JP7075372B2

JP7075372B2 - 偏光板及びその製造方法、並びに光学機器

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Application number: JP2019086625A
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Inventors: 吐夢武田
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Publication date: 2022-05-25
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Description

本発明は、偏光板及びその製造方法、並びに光学機器に関する。

従来、偏光素子として、使用帯域の光の波長より小さいピッチの金属格子を基板上に形成し、当該金属格子上に誘電層及び無機微粒子層を形成することにより、金属格子から反射した光を干渉効果により打ち消すとともに、もう一方の偏光成分を透過させる吸収型のワイヤグリッド型偏光素子が提案されている。このような偏光素子に対しては、近年、液晶プロジェクタの高輝度化に伴い、高い透過率特性とともに、強い光の環境下における反射率特性への制御要求が高まっている。

ここで、反射率特性は、格子構造を構成する、層間の干渉や、層内の吸収によって決定づけられる。そして、要求に応じた材料を誘電層等に用いることによって、反射率を制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら特許文献１においては、各層が矩形形状として設計されているため、ナノレベルで完全な矩形を形成することは困難であることから、形状を加味した材料設計は非常に困難な状況となる。

また、金属層を形成する前に、樹脂製の基材に微細パターンを形成して基材の反射率及び波長を制御することで、得られる偏光素子の反射率特性を制御する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２で用いられる基材は樹脂製であるため、無機材料で構成されるワイヤグリッド偏光素子と比較して、耐熱性や耐光性に劣り、強い光の環境下での長期使用については不安がある。

特表２０１０－５３０９９４号公報特開２０１５－２１２７４１号公報

本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射率特性の制御に優れた偏光板及びその製造方法、並びにその偏光板を備える光学機器を提供することにある。

本発明者は、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、所定方向に延在する格子状凸部と、を備えるワイヤグリッド構造を有する偏光板において、格子状凸部に、透明基板側から順に、反射層と、第１の誘電体層と、吸収層と、を備えさせ、前記の所定方向から見たときの、反射層、第１の誘電体層、及び吸収層の最小幅の関係を特定すれば、光吸収作用の波長範囲をシフトさせる効果を発現でき、その結果、反射率特性の制御に優れた偏光板が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、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１）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６）と、を備え、前記格子状凸部は、前記透明基板側から順に、反射層（例えば、後述の反射層２）と、第１の誘電体層（例えば、後述の第１の誘電体層３）と、吸収層（例えば、後述の吸収層４）と、第２の誘電体層（例えば、後述の第１の誘電体層５）と、を有し、前記所定方向から見たとき、前記反射層と前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層は、略矩形であり、略同一の幅を有しており、且つ、前記吸収層の最小幅は、前記反射層及び前記第１の誘電体層の最小幅より小さく、前記吸収層の最大幅は、前記吸収層において、前記第１の誘電体層側の最表面の幅であり、且つ、前記第２の誘電体層側の最表面の幅である偏光板である。

前記透明基板は、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。

前記反射層は、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の誘電体層は、Ｓｉ酸化物で構成されていてもよい。

前記第２の誘電体層は、Ｓｉ酸化物で構成されていてもよい。

前記吸収層は、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。

光が入射する前記偏光板の表面は、誘電体からなる保護膜により覆われていてもよい。

光が入射する前記偏光板の表面は、有機系撥水膜により覆われていてもよい。

また別の本発明は、ワイヤグリッド構造を有する偏光板の製造方法であって、透明基板の片面に反射層を形成する反射層形成工程と、前記反射層の前記透明基板とは反対面に第１の誘電体層を形成する第１誘電体層形成工程と、前記第１の誘電体層の前記反射層とは反対面に吸収層を形成する吸収層形成工程と、前記吸収層の前記第１の誘電体層とは反対面に第２の誘電体層を形成する第２誘電体層形成工程と、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上に配列され、所定方向に延在する格子状凸部を形成するエッチング工程と、を有し、前記エッチング工程では、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせることにより、前記所定方向から見たとき、前記反射層と前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層とを、略矩形で略同一の幅とし、前記吸収層の最小幅を、前記反射層及び前記第１の誘電体層の最小幅より小さいものとし、前記吸収層の最大幅を、前記吸収層において、前記第１の誘電体層側の最表面の幅であり、且つ、前記第２の誘電体層側の最表面の幅とする、偏光板の製造方法である。

