JP2011123474A - 偏光素子及びプロジェクター - Google Patents

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Abstract

【課題】不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、さらに素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能な偏光素子及びプロジェクターを提供する。
【解決手段】基板１０と、基板１０に設けられたストライプ状の金属細線１１と、金属細線１１に形成され金属細線１１の長手方向に入射光の波長よりも短い周期で配列された金属からなる凸形状１２と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光素子及びプロジェクターに関するものである。
近年、偏光分離機能を有する光学素子として、ワイヤーグリッド偏光素子が知られている。このワイヤーグリッド偏光素子は、ガラス基板などの透明基板の上にナノスケールの金属細線を敷き詰めて形成されてなるものである。ワイヤーグリッド偏光素子は、偏光分離性能が高いことに加え、無機材料から構成されるため、有機材料から構成される偏光素子と比較して耐熱性にも優れるという特徴がある。このため、種々の光学系において、従来の高分子を素材とした偏光分離素子に替えてワイヤーグリッド偏光素子を用いることが検討されている。具体的には、高出力の光源からの光に曝される液晶プロジェクターのライトバルブ用の偏光素子として好適に用いられ、ライトバルブの前後（光入射側、光出射側の少なくとも一方）に配置される。
ところで、ライトバルブの光出射側においては、不要偏光を吸収する機能が求められる。これは、不要偏光がライトバルブの光出射側において反射されると、この反射光が再度ライトバルブに入射してトランジスタの温度上昇を引き起こし、階調を狂わせたり、迷光となって画質を低下させたりするなどの問題が懸念されることによる。
そこで、不要偏光を吸収する機能を備えた吸収型のワイヤーグリッド偏光素子が各種検討されている。例えば、特許文献１では、基板に光反射性を有する第１グレーティング層が形成された偏光素子に光吸収性を有する第２グレーティング層（吸収層）を付加することにより、不要偏光を選択的に吸収している。
一方、特許文献２では、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、光透過性基板の表面に入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ状に配列された光反射体と、を有する偏光素子が提案されている。これにより、不要な偏光成分を正反射させることなく角度をつけて反射させ、迷光の発生を抑制している。
特開２００５−３７９００号公報 特開２００６−１３３２７５号公報
しかしながら、特許文献１では、偏光素子の形成に加えて吸収層の成膜が必要であり、素子の構造も複雑となるので、製造コストが高くなる。また、特許文献１及び２には、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して不要偏光を吸収する技術については何も記載されていない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、さらに素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能な偏光素子及びプロジェクターを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の偏光素子は、基板と、前記基板に設けられたストライプ状の金属細線と、前記金属細線に形成され該金属細線の長手方向に入射光の波長よりも短い周期で配列された金属からなる凸形状と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、金属細線に入射光の波長よりも短い周期で凸形状が配列された共鳴格子構造とすることにより、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させ、偏光素子に入射する特定波長の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができる。具体的には、上述した共鳴格子構造に直線偏光ＴＥが入射すると、エバネッセント光が発生する。このエバネッセント光を用いると、この波数と表面プラズモンの波数とを一致させることができ、表面プラズモンを励起することができる。この表面プラズモンの励起のために入射光のエネルギーが消費されるので、光入射方向への反射を抑制することができる。したがって、不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することが可能な偏光素子が提供できる。また、特許文献１のように吸収層を設ける必要がないので、素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能となる。
また、上記偏光素子は、前記金属細線の長手方向における前記凸形状の幅と隣り合う２つの前記凸形状の間の距離とが、隣り合う前記金属細線どうしで一致していてもよい。
