WO2023145307A1 - ワイヤグリッド偏光素子およびその製造方法ならびに光学機器 - Google Patents

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grid polarizing
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祐基 高橋
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Definitions

  • the present invention relates to a wire grid polarizing element, a manufacturing method thereof, and an optical device.
  • a polarizing element is an optical element that absorbs polarized light in a predetermined direction and transmits polarized light in a direction orthogonal thereto.
  • a liquid crystal display device requires a polarizing element.
  • the polarizing element receives strong radiation, so heat resistance and light resistance are required. , high extinction ratio and control of reflectance properties are required. Wire grid polarizers have been proposed to meet these demands.
  • the wire grid polarizing elements are arranged on a transparent substrate and on one side of the transparent substrate at a pitch (several tens of nm or more and several hundred nm or less) shorter than the wavelength of light in the band of use, and extend in a predetermined direction. and a grid-like projection.
  • the grid-shaped convex portion has a reflective layer, a dielectric layer, and an absorbing layer in order from the transparent substrate side.
  • a wire grid polarizer has excellent heat resistance and light resistance, can be made into a relatively large element, and has a high extinction ratio.
  • the multi-layer structure makes it possible to control the reflectance characteristics, and reduces the deterioration of image quality caused by ghosts, etc., which are caused by the return light reflected on the surface of the element and reflected again inside the device. Suitable for
  • liquid crystal projectors use a plurality of semiconductor lasers (LD) as light sources to produce a high luminous flux, thereby achieving high brightness. Therefore, the wire grid polarizing element is required to have light resistance and transmittance characteristics even in a high-brightness environment.
  • LD semiconductor lasers
  • Patent Document 1 describes the use of a reflective layer having a metal layer and an oxide layer covering the side surface of the metal layer.
  • An object of the present invention is to provide a wire grid polarizing element capable of reducing the effects on optical characteristics and appearance quality even if the grid-like convex portions fall down.
  • a transparent substrate is arranged on one surface of the transparent substrate at a pitch shorter than the wavelength of light in a use band, and extends in a predetermined direction.
  • a lattice-like convex portion the lattice-like convex portion having, in order from the transparent substrate side, a reflective layer, a dielectric layer, and an absorbing layer; Regions are arranged to divide the grid-shaped convex portions.
  • the transparent substrate may be transparent to light in the usage band, and may contain glass, crystal, quartz, or sapphire.
  • the reflective layer may contain one or more metals selected from the group consisting of Al, Ag, Cu, Mo, Cr, Ti, Ni, W, Fe, Si, Ge, Te and Nd.
  • the dielectric layer may contain Si oxide, Ti oxide, Zr oxide, Al oxide, Nb oxide or Ta oxide.
  • the absorption layer absorbs light in the usage band and may contain a metal, an alloy, or a semiconductor.
  • the above wire grid polarizing element may further include an antireflection layer on the other surface of the transparent substrate.
  • At least part of the surface of the wire grid polarizing element may be covered with a protective film.
  • the protective film may contain the same material as the material contained in the dielectric layer.
  • At least part of the surface of the wire grid polarizing element may be covered with an organic water-repellent film.
  • Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a wire grid polarizing element, in which a reflective layer, a dielectric layer, and an absorbing layer are laminated on one surface of a transparent substrate in this order from the transparent substrate side. a step of forming a laminate, and selectively etching the laminate to form grid-like projections arranged at a pitch shorter than the wavelength of light in the operating band and extending in a predetermined direction. and forming, in a predetermined region of the transparent substrate, regions for dividing the lattice-shaped convex portions.
  • the above method for manufacturing a wire grid polarizing element may further include the step of forming an antireflection layer on the other surface of the transparent substrate.
  • the above wire grid polarizing element manufacturing method may further include a step of covering at least part of the surface with a protective film.
  • the protective film may contain the same material as the material contained in the dielectric layer.
  • the method for manufacturing the wire grid polarizing element described above may further include a step of covering at least part of the surface with an organic water-repellent film.
  • Another aspect of the present invention is an optical instrument comprising the above wire grid polarizing element.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the wire grid polarizing element of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a state in which grid-shaped convex portions of the wire grid polarizing element of FIG. 1 are tilted;
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of a wire grid polarizing element in which grid-shaped convex portions are not divided;
  • FIG. 5 is a schematic perspective view showing an example of a state in which the lattice-shaped convex portions of the wire grid polarizing element of FIG. 4 are tilted;
  • It is a perspective schematic diagram which shows the modification of the wire grid polarizing element of FIG.
  • FIG. 1 shows an example of the wire grid polarization element of this embodiment.
  • the wire grid polarizing elements 10 are arranged on a transparent substrate 11 and one surface of the transparent substrate 11 at a pitch p shorter than the wavelength of light in the operating band, and extend in the Y-axis direction with a width w , and a grid-like projection 12 having a height h.
  • the direction in which the grid-shaped convex portions 12 extend is referred to as the Y-axis direction.
  • the direction orthogonal to the Y-axis direction and in which the grid-like protrusions 12 are arranged at the pitch p along the main surface of the transparent substrate 11 is referred to as the X-axis direction.
  • the direction perpendicular to the Y-axis direction and the X-axis direction and perpendicular to the main surface of the transparent substrate 11 is referred to as the Z-axis direction.
