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JP5867439B2 - Grid polarizing element and optical alignment apparatus - Google Patents

Grid polarizing element and optical alignment apparatus Download PDF

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JP5867439B2 JP2013075246A JP2013075246A JP5867439B2 JP 5867439 B2 JP5867439 B2 JP 5867439B2 JP 2013075246 A JP2013075246 A JP 2013075246A JP 2013075246 A JP2013075246 A JP 2013075246A JP 5867439 B2 JP5867439 B2 JP 5867439B2
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Description

本願の発明は、グリッド偏光素子に関するものである。   The present invention relates to a grid polarizing element.

偏光光を得る偏光素子は、偏光サングラスのような身近な製品を始めとして偏光フィルターや偏光フィルム等の光学素子として各種のものが知られており、液晶ディスプレイ等のディスプレイデバイスでも多用されている。偏光素子には、偏光光を取り出す方式から幾つかのものに分類されるが、その一つにグリッド偏光子がある。   Various polarizing elements for obtaining polarized light are known as optical elements such as polarizing filters and polarizing films, as well as familiar products such as polarizing sunglasses, and are also widely used in display devices such as liquid crystal displays. Polarizing elements are classified into several types according to the method of extracting polarized light, and one of them is a grid polarizer.

グリッド偏光素子は、透明基板上に金属(導電体)より成る微細な縞状の格子を設けた構造のものである。格子の間隔を偏光させる光の波長よりも狭くすることで偏光子として機能する。直線偏光光のうち、格子の長さ方向に電界成分を持つ偏光光にとってはフラットな金属と等価なので反射する一方、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光にとっては透明基板のみがあるのと等価なので、透明基板を透過して出射する。このため、偏光子からは格子の長さ方向に垂直な方向の直線偏光光が専ら出射する。偏光素子の姿勢を制御し、格子の長さ方向が所望の方向に向くようにすることで、偏光光の軸(電界成分の向き)が所望の方向に向いた偏光光が得られることになる。   The grid polarizing element has a structure in which a fine striped lattice made of metal (conductor) is provided on a transparent substrate. It functions as a polarizer by making the interval of the grating narrower than the wavelength of light to be polarized. Of linearly polarized light, polarized light having an electric field component in the length direction of the grating is reflected because it is equivalent to a flat metal, whereas only polarized substrate is reflected for polarized light having an electric field component in a direction perpendicular to the length direction. Since it is equivalent to being, it is transmitted through the transparent substrate and emitted. For this reason, linearly polarized light in a direction perpendicular to the length direction of the grating is exclusively emitted from the polarizer. By controlling the orientation of the polarizing element so that the length direction of the grating is in a desired direction, polarized light in which the axis of the polarized light (direction of the electric field component) is directed in the desired direction can be obtained. .

以下、説明の都合上、格子の長さ方向に電界成分を持つ偏光光をs偏光光と呼び、長さ方向に垂直な方向に電界成分を持つ偏光光をp偏光光と呼ぶ。通常、入射面(反射面に垂直で入射光線と反射光線を含む面)に対して電界が垂直なものをs波、平行なものをp波と呼ぶが、格子の長さ方向が入射面と平行であることを前提とし、このように区別する。   Hereinafter, for convenience of explanation, polarized light having an electric field component in the length direction of the grating is referred to as s-polarized light, and polarized light having an electric field component in a direction perpendicular to the length direction is referred to as p-polarized light. Usually, the surface that is perpendicular to the incident surface (the surface that is perpendicular to the reflecting surface and includes the incident light and the reflected light) is called the s wave, and the one that is parallel to the incident surface is called the p wave. The distinction is made on the assumption that they are parallel.

このような偏光素子の性能を示す基本的な指標は、消光比ERと透過率TRである。消光比ERは、偏光素子を透過した偏光光の強度のうち、s偏光光の強度(Is)に対するp偏光光の強度(Ip)の比である(Ip/Is)。また、透過率TRは、通常、入射するs偏光光とp偏光光の全エネルギーに対する出射p偏光光のエネルギーである(TR=Ip/(Ip+Is))。理想的な偏光素子は、消光比ER=∞、透過率TR=50%ということになる。   The basic indicators for the performance of such a polarizing element are the extinction ratio ER and the transmittance TR. The extinction ratio ER is the ratio (Ip / Is) of the intensity (Ip) of p-polarized light to the intensity (Is) of s-polarized light among the intensity of polarized light transmitted through the polarizing element. Further, the transmittance TR is normally the energy of outgoing p-polarized light with respect to the total energy of incident s-polarized light and p-polarized light (TR = Ip / (Ip + Is)). An ideal polarizing element has an extinction ratio ER = ∞ and a transmittance TR = 50%.

特開2011−8172号公報JP 2011-8172 A

光の利用については、ディスプレイ技術に代表されるように可視域の光を利用する場合が多いが、光通信等の分野では赤外域の光が利用される。一方、光をエネルギーとして利用する場合も多く、この場合には紫外域の光が利用されることが多い。例えば、フォトリソグラフィにおけるレジストの露光(感光処理)や紫外線硬化型樹脂の硬化処理等である。従って、偏光光の利用分野においても、偏光光をエネルギーとして利用する場合、紫外域の波長の偏光光が必要になってくる。   Regarding the use of light, light in the visible range is often used as represented by display technology, but light in the infrared range is used in fields such as optical communication. On the other hand, light is often used as energy, and in this case, ultraviolet light is often used. For example, resist exposure (photosensitive processing) in photolithography, UV curing resin curing processing, and the like. Therefore, in the field of using polarized light, when using polarized light as energy, polarized light having a wavelength in the ultraviolet region is required.

より具体的な一例を示すと、液晶ディスプレイの製造プロセスにおいて、近年、光配向と呼ばれる技術が採用されるようになってきている。この技術は、液晶ディスプレイにおいて必要な配向膜を光照射によって得る技術である。ポリイミドのような樹脂製の膜に紫外域の偏光光を照射すると、膜中の分子が偏光光の向きに配列され、配向膜が得られる。ラビングと呼ばれる機械的な配向処理に比べ、高性能の配向膜が得られることから、高画質の液晶ディスプレイの製造プロセスとして多く採用されるようになってきている。   As a more specific example, in recent years, a technique called photo-alignment has been adopted in a liquid crystal display manufacturing process. This technique is a technique for obtaining an alignment film necessary for a liquid crystal display by light irradiation. When a film made of resin such as polyimide is irradiated with polarized light in the ultraviolet region, molecules in the film are aligned in the direction of the polarized light, and an alignment film is obtained. Compared to a mechanical alignment process called rubbing, a high-performance alignment film can be obtained, so that it has been widely adopted as a manufacturing process for high-quality liquid crystal displays.

このように、ある種の用途では、より短い波長域の偏光光を得ることが必要になってきており、そのための偏光素子が必要になっている。しかしながら、このような短波長域の光を偏光させる偏光素子については、それほど研究されておらず、製品としても実用的なものは殆ど出回っていない。短波長域とは、可視の短波長側(例えば450nm以下)から紫外域の波長域である。   As described above, in certain types of applications, it is necessary to obtain polarized light in a shorter wavelength range, and a polarizing element for this purpose is required. However, such a polarizing element that polarizes light in the short wavelength region has not been studied so much, and practical products are hardly available. The short wavelength region is a wavelength region from the visible short wavelength side (for example, 450 nm or less) to the ultraviolet region.

可視光用としては、樹脂層の吸収軸を揃えた偏光フィルムがしばしば使用される。しかしながら、紫外線用としては、樹脂が紫外線により短期間に劣化するので、使用不可である。
紫外域の光を偏光させる場合、方解石を用いたプリズム偏光子を使うことができる。しかしながら、プリズム偏光子は、レーザーのように狭い領域に偏光光を照射する用途には適しているものの、光配向のようにある程度広い領域に偏光光を照射する用途には向いていない。
ある程度広い領域に偏光光を照射できるものが、前述したワイヤーグリッド偏光素子である。複数のワイヤーグリッド偏光素子を並べてより広い領域に偏光光を照射することも可能である。
For visible light, a polarizing film in which the absorption axis of the resin layer is aligned is often used. However, it cannot be used for ultraviolet rays because the resin deteriorates in a short time due to ultraviolet rays.
When polarizing light in the ultraviolet region, a prism polarizer using calcite can be used. However, the prism polarizer is suitable for an application of irradiating polarized light to a narrow area such as a laser, but is not suitable for an application of irradiating polarized light to a certain wide area such as photo-alignment.
The wire grid polarizing element described above can irradiate polarized light to a certain wide area. It is also possible to arrange a plurality of wire grid polarization elements and irradiate polarized light over a wider area.

