JP5936727B2

JP5936727B2 - 偏光素子

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Publication number: JP5936727B2
Application number: JP2015023604A
Authority: JP
Inventors: 高橋　英司; 英司高橋; 昭夫高田
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: JP2015108845A

Description

本発明は、直交する偏光成分（いわゆるＰ偏光波、Ｓ偏光波）の一方を吸収し、他方を透過させる偏光素子に関するものである。

液晶表示装置は、その画像形成原理から液晶パネル表面に偏光素子を配置することが必要不可欠である。偏光素子の機能は、直交する偏光成分（いわゆるＰ偏光波、Ｓ偏光波）の一方を吸収し、他方を透過させることである。

従来、このような偏光素子として、フィルム内にヨウ素系や染料系の高分子有機物を含有させた二色性の偏光板が多く用いられている。これらの一般的な製法として、ポリビニルアルコール系フィルムとヨウ素などの二色性材料で染色を行った後、架橋剤を用いて架橋を行い、一軸延伸する方法が用いられる。このように二色性の偏光板は、延伸により作製されるため、一般に収縮し易い。また、ポリビニルアルコール系フィルムは、親水性ポリマーを使用していることから、特に加湿条件下においては非常に変形し易い。また、根本的にフィルムを用いるため、デバイスとしての機械的強度が弱く、透明保護フィルムを接着する必要がある場合がある。

近年、液晶表示装置は、その用途が拡大し、高機能化している。それに伴い、液晶表示装置を構成する個々のデバイスに対して、高い信頼性、耐久性が求められる。例えば、透過型液晶プロジェクターのような光量の大きな光源を使用する液晶表示装置の場合には、偏光板は強い輻射線を受ける。よって、これらに使用される偏光板には、優れた耐熱性が必要となる。しかしながら、上記のようなフィルムベースの偏光板は、有機物であることから、これらの特性を上げることにはおのずと限界がある。

米国では、コーニング社よりPolarcorという商品名で耐熱性の高い無機偏光板が販売されている。この偏光板は、銀微粒子をガラス内に拡散させた構造をしておりフィルム等の有機物を使用していない。原理は、島状微粒子のプラズマ共鳴を利用するものである。すなわち、貴金属や遷移金属の島状粒子に光が入射した時の表面プラズマ共鳴による光吸収を利用するものであり、吸収波長は、粒子形状、周囲の誘電率の影響を受ける。ここで島状微粒子の形状を楕円形にすると長軸方向と短軸方向の共鳴波長が異なり、これにより偏向特性が得られ、具体的には長波長側での長軸に平行な偏光成分を吸収し、短軸と平行な偏光成分を透過させるという偏光特性が得られる。しかしながら、Polarcorの場合、偏光特性が得られる波長域は赤外部に近い領域であり、液晶表示装置で求められるような可視光域をカバーしていない。これは島状微粒子に用いられている銀の物理的性質によるものである。

特許文献１には、上記の原理を応用し熱還元によりガラス中に微粒子を析出させることによるＵＶ偏光板が示されており、金属微粒子として銀を用いることが提示されている。この場合、先のPolarcorとは逆に短軸方向での吸収を用いるものと考えられる。Figure1に示されているように４００ｎｍ付近でも偏光板として機能はしているが消光比が小さくかつ吸収できる帯域が非常に狭いので、仮にPolarcorと特許文献１の技術を組み合わせたとしても可視光全域をカバーできる偏光板にはならない。

また、非特許文献１には、金属島状微粒子のプラズマ共鳴を使った無機偏光板の理論解析が述べられている。この文献によればアルミニウム微粒子は銀微粒子より共鳴波長が２００ｎｍ程度短く、このためアルミニウム微粒子を用いることで可視光域をカバーする偏光板を製作できる可能性があることが記述されている。

また、特許文献２には、アルミニウム微粒子を使った偏光板の幾つかの作成方法が示されている。その中で、ケイ酸塩をベースとしたガラスでは、アルミニウムとガラスが反応するので基板としては望ましくなく、カルシウム・アルミノ硼酸塩ガラスが適していると記述されている（段落００１８，００１９）。しかし、ケイ酸塩を使用したガラスは、光学ガラスとして広く流通しており、信頼性の高い製品を安価に入手でき、これが適さないということは経済的に好ましくない。また、レジストパターンをエッチングすることで島状粒子を形成する方法が述べられている（段落００３７，００３８）。通常、プロジェクターで使用する偏光板は、数ｃｍ程度の大きさが必要でかつ高い消光比が要求される。従って、可視光用偏光板を目的とした場合、レジストパターンサイズは可視光波長より充分に短い、すなわち、数十ナノメートルの大きさが必要であり、また、高い消光比を得るためには、パターンを高密度に形成する必要がある。また、プロジェクター用として使用する場合には、大面積が必要である。しかしながら、記述されているようなリソグラフィにより高密度微細パターン形成を応用する方法では、そのようなパターンを得るために電子ビーム描画などを用いる必要がある。電子ビーム描画は、個々のパターンを電子ビームより描く方法であり生産性が悪く実用的でない。

また、特許文献２には、アルミニウムを塩素プラズマにより除去すると記述されているが、通常そのようにエッチングした場合には、アルミニウムパターンの側壁に塩化物が付着する。市販のウエットエッチング液（例えば東京応化工業のＳＳＴ−Ａ２）により除去可能であるが、アルミ塩化物に反応するこのような薬液はアルミニウムにもエッチング速度は遅いながらも反応はするので、述べられているような方法で所望のパターン形状を実現することは難しい。

