JP5862699B2 - グリッド偏光素子及び光配向装置 - Google Patents

Description

本願の発明は、グリッド偏光素子を用いた偏光技術に関するものである。

偏光光を得る偏光素子は、偏光サングラスのような身近な製品を始めとして偏光フィルターや偏光フィルム等の光学素子として各種のものが知られており、液晶ディスプレイ等のディスプレイデバイスでも多用されている。偏光素子には、偏光光を取り出す方式から幾つかのものに分類されるが、その一つにワイヤーグリッド偏光素子がある。

ワイヤーグリッド偏光素子は、透明基板上に金属（導電体）より成る微細な縞状のグリッドを設けた構造のものである。グリッドを形成する各線状部の間隔を偏光させる光の波長よりも狭くすることで偏光子として機能する。直線偏光光のうち、グリッドの長さ方向（即ち各線状部の長さ方向）に電界成分を持つ偏光光にとってはフラットな金属と等価なので反射する一方、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光にとっては透明基板のみがあるのと等価なので、透明基板を透過して出射する。このため、偏光子からはグリッドの長さ方向に垂直な方向の直線偏光光が専ら出射する。偏光素子の姿勢を制御し、グリッドの長さ方向が所望の方向に向くようにすることで、偏光光の軸（電界成分の向き）が所望の方向に向いた偏光光が得られることになる。

以下、説明の都合上、グリッドの長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光をｓ偏光光と呼び、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ直線偏光光をｐ偏光光と呼ぶ。通常、入射面（反射面に垂直で入射光線と反射光線を含む面）に対して電界が垂直なものをｓ波、平行なものをｐ波と呼ぶが、グリッドの長さ方向が入射面に対し垂直であることを前提とし、このように区別する。

このような偏光素子の性能を示す基本的な指標は、消光比ＥＲと透過率ＴＲである。消光比ＥＲは、偏光素子を透過した偏光光の強度のうち、ｓ偏光光の強度（Ｉｓ）に対するｐ偏光光の強度（Ｉｐ）の比である（Ｉｐ／Ｉｓ）。また、透過率ＴＲは、通常、入射するｓ偏光光とｐ偏光光の全エネルギーに対する出射ｐ偏光光のエネルギーの比である（ＴＲ＝Ｉｐ／（Ｉｓ＋Ｉｐ））。理想的な偏光素子は、消光比ＥＲ＝∞、透過率ＴＲ＝５０％ということになる。
尚、この出願の発明の偏光素子は、グリッドが金属（ワイヤー）には限らないので、以下、単にグリッド偏光素子と呼ぶ。

特開２０１１−８１７２号公報

グリッド偏光素子の偏光性能を決める重要な要素に、グリッドのアスペクト比がある。グリッドのアスペクト比は、グリッドを形成する線状部の幅に対する線状部の高さの比である。グリッド偏光素子は、一般にアスペクト比が高くなるに従って消光比も高くなる。

このように消光比の高いグリッド偏光素子を得るには高アスペクト比のグリッドが必要になってくるが、高アスペクト比のグリッド構造を持つ偏光素子を製造することは、一般的に難しい。グリッド偏光素子の製造は、石英のような透明基板上にグリッドを形成することで行われる。グリッドは、各線状部の間隔が光の波長未満という微細な構造物であり、元来、製造は容易ではない。グリッドはフォトリソグラフィの技術を使用して形成されるのが一般的であるが、十分な機械的強度でグリッドを形成することは難しく、アスペクト比が高くなるとその傾向は顕著である。

また、各線状部の間隔が光の波長未満であることから、偏光する光の波長が短くなればなるほどより微細なグリッド構造を造り込む必要があり、さらに困難性が増す。このためひと昔まえでは、紫外線のような短波長域の光を偏光させるグリッド偏光素子は理論的には可能であっても実現は困難であろうと考えられていた。それでも、飛躍的に進歩した半導体製造プロセスでの微細加工技術を応用することで、紫外線のような短波長域用の偏光素子の実用化も十分に狙える状況にはなってきている。
しかしながら、消光比等の点でより高性能のグリッド偏光素子を得ようとする場合、グリッドの高アスペクト比化しか解決手段がない現状では、製造上の困難性がグリッド偏光素子の高性能化や対象波長の短波長化のボトルネックとなってしまっている。

また、発明者らが行った研究により、紫外線のような短波長域の光を対象波長とする場合、アルミのような金属製グリッドを採用した従来のグリッド偏光素子では、期待された偏光性能が十分に得られないことが判ってきた。この理由は、完全には明らかではないが、金属に対する紫外線の反射率が十分でないこと、紫外線による金属の劣化等が要因として推測される。

