起偏器及其制造方法.pdf

本发明的起偏器具有如下构造：在其上形成了相互平行的线性棱形结构体的透明衬底上，以与衬底表面成预定的角度形成相互平行的多个板状构件。板状构件的一端沿着线性棱形结构体的脊方向和衬底接触。本发明中，薄膜结构体具有覆盖在板状构件的和透明衬底接触的一端相对的另一端上的透明膜。优选电介质膜具有一层到四层结构。

1、  一种起偏器，包含：
薄膜结构体，该薄膜结构体包括其上形成线性棱形表面的透明衬底，
多个板状构件，这些板状构件形成在所述透明衬底的线性棱形表面上，以使该板状构件相互平行并且限定每个板状构件和棱形表面之间的预定角度，其中每个板状构件的一端沿着线性棱形结构体的脊方向和所述透明衬底接触；和
透明膜，该透明膜提供在所述薄膜结构体上，并且该透明膜在板状构件的与所述的和透明衬底接触的一端相对的另一端上覆盖板状构件，且
其中所述透明膜进行配置，以使所述薄膜结构体相对于其上没有提供透明膜的薄膜结构体的TM-模式偏振光透光率的增量大于所述薄膜结构体相对于其上没有提供透明膜的薄膜结构体的TE-模式偏振光透光率的增量。

2、  根据权利要求1所述的起偏器，其中每个板状构件都是由作为主要组分的金属材料形成的。

3、  根据权利要求1所述的起偏器，其中每个板状构件都是由相互结合的主要由金属材料制成的层和主要由电介质材料制成的层构成的。

4、  根据权利要求1所述的起偏器，其中所述透明膜是由单种材料形成的单层膜或者由多种不同材料形成的多层膜。

5、  根据权利要求4所述的起偏器，其中所述透明膜是由折射率不超过1.8的单种材料形成的单层膜。

6、  根据权利要求4所述的起偏器，其中所述透明膜是由两种不同材料形成的双层膜，并且其位于所述薄膜结构体侧的第一层的折射率为1.6到1.9，而其第二层的折射率不超过1.5。

7、  根据权利要求4所述的起偏器，其中所述透明膜是由三种不同材料形成的三层膜，并且其位于所述薄膜结构体侧的第一层的折射率为1.6到1.9，其形成在第一层上的第二层的折射率为2.2到2.7，而其第三层的折射率不超过1.5。

8、  根据权利要求1所述的起偏器，其中在所述透明衬底的背表面上形成四层的膜，所述四层膜是由两种或更多种不同材料形成的，并且其位于所述薄膜结构体侧的第一层的折射率为2.2到2.7，其形成在第一层上的第二层的折射率不超过1.5，其形成在第二层上的第三层的折射率为2.2到2.7，而具形成在第三层上的第四层的折射率不超过1.5。

9、  根据权利要求2所述的起偏器，其中所述金属材料包括银、铝、铜、铂和金中的一种金属，或者主要由所述金属之一形成的合金。

10、  根据权利要求3所述的起偏器，其中所述电介质材料是包含作为主要组分的二氧化硅的材料，或者包含作为主要组分的氟化镁的材料。

11、  根据权利要求1所述的起偏器，其中用折射率不超过1.6的透明电介质材料填充相邻板状构件之间的空间。

12、  一种制造起偏器的方法，该方法包括如下步骤：
a)用金属元素的离子、原子或簇以与线性棱形结构体的脊方向成预定角度并且在倾斜于棱形衬底表面法线方向的方向上撞击衬底上的线性棱形结构体，并且同时b)用该金属元素的离子、原子或簇在线性棱形结构体的相对于棱形衬底表面的法平面的相对侧上撞击所述线性棱形结构体，所述法平面和棱形结构体的脊方向平行。
在所述透明衬底的线性棱形结构体上形成每个都包含作为其主要组分的金属的多个板状构件，并且
按照不定向膜形成方法在所述板状构件上形成至少一层透明电介质层。

13、  一种制造起偏器的方法，该方法包括如下步骤：
a)用金属元素的离子、原子或簇以与线性棱形结构体的脊方向成预定角度并且在倾斜于棱形衬底表面法线方向的方向上撞击衬底上的线性棱形结构体，并且同时b)用另一种元素的离子、原子或簇在线性棱形结构体的相对于棱形衬底表面的法平面的相对侧上撞击所述线性棱形结构体，所述法平面和线性棱形结构体的脊方向平行，
在所述透明衬底的线性棱形结构体上形成板状构件，每个板状构件都是由相互结合的主要是金属材料的层和主要是电介质材料的层组成的，并且
按照不定向膜形成方法在所述板状构件上形成至少一层透明电介质层。

14、  根据权利要求12的制造起偏器的方法，其中测定薄膜结构体的TM-模式偏振光透光率和TE-模式偏振光透光率作为参考值，所述薄膜结构体包含形成在所述透明衬底表面上的所述板状构件，然后装配所述透明电介质层，以使所述透明膜配置为：所述薄膜结构体的TM-模式偏振光透光率相对于TM-模式偏振光透光率的参考值的增量大于所述薄膜结构体的TE-模式偏振光透光率相对于TE-模式偏振光透光率参考值的增量。

