選択吸収性ワイヤーグリッド偏光素子
【課題】入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器の提供。
【解決手段】入射光１２を偏光するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光素子１０ａは、基体１４の上側に配設され、光の波長の半分よりも短い周期を有する延設金属素子２６のワイヤーグリッド配列からなる薄膜積層１８を備えている。それらの層の１つは、前記基体の屈折率よりも大きい屈折率を有する薄膜層である。層３０ａ、３０ｂは、非金属素子の誘電体配列である。層３４ａは、入射光に対して光学的吸収性を有する材料を含んでいる。
【解決手段】入射光１２を偏光するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光素子１０ａは、基体１４の上側に配設され、光の波長の半分よりも短い周期を有する延設金属素子２６のワイヤーグリッド配列からなる薄膜積層１８を備えている。それらの層の１つは、前記基体の屈折率よりも大きい屈折率を有する薄膜層である。層３０ａ、３０ｂは、非金属素子の誘電体配列である。層３４ａは、入射光に対して光学的吸収性を有する材料を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、選択吸収性を有する可視及び近可視スペクトル用ワイヤーグリッド偏光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤーグリッド偏光素子（ＷＧＰ）は、ガラスのような基体の表面に配設された平行配線の配列である。通常、ワイヤーグリッド偏光素子は、基体上の配線の単一の周期的な配列である。その配線の周期が光の波長の概ね半分より大きいときには、グリッドは、回折格子として振る舞う。配線の周期が光の波長の概ね半分より小さいときには、グリッドは、偏光子として振る舞う。
【０００３】
ＷＧＰについては、ある偏光については全透過し、ある偏光については全反射することが望ましいものの、完璧な偏光素子は存在しない。現実のＷＧＰは、両方の偏光のいくらかを透過し、両方の変更のいくらかを反射してしまう。光が、ガラス板のような透明材料の表面に入射するとき、僅かな光が反射する。例えば、通常の入射の場合、約４％の入射光が、ガラスの各表面で反射する。
【０００４】
いくつかの応用においては、ＷＧＰについて、ある偏光については全透過し、他の偏光の全て、又はほとんどは、その光学系から排除されることが望ましい。
【０００５】
例えば青色光のような、可視スペクトルの一部の性能を改良するために、ＷＧＰの下に、又は配線と基体との間に、膜を配設し、一次回折光を短波長側にずらすということが提案された。米国特許第６，１２２，１０３号参照。その膜は、基体の屈折率よりも小さい屈折率を有している。基体又は下層にエッチングを施し、ワイヤーグリッドの下の実効屈折率を更に減らすということが提案された。米国特許第６，１２２，１０３号参照。各配線を、金属と誘電体の交互の層の複合体として形成することが提案された。米国特許第６，５３２，１１１号参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９８６，７３０号
【特許文献２】米国特許第６，０８１，３７６号
【特許文献３】米国特許第６，１０８，１３１号
【特許文献４】米国特許第６，１２２，１０３号
【特許文献５】米国特許第６，２０８，４６３号
【特許文献６】米国特許第６，２３４，６３４号
【特許文献７】米国特許第６，２４３，１９９号
【特許文献８】米国特許第６，２８８，８４０号
【特許文献９】米国特許第６，３４８，９９５号
【特許文献１０】米国特許第６，４４７，１２０号
【特許文献１１】米国特許第６，４５２，７２４号
【特許文献１２】米国特許第６，５３２，１１１号
【特許文献１３】米国特許第６，６６６，５５６号
【特許文献１４】米国特許第６，７１０，９２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ある配向の偏光を選択的に吸収できるワイヤーグリッド偏光素子を開発することが有益であることが認識されてきた。加えて、光学的設計に大幅な変更を加えることなく多くの光学系に組み込むことが容易であり、かつ無機であって耐久性を有する偏光素子を開発することが有益であることが認識されてきた。加えて、ワイヤーグリッド偏光素子は、ある偏光状態を反射するための金属として振る舞うことができ、また他の偏光状態に対して損失性誘電体の薄膜として振る舞うことができるということが認識されてきた。従って、構造性複屈折及び実効屈折率が、ワイヤーグリッド偏光素子に適用できることが認識されてきた。更に、損失性誘電体として振る舞う薄膜が、ある偏光のエネルギーを優先的に吸収するように設計し構成できる。加えて、ワイヤーグリッド偏光素子は、薄膜層として扱うことができ、光学的な積層に組み込むことが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡単で一般的な言葉でいうと、本発明は、入射光を偏光し、ある偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器を意図している。偏光ワイヤーグリッド層は、基体の上側に配設され、入射光の波長の半分よりも短い周期を有する平行金属配線の配列を有している。誘電体層が基体の上側に配設され、誘電材料を含んでいる。吸収層が基体の上側に配設され、ある偏光を実質的に吸収してしまうような入射光光学的吸収性を有する材料を含んでいる。吸収層は、また、誘電体層の屈折率とは異なる屈折率を有している。
【０００９】
本発明の更なる特徴及び利点が、添付の図面と共に、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面はいずれも発明の特徴を例示で表すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】本発明の一実施形態による選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図１ｂ】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図２】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図３】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図４】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図５】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に表された実施形態を参照するが、ここでは、その実施形態を記述するために具体的な言語が使用される。しかしながら、それにより発明の範囲を限定することを意図するものではない、ということが理解されるであろう。
【００１２】
ある偏光に対して、ワイヤーグリッド偏光素子は、光（又はその光のある１つの偏光）を反射する金属として実質的に振る舞い、一方、他の偏光に対して、ワイヤーグリッド偏光素子は、光（又はその光の他の偏光）を透過する損失性誘電体の薄膜として実質的に振る舞う。従って、２つの概念、すなわち構造性複屈折及び実効屈折率、が、偏光素子の性能を改良するために適用できる。
【００１３】
ワイヤーグリッド偏光素子は、構造性複屈折の一例としては典型的には考慮されていない。一般的には、複屈折というのは、ある材料が、異なる偏光に対して異なる屈折率を有していることを意味している。複屈折は、水晶等の結晶質や、延伸重合体においては、非常に一般的なものである。構造性複屈折とは、材料の形状に起因する複屈折のことである。
【００１４】
ある材料が、密度等の材料特性において、ばらつきを有し、そのばらつきの範囲が、光の波長よりも小さい場合、屈折率は、均一バルク材料の屈折率とは異なっている。実効屈折率、すなわち均一な薄膜が有し、光に対して同様の影響を及ぼす指標が存在している。この効果を理論的に取り扱った場合、有効媒質理論と呼ばれている。この現象は、蛾眼反射防止膜のようなものを作り上げるときの誘電体材料に利用される。
【００１５】
加えて、ワイヤーグリッド偏光素子は、薄膜としては典型的には考えられていない。光学的には、誘電体材料に対してのみ、構造性複屈折及び実効屈折率の双方がとりわけ考慮されている。しかしながら、ワイヤーグリッド偏光素子を、実効屈折率を有した等価複屈折薄膜として扱うことにより、それを薄膜積層の中の一要素として考えることができ、特定の性能目標を持って薄膜設計技法を使用できることとなることが認識されている。
【００１６】
本発明は、金属ワイヤーグリッド偏光素子との組み合わせで薄膜を利用し、偏光素子の性能を改良している。また、言い換えれば、その性能に対して技巧を施している。一般的に、これはワイヤーグリッドの下側及び上側に膜を有している。これらの膜はいずれも均一であるか、又は誘電体グリッドである。そのワイヤーグリッドは、複合体グリッドであるか、又は複合配線とすることができる。ワイヤーグリッドを異なる材料の多層膜と組み合わせて、異なる屈折率を有するようにすることにより、透過することが望まれる偏光の反射が抑えられる。例えば、ワイヤーグリッドは、ｐ偏光を透過するように構成できる。上で議論のように、全てのｐ偏光を透過することが望まれるものの、典型的なワイヤーグリッドは、双方の偏光のいくらかを透過し、双方の偏光のいくらかを反射してしまう。しかしながら、ワイヤーグリッドを複屈折薄膜として扱い、ワイヤーグリッドを多層薄膜と組み合わせることにより、ｐ偏光の反射が抑えられることが既に分かっている。いくつかの応用においては、また、ワイヤーグリッド偏光素子は、全てのｐ偏光を透過する一方、ｓ偏光を、例えばそのワイヤーグリッド偏光素子内で熱として吸収することにより、光学系からｓ偏光を全て、又はほとんど排除することが望ましい。このように、ワイヤーグリッド偏光素子は、広い用途を有する一般の重合体ベースの偏光素子と同様に実質振る舞う。これにより、光学的設計を大幅に変更することなく、多くの光学系にワイヤーグリッド偏光素子を組み込むことが更に容易となる。同時に、多くの光学系が、ワイヤーグリッド偏光素子のような無機偏光素子の長い耐久性の恩恵を受けることができるであろうことになる。従って、ワイヤーグリッドは、ｓ偏光を僅かに反射するように、換言すれば、ｓ偏光を反射せずに大幅に吸収するように構成できる。このことは、ワイヤーグリッドを、いくつかが光学的吸収特性を有する異なる材料からなる多層構造を組み合わせることにより達成できる。故に、ワイヤーグリッドが、ｓ偏光に対する有効反射板であるか、吸収板であるかは、設計選択事項である。どちらの結果も、ワイヤーグリッドの下側又は上側に誘電体膜又はグリッドを適切に選択して設けることにより有効となる。
【００１７】
