JP5900571B1 - Absorption-type grid polarizing element for ultraviolet rays and optical alignment apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】 紫外域の光についての十分な偏光性能を発揮し得る吸収型のグリッド偏光素子において、グリッド材料自体が持つ光触媒作用による偏光性能の低下の問題を防止する。【解決手段】 透明基板1上に設けられた縞状のグリッド2を構成する各線状部3は、第一の対象波長の光を吸収する第一の材料で形成された第一の層31と、第二の対象波長の光を吸収する第二の材料で形成された第二の層32と、第一の層31と第二の層32との間に設けられた第三の層33とを備える。第一の材料は酸化チタンのような光触媒作用を有する材料であり、第二の材料はシリコンのような被酸化性材料である。第三の層33は酸化シリコンで形成されたバリア層であり、紫外線照射時にオゾンや原子状酸素のような酸化性活性種が生成された場合でも、バリア層33により第二の層32の酸化が防止される。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a problem of deterioration in polarization performance due to a photocatalytic action of a grid material itself in an absorption type grid polarization element capable of exhibiting sufficient polarization performance for light in the ultraviolet region. SOLUTION: Each linear portion 3 constituting a striped grid 2 provided on a transparent substrate 1 includes a first layer 31 formed of a first material that absorbs light of a first target wavelength. A second layer 32 formed of a second material that absorbs light of the second target wavelength, and a third layer 33 provided between the first layer 31 and the second layer 32, Is provided. The first material is a photocatalytic material such as titanium oxide, and the second material is an oxidizable material such as silicon. The third layer 33 is a barrier layer formed of silicon oxide. Even when an oxidizing active species such as ozone or atomic oxygen is generated during ultraviolet irradiation, the barrier layer 33 oxidizes the second layer 32. Is prevented. [Selection] Figure 1
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。 The present invention relates to a polarization technique using a grid polarizing element.
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の他、偏光フィルターや偏光フィルム等の光学素子としても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。 In addition to familiar products such as polarized sunglasses, various types of polarizing elements that obtain polarized light are known as optical elements such as polarizing filters and polarizing films, and are also widely used in display devices such as liquid crystal displays. . Polarizing elements are classified into several types according to the method of extracting polarized light, and one of them is a wire grid polarizing element.
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。グリッドを構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、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、偏光子からは格子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、グリッドの各線状部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。 The wire grid polarizing element has a structure in which a fine striped grid made of metal (conductor) is provided on a transparent substrate. It functions as a polarizer by making the interval between the linear parts constituting the grid narrower than the wavelength of light to be polarized. Of linearly polarized light, polarized light that has an electric field component in the length direction of each linear part is reflected because it is equivalent to a flat metal, while it is reflected for polarized light that has an electric field component in a direction perpendicular to the length direction. Since it is equivalent to being only, there is a transmission through the transparent substrate. For this reason, linearly polarized light in a direction perpendicular to the length direction of the grating is exclusively emitted from the polarizer. By controlling the orientation of the polarizing element so that the length direction of each linear part of the grid faces in the desired direction, polarized light with the axis of polarized light (direction of the electric field component) oriented in the desired direction is obtained. Will be.
以下、説明の都合上、格子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、グリッドの各線状部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。 Hereinafter, for convenience of description, linearly polarized light having an electric field component in the length direction of the grating is referred to as s-polarized light, and linearly polarized light having an electric field component in a direction perpendicular to the length direction is referred to as p-polarized light. Usually, the surface that is perpendicular to the incident surface (the surface that is perpendicular to the reflecting surface and includes the incident light and the reflected light) is called an s wave, and the parallel one is called a p wave. Is assumed to be perpendicular to the incident surface.
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、入射するs偏光光とp偏光光の全エネルギーIinに対する出射p偏光光のエネルギーの比である(TR=Ip/Iin)。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、以下の説明では、単にグリッド偏光素子と呼ぶ場合がある。
The basic indicators for the performance of such a polarizing element are the extinction ratio ER and the transmittance TR. The extinction ratio ER is the ratio (Ip / Is) of the intensity (Ip) of p-polarized light to the intensity (Is) of s-polarized light among the intensity of polarized light transmitted through the polarizing element. The transmittance TR is the ratio of the energy of the outgoing p-polarized light to the total energy Iin of the incident s-polarized light and p-polarized light (TR = Ip / Iin). An ideal polarizing element has an extinction ratio ER = ∞ and a transmittance TR = 50%.
In the polarizing element of the invention of this application, since the grid is not limited to metal (wire), in the following description, it may be simply referred to as a grid polarizing element.
近年、上記のようなグリッド偏光素子は、光処理の分野でも用いられるようになってきている。この一例として、分子の配列を制御するための膜(配向膜)を偏光光照射により得る光配向の技術が挙げられる。光配向は、高性能の液晶ディスプレイの製造において多く採用されるようになってきた技術である。この技術は、液晶分子を基板に対して一定方向に配列したり、プレチルト角が一定になるように配列したりする配向膜を光処理により得る技術である。液晶基板上に配向膜を作成し、その上に液晶分子層を設けることで液晶分子の配列を制御する。以前は、ラビングと呼ばれる機械的な処理により配向膜を得ていたが、配向精度の向上等のため、配向膜用の材料が光に感応することを利用する光配向がしばしば採用されるようになってきている。 In recent years, the grid polarizing element as described above has been used in the field of optical processing. An example of this is a photo-alignment technique for obtaining a film (alignment film) for controlling the arrangement of molecules by irradiation with polarized light. Photo-alignment is a technology that has been widely adopted in the production of high-performance liquid crystal displays. This technique is a technique for obtaining an alignment film by aligning liquid crystal molecules in a certain direction with respect to a substrate or aligning a pretilt angle to be constant by light treatment. An alignment film is formed on a liquid crystal substrate, and a liquid crystal molecule layer is provided thereon to control the alignment of liquid crystal molecules. Previously, alignment films were obtained by a mechanical process called rubbing. However, in order to improve alignment accuracy, photo-alignment using the fact that materials for alignment films are sensitive to light is often adopted. It has become to.
光配向では、配向膜材料が感応する光の波長は紫外域である場合が多く、紫外域の光について十分な性能の偏光素子が必要になる。グリッド偏光素子は、比較的広い領域内に比較的均一に偏光光を照射することが可能となるので、この点では光配向のような光処理に適している。しかしながら、グリッド偏光素子として一般的なワイヤーグリッド偏光素子は、紫外域の光の偏光用には向いていない。 In photo-alignment, the wavelength of light to which the alignment film material is sensitive is often in the ultraviolet region, and a polarizing element having sufficient performance is required for light in the ultraviolet region. Since the grid polarizing element can irradiate polarized light relatively uniformly in a relatively wide area, it is suitable for optical processing such as photo-alignment in this respect. However, a general wire grid polarizing element as a grid polarizing element is not suitable for polarization of ultraviolet light.
ワイヤーグリッド偏光素子は、反射型のグリッド偏光素子といえるものであり、金属製グリッドにおいてs偏光光を選択的に反射させ、p偏光光のみを選択的に透過させるものである。紫外域の光については、アルミのような金属といえども吸収が生じて反射率が低下する。即ち、金属中の自由電子のプラズマ振動数に光の振動数が近づいてくるため、紫外域の光については、金属といえども反射率が低下してしまう。従って、アルミ製グリッドのような反射型のグリッド偏光素子は、可視域では優れた偏光性能を発揮できても、紫外域の光については十分な偏光性能が得られない。 The wire grid polarizing element can be said to be a reflective grid polarizing element, and selectively reflects s-polarized light and selectively transmits only p-polarized light on a metal grid. For light in the ultraviolet region, even if it is a metal such as aluminum, absorption occurs and the reflectance decreases. That is, since the frequency of light approaches the plasma frequency of free electrons in the metal, the reflectivity of the light in the ultraviolet region is lowered even though it is a metal. Therefore, even if a reflective grid polarizing element such as an aluminum grid can exhibit excellent polarization performance in the visible range, sufficient polarization performance cannot be obtained for light in the ultraviolet range.
