起偏器及其製造方法
2023-04-25 23:31:21
專利名稱：起偏器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及可用於液晶顯示裝置、光學記錄儀器、光學傳感器、光學通訊裝置等的起偏器，具體而言，涉及具有起偏器必需的偏振性的用於起偏器的薄膜結構體及其製造方法。
背景技術：
起偏器是用於從包含在各個方向偏振的光線的光中獲取在特定方向偏振的光線的光學元件，並且各種具有不同結構和不同功能的這樣的起偏器已經投入實際應用中。例如，已知的有包含被分隔並排列成多個相互平行的條帶的金屬膜的線柵型起偏器；含有分散在玻璃中的具有高長寬比的柱狀銀粒子的偏振玻璃片；通過交替層壓島狀金屬層和電介質層，然後拉伸所得到的層壓物而製造的起偏器；通過拉伸和定向聚合物材料製造的偏振膜；以及通過交替電介質膜和金屬膜並且通過層壓結構的截面向其中引入光而製造的層壓起偏器。
如上類型的起偏器(偏振片)是液晶顯示裝置中必不可少的元件。在關於液晶顯示的文獻中，正在進行為縮小尺寸、減輕重量並增加其亮度的光學系統的技術創新，並且液晶顯示裝置非常普遍地用於商業數據顯示、家庭影院顯示等各種應用中。具體地，由於所用光源的亮度增加以及通過使用偏振轉換元件提高了光利用效率，因此提高圖像顯示裝置顯示亮度的技術有了顯著進步。
但是，提高亮度並縮小尺寸的技術卻產生了裝置內部溫度升高的問題。因此，對於光學構件的良好耐熱性有增加的要求，特別是，光學構件必須在高溫下具有良好的耐久性。
至於液晶顯示裝置中的偏振片，通常使用的是如JP-A 2002-296417中的含有染料的有機膜。但是，由於使用有機材料，因此含有有機膜的偏振片的耐熱性基本上都是不佳的。至於具有良好耐熱性的偏振膜，採用的是含有染料的偏振膜。然而，這種類型的偏振膜的波長範圍窄，因此存在其應用受限制的問題。
為了解決上述問題，有人提出使用線柵型起偏器。線柵型起偏器是具有將直線金屬絲(細金屬絲)規則地布置在玻璃襯底預定方向上的結構的起偏器。由於其所有構成材料都是無機材料，因此這種起偏器的特徵在於其耐熱性好，這點與諸如含染料起偏器之類的含有機材料的起偏器不同。USP6,108,131和USP 6,122,103中所舉例說明的線柵型起偏器對於此目的而言是特別適合的。
但是，製造這樣的線柵型起偏器要求精確控制金屬絲的厚度和金屬絲之間的間距。特別是，當製造用於可見光範圍內使用的線柵型起偏器時，已知製造出的這種類型的起偏器必須具有超微結構，每根金屬絲的寬度和其鄰近空間必須在不超過210nm的水平上。因此，其製造需要光刻法、氣相蝕刻等特殊技術。這些技術要求昂貴的設備和複雜的工藝，因此存在製造成本高的問題。
當將光引入包含細金屬絲的線柵型起偏器時，電場振幅面平行於細金屬絲縱向的光線(TE-模式光)在起偏器上被反射，同時電場振幅面垂直於細金屬絲縱向的光線(TM-模式光)通過起偏器，不在其上反射，即通過起偏器將偏振光線分離。但是，難以降低TM-模式光在寬波長範圍內(例如在整個可見光波長範圍內)的反射率。
至於降低寬波長範圍TM-模式光的反射率同時提高其中TE-模式光的反射率的方法，JP-A 2003-502708公開了一種在襯底和細金屬絲之間的界面中提供附加層的技術，以及加工襯底表面以在其中形成槽的技術。
另一方面，至於在其中將細金屬絲夾在兩個襯底之間的「嵌入式線柵型起偏器」中，用於降低寬波長範圍TM-模式光的反射率同時提高其中TE-模式光的反射率的方法，公開的是在襯底和細金屬絲之間的界面中提供附加層的技術，以及加工襯底表面以在其中形成槽的技術(參見JP-A2003-519818)。
進一步公開的是用低折射率材料填充金屬絲之間的空間並用透明襯底覆蓋與其襯底相對的金屬絲側的方法。這種方法可有效地使起偏器能夠起作用的波長範圍向短波長側擴大，而且其降低TM-模式光在起偏器上的反射率並提高TE-模式光在其上的反射率的效果也可能顯著。
JP-A 2003-502708公開的方法可以有效地使起偏器能夠起作用的波長範圍向短波長側擴大，但是仍然不能有效地降低TM-模式光在起偏器上的反射率並提高TE-模式光在其上的反射率。為了構造這種結構體，參考文獻中公開了將兩種不同材料，金屬和部分襯底，同時進行蝕刻的方法，或者在金屬和襯底之間提供附加層，隨後將金屬和附加層同時進行蝕刻的方法。但是，由於包括同時蝕刻兩種不同材料的步驟，所述方法存在技術困難。
另一方面，JP-A 2003-519818公開的方法要求使用基本上是樹脂狀的材料作為填料，因此存在所製造出的起偏器耐久性可能變差的缺陷。特別是，該參考文獻的起偏器可能喪失由無機材料形成的線柵型起偏器具有良好耐久性特性的優點。另外，該起偏器的另一問題在於其需要兩片光學玻璃，因而其製造成本高。
發明內容
本發明是為了解決這些問題而進行的，其目的是提供一種在寬的波長範圍內具有偏振分離能力的起偏器。本發明的另一目的是提供容易製造並且具有良好耐熱性的起偏器。
