JP4800437B2 - 可視スペクトル用の広帯域ワイヤグリッド偏光子 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の属する技術分野
本発明は、電磁スペクトルの可視的な部分で使用する偏光光素子に関する。より具体的には、本発明は、特定の偏光の光を効率的に透過するとともに、直交する偏光の光を効果的に反射する広帯域幅ワイヤグリッド偏光子に関する。

2.従来技術
平行な導電ワイヤのアレイを使用して無線波を偏光することは、１１０年以上も前にさかのぼる。一般には透明基板によって支持される薄い平行な導体のアレイの形態であるワイヤグリッドも、電磁スペクトルの赤外線部分に関する偏光子として使用されてきた。

ワイヤグリッド偏光子の性能を決定する鍵となる要因は、平行なグリッド素子の中心間の距離または周期と、入射する放射の波長の間の関係である。グリッドの間隔または周期が波長に比べて長いと、グリッドは偏光子ではなく回折格子として機能し、よく知られた原理に従って両方の偏光を回折する（必ずしも同じ効率ではない）。グリッドの間隔または周期が波長よりずっと短い時は、グリッドはグリッド素子に対して平行に偏光された電磁放射を反射し、直交する偏光の放射を透過する偏光子として機能する。

遷移領域、すなわちグリッドの周期が波長のほぼ２分の１から２倍の範囲にある領域は、グリッドの透過特性と反射特性の間で急激に変化するという特徴を有する。特に反射率が急激に増大し、これに対応して透過が減少する。これは入射光の所与の角度でグリッド素子に対して直交に偏光された光が、１つまたは複数の特定の波長において発生することになるからである。これらの効果は最初に、１９０２年にウッドによって報告され（Philosophical Magazine、１９０２年９月）、しばしば「ウッド異常（Wood's anomaly）」と呼ばれる。続いて、レイリーはウッドのデータを分析して、この異常は、より高い回折オーダが現れる波長と角度の組合せで発生するという洞察を得た（Philosophical Magazine, vol.１４（７９）、６０〜６５ページ，１９０７年７月）。レイリーは、異常の場所を予想する次の等式を開発した（これは文献では一般に「レイリー共鳴」と呼ばれる）。

式中、εは格子周期、
ｎは格子を囲む媒体の屈折率、
ｋは現れている回折された項（term）のオーダに対応する整数、
およびλとΘは共鳴が発生する波長と入射角（どちらも空気中で測定される）である。

誘電基板の一方の側で形成された格子に関しては、上記の等式のｎは、１か、あるいは基板材料の屈折率に等しい場合がある。共鳴が発生する最も長い波長は次の公式で与えられることに留意されたい。

式中、ｎは基板の屈折率として設定される。

角度依存の効果は、角度が大きくなるにつれ透過領域がより大きな波長にシフトすることである。偏光子が偏光ビームスプリッタまたは偏光反射鏡として使用される目的である場合、このことは重要である。

図１は従来技術の基本的なワイヤグリッド偏光子を示し、従来技術と本発明に関する一連の例の中で使用される用語を定義する。ワイヤグリッド偏光子１００は誘電基板１２０によって支持される多数の平行な導電電極１１０からなる。このデバイスはｐと示された導体のピッチまたは周期、ｗと示された個別の導体の幅、およびｔと示された導体の厚さによって特徴づけられる。光源１３２によって生成される光ビーム１３０は、垂線からΘの角度で偏光子に入射し、入射平面は導電素子に直交する。ワイヤグリッド偏光子１００はこのビームを、反射された（specularly reflected）成分１４０と、回折されないで透過される成分１５０に分割する。等式２によって与えられる最も長い共鳴波長よりも短い波長に関しては、少なくとも１つのよりオーダの高い回折された成分１６０がある。ＳとＰの偏光に関して通常の定義を使用すると、Ｓ偏光を伴う光は、入射面に直交する偏光ベクトルを有するので、導電素子に対して平行である。逆に、Ｐ偏光を伴う光は、入射面に平行な偏光ベクトルを有するので、導電素子に直交する。

一般に、ワイヤグリッド偏光子は、グリッドのワイヤに平行な電界ベクトルを伴う光を反射し、グリッドのワイヤに垂直な電界ベクトルを伴う光を透過するが、ここに説明するように、入射面はグリッドのワイヤに対して垂直である場合もあれば垂直ではない場合もある。ここでは明確に説明するために幾何学構造を選択している。