この出願の発明は、このような状況を鑑みて為されたものであり、より高性能で製造が容易であり、紫外線のような短波長域の光についても高い偏光性能が得られるグリッド偏光素子を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、透明基板と、透明基板上に設けられた縞状のグリッドとより成るグリッド偏光素子であって、
グリッドは、誘電体又は半導体で形成されており、
グリッドを構成する各線状部において一方の側の隣の線状部との距離をｔ、他方の側の隣の線状部との距離をＴとしたとき、グリッドは、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しており、
グリッドの各線状部の長さ方向に電界成分を有する偏光光をｓ偏光光とし、距離ｔで隣り合う二つの線状部を伝搬したｓ偏光光を密部分伝搬光とし、距離Ｔで隣り合う二つの線状部を伝搬したｓ偏光光を疎部分伝搬光としたとき、ｔ／Ｔの比は、密部分伝搬光の位相が疎部分伝搬光の位相よりもπ／２以上遅れる比となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、
前記グリッドは、隣り合う二つの線状部が一組となって前記透明基板上に設けられており、
各組の二つの線状部を伝搬したｓ偏光光が前記密部分伝搬光であって、各組の二つの線状部の離間距離は前記距離ｔとなっており、
隣接する組同士で向かい合う二つの線状部を伝搬したｓ偏光光が前記疎部分伝搬光であって、隣接する組同士の離間距離は前記距離Ｔとなっており、
前記距離ｔは、前記密部分伝搬光の出射端での離間距離であり、
前記距離Ｔは、前記疎部分伝搬光の出射端での離間距離であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項２の構成において、前記各組の二つの線状部の離間距離は、前記密部分伝搬光の伝搬方向前側に向かって徐々に狭くなっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１乃至３いずれかの構成において、 前記グリッドを構成する各線状部の間の空間はギャップであって当該空間には材料は充填されていないという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、光源と、請求項１乃至４いずれかの記載のグリッド偏光素子とを備えており、グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と光源との間に配置されているという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１又は２記載の発明によれば、誘電体又は半導体製のグリッドを使用した減衰型のグリッド偏光素子において、密部分伝搬光が疎部分伝搬光に対してπ／２以上位相が遅れることを利用してｓ偏光光を減衰させるので、アスペクト比を高くすることなく消光比をより高くすることができる。このため、製造が容易な高性能のグリッド偏光素子が提供される。
また、請求項３記載の発明によれば、各組の二つの線状部の離間距離は、前記密部分伝搬光の伝搬方向前側に向かって徐々に狭くなっているので、さらに製造が容易となる。
また、請求項４記載の発明によれば、消光比の高いグリッド偏光素子が使用されるので、高品質の光配向処理を行うことが可能となり、高品質の光配向膜を得ることができる。このため、高画質のディスプレイの製造に大きく貢献できる。

この出願の発明の第一の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した斜視概略図である。 減衰型のグリッド偏光素子の動作モデルについて模式的に示した斜視概略図である。 ｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ちを確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。 ｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により新たに電界Ｅｙが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。 減衰型のグリッド偏光素子において高アスペクト比に代わる高性能化の手段について検討するために発明者が行ったシミュレーション実験の結果を示す図である。 グリッド偏在化による消光比の向上を確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。 グリッド偏在化による消光比の向上を確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。 グリッド偏在化による消光比の向上を確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。 グリッド偏在化による消光比の向上を確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。 第一の実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。 実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。 第二の実施形態のグリッド偏光素子の正面概略図である。 図１２に示す実施形態の構造についてのシミュレーション実験の結果を示す図である。 第二の実施形態のグリッド偏光素子の好適な製造方法について示した概略図である。

次に、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、第一の実施形態のグリッド偏光素子を模式的に示した斜視概略図である。図１に示すグリッド偏光素子は、透明基板１と、透明基板１上に設けられたグリッド２とから主に構成されている。

透明基板１は、使用波長（偏光素子を使用して偏光させる光の波長）に対して十分な透過性を有するという意味で「透明」ということである。この実施形態では、紫外線を使用波長として想定しているので、透明基板１の材質としては石英ガラス（例えば合成石英）が採用されている。

グリッド２は、図１に示すように、平行に延びる多数の線状部２１より成る縞状のものである。各線状部２１は、酸化チタンや窒化チタンのような誘電体又はアモルファスシリコンのような半導体で形成されている。そして、グリッド２において、各線状部２１は偏在している。即ち、各線状部２１において一方の側の隣の線状部２１との距離をｔ、他方の側の隣の線状部２１との距離をＴとしたとき、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有している。以下、説明の都合上、ｔ／Ｔを偏在比と呼ぶ。

上記説明において、「実質的にｔ＜Ｔである部分」とは、一方の側の離間距離ｔが他方の側の離間距離Ｔと実質的に異なるという意味である。「実質的に」とは、製造上のばらつきで発生する距離の相違は含まない趣旨であり、後述する位相遅れ作用が発揮されるよう意図的にｔ≠Ｔとするという趣旨である。
また、「周期的」というのは、ランダムではないという程度の意味である。ｔ≠Ｔが製造上のばらつきによって生じる場合はランダムということになるが、後述する位相遅れ作用が発揮されるように意図的にｔ≠Ｔとするのであり、従って、周期的となる。尚、この場合の周期的とは、透明基板１の表面に沿って線状部２１の長さ方向に垂直な方向で見た際にｔ≠Ｔの部分が周期的に存在しているということである。

このような実施形態のグリッド偏光素子の構成は、アスペクト比を高くすることなくより高い偏光性能が得られるようにしたり、紫外線のような短波長域の光についても高い偏光性能が得られるようにしたりするには、グリッド偏光素子の構成をどのようにすべきかについて発明者らが鋭意研究を行った成果である。

