(57)【要約】  楕円率や透過率が高く、加工の容易な位相差素子、位相差素子製造方法および当該位相差素子を用いた光学素子を提供することを目的とする。入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子10であって、電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の金属構造体１を平行に周期配列した金属部と、電磁波を透過可能な誘電体からなり、金属構造体１を支持する誘電体部２と、を具備する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子であって、
前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の金属構造体を平行に周期配列した金属部と、
前記電磁波を透過可能な誘電体からなり、前記金属構造体を支持する誘電体部と、
を具備することを特徴とする位相差素子。
【請求項２】
前記金属構造体同士の間は、前記誘電体で充填されていることを特徴とする請求項１記載の位相差素子。
【請求項３】
前記金属部は、前記誘電体に内包されていることを特徴とする請求項１記載の位相差素子。
【請求項４】
前記金属構造体は、電磁波の入射方向側の幅が小さい断面凸状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の位相差素子。
【請求項５】
直線偏光した電磁波を透過させたときの電磁波の楕円率が７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の位相差素子。
【請求項６】
前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチはλ以下に形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の位相差素子。
【請求項７】
前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチは０．３５λ以上に形成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の位相差素子。
【請求項８】
入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、
請求項１ないし７のいずれかに記載の位相差素子と、
を具備し、
前記位相差素子の金属構造体は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０〜５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする光学部材。
【請求項９】
入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、
請求項１ないし７のいずれかに記載の位相差素子と、
前記偏光素子と前記位相差素子の間に配置され、光を照射する発光部と、
前記位相差素子を通過した電磁波を、当該位相差素子側に反射するミラーと、
を具備し、
前記位相差素子の金属構造体は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０〜５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする光学部材。
【請求項１０】
前記ミラーは、前記位相差素子の金属部と離間して配置されることを特徴とする請求項９記載の光学部材。
【請求項１１】
入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子を製造するための位相差素子製造方法であって、
前記電磁波を透過可能な樹脂からなる誘電体に前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の溝を一定間隔で複数形成する溝形成工程と、
前記溝に金属を充填する金属部形成工程と、
を有することを特徴とする位相差素子製造方法。
【請求項１２】
前記金属の露出部を、前記電磁波が透過可能な誘電体で被覆する被覆工程を有することを特徴とする請求項１１記載の位相差素子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相差素子、位相差素子製造方法および当該位相差素子を用いた光学部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の位相差素子は、材料に依存した伝搬速度または吸収特性の違いを利用し、直交する二つの偏光成分の間に位相差を生じさせ、直線偏光から円偏光のように、偏光状態を変化させる光学素子である。このような素子は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬディスプレイ、液晶プロジェクタなどの画像投影装置の画素のオン・オフの切り替えに利用されている。また、エリプソメトリー（偏光解析）などの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器にも広く利用されている。【０００３】
従来、このような位相差素子として、金属膜に複数の開口を周期的に配設したものが開示されている（例えば、特許文献１）。また、当該位相差素子をワイヤーグリッドのような偏光板と組み合わせた光学部材が開示されている（例えば、特許文献２）。【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−５１１６２
【特許文献２】特開２００８−１８０８７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構造では、可視光帯において円偏波（楕円率の絶対値が７０％以上）とみなせる帯域が狭く、また円偏波とみなせる帯域であっても、その透過率は最大で６０％程度と低かった（特許文献１の段落［００５３］および図７参照）。また、従来の位相差板は、開口の形状が三角形又は長方形であり、その加工が困難であった。【０００６】
