JP2005099099A - Wavelength plate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば直線偏光を円偏光にする１／４波長板のように、互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に対して位相差を生じさせる波長板に関する。 The present invention relates to a wave plate that generates a phase difference with respect to two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other, such as a quarter wave plate that converts linearly polarized light into circularly polarized light.
周知のように、この種の波長板としては、水晶のような異方性を有する光学結晶が広く用いられている。その一方、透過光の波長よりも短い周期構造（サブ波長構造）を持つ波長板、より具体的には、基板表面に透過光の波長よりも短い周期ピッチにて格子パターンが形成された波長板等が提案されている。こうした波長板は、０次光以外の回折光を生じさせず、また、上記格子パターンに基づく光学異方性（複屈折）を示すため、互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に対して位相差を生じさせることができる。なお、この波長板は、例えば、干渉露光法によりフォトレジストに格子パターンを形成し、その格子パターンからニッケル電鋳法で金型を作った後、この金型を用いて、ホットプレス法や射出成形法により上記格子パターンを熱可塑性樹脂に転写することによって製作される。 As is well known, optical crystals having anisotropy such as quartz are widely used as this type of wave plate. On the other hand, a wave plate having a periodic structure (sub-wavelength structure) shorter than the wavelength of transmitted light, more specifically, a wave plate in which a grating pattern is formed on the substrate surface at a periodic pitch shorter than the wavelength of transmitted light. Etc. have been proposed. Such a wave plate does not generate diffracted light other than 0th-order light, and also exhibits optical anisotropy (birefringence) based on the grating pattern, so that it has a position relative to two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other. A phase difference can be produced. For example, this wave plate is formed by forming a lattice pattern on a photoresist by an interference exposure method, making a die from the lattice pattern by a nickel electroforming method, and then using this die to perform a hot press method or an injection. It is manufactured by transferring the lattice pattern to a thermoplastic resin by a molding method.
ところで、波長板において特に重要となる性質に、透過率と位相差がある。そして波長板としては、高い透過率を有して、且つ上記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に対して所望とされる位相差を生じさせることのできるものが望ましい。 By the way, the transmittance and the phase difference are particularly important properties in the wave plate. As the wave plate, it is desirable that the wave plate has a high transmittance and can generate a desired phase difference with respect to the two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other.
より具体的には、上記位相差は、基板の材料の屈折率や該基板に形成される格子パターンの溝の深さ等の関数で示される。そして、基板の材料の屈折率が大きいほど、また格子パターンの溝が深いほど、大きな位相差を生じさせることができる。しかし一般に、上記基板の材料には、透過率を高めるために透光性に優れるアクリル樹脂やシクロオレフィンポリマー等の熱可塑性透明樹脂が用いられ、その屈折率は１．５〜１．６程度に限られるため、結局、上記位相差は格子パターンの溝の深さに依存するものとなっている。 More specifically, the phase difference is represented by a function such as the refractive index of the material of the substrate and the depth of the groove of the grating pattern formed on the substrate. The larger the refractive index of the material of the substrate and the deeper the groove of the lattice pattern, the larger the phase difference can be generated. However, in general, a thermoplastic transparent resin such as an acrylic resin or a cycloolefin polymer having excellent translucency is used for the material of the substrate, and its refractive index is about 1.5 to 1.6. In the end, the phase difference depends on the groove depth of the grating pattern.
このように、より大きな位相差を得るためには、より深い格子パターンの溝が必要となる。発明者のシミュレーションによると、例えば、使用する光の波長を「６５５ｎｍ」、格子パターンの周期ピッチを「３５０ｎｍ」、格子パターンのＤｕｔｙ比（格子の幅／周期ピッチ）を「０．４３」、基板材料の屈折率を「１．５３」とする場合、「９０°」の位相差を得るためには「１５００ｎｍ」程度の深さの溝を有する格子パターンが必要となる。しかし、サブ波長構造の格子パターンを有する波長板において、この深さの溝を有する格子パターンを成形等で製作することは非常に困難であり、特に量産性を考慮した場合、歩留まりの低下は避けられないものとなっている。 Thus, in order to obtain a larger phase difference, a deeper grating pattern groove is required. According to the inventor's simulation, for example, the wavelength of light to be used is “655 nm”, the periodic pitch of the grating pattern is “350 nm”, the duty ratio of the grating pattern (grating width / periodic pitch) is “0.43”, and the substrate When the refractive index of the material is “1.53”, a grating pattern having a groove with a depth of “1500 nm” is required to obtain a phase difference of “90 °”. However, in a wave plate having a grating pattern with a sub-wavelength structure, it is very difficult to produce a grating pattern having a groove of this depth by molding or the like, and especially in consideration of mass productivity, avoid a decrease in yield. It is not possible.