  • the light incident on the wire grid polarizing element 10 may enter from either side of the transparent substrate 11. However, on the side (grid surface side) of the transparent substrate 11 on which the lattice-shaped convex portions 12 are formed, Z Axial incidence is preferred.
  • the wire grid polarizing element 10 utilizes the four effects of transmission, reflection, interference, and selective light absorption of polarized light due to optical anisotropy to produce s-polarized light (TE wave ( s-wave))) and transmits p-polarized light (TM wave (p-wave)) having an electric field component parallel to the X-axis direction. Therefore, in FIG. 1 , the Y-axis direction is the direction of the absorption axis of the wire grid polarizing element 10 and the X-axis direction is the direction of the transmission axis of the wire grid polarizing element 10 .
  • the height h means the dimension in the Z-axis direction perpendicular to the main surface of the transparent substrate 11 .
  • the width w means the dimension in the X-axis direction perpendicular to the height h when the wire grid polarizing element 10 is viewed from the Y-axis direction.
  • the pitch p is the repetition interval of the grid-like convex portions 12 in the X-axis direction when the wire grid polarization element 10 is viewed from the Y-axis direction.
  • the pitch p is not particularly limited as long as it is shorter than the wavelength of light in the used band, but from the viewpoint of the ease and stability of manufacturing the wire grid polarizing element 10, it is preferably 100 nm or more and 200 nm or less, for example.
  • the pitch p can be measured by observation using a scanning electron microscope or a transmission electron microscope.
  • a scanning electron microscope or a transmission electron microscope can be used to measure the pitch p at any four locations, and the arithmetic average value can be taken as the pitch p. This measuring method is hereinafter referred to as electron microscopy.
  • the lattice-shaped convex portion 12 has, in order from the transparent substrate 11 side, a reflective layer 12a, a dielectric layer 12b, and an absorbing layer 12c.
  • the grid-like protrusions 12 have a wire grid structure arranged in a one-dimensional grid pattern on one surface of the transparent substrate 11 .
  • the s-polarized light reflected by the reflective layer 12a is partially absorbed while passing through the dielectric layer 12b and the absorbing layer 12c, but is partially reflected back to the reflective layer 12a. Also, the s-polarized light reflected by the reflective layer 12a interferes and attenuates when passing through the dielectric layer 12b and the absorbing layer 12c. As described above, by selectively attenuating the s-polarized light, the wire grid polarizing element 10 can obtain desired polarization characteristics.
  • the wire grid polarizing element 10 has a rectangular dividing region 12d that divides the grid-like projections 12 in the central portion of the transparent substrate 11. As shown in FIG. That is, the grid-like protrusions 12 are divided at the central portion of the transparent substrate 11 . Therefore, in the wire grid polarizing element 10, even if the grid-like projections 12 on one side in the Y-axis direction collapse with respect to the dividing region 12d, the grid-like projections 12 on the other side in the Y-axis direction collapse. (see FIG. 3), the impact on optical properties and appearance quality is reduced.
  • the sizes of the division region 12d in the X-axis direction and the Y-axis direction are not particularly limited, they are, for example, 100 nm or more and 1000 nm or less. Also, the density of the divided regions 12d is not particularly limited, but is, for example, about 5 ⁇ 10 3 pieces/mm 2 .
  • the dividing region 12d may not be arranged in the central portion of the transparent substrate 11.
  • the dividing region 12d may be arranged regularly at equal intervals on the transparent substrate 11 (see FIG. 6). may be arranged irregularly.
  • the shape of the dividing region 12d is not limited to a rectangular shape, and may be, for example, a polygonal shape other than a rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, a linear shape (see FIG. 7), or the like.
  • a plurality of shapes may be used together (see FIG. 8).
  • the reflective layers 12a are arranged at a pitch p on one surface of the transparent substrate 11 and extend in the Y-axis direction.
  • the reflective layer 12a functions as a wire grid polarizer, attenuates s-polarized light (TE wave (s wave)) having an electric field component in a direction parallel to the extending direction of the reflective layer 12a. It transmits p-polarized light (TM wave (p wave)) having an electric field component in a direction perpendicular to the extending direction.
  • TE wave s wave
  • TM wave p-polarized light
  • the material constituting the reflective layer 12a is not particularly limited as long as it is a material that reflects light in the used band, but examples include Al, Ag, Cu, Mo, Cr, Ti, Ni, W, Fe , Si, Ge, Te, Nd, and alloys containing one or more of these metals. Among these, Al or an Al alloy is preferable.
  • the reflective layer 12a may be, for example, an inorganic film or a resin film other than a metal film having a high surface reflectance due to a coloring agent or the like.
  • the thickness of the reflective layer 12a is not particularly limited, it is preferably, for example, 100 nm or more and 300 nm or less.
  • a method for measuring the thickness of the reflective layer 12a is not particularly limited, but for example, an electron microscope method can be used.
  • the method of forming the reflective layer 12a is not particularly limited, but examples thereof include vapor deposition and sputtering.
  • the reflective layer 12a may be a laminate of two or more layers made of different materials.
  • the dielectric layer 12b is formed on the reflective layer 12a. That is, the dielectric layers 12b are arranged at a pitch p and extend in the Y-axis direction.
  • the thickness of the dielectric layer 12b is set so that the phase of the s-polarized light transmitted through the absorbing layer 12c and reflected by the reflecting layer 12a is shifted by half a wavelength from the s-polarized light reflected by the absorbing layer 12c.