為了解決如上問題，本發明提供擁有具有如下所述結構的薄膜結構體的起偏器。具體而言，在具有在其上形成相互平行的多個線性稜形結構體的透明襯底上，將多個相互平行的板狀構件以預定的角度形成在襯底表面上。板狀構件的一端沿著線性稜形結構體的脊方向和襯底接觸。
本發明中，在與板狀構件和透明襯底接觸的一端相對的另一端上形成透明膜以覆蓋板狀構件。這樣設計透明膜，使得該薄膜結構體的TM-模式偏振光透光率相對於不含透明膜的薄膜結構體的TM-模式偏振光透光率的增加大於其TE-模式偏振光透光率的增加。
所述透明膜起到抗反射膜的作用，並且對於在寬波長範圍內提高該結構體的TM-模式光透光率而不使其消光係數降低太多是有效的，因此，提供了具有良好偏振分離能力的起偏器。另外，由於薄膜結構體只是以膜-形成方法製造的，因而容易製造。
優選地，板狀構件包含作為其主要組分的金屬。由於在襯底上形成這樣的方向一致金屬層，因此該結構體可以表現出良好的偏振能力。
優選板狀構件是由相互結合的主要是金屬材料的層和主要是電介質材料的層組成的。在這種板狀構件中，由於方向一致金屬層表現出良好的偏振能力，並且由於將電介質層結合到金屬層上，因此可以增加薄膜結構體的耐久性。
優選透明膜是由一種並且相同的材料單獨形成的單層膜或者由多種不同材料形成的多層膜。這種類型的透明膜對於在寬波長範圍內提高結構體的TM-模式光透光率而不降低其消光係數是有效的。
透明膜可以是由一種並且相同的材料單獨形成的單層膜並且其折射率優選不超過1.5。透明膜可以是由兩種不同材料形成的雙層膜，並且優選其位於薄膜結構體側的第一層的折射率為1.6到1.9，並且其第二層的折射率不超過1.5。透明膜還可以是由三種不同材料形成的三層膜，並且優選其位於薄膜結構體側的第一層的折射率為1.6到1.9，其第二層的折射率為2.2到2.7，並且其第三層的折射率不超過1.5。
具有如上膜構成的透明膜對於提高結構體在寬波長範圍內的TM-模式光透光率而不降低其消光係數是有效的。
構成板狀構件的金屬材料優選選自銀、鋁、銅、鉑、金或包含這些金屬中任何一種作為其主要組分的合金。這種類型的金屬材料在其表面上具有高反射率，因此從在寬波長範圍內有效提高結構體的TM-模式光透光率而不降低其消光係數考慮，這種類型的材料是有利於在本發明中使用的。
優選構成板狀構件電介質層的電介質材料是包含作為其主要組分的二氧化矽的材料，或者包含作為其主要組分的氟化鎂的材料。這種類型的電介質材料在從可見光範圍到UV範圍的寬波長範圍內都是高度透明的並且具有低折射率，因此容易顯示良好的抗反射作用。如上述金屬材料那樣，這種類型的電介質材料也具有良好的耐熱性，因此能有效改善包含該電介質材料的起偏器的耐熱性。
優選用折射率不超過1.6的透明電介質材料填充板狀構件之間的空間。用這樣的透明材料如此填充該空間改善了具有該結構的起偏器的耐久性。另外，由於該空間填充有材料，因而可以減小薄膜結構體的表面不均勻度，因此便於在其上形成透明膜。而且，由於所述電介質材料具有低折射率，因而形成的透明膜可容易顯示其良好的抗反射作用。
即使當JP-A 2002-296417、USP 6,108,131、USP 6,122,103和JP-A2003-502708中公開的線柵型起偏器的表面上塗有透明電介質層時，它們也可以具有降低的TE-模式光透光率和提高的TE-模式光透光率。但是，在這種情況下，金屬絲和金屬絲之間的距離必須較窄。如果金屬絲和金屬絲之間的距離較寬，則當形成透明電介質材料層時，該材料可能沉積在寬的間距中，因而不能獲得預期的膜外形。另一方面，為了縮小金屬絲和金屬絲之間的距離，需要縮微成像光刻法，而這增加了製造結構體的難度。為此，以下描述的製造本發明薄膜結構體的方法的優勢在於可以很容易地縮小板狀構件之間的空間。
可以按照下述方法製造本發明的起偏器，該起偏器包含具有板狀金屬結構的薄膜結構體。將金屬元素的離子、原子或簇以和結構體的脊方向成預定角度並且在傾斜於襯底法線的方向上撞擊到形成在襯底上的線性稜形結構體上，同時還將該金屬元素的離子、原子或簇撞擊到線性稜形結構體的相對於平行於稜形結構體的脊方向的法平面的相反側上，從而在襯底表面上形成包含作為其主要組分的金屬的板狀構件。接著，按照不定向膜形成方法，隨後在板狀構件上形成至少一層透明電介質層。
可以按照下述方法製造本發明的起偏器，該起偏器包含具有板狀構件的薄膜結構體，其中板狀構件包含相互結合的金屬層和電介質層。將金屬元素的離子、原子或簇以和結構體的脊方向成預定角度並且在傾斜於襯底法線的方向上撞擊到形成在襯底上的線性稜形結構體上，同時將構成電介質材料的元素的離子、金屬或簇撞擊到線性稜形結構體的相對於平行於稜形結構體的脊方向的法平面的相反側上，從而在襯底的表面上形成板狀構件，該板狀構件包含相互結合的主要由金屬形成的層和主要由電介質材料形成的層。接著，按照不定向膜形成方法，隨後在板狀構件上形成至少一層透明電介質層。