理想的には、ワイヤグリッド偏光子は、偏光されたＳ光など１つの光の偏光に関して完全な鏡として機能し、偏光されたＰ光などの他の偏光に関しては完全に透過的である。しかし実際には、鏡として使用される最も反射性のある金属でさえ、入射光の一部を吸収し、９０％から９５％しか反射せず、板ガラス（plane glass）でも表面の反射があるため、入射光を１００％透過するわけではない。

図２は、入射角Θが４５度に等しい、従来技術のワイヤグリッド偏光子の回折されないかまたはゼロオーダの、計算された透過と反射を示す。これらのデータは、テキサス州Allen、Ｐ．Ｏ．Box ３５３のGrating Solver Development Companyから市販されているGsolver格子分析ソフトウェアツールを使用して計算された。このソフトウェアツールは、精密に結合された波の分析とモーダル法（modal method）を実行する。この分析方法とその結果は、文献に報告されたものと同じである（「Coupled-wave analysis of lamellar metal transmission gratings for the visible and the infrared」、Journal of the Optical Society of America A, Vol. 12 No.5, １９９５年５月、１１１８〜１１２７ページ）。この分析では、アルミニウムグリッドの周期はｐ＝０．２μｍ、導体の幅はｗ＝０．１μｍ、導体の厚さはｔ＝０．１μｍ、および基板の屈折率はｎ＝１．５２５と仮定している。等式１によって予想されるように、２つの共鳴が約０．３４μｍの波長と約０．４４５μｍの波長で発生することに留意されたい。また、これらの共鳴は、Ｐ偏光の偏光子特性にもっぱら著しく影響を与えることに留意されたい。

Ｓ方向に偏光された入力光に関して、従来技術の偏光子の性能は理想に近い。Ｓ偏光に関する反射効率は、０．４μｍから０．７μｍの可視スペクトルにわたって９０％よりも大きい。この波長帯にわたって偏光されたＳ光のうち２．５％未満の光が透過され、その差（balance）は吸収されてしまう。わずかに透過される成分を除いては、Ｓ偏光に関するワイヤグリッド偏光子の特性は、連続的なアルミニウム鏡の特性に非常に似ている。

Ｐ偏光に関しては、ワイヤグリッドの透過と反射の効率は、約０．５μｍ未満の波長においては共鳴効果によって支配される。０．５μｍより長い波長では、ワイヤグリッド構造は偏光されたＰ光に関して、損失のある導電層として機能する。この層の損失と、表面からの反射とが結びついて、０．５μｍから０．７μｍの波長帯にわたって偏光されたＰ光の透過が、約８０％に制限される。

図３は、米国特許第５，７４８，３６８号でTamadaが説明したような、従来技術のワイヤグリッド偏光子の異なるタイプについて計算された性能を示す。この場合、グリッドが一定の屈折率の媒体によって囲まれるように、屈折率が一致する流体または接着剤を使用して２つの基板の間のグリッド構造を接着する（laminate）。この例では、ｎ＝１．５２５であり、他のグリッドパラメータは前の例と同じである。このワイヤグリッド構造は、等式１によって予想されるように、約０．５２μｍの波長で単一の共鳴を示す。約０．５８μｍから０．６２μｍの間に、Ｐ偏光に関する反射率がほぼゼロである狭い波長領域があることに留意されたい。米国特許第５、７４８、３６８号は、この効果を利用して高い吸収率を伴う狭い帯域幅のワイヤグリッド偏光子を実現するワイヤグリッド偏光子を説明している。Tamada特許の仕様で与えられた例は、５５０ｎｍのグリッド周期を使用し、グリッドの厚さ、導体の幅と形状、および入射角度に応じて８００ｎｍ〜９５０ｎｍの共鳴波長を生成した。Tamada特許は、偏光の方向に関して、通常とは異なる定義を使用していることに留意されたい（従来の定義とは異なり、Ｐ偏光はグリッド素子に対して平行であり、したがって、入射平面とは直交しているものとして定義されている）。Tamadaが使用する共鳴効果は、等式１によってその位置が予想される共鳴とは異なる。２つの共鳴が一致する場合もあるが、これらは必ずしも一致する必要はない。Tamadaはこの第２の共鳴を使用している。さらに、効果を示す場合のある薄膜干渉効果がある。直交で偏光された光の反射率が数パーセント未満の偏光子の帯域幅は、典型的には中心波長の５％である。このタイプの狭帯域偏光子は光メモリと光通信システム内で用途を有する場合もあるが、液晶ディスプレイなどの多くの可視光のシステムでは、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視スペクトルの波長にわたって均一な特性を伴う偏光光学素子が必要である。

