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JP2016148871A - 赤外線用ワイヤグリッド偏光板、赤外線用イメージセンサー及び赤外線用カメラ - Google Patents

赤外線用ワイヤグリッド偏光板、赤外線用イメージセンサー及び赤外線用カメラ Download PDF

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泰幸 河津
Yasuyuki Kawazu
泰幸 河津
大輔 木下
Daisuke Kinoshita
大輔 木下
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Abstract

【課題】可視光領域で高い透過率を有すると共に、赤外領域で高い偏光特性を示すワイヤグリッド偏光板、赤外線用イメージセンサー及び赤外線用カメラを提供すること。
【解決手段】基材(101)上に周期的に配列された金属ワイヤ(102)と、金属ワイヤ(102)を被覆する透明被覆層(103)とを有する赤外線用ワイヤグリッド偏光板(100)であって、金属ワイヤ(102)の周期が160nm以上300nm以下であり、400nm以上650nm以下における全光透過率が50%以上、且つ赤外領域における透過光の偏光度が80%以上とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、赤外線用ワイヤグリッド偏光板、赤外線用イメージセンサー及び赤外線用カメラに関する。
近年のフォトリソグラフィー技術の発達により、光の波長レベルのピッチを有する微細構造パターンを形成することができるようになってきた。このように非常に小さいピッチのパターンを有する部材や製品は、半導体分野だけでなく、光学分野において利用範囲が広く有用である。
例えば、金属などで構成された導電体線が特定のピッチで格子状に配列してなる凸凹構造を持つワイヤグリッドは、そのピッチが入射光(例えば、可視光の波長400nmから700nm)に比べてかなり小さいピッチ(例えば、2分の1以下)であれば、導電体線に対して平行に振動する電場ベクトル成分の光をほとんど反射し、導電体線に対して直交する電場ベクトル成分の光をほとんど透過させるため、単一偏光を作り出す偏光板として使用できる。ワイヤグリッド偏光板は、透過しない光を反射し再利用することができるので、光の有効利用の観点からも望ましいものである。
このようなワイヤグリッド偏光板としては、例えば、特許文献1に開示されているものがある。このワイヤグリッド偏光板は、入射光の波長より小さいグリッド周期で間隔が置かれた金属ワイヤを備えている成形体である。
特開2002−328234号公報
ワイヤグリッド偏光板は、上記のような原理から、可視光から近赤外光、赤外光に至る広い範囲で、優れた偏光特性を有する。そのため、近年、近赤外光や赤外光の利用が盛んなセキュリティ分野などにおいて、ワイヤグリッド偏光板は有用な偏光子として期待されている。
一方で、近年様々な製品設計のニーズから、特定の波長領域において選択的に偏光特性を発揮するワイヤグリッド偏光板が求められている。例えば、可視光領域において光を透過させ、近赤外領域以上の領域で偏光特性を発揮できる赤外線用ワイヤグリッド偏光板等が望まれている。しかし、従来のワイヤグリッド偏光板では、可視光領域において高い偏光特性を有するため可視光領域における透過率が低くなってしまい、上述したような赤外領域における選択的な利用には不十分であった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、可視光領域で高い透過率を有すると共に、赤外領域で高い偏光特性を示す赤外線用ワイヤグリッド偏光板、赤外線用イメージセンサー及び赤外線用カメラを提供することを目的とする。
本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板は、基材上に周期的に配列された金属ワイヤと、金属ワイヤを被覆する透明被覆層と、を有するワイヤグリッド偏光板であって、金属ワイヤの周期が160nm以上300nm以下であり、400nm以上650nm以下における全光透過率が50%以上、且つ赤外領域における透過光の偏光度が80%以上であることを特徴とする。
本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板において、400nm以上650nm以下における透過光の偏光度が80%未満であり、赤外領域における透過率が50%未満であることが好ましい。
本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板において、400nm以上650nm以下における反射光の全光反射率が20%未満であり、赤外領域における反射光の全光反射率が20%以上であることが好ましい。
本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板において、基材上に膜厚が0.005μm以上3μm以下の樹脂被膜を有し、樹脂被膜上に金属ワイヤが形成されていることが好ましい。
