子である。

＜５＞ 前記透光基板の面内において前記複屈折層のリタデーションが連続的に変化する、前記＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の偏光解消素子である。

＜６＞ 前記複屈折層が無機材料のみからなる、前記＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の偏光解消素子である。

＜７＞ 前記複屈折層が保護膜によって覆われる、前記＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の偏光解消素子である。

＜８＞ 前記ピッチ幅が一定である、前記＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載の偏光解消素子である。

＜９＞ 前記グリッド構造の前記デューティー比が、前記軸方向に対して略周期的に変化する、前記＜１＞〜＜８＞のいずれかに記載の偏光解消素子である。

＜１０＞ 前記＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載の偏光解消素子を製造する方法であって、
前記グリッド構造を二光束干渉露光法を用いて形成することを特徴とする偏光解消素子の製造方法である。
該＜１０＞に記載の製造方法によれば、前記＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載の偏光解消素子を簡易に製造することのできる方法を提供することができる。

＜１１＞ 前記＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載の偏光解消素子を搭載することを特徴とする光学機器である。
該＜１１＞に記載の光学機器によれば、光学特性に優れた光学機器を提供することができる。

＜１２＞ 前記＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載の偏光解消素子を搭載することを特徴とする液晶表示装置である。
該＜１２＞に記載の液晶表示装置によれば、表示特性に優れた液晶表示装置を提供することができる。

本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、従来の偏光解消素子よりも比較的簡便に作製可能であり、かつ、確実に偏光解消することのできる偏光解消素子及びその製造方法を提供することができる。また、この偏光解消素子を用いた光学機器及び液晶表示装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に従う偏光解消素子１００の模式図であり、（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）はそのＩ−Ｉ断面図であり、（Ｃ）はそのＩＩ−ＩＩ断面図である。 本発明の一実施形態に従う偏光解消素子１００を説明するためのグラフであり、（Ａ）はＤｕｔｙ比に対する有効屈折率の変化の一例を示し、（Ｂ）はＤｕｔｙ比の変化に対するリタデーションの変化の一例を示す。 本発明の好適実施形態に従う偏光解消素子２００の模式図であり、（Ａ）はグリッド幅Ｗが最小の位置における模式図であり、（Ｂ）はグリッド幅Ｗが最大の位置における模式図である。 本発明の一実施形態に従う偏光解消板の製造方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。なお、図１、３及び４では説明の便宜上、実際の各構成のサイズとは異なり、それらを誇張して示す。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。

（偏光解消素子）
本発明に従う偏光解消素子は、透光基板と複屈折層とを有し、さらに必要に応じて、その他の構成を含む。

＜偏光解消素子＞
以下、図１を用いて、本発明の一実施形態に従う偏光解消素子１００を説明する。本発明の一実施形態に従う偏光解消素子１００は、透光基板１０と、該透光基板１０上に設けられる、入射光の波長以下のピッチ幅Ｐで配置されるグリッド構造からなる複屈折層２０と、を有し、さらに、必要に応じて、その他の構成を含む。本実施形態では、前記グリッド構造のデューティー比が前記グリッド構造の軸方向（以下、「グリッド軸方向」と略記する場合がある。）に沿って連続的に変化することを特徴とする。

ここで、図１（Ａ）〜（Ｃ）に図示するように、ピッチ幅Ｐは、グリッド軸の横断面においてグリッド構造のグリッド幅Ｗと、隣接するグリッド間のギャップ幅Ｇとの和であり、Ｐ＝Ｗ＋Ｇの関係を満たす。ピッチ幅Ｐに対するグリッド幅Ｗの比（Ｗ／Ｐ）はデューティー比（以下、Ｄｕｔｙ比と記載する。）と呼ばれ、Ｄｕｔｙ比＝Ｗ／Ｐ＝Ｗ／（Ｗ＋Ｇ）である。なお、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ断面図であり、グリッド幅Ｗが最小のＷｍｉｎとなり、かつ、ギャップ幅Ｇが最大のＧｍａｘとなる場合の模式断面図である。一方、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図であり、グリッド幅Ｗが最大のＷｍａｘとなり、かつ、ギャップ幅Ｇが最小のＧｍｉｎとなる場合の模式断面図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）は、ピッチ幅Ｐが一定である場合の模式図である。

