(57)【要約】【課題】簡単な工程で大面積にわたる回折格子の形成をマスク合わせ精度などの高度な技術を要することなく比較的容易に行うことが可能な偏光分離変換素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】使用波長範囲において光透過性を有する材料より成る基材１の表面に、回折格子を構成する凹凸パターン２が設けられ、この凹凸パターン２の凸部３の少なくとも２つ以上の面が、金属或いは金属化合物より成る材料膜４で被覆されて成る構成とする。  ２回の斜め蒸着により簡単に且つ精度良く回折格子を大面積に形成することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用波長範囲において光透過性を有する材料より成る基材の表面に、回折格子を構成する凹凸パターンが設けられ、
上記凹凸パターンの凸部の少なくとも２つ以上の面が、金属或いは金属化合物より成る材料膜で被覆されて成る
ことを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
上記材料膜が、多層構造とされ、その最表面に、上記多層構造中に設けられる最も厚い金属或いは金属化合物より成る材料層に比して、酸化し難い金属或は金属化合物が成膜されて成る
ことを特徴とする請求項１記載の偏光分離素子。
【請求項３】
使用波長範囲において光透過性を有する材料より成る基材の表面に、回折格子を構成する凹凸パターンを形成し、
上記凹凸パターンの凸部の少なくとも２つ以上の面に、金属或は金属化合物膜より成る材料層を斜め入射の蒸着法により成膜する
ことを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項４】
上記基材上の凹凸パターンを、インプリント法により形成する
ことを特徴とする請求項３記載の偏光分離素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製回折格子（Wire Grid：ワイヤーグリッド）を作製して成る偏光分離素子及びその製造方法に関し、例えばプラスティックフィルム基材上にワイヤーグリッド偏光子（Wire Grid Polarizer）を比較的大面積にわたって容易に製造することによって、安価な偏光分離素子の提供を可能とする偏光分離素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光分離素子としては、薄膜のブリュースター反射角を利用したものが多く用いられているが、これは、薄膜を多層に積層した積層膜を必要とし、また入射角の精度を必要とするため、製造工程が煩雑でコストの低減化を図り難く、また光学装置に組み込む場合は入射角度を設定角度に精度良く配置する必要があり、配置調整によって偏光分離特性に大きく影響するため、組み立て精度を必要とするという問題がある。
このような従来の偏光分離素子に対し、金属より成る回折格子（ワイヤーグリッド）を光の波長よりも小さな間隔で配列することによって偏光分離を行うワイヤーグリッド型偏光分離素子が提案されている。
【０００３】
このようなワイヤーグリッド偏光分離素子としては、ガラス基板上に電子線リソグラフィ法或いは干渉露光法によってマスクパターンニングとドライエッチングを用いてガラス基板上に金属膜より成る回折格子を形成した偏光分離素子が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。
この偏光分離素子は、ガラス基板上に９０ｎｍ幅のＡｌのワイヤー（ピッチ１４４ｎｍ、高さ１００〜２００ｎｍ）を形成して回折格子を構成している。また、石英基板上に、金属或いは金属化合物より成る回折格子が形成されて成る偏光分離素子も提案されている（例えば特許文献３参照。）。
また、斜め蒸着法でナノサイズの金属ワイヤー（ナノワイヤー）を作製しようとする試みもなされている。例えば、ガラス基板の段差部分に蒸着する方法で側壁へのナノサイズのラインを実現している例（例えば非特許文献１参照。）や、ＩｎＰ基板に斜め蒸着法でＰｄやＡｕなどのナノワイヤーを形成した例も報告されている（例えば非特許文献２参照。）。
また、多層フィルムを用いた偏光分離素子も商品化されている（例えば米国３Ｍ社製、ＤＢＥＦ：商品名、非特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６１２２１０３号公報
【特許文献２】米国特許第６２４３１９９号公報
【特許文献３】特開２００４−４５６７２号公報
【非特許文献１】D.E.Prober et al, “Fabrication of 300-Å metal lines with substrate-step techniques.”, Applied.Physics.Letters,.Vol.37(1), (1980)pp.94-96