また別の本発明は、上記の偏光板を備える光学機器である。

本発明によれば、反射率特性の制御に優れた偏光板及びその製造方法、並びにその偏光板を備える光学機器を提供できる。

本発明の一実施形態に係る偏光板を示す断面模式図である。従来構造の一実施形態に係る偏光板を示す断面模式図である。緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、図１に示す偏光板と図２に示す偏光板について、波長と吸収軸反射率との関係を、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。青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、図１に示す偏光板と図２に示す偏光板について、波長と吸収軸反射率との関係を、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。赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、図１に示す偏光板と図２に示す偏光板について、波長と吸収軸反射率との関係を、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。緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、図１に示す偏光板と図２に示す偏光板について、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係を、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。青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、図１に示す偏光板と図２に示す偏光板について、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係を、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。赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、図１に示す偏光板と図２に示す偏光板について、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係を、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。本発明の一実施形態に係る偏光板を示す断面模式図である。従来構造の一実施形態に係る偏光板を示す断面模式図である。緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、図９に示す偏光板と図１０に示す偏光板について、波長と吸収軸反射率との関係を、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。青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、図９に示す偏光板と図１０に示す偏光板について、波長と吸収軸反射率との関係を、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。赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、図９に示す偏光板と図１０に示す偏光板について、波長と吸収軸反射率との関係を、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。緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、図９に示す偏光板と図１０に示す偏光板について、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係を、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。青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、図９に示す偏光板と図１０に示す偏光板について、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係を、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。赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、図９に示す偏光板と図１０に示す偏光板について、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係を、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。本発明の一実施形態に係る偏光板を示す断面模式図である。本発明の一実施形態に係る偏光板を示す断面模式図である。

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］
本発明の偏光板は、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、この格子状凸部は、透明基板側から順に、少なくとも、反射層と、第１の誘電体層と、吸収層と、を有する。なお、本発明の偏光板は、本発明の効果を発現する限りにおいて、透明基板、反射層、第１の誘電体層、吸収層、以外の層が存在していてもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る偏光板１０を示す断面模式図である。図１に示すように、偏光板１０は、使用帯域の光に透明な透明基板１と、透明基板１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６と、を備える。格子状凸部６は、透明基板１側から順に、反射層２と、第１の誘電体層３と、吸収層４と、を有する。即ち、偏光板１０は、反射層２と、第１の誘電体層３と、吸収層４が透明基板１側からこの順に積層されて形成された格子状凸部６が、透明基板１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。

ここで、図１に示すように格子状凸部６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１の主面に沿って格子状凸部６が配列する方向を、Ｘ軸方向と称する。この場合、偏光板１０に入射する光は、透明基板１の格子状凸部６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。

ワイヤグリッド構造を有する偏光板は、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、図１においては、Ｙ軸方向が偏光板の吸収軸の方向であり、Ｘ軸方向が偏光板の透過軸の方向である。

図１に示される偏光板１０の格子状凸部６が形成された側から入射した光は、吸収層４及び第１の誘電体層３を通過する際に一部が吸収されて減衰する。吸収層４及び第１の誘電体層３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２を透過する。一方、吸収層４及び第１の誘電体層３を透過した光のうち、偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））は反射層２で反射される。反射層２で反射されたＴＥ波は、吸収層４及び第１の誘電体層３を通過する際に一部は吸収され、一部は反射して反射層２に戻る。また、反射層２で反射されたＴＥ波は、吸収層４及び第１の誘電体層３を通過する際に干渉して減衰する。以上のようにＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、偏光板１０は、所望の偏光特性を得ることができる。