起偏器及其制造方法
技术领域
本发明涉及可用于液晶显示装置、光学记录仪器、光学传感器、光学通讯装置等的起偏器，具体而言，涉及具有起偏器必需的偏振性的用于起偏器的薄膜结构体及其制造方法。
背景技术
起偏器是用于从包含在各个方向偏振的光线的光中获取在特定方向偏振的光线的光学元件，并且各种具有不同结构和不同功能的这样的起偏器已经投入实际应用中。例如，已知的有：包含被分隔并排列成多个相互平行的条带的金属膜的线栅型起偏器；含有分散在玻璃中的具有高长宽比的柱状银粒子的偏振玻璃片；通过交替层压岛状金属层和电介质层，然后拉伸所得到的层压物而制造的起偏器；通过拉伸和定向聚合物材料制造的偏振膜；以及通过交替电介质膜和金属膜并且通过层压结构的截面向其中引入光而制造的层压起偏器。
如上类型的起偏器(偏振片)是液晶显示装置中必不可少的元件。在关于液晶显示的文献中，正在进行为缩小尺寸、减轻重量并增加其亮度的光学系统的技术创新，并且液晶显示装置非常普遍地用于商业数据显示、家庭影院显示等各种应用中。具体地，由于所用光源的亮度增加以及通过使用偏振转换元件提高了光利用效率，因此提高图像显示装置显示亮度的技术有了显著进步。
但是，提高亮度并缩小尺寸的技术却产生了装置内部温度升高的问题。因此，对于光学构件的良好耐热性有增加的要求，特别是，光学构件必须在高温下具有良好的耐久性。
至于液晶显示装置中的偏振片，通常使用的是如JP-A 2002-296417中的含有染料的有机膜。但是，由于使用有机材料，因此含有有机膜的偏振片的耐热性基本上都是不佳的。至于具有良好耐热性的偏振膜，采用的是含有染料的偏振膜。然而，这种类型的偏振膜的波长范围窄，因此存在其应用受限制的问题。
为了解决上述问题，有人提出使用线栅型起偏器。线栅型起偏器是具有将直线金属丝(细金属丝)规则地布置在玻璃衬底预定方向上的结构的起偏器。由于其所有构成材料都是无机材料，因此这种起偏器的特征在于其耐热性好，这点与诸如含染料起偏器之类的含有机材料的起偏器不同。USP6,108,131和USP 6,122,103中所举例说明的线栅型起偏器对于此目的而言是特别适合的。
但是，制造这样的线栅型起偏器要求精确控制金属丝的厚度和金属丝之间的间距。特别是，当制造用于可见光范围内使用的线栅型起偏器时，已知制造出的这种类型的起偏器必须具有超微结构，每根金属丝的宽度和其邻近空间必须在不超过210nm的水平上。因此，其制造需要光刻法、气相蚀刻等特殊技术。这些技术要求昂贵的设备和复杂的工艺，因此存在制造成本高的问题。
当将光引入包含细金属丝的线栅型起偏器时，电场振幅面平行于细金属丝纵向的光线(TE-模式光)在起偏器上被反射，同时电场振幅面垂直于细金属丝纵向的光线(TM-模式光)通过起偏器，不在其上反射，即通过起偏器将偏振光线分离。但是，难以降低TM-模式光在宽波长范围内(例如在整个可见光波长范围内)的反射率。
至于降低宽波长范围TM-模式光的反射率同时提高其中TE-模式光的反射率的方法，JP-A 2003-502708公开了一种在衬底和细金属丝之间的界面中提供附加层的技术，以及加工衬底表面以在其中形成槽的技术。
另一方面，至于在其中将细金属丝夹在两个衬底之间的“嵌入式线栅型起偏器”中，用于降低宽波长范围TM-模式光的反射率同时提高其中TE-模式光的反射率地方法，公开的是在衬底和细金属丝之间的界面中提供附加层的技术，以及加工衬底表面以在其中形成槽的技术(参见JP-A2003-519818)。
进一步公开的是用低折射率材料填充金属丝之间的空间并用透明衬底覆盖与其衬底相对的金属丝侧的方法。这种方法可有效地使起偏器能够起作用的波长范围向短波长侧扩大，而且其降低TM-模式光在起偏器上的反射率并提高TE-模式光在其上的反射率的效果也可能显著。
JP-A 2003-502708公开的方法可以有效地使起偏器能够起作用的波长范围向短波长侧扩大，但是仍然不能有效地降低TM-模式光在起偏器上的反射率并提高TE-模式光在其上的反射率。为了构造这种结构体，参考文献中公开了将两种不同材料，金属和部分衬底，同时进行蚀刻的方法，或者在金属和衬底之间提供附加层，随后将金属和附加层同时进行蚀刻的方法。但是，由于包括同时蚀刻两种不同材料的步骤，所述方法存在技术困难。
另一方面，JP-A 2003-519818公开的方法要求使用基本上是树脂状的材料作为填料，因此存在所制造出的起偏器耐久性可能变差的缺陷。特别是，该参考文献的起偏器可能丧失由无机材料形成的线栅型起偏器具有良好耐久性特性的优点。另外，该起偏器的另一问题在于其需要两片光学玻璃，因而其制造成本高。
发明内容
