(57)【要約】【課題】  可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射でき、消光比や透過率といった基本性能において優れた特性を持つ偏光素子を提供する。【解決手段】  透明基板１上に設けられた縞状の格子２はアモルファス状の酸化チタンで形成されており、格子２を構成する各線状部２１の幅の平均値をｗ、各線状部２１において一方の側の隣の線状部２１との距離をｔ、他方の側の隣の線状部２１との距離をＴとしたとき、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４の関係となっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、該透明基板上に設けられた縞状の格子とより成るグリッド偏光素子であって、
前記格子は、アモルファス状の酸化チタンで形成されており、
該格子を構成する各線状部の幅の平均値をｗ、各線状部において一方の側の隣の線状部との距離をｔ、他方の側の隣の線状部との距離をＴとしたとき、該格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しているとともに、ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４の関係であることを特徴とするグリッド偏光素子。
【請求項２】
前記格子は、前記透明基板の表面に沿った方向であって前記線状部の長さ方向に垂直な方向で見た際、広い距離Ｔを隔てて二つの前記線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しないことを特徴とする請求項１記載のグリッド偏光素子。
【請求項３】
光源と、請求項１又は２記載のグリッド偏光素子とを備えており、該グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と前記光源との間の位置に設けられており、前記光源からの光を前記グリッド偏光素子を通して光配向の膜材に照射することが可能であることを特徴とする光配向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の発明は、グリッド偏光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光光を得る偏光素子は、偏光サングラスのような身近な製品を始めとして偏光フィルターや偏光フィルム等の光学素子として各種のものが知られており、液晶ディスプレイ等のディスプレイデバイスでも多用されている。偏光素子には、偏光光を取り出す方式から幾つかのものに分類されるが、その一つにグリッド偏光子がある。
【０００３】
グリッド偏光素子は、透明基板上に金属（導電体）より成る微細な縞状の格子を設けた構造のものである。格子の間隔を偏光させる光の波長よりも狭くすることで偏光子として機能する。直線偏光光のうち、格子の長さ方向に電界成分を持つ偏光光にとってはフラットな金属と等価なので反射する一方、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光にとっては透明基板のみがあるのと等価なので、透明基板を透過して出射する。このため、偏光子からは格子の長さ方向に垂直な方向の直線偏光光が専ら出射する。偏光素子の姿勢を制御し、格子の長さ方向が所望の方向に向くようにすることで、偏光光の軸（電界成分の向き）が所望の方向に向いた偏光光が得られることになる。
【０００４】
以下、説明の都合上、格子の長さ方向に電界成分を持つ偏光光をｓ偏光光と呼び、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光をｐ偏光光と呼ぶ。通常、入射面（反射面に垂直で入射光線と反射光線を含む面）に対して電界が垂直なものをｓ波、平行なものをｐ波と呼ぶが、格子の長さ方向が入射面と平行であることを前提とし、このように区別する。
【０００５】
このような偏光素子の性能を示す基本的な指標は、消光比ＥＲと透過率ＴＲである。消光比ＥＲは、偏光素子を透過した偏光光の強度のうち、ｓ偏光光の強度（Ｉｓ）に対するｐ偏光光の強度（Ｉｐ）の比である（Ｉｐ／Ｉｓ）。また、透過率ＴＲは、通常、入射するｓ偏光光とｐ偏光光の全エネルギーに対する出射ｐ偏光光のエネルギーである（ＴＲ＝Ｉｐ／（Ｉｐ＋Ｉｓ））。理想的な偏光素子は、消光比ＥＲ＝∞、透過率ＴＲ＝５０％ということになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光の利用については、ディスプレイ技術に代表されるように可視域の光を利用する場合が多いが、光通信等の分野では赤外域の光が利用される。一方、光をエネルギーとして利用する場合も多く、この場合には紫外域の光が利用されることが多い。例えば、フォトリソグラフィにおけるレジストの露光（感光処理）や紫外線硬化型樹脂の硬化処理等である。従って、偏光光の利用分野においても、偏光光をエネルギーとして利用する場合、紫外域の波長の偏光光が必要になってくる。
【０００８】
