JP2020086002A - 偏光素子、偏光素子の製造方法及び光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】凸部のピッチ、幅、高さ、を調節しなくても、透過軸の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸の偏光の反射率が低い偏光素子を提供する。【解決手段】本発明の偏光板は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、透明基板２０と、使用帯域の光の波長より短いピッチｐ４０で主面２２に配列され、Ｙ方向に延びる凸部４０と、を備える。凸部は誘電層５２と導電層５４とがＺ方向に沿って交互に２組以上積層された積層体５０を有する。導電層５４は使用帯域の光に対して吸収性を有する第１導電層５５と使用帯域の光に対して反射性を有する第２導電層５６を含む。光の入射側に最も近い導電層５４としては、第１導電層５５が設けられている。【選択図】図２
Description
本発明は、偏光素子、偏光素子の製造方法及び光学機器に関する。
偏光素子は、表面に平行な一方向の偏光を吸収し、表面に平行かつ一方向と直交する方向の偏光を透過させる光学素子である。液晶表示装置には、偏光素子が用いられている。特に、透過型液晶プロジェクタのように大きな光量の光源を使用する液晶表示装置では、偏光素子は強い輻射線を受ける。そのため、偏光素子には優れた耐熱性や耐光性が求められる。また、偏光素子には、数ｃｍ程度の大きさを確保でき、高い消光比及び反射率特性を制御できることが求められる。これらの要求に応える偏光素子として、ワイヤグリッド型の無機偏光素子が提案されている。
ワイヤグリッド型の偏光素子は、基板上に、一方向に延在するワイヤを、使用する光の波長より狭いピッチで多数並べて配置した構造を有する。ワイヤは、導体からなり、使用する光に対して反射層として機能する。ワイヤのピッチは、数十ｎｍから数百ｎｍ程度である。ワイヤの延在方向に平行な偏光はＴＥ波又はＳ波であり、ＴＥ波の光がワイヤグリッド型の偏光素子に入射しても透過できない。一方、ワイヤの延在方向に垂直な偏光はＴＭ波又はＰ波であり、ＴＭ波の光がワイヤグリッド型の偏光素子に入射するとそのまま透過する。
上述の構造を有するワイヤグリッド型の偏光素子は、耐熱性及び耐光性に優れている。また、既存の成膜技術やエッチング技術を用いて、比較的大きな素子を作製できる。また、ワイヤグリッド型の偏光素子は、高い消光比を有する。さらに、ワイヤを誘電層と金属層との積層構造で構成することによって、ワイヤグリッド型の偏光素子の反射率の特性を制御できる。
ワイヤグリッド型の偏光素子の表面で反射された戻り光は、液晶プロジェクタの装置内で再度反射される。このことによって、ゴーストが生じる、前述のように優れた特徴や機能を有するワイヤグリッド型の偏光素子によれば、ゴースト等による画質の劣化を抑えることができる。
従来のワイヤグリッド型の偏光素子では、ピッチとグリッド幅との関係からわかるように、波長が短くなる程、光の透過率が低下する。グリッド幅は、基板の表面に平行かつワイヤの延在方向に垂直な方向におけるワイヤの大きさを意味する。例えば、液晶プロジェクタで使用される可視波長帯域のうち青色帯域を６００ｎｍから６８０ｎｍまで、緑色帯域を５２０ｎｍから５９０ｎｍまで、赤色帯域を６００ｎｍから６８０ｎｍまでとすると、青色帯域で光の透過率が最も低くなる。
ワイヤグリッド型の偏光素子のグリッド幅を狭くすることによって、光の透過率を高められることは知られているが、実際にグリッド幅を狭めたパターンを設計通りに形成することの難易度は高く、製造時のばらつきが生じやすい。また、グリッド幅を狭くすることによって、作製した偏光素子の信頼性を維持することが困難になる。
上述の懸念を解消するために、種々の構造を有するワイヤグリッド型の偏光素子が提案されている。例えば、特許文献１から特許文献３には、透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された格子状凸部を備えた偏光素子が開示されている。特許文献１から特許文献３までの偏光素子の格子状凸部は、透明基板側から順に反射層と、誘電層と、吸収層とを有する。特許文献１の偏光素子の格子状凸部の先端部は、先端に近づくにしたがって細くなるように傾斜している。特許文献２の偏光素子の格子状凸部の幅は、一定である。特許文献２の偏光素子の反射層は、金属層と、金属層の側面を覆う酸化物層とを有する。特許文献３の偏光素子の格子状凸部では、反射層の幅が誘電層の幅よりも小さい。
特許文献４には、表面を有する基板と、表面に配置される平行且つ細長いワイヤプリフォームのアレイとを含む偏光素子が開示されている。特許文献４の偏光素子のワイヤプリフォームのそれぞれは、入射光の波長より小さいグリッド周期で配置され、交互にされる細長い金属ワイヤと細長い誘電層とからなるワイヤ内下位構造を含む。ワイヤ内下位構造は、少なくとも２つの細長い金属ワイヤを含む。
前述の一方向、すなわちワイヤが延在する方向に沿う軸は吸収軸と呼ばれている。前述の一方向に直交する方向に沿う軸は、透過軸と呼ばれている。近年では、液晶プロジェクタの高輝度化に伴い、透過軸の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸の偏光の反射率が低い偏光素子が求められている。特許文献４の偏光素子では、吸収軸の偏光の反射率が高くなる。そのため、特許文献４の偏光素子を液晶プロジェクタに用いると、偏光素子で光の入射側に反射された光が迷光となり、液晶プロジェクタの光学特性を低下させるという問題があった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされ、透過軸の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸の偏光の反射率が低い偏光素子、偏光素子の製造方法及び光学機器を提供する。
