JP2006171151A

JP2006171151A - 偏光分離素子

Info

Publication number: JP2006171151A
Application number: JP2004360882A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Morita; 英明森田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: JP4650931B2

Abstract

【課題】新規な原理に基づき、製造が容易で耐熱性があり、大面積化が可能な偏光分離素子を提供する。
【解決手段】直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光を反射に比べてよい多くの割合で透過し、他方の直線偏光を透過に比べてよい多くの割合で反射する偏光分離素子１であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期Λで連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜１５からなる偏光分離素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光分離素子に関し、特に、直交する一方の直線偏光をほとんど反射し、他方の直線偏光をほとんど透過する偏光分離素子に関するものである。

光学分野において、ランダムな偏光（自然偏光）を直交する２つの偏光に分離する偏光分離素子が多くの分野で用いられている。その代表的な例として液晶表示装置があげられる。

従来、偏光分離素子として、偏光ビームスプリッタープリズム、複屈折フィルム、ワイヤーグリッド偏光子等が知られている。偏光ビームスプリッタープリズムは、複屈折プリズムや直角プリズム間に誘電体多層膜を挟んだ構成のものであり、複屈折フィルムは、例えば、特許文献１の図４に示されるような２つの異なったポリマー材からなる交互の層を多層積層し、一方の層は延伸することで屈折率の異方性を持ち、もう一方の層は延伸によらず一定の屈折率を有しており、このような構成の層にランダム偏光のバックライトを入射させることで、一方向の直線偏光が通過し、それに直交する直線偏光が反射させるようにしたもので、ＤＢＥＦという商品名で実際に使用されている。

また、ワイヤグリッド偏光子は、透明基板の表面にアルミニウム、銀、Ｃｒ等の金属からなり波長以下の一定周期で平行に配置された直線格子状の導電線層からなるものであり、非特許文献１、非特許文献２等において知られている。

さらに、レリーフ回折格子型の周期的な溝列上に高屈折率層と低屈折率層を交互に積層して周期的な凹凸構造を持たせた偏光分離素子も特許文献２において知られている。
特表平９−５０６９８４号公報特開２０００−１３１５２２号公報特開平７−２３５０７５号公報『現代人の物理１−光と磁気』（東京農業大学佐藤勝昭１９８８年Ｐ．１０３（朝倉書店） J.P. Auton,"Infrared Transmission Polarizer by Photolithography",Applied.Optics.Vol.6.p.1023(1967)

しかしながら、偏光ビームスプリッタープリズムは比較的嵩張り、大面積化することが難しい。また、複屈折フィルムはポリマー材からなるので、耐熱性に難がある。また、耐熱性のある従来のワイヤーグリッド偏光子はフォトリソグラフィーを利用して作製するので、高価であり、大面積化も難しい。さらに、周期的な溝列上に高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した偏光分離素子は製造が容易でなく、また、均一なものを大面積化することも難しい。

本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、新規な原理に基づき、製造が容易で耐熱性があり、大面積化が可能な偏光分離素子を提供することである。

上記目的を達成する本発明の偏光分離素子は、直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光を反射に比べてよい多くの割合で透過し、他方の直線偏光を透過に比べてよい多くの割合で反射する偏光分離素子であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなることを特徴とするものである。

本発明の別の偏光分離素子は、直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光の反射割合がより高く、他方の直線偏光の反射割合がより低い偏光分離素子であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなることを特徴とするものである。

本発明のさらに別の偏光分離素子は、直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光の透過割合がより高く、他方の直線偏光の透過割合がより低い偏光分離素子であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなることを特徴とするものである。

これらの場合に、前記金属薄膜が一方の面が透明体に密着して支持されており、前記透明体の前記金属薄膜側の面と反対側の面が平面となっているものとすることができる。

あるいは、前記金属薄膜が枠内に張って支持されているものとすることができる。

また、前記金属薄膜は、アルミニウム、金、銀の何れかからなることが望ましい。

また、前記金属薄膜の断面形状における周期をΛ、断面三角波状の溝の深さｈ、断面三角波状の溝の深さ方向の前記金属薄膜の厚さをｄとし、使用波長域における最小波長をλ_minとするとき、
Λ／λ_min＜０．５・・・（１）
ｈ＞１．５Λ ・・・（２）
ｄ＞０．０１０μｍ・・・（３）
の条件を満足することが望ましい。

