JP6670879B2 - Polarizing element, liquid crystal projector and method of manufacturing polarizing element - Google Patents

Polarizing element, liquid crystal projector and method of manufacturing polarizing element Download PDF

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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、そのような偏光素子を備えた液晶プロジェクター及びそのような偏光素子の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、使用帯域の光において、面内軸方向での光透過率の違いを利用した偏光素子、そのような偏光素子を備えた液晶プロジェクター及びそのような偏光素子の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a polarizing element that absorbs one of orthogonal polarization components (so-called P-polarized wave and S-polarized wave) and transmits the other, a liquid crystal projector having such a polarizing element, and a method of manufacturing such a polarizing element. It is about. More specifically, the present invention relates to a polarizing element utilizing a difference in light transmittance in an in-plane axis direction in light in a used band, a liquid crystal projector including such a polarizing element, and a method for manufacturing such a polarizing element. .

従来、偏光素子の代表的な構造として、２０層以上の多層構造である偏光膜を成膜したプリズムを貼り合わせた「MacNeilleプリズム」が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この偏光素子は、コントラストが高く、最も標準的な偏光素子として使用されている。しかし、この構造の偏光素子は、入射光の角度依存性が大きい。さらに、プリズムの貼り合わせに有機接着剤が用いられているため、輝度が高い光源に対して使用する際には、光源の熱やＵＶ成分により劣化が早まり、特性が劣化する。   Conventionally, as a typical structure of a polarizing element, a “MacNeille prism” in which a prism on which a polarizing film having a multilayer structure of 20 layers or more is bonded is known (for example, see Patent Document 1). This polarizing element has a high contrast and is used as the most standard polarizing element. However, the polarizing element having this structure has a large angle dependence of incident light. Further, since an organic adhesive is used for bonding the prisms, when used for a light source having a high luminance, deterioration is accelerated due to heat or UV components of the light source, and characteristics are deteriorated.

これらの問題を回避する偏光素子として、ワイヤーグリッド型の偏光素子が知られている。ワイヤーグリッド型の偏光素子は、一般的に、使用する光の波長よりも小さな周期を有し、一方向に延びる微細グリッド構造を備えている。このようなワイヤーグリッド型の偏光素子は、前記一方向に平行な方向に振動する直線偏光を反射し、直交する方向に振動する直線偏光を通過させる。このため、例えば無偏光の光が入射されると、所定の偏光を分離した光が射出される。   As a polarizing element that avoids these problems, a wire grid type polarizing element is known. A wire grid type polarizing element generally has a period smaller than the wavelength of light to be used and has a fine grid structure extending in one direction. Such a wire grid type polarizing element reflects linearly polarized light that oscillates in a direction parallel to the one direction, and passes linearly polarized light that oscillates in a direction perpendicular to the one direction. Therefore, for example, when non-polarized light is incident, light separated from predetermined polarized light is emitted.

図１６は、偏光素子の偏光分離を示す概略図である。偏光素子は、４５度の角度で光を入射した際、ある直線偏光を完全に反射し、直交する直線偏光を完全に透過することが理想的である。   FIG. 16 is a schematic diagram illustrating polarization separation of a polarizing element. It is ideal that the polarizing element completely reflects certain linearly polarized light and completely transmits orthogonal linearly polarized light when light enters at an angle of 45 degrees.

従来のワイヤーグリッド型の偏光素子は、特許文献２、３に記載されているように、可視光を透過する透明基板上に、金属材料を用いたワイヤー構造が形成された構造を有する。無機透明基板（例えば石英基板）上に、金属ワイヤー（例えばＡｌ）を備えるため、上述したプリズム型の偏光素子に比べて耐熱性に優れ、入射光の角度依存性が±１０°程度と比較的小さいという利点がある。   A conventional wire grid type polarizing element has a structure in which a wire structure using a metal material is formed on a transparent substrate that transmits visible light, as described in Patent Documents 2 and 3. Since a metal wire (for example, Al) is provided on an inorganic transparent substrate (for example, a quartz substrate), the heat resistance is superior to that of the above-described prism-type polarizing element, and the angle dependence of incident light is relatively ± 10 °. It has the advantage of being small.

また、特許文献４には、金属ワイヤーと誘電層を交互に形成した偏光素子が記載されている。この構造によれば、光子トンネル及びグリッド内共鳴効果の組み合わせにより、偏光素子の偏光性能を高めることが可能である。   Patent Document 4 describes a polarizing element in which metal wires and dielectric layers are alternately formed. According to this structure, the polarization performance of the polarizing element can be improved by a combination of the photon tunnel and the resonance effect in the grid.

しかしながら、特許文献４に記載のように、ワイヤーグリッド型の偏光素子に金属材料を用いると、金属のもつ吸光性によりワイヤーに垂直な偏光成分の光の透過率が低下してしまう。具体的には、４５度の角度で光を入射した際、ｐ偏光の透過率（以下Ｔｐと記す。）、及びｓ偏光の反射率（以下Ｒｓと記す。）は、９０％程度が限界であり、Ｔｐ×Ｒｓで表される偏光スループットは８０％と低くなってしまう。このため、近年のプロジェクター等における高輝度の要求に対する偏光素子の特性としては不十分である。   However, as described in Patent Document 4, when a metal material is used for a wire grid type polarizing element, the transmittance of light having a polarization component perpendicular to the wire is reduced due to the light absorption of the metal. Specifically, when light is incident at an angle of 45 degrees, the transmittance of p-polarized light (hereinafter referred to as Tp) and the reflectance of s-polarized light (hereinafter referred to as Rs) are limited to about 90%. That is, the polarization throughput represented by Tp × Rs is as low as 80%. For this reason, the characteristics of the polarizing element for a recent demand for high brightness in a projector or the like are insufficient.

米国特許第２４０３７３１号明細書US Patent No. 2403731 特開２００９−１３９４１１号公報JP 2009-139411 A 米国特許第６１２２１０３号明細書U.S. Pat. No. 6,122,103 特許第４１５２６４５号公報Japanese Patent No. 4152645

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、優れた偏光スループット特性が得られる偏光素子、そのような偏光素子を備えた液晶プロジェクター及びそのような偏光素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of such circumstances, and provides a polarizing element capable of obtaining excellent polarization throughput characteristics, a liquid crystal projector including such a polarizing element, and a method for manufacturing such a polarizing element. The purpose is to do.