本発明の偏光素子は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、透明基板と、使用帯域の光の波長より短いピッチで前記透明基板の表面に配列され、前記表面に沿う第１方向に延びる凸部と、を備え、前記凸部は第１誘電層と導電層とが前記表面に直交する第２方向に沿って交互に複数組で積層された積層体を有し、前記導電層は前記光に対して吸収性を有する第１導電層と前記光に対して反射性を有する第２導電層を含み、前記光の入射側に最も近い前記導電層として前記第１導電層が設けられている。
上述の偏光素子において、前記凸部は、前記積層体の先端面及び側面を覆う第２誘電層を有してもよい。
上述の偏光素子において、前記凸部における前記導電層の層数は７以上であってもよい。
上述の偏光素子において、前記凸部は前記第１方向から見たとき略矩形であってもよい。
上述の偏光素子において、前記第１誘電層及び前記導電層は前記第１方向から見たとき略矩形であってもよい。
上述の偏光素子において、前記第２導電層の材料は金属であってもよく、前記金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であってもよい。
上述の偏光素子において、前記透明基板の材料はガラス、水晶又はサファイアの何れかであってもよい。
上述の偏光素子において、前記第１誘電層及び前記第２誘電層の材料はシリコン酸化物であってもよい。
上述の偏光素子において、前記第１導電層は鉄又はタンタルを含むと共にシリコンを含んでいてもよい。
上述の偏光素子において、前記透明基板の表面及び前記凸部の先端面及び側面は有機系撥水膜によって覆われていてもよい。
本発明の偏光素子の製造方法は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子の製造方法であって、透明基板上に、誘電層と導電層が交互に積層された積層体を形成する工程と、前記積層体を選択的にエッチングすることによって使用帯域の光の波長より短いピッチで前記透明基板上に配列される凸部を形成する工程と、前記凸部を誘電体で埋没させる工程と、前記誘電層を選択的にエッチングすることによって使用帯域の光の波長より短いピッチで前記透明基板上に配列される凸部を形成する工程と、を有する。
本発明の光学機器は、上述の偏光素子を備える。
本発明によれば、透過軸の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸の偏光の反射率が低い偏光素子、このような偏光素子を製造可能な偏光素子の製造方法、及び、透過軸の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸の偏光の反射率が低い偏光素子が組み込まれた光学機器を提供できる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［一実施形態の偏光素子の構成］
図１は、本発明の一実施形態の偏光板（偏光素子）１０の平面図である。図１に示すように、偏光板１０は、透明基板２０と、複数の凸部４０と、を備える。凸部４０は、透明基板２０の主面（表面）２２に沿う第１方向に延びている。以下、複数の凸部４０が主面２２に沿って配列する方向をＸ方向とする。凸部４０の延びる方向をＹ方向（第１方向）とする。Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向であって、凸部４０が主面２２から突出する方向をＺ方向（第２方向）とする。
図１は、本発明の一実施形態の偏光板（偏光素子）１０の平面図である。図１に示すように、偏光板１０は、透明基板２０と、複数の凸部４０と、を備える。凸部４０は、透明基板２０の主面（表面）２２に沿う第１方向に延びている。以下、複数の凸部４０が主面２２に沿って配列する方向をＸ方向とする。凸部４０の延びる方向をＹ方向（第１方向）とする。Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向であって、凸部４０が主面２２から突出する方向をＺ方向（第２方向）とする。
偏光板１０に対して、光は、Ｚ方向に沿って逆向きに、凸部４０及び主面２２側から入射する。Ｙ方向に平行な電界成分をもつ偏光は、ＴＥ波又はＳ波と呼ばれる。一方、Ｘ方向に平行な電界成分をもつ偏光は、ＴＭ波又はＰ波と呼ばれる。偏光板１０は、透過、反射、干渉、及び光学異方性による偏光の選択的光吸収の４つの作用によって、入射したＴＥ波を減衰させ、ＴＭ波を透過させる。したがって、偏光板１０の吸収軸３１は、Ｙ方向に向いている。偏光板１０の透過軸３２は、Ｘ方向に向いている。
以下、高さとは、主面２２からＺ方向に沿った寸法を意味する。幅とは、Ｙ方向から見たときのＸ方向の寸法を意味する。ピッチとは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向において複数繰り返される間隔を意味する。
図２は、偏光板１０の一部をＸ方向及びＺ方向を含む面で切断した断面図である。図２に示すように、複数の凸部４０は、使用帯域の光の波長より短いピッチｐ４０で主面２２に配列されている。
透明基板２０は、使用帯域の光に対して透光性を示す基板である。透明基板２０の高さは、例えば０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であるが、偏光板１０の透過軸３２の偏光の透過率及び吸収軸３１の偏光の吸収率がそれぞれ良好に維持できれば特に限定されない。
凸部４０は、Ｙ方向に沿って帯状に延びる誘電層（第１誘電層）５２と導電層５４とがＺ方向に沿って交互に複数組で積層された積層体５０を有する。導電層５４は、使用帯域の光に対して吸収性を有する第１導電層５５と、使用帯域の光に対して反射性を有する第２導電層５６を含む。光の入射側に最も近い導電層５４として第１導電層５５が設けられている。偏光板１０の使用帯域は、主に可視波長帯域であり、本明細書において３８０ｎｍ以上８１０ｎｍ以下とする。