その一方で、周知のように、紫外域の光は可視域や赤外域の光に比べてエネルギーが高いので、対象物の性質や形状について何らかの変化を生じさせて処理する光処理の分野ではしばしば使用される。従って、紫外域において十分な偏光性能を発揮する偏光素子が得られるようになれば、その意義は極めて大きい。
この出願の発明者らは、上記の点を考慮し、従来の反射型のグリッド偏光素子とは異なるモデルで動作する、吸収型ともいうべきグリッド偏光素子を想到するに至った。吸収型のグリッド偏光素子では、グリッドの材料として誘電体のような光吸収材料を使用し、s偏光光とp偏光光との間の光吸収の相違を利用して偏光作用を生じさせる。
On the other hand, as is well known, ultraviolet light has higher energy than visible and infrared light, so it is often used in the field of light processing where some changes are made in the properties and shape of the object. used. Therefore, if a polarizing element that exhibits sufficient polarization performance in the ultraviolet region can be obtained, its significance is extremely large.
In consideration of the above points, the inventors of this application have come up with a grid polarizing element that can be called an absorption type, which operates with a model different from a conventional reflective grid polarizing element. In the absorption type grid polarizing element, a light absorbing material such as a dielectric is used as a material of the grid, and a polarizing action is generated by utilizing a difference in light absorption between s-polarized light and p-polarized light.
発明者らは、吸収型のグリッド偏光素子の実用的な構造や構成材料を研究する過程で、予期し得なかった経時的な偏光性能の低下の問題が生じることを見出した。そして、この問題は、ある種のグリッド材料では、光触媒に相当する反応が生じ、これが原因で偏光性能の低下が生じ得ることを突き止めた。
この出願の発明は、上記発明者らが行った研究、知見に基づくものであり、紫外域の光についての十分な偏光性能を発揮し得る吸収型のグリッド偏光素子において、グリッド材料自体が持つ光触媒作用による偏光性能の低下の問題を防止することをその解決課題とするものである。
The inventors have found that in the process of studying the practical structure and constituent materials of the absorption-type grid polarizing element, there is an unexpected problem of deterioration in polarization performance over time. This problem has been found that a certain kind of grid material causes a reaction corresponding to a photocatalyst, which can cause a decrease in polarization performance.
The invention of this application is based on the research and knowledge conducted by the above-described inventors, and in the absorption grid polarizing element capable of exhibiting sufficient polarization performance for light in the ultraviolet region, the photocatalyst possessed by the grid material itself The problem to be solved is to prevent the problem of deterioration in polarization performance due to action.
上記課題を解決するため、本願の請求項1記載の発明は、紫外線に対して透明な透明基板と、透明基板上に設けられた縞状のグリッドとより成り、グリッドが紫外線である対象波長の光を吸収する材料で形成された多数の線状部から成る紫外線用吸収型グリッド偏光素子であって、
グリッドを構成する各線状部は、第一の対象波長の光を吸収する第一の材料で形成された偏光作用が得られる層である第一の層と、第二の対象波長の光を吸収する第二の材料で形成された偏光作用が得られる層である第二の層と、第一の層と第二の層との間に設けられた第三の層とを備えており、
第一の材料は誘電体又は半導体であって紫外線照射による光触媒作用を有する材料であり、
第二の材料は誘電体又は半導体であって被酸化性材料であり、
第三の層は、第一の層において第一の材料の光触媒作用により酸化性活性種が生成された際に当該酸化性活性種により第二の層が酸化するのを防止するバリア層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2記載の発明は、前記請求項1の構成において、前記第一の材料は酸化チタンであり、前記第二の材料はシリコン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、前記第三の層は、酸化シリコンで形成され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3の構成において、前記第三の層の厚さは、2nm以上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5記載の発明は、前記請求項4の構成において、前記第三の層の厚さは、前記第一の層及び前記第二の層よりも薄く30nm以下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6記載の発明は、前記請求項1乃至5いずれかの構成において、前記第一の層、前記第二の層及び前記第三の層は、光の伝搬方向に沿って積層され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7記載の発明は、光源と、請求項1乃至6いずれかに記載の紫外線用吸収型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。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
Each linear part constituting the grid absorbs light of the first target wavelength and the first layer, which is a layer formed of the first material that absorbs light of the first target wavelength, and which obtains the polarization action. A second layer that is a layer that is formed of the second material and has a polarization effect, and a third layer provided between the first layer and the second layer,
The first material is a dielectric or semiconductor material that has a photocatalytic action by ultraviolet irradiation ,
The second material is a dielectric or semiconductor and is an oxidizable material,
The third layer is a barrier layer that prevents the second layer from being oxidized by the oxidizing active species when the oxidizing active species is generated by the photocatalytic action of the first material in the first layer. It has the structure of.
In order to solve the above problem, the invention according to
In order to solve the above problem, the invention according to
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
In order to solve the above-mentioned problem, according to a fifth aspect of the present invention, in the configuration of the fourth aspect, the thickness of the third layer is 30 nm thinner than the first layer and the second layer. The configuration is as follows.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
Moreover, in order to solve the said subject, invention of
以下に説明する通り、本願の請求項1記載の発明によれば、吸収型のグリッド偏光素子であるので、紫外域の光を偏光させる際に好適に使用できる。また、第一の材料の層と第二の材料の層とで各線状部が形成されているので、ブロードな波長領域において偏光作用が得られることになり、汎用性が高い。さらに、第一の層において生成された酸化性活性種により第二の層が酸化するのを防止するバリア層が設けられているので、初期の急激な酸化が第二の層において生じず、期待された偏光性能が損なわれることがなく得られる。
また、請求項2記載の発明によれば、上記効果に加え、第一の材料は酸化チタンであり、第二の材料はシリコンであるので、365nmのようなUVA又はUVB領域の光に加えて254nmのようなUVC領域の光について偏光光を得ようとした場合に好適なグリッド偏光素子となる。
また、請求項3記載の発明によれば、上記効果に加え、第三の層の材料が酸化シリコンであるので、初期の酸化を先取りして発生させたのと等価な状態となる。このため、酸化性活性種による第二の層の酸化が生じにくく、バリア層としてより好適なものとなる。
また、請求項4記載の発明によれば、酸化シリコンより成る第三の層の厚さが2nm以上であるので、生じ得る初期の急激な酸化以上の厚さでバリア層が形成されていることになる。このため、第二の層の目減りがより確実に防止できる。
また、請求項6記載の発明によれば、上記効果に加え、第一、第二、第三の層が光の伝搬方向に沿って積層されているので、この点でより高い偏光性能を得ることができる。
また、請求項7記載の発明によれば、上記各効果を得ながら膜材に対して光配向処理を行うことができ、グリッド偏光素子の汎用性が高いことから、設備投資のコストを抑えることができる。
As described below, according to the invention described in
According to the invention of
According to the invention described in
According to the invention of
According to the invention of
In addition, according to the invention described in
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、実施形態に係るグリッド偏光素子の斜視概略図である。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。
Next, modes (embodiments) for carrying out the invention of this application will be described.
FIG. 1 is a schematic perspective view of a grid polarizing element according to the embodiment. The grid polarizing element shown in FIG. 1 is mainly composed of a
透明基板1は、対象波長(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。
The
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3より成る縞状のものである。グリッド偏光素子は、光学定数が異なる領域が交互に且つ平行に配置されることで偏光作用を為すものである。各線状部3の間の空間4はギャップと呼ばれ、各線状部3と各ギャップ4とで偏光作用が得られる。各線状部3の幅Wとギャップ4の幅tとは、対象波長の光について偏光作用が得られるよう適宜定められる。
As shown in FIG. 1, the
この実施形態のグリッド偏光素子は、吸収型のモデルで動作するものとなっている。より具体的には、グリッドを構成する各線状部3は、第一の対象波長の光を吸収する第一の材料で形成された第一の層31と、第二の対象波長の光を吸収する第二の材料で形成された第二の層32とを備えている。即ち、実施形態のグリッド変更素子は、異なる二つの波長について偏光作用を為すものとなっている。
The grid polarizing element of this embodiment operates with an absorption model. More specifically, each
まず、吸収型のグリッド偏光素子について、図2を使用して説明する。図2は、吸収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。尚、以下の説明では、理解を容易にするため、グリッド2の各線状部3はある単一の材料で形成された単一の層であるとする。
First, an absorption type grid polarizing element will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic perspective view schematically showing an operation model of the absorption type grid polarizing element. As described above, the grid polarizing element is a polarizing element that transmits p-polarized light but does not transmit s-polarized light. Therefore, what should mainly be examined is the behavior of s-polarized light. In the following description, in order to facilitate understanding, it is assumed that each
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の各線状部3の延びる方向をy方向とし、従ってs偏光光(図2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、各線状部3の誘電率によって弱められる。一方、ギャップ4の媒質は、空気である場合が多いが、一般的に各線状部3より誘電率が小さいので、ギャップ4では電界Eyはグリッド2内ほどは弱められない。
In FIG. 2, for the sake of convenience, it is assumed that light propagates from the top to the bottom on the paper surface, and this direction is the z direction. Further, the direction in which each
When such s-polarized light reaches the
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。
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の各線状部3の材質を酸化チタンとし波長365nmでの光学定数(n=4.03、k=3.04)でシミュレーションを行ったものである。図3では、各線状部3の幅は15nm、各線状部3の間隔は90nmで一定、各線状部3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)を用いた。
FIG. 3 is a diagram showing a result of a simulation experiment in which the undulation of the x-direction magnetic field component Hx is confirmed. FIG. 3 shows a simulation performed using titanium oxide as the material of each
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いえる状況である。
In FIG. 3, the dark black portion on the upper side indicates the negative component of the electric field Ez, and the light gray portion in the middle indicates the positive component of the electric field Ez. The magnetic field is indicated by a vector (arrow).
