偏光素子
【課題】優れた偏光スループット特性が得られる偏光素子を提供する。
【解決手段】透明基板１０上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有し、凹凸構造の凸部２０は、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料２１と高屈折率材料２１よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料２２とが交互に積層される。自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の多層グリッド構造であるため、優れた偏光スループット特性を得ることができる。
【解決手段】透明基板１０上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有し、凹凸構造の凸部２０は、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料２１と高屈折率材料２１よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料２２とが交互に積層される。自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の多層グリッド構造であるため、優れた偏光スループット特性を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する偏光成分（いわゆるＰ偏光波、Ｓ偏光波）の一方を吸収し、他方を透過させる偏光素子に関するものである。さらに詳しくは、使用帯域の光において、面内軸方向での光透過率の違いを利用した偏光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、偏光素子の代表的な構造として、２０層以上の多層構造である偏光膜を成膜したプリズムを貼り合わせた「MacNeilleプリズム」が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この偏光素子は、コントラストが高く、最も標準的な偏光素子として使用されている。しかし、この構造の偏光素子は、入射光の角度依存性が大きい。さらに、プリズムの貼り合わせに有機接着剤が用いられているため、輝度が高い光源に対して使用する際には、光源の熱やＵＶ成分により劣化が早まり、特性が劣化する。
【０００３】
これらの問題を回避する偏光素子として、ワイヤーグリッド型の偏光素子が知られている。ワイヤーグリッド型の偏光素子は、一般的に、使用する光の波長よりも小さな周期を有し、一方向に延びる微細グリッド構造を備えている。このようなワイヤーグリッド型の偏光素子は、前記一方向に平行な方向に振動する直線偏光を反射し、直交する方向に振動する直線偏光を通過させる。このため、例えば無偏光の光が入射されると、所定の偏光を分離した光が射出される。
【０００４】
図１６は、偏光素子の偏光分離を示す概略図である。偏光素子は、４５度の角度で光を入射した際、ある直線偏光を完全に反射し、直交する直線偏光を完全に透過することが理想的である。
【０００５】
従来のワイヤーグリッド型の偏光素子は、特許文献２、３に記載されているように、可視光を透過する透明基板上に、金属材料を用いたワイヤー構造が形成された構造を有する。無機透明基板（例えば石英基板）上に、金属ワイヤー（例えばＡｌ）を備えるため、上述したプリズム型の偏光素子に比べて耐熱性に優れ、入射光の角度依存性が±１０°程度と比較的小さいという利点がある。
【０００６】
また、特許文献４には、金属ワイヤーと誘電層を交互に形成した偏光素子が記載されている。この構造によれば、光子トンネル及びグリッド内共鳴効果の組み合わせにより、偏光素子の偏光性能を高めることが可能である。
【０００７】
しかしながら、特許文献４に記載のように、ワイヤーグリッド型の偏光素子に金属材料を用いると、金属のもつ吸光性によりワイヤーに垂直な偏光成分の光の透過率が低下してしまう。具体的には、４５度の角度で光を入射した際、ｐ偏光の透過率（以下Ｔｐと記す。）、及びｓ偏光の反射率（以下Ｒｓと記す。）は、９０％程度が限界であり、Ｔｐ×Ｒｓで表される偏光スループットは８０％と低くなってしまう。このため、近年のプロジェクター等における高輝度の要求に対する偏光素子の特性としては不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２４０３７３１号明細書
【特許文献２】特開２００９−１３９４１１号公報
【特許文献３】米国特許第６１２２１０３号明細書
【特許文献４】特許第４１５２６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、優れた偏光スループット特性が得られる偏光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した課題を解決するために、本発明に係る偏光素子は、透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有し、前記凹凸構造の凸部は、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料と誘電体又は半導体からなる低屈折率材料とが交互に積層されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る液晶プロジェクターは、前述した偏光素子と、光源と、液晶パネルとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の多層グリッド構造であるため、自由電子が存在し、光を吸収する金属を用いたワイヤーグリッド型の偏光素子と比べて、優れた偏光スループット特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る偏光素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の変形例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その１）を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その２）を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その３）を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る液晶プロジェクターの光学エンジン部分の構成を示す概略断面図である。
【図７】誘電体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。
【図８】誘電体多層構造の偏光素子の入射光４５°でのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図９】誘電体多層構造のグリッド高さが２７０ｎｍ、４８０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１０】誘電体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１１】誘電体の７層構造の偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１２】誘電体／半導体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。
【図１３】誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが２５０ｎｍのときの偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。
【図１４】誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが３５０ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１５】誘電体／半導体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１６】偏光素子の偏光分離を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．偏光素子の構成
２．偏光素子の製造方法
３．液晶プロジェクターの構成例
４．実施例
【００１５】
＜１．偏光素子の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る偏光素子を示す概略断面図である。図１に示すように、偏光素子は、透明基板１０上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有する。すなわち、偏光素子は、凸部が、透明基板１０上に一定間隔に並んだ一次元格子状のワイヤーグリッド構造を有する。
