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CN108254821A - 偏光板及其制造方法、以及光学设备 - Google Patents

偏光板及其制造方法、以及光学设备 Download PDF

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CN108254821A
CN108254821A CN201711327707.3A CN201711327707A CN108254821A CN 108254821 A CN108254821 A CN 108254821A CN 201711327707 A CN201711327707 A CN 201711327707A CN 108254821 A CN108254821 A CN 108254821A
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Dexerials Corp
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Abstract

本发明的课题在于提供具有高透过率特性并且反射率特性的控制优异的偏光板及其制造方法、以及具备该偏光板的光学设备。其解决方法是一种具有线栅结构的偏光板(1)，具备透明基板(10)、和以比使用带域的光的波长短的间距排列于透明基板(10)上且在预定方向上延伸的格子状凸部(11)，格子状凸部(11)从透明基板(10)侧依次具有台座(12)、反射层(13)、介电体层(14)和吸收层(15)，台座(12)从格子状凸部(11)的延伸方向观察时具有梯形形状。

Description

偏光板及其制造方法、以及光学设备
技术领域
本发明涉及偏光板及其制造方法、以及光学设备。
背景技术
以往，在线栅型的偏光板中，已知由于与使用带域的光的波长相对应的间距与光栅宽度(光栅的排列方向的宽度)的关系，原理上越靠近短波长侧光的透过率越降低。尤其，在液晶放映机中所使用的可见光区域(红色带域：波长λ＝600～680nm、绿色带域：波长λ＝520～590nm、蓝色带域：波长λ＝430～510nm)中，蓝色带域的透过率最低。
对此，已知通过使偏光板的光栅宽度变窄可提高透过率。然而，实际上，从制造偏差变大等观点考虑，形成将光栅宽度变窄的图案难度大，难以维持作为偏光板的可靠性。
因此，本申请人提出了一种无机偏光板，其是在透明基板上依次具有多个线状金属层、多个线状介电体层、和具有光吸收作用的多个线状光吸收层的线栅型的无机偏光板，与线状金属层的长度方向正交的截面中的线状金属层的截面形状为以基板侧为下底、以线状介电体层侧为上底的梯形，并且下底的长度大于上底的长度(例如，参照专利文献1)。根据该专利文献1的无机偏光板，通过线状金属层的截面形状可获得优异的偏光特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-45345号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，近年来，要求具有更高的透过率特性并且反射率特性的控制优异的偏光板。本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供具有高透过率特性并且反射率特性的控制优异的偏光板及其制造方法、以及具备该偏光板的光学设备。
用于解决课题的方法
为了实现上述目的，本发明提供一种偏光板(例如，后述的偏光板1)，其是具有线栅结构的偏光板，具备透明基板(例如，后述的透明基板10)、和以比使用带域的光的波长短的间距排列于上述透明基板上且在预定方向上延伸的格子状凸部(例如，后述的格子状凸部11)，上述格子状凸部从上述透明基板侧依次具有台座(例如，后述的台座12)、反射层(例如，后述的反射层13)、介电体层(例如，后述的介电体层14)和吸收层(例如，后述的吸收层15)，上述台座从上述预定方向观察时具有梯形形状。
上述台座的最小宽度可以为上述反射层的宽度(例如，后述的反射层的宽度c)以上。
上述台座可以由相对于使用带域的光的波长透明的Si氧化物构成。
形成于上述格子状凸部的顶端的光栅顶端部(例如，后述的光栅顶端部17)可以具有从上述预定方向观察时侧面按照越靠近顶端侧宽度越窄的方向倾斜的尖头形状。
上述光栅顶端部由上述介电体层和上述吸收层构成，上述光栅顶端部的最大宽度(例如，后述的光栅宽度b)可以为35～45nm，上述反射层的宽度相对于上述光栅顶端部的最大宽度可以为52～72％。
将上述光栅顶端部的侧面相对于上述透明基板的倾斜角设为θ、将从上述预定方向观察时的上述光栅顶端部的高度设为a、将上述光栅顶端部的最大宽度设为b、设θ0＝arctan(2a/b)时，满足2/3≤a/b≤8/7并且满足θ0≤θ<90度，上述倾斜角θ可以选自使可见光区域的预定波长的光在吸收轴方向的反射率成为10％以下的角度范围。
上述倾斜角θ被规定为从上述预定方向观察时上述光栅顶端部的高度方向的中心位置的上述光栅顶端部的上述侧面的切线的倾斜角，其角度范围可以为θ≤80度。
上述透明基板相对于使用带域的光的波长是透明的，且可以由玻璃、水晶或蓝宝石构成。
上述反射层可以由铝或铝合金构成。
上述介电体层可以由Si氧化物构成。
上述吸收层可以通过包含Fe或Ta、并且包含Si来构成。
光所入射的上述偏光板的表面可以覆盖包括介电体的保护膜。
光所入射的上述偏光板的表面可以被有机系憎水膜覆盖。
此外，本发明提供一种偏光板的制造方法，其是具有线栅结构的偏光板的制造方法，具有在透明基板上形成基底层的基底层形成工序、在上述基底层上形成反射层的反射层形成工序、在上述反射层上形成介电体层的介电体层形成工序、在上述介电体层上形成吸收层的吸收层形成工序、以及通过选择性蚀刻所形成的层叠体从而形成以比使用带域的光的波长短的间距排列于透明基板上的格子状凸部的蚀刻工序，上述蚀刻工序中，通过对上述基底层进行蚀刻，从而形成从上述格子状凸部的延伸方向观察时具有梯形形状的台座。
此外，本发明提供具备上述偏光板的光学设备。
发明效果
根据本发明，能够提供具有高透过率特性并且反射率特性的控制优异的偏光板及其制造方法、以及具备该偏光板的光学设备。