本発明の偏光板における格子状凸部は、図１に示すように各一次元格子の延在する方向（所定方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、反射層２と、第１の誘電体層３と、吸収層４と、を有する。

ここで本明細書における寸法につき、図１を用いて説明する。高さとは、図１における透明基板１の主面に垂直な方向の寸法を意味する。幅Ｗとは、格子状凸部６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１０を格子状凸部６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６のＸ軸方向の繰り返し間隔を、ピッチＰと称する。

本発明の偏光板において、格子状凸部のピッチ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、格子状凸部のピッチＰは、例えば、１００ｎｍ～２００ｎｍが好ましい。この格子状凸部のピッチ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。

本発明の偏光板は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、反射層と第１の誘電体層とは略同一の幅を有しており、且つ、吸収層の最小幅は、反射層及び第１の誘電体層の最小幅より小さいことを特徴とする。これにより、反射率特性の制御に優れた偏光板を実現することができる。

（透明基板）
透明基板（図１における透明基板１）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。透明基板の平均厚みは、例えば、０．３ｍｍ～１ｍｍが好ましい。

透明基板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６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。

（反射層）
反射層（図１における反射層２）は、透明基板の片側面に形成され、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たものである。なお、本発明においては、透明基板と反射層との間には、別の層が存在していてもよい。

図１に示される本発明の一実施形態に係る偏光板１０の反射層２は、透明基板１の面方向に対して垂直に延びており、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、矩形状を有する。反射層は、ワイヤグリッド型偏光子としての機能を有し、反射層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構成してもよい。

反射層の膜厚は、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。

本発明の偏光板においては、反射層の幅は、後述する第１の誘電体層と略同一であり、且つ、その最小幅が、後述する吸収層の最小幅よりも大きい必要がある。本発明においてはこれにより、反射率特性の制御に優れた偏光板を実現することができる。反射層の幅は、格子状凸部のピッチＰとの関係にもよるが、例えば、３５ｎｍ～４５ｎｍの範囲であることが好ましい。なお、これらの幅は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。

反射層の最小幅を、吸収層の最小幅よりも大きくする方法としては、例えば、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせて用いて、そのバランスを変化させる方法が挙げられる。

（第１の誘電体層）
第１の誘電体層（図１における第１の誘電体層３）は、反射層上に形成され、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たものである。なお、本発明においては、反射層と第１の誘電体層との間には、別の層が存在していてもよい。

図１に示される本発明の一実施形態に係る偏光板１０の第１の誘電体層３は、反射層上に、透明基板１の面方向に対して垂直に積層されており、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、矩形状を有する。

第１の誘電体層の膜厚は、吸収層で反射した偏光に対して、吸収層を透過して反射層で反射した偏光の位相が半波長ずれる範囲で形成される。具体的には、第１の誘電体層の膜厚は、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。この第１の誘電体層の膜厚は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。

第１の誘電体層を構成する材料としては、ＳｉＯ_２等のＳｉ酸化物、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、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の誘電体層３は、Ｓｉ酸化物で構成されることが好ましい。

第１の誘電体層の屈折率は、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の誘電体層の材料を選択することで、偏光特性を制御することができる。

また、第１の誘電体層の膜厚や屈折率を適宜調整することにより、反射層で反射したＴＥ波について、吸収層を透過する際に一部を反射して反射層に戻すことができ、吸収層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。

本発明の偏光板においては、第１の誘電体層の幅は、前述の反射層と略同一であり、且つ、その最小幅が、後述する吸収層の最小幅よりも大きい必要がある。本発明においてはこれにより、反射率特性の制御に優れた偏光板を実現することができる。第１の誘電体層の幅は、格子状凸部のピッチＰとの関係にもよるが、例えば、３５ｎｍ～４５ｎｍの範囲であることが好ましい。なお、これらの幅は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。