さらに、特許文献２には、別な方法として、パターン化されたフォトレジスト上に斜め成膜によりアルミニウムを堆積し、フォトレジストを除去する方法が記述されている（段落００４５，００４７）。しかし、このような方法では、基板とアルミニウムの密着性を得るために、ある程度基板面にもアルミニウムを堆積する必要があるものと考えられる。しかし、これは堆積したアルミニウム膜の形状が段落００１５に記述されている適当な形状である扁長の楕円体を含む扁長の球体とは異なることを意味する。また、段落００４７には表面に垂直な異方性エッチングにより過沈積分を除去すると記述されている。偏光板として機能させるには、アルミニウムの形状異方性は極めて重要である。従ってレジスト部と基板面に堆積するアルミニウムの量をエッチングにより所望の形状が得られるように調整する必要があると考えられるが、段落００４７に記述されているような０．０５μｍというサブミクロン以下のサイズでこれらを制御することは非常に困難と考えられ、生産性の高い製作方法として適しているか疑問である。また、偏光板の特性として透過軸方向については高い透過率が求められるが、通常、基板にガラスを用いた場合、ガラス界面から数％の反射は避けられず、高い透過率を得ることが難しい。

また、特許文献３には、斜め蒸着による偏光板について記述されている。この方法は、使用帯域の波長に対して透明及び不透明な物質を斜め蒸着により微小柱状構造を製作することで偏光特性を得るものであり、特許文献１と異なり、簡便な方法で微細パターンを得られるため生産性の高い方法と考えられる。しかしながら、使用帯域に対して不透明な物質の微小柱状構造のアスペクト比、個々の微小柱状構造の間隔、直線性は、良好な偏光特性を得るために重要な要素であり、特性の再現性の観点からも意図的に制御されるべきものであるが、この方法では蒸着粒子の初期堆積層の影となる部分に次に飛来する蒸着粒子が堆積しないことにより柱状構造が得られるという現象を利用しているため、上記の項目を意図的に制御することが難しい。これを改善する方法として、蒸着前にラビング処理により基板に研磨痕を設ける方法が記述されているが、一般的には蒸着膜の粒子径は最大でも数十ｎｍ程度の大きさであり、このような粒子の異方性を制御するにはサブミクロン以下のピッチを研磨により意図的に製作する必要がある。しかし、一般の研磨シート等では、サブミクロン程度が限界であり、そのような微細な研磨痕を製作することは容易でない。また、前記のようにＡｌ微粒子の共鳴波長は周りの屈折率に大きく依存し、この場合、透明及び不透明な物質の組み合わせが重要であるが、特許文献３には、可視光域で良好な偏光特性を得るための組み合わせについて記述がされていない。また、特許文献１と同様に、基板としてガラスを用いた場合、ガラス界面から数％の反射は避けられない。

また、非特許文献２には、Lamipolと称する赤外通信用の偏光板について記述されている。これは、ＡｌとＳｉＯ_２の積層構造をしており、この文献によれば非常に高い消光比を示す。また、非特許文献３には、Lamipolの光吸収を担うＡｌの代わりにＧｅを使うことで、波長１μｍ以下で高い消光比を実現できることが述べられている。また、同資料中のＦｉｇ３からＴｅ（テルル）も高い消光比が得られることが期待できる。このようにLamipolは、高い消光比が得られる吸収型偏光板であるが、吸光物質と透過性物質の積層厚が受光面の大きさとなるために数ｃｍ角の大きさが必要なプロジェクター用途の偏光板には向かない。

また、特許文献４には、金属格子上に誘電層と無機微粒子層が堆積した構造の無機偏光板の構造及び特性が述べられ、この構造によって高いコントラストが得られることが示されている。この構造を発展させ、コントラストを増大し、反射率を軽減し、簡単な製作工程で製造することができる無機偏光板があれば、産業上さらに有用である。

しかしながら、特許文献４の技術は、光を吸収する無機微粒子層が空気界面に存在するため、光の吸収により変換された熱が放熱され難く、熱吸収により偏光板の温度が上昇し易い。このため、強い光に対する耐光性が低い。また、［００８３］には、反射層直下に反射防止層を付加した構造が記載されているが、この場合、使用方法によっては、上部の無機微粒子層は必ずしも必要でない。

米国特許第６７７２６０８号明細書特開２０００−１４７２５３号公報特開２００２−３７２６２０号公報特開２００８−２１６９５７号公報

Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．ＡＶｏｌ．８，Ｎｏ．４６１９−６２４ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．２５Ｎｏ．２１９８６３１１−３１４Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃ．Ｖｏｌ．１５Ｎｏ．６１９９７１０４２−１０５０

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、優れた光学特性を有するとともに強い光に対して高い耐光性を有する偏光素子を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するために、本発明に係る偏光素子は、透明基板と、前記透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された格子状凸部を構成する吸収層と、前記吸収層上に形成され、前記格子状凸部を構成する誘電体層と、前記誘電体層上の形成され、前記格子状凸部を構成する反射層とを備え、前記吸収層は、２層以上からなり、そのうちいずれか１層が前記透明基板よりも高い屈折率を有することを特徴とする。

また、本発明に係る液晶プロジェクターは、前述した偏光素子と、光源と、画像表示パネルとを備え、前記偏光素子は、前記光源からの使用帯域の光を透明基板側から入射し、通過させることを特徴とする。

