WO2017195810A1 - 位相差素子、位相差素子製造方法および光学部材 - Google Patents

位相差素子、位相差素子製造方法および光学部材 Download PDF

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縄田晃史
粟屋信義
田中覚
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Ｓｃｉｖａｘ株式会社
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    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation

Definitions

  • the present invention relates to a retardation element, a retardation element manufacturing method, and an optical member using the retardation element.
  • the conventional phase difference element uses the difference in propagation speed or absorption characteristics depending on the material, and creates a phase difference between two orthogonal polarization components, changing the polarization state from linearly polarized light to circularly polarized light.
  • This is an optical element.
  • Such an element is used, for example, for switching on / off a pixel of an image projection apparatus such as a liquid crystal panel, an organic EL display, or a liquid crystal projector. It is also widely used in various optical instruments and measuring instruments such as optical measurement techniques such as ellipsometry (polarization analysis), laser interferometers, and optical shutters.
  • phase difference element one in which a plurality of openings are periodically arranged in a metal film has been disclosed (for example, Patent Document 1).
  • optical member which combined the said phase difference element with the polarizing plate like a wire grid is disclosed (for example, patent document 2).
  • the conventional retardation plate has a triangular or rectangular opening, and its processing is difficult.
  • an object of the present invention is to provide a phase difference element, a phase difference element manufacturing method, and an optical member using the phase difference element that have high ellipticity and transmittance and are easy to process.
  • the retardation element of the present invention is for controlling the optical characteristics of an incident electromagnetic wave, and a linear metal structure having a width smaller than the wavelength of the electromagnetic wave is arranged in parallel. It is characterized by comprising a periodically arranged metal part and a dielectric part made of a dielectric material that can transmit the electromagnetic wave and supporting the metal structure.
  • the space between the metal structures may be filled with the dielectric.
  • the metal part may be included in the dielectric.
  • the metal structure may have a convex cross section with a small width on the incident direction side of the electromagnetic wave.
  • the ellipticity of electromagnetic waves when transmitting linearly polarized electromagnetic waves is 70% or more. Further, when the wavelength of the electromagnetic wave is ⁇ , it is preferable that the pitch of the metal structure is formed to be ⁇ or less.
  • the pitch of the metal structures is formed to be 0.35 ⁇ or more.
  • the optical member of the present invention includes a reflective polarizer that polarizes incident electromagnetic waves and the retardation element of the present application, and the metal structure 1 of the retardation element passes through the polarizing element. It is characterized in that it is periodically arranged in a direction of 40 to 50 degrees with respect to the polarization direction.
  • Another optical member of the present invention includes a reflective polarizer that polarizes incident electromagnetic waves, the retardation element of the present application, and a light emitting unit that is disposed between the polarizing element and the retardation element and that emits light. And a mirror that reflects the electromagnetic wave that has passed through the phase difference element to the phase difference element side, and the metal structure of the phase difference element has a polarization direction of the electromagnetic wave that has passed through the polarizing element. It is characterized by being periodically arranged in a direction of 40 to 50 degrees.
  • the mirror is disposed apart from the metal portion of the retardation element.
  • the phase difference element manufacturing method of the present invention is for manufacturing a phase difference element for controlling optical characteristics of incident electromagnetic waves, and the electromagnetic wave is applied to a dielectric made of a resin capable of transmitting the electromagnetic waves.
  • a covering step of covering the exposed portion of the metal with a dielectric material that can transmit the electromagnetic wave it is preferable to have a covering step of covering the exposed portion of the metal with a dielectric material that can transmit the electromagnetic wave.
  • the retardation element of the present invention has an effect of having a high ellipticity and transmittance while having a simple structure.
  • phase difference element of this invention It is a schematic sectional drawing which shows the phase difference element of this invention. It is a schematic perspective view which shows the phase difference element of this invention. It is a schematic sectional drawing which shows another phase difference element of this invention. It is a schematic perspective view which shows another phase difference element of this invention. It is a schematic sectional drawing which shows another phase difference element of this invention. It is a schematic perspective view which shows another phase difference element of this invention. It is a schematic perspective view which shows another phase difference element of this invention. It is a graph which shows the relationship between the wavelength of an incident wave, and ellipticity in the phase difference element (pitch of 150 nm) of this invention. It is a graph which shows the relationship between the wavelength of an incident wave, and an ellipticity in the phase difference element (200 nm pitch) of this invention.