この構成によれば、凸形状の周期性がランダムになっている場合よりもエバネッセント波が発生しやすくなる。これにより、表面プラズモンが励起されやすくなるので、入射光のエネルギーが消費され、光入射方向への反射を十分に抑制することができる。
また、上記偏光素子は、前記金属細線から前記凸形状の上面までの距離が、入射光の波長に応じて設定されていてもよい。
この構成によれば、入射光の波長によって、凸形状の高さの最適値が異なるので、この高さを等しくする、あるいは異ならせるという設計を適宜行うことにより、良好な光学特性を有する偏光素子とすることができる。
また、上記偏光素子は、前記金属細線、前記凸形状が前記基板の面内に平行な方向から視て矩形形状になっていてもよい。
この構成によれば、金属細線、凸形状が側面視矩形形状になっているため作製しやすい。具体的には、基板上に金属膜を形成し、レジストパターンをマスクにして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による異方性エッチングを行うことで容易に作製できる。したがって、生産効率を向上させて低コスト化を図ることが可能となる。
本発明のプロジェクターは、光を射出する照明光学系と、前記光を変調する液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブで変調された光が入射する前述した本発明の偏光素子と、前記偏光素子を透過した偏光光を被投射面に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上述した本発明に係る偏光素子を備えているので、高出力の光源を用いても偏光素子の劣化が抑えられる。そのため、階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、低コスト化を図ることが可能なプロジェクターを提供することができる。
また、上記プロジェクターは、前記照明光学系は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出し、前記液晶ライトバルブは、前記複数の色光の各々に対応して設けられ、前記偏光素子は、該偏光素子が有する金属細線の上面から凸形状の上面までの距離が、前記液晶ライトバルブで変調された色光に対応して異なっていてもよい。
この構成によれば、複数の色光に対応して設計された偏光素子を用いるため、色光ごとに透過率を制御し、優れた表示が可能なプロジェクターとすることができる。
本発明の偏光素子は、ワイヤーグリッド型の偏光素子であって、基板と、前記基板に設けられた複数のストライプ状の金属細線と、前記金属細線に形成され該金属細線の長手方向に３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の周期で配列された金属からなる凸形状と、を有し、前記金属細線は、該金属細線の長手方向と直交する方向に１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の周期で配列されていることを特徴とする。
この構成によれば、金属細線に３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の周期で凸形状が配列されているので、可視光によって表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させることができる。偏光素子に入射する可視光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、可視光用の偏光素子として利用することができる。また、金属細線が長手方向と直交する方向に１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の周期で配列されているので、高い偏光分離機能を発現することができる。例えば、金属細線の長手方向と直交する方向の配列周期が１０ｎｍ未満となると、製造技術上金属細線を配列することが困難となる。また、金属細線の長手方向と直交する方向の配列周期が２００ｎｍを超えると、偏光分離機能が低下し、ワイヤーグリッド偏光素子として機能しなくなるおそれがある。
また、上記偏光素子は、前記凸形状は前記金属細線の長手方向に４７５ｎｍ以上５４５ｎｍ未満の周期で配列されており、前記凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていてもよい。
この構成によれば、金属細線に４７５ｎｍ以上５４５ｎｍ未満の周期で凸形状が配列され、凸形状の高さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されているので、Ｇ光によって表面プラズモン共鳴を発現させることができる。偏光素子に入射するＧ光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、Ｇ光用の偏光素子として利用することができる。例えば、凸形状の周期が４７５ｎｍ未満となると、吸収波長のピークが低波長側にシフトし、Ｂ光の波長域に入る。また、凸形状の周期が５４５ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトし、Ｒ光の波長域に入る。他方、凸形状の高さが１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトして反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さが５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側に大きくシフトし、吸収波長域が所望の波長からずれてしまう。よって、Ｇ光の偏光素子として利用するためには、凸形状は前記金属細線の長手方向に４７５ｎｍ以上５４５ｎｍ未満の周期で配列されており、凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていることが望ましい。