積層体５０では、主面２２に近い側からＺ方向に沿って逆向きに、誘電層５２と導電層５４とのペアの層が７つ積層している。光はＺ方向に沿って入射するので、積層体５０において、複数の導電層５４のうち、凸部４０の最も先端側の導電層５４が第１導電層５５になっている。また、積層体５０において、誘電層５２が主面２２に接している。
誘電層５２及び導電層５４は、Ｙ方向から見たとき略矩形である。誘電層５２及び導電層５４の幅は、互いに略等しい。つまり、積層体５０は、Ｙ方向から見たとき略矩形である。略矩形であるとは、Ｚ方向に沿って移動した際にＸ方向の大きさが略一定であり、Ｚ方向におけるＸ方向の大きさの変化が数ｎｍ〜十数ｎｍ程度であることを意味する。
積層体５０の幅ｗ５０、及び誘電層５２及び導電層５４の幅は、３５ｎｍ以上４５ｎｍ以下であることが好ましい。幅ｗ５０が前述の範囲内であることによって、Ｚ方向における幅を略一定にしつつ、使用帯域において透過軸３２に沿う偏光の透過率を高くすることができる。幅ｗ５０は、例えば、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡を用いて、任意の４つの積層体５０の幅を測定し、測定した４つの幅の算術平均値を幅ｗ５０とすることができる。以下、この測定方法を電子顕微鏡法という。
各々の誘電層５２の高さｈ５２は、偏光板１０に入射して第１導電層５５で反射する偏光の位相に対して第１導電層５５を透過して第２導電層５６で反射する偏光の位相が半波長分ずれる高さになっている。互いに位相を半波長分ずらすために、高さｈ５２は、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。各々の第１導電層５５の高さｈ５５及び第２導電層５６の高さｈ５６は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。高さｈ５２，ｈ５５，ｈ５６は、例えば電子顕微鏡法によって測定可能である。
積層体５０の高さは、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。誘電層５２及び導電層５４の高さが前述の範囲内であることによって、使用帯域において吸収軸３１に沿う偏光の透過率を低くでき、（透過軸透過率／吸収軸透過率）で表されるコントラストが高くて高画質な映像を実現できるので好ましい。
凸部４０は、積層体５０の先端面６１及び側面６２を覆う誘電層（第２誘電層）５８を有する。凸部４０全体についても、Ｙ方向から見たとき略矩形である。つまり、先端面６１を覆う誘電層５８の高さは略一定であり、側面６２を覆う誘電層５８の幅は略一定である。
凸部４０の幅ｗ４０は、４０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。幅ｗ４０が前述の範囲内であることによって、Ｚ方向における幅を略一定にしつつ、使用帯域において透過軸３２に沿う偏光の透過率を高くすることができる。
凸部４０の高さｈ４０は、２１０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下であることが好ましい。高さｈ４０が前述の範囲内であることによって、使用帯域において吸収軸３１に沿う偏光の透過率を低くできるので好ましい。
ピッチｐ４０は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。ピッチｐ４０が上述の範囲内であることによって、凸部４０の作製の容易性が高まり、作製する偏光板１０の形状が安定し、それによって偏光板１０の光学特性が安定する。ピッチｐ４０は、例えば電子顕微鏡法によって測定可能である。
以下、偏光板１０の各構成要素の好適な材料について説明する。
＜透明基板＞
透明基板２０の材質は、少なくとも使用帯域の光に対して透光性を有している。使用帯域における透明基板２０の全光透過率は、少なくとも８０％以上であり、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。透明基板２０の使用帯域の波長における屈折率は、１．１以上２．２以下であることが好ましい。透明基板２０の材料としては、ガラスが好ましく、特に、基準波長５５０ｎｍにおける屈折率１．４６を有する石英ガラス、同基準波長における屈折率１．５１を有するソーダ石灰が好ましい。また、透明基板２０の材料は、光学ガラスとして広く用いられるケイ酸塩ガラス等であってもよい。
透明基板２０の材質は、少なくとも使用帯域の光に対して透光性を有している。使用帯域における透明基板２０の全光透過率は、少なくとも８０％以上であり、８５％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。透明基板２０の使用帯域の波長における屈折率は、１．１以上２．２以下であることが好ましい。透明基板２０の材料としては、ガラスが好ましく、特に、基準波長５５０ｎｍにおける屈折率１．４６を有する石英ガラス、同基準波長における屈折率１．５１を有するソーダ石灰が好ましい。また、透明基板２０の材料は、光学ガラスとして広く用いられるケイ酸塩ガラス等であってもよい。
また、透明基板２０の材料として、熱伝導性が高い水晶またはサファイアを用いることが好ましい。透明基板２０が上述の屈折率及び高い熱伝導性を有することによって、強い光に対して高い耐光性が得られ、偏光板１０を発熱量の多いプロジェクタの光学エンジン用の偏光素子として用いることができる。透明基板２０の材料として水晶等の光学活性の結晶からなる透明基板を用いる場合には、結晶の光学軸に対して平行または垂直に凸部４０を延ばすことが好ましい。このことによって、偏光に対して光学軸を合わせたときに、複屈折による影響を受けず、偏光が乱れない状態になるので、優れた光学特性が得られる。なお、結晶の光学軸とは、その軸の方向に進む光の常光線の屈折率と異常光線の屈折率との差が最小となる方向の軸である。