そこで従来は、例えば特許文献１に記載のように、上記基板の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘電体媒質を上記基板に形成された格子パターン上に被覆あるいは充填して、上記格子パターンと等しい周期ピッチの格子パターンを形成するようにした波長板なども提案されている。こうした波長板では、上記基板の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘電体媒質が、基板に形成された格子パターンと等しい周期ピッチにて格子パターンを形成するため、より大きな位相差を生じさせることができるようになる。すなわち、上記基板に形成される格子パターンの溝の深さをより小さく設定することができ、ひいては当該波長板の製作をより容易なものとすることができる。
上述のように、上記特許文献１に記載の波長板によれば、該波長板によって生じさせることのできる位相差については確かにこれを大きく確保することができる。しかし、上記基板の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘電体媒質を、基板に形成された格子パターン上に被覆あるいは充填したことによって、当該波長板に光が入射する際に上記誘電体媒質の表面にて反射される光の量が多くなり、透過率は逆に低下することとなる。
As described above, according to the wave plate described in
このように、上記従来の波長板では、上記誘電体媒質を設けたことで、位相差についてはその改善が図られはするものの、該誘電体媒質による透過率の低下が避けられないものとなっている。 As described above, in the conventional wave plate, although the above-described dielectric medium is provided, the phase difference can be improved, but a decrease in transmittance due to the dielectric medium is unavoidable. ing.
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、所望とされる位相差の確保のために基板の表面に同基板よりも高い屈折率を有する膜材を設けていながら、透過率についてもこれを好適に改善することのできる波長板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in order to secure a desired phase difference, a film material having a higher refractive index than that of the substrate is provided on the surface of the substrate, and the transmittance is also improved. It is an object of the present invention to provide a wave plate that can suitably improve this.
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面に一定の周期ピッチで格子状のパターンが形成された透光性の基板を有して、該基板を透過する互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に位相差を生じさせる波長板として、前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜、および該高屈折率膜の膜材よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜が前記基板の表面に順次堆積形成されてなる構造としている。
In order to achieve such an object, the invention described in
一般に、光の反射は屈折率の急激な変化により生じる。そのため、屈折の変化を緩やかにすることで、反射率を低下させて透過率を向上させることができるようになる。この点、波長板としての上記構造によれば、屈折率がほぼ「１」である空気中から波長板に入射してくる光は、上記高屈折率膜よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜を介して、上記高屈折率膜に入射することとなる。これにより、空気中から直接、上記高屈折率膜に光が入射される場合よりも屈折率の変化は緩やかになり、ひいては上記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光の透過率を向上させることができるようになる。このように、波長板として上記構造を採用することで、所望とされる位相差を確保するために基板の表面に同基板よりも高い屈折率を有する膜材を形成する場合であれ、透過率を好適に改善することができるようになる。 In general, reflection of light is caused by a rapid change in refractive index. Therefore, by moderately changing the refraction, the reflectance can be lowered and the transmittance can be improved. In this regard, according to the structure as the wave plate, light incident on the wave plate from the air having a refractive index of approximately “1” is transmitted from a film material having a lower refractive index than the high refractive film. The light enters the high refractive index film through the low refractive index film. As a result, the change in refractive index becomes more gradual than when light is directly incident on the high refractive index film from the air, thereby improving the transmittance of the two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other. Will be able to. In this way, by adopting the above structure as a wavelength plate, even if a film material having a higher refractive index than that of the substrate is formed on the surface of the substrate in order to ensure a desired phase difference, the transmittance Can be suitably improved.
また、請求項２に記載の発明では、上記請求項１に記載の波長板において、前記高屈折率膜および前記低屈折率膜は、前記基板の表面に形成された格子状のパターンと同様の周期ピッチを持つ格子状のパターンとして堆積形成されてなる構造としている。 According to a second aspect of the present invention, in the wavelength plate according to the first aspect, the high refractive index film and the low refractive index film are the same as the lattice-shaped pattern formed on the surface of the substrate. A structure is formed by depositing as a lattice pattern having a periodic pitch.
上記構造によれば、所望とされる位相差の確保のために上記高屈折率膜を形成した場合であれ、当該波長板としてその表面に形成される格子状のパターンの周期ピッチは維持される。そのため、上記構造を採用することで、上記周期ピッチの変動に起因する波長板としての特性の悪化についてもこれをより好適に抑制することができるようになる。 According to the above structure, even when the high refractive index film is formed to ensure a desired phase difference, the periodic pitch of the lattice pattern formed on the surface as the wave plate is maintained. . Therefore, by adopting the above structure, it is possible to more suitably suppress the deterioration of the characteristics as the wave plate due to the fluctuation of the periodic pitch.
また、請求項３に記載の発明では、上記請求項２に記載の波長板において、前記高屈折率膜および低屈折率膜による格子状のパターンは、断面略矩形の凹凸面が連続する態様で形成されてなる構造としている。 According to a third aspect of the present invention, in the wave plate according to the second aspect, the lattice-like pattern formed by the high refractive index film and the low refractive index film is an aspect in which an uneven surface having a substantially rectangular cross section is continuous. The structure is formed.