発明者らは、まず、従来とは基本的に異なる考え方により偏光素子を構成することを意図した。従来のワイヤーグリッド偏光素子は、反射型グリッド偏光素子とも呼べるもので、グリッドに反射率の高い金属を使用し、グリッドの長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光を反射させることで透明基板１を透過させないようにするものである。このような考え方のグリッド偏光素子では、前述したように、高性能化には高アスペクト比化が必要であり、紫外線のような短波長域では高い偏光性能が得られないという問題が生じている。

発明者らは、このような従来のグリッド偏光素子の考え方とは異なり、減衰型グリッド偏光素子ともいうべき考え方を想到するに至った。即ち、偏光光が偏光素子中を伝搬する結果で、特定の偏光光が選択的に減衰することを利用するものである。実施形態の減衰型グリッド偏光素子は、グリッドの材料として従来のような金属ではなく誘電体又は半導体を採用すること、グリッドを構成する各線状部を偏在させること（ｔ≠Ｔ）で達成される。

まず、グリッドの材料を金属ではなく誘電体又は半導体とした場合、グリッド偏光素子における光の伝搬がどのようになるかについて、以下に説明する。ここでの説明は、グリッドは偏在化されていないものとする（ｔ＝Ｔ）。
図２は、減衰型のグリッド偏光素子の動作モデルについて模式的に示した斜視概略図である。前述したように、グリッド偏光素子は、ｐ偏光光を透過させる一方、ｓ偏光光を透過させないようにした偏光素子である。従って、主として検討すべきは、ｓ偏光光の挙動である。

図２において、便宜上、光は紙面上の上から下に伝搬するものとし、この方向をｚ方向とする。また、グリッド２の延びる方向をｙ方向とし、従ってｓ偏光光（図５にＬｓで示す）は、電界成分Ｅｙを持つ。このｓ偏光光の磁界成分（不図示）はｘ方向となる（Ｈｘ）。
このようなｓ偏光光がグリッド偏光素子のグリッド２にさしかかると、ｓ偏光光の電界Ｅｙは、グリッド２の誘電率によって弱められる。一方、グリッド２の間の媒質は、空気である場合が多いが、一般的にグリッド２より誘電率が小さいので、グリッド２の間の空間では電界Ｅｙはグリッド２内ほどは弱められない。

この結果、ｘ−ｙ平面内において電界Ｅｙの回転成分が生じる。そして、ファラデーの電磁誘導に対応する以下のマクスウェル方程式（式１）により、このｘ−ｙ平面での回転の強さに応じて、ｚ方向において二つの互いに逆向きの磁界Ｈｚが誘起される。

即ち、グリッド２間の中央の電界Ｅｙの最も高いところを境に、一方の側ではＨｚは光の伝搬方向前方に向き、他方の側ではＨｚは後方を向く。ここで、図２では省略されているが、ｘ方向の磁界ＨｘはＥｙと同位相で、ｘ軸負の側を向いて存在している。このｘ方向磁界成分Ｈｘは、生成されたｚ方向成分Ｈｚに引っ張られ、波打つように変形する。

図３は、このｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ちを確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。図３は、グリッド２の材質を酸化チタンとし波長２５４ｎｍでの光学定数（ｎ＝２．３５、ｋ＝１．３１）でシミュレーションを行ったものである。図３では、グリッド２の各線状部２１の幅は１５ｎｍ、各線状部２１の間隔は９０ｎｍで一定、各線状部２１の高さは１７０ｎｍとした。シミュレーションはＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法に基づいており、使用したソフトウェアは、Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ社（米国マサチューセッツ州）のＭＡＴＬＡＢ（同社の登録商標）である。

図３中、上側の濃い黒色の部分は電界Ｅｚのマイナス成分、中程の淡い灰色の部分は電界Ｅｚのプラス成分を示している。磁界は、ベクトル（矢印）で示されている。
図３に示すように、グリッド２にさしかかる前のｓ偏光光にはＨｚ成分が無いためＨｘ成分のみとなるが、グリッド２にさしかかる前述のＨｚ成分の生成により、磁界がｘ−ｚ面内で波打つことが確認できる。図３に示すように、磁界の波打ちは、時計回りの磁界の回転とも言える状況である。尚、図３では、ｙ方向が光の伝搬方向であり、ｚ方向がグリッド２の長さ方向となっており、図２とは異なる。

このような磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）が生じると、アンペール・マクスウェルの法則に対応するマクスウェル方程式（式２）により、さらに図２のｙ方向に電界が発生する。

この様子を図４において模式的に示す。図４は、ｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により新たに電界Ｅｙが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。

図４に示すように、ｘ−ｚ面内での磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により、グリッド２内では図２の紙面手前側に向いた電界Ｅｙが発生し、グリッド２とグリッド２の間においては紙面奥側に向いた電界Ｅｙが発生する。この場合、入射したｓ偏光光の元の電界Ｅｙは紙面手前側に向いているから、グリッド２間の電界は、上記磁界の回転により打ち消され、波動を分断するように作用する。結果として、電界Ｅｙがグリッド２内に局在し、グリッド２の材質に応じた吸収によりｓ偏光光のエネルギーがグリッド２内を伝播しながら減衰する。

