JP6410906B1 - 偏光素子及び光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】格子状凸部が形成されたグリッド面側からの入射光と基板面側からの入射光との両者に対して吸収軸反射率を低く抑えることが可能な偏光素子及びその製造方法、並びにその偏光素子を備える光学機器を提供する。【解決手段】ワイヤグリッド構造を有する偏光素子１であって、透明基板１０と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板１０上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部１１と、を備え、格子状凸部１１が、透明基板１０側から順に、第１吸収層１３と、第１誘電体層１４と、反射層１５と、第２誘電体層１６と、第２吸収層１７と、を有する偏光素子１である。【選択図】図１
Description
本発明は、偏光素子及び光学機器に関する。
偏光素子は、一方向の偏光を吸収し、これと直交する方向の偏光を透過させる光学素子である。液晶表示装置では、その原理上、偏光素子が必要となる。特に、透過型液晶プロジェクタのような、光量の大きな光源を使用する液晶表示装置では、偏光素子は強い輻射線を受けるため、優れた耐熱性が必要になることに加え、数ｃｍ程度の大きさと、高い消光比とが要求される。これらの要求に応えるため、ワイヤグリッド型の無機偏光素子が提案されている。
ワイヤグリッド型の偏光素子は、一方向に延在する導体のワイヤ（反射層）を、使用帯域の光の波長よりも短いピッチ（数十ｎｍ〜数百ｎｍ）で透明基板上に多数並べて配置した構造を有する。この偏光素子に光が入射すると、ワイヤの延在方向に平行な偏光（ＴＥ波（Ｓ波））は透過することができず、ワイヤの延在方向に垂直な偏光（ＴＭ波（Ｐ波））はそのまま透過する。ワイヤグリッド型の偏光素子は、耐熱性に優れ、比較的大きな素子を作製でき、且つ、高い消光比を有するため、液晶プロジェクタ等の用途に適している。
これまで、ワイヤグリッド型の偏光素子としては、種々の構造の偏光素子が提案されている。
例えば、特許文献１には、基体と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで基体上に配列された格子状凸部と、を備え、格子状凸部が、基体側から順に、ワイヤグリッド層と、誘電体層と、吸収層と、誘電体層と、を有する偏光素子が開示されている。
また、特許文献２には、透明基板と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板上に配列された格子状凸部と、を備え、格子状凸部が、透明基板側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有する偏光素子が開示されている。
また、特許文献２には、透明基板と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板上に配列された格子状凸部と、を備え、格子状凸部が、透明基板側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有する偏光素子が開示されている。
ところで、ワイヤグリッド型の偏光素子を液晶プロジェクタに用いる場合、格子状凸部が形成されたグリッド面を液晶パネル側に向けて配置することが通常である。従って、液晶パネルの出射側に配置される偏光素子においては、格子状凸部が形成されたグリッド面側から光が入射されることになる。特許文献１及び２に記載された従来の偏光素子によれば、格子状凸部が形成されたグリッド面側から入射される光に対して、吸収軸反射率を低く抑えることが可能である。
しかし、液晶プロジェクタにおいては、出射側の偏光素子を透過した光が他の光学素子等で反射され、戻り光として偏光素子に入射されることがある。この場合、特許文献１及び２に記載された従来の偏光素子では、吸収軸反射率を低く抑えることができず、高い割合で反射される。このような戻り光の反射が繰り返されると、ゴースト等により画質が劣化する虞がある。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、格子状凸部が形成されたグリッド面側からの入射光と基板面側からの入射光との両者に対して吸収軸反射率を低く抑えることが可能な偏光素子及びその製造方法、並びにその偏光素子を備える光学機器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、透明基板（例えば、後述の透明基板１０）と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで前記透明基板上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部（例えば、後述の格子状凸部１１）と、を備え、前記格子状凸部が、前記透明基板側から順に、第１吸収層（例えば、後述の第１吸収層１３）と、第１誘電体層（例えば、後述の第１誘電体層１４）と、反射層（例えば、後述の反射層１５）と、第２誘電体層（例えば、後述の第２誘電体層１６）と、第２吸収層（例えば、後述の第２吸収層１７）と、を有する偏光素子（例えば、後述の偏光素子１）を提供する。
前記格子状凸部が、前記透明基板と前記第１吸収層との間に台座（例えば、後述の台座１２）を有し、前記台座が、前記所定方向から見たときに台形状を有していてもよい。
前記台座が、使用帯域の光の波長に対して透明なＳｉ酸化物で構成されていてもよい。
前記第１吸収層と前記第２吸収層とが同一材料で構成されていてもよい。
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが同一材料で構成されていてもよい。
前記第１吸収層の膜厚と前記第２吸収層の膜厚とが略同一であり、且つ、前記第１誘電体層の膜厚と前記第２誘電体層の膜厚とが略同一であってもよい。
前記透明基板が、使用帯域の光の波長に対して透明であり、且つ、ガラス、水晶、又はサファイアで構成されていてもよい。
前記反射層が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。