  • the thickness of the dielectric layer 12b is not particularly limited as long as it is possible to enhance the interference effect by adjusting the phase of s-polarized light.
  • a method for measuring the thickness of the dielectric layer 12b is not particularly limited, but for example, an electron microscope method can be used.
  • the material forming the dielectric layer 12b is not particularly limited, but examples thereof include Si oxide, Ti oxide, Zr oxide, Al oxide, Nb oxide and Ta oxide.
  • the refractive index of the dielectric layer 12b is preferably greater than 1.0 and less than or equal to 2.5. Since the optical properties of the reflective layer 12a are affected by the refractive index of the dielectric layer 12b, the optical properties of the wire grid polarizing element 10 can be controlled by selecting the material forming the dielectric layer 12b. By appropriately adjusting the thickness and refractive index of the dielectric layer 12b, the s-polarized light reflected by the reflective layer 12a can be partially reflected back to the reflective layer 12a when it passes through the absorbing layer 12c. , and the s-polarized light passing through the absorbing layer 12c can be attenuated by interference. By selectively attenuating the s-polarized light in this manner, desired polarization characteristics can be obtained.
  • the method of forming the dielectric layer 12b is not particularly limited, but includes, for example, a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, and the like.
  • the dielectric layer 12b may be a laminate of two or more layers made of different materials.
  • Absorption layer 12c is formed on dielectric layer 12b. That is, the absorption layers 12c are arranged at a pitch p and extend in the Y-axis direction.
  • the thickness of the absorption layer 12c is not particularly limited, it is preferably 5 nm or more and 50 nm or less, for example.
  • a method for measuring the thickness of the absorption layer 12c is not particularly limited, but for example, an electron microscope method can be used.
  • the material forming the absorption layer 12c is not particularly limited as long as it absorbs light in the use band, that is, the material has an extinction coefficient not equal to 0, and includes metals, alloys, semiconductors, and the like.
  • metals include Ta, Al, Ag, Cu, Au, Mo, Cr, Ti, W, Ni, Fe, and Sn.
  • alloys include alloys containing one or more of these metals.
  • semiconductors include Si, Ge, Te, ZnO, and silicide materials ( ⁇ -FeSi 2 , MgSi 2 , NiSi 2 , BaSi 2 , CrSi 2 , CoSi 2 , TaSi, etc.).
  • the wire grid polarizing element 10 can obtain a high extinction ratio with respect to the visible light region.
  • the absorption layer 12c preferably contains Si while containing Fe or Ta.
  • the bandgap energy of the semiconductor is involved in light absorption, so the bandgap energy of the semiconductor must be less than or equal to the energy of light in the used band.
  • the visible light band it is necessary to use a semiconductor that absorbs light with a wavelength of 400 nm or more, that is, has a bandgap energy of 3.1 eV or less.
  • a method for forming the absorption layer 12c is not particularly limited, but examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, and the like.
  • the absorbent layer 12c may be a laminate of two or more layers made of different materials.
  • the material constituting the transparent substrate 11 is not particularly limited as long as it is transparent to light in the operating band, and can be appropriately selected according to the purpose.
  • transparent to light in the working band does not mean that the transmittance of light in the working band is 100%, and functions as a polarizing element. It means that the transmittance of light can be maintained.
  • the light in the use band includes, for example, visible light having a wavelength of approximately 380 nm or more and 810 nm or less.
  • the material forming the transparent substrate 11 is not particularly limited, but examples thereof include materials having a refractive index of 1.1 or more and 2.2 or less, such as glass, crystal, quartz, and sapphire. From the viewpoint of cost and light transmittance, quartz and glass are preferable, and quartz (refractive index: 1.46) and soda-lime glass (refractive index: 1.51) are particularly preferable. Crystal and sapphire are preferable from the viewpoint of thermal conductivity. As a result, the light resistance of the transparent substrate 11 is improved, and it can be used as a polarizing element for an optical engine of a projector that generates a large amount of heat.
  • the grid-shaped projections 12 are arranged in a direction parallel or perpendicular to the optical axis of the crystal. is preferred. This provides excellent optical properties.
  • the optical axis is a direction axis that minimizes the difference in refractive index between O (ordinary ray) and E (extraordinary ray) of light traveling in that direction.
  • the average thickness of the transparent substrate 11 is not particularly limited, it is preferably 0.3 mm or more and 1 mm or less, for example. Also, the shape of the main surface of the transparent substrate 11 is not particularly limited, but may be, for example, a rectangular shape.
  • the wire grid polarizing element 10 may further include an antireflection layer on the other surface of the transparent substrate 11 .
  • the antireflection layer is formed on the transparent substrate 11 and is a multi-layered film of two or more layers made of the same material as the material forming the dielectric layer 12b. For example, by forming an antireflection layer in which low refractive index layers and high refractive index layers having different refractive indexes are alternately laminated, light reflected at the interface can be attenuated by interference.
  • the thickness of the antireflection layer is not particularly limited, it is preferably, for example, 1 nm or more and 500 nm or less.
  • the method for measuring the thickness of the antireflection layer is not particularly limited, but examples thereof include electron microscopy.
  • the antireflection layer can be formed as a high-density film by a method similar to that for the dielectric layer 12b. (Ion-beam Assisted Deposition) or IBS method (Ion Beam Sputtering) is preferably used.
  • At least part of the surface of the wire grid polarizing element 10 may be covered with a protective film.
  • the material forming the protective film is the same as the material forming the dielectric layer 12b. This improves the durability of the wire grid polarization element 10 .
