JP2006058615A - 金属細線が埋め込まれた偏光分離素子 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積品でも容易に製造でき、かつ構造が安定で、さらに耐久性にも優れた高性能な偏光分離素子を提供する。
【解決手段】平板状の支持体１０に、金属からなる複数の細線２１，２１が互いに平行となるように埋め込まれて配列しており、その細線２１，２１のピッチ（Ｐ）が１００nm以上３００nm以下であり、細線２１，２１の幅（Ｄ）と細線のピッチ（Ｐ）の比（Ｄ／Ｐ）が０.１以上０.６以下であり、細線２１，２１の長さ方向に直交する断面における当該細線の高さ（Ｈ）が５０nm以上５００nm以下である偏光分離素子が提供される。細線２１，２１は、その表面が金属酸化物膜で覆われていてもよい。また、支持体１０は、高分子樹脂フィルムであるのが好ましい。

【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示装置、投射型の表示装置、自動車のヘッドランプなどに用いられる偏光分離素子に関するものである。

偏光分離素子とは、特定方向に振動する直線偏光のみを選択的に透過し、それと直交する方向に振動する直線偏光を反射するものである。かかる偏光分離素子として、屈折率異方性の異なる数種類の高分子フィルムの多層積層体からなるものや、金属格子（メタルワイヤグリッド）からなるものが知られている。金属格子型の偏光分離素子は、例えば、WO 00/079317号公報（＝特表 2003-502758号公報；特許文献１）、特開平 10-73722 号公報（特許文献２）などに記載されている。これらの金属格子型の偏光分離素子は、金属格子（ワイヤグリッド）と平行な方向に振動する直線偏光を反射し、それと直交する方向に振動する直線偏光を透過することで、偏光の分離を行う。

かかる金属格子型偏光分離素子の作製には、公知の半導体加工技術が用いられている。例えば、ホログラフィ干渉リソグラフィを使用してフォトレジスト内に微細なラインアンドスペース構造を形成し、次にイオンビームエッチングによってこの構造を下にある金属膜に転写する方法；直接電子ビームリソグラフィを使用してレジストパターンを形成し、次にリアクティブイオンエッチングによってパターンを金属膜に転写する方法；極紫外線リソグラフィとＸ線リソグラフィを含む他の高解像度のリソグラフィ技法を使用して、レジストパターンを作製する方法；他のエッチングメカニズムを使用して、レジストから金属膜へパターンを転写する方法などがある。これらの方法で作製される金属格子型偏光分離素子は、微細構造が正確に形成されるため、偏光分離能の高いものが実現できる。

WO 00/079317号公報（＝特表２００３−５０２７５８号公報） 特開平１０−７３７２２号公報

しかしながら、従来公知の金属格子は、基板表面に形成されているため、金属格子の構造体が壊れやすく、耐久性に劣るという問題があった。また、一般にバッチ処理で作製されるため、１００cm角以上といった大面積化への対応も困難であった。

そこで本発明の目的は、大面積品でも容易に製造でき、かつ構造が安定で、さらに耐久性にも優れた高性能な偏光分離素子を提供することにある。

すなわち本発明によれば、平板状の支持体に、金属からなる複数の細線が互いに平行となるように埋め込まれて配列しており、その細線のピッチ（Ｐ）が１００nm以上３００nm以下であり、細線の幅（Ｄ）と細線のピッチ（Ｐ）の比（Ｄ／Ｐ）が０.１以上０.６以下であり、細線の長さ方向に直交する断面における当該細線の高さが５０nm以上５００nm以下である偏光分離素子が提供される。ここで、金属細線は、その表面が金属酸化物膜で覆われていてもよい。また、平板状の支持体は高分子樹脂フィルムであるのが有利である。

本発明による偏光分離素子は、金属格子の構造が安定で、かつ耐久性に優れたものとなる。また、大面積化も容易である。

以下、添付の図面も適宜参照しながら、本発明を詳細に説明する。図１は、金属格子型偏光分離素子の例を模式的に示す斜視図であり、図２〜図６は、本発明に係る偏光分離素子の例を示す断面模式図である。図７と図８は、金属細線が埋め込まれた偏光分離素子について光学的シミュレーションを行う場合の説明図であって、図７はシミュレーションの概念を説明するための模式的な斜視図、図８はシミュレーションにおけるセルのモデルを表す図である。