附图说明
图1是显示本发明的一实施方式所涉及的偏光板的截面示意图。
图2是用于说明上述实施方式所涉及的偏光板的形状参数的截面示意图。
图3是用于说明上述实施方式所涉及的偏光板的光栅顶端部的倾斜角的截面示意图。
图4是显示上述实施方式的变形例1所涉及的偏光板的截面示意图。
图5是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板和图4所示的结构的偏光板的透射轴透过率Tp的结果的图表。
图6是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板的反射层的宽度与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。
图7显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板的反射层的宽度与对比度CR的关系的结果的图表。
图8是显示没有台座的偏光板的截面示意图。
图9是显示通过模拟实验验证图4所示的结构的偏光板和图8所示的结构的偏光板的透射轴透过率Tp的结果的图表。
图10是显示光栅顶端部为矩形的偏光板的截面示意图。
图11是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝6:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。
图12是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝6:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与吸收轴反射率Rs的关系的结果的图表。
图13是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:11时的光栅顶端部的倾斜角θ与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。
图14是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:11时的光栅顶端部的倾斜角θ与吸收轴反射率Rs的关系的结果的图表。
图15是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。
图16是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与吸收轴反射率Rs的关系的结果的图表。
图17是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝10:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。
图18是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝10:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与吸收轴反射率Rs的关系的结果的图表。
图19是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:7时的光栅顶端部的倾斜角θ与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。
图20是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中、光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:7时的光栅顶端部的倾斜角θ与吸收轴反射率Rs的关系的结果的图表。
图21是显示图1所示的结构的偏光板中、针对光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为8:9的情况、将相对于光栅顶端部的侧面的倾斜角θ的透射轴透过率Tp的实测值和模拟实验结果进行对比来验证的结果的图表。
图22是显示图1所示的结构的偏光板中光栅倾斜角θ不同时的透射轴透过率Tp的实测值的图表。
图23是显示图1所示的结构的偏光板中光栅倾斜角θ不同时的吸收轴透过率Ts的实测值的图表。
图24是显示图1所示的结构的偏光板中光栅倾斜角θ不同时的透射轴反射率Rp的实测值的图表。
图25是显示图1所示的结构的偏光板中光栅倾斜角θ不同时的吸收轴反射率Rs的实测值的图表。
符号说明
1、1A、1B 偏光板
10 透明基板
11、11A、11B 格子状凸部
12 台座
13、13A 反射层
14、14B 介电体层
15、15B 吸收层
16、16A 光栅脚部
17、17B 光栅顶端部
18 基底层
P 格子状凸部的间距
a 光栅顶端部的高度
b 光栅宽度
c 反射层的宽度
θ 倾斜角
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式，通过参照附图来详细说明。
[偏光板]
本发明的一实施方式所涉及的偏光板是具有线栅结构的无机偏光板，具备透明基板、和以比使用带域的光的波长短的间距(周期)排列于透明基板上且在预定方向上延伸的格子状凸部。此外，该格子状凸部从透明基板侧依次具有台座、反射层、介电体层和吸收层。
图1是显示本发明的一实施方式所涉及的偏光板1的截面示意图。如图1所示，偏光板1具备相对于使用带域的光透明的透明基板10、和在透明基板10的一侧的面上以比使用带域的光的波长短的间距排列的格子状凸部11。格子状凸部11从透明基板10侧依次具有台座12、反射层13、介电体层14和吸收层15。即，偏光板1具有以下的线栅结构：台座12、反射层13、介电体层14和吸收层15从透明基板10侧依次层叠而形成的格子状凸部11在透明基板10上排列成一维格子状。
这里，如图1所示，将格子状凸部11的延伸方向(预定方向)称为Y轴方向。此外，将与Y轴方向正交、格子状凸部11沿着透明基板10的主面排列的方向称为X轴方向。该情况下，向偏光板1入射的光适合在透明基板10的形成有格子状凸部11的一侧从与X轴方向和Y轴方向正交的方向入射。