ワイヤーグリッド偏光素子において、縞状格子の材料には、タングステン、銅、アルミ等が使用される。紫外線用のワイヤーグリッド偏光素子の場合、紫外域においても高い反射率を持つアルミが使用されることが多い。しかしながら、ワイヤーグリッド偏光素子は、500nm程度より長い可視域の光についてはある程度の高い消光比及び透過率を示すものの、波長が短くなるに従い400nm付近から急激に消光比や透過率が低下してくる。この理由は、完全には解明されていないが、アルミの光学的性質に起因すると推測される。   In the wire grid polarizing element, tungsten, copper, aluminum or the like is used as the material of the striped lattice. In the case of a wire grid polarizing element for ultraviolet rays, aluminum having a high reflectance in the ultraviolet region is often used. However, although the wire grid polarization element shows a certain high extinction ratio and transmittance for light in the visible range longer than about 500 nm, the extinction ratio and transmittance suddenly decrease from around 400 nm as the wavelength becomes shorter. . The reason for this is not fully understood, but is presumed to be due to the optical properties of aluminum.

このように、光配向のような光プロセスの用途では、可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射できる実用的な偏光素子が望まれているものの、消光比や透過率といった基本性能において優れた偏光素子は未だに開発されていない。即ち、配向処理の品質を高めるには、所望の向きに向いた偏光光のみが照射されるようにする必要があるし(消光比の向上)、生産性(処理効率)を上げるには、より透過率の高い偏光素子が必要になる。
本願の発明は、このような課題に考慮して為されたものであり、可視短波長域から紫外域の偏光光をある程度広い領域に照射でき、消光比や透過率といった基本性能において優れた特性を持つ偏光素子を提供する意義を有するものである。
As described above, in applications of optical processes such as photo-alignment, a practical polarizing element that can irradiate polarized light in the visible short wavelength region to the ultraviolet region to a wide area is desired, but the extinction ratio and transmittance A polarizing element excellent in basic performance has not been developed yet. That is, in order to improve the quality of the alignment treatment, it is necessary to irradiate only polarized light directed in a desired direction (improving the extinction ratio), and in order to increase productivity (treatment efficiency), A polarizing element having a high transmittance is required.
The invention of the present application has been made in view of such problems, and can irradiate polarized light in the visible short wavelength region to the ultraviolet region to a certain wide area, and has excellent characteristics in basic performance such as extinction ratio and transmittance. It is meaningful to provide a polarizing element having the following characteristics.

上記課題を解決するため、本願の請求項1記載の発明は、透明基板と、該透明基板上に設けられた縞状の格子とより成るグリッド偏光素子であって、
前記格子を構成する各線状部は、波長240nm以上400nm以下において屈折率実部nが消衰係数kより大きいアモルファス状の酸化チタン膜(但し、kが1.5以上であるものを除く)より成るものであり、
該格子を構成する各線状部の幅の平均値をw、各線状部において一方の側の隣の線状部との距離をt、他方の側の隣の線状部との距離をTとしたとき、該格子は、実質的にt<Tである部分を周期的に有しているとともに、t<Tの部分においては、t/T>0.0149w+0.0644(但し、t、T、wの単位はナノメートルとする)の関係であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項2記載の発明は、前記請求項1の構成において、前記格子は、前記透明基板の表面に沿った方向であって前記線状部の長さ方向に垂直な方向で見た際、広い距離Tを隔てて二つの前記線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しない。
また、上記課題を解決するため、請求項3記載の発明は、光源と、請求項1又は2記載のグリッド偏光素子とを備えており、該グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と前記光源との間の位置に設けられており、前記光源からの光を前記グリッド偏光素子を通して光配向の膜材に照射することが可能であるという構成を有する。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 of the present application is a grid polarizing element including a transparent substrate and a striped grating provided on the transparent substrate,
Each linear part constituting the grating is an amorphous titanium oxide film (excluding those in which k is 1.5 or more) where the refractive index real part n is larger than the extinction coefficient k at a wavelength of 240 nm or more and 400 nm or less. It consists of
The average value of the widths of the respective linear parts constituting the lattice is w, the distance between each linear part and the adjacent linear part on one side is t, and the distance between the adjacent linear part on the other side is T. Then, the lattice periodically has a portion where t <T, and in the portion where t <T, t / T> 0.0149w + 0.0644 (where t, T, The unit of w is a nanometer) .
In order to solve the above problem, the invention according to claim 2 is the configuration according to claim 1, wherein the lattice is in a direction along the surface of the transparent substrate and in the length direction of the linear portion. When viewed in the vertical direction, there is no portion where the portions where the two linear portions are arranged at a wide distance T are continuous.
In order to solve the above problems, the invention described in claim 3 includes a light source and the grid polarizing element described in claim 1 or 2, and the grid polarizing element is provided with a film material for photo-alignment. It is provided at a position between the irradiated region and the light source, and the light from the light source can be irradiated onto the photo-alignment film material through the grid polarizing element.

以下に説明する通り、本願の請求項1記載の発明によれば、格子はアモルファス状の酸化チタンで形成され、格子幅wに対して格子の偏在比t/Tがt/T>0.0149w+0.0644の関係を有しているので、透過率を大きく低下させることなく消光比を向上させることができる。このため、より質の良い偏光光を照射することができる。
また、請求項2記載の発明によれば、上記効果に加え、広い離間間隔Tで線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しないので、消光比が低下してしまうことがない。
また、請求項3記載の発明によれば、上記効果に加え、質の良い偏光光を高いエネルギーで照射しながら光配向が行えるので、良質な光配向膜を高い生産性で得ることができるようになる。
As described below, according to the first aspect of the present invention, the lattice is formed of amorphous titanium oxide, and the uneven distribution ratio t / T of the lattice with respect to the lattice width w is t / T> 0.0149w + 0. .0644, the extinction ratio can be improved without significantly reducing the transmittance. For this reason, it is possible to irradiate polarized light with better quality.
Further, according to the invention described in claim 2, in addition to the above effect, the extinction ratio may be lowered because the portion where the linear portions are arranged at a wide separation interval T does not exist. Absent.
Further, according to the invention described in claim 3, in addition to the above effects, photo-alignment can be performed while irradiating high-quality polarized light with high energy, so that a high-quality photo-alignment film can be obtained with high productivity. become.

本願発明の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した概略図であり、(1)は正面断面概略図、(2)は斜視図である。It is the schematic which showed typically the grid polarizing element which concerns on embodiment of this invention, (1) is front sectional schematic, (2) is a perspective view. 発明者らが行った実験において作成された酸化チタン膜の光学定数について示した概略図である。It is the schematic shown about the optical constant of the titanium oxide film produced in the experiment which inventors conducted. アルミの光学定数について示した図である。It is the figure shown about the optical constant of aluminum. 図2の光学定数を示す酸化チタン膜を用いた実施形態のグリッド素子において、偏在比(t/T)に伴う透過率・消光比の変化をシミュレーションした結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a result of simulating a change in transmittance and extinction ratio with an uneven distribution ratio (t / T) in the grid element of the embodiment using the titanium oxide film showing the optical constant of FIG. 2. 図3に光学定数を示すアルミを格子2の材質として採用した場合に偏在比t/Tを変化させると透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the result of simulating what the transmittance and extinction ratio will be when the uneven distribution ratio t / T is changed when aluminum having an optical constant shown in FIG. 3 is used as the material of the grating 2. 実施形態のグリッド偏光素子において消光比が向上する理由について示した模式的に示した斜視概略図である。It is the schematic perspective view shown about the reason which the extinction ratio improved in the grid polarizing element of embodiment. x方向磁界成分の波打ちを確認したシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation which confirmed the wave of the x direction magnetic field component. 磁界成分Hxの波打ち(回転)により新たに電界Eyが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。It is the front section schematic diagram showing typically a mode that electric field Ey was newly generated by the wave (rotation) of magnetic field component Hx. 300℃成膜の酸化チタン薄膜の光学定数を示した図である。It is the figure which showed the optical constant of the titanium oxide thin film formed into a film at 300 degreeC. 図9に光学定数を示す酸化チタン薄膜について同様に偏在比t/Tを変化させた際の透過率と消光比についてシミュレーションした結果を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of the transmittance and the extinction ratio when the uneven distribution ratio t / T is similarly changed for the titanium oxide thin film having the optical constant in FIG. 酸化チタン製の格子2を使用したグリッド偏光素子の最適な構造について検討した結果の図である。It is a figure of the result of having examined the optimal structure of the grid polarizing element using the grating | lattice 2 made from a titanium oxide. ルチル型結晶の酸化チタンの光学定数について示した図である。It is the figure shown about the optical constant of the titanium oxide of a rutile type crystal. ルチル型結晶の酸化チタンを格子2の材質として採用した場合、偏在比t/Tに対して透過率や消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated what a transmittance | permeability and an extinction ratio will be with respect to uneven distribution ratio t / T, when a rutile type titanium oxide is employ | adopted as a material of the grating | lattice 2. 実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。It is the schematic shown about the manufacturing method of the grid polarizing element of embodiment. 実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。It is an example of use of a grid polarization element of an embodiment, and is a section schematic diagram of an optical orientation device carrying a grid polarization element.

