WO2012105555A1 - 波長選択フィルタ素子、その製造方法及び画像表示装置 - Google Patents

波長選択フィルタ素子、その製造方法及び画像表示装置 Download PDF

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WO2012105555A1
WO2012105555A1 PCT/JP2012/052137 JP2012052137W WO2012105555A1 WO 2012105555 A1 WO2012105555 A1 WO 2012105555A1 JP 2012052137 W JP2012052137 W JP 2012052137W WO 2012105555 A1 WO2012105555 A1 WO 2012105555A1
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WO
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metal layer
layer
filter element
wavelength selective
selective filter
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PCT/JP2012/052137
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Inventor
佳実 大田
伊久雄 大西
義明 金森
Original Assignee
株式会社クラレ
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    • G02—OPTICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/204—Filters in which spectral selection is performed by means of a conductive grid or array, e.g. frequency selective surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3058—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state comprising electrically conductive elements, e.g. wire grids, conductive particles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133509—Filters, e.g. light shielding masks
    • G02F1/133514—Colour filters
    • G02F1/133521—Interference filters

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength selection filter element applicable to, for example, a color filter such as a liquid crystal panel, a manufacturing method thereof, and an image display device.
  • a color filter that transmits light corresponding to each of R (red), G (green), and B (blue) is disposed on each pixel in order to perform color display.
  • Such a color filter generally has a configuration in which a dye having strong absorptivity at a specific wavelength is arranged on a substrate for each of R, G, and B colors.
  • sub-wavelength grating a one-dimensional periodic structure having a very small period (resonance / sub-wavelength region) less than or equal to the wavelength of the incident light is produced by such a microfabrication technique.
  • a color filter having a structure that transmits light in a specific wavelength region using a sub-wavelength grating has been proposed (for example, see Patent Document 1).
  • the color filter having a sub-wavelength grating as in Patent Document 1 can transmit light only in a specific wavelength region, it can be suitably used for a color filter of a transmissive liquid crystal display device, for example. .
  • the color filter of Patent Document 1 does not have polarization selectivity. Therefore, the color filter transmits light in a specific wavelength region with respect to both TE polarized light and TM polarized light, or transmits light in different wavelength regions between TE polarized light and TM polarized light. For this reason, when the color filter of Patent Document 1 is used, for example, as a color filter of a liquid crystal display device (liquid crystal panel), a polarizing plate (polarizing filter) is required between the color filter and the backlight. For this reason, light other than the required polarized light was absorbed by this polarizing film, and the light utilization efficiency remained low.
  • a polarizing plate polarizing filter
  • the color filter reflects the entire visible light region with respect to one of TE polarized light and TM polarized light, and transmits only light in a specific wavelength region with respect to the other polarized light. If the light in the wavelength region is reflected, the light utilization efficiency can be further increased.
  • an object of the present invention is to provide a wavelength selective filter element that has both wavelength selectivity and polarization selectivity and can further improve the light utilization efficiency, a manufacturing method thereof, and an image display device. .
  • the wavelength selective filter element according to claim 1 wherein the first non-metallic material having a refractive index n1 and the first refractive index n2 are periodically arranged on a transparent substrate.
  • a wavelength selective filter element wherein the period of the non-metal layer is 10 to 800 nm, the period of the metal layer is 10 to 800 nm, and the refractive index of the first non-metal material and the second non-metal material
  • the above relationship satisfies the condition of n1> n2, and further satisfies the condition of n3 ⁇ n1, where n3 is the refractive index of the material having the highest refractive index constituting the intermediate layer.
  • the wavelength selective filter element according to claim 2 is characterized in that the thickness of the intermediate layer is 10 to 1000 nm.
  • the relationship between the refractive index of the first non-metallic material and the material having the highest refractive index constituting the intermediate layer satisfies a condition of n1-n3> 0.4. It is characterized by having.
  • the invention according to claim 7 is the method of manufacturing a wavelength selective filter element according to claim 6, wherein the intermediate layer made of a nonmetallic layer and a nonmetallic material is sequentially formed on the translucent substrate from the substrate side.
  • a first step of stacking a layer and a first metal layer; and a mask layer, a second metal layer, and a resist layer are formed on the first metal layer sequentially from the first metal layer side.
  • the first metal layer is dry-etched from the opening provided in The intermediate layer is characterized by comprising, a sixth step of providing a plurality of linear openings at regular intervals to the non-metallic layer.
  • the invention according to claim 8 is the method of manufacturing a wavelength selective filter element according to claim 6, wherein the intermediate layer made of a non-metal layer and a non-metal material is sequentially formed on the light-transmitting substrate from the substrate side.
  • a third step of providing a plurality of linear openings at regular intervals in the intermediate layer and the non-metal layer is the method of manufacturing a wavelength selective filter element according to claim 6, wherein the intermediate layer made of a non-metal layer and a non-metal material is sequentially formed on the light-transmitting substrate from the substrate side.
  • the color filter in the image display device provided with the color filter, includes the wavelength selective filter element according to any one of the first to sixth aspects. Yes.
  • the wavelength selective filter element according to the present invention can be configured to have both wavelength selectivity and polarization selectivity, and can also reduce absorption.
  • one of the TE polarized light and the TM polarized light is reflected in the entire visible light region, and the other polarized light is transmitted only in a specific wavelength region, and the other polarized light region is transmitted. Since light can be reflected, the light utilization efficiency can be further increased.
  • a wavelength selective filter element that can be configured to have both wavelength selectivity and polarization selectivity and can also reduce absorption.
  • the color filter is composed of the wavelength selective filter element of the present invention, it is possible to further improve the light utilization efficiency and display a brighter image. It becomes.
  • the wavelength selective filter element of the present invention has both polarization selectivity and wavelength selectivity.
  • Polarization selectivity in the entire visible light wavelength range can be obtained with a linear metal layer periodically arranged with a period (pitch) equal to or less than the wavelength of incident light.
  • incident light L is incident perpendicular to the metal layer 101, and the electric field is oscillated in a direction parallel to the linear metal layer 101 with TE polarization and perpendicular to the linear metal layer 101.
  • the polarized light is TM polarized light.
  • the metal layer 101 has a period P of 100 nm, a width of 50 nm, and a thickness (height) of 100 nm.
  • the metal layer 101 having polarization selectivity a high transmittance can be obtained only for the TM polarized light, and a high reflectance can be obtained only for the TE polarized light.
  • the wavelength selective filter element having the non-metal layer 102 has wavelength selectivity as shown in the simulation result shown in FIG.
  • a is a reflection characteristic
  • b is a transmission characteristic
  • c is an absorption characteristic.
  • incident light L is incident perpendicular to the non-metallic layer 102, and the electric field is oscillated with TE polarized light parallel to the linear non-metallic layer 102 and linear non-metallic layer 102.
  • the polarized light in the orthogonal direction is TM polarized light.
  • the non-metal layer 102 is set such that the period P is 220 nm, the width is 130 nm, and the thickness (height) is 120 nm.
  • the non-metallic layer 102 is composed of a first non-metallic material having a refractive index n1 and a second non-metallic material having a refractive index n2 (n1> n2).
  • the non-metal layer 102 having wavelength selectivity can selectively transmit only incident light (TE polarized light) having a specific wavelength, and reflects incident light (TE polarized light) of other wavelengths. Can be made.
  • a wavelength selective filter element having a configuration in which the nonmetal layer 102 having wavelength selectivity and the metal layer 101 having polarization selectivity were laminated on a substrate 100 was produced.
  • This wavelength selective filter element has wavelength selectivity like the simulation result shown in FIG.
  • FIG. 26 Note that the simulation result of FIG. 26 is calculated by the RCWA (Rigorous Coupled-Wave® Analysis) method, and the polarization direction is TE polarized light parallel to the nonmetallic layer 102.
  • a is a reflection characteristic
  • b is a transmission characteristic
  • c is an absorption characteristic.
  • incident light L is incident perpendicularly to the metal layer 101, and the electric field is oscillated in a direction parallel to the linear metal layer 101 with TE polarization and perpendicular to the linear metal layer 101.
  • the polarized light is TM polarized light.
  • the metal layer 101 has a period P of 220 nm, a width of 130 nm, and a thickness (height) of 100 nm
  • the non-metal layer 102 has a period of 220 nm, a width of 130 nm, and a thickness (height) of 120 nm. Is set to
  • the electric field concentrates on the non-metal layer 102 having a high refractive index and is in contact therewith.
  • the absorption in the metal layer 101 is increased. Therefore, the loss increases as the absorption in the metal layer 101 increases.
  • the wavelength selective filter element of the present invention has polarization selectivity and wavelength selectivity, and further, between the metal layer having polarization selectivity and the nonmetal layer having wavelength selectivity in order to reduce absorption.
  • the intermediate layer made of a non-metallic material is arranged.
  • the refractive index n3 of the highest material constituting the intermediate layer is set to be lower (n3 ⁇ n1) than the refractive index n1 of the first nonmetallic material constituting the nonmetallic layer.
  • (A)-(f) is a figure which shows an example of the manufacturing method of the wavelength selection filter element based on embodiment of this invention.
  • (A)-(d) is a figure which shows the other example of the manufacturing method of the wavelength selection filter element based on embodiment of this invention.
  • Sectional drawing which shows the wavelength selection filter element which concerns on the modification of embodiment of this invention.
  • Sectional drawing which shows the wavelength selection filter element which concerns on Example 1 of this invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a wavelength selective filter element according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a wavelength selective filter element according to a third embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the wavelength selective filter element of the present invention is applied to a color filter arranged in a liquid crystal display device as an image display device.