金属格子型の偏光分離素子は、図１に模式的な斜視図で示す如く、平板状の支持体１０に、金属からなる複数の細線２０，２０が互いに平行に配列されたものである。そして従来は、かかる金属細線２０，２０が、リソグラフィ等の手法で平板状の支持体１０の表面に凸状に形成されていた。これに対して本発明では、支持体１０中に金属細線２０，２０が埋め込まれて配列するように構成する。

また本発明では、細線２０，２０のピッチ（Ｐ）を１００nm以上３００nm以下とし、細線２０，２０の幅（Ｄ）とピッチ（Ｐ）の比（Ｄ／Ｐ）が、０.１以上０.６以下となるように、すなわち０.１≦（Ｄ／Ｐ）≦０.６を満足するようにし、さらに、細線２０，２０の長さ方向に直交する断面における高さ（Ｈ）が５０nm以上５００nm以下となるようにする。

平板状の支持体１０としては、ガラス板や高分子樹脂フィルムなどが使用できるが、特にロール巻き状態の長尺、大面積化の観点から、高分子樹脂フィルムが好ましい。高分子樹脂フィルムとしては、アクリル系樹脂フィルム、ポリエステル系樹脂フィルム、ポリカーボネート系樹脂フィルム、ノルボルネン若しくはその誘導体の開環又は付加重合構造を有する環状ポリオレフィン系樹脂フィルム、ポリオレフィン系樹脂フィルム、ポリエーテルサルフォン系樹脂フィルム、エポキシ系樹脂フィルムなどが挙げられる。ポリエステル系樹脂には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンブチレートなどがある。環状ポリオレフィン系樹脂には、ＪＳＲ株式会社から販売されている“アートン”、株式会社オプテス又は日本ゼオン株式会社から販売されている“ゼオノア”や“ゼオネックス”（いずれも商品名）などがある。高分子樹脂フィルムを用いる場合、線膨張係数がガラス並みに小さいことが、形状の安定化の観点から好ましい。

平板状の支持体１０の厚みは特に限定されないが、例えば１μm 以上５mm以下であり、好ましくは４０μm以上、また好ましくは５００μm以下である。平板状の支持体１０は、透明性が高く、加熱、湿熱条件下における寸法変化の小さいものが好ましい。

平板状の支持体１０に形成される金属細線２０，２０は、ピッチ（Ｐ）、すなわち、金属細線２０，２０の配列する間隔が、１００nm以上３００nm以下となるようにする。金属細線２０，２０のピッチ（Ｐ）が１００nmより小さいと、目的とする偏光分離素子の製造が難しくなり、均一な特性が得られにくい。一方で、金属細線２０，２０のピッチ（Ｐ）が３００nmより大きいと、回折が起きやすくなり、色付きの原因となる。

また、細線２０，２０の幅（Ｄ）とピッチ（Ｐ）の比（Ｄ／Ｐ）が、０.１以上０.６以下となるようにする。細線の幅とピッチの比（Ｄ／Ｐ）は、好ましくは０.１以上０.３以下である。（Ｄ／Ｐ）が ０.１より小さいと、構造形成が難しくなり、また偏光分離能が低下する。一方で（Ｄ／Ｐ）が ０.６より大きいと、干渉作用が顕著になり、透過光が着色するので、好ましくない。

金属細線２０，２０の長さ方向に直交する断面における当該細線の高さ（Ｈ）は、５０nm以上５００nm以下とする。細線２０，２０の高さ（Ｈ）は、好ましくは１００nm以上であり、また好ましくは３００nm以下である。高さが５０nmより小さいと、偏光分離能が低下する。一方で、高さが５００nmより大きいと、構造形成が難しくなる。

金属細線２０，２０を構成する金属としては、アルミニウム、金、銀、銅などが挙げられる。アルミニウムは反射光の着色が少なく、また、表面に金属酸化物層を形成して化学的に安定化するため、好ましい。