次に、本願発明を実施するための形態(実施形態)について説明する。
図1は、本願発明の実施形態に係るグリッド偏光素子を模式的に示した概略図であり、(1)は正面断面概略図、(2)は斜視図である。図1に示すグリッド偏光素子は、透明な材質で形成された透明基板1と、透明基板1上に設けられた格子2とから主に構成されている。実施形態の偏光素子は、ワイヤーグリッド偏光素子に類似した構造を有するが、後述するように格子2は導電体(ワイヤー)ではないので、単にグリッド偏光素子と呼ぶ。
Next, modes (embodiments) for carrying out the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a grid polarizing element according to an embodiment of the present invention, in which (1) is a schematic front sectional view and (2) is a perspective view. The grid polarizing element shown in FIG. 1 is mainly composed of a transparent substrate 1 made of a transparent material and a grating 2 provided on the transparent substrate 1. The polarizing element of the embodiment has a structure similar to a wire grid polarizing element. However, as will be described later, the grating 2 is not a conductor (wire), and is simply referred to as a grid polarizing element.

透明基板1は、使用波長(偏光素子を使用して偏光させる光の波長)に対して十分な透過性を有するという意味で「透明」ということである。この実施形態では、紫外域の光を使用波長として想定しているので、透明基板1の材質としては石英ガラス(例えば合成石英)が採用されている。   The transparent substrate 1 is “transparent” in the sense that it has sufficient transparency with respect to the wavelength used (the wavelength of light polarized using a polarizing element). In this embodiment, since light in the ultraviolet region is assumed as a use wavelength, quartz glass (for example, synthetic quartz) is adopted as the material of the transparent substrate 1.

格子2は、図1に示すように、平行に延びる多数の線状部21より成る縞状のものである。各線状部21は、アモルファス状の酸化チタンで形成されている。各線状部21の幅の平均値をw、各線状部21において一方の側の隣の線状部21との距離をt、他方の側の隣の線状部21との距離をTとしとしたとき、実質的にt<Tである部分を周期的に有しているとともに、t<Tの部分においては、t/T>0.0149w+0.0644の関係となっている。以下、説明の都合上、t/Tを偏在比と呼び、幅wを格子幅と略称する。   As shown in FIG. 1, the lattice 2 has a stripe shape composed of a large number of linear portions 21 extending in parallel. Each linear portion 21 is formed of amorphous titanium oxide. The average value of the width of each linear portion 21 is w, the distance from the adjacent linear portion 21 on one side in each linear portion 21 is t, and the distance from the adjacent linear portion 21 on the other side is T. In this case, there is a portion where t <T is substantially periodic, and in the portion where t <T, the relationship is t / T> 0.0149w + 0.0644. Hereinafter, for convenience of explanation, t / T is referred to as uneven distribution ratio, and width w is abbreviated as lattice width.

上記説明において、「実質的にt<Tである部分」とは、一方の側の離間距離tが他方の側の離間距離Tと実質的に異なるという意味である。「実質的に」とは、製造上のばらつきで発生する距離の相違は含まない趣旨であり、後述する作用が発揮されるよう意図的にt≠Tとするという趣旨である。
また、「周期的」というのは、ランダムではないという程度の意味である。t≠Tが製造上のばらつきによって生じる場合はランダムということになるが、後述する作用が発揮されるように意図的にt≠Tとするのであり、従って、周期的となる。尚、この場合の周期的とは、透明基板1の表面に沿って格子2の長さ方向に垂直な方向で見た際にt≠Tの部分が周期的に存在しているということである。
In the above description, “substantially t <T” means that the separation distance t on one side is substantially different from the separation distance T on the other side. The term “substantially” means that the difference in distance that occurs due to manufacturing variations is not included, and that t ≠ T is intentionally set so that the action described later is exhibited.
Further, “periodic” means that it is not random. When t ≠ T is caused by manufacturing variation, it is random. However, t ≠ T is intentionally set so that the operation described later is exhibited, and therefore it is periodic. In this case, the term “periodic” means that t ≠ T is periodically present when viewed in a direction perpendicular to the length direction of the grating 2 along the surface of the transparent substrate 1. .

このような実施形態のグリッド偏光素子の構成は、可視短波長域から紫外域にかけての領域(以下、短波長領域と総称する)においてより高い消光比と透過率が得られるグリッド偏光素子の構成はどのようなものであるかについて発明者らが鋭意研究を行った成果である。
発明者らは、短波長領域において消光比と透過率が得られるグリッド偏光素子、特に格子2の構造や材料について鋭意研究を行った結果、従来のワイヤーグリッド偏光素子とは異なる考え方に基づいて格子2の材料や構造を選定することが有効であることが判ってきた。
The configuration of the grid polarizing element according to such an embodiment is such that a higher extinction ratio and transmittance can be obtained in a region from the visible short wavelength region to the ultraviolet region (hereinafter collectively referred to as a short wavelength region). This is the result of inventors' diligent research on what it is like.
As a result of intensive studies on the structure and materials of the grid polarizing element, particularly the grating 2, which has an extinction ratio and transmittance in the short wavelength region, the inventors have found that the grating is based on a different concept from the conventional wire grid polarizing element. It has been found that it is effective to select the material and structure of 2.

従来のワイヤーグリッド偏光素子は、反射型グリッド偏光素子とも呼べるもので、格子2に反射率の高い金属を使用し、格子2の長さ方向に電界成分を持つ直線偏光光を反射させることで透明基板1を透過させないようにするものである。このような考え方のグリッド偏光素子では、前述したように、より短い波長領域では消光比や透過率といった基本性能の向上に限界が生じている。   A conventional wire grid polarizing element can be called a reflective grid polarizing element. It uses a highly reflective metal for the grating 2 and is transparent by reflecting linearly polarized light having an electric field component in the length direction of the grating 2. This prevents the substrate 1 from being transmitted. In the grid polarizing element based on such a concept, as described above, there is a limit to improvement in basic performance such as extinction ratio and transmittance in a shorter wavelength region.

本願の発明者らは、このような従来のグリッド偏光素子の考え方とは異なり、吸収型グリッド偏光素子ともいうべき考え方を想到するに至った。吸収型とはいっても、可視光用の偏光フィルム等で見られるような高分子による光の吸収を利用するというようなものではなく、電磁誘導現象による光の減衰を利用するものである。   The inventors of the present application have come up with a concept that should be called an absorption grid polarizing element, unlike the conventional grid polarizing element. The absorption type does not use absorption of light by a polymer as seen in a polarizing film for visible light or the like, but uses attenuation of light by an electromagnetic induction phenomenon.

周知のように、金属のような導電性の媒質における光の伝搬においては、屈折率は複素屈折率として取り扱われる。複素屈折率を通常の屈折率と区別するため、n’とすると、複素屈折率n’は、以下の式1で表される。

Figure 0005867439

式1において、nは複素屈折率の実部、kはいわゆる減衰係数である。発明者らが想到するに至った電磁誘導現象による光の減衰を利用したグリッド偏光素子は、減衰係数kに比べて屈折率実部nが大きく、不均等なグリッド構造を採用した場合に得られる。 As is well known, in the propagation of light in a conductive medium such as metal, the refractive index is treated as a complex refractive index. In order to distinguish the complex refractive index from the normal refractive index, when n ′, the complex refractive index n ′ is expressed by the following Equation 1.
Figure 0005867439

In Equation 1, n is the real part of the complex refractive index, and k is a so-called attenuation coefficient. The grid polarization element using the attenuation of light due to the electromagnetic induction phenomenon that the inventors have conceived of is obtained when the real part n of the refractive index is larger than the attenuation coefficient k and an uneven grid structure is adopted. .

まず、実施形態のグリッド偏光素子で格子材質として使用されている酸化チタンの複素屈折率と、比較例としてのアルミの複素屈折率について説明する。図2は、発明者らが行った実験において作成された酸化チタン膜の光学定数(屈折率実部n、消衰係数k)について示した概略図である。図3は、アルミの光学定数について示した図であり、Aleksandar D. Raki?. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767 (1995)に示されたデータに基づいて作成したものである。   First, the complex refractive index of titanium oxide used as a grating material in the grid polarizing element of the embodiment and the complex refractive index of aluminum as a comparative example will be described. FIG. 2 is a schematic view showing optical constants (refractive index real part n, extinction coefficient k) of a titanium oxide film created in an experiment conducted by the inventors. Figure 3 shows the optical constants of aluminum. Aleksandar D. Raki ?. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767 (1995) It was created based on the indicated data.

図2に示す光学定数の酸化チタン膜は、後述するALD法により石英製の透明基板1上に作成されたもので、成膜時の温度は100℃程度である。従って、膜の状態はアモルファスであると推測される。膜厚は、20nm程度である。図2に示すように、240nm〜400nm程度の紫外域の波長において、屈折率実部nは消衰係数kに比べて大きい。一方、図3に示すように、アルミの場合、同様の短波長領域において屈折率実部nは消衰係数kに対して常に小さい。 The titanium oxide film having the optical constant shown in FIG. 2 is formed on the quartz transparent substrate 1 by the ALD method described later, and the temperature at the time of film formation is about 100 ° C. Therefore, it is estimated that the state of the film is amorphous. The film thickness is about 20 nm. As shown in FIG. 2, the refractive index real part n is larger than the extinction coefficient k at a wavelength in the ultraviolet region of about 240 nm to 400 nm. On the other hand, as shown in FIG. 3, in the case of aluminum, the refractive index real part n is always smaller than the extinction coefficient k in the same short wavelength region.

