JP6484373B1 - 偏光板及びこれを備える光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い透過率特性と高い耐久性を有する偏光板を提供すること。
【解決手段】ワイヤグリッド構造を有する偏光板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、反射層１２と、誘電体層１３と、吸収層１４と、を有し、格子状凸部１１の表面には、吸収層１４の上面及び側面と、誘電体層１３の側面と、の全部を覆うとともに、反射層１２の側面の少なくとも一部を覆う保護層１５が設けられ、反射層１２の側面における保護層１５の厚さが、吸収層１４の側面における保護層１５の厚さよりも薄い偏光板１である。
【選択図】図１
【解決手段】ワイヤグリッド構造を有する偏光板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、反射層１２と、誘電体層１３と、吸収層１４と、を有し、格子状凸部１１の表面には、吸収層１４の上面及び側面と、誘電体層１３の側面と、の全部を覆うとともに、反射層１２の側面の少なくとも一部を覆う保護層１５が設けられ、反射層１２の側面における保護層１５の厚さが、吸収層１４の側面における保護層１５の厚さよりも薄い偏光板１である。
【選択図】図１
Description
本発明は、偏光板及びこれを備える光学機器に関する。
偏光板は、吸収軸方向の偏光を吸収し、該吸収軸方向と直交する透過軸方向の偏光を透過させる光学素子である。近年、耐熱性が要求される液晶プロジェクタ等の光学機器において、有機偏光板に代わり、ワイヤグリッド型の無機偏光板が採用され始めている。
この無機偏光板は、透明基板側から順に、反射層、誘電体層及び吸収層を有して構成される。また、これらの各無機層は、物理成膜法等により形成され、フォトリソ・ドライエッチング技術等によりワイヤグリッド型の偏光子パターンが形成される。
ところで、画像表示装置等の光学機器に用いられる偏光板は、実使用上、高温高湿の環境下やダスト環境下に晒される。そのため、偏光板の酸化や腐食が生じて光学特性に悪影響を及ぼし、表示画像の２次元的歪や色の歪等が生じるおそれがある。
そこで、ワイヤグリッド型の無機偏光板において、吸収層を構成する無機微粒子層を、誘電体層の頂部の側面に設けた偏光板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この偏光板によれば、強い光に対して高い耐久性が得られるとされている。
しかしながら、特許文献１の偏光板では、高い透過率特性を維持しつつ高い耐久性を得ることは困難であった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、高い透過率特性と高い耐久性を有する偏光板を提供することを目的とする。
（１） 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板であって、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、反射層（例えば、後述の反射層１２）と、誘電体層（例えば、後述の誘電体層１３）と、吸収層（例えば、後述の吸収層１４）と、を有し、前記格子状凸部の表面には、前記吸収層の上面及び側面と、前記誘電体層の側面と、の全部を覆うとともに、前記反射層の側面の少なくとも一部を覆う保護層（例えば、後述の保護層１５）が設けられ、前記反射層の側面における前記保護層の厚さが、前記吸収層の側面における前記保護層の厚さよりも薄い偏光板（例えば、後述の偏光板１）を提供する。
（２） （１）の偏光板において、前記反射層の側面における前記保護層の厚さが、前記誘電体層の側面における前記保護層の厚さよりも薄く、前記誘電体層の側面における前記保護層の厚さが、前記吸収層の側面における前記保護層の厚さよりも薄くてもよい。
（３） （１）又は（２）の偏光板において、前記吸収層の側面、前記誘電体層の側面及び前記反射層の側面における保護層の厚さが、これら側面に沿って前記透明基板に向かうに従って薄くてもよい。
（４） （１）から（３）いずれかの偏光板において、前記反射層の側面における前記保護層は、前記格子状凸部の側面全体のうちの５０％以下の領域を覆っていてもよい。
（５） （１）から（４）いずれかの偏光板において、前記透明基板の主面に対して垂直な方向から入射される入射光（例えば、後述の入射光Ｌ）と、前記保護層の側面に直交する側面入射面法線（例えば、後述の側面入射面法線Ｎ）との成す角で定義される側面入射角α（例えば、後述の側面入射角α）の角度が、下記数式（１）により算出されてもよい。
（６） （１）から（５）いずれかの偏光板において、前記反射層、前記誘電体層、前記吸収層及び前記保護層は、いずれも無機材料からなるものであってもよい。
（７） （１）から（６）いずれかの偏光板において、前記格子状凸部の表面には、前記保護層を覆う撥水層が設けられていてもよい。
（８） （１）から（７）いずれかの偏光板において、前記撥水層は、フッ素を含有し、その厚さが５ｎｍ以下であってもよい。