このように、金属細線の表面は、金属酸化物膜、例えば、その細線を構成する金属の酸化物からなる膜で覆われていてもよい。金属としてアルミニウムを採用した場合は通常、空気との接触でその表面に酸化アルミニウム層が形成される。金属酸化物膜の厚みは、通常２nm以上であり、好ましくは１０nm以上である。また、隣り合う金属細線の間が金属酸化物層で埋められていてもよい。アルミニウムが酸化アルミニウムなどの金属酸化物層で覆われると、透過光の波長依存性が小さくなるので、好ましい。

平板状の支持体１０に金属細線２０，２０を埋め込むには、例えば、次のような方法を採用することができる。

(1) 金属細線２０，２０を平板状の支持体１０の表面に形成させ、その表面を支持体１０と同種の又はそれとは異種の材料で覆う方法、
(2) 平板状の支持体１０の表面全面に金属薄膜を形成させた後、帯状にその金属を酸化させ、酸化されずに残る金属の部分を金属細線２０，２０とする方法など。

平板状の支持体１０の表面に金属細線２０，２０を形成させるには、例えば、ナノインプリント法などにより、予め目的とする形状をロール表面に形成しておき、そのロールを支持体１０の表面に押し当てて凹凸形状を転写させた後、その凹部に金属を埋め込む方法など、適宜の方法が採用できる。ロール表面の凹凸を支持体の表面に転写する方法を採用すれば、ロール巻きのフィルムに金属細線２０，２０が形成できるため、大面積化が容易となる。

こうして支持体１０の表面に形成された凹部の中に金属を埋め込むには、例えば、スパッタリング法や真空蒸着法などで金属層を形成する方法、金属ペーストを埋め込む方法など、適宜の方法が採用できる。なお、凹部内だけでなく、支持体の表面にも金属層が形成された場合には、表面を研磨して支持体凸部上の金属を除去してもよいし、金属の表面を酸化させて金属酸化物にし、凹部に形成された金属格子だけが残るようにしてもよい。また、平板状の支持体１０に、蒸着法やスパタリング法などにより金属層を形成させた後、スジ状又は帯状に金属部分を取り除き、金属格子を形成することもできる。

金属細線２０，２０が形成された支持体１０の表面を支持体１０と同種の又は異種の材料で覆う場合、その材料としては、例えば、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ノルボルネン若しくはその誘導体の開環又は付加重合構造を有する環状ポリオレフィン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエーテルサルフォン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アルキド系樹脂など、また低屈折率であるフッ素系樹脂などがある。特に、屈折率の小さい樹脂ほど高い偏光分離特性が得られやすいので、好ましい。

一方、高分子フィルムの表面に硬化樹脂層を形成し、その中に金属格子が埋め込まれるように構成してもよい。硬化樹脂層としては、屈折率が約１.３〜１.６の範囲のものが挙げられる。屈折率が小さいほど偏光分離能は高くなり、好ましくは屈折率が１.３〜１.５である。硬化樹脂層を形成する樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ノルボルネン若しくはその誘導体の開環又は付加重合構造を有する環状ポリオレフィン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエーテルサルフォン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アルキド系樹脂など、また低屈折率であるフッ素系樹脂などがある。これらの硬化樹脂層内に金属格子を形成する方法は、上述の方法が適宜選択できる。

金属格子を形成する金属細線の断面形状は、長方形、正方形、台形、三角形、円形、楕円形などであることができる。なお、角は丸みを帯びていてもよい。高い偏光分離能が得られやすい形状は、長方形、台形、三角形、楕円形などである。また金属細線２０，２０は、同一平面内に平行に形成されていてもよいし、深さを違えて形成されていてもよい。さらには、複数の平面内に形成されていてもよい。