本発明によれば、光を干渉・吸収させる吸収層が透明基板に接しているため、より放熱性を高めることができ、偏光素子の耐熱性を向上させることができる。また、吸収層の偏光波の選択的光吸収作用によって優れた光学特性を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る偏光素子を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態に係る液晶プロジェクターの光学エンジン部分の構成を示す概略断面図である。偏光素子の製造方法を説明するための図である。吸収層がＴａの偏光素子を示す概略断面図である。吸収層がＴａの偏光素子の光学特性を示すグラフである。吸収層がＴａの偏光素子の断面のＳＥＭ画像（その１）である。吸収層がＴａの偏光素子の断面のＳＥＭ画像（その２）である。吸収層がＳｉの偏光素子を示す概略断面図である。吸収層がＳｉの偏光素子の光学特性を示すグラフである。吸収層がＴａ／Ｓｉの偏光素子を示す概略断面図である。吸収層がＴａ／Ｓｉの偏光素子の光学特性を示すグラフである。グリッド幅に対する吸収軸透過率の関係を示すグラフである。水晶基板上にＴａ、Ｓｉをこの順番に積層（積層順Ａ）した偏光素子を示す概略断面図である。水晶基板上にＳｉ、Ｔａをこの順番に積層（積層順Ｂ）した偏光素子を示す概略断面図である。積層順Ａの偏光素子の断面のＳＥＭ画像である。積層順Ｂの偏光素子の断面のＳＥＭ画像である。積層順Ａの偏光素子の光学特性を示すグラフである。積層順Ｂの偏光素子の光学特性を示すグラフである。緑域の透過軸及び吸収軸における透過率を示すグラフである。緑域の透過軸及び吸収軸における反射率を示すグラフである。吸収層の幅Ｗを小さくした偏光素子を示す概略断面図である。吸収層の幅Ｗに対する透過軸透過率Ｔｐのシミュレーション結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗに対する透過軸反射率Ｒｐのシミュレーション結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗに対する吸収軸透過率Ｔｓのシミュレーション結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗに対する吸収軸反射率Ｒｓのシミュレーション結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗを小さくした偏光素子の断面のＳＥＭ画像である。吸収層の幅Ｗが異なるサンプルＡ、Ｂの透過軸透過率Ｔｐの測定結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗが異なるサンプルＡ、Ｂの透過軸反射率Ｒｐの測定結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗが異なるサンプルＡ、Ｂの吸収軸透過率Ｔｓの測定結果を示すグラフである。吸収層の幅Ｗが異なるサンプルＡ、Ｂの吸収軸反射率Ｒｓの測定結果を示すグラフである。保護膜が成膜された偏光素子を示す概略断面図である。保護膜が成膜された偏光素子の断面のＳＥＭ画像である。保護膜が成膜された偏光素子の透過率を示すグラフである。保護膜が成膜された偏光素子の反射率を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．偏光素子の構成
２．偏光素子の製造方法
３．液晶プロジェクターの構成例
４．実施例

＜１．偏光素子の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る偏光素子を示す概略断面図である。図１に示すように、偏光素子１は、透明基板１１と、透明基板１１上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された格子状凸部を構成する吸収層１２と、吸収層１２上に形成された誘電体層１３と、誘電体層１３上に形成された反射層１４とを備える。すなわち、偏光素子１は、透明基板１１側から吸収層１２と誘電体層１３と反射層１４とがこの順に積層された凸部が、透明基板１１上に一定間隔に並んだ一次元格子状のワイヤグリッド構造を有する。

透明基板１１は、使用帯域の光に対して透明で、屈折率が１．１〜２．２の材料、例えば、ガラス、サファイア、水晶などで構成されている。本実施の形態では、透明基板１１の構成材料として、熱伝導性の高い水晶やサファイア基板を用いることが好ましい。これにより、強い光に対して高い耐光性を有することとなり、発熱量の多いプロジェクターの光学エンジン用の偏光素子として有用となる。

また、透明基板１１が水晶のような光学活性の結晶からなる場合、結晶の光学軸に対して平行方向又は垂直方向に格子状凸部を配置することにより、優れた光学特性を得ることができる。ここで、光学軸とは、その方向に進む光のＯ（常光線）とＥ（異常光線）の屈折率の差が最小となる方向軸である。

なお、偏光素子の用途によっては、ガラス、特に、石英（屈折率１．４６）やソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）を用いてもよい。ガラス材料の成分組成は特に制限されず、例えば光学ガラスとして広く流通しているケイ酸塩ガラスなどの安価なガラス材料を用いることができ、製造コストの低減を図ることができる。

吸収層１２は、金属、半導体など光学定数の消衰定数が零でない、光吸収作用を持つ物質の１種以上から構成され、その材料は、適用される光の波長範囲によって選択される。金属材料としては、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ単体もしくはこれらを含む合金が挙げられる。半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料（β−ＦｅＳｉ_２、ＭｇＳｉ_２、ＮｉＳｉ_２、ＢａＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、ＣＯＳｉ_２、ＴａＳｉなどが挙げられる。なお、半導体材料を用いる場合、吸収作用に半導体のバンドギャップエネルギーが関与するため、バンドギャップエネルギーが使用帯域以下であることが必要である。例えば、可視光で使用する場合、波長４００ｎｍ以上での吸収、すなわちバンドギャップとしては３．１ｅＶ以下の材料を使用する必要がある。

吸収層１２は、前述した金属材料、半導体材料のうち、透明基板１１よりも高い屈折率を有することが好ましい。また、吸収層１２は、材料の異なる２層以上となっていることが好ましく、そのうちいずれか１層が透明基板１１よりも高い屈折率を有することが好ましい。前述した金属材料及び／又は半導体材料を組み合わせることにより、使用帯域の光に対して干渉効果を高めて所望の波長での透過軸方向のコントラストを増大させるとともに、透過型液晶表示装置において好ましくない偏光板からの反射成分を低下させることができる。

