JP6100492B2

JP6100492B2 - 偏光素子、プロジェクター及び偏光素子の製造方法

Info

Publication number: JP6100492B2
Application number: JP2012195547A
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: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: US20140063467A1; JP2014052439A; US9477024B2

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に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

ここで、偏光素子ででは遮蔽側の偏光光が吸収され偏光板中で熱となるため、熱的耐性が高いことが望まれる。しかし、上記各特許文献に記載された発明では、吸収層に熱が加わると誘電体層側に拡散し、特性が低下する。特に、吸収層にＳｉ、誘電体層にＳｉＯ_２を用いた場合、高温下で吸収層が誘電体層へ拡散し、両層のミキシングが起き、これにより光学特性が劣化するおそれがある。

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高温下においても吸収層と誘電体層とのミキシングを防止することができる偏光素子、この偏光素子を用いたプロジェクター及び偏光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上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、上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反射層と、上記反射層上に形成された誘電体層と、上記誘電体層上に形成された拡散バリア層と、上記拡散バリア層上に形成され、上記誘電体層とともに上記拡散バリア層を挟持する吸収層とを備え、上記拡散バリア層は、Ｔａ、Ｎｂ又はＴｉのいずれかであり、上記吸収層は、Ｓｉを含むものである。

また、本発明に係るプロジェクターは、上記偏光素子と、光源と、画像表示パネルとを備え、上記偏光素子は、上記光源からの使用帯域の光を上記透明基板の格子状凸部が形成された面に向かって入射し、通過させるものである。

また、本発明に係る偏光素子の製造方法は、透明基板上に、反射層と、誘電体層と、Ｔａ、Ｎｂ又はＴｉのいずれかからなる拡散バリア層と、Ｓｉを含む吸収層とを、この順に積層し、使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列されたワイヤグリッドをパターニングにより形成するものである。

本発明によれば、可視光域で所望の消光比を持った偏光素子を提供することが可能となる。また、本発明では、従来構造の無機偏光板と比較した場合、拡散バリア層により熱劣化を抑制できるので、偏光板の耐熱性が向上する。このため、液晶プロジェクターに使われるような強い光に対しての耐光特性が求められる場合にも信頼性の高い偏光素子が実現できる。

本発明が適用された偏光素子を示す断面図である。本発明が適用された他の偏光素子を示す断面図である。拡散バリア層を構成する材料の各光学定数を示す表である。拡散バリア層を構成する各種材料を用いた偏光素子における透過率とコントラストとの相関特性を示すグラフである。拡散バリア層を構成する各種材料を用いた偏光素子における透過軸反射率と吸収軸反射率との相関特性を示すグラフである。実施例及び比較例に係る偏光素子の初期の透過率とコントラストとの相関特性を示すグラフである。実施例及び比較例に係る偏光素子の初期の透過軸反射率と吸収軸反射率との相関特性を示すグラフである。熱処理後の実施例に係る偏光素子と初期の比較例に係る偏光素子の、各透過率とコントラストとの相関特性を示すグラフである。熱処理後の実施例に係る偏光素子と初期の比較例に係る偏光素子の、各透過軸反射率と吸収軸反射率との相関特性を示すグラフである。実施例及び比較例に係る偏光素子の１５０℃耐熱試験における経過時間と透過軸透過率との相関特性を示すグラフであり、（Ａ）は実施例、（Ｂ）は比較例に関する。実施例及び比較例に係る偏光素子の１５０℃耐熱試験における経過時間と吸収軸透過率との相関特性を示すグラフであり、（Ａ）は実施例、（Ｂ）は比較例に関する。実施例及び比較例に係る偏光素子の１５０℃耐熱試験における経過時間とコントラストとの相関特性を示すグラフであり、（Ａ）は実施例、（Ｂ）は比較例に関する。実施例及び比較例に係る偏光素子の１５０℃耐熱試験における経過時間と透過軸反射率との相関特性を示すグラフであり、（Ａ）は実施例、（Ｂ）は比較例に関する。実施例及び比較例に係る偏光素子の１５０℃耐熱試験における経過時間と吸収軸反射率との相関特性を示すグラフであり、（Ａ）は実施例、（Ｂ）は比較例に関する。本発明が適用された偏光素子のエッチングプロセスを示す断面図である。本発明が適用されたさらに他の偏光素子を示す断面図である。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。