また、上記偏光素子は、前記凸形状は前記金属細線の長手方向に３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満の周期で配列されており、前記凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていてもよい。
この構成によれば、金属細線に３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満の周期で凸形状が配列され、凸形状の高さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されているので、Ｂ光によって表面プラズモン共鳴を発現させることができる。偏光素子に入射するＢ光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、Ｂ光用の偏光素子として利用することができる。例えば、凸形状の周期が３８０ｎｍ未満となると、吸収波長のピークが低波長側にシフトし、紫外線の波長域に入る。また、凸形状の周期が４５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトし、Ｇ光の波長域に入る。他方、凸形状の高さが１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトし反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さが５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側に大きくシフトし、吸収波長域が所望の波長からずれてしまう。よって、Ｂ光の偏光素子として利用するためには、凸形状は前記金属細線の長手方向に３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満の周期で配列されており、凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていることが望ましい。
また、上記偏光素子は、前記凸形状は前記金属細線の長手方向に５７５ｎｍ以上６７５ｎｍ未満の周期で配列されており、前記凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていてもよい。
この構成によれば、金属細線に５７５ｎｍ以上６７５ｎｍ未満の周期で凸形状が配列され、凸形状の高さが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されているので、Ｒ光によって表面プラズモン共鳴を発現させることができる。偏光素子に入射するＲ光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、Ｒ光用の偏光素子として利用することができる。例えば、凸形状の周期が５７５ｎｍ未満となると、吸収波長のピークが低波長側にシフトし、Ｇ光の波長域に入る。また、凸形状の周期が６７５ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトし、赤外線の波長域に入る。他方、凸形状の高さが１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトし反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さが５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側に大きくシフトし、吸収波長域が所望の波長からずれてしまう。よって、Ｒ光の偏光素子として利用するためには、凸形状は前記金属細線の長手方向に５７５ｎｍ以上６７５ｎｍ未満の周期で配列されており、凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていることが望ましい。
また、上記偏光素子は、前記金属細線の長手方向における前記凸形状の幅と隣り合う２つの前記凸形状の間の距離とが、隣り合う前記金属細線どうしで一致していてもよい。
この構成によれば、凸形状の周期性がランダムになっている場合よりもエバネッセント波が発生しやすくなる。これにより、表面プラズモンが励起されやすくなるので、入射光のエネルギーが消費され、光入射方向への反射を十分に抑制することができる。
また、上記偏光素子は、前記金属細線、前記凸形状が前記基板の面内に平行な方向から視て矩形形状になっていてもよい。
この構成によれば、金属細線、凸形状が側面視矩形形状になっているため作製しやすい。具体的には、基板上に金属膜を形成し、レジストパターンをマスクにして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による異方性エッチングを行うことで容易に作製できる。したがって、生産効率を向上させて低コスト化を図ることが可能となる。