偏光板1通过利用基于透射、反射、干涉和光学各向异性的偏振波的选择性光吸收的4个作用，使带有平行于Y轴方向的电场成分的偏振波(TE波(S波))衰减，使带有平行于X轴方向的电场成分的偏振波(TM波(P波))透过。因此，Y轴方向是偏光板1的吸收轴的方向，X轴方向是偏光板1的透射轴的方向。
从偏光板1的形成有格子状凸部11的一侧入射的光在通过吸收层15和介电体层14时一部分被吸收而衰减。透过吸收层15和介电体层14的光中，偏振波(TM波(P波))以高透过率透过反射层13。另一方面，透过吸收层15和介电体层14的光中，偏振波(TE波(S波))被反射层13反射。被反射层13反射的TE波在通过吸收层15和介电体层14时一部分被吸收、另一部分发生反射而返回反射层13。此外，被反射层13反射的TE波在通过吸收层15和介电体层14时发生干涉而衰减。如以上那样，偏光板1通过进行TE波的选择性衰减，从而获得期望的偏光特性。
格子状凸部11如图1所示，从各一维格子的延伸方向(预定方向)观察时、即在与预定方向正交的截面视图中，具有梯形的台座12、矩形的光栅脚部16、和尖头形状的光栅顶端部17。
光栅脚部16是从台座12垂直延长而形成。该光栅脚部16由反射层13构成。即，光栅脚部16与光栅顶端部17之间的边界位于反射层13与介电体层14之间的边界。
光栅顶端部17具有从预定方向观察时侧面按照越靠近顶端侧(透明基板10的相反侧)宽度越窄的方向倾斜的尖头形状。更详细而言，本实施方式的光栅顶端部17具有等腰梯形形状。该光栅顶端部17由介电体层14和吸收层15构成。
通过将光栅顶端部17制成尖头形状，从而能够提高TM波的透过率。认为之所以如此会提高TM波的透过率，是因为通过将光栅顶端部17制成尖头形状，对于带着角度偏差入射的光具有抑制散射的效果。
这里，图2是用于说明本实施方式所涉及的偏光板1的形状参数的截面示意图。以下说明中，高度意味着与透明基板10的主面垂直的方向的尺寸，宽度意味着从沿着格子状凸部11的延长方向的Y轴方向观察时、与高度方向正交的X轴方向的尺寸。此外，将从沿着格子状凸部11的延长方向的Y轴方向观察偏光板1时、格子状凸部11在X轴方向的重复间隔称为间距P。
格子状凸部11的间距P只要比使用带域的光的波长短就没有特别限制。从制作的容易性和稳定性的观点考虑，格子状凸部11的间距P例如优选为100nm～200nm。该格子状凸部11的间距P可以利用扫描型电子显微镜或透射型电子显微镜进行观察从而测定。例如，可以使用扫描型电子显微镜或透射型电子显微镜，对于任意的4个部位测定间距P，将其算术平均值作为格子状凸部11的间距P。以下，将该测定方法称为电子显微镜法。
此外，将格子状凸部11的光栅顶端部17的X轴方向的最大宽度称为光栅宽度b。本实施方式中，光栅宽度b意味着光栅顶端部17的在反射层13侧的端部的宽度。具体而言，该光栅宽度b优选为35～45nm。予以说明的是，这些宽度例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
此外，将光栅顶端部17的侧面的相对于透明基板10的倾斜角称为倾斜角θ，将光栅顶端部17的高度称为高度a。但是，由于格子状凸部11是非常微小的结构，因此光栅顶端部17的形状例如如图3所示实际上带有某种程度的弧度。因此，将倾斜角θ规定为光栅顶端部17的高度a的中心位置、即高度a/2的位置的光栅顶端部17的侧面相对于透明基板10的倾斜角。此时，具体的倾斜角θ的范围优选为θ≤80度。予以说明的是，倾斜角θ和高度a例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
此外，设θ0＝arctan(2a/b)时，本实施方式所涉及的偏光板1优选满足2/3≤a/b≤8/7，并且满足θ0≤θ<90度。此时，倾斜角θ优选选自使可见光区域的预定波长的光在吸收轴方向的反射率成为10％以下的角度范围。
作为透明基板10，只要是相对于使用带域的光显示透光性的基板就没有特别限制，可以根据目的进行适宜选择。“相对于使用带域的光显示透光性”并不意味着使用带域的光的透过率为100％，只要显示能够保持作为偏光板的功能的透光性即可。作为使用带域的光，例如，可以举出波长380nm～810nm程度的可见光。
透明基板10的主面形状没有特别限制，可适宜选择符合目的的形状(例如，矩形形状)。透明基板10的平均厚度例如优选为0.3mm～1mm。
作为透明基板10的构成材料，优选折射率为1.1～2.2的材料，可以举出玻璃、水晶、蓝宝石等。从成本和透光率的观点考虑，优选使用玻璃，尤其是石英玻璃(折射率1.46)、碱石灰玻璃(折射率1.51)。玻璃材料的成分组成没有特别限制，可以使用例如作为光学玻璃而广泛流通的硅酸盐玻璃等廉价的玻璃材料。
此外，从热传导性的观点考虑，优选使用热传导性高的水晶、蓝宝石。由此，相对于强光获得高耐光性，作为发热量多的放映机的光学引擎用的偏光板而被优选地使用。
予以说明的是，使用水晶等由光学活性的结晶构成的透明基板的情况下，优选在与结晶的光学轴平行的方向或垂直的方向上配置格子状凸部11。由此，获得优异的光学特性。这里，光学轴是指在该方向上前进的光的O(正常光线)与E(异常光线)的折射率之差成为最小的方向轴。
台座12如图1所示，从各一维格子的延伸方向(预定方向)观察时、即在与预定方向正交的截面视图中，具有梯形形状。更详细而言，本实施方式所涉及的台座12从预定方向观察时，具有侧面按照从透明基板10侧朝向反射层13侧宽度变窄的方式倾斜的等腰梯形形状。
台座12的最小宽度优选为反射层13的宽度以上。即，宽度最窄的台座12的反射层13侧的端部的宽度为反射层13的宽度以上。更优选地，台座12的最小宽度被设定为大于反射层13的宽度。予以说明的是，这些宽度例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
台座12的膜厚没有特别限制，例如，优选为10nm～100nm。予以说明的是，台座12的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
