專利名稱：偏光元件及投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏光元件及投影儀。
背景技術(shù)：
近年來，作為具有偏光分離功能的光學(xué)元件，已知一種線柵(WireGrid)偏光元件。該線柵偏光元件是在玻璃基板等透明基板上鋪滿納米尺度的金屬絲部(金屬細線)而形成的。線柵偏光元件，其偏光分離性能高，并且由無機材料構(gòu)成，所以與由有機材料構(gòu)成的偏光元件相比，具有耐熱性優(yōu)越等特征。因此，一直進行著在各種光學(xué)系統(tǒng)中使用線柵偏光元件來替代將現(xiàn)有的高分子作為元件的偏光分離元件的研究。具體來講，適合應(yīng)用到暴露于來自高輸出功率的光源的光中的液晶投影儀的光閥用偏光元件，并配置在光閥的前后 (光入射側(cè)、光出射側(cè)的至少一方)。然而，光閥的光出射側(cè)要求具有吸收不需要的偏光的功能。其原因在于，若不需要的偏光在光閥的光出射側(cè)反射，則該反射光會再次入射到光閥中而引起晶體管的溫度上升，從而打亂灰度、或成為雜散光而存在畫質(zhì)下降等問題。因此，研究著各種具備吸收不需要的偏光的功能的吸收式線柵偏光元件。例如，在專利文獻1中，在基板上形成了具有光反射性的第一分級層的偏光元件上附加具有光吸收性的第二分級層(吸收層)，從而選擇性地吸收不需要的偏光。另一方面，在專利文獻2中，提出了一種具有透光性基板和光反射體的偏光元件， 其中，透光性基板在其表面上以大于入射光的波長的間距形成了臺階，光反射體則在透光性基板的表面上以小于入射光的波長的間距排列成條紋狀。由此，使不需要的偏光成分不產(chǎn)生正反射地制作角度使其反射，從而抑制著雜散光的產(chǎn)生。專利文獻1 日本特開2005-37900號公報專利文獻2 日本特開2006-133275號公報然而，在專利文獻1中，偏光元件形成后需要進行吸收層的成膜，元件的構(gòu)造也變得復(fù)雜，因此制造成本上升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這種問題而提出的，其目的在于提供一種偏光元件及投影儀，選擇性地吸收不需要的偏光，灰度優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)高畫質(zhì)的顯示，還能簡化元件構(gòu)造且實現(xiàn)低成本化。為了解決上述的課題，本發(fā)明的偏光元件，其特征在于，具備基板和在上述基板上排列的多個柵格部，上述柵格部具有沿該柵格部的長度方向以小于入射光的波長的周期交替排列的凸部及凹部，在上述多個柵格部中，上述凸部的排列周期P為一定，并且上述凸部的排列周期P與上述凸部的長度L的比率(D = L/P)為一定，上述凸部的高度在相鄰的上述柵格部之間不同。按照這種結(jié)構(gòu)，通過制作在金屬細線上以小于入射光的波長的周期排列的共振光柵構(gòu)造，能夠顯現(xiàn)表面等離子共振(SPR)，選擇性地吸收入射到偏光元件上的特定波長的直線偏光TE(不需要的偏光)。具體來講，在向上述的共振光柵構(gòu)造入射直線偏光TE時，產(chǎn)生漸逝光。使用該漸逝光，能夠使該波數(shù)與表面等離子的波數(shù)一致，從而能夠激發(fā)表面等離子。由于該表面等離子的激發(fā)消耗入射光的能量，因此能夠抑制向光入射方向的反射。因此，通過選擇性地吸收不需要的偏光而能夠提供灰度優(yōu)越、高畫質(zhì)顯示的偏光元件。此外， 無需像專利文獻1那樣設(shè)置吸收層，因此能夠簡化元件構(gòu)造，實現(xiàn)低成本化。此外，在本發(fā)明中各柵格部的凸部的排列周期及凸部的排列周期P與凸部的長度 L的比率(占空比D = L/P)相等，凸部的高度在相鄰的柵格部中彼此不同，所以每個柵格部可吸收的直線偏光TE的波長不同，其結(jié)果，大幅擴大了可吸收的直線偏光的波長范圍。 由此，能夠在廣波長范圍下降低反射率，因此在應(yīng)用到投影儀等的情況下其設(shè)計容限變廣， 得到更容易利用的偏光元件。此外，優(yōu)選為，在上述基板上設(shè)置多個柵格組，上述柵格組具有上述凸部呈第一高度的第一上述柵格部和上述凸部呈第二高度的第二上述柵格部，上述柵格部的排列方向上的上述柵格組的寬度小于上述入射光的波長。按照這種結(jié)構(gòu)，能夠使可吸收的直線偏光的波長范圍在相鄰的柵格部中彼此不同。此外，能夠根據(jù)入射光設(shè)定凸部的高度。并且，通過將凸部的高度預(yù)先設(shè)定多種類型， 元件設(shè)計及制作變得容易。