本发明是为了解决这些问题而进行的，其目的是提供一种在宽的波长范围内具有偏振分离能力的起偏器。本发明的另一目的是提供容易制造并且具有良好耐热性的起偏器。
为了解决如上问题，本发明提供拥有具有如下所述结构的薄膜结构体的起偏器。具体而言，在具有在其上形成相互平行的多个线性棱形结构体的透明衬底上，将多个相互平行的板状构件以预定的角度形成在衬底表面上。板状构件的一端沿着线性棱形结构体的脊方向和衬底接触。
本发明中，在与板状构件和透明衬底接触的一端相对的另一端上形成透明膜以覆盖板状构件。这样设计透明膜，使得该薄膜结构体的TM-模式偏振光透光率相对于不含透明膜的薄膜结构体的TM-模式偏振光透光率的增加大于其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，并且对于在宽波长范围内提高该结构体的TM-模式光透光率而不使其消光系数降低太多是有效的，因此，提供了具有良好偏振分离能力的起偏器。另外，由于薄膜结构体只是以膜-形成方法制造的，因而容易制造。
优选地，板状构件包含作为其主要组分的金属。由于在衬底上形成这样的方向一致金属层，因此该结构体可以表现出良好的偏振能力。
优选板状构件是由相互结合的主要是金属材料的层和主要是电介质材料的层组成的。在这种板状构件中，由于方向一致金属层表现出良好的偏振能力，并且由于将电介质层结合到金属层上，因此可以增加薄膜结构体的耐久性。
优选透明膜是由一种并且相同的材料单独形成的单层膜或者由多种不同材料形成的多层膜。这种类型的透明膜对于在宽波长范围内提高结构体的TM-模式光透光率而不降低其消光系数是有效的。
透明膜可以是由一种并且相同的材料单独形成的单层膜并且其折射率优选不超过1.5。透明膜可以是由两种不同材料形成的双层膜，并且优选其位于薄膜结构体侧的第一层的折射率为1.6到1.9，并且其第二层的折射率不超过1.5。透明膜还可以是由三种不同材料形成的三层膜，并且优选其位于薄膜结构体侧的第一层的折射率为1.6到1.9，其第二层的折射率为2.2到2.7，并且其第三层的折射率不超过1.5。
具有如上膜构成的透明膜对于提高结构体在宽波长范围内的TM-模式光透光率而不降低其消光系数是有效的。
构成板状构件的金属材料优选选自银、铝、铜、铂、金或包含这些金属中任何一种作为其主要组分的合金。这种类型的金属材料在其表面上具有高反射率，因此从在宽波长范围内有效提高结构体的TM-模式光透光率而不降低其消光系数考虑，这种类型的材料是有利于在本发明中使用的。
优选构成板状构件电介质层的电介质材料是包含作为其主要组分的二氧化硅的材料，或者包含作为其主要组分的氟化镁的材料。这种类型的电介质材料在从可见光范围到UV范围的宽波长范围内都是高度透明的并且具有低折射率，因此容易显示良好的抗反射作用。如上述金属材料那样，这种类型的电介质材料也具有良好的耐热性，因此能有效改善包含该电介质材料的起偏器的耐热性。
优选用折射率不超过1.6的透明电介质材料填充板状构件之间的空间。用这样的透明材料如此填充该空间改善了具有该结构的起偏器的耐久性。另外，由于该空间填充有材料，因而可以减小薄膜结构体的表面不均匀度，因此便于在其上形成透明膜。而且，由于所述电介质材料具有低折射率，因而形成的透明膜可容易显示其良好的抗反射作用。
即使当JP-A 2002-296417、USP 6,108,131、USP 6,122,103和JP-A2003-502708中公开的线栅型起偏器的表面上涂有透明电介质层时，它们也可以具有降低的TE-模式光透光率和提高的TE-模式光透光率。但是，在这种情况下，金属丝和金属丝之间的距离必须较窄。如果金属丝和金属丝之间的距离较宽，则当形成透明电介质材料层时，该材料可能沉积在宽的间距中，因而不能获得预期的膜外形。另一方面，为了缩小金属丝和金属丝之间的距离，需要缩微成像光刻法，而这增加了制造结构体的难度。为此，以下描述的制造本发明薄膜结构体的方法的优势在于可以很容易地缩小板状构件之间的空间。
可以按照下述方法制造本发明的起偏器，该起偏器包含具有板状金属结构的薄膜结构体。将金属元素的离子、原子或簇以和结构体的脊方向成预定角度并且在倾斜于衬底法线的方向上撞击到形成在衬底上的线性棱形结构体上，同时还将该金属元素的离子、原子或簇撞击到线性棱形结构体的相对于平行于棱形结构体的脊方向的法平面的相反侧上，从而在衬底表面上形成包含作为其主要组分的金属的板状构件。接着，按照不定向膜形成方法，随后在板状构件上形成至少一层透明电介质层。