図１ａ乃至図４に表しているように、一般記号１０ａ−ｅで示す選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光機器は、それぞれ、本発明の実施形態として示されており、入射光１２を偏光し、つまり、ある偏光状態を直交する偏光状態から実質的に分離する一方で、ある偏光状態を吸収するものである。かかる機器は、可視光の応用領域では、実質的に有用であると信じられており、つまり、概ね４００−７００ｎｍ（ナノメーター）即ち０．４−０．７μｍ（マイクロメーター又はミクロン）の可視光に対して使用されるものである。かかる可視光の応用領域には、プロジェクター等の投影表示機器が含まれている。ここで記述される多層ワイヤーグリッド偏光機器は、偏光器、ビームスプリッター、アナライザー等の各種の異なる機能機器において利用可能である。ここでの機器は、また、紫外線及び／又は赤外線のような近可視光の応用領域において有用であり、つまり、概ね２５０−４００ｎｍもしくは７００−１０，０００ｎｍの範囲の光と共に使用されるものである。従って、語句“光”は、ここでは広い意味で使用して、可視光、紫外線光及び赤外線光、つまり２５０−１０，０００ｎｍの範囲の電磁波のことを言っている。
【００１８】
偏光素子１０ａ−ｅは、ワイヤーグリッド又はワイヤーグリッド層２２を含む複数の積層膜１８を担持又は支持する基体１４を有している。基体１４は、扱う光に対して透過性を有している。例えば、基体は、ガラス（Ｂｋ７）である。他の基体としては、水晶や、プラスチックや、石英ガラスである。加えて、基体１４は、残りの薄膜層に対して実質の厚さｔsを有している。更に、基体は、屈折率ｎsを有している。例えば、ガラス基体（Ｂｋ７）は、１．５２の屈折率ｎs（５５０ｎｍにおいて）を有している（なお、屈折率は、波長によって僅かに変動することに注意すべきである）。
【００１９】
ワイヤーグリッド又はワイヤーグリッド層２２は、延設金属素子又は配線２６のワイヤーグリッド配列から成っている。素子２６は、光の波長よりも長い長さを有しており、また、光の波長の半分よりも短い周期Ｐで概ね平行に配列されている。従って、可視光と共に使用する場合、素子２６は、可視光の波長より長い、つまり７００ｎｍ（０，７μｍ）より大きい長さを有している。素子２６は、可視光の波長の半分よりも短い、つまり３５０ｎｍ（０．３６μｍ）よりも小さい、中心から中心までの間のピッチ、つまり周期Ｐを有している。ある面においては、周期Ｐは、可視光応用領域においては、２００ｎｍ未満である。他の面では、周期Ｐは、可視光応用領域においては、１２０ｎｍ未満である。素子２６は、また、ピッチ又は周期の１０から９０％の範囲の幅ｗを有している。素子２６は、また、光の波長よりも低い、つまり可視光応用領域では４００ｎｍ（０．４μｍ）よりも低い厚さ又は高さｔを有している。ある面では、厚さは、可視光応用領域について０．２μｍよりも薄い。
【００２０】
紫外線応用領域では、周期Ｐは２００ｎｍ未満である。ある面では、周期Ｐは、紫外線応用領域で、１２５ｎｍ未満である。赤外線応用領域では、周期Ｐは、５００ｎｍ未満である（但し、３５０ｎｍより大きい）。他の面では、周期Ｐは、赤外線応用領域で、５，０００ｎｍ未満である。素子２６又は配列は、一般的に、入射光と相互作用し、実質的に均一であり、一定の線形偏光状態（ｐ偏光のような）を有する透過ビーム３０を一般的に透過する。反射ビーム３４として通常反射するｓ偏光は、以下により詳細に記述するように、一般的に吸収される。その素子は、一般的に、素子に対して局所的に直交して、又は横に配向された第一偏光状態（ｐ偏光）を有する光を透過する。なお、ワイヤーグリッド偏光素子は、光の偏光状態をある一定の効率で分離するということに注意すべきである。つまり、両偏光のいくらかが、透過し、及び／又は吸収する。残りの反射ビームは、その偏光における元々のエネルギー量の１０％以下まで抑えられる。
【００２１】
素子２６又は配列は、フォトリソグラフィーにより基体の上に又はその上側に形成することができる。素子２６は、導電性を有し、アルミニウム、銀、金又は銅で形成できる。加えて、その素子は、無機的であり、従って、頑健である。
【００２２】
複数の膜層１８は、ワイヤーグリッド偏光素子２２の下側及び／又は上側の層を有している。従って、図２，３及び４に示すように、１つ以上の層が基体１４とワイヤーグリッド層２２の間に配設されている。加えて、図１ａ，１ｂ，３及び４に示すように、１つ以上の層がワイヤーグリッド層２２の上側に配設されている。各層１８は、互いに異なる材料で形成されている。又は基体１４とは異なる材料で形成されている。更に、各々が異なる材料で形成されている。従って、各層１８は、基体１４の屈折率ｎsとは異なる屈折率ｎを有している。更に、基体１４の屈折率ｎsよりも大きい屈折率ｎ1-3を有する少なくとも１つの層が、ｐ偏光の反射を抑える。従って、本発明の一様相によれば、偏光素子１０ｄ又は１０ｅは、基体１４とワイヤーグリッド層２２の間に配設された少なくとも１つの膜層を有しており、膜層１８ａは、基体１４の屈折率ｎsよりも大きい屈折率ｎ1を有している。本発明の他の様相によれば、偏光素子は、少なくとも２つの膜層を有しているか、少なくとも３枚の膜層を有している。
【００２３】
それらの層の１つ以上は、誘電体層３０ａ−ｃである。ある面では、図１ａ及び１ｂに示すように、誘電体層３０ａ及び３０ｂは、ワイヤーグリッド層２２の上側に配設されている。他の面では、図２に示すように、誘電体層３０ｃは、ワイヤーグリッド層２２の下側、又はワイヤーグリッド層２２と基体の間、に配設されている。誘電体層は、入射光に対して選択透過性を有する。
【００２４】
加えて、それらの層の１つを吸収層３４ａ及び３４ｂとすることができる。ある面では、図１ａ及び１ｂに示すように、吸収層３４ａは、ワイヤーグリッド層２２の上側に配設される。他の面では、図２に示すように、吸収層３４ｂは、ワイヤーグリッド層２２の下側、又はワイヤーグリッド層２２と基体１４の間、に配設されている。吸収層は、入射光に対して光学的吸収性を有する。ワイヤーグリッド層と吸収層とは、誘電体層により分離できる。吸収層及び誘電体層の双方は、誘電体材料で形成でき、あるいは誘電体材料を含むことができる。加えて、吸収層及び誘電体層の双方は、異なる屈折率を有している。それらの屈折率の１つは、基体の屈折率よりも大きい。上述のように、それらの層の屈折率が異なっているということは、異なる誘電体層の重要な異なる吸収特性と関連しており、それによりｓ偏光のエネルギーが、吸収誘電体層内で優先的に吸収され、それにｓ偏光の反射が減じると信じられている。
【００２５】
なお、異なる複数の材料というのは、入射光の異なる各波長に対して、選択的に透過性を有するか、又は選択的に吸収性を有する。可視光応用領域に対しては、誘電体層は、可視光に対して選択的に透過性を有する誘電体材料を有している一方、吸収層は、可視光に対して選択的に吸収性を有する材料を有している。同様に、紫外線応用領域に対しては、誘電体層は、紫外光に対して選択的に透過性を有する誘電体材料を有している一方、吸収層は、紫外光に対して選択的に吸収性を有する材料を有している。同様に、赤外線応用領域に対しては、誘電体層は、赤外光に対して選択的に透過性を有する材料を有している一方、吸収層は、赤外光に対して選択的に吸収性を有する材料を有している。
【００２６】
誘電体層及び吸収層は、誘電体材料で形成でき、あるいは誘電体材料を含むことができる。例えば、それらの層は、酸化アルミナ、三酸化アンチモン、硫化アンチモン、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、三フッ化ビスマス、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、フッ化カルシウム、酸化セリウム、チオライト、氷晶石、ゲルマニウム、二酸化ハフニウム、フッ化ランタン、酸化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、テルル化鉛、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、フッ化ネオジム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化スカンジウム、ケイ素、酸化ケイ素、三酸化ダイシリコン、二酸化ケイ素、フッ化ナトリウム、五酸化タンタル、テルル、二酸化チタン、塩化第一タリウム、酸化イットリウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、及び二酸化ジルコニウム、並びにそれらの組み合わせで、形成されている。膜層は、基体上に成膜される。金属酸化物の場合、それらは、酸化蒸発材料から始めることにより（必要に応じて付加的な酸素の裏込めと共に）成膜される。しかしながら、材料は、基本金属を蒸着し、そして背後でその成膜材料をＯ2で酸化することにより成膜される。
【００２７】
ある面では、誘電体層及び／又は吸収層は、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素、フッ化マグネシウム、酸化アルミナ、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、これらの材料の非化学量論的変種、及びそれらの組み合わせ、から選択された材料で形成でき、あるいはその材料を含むことができる。テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛が紫外線範囲に適切であり、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素が可視範囲に適当であり、フッ化マグネシウム、酸化アルミナ、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、及びそれらの組み合わせが赤外範囲には適当である。
【００２８】
他の面では、誘電体層及び／又は吸収層は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせ、から選択された材料で形成でき、あるいはその材料を含むことができる。
【００２９】
ここで挙げた材料に加えて、特に遷移金属酸化物、水素化物、窒化物、塩等については、それらの材料のイオン化状態のものも含まれる。
【００３０】
上述の膜誘電体材料の多くは、スパッタリング、化学気相成長法（ＣＶＤ）、又は、化学量論的ではない膜を生成する蒸着等の各種成膜技法を使用して成膜できる。これを利用すると、一般バルク化学量論的材料とは異なる光学特性を有する誘電体薄膜を生成することができる。例えば、酸素欠乏性のスパッタリングにより酸化チタン誘電体膜を生成することが可能であり、それにより標準膜よりもより高い光学吸収性を有することとなる。かかる膜は、本発明による、ある偏光について強力に反射するのではなく強力に吸収するワイヤーグリッドを生成するために使用される。
【００３１】
同様に、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素等の他の金属酸化物についても同様のことが可能である。フッ化マグネシウム等の金属フッ化物、窒化ケイ素等の金属窒化物、及び金属硫化物、ケイ酸化物、又はセレン化物について、類似の効果が、達成できる。
【００３２】
後により詳しく記述するように、膜層の厚さ及び材料（又は屈折率）は、ｐ偏光の反射を減らすように、又は（二者択一的に又は同時に）ｓ偏光の吸収を増やすように、操作可能である。