As shown in FIG. 3, the s-polarized light before reaching the
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。
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、各線状部3内では図2の紙面手前側に向いた電界Eyが発生し、各ギャップ4で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、ギャップ4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の各線状部3内に局在し、各線状部3の材料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。
As shown in FIG. 4, an electric field Ey directed toward the front side of the paper in FIG. 2 is generated in each
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での局在化、波動の分断は、p偏光光に実質的に生じない。このため、透明基板1からは専らp偏光光が出射し、偏光作用が得られる。実施形態の吸収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線状部3から成るグリッド2でも、同様にs偏光光とp偏光光とは異なった伝搬をし、偏光作用が得られることが確認されている。
On the other hand, for p-polarized light, the electric field component is oriented in the x direction (Ex), but when viewed in the y direction, the dielectric constant distribution is uniform, so the electric field rotation component as described above is substantially Does not occur. Therefore, the localization of the electric field such as s-polarized light in the
このような吸収型のモデルで動作する実施形態のグリッド偏光素子は、前述したように各線状部3において第一第二の二つの層31,32が設けられている。この点は、偏光可能な波長を多波長化させたり広帯域化させたりする意義を有する。この点について、図5を使用して説明する。図5は、グリッド2の各線状部3が異なる二つの光吸収性材料で形成されることの意義について模式的に示した図である。
In the grid polarizing element of the embodiment that operates in such an absorption model, the first and second two
前述したように、吸収型の動作モデルでは、s偏光光の電界がグリッドにおいて局在化し、各線状部3に吸収されて減衰していくことを利用している。従って、各線状部3は、対象波長の光を吸収する材料で形成される。
紫外域の光の物質における吸収は、前述した金属の場合のモデル(自由電子のプラズマ振動数が光の振動数に近づくために生じる)の他、一般的には電子遷移特にバンド間遷移によって生じる。いずれにしても、紫外域における吸収特性即ち分光吸収率は、材料に応じて異なる。吸収率はある波長でピークとなる場合が多いが、二つの材料がピークとなる吸収率を有する場合、ピーク波長は材料によって異なる。グリッド偏光阻止の材料としてこのように分光吸収特性の異なる二つの材料を選定した場合、分光吸収特性が平均化される形となり、平均化された分光吸収特性に応じた偏光性能が得られることになる。
As described above, the absorption-type operation model uses the fact that the electric field of s-polarized light is localized in the grid and is absorbed and attenuated by each
Absorption in ultraviolet light materials occurs in general by the above-mentioned metal model (which occurs because the free electron plasma frequency approaches the light frequency), and generally by electronic transitions, especially interband transitions. . In any case, the absorption characteristic in the ultraviolet region, that is, the spectral absorptance varies depending on the material. The absorptance often peaks at a certain wavelength, but when two materials have the absorptivity at which they peak, the peak wavelength varies depending on the material. When two materials with different spectral absorption characteristics are selected as the material for blocking grid polarization, the spectral absorption characteristics are averaged, and polarization performance corresponding to the averaged spectral absorption characteristics can be obtained. Become.
分光吸収特性の平均化により得られる効果としては、二つの吸収率のピーク波長を有することになって異なる二つの波長において良好な偏光作用が得られる場合(偏光の多波長化)と、広い波長域においてある程度一定した偏光性能が得られる場合(偏光のブロード化)とがある。即ち、図5において、第一の材料の吸収のピーク波長をλ1とし、第二の材料の吸収のピーク波長をλ2とすると、吸収型のグリッド偏光素子は、λ1とλ2との両方で効率的に動作し得ることになる(多波長化)。そして、吸収スペクトルは、ピーク波長の前後において漸減するから、全体の吸収スペクトルは図5に破線で示すようなものとなり、λ1〜λ2のある程度広い波長域において全体として高い吸収率を有するものとなる。つまり、第一の材料の層31と第二の材料の層32とで各線状部3を形成した場合、λ1〜λ2のある程度広い波長領域において偏光作用が得られることになる(ブロード化)。以下、上記多波長化も含む概念として「ブロード」ないし「ブロード化」の用語を使用する。尚、図5は、吸収のピーク波長が異なる二つの材料により偏光作用を得る場合について模式的に示したものであり、特定の材料の吸収スペクトルの測定データを示すものではない。
The effects obtained by averaging the spectral absorption characteristics include the case where the peak wavelength of the two absorptances is obtained and a good polarization action is obtained at two different wavelengths (multi-polarization of polarization), and a wide wavelength. In some cases, polarization performance that is constant to some extent can be obtained (broadening of polarization). That is, in FIG. 5, when the absorption peak wavelength of the first material is λ 1 and the absorption peak wavelength of the second material is λ 2 , the absorption-type grid polarization element has λ 1 and λ 2 . Both can operate efficiently (multi-wavelength). Since the absorption spectrum gradually decreases before and after the peak wavelength, the entire absorption spectrum is as shown by a broken line in FIG. 5, and has a high absorption rate as a whole in a certain wide wavelength range of λ 1 to λ 2. It becomes. In other words, when each
発明者らは、このような技術思想に基づき、ブロードな領域においてより高い偏光性能を発揮し得る材料の組み合わせについて鋭意研究を行った。その結果、ある材料の組み合わせにおいて、一方の材料の作用が他方の材料を劣化させることがあることが判明した。一方の材料の作用とは、いわゆる光触媒作用である。以下、この点について説明する。 Based on such a technical idea, the inventors diligently studied a combination of materials that can exhibit higher polarization performance in a broad region. As a result, it has been found that in one combination of materials, the action of one material can degrade the other material. The action of one material is a so-called photocatalytic action. Hereinafter, this point will be described.
発明者らは、ブロードな波長領域において偏光作用が得られるグリッドの材料として、酸化チタンとシリコンの組み合わせに着目した。酸化チタンは、280nm以下(UVC領域、例えば254nm)において高い吸収率を有し、この波長域の光を偏光するのに好適である。一方、280〜400nm(UVA領域、UVB領域)においては、シリコンや窒化チタンといった材料が高い吸収率を有し、この波長域(例えば365nm)の光を偏光させるのに好適である。 The inventors paid attention to a combination of titanium oxide and silicon as a grid material capable of obtaining a polarizing action in a broad wavelength region. Titanium oxide has a high absorptance at 280 nm or less (UVC region, for example, 254 nm), and is suitable for polarizing light in this wavelength region. On the other hand, in the range of 280 to 400 nm (UVA region, UVB region), materials such as silicon and titanium nitride have high absorptance, and are suitable for polarizing light in this wavelength region (for example, 365 nm).