具体的な材料の組み合わせは、屈折率ｎ、消衰定数ｋなどの光学定数に基づいて選択される。例えば、屈折率が高いＳｉ（ｎ＝4.08（550ｎｍ）、ｋ＝0.04）を用いる場合、屈折率差が大きく、消衰定数ｋがＳｉよりも大きいＴａ（ｎ＝2.48（550ｎｍ）、ｋ＝1.83）を用いることにより、吸収効果や干渉効果を高めてコントラストを増大させることができる。また、透明基板１１に水晶（ｎ＝1.54（550ｎｍ）、ｋ＝0.00）を用いた場合、基板上に屈折率差が小さいＴａ層を形成し、Ｔａ層上にＳｉ層を形成することにより、反射を抑制し、透過率を向上させることができる。

また、吸収層１２の透過軸方向の幅（Ｘ軸方向）を他の層（反射層、誘電体層）より小さくすることにより、反射率が最小となる波長を短波長側にシフトさせることができる。したがって、ピッチ及びグリッド幅を最適に設計することにより、所望の波長帯域の反射率を低くすることが可能となる。また、具体的な吸収層１２の透過軸方向の幅は、グリッド（反射層、誘電体層）幅の５０％以上であることが好ましく、より好ましくは、グリッド幅の８０％以上である。吸収層１２の幅（Ｘ軸方向）をグリッド幅の５０％未満とした場合、熱伝導性が悪化し、物理的強度が低下してしまう。

吸収層１２は、蒸着法やスパッタ法により、膜が高い密度で形成されていることが好ましい。膜の密度が高いことにより、熱伝導性が向上し、放熱性を向上させることができる。

また、吸収層１２の膜を得る方法として、シャドーイング効果を利用した蒸着やスパッタによる斜め成膜方法を用いて無機微粒子を堆積させてもよい。この場合、無機微粒子は、使用帯域の波長以下のサイズであって、個々の粒子が完全に孤立していることが望ましい。無機微粒子は、長楕円形状であり、吸収軸であるＹ軸方向に長楕円の長軸方向が平行に配列され、透過軸であるＸ軸方向に長楕円の短軸方向が平行に配列される。このようにして形成された吸収層１２は、吸収軸であるＹ軸方向の光学定数が透過軸Ｘ方向の光学定数よりも大であり、光学異方性を有する。具体的には、吸収軸Ｙ方向の屈折率が透過軸Ｘ方向の屈折率よりも大であり、吸収軸Ｙ方向の消衰係数が透過軸Ｘ方向の消衰係数よりも大である。

誘電体層１３は、吸収層１２で反射した偏光に対して、吸収層１２を透過し、反射層１４で反射した当該偏光の位相が半波長ずれる膜厚で形成されている。具体的な膜厚は、偏光の位相を調整し、干渉効果を高めることが可能な１〜５００ｎｍの範囲で適宜設定される。本実施の形態では、吸収層１２が反射した光を吸収するため、膜厚が最適化されていなくてもコントラストの向上が実現でき、実用上は、所望の偏光特性と実際の作製工程の兼ね合いで決定して構わない。

誘電体層１３を構成する材料は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２などの一般的な材料を用いることができる。また、誘電体層１３の屈折率は、１．０より大きく２．５以下とすることが好ましい。なお、吸収層１２の光学特性は、周囲の屈折率によっても影響を受けるため、誘電層１３の材料により偏光素子特性を制御してもよい。

反射層１４は、誘電体層１３上に吸収軸であるＹ方向に帯状に延びた金属薄膜が配列されてなるものである。すなわち、反射層１４は、ワイヤグリッド型偏光子としての機能を有し、透明基板１１側から入射した光のうち、ワイヤグリッドの長手方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、ワイヤグリッドの長手方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。

反射層１４の構成材料には、使用帯域の光に対して反射性を有する材料であれば特に制限されず、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅなどの金属単体もしくはこれらを含む合金あるいは半導体材料を用いることができる。なお、金属材料以外にも、例えば着色等により表面の反射率が高く形成された金属以外の無機膜や樹脂膜で構成されていてもよい。

なお、反射層２２のピッチ、ライン幅／ピッチ、薄膜高さ（厚さ、格子深さ）、薄膜長さ（格子長さ）は、それぞれ以下の範囲とするのが好ましい。
０．０５μｍ＜ピッチ＜０．８μｍ
０．１＜（ライン幅／ピッチ）＜０．９
０．０１μｍ＜薄膜高さ＜１μｍ
０．０５μｍ＜薄膜長さ

また、光学特性の変化が実用上影響を与えない範囲で、透明基板１１及び格子状凸部の表面を被覆する保護膜を備えることが好ましい。例えばＳｉＯ_２などを堆積させることにより、耐湿性などの信頼性を改善することができる。保護膜の形成方法としては、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いることが好ましい。プラズマＣＶＤを用いることにより、格子状凸部の隙間にも保護膜を堆積させることができる。

このような構成の偏光素子１によれば、透過、反射、干渉、偏光波の選択的光吸収の４つの作用を利用することで、反射層の格子に平行な電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、格子に垂直な電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させることができる。すなわち、ＴＥ波は、吸収層１２の偏光波の選択的光吸収作用によって減衰され、吸収層１２及び誘電体層１３を透過したＴＥ波は、ワイヤグリッドとして機能する格子状の反射層１４によって反射される。ここで、誘電体層１３の厚さ、屈折率を適宜調整することによって、反射層１４で反射したＴＥ波について、吸収層１２を透過する際に一部を反射し、反射層１４に戻すことができ、また、吸収層１２を通過した光を干渉により減衰させることができる。以上のようにしてＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、所望の偏光特性を得ることができる。