【００１６】
透明基板１０は、使用帯域の光に対して透明で、屈折率が１．１〜２．２の材料、例えば、ガラス、サファイア、水晶などで構成されている。また、偏光素子の用途に応じて、ガラス、特に、石英（屈折率１．４６）やソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）を用いてもよい。ガラス材料の成分組成は特に制限されず、例えば光学ガラスとして広く流通しているケイ酸塩ガラスなどの安価なガラス材料を用いることができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００１７】
凹凸構造の凸部２０は、透明基板１０上に、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料２１と高屈折率材料２１よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料２２とが交互に積層されている。この高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２の各層は、例えば後述する斜め蒸着法により形成することができる。
【００１８】
高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２に用いられる誘電体としては、ＳｉＯ２（屈折率：１．４６（５００ｎｍ付近））、Ａｌ２Ｏ３（屈折率：１．６３（５５０ｎｍ付近））、ＴｉＯ２（屈折率：２．５（５５０ｎｍ付近））、Ｔａ２Ｏ５（屈折率：２．１６（５５０ｎｍ付近））、ＣｅＯ２（屈折率：２．２（５５０ｎｍ付近））、ＺｒＯ２（屈折率：２．０５（５５０ｎｍ付近））、ＺｒＯ（屈折率：２．１（５５０ｎｍ付近））、Ｎｂ２Ｏ５（屈折率：２．３３（５００ｎｍ付近））などの酸化物を選択することができる。このような酸化物を用いることにより、例えばスパッタ等で誘電多層膜を形成する場合、同一チャンバーでの成膜が可能となり、リードタイムを低減することができる。また、酸化物は、グリッドを形成するためのリアクティブイオンエッチング工程などにも親和性が高い。
【００１９】
また、高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２に用いられる半導体としては、Ｓｉ（屈折率：３．４（４００ｎｍ付近））、もしくはこれを含む合金、又はシリサイド系半導体材料から選択することができる。このようなＳｉ系材料を用いることにより、リアクティブイオンエッチング工程などにも親和性が高い。また、ＳｉＯ２と交互多層膜を形成する場合には、同一チャンバーでの成膜が可能となる。
【００２０】
本実施の形態では、前述の誘電体又は半導体の中から屈折率差が１以上となる高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２を選択することが好ましい。具体的な高屈折率材料２１と低屈折率材料２２の組み合わせとしては、ＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＳｉとＳｉＯ２などを挙げることができる。高屈折率材料２１と低屈折率材料２２との屈折率差が１以上であることにより、高い反射率が得られ、少ない層数で優れたスループット特性を得ることができる。
【００２１】
このように自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の屈折率差を利用して多層グリッド構造を形成することにより、自由電子が存在し、光を吸収する金属層を用いたワイヤーグリッド型の偏光素子と比べて、優れた偏光スループット特性を得ることができる。
【００２２】
また、前述の構成からなる偏光素子において、凸部２０及び凹部３０からなるグリッドピッチは、可視光域（４００〜７００ｎｍ）で使用する場合、可視光域の半分以下である２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
また、凸部２０の幅であるグリッド幅は、使用波長帯域により自由に設計することができるが、グリッドピッチの２０〜９０％であることが好ましい。さらに好ましいグリッド幅は、グリッドピッチの３０〜７０％である。グリッド幅がグリッドピッチの２０％未満となると作製が困難となるだけでなく、偏光スループットが良好な帯域が狭くなる。グリッドピッチが９０％を超えると作製は比較的容易であるが、同様に偏光スループットが良好な帯域が狭くなる。
【００２４】
また、凹凸構造の凸部の高さであるグリッド高さは、使用波長帯域に応じて自由に設計可能だが、５００ｎｍ以下であることが好ましい。グリッド高さが５００ｎｍを超えると作製が困難となるだけでなく、グリッド構造の強度が低下してしまう。
【００２５】
また、偏光素子のグリッド構造の強度を向上させる目的で、凹凸構造の凹部３０に凸部間を支持する支持部３１を形成してもよい。この支持部３１の高さは、ワイヤーグリッドの倒れの防止に寄与する凸部２０の高さ以下であることが好ましい。
【００２６】
図２（Ａ）に、使用波長よりも小さい周期のワイヤーグリッドに対して交差する使用波長より大きい周期のグリッド３２を形成した偏光素子の例を示す。このようなグリッドを形成することにより、ワイヤーグリッドが倒れるのを防ぐことができる。直交グリッドの作製方法は、後述する干渉露光により、交差するようにパターニングすることにより得ることができる。なお、交差する角度は、必ずしも図２（Ａ）のように直交である必要はなく、使用波長よりも大きい周期が保たれていればよい。
【００２７】
また、図２（Ｂ）に、凹凸構造の凹部３０に低屈折率材料２２よりも屈折率が低い超低屈折率材料３３を挿入した偏光素子の例を示す。このように凹部３０の隙間に超低屈折率材料３３を挿入することにより、ワイヤーグリッドが倒れるのを防ぐことができる。超低屈折率材料３３としては、例えばＭｇＦ２を用いることができる。超低屈折率材料の挿入方法は、高速で旋回する基材にゾルを滴下することで成膜するスピンコーティング法を用いることができる。
【００２８】
また、耐湿性などの信頼性改善の目的で、光学特性の変化が応用上影響を与えない範囲で最上部にＳｉＯ２などの保護膜を堆積させてもよい。
【００２９】
このような構成の偏光素子は、グリッドが金属材料を含まない誘電体もしくは半導体からなる多層構造で形成されているため、グリッドの形状を任意に変更することにより、所望の波長帯域において偏光スループット（Ｔｐ×Ｒｓ）を９０％以上とすることができる。また、無機材料のみで構成されているため、高い耐熱性を得ることができる。さらに、液晶プロジェクターに用いた場合、高い光密度に対応することができるため、光学ユニット部の小型化も実現することができる。
【００３０】
＜２．偏光素子の製造方法＞
次に、図３を参照して本実施の形態における偏光素子の製造方法について説明する。先ず、透明基板１０上に高屈折率材料２１と低屈折率材料２２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層する。各層は、スパッタ法、気相成長法、蒸着法などの一般的な真空成膜法あるいはゾルゲル法（例えばスピンコート法によりゾルをコートし熱硬化によりゲル化させる方法）により成膜することができる。
【００３１】
次に、図３（Ａ）に示すように、積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）４１を成膜し、レジスト４２により所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるようにナノインプリント、フォトリソグラフィなどにより格子状のマスクパターンを形成する。そして、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ドライエッチングにより反射防止膜４１を除去し、高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２をエッチングする。ドライエッチング用のガスとしては、反射防止膜にはＡｒ／Ｏ２、ＡｌＳｉにはＣｌ２／ＢＣｌ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｔａには、ＣＦ４／Ａｒを挙げることができる。また、エッチング条件（ガス流用、ガス圧、パワー、基板の冷却温度）を最適化することによって、垂直性の高い格子形状を実現する。これにより、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製することができる。
【００３２】