一方、ｐ偏光光については、電界成分はｘ方向に向いているが（Ｅｘ）、ｙ方向で見たとき、誘電率の分布は一様であるため、前述したような電界の回転成分は実質的に生じない。従って、ｓ偏光光のような電界のグリッド２内での局在化、波動の分断は、ｐ偏光光に実質的に生じない。実施形態の減衰型グリッド偏光素子は、空間の誘電率分布の違いからこのようにｓ偏光光とｐ偏光光とで異なった伝搬をすることを前提にしている。尚、アモルファスシリコンのような半導体製のグリッド２でも、同様にｓ偏光光とｐ偏光光とで異なった伝搬をすることが確認されている。

発明者らは、このような誘電体又は半導体製のグリッド偏光素子によって偏光作用を得ることができ、特に、紫外線のような短波長域の光の偏光用に有効であることを確認した。短波長域の光の偏光用に有効である理由は、グリッドにおける光の吸収を利用すること、即ち、上記のようにｓ偏光光がグリッド２内で局在化し、グリッド２内での吸収により減衰することによると推測された。
発明者らは、このような減衰型のグリッド偏光素子において偏光性能をより高くする観点でさらに研究を続けた。この結果、上記のようにグリッドの各線状部を偏在化させることに着目し、ある偏在化の条件では特に消光比が高くできることを見い出した。以下、この点について説明する。

図５は、減衰型のグリッド偏光素子において高アスペクト比に代わる高性能化の手段について検討するために発明者が行ったシミュレーション実験の結果を示す図である。
図５のシミュレーション実験では、グリッドのアスペクト比やグリッドの偏在比を変えると消光比や透過率がどのように変化するかを調べた。シミュレーションには、ＲＣＷＡ(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法が用いられており、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）が配布しているソフトウェア（http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm）が使用された。グリッドの材料は酸化チタンとし、透明基板は石英とした。また、偏光させる光の波長は、２５４ｎｍとした。尚、シミュレーションには材料の光学定数が必要であるが、ここでは、酸化チタンの光学定数は、屈折率２．３５、消衰係数（屈折率の虚部）は１．３１とした。また石英については、屈折率１．５、消衰係数０とした。

まず、グリッドの各線状部の幅ｗを２０ｎｍ、ギャップ幅を７０ｎｍで一定とし、各線状部の高さｈを変えることでアスペクト比を変化させたシミュレーションを行った。図５中に示すように、図５中に、×マーカーで示すものがその結果である。シミュレーションでは、ｈ＝９０ｎｍ（アスペクト比＝４．５）からスタートし、図５に示すように高さｈを増加させてアスペクト比を増加させた。尚、図５中の横軸は透過率、縦軸は消光比（対数目盛）である。

図５に示すように、アスペクト比を増加させると、透過率は減少するものの消光比は増加する。例えばグリッド高さｈ＝２３０ｎｍ（アスペクト比＝１１．５）では、透過率は３０％程度に落ちるが、消光比は１０００を越える高い値が得られる。しかしながら、このように高いアスペクト比のグリッドは実際には製造が難しい。

次に、発明者らは、グリッド偏在化の構成についてシミュレーション実験を行った。具体的には、上記グリッドの寸法において、比較的製造が容易なグリッド高さｈ＝１７０ｎｍ（アスペクト比＝８．５）を標準的なモデルとして採用し、このモデルにおいて偏在させた構成について消光比や透過率をシミュレーションした。より具体的には、ｔ＋Ｔの全体の寸法は１４０ｎｍで固定した上で、ｔを減少させＴを増加させることでｔ／Ｔを変化させた。図５中の■マーカーは、各ｔの値の際の消光比及び透過率である。ここではｔを図５に示すように少しずつ減少させ（Ｔを増加させ）、消光比及び透過率を算出した。

図５に示すように、ｔを減少させると（即ちギャップ幅を偏在化させると）、アスペクト比を増加させる場合に比べ、透過率はそれほど減少しないにも関わらず消光比が急激に増加した。消光比の増加は、ｔ＝５０ｎｍ程度を境にしてより急激となり、ｔ＝３６ｎｍでピークとなった。さらにｔを小さくすると、透過率とともに消光比も減少した。ギャップ幅の偏在化は、グリッド構造の偏在化ということを意味する。

上記のように、グリッド偏在化による消光比の向上はある範囲で得られ、その範囲の中でも特に顕著に消光比が向上する範囲があることがシミュレーション実験の結果から判明した。発明者らは、このような結果となる原因についてより詳細に分析すべく、波面の状況を計算によって調べて観察した。計算には、サイバネットシステムズ株式会社（本社：東京都千代田区）が販売している解析ソフトウェアFULLWAVE（商品名）を使用した。この結果を示したのが、図６〜図９である。図６〜図９は、グリッド偏在化による消光比の向上を確認したシミュレーション実験の結果を示す図である。

図６〜図８には、グリッド偏光素子を通したｓ偏光光の伝搬状況が示されており、前掲のソフトウェアにより波面の状況を表示したものである。実際の表示はカラー画像であり、図６〜図８は、それを白黒に変換したものである。実際のカラー画像における色を注釈的に記載した。
このうち、図６及び図７にはグリッド偏在化の構成である第一の実施形態のグリッド偏光素子における光の伝搬状況が示されており、図６にはｓ偏光光（ＴＥ波）の伝搬状況、図７にはｐ偏光光（ＴＭ波）の伝搬状況が示されている。図６及び図７において、入射面は紙面に対して平行であり、グリッドの各線状部の長さ方向は紙面に垂直である。各線状部２１の位置が解るように、画像に重畳させて描き入れられている。

