WO2020261856A1 - ワイヤグリッド構造を有する偏光素子およびその製造方法 - Google Patents

ワイヤグリッド構造を有する偏光素子およびその製造方法 Download PDF

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WO2020261856A1
WO2020261856A1 PCT/JP2020/020986 JP2020020986W WO2020261856A1 WO 2020261856 A1 WO2020261856 A1 WO 2020261856A1 JP 2020020986 W JP2020020986 W JP 2020020986W WO 2020261856 A1 WO2020261856 A1 WO 2020261856A1
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WO
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polarizing
substrate
portions
polarizing element
wire grid
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PCT/JP2020/020986
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English (en)
French (fr)
Inventor
遼平 穂苅
一真 栗原
Original Assignee
国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a polarizing element having a wire grid structure and a method for manufacturing the same.
  • polarizing elements such as liquid crystal display devices, polarizing screens, and polarized sunglasses
  • gradient polarizing elements that have the gradation of the polarizing function in the plane of the polarizing element.
  • the lower part of the polarizing screen is equipped with a function for clearly displaying information, and an element that can gradually secure a good field of view toward the upper part of the polarizing screen is required. ing.
  • a wire grid type polarizing element is known as a polarizing element (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the wire grid polarizing element realizes polarization control by forming a line pattern having a size smaller than the wavelength of incident light with a metal material such as aluminum.
  • the polarization characteristics of the wire grid polarizing element are determined by the metal material of the wire, wire width, wire spacing, wire height, and the like. Since the conventional wire grid polarizing element is manufactured by combining electron beam lithography, etching, vacuum deposition, nanoimprint, etc., the height of the wire that determines the characteristics of the degree of polarization is set in a plane space in order to give a gradation function. It was difficult to make it by changing it.
  • An object of the present invention is to provide a polarizing element having a gradation function in which at least one of light transmittance and polarization degree is continuously or stepwise changed, and a method for manufacturing the same.
  • a substrate having a predetermined light transmittance in a predetermined wavelength region and a plurality of polarizing portions having a wire grid structure on the main surface of the substrate are provided, and the plurality of polarizing portions are provided. , So that at least one of the transmittance and the degree of polarization gradually changes in a predetermined direction on the main surface of the substrate, and the ratio of the main surface to a predetermined area gradually changes along the predetermined direction.
  • Arranged polarizing elements are provided.
  • a plurality of polarizing portions having a wire grid structure and a portion of the substrate other than the polarizing portions are formed on the main surface of the substrate, and the plurality of polarizing portions are oriented in a predetermined direction on the main surface of the substrate.
  • the ratio of the main surface to a predetermined area that is, the ratio of the area of the plurality of polarized light portions to the area of the substrate portion is gradually changed, so that at least the transmittance and the degree of polarization are at least.
  • a method for manufacturing a polarizing element in which at least one of light transmittance and polarization degree gradually changes in a predetermined direction, and a plurality of polarizing portions having a wire grid structure are main surfaces of the substrate.
  • the production method described above is provided, including the step of forming.
  • a plurality of polarizing portions having a wire grid structure are arranged on the main surface of the substrate so that the ratio of the plurality of polarizing portions having a wire grid structure to the predetermined area of the main surface of the substrate gradually changes along the predetermined direction. Since the plurality of polarizing portions are formed based on the design data, it is possible to form a polarizing element having a gradient function of at least one of transmittance and degree of polarization along a predetermined direction.
  • FIG. 1 is a plan view and a partially enlarged view of the gradation polarizing element according to the embodiment of the present invention, the left view is a plan view, and (a) to (c) are gradually increasing degrees of polarization along the X axis. It is a partially enlarged view of three places which change.
  • 2A and 2B are views showing a polarizing portion, FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a sectional view taken along line AA shown in FIG. 2A.
  • the gradation polarizing element 10 has a substrate 11 and a plurality of polarizing portions 12 formed on the surface of the substrate 11.
  • the polarizing portion 12 is arranged so that the degree of polarization gradually decreases from the top to the bottom of the paper surface along the X-axis direction.
  • a material having transmittance (predetermined light transmittance) in a wavelength region in which the gradation polarizing element 10 is used for example, a visible light region, an infrared light region, or the like can be used.
  • the substrate 11 is, for example, a polymethyl methacrylate resin (PMMA), a polycarbonate resin (PC), a polystyrene (PS) resin, a cycloolefin polymer (COP) resin, a crosslinked polyethylene resin, a polyvinyl chloride resin, and a polyphenylene ether resin.
  • PMMA polymethyl methacrylate resin
  • PC polycarbonate resin
  • PS polystyrene
  • COP cycloolefin polymer
  • Modified polyphenylene ether resin Polyetherimide resin, polyether sulfone resin, polysulfone resin, polyether ketone resin and other amorphous thermoplastic resins, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate resin, polyethylene resin, polypropylene resin.
  • PET polyethylene terephthalate
  • Polybutylene terephthalate resin aromatic polyester resin, polyacetal resin, polyamide resin and other crystalline thermoplastic resins, acrylic, epoxy, urethane and other UV curable resins and thermosetting resins, and triacetate (TAC).
  • Inorganic substrates such as resin, glass, silicon, quartz, and ceramic materials can be used.
  • the substrate 11 is preferably a single layer of such a material because it is easy to bend, but it may be a plurality of layers or a combination of different materials may be used.
  • the polarizing unit 12 has a wire grid structure. As shown in FIGS. 2A and 2B, a plurality of polarizing portions 12 extend in one direction, for example, in the Y-axis direction, are periodically arranged at predetermined intervals in the X-axis direction, and have a predetermined thickness. It is composed of the metal portion 13 of. In this example, the metal portion 13 is formed by being embedded in the substrate 11.
  • the metal portion 13 has a wavelength range in which the gradation polarizing element 10 is used is in the visible light region, but in other wavelength regions such as ultraviolet region, near infrared region, infrared region, terahertz region, and microwave region.
  • the width w (length in the X-axis direction) is preferably about 1/2 or less of the wavelength of the target electromagnetic wave, and more preferably about 1/16 to 1/4. The larger the pitch P2 (distance in the X-axis direction from the adjacent metal portions 13) of the metal portion 13 with respect to the width w, the higher the transmittance, but the pitch P2 is 1.2 to 10 times the width w.
  • the metal portion 13 preferably has a width w of 1 or more, and more preferably 7 to 30 times.
  • the metal portion 13 preferably has a width w of 200 nm or less, more preferably 25 to 100 nm, and a pitch P2 of 400 nm or less. , 50 nm to 150 nm (pitch P2 is preferably 1.2 to 10 times the width w, more preferably 2 to 5 times), and the thickness TH is 50 nm or more. It is preferably 200 nm to 1000 nm, and more preferably 200 nm to 1000 nm.
  • the cross-sectional shape of the metal portion 13 in the thickness direction may be rectangular as shown in FIG. 2 (b), and may be a bullet-shaped (round shape), an elliptical shape, a diamond shape, or a shape similar to these shapes. It may be.
  • the upper surface 13a or the lower surface 13b in the thickness direction of the metal portion 13 may be flat, tapered or round, and may have irregularities.
  • the metal portion 13 may be a metal material having a negative dielectric constant in the wavelength range to be used.
  • the metal portion 13 includes, for example, aluminum, gold, silver, copper, platinum, etc., which are highly reflective metal materials, and molybdenum, nickel, chromium, titanium, tungsten, tantalum, zirconium, iron, niobium, and hafnium, which are low reflective metal materials. Cobalt and the like can be used, alloys thereof can be used, and other metal materials can be used.
  • the gradient polarizing element 10 has the degree of polarization and transmittance of each polarizing portion 12, the area of the polarizing portion 12 and the area of the substrate portion 11a (hereinafter, simply referred to as “board portion 11a”) other than the polarizing portion 12.
  • the degree of polarization and the transmittance are controlled by the ratio, that is, the area ratio of the total area of the plurality of polarizing portions 12 included per unit area to the total area of the substrate portion 11a.
  • the degree of polarization and the transmittance are controlled by the ratio of the total area of the plurality of polarizing portions 12 included in the unit area of the gradation polarizing element 10 (hereinafter, referred to as the polarization portion occupancy (%)).