本発明のプロジェクターは、光を射出する照明光学系と、前記光を変調する液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブで変調された光が入射する請求項７〜１２のいずれか１項に記載の偏光素子と、前記偏光素子を透過した偏光光を被投射面に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上述した本発明に係る偏光素子を備えているので、高出力の光源を用いても偏光素子の劣化が抑えられる。そのため、階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、低コスト化を図ることが可能なプロジェクターを提供することができる。
また、上記プロジェクターは、前記照明光学系は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出し、前記液晶ライトバルブは、前記複数の色光の各々に対応して設けられ、前記偏光素子は、該偏光素子が有する凸形状の高さが、前記液晶ライトバルブで変調された色光に対応して異なっていてもよい。
この構成によれば、複数の色光に対応して凸形状の高さが異なるように設計された偏光素子を用いるため、色光ごとに透過率を制御し、優れた表示が可能なプロジェクターとすることができる。
また、上記プロジェクターは、前記照明光学系は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出し、前記液晶ライトバルブは、前記複数の色光の各々に対応して設けられ、前記偏光素子は、該偏光素子が有する凸形状の周期が、前記液晶ライトバルブで変調された色光に対応して異なっていてもよい。
この構成によれば、複数の色光に対応して凸形状の周期が異なるように設計された偏光素子を用いるため、色光ごとに透過率を制御し、優れた表示が可能なプロジェクターとすることができる。
本発明に係る偏光素子の概略構成を示す斜視図である。 ＳＰＲによる電場増強の機構を示す図である。 偏光素子に入射する光の偏光分離を示す模式図である。 偏光素子の作製プロセスを示す図である。 プロジェクターの一例を示す模式図である。 ＦＤＴＤ法による透過特性の比較結果を示すグラフである。 ＦＤＴＤ法による反射特性の比較結果を示すグラフである。 所定の波長における電界強度分布を示す図である。 表面プラズモンの波数と表面プラズモンの角振動数との関係を示す図である。 ＦＤＴＤ法による透過特性の比較結果を示すグラフである。 ＦＤＴＤ法による反射特性の比較結果を示すグラフである。 ＦＤＴＤ法による透過特性の比較結果を示すグラフである。 ＦＤＴＤ法による反射特性の比較結果を示すグラフである。 プロジェクター光源のスペクトルを示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
なお、以下の説明においてはＸＹＺ座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。この際、水平面内における所定の方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの直交する方向をＺ軸方向とする。
（偏光素子）
図１は、本発明に係る偏光素子の概略構成を示す斜視図である。図１において、符号Ｐ１は金属細線の周期、符号Ｐ２は凸形状の周期、符号Ｈ１は金属細線の高さ、符号Ｈ２は凸形状の高さである。また、金属細線の延在方向をＸ軸方向とし、金属細線の配列軸をＹ軸方向としている。
偏光素子１は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して不要偏光を吸収する構造となっている。この偏光素子１は、基板１０と、金属細線１１と、凸形状１２と、を具備して構成されている。なお、ＳＰＲの詳細については後述する。
基板１０は、例えばガラスや石英など、透光性を有し耐熱性の高い材料が形成材料として用いられる。本実施形態では、基板１０としてガラス基板を用いる。
金属細線１１は、基板１０の上面１０ａに所定の高さＨ１で形成されている。この金属細線１１は、基板１０の面内に平行な方向（Ｙ軸方向）に光の波長よりも短い周期Ｐ１で配列されている。また、金属細線１１は長手方向（Ｘ軸方向）に光の波長よりも十分長くなっている。また、金属細線１１は基板１０の上面１０ａの接線方向（例えばＸ軸方向やＹ軸方向）から視て矩形形状（側面視矩形形状）になっている。また、金属細線１１は基板１０の面内に垂直な方向（Ｚ軸方向）から視てストライプ状（平面視ストライプ状）になっている。
金属細線１１は、例えば周期Ｐ１が１４０ｎｍ程度に設定され、高さＨ１が１５０ｎｍ程度に設定されている。また、金属細線１１の幅とスペース（溝）の幅との比率（Ｙ軸方向における金属細線１１の幅と、隣り合う金属細線１１の間の距離との比率）は略１：１に設定されている。
なお、金属細線１１の高さＨ１とは、基板１０の上面１０ａから金属細線１１の上面１１ａまでの距離である。また、周期Ｐ１とは、Ｙ軸方向における金属細線１１の幅と、隣り合う金属細線１１の間の距離とを足し合わせたものである。
凸形状１２は、金属細線１１の上面１１ａに所定の高さＨ２で形成されている。凸形状１２の高さＨ２は、金属細線１１の高さＨ１よりも小さくなっている（Ｈ２＜Ｈ１）。この凸形状１２は、金属細線１１の長手方向（Ｘ軸方向）に光の波長よりも短い周期Ｐ２で配列されている。また、凸形状１２は側面視矩形形状、平面視矩形形状になっている。