また、本実施の形態における偏光素子１は、光を干渉・吸収させる吸収層１２が透明基板１１に接しているため、より放熱性を高めることができ、偏光板の耐熱性を向上させることができる。また、本実施の形態における偏光素子１は、有機物よりも耐久性の高い無機物で構成されているため、液晶プロジェクターに使われるような強い光に対して高い耐光特性を示し、高い信頼性を得ることができる。

高い耐光特性を得るための具体的な偏光素子１の構成として、透明基板１１として熱伝導率が高い水晶（約10Ｗ/(m・K) at 300 K）又はサファイア（約40Ｗ/(m・K) at 300 K）を用いることが好ましい。また、吸収層１２は、透明基板１１と接するため、吸収層１２を構成する材料の熱伝導率が、透明基板１１を構成する材料の熱伝導率よりも高いことが好ましい。より具体的には、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）at 300Ｋ以上の熱伝導率を有する、Ｔａ（約60Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ａｌ（約235Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ａｇ（約430Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｃｕ（約400Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ａｕ（約315Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｍｏ（約140Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｃｒ（約95Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｗ（約175Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｎｉ（約90Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｆｅ（約80Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｓｎ（約65Ｗ/(m・K) at 300 K）などの金属材料、又はＳｉ（約150Ｗ/(m・K) at 300 K）、Ｇｅ（約60Ｗ/(m・K) at 300 K）、ＺｎＯ（約55Ｗ/(m・K) at 300 K）などの半導体材料で構成することが好ましい。また、例えば吸収層１２をＴａ及びＳｉの２層から構成する場合、Ｔａよりも熱伝導率の高いＳｉを透明基板１１側とすることが好ましい。このような構成の偏光素子によれば、透明基板１１と吸収層１２との界面において、接触熱抵抗を減少させることができ、優れた耐熱性が得られる。

＜２．偏光素子の製造方法＞
次に、本実施の形態における偏光素子の製作方法について説明する。先ず、透明基板１１上に、吸収層１２、誘電層１３、反射層１４をこの順に成膜する。

吸収層１２は、蒸着法やスパッタ法により成膜する。具体的には、成膜時に透明基板１１をターゲットに対して対向させて配置し、アルゴンガス粒子をターゲットに衝突させ、その衝撃ではじき飛ばされたターゲット成分を基板上に付着させ、吸収層１２を得る。また、シャドーイング効果を利用した蒸着やスパッタによる斜め成膜方法を用いて無機微粒子を堆積させ吸収層１２を成膜してもよい。

また、誘電層１３及び反射層１４は、スパッタ法、気相成長法、蒸着法などの一般的な真空成膜法あるいはゾルゲル法（例えばスピンコート法によりゾルをコートし熱硬化によりゲル化させる方法）により成膜することができる。

このようにして成膜された反射層１４上に、ナノインプリント、フォトリソグラフィなどにより格子状のマスクパターンを形成、その後、ドライエッチングにより格子状凸部を形成する。ドライエッチング用のガスとしては、反射防止膜（ＢＡＲＣ）にはＡｒ／Ｏ_２、ＡｌＳｉにはＣｌ_２／ＢＣｌ_３、ＳｉＯ_２、Ｓｉ、Ｔａには、ＣＦ_４／Ａｒを挙げることができる。また、エッチング条件（ガス流量、ガス圧、パワー、基板の冷却温度）を最適化することによって、垂直性の高い格子形状を実現する。また、エッチング条件により、吸収層１２の幅（Ｘ軸方向）を調整することができる。

なお、反射層１４にＡｌやＡｌＳｉを用いる場合には、吸収層１２及び誘電体層１３には、フッ素でエッチング可能な材料を選択することが望ましい。そうすることで、高いエッチング選択比が得られ、吸収層１２及び誘電体層１３の膜厚設計値の幅を広くすることができ、プロセス構築上有利となる。

また、光学特性の変化が応用上影響を与えない範囲で、最上部に耐湿性などの信頼性改善の目的でＳｉＯ_２などの保護膜を堆積することも可能である。

＜３．液晶プロジェクターの構成例＞
次に、本発明の一実施の形態に係る液晶プロジェクターについて説明する。液晶プロジェクター１００は、光源となるランプと、液晶パネルと、前述した偏光素子１とを備える。

図２に、本発明に係る液晶プロジェクターの光学エンジン部分の構成例を示す。液晶プロジェクター１００の光学エンジン部分は、赤色光ＬＲに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、緑色光ＬＧに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、青色光ＬＢに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、それぞれの出射メイン偏光素子１０Ｃから出てくる光を合成し投射レンズに出射するクロスダイクロプリズム６０とを備えている。ここで、前述した偏光素子１は、入射側偏光素子１０Ａ、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃそれぞれに適用され、光源からの使用帯域の光を透明基板１１側から入射し、通過させる。

この液晶プロジェクター１００では、光源ランプ（不図示）から出射される光をダイクロイックミラー（不図示）により赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢに分離し、それぞれの光に対応する入射側偏光素子１０Ａに入射させ、ついでそれぞれの入射側偏光素子１０Ａで偏光された光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢは液晶パネル５０にて空間変調されて出射され、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃを通過した後、クロスダイクロプリズム６０にて合成されて投射レンズ（不図示）から投射される構成となっている。光源ランプは高出力のものであっても、強い光に対して優れた耐光特性をもつ偏光素子１を用いているため、信頼性の高い液晶プロジェクターを実現することができる。