＜誘電層＞
誘電層５２，５８の基準波長の屈折率は、１．０より大きく、２．５以下であることが好ましい。高さｈ５２及び誘電層５８の高さや幅、及び誘電層５２，５８の屈折率を適宜調整することにより、凸部４０側から入射して第２導電層５６で反射したＴＥ波の一部を、第１導電層５５を透過する際に反射させて第１導電層５５に戻すことができる。このことによって、第１導電層５５を通過した光を干渉によって減衰させることができる。このようにして、凸部４０側から入射した光のうち、ＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、所望の偏光特性を得ることができる。
誘電層５２，５８の基準波長の屈折率は、１．０より大きく、２．５以下であることが好ましい。高さｈ５２及び誘電層５８の高さや幅、及び誘電層５２，５８の屈折率を適宜調整することにより、凸部４０側から入射して第２導電層５６で反射したＴＥ波の一部を、第１導電層５５を透過する際に反射させて第１導電層５５に戻すことができる。このことによって、第１導電層５５を通過した光を干渉によって減衰させることができる。このようにして、凸部４０側から入射した光のうち、ＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、所望の偏光特性を得ることができる。
誘電層５２，５８の材料は、ＳｉＯ２等のシリコン（Ｓｉ）酸化物、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム、酸化ビスマス等の金属酸化物、ＭｇＦ２等のフッ化マグネシウム、氷晶石、ゲルマニウム、二酸化チタン、ケイ素、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、またはこれらのうちの二以上を組み合わせたもの等が挙げられる。非常に安定な物質で入手し易いことから、誘電層５２，５８は、Ｓｉ酸化物で構成されることが好ましい。なお、誘電層５２，５８の材料は、上述の材料のうち互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。
誘電層５２，５８の材料である誘電体は、蒸着法やスパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、あるいは、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）法を利用することにより、高密度の膜として形成される。
＜導電層＞
導電層５４は、ワイヤグリッド型の偏光板１０としての機能を発揮し、ＴＥ波を減衰させ、ＴＭ波を透過する。導電層５４の光学特性は、周囲の誘電層５２，５８の屈折率によっても影響を受ける。そのため、誘電層５２，５８の材料を適宜選択することで、導電層５４に起因する偏光板１０の特性を制御できる。
導電層５４は、ワイヤグリッド型の偏光板１０としての機能を発揮し、ＴＥ波を減衰させ、ＴＭ波を透過する。導電層５４の光学特性は、周囲の誘電層５２，５８の屈折率によっても影響を受ける。そのため、誘電層５２，５８の材料を適宜選択することで、導電層５４に起因する偏光板１０の特性を制御できる。
第２導電層５６の材料は、使用帯域の光に対して反射性を有する材料である。反射性を有するとは、入射した光の少なくとも一部を反射可能であることを意味する。例えば、使用帯域の波長における第２導電層５６の材料の全光反射率は、８５％以上１００％以下であることが好ましく、９０％以上１００％以下であることがより好ましい。可視波長帯域の光に対して反射性を有する材料としては、例えば、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｗ，Ｆｅ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｔｅ等の元素単体、又はこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。これらの材料の中でも、第２導電層５６は、全光反射率が高く加工性の良いアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されることが好ましい。このことによって、吸収軸透過率は低く、且つ透過軸透過率は高くなるので、優れた光学特性が得られる。なお、第２導電層５６の材料は、上述の材料以外に、例えば着色等により表面の反射率が高く形成された無機物又は樹脂であってもよい。
第１導電層５５の材料は、使用帯域の光に対して吸収性を有する材料である。吸収性を有するとは、消衰定数が零ではないことを意味する。例えば、使用帯域の波長における第１導電層５５の材料の消衰係数は、０．１以上５．０以下であることが好ましい。光吸収作用を有する第１導電層５５の材料は、使用帯域に応じて金属材料や半導体材料等の導電材料から適宜選択される。可視波長帯域に光吸収作用を有する金属材料としては、Ｔａ，Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｓｎ等の元素単体、又はこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。可視波長帯域に光吸収作用を有する半導体材料としては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｔｅ，ＺｎＯ，シリサイド材料（β−ＦｅＳｉ２，ＭｇＳｉ２，ＮｉＳｉ２，ＢａＳｉ２，ＣｒＳｉ２，ＣｏＳｉ２，ＴａＳｉ等）が挙げられる。第１導電層５５の材料として前述の金属材料又は半導体材料を用いることによって、偏光板１０は、可視波長帯域において高い消光比を実現する。特に、第１導電層５５の材料としてＦｅ又はＴａと、Ｓｉを含んで構成されることによって、偏光板１０の可視波長帯域における消光比はより高くなる。
