特許 5960319 偏光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5960319

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】偏光素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20160719BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/30

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-93351(P2015-93351)

(22)【出願日】2015年4月30日

【審査請求日】2015年12月10日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100136858

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100147692

【弁理士】

【氏名又は名称】下地 健一

(72)【発明者】

【氏名】武田 吐夢

【審査官】 小西 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１４５８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３３９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６７８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５８１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６７８２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワイヤグリッド構造を持つ偏光素子であって、
透明基板と、
前記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、所定方向に延在する格子状凸部と
を備え、
前記格子状凸部は、前記透明基板上に形成された反射層を含み、且つ、前記所定方向から見たとき、先端部が先細の形状となる方向に側面が傾斜したグリッド先端部が形成されており、
前記グリッド先端部の側面の前記透明基板に対する傾斜角をθとし、前記所定方向から見たときの前記グリッド先端部の高さをａ、前記格子状凸部の幅をｂ、
θ₀＝arctan（２ａ／ｂ）とするとき、
２／３≦ａ／ｂ≦８／７
及び、
θ₀≦θ＜９０°
を満足し、
可視光領域の所定の波長に対して設計され、前記傾斜角θは、前記所定の波長の光の吸収軸方向の反射率を１０％以下とする角度範囲から選択されることを特徴とする偏光素子。

【請求項2】

前記所定の波長は、緑色帯域（波長５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ）の波長である請求項１に記載の偏光素子。

【請求項3】

前記傾斜角θは、前記所定方向から見たとき、前記グリッド先端部の高さ方向の中心位置における前記グリッド先端部の前記側面の接線の傾斜角として規定される請求項１または２に記載の偏光素子。

【請求項4】

前記傾斜角θは、θ≦８０°であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の偏光素子。

【請求項5】

前記グリッド先端部は、前記透明基板側から順に、反射層、誘電体層及び吸収層により構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の偏光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワイヤグリッド構造をもつ偏光素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

偏光素子は、一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、優れた耐熱性が必要となるとともに、数ｃｍ程度の大きさと、高い消光比が要求される。これらの要求に応えるための、ワイヤグリッド型の無機偏光素子が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

【0003】

ワイヤグリッド型の偏光素子は、一方向に延在する導体のワイヤ（反射層）を基板上に、使用する波長の帯域よりも狭いピッチ（数十ｎｍ〜数百ｎｍ）で多数並べて配置した構造を有する。この偏光素子に光が入射すると、ワイヤの延在方向に平行な偏光（ＴＥ波（Ｓ波））は透過することができず、ワイヤの延在方向に垂直な偏光（ＴＭ波（Ｐ波））は、そのまま透過する。ワイヤグリッド型の偏光素子は、耐熱性に優れ、比較的大きな素子が作製でき、高い消光比を有するので、液晶プロジェクタ等の用途に適している。

【0004】

例えば、引用文献1に記載のワイヤグリッド型偏光素子では、透明基板上に凸状のラインを一定間隔で配置したグリッド構造層を形成する。このグリッド構造層は樹脂により形成される。次に、スパッタエッチングによりそれぞれの凸状のラインの先端部を山形の形状に加工する。その後、斜めから金属粒子を入射させて、樹脂製のグリッド構造層の先端部の周りに金属層を形成する。

【0005】

また、引用文献２に記載のワイヤグリッド型偏光素子では、透明基板上に金属ワイヤを形成し、その上に誘電体層と吸収層とを設けている。ワイヤの延在方向に平行な偏光（ＴＥ波（Ｓ波））は、これら誘電体層と吸収層とによって選択的に吸収される。これにより、液晶プロジェクタに使用された場合、偏光素子の表面で反射された戻り光が、液晶プロジェクタの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ができる。

【0006】

しかしながら、従来のワイヤグリッド型の偏光素子では、使用する波長帯域に応じた、ピッチとグリッド幅との関係から、原理的に短波長側になればなるほど、光の透過率が低下する。液晶プロジェクタで使用される可視光領域（赤色帯域：波長λ＝６００〜６８０ｎｍ、緑色帯域：波長λ＝５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ、青色帯域：λ＝４３０ｎｍ〜５１０ｎｍ）では、青色帯域がもっとも透過率が低くなる。偏光素子のグリッド幅を細くする事で、透過率を上げることができることが知られているが、実際にグリッド幅を狭めたパターンを形成することは、難易度が高く信頼性を維持することも困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０−６６６３５号公報