＜＜透光基板＞＞
前記透光基板１０は、偏光状態を解消する光を透過することのできる材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。斯かる透光基板の材料としては、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、白板ガラス、フロートガラス等のガラス；水晶、サファイア等の酸化物結晶、などが挙げられる。可視光以外の用途であればシリコンを用いることもできる。

＜＜複屈折層＞＞
複屈折層２０は、前記透光基板１０上に設けられる層であり、図１に示すように、グリッド構造のＤｕｔｙ比がグリッド軸方向に沿って連続的に変化する。図１（Ａ）に示すグリッド構造は、周期方向に線対称な２つの正弦波によって囲まれた領域（以下、断面図におけるグリッドのそれぞれを「単位領域」と称する。）が一定のピッチ幅Ｐで並列に配置されたものである。グリッドのピッチ幅Ｐは、複屈折が生じるよう、入射する光の波長以下とする。この構成により、偏光解消しようとする光の通過領域内でＤｕｔｙ比が一定でなくなる結果、構造複屈折によるリタデーションも一定でなくなり、透過した光の偏光状態を解消することができる。そして、透光基板１０の面内において複屈折層２０のリタデーションが連続的に変化することになる。

なお、本実施形態に従うグリッド構造は図示した形状に限定されない。グリッド構造のＤｕｔｙ比がグリッド軸方向に沿って連続的に変化する限りは、他の形状であってもよく、ピッチ幅Ｐは一定であってもよいし、漸増してもよいし、漸減してもよいし、周期的に変化してもよい。また、Ｄｕｔｙ比が変化する態様も、一例として図示した単位領域のグリッド幅Ｗの三角関数的な変化に限られない。例えば、単位領域が周期的に連なった複数の菱形の組み合わせであっても、Ｄｕｔｙ比はグリッド構造の軸方向に沿って連続的に変化する。なお、本明細書で用いる連続「的」とは、数学的な意味での厳密な「連続」は勿論含まれるが、本発明の効果が得られる限りは広く考えてよい。例えば、工業的に不可避な加工精度に起因する場合や、意図して、又は意図せずに数μｍ以下で部分的に不連続な部分があったとしても、本発明の効果が得られる限りは「連続的」に含まれる。前掲の「周期的」及び「三角関数的」も同様の意味であり、以降も同様である。

ここで、グリッドの軸方向のＤｕｔｙ比の変化の態様としては、数学的な意味での周期関数に従って変化する場合と、略周期的だがランダム性を持って変化する場合とに分類できる。前者の場合、所定の周期を持った回折格子として機能し、回折虹の発生等の問題が生じる場合がある。そこで、この影響を低減するためには後者のように、Ｄｕｔｙ比の変化の態様としては、略周期的な変化が好ましく、ランダムな揺らぎが存在することがより好ましい。

複屈折層２０の材料としては、偏光解消しようとする光を透過することができ、且つ、前述のグリッド構造（パターン形状）を形成できる材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、透光基板１０の表層部を加工してグリッド構造を形成して、該表層部を複屈折層２０としてもよい。グリッド構造は、機械加工によって形成してもよいし、ウェットエッチング及びドライエッチング等のエッチングによって形成してもよい。必要な加工精度が得られる限りは、任意の方法によってグリッド構造を形成してもよいが、必要となる微細精度を考慮すると、ドライエッチングによりグリッド構造を形成することが好ましい。

また、透光基板１０と異なる材料の層を透光基板１０上に成膜し、該成膜した層をエッチングしてグリッド構造を形成し、複屈折層２０とする場合には、屈折率の大きな材料を用いることが好ましく、無機材料を用いることがより好ましく、斯かる無機材料として例えばＮｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、などの無機酸化物を用いることが特に好ましい。これは、屈折率が大きい方が、同じグリッド高さＨによって生じる複屈折が大きくなるため、エッチング量を少なくすることができ、グリッド構造の形成精度を高めやすいからである。なかでも、高屈折率材料であるＮｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２が好ましく、Ｎｂ２Ｏ５が最も好ましい。Ｎｂ２Ｏ５を複屈折層２０に用いると、後述のエッチングマスク材料層とのエッチング選択比が大きくなるため、より深い溝を形成しやすくなり、リタデーションを大きくすることができる。

