(57)【要約】【課題】  ＴＭ偏光の透過率の波長依存性が小さい偏光子を提供する。【解決手段】  基板１の上に、金属ワイヤ２を平行に配列して溝構造を形成するが、この金属ワイヤ２を基板１上で太く、上部で細くすることにより、両者での界面反射を小さくすることができる。この効果を十分に出すためには、金属の下面(基板と接する側)の面積（すなわち金属部分の幅と周期構造の周期との比）が、金属の上面（基板と反対側）での２倍以上（Ｗｌ／Ｐ≧２Ｗｕ／Ｐ）であることが好ましい。【選択図】  図１
2007052084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５μｍ以下の波長の光を対象とし、基板上に前記波長より小さい周期構造で吸収性物質による平行なパターンを設けた偏光子であって、前記パターンの下面(基板と接する側)の面積が前記パターンの上面（基板と反対側）の２倍以上であることを特徴とする偏光子。
【請求項２】
請求項１に記載の偏光子であって、前記パターンの高さが前記周期構造のピッチより大きく、前記パターンの上面の面積比率と前記パターンの下面の面積比率との平均が、0.4を上回ることを特徴とする偏光子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の偏光子であって、前記基板の屈折率をｎ０、前記パターンの複素屈折率をｎ２＝ｎｍ＋ｉｋｍ、前記パターン間の媒質の屈折率をｎ３、前記パターンの下面の幅の前記周期構造ののピッチに対する比率をｆとした場合に、
Ｒ＜0.01
であることを特徴とする偏光子。ここで、
【数１】
2007052084.tif 000008
である。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の偏光子であって、
前記パターンの上面と接する媒質の屈折率をｎ１、前記パターンの複素屈折率をｎ２＝ｎｍ＋ｉｋｍ、前記パターン間の媒質の屈折率をｎ３、前記パターンの上面の幅の前記周期構造のピッチに対する比率をｆとした場合に、
Ｒ＜0.01
であることを特徴とする偏光子。ここで、
【数２】
2007052084.tif 000009
である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は紫外〜赤外域で使用するワイヤグリッド偏光子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランダムな偏光を持つ入射光から直線偏光を取り出す偏光子の種類の一つに、波長程度以下のピッチで一定方向に導電性物質である金属ワイヤを配列した、いわゆるワイヤグリッド偏光子がある。これらの素子は、模式的には図４のような断面形状を持つ。すなわち、基板２１の上に直線状の金属ワイヤ２２を平行に配列することによって溝構造を形成したものである。入射光の電場が紙面に垂直ないわゆるＴＥ偏光は、この素子によってほとんどが反射されるが、電場が紙面内にあるいわゆるＴＭ偏光は通り抜けることができるため、透過光として、ＴＭ偏光を取り出すことができる。
【０００３】
この偏光子はマイクロ波など長波長領域では以前より使用されていたが、最近では紫外〜赤外領域での利用も模索されている。この背景としては、微細加工技術の向上により、短波長を対象とする素子の作成が可能となってきたこと、このタイプの素子は、例えばガラス材料および金属のみで作成できるために、従来よく使われてきた有機高分子材料を用いる偏光子と比べて耐熱性が高く、プロジェクターなど大きな入射光強度が必要とされる用途にも使いやすいことなどがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ワイヤグリッド偏光子は、このように優れた特質をもつが、構造により性能にムラを持つという欠点がある。すなわち、材料が決まった場合、通常は、周期溝構造のピッチ、パターン(金属材料)の線幅/ピッチ、パターン高さ（溝の深さ）の３つが主要なパラメータになるが、素子の性能はこれらのパラメータに大きく依存する。例として、波長535nmの光に対して使用する場合に、屈折率ｎ＝1.5のガラス基板を基板２１として使用し、金属ワイヤ２２としてAl(複素屈折率ｎ＝0.85+6.47ｉ)を使用し、(線幅/ピッチ)を0.5にした場合の垂直入射光に対するＴＭ偏光の透過率をピッチとパターンの高さをパラメータとして表現したのが、図５である。解析はＦＤＴＤ法によるものである。また、基板の裏面（パターンが形成されていない側の面）での反射はここでは考慮していない。図５を見ると、ＴＭ偏光の透過率が周期構造のピッチやパターン高さにより大きく変化することがわかる。特に、高さに対する依存性が大きい。
【０００５】
素子を単一波長で使用する場合は、最適なピッチおよびパターン高さの素子を作成すればよいので、この依存性は大きな問題ではないが、広い波長帯域で素子を使用する場合には、これは大きな問題となる。パターン高さの波長に対する比率は波長に依存して変化するので、波長によってＴＭ偏光の透過率が変化する。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ＴＭ偏光の透過率の波長依存性が小さい偏光子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための第１の手段は、５μｍ以下の波長の光を対象とし、基板上に前記波長より小さい周期構造で吸収性物質による平行なパターンを設けた偏光子であって、前記パターンの下面(基板と接する側)の面積が前記パターンの上面（基板と反対側）の２倍以上であることを特徴とする偏光子である。