可以按照下述方法制造本发明的起偏器，该起偏器包含具有板状构件的薄膜结构体，其中板状构件包含相互结合的金属层和电介质层。将金属元素的离子、原子或簇以和结构体的脊方向成预定角度并且在倾斜于衬底法线的方向上撞击到形成在衬底上的线性棱形结构体上，同时将构成电介质材料的元素的离子、金属或簇撞击到线性棱形结构体的相对于平行于棱形结构体的脊方向的法平面的相反侧上，从而在衬底的表面上形成板状构件，该板状构件包含相互结合的主要由金属形成的层和主要由电介质材料形成的层。接着，按照不定向膜形成方法，随后在板状构件上形成至少一层透明电介质层。
按照如上方法，在具有多个形成在其上的相互平行的线性棱形结构体的透明衬底上，以和衬底表面成预定角度，形成相互平行的多个板状构件，并且板状构件的一端沿着其线性棱形结构体的脊方向与衬底接触。在板状构件的与和透明衬底接触的一端相对的另一端上形成透明膜以覆盖板状构件。由于所述方法只包括形成薄膜的步骤，因此按照该方法很容易制造本发明的起偏器。
另外，在所述方法中，可以测定薄膜结构体的TM-模式偏振光透光率和TE-模式偏振光透光率作为参考值，所述薄膜结构体包含形成在其衬底表面上的板状构件，并且可以这样设计透明膜，使结构体的TM-模式偏振光透光率和其参考值相比的增加大于其TE-模式偏振光透光率的增加。如此设计透明电介质膜，使其具有如上构成，并且在此条件下形成膜，从而制造本发明的起偏器。
本发明的方法只包含膜形成步骤，因此可制造具有良好的偏振分离能力和良好的耐热性的起偏器。特别是，本发明中如此制造的起偏器可以非常大地提高TM-模式光透光率同时还具有降低的TE-模式光透光率。另外，由于起偏器主要包含无机材料，因此其耐热性高。而且，制造本发明起偏器的方法不需要光刻法，能够低成本地制造大面积的起偏器。
附图说明
图1是显示没有涂有透明膜的薄膜结构体一个实例的示意性透视图；
图2A到2C是本发明起偏器的示意性横截面图；
图3是显示没有涂有透明膜的薄膜结构体另一实例的示意性透视图；
图4A和4B是本发明起偏器的示意性横截面图；
图5A到5D是显示形成衬底的方法并显示衬底外形的实例的示意图；
图6显示了用于制造本发明薄膜结构体的膜-形成装置；和
图7显示了用于形成透明电介质膜的膜-形成装置。
具体实施方案
制造本发明起偏器的目的是提高线栅型起偏器中TM-模式光的透光率。此处涉及的TM-模式光是指在使光入射面和线栅的微金属丝垂直的配置中，光的电场振幅面和光入射面平行的光。
本发明是基于如下发现获得的：当在线栅型起偏器的表面上形成透明电介质膜时并且当设计该透明电介质膜使其具有抗反射作用时，则可以显著提高通过结构体的TM-模式光的透光率。
诸如其中将线性金属丝规则地布置在玻璃等透明衬底的预定方向上的线栅型起偏器之类的结构体中，其TE-模式光的宏观折射率和金属的折射率几乎相同。另一方面，结构体对TM-模式光的宏观折射率远小于金属的折射率。因此，结构体对TE-模式光的反射率非常大，而对TM-模式光的反射率低。但是，由于结构体对TE-模式光的折射率是有限值，因此结构体界面上的反射是不可避免的。
鉴于这种情况，为了提高结构体本身的透光率，降低结构体对TM-模式光的反射率是适宜的。为此，可采用的提供透明膜以覆盖结构体的方法，并且关于其合适的厚度和折射率，该膜是受到限制的。首先，合适的折射率低于衬底和线栅之间假想界面的表观折射率。另一方面，关于合适的膜厚度，膜的光学厚度对应于λ/4的厚度(其中λ表示入射光的波长)。
具体而言，为了通过形成膜以覆盖具有如上结构体的起偏器而提高其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于提高透明衬底透光率的构件。毋庸赘述，由于在其上形成膜而使起偏器的偏振分离能力变差是不适宜的，并且表示结构体的TM-模式光透光率与TE-模式光透光率的比率的消光系数必须没有降低。
关于具有抗反射作用的膜的构成，此处可以使用迄今已知作为可形成于透明衬底上的抗反射膜的任何常规膜，而对其没有特别限制。一些实例如下。所有这些实例都显示了形成在安置于衬底上的线栅表面上的透明电介质膜层的膜构造。
(1)单独的一层低折射率层的构造，
(2)中等折射率层/低折射率层的两层构造，
(3)中等折射率层/高折射率层/低折射率层的三层构造。
在线栅上形成多层膜的情况下，由于线栅结构体表面是粗糙的，因而难以控制膜的外形和膜的厚度，并且这种困难随着被层压层数的增加而加大。因此，优选被层压的层数小一些。
对每一层透明电介质膜的膜厚度和的折射率都没有特别限制，它们的最合适值根据线栅的结构、大小和金属材料，以及起偏器的可应用波长范围而变化，并且没有特别限定。