此外，優(yōu)選為，設(shè)置在同一上述柵格部上的上述凸部與上述凹部的長度相等。按照這種結(jié)構(gòu)，由于設(shè)在同一柵格部上的凸部和凹部的長度相等，所以容易制作。 此外，每個柵格部變得容易激發(fā)表面等離子，因此消耗入射光的能量，從而能夠充分抑制向光入射方向的反射。此外，優(yōu)選為，上述凸部的高度不同的多種上述柵格部不規(guī)則地排列在上述基板上。按照這種結(jié)構(gòu)，根據(jù)入射光的波長，適當(dāng)進行將凸部的高度不同的多種柵格部不規(guī)則地排列在基板上這樣的設(shè)計，從而能夠制成具有良好的光學(xué)特性的偏光元件。為了解決上述的課題，本發(fā)明的偏光元件，其特征在于，具備基板和在上述基板上排列的多個柵格部，上述柵格部具有沿該柵格部的長度方向以小于入射光的波長的周期交替地排列的凸部及凹部，上述多個柵格部的各個上述凸部的排列周期相等，上述凸部的排列周期P與上述凸部的長度L的比率(D = L/P)在相鄰的上述柵格部中彼此不同。按照這種結(jié)構(gòu)，通過制作在金屬細線上以小于入射光的波長的周期排列的共振光柵構(gòu)造，能夠顯現(xiàn)表面等離子共振(SPR)，選擇性地吸收入射到偏光元件上的特定波長的直線偏光TE(不需要的偏光)。具體來講，在向上述的共振光柵構(gòu)造入射直線偏光TE時，產(chǎn)生漸逝光。使用該漸逝光，能夠使該波數(shù)與表面等離子的波數(shù)一致，從而能夠激發(fā)表面等離子。由于該表面等離子的激發(fā)消耗入射光的能量，因此能夠抑制向光入射方向的反射。因此，通過選擇性地吸收不需要的偏光而能夠提供灰度優(yōu)越、高畫質(zhì)顯示的偏光元件。此外， 無需像專利文獻1那樣設(shè)置吸收層，因此能夠簡化元件構(gòu)造，實現(xiàn)低成本化。此外，在本發(fā)明中，多個柵格部的各個凸部的排列周期相等，上述凸部的排列周期 P與上述凸部的長度L的比率(D = L/P)在相鄰的柵格部中彼此不同，所以每個柵格部可吸收的直線偏光TE的波長不同，其結(jié)果，大幅擴大了可吸收的直線偏光的波長范圍。由此，能夠在廣波長范圍下降低反射率，因此在應(yīng)用到投影儀等的情況下其設(shè)計容限變廣，得到更容易利用的偏光元件。此外，優(yōu)選為，上述凸部相對上述凹部的突出高度在相鄰的上述柵格部之間不同。按照這種結(jié)構(gòu)，能夠使可吸收的直線偏光的波長范圍在相鄰的柵格部中彼此不同。此外，能夠根據(jù)入射光設(shè)定凸部的高度。并且，通過將凸部的高度預(yù)先設(shè)定多種類型， 元件設(shè)計及制作變得容易。此外，優(yōu)選為，在上述基板上設(shè)置多個柵格組，上述柵格組具備具有第一比率的第一上述柵格部和具有第二比率的第二上述柵格部，上述柵格部的排列方向上的上述柵格組的寬度小于上述入射光的波長。按照這種結(jié)構(gòu)，能夠使可吸收的直線偏光在相鄰的柵格部中彼此不同。此外，能夠根據(jù)入射光設(shè)定柵格部的上述比率D。并且，通過將柵格部的上述比率D設(shè)定多種類型，元件設(shè)計及制作變得容易。此外，優(yōu)選為，上述比率不同的多種上述柵格部不規(guī)則地排列在上述基板上。按照這種結(jié)構(gòu)，根據(jù)入射光的波長，適當(dāng)進行將上述比率不同的多種柵格部不規(guī)則地排列在基板上這樣的設(shè)計，從而能夠制作具有良好的光學(xué)特性的偏光元件。此外，優(yōu)選為，上述柵格部、上述凸部及上述凹部在側(cè)視時為矩形形狀。按照這種結(jié)構(gòu)，由于上述柵格部、上述凸部及上述凹部在側(cè)視時呈矩形形狀，所以容易制作。具體來講，在基板上形成金屬膜，以抗蝕圖形為掩膜，利用反應(yīng)性離子蝕刻(RIE) 進行各向異性蝕刻，從而能夠容易制作。因此，提高生產(chǎn)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本化。本發(fā)明的投影儀其特征在于，具備射出光的照明光學(xué)系統(tǒng)；對上述光進行調(diào)制的液晶光閥；用上述液晶光閥調(diào)制的光所入射的權(quán)利要求1至8中任一項上述的偏光元件； 將透過上述偏光元件的偏光投射到被投射面的投射光學(xué)系統(tǒng)。按照這種結(jié)構(gòu)，由于具備上述的本發(fā)明所涉及的偏光元件，因此即使使用高輸出功率的光源，也能抑制偏光元件的劣化。因此，能夠提供灰度優(yōu)越、能夠?qū)崿F(xiàn)高畫質(zhì)顯示、能夠?qū)崿F(xiàn)低成本化的投影儀。