台座12是在作为吸收轴的Y轴方向上将以带状延长的介电体膜排列在透明基板10上而成的。作为台座12的构成材料，优选为相对于使用带域的光透明、且折射率比透明基板10小的材料，其中，优选为SiO2等Si氧化物。
台座12例如可以通过对在透明基板10上形成的包括上述介电体的基底层18、使利用干式蚀刻的各向同性蚀刻和各向异性蚀刻的平衡发生阶段性变化来形成。该情况下，如图1所示，台座12配置于在透明基板10上形成的基底层18上。认为通过将台座12形成为梯形，从而获得与折射率缓慢变化那样的蛾眼结构等同的效果，能够防止光的反射，获得高透过率特性。
反射层13形成于台座12上，是在作为吸收轴的Y轴方向上排列以带状延长的金属膜而成的。更详细而言，反射层13从台座12垂直延长，从上述预定方向观察时、即在与预定方向正交的截面视图中，具有矩形形状。该反射层13具有作为线栅型偏光子的功能，使在与反射层13的长度方向平行的方向上带有电场成分的偏振波(TE波(S波))衰减，使在与反射层13的长度方向正交的方向上带有电场成分的偏振波(TM波(P波))透过。
作为反射层13的构成材料，只要是对于使用带域的光具有反射性的材料就没有特别限制，例如，可以举出Al、Ag、Cu、Mo、Cr、Ti、Ni、W、Fe、Si、Ge、Te等元素单体或包含它们中的一种以上元素的合金。其中，反射层13优选由铝或铝合金构成。予以说明的是，除了这些金属材料以外，也可以由例如通过着色等而形成为表面的反射率高的金属以外的无机膜、树脂膜构成反射层13。
反射层13的膜厚没有特别限制，例如，优选为100nm～300nm。予以说明的是，反射层13的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
反射层13的宽度c优选为台座12的最小宽度以下，更优选设定为小于台座12的最小宽度。此外，如后述那样，反射层13的宽度c优选小于介电体层14的最大宽度、即作为光栅顶端部17的最大宽度的光栅宽度b。具体而言，反射层13的宽度c相对于光栅宽度b的比例优选为52～72％。予以说明的是，这些宽度例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
作为使反射层13的宽度小于台座12的宽度、光栅宽度(介电体层14的宽度)b的方法，可以举出例如利用湿式蚀刻的各向同性蚀刻。如上述那样，反射层13反射光，但通过控制反射层13的宽度，从而改变从光的入射方向看到的反射层13的面积，使被反射层13反射的光的量发生变化。因此，通过控制反射层13的宽度在光栅宽度b中所占的比例，能够控制偏光板1的光透过特性。
介电体层14形成于反射层13上，是在作为吸收轴的Y轴方向上排列以带状延长的介电体膜而成的。介电体层14按照透过吸收层15但被反射层13反射的偏光与被吸收层15反射的偏光的相位偏差为半波长的膜厚形成。具体而言，介电体层14的膜厚在能够调整偏光的相位而提高干涉效果的1～500nm的范围中适宜设定。该介电体层14的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
作为构成介电体层14的材料，可以举出SiO2等Si氧化物、Al2O3、氧化铍、氧化铋等金属氧化物、MgF2、冰晶石、锗、二氧化钛、硅、氟化镁、氮化硼、氧化硼、氧化钽、碳、或它们的组合等通常的材料。其中，介电体层14优选由Si氧化物构成。
介电体层14的折射率优选为大于1.0且为2.5以下。反射层13的光学特性由于也受到周围的折射率的影响，因此可以通过选择介电体层14的材料来控制偏光板特性。
此外，通过适宜调整介电体层14的膜厚、折射率，从而对于被反射层13反射的TE波，能够在透过吸收层15时将一部分反射而返回反射层13，能够使通过吸收层15的光因干涉而衰减。通过如此进行TE波的选择性衰减，能够获得期望的偏光特性。
吸收层15形成于介电体层14上，是在作为吸收轴的Y轴方向上以带状延长排列而成的。作为吸收层15的构成材料，可以举出金属材料、半导体材料等光学常数中的消光系数不为零、带有光吸收作用的物质中的一种以上，可根据所应用的光的波长范围来适宜选择。作为金属材料，可以举出Ta、Al、Ag、Cu、Au、Mo、Cr、Ti、W、Ni、Fe、Sn等元素单体或包含它们中的一种以上元素的合金。此外，作为半导体材料，可以举出Si、Ge、Te、ZnO、硅化物材料(β-FeSi2、MgSi2、NiSi2、BaSi2、CrSi2、CoSi2、TaSi等)。通过使用这些材料，偏光板1可以相对于所应用的可见光域获得高消光比。其中，吸收层15优选通过包含Fe或Ta、并且包含Si而构成。
在使用半导体材料作为吸收层15的情况下，由于半导体的带隙能也参与吸收作用，因此带隙能需要为使用带域以下。例如，在以可见光使用的情况下，有必要使用波长400nm以上的吸收、即作为带隙而言为3.1ev以下的材料。
吸收层15的膜厚没有特别限制，例如，优选为10nm～100nm。该吸收层15的膜厚例如可以通过上述电子显微镜法来测定。
予以说明的是，吸收层15可以利用蒸镀法、溅射法来形成为高密度的膜。此外，吸收层15也可以由构成材料不同的2层以上的层构成。
具备以上构成的本实施方式所涉及的偏光板1可以在介电体层14和吸收层15之间具有扩散阻挡层。即该情况下，格子状凸部11从透明基板10侧依次具有台座12、反射层13、介电体层14、扩散阻挡层和吸收层15。通过具有扩散阻挡层，防止吸收层15中的光的扩散。该扩散阻挡层可由Ta、W、Nb、Ti等金属膜构成。
此外，本实施方式所涉及的偏光板1在对光学特性的变化不产生影响的范围内，光的入射侧的表面可以被由介电体构成的保护膜覆盖。具体而言，优选至少光栅顶端部17的侧面(倾斜面)被保护膜覆盖。保护膜由介电体膜构成，例如可以利用化学蒸镀(ChemicalVapor Deposition，CVD)、原子层蒸镀(Atomic Layer Deposition，ALD)来形成于偏光板1的表面(形成了线栅的面)上。由此，能够抑制对于金属膜的必要以上的氧化反应。
进一步，本实施方式所涉及的偏光板1，其光的入射侧的表面可以被有机系憎水膜覆盖。具体而言，优选至少光栅顶端部17的侧面(倾斜面)被有机系憎水膜覆盖。有机系憎水膜由例如全氟癸基三乙氧基硅烷(FDTS)等氟系硅烷化合物等构成，例如可以利用上述CVD、ALD来形成。由此，能够提高偏光板1的耐湿性等可靠性。