（吸収層）
吸収層（図１における吸収層４）は、第１の誘電体層上に形成され、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。本発明においては、吸収軸であるＹ軸方向（所定方向）から見たとき、吸収層の最小幅は、上述の反射層及び第１の誘電体層の最小幅より小さいことを特徴とする。本発明においては、吸収層の形状を上記のようにすることで、光吸収作用の波長範囲をシフトさせる効果を発現でき、その結果、反射率特性の制御に優れた偏光板を実現することができる。

図１に示される本発明の一実施形態に係る偏光板１０の吸収層４は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、略等脚台形状であり、先端側（透明基板１の反対側）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。

本実施形態においては、吸収層４の最大幅は、吸収層４において透明基板１側の最表面の幅となり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最大幅と略同一である。

また、吸収層４の最小幅は、吸収層４において透明基板１とは反対側の最表面の幅となり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最小幅より小さい。

吸収層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－ＦｅＳｉ_２、ＭｇＳｉ_２、ＮｉＳｉ_２、ＢａＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、ＣｏＳｉ_２、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１０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４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。

吸収層の最大幅は、格子状凸部のピッチＰとの関係にもよるが、例えば、３５ｎｍ～４５ｎｍの範囲であることが好ましい。また、吸収層の最大幅は、吸収層の下層に位置する、例えば第１の誘電体層の幅と略同一であってもよい。なお、これらの幅は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。

上述の通り、本発明においては、吸収軸であるＹ軸方向（所定方向）から見たとき、吸収層の最小幅は、上述の反射層及び第１の誘電体層の最小幅より小さい必要がある。本発明においてはこれにより、反射率特性の制御に優れた偏光板を実現することができる。吸収層の最小幅は、例えば、吸収層の最大幅に対する割合が、１００％よりも小さく、６０～９０％の範囲であることが好ましい。なお、これらの幅は、例えば上述の電子顕微鏡法により測定可能である。

（拡散バリア層）
本発明の偏光板は、第１の誘電体層と吸収層との間に、拡散バリア層を有していてもよい。即ち図１に示される偏光板においては、格子状凸部６は、透明基板１側から順に、反射層２と、第１の誘電体層３と、拡散バリア層と、吸収層４と、を有する。拡散バリア層を有することにより、吸収層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等の金属膜で構成することができる。

（保護膜）
また、本発明の偏光板は、光学特性の変化に影響を与えない範囲において、光の入射側の表面が、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、例えば偏光板の表面（ワイヤグリッドが形成された面）上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）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。

（有機系撥水膜）
さらに、本発明の偏光板は、光の入射側の表面が、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、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、偏光板の耐湿性等の信頼性を向上できる。

なお、本発明は図１に示される上記の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９は、本発明の別の実施形態に係る偏光板３０を示す断面模式図である。図９に示される偏光板３０は、格子状凸部６において、図１に示される偏光板１０の吸収層４の上に、第２の誘電体層５が形成されている以外は、図１に示される偏光板１０と同一の構成である。

（第２の誘電体層）
図９に示される偏光板３０の第２の誘電体層５は、吸収層上に、透明基板１の面方向に対して垂直に積層されており、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、矩形状を有する。また、図９に示される偏光板３０においては、第２の誘電体層５の幅は、第１の誘電体層３の幅と同一となっている。

第２の誘電体層の膜厚、材料、屈折率、形状等については、上述した第１の誘電体層と同様である。

図９に示される実施形態においては、吸収層４の最大幅は、吸収層４において透明基板１側の最表面の幅となり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最大幅と略同一である。

図１７は、本発明のまた別の実施形態に係る偏光板５０を示す断面模式図である。図１７に示される偏光板５０は、格子状凸部６において、吸収層４の上に第２の誘電体層５を形成したものであり、吸収層４の形状が異なる以外は、図９に示される偏光板３０と同一の構成である。