圖1為表示第一實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2(a)為表示偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖2(b)為表示偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的部分剖視圖。圖3為表示基于SPR的電場增強的機構(gòu)的圖。圖4為表示入射到偏光元件的光的偏光分離的示意圖。圖5為表示第一實施方式的偏光元件的制作流程的圖。圖6為表示第一實施方式的反射特性的圖表。圖7(a)為表示第二實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖7(b)為表示第二實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的部分剖視圖。圖8為表示第二實施方式的反射特性的圖表。圖9(a)為表示第三實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖9(b)為表示第三實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的部分剖視圖。
圖10為表示第三實施方式的反射特性的圖表。圖11為表示投影儀的一個例子的示意圖。附圖標(biāo)記說明1、2、3...偏光元件；10...基板；12(12六、128、120、22(22八、 22B、22C)、32(32A、32B、32C). . ·凸部；13 (13A、13B、13C)、23(23A、23B、23C)、33(33A、33B、 33C). . ·凹部；12a. · ·凸部的上表面；14(14A、14B、14C)、24Q4A、24B、24C)、34(34A、34B、 34C)...柵格部；D...占空比(比率)；G1、G2、G3...柵格組；Li...凸部的長度；L2...凹部的長度；W3...柵格組的寬度；800...投影儀；810...光源(照明光學(xué)系統(tǒng))；826...投射透鏡(投射光學(xué)系統(tǒng))；830. ·.液晶光閥；852. ·.第一偏光元件(偏光元件)。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。本實施方式只表示本發(fā)明的一種形態(tài)，并不限定本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)可進行任意變更。此外，在以下的附圖中，為便于理解各結(jié)構(gòu)，實際的構(gòu)造與各構(gòu)造的比例尺、個數(shù)等不同。另外，在以下的說明中，設(shè)定XYZ坐標(biāo)系，并參照該XYZ坐標(biāo)系說明各部件的位置關(guān)系。此時，將水平面內(nèi)的規(guī)定的方向設(shè)為X軸方向，將水平面內(nèi)與X軸方向正交的方向設(shè)為Y軸方向，將與X軸方向和Y軸方向的各個軸正交的方向設(shè)為Z軸方向。(第一實施方式的偏光元件)圖1為表示本發(fā)明所涉及的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2(a)為表示偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖2(b)為表示偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的部分剖視圖。在圖1中，標(biāo)號Pl為金屬細線的周期，標(biāo)號P2為凸部的周期，標(biāo)號Hl為金屬細線的高度，在圖2(b)中，標(biāo)號H2、H3、H4為凸部的高度。此外，將金屬細線的延伸方向設(shè)為Y 軸方向，將金屬細線的排列軸設(shè)為X軸方向。如圖ι及圖2(b)所示，偏光元件ι為利用光學(xué)表面等離子共振(sra:sUrface Plasmon Resonance)而吸收不需要的偏光的構(gòu)造。該偏光元件1為在基板10上排列多個柵格(Grid)部14而成的結(jié)構(gòu)。另外，對于Sra在后續(xù)中詳細說明?；?0作為其形成材料使用例如玻璃、石英燈具有透光性且高耐熱性的材料。在本實施方式中，使用玻璃基板來作為基板10。柵格部14沿與基板10的面內(nèi)平行的方向(X軸方向)以小于光的波長的周期Pl 排列多個，并且在從與基板10的面內(nèi)垂直的方向(Z軸方向)看時呈彼此的延伸方向平行的條紋狀(俯視時條紋狀)。