図６はｓ偏光光であるので、電界は紙面に垂直な方向に分布を持っており、従って紙面に沿った方向では一様である。また、図７では、便宜上、電界ではなく磁界の位相が示されている。図７はｐ偏光光（ＴＭ波）であるので、磁界は紙面に垂直な方向に分布しており、紙面に沿った方向では一様である。
尚、図６及び図７において、色の違いは、位相の違いであり、端的には極性の違いである。例えば青がプラス、赤がマイナスである。

図６に示すように、ｓ偏光光はＴＥ波であるため、グリッドに入射する前では電界はグリッドに垂直な方向（紙面上の横方向）で位相は一様であり、乱れていない。グリッドに入射すると、屈折率の分布が不均一になるため、それに応じて位相に乱れが生じる。即ち、図６に示すように、狭い幅ｔのギャップで隣接する二つの線状部２１の部分（以下、密部分という）を伝搬する波は、広い幅Ｔのギャップで隣接する二つの線状部２１の部分（以下、疎部分という）を伝搬する波に対して位相が徐々に遅れる。位相の遅れは、屈折率の高い部分を伝搬するために位相速度が遅くなることに起因する。

このような位相遅れのため、密部分を伝搬してグリッドから出射する光（以下、密部分伝搬光という）と、疎部分を伝搬して出射する光（以下、疎部分伝搬光という）とでは、相当の位相差が発生する。グリッドを出射した後は、空間における屈折率の分布が一様になるため、それ以上の位相差は発生しないが、そのまま位相差が保存された状態で光が伝搬する。この際、密部分伝搬光のみに着目すると、図６の透明基板上に同位相で光を放射する複数の光源が配列し光を放射しているように見なせる。各光源から放射される光は略球面波状であるけれども、透明基板から離れるに従って各光源からの光が重なり合い平面波が形成される。これは、ホイヘンスの原理で各素元波が重なり合い平面波として伝搬していくモデルと類似している。

次に、疎部分伝搬光のみに着目すると、密部分と位相が異なるが、図６の透明基板上に同位相で光を放射する複数の光源が配列し光を放射しているように見なせ、透明基板から離れるに従って、各光源からの光が重なり合い平面波が形成される。密部分を伝搬して形成された平面波と、疎部分を伝搬して形成された平面波は位相差があるため、位相差がπ／２以上ある場合は、二つの光が互いに打ち消しあうことになる。このような考え方によれば、グリッドを透過した時点で、ｓ偏光光が完全に吸収されなかったとしても、グリッドを透過し漏れた光は、打ち消しあいにより強度を弱めることができるため、従来のアスペクト比では得られなかったｓ偏光光の減衰を達成することができる。

一方、ｐ偏光光（ＴＭ波）については、ギャップ幅方向で一様な磁界が図７に示すように歪められるものの、電界についてはギャップ幅方向でもともと分布を持っているため、疎部分を伝搬した光と密部分を伝搬した光とで一様に位相差が生じるような状況にはならず、従ってお互いに弱め合うような状況にはならない。

図５に示すグリッド偏在化構造の顕著な消光比の向上は、このような状況を示しているものと考えられる。つまり、ギャップ幅を偏在化させると、電界の集中を強化させてグリッド内での吸収によるｓ偏光光の減衰の効果がより高くなるが、それに加え、密部分伝搬光と疎部分伝搬光との間でπ／２以上の位相差が発生するようにギャップ幅を偏在化させると、位相差による打ち消し合いの効果も加わるので、さらにｓ偏光光が減衰するようになり、消光比をより高くできる。図５に示す結果は、このような状況を示しているものと考えられる。

図８は、偏在化させていないグリッド偏光素子（ｔ＝Ｔ）について、同様のシミュレーション実験を行った結果を示す図である。条件は、ｔ＝Ｔとした以外は、図５及び図６に示す場合と同様とした。したがって、アスペクト比は８．５である。図６との比較のため、図８ではｓ偏光光の伝搬状況が示されている。
図８に示すように、ｔ＝Ｔの場合、多少の位相遅れが生じ、ｘ方向で一様であったｓ偏光光の電界成分がグリッドによって分断されるように歪められるものの、グリッドを出射する際には殆ど位相差が発生していない。これは、空間の屈折率分布の不均一化が少ないために発生する位相差も小さく、このため、グリッドを出射した際の波面の重なりにおいて位相差が緩和されて解消してしまうことによるものと思われる。つまり、密部分伝搬光の位相遅れを利用したｓ偏光光の減衰は、グリッドの偏在化をある程度大きくし、空間の屈折率分布がある程度以上不均一になった場合に生じる現象であると考えられる。

図９は、これらの点を確認したシミュレーション実験の結果について示した図である。図９では、図５〜図７に示すシミュレーションにおいて、偏在比と位相差との関係をＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method）により求めた計算結果が示されている。計算には、同じくサイバネットシステムズ株式会社の解析ソフトウェアFULLWAVE（商品名）を使用した。図９において、横軸は狭い方のギャップ幅ｔであり、縦軸は位相差（左）及び消光比（右）である。