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凹凸構造を有し、前記凹凸構造の凸部は、誘電体からなる高屈折率材料と該高屈折率材料よりも屈折率が小さい誘電体からなる低屈折率材料とが交互に積層されて構成された金属材料を含まない多層構造を有し、前記金属材料を含まない多層構造は、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料の傾斜方向が１８０°異なる斜め蒸着膜の積層体であり、前記多層構造は、５層構造から７層構造であり、前記凹凸構造の凹部のみに、前記凸部間を支持し、前記低屈折率材料よりも屈折率が低い材料からなる支持部が形成されることを特徴とする。また、本発明は、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凹凸構造を形成する偏光素子の製造方法において、前記凹凸構造の凸部は、誘電体からなる高屈折率材料と該高屈折率材料よりも屈折率が小さい誘電体からなる低屈折率材料とを１８０°異なる方向から斜め蒸着により交互に積層して構成された金属材料を含まない５層から７層の多層構造とし、前記凹凸構造の凹部の隙間のみに、ＭｇＦ２ゾルを滴下し、スピンコーティング法により塗布することにより、前記凸部間を支持し、前記低屈折率材料よりも屈折率が低いＭｇＦ２材料からなる支持部を形成すること特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, a polarizing element according to the present invention has a concave-convex structure arranged on a transparent substrate at a pitch smaller than the wavelength of light in a use band, and the convex portion of the concave-convex structure is a dielectric. It has a multilayer structure that does not contain a high refractive index material and a metal material and the low refractive index material is formed by laminating alternately consisting of small dielectric refractive index than the high refractive index material consisting of the body, the metal The multilayer structure that does not include a material is a laminate of obliquely deposited films in which the high-refractive-index materials and the low-refractive-index materials have inclination angles different by 180 °, and the multilayer structure is a seven-layer structure from a five-layer structure, A support portion made of a material having a lower refractive index than the low-refractive-index material is formed only in the concave portion of the concave-convex structure to support between the convex portions. The present invention also relates to a method for manufacturing a polarizing element, which comprises forming a concavo-convex structure arranged on a transparent substrate at a pitch smaller than the wavelength of light in a use band, wherein the convex portion of the concavo-convex structure has a high refractive index made of a dielectric. rate material and 7 layers of five layers which do not contain a metal material formed by laminating alternately by oblique vapor deposition of a low refractive index material in which the refractive index is a small dielectric from 180 ° different directions than the high refractive index material The multilayer structure of the above, the MgF 2 sol is dropped only in the gaps between the concave portions of the concave-convex structure, and is applied by a spin coating method to support between the convex portions, and has a lower refractive index than the low refractive index material. It is characterized in that a support portion made of a MgF 2 material is formed.

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、液晶パネルとを備えることを特徴とする。   Further, a liquid crystal projector according to the present invention includes the above-described polarizing element, a light source, and a liquid crystal panel.

本発明は、自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の多層グリッド構造であるため、自由電子が存在し、光を吸収する金属を用いたワイヤーグリッド型の偏光素子と比べて、優れた偏光スループット特性を得ることができる。   Since the present invention is a multi-layer grid structure of a semiconductor in which a free electron does not exist or a semiconductor having very few free electrons, free electrons are present and compared with a wire grid type polarizing element using a metal that absorbs light. And excellent polarization throughput characteristics can be obtained.

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。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a polarizing element according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係る偏光素子の変形例を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the polarizing element according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その１）を説明するための概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the method (No. 1) for manufacturing a polarizing element according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その２）を説明するための概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the method (No. 2) for manufacturing a polarizing element according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その３）を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method (the 3) of the polarizing element which concerns on one Embodiment of this invention. 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。FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating a configuration of an optical engine part of the liquid crystal projector according to the embodiment of the present invention. 誘電体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。9 is a graph showing the angle dependence of Tp and Rs with respect to incident light of a polarizing element having a dielectric multilayer structure. 誘電体多層構造の偏光素子の入射光４５°でのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。9 is a graph showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs at 45 ° incident light of a polarizing element having a dielectric multilayer structure. 誘電体多層構造のグリッド高さが２７０ｎｍ、４８０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp * Rs of the polarizing element when the grid height of a dielectric multilayer structure is 270 nm and 480 nm. 誘電体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp * Rs when the grid width of a dielectric multilayer structure is 50 nm and 105 nm. 誘電体の７層構造の偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。9 is a graph showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs of a polarizing element having a dielectric seven-layer structure. 誘電体／半導体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。9 is a graph showing the angle dependence of Tp and Rs with respect to incident light of a polarizing element having a dielectric / semiconductor multilayer structure. 誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが２５０ｎｍのときの偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。10 is a graph showing the angle dependence of Tp and Rs with respect to incident light of a polarizing element when the grid height of the dielectric / semiconductor multilayer structure is 250 nm. 誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが３５０ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp * Rs when the grid height of a dielectric / semiconductor multilayer structure is 350 nm. 誘電体／半導体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp * Rs when the grid width of a dielectric / semiconductor multilayer structure is 50 nm and 105 nm. 偏光素子の偏光分離を示す概略図である。It is a schematic diagram showing polarization separation of a polarizing element.

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 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail in the following order with reference to the drawings.
1. 1. Configuration of polarizing element 2. Manufacturing method of polarizing element 3. Configuration example of liquid crystal projector Example

＜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、偏光素子は、透明基板１０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凹凸構造を有する。すなわち、偏光素子は、凸部が、透明基板１０上に一定間隔に並んだ一次元格子状のワイヤーグリッド構造を有する。 <1. Configuration of Polarizing Element>
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a polarizing element according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the polarizing element has a concavo-convex structure arranged on a transparent substrate 10 at a pitch smaller than the wavelength of light in a use band. That is, the polarizing element has a one-dimensional lattice-shaped wire grid structure in which the protrusions are arranged at regular intervals on the transparent substrate 10.

透明基板１０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。また、偏光素子の用途に応じて、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。   The transparent substrate 10 is made of a material that is transparent to light in a use band and has a refractive index of 1.1 to 2.2, such as glass, sapphire, and quartz. Further, glass, in particular, quartz (refractive index: 1.46) or soda-lime glass (refractive index: 1.51) may be used depending on the use of the polarizing element. The component composition of the glass material is not particularly limited. For example, an inexpensive glass material such as silicate glass widely distributed as an optical glass can be used, and the manufacturing cost can be reduced.

凹凸構造の凸部２０は、透明基板１０上に、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料２１と高屈折率材料２１よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料２２とが交互に積層されている。この高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２の各層は、例えば後述する斜め蒸着法により形成することができる。   The projections 20 of the concavo-convex structure are formed by forming a high refractive index material 21 made of a dielectric or a semiconductor and a low refractive index material 22 made of a dielectric or a semiconductor having a smaller refractive index than the high refractive index material 21 on the transparent substrate 10. They are alternately stacked. Each layer of the high-refractive-index material 21 and the low-refractive-index material 22 can be formed by, for example, an oblique deposition method described later.