金屬細線11比光的波長充分長地沿長度方向(Y軸方向)形成。金屬細線11、凸部12及凹部13至少在從X軸方向看時呈矩形狀。作為柵格部14(金屬細線11、凸部12)的形成材料，例如可以使用鋁(Al)、金 (Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鉻(Cr)或它們的合金。在本實施方式中，作為金屬細線11、 凸部12的形成材料使用Al。如此地，作為基板10的形成材料使用玻璃，并作為金屬細線11、凸部12的形成材料使用Al，從而能夠提高整個偏光元件1的耐熱性。柵格部14例如其周期Pl設(shè)定為140nm左右，其高度Hl設(shè)定為175nm左右。柵格部14的高度Hl是指從基板10的上表面IOa到凸部12的上表面12a的距離。金屬細線11的周期Pi是指X軸方向上的金屬細線11的寬度Wi與相鄰的金屬細線11之間的空間寬度 W2的相加而得到的值。此外，X軸方向上的金屬細線11的寬度Wl與金屬細線11之間的空間寬度W2之比設(shè)定為大致1 1。此外，凸部12在柵格部14的周期中所占的比例，也就是各柵格部14中的凸部12 的排列周期P2與凸部12的長度Ll的占空比D (比率D = L1/P2)為0. 5，一定。凸部12及凹部13在金屬細線11的上表面Ila沿著該金屬細線11的長度方向(X 軸方向)以小于光的波長的規(guī)定的周期排列有多個。在此，在同一金屬細線11上形成的凸部12的長度Ll與凹部13的長度L2彼此長度相等，在各柵格部14的金屬細線11上形成的凸部12 (凹部13)的、金屬細線11的長度方向(Y軸方向)的排列周期P2設(shè)定為500nm。另外，周期P2是將在各金屬細線11上形成的X軸方向上的凸部12的長度Ll和相鄰的凸部12之間的凹部13的長度L2分別相加而得到的值。如圖2(a)、(b)所示，這些凸部12及凹部13，側(cè)視時呈矩形形狀，俯視時呈矩形形狀，并以規(guī)定的高度及規(guī)定的深度形成。如圖2(b)所示，在本實施方式的各柵格部14中， 相鄰的柵格部14彼此的凸部12的高度(凹部13的深度)分別不同，而不是一定。 具體來講，在柵格部14A上排列的凸部12A (第一柵格部)的高度H2 (13A的深度) 為25nm，在柵格部14B上排列的凸部12B (第二柵格部)的高度H3為50nm，在柵格部14C 上排列的凸部12C的高度H4為75nm。另外，由于將各柵格部14的高度Hl設(shè)定為一定，所以根據(jù)各凸部12A、12B、12C的高度H2、H3、H4，金屬細線11A、11B、11C的高度H2'、H3'、 H4'也分別不同，為H2' > H3' > H4'。在本實施方式中，如圖2(a)、(b)所示，由凸部12的高度互不相同的三個柵格部 14A、14B、14C構(gòu)成柵格組Gl。柵格部14A、14B、14C的排列方向上的柵格組Gl的寬度W3 (相隔柵格部14B而配置在其兩側(cè)的柵格部14A和柵格部14C的寬度方向外側(cè)的側(cè)部之間的間隔)被設(shè)定成小于入射光的波長的寬度。本實施方式的偏光元件1是這種柵格組Gl在基板10上設(shè)置多個而構(gòu)成的。多個柵格組Gl之間的間隔與金屬細線11之間的空間的寬度W2(圖1)相等。如此地，通過將各柵格部14的高度設(shè)定為H1，并使相鄰的柵格部14的凸部12A、 12B、12C的高度H2、H3、H4(凹部13AU3BU3C的深度)分別不同，能夠制成用于顯現(xiàn)SPR 的元件構(gòu)造。在本實施方式中，從凸部12的高度小的柵格部14A起沿Y方向依次配置了柵格部 14B、柵格部14C，但是只要相鄰的柵格部14的凸部12及凹部13的高度不同，則不按照凸部 12的高度順序配置也可。在此，使用圖3對Sra進行說明。圖3為基于SPR的電場增強的機構(gòu)的圖。如圖 3所示，考慮金屬(介電常數(shù)Eb)與例如空氣等電介體(介電常數(shù)Ea)之間的界面。當(dāng)在金屬內(nèi)部存在自由電子，并從電介體側(cè)向金屬表面入射光時，能夠在某種條件下激發(fā)自由電子的疏密波(表面等離子)。在這種條件下，向金屬表面入射的光的能量被表面等離子的激發(fā)而被消耗掉。其結(jié)果，在金屬表面反射的光的能量下降。在將空氣中傳播的光入射到平坦的金屬表面的情況下，不能激發(fā)表面等離子。這是因為，不管取哪一種入射角，入射光所具有的界面方向的波數(shù)小于表面等離子的波數(shù)，而不與其一致。為了激發(fā)表面等離子，已知一種金屬表面使用衍射光柵的方法。