より具体的な一例を示すと、液晶ディスプレイの製造プロセスにおいて、近年、光配向と呼ばれる技術が採用されるようになってきている。この技術は、液晶ディスプレイにおいて必要な配向膜を光照射によって得る技術である。ポリイミドのような樹脂製の膜に紫外域の偏光光を照射すると、膜中の分子が偏光光の向きに配列され、配向膜が得られる。ラビングと呼ばれる機械的な配向処理に比べ、高性能の配向膜が得られることから、高画質の液晶ディスプレイの製造プロセスとして多く採用されるようになってきている。
【０００９】
このように、ある種の用途では、より短い波長域の偏光光を得ることが必要になってきており、そのための偏光素子が必要になっている。しかしながら、このような短波長域の光を偏光させる偏光素子については、それほど研究されておらず、製品としても実用的なものは殆ど出回っていない。短波長域とは、可視の短波長側（例えば４５０ｎｍ以下）から紫外域の波長域である。
【００１０】
可視光用としては、樹脂層の吸収軸を揃えた偏光フィルムがしばしば使用される。しかしながら、紫外線用としては、樹脂が紫外線により短期間に劣化するので、使用不可である。
紫外域の光を偏光させる場合、方解石を用いたプリズム偏光子を使うことができる。しかしながら、プリズム偏光子は、レーザーのように狭い領域に偏光光を照射する用途には適しているものの、光配向のようにある程度広い領域に偏光光を照射する用途には向いていない。
ある程度広い領域に偏光光を照射できるものが、前述したワイヤーグリッド偏光素子である。複数のワイヤーグリッド偏光素子を並べてより広い領域に偏光光を照射することも可能である。
【００１１】
ワイヤーグリッド偏光素子において、縞状格子の材料には、タングステン、銅、アルミ等が使用される。紫外線用のワイヤーグリッド偏光素子の場合、紫外域においても高い反射率を持つアルミが使用されることが多い。しかしながら、ワイヤーグリッド偏光素子は、５００ｎｍ程度より長い可視域の光についてはある程度の高い消光比及び透過率を示すものの、波長が短くなるに従い４００ｎｍ付近から急激に消光比や透過率が低下してくる。この理由は、完全には解明されていないが、アルミの光学的性質に起因すると推測される。
【００１２】
このように、光配向のような光プロセスの用途では、可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射できる実用的な偏光素子が望まれているものの、消光比や透過率といった基本性能において優れた偏光素子は未だに開発されていない。即ち、配向処理の品質を高めるには、所望の向きに向いた偏光光のみが照射されるようにする必要があるし（消光比の向上）、生産性（処理効率）を上げるには、より透過率の高い偏光素子が必要になる。
本願の発明は、このような課題に考慮して為されたものであり、可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射でき、消光比や透過率といった基本性能において優れた特性を持つ偏光素子を提供する意義を有するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、透明基板と、該透明基板上に設けられた縞状の格子とより成るグリッド偏光素子であって、
前記格子は、アモルファス状の酸化チタンで形成されており、
該格子を構成する各線状部の幅の平均値をｗ、各線状部において一方の側の隣の線状部との距離をｔ、他方の側の隣の線状部との距離をＴとしたとき、該格子は、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しているとともに、ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４の関係であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記格子は、前記透明基板の表面に沿った方向であって前記線状部の長さ方向に垂直な方向で見た際、広い距離Ｔを隔てて二つの前記線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しない。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、光源と、請求項１又は２記載のグリッド偏光素子とを備えており、該グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と前記光源との間の位置に設けられており、前記光源からの光を前記グリッド偏光素子を通して光配向の膜材に照射することが可能であるという構成を有する。
【発明の効果】
【００１４】
以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、格子はアモルファス状の酸化チタンで形成され、格子幅ｗに対して格子の偏在比ｔ／Ｔがｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４の関係を有しているので、透過率を大きく低下させることなく消光比を向上させることができる。このため、より質の良い偏光光を照射することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、広い離間間隔Ｔで線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しないので、消光比が低下してしまうことがない。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、質の良い偏光光を高いエネルギーで照射しながら光配向が行えるので、良質な光配向膜を高い生産性で得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本願発明の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した概略図であり、（１）は正面断面概略図、（２）は斜視図である。