高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２に用いられる誘電体としては、ＳｉＯ２（屈折率：１．４６（５００ｎｍ付近））、Ａｌ２Ｏ３（屈折率：１．６３（５５０ｎｍ付近））、ＴｉＯ２（屈折率：２．５（５５０ｎｍ付近））、Ｔａ２Ｏ５（屈折率：２．１６（５５０ｎｍ付近））、ＣｅＯ２（屈折率：２．２（５５０ｎｍ付近））、ＺｒＯ２（屈折率：２．０５（５５０ｎｍ付近））、ＺｒＯ（屈折率：２．１（５５０ｎｍ付近））、Ｎｂ２Ｏ５（屈折率：２．３３（５００ｎｍ付近））などの酸化物を選択することができる。このような酸化物を用いることにより、例えばスパッタ等で誘電多層膜を形成する場合、同一チャンバーでの成膜が可能となり、リードタイムを低減することができる。また、酸化物は、グリッドを形成するためのリアクティブイオンエッチング工程などにも親和性が高い。 Dielectrics used for the high refractive index material 21 and the low refractive index material 22 include SiO 2 (refractive index: 1.46 (around 500 nm)) and Al 2 O 3 (refractive index: 1.63 (around 550 nm)). , TiO 2 (refractive index: 2.5 (around 550 nm)), Ta 2 O 5 (refractive index: 2.16 (around 550 nm)), CeO 2 (refractive index: 2.2 (around 550 nm)), ZrO 2 (Refractive index: 2.05 (around 550 nm)), oxide such as ZrO (refractive index: 2.1 (around 550 nm)), Nb 2 O 5 (refractive index: 2.33 (around 500 nm)) be able to. By using such an oxide, for example, when a dielectric multilayer film is formed by sputtering or the like, film formation can be performed in the same chamber, and the lead time can be reduced. In addition, the oxide has a high affinity for a reactive ion etching step for forming a grid.

また、高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２に用いられる半導体としては、Ｓｉ（屈折率：３．４（４００ｎｍ付近））、もしくはこれを含む合金、又はシリサイド系半導体材料から選択することができる。このようなＳｉ系材料を用いることにより、リアクティブイオンエッチング工程などにも親和性が高い。また、ＳｉＯ２と交互多層膜を形成する場合には、同一チャンバーでの成膜が可能となる。 The semiconductor used for the high refractive index material 21 and the low refractive index material 22 may be selected from Si (refractive index: 3.4 (around 400 nm)), an alloy containing the same, or a silicide-based semiconductor material. it can. By using such a Si-based material, the affinity is high even in a reactive ion etching step or the like. When an alternate multilayer film is formed with SiO 2 , film formation can be performed in the same chamber.

本実施の形態では、前述の誘電体又は半導体の中から屈折率差が１以上となる高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２を選択することが好ましい。具体的な高屈折率材料２１と低屈折率材料２２の組み合わせとしては、ＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＳｉとＳｉＯ２などを挙げることができる。高屈折率材料２１と低屈折率材料２２との屈折率差が１以上であることにより、高い反射率が得られ、少ない層数で優れたスループット特性を得ることができる。 In this embodiment, it is preferable to select a high refractive index material 21 and a low refractive index material 22 having a refractive index difference of 1 or more from the above-described dielectrics or semiconductors. Specific examples of the combination of the high refractive index material 21 and the low refractive index material 22 include TiO 2 and SiO 2 , and Si and SiO 2 . When the difference between the refractive indices of the high refractive index material 21 and the low refractive index material 22 is 1 or more, a high reflectance can be obtained, and excellent throughput characteristics can be obtained with a small number of layers.

このように自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の屈折率差を利用して多層グリッド構造を形成することにより、自由電子が存在し、光を吸収する金属層を用いたワイヤーグリッド型の偏光素子と比べて、優れた偏光スループット特性を得ることができる。   By forming a multi-layer grid structure using the refractive index difference of a dielectric having no free electrons or a semiconductor having very few free electrons, a metal layer having free electrons and absorbing light is used. Excellent polarization throughput characteristics can be obtained as compared with a wire grid type polarization element.

また、前述の構成からなる偏光素子において、凸部２０及び凹部３０からなるグリッドピッチは、可視光域（４００〜７００ｎｍ）で使用する場合、可視光域の半分以下である２００ｎｍ以下であることが好ましい。   Further, in the polarizing element having the above-described configuration, when used in the visible light range (400 to 700 nm), the grid pitch including the protrusions 20 and the recesses 30 may be 200 nm or less, which is half or less of the visible light range. preferable.

また、凸部２０の幅であるグリッド幅は、使用波長帯域により自由に設計することができるが、グリッドピッチの２０〜９０％であることが好ましい。さらに好ましいグリッド幅は、グリッドピッチの３０〜７０％である。グリッド幅がグリッドピッチの２０％未満となると作製が困難となるだけでなく、偏光スループットが良好な帯域が狭くなる。グリッドピッチが９０％を超えると作製は比較的容易であるが、同様に偏光スループットが良好な帯域が狭くなる。   The grid width, which is the width of the convex portion 20, can be freely designed according to the wavelength band used, but is preferably 20 to 90% of the grid pitch. A more preferred grid width is 30 to 70% of the grid pitch. If the grid width is less than 20% of the grid pitch, not only the fabrication becomes difficult, but also the band where the polarization throughput is good becomes narrow. If the grid pitch exceeds 90%, fabrication is relatively easy, but similarly, the band with good polarization throughput is narrowed.

また、凹凸構造の凸部の高さであるグリッド高さは、使用波長帯域に応じて自由に設計可能だが、５００ｎｍ以下であることが好ましい。グリッド高さが５００ｎｍを超えると作製が困難となるだけでなく、グリッド構造の強度が低下してしまう。   The grid height, which is the height of the convex portion of the concavo-convex structure, can be freely designed according to the wavelength band used, but is preferably 500 nm or less. If the grid height exceeds 500 nm, not only the fabrication becomes difficult, but also the strength of the grid structure decreases.

また、偏光素子のグリッド構造の強度を向上させる目的で、凹凸構造の凹部３０に凸部間を支持する支持部３１を形成してもよい。この支持部３１の高さは、ワイヤーグリッドの倒れの防止に寄与する凸部２０の高さ以下であることが好ましい。   Further, for the purpose of improving the strength of the grid structure of the polarizing element, a support portion 31 for supporting between the convex portions may be formed in the concave portion 30 of the concavo-convex structure. The height of the support portion 31 is preferably equal to or less than the height of the convex portion 20 that contributes to preventing the wire grid from falling down.