前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層が、Ｓｉ酸化物で構成されていてもよい。
前記第１吸収層及び前記第２吸収層が、Ｆｅ又はＴａを含むとともに、Ｓｉを含んで構成されていてもよい。
前記偏光素子の前記格子状凸部側の表面が、誘電体からなる保護膜により覆われていてもよい。
前記偏光素子の前記格子状凸部側の表面が、有機系撥水膜により覆われていてもよい。
前記格子状凸部の先端に形成されたグリッド先端部（例えば、後述のグリッド先端部１９）が、前記所定方向から見たときに、先端側ほど幅が狭くなる方向に側面が傾斜した先細形状を有していてもよい。
前記反射層が、金属層（例えば、後述の金属層１５１）と、前記所定方向から見たときに、前記金属層の側面を覆い、前記金属層を構成する金属の酸化物からなる酸化物層（例えば、後述の酸化物層１５２）と、を有していてもよい。
前記反射層の幅が、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層の幅よりも小さくてもよい。
また、本発明は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子の製造方法であって、透明基板上に、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、を前記透明基板側からこの順で有する積層体を形成する工程と、前記積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで前記透明基板上に配列される格子状凸部を形成する工程と、を有する偏光素子の製造方法を提供する。
また、本発明は、前記偏光素子を備える光学機器を提供する。
本発明によれば、格子状凸部が形成されたグリッド面側からの入射光と基板面側からの入射光との両者に対して吸収軸反射率を低く抑えることが可能な偏光素子及びその製造方法、並びにその偏光素子を備える光学機器を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
［偏光素子］
本実施形態に係る偏光素子は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、透明基板と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチ（周期）で透明基板上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部と、を備える。また、この格子状凸部が、透明基板側から順に、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、を有する。
本実施形態に係る偏光素子は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、透明基板と、使用帯域の光の波長よりも短いピッチ（周期）で透明基板上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部と、を備える。また、この格子状凸部が、透明基板側から順に、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、を有する。
図１は、本実施形態に係る偏光素子１の一例を示す断面模式図である。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１０と、透明基板１０の一方の面上に使用帯域の光の波長よりも短いピッチＰで配列された格子状凸部１１と、を備える。格子状凸部１１は、透明基板１０側から順に、必要に応じて形成された台座１２と、第１吸収層１３と、第１誘電体層１４と、反射層１５と、第２誘電体層１６と、第２吸収層１７と、を有する。即ち、図１に示す偏光素子１は、台座１２、第１吸収層１３、第１誘電体層１４、反射層１５、第２誘電体層１６、及び第２吸収層１７が透明基板１０側からこの順に積層されて形成された格子状凸部１１が、透明基板１０上に一次元格子状に配列されたワイヤグリッド構造を有する。
本明細書では、図１に示すように、格子状凸部１１の延在する方向（所定方向）をＹ軸方向と称する。また、Ｙ軸方向に直交し、透明基板１０の主面に沿って格子状凸部１１が配列する方向をＸ軸方向と称する。この場合、偏光素子１に入射する光は、好適には、透明基板１０の格子状凸部１１が形成されている側（グリッド面側）において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向から入射する。
偏光素子１は、透過、反射、干渉、及び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、Ｙ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。従って、Ｙ軸方向が偏光素子１の吸収軸の方向であり、Ｘ軸方向が偏光素子１の透過軸の方向である。
偏光素子１の格子状凸部１１が形成された側（グリッド面側）から入射した光は、第２吸収層１７及び第２誘電体層１６を通過する際に一部が吸収されて減衰する。第２吸収層１７及び第２誘電体層１６を透過した光のうち、ＴＭ波（Ｐ波）は高い透過率で反射層１５、第１誘電体層１４、及び第１吸収層１３を透過する。一方、第２吸収層１７及び第２誘電体層１６を透過した光のうち、ＴＥ波（Ｓ波）は反射層１５で反射される。反射層１５で反射されたＴＥ波は、第２誘電体層１６及び第２吸収層１７を通過する際に一部は吸収され、一部は反射して反射層１５に戻る。また、反射層１５で反射されたＴＥ波は、第２誘電体層１６及び第２吸収層１７を通過する際に干渉して減衰する。
一方、偏光素子１の透明基板１０側（基板面側）から入射した光は、第１吸収層１３及び第１誘電体層１４を通過する際に一部が吸収されて減衰する。第１吸収層１３及び第１誘電体層１４を透過した光のうち、ＴＭ波（Ｐ波）は高い透過率で反射層１５、第２誘電体層１６、及び第２吸収層１７を透過する。一方、第１吸収層１３及び第１誘電体層１４を透過した光のうち、ＴＥ波（Ｓ波）は反射層１５で反射される。反射層１５で反射されたＴＥ波は、第１誘電体層１４及び第１吸収層１３を通過する際に一部は吸収され、一部は反射して反射層１５に戻る。また、反射層１５で反射されたＴＥ波は、第１誘電体層１４及び第１吸収層１３を通過する際に干渉して減衰する。