  • the phase difference element 10 of the present invention is for controlling the optical characteristics of an incident electromagnetic wave, and includes a metal part composed of a plurality of metal structures 1 and a dielectric part 2. And is composed mainly of.
  • the metal part has a line and space shape in which a plurality of linear metal structures 1 are arranged in parallel.
  • the metal structure 1 is formed to have a width smaller than the wavelength of the electromagnetic wave.
  • the cross section of the metal structure 1 shows the ellipticity of the transmitted wave when an electromagnetic wave having a predetermined wavelength which is linearly polarized light is incident at an angle of 45 degrees with respect to the linear direction of the metal structure 1. Any value can be used as long as the absolute value of becomes 70% or more.
  • a cross section having a quadrangle, a triangle, or a trapezoid can be used.
  • Examples of the metal include silver, gold, aluminum, nickel, and copper. Of course, it is not limited to these.
  • the electromagnetic wave passes between the metal structures 1 of the metal part formed in this way, so that a phase difference can be given to the electromagnetic wave.
  • the pitch P between the metal structures 1 is the ellipticity of the transmitted wave when electromagnetic waves that are linearly polarized light are incident at an angle of 45 degrees with respect to the linear direction of the metal structure 1. Any value can be used as long as the absolute value is 70% or more.
  • the ellipticity means the ratio b / a of the major axis length a and the minor axis length b of the ellipse when the locus of the electromagnetic wave is projected onto a plane perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave.
  • the absolute value of this ellipticity is 70% or more, the transmitted wave can be regarded as circularly polarized light within 3 dB.
  • the width and height of the metal structure 1 is also set so that the electromagnetic wave, which is linearly polarized light, has an ellipticity of the transmitted wave when the polarization direction is incident at an angle of 45 degrees with respect to the linear direction of the metal structure 1. Any value can be used as long as the absolute value is 70% or more.
  • the metal structure may have a convex cross section with a small width on the incident direction side of the electromagnetic wave. Note that the transmittance of electromagnetic waves can be adjusted by the width and height of the metal structure 1.
  • the dielectric portion 2 is made of a dielectric material that can transmit electromagnetic waves, and is for supporting the metal structure 1. Any dielectric material may be used as long as it can transmit a desired electromagnetic wave.
  • a transparent resin that can be processed by a photolithography technique, a nanoimprint technique, or the like may be used. It is also possible to use a transparent inorganic compound such as silicon (Si) or silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the dielectric part 2 may be filled with the dielectric material between the metal structures 1, or the metal part may be completely enclosed in the dielectric part 2. Thereby, intensity
  • phase difference element 10 of the present invention will be described using simulation.
  • a software DiffractMOD manufactured by Synopsys, Inc. was used.
  • a line-and-space shape in which a plurality of metal structures 1 each having a straight metal part and a rectangular cross section are arranged in parallel is used.
  • the metal is aluminum, and the periphery of the metal structure 1 is a dielectric having a refractive index of 1.5.
  • the incident electromagnetic wave (incident wave) was linearly polarized light, and the polarization direction was an angle of 45 degrees with respect to the linear direction of the metal structure 1.
  • the incident electromagnetic waves were calculated such that the wavelengths differed by 10 nm from 300 to 800 nm.
  • FIG. 7 to FIG. 16 show the relationship between the wavelength of the incident wave and the ellipticity of the transmitted wave when the pitch P, height H, and width W of the metal structure 1 are changed as shown in Table 1.
  • the results of wave transmittance are shown in FIGS.
  • the phase difference element 10 of the present application has an absolute value of ellipticity of 70% or more in a wide wavelength band.
  • permeability is also very large.
  • the pitch P of the metal structure 1 is 350 nm
  • the height H is 300 nm
  • the width W is 45 nm
  • the incident wave has a wavelength ⁇ of 570 to 790 nm.
  • the absolute value of the ellipticity of the wave is 70% or more.
  • the transmittance in this range is 78.4% or more, and the maximum is 90.7%.
  • the wavelength of the incident electromagnetic wave which is linearly polarized light
  • ⁇ at least 0 for the absolute value of the ellipticity of the transmitted wave to be 70% or more and the transmittance to be more than 60%. .35 ⁇ ⁇ P ⁇ ⁇ is preferable.