図１７に示される偏光板５０の吸収層４は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、略等脚台形状であり、先端側（透明基板１の反対側）ほど幅が広くなる方向に側面が傾斜した先細形状を有する。

図１７に示される実施形態においては、吸収層４の最大幅は、吸収層４において透明基板１とは反対側の最表面の幅となり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最大幅と略同一である。

また、吸収層４の最小幅は、吸収層４において透明基板１側の最表面の幅となり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最小幅より小さい。

図１８は、本発明のまた別の実施形態に係る偏光板６０を示す断面模式図である。図１８に示される偏光板６０は、格子状凸部６において、吸収層４の上に第２の誘電体層５を形成したものであり、吸収層４の形状が異なる以外は、図９に示される偏光板３０と同一の構成である。

図１８に示される偏光板６０の吸収層４は、格子状凸部の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、膜厚方向の略中心が最小幅となり、第１の誘電体層及び第２の誘電体層と接する辺が最大幅となる形状である。

図１８に示される実施形態においては、吸収層４の最大幅は、第１の誘電体層及び第２の誘電体層と接する辺の長さとなり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最大幅と略同一である。

また、吸収層４の最小幅は、吸収層４において膜厚方向の略中心の幅となり、これは、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で矩形状の、反射層２及び第１の誘電体層３の最小幅より小さい。

［偏光板の製造方法］
本発明の偏光板の製造方法は、反射層形成工程と、第１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、を有する。

反射層形成工程では、透明基板の片面に反射層を形成する。第１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、第１の誘電体層を形成する。吸収層形成工程では、第１誘電体層形成工程で形成された第１の誘電体層上に、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上に配列される格子状凸部を形成する。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上に配列される格子状凸部を形成する。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。

特に本発明においては、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせてバランスを変化させることにより、反射層と第１の誘電体層とは略同一の幅とし、吸収層の最小幅を前記反射層及び前記第１の誘電体層の最小幅より小さくする。

なお、本発明の偏光板の製造方法は、その表面を誘電体からなる保護膜で被覆する工程を有していてもよい。また、本発明の偏光板の製造方法は、その表面を有機系撥水膜で被覆する工程を有していてもよい。

［光学機器］
本発明の光学機器は、上述した本発明に係る偏光板を備える。本発明に係る偏光板は、種々の用途に利用することが可能である。適用できる光学機器としては、例えば、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。特に、本発明に係る偏光板は耐熱性に優れる無機偏光板であるため、有機材料からなる有機偏光板に比べて、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に用いることができる。

本発明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つが本発明に係る偏光板であればよい。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、本発明に係る偏光板であればよい。

以上説明した本発明の偏光板及びその製造方法、並びに光学機器によれば、次のような効果が奏される。

本発明に係る偏光板は、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、所定方向に延在する格子状凸部と、を備えるワイヤグリッド構造を有し、格子状凸部に、透明基板側から順に、反射層と、第１の誘電体層と、吸収層と、を備えさせ、前記の所定方向から見たときの、反射層、第１の誘電体層、及び吸収層の最小幅の関係を特定することにより、光吸収作用の波長範囲をシフトさせる効果を発現でき、その結果、反射率特性の制御に優れるものとなる。従って、本発明によれば、反射率特性の制御に優れた偏光板及びその製造方法、並びにその偏光板１を備える光学機器を提供できる。

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及び比較例１＞
［偏光板の作成］
実施例１では、図１に示す構造を有する偏光板１０であって、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）、及び赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）のそれぞれに最適化したものを作成し、それぞれをシミュレーションに供した。
また、比較例１として、実施例１の偏光板１０とは吸収層３の構造のみが異なる偏光板２０をそれぞれ作成し、シミュレーションに供した。比較例１となる偏光板２０は、図２に示される構造であり、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、吸収層４の形状が矩形であり、反射層２及び第１の誘電体層３と略同一の幅となっている。