【図２】発明者らが行った実験において作成された酸化チタン膜の光学定数について示した概略図である。
【図３】アルミの光学定数について示した図である。
【図４】図２の光学定数を示す酸化チタン膜を用いた実施形態のグリッド素子において、偏在比（t／Ｔ）に伴う透過率・消光比の変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図５】図３に光学定数を示すアルミを格子２の材質として採用した場合に偏在比ｔ／Ｔを変化させると透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】実施形態のグリッド偏光素子において消光比が向上する理由について示した模式的に示した斜視概略図である。
【図７】ｘ方向磁界成分の波打ちを確認したシミュレーションの結果を示す図である。
【図８】磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により新たに電界Ｅｙが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。
【図９】３００℃成膜の酸化チタン薄膜の光学定数を示した図である。
【図１０】図９に光学定数を示す酸化チタン薄膜について同様に偏在比ｔ／Ｔを変化させた際の透過率と消光比についてシミュレーションした結果を示した図である。
【図１１】酸化チタン製の格子２を使用したグリッド偏光素子の最適な構造について検討した結果の図である。
【図１２】ルチル型結晶の酸化チタンの光学定数について示した図である。
【図１３】ルチル型結晶の酸化チタンを格子２の材質として採用した場合、偏在比ｔ／Ｔに対して透過率や消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。
【図１４】実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。
【図１５】実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本願発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した概略図であり、（１）は正面断面概略図、（２）は斜視図である。図１に示すグリッド偏光素子は、透明な材質で形成された透明基板１と、透明基板１上に設けられた格子２とから主に構成されている。実施形態の偏光素子は、ワイヤーグリッド偏光素子に類似した構造を有するが、後述するように格子２は導電体（ワイヤー）ではないので、単にグリッド偏光素子と呼ぶ。
【００１７】
透明基板１は、使用波長（偏光素子を使用して偏光させる光の波長）に対して十分な透過性を有するという意味で「透明」ということである。この実施形態では、紫外域の光を使用波長として想定しているので、透明基板１の材質としては石英ガラス（例えば合成石英）が採用されている。
【００１８】
格子２は、図１に示すように、平行に延びる多数の線状部２１より成る縞状のものである。各線状部２１は、アモルファス状の酸化チタンで形成されている。各線状部２１の幅の平均値をｗ、各線状部２１において一方の側の隣の線状部２１との距離をｔ、他方の側の隣の線状部２１との距離をＴとしとしたとき、実質的にｔ＜Ｔである部分を周期的に有しているとともに、ｔ＜Ｔの部分においては、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４の関係となっている。以下、説明の都合上、ｔ／Ｔを偏在比と呼び、幅ｗを格子幅と略称する。
【００１９】
上記説明において、「実質的にｔ＜Ｔである部分」とは、一方の側の離間距離ｔが他方の側の離間距離Ｔと実質的に異なるという意味である。「実質的に」とは、製造上のばらつきで発生する距離の相違は含まない趣旨であり、後述する作用が発揮されるよう意図的にｔ≠Ｔとするという趣旨である。
また、「周期的」というのは、ランダムではないという程度の意味である。ｔ≠Ｔが製造上のばらつきによって生じる場合はランダムということになるが、後述する作用が発揮されるように意図的にｔ≠Ｔとするのであり、従って、周期的となる。尚、この場合の周期的とは、透明基板１の表面に沿って格子２の長さ方向に垂直な方向で見た際にｔ≠Ｔの部分が周期的に存在しているということである。
【００２０】
このような実施形態のグリッド偏光素子の構成は、可視短波長域から紫外域にかけての領域（以下、短波長領域と総称する）においてより高い消光比と透過率が得られるグリッド偏光素子の構成はどのようなものであるかについて発明者らが鋭意研究を行った成果である。
発明者らは、短波長領域において消光比と透過率が得られるグリッド偏光素子、特に格子２の構造や材料について鋭意研究を行った結果、従来のワイヤーグリッド偏光素子とは異なる考え方に基づいて格子２の材料や構造を選定することが有効であることが判ってきた。