以下に、本実施形態に従う偏光解消板１００における複屈折層２０として、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）を用いた場合の一具体例による複屈折及びリタデーションを説明する。図２（Ａ）に、グリッド構造のＤｕｔｙ比に対するｎＴＭ及びｎＴＥの有効複屈折の変化を示し、図２（Ｂ）にグリッド構造のＤｕｔｙ比に対するリタデーションの変化を示す。なお、複屈折層に用いる高屈折率材料としての酸化ニオブの屈折率は２．３であり、グリッド構造間のギャップである低屈折率部の空気の屈折率を１として計算したものである。この場合、Ｄｕｔｙ比が０．６のときに複屈折Δｎ及びリタデーションＲｅは最大となる。なお、複屈折及びリタデーションが最大となるＤｕｔｙ比は、複屈折層２０に用いる材料の屈折率によって変化する。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いた場合、Ｄｕｔｙ比が０．５〜０．５５の範囲内で最大となる。Ｄｕｔｙ比を、０．２以上０．６以下の範囲内で変化させれば、種々の材料を複屈折層２０に用いた場合にリタデーションの変化量を最大化できるので、好ましい。

例えば波長６６０ｎｍ程度の赤色光の偏光を解消する場合、その半波長（即ち３３０ｎｍ）以上のリタデーションが偏光解消には必要となる。酸化ニオブを用いる場合において、形成するグリッド構造によってＤｕｔｙ比が変化する範囲を０．２〜０．６としたとき、グリッド高さＨを１４７０ｎｍ以上とすれば、前記赤色光の偏光を確実に解消することができる。なお、上記計算例は、一具体例を示したに過ぎない。用いる複屈折層の材料、偏光解消する光の波長、形成するグリッド構造に応じて、各パラメータを適宜設計するのは勿論である。なお、波長が長くなるほど、同じリタデーションを得るにはグリッド高さＨを大きくする必要があるため、赤色よりも波長の短い、緑色や青色光に対して偏光解消する場合、グリッド高さＨが上記１４７０ｎｍであれば確実に偏光解消することができる。

さて、上記一具体例において示したように、エッチングによってグリッド構造を形成する場合、隣接するグリッド間のギャップ幅Ｇ（溝幅）に比べてグリッド高さＨ（溝深さ）が比較的大きくなる。換言すれば、いわゆる「アスペクト比」が比較的大きなグリッド構造のパターンをエッチングによって形成することになる。ここで、アスペクト比が小さい方が、グリッド構造の形成が容易となるため偏光解消素子を作製する上では好ましい。したがって、アスペクト比を小さくすることのできる材料を複屈折層に用いる方が、偏光解消素子を作製する上では好ましい。

実施例においても後述するが、上記一具体例において、グリッド構造のピッチ幅を１４０ｎｍとすれば、Ｄｕｔｙ比が０．２〜０．６であるとき、ギャップ幅Ｇが５６ｎｍ（Ｄｕｔｙ比が０．６）から、１１２ｎｍ（Ｄｕｔｙ比が０．２）までの範囲で変化する。そのため、グリッド高さＨ（エッチング深さ、とも言える）を前述の１４７０ｎｍとすれば、グリッド構造のアスペクト比は１３〜２６の範囲となる。なお、これは一具体例のアスペクト比を示したに過ぎず、本実施形態においてアスペクト比の範囲が何ら具体的な値に制限されるものではない。