  • the method for forming the protective film is not particularly limited, but examples thereof include CVD method and ALD method. It should be noted that the protective film may be a laminate of two or more layers composed of different materials, similar to the dielectric layer 12b.
  • At least part of the surface of the wire grid polarizing element 10 may be covered with an organic water-repellent film. This improves the moisture resistance of the wire grid polarizing element 10 .
  • the material constituting the organic water-repellent film is not particularly limited, but examples thereof include fluorine-based silane compounds such as tridecafluorooctyltrichlorosilane (FOTS).
  • fluorine-based silane compounds such as tridecafluorooctyltrichlorosilane (FOTS).
  • the method for forming the organic water-repellent film is not particularly limited, but includes, for example, the CVD method and the ALD method.
  • the wire grid polarizing element 10 is manufactured by laminating a reflective layer, a dielectric layer, and an absorbing layer on one surface of the transparent substrate 11 in this order from the transparent substrate 11 side to form a laminate. a step of selectively etching the laminate to form grid-like projections 12 arranged at a pitch shorter than the wavelength of light in the working band and extending in a predetermined direction; and forming division regions 12 d for dividing the grid-like projections 12 in predetermined regions of the substrate 11 .
  • a mask pattern is formed when selectively etching the laminate.
  • the method for forming the mask pattern is not particularly limited, but includes, for example, photolithography, nanoimprinting, and the like.
  • FIG. 9 shows an example of a mask pattern forming method.
  • a resist 22 is formed on the laminate 21 (see FIG. 9A).
  • the rectangular regions corresponding to the dividing regions 12d of the resist 22 are exposed (see FIG. 9C). reference).
  • the exposed portion of the resist 22 is removed to form a mask pattern 23 (see FIG. 9(d)).
  • the etching method is not particularly limited, but includes, for example, a dry etching method using an etching gas corresponding to the object to be etched.
  • the method for manufacturing the wire grid polarizing element 10 may further include the step of forming an antireflection layer on the other surface of the transparent substrate 11.
  • the method for manufacturing the wire grid polarizing element 10 may further include a step of covering at least a portion of the surface with a protective film, or may further include a step of covering at least a portion of the surface with an organic water-repellent film. good too.
  • optical equipment of this embodiment includes the wire grid polarization element of this embodiment.
  • the optical device of the present embodiment is not particularly limited, but examples thereof include liquid crystal displays, liquid crystal projectors, head-up displays, car headlights, and the like. Among these, a liquid crystal projector is preferable.
  • the optical device of this embodiment includes a plurality of polarizing elements
