(57)【要約】【課題】ワイヤグリッド偏光子や波長板として好適であり、光学特性に優れた光学素子を提供する。【解決手段】透光性基板２と、前記透光性基板２上に形成され、互いに平行な複数の線状凹凸構造６を有する無機材料層３とを備えた光学素子１であって、前記無機材料層３の屈折率ｎｄが１．８以上であることを特徴とする光学素子１。【選択図】図１
2015210416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板と、前記透光性基板上に形成され、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有する無機材料層とを備えた光学素子であって、前記無機材料層の屈折率ｎｄが１．８以上であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記無機材料層が、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＩＴＯ及びコバルト酸化物から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記透光性基板がガラスからなることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
ワイヤグリッド偏光子として用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
波長板として用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子を製造するための方法であって、
透光性基板上に、屈折率ｎｄが１．８以上の無機材料からなるゾルゲル層を形成する工程、
前記ゾルゲル層表面に、互いに平行な複数の線状凹凸構造を形成する工程、及び、
前記ゾルゲル層に熱処理を施すことにより、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有する無機材料層を前記透光性基板上に形成する工程、
を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤグリッド偏光子や波長板等として使用される光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ワイヤグリッド偏光子や波長板として、透光性基板上に所定間隔で互いに平行に形成された線状凹凸構造を形成してなる光学素子が用いられている（例えば、特許文献１及び２参照）。ワイヤグリッド偏光子は、種々の振動方向を有する光から特定方向に振動する光（直線偏光）のみを分離し、その他の方向に振動する光を遮断する光学素子である。また波長板は、直線偏光をある一定の角度（位相差）回転させる（旋光）、あるいは直線偏光を円偏光（またはその逆）に変換する光学素子である。
【０００３】
図４は、一般的なワイヤグリッド偏光子の構造を示す模式的斜視図である。図４に示すように、ワイヤグリッド偏光子２１は、透光性基板２２と、その上に形成された凸部２３及び凹部２４からなる凹凸構造２５と、凸部２３の上面に形成された金属膜２６から構成される。凹凸構造２５は所定間隔で互いに平行に形成されてなる。凹凸構造２５の周期Ｐ並びに凸部２３の高さ（凹部２４の深さ）Ｈ及び幅Ｗは対象となる光の波長に応じて適宜選択される。ここで、実質的に凹凸構造２５に垂直な方向に振動する光のみが透過し、その他の方向に振動する光は遮断される。
【０００４】
一方、図５は、一般的な波長板の構造を示す模式的斜視図である。ワイヤグリッド偏光子２１と同様に、波長板３１は、透光性基板２２と、その上に形成された凸部２３及び凹部２４からなる凹凸構造２５を有する。凹凸構造２５は所定間隔で互いに平行に形成されてなる。凹凸構造２５の周期Ｐ並びに凸部２３の高さ（凹部２４の深さ）Ｈ及び幅Ｗは対象となる光の波長に応じて適宜選択される。波長板３１において、凸部２３の幅Ｗに対する高さＨの比率（Ｈ／Ｗ）は、ワイヤグリッド偏光子２１の場合と比較して大きくなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４４７号公報
【特許文献２】特開昭６２−１７０９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のワイヤグリッド偏光子や波長板等の光学素子は、その光学特性が十分とは言えない。具体的には、従来のワイヤグリッド偏光子は偏光分離特性が不十分である。また、従来の波長板は旋光特性が不十分である。なお、波長板において凸部の高さＨを大きくすることにより旋光特性を向上させることができるが、その場合、精度良く凹凸構造を形成することが困難である。
【０００７】
以上に鑑み、本発明は、ワイヤグリッド偏光子や波長板として好適であり、光学特性に優れた光学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】
【０００８】