なお、本発明の偏光素子は、前記液晶プロジェクターへの適用に限定されるわけではなく、使用環境として熱を受ける偏光素子として好適である。例えば、自動車のカーナビやインパネの液晶ディスプレイの偏光素子として適用することができる。

＜４．実施例＞
以下、本発明の実施例について説明する。ここでは、吸収層１２について、単層構造（Ｔａ、Ｓｉ）と、２層構造（Ｔａ／Ｓｉ）のサンプルを作製し、光学特性について評価した。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１：吸収層Ｔａ］
図３（Ａ）に示すように、先ず、水晶基板上に吸収層としてＴａ、誘電体層としてＳｉＯ_２、反射層としてＡｌＳｉを成膜した。また、反射層上に反射防止膜（ＢＡＲＣ）を成膜し、レジストにより格子状のマスクパターンを形成した。なお、水晶結晶の光学軸に対して平行方向に吸収層、誘電体層、及び反射層を積層させた。

次に、図３（Ｂ）に示すように、Ａｒ／Ｏ_２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、Ｃｌ_２／ＢＣｌ_３によりＡｌＳｉをエッチングした。その後、図３（Ｃ）に示すように、Ｈ_２Ｏプラズマにより腐食層（塩化化合物）を除去し、Ｏ_２アッシングにより、レジスト、反射保護膜を除去した。そして、図３（Ｄ）に示すように、ＣＦ_４／ＡｒガスによりＳｉＯ_２、Ｔａ、及び水晶をエッチングし、格子状凸部を形成し、実施例１の偏光素子を作製した。

図４に、実施例１の偏光素子を示す概略断面図を示す。この偏光素子は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において、コントラスト（消光比：透過軸透過率／吸収軸透過率）が２〜１０程度で、反射率が最低になるように構造設計され、ピッチを１５０ｎｍ、グリッド幅を４５ｎｍ、Ｔａの厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを５０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを４５ｎｍとした。

図５に、実施例１の偏光素子の光学特性を示す。図５に示す結果から、吸収層としてＴａを用いた偏光素子は、長波長側において良好なコントラストを持つことが分かった。

また、図６に、実施例１の偏光素子の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を示す。この断面写真より、吸収層の透過軸方向の幅が他の層（反射層、誘電体層）よりも小さいことが分かる。これは、ＣＦ_４／Ａｒガスによるエッチングによるものであるが、吸収層の幅が他の層よりも小さいことにより、後述するように、吸収軸反射率Ｒｓが最小となる波長を短波長側にシフトさせることができる。

なお、実施例１の偏光素子は、水晶基板を露出させるため、オーバーエッチングにより水晶基板が掘り込まれているが、エッチング条件を変更し、水晶基板を掘り込まないようにしても構わない。図７に、水晶基板が掘り込まれていない偏光素子の断面のＳＥＭ画像を示す。オーバーエッチングによる水晶基板の掘り込みの有無によっては、偏光素子の光学特性に大きな変化は見られなかった。

［実施例２：吸収層Ｓｉ］
図８に、実施例２の偏光素子を示す概略断面図を示す。この偏光素子は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において、コントラスト（消光比：透過軸透過率／吸収軸透過率）が２〜１０程度で、反射率が最低になるように構造設計され、ピッチを１５０ｎｍ、グリッド幅を４５ｎｍ、Ｓｉの厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを４５ｎｍとした。なお、吸収層をＳｉとした以外は、実施例１と同様にして、実施例２の偏光素子を作製した。

図９に、実施例２の偏光素子の光学特性を示す。図９に示す結果から、吸収層としてＳｉを用いた偏光素子は、短波長側において良好なコントラストを持つことが分かった。

［実施例３：吸収層Ｔａ／Ｓｉ］
図１０に、実施例３の偏光素子を示す概略断面図を示す。この偏光素子は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において、コントラスト（消光比：透過軸透過率／吸収軸透過率）が２〜１０程度で、反射率が最低になるように構造設計され、ピッチを１５０ｎｍ、グリッド幅を４５ｎｍ、Ｔａの厚さを１０ｎｍ、Ｓｉの厚さを１０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを４５ｎｍとした。なお、吸収層をＴａ、Ｓｉの２層構造とした以外は、実施例１と同様にして、実施例３の偏光素子を作製した。

図１１に、実施例３の偏光素子の光学特性を示す。図１１に示す結果から、吸収層としてＴａ、Ｓｉを積層した偏光素子は、実施例１の長波長側の良好なコントラストと実施例２の短波長側の良好なコントラストとを併せ持つことが分かった。

［実施例１〜３の偏光素子の緑域の特性］
表１に、実施例１〜３の偏光素子について、測定波長を緑域の５２０〜５９０ｎｍとしたときの透過率と反射率の平均値を示す。

同等のコントラストが得られる偏光素子について、理想的な特性とは、透過軸透過率が高く、反射率が低いことであるが、実施例１、２の特性を見ると、実施例１は、長所として反射率が低いものの、短所として透過率が低かった。一方、実施例２は、長所として透過率が高いものの、短所として反射率が高かった。これに対し、実施例３は、透過軸透過率が高く、反射率が低いという理想的な特性が得られた。なお、実施例３は、吸収軸反射率の波長選択性が強くなっているが、Ｓｉ膜厚もしくはＳｉＯ_２膜厚を調整することで、低反射の波長帯域をコントロールすることが可能である。

［実施例４：グリッド幅に対する吸収軸透過率］
次に、偏光素子におけるグリッド幅を変化させ、吸収軸透過率を測定した。図１２にグリッド幅に対する吸収軸透過率の関係を示す。なお、吸収率透過率は、５２０〜５９０ｎｍの緑域を測定波長としたときの平均値である。また、偏光素子の凸部のピッチを１５０ｎｍとし、吸収層（Ｔａ、Ｓｉ、Ｔａ／Ｓｉ）の厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを４５ｎｍとした。