  • the figure which shows the relationship between TE polarized light, TM polarized light, and a reflection characteristic in the wavelength selection filter element of FIG. The figure which shows the wavelength selection filter element which has the linear nonmetallic layer arrange
  • FIG. 1 is a perspective view showing a wavelength selective filter element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the wavelength selective filter element according to an embodiment of the present invention.
  • the wavelength selective filter element 1 is on the same level as the wavelength of the incident light L on a translucent substrate (for example, a glass substrate, a resin substrate, etc.) 2.
  • a translucent substrate for example, a glass substrate, a resin substrate, etc.
  • a linear non-metal layer 3, an intermediate layer 4 made of a non-metal material, and a metal layer 5 that are periodically arranged with the following period (pitch) P are stacked in this order from the substrate 2 side. ing.
  • the intermediate layer 4 has a structure in which the intermediate layer 4 is not provided and the non-metal layer 3 is in contact with the metal layer 5, the electric field is concentrated on the non-metal layer 3 having a high refractive index, and the metal in contact with the intermediate layer 4 This is to prevent the absorption in the layer 5 from increasing.
  • the incident light L in this embodiment is incident from above the metal layer 5 or from below the substrate 2, and the vibration direction of the electric field is orthogonal to the polarized light parallel to the linear metal layer 5 and TE-polarized.
  • the polarized light is TM polarized light.
  • the nonmetallic layer 3 is composed of a first nonmetallic material having a refractive index n1 and a second nonmetallic material having a refractive index n2 (n1> n2).
  • the period (pitch) of the nonmetallic layer 3 is set to 10 to 800 nm.
  • a preferable period is 20 to 700 nm, and a more preferable period is 50 to 600 nm. If the period of the nonmetallic layer 3 is less than 10 nm, it is difficult to produce and the wavelength effect is difficult to obtain because the diffraction effect is small. If the period of the nonmetallic layer 3 exceeds 800 nm, a large amount of high-order diffracted light is generated, and light other than the desired wavelength is emitted in an oblique direction.
  • the duty ratio (width W / period P) of the nonmetallic layer 3 is set to 0.1 to 0.9.
  • a preferable duty ratio is 0.2 to 0.85, and a more preferable duty ratio is 0.3 to 0.8.
  • the duty ratio is 0.1 or less or more than 0.9, it is impossible to obtain a refractive index difference sufficient to reflect other than a specific wavelength in the entire visible wavelength range.
  • the thickness of the nonmetal layer 3 is set to 30 to 500 nm.
  • a preferred thickness is 70 to 400 nm, and a more preferred thickness is 100 to 300 nm. If the thickness of the nonmetallic layer 3 is less than 30 nm, a mode for guiding the inside of the nonmetallic layer 3 cannot be formed, and it becomes difficult to obtain wavelength selectivity. Further, if the thickness of the nonmetallic layer 3 exceeds 500 nm, a number of modes that guide the inside of the nonmetallic layer 3 are formed, the transmission wavelength range increases, and the light other than the desired wavelength range is transmitted. Furthermore, the production becomes difficult.
  • the first non-metallic material constituting the non-metallic layer 3 the following materials (dielectrics, semiconductors, etc.) having low absorption in the visible wavelength region can be used.
  • Dielectric SiO 2 , resin, metal oxide (titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide), zinc sulfide, lead titanate, calcium carbonate, potassium carbonate, etc.
  • Semiconductor crystal Si, GaN, etc.
  • metal oxide crystalline Si, GaN, etc.
  • the refractive index n1 of the first non-metallic material is preferably 1.6 or more, more preferably 1.7 or more. If the refractive index n1 is 1.6 or more, a large wavelength selectivity can be obtained by forming a waveguide with a higher refractive index than that of the substrate 2. If the refractive index n1 is 1.7 or more, it is possible to concentrate the electric field in this portion and suppress the absorption in the metal layer 5, thereby improving the controllability of wavelength selection.
  • the second non-metallic material constituting the non-metallic layer 3 the following materials (dielectrics etc.) having low absorption in the visible wavelength region can be used.
  • Dielectric SiO 2 , resin, metal oxide (titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide), metal fluoride (magnesium fluoride, potassium fluoride, etc.)
  • Metal oxide SiO 2 , calcium carbonate, metal fluoride, etc.
  • Resin containing fluorine atom Resin in which fine particles such as metal fluoride are dispersed Resin or metal oxide with fine void structure, SiO 2 , calcium carbonate, metal Fluoride etc.
  • the second non-metallic material may be an air layer without providing a material.
  • the refractive index n2 of the second non-metallic material is preferably 1.6 or less, more preferably 1.53 or less. If the refractive index n2 is 1.6 or less, it is possible to effectively separate the electric field concentrated on the portion of the first non-metallic material having the refractive index n1 and the metal layer 5. If the refractive index n2 is 1.53 or less, it is possible to further reduce the absorption loss.
  • the refractive index n1 of the first non-metallic material and the second non-metallic material satisfy the condition of n1> n2. It is preferable to satisfy the condition of n1-n2 ⁇ 0.8.
  • the period (pitch) P and thickness of the intermediate layer 4 are set as follows.
  • the period (pitch) of the intermediate layer 4 is set to 20 to 700 nm.
  • a preferable period is 50 to 600 nm. If the period of the intermediate layer 4 is less than 20 nm, it is difficult to produce and the wavelength effect is difficult to obtain because the diffraction effect is small. If the period of the intermediate layer 4 exceeds 700 nm, a large amount of high-order diffracted light is generated, and light other than the desired wavelength is emitted in an oblique direction. It should be noted that by setting the period of the intermediate layer 4 to 50 to 600 nm, the production becomes easy and the generation of high-order diffracted light can be reduced.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is set to 10 to 1000 nm. A preferred thickness is 20 to 800 nm, and a more preferred thickness is 40 to 400 nm. If the thickness of the intermediate layer 4 is less than 10 nm, the electric field concentrated on the first non-metallic material having the refractive index n1 constituting the non-metallic layer 3 cannot be effectively separated from the metallic layer 5. Absorption by the metal layer 5 increases.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is more than 1000 nm, the dependency between the first non-metallic material having the refractive index n1 constituting the non-metallic layer 3 and the metal layer 5 is dependent on a narrow wavelength interval. It will occur and it will be difficult to transmit only a specific wavelength.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is set to 40 to 400 nm, the absorption by the metal layer 5 is reduced, and effective wavelength selectivity can be obtained by the interference effect.
  • the following materials having low absorption in the visible wavelength region can be used.
  • Dielectric SiO 2 , resin, metal oxide (titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, etc.), metal fluoride (magnesium fluoride, potassium fluoride, etc.)
  • Metal oxide SiO 2 , calcium carbonate, metal fluoride, etc.
  • Resin containing fluorine atom Resin in which fine particles such as metal fluoride are dispersed Resin or metal oxide with fine void structure, SiO 2 , calcium carbonate, metal Fluoride etc.
  • the intermediate layer 4 can be an air layer without providing any material.
  • the refractive index n3 of the material having the highest refractive index constituting the intermediate layer 4 is preferably 1.6 or less, and more preferably 1.53 or less. If the refractive index n3 is 1.6 or less, it is possible to effectively separate the electric field concentrated on the portion of the first non-metallic material having the refractive index n1 and the metal layer 5. If the refractive index n3 is 1.53 or less, it is possible to further reduce the absorption loss. Further, the condition of n3 ⁇ n1 is satisfied for the refractive index n1 of the first non-metallic material. Further, it is preferable to satisfy the condition of n1-n3 ⁇ 0.4.
  • the period (pitch) P, duty ratio (width W / period P), and thickness of the metal layer 5 are set as follows.
  • the period (pitch) of the metal layer 5 is set to 10 to 800 nm.
  • a preferable period is 20 to 700 nm, and a more preferable period is 50 to 600 nm. If the period of the metal layer 5 is less than 10 nm, the production becomes difficult. If the period of the metal layer 5 exceeds 800 nm, a large amount of high-order diffracted light is generated, and light other than the desired wavelength is emitted in an oblique direction.
  • the duty ratio (width / cycle) of the metal layer 5 is set to 0.1 to 0.9.
  • a preferable duty ratio is 0.2 to 0.8, and a more preferable duty ratio is 0.4 to 0.75.
  • the duty ratio is 0.1 or less, both TE polarized light and TM polarized light are transmitted.
  • the duty ratio is more than 0.9, both TE polarized light and TM polarized light are reflected, and the polarization separation performance is deteriorated.
  • the duty ratio is 0.4 to 0.75, it is possible to increase the reflectance with respect to the TE polarized light and the transmittance with respect to the TM polarized light.
  • the thickness of the metal layer 5 is set to 10 to 300 nm. A preferred thickness is 20 to 250 nm, and a more preferred thickness is 50 to 200 nm. If the thickness of the metal layer 5 is less than 10 nm, the transmittance is increased even for TE polarized light. Moreover, when the thickness of the metal layer 5 is more than 300 nm, the transmittance with respect to TM polarized light is low, the amount of components that are absorbed and reflected increases, and the production becomes difficult. When the thickness of the metal layer 5 is 50 to 200 nm, it is possible to increase the reflectance with respect to the TE polarized light and to increase the transmittance with respect to the TM polarized light.
  • metals such as gold, silver, aluminum, tungsten, copper, and nickel can be used. Furthermore, metals such as silver and aluminum having a high reflectance in the visible wavelength region are desirable.