【００３３】
材料についての上記議論や特別な分子状態、又は材料の化学量論を更に詳論するためには、化学量論的反応というのは、結合条件が保たれた状態で平衡状態を維持するということである、ということを再認識することが有効である。しかしながら、特定の分子量論的化合物には、考慮する必要のある追加事項がある。例えば、全て挙げようと思っても到底難しい、化合物のイオンの状態というのがある。通常の化合物が錆びることを考えると、それは酸化第二鉄（Ｆｅ2Ｏ3−鉄（ＩＩＩ））又は酸化第一鉄（ＦｅＯ−鉄（II））ということになる。いくつかの条件においては、酸化第一鉄は、非化学量論的化合物と考えられる。我々の応用では、化学元素としては安定した状態で異なる光学特性を有する各種のイオン状態というのがある。故に、適切な成膜技法により、各種の光学特性を有する混合複合体膜を生成することができる。例えば、文献においては、ＴｉＯ2、ＴｉＯ3及びＴｉＯ4（各種配位子で錯化されたもの）についての記述文書がある。アルミニウムもまた、酸又は塩基の化合物として安定化するという両性の性質を有する。潜在リストというのは無限であるのだから、全ての形態を含ませたり、全ての関心材料を適用しようとすることは、実用的ではない。概して、その発明は、所望の吸収特性を生み出すように生成される多くの種類の非化学量論的又は混合状態材料をもってして、実用化できるものである。光学材料における低吸収特性というのは、混合状態にはない純粋で化学量論的な膜と結びつくものであるということはよく知られたことであるのだから、高透過性、低吸収性膜が望まれるときには、上記のことは、典型的には得られない重要な自由度である。故に、材料の単純なリストを編纂したり、本発明の範囲内で働く材料の有限集合体を定義することは、困難なことである。議論のように、適当な製造条件においては、本発明の範囲で働くであろう、広くほとんど無限種類の材料を定義できるであろう。
【００３４】
ここで図面に戻ると、誘電体層３０ａ−ｃのような１つ以上の薄膜層は、非金属素子３８の配列からなる誘電体グリッドである。非金属及び金属素子３８及び２６の配列は、実質的に互いに平行に配向している。加えて、それらの配列は、実質的に等しい周期及び／又は幅を有している。ある面では、図１ａ，１ｂ，２及び３に示すように、誘電体グリッドの非金属素子３８と金属素子２６は揃っているか、又は非金属素子３８は、ワイヤーグリッド層の金属素子２６と揃っている。他の面では、図４に示すように、誘電体グリッドの非金属素子３８と金属素子２６はオフセットを有しているか、又は非金属素子３８は、ワイヤーグリッド層の金属素子２６に対してオフセットを有している。
【００３５】
上で議論のように、薄膜層１８の枚数、厚さｔ及び材料（又は屈折率）は、ｐ偏光の反射の抑制（ｐ偏光の透過の増加）及び／又はｓ偏光の透過の抑制（ｓ偏光の反射又は吸収の増加）のために各種変更することができる。それらの層のいくつかについては、構造及び材料を均一にすることができ、一方、他の層は、ワイヤーグリッド層２２の金属素子２６又は誘電体グリッドの非金属素子３８のようなグリッドを有するようにすることができる。特定の構成と、吸収膜又はリブの材料及び対応の厚さを選択する方法の例を、以下に議論する。
【００３６】
一般的に、光学材料及び光学的膜吸収特性は、材料の光学的指標ｎ及びｋにより決定できる。ここで、ｎは通常の屈折率であり、ｋは、注目している材料の吸収性の振る舞いを表わす複合部分である。ｋが根本的に零のとき、材料は高透過性を有する。本発明の特定の構成のために所望の吸収特性を決定する際、特定材料の膜厚の制御により、光学的パラメーターｋ値の各種値を補償できる。具体的には、ｋ値が所望のものより低ければ、膜厚を増加させることにより、偏光素子の所望の性能を保証又は達成する。同様に、ｋ値が所望のものより高ければ、補償のために膜厚を薄くすることによりその材料は依然使用可能である。各膜の正確な厚さは、その応用で望まれる波長範囲、特定の応用での要求を満たすような、透過偏光の透過性と反射偏光の吸収性のトレードオフ、及び、他の応用特異問題に依存するのであるから、ｋ値を膜厚に関連付ける単純な規則を定義することは実用的なことではない。一般的に、ｋの着目範囲は、０．１と４．５の間である。
【００３７】
ｋ値の例を表１に示す。その表は、ｋ値の関数としての選択性を表出している。表から、テルル化カドミウムが、３つの全ての帯域幅で動作する単一化合物の一例であることが分かる。テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン及びケイ素が、紫外線（ＵＶ）帯域及び可視帯域の双方で働く化合物である。硫酸カドミウム、セレン化亜鉛及び硫酸亜鉛が、可視及び赤外（ＩＲ）帯域ではなく、ＵＶ帯域でのみ機能吸収性を有する化合物である。可視帯域でのみ、ＩＲ帯域でのみ、又はＵＶ帯域でのみ、又は３つの光学的帯域の各種組み合わせで、吸収する他の化合物を特定することも可能である。提示されたリストは、ありふれた、又は“標準の”光学材料としては考えられていない多くの材料を含んでいることにも注意すべきである。このことは、本発明で導入された新たな自由度を表わしており、つまり発明を実施化に導くためには吸収材料が望ましいということを強調している。このリストは、特定の各波長帯に専用の可能な化合物を示すために表出されたものであり、全てを含んでいるものではない。従って、吸収性材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有している。
【００３８】
【表１】
【００３９】
膜層は、基体１４に渡って連続的に延び、少なくとも２つの方向、つまり配線に平行な方向及び配線に直交する方向に等質で、ばらつきのない、一定の層である。
【００４０】
図１ａを参照すると、選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ａが示されている。偏光素子１０ａは、基体１４上に配設されたワイヤーグリッド層又はワイヤーグリッド２２と、そのワイヤーグリッドの上側に配設された３枚の膜層３０ａ，３４ａ及び３０ｂとを備えている。ワイヤーグリッド２２は、アルミナで形成された素子又は配線２６を有している。基体はガラス（ＢＫ７）である。３枚の膜層は、ワイヤーグリッド層２２の上側又は上に配設されている。３枚の膜層は、不連続的に誘電体グリッドを形成している。ワイヤーグリッド層２２の上に配設された、膜層の１つ３０ａは、入射光に対して光学的に透過性を有する材料で形成されることにより誘電体層とすることができる。他の膜層３４ａは、その誘電体層３０ａの上に配設され、入射光に対して光学的に吸収性を有する材料を含んでおり、吸収層を形成している。他の膜層３０ｂは、その吸収層３４ａの上に配設され、入射光に対して光学的に透過性を有する材料を含んでおり、別の誘電体層を形成している。
【００４１】
偏光素子１０ａは、可視入射光（４００−７００ｎｍ）に対して使用されるように構成されている。ワイヤーグリッドの素子２６の厚さ又は高さｔwgは、１６０ｎｍである。第一誘電体層又はグリッド３０ａは、１００ｎｍの厚さｔ1を有し、１．４５の屈折率ｎ1を有する酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で形成されている。吸収層又はグリッド３４ａは、１００ｎｍの厚さｔ2を有し、２．５の屈折率ｎ2を有し、可視光に対して光学的吸収性を有する材料で形成されている。各グリッドの周期Ｐは、１４４ｎｍである。各素子の幅は、周期Ｐの４５％、つまり５７ｎｍである。光１２は、４５度の角度で入射する。
【００４２】
かかる偏光素子１０ａは、アルミナ、二酸化ケイ素、吸収性材料、及び二酸化ケイ素の層を積層し、そのあと各層をエッチングしてリブ及び配線を形成することにより、形成する。
【００４３】
図１ａの偏光素子１０ａの性能は、上部に誘電体グリッドを有さない類似の偏光素子と比較されるが、偏光素子１０ａで反射したｓ偏光は、実質的により少なく、偏光素子１０ａで透過したｐ偏光は、実質的により大きい。グリッドの周期Ｐは、可視光の波長よりも短いので、それらの全て本質的に薄膜として振る舞う。
【００４４】
図１ｂを参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｂが示されているが、図１ａの偏光素子１０ａとほとんどの点で類似のものである。加えて、偏光素子１０ｂは、基体１４ｂにエッチングすることにより得られる溝５０を有しており、そこから延びるリブ５４を形成している。ワイヤーグリッド層２２の配線２６は、そのリブ５４上で支持されており、同じ周期を有している。かかる偏光素子は、上側の各層をエッチングして更に進め、基体にまでエッチングして溝を形成することにより形成される。
【００４５】
図２を参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｃが示されているが、上述のそれらとほとんどの点で類似のものである。加えて、偏光素子１０ｃは、ワイヤーグリッド層２２と基体１４の間に配設された吸収層３４ｂ及び誘電体層３０ｃを有している。
【００４６】
図３及び４を参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｄ及び１０ｅが示されているが、上述のそれらとほとんどの点で類似のものである。加えて、偏光素子１０ｄ及び１０ｅは、ワイヤーグリッド層２２の上側と下側に配設された他の膜層を有している。
【００４７】
図５を参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｆが示されているが、図１ａの偏光素子１０ａとほとんどの点で類似のものである。加えて、その偏光素子は、基体１４とワイヤーグリッド層２２の間に配設された少なくとも３枚の層を含んでいる。
【００４８】
ここで提示された例は、この発明から実現できる多くの可能性の２，３である。一般的に、均一層と誘電体グリッドの組み合わせは、光の任意の帯域について入射角度の任意の範囲に渡って透過率又は反射率を最適化するというような特定の応用のために設計可能である。また、均一層と誘電体グリッドの組み合わせは、光の任意の帯域について入射角度の任意の範囲に渡って透過率又はある偏光及びその直交偏光の吸収率を最適化するというような特定の応用のために設計可能である。最適化は、透過率又は反射率について、透過率又は吸収率について、又はいくつかの特性の組み合わせについて行うことが可能である。また、最適化は、空気側から偏光素子への入射について、又は基体側からのそれについて、又はそれらの双方について行うことが可能である。
【００４９】
各種のワイヤーグリッド偏光素子、光学縦列及び／又は投影／表示システムが、米国特許第５，９８６，７３０号、第６，０８１，３７６号、第６，１２２，１０３号、第６，２０８，４６３号、第６，２４３，１９９号、第６，２８８，８４０号、第６，３４８，９９５号、第６，１０８，１３１号、第６，４５２，７２４号、第６，７１０，９２１号、第６，２３４，６３４号、第６，４４７，１２０号、及び第６，６６６，５５６号に示されている。なお、これらはここで援用される。
【００５０】