本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板において、金属ワイヤのデューティ比が0.05以上〜0.3以下であることが好ましい。
本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板において、透明被覆層が屈折率1.4以上2.6以下であることが好ましい。
本発明の赤外線用イメージセンサーは、上記の赤外線用ワイヤグリッド偏光板を備えることを特徴とする。
本発明の赤外線用カメラは、上記の赤外線用ワイヤグリッド偏光板を備えることを特徴とする。
本発明によれば、可視光領域で高い透過率を有すると共に、赤外領域で高い偏光特性を示す赤外線用ワイヤグリッド偏光板、赤外線用イメージセンサー及び赤外線用カメラを提供することができる。
本実施の形態に係るワイヤグリッド偏光板の一構成例を説明する図である。 本実施例に係るワイヤグリッド偏光板の透過率の測定結果を示す図である。 比較例1に係るワイヤグリッド偏光板の透過率の測定結果を示す図である。 比較例2に係るワイヤグリッド偏光板の透過率の測定結果を示す図である。
本発明者は、赤外領域で選択的に偏光特性を発揮する赤外線用ワイヤグリッド偏光板について鋭意検討した結果、金属ワイヤの周期を所定の範囲とすると共に金属ワイヤを透明被覆層で覆う構成とすることにより、可視光領域で透過率を向上させ且つ赤外領域で高い偏光特性を得られることを見出した。以下に、本発明の赤外線用ワイヤグリッド偏光板について説明する。
図1に示すワイヤグリッド偏光板100は、基材101と、当該基材101上に設けられた金属ワイヤ102と、当該金属ワイヤ102を覆うように設けられた透明被覆層103とを有している。
金属ワイヤ102は、基材101上に周期的に配列されており、所定の方向における金属ワイヤ102の周期が160nm以上300nm以下で設けられている。このように、周期が160nm以上300nm以下で金属ワイヤ102を配置し、且つ当該金属ワイヤ102を透明被覆層103で覆う構成とすることにより、可視光領域において高い透過率を有し、且つ赤外領域において高い偏光特性を有するワイヤグリッド偏光板100を得ることが可能となる。
これは、周期が160nm以上300nm以下で配置された金属ワイヤ102を透明被覆層103で覆う構成とすることにより、赤外領域と可視領域の境界領域における、S偏光成分の透過率の変化率を大きくできるという効果があり、可視領域と赤外領域で偏光分離特性に顕著な違いを作ることができるためである。
なお、本明細書において、可視光領域とは、650nm以下を指し、赤外領域とは、800nm以上2000nm以下を指している。
図1に示す構成とすることにより、可視光領域(特に、400nm以上650nm以下)における全光透過率の平均値が50%以上であって、赤外領域における透過率の偏光度が80%以上であるワイヤグリッド偏光板を得ることができる。
また、上記構成とすることにより、可視光領域(特に、400nm以上650nm以下)における透過光の偏光度が80%未満であり、赤外領域における透過率が50%未満であるワイヤグリッド偏光板を得ることができる。
また、上記構成とすることにより、可視光領域における反射光の全光反射率の平均値が20%未満となり、界面反射による光沢やぎらつきが少なく、可視光の透過視認性に優れるワイヤグリッド偏光板を得ることができる。また、赤外領域における全光反射率が20%以上とすることができる。
<基材>
基材101は、目的とする波長領域において実質的に透明であればよい。例えば、ガラスなどの無機材料や樹脂材料を基材101に用いることができる。他にも、樹脂材料を基材101に用いることができる。基材101として樹脂基材を用いることにより、ロールプロセスが可能になる、ワイヤグリッド偏光板100にフレキシブル性を持たすことができる、等のメリットがある。基材101に用いることができる樹脂としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂(COP)、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂などの非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線(UV)硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などが挙げられる。
また、基材101として、表面に所定の周期を有する凹凸構造を有していてもよい。この場合、基材101の表面において、所定の方向に延在する格子状凸部に金属膜を選択的に設けることにより金属ワイヤ102を形成することができる。基材101表面に形成する格子状凹凸形状としては、例えば、台形、矩形、方形、プリズム状や、半円状などの正弦波状などが挙げられる。ここで、正弦波状とは凹部と凸部の繰り返しからなる曲線部をもつことを意味する。なお、曲線部は湾曲した曲線であればよく、例えば、凸部にくびれがある形状も正弦波状に含める。透過率の観点から基材断面形状は矩形もしくは正弦波状であることが好ましい。