  • the method of manufacturing the retardation element 10 of the present invention includes a groove forming step of forming a plurality of linear grooves having a width smaller than the wavelength of an electromagnetic wave at a predetermined interval in a dielectric made of a resin that can transmit electromagnetic waves, and a metal in the groove And a metal part forming step for filling the metal.
  • the groove forming step may be any process as long as the groove for forming the metal part can be formed.
  • the groove may be formed in the dielectric by a conventionally known photolithography technique, nanoimprint technique, or the like.
  • the metal part forming process may be any process as long as the groove created in the groove forming process can be filled with metal.
  • the metal formed other than the groove is polished or the like. Can be removed. As a result, a line-and-space-shaped metal portion in which a plurality of linear metal structures 1 are arranged in parallel can be formed.
  • a coating step of covering with a dielectric that can transmit electromagnetic waves in the portion where the metal is exposed may be provided. Any method may be used for coating with a dielectric, but the surface of the metal structure 1 may be covered with a dielectric using a method such as coating, vapor deposition, laser ablation, or CVD.
  • the optical member 100 of the present invention is mainly composed of a polarizer 20 and a retardation element 10 of the present invention.
  • the polarizer 20 allows only incident electromagnetic waves that are polarized or polarized in a specific direction to pass through.
  • the polarizer 20 includes a reflective type that reflects a component of an electromagnetic wave that has not passed, and an absorption type that absorbs an electromagnetic wave that has not passed.
  • a conventionally known one such as a wire grid may be used.
  • phase difference element 10 the phase difference element 10 of the present invention described above may be used.
  • the phase difference element 10 is arranged so that the linear direction of the metal structure 1 is 40 to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the polarization direction of the electromagnetic wave that has passed through the polarizer 20. Thereby, the linearly polarized light that has passed through the polarizer 20 can be changed to a circularly polarized or elliptically polarized state.
  • various incident electromagnetic waves can be converted into linearly polarized light by a polarizer, and the linearly polarized light can be converted into circularly polarized light by a phase difference element.
  • the optical member 200 of the present invention is mainly composed of a polarizer 20, the phase difference element 10 of the present invention, a light emitting unit 30, and a mirror 40. As shown in FIG.
  • the polarizer 20 allows only incident electromagnetic waves that are polarized or polarized in a specific direction to pass through.
  • the polarizer 20 is a reflective type that reflects the component of the electromagnetic wave that has not passed.
  • phase difference element 10 the phase difference element 10 of the present invention described above may be used.
  • the phase difference element 10 is arranged so that the linear direction of the metal structure 1 is 40 to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the polarization direction of the electromagnetic wave that has passed through the polarizer 20. Thereby, the linearly polarized light that has passed through the polarizer 20 can be changed to a circularly polarized or elliptically polarized state.
  • the light emitting unit 30 is disposed between the polarizing element and the phase difference element 10 and irradiates desired light (electromagnetic wave).
  • a conventionally known light emitting unit 30 may be used.
  • the light emitting unit 30 such as a display or a laser interferometer is applicable.
  • the light emitting unit 30 in FIG. 28 corresponds to a waveguide plate of a display.
  • the mirror 40 is for reflecting the electromagnetic wave that has passed through the phase difference element 10 to the phase difference element 10 side.
  • the wavelength ⁇ of the electromagnetic wave has the relationship of the following formula (1).
  • K is a coefficient.
  • D K ⁇ ⁇ / 1.5 (1)
  • the extraction efficiency of light that can be extracted from the optical member 200 out of the light output from the light emitting unit 30 has the relationship shown in FIG.
  • the electromagnetic wave incident on the polarizer 20 from the light emitting unit 30 passes only the P-polarized light having a specific direction component through the polarizer 20 and is S-polarized light having a component perpendicular to the P-polarized light.
  • the reflected S-polarized light passes through the phase difference element 10
  • a phase difference is generated and converted to circularly polarized light (or elliptically polarized light).
  • the circularly polarized light or elliptically polarized light
  • this electromagnetic wave passes through the phase difference element 10 again, it is converted back to linearly polarized light.
  • the electromagnetic wave is converted into an electromagnetic wave that is nearly perpendicular to the incident S-polarized light.
  • the angle is determined according to the ellipticity, and when the absolute value of the ellipticity is 1, P-polarized light is obtained.
  • most of the electromagnetic waves irradiated from the light emitting unit 30 can pass through the polarizer 20, and the polarization extraction efficiency can be improved.