按照如上方法，在具有多個形成在其上的相互平行的線性稜形結構體的透明襯底上，以和襯底表面成預定角度，形成相互平行的多個板狀構件，並且板狀構件的一端沿著其線性稜形結構體的脊方向與襯底接觸。在板狀構件的與和透明襯底接觸的一端相對的另一端上形成透明膜以覆蓋板狀構件。由於所述方法只包括形成薄膜的步驟，因此按照該方法很容易製造本發明的起偏器。
另外，在所述方法中，可以測定薄膜結構體的TM-模式偏振光透光率和TE-模式偏振光透光率作為參考值，所述薄膜結構體包含形成在其襯底表面上的板狀構件，並且可以這樣設計透明膜，使結構體的TM-模式偏振光透光率和其參考值相比的增加大於其TE-模式偏振光透光率的增加。如此設計透明電介質膜，使其具有如上構成，並且在此條件下形成膜，從而製造本發明的起偏器。
本發明的方法只包含膜形成步驟，因此可製造具有良好的偏振分離能力和良好的耐熱性的起偏器。特別是，本發明中如此製造的起偏器可以非常大地提高TM-模式光透光率同時還具有降低的TE-模式光透光率。另外，由於起偏器主要包含無機材料，因此其耐熱性高。而且，製造本發明起偏器的方法不需要光刻法，能夠低成本地製造大面積的起偏器。
圖1是顯示沒有塗有透明膜的薄膜結構體一個實例的示意性透視圖；圖2A到2C是本發明起偏器的示意性橫截面圖；圖3是顯示沒有塗有透明膜的薄膜結構體另一實例的示意性透視圖；圖4A和4B是本發明起偏器的示意性橫截面圖；圖5A到5D是顯示形成襯底的方法並顯示襯底外形的實例的示意圖；圖6顯示了用於製造本發明薄膜結構體的膜-形成裝置；和圖7顯示了用於形成透明電介質膜的膜-形成裝置。
具體實施方案製造本發明起偏器的目的是提高線柵型起偏器中TM-模式光的透光率。此處涉及的TM-模式光是指在使光入射面和線柵的微金屬絲垂直的配置中，光的電場振幅面和光入射面平行的光。
本發明是基於如下發現獲得的當在線柵型起偏器的表面上形成透明電介質膜時並且當設計該透明電介質膜使其具有抗反射作用時，則可以顯著提高通過結構體的TM-模式光的透光率。
諸如其中將線性金屬絲規則地布置在玻璃等透明襯底的預定方向上的線柵型起偏器之類的結構體中，其TE-模式光的宏觀折射率和金屬的折射率幾乎相同。另一方面，結構體對TM-模式光的宏觀折射率遠小於金屬的折射率。因此，結構體對TE-模式光的反射率非常大，而對TM-模式光的反射率低。但是，由於結構體對TE-模式光的折射率是有限值，因此結構體界面上的反射是不可避免的。
鑑於這種情況，為了提高結構體本身的透光率，降低結構體對TM-模式光的反射率是適宜的。為此，可採用的提供透明膜以覆蓋結構體的方法，並且關於其合適的厚度和折射率，該膜是受到限制的。首先，合適的折射率低於襯底和線柵之間假想界面的表觀折射率。另一方面，關於合適的膜厚度，膜的光學厚度對應於λ/4的厚度(其中λ表示入射光的波長)。
具體而言，為了通過形成膜以覆蓋具有如上結構體的起偏器而提高其TM-模式光透光率，如下做法可能是有效的在起偏器上形成抗反射膜，抗反射膜是迄今已知的用於提高透明襯底透光率的構件。毋庸贅述，由於在其上形成膜而使起偏器的偏振分離能力變差是不適宜的，並且表示結構體的TM-模式光透光率與TE-模式光透光率的比率的消光係數必須沒有降低。
關於具有抗反射作用的膜的構成，此處可以使用迄今已知作為可形成於透明襯底上的抗反射膜的任何常規膜，而對其沒有特別限制。一些實例如下。所有這些實例都顯示了形成在安置於襯底上的線柵表面上的透明電介質膜層的膜構造。
(1)單獨的一層低折射率層的構造，(2)中等折射率層/低折射率層的兩層構造，(3)中等折射率層/高折射率層/低折射率層的三層構造。
在線柵上形成多層膜的情況下，由於線柵結構體表面是粗糙的，因而難以控制膜的外形和膜的厚度，並且這種困難隨著被層壓層數的增加而加大。因此，優選被層壓的層數小一些。
對每一層透明電介質膜的膜厚度和的折射率都沒有特別限制，它們的最合適值根據線柵的結構、大小和金屬材料，以及起偏器的可應用波長範圍而變化，並且沒有特別限定。
為了克服上述困難，用透明電介質材料填充線柵型起偏器的金屬微絲之間的空間以使結構體表面平整可能有效，並且在這樣平滑之後的表面上也可以容易地形成多層膜。用於此目的的透明電介質材料可以是多種樹脂材料或包含作為其主要組分的SiO2的溶膠-凝膠材料。但是，從提高結構體的TM-模式光透光率與TE-模式光透光率的比率(消光係數)考慮，優選填料材料的折射率要低一些。
為了形成線柵，此處可採用的是光刻法和氣相蝕刻技術。但是在這種情況下，由於線柵間距依賴於光刻法的精度，因此金屬微絲之間的距離可能被限制在大約90nm。因此，難以在這種類型的線柵型起偏器表面上形成平滑的透明電介質膜。