図９に示すように、ギャップ幅ｔを狭くしてしていくと（即ち偏在比の逆数Ｔ／ｔを大きくしていくと）、ギャップ幅ｔが６０ｎｍを下回るあたりから急に位相差が大きくなり、ギャップ幅ｔ＝５０ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で位相差はπ（ちょうど逆位相）となる。この際、ギャップ幅ｔ＝５０ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で消光比向上の効果が得られることになるが、この効果が一様ではなく、３６ｎｍ付近でピークとなったことについては、以下のように考えられる。即ち、ギャップ幅ｔが５０〜４０ｎｍ程度では、密部分での電界の集中が比較的弱く、位相差によって疎部分の電界を弱める働きがそれほど大きくないと考えられる。逆に、ギャップ幅ｔ＝２０〜１０ｎｍ程度では、密部分での電界の集中は大きくなるものの、疎部分の範囲が広がってしまうため、疎部分の電界を弱める効果が相対的に小さくなってしまうものと考えられる。ギャップ幅ｔ＝４０〜３０ｎｍ程度で、密部分での電界の集中と疎部分の幅の大きさとのバランスが取れ、ちょうど上手く弱め合うことになると考えられる。

いずれにしても、密部分と疎部分とで位相差がπ／２以上あれば、理論的には弱め合いが生じｓ偏光光は減衰する。このため、消光比が高くなる。この効果は、波長や屈折率との関係でグリッドの高さを最適に定める必要があるものの、アスペクト比を高くことによって得るものではない。現に、図５に示すように、アスペクト比８．５のグリッドでも、１×１０^４を遙かに超える高い消光比が得られており、この程度のグリッド比であればさほど困難性なく製造が可能である。

次に、実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について説明する。図１０は、第一の実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。この製造方法では、まず、図１０（１）に示すように、透明基板１上に中間薄膜３を作成する。中間薄膜３は、グリッド用の薄膜を作成する際のベースになる薄膜である。中間薄膜３は、最終的には除去されるものであるため、特に材料については制限がない。形状安定性が良く、エッチングの際に迅速に除去可能であれば良い。例えば、フォトレジストなどの有機材料、カーボンなどが中間薄膜３の材質として選定される。

次に、図１０（２）に示すように、フォトリソグラフィを行って中間薄膜３をパターニングする。即ち、フォトレジストの全面塗布と、露光、現像、エッチングを行って中間薄膜３をパターニングする。パターニングは、中間薄膜３を、紙面垂直方向に延びた多数の線状部（以下、中間線状部という）３１から成る縞状とするものである。この際、各中間線状部３１の幅Ｌ_１やその離間間隔Ｌ_２は、最終的に作成されるグリッド２の各線状部２１の間隔ｔ，Ｔを決めるものである。

次に、図１０（３）に示すように、各中間線状部３１により形成される溝の側面にグリッド用薄膜４を作成する。グリッド用薄膜４は、溝の側面のみに作成すれば足りるが、通常は、全面を覆うようにして全体にグリッド用薄膜４が作成される。グリッド用薄膜４は、グリッド２の材料例えば酸化チタンより成る薄膜であり、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)により作成される。グリッド用薄膜４の作成後、グリッド用薄膜４の異方性エッチングを行う。異方性エッチングは、透明基板１の厚さ方向のエッチングである。このエッチングにより、図１０（４）に示すように中間線状部３１の両側壁にグリッド用薄膜４が残留した状態となる。

その後、中間薄膜３の材料のみエッチングできるエッチャントを使用してエッチングを行い、各中間線状部３１をすべて除去する。これにより、各線状部２１より成るグリッド２が透明基板１上に形成された状態となり、実施形態のグリッド偏光素子が得られる。得られたグリッド偏光素子は、所定の偏在比ｔ／Ｔを持ち、この値になるようにグリッド幅Ｗに応じて各中間線状部３１の寸法Ｌ_１，Ｌ_２が決定される。

次に、このようなグリッド偏光素子の使用例について説明する。図１１は、実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。
図１１に示す装置は、前述した液晶ディスプレイ用の光配向膜を得るための光配向装置であり、対象物（ワーク）１０に偏光光を照射することで、ワーク１０の分子構造が一定の方向に揃った状態とするものである。従って、ワーク１０は光配向膜用の膜（膜材）であり、例えばポリイミド製のシートである。ワーク１０がシート状である場合、ロールツーロールの搬送方式が採用され、搬送の途中で偏光光が照射される。光配向用の膜材で被覆された液晶基板がワークとなることもあり、この場合には、液晶基板をステージに載せて搬送したり、又はコンベアで搬送したりする構成が採用される。

図１１に示す装置は、光源５と、光源５の背後を覆ったミラー６と、光源５とワーク６との間に配置されたグリッド偏光素子７とを備える。グリッド偏光素子７は、前述した実施形態のものである。
多くの場合、光配向には紫外線の照射が必要なことから、光源５には高圧水銀ランプのような紫外線ランプが使用される。光源５は、ワーク１０の搬送方向に対して垂直な方向（ここでは紙面垂直方向）に長いものが使用される。