図4は、実施形態のグリッド素子における電磁波の伝搬状況をシミュレーションした結果の図である。図4では、図2に示す酸化チタン薄膜により図1に示すグリッド偏光素子を構成した場合を仮想したものであり、偏在比t/Tを色々と変えた場合に透過率TR及び消光比ERがどのように変化するかがシミュレーションされている。図4中の(1)は透過率を示し、(2)は消光比を示す。)図2のシミュレーションでは、RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)法が用いられており、アメリカ国立標準技術研究所(NIST)が配布しているソフトウェア(http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/scatmech/html/grating.htm)が使用され、各t/Tにおける透過率TR及び消光比ERが算出された。   FIG. 4 is a diagram showing a result of simulating the propagation state of electromagnetic waves in the grid element of the embodiment. In FIG. 4, the case where the grid polarizing element shown in FIG. 1 is configured by the titanium oxide thin film shown in FIG. 2 is hypothesized, and the transmittance TR and the extinction ratio ER are changed when the uneven distribution ratio t / T is changed variously. It is simulated how it changes. In FIG. 4, (1) indicates the transmittance, and (2) indicates the extinction ratio. 2) The RCWA (Rigorous Coupled-Wave Analysis) method is used in the simulation of FIG. 2, and the software distributed by the National Institute of Standards and Technology (NIST) (http://physics.nist.gov/Divisions/ Div844 / facilities / scatmech / html / grating.htm) was used to calculate the transmittance TR and extinction ratio ER at each t / T.

図2に示すように屈折率実部nや減衰係数kは波長によって異なる値となるが、一例として、254nmの紫外線を使用することを想定し、この波長でのn及びkとした。具体的は、n=2.35、k=1.33とした。誘電率については、このn及びkから予め計算して代入した。また、格子2の幅は10〜30nmの間で5nm間隔で変化させたものの、高さは170nmで一定とした。10〜30nmのそれぞれの格子幅において、偏在比t/Tを変化させた。尚、偏在比t/T=1の時にt=T=90nmであることを起点とし、t+T=180nmを常に満たすように、tを小さく、Tを大きくさせることで、t/Tを変化させた。 As shown in FIG. 2, the real part n of the refractive index and the attenuation coefficient k have different values depending on the wavelength. As an example, it is assumed that 254 nm ultraviolet rays are used, and n and k at this wavelength are used. Specifically, n = 2.35 and k = 1.33. The dielectric constant was calculated and substituted in advance from n and k. Moreover, although the width w of the grating 2 was changed at intervals of 5 nm between 10 and 30 nm, the height was constant at 170 nm. In each lattice width w of 10 to 30 nm, the uneven distribution ratio t / T was changed. Note that t / T was changed by increasing t and decreasing T so as to always satisfy t + T = 180 nm, starting from t = T = 90 nm when the uneven distribution ratio t / T = 1. .

図4(1)では、t/T=1のとき(偏在していない場合)の透過率を1とし、これに対する相対値として、t/Tを1未満とした場合の透過率が示されている。図4(2)の消光比も同様であり、t/T=1のときの値を1とした場合の相対値で示されている。
図4(1)に示すように、t/T=1の場合に比べて1未満とすると透過率は若干低下するものの、10〜20nmの格子幅でそれほど大きな低下を見せていない。また、20〜30nmの格子幅でも、t/T=1〜0.7程度の範囲であれば、透過率の大きな低下はない。
一方、図4(2)に示すように、消光比については、t/Tを1未満とすることでt/T=1の場合に比べて向上することが確認される。特に、格子幅が15〜25nmの場合に著しい向上が確認される。
In FIG. 4 (1), the transmittance when t / T = 1 (when not unevenly distributed) is 1, and the transmittance when t / T is less than 1 is shown as a relative value. Yes. The extinction ratio in FIG. 4 (2) is the same, and is shown as a relative value when the value when t / T = 1 is 1.
As shown in FIG. 4 (1), the transmittance is slightly reduced when it is less than 1 as compared with the case of t / T = 1, but does not show a significant decrease with the grating width w of 10 to 20 nm. Even with a lattice width of 20 to 30 nm, there is no significant decrease in transmittance as long as t / T = 1 to 0.7.
On the other hand, as shown in FIG. 4 (2), it is confirmed that the extinction ratio is improved by setting t / T to less than 1 compared to the case of t / T = 1. In particular, a significant improvement is confirmed when the grating width w is 15 to 25 nm.

次に、比較例として、図3に示すアルミを格子2の材質とした場合について同様にシミュレーションした結果を説明する。図5は、図3に光学定数を示すアルミを格子2の材質として採用した場合に偏在比t/Tを変化させると透過率及び消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。同様に、図5(1)に透過率TRが示され、(2)には消光比ERが示されている。同様に使用波長は254nmが想定されており、この波長において得られるものとして、屈折率実部n=0.183、消衰係数k=2.93とした。格子2の幅は同様に10〜30nmで5nm刻みで変化させ、高さは170nmで一定とした。   Next, as a comparative example, the result of a similar simulation for the case where aluminum shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing the results of simulating what the transmittance and extinction ratio would be if the uneven distribution ratio t / T was changed when aluminum having the optical constant shown in FIG. is there. Similarly, FIG. 5A shows the transmittance TR, and FIG. 5B shows the extinction ratio ER. Similarly, the wavelength used is assumed to be 254 nm, and the refractive index real part n = 0.183 and the extinction coefficient k = 2.93 are assumed to be obtained at this wavelength. Similarly, the width of the grating 2 was changed from 10 to 30 nm in increments of 5 nm, and the height was constant at 170 nm.

図5(1)に示すように、アルミより成る格子2の場合、10〜20nmの格子幅Wにおいて透過率TRが若干向上することが確認される。透過率TRは、偏在比t/Tがより小さい場合においてより高く、最大で40%程度である。しかしながら、図5(2)に示すように、消光比については、いずれの格子幅の場合にも、t/Tを1より小さくすると激減していく。消光比の低下は、透過率の向上が一部確認された偏在比t/Tの小さい領域で顕著である。つまり、アルミより成る格子2の場合、格子2を偏在させても肝心の消光比が低下してしまい、透過率の向上と消光比の向上とが両立しないことが確認された。尚、図示は省略するが、アルミについては、波長365nmの場合も同様で、偏在比t/Tを1未満としても消光比は向上しないばかりか激減してしまうことが確認されている。 As shown in FIG. 5A, in the case of the grating 2 made of aluminum, it is confirmed that the transmittance TR is slightly improved in the grating width W of 10 to 20 nm. The transmittance TR is higher when the uneven distribution ratio t / T is smaller, and is about 40% at the maximum. However, as shown in FIG. 5 (2), the extinction ratio decreases drastically when t / T is made smaller than 1 for any lattice width w . The reduction in the extinction ratio is significant in a region where the uneven distribution ratio t / T is small in which the improvement in transmittance is partially confirmed. That is, in the case of the grating 2 made of aluminum, it was confirmed that even if the grating 2 is unevenly distributed, the essential extinction ratio is lowered, and improvement in transmittance and improvement in the extinction ratio are not compatible. Although illustration is omitted, it is confirmed that aluminum is the same when the wavelength is 365 nm, and the extinction ratio is not only improved but is drastically reduced even if the uneven distribution ratio t / T is less than 1.

このように、従来一般的なアルミ製格子2のグリッド偏光素子の場合、格子2を偏在させても消光比が向上しないばかりかかえって低下してしまうのに対し、酸化チタン製の格子2を採用した実施形態のグリッド偏光素子では、ある条件で格子2を偏在させた構造とすることで、消光比を大幅に向上させることができ、その場合にも透過率は大きくは低下しない。   As described above, in the case of a conventional grid polarizing element of an aluminum grid 2, the extinction ratio is not improved even if the grid 2 is unevenly distributed, whereas the grid 2 made of titanium oxide is used. In the grid polarizing element of the embodiment described above, the structure in which the grating 2 is unevenly distributed under a certain condition can greatly improve the extinction ratio, and in that case, the transmittance is not greatly reduced.

酸化チタンより成る格子2を有する実施形態のグリッド偏光素子において、消光比の向上が見られる理由について、推測できる事項を以下に説明する。図6は、実施形態のグリッド偏光素子において消光比が向上する理由について示した模式的に示した斜視概略図である。
前述したように、消光比は、s偏光光の強度(Is)に対するp偏光光の強度(Ip)の比であるから、消光比を高くするには、s偏光光が偏光素子を透過できないようにすれば良く、ここでは主としてs偏光光の挙動について考える。
The reason why the extinction ratio can be improved in the grid polarizing element of the embodiment having the lattice 2 made of titanium oxide will be described below. FIG. 6 is a schematic perspective view schematically showing the reason why the extinction ratio is improved in the grid polarizing element of the embodiment.
As described above, the extinction ratio is the ratio of the intensity (Ip) of the p-polarized light to the intensity (Is) of the s-polarized light. Therefore, in order to increase the extinction ratio, the s-polarized light cannot pass through the polarizing element. Here, the behavior of s-polarized light is mainly considered here.