また、図４に示すように斜め蒸着により無機微粒子層を形成する場合、透明基板１０に一次元格子を形成し、この透明基板１０の基板面の法線方向に対して蒸着角度αの方向に高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２を設置して行われる。
【００３３】
ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘｙ平面において１８０°異なる２方向から誘電体材料を斜め蒸着させる。例えば、一方の方向から高屈折率材料２１を斜め蒸着させた後、透明基板１０を１８０°回転させ、他方の方向から低屈折率材料２２を斜め蒸着させる蒸着サイクルを複数回行うことにより、多層膜を得ることができる。
【００３４】
また、マスクパターンの形成方法は、前述の方法に限られず、図５に示すような干渉露光によって微細周期構造パターンを形成してもよい。露光基板は、透明基板１０上に、図示しない高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２が交互に積層され、その上に、水晶基板裏面まで光が透過しないようにする遮光膜４０、レジスト４２と下側界面からの反射を除去する反射防止膜４１レジスト４２がこの順に積層されている。そして、基板面の法線方向に対して角度θの２方向から露光することにより、干渉縞が発生する。なお、ピッチｐと露光波長λとの関係は、下記式の通りである。
【００３５】
【数１】
【００３６】
また、凹凸構造の凹部３０に凸部間を支持する支持部３１を形成する場合にも、干渉露光を用いることができる。この場合、先ず、使用波長よりも短い周期で露光を行い、構造複屈折用のマスクパターンを形成し、所定の方向に基板もしくは干渉露光光学系を回転して使用波長より大きい周期で露光を行い、支持部用４１のマスクパターンを形成する。そして、現像工程を経ることにより、例えば図２（Ａ）に示すワイヤーグリッドに対して交差するグリッド３２を形成した偏光素子を得ることができる。
【００３７】
＜３．液晶プロジェクターの構成例＞
次に、本発明の一実施の形態に係る液晶プロジェクターについて説明する。液晶プロジェクター１００は、光源となるランプと、液晶パネルと、前述した偏光素子とを備える。
【００３８】
図６に、本発明に係る液晶プロジェクターの光学エンジン部分の構成例を示す。液晶プロジェクター１００の光学エンジン部分は、赤色光ＬＲに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、緑色光ＬＧに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、青色光ＬＢに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、それぞれの出射メイン偏光素子１０Ｃから出てくる光を合成し投射レンズに出射するクロスダイクロプリズム６０とを備えている。ここで、前述した偏光素子は、入射側偏光素子１０Ａ、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃそれぞれに適用されている。
【００３９】
この液晶プロジェクター１００では、光源ランプ（不図示）から出射される光をダイクロイックミラー（不図示）により赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢに分離し、それぞれの光に対応する入射側偏光素子１０Ａに入射させ、ついでそれぞれの入射側偏光素子１０Ａで偏光された光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢは液晶パネル５０にて空間変調されて出射され、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃを通過した後、クロスダイクロプリズム６０にて合成されて投射レンズ（不図示）から投射される構成となっている。光源ランプは高出力のものであっても、強い光に対して優れた耐光特性をもつ偏光素子１を用いているため、信頼性の高い液晶プロジェクターを実現することができる。
【００４０】
なお、本発明の偏光素子は、前記液晶プロジェクターへの適用に限定されるわけではなく、使用環境として熱を受ける偏光素子として好適である。例えば、自動車のカーナビやインパネの液晶ディスプレイの偏光素子として適用することができる。
【実施例】
【００４１】
＜４．実施例＞
以下、本発明の実施例について説明する。ここでは、誘電体を積層した偏光素子と、誘電体及び半導体を積層した偏光素子とを作製し、Ｐ偏光の透過率（以下Ｔｐと記す。）、Ｓ偏光の反射率（以下Ｒｓと記す。）、及び偏光スループット（以下Ｔｐ×Ｒｓと記す。）について評価した。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４２】
［実施例１：誘電体の積層］
先ず、ガラス基板上にＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。
【００４３】
次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製した。
【００４４】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の５層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは４００ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、比較例として、市販されているＡｌの金属単層からなる同一構造寸法のワイヤーグリッド型偏光素子における計算値を示す。
【００４５】
図７（Ａ）に示すＴｐ、及び図７（Ｂ）に示すＲｓの値は、共に誘電体多層構造の偏光素子の値の方が金属単層構造の偏光素子よりも高かった。また、金属単層構造の偏光素子では、最大でもＴｐ×Ｒｓが８５％程度であるのに対して、誘電体多層構造の偏光素子では、Ｔｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。また、誘電体多層構造の偏光素子は、入射角度依存性も良好であり、入射光角度３５〜６５°の範囲でＴｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。
【００４６】
図８は、誘電体多層構造の偏光素子の入射光４５°でのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが４００ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。
【００４７】
この誘電体多層構造の偏光素子は、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。
【００４８】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造のグリッド高さが２７０ｎｍ、４８０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００４９】
図９（Ａ）に示す結果より、グリッド高さが２７０ｎｍの偏光素子は、４００〜４８０ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、青色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、図９（Ｂ）に示す結果より、グリッド高さが４８０ｎｍの偏光素子は、５８０〜７００ｎｍの波長帯域で、Ｔｐ×Ｒｓが９０％以上となり、赤色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、前述の図８に示す結果より、グリッド高さが４００ｎｍの偏光素子は、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。このように、グリッド高さを、Ｔｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓが高くなるように設計することにより、容易に所望の波長帯域の光に対して良好な特性を得ることができることが分かった。
【００５０】
図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが２７０ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００５１】
図１０（Ａ）に示すグラフと図９（Ａ）に示すグラフとの比較より、グリッド幅が５０ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子と比べて、Ｔｐ×Ｒｓが良好な波長域が短波長域に移動することが分かった。逆に、図１０（Ｂ）に示すグラフと図９（Ａ）に示すグラフとの比較より、グリッド幅が１０５ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子に比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が長波長域に移動するが、波長域が狭くなることが分かった。したがって、例えば青色光の帯域に対する偏光素子は、グリッド幅をグリッドピッチの３０〜７０％とすることが好ましいことが分かった。