［シミュレーション方法］
偏光板１０及び偏光板２０の光学特性について、ＲＣＷＡ（ＲｉｇｏｒｏｕｓＣｏｕｐｌｅｄＷａｖｅＡｎａｌｙｓｉｓ）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、ＧｒａｔｉｎｇＳｏｌｖｅｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社のグレーティングシミュレータＧｓｏｌｖｅｒを用いた。

［シミュレーション結果］
図３は、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、偏光板１０及び偏光板２０について、波長と吸収軸反射率との関係を検証した結果を示すグラフである。
図４は、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、偏光板１０及び偏光板２０について、波長と吸収軸反射率との関係を検証した結果を示すグラフである。
図５は、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、偏光板１０及び偏光板２０について、波長と吸収軸反射率との関係を検証した結果を示すグラフである。

図３～図５においては、横軸は波長λ（ｎｍ）を示しており、縦軸は吸収軸反射率（％）を示している。ここで、吸収軸反射率とは、偏光板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。また、図３～図５においては、破線で示されるグラフが、実施例１となる本発明の偏光板１０の結果を表しており、実線で示されるグラフが、比較例１となる偏光板２０の結果を表している。

図３～図５に示されるように、実施例１の偏光板１０は比較例１の偏光板２０と比較して、波形位置がシフトし、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）、及び赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）のすべてにおいて、吸収軸反射率を低く抑えることができた。

図６は、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、偏光板１０及び偏光板２０について、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係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は、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、偏光板１０及び偏光板２０について、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係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８は、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、偏光板１０及び偏光板２０について、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係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～図８においては、横軸は吸収層の体積を示しており、縦軸は吸収軸反射率（％）を示している。ここで、吸収軸反射率とは、上記同様に、偏光板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～図８においては、吸収層の体積が１００％となる点が、比較例１となる偏光板２０の結果を表しており、体積が１００％より小さくなる範囲が、実施例１となる本発明の偏光板１０の結果を表している。

図６～図８に示されるように、実施例１の偏光板１０は、吸収層の体積変化に伴って波形位置がシフトすることで、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）、及び赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）のすべてにおいて、反射率特性の制御が可能となり、最適化できることが判る。

＜実施例２及び比較例２＞
［偏光板の作成］
実施例２では、図９に示す構造を有する偏光板３０であって、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）、及び赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）のそれぞれに最適化したものを作成し、それぞれをシミュレーションに供した。
また、比較例２として、実施例２の偏光板３０とは吸収層３の構造のみが異なる偏光板４０をそれぞれ作成し、シミュレーションに供した。比較例２となる偏光板４０は、図１０に示される構造であり、格子状凸部６の延在する方向（所定方向：Ｙ軸方向）から見たとき、すなわち所定方向に直交する断面視で、吸収層４の形状が矩形であり、反射層２及び第１の誘電体層３と略同一の幅となっている。

［シミュレーション方法］
偏光板３０及び偏光板４０の光学特性について、ＲＣＷＡ（ＲｉｇｏｒｏｕｓＣｏｕｐｌｅｄＷａｖｅＡｎａｌｙｓｉｓ）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、ＧｒａｔｉｎｇＳｏｌｖｅｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ社のグレーティングシミュレータＧｓｏｌｖｅｒを用いた。

［シミュレーション結果］
図１１は、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、偏光板３０及び偏光板４０について、波長と吸収軸反射率との関係を検証した結果を示すグラフである。
図１２は、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、偏光板３０及び偏光板４０について、波長と吸収軸反射率との関係を検証した結果を示すグラフである。
図１３は、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、偏光板３０及び偏光板４０について、波長と吸収軸反射率との関係を検証した結果を示すグラフである。

図１１～図１３においては、横軸は波長λ（ｎｍ）を示しており、縦軸は吸収軸反射率（％）を示している。ここで、吸収軸反射率とは、偏光板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。また、図１１～図１３においては、破線で示されるグラフが、実施例２となる本発明の偏光板３０の結果を表しており、実線で示されるグラフが、比較例２となる偏光板４０の結果を表している。