具體而言，當在金屬絲和金屬絲之間的間距超過約90nm的線柵表面上形成塗層膜時，該膜將具有明顯反映金屬微絲周圍周期性結構的表面粗糙度分布(profile)。在這種情況下，用樹脂或溶膠-凝膠材料填充金屬微絲之間的空間以平整線柵結構體的表面，然後在這樣平滑之後的線柵表面上形成光學透明多層膜是適宜的。
可用於形成線柵的另一方法如下預先在襯底上形成線性稜形結構體，將金屬元素的離子、原子或簇以和結構體的脊方向成預定角度並且在傾斜於襯底法線的方向上撞擊到線性稜形結構體上，同時還將該金屬元素離子、原子或簇撞擊到線性稜形結構體的相對於平行於稜形結構體的脊方向的法平面的相對側上，從而在襯底表面上形成膜。
按照該方法，可以在襯底上形成薄膜結構體，其中板狀金屬沿著襯底的稜形結構體豎立在襯底上。還可以將這種類型的薄膜結構體應用於線柵。在按照該方法如此製造的線柵型起偏器中，板狀金屬部件之間的距離取決於稜形結構體的間距和金屬粒子撞擊襯底的角度(相對於襯底法線的角度)。具體而言，當稜形結構體的間距越小或者金屬粒子撞擊角度越小時，板狀金屬部件之間的距離越窄。板狀金屬部件之間的距離越窄時，則由於形成在結構體上的透明電介質膜可以更容易平整，因而這是令人滿意的。
可用於形成線柵的再一方法如下將金屬元素的離子、原子或簇以相對於結構體的脊方向成預定角度並且在傾斜於襯底法線的方向上撞擊在類似上述的線性稜形結構體上，同時還將構成電介質材料的元素的離子、金屬或簇撞擊到線性稜形結構體的相對於平行於稜形結構體的脊方向的法平面的相對側上，從而在襯底的表面上形成膜。
按照這種方法，可以在襯底上形成薄膜結構體，其中板狀金屬和電介質材料沿著襯底的稜形結構體豎立在襯底上，同時它們的背面相互結合。這種類型的薄膜結構體還可應用於線柵。
在這種類型的線柵型起偏器中，板狀金屬部件之間的距離取決於稜形結構體的間距以及電介質材料和金屬的構成粒子撞擊襯底的角度(相對於襯底法線的角度)。具體而言，當稜形結構體的間距越小或者電介質材料和金屬的構成粒子撞擊襯底的角度越小時，板狀金屬部件之間的距離越窄。
從縮小板狀金屬部件的寬度和縮小板狀金屬部件之間的距離考慮，這種方法是最優選的，並且這也是製造合適本發明的線柵的方法。
當板狀金屬部件之間的距離更窄時，由於可以更容易地使形成在結構體上的透明電介質膜平整，因而這是令人滿意的。
從起偏器的光學性質考慮，優選使用的金屬材料是鉑、金、銀、銅、鋁，或包含這些金屬中任何一種作為其主要成分的合金。
對於形成襯底的稜形結構體而言，模塑方法由於簡單而被優選。將諸如金屬醇鹽溶膠或凝膠之類的溶膠或凝膠透明材料應用到襯底上，然後通過使用其內表面上雕刻有多個平行的線性稜形外形的成形模子在壓力下成形，並且烘焙從而形成主要包含二氧化矽(SiO2)並且具有良好耐候性的稜形結構體。除此之外，如本領域熟知的，模塑方法還可應用於樹脂材料。
但是，本發明應當不限於如上方法。此處還可以採用光刻法的另一方法。在這種方法中，可以採用電子射線或幹涉曝光繪圖的技術來形成圖案。按照這種技術，將光刻膠等曝光並顯影以形成圖案，再使用該圖案作為掩模，將襯底材料蝕刻以獲得所需的稜形結構體。
還可以採用另一方法，該方法包括用研磨劑顆粒等將襯底表面磨光，並且可以將該方法中如此形成的粗糙表面用於本發明中。但是，如果按照該方法形成的表面粗糙化的襯底，那麼通常難以形成深的稜形結構體。特別是，如果用研磨劑顆粒進行表面粗糙時，則該粗糙表面只可以具有淺的稜形結構體。
據發現，如果將透明電介質材料以相對於襯底的稜形結構體的預定角度並且在傾斜於襯底表面法線的方向上撞擊在具有這樣的淺稜形結構體的襯底上時，那麼如此形成的板狀透明電介質結構體可能增大襯底的稜形結構體。另外，據發現，如果將電介質材料以兩個方向撞擊在襯底上時，所述的兩個方向以它們之間的襯底法平面為界彼此相反，並且都和襯底成預定的角度，則也可能通過這樣增大襯底的稜形結構體。
按照本發明方法，通過透明電介質膜覆蓋襯底的方式，可以將襯底的淺稜形結構體改進成其深稜形結構體。如果金屬以其傾斜方向撞擊具有這種膜的襯底從而在該襯底上形成膜，則容易製造出具有偏振功能的薄膜結構體。
其中具有空間的線柵型起偏器存在耐久性問題，所述耐久性問題在於表現出偏振能力的板狀金屬可能被氧化或者可能老化成微小顆粒。在這方面，用透明電介質材料覆蓋薄膜結構體的表面以顯著改善結構體的耐久性是有利的。對其塗布方法沒有特別限制，可以不受特別限制地採用液體塗布、化學氣相生長或物理膜形成的各種方法。但是，考慮到嚴格控制膜厚度的必要性，物理膜形成方法是最好的。
下面將參考所附的附圖描述本發明的實施方案。附圖中，相同的構件是用相同的標記數字或相同符號表示的，並且它們的重複描述可以省略。
第一實施方案本發明的第一實施方案是用於可見光波長範圍的起偏器，該起偏器包含下述的薄膜結構體A作為其基本結構，所述薄膜結構體A由形成在含有稜形結構體表面的襯底上的板狀部件構成，並且其中板狀部件每個都是由相互接觸而組合的電介質層和金屬層形成的並且周期性地成行排列。這種起偏器的構建方法在如下實施例中描述。