  • at least one of the plurality of polarizing elements may be the wire grid polarizing element of this embodiment.
  • the optical apparatus of this embodiment is a liquid crystal projector
  • at least one of the polarization elements arranged on the incident side and the exit side of the liquid crystal panel may be the wire grid polarization element of this embodiment.

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Abstract

透明基板と、前記透明基板の一方の面に、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列されており、所定方向に延在している格子状凸部と、を備え、前記格子状凸部は、前記透明基板の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有し、前記透明基板の所定の領域に、前記格子状凸部を分断する領域が配置されている、ワイヤグリッド偏光素子を提供する。

Description

ワイヤグリッド偏光素子およびその製造方法ならびに光学機器
　本発明は、ワイヤグリッド偏光素子およびその製造方法ならびに光学機器に関する。
　偏光素子は、所定の方向の偏光を吸収し、これと直交する方向の偏光を透過させる光学素子である。液晶表示装置では、原理上、偏光素子が必要となる。特に、透過型液晶プロジェクタのような、光量の大きな光源を使用する液晶表示装置では、偏光素子は、強い輻射線を受けるため、耐熱性や耐光性が必要となるとともに、数ｃｍ程度の大きさ、高い消光比および反射率特性の制御が要求される。これらの要求に応えるため、ワイヤグリッド偏光素子が提案されている。
　ワイヤグリッド偏光素子は、透明基板と、透明基板の一方の面に、使用帯域の光の波長よりも短いピッチ（数十ｎｍ以上数百ｎｍ以下）で配列されており、所定方向に延在している格子状凸部と、を備える。ここで、格子状凸部は、透明基板の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有する。この素子に光が入射すると、格子状凸部の延在方向に平行な電界成分を有するｓ偏光（ＴＥ波（ｓ波））は、透過することができず、格子状凸部の延在方向に垂直な電界成分を有するｐ偏光（ＴＭ波（ｐ波））は、透過する。
　ワイヤグリッド偏光素子は、耐熱性や耐光性に優れ、比較的大きな素子を作製することができ、高い消光比を有している。また、多層構造とすることで反射率特性の制御も可能となり、素子の表面で反射された戻り光が装置内で再度反射されて生じる、ゴースト等による画質の劣化を低減させることから、液晶プロジェクタに適している。
　近年、液晶プロジェクタは、光源として、複数の半導体レーザー（ＬＤ）を用いて、高光束とすることで、高輝度化が図られている。このため、ワイヤグリッド偏光素子は、高輝度環境下においても、耐光性および透過率特性が求められている。
　特許文献１には、金属層と、金属層の側面を覆う酸化物層とを有する反射層を用いることが記載されている。
国際公開第２０１７／０７３０４４号
　しかしながら、ワイヤグリッド偏光素子の格子状凸部が倒れると、光学特性および外観品質に及ぼす影響が大きい。
　本発明は、格子状凸部が倒れても、光学特性および外観品質に及ぼす影響を軽減することが可能なワイヤグリッド偏光素子を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、ワイヤグリッド偏光素子において、透明基板と、前記透明基板の一方の面に、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列されており、所定方向に延在している格子状凸部と、を備え、前記格子状凸部は、前記透明基板の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有し、前記透明基板の所定の領域に、前記格子状凸部を分断する領域が配置されている。
　前記透明基板は、前記使用帯域の光に対して透明であり、かつ、ガラス、水晶、石英またはサファイアを含んでもよい。
　前記反射層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅおよびＮｄからなる群より選択される１種以上の金属を含んでもよい。
　前記誘電体層は、Ｓｉ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｎｂ酸化物またはＴａ酸化物を含んでもよい。
　前記吸収層は、前記使用帯域の光を吸収し、かつ、金属、合金または半導体を含んでもよい。
　上記のワイヤグリッド偏光素子は、前記透明基板の他方の面に、反射防止層をさらに備えてもよい。
　上記のワイヤグリッド偏光素子は、保護膜により表面の少なくとも一部が覆われていてもよい。この場合、前記保護膜は、前記誘電体層に含まれる材料と同一の材料を含んでもよい。
　上記のワイヤグリッド偏光素子は、有機撥水膜により表面の少なくとも一部が覆われていてもよい。
　本発明の他の一態様は、ワイヤグリッド偏光素子の製造方法において、透明基板の一方の面に、前記透明基板の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を積層して、積層体を形成する工程と、前記積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列されており、所定方向に延在している格子状凸部を形成する工程と、前記透明基板の所定の領域に、前記格子状凸部を分断する領域を形成する工程と、を含む。
　上記のワイヤグリッド偏光素子の製造方法は、前記透明基板の他方の面に、反射防止層を形成する工程をさらに含んでもよい。
　上記のワイヤグリッド偏光素子の製造方法は、保護膜で表面の少なくとも一部を覆う工程をさらに含んでもよい。この場合、前記保護膜は、前記誘電体層に含まれる材料と同一の材料を含んでもよい。
　上記のワイヤグリッド偏光素子の製造方法は、有機撥水膜で表面の少なくとも一部を覆う工程をさらに含んでもよい。
　本発明の他の一態様は、光学機器において、上記のワイヤグリッド偏光素子を備える。
　本発明によれば、格子状凸部が倒れても、光学特性および外観品質に及ぼす影響を軽減することが可能なワイヤグリッド偏光素子を提供することができる。
本実施形態のワイヤグリッド偏光素子の一例を示す断面模式図である。 図１のワイヤグリッド偏光素子を示す斜視模式図である。 図１のワイヤグリッド偏光素子の格子状凸部が倒れた状態の一例を示す斜視模式図である。 格子状凸部が分断されていないワイヤグリッド偏光素子の一例を示す斜視模式図である。 図４のワイヤグリッド偏光素子の格子状凸部が倒れた状態の一例を示す斜視模式図である。 図１のワイヤグリッド偏光素子の変形例を示す斜視模式図である。 図１のワイヤグリッド偏光素子の変形例を示す斜視模式図である。 図１のワイヤグリッド偏光素子の変形例を示す斜視模式図である。 マスクパターンの形成方法の一例を示す斜視模式図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　［偏光素子］