[偏光板的制造方法]
本实施方式所涉及的偏光板1的制造方法具有基底层形成工序、反射层形成工序、介电体层形成工序、吸收层形成工序、以及蚀刻工序。
基底层形成工序中，在透明基板10上形成基底层。反射层形成工序中，在基底层形成工序中形成的基底层上形成反射层。介电体层形成工序中，在反射层形成工序中形成的反射层上形成介电体层。吸收层形成工序中，在介电体层形成工序中形成的介电体层上形成吸收层。这些各层形成工序中，例如可以通过溅射法、蒸镀法来形成各层。
蚀刻工序中，通过将经由上述的各层形成工序而形成的层叠体选择性蚀刻，从而形成以比使用带域的光的波长短的间距排列于透明基板10上的格子状凸部11。具体而言，例如通过光刻法、纳米压印法，形成一维格子状的掩模图案。然后，通过将上述层叠体选择性蚀刻，形成以比使用带域的光的波长短的间距排列于透明基板10上的格子状凸部11。作为蚀刻方法，例如，可以举出使用了与蚀刻对象相对应的蚀刻气体的干式蚀刻法。
尤其在本实施方式中，通过将蚀刻条件(气体流量、气压、输出、透明基板的冷却温度)最适化，从而形成使光栅顶端部17的侧面倾斜的尖头形状。此外，通过将上述蚀刻条件最适化，从而将基底层18蚀刻而形成从格子状凸部11的延伸方向观察时具有梯形形状的台座12。
予以说明的是，本实施方式所涉及的偏光板1的制造方法可以具有将至少光栅顶端部17的侧面(倾斜面)用保护膜进行被覆的工序。进一步，本实施方式所涉及的偏光板1的制造方法可以进一步具有将至少光栅顶端部17的侧面(倾斜面)用有机系憎水膜进行被覆的工序。
由以上制造本实施方式所涉及的偏光板1。
[光学设备]
本实施方式所涉及的光学设备具备上述的本实施方式所涉及的偏光板1。作为光学设备，可以举出液晶放映机、平视显示器、数码相机等。本实施方式所涉及的偏光板1由于与有机偏光板相比为耐热性优异的无机偏光板，因此在要求耐热性的液晶放映机、平视显示器等用途中是合适的。
本实施方式所涉及的光学设备具备多个偏光板的情况下，只要多个偏光板中的至少一个是本实施方式所涉及的偏光板1即可。例如，本实施方式所涉及的光学设备为液晶放映机的情况下，只要配置于液晶面板的入射侧和出射侧的偏光板中的至少一者为本实施方式所涉及的偏光板1即可。
根据以上说明的偏光板1及其制造方法、以及光学设备，可起到如下效果。
就本实施方式所涉及的偏光板1而言，在具备从透明基板10侧依次具有台座12、反射层13、介电体层14和吸收层15的格子状凸部11的线栅结构的偏光板1中，将台座12形成为梯形，从而在台座12中获得与折射率缓慢变化那样的蛾眼结构等同的效果。因此，认为能够更加防止光的反射，获得高透过率特性。因而，根据本实施方式，能够提供具有高透过率特性并且反射率特性的控制优异的偏光板1及其制造方法、以及具备该偏光板1的光学设备。
予以说明的是，本发明并不限定于上述实施方式，能够实现本发明的目的的范围内的变形以及改良均包含在本发明中。
图4是显示本实施方式的变形例1所涉及的偏光板1A的截面示意图。该偏光板1A的格子状凸部11A中，构成光栅脚部16A的反射层13A的宽度与构成光栅顶端部17的介电体层14的最大宽度(光栅宽度)相同，除此以外，与上述实施方式为相同的构成。此外，该偏光板1A中，反射层13A的宽度与台座12的最小宽度相同。
根据该偏光板1A，与上述实施方式同样，通过将台座12形成为梯形，从而在台座12中获得与折射率缓慢变化那样的蛾眼结构等同的效果。因此，认为能够更加防止光的反射，获得高透过率特性。因而，根据该变形例1所涉及的偏光板1A，能够提供具有高透过率特性并且反射率特性的控制优异的偏光板1A及其制造方法、以及具备该偏光板1A的光学设备。
予以说明的是，上述实施方式中，光栅顶端部与光栅脚部之间的边界位于反射层与介电体层之间的边界，光栅顶端部中包含介电体层和吸收层，但并不限于此。光栅顶端部也可以为由包含反射层的吸收层和介电体层所构成的结构、或者为仅由吸收层所构成的结构。只是，通过在光栅顶端部包含反射层，能够使透过偏光板的TM波的透过率更大幅提高。
此外，本实施方式的偏光板的用途并不限于液晶放映机。作为透射轴方向的偏光的透过率高的偏光板，可以在各种各样的用途中应用。
实施例
接下来，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。
<实施例1和2>
实施例1中，将图1所示的结构的偏光板1供于模拟实验。此外，实施例2中，将图4所示的结构的偏光板1A供于模拟实验。更具体而言，对于这些偏光板的光学特性，通过利用严格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis，RCWA)法的电磁场模拟实验来验证。模拟实验中，使用Grating Solver Development公司的光栅模拟器(grating simulator)Gsolver。予以说明的是，以下说明的其他实施例的模拟实验也同样。
图5是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板1和图4所示的结构的偏光板1A的透射轴透过率Tp的结果的图表。图5中，横轴代表波长λ(nm)，纵轴代表透射轴透过率Tp(％)。这里，透射轴透过率Tp意味着向偏光板入射的透射轴方向(X轴方向)的偏光(TM波)的透过率。此外，图5中，用实线显示的反射层的宽度小于介电体层的宽度的情况代表图1的偏光板1，用虚线显示的反射层的宽度与介电体层的宽度相同的情况代表图4的偏光板1A。
如该图5所示，确认到图1所示的结构的偏光板1和图4所示的结构的偏光板1A均获得高透射轴透过率。此外，确认到通过使反射层的宽度比介电体层的宽度小(窄)，从而在从蓝色带域的光(λ＝430～510nm)直至红色带域的光(λ＝600～680nm)的整个可见光区域中透射轴透过率Tp均提高。
<实施例3>
实施例3中，对于图1所示的结构的偏光板1，将光栅宽度变更为35nm、40nm、45nm、50nm、55nm，并且改变反射层的宽度在各光栅宽度中所占的比率，将由此获得的偏光板供于模拟实验。更具体而言，对于入射光为绿色带域的光(波长λ＝520～590nm)，实施模拟实验。