具體來講，在向衍射光柵入射光的的情況下，所產(chǎn)生的漸逝波的波數(shù)，由于入射光的波數(shù)與衍射光柵的波數(shù)疊加在一起，所以大于表面等離子的波數(shù)以上。另外，表面等離子為界面方向上的電子的疏密波。因此，能夠激發(fā)表面等離子的，只是與衍射光柵正交的偏光成分。圖4為表示入射到偏光元件1的偏光分離的示意圖。圖4(a)表示向偏光元件1 入射沿與金屬細線11的長度方向正交的方向振動的直線偏光TMCrransverse Magnetic) 的情況。圖4(b)表示向偏光元件1入射沿金屬細線11的長度方向振動的直線偏光 TE (TransverseElectric)的情況。如圖4 (a)所示，向偏光元件1入射的入射光20具有成分s (TM偏光成分)，該成分 s具有與各金屬細線11的長度方向(Y軸方向)正交的偏光軸。于是，入射光20的偏光軸 s與共振光柵平行。具體來講，入射光20的偏光軸s與柵格部14的排列方向(X軸方向) 平行。因此，通過上述的原理不產(chǎn)生漸逝波，不能激發(fā)表面等離子。因此，在向偏光元件1入射直線偏光TM的情況下，無法顯現(xiàn)表面等離子共振。也就是說，偏光元件1相對入射光20只具有偏光分離功能。因此，入射光20幾乎全部透過偏光元件1。如圖4 (b)所示，向偏光元件1入射的入射光30具有成分ρ (TE偏光成分)，該成分 P具有與各金屬細線11的長度方向(Y軸方向)平行的偏光軸。于是，入射光30的偏光軸 P與共振光柵正交。具體來講，入射光30的偏光軸ρ與柵格部14的排列方向(X軸方向) 正交。因此，通過上述的原理能夠激發(fā)表面等離子40。因此，在向偏光元件1入射直線偏光TE的情況下，顯現(xiàn)出表面等離子共振。因此， 入射光30的能量被表面等離子40的激發(fā)而被耗費掉。本來，相對具有偏光軸ρ的入射光 30發(fā)揮偏光分離功能，入射光30幾乎全部產(chǎn)生反射，但在本發(fā)明的構(gòu)造中為了表面等離子 40的激發(fā)而消耗入射光30的能量。由此，反射光減少。也就是說，通過顯現(xiàn)表面等離子共振(SPR)，能夠選擇性地吸收入射到偏光元件1的直線偏光TE。在本發(fā)明中，如上所述，在基板10的上表面形成金屬細線11，并在金屬細線11的上表面Ila沿金屬細線11的長度方向以小于光的波長的周期P2形成凸部12，同時使各柵格部14的占空比D及凸部12的排列周期P2相等，且使相鄰的柵格部14的高度不同，從而制成顯現(xiàn)SPR的構(gòu)造。由此，即使不像專利文獻1那樣設(shè)置吸收層，也能選擇性地吸收直線偏光TE(不需要的偏光)。此外，由于能夠使每個柵格部14的可吸收直線偏光TE的波長不同，因此大幅擴大了可吸收的直線偏光的波長范圍。由此，能夠在廣波長范圍下降低反射率。圖5為表示偏光元件的制作流程的圖。首先，在玻璃基板100上通過蒸鍍、噴濺等方法形成Al膜110。接著，在Al膜110上利用旋轉(zhuǎn)涂膠等方法進行涂布，并利用雙光束干涉曝光等方法形成抗蝕圖形120(參照圖5(a))。此時，抗蝕圖形120的周期1 (相當(dāng)于金屬細線的周期)形成為140nm左右。另外，抗蝕圖形120的形成方法不限于此。例如，還可以使用納米壓印等轉(zhuǎn)印方法。接著，以抗蝕圖形120為掩膜，進行使用氯系氣體的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE Reactive Ion Kching)。由此，對Al膜110進行各向異性蝕刻直至其漏出到玻璃基板100 的上表面。之后，除去抗蝕圖形120，形成金屬細線111(參照圖5(b))。
接著，在形成了金屬細線11的玻璃基板100上通過旋轉(zhuǎn)涂膠等方法涂布抗蝕層 130(參照圖5(c))。接著，通過光刻等方法，形成周期P2(相當(dāng)于凸部的周期)為500nm左右的抗蝕圖形131(參照圖5(d))。接著，以該抗蝕圖形131為掩膜，通過RIE對金屬細線11的露出的部分選擇性地蝕亥Ij。金屬細線11的蝕刻量是用蝕刻時間來控制，從而使相鄰的每個金屬細線11的蝕刻量選擇性的不同。之后，除去抗蝕圖形131，從而在被抗蝕圖形131覆蓋的部分形成凸部12A、 12B、12C，被蝕刻的部分形成凹部13A、13B、13C(參照圖5(e))。通過以上工序，能夠制造本發(fā)明所涉及的偏光元件1。按照本發(fā)明的偏光元件1，在金屬細線11的上表面Ila以小于入射光的波長的周期P2排列凸部12及凹部13，制成金屬細線11的長度方向上的凸部12的高度(凹部13的深度)在相鄰的柵格部14之間不同的共振光柵構(gòu)造，從而能夠顯現(xiàn)表面等離子共振(SPR)， 并選擇性地吸收入射到偏光元件1的特定波長的直線偏光TE (不需要的偏光)，同時能夠擴大可吸收的偏光的波長范圍。