(薄膜結構體A)下面描述構建用於本實施方案的薄膜結構體的方法和該結構體的性質。
按照模塑方法在襯底表面上形成線性稜形結構體。圖5A到5D顯示了可用於該情況的模塑模子的實例以及形成的具有線性稜形結構體表面的襯底的實例，每個都是垂直於稜形結構體脊方向的橫截面圖。在該實施例中，使用的是具有如圖5A所示的橫截面為等腰三角形稜形結構體的成形模子。但是如果需要，如圖5A到5D的各種形狀中的任何一種也可用於形成其它各種稜形結構體。
現在描述製造方法。首先，使用旋塗機，在石英玻璃襯底70上形成四乙氧基矽烷(TEOS)溶膠膜，向其按壓模塑模子60。在此條件下，進行加熱和乾燥，然後移走模子60。在此操作之後，在600℃下加熱襯底，從而在玻璃襯底70上形成主要包含SiO2的稜形結構體膜50。將此用作襯底。
接著，將Al靶安裝在圖6中所示的遠距離濺射裝置的磁控管陰極1上，並將SiO2靶安裝在磁控管陰極2上。將上述具有稜形結構體的石英玻璃襯底安裝到圖6中所示的襯底位置10處。將磁控管陰極1定位，使其與襯底10的正脊方向(normal ridge direction)傾斜80°；並且使磁控管陰極2也成80°。
接著，使用旋轉泵和低溫泵，將濺射室20脫氣到約1×10-3Pa的壓力。將氬氣引入靶室11中，並將氬氣也引入靶室12中。在該步驟中，濺射室內部的壓力為3×10-2Pa。接著用直流電源向磁控管陰極1施加負電壓，從而產生輝光放電。而且，將高頻(13.56MHz)施加到磁控管陰極2上，也產生輝光放電。
接著，在襯底10的表面上，控制施加到磁控管陰極1的電源，使Al沉積速度(板狀金屬生長速度)能夠為10nm/min。而且，控制施加到磁控管陰極2的高頻電源，使襯底10表面上的SiO2膜沉積速度能夠為10nm/min。
接著，將分別安置在磁控管陰極1和磁控管陰極2前面的快門6和7同時打開以開始膜形成，將這種狀態保持約10分鐘。10分鐘後，將兩個快門6和7同時關閉，從而結束膜的形成。
用透射電子顯微鏡(TEM)觀察如此形成的薄膜結構體的橫截面，其透視圖如圖1所示。在形成於玻璃襯底70上的稜形結構體50表面上，在稜形結構體膜50最頂上(hilltop)的脊方向上排列有多個板狀構件30，每個板狀構件30都包含相互接觸而組合的主要由SiO2組成的板狀電介質層32和主要由Al組成的板狀金屬層34。
板狀電介質層和板狀金屬層的構成組分分析顯示，作為其中的次要雜質，電介質層含有金屬層的構成組分，而金屬層含有電介質層的構成組分。此處涉及的主要組分是指除雜質外該層的基本組分。
當將板狀構件30的高度表示為H，板狀構件30的間距為P，金屬(Al)層34的厚度為Wm，且電介質(SiO2)層32的厚度為Wd時，發現H為約100nm，P為100nm，Wm為45nm且Wd為45nm。
在其表面上形成了上述膜的玻璃襯底70的背面上，按照濺射方法形成TiO2和SiO2的四層抗反射膜80。結果，在400nm到700nm波長範圍內，襯底背面的反射率不超過1％。
在440nm、540nm或700nm的入射光波長下，測量該結構體的偏振透光率。在這種情況下，將電場振幅面平行於板狀構件30面方向(即平行於襯底稜形結構體的脊方向)的光稱作TE-模式光(TE-偏振光)；而將電場振幅面垂直於板狀構件30面方向的光稱作TM-模式光(TM-偏振光)。使用分光光度計，分析樣品對兩種模式的偏振作用。數據顯示於表1的薄膜結構體A的欄中。消光係數用如下等式表示消光係數(dB)＝10·log(TTM/TTE)其中TTM表示TM-模式偏振光透光率，而TTE表示TE-模式偏振光透光率。
(實施例1)將薄膜結構體A再次引入濺射裝置中，如圖7所示安置。將SiO2靶安裝到襯底10位置上的磁控管陰極3上。接著，使用旋轉泵和低溫泵，將濺射室脫氣到約1×10-3Pa的壓力。將混合有2％氧氣的氬氣引入濺射室11，且濺射室內部的壓力控制到1Pa。接著，將高頻(13.56MHz)施加到磁控管陰極3上，從而產生輝光放電。在約3分鐘內，將SiO2膜沉積在結構體上。在這種情況下，膜形成是在不定向條件下進行的，因此沒有形成板狀構件。形成了SiO2膜(折射率1.46)以覆蓋薄膜結構體A。
將如此形成的薄膜結構體100的橫截面再次用透射電子顯微鏡觀察。該結構體具有如圖2A中的結構，其中圖1中所示的薄膜結構體A的表面被透明電介質(SiO2)膜111覆蓋。如圖2A中所限定的，SiO2層的膜厚度Hd1為約75nm。孔隙40殘存在結構體中。
在440nm、540nm或700nm的入射光波長下測量薄膜結構體100的偏振光的透光率。數據見表2。當和沒有塗布SiO2層的薄膜結構體A的透過率比較時，每個波長下的TM-模式光透光率都明顯提高，在λ＝440nm處從80.8％提高到86.6％，在λ＝540nm處從72.8％提高到89.2％，在λ＝700nm處從69.9％提高到80.8％。