【０００８】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記パターンの高さが前記周期構造のピッチより大きく、前記パターンの上面の面積比率と前記パターンの下面の面積比率との平均が、0.4を上回ることを特徴とするものである。
【０００９】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記基板の屈折率をｎ０、前記パターンの複素屈折率をｎ２＝ｎｍ＋ｉｋｍ、前記パターン間の媒質の屈折率をｎ３、前記パターンの下面の幅の前記周期構造ののピッチに対する比率をｆとした場合に、
Ｒ＜0.01
であることを特徴とする偏光子である。ここで、
【００１０】
【数１】
2007052084.tif 000003
【００１１】
である。
【００１２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記パターンの上面と接する媒質の屈折率をｎ１、前記パターンの複素屈折率をｎ２＝ｎｍ＋ｉｋｍ、前記パターン間の媒質の屈折率をｎ３、前記パターンの上面の幅の前記周期構造のピッチに対する比率をｆとした場合に、
Ｒ＜0.01
であることを特徴とする偏光子である。ここで、
【００１３】
【数２】
2007052084.tif 000004
【００１４】
である。
である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＴＭ偏光の透過率の波長依存性が小さい偏光子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
屈折率がｎ１およびｎ２の媒質からなる波長より十分に小さな周期構造（屈折率がｎ１の物質の幅／屈折率がｎ２の物質の幅＝ｆ）に関して、周期構造部分の実効的な屈折率は、電場の向きが周期方向と一致する場合（物質境界に垂直：ＴＭ偏光）、
【００１７】
【数３】
2007052084.tif 000005
【００１８】
電場の向きが周期方向に垂直（物質境界に平行：ＴＥ偏光）である場合、
【００１９】
【数４】
2007052084.tif 000006
【００２０】
で与えられることが知られている。ここで、
【００２１】
【数５】
2007052084.tif 000007
【００２２】
であり、ｎ１、ｎ２は一般には複素屈折率である。ｎ１およびｎ２のうち一方が誘電体、一方が複素屈折率の虚部の値が大きな金属である場合、ｎＭでは虚部が小さく、ｎＥでは虚部が大きくなり、それぞれ誘電体的、金属的な特性を示すことになる。これが、素子が偏光子としてはたらく原因である。波長より十分に小さくない周期を持つ構造の場合、実効屈折率はこの値から多少シフトするが、傾向が変わるわけではない。
【００２３】
ところで、ｎＭは一般には基板ともパターン上方の媒質（一般には空気）とも異なる値を持つので、図４のような素子は、実質的には単層膜構造として働くことになる。この点を考慮すると、偏光子の透過率が強いパターン高さ依存性を持ち、パターン高さが同じ場合に強い波長依存性を持つ原因は、パターンの上面と空気との境界と、パターンの下面と基板との境界との干渉効果であると考えられる。
【００２４】
アルミニウムと空気の周期構造（アルミニウムワイヤで形成された溝構造）に関して、屈折率1.5のガラス基板との境界(lower)、及び屈折率１の空気との境界(upper)での、垂直入射光に対する反射率を解析したものを図６に示す。ここで、アルミニウムの複素屈折率は、波長に応じてＲ:1.07+7.06ｉ、Ｇ:0.85+6.47ｉ、Ｂ: 0.63+5.47ｉとした。波長による差はそれほどないので、Ｇに対する結果の表示は省略している。
【００２５】
パターンの高さ、波長によるＴＭ偏光の透過率の差を小さくするためには、パターンの上面と下面との反射率を十分に小さくすることが効果的である。ところが、図６からわかるように、パターンの上面(空気層との境界)での反射率を小さくする条件とパターンの下面(基板との境界)での反射率を小さくする条件は一般には異なる。そこで、両面での反射率を小さくするために、金属（吸収性物質）部分の上面の幅と周期構造の周期との比、及び金属（吸収性物質）部分の下面の幅と周期構造の周期との比を異なるようにするというのが本発明の骨子である。
【００２６】
図６から分かるように、上面での反射率を小さくするためには、金属の構成比（金属部分の幅と周期構造の周期との比）をできる限り小さくすることが好ましいが、下面に関しては、基板や金属の屈折率に応じて有限の金属の構成比を持つ場合に反射が最小となる。そこで、ワイヤ偏光子の断面構造を図１のように形成する。基板１の上に、金属ワイヤ２を平行に配列して周期構造を形成するが、この金属ワイヤ２を基板１上で太く、上部で細くすることにより、両者での界面反射を小さくすることができる。この効果を十分に出すためには、金属ワイヤ２の下面(基板と接する側)の面積（すなわち金属部分の幅と周期構造の周期との比）が、金属ワイヤ２の上面（基板と反対側）での２倍以上（Ｗｌ／Ｐ≧２Ｗｕ／Ｐ）であることが好ましい。また、金属ワイヤ２の形状に段差があるとそこでの反射が生じるため、図１の模式図のように金属部分の幅と周期構造の周期との比を連続的に変化させることが好ましい。このような形状は、エッチングの条件を調整することにより作成することができる。