（９） （１）から（８）いずれかの偏光板を備える光学機器を提供する。
本発明によれば、高い透過率特性と高い耐久性を有する偏光板を提供できる。
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。
［偏光板］
本発明の一実施形態に係る偏光板は、ワイヤグリッド構造を有する無機偏光板であって、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て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、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有する。
本発明の一実施形態に係る偏光板は、ワイヤグリッド構造を有する無機偏光板であって、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て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、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有する。
図１は、本発明の一実施形態に係る偏光板１を示す断面模式図である。図１に示すように、偏光板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、反射層１２と、誘電体層１３と、吸収層１４と、を有する。即ち、偏光板１は、反射層１２、誘電体層１３及び吸収層１４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。
また、偏光板１は、格子状凸部１１の表面に形成された保護層１５を備える。この保護層１５については、後段で詳述する。
ここで、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、偏光板１に入射する光は、透明基板１０の格子状凸部１１が形成されている側において、好適にはＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向から入射する。
偏光板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波（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波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。従って、Ｙ軸方向が偏光板１の吸収軸の方向であり、Ｘ軸方向が偏光板１の透過軸の方向である。
偏光板１の格子状凸部１１が形成された側から入射した光は、保護層１５、吸収層１４及び誘電体層１３を通過する際に一部が吸収されて減衰する。保護層１５、吸収層１４及び誘電体層１３を透過した光のうち、偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））は高い透過率で反射層１２を透過する。一方、保護層１５、吸収層１４及び誘電体層１３を透過した光のうち、偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））は反射層１２で反射される。反射層１２で反射されたＴＥ波は、保護層１５、吸収層１４及び誘電体層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１２に戻る。また、反射層１２で反射されたＴＥ波は、保護層１５、吸収層１４及び誘電体層１３を通過する際に干渉して減衰する。以上のようにして、偏光板１は、ＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、所望の偏光特性が得られる。
格子状凸部１１は、図１に示すように各一次元格子の延在する方向（以下、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、矩形状のグリッド脚部１６と、矩形状のグリッド先端部１７と、を有する。
グリッド脚部１６は、透明基板１０側から垂直に延びて形成される。このグリッド脚部１６は、反射層１２で構成される。即ち、グリッド脚部１６とグリッド先端部１７との境界は、反射層１２と誘電体層１３の境界に位置する。
グリッド先端部１７は、所定方向から見たときに矩形状を有する。このグリッド先端部１７は、誘電体層１３及び吸収層１４で構成される。
グリッド脚部１６は、透明基板１０側から垂直に延びて形成される。このグリッド脚部１６は、反射層１２で構成される。即ち、グリッド脚部１６とグリッド先端部１７との境界は、反射層１２と誘電体層１３の境界に位置する。
グリッド先端部１７は、所定方向から見たときに矩形状を有する。このグリッド先端部１７は、誘電体層１３及び吸収層１４で構成される。