  • the wavelength selective filter element 1 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
  • a method for manufacturing the wavelength selective filter element 1 for example, the first manufacturing method shown in FIGS. 3A to 3F and the second manufacturing method shown in FIGS. 4A to 4D are used. be able to.
  • a nonmetallic layer (for example, Si layer) 11 and an intermediate layer (for example, SiO 2 layer) are provided on a light-transmitting substrate (for example, glass substrate, resin substrate, etc.) 10. 12.
  • a light-transmitting substrate for example, glass substrate, resin substrate, etc.
  • Each thin film layer of the 1st metal layer (for example, aluminum layer) 13 is laminated
  • the thin film layers of the non-metal layer 11, the intermediate layer 12, and the metal layer 13 are formed by, for example, physical vapor deposition (PVD) such as vapor deposition or sputtering, chemical vapor deposition (CVD), spin coating, etc. It can carry out by the coating method etc.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • spin coating etc. It can carry out by the coating method etc.
  • a thin film layer of a mask layer 14, a second metal layer (for example, an aluminum layer) 15, and a resist layer 16 is deposited on the first metal layer 11 by vapor deposition, sputtering, coating, or the like.
  • the fine structure is patterned using a known exposure apparatus, and linear openings (voids) are provided in the resist layer 16 at regular intervals.
  • a projection exposure apparatus that irradiates ultraviolet rays through a mask
  • an electron beam drawing apparatus that directly draws a pattern with an electron beam, or the like can be used.
  • the mask layer 14 is dry-etched from the opening part of the 2nd metal layer 15, and a linear opening part is formed at a fixed space
  • the first metal layer 13, the intermediate layer 12, and the non-metal layer 11 are fixed from the openings of the second metal layer 15 and the mask layer 14 by dry etching.
  • a wavelength selective filter element as shown in FIGS. 1 and 2 is produced.
  • a gas capable of etching metal is used, and the second metal layer 15 and the mask layer 14 are simultaneously etched to reduce or disappear the thickness.
  • each of the first metal layer 13, the intermediate layer 12, and the non-metal layer 11 can be etched at a time. If the mask layer 14 remains after the first metal layer 13, the intermediate layer 12, and the non-metal layer 11 are dry-etched, a gas that does not etch the metal is selected, and the mask layer 14 is dry-etched. It is possible to remove only.
  • the first manufacturing method it can be produced by a single patterning, and the non-metal layer, the intermediate layer, and the metal layer can be thickened to about the wavelength of incident light. Therefore, the thickness of each layer (non-metal layer, intermediate layer, metal layer) can be determined in accordance with the target wavelength selectivity.
  • a non-metal layer (for example, Si layer) 11 and an intermediate layer (for example, SiO 2 layer) are provided on a light-transmitting substrate (for example, a glass substrate, a resin substrate, etc.) 10. 12.
  • a light-transmitting substrate for example, a glass substrate, a resin substrate, etc.
  • Each thin film layer of the metal layer (for example, aluminum layer) 13 is laminated in order.
  • the thin film layers of the non-metal layer 11, the intermediate layer 12, and the metal layer 13 are formed by, for example, physical vapor deposition (PVD) such as vapor deposition or sputtering, chemical vapor deposition (CVD), spin coating, etc. It can carry out by the coating method etc.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • spin coating etc. It can carry out by the coating method etc.
  • a resist layer 20 is formed on the metal layer 13 by coating or the like
  • the fine structure is patterned using a known exposure apparatus, and straight lines are formed on the resist layer 20 at regular intervals. Shaped openings.
  • a projection exposure apparatus that irradiates ultraviolet rays through a mask
  • an electron beam drawing apparatus that directly draws a pattern with an electron beam, or the like can be used.
  • the wavelength selective filter element as shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured by removing the resist layer 20 by dry etching.
  • the second manufacturing method it can be produced by one patterning, and the non-metal layer, the intermediate layer, and the metal layer can be thickened to about the wavelength of incident light. Therefore, the thickness of each layer (non-metal layer, intermediate layer, metal layer) can be determined in accordance with the target wavelength selectivity. In addition, since the number of film formation can be reduced, manufacturing time can be shortened.
  • the periphery of the first nonmetallic material constituting the nonmetallic layer 3 (side surface, The upper surface may be filled with a second non-metallic material.
  • the intermediate layer 4 is made of the same material as the second non-metallic material constituting the non-metallic layer 3.
  • the metal layer is formed above the intermediate layer 4.
  • the upper intermediate layer 4 a having linear protrusions formed at the same period as that of the upper intermediate layer 4 may be integrally provided.
  • the intermediate layer 4 and the upper intermediate layer 4 a are made of the same material as the second non-metallic material constituting the non-metallic layer 3.
  • the periphery (side surface, upper surface) of the first non-metallic material constituting the non-metallic layer 3 is filled with the second non-metallic material, and the same material and the same plane as the metal layer 5 are filled. You may make it the structure which fills.
  • the intermediate layer 4 is made of the same material as the second non-metallic material constituting the non-metallic layer 3.
  • the period of the metal layer 5 is non-metallic.
  • the period of the layer 3 may be different (in the figure, the period on the metal layer 5 side is reduced).
  • the arrangement direction of the periodic structure of the metal layer 5 and the non-metal layer 3 may be different (in the figure, the direction of the metal layer 5 is shifted by 90 degrees with respect to the non-metal layer 3).
  • the metal layer 5 is arranged so as to be orthogonal to the non-metal layer 3).
  • the RCWA Smallly Coupled Wave Analysis
  • Reflection characteristics, transmission characteristics, and absorption characteristics were evaluated using electromagnetic wave analysis simulation software (“Diffract MOD”; R Soft).
  • the wavelength selective filter element 30 of Example 1 shown in FIG. 10 is linearly arranged on a glass substrate 2 having translucency and periodically arranged with a period (pitch) P equal to or less than the wavelength of incident light L.
  • the non-metallic layer 3 and the non-metallic layer 3 are covered between the non-metallic layers 3 and the entire tip end side of each non-metallic layer 3.
  • the intermediate layer 4 made of a non-metallic material integrally formed with the upper intermediate layer 4a, and the linear metal layer 5 periodically arranged on the upper intermediate layer 4a with the same period (pitch) P as the non-metallic layer 3 And are stacked.
  • the incident light L in Example 1 is perpendicularly incident from below the glass substrate 2, and the electric field is oscillated in the direction parallel to the linear non-metal layer 3 (metal layer 5) with TE polarized light and linear
  • the polarized light orthogonal to the non-metal layer 3 (metal layer 5) is TM polarized light.
  • the non-metal layer 3 is formed of a semiconductor (thickness: 200 nm, refractive index: 3.0).
  • the intermediate layer 4 is formed of a dielectric (refractive index: 1.4), the thickness of the intermediate portion located on the upper surface of each non-metallic layer 3 is 200 nm, and the thickness of the linear protrusions thereon. The thickness is 100 nm.
  • the metal layer 5 is made of aluminum (thickness: 100 nm).
  • the period (pitch) P of the non-metal layer 3 and the metal layer 5 is 310 nm
  • the width W is 155 nm
  • the duty ratio (width W / period P) is Set to 0.5.
  • the period (pitch) P of the non-metal layer 3 and the metal layer 5 is 240 nm
  • the width W is 120 nm
  • the duty ratio (width W / period P). ) was set to 0.5.
  • FIG. 11A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30 of Example 1 is configured as a green filter
  • FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic, absorption characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • a is a reflection characteristic
  • b is a transmission characteristic
  • c is an absorption characteristic.
  • FIG. 12A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30 of Example 1 is configured as a red filter
  • FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic, absorption characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • a is a reflection characteristic
  • b is a transmission characteristic
  • c is an absorption characteristic.
  • the wavelength selective filter element 30a of Example 2 shown in FIG. 13 is a linear shape periodically arranged on a glass substrate 2 having translucency with a period (pitch) P equal to or less than the wavelength of incident light L.
  • the non-metal layer 3, the intermediate layer 4 made of a non-metal material, and the metal layer 5 are sequentially laminated from the substrate 2 side.
  • the incident light L in Example 2 is perpendicularly incident on the substrate surface from above, and the polarization direction of the electric field is parallel to the linear metal layer 5 (non-metal layer 3 and intermediate layer 4).
  • TE polarized light and polarized light orthogonal to the linear metal layer 5 (non-metal layer 3, intermediate layer 4) are TM polarized light.
  • the nonmetallic layer 3 is formed of a dielectric (thickness: 200 nm, refractive index: 2.5).
  • the intermediate layer 4 is formed of a dielectric (thickness: 100 nm, refractive index: 1.4).
  • the metal layer 5 is made of aluminum (thickness: 100 nm).
  • the period (pitch) P of the non-metal layer 3, the intermediate layer 4, and the metal layer 5 is 320 nm
  • the width W is 224 nm
  • the duty ratio (width W / The period P) was set to 0.7.
  • the period (pitch) P of the nonmetal layer 3, the intermediate layer 4, and the metal layer 5 is 400 nm
  • the width W is 280 nm
  • the duty ratio (width) W / cycle P) was set to 0.7.
  • FIG. 14A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30a of Example 2 is configured as a blue filter
  • FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic, absorption characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • a is a reflection characteristic
  • b is a transmission characteristic
  • c is an absorption characteristic.
  • FIG. 15A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30a of Example 1 is configured as a green filter
  • FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic, absorption characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • a is a reflection characteristic
  • b is a transmission characteristic
  • c is an absorption characteristic.