こうした構造によれば、上記高屈折率膜および低屈折率膜は一定の幅を保ちながら堆積形成されることとなり、ひいては上記格子状のパターンを簡素なものにすることができるようになる。また、この波長板を、前記基板と上記高屈折率膜と上記低屈折率膜との各境
界にて膜厚方向に区画された複数の層に分けて考えた場合、当該波長板の複屈折の大きさは各層の複屈折の大きさの総和として求めることができるようになる。ここで、上記各層の複屈折の大きさは、上記高屈折率膜および低屈折率膜の膜厚によって調節することができる。また一般に、複屈折の大きさは位相差と略比例関係にある。そのため、上記構造を採用すれば、上記高屈折率膜あるいは低屈折率膜の膜厚を変化させることによって、上述の位相差をより容易に所望の値に調節することができるようにもなる。
According to such a structure, the high-refractive index film and the low-refractive index film are deposited while maintaining a certain width, and as a result, the lattice pattern can be simplified. In addition, when the wavelength plate is divided into a plurality of layers partitioned in the film thickness direction at each boundary between the substrate, the high refractive index film, and the low refractive index film, the birefringence of the wavelength plate Can be obtained as the sum of the birefringence of each layer. Here, the magnitude of the birefringence of each layer can be adjusted by the film thickness of the high refractive index film and the low refractive index film. In general, the magnitude of birefringence is approximately proportional to the phase difference. Therefore, if the above structure is adopted, the above-described phase difference can be more easily adjusted to a desired value by changing the film thickness of the high refractive index film or the low refractive index film.
また、請求項４に記載の発明では、上記請求項２に記載の波長板において、前記高屈折率膜および低屈折率膜による格子状のパターンは、断面略三角形の凸面と断面略矩形の凹面とが連続する態様で形成されてなる構造としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the wave plate according to the second aspect of the invention, the lattice-like pattern formed by the high refractive index film and the low refractive index film has a convex surface having a substantially triangular cross section and a concave surface having a substantially rectangular cross section. Are formed in a continuous manner.
こうした構造によれば、断面略三角形の凸面からなる領域において空気の割合が深さ方向に沿って徐々に変化するようになり、その表面から基板の表面にかけて同領域の平均屈折率が徐々に変化する。そのため同構造によれば、透過率のさらなる向上が期待できるようになる。 According to such a structure, the ratio of air gradually changes along the depth direction in a region having a convex surface with a substantially triangular cross section, and the average refractive index of the region gradually changes from the surface to the surface of the substrate. To do. Therefore, according to the structure, further improvement in transmittance can be expected.
また、請求項５に記載の発明では、上記請求項２に記載の波長板において、前記高屈折率膜および低屈折率膜による格子状のパターンは、前記基板の表面に形成された格子状のパターンの凸面の頂部に対して選択的に堆積されてなる構造としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the wave plate according to the second aspect of the present invention, the lattice pattern formed by the high refractive index film and the low refractive index film is a lattice-shaped pattern formed on the surface of the substrate. A structure is formed by selectively depositing on the top of the convex surface of the pattern.
こうした構造によれば、高屈折率膜および低屈折率膜を用いることによる上述の作用効果に加えて、格子状のパターンとしてのアスペクト比そのものを物理的に高く確保することも容易となる。 According to such a structure, in addition to the above-described operation effect by using the high refractive index film and the low refractive index film, it becomes easy to ensure a physically high aspect ratio as a lattice pattern.
また、請求項６に記載の発明では、上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長板において、前記低屈折率膜は、前記高屈折率膜の前記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光が入射する部位に選択的に設けられてなる構造としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the wavelength plate according to any one of the first to fifth aspects, the low-refractive index film is formed by crossing the planes of polarization of the high-refractive index film perpendicular to each other. It is structured to be selectively provided at a site where two linearly polarized lights are incident.
こうした構造を有する波長板では、所望とされる位相差を確保するために前記高屈折率膜を設けている。しかし、透過率を高めるためにこの高屈折率膜の表面にさらに低屈折率膜を設けた場合、上記位相差の低下を招くことがある。一方、透過率を高めるためには、波長板に入射する光が前記低屈折率膜を介して前記高屈折率膜に入射するようにすれば足りるため、波長板として上記構造を採用することで、上記低屈折率膜の形成に伴う位相差の低下を最小限に抑えつつ、所望とされる透過率を確保することができるようになる。 In the wave plate having such a structure, the high refractive index film is provided in order to ensure a desired phase difference. However, when a low refractive index film is further provided on the surface of the high refractive index film in order to increase the transmittance, the retardation may be lowered. On the other hand, in order to increase the transmittance, it is sufficient that the light incident on the wavelength plate is incident on the high refractive index film through the low refractive index film. Thus, it is possible to ensure a desired transmittance while minimizing a decrease in retardation due to the formation of the low refractive index film.