ここで、以下の説明において、高さ方向とは、透明基板１０の主面に垂直な方向を意味し、幅とは、格子状凸部１１の延びる方向に沿うＹ軸方向から見たときに、高さ方向に直交するＸ軸方向の寸法を意味する。また、偏光板１を格子状凸部１１の延びる方向に沿うＹ軸方向から見たときに、格子状凸部１１のＸ軸方向の繰り返し間隔をピッチＰ（不図示）と称する。
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。この格子状凸部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Ｐを測定し、その算術平均値を格子状凸部１１のピッチＰ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。
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、偏光板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）やソーダ石灰ガラス（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や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板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）の屈折率の差が最小となる方向軸である。
透明基板１０の形状は、特に限定されず、例えばφ６インチやφ８インチのウエハ形状であってもよい。透明基板１０をウエハ形状とした場合は、格子状凸部１１を形成した後にスクライブ装置等により任意の寸法に切出すことで、例えば矩形状の偏光板１が得られる。
反射層１２は、透明基板１０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。より詳しくは、反射層１２は、透明基板１０側から垂直に延びており、上記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、矩形状を有する。この反射層１２は、ワイヤグリッド型偏光子としての機能を有し、反射層１２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１２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１２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１２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や樹脂膜で反射層１２を構成してもよい。
反射層１２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。
誘電体層１３は、反射層１２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。誘電体層１３は、吸収層１４で反射した偏光に対して、吸収層１４を透過して反射層１２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、誘電体層１３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１〜５００ｎｍの範囲で適宜設定される。この誘電体層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。
誘電体層１３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、誘電体層１３は、Ｓｉ酸化物で構成されることが好ましい。
誘電体層１３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、誘電体層１３の材料を選択することで、偏光板特性を制御することができる。
また、誘電体層１３の膜厚や屈折率を適宜調整することにより、反射層１２で反射したＴＥ波について、吸収層１４を透過する際に一部を反射して反射層１２に戻すことができ、吸収層１４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、誘電体層１３の膜厚や屈折率を適宜調整することにより、反射層１２で反射したＴＥ波について、吸収層１４を透過する際に一部を反射して反射層１２に戻すことができ、吸収層１４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。
吸収層１４は、誘電体層１３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。吸収層１４の構成材料としては、金属材料や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、偏光板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、吸収層１４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。