为了克服上述困难，用透明电介质材料填充线栅型起偏器的金属微丝之间的空间以使结构体表面平整可能有效，并且在这样平滑之后的表面上也可以容易地形成多层膜。用于此目的的透明电介质材料可以是多种树脂材料或包含作为其主要组分的SiO₂的溶胶-凝胶材料。但是，从提高结构体的TM-模式光透光率与TE-模式光透光率的比率(消光系数)考虑，优选填料材料的折射率要低一些。
为了形成线栅，此处可采用的是光刻法和气相蚀刻技术。但是在这种情况下，由于线栅间距依赖于光刻法的精度，因此金属微丝之间的距离可能被限制在大约90nm。因此，难以在这种类型的线栅型起偏器表面上形成平滑的透明电介质膜。
具体而言，当在金属丝和金属丝之间的间距超过约90nm的线栅表面上形成涂层膜时，该膜将具有明显反映金属微丝周围周期性结构的表面粗糙度分布(profile)。在这种情况下，用树脂或溶胶-凝胶材料填充金属微丝之间的空间以平整线栅结构体的表面，然后在这样平滑之后的线栅表面上形成光学透明多层膜是适宜的。
可用于形成线栅的另一方法如下：
预先在衬底上形成线性棱形结构体，将金属元素的离子、原子或簇以和结构体的脊方向成预定角度并且在倾斜于衬底法线的方向上撞击到线性棱形结构体上，同时还将该金属元素离子、原子或簇撞击到线性棱形结构体的相对于平行于棱形结构体的脊方向的法平面的相对侧上，从而在衬底表面上形成膜。
按照该方法，可以在衬底上形成薄膜结构体，其中板状金属沿着衬底的棱形结构体竖立在衬底上。还可以将这种类型的薄膜结构体应用于线栅。在按照该方法如此制造的线栅型起偏器中，板状金属部件之间的距离取决于棱形结构体的间距和金属粒子撞击衬底的角度(相对于衬底法线的角度)。具体而言，当棱形结构体的间距越小或者金属粒子撞击角度越小时，板状金属部件之间的距离越窄。板状金属部件之间的距离越窄时，则由于形成在结构体上的透明电介质膜可以更容易平整，因而这是令人满意的。
可用于形成线栅的再一方法如下：
将金属元素的离子、原子或簇以相对于结构体的脊方向成预定角度并且在倾斜于衬底法线的方向上撞击在类似上述的线性棱形结构体上，同时还将构成电介质材料的元素的离子、金属或簇撞击到线性棱形结构体的相对于平行于棱形结构体的脊方向的法平面的相对侧上，从而在衬底的表面上形成膜。
按照这种方法，可以在衬底上形成薄膜结构体，其中板状金属和电介质材料沿着衬底的棱形结构体竖立在衬底上，同时它们的背面相互结合。这种类型的薄膜结构体还可应用于线栅。
在这种类型的线栅型起偏器中，板状金属部件之间的距离取决于棱形结构体的间距以及电介质材料和金属的构成粒子撞击衬底的角度(相对于衬底法线的角度)。具体而言，当棱形结构体的间距越小或者电介质材料和金属的构成粒子撞击衬底的角度越小时，板状金属部件之间的距离越窄。
从缩小板状金属部件的宽度和缩小板状金属部件之间的距离考虑，这种方法是最优选的，并且这也是制造合适本发明的线栅的方法。
当板状金属部件之间的距离更窄时，由于可以更容易地使形成在结构体上的透明电介质膜平整，因而这是令人满意的。
从起偏器的光学性质考虑，优选使用的金属材料是铂、金、银、铜、铝，或包含这些金属中任何一种作为其主要成分的合金。
对于形成衬底的棱形结构体而言，模塑方法由于简单而被优选。将诸如金属醇盐溶胶或凝胶之类的溶胶或凝胶透明材料应用到衬底上，然后通过使用其内表面上雕刻有多个平行的线性棱形外形的成形模子在压力下成形，并且烘焙从而形成主要包含二氧化硅(SiO₂)并且具有良好耐候性的棱形结构体。除此之外，如本领域熟知的，模塑方法还可应用于树脂材料。
但是，本发明应当不限于如上方法。此处还可以采用光刻法的另一方法。在这种方法中，可以采用电子射线或干涉曝光绘图的技术来形成图案。按照这种技术，将光刻胶等曝光并显影以形成图案，再使用该图案作为掩模，将衬底材料蚀刻以获得所需的棱形结构体。
还可以采用另一方法，该方法包括用研磨剂颗粒等将衬底表面磨光，并且可以将该方法中如此形成的粗糙表面用于本发明中。但是，如果按照该方法形成的表面粗糙化的衬底，那么通常难以形成深的棱形结构体。特别是，如果用研磨剂颗粒进行表面粗糙时，则该粗糙表面只可以具有浅的棱形结构体。
据发现，如果将透明电介质材料以相对于衬底的棱形结构体的预定角度并且在倾斜于衬底表面法线的方向上撞击在具有这样的浅棱形结构体的衬底上时，那么如此形成的板状透明电介质结构体可能增大衬底的棱形结构体。另外，据发现，如果将电介质材料以两个方向撞击在衬底上时，所述的两个方向以它们之间的衬底法平面为界彼此相反，并且都和衬底成预定的角度，则也可能通过这样增大衬底的棱形结构体。