以上のように、本実施形態に係る偏光素子１によれば、格子状凸部が形成されたグリッド面側からの入射光と基板面側からの入射光との両者に対して吸収軸反射率を低く抑えることが可能である。
透明基板１０としては、使用帯域の光に対して透光性を示す基板であれば特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。「使用帯域の光に対して透光性を示す」とは、使用帯域の光の透過率が１００％であることを意味するものではなく、偏光素子としての機能を保持可能な透光性を示せばよい。使用帯域の光としては、例えば、波長３８０ｎｍ〜８１０ｎｍ程度の可視光が挙げられる。
透明基板１０の主面形状は特に制限されず、目的に応じた形状（例えば、矩形形状）が適宜選択される。透明基板１０の平均厚みは、例えば、０．３ｍｍ〜１ｍｍが好ましい。
透明基板１０の構成材料としては、屈折率が１．１〜２．２の材料が好ましく、ガラス、水晶、サファイア等が挙げられる。コスト及び透光率の観点からは、ガラス、特に石英ガラス（屈折率１．４６）又はソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）を用いることが好ましい。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等の安価なガラス材料を用いることができる。
また、熱伝導性の観点からは、熱伝導性が高い水晶又はサファイア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が得られ、発熱量の多いプロジェクタの光学エンジン用の偏光素子として好ましく用いられる。
なお、水晶等の光学活性の結晶からなる透明基板を用いる場合には、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１１を配置することが好ましい。これにより、優れた光学特性が得られる。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）との屈折率の差が最小となる方向軸である。
格子状凸部１１は、使用帯域の光の波長よりも短いピッチＰで透明基板上に配列される。格子状凸部１１のピッチＰは、使用帯域の光の波長よりも短ければ特に制限されない。作製の容易性及び安定性の観点から、格子状凸部１１のピッチＰは、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。格子状凸部１１のピッチＰは、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡で観察することにより測定することができる。例えば、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡を用いて、任意の４箇所についてピッチを測定し、その算術平均値を格子状凸部１１のピッチとすることができる。以下、この測定方法を電子顕微鏡法と称する。
格子状凸部１１の幅Ｗは特に制限されないが、格子状凸部１１間の凹部の幅よりも小さいことが好ましい。具体的に、格子状凸部１１の幅Ｗは、例えば、３５ｎｍ〜４５ｎｍが好ましい。格子状凸部１１の幅Ｗは、格子状凸部１１の高さの中心位置において、上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
台座１２は、図１に示すように格子状凸部１１の延在する方向（所定方向）から見たとき、つまり所定方向に直交する断面視で、台形状を有する。より詳しくは、台座１２は、所定方向から見たときに、透明基板１０側から第１吸収層１３側に向かうに従い幅が狭まるように側面が傾斜した等脚台形状を有する。
台座１２の膜厚は特に制限されず、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。なお、台座１２の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
台座１２は、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びた誘電体膜が透明基板１０上に配列されてなるものである。台座１２の構成材料としては、使用帯域の光に対して透明であり、透明基板１０よりも屈折率の小さい材料が好ましく、中でも、ＳｉＯ２等のＳｉ酸化物が好ましい。
台座１２は、例えば、透明基板１０上に形成された上記の誘電体からなる下地層１８に対して、ドライエッチングによる等方性エッチングと異方性エッチングとのバランスを段階的に変化させることにより形成可能である。この場合、図１に示すように、台座１２は透明基板１０上に形成された下地層１８上に配置される。台座１２を台形状に形成することにより、屈折率が緩やかに変化するようなモスアイ構造と同等の効果が得られ、光の反射を防止でき、高い透過率特性が得られるものと考えられる。
但し、上述したように、本実施形態において台座１２は必須の構成ではなく、偏光素子１は台座１２を有していなくてもよい。この場合、格子状凸部１１は、下地層１８上に直接配置することができる。
第１吸収層１３は、台座１２上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びて配列されたものである。第１吸収層１３の構成材料としては、金属材料、半導体材料等の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種以上が挙げられ、適用される光の波長範囲によって適宜選択される。金属材料としては、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ等の元素単体又はこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。また、半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料（β−ＦｅＳｉ２、ＭｇＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＢａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＴａＳｉ等）が挙げられる。これらの材料を用いることにより、偏光素子１は、適用される可視光域に対して高い消光比が得られる。中でも、第１吸収層１３は、Ｆｅ又はＴａを含むとともに、Ｓｉを含んで構成されることが好ましい。