  • the polarizer 20, the phase difference element 10, the light emitting unit 30, and the mirror 40 may be anything that can transmit electromagnetic waves emitted from the light emitting unit, and may be in contact with each other. good. However, as described above, it is preferable to dispose the mirror 40 at least apart from the metal portion of the phase difference element 10.
  • Metal structure 2 Dielectric part 10 Phase difference element 20 Polarizer 30 Light emitter 40 mirror

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Abstract

楕円率や透過率が高く、加工の容易な位相差素子、位相差素子製造方法および当該位相差素子を用いた光学素子を提供することを目的とする。入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子10であって、電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の金属構造体１を平行に周期配列した金属部と、電磁波を透過可能な誘電体からなり、金属構造体１を支持する誘電体部２と、を具備する。

Description

位相差素子、位相差素子製造方法および光学部材
　本発明は、位相差素子、位相差素子製造方法および当該位相差素子を用いた光学部材に関するものである。
　従来の位相差素子は、材料に依存した伝搬速度または吸収特性の違いを利用し、直交する二つの偏光成分の間に位相差を生じさせ、直線偏光から円偏光のように、偏光状態を変化させる光学素子である。このような素子は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬディスプレイ、液晶プロジェクタなどの画像投影装置の画素のオン・オフの切り替えに利用されている。また、エリプソメトリー（偏光解析）などの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器にも広く利用されている。
　従来、このような位相差素子として、金属膜に複数の開口を周期的に配設したものが開示されている（例えば、特許文献１）。また、当該位相差素子をワイヤーグリッドのような偏光板と組み合わせた光学部材が開示されている（例えば、特許文献２）。
特開２０１６－５１１６２ 特開２００８－１８０８７５
　しかしながら、従来の構造では、可視光帯において円偏波（楕円率の絶対値が７０％以上）とみなせる帯域が狭く、また円偏波とみなせる帯域であっても、その透過率は最大で６０％程度と低かった（特許文献１の段落［００５３］および図７参照）。また、従来の位相差板は、開口の形状が三角形又は長方形であり、その加工が困難であった。
　そこで本発明は、楕円率や透過率が高く、加工の容易な位相差素子、位相差素子製造方法および当該位相差素子を用いた光学部材を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の位相差素子は、入射した電磁波の光学特性を制御するためのものであって、前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の金属構造体を平行に周期配列した金属部と、前記電磁波を透過可能な誘電体からなり、前記金属構造体を支持する誘電体部と、を具備することを特徴とする。
　この場合、前記金属構造体同士の間は、前記誘電体で充填されていても良い。また、前記金属部は、前記誘電体に内包されていても良い。
　前記金属構造体は、電磁波の入射方向側の幅が小さい断面凸状であっても良い。
　また、直線偏光した電磁波を透過させたときの電磁波の楕円率が７０％以上である方が好ましい。また、前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチはλ以下に形成される方が好ましい。
　また、前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチは０．３５λ以上に形成される方が好ましい。
　また、本発明の光学部材は、入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、本願の位相差素子と、を具備し、前記位相差素子の金属構造体１は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０～５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする。
　また、本発明の別の光学部材は、入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、本願の位相差素子と、前記偏光素子と前記位相差素子の間に配置され、光を照射する発光部と、前記位相差素子を通過した電磁波を、当該位相差素子側に反射するミラーと、を具備し、前記位相差素子の金属構造体は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０～５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする。
　この場合、前記ミラーは、前記位相差素子の金属部と離間して配置される方が好ましい。
　また、本発明の位相差素子製造方法は、入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子を製造するためのものであって、前記電磁波を透過可能な樹脂からなる誘電体に前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の溝を一定間隔で複数形成する溝形成工程と、前記溝に金属を充填する金属部形成工程と、を有することを特徴とする。