また、請求項７に記載の発明では、上記請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長板において、前記低屈折率膜の屈折率をｎ、前記低屈折率膜の膜厚をｄ、前記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光の波長をλとするとき、これらが「ｎｄ＝λ／４」なる関係に設定されてなる構造としている。
In the invention according to claim 7, in the wavelength plate according to any one of
波長板としての上記構造によれば、前記低屈折率膜の表面での反射光と、該低屈折率膜と前記高屈折率膜との境界面での反射光とが互いに干渉して打ち消し合うようになる。そのため、上記低屈折率膜の表面にて反射される光の量を少なくすることができ、ひいては上記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光の透過率を高めることができるようになる。 According to the structure as the wave plate, the reflected light on the surface of the low refractive index film and the reflected light on the boundary surface between the low refractive index film and the high refractive index film interfere with each other and cancel each other. It becomes like this. For this reason, the amount of light reflected on the surface of the low refractive index film can be reduced, and as a result, the transmittance of the two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other can be increased.
また、請求項８に記載の発明では、上記請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長板において、前記基板の表面に形成された格子状のパターンの周期ピッチが、前記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光の波長よりも短く設定されてなる構造としている。
In the invention according to claim 8, in the wavelength plate according to any one of
基板の表面に一定の周期ピッチで格子状のパターンを有して互いに偏光面を直交する２
つの直線偏光に位相差を生じさせる波長板は、透過させる光の波長よりも短い周期ピッチの格子状のパターンを有することで、複屈折などの光学異方性が発生するようになる。すなわち、上記請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長板は、上記格子状のパターンの周期ピッチよりも長い波長を有する互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に位相差を生じさせる波長板として用いることで、より適切にそれら直線偏光に対する位相差を生じさせることができるようになる。
The surface of the substrate has a lattice pattern with a constant periodic pitch, and the planes of polarization are orthogonal to each other 2
A wave plate that causes a phase difference between two linearly polarized lights has a lattice-like pattern with a periodic pitch shorter than the wavelength of light to be transmitted, thereby generating optical anisotropy such as birefringence. That is, the wave plate according to any one of
以下、この発明にかかる波長板の一実施の形態について、図１〜図５を参照して説明する。この実施の形態にかかる波長板も、前述した従来の波長板と同様、互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に対して位相差を生じさせるものであり、例えば直線偏光を円偏光にする１／４波長板として用いられる。ただし、この波長板では、図５に示すような構造とすることで、前述した透過率についてもこれを改善するようにしている。 Hereinafter, an embodiment of a wave plate according to the present invention will be described with reference to FIGS. The wave plate according to this embodiment also produces a phase difference with respect to two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other, like the conventional wave plate described above. Used as a / 4 wavelength plate. However, in this wave plate, the above-described transmittance is improved by adopting the structure shown in FIG.
まず、図１および図２を参照して、この実施の形態にかかる波長板に用いられる基板の構造について説明する。なお、図１はこの基板の外観形状を模式的に示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the structure of the substrate used for the wave plate according to this embodiment will be described. 1 is a perspective view schematically showing the external shape of the substrate, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
図１および図２に示すように、この基板１の表面には、一定の周期ピッチ（格子ピッチ）Ｐで格子状のパターンが形成されている。より具体的には、基板表面に、幅Ｗ１、深さＤ１の略直線状の格子溝が一定の周期ピッチ（格子ピッチ）Ｐをもって繰り返し形成されており、これによって、この格子溝に垂直な断面の形状として、幅Ｗ１の略矩形の凹部と幅Ｗ２の略矩形の凸部とが隣り合うかたちで連なって形成されている。なおここで、上記格子ピッチＰは「３５０ｎｍ」、格子溝の深さＤ１は「５００ｎｍ」に設定されている。また、この基板１の材料には、例えば屈折率が「１．５３」の熱可塑性透明樹脂であるシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等が用いられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a lattice-like pattern is formed on the surface of the
このような格子状のパターンを有する基板１は、上記格子溝に平行な方向を電場の振動方向とする直線偏光（ＴＥ成分）と、上記格子溝に垂直な方向を電場の振動方向とする直線偏光（ＴＭ成分）とに対してそれぞれ異なる屈折率（有効屈折率）を有し、いわゆる複屈折波長板として機能する。そのため、互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に対して位相差を生じさせることができる。
The
また、上記格子ピッチＰに対する上記略矩形の凸部幅Ｗ２の比、いわゆるＤｕｔｙ比は、上記位相差がより大きくなるように設定されている。なお、この位相差は上記ＴＥ成分の有効屈折率とＴＭ成分の有効屈折率との差（複屈折の大きさ）に相関しており、上記位相差をより大きくするためには、上記両成分の有効屈折率の差がより大きくなるように上記Ｄｕｔｙ比を設定すればよい。 The ratio of the substantially rectangular convex portion width W2 to the lattice pitch P, that is, the so-called duty ratio is set so that the phase difference becomes larger. This phase difference correlates with the difference (the magnitude of birefringence) between the effective refractive index of the TE component and the effective refractive index of the TM component, and in order to increase the phase difference, The duty ratio may be set so that the difference between the effective refractive indexes of the two becomes larger.