第１吸収層１３として半導体材料を用いる場合には、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、即ち、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。
第１吸収層１３の膜厚は特に制限されず、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。この第１吸収層１３の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
なお、第１吸収層１３は、蒸着法、スパッタ法等により高密度の膜として形成可能である。また、第１吸収層１３は、構成材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。
なお、第１吸収層１３は、蒸着法、スパッタ法等により高密度の膜として形成可能である。また、第１吸収層１３は、構成材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。
第１誘電体層１４は、第１吸収層１３上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びた誘電体膜が配列されてなるものである。第１誘電体層１４は、基板面側から入射され第１吸収層１３で反射した偏光に対して、第１吸収層１３を透過して反射層１５で反射した偏光の位相が半波長ずれる膜厚で形成される。具体的には、第１誘電体層１４の膜厚は、偏光の位相を調整して干渉効果を高めることが可能な１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で適宜設定される。この第１誘電体層１４の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
第１誘電体層１４を構成する材料としては、ＳｉＯ２等のＳｉ酸化物、Ａｌ２Ｏ３、酸化ベリリウム、酸化ビスマス等の金属酸化物、ＭｇＦ２、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、又はこれらの組み合わせ等の一般的な材料が挙げられる。中でも、第１誘電体層１４は、Ｓｉ酸化物で構成されることが好ましい。
第１誘電体層１４の屈折率は、１．０より大きく、２．５以下であることが好ましい。反射層１５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、第１誘電体層１４の材料を選択することで、偏光素子１の特性を制御することができる。
また、第１誘電体層１４の膜厚及び屈折率を適宜調整することにより、基板面側から入射され反射層１５で反射したＴＥ波について、第１吸収層１３を透過する際に一部を反射して反射層１５に戻すことができ、第１吸収層１３を通過した光を干渉により減衰させることができる。このようにして、基板面側から入射した光のうち、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、第１誘電体層１４の膜厚及び屈折率を適宜調整することにより、基板面側から入射され反射層１５で反射したＴＥ波について、第１吸収層１３を透過する際に一部を反射して反射層１５に戻すことができ、第１吸収層１３を通過した光を干渉により減衰させることができる。このようにして、基板面側から入射した光のうち、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。
反射層１５は、第１誘電体層１４上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びた金属膜が配列されてなるものである。この反射層１５は、ワイヤグリッド型偏光子としての機能を有し、反射層１５の長手方向に平行な方向に電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、反射層１５の長手方向に直交する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１５の構成材料としては、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等の元素単体又はこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。中でも、反射層１５は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されることが好ましい。なお、これらの金属材料以外にも、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又は樹脂膜で反射層１５を構成してもよい。
反射層１５の膜厚は、特に制限されず、例えば、１００ｎｍ〜３００ｎｍが好ましい。なお、反射層１５の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
第２誘電体層１６は、反射層１５上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びた誘電体膜が配列されてなるものである。第２誘電体層１６は、グリッド面側から入射され第２吸収層１７で反射した偏光に対して、第２吸収層１７を透過して反射層１５で反射した偏光の位相が半波長ずれる膜厚で形成される。具体的には、第２誘電体層１６の膜厚は、偏光の位相を調整して干渉効果を高めることが可能な１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で適宜設定される。この第２誘電体層１６の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