本発明の光学素子は、透光性基板と、透光性基板上に形成され、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有する無機材料層とを備えた光学素子であって、無機材料層の屈折率ｎｄが１．８以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らが鋭意検討した結果、ワイヤグリッド偏光子や波長板等の光学素子の光学特性は、透光性基板上に形成される線状凹凸構造部分の屈折率に依存することを見出した。具体的には、本発明の光学素子において、無機材料層の屈折率ｎｄを上記の通り高くすることにより、ワイヤグリッド偏光子や波長板等に用いた場合に良好な光学特性を達成することが可能となった。
【００１０】
本発明の光学素子において、無機材料層がＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＩＴＯ及びコバルト酸化物から選択される少なくとも１種からなることが好ましい。
【００１１】
本発明の光学素子において、透光性基板がガラスからなることが好ましい。
【００１２】
本発明の光学素子は、ワイヤグリッド偏光子として用いることができる。
【００１３】
本発明の光学素子は、波長板として用いることができる。
【００１４】
本発明の光学素子の製造方法は、透光性基板上に、屈折率ｎｄが１．８以上の無機材料からなるゾルゲル層を形成する工程、ゾルゲル層表面に、互いに平行な複数の線状凹凸構造を形成する工程、及び、ゾルゲル層に熱処理を施すことにより、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有する無機材料層を透光性基板上に形成する工程、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ワイヤグリッド偏光子や波長板として好適であり、光学特性に優れた光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態である光学素子を用いたワイヤグリッド偏光子を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態である光学素子を用いた波長板を示す模式的斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態である光学素子を用いたワイヤグリッド偏光子の製造工程を示す模式的側面図である。
【図４】一般的なワイヤグリッド偏光子の構造を示す模式的斜視図である。
【図５】一般的な波長板の構造を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００１８】
（ワイヤグリッド偏光子）
図１は、本発明の一実施形態である光学素子を用いたワイヤグリッド偏光子を示す模式的斜視図である。ワイヤグリッド偏光子１は透光性基板２と、その上に形成された無機材料層３を備えている。無機材料層３は、凸部４及び凹部５から構成される互いに平行な複数の線状凹凸構造６を有する。凸部４の上面には金属膜７が形成されている。なお、図中では凹部５の底面を構成する部分は無機材料層３により構成されているが、透光性基板２が一部露出している箇所があっても構わない。
【００１９】
透光性基板２としては、使用波長域において実用上十分な光透過率を有するものであれば特に限定されない。例えば、使用波長域における透光性基板２の直線透過率は７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、８５％以上であることがさらに好ましい。透光性基板２の具体例としては、ガラスや樹脂等からなる基板が挙げられる。ガラスとしては、耐侯性の観点からホウケイ酸ガラスが好ましい。透光性基板２の厚みは特に限定されないが、０．０１〜１０ｍｍであることが好ましく、０．５〜２ｍｍであることがより好ましい。透光性基板２の厚みが小さすぎると、機械的強度に劣る傾向がある。一方、透光性基板２の厚みが大きすぎると、光透過率に劣り所望の光学特性が得られにくくなる。
【００２０】
無機材料層３の屈折率ｎｄは１．８以上であり、１．９以上であることが好ましく、２以上であることがより好ましく、２．１以上であることがさらに好ましい。無機材料層３の屈折率ｎｄが小さすぎると、所望の光学特性が得られにくくなる。無機材料層３は、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＩＴＯ及びコバルト酸化物から選択される少なくとも１種からなることが好ましい。特に、高屈折率特性を得る観点からは、ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を選択することが好ましい。
【００２１】
無機材料層３における凹凸構造６の周期Ｐ並びに凸部４の高さＨ及び幅Ｗは、目的とする波長に応じて適宜選択すればよい。具体的には、凹凸構造６の周期Ｐは１００〜２０００ｎｍ（さらに好ましくは２００〜１０００ｎｍ）、凸部４の高さＨは５０〜２０００ｎｍ（さらに好ましくは１００〜５００ｎｍ）、周期Ｐに対する凸部４の幅Ｗの比率Ｗ／Ｐは０．３〜０．７（さらに好ましくは０．４〜０．６）の範囲で適宜選択することが好ましい。