　図１に、本実施形態のワイヤグリッド偏光素子の一例を示す。
　ワイヤグリッド偏光素子１０は、透明基板１１と、透明基板１１の一方の面に、使用帯域の光の波長よりも短いピッチｐで配列されており、Ｙ軸方向に延在している、幅ｗ、高さｈの格子状凸部１２と、を備える。
　ここで、図１に示すように、格子状凸部１２が延在している方向をＹ軸方向と称する。また、Ｙ軸方向に直交し、透明基板１１の主面に沿って、格子状凸部１２がピッチｐで配列されている方向をＸ軸方向と称する。さらに、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に直交し、透明基板１１の主面に対して垂直な方向をＺ軸方向と称する。なお、ワイヤグリッド偏光素子１０に入射する光は、透明基板１１のどちら側から入射してもよいが、透明基板１１の格子状凸部１２が形成されている側（グリッド面側）において、Ｚ軸方向から入射することが好ましい。
　ワイヤグリッド偏光素子１０は、透過、反射、干渉および光学異方性による偏光の選択的光吸収の４つの作用を利用することで、Ｙ軸方向に平行な電界成分を有するｓ偏光（ＴＥ波（ｓ波））を減衰させ、Ｘ軸方向に平行な電界成分を有するｐ偏光（ＴＭ波（ｐ波））を透過させる。したがって、図１においては、Ｙ軸方向がワイヤグリッド偏光素子１０の吸収軸の方向であり、Ｘ軸方向がワイヤグリッド偏光素子１０の透過軸の方向である。
　ここで、高さｈは、透明基板１１の主面に垂直なＺ軸方向の寸法を意味する。また、幅ｗは、ワイヤグリッド偏光素子１０をＹ軸方向から見たときに、高さｈに直交するＸ軸方向の寸法を意味する。さらに、ピッチｐは、ワイヤグリッド偏光素子１０をＹ軸方向から見たときに、格子状凸部１２のＸ軸方向の繰り返し間隔である。
　ピッチｐは、使用帯域の光の波長よりも短ければ、特に限定されないが、ワイヤグリッド偏光素子１０の作製の容易性および安定性の観点から、例えば、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。ピッチｐは、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて、観察することにより測定することができる。例えば、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて、任意の４箇所のピッチｐを測定し、その算術平均値をピッチｐとすることができる。以下、この測定方法を電子顕微鏡法と称する。
　図１に示すように、格子状凸部１２は、透明基板１１の側から順に、反射層１２ａと、誘電体層１２ｂと、吸収層１２ｃと、を有する。格子状凸部１２は、透明基板１１の一方の面に、一次元格子状に配列されているワイヤグリッド構造を有する。
　透明基板１１の格子状凸部１２が形成されている側（グリッド面側）から入射した光は、吸収層１２ｃおよび誘電体層１２ｂを通過する際に、一部が吸収されて減衰する。吸収層１２ｃおよび誘電体層１２ｂを透過した光のうち、ｐ偏光（ＴＭ波（ｐ波））は、高い透過率で反射層１２ａを透過する。一方、吸収層１２ｃおよび誘電体層１２ｂを透過した光のうち、ｓ偏光（ＴＥ波（ｓ波））は、反射層１２ａで反射される。反射層１２ａで反射されたｓ偏光は、誘電体層１２ｂおよび吸収層１２ｃを通過する際に、一部は吸収されるが、一部は反射して反射層１２ａに戻る。また、反射層１２ａで反射されたｓ偏光は、誘電体層１２ｂおよび吸収層１２ｃを通過する際に干渉して減衰する。以上のように、ｓ偏光が選択的に減衰されることにより、ワイヤグリッド偏光素子１０は、所望の偏光特性を得ることができる。
　ワイヤグリッド偏光素子１０は、図２に示すように、透明基板１１の中央部に、格子状凸部１２を分断する矩形状の分断領域１２ｄが配置されている。すなわち、透明基板１１の中央部で、格子状凸部１２が分断されている。このため、ワイヤグリッド偏光素子１０は、分断領域１２ｄに対して、Ｙ軸方向の一方の側の格子状凸部１２が倒れても、Ｙ軸方向の他方の側の格子状凸部１２が倒れないため（図３参照）、光学特性および外観品質に及ぼす影響が軽減される。
　これに対して、図４に示すように、格子状凸部１２Ａが分断されていない場合は、Ｙ軸方向の全体の格子状凸部１２Ａが倒れるため（図５参照）、光学特性および外観品質に及ぼす影響が大きい。
　分断領域１２ｄのＸ軸方向およびＹ軸方向のサイズは、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、分断領域１２ｄの密度は、特に限定されないが、例えば、５×１０３個／ｍｍ２程度である。
　なお、分断領域１２ｄは、透明基板１１の中央部に配置されていなくてもよく、例えば、透明基板１１に等間隔で規則的に配置されていてもよいし（図６参照）、透明基板１１に不規則に配置されていてもよい。また、分断領域１２ｄの形状は、矩形状に限定されず、例えば、矩形状以外の多角形状、円形状、楕円形状、線状（図７参照）等であってもよい。さらに、分断領域１２ｄの形状として、複数の形状を併用してもよい（図８参照）。
　［反射層］
　反射層１２ａは、透明基板１１の一方の面に、ピッチｐで配列されており、Ｙ軸方向に延在している。反射層１２ａは、ワイヤグリッド偏光子としての機能を有し、反射層１２ａの延在方向に平行な方向の電界成分を有するｓ偏光（ＴＥ波（ｓ波））を減衰させ、反射層１２ａの延在方向に直交する方向の電界成分を有するｐ偏光（ＴＭ波（ｐ波））を透過させる。
　反射層１２ａを構成する材料としては、使用帯域の光に対して反射性を有する材料であれば、特に限定されないが、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｎｄ等の金属、これらの１種以上の金属を含む合金等が挙げられる。これらの中でも、ＡｌまたはＡｌ合金が好ましい。
　なお、反射層１２ａは、例えば、着色剤等により表面の反射率が高い金属膜以外の無機膜や樹脂膜であってもよい。
　反射層１２ａの厚みは、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、反射層１２ａの厚みの測定方法としては、特に限定されないが、例えば、電子顕微鏡法等が挙げられる。
　反射層１２ａの形成方法としては、特に限定されないが、例えば、蒸着法、スパッタ法等が挙げられる。
　なお、反射層１２ａは、構成する材料が異なる２層以上の積層体であってもよい。
　［誘電体層］
　誘電体層１２ｂは、反射層１２ａ上に形成されている。すなわち、誘電体層１２ｂは、ピッチｐで配列されており、Ｙ軸方向に延在している。
　誘電体層１２ｂの厚みは、吸収層１２ｃで反射したｓ偏光に対して、吸収層１２ｃを透過して反射層１２ａで反射したｓ偏光の位相が半波長ずれる範囲となるように設定される。具体的には、誘電体層１２ｂの厚みは、ｓ偏光の位相を調整して干渉効果を高めることが可能であれば、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲で適宜設定される。なお、誘電体層１２ｂの厚みの測定方法としては、特に限定されないが、例えば、電子顕微鏡法等が挙げられる。