また、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂被膜と、ガラスなどの無機基材、又は熱可塑性樹脂やトリアセテート樹脂等の樹脂基材とを組み合わせて基材101を構成してもよい。この場合、無機基材又は樹脂基材上に形成された樹脂被膜の表面に所定の周期を有する凹凸構造を形成することができる。樹脂被膜の膜厚は、0.005μm以上3μm以下とすることが鏡面性に優れた、平滑性の高い表面が得られるという観点から好ましい。
<金属ワイヤ>
金属ワイヤ102は、基材101上に所定の周期で一定の方向に略平行に延在するように形成することができる。例えば、図1に示すように格子状凹凸形状を有する基材101の凸部の少なくとも一方の側の側面に接して設けることができる。金属ワイヤ102として用いる金属としては、アルミニウム、銀、銅、白金、金またはこれらの各金属を主成分とする合金などが挙げられる。特に、アルミニウムもしくは銀を用いて金属ワイヤ102を形成することにより、可視域での吸収損失を小さくすることができるため好ましい。
金属ワイヤ102の周期は、可視光領域の透過率を向上させるために、凹凸構造が延在する所定の方向において160nm以上300nm以下の範囲、好ましくは180nm以上240nm以下とすることが好ましい。また、所定の方向に対する断面視(図1)において、金属ワイヤ102のデューティ比が0.05以上0.3以下であることが好ましい。金属ワイヤ102のデューティ比がこの範囲とすることにより、可視領域におけるS偏光成分の透過率を向上させることができる。
金属ワイヤ102の形成方法においては特に制限は無い。電子線リソグラフィ法或いは干渉露光法によるマスクパターンニングとドライエッチングを用いて形成する方法や斜め蒸着法による形成などが挙げられる。生産性、光学対称性の観点からは、斜め蒸着法が好ましい。また、光学特性の観点から、不要な金属はエッチングにより除去することが好ましい。エッチング方法は、基材や誘電体層に悪影響を及ぼさず、金属部分が選択的に除去できる方法であれば特に限定は無いが、生産性の観点からアルカリ性の水溶液に浸漬させる方法が好ましい。
<透明被覆層>
透明被覆層103は、屈折率1.4以上2.6以下の材料を用いて形成することが好ましい。ここでいう透明被覆層103の屈折率は、波長589nmの光における屈折率を指す。また、透明被覆層103は、隣接する金属ワイヤ102間に充填されるように設けることが好ましく、周期が160nm以上300nm以下で配置された金属ワイヤ102を透明被覆層103で覆うことにより、可視光領域において高い透過率を有し、且つ赤外領域において高い偏光特性を有するワイヤグリッド偏光板100を得ることができる。
透明被覆層103の具体的な材料としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化珪素、酸化亜鉛などの無機透明材料、もしくは光学的に透明なポリマー、粘着剤などの有機透明材料を用いることができる。また、これら透明材料のうち、屈折率の異なる材料同士を複数組み合わせて用いることもできる。空気層と比較して、屈折率差が大きい材料を透明被覆層103として用いることによって、可視領域と赤外領域での偏光分離特性に顕著な違いを生むことができるが、屈折率1.4以上であれば十分に可視領域と赤外領域で偏光分離特性の異なるワイヤグリッド偏光板100として機能させることができる。
透明被覆層103の形成方法としては、種々の方法を用いることができる。例えば、離型処理された2枚のPET間に樹脂が形成された粘着シートを利用することができる。粘着シートの片面の離型PETを剥がし、基材101上に形成された金属ワイヤ102上にローラー等で均一に圧力をかけながら、透明被覆層103を金属ワイヤ102面に貼合して形成することができる。また、UV硬化型の樹脂を用いる場合は、基材101上に形成された金属ワイヤ102上に樹脂溶液を塗布後、光学基材と密着させる。そして、UV光を照射し、樹脂を硬化させることで、透明被覆層103を形成することができる。
<誘電体層>
基材101を構成する材料と金属ワイヤ102との密着性向上の為に、両者の間に両者と密着性の高い誘電体材料を設けてもよい。基材101と金属ワイヤ102の密着性が高いと、基材101からの金属ワイヤ102の剥離を防ぎ、偏光度の低下を抑えることが出来る。好適に用いることが出来る誘電体としては、例えば、珪素(Si)の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はその複合物(誘電体単体に他の元素、単体又は化合物が混じった誘電体)や、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、イットリウム(Y)、ジルコニア(Zr)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、バリウム(Ba)、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、セリウム(Ce)、銅(Cu)などの金属の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、炭化物の単体又はそれらの複合物を用いることができる。誘電体材料は、透過偏光性能を得ようとする波長領域において実質的に透明であることが好ましい。誘電体材料の積層方法には特に限定は無く、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの物理的蒸着法を好適に用いることができる。