【００２１】
従来のワイヤーグリッド偏光素子は、反射型グリッド偏光素子とも呼べるもので、格子２に反射率の高い金属を使用し、格子２の長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光を反射させることで透明基板１を透過させないようにするものである。このような考え方のグリッド偏光素子では、前述したように、より短い波長領域では消光比や透過率といった基本性能の向上に限界が生じている。
【００２２】
本願の発明者らは、このような従来のグリッド偏光素子の考え方とは異なり、吸収型グリッド偏光素子ともいうべき考え方を想到するに至った。吸収型とはいっても、可視光用の偏光フィルム等で見られるような高分子による光の吸収を利用するというようなものではなく、電磁誘導現象による光の減衰を利用するものである。
【００２３】
周知のように、金属のような導電性の媒質における光の伝搬においては、屈折率は複素屈折率として取り扱われる。複素屈折率を通常の屈折率と区別するため、ｎ’とすると、複素屈折率ｎ’は、以下の式１で表される。
【数１】
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式１において、ｎは複素屈折率の実部、ｋはいわゆる減衰係数である。発明者らが想到するに至った電磁誘導現象による光の減衰を利用したグリッド偏光素子は、減衰係数ｋに比べて屈折率実部ｎが大きく、不均等なグリッド構造を採用した場合に得られる。
【００２４】
まず、実施形態のグリッド偏光素子で格子材質として使用されている酸化チタンの複素屈折率と、比較例としてのアルミの複素屈折率について説明する。図２は、発明者らが行った実験において作成された酸化チタン膜の光学定数（屈折率実部ｎ、消衰係数ｋ）について示した概略図である。図３は、アルミの光学定数について示した図であり、Aleksandar D. Raki?. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767 (1995)に示されたデータに基づいて作成したものである。
【００２５】
図２に示す光学定数の酸化チタン膜は、後述するＡＬＤ法により石英製の透明基板１上に作成されたもので、成膜時の温度は１００℃程度である。従って、膜の状態はアモルファスであると推測される。膜厚は、２０ｎｍ程度である。図２に示すように、２４０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の紫外域の波長において、屈折率実部ｎは消衰係数ｋに比べて小さい。一方、図３に示すように、アルミの場合、同様の短波長領域において屈折率実部ｎは消衰係数ｋに対して常に小さい。
【００２６】
図４は、実施形態のグリッド素子における電磁波の伝搬状況をシミュレーションした結果の図である。図４では、図２に示す酸化チタン薄膜により図１に示すグリッド偏光素子を構成した場合を仮想したものであり、偏在比ｔ／Ｔを色々と変えた場合に透過率ＴＲ及び消光比ＥＲがどのように変化するかがシミュレーションされている。図４中の（１）は透過率を示し、（２）は消光比を示す。）図２のシミュレーションでは、ＲＣＷＡ(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法が用いられており、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）が配布しているソフトウェア（http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm）が使用され、各ｔ／Ｔにおける透過率ＴＲ及び消光比ＥＲが算出された。
【００２７】
図２に示すように屈折率実部ｎや減衰係数ｋは波長によって異なる値となるが、一例として、２５４ｎｍの紫外線を使用することを想定し、この波長でのｎ及びｋとした。具体的は、ｎ＝２．３５、ｋ＝１．３３とした。誘電率については、このｎ及びｋから予め計算して代入した。また、格子２の幅Ｗは１０〜３０nｍの間で５ｎｍ間隔で変化させたものの、高さは１７０ｎｍで一定とした。１０〜３０ｎｍのそれぞれの格子幅Ｗにおいて、偏在比ｔ／Ｔを変化させた。尚、偏在比ｔ／Ｔ＝１の時にｔ＝Ｔ＝９０ｎｍであることを起点とし、ｔ＋Ｔ＝１８０ｎｍを常に満たすように、ｔを小さく、Ｔを大きくさせることで、ｔ／Ｔを変化させた。
【００２８】
図４（１）では、ｔ／Ｔ＝１のとき（偏在していない場合）の透過率を１とし、これに対する相対値として、ｔ／Ｔを１未満とした場合の透過率が示されている。図４（２）の消光比も同様であり、ｔ／Ｔ＝１のときの値を１とした場合の相対値で示されている。
図４（１）に示すように、ｔ／Ｔ＝１の場合に比べて１未満とすると透過率は若干低下するものの、１０〜２０ｎｍの格子幅Ｗでそれほど大きな低下を見せていない。また、２０〜３０ｎｍの格子幅でも、ｔ／Ｔ＝１〜０．７程度の範囲であれば、透過率の大きな低下はない。
一方、図４（２）に示すように、消光比については、ｔ／Ｔを１未満とすることでｔ／Ｔ＝１の場合に比べて向上することが確認される。特に、格子幅Ｗが１５〜２５ｎｍの場合に著しい向上が確認される。
【００２９】