  • the polarization portion occupancy rate is the area ratio occupied by one polarizing portion 12 in one cycle of the arrangement when a plurality of polarizing portions 12 have the same shape and size and are regularly arranged.
  • each of the polarizing portions 12 the gradient polarizing element 10 transmits light of an electric field perpendicular to the longitudinal direction (Y-axis direction shown in FIG. 2) of the metal portion 13 due to the wire grid structure, and does not transmit light of a parallel electric field. .. Thereby, the transmittance of each polarizing unit 12 is determined.
  • the width w, pitch P2, and thickness TH of the wire grid structure of each polarizing portion 12 are the same, and the transmittance of each polarizing portion 12 is the same.
  • the region 10a having a relatively low transmittance, the region 10b having an intermediate transmittance, and the region 10c having a relatively high transmittance shown in the left figure are shown in (a), (b), and (c), respectively.
  • the size of each polarizing portion 12 is smaller than that of the polarizing portion 12 in the region 10a, and the area of the substrate portion 11a is increased accordingly, and the polarization portion occupancy is 25%.
  • the size of each polarizing portion 12 is further reduced and the area of the substrate portion 11a is increased, and the polarization portion occupancy is 10%.
  • the gradation polarizing element 10 gradually changes the occupancy of the polarizing portion along the X-axis direction to form a gradation of the degree of polarization and the transmittance.
  • the gradient polarizing element 10 has a rectangular shape in a plan view of the polarizing portion 12 in each of the regions 10a to 10c, and is regularly arranged in each region 10a to 10c with the same shape and the same size. There is. Even in different regions, the number of the polarizing portions 12 per unit area may be different for each region 10a to 10c by using the polarizing portions 12 having the same shape and the same size to obtain a desired polarization portion occupancy rate.
  • the plan-viewed shape of the polarizing portion 12 is not particularly limited, but may be a polygon such as a square, a rectangle, a circle, an ellipse, a rhombus, a triangle, or a star, or a complex shape such as a crescent shape, and may be structural or the like. From the viewpoint of polygonality, it is preferably square or circular.
  • each polarizing portion 12 in a plan view is preferably 1 ⁇ m to 1 mm, respectively, in the longitudinal direction and the lateral direction, and more preferably 1 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the arrangement of the polarizing portions 12 is not particularly limited, and the polarizing units 12 may be arranged two-dimensionally at arbitrary intervals, for example, in a hexagonal arrangement. As shown in FIGS. 1A to 1C, it is preferable that the polarizing unit 12 has a rectangular array regularly arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction from the viewpoint of structural isotropic property.
  • the polarizing portion 12 may be in contact with the adjacent polarizing portions 12, or may have a substrate portion 11a and be separated from each other.
  • the adjacent polarizing portions 12 are arranged apart from each other, it is preferable from the viewpoint of controlling the degree of polarization and the transmittance.
  • the polarization characteristics of the polarizing portions 12 function as they are.
  • the pitch P1 (distance from the adjacent polarizing portions 12) of the adjacent polarizing portions 12 is preferably 1 ⁇ m to 1 mm, and more preferably 10 ⁇ m to 200 ⁇ m from the viewpoint of manufacturing and visibility.
  • the pitch P1 may be a predetermined constant pitch or may be changed in each of the regions 10a to 10c, and the pitch P1 may be selected from the range of 1 ⁇ m to 1 mm.
  • the polarizing unit 12 may have a wire grid structure having the same structure in the gradation polarizing element 10, or may have a wire grid structure having a different structure or dimensions, and has the same structure in that it is easy to manufacture. It preferably has a wire grid structure.
  • 1 to 4 million polarizing portions 12 are formed per 1 mm 2 of the main surface of the gradation polarizing element 10.
  • the area of one polarizing portion 12 may be 1 ⁇ 10 -6 mm 2 to 1 mm 2 , and the occupancy rate of the polarizing portion is 1 ⁇ 10 -4 to 100%. It is more preferable that 1 to 400 polarizing portions 12 are formed per 1 mm 2 from the viewpoint of controlling the degree of polarization and the transmittance.
  • the degree of polarization and the transmittance of the gradient polarizing element 10 gradually change along the X-axis direction shown in FIG. 1, and the degree of polarization and the transmittance are along the direction within one gradient polarizing element.
  • a periodic gradient may be formed such that the number of members repeatedly increases and decreases, or the gradient may have a discontinuous portion.
  • the polarization portion 12 is arranged only in a part of the gradient polarizing element to obtain the degree of polarization and the degree of polarization.
  • a gradient of transmittance may be formed.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a modified example of the polarizing portion having a wire grid structure.
  • the polarizing portion 22 of the modified example has a wire grid structure.
  • the polarizing portion 22 has a structure in which the metal portion 23 is formed on the substrate 11. Other than that, it has the same configuration as the wire grid structure of the polarizing unit 12 shown in FIG.
  • the polarizing portion 32 of another modification has a wire grid structure.
  • the polarizing portion 32 has a configuration in which one side wall 11s of the groove formed in the substrate 11 and a metal portion 33 covering the substrate surface 11t continuous thereto are formed. Other than that, it has the same configuration as the wire grid structure of the polarizing unit 12 shown in FIG.
  • These polarizing units 22 and 32 have the same operations and effects as those of the polarizing unit 12 shown in FIG.
  • the gradient polarizing element 10 forms a large number of polarizing portions 12 and a substrate portion 11a other than the polarizing portion 12 on the surface of the substrate 11, and has a polarizing portion having optical characteristics of a certain degree of polarization and transmittance.
  • a large number of 12 on the surface of the substrate 11 and controlling the polarization portion occupancy that differs for each region the optical characteristics of the average degree of polarization and the transmittance are determined for each region.
  • the polarization portion occupancy is gradually or stepwise changed along the X-axis direction to form a gradation polarizing element 10 having a degree of polarization and a transmittance that changes along the X-axis direction.
  • the polarization degree is different between the polarizing portion 12 and the substrate portion 11a other than the polarizing portion 12, but the light beam transmitted through the gradient polarizing element 10 is larger than the size of the unit configuration of the polarizing portion 12 and the substrate portion 11a. If it is large enough, the transmitted light will be affected by the average optical properties of the gradient polarizing element 10.
  • the gradation polarizing element may have a configuration in which the polarizing portion 12 and the substrate portion 11a are interchanged. That is, a wire grid structure is formed on the substrate portions 11a shown in FIGS. 1 (a) to 1 (c), and the portion of the polarizing portion 12 is a non-polarizing portion having no polarization function.
  • the gradation polarizing element of the alternative example forms a gradation in which at least one of the degree of polarization and the transmittance along the X-axis direction of the gradation polarizing element 10 shown in FIG. 1 decreases from the bottom to the top of the paper surface.
  • the polarizing portion 12 having a wire grid structure is formed over the entire surface of the substrate 11, and the wire grid structure of the portion 12 of the polarizing portion 12 shown in FIGS. 1 (a) to 1 (c) is removed.
  • the non-polarizing portion may be provided, and the non-polarizing portion may be a hole penetrating the substrate.
  • the gradation polarizing element of the alternative example is configured so that the pattern 100sl of the metal portion of the polarizing portion of the mold 100b shown in FIG. 5 described later forms the polarized portion and the non-polarized portion of the gradation polarizing element of the alternative example. May be good.
  • FIG. 4 is an enlarged plan view of a modified example of the gradation polarizing element according to the embodiment of the present invention, and shows a part of the modified example of the gradation polarizing element.
  • the gradation polarizing element 110 rectangular polarizing portions 12a and 12b and round polarizing portions 12c are formed on a part of the surface of the substrate 11 so as to be separated from each other.
  • the manufacturing process of the gradation polarizing element 110 will be described with reference to the cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG.
  • FIG. 5 is a manufacturing process diagram of a gradation polarizing element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a sectional view taken along line BB of FIG.
  • the manufacturing process of the gradation polarizing element according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 and FIGS. 1, 2 and 4 above.
  • a design data creation process and design data for determining the specifications and arrangement of the polarizing portion based on the polarization portion occupancy of the polarizing portion 12 in each region along a predetermined direction are used.
  • the substrate has a polarizing portion forming step of forming the polarizing portion 12.