図２（Ａ）に、使用波長よりも小さい周期のワイヤーグリッドに対して交差する使用波長より大きい周期のグリッド３２を形成した偏光素子の例を示す。このようなグリッドを形成することにより、ワイヤーグリッドが倒れるのを防ぐことができる。直交グリッドの作製方法は、後述する干渉露光により、交差するようにパターニングすることにより得ることができる。なお、交差する角度は、必ずしも図２（Ａ）のように直交である必要はなく、使用波長よりも大きい周期が保たれていればよい。   FIG. 2A shows an example of a polarizing element in which a grid 32 having a period larger than the used wavelength that intersects a wire grid having a period smaller than the used wavelength is formed. By forming such a grid, it is possible to prevent the wire grid from falling down. The orthogonal grid can be manufactured by performing patterning so as to intersect with each other by interference exposure described below. Note that the intersecting angles need not necessarily be orthogonal as shown in FIG. 2A, and it is sufficient that a period larger than the wavelength used is maintained.

また、図２（Ｂ）に、凹凸構造の凹部３０に低屈折率材料２２よりも屈折率が低い超低屈折率材料３３を挿入した偏光素子の例を示す。このように凹部３０の隙間に超低屈折率材料３３を挿入することにより、ワイヤーグリッドが倒れるのを防ぐことができる。超低屈折率材料３３としては、例えばＭｇＦ２を用いることができる。超低屈折率材料の挿入方法は、高速で旋回する基材にゾルを滴下することで成膜するスピンコーティング法を用いることができる。 FIG. 2B shows an example of a polarizing element in which an ultra-low-refractive-index material 33 having a lower refractive index than the low-refractive-index material 22 is inserted into a concave portion 30 having an uneven structure. By inserting the ultra-low-refractive-index material 33 into the gap between the recesses 30 as described above, the wire grid can be prevented from falling down. As the ultra low refractive index material 33, for example, MgF 2 can be used. As a method of inserting the ultra-low refractive index material, a spin coating method of forming a film by dropping a sol on a substrate rotating at a high speed can be used.

また、耐湿性などの信頼性改善の目的で、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ＳｉＯ２などの保護膜を堆積させてもよい。 Further, for the purpose of improving reliability such as moisture resistance, a protective film such as SiO 2 may be deposited on the uppermost portion as long as the change in optical characteristics does not affect the application.

このような構成の偏光素子は、グリッドが金属材料を含まない誘電体もしくは半導体からなる多層構造で形成されているため、グリッドの形状を任意に変更することにより、所望の波長帯域において偏光スループット（Ｔｐ×Ｒｓ）を９０％以上とすることができる。また、無機材料のみで構成されているため、高い耐熱性を得ることができる。さらに、液晶プロジェクターに用いた場合、高い光密度に対応することができるため、光学ユニット部の小型化も実現することができる。   In the polarizing element having such a configuration, since the grid is formed in a multilayer structure made of a dielectric or a semiconductor that does not contain a metal material, by changing the shape of the grid arbitrarily, the polarization throughput (in a desired wavelength band) is improved. Tp × Rs) can be 90% or more. In addition, since it is composed only of an inorganic material, high heat resistance can be obtained. Further, when used in a liquid crystal projector, it is possible to cope with a high light density, so that the size of the optical unit can be reduced.

＜２．偏光素子の製造方法＞
次に、図３を参照して本実施の形態における偏光素子の製造方法について説明する。先ず、透明基板１０上に高屈折率材料２１と低屈折率材料２２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層する。各層は、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。 <2. Manufacturing method of polarizing element>
Next, a method for manufacturing the polarizing element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the high-refractive-index materials 21 and the low-refractive-index materials 22 are alternately stacked on the transparent substrate 10 so as to have a predetermined number of layers and a predetermined grid height. Each layer can be formed by a general vacuum film forming method such as a sputtering method, a vapor deposition method, or a vapor deposition method, or a sol-gel method (for example, a method of coating a sol by a spin coating method and gelling by thermosetting). .

次に、図３（Ａ）に示すように、積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）４１を成膜し、レジスト４２により所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるよう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。そして、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ドライエッチングにより反射防止膜４１を除去し、高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２をエッチングする。ドライエッチング用のガスとしては、反射防止膜にはＡｒ／Ｏ２、ＡｌＳｉにはＣｌ２／ＢＣｌ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｔａには、ＣＦ４／Ａｒを挙げることができる。また、エッチング条件（ガス流用、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。これにより、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製することができる。 Next, as shown in FIG. 3A, an anti-reflection film (BRAC) 41 is formed on the laminate, and the resist 42 is used to form a grid by nanoimprinting or photolithography so as to have a predetermined grid pitch and grid width. A mask pattern in a shape of is formed. Then, as shown in FIGS. 3B and 3C, the antireflection film 41 is removed by dry etching, and the high refractive index material 21 and the low refractive index material 22 are etched. Examples of the gas for dry etching include Ar / O 2 for the antireflection film, Cl 2 / BCl 3 for AlSi, and CF 4 / Ar for SiO 2 , Si, and Ta. By optimizing the etching conditions (gas flow, gas pressure, power, substrate cooling temperature), a highly perpendicular lattice shape is realized. Thereby, a concavo-convex structure having a predetermined number of layers, a predetermined grid height, a predetermined grid pitch, and a grid width is formed, and a polarizing element can be manufactured.

また、図４に示すように斜め蒸着により無機微粒子層を形成する場合、透明基板１０に一次元格子を形成し、この透明基板１０の基板面の法線方向に対して蒸着角度αの方向に高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２を設置して行われる。   In the case where the inorganic fine particle layer is formed by oblique vapor deposition as shown in FIG. 4, a one-dimensional lattice is formed on the transparent substrate 10 and the direction of the vapor deposition angle α with respect to the normal line direction of the substrate surface of the transparent substrate 10. This is performed by installing a high refractive index material 21 and a low refractive index material 22.

ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘｙ平面において１８０°異なる２方向から誘電体材料を斜め蒸着させる。例えば、一方の方向から高屈折率材料２１を斜め蒸着させた後、透明基板１０を１８０°回転させ、他方の方向から低屈折率材料２２を斜め蒸着させる蒸着サイクルを複数回行うことにより、多層膜を得ることができる。   Assuming that the substrate surface is an xy plane in x, y, z orthogonal coordinates, a dielectric material is obliquely vapor-deposited from two directions different by 180 ° on the xy plane. For example, after a high refractive index material 21 is obliquely vapor-deposited from one direction, the transparent substrate 10 is rotated by 180 °, and a vapor deposition cycle of obliquely vapor-depositing a low-refractive index material 22 from the other direction is performed a plurality of times. A membrane can be obtained.

