JP4634220B2

JP4634220B2 - 偏光制御素子および光学素子

Info

Publication number: JP4634220B2
Application number: JP2005150074A
Authority: JP
Inventors: 将人高田; 淳一高橋; 浩章福田; 俊三宮; 太郎照; 泉伊藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006330107A

Description

本発明は、光計測、光通信、光記録などに利用可能な偏光制御素子および光学素子に関するものである。

従来、偏光子や波長板などの偏光制御素子は、各種の光学システムを構成する上で必要不可欠な部品であり、光計測や光記録などさまざまな光学装置に広く利用されている。このうち偏光子は入射光を互いに直交する２つの偏光成分に分離し、その一方の偏光成分のみを通過させ、他の偏光成分を吸収または分散させる機能を有する素子である。一方、波長板は入射光の偏光状態を変化させる、すなわち直線偏光を楕円偏光に変換したり、反対に楕円偏光を直線偏光に変換することのできる光学素子である。

上記波長板を構成する材料としては、水晶や方解石など複屈折性を有する結晶が用いられる。ここで、複屈折性結晶のＰ偏光成分に対する屈折率をｎ_p、Ｓ偏光成分に対する屈折率をｎ_sとし、光軸方向の厚みをｔとすると、この物質中を通る光線の各偏光成分に（ｎ_p−ｎ_s）ｔの光路差が生じる。この光路差がたとえば波長の１／２になると二分の一波長板（ｈａｌｆ−ｗａｖｅｐｌａｔｅ）となり、１／４になると四分の一波長板（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅｐｌａｔｅ）となる。しかし、実際には複屈折性を有する物質の種類は少なく、屈折率差（ｎ_p−ｎ_s）はいくつかの限定された値しかとることができない。そのため、光路差をコントロールできる因子はその厚さのみであり、サイズおよび偏光性能の自由度は非常に低いものであった。

なお、Ｐ偏光とは、入射光の光軸と、偏光分離多層膜の法線を含む平面を定義し、電界の振動面がこの平面と平行である偏光成分を示す。また、Ｓ偏光とは、電界の振動面がこの平面と直交する偏光成分である。

このような四分の一波長板は、たとえばＳＴＮ（ＳｕｐｅｒＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）液晶や有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイに利用されている。ＳＴＮ液晶では、液晶分子のねじれ角が大きいため液晶セルに対して電圧無印加状態での外観の色相が白色でなく緑色から黄赤色となっている。また、選択電圧印加状態での色相が黒色でなく青色となり、色彩的の見ずらいものとなっている。一方、有機ＥＬディスプレイでは外光が電極に反射し、視認性が低下する。そこで、このような不具合を解消するために偏光子と四分の一波長板をディスプレイの前面に貼り付ける方法が用いられている。このときに使用される波長板は軽量化やコスト性を考慮した場合、有機薄膜を積層した位相差フィルムが多く用いられている。この位相差フィルムは、ヨウ素や有機染料などを含ませた高分子のフィルムを特定方向に延伸したものであり、ポリビニルアルコールやポリカーボネ−トの透明性の樹脂フィルムを積層させたものが一般的である。

また、異方性を有する２種類以上の合金を分散させることにより、さまざまな波長に対して偏光特性を制御しつつ、かつ小型で高性能の偏光素子を実現している偏光素子が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。また、高分子フィルム上に形成したゼラチン層をラビング処理して液晶性化合物層を形成すると遅相軸方向がラビング方向と異なるという現象を利用し、位相差フィルム遅相軸と偏光フィルムの吸収軸をずらすことで効率よく楕円偏光フィルムを作製する技術が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。また、半導体または金属の細線をリフトオフ法を用いて大面積に形成することによって透過率および偏光率を大幅に向上させ、かつ着色がないために輝度の高いディスプレイを実現する技術が開示されている（たとえば、特許文献３参照）。

特開平８−３０４６２５号公報特開２００２−１２２７３３号公報特開平１０−１５３７０６号公報

しかしながら、上記に示されるような従来の技術にあっては、以下に記述するような問題点があった。特許文献１に開示されている技術にあっては、異方性を有する金属粒子を島状に作製することで透過率の高い偏光子を実現しているものの、位相差を発生させることができない。また、特許文献３に開示されている偏光素子についても位相板としての機能を有していないので、位相差を発生させることができない。一方、特許文献２に開示されている位相差フィルムにあっては、有機多層膜を利用した波長板をディスプレイに応用する場合、耐熱性が低いため、長時間の使用によって劣化が進行し、特性の劣化や光効率の低下を招来させることになる。そのため、使用温度条件がきびしく使用環境の温度上昇を防止するための冷却手段が必要となる。したがって、冷却に起因して埃が付着し異常画像を発生させるとともに、照射光量を大きくすることができないといった問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位相差を発生させる波長板を実現すると共に、耐熱性に優れた偏光制御素子を提供することを第１の目的とする。