本発明に係る偏光分離素子のいくつかの例を、図２〜図６にそれぞれ、金属細線の長さ方向に直交する断面の模式図で示した。図２に示す例は、断面が幅Ｄで高さＨのほぼ長方形である複数の金属細線２１，２１が、所定のピッチＰで平板状支持体１０の一方の表面近傍に一列平行に埋め込まれた状態のものである。この例では、金属細線２１，２１の断面における長方形の長辺方向が、平板状支持体１０の厚さ方向となるように埋め込まれている。

図３に示す例は、断面が高さＨの台形である複数の金属細線２２，２２が、所定のピッチＰで平板状支持体１０の一方の表面近傍に一列平行に埋め込まれた状態のものである。この例のように、金属細線２２，２２の断面高さ方向で幅が異なる場合は、その平均的な値、この例では高さ方向中央部の横寸法をもって、幅Ｄとすればよい。この例でも、金属細線２２，２２の断面で長い方向が、平板状支持体１０の厚さ方向となるように埋め込まれている。

図４に示す例は、断面が高さＨの二等辺三角形である複数の金属細線２３，２３が、所定のピッチＰで平板状支持体１０の一方の表面近傍に一列平行に埋め込まれた状態のものである。この場合も、図３と同様、金属細線２３，２３の断面高さ方向中央部の横寸法をもって、幅Ｄとすればよい。この例でも、金属細線２３，２３の断面で長い方向が、平板状支持体１０の厚さ方向となるように埋め込まれている。

図５に示す例は、断面が幅Ｄで高さＨのほぼ長方形である複数の金属細線２４，２４が所定のピッチＰで平板状の支持体１０に埋め込まれている点では、図２に示した例と同様であるが、図５では、これらの金属細線２４，２４が、平板状支持体１０の一方の表面近傍と他方の表面近傍に合計二列、平行に埋め込まれている。この例でも、金属細線２４，２４の断面における長方形の長辺方向が、平板状支持体１０の厚さ方向となっている。

図２〜５のように、金属細線の断面形状が等方性でない場合は、その長い方向が、平板状支持体１０の厚み方向、したがって偏光分離素子の厚み方向となるようにするのが好ましい。

図６に示す例は、断面が直径Ｄの円である複数の金属細線２５，２５が、所定のピッチＰで平板状支持体１０中に二列平行に埋め込まれた状態のものである。二列ある金属細線２５，２５は、平板状支持体１０の平面側から見たときの位置が互い違いになっている。このように金属細線２５，２５を二列互い違いに配置する場合、ピッチＰは、一列ごとの金属細線２４，２４の間隔で表し、本発明で規定する（Ｄ／Ｐ）の値を決定すればよい。この例では、金属細線の断面が円なので、その高さも円の直径Ｄと同じになる。

なお、金属細線２０〜２５が平板状の支持体１０中で等間隔に配列している場合は、それぞれの間隔をもってピッチ（Ｐ）とすればよいが、間隔が必ずしも一定でない場合は、平板状支持体１０の面に平行な方向での平均的な金属細線の間隔をもってピッチ（Ｐ）とし、本発明で規定する（Ｄ／Ｐ）の値を決定すればよい。ピッチ（Ｐ）が一定でない場合は、それらのすべてが１００nm以上３００nm以下の範囲に入るようにするのがより好ましい。同様に、金属細線２０〜２５の幅が一定でない場合は、それらの平均的な値をもって幅（Ｄ）とし、（Ｄ／Ｐ）の値を決定すればよい。隣接する金属細線毎の（Ｄ／Ｐ）が一定でない場合は、隣接する細線どうしのすべてにおいて、（Ｄ／Ｐ）が０.１以上０.６以下の範囲に入るようにするのがより好ましい。さらに、金属細線２０〜２５の高さ（Ｈ）が一定でない場合も、それらの平均値が、本発明で規定する５０nm以上５００nm以下の範囲に入ればよい。高さ（Ｈ）が一定でない場合も、それらのすべてが５０nm以上５００nm以下の範囲に入るようにするのがより好ましい。

以上のように構成される本発明の偏光分離素子は、偏光分離能の高いものとなる。ここで偏光分離能は、以下の式（１）で定義される。

式（１）において、Ｔp 及びＴc はそれぞれ、下式（２）及び（３）で定義される各波長λにおける透過方向透過率Ｔp(λ) 及び反射方向透過率Ｔc(λ) を視感度補正した値である。