另一方面，TE-模式光透光率有略微提高，在λ＝440nm處從0.16％提高到0.25％，在λ＝540nm處從0.08％提高到0.15％，在λ＝700nm處從0.04％提高到0.06％。由於TE-模式光透光率只增加了少許，因此由透明電介質膜形成造成消光係數也只減小了少許。顯然，這證實了透明電介質膜的形成對於提高TM-模式光透光率是有效的。可以使用薄膜結構體100作為可見光的起偏器。
(實施例2到4)在實施例2到4中，形成具有下述膜構成的透明電介質膜以覆蓋薄膜結構體A的表面。如附圖中所示，從薄膜結構體側開始的每一層的膜厚度依次表示為Hd1、Hd2和Hd3。
實施例2Al2O3(Hd1＝166nm，折射率1.64)/SiO2(Hd2＝94nm)實施例3Al2O3(Hd1＝83nm)/SiO2(Hd2＝94nm)實施例4Al2O3(Hd1＝83nm)/TiO2(Hd2＝115nm，折射率2.50)/SiO2(Hd2＝94nm)每個薄膜結構體的示意性橫截面圖顯示在圖2B和2C中(其中透明電介質膜用標記數字121到133表示)。如實施例1的結構體那樣，分析這些結構體並且測試它們的外形和透光率數據，結果見表2。據證實，具有實施例2到4的膜構成的每一個薄膜結構體中，其透光率與薄膜結構體A相比都提高了，並且它們的消光係數沒有任何明顯變化。這些薄膜結構體也可用作用於可見光的起偏器。
(比較例1)在比較例1中，將薄膜結構體A塗上厚度Hd1為100nm的TiO2單層透明膜。
如此塗敷後的結構體的示意性橫截面圖如圖2A所示(其中111表示透明電介質膜)。類似實施例1那樣，分析並測試該結構體的外形和透光率數據，結果見表2。據證實這種結構體的消光係數與薄膜結構體A的消光係數相比增加了，但是其透光率卻明顯降低。因此，難以將該結構體用作用於可見光的起偏器。
(實施例5)按照溶膠-凝膠方法用SiO2填充薄膜結構體A的空間。按照濺射方法形成SiO2膜以覆蓋該結過體的表面。在440nm、540nm或700nm的入射光波長下測定所得到的薄膜結構體的偏振光透光率。數據見表2。
當和薄膜結構體A的透過率比較時，每個波長下的TM-模式光透光率都明顯提高，在λ＝440nm處從80.8％提高到84.5％，在λ＝540nm處從72.8％提高到87.6％，而在λ＝700nm處從69.9％提高到78.1％。另一方面，TE-模式光的透光率幾乎沒有改變。結果，塗層的結構體的消光係數只有少許減小，因此證實了塗層膜對於提高所塗結構體的TM-模式光透光率的顯著提高是有效的。這種薄膜結構體可用作用於可見光的起偏器。
第二實施方案與其第一實施方案類似，本發明的第二實施方案是用於可見光波長範圍的起偏器，該起偏器包含作為其基本結構的由板狀金屬部件製成的薄膜結構體B，所述板狀金屬部件形成在稜形結構襯底上並且規則排列。
(薄膜結構體B)使用和薄膜結構體A相同的襯底。
該實施方案中的膜形成模式和實施例1的不同之處在於在本實施方案中將Al靶安裝到圖6的遠距離濺射裝置的磁控管陰極1以及磁控管陰極2上。控制施加到磁控管陰極1和磁控管陰極2上的電源，使襯底10表面上的Al沉積速度(板狀金屬生長速度)能夠達到30nm/min。膜形成時間為約4分鐘。
用透射電子顯微鏡(TEM)觀察如此形成的薄膜結構體B的橫截面，其透視圖如圖3所示。在稜形結構體膜50上，主要由Al製成的板狀金屬結構體36彼此獨立地排列，形成分離的稜柱坡面(hill)。如果將板狀構件的高度表示為H，排列成行的板狀構件的間距為P，結構體的厚度為Wm時，則發現H為約120nm，P為120nm且Wm為60nm。
如薄膜結構體A那樣，在玻璃襯底70的背面上形成由TiO2和SiO2製成的四層抗反射膜80。測量該狀態下的結構體的TM-模式光透光率和TE-模式光透光率。數據顯示於表1的薄膜結構體B的欄中。
(實施例6)使用圖7的膜形成裝置，在以上述方式製造的薄膜結構體B表面上形成厚度為75nm的單層SiO2膜211。該薄膜結構體200的示意性橫截面圖如圖4A所示。
分析該結構體的外形和透光率數據，結果見表2。據證實，與薄膜結構體B相比，具有本實施例膜構成的結構體的TM-模式光透光率在測試中使用的每個波長下都得以提高，並且已塗敷結構體的消光係數與未塗敷的結構體B相比沒有變化。本實施例的薄膜結構體也可用作用於可見光的起偏器。
(實施例7)本實施例和實施例6的不同之處僅在於將透明電介質膜的層構成變成如下構成Al2O3(Hd1＝83nm)/TiO2(Hd2＝115nm)/SiO2(Hd3＝94nm)這種薄膜結構體的示意性橫截面圖如圖4B所示。該薄膜結構體由三層231、232和233組成。如表2中所證實的，該結構體在440nm波長下的TM-模式光透光率降低，而在540nm和700nm波長下的TM-模式光透光率增加，並且該結構體保持高的消光係數。這個實施例的薄膜結構體也可用作用於可見光的起偏器。