第１導電層５５の材料として半導体材料を用いる場合は、光吸収作用に半導体材料のバンドギャップエネルギーが関与するため、半導体材料のバンドギャップエネルギーの吸収端波長が使用帯域の波長以下であることが必要である。例えば、第１導電層５５の材料として、３８０ｎｍ以上１２４０ｎｍ以下の波長の光を吸収するようにバンドギャップが３．２６３ｅＶ以下の半導体材料を使用する必要がある。
第１導電層５５及び第２導電層５６のそれぞれは、上述の材料のうち互いに異なる材料からなる複数の層で構成されていてもよい。
［その他の偏光素子の構成］
図１及び図２には、本発明の好適な一実施形態の偏光板１０を例示し、上述のように説明した。上述の実施形態の他に本発明の作用効果を発揮する構成について、以下説明する。
図１及び図２には、本発明の好適な一実施形態の偏光板１０を例示し、上述のように説明した。上述の実施形態の他に本発明の作用効果を発揮する構成について、以下説明する。
凸部４０は、積層体（凸部）５０のみを備え、誘電層５８を備えていなくてもよい（図９参照）。その場合、幅ｗ５０は、３５ｎｍ以上４５ｎｍ以下であることが好ましい。
また、凸部４０における導電層５４の層数は少なくとも２以上であり、７以上であることが好ましい。但し、所望の特性が得られるのであれば、導電層５４の層数は７未満であってもよい。図３から図５は、導電層５４の層数が５，３，２である構成例を示している。
また、Ｚ方向における第１導電層５５と第２導電層５６との間の誘電層５２の高さｈ５２−１に比べて、第２導電層５６同士又は第２導電層５６と透明基板２０との間の誘電層５２の高さｈ５２−２を高くすることによって、透過、反射、干渉、及び光学異方性による偏光の選択的光吸収の４つの作用効果が高まる。所望の特性が得られるのであれば、高さｈ５５，ｈ５６は、互いに同一でなくてもよい。図３から図５は、高さｈ５６が高さｈ５５より大きい構成例を示している。
また、図示していないが、Ｘ方向における凸部４０同士の間の主面２２、凸部４０の先端面４７及び側面４８は有機系撥水膜によって覆われていてもよい。有機系撥水膜としては、例えばパーフルオロデシルトリエトキシシラン（ＦＤＴＳ）等のフッ素系シラン化合物等で構成された撥水膜が挙げられる。
また、図示していないが、偏光板１０に対して光が透明基板２０の主面２２とは反対側の表面側から入射する場合は、複数の導電層５４のうち、少なくとも主面２２に最も近い導電層５４が第１導電層５５になり、凸部４０の最も先端側の導電層５４は第２導電層５６である。
［偏光素子の製造方法］
次いで、本発明の一実施形態の偏光素子の製造方法を説明する。本実施形態の偏光素子の製造方法は、偏光板１０の製造方法であって、次に説明する第１工程から第４工程を備えている。
次いで、本発明の一実施形態の偏光素子の製造方法を説明する。本実施形態の偏光素子の製造方法は、偏光板１０の製造方法であって、次に説明する第１工程から第４工程を備えている。
＜第１工程＞
先ず、図６に示すように、主面（透明基板上）２２に、誘電層５２と導電層５４が交互に積層された積層体５１を形成する。具体的には、主面２２に、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第１導電層５５を順次形成する。これらの各層の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法やＡＬＤ法、ＳＯＧ法等が挙げられる。
先ず、図６に示すように、主面（透明基板上）２２に、誘電層５２と導電層５４が交互に積層された積層体５１を形成する。具体的には、主面２２に、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第２導電層５６、誘電層５２、第１導電層５５を順次形成する。これらの各層の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法やＡＬＤ法、ＳＯＧ法等が挙げられる。
＜第２工程＞
次に、積層体５１を選択的にエッチングすることによって、ピッチｐ４０で積層体５０を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法、ナノインプリント法等を用いて、図６に示すように、積層体５１において主面２２側とは反対側の上面にレジスト６９を形成する。その後、レジスト６９をパターニングし、図７に示すようにピッチｐ４０で幅ｗ５０を有するレジスト７０を形成する。レジスト７０は、積層体５０と同じピッチ、幅、長さで形成する。すなわち、レジスト７０は、ピッチｐ４０で設けられ、幅ｗ５０を有し、Ｙ方向に延びている。
次に、積層体５１を選択的にエッチングすることによって、ピッチｐ４０で積層体５０を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法、ナノインプリント法等を用いて、図６に示すように、積層体５１において主面２２側とは反対側の上面にレジスト６９を形成する。その後、レジスト６９をパターニングし、図７に示すようにピッチｐ４０で幅ｗ５０を有するレジスト７０を形成する。レジスト７０は、積層体５０と同じピッチ、幅、長さで形成する。すなわち、レジスト７０は、ピッチｐ４０で設けられ、幅ｗ５０を有し、Ｙ方向に延びている。
次に、レジスト７０をマスクとして、積層体５１を選択的にエッチングすると、図８に示すように、主面２２上に積層体５０が形成される。このように積層体（凸状積層体）５０を形成する方法としては、誘電層５２及び導電層５４に対応したエッチングガスを用いたドライエッチング法が挙げられる。
＜第３工程＞