以下、本発明が適用された偏光素子、プロジェクター及び偏光素子の製造方法について、図面を参照しながら下記順序にて、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
１．偏光素子の構成
２．光学特性の評価試験
３．偏光素子の製造方法
４．液晶プロジェクターの構成例
＜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、使用帯域の光に透明な透明基板１１と、透明基板１１の一方の面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反射層１２と、反射層１２上に形成された誘電体層１３と、誘電体層１３上に形成された拡散バリア層１４と、拡散バリア層１４上に形成された吸収層１５とを備える。すなわち、偏光素子１は、透明基板１１側から反射層１２と誘電体層１３と拡散バリア層１４と吸収層１５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。

吸収層１５及び拡散バリア層１４は金属、半導体など光学定数の消衰定数が零でない、すなわち光吸収作用を持つ物質である。そして、偏光素子１は、誘電体層１３と吸収層１５の間に、吸収層１５の拡散防止を目的とした拡散バリア層１４を備えていることを特徴とする。なお、図２に示すように、偏光素子１は、必要に応じて、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１６を堆積してもよい。

そして、偏光素子１は、透過、反射、干渉、光学異方性による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１２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。

すなわち、ＴＥ波は、吸収層１５及び拡散バリア層１４の光吸収作用によって減衰される。格子状の反射層１２は、ワイヤグリッドとして機能し、吸収層１５、拡散バリア層１４及び誘電体層１３を透過したＴＥ波を反射する。また、誘電体層１３の厚さ及び屈折率を適宜調整することによって、反射層１２で反射したＴＥ波は、吸収層１５及び拡散バリア層１４を通過し透過する際に一部は吸収され、一部は反射し、反射層１２に戻る。また吸収層１５及び拡散バリア層１４を通過した光は干渉して減衰する。以上のようにして、偏光素子１は、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。

［透明基板］
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。

［反射層］
反射層１２は、透明基板１１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１２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のワイヤグリッドが形成された面に向かって入射した光のうち、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１２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。

また、反射層１２の透過軸方向の幅（Ｘ軸方向）を他の層（誘電体層１３、拡散バリア層１４、吸収層１５）より小さくすることにより、透過軸透過率が高くなる。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、偏光素子の透過率を向上させることが可能となる。また、具体的な反射層１２の透過軸方向の幅は、グリッド（誘電体層１３、拡散バリア層１４、吸収層１５）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。反射層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。

［誘電体層］
誘電体層１３は、吸収層１５で反射した偏光に対して、吸収層１５を透過し、反射層１２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１５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、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、等の金属酸化物、ＭｇＦ_２、氷晶石、ゲルマニウム、二酸化チタン、ケイ素、フッ化マグネシウム、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素並びにそれらの組み合わせ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、反射層１３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、誘電体層１３の材料により偏光素子特性を制御してもよい。

［拡散バリア層］
拡散バリア層１４は、吸収層１５と拡散バリア層１４の界面において、吸収層１５の拡散防止効果を有する、又は拡散によリ生成される物質が、偏光素子の光学特性（透過率及び反射率）の変化に及ぼす影響の小さい材料を用いる。拡散バリア層１４は、吸収層にＳｉを用いた場合に、好適には、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属膜が挙げられる。

また、拡散バリア層１４は、後述する吸収層１５との密着性の観点からも、吸収層１５を構成する材料と熱膨張率が近似した材料を用いることが好ましい。例えば吸収層１５をＳｉで形成した場合、拡散バリア層１４は、Ｓｉの熱膨張率（２．６×１０^−６／Ｋ）と近似した熱膨張率を有するＷ（熱膨張率：４．５×１０^−６／Ｋ）、Ｎｂ（熱膨張率：７．３×１０^−６／Ｋ）、Ｔａ（熱膨張率：６．３×１０^−６／Ｋ）、Ｔｉ（熱膨張率：８．６×１０^−６／Ｋ）等を用いることが好ましい。