【特許文献2】特開２０１４−５２４３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、透過軸方向の光透過特性を改善したワイヤグリッド型の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】

【0009】

本発明は、本発明者による知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては以下の通りである。即ち、
＜１＞ワイヤグリッド構造を持つ偏光素子であって、透明基板と、前記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、所定方向に延在する格子状凸部とを備え、前記格子状凸部は、前記透明基板上に形成された反射層を含み、且つ、前記所定方向から見たとき、先端部が先細の形状となる方向に側面が傾斜したグリッド先端部が形成されていることを特徴とする偏光素子である。
＜２＞前記グリッド先端部の側面の前記透明基板に対する傾斜角をθとし、前記所定方向から見たときの前記グリッド先端部の高さをａ、前記格子状凸部の幅をｂ、
θ₀＝arctan（２ａ／ｂ）とするとき、
２／３≦ａ／ｂ≦８／７
及び、
θ₀≦θ＜９０°（θ₀＝arctan（２ａ／ｂ））
を満足することを特徴とする前記＜１＞に記載の偏光素子である。
＜３＞前記傾斜角θは、前記所定方向から見たとき、前記グリッド先端部の高さ方向の中心位置における前記グリッド先端部の前記側面の接線の傾斜角として規定される前記＜２＞に記載の偏光素子である。
＜４＞前記傾斜角θは、θ≦８０°であることを特徴とする前記＜２＞又は＜３＞に記載の偏光素子である。
＜５＞前記偏光素子は、可視光領域の所定の波長の光に対して設計され、前記傾斜角θは、前記所定の波長の光の吸収軸方向の反射率を１０％以下とする角度範囲から選択される前記＜２＞から＜４＞の何れかに記載の偏光素子である。
＜６＞前記グリッド先端部は、前記透明基板側から順に、反射層、誘電体層及び吸収層により構成されていることを特徴とする前記＜１＞から＜５＞の何れかに記載の偏光素子である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、透過軸方向の偏光の光透過特性を改善したワイヤグリッド型の偏光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明が適用された偏光素子を示す断面図である。

【図2】図１の偏光素子の形状を表すパラメータを説明する図である。

【図3】グリッド先端部の傾斜角を規定する図である。

【図4】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が６：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の透過軸透過率特性を示すグラフである。

【図5】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が６：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の吸収軸反射率特性を示すグラフである。

【図6】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：１１の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の透過軸透過率特性を示すグラフである。

【図7】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：１１の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の吸収軸反射率特性を示すグラフである。

【図8】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の透過軸透過率特性を示すグラフである。

【図9】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の吸収軸反射率特性を示すグラフである。

【図10】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が１０：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の透過軸透過率特性を示すグラフである。

【図11】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が１０：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の吸収軸反射率特性を示すグラフである。

【図12】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：７の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の透過軸透過率特性を示すグラフである。

【図13】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：７の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の吸収軸反射率特性を示すグラフである。

【図14】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比に対する、グリッド先端部の傾斜角の範囲を示す表である。

【図15】グリッド先端部の高さａと幅ｂとの比が８：９の場合について、グリッド先端部の傾斜角に対する偏光素子の透過軸透過率特性の実測値とシミュレーションとを対比して示すグラフである。

【図16】異なる傾斜角θに対する透過軸透過率特性の実測値を示すグラフである。

【図17】異なる傾斜角θに対する吸収軸透過率特性の実測値を示すグラフである。

【図18】異なる傾斜角θに対する透過軸反射率特性の実測値を示すグラフである。

【図19】異なる傾斜角θに対する吸収軸反射率特性の実測値を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0013】

＜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１を示す概略断面図である。図１に示すように、偏光素子１は、使用帯域の光に透明な透明基板１１と、透明基板１１の一方の面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格子状凸部１０を構成する反射層１２と、反射層１２上に形成された誘電体層１３と、誘電体層１３上に形成された吸収層１４とを備える。すなわち、偏光素子１は、透明基板１１側から反射層１２と誘電体層１３と吸収層１４とがこの順に積層された格子状凸１０部が、透明基板１１上に一定間隔に並んだ一次元格子状のワイヤグリッド構造を有する。