按照本发明方法，通过透明电介质膜覆盖衬底的方式，可以将衬底的浅棱形结构体改进成其深棱形结构体。如果金属以其倾斜方向撞击具有这种膜的衬底从而在该衬底上形成膜，则容易制造出具有偏振功能的薄膜结构体。
其中具有空间的线栅型起偏器存在耐久性问题，所述耐久性问题在于表现出偏振能力的板状金属可能被氧化或者可能老化成微小颗粒。在这方面，用透明电介质材料覆盖薄膜结构体的表面以显著改善结构体的耐久性是有利的。对其涂布方法没有特别限制，可以不受特别限制地采用液体涂布、化学气相生长或物理膜形成的各种方法。但是，考虑到严格控制膜厚度的必要性，物理膜形成方法是最好的。
下面将参考所附的附图描述本发明的实施方案。附图中，相同的构件是用相同的标记数字或相同符号表示的，并且它们的重复描述可以省略。
第一实施方案
本发明的第一实施方案是用于可见光波长范围的起偏器，该起偏器包含下述的薄膜结构体A作为其基本结构，所述薄膜结构体A由形成在含有棱形结构体表面的衬底上的板状部件构成，并且其中板状部件每个都是由相互接触而组合的电介质层和金属层形成的并且周期性地成行排列。这种起偏器的构建方法在如下实施例中描述。
(薄膜结构体A)
下面描述构建用于本实施方案的薄膜结构体的方法和该结构体的性质。
按照模塑方法在衬底表面上形成线性棱形结构体。图5A到5D显示了可用于该情况的模塑模子的实例以及形成的具有线性棱形结构体表面的衬底的实例，每个都是垂直于棱形结构体脊方向的横截面图。在该实施例中，使用的是具有如图5A所示的横截面为等腰三角形棱形结构体的成形模子。但是如果需要，如图5A到5D的各种形状中的任何一种也可用于形成其它各种棱形结构体。
现在描述制造方法。首先，使用旋涂机，在石英玻璃衬底70上形成四乙氧基硅烷(TEOS)溶胶膜，向其按压模塑模子60。在此条件下，进行加热和干燥，然后移走模子60。在此操作之后，在600℃下加热衬底，从而在玻璃衬底70上形成主要包含SiO₂的棱形结构体膜50。将此用作衬底。
接着，将Al靶安装在图6中所示的远距离溅射装置的磁控管阴极1上，并将SiO₂靶安装在磁控管阴极2上。将上述具有棱形结构体的石英玻璃衬底安装到图6中所示的衬底位置10处。将磁控管阴极1定位，使其与衬底10的正脊方向(normal ridge direction)倾斜80°；并且使磁控管阴极2也成80°。
接着，使用旋转泵和低温泵，将溅射室20脱气到约1×10^-3Pa的压力。将氩气引入靶室11中，并将氩气也引入靶室12中。在该步骤中，溅射室内部的压力为3×10^-2Pa。接着用直流电源向磁控管阴极1施加负电压，从而产生辉光放电。而且，将高频(13.56MHz)施加到磁控管阴极2上，也产生辉光放电。
接着，在衬底10的表面上，控制施加到磁控管阴极1的电源，使Al沉积速度(板状金属生长速度)能够为10nm/min。而且，控制施加到磁控管阴极2的高频电源，使衬底10表面上的SiO₂膜沉积速度能够为10nm/min。
接着，将分别安置在磁控管阴极1和磁控管阴极2前面的快门6和7同时打开以开始膜形成，将这种状态保持约10分钟。10分钟后，将两个快门6和7同时关闭，从而结束膜的形成。
用透射电子显微镜(TEM)观察如此形成的薄膜结构体的横截面，其透视图如图1所示。在形成于玻璃衬底70上的棱形结构体50表面上，在棱形结构体膜50最顶上(hilltop)的脊方向上排列有多个板状构件30，每个板状构件30都包含相互接触而组合的主要由SiO₂组成的板状电介质层32和主要由Al组成的板状金属层34。
板状电介质层和板状金属层的构成组分分析显示，作为其中的次要杂质，电介质层含有金属层的构成组分，而金属层含有电介质层的构成组分。此处涉及的主要组分是指除杂质外该层的基本组分。
当将板状构件30的高度表示为H，板状构件30的间距为P，金属(Al)层34的厚度为Wm，且电介质(SiO₂)层32的厚度为Wd时，发现H为约100nm，P为100nm，Wm为45nm且Wd为45nm。
在其表面上形成了上述膜的玻璃衬底70的背面上，按照溅射方法形成TiO₂和SiO₂的四层抗反射膜80。结果，在400nm到700nm波长范围内，衬底背面的反射率不超过1％。
在440nm、540nm或700nm的入射光波长下，测量该结构体的偏振透光率。在这种情况下，将电场振幅面平行于板状构件30面方向(即平行于衬底棱形结构体的脊方向)的光称作TE-模式光(TE-偏振光)；而将电场振幅面垂直于板状构件30面方向的光称作TM-模式光(TM-偏振光)。使用分光光度计，分析样品对两种模式的偏振作用。数据显示于表1的薄膜结构体A的栏中。消光系数用如下等式表示：
消光系数(dB)＝10·log(T_TM/T_TE)