具体的には、凸形状１２は、金属細線１１の長手方向（Ｘ軸方向）に３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の周期で配列されているので、可視光によって表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させることができる。偏光素子に入射する可視光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、可視光用の偏光素子として利用することができる。
金属細線１１は、該金属細線１１の長手方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の周期で配列されている。これにより、偏光素子１は、高い偏光分離機能を発現することができる。一方、金属細線１１のＹ軸方向の配列周期が１０ｎｍ未満となると、製造技術上金属細線１１を配列することが困難となる。また、金属細線１１のＹ軸方向の配列周期が２００ｎｍを超えると、偏光分離機能が低下し、ワイヤーグリッド偏光素子として機能しなくなるおそれがある。
金属細線１１の長手方向における凸形状１２の幅と隣り合う２つの凸形状１２の間の距離とが、隣り合う金属細線１１どうしで一致している。具体的には、各金属細線１１に形成された凸形状１２は、金属細線１１の長手方向に直交する方向（Ｙ軸方向）から視て重なっている。
凸形状１２は、例えば周期Ｐ２が５００ｎｍ程度に設定され、高さＨ２が２５ｎｍ程度に設定されている。これら金属細線１１及び凸形状１２を、それぞれ上述した周期Ｐ１、Ｐ２及び高さＨ１、Ｈ２に設定することにより、ＳＰＲを発現させるための構造とすることができる。
なお、凸形状１２の高さＨ２とは、金属細線１１の上面１１ａから凸形状１２の上面１２ａまでの距離である。また、周期Ｐ２とは、Ｘ軸方向における凸形状１２の幅と、隣り合う凸形状１２の間の距離とを足し合わせたものである。
金属細線１１、凸形状１２の形成材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、もしくはこれらの合金が用いられる。本実施形態では、金属細線１１、凸形状１２の形成材料としてＡｌを用いる。
このように、基板１０の形成材料としてガラスを用い、金属細線１１、凸形状１２の形成材料としてＡｌを用いることにより、偏光素子１全体としての耐熱性を高めることができる。
ここで、図２を用いてＳＰＲについて説明する。図２は、ＳＰＲによる電場増強の機構を示す図である。図２に示すように、金属（誘電率Ｅｂ）と例えば空気等の誘電体（誘電率Ｅａ）と間の界面を考える。
金属内部には自由電子が存在しており、誘電体側から金属表面に光が入射すると、ある条件下で自由電子の疎密波（表面プラズモン）を励起することができる。この条件下では、金属表面に入射する光のエネルギーは表面プラズモンの励起に消費される。その結果、金属表面で反射する光のエネルギーは低下する。
空気中を伝播する光を平坦な金属表面に入射させた場合、表面プラズモンを励起することができない。これは、いずれの入射角であっても、入射光が持つ界面方向の波数が、表面プラズモンの波数以下となり、一致しないためである。表面プラズモンを励起するためには金属表面に回折格子を用いる手法が知られている。具体的には、回折格子に光を入射させた場合、発生するエバネッセント波の波数は、入射光の波数に、回折格子の波数が加わるため、表面プラズモンの波数以上にできるためである。なお、表面プラズモンは界面方向における電子の疎密波である。したがって、表面プラズモンを励起することができるのは、回折格子に対して直交する偏光成分のみである。
図３は、偏光素子１に入射する光の偏光分離を示す模式図である。図３（ａ）は、偏光素子１に金属細線１１の長手方向と直交する方向に振動する直線偏光ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）が入射する場合を示している。図３（ｂ）は、偏光素子１に金属細線１１の長手方向に振動する直線偏光ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）が入射する場合を示している。
図３（ａ）に示すように、偏光素子１への入射光２０は、各金属細線１１の長手方向（Ｘ軸方向）と直交する偏光軸を有する成分ｓ（ＴＭ偏光成分）を有している。すると、入射光２０の偏光軸ｓは共鳴格子に対して平行になる。具体的には、入射光２０の偏光軸ｓは、隣り合う金属細線１１どうしで凸形状が揃う方向（Ｙ軸方向）に対して平行になる。このため、上述した原理によりエバネッセント波が発生せず、表面プラズモンを励起することができない。
したがって、偏光素子１に直線偏光ＴＭが入射する場合は、表面プラズモン共鳴は発現しない。つまり、偏光素子１は、入射光２０に対して偏光分離機能のみがはたらく。このため、入射光２０のほとんどは偏光素子１を透過することになる。
図３（ｂ）に示すように、偏光素子１への入射光３０は、各金属細線１１の長手方向（Ｘ軸方向）と平行な偏光軸を有する成分ｐ（ＴＥ偏光成分）を有している。すると、入射光３０の偏光軸ｐは共鳴格子に対して直交する。具体的には、入射光３０の偏光軸ｐは、隣り合う金属細線１１どうしで凸形状が揃う方向（Ｙ軸方向）に対して直交する。このため、上述した原理により、表面プラズモン４０を励起することができる。