次に、図９に示すように、積層体５０を誘電層５８と同じ材料の誘電体５９で埋没させる。積層体５０を誘電体５９で埋没させる方法としては、スパッタ法や蒸着法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、ＳＯＧ法等が挙げられる。
次に、図９に示すように、積層体５０を誘電層５８と同じ材料の誘電体５９で埋没させる。積層体５０を誘電体５９で埋没させる方法としては、スパッタ法や蒸着法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、ＳＯＧ法等が挙げられる。
＜第４工程＞
次に、誘電体５９を選択的にエッチングすることによってピッチｐ４０で凸部４０を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法、ナノインプリント法等を用いて、図１０に示すように、誘電体５９において主面２２側とは反対側の上面にレジスト７１を塗布する。その後、レジスト７１をパターニングし、図１１に示すようにピッチｐ４０で幅ｗ４０のレジスト７２を形成する。レジスト７２は、凸部４０の形状に合わせて形成され、Ｙ方向に延びている。
次に、誘電体５９を選択的にエッチングすることによってピッチｐ４０で凸部４０を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法、ナノインプリント法等を用いて、図１０に示すように、誘電体５９において主面２２側とは反対側の上面にレジスト７１を塗布する。その後、レジスト７１をパターニングし、図１１に示すようにピッチｐ４０で幅ｗ４０のレジスト７２を形成する。レジスト７２は、凸部４０の形状に合わせて形成され、Ｙ方向に延びている。
次に、レジスト７２をマスクとして、誘電体５９を選択的にエッチングすると、主面２２上に、図２に示した凸部４０が形成される。このように凸部４０を形成する方法としては、誘電体５９に対応したエッチングガスを用いたドライエッチング法が挙げられる。
以上の工程によって、図１及び図２に示す偏光板１０が製造される。なお、本実施形態の偏光素子の製造方法は、第4工程の後に、Ｘ方向における凸部４０同士の間の主面２２、凸部４０の先端面４７及び側面４８を有機系撥水膜で覆う工程をさらに備えていてもよい。有機系撥水膜は、例えば上述のような真空成膜技術を用いて形成できる。
［光学機器］
次いで、本発明の光学機器について説明する。図示していないが、本発明の光学機器は、偏光板１０をはじめとする本発明の偏光素子を備えている。本発明の偏光素子は、種々の用途で使用可能である。本発明の偏光素子を適用可能な光学機器としては、例えば、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等が挙げられる。すなわち、本発明の光学機器は、本発明の偏光素子を備えた液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等である。特に、本発明の偏光素子は耐熱性に優れているので、有機材料からなる有機偏光板に比べて高い耐熱性が要求される液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ等で好適に用いられる。
次いで、本発明の光学機器について説明する。図示していないが、本発明の光学機器は、偏光板１０をはじめとする本発明の偏光素子を備えている。本発明の偏光素子は、種々の用途で使用可能である。本発明の偏光素子を適用可能な光学機器としては、例えば、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等が挙げられる。すなわち、本発明の光学機器は、本発明の偏光素子を備えた液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等である。特に、本発明の偏光素子は耐熱性に優れているので、有機材料からなる有機偏光板に比べて高い耐熱性が要求される液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ等で好適に用いられる。
以上説明したように、本実施形態の偏光板１０は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、透明基板２０と、ピッチｐ４０で主面２２に配列されてＹ方向に延びる凸部４０と、を備えている。凸部４０は、誘電層５２と導電層５４とがＺ方向に沿って逆向きに交互に積層された積層体５０を有する。導電層５４は、偏光板１０に入射する光に対して吸収性を有する第１導電層５５と偏光板１０に入射する光に対して反射性を有する第２導電層５６とを含む。また、光の入射側に最も近い導電層５４として第１導電層５５が設けられている。
上述の構成によれば、凸部４０側から偏光板１０に入射したＴＥ波の少なくとも一部を第１導電層５５で吸収させ、第１導電層５５を通過した残部を第２導電層５６で反射させて第１導電層５５に戻すことができる。導電層５４は第１導電層５５及び第２導電層５６の２種類を有するので、透過、反射、干渉、及び光学異方性による偏光の選択的光吸収の４つの作用を活用し、特に光の干渉効果を強めることができる。このことによって、吸収軸３１に沿う偏光が偏光板１０に入射した際に、この偏光を良好に減衰させることができる。その結果、ピッチｐ４０、幅ｗ５０、高さｈ４０を調節しなくても、透過軸３２の偏光の透過率を高く、かつ吸収軸３１の偏光の反射率を低くすることができる。
上述の構成によれば、凸部４０側から偏光板１０に入射したＴＥ波の少なくとも一部を第１導電層５５で吸収させ、第１導電層５５を通過した残部を第２導電層５６で反射させて第１導電層５５に戻すことができる。導電層５４は第１導電層５５及び第２導電層５６の２種類を有するので、透過、反射、干渉、及び光学異方性による偏光の選択的光吸収の４つの作用を活用し、特に光の干渉効果を強めることができる。このことによって、吸収軸３１に沿う偏光が偏光板１０に入射した際に、この偏光を良好に減衰させることができる。その結果、ピッチｐ４０、幅ｗ５０、高さｈ４０を調節しなくても、透過軸３２の偏光の透過率を高く、かつ吸収軸３１の偏光の反射率を低くすることができる。