偏光素子１は、拡散バリア層１４を設けることにより、吸収層１５の拡散及びこれによる光学特性の劣化を防止することができ、アニール処理や実使用時等における耐熱性を向上することができる。

［吸収層］
吸収層１５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等）などが挙げられる。これにより、偏光素子１は、適用される可視光域に対して高い消光比を備えることができる。

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。

なお、吸収層１５は、蒸着法やスパッタ法により、膜が高い密度で形成することができる。また、吸収層１５は、材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。

また、偏光素子１は、図２に示すように、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１６を備えてもよい。保護膜１６は、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１６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１２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１５及び拡散バリア層１４の偏光波の選択的光吸収作用によって減衰され、吸収層１５、拡散バリア層１４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１２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１２で反射したＴＥ波について、吸収層１５を透過する際に一部を反射し、反射層１２に戻すことができ、また、吸収層１５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、本発明が適用された偏光素子１は、吸収層１５と誘電体層１３との間に拡散バリア層１４を介在させている。したがって、偏光素子１は、製造工程においてアニール処理を施した場合や、実使用時において高温化した場合にも、吸収層１５と誘電体層１３とミキシングを防止することができ、光学特性の劣化を防止することができる。このように、偏光素子１は、従来構造の無機偏光板と比較した場合、拡散バリア層１４により熱劣化を抑制できるので、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熱性を示し、信頼性を向上させることができる。

また、本発明により、可視光域で所望の消光比を持った偏光板を提供することが可能となる。ここで、本発明では、従来用いられてきたような有機物よりも耐久性の高い無機物を使用しているため、液晶プロジェクターに使われるような強い光に対しての耐光特性が求められる場合にも、このようなニーズに応えられる信頼性の高い偏光板が実現できる。

なお、偏光素子１は、拡散バリア層１４として、上述したＷ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉのいずれを用いた場合にも、同等の光学特性が得られる。これは、図３に示すように、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉは、いずれも吸収層１５を構成するＳｉと、屈折率ｎ、消衰係数ｋの値が近似しているためである。図４に、厚さ２０ｎｍのＳｉからなる吸収層１５と、厚さ５ｎｍの拡散バリア層１４が形成された偏光素子１において、拡散バリア層１４の材料別に、波長５５０ｎｍの光に対する透過軸透過率とコントラストの相関特性を示す。また、図５に、同じ条件における透過軸反射率と吸収軸反射率の相関特性を示す。両シミュレーション結果からも、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉのいずれを用いた場合にも、低い反射率が得られ、また透過率及びコントラストも高く、同等の光学特性が得られることがわかる。また、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉのいずれも、吸収層１５を構成するＳｉに対する拡散バリア性が高い。

＜２．光学特性の評価試験＞
次いで、拡散バリア層１４を備えた偏光素子１について、拡散バリア層１４を有しない比較例と対比した試験結果について説明する。各試験では、拡散バリア層１４を備えた実施例に係る偏光素子と、拡散バリア層１４を有しない比較例に係る偏光素子を作製し、作製直後（初期）の光学特性を測定するとともに、１５０℃又は３００℃の熱処理を施した後の光学特性についても測定した。

以下に示す図では、拡散バリア層１４を備えた実施例に係る偏光素子をＴａ／Ｓｉとし、拡散バリア層１４を有しない比較例に係る偏光素子をＳｉとして、各種光学特性について測定した結果を示す。また、実施例、比較例共に５つ又は７つのサンプルを作製し、試験を行った。

実施例に係る偏光素子は、透明基板（ガラス）上に、誘電体層（ＳｉＯ_２：３５ｎｍ）／反射層（Ａｌ：２００ｎｍ）／誘電体層（ＳｉＯ_２：１２．５ｎｍ）／拡散バリア層（Ｔａ：５ｎｍ）／吸収層（Ｓｉ：２０ｎｍ）が、この順序で積層されている。