したがって、偏光素子１に直線偏光ＴＥが入射する場合は、表面プラズモン共鳴が発現する。このため、入射光３０のエネルギーは表面プラズモン４０の励起に費やされる。本来、偏光軸ｐを有する入射光３０に対して偏光分離機能がはたらき、入射光３０のほとんどは反射されるが、本発明の構造では表面プラズモン４０の励起のために入射光３０のエネルギーが消費される。これにより、反射光が減少することになる。つまり、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させることで、偏光素子１に入射する直線偏光ＴＥを選択的に吸収することができる。
本発明では、上述したように、基板１０の上面に金属細線１１を形成し、凸形状１２を金属細線１１の上面１１ａに金属細線１１の長手方向に光の波長よりも短い周期Ｐ２で形成することにより、ＳＰＲを発現させる構造になっている。これにより、特許文献１のように吸収層を設けることなく、直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することが可能になっている。
図４は、偏光素子の作製プロセスを示す図である。先ず、ガラス基板１００の上にＡｌ膜１１０を蒸着やスパッタ等の方法で形成する。次に、Ａｌ膜１１０の上にレジストをスピンコート等の方法で塗布し、２光束干渉露光等の方法でレジストパターン１２０を形成する（図４（ａ）参照）。このとき、レジストパターン１２０は周期Ｐａ（金属細線の周期に相当）が１４０ｎｍ程度になるように形成する。なお、レジストパターン１２０の形成方法としてはこれに限らない。例えば、ナノインプリント等の転写を用いることもできる。
次に、レジストパターン１２０をマスクとして、塩素系のガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行う。これによりＡｌ膜１１０をガラス基板１００の上面が露出するまで異方性エッチングする。その後、レジストパターン１２０を除去することにより金属細線１１１を形成する（図４（ｂ）参照）。
次に、金属細線１１１が形成されたガラス基板１００の上にレジスト１３０をスピンコート等の方法で塗布する（図４（ｃ）参照）。次に、２光束干渉露光等の方法により、周期Ｐｂ（凸形状の周期に相当）が５００ｎｍ程度のレジストパターン１３１を形成する（図４（ｄ）参照）。このとき、２光束干渉露光の干渉角を変化させ、さらに、基板鉛直方向を軸としてガラス基板１００を９０度回転させる。
次に、このレジストパターン１３１をマスクにして、ＲＩＥにより金属細線１１１の露出した部分を選択的にエッチングする。その後、レジストパターン１３１を除去することにより凸形状１１２を形成する（図４（ｅ）参照）。以上の工程により、本発明に係る偏光素子２が製造できる。
本発明の偏光素子１によれば、金属細線１１の上面に入射光の波長よりも短い周期Ｐ２で凸形状１２が配列された共鳴格子構造とすることにより、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させ、偏光素子１に入射する特定波長の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができる。具体的には、上述した共鳴格子構造に直線偏光ＴＥが入射すると、エバネッセント光が発生する。このエバネッセント光を用いると、この波数と表面プラズモンの波数とを一致させることができ、表面プラズモンを励起することができる。この表面プラズモンの励起のために入射光のエネルギーが消費されるので、光入射方向への反射を抑制することができる。したがって、不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することが可能な偏光素子１が提供できる。また、特許文献１のように吸収層を設ける必要がないので、素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能となる。
また、この構成よれば、金属細線１１の長手方向における凸形状１２の幅と隣り合う２つの凸形状１２の間の距離とが、隣り合う金属細線１１どうしで一致しているので、凸形状１２の周期性がランダムになっている場合よりもエバネッセント波が発生しやすくなる。これにより、表面プラズモンが励起されやすくなるので、入射光のエネルギーが消費され、光入射方向への反射を十分に抑制することができる。
また、この構成によれば、金属細線１１、凸形状１２が側面視矩形形状になっているため作製しやすい。具体的には、基板上に金属膜を形成し、レジストパターンをマスクにしてＲＩＥによる異方性エッチングを行うことで容易に作製できる。したがって、生産効率を向上させて低コスト化を図ることが可能となる。
本発明の偏光素子１によれば、凸形状１２は、金属細線１１の長手方向（Ｘ軸方向）に３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の周期Ｐ２で配列されているので、可視光によって表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させることができる。偏光素子に入射する可視光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、可視光用の偏光素子として利用することができる。また、金属細線１１が該金属細線１１の長手方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の周期Ｐ１で配列されているので、高い偏光分離機能を発現することができる。例えば、金属細線１１のＹ軸方向の配列周期Ｐ１が１０ｎｍ未満となると、製造技術上金属細線１１を配列することが困難となる。また、金属細線１１のＹ軸方向の配列周期Ｐ１が２００ｎｍを超えると、偏光分離機能が低下し、ワイヤーグリッド偏光素子として機能しなくなるおそれがある。