また、耐熱性に優れ、位相補償機能を複合した光学素子を提供することを第２の目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、誘電体基板上に、第一の金属粒子と前記第一の金属粒子とは異なる金属または合金で形成された第二の金属粒子のパターンを前記誘電体基板上に沿って２次元的に連続的に形成し、前記第一の金属粒子と前記第二の金属粒子の大きさは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする。

この請求項１の発明によれば、金属の種類による光のプラズモン共鳴波長の違いを利用して透過光または反射光に位相差を生じさせ、かつ金属粒子で構成させることで耐熱性を向上させることが可能になる。

また、請求項２にかかる発明は、前記金属粒子のパターンは、異種金属でＬ字形状とすることを特徴とする。

この請求項２の発明によれば、請求項１において、金属粒子のパターンを異種金属でＬ字形状とすることにより、その形状に異方性をもたせて金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることが可能になる。

また、請求項３にかかる発明は、前記金属の材料をＡｇ，Ａｕとした場合、前記Ａｇの粒子半径を２５ｎｍ、前記Ａｕの粒子半径を２５ｎｍとすることを特徴とする。

この請求項３の発明によれば、請求項１または２において、使用する光源波長に対して所望のプラズモン共鳴が効率よく発生するように設計された大きさの金属粒子を選択することにより、金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることが可能になる。

また、請求項４にかかる発明は、レンズの表面または裏面に、第一の金属粒子と前記第一の金属粒子とは異なる金属または合金で形成された第二の金属粒子のパターンを誘電体基板上に沿って２次元的に連続的に形成し、前記第一の金属粒子と前記第二の金属粒子の大きさは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする。

この請求項４の発明によれば、位相補償するための金属粒子のパターンをレンズ面に形成することにより、位相補償およびレンズの機能を一体化した光学素子が実現する。

また、請求項５にかかる発明は、前記金属粒子のパターンは、異種金属でＬ字形状とすることを特徴とする。

この請求項５の発明によれば、請求項４において、レンズ面に、金属粒子のパターンを異種金属でＬ字形状とすることにより、その形状に異方性をもたせて金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることが可能になる。

また、請求項６にかかる発明は、前記金属の材料をＡｇ，Ａｕとした場合、前記Ａｇの粒子半径を２５ｎｍ、前記Ａｕの粒子半径を２５ｎｍとすることを特徴とする。

この請求項６の発明によれば、請求項４または５において、レンズ面に形成する金属および光源波長に応じて適切な共鳴が生じるような粒子サイズを選択することで、金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることが可能になる。

本発明（請求項１）にかかる偏光制御素子は、金属の種類による光のプラズモン共鳴波長の違いを利用して透過光または反射光に位相差を生じさせ、かつ金属粒子で構成させることで耐熱性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明（請求項２）にかかる偏光制御素子は、請求項１において、金属粒子のパターンを異種金属でＬ字形状とすることにより、その形状に異方性をもたせて金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることができるという効果を奏する。

また、本発明（請求項３）にかかる偏光制御素子は、請求項１または２において、使用する光源波長に対して所望のプラズモン共鳴が効率よく発生するように設計された大きさの金属粒子を選択することにより、金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることができるという効果を奏する。

また、本発明（請求項４）にかかる光学素子は、位相補償するための金属粒子のパターンをレンズ面に形成することにより、位相補償およびレンズの機能を一体化した小型で薄型の光学素子を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明（請求項５）にかかる光学素子は、請求項４において、レンズ面に、金属粒子のパターンを異種金属でＬ字形状とすることにより、その形状に異方性をもたせて金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることができるという効果を奏する。

また、本発明（請求項６）にかかる光学素子は、請求項４または５において、レンズ面に形成する金属および光源波長に応じて適切な共鳴が生じるような粒子サイズを選択することで、金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることが可能になるとともに、透過光または反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる偏光制御素子および光学素子の最良な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
この第１の実施の形態では、誘電体基板上に、２種類以上の金属あるいは合金からなる金属粒子のパターンを連続的に形成させることで、金属の種類による光のプラズモン共鳴波長の違いを利用して透過光あるいは反射光に位相差を生じさせるとともに、波長板の機能を実現可能にするものである。また、金属粒子で構成することにより、有機多層膜のものに対して耐熱性に優れた偏光制御素子を提供するものである。