ここで、グリッド軸方向におけるＤｕｔｙ比の最大値から最小値までの変化度合いは特に制限されず、入射する光の偏光を解消することができるため、Ｄｕｔｙ比の変化度合いは、偏光解消素子１００を用いる環境に応じて適宜定めればよい。なお、グリッド軸方向のＤｕｔｙ比の最大値から最小値までの変化のことを、グリッド軸方向の周期と言ってもよいが、前述したようにグリッド軸方向のＤｕｔｙ比の変化は周期変化でないことが好ましいため、「変化度合い」と称する。勿論、本実施形態に従う偏光解消素子１００を用いる環境によって、Ｄｕｔｙ比の変化度合いの最適な形態が存在する。例えば、ガウスビームのような単純な入射光に対して偏光解消素子１００を適用する場合、グリッド軸方向の周期的な変化におけるＤｕｔｙ比の最大値から最小値まで変化を、光束径よりも小さな範囲とすることが好ましい。Ｄｕｔｙ比の変化度合いよりも光束径の方が小さいと、光束内でのリタデーションの変化幅が小さくなり偏光解消が不十分となる場合があるためである。例えば、ビーム径１ｍｍΦのレーザー光の場合、グリッド軸方向の周期的な変化におけるＤｕｔｙ比の最大値から最小値までの範囲を１ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、プロジェクター等のようにＬＣＤやＤＬＰの各画素からの光を、投射レンズを介してスクリーンに結像するような環境において偏光解消素子１００を用いる場合には、上述のガウスビームのような単純な光束径の例を適用することはできない。例えば、本実施形態に従う偏光解消素子１００が投射レンズ近傍に配置された場合には、レンズ径又は開口絞りの径が光束径（例えば数十ｍｍ）に相当する。一方、偏光解消素子１００が画素近傍に配置された場合には、光束径は各画素サイズの数倍程度（例えば数μｍ）となる。したがって、偏光解消素子１００を適用する環境によっては、グリッド軸方向の周期的な変化におけるＤｕｔｙ比の最大値から最小値までの範囲を１０μｍ程度とする場合もある。

また、本発明に従う好適実施形態における偏光解消素子２００では、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複屈折層２０が保護膜５０によって覆われることが好ましい。なお、グリッド幅Ｗ及びギャップ幅Ｇに関して、図３（Ａ）は、図１（Ｂ）において保護膜５０を設けた模式図に対応し、図３（Ｂ）は、図１（Ｃ）において保護膜５０を設けた模式図に対応する。グリッド構造を有する光学素子では、一部に水分などが吸着することによって光学特性が変化する場合があり、これを防ぐために、グリッド構造上に保護膜を形成することで、使用環境による光学特性劣化を抑制することができるからである。例えば、硬度やバリア性の点で、ＳｉＯ２からなる保護膜５０を形成することが好ましく、斯かる保護膜５０はスパッタリング法やＣＶＤ法によって形成することができる。なお、保護膜５０の形成によって、光学特性の変化を防ぐために、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、隣接するグリッド間に空隙を残したまま保護膜５０を形成することが特に好ましい。また、反射防止のために、偏光解消素子２００の表裏に誘電体の多層膜からなるＡＲコートなどを更に形成してもよい。

（光学機器）
本発明の光学機器は、少なくとも、本発明に従う偏光解消素子を搭載し、さらに必要に応じて、その他の構成を有する。

（液晶表示装置）
本発明の液晶表示装置は、少なくとも、本発明に従う偏光解消素子を搭載し、さらに必要に応じて、その他の構成を有する。

（偏光解消素子の製造方法）
次に、図４を用いて前述した本発明に従う偏光解消素子を製造する方法の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明に従う偏光解消素子を製造するための方法の一実施形態に過ぎず、他の実施形態により本発明に従う偏光解消素子が製造されてもよい。後述のレジスト材料層４０’にグリッド構造のパターンを設けてレジスト層４０を形成する工程を除き、本実施形態における各工程においては、常法に従い成膜、加工等を行うことができる。

本実施形態では、まず、図４（Ａ）に示すように、透光基板１０を用意する。次いで、複屈折材料層２０’を透光基板１０表面にスパッタリング等で成膜する。複屈折材料層２０’には、複屈折層２０に用いる既述の材料を適用することができる。なお、複屈折材料層２０’の膜厚は、偏光解消板１００、２００のグリッド高さＨとなる。

図４（Ｃ）に示すように、複屈折材料層２０’の成膜後、アスペクト比を制御するためには、適切なエッチング選択比を備える材料からなるエッチングマスク材料層３０’を複屈折材料層２０’表面に形成することが好ましい。エッチング選択比の大きな材料を用いることで、アスペクト比を小さくすることができる。エッチングマスク材料層３０’としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｃｒなどを用いることができ、エッチング選択比を大きくするためにはＡｌを用いることが好ましい。

次に、図４（Ｄ）に示すように、エッチングマスク材料層３０’上にレジスト材料層４０’を形成することが好ましい。レジスト材料層の材料としては、後続の工程で行う干渉露光法で用いるレーザーの波長によっても異なるが、例えばＡｒＦレジスト，ＫｒＦレジスト、ｉ線レジストなどを用いることができる。