　誘電体層１２ｂを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｎｂ酸化物またはＴａ酸化物等が挙げられる。
　誘電体層１２ｂの屈折率は、１．０より大きく、２．５以下であることが好ましい。反射層１２ａの光学特性は、誘電体層１２ｂの屈折率の影響を受けるため、誘電体層１２ｂを構成する材料を選択することで、ワイヤグリッド偏光素子１０の光学特性を制御することができる。また、誘電体層１２ｂの厚みおよび屈折率を適宜調整することにより、反射層１２ａで反射したｓ偏光が、吸収層１２ｃを透過する際に、一部を反射させて反射層１２ａに戻すことができ、吸収層１２ｃを通過したｓ偏光を干渉により減衰させることができる。このようにして、ｓ偏光を選択的に減衰させることにより、所望の偏光特性を得ることができる。
　誘電体層１２ｂの形成方法としては、特に限定されないが、例えば、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等が挙げられる。
　なお、誘電体層１２ｂは、構成する材料が異なる２層以上の積層体であってもよい。
　［吸収層］
　吸収層１２ｃは、誘電体層１２ｂ上に形成されている。すなわち、吸収層１２ｃは、ピッチｐで配列されており、Ｙ軸方向に延在している。
　吸収層１２ｃの厚みは、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、吸収層１２ｃの厚みの測定方法としては、特に限定されないが、例えば、電子顕微鏡法等が挙げられる。
　吸収層１２ｃを構成する材料としては、使用帯域の光を吸収する、すなわち、消衰係数が０ではない材料であれば、特に限定されないが、金属、合金、半導体等が挙げられる。金属としては、例えば、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ等が挙げられる。合金としては、例えば、これらの金属のうち、１種以上の金属を含む合金等が挙げられる。また、半導体としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料（β－ＦｅＳｉ２、ＭｇＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＢａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＴａＳｉ等）等が挙げられる。これにより、ワイヤグリッド偏光素子１０は、可視光域に対して高い消光比が得られる。これらの中でも、吸収層１２ｃは、ＦｅまたはＴａを含むとともに、Ｓｉを含むことが好ましい。
　吸収層１２ｃを構成する材料として、半導体を用いる場合には、光吸収に半導体のバンドギャップエネルギーが関与するため、半導体のバンドギャップエネルギーが使用帯域の光のエネルギー以下である必要がある。例えば、使用帯域が可視光域である場合、波長が４００ｎｍ以上である光を吸収する、即ち、バンドギャップエネルギーが３．１ｅＶ以下である半導体を使用する必要がある。
　吸収層１２ｃの形成方法としては、特に限定されないが、例えば、蒸着法、スパッタ法等が挙げられる。
　なお、吸収層１２ｃは、構成する材料が異なる２層以上の積層体であってもよい。
　［透明基板］
　透明基板１１を構成する材料としては、使用帯域の光に対して透明であれば、特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。
　本明細書および特許請求の範囲において、「使用帯域の光に対して透明である」とは、使用帯域の光の透過率が１００％であることを意味するものではなく、偏光素子としての機能を保持することが可能な光の透過率であることを意味する。使用帯域の光としては、例えば、波長が３８０ｎｍ以上８１０ｎｍ以下程度である可視光等が挙げられる。
　透明基板１１を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ガラス、水晶、石英、サファイア等の屈折率が１．１以上２．２以下である材料等が挙げられる。コストおよび透光率の観点からは、石英やガラスが好ましく、石英（屈折率１．４６）やソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）が特に好ましい。また、熱伝導性の観点からは、水晶やサファイアが好ましい。これにより、透明基板１１の耐光性が向上し、発熱量が大きいプロジェクタの光学エンジン用の偏光素子として用いることができる。
　なお、透明基板１１を構成する材料として、水晶、サファイア等の光学活性を有する結晶を用いる場合には、結晶の光学軸に対して平行な方向または垂直な方向に格子状凸部１２を配置することが好ましい。これにより、優れた光学特性が得られる。ここで、光学軸とは、その方向に進む光のＯ（常光線）とＥ（異常光線）の屈折率の差が最小となる方向軸である。
　透明基板１１の平均厚みは、特に限定されないが、例えば、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。また、透明基板１１の主面の形状としては、特に限定されないが、例えば、矩形状等が挙げられる。
　［反射防止層］
　なお、ワイヤグリッド偏光素子１０は、透明基板１１の他方の面に、反射防止層をさらに備えていてもよい。
　反射防止層は、透明基板１１上に形成されており、誘電体層１２ｂを構成する材料と同様の材料で構成されている２層以上の多層膜である。例えば、屈折率の異なる低屈折率層と高屈折率層とが、交互に積層している反射防止層を形成することで、界面反射された光を干渉により減衰させることができる。
　反射防止層の厚みは、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、反射防止層の厚みの測定方法としては、特に限定されないが、例えば、電子顕微鏡法等が挙げられる。
　反射防止層は、誘電体層１２ｂと同様の方法により、高密度膜として形成することができるが、反射防止層の密度の観点から、反射防止層の形成方法として、イオンビームアシストされたＩＡＤ法（Ｉｏｎ－ｂｅａｍ　Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＩＢＳ法（Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）を用いることが望ましい。
　［保護膜］
　ワイヤグリッド偏光素子１０は、保護膜により表面の少なくとも一部が覆われていてもよい。ここで、保護膜を構成する材料は、誘電体層１２ｂを構成する材料と同一である。これにより、ワイヤグリッド偏光素子１０の耐久性が向上する。
　保護膜の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法等が挙げられる。
　なお、保護膜は、誘電体層１２ｂと同様に、構成する材料が異なる２層以上の積層体であってもよい。
　［有機撥水膜］