吸収層１４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。
吸収層１４の膜厚は、特に制限されず、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。この吸収層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。
なお、吸収層１４は、蒸着法やスパッタ法により、高密度の膜として形成可能である。また、吸収層１４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。
次に、保護層１５について詳述する。
保護層１５は、上述した通り、格子状凸部１１の表面に形成される。格子状凸部１１の表面が保護層１５で覆われることにより、耐湿性が向上する他、格子状凸部１１を構成する反射層１２等の金属層に対する必要以上の酸化反応を抑制でき、耐久性が向上する。ただし、過剰な保護層１５の形成は、光学特性劣化の原因となり、特に偏光板にとって重要な透過率（本明細書では、特に、Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波であるＴＭ波（Ｐ波）の透過率を意味する。）を低下させる。この点、本実施形態に係る偏光板１では、保護層１５を形成する領域及び保護層１５の厚さを制御することにより、高い透過率特性を維持しつつ高い耐久性が得られるようになっている。
保護層１５は、上述した通り、格子状凸部１１の表面に形成される。格子状凸部１１の表面が保護層１５で覆われることにより、耐湿性が向上する他、格子状凸部１１を構成する反射層１２等の金属層に対する必要以上の酸化反応を抑制でき、耐久性が向上する。ただし、過剰な保護層１５の形成は、光学特性劣化の原因となり、特に偏光板にとって重要な透過率（本明細書では、特に、Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波であるＴＭ波（Ｐ波）の透過率を意味する。）を低下させる。この点、本実施形態に係る偏光板１では、保護層１５を形成する領域及び保護層１５の厚さを制御することにより、高い透過率特性を維持しつつ高い耐久性が得られるようになっている。
より詳しくは、保護層１５は、吸収層１４の上面及び側面と、誘電体層１３の側面と、の全部を覆うとともに、反射層１２の側面の少なくとも一部を覆うように形成される。また同時に、反射層１２の側面における保護層１５の厚さが、吸収層１４の側面における保護層１５の厚さよりも薄く形成される。これにより、高い透過率特性と高い耐久性が得られる。
好ましくは、保護層１５は、格子状凸部１１の両側面上に、格子状凸部１１に対して対称となるように形成される。即ち、保護層１５は、Ｘ軸方向において、格子状凸部１１に対して対称に配置されていることが好ましい。これにより、所望の偏光特性が得られるようになっている。
また、反射層１２の側面における保護層１５の厚さは、誘電体層１３の側面における保護層１５の厚さよりも薄く、誘電体層１３の側面における保護層１５の厚さが、吸収層１４の側面における保護層１５の厚さよりも薄いことがより好ましい。
上述の厚さの関係をいずれも満たす好ましい態様として、図１に示すように、吸収層１４の側面、誘電体層１３の側面及び反射層１２の側面における保護層１５の厚さが、これら側面に沿って透明基板１０に向かうに従って薄くなる態様が挙げられる。即ち、保護層１５の側面は、透明基板１０側に向かうに従い格子状凸部１１側に傾斜する傾斜面で構成されていることが好ましい。この場合、保護層１５を含めた格子状凸部１１は、図１に示すように逆テーパ状となる。
ただし、保護層１５の厚さが上述の関係を満たすことを条件として、保護層１５は、光の入射側（図１の上側）から透明基板１０側に向かって、段階的に厚さが減少するように形成されていてもよい。このとき、吸収層１４と誘電体層１３との境界や、誘電体層１３と反射層１２との境界において、保護層１５の厚さが変化するように形成されていてもよく、これら境界の間、即ち各層の側面において保護層１５の厚さが変化するように形成されていてもよい。
吸収層１４の上面における保護層１５の厚さは、特に制限されない。例えば、吸収層１４の上面における保護層１５の厚さは、吸収層１４の上端部（光の入射側の端部）の側面における保護層１５の厚さと略同一に設定されるのが好ましい。具体的には、吸収層１４の上面における保護層１５の厚さは、１０ｎｍ以上でることが好ましい。
反射層１２の側面における保護層１５は、格子状凸部側面全体のうち５０％以下となる領域を覆っていることが好ましい。これにより、高い透過率特性を維持しつつ、高い耐久性が得られる。これは、上述したように格子状凸部１１のピッチＰ（即ち、グリッド間隔）がｎｍオーダーであるため、グリッド内部（格子状凸部１１の透明基板１０側）には水分は浸入し難く、耐湿性等の耐久性向上の観点から保護が必要な領域は格子状凸部１１の吸収層側（光の入射側）であることから、透過率の低下を抑制しながら耐久性を向上するためには、格子状凸部１１の吸収層側（光の入射側）を保護すればよいことに起因する。