図１２に示す結果より、吸収層としてＴａ、Ｓｉを積層した偏光素子は、吸収層がＳｉ単層の偏光素子と同程度にまで、吸収軸透過率を低下させることができることが分かった。また、グリッド幅により吸収軸透過率をコントロール可能であることが分かった。

［実施例５：吸収層の積層順に対する光学特性］
図１３に示すように水晶基板上にＴａ、Ｓｉをこの順番に積層（積層順Ａ）した偏光素子と、図１４に示すように水晶基板上にＳｉ、Ｔａをこの順番に積層（積層順Ｂ）した偏光素子を作製した。図１５及び図１６に、それぞれ積層順Ａ及び積層順Ｂの偏光素子の断面のＳＥＭ画像を示す。

これらの偏光素子は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において、コントラスト（消光比：透過軸透過率／吸収軸透過率）が２〜１０程度で、反射率が最低になるように構造設計され、ピッチを１５０ｎｍ、グリッド幅を４５ｎｍ、Ｔａの厚さを５ｎｍ、Ｓｉの厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを３５ｎｍとした。なお、吸収層をＴａ、Ｓｉの２層構造とした以外は、実施例１と同様にして、積層順Ａ、Ｂの偏光素子を作製した。

図１７及び図１８に、それぞれ積層順Ａ及び積層順Ｂの偏光素子の光学特性を示す。また、表２に、積層順Ａ及び積層順Ｂの偏光素子について、測定波長を青域の４３０〜５１０ｎｍ、緑域の５２０〜５９０ｎｍ、及び赤域の６００〜６８０ｎｍとしたときの透過率と反射率の平均値を示す。

表２に示す結果から、吸収層としてＴａ、Ｓｉを積層した偏光素子は、積層順Ａ、Ｂともに緑域（５２０〜５９０ｎｍ）において反射率が低く、良好なコントラストが得られることが分かった。

また、図１９及び図２０に、測定波長を緑域の５２０〜５９０ｎｍとしたときの透過軸及び吸収軸における透過率及び反射率をプロットしたグラフを示す。これらの結果において、積層順Ａ及び積層順Ｂ共に反射率に差は見られないものの、透過率については積層順Ａよりも積層順Ｂの方が良好であることが分かった。

［実施例６：吸収層の幅に対する光学特性］
次に、図２１に示すように吸収層の幅Ｗを変え、光学特性に及ぼす影響について評価した。先ず、シミュレーションソフト（ＧＳＤ社製、Ｇｓｏｌｖｅｒ）を用いて、幅Ｗが４０．０ｎｍ、３７．５ｎｍ、３０．０ｎｍ、及び２２．５ｎｍである偏光素子の光学特性を計算した。偏光素子のモデルは、ピッチを１５０ｎｍ、グリッド幅を４５ｎｍ、Ｔａの厚さを５ｎｍ、Ｓｉの厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを３５ｎｍとし、水晶基板上にＳｉを積層させた積層順Ｂのものを用いた。

図２２〜図２５に、透過軸透過率Ｔｐ、透過軸反射率Ｒｐ、吸収軸透過率Ｔｓ、及び吸収軸反射率Ｒｓのシミュレーション結果を示す。図２２及び図２３に示す透過軸においては、吸収層の幅Ｗの違いによる大きな差は見られなかった。一方、図２４及び図２５に示す吸収軸においては、幅Ｗが小さくなるにしたがって透過率Ｔｓが上がり、反射率Ｒｓの最小となる波長が短波長側にシフトすることが分かった。

また、吸収層の幅Ｗが異なる偏光素子を作製し、前述したシミュレーション結果を検証した。吸収層の幅Ｗ（サイドエッチング量）は、ＣＦ_４／Ａｒガスによるエッチングにおけるエッチング時間により調整した。なお、前述した図１６に示す積層順Ｂの偏光素子（幅Ｗ＝４６．６ｎｍ）をサンプルＡとした。

図２６に、吸収層の幅Ｗをグリッド幅よりも小さくした偏光素子の断面のＳＥＭ画像を示す。この偏光素子は、吸収層の幅Ｗが４１．０ｎｍであった。これを、サンプルＢとした。また、この偏光素子は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において、コントラスト（消光比：透過軸透過率／吸収軸透過率）が２〜１０程度で、反射率が最低になるように構造設計され、ピッチを１５０ｎｍ、グリッド幅を４５ｎｍ、Ｔａの厚さを５ｎｍ、Ｓｉの厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを３５ｎｍとした。なお、吸収層をＴａ、Ｓｉの２層構造とした以外は、実施例１と同様にして、積層順Ｂの偏光素子を作製した。

図２７〜図３０に、透過軸透過率Ｔｐ、透過軸反射率Ｒｐ、吸収軸透過率Ｔｓ、及び吸収軸反射率Ｒｓの測定結果を示す。図２７及び図２８に示す透過軸においては、シミュレーション同様、吸収層の幅Ｗの違いによる大きな差は見られなかった。一方、図２９及び図３０に示す吸収軸においても、シミュレーションと同様、幅Ｗが小さくなるにしたがって透過率Ｔｓが上がり、反射率Ｒｓの最小となる波長が短波長側にシフトしたが、シミュレーションに比べ、大きくシフトすることが分かった。よって、吸収層の幅Ｗを小さくすることにより、青域（４３０〜５１０ｎｍ）において反射率が低い偏光素子を得ることができることが分かった。