図１は、本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す説明図である。この図において、符号１はガラスなどの透明材料でなる誘電体基板、符号２は第１の金属粒子、符号３は第１の金属粒子とは異なる第２の金属粒子である。ここでは、図示するように、偏光制御素子１０は、誘電体基板１上に、第１の金属粒子２と第２の金属粒子３を所定の規則性を持たせて配置する。この第１の金属粒子２と第２の金属粒子３は、たとえばＥＢ（電子ビームリソグラフィ）やフォトリソグラフィとスパッタ・エッチングなどのプロセスを複合させて形成する。

つぎに上記の偏光制御素子１０の製造プロセスを図２を参照し説明する。まず、ガラスなどの透明材料の誘電体基板１を用意し（工程１）、この誘電体基板１に対してレジスト６をスピンコートなどの方法によって塗布する（工程２）。続いて、ＥＢ（電子ビームリソグラフィ）などを用いて一部のみが残るようにレジスト６を露光しリンスする（工程３）。その後、基板の一部が凸形状１ａとなるように、たとえばＲＩＥ（反応性ドライエッチング）などによりエッチングを行う（工程４）。この凸形状１ａがその後のプロセスを行うための基準マークとなる。この基準マークを有する基板に再びレジスト６を塗布し（工程５）、第１の金属粒子２を形成したい部分のレジスト６を除去するよう基準マークを位置基準にして露光しリンスする（工程６）。続いて、この基板に対して第１の金属粒子２をスパッタリングあるいは蒸着などのプロセスで成膜し（工程７）、その後、レジスト６の除去に伴うリフトオフによって所望の金属粒子以外の金属を除去する（工程８）。続いて、凸形状１ａが隠れない程度の厚さになるように再度レジスト６を塗布する（工程９）。ついで、再び基準マークを位置基準として第２の金属粒子３を形成したい部分のレジスト６を除去するようにＥＢ（電子ビーム）露光しリンスする（工程１０）。その後、上記工程７と同様に第２の金属粒子３を成膜し（工程１１）、リフトオフによって余分な金属を除去することにより所望のパターンを有した偏光制御素子１０が完成する（工程１２）。

なお、上記のプロセスでは２種類の金属粒子を形成する例について説明したが、３種類以上の金属粒子でパターンを形成したい場合は、上記工程９〜工程１２のプロセスを繰り返し実行する。

上記の金属粒子の材料は、使用する光源波長と所望の位相補償機能に応じて選択する。たとえば、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅなどの金属材料が考えられる。また、これら金属の合金であってもよい。

以上のようにして第１の金属粒子２と第２の金属粒子３が形成された誘電体基板１に対して光を照射すると、各金属微粒子の局在表面プラズモン共鳴周波数に依存し、電界に振幅比や位相差が生じる。そのため、各金属粒子からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生じ、偏光状態が変換される。ここで、プラズモンとは金属中における電子の集団運動のことである。

すなわち、図３に示すように、第１の金属粒子２と第２の金属粒子３が形成された誘電体基板１の偏光制御素子１０に対して、たとえばＹ軸方向の直線偏光４を入射すると、この偏光制御素子１０を通過した光５は楕円光となる。

このような構成からなる光学素子（偏光制御素子１０）の表面で発生している局在表面プラズモンは近接場光とも呼ばれ、波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測、分析を行ったり、光リソグラフィに応用することで従来よりも微細なパターニングを行うことが可能になる。特に、後者に関しては、近接場光の非断熱過程による作用のため、レジストと反応しないような可視光源でも感光させることができ、短波長光源やそれに対応した光学素子が不要になるので、装置の低コスト化を図ることが可能になるなどの効果がある。また、光リソグラフィ以外の加工方法へも応用可能であり、たとえば光ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やナノ構造の自己組織化などがあげられる。

なお、近接場光は物体表面にまとわりついた光であり、物体から離れるにしたがって強度が指数関数的に減少し、物体表面から１００ナノメートル程度しか広がらない特性をもつものである。また、表面プラズモン光は、物体の表面でのみ伝播する光であり、局在プラズモン光は、非常に微小な粒子や先端がとがった局所的な領域に存在する光である。

ところで、第１の金属粒子２と第２の金属粒子３とを図１のように並列のパターンで配置したが、これとは異なる配置でもよい。たとえば、図４に示すように、第１の金属粒子２と第２の金属粒子３との異種金属をＬ字状となるようなパターンで配置する。すなわち、第１の金属粒子２と第２の金属粒子３とを図示するようにＬ字状に形成する。このとき、Ｘ方向およびＹ方向の異方性によって金属粒子間に発生する電界の振幅比や位相差の変化が大きくなるため、偏光状態の設計自由度も大きくなる。すなわち、金属粒子をＬ型の異方性を持たせることで、金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることができ、透過光あるいは反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることができ、偏光状態の設計自由度が大きい偏光制御素子を提供することができる。