其中T_TM表示TM-模式偏振光透光率，而T_TE表示TE-模式偏振光透光率。
(实施例1)
将薄膜结构体A再次引入溅射装置中，如图7所示安置。将SiO₂靶安装到衬底10位置上的磁控管阴极3上。接着，使用旋转泵和低温泵，将溅射室脱气到约1×10^-3Pa的压力。将混合有2％氧气的氩气引入溅射室11，且溅射室内部的压力控制到1Pa。接着，将高频(13.56MHz)施加到磁控管阴极3上，从而产生辉光放电。在约3分钟内，将SiO₂膜沉积在结构体上。在这种情况下，膜形成是在不定向条件下进行的，因此没有形成板状构件。形成了SiO₂膜(折射率：1.46)以覆盖薄膜结构体A。
将如此形成的薄膜结构体100的横截面再次用透射电子显微镜观察。该结构体具有如图2A中的结构，其中图1中所示的薄膜结构体A的表面被透明电介质(SiO₂)膜111覆盖。如图2A中所限定的，SiO₂层的膜厚度Hd1为约75nm。孔隙40残存在结构体中。
在440nm、540nm或700nm的入射光波长下测量薄膜结构体100的偏振光的透光率。数据见表2。当和没有涂布SiO₂层的薄膜结构体A的透过率比较时，每个波长下的TM-模式光透光率都明显提高，在λ＝440nm处从80.8％提高到86.6％，在λ＝540nm处从72.8％提高到89.2％，在λ＝700nm处从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处从0.16％提高到0.25％，在λ＝540nm处从0.08％提高到0.15％，在λ＝700nm处从0.04％提高到0.06％。由于TE-模式光透光率只增加了少许，因此由透明电介质膜形成造成消光系数也只减小了少许。显然，这证实了透明电介质膜的形成对于提高TM-模式光透光率是有效的。可以使用薄膜结构体100作为可见光的起偏器。
(实施例2到4)
在实施例2到4中，形成具有下述膜构成的透明电介质膜以覆盖薄膜结构体A的表面。如附图中所示，从薄膜结构体侧开始的每一层的膜厚度依次表示为Hd1、Hd2和Hd3。
实施例2：
Al₂O₃(Hd1＝166nm，折射率：1.64)/SiO₂(Hd2＝94nm)
实施例3：
Al₂O₃(Hd1＝83nm)/SiO₂(Hd2＝94nm)
实施例4：
Al₂O₃(Hd1＝83nm)/TiO₂(Hd2＝115nm，折射率：2.50)/SiO₂(Hd2＝94nm)
每个薄膜结构体的示意性横截面图显示在图2B和2C中(其中透明电介质膜用标记数字121到133表示)。如实施例1的结构体那样，分析这些结构体并且测试它们的外形和透光率数据，结果见表2。据证实，具有实施例2到4的膜构成的每一个薄膜结构体中，其透光率与薄膜结构体A相比都提高了，并且它们的消光系数没有任何明显变化。这些薄膜结构体也可用作用于可见光的起偏器。
(比较例1)
在比较例1中，将薄膜结构体A涂上厚度Hd1为100nm的TiO₂单层透明膜。
如此涂敷后的结构体的示意性横截面图如图2A所示(其中111表示透明电介质膜)。类似实施例1那样，分析并测试该结构体的外形和透光率数据，结果见表2。据证实这种结构体的消光系数与薄膜结构体A的消光系数相比增加了，但是其透光率却明显降低。因此，难以将该结构体用作用于可见光的起偏器。
(实施例5)
按照溶胶-凝胶方法用SiO₂填充薄膜结构体A的空间。按照溅射方法形成SiO₂膜以覆盖该结过体的表面。在440nm、540nm或700nm的入射光波长下测定所得到的薄膜结构体的偏振光透光率。数据见表2。
当和薄膜结构体A的透过率比较时，每个波长下的TM-模式光透光率都明显提高，在λ＝440nm处从80.8％提高到84.5％，在λ＝540nm处从72.8％提高到87.6％，而在λ＝700nm处从69.9％提高到78.1％。另一方面，TE-模式光的透光率几乎没有改变。结果，涂层的结构体的消光系数只有少许减小，因此证实了涂层膜对于提高所涂结构体的TM-模式光透光率的显著提高是有效的。这种薄膜结构体可用作用于可见光的起偏器。
第二实施方案
与其第一实施方案类似，本发明的第二实施方案是用于可见光波长范围的起偏器，该起偏器包含作为其基本结构的由板状金属部件制成的薄膜结构体B，所述板状金属部件形成在棱形结构衬底上并且规则排列。
(薄膜结构体B)
使用和薄膜结构体A相同的衬底。
该实施方案中的膜形成模式和实施例1的不同之处在于：在本实施方案中将Al靶安装到图6的远距离溅射装置的磁控管阴极1以及磁控管阴极2上。控制施加到磁控管阴极1和磁控管阴极2上的电源，使衬底10表面上的Al沉积速度(板状金属生长速度)能够达到30nm/min。膜形成时间为约4分钟。