(比較例2和3)在比較例2和3中，形成具有下述膜構成的透明電介質膜以覆蓋薄膜結構體B的表面。
比較例2
ZnO(Hd1＝75nm，折射率1.84)比較例3TiO2(Hd1＝100nm)每個薄膜結構體的示意性橫截面圖如圖4A所示。如實施例6那樣，分析並且測試這些結構體的外形和透光率數據，結果見表2。比較例2和3的膜結構體的透光率與薄膜結構體B的透過率相比極大地降低。因此，比較例2和3的薄膜結構體不可以用作可見光起偏器。
第三實施方案本發明的第三實施方案是在用於光學通訊的近紅外區(波長1550nm)中使用的起偏器。
(薄膜結構體C)如薄膜結構體A那樣，製造具有偏振能力的薄膜結構體C。在玻璃襯底背面形成由TiO2和SiO2製成的抗反射膜，使其上在1550nm波長下的反射比能夠達到0.1％。
接著，用透射電子顯微鏡證實具有偏振能力的薄膜結構體的橫截面。據證實該結構體具有如圖1的橫截面外形，其中間距P＝270nm，板狀構件的高度H＝360nm，金屬(Ag)層的厚度Wm＝100nm，並且電介質(SiO2)層的厚度Wd＝90nm。使用通過Glan-Thompson稜鏡的波長為1550nm的半導體雷射，分析具有上述構成的薄膜結構體的偏振光學性質。該結構體的TM-模式光透光率和TE-模式光透光率數據在表1的薄膜結構體C的欄中表示。
(薄膜結構體D)採用和薄膜結構體C相同的方式製造薄膜結構體D，但是其中將板狀構件的高度(H)加倍，為720nm。其光學性質顯示在表1中。
(實施例8)在該實施方案中，將薄膜結構體C塗上厚度Hd1＝220nm的SiO2膜。這種薄膜結構體的示意性橫截面圖和圖2A相同。接著，使用通過Glan-Thompson稜鏡的波長為1550nm的半導體雷射，分析該結構體的偏振光學性質。數據見表2。該結構體的TE-模式光透光率提高了約7％，而其消光係數幾乎未變，因而該結構體保持了良好的性質。該實施例的薄膜結構體可用作用於IR光線的起偏器。
(比較例4)在比較例4中，將薄膜結構體C塗上厚度Hd1＝160nm的ZnO膜。如實施例8那樣，分析該結構體的外形和透光率，數據見表2。與薄膜結構體C的透過率相比，比較例4的薄膜結構體的透光率極大地下降。因此，本比較例的薄膜結構體不適合作為用於IR光線的起偏器。
(實施例9)在本實施方案中，將薄膜結構體D塗上厚度Hd1＝280nm的SiO2膜。其數據見表2。據認為塗有SiO2的結構體的TE-模式光透光率提高了約9％，而其消光係數改變很小，因而該結構體保持了良好的性質。本實施例的薄膜結構體也可用作用於IR光線的起偏器。
(比較例5)在這個比較例中，將薄膜結構體D塗上厚度Hd1＝200nm的ZnO膜。如實施例9那樣，分析該結構體的外形和透光率，數據見表2。與薄膜結構體D的透過率相比，比較例5的薄膜結構體的透光率下降。因此，本比較例的薄膜結構體不適合作為用於IR光線的起偏器。
(總的評價)在實施例1、6、8和9中，在薄膜結構體上形成折射率為1.46的SiO2透明單層膜。這些已塗敷的結構體都是良好的，其原因在於與未塗敷的結構體的透過率相比，它們的TM-模式光透光率提高了，而它們的消光係數改變很小。與此相反，在比較例1到5中，在薄膜結構體上形成折射率為2.50的TiO2單層膜或折射率為1.84的ZnO單層膜。但是，在這些比較例中，與未塗敷的結構體的透過率相比，塗敷的結構體的TM-模式光透光率提高。因此，當在薄膜結構體上形成單層透明膜時，無論結構體將要使用的波長出於什麼範圍，都優選其折射率不超過1.8。
從實施例1和6可見，金屬和電介質材料的雙層板狀構件和金屬的單層板狀構件都獲得了相同的效果。
在實施例2和3中，透明膜具有雙層結構，其中鄰接薄膜結構體的第一層是折射率為1.64的Al2O3，而第二層是折射率為1.46的SiO2。在這樣的雙層結構體中，鄰接薄膜結構體的第一層的折射率為1.6到1.9並且其第二層的折射率不超過1.5是適宜的。
在實施例4和7中，透明膜具有三層結構，其中鄰接薄膜結構體的第一層是折射率為1.64的Al2O3，第二層是折射率為2.50的TiO2，第三層是折射率為1.46的SiO2。在這樣的三層結構體中，如下情況是適宜的鄰接薄膜結構體的第一層的折射率為1.6到1.9，第二層的折射率為2.2到2.7，並且第三層的折射率不超過1.5。
在薄膜結構體A和B中，使用Al作為構成板狀構件的金屬；而在薄膜結構體C和D中，使用的是Ag。此外，此處還可使用銅、鉑、金或者主要包含這些金屬之一的合金。
在薄膜結構體A、C和D中，將二氧化矽(SiO2)用於板狀構件的電介質層。此外，此處還可使用氟化鎂(MgF2)等。
在實施例5中，用電介質材料填充板狀構件之間的空間，這樣可獲得和此處相同的結果。此處實際使用的電介質材料是折射率為1.46的SiO2。優選用於此目的的電介質材料的折射率不超過1.6。