図２に示されたデータを再び参照すると、広帯域偏光子に関して必要な要件は、最も長い波長共鳴ポイントを抑圧するか、使用する目的のスペクトルより短い波長にシフトしなければならないことであることが分かるであろう。等式２を再び参照すると、最も長い波長の共鳴ポイントは３通りの方法で低減できることが分かるであろう。第１に、グリッド周期εを低減することが可能である。しかし、グリッド周期を低減すると、特に、グリッド素子の厚さを維持して、反射された偏光の反射率を適切にしなければならないため、グリッド構造の製造の困難さが増す。第２に、入射角はほとんど垂直な入射に拘束することが可能である。しかし、入射角を拘束すると偏光子デバイスの用途が著しく低減し、４５度を中心とした広い角度の帯域幅が望ましい投影液晶ディスプレイなどに応用できなくなる。第３に、基板の屈折率を低減することが可能である。しかし、偏光子デバイスの量産に使用可能なコスト効果の高い基板は、Corningタイプ１７３７ＦまたはSchottタイプＡＦ４５などのいくつかの種類の薄い板ガラスのみであり、これらはいずれも、可視スペクトルにわたって１．５と１．５３の間で変化する屈折率を有する。

したがって、特に広い波長帯域幅を必要とする可視光システムで使用する、改良されたワイヤグリッド偏光子に対するニーズが存在する。さらに、約４５度の入射角で使用する、かかる改良されたワイヤグリッド偏光子に対するニーズが存在する。特に、最も長い波長の共鳴ポイントを除去するか、またはより短い波長にシフトできる偏光子構造に対するニーズが存在する。
また、下記非特許文献１には、紫外線用平面グレーティング偏光子が記載されている。
非特許文献１ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏｖ．／Ｄｅｃ． １９８１）

発明の目的および概要
本発明の目的は、全可視スペクトルにわたって高い透過と反射の効率を提供できる、改良されたワイヤグリッド偏光子を提供することである。

本発明の別の目的は、広い範囲の入射角にわたって使用された時に、このような高い効率を提供することのできるワイヤグリッド偏光子を提供することである。

本発明の別の目的は、このような偏光子の製造に関する工程を提供することである。
本発明のこれらの目的と利点および他の目的と利点は、基板上に支持される平行な導電素子のグリッドを含み、グリッド素子と基板との間に挿入される、屈折率が低く厚さが制御された領域を伴う偏光子デバイスで実現される。

本発明の一態様によれば、屈折率が低い領域は基板から伸びるリブ（ｒｉｂ）からなる。このリブは、グリッド素子を自己整合マスク（self-aligning mask）として使用して、スロットを基板にエッチングすることによって形成され得る。

本発明の別の態様によれば、屈折率が低い領域は、グリッド素子と基板との間に挿入された屈折率の低い１つまたは複数の誘電膜からなる。
本発明の別の態様によれば、グリッド素子は，グリッド素子と基板との間に挿入された１つまたは複数の誘電膜の中、または誘電膜を通してエッチングすることによって形成されるリブによって支持される。

本発明の別の態様によれば、このような偏光子デバイスを製造する工程が提供される。
本発明のこれらの、また別の目的、特徴、利点、および代替の態様は、添付する図面と共に次の詳細な説明を考察することにより、当業者に明らかになるであろう。

従来技術のワイヤグリッド偏光子の斜視図である。 従来技術のワイヤグリッド偏光子の、波長と、透過率と反射率の間の関係を示すグラフ図である。 従来技術のワイヤグリッド偏光子の、波長と、透過率と反射率の間の関係を示すグラフ図である。 図４は、本発明のワイヤグリッド偏光子の好ましい実施形態の断面図である。 図４ａは、本発明のワイヤグリッド偏光子の代替的な実施形態の部分断面図である。 図４ｂは、本発明のワイヤグリッド偏光子の代替的な実施形態の部分断面図である。 図４ｃは、本発明のワイヤグリッド偏光子の代替的な実施形態の部分断面図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子の好ましい実施形態の、Ｐ偏光に関する波長と、透過率と反射率の間の関係を示すグラフ図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子の代替的な実施形態の、Ｐ偏光に関する波長と、透過率と反射率の間の関係を示すグラフ図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子の代替的な実施形態の概念的な断面図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子の代替的な実施形態の、Ｐ偏光に関する波長と、透過率と反射率の間の関係を示すグラフ図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子の別の代替的な実施形態の概念的な断面図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子の別の代替的な実施形態の、Ｐ偏光に関する波長と、透過率と反射率の間の関係を示すグラフ図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子を作成する、好ましい方法の工程ステップの概念的な断面図である。 本発明ワイヤグリッド偏光子を作成する、代替的な方法の工程ステップの概念的な断面図である。