また、マスクパターンの形成方法は、前述の方法に限られず、図５に示すような干渉露光によって微細周期構造パターンを形成してもよい。露光基板は、透明基板１０上に、図示しない高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２が交互に積層され、その上に、水晶基板裏面まで光が透過しないようにする遮光膜４０、レジスト４２と下側界面からの反射を除去する反射防止膜４１レジスト４２がこの順に積層されている。そして、基板面の法線方向に対して角度θの２方向から露光することにより、干渉縞が発生する。なお、ピッチｐと露光波長λとの関係は、下記式の通りである。   The method of forming the mask pattern is not limited to the above-described method, and a fine periodic structure pattern may be formed by interference exposure as shown in FIG. As the exposure substrate, a high-refractive index material 21 and a low-refractive index material 22 (not shown) are alternately laminated on a transparent substrate 10, and a light-shielding film 40 for preventing light from transmitting to the back surface of the quartz substrate and a resist 42 And an antireflection film 41 for removing reflection from the lower interface are laminated in this order. Then, exposure is performed from two directions at an angle θ with respect to the normal direction of the substrate surface, so that interference fringes are generated. Note that the relationship between the pitch p and the exposure wavelength λ is as follows.

Figure 0006670879
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また、凹凸構造の凹部３０に凸部間を支持する支持部３１を形成する場合にも、干渉露光を用いることができる。この場合、先ず、使用波長よりも短い周期で露光を行い、構造複屈折用のマスクパターンを形成し、所定の方向に基板もしくは干渉露光光学系を回転して使用波長より大きい周期で露光を行い、支持部用４１のマスクパターンを形成する。そして、現像工程を経ることにより、例えば図２（Ａ）に示すワイヤーグリッドに対して交差するグリッド３２を形成した偏光素子を得ることができる。   Also, in the case of forming the support portion 31 for supporting between the convex portions in the concave portion 30 having the concave-convex structure, the interference exposure can be used. In this case, first, exposure is performed in a cycle shorter than the wavelength used, a mask pattern for structural birefringence is formed, and the substrate or the interference exposure optical system is rotated in a predetermined direction to perform exposure in a cycle longer than the wavelength used. Then, a mask pattern for the supporting portion 41 is formed. Then, through a development step, for example, a polarizing element in which a grid 32 intersecting the wire grid shown in FIG. 2A can be obtained.

＜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、前述した偏光素子とを備える。 <3. Configuration example of liquid crystal projector>
Next, a liquid crystal projector according to one embodiment of the present invention will be described. The liquid crystal projector 100 includes a lamp serving as a light source, a liquid crystal panel, and the above-described polarizing element.

図６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ている。   FIG. 6 shows a configuration example of an optical engine part of the liquid crystal projector according to the present invention. The optical engine portion of the liquid crystal projector 100 includes an incident-side polarizing element 10A for red light LR, a liquid crystal panel 50, an outgoing pre-polarizing element 10B, an outgoing main polarizing element 10C, and an incoming-side polarizing element 10A for green light LG, a liquid crystal panel 50, Outgoing pre-polarizing element 10B, outgoing main polarizing element 10C, incident side polarizing element 10A for blue light LB, liquid crystal panel 50, outgoing pre-polarizing element 10B, outgoing main polarizing element 10C, and outgoing from each outgoing main polarizing element 10C. And a cross dichroic prism 60 that combines the incoming light and emits the light to the projection lens. Here, the above-described polarizing element is applied to each of the incident-side polarizing element 10A, the outgoing pre-polarizing element 10B, and the outgoing main polarizing element 10C.

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。   In this liquid crystal projector 100, light emitted from a light source lamp (not shown) is separated into red light LR, green light LG, and blue light LB by a dichroic mirror (not shown), and an incident-side polarization element corresponding to each light. Light LR, LG, and LB polarized by the respective incident-side polarization elements 10A are spatially modulated by the liquid crystal panel 50 and emitted, and passed through the emission pre-polarization element 10B and the emission main polarization element 10C. Thereafter, the light is synthesized by the cross dichroic prism 60 and projected from a projection lens (not shown). Even if the light source lamp has a high output, a highly reliable liquid crystal projector can be realized because the polarizing element 1 having excellent light resistance to strong light is used.

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。   Note that the polarizing element of the present invention is not limited to application to the liquid crystal projector, but is suitable as a polarizing element that receives heat as a use environment. For example, it can be applied as a polarizing element of a car navigation system of an automobile or a liquid crystal display of an instrument panel.

＜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、誘電体を積層した偏光素子と、誘電体及び半導体を積層した偏光素子とを作製し、Ｐ偏光の透過率（以下Ｔｐと記す。）、Ｓ偏光の反射率（以下Ｒｓと記す。）、及び偏光スループット（以下Ｔｐ×Ｒｓと記す。）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。 <4. Example>
Hereinafter, examples of the present invention will be described. Here, a polarizing element in which a dielectric is stacked and a polarizing element in which a dielectric and a semiconductor are stacked are manufactured, and the transmittance of P-polarized light (hereinafter referred to as Tp) and the reflectance of S-polarized light (hereinafter referred to as Rs). ) And polarization throughput (hereinafter referred to as Tp × Rs). Note that the present invention is not limited to these examples.

［実施例１：誘電体の積層］
先ず、ガラス基板上にＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。 [Example 1: Lamination of dielectric]
First, TiO 2 and SiO 2 were alternately laminated on a glass substrate so as to have a predetermined number of layers and a predetermined grid height. An anti-reflection film (BRAC) was formed on the laminate, and a grid-like mask pattern was formed using a resist so as to have a predetermined grid pitch and grid width.

次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製した。 Next, the antireflection film was removed by scum treatment with Ar / O 2 gas, and TiO 2 and SiO 2 were etched with CF 4 / Ar gas. Then, the resist and the antireflection film were removed by O 2 ashing, and a concavo-convex structure having a predetermined number of layers, a predetermined grid height, a predetermined grid pitch, and a grid width was formed, and a polarizing element was manufactured.