グリッド偏光素子７は、前述したように、グリッド２の長さを基準にしてｐ偏光光を選択的に透過させるものである。従って、光配向を行う方向にｐ偏光光の偏光軸が向くよう、ワーク１０に対してグリッド偏光素子７が姿勢精度良く配置される。
尚、グリッド偏光素子は、大型のものを製造するのが難しいため、大きな領域に偏光光を照射する必要がある場合、複数のグリッド偏光素子を同一平面上に並べた構成が採用される。この場合、複数のグリッド偏光素子を並べた面は、ワーク１０の表面と並行とされ、各グリッド偏光素子におけるグリッドの長さ方向がワークに対して所定の向きとなるように各グリッド偏光素子が配置される。

このようなグリッド偏光素子７を搭載した光配向装置は、消光比の高いグリッド偏光素子７を使用しているので、高品質の光配向処理を行うことが可能となり、高品質の光配向膜を得ることができる。このため、高画質のディスプレイの製造に大きく貢献できる。

次に、第二の実施形態のグリッド偏光素子について説明する。図１２は、第二の実施形態のグリッド偏光素子の正面概略図である。
第一の実施形態では、グリッド２を成す各線状部２１は、透明基板１に対して垂直であったが、第二の実施形態では斜めに形成されている。即ち、図１２に示すように、隣り合う一対の線状部２１は、正面視で逆ハの字を形成している。逆ハの字を形成する二つの線状部が一組となって多数組の線状部２１，２１が形成されている。

第二の実施形態において、グリッド偏在化の構造は、各線状部の出射端（出射側の端部）において達成されている。即ち、各組を構成する二つの線状部２１，２１のお互いの離間距離は出射側の端部において狭い距離ｔとなっている。そして、図１２に示すように、隣接する組同士の出射端における距離が広い距離Ｔとなっている。即ち、例えばある組における右側の線状部とその右側の組の二つの線状部のうちの左側の線状部との出射端における距離が広い距離Ｔとなっている。左側の組についても同様で、左側の組の二つの線状部のうちの右側の線状部との出射端における距離が広い距離Ｔとなっている。

このようなグリッド偏在化の構造においても、発明者らが行ったシミュレーションでは、同様に効果があることが確認されている。図１３は、この点を示すもので、図１２に示す実施形態の構造についてのシミュレーション実験の結果を示す図である。図１３は、同様に解析ソフトウェアFULLWAVEを使用してシミュレーションした結果を示す図である。同様に、カラー画像を白黒に変換してあり、理解のため、元の画像の色の別が書き入れられている。図６と同様、図１３はｓ偏光光についての伝搬状況波を示している。尚、逆ハの字を成す二つの線状部２１，２１が密部分である。また、各組において隣り合う二つの線状部２１，２１が疎部分である。即ち、例えばある組の右側の線状部２１とその右側の組の左側の線状部２１とが成す部分が疎部分である。

図１３に示すように、第二の実施形態のグリッド偏光素子でも、ｓ偏光光については、グリッドから出射する際、密部分と疎部分とでπ／２を越える位相差が発生しており、互いに弱め合うことで全体として減衰していく。このため、グリッドのアスペクト比を高くすることなく高い消光比が得られる。
図５において、併せてこの第二の実施形態のグリッド偏光素子についてのシミュレーション実験結果（消光比及び透過率）が示されている。図が見にくくなるためにｔの値については図示が省略されているが、第二の実施形態のシミュレーション実験では、同様にｔ＝７０ｎｍからスタートしてｔを徐々に小さくしたところ、透過率は徐々に減少するものの、消光比はｔ＝３０ｎｍあたりから急激に上昇し、ｔ＝２４ｎｍで最大の消光比８３００が得られた。消光比最大となるｔの値が第一の実施形態と比べて小さくなっていることは、逆ハの字状の形状と関係があるものと推測される。即ち、密部分とはいえ入射側でギャップ幅が広がっているので、出射端がより狭くなっていないと、電界の集中や位相遅れの効果が出にくいものと推測される。

尚、二つの線状部２１，２１が一つの組を形成し、そのお互いの離間距離が狭い距離ｔであり、組同士の離間間隔が広い距離Ｔであるという点自体は、第一の実施形態でも同様である。第二の実施形態では、各線状部２１が透明基板１に対して垂直ではなく斜めであることが相違している。
また、図示及び詳しい説明は省略するが、グリッド２の形状を上下逆にし、密部分を成す一対の線状部をハの字状とした場合、消光比向上の効果は小さい。この理由は、ハの字状の場合、グリッド２の出射端において偏在比が小さくなってしまい、電界を集中させる効果や位相差を発生させる効果や緩和されてしまうことによるものと考えられる。

次に、図１４に示す第二の実施形態のグリッド偏光素子の好適な製造方法について説明する。図１４は、第二の実施形態のグリッド偏光素子の好適な製造方法について示した概略図である。
第二の実施形態のグリッド偏光素子を製造する際にも、図１４（１）に示すように、透明基板１上に中間薄膜３を作成する。中間薄膜３は、グリッド用薄膜を作成する際のベースになる薄膜である。

次に、フォトリソグラフィを行って中間薄膜３をパターニングする。即ち、フォトレジストの全面塗布と、露光、現像、エッチングを行い、図１４（２）に示すようにフォトレジスト３０を縞状にパターニングする。そして、図１４（３）に示すように、このフォトレジスト３０のパターンをマスクにして中間薄膜３をエッチングし、縞状とする（多数の中間線状部３１から成るものとする）。