図１中の破線ｅは、保護層１５の厚さが格子状凸部１１の側面に沿って透明基板１０に向かうに従って薄くなる態様において、保護層１５が反射層１２の側面全体を覆う場合を示している（図１では、便宜上、格子状凸部１１の左側面における保護層１５のみを示している）。これに対して、保護層１５が格子状凸部側面全体のうちの５０％の領域を覆う場合とは、格子状凸部の高さ方向の中央部に保護層１５の下端（透明基板１０側の端部）が配置される場合を意味する。
ここで、保護層１５を含めた格子状凸部１１のグリッド先端部１７におけるＸ軸方向の最大幅を、保護層最大幅Ｄと称し、保護層１５を除く格子状凸部の幅ｄをライン幅ｄと称する（図１参照）。このライン幅ｄは、例えば３５〜４５ｎｍであることが好ましい。この各幅は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。
上述した通り反射層１２は光を反射するが、ライン幅ｄを制御することで、光の入射方向から見た反射層１２の面積が変更され、反射層１２で反射される光の量が変化する。従って、グリッド先端部１７におけるライン幅ｄを制御することで、偏光板１の光透過特性を制御可能である。また、保護層最大幅Ｄを制御することで、入射光路の屈折影響が変動し、光透過特性を制御可能である。
また、図１に示すように、透明基板１０の主面に対して垂直な方向から入射される入射光Ｌと、保護層１５の側面に直交する側面入射面法線Ｎとの成す角で定義される側面入射角αの角度が、下記数式（１）により算出されることが好ましい。これにより、透過率特性の低下を抑制できる。
ここで、図２Ａ〜図２Ｃを参照して、側面入射角αと全反射臨界角との関係について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態に係る偏光板１の側面入射角と全反射臨界角との関係を説明するための図である。具体的には、図２Ａは、保護層１５が反射層１２の側面全体を覆う場合を示しており、図２Ｂは、保護層１５が反射層１２の上端の一部のみを覆う場合を示している。また、図２Ｃは、全反射臨界角を説明するための図である。
本出願人の調査により、保護層１５と空気層の全反射臨界角は５６度であることが判明している（図２Ｃ参照）。また、本実施形態に係る偏光板１では、上述の保護層１５を備えることにより、側面入射角αは全反射臨界角の５６度以上であることが判明している（後述の図７参照）。そのため、図２Ａのように保護層１５を透過する入射光Ｌは、空気層との界面において全反射し、反射層１２への屈折光が増加しているものと考えられる。屈折した入射光は、反射層１２の側面で反射し、その反射光は、側面入射角αが全反射臨界角以下になるまで全反射を繰り返す。これにより、反射層１２での吸収もありかつ散乱の原因となるため、結果として透過率の低下の原因となる。これに対して、図２Ｂのように側面の保護層１５の膜厚（コート厚）が減ると、保護層１５への入射角が小さくなり、特に全反射臨界角以下では、保護層１５と空気層の界面を通過する入射光Ｌが増加し、反射層１２への屈折光が減少する。これにより、吸収、散乱による透過率低下も減少すると考えられ、コート厚も薄くなるため、Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））の透過率が増加するものと考えられる。
上述のように形成される保護層１５は、誘電体膜で構成される。保護層１５は、例えば偏光板１の表面（ワイヤグリッドが形成された面）上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やゾルゲル法等により、均一に形成可能である。しかし、過剰な厚さの保護層は光学特性劣化の原因となる。特に偏光板にとって重要な透過率は保護層の厚さに敏感であるため、薄い方が望ましい。そこで、真空成膜方法の各種条件を制御することで、格子状凸部１１内部への成膜粒子の回り込みを制御する。例えば、透明基板１０上に形成された格子状凸部１１に対して、透明基板１０の主面に対して傾斜した方向から蒸着を実行する。これにより、シャドーイング効果によって、格子状凸部１１内部（透明基板１０側）への成膜粒子の回り込みを制御でき、保護層１５を形成できる。
以上の構成を備える本実施形態に係る偏光板１は、透明基板１０と反射層１２との間に、台座を有していてもよい。台座は、各一次元格子の延在する方向（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、矩形状や台形状（テーパ状）に構成される。
台座の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍに設定され、そ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。台座は、例えば、透明基板１０上に形成された誘電体からなる下地層に対して、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。