図6において、便宜上、光は紙面上の上から下に伝搬するものとし、この方向をz方向とする。また、格子2の延びる方向をy方向とし、従ってs偏光光(図6にLsで示す)は、電界成分Eyを持つ。このs偏光光の磁界成分(不図示)はx方向となる(Hx)。
このようなs偏光光がグリッド偏光素子の格子2にさしかかると、s偏光光の電界Eyは、格子2の誘電率によって弱められる。一方、格子2の間の媒質は、空気である場合が多いが、一般的に格子2より誘電率が小さいので、格子2の間の空間では電界Eyは格子2内ほどは弱められない。
In FIG. 6, for the sake of convenience, it is assumed that light propagates from the top to the bottom on the paper surface, and this direction is the z direction. Further, the direction in which the grating 2 extends is the y direction, and therefore the s-polarized light (indicated by Ls in FIG. 6) has an electric field component Ey. The magnetic field component (not shown) of this s-polarized light is in the x direction (Hx).
When such s-polarized light reaches the grid 2 of the grid polarization element, the electric field Ey of the s-polarized light is weakened by the dielectric constant of the grid 2. On the other hand, the medium between the gratings 2 is often air, but generally the dielectric constant is smaller than that of the grating 2, so the electric field Ey is not weakened as much as in the grating 2 in the space between the gratings 2.

この結果、x−y平面内において電界Eyの回転成分が生じる。そして、ファラデーの電磁誘導に対応する以下のマクスウェル方程式(式2)により、このx−y平面でのの回転Reの強さに応じて、二つの互いに逆向きのz方向に磁界Hzが誘起される。

Figure 0005867439

即ち、格子2間の中央の電界Eyの最も高いところを境に、一方の側ではHzは光の伝搬方向前方に向き、他方の側ではHzは後方を向く。ここで、図6では省略されているが、x方向の磁界HxはEyと同位相で、x軸負の側を向いて存在している。このx方向磁界成分Hxは、生成されたz方向成分Hzに引っ張られ、波打つように変形する。 As a result, a rotation component of the electric field Ey is generated in the xy plane. Then, the following Maxwell equation (Formula 2) corresponding to Faraday's electromagnetic induction induces a magnetic field Hz in two z directions opposite to each other in accordance with the strength of the rotation Re in the xy plane. The
Figure 0005867439

That is, with the highest electric field Ey at the center between the gratings 2 as a boundary, Hz is directed forward in the light propagation direction on one side, and Hz is directed backward on the other side. Here, although omitted in FIG. 6, the magnetic field Hx in the x direction has the same phase as Ey and exists toward the negative side of the x axis. The x-direction magnetic field component Hx is pulled by the generated z-direction component Hz and deforms so as to wave.

図7は、このx方向磁界成分Hxの波打ちを確認したシミュレーションの結果を示す図である。図7では、格子材質としてシリコンを用いた例のシミュレーションとなっている。シリコンも、例えば波長365nmの紫外線で屈折率実部n=4.03、消衰係数3.04であり、n>kの材料である。図7では、線状部の幅は15nm、各線状部の間隔は90nmで一定、各線状部の高さは170nmとした。シミュレーションはFDTD(Finite-Difference Time-Domain)法に基づいており、使用したソフトウェアは、Mathworks社(米国マサチューセッツ州)のMATLAB(同社の登録商標)を用いた。   FIG. 7 is a diagram showing the result of a simulation confirming the undulation of the x-direction magnetic field component Hx. FIG. 7 shows an example of simulation using silicon as the lattice material. Silicon, for example, is an ultraviolet ray having a wavelength of 365 nm, a refractive index real part n = 4.03, an extinction coefficient of 3.04, and n> k. In FIG. 7, the width of the linear portions is 15 nm, the interval between the linear portions is constant at 90 nm, and the height of each linear portion is 170 nm. The simulation was based on the FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method, and the software used was MATLAB (registered trademark) of Mathworks (Massachusetts, USA).

図7中、上側の濃い黒色の部分は電界Ezのマイナス成分、中程の淡い灰色の部分は電場Ezのプラス成分を示している。磁界は、ベクトル(矢印)で示されている。
図7に示すように、格子2にさしかかる前のs偏光光にはHz成分が無いためHx成分のみとなるが、格子2にさしかかる前述のHz成分の生成により、磁界がx−y面内で波打つことが確認できる。図7に示すように、磁界の波打ちは、時計回りの磁界の回転とも言える状況である。尚、図7では、y方向が光の伝搬方向であり、z方向が格子2の長さ方向になっており、図6とは異なる。
In FIG. 7, the dark black portion on the upper side indicates the negative component of the electric field Ez, and the light gray portion in the middle indicates the positive component of the electric field Ez. The magnetic field is indicated by a vector (arrow).
As shown in FIG. 7, the s-polarized light before reaching the grating 2 has only the Hx component because there is no Hz component, but the generation of the above-mentioned Hz component reaching the grating 2 causes the magnetic field to be in the xy plane. It can be confirmed that it undulates. As shown in FIG. 7, the undulation of the magnetic field is a situation that can be said to be a clockwise rotation of the magnetic field. In FIG. 7, the y direction is the light propagation direction, and the z direction is the length direction of the grating 2, which is different from FIG. 6.

このような磁界成分Hzの波打ち(回転)が生じると、アンペール・マクスウェルの法則に対応するマクスウェル方程式(式3)により、さらにy方向に電界が発生する。

Figure 0005867439

この様子を図8において模式的に示す。図8は、磁界成分Hxの波打ち(回転)により新たに電界Eyが発生する様子を模式的に示した正面断面概略図である。 When such undulation (rotation) of the magnetic field component Hz occurs, an electric field is further generated in the y direction by the Maxwell equation (Equation 3) corresponding to Ampere Maxwell's law.
Figure 0005867439

This is schematically shown in FIG. FIG. 8 is a schematic front cross-sectional view schematically showing a state in which an electric field Ey is newly generated by undulation (rotation) of the magnetic field component Hx.

図8に示すように、x−z面内での磁界成分Hxの波打ち(回転)により、格子2内では図8の紙面手前側に向いた電界Eyが発生し、格子2と格子2の間においては紙面奥側に向いた電界Eyが発生する。この場合、入射したs偏光光の元の電界Eyは紙面手前側に向いているから、格子2間の電界は、上記磁界の回転により打ち消され、波動が分断するように作用する。結果として、電界Eyが格子2内に局在し、格子2の材質に応じた吸収によりs偏光光のエネルギーが格子2内を伝播しながら消失していく。   As shown in FIG. 8, due to the undulation (rotation) of the magnetic field component Hx in the xz plane, an electric field Ey directed toward the front side of FIG. In FIG. 3, an electric field Ey directed toward the back side of the paper is generated. In this case, since the original electric field Ey of the incident s-polarized light is directed toward the front side of the drawing, the electric field between the gratings 2 is canceled by the rotation of the magnetic field, and acts so that the wave is divided. As a result, the electric field Ey is localized in the grating 2, and the energy of the s-polarized light disappears while propagating through the grating 2 due to absorption according to the material of the grating 2.

一方、p偏光光については、電界成分はx方向に向いているが(Ex)、y方向で見たとき、誘電率の分布は一様であるため、前述したような電界の回転成分は実質的に生じない。従って、s偏光光のような電界の格子2内の局在化、格子2内での減衰は、p偏光光に生じない。つまり、磁界成分Hxの波打ち(回転)を生じさせることで電界Eyを格子2内に局在させ、格子2内での吸収によりs偏光光を選択的に減衰させていくのが、この実施形態のグリッド偏光素子の動作原理である。このような電界Eyの局在化は、格子2を偏在化させ、格子2間の間隔を部分的に狭くすることで効率良く達成でき、これによって消光比を高めることができるものと推測される。図4に示す消光比の向上は、このようなメカニズムによるものと考えられる。   On the other hand, for p-polarized light, the electric field component is oriented in the x direction (Ex), but when viewed in the y direction, the dielectric constant distribution is uniform, so the electric field rotation component as described above is substantially Does not occur. Therefore, localization of the electric field such as s-polarized light in the grating 2 and attenuation in the grating 2 do not occur in the p-polarized light. That is, in this embodiment, the electric field Ey is localized in the grating 2 by generating a wave (rotation) of the magnetic field component Hx, and the s-polarized light is selectively attenuated by absorption in the grating 2. This is the principle of operation of the grid polarizing element. Such localization of the electric field Ey can be efficiently achieved by making the lattice 2 unevenly distributed and partially narrowing the interval between the lattices 2, thereby presuming that the extinction ratio can be increased. . The improvement of the extinction ratio shown in FIG. 4 is considered to be due to such a mechanism.