【００２２】
金属膜７の材質としてはＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｗ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ２、ＴａＮ等が挙げられる。金属膜７の厚みは５０〜１０００ｎｍであることが好ましく、２００〜４００ｎｍであることがより好ましい。金属膜７の厚みが小さすぎると、所望の光学特性が得られにくくなる。一方、金属膜７の厚みが大きすぎると、偏光透過率が低くなりやすい。
【００２３】
（波長板）
図２は、本発明の一実施形態である光学素子を用いた波長板を示す模式的斜視図である。波長板１１は透光性基板２と、その上に形成された無機材料層３を備えている。無機材料層３は、凸部４及び凹部５から構成される互いに平行な複数の線状凹凸構造６を有する。なお、図中では凹部５の底面を構成する部分は無機材料層３により構成されているが、透光性基板２が一部露出している箇所があっても構わない。
【００２４】
透光性基板２及び無機材料層３としては、ワイヤグリッド偏光子で説明したものと同様のものを使用することができる。
【００２５】
無機材料層３における凹凸構造６の周期Ｐ並びに凸部４の高さＨ及び幅Ｗは、目的とする波長に応じて適宜選択すればよい。具体的には、凹凸構造６の周期Ｐに対する幅Ｗの割合Ｗ／Ｐは０．１〜０．５（さらに好ましくは０．２〜０．４）、凸部４の高さＨは２〜１０μｍ（さらに好ましくは２〜５μｍ）の範囲で適宜選択することが好ましい。
【００２６】
（光学素子の製造方法）
本発明の光学素子はゾルゲルを用いた熱インプリント法により製造することができる。具体的には、本発明の光学素子は、透光性基板上に、屈折率ｎｄが１．８以上の無機材料からなるゾルゲル層を形成する工程、ゾルゲル層に対し、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有するモールドを押圧する工程、及び、ゾルゲル層に熱処理を施すことにより、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有する無機材料層を透光性基板上に形成する工程、を含む方法により製造することができる。
【００２７】
以下に、本発明の光学素子の製造方法の一例として、ワイヤグリッド偏光子の製造方法について、図面を参照しながら各工程毎に詳細に説明する。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態である光学素子を用いたワイヤグリッド偏光子の製造工程を示す模式的側面図である。
【００２９】
まず、図３（ａ）に示すように、透光性基板２の上に上記した無機材料からなるゾルゲル層８を形成する。
【００３０】
ゾルゲル層８の厚みは目的とする無機材料層３の凸部４の高さＨに応じて適宜選択される。具体的には、ワイヤグリッド偏光子の場合、ゾルゲル層８の厚みは１００〜１００００ｎｍであることが好ましく、３００〜１０００ｎｍであることがより好ましい。波長板の場合、ゾルゲル層８の厚みは２〜１５μｍであることが好ましく、３〜１０μｍであることがより好ましい。ゾルゲル層８の形成方法は特に限定されず、例えばスピンコート法、ディップコート等が挙げられる。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示すように、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有するモールド９をゾルゲル層８の上に押圧することにより、ゾルゲル層８の表面に、互いに平行な複数の線状凹凸構造６を形成する。その状態で、熱処理を施すことによりゾルゲル層８が硬化し、凸部及び凹部から構成される互いに平行な複数の線状凹凸構造６を有する無機材料層３が透光性基板２上に形成される（図３（ｃ））。なお、図３（ｂ）の工程において、必ずしもモールド９の上方から意図的に応力を印加する必要はなく、モールド９の自重によりインプリントを行ってもよい。
【００３２】
熱処理温度としては１０〜４００℃であることが好ましく、７０〜１５０℃であることがより好ましい。熱処理温度が低すぎると、ゾルゲル層８の硬化が不十分になりやすい。一方、熱処理温度が高すぎると、ゲル化速度が速くなりすぎて、急激な収縮による膜割れが生じやすくなる。ここで、熱処理を行う前に、常温でしばらく静置することにより、モールド９表面の凹部へのゾルゲルの侵入が促進され、モールド９の表面形状がゾルゲル層８に転写されやすくなる。
【００３３】
図３（ｂ）の工程は、減圧雰囲気で行うことが好ましく、真空雰囲気で行うことがより好ましい。これにより、ゾルゲル層８の脱泡を効率良く行うことができ、結果として光学特性に優れた光学素子が得られやすくなる。
【００３４】