次に、比較例として、図３に示すアルミを格子２の材質とした場合について同様にシミュレーションした結果を説明する。図５は、図３に光学定数を示すアルミを格子２の材質として採用した場合に偏在比ｔ／Ｔを変化させると透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。同様に、図５（１）に透過率ＴＲが示され、（２）には消光比ＥＲが示されている。同様に使用波長は２５４ｎｍが想定されており、この波長において得られるものとして、屈折率実部ｎ＝０．１８３、消衰係数ｋ＝２．９３とした。格子２の幅は同様に１０〜３０ｎｍで５ｎｍ刻みで変化させ、高さは１７０ｎｍで一定とした。
【００３０】
図５（１）に示すように、アルミより成る格子２の場合、１０〜２０ｎｍの格子幅Ｗにおいて透過率ＴＲが若干向上することが確認される。透過率ＴＲは、偏在比ｔ／Ｔがより小さい場合においてより高く、最大で４０％程度である。しかしながら、図５（２）に示すように、消光比については、いずれの格子幅Ｗの場合にも、ｔ／Ｔを１より小さくすると激減していく。消光比の低下は、透過率の向上が一部確認された偏在比ｔ／Ｔの小さい領域で顕著である。つまり、アルミより成る格子２の場合、格子２を偏在させても肝心の消光比が低下してしまい、透過率の向上と消光比の向上とが両立しないことが確認された。尚、図示は省略するが、アルミについては、波長３６５ｎｍの場合も同様で、偏在比ｔ／Ｔを１未満としても消光比は向上しないばかりか激減してしまうことが確認されている。
【００３１】
このように、従来一般的なアルミ製格子２のグリッド偏光素子の場合、格子２を偏在させても消光比が向上しないばかりかかえって低下してしまうのに対し、酸化チタン製の格子２を採用した実施形態のグリッド偏光素子では、ある条件で格子２を偏在させた構造とすることで、消光比を大幅に向上させることができ、その場合にも透過率は大きくは低下しない。
【００３２】
酸化チタンより成る格子２を有する実施形態のグリッド偏光素子において、消光比の向上が見られる理由について、推測できる事項を以下に説明する。図６は、実施形態のグリッド偏光素子において消光比が向上する理由について示した模式的に示した斜視概略図である。
前述したように、消光比は、ｓ偏光光の強度（Ｉｓ）に対するｐ偏光光の強度（Ｉｐ）の比であるから、消光比を高くするには、ｓ偏光光が偏光素子を透過できないようにすれば良く、ここでは主としてｓ偏光光の挙動について考える。
【００３３】
図６において、便宜上、光は紙面上の上から下に伝搬するものとし、この方向をｚ方向とする。また、格子２の延びる方向をｙ方向とし、従ってｓ偏光光（図６にＬｓで示す）は、電界成分Ｅｙを持つ。このｓ偏光光の磁界成分（不図示）はｘ方向となる（Ｈｘ）。
このようなｓ偏光光がグリッド偏光素子の格子２にさしかかると、ｓ偏光光の電界Ｅｙは、格子２の誘電率によって弱められる。一方、格子２の間の媒質は、空気である場合が多いが、一般的に格子２より誘電率が小さいので、格子２の間の空間では電界Ｅｙは格子２内ほどは弱められない。
【００３４】
この結果、ｘ−ｙ平面内において電界Ｅｙの回転成分が生じる。そして、ファラデーの電磁誘導に対応する以下のマクスウェル方程式（式２）により、このｘ−ｙ平面でのの回転Ｒｅの強さに応じて、二つの互いに逆向きのｚ方向に磁界Ｈｚが誘起される。
【数２】
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即ち、格子２間の中央の電界Ｅｙの最も高いところを境に、一方の側ではＨｚは光の伝搬方向前方に向き、他方の側ではＨｚは後方を向く。ここで、図６では省略されているが、ｘ方向の磁界ＨｘはＥｙと同位相で、ｘ軸負の側を向いて存在している。このｘ方向磁界成分Ｈｘは、生成されたｚ方向成分Ｈｚに引っ張られ、波打つように変形する。
【００３５】
図７は、このｘ方向磁界成分Ｈｘの波打ちを確認したシミュレーションの結果を示す図である。図７では、格子材質としてシリコンを用いた例のシミュレーションとなっている。シリコンも、例えば波長３６５ｎｍの紫外線で屈折率実部ｎ＝４．０３、消衰係数３．０４であり、ｎ＞ｋの材料である。図７では、線状部の幅は１５ｎｍ、各線状部の間隔は９０ｎｍで一定、各線状部の高さは１７０ｎｍとした。シミュレーションはＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法に基づいており、使用したソフトウェアは、Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ社（米国マサチューセッツ州）のＭＡＴＬＡＢ（同社の登録商標）を用いた。
【００３６】
図７中、上側の濃い黒色の部分は電界Ｅｚのマイナス成分、中程の淡い灰色の部分は電場Ｅｚのプラス成分を示している。磁界は、ベクトル（矢印）で示されている。
図７に示すように、格子２にさしかかる前のｓ偏光光にはＨｚ成分が無いためＨｘ成分のみとなるが、格子２にさしかかる前述のＨｚ成分の生成により、磁界がｘ−ｙ面内で波打つことが確認できる。図７に示すように、磁界の波打ちは、時計回りの磁界の回転とも言える状況である。尚、図７では、ｙ方向が光の伝搬方向であり、ｚ方向が格子２の長さ方向になっており、図６とは異なる。
【００３７】
このような磁界成分Ｈｚの波打ち（回転）が生じると、アンペール・マクスウェルの法則に対応するマクスウェル方程式（式３）により、さらにｙ方向に電界が発生する。