【非特許文献２】J.Jorritsma, “General technique for fabricating large arrays of nanowires.”, Nanotechnology,Vol.7, No.3, (1996)pp.263-265
【非特許文献３】米国３Ｍ社ホームページ［平成１６年月日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.mmm.co.jp/display/dbef/＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術による偏光分離素子は、大面積・安価・軽量なデバイスの提供という点では課題を残している。どの場合も、基板には重量のあるものを使用しており、大面積のディスプレイ（例えば液晶ディスプレイなど）に用いる輝度向上用の偏光分離素子として使用するには重量の点で問題があり、小型軽量化が困難となる。
また、上述の多層フィルムを用いた偏光分離素子の場合は、軽量・大面積化可能という点で優れているが、その数百層にも及ぶ多層構造のために大変高価となり、この偏光分離素子を組み込む光学装置やディスプレイ装置のコスト高を招来するという問題がある。
【０００６】
ところで、上記特許文献１及び２に記載されているように、ワイヤーグリッド偏光分離素子は、その金属回折格子の高さやピッチによって特性が大きく変わることが知られている。そのため、リソグラフィや金属膜のドライエッチングにより正確なパターンニングが求められている。これらのプロセスを大面積に行うことはコストの面でも技術的な面でも困難である。例えばプラスティックフィルム上に、金属膜をドライエッチングでパターンニングするのは、ガラスや石英基板上に形成する場合よりも格段に技術的難易度が上がる。
また、上記非特許文献１及び２に開示の斜め蒸着で作製する試みは、ナノサイズのワイヤーを作製することを実現してはいるが、完成したナノワイヤーの形状を制御性良く形成する方法については検討されていないのが現状である。
【０００７】
以上述べた課題に鑑みて、本発明は、技術的工夫により簡単な工程で大面積にわたる回折格子の形成をマスク合わせ精度などの高度な技術を要することなく比較的容易に行うことが可能な偏光分離変換素子及びその製造方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明による偏光分離素子は、使用波長範囲において光透過性を有する材料より成る基材の表面に、回折格子を構成する凹凸パターンが設けられ、この凹凸パターンの凸部の少なくとも２つ以上の面が、金属或いは金属化合物より成る材料膜で被覆されて成ることを特徴とする。
また、本発明は、上述の偏光分離素子において、材料膜が、多層構造とされ、その最表面に、多層構造中に設けられる最も厚い金属或いは金属化合物より成る材料層に比して、酸化し難い金属或は金属化合物が成膜されて成ることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による偏光分離素子の製造方法は、使用波長範囲において光透過性を有する材料より成る基材の表面に、回折格子を構成する凹凸パターンを形成し、この凹凸パターンの凸部の少なくとも２つ以上の面に、金属或は金属化合物膜より成る材料層を斜め入射の蒸着法により成膜することを特徴とする。
更に、本発明は、上述の偏光分離素子の製造方法において、上記基材上の凹凸パターンを、インプリント法により形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述の本発明の偏光分離素子によれば、回折格子を構成する凹凸パターンの凸部上の２つ以上の面に金属或いは金属化合物より成る材料膜を被覆することによって、安価で軽量化及び大面積化が可能な実用的な偏光分離素子を提供することができる。
また、材料膜を多層構造として、最表面に、比較的酸化し難い金属或いは金属化合物を成膜することによって、金属製の回折格子が酸化することを抑制し、寿命の長期化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の偏光分離素子の製造方法によれば、大面積のプラスティックフィルム等の基材に、回折格子の幅、ピッチなどの形状を制御性良く作製することができて、偏光分離素子の生産性の向上、コストの低減化を図ることができる。
更に、本発明の偏光分離素子の製造方法において、凹凸パターンをインプリント法により形成することによって、所望の間隔の回折格子を容易且つ精度良く形成することができ、目的とする偏光分離機能を有する偏光分離素子を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態の例について図面を参照しながら説明する。
図１Ａは、本発明による偏光分離素子の一例の要部の概略断面図、図１Ｂは本発明による偏光分離素子の一例の要部の概略斜視図である。