ワイヤーグリッド偏光素子は、光源に向き合うように描かれているが、又はその延設素子が光源に向くように示されているが、これは描画目的のためだけであることが理解できるであろう。当業者であれば、ワイヤーグリッド偏光素子は、画像形成ビームが基体を通過することを防止し、基体のような媒体を通過する光に関したゴースト画像又は多重反射を排除するという簡単な目的のために、例えば液晶アレイからの画像形成ビームに向くように配向される、ということが理解できるであろう。かかる構成により、ワイヤーグリッド偏光素子を光源に向くことなく逸らすことができる。
【００５１】
以上の例は、１つ以上の特定の応用領域における、本発明の原理の例証であるが、当業者であれば、実施化における形態、利用法及び詳細について多数の変形態様を、発明的能力の訓練なくして、また発明の原理及びコンセプトから外れることなく、作り上げることができるということは自明であろう。しかして、発明は、以下に規定された請求の範囲以外のものにより限定されることは意図されていない。
【００５２】
本発明の第１の態様は、
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）基体と、
ｂ）基体の上側に配設され、互いに異なる屈折率を有する少なくとも２つの膜層と、
ｃ）２つの膜層のうち少なくとも１つの屈折率が、基体の屈折率よりも大きいものであり、
ｄ）基体の上側に配設され、入射光の波長よりも長い長さと、入射光の波長の半分よりも短い周期とを有する延設金属素子の配列からなるワイヤーグリッド層と、
ｅ）入射光に対して光学的吸収性を有する材料を含むことにより一偏光を実質的に吸収する吸収層を形成する少なくとも１つの膜層と、
を備える。
【００５３】
本発明の第２の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、基体とワイヤーグリッド層の間に配設された少なくとも３枚の連続膜層である。
【００５４】
本発明の第３の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、基体とワイヤーグリッド層の間に配設されて誘電体リブの配列を伴った誘電体グリッドであり、ワイヤーグリッド層の金属素子と、誘電体グリッドの誘電体リブは、実質的に互いに平行に配向され、実質的に等しい周期を有している。
【００５５】
本発明の第４の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、ワイヤーグリッド層の上側に配設されて誘電体リブの配列を伴った誘電体層と、ワイヤーグリッド層と誘電体層の間に配設され、リブに直交する方向に連続した連続膜層と、からなる。
【００５６】
本発明の第５の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、ワイヤーグリッド層の素子に対して平行に配向された平行リブの配列を形成するように不連続である。
【００５７】
本発明の第６の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、非化学量論的に成膜された金属酸化物、金属窒化物、金属フッ化物、金属セレン化物、及び金属硫化物と、それらの組み合わせからなるグループから選択される材料を含んでいる。
【００５８】
本発明の第７の態様は、
第１の態様による機器において、
吸収層は、非金属素子の配列からなる誘電体グリッドを有し、非金属及び金属の素子の配列は、実質的に互いに平行に配向され、実質的に等しい周期を有する。
【００５９】
本発明の第８の態様は、
第１の態様による機器において、
吸収層の材料は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される。
【００６０】
本発明の第９の態様は、
第７の態様による機器において、
吸収層の材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有する。
【００６１】
本発明の第１０の態様は、
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）ある屈折率を有する基体と、
ｂ）基体の上側に配設され、入射光の波長の半分よりも短い周期を有する平行金属配線の配列を有する偏光ワイヤーグリッド層と、
ｃ）基体の上側に配設され、誘電体材料が含まれる誘電体層と、
ｄ）基体の上側に配設され、一偏光を実質的に吸収するというような入射光の光学的吸収性を有する材料を含み、誘電体層の屈折率と異なる屈折率を有する吸収層と、
を備える。
【００６２】
本発明の第１１の態様は、
第１０の態様による機器において、
基体とワイヤーグリッド層の間に配設された少なくとも３枚の連続膜層を更に備え、連続膜層は、配線に直交する方向に連続的である。
【００６３】
本発明の第１２の態様は、
第１０の態様による機器において、
誘電体層は、基体とワイヤーグリッド層の間に配設されて誘電体リブの配列を伴った誘電体グリッドを有し、ワイヤーグリッド層の金属素子と、誘電体グリッドの誘電体リブは、実質的に互いに平行に配向され、実質的に等しい周期を有しいている。
【００６４】
本発明の第１３の態様は、
第１０の態様による機器において、
誘電体層は、誘電体リブの配列を伴ってワイヤーグリッド層の上側に配設され、ワイヤーグリッド層と誘電体層の間に配設され、リブに直交する方向に連続した連続膜層を更に備える。
【００６５】
本発明の第１４の態様は、
第１０の態様による機器において、
機器は、可視スペクトル内の光を選択的に吸収し、ワイヤーグリッド層の素子の配列の周期は、３５０ｎｍ未満であり、吸収層の材料は、可視スペクトル内の光について光学的吸収性を有する材料である。
【００６６】
本発明の第１５の態様は、
第１０の態様による機器において、
機器は、紫外スペクトル内の光を選択的に吸収し、ワイヤーグリッド層の素子の配列の周期は、２００ｎｍ未満であり、吸収層の材料は、紫外スペクトル内の光について光学的吸収性を有する材料である。
【００６７】
本発明の第１６の態様は、
第１０の態様による機器において、
機器は、赤外スペクトル内の光を選択的に吸収し、ワイヤーグリッド層の素子の配列の周期は、５００ｎｍ未満であり、吸収層の材料は、赤外スペクトル内の光について光学的吸収性を有する材料である。
【００６８】
本発明の第１７の態様は、
第１０の態様による機器において、
誘電体層及び吸収層の各々は、ワイヤーグリッド層の配線と平行に揃っているリブの配列を形成するように不連続である。
【００６９】
本発明の第１８の態様は、
第１０の態様による機器において、
吸収層の材料は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される。
【００７０】
本発明の第１９の態様は、
第１０の態様による機器において、
吸収層の材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有する。
【００７１】
本発明の第２０の態様は、
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）ある屈折率を有する基体と、
ｂ）基体の上側に配設された以下に列挙の少なくとも３枚の異なる層と、
ｉ）導電性材料を含んだ偏光層、
ｉｉ）基体の屈折率よりも大きい屈折率を有し、入射光に対して光学的吸収性を有する材料を含む吸収層、
ｉｉｉ）吸収層の屈折率とは異なる屈折率を有する誘電体層、
を備え、
ｃ）少なくとも３枚の層は、入射光の波長よりも短い周期を有する平行リブの配列を形成するように不連続である。
【００７２】
本発明の第２１の態様は、
第２０の態様による機器において、
吸収層の材料は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される。
【００７３】
本発明の第２２の態様は、
第２０の態様による機器において、
吸収層の材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、選択吸収性を有する可視及び近可視スペクトル用ワイヤーグリッド偏光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤーグリッド偏光素子（ＷＧＰ）は、ガラスのような基体の表面に配設された平行配線の配列である。通常、ワイヤーグリッド偏光素子は、基体上の配線の単一の周期的な配列である。その配線の周期が光の波長の概ね半分より大きいときには、グリッドは、回折格子として振る舞う。配線の周期が光の波長の概ね半分より小さいときには、グリッドは、偏光子として振る舞う。
【０００３】
ＷＧＰについては、ある偏光については全透過し、ある偏光については全反射することが望ましいものの、完璧な偏光素子は存在しない。現実のＷＧＰは、両方の偏光のいくらかを透過し、両方の変更のいくらかを反射してしまう。光が、ガラス板のような透明材料の表面に入射するとき、僅かな光が反射する。例えば、通常の入射の場合、約４％の入射光が、ガラスの各表面で反射する。
【０００４】
いくつかの応用においては、ＷＧＰについて、ある偏光については全透過し、他の偏光の全て、又はほとんどは、その光学系から排除されることが望ましい。
【０００５】
例えば青色光のような、可視スペクトルの一部の性能を改良するために、ＷＧＰの下に、又は配線と基体との間に、膜を配設し、一次回折光を短波長側にずらすということが提案された。米国特許第６，１２２，１０３号参照。その膜は、基体の屈折率よりも小さい屈折率を有している。基体又は下層にエッチングを施し、ワイヤーグリッドの下の実効屈折率を更に減らすということが提案された。米国特許第６，１２２，１０３号参照。各配線を、金属と誘電体の交互の層の複合体として形成することが提案された。米国特許第６，５３２，１１１号参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９８６，７３０号
【特許文献２】米国特許第６，０８１，３７６号
【特許文献３】米国特許第６，１０８，１３１号
【特許文献４】米国特許第６，１２２，１０３号
【特許文献５】米国特許第６，２０８，４６３号
【特許文献６】米国特許第６，２３４，６３４号
【特許文献７】米国特許第６，２４３，１９９号
【特許文献８】米国特許第６，２８８，８４０号
【特許文献９】米国特許第６，３４８，９９５号
【特許文献１０】米国特許第６，４４７，１２０号
【特許文献１１】米国特許第６，４５２，７２４号
【特許文献１２】米国特許第６，５３２，１１１号
【特許文献１３】米国特許第６，６６６，５５６号