【００５２】
図１１は、誘電体の７層構造の偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の７層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは４００ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００５３】
この誘電体多層構造の偏光素子は、４００〜５００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、青色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、図８に示す５層からなる構造寸法が同一の偏光素子の波長依存性のグラフは、５００〜６００ｎｍの緑色光の帯域で良好な特性を示すことから、層数を変えることでも、波長帯域の設計が可能であることが分かった。
【００５４】
［実施例２：誘電体／半導体の積層］
先ず、ガラス基板上にＳｉとＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。
【００５５】
次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、Ｓｉ及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製した。
【００５６】
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ誘電体／半導体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの順に積層された誘電体及び半導体の５層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは２８０ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、比較例として、市販されているＡｌの金属単層からなる同一構造寸法のワイヤーグリッド型偏光素子における計算値を示す。
【００５７】
図１２（Ａ）に示すＴｐ、及び図１２（Ｂ）に示すＲｓは、共に誘電体／半導体多層構造の偏光素子の値の方が金属単層構造の偏光素子よりも高かった。また、誘電体／半導体多層構造の偏光素子は、入射角度依存性も良好であり、入射光角度０〜６５°のの広い範囲でＴｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。
【００５８】
図１３は、誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが２５０ｎｍのときの偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、グリッド高さが２５０ｎｍであること以外、前述と同様であり、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００５９】
図１３に示すグラフより、グリッド高さが２５０ｎｍの偏光素子は、５００〜５８０ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。
【００６０】
図１４は、誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが３５０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００６１】
図１４に示すグラフより、グリッド高さが３５０ｎｍの偏光素子は、５８０〜７００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、赤色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。
【００６２】
図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ誘電体／半導体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッド高さが２５０ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００６３】
図１５（Ａ）に示すグラフと図１３に示すグラフとの比較より、グリッド幅が５０ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子と比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が短波長域に移動することが分かった。また、図１５（Ｂ）に示すグラフと図１３に示すグラフとの比較より、グリッド幅が１０５ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子に比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が長波長域に移動するが、波長域が狭くなることが分かった。したがって、例えば緑色光の帯域に対する偏光素子は、グリッド幅をグリッドピッチの３０〜７０％とすることが好ましいことが分かった。
【００６４】
［実施例３：支持部の形成］
先ず、ガラス基板上にＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。また、格子状のマスクパターンに対して交差する使用帯域の波長よりも大きい周期のマスクパターンを形成した。具体的には、干渉露光を用い、１５０ｎｍ周期で露光を行いて格子状のマスクパターンを形成し、所定の方向に基板を回転して１０００ｎｍ周期で露光を行い、支持グリッド用のマスクパターンを形成した。
【００６５】
次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、高さ４００ｎｍ、幅４０ｎｍの支持グリッドが１０００ｎｍの周期で形成された偏光素子を作製した。この偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが４００ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍであった。
【００６６】
この支持グリッドが形成された偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性について測定したところ、図８に示す支持グリッドが形成されていない偏光素子の波長依存性と同様、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 透明基板、 ２０ 凸部、 ２１ 高屈折率材料、 ２２ 低屈折率材料、 ３０ 凹部、 ３１ 支持部、 ３２ 直交グリッド、 ３３ 超低屈折率材料、 ４０ 遮光膜、 ４１ 反射防止膜、 ４２ レジスト、 ５０ 液晶パネル、 ６０ クロスダイクロプリズム、 １００ 液晶プロジェクター、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する偏光成分（いわゆるＰ偏光波、Ｓ偏光波）の一方を吸収し、他方を透過させる偏光素子に関するものである。さらに詳しくは、使用帯域の光において、面内軸方向での光透過率の違いを利用した偏光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、偏光素子の代表的な構造として、２０層以上の多層構造である偏光膜を成膜したプリズムを貼り合わせた「MacNeilleプリズム」が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この偏光素子は、コントラストが高く、最も標準的な偏光素子として使用されている。しかし、この構造の偏光素子は、入射光の角度依存性が大きい。さらに、プリズムの貼り合わせに有機接着剤が用いられているため、輝度が高い光源に対して使用する際には、光源の熱やＵＶ成分により劣化が早まり、特性が劣化する。
【０００３】
これらの問題を回避する偏光素子として、ワイヤーグリッド型の偏光素子が知られている。ワイヤーグリッド型の偏光素子は、一般的に、使用する光の波長よりも小さな周期を有し、一方向に延びる微細グリッド構造を備えている。このようなワイヤーグリッド型の偏光素子は、前記一方向に平行な方向に振動する直線偏光を反射し、直交する方向に振動する直線偏光を通過させる。このため、例えば無偏光の光が入射されると、所定の偏光を分離した光が射出される。