また、上記のような電界Eyの局在化は、アルミのように屈折率実部nが消衰係数kよりも小さい場合には、実質的に生じない。屈折率実部nと消衰係数kは、物理定数εやμを使って表すと、以下の式4のようになる。

Figure 0005867439

式4から、n<kということは、負の誘電率を持つということになる。このことは、波動が内部に入っていけないことを意味し、上記の場合には格子2内に電界が形成されないことを意味する。従って、上記のような電界の局在化は実質的に生じない。その一方、格子2を偏在化させることで格子間隔が広い場所が生じると、s偏光光がその場所を通り抜けるようにして伝搬し易くなり、結果的に消光比が大きく低下してしまう。図5に示す消光比の激減は、このような状況を示しているものと推測される。 Further, the localization of the electric field Ey as described above does not substantially occur when the refractive index real part n is smaller than the extinction coefficient k as in aluminum. The real part n of the refractive index and the extinction coefficient k are expressed by the following formula 4 using the physical constants ε and μ.
Figure 0005867439

From Equation 4, n <k means a negative dielectric constant. This means that waves cannot enter the inside, and in the above case, no electric field is formed in the lattice 2. Therefore, the localization of the electric field as described above does not substantially occur. On the other hand, when a place with a wide lattice interval is generated by making the grating 2 unevenly distributed, the s-polarized light easily propagates through the place, and as a result, the extinction ratio is greatly reduced. The drastic decrease in the extinction ratio shown in FIG. 5 is presumed to indicate such a situation.

次に、実施形態のグリッド偏光素子のさらに好ましい構造について説明する。
まず、図4に示すシミュレーション結果は、図2に示す100℃で作成した酸化チタン薄膜のデータに基づいたものであった。発明者らは、同じく酸化チタン薄膜を300℃の温度で作成してシミュレーションを行った。図9は、この300℃成膜の酸化チタン薄膜の光学定数を示した図であり、図10は、図9に光学定数を示す酸化チタン薄膜について同様に偏在比t/Tを変化させた際の透過率と消光比についてシミュレーションした結果を示した図である。
Next, a more preferable structure of the grid polarizing element of the embodiment will be described.
First, the simulation result shown in FIG. 4 was based on the data of the titanium oxide thin film prepared at 100 ° C. shown in FIG. The inventors similarly made a titanium oxide thin film at a temperature of 300 ° C. and performed a simulation. FIG. 9 shows the optical constant of the titanium oxide thin film formed at 300 ° C., and FIG. 10 shows the case where the uneven distribution ratio t / T is changed for the titanium oxide thin film having the optical constant shown in FIG. It is the figure which showed the result of having simulated about the transmittance | permeability and extinction ratio.

図9に示すように、300℃成膜の場合にも、240〜400nm程度の波長範囲において、屈折率実部nは消衰係数kよりも大きい。また、図10(1)に示すように10〜20nmの格子幅で透過率はそれほど低下しておらず、20〜30nmの格子幅でも、1〜0.7の偏在比t/Tの範囲では透過率は大きな低下を見せていない。そして、図10(2)に示すように、消光比については10nmを除く格子幅において大きな向上が確認される。 As shown in FIG. 9, even in the case of forming a film at 300 ° C., the refractive index real part n is larger than the extinction coefficient k in the wavelength range of about 240 to 400 nm. Further, as shown in FIG. 10 (1), the transmittance does not decrease so much at a lattice width w of 10 to 20 nm, and the uneven distribution ratio t / T is 1 to 0.7 even at a lattice width w of 20 to 30 nm. In the range, the transmittance does not show a significant decrease. As shown in FIG. 10 (2), the extinction ratio is greatly improved in the lattice width excluding 10 nm.

図11は、このような酸化チタン製の格子2を使用したグリッド偏光素子の最適な構造について検討した結果の図である。図4(2)や図10(2)に示されているように、偏在比t/Tを1から小さくしていくと(偏在させていくと)、殆どの場合、すぐさま消光比が向上する。消光比はあるt/Tでピークとなり、その後は下降する。そして、あるt/Tを境に消光比は相対値1より小さくなる。即ち、偏在させない場合に比べて消光比が小さくなる。従って、消光比が相対値1を下回る際のt/Tの値(以下、臨界偏在比と呼ぶ)以上の偏在比となっていれば良いことになる。   FIG. 11 is a diagram showing a result of examining an optimum structure of a grid polarizing element using such a titanium oxide lattice 2. As shown in FIG. 4 (2) and FIG. 10 (2), when the uneven distribution ratio t / T is decreased from 1 (distributed), in most cases, the extinction ratio immediately improves. . The extinction ratio peaks at a certain t / T, and then decreases. The extinction ratio becomes smaller than a relative value 1 at a certain t / T. That is, the extinction ratio is smaller than that in the case where the uneven distribution is not performed. Therefore, it is only necessary that the ratio of the eccentricity is equal to or greater than the value of t / T when the extinction ratio is below the relative value 1 (hereinafter referred to as the critical uneven ratio).

図11は、この臨界偏在比をプロットした図である。●マーカーが図4(2)に示す100℃成膜の場合、▲マーカーが図10(2)に示す300℃成膜の場合である。図11に示す直線は、各マーカーについて最小二乗法を適用して引いた直線である。ここに示すように、100℃成膜の場合には、t/T>0.0147w−0.1134としておけば、消光比の向上が見込めることになる。また、300℃成膜の場合には、t/T>0.0149w+0.0644としておけば、消光比の向上が見込めることになる。   FIG. 11 is a plot of this critical uneven distribution ratio. When the marker is film formation at 100 ° C. shown in FIG. 4 (2), the marker is when film formation at 300 ° C. shown in FIG. 10 (2). The straight line shown in FIG. 11 is a straight line drawn by applying the least square method for each marker. As shown here, in the case of film formation at 100 ° C., if t / T> 0.0147w−0.1134, the extinction ratio can be improved. In the case of film formation at 300 ° C., if t / T> 0.0149w + 0.0644, the extinction ratio can be improved.

酸化チタン薄膜は、後述するALDのようなCVD(化学的気相成長)により作成される場合が多く、成膜温度は100〜300℃程度が一般的である。100℃を下回る温度では、実用に耐え得る膜を得るのが難しい。また、300℃を越える温度で成膜すると、結晶化の度合いが進んでしまい、アモルファス状態でなくなってしまうことが多い。300℃成膜の場合にも、t/T>0.0149w+0.0644であれば消光比向上が見込めることは変わりがないから、結局、t/T>0.0149w+0.0644であれば、アモルファス状態の酸化チタン薄膜より成る格子2を備えたグリッド偏光素子全般について、消光比向上の効果が見込めることになる。   The titanium oxide thin film is often formed by CVD (chemical vapor deposition) such as ALD described later, and the film forming temperature is generally about 100 to 300 ° C. At temperatures below 100 ° C., it is difficult to obtain a film that can withstand practical use. In addition, when the film is formed at a temperature exceeding 300 ° C., the degree of crystallization advances and the amorphous state is often lost. Even when the film is formed at 300 ° C., if t / T> 0.0149w + 0.0644, the improvement of the extinction ratio can be expected. Therefore, if t / T> 0.0149w + 0.0644, the amorphous state is obtained. The effect of improving the extinction ratio can be expected for all grid polarizing elements including the grating 2 made of a titanium oxide thin film.

透過率の低下回避について言及すると、図4(1)において、透過率が例えば10%以上低下している条件は、格子幅が25nm以上で且つt/Tが0.4程度より小さい場合である。また、図10(1)において、透過率が10%以上低下している条件は、やはり格子幅が25nm以上でt/Tが0.4程度より小さい場合である。この条件を図11のグラフに当てはめてみると、t/T=0.0149w+0.0644の直線より下側であることが確認される。即ち、t/T>0.0149w+0.0644であれば、いずれの格子幅を採用する場合でも透過率を大きく低下させることなく消光比向上が見込めるということである。   Referring to avoiding the decrease in the transmittance, in FIG. 4A, the condition that the transmittance is decreased by, for example, 10% or more is the case where the grating width is 25 nm or more and t / T is smaller than about 0.4. . In FIG. 10A, the condition that the transmittance is reduced by 10% or more is that the lattice width is 25 nm or more and t / T is smaller than about 0.4. When this condition is applied to the graph of FIG. 11, it is confirmed that it is below the straight line of t / T = 0.0149w + 0.0644. In other words, if t / T> 0.0149w + 0.0644, it can be expected that the extinction ratio can be improved without greatly reducing the transmittance regardless of the grating width.

次に、比較例として、結晶化した酸化チタンを格子2の材質として採用した場合について説明する。図12は、一例としてルチル型結晶の酸化チタンの光学定数について示した図である。この酸化チタン薄膜は、CVDで成膜した後、600℃程度で熱処理して結晶化させたものである。図12に示すように、ルチル型結晶の酸化チタンの場合、280nm付近を境にnとkが逆転しており、280nm付近より長い波長においてn>kとなっている。   Next, the case where the crystallized titanium oxide is employ | adopted as a material of the grating | lattice 2 as a comparative example is demonstrated. FIG. 12 is a diagram showing an optical constant of rutile-type titanium oxide as an example. This titanium oxide thin film is formed by CVD and then heat-treated at about 600 ° C. for crystallization. As shown in FIG. 12, in the case of rutile-type titanium oxide, n and k are reversed around 280 nm, and n> k at wavelengths longer than around 280 nm.