図１１～図１３に示されるように、実施例２の偏光板３０は比較例２の偏光板４０と比較して、波形位置がシフトし、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）、及び赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）のすべてにおいて、吸収軸反射率を低く抑えることができた。

図１４は、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）に最適化された、偏光板３０及び偏光板４０について、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係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１５は、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）に最適化された、偏光板３０及び偏光板４０について、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係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１６は、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）に最適化された、偏光板３０及び偏光板４０について、赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）における、吸収層の体積と吸収軸反射率との関係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１４～図１６においては、横軸は吸収層の体積を示しており、縦軸は吸収軸反射率（％）を示している。ここで、吸収軸反射率とは、上記同様に、偏光板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１４～図１６においては、吸収層の体積が１００％となる点が、比較例２となる偏光板４０の結果を表しており、体積が１００％より小さくなる範囲が、実施例２となる本発明の偏光板３０の結果を表している。

図１４～図１６に示されるように、実施例２の偏光板３０は、吸収層の体積変化に伴って波形位置がシフトすることで、緑色帯域（波長λ＝５２０～５９０ｎｍ）、青色帯域（波長λ＝４３０～５１０ｎｍ）、及び赤色帯域（波長λ＝６００～６８０ｎｍ）のすべてにおいて、反射率特性の制御が可能となり、最適化できることが判る。

１０、２０、３０、４０、５０、６０偏光板
１透明基板
２反射層
３第１の誘電体層
４吸収層
５第２の誘電体層
６格子状凸部
Ｐ格子状凸部のピッチ
Ｗ幅
Ｌ光

Claims

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、
前記格子状凸部は、前記透明基板側から順に、反射層と、第１の誘電体層と、吸収層と、第２の誘電体層と、を有し、
前記所定方向から見たとき、前記反射層と前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層は、略矩形であり、略同一の幅を有しており、且つ、前記吸収層の最小幅は、前記反射層、前記第１の誘電体層、及び前記第２の誘電体層の最小幅より小さく、前記吸収層の最大幅は、前記吸収層において、前記第１の誘電体層側の最表面の幅である偏光板。
前記吸収層の最小幅は、前記吸収層の最大幅に対して６０～９０％の範囲である、請求項１に記載の偏光板。
前記透明基板は、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又は２に記載の偏光板。
前記反射層は、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３いずれか記載の偏光板。
前記第１の誘電体層は、Ｓｉ酸化物で構成される請求項１から４いずれか記載の偏光板。
前記第２の誘電体層は、Ｓｉ酸化物で構成される請求項１に記載の偏光板。
前記吸収層は、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６いずれかに記載の偏光板。
光が入射する前記偏光板の表面は、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７いずれか記載の偏光板。
光が入射する前記偏光板の表面は、有機系撥水膜により覆われている請求項１から８いずれか記載の偏光板。
ワイヤグリッド構造を有する偏光板の製造方法であって、
透明基板の片面に反射層を形成する反射層形成工程と、
前記反射層の前記透明基板とは反対面に第１の誘電体層を形成する第１誘電体層形成工程と、
前記第１の誘電体層の前記反射層とは反対面に吸収層を形成する吸収層形成工程と、
前記吸収層の前記第１の誘電体層とは反対面に第２の誘電体層を形成する第２誘電体層形成工程と、
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上に配列される格子状凸部を形成するエッチング工程と、を有し、
前記エッチング工程では、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせることにより、前記格子状凸部の延在する所定方向から見たとき、すなわち前記所定方向に直交する断面視で、前記反射層と前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層とを、略矩形で略同一の幅とし、前記吸収層の最小幅を、前記反射層及び前記第１の誘電体層の最小幅より小さいものとし、前記吸収層の最大幅を、前記吸収層において、前記第１の誘電体層側の最表面の幅であるようにする、偏光板の製造方法。
請求項１から９いずれか記載の偏光板を備える光学機器。