【数３】
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この様子を図８において模式的に示す。図８は、磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により新たに電界Ｅｙが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。
【００３８】
図８に示すように、ｘ−ｚ面内での磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）により、格子２内では図８の紙面手前側に向いた電界Ｅｙが発生し、格子２と格子２の間においては紙面奥側に向いた電界Ｅｙが発生する。この場合、入射したｓ偏光光の元の電界Ｅｙは紙面手前側に向いているから、格子２間の電界は、上記磁界の回転により打ち消され、波動が分断するように作用する。結果として、電界Ｅｙが格子２内に局在し、格子２の材質に応じた吸収によりｓ偏光光のエネルギーが格子２内を伝播しながら消失していく。
【００３９】
一方、ｐ偏光光については、電界成分はｘ方向に向いているが（Ｅｘ）、ｙ方向で見たとき、誘電率の分布は一様であるため、前述したような電界の回転成分は実質的に生じない。従って、ｓ偏光光のような電界の格子２内の局在化、格子２内での減衰は、ｐ偏光光に生じない。つまり、磁界成分Ｈｘの波打ち（回転）を生じさせることで電界Ｅｙを格子２内に局在させ、格子２内での吸収によりｓ偏光光を選択的に減衰させていくのが、この実施形態のグリッド偏光素子の動作原理である。このような電界Ｅｙの局在化は、格子２を偏在化させ、格子２間の間隔を部分的に狭くすることで効率良く達成でき、これによって消光比を高めることができるものと推測される。図４に示す消光比の向上は、このようなメカニズムによるものと考えられる。
【００４０】
また、上記のような電界Ｅｙの局在化は、アルミのように屈折率実部ｎが消衰係数ｋよりも小さい場合には、実質的に生じない。屈折率実部ｎと消衰係数ｋは、物理定数εやμを使って表すと、以下の式４のようになる。
【数４】
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式４から、ｎ＜ｋということは、負の誘電率を持つということになる。このことは、波動が内部に入っていけないことを意味し、上記の場合には格子２内に電界が形成されないことを意味する。従って、上記のような電界の局在化は実質的に生じない。その一方、格子２を偏在化させることで格子間隔が広い場所が生じると、ｓ偏光光がその場所を通り抜けるようにして伝搬し易くなり、結果的に消光比が大きく低下してしまう。図５に示す消光比の激減は、このような状況を示しているものと推測される。
【００４１】
次に、実施形態のグリッド偏光素子のさらに好ましい構造について説明する。
まず、図４に示すシミュレーション結果は、図２に示す１００℃で作成した酸化チタン薄膜のデータに基づいたものであった。発明者らは、同じく酸化チタン薄膜を３００℃の温度で作成してシミュレーションを行った。図９は、この３００℃成膜の酸化チタン薄膜の光学定数を示した図であり、図１０は、図９に光学定数を示す酸化チタン薄膜について同様に偏在比ｔ／Ｔを変化させた際の透過率と消光比についてシミュレーションした結果を示した図である。
【００４２】
図９に示すように、３００℃成膜の場合にも、２４０〜４００ｎｍ程度の波長範囲において、屈折率実部ｎは消衰係数ｋよりも大きい。また、図１０（１）に示すように１０〜２０ｎｍの格子幅Ｗで透過率はそれほど低下しておらず、２０〜３０ｎｍの格子幅Ｗでも、１〜０．７の偏在比ｔ／Ｔの範囲では透過率は大きな低下を見せていない。そして、図１０（２）に示すように、消光比については１０ｎｍを除く格子幅において大きな向上が確認される。
【００４３】
図１１は、このような酸化チタン製の格子２を使用したグリッド偏光素子の最適な構造について検討した結果の図である。図４（２）や図１０（２）に示されているように、偏在比ｔ／Ｔを１から小さくしていくと（偏在させていくと）、殆どの場合、すぐさま消光比が向上する。消光比はあるｔ／Ｔでピークとなり、その後は下降する。そして、あるｔ／Ｔを境に消光比は相対値１より小さくなる。即ち、偏在させない場合に比べて消光比が小さくなる。従って、消光比が相対値１を下回る際のｔ／Ｔの値（以下、臨界偏在比と呼ぶ）以上の偏在比となっていれば良いことになる。
【００４４】
図１１は、この臨界偏在比をプロットした図である。●マーカーが図４（２）に示す１００℃成膜の場合、▲マーカーが図１０（２）に示す３００℃成膜の場合である。図１１に示す直線は、各マーカーについて最小二乗法を適用して引いた直線である。ここに示すように、１００℃成膜の場合には、ｔ／Ｔ＞０．０１４７ｗ−０．１１３４としておけば、消光比の向上が見込めることになる。また、３００℃成膜の場合には、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４としておけば、消光比の向上が見込めることになる。
【００４５】