【０００４】
図１６は、偏光素子の偏光分離を示す概略図である。偏光素子は、４５度の角度で光を入射した際、ある直線偏光を完全に反射し、直交する直線偏光を完全に透過することが理想的である。
【０００５】
従来のワイヤーグリッド型の偏光素子は、特許文献２、３に記載されているように、可視光を透過する透明基板上に、金属材料を用いたワイヤー構造が形成された構造を有する。無機透明基板（例えば石英基板）上に、金属ワイヤー（例えばＡｌ）を備えるため、上述したプリズム型の偏光素子に比べて耐熱性に優れ、入射光の角度依存性が±１０°程度と比較的小さいという利点がある。
【０００６】
また、特許文献４には、金属ワイヤーと誘電層を交互に形成した偏光素子が記載されている。この構造によれば、光子トンネル及びグリッド内共鳴効果の組み合わせにより、偏光素子の偏光性能を高めることが可能である。
【０００７】
しかしながら、特許文献４に記載のように、ワイヤーグリッド型の偏光素子に金属材料を用いると、金属のもつ吸光性によりワイヤーに垂直な偏光成分の光の透過率が低下してしまう。具体的には、４５度の角度で光を入射した際、ｐ偏光の透過率（以下Ｔｐと記す。）、及びｓ偏光の反射率（以下Ｒｓと記す。）は、９０％程度が限界であり、Ｔｐ×Ｒｓで表される偏光スループットは８０％と低くなってしまう。このため、近年のプロジェクター等における高輝度の要求に対する偏光素子の特性としては不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２４０３７３１号明細書
【特許文献２】特開２００９−１３９４１１号公報
【特許文献３】米国特許第６１２２１０３号明細書
【特許文献４】特許第４１５２６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、優れた偏光スループット特性が得られる偏光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した課題を解決するために、本発明に係る偏光素子は、透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有し、前記凹凸構造の凸部は、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料と誘電体又は半導体からなる低屈折率材料とが交互に積層されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る液晶プロジェクターは、前述した偏光素子と、光源と、液晶パネルとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の多層グリッド構造であるため、自由電子が存在し、光を吸収する金属を用いたワイヤーグリッド型の偏光素子と比べて、優れた偏光スループット特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る偏光素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の変形例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その１）を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その２）を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る偏光素子の製造方法（その３）を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る液晶プロジェクターの光学エンジン部分の構成を示す概略断面図である。
【図７】誘電体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。
【図８】誘電体多層構造の偏光素子の入射光４５°でのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図９】誘電体多層構造のグリッド高さが２７０ｎｍ、４８０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１０】誘電体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１１】誘電体の７層構造の偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１２】誘電体／半導体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。
【図１３】誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが２５０ｎｍのときの偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。
【図１４】誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが３５０ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１５】誘電体／半導体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。
【図１６】偏光素子の偏光分離を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．偏光素子の構成
２．偏光素子の製造方法
３．液晶プロジェクターの構成例
４．実施例
【００１５】
＜１．偏光素子の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る偏光素子を示す概略断面図である。図１に示すように、偏光素子は、透明基板１０上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有する。すなわち、偏光素子は、凸部が、透明基板１０上に一定間隔に並んだ一次元格子状のワイヤーグリッド構造を有する。
【００１６】
透明基板１０は、使用帯域の光に対して透明で、屈折率が１．１〜２．２の材料、例えば、ガラス、サファイア、水晶などで構成されている。また、偏光素子の用途に応じて、ガラス、特に、石英（屈折率１．４６）やソーダ石灰ガラス（屈折率１．５１）を用いてもよい。ガラス材料の成分組成は特に制限されず、例えば光学ガラスとして広く流通しているケイ酸塩ガラスなどの安価なガラス材料を用いることができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００１７】
凹凸構造の凸部２０は、透明基板１０上に、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料２１と高屈折率材料２１よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料２２とが交互に積層されている。この高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２の各層は、例えば後述する斜め蒸着法により形成することができる。
【００１８】
高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２に用いられる誘電体としては、ＳｉＯ２（屈折率：１．４６（５００ｎｍ付近））、Ａｌ２Ｏ３（屈折率：１．６３（５５０ｎｍ付近））、ＴｉＯ２（屈折率：２．５（５５０ｎｍ付近））、Ｔａ２Ｏ５（屈折率：２．１６（５５０ｎｍ付近））、ＣｅＯ２（屈折率：２．２（５５０ｎｍ付近））、ＺｒＯ２（屈折率：２．０５（５５０ｎｍ付近））、ＺｒＯ（屈折率：２．１（５５０ｎｍ付近））、Ｎｂ２Ｏ５（屈折率：２．３３（５００ｎｍ付近））などの酸化物を選択することができる。このような酸化物を用いることにより、例えばスパッタ等で誘電多層膜を形成する場合、同一チャンバーでの成膜が可能となり、リードタイムを低減することができる。また、酸化物は、グリッドを形成するためのリアクティブイオンエッチング工程などにも親和性が高い。
【００１９】
また、高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２に用いられる半導体としては、Ｓｉ（屈折率：３．４（４００ｎｍ付近））、もしくはこれを含む合金、又はシリサイド系半導体材料から選択することができる。このようなＳｉ系材料を用いることにより、リアクティブイオンエッチング工程などにも親和性が高い。また、ＳｉＯ２と交互多層膜を形成する場合には、同一チャンバーでの成膜が可能となる。
【００２０】