そこで本発明は、楕円率や透過率が高く、加工の容易な位相差素子、位相差素子製造方法および当該位相差素子を用いた光学部材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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の位相差素子は、入射した電磁波の光学特性を制御するためのものであって、前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の金属構造体を平行に周期配列した金属部と、前記電磁波を透過可能な誘電体からなり、前記金属構造体を支持する誘電体部と、を具備することを特徴とする。【０００８】
この場合、前記金属構造体同士の間は、前記誘電体で充填されていても良い。また、前記金属部は、前記誘電体に内包されていても良い。【０００９】
前記金属構造体は、電磁波の入射方向側の幅が小さい断面凸状であっても良い。【００１０】
また、直線偏光した電磁波を透過させたときの電磁波の楕円率が７０％以上である方が好ましい。また、前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチはλ以下に形成される方が好ましい。【００１１】
また、前記電磁波の波長をλとすると、前記金属構造体のピッチは０．３５λ以上に形成される方が好ましい。【００１２】
また、本発明の光学部材は、入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、本願の位相差素子と、を具備し、前記位相差素子の金属構造体１は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０〜５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする。【００１３】
また、本発明の別の光学部材は、入射した電磁波を偏光させる反射型偏光子と、本願の位相差素子と、前記偏光素子と前記位相差素子の間に配置され、光を照射する発光部と、前記位相差素子を通過した電磁波を、当該位相差素子側に反射するミラーと、を具備し、前記位相差素子の金属構造体は、前記偏光素子を通過した電磁波の偏光方向に対して４０〜５０度の方向に周期配列されていることを特徴とする。【００１４】
この場合、前記ミラーは、前記位相差素子の金属部と離間して配置される方が好ましい。【００１５】
また、本発明の位相差素子製造方法は、入射した電磁波の光学特性を制御するための位相差素子を製造するためのものであって、前記電磁波を透過可能な樹脂からなる誘電体に前記電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の溝を一定間隔で複数形成する溝形成工程と、前記溝に金属を充填する金属部形成工程と、を有することを特徴とする。【００１６】
この場合、前記金属の露出部を、前記電磁波が透過可能な誘電体で被覆する被覆工程を有する方が好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の位相差素子は、簡単な構造でありながら、高い楕円率と透過率を有するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の位相差素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の位相差素子を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の別の位相差素子を示す概略断面図である。
【図４】本発明の別の位相差素子を示す概略斜視図である。
【図５】本発明の別の位相差素子を示す概略断面図である。
【図６】本発明の別の位相差素子を示す概略斜視図である。
【図７】本発明の位相差素子（ピッチ１５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の位相差素子（ピッチ２００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の位相差素子（ピッチ４００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の位相差素子（ピッチ４５０ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の位相差素子（ピッチ１５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の位相差素子（ピッチ２００ｎｍ）における入射波の波長と楕円率の関係を示すグラフである。
【図１９】本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２０】本発明の位相差素子（ピッチ２５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２１】本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２２】本発明の位相差素子（ピッチ３００ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２３】本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２４】本発明の位相差素子（ピッチ３５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２５】本発明の位相差素子（ピッチ４００ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２６】本発明の位相差素子（ピッチ４５０ｎｍ）における入射波の波長と透過率の関係を示すグラフである。