発明の詳細な説明
次に図面を参照するが、この中では本発明の種々の要素は数字を与えられ、本発明は当業者が本発明を作成し使用できるように説明されている。

本発明は、低い屈折率と制御された厚さを有する領域によって支持基板から分離された平行な導電素子のアレイからなる広帯域幅のワイヤグリッド偏光子である。ワイヤグリッドを基板から分離する屈折率の低い領域は、偏光子デバイスの中で２つの目的を果たす。第１に、低い屈折率の存在は、最も長い波長共鳴ポイントをより短い波長にシフトする。第２に、低い屈折率の領域は、偏光子から反射された偏光されたＰ光の一部を低減するように設計された、制御された厚さの１つまたは複数の層として実装することが可能である。

図４では、本発明のワイヤグリッド偏光子の好ましい実施形態が全体として４００として示されている。偏光子４００は、透明基板４１０によって支持される複数の平行な細長い導電素子４２０からなる。基板４１０は、第１の表面４１４および屈折率ｎ_Sを有する。次に説明するように、基板はガラスである場合もあり、約１．５の屈折率ｎ_Sを有する場合もある。

素子の大きさと素子の構成の大きさは、使用する波長によって決定され、広いスペクトルの可視光線または全スペクトルの可視光線用に調節される。素子４２０は比較的長く、薄い。好ましくは、各素子４２０は一般に、可視光の波長よりも長い長さを有する。したがって、素子４２０は少なくとも約０．７μｍ（マイクロメータまたはミクロン）の長さを有する。しかし、典型的な長さはもっと長い場合もある。

さらに、素子４２０は一般に、光の波長より短い、素子の間隔、ピッチまたは周期Ｐを伴う平行な構成で置かれる。したがって、ピッチは０．４μｍ（マイクロメータまたはミクロン）未満であろう。上記に示したように、所与の入射角に関して共鳴が発生する最も長い波長を低減する１つの方法は、周期を低減することである。しかし周期を低減すると製造が困難になる。したがって、ピッチＰは好ましくは光の波長の約半分、つまり約０．２μｍである。ここで再び、（光の波長の約２倍つまり１．４μｍよりも大きい）長い周期を伴うグリッドは回折格子として動作し、（光の波長の約２分の１つまり０．２μｍよりも小さい）短い周期を伴うグリッドは偏光子として動作し、（約０．２μｍと１．４μｍの間の）遷移領域の周期を伴うグリッドも回折格子として機能し、共鳴と呼ばれる急激な変化つまり異常（ａｎｏｍａｌｙ）によって特徴づけられることに留意されたい。上記に示したように、可視光スペクトル内の共鳴によって特徴づけられる従来技術のデバイスは、可視スペクトル内の種々の波長で発生する異常のために、狭い動作範囲を有する。この遷移領域は、ワイヤグリッドの挙動を理解する際に重要な概念である。本発明の広い帯域幅の偏光子は、目的の用途のスペクトルにわたって広い帯域幅性能を得るために、必ずこの遷移領域の外側にとどまるように設計しなければならない。したがって、この遷移領域の境界は、本発明のワイヤグリッドの周期の上限を定義するのに有効である。

言及したように、等式１に与えられた角度依存性は、入射角が増加すると、遷移領域をより長い波長にシフトする。ピッチを減少することによってこのシフトをさらに増加することが可能である。屈折率が１の基板で垂直な（normal）入射光では、遷移領域は約０．５λ≦ｐ≦２λによって与えられる。屈折率がｎ_Sの基板で、垂線に対して角度θで入射する光では、周期の下限は等式１で導出された係数だけ低減する必要がある。

屈折率が１．７で角度が７５度という非常に屈折率の高いガラスについては、等式３は０．１９λ≦ｐになる。そこで、可視スペクトルに関して任意の入射角と任意の従来の基板材料に関する有効な遷移領域は、約０．１９λ≦ｐ≦２λの範囲内である。

さらに、各素子４２０は、ピッチＰの１０％〜９０％の範囲に渡る得る幅Ｗを有する。素子４２０はまた、約２００Åつまり２０ｎｍよりも大きい厚さｔを有し、現実的な製造の制限により、約３００ｎｍ未満となるだろう。さらに、素子４２０は好ましくは規則正しい間隔または等間隔である。