图6是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板1的反射层的宽度与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。更详细而言，图6显示反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率与透射轴透过率Tp的关系。横轴代表反射层的宽度比率(％)，纵轴代表透射轴透过率Tp(％)。
此外，图7是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板1的反射层的宽度与对比度CR的关系的结果的图表。更详细而言，显示反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率与对比度CR的关系。横轴代表反射层的宽度比率(％)，纵轴代表对比度CR。
这里，对比度CR意味着透射轴透过率Tp与吸收轴透过率Ts之比(透射轴透过率Tp/吸收轴透过率Ts)。吸收轴透过率Ts意味着向偏光板入射的吸收轴方向(Y轴方向)的偏光(TE波)的透过率。
如图6所示，可知光栅宽度越窄，透射轴透过率Tp越高。此外，可知如果光栅宽度相同，则反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率越小，透射轴透过率Tp越高。例如，如果将光栅宽度为35nm、反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率为100％的情况与光栅宽度为45nm、反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率为约67％的情况进行比较，则可获得大致相同的透射轴透过率Tp。
如上述那样，从制造偏差的观点考虑，使光栅宽度窄的难度高，通过使光栅宽度窄，还难以维持作为偏光板的可靠性。与此相对，根据本实施例，通过控制反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率，可获得比实际的光栅宽度小的光栅宽度所对应的透射轴透过率Tp。因此，根据本实施例，并不一定非要结合期望的光透过特性使光栅宽度变窄，因此能够抑制制造偏差，能够提高可靠性。
此外，如图7所示，可知对于任意的光栅宽度而言，随着反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率的变化(透射轴透过率Tp的增加)，对比度CR也发生变化。因此，可知在使偏光板的透过率特性提高的同时可获得任意的对比度CR。
另外，如上述那样作为偏光板的用途之一有放映机用途。在偏光板被用于放映机的情况下，近年来要求更高的透射轴透过率和更高的对比度，因此透射轴透过率Tp优选为93.5％以上(参照图6中的Tp目标值)，对比度CR优选大于500(参照图7中的CR目标值)。
这里，将各光栅宽度中、透射轴透过率Tp成为93.5％以上时反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率、和对比度成为500时反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率示于表1。
[表1]
如表1所示，光栅宽度为45nm的情况下，对比度CR成为500时反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率最小。因此可以说，为了使对比度CR大于500，反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率优选为大致50％以上。
此外，就透射轴透过率Tp成为93.5％以上而言，当光栅宽度为35nm时，是反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率为72.0％以下的情况。同样地，当光栅宽度为40nm时，是反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率为60.0％以下的情况，当光栅宽度为45nm时，是反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率为52.2％以下的情况。因此可以说，为了将透射轴透过率Tp设为93.5％以上，如果光栅宽度为35nm～45nm的范围、且将反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率设为X％，则X％的优选范围为52％～72％。
予以说明的是，本实施例中，对于入射光为绿色带域的光(波长λ＝520～590nm)实施了模拟实验，但即使入射光为红色带域的光(波长λ＝600～680nm)或蓝色带域的光(λ＝430～510nm)，反射层的宽度在光栅宽度中所占的比率X％虽稍有偏差，但也可获得同样的结果。
<比较例1>
图8是显示没有台座的偏光板100的截面示意图。偏光板100的格子状凸部101没有台座而直接设于基底层108，除此以外，与图4所示的结构的偏光板1A为同样的构成。图8中，对于与偏光板1共同的构成赋予相同的符号。将该图8所示的结构的偏光板100供于模拟实验。
图9是通过模拟实验验证图4所示的结构的偏光板1A和图8所示的结构的偏光板100的透射轴透过率Tp的结果的图表。图9中，横轴代表波长λ(nm)，纵轴代表透射轴透过率Tp(％)。此外，图9中，用实线所示的具有梯形的台座的情况代表图4的偏光板1A，用虚线所示的没有台座的情况代表图8的偏光板100。
如该图9所示，确认到通过具有梯形的台座，从蓝色带域的光(λ＝430～510nm)至绿色带域的光(波长λ＝520～590nm)，透射轴透过率Tp均提高。
<实施例4>
图10是显示光栅顶端部17B为矩形的偏光板1B的截面示意图。该实施例4的偏光板1B的光栅顶端部17B不为尖头形状而是由矩形的介电体层14B和吸收层15B构成，除此以外，与图1所示的结构的偏光板1为同样的构成。图10中，对于与偏光板1共同的构成赋予相同的符号。偏光板1B相当于图1所示的偏光板1的光栅顶端部的侧面的倾斜角θ为90度的偏光板。