Ｔp(λ)＝[ｋp(λ)×ｋp(λ)＋ｋc(λ)×ｋc(λ)]／２ （２）
Ｔc(λ)＝ｋp(λ)×ｋc(λ) （３）

ここで、ｋp(λ) は金属細線と直交する（入射光を主に透過する方向の）直線偏光の透過率、ｋc(λ) は金属細線と平行な（入射光が主に反射する方向の）直線偏光の透過率であり、ｋp(λ) 及びｋc(λ) から算出されるＴp(λ) 及びＴc(λ) を以下の式（４）により視感度補正して、Ｔp 及びＴc が求められる。

式（４）において、Ｓ(λ) はＣ光源の強度分布（JIS Z 8701による）、ｙ(λ) は視感度補正係数（JIS Z 8701による）、Ｔ(λ) はＴp(λ)又はＴc(λ) であり、また、Ｋは以下の式（５）で求められる定数である。

以下に、本発明に係る金属格子型偏光分離素子の例を、シミュレーションの結果に基づいて説明する。

まず、シミュレーションの概要について説明する。金属格子型偏光分離素子の特性は、電磁波解析手法である差分時間領域法（Finite Difference Time Domain ：ＦＤＴＤ法）を用いて計算した。この解析手法を詳細に説明するものとして、例えば、次の文献１がある。
文献１：宇野亨著「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」，コロナ社，(1998)

この文献を参照すれば、以下に述べるシミュレーションを行ううえで充分な情報を得ることができるが、その他にも公知文献は多数存在する。最も初期の文献としては、次の文献２がある。
文献２： K. S. Yee ; IEEE Trans. Antennas Propagat. 14, 302 (1966)

ＦＤＴＤ法では、入射光として１／ｅ半幅８８nmのガウスパルス平面波を用いた。このパルスは、可視光領域に渡る波長成分を有している。このパルスを金属格子型偏光分離素子に垂直に入射させ、電磁場の時間変化を計算する。計算に用いる式と計算方法は、上記文献１に記述されている。なお、入射する電磁パルス波は、金属細線に平行な偏光と金属細線に直交する偏光を１対１の割合で含むものとした。計算により、金属格子を通り抜けた先の位置における時間ｔでの電磁場 Ｅx(ｔ)，Ｅy(ｔ)，Ｅz(ｔ)，Ｈx(ｔ)，Ｈy(ｔ)，Ｈz(ｔ) を得ることができる。ここで、Ｅx(ｔ) は電場ベクトルのｘ軸方向成分で、時間ｔにおける値であることを意味する。同様に、Ｅy(ｔ) 及びＥz(ｔ) はそれぞれ、時間ｔにおける電場のｙ軸方向及びｚ軸方向の成分を意味する。また、Ｈx(ｔ) ，Ｈy(ｔ) 及びＨz(ｔ) はそれぞれ、時間ｔにおける磁場ベクトルのｘ軸方向，ｙ軸方向及びｚ軸方向の成分である。

次に、透過率の波長スペクトルの算出について述べる。ＦＤＴＤ法の結果は電磁場の時間変化として示されるため、このままでは各波長における透過率の値を得ることができない。そこで、時間変化波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することにより、入射させたパルスがもつ周波数成分、及び、金属格子を透過してきたパルスの周波数スペクトルを、電場・磁場について得る。なお、入射電磁波条件がパルス波であり、連続波ではないので、ＦＦＴの際のウィンドウ関数は矩形を用いることとした。光周波数ｆと真空中の波長λは光速ｃによってλ＝ｃ／ｆの関係であることから、波長スペクトルを得ることができる。各偏光のエネルギー透過率を得るため、ＦＦＴによって得られた各周波数振幅 Ｅx(ｆ)，Ｅy(ｆ)，Ｅz(ｆ)，Ｈx(ｆ)，Ｈy(ｆ)及びＨz(ｆ) から、金属細線に平行な偏光、金属細線に直交する偏光、それぞれ別々に透過方向のポインティングベクトル成分を計算する。すなわち、光の進行方向をｘ軸、金属細線の幅方向をｙ軸、金属細線の長さ方向をｚ軸として、金属細線に直交する偏光のエネルギーＳxy(ｆ)は、Ｓxy(ｆ)＝Ｅy(ｆ)×Ｈz(ｆ)により、また金属細線に平行な偏光のエネルギーＳxz(ｆ)は、Ｓxz(ｆ)＝Ｅz(ｆ)×Ｈy(ｆ)により、それぞれ求められる。シミュレーションでは、金属格子がある場合とない場合についてそれぞれ計算を行った。金属格子がある場合の計算結果を添え字１で、ない場合を添え字０で表すと、次のとおりになる。