【特許文献１４】米国特許第６，７１０，９２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ある配向の偏光を選択的に吸収できるワイヤーグリッド偏光素子を開発することが有益であることが認識されてきた。加えて、光学的設計に大幅な変更を加えることなく多くの光学系に組み込むことが容易であり、かつ無機であって耐久性を有する偏光素子を開発することが有益であることが認識されてきた。加えて、ワイヤーグリッド偏光素子は、ある偏光状態を反射するための金属として振る舞うことができ、また他の偏光状態に対して損失性誘電体の薄膜として振る舞うことができるということが認識されてきた。従って、構造性複屈折及び実効屈折率が、ワイヤーグリッド偏光素子に適用できることが認識されてきた。更に、損失性誘電体として振る舞う薄膜が、ある偏光のエネルギーを優先的に吸収するように設計し構成できる。加えて、ワイヤーグリッド偏光素子は、薄膜層として扱うことができ、光学的な積層に組み込むことが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡単で一般的な言葉でいうと、本発明は、入射光を偏光し、ある偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器を意図している。偏光ワイヤーグリッド層は、基体の上側に配設され、入射光の波長の半分よりも短い周期を有する平行金属配線の配列を有している。誘電体層が基体の上側に配設され、誘電材料を含んでいる。吸収層が基体の上側に配設され、ある偏光を実質的に吸収してしまうような入射光光学的吸収性を有する材料を含んでいる。吸収層は、また、誘電体層の屈折率とは異なる屈折率を有している。
【０００９】
本発明の更なる特徴及び利点が、添付の図面と共に、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面はいずれも発明の特徴を例示で表すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】本発明の一実施形態による選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図１ｂ】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図２】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図３】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図４】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【図５】本発明の他の実施形態による他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子の側方断面図である（各図面は、一定の縮尺で描かれているのではなく、特徴部分は、明確化のために非常に誇張して示されている）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に表された実施形態を参照するが、ここでは、その実施形態を記述するために具体的な言語が使用される。しかしながら、それにより発明の範囲を限定することを意図するものではない、ということが理解されるであろう。
【００１２】
ある偏光に対して、ワイヤーグリッド偏光素子は、光（又はその光のある１つの偏光）を反射する金属として実質的に振る舞い、一方、他の偏光に対して、ワイヤーグリッド偏光素子は、光（又はその光の他の偏光）を透過する損失性誘電体の薄膜として実質的に振る舞う。従って、２つの概念、すなわち構造性複屈折及び実効屈折率、が、偏光素子の性能を改良するために適用できる。
【００１３】
ワイヤーグリッド偏光素子は、構造性複屈折の一例としては典型的には考慮されていない。一般的には、複屈折というのは、ある材料が、異なる偏光に対して異なる屈折率を有していることを意味している。複屈折は、水晶等の結晶質や、延伸重合体においては、非常に一般的なものである。構造性複屈折とは、材料の形状に起因する複屈折のことである。
【００１４】
ある材料が、密度等の材料特性において、ばらつきを有し、そのばらつきの範囲が、光の波長よりも小さい場合、屈折率は、均一バルク材料の屈折率とは異なっている。実効屈折率、すなわち均一な薄膜が有し、光に対して同様の影響を及ぼす指標が存在している。この効果を理論的に取り扱った場合、有効媒質理論と呼ばれている。この現象は、蛾眼反射防止膜のようなものを作り上げるときの誘電体材料に利用される。
【００１５】
加えて、ワイヤーグリッド偏光素子は、薄膜としては典型的には考えられていない。光学的には、誘電体材料に対してのみ、構造性複屈折及び実効屈折率の双方がとりわけ考慮されている。しかしながら、ワイヤーグリッド偏光素子を、実効屈折率を有した等価複屈折薄膜として扱うことにより、それを薄膜積層の中の一要素として考えることができ、特定の性能目標を持って薄膜設計技法を使用できることとなることが認識されている。
【００１６】
本発明は、金属ワイヤーグリッド偏光素子との組み合わせで薄膜を利用し、偏光素子の性能を改良している。また、言い換えれば、その性能に対して技巧を施している。一般的に、これはワイヤーグリッドの下側及び上側に膜を有している。これらの膜はいずれも均一であるか、又は誘電体グリッドである。そのワイヤーグリッドは、複合体グリッドであるか、又は複合配線とすることができる。ワイヤーグリッドを異なる材料の多層膜と組み合わせて、異なる屈折率を有するようにすることにより、透過することが望まれる偏光の反射が抑えられる。例えば、ワイヤーグリッドは、ｐ偏光を透過するように構成できる。上で議論のように、全てのｐ偏光を透過することが望まれるものの、典型的なワイヤーグリッドは、双方の偏光のいくらかを透過し、双方の偏光のいくらかを反射してしまう。しかしながら、ワイヤーグリッドを複屈折薄膜として扱い、ワイヤーグリッドを多層薄膜と組み合わせることにより、ｐ偏光の反射が抑えられることが既に分かっている。いくつかの応用においては、また、ワイヤーグリッド偏光素子は、全てのｐ偏光を透過する一方、ｓ偏光を、例えばそのワイヤーグリッド偏光素子内で熱として吸収することにより、光学系からｓ偏光を全て、又はほとんど排除することが望ましい。このように、ワイヤーグリッド偏光素子は、広い用途を有する一般の重合体ベースの偏光素子と同様に実質振る舞う。これにより、光学的設計を大幅に変更することなく、多くの光学系にワイヤーグリッド偏光素子を組み込むことが更に容易となる。同時に、多くの光学系が、ワイヤーグリッド偏光素子のような無機偏光素子の長い耐久性の恩恵を受けることができるであろうことになる。従って、ワイヤーグリッドは、ｓ偏光を僅かに反射するように、換言すれば、ｓ偏光を反射せずに大幅に吸収するように構成できる。このことは、ワイヤーグリッドを、いくつかが光学的吸収特性を有する異なる材料からなる多層構造を組み合わせることにより達成できる。故に、ワイヤーグリッドが、ｓ偏光に対する有効反射板であるか、吸収板であるかは、設計選択事項である。どちらの結果も、ワイヤーグリッドの下側又は上側に誘電体膜又はグリッドを適切に選択して設けることにより有効となる。
【００１７】
図１ａ乃至図４に表しているように、一般記号１０ａ−ｅで示す選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光機器は、それぞれ、本発明の実施形態として示されており、入射光１２を偏光し、つまり、ある偏光状態を直交する偏光状態から実質的に分離する一方で、ある偏光状態を吸収するものである。かかる機器は、可視光の応用領域では、実質的に有用であると信じられており、つまり、概ね４００−７００ｎｍ（ナノメーター）即ち０．４−０．７μｍ（マイクロメーター又はミクロン）の可視光に対して使用されるものである。かかる可視光の応用領域には、プロジェクター等の投影表示機器が含まれている。ここで記述される多層ワイヤーグリッド偏光機器は、偏光器、ビームスプリッター、アナライザー等の各種の異なる機能機器において利用可能である。ここでの機器は、また、紫外線及び／又は赤外線のような近可視光の応用領域において有用であり、つまり、概ね２５０−４００ｎｍもしくは７００−１０，０００ｎｍの範囲の光と共に使用されるものである。従って、語句“光”は、ここでは広い意味で使用して、可視光、紫外線光及び赤外線光、つまり２５０−１０，０００ｎｍの範囲の電磁波のことを言っている。
【００１８】
偏光素子１０ａ−ｅは、ワイヤーグリッド又はワイヤーグリッド層２２を含む複数の積層膜１８を担持又は支持する基体１４を有している。基体１４は、扱う光に対して透過性を有している。例えば、基体は、ガラス（Ｂｋ７）である。他の基体としては、水晶や、プラスチックや、石英ガラスである。加えて、基体１４は、残りの薄膜層に対して実質の厚さｔsを有している。更に、基体は、屈折率ｎsを有している。例えば、ガラス基体（Ｂｋ７）は、１．５２の屈折率ｎs（５５０ｎｍにおいて）を有している（なお、屈折率は、波長によって僅かに変動することに注意すべきである）。
【００１９】
ワイヤーグリッド又はワイヤーグリッド層２２は、延設金属素子又は配線２６のワイヤーグリッド配列から成っている。素子２６は、光の波長よりも長い長さを有しており、また、光の波長の半分よりも短い周期Ｐで概ね平行に配列されている。従って、可視光と共に使用する場合、素子２６は、可視光の波長より長い、つまり７００ｎｍ（０，７μｍ）より大きい長さを有している。素子２６は、可視光の波長の半分よりも短い、つまり３５０ｎｍ（０．３６μｍ）よりも小さい、中心から中心までの間のピッチ、つまり周期Ｐを有している。ある面においては、周期Ｐは、可視光応用領域においては、２００ｎｍ未満である。他の面では、周期Ｐは、可視光応用領域においては、１２０ｎｍ未満である。素子２６は、また、ピッチ又は周期の１０から９０％の範囲の幅ｗを有している。素子２６は、また、光の波長よりも低い、つまり可視光応用領域では４００ｎｍ（０．４μｍ）よりも低い厚さ又は高さｔを有している。ある面では、厚さは、可視光応用領域について０．２μｍよりも薄い。
【００２０】
紫外線応用領域では、周期Ｐは２００ｎｍ未満である。ある面では、周期Ｐは、紫外線応用領域で、１２５ｎｍ未満である。赤外線応用領域では、周期Ｐは、５００ｎｍ未満である（但し、３５０ｎｍより大きい）。他の面では、周期Ｐは、赤外線応用領域で、５，０００ｎｍ未満である。素子２６又は配列は、一般的に、入射光と相互作用し、実質的に均一であり、一定の線形偏光状態（ｐ偏光のような）を有する透過ビーム３０を一般的に透過する。反射ビーム３４として通常反射するｓ偏光は、以下により詳細に記述するように、一般的に吸収される。その素子は、一般的に、素子に対して局所的に直交して、又は横に配向された第一偏光状態（ｐ偏光）を有する光を透過する。なお、ワイヤーグリッド偏光素子は、光の偏光状態をある一定の効率で分離するということに注意すべきである。つまり、両偏光のいくらかが、透過し、及び／又は吸収する。残りの反射ビームは、その偏光における元々のエネルギー量の１０％以下まで抑えられる。
【００２１】
素子２６又は配列は、フォトリソグラフィーにより基体の上に又はその上側に形成することができる。素子２６は、導電性を有し、アルミニウム、銀、金又は銅で形成できる。加えて、その素子は、無機的であり、従って、頑健である。
【００２２】
複数の膜層１８は、ワイヤーグリッド偏光素子２２の下側及び／又は上側の層を有している。従って、図２，３及び４に示すように、１つ以上の層が基体１４とワイヤーグリッド層２２の間に配設されている。加えて、図１ａ，１ｂ，３及び４に示すように、１つ以上の層がワイヤーグリッド層２２の上側に配設されている。各層１８は、互いに異なる材料で形成されている。又は基体１４とは異なる材料で形成されている。更に、各々が異なる材料で形成されている。従って、各層１８は、基体１４の屈折率ｎsとは異なる屈折率ｎを有している。更に、基体１４の屈折率ｎsよりも大きい屈折率ｎ1-3を有する少なくとも１つの層が、ｐ偏光の反射を抑える。従って、本発明の一様相によれば、偏光素子１０ｄ又は１０ｅは、基体１４とワイヤーグリッド層２２の間に配設された少なくとも１つの膜層を有しており、膜層１８ａは、基体１４の屈折率ｎsよりも大きい屈折率ｎ1を有している。本発明の他の様相によれば、偏光素子は、少なくとも２つの膜層を有しているか、少なくとも３枚の膜層を有している。