  • the wavelength selective filter element 30b of Example 3 shown in FIG. 16 is linearly arranged on a transparent glass substrate 2 with a period (pitch) P equal to or less than the wavelength of the incident light L.
  • the non-metal layer 3, the intermediate layer 4 made of a non-metal material, and the metal layer 5 are sequentially laminated from the substrate 2 side.
  • the incident light L in Example 3 is perpendicularly incident on the substrate surface from above, and the polarization direction of the electric field is parallel to the linear metal layer 5 (non-metal layer 3 and intermediate layer 4).
  • TE polarized light and polarized light orthogonal to the linear metal layer 5 (non-metal layer 3, intermediate layer 4) are TM polarized light.
  • the non-metal layer 3 is formed of titanium oxide (thickness: 250 nm, refractive index: 2.2 to 2.5).
  • the intermediate layer 4 is made of SiO 2 (thickness: 150 nm, refractive index: 1.5).
  • the metal layer 5 is made of aluminum (thickness: 100 nm).
  • the period (pitch) P of the non-metal layer 3, the intermediate layer 4, and the metal layer 5 is 300 nm
  • the width W is 210 nm
  • the duty ratio (width W / The period P) was set to 0.7.
  • the period (pitch) P of the nonmetal layer 3, the intermediate layer 4, and the metal layer 5 is 380 nm
  • the width W is 266 nm
  • the duty ratio (width) W / cycle P) was set to 0.7.
  • the period (pitch) P of the nonmetal layer 3, the intermediate layer 4, and the metal layer 5 is 500 nm
  • the width W is 350 nm
  • the duty ratio (width) W / cycle P) was set to 0.7.
  • FIG. 17A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30b of Example 3 is configured as a blue filter
  • FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • FIG. 18A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30b of Example 3 is configured as a green filter, and FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • FIG. 19A is a diagram showing characteristics (reflection characteristics, transmission characteristics, absorption characteristics) when the polarization direction is TM polarized light when the wavelength selective filter element 30b of Example 3 is configured as a red filter
  • FIG. It is a figure which shows the characteristic (reflection characteristic, transmission characteristic) in case a direction is TE polarized light.
  • the wavelength selective filter elements 30, 30a, and 30b of Examples 1, 2, and 3 can be configured to have both wavelength selectivity and polarization selectivity, and also reduce absorption. Can do.
  • one of the TE polarized light and the TM polarized light is reflected in the entire visible light region, and the other polarized light is transmitted only in a specific wavelength region, and the other polarized light region is transmitted. Since light can be reflected, the light utilization efficiency can be further increased.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the wavelength selective filter element of the present invention is applied to a color filter disposed in a liquid crystal display device as an image display device.
  • (Configuration of liquid crystal display device) 20 is fixed by a plurality of spacers 43 between a color filter substrate 41 on the back side (upper side in the figure) and an array substrate 42 on the front side (lower side in the figure).
  • the liquid crystal layer 44 is provided so as to maintain the gap.
  • an alignment film 45 In the color filter substrate 41, an alignment film 45, a counter electrode (transparent electrode) 46, a planarizing layer 47, a color filter 48, and a glass substrate 49 are arranged in this order from the liquid crystal layer 44 side.
  • a black matrix (BM) 50 for shielding light is provided in a region without the adjacent color filters of the R (red), G (green), and B (blue) color filters 48.
  • a backlight 51 such as an LED or a cold cathode tube is arranged on the glass substrate 49 side of the color filter substrate 41.
  • the wavelength selection filter element 30b of the third embodiment shown in FIG. 16 can be used.
  • the R (red), G (green), and B (blue) color filters 48 have the characteristics shown in FIGS. 19A, 19B, 18A, 18B, 17A, and 17B, respectively. Yes.
  • an alignment film 52 In the array substrate 42, an alignment film 52, a planarizing layer 53, a pixel electrode (transparent electrode) 54, a glass substrate 55, and a polarizing plate (polarizing filter) 56 are arranged in this order from the liquid crystal layer 44 side.
  • each color filter 48 of the liquid crystal display device 40 for example, by using the wavelength selective filter element 30b having the wavelength selectivity and the polarization selectivity of the third embodiment shown in FIG. It is possible to reflect one of the polarized light in the entire visible light region and transmit only light in a specific wavelength region to the other polarized light and reflect light in the other wavelength region. Therefore, a polarizing film (polarizing filter) disposed between the backlight 51 and each color filter 48 as in the prior art becomes unnecessary.
  • the wavelength selective filter element of the present invention can use, for example, an optical measurement device or an optical analysis device in addition to the color filter described above.

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Abstract

　波長選択性と偏光選択性の両方を有し、光の利用効率をより高めることが可能な波長選択フィルタ素子、その製造方法及び画像表示装置を提供する。透光性を有する基板２上に周期的に配置された、屈折率ｎ１の第１の非金属材質と屈折率ｎ２の第２の非金属材質を含む直線状の非金属層３と、この非金属層３の上面に設けた非金属材質からなる直線状の中間層４と、この中間層４上に周期的に配置された直線状の金属層５とを有し、非金属層３の周期を１０～８００ｎｍ、金属層５の周期を１０～８００ｎｍとし、非金属層３を構成する第１の非金属材質と第２の非金属材質の屈折率の関係が、ｎ１＞ｎ２の条件を満たし、更に、中間層４を構成する最も屈折率の高い材質の屈折率をｎ３とすると、ｎ３＜ｎ１の条件を満たしている。