比較例に係る偏光素子は、透明基板（ガラス）上に、誘電体層（ＳｉＯ_２：３５ｎｍ）／反射層（Ａｌ：２００ｎｍ）／誘電体層（ＳｉＯ_２：１２．５ｎｍ）／吸収層（Ｓｉ：２５ｎｍ）が、この順序で積層されている。

実施例、比較例は、共に格子ピッチは１４８ｎｍとしている。また、実施例、比較例は、液晶表示装置で実用上重要である緑域（５５０ｎｍ近辺）において高いコントラストが得られ、反射率が低くなるように構造設計している。

図６は初期の透過軸透過率とコントラストの相関特性を示し、図７は初期の透過軸反射率と吸収軸反射率との相関特性を示す。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。実施例（Ｔａ／Ｓｉ）は、長所として反射率が低いが、短所として透過率が低い。

この短所を補う為、３００℃２時間のアニール処理を行うことで透過軸透過率を向上させた。図８は、比較例（Ｓｉ）とアニール処理後の実施例（Ｔａ／Ｓｉ）の透過軸透過率とコントラストの相関特性を示し、図９は、透過軸反射率と吸収軸反射率の相関特性を示す。アニール処理後の実施例（Ｔａ／Ｓｉ）では、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ている。

次いで、上記アニール処理後の実施例（Ｔａ／Ｓｉ）と比較例（Ｓｉ）に係る偏光素子に対して、１５０℃耐熱試験を行った。図１０は、１５０℃耐熱試験における経過時間と透過軸透過率の推移を示す。図１１は、１５０℃耐熱試験における経過時間と吸収軸透過率の推移を示す。図１２は、１５０℃耐熱試験における経過時間とコントラストの推移を示す。図１３は、１５０℃耐熱試験における経過時間と透過軸反射率の推移を示す。図１４は、１５０℃耐熱試験における経過時間と吸収軸反射率の推移を示す。いずれも、（Ａ）は実施例（Ｔａ／Ｓｉ）のグラフであり、（Ｂ）は比較例（Ｓｉ）のグラフであり、それぞれ７つのサンプルについて測定している。

透過軸反射率（図１３）については有意差が見られなかったが、その他の特性についてはすべて拡散バリア層を備えた実施例（Ｔａ／Ｓｉ）の方が、特性の変化が小さい結果となった。すなわち、拡散バリア層を備えることにより、本発明に係る偏光素子は、耐熱性が向上していることが確認された。一方、拡散バリア層を備えていない比較例では、高温下で吸収層が誘電体操へ拡散し、両層のミキシングが起き、これによりコントラスの低下など光学特性の劣化が起きた。

＜３．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１の製作方法について説明する。先ず、透明基板１１上に、反射層１２（Ａｌ）、誘電体層１３（ＳｉＯ_２）、拡散バリア層１４（Ｔａ）、吸収層１５（Ｓｉ）第１のエッチングマスク層２０（ＳｉＯ_２）及び第２のエッチングマスク層２１（Ａｌ）をこの順に成膜する。

反射層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、反射層１２を得る。

また、誘電体層１３、拡散バリア層１４及び吸収層１５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。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拡散バリア層１４、吸収層１５を成膜してもよい。

次いで、ＢＡＲＣ等の反射防止膜２２及びフォトレジスト２３を形成し、ナノインプリント、フォトリソグラフィ等により格子状のマスクパターンを形成する（図１５（ａ））。図１５（ｂ）〜（ｅ）に、パターニングにフォトリソグラフィを用いた場合のドライエッチングフローを示す。

先ず、反射防止膜２２（ＢＡＲＣ）及び第２のエッチングマスク層２１（Ａｌ）をドライエッチングにより除去する（図１５（ｂ））。反射防止膜２２（ＢＡＲＣ）のエッチングガスとしては、Ａｒ／Ｏ_２を使用することができる。また、第２のエッチングマスク層２１（Ａｌ）のエッチングガスとしては、Ｃｌ_２／ＢＣｌ_３を使用することができる。