素子の幅Ｗは、特定の用途に関して偏光子デバイスの性能を最適化するように選択することが可能である。ピッチに対して素子の幅を増大すると、平行な偏光に関する反射率を１００％近くまで増大し、また直交する偏光に関する反射率を理想的な値の０％より上に増大する。したがって、素子の幅と間隔の比が高いと、透過される光には高い吸収率が提供されるが（平行な偏光は透過されないため）、必ずしも高い効率が提供されるとは限らない（直交する偏光の一部が反射されるため）。逆に、素子の幅とピッチの比が低いと、反射されたビームに関しては高い吸収率が提供されるが、必ずしも高い効率が提供されるとは限らない。平行ビームの反射率と直交ビームの透過率の積によって定義される最も高い合計の効率は、素子の幅とピッチの比が４０％〜６０％である時に得られる可能性が高い。

素子４２０の構成はスケール通りに描かれておらず、明確に表すために非常に誇張されている。事実、素子の構成は裸眼には見えず、極端に拡大しないで観察した時には、部分的に反映する表面として見える。素子４２０は金属など広いスペクトルの鏡に形成することのできる任意の材料で形成される。好ましくは、可視光で使用するために、材料は銀またはアルミニウムである。

好ましい実施形態では、導電素子４２０は、有利には基板４１０または第１の表面４１４から伸びるリブ４３０の上で支持される。リブ４３０は、基板４１０と同じ材料である場合もあり、基板と一体として形成される場合もある。たとえば、次により詳細に論じるように、素子４２０をマスクとして使用して、素子４２０の間に露出した基板４１０の一部をエッチングして除くことによってリブ４３０を形成する場合がある。

リブ４３０は高さまたは厚さｈ_Rを有し、またリブ４３０は全体として４３４で示され、素子４２０と基板４１０との間、または表面４１４の間に配置される、素子４２０を基板４１０から分離する領域を画定する。リブ４３０によって作成される領域４３４は、有利には平均屈折率ｎ_Rを有し、ｎ_Rは基板の屈折率ｎ_Sよりかなり小さいか、またはリブ４３４と基板４１０はｎ_R＜ｎ_Sという条件を満足する。たとえば、リブ４３０はガラスであって、１．５２５の屈折率ｎ_Sを有し得る。幅が等しいリブと溝に有効な中間屈折率に関するBruggemanの方法を使用すると（Ann. Phys（Leip.）、Ｖｏｌ．２４、６３６ページ（１９３５年））、ｎ_Rは約１．４１の値を有する。

領域４３４はｔ_Rによって示される厚さを有し、これは好ましい実施形態においてリブ４３０の高さｈ_Rによって画定される。素子４２０は、領域の厚さｔ_Rに等しい距離だけ、基板４１０または表面４１４から分離される。リブ４３０の高さｈ_Rまたは領域４３４の厚さｔ_Rを変更して、偏光子４００の性能を調節することが可能である。以下でより詳しく論じるように、素子４２０を基板４１０または表面４１４から分離し、基板４１０より低い屈折率を有する領域４３４を挿入することは、短い波長における偏光子４１０のｐ偏光透過効率を増大し、偏光子４１０が有用な最小波長を低くするかまたは、最も高い共鳴ポイントを短い波長にシフトさせるという点で有利である。

さらに、リブ４３０は４４０で示されるように方形または矩形である場合がある断面の形状か、または、４４４で示されるように全体として台形である場合がある断面の形状を有する場合がある。台形のリブ４４４はリブ４４４の間に、部分的にＶ字型の溝４４８を形成する場合がある。また、以下でより詳細に論じるように、リブ４３０の形状は偏光子４１０の効率にも影響を与える。図４ｂに示されるように、リブ４５２の間の溝４５０の底はＶ字型である場合がある。さらに、図４ｃに示されるように、素子４６０はリブ４６２よりも広い場合もあり、または、基板４６８の溝４６４は、素子４６０の間の溝４７０よりも広い場合もある。別法としては、図４ａに示されるように、素子４８０はリブ４８２よりも狭い場合もあり、基板４８６の中の溝４８４は素子４８０の間の間隔４８８よりも狭い場合もある。

図５は、従来技術に関して、４つの異なるリブの高さｈ_Rまたは領域の厚さｔ_R、すなわち、０．００５、０．０１、０．０４および０．１μｍに関して、入射ビームの波長と図４の偏光子デバイス４１０のｐ偏光透過効率の間の計算された関係を示す。分析の仮定は、以前の例と同様であって、格子ピッチまたは周期ｐ＝０．２μｍ、導体の幅ｗ＝０．１μｍ、導体の厚さｔ＝０．１μｍ、入射角度は４５度、基板の屈折率は１．５２５である。選択された基板の屈折率は、Corningタイプ１７３７と、SchottタイプＡＦ４５を含む、市販の手ごろな値段の板ガラス材料を表す。この分析では、導電素子の間で基板を非等方性にエッチングすることによって形成された方形の断面のリブを仮定している。