また、表３に、サンプルＡ及びサンプルＢの偏光素子について、測定波長を青域の４３０〜５１０ｎｍ、緑域の５２０〜５９０ｎｍ、及び赤域の６００〜６８０ｎｍとしたときの透過率と反射率の平均値を示す。

表３に示す結果から、吸収層の幅が小さいサンプルＢは、高い透過率を有することが分かった。また、サンプルＢは、短波長の青域（４３０〜５１０ｎｍ）において、良好な吸収軸反射率Ｒｓを示すことが分かった。

［実施例７：保護膜の成膜］
図３１に示すように、耐湿性など信頼性改善を目的として、格子形状を被覆するようにＳｉＯ_２からなる保護膜を成膜した。保護膜の厚さは７．５ｎｍであり、格子状凸部の隙間にも保護膜が成膜されていることが確認された。この偏光素子は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において、コントラスト（消光比：透過軸透過率／吸収軸透過率）が２〜１０程度で、反射率が最低になるように構造設計され、ピッチを１５０ｎｍ、保護膜を含むグリッド幅を６５ｎｍ、Ｔａの厚さを５ｎｍ、Ｓｉの厚さを２０ｎｍ、ＳｉＯ_２の厚さを３０ｎｍ、ＡｌＳｉの厚さを３５ｎｍとした。また、凸部の形状は、ＣＦ_４／Ａｒガスによるエッチングにより、他の層と比較してＴａ／Ｓｉ層の幅が細くなっており、水晶基板も５ｎｍ掘り込まれていた。すなわち、この偏光素子は、図１３に示す積層順Ａの偏光素子と同様にして作製され、さらに保護膜が成膜されたものである。保護膜の成膜方法は、被覆性を良くするため、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用い、原料ガスにＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）及びＯ_２を用いた。

図３２は、保護膜が形成された偏光素子の断面のＳＥＭ画像である。この断面写真より、吸収層の透過軸方向の幅が他の層（反射層、誘電体層）よりも小さいことが確認された。なお、この断面写真では積層された凸部と保護膜との境界が明確ではないが、ＡｌＳｉとＳｉＯ_２界面から凸部頂点までの長さ（ＡｌＳｉと保護膜を足した厚み）を実測したところ４２ｎｍであった。これからＡｌＳｉ膜厚設計値の３５ｎｍを差し引いた分の７ｎｍが保護膜厚と推定できる。

また、図３３及び図３４は、それぞれ保護膜が成膜された偏光素子の透過率及び反射率を示すグラフである。ＣＦ_４／Ａｒガスによるエッチング後の偏光素子と、プラズマＣＶＤによる保護膜の成膜後の偏光素子とについて、それぞれ透過軸透過率、吸収軸透過率、透過軸反射率、及び吸収軸反射率を測定した（ｎ＝３６）。

ＣＦ_４／Ａｒガスによるエッチング後の偏光素子と、プラズマＣＶＤによる保護膜の成膜後の偏光素子との変化量の平均値（ｎ＝３６）は、それぞれ透過軸透過率が−０．１％、吸収軸透過率が＋３．４％、透過軸反射率が±０．０％、及び吸収軸反射率が＋０．５％であった。本実施の形態にける偏光素子は、水晶基板側から光が入射されるため、反射率の変化量はほとんどなく、また、透過率の変化量も小さかった。また、図１４に示す積層順Ｂの偏光素子に保護膜を成膜した場合も同様な結果が得られた。

１偏光素子、１１透明基板、１２吸収層、１３誘電体層、１４反射層、５０液晶パネル、６０クロスダイクロプリズム、１００液晶プロジェクター

Claims

透明基板と、
前記透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された格子状凸部を構成する吸収層と、
前記吸収層上に形成され、前記格子状凸部を構成する誘電体層と、
前記誘電体層上に形成され、前記格子状凸部を構成する反射層と
を備え、
前記吸収層は、２層以上からなり、そのうちいずれか１層が前記透明基板よりも高い屈折率を有する偏光素子。
前記透明基板及び前記格子状凸部の表面を被覆する保護膜を備える請求項１記載の偏光素子。
前記吸収層が、金属及び半導体材料のうち１種以上からなる請求項１又は２に記載の偏光素子。
前記吸収層を構成する材料の熱伝導率が、前記透明基板を構成する材料の熱伝導率よりも高い請求項１乃至３記載のいずれか１項に記載の偏光素子。
前記吸収層が、Ｔａ及びＳｉの２層からなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏光素子。
前記透明基板上にＳｉが形成されている請求項５記載の偏光素子。
前記吸収層の透過軸方向の幅が、前記誘電体層の幅の５０％以上である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光素子。
前記透明基板が、水晶又はサファイアからなる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏光素子。
前記透明基板が水晶からなり、当該水晶の光学軸に対して平行方向又は垂直方向に格子状凸部が配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光素子。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の偏光素子と、光源と、画像表示パネルとを備え、
前記偏光素子は、前記光源からの使用帯域の光を透明基板側から入射し、通過させる液晶プロジェクター。
透明基板と、
前記透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された格子状凸部を構成する吸収層と、
前記吸収層上に形成され、前記格子状凸部を構成する誘電体層と、
前記誘電体層上に形成され、前記格子状凸部を構成する反射層と、
前記透明基板及び前記格子状凸部の表面を被覆する保護膜と
を備える偏光素子の製造方法であって、
前記吸収層は、２層以上からなり、そのうちいずれか１層が前記透明基板よりも高い屈折率を有するようにし、
前記保護膜が、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成される偏光素子の製造方法。