　ワイヤグリッド偏光素子１０は、有機撥水膜により表面の少なくとも一部が覆われていてもよい。これにより、ワイヤグリッド偏光素子１０の耐湿性が向上する。
　有機撥水膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、トリデカフルオロオクチルトリクロロシラン（ＦＯＴＳ）等のフッ素系シラン化合物等が挙げられる。
　有機撥水膜の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法等が挙げられる。
　［ワイヤグリッド偏光素子の製造方法］
　ワイヤグリッド偏光素子１０の製造方法は、透明基板１１の一方の面に、透明基板１１の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を積層して、積層体を形成する工程と、積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列されており、所定方向に延在している格子状凸部１２を形成する工程と、透明基板１１の所定の領域に、格子状凸部１２を分断する分断領域１２ｄを形成する工程と、を含む。
　積層体を選択的にエッチングする際には、マスクパターンを形成する。
　マスクパターンの形成方法としては、特に限定されないが、例えば、フォトリソグラフィ法、ナノインプリント法等が挙げられる。
　図９に、マスクパターンの形成方法の一例を示す。まず、積層体２１上に、レジスト２２を形成する（図９（ａ）参照）。次に、レジスト２２の格子状凸部１２に対応しない領域を露光した後（図９（ｂ）参照）、レジスト２２の分断領域１２ｄに対応する矩形状の領域を露光する（図９（ｃ）参照）。次に、レジスト２２の露光部を除去し、マスクパターン２３を形成する（図９（ｄ）参照）。
　次に、積層体２１のマスクパターン２３が形成されていない領域をエッチングする。
　エッチング方法としては、特に限定されないが、例えば、エッチング対象に対応するエッチングガスを用いるドライエッチング法等が挙げられる。
　なお、ワイヤグリッド偏光素子１０の製造方法は、透明基板１１の他方の面に、反射防止層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。また、ワイヤグリッド偏光素子１０の製造方法は、保護膜で表面の少なくとも一部を覆う工程をさらに含んでいてもよいし、有機撥水膜で表面の少なくとも一部を覆う工程をさらに含んでいてもよい。
　［光学機器］
　本実施形態の光学機器は、本実施形態のワイヤグリッド偏光素子を備える。
　本実施形態の光学機器としては、特に限定されないが、例えば、液晶ディスプレイ、液晶プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、車のヘッドライト等が挙げられる。これらの中でも、液晶プロジェクタが好ましい。
　本実施形態の光学機器が複数の偏光素子を備える場合、複数の偏光素子の少なくとも１つが本実施形態のワイヤグリッド偏光素子であればよい。例えば、本実施形態の光学機器が液晶プロジェクタである場合、液晶パネルの入射側及び出射側に配置される偏光素子の少なくとも一方が本実施形態のワイヤグリッド偏光素子であればよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
　１０　　ワイヤグリッド偏光素子
　１１　　透明基板
　１２　　格子状凸部
　１２ａ　　反射層
　１２ｂ　　誘電体層
　１２ｃ　　吸収層
　１２ｄ　　分断領域
　２１　　積層体
　２２　　レジスト
　２３　　マスクパターン

Claims (13)

  1. 　透明基板と、
    　前記透明基板の一方の面に、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列されており、所定方向に延在している格子状凸部と、を備え、
    　前記格子状凸部は、前記透明基板の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を有し、
    　前記透明基板の所定の領域に、前記格子状凸部を分断する領域が配置されている、ワイヤグリッド偏光素子。
  2. 　前記透明基板は、前記使用帯域の光に対して透明であり、かつ、ガラス、水晶、石英またはサファイアを含む、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  3. 　前記反射層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅおよびＮｄからなる群より選択される１種以上の金属を含む、請求項１または２に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  4. 　前記誘電体層は、Ｓｉ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｎｂ酸化物またはＴａ酸化物を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  5. 　前記吸収層は、前記使用帯域の光を吸収し、かつ、金属、合金または半導体を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  6. 　前記透明基板の他方の面に、反射防止層をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  7. 　保護膜により表面の少なくとも一部が覆われており、
    　前記保護膜は、前記誘電体層に含まれる材料と同一の材料を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  8. 　有機撥水膜により表面の少なくとも一部が覆われている、請求項１から７のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子。
  9. 　透明基板の一方の面に、前記透明基板の側から順に、反射層と、誘電体層と、吸収層と、を積層して、積層体を形成する工程と、
    　前記積層体を選択的にエッチングすることにより、使用帯域の光の波長よりも短いピッチで配列されており、所定方向に延在している格子状凸部を形成する工程と、
    　前記透明基板の所定の領域に、前記格子状凸部を分断する領域を形成する工程と、を含む、ワイヤグリッド偏光素子の製造方法。
  10. 　前記透明基板の他方の面に、反射防止層を形成する工程をさらに含む、請求項９に記載のワイヤグリッド偏光素子の製造方法。
  11. 　保護膜で表面の少なくとも一部を覆う工程をさらに含み、
    　前記保護膜は、前記誘電体層に含まれる材料と同一の材料を含む、請求項９または１０に記載のワイヤグリッド偏光素子の製造方法。
  12. 　有機撥水膜で表面の少なくとも一部を覆う工程をさらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子の製造方法。
  13. 　請求項１から８のいずれか一項に記載のワイヤグリッド偏光素子を備える、光学機器。
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