  • the polarizing portion forming step includes a mold manufacturing step, and an imprinting step and a printing step of forming a polarizing portion of a wire grid structure using the manufactured mold.
  • design data for determining the specifications and arrangement of the polarizing portion based on the polarization portion occupancy of the polarizing portion 12 in each region along a predetermined direction in order to realize the desired gradation function Prior to the step of FIG. 5A, design data for determining the specifications and arrangement of the polarizing portion based on the polarization portion occupancy of the polarizing portion 12 in each region along a predetermined direction in order to realize the desired gradation function.
  • At least one of the degree of polarization and the visual transmittance of each region along a predetermined direction is set so that a desired gradation function is formed. Obtained corresponding to the polarization portion occupancy of the polarizing portion 12 based on the visual transmittance data in each polarization direction obtained by the width w, pitch P2, and thickness TH of the metal portion of the wire grid structure of the polarizing portion 12.
  • the calculation is performed from the average visual transmittance data in each direction.
  • a photosensitive resin layer is formed on the base material to be molded.
  • the photosensitive resin layer is exposed by a lithography method based on the design data for determining the shape of the polarizing portion and the occupancy of the polarizing portion for forming the gradation function prepared in advance.
  • the mask 101 covering the region where the polarizing portion is formed is formed by the etching process.
  • the material of the base material to be molded glass such as silicon and quartz, ceramics such as alumina and silicon carbide, and metals such as nickel can be used, and silicon is preferably used. Further, a multilayer material in which a metal layer, a semiconductor layer or a dielectric layer is formed on these materials may be used.
  • the surface 100sf of the base material is etched, and the portion covered by the mask 101 is left as a convex portion 100cv.
  • the etching method chemical etching, machining, ion beam processing, laser processing and the like can be used, and it is particularly preferable to use plasma etching in terms of processing accuracy.
  • the mask 101 is removed. As a result, the portion covered with the mask remains on the base material 100a as the convex portion 100cv.
  • a photosensitive resin layer covering the surface of the base material 100a is formed.
  • the photosensitive resin layer was exposed by a lithography method based on the design data for determining the width w, pitch P2, and thickness TH of the metal portion of the wire grid structure of the polarizing portion 12 prepared in advance, and then the exposed photosensitive resin layer was exposed.
  • the resin layer is removed to form the mask 102.
  • a groove portion 102g for forming a wire grid structure is formed in a slit shape on the convex portion 100 cv.
  • the mask 102 may be formed by a printing method, an imprint method, a self-assembling technique using a block copolymer, or the like.
  • a method of forming the mask 102 with high accuracy for example, a lithography method may be adopted, and the step of FIG. 5A and the step of FIG. 5C may be performed at the same time. Further, even if an ultraviolet curable resin is applied to the surface of the base material 100a and a groove having protrusions formed on the entire surface is used to form a groove portion 102 g of a wire grid structure on the ultraviolet curable resin on the surface of the convex portion 100 cv. Good.
  • the base material 100a is etched with the mask 102 to form a pattern of the metal portion of the polarizing portion on the surface of the base material.
  • the mold 100b for manufacturing the gradation polarizing element 110 is manufactured.
  • the etching method chemical etching, machining, ion beam processing, laser processing and the like can be used, and it is particularly preferable to use plasma etching in terms of processing accuracy.
  • the steps of FIGS. 5 (c) and 5 (d) are first performed to form a pattern of the metal portion of the polarizing portion on the surface of the base material, and then the patterns of the metal portions of the polarizing portion are formed, and then the patterns of FIGS.
  • the mold 100b shown in FIG. 5D may be produced by performing a step to remove the base material other than the portion to be the polarizing portion.
  • the mold 100b is pressed against the target substrate 11b by the imprint method to form a groove portion of a slit-shaped pattern of the polarizing portion on the surface of the substrate 11b.
  • the substrate 11b is heated to a temperature higher than the glass transition temperature by using a thermoplastic resin or glass, and pressure is applied to press the mold 100b.
  • the mold 100b may be pressed against the substrate 11b using a photocurable resin to irradiate the substrate 11b with ultraviolet light.
  • a slit-shaped pattern of the polarizing portion may be formed on the surface of the substrate by an injection molding method using the mold 100b.
  • the mold release agent can be appropriately selected depending on the material of the mold 100b and the material of the substrate 11b, but it is preferable to use a fluorine-based mold release agent in terms of releasability. Depending on the material of the mold 100b and the material of the substrate 11b, a silicone-based mold release material may be preferable.
  • the groove portion of the pattern of the substrate to be the polarizing portion is filled with a metal material to form the metal portion 13.
  • the gradation polarizing element 110 in which the polarizing portions 12a to 12c and the substrate portion 11a other than the polarizing portions are formed on the substrate 11 is formed.
  • a method for filling the groove with a metal material a printing method using a metal ink, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, and a plating method can be used.
  • a groove portion of a pattern serving as a direct polarizing portion is formed on the surface of the substrate 11 by a lithography method, a focused ion beam method, a self-assembly technique using nanoparticles, or the like without using the mold 100b. It may be formed.
  • FIG. 6 is a diagram of another manufacturing process of the gradation polarizing element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4 as in FIG. 5, and the polarizing portion has the structure shown in FIG. 3A.
  • the metal layer 13d is formed on the substrate 11.
  • the substrate 11 can use the same material as the substrate 11 of the gradation polarizing element 10, and the metal layer 13d can use the same metal material as the metal portion 13 of the gradation polarizing element.
  • the metal layer 13d can be formed by the method described in the step of FIG. 5 (f).
  • a photosensitive resin layer is formed on the metal layer 13d, and lithography is performed based on the design data of the arrangement of the polarizing portion 12 based on the polarization portion occupancy for forming the gradation function prepared in advance.
  • the photosensitive resin layer is exposed by the method.
  • the mask 103 that covers the region where the polarizing portion is formed is formed by the etching process.
  • the mask 103 may be formed by using a printing method, an imprint method, a self-organizing technique, or the like.
  • the surface of the metal layer 13d not covered by the mask 103 is etched and removed.
  • the etching method chemical etching, machining, ion beam processing, laser processing and the like can be used, and it is particularly preferable to use plasma etching in terms of processing accuracy.
  • the mask 103 is removed.
  • the portion of the metal layer covered with the mask remains as the convex portion 13e.
  • the structure of FIG. 6 (c) is obtained by exchanging the manufacturing processes of FIGS. 6 (a) and 6 (b) using a lift-off process. It may be formed.
  • a photosensitive resin layer covering the surfaces of the substrate 11 and the metal layer 13e is formed, and the width w, pitch P2, and thickness TH of the metal portion of the wire grid structure of the polarizing portion prepared in advance.
  • the pattern of the metal portion of the polarizing portion is exposed based on the design data for determining the above, and then the exposed photosensitive resin layer is removed to form the mask 104.
  • a groove for forming a wire grid structure is formed in a slit shape on the convex portion 13e.
  • the mask 104 may be formed by using a printing method, an imprinting method, a self-organizing technique, or the like.
  • the steps of FIG. 6B and FIG. 6D for forming the masks 103 and 104 may be performed at the same time.
  • the convex portion 13e of the metal layer is etched by using the mask 104 to form the pattern of the metal portion 13 of the polarizing portions 12a to 12c on the surface of the substrate 11.
  • a gradation polarizing element is formed.
  • the etching method chemical etching, machining, ion beam processing, laser processing and the like can be used, and it is particularly preferable to use plasma etching in terms of processing accuracy.
  • the pattern of the metal portion 13 of the polarizing portions 12a to 12c is first formed on the surface of the substrate 11, and then the metal layer 13d of the substrate portion 11a other than the polarizing portions 12a to 12c is removed. You may. That is, the steps of FIGS. 6 (d) and 6 (e) are performed after the step of FIG. 6 (a), and then the steps of FIGS. 6 (b) and 6 (c) are performed.
  • a stencil mask prepared based on design data for determining the shape of the polarizing portion for forming the gradation function and the occupancy of the polarizing portion is used, and an electron beam is used in FIG. 6 (b).
  • the convex portion 13e shown in FIG. 6C may be formed on the metal layer 13d of the above, and design data for determining the width w, pitch P2, and thickness TH of the metal portion of the wire grid structure of the polarizing portion is added.