なお、本実施形態では、凸形状１２の高さＨ２が所定の高さ（２５ｎｍ程度）に設定されている構造を示したが、これに限らない。例えば、凸形状１２の高さＨ２が入射光の波長に応じて設定されていてもよい。
この構成によれば、入射光の波長によって、凸形状１２の高さＨ２の最適値が異なるので、この高さを等しくする、あるいは異ならせるという設計を適宜行うことにより、良好な光学特性を有する偏光素子１とすることができる。
また、本実施形態では、金属細線１１の幅とスペース（溝）の幅との比率が略１：１に設定されている構造を示したが、これに限らない。例えば、金属細線１１の幅とスペース（溝）の幅との比率が異なるように設定されていてもよい。
また、本実施形態では、金属細線１１の上面１１ａに凸形状１２が配列されている例を示したが、これに限らない。例えば、金属細線１１の側面など金属細線１１の少なくとも一面に凸形状１２が配列されていてもよい。このような構成であっても、表面プラズモンを励起することができる。
（プロジェクター）
図５は、本発明に係る偏光素子を備えたプロジェクターの一例を示す模式図である。
図５に示すように、プロジェクター８００は、光源８１０、ダイクロイックミラー８１３、８１４、反射ミラー８１５、８１６、８１７、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９、射出レンズ８２０、光変調部８２２、８２３、８２４、クロスダイクロイックプリズム８２５、投射レンズ８２６、を有している。
光源８１０は、メタルハライド等のランプ８１１とランプの光を反射するリフレクタ８１２とからなる。なお、光源８１０としては、メタルハライド以外にも超高圧水銀ランプ、フラッシュ水銀ランプ、高圧水銀ランプ、Ｄｅｅｐ ＵＶランプ、キセノンランプ、キセノンフラッシュランプ等を用いることも可能である。
ダイクロイックミラー８１３は、光源８１０からの白色光に含まれる赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー８１７で反射されて、赤色光用の光変調部８２２に入射される。また、ダイクロイックミラー８１３で反射された青色光と緑色光のうち、緑色光は、ダイクロイックミラー８１４によって反射され、緑色光用光変調部８２３に入射される。青色光は、ダイクロイックミラー８１４を透過し、長い光路による光損失を防ぐために設けられた入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９及び射出レンズ８２０を含むリレー光学系８２１を介して、青色光が光変調部８２４に入射される。
光変調部８２２〜８２４は、液晶ライトバルブ８３０を挟んで両側に、入射側偏光素子８４０と射出側偏光素子部８５０と、が配置されている。入射側偏光素子８４０と射出側偏光素子部８５０とは、互いの透過軸が直交して（クロスニコル配置）配置されている。
入射側偏光素子８４０は反射型の偏光素子であり、透過軸と直交する振動方向の光を反射させる。
一方、射出側偏光素子部８５０は、第１偏光素子（プリ偏光板、プリポラライザー）８５２と、第２偏光素子８５４と、を有している。第１偏光素子８５２には、耐熱性が高い、上述した本発明の偏光素子を用いる。また、第２偏光素子８５４は、有機材料を形成材料とする偏光素子である。射出側偏光素子部８５０は、いずれも吸収型の偏光素子であり、偏光素子８５２，８５４が協働して光を吸収している。
一般に、有機材料で形成される吸収型の偏光素子は、熱により劣化しやすいことから、高い輝度が必要な大出力のプロジェクターの偏光手段として用いる事が困難である。しかし、本発明のプロジェクター８００では、第２偏光素子８５４と液晶ライトバルブ８３０との間に、耐熱性の高い無機材料で形成された第１偏光素子８５２を配置しており、偏光素子８５２，８５４が協働して光を吸収している。そのため、有機材料で形成される第２偏光素子８５４の劣化が抑えられる。
また、各第１偏光素子８５２は、光変調部８２２〜８２４で変調する光を効率的に透過すべく、光変調部８２２〜８２４で変調する光の波長に対応して第１偏光素子８５２が有する金属細線の上面の凸形状の高さを変更している。したがって、効率的な光利用が可能となっている。
各光変調部８２２〜８２４により変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム８２５に入射する。このクロスダイクロイックプリズム８２５は４つの直角プリズムを貼り合わせたものであり、その界面には赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とがＸ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ８２６によってスクリーン８２７上に投射され、画像が拡大されて表示される。
以上のような構成のプロジェクター８００は、射出側偏光素子部８５０に、上述した本発明の偏光素子を用いることとしているため、高出力の光源を用いても偏光素子の劣化が抑えられる。そのため、階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、低コスト化を図ることが可能なプロジェクター８００を提供することができる。