さらに、図３（ｄ）に示すように、無機材料層３における凸部４の上面に金属膜７を形成する。金属膜７の形成方法としては真空蒸着法、スパッタ法等が挙げられる。なかでも、成膜方向の直進性の観点から、真空蒸着法が好ましい。この場合、凸部４の上面に集中的に金属膜７を形成し、凹部５に金属膜７が形成されにくくするため、蒸着は無機材料層３の斜め上方からＳ方向に向かって行うことが好ましい。
【００３５】
なお、モールド９の材質は特に限定されず、例えばシリコーン樹脂製のものを使用することが好ましい。また、後述する実施例に記載したように、まずマスターモールドを作製した上で、当該マスターモールドを用いてモールド９（コピーモールド）を作製することが好ましい。このようにすれば、繰り返し使用によりモールド９が劣化した場合に、同様の寸法形状を有するモールド９を再度容易に作製することが可能となる。
【実施例】
【００３６】
以下に、本発明の光学素子を用いたワイヤグリッド偏光子を実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００３７】
（実施例）
（１）マスターモールドの作製
２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍのＳｉ基板表面にレジスト（東京応化社製ＡＲ−９０）をスピンコーターを用いて塗布した。９０℃で２０分間の予備焼成を行った後、二光束干渉露光を実施した。露光条件は、光量１７０μＷ／ｃｍ２、照射時間約６０秒間、温度１８℃とし、周期４００ｎｍになるように照射光角度を調整した。その後、１１０℃で３分間の焼成を行った。焼成後のＳｉ基板を現像液に浸し、純水で洗浄することにより、マスターモールドを得た。得られたマスターモールドの表面には互いに平行な複数の線状凹凸構造（周期４００ｎｍ、凸部の高さ２００ｎｍ、凸部の幅２００ｎｍ）が形成されていた。
【００３８】
（２）コピーモールドの作製
マスターモールドを、線状凹凸構造が上面となるように容器に入れ、その上からシリコーン樹脂（信越シリコーン社製）を流し込んだ。次に、常温の真空雰囲気中で１時間静置した後、０．３℃／分で昇温して５０℃で４時間加熱し、さらに１℃／分で昇温して１３０℃で０．５時間加熱した後、常温まで放熱した。次に、アセトン中で１２時間超音波処理することによりマスターモールドから離型し、表面に互いに平行な複数の線状凹凸構造を有するコピーモールドを得た。
【００３９】
（３）ワイヤグリッド偏光子の作製
ホウケイ酸ガラスからなる透光性基板の表面に、スピンコーターによりＴｉＯ２ゾル層を形成し、コピーモールドを、線状凹凸構造面がＴｉＯ２ゾル層に対向するように載置した。この際、加圧を行わず、コピーモールドの自重にてインプリントを実施した。常温の真空雰囲気中で１時間静置した後、１０５℃まで３時間かけて昇温し、そのまま０．５時間保持した後、常温まで放冷した。その後、コピーモールドから離型することにより、透光性基板上に、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有するＴｉＯ２層（凹凸構造の周期４００ｎｍ、凸部の高さ１８０ｎｍ、凸部の幅２００ｎｍ、屈折率ｎｄ２．５）を備えた光学素子を得た。
【００４０】
続いて、光学素子を真空蒸着装置内に配置し、５×１０−４Ｐａの雰囲気下でＴｉＯ２層の斜め上方からＡｌ膜の蒸着を行うことにより、ＴｉＯ２層における凸部のほぼ上面のみに、約１００〜１５０ｎｍのＡｌ膜が形成した。これにより、ワイヤグリッド偏光子が得られた。
【００４１】
（４）光学特性の評価
上記ワイヤグリッド偏光子について、下記式に従って波長１５５０ｎｍにおける消光比を測定したところ、４２ｄＢであった。
【００４２】
消光比（ｄＢ）＝ｌｏｇ１０（Ｔ１／Ｔ２）
Ｔ１＝線状凹凸構造と垂直方向に振動する光の透過率
Ｔ２＝線状凹凸構造と平行方向に振動する光の透過率
【００４３】
（比較例）
ホウケイ酸ガラス（屈折率ｎｄ１．５８）からなる透光性基板の表面に、互いに平行な複数の線状凹凸構造を有するＳｉＣ製金型を、５４０℃で３００秒間押圧した。その後、金型を離型することにより、互いに平行な複数の線状凹凸構造（凹凸構造の周期４６８ｎｍ、凸部の高さ１６７ｎｍ、凸部の幅２３４ｎｍ、屈折率ｎｄ１．５８）を表面に有する光学素子を得た。
【００４４】
光学素子を真空蒸着装置内に配置し、５×１０−４Ｐａの雰囲気下で透光性基板における凹凸構造面の斜め上方からＡｌ膜の蒸着を行うことにより、凸部のほぼ上面のみに約１００ｎｍのＡｌ膜が形成した。これにより、ワイヤグリッド偏光子が得られた。
【００４５】
ワイヤグリッド偏光子について、上記の通りに波長１５５０ｎｍにおける消光比を測定したところ、１６ｄＢであった。
【符号の説明】
【００４６】
１、２１  ワイヤグリッド偏光子
２、２２  透光性基板
３  無機材料層
４、２３  凸部
５、２４  凹部
６、２５  凹凸構造
７、２６  金属膜
８  ゾルゲル層
９  モールド
１１、３１  波長板
【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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