  • the metal layer 13d of FIG. 6 (b) was placed on the surface of the substrate 11 shown in FIG. 6 (e) by an electron beam, and the pattern of the metal portions 13 of the polarizing portions 12a to 12c was formed. May be formed directly.
  • the polarizing portion 32 having the wire grid structure shown in FIG. 3B can be formed.
  • FIGS. 6A, 6D and 6E are used to form a pattern of the metal portion 13 of the polarizing portion of the wire grid structure on the entire surface of the substrate 11, and then a part of the pattern. May be removed to form the substrate portion 11a shown in FIG. 6 (e) to produce a gradation polarizing element having polarizing portions 12a to 12c.
  • a method for removing the pattern laser processing, press processing, plasma etching, chemical etching, ion beam processing, imprint method, drill processing, machining and the like can be used.
  • the substrate portion 11a may be a through hole penetrating the substrate.
  • the present embodiment it is created by a design data creation step of determining the specifications and arrangement of the polarizing portion based on the polarization portion occupancy of the polarizing portion 12 in each region along a predetermined direction in order to realize a desired gradation function. Since a large number of polarizing portions 12 are arranged and formed on the substrate 11 based on the design data obtained, it is possible to form a polarizing element having a gradient function of at least one of transmittance and degree of polarization along a predetermined direction. ..
  • Example 10 A gradient polarizing element was formed by the manufacturing method shown in FIG. 5 above.
  • design data of the arrangement of the polarizing portion is created so as to gradually reduce the occupancy of the polarizing portion by dividing into six regions along the X axis shown in FIG.
  • the length and pitch P1 in the longitudinal and lateral directions were determined.
  • the arrangement of the polarizing portions 12 was a square arrangement.
  • the width w, pitch P2, and thickness TH of the metal portion of the wire grid structure of the polarizing portion 12 were set to 50 nm, 140 nm, and 400 nm, respectively.
  • a convex portion 100 cv shown in FIG. 5B was formed on the surface of a 4-inch Si wafer by a photolithography method and an anisotropic plasma etching method.
  • a mask 102 having slits of 102 g for forming the wire grid structure shown in FIG. 5 (c) was formed by the nanoimprint lithography method.
  • a pattern 100sl of the metal portion of the polarizing portion shown in FIG. 5D was formed on the surface of the Si wafer to form a mold 100b of the Si wafer.
  • FIG. 7 is a scanning micrograph of the mold for the gradation polarizing element of the example. With reference to FIG. 7, it can be seen that in the mold, the width of the protrusion portion for forming the metal portion of the pattern 100 sl is 50 nm, and the pitch of the protrusion portion is 140 nm.
  • the thermal nanoimprint method the polycarbonate sheet as the substrate 11 was heated to 170 ° C. and the mold was pressed against the polycarbonate sheet to form the groove pattern shown in FIG. 5 (f).
  • silver nanoink (trade name: NPS) manufactured by Harima Chemicals, silver nanoink was filled in the groove of the polycarbonate sheet by the squeezing method, and excess silver nanoink on the surface was removed by wiping.
  • the polycarbonate sheet was heated at 130 ° C. for 12 hours using an oven to bake the silver nanoink.
  • the gradient polarizing element of the example was produced.
  • FIG. 8 is a scanning micrograph of the gradation polarizing element of the example.
  • a rectangular portion having a relatively bright contrast is a polarizing portion
  • a relatively dark portion between adjacent rectangles is a substrate portion other than the polarizing portion.
  • this scanning electron micrograph it can be seen that the regions having the polarization portion occupancy of (a) 64%, (b) 36%, and (c) 20% are formed.
  • FIG. 9 is a diagram showing the optical characteristics of the gradation polarizing element of the example, and was measured by irradiating the gradation polarizing element with incident light having a spot diameter of 2 mm with a spectrophotometer. For the incident light, the spot diameter at the position of the gradation polarizing element was set to 2 mm.
  • the degree of polarization and the visual transmittance of the gradient polarizing element are parallel to the metal portion 13 of the wire grid structure shown in FIG. 2 (Y-axis direction in FIG. 2) and perpendicular (X-axis direction in FIG. 2), respectively. It was measured with a spectrophotometer (SolidSpec-3700) manufactured by Shimadzu Corporation using linearly polarized incident light having an electric field component that vibrates.
  • the visual transmittance can be obtained from each transmittance (transmission spectrum) and the luminosity curve when the wavelength is 380 to 780 nm (in 1 nm increments).
  • V ( It is represented by (Tv-Tp) / (Tv + Tp)) 1/2 .
  • the degree of polarization V gradually decreases from 99% to 13%, and the gradation of the embodiment. It can be seen that the polarizing element has a polarization function of the degree of polarization.
  • the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It is possible.
  • the substrate 11 has been described in the above embodiment as having no polarization function, it may have a polarization function as long as it exhibits the gradient function of the present invention.
  • the plurality of polarizing portions 12 have been described as having the metal portion 13 extending in the vertical direction (Y-axis direction) with respect to the direction of polarization of the degree of polarization (X-axis direction), the plurality of polarizing portions 12 have been described as extending in the vertical direction. Not limited.
  • the metal portion 13 has been described as extending in the same direction (Y-axis direction), it may extend in an arbitrary direction for each region having a different degree of polarization, and may extend in an arbitrary direction within the region. It may be postponed.
  • the polarizing portion 12 has been described as being formed on one main surface of the substrate 11 in the above embodiment, a part of the polarizing portion 12 may be formed on the other main surface.
  • the gradation polarizing element of the present invention can also control the gradation of the degree of polarization, it has advanced features such as a head-up display that ensures visibility and a display function, and advanced polarization control that prevents peeping from the surroundings. It can be expected to be applied to displays with security measures, amusement such as glasses for 3D-TV, and expansion of design and functionality.