【0014】

それぞれの格子状凸部１０は、格子状凸部１０のそれぞれの一次元格子の延在する方向（所定方向）から見たとき、透明基板１１から垂直方向に側面が平行に延びるグリッド脚部１５と、グリッド脚部１５上に位置し、先端に向けて先細の形状となる方向に側面が傾斜したグリッド先端部１６とに分かれている。そして、グリッド脚部１５とグリッド先端部１６との境界は、反射層１２に位置する。すなわち、グリッド脚部１５は、反射層１２の一部により構成され、グリッド先端部１６は反射層１２の一部、誘電体層１３及び吸収層１４により構成される。なお、以下の説明において、格子状凸部１０の一次元格子の延在する方向をＹ軸方向と呼び、透明基板１１に沿いＹ軸方向に直交する方向をＸ軸方向と呼ぶ。この場合、偏光素子１に入射する光は、透明基板１１の格子状凸部１０が形成された側に、好適にはＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向から入射する。

【0015】

吸収層１４は金属、半導体など光学定数の消衰定数が零でない、すなわち光吸収作用を持つ物質である。なお、偏光素子１は、誘電体層１３と吸収層１４との間に、吸収層１４の拡散防止を目的としてＴａ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔｉなどの金属膜を拡散バリア層として備えても良い。また、偏光素子１は、必要に応じて、光学特性の変化が応用上影響を与えない範囲で、最上部に耐湿性などの信頼性改善の目的でＳｉＯ₂などの保護膜を堆積してもよい。

【0016】

そして、偏光素子１は、透過、反射、干渉、光学異方性による偏光波の選択的光吸収の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もつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、Ｘ軸方向に平行な電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。したがって、Ｙ軸方向は偏光素子１の吸収軸の方向であり、Ｘ軸方向は偏光素子１の透過軸の方向である。

【0017】

吸収層１４及び誘電体層１３を透過したＴＭ波は、高い透過率で反射層１２を透過する。一方、ＴＥ波は、吸収層１４の光吸収作用によって減衰される。一次元格子状の反射層１２は、ワイヤグリッドとして機能し、吸収層１４及び誘電体層１３を透過したＴＥ波を反射する。また、誘電体層１３の厚さ及び屈折率を適宜調整することによって、反射層１２で反射したＴＥ波は、吸収層１４を通過する際に一部は吸収され、一部は反射し、反射層１２に戻る。また吸収層１４を通過した光は干渉して減衰する。以上のようにして、偏光素子１は、ＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、所望の偏光特性を得ることができる。

【0018】

［透明基板］
透明基板１１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。本実施の形態では、透明基板１１の構成材料として、熱伝導性の高い水晶やサファイア基板を用いることが好ましい。これにより、強い光に対して高い耐光性を有することとなり、発熱量の多いプロジェクタの光学エンジン用の偏光素子として有用となる。

【0019】

また、透明基板１１が水晶のような光学活性の結晶からなる場合、結晶の光学軸に対して平行方向又は垂直方向に格子状凸部１０を配置することにより、優れた光学特性を得ることができる。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。

【0020】

なお、偏光素子１の用途によっては、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。

【0021】

［反射層］
反射層１２は、透明基板１１上に吸収軸であるＹ軸方向に帯状に延びた金属薄膜が配列されてなるものである。すなわち、反射層１２は、ワイヤグリッド型偏光子としての機能を有し、透明基板１１のワイヤグリッドが形成された面に向かって入射した光のうち、ワイヤグリッドの延在する方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、ワイヤグリッドの延在する方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させる。

【0022】

反射層１２の構成材料には、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制限されず、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅなどの金属単体若しくはこれらを含む合金あるいは半導体材料を用いることができる。なお、金属材料以外にも、例えば着色等により表面の反射率が高く形成された金属以外の無機膜や樹脂膜で構成されていてもよい。