具體來講，本實施方式的偏光元件1的反射率曲線呈圖6的概略所示的形狀。圖 6表示本實施方式的偏光元件的反射特性。在該圖中，橫軸為入射光的波長，縱軸為相對TE 光的反射率(Re)。圖6表示凸部的排列周期P2為500nm、凸部的高度互不相同的三種共振光柵(高度H2 :25nm、高度H3 :50nm、高度H4 :75nm)的各自的反射特性。在凸部的高度H2 H4不同的各個共振光柵中，確認(rèn)出相對TE光的反射率(Re) 在規(guī)定的波長附近呈現(xiàn)出大的反射率的下降?？上氲竭@種反射率的下降是由于表面等離子的激發(fā)耗費入射光的能量而產(chǎn)生的。此外，從圖6可知，隨著凸部高度的不同而相對TE光的反射率(Re)低于基準(zhǔn)值 (單點劃線)的帶域不同。也就是說，隨著凸部高度的變化，共振波長的帶域也變化。以凸部的高度H3為50nm、凸部的排列周期P2為500nm的共振光柵的反射特性的曲線0為基準(zhǔn)，凸部的高度H2變小而成為25nm時，共振波長的帶域也移動到短波長側(cè)，而凸部的高度H4變大而成為75nm時，共振波長的帶域則移動到長波長側(cè)。由此，這些凸部的高度互不相同的三個柵格部混合存在的偏光元件，成為圖6中的實線A所表示的反射特性，與具備單一的排列周期的柵格部的偏光元件的反射帶域(1) 相比，能夠吸收短波長到長波長為止的廣范圍的帶域O)的頻率的反射光。在向上述的本實施方式的共振光柵構(gòu)造入射直線偏光TE時，產(chǎn)生漸逝光。使用該漸逝光，能使該波數(shù)與表面等離子的波數(shù)一致，從而能夠激發(fā)表面等離子。由于該表面等離子的激發(fā)消耗入射光的能量，因此能夠抑制向光入射方向的反射。此外，在本實施方式中各柵格部中的凸部12的排列周期P2及凸部12的排列周期 P2與凸部12的長度Ll的比率(占空比D = L1/P2)相等，凸部12的高度在相鄰的柵格部 14彼此不同，所以每個柵格部14可吸收的直線偏光TE的波長不同，其結(jié)果，大幅擴大了可吸收的直線偏光的波長范圍。由此，能夠在廣波長范圍下降低反射率，因此在應(yīng)用到投影儀等的情況下其設(shè)計容限變廣，得到更容易利用的偏光元件1。因此，通過選擇性地吸收不需要的偏光而能夠提供灰度優(yōu)越、高像素顯示的偏光元件1。此外，無需像專利文獻1那樣設(shè)置吸收層，因此能夠簡化元件構(gòu)造，實現(xiàn)低成本化。
此外，按照這種結(jié)構(gòu)，由于金屬細線11、凸部12在側(cè)視時呈矩形形狀，所以易于制作。具體來講，在基板上形成金屬膜，以抗蝕圖形為掩膜，通過RIE進行各向異性蝕刻，從而能夠容易制作。因此，能夠提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)低成本化。此外，在本實施方式中，形成在金屬細線11上的凸部12的高度在相鄰的柵格部14 彼此不同，因此每個柵格部14可吸收的直線偏光TE的波長不同，其結(jié)果，大幅擴大了可吸收的直線偏光的波長范圍。由此，能夠在廣波長范圍下降低反射率，因此在應(yīng)用到后述的投影儀等的情況下其設(shè)計容限變廣，得到更容易利用的偏光元件1。此外，如圖1及圖2所示，以凸部12的高度不同的三種柵格部14為一組而作為柵格組Gl排列，從而元件設(shè)計及制作變得容易。另外，也可以將凸部12的高度不同的兩種柵格部14為一組，還可以將凸部12的高度不同的四種以上的柵格部14為一組。此外，在本實施方式中，表示了在金屬細線11的上表面Ila排列凸部12及凹部13 的例子，但不限于此。例如，也可以在金屬細線11的側(cè)面等金屬細線11的至少一個面排列凸部12及凹部13。即使是這種結(jié)構(gòu)，也能激發(fā)表面等離子。此外，在本實施方式中，按照凸部12的高度順序排列了柵格部14，但是只要相鄰的柵格部14的凸部12彼此的高度的不同，則也可以不按照凸部12的高度順序配置。例如， 也可以將凸部12的高度不同的多種柵格部14不規(guī)則地排列到基板10上。此外，在本實施方式中，表示了柵格部14 (金屬細線11)的寬度Wl與柵格部14 (金屬細線11)之間的空間的寬度W2的比率被設(shè)定為大致1 1的構(gòu)造，但不限于此。例如， 也可以將柵格部14(金屬細線11)的寬度Wl與柵格部14(金屬細線11)的比率設(shè)定得不同。(第二實施方式的偏光元件)接著，對第二實施方式的偏光元件進行闡述。