図３に、上記ＴＥ成分の有効屈折率およびＴＭ成分の有効屈折率と、上記格子状のパターンのＤｕｔｙ比との関係をグラフとして示す。なお、この関係は、発明者によるシミュレーションによって確認されたものである。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the effective refractive index of the TE component and the effective refractive index of the TM component and the duty ratio of the lattice pattern. This relationship has been confirmed by a simulation by the inventors.
さて、このグラフによれば、上記ＴＥ成分の有効屈折率とＴＭ成分の有効屈折率との差は、Ｄｕｔｙ比が「０．４３」のときに最も大きくなっている。この実施の形態にかかる波長板においては、このシミュレーション結果に基づき、上記格子状のパターンのＤｕｔｙ比を「０．４３」に設定している。そしてこれにより、より大きな位相差を確保するようにしている。 According to this graph, the difference between the effective refractive index of the TE component and the effective refractive index of the TM component is the largest when the duty ratio is “0.43”. In the wave plate according to this embodiment, the duty ratio of the lattice pattern is set to “0.43” based on the simulation result. As a result, a larger phase difference is ensured.
次に、この基板１の製造方法について簡単に説明する。
Next, a method for manufacturing the
この基板１の製造に際しては、まず、例えばシリコン等からなる母体表面にレジストを塗布する。そしてこのレジストに、上記基板１の格子状のパターンに対応するパターンを、電子ビームや二光束干渉露光等によって描画し、これを現像することによって、レジスト上に上記描画に対応するパターンを得る。次いで、このパターンの表面に例えばクロム（Ｃｒ）を蒸着し、リフトオフすることで、上記現像によりレジストが除去されて形成されたパターンに対応するかたちでクロム膜からなるマスクが形成される。なおここでは、エッチング耐性を考慮してクロム膜をマスクとして用いているが、後工程のエッチングに耐えることができる場合は、レジストをマスクとして工程の簡略化を図ることもできる。
In manufacturing the
次に、上記マスクを用いて、例えばＣ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２との混合ガス等により上記母体のエッチングを行う。こうして、基板１の格子状のパターンに対応するパターンを有するマスタ（原器）が製作される。次いで、ニッケル電鋳法により、このマスタから金型を製作する。そして最後に、こうして製作された金型を用いて、例えば射出成形法によるモールディングを行うことで、上記基板１が製作されることとなる。
Next, using the mask, the base is etched using, for example, a mixed gas of C 4 F 8 and CH 2 F 2 . In this way, a master (original device) having a pattern corresponding to the lattice pattern of the
次に、図４および図５を併せ参照して、この実施の形態にかかる波長板およびその製造方法について説明する。なお、これら図４および図５は、先の図２に対応する断面図である。 Next, referring to FIG. 4 and FIG. 5 together, the wave plate and the manufacturing method thereof according to this embodiment will be described. 4 and 5 are cross-sectional views corresponding to FIG.
図４に示すように、この波長板の製造に際してはまず、上記格子状のパターンが形成された基板１の表面全面に対して、例えばスパッタリングあるいは蒸着により、屈折率が「２．１」で、透光性を有する誘電体材料である酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる高屈折率膜２を成膜（堆積形成）する。この際、上記高屈折率膜２は、一様の膜厚Ｄ２をもって、上記格子状のパターンの凸部の上面および凹部の底面に形成される。また、上記高屈折率膜２の膜厚Ｄ２は所望とされる位相差に応じて設定され、この実施の形態においては、この高屈折率膜２の膜厚Ｄ２を「３３６ｎｍ」としている。
As shown in FIG. 4, when manufacturing the wave plate, first, the refractive index is “2.1” by sputtering or vapor deposition on the entire surface of the
次に、図５に示すように、上記高屈折率膜２の表面に、例えばスパッタリングあるいは蒸着により、屈折率が「１．４６」で、透光性を有する誘電体材料である酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる低屈折率膜３を成膜（堆積形成）する。この際、上記低屈折率膜３は、一様の膜厚Ｄ３をもって、上記格子状のパターンの凸部の上面および凹部の底面に形成される。また、上記低屈折率膜３の膜厚Ｄ３は「Ｄ３＝λ／（４ｎ）（Ｄ３：低屈折率膜３の膜厚、λ：透過光の波長、ｎ：低屈折率膜３の屈折率）」なる関係を満たすように設定される。
Next, as shown in FIG. 5, on the surface of the high
また、こうして製作される波長板の表面には、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３によって、上記基板１の表面に形成された格子状のパターンと同様の周期ピッチを持つ格子状のパターンが形成されることとなる。つまり、上記高屈折率膜２を形成した後においても、当該波長板の表面に形成される格子状のパターンの周期ピッチは維持される。これにより、上記周期ピッチの変動に起因する波長板としての特性の悪化はより好適に抑制されることとなる。