本実施の形態では、前述の誘電体又は半導体の中から屈折率差が１以上となる高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２を選択することが好ましい。具体的な高屈折率材料２１と低屈折率材料２２の組み合わせとしては、ＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＳｉとＳｉＯ２などを挙げることができる。高屈折率材料２１と低屈折率材料２２との屈折率差が１以上であることにより、高い反射率が得られ、少ない層数で優れたスループット特性を得ることができる。
【００２１】
このように自由電子の存在しない誘電体や自由電子が非常に少ない半導体の屈折率差を利用して多層グリッド構造を形成することにより、自由電子が存在し、光を吸収する金属層を用いたワイヤーグリッド型の偏光素子と比べて、優れた偏光スループット特性を得ることができる。
【００２２】
また、前述の構成からなる偏光素子において、凸部２０及び凹部３０からなるグリッドピッチは、可視光域（４００〜７００ｎｍ）で使用する場合、可視光域の半分以下である２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
また、凸部２０の幅であるグリッド幅は、使用波長帯域により自由に設計することができるが、グリッドピッチの２０〜９０％であることが好ましい。さらに好ましいグリッド幅は、グリッドピッチの３０〜７０％である。グリッド幅がグリッドピッチの２０％未満となると作製が困難となるだけでなく、偏光スループットが良好な帯域が狭くなる。グリッドピッチが９０％を超えると作製は比較的容易であるが、同様に偏光スループットが良好な帯域が狭くなる。
【００２４】
また、凹凸構造の凸部の高さであるグリッド高さは、使用波長帯域に応じて自由に設計可能だが、５００ｎｍ以下であることが好ましい。グリッド高さが５００ｎｍを超えると作製が困難となるだけでなく、グリッド構造の強度が低下してしまう。
【００２５】
また、偏光素子のグリッド構造の強度を向上させる目的で、凹凸構造の凹部３０に凸部間を支持する支持部３１を形成してもよい。この支持部３１の高さは、ワイヤーグリッドの倒れの防止に寄与する凸部２０の高さ以下であることが好ましい。
【００２６】
図２（Ａ）に、使用波長よりも小さい周期のワイヤーグリッドに対して交差する使用波長より大きい周期のグリッド３２を形成した偏光素子の例を示す。このようなグリッドを形成することにより、ワイヤーグリッドが倒れるのを防ぐことができる。直交グリッドの作製方法は、後述する干渉露光により、交差するようにパターニングすることにより得ることができる。なお、交差する角度は、必ずしも図２（Ａ）のように直交である必要はなく、使用波長よりも大きい周期が保たれていればよい。
【００２７】
また、図２（Ｂ）に、凹凸構造の凹部３０に低屈折率材料２２よりも屈折率が低い超低屈折率材料３３を挿入した偏光素子の例を示す。このように凹部３０の隙間に超低屈折率材料３３を挿入することにより、ワイヤーグリッドが倒れるのを防ぐことができる。超低屈折率材料３３としては、例えばＭｇＦ２を用いることができる。超低屈折率材料の挿入方法は、高速で旋回する基材にゾルを滴下することで成膜するスピンコーティング法を用いることができる。
【００２８】
また、耐湿性などの信頼性改善の目的で、光学特性の変化が応用上影響を与えない範囲で最上部にＳｉＯ２などの保護膜を堆積させてもよい。
【００２９】
このような構成の偏光素子は、グリッドが金属材料を含まない誘電体もしくは半導体からなる多層構造で形成されているため、グリッドの形状を任意に変更することにより、所望の波長帯域において偏光スループット（Ｔｐ×Ｒｓ）を９０％以上とすることができる。また、無機材料のみで構成されているため、高い耐熱性を得ることができる。さらに、液晶プロジェクターに用いた場合、高い光密度に対応することができるため、光学ユニット部の小型化も実現することができる。
【００３０】
＜２．偏光素子の製造方法＞
次に、図３を参照して本実施の形態における偏光素子の製造方法について説明する。先ず、透明基板１０上に高屈折率材料２１と低屈折率材料２２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層する。各層は、スパッタ法、気相成長法、蒸着法などの一般的な真空成膜法あるいはゾルゲル法（例えばスピンコート法によりゾルをコートし熱硬化によりゲル化させる方法）により成膜することができる。
【００３１】
次に、図３（Ａ）に示すように、積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）４１を成膜し、レジスト４２により所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるようにナノインプリント、フォトリソグラフィなどにより格子状のマスクパターンを形成する。そして、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ドライエッチングにより反射防止膜４１を除去し、高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２をエッチングする。ドライエッチング用のガスとしては、反射防止膜にはＡｒ／Ｏ２、ＡｌＳｉにはＣｌ２／ＢＣｌ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｔａには、ＣＦ４／Ａｒを挙げることができる。また、エッチング条件（ガス流用、ガス圧、パワー、基板の冷却温度）を最適化することによって、垂直性の高い格子形状を実現する。これにより、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製することができる。
【００３２】
また、図４に示すように斜め蒸着により無機微粒子層を形成する場合、透明基板１０に一次元格子を形成し、この透明基板１０の基板面の法線方向に対して蒸着角度αの方向に高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２を設置して行われる。
【００３３】
ｘ、ｙ、ｚ直交座標におけるｘｙ平面を基板面としたとき、ｘｙ平面において１８０°異なる２方向から誘電体材料を斜め蒸着させる。例えば、一方の方向から高屈折率材料２１を斜め蒸着させた後、透明基板１０を１８０°回転させ、他方の方向から低屈折率材料２２を斜め蒸着させる蒸着サイクルを複数回行うことにより、多層膜を得ることができる。
【００３４】
また、マスクパターンの形成方法は、前述の方法に限られず、図５に示すような干渉露光によって微細周期構造パターンを形成してもよい。露光基板は、透明基板１０上に、図示しない高屈折率材料２１及び低屈折率材料２２が交互に積層され、その上に、水晶基板裏面まで光が透過しないようにする遮光膜４０、レジスト４２と下側界面からの反射を除去する反射防止膜４１レジスト４２がこの順に積層されている。そして、基板面の法線方向に対して角度θの２方向から露光することにより、干渉縞が発生する。なお、ピッチｐと露光波長λとの関係は、下記式の通りである。
【００３５】
【数１】
【００３６】
また、凹凸構造の凹部３０に凸部間を支持する支持部３１を形成する場合にも、干渉露光を用いることができる。この場合、先ず、使用波長よりも短い周期で露光を行い、構造複屈折用のマスクパターンを形成し、所定の方向に基板もしくは干渉露光光学系を回転して使用波長より大きい周期で露光を行い、支持部用４１のマスクパターンを形成する。そして、現像工程を経ることにより、例えば図２（Ａ）に示すワイヤーグリッドに対して交差するグリッド３２を形成した偏光素子を得ることができる。
【００３７】
＜３．液晶プロジェクターの構成例＞
次に、本発明の一実施の形態に係る液晶プロジェクターについて説明する。液晶プロジェクター１００は、光源となるランプと、液晶パネルと、前述した偏光素子とを備える。
【００３８】
図６に、本発明に係る液晶プロジェクターの光学エンジン部分の構成例を示す。液晶プロジェクター１００の光学エンジン部分は、赤色光ＬＲに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、緑色光ＬＧに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、青色光ＬＢに対する入射側偏光素子１０Ａ、液晶パネル５０、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃと、それぞれの出射メイン偏光素子１０Ｃから出てくる光を合成し投射レンズに出射するクロスダイクロプリズム６０とを備えている。ここで、前述した偏光素子は、入射側偏光素子１０Ａ、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃそれぞれに適用されている。
【００３９】