この際、図１０に示す製造方法と異なり、完全な異方性エッチングではなく、若干等法的なエッチングとする。若干等法的なエッチングとは、ドライエッチングにおいて基板に垂直バイアス電力を小さく設定するか、又はＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚガスのような添加ガスを導入することにより行える。これらの両方を行っても良い。若干等法的なエッチングとすると、図１４（３）に示すように、各中間線状部３１は断面台形状となる。即ち、側面３１１がテーパ状の形状（テーパ面）となる。この際、隣り合う中間線状部３１の底部の離間距離Ｌ_１、及び各中間線状部３１の底面の幅Ｌ_２は、最終的に作成されるグリッド２の各線状部２１の間隔ｔ，Ｔを決めるものである。

次に、このようにパターニングされた中間薄膜３に対し、図１４（４）に示すようにグリッド用薄膜４を作成する。グリッド用薄膜４は、同様にＡＬＤ等の方法により作成され、各中間線状部３１の側面及び上面を覆った状態となる。そして、透明基板１の厚さ方向の異方性エッチングをグリッド用薄膜４に対して行い、図１４（５）に示すように中間線状部３１の両側の側面（テーパ面）３１１にグリッド用薄膜４が残留した状態とする。

その後、中間薄膜３の材料のみエッチングできるエッチャントを使用してエッチングを行い、各中間線状部３１をすべて除去する。これにより、図１４（６）に示すように各組で逆ハの字状を成す各線状部２１で形成されたグリッド２の構造が得られる。図１４から解るように、ｔ＝Ｌ_１−２ｗであり、Ｔ＝Ｌ_２である。

図１４に示す製造方法は、中間薄膜３のパターニングにおいて側面３１１がテーパ面であるので、製造が容易であるという優位性がある。図１４（４）においてグリッド用薄膜４を作成する際、中間薄膜３が台形であると、グリッド用薄膜４は表面に堆積しやすくなるためである。図１０に示す製造方法では、中間薄膜３からなる線状部３１が透明基板１に対して垂直であるため、図１０（３）においてグリッド用薄膜４を表面に均一に成膜することが難しい。ＡＬＤ法で成膜できる材料の場合は比較的容易にグリッド用薄膜４を表面に均一に成膜できるが、スパッタリング法、蒸着法でしか形成できないグリッド材料の場合には、中間薄膜３は台形の方がグリッド用薄膜４を形成しやすい。つまり、図１２に示す第二の実施形態のグリッド偏光素子の構造は、製造が容易であるという優位性を有する。

以上の説明において、対象波長は２５４ｎｍを想定したが、それよりも短い例えば２００ｎｍ以下の紫外線が対象波長とされる場合もある。また逆に、２５４ｎｍよりも長い紫外域又は可視域の波長が対象波長とされることもある。
また、上記各実施形態において、距離ｔのギャップと距離Ｔのギャップが交互に存在していたが、周期的に偏在化していれば足り、必ずしも交互である必要はない。例えば、第一の実施形態の構造において、短い距離ｔで隣り合う三つの線状部（二つのギャップ）が一組となり、各組が広いギャップＴで隣り合っているような構造でも良い。

１ 透明基板
２ グリッド
２１ 線状部
３ 中間薄膜
４ グリッド用薄膜
５ 光源
６ ミラー
７ グリッド偏光素子
１０ ワーク

Claims (5)

1. 透明基板と、透明基板上に設けられた縞状のグリッドとより成るグリッド偏光素子であって、
   グリッドは、誘電体又は半導体で形成されており、
   グリッドを構成する各線状部において一方の側の隣の線状部との距離をｔ、他方の側の隣の線状部との距離をＴとしたとき、グリッドは、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しており、
   グリッドの各線状部の長さ方向に電界成分を有する偏光光をｓ偏光光とし、距離ｔで隣り合う二つの線状部を伝搬したｓ偏光光を密部分伝搬光とし、距離Ｔで隣り合う二つの線状部を伝搬したｓ偏光光を疎部分伝搬光としたとき、ｔ／Ｔの比は、密部分伝搬光の位相が疎部分伝搬光の位相よりもπ／２以上遅れる比となっていることを特徴とするグリッド偏光素子。
2. 前記グリッドは、隣り合う二つの線状部が一組となって前記透明基板上に設けられており、
   各組の二つの線状部を伝搬したｓ偏光光が前記密部分伝搬光であって、各組の二つの線状部の離間距離は前記距離ｔとなっており、
   隣接する組同士で向かい合う二つの線状部を伝搬したｓ偏光光が前記疎部分伝搬光であって、隣接する組同士の離間距離は前記距離Ｔとなっており、
   前記距離ｔは、前記密部分伝搬光の出射端での離間距離であり、
   前記距離Ｔは、前記疎部分伝搬光の出射端での離間距離であることを特徴とする請求項１記載のグリッド偏光素子。
3. 前記各組の二つの線状部の離間距離は、前記密部分伝搬光の伝搬方向前側に向かって徐々に狭くなっていることを特徴とする請求項２記載のグリッド偏光素子。
4. 前記グリッドを構成する各線状部の間の空間はギャップであって当該空間には材料は充填されていないことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のグリッド偏光素子。
5. 光源と、請求項１乃至４いずれかに記載のグリッド偏光素子とを備えており、グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と光源との間に配置されていることを特徴とする光配向装置。

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