Description

波長選択フィルタ素子、その製造方法及び画像表示装置
　本発明は、例えば、液晶パネル等のカラーフィルタなどに適用可能な波長選択フィルタ素子、その製造方法及び画像表示装置に関する。
　液晶表示装置等には、カラー表示を行うために各画素上にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）それぞれに対応した光を透過するカラーフィルタが配置されている。このようなカラーフィルタは、一般にＲ、Ｇ、Ｂの各色毎に特定の波長で強い吸収能を有する色素が基板上に配置された構成である。
　ところで、上記のように色素を有するカラーフィルタでは、不要な光は色素によって吸収され熱に変換されるために、光の利用効率が低いという問題があった。
　近年、ナノ領域の微細加工技術が急速に進歩している。そこで、このような微細加工技術によって、入射光の波長以下の非常に小さな周期（共鳴・サブ波長領域）をもつ一次元の周期構造体（以下、「サブ波長格子」という）を作製し、このサブ波長格子を用いて特定の波長域の光を透過させる構造のカラーフィルタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　前記特許文献１のようなサブ波長格子を有するカラーフィルタは、特定の波長域のみの光を透過させることができるので、例えば、透過型の液晶表示装置のカラーフィルタなどに好適に用いることができる。
特開２００７－４１５５５号公報（図５．８（ｂ）、図５．８（ｃ）等）
　ところで、前記特許文献１のカラーフィルタは、偏光選択性を有していない。従って、該カラーフィルタは、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の両方の偏光に対して特定の波長域の光を透過する、又はＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる波長域の光を透過する。このため、前記特許文献１のカラーフィルタを、例えば、液晶表示装置（液晶パネル）のカラーフィルタ等に用いた場合には、このカラーフィルタとバックライトの間に偏光板（偏光フィルタ）が必要であることから、所要の偏光以外はこの偏光フィルムによって吸収され、光の利用効率は低いままであった。
　即ち、前記カラーフィルタを、ＴＥ偏光とＴＭ偏光のうちの一方の偏光に対しては可視光領域全体で反射させ、他方の偏光に対しては特定の波長域の光のみを透過させて、他の波長域の光を反射させるようにすると、光の利用効率をより高めることができる。
　そこで、本発明は、波長選択性と偏光選択性の両方を有し、光の利用効率をより高めることが可能な波長選択フィルタ素子、その製造方法及び画像表示装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成するために請求項１に記載の波長選択フィルタ素子は、透光性を有する基板上に周期的に配置された、屈折率ｎ１の第１の非金属材質と屈折率ｎ２の第２の非金属材質を含む非金属層と、前記非金属層の上面に設けた非金属材質からなる中間層と、前記中間層上に周期的に配置された直線状の金属層と、を有する波長選択フィルタ素子であって、前記非金属層の周期を１０～８００ｎｍ、前記金属層の周期を１０～８００ｎｍとし、また、前記第１の非金属材質と前記第２の非金属材質の屈折率の関係が、ｎ１＞ｎ２の条件を満たし、更に、前記中間層を構成する最も屈折率の高い材質の屈折率をｎ３とすると、ｎ３＜ｎ１の条件を満たしていることを特徴としている。
　請求項２に記載の波長選択フィルタ素子は、前記中間層の厚さは１０～１０００ｎｍであることを特徴としている。
　請求項３に記載の波長選択フィルタ素子は、前記第１の非金属材質と前記中間層を構成する最も屈折率の高い材質の屈折率の関係が、ｎ１－ｎ３＞０．４の条件を満たしていることを特徴としている。
　請求項４に記載の波長選択フィルタ素子は、前記第１の非金属材質と前記第２の非金属材質の屈折率の関係が、ｎ１－ｎ２＞０．８の条件を満たしていることを特徴としている。
　請求項５に記載の波長選択フィルタ素子は、前記非金属層は、直線状の第１の非金属材質と直線状の第２の非金属材質とが周期的に配置されるようにして形成されていることを特徴としている。
　請求項６に記載の波長選択フィルタ素子は、前記中間層は、直線状に形成され、かつ所定の周期で周期的に配置されており、前記非金属層、前記中間層、前記金属層が、同じ周期で同一方向に同じ幅で前記基板上に積層されていることを特徴としている。
　請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の波長選択フィルタ素子の製造方法であって、透光性を有する基板上に、該基板側から順に非金属層、非金属材質からなる中間層、第１の金属層を積層する第１の工程と、前記第１の金属層の上に、該第１の金属層側から順にマスク層、第２の金属層、レジスト層を形成する第２の工程と、前記レジスト層に一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第３の工程と、前記第２の金属層にドライエッチングにより一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第４の工程と、前記第２の金属層に設けた開口部から、ドライエッチングにより前記マスク層へ一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第５の工程と、前記第２の金属層と前記マスク層に設けた開口部から、ドライエッチングにより前記第１の金属層、前記中間層、前記非金属層へ一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第６の工程と、を含むことを特徴としている。
　請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の波長選択フィルタ素子の製造方法であって、透光性を有する基板上に、該基板側から順に非金属層、非金属材質からなる中間層、金属層を積層する第１の工程と、前記第１の金属層の上にレジスト層を形成する第２の工程と、前記レジスト層に開口部を設けた後に、ドライエッチングにより前記金属層、前記中間層、前記非金属層へ一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第３の工程と、を含むことを特徴としている。
　請求項９に記載の発明は、カラーフィルタを備えた画像表示装置において、前記カラーフィルタが前記請求項１乃至６のいずれか一項に記載の波長選択フィルタ素子で構成されていることを特徴としている。
　本発明に係る波長選択フィルタ素子によれば、波長選択性と偏光選択性の両方を有するように構成することができ、かつ吸収も小さくすることができる。これにより、ＴＥ偏光とＴＭ偏光のうちの一方の偏光に対しては可視光領域全体で反射させ、他方の偏光に対しては特定の波長域の光のみを透過させて、他の波長域の光を反射させるができるので、光の利用効率をより高めることができる。
　また、本発明に係る製造方法によれば、波長選択性と偏光選択性の両方を有するように構成することができ、かつ吸収も小さくすることができる波長選択フィルタ素子を提供することができる。
　また、本発明に係る画像表示装置によれば、カラーフィルタが本発明の波長選択フィルタ素子で構成されているので、光の利用効率をより高めることができ、より明るい画像を表示することが可能となる。
　本発明の波長選択フィルタ素子は、偏光選択性と波長選択性の両方を有している。可視光波長全域の偏光選択性は、入射光の波長以下の周期（ピッチ）で周期的に配置された直線状の金属層で得ることができる。
　即ち、例えば、図２１に示す透光性を有する基板（例えば、ガラス基板など）１００上に、入射光Ｌの波長以下の周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状のアルミニウム等からなる金属層１０１（サブ波長格子）を有する波長選択フィルタ素子においては、図２２Ａ，図２２Ｂに示す透過特性、反射特性のシミュレーション結果のように、ＴＥ偏光（図示のＡ）とＴＭ偏光（図示のＢ）に対して選択性を有している。なお、図２２Ａ，図２２Ｂのシミュレーション結果は、RCWA（Rigorous Coupled-Wave Analysis；厳密結合波解析）法で算出したものである。
　図２１において、入射光Ｌは、金属層１０１に対して垂直に入射し、電場の振動方向は、直線状の金属層１０１と平行な偏光がＴＥ偏光、直線状の金属層１０１と直交方向の偏光がＴＭ偏光である。また、金属層１０１は、周期Ｐが１００ｎｍ、幅が５０ｎｍ、厚さ（高さ）が１００ｎｍに設定されている。
　このように、偏光選択性を有する金属層１０１によって、ＴＭ偏光に対してのみ高い透過率を得ることができ、かつＴＥ偏光に対してのみ高い反射率を得ることができる。
　更に、例えば、図２３に示す透光性を有する基板（例えば、ガラス基板など）１００上に、入射光Ｌの波長と同程度以下の周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状の非金属層１０２（サブ波長格子）を有する波長選択フィルタ素子においては、図２４に示すシミュレーション結果のような波長選択性を有している。
　なお、図２４のシミュレーション結果は、RCWA（Rigorous Coupled-Wave Analysis）法で算出したものであり、偏光方向は非金属層１０２と平行なＴＥ偏光である。図２４において、ａは反射特性、ｂは透過特性、ｃは吸収特性である。
　図２３において、入射光Ｌは、非金属層１０２に対して垂直に入射し、電場の振動方向は、直線状の非金属層１０２と平行な偏光がＴＥ偏光、直線状の非金属層１０２と直交方向の偏光がＴＭ偏光である。また、非金属層１０２は、周期Ｐが２２０ｎｍ、幅が１３０ｎｍ、厚さ（高さ）が１２０ｎｍに設定されている。
　この非金属層１０２は、屈折率ｎ１の第１の非金属材質と屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２）の第２の非金属材質によって構成されている。図２３では、第１の非金属材質として屈折率ｎ１（＝３．５）のＳｉ等の半導体を用い、第２の非金属材質として屈折率ｎ２（＝１．０）の空気を用いている。即ち、第２の非金属材質としての部材を設けていない。
　このように、波長選択性を有する非金属層１０２によって、特定の波長をもつ入射光（ＴＥ偏光）のみを選択的に透過させることができ、それ以外の波長の入射光（ＴＥ偏光）を反射させることができる。
　そして、図２５に示すように、基板１００上に波長選択性を有する前記非金属層１０２と、偏光選択性を有する前記金属層１０１を積層した構成の波長選択フィルタ素子を作製した。この波長選択フィルタ素子においては、図２６に示すシミュレーション結果のような波長選択性を有している。
　なお、図２６のシミュレーション結果は、RCWA（Rigorous Coupled-Wave Analysis）法で算出したものであり、偏光方向は非金属層１０２と平行なＴＥ偏光である。図２６において、ａは反射特性、ｂは透過特性、ｃは吸収特性である。
　図２５において、入射光Ｌは、金属層１０１に対して垂直に入射し、電場の振動方向は、直線状の金属層１０１と平行な偏光がＴＥ偏光、直線状の金属層１０１と直交方向の偏光がＴＭ偏光である。また、金属層１０１は、周期Ｐが２２０ｎｍ、幅が１３０ｎｍ、厚さ（高さ）が１００ｎｍに設定され、非金属層１０２は、周期が２２０ｎｍ、幅が１３０ｎｍ、厚さ（高さ）が１２０ｎｍに設定されている。
　この非金属層１０２は、屈折率ｎ１の第１の非金属材質と屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２）の第２の非金属材質によって構成されている。図２２Ａ，図２２Ｂでは、第１の非金属材質として屈折率ｎ１（＝３．５）のＳｉ等の半導体を用い、第２の非金属材質として屈折率ｎ２（＝１．０）の空気を用いている。即ち、第２の非金属材質としての部材を設けていない。
　このように、偏光選択性を有する金属層１０１と、波長選択性を有する非金属層１０２ａを積層した構成の波長選択フィルタ素子では、屈折率の高い非金属層１０２に電場が集中して、接している金属層１０１での吸収が大きくなっている。よって、金属層１０１での吸収が大きくなることにより、損失が大きくなってしまう。
　そこで、本発明の波長選択フィルタ素子は、偏光選択性と波長選択性を有し、更に、吸収を小さくするために、偏光選択性を有する金属層と波長選択性を有する非金属層の間に、非金属材質からなる中間層を配置した構成としている。この中間層を構成する最も高い材質の屈折率ｎ３は、前記非金属層を構成する第１の非金属材質の屈折率ｎ１よりも低く（ｎ３＜ｎ１）なるように設定されている。