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の５層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは４００ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、比較例として、市販されているＡｌの金属単層からなる同一構造寸法のワイヤーグリッド型偏光素子における計算値を示す。 FIGS. 7A and 7B are graphs showing the angle dependence of Tp and Rs with respect to incident light of a polarizing element having a dielectric multilayer structure. The polarizing element used for the measurement has a five-layer structure of a dielectric in which protrusions of the concavo-convex structure are laminated in the order of TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 from the glass substrate side. The grid height of the polarizing element is 400 nm, the grid pitch is 150 nm, and the grid width is 75 nm. As a comparative example, calculated values of commercially available wire-grid polarizing elements having the same structural dimensions and made of a single metal Al layer are shown.

図７（Ａ）に示すＴｐ、及び図７（Ｂ）に示すＲｓの値は、共に誘電体多層構造の偏光素子の値の方が金属単層構造の偏光素子よりも高かった。また、金属単層構造の偏光素子では、最大でもＴｐ×Ｒｓが８５％程度であるのに対して、誘電体多層構造の偏光素子では、Ｔｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。また、誘電体多層構造の偏光素子は、入射角度依存性も良好であり、入射光角度３５〜６５°の範囲でＴｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。   As for the values of Tp shown in FIG. 7A and Rs shown in FIG. 7B, the value of the polarizing element having the dielectric multilayer structure was higher than the value of the polarizing element having the metal single layer structure. In addition, in a polarizing element having a metal single-layer structure, Tp × Rs is at most about 85%, whereas in a polarizing element having a dielectric multilayer structure, Tp × Rs is 90% or more. In addition, the polarizing element having the dielectric multilayer structure had good incident angle dependency, and showed Tp × Rs of 90% or more in the range of the incident light angle of 35 to 65 °.

図８は、誘電体多層構造の偏光素子の入射光４５°でのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが４００ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。   FIG. 8 is a graph showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs at an incident light of 45 ° of a polarizing element having a dielectric multilayer structure. The polarizing element used for the measurement has a five-layer structure in which the protrusions of the concavo-convex structure are dielectric, as in the above, and has a grid height of 400 nm, a grid pitch of 150 nm, and a grid width of 75 nm.

この誘電体多層構造の偏光素子は、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。   This polarizing element having a dielectric multilayer structure exhibited Tp × Rs of 90% or more in a wavelength band of 500 to 600 nm, and exhibited good characteristics in a green light band.

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造のグリッド高さが２７０ｎｍ、４８０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。   FIGS. 9A and 9B are graphs showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs of the polarizing element when the grid height of the dielectric multilayer structure is 270 nm and 480 nm, respectively. The polarizing element used for the measurement has a five-layer structure in which the projections of the concavo-convex structure are dielectrics, the grid pitch is 150 nm, and the grid width is 75 nm, as described above. The wavelength dependence of the polarizing element was measured by setting the angle of incident light to 45 °.

図９（Ａ）に示す結果より、グリッド高さが２７０ｎｍの偏光素子は、４００〜４８０ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、青色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、図９（Ｂ）に示す結果より、グリッド高さが４８０ｎｍの偏光素子は、５８０〜７００ｎｍの波長帯域で、Ｔｐ×Ｒｓが９０％以上となり、赤色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、前述の図８に示す結果より、グリッド高さが４００ｎｍの偏光素子は、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。このように、グリッド高さを、Ｔｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓが高くなるように設計することにより、容易に所望の波長帯域の光に対して良好な特性を得ることができることが分かった。   From the results shown in FIG. 9A, it was found that the polarizing element having a grid height of 270 nm exhibited Tp × Rs of 90% or more in the wavelength band of 400 to 480 nm, and exhibited good characteristics in the blue light band. . Further, from the results shown in FIG. 9B, the polarizing element having the grid height of 480 nm has Tp × Rs of 90% or more in the wavelength band of 580 to 700 nm, and shows good characteristics in the band of red light. I understood. Also, from the results shown in FIG. 8 described above, the polarizing element having a grid height of 400 nm exhibited Tp × Rs of 90% or more in the wavelength band of 500 to 600 nm, and exhibited good characteristics in the green light band. As described above, it has been found that by designing the grid height so that Tp, Rs, and Tp × Rs are increased, good characteristics can be easily obtained for light in a desired wavelength band.

図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが２７０ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。   FIGS. 10A and 10B are graphs showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs when the grid width of the dielectric multilayer structure is 50 nm and 105 nm, respectively. As described above, the polarizing element used for the measurement has a five-layer structure in which the projections of the concavo-convex structure have a dielectric, a grid height of 270 nm, and a grid pitch of 150 nm. The wavelength dependence of the polarizing element was measured by setting the angle of incident light to 45 °.

図１０（Ａ）に示すグラフと図９（Ａ）に示すグラフとの比較より、グリッド幅が５０ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子と比べて、Ｔｐ×Ｒｓが良好な波長域が短波長域に移動することが分かった。逆に、図１０（Ｂ）に示すグラフと図９（Ａ）に示すグラフとの比較より、グリッド幅が１０５ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子に比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が長波長域に移動するが、波長域が狭くなることが分かった。したがって、例えば青色光の帯域に対する偏光素子は、グリッド幅をグリッドピッチの３０〜７０％とすることが好ましいことが分かった。   Comparison between the graph shown in FIG. 10A and the graph shown in FIG. 9A shows that a polarizing element having a grid width of 50 nm has a better Tp × Rs wavelength region than a polarizing element having a grid width of 75 nm. Moved to the short wavelength region. Conversely, a comparison between the graph shown in FIG. 10B and the graph shown in FIG. 9A shows that a polarizing element having a grid width of 105 nm has a better Tp × Rs than a polarizing element having a grid width of 75 nm. It was found that the wavelength range was shifted to the long wavelength range, but the wavelength range was narrowed. Therefore, for example, it was found that it is preferable to set the grid width of the polarizing element for the band of blue light to 30 to 70% of the grid pitch.

図１１は、誘電体の７層構造の偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の７層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは４００ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。 FIG. 11 is a graph showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs of a polarizing element having a dielectric seven-layer structure. The polarizing element used for the measurement has a dielectric seven-layer structure in which the projections of the concavo-convex structure are laminated in the order of TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 from the glass substrate side. Have. The grid height of the polarizing element is 400 nm, the grid pitch is 150 nm, and the grid width is 75 nm. The wavelength dependence of the polarizing element was measured by setting the angle of incident light to 45 °.