本発明の偏光分離素子は、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなるので、そのような断面形状の原版を一旦作製すると、２Ｐ法等でその原版を複製しその後１層の金属薄膜を形成することで、比較的安価で容易に複製品として作製することができる。ここで、原版はフォトリソグラフィーによる方法の他にナノ・マイクロ切削、２光束干渉露光法等の方法による作製も考えられ、大面積化が可能となる。そして、偏光分離素子の主体が金属薄膜であるので耐熱性に優れているものが得られる。

以下に、本発明の偏光分離素子をその原理と実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明の１実施例の偏光分離素子の側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。この偏光分離素子１は、透明平面基板１１上に透明樹脂層１２を設け、その透明樹脂層１２の表面を、図１（ａ）の紙面内横方向には一定周期Λで連続的に繰り返す溝線１３と稜線１４とからなる断面三角波状の凹凸面であって、図１（ａ）の紙面に直交する方向（図１（ｂ）の上下方向）には一様に連続する凹凸面を形成し、その凹凸面上にアルミニウム等の一定の厚さの金属薄膜１５を積層してなるものである。そのため、金属薄膜１５だけをみると、図１（ａ）の紙面内の断面形状が一定周期Λで連続的に繰り返す三角波状であり、図１（ａ）の紙面に直交する方向には一様に連続する面形状をしている。そして、この金属薄膜１５の断面三角波状の連続的に繰り返すパターンの周期Λは使用波長より小さく設定されている。

このような構成の偏光分離素子１に基板１１に略垂直にランダム偏光（自然偏光）２を入射させると、溝線１３と稜線１４に平行に振動する電界ベクトルを持つような直線偏光（Ｓ偏光）の成分は、金属薄膜１５中に溝線１３と稜線１４に平行に電子を振動させるため入射光と同じ方向の偏光成分を反対方向に放射し、結果的にＳ偏光は反射光３として反射され、溝線１３と稜線１４に直交する方向に振動する電界ベクトルを持つような直線偏光（Ｐ偏光）の成分は、このような電子の振動を励起できないため金属薄膜１５中に入って裏面に達し透過光４として透過するもので、このような偏光分離素子１にＳ偏光とＰ偏光の合成光であるランダム偏光２を入射させると、反射光３のＳ偏光と透過光４のＰ偏光に分離できるものである。

いま、１つの具体例として、偏光分離素子１が屈折率１の空中にあり、透明平面基板１１と透明樹脂層１２の屈折率を１．５とし、使用波長を０．４μｍ〜０．７μｍとし、断面三角波状の連続的に繰り返すパターンの周期Λ＝０．１２μｍ、溝線１３に対する稜線１４の高さ（断面三角波状の突起の高さ、断面三角波状の溝の深さ）ｈ＝０．３０μｍ、透明平面基板１１に垂直な方向（偏光分離素子１の面に垂直な方向）の金属薄膜１５の厚さｄ＝０．０３μｍとし、金属薄膜１５がアルミニウム薄膜からなる場合の、Ｓ偏光とＰ偏光の透過率、反射率特性を図２に示す。ただし、透過率については、透明平面基板１１内での透過率である。

この図２から、本発明により、極めて効率的にＳ偏光を反射光３、Ｐ偏光を透過光４として偏光分離できることが分かる。

なお、ここで、上記の周期Λ、高さｈ、厚さｄの範囲について説明しておくと、Ｓ偏光とＰ偏光を効率良く分離するには、
Λ／λ_min＜０．５・・・（１）
ｈ＞１．５Λ ・・・（２）
ｄ＞０．０１０μｍ・・・（３）
の条件を満足することが好ましい。ここで、λ_minは使用波長における最小波長である。金属薄膜１５の厚さｄが０．０１０μｍより薄いと、Ｓ偏光の透過率が大きくなり、消光比が悪くなってしまう。なお、厚さｄが大きくなっても、周期Λに対する高さｈが大きくなれば、金属薄膜１５の突起の斜面に垂直な方向の厚さは薄くなり、Ｓ偏光とＰ偏光の消光比を良好にすることが可能なので、金属薄膜１５の厚さｄについてはの上限は設定できない。

金属薄膜１５に使用可能な金属材料としては、屈折率が０に近く、消衰係数が５程度のアルミニウム（Ａｌ）が良く、これに準じて金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）が適する。

図３に、本発明の偏光分離素子１の別の実施例の側面図を示す。この実施例の偏光分離素子１は、図１の偏光分離素子１において、断面形状が一定周期Λで連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜１５の支持体となっている透明樹脂層１２と透明平面基板１１を取り除き、金属薄膜１５のみを空中に支持した形態のものであり、図１の実施例の場合と同様に、Ｓ偏光とＰ偏光の合成光であるランダム偏光２をこの偏光分離素子１に入射させると、Ｓ偏光が反射光として、Ｐ偏光が透過光として分離できる。その原理は図１の場合と同様である。また、周期Λ、高さｈ（この場合は、断面三角波状の溝の深さ）、厚さｄの範囲、金属の種類は、図１の形態と同様である。