第２誘電体層１６を構成する材料としては、第１誘電体層１４と同様の材料が挙げられる。中でも、第２誘電体層１６は、第１誘電体層１４と同一材料で構成されることが好ましい。第１誘電体層１４及び第２誘電体層１６を同一材料で構成することで、製造時のエッチング条件等が同一となり、製造が容易になる。また、第１誘電体層１４の性能と第２誘電体層１６の性能とを合わせることも可能となる。
第２誘電体層１６の屈折率は、１．０より大きく、２．５以下であることが好ましい。反射層１５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、第２誘電体層１４の材料を選択することで、偏光素子１の特性を制御することができる。
また、第２誘電体層１６の膜厚及び屈折率を適宜調整することにより、グリッド面側から入射され反射層１５で反射したＴＥ波について、第２吸収層１７を透過する際に一部を反射して反射層１５に戻すことができ、第２吸収層１７を通過した光を干渉により減衰させることができる。このようにして、グリッド面側から入射した光のうち、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、第２誘電体層１６の膜厚及び屈折率を適宜調整することにより、グリッド面側から入射され反射層１５で反射したＴＥ波について、第２吸収層１７を透過する際に一部を反射して反射層１５に戻すことができ、第２吸収層１７を通過した光を干渉により減衰させることができる。このようにして、グリッド面側から入射した光のうち、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。
第２吸収層１７は、第２誘電体層１６上に形成され、吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びて配列されたものである。第２吸収層１７の構成材料としては、第１吸収層１３と同様の材料が挙げられる。中でも、第２吸収層１７は、第１吸収層１３と同一材料で構成されることが好ましい。第１吸収層１３及び第２吸収層１７を同一材料で構成することで、製造時のエッチング条件等が同一となり、製造が容易になる。また、第１吸収層１３の性能と第２吸収層１７の性能とを合わせることも可能となる。
第２吸収層１７の膜厚は、特に制限されず、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。この第２吸収層１７の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
なお、第２吸収層１７は、蒸着法、スパッタ法等により、高密度の膜として形成可能である。また、第２吸収層１７は、構成材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。
なお、第２吸収層１７は、蒸着法、スパッタ法等により、高密度の膜として形成可能である。また、第２吸収層１７は、構成材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。
なお、本実施形態に係る偏光素子１においては、第１吸収層１３の膜厚と第２吸収層１７の膜厚とが略同一であり、且つ、第１誘電体層１４の膜厚と第２誘電体層１６の膜厚とが略同一であることが好ましい。具体的には、第１吸収層１３の膜厚をｔ１（ｎｍ）としたとき、第２吸収層１７の膜厚は０．９０ｔ１（ｎｍ）〜１．１０ｔ１（ｎｍ）であることが好ましく、０．９５ｔ１（ｎｍ）〜１．０５ｔ１（ｎｍ）であることがより好ましい。また、第１誘電体層１４の膜厚をｔ２（ｎｍ）としたとき、第２誘電体層１６の膜厚は０．９０ｔ２（ｎｍ）〜１．１０ｔ２（ｎｍ）であることが好ましく、０．９５ｔ２（ｎｍ）〜１．０５ｔ２（ｎｍ）であることがより好ましい。このように膜厚を合わせることにより、グリッド面側からの入射光と基板面側からの入射光とについて、吸収軸反射率の最小点における波長を合わせることが可能となる。
以上の構成を備える本実施形態に係る偏光素子１は、第１吸収層１３と第１誘電体層１４との間、及び第２誘電体層１６と第２吸収層１７との間に、それぞれ拡散バリア層を有していてもよい。即ちこの場合には、格子状凸部１１は、透明基板１０側から順に、台座１２と、第１吸収層１３と、拡散バリア層と、第１誘電体層１４と、反射層１５と、第２誘電体層１６と、拡散バリア層と、第２吸収層１７と、を有する。拡散バリア層を有することにより、第１吸収層１３及び第２吸収層１７における光の拡散が防止される。この拡散バリア層は、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ等の金属膜で構成される。
また、本実施形態に係る偏光素子１は、光学特性の変化に影響を与えない範囲において、グリッド面側の表面が、誘電体からなる保護膜により覆われていてもよい。保護膜は、誘電体膜で構成され、グリッド面側の表面に、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、ＡＬＤ法（原子層堆積法）等を利用することにより形成可能である。これにより、金属膜に対する必要以上の酸化反応を抑制することができる。
さらに、本実施形態に係る偏光素子１は、グリッド面側の表面が、有機系撥水膜により覆われていてもよい。有機系撥水膜は、例えばパーフルオロデシルトリエトキシシラン（ＦＤＴＳ）等のフッ素系シラン化合物等で構成され、上述のＣＶＤ法、ＡＬＤ法等を利用することにより形成可能である。これにより、偏光素子１の耐湿性等の信頼性を向上できる。
［偏光素子の製造方法］