用透射电子显微镜(TEM)观察如此形成的薄膜结构体B的横截面，其透视图如图3所示。在棱形结构体膜50上，主要由Al制成的板状金属结构体36彼此独立地排列，形成分离的棱柱坡面(hill)。如果将板状构件的高度表示为H，排列成行的板状构件的间距为P，结构体的厚度为Wm时，则发现H为约120nm，P为120nm且Wm为60nm。
如薄膜结构体A那样，在玻璃衬底70的背面上形成由TiO₂和SiO₂制成的四层抗反射膜80。测量该状态下的结构体的TM-模式光透光率和TE-模式光透光率。数据显示于表1的薄膜结构体B的栏中。
(实施例6)
使用图7的膜形成装置，在以上述方式制造的薄膜结构体B表面上形成厚度为75nm的单层SiO₂膜211。该薄膜结构体200的示意性横截面图如图4A所示。
分析该结构体的外形和透光率数据，结果见表2。据证实，与薄膜结构体B相比，具有本实施例膜构成的结构体的TM-模式光透光率在测试中使用的每个波长下都得以提高，并且已涂敷结构体的消光系数与未涂敷的结构体B相比没有变化。本实施例的薄膜结构体也可用作用于可见光的起偏器。
(实施例7)
本实施例和实施例6的不同之处仅在于将透明电介质膜的层构成变成如下构成：
Al₂O₃(Hd1＝83nm)/TiO₂(Hd2＝115nm)/SiO₂(Hd3＝94nm)
这种薄膜结构体的示意性横截面图如图4B所示。该薄膜结构体由三层231、232和233组成。如表2中所证实的，该结构体在440nm波长下的TM-模式光透光率降低，而在540nm和700nm波长下的TM-模式光透光率增加，并且该结构体保持高的消光系数。这个实施例的薄膜结构体也可用作用于可见光的起偏器。
(比较例2和3)
在比较例2和3中，形成具有下述膜构成的透明电介质膜以覆盖薄膜结构体B的表面。
比较例2：
ZnO(Hd1＝75nm，折射率：1.84)
比较例3：
TiO₂(Hd1＝100nm)
每个薄膜结构体的示意性横截面图如图4A所示。如实施例6那样，分析并且测试这些结构体的外形和透光率数据，结果见表2。比较例2和3的膜结构体的透光率与薄膜结构体B的透过率相比极大地降低。因此，比较例2和3的薄膜结构体不可以用作可见光起偏器。
第三实施方案
本发明的第三实施方案是在用于光学通讯的近红外区(波长1550nm)中使用的起偏器。
(薄膜结构体C)
如薄膜结构体A那样，制造具有偏振能力的薄膜结构体C。在玻璃衬底背面形成由TiO₂和SiO₂制成的抗反射膜，使其上在1550nm波长下的反射比能够达到0.1％。
接着，用透射电子显微镜证实具有偏振能力的薄膜结构体的横截面。据证实该结构体具有如图1的横截面外形，其中间距P＝270nm，板状构件的高度H＝360nm，金属(Ag)层的厚度Wm＝100nm，并且电介质(SiO₂)层的厚度Wd＝90nm。使用通过Glan-Thompson棱镜的波长为1550nm的半导体激光，分析具有上述构成的薄膜结构体的偏振光学性质。该结构体的TM-模式光透光率和TE-模式光透光率数据在表1的薄膜结构体C的栏中表示。
(薄膜结构体D)
采用和薄膜结构体C相同的方式制造薄膜结构体D，但是其中将板状构件的高度(H)加倍，为720nm。其光学性质显示在表1中。
(实施例8)
在该实施方案中，将薄膜结构体C涂上厚度Hd1＝220nm的SiO₂膜。这种薄膜结构体的示意性横截面图和图2A相同。接着，使用通过Glan-Thompson棱镜的波长为1550nm的半导体激光，分析该结构体的偏振光学性质。数据见表2。该结构体的TE-模式光透光率提高了约7％，而其消光系数几乎未变，因而该结构体保持了良好的性质。该实施例的薄膜结构体可用作用于IR光线的起偏器。
(比较例4)
在比较例4中，将薄膜结构体C涂上厚度Hd1＝160nm的ZnO膜。如实施例8那样，分析该结构体的外形和透光率，数据见表2。与薄膜结构体C的透过率相比，比较例4的薄膜结构体的透光率极大地下降。因此，本比较例的薄膜结构体不适合作为用于IR光线的起偏器。
(实施例9)
在本实施方案中，将薄膜结构体D涂上厚度Hd1＝280nm的SiO₂膜。其数据见表2。据认为涂有SiO₂的结构体的TE-模式光透光率提高了约9％，而其消光系数改变很小，因而该结构体保持了良好的性质。本实施例的薄膜结构体也可用作用于IR光线的起偏器。
(比较例5)
在这个比较例中，将薄膜结构体D涂上厚度Hd1＝200nm的ZnO膜。如实施例9那样，分析该结构体的外形和透光率，数据见表2。与薄膜结构体D的透过率相比，比较例5的薄膜结构体的透光率下降。因此，本比较例的薄膜结构体不适合作为用于IR光线的起偏器。
[表1]