本発明による偏光分離素子は、図１Ａ及びＢに示すように、使用波長範囲において光透過性を有する例えばプラスティックフィルムなどの基材１の上に、回折格子１０を構成する凹凸パターン２が設けられ、この凹凸パターン２の凸部３の２つ以上の面に、金属或いは金属化合物より成る材料膜４が形成された構成とする。
【００１３】
このように、プラスティックフィルム等の基材の上に回折格子を構成する凹凸パターンが形成され、その凸部上の２つ以上の面に金属膜が被覆された回折格子を設けることによって、例えば可視光の波長より周期の短い回折格子１０を設ける場合、基材１の上方から入射する可視光に対して、偏光分離素子として機能する。
本発明においては、基材としてプラスティックを用いることも可能であり、回折格子を金属膜で被覆する構成にすることで、回折格子の形状を制御し易くなり、結果的に回折格子の周期構造などの形状を精度良く製造することができる。
また、金属膜をドライエッチング法でエッチングして回折格子を作製する従来方法と比較して、技術的に容易でコスト的にも安価に偏光分離素子を製造することが可能となる。
【００１４】
図２Ａ〜Ｃに、本発明による偏光分離素子の製造方法の一例の製造工程を示す。
プラスティックフィルム等より成る基材１の表面に、例えば可視光の波長より周期の短い回折格子を構成する凹凸パターン２が形成される。この凹凸パターン２の作製には、インプリント法の使用が好適である。インプリント法を適用する場合は、ナノサイズからミクロンサイズ程度まで所望の間隔の回折格子を容易に形成することができる。この例においては、断面が矩形形状の凹凸パターンを形成した例を示す。
次に、図２Ｂに示すように、凹凸パターン２の凸部３に対し、矢印Ｓ１で示すように斜め方向から金属或いは金属化合物より成る材料膜４を、真空蒸着法で成膜する。このときの蒸着方向Ｓ１としては、一点鎖線ｖで示す基材１の表面に対する法線方向と所定の角度をなす方向とする。
続いて、図２Ｃに示すように、同様に基材１の表面に対して法線方向ｖと所定の角度をなし、上記矢印Ｓ１で示す方向とは対称な方向（図示の例においては左側）から、矢印Ｓ２で示すように、材料膜４を蒸着法で成膜する。
なお、これらの各蒸着方向は、凸部３の稜線がなす直線、すなわち図示の例において図２の紙面と直交する方向に対して、材料膜４の金属粒子の入射面が略垂直に交わる方向に選定することによって、凸部３の間の凹部への被着を回避することができる。
以上の製造工程により、回折格子の凸部の上面及び左右両側面の３つの面が金属膜により被覆される。この結果、基材１の回折格子上方から入射する可視光に対し、偏光分離機能を有する偏光分離素子を得ることができる。
【００１５】
図３に、回折格子の断面を三角形状とした本発明による偏光分離素子の一例の要部の概略断面図を示す。図３において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この場合、基材１の表面の三角形の断面形状の凹凸パターンの作製方法としては、インプリント法を適用して精度良く形成することができる。例えば、インプリントに用いるモールドとして、Ｓｉに異方性ウェットエッチングを行って得られる断面三角形状のモールドを使用することによって、精度良く回折格子の間隔を制御することができる。
そしてこのように三角形状断面の凹凸パターンを形成したプラスティックフィルム等より成る基材１に対して、前述の図２Ａ〜Ｃにおいて説明した例と同様に、回折格子を構成する凹凸パターン２の凸部３の稜線に対して左右両方向から金属或いは金属化合物より成る材料膜４を斜め蒸着することで、目的とする偏光分離機能を有する偏光分離素子を得ることができる。
このように、プラスティックフィルム等の基材への加工が可能であれば、図１において示す矩形形状に限定されることなく、他の多角形状断面、曲線状断面などを有する回折格子を構成することもできる。
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
（１）実施例１
先ず、プラスティックフィルム上に断面矩形形状の回折格子を作製した例について説明する。この例においては、
図２において説明した例と同様の製造工程で製造した。すなわち、厚さ１２０μｍのＰＭＭＡ（polymethylmethacrylate：ポリメチルメタクリレート)フィルムより成る基材１の表面に、インプリント法で幅６０ｎｍ、高さ１００ｎｍの凸部３を有する凹凸パターン２をピッチ２００ｎｍで作製した。この凹凸は、ドライエッチング法で作製することもできる。
【００１７】
次に、凸部３の高さ方向（すなわち基材１の表面に対する法線方向）に対して６０°をなす方向で、凹凸パターン２の延在する方向とは略直交する方向から、Ａｌ金属粒子を真空蒸着法で飛ばして材料膜４を成膜した。この例においては、材料膜４の膜厚は、凸部３の側壁において、膜厚が３０ｎｍ程度になるように成膜した。
この場合の法線方向に対する蒸着方向の角度は、凹凸パターン２の凹部に材料膜４が付着しないように選定した。また、材料膜４の入射方向は、凸部３の稜線方向と略垂直になる方向とした。
【００１８】