【図２７】本発明の光学部材を示す概略側面図である。
【図２８】本発明の別の光学部材を示す概略側面図である。
【図２９】係数Ｋと偏波取り出し効率（Power）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の位相差素子10について説明する。本発明の位相差素子10は、図１〜図６に示すように、入射した電磁波の光学特性を制御するためのものであって、複数の金属構造体１からなる金属部と誘電体部２とで主に構成される。
【００２０】
金属部は、図１に示すように、直線状の金属構造体１を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状のものである。当該金属構造体１は、電磁波の波長より小さい幅を有するように形成される。また、金属構造体１の断面は、直線偏光である所定波長の電磁波をその偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となるものであればどのようなものでも良い。例えば、断面が四角形や三角形、台形のものを用いることができる。
【００２１】
金属としては、例えば、銀、金、アルミニウム、ニッケル、銅等を挙げることができる。勿論、これらに限定されるものではない。
【００２２】
このように形成された金属部の金属構造体１同士の間を電磁波が通過することにより、電磁波に位相差を与えることができる。
【００２３】
また、金属構造体１同士のピッチＰは、直線偏光である電磁波をその偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となるものであればどのようなものでも良い。ここで楕円率とは、電磁波の軌跡を電磁波の進行方向に垂直な面に投影した際に、その楕円の長軸の長さａと短軸の長さｂの比ｂ／ａを意味する。この楕円率の絶対値が７０％以上であると、透過波は３ｄＢ以内の円偏光とみなせる。
【００２４】
また、金属構造体１の幅や高さも、直線偏光である電磁波をその偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度で入射させた場合に、その透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となるものであればどのようなものでも良い。また、金属構造体は、電磁波の入射方向側の幅が小さい断面凸状にしても良い。なお、金属構造体１の幅や高さによって電磁波の透過率を調節することも可能である。
【００２５】
誘電体部２は、電磁波を透過可能な誘電体からなり、金属構造体１を支持するためのものである。誘電体としては、所望の電磁波を透過可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、フォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術等で加工できる透明な樹脂を用いれば良い。また、ケイ素（Ｓｉ）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の透明な無機化合物を用いることも可能である。
【００２６】
なお、誘電体部２は、金属構造体１同士の間まで前記誘電体で充填するものや、金属部が完全に誘電体部２に内包するものでも良い。これにより、強度を高めたり、金属部の腐食を防止したりすることができる。
【００２７】
次に、シミュレーションを用いて本発明の位相差素子10の機能を説明する。シミュレーションには、シノプシス社（synopsys, Inc）製のソフトDiffractMODを用いた。シミュレーションには、金属部が直線状で断面長方形の金属構造体１を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状のものを用いた。また、金属はアルミニウムとし、金属構造体１の周辺は屈折率が１．５の誘電体であるとした。入射させる電磁波（入射波）は直線偏光とし、その偏光方向が金属構造体１の直線方向に対して４５度の角度であるとした。また、入射させる電磁波は波長が３００〜８００ｎｍまで１０ｎｍずつ異なるものを計算した。金属構造体１のピッチＰ、高さＨ、幅Ｗを表１のように変えた場合の入射波の波長と透過波の楕円率の関係を図７〜図１６に、入射波の波長と透過波の透過率の結果を図１７〜図２６に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
図７〜図１６に示すように、本願の位相差素子10は、広い波長の帯域で楕円率の絶対値が７０％以上であることがわかる。また、その透過率も非常に大きいことがわかる。例えば、図１４および図２４に示すように、金属構造体１のピッチＰを３５０ｎｍ、高さＨを３００ｎｍ、幅Ｗを４５ｎｍとした場合、入射波の波長λが５７０〜７９０ｎｍの帯域で、透過波の楕円率の絶対値が７０％以上となる。また、この範囲における透過率は７８．４％以上で最大は９０．７％である。これらの値は、特許文献１の位相差素子と比較しても大幅に向上している。
【００３０】
シミュレーションの結果によれば、入射した直線偏光である電磁波の波長をλとすると、透過波の楕円率の絶対値が７０％以上で、かつ透過率を６０％超とするためには、少なくとも０．３５λ≦Ｐ≦λとするのが良い。また、電磁波の透過率を７０％以上とするためには、少なくとも０．３５λ≦Ｐ≦０．９λとするのが良く、透過率を８０％以上とするためには、少なくとも０．４λ≦Ｐ≦０．７λとするのが良い。
【００３１】
次に、本願の位相差素子10の製造方法について説明する。本発明の位相差素子10の製造方法は、電磁波を透過可能な樹脂からなる誘電体に電磁波の波長より小さい幅を有する直線状の溝を一定間隔で複数形成する溝形成工程と、溝に金属を充填する金属部形成工程と、で主に構成される。