【００２７】
この際、実施例での消光比を示した図３からもわかるように、パターン高さが概ねピッチ以下であると消光比が大きく取れないため、高さはピッチよりも大きいことが好ましい。さらに、消光比の要請からは、ＴＥ偏光に対する反射率が高いことが好ましい。ＴＥ偏光の反射率はパターン（金属ワイヤ２）の上面の面積比率と、パターンの下面の面積比率との平均値として0.4程度より大きくすることが好ましい。
【００２８】
また、具体的には、（１）式で与えられる下面での反射率を0.01以下とすること、及び（２）式で与えられる上面での反射率を0.01以下とすることが好ましい。反射率が0.01以下であれば、界面での反射振幅は入射光の0.1倍程度以下となり、ＴＭ偏光の透過率に与える影響を抑制することができる。
上下面のどちらか一方の反射率が十分小さくなれば干渉によるムラは抑制することができるが、全体での変化を小さくし、効率を上げるためには、両面での界面反射率を0.01以下とすることが好ましい。ＴＭ偏光の透過率と消光比の両立のためには、界面反射率の条件を満たしたうえで、パターン高さやパターン（金属ワイヤ２）金属構成比が一定以上であることが理想である。
【００２９】
なお、以上の説明においては、パターンの上面が平面であるとして条件の設定を行ってきたが、実際の素子の作成時には上面が全体的に丸みを帯びたり、微小な凹凸が生じたりすることが多い。このような場合でも、微小な凹凸が波長の1/20程度以下の場合、この部分の特性が波面に与える影響は十分に小さいものと考えられる。そこで、パターンの上面が平面でない場合、構成比fはパターン上面から1/20波長程度内側で判断すべきである。又、ワイヤを形成する物質は金属として説明してきたが、吸収性物質であれば同様の効果を生じることができる。
【実施例】
【００３０】
図１に示すような断面構造(断面に垂直な方向では構造は一様)をもつワイヤグリッド偏光子についてシミュレーションを行った。対象とする波長は535nmとし、金属ワイヤ２はアルミニウムを使用した。金属ワイヤ２の上面の幅をＷｕ、下面の幅をＷｌ、パターンのピッチをｐとしたとき、Ｗｕ／ｐ＝0.25、Ｗｌ／ｐ＝0.6とし、パターンのピッチおよび深さは可変とした。空気の屈折率は１、基板の屈折率は1.5、金属(Al)の複素屈折率は0.85+6.47ｉとした。図６からわかるように、この条件下では、上面および下面とも、界面反射率は0.01以内に抑えられている。
【００３１】
この条件下での、この偏光子のＴＭ偏光の透過率をＦＤＴＤ法で解析した結果を図２に示す。界面反射の対策をしていない図５の結果と比較すると、下面付近での金属構成比が高まっている影響で全般的な透過率はやや低下気味であるが、周期構造のパターン高さによる効率の変化が小さくなっていることがわかる。従って、この素子は、広波長帯域特性に優れていることが期待できる。ＴＭ偏光の透過率を上げたい場合は、下面の金属構成比を図５の条件と同程度にすればよい。
【００３２】
このように、本発明の構造を採用することにより、波長依存性と偏光子のパターンの比による性能のムラを小さくし、広い波長帯域で安定した性能を発揮する偏光子を作成することができるうえに、透過率も向上させることができる。
【００３３】
なお、図１のように上面の金属構成比が小さい構造の場合、ＴＥ偏光の透過率も大きくなってしまうことが懸念される。しかし、本実施例(金属構成比の平均値が0.425)での消光比（ＴＭ光の透過率／ＴＥ偏光の透過率）の変化を解析した図３からわかるように、本発明の構造でも、概ねピッチと同程度以上の高さを確保すれば1000を超えるような十分に消光比の大きな素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態の１例であるワイヤ偏光子の断面構造を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例における偏光子の、ＴＭ偏光の透過率をＦＤＴＤ法で解析した結果を示す図である。
【図３】本発明の実施例における偏光子の、消光比（ＴＭ光の透過率／ＴＥ偏光の透過率）の変化を解析した結果を示す図である。
【図４】従来のワイヤグリッド偏光子の構成を示す図である。
【図５】従来のワイヤグリッド偏光子の、垂直入射光に対するＴＭ偏光の透過率をピッチとパターンの高さをパラメータとして表現した図である。
【図６】アルミニウムと空気の周期構造（アルミニウムワイヤで形成された溝構造）に関して、屈折率1.5のガラス基板との境界(lower)、及び屈折率１の空気との境界(upper)での反射率を解析した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…基板、２…金属ワイヤ
【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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