本実施形態に係る偏光素子の製造方法は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子の製造方法であって、透明基板上に、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、を透明基板側からこの順で有する積層体を形成する工程と、この積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板上に配列される格子状凸部を形成する工程と、を有する。
本実施形態に係る偏光素子の製造方法は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子の製造方法であって、透明基板上に、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、を透明基板側からこの順で有する積層体を形成する工程と、この積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板上に配列される格子状凸部を形成する工程と、を有する。
以下では一例として、図１に示す偏光素子１の製造方法について説明する。
まず、透明基板１０上に、下地層と、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、を透明基板１０側からこの順で有する積層体を形成する。これらの各層の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法等が挙げられる。
次いで、フォトリソグラフィ法、ナノインプリント法等により、第２吸収層上に一次元格子状のマスクパターンを形成する。そして、積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで透明基板１０上に配列される格子状凸部１１を形成する。エッチング方法としては、例えば、エッチング対象に対応したエッチングガスを用いたドライエッチング法が挙げられる。
特に、図１に示す偏光素子１を製造する際には、下地層のエッチング条件を最適化することにより、格子状凸部１１の延在方向から見たときに台形状を有する台座１２を形成する。以上により、図１に示す偏光素子１が製造される。
なお、本実施形態に係る偏光素子の製造方法は、グリッド面側の表面を保護膜で被覆する工程をさらに有していてもよい。また、本実施形態に係る偏光素子の製造方法は、グリッド面側の表面を有機系撥水膜で被覆する工程をさらに有していてもよい。
［光学機器］
本実施形態に係る光学機器は、上述した本実施形態に係る偏光素子を備える。光学機器としては、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等が挙げられる。本実施形態に係る偏光素子は、有機偏光素子に比べて耐熱性に優れる無機偏光素子であるため、耐熱性が要求される液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ等の用途に好適である。
本実施形態に係る光学機器は、上述した本実施形態に係る偏光素子を備える。光学機器としては、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ等が挙げられる。本実施形態に係る偏光素子は、有機偏光素子に比べて耐熱性に優れる無機偏光素子であるため、耐熱性が要求される液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ等の用途に好適である。
本実施形態に係る光学機器が複数の偏光素子を備える場合、複数の偏光素子の少なくとも１つが本実施形態に係る偏光素子であればよい。例えば、本実施形態に係る光学機器が液晶プロジェクタである場合、液晶パネルの入射側及び出射側に配置される偏光素子の少なくとも一方が本実施形態に係る偏光素子であればよい。ゴースト等による画質の劣化をより低減する観点からは、少なくとも出射側の偏光素子が本実施形態に係る偏光素子であることが好ましく、入射側及び出射側の両方の偏光素子が本実施形態に係る偏光素子であることがより好ましい。
以上説明した偏光素子１及びその製造方法、並びに光学機器によれば、次のような効果が奏される。
本実施形態に係る偏光素子１は、第１吸収層１３、第１誘電体層１４、反射層１５、第２誘電体層１６、及び第２吸収層１７が透明基板１０側からこの順に積層されて形成された格子状凸部１１を備えるため、グリッド面側からの入射光と基板面側からの入射光との両者に対して吸収軸反射率を低く抑えることが可能となる。従って、液晶プロジェクタにおける液晶パネルの出射側の偏光素子として本実施形態に係る偏光素子１を用いた場合であっても、ゴースト等による画質の劣化を低減することが可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形及び改良は本発明に含まれる。
図２は、本実施形態の変形例１に係る偏光素子１Ａを示す断面模式図である。この偏光素子１Ａでは、格子状凸部１１Ａの先端に形成されたグリッド先端部１９が、格子状凸部１１Ａの延在する方向（所定方向）から見たときに、先端側ほど幅が狭くなる方向に側面が傾斜した先細形状を有する。より詳しくは、変形例１に係る偏光素子１Ａのグリッド先端部１９は、等脚台形状を有する。このグリッド先端部１９は、反射層１５Ａの一部、第２誘電体層１６Ａ、及び第２吸収層１７Ａで構成される。
図２のように、グリッド先端部１９を先細形状とすることにより、透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の透過率を高めることができる。このようにＴＭ波の透過率が高まる理由としては、グリッド先端部１９を先細形状とすることにより、角度バラツキを持って入射してくる光に対して散乱を抑制する効果があるためと考えられる。
なお、図２では、グリッド先端部１９に反射層１５Ａの一部が含まれるものとしたが、この構造に限定されず、例えば、第２誘電体層１６Ａ及び第２吸収層１７Ａのみでグリッド先端部１９を構成してもよい。
図３は、本実施形態の変形例２に係る偏光素子１Ｂを示す断面模式図である。この偏光素子１Ｂでは、反射層１５Ｂが、金属層１５１と、格子状凸部１１Ｂの延在する方向（所定方向）から見たときに、金属層１５１の側面を覆い、金属層１５１を構成する金属の酸化物からなる酸化物層１５２と、を有する。