図５に示されるように、０．００５μｍと０．１０μｍの間のリブの高さｈ_R、すなわち領域の厚さｔ_Rは、このデバイスが有用な最小の波長をはっきりと低くする。０．０４ミクロンの高さのリブが存在することにより、全可視スペクトルに渡る偏光子デバイスの透過効率も改善されることに注意されたい。

図５では、０．００５μｍから０．１μｍまで描かれている各エッチの深さは、従来技術と比較して本発明の性能を向上させていることに特に注意されたい。０．００５μｍという浅い溝でも、モデルとなっている特定のワイヤグリッド偏光子構造に関して青の短い波長における性能に大きな影響を与えていることは注目すべきである。この結果は、最初の実験ならびに多くの同様な計算で観察され、効果はより小さな周期でさらに明白になった。１ｎｍ〜２ｎｍという低い高さのリブでさえ、所定の特定のワイヤグリッド偏光子構造には有益であることが判明すると思われる。

リブの正確な形状は偏光子の性能に副次的な効果を有する。図６は、導電素子が、基板にエッチングされたＶ字型の溝によって分離された台形のリブ上で支持されている偏光子に関して、波長とｐ偏光の透過効率の間の計算された関係を示す。台形リブの効果は先に説明された矩形のリブの効果と似ているが、矩形のリブほど有利ではない。

図７は、本発明の代替の実施形態の断面図である。偏光子７００は、透明基板７１０によって支持される複数の平行な、長い導電素子７２０からなる。誘電材料の１つまたは複数の層または膜７４０は、導電素子７２０と基板７１０の間に挿入される。層または膜７４０は厚さｔ_F、屈折率ｎ_Fを有し、厚さがｔ_Rの領域７３４を画定する。共鳴ポイントを短い波長にシフトする所望の効果を出すために、これらの誘電層７４０のうち少なくとも１つが、基板７１０の屈折率ｎ_Sよりかなり小さい屈折率ｎ_Fを有するか、または条件ｎ_F＜ｎ_Sを満足させなければならない。

図８は、従来技術に関して、基板と導電素子の間に３つの異なる厚さｔ_F、つまり０．０４μｍ、０．１μｍおよび０．２２μｍの、ｎ＝１．３８の、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）の単一の層が挿入された時の、波長と、ワイヤグリッド偏光子のＰ偏光の透過効率との間の計算された関係を示す。分析の他の仮定は、前の例と同じである。ＭｇＦ₂の厚さを０から０．２２μｍに増加していくと、最も長い波長の共鳴ポイントは約０．４４５μｍから０．４１μｍにしだいにシフトし、偏光子デバイスが有用である帯域幅が増大する。また、０．２２ミクロンの膜の存在により、全可視スペクトルにわたる偏光子の透過も改善される。

Auton（Applied Optics, Volume 6, No.6, １９６７年６月、１０２３〜１０２７ページ）はすでに、ワイヤグリッドと支持基板の間に、単一の層の反射防止被膜を使用することを説明し、これに「ブルーミング層（blooming layer）」という名前を付けた。彼の分析は、簡単なインピーダンス・マッチング公式と完全に導電性のある薄い金属ストリップに基づいたもので、この層は基板の屈折率の平方根に等しい屈折率と、目的の波長の４分の１の光学的な厚さ（optical thickness）を有しなければならないことを示している。Autonは、この方法で製造されたワイヤグリッドの性能は、特に「単一の波長における動作しか必要とされないレーザ用途」の、支持のないグリッドの性能と等しいと結論づけている。Autonは共鳴効果に気づかなかったか、グリッドの間隔が目的の波長よりもはるかに小さいと仮定することにより共鳴効果を無視したかのいずれかであった。さらに、ブルーミング層に関する条件は、等式1によって予想される共鳴を移動または抑圧するために必要な条件とは異なる。Autonが提案したようなインピーダンス・マッチング・ブルーミング層は、狭い範囲のパラメータでは効果的だが、本発明の実施形態は、広い範囲のパラメータに渡って効果的である。したがって、Autonは、本発明の第２の実施形態を教示していないことになる。