図6は、酸化チタンとシリコンとの組み合わせにより偏光性能がブロード化される点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。このシミュレーション実験では、石英製の透明基板の上に、各線状部の構造として、酸化チタンのみから成るもの、シリコンのみから成るもの、酸化チタンから成る層とシリコンから成る層とを積層したものについてそれぞれ偏光特性を計算により算出した。酸化チタンやシリコンは、アモルファス状であることを前提としている。このうち、図6には、各波長における消光比のデータが示されている。図6中、「Si 200nm」とあるのは、シリコンのみで高さ200nmの各線状部を形成した場合、「TiO2 200nm」は酸化チタンのみで高さ200nmの各線状部を形成した場合、「TiO2 50nm + Si 150nm」とあるのは、酸化チタンのみから成る50nmの層とシリコンのみから成る150nmの層を積層して各線状部を形成した場合を意味しており、他の二つも同様である。また、ギャップ幅はいずれの場合も80nmとした。尚、シミュレーションにはRCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法が用いられ、ソフトウェアには日本シムノプシス合名会社から販売されているRSOFTシリーズのDiffractMod(製品名)が使用された。
FIG. 6 is a diagram showing the result of a simulation experiment in which the polarization performance is broadened by the combination of titanium oxide and silicon. In this simulation experiment, the structure of each linear part on a quartz transparent substrate was made of titanium oxide only, silicon only, or a layer of titanium oxide and a layer of silicon. Each polarization characteristic was calculated. Titanium oxide and silicon are assumed to be amorphous. Among these, FIG. 6 shows data of the extinction ratio at each wavelength. In FIG. 6, “
図6に示すように、酸化チタンのみで高さ200nmの各線状部を形成した場合、250〜270nm程度の波長域では高い消光比が得られるが、それより長い波長域では消光比は漸減し、350nmより長い領域では非常に低い消光比しか得られない。そして、200nmの高さの各線状部のうちシリコンで形成された層を割り当てその高さを高くしていくと、図6に示すように、270nmより長い波長域において消光比が徐々に高くなる。そして、全てシリコンの層で形成した場合、380nm付近で消光比がピークとなる偏光性能が得られる。 As shown in FIG. 6, when each linear part having a height of 200 nm is formed only with titanium oxide, a high extinction ratio is obtained in a wavelength region of about 250 to 270 nm, but the extinction ratio gradually decreases in a longer wavelength region. In the region longer than 350 nm, only a very low extinction ratio can be obtained. Then, when a layer formed of silicon is assigned to each linear portion having a height of 200 nm and the height thereof is increased, the extinction ratio gradually increases in a wavelength region longer than 270 nm as shown in FIG. . When all are formed of a silicon layer, a polarization performance having a peak extinction ratio around 380 nm can be obtained.
この結果からわかるように、酸化チタン製の各線状部の一部をシリコンに置き換えた構造とすると、偏光作用が実質的に得られなかった350nm超の波長域においても偏光作用が得られるようになり、より広い範囲において比較的均一な偏光作用が得られるようになる。尚、偏光特性のうち透過率のデータは図示を省略したが、同様に一部をシリコンの層に置き換えていくと、250〜400nm程度の波長域において透過率がより均一化する点が確認されている。 As can be seen from this result, when a part of each of the linear portions made of titanium oxide is replaced with silicon, the polarizing action can be obtained even in a wavelength region exceeding 350 nm where the polarizing action is not substantially obtained. Thus, a relatively uniform polarization action can be obtained in a wider range. Although the transmittance data of the polarization characteristics is not shown in the figure, it is confirmed that the transmittance becomes more uniform in the wavelength range of about 250 to 400 nm when part of the data is similarly replaced with a silicon layer. ing.
上記のように、異なる材料で形成された層を組み合わせることで、偏光性能がブロード化される効果が得られる。しかしながら、このような材料の組み合わせによりブロード化させた吸収型グリッド偏光素子を構成した場合、一方の波長における偏光性能(一方の材料で期待される偏光性能)に予期できなかった悪化が生じることが判明した。この点について、図7を使用して説明する。図7は、二つの吸収型グリッド材料の組み合わせにより一方のグリッド材料に劣化が生じることを確認した実験について示した図である。 As described above, the effect of broadening the polarization performance can be obtained by combining layers formed of different materials. However, when an absorption grid polarization element broadened by such a combination of materials is configured, an unexpected deterioration may occur in the polarization performance at one wavelength (the polarization performance expected from one material). found. This point will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing an experiment in which it is confirmed that one grid material is deteriorated by a combination of two absorption grid materials.
図7(1)には、この実験で使用されたグリッド偏光素子の概略構造が示されている。図7(1)に示すように、この実験で使用されたグリッド偏光素子は、グリッド2の各線状部3が第一第二の二つの層31,32から成る構造を有する。具体的には、第一の層31は酸化チタンであり、第二の層32はシリコンである。各線状部3の幅は30nm程度、ギャップ4の幅は80nm程度、第一の層31(酸化チタン)の高さは30nm程度、第二の層(シリコン)32の高さは100nm程度である。尚、この例では、第一の層31が上側、第二の層32が下側である。
FIG. 7 (1) shows a schematic structure of the grid polarizing element used in this experiment. As shown in FIG. 7 (1), the grid polarizing element used in this experiment has a structure in which each
実験では、図7(1)に示すグリッド偏光素子について紫外域の光を照射して偏光性能を評価した。この際、グリッド偏光素子が製作された直後の時点での性能とともに、経時的にどのように偏光性能が変化するかが調べられた。即ち、図7(2)には、紫外域の光の各積算照射時間における透過率と消光比の変化が示されている。透過率と消光比の変化は、製作直後の(紫外光照射開始時)の値を100とした割合で示されている。ここでの透過率及び消光比のデータは、波長365nmの検出器を用いて得られたものであり、従って波長365nmでのデータである。
尚、紫外域の光を照射する光源としては、ウシオ電機株式会社製高圧水銀ランプが使用された。このランプはいわゆるオゾン有りランプとして知られており、この水銀ランプは、280nm以下のUVCの領域においても豊富な放射スペクトルを有する。このランプの放射スペクトルを図7(3)に示す。
In the experiment, the polarization performance was evaluated by irradiating the grid polarizing element shown in FIG. At this time, it was examined how the polarization performance changes with time as well as the performance immediately after the grid polarization element is manufactured. That is, FIG. 7 (2) shows changes in transmittance and extinction ratio in each cumulative irradiation time of light in the ultraviolet region. The change in the transmittance and the extinction ratio is shown as a ratio with the value immediately after production (at the start of ultraviolet light irradiation) being 100. The transmittance and extinction ratio data here are obtained using a detector with a wavelength of 365 nm, and are therefore data at a wavelength of 365 nm.
A high pressure mercury lamp manufactured by Ushio Inc. was used as a light source for irradiating ultraviolet light. This lamp is known as a so-called ozone lamp, and this mercury lamp has a rich emission spectrum even in the UVC region below 280 nm. The radiation spectrum of this lamp is shown in FIG.
図7(2)に示すように、透過率については、照射時間が30時間、220時間、550時間と増えるにつれ、若干向上するものの、初期値に対して大きな変化は示していない。一方、消光比については、30時間経過時点で86.0%にまで低下している。その後、220時間経過時には86.8%であり、また550時間経過時点では76.2%となっている。即ち、消光比については、当初の30時間経過までで14%という大幅な低下が見られ、その後は、消光比の低下は緩慢となり、550時間(10倍以上の時間)が経過しても小幅の低下にとどまった。尚、透過率はIp/Iinであるので、実際には50%以下の特定の値であるが、図7(2)はそれぞれ当初値を100%とした場合の相対値となっている。消光比(Ip/Is)も同様で、実際は単位無しの特定の値であるが、当初値を100とした場合の百分率で示されている。 As shown in FIG. 7 (2), the transmittance is slightly improved as the irradiation time is increased to 30 hours, 220 hours, and 550 hours, but does not show a significant change with respect to the initial value. On the other hand, the extinction ratio has decreased to 86.0% after 30 hours. Thereafter, it is 86.8% when 220 hours have elapsed, and 76.2% when 550 hours have elapsed. That is, with regard to the extinction ratio, a significant decrease of 14% was observed until the first 30 hours, and thereafter, the decrease in the extinction ratio was slow, and even after 550 hours (10 times or more) had elapsed. Stayed in decline. Since the transmittance is Ip / Iin, it is actually a specific value of 50% or less, but FIG. 7B is a relative value when the initial value is 100%. The extinction ratio (Ip / Is) is the same, and is actually a specific value without a unit, but is shown as a percentage when the initial value is 100.