金属層１５１の構成材料としては、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等の元素単体又はこれらの１種以上の元素を含む合金が挙げられる。中でも、金属層１５１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されることが好ましい。
酸化物層１５２は、金属層１５１を構成する金属の酸化物からなる。例えば、金属層１５１がＡｌで構成される場合には、酸化物層１５２はＡｌ２Ｏ３で構成される。この酸化物層１５２は、金属層の熱処理による酸化反応等により形成される。
図３のように、反射層１５Ｂを、金属層１５１と酸化物層１５２とで構成することにより、光の入射方向から見た反射層１５Ｂの面積が偏光され、反射層１５Ｂで反射される光の量が変化する。従って、グリッド幅を狭めることなく、グリッド幅を狭めた場合と同等の光透過特性を得ることができる。
なお、変形例２に係る偏光素子１Ｂにおいても、変形例１に係る偏光素子１Ａと同様に、格子状凸部１１Ｂの先端にグリッド先端部を形成してもよい。
図４は、本実施形態の変形例３に係る偏光素子１Ｃを示す断面模式図である。この偏光素子１Ｃの格子状凸部１１Ｃでは、反射層１５Ｃの幅が、第１誘電体層１４及び第２誘電体層１６の幅よりも小さくなっている。
図４のように、反射層１５Ｃの幅を、第１誘電体層１４及び第２誘電体層１６の幅よりも小さくすることにより、光の入射方向から見た反射層１５Ｃの面積が変更され、反射層１５Ｃで反射される光の量が変化する。従って、反射層１５Ｃの幅を制御することにより、偏光素子１Ｃの光透過特性を制御することができる。
なお、変形例３に係る偏光素子１Ｃにおいても、変形例１に係る偏光素子１Ａと同様に、格子状凸部１１Ｃの先端にグリッド先端部を形成してもよい。
次に、本発明の実施例について説明するが、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及び比較例１＞
実施例１では、図１に示す構造の偏光素子１をシミュレーションに供した。また、比較例１では、図５に示す構造の偏光素子１００をシミュレーションに供した。より具体的には、これらの偏光素子の光学特性について、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法による電磁界シミュレーションにより検証した。シミュレーションには、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌｖｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社のグレーティングシミュレータＧｓｏｌｖｅｒを用いた。なお、実施例１の偏光素子１及び比較例１の偏光素子１００は、色帯域（波長λ＝５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ（所定の波長））の光に対して最適化されるよう設計されたものである。
実施例１では、図１に示す構造の偏光素子１をシミュレーションに供した。また、比較例１では、図５に示す構造の偏光素子１００をシミュレーションに供した。より具体的には、これらの偏光素子の光学特性について、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法による電磁界シミュレーションにより検証した。シミュレーションには、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌｖｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社のグレーティングシミュレータＧｓｏｌｖｅｒを用いた。なお、実施例１の偏光素子１及び比較例１の偏光素子１００は、色帯域（波長λ＝５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ（所定の波長））の光に対して最適化されるよう設計されたものである。
図５は、比較例１の偏光素子１００の構造を示す断面模式図である。図５中、図１に示す偏光素子１と共通する構成については同一の符号を付している。偏光素子１００の格子状凸部１０１は、第１吸収層１３及び第１誘電体層１４を有しないこと以外は、図１に示す偏光素子１の格子状凸部１１と同一の構成である。
図６は、図１に示す構造の偏光素子１及び図５に示す構造の偏光素子１００について、グリッド面側からの入射光に対する吸収軸反射率をシミュレーションにより検証した結果を示すグラフである。図６中、横軸が波長λ（ｎｍ）を示しており、縦軸が吸収軸反射率（％）を示している。ここで、吸収軸反射率とは、偏光素子に入射する吸収軸方向（Ｙ軸方向）の偏光（ＴＥ波）の反射率を意味する。
図６に示すように、グリッド面側から光が入射した場合には、図１及び図５のいずれの構造であっても、第２誘電体層１６及び第２吸収層１７の機能により、吸収軸反射率が低く抑えられた。
図７は、図１に示す構造の偏光素子１及び図５に示す構造の偏光素子１００について、基板面側からの入射光に対する吸収軸反射率をシミュレーションにより検証した結果を示すグラフである。図７中、横軸が波長λ（ｎｍ）を示しており、縦軸が吸収軸反射率（％）を示している。
図７に示すように、基板面側から光が入射した場合、図１に示す構造の偏光素子１では、第１吸収層１３及び第１誘電体層１４の機能により、吸収軸反射率が低く抑えられた。一方、図５に示す構造の偏光素子１００では、第１吸収層１３及び第１誘電体層１４を有しないため、吸収軸反射率が顕著に増大した。
＜実施例２＞
実施例２では、図１に示す構造の偏光素子１を実際に作製し、光学特性を検証した。図８は、図１に示す構造の偏光素子１について、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検証した結果を示すグラフである。図８中、横軸が波長λ（ｎｍ）を示しており、縦軸が透過率又は反射率（％）を示している。ここで、透過軸透過率とは、偏光素子に入射する透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の透過率を意味し、透過軸反射率とは、偏光素子に入射する透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の反射率を意味する。また、吸収軸透過率とは、偏光素子に入射する吸収軸方向（Ｙ軸方向）の偏光（ＴＥ波）の透過率を意味する。