【００２３】
それらの層の１つ以上は、誘電体層３０ａ−ｃである。ある面では、図１ａ及び１ｂに示すように、誘電体層３０ａ及び３０ｂは、ワイヤーグリッド層２２の上側に配設されている。他の面では、図２に示すように、誘電体層３０ｃは、ワイヤーグリッド層２２の下側、又はワイヤーグリッド層２２と基体の間、に配設されている。誘電体層は、入射光に対して選択透過性を有する。
【００２４】
加えて、それらの層の１つを吸収層３４ａ及び３４ｂとすることができる。ある面では、図１ａ及び１ｂに示すように、吸収層３４ａは、ワイヤーグリッド層２２の上側に配設される。他の面では、図２に示すように、吸収層３４ｂは、ワイヤーグリッド層２２の下側、又はワイヤーグリッド層２２と基体１４の間、に配設されている。吸収層は、入射光に対して光学的吸収性を有する。ワイヤーグリッド層と吸収層とは、誘電体層により分離できる。吸収層及び誘電体層の双方は、誘電体材料で形成でき、あるいは誘電体材料を含むことができる。加えて、吸収層及び誘電体層の双方は、異なる屈折率を有している。それらの屈折率の１つは、基体の屈折率よりも大きい。上述のように、それらの層の屈折率が異なっているということは、異なる誘電体層の重要な異なる吸収特性と関連しており、それによりｓ偏光のエネルギーが、吸収誘電体層内で優先的に吸収され、それにｓ偏光の反射が減じると信じられている。
【００２５】
なお、異なる複数の材料というのは、入射光の異なる各波長に対して、選択的に透過性を有するか、又は選択的に吸収性を有する。可視光応用領域に対しては、誘電体層は、可視光に対して選択的に透過性を有する誘電体材料を有している一方、吸収層は、可視光に対して選択的に吸収性を有する材料を有している。同様に、紫外線応用領域に対しては、誘電体層は、紫外光に対して選択的に透過性を有する誘電体材料を有している一方、吸収層は、紫外光に対して選択的に吸収性を有する材料を有している。同様に、赤外線応用領域に対しては、誘電体層は、赤外光に対して選択的に透過性を有する材料を有している一方、吸収層は、赤外光に対して選択的に吸収性を有する材料を有している。
【００２６】
誘電体層及び吸収層は、誘電体材料で形成でき、あるいは誘電体材料を含むことができる。例えば、それらの層は、酸化アルミナ、三酸化アンチモン、硫化アンチモン、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、三フッ化ビスマス、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、フッ化カルシウム、酸化セリウム、チオライト、氷晶石、ゲルマニウム、二酸化ハフニウム、フッ化ランタン、酸化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、テルル化鉛、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、フッ化ネオジム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化スカンジウム、ケイ素、酸化ケイ素、三酸化ダイシリコン、二酸化ケイ素、フッ化ナトリウム、五酸化タンタル、テルル、二酸化チタン、塩化第一タリウム、酸化イットリウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、及び二酸化ジルコニウム、並びにそれらの組み合わせで、形成されている。膜層は、基体上に成膜される。金属酸化物の場合、それらは、酸化蒸発材料から始めることにより（必要に応じて付加的な酸素の裏込めと共に）成膜される。しかしながら、材料は、基本金属を蒸着し、そして背後でその成膜材料をＯ2で酸化することにより成膜される。
【００２７】
ある面では、誘電体層及び／又は吸収層は、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素、フッ化マグネシウム、酸化アルミナ、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、これらの材料の非化学量論的変種、及びそれらの組み合わせ、から選択された材料で形成でき、あるいはその材料を含むことができる。テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛が紫外線範囲に適切であり、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン、ケイ素が可視範囲に適当であり、フッ化マグネシウム、酸化アルミナ、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、及びそれらの組み合わせが赤外範囲には適当である。
【００２８】
他の面では、誘電体層及び／又は吸収層は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせ、から選択された材料で形成でき、あるいはその材料を含むことができる。
【００２９】
ここで挙げた材料に加えて、特に遷移金属酸化物、水素化物、窒化物、塩等については、それらの材料のイオン化状態のものも含まれる。
【００３０】
上述の膜誘電体材料の多くは、スパッタリング、化学気相成長法（ＣＶＤ）、又は、化学量論的ではない膜を生成する蒸着等の各種成膜技法を使用して成膜できる。これを利用すると、一般バルク化学量論的材料とは異なる光学特性を有する誘電体薄膜を生成することができる。例えば、酸素欠乏性のスパッタリングにより酸化チタン誘電体膜を生成することが可能であり、それにより標準膜よりもより高い光学吸収性を有することとなる。かかる膜は、本発明による、ある偏光について強力に反射するのではなく強力に吸収するワイヤーグリッドを生成するために使用される。
【００３１】
同様に、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素等の他の金属酸化物についても同様のことが可能である。フッ化マグネシウム等の金属フッ化物、窒化ケイ素等の金属窒化物、及び金属硫化物、ケイ酸化物、又はセレン化物について、類似の効果が、達成できる。
【００３２】
後により詳しく記述するように、膜層の厚さ及び材料（又は屈折率）は、ｐ偏光の反射を減らすように、又は（二者択一的に又は同時に）ｓ偏光の吸収を増やすように、操作可能である。
【００３３】
材料についての上記議論や特別な分子状態、又は材料の化学量論を更に詳論するためには、化学量論的反応というのは、結合条件が保たれた状態で平衡状態を維持するということである、ということを再認識することが有効である。しかしながら、特定の分子量論的化合物には、考慮する必要のある追加事項がある。例えば、全て挙げようと思っても到底難しい、化合物のイオンの状態というのがある。通常の化合物が錆びることを考えると、それは酸化第二鉄（Ｆｅ2Ｏ3−鉄（ＩＩＩ））又は酸化第一鉄（ＦｅＯ−鉄（II））ということになる。いくつかの条件においては、酸化第一鉄は、非化学量論的化合物と考えられる。我々の応用では、化学元素としては安定した状態で異なる光学特性を有する各種のイオン状態というのがある。故に、適切な成膜技法により、各種の光学特性を有する混合複合体膜を生成することができる。例えば、文献においては、ＴｉＯ2、ＴｉＯ3及びＴｉＯ4（各種配位子で錯化されたもの）についての記述文書がある。アルミニウムもまた、酸又は塩基の化合物として安定化するという両性の性質を有する。潜在リストというのは無限であるのだから、全ての形態を含ませたり、全ての関心材料を適用しようとすることは、実用的ではない。概して、その発明は、所望の吸収特性を生み出すように生成される多くの種類の非化学量論的又は混合状態材料をもってして、実用化できるものである。光学材料における低吸収特性というのは、混合状態にはない純粋で化学量論的な膜と結びつくものであるということはよく知られたことであるのだから、高透過性、低吸収性膜が望まれるときには、上記のことは、典型的には得られない重要な自由度である。故に、材料の単純なリストを編纂したり、本発明の範囲内で働く材料の有限集合体を定義することは、困難なことである。議論のように、適当な製造条件においては、本発明の範囲で働くであろう、広くほとんど無限種類の材料を定義できるであろう。
【００３４】
ここで図面に戻ると、誘電体層３０ａ−ｃのような１つ以上の薄膜層は、非金属素子３８の配列からなる誘電体グリッドである。非金属及び金属素子３８及び２６の配列は、実質的に互いに平行に配向している。加えて、それらの配列は、実質的に等しい周期及び／又は幅を有している。ある面では、図１ａ，１ｂ，２及び３に示すように、誘電体グリッドの非金属素子３８と金属素子２６は揃っているか、又は非金属素子３８は、ワイヤーグリッド層の金属素子２６と揃っている。他の面では、図４に示すように、誘電体グリッドの非金属素子３８と金属素子２６はオフセットを有しているか、又は非金属素子３８は、ワイヤーグリッド層の金属素子２６に対してオフセットを有している。
【００３５】
上で議論のように、薄膜層１８の枚数、厚さｔ及び材料（又は屈折率）は、ｐ偏光の反射の抑制（ｐ偏光の透過の増加）及び／又はｓ偏光の透過の抑制（ｓ偏光の反射又は吸収の増加）のために各種変更することができる。それらの層のいくつかについては、構造及び材料を均一にすることができ、一方、他の層は、ワイヤーグリッド層２２の金属素子２６又は誘電体グリッドの非金属素子３８のようなグリッドを有するようにすることができる。特定の構成と、吸収膜又はリブの材料及び対応の厚さを選択する方法の例を、以下に議論する。
【００３６】
一般的に、光学材料及び光学的膜吸収特性は、材料の光学的指標ｎ及びｋにより決定できる。ここで、ｎは通常の屈折率であり、ｋは、注目している材料の吸収性の振る舞いを表わす複合部分である。ｋが根本的に零のとき、材料は高透過性を有する。本発明の特定の構成のために所望の吸収特性を決定する際、特定材料の膜厚の制御により、光学的パラメーターｋ値の各種値を補償できる。具体的には、ｋ値が所望のものより低ければ、膜厚を増加させることにより、偏光素子の所望の性能を保証又は達成する。同様に、ｋ値が所望のものより高ければ、補償のために膜厚を薄くすることによりその材料は依然使用可能である。各膜の正確な厚さは、その応用で望まれる波長範囲、特定の応用での要求を満たすような、透過偏光の透過性と反射偏光の吸収性のトレードオフ、及び、他の応用特異問題に依存するのであるから、ｋ値を膜厚に関連付ける単純な規則を定義することは実用的なことではない。一般的に、ｋの着目範囲は、０．１と４．５の間である。
【００３７】