図7(2)に示すデータは波長365nmのデータであり、このグリッド偏光素子では、波長365nmの光については第二の層32即ちシリコンの層が偏光作用を為すものとして設けられている。即ち、図7(2)に示された消光比の低下は、シリコンにおいて何らかの劣化が生じた結果であると考えられる。
発明者らは、劣化の原因について鋭意検討したところ、第一の層31の材料として用いた酸化チタンの光触媒作用によるものではないかと推察された。即ち、第一の層31の酸化チタンに対して紫外域の光が照射された結果、オゾン又は酸素活性種(例えば原子状酸素)が発生し、これら活性種によりシリコンが酸化された結果であると推察された。
The data shown in FIG. 7 (2) is data with a wavelength of 365 nm, and in this grid polarization element, the
The inventors diligently investigated the cause of the deterioration, and it was speculated that it might be due to the photocatalytic action of titanium oxide used as the material of the
第二の層32のシリコンの酸化が第一の層31として用いた酸化チタンによる光触媒反応が原因であるとすると、シリコンの酸化は、酸化チタンとの界面において専ら生じていると推測される。発明者らは、この推測を検証するため、あるシミュレーション実験を行った。この結果について、図8を使用して説明する。図8は、図7に示す偏光性能の劣化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。
If the oxidation of silicon in the
図8の実験では、図7(1)に示すグリッド偏光素子の構造において、第二の層32に酸化層が形成された場合にどのように偏光性能が変化するかを計算により求めた。即ち、グリッド2の各線状部3の全体の高さは一定とし、第二の層(シリコン)32において第一の層31との界面側の部位が酸化シリコンに置き換えられた場合に偏光性能がどのように変化するかを求めた。
尚、計算には、RCWA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。また、シリコンの光学定数についてはn=4.03、k=3.04、酸化シリコンについてはn=2.35、k=1.33(いずれも365nmにおける値)とした。
In the experiment of FIG. 8, in the structure of the grid polarizing element shown in FIG. 7A, how the polarization performance changes when an oxide layer is formed on the
Note that the RCWA method is used for the calculation, and software distributed by the National Institute of Standards and Technology (NIST) (http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/ grating.htm) was used. The optical constants of silicon were n = 4.03 and k = 3.04, and silicon oxides were n = 2.35 and k = 1.33 (both values at 365 nm).
図8に示すように、シミュレーションでは、第二の層(シリコン)32における酸化層の厚さが厚くなると、透過率は38〜39%程度でほぼ一定であるが、消光比は漸減している。即ち、第二の層32のシリコンの第一の層31との界面付近での酸化は、消光比の減少となって現れる。従って、図7(2)に示す消光比の低下は、この状態を示しているものと考えられる。
図8に示すシミュレーション結果において、当初の消光比(2046)に対して消光比は86%程度に低下するのは、酸化シリコン層の厚さが2nm付近程度になった時点である。従って、図7(2)に示す結果は、第二の層32の酸化は2nm程度の深さまで急激に進行し、その後は徐々に緩慢に酸化が進行することを示していると考えられる。
As shown in FIG. 8, in the simulation, when the thickness of the oxide layer in the second layer (silicon) 32 is increased, the transmittance is approximately constant at 38 to 39%, but the extinction ratio is gradually decreased. . That is, the oxidation in the vicinity of the interface between the
In the simulation result shown in FIG. 8, the extinction ratio decreases to about 86% with respect to the initial extinction ratio (2046) when the thickness of the silicon oxide layer is about 2 nm. Therefore, the result shown in FIG. 7 (2) is considered to indicate that the oxidation of the
上記実験結果及びシミュレーション結果から推測される紫外光照射開始当初の第二の層(シリコン)32の急激な酸化は、第一の層31の酸化チタンによる光触媒作用の結果であると推測される。この点について、図9を使用して説明する。図9は、第一の層31の材料による光触媒作用について模式的に示した図である。
同様に第一の層31が酸化チタン、第二の層32がシリコンの場合を例に説明する。酸化チタンに紫外光UVが照射されると、酸化チタンの正孔が励起され、これにより酸化作用のある活性種(以下、酸化性活性種という)が生成される(図9(1))。酸化性活性種は、オゾン、酸素活性種、OHラジカル等である。これら酸化性活性種は、界面において第二の層32のシリコンを酸化させ、酸化シリコン層321を生成する(図9(2))。
The rapid oxidation of the second layer (silicon) 32 at the beginning of the ultraviolet light irradiation estimated from the above experimental results and simulation results is presumed to be the result of the photocatalytic action of the
Similarly, the case where the
酸化性活性種は、元々は、基底状態の水や酸素として存在していた種であるが、雰囲気に存在していたガス分子が第一の層31の表面に吸着するか、又は第一の層31内に含有されていたものと推測される。吸着した又は含有されていた種が、紫外光UVの照射によって励起された酸化チタンによって分解し、この結果、酸化性活性種が生成されるものと考えられる。
The oxidizing active species originally existed as ground-state water and oxygen, but the gas molecules present in the atmosphere are adsorbed on the surface of the
一方、図7(2)に示す30時間以後(中長期的なスパン)の消光比の緩慢な低下は、雰囲気に存在する酸素ガス分子が紫外光を直接吸収することによるものと考えられる。この点について、図10及び図11を使用して説明する。図10は、酸素分子の光吸収スペクトルを示した図であり、図11は中長期的なスパンでの消光比低下の原因について調べた実験の結果を示す図である。
周知のように、酸素分子については、300nm以下の短波長領域にシューマン・ルンゲ吸収帯があり、シューマン・ルンゲ吸収帯よりさらに短い波長域にシューマン・ルンゲ連続吸収帯がある。そして、シューマン・ルンゲ吸収帯の長波長側には、ヘルツベルグ吸収帯があることで知られており、この吸収帯は、200〜240nm程度の波長域となっている。これらの点が、図10に示されている。
On the other hand, the slow decrease in the extinction ratio after 30 hours (medium-long span) shown in FIG. 7 (2) is considered to be due to oxygen gas molecules present in the atmosphere directly absorbing ultraviolet light. This point will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a diagram showing a light absorption spectrum of oxygen molecules, and FIG. 11 is a diagram showing a result of an experiment for examining the cause of a decrease in the extinction ratio in a medium to long span.
As is well known, oxygen molecules have a Schumann-Runge absorption band in a short wavelength region of 300 nm or less, and a Schumann-Runge continuous absorption band in a shorter wavelength region than the Schumann-Runge absorption band. And it is known that there is a Herzberg absorption band on the long wavelength side of the Schumann-Runge absorption band, and this absorption band is in a wavelength range of about 200 to 240 nm. These points are illustrated in FIG.
発明者らは、図7(2)に示された中長期的なスパン(30時間経過以降)での消光比低下は、酸素ガス分子が紫外光を直接吸収することで励起されたことによる酸化が原因であると推測した。この点を確かめるため、図11に結果を示す検証実験を行った。この実験では、図7(1)に示すものと同様のグリッド偏光素子について、同様にUVA〜UVC領域の紫外光を放射する紫外線ランプを使用し、偏光性能を経時的に評価した。この際、あるグリッド偏光素子については、220nm以下をカットするカットフィルターを使用し、別のあるグリッド偏光素子については、240nm以下をカットするカットフィルターを使用して偏光実験を行った。 The inventors have found that the decrease in the extinction ratio in the medium to long-term span (after 30 hours) shown in FIG. 7 (2) is due to oxidation caused by oxygen gas molecules being excited by directly absorbing ultraviolet light. I guessed it was the cause. In order to confirm this point, a verification experiment whose result is shown in FIG. 11 was conducted. In this experiment, an ultraviolet lamp that radiates ultraviolet light in the UVA to UVC region was similarly used for a grid polarizing element similar to that shown in FIG. At this time, a polarization experiment was performed using a cut filter that cuts 220 nm or less for a certain grid polarizing element and a cut filter that cuts 240 nm or less for another grid polarizing element.
図11では、30時間経過時点での透過率及び消光比を100とし、これに対する割合として220時間経過時点、550時間経過時点での透過率及び消光比が示されている。ここに示されているように、220nm以下をカットした場合には消光比は漸減して550時間経過時には77.9%にまで低下する。一方、240nm以下をカットした場合には、消光比は殆ど低下せず、550時間経過時でも92,2%である。220nm以下カットの場合に消光比が低下し、240nm以下カットの場合にはそのような消光比の低下が生じないことから、消光比の低下は、220〜240nmの波長域の光により生じていることは明らかである。そして、図10に示すように、酸素分子の光吸収は240nm付近から始まるから、220〜240nmの波長域の光を酸素ガス分子が吸収して励起され、この結果、第二の層(シリコン)32を酸化させたものと考えられる。 In FIG. 11, the transmittance and extinction ratio after 30 hours are set to 100, and the transmittance and extinction ratio after 220 hours and 550 hours are shown as the ratio. As shown here, when 220 nm or less is cut, the extinction ratio is gradually reduced to 77.9% after 550 hours. On the other hand, when 240 nm or less is cut, the extinction ratio hardly decreases, and is 92.2% even after 550 hours. The extinction ratio decreases when the cut is 220 nm or less, and the extinction ratio does not decrease when the cut is 240 nm or less. Therefore, the extinction ratio is reduced by light in the wavelength range of 220 to 240 nm. It is clear. Then, as shown in FIG. 10, since the light absorption of oxygen molecules starts from around 240 nm, the oxygen gas molecules absorb and excite light in the wavelength range of 220 to 240 nm. As a result, the second layer (silicon) It is thought that 32 was oxidized.