　この場合、前記金属の露出部を、前記電磁波が透過可能な誘電体で被覆する被覆工程を有する方が好ましい。
　本発明の位相差素子は、簡単な構造でありながら、高い楕円率と透過率を有するという効果が得られる。
本発明の位相差素子を示す概略断面図である。 本発明の位相差素子を示す概略斜視図である。 本発明の別の位相差素子を示す概略断面図である。 本発明の別の位相差素子を示す概略斜視図である。 本発明の別の位相差素子を示す概略断面図である。 本発明の別の位相差素子を示す概略斜視図である。 本発明の位相差素子（ピッチ１５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ２００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ４００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ４５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ１５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ２００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ４００ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の位相差素子（ピッチ４５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。 本発明の光学部材を示す概略側面図である。 本発明の別の光学部材を示す概略側面図である。 係数Ｋと偏波取り出し効率（Power）との関係を示すグラフである。
　以下に、本発明の位相差素子10について説明する。本発明の位相差素子10は、図１～図６に示すように、入射した電磁波の光学特性を制御するためのものであって、複数の金属構造体１からなる金属部と誘電体部２とで主に構成される。
　金属部は、図１に示すように、直線状の金属構造体１を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状のものである。当該金属構造体１は、電磁波の波長より小さい幅を有するように形成される。また、金属構造体１の断面は、直線偏光である所定波長の電磁波をその偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となるものであればどのようなものでも良い。例えば、断面が四角形や三角形、台形のものを用いることができる。
　金属としては、例えば、銀、金、アルミニウム、ニッケル、銅等を挙げることができる。勿論、これらに限定されるものではない。
　このように形成された金属部の金属構造体１同士の間を電磁波が通過することにより、電磁波に位相差を与えることができる。
　また、金属構造体１同士のピッチＰは、直線偏光である電磁波をその偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となるものであればどのようなものでも良い。ここで楕円率とは、電磁波の軌跡を電磁波の進行方向に垂直な面に投影した際に、その楕円の長軸の長さａと短軸の長さｂの比ｂ／ａを意味する。この楕円率の絶対値が７０％以上であると、透過波は３ｄＢ以内の円偏光とみなせる。
　また、金属構造体１の幅や高さも、直線偏光である電磁波をその偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となるものであればどのようなものでも良い。また、金属構造体は、電磁波の入射方向側の幅が小さい断面凸状にしても良い。なお、金属構造体１の幅や高さによって電磁波の透過率を調節することも可能である。
　誘電体部２は、電磁波を透過可能な誘電体からなり、金属構造体１を支持するためのものである。誘電体としては、所望の電磁波を透過可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、フォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術等で加工できる透明な樹脂を用いれば良い。また、ケイ素（Ｓｉ）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の透明な無機化合物を用いることも可能である。
　なお、誘電体部２は、金属構造体１同士の間まで前記誘電体で充填するものや、金属部が完全に誘電体部２に内包するものでも良い。これにより、強度を高めたり、金属部の腐食を防止したりすることができる。
　次に、シミュレーションを用いて本発明の位相差素子10の機能を説明する。シミュレーションには、シノプシス社（synopsys, Inc）製のソフトDiffractMODを用いた。シミュレーションには、金属部が直線状で断面長方形の金属構造体１を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状のものを用いた。また、金属はアルミニウムとし、金属構造体１の周辺は屈折率が１．５の誘電体であるとした。入射させる電磁波（入射波）は直線偏光とし、その偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度であるとした。また、入射させる電磁波は波長が３００～８００ｎｍまで１０ｎｍずつ異なるものを計算した。金属構造体１のピッチＰ、高さＨ、幅Ｗを表１のように変えた場合の入射波の波長と透過波の楕円率の関係を図７～図１６に、入射波の波長と透過波の透過率の結果を図１７～図２６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図７～図１６に示すように、本願の位相差素子10は、広い波長の帯域で楕円率の絶対値が７０％以上であることがわかる。また、その透過率も非常に大きいことがわかる。例えば、図１４および図２４に示すように、金属構造体１のピッチＰを３５０ｎｍ、高さＨを３００ｎｍ、幅Ｗを４５ｎｍとした場合、入射波の波長λが５７０～７９０ｎｍの帯域で、透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となる。また、この範囲における透過率は７８．４％以上で最大は９０．７％である。これらの値は、特許文献１の位相差素子と比較しても大幅に向上している。