Further, on the surface of the wave plate manufactured in this way, a lattice-like pattern having the same periodic pitch as the lattice-like pattern formed on the surface of the
次に、この波長板に、「６５５ｎｍ」の波長（λ）を有する上記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分を透過させた場合に、当該波長板がこれら直線偏光に生じさせる位相差、およびこれら直線偏光が当該波長板を透過する際の透過率について説明する。なおここでは、発明者によるシミュレーション結果を示し、便宜上、先の図５に示した断面を有する低屈折率膜３を有する波長板と、先の図４に示した断面を有する低屈折率膜３を有さない波長板とを対比させるかたちで説明を行う。
Next, when the two linearly polarized light TE components and TM components having the wavelength (λ) of “655 nm” and whose polarization planes are orthogonal to each other are transmitted through the wave plate, the wave plate is generated in the linearly polarized light. The phase difference to be performed and the transmittance when the linearly polarized light passes through the wave plate will be described. Here, the simulation results by the inventor are shown, and for convenience, the wave plate having the low
ちなみに、これら波長板には、上記透過光の波長λ（６５５ｎｍ）よりも短い周期ピッ
チの格子状のパターン、いわゆるサブ波長構造の格子状のパターンが形成されている。これにより、複屈折などの光学異方性が発生して、上記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分に位相差を生じさせることができるようになっている。また、これら波長板においては、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３によって形成される格子状のパターンが断面略矩形の凹凸面が連続する態様で形成されているため、上記基板１と高屈折率膜２と低屈折率膜３との各境界にて膜厚方向に区画された複数の層に分けて、上記複屈折の大きさを考えることができる。例えば、図５に示す波長板おいては、層Ｌ１〜Ｌ５の５層に分けて各層の複屈折の大きさΔｎ１〜Δｎ５を計算した後、これら各層の複屈折の大きさΔｎ１〜Δｎ５を足し合わせることで、この波長板自体の複屈折の大きさ、すなわち当該波長板が上記直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分に生じさせる位相差の大きさを求めることができる。また、図４に示す波長板についても同様に、層Ｌ１１〜Ｌ１３の３層の複屈折の大きさΔｎ１１〜Δｎ１３の総和が、波長板自体の複屈折の大きさとなる。ここで、上記各層の複屈折の大きさは、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３の膜厚によって調節することができる。また一般に、複屈折の大きさは位相差と略比例関係にある。すなわち、これら波長板では、上記高屈折率膜２あるいは低屈折率膜３の膜厚を変化させることにより上記位相差を調節することができ、ひいては上述の位相差をより容易に所望の値に調節することができるようになっている。
Incidentally, on these wave plates, a lattice-like pattern having a periodic pitch shorter than the wavelength λ (655 nm) of the transmitted light, that is, a so-called sub-wavelength structure lattice-like pattern is formed. As a result, optical anisotropy such as birefringence is generated, and a phase difference can be generated between the two linearly polarized light TE component and TM component whose polarization planes are orthogonal to each other. In these wave plates, the lattice-like pattern formed by the high-
まず、図４に示す低屈折率膜３を有しない波長板に、上記「６５５ｎｍ」の波長（λ）を有する互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分を透過させた場合、これら直線偏光には約「９０°」の位相差が生じることとなる。またこの際、これら直線偏光の透過率は「９３．２％」となる。ちなみに、図１および図２に示す高屈折率膜２も有していない波長板では、上記２つの直線偏光に生じる位相差は約「２９．４°」になる。この結果からも、上記高屈折率膜２を形成することで、上記位相差を格段に大きく確保することができることが分かる。一方、透過率について両者を比較した場合、上記図１および図２に示す波長板における透過率は「９６.３％」となり、上記図４に示す波長板よりも高くなっている。これは、上記基板１の表面に同基板１の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜２を設けることによって、上記２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分が当該波長板に入射する際に、上記高屈折率膜２の表面にて反射される光の量が多くなることによる。より具体的には、上記高屈折率膜２を設けることで、屈折率がほぼ「１」である空気中から波長板に入射してくる光は、上記基板１よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜２を介して、上記基板１に入射することとなる。これにより、空気中から直接、上記基板１に光が入射される場合よりも屈折率の変化は急峻になり、ひいては波長板の表面における反射率が増加することとなる。このようにして、上記互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分の透過率が低下することとなる。