圖7(a)為表示第二實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖7(b)為表示第二實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的部分剖視圖。在剛才的實施方式中，示出了凸部的高度在相鄰的柵格部彼此不同的結(jié)構(gòu)，而在本實施方式中，示出各柵格部的凸部的高度一定，相鄰的柵格部的占空比不同的結(jié)構(gòu)。如圖7(a)所示，本實施方式的偏光元件2具有基板10和在基板10上排列成條紋狀的多個柵格部M，這些多個柵格部M以小于入射光的波長的周期Pi排列。各柵格部對在X方向的排列周期Pl為140nm，并與上述實施方式一樣將柵格部 24(金屬細線21)的寬度Wl和柵格部M(金屬細線21)之間的空間的寬度W2的比率設(shè)定為大致1 1。各柵格部M由金屬細線21和在該金屬細線21上排列的多個凸部22和多個凹部 23構(gòu)成。金屬細線21的高度H5(從基板10的上表面IOa到金屬細線21的上表面21a的高度)為150nm，在金屬細線21上排列的凸部22的高度H6為25nm，各柵格部M之間相等。在本實施方式中，在各柵格部M上形成的占空比D在相鄰的柵格部M彼此不同。 具體來講，由在各柵格部M上形成的占空比D互不相同的三個柵格部24A、24B、24C來構(gòu)成柵格組G2。在三個柵格部M中，柵格部24A的占空比D為0. 5，柵格部MB的占空比D為 0. 6，柵格部24C的占空比D為0. 7。本實施方式的偏光元件2是這種柵格組G2在基板2上設(shè)置多個而構(gòu)成。多個柵格組G2之間的間隔與金屬細線21之間的空間的寬度W2相等。此外，各柵格部M中的凸部22的周期P2被設(shè)定為500nm。在本實施方式中，相鄰的柵格部24的凸部22的長度互不相同。令各柵格部24A、24B、24C的凸部22A、22B、22C的長度分別為Lla、Llb、Llc時，它們之間的關(guān)系為Lla < Lib < Llc0另一方面，令各柵格部 24A、24B、24C的凹部23A、23B、23C的長度分別為L2a、L2b、L2c時，它們之間的關(guān)系為L2a > L2b > L2c。各柵格部M中的凸部22的一端側(cè)(凸部22的長度方向的一端側(cè))，在從柵格部 M的排列方向(X方向)看時與圖7(a)中的箭頭T表示的位置一致。另外，在本實施方式的各柵格部24A、24B、24C按照凸部22A、22B、22C的長度順序排列，但不限于此，只要相鄰的柵格部M之間的占空比D不同即可。另外，在本實施方式中，由占空比D互不相同的三個柵格部M來構(gòu)成柵格組G2，但也可以由占空比D互不相同的兩個柵格部M來構(gòu)成柵格組，還可以由占空比D互不相同的四個以上的柵格部M來構(gòu)成柵格組G2。按照這種結(jié)構(gòu)，構(gòu)成占空比D在相鄰的柵格部M彼此不同的結(jié)構(gòu)。利用入射光的波長使相鄰的柵格部M的占空比D不同，從而能夠顯現(xiàn)表面等離子共振(SPR)，選擇性地吸收入射到偏光元件2的特定波長的直線偏光TE(不需要的偏光)，同時能夠擴大可吸收的波長的范圍。具體來講，本實施方式的偏光元件2的反射率曲線呈圖8的簡要表示的形狀。圖 8表示本實施方式的偏光元件的反射特性。在該圖中，橫軸為入射光的波長，縱軸為相對TE 光的反射率(Re)。圖8表示共振光柵的各柵格部的凸部的排列周期P2為500nm且各柵格部的占空比互不相同的三種共振光柵(第一柵格部的占空比D2 :0. 5，第二柵格部的占空比D3 0.6, 第三柵格部的占空比D4 :0. 7)的各自的反射特性。從圖8可知，在本實施例中，隨著占空比的不同而相對TE光的反射率(Re)最低的帶域也不同。也就是說，隨著占空比的變化，共振波長的帶域變化。以凸部的排列周期P2為500nm、占空比D3為0. 6的共振光柵的反射特性的曲線Q 為基準(zhǔn)，當(dāng)占空比D2變?yōu)?. 5時，共振波長的帶域也移動到短波長側(cè)，而占空比D4為0. 7 時，共振波長的帶域移動到長波長側(cè)。由此，占空比不同的三個柵格部混合存在的偏光元件成為圖8中的視線B所表示的反射特性，與具備單一的占空比的柵格部的偏光元件的反射帶域(1)相比，能夠吸收從短波長到長波長為止的廣范圍的帶域O)的頻率的反射光。由此，可以想到共振波長隨著共振光柵的占空比的變化而變化。(第三實施方式的偏光元件)接著，對第三實施方式的偏光元件進行闡述。圖9(a)表示第三實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖9(b)為表示第三實施方式的偏光元件的簡要結(jié)構(gòu)的部分剖視圖。