ｋc(ｆ)＝Ｓxz₁(ｆ)／Ｓxz₀(ｆ)
ｋp(ｆ)＝Ｓxy₁(ｆ)／Ｓxy₀(ｆ)

求めたｋc(ｆ) 及びｋp(ｆ) を、前述したλ＝ｃ／ｆの関係に基づいて、ｋc(λ) 及びｋp(λ) に変換した。

このＦＤＴＤ法では、金属の物性を計算に取り入れる必要があることから、「Drude モデル」を用いた。このモデルは金属の光物性を説明するものであり、自由電子の慣性と、平均自由行程の値とをパラメータとして持つ。以降では、アルミニウムのパラメータを用いた。なお、本発明の範囲及びシミュレーションの適用範囲がアルミニウムに限られるわけではない。シミュレーションで用いた Drudeモデルパラメータは、アルミニウムの複素誘電率についての以下の文献３に記載される値をフィッティングすることで決定した。
文献３： Hagemann, H. J., Gudat, W., Kunz, C. ; DESY SR-74/7, Hamburg (1974)

ただし、アルミニウムは可視光領域の短波長側にバンド間遷移の影響が現れる。バンド間遷移は原子核に束縛された電子に由来する現象であり、自由電子による影響が支配的な金属格子の偏光分離機能にほとんど影響しないと考えられる。そこで、束縛電子の影響が少なく、アルミニウム中の自由電子の振る舞いが強く反映される赤外領域の複素誘電率から Drudeモデルパラメータを決定し、ＦＤＴＤ法による計算を行った。計算で用いたパラメータを以下に示す。

〔ＦＤＴＤ計算パラメータ〕
境界条件
Perfectly Matched Layer（ＰＭＬ）吸収境界条件：８層３次、反射係数１×１０^-10
周期境界条件：セルサイズｄｘ＝５nm、時間ステップｄｔ＝９×１０^-18sec

〔Drude パラメータ〕
以下の（６）で表される Drudeの式において、プラズマ角周波数ω_p＝１.８８×１０¹⁶sec^-1、衝突周波数ν_c＝１.１３×１０¹⁴sec^-1とした。

ここで、εは複素誘電率であり、光角周波数ωの関数として表現した。また、光角周波数ωは光周波数ｆと、ω＝２πｆの関係で結ばれる。ｉは虚数を表す。 Drudeモデルは、Piecewise Linear Recursive Convolution法（ＰＬＲＣ法）によって計算に取り込んだ。なお、ここに示したＦＤＴＤ法の計算パラメータの意味及びＰＭＬ・ＰＬＲＣ法は、先の文献１に詳細に述べられている。

以上のようにして行われるシミュレーションの概念を、図７に模式的な斜視図で示す。この例では、断面が長方形で長さが無限大の金属細線２０が支持体中に埋め込まれて偏光分離素子が構成されているものとし、その偏光分離素子の厚さ方向（金属細線２０における断面長方形の高さ方向）をｘ軸とし、金属細線２０が周期的に配列している方向（金属細線２０における断面長方形の幅方向）をｙ軸とし、金属細線２０の長さ方向をｚ軸としている。また、金属細線２０は、ｙ軸方向に無限に周期配列するものとする。