【0023】

［誘電体層］
誘電体層１３は、吸収層１４で反射した偏光に対して、吸収層１４を透過し、反射層１２で反射した当該偏光の位相が半波長ずれる膜厚で形成されている。具体的な膜厚は、偏光の位相を調整し、干渉効果を高めることが可能な１〜５００ｎｍの範囲で適宜設定される。

【0024】

誘電体層１３を構成する材料は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、等の金属酸化物、ＭｇＦ₂、氷晶石、ゲルマニウム、二酸化チタン、ケイ素、フッ化マグネシウム、窒化ボロン、酸化ボロン、酸化タンタル、炭素並びにそれらの組み合わせなどの一般的な材料を用いることができる。また、誘電体層１３の屈折率は、１．０より大きく２．５以下とすることが好ましい。なお、反射層１２の光学特性は、周囲の屈折率によっても影響を受けるため、誘電体層１３の材料により偏光素子特性を制御してもよい。

【0025】

［吸収層］
吸収層１４は、金属、半導体など光学定数の消衰定数が零でない、光吸収作用を持つ物質の１種以上から構成され、その材料は、適用される光の波長範囲によって選択される。金属材料としては、Ｔａ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ単体若しくはこれらを含む合金が挙げられる。半導体材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、ＺｎＯ、シリサイド材料（β−ＦｅＳｉ₂、ＭｇＳｉ₂、ＮｉＳｉ₂、ＢａＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、ＣｏＳｉ₂、ＴａＳｉ等）などが挙げられる。これにより、偏光素子１は、適用される可視光域に対して高い消光比を備えることができる。

【0026】

なお、半導体材料を用いる場合、吸収作用に半導体のバンドギャップエネルギーが関与するため、バンドギャップエネルギーが使用帯域以下であることが必要である。例えば、可視光で使用する場合、波長４００ｎｍ以上での吸収、すなわちバンドギャップとしては３．１ｅＶ以下の材料を使用する必要がある。

【0027】

なお、吸収層１４は、蒸着法やスパッタ法により、膜が高い密度で形成することができる。また、吸収層１４は、材料の異なる２層以上から構成されていてもよい。

【0028】

このような構成の偏光素子１によれば、透過、反射、干渉、偏光波の選択的光吸収の４つの作用を利用することで、反射層１２の格子に平行なＹ軸方向の電界成分をもつ偏光波（ＴＥ波（Ｓ波））を減衰させ、格子に垂直なＸ軸方向の電界成分をもつ偏光波（ＴＭ波（Ｐ波））を透過させることができる。すなわち、ＴＥ波は、吸収層１４の偏光波の選択的光吸収作用によって減衰され、吸収層１４及び誘電体層１３を透過したＴＥ波は、ワイヤグリッドとして機能する格子状の反射層１２によって反射される。ここで、誘電体層１３の厚さ、屈折率を適宜調整することによって、反射層１２で反射したＴＥ波について、吸収層１４を透過する際に一部を反射し、反射層１２に戻すことができ、また、吸収層１４を通過した光を干渉により減衰させることができる。以上のようにしてＴＥ波の選択的減衰を行うことにより、所望の偏光特性を得ることができる。

【0029】

［グリッド先端部］
次に、グリッド先端部１６の形状について説明する。

【0030】

図２は、図１の偏光素子１の形状を表すパラメータを説明する図である。以下において、高さとは、透明基板１１の面に垂直な方向の寸法を意味し、幅とは、格子状凸部１０に沿う方向（Ｙ軸方向）に見たときの高さ方向に直交する方向（Ｘ軸方向）の寸法を意味する。

【0031】

偏光素子１を格子状凸部１０に沿う方向（Ｙ軸方向）に見たとき、各格子状凸部１０のＸ軸方向の繰り返し間隔をピッチと呼び、各格子状凸部１０のＸ軸方向の幅をグリッド幅と呼ぶ。偏光素子１のピッチは、使用帯域の光の波長よりも小さい。また、格子状凸部１０はグリッド脚部１５では、Ｘ軸方向に略一定の幅ｂを有し、先端部に近い、ある高さ以上の部分でＸ軸方向の幅がｂよりも小さくなる。この幅がｂより小さくなった部分がグリッド先端部１６である。ここで、グリッド先端部１６の高さをａとする。また、グリッド先端部１６の側面の透明基板１１の面に対する傾斜角をθとする。図２に示すように、グリッド先端部１６の側面の傾斜角θが一定の場合には、θ₀＝arctan（２ａ／ｂ）とするとき、傾斜角θは、
θ₀≦θ＜９０°
の範囲の角度となる。