台座の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍに設定され、そ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。台座は、例えば、透明基板１０上に形成された誘電体からなる下地層に対して、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。
また、偏光板１は、誘電体層１３と吸収層１４との間に、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、必要に応じて形成される台座と、反射層１２と、誘電体層１３と、拡散バリア層と、吸収層１４と、保護層１５と、を有する。拡散バリア層を有することにより、吸収層１４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。
さらに、本実施形態に係る偏光板１は、光の入射側の表面が、撥水層により覆われていてもよい。撥水層は、フッ素を含有し、その厚さが５ｎｍ以下であることが好ましい。この撥水層は、例えば上述のＣＶＤやＡＬＤを利用することにより形成可能である。これにより、偏光板１の耐湿性等の信頼性を向上できる。
［偏光板の製造方法］
本実施形態に係る偏光板１の製造方法は、反射層形成工程と、誘電体層形成工程と、吸収層形成工程と、エッチング工程と、保護層形成工程と、を有する。
本実施形態に係る偏光板１の製造方法は、反射層形成工程と、誘電体層形成工程と、吸収層形成工程と、エッチング工程と、保護層形成工程と、を有する。
反射層形成工程では、必要に応じて透明基板１０上に形成された下地層上に、反射層を形成する。誘電体層形成工程では、反射層形成工程で形成された反射層上に、誘電体層を形成する。吸収層形成工程では、誘電体層形成工程で形成された誘電体層上に、吸収層を形成する。これらの各層形成工程では、例えばスパッタ法や蒸着法により、各層を形成可能である。
エッチング工程では、上述の各層形成工程を経て形成された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。具体的には、例えばフォトリソグラフィ法やナノインプリント法により、一次元格子状のマスクパターンを形成する。そして、上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。
なお、下地層を形成した場合にあっては、上記エッチング条件を最適化することにより、下地層をエッチングして台座を形成可能である。
なお、下地層を形成した場合にあっては、上記エッチング条件を最適化することにより、下地層をエッチングして台座を形成可能である。
保護層形成工程では、格子状凸部１１の表面を保護層１５で被覆する工程を有する。具体的には、斜方蒸着等の成膜方法により、吸収層１４の上面及び側面と、誘電体層１３の側面と、の全部を覆うとともに、反射層１２の側面の少なくとも一部を覆う保護層１５を形成する。またこのとき、成膜条件・シャドーイング効果を制御することにより、反射層１２の側面における保護層１５の厚さが、吸収層１４の側面における保護層１５の厚さよりも薄くなるように調整する。
なお、本実施形態に係る偏光板１の製造方法は、格子状凸部１１の表面を撥水層で被覆する工程をさらに有していてもよい。これら保護層１５及び撥水層は、上述のＣＶＤやＡＬＤ等により形成される。
以上により、本実施形態に係る偏光板１が製造される。
以上により、本実施形態に係る偏光板１が製造される。
［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板１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板１は、有機偏光板に比べて耐熱性に優れる無機偏光板であるため、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板１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板１は、有機偏光板に比べて耐熱性に優れる無機偏光板であるため、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板を備える場合、複数の偏光板の少なくとも１つが本実施形態に係る偏光板１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板の少なくとも一方が本実施形態に係る偏光板１であればよい。
［変形例］
なお、本発明は上記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。
例えば、本実施形態の偏光板の用途は、液晶プロジェクタに限られず、種々の用途に利用することが可能である。
なお、本発明は上記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。