なお、吸収軸反射率については、グリッド面側からの入射光及び基板面側からの入射光の両者について検証し、それ以外の光学特性については、グリッド面側からの入射光について検証した。
実施例２では、図１に示す構造の偏光素子１を実際に作製し、光学特性を検証した。図８は、図１に示す構造の偏光素子１について、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検証した結果を示すグラフである。図８中、横軸が波長λ（ｎｍ）を示しており、縦軸が透過率又は反射率（％）を示している。ここで、透過軸透過率とは、偏光素子に入射する透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の透過率を意味し、透過軸反射率とは、偏光素子に入射する透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の反射率を意味する。また、吸収軸透過率とは、偏光素子に入射する吸収軸方向（Ｙ軸方向）の偏光（ＴＥ波）の透過率を意味する。
なお、吸収軸反射率については、グリッド面側からの入射光及び基板面側からの入射光の両者について検証し、それ以外の光学特性については、グリッド面側からの入射光について検証した。
図８に示すように、図１に示す構造の偏光素子１では、グリッド面側からの入射光及び基板面側からの入射光の両者について、吸収軸反射率を低く抑えることができ、且つ、他の光学特性への悪影響もなかった。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 偏光素子、１０ 透明基板、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 格子状凸部、１２ 台座、１３ 第１吸収層、１４ 第１誘電体層、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ 反射層、１６，１６Ａ 第２誘電体層、１７，１７Ａ 第２吸収層、１８ 下地層、１９ グリッド先端部、１００ 偏光素子、１０１ 格子状凸部、１５１ 金属層、１５２ 酸化物層
Claims (13)
- ワイヤグリッド構造を有する偏光素子であって、
透明基板と、
使用帯域の光の波長よりも短いピッチで前記透明基板上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部と、を備え、
前記格子状凸部が、第１吸収層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、第２吸収層と、が前記透明基板側からこの順で連続した構造を有するか、又は、第１吸収層と、金属膜からなる拡散バリア層と、第１誘電体層と、反射層と、第２誘電体層と、金属膜からなる拡散バリア層と、第２吸収層と、が前記透明基板側からこの順で連続した構造を有し、
前記格子状凸部が、前記透明基板と前記第１吸収層との間に台座を有し、該台座が、前記所定方向から見たときに台形状を有し、
前記第１吸収層の膜厚と前記第２吸収層の膜厚とが略同一であり、且つ、前記第１誘電体層の膜厚と前記第２誘電体層の膜厚とが略同一であり、
前記反射層の幅が、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層の幅よりも小さい偏光素子。 - 前記台座が、使用帯域の光の波長に対して透明なＳｉ酸化物で構成される請求項１に記載の偏光素子。
- 前記第１吸収層と前記第２吸収層とが同一材料で構成される請求項１又は２に記載の偏光素子。
- 前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが同一材料で構成される請求項１から３のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記透明基板が、使用帯域の光の波長に対して透明であり、且つ、ガラス、水晶、又はサファイアで構成される請求項１から４のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記反射層が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成される請求項１から５のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層が、Ｓｉ酸化物で構成される請求項１から６のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記第１吸収層及び前記第２吸収層が、Ｆｅ又はＴａを含むとともに、Ｓｉを含んで構成される請求項１から７のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記偏光素子の前記格子状凸部側の表面が、誘電体からなる保護膜により覆われている請求項１から８のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記偏光素子の前記格子状凸部側の表面が、有機系撥水膜により覆われている請求項１から９のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記格子状凸部の先端に形成されたグリッド先端部が、前記所定方向から見たときに、先端側ほど幅が狭くなる方向に側面が傾斜した先細形状を有する請求項１から１０のいずれかに記載の偏光素子。
- 前記反射層が、金属層と、前記所定方向から見たときに、前記金属層の側面を覆い、前記金属層を構成する金属の酸化物からなる酸化物層と、を有する請求項１から１１のいずれかに記載の偏光素子。
- 請求項１から１２のいずれかに記載の偏光素子を備える光学機器。
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