　シミュレーションの結果によれば、入射した直線偏光である電磁波の波長をλとすると、透過波の楕円率の絶対値が７０％以上で、かつ透過率を６０％超とするためには、少なくとも０．３５λ≦Ｐ≦λとするのが良い。また、電磁波の透過率を７０％以上とするためには、少なくとも０．３５λ≦Ｐ≦０．９λとするのが良く、透過率を８０％以上とするためには、少なくとも０．４λ≦Ｐ≦０．７λとするのが良い。
　次に、本願の位相差素子10の製造方法について説明する。本発明の位相差素子10の製造方法は、電磁波を透過可能な樹脂からなる誘電体に電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の溝を一定間隔で複数形成する溝形成工程と、溝に金属を充填する金属部形成工程と、で主に構成される。
　溝形成工程は、金属部を形成するための溝を形成できればどのようなものでも良いが、例えば、従来から知られているフォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術等によって誘電体に溝を形成すれば良い。
　金属部形成工程は、溝形成工程で作成した溝に金属を充填できればどのようなものでも良いが、例えばめっきやスパッタリング等によって溝を金属で充填した後、溝以外に形成された金属を研磨等によって除去すれば良い。これにより直線状の金属構造体１を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状の金属部を形成することができる。
　また、金属部形成工程の後に、金属が露出している部分の電磁波を透過可能な誘電体で被覆する被覆工程を有していても良い。誘電体で被覆する方法はどのようなものでも良いが、例えば、塗布、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤ等の方法を用いて金属構造体１の表面を誘電体で覆えば良い。
　次に、当該位相差素子10を用いた光学部材100について説明する。
　本発明の光学部材100は、図２７に示すように、偏光子20と、本発明の位相差素子10とで主に構成される。
　偏光子20は、入射した電磁波を特定方向に偏光、又は偏波した電磁波だけを通過させるものである。偏光子20としては、通過しなかった電磁波の成分を反射する反射型のものと、通過しなかった電磁波を吸収する吸収型のものがある。例えばワイヤーグリッドのような従来から知られているものを用いれば良い。
　位相差素子10は、上述した本発明の位相差素子10を用いれば良い。当該位相差素子10は、金属構造体１の直線方向が、偏光子20を通過した電磁波の偏光方向に対して４０～５０度、好ましくは４５度の方向になるように配置する。これにより、偏光子20を通過した線偏光を円偏光又は楕円偏光の状態に変えることができる。
　光学部材100をこのように構成することにより、入射した種々の電磁波を偏光子によって線偏光に変換し、当該線偏光を位相差素子によって円偏光に変換することができる。
　また、当該位相差素子10を用いた別の光学部材200について説明する。
　本発明の光学部材200は、図２８に示すように、偏光子20と、本発明の位相差素子10と、発光部30と、ミラー40とで主に構成される。
　偏光子20は、入射した電磁波を特定方向に偏光、又は偏波した電磁波だけを通過させるものである。また、偏光子20は、通過しなかった電磁波の成分を反射する反射型が用いられる。反射型の偏光子20としては、例えばワイヤーグリッドのような従来から知られているものを用いれば良い。
　位相差素子10は、上述した本発明の位相差素子10を用いれば良い。当該位相差素子10は、金属構造体１の直線方向が、偏光子20を通過した電磁波の偏光方向に対して４０～５０度、好ましくは４５度の方向になるように配置する。これにより、偏光子20を通過した線偏光を円偏光又は楕円偏光の状態に変えることができる。
　発光部30は、偏光素子と前記位相差素子10の間に配置され、所望の光（電磁波）を照射するものである。発光部30は、従来から知られているものを用いれば良いが、例えば、ディスプレイやレーザー干渉計等の発光部30が該当する。例えば、図２８の発光部30は、ディスプレイの導波板に該当する。
　ミラー40は、位相差素子10を通過した電磁波を、当該位相差素子10側に反射させるためのものである。ここで、ミラーと位相差素子の金属部との距離をＤとすると、電磁波の波長λとは下記式（１）の関係がある。ここでＫは係数である。
　　　　　　　　　Ｄ＝Ｋ×λ／１．５　　　　　　（１）
　また、発光部３０が出力する光のうち、光学部材２００から取り出すことができる光の取り出し効率は、図２９に示す関係がある。ここでλ＞０のため、Ｋ＝０の時、Ｄ＝０となることから、図２９より、少なくともＤ＝０のときは光学部材２００の偏波取り出し効率が低いことがわかる。したがって、ミラー40は、位相差素子10の金属部と離間して配置するのが好ましい。
　光学部材をこのように構成することにより、発光部30から偏光子20に入射した電磁波は、特定方向成分のＰ偏光のみ当該偏光子20を通過し、Ｐ偏光に対して垂直な成分のＳ偏光を反射する。反射されたＳ偏光は、位相差素子10を通過すると位相差が生じ、円偏光（又は楕円偏光）に変換される。当該円偏光（又は楕円偏光）は、ミラー40で反射されるとその回転方向が反転する。この電磁波が再び位相差素子10を通過すると、再び線偏光に変換される。この際、電磁波は、ミラー40で回転方向が逆になっているため、入射したＳ偏光に対して垂直に近い電磁波に変換される。当該角度は楕円率に応じて決まり、楕円率の絶対値が１の場合はＰ偏光となる。この結果、発光部30から照射された電磁波は、ほとんどが偏光子20を通過することができ、偏波取り出し効率を向上させることができる。
　なお、偏光子20、位相差素子10、発光部30、ミラー40の間は発光部から発光した電磁波を透過可能なものであればどのようなものでも良く、また、互いが接触していても良い。ただし、上述したように、ミラー40は、少なくとも位相差素子10の金属部と離間して配置する方が好ましい。