本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ素子を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 （ａ）～（ｆ）は、本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ素子の製造方法の一例を示す図。 （ａ）～（ｄ）は、本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ素子の製造方法の他の例を示す図。 本発明の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 本発明の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 本発明の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 本発明の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 本発明の実施形態の変形例に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 本発明の実施例１に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 実施例１の波長選択フィルタ素子を青色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例１の波長選択フィルタ素子を青色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 実施例１の波長選択フィルタ素子を緑色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例１の波長選択フィルタ素子を緑色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 実施例２に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 実施例２の波長選択フィルタ素子を青色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例２の波長選択フィルタ素子を青色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 実施例２の波長選択フィルタ素子を緑色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例２の波長選択フィルタ素子を緑色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 実施例３に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図。 実施例３の波長選択フィルタ素子を青色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例３の波長選択フィルタ素子を青色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 実施例３の波長選択フィルタ素子を緑色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例３の波長選択フィルタ素子を緑色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 実施例３の波長選択フィルタ素子を赤色フィルタとして構成したときの、ＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図。 実施例３の波長選択フィルタ素子を赤色フィルタとして構成したときの、ＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図。 本発明の波長選択フィルタ素子を、画像表示装置としての液晶表示装置に配置されているカラーフィルタに適用した一例を示す概略断面図。 入射光の波長以下の周期で周期的に配置された直線状の金属層を有する波長選択フィルタ素子を示す図。 図２１の波長選択フィルタ素子における、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光と透過特性の関係を示す図。 図２１の波長選択フィルタ素子における、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光と反射特性の関係を示す図。 入射光の波長以下の周期で周期的に配置された直線状の非金属層を有する波長選択フィルタ素子を示す図。 図２３の波長選択フィルタ素子における、ＴＥ偏光の反射特性、透過特性、吸収特性を示す図。 入射光の波長以下の周期で周期的に配置された直線状の非金属層と金属層を有する波長選択フィルタ素子を示す図。 図２５の波長選択フィルタ素子における、ＴＥ偏光の反射特性、透過特性、吸収特性を示す図。
　以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ素子を示す斜視図、図２は、本発明の実施形態に係る波長選択フィルタ素子を示す断面図である。
　図１、図２に示すように、本実施形態に係る波長選択フィルタ素子１は、透光性を有する基板（例えば、ガラス基板、樹脂基板など）２上に、入射光Ｌの波長と同程度以下の周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状の、非金属層３、非金属材質からなる中間層４、金属層５が、基板２側から順に積層されるようにして構成されている。
　中間層４は、この中間層４を設けていなくて金属層５上に非金属層３が接している構成の場合に、屈折率の高い非金属層３に電場が集中し、接している金属層５での吸収が大きくなってしまうのを防止するためのものである。
　なお、本実施形態における入射光Ｌは、金属層５の上方、又は基板２の下方から入射し、電場の振動方向は、直線状の金属層５と平行な偏光がＴＥ偏光であり、直交する偏光がＴＭ偏光である。
（非金属層３の構成）
　非金属層３の周期（ピッチ）Ｐ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）、厚さは、以下のように設定される。なお、非金属層３は、屈折率ｎ１の第１の非金属材質と屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２）の第２の非金属材質によって構成されている。
　非金属層３の周期（ピッチ）は、１０～８００ｎｍに設定される。なお、好ましい周期は２０～７００ｎｍであり、より好ましい周期は５０～６００ｎｍである。非金属層３の周期が１０ｎｍ未満であると、作製が難しく、かつ回折効果が小さいために波長選択性を得るのが困難となる。また、非金属層３の周期が８００ｎｍ超であると、高次の回折光が多く発生し、所望の波長以外の光が斜め方向に出射してしまう。
　非金属層３のデューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）は、０．１～０．９に設定される。なお、好ましいデューティー比は０．２～０．８５であり、より好ましいデューティー比は０．３～０．８である。デューティー比が０．１以下又は０．９超であると、可視波長域全体において特定の波長以外を反射するのに十分な屈折率差を得ることができない。
　非金属層３の厚さは、３０～５００ｎｍに設定される。なお、好ましい厚さは７０～４００ｎｍであり、より好ましい厚さは１００～３００ｎｍである。非金属層３の厚さが３０ｎｍ未満であると、この非金属層３内を導波するモードを形成することができず、波長選択性を得ることが困難となる。また、非金属層３の厚さが５００ｎｍ超であると、非金属層３内を導波するモードが多く形成され、透過波長域が多くなって、所望の波長域以外も透過してしまう。更に、作製も難しくなる。
　非金属層３を構成する第１の非金属材質の材料としては、可視波長域において吸収の小さい以下のような材料（誘電体、半導体等）を用いることができる。
　誘電体：ＳｉＯ２、樹脂、金属酸化物（酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム）、硫化亜鉛、チタン酸鉛、炭酸カルシウム、炭酸カリウムなど
　半導体：結晶Ｓｉ、ＧａＮなど
　更に、可視波長域において吸収が小さく、かつ高い屈折率を有する以下のような材料であることが望ましい。
　金属酸化物、結晶Ｓｉ、ＧａＮなど
　炭素と比較して原子番号の大きい原子を含む樹脂
　金属酸化物の微粒子などを分散させた樹脂
　また、第１の非金属材質の屈折率ｎ１は、１．６以上が好ましく、より好ましくは１．７以上である。屈折率ｎ１が１．６以上であれば、基板２よりも高い屈折率で、導波路を形成して大きな波長選択性を得ることができる。屈折率ｎ１が１．７以上であれば、電場をこの部分により集中させて金属層５での吸収を抑えることが可能となり、波長選択の制御性を高めることができる。
　非金属層３を構成する第２の非金属材質の材料としては、可視波長域において吸収の小さい以下のような材料（誘電体等）を用いることができる。
　誘電体：ＳｉＯ２、樹脂、金属酸化物（酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム）、金属フッ化物（フッ化マグネシウム、フッ化カリウムなど）
　更に、可視波長域において吸収が小さく、かつ低い屈折率を有する以下のような材料であることが望ましい。
　金属酸化物、ＳｉＯ２、炭酸カルシウム、金属フッ化物など
　フッ素原子を含む樹脂
　金属フッ化物などの微粒子を分散させた樹脂
　微細な空隙構造を有した樹脂や金属酸化物、ＳｉＯ２、炭酸カルシウム、金属フッ化物など
　なお、第２の非金属材質として、材料を設けないで空気層とすることも可能である。
　また、第２の非金属材質の屈折率ｎ２は、１．６以下が好ましく、より好ましくは１．５３以下である。屈折率ｎ２が１．６以下であれば、屈折率ｎ１の第１の非金属材質の部分に集中した電場と金属層５とを効果的に分離させることが可能となる。屈折率ｎ２が１．５３以下であれば、より吸収損失を低減させることが可能となる。このように、第１の非金属材質の屈折率ｎ１と第２の非金属材質においては、ｎ１＞ｎ２の条件を満たすようにしている。また、ｎ１－ｎ２≧０．８の条件を満たすようにするとよい。
（中間層４の構成）
　中間層４の周期（ピッチ）Ｐ、厚さは、以下のように設定される。
　中間層４の周期（ピッチ）は、２０～７００ｎｍに設定されている。なお、好ましい周期は５０～６００ｎｍである。中間層４の周期が２０ｎｍ未満であると、作製が難しく、かつ回折効果が小さいために波長選択性を得るのが困難となる。また、中間層４の周期が７００ｎｍ超であると、高次の回折光が多く発生し、所望の波長以外の光が斜め方向に出射してしまう。なお、中間層４の周期を５０～６００ｎｍに設定することにより、作製が容易になり、かつ高次の回折光の発生を低下させることが可能となる。
　中間層４の厚さは、１０～１０００ｎｍに設定される。なお、好ましい厚さは２０～８００ｎｍであり、より好ましい厚さは４０～４００ｎｍである。中間層４の厚さが１０ｎｍ未満であると、非金属層３を構成する屈折率ｎ１の第１の非金属材質に集中する電場と金属層５とを効果的に分離させることができず、金属層５による吸収が大きくなる。
　また、中間層４の厚さが１０００ｎｍ超であると、非金属層３を構成する屈折率ｎ１の第１の非金属材質と金属層５との間の干渉によって、狭い波長間隔で依存性が生じてしまい、特定の波長のみを透過させることが困難となる。なお、中間層４の厚さを４０～４００ｎｍに設定することにより、金属層５による吸収が低減され、かつ干渉効果によって効果的な波長選択性を得ることが可能となる。
　中間層４を構成する材料としては、可視波長域において吸収の小さい以下のような材料（誘電体等）を用いることができる。
　誘電体：ＳｉＯ２、樹脂、金属酸化物（酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムなど）、金属フッ化物（フッ化マグネシウム、フッ化カリウムなど）
　更に、可視波長域において吸収が小さく、かつ低い屈折率を有する以下のような材料であることが望ましい。
　金属酸化物、ＳｉＯ２、炭酸カルシウム、金属フッ化物など
　フッ素原子を含む樹脂
　金属フッ化物などの微粒子を分散させた樹脂
　微細な空隙構造を有した樹脂や金属酸化物、ＳｉＯ２、炭酸カルシウム、金属フッ化物など
　なお、中間層４として、材料を設けないで空気層とすることも可能である。
　また、中間層４を構成する最も屈折率の高い材質の屈折率ｎ３は、１．６以下が好ましく、より好ましくは１．５３以下である。屈折率ｎ３が１．６以下であれば、屈折率ｎ１の第１の非金属材質の部分に集中した電場と金属層５とを効果的に分離させることが可能となる。屈折率ｎ３が１．５３以下であれば、より吸収損失を低減させることが可能となる。また、前記第１の非金属材質の屈折率ｎ１に対して、ｎ３＜ｎ１の条件を満たすようにしている。また、ｎ１－ｎ３≧０．４の条件を満たすようにするとよい。
（金属層５の構成）