また、偏光板１０において、凸部４０は、積層体５０の先端面４７及び側面４８を覆う誘電層５８を有する。凸部４０では、誘電層５２を含めて側面及び上面が誘電層５８で覆われることによって、積層体５０が補強されるので、積層体５０の高さに対して幅ｗ５０が狭くなっても製造時の信頼性を高くすると共に、偏光板１０の耐衝撃性を高くすることができる。
また、偏光板１０において、凸部４０における導電層５４の層数は７以上である。このことによって、前述の透過、反射、干渉、及び光学異方性による偏光の選択的光吸収の４つの作用効果を高め、吸収軸３１に沿う偏光が偏光板１０に入射した際に、この偏光をより良好に減衰させることができる。なお、導電層５４の層数が多くなる程、透過軸３２に沿う偏光の透過率は向上するが、導電層５４の積層回数が増えるために製造工程が煩雑になる。そのため、導電層５４の層数は、製造装置の性能等を勘案して適宜設定されることが好ましい。
また、偏光板１０において、凸部４０はＹ方向から見たとき略矩形であり、誘電層５２及び導電層５４はＹ方向から見たとき略矩形である。このように幅ｗ４０がＺ方向において略均一であることによって、凸部４０の形成時に複雑なレジストパターンの形成やエッチングガスの制御を必要としない。さらに、グリッド幅の狭い従来の偏光板に比べて幅ｗ４０を広く確保しつつ、透過軸３２の偏光の透過率を高く、かつ吸収軸３１の偏光の反射率を低くすることができる。
また、偏光板１０において、第２導電層５６の材料は金属であってもよく、金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であってもよい。このことによって、優れた光学特性を得ることができる。
また、偏光板１０において、透明基板２０の材料はガラス、水晶又はサファイアの何れかであってもよい。このことによって、偏光板１０に入射する可視波長帯域の光の透過率を高くすることができる。
また、偏光板１０において、誘電層５２，５８の材料はシリコン酸化物であってもよい。このことによって、優れた光学特性を得ることができる。
また、偏光板１０において、第１導電層５５は鉄又はタンタルを含むと共にシリコンを含んでいてもよい。このことによって、優れた光学特性を得ることができる。
また、主面２２及び先端面４７及び側面４８は有機系撥水膜によって覆われていてもよい。このことによって、偏光板１０の耐湿性等の信頼性を高めることができる。
本発明の偏光素子の製造方法は、ワイヤグリッド構造を有する偏光板１０の製造方法であって、透明基板２０上に積層体５１を形成する第１工程と、積層体５１を選択的にエッチングすることによってピッチｐ４０で前記透明基板上に配列される積層体５０を形成する第２工程と、積層体５０を誘電体５９で埋没させる第３工程と、誘電体５９を選択的にエッチングすることによってピッチｐ４０で凸部４０を形成する第４工程と、を有する。
上述の偏光素子の製造方法によれば、グリッド幅の狭い従来の偏光板に比べて幅ｗ４０を広く確保しつつ、透過軸３２の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸３１の偏光の反射率が低い偏光板１０を製造できる。
上述の偏光素子の製造方法によれば、グリッド幅の狭い従来の偏光板に比べて幅ｗ４０を広く確保しつつ、透過軸３２の偏光の透過率が高く、かつ吸収軸３１の偏光の反射率が低い偏光板１０を製造できる。
本発明の光学機器は、偏光板１０をはじめとする本発明の偏光素子を備える。このことによって、透過軸３２の偏光を用いた光学機器の高輝度化を図ることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された要旨の範囲内において、種々変更可能である。
例えば、透明基板２０の形状は、必ずしも平板状でなくてもよく、任意の形状を有し、その表面の一部を主面２２として複数の凸部４０を備えていてもよい。
図２から図５のそれぞれに示した偏光板１０及び変形例を、本発明の偏光素子の実施例１から実施例４のそれぞれとし、各々の光学特性についてシミュレーションを行った。また、比較例として、図１２に示すように、凸部４０が積層体５０のみを備え、導電層５４の層数が２である従来の偏光素子の光学特性についてもシミュレーションを行った。光学特性のシミュレーションには、厳密結合波解析（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ；ＲＣＷＡ）法による電磁界シミュレーションに基づくシミュレータＧｓｏｌｖｅｒ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌｖｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．）を用いた。
実施例１〜４及び比較例の光学特性についてシミュレーションを行うために、以下の条件を設定した。なお、以下の条件における屈折率は、前述の基準波長５５０ｎｍにおける屈折率を表している。また、誘電層５２，５８の材料としては、ＳｉＯ２を想定した。第１導電層５５の材料としては、ＦｅＳｉを想定した。第２導電層５６の材料としては、単体のアルミニウムを想定した。
＊実施例１〜４及び比較例共通
透明基板２０の屈折率 ：１．５
ピッチｐ４０ ：１４１ｎｍ
高さｈ４０ ：３１５ｎｍ
幅ｗ５０ ：３５ｎｍ
誘電層５２の屈折率 ：１．４６
高さｈ５５ ：２５ｎｍ
第１導電層５５の屈折率 ：４．０３
第２導電層５６の屈折率 ：０．７４
誘電層５２の高さｈ５２−１ ：５ｎｍ
＊実施例１〜４共通
誘電層５２の高さｈ５２−２ ：２０ｎｍ
先端面６１上の誘電層５８の高さ ：１５ｎｍ
側面６２の側方の誘電層５８の幅 ：２．５ｎｍ
誘電層５８の屈折率 ：１．４６
＊実施例１（図２参照）