この液晶プロジェクター１００では、光源ランプ（不図示）から出射される光をダイクロイックミラー（不図示）により赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢに分離し、それぞれの光に対応する入射側偏光素子１０Ａに入射させ、ついでそれぞれの入射側偏光素子１０Ａで偏光された光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢは液晶パネル５０にて空間変調されて出射され、出射プリ偏光素子１０Ｂ、出射メイン偏光素子１０Ｃを通過した後、クロスダイクロプリズム６０にて合成されて投射レンズ（不図示）から投射される構成となっている。光源ランプは高出力のものであっても、強い光に対して優れた耐光特性をもつ偏光素子１を用いているため、信頼性の高い液晶プロジェクターを実現することができる。
【００４０】
なお、本発明の偏光素子は、前記液晶プロジェクターへの適用に限定されるわけではなく、使用環境として熱を受ける偏光素子として好適である。例えば、自動車のカーナビやインパネの液晶ディスプレイの偏光素子として適用することができる。
【実施例】
【００４１】
＜４．実施例＞
以下、本発明の実施例について説明する。ここでは、誘電体を積層した偏光素子と、誘電体及び半導体を積層した偏光素子とを作製し、Ｐ偏光の透過率（以下Ｔｐと記す。）、Ｓ偏光の反射率（以下Ｒｓと記す。）、及び偏光スループット（以下Ｔｐ×Ｒｓと記す。）について評価した。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４２】
［実施例１：誘電体の積層］
先ず、ガラス基板上にＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。
【００４３】
次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製した。
【００４４】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の５層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは４００ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、比較例として、市販されているＡｌの金属単層からなる同一構造寸法のワイヤーグリッド型偏光素子における計算値を示す。
【００４５】
図７（Ａ）に示すＴｐ、及び図７（Ｂ）に示すＲｓの値は、共に誘電体多層構造の偏光素子の値の方が金属単層構造の偏光素子よりも高かった。また、金属単層構造の偏光素子では、最大でもＴｐ×Ｒｓが８５％程度であるのに対して、誘電体多層構造の偏光素子では、Ｔｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。また、誘電体多層構造の偏光素子は、入射角度依存性も良好であり、入射光角度３５〜６５°の範囲でＴｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。
【００４６】
図８は、誘電体多層構造の偏光素子の入射光４５°でのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが４００ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。
【００４７】
この誘電体多層構造の偏光素子は、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。
【００４８】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造のグリッド高さが２７０ｎｍ、４８０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００４９】
図９（Ａ）に示す結果より、グリッド高さが２７０ｎｍの偏光素子は、４００〜４８０ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、青色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、図９（Ｂ）に示す結果より、グリッド高さが４８０ｎｍの偏光素子は、５８０〜７００ｎｍの波長帯域で、Ｔｐ×Ｒｓが９０％以上となり、赤色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、前述の図８に示す結果より、グリッド高さが４００ｎｍの偏光素子は、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。このように、グリッド高さを、Ｔｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓが高くなるように設計することにより、容易に所望の波長帯域の光に対して良好な特性を得ることができることが分かった。
【００５０】
図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ誘電体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときのＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが２７０ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００５１】
図１０（Ａ）に示すグラフと図９（Ａ）に示すグラフとの比較より、グリッド幅が５０ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子と比べて、Ｔｐ×Ｒｓが良好な波長域が短波長域に移動することが分かった。逆に、図１０（Ｂ）に示すグラフと図９（Ａ）に示すグラフとの比較より、グリッド幅が１０５ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子に比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が長波長域に移動するが、波長域が狭くなることが分かった。したがって、例えば青色光の帯域に対する偏光素子は、グリッド幅をグリッドピッチの３０〜７０％とすることが好ましいことが分かった。
【００５２】
図１１は、誘電体の７層構造の偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の７層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは４００ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００５３】
この誘電体多層構造の偏光素子は、４００〜５００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、青色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。また、図８に示す５層からなる構造寸法が同一の偏光素子の波長依存性のグラフは、５００〜６００ｎｍの緑色光の帯域で良好な特性を示すことから、層数を変えることでも、波長帯域の設計が可能であることが分かった。
【００５４】
［実施例２：誘電体／半導体の積層］
先ず、ガラス基板上にＳｉとＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。
【００５５】
次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、Ｓｉ及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、所定の層数、所定のグリッド高さ、所定のグリッドピッチ及びグリッド幅を有する凹凸構造を形成し、偏光素子を作製した。
【００５６】
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ誘電体／半導体多層構造の偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの順に積層された誘電体及び半導体の５層構造を有する。また、偏光素子のグリッド高さは２８０ｎｍ、グリッドピッチは１５０ｎｍ、グリッド幅は７５ｎｍである。また、比較例として、市販されているＡｌの金属単層からなる同一構造寸法のワイヤーグリッド型偏光素子における計算値を示す。
【００５７】
図１２（Ａ）に示すＴｐ、及び図１２（Ｂ）に示すＲｓは、共に誘電体／半導体多層構造の偏光素子の値の方が金属単層構造の偏光素子よりも高かった。また、誘電体／半導体多層構造の偏光素子は、入射角度依存性も良好であり、入射光角度０〜６５°のの広い範囲でＴｐ×Ｒｓが９０％以上の値を示した。
【００５８】