このような酸素分子が紫外光のエネルギーを直接吸収することによる酸化は、光触媒作用を伴わないので緩慢であり、このために中長期的な消光比の低下も緩慢なものとなっているものと思われる。一方、初期の(30時間経過時までの)消光比の低下は、光触媒作用に起因した急激な酸化に起因しており、このために急激な低下となっていると考えられる。 Oxidation by directly absorbing the energy of ultraviolet light by such oxygen molecules is slow because it does not involve photocatalysis, and for this reason, the decrease in the extinction ratio over the medium to long term is also slow. Seem. On the other hand, the decrease in the extinction ratio at the initial stage (until 30 hours elapses) is attributed to the rapid oxidation due to the photocatalytic action, which is considered to be a rapid decrease.
尚、光触媒作用に起因した急激な酸化がある時点で飽和する(停止する)点については、以下のように考えられる。
一般的な光触媒作用は、光触媒材料で形成された部材(光触媒部材)の表面で生じる。有機物の汚れの除去等はこの典型であり、光触媒部材の表面に水や酸素が吸着されている状態で紫外光が照射され、これにより水や酸素が分解、励起されて活性種が生成される。そして、生成された活性種が有機物を分解、除去する。
Note that the point of saturation (stop) when there is abrupt oxidation due to photocatalysis is considered as follows.
A general photocatalytic action occurs on the surface of a member (photocatalytic member) formed of a photocatalytic material. The removal of organic contaminants is typical, and ultraviolet light is irradiated with water and oxygen adsorbed on the surface of the photocatalyst member, which decomposes and excites water and oxygen to generate active species. . The generated active species decomposes and removes organic matter.
グリッド偏光素子における光触媒作用も基本的に同じようなものではあるが、上述したように、グリッド2を構成する各線状部3は、ナノオーダー(光の波長程度以下)の非常に微細なものである。従って、酸化チタンのような光触媒材料でこのように微細なグリッド構造が形成された場合、各線状部3の断面全域が、光触媒作用が生じる表面領域となっていると考えられる。
Although the photocatalytic action in the grid polarizing element is basically the same, as described above, each
つまり、光触媒作用は、光触媒部材の表面反応であるとはいっても、波長オーダーの深さの領域において生じている現象であり、従って、グリッド偏光素子のような波長オーダーの微細構造では、その全体が光触媒作用を持つと推測される。そして、その光触媒作用は、直接接している第二の層32のシリコンに対して強く働き、急激な酸化を生じさせるものを推測される。
尚、光触媒作用により生じる酸化性活性種は、第一の層31(酸化チタン)中に含有されていた水や酸素によるものであると思われるが(酸化チタンは親水性の材料として知られる)、第一の層31の表面に吸着した種が励起されつつ第一の層31中を移動して第二の層32との界面に達して酸化を生じさせる場合もあると考えられる。
That is, although the photocatalytic action is a surface reaction of the photocatalytic member, it is a phenomenon occurring in the region of the depth of the wavelength order. Therefore, in the fine structure of the wavelength order such as the grid polarizing element, the entire Is presumed to have a photocatalytic action. The photocatalytic action is presumed to work strongly against the silicon of the
The oxidizing active species generated by the photocatalytic action seems to be due to water and oxygen contained in the first layer 31 (titanium oxide) (titanium oxide is known as a hydrophilic material). It is considered that the species adsorbed on the surface of the
いずれにしても、上記のように酸化チタンのような光触媒作用のある材料と、シリコンのような被酸化性材料とを組み合わせてブロードタイプのグリッド偏光素子を構成すると、被酸化性材料の層に急激な酸化が生じる。そして、この酸化性活性種による急激な酸化は、界面を通したものであるので、酸化層の厚さがある程度に達すると飽和し、それ以上の深さにまでこの酸化が進行することはない。上記実験結果は、このような状況を示しているものと考えられる。 In any case, when a broad-type grid polarizing element is formed by combining a photocatalytic material such as titanium oxide and an oxidizable material such as silicon as described above, the layer of the oxidizable material is formed. Rapid oxidation occurs. And since the rapid oxidation by this oxidizing active species passes through the interface, it is saturated when the thickness of the oxide layer reaches a certain level, and this oxidation does not proceed to a depth greater than that. . The above experimental results are considered to indicate such a situation.
実施形態のグリッド偏光素子は、上記のような研究、知見に基づくものであり、図1に示すように、第一の層31と第二の層32との間に第三の層33を設けている。第三の層33は、第一の層31で生成された活性種が第二の層32に到達するのを防止するバリア層となっている。具体的に説明すると、同様に第一の層31は酸化チタンで形成され、第二の層32はシリコンで形成されている。そして、バリア層33は、この実施形態では酸化シリコンで形成されている。
The grid polarizing element of the embodiment is based on the above research and knowledge. As shown in FIG. 1, the
シリコンより成るバリア層33の厚さは、2nm以上とすることが好ましい。前述したように、光触媒作用による第二の層32の急激な酸化は、紫外線照射開始後の30時間程度で飽和し、その厚さは2nm程度である。つまり、2nm以上の厚さの酸化シリコン層が形成されると、それ以上の深い領域には酸化性活性種による酸化作用は及ばないものと考えられる。従って、最初から酸化シリコン層を2nm以上の厚さで形成しておけば、光触媒作用によるシリコン層の酸化(目減り)は生じない。つまり、バリア層33が無いと、光触媒作用により第二の層32が2nm程度目減りしてしまうが、バリア層33を設けることで、第二の層32は当初形成された厚さのままとなり、期待された偏光性能が損なわれることがなくなる。実施形態におけるバリア層33は、このような技術的意義を有するものとなっている。
The thickness of the
尚、バリア層33は、偏光作用のない層として設けられるので、あまり厚くすると、各線状部3の高さが不必要に高くなり、製造が難しくなるので好ましくない。製造上の問題を考慮すると、バリア層33は、30nm程度までの厚さとすることが望ましい。
また、中長期的な第二の層32の酸化は、前述したように緩慢であるので、問題とならない場合が多く、またグリッド偏光素子の寿命であるとしてある程度の期間経過に新品と交換する等の対応を取ることができる。また、偏光の対象波長は254nmのように240nmより長い波長である場合、240nm以下をフィルターでカットするようにすれば、中長期的な消光比の低下も防止できる。
In addition, since the
Further, since the oxidation of the
次に、このような実施形態のグリッド偏光素子の偏光作用について、補足して説明する。
前述したように、実施形態のグリッド偏光素子は吸収型であり、入射した偏光光が、s波とp波とで異なった吸収のされ方(減衰の仕方)をすることで偏光が行われる。この際、第一の層31の材料(酸化チタン)において多く吸収される第一の波長の光は、第一の層31で形成される上側のグリッド領域を伝搬する際、上記のような吸収型のモデルでの偏光が行われる。そして、上側のグリッド領域を過ぎ、第二の層32で形成された下側のグリッド領域を伝搬する際、第二の層32の材料(シリコン)において多く吸収される第二の波長の光について、同様に吸収型のモデルにより偏光が行われる。この結果、透明基板からは、第一の波長と第二の波長とにおいて専らp偏光光が出射されることになり、多波長の(ブロードな)偏光が達成される。
Next, the polarization action of the grid polarizing element of such an embodiment will be supplementarily described.
As described above, the grid polarizing element of the embodiment is an absorption type, and polarization is performed by the incident polarized light being absorbed (differently attenuated) by s wave and p wave. At this time, the light having the first wavelength that is largely absorbed in the material of the first layer 31 (titanium oxide) is absorbed as described above when propagating through the upper grid region formed by the
次に、実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について、図12を使用して説明する。図12は、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を製造する場合、まず、石英製の透明基板1の上に第二の層32用のシリコン膜51を形成する(図12(1))。形成方法としては、各種の方法を採用し得るが、例えばALD(原子層蒸着)法を採用し得る。
Next, the manufacturing method of the grid polarizing element of embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 12 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the grid polarizing element of the embodiment.