この誘電体多層構造の偏光素子は、４００〜５００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、青色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、図８に示す５層からなる構造寸法が同一の偏光素子の波長依存性のグラフは、５００〜６００ｎｍの緑色光の帯域で良好な特性を示すことから、層数を変えることでも、波長帯域の設計が可能であることが分かった。   It was found that the polarizing element having the dielectric multilayer structure had Tp × Rs of 90% or more in the wavelength band of 400 to 500 nm, and exhibited good characteristics in the blue light band. In addition, the graph of the wavelength dependence of the polarizing element having the same structural dimensions of five layers shown in FIG. 8 shows good characteristics in the green light band of 500 to 600 nm, so that the wavelength can be changed by changing the number of layers. It has been found that band design is possible.

［実施例２：誘電体／半導体の積層］
先ず、ガラス基板上にＳｉとＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。 [Example 2: Dielectric / semiconductor lamination]
First, Si and SiO 2 were alternately stacked on a glass substrate so as to have a predetermined number of layers and a predetermined grid height. An anti-reflection film (BRAC) was formed on the laminate, and a grid-like mask pattern was formed using a resist so as to have a predetermined grid pitch and grid width.

次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、Ｓｉ及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製した。 Next, the antireflection film was removed by a scum treatment with an Ar / O 2 gas, and Si and SiO 2 were etched with a CF 4 / Ar gas. Then, the resist and the antireflection film were removed by O 2 ashing, and a concavo-convex structure having a predetermined number of layers, a predetermined grid height, a predetermined grid pitch, and a grid width was formed, and a polarizing element was manufactured.

図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ誘電体／半導体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの順に積層された誘電体及び半導体の５層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは２８０ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、比較例として、市販されているＡｌの金属単層からなる同一構造寸法のワイヤーグリッド型偏光素子における計算値を示す。 FIGS. 12A and 12B are graphs showing the angle dependence of Tp and Rs with respect to incident light of a polarizing element having a dielectric / semiconductor multilayer structure, respectively. Polarizing device used for measurement has a 5-layer structure order of laminated dielectric and semiconductor of protrusions from the glass substrate side Si / SiO 2 / Si / SiO 2 / Si of the concavo-convex structure. The grid height of the polarizing element is 280 nm, the grid pitch is 150 nm, and the grid width is 75 nm. As a comparative example, calculated values of commercially available wire-grid polarizing elements having the same structural dimensions and made of a single metal Al layer are shown.

図１２（Ａ）に示すＴｐ、及び図１２（Ｂ）に示すＲｓは、共に誘電体／半導体多層構造の偏光素子の値の方が金属単層構造の偏光素子よりも高かった。また、誘電体／半導体多層構造の偏光素子は、入射角度依存性も良好であり、入射光角度０〜６５°のの広い範囲でＴｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。   As for Tp shown in FIG. 12A and Rs shown in FIG. 12B, the value of the polarizing element having the dielectric / semiconductor multilayer structure was higher than that of the polarizing element having the metal single layer structure. In addition, the polarizing element having the dielectric / semiconductor multilayer structure has good incident angle dependency, and Tp × Rs shows a value of 90% or more in a wide range of incident light angles of 0 to 65 °.

図１３は、誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが２５０ｎｍのときの偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、グリッド高さが２５０ｎｍであること以外、前述と同様であり、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。   FIG. 13 is a graph showing the angle dependence of Tp and Rs with respect to the incident light of the polarizing element when the grid height of the dielectric / semiconductor multilayer structure is 250 nm. The polarizing element used for the measurement was the same as described above except that the grid height was 250 nm, the protrusions of the concavo-convex structure had a five-layer structure of a dielectric and a semiconductor, the grid pitch was 150 nm, and the grid width was 75 nm. The wavelength dependence of the polarizing element was measured by setting the angle of incident light to 45 °.

図１３に示すグラフより、グリッド高さが２５０ｎｍの偏光素子は、５００〜５８０ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。   From the graph shown in FIG. 13, it was found that the polarizing element having a grid height of 250 nm has Tp × Rs of 90% or more in the wavelength band of 500 to 580 nm, and shows good characteristics in the green light band.

図１４は、誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが３５０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。   FIG. 14 is a graph showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs of the polarizing element when the grid height of the dielectric / semiconductor multilayer structure is 350 nm. The polarizing element used for the measurement has a convex-concave structure having a five-layer structure of a dielectric and a semiconductor, a grid pitch of 150 nm, and a grid width of 75 nm, as described above. The wavelength dependence of the polarizing element was measured by setting the angle of incident light to 45 °.

図１４に示すグラフより、グリッド高さが３５０ｎｍの偏光素子は、５８０〜７００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、赤色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。   From the graph shown in FIG. 14, it was found that the polarizing element having a grid height of 350 nm exhibited Tp × Rs of 90% or more in the wavelength band of 580 to 700 nm, and exhibited good characteristics in the red light band.

図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ誘電体／半導体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッド高さが２５０ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。   FIGS. 15A and 15B are graphs showing the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs of the polarizing element when the grid width of the dielectric / semiconductor multilayer structure is 50 nm and 105 nm, respectively. The polarizing element used for the measurement has a convex-concave structure having a five-layer structure of a dielectric and a semiconductor, a grid height of 250 nm, and a grid pitch of 150 nm, as described above. The wavelength dependence of the polarizing element was measured by setting the angle of incident light to 45 °.

図１５（Ａ）に示すグラフと図１３に示すグラフとの比較より、グリッド幅が５０ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子と比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が短波長域に移動することが分かった。また、図１５（Ｂ）に示すグラフと図１３に示すグラフとの比較より、グリッド幅が１０５ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子に比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が長波長域に移動するが、波長域が狭くなることが分かった。したがって、例えば緑色光の帯域に対する偏光素子は、グリッド幅をグリッドピッチの３０〜７０％とすることが好ましいことが分かった。   Comparison between the graph shown in FIG. 15A and the graph shown in FIG. 13 shows that a polarizing element having a grid width of 50 nm has a shorter wavelength range in which Tp × Rs is better than a polarizing element having a grid width of 75 nm. Turned out to move. In addition, a comparison between the graph shown in FIG. 15B and the graph shown in FIG. 13 shows that a polarizing element having a grid width of 105 nm has a longer wavelength range in which Tp × Rs is better than a polarizing element having a grid width of 75 nm. Although it moved to a wavelength range, it turned out that a wavelength range becomes narrow. Therefore, it has been found that, for example, the polarizing element for the green light band preferably has a grid width of 30 to 70% of the grid pitch.