酸化チタン薄膜は、後述するＡＬＤのようなＣＶＤ（化学的気相成長）により作成される場合が多く、成膜温度は１００〜３００℃程度が一般的である。１００℃を下回る温度では、実用に耐え得る膜を得るのが難しい。また、３００℃を越える温度で成膜すると、結晶化の度合いが進んでしまい、アモルファス状態でなくなってしまうことが多い。３００℃成膜の場合にも、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４であれば消光比向上が見込めることは変わりがないから、結局、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４であれば、アモルファス状態の酸化チタン薄膜より成る格子２を備えたグリッド偏光素子全般について、消光比向上の効果が見込めることになる。
【００４６】
透過率の低下回避について言及すると、図４（１）において、透過率が例えば１０％以上低下している条件は、格子幅が２５ｎｍ以上で且つｔ／Ｔが０．４程度より小さい場合である。また、図１０（１）において、透過率が１０％以上低下している条件は、やはり格子幅が２５ｎｍ以上でｔ／Ｔが０．４程度より小さい場合である。この条件を図１１のグラフに当てはめてみると、ｔ／Ｔ＝０．０１４９ｗ＋０．０６４４の直線より下側であることが確認される。即ち、ｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４であれば、いずれの格子幅を採用する場合でも透過率を大きく低下させることなく消光比向上が見込めるということである。
【００４７】
次に、比較例として、結晶化した酸化チタンを格子２の材質として採用した場合について説明する。図１２は、一例としてルチル型結晶の酸化チタンの光学定数について示した図である。この酸化チタン薄膜は、ＣＶＤで成膜した後、６００℃程度で熱処理して結晶化させたものである。図１２に示すように、ルチル型結晶の酸化チタンの場合、２８０ｎｍ付近を境にｎとｋが逆転しており、２８０ｎｍ付近より長い波長においてｎ＞ｋとなっている。
【００４８】
図１３は、このようなルチル型結晶の酸化チタンを格子２の材質として採用した場合、偏在比ｔ／Ｔに対して透過率や消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションでは、使用波長を２５４ｎｍとし、この波長で得られるｎ＝１．５５、ｋ＝３．０９を前提として同様にＲＣＷＡ法によりシミュレーションを行った。
図１３に示すように、ルチル型結晶の酸化チタンの場合、透過率については一部に向上が見られるものの、消光比はいずれの偏在比ｔ／Ｔにおいても激減しており、偏在比ｔ／Ｔを１未満とすることによる消光比向上の効果は全く得られないことが判る。即ち、消光比向上のためには、酸化チタンの状態はアモルファス状であることが重要である。
【００４９】
ルチル型結晶の場合に上記のように消光比向上の効果が得られない理由が、ｎ＞ｋの関係ではないからなのか、アモルファスでないからからなのかは、必ずしも明らかではない。両方が原因しているとも推測される。いずれにしても、偏在比ｔ／Ｔの最適化による消光比向上の効果は、ｎ＞ｋでありアモルファス状である格子を採用した場合に可能となる。
尚、「アモルファス」、「結晶」という各用語の意味が物理的に明確であるが、実際のグリッド偏光素子では、格子の構造において、アモルファス構造と結晶構造の部分とが混在している場合がある。このような場合、格子の半分以上の領域でアモルファス構造となっていれば、「アモルファス状」と言い得る。結晶性の評価については、Ｘ線回折法やラザフォード後方散乱分析法（ＲＢＳ）等が使用されるが、このような分析において完全な結晶状態を示すピークの半分以下のピークであれば、アモルファス状であるとすることができる。尚、結晶状態には、いわゆる微結晶が含まれる。
【００５０】
次に、上記実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について説明する。
図１４は、実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。実施形態の製造方法では、まず、図１４（１）に示すように、透明基板１上に中間薄膜３を作成する。中間薄膜３は、格子用の薄膜を作成する際のベースになる薄膜である。中間薄膜３は、最終的には除去されるものであるため、特に材料については制限がない。形状安定性が良く、エッチングの際に迅速に除去可能であれば良い。例えば、フォトレジストなどの有機材料、シリコン、カーボンなどが中間薄膜３の材質として選定される。
【００５１】
次に、図１４（２）に示すように、フォトリソグラフィを行って中間薄膜３をパターニングする。即ち、フォトレジストの全面塗布と、露光、現像、エッチングを行って中間薄膜をパターニングする。パターニングは、中間薄膜３が紙面垂直方向に延びた縞状になるようにするものである。この際、中間薄膜３の縞の幅Ｌ１や間隔Ｌ２は、最終的に作成される格子２の間隔ｔ，Ｔを決めるものである。
【００５２】
次に、図１４（３）に示すように、パターニングされた中間薄膜３の全面を覆うようにして格子用薄膜４が作成される。格子用薄膜４は、格子の材料即ち酸化チタンより成る薄膜である。格子用薄膜４は、熱ＣＶＤの一種であるＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)によって作成される。ＡＬＤは、反応容器内に配置した基板上にプリカーサの気相分子を少しずつ供給して１原子層毎に吸着、成膜する技術である。プリカーサの反応が飽和した後、気相分子をパージして再度プリカーサ気相分子を供給する。これを繰り返して、所定の厚さの薄膜を作成する。成膜温度の低減や成膜速度の向上のため、プラズマパルスを印加する場合もある。