図13は、このようなルチル型結晶の酸化チタンを格子2の材質として採用した場合、偏在比t/Tに対して透過率や消光比がどのようになるかをシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションでは、使用波長を254nmとし、この波長で得られるn=1.55、k=3.09を前提として同様にRCWA法によりシミュレーションを行った。
図13に示すように、ルチル型結晶の酸化チタンの場合、透過率については一部に向上が見られるものの、消光比はいずれの偏在比t/Tにおいても激減しており、偏在比t/Tを1未満とすることによる消光比向上の効果は全く得られないことが判る。即ち、消光比向上のためには、酸化チタンの状態はアモルファス状であることが重要である。
FIG. 13 is a diagram showing a result of simulating the transmittance and extinction ratio with respect to the uneven distribution ratio t / T when such rutile crystal titanium oxide is adopted as the material of the lattice 2. is there. In this simulation, the simulation was performed by the RCWA method on the assumption that the wavelength used was 254 nm and n = 1.55 and k = 3.09 obtained at this wavelength.
As shown in FIG. 13, in the case of rutile-type titanium oxide, although the transmittance is partially improved, the extinction ratio is drastically decreased at any uneven distribution ratio t / T. It can be seen that the effect of improving the extinction ratio by making T less than 1 cannot be obtained at all. That is, in order to improve the extinction ratio, it is important that the state of titanium oxide is amorphous.

ルチル型結晶の場合に上記のように消光比向上の効果が得られない理由が、n>kの関係ではないからなのか、アモルファスでないからからなのかは、必ずしも明らかではない。両方が原因しているとも推測される。いずれにしても、偏在比t/Tの最適化による消光比向上の効果は、n>kでありアモルファス状である格子を採用した場合に可能となる。
尚、「アモルファス」、「結晶」という各用語の意味が物理的に明確であるが、実際のグリッド偏光素子では、格子の構造において、アモルファス構造と結晶構造の部分とが混在している場合がある。このような場合、格子の半分以上の領域でアモルファス構造となっていれば、「アモルファス状」と言い得る。結晶性の評価については、X線回折法やラザフォード後方散乱分析法(RBS)等が使用されるが、このような分析において完全な結晶状態を示すピークの半分以下のピークであれば、アモルファス状であるとすることができる。尚、結晶状態には、いわゆる微結晶が含まれる。
In the case of a rutile type crystal, it is not always clear whether the reason why the effect of improving the extinction ratio cannot be obtained as described above is not because of the relationship of n> k or because it is not amorphous. It is speculated that both are the cause. In any case, the effect of improving the extinction ratio by optimizing the uneven distribution ratio t / T is possible when a lattice that is n> k and is amorphous is employed.
In addition, although the meanings of the terms “amorphous” and “crystal” are physically clear, in an actual grid polarization element, there are cases where the amorphous structure and the crystal structure part are mixed in the lattice structure. is there. In such a case, if it has an amorphous structure in a region more than half of the lattice, it can be said to be “amorphous”. For the evaluation of crystallinity, an X-ray diffraction method, Rutherford backscattering analysis (RBS), or the like is used. If the peak is less than half of the peak showing a complete crystal state in such an analysis, it is amorphous. It can be assumed that Note that the crystalline state includes so-called microcrystals.

次に、上記実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について説明する。
図14は、実施形態のグリッド偏光素子の製造方法について示した概略図である。実施形態の製造方法では、まず、図14(1)に示すように、透明基板1上に中間薄膜3を作成する。中間薄膜3は、格子用の薄膜を作成する際のベースになる薄膜である。中間薄膜3は、最終的には除去されるものであるため、特に材料については制限がない。形状安定性が良く、エッチングの際に迅速に除去可能であれば良い。例えば、フォトレジストなどの有機材料、シリコン、カーボンなどが中間薄膜3の材質として選定される。
Next, the manufacturing method of the grid polarizing element of the said embodiment is demonstrated.
FIG. 14 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the grid polarizing element of the embodiment. In the manufacturing method according to the embodiment, first, the intermediate thin film 3 is formed on the transparent substrate 1 as shown in FIG. The intermediate thin film 3 is a thin film that serves as a base for forming a thin film for a lattice. Since the intermediate thin film 3 is finally removed, the material is not particularly limited. It is sufficient that the shape stability is good and that it can be quickly removed during etching. For example, an organic material such as a photoresist, silicon, carbon, or the like is selected as the material for the intermediate thin film 3.

次に、図14(2)に示すように、フォトリソグラフィを行って中間薄膜3をパターニングする。即ち、フォトレジストの全面塗布と、露光、現像、エッチングを行って中間薄膜をパターニングする。パターニングは、中間薄膜3が紙面垂直方向に延びた縞状になるようにするものである。この際、中間薄膜3の縞の幅L1や間隔L2は、最終的に作成される格子2の間隔t,Tを決めるものである。   Next, as shown in FIG. 14B, the intermediate thin film 3 is patterned by photolithography. That is, the intermediate thin film is patterned by coating the entire surface of the photoresist, exposing, developing, and etching. The patterning is performed so that the intermediate thin film 3 has a stripe shape extending in the direction perpendicular to the paper surface. At this time, the width L1 and the interval L2 of the stripes of the intermediate thin film 3 determine the intervals t and T of the lattice 2 to be finally produced.

次に、図14(3)に示すように、パターニングされた中間薄膜3の全面を覆うようにして格子用薄膜4が作成される。格子用薄膜4は、格子の材料即ち酸化チタンより成る薄膜である。格子用薄膜4は、熱CVDの一種であるALD(Atomic Layer Deposition)によって作成される。ALDは、反応容器内に配置した基板上にプリカーサの気相分子を少しずつ供給して1原子層毎に吸着、成膜する技術である。プリカーサの反応が飽和した後、気相分子をパージして再度プリカーサ気相分子を供給する。これを繰り返して、所定の厚さの薄膜を作成する。成膜温度の低減や成膜速度の向上のため、プラズマパルスを印加する場合もある。   Next, as shown in FIG. 14 (3), the lattice thin film 4 is formed so as to cover the entire surface of the patterned intermediate thin film 3. The lattice thin film 4 is a thin film made of a lattice material, that is, titanium oxide. The lattice thin film 4 is formed by ALD (Atomic Layer Deposition) which is a kind of thermal CVD. ALD is a technique in which precursor gas phase molecules are supplied little by little onto a substrate placed in a reaction vessel, and are adsorbed and formed into a single atomic layer. After the precursor reaction is saturated, the gas phase molecules are purged and the precursor gas phase molecules are supplied again. By repeating this, a thin film having a predetermined thickness is formed. In some cases, a plasma pulse is applied in order to reduce the deposition temperature or increase the deposition rate.

このようにして格子用薄膜4を作成した後、格子用薄膜4の異方性エッチングを行う。異方性エッチングは、透明基板1の厚さ方向のエッチングである。このエッチングにより、図14(4)に示すように中間薄膜3のパターンの両側壁に格子用薄膜4が残留した状態となる。その後、中間薄膜3の材料のみエッチングできるエッチャントを使用してエッチングを行い、中間薄膜3のパターンをすべて除去する。これにより、酸化チタン製の各線状部21より成る格子2が透明基板1上に形成された状態となり、実施形態のグリッド偏光素子が得られる。得られたグリッド偏光素子は、所定の偏在比t/Tを持ち、この値になるように格子幅に応じて中間薄膜3のパターン寸法L1,L2が決定される。 After forming the lattice thin film 4 in this manner, the lattice thin film 4 is anisotropically etched. Anisotropic etching is etching in the thickness direction of the transparent substrate 1. By this etching, as shown in FIG. 14 (4), the lattice thin film 4 remains on both side walls of the pattern of the intermediate thin film 3. Thereafter, etching is performed using an etchant that can etch only the material of the intermediate thin film 3, and the entire pattern of the intermediate thin film 3 is removed. As a result, the grid 2 composed of the respective linear portions 21 made of titanium oxide is formed on the transparent substrate 1, and the grid polarizing element of the embodiment is obtained. The obtained grid polarization element has a predetermined uneven distribution ratio t / T, and the pattern dimensions L1 and L2 of the intermediate thin film 3 are determined according to the lattice width w so as to have this value.

次に、このようなグリッド偏光素子の使用例について説明する。図15は、実施形態のグリッド偏光素子の使用例を示したものであって、グリッド偏光素子を搭載した光配向装置の断面概略図である。
図15に示す装置は、前述した液晶ディスプレイ用の光配向膜を得るための光配向装置であり、対象物(ワーク)10に偏光光を照射することで、ワーク10の分子構造が一定の方向に揃った状態とするものである。従って、ワーク10は光配向膜用の膜(膜材)であり、例えばポリイミド製のシートである。ワーク10がシート状である場合、ロールツーロールの搬送方式が採用され、搬送の途中で偏光光が照射される。光配向用の膜材で被覆された液晶基板がワークとなることもあり、この場合には、液晶基板をステージに載せて搬送したり、又はコンベアで搬送したりする構成が採用される。
Next, a usage example of such a grid polarizing element will be described. FIG. 15 shows an example of use of the grid polarizing element of the embodiment, and is a schematic sectional view of a photo-alignment apparatus equipped with the grid polarizing element.
The apparatus shown in FIG. 15 is a photo-alignment apparatus for obtaining the above-described photo-alignment film for a liquid crystal display. By irradiating the object (work) 10 with polarized light, the molecular structure of the work 10 is in a certain direction. It will be in a state of being aligned. Accordingly, the workpiece 10 is a film (film material) for a photo-alignment film, and is, for example, a polyimide sheet. When the workpiece 10 has a sheet shape, a roll-to-roll conveyance method is adopted, and polarized light is irradiated during the conveyance. A liquid crystal substrate covered with a film material for photo-alignment may be a workpiece. In this case, a configuration in which the liquid crystal substrate is transported on a stage or transported by a conveyor is employed.