<使用形態>
本実施の形態で示したワイヤグリッド偏光板100は、可視光領域において高い透過率を有すると共に、赤外領域において偏光特性を損なうことなく用いることが出来るため、赤外領域において偏光特性を利用する赤外用の偏光板として好ましく用いることができる。
具体的には、可視光による情報(映像情報、信号情報等)と、赤外光による1種類以上の情報(映像情報、信号情報等)とを分離又は重畳するイメージセンサーや赤外線フィルム用フィルター等に適用することができる。例えば、映像と信号を利用したゲーム、電子黒板、各種入力機器等のインタラクティブシステムに適用することができる。
また、本実施の形態のワイヤグリッド偏光板100は、可視映像情報と、異なる複数の赤外線の情報とを分離又は重畳する機器である監視カメラ(例えば、インフルエンザ患者監視カメラ)や、工程管理や寿命検査等に用いられる赤外線カメラに適用することができる。本実施の形態で示したワイヤグリッド偏光板100をこれらの電子機器に適用することにより、可視光の光量を多く稼げるため、高解像度の可視映像情報、長距離の可視信号情報を得ることができると共に、可視信号情報の低消費電力化を図ることができる。
また、実施の形態のワイヤグリッド偏光板100は、上記電子機器の他に、透明な赤外線用偏光板として利用することができる。例えば、本実施の形態のワイヤグリッド偏光板を用いることにより、タッチパネルのように偏光板の下に位置する情報を目視で確認しながら、偏光板の下方又は上方から飛来する赤外線ビームを操作することができる。また、赤外線用ワイヤグリッド偏光板をLCDに適用することにより、LCDを透けて可視画像を表示すると共に、赤外線センサー等により読み取った情報を表示するLCDを提供することができる。また、赤外線用ワイヤグリッド偏光板を用いて、複数のリモコンからの信号の切り替えを行う赤外線信号のオン/オフ制御スイッチに適用することができる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。また、上記実施の形態における材質、数量などについては一例であり、適宜変更することができる。その他、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。
以下、実施例により本発明を詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
まず、本実施例で用いたワイヤグリッド偏光板の作製方法について以下に説明する。
(実施例)
(紫外線硬化樹脂を用いた格子状凹凸形状転写フィルムの作製)
格子状凹凸形状転写フィルムの作製には、Ni製金型(以下、「金型A」とする。)を用いた。金型Aはピッチ幅230nmの格子状凹凸形状を有し、格子の延在する方向に垂直な断面における凹凸形状が略正弦波状であった。基材は、厚み80μmのトリアセチルセルロース樹脂(以下、「TAC」とする。)フィルム(TD80UL−H:富士写真フィルム社製)とし、該TACフィルムの波長550nmにおける面内位相差値は3.2nmで、遅相軸はMD方向と略一致していた。該TACフィルムにアクリル系紫外線硬化樹脂(屈折率1.52)を約3μm塗布し、塗布面を下に、TACフィルムのTD方向と金型Aの格子状凹凸形状の延在方向が略平行になるようにしながら、金型AとTACフィルム間に空気が入らないように乗せた。TACフィルム側から中心波長365nmの紫外線ランプを用いて紫外線を1000mJ/cm照射し、金型Aの格子状凹凸形状を転写した。TACフィルムを金型から剥離し、縦300mm、横200mmの格子状凹凸形状を転写したフィルムを作製した。(以下これを、「転写フィルムA」とする。)
なお、屈折率の測定には、レーザー屈折計(モデル2010 メトリコン社製)を使用して、測定するサンプルを一昼夜25℃の恒温室で養生した後、屈折率を測定した。同装置による波長532nm、632.8nm及び824nmの屈折率の測定結果からコーシーの分散公式を利用して屈折率の波長分散図を求め、波長589nmの屈折率を求めた。
(真空蒸着法を用いた金属の蒸着)