１　金属構造体
２　誘電体部
10　位相差素子
20　偏光子
30　発光部
40　ミラー

Claims (12)

  1. 　入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子であって、
    　前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の金属構造体を平行に周期配列した金属部と、
    　前記電磁波を透過可能な誘電体からなり、前記金属構造体を支持する誘電体部と、
    を具備することを特徴とする位相差素子。
  2. 　前記金属構造体同士の間は、前記誘電体で充填されていることを特徴とする請求項１記載の位相差素子。
  3. 　前記金属部は、前記誘電体に内包されていることを特徴とする請求項１記載の位相差素子。
  4. 　前記金属構造体は、電磁波の入射方向側の幅が小さい断面凸状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の位相差素子。
  5. 　直線偏光した電磁波を透過させたときの電磁波の楕円率が７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の位相差素子。
  6. 　前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチはλ以下に形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の位相差素子。
  7. 　前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチは０．３５λ以上に形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の位相差素子。
  8. 　入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、
    請求項１ないし７のいずれかに記載の位相差素子と、
    を具備し、
    　前記位相差素子の金属構造体は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０～５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする光学部材。
  9. 　入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、
    　請求項１ないし７のいずれかに記載の位相差素子と、
    　前記偏光素子と前記位相差素子の間に配置され、光を照射する発光部と、
    　前記位相差素子を通過した電磁波を、当該位相差素子側に反射するミラーと、
    を具備し、
    　前記位相差素子の金属構造体は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０～５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする光学部材。
  10. 　前記ミラーは、前記位相差素子の金属部と離間して配置されることを特徴とする請求項９記載の光学部材。
  11. 　入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子を製造するための位相差素子製造方法であって、
    　前記電磁波を透過可能な樹脂からなる誘電体に前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の溝を一定間隔で複数形成する溝形成工程と、
    　前記溝に金属を充填する金属部形成工程と、
    を有することを特徴とする位相差素子製造方法。
  12. 　前記金属の露出部を、前記電磁波が透過可能な誘電体で被覆する被覆工程を有することを特徴とする請求項１１記載の位相差素子製造方法。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007532977A (ja) * 2004-04-15 2007-11-15 ナノオプト コーポレーション 光学膜およびその製造方法
JP2008180875A (ja) * 2007-01-24 2008-08-07 Hitachi Displays Ltd 偏光子及びそれを用いた液晶表示装置
JP2010277016A (ja) * 2009-06-01 2010-12-09 Ricoh Co Ltd 光学フィルタおよび画像撮影装置
US20150116824A1 (en) * 2013-10-24 2015-04-30 Moxtek, Inc. Polarizer with wire pair over rib
JP2016051162A (ja) * 2014-08-29 2016-04-11 学校法人法政大学 金属膜に周期的に非対称開口を配設した位相差板

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007532977A (ja) * 2004-04-15 2007-11-15 ナノオプト コーポレーション 光学膜およびその製造方法
JP2008180875A (ja) * 2007-01-24 2008-08-07 Hitachi Displays Ltd 偏光子及びそれを用いた液晶表示装置
JP2010277016A (ja) * 2009-06-01 2010-12-09 Ricoh Co Ltd 光学フィルタおよび画像撮影装置
US20150116824A1 (en) * 2013-10-24 2015-04-30 Moxtek, Inc. Polarizer with wire pair over rib
JP2016051162A (ja) * 2014-08-29 2016-04-11 学校法人法政大学 金属膜に周期的に非対称開口を配設した位相差板

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