次いで、第１のエッチングマスク層２０（ＳｉＯ_２）、吸収層１５（Ｓｉ）、拡散バリア層１４（Ｔａ）、誘電体層１３（ＳｉＯ_２）をドライエッチングにより除去する（図１５（ｃ））。これらのエッチングガスとしては、ＣＦ_４／Ａｒを挙げることができる。

次いで反射層１２をドライエッチングにより除去する（図１５（ｄ））。このエッチングガスとしてはＣｌ_２／ＢＣｌ_３を挙げることができる。

最後にＣＦ_４／Ａｒガスにより、第１のエッチングマスク層２０（ＳｉＯ_２）をエッチングする。エッチングにより第１のエッチングマスク層２０（ＳｉＯ_２）の厚さを最適化する事で、吸収軸反射率を低減することができる。（図１５（ｅ））。それぞれエッチング条件（ガス流量、ガス圧、パワー、基板の冷却温度）を最適化する事によって、垂直性の高い格子形状を実現できる。また、エッチング条件により、反射層１２の幅（Ｘ軸方向）を調整することができる。

なお、反射層１２にＡｌやＡｌＳｉを用いる場合には、吸収層１５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、反射層１２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１６を堆積することも可能である。また、図１６に示すように、透過率の向上を目的として、透明基板１１と反射層１２との間に、ＳｉＯ_２からなる透明下地膜１７を形成してもよい。

また、上記では、第１、第２のエッチングマスク層２０，２１の２層のエッチングマスク膜を用いるプロセスとしたが、第１のエッチングマスク膜２０（ＳｉＯ_２）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することで、第２のエッチングマスク膜２１（Ａｌ）を除き、より生産性の高いプロセスとする事も可能である。

なお、反射層１２にＡｌやＡｌＳｉなど塩素系ガスでエッチングする材料を用いる場合には、反射層１２上に形成される誘電体層１３、拡散バリア層１４、吸収層１５、エッチングマスク層２０，２１の材料については、フッ素との反応性が良く、塩素との反応性が低いものを選択することが好ましい。これにより、エッチングプロセスを簡略化することが可能となり生産性が向上すると共に、垂直性の高い格子形状を形成しやすくなるため、プロセス構築上有利となる。

＜４．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１７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のワイヤグリッドの形成面に向かって入射し、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。

１偏光素子、１１透明基板、１２反射層、１３誘電体層、１４拡散バリア層、１５吸収層、１６保護層、２０第１のエッチングマスク層、２１第２のエッチングマスク層、２２反射防止膜、２３フォトレジスト、５０液晶パネル、６０クロスダイクロプリズム

Claims

透明基板と、
上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反射層と、
上記反射層上に形成された誘電体層と、
上記誘電体層上に形成された拡散バリア層と、
上記拡散バリア層上に形成され、上記誘電体層とともに上記拡散バリア層を挟持する吸収層とを備え、
上記拡散バリア層は、Ｔａ、Ｎｂ又はＴｉのいずれかであり、
上記吸収層は、Ｓｉを含む偏光素子。
上記反射層の幅が、上記誘電体層の幅の５０％以上である請求項１に記載の偏光素子。
上記拡散バリア層がアニール処理されている請求項１又は２に記載の偏光素子。
請求項１乃至３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、
上記偏光素子は、上記光源からの使用帯域の光を上記透明基板の格子状凸部が形成された面に向かって入射し、通過させるプロジェクター。
透明基板上に、反射層と、誘電体層と、Ｔａ、Ｎｂ又はＴｉのいずれかからなる拡散バリア層と、Ｓｉを含む吸収層とを、この順に積層し、
使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列されたワイヤグリッドをパターニングにより形成する偏光素子の製造方法。
上記反射層の幅が、上記誘電体層の幅の５０％以上である請求項５に記載の偏光素子の製造方法。
上記ワイヤグリッドを形成した後、アニール処理を行う請求項５又は６に記載の偏光素子の製造方法。