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Abstract

本開示では、所定の波長領域において所定の光透過率を有する基板１１と、上記基板の主面にワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部１２と、を備え、上記複数の偏光部は、上記基板の主面において所定の方向に透過率および偏光度の少なくとも一方が次第に変化するように、該所定の方向に沿って該主面の所定の面積当たりに占める割合が次第に変化するように配置してなる、偏光素子１０が提供される。偏光素子の製造方法も開示する。

Description

ワイヤグリッド構造を有する偏光素子およびその製造方法
　本発明は、ワイヤグリッド構造を有する偏光素子およびその製造方法に関する。
　液晶表示装置、偏光スクリーン、偏光サングラスなど偏光素子を利用した製品の機能性及び意匠性を向上するため、偏光素子面内で偏光機能の階調を有するグラデーション偏光素子の需要が高まっている。例えば、自動車のヘッドアップ・ディスプレーでは、偏光スクリーンの下部は情報を鮮明に表示するための機能が備わっており、偏光スクリーンの上部に向けて徐々に良好な視界が確保できるような素子が求められている。
　偏光素子として、ワイヤグリッド型偏光素子が知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。ワイヤグリッド偏光素子は、入射光の波長よりも小さいサイズのラインパターンをアルミニウムなどの金属材料で形成することで偏光制御を実現している。
特開２０１３－０２４９８２号公報 特開２０１７－１７３７６０号公報
　ワイヤグリッド偏光素子は、そのワイヤの金属材料、ワイヤ線幅、ワイヤ間隔、ワイヤの高さなどにより偏光度、透過率、反射率、偏光方向などの偏光特性が決定される。従来のワイヤグリッド偏光素子は電子線リソグラフィ、エッチング、真空成膜、ナノインプリント等を組み合わせて製造されているため、グラデーション機能を与えるために、偏光度の特性を決定づけるワイヤの高さを平面空間的に変化させて作製することは困難であった。
　本発明の目的は、光透過率および偏光度の少なくとも一方を連続的または段階的に変化させたグラデーション機能を付与した偏光素子およびその製造方法を提供することである。
　本発明の一態様によれば、所定の波長領域において所定の光透過率を有する基板と、上記基板の主面にワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部と、を備え、上記複数の偏光部は、上記基板の主面において所定の方向に透過率および偏光度の少なくとも一方が次第に変化するように、該所定の方向に沿って該主面の所定の面積当たりに占める割合が次第に変化するように配置してなる、偏光素子が提供される。
　上記態様によれば、基板の主面にワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部とその偏光部以外の基板の部分とが形成されており、複数の偏光部が上記基板の主面において所定の方向に沿って主面の所定の面積当たりに占める割合、すなわち、複数の偏光部の面積と基板の部分の面積との比が次第に変化するように配置してあるので、透過率および偏光度の少なくとも一方が次第に変化する。これにより透過率および偏光度の少なくとも一方のグラディエーション機能を与えることができる。
　本発明の他の態様によれば、所定の方向に光透過率および偏光度の少なくとも一方が次第に変化する偏光素子の製造方法であって、ワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部が基板の主面の所定の面積当たりに占める割合が上記所定の方向に沿って次第に変化するように配置する設計データを作成するステップと、上記設計データに基づいて、上記基板の主面に上記複数の偏光部を形成するステップと、を含む、上記製造方法が提供される。
　上記態様によれば、上記基板の主面に、ワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部が基板の主面の所定の面積当たりに占める割合が上記所定の方向に沿って次第に変化するように配置する設計データに基づいて上記複数の偏光部が形成されるので、所定の方向に沿って透過率および偏光度の少なくとも一方のグラディエーション機能を有する偏光素子を形成できる。
本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の平面図およびその部分拡大図である。 ワイヤグリッド構造を有する偏光部の拡大した平面図および断面図である。 ワイヤグリッド構造を有する偏光部の変形例の拡大した断面図である。 本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の変形例の拡大した平面図である。 本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の製造工程図である。 本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の他の製造工程図である。 実施例のグラデーション偏光素子用のモールドの走査型顕微鏡写真である。 実施例のグラデーション偏光素子の走査型顕微鏡写真である。 実施例のグラデーション偏光素子の光学特性を示す図である。
　以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の平面図およびその部分拡大図であり、左図は平面図、（ａ）～（ｃ）は、Ｘ軸に沿って偏光度が次第に変化する３箇所の部分拡大図である。図２は、偏光部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ－Ａ線断面図である。
　図１を参照するに、グラデーション偏光素子１０は、基板１１と、基板１１の表面に形成された複数の偏光部１２と有する。グラデーション偏光素子１０は、Ｘ軸方向に沿って紙面の上から下に向かって偏光度が次第に低下するように偏光部１２が配置されている。
　基板１１は、グラデーション偏光素子１０を用いる波長領域、例えば可視光域、赤外光域等において透過性（所定の光透過率）を有する材料を用いることができる。基板１１は、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）樹脂、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアリレート樹脂ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂等の非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂等の結晶性熱可塑性樹脂や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系等の紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂や、トリアセテート（ＴＡＣ）樹脂、ガラス、シリコン、石英、セラミック材料等の無機基材を用いることができる。基板１１は、このような材料の単層が曲げ加工が容易な点で好ましいが、複層でもよく、異なる材料を組み合わせてもよい。
　偏光部１２は、ワイヤグリッド構造を有する。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、偏光部１２は、一方向、例えばＹ軸方向に延び、Ｘ軸方向に所定の間隔で周期的に配列され、所定の厚さを有する複数の金属部分１３から構成される。この例では、金属部分１３は基板１１に埋め込まれて形成されている。
　金属部分１３は、グラデーション偏光素子１０を利用する波長域が可視光域においても、それ以外の波長域、例えば、紫外域、近赤外域、赤外域、テラヘルツ域、マイクロ波域等の波長域においても、幅ｗ（Ｘ軸方向の長さ）を、対象とする電磁波の波長の１／２程度以下にすることが好ましく、１／１６～１／４程度にすることがさらに好ましい。金属部分１３は、ピッチＰ２（隣り合う金属部分１３とのＸ軸方向の距離）が幅ｗに対して大きい程、透過率が高まるが、ピッチＰ２は幅ｗの１．２～１０倍であることが好ましく、偏光度と透過率のバランスの観点から２～５倍であることがさらに好ましい。金属部分１３は、厚さＴＨが、厚いほど偏光度は高くなる傾向があり、幅ｗの１倍以上あれば好ましく、７～３０倍がさらに好ましい。
　金属部分１３は、グラデーション偏光素子１０を可視光域で利用する場合は、幅ｗが２００ｎｍ以下であることが好ましく、２５～１００ｎｍであることがさらに好ましく、ピッチＰ２が４００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ～１５０ｎｍであることがさらに好ましく（ピッチＰ２は幅ｗの１．２～１０倍であることが好ましく、２～５倍であることがさらに好ましく）、厚さＴＨが、５０ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ～１０００ｎｍであることがさらに好ましい。