本实施例中，对于图1所示的结构的偏光板1，改变上述倾斜角θ，并且将光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比进行各种变更，将由此获得的偏光板供于模拟实验。此外，本实施例中，实施透射轴透过率Tp和吸收轴反射率Rs的模拟实验。这里，吸收轴反射率Rs意味着偏光板的吸收轴方向(Y轴方向)的偏光(TE波)的反射率。予以说明的是，本实施例中，相对于绿色带域(波长λ＝520～590nm(预定的波长))的光，对于最适化设计而成的偏光板实施模拟实验。
图11是显示通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝6:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与透射轴透过率Tp的关系的结果的图表。图11中，横轴代表倾斜角θ(°)，纵轴代表透射轴透过率Tp(％)。此外，图11中，虚线代表蓝色带域(波长λ＝430～510nm)的光，实线代表绿色带域(波长λ＝520～590nm)的光，单点划线代表红色带域(波长λ＝600～680nm)的光。
这里，如果透射轴透过率Tp高，则意味着高强度的期望的光透过偏光板。如图11所示，随着倾斜角θ从90度倾斜(即，在图表上从右向左偏移)，在蓝色带域(波长λ＝430～510nm)、绿色带域(波长λ＝520～590nm)和红色带域(波长λ＝600～680nm)的任意带域中，透射轴透过率Tp均变高。可知，尤其对于蓝色带域而言，透射轴透过率Tp的上升幅度大。
图12是通过模拟实验验证图1所示的结构的偏光板中光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝6:9时的光栅顶端部的倾斜角θ与吸收轴反射率Rs的关系的结果的图表。图12中，横轴代表倾斜角θ(°)，纵轴代表吸收轴反射率Rs(％)。
如图12所示，如果吸收轴反射率Rs变高，则意味着被偏光板反射的吸收轴方向的偏光(TE波)变强。这样的反射光使消光比降低，因此吸收轴反射率Rs优选为较低者。在许多液晶放映机用途中，要求吸收轴反射率Rs小于10％。
根据图12，倾斜角θ越小，该模拟实验中作为偏光板的设计波长的绿色带域的吸收轴反射率Rs变得越高，如果倾斜角θ变得小于61度，则吸收轴反射率Rs超过10％。因此，在液晶放映机用途中被允许的倾斜角θ值为61度≤θ<90度。将该角度称为设备特性倾斜角。予以说明的是，如果使光栅顶端部的侧面的倾斜度大(如果使倾斜角θ变小)，则吸收轴反射率Rs变高，认为这是因为沿着介电体层和吸收层的透明基板的方向的尺寸变小，因此由它们带来的反射光(TE波)的吸收效果降低。
图13和图14是针对光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:11的情况，显示相对于光栅顶端部的倾斜角θ的偏光板的透射轴透过率Tp和吸收轴反射率Rs的图表，图15和图16是针对光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为8:9的情况，显示相对于光栅顶端部的倾斜角θ的偏光板的透射轴透过率Tp和吸收轴反射率Rs的图表，图17和图18是针对光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝10:9的情况，显示相对于光栅顶端部的倾斜角θ的偏光板的透射轴透过率Tp和吸收轴反射率Rs的图表，图19和图20是针对光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:7的情况，显示相对于光栅顶端部的倾斜角θ的偏光板的透射轴透过率Tp和吸收轴反射率Rs的图表。
无论光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比，光栅顶端部的侧面的倾斜越大(倾斜角θ越小)，在蓝色带域、绿色带域和红色带域的任意带域中，均认识到透射轴透过率Tp的改善。此外，可知在任意情况下，蓝色带域的透射轴透过率Tp的上升比其他带域都大。
另一方面，当光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:7时，如图20所示，如果θ<77度，则绿色带域的波长的光的吸收轴反射率Rs超过10％。因此，此时的设备特性倾斜角度为77度≤θ<90度。此外，当光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为a:b＝8:9时，如图15所示，由使光栅顶端部的侧面倾斜带来的透射轴透过率Tp的特性提高效果高，倾斜角θ可以设为60度≤θ<90度。
这里，基于图11～图20的模拟实验结果，将相对于光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比的光栅顶端部的倾斜角θ的范围示于表2。
[表2]
该表2中，模拟实验倾斜角θ是进行了模拟实验的倾斜角的范围，如已经说明的那样，为θo≤θ<90度(θo＝arctan(2a/b))的范围。在图11～图20中利用高度a与光栅宽度b之比即a/b表示光栅顶端部的形状时，确认到在2/3≤a/b≤8/7所包含的任意范围中，上述倾斜角θ的范围中各波长带域的光的透射轴透过率均变高。此外，如上述那样，设备特性倾斜角为吸收轴反射率Rs不超过10％的范围的倾斜角。在将偏光板用于液晶放映机等的情况下，倾斜角θ期望满足该设备特性倾斜角的范围。
<实施例5>
接下来，实际制作图1所示的线栅结构的偏光板，将所得的光学特性和模拟实验结果进行比较。图21是显示针对光栅顶端部的高度a与光栅宽度b之比为8:9的情况，将相对于光栅顶端部的侧面的倾斜角θ的透射轴透过率Tp的实测值和模拟实验结果进行对比而验证的结果的图表。
图21中，漏白的点与图15所示的模拟实验结果相同。与此相对，针对倾斜角θ的平均值为77度和74度的情况，用涂黑的点表示实测值。这里，倾斜角θ的平均值为74度的情况下，蓝色带域(波长λ＝430～510nm)的实测值和绿色带域(波长λ＝520～590nm)的实测值为在92.6％附近重合的点。予以说明的是，之所以设为倾斜角θ的平均值，是因为实际制作的偏光板的光栅顶端部的侧面的倾斜角度存在偏差。