［実施例３：支持部の形成］
先ず、ガラス基板上にＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。また、格子状のマスクパターンに対して交差する使用帯域の波長よりも大きい周期のマスクパターンを形成した。具体的には、干渉露光を用い、１５０ｎｍ周期で露光を行いて格子状のマスクパターンを形成し、所定の方向に基板を回転して１０００ｎｍ周期で露光を行い、支持グリッド用のマスクパターンを形成した。 [Example 3: Formation of support portion]
First, TiO 2 and SiO 2 were alternately laminated on a glass substrate so as to have a predetermined number of layers and a predetermined grid height. An anti-reflection film (BRAC) was formed on the laminate, and a grid-like mask pattern was formed using a resist so as to have a predetermined grid pitch and grid width. Further, a mask pattern having a period larger than the wavelength of the use band crossing the lattice-like mask pattern was formed. Specifically, using an interference exposure, exposure is performed at a cycle of 150 nm to form a lattice-shaped mask pattern, and the substrate is rotated in a predetermined direction to perform exposure at a cycle of 1000 nm to form a mask pattern for a support grid. did.

次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、高さ４００ｎｍ、幅４０ｎｍの支持グリッドが１０００ｎｍの周期で形成された偏光素子を作製した。この偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが４００ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍであった。 Next, the antireflection film was removed by scum treatment with Ar / O 2 gas, and TiO 2 and SiO 2 were etched with CF 4 / Ar gas. Then, the resist and the anti-reflection film were removed by O 2 ashing, and a polarizing element in which a support grid having a height of 400 nm and a width of 40 nm was formed at a period of 1000 nm was manufactured. This polarizing element has a five-layer structure of a dielectric in which protrusions of the concavo-convex structure are laminated in the order of TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 from the glass substrate side, a grid height of 400 nm, The grid pitch was 150 nm and the grid width was 75 nm.

この支持グリッドが形成された偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性について測定したところ、図８に示す支持グリッドが形成されていない偏光素子の波長依存性と同様、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。   When the wavelength dependence of Tp, Rs, and Tp × Rs of the polarizing element on which the support grid was formed was measured, the wavelength dependence of 500 to 600 nm was measured similarly to the wavelength dependence of the polarizer without the support grid shown in FIG. Tp × Rs was 90% or more in the wavelength band, and good characteristics were exhibited in the green light band.

１０ 透明基板、 ２０ 凸部、 ２１ 高屈折率材料、 ２２ 低屈折率材料、 ３０ 凹部、 ３１ 支持部、 ３２ 直交グリッド、 ３３ 超低屈折率材料、 ４０ 遮光膜、 ４１ 反射防止膜、 ４２ レジスト、 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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Transparent substrate, 20 convex part, 21 high refractive index material, 22 low refractive index material, 30 concave part, 31 support part, 32 orthogonal grid, 33 ultra low refractive index material, 40 light shielding film, 41 anti-reflection film, 42 resist, 50 liquid crystal panel, 60 cross dichroic prism, 100 liquid crystal projector

Claims (7)

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凹凸構造を有し、
前記凹凸構造の凸部は、誘電体からなる高屈折率材料と該高屈折率材料よりも屈折率が小さい誘電体からなる低屈折率材料とが交互に積層されて構成された金属材料を含まない多層構造を有し、
前記金属材料を含まない多層構造は、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料の傾斜方向が１８０°異なる斜め蒸着膜の積層体であり、
前記多層構造は、５層構造から７層構造であり、
前記凹凸構造の凹部のみに、前記凸部間を支持し、前記低屈折率材料よりも屈折率が低い材料からなる支持部が形成された偏光素子。 Having a concavo-convex structure arranged on a transparent substrate at a pitch smaller than the wavelength of light in the use band,
The protrusions of the concavo-convex structure include a metal material formed by alternately stacking a high refractive index material made of a dielectric and a low refractive index material made of a dielectric having a smaller refractive index than the high refractive index material. Has no multilayer structure,
The multilayer structure that does not include the metal material is a laminate of obliquely deposited films in which the high-refractive-index material and the low-refractive-index material have an inclination direction different by 180 °.
The multilayer structure is a five-layer structure to a seven-layer structure,
A polarizing element in which a support portion made of a material having a lower refractive index than the low-refractive-index material is formed by supporting only the concave portions in the concave portions of the concave-convex structure. 前記高屈折率材料と前記低屈折率材料との屈折率の差が１以上である請求項１記載の偏光素子。 The polarizing element according to claim 1, wherein the difference in refractive index between the high refractive index material and the low refractive index material is 1 or more. 前記ピッチは、２００ｎｍ以下であり、
前記凸部の幅は、前記ピッチの２０〜９０％である請求項１又は２のいずれか１項に記載の偏光素子。 The pitch is 200 nm or less;
Width of the convex portion, the polarization element according to any one of claims 1 or 2 20 to 90% of said pitch. 前記高屈折率材料がＴｉＯ２、前記低屈折率材料がＳｉＯ２、又は前記高屈折率材料がＳｉ、前記低屈折率材料がＳｉＯ２である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の偏光素子。 The high refractive index material is TiO 2, the low refractive index material is SiO 2, or the high refractive index material is Si, said low refractive index material according to any one of claims 1 to 3 is SiO 2 Polarizing element. 前記凹凸構造の凸部の高さが５００ｎｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏光素子。 The polarizing element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the height of the protrusion of the uneven structure is 500 nm or less. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光素子と、光源と、液晶パネルとを備える液晶プロジェクター。 A liquid crystal projector comprising the polarizing element according to any one of claims 1 to 5 , a light source, and a liquid crystal panel. 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凹凸構造を形成する偏光素子の製造方法において、
前記凹凸構造の凸部は、誘電体からなる高屈折率材料と該高屈折率材料よりも屈折率が小さい誘電体からなる低屈折率材料とを１８０°異なる方向から斜め蒸着により交互に積層して構成された金属材料を含まない５層から７層の多層構造とし、
前記凹凸構造の凹部の隙間のみに、ＭｇＦ２ゾルを滴下し、スピンコーティング法により塗布することにより、前記凸部間を支持し、前記低屈折率材料よりも屈折率が低いＭｇＦ２材料からなる支持部を形成すること特徴とする偏光素子の製造方法。 In a method of manufacturing a polarizing element for forming a concavo-convex structure arranged on a transparent substrate at a pitch smaller than the wavelength of light in a use band,
The protrusions of the uneven structure are formed by alternately stacking a high-refractive-index material made of a dielectric and a low-refractive-index material made of a dielectric having a smaller refractive index than the high-refractive-index material by oblique deposition from directions different by 180 °. A multi-layer structure of five to seven layers that do not contain a metallic material composed of
The MgF 2 sol is dropped only in the gaps between the concave portions of the concave-convex structure, and is applied by a spin coating method to support between the convex portions, and is made of a MgF 2 material having a lower refractive index than the low refractive index material. A method for manufacturing a polarizing element, comprising forming a support.
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