　金属部分１３は、厚さ方向の断面形状は図２（ｂ）に示すように矩形状でもよく、砲弾型形状（丸型形状）、楕円形状、菱形状、または、これらの形状と類似の形状でもよい。金属部分１３は、厚さ方向の上面１３ａまたは下面１３ｂが、平坦でもよく、テーパー状または丸型でも良く、凹凸が形成されていてもよい。
　金属部分１３は、利用する波長域において誘電率の実部が負の金属材料であればよい。金属部分１３は、例えば高反射金属材料であるアルミニウム、金、銀、銅、白金等や、低反射金属材料であるモリブデン、ニッケル、クロム、チタン、タングステン、タンタル、ジルコニウム、鉄、ニオブ、ハフニウム、コバルト等を用いることができ、それらの合金を用いることができ、さらに、その他金属材料を用いることができる。
　図１に戻り、グラデーション偏光素子１０は、多数の偏光部１２が基板１１の一方の表面に離隔してあるいは隣接して配列される。グラデーション偏光素子１０は、各々の偏光部１２の偏光度および透過率と、偏光部１２の面積と偏光部１２以外の基板部分１１ａ（以下、単に「基板部分１１ａ」と称する。）の面積との比、すなわち単位面積当たりに含まれる複数の偏光部１２の総面積と基板部分１１ａの総面積との面積比とによって偏光度および透過率を制御する。言い換えると、偏光度および透過率は、グラデーション偏光素子１０の単位面積当たりに含まれる複数の偏光部１２の総面積の割合（以下、偏光部占有率（％）と称する。）によって制御される。偏光部占有率は、複数の偏光部１２が同一形状および大きさでかつ規則的に配列されている場合は、配列の１周期における一つの偏光部１２が占める面積比となる。
　グラデーション偏光素子１０は、各々の偏光部１２において、ワイヤグリッド構造によって金属部分１３の長手方向（図２に示すＹ軸方向）に垂直な電場の光が透過し、平行な電場の光は透過しない。これによって、各偏光部１２の透過率が決定される。ここでは、各々の偏光部１２のワイヤグリッド構造の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨは同じであり、各々の偏光部１２の透過率は同じであるとして説明する。
　図１において、左図に示す比較的透過率が低い領域１０ａ、透過率が中間の領域１０ｂおよび比較的透過率が高い領域１０ｃを（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。領域１０ａでは、偏光部占有率、つまり配列の１周期における一つの偏光部１２が占める面積比（＝一つの偏光部１２の面積／（一つの偏光部１２および基板部分１１ａの面積）×１００）が６０％である。領域１０ｂでは、各偏光部１２の大きさが領域１０ａの偏光部１２よりも小さくなり、それに応じて基板部分１１ａの面積が増加しており、偏光部占有率は２５％である。領域１０ｃでは、さらに各偏光部１２の大きさが小さくなるとともに基板部分１１ａの面積が増加しており、偏光部占有率は１０％である。このようにグラデーション偏光素子１０は、Ｘ軸方向に沿って偏光部占有率を次第に変化させ、偏光度および透過率のグラデーションを形成する。
　グラデーション偏光素子１０は、領域１０ａ～１０ｃのそれぞれにおいて、偏光部１２が平面視した形状が矩形状であり、領域１０ａ～１０ｃ毎に同一の形状および同一の大きさでかつ規則的に配列されている。なお、異なる領域においても同一の形状および同一の大きさの偏光部１２を用いて領域１０ａ～１０ｃ毎に偏光部１２の単位面積当たりの数を異ならせて所望の偏光部占有率としてもよい。
　偏光部１２の平面視した形状は、特に制限はないが、正方形、長方形、円形、楕円形、菱形、三角形、星形などの多角形、三日月形などの複雑な形状でもよく、構造的な等方性の観点から正方形または円形であることが好ましい。
　各々の偏光部１２の平面視した大きさは、長手方向および短手方向の長さが、それぞれ１μｍ～１ｍｍであることが好ましく、１μｍ～２００μｍであることがさらに好ましい。
　偏光部１２は、その配列に特に制限はなく、任意の間隔で２次元に、例えば六方配列のように、配列されていればよい。偏光部１２は、図１（ａ）～（ｃ）に示すように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ規則的に配列した正方配列とすることが構造的な等方性の観点から好ましい。
　偏光部１２は、隣り合う偏光部１２と接してもよく、基板部分１１ａを有して離隔してもよい。隣接する偏光部１２同士を離隔して配置している場合は偏光度及び透過率の制御の観点から好ましい。隣接する偏光部１２同士が接している場合は偏光部１２の偏光特性がそのまま機能する。隣り合う偏光部１２のピッチＰ１（隣り合う偏光部１２との距離）は、１μｍ～１ｍｍであることが好ましく、１０μｍ～２００μｍであることが製造上の観点及び視認性の観点からさらに好ましい。
　偏光部１２は、ピッチＰ１が各領域１０ａ～１０ｃのそれぞれにおいて、所定の一定のピッチでもよく、変化させてもよく、ピッチＰ１が１μｍ～１ｍｍの範囲から選択されていればよい。
　偏光部１２は、グラデーション偏光素子１０内で、同じ構造のワイヤグリッド構造を有してもよく、異なる構造あるいは寸法のワイヤグリッド構造を有してもよく、製造が容易な点で、同じ構造のワイヤグリッド構造であることが好ましい。
　偏光部１２は、グラデーション偏光素子１０の主面の１ｍｍ2当たり１個～４百万個形成されることが好ましい。この場合、偏光部１２は１個の面積が１×１０-6ｍｍ2～１ｍｍ2であればよく、偏光部占有率は、１×１０-4～１００％となる。偏光部１２は、１ｍｍ2当たり１個～４００個形成されることが偏光度及び透過率の制御の観点からさらに好ましい。
　グラデーション偏光素子１０の偏光度および透過率のグラディエーションは、図１に示すＸ軸方向に沿って次第に変化する場合に加えて、一つのグラデーション偏光素子内である方向に沿って偏光度および透過率が増加および減少を繰り返すような周期的なグラディエーションを形成してもよく、グラデーションに不連続部分があってもよく、グラデーション偏光素子内の一部のみに偏光部１２を配置して偏光度および透過率のグラデーションを形成してもよい。
　図３は、ワイヤグリッド構造を有する偏光部の変形例の拡大した断面図である。図３（ａ）を参照するに、変形例の偏光部２２は、ワイヤグリッド構造を有する。偏光部２２は、金属部分２３が基板１１の上に形成された構成を有する。それ以外は図２に示した偏光部１２のワイヤグリッド構造と同様の構成を有する。図３（ｂ）を参照するに、他の変形例の偏光部３２は、ワイヤグリッド構造を有する。偏光部３２は、基板１１に形成された溝の一方の側壁１１ｓとそれに連続する基板表面１１ｔを覆う金属部分３３が形成された構成を有する。それ以外は、図２に示した偏光部１２のワイヤグリッド構造と同様の構成を有する。これらの偏光部２２、３２は、図２に示した偏光部１２と同様の作用および効果を有する。
　本実施形態によれば、グラデーション偏光素子１０は、基板１１の表面に多数の偏光部１２と偏光部１２以外の基板部分１１ａとを形成し、ある偏光度および透過率の光学特性を有する偏光部１２を基板１１の表面に多数配置して、領域毎に異なる偏光部占有率を制御することで、領域毎に平均的な偏光度および透過率の光学特性が決まる。偏光部占有率をＸ軸方向に沿って次第にまたは段階的に変化させて、Ｘ軸方向に沿って変化する偏光度および透過率を有するグラデーション偏光素子１０を形成する。すなわち、微視的には偏光部１２と偏光部１２以外の基板部分１１ａとは偏光度が異なるが、グラデーション偏光素子１０を透過する光束が偏光部１２と基板部分１１ａの単位構成の大きさよりも十分大きい場合は、透過する光はグラデーション偏光素子１０の平均的な光学特性の作用を受けることになる。
　なお、グラデーション偏光素子１０の代替例としては、グラデーション偏光素子は、偏光部１２と基板部分１１ａを入れ替えた構成としてもよい。すなわち、図１（ａ）～（ｃ）に示す基板部分１１ａにワイヤグリッド構造を形成し、偏光部１２の部分を偏光機能を有しない非偏光部とする。これにより、代替例のグラデーション偏光素子は、図１に示すグラデーション偏光素子１０のＸ軸方向に沿った偏光度および透過率の少なくとも一方が紙面の下から上に向かって減少するグラデーションを形成する。代替例のグラデーション偏光素子は、基板１１の表面全体に亘ってワイヤグリッド構造の偏光部１２を形成して、図１（ａ）～（ｃ）に示す偏光部１２の部分のワイヤグリッド構造を除去して非偏光部を設けてもよく、非偏光部は基板を貫通する孔でもよい。また、代替例のグラデーション偏光素子は、後述する図５に示すモールド１００ｂの偏光部の金属部分のパターン１００ｓｌをこの代替例のグラデーション偏光素子の偏光部と非偏光部を形成するように構成してもよい。
　図４は、本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の変形例の拡大した平面図であり、グラデーション偏光素子の変形例の一部を示している。図４を参照するに、グラデーション偏光素子１１０は、基板１１の表面の一部に矩形の偏光部１２ａ、１２ｂと丸形の偏光部１２ｃが離隔して形成されている。図４に示すＢＢ線断面図を用いてグラデーション偏光素子１１０の製造工程を説明する。