ここで、前述の複屈折層２０のグリッド構造と同様のパターンを、二光束干渉露光法を用いて形成することが好ましい。すなわち、図４（Ｅ）に示すように、まず、前記形成したレジスト材料層に対して、二光束干渉露光を行う。この干渉露光において、主グリッドを形成する１回目の干渉露光と、面内での周期的なＤｕｔｙ比の変化を設けるための２回目の干渉露光との、二段階に分けての二光束干渉露光を行う。ここで、光学系を調整して、干渉縞の周期を、１回目はピッチ幅Ｐとし、２回目はピッチ幅Ｐよりも大きな周期とする。露光後、アルカリ現像液等で現像を行うと、Ｄｕｔｙ比がグリッド軸方向に沿って変化するレジストパターンを備えるレジスト層４０が得られる。

その後、得られたレジスト層４０をエッチングマスクとして、例えば塩素ガス等を用いてマスク材料層３０’のエッチングを行い、前記レジストパターンを転写してマスク層３０を得る（図４（Ｆ））。次いで、得られたマスク層をエッチングマスクとし、フッ化物ガス等を用いたドライエッチングで複屈折材料層２０’をエッチングすることでパターン形状を転写し、複屈折層２０とする（図４（Ｇ））。最後に、残留したマスク層３０を除去すれば、偏光解消素子１００が得られる（図４（Ｈ））。

本実施形態では、偏光解消素子１００の作製にあたり、材料として光学結晶を用いる必要がなく、且つステッパ露光など高コストとなるプロセスを用いる必要もない。従って、偏光解消板を従来技術に比べて比較的簡便に提供することができる。さらに、得られる偏光解消板１００を無機材料のみから構成することもでき、高温環境下においても適用して好適である。

また、こうして得られた偏光解消素子１００に対して、複屈折層２０を覆う保護膜５０を既述のスパッタリング又はＣＶＤ等によって形成し、偏光解消素子２００とすることも好ましい（図４（Ｉ）。

なお、本実施形態おいては、ピッチ幅Ｐを２００ｎｍ未満とすることが好ましく、ピッチ幅Ｐを一定とすることも好ましく、グリッド構造の高さＨを一定とすることが好ましい。こうすることで、偏光解消素子１００、２００を、比較的簡便な方法で、低コストで製造することができる。

（実施例１）
ガラス基板表面に、スパッタリング法でＮｂ２Ｏ５層（複屈折層となる）を１４７０ｎｍの厚みで成膜した。次いでエッチングマスク膜となる層として、Ａｌ層を厚み２００ｎｍで成膜した。さらに、膜厚４０ｎｍの反射防止ＢＡＲＣ（東京応化製；ＳＷＫ−ＥＸ４）をスピンコータで形成し、さらにＫｒＦ用フォトレジスト（東京応化製；ＴＤＵＲ−Ｐ３２６２）をスピンコータ膜厚２００ｎｍで塗布した。次に、波長２６６ｎｍのレーザーを用いて、Ｄｕｔｙ比の変化する範囲が０．２〜０．６で、グリッド軸方向に沿って連続的に変化するように、以下の条件で２段階に分けて二光束干渉露光を行った。
・二光束干渉露光条件
１回目：干渉縞周期１４０ｎｍ
２回目：干渉縞周期１０００μｍ
露光後、アルカリ現像液で現像を行い図１（Ａ）に示す形状と同様のレジストパターンが得られた。次いで、得られたレジストパターンをエッチングマスクとし、塩素ガスを用いてＡｌ層のエッチングを行った。さらに、このＡｌパターンをマスクとして、フッ化物ガスを用いてドライエッチングによりＮｂ２Ｏ５層をエッチングした。Ｏ２アッシングで、レジストの残部も除去した。以上により、ガラス基板上にＮｂ２Ｏ５からなるグリッド高さ１４７０ｎｍのグリッド構造を形成し、実施例１にかかる偏光解消素子とした。なお、グリッド幅の最大値Ｗｍａｘは８４ｎｍであり、最小値Ｗｍｉｎは２８ｎｍであった。隣接するグリッド構造Ｄｕｔｙ比が最大となる位置と、最小となる位置との間隔は約５００μｍで略一定であった。