図15に示す装置は、光源5と、光源5の背後を覆ったミラー6と、光源5とワーク6との間に配置されたグリッド偏光素子7とを備える。グリッド偏光素子7は、前述した実施形態のものである。
多くの場合、光配向には紫外線の照射が必要なことから、光源5には高圧水銀ランプのような紫外線ランプが使用される。光源5は、ワーク10の搬送方向に対して垂直な方向(ここでは紙面垂直方向)に長いものが使用される。
The apparatus shown in FIG. 15 includes a light source 5, a mirror 6 that covers the back of the light source 5, and a grid polarizing element 7 disposed between the light source 5 and the workpiece 6. The grid polarizing element 7 is that of the above-described embodiment.
In many cases, ultraviolet light irradiation is required for photo-alignment, and therefore, an ultraviolet lamp such as a high-pressure mercury lamp is used as the light source 5. The light source 5 is long in the direction perpendicular to the conveying direction of the workpiece 10 (here, the direction perpendicular to the paper surface).

グリッド偏光素子7は、前述したように、格子2の長さを基準にしてp偏光光を選択的に透過させるものである。従って、光配向を行う方向にp偏光光の偏光軸が向くよう、ワーク10に対してグリッド偏光素子7が姿勢精度良く配置される。
尚、グリッド偏光素子は、大型のものを製造するのが難しいため、大きな領域に偏光光を照射する必要がある場合、複数のグリッド偏光素子を同一平面上に並べた構成が採用される。この場合、複数のグリッド偏光素子を並べた面は、ワーク10の表面と並行とされ、各グリッド偏光素子における格子の長さ方向がワークに対して所定の向きとなるように各グリッド偏光素子が配置される。
As described above, the grid polarizing element 7 selectively transmits p-polarized light based on the length of the grating 2. Therefore, the grid polarizing element 7 is arranged with high posture accuracy with respect to the work 10 so that the polarization axis of the p-polarized light is directed in the direction in which the optical alignment is performed.
In addition, since it is difficult to manufacture a large-sized grid polarizing element, when it is necessary to irradiate a large area with polarized light, a configuration in which a plurality of grid polarizing elements are arranged on the same plane is adopted. In this case, the surface on which the plurality of grid polarization elements are arranged is parallel to the surface of the work 10, and each grid polarization element is arranged so that the length direction of the grating in each grid polarization element is a predetermined direction with respect to the work. Be placed.

上述した実施形態のグリッド偏光素子によれば、格子2はアモルファス状の酸化チタンで形成され、格子幅wに対して格子2の偏在比t/Tがt/T>0.0149w+0.0644の関係を有しているので、透過率を大きく低下させることなく消光比を向上させることができる。このため、より質の良い偏光光を照射することができる。尚、格子幅wは、製造上のばらつきその他の理由により各線状部21によって異なるものになる場合、上記式に適用する際、各線状部21の幅の平均値を適用することになる。
そして、このようなグリッド偏光素子を搭載した光配向装置は、消光比の高いグリッド偏光素子を使用しているので、高品質の光配向処理を行うことが可能となり、高品質の光配向膜を得ることができる。このため、高画質のディスプレイの製造に大きく貢献できる。
According to the grid polarizing element of the embodiment described above, the lattice 2 is formed of amorphous titanium oxide, and the uneven distribution ratio t / T of the lattice 2 with respect to the lattice width w is t / T> 0.0149w + 0.0644. Therefore, the extinction ratio can be improved without significantly reducing the transmittance. For this reason, it is possible to irradiate polarized light with better quality. In addition, when the lattice width w is different for each linear portion 21 due to manufacturing variations and other reasons, the average value of the widths of the linear portions 21 is applied when applying to the above formula.
And since the optical alignment apparatus equipped with such a grid polarizing element uses a grid polarizing element with a high extinction ratio, it becomes possible to perform a high-quality optical alignment process, and a high-quality optical alignment film is formed. Can be obtained. This can greatly contribute to the production of high-quality displays.

尚、実施形態のグリッド偏光素子の構造において、t≠Tとなっている部分が周期的に存在すると説明したが、距離tの部分と距離Tの部分とが交互に存在している構造(図1に示す構造)は、その一例である。周期的な格子の偏在構造は、これ以外にも多く考えられる。但し、広い離間間隔Tで線状部21が並んでいる部分が連続することは好ましくない。p偏光光がその部分で透過し易くなり、消光比が低下してしまうからである。格子間隔のパターンをt(狭い)、T(広い)で表すと、好ましい他の一例として、ttTttTttT…や、ttTtTttTtT…等が挙げられる。この例も含め、本願発明は、t=Tとなっている部分を含むことを排除するものでない。即ち、全ての箇所においてt≠Tとすることは必須要件ではない。但し、消光比向上の効果を得る観点から、格子の全領域のうち半分以上の領域においてt≠Tとなっていることが好ましい。
また、本願発明のグリッド偏光素子が好適に使用できる波長域は、可視域のうちの短波長側と紫外域であったが、紫外域においてのみ専ら使用されるものであっても良い。
In the structure of the grid polarizing element of the embodiment, it has been described that the portion where t ≠ T periodically exists. However, the structure where the portion of the distance t and the portion of the distance T exist alternately (see FIG. The structure shown in FIG. 1 is an example. Many other periodic lattice uneven structures can be considered. However, it is not preferable that the portions where the linear portions 21 are arranged at a wide separation interval T are continuous. This is because p-polarized light is easily transmitted through the portion, and the extinction ratio is lowered. When the lattice spacing pattern is represented by t (narrow) and T (wide), other preferable examples include ttTttTttT ..., ttTtTttTtT ..., and the like. Including this example, the present invention does not exclude including a portion where t = T. That is, it is not an essential requirement that t ≠ T at all locations. However, from the viewpoint of obtaining an effect of improving the extinction ratio, it is preferable that t ≠ T in more than half of the entire region of the lattice.
Moreover, although the wavelength range which can use the grid polarizing element of this invention suitably is the short wavelength side and the ultraviolet region in the visible region, it may be used exclusively in the ultraviolet region.

1 透明基板
2 格子
21 線状部
3 中間薄膜
4 格子用薄膜
5 光源
6 ミラー
7 グリッド偏光素子
10 ワーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent substrate 2 Grating 21 Linear part 3 Intermediate thin film 4 Lattice thin film 5 Light source 6 Mirror 7 Grid polarization element 10 Workpiece

Claims (3)

透明基板と、該透明基板上に設けられた縞状の格子とより成るグリッド偏光素子であって、
前記格子を構成する各線状部は、波長240nm以上400nm以下において屈折率実部nが消衰係数kより大きいアモルファス状の酸化チタン膜(但し、kが1.5以上であるものを除く)より成るものであり、
該格子を構成する各線状部の幅の平均値をw、各線状部において一方の側の隣の線状部との距離をt、他方の側の隣の線状部との距離をTとしたとき、該格子は、実質的にt<Tである部分を周期的に有しているとともに、t<Tの部分においては、t/T>0.0149w+0.0644(但し、t、T、wの単位はナノメートルとする)の関係であることを特徴とするグリッド偏光素子。
A grid polarizing element comprising a transparent substrate and a striped grating provided on the transparent substrate,
Each linear part constituting the grating is an amorphous titanium oxide film (excluding those in which k is 1.5 or more) where the refractive index real part n is larger than the extinction coefficient k at a wavelength of 240 nm or more and 400 nm or less. It consists of
The average value of the widths of the respective linear parts constituting the lattice is w, the distance between each linear part and the adjacent linear part on one side is t, and the distance between the adjacent linear part on the other side is T. Then, the lattice periodically has a portion where t <T, and in the portion where t <T, t / T> 0.0149w + 0.0644 (where t, T, The grid polarizing element is characterized in that the unit of w is nanometer) .
前記格子は、前記透明基板の表面に沿った方向であって前記線状部の長さ方向に垂直な方向で見た際、広い距離Tを隔てて二つの前記線状部が並んでいる部分が連続している箇所を有しないことを特徴とする請求項1記載のグリッド偏光素子。    The lattice is a portion in which two linear portions are arranged at a wide distance T when viewed in a direction along the surface of the transparent substrate and perpendicular to the length direction of the linear portions. The grid polarizing element according to claim 1, wherein the grid polarizing element does not have a continuous portion. 光源と、請求項1又は2記載のグリッド偏光素子とを備えており、該グリッド偏光素子は、光配向用の膜材が配置される照射領域と前記光源との間の位置に設けられており、前記光源からの光を前記グリッド偏光素子を通して光配向の膜材に照射することが可能であることを特徴とする光配向装置。   A grid polarization element according to claim 1 or 2 is provided, and the grid polarization element is provided at a position between the light source and an irradiation region where a film material for photo-alignment is disposed. A photo-alignment apparatus characterized in that light from the light source can be applied to a photo-alignment film material through the grid polarizing element.
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