例えば、本実施形態の偏光板の用途は、液晶プロジェクタに限られず、種々の用途に利用することが可能である。
ここで、図３は、上記実施形態の変形例に係る偏光板２を示す断面模式図である。変形例に係る偏光板２は、保護層２５の構成が上述の図１に示す偏光板１と相違する以外は、偏光板１と同様の構成である。図３中、図１に示す偏光板１と同一の構成については同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図３に示すように、偏光板２の保護層２５は、吸収層１４の上面及び側面と、誘電体層１３の側面と、の全部を覆っている点において、図１に示す偏光板１と同様である。一方、偏光板１の保護層１５は反射層１２の側面の一部を覆っているに過ぎないのに対して、偏光板２の保護層２５は反射層１２の側面の全部を覆っている点が相違する。
また、反射層１２の側面における保護層２５の厚さは、吸収層１４の側面における保護層２５の厚さよりも薄く形成されている。より詳しくは、吸収層１４の側面及び誘電体層１３の側面における保護層２５は、これら側面に沿って透明基板１０側ほど格子状凸部１１側に傾斜するように形成されている。一方、反射層１２の側面における保護層２５は、厚さが略均一に形成されている。
偏光板２は、例えば次のようにして製造される。
上述の偏光板１と同様に格子状凸部１１を透明基板１０上に形成した後に、ＣＶＤやＡＬＤ等により格子状凸部１１の表面全体を保護層２５で薄くコートする。次いで、上述の偏光板１と同様に、斜方蒸着等の成膜方法により、グリッド先端部１７（吸収層１４、誘電体層１３）に逆テーパ状の保護層２５を形成する。これにより、偏光板２を製造可能である。
上述の偏光板１と同様に格子状凸部１１を透明基板１０上に形成した後に、ＣＶＤやＡＬＤ等により格子状凸部１１の表面全体を保護層２５で薄くコートする。次いで、上述の偏光板１と同様に、斜方蒸着等の成膜方法により、グリッド先端部１７（吸収層１４、誘電体層１３）に逆テーパ状の保護層２５を形成する。これにより、偏光板２を製造可能である。
本変形例のように、反射層１２の下端（透明基板１０側の端部）の保護のために、反射層の側面と平行に保護層２５を形成することは、透過率特性を維持したまま耐久性を向上させる手法として有効である。
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
＜実施例１及び実施例２＞
実施例１及び実施例２では、図１に示す構造の偏光板１であって、以下の表１に示すパラメータをそれぞれ有する各偏光板を、シミュレーションに供した。より具体的には、これらの偏光板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、反射層としてはアルミニウム、誘電体層としてはシリカ、吸収層としてはシリコン、保護層としてはシリカを用いた。
実施例１及び実施例２では、図１に示す構造の偏光板１であって、以下の表１に示すパラメータをそれぞれ有する各偏光板を、シミュレーションに供した。より具体的には、これらの偏光板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、反射層としてはアルミニウム、誘電体層としてはシリカ、吸収層としてはシリコン、保護層としてはシリカを用いた。
実施例１及び実施例２に係る各偏光板について、反射層の側面における保護層の被覆領域（コートエリア）が１００％からゼロとなるまで段階的に変化させたときのＰ偏光透過率（Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波ＴＭ波（Ｐ波）の透過率）を調べた。これらの結果を、図４及び図５に示した。
ここで、図４は、実施例１に係る偏光板の透過率特性を示す図である。図５は、実施例２に係る偏光板の透過率特性を示す図である。図４及び図５中、横軸は、反射層側面における保護層のコートエリアの割合（％）を示している。また、縦軸は、各色チャンネル（青色４５０ｎｍ、緑色５５０ｎｍ、赤色６５０ｎｍ）のＰ偏光透過率（％）を示している。
図４及び図５の結果から、反射層側面における保護層のコートエリアが１００％から減少するに従い、一旦、Ｐ偏光透過率が低下することが分かった。これは、透過光であるＰ偏光が誘電体膜からなる保護層を通過する際に、保護層と空気層の界面で屈折し、屈折した入射光が反射層側面で反射する他、反射層での吸収もあり、かつ散乱の原因ともなるため、結果として透過率が低下するものと考えられた。
また、図４及び図５の結果から、反射層側面における保護層のコートエリアが５０％以下になると、Ｐ偏光透過率が上昇することが分かった。
また、図４及び図５の結果から、反射層側面における保護層のコートエリアが５０％以下になると、Ｐ偏光透過率が上昇することが分かった。
ここで、実施例１及び実施例２に係る偏光板について、反射層側面における保護層のコートエリアの割合と側面入射角との関係を調べた。その結果を図６に示した。