ｋ値の例を表１に示す。その表は、ｋ値の関数としての選択性を表出している。表から、テルル化カドミウムが、３つの全ての帯域幅で動作する単一化合物の一例であることが分かる。テルル化鉛、酸化ケイ素、テルル、二酸化チタン及びケイ素が、紫外線（ＵＶ）帯域及び可視帯域の双方で働く化合物である。硫酸カドミウム、セレン化亜鉛及び硫酸亜鉛が、可視及び赤外（ＩＲ）帯域ではなく、ＵＶ帯域でのみ機能吸収性を有する化合物である。可視帯域でのみ、ＩＲ帯域でのみ、又はＵＶ帯域でのみ、又は３つの光学的帯域の各種組み合わせで、吸収する他の化合物を特定することも可能である。提示されたリストは、ありふれた、又は“標準の”光学材料としては考えられていない多くの材料を含んでいることにも注意すべきである。このことは、本発明で導入された新たな自由度を表わしており、つまり発明を実施化に導くためには吸収材料が望ましいということを強調している。このリストは、特定の各波長帯に専用の可能な化合物を示すために表出されたものであり、全てを含んでいるものではない。従って、吸収性材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有している。
【００３８】
【表１】
【００３９】
膜層は、基体１４に渡って連続的に延び、少なくとも２つの方向、つまり配線に平行な方向及び配線に直交する方向に等質で、ばらつきのない、一定の層である。
【００４０】
図１ａを参照すると、選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ａが示されている。偏光素子１０ａは、基体１４上に配設されたワイヤーグリッド層又はワイヤーグリッド２２と、そのワイヤーグリッドの上側に配設された３枚の膜層３０ａ，３４ａ及び３０ｂとを備えている。ワイヤーグリッド２２は、アルミナで形成された素子又は配線２６を有している。基体はガラス（ＢＫ７）である。３枚の膜層は、ワイヤーグリッド層２２の上側又は上に配設されている。３枚の膜層は、不連続的に誘電体グリッドを形成している。ワイヤーグリッド層２２の上に配設された、膜層の１つ３０ａは、入射光に対して光学的に透過性を有する材料で形成されることにより誘電体層とすることができる。他の膜層３４ａは、その誘電体層３０ａの上に配設され、入射光に対して光学的に吸収性を有する材料を含んでおり、吸収層を形成している。他の膜層３０ｂは、その吸収層３４ａの上に配設され、入射光に対して光学的に透過性を有する材料を含んでおり、別の誘電体層を形成している。
【００４１】
偏光素子１０ａは、可視入射光（４００−７００ｎｍ）に対して使用されるように構成されている。ワイヤーグリッドの素子２６の厚さ又は高さｔwgは、１６０ｎｍである。第一誘電体層又はグリッド３０ａは、１００ｎｍの厚さｔ1を有し、１．４５の屈折率ｎ1を有する酸化ケイ素（ＳｉＯ2）で形成されている。吸収層又はグリッド３４ａは、１００ｎｍの厚さｔ2を有し、２．５の屈折率ｎ2を有し、可視光に対して光学的吸収性を有する材料で形成されている。各グリッドの周期Ｐは、１４４ｎｍである。各素子の幅は、周期Ｐの４５％、つまり５７ｎｍである。光１２は、４５度の角度で入射する。
【００４２】
かかる偏光素子１０ａは、アルミナ、二酸化ケイ素、吸収性材料、及び二酸化ケイ素の層を積層し、そのあと各層をエッチングしてリブ及び配線を形成することにより、形成する。
【００４３】
図１ａの偏光素子１０ａの性能は、上部に誘電体グリッドを有さない類似の偏光素子と比較されるが、偏光素子１０ａで反射したｓ偏光は、実質的により少なく、偏光素子１０ａで透過したｐ偏光は、実質的により大きい。グリッドの周期Ｐは、可視光の波長よりも短いので、それらの全て本質的に薄膜として振る舞う。
【００４４】
図１ｂを参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｂが示されているが、図１ａの偏光素子１０ａとほとんどの点で類似のものである。加えて、偏光素子１０ｂは、基体１４ｂにエッチングすることにより得られる溝５０を有しており、そこから延びるリブ５４を形成している。ワイヤーグリッド層２２の配線２６は、そのリブ５４上で支持されており、同じ周期を有している。かかる偏光素子は、上側の各層をエッチングして更に進め、基体にまでエッチングして溝を形成することにより形成される。
【００４５】
図２を参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｃが示されているが、上述のそれらとほとんどの点で類似のものである。加えて、偏光素子１０ｃは、ワイヤーグリッド層２２と基体１４の間に配設された吸収層３４ｂ及び誘電体層３０ｃを有している。
【００４６】
図３及び４を参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｄ及び１０ｅが示されているが、上述のそれらとほとんどの点で類似のものである。加えて、偏光素子１０ｄ及び１０ｅは、ワイヤーグリッド層２２の上側と下側に配設された他の膜層を有している。
【００４７】
図５を参照すると、他の選択吸収性多層ワイヤーグリッド偏光素子１０ｆが示されているが、図１ａの偏光素子１０ａとほとんどの点で類似のものである。加えて、その偏光素子は、基体１４とワイヤーグリッド層２２の間に配設された少なくとも３枚の層を含んでいる。
【００４８】
ここで提示された例は、この発明から実現できる多くの可能性の２，３である。一般的に、均一層と誘電体グリッドの組み合わせは、光の任意の帯域について入射角度の任意の範囲に渡って透過率又は反射率を最適化するというような特定の応用のために設計可能である。また、均一層と誘電体グリッドの組み合わせは、光の任意の帯域について入射角度の任意の範囲に渡って透過率又はある偏光及びその直交偏光の吸収率を最適化するというような特定の応用のために設計可能である。最適化は、透過率又は反射率について、透過率又は吸収率について、又はいくつかの特性の組み合わせについて行うことが可能である。また、最適化は、空気側から偏光素子への入射について、又は基体側からのそれについて、又はそれらの双方について行うことが可能である。
【００４９】
各種のワイヤーグリッド偏光素子、光学縦列及び／又は投影／表示システムが、米国特許第５，９８６，７３０号、第６，０８１，３７６号、第６，１２２，１０３号、第６，２０８，４６３号、第６，２４３，１９９号、第６，２８８，８４０号、第６，３４８，９９５号、第６，１０８，１３１号、第６，４５２，７２４号、第６，７１０，９２１号、第６，２３４，６３４号、第６，４４７，１２０号、及び第６，６６６，５５６号に示されている。なお、これらはここで援用される。
【００５０】
ワイヤーグリッド偏光素子は、光源に向き合うように描かれているが、又はその延設素子が光源に向くように示されているが、これは描画目的のためだけであることが理解できるであろう。当業者であれば、ワイヤーグリッド偏光素子は、画像形成ビームが基体を通過することを防止し、基体のような媒体を通過する光に関したゴースト画像又は多重反射を排除するという簡単な目的のために、例えば液晶アレイからの画像形成ビームに向くように配向される、ということが理解できるであろう。かかる構成により、ワイヤーグリッド偏光素子を光源に向くことなく逸らすことができる。
【００５１】
以上の例は、１つ以上の特定の応用領域における、本発明の原理の例証であるが、当業者であれば、実施化における形態、利用法及び詳細について多数の変形態様を、発明的能力の訓練なくして、また発明の原理及びコンセプトから外れることなく、作り上げることができるということは自明であろう。しかして、発明は、以下に規定された請求の範囲以外のものにより限定されることは意図されていない。
【００５２】
本発明の第１の態様は、
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）基体と、
ｂ）基体の上側に配設され、互いに異なる屈折率を有する少なくとも２つの膜層と、
ｃ）２つの膜層のうち少なくとも１つの屈折率が、基体の屈折率よりも大きいものであり、
ｄ）基体の上側に配設され、入射光の波長よりも長い長さと、入射光の波長の半分よりも短い周期とを有する延設金属素子の配列からなるワイヤーグリッド層と、
ｅ）入射光に対して光学的吸収性を有する材料を含むことにより一偏光を実質的に吸収する吸収層を形成する少なくとも１つの膜層と、
を備える。
【００５３】
本発明の第２の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、基体とワイヤーグリッド層の間に配設された少なくとも３枚の連続膜層である。
【００５４】
本発明の第３の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、基体とワイヤーグリッド層の間に配設されて誘電体リブの配列を伴った誘電体グリッドであり、ワイヤーグリッド層の金属素子と、誘電体グリッドの誘電体リブは、実質的に互いに平行に配向され、実質的に等しい周期を有している。
【００５５】
本発明の第４の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、ワイヤーグリッド層の上側に配設されて誘電体リブの配列を伴った誘電体層と、ワイヤーグリッド層と誘電体層の間に配設され、リブに直交する方向に連続した連続膜層と、からなる。
【００５６】
本発明の第５の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、ワイヤーグリッド層の素子に対して平行に配向された平行リブの配列を形成するように不連続である。
【００５７】
本発明の第６の態様は、
第１の態様による機器において、
少なくとも２つの膜層は、非化学量論的に成膜された金属酸化物、金属窒化物、金属フッ化物、金属セレン化物、及び金属硫化物と、それらの組み合わせからなるグループから選択される材料を含んでいる。
【００５８】
本発明の第７の態様は、
第１の態様による機器において、
吸収層は、非金属素子の配列からなる誘電体グリッドを有し、非金属及び金属の素子の配列は、実質的に互いに平行に配向され、実質的に等しい周期を有する。
【００５９】
本発明の第８の態様は、
第１の態様による機器において、
吸収層の材料は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される。
【００６０】
本発明の第９の態様は、
第７の態様による機器において、
吸収層の材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有する。
【００６１】
本発明の第１０の態様は、
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）ある屈折率を有する基体と、
ｂ）基体の上側に配設され、入射光の波長の半分よりも短い周期を有する平行金属配線の配列を有する偏光ワイヤーグリッド層と、
ｃ）基体の上側に配設され、誘電体材料が含まれる誘電体層と、
ｄ）基体の上側に配設され、一偏光を実質的に吸収するというような入射光の光学的吸収性を有する材料を含み、誘電体層の屈折率と異なる屈折率を有する吸収層と、
を備える。
【００６２】
本発明の第１１の態様は、
第１０の態様による機器において、
基体とワイヤーグリッド層の間に配設された少なくとも３枚の連続膜層を更に備え、連続膜層は、配線に直交する方向に連続的である。
【００６３】