続いて、凸部３の高さ方向に対して１回目の蒸着方向とは反対側に６０°をなし、凹凸パターン２の延在する方向と略直交する方向でから、同様にＡｌ粒子を真空蒸着法で飛ばして材料膜４を成膜した。この時の材料膜４の膜厚も、凸部の反対側の側壁において材料膜４の膜厚が３０ｎｍ程度となるように成膜した。
【００１９】
以上の製造工程によりＰＭＭＡフィルム表面の回折格子凸部の上部及び両側壁にＡｌより成る材料膜を被覆させた構造を作製できて、ワイヤーグリッド型構成の偏光分離素子を得ることができた。この例においては、ＰＭＭＡフィルムに入射する光のうち凸部の稜線に平行なＳ偏光成分は反射され、垂直なＰ偏光成分は透過した。Ｓ偏光の反射率は可視光範囲で９５％以上、Ｐ偏光の透過率は可視光範囲で８０％以上であり、偏光分離素子として良好に機能した。
このように、本発明製造方法では、斜め蒸着法により材料膜を形成することで、自在な形状が加工できるプラスティックフィルムを用いて容易にワイヤーグリッド型の偏光分離素子を形成することが可能になった。これにより、大面積で軽量且つ安価な偏光分離素子の実現が可能になる。
【００２０】
次に、断面三角形状の回折格子を有する偏光分離素子を得る例について説明する。
（２）実施例２
この例においては、前述の図３において説明した構造の偏光分離素子を製造した。この場合、厚さ１２０μｍのＰＭＭＡフィルムより成る基材１の表面に、インプリント法で頂角が７０°の二等辺三角形の断面を有する回折格子の凹凸パターンを作製した。インプリントの転写に用いたモールドは、Ｓｉ（１００）面の異方性ウェットエッチングを利用して作製されたものである。この断面の山と谷の高さの差は１５０ｎｍであった。回折格子のピッチは２１５ｎｍであった。
【００２１】
次に、基材１の表面に対する法線から略６０°をなし、また二等辺三角形の頂点が延在する稜線と略直交する方向から、Ａｌより成る材料膜４を斜め蒸着法により成膜した。その後、上記実施例１と同様に、１回目の蒸着方向とは法線を挟んで対称な方向から同様にＡｌ材料膜を成膜した。これらの膜厚は略３５ｎｍになるように
設定された。これにより、断面略二等辺三角形状の凹凸パターンの稜線の左右に金属が被着されて回折格子が構成されたワイヤーグリッド型構成の偏光分離素子を得ることができた。この例においては、Ｓ偏光の反射率は可視光範囲で８５％以上、Ｐ偏光の透過率は可視光範囲で７０％以上であった。
【００２２】
断面三角形状の回折格子は、偏光分離素子としての性能は矩形の断面の場合よりも劣るが、フィルムへのインプリントが矩形の場合よりもはるかに容易であるため、製造上の利点がある。これは、断面三角形状とする場合は押し込み圧力が低くて済み、しかも離型が容易ということによる。
このように、本発明製造方法によれば、より製造が容易な形状として偏光分離素子を構成することが可能となり、これにより、大面積で軽量な偏光分離素子の生産性の向上、またコストの更なる低減化を図ることが可能となる。
【００２３】
なお、本発明は以上説明した各例に何ら限定されるものではなく、各部の寸法や材料、プロセス条件等は本発明の主旨を逸脱しない限りにおいて変更が可能である。例えば、上述の例においては、基材としてＰＭＭＡなどのプラスティックフィルムを用いる例を説明したが、その他ＰＥＴ（polyethylene terephthalate：ポリエチレンテレフタレート）など、使用波長範囲において所望の光透過性を有する材料であればよく、また、必ずしも可撓性を有する材料とは限らず、各種の材料が使用可能である。
【００２４】
更に、材料膜としても、Ａｌに限定されることなく、その他各種の金属或いはＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＳｉ2 などの金属化合物を用いることができる。特に、酸化しやすいＡｌなどの材料膜を用いる場合、これを保護するために、例えばＡｌ膜の上層にＡｕやＰｔなどの酸化しにくい金属薄膜を積層することによって、材料膜の光学的特性の劣化を抑制し、寿命の長期化を図ることが可能となる。また、Ａｌ等より成る材料膜の下側に下地層を設けることもできるなど、その他本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による偏光分離素子の一例の要部の概略断面図である。
【図２】Ａは本発明による偏光分離素子の製造方法の一例の一工程図である。Ｂは本発明による偏光分離素子の製造方法の一例の一工程図である。Ｃは本発明による偏光分離素子の製造方法の一例の一工程図である。
【図３】本発明による偏光分離素子の一例の要部の概略断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１．基材、２．凹凸パターン、３．凸部、４．材料膜、１０．回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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