　金属層５の周期（ピッチ）Ｐ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）、厚さは、以下のように設定される。
　金属層５の周期（ピッチ）は、１０～８００ｎｍに設定される。なお、好ましい周期は２０～７００ｎｍであり、より好ましい周期は５０～６００ｎｍである。金属層５の周期が１０ｎｍ未満であると、作製が難しくなる。また、金属層５の周期が８００ｎｍ超であると、高次の回折光が多く発生し、所望の波長以外の光が斜め方向に出射してしまう。
　金属層５のデューティー比（幅／周期）は、０．１～０．９に設定される。なお、好ましいデューティー比は０．２～０．８であり、より好ましいデューティー比は０．４～０．７５である。デューティー比が０．１以下であると、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の両方とも透過してしまう。デューティー比が０．９超であると、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の両方とも反射してしまい、偏光分離の性能が低下する。デューティー比が０．４～０．７５であると、ＴＥ偏光に対して反射率が高く、かつＴＭ偏光に対して透過率を高くすることが可能となる。
　金属層５の厚さは、１０～３００ｎｍに設定される。なお、好ましい厚さは２０～２５０ｎｍであり、より好ましい厚さは５０～２００ｎｍである。金属層５の厚さが１０ｎｍ未満であると、ＴＥ偏光に対しても透過率が高くなってしまう。また、金属層５の厚さが３００ｎｍ超であると、ＴＭ偏光に対して透過率が低く、吸収や反射する成分が多くなり、更に、作製も難しくなる。金属層５の厚さが５０～２００ｎｍであると、ＴＥ偏光に対して反射率を高くすることができ、かつＴＭ偏光に対して透過率を高くすることが可能となる。
　金属層５を構成する材料としては、金、銀、アルミニウム、タングステン、銅、ニッケルなどの金属を用いることができる。更に、可視波長域において高い反射率を有する銀、アルミニウムなどの金属が望ましい。
　次に、図１、図２に示した本実施形態の波長選択フィルタ素子１の製造方法を説明する。この波長選択フィルタ素子１の製造方法としては、例えば、図３（ａ）～（ｆ）に示す第１の製造法や、図４（ａ）～（ｄ）に示す第２の製造法を用いることができる。
（波長選択フィルタ素子１の第１の製造方法）
　図３（ａ）に示すように、透光性を有する基板（例えば、ガラス基板、樹脂基板など）１０上に、非金属層（例えば、Ｓｉ層）１１、中間層（例えば、ＳｉＯ２層）１２、第１金属層（例えば、アルミニウム層）１３の各薄膜層を順に積層する。
　非金属層１１、中間層１２、金属層１３の各薄膜層の形成は、例えば、蒸着やスパッタなどの物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコーティング等の塗布法などによって行うことができる。
　そして、図３（ｂ）に示すように、第１金属層１１の上にマスク層１４、第２金属層（例えば、アルミニウム層）１５、レジスト層１６の各薄膜層を蒸着やスパッタ、塗布等によって形成した後に、周知の露光装置を用いて微細構造をパターニングし、レジスト層１６に一定間隔で直線状の開口部（空隙部）を設ける。この露光装置としては、例えば、マスクを通して紫外線を照射する投影露光装置、電子線で直接パターンを描く電子線描画装置などを用いることができる。
　そして、図３（ｃ）に示すように、開口部が設けられたレジスト層１６をマスクとして、ドライエッチングにより第２金属層１５へ一定間隔で直線状の開口部を形成する。このとき同時に、レジスト層１６もエッチングされ、その厚みが減少するか又はレジスト層１６が消失する。
　そして、図３（ｄ）に示すように、第２金属層１５の開口部から、マスク層１４をドライエッチングし、一定間隔で直線状の開口部を形成する。このとき、金属がエッチングされないようにエッチングガスを選択することにより、第１金属層１１と第２金属層１５を残したまま、マスク層１４のみを選択的にエッチングすることが可能である。これにより、マスク層１４を厚くすることが可能である。なお、レジスト層１６が先の工程で残存している場合には、レジスト層１６はこの工程で消失する。
　そして、図３（ｅ）、（ｆ）に示すように、第２金属層１５とマスク層１４の開口部から、ドライエッチングにより第１の金属層１３、中間層１２、非金属層１１へ一定間隔で直線状の開口部を形成するによって、図１、図２に示したような波長選択フィルタ素子が作製される。
　この工程では、金属もエッチング可能なガスを用い、第２の金属層１５とマスク層１４も同時にエッチングされて厚みが減少、又は消失する。マスク層１４を厚くすることによって、第１の金属層１３、中間層１２、非金属層１１の各層を一度にエッチングすることが可能である。なお、第１の金属層１３、中間層１２、非金属層１１をドライエッチングした後、マスク層１４が残存している場合には、金属がエッチングされないガスを選択し、ドライエッチングによりマスク層１４のみを除去することが可能である。
　このように、第１の製造方法によれば、１回のパターニングで作製することができ、かつ非金属層、中間層、金属層を入射光の波長程度まで厚くすることができる。よって、目的とする波長選択性に合わせて、各層（非金属層、中間層、金属層）の厚さを決定することができる。
（波長選択フィルタ素子１の第２の製造方法）
　図４（ａ）に示すように、透光性を有する基板（例えば、ガラス基板、樹脂基板など）１０上に、非金属層（例えば、Ｓｉ層）１１、中間層（例えば、ＳｉＯ２層）１２、金属層（例えば、アルミニウム層）１３の各薄膜層を順に積層する。
　非金属層１１、中間層１２、金属層１３の各薄膜層の形成は、例えば、蒸着やスパッタなどの物理的気相成長法（ＰＶＤ）や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、スピンコーティング等の塗布法などによって行うことができる。
　そして、図４（ｂ）に示すように、金属層１３の上にレジスト層２０を塗布等によって形成した後に、周知の露光装置を用いて微細構造をパターニングし、レジスト層２０に一定間隔で直線状の開口部を設ける。この露光装置としては、例えば、マスクを通して紫外線を照射する投影露光装置、電子線で直接パターンを描く電子線描画装置などを用いることができる。
　そして、図４（ｃ）に示すように、開口部が設けられたレジスト層２０をマスクとして、ドライエッチングにより金属層１３、中間層１２、非金属層１１へ一定間隔で直線状の開口部を形成した後、図４（ｄ）に示すように、ドライエッチングによりレジスト層２０を除去することによって、図１、図２に示したような波長選択フィルタ素子が作製される。
　このように、第２の製造方法によれば、１回のパターニングで作製することができ、かつ非金属層、中間層、金属層を入射光の波長程度まで厚くすることができる。よって、目的とする波長選択性に合わせて、各層（非金属層、中間層、金属層）の厚さを決定することができる。また、成膜の回数を少なくすることができるので、製造時間を短縮することができる。
　また、図１、図２に示した本実施形態の波長選択フィルタ素子１の構成以外にも、図５に示すように、非金属層３を構成する第１の非金属材質の周囲（側面、上面）を第２の非金属材質で埋めるような構成にしてもよい。この場合の中間層４は、非金属層３を構成する第２の非金属材質と同じ材料によって構成される。
　更に、図６に示すように、非金属層３を構成する第１の非金属材質の周囲（側面、上面）を第２の非金属材質で埋めた構成において、中間層４の上部に金属層５と同じ周期で形成された直線状の突起部を有する上部中間層４ａを一体に設けるような構成にしてもよい。この場合の中間層４と上部中間層４ａは、非金属層３を構成する第２の非金属材質と同じ材料によって構成される。
　また、図７に示すように、非金属層３を構成する第１の非金属材質の周囲（側面、上面）を第２の非金属材質で埋め、同じ材質で金属層５と同一平面までを埋めるような構成にしてもよい。この場合の中間層４は、非金属層３を構成する第２の非金属材質と同じ材料によって構成される。
　更に、図８に示すように、非金属層３を構成する第１の非金属材質の周囲（側面、上面）を第２の非金属材質で埋めた構成において、金属層５の周期を非金属層３の周期と異なるようにしてよい（図では、金属層５側の周期を小さくしている）。また、金属層５と非金属層３の周期が同じ場合であって、位相や幅が異なるようにしてもよい。
　また、図９に示すように、金属層５と非金属層３の周期構造の配列の方向が異なっていてもよい（図では、金属層５の向きを非金属層３に対して９０度ずらしている（金属層５を非金属層３に対して直交するように配置している））。
　次に、本発明の波長選択フィルタ素子の偏光選択性と波長選択性を評価するために、以下に示すような実施例１、２、３の波長選択フィルタ素子について、RCWA（厳密結合波解析）法による電磁波解析シュミレーションソフト（「Diffract MOD」； R Soft社）を用いて、反射特性、透過特性、吸収特性の評価を行った。
〈実施例１〉
　図１０に示す実施例１の波長選択フィルタ素子３０は、透光性を有するガラス基板２上に、入射光Ｌの波長と同程度以下の周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状の非金属層３と、各非金属層３の間及び各非金属層３の先端側全体を覆いその上部に非金属層３と同じ周期（ピッチ）Ｐで周期的に形成された直線状の上部中間層４ａが一体に形成された非金属材質からなる中間層４と、上部中間層４ａ上に非金属層３と同じ周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状の金属層５とが積層されるようにして構成されている。
　なお、実施例１における入射光Ｌは、ガラス基板２の下方から垂直に入射し、電場の振動方向は、直線状の非金属層３（金属層５）と平行な偏光がＴＥ偏光、直線状の非金属層３（金属層５）と直交する偏光がＴＭ偏光である。
　非金属層３は、半導体（厚さ：２００ｎｍ、屈折率：３．０）で形成されている。中間層４は、誘電体（屈折率：１．４）で形成されており、各非金属層３の上面に位置する中間部の厚さは２００ｎｍで、その上の直線状の突起部の厚さは１００ｎｍである。金属層５は、アルミニウム（厚さ：１００ｎｍ）で形成されている。
　実施例１の波長選択フィルタ素子３０を緑色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを３１０ｎｍ、幅Ｗを１５５ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．５に設定した。
　また、実施例１の波長選択フィルタ素子３０を赤色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを２４０ｎｍ、幅Ｗを１２０ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．５に設定した。
　図１１Ａは、実施例１の波長選択フィルタ素子３０を緑色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１１Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図である。なお、図１１Ａ，図１１Ｂにおいて、ａは反射特性、ｂは透過特性、ｃは吸収特性である。
　図１２Ａは、実施例１の波長選択フィルタ素子３０を赤色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１２Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図である。なお、図１２Ａ，図１２Ｂにおいて、ａは反射特性、ｂは透過特性、ｃは吸収特性である。
〈実施例２〉
　図１３に示す実施例２の波長選択フィルタ素子３０ａは、透光性を有するガラス基板２上に、入射光Ｌの波長と同程度以下の周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状の、非金属層３、非金属材質からなる中間層４、金属層５とが、基板２側から順に積層されるようにして構成されている。
　なお、実施例２における入射光Ｌは、基板面に対して上方から垂直に入射し、電場の振動方向は、直線状の金属層５（非金属層３、中間層４）と平行な偏光がＴＥ偏光、直線状の金属層５（非金属層３、中間層４）と直交する偏光がＴＭ偏光である。
　非金属層３は、誘電体（厚さ：２００ｎｍ、屈折率：２．５）で形成されている。中間層４は、誘電体（厚さ：１００ｎｍ、屈折率：１．４）で形成されている。金属層５は、アルミニウム（厚さ：１００ｎｍ）で形成されている。
　実施例２の波長選択フィルタ素子３０ａを青色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、中間層４、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを３２０ｎｍ、幅Ｗを２２４ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．７に設定した。