図４に、図３の形態の偏光分離素子１の支持構造の１例を示す。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）はその断面図であり、矩形枠２０に金属薄膜１５が張架されており、その張架された金属薄膜１５に、断面形状が一定周期で連続的に繰り返す三角波状の平行の溝２１を、例えば原版のプレス法により設けることにより、図３の形態の偏光分離素子１が矩形枠２０内に安定に支持される。

なお、図１の構成と図３の構成を比較すると、図１の構成では、透明樹脂層１２に金属薄膜１５に密着させることの作製の容易さがある。これに対して、図３の構成では、断面形状の三角波形状の高さｈが低くてすむ作製の容易さがある。

以上のような本発明の可視光用（波長０．４〜０．７μｍ）の偏光分離素子の１具体例として、以下の工程により図１のような偏光分離素子１を作製した。なお、２Ｐ複製法については、例えば特許文献３参照。

（１）原版作製：一周期の断面形状が二等辺三角形で、周期Λ＝０．１２μｍ、高さ０．３３μｍの表面直線格子状の原版をナノ・マイクロ切削により作製した。もちろん、この原版作製は、リソグラフィー、２光束干渉露光法等の他の方法でもよい。

（２）２Ｐ複製：（１）により得られた直線格子状の原版に対して紫外線硬化型樹脂を塗布して紫外線硬化をさせ原版から剥離することにより、直線格子状の原版の表面形状を紫外線硬化型樹脂表面に複製した。この原版複製は他の方法でもよい。その際、複製品の周期Λは変わらないが、断面二等辺三角形の１次元突起の高さは約１０％減少した。そのため、原版での突起のの高さはそれを見越した高さの０．３３μｍにしてある。

（３）金属被覆：（２）の複製品の格子状表面にＡｌ真空蒸着することにより、Ａｌの１層の薄膜を厚さｄ＝０．０３μｍで被覆した。

得られた偏光分離素子の性能は、図２の通りであった。なお、上記（２）と（３）の工程は、（１）の工程で原版を１回作製さえすれば、何度も繰り返し容易に行え、安価に、容易に、耐熱性を持った大面積の偏光分離素子を作製することが可能である。

以上、本発明の偏光分離素子を実施例に基づいて説明したが、本発明の偏光分離素子はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

本発明の１実施例の偏光分離素子の側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。１つの具体例の偏光分離素子の透過率、反射率特性を示す図である。本発明の偏光分離素子の別の実施例の側面図である。図３の形態の偏光分離素子の支持構造の１例を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。

符号の説明

１…偏光分離素子（本発明）
２…入射光（自然偏光）
３…反射光（Ｓ偏光）
４…透過光（Ｐ偏光）
１１…透明平面基板
１２…透明樹脂層
１３…溝線
１４…稜線
１５…金属薄膜
２０…矩形枠
２１…溝

Claims

直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光を反射に比べてよい多くの割合で透過し、他方の直線偏光を透過に比べてよい多くの割合で反射する偏光分離素子であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなることを特徴とする偏光分離素子。
直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光の反射割合がより高く、他方の直線偏光の反射割合がより低い偏光分離素子であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなることを特徴とする偏光分離素子。
直交する２つの直線偏光の一方の直線偏光の透過割合がより高く、他方の直線偏光の透過割合がより低い偏光分離素子であって、直交する２方向の中の一方向において周期性を有し、他方向において一様であり、その一方向に沿った断面形状が波長以下の一定周期で連続的に繰り返す三角波状の金属薄膜からなることを特徴とする偏光分離素子。
前記金属薄膜が一方の面が透明体に密着して支持されており、前記透明体の前記金属薄膜側の面と反対側の面が平面となっていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の偏光分離素子。
前記金属薄膜が枠内に張って支持されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の偏光分離素子。
前記金属薄膜がアルミニウム、金、銀の何れかからなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の偏光分離素子。
前記金属薄膜の断面形状における周期をΛ、断面三角波状の溝の深さｈ、断面三角波状の溝の深さ方向の前記金属薄膜の厚さをｄとし、使用波長域における最小波長をλ_minとするとき、
Λ／λ_min＜０．５・・・（１）
ｈ＞１．５Λ ・・・（２）
ｄ＞０．０１０μｍ・・・（３）
の条件を満足することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の偏光分離素子。