図１３は、誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが２５０ｎｍのときの偏光素子の入射光に対するＴｐ、Ｒｓの角度依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、グリッド高さが２５０ｎｍであること以外、前述と同様であり、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００５９】
図１３に示すグラフより、グリッド高さが２５０ｎｍの偏光素子は、５００〜５８０ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。
【００６０】
図１４は、誘電体／半導体多層構造のグリッド高さが３５０ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００６１】
図１４に示すグラフより、グリッド高さが３５０ｎｍの偏光素子は、５８０〜７００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、赤色光の帯域で良好な特性を示すことが分かった。
【００６２】
図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ誘電体／半導体多層構造のグリッド幅が５０ｎｍ、１０５ｎｍのときの偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性を示すグラフである。測定に用いた偏光素子は、前述と同様、凹凸構造の凸部が誘電体及び半導体の５層構造を有し、グリッド高さが２５０ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍである。また、偏光素子の波長依存性は、入射光の角度を４５°として測定した。
【００６３】
図１５（Ａ）に示すグラフと図１３に示すグラフとの比較より、グリッド幅が５０ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子と比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が短波長域に移動することが分かった。また、図１５（Ｂ）に示すグラフと図１３に示すグラフとの比較より、グリッド幅が１０５ｎｍの偏光素子は、グリッド幅が７５ｎｍの偏光素子に比べてＴｐ×Ｒｓが良好な波長域が長波長域に移動するが、波長域が狭くなることが分かった。したがって、例えば緑色光の帯域に対する偏光素子は、グリッド幅をグリッドピッチの３０〜７０％とすることが好ましいことが分かった。
【００６４】
［実施例３：支持部の形成］
先ず、ガラス基板上にＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に所定の層数、所定のグリッド高さとなるように積層した。この積層体上に反射防止膜（ＢＲＡＣ）を成膜し、レジストにより所定のグリッドピッチ及びグリッド幅となるように格子状のマスクパターンを形成した。また、格子状のマスクパターンに対して交差する使用帯域の波長よりも大きい周期のマスクパターンを形成した。具体的には、干渉露光を用い、１５０ｎｍ周期で露光を行いて格子状のマスクパターンを形成し、所定の方向に基板を回転して１０００ｎｍ周期で露光を行い、支持グリッド用のマスクパターンを形成した。
【００６５】
次に、Ａｒ／Ｏ２ガスによるスカム処理により反射防止膜を除去し、ＣＦ４／Ａｒガスにより、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２をエッチングした。そして、Ｏ２アッシングにより、レジスト、反射防止膜を除去し、高さ４００ｎｍ、幅４０ｎｍの支持グリッドが１０００ｎｍの周期で形成された偏光素子を作製した。この偏光素子は、凹凸構造の凸部がガラス基板側からＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の順に積層された誘電体の５層構造を有し、グリッド高さが４００ｎｍ、グリッドピッチが１５０ｎｍ、グリッド幅が７５ｎｍであった。
【００６６】
この支持グリッドが形成された偏光素子のＴｐ、Ｒｓ、Ｔｐ×Ｒｓの波長依存性について測定したところ、図８に示す支持グリッドが形成されていない偏光素子の波長依存性と同様、５００〜６００ｎｍの波長帯域でＴｐ×Ｒｓが９０％以上となり、緑色光の帯域で良好な特性を示した。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 透明基板、 ２０ 凸部、 ２１ 高屈折率材料、 ２２ 低屈折率材料、 ３０ 凹部、 ３１ 支持部、 ３２ 直交グリッド、 ３３ 超低屈折率材料、 ４０ 遮光膜、 ４１ 反射防止膜、 ４２ レジスト、 ５０ 液晶パネル、 ６０ クロスダイクロプリズム、 １００ 液晶プロジェクター、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有し、
前記凹凸構造の凸部は、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料と該高屈折率材料よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料とが交互に積層された偏光素子。
【請求項２】
前記高屈折率材料と前記低屈折率材料との屈折率の差が１以上である請求項１記載の偏光素子。
【請求項３】
前記ピッチは、２００ｎｍ以下であり、
前記凸部の幅は、前記ピッチの２０〜９０％である請求項１又は２記載の偏光素子。
【請求項４】
前記高屈折率材料がＴｉＯ２、前記記低屈折材料がＳｉＯ２、又は前記高屈折率材料がＳｉ、前記低屈折材料がＳｉＯ２である請求項１乃至３のいずれか1項に記載の偏光素子。
【請求項５】
前記凹凸構造の凸部の高さが５００ｎｍ以下である請求項１乃至４のいずれか1項に記載の偏光素子。
【請求項６】
前記凹凸構造の凹部に、前記凸部間を支持する支持部が形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項７】
前記支持部は、前記使用帯域の光の波長よりも大きいピッチで前記凹部の一部に形成されている請求項６記載の偏光素子。
【請求項８】
前記支持部は、前記低屈折率材料よりも屈折率が低い材料で形成されている請求項７記載の偏光素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光素子と、光源と、液晶パネルとを備える液晶プロジェクター。
【請求項１】
透明基板上に使用帯域の光の波長よりも小さいピッチで配列された凹凸構造を有し、
前記凹凸構造の凸部は、誘電体又は半導体からなる高屈折率材料と該高屈折率材料よりも屈折率が小さい誘電体又は半導体からなる低屈折率材料とが交互に積層された偏光素子。
【請求項２】
前記高屈折率材料と前記低屈折率材料との屈折率の差が１以上である請求項１記載の偏光素子。
【請求項３】
前記ピッチは、２００ｎｍ以下であり、
前記凸部の幅は、前記ピッチの２０〜９０％である請求項１又は２記載の偏光素子。
【請求項４】
前記高屈折率材料がＴｉＯ２、前記記低屈折材料がＳｉＯ２、又は前記高屈折率材料がＳｉ、前記低屈折材料がＳｉＯ２である請求項１乃至３のいずれか1項に記載の偏光素子。
【請求項５】
前記凹凸構造の凸部の高さが５００ｎｍ以下である請求項１乃至４のいずれか1項に記載の偏光素子。
【請求項６】
前記凹凸構造の凹部に、前記凸部間を支持する支持部が形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項７】
前記支持部は、前記使用帯域の光の波長よりも大きいピッチで前記凹部の一部に形成されている請求項６記載の偏光素子。
【請求項８】
前記支持部は、前記低屈折率材料よりも屈折率が低い材料で形成されている請求項７記載の偏光素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の偏光素子と、光源と、液晶パネルとを備える液晶プロジェクター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１８９７７３（Ｐ２０１２−１８９７７３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２７３９（Ｐ２０１１−５２７３９）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００１０８４１０）ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００１０８４１０）ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社 (595)
【Ｆターム（参考）】
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