本発明の第１２の態様は、
第１０の態様による機器において、
誘電体層は、基体とワイヤーグリッド層の間に配設されて誘電体リブの配列を伴った誘電体グリッドを有し、ワイヤーグリッド層の金属素子と、誘電体グリッドの誘電体リブは、実質的に互いに平行に配向され、実質的に等しい周期を有しいている。
【００６４】
本発明の第１３の態様は、
第１０の態様による機器において、
誘電体層は、誘電体リブの配列を伴ってワイヤーグリッド層の上側に配設され、ワイヤーグリッド層と誘電体層の間に配設され、リブに直交する方向に連続した連続膜層を更に備える。
【００６５】
本発明の第１４の態様は、
第１０の態様による機器において、
機器は、可視スペクトル内の光を選択的に吸収し、ワイヤーグリッド層の素子の配列の周期は、３５０ｎｍ未満であり、吸収層の材料は、可視スペクトル内の光について光学的吸収性を有する材料である。
【００６６】
本発明の第１５の態様は、
第１０の態様による機器において、
機器は、紫外スペクトル内の光を選択的に吸収し、ワイヤーグリッド層の素子の配列の周期は、２００ｎｍ未満であり、吸収層の材料は、紫外スペクトル内の光について光学的吸収性を有する材料である。
【００６７】
本発明の第１６の態様は、
第１０の態様による機器において、
機器は、赤外スペクトル内の光を選択的に吸収し、ワイヤーグリッド層の素子の配列の周期は、５００ｎｍ未満であり、吸収層の材料は、赤外スペクトル内の光について光学的吸収性を有する材料である。
【００６８】
本発明の第１７の態様は、
第１０の態様による機器において、
誘電体層及び吸収層の各々は、ワイヤーグリッド層の配線と平行に揃っているリブの配列を形成するように不連続である。
【００６９】
本発明の第１８の態様は、
第１０の態様による機器において、
吸収層の材料は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される。
【００７０】
本発明の第１９の態様は、
第１０の態様による機器において、
吸収層の材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有する。
【００７１】
本発明の第２０の態様は、
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）ある屈折率を有する基体と、
ｂ）基体の上側に配設された以下に列挙の少なくとも３枚の異なる層と、
ｉ）導電性材料を含んだ偏光層、
ｉｉ）基体の屈折率よりも大きい屈折率を有し、入射光に対して光学的吸収性を有する材料を含む吸収層、
ｉｉｉ）吸収層の屈折率とは異なる屈折率を有する誘電体層、
を備え、
ｃ）少なくとも３枚の層は、入射光の波長よりも短い周期を有する平行リブの配列を形成するように不連続である。
【００７２】
本発明の第２１の態様は、
第２０の態様による機器において、
吸収層の材料は、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化チタン、炭化ケイ素、タンタル、酸化第二銅、亜酸化銅、塩化第二銅、亜塩化銅、亜硫化銅、チタン、タングステン、酸化ニオビウム、ケイ酸アルミナ、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される。
【００７３】
本発明の第２２の態様は、
第２０の態様による機器において、
吸収層の材料は、０．１と４．５の間のｋ値を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）基体と、
ｂ）前記基体の上側に配設され、入射光の波長の半分よりも短い周期を有する平行金属配線の配列を有する偏光ワイヤーグリッド層と、
ｃ）前記ワイヤーグリッド層の下に配設され、誘電体リブの配列を伴った誘電体グリッドであって、当該ワイヤーグリッド層の前記金属配線と当該誘電体グリッドの当該誘電体リブとが実質的に互いに平行に配向されて実質的に等しい周期を有する、誘電体グリッドと、
ｄ）前記基体の上側に配設され、一偏光を実質的に吸収するというような入射光の光学的吸収性を有する誘電体リブの配列を含む吸収層と、
を備えることを特徴とする選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器。
【請求項２】
前記ワイヤーグリッド層の上側に配設された誘電体の薄い膜層を更に含み、
前記吸収層は、前記誘電体の薄い膜層の屈折率とは異なる屈折率を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記誘電体の薄い膜層は、誘電体リブの配列を含み、
前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線と前記誘電体層の前記誘電体リブとは、実質的に互いに平行に配向されて実質的に等しい周期を有する、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記誘電体の薄い膜層は連続し、前記基体に渡って連続的に延びる、請求項２に記載の機器。
【請求項５】
前記ワイヤーグリッド層の下に配設された他の薄い膜層を更に備える、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記他の薄い膜層は連続し、前記基体に渡って連続的に延びる、請求項５に記載の機器。
【請求項７】
前記吸収層の誘電体リブは、前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線の上側でオフセットを有している、請求項１に記載の機器。
【請求項８】
前記吸収層の誘電体リブは、前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線の上側で揃っている、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記吸収層はケイ素を含み、前記誘電体の薄い膜層はケイ素を含む、請求項２に記載の機器。
【請求項１０】
前記基体の上側に配設され、リブの配列を伴い、タンタルを含む他の誘電体グリッドを更に備える、請求項９に記載の機器。
【請求項１１】
前記吸収層の材料は、０．１と４．５の間の光学的パラメーターｋ値を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記吸収層の誘電体リブの前記配列は、前記誘電体の薄い膜層によって前記ワイヤーグリッド層から離間している、請求項２に記載の機器。
【請求項１３】
前記吸収層の誘電体リブは、前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線と前記基体との間に配設されている、請求項１に記載の機器。
【請求項１】
入射光を偏光し、一偏光を選択的に吸収するための選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器であって、
ａ）基体と、
ｂ）前記基体の上側に配設され、入射光の波長の半分よりも短い周期を有する平行金属配線の配列を有する偏光ワイヤーグリッド層と、
ｃ）前記ワイヤーグリッド層の下に配設され、誘電体リブの配列を伴った誘電体グリッドであって、当該ワイヤーグリッド層の前記金属配線と当該誘電体グリッドの当該誘電体リブとが実質的に互いに平行に配向されて実質的に等しい周期を有する、誘電体グリッドと、
ｄ）前記基体の上側に配設され、一偏光を実質的に吸収するというような入射光の光学的吸収性を有する誘電体リブの配列を含む吸収層と、
を備えることを特徴とする選択吸収性ワイヤーグリッド偏光機器。
【請求項２】
前記ワイヤーグリッド層の上側に配設された誘電体の薄い膜層を更に含み、
前記吸収層は、前記誘電体の薄い膜層の屈折率とは異なる屈折率を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記誘電体の薄い膜層は、誘電体リブの配列を含み、
前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線と前記誘電体層の前記誘電体リブとは、実質的に互いに平行に配向されて実質的に等しい周期を有する、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記誘電体の薄い膜層は連続し、前記基体に渡って連続的に延びる、請求項２に記載の機器。
【請求項５】
前記ワイヤーグリッド層の下に配設された他の薄い膜層を更に備える、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記他の薄い膜層は連続し、前記基体に渡って連続的に延びる、請求項５に記載の機器。
【請求項７】
前記吸収層の誘電体リブは、前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線の上側でオフセットを有している、請求項１に記載の機器。
【請求項８】
前記吸収層の誘電体リブは、前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線の上側で揃っている、請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記吸収層はケイ素を含み、前記誘電体の薄い膜層はケイ素を含む、請求項２に記載の機器。
【請求項１０】
前記基体の上側に配設され、リブの配列を伴い、タンタルを含む他の誘電体グリッドを更に備える、請求項９に記載の機器。
【請求項１１】
前記吸収層の材料は、０．１と４．５の間の光学的パラメーターｋ値を有する、請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記吸収層の誘電体リブの前記配列は、前記誘電体の薄い膜層によって前記ワイヤーグリッド層から離間している、請求項２に記載の機器。
【請求項１３】
前記吸収層の誘電体リブは、前記ワイヤーグリッド層の前記金属配線と前記基体との間に配設されている、請求項１に記載の機器。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９８７３８（Ｐ２０１２−９８７３８Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６４７９８（Ｐ２０１１−２６４７９８）
【出願日】平成２３年１２月２日（２０１１．１２．２）
【分割の表示】特願２０１０−５１３３９３（Ｐ２０１０−５１３３９３）の分割
【原出願日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５０１２１８６３６）モックステック・インコーポレーテッド (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２日（２０１１．１２．２）
【分割の表示】特願２０１０−５１３３９３（Ｐ２０１０−５１３３９３）の分割
【原出願日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５０１２１８６３６）モックステック・インコーポレーテッド (16)
【Ｆターム（参考）】
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