そして、金属細線２０の領域を含んでｘ軸方向に長いＦＤＴＤ計算領域３０（図７において、太線で囲まれた横に長い直方体領域）を設定する。このＦＤＴＤ計算領域３０のうち、ｘ軸に垂直な面３３（図７における直方体のうち、右側の領域に右下がりの斜線を付した面）は、ＰＭＬ吸収境界条件適用面となる。また、ｙ軸に垂直な面３４（図７における直方体のうち、右側の領域に右上がりと右下がりの斜線を付した面）とｚ軸に垂直な面３５（図７における直方体のうち、右側の領域に右上がり斜線を付した面）は、周期境界条件適用面となる。このＦＤＴＤ計算領域３０のｘ軸方向を光の伝播方向３８とし、このＦＤＴＤ計算領域３０を、そのｚ軸方向高さを１辺とする立方体からなる多数のセル４０に分割する。

シミュレーションにおけるセルのモデルを図８に示す。この図では、一つのセルを正方形４０で表し、その重心座標を黒点４１で表している。そして、金属細線の断面が円又は楕円であって、それと支持体との境界面４２が、太線で表す円弧状になっているものとする。円弧で表される境界面４２の内側が金属細線２０であり、外側が支持体１０である。セルの重心座標４１が金属細線２０側にあるか支持体１０側にあるかによって、そのセルを金属細線２０からなる媒質とみなすか、支持体１０からなる媒質とみなすか決定する。図８では、斜線を付したセルが金属細線２０からなる媒質とみなされ、斜線の付されていない白色のセルが支持体１０からなる媒質とみなされて、シミュレーションが行われる。

次に、計算モデルの詳細について述べる。ＦＤＴＤでは、各セルに計算する構造に応じた光学定数を割り当てることで計算を行う。例えば、半径ｒの円柱金属ワイヤー配列についてシミュレーションを行う場合、金属格子内部に相当する位置にある立方体セルに対しては金属の光学定数を割り当て、それ以外のセルについては高分子樹脂の光学定数（誘電率）を割り当てる。このようにして、円柱、四角柱、三角柱、又は断面が台形をした細線の形状をシミュレーションに取り込んだ。

ＦＤＴＤ法で用意した計算領域は、光が伝搬するｘ軸方向に 約１,６００セル、細線が周期的に配列しているｙ軸方向に約５０セル（金属細線のピッチによる）、金属細線が伸びるｚ軸方向に１セルを配列させたものを用いた。このうち、ｘ軸に垂直な計算領域境界面３３に対してはＰＭＬ吸収境界条件を、またｙ軸に垂直な境界面３４及びｚ軸に垂直な境界面３５に対しては周期境界条件を適用して、計算を行った。すなわち、ｙ軸方向の金属細線２０の配列は無限に続いており、またｚ軸方向に金属細線２０が無限に伸びている系のシミュレーションとなる。

〔例１〕
金属細線はアルミニウムからなり、その断面形状は、幅が７８nmで高さが１５０nmの概略長方形とする。この細線は、表面全体が厚さ２０nmの酸化アルミニウム膜で覆われている。屈折率が約１.５である高分子フィルムの一方の表面に、この細線が１５０nm のピッチにて、細線断面の高さ方向をフィルムの厚み方向にして一列で、かつ、細線同士が互いに平行となるように配列した状態で、埋め込まれているものとする。細線の幅とピッチの比（Ｄ／Ｐ）は、７８／１５０＝０.５２ となる。この偏光分離素子は、概ね図２に示した断面形状のものである。この偏光分離素子の偏光分離能は、約８９％となる。

〔例２〕
金属細線はアルミニウムからなり、その断面形状は、長辺が５０nm、短辺が３０nm、高さが１５０nmの台形（楔形）とする。屈折率が約１.５ である高分子フィルムの一方の表面に、この細線が１５０nmのピッチにて、細線断面における台形の高さ方向をフィルムの厚み方向にして一列で、かつ、細線同士が互いに平行となるように配列した状態で埋め込まれているものとする。台形の高さ方向中央部における細線の幅とピッチの比（Ｄ／Ｐ）は、４０／１５０＝０.２６ となる。この偏光分離素子は、概ね図３に示した断面形状のものである。この偏光分離素子の偏光分離能は、約８９％となる。