　図５は、本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の製造工程図である。図５は、先の図４のＢＢ線断面図を示している。以下、図５と、先の図１、図２および図４を合わせて参照して、本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の製造工程を説明する。この製造工程では、所望のグラデーション機能を実現するため所定の方向に沿った各領域の偏光部１２の偏光部占有率に基づいて偏光部の仕様および配置を決定する設計データ作成工程および設計データに基づいて基板に偏光部１２を形成する偏光部形成工程を有する。偏光部形成工程は、モールド作製工程並びに、作製されたモールドを用いてワイヤグリッド構造の偏光部を形成するインプリント工程および印刷工程を含む。
　図５（ａ）の工程の前に、所望のグラデーション機能を実現するため所定の方向に沿った各領域の偏光部１２の偏光部占有率に基づいて偏光部の仕様および配置を決定する設計データの作成を行う。具体的には、所望のグラデーション機能が形成されるように、所定の方向に沿った各領域の偏光度および視感透過率の少なくとも一方を設定する。偏光部１２のワイヤグリッド構造の金属部分の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨにより得られる各偏光方向の視感透過率のデータを基に偏光部１２の偏光部占有率に対応して得られる平均的な各方向の視感透過率のデータから演算を行う。これによって、偏光部１２の配置を決める設計データおよび偏光部１２のワイヤグリッド構造の金属部分１３の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨ等の仕様を決める設計データを作成する。
　図５（ａ）の工程では、モールドとなる基材上に感光性樹脂層を形成する。次いで、予め作製したグラデーション機能を形成するための偏光部の形状および偏光部占有率を決める設計データに基づいてリソグラフィ法により感光性樹脂層の露光処理を行う。次いで、エッチング処理により偏光部を形成する領域を覆うマスク１０１を形成する。モールドとなる基材の材料としては、シリコン、石英等のガラス、アルミナや炭化ケイ素等のセラミックス、ニッケル等の金属を用いることができ、シリコンを用いることが好ましい。さらに、これらの材料の上に金属層、半導体層または誘電体層が形成された複層材料を用いてもよい。
　図５（ｂ）の工程では、基材の表面１００ｓｆをエッチングし、マスク１０１に覆われている部分を凸部１００ｃｖとして残す。エッチング法としては、化学エッチング、機械加工、イオンビーム加工、レーザー加工等を用いることができ、特にプラズマエッチングを用いることが加工精度の点で好ましい。次いで、マスク１０１を除去する。これにより、基材１００ａにはマスクに覆われた部分が凸部１００ｃｖとして残る。
　図５（ｃ）の工程では、基材１００ａの表面を覆う感光性樹脂層を形成する。次いで、予め作製した偏光部１２のワイヤグリッド構造の金属部分の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨを決める設計データに基づいて感光性樹脂層をリソグラフィ法により露光して、次いで露光した感光性樹脂層を除去してマスク１０２を形成する。マスク１０２は、凸部１００ｃｖ上にワイヤグリッド構造を形成するための溝部１０２ｇがスリット状に形成される。マスク１０２を印刷法、インプリント法、ブロック共重合体を用いた自己組織化技術等を用いて形成してもよい。なお、マスク１０２を形成する工程は、高精度に形成する手法、例えばリソグラフィ法を採用して、図５（ａ）の工程と図５（ｃ）の工程を同時に行ってもよい。また、基材１００ａの表面に紫外線硬化樹脂を塗布して、突起が一面全体に形成されたモールドを用いて、凸部１００ｃｖの表面の紫外線硬化樹脂にワイヤグリッド構造の溝部１０２ｇを形成してもよい。
　図５（ｄ）の工程では、マスク１０２を用いて基材１００ａをエッチングして、基材表面に偏光部の金属部分のパターンを形成する。これにより、グラデーション偏光素子１１０を作製するためのモールド１００ｂが作製される。エッチング法としては、化学エッチング、機械加工、イオンビーム加工、レーザー加工等を用いることができ、特にプラズマエッチングを用いることが加工精度の点で好ましい。なお、変形例としては、図５（ｃ）および（ｄ）の工程を先に行って基材表面に偏光部の金属部分のパターンを形成し、次いで、図５（ａ）および（ｂ）の工程を行って偏光部となる部分以外の基材を除去して図５（ｄ）に示すモールド１００ｂを作製してもよい。
　図５（ｅ）の工程では、インプリント法により、モールド１００ｂを対象となる基板１１ｂに押しつけて、偏光部のスリット状のパターンの溝部を基板１１ｂの表面に形成する。インプリント法は、例えば、基板１１ｂに熱可塑性樹脂またはガラスを用いて基板１１ｂをガラス転移温度よりも高い温度に加熱して圧力を加えてモールド１００ｂを押しつける。また、基板１１ｂに光硬化性樹脂を用いてモールド１００ｂを押しつけて紫外光を照射してもよい。モールド１００ｂを用いて射出成形法により偏光部のスリット状パターンを基板表面に形成してもよい。なお、離型剤としては、モールド１００ｂの材料および基板１１ｂの材料に応じて適宜選択できるが、フッ素系離型剤を用いることが離型性の点で好ましい。モールド１００ｂの材料および基板１１ｂの材料によっては、シリコーン系離型材が好ましい場合もある。
　図５（ｆ）の工程では、偏光部となる基板のパターンの溝部に金属材料を充填して金属部分１３を形成する。これにより、偏光部１２ａ～１２ｃとその偏光部以外の基板部分１１ａが基板１１に形成されたグラデーション偏光素子１１０が形成される。金属材料を溝部に充填する手法としては、金属インクを用いた印刷法、物理蒸着法、化学蒸着法およびメッキ法を用いることができる。
　本製造方法によれば、一つのモールド１００ｂに対して多数のグラデーション偏光素子を容易に形成できる。
　本製造方法における代替例としては、モールド１００ｂを用いないで、リソグラフィ法、収束イオンビーム法、ナノ粒子を用いた自己組織化技術等で、基板１１の表面に直接偏光部となるパターンの溝部を形成してもよい。
　図６は、本発明の一実施形態に係るグラデーション偏光素子の他の製造工程図である。図６は、図５と同様に先の図４のＢＢ線断面図を示しており、偏光部は先の図３（ａ）に示した構造を有する。
　図６（ａ）の工程では、基板１１上に金属層１３ｄを形成する。基板１１は、グラデーション偏光素子１０の基板１１と同様の材料を用いることができ、金属層１３ｄは、グラデーション偏光素子の金属部分１３と同様の金属材料を用いることができる。金属層１３ｄは、図５（ｆ）の工程で説明した方法で形成することができる。
　図６（ｂ）の工程では、金属層１３ｄ上に感光性樹脂層を形成し、予め作製したグラデーション機能を形成するための偏光部占有率に基づく偏光部１２の配置の設計データに基づいてリソグラフィ法により感光性樹脂層の露光処理を行う。次いで、エッチング処理により偏光部を形成する領域を覆うマスク１０３を形成する。マスク１０３は、印刷法、インプリント法、自己組織化技術等を用いて形成してもよい。
　図６（ｃ）の工程では、マスク１０３に覆われていない金属層１３ｄの表面をエッチングして除去する。エッチング法としては、化学エッチング、機械加工、イオンビーム加工、レーザー加工等を用いることができ、特にプラズマエッチングを用いることが加工精度の点で好ましい。次いで、マスク１０３を除去する。これにより、マスクに覆われた金属層の部分が凸部１３ｅとして残る。なお、図６（ａ）～（ｃ）の製造工程の代替例としては、リフトオフプロセスを用いて図６（ａ）と図６（ｂ）の製造工程を入れ替えて図６（ｃ）の構造を形成してもよい。
　図６（ｄ）の工程では、基板１１および金属層１３ｅの表面を覆う感光性樹脂層を形成し、予め作製した偏光部のワイヤグリッド構造の金属部分の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨを決める設計データに基づいて偏光部の金属部分のパターンを露光して、次いで露光した感光性樹脂層を除去してマスク１０４を形成する。マスク１０４は、凸部１３ｅ上にワイヤグリッド構造を形成するための溝部がスリット状に形成される。マスク１０４は、印刷法、インプリント法、自己組織化技術等を用いて形成してもよい。なお、マスク１０３、１０４を形成する図６（ｂ）の工程と図６（ｄ）の工程を同時に行ってもよい。
　図６（ｅ）の工程では、マスク１０４を用いて金属層の凸部１３ｅをエッチングして基板１１の表面に偏光部１２ａ～１２ｃの金属部分１３のパターンを形成する。これにより、グラデーション偏光素子が形成される。エッチング法としては、化学エッチング、機械加工、イオンビーム加工、レーザー加工等を用いることができ、特にプラズマエッチングを用いることが加工精度の点で好ましい。
　本製造方法における代替例としては、先に基板１１の表面に偏光部１２ａ～１２ｃの金属部分１３のパターンを形成し、次いで、偏光部１２ａ～１２ｃ以外の基板部分１１ａの金属層１３ｄを除去してもよい。すなわち、図６（ａ）の工程に次いで図６（ｄ）および（ｅ）の工程を行い、その後に、図６（ｂ）および（ｃ）の工程を行う。