【0032】

しかし、格子状凸部１０は非常に微細な構造であるため、グリッド先端部１６の形状は、例えば図３に示すように、実際にはある程度の丸みを帯びる。そこで、傾斜角θは、グリッド先端部１６の高さの中心位置、すなわち高さａ／２の位置におけるグリッド先端部１６の側面の透明基板１１に対する傾斜角として規定する。

【0033】

偏光素子１の格子状凸部１０の形成は、透明基板１１上に、反射層１２、誘電体層１３、吸収層１４を成膜した後、例えばナノインプリント、フォトリソグラフィ等により格子状のマスクパターンを形成することによる。マスクパターンが形成されていない反射層１２、誘電体層１３及び吸収層１４をエッチングにより選択的に除去して、透明基板１１に対して垂直方向に延びる一元格子を生成する。このとき、エッチング条件(ガス流量、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、グリッド先端部１６の側面に傾斜を持たせている。

【0034】

＜光学特性の評価＞
このように、Ｙ軸方向から見たとき、グリッド先端部１６を先細の形状になる方向に側面を傾斜させた形状にすることによって、ＴＭ波の透過率が高くなる。このように、ＴＭ波透過率が向上するのは、グリッド先端部１６を先細にすることで、角度バラツキを持って入射してくる光に対して散乱し難くなるためと考えられる。以下に、シミュレーション及び実測結果を用いて、偏光素子１の光学特性について説明する。

【0035】

［シミュレーション］
図４〜図１３に、それぞれグリッド先端部１６の高さ（ａ）と幅（ｂ）との比を種々に変えて、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部１６の傾斜角に対する偏光素子１の透過軸透過率特性、及び、吸収軸反射率特性を示す。透過軸透過率とは、偏光素子１に入射する透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の透過率を意味し、吸収軸反射率とは、偏光素子１の吸収軸方向（Ｙ軸方向）の偏光（ＴＥ波）の反射率を意味する。これらのグラフは、何れも緑色帯域（波長５２０ｎｍ〜５９０ｎｍ（所定の波長））の光に対して最適化されるように設計された偏光素子１に対するものである。

【0036】

図４は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が６：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部１６の傾斜角に対する偏光素子１の透過軸透過率特性を示すグラフである。透過軸透過率が高ければ、高い強度の所望の光が偏光素子１を透過する。図４に示すように、傾斜角θが、９０°から傾くにつれて（すなわち、グラフ上で右端から左にずれるにつれて）、青色帯域（波長λ＝４３０〜５１０ｎｍ）、緑色帯域（波長λ＝５２０〜５９０ｎｍ）及び赤色帯域（波長λ＝６００〜６８０ｎｍ）の何れの帯域においても、透過率が高くなる。特に、青色帯域については、透過率の上昇幅が大きいことがわかる。

【0037】

一方、図５は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が６：９の場合について、シミュレーションにより計算された、グリッド先端部１６の傾斜角に対する偏光素子１の吸収軸反射率特性を示すグラフである。吸収軸反射率が高くなると、偏光素子１により反射される吸収軸方向の偏光（ＴＥ波）が強くなることを意味する。このような反射光は消光比を低下させるため、吸収軸反射率は低い方が好ましい。多くの液晶プロジェクタ用途では、吸収軸反射率は１０％未満であることが要求される。図５によれば、傾斜角θが小さいほど、このシミュレーションにおける偏光素子１の設計波長である緑色帯域の吸収軸反射率が高くなり、傾斜角θが６１°より小さくなると吸収軸反射率が１０％を超える。したがって、液晶プロジェクタ用途で許容される傾斜角θの値は、６１°≦θ＜９０°となる。この角度のことを、デバイス特性傾斜角と呼ぶ。なお、グリッド先端部１６の傾きを大きくすると（傾斜角θを小さくすると）、吸収軸反射率が高くなるのは、誘電体層１３及び吸収層１４の透明基板１１に沿う方向の大きさが小さくなるためにこれらによる反射光（ＴＥ波）の吸収効果が低下するためと考えられる。