When manufacturing the grid polarizing element of the embodiment, first, the
次に、シリコン膜51の表面を熱酸化し、表面に酸化シリコン層52を形成する(図12(2))。熱酸化の方法としては、半導体デバイスの製造プロセスにおける絶縁層形成の場合と同様に、加熱炉内にシリコン膜51付きの透明基板1を配置し、酸素ガス等を適宜導入する方法を採用し得る。
熱酸化により酸化シリコン層52を形成した後、その上に第二の層32用の酸化チタン膜53を作成する(図12(3))。作成方法としては、同様にALD法を採用し得る。
Next, the surface of the
After the
次に、酸化チタン膜53の上にレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行い、レジストパターン54を形成する(図12(4))。レジストパターン54は、形成するグリッドの形状に応じたものであり、縞状(ラインアンドスペース)である。
そして、形成したレジストパターン54をマスクにしてエッチングを行い、第一、第二、第三の層31,32,33より成る各線状部3を形成する(図12(5))。これにより、実施形態のグリッド偏光素子が完成する。エッチングは、各層で材料が異なるため、各々異なるエッチャントを使用して行われる。また、エッチングはドライエッチングであって透明基板1の厚さ方向の異方性エッチングであり、RIE(反応性イオンエッチング)のような手法が適宜用いられる。
Next, a resist is applied on the
Etching is then performed using the formed resist
実施形態のグリッド偏光素子のより具体的な例について説明すると、同様に第一の層31が酸化チタン、第二の層32がシリコン、第三の層が酸化シリコンである場合、第一の層31の厚さは50nm、第二の層の厚さは150nm、第三の層の厚さは5nmとされる。この場合、各線状部の全体の厚さ(高さ)は205nmで、幅は30nmとされる。また、この例におけるギャップ4の幅は80nmとされる。
A more specific example of the grid polarizing element of the embodiment will be described. Similarly, when the
次に、他の実施形態のグリッド偏光素子について、図13を使用して説明する。図13は、他の実施形態のグリッド偏光素子の正面断面概略図である。
上記実施形態では、偏光作用を為す層は二つであったが、三つ又はそれ以上の場合もあり得る。この一例が、図13(1)に示されている。即ち、図13(1)に示すように、偏光作用を為す層として、第一、第二、第四の層31,32,34が設けられ、第三層(バリア層)33が各々の界面に設けられていても良い。この例は、第一の層31が真ん中に設けられていて前述したような光触媒作用のある酸化チタンであり、下側の第二の層32がシリコン、上側の第四の層34が別の被酸化性の材料(例えば窒化チタン)である。また、第一の層31が光触媒作用のある材料であって一番下に設けられ、その上に被酸化性の層である第二の層32、その上に第四の層34が設けられている場合もある。この場合、第三の層33(バリア層)は、第一の層31と真ん中の第二の層32との間にのみ設けられ、第二の層32と第四の層34との間には設けられないこともある。第一の層31が一番上に位置する場合も同様である。
Next, a grid polarizing element according to another embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a schematic front sectional view of a grid polarizing element of another embodiment.
In the above-described embodiment, there are two polarizing layers, but there may be three or more layers. An example of this is shown in FIG. That is, as shown in FIG. 13 (1), first, second, and
また、第一の層31と第二の層32は、光の伝搬方向に沿って積層された層であったが、第一の層31と第二の層32が光の伝搬方向に対して垂直方向に並べられた構造も採用し得る。この例が図13(2)に示されている。この例では、各線状部3は、光の伝搬方向に対して垂直な方向に並設された第一第二の層31,32によって形成されている。第一第二の各層31,32は偏光作用を為す層であり、その間に第三の層(バリア層)33が設けられている。そして、第一の層31が光触媒作用のある材料で形成され、第二の層32が被酸化性材料で形成されている。このような構造の場合も、紫外光の照射により誘起された光触媒作用により第一の層31において酸化性活性種が生じ得る。従って、第三の層(バリア層)33がないと、第二の層32の偏光作用について初期の急激な消光比低下という問題が生じることになり、第三の層(バリア層)33を設けることに大きな意義がある。
In addition, the
図13(2)に示す実施形態に比べると、図1の実施形態や図13(1)の実施形態のように偏光作用を為す層が光の伝搬方向に積層された構造の方が偏光性能の点では有利である。即ち、光の伝搬方向に垂直な方向において、光学定数のコントラストがよりはっきりしていた方がより高い偏光性能が得られるからである。
尚、図1に示す実施形態において、365nm用のシリコンの層(第二の層32)が上側に設けられ、254nm用の酸化チタンの層(第一の層31)が下側に設けられる場合もあり得る。
Compared with the embodiment shown in FIG. 13 (2), the polarization performance is better in the structure in which the polarizing layer is laminated in the light propagation direction as in the embodiment of FIG. 1 and the embodiment of FIG. 13 (1). This is advantageous. That is, in the direction perpendicular to the light propagation direction, a higher polarization performance can be obtained if the contrast of the optical constant is clearer.
In the embodiment shown in FIG. 1, a 365 nm silicon layer (second layer 32) is provided on the upper side, and a 254 nm titanium oxide layer (first layer 31) is provided on the lower side. There is also a possibility.
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14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14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)60に偏光光を照射することで、ワーク60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60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60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。
Next, a usage example of such a grid polarizing element will be described. FIG. 14 shows an example of use of the grid polarizing element of the embodiment, and is a schematic cross-sectional view of a photo-alignment apparatus equipped with the grid polarizing element.
The apparatus shown in FIG. 14 is a photo-alignment apparatus for obtaining the above-described photo-alignment film for a liquid crystal display. By irradiating the object (work) 60 with polarized light, the molecular structure of the
図14に示す装置は、光源61と、光源61の背後を覆ったミラー62と、光源61とワーク6との間に配置されたグリッド偏光素子63とを備える。グリッド偏光素子63は、前述した実施形態のものである。
光源61として、前述したように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61は、ワーク60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。
The apparatus shown in FIG. 14 includes a
As described above, an ultraviolet lamp such as a high-pressure mercury lamp is used as the
グリッド偏光素子63は、前述したように各線状部の長さ方向を基準にして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60に対してグリッド偏光素子63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60の表面と並行とされ、各グリッド偏光素子における各線状部の長さ方向がワーク60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。
The
In addition, since it is difficult to manufacture a large-sized grid polarizing element, when it is necessary to irradiate a large area with polarized light, a configuration in which a plurality of grid polarizing elements are arranged on the same plane is adopted. In this case, the surface on which the plurality of grid polarizing elements are arranged is parallel to the surface of the
前述したように、グリッド偏光素子63は、吸収波長域の異なる材料で形成された第一第二の層31,32により吸収型のグリッド偏光素子であるため、ブロードな波長域において偏光光を得ることができる。この点は、光配向装置の汎用性を高め、装置ユーザーにおける設備投資を安価にする意義がある。即ち、配向膜のタイプが異なるために異なる波長の偏光光の照射が必要な場合、従来の光配向装置では、当該異なる波長用のグリッド偏光素子に交換する必要が生じる。一方、実施形態のグリッド偏光素子では、波長範囲がブロードであるため、異なるタイプの配向膜についても同じグリッド偏光素子を使用して処理できる場合がある。同じグリッド偏光素子で異なる配向膜についても処理できれば、その分だけ装置ユーザーにおける設備投資は抑制できる。
As described above, since the
そして、前述したようにグリッド偏光素子において第三の層(バリア層)33が設けられているので、初期の急激な消光比低下の問題がない。このため、グリッド偏光素子の寿命が長くなり、この点でも設備投資をより抑えることができる。
尚、このような効果は、光配向以外にも、対象物に応じて異なる波長域の偏光光が必要になる光処理において一般的に妥当することはいうまでもない。
As described above, since the third layer (barrier layer) 33 is provided in the grid polarizing element, there is no problem of an initial rapid extinction ratio reduction. For this reason, the lifetime of a grid polarizing element becomes long, and also in this respect, capital investment can be suppressed more.
Needless to say, such an effect is generally appropriate in optical processing that requires polarized light in a different wavelength region depending on the object, in addition to the photo-alignment.
上述した実施形態において、光触媒作用のある第一の層31の材料は酸化チタンであったが、この他、酸化スズ、酸化タングステン、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウム、タングステン酸カリウム、酸化ジルコニウム、窒化チタン等が第一の層31の材料として用いられることもあり得る。
また、非酸化物である第二の層32の材料としては、シリコンの他、窒化チタン、窒化ガリウム、窒化アルミガリウム、ゲルマニウム等が使用されることもあり得る。
さらに、第三の層(バリア層)33の材料としては、酸化シリコンの他、窒化シリコンが使用されることもあり、また化学的に安定なフッ化物(例えばMgF2)が使用されることもある。
In the embodiment described above, the material of the
In addition to silicon, titanium nitride, gallium nitride, aluminum gallium nitride, germanium, or the like may be used as the material of the
Further, as the material of the third layer (barrier layer) 33, silicon nitride may be used in addition to silicon oxide, and a chemically stable fluoride (for example, MgF 2) may be used. .