从图21可知，实测结果中，与倾斜角θ的平均值为77度时相比，倾斜角θ的平均值为74度时在整个带域中透射轴透过率Tp变高。尤其在蓝色带域中，透射轴透过率Tp大幅提高。如此，确认到通过使光栅顶端部的侧面更加倾斜(通过使倾斜角θ变小)，从而透射轴透过率Tp提高。
接下来，图22～图25是对于实际制作的两个偏光板分别显示透射轴透过率Tp、吸收轴透过率Ts、透射轴反射率Rp和吸收轴反射率Rs的实测值的图表。这里，透射轴反射率Rp意味着向偏光板入射的透射轴方向(X轴方向)的偏光(TM波)的反射率。各个图表中，用虚线表示的偏光板的光栅顶端部的侧面的倾斜角θ为80度～84度的范围，用实线表示的偏光板的光栅顶端部的侧面的倾斜角θ为76～80度的范围。予以说明的是，两个偏光板的光栅的高度a与光栅宽度b之比为接近2/3和8/11的值。
关于图22所示的、显示偏光板的TM波的透过率的透射轴透过率Tp，当使光栅顶端部的侧面的倾斜角θ减小时，尤其在蓝色带域(波长λ＝430～510nm)中认识到大幅的提高。此外，倾斜角θ之值为76～80度的情况下，在波长为430nm以上的包含蓝色带域的可见光区域中，透射轴透过率Tp无关波长而大致固定为约92％～93％，获得充分的透过率的提高。因此，认为在倾斜角θ为80度以下的情况下，由本发明带来的透过率的提高效果大。予以说明的是，在图11、图15、图17所示的模拟实验的例子中，如果倾斜角θ为80度以下，则蓝色带域、绿色带域和红色带域的透射轴透过率Tp之间的差为0.5～1％程度的范围的小值。因此，透过偏光板的光的每一个波长带域均等地透过，因此色彩的变化小。
与此相对，对于图23所示的表示TE波的透过率的吸收轴透过率Ts、和图24所示的表示TM波的反射率的透射轴反射率Rp，即使倾斜角θ变化也几乎不受影响。此外，对图25所示的表示TE波的反射率的吸收轴反射率Rs，具有在整个可见光中反射率均降低的倾向。
通过以上的结果，可以说通过在线栅结构的格子状凸部中在透明基板上形成梯形的台座、将反射层的宽度控制得小于台座和介电体层的宽度、控制光栅顶端部的侧面的倾斜角度，从而透射轴方向的透过率、尤其是对于可见光区域中包括蓝色带域在内的短波长侧的光的透射轴透过率的提高效果大。
此外，由于基本的结构与以往技术相同，并且即使没有将光栅宽度本身变窄也可获得与窄的光栅宽度对应的期望的光透过特性，因此不易发生由形成细小光栅导致的光刻等中的掩模图案倒塌、干式蚀刻等中的光栅倒塌等。由此，能够使偏光板的制造容易化，并且能够抑制制造偏差，也能够维持作为偏光板的可靠性。

Claims (15)

1.一种偏光板，其是具有线栅结构的偏光板，具备：
透明基板；和
格子状凸部，其以比使用带域的光的波长短的间距排列于所述透明基板上、且在预定方向上延伸，
所述格子状凸部从所述透明基板侧依次具有台座、反射层、介电体层和吸收层，
所述台座从所述预定方向观察时具有梯形形状。
2.根据权利要求1所述的偏光板，所述台座的最小宽度为所述反射层的宽度以上。
3.根据权利要求1或2所述的偏光板，所述台座由相对于使用带域的光的波长透明的Si氧化物构成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的偏光板，形成于所述格子状凸部的顶端的光栅顶端部具有从所述预定方向观察时侧面按照越靠近顶端侧宽度越窄的方向倾斜的尖头形状。
5.根据权利要求4所述的偏光板，所述光栅顶端部由所述介电体层和所述吸收层构成，
所述光栅顶端部的最大宽度为35～45nm，
所述反射层的宽度相对于所述光栅顶端部的最大宽度为52～72％。
6.根据权利要求4或5所述的偏光板，将所述光栅顶端部的侧面的相对于所述透明基板的倾斜角设为θ、将从所述预定方向观察时的所述光栅顶端部的高度设为a、将所述光栅顶端部的最大宽度设为b、设θ0＝arctan(2a/b)时，
满足2/3≤a/b≤8/7，并且满足θ0≤θ<90度，
所述倾斜角θ选自使可见光区域的预定波长的光在吸收轴方向的反射率成为10％以下的角度范围。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的偏光板，所述倾斜角θ被规定为从所述预定方向观察时所述光栅顶端部的高度方向的中心位置处的所述光栅顶端部的所述侧面的切线的倾斜角，其角度范围为θ≤80度。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的偏光板，所述透明基板相对于使用带域的光的波长是透明的，且由玻璃、水晶或蓝宝石构成。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的偏光板，所述反射层由铝或铝合金构成。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的偏光板，所述介电体层由Si氧化物构成。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的偏光板，所述吸收层通过包含Fe或Ta、并且包含Si而构成。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的偏光板，光所入射的所述偏光板的表面覆盖有由介电体构成的保护膜。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的偏光板，光所入射的所述偏光板的表面覆盖有有机系憎水膜。
14.一种偏光板的制造方法，其是具有线栅结构的偏光板的制造方法，具有：
在透明基板上形成基底层的基底层形成工序；
在所述基底层上形成反射层的反射层形成工序；
在所述反射层上形成介电体层的介电体层形成工序；
在所述介电体层上形成吸收层的吸收层形成工序；及
通过将所形成的层叠体选择性蚀刻，从而形成以比使用带域的光的波长短的间距排列于透明基板上的格子状凸部的蚀刻工序，
所述蚀刻工序中，通过对所述基底层进行蚀刻，从而形成从所述格子状凸部的延伸方向观察时具有梯形形状的台座。
15.一种光学设备，其具备权利要求1～13中任一项所述的偏光板。
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