　本製造方法における他の代替例としては、グラデーション機能を形成するための偏光部の形状および偏光部占有率を決める設計データに基づいて作製したステンシルマスクを用いて、電子ビームにより図６（ｂ）の金属層１３ｄに図６（ｃ）に示す凸部１３ｅを形成してもよく、さらに、偏光部のワイヤグリッド構造の金属部分の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨを決める設計データを追加した設計データに基づいて作製したステンシルマスクを用いて、電子ビームにより、図６（ｂ）の金属層１３ｄを図６（ｅ）に示す基板１１表面に偏光部１２ａ～１２ｃの金属部分１３のパターンを直接形成してもよい。
　なお、以上で述べた製造工程を組み合わせることで、図３（ｂ）に示すワイヤグリッド構造を有する偏光部３２を形成できることは言うまでもない。
　さらに、図６（ａ）、（ｄ）および（ｅ）の製造工程を用いて基板１１の表面全体にワイヤグリッド構造の偏光部の金属部分１３のパターンを形成し、次いで、そのパターンの一部を除去して図６（ｅ）に示す基板部分１１ａを形成して、偏光部１２ａ～１２ｃを有するグラデーション偏光素子を作製してもよい。パターンを除去する手法としては、レーザー加工、プレス加工、プラズマエッチング、化学エッチング、イオンビーム加工、インプリント法、ドリル加工、機械加工等を用いることができる。基板部分１１ａは基板を貫通する貫通孔としてもよい。
　本実施形態によれば、所望のグラデーション機能を実現するため所定の方向に沿った各領域の偏光部１２の偏光部占有率に基づいて偏光部の仕様および配置を決定する設計データ作成工程により作成された設計データに基づいて基板１１に多数の偏光部１２が配置されて形成されているので、所定の方向に沿って透過率および偏光度の少なくとも一方のグラディエーション機能を有する偏光素子を形成できる。
［実施例］
　先の図５に示した製造方法によりグラディエーション偏光素子を形成した。
　最初に、グラデーション機能を形成するために図１に示すＸ軸に沿って６つの領域に分けて偏光部占有率を次第に減少するように偏光部の配置の設計データを作成し、偏光部１２の長手方向および短手方向の長さおよびピッチＰ１を決定した。なお、偏光部１２の配列を正方配列とした。偏光部１２のワイヤグリッド構造の金属部分の幅ｗ、ピッチＰ２、および厚さＴＨを、それぞれ、５０ｎｍ、１４０ｎｍ、４００ｎｍとした。
　次いで、４インチのＳｉウェハの表面に、フォトリソグラフィー法および異方性プラズマエッチング法により図５（ｂ）に示す凸部１００ｃｖを形成した。
　次いで、ナノインプリントリソグラフィー法により図５（ｃ）に示すワイヤグリッド構造を形成するための溝部１０２ｇがスリット状に形成されたマスク１０２を形成した。
　次いで、異方性プラズマエッチング法によりマスク１０２を用いて、Ｓｉウェハの表面に図５（ｄ）に示す偏光部の金属部分のパターン１００ｓｌを形成し、Ｓｉウェハのモールド１００ｂを形成した。
　図７は、実施例のグラデーション偏光素子用のモールドの走査型顕微鏡写真である。図７を参照するに、モールドは、パターン１００ｓｌの金属部分を形成するための突起部分の幅が５０ｎｍ、突起部分のピッチが１４０ｎｍであることが分かる。
　次いで、熱ナノインプリント法により、基板１１としてのポリカーボネートシートに１７０℃に加熱してモールドを押し当てて、図５（ｆ）に示す溝部のパターンを形成した。
　次いで、ハリマ化成社製の銀ナノインク（商品名：ＮＰＳ）を用いてスキージング法により銀ナノインクをポリカーボネートシートの溝部に充填し、表面の余分な銀ナノインクをワイピングにより除去した。
　次いで、オーブンを用いてポリカーボネートシートを１３０℃で１２時間加熱して銀ナノインクを焼成した。これにより、実施例のグラディエーション偏光素子が作製された。
　図８は、実施例のグラデーション偏光素子の走査型顕微鏡写真である。図８（ａ）～（ｃ）を参照するに、コントラストが比較的明るい矩形の部分が偏光部であり、隣接する矩形の間の比較的暗い部分が偏光部以外の基板部分である。この走査型顕微鏡写真によれば、偏光部占有率が（ａ）６４％、（ｂ）３６％、（ｃ）２０％の領域が形成されていることが分かる。
　図９は、実施例のグラデーション偏光素子の光学特性を示す図であり、分光光度計によりスポット径２ｍｍの入射光をグラデーション偏光素子に照射して測定した。入射光は、グラデーション偏光素子の位置におけるスポット径を２ｍｍとした。
　グラデーション偏光素子の偏光度および視感透過率は、図２に示したワイヤグリッド構造の金属部分１３に対してそれぞれ平行方向（図２のＹ軸方向）、垂直方向（図２のＸ軸方向）に振動する電場成分を有する直線偏光した入射光を用いて島津製作所社製の分光光度計（ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ－３７００）により測定した。視感透過率は、波長３８０～７８０ｎｍ（１ｎｍ刻み）のときのそれぞれの透過率（透過スペクトル）と視感度曲線から得ることができる。ワイヤグリッド構造の金属部分１３に対して平行方向の偏光光線のグラデーション偏光素子の視感透過率をＴp、垂直方向の偏光光線の視感透過率をＴvとすると、偏光度Ｖは、Ｖ＝（（Ｔv－Ｔp）／（Ｔv＋Ｔp））1/2で表される。
　図９を参照するに、偏光部占有率が１００％の領域１から偏光部占有率が８％の領域６において、偏光度Ｖが９９％から次第に１３％まで減少しており、実施例のグラデーション偏光素子が偏光度のグラディエーション機能を有することが分かる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、基板１１は、偏光機能を有しないものとして上記の実施形態では説明したが、本発明のグラディエーション機能を奏する範囲において、偏光機能を有してもよい。また、複数の偏光部１２は、偏光度のグラディエーションの方向（Ｘ軸方向）に対して、金属部分１３が垂直方向（Ｙ軸方向）に延在しているとして説明したが、垂直方向に限定されない。また、金属部分１３は、同じ方向（Ｙ軸方向）に延在しているとして説明したが、偏光度が異なる領域毎に任意の方向に延在してもよく、領域内でランダムな方向に延在してもよい。上記の実施形態において偏光部１２は基板１１の一方の主面に形成するものとして説明したが、偏光部１２の一部を他方の主面に形成してもよい。
　本発明のグラデーション偏光素子は、偏光度の階調も合わせて制御できるため、視認性確保および表示機能を両立したヘッドアップ・ディスプレー、高度な偏光制御によって周囲からの覗き見を防ぐ等の高度なセキュリティー対策を施したディスプレー、３Ｄ－ＴＶ用の眼鏡等のアミューズメントなどへの応用が期待でき、デザイン性・機能性の拡張が期待できる。
１０，１１０　　グラデーション偏光素子
１１　　基板
１１ａ　　基板部分
１２，２２，３２　　偏光部
１３，２３，３３　　金属部分

 

Claims (10)

  1. 　所定の波長領域において所定の光透過率を有する基板と、
    　前記基板の主面にワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部と、を備え、
    　前記複数の偏光部は、前記基板の主面において所定の方向に光透過率および偏光度の少なくとも一方が次第に変化するように、該所定の方向に沿って該主面の所定の面積当たりに占める割合が次第に変化するように配置してなる、偏光素子。
  2. 　前記複数の偏光部は、前記所定の方向に沿って該複数の偏光部の各々の大きさを異ならせて前記所定の面積当たりに占める割合を変化させてなる、請求項１記載の偏光素子。
  3. 　前記複数の偏光部は、前記所定の方向に沿って該複数の偏光部の各々の数を異ならせて前記所定の面積当たりに占める割合を変化させてなる、請求項１記載の偏光素子。
  4. 　前記複数の偏光部は、前記所定の方向に沿って互いに離間して配置されてなる、請求項１～３のうちいずれか一項記載の偏光素子。
  5. 　前記複数の偏光部は、前記所定の方向に対して垂直方向に沿って所定の間隔に、かつ互いに離間して配置されてなる、請求項１～４のうちいずれか一項記載の偏光素子。
  6. 　前記複数の偏光部は、前記所定の方向に対して垂直方向に沿って規則的に配置されてなる、請求項１～５のうちいずれか一項記載の偏光素子。
  7. 　前記複数の偏光部は、各々、所定の形状で形成されてなる、請求項１～６のうちいずれか一項記載の偏光素子。
  8. 　前記複数の偏光部のワイヤグリッド構造は、スリット状に配列した導電体線から構成され、
    前記複数の領域は、前記導電体線が所定の方向に配列してなる、請求項１～７のうちいずれか一項記載の偏光素子。
  9. 　前記複数の偏光部の代わりに、前記基板の主面に亘る前記ワイヤグリッド構造を有する他の偏光部と、
    　前記他の偏光部の一部に前記ワイヤグリッド構造を有していない複数の非偏光部と、を備え、
    　前記複数の非偏光部は、前記基板の主面において前記所定の方向に沿って該主面の所定の面積当たりに占める割合が次第に変化するように配置してなる、請求項１記載の偏光素子。
  10. 　所定の方向に光透過率および偏光度の少なくとも一方が次第に変化する偏光素子の製造方法であって、
    　ワイヤグリッド構造を有する複数の偏光部が基板の主面の所定の面積当たりに占める割合が前記所定の方向に沿って次第に変化するように配置する設計データを作成するステップと、
    　前記設計データに基づいて、前記基板の主面に前記複数の偏光部を形成するステップと、
    を含む、前記製造方法。
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