図６は、実施例１及び実施例２に係る偏光板の側面入射角を示す図である。図６中、横軸は、反射層側面における保護層のコートエリアの割合（％）を示している。また、縦軸は、側面入射角（°）を示している。
図６は、実施例１及び実施例２に係る偏光板の側面入射角を示す図である。図６中、横軸は、反射層側面における保護層のコートエリアの割合（％）を示している。また、縦軸は、側面入射角（°）を示している。
図６に示されるように、実施例１及び実施例２に係る偏光板の側面入射角は、全反射臨界角の５６度以上となっていることが分かった。そのため、これらの偏光板では反射層への屈折光が増加しているものと考えられる。コート割合が高いと、側面入射角αが全反射臨界角を超え、屈折した入射光は反射層側面で全反射し、その反射光は、側面入射角αが全反射臨界角以下になるまで全反射を繰り返し、反射層での吸収散乱を原因に、透過率は低下する。側面のコート厚が減ると、保護膜への入射角が小さくなり、特に全反射臨界角以下では、保護膜と空気層の界面を通過する入射光が増加し、反射層への屈折光が減少することで、吸収、散乱による透過率低下も減少すると考えられる。
また、反射層側面における保護層のコートエリアの割合が減少すると、側面入射角が小さくなると同時に保護層の厚さも薄くなり、Ｐ偏光透過率は上昇に転じることが分かった。図３と図４とを比較すると、図４に示す実施例２に係る偏光板の方が、Ｐ偏光透過率の保護層の厚さへの依存性は大きく、これは、図５で実施例２に係る偏光板の方が保護層の厚さが薄くなるに従い、側面入射角の変化が大きくなることと一致している。
以上の結果をまとめると、反射層側面における保護層のコートエリアは、５０％以下であることが好ましいと言える。
以上の結果をまとめると、反射層側面における保護層のコートエリアは、５０％以下であることが好ましいと言える。
＜実施例３＞
実施例３では、図３に示す構造の偏光板２であって、以下の表２に示すパラメータをそれぞれ有する各偏光板を、シミュレーションに供した。シミュレーションは、実施例１及び２と同様の条件で実施した。シミュレーションの結果得られた各波長のＰ偏光透過率を表３に示した。
実施例３では、図３に示す構造の偏光板２であって、以下の表２に示すパラメータをそれぞれ有する各偏光板を、シミュレーションに供した。シミュレーションは、実施例１及び２と同様の条件で実施した。シミュレーションの結果得られた各波長のＰ偏光透過率を表３に示した。
表３に示す結果から、上記実施形態の変形例に係る偏光板であっても、上記実施形態に係る偏光板と遜色無いＰ偏光透過率が得られることが確認された。
以上の結果から、従来の偏光板と比べて本発明に係る偏光板によれば、反射層の側面を保護層で覆ったことによる透過率特性の低下を抑制することができ、高い透過率特性と高い耐久性を両立できることが確認された。
１ 偏光板
１０ 透明基板
１１ 格子状凸部
１２ 反射層
１３ 誘電体層
１４ 吸収層
１５ 保護層
Ｌ 入射光
Ｎ 側面入射面法線
α 側面入射角
１０ 透明基板
１１ 格子状凸部
１２ 反射層
１３ 誘電体層
１４ 吸収層
１５ 保護層
Ｌ 入射光
Ｎ 側面入射面法線
α 側面入射角
Claims (8)
- ワイヤグリッド構造を有する偏光板であって、
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、前記透明基板側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有し、
前記格子状凸部の表面には、前記吸収層の上面及び側面と、前記誘電体層の側面と、の全部を覆うとともに、前記反射層の側面の少なくとも一部を覆う保護層が設けられ、
前記反射層の側面における前記保護層の厚さが、前記吸収層の側面における前記保護層の厚さよりも薄く、
前記反射層の側面における前記保護層は、前記格子状凸部の側面全体のうちの５０％以下の領域を覆う偏光板。 - 前記反射層の側面における前記保護層の厚さが、前記誘電体層の側面における前記保護層の厚さよりも薄く、
前記誘電体層の側面における前記保護層の厚さが、前記吸収層の側面における前記保護層の厚さよりも薄い請求項１に記載の偏光板。 - 前記吸収層の側面、前記誘電体層の側面及び前記反射層の側面における保護層の厚さが、これら側面に沿って前記透明基板に向かうに従って薄い請求項１又は２に記載の偏光板。
- 前記透明基板の主面に対して垂直な方向から入射される入射光と、前記保護層の側面に直交する側面入射面法線との成す角で定義される側面入射角αの角度が、下記数式（１）
により算出される請求項１から３いずれかに記載の偏光板。
- 前記反射層、前記誘電体層、前記吸収層及び前記保護層は、いずれも無機材料からなる請求項１から４のいずれかに記載の偏光板。
- 前記格子状凸部の表面には、前記保護層を覆う撥水層が設けられる請求項１から５のいずれかに記載の偏光板。
- 前記撥水層は、フッ素を含有し、その厚さが５ｎｍ以下である請求項６に記載の偏光板。
- 請求項１から７のいずれかに記載の偏光板を備える光学機器。
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