高さｈ５６ ：２５ｎｍ
＊実施例２（図３参照）
高さｈ５６ ：４７．５ｎｍ
＊実施例３（図４参照）
高さｈ５６ ：１１５ｎｍ
＊実施例４（図５参照）
高さｈ５６ ：２５０ｎｍ
＊比較例（図１２参照）
高さｈ５６ ：２８５ｎｍ
＊実施例１〜４及び比較例共通
透明基板２０の屈折率 ：１．５
ピッチｐ４０ ：１４１ｎｍ
高さｈ４０ ：３１５ｎｍ
幅ｗ５０ ：３５ｎｍ
誘電層５２の屈折率 ：１．４６
高さｈ５５ ：２５ｎｍ
第１導電層５５の屈折率 ：４．０３
第２導電層５６の屈折率 ：０．７４
誘電層５２の高さｈ５２−１ ：５ｎｍ
＊実施例１〜４共通
誘電層５２の高さｈ５２−２ ：２０ｎｍ
先端面６１上の誘電層５８の高さ ：１５ｎｍ
側面６２の側方の誘電層５８の幅 ：２．５ｎｍ
誘電層５８の屈折率 ：１．４６
＊実施例１（図２参照）
高さｈ５６ ：２５ｎｍ
＊実施例２（図３参照）
高さｈ５６ ：４７．５ｎｍ
＊実施例３（図４参照）
高さｈ５６ ：１１５ｎｍ
＊実施例４（図５参照）
高さｈ５６ ：２５０ｎｍ
＊比較例（図１２参照）
高さｈ５６ ：２８５ｎｍ
図１３は、実施例１〜４と比較例の偏光板の可視波長帯域における透過軸３２の偏光の透過率（以下、透過軸透過率という）の波長依存性を示すグラフである。図１３の横軸は、波長（ｎｍ）を示している。図１３の縦軸は、透過軸透過率（％）を示している。図１３に示すように、４６０ｎｍ付近より長波長側で実施例１〜４の偏光板の透過軸透過率が向上した。また、誘電層５２と導電層５４の組数を増やすことによって、透過軸透過率が向上した。特に、導電層５４の数が７以上になると、透過軸透過率が９３％以上になり、好ましい。一方、比較例の偏光板は、２つの導電層５４を有していても、誘電層５２と導電層５４とを交互に複数組で備えていない。そのため、比較例の偏光板では、偏光の選択的光吸収の作用を活用しきれず、光の干渉効果が弱くなり、透過軸透過率が実施例１〜４の透過軸透過率より低減した。なお、実施例１〜４では、高さｈ５２−１に比べて高さｈ５２−２を４倍高くすることによって、偏光の選択的光吸収の４つの作用効果をより高めることができたと考えられる。
図１４及び図１５は、実施例１〜４と比較例の偏光板について、青色波長帯域（波長；４３０〜５１０ｎｍ）、緑色波長帯域（波長；５２０〜５９０ｎｍ）、赤色波長帯域（波長；６００〜６８０ｎｍ）の波長帯域毎の透過軸透過率の平均値を示すグラフ及び表である。図１４及び図１５に示すように、層数を増やすことによって、可視波長帯域の透過軸透過率が向上することを確認した。特に、緑色波長帯域（波長；５２０〜５９０ｎｍ）から赤色波長帯域（波長；６００〜６８０ｎｍ）にかけて、優れた光学特性が得られることを確認した。
１０ 偏光板（偏光素子）
２０ 透明基板
２２ 主面（表面）
４０ 凸部
５２ 誘電層（第１誘電層）
５４ 導電層
５５ 第１導電層
５６ 第２導電層
Ｙ 方向（第１方向）
Ｚ 方向（第２方向）
２０ 透明基板
２２ 主面（表面）
４０ 凸部
５２ 誘電層（第１誘電層）
５４ 導電層
５５ 第１導電層
５６ 第２導電層
Ｙ 方向（第１方向）
Ｚ 方向（第２方向）
Claims (14)
- ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、
透明基板と、
使用帯域の光の波長より短いピッチで前記透明基板の表面に配列され、前記表面に沿う第１方向に延びる凸部と、
を備え、
前記凸部は第１誘電層と導電層とが前記表面に直交する第２方向に沿って交互に複数組で積層された積層体を有し、
前記導電層は前記光に対して吸収性を有する第１導電層と前記光に対して反射性を有する第２導電層を含み、
前記光の入射側に最も近い前記導電層として前記第１導電層が設けられている、
偏光素子。 - 前記凸部は前記積層体の先端面及び側面を覆う第２誘電層を有する、
請求項１に記載の偏光素子。 - 前記凸部における前記導電層の層数は７以上である、
請求項１又は２に記載の偏光素子。 - 前記凸部は前記第１方向から見たとき略矩形である、
請求項１から３の何れか一項に記載の偏光素子。 - 前記第１誘電層及び前記導電層は前記第１方向から見たとき略矩形である、
請求項１から４の何れか一項に記載の偏光素子。 - 前記第２導電層の材料は金属である、
請求項１から５の何れか一項に記載の偏光素子。 - 前記金属はアルミニウム又はアルミニウム合金である、
請求項６に記載の偏光素子。 - 前記透明基板の材料はガラス、水晶又はサファイアの何れかである、
請求項１から７の何れか一項に記載の偏光素子。 - 前記第１誘電層の材料はシリコン酸化物である、
請求項１から８の何れか一項に記載の偏光素子。 - 前記第２誘電層の材料はシリコン酸化物である、
請求項２に記載の偏光素子。 - 前記第１導電層は鉄又はタンタルを含むと共にシリコンを含む、
請求項１から１０の何れか一項に記載の偏光素子。 - 前記透明基板の表面及び前記凸部の先端面及び側面は有機系撥水膜によって覆われている、
請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の偏光素子。 - ワイヤグリッド構造を有する偏光素子の製造方法であって、
透明基板上に、誘電層と導電層が交互に積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体を選択的にエッチングすることによって使用帯域の光の波長より短いピッチで前記透明基板上に配列される凸状積層体を形成する工程と、
前記凸状積層体を誘電体で埋没させる工程と、
前記誘電体を選択的にエッチングすることによって使用帯域の光の波長より短いピッチで前記透明基板上に配列される凸部を形成する工程と、
を有する、
偏光素子の製造方法。 - 請求項１から１２に記載の偏光素子を備える光学機器。
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