權利要求
1.一種起偏器，包含薄膜結構體，該薄膜結構體包括其上形成線性稜形表面的透明襯底，多個板狀構件，這些板狀構件形成在所述透明襯底的線性稜形表面上，以使該板狀構件相互平行並且限定每個板狀構件和稜形表面之間的預定角度，其中每個板狀構件的一端沿著線性稜形結構體的脊方向和所述透明襯底接觸；和透明膜，該透明膜提供在所述薄膜結構體上，並且該透明膜在板狀構件的與所述的和透明襯底接觸的一端相對的另一端上覆蓋板狀構件，且其中所述透明膜進行配置，以使所述薄膜結構體相對於其上沒有提供透明膜的薄膜結構體的TM-模式偏振光透光率的增量大於所述薄膜結構體相對於其上沒有提供透明膜的薄膜結構體的TE-模式偏振光透光率的增量。
2.根據權利要求1所述的起偏器，其中每個板狀構件都是由作為主要組分的金屬材料形成的。
3.根據權利要求1所述的起偏器，其中每個板狀構件都是由相互結合的主要由金屬材料製成的層和主要由電介質材料製成的層構成的。
4.根據權利要求1所述的起偏器，其中所述透明膜是由單種材料形成的單層膜或者由多種不同材料形成的多層膜。
5.根據權利要求4所述的起偏器，其中所述透明膜是由折射率不超過1.8的單種材料形成的單層膜。
6.根據權利要求4所述的起偏器，其中所述透明膜是由兩種不同材料形成的雙層膜，並且其位於所述薄膜結構體側的第一層的折射率為1.6到1.9，而其第二層的折射率不超過1.5。
7.根據權利要求4所述的起偏器，其中所述透明膜是由三種不同材料形成的三層膜，並且其位於所述薄膜結構體側的第一層的折射率為1.6到1.9，其形成在第一層上的第二層的折射率為2.2到2.7，而其第三層的折射率不超過1.5。8、根據權利要求1所述的起偏器，其中在所述透明襯底的背表面上形成四層的膜，所述四層膜是由兩種或更多種不同材料形成的，並且其位於所述薄膜結構體側的第一層的折射率為2.2到2.7，其形成在第一層上的第二層的折射率不超過1.5，其形成在第二層上的第三層的折射率為2.2到2.7，而具形成在第三層上的第四層的折射率不超過1.5。
9.根據權利要求2所述的起偏器，其中所述金屬材料包括銀、鋁、銅、鉑和金中的一種金屬，或者主要由所述金屬之一形成的合金。
10.根據權利要求3所述的起偏器，其中所述電介質材料是包含作為主要組分的二氧化矽的材料，或者包含作為主要組分的氟化鎂的材料。
11.根據權利要求1所述的起偏器，其中用折射率不超過1.6的透明電介質材料填充相鄰板狀構件之間的空間。
12.一種製造起偏器的方法，該方法包括如下步驟a)用金屬元素的離子、原子或簇以與線性稜形結構體的脊方向成預定角度並且在傾斜於稜形襯底表面法線方向的方向上撞擊襯底上的線性稜形結構體，並且同時b)用該金屬元素的離子、原子或簇在線性稜形結構體的相對於稜形襯底表面的法平面的相對側上撞擊所述線性稜形結構體，所述法平面和稜形結構體的脊方向平行。在所述透明襯底的線性稜形結構體上形成每個都包含作為其主要組分的金屬的多個板狀構件，並且按照不定向膜形成方法在所述板狀構件上形成至少一層透明電介質層。
13.一種製造起偏器的方法，該方法包括如下步驟a)用金屬元素的離子、原子或簇以與線性稜形結構體的脊方向成預定角度並且在傾斜於稜形襯底表面法線方向的方向上撞擊襯底上的線性稜形結構體，並且同時b)用另一種元素的離子、原子或簇在線性稜形結構體的相對於稜形襯底表面的法平面的相對側上撞擊所述線性稜形結構體，所述法平面和線性稜形結構體的脊方向平行，在所述透明襯底的線性稜形結構體上形成板狀構件，每個板狀構件都是由相互結合的主要是金屬材料的層和主要是電介質材料的層組成的，並且按照不定向膜形成方法在所述板狀構件上形成至少一層透明電介質層。
14.根據權利要求12的製造起偏器的方法，其中測定薄膜結構體的TM-模式偏振光透光率和TE-模式偏振光透光率作為參考值，所述薄膜結構體包含形成在所述透明襯底表面上的所述板狀構件，然後裝配所述透明電介質層，以使所述透明膜配置為所述薄膜結構體的TM-模式偏振光透光率相對於TM-模式偏振光透光率的參考值的增量大於所述薄膜結構體的TE-模式偏振光透光率相對於TE-模式偏振光透光率參考值的增量。
全文摘要
本發明的起偏器具有如下構造在其上形成了相互平行的線性稜形結構體的透明襯底上，以與襯底表面成預定的角度形成相互平行的多個板狀構件。板狀構件的一端沿著線性稜形結構體的脊方向和襯底接觸。本發明中，薄膜結構體具有覆蓋在板狀構件的和透明襯底接觸的一端相對的另一端上的透明膜。優選電介質膜具有一層到四層結構。
文檔編號G02F1/1335GK1766679SQ200510118540
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月27日 優先權日2004年10月27日
發明者國定照房, 日下哲, 荻野悅男 申請人:日本板硝子株式會社