【００５３】
このようにして格子用薄膜４を作成した後、格子用薄膜４の異方性エッチングを行う。異方性エッチングは、透明基板１の厚さ方向のエッチングである。このエッチングにより、図１４（４）に示すように中間薄膜３のパターンの両側壁に格子用薄膜４が残留した状態となる。その後、中間薄膜３の材料のみエッチングできるエッチャントを使用してエッチングを行い、中間薄膜３のパターンをすべて除去する。これにより、酸化チタン製の各線状部２１より成る格子２が透明基板１上に形成された状態となり、実施形態のグリッド偏光素子が得られる。得られたグリッド偏光素子は、所定の偏在比ｔ／Ｔを持ち、この値になるように格子幅Ｗに応じて中間薄膜３のパターン寸法Ｌ１，Ｌ２が決定される。
【００５４】
次に、このようなグリッド偏光素子の使用例について説明する。図１５は、実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。
図１５に示す装置は、前述した液晶ディスプレイ用の光配向膜を得るための光配向装置であり、対象物（ワーク）１０に偏光光を照射することで、ワーク１０の分子構造が一定の方向に揃った状態とするものである。従って、ワーク１０は光配向膜用の膜（膜材）であり、例えばポリイミド製のシートである。ワーク１０がシート状である場合、ロールツーロールの搬送方式が採用され、搬送の途中で偏光光が照射される。光配向用の膜材で被覆された液晶基板がワークとなることもあり、この場合には、液晶基板をステージに載せて搬送したり、又はコンベアで搬送したりする構成が採用される。
【００５５】
図１５に示す装置は、光源５と、光源５の背後を覆ったミラー６と、光源５とワーク６との間に配置されたグリッド偏光素子７とを備える。グリッド偏光素子７は、前述した実施形態のものである。
多くの場合、光配向には紫外線の照射が必要なことから、光源５には高圧水銀ランプのような紫外線ランプが使用される。光源５は、ワーク１０の搬送方向に対して垂直な方向（ここでは紙面垂直方向）に長いものが使用される。
【００５６】
グリッド偏光素子７は、前述したように、格子２の長さを基準にしてｐ偏光光を選択的に透過させるものである。従って、光配向を行う方向にｐ偏光光の偏光軸が向くよう、ワーク１０に対してグリッド偏光素子７が姿勢精度良く配置される。
尚、グリッド偏光素子は、大型のものを製造するのが難しいため、大きな領域に偏光光を照射する必要がある場合、複数のグリッド偏光素子を同一平面上に並べた構成が採用される。この場合、複数のグリッド偏光素子を並べた面は、ワーク１０の表面と並行とされ、各グリッド偏光素子における格子の長さ方向がワークに対して所定の向きとなるように各グリッド偏光素子が配置される。
【００５７】
上述した実施形態のグリッド偏光素子によれば、格子２はアモルファス状の酸化チタンで形成され、格子幅ｗに対して格子２の偏在比ｔ／Ｔがｔ／Ｔ＞０．０１４９ｗ＋０．０６４４の関係を有しているので、透過率を大きく低下させることなく消光比を向上させることができる。このため、より質の良い偏光光を照射することができる。尚、格子幅ｗは、製造上のばらつきその他の理由により各線状部２１によって異なるものになる場合、上記式に適用する際、各線状部２１の幅の平均値を適用することになる。
そして、このようなグリッド偏光素子を搭載した光配向装置は、消光比の高いグリッド偏光素子を使用しているので、高品質の光配向処理を行うことが可能となり、高品質の光配向膜を得ることができる。このため、高画質のディスプレイの製造に大きく貢献できる。
【００５８】
尚、実施形態のグリッド偏光素子の構造において、ｔ≠Ｔとなっている部分が周期的に存在すると説明したが、距離ｔの部分と距離Ｔの部分とが交互に存在している構造（図１に示す構造）は、その一例である。周期的な格子の偏在構造は、これ以外にも多く考えられる。但し、広い離間間隔Ｔで線状部２１が並んでいる部分が連続することは好ましくない。ｐ偏光光がその部分で透過し易くなり、消光比が低下してしまうからである。格子間隔のパターンをｔ（狭い）、Ｔ（広い）で表すと、好ましい他の一例として、ｔｔＴｔｔＴｔｔＴ…や、ｔｔＴｔＴｔｔＴｔＴ…等が挙げられる。この例も含め、本願発明は、ｔ＝Ｔとなっている部分を含むことを排除するものでない。即ち、全ての箇所においてｔ≠Ｔとすることは必須要件ではない。但し、消光比向上の効果を得る観点から、格子の全領域のうち半分以上の領域においてｔ≠Ｔとなっていることが好ましい。
また、本願発明のグリッド偏光素子が好適に使用できる波長域は、可視域のうちの短波長側と紫外域であったが、紫外域においてのみ専ら使用されるものであっても良い。
【符号の説明】
【００５９】
１  透明基板
２  格子
２１  線状部
３  中間薄膜
４  格子用薄膜
５  光源
６  ミラー
７  グリッド偏光素子
１０  ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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