この図４では、金属粒子を楕円形状としているが、球状の粒子を連続して配置することで擬似的に楕円形状を形成する構成であってもよい。このとき、擬似楕円を形成する粒子の形状は球以外の形状、たとえば半球であるとか多角柱形状などであってもよい。また、パターンに関しても異方性のある配置であればＬ字以外であってもよく、たとえばＴ字パターンやＶ字パターン、卍パターンなどがあげられる。

さて、金属粒子の大きさによって局在プラズモン共鳴波長は異なる。たとえば図５−１のグラフに示すように、ミー散乱理論にしたがった計算の結果、Ａｇの共鳴強度がピークになる波長は、粒子半径がｒ６（２５ｎｍ）の場合は３４０ｎｍであるのに対し、粒子半径ｒ２（５ｎｍ）では３１６ｎｍである。一方、図５−２のグラフに示すようにＡｕに対してλ５００ｎｍの光を照射した場合の共鳴強度は、半径ｒ６（２５ｎｍ）の粒子では半径ｒ２（５ｎｍ）の粒子の３倍以上になる。したがって、使用する金属および光源波長に応じて適切な共鳴が生じるような粒子サイズを選択して設計することで、偏光を所望の状態に変換するような波長板を作製することができる。なお、ミー散乱とは、波長と同程度の大きさの粒子（散乱体）を含む媒質中を光が通過する場合、光の波長とエネルギーは変わらず、進行方向が変化する現象をいう。

つぎに、上述した金属粒子のパターンをレンズ、マイクロレンズアレイ光学素子に形成する例について説明する。図６は、レンズ７上に異なる金属粒子を所定のパターンで形成した例を示す断面図である。すなわち、前述した第１の金属粒子２と第２の金属粒子３とを、たとえば図１あるいは図４に示したようなパターンで配置する。この場合の製造工程は基本的には図２と同様である。従来は、波長板およびレンズで構成されていた光学機能が、ここではレンズと波長板を一体で形成するので、省スペース化を図ることができると共に、光軸調整や焦点調整などに要する作業が容易に行え、これらにかかる時間も短縮される。

図７は、マイクロレンズアレイ光学素子８上に、異なる金属粒子を所定のパターンで形成した例を示す断面図である。すなわち、前述した第１の金属粒子２と第２の金属粒子３とを、たとえば図１あるいは図４に示したようなパターンで配置する。この場合の製造工程は基本的には図２と同様である。従来は、波長板およびマイクロレンズアレイ光学素子で構成されていた光学機能が、ここではマイクロレンズアレイ光学素子と波長板を一体で形成するので、省スペース化を図ることができると共に、光軸調整や焦点調整などに要する作業が容易に行え、これらにかかる時間も短縮することができる。

以上のように、本発明にかかる偏光制御素子および光学素子は、光計測、光通信、光記録などに有用であり、特に、液晶やＥＬなどのディスプレイや視野角の広角化や外乱反射光を低減させる各種の光学機器などに適している。

本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す説明図である。本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の製造プロセスを示す説明図である。本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の偏光状態を示す説明図である。本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子のＬ型配置例を示す説明図である。Ａｇを金属粒子とした場合における粒子毎の共鳴強度を示すグラフである。Ａｕを金属粒子とした場合における粒子毎の共鳴強度を示すグラフである。レンズ面に偏光制御素子を一体形成した例を示す断面図である。マイクロレンズアレイ光学素子に偏光制御素子を一体形成した例を示す断面図である。

符号の説明

１誘電体基板
２第１の金属粒子
３第２の金属粒子
４入射光
５出射光
６レジスト
７レンズ
８マイクロレンズアレイ光学素子
１０偏光制御素子

Claims

誘電体基板上に、第一の金属粒子と前記第一の金属粒子とは異なる金属または合金で形成された第二の金属粒子のパターンを前記誘電体基板上に沿って２次元的に連続的に形成し、
前記第一の金属粒子と前記第二の金属粒子の大きさは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする偏光制御素子。
前記金属粒子のパターンは、異種金属でＬ字形状とすることを特徴とする請求項１に記載の偏光制御素子。
前記金属の材料をＡｇ，Ａｕとした場合、前記Ａｇの粒子半径を２５ｎｍ、前記Ａｕの粒子半径を２５ｎｍとすることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光制御素子。
レンズの表面または裏面に、第一の金属粒子と前記第一の金属粒子とは異なる金属または合金で形成された第二の金属粒子のパターンを誘電体基板上に沿って２次元的に連続的に形成し、
前記第一の金属粒子と前記第二の金属粒子の大きさは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする光学素子。
前記金属粒子のパターンは、異種金属でＬ字形状とすることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
前記金属の材料をＡｇ，Ａｕとした場合、前記Ａｇの粒子半径を２５ｎｍ、前記Ａｕの粒子半径を２５ｎｍとすることを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子。