First, when transmitting the two linearly polarized light TE component and TM component having the wavelength (λ) of “655 nm” perpendicular to each other through the wave plate having no low
また一方、図５に示す低屈折率膜３を有する波長板に、上記「６５５ｎｍ」の波長（λ）を有する互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分を透過させた場合、これら直線偏光には、上記図４に示す波長板と同様、約「９０°」の位相差が生じることとなる。ただし、この波長板においては、低屈折率膜３が形成されていることで、上記直線偏光の透過率は「９８．８％」まで改善されている。より具体的には、上記低屈折率膜３を設けることで、屈折率がほぼ「１」である空気中から波長板に入射してくる光は、上記高屈折率膜２よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜３を介して、上記高屈折率膜２に入射するようになる。これにより、空気中から直接、上記高屈折率膜２に光が入射される場合よりも屈折率の変化は緩やかになり、ひいては反射率を低下させて上記２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分の透過率を向上させることができるようになる。またこの際、上記低屈折率膜３を、高屈折率膜２の互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分が入射する部位に選択的に設けたことで、上記高屈折率膜２の表面にさらに低屈折率膜３を設けたにもかかわらず、上記のように位相差は維持、確
保されている。また上述のように、この低屈折率膜３の膜厚は「Ｄ３＝λ／（４ｎ）（Ｄ３：低屈折率膜３の膜厚、λ：透過光の波長、ｎ：低屈折率膜３の屈折率）」なる関係を満たすように設定されている。つまり、上記低屈折率膜３の膜厚は「１１２ｎｍ」に設定されている。上記低屈折率膜３の膜厚がこのように設定されることで、低屈折率膜３の表面での反射光と、該低屈折率膜３と上記高屈折率膜２との境界面での反射光とが互いに干渉して打ち消し合うようになる。つまり、上記低屈折率膜３の表面にて反射される光の量は少なくなり、上記２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分の透過率のさらなる向上が図られることとなる。
On the other hand, when the wave plate having the low
以上説明したように、この実施の形態にかかる波長板によれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。 As described above, according to the wave plate according to this embodiment, the following excellent effects can be obtained.
（１）一定の周期ピッチで格子状のパターンが形成された基板１の表面に、同基板１の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜２を形成して且つ、この高屈折率膜２の表面に、「１」よりも高く、高屈折率膜２の膜材よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜３をさらに形成した。こうした構造を採用することで、所望とされる位相差を確保するために基板の表面に同基板よりも高い屈折率を有する膜材を形成する場合であれ、その透過率を好適に改善することができるようになる。
(1) A high
（２）当該波長板の表面に、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３によって、上記基板１の表面に形成された格子状のパターンと同様の周期ピッチを持つ格子状のパターンを形成するようにした。このような構造とすることで、上記周期ピッチの変動に起因する波長板としての特性の悪化についてもこれを好適に抑制することができるようになる。
(2) A lattice-like pattern having the same periodic pitch as the lattice-like pattern formed on the surface of the
（３）また、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３によって形成される格子状のパターンを、断面略矩形の凹凸面が連続する態様で形成するようにした。こうした構造によれば、上記高屈折率膜２あるいは低屈折率膜３の膜厚を変化させることにより上記位相差を調節することができるようになり、ひいては上述の位相差をより容易に所望の値に調節することができるようになる。また、上記構造を採用することによって上記格子状のパターンは簡素なものとなり、ひいてはそのパターンの製作をより容易に行うことができるようにもなる。
(3) Further, the lattice pattern formed by the high
（４）上記基板１の表面に、一様の膜厚を持つ高屈折率膜２および低屈折率膜３を形成した。このような構造とすることで、当該波長板の製作工程の簡略を図ることができ、ひいてはその製作をより容易に行うことができるようにもなる。
(4) A high
（５）上記低屈折率膜３を、高屈折率膜２の互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分が入射する位置に選択的に設けるようにした。このような構造とすることで、上記低屈折率膜の形成に伴う位相差の低下を最小限に抑えつつ、所望とされる透過率を確保することができるようになる。
(5) The low
（６）上記低屈折率膜３の膜厚を「Ｄ３＝λ／（４ｎ）（Ｄ３：低屈折率膜３の膜厚、λ：透過光の波長、ｎ：低屈折率膜３の屈折率）」なる関係を満たすように設定した。このような構造とすることで、上記低屈折率膜３の表面にて反射される光の量は少なくなり、上記２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分の透過率をより大きくすることができるようになる。
(6) The film thickness of the low
なお、上記各実施の形態は、以下の形態をもって実施することもできる。 In addition, each said embodiment can also be implemented with the following forms.