【0038】

図４及び図５と同様に、図６及び図７は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が８：１１の場合について、図８及び図９は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が８：９の場合について、図１０及び図１１は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が１０：９の場合について、図１２及び図１３は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が８：７の場合について、それぞれ、グリッド先端部１６の傾斜角に対する偏光素子１の透過軸透過率特性、及び、吸収軸反射率特性を示している。グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比に関わらず、グリッド先端部１６の側面の傾斜が大きいほど（傾斜角θが小さいほど）、青色帯域、緑色帯域及び赤色帯域の何れの帯域においても、透過軸透過率の改善がみられる。また、何れの場合も、青色帯域の透過軸透過率の上昇が他の帯域よりも大きい。一方、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が８：７の場合に、図１３に示すように、θ＜７７°になると緑色帯域の波長の光の吸収軸反射率が１０％を超えている。したがって、この場合のデバイス特性傾斜角度は、７７°≦θ＜９０°である。また、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が８：９の場合に、図８に示すようにグリッド先端部１６の側面を傾けることによる透過軸透過率の特性が向上の効果が高く、傾斜角θは６０°≦θ＜９０°とすることができる。

【0039】

図１４は、図４〜図１３のシミュレーション結果に基づく、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比に対する、グリッド先端部１６の傾斜角θの範囲を示す表である。この表において、シミュレーション傾斜角θは、シミュレーションを行った傾斜角の範囲であり、既に説明したように、θ₀≦θ＜９０°（θ₀＝arctan（２ａ／ｂ））の範囲である。上記図４〜図１３の例では、グリッド先端部１６の形状を高さａと幅ｂの比をａ／ｂで示すとき、
２／３≦ａ／ｂ≦８／７
に含まれる何れの範囲においても、上記傾斜角θの範囲で各波長帯域の光の透過軸透過率が高くなることが確認された。また、上述のように、デバイス特性傾斜角は、吸収軸反射率が１０％を超えない範囲の傾斜角である。偏光素子１を液晶プロジェクタ等に使用する場合には、傾斜角θは、このデバイス特性傾斜角の範囲を満たすことが望ましい。

【0040】

［実測結果とシミュレーションとの対比］
次に、実際にワイヤグリッド構造の偏光素子１を作製して、得られた透過軸透過率特性を、シミュレーション結果と比較した結果について説明する。図１５は、グリッド先端部１６の高さａと幅ｂとの比が８：９の場合について、グリッド先端部１６の側面の傾斜角θに対する偏光素子１の透過軸透過率特性の実測値とシミュレーションの結果とを対比して示すグラフである。

【0041】

図１５において、白抜きの点は、図８に示されたシミュレーション結果と同じものである。これに対して、傾斜角θの平均値が７７°と７４°の場合について、実測値を黒塗りの点で示している。ここで、傾斜角θの平均値が７４°の場合は、青色帯域（波長λ＝４３０〜５１０ｎｍ）の実測値と緑色帯域（波長λ＝５２０〜５９０ｎｍ）の実測値とが９２．６％付近で重なった点となっている。なお、傾斜角θの平均値としたのは、実際に作製した偏光素子１のグリッド先端部１６の側面の傾斜角度にはバラツキがあるためである。

【0042】

図１５からわかるように、実測結果においても傾斜角θの平均値が７７°の時よりも、傾斜角θの平均値が７４°の場合の方が、全ての帯域で透過軸透過率が高くなっている。特に青色帯域においては、透過軸透過率が大幅に向上している。このように、グリッド先端部１６の側面をより傾けることにより（傾斜角θを小さくすることにより）、透過軸透過率が向上することが示された。