【００３２】
溝形成工程は、金属部を形成するための溝を形成できればどのようなものでも良いが、例えば、従来から知られているフォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術等によって誘電体に溝を形成すれば良い。
【００３３】
金属部形成工程は、溝形成工程で作成した溝に金属を充填できればどのようなものでも良いが、例えばめっきやスパッタリング等によって溝を金属で充填した後、溝以外に形成された金属を研磨等によって除去すれば良い。これにより直線状の金属構造体１を平行に複数周期配列したラインアンドスペース状の金属部を形成することができる。
【００３４】
また、金属部形成工程の後に、金属が露出している部分の電磁波を透過可能な誘電体で被覆する被覆工程を有していても良い。誘電体で被覆する方法はどのようなものでも良いが、例えば、塗布、蒸着、レーザーアブレーション、ＣＶＤ等の方法を用いて金属構造体１の表面を誘電体で覆えば良い。
【００３５】
次に、当該位相差素子10を用いた光学部材100について説明する。
【００３６】
本発明の光学部材100は、図２７に示すように、偏光子20と、本発明の位相差素子10とで主に構成される。
【００３７】
偏光子20は、入射した電磁波を特定方向に偏光、又は偏波した電磁波だけを通過させるものである。偏光子20としては、通過しなかった電磁波の成分を反射する反射型のものと、通過しなかった電磁波を吸収する吸収型のものがある。例えばワイヤーグリッドのような従来から知られているものを用いれば良い。
【００３８】
位相差素子10は、上述した本発明の位相差素子10を用いれば良い。当該位相差素子10は、金属構造体１の直線方向が、偏光子20を通過した電磁波の偏光方向に対して４０〜５０度、好ましくは４５度の方向になるように配置する。これにより、偏光子20を通過した線偏光を円偏光又は楕円偏光の状態に変えることができる。
【００３９】
光学部材100をこのように構成することにより、入射した種々の電磁波を偏光子によって線偏光に変換し、当該線偏光を位相差素子によって円偏光に変換することができる。
【００４０】
また、当該位相差素子10を用いた別の光学部材200について説明する。
【００４１】
本発明の光学部材200は、図２８に示すように、偏光子20と、本発明の位相差素子10と、発光部30と、ミラー40とで主に構成される。
【００４２】
偏光子20は、入射した電磁波を特定方向に偏光、又は偏波した電磁波だけを通過させるものである。また、偏光子20は、通過しなかった電磁波の成分を反射する反射型が用いられる。反射型の偏光子20としては、例えばワイヤーグリッドのような従来から知られているものを用いれば良い。
【００４３】
位相差素子10は、上述した本発明の位相差素子10を用いれば良い。当該位相差素子10は、金属構造体１の直線方向が、偏光子20を通過した電磁波の偏光方向に対して４０〜５０度、好ましくは４５度の方向になるように配置する。これにより、偏光子20を通過した線偏光を円偏光又は楕円偏光の状態に変えることができる。
【００４４】
発光部30は、偏光素子と前記位相差素子10の間に配置され、所望の光（電磁波）を照射するものである。発光部30は、従来から知られているものを用いれば良いが、例えば、ディスプレイやレーザー干渉計等の発光部30が該当する。例えば、図２８の発光部30は、ディスプレイの導波板に該当する。
【００４５】
ミラー40は、位相差素子10を通過した電磁波を、当該位相差素子10側に反射させるためのものである。ここで、ミラーと位相差素子の金属部との距離をＤとすると、電磁波の波長λとは下記式（１）の関係がある。ここでＫは係数である。
Ｄ＝Ｋ×λ／１．５            （１）
また、発光部３０が出力する光のうち、光学部材２００から取り出すことができる光の取り出し効率は、図２９に示す関係がある。ここでλ＞０のため、Ｋ＝０の時、Ｄ＝０となることから、図２９より、少なくともＤ＝０のときは光学部材２００の偏波取り出し効率が低いことがわかる。したがって、ミラー40は、位相差素子10の金属部と離間して配置するのが好ましい。
【００４６】
光学部材をこのように構成することにより、発光部30から偏光子20に入射した電磁波は、特定方向成分のＰ偏光のみ当該偏光子20を通過し、Ｐ偏光に対して垂直な成分のＳ偏光を反射する。反射されたＳ偏光は、位相差素子10を通過すると位相差が生じ、円偏光（又は楕円偏光）に変換される。当該円偏光（又は楕円偏光）は、ミラー40で反射されるとその回転方向が反転する。この電磁波が再び位相差素子10を通過すると、再び線偏光に変換される。この際、電磁波は、ミラー40で回転方向が逆になっているため、入射したＳ偏光に対して垂直に近い電磁波に変換される。当該角度は楕円率に応じて決まり、楕円率の絶対値が１の場合はＰ偏光となる。この結果、発光部30から照射された電磁波は、ほとんどが偏光子20を通過することができ、偏波取り出し効率を向上させることができる。
【００４７】
なお、偏光子20、位相差素子10、発光部30、ミラー40の間は発光部から発光した電磁波を透過可能なものであればどのようなものでも良く、また、互いが接触していても良い。ただし、上述したように、ミラー40は、少なくとも位相差素子10の金属部と離間して配置する方が好ましい。
【符号の説明】
【００４８】
１  金属構造体
２  誘電体部
10  位相差素子
20  偏光子
30  発光部
40  ミラー
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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2017195810.tif 000034
2017195810.tif 000035
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