次に、転写フィルムAの格子状凹凸形状転写表面に、真空蒸着によりアルミニウム(Al)を成膜した。Alの蒸着条件は、常温下、真空度2.0×10−3Pa、蒸着速度40nm/sとした。Alの厚みを測定するため表面が平滑なガラス基板を転写フィルムと同時に装置に挿入し、平滑ガラス基板上のAl厚みをAl平均厚みとした。格子の長手方向と垂直に交わる平面内において基材面の法線と蒸着源のなす角度を蒸着角θと定義し、今回全ての転写フィルムで蒸着角θを20°、Al平均厚み120nmとして蒸着させた。なお、ここでいう平均厚みとは、平滑ガラス基板上にガラス面に垂直方向から物質を蒸着させたと仮定した時の蒸着物の厚みのことを指し、蒸着量の目安として使用している。
(不要Alの除去)
次に不要Alの除去を目的として、Alを蒸着した転写フィルムAを0.1重量%水酸化ナトリウム水溶液に室温下で60秒間浸漬させた。その後すぐに水洗いし、フィルムを乾燥させた。なお、金属ワイヤの延在方向は基板のTD方向と略平行であり、基板の遅相軸方向とは略直交であった。また、金属ワイヤのデューティ比は0.2であった。
透明被覆体として積水化学工業株式会社粘着剤(品名 WT#5402A、屈折率 1.472)を用い、金属ワイヤを覆うように形成した。具体的には、TACフィルム(TD80UL−H:富士フイルム社製)の片面に粘着剤を貼りつけ、該TACフィルムのMD方向をワイヤグリッド基材のMD方向と略平行になるように、ローラーで均一に圧力をかけながら樹脂をワイヤグリッド偏光板の金属ワイヤ層上に貼合することで、ワイヤグリッド偏光板を作製した。その後、ワイヤグリッド偏光板の透過率、偏光度の測定を行った。その結果を図2に示す。
図2より、実施例のワイヤグリッド偏光板は、可視光領域(特に、400nm以上650nm以下)において全光透過率の平均値が63.5%と高い透過率を有し、赤外領域(特に、800nm以上)において偏光度98.5を有することが確認できた。これは、周期が230nmである金属ワイヤを透明被覆層で覆うことにより、S偏光成分の可視域での透過率が上昇したためであると考えられる。また、可視域での偏光度は6.8であった。
(比較例1)
金属ワイヤまで上記実施例と同様に形成し、樹脂の形成は行わなかった。つまり、比較例1のワイヤグリッド偏光板は、実施例のワイヤグリッド偏光板と比較して、透明被覆層を有していない点で異なっている。その後、ワイヤグリッド偏光板の透過率、偏光度の測定を行った。その結果を図3に示す。
図3より、可視光領域の全光線透過率の平均値が33.9%であることが確認できた。
(比較例2)
格子状凹凸形状転写フィルムの作製において、ピッチ幅が145nmのNi製金型(以下、「金型A」とする)を用いた。その後の工程は、実施例と同様に行った。つまり、比較例2のワイヤグリッド偏光板は、実施例のワイヤグリッド偏光板と比較して、金属ワイヤの周期が145nmである点で異なっている。その後、ワイヤグリッド偏光板の透過率、偏光度の測定を行った。その結果を図4に示す。
図4より、可視光領域において高い偏光特性が得られる一方で、全光透過率が50%以下と低い透過率となることが確認できた。
本発明ワイヤグリッド偏光板は、赤外線領域で適用する光学機器等において、好適に用いられる。
100 ワイヤグリッド偏光板
101 基材
102 金属ワイヤ
103 透明被覆層

Claims (8)

  1. 基材上に周期的に配列された金属ワイヤと、前記金属ワイヤを被覆する透明被覆層と、を有するワイヤグリッド偏光板であって、
    前記金属ワイヤの周期が160nm以上300nm以下であり、400nm以上650nm以下における全光透過率が50%以上、且つ赤外領域における透過光の偏光度が80%以上であることを特徴とする赤外線用ワイヤグリッド偏光板。
  2. 400nm以上650nm以下における透過光の偏光度が80%未満であり、赤外領域における透過率が50%未満であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板。
  3. 400nm以上650nm以下における全光反射率が20%未満であり、赤外領域における全光反射率が20%以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板。
  4. 前記基材上に膜厚が0.005μm以上3μm以下の樹脂被膜を有し、前記樹脂被膜上に前記金属ワイヤが形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板。
  5. 前記金属ワイヤのデューティ比が0.05以上〜0.3以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板。
  6. 前記透明被覆層が屈折率1.4以上2.6以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板。
  7. 請求項1から請求項6のいずれかに記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板を備えることを特徴とする赤外線用イメージセンサー。
  8. 請求項1から請求項6のいずれかに記載の赤外線用ワイヤグリッド偏光板を備えることを特徴とする赤外線用カメラ。
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