【0043】

次に、図１６〜図１９は、実際に作製した２つの偏光素子１について、それぞれ、透過軸透過率特性、吸収軸透過率特性、透過軸反射率特性及び吸収軸反射率特性の実測値を示す図である。ここで、吸収軸透過率とは、偏光素子１に入射する吸収軸方向（Ｙ軸方向）の偏光（ＴＥ波）の透過率を意味し、透過軸反射率とは、偏光素子１に入射する透過軸方向（Ｘ軸方向）の偏光（ＴＭ波）の反射率を意味する。それぞれのグラフで、実線で示される偏光素子は、グリッド先端部１６の側面の傾斜角θが８０°〜８４°でバラついており、波線で示される偏光素子は、グリッド先端部１６の側面の傾斜角θが７６°〜８０°の範囲でバラついている。（なお、２つの偏光素子のグリッドの高さ（ａ）と幅（ｂ）との比は、２／３と８／１１で近い値としている。）

【0044】

図１６に示す、偏光素子１のＴＭ波の透過率を示す透過軸透過率は、グリッド先端部１６の側面の傾斜角θを小さくしたときに、特に青色帯域（波長λ＝４３０〜５１０ｎｍ）において大幅な向上がみられる。また、傾斜角θの値が、７６°〜８０°の場合は、波長が４３０ｎｍ以上の青色帯域を含む可視光領域で、透過軸透過率が波長によらず約９２％〜９３％で略一定となっており、十分な透過率の向上が得られている。したがって、傾斜角θが８０°以下の場合は、本発明による透過率の向上効果が大きいと考えられる。なお、図４、図８、図１０に示されるシミュレーションの例では、傾斜角θが８０°以下であれば、青色帯域、緑色帯域および赤色帯域の透過軸透過率の間の差が、０．５％〜１％程度の範囲の小さな値となっている。このため、偏光素子１を透過した光の波長帯域毎に均等に透過するので、色彩の変化が少ない。

【0045】

これに対して、図１７に示されるＴＥ波の透過率を示す吸収軸透過率は、傾斜角θが変化してもほとんど影響を受けない。また、図１８に示されるように、ＴＭ波の反射率を示す透過軸反射率は、波長４５０ｎｍでほぼ０であり、この波長から離れるほど大きくなっている。しかし、透過軸反射率は、図１９に示されるＴＥ波の反射率を示す吸収軸反射率よりも小さくなっている。

【0046】

以上説明したように本発明に係る偏光素子１によれば、ワイヤグリッド構造の格子状凸部１０のグリッド先端部１６の側面の傾斜角度を制御することによって、透過軸方向の偏光の透過率を向上させることができる。特に、可視光領域のうち青色帯域を含む短波長側の光に対して、透過率向上の効果が大きい。また、本発明では、格子状凸部１０全体ではなくグリッド先端部１６のみの形状を変えたので、基本的な構造は引用文献２に示されるような従来技術と同一である。このため、従来の偏光素子と製造上の難易度が変わることなく、信頼性も維持することができる。

【0047】

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は上記説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

【0048】

上記実施の形態において、グリッド先端部とグリッド脚部との境界は反射層にあり、グリッド先端部には反射層、誘電体層及び吸収層を含むものとしたが、これには限られない。グリッド先端部は、先細の形状となっていれば、反射層を含まず吸収層と誘電体層とで構成される構成、又は、吸収層のみで構成される構成も可能である。ただし、グリッド先端部に反射層を含むことによって、偏光素子１を透過するＴＭ波の透過率をより大きく向上させることができる。また、本発明の偏光素子の用途は、液晶プロジェクタに限られない。透過軸方向の偏光の透過率が高い偏光素子として、種々の用途に利用することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本願発明の偏光素子は、高い消光比を有するので、液晶プロジェクタに使用される偏光素子として好適に利用可能である。

【符号の説明】

【0050】

１ 偏光素子
１０ 格子状凸部
１１ 透明基板
１２ 反射層
１３ 誘電体層
１４ 吸収層
１５ グリッド脚部
１６ グリッド先端部

【要約】      （修正有）

【課題】透過軸方向の光透過特性を改善した偏光素子を提供する。
【解決手段】偏光素子１は、透明基板１１と、透明基板１１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、所定方向に延在する格子状凸部１０とを備え、格子状凸部１０は、透明基板１１上に形成された反射層１２を含み、且つ、所定方向から見たとき、先端部が先細の形状となる方向に側面が傾斜したグリッド先端部１６が形成されている。
【選択図】図１

【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17】

【図18】

【図19】