在剛才的第二實施方式中，示出了占空比D在相鄰的柵格部彼此不同的結(jié)構(gòu)，而在本實施方式中，示出除占空比D之外凸部的高度也在相鄰的柵格部彼此不同的結(jié)構(gòu)。本實施方式的偏光元件3的基本結(jié)構(gòu)與第二實施方式大致相同，所以省略適當(dāng)?shù)恼f明，圍繞不同的結(jié)構(gòu)進行說明。如圖9(a)所示，本實施方式的偏光元件3，在基板10上設(shè)有以小于入射光的波長的周期配列成條紋狀的多個柵格部34。各結(jié)構(gòu)條件如下。各柵格部34在X方向的排列周期Pl :140nm柵格部34(金屬細線11)的寬度Wl =柵格部M(金屬細線11)之間的空間的寬度W2柵格部34的排列周期P2 :500nm柵格部；34的高度Hl :175nm在本實施方式中，如圖9 (a)、(b)所示，形成在各柵格部34上的占空比D及凸部32 的高度在相鄰的柵格部34彼此不同。表示表示各柵格部34A、34B、34C的占空比D和凸部32A、32B、32C的高度。[表1]
權(quán)利要求
1.一種偏光元件，其特征在于，具備基板和在所述基板上排列的多個柵格部，所述柵格部具有沿該柵格部的長度方向以小于入射光的波長的周期交替地排列的凸部及凹部，在所述多個柵格部中，所述凸部的排列周期P為一定，并且所述凸部的排列周期P與所述凸部的長度L的比率(D = L/P)為一定，所述凸部的高度在相鄰的所述柵格部之間不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏光元件，其特征在于， 在所述基板上設(shè)置多個柵格組，所述柵格組具有所述凸部呈第一高度的第一所述柵格部和所述凸部呈第二高度的第二所述柵格部，所述柵格部的排列方向上的所述柵格組的寬度小于所述入射光的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏光元件，其特征在于， 設(shè)置在同一所述柵格部上的所述凸部與所述凹部的長度相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏光元件，其特征在于，所述凸部的高度不同的多種所述柵格部不規(guī)則地排列在所述基板上。
5.一種偏光元件，其特征在于，具備基板和在所述基板上排列的多個柵格部，所述柵格部具有沿該柵格部的長度方向以小于入射光的波長的周期交替地排列的凸部及凹部，所述多個柵格部的各個所述凸部的排列周期相等，所述凸部的排列周期P與所述凸部的長度L的比率(D = L/P)在相鄰的所述柵格部之間不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏光元件，其特征在于，所述凸部相對所述凹部的突出高度在相鄰的所述柵格部之間不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的偏光元件，其特征在于， 在所述基板上設(shè)有多個柵格組，所述柵格組具備具有第一比率的第一所述柵格部和具有第二比率的第二所述柵格部，所述柵格部的排列方向上的所述柵格組的寬度小于所述入射光的波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的偏光元件，其特征在于， 所述比率不同的多種所述柵格部不規(guī)則地排列在所述基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的偏光元件，其特征在于， 所述柵格部、所述凸部及所述凹部在側(cè)視時為矩形形狀。
10.一種投影儀，其特征在于，具備 射出光的照明光學(xué)系統(tǒng)；對所述光進行調(diào)制的液晶光閥；用所述液晶光閥調(diào)制的光所入射的權(quán)利要求1至8中任一項所述的偏光元件； 將透過所述偏光元件的偏光投射到被投射面的投射光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種偏光元件及投影儀。偏光元件具備基板和在上述基板上排列的多個柵格部，上述柵格部具有沿該柵格部的長度方向以小于入射光的波長的周期交替排列的凸部及凹部，在上述多個柵格部中，上述凸部的排列周期P為一定，同時上述凸部的排列周期P與上述凸部的長度L的比率(D＝L/P)為一定，上述凸部的高度在相鄰的上述柵格部中彼此不同。
文檔編號G02B27/18GK102162871SQ201110025379
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者澤木大輔 申請人:精工愛普生株式會社