〔例３〕
金属細線はアルミニウムからなり、その断面形状は、底辺が８０nmで高さが１５０nmの二等辺三角形とする。屈折率が約１.５ である高分子フィルムの一方の表面に、この細線が１５０nmのピッチにて、細線断面における二等辺三角形の高さ方向をフィルムの厚み方向にして一列で、かつ、細線同士が互いに平行となるように配列した状態で埋め込まれているものとする。三角形の高さ方向中央部における細線の幅とピッチの比（Ｄ／Ｐ）は、４０／１５０＝０.２６ となる。この偏光分離素子は、概ね図４に示した断面形状のものである。この偏光分離素子の偏光分離能は、約８９％となる。

〔例４〕
金属細線はアルミニウムからなり、その断面形状は、底辺が８０nmで高さが１５０nmの二等辺三角形とする。屈折率が約１.３ である高分子フィルムの一方の表面に、この細線が１５０nmのピッチにて、細線断面における二等辺三角形の高さ方向をフィルムの厚み方向にして一列で、かつ、細線同士が互いに平行となるように配列した状態で埋め込まれているものとする。三角形の高さ方向中央部における細線の幅とピッチの比（Ｄ／Ｐ）は、４０／１５０＝０.２６ となる。この偏光分離素子も、概ね図４に示した断面形状のものである。この偏光分離素子の偏光分離能は、約９４％となる。

本発明の偏光分離素子は、液晶表示装置における光源からの自然光のうち、所定方向に振動する直線偏光を透過し、それと直交する方向に振動する直線偏光を反射してバックライト側へ戻して反射させることにより、光を有効利用する輝度向上フィルムとして有用である。また、投射型の表示装置に使用される偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）の替わりや、自動車のヘッドランプから直線偏光を効率よく取り出す素子としても有用である。いずれも、非常に強力な光源から発せられる自然光のうち一方向に振動する偏光のみを、効率よく、長時間安定して取り出すことができる。この偏光分離素子は、金属格子の構造が安定で耐久性に優れており、大面積品も容易に製造できることから、特に大面積の表示装置などに有用である。

金属格子型偏光分離素子の例を模式的に示す斜視図である。 本発明に係る偏光分離素子の例を示す断面模式図である。 本発明に係る偏光分離素子のもう一つの例を示す断面模式図である。 本発明に係る偏光分離素子のさらにもう一つの例を示す断面模式図である。 本発明に係る偏光分離素子のもう一つ別の例を示す断面模式図である。 本発明に係る偏光分離素子のさらに別の例を示す断面模式図である。 シミュレーションの概念を説明するための模式的な斜視図である。 シミュレーションにおけるセルのモデルを表す図である。

符号の説明

１０……支持体、
２０〜２５……金属細線、
Ｐ……金属細線のピッチ、
Ｄ……金属細線の幅、
Ｈ……金属細線の断面における高さ、
３０……ＦＤＴＤ計算領域（セル配列）、
３３……計算領域のｘ軸に平行な面（ＰＭＬ吸収境界条件適用面）、
３４……計算領域のｙ軸に平行な面（周期境界条件適用面）、
３５……計算領域のｚ軸に平行な面（周期境界条件適用面）、
３８……光の伝播方向、
４０……セル、
４１……セルの重心座標、
４２……境界面。

Claims (3)

1. 平板状の支持体に、金属からなる複数の細線が互いに平行となるように埋め込まれて配列しており、該細線のピッチ（Ｐ）が１００nm以上３００nm以下であり、細線の幅（Ｄ）と細線のピッチ（Ｐ）の比（Ｄ／Ｐ）が０.１以上０.６以下であり、細線の長さ方向に直交する断面における当該細線の高さが５０nm以上５００nm以下であることを特徴とする、偏光分離素子。
2. 金属細線の表面が金属酸化物膜で覆われている、請求項１に記載の偏光分離素子。
3. 平板状の支持体が高分子樹脂フィルムである、請求項１又は２に記載の偏光分離素子。

Images