図９は、本発明のさらに別の実施形態の断面図であり、この中で偏光子デバイス９００はリブ９４０によって支持される導電素子９２０からなる。リブ９４０は１つまたは複数の誘電層９４４にエッチングし、さらに、導電素子９２０の間に露出した基板９１０にまでエッチングすることによって形成される場合がある。したがって、リブ９４０は、９５０と９６０に示されるように、１つまたは複数の膜層９４４、または膜層９４４の一部によって形成される場合がある。さらに、リブ９４０は多数の膜層９４４によって形成される場合もある。膜層９４４は、単一の材料での所望の厚さまたは高さを達成するために、同じ材料の多数の層である場合がある。膜層９４４はまた、異なる効果または性能特性を達成するために種々の異なる材料である場合がある。

さらに９７０で示されるように、リブ９４０は異なる材料の層で形成される場合もある。層のうち１つは基板９１０と同じ材料であり、基板９１０と一体として形成される場合もある。たとえば９７０で示されるように、層の１つは上記に説明され図４に示されるようにリブ４３０と同じで、全リブ９４０の一部を形成する部分的な基板のリブ９４８を画定する場合もある。したがって、リブ９４０は膜層９４４と、基板９１０の中に形成された基板リブ９４８の両方によって形成され、膜層９４４は９７０で示されたように基板リブ９４８に堆積している場合がある。上記に示したように、リブ９４０は、素子９２０の間の層９４４と基板９１０にエッチングすることによって形成される場合がある。

ここで再び、領域９３４はリブ９４０によって画定され、リブ９４０は膜層９４４によるか、または膜層９４４と基板リブ９４８によって膜層９４４の中に形成される場合がある。この構成は、有利には、屈折率が低い層の効果とリブの付いた基板の効果を組み合わせる可能性を有する。リブ９４０の全体の高さｈ_Rは、９５０に示されるように誘電層９４４の厚さｔ_Fの一部でしかない場合もあり、９６０で示されるように誘電層９４４の厚さｔ_Fに等しい場合もあり、または９７０で示されるように誘電層９４４の厚さｔ_Fを超える場合もある。したがって、９７０で示されるように、領域の厚さｔ_Rとリブ９４０の全体の高さｈ_Rは、層９４４の厚さｔ_Fと基板リブ９４８の高さｈ_Sによって形成される。基板リブ９４８は、基板リブ９４８と膜層９４４によって形成された組み合わされたリブ９４０に関するサブ構造となり、基板リブ９４８は各々、そこに配置された複数の膜層９４４を有する。

図１０は、基板と導電素子の間に単一のＭｇＦ₂の層を有すことにより、基板リブの高さｈ_SとＭｇＦ₂の膜の厚さｔ_Fを３種類に組み合わせて製造された偏光子デバイスの、波長とｐ偏光の透過率の間の関係を示す。２つの場合では、基板リブの高さｈ_SとＭ_gＦ₂膜の厚さｔ_Fは同じである。第１の場合では、基板リブの高さｈ_Sと膜の厚さｔ_Fは両方とも０．０４μｍであり、リブの高さｈ_Rと領域の厚さｔ_Rは０．０８μｍである。第２の場合では、基板リブの高さｈ_Sと膜の厚さｔ_Fは両方とも０．１０μｍであり、リブの高さｈ_Rと領域の厚さｔ_Rは０．２０μｍである。第３の場合では、ＭｇＦ₂膜の厚さｔ_Fは０．２２μｍで基板リブの高さｈ_Sは０．０４μｍしかなく、領域の厚さｔ_Rは０．２６μｍである。従来技術の偏光子と比較すると、この後者の組合せは５０％の透過率のポイントを約０．４６μｍから約０．４１μｍにシフトし、可視スペクトルにわたる偏光子の透過率の平均を約６％だけ増加させる。

図１１は、前に図４に示された偏光子デバイスを製造する工程を示す。第１のステップは、平行な導電素子１１２０のアレイを基板１１１０上に形成することである。これらの素子１１２０の形成は、いくつかの一般に知られた工程のうち任意の工程により可能である。たとえば、米国特許第４、０４９、９４４号のGarvin、米国特許第４、５１４、４７９号のFerranteは両方とも、ホログラフィ干渉リトグラフィを使用してフォトレジスト内に微細な格子構造を形成し、次にイオンビームエッチングによってこの構造を下にある金属膜に転写する方法を説明している。Stenkamp（「Grid polarizer for the visible spectral region」、Proceedings of the SPIE、vol. ２２１３、２８８〜２９６ページ）は、直接ｅビームリトグラフィを使用してレジストパターンを形成し、次にリアクティブイオンエッチング（reactive ion etching）によってパターンを金属膜に転写する方法を説明している。極紫外線リトグラフィとＸ線リトグラフィを含む他の高解像度のリトグラフィ技法を使用して、レジストパターンを作成することも可能である。他のエッチングメカニズムとリフトオフ（lift off）プロセスを含む他の技法を使用して、レジストから金属膜へパターンを転写することも可能である。平行な導電素子のアレイを形成するために使用する厳密なプロセスは、本発明にとっては重要ではない。