図15は、他の材料の組み合わせの一例として、酸化チタンと窒化チタンとの組み合わせによるブロード化について示した図である。ここでは、酸化チタンはルチル型、窒化チタンはアモルファス状であることを前提としている。図15の例では、各線状部の高さ100nm、幅30nmの各線状部について、酸化チタンのみで各線状部を形成した場合、窒化チタンのみで各線状部を形成した場合、高さ50nmの酸化チタン層と高さ50nmの窒化チタン層とを積層して各線状部を形成した場合とで偏光特性がどのように変わるかをシミュレーションにより調べた実験の結果が示されている。ギャップ幅は100nmで共通とした。同様に、シミュレーションにはRCWA法が用いられ、ソフトウェアにはDiffractMod(製品名)が使用された。 FIG. 15 is a diagram showing broadening by a combination of titanium oxide and titanium nitride as an example of another material combination. Here, it is assumed that titanium oxide is rutile and titanium nitride is amorphous. In the example of FIG. 15, for each linear portion having a height of 100 nm and a width of 30 nm, when each linear portion is formed only from titanium oxide, when each linear portion is formed only from titanium nitride, the height is 50 nm. The result of the experiment which investigated how the polarization characteristic changes by the case where each linear part was formed by laminating | stacking a titanium oxide layer and a 50-nm-thick titanium nitride layer is shown. The gap width was common at 100 nm. Similarly, the RCWA method was used for the simulation, and DiffractMod (product name) was used for the software.
図15に示すように、酸化チタンのみから成るグリッドの場合には320nm付近でおいて高い消光比のピークがあるものの、250nm以下では100以下の低い消光比となっている。これが、酸化チタンの層と窒化チタンの層とを積層したグリッドとすると、320nm付近の消光比のピークは低くなるものの、250nm以下の波長域では消光比が改善する。350nm超の波長域でも、同様である。このように、酸化チタン製の各線状部の一部を窒化チタンに置き換えることで、波長域の違いによる消光比のバラツキが小さくなり、より均一な特性の偏光素子が得られる。この場合でも、酸化チタンの層と窒化チタンの層との間に前述したようなバリア層を設けることで酸化チタンの光触媒作用の影響で窒化チタンが酸化するのが防止される。このため、期待された偏光性能が損なわれることがなく得られる。 As shown in FIG. 15, in the case of a grid made only of titanium oxide, there is a high extinction ratio peak at around 320 nm, but a low extinction ratio of 100 or less at 250 nm or less. If this is a grid in which a titanium oxide layer and a titanium nitride layer are laminated, the extinction ratio peak near 320 nm is lowered, but the extinction ratio is improved in the wavelength region of 250 nm or less. The same applies to a wavelength region exceeding 350 nm. Thus, by replacing a part of each linear part made of titanium oxide with titanium nitride, the variation in the extinction ratio due to the difference in the wavelength range is reduced, and a polarizing element having more uniform characteristics can be obtained. Even in this case, by providing the barrier layer as described above between the titanium oxide layer and the titanium nitride layer, the titanium nitride is prevented from being oxidized due to the photocatalytic action of the titanium oxide. Therefore, the expected polarization performance can be obtained without being impaired.
図16は、さらに他の材料の組み合わせの一例として、窒化チタンとシリコンとの組み合わせによるブロード化について示した図である。ここでは、窒化チタン及びシリコンはアモルファス状である。図16の例でも、各線状部の高さは100nm、幅は30nmで共通とし、窒化チタンのみで各線状部を形成した場合、シリコンのみで各線状部を形成した場合、高さ50nmの窒化チタン層と高さ50nmのシリコン層とを積層して各線状部を形成した場合とで偏光特性がどのように変わるかをシミュレーションにより調べた実験の結果が示されている。同様に、ギャップ幅は100nmで共通とし、シミュレーションにはRCWA法、DiffractMod(製品名)が使用された。 FIG. 16 is a diagram showing broadening by a combination of titanium nitride and silicon as an example of another combination of materials. Here, titanium nitride and silicon are amorphous. Also in the example of FIG. 16, the height of each linear portion is common to 100 nm and the width is 30 nm. When each linear portion is formed only with titanium nitride, when each linear portion is formed only with silicon, nitriding with a height of 50 nm The result of the experiment which investigated how the polarization characteristic changed by the case where each linear part was formed by laminating | stacking a titanium layer and a 50-nm-thick silicon layer is shown by simulation. Similarly, the gap width was common at 100 nm, and the RCWA method and DiffractMod (product name) were used for the simulation.
図16に示すように、窒化チタンのみから成るグリッドの場合には230nm付近でおいて高い消光比のピークがあるものの、それより長い波長域では消光比は漸減し、350nm以上の長波長域では10を下回る消光比となっている。これが、窒化チタンの層の一部をシリコンの層に置き換えていくと、230nm付近の消光比のピークは若干下がるものの、250nm超の波長域で消光比が大きく改善することがわかる。このように、窒化チタンとシリコンの組み合わせにおいても、波長域の違いによる消光比のバラツキが小さくなり、より均一な特性の偏光素子が得られる。そして、この例において、窒化チタンが光触媒作用を有する場合でも、窒化チタンの層とシリコンの層との間に前述したようなバリア層を設けることで窒化チタンの光触媒作用の影響でシリコンが酸化するのが防止される。このため、期待された偏光性能が損なわれることがなく得られる。 As shown in FIG. 16, in the case of a grid made of only titanium nitride, although there is a peak with a high extinction ratio at around 230 nm, the extinction ratio gradually decreases in a longer wavelength region, and in a long wavelength region of 350 nm or more. The extinction ratio is less than 10. It can be seen that when a part of the titanium nitride layer is replaced with a silicon layer, the extinction ratio peak near 230 nm is slightly lowered, but the extinction ratio is greatly improved in the wavelength region of more than 250 nm. Thus, even in the combination of titanium nitride and silicon, the variation in the extinction ratio due to the difference in wavelength range is reduced, and a polarizing element with more uniform characteristics can be obtained. In this example, even when titanium nitride has a photocatalytic action, silicon is oxidized due to the photocatalytic action of titanium nitride by providing the barrier layer as described above between the titanium nitride layer and the silicon layer. Is prevented. Therefore, the expected polarization performance can be obtained without being impaired.
1 透明基板
2 グリッド
3 線状部
31 第一の層
32 第二の層
33 第三の層(バリア層)
34 第四の層
4 ギャップ
60 ワーク
61 光源
62 ミラー
63 グリッド偏光素子
DESCRIPTION OF
34
Claims (7)
グリッドを構成する各線状部は、第一の対象波長の光を吸収する第一の材料で形成された偏光作用が得られる層である第一の層と、第二の対象波長の光を吸収する第二の材料で形成された偏光作用が得られる層である第二の層と、第一の層と第二の層との間に設けられた第三の層とを備えており、
第一の材料は誘電体又は半導体であって紫外線照射による光触媒作用を有する材料であり、
第二の材料は誘電体又は半導体であって被酸化性材料であり、
第三の層は、第一の層において第一の材料の光触媒作用により酸化性活性種が生成された際に当該酸化性活性種により第二の層が酸化するのを防止するバリア層であることを特徴とする紫外線用吸収型グリッド偏光素子。 An ultraviolet ray composed of a transparent substrate transparent to ultraviolet rays and a striped grid provided on the transparent substrate, and the grid is composed of a large number of linear portions formed of a material that absorbs light of a target wavelength that is ultraviolet rays. Absorption grid polarizing element for
Each linear part constituting the grid absorbs light of the first target wavelength and the first layer, which is a layer formed of the first material that absorbs light of the first target wavelength, and which obtains the polarization action. A second layer that is a layer that is formed of the second material and has a polarization effect, and a third layer provided between the first layer and the second layer,
The first material is a dielectric or semiconductor material that has a photocatalytic action by ultraviolet irradiation,
The second material is a dielectric or semiconductor and is an oxidizable material,
The third layer is a barrier layer that prevents the second layer from being oxidized by the oxidizing active species when the oxidizing active species is generated by the photocatalytic action of the first material in the first layer. An absorption grid polarizing element for ultraviolet rays characterized by the above.
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