得られたグリッド構造によるリタデーションは、グリッド幅の最大部分で９５０ｎｍ、最小部で５４０ｎｍとなる。リタデーションの最大部分及び最小部分を同時に含むように、ビーム径３ｍｍφ程度の光を入射した場合、透過光は位置によって異なるが、最大で３３０ｎｍ（７２７ｎｍ−３９７ｎｍ）のリタデーションを受けることになる。よって、グリッド軸方向と４５度の角度をなす波長６６０ｎｍの直線偏光を入射すれば、通過した光は直線偏光から楕円偏光〜円偏光の様々な偏光状態の光成分を含むものとなる。このように、実施例１にかかる偏光解消素子は、入射光の偏光を解消する機能を有する。

（実施例２〜６）
得られるリタデーションの差が最大で３３０ｎｍとなり、Ｄｕｔｙ比が０．２〜０．６の範囲内で連続的に変化するように、複屈折層となる層の材料及びピッチ幅Ｐのみを表１に示す条件で変化させた以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜６にかかる偏光解消素子を作製した。なお、複屈折層となる層の材料をＮｂ２Ｏ５からＳｉＯ２に替え、ピッチ幅Ｐを１４０ｎｍから１００ｎｍ又は２００ｎｍに変えることに伴い、グリッド高さＨ、グリッド幅Ｗｍａｘ及びギャップ幅Ｇｍｉｎも表１に示すとおりにした。また、アスペクト比の最大値も表１に併せて示す。

実施例２では、アスペクト比の最大値が１７７と、実施例１に比べて大きくなるが、偏光解消できることが確認できた。実施例３では、実施例１と同様に確実に偏光解消できることが確認された。実施例４では、実施例２よりもアスペクト比の最大値が２４８と大きく、エッチング精度が厳しくなるが、実施例１と同様に偏光解消できることが確認できた。実施例５，６では、ピッチ幅が大きく、透過率にディップが発生することもあり、量産した場合に歩留まりの悪化が懸念されるが、偏光自体は解消することができた。

本発明によれば、従来の偏光解消素子よりも比較的簡便に作製可能であり、かつ、確実に偏光解消することのできる偏光解消素子を提供することができる。

１０・・・透光基板
２０・・・複屈折層
２０’・・・複屈折材料層
３０・・・マスク層
３０’・・・マスク材料層
４０・・・レジスト層
４０’・・・レジスト材料層
５０・・・保護膜
１００、２００・・・偏光解消素子
Ｐ・・・ピッチ幅
Ｗ・・・グリッド幅
Ｇ・・・ギャップ幅
Ｈ・・・グリッド高さ

Claims (12)

1. 透光基板と、
   該透光基板上に設けられる、入射光の波長以下のピッチ幅で配置されるグリッド構造からなる複屈折層と、を有し、
   前記グリッド構造のデューティー比が前記グリッド構造の軸方向に沿って連続的に変化することを特徴とする偏光解消素子。
2. 前記デューティー比が、０．２以上０．６以下の範囲内で変化する、請求項１に記載の偏光解消素子。
3. 前記ピッチ幅が２００ｎｍ未満である、請求項１又は２に記載の偏光解消素子。
4. 前記グリッド構造の高さが一定である、請求項１〜３のいずれかに記載の偏光解消素子。
5. 前記透光基板の面内において前記複屈折層のリタデーションが連続的に変化する、請求項１〜４のいずれかに記載の偏光解消素子。
6. 前記複屈折層が無機材料のみからなる、請求項１〜５のいずれかに記載の偏光解消素子。
7. 前記複屈折層が保護膜によって覆われる、請求項１〜６のいずれかに記載の偏光解消素子。
8. 前記ピッチ幅が一定である、請求項１〜７のいずれかに記載の偏光解消素子。
9. 前記グリッド構造の前記デューティー比が、前記軸方向に対して略周期的に変化する、請求項１〜８のいずれかに記載の偏光解消素子。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の偏光解消素子を製造する方法であって、
    前記グリッド構造を二光束干渉露光法を用いて形成することを特徴とする偏光解消素子
    の製造方法。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載の偏光解消素子を搭載することを特徴とする光学機器。
12. 請求項１〜９のいずれかに記載の偏光解消素子を含むことを特徴とする液晶表示装置。
    
    
    
    
    

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