・上記実施の形態では、上記低屈折率膜３の膜厚を「Ｄ３＝λ／（４ｎ）（Ｄ３：低屈折率膜３の膜厚、λ：透過光の波長、ｎ：低屈折率膜３の屈折率）」なる関係を満たすように設定したが、上記低屈折率膜３の膜厚は任意である。
In the above embodiment, the film thickness of the low
・上記実施の形態では、上記低屈折率膜３を、高屈折率膜２の互いに偏光面を直交する２つの直線偏光ＴＥ成分およびＴＭ成分が入射する位置に選択的に設けるようにしたが、上記低屈折率膜３を形成する位置は任意である。例えば、上記高屈折率膜２の全面に設けてもよい。
In the above embodiment, the low
・上記実施の形態では、上記基板１の表面に、一様の膜厚を持つ高屈折率膜２および低屈折率膜３を形成したが、これら膜は必ずしも一様の膜厚である必要はない。
In the above embodiment, the high
・上記実施の形態では、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３によって形成される格子状のパターンを、上記基板１の表面に形成された格子状のパターンと同様の周期ピッチにて略矩形の凹凸面が連続する態様で形成するようにしたが、上記格子状のパターンはこのような構造を有するものには限られない。例えば、図６や図７に示す格子状のパターン等も適宜採用することができる。ここで、図６に示す格子状のパターンは、略三角形の凸面と略矩形の凹面とを有して形成されている。また、この格子状のパターンによれば、領域Ａにおいて空気の割合が深さ方向に沿って徐々に変化するようになり、当該波長板の表面から基板１の表面にかけて同領域Ａの平均屈折率が徐々に変化するようになる。そのため、この格子状のパターンを採用することで、透過率のさらなる向上が期待できるようになる。一方、図７に示す格子状のパターンは、上記基板１の表面に形成された格子状のパターンの凸面の頂部にのみ選択的に上記高屈折率膜２および低屈折率膜３を形成するようにしている。こうした格子状のパターンにおいては、上記基板１および高屈折率膜２および低屈折率膜３により格子状のパターンが形成され、格子溝の深さをより深くすることができる。すなわち、格子状のパターンとしてのアスペクト比そのものを物理的に高く確保することができる。そのため、このような格子状のパターンを採用することで、より大きな位相差の確保が期待できるようになる。また、上記格子状のパターンは、略直線状のものにも限らず、例えば波形状のパターンや鋸歯状のパターンであってもよい。また、その格子溝の形状も任意である。また、当該波長板を透過する互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に位相差を生じさせるものであれば、上記格子状のパターンは、上記実施の形態で示したような１次元パターンに限られず、２次元パターンなども適宜採用可能である。
In the above embodiment, the lattice pattern formed by the high
・上記実施の形態では、上記基板１の材料としてシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）を用いた例を示したが、この基板１の材料は透光性を有する範囲で任意であり、例えばアクリル樹脂等も用いることができる。また、上記高屈折率膜２および低屈折率膜３の材料についても、高屈折率膜２の材料は、上記基板１の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する材料であれば足り、また低屈折率膜３の材料は、上記高屈折率膜２の材料の屈折率よりも低い（「１」よりは高い）屈折率を有する材料であれば足りる。また、これら膜の製造方法についても、蒸着あるいはスパッタに限られない。
-In the said embodiment, although the example using the cycloolefin polymer (COP) was shown as a material of the said board |
・また、上記実施の形態では、上記低屈折率膜３を一層構造にしたが、同低屈折率膜３の上に屈折率の異なる膜をさらに重ねて多層膜構造にしてもよい。
In the above embodiment, the low
１…基板、２…高屈折率膜、３…低屈折率膜。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜、および該高屈折率膜の膜材よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜が前記基板の表面に順次堆積形成されてなる
ことを特徴とする波長板。 A wave plate having a translucent substrate having a lattice pattern formed at a constant periodic pitch on the surface, and causing a phase difference between two linearly polarized lights that pass through the substrate and whose polarization planes are orthogonal to each other.
A high refractive index film made of a film material having a refractive index higher than that of the material of the substrate, and a low refractive index film made of a film material having a lower refractive index than the film material of the high refractive index film A wave plate characterized by being sequentially deposited on the surface of the substrate.
請求項１に記載の波長板。 The wave plate according to claim 1, wherein the high refractive index film and the low refractive index film are deposited and formed as a lattice pattern having a periodic pitch similar to the lattice pattern formed on the surface of the substrate. .
請求項２に記載の波長板。 The wave plate according to claim 2, wherein the lattice-like pattern formed of the high refractive index film and the low refractive index film is formed in a form in which an uneven surface having a substantially rectangular cross section is continuous.
請求項２に記載の波長板。 The wave plate according to claim 2, wherein the lattice-like pattern formed by the high refractive index film and the low refractive index film is formed in a form in which a convex surface having a substantially triangular cross section and a concave surface having a substantially rectangular cross section are continuous.
請求項２に記載の波長板。 The wavelength according to claim 2, wherein the lattice-like pattern formed by the high-refractive-index film and the low-refractive-index film is selectively deposited on the top of the convex surface of the lattice-like pattern formed on the surface of the substrate. Board.
請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長板。 The wavelength according to any one of claims 1 to 5, wherein the low refractive index film is selectively provided in a portion of the high refractive index film where the two linearly polarized lights orthogonal to the polarization planes are incident. Board.
請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長板。 When the refractive index of the low refractive index film is n, the film thickness of the low refractive index film is d, and the wavelength of two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other is λ, these are “nd = λ / 4”. The wave plate according to claim 1, wherein the wave plate is set to a relationship of
請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長板。 The periodic pitch of the lattice-shaped pattern formed on the surface of the substrate is set to be shorter than the wavelength of the two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other. Wave plate.
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