　また、実施例２の波長選択フィルタ素子３０ａを緑色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、中間層４、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを４００ｎｍ、幅Ｗを２８０ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．７に設定した。
　図１４Ａは、実施例２の波長選択フィルタ素子３０ａを青色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１４Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図である。なお、図１４Ａ，図１４Ｂにおいて、ａは反射特性、ｂは透過特性、ｃは吸収特性である。
　図１５Ａは、実施例１の波長選択フィルタ素子３０ａを緑色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１５Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図である。なお、図１５Ａ，図１５Ｂにおいて、ａは反射特性、ｂは透過特性、ｃは吸収特性である。
〈実施例３〉
　図１６に示す実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂは、透光性を有するガラス基板２上に、入射光Ｌの波長と同程度以下の周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置された直線状の、非金属層３、非金属材質からなる中間層４、金属層５が、基板２側から順に積層されるようにして構成されている。
　なお、実施例３における入射光Ｌは、基板面に対して上方から垂直に入射し、電場の振動方向は、直線状の金属層５（非金属層３、中間層４）と平行な偏光がＴＥ偏光、直線状の金属層５（非金属層３、中間層４）と直交する偏光がＴＭ偏光である。
　非金属層３は、酸化チタン（厚さ：２５０ｎｍ、屈折率：２．２～２．５）で形成されている。中間層４は、ＳｉＯ２（厚さ：１５０ｎｍ、屈折率：１．５）で形成されている。金属層５は、アルミニウム（厚さ：１００ｎｍ）で形成されている。
　実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを青色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、中間層４、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを３００ｎｍ、幅Ｗを２１０ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．７に設定した。
　また、実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを緑色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、中間層４、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを３８０ｎｍ、幅Ｗを２６６ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．７に設定した。
　更に、実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを赤色フィルタとして構成する場合は、非金属層３、中間層４、金属層５の周期（ピッチ）Ｐを５００ｎｍ、幅Ｗを３５０ｎｍ、デューティー比（幅Ｗ／周期Ｐ）を０．７に設定した。
　図１７Ａは、実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを青色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１７Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図である。
　図１８Ａは、実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを緑色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１８Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図である。
　図１９Ａは、実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを赤色フィルタとして構成したときの、偏光方向がＴＭ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性、吸収特性）を示す図、図１９Ｂは、偏光方向がＴＥ偏光の場合の特性（反射特性、透過特性）を示す図である。
　このように、実施例１、２、３の波長選択フィルタ素子３０、３０ａ、３０ｂによれば、波長選択性と偏光選択性の両方を有するように構成することができ、かつ吸収も小さくすることができる。これにより、ＴＥ偏光とＴＭ偏光のうちの一方の偏光に対しては可視光領域全体で反射させ、他方の偏光に対しては特定の波長域の光のみを透過させて、他の波長域の光を反射させるができるので、光の利用効率をより高めることができる。
　図２０は、本発明の波長選択フィルタ素子を、画像表示装置としての液晶表示装置に配置されているカラーフィルタに適用した一例を示す概略断面図である。
（液晶表示装置の構成）
　図２０に示した透過型の液晶表示装置４０は、背面側（図の上側）のカラーフィルタ基板４１と表面側（図の下側）のアレイ基板４２との間に、複数のスペーサ４３によって一定の隙間を保持するようにして液晶層４４が設けられている。
　カラーフィルタ基板４１は、液晶層４４側から順に配向膜４５、対向電極（透明電極）４６、平坦化層４７、カラーフィルタ４８、ガラス基板４９が配置されている。Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各カラーフィルタ４８の隣接するカラーフィルタのない領域には、光を遮蔽するためのブラックマトリックス（ＢＭ）５０が設けられている。カラーフィルタ基板４１のガラス基板４９側には、ＬＥＤや冷陰極管等のバックライト５１が配置されている。
　Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各カラーフィルタ４８としては、例えば、図１６に示した実施例３の波長選択フィルタ素子３０ｂを用いることができる。この場合、Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各カラーフィルタ４８は、それぞれ図１９Ａ，図１９Ｂ、図１８Ａ，図１８Ｂ、図１７Ａ，図１７Ｂに示した特性を有している。
　アレイ基板４２は、液晶層４４側から順に配向膜５２、平坦化層５３、画素電極（透明電極）５４、ガラス基板５５、偏光板（偏光フィルタ）５６が配置されている。
　このように、この液晶表示装置４０の各カラーフィルタ４８に、例えば、図１６に示した実施例３の波長選択性と偏光選択性を有する波長選択フィルタ素子３０ｂ用いることにより、ＴＥ偏光とＴＭ偏光のうちの一方の偏光に対しては可視光領域全体で反射させ、他方の偏光に対しては特定の波長域の光のみを透過させて、他の波長域の光を反射させることが可能となるので、従来のようにバックライト５１と各カラーフィルタ４８との間に配置していた偏光フィルム（偏光フィルタ）が不要となる。
　よって、バックライト５１から出射した光のうち各カラーフィルタ（Ｒ、Ｇ、Ｂの各カラーフィルタ）４８を透過しない光を効率よく反射して、バックライト５１側に戻した後に、バックライト５１から各カラーフィルタ４８側に再入射させる動作を繰り返すことで、光の利用効率を高めることができ、より明るい画像を表示することが可能となる。
　本発明の波長選択フィルタ素子は上記したカラーフィルタ以外にも、例えば、光計測装置や光分析装置なども用いることができる。
関連出願の相互参照
　本願は、２０１１年２月１日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－０１９６５８号に基づく優先権を主張し、その全ての開示は完全に本明細書で参照により組み込まれる。
　１、３０、３０ａ、３０ｂ　　　　波長選択フィルタ素子
　２　　　　基板
　３　　　　非金属層
　４　　　　中間層
　５　　　　金属層
　４０　　　液晶表示装置
　４４　　　液晶層
　４８　　　カラーフィルタ
　５１　　　バックライト

Claims (9)

  1. 　透光性を有する基板上に周期的に配置された、屈折率ｎ１の第１の非金属材質と屈折率ｎ２の第２の非金属材質を含む非金属層と、
    　前記非金属層の上面に設けた非金属材質からなる中間層と、
    　前記中間層上に周期的に配置された直線状の金属層と、を有する波長選択フィルタ素子であって、
    　前記非金属層の周期を１０～８００ｎｍ、前記金属層の周期を１０～８００ｎｍとし、
    　また、前記第１の非金属材質と前記第２の非金属材質の屈折率の関係が、ｎ１＞ｎ２の条件を満たし、
    　更に、前記中間層を構成する最も屈折率の高い材質の屈折率をｎ３とすると、ｎ３＜ｎ１の条件を満たしていることを特徴とする波長選択フィルタ素子。
  2. 　前記中間層の厚さは１０～１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の波長選択フィルタ素子。
  3. 　前記第１の非金属材質と前記中間層を構成する最も屈折率の高い材質の屈折率の関係が、ｎ１－ｎ３＞０．４の条件を満たしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択フィルタ素子。
  4. 　前記第１の非金属材質と前記第２の非金属材質の屈折率の関係が、ｎ１－ｎ２＞０．８の条件を満たしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長選択フィルタ素子。
  5. 　前記非金属層は、直線状の第１の非金属材質と直線状の第２の非金属材質とが周期的に配置されるようにして形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長選択フィルタ素子。
  6. 　前記中間層は、直線状に形成され、かつ所定の周期で周期的に配置されており、
    　前記非金属層、前記中間層、前記金属層が、同じ周期で同一方向に同じ幅で前記基板上に積層されていることを特徴とする請求項５に記載の波長選択フィルタ素子。
  7. 　請求項６に記載の波長選択フィルタ素子の製造方法であって、
    　透光性を有する基板上に、該基板側から順に非金属層、非金属材質からなる中間層、第１の金属層を積層する第１の工程と、
    　前記第１の金属層の上に、該第１の金属層側から順にマスク層、第２の金属層、レジスト層を形成する第２の工程と、
    　前記レジスト層に一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第３の工程と、
    　前記第２の金属層にドライエッチングにより一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第４の工程と、
    　前記第２の金属層に設けた開口部から、ドライエッチングにより前記マスク層へ一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第５の工程と、
    　前記第２の金属層と前記マスク層に設けた開口部から、ドライエッチングにより前記第１の金属層、前記中間層、前記非金属層へ一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第６の工程と、を含むことを特徴とする波長選択フィルタ素子の製造方法。
  8. 　請求項６に記載の波長選択フィルタ素子の製造方法であって、
    　透光性を有する基板上に、該基板側から順に非金属層、非金属材質からなる中間層、金属層を積層する第１の工程と、
    　前記金属層の上にレジスト層を形成する第２の工程と、
    　前記レジスト層に開口部を設けた後に、ドライエッチングにより前記金属層、前記中間層、前記非金属層へ一定間隔で直線状の開口部を複数設ける第３の工程と、を含むことを特徴とする波長選択フィルタ素子の製造方法。
  9. 　カラーフィルタを備えた画像表示装置において、
    　前記カラーフィルタが前記請求項１乃至６のいずれか一項に記載の波長選択フィルタ素子で構成されていることを特徴とする画像表示装置。
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