平行な導電素子１１２０を形成した後の第２のステップは、導電素子１１２０をマスクとして使用して基板１１１０をエッチングし、導体１１２０を支持するリブ１１３０を作成することである。基板１１１０の材料に応じた適切な化学的性質のイオンビームエッチングまたはリアクティブイオンエッチングを使用して、溝を基板１１１０にエッチングすることが可能である。

図１２は、図７と図９に先に示された偏光子デバイスを製造する工程を示す。第１の工程ステップは、透明基板１２１０の１つの表面上に透明誘電材料１２３０の１つまたは複数の膜を堆積させることである。第２のステップは、先に説明したように平行な導電素子１２２０のアレイを形成することである。第３のステップは、導電素子１２２０をマスクとして使用し、その下にある層１２３０をエッチングすることによって導電素子を支持するリブ１２４０を形成することである。エッチングの深さは誘電膜層１２３０の厚さの一部に限定される場合もあり、誘電膜層１２３０を通じて伸びる場合もあり、必要に応じて、誘電膜層１２３０を介して基板１２１０まで伸びる場合もある。

本発明の説明された実施形態は例示的なものであり、当業者であればその修正形態を思いつくであろうことを理解されたい。たとえば、本発明は入射角が４５度である例で説明されたが、本発明を、偏光子デバイスの物理的なパラメータを適切に調節して他の入射角にも同様に適用することが可能である。さらに、本発明の第１の利点は、偏光子デバイスの有用な帯域幅を可視スペクトルの短い波長に広げることであるが、本発明はまた、赤外線など他のスペクトルの領域で使用するために偏光子デバイスの透過を改善するために使用される場合もある。従来技術と比較して、設計上、本発明によって柔軟性が大幅に増大されたことを考えると、他の代替形態も当業者であればすぐに思いつくであろう。したがって、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、首記の請求項によって定義されたようにのみ限定されるものと見なすべきである。

Claims (16)

1. 第１の表面と屈折率とを有する透明基板を提供するステップと、
   前記基板の前記第１の表面上に平行な素子であって、マスクを画定する素子のアレイを形成するステップと、
   前記素子の間で前記基板をエッチングして、該基板から伸び、該基板の前記屈折率より小さな屈折率を伴う領域を画定するリブを形成するステップと、
   を含む、可視スペクトル用の広帯域ワイヤグリッド偏光子を作成する方法。
2. 前記第１の表面上に誘電膜の層を堆積させてから前記素子を形成するステップをさらに含み、前記基板をエッチングするステップはさらに、前記素子の間の膜をエッチングするステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 誘電膜の層を堆積させるステップが、フッ化マグネシウムの層を堆積させるステップを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記平行な素子のアレイを形成するステップは、０．０７６μｍと０．２μｍの間の周期を有する素子を形成するステップを含む請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記基板をエッチングするステップは、０．００１μｍと０．３μｍの間の深さに該基板をエッチングするステップを含む請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記素子のアレイは可視スペクトルの光の電磁波と相互作用し、一般には第１の偏光の光のほとんどを反射し、第２の偏光の光のほとんどを透過するように構成され、
   前記アレイは、前記可視スペクトル内で通常は第２の偏光のかなりの量が透過されるのではなく反射されるような共鳴効果を形成するような構成を有し、
   前記素子は、前記可視スペクトル内で通常は第２の偏光のかなりの量が透過されるのではなく反射されるような共鳴効果を形成するような大きさを有し、
   前記基板の屈折率よりも低い屈折率を伴う前記領域は、通常は発生する共鳴効果をより短い波長にシフトさせ、これによって共鳴効果が発生しない可視波長の帯域を広げることを特徴とする、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記マスクを画定する素子のアレイを形成するステップの後に、前記素子のアレイを除去又は置換しない
   請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記素子のアレイは、ワイヤグリッド偏光子のワイヤとなる請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ワイヤは、アルミニウム又は銀である請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記マスクを画定する素子は、７６ｎｍから可視光の波長の間の周期を有する
    請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記リブは、前記基板と同一材料で形成される請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記基板は、約０．０４μｍと０．１μｍの間の深さにエッチングされる
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記素子の幅は前記リブの幅よりも狭い請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記リブは台形の断面を有する請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記ワイヤは約０．０２μｍと０．３μｍの間の厚さを有する請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記基板はガラスであり、
    前記リブは、前記基板と同一材料で形成される請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。

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