本願発明者は、本発明に係る偏光素子の効果を確認するため、シミュレーション解析により評価を行った。シミュレーション解析は、時間領域差分法（ＦＤＴＤ ｍｅｔｈｏｄ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）による電磁界解析を用いて行った。
実施例としては本発明に係る偏光素子（図１参照）、比較例としては共鳴格子を形成していない構造（図１に示す偏光素子において凸形状を取り除いたもの）を用いた。比較した光学特性は、ＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、ＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）、ＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）である。
図６及び図７は評価結果を示すグラフである。
図６は、透過特性の比較結果、具体的にはＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、ＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）の比較結果を示している。また、図６（ａ）は比較例の結果、図６（ｂ）は実施例において共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を２５ｎｍにしたときの結果、図６（ｃ）は実施例において共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を５０ｎｍにしたときの結果を示している。
図７は、反射特性の比較結果、具体的にはＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）の比較結果を示している。また、図７（ａ）は比較例の結果、図７（ｂ）は実施例において共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を２５ｎｍにしたときの結果、図７（ｃ）は実施例において共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を５０ｎｍにしたときの結果を示している。
図６において、横軸は入射光の波長、縦軸（左側）はＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、縦軸（右側）はＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）である。
図７において、横軸は入射光の波長、縦軸はＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）である。
図６及び図７において、０ｔｈは入射光の０次光成分（光が偏光素子に入射する前後で光路差が０の場合）、１ｔｈは入射光の１次光成分（光が偏光素子に入射する前後で光路差が波長分ずれる場合）を示している。
比較例の透過特性において、Ｔｃには波長依存性が認められるものの、Ｔｐにはほとんど変化が認められない。また、Ｔｐは約８０％、Ｔｃは０．０４％以下であり、偏光分離していることがわかる（図６（ａ）参照）。
実施例の透過特性において、Ｔｐ、Ｔｃともに１次光成分が発生していることが確認される。この１次光成分は光透過率が非常に小さいため、偏光素子の光学特性に影響を与えるものではないと考えられる。また、Ｔｐの０次光成分は比較例の透過特性（図６（ａ）参照）と同様に、この帯域においてほとんど変化が認められない。一方、Ｔｃには大きい変化が認められる（図６（ｂ）、図６（ｃ）参照）。
比較例の反射特性において、Ｒｐ、Ｒｃともにこの帯域においてほぼ均一な値を示している。また、Ｒｃは約８５％、Ｒｐは１０％以下であり、ＴＥ光が選択的に反射されていることがわかる（図７（ａ）参照）。これにより、一般的な反射型の偏光素子がモデル化され、計算結果が得られていることが確認される。
実施例において共鳴格子の深さを２５ｎｍにしたときの反射特性において、Ｒｃには波長５２５ｎｍ付近で大きな反射率の低下が認められる（図７（ｂ）参照）。この反射率の低下は、表面プラズモンの励起に入射光のエネルギーが費やされたことにより生じたものと考えられる。
一方、実施例において共鳴格子の深さを５０ｎｍにしたときの反射特性において、Ｒｃには波長５６０ｎｍ付近で大きな反射率の低下が認められる（図７（ｃ）参照）。この反射率の低下についても、表面プラズモンの励起に入射光のエネルギーが費やされたことにより生じたものと考えられる。また、共鳴格子の深さを深くすることにより共鳴波長が長波長側にシフトすることがわかる。これにより、共鳴波長は、共鳴格子の深さによって変化するものと考えられる。
実施例における共鳴格子の深さを２５ｎｍにしたときの反射特性（反射率の低下ピーク波長５２５ｎｍ付近）と、共鳴格子の深さを５０ｎｍにしたときの反射特性（反射率の低下ピーク５６０ｎｍ付近）を比較すると、共鳴格子の深さを２５ｎｍだけ低くしたとき反射ピークが約１０％低下する（反射率が約１０％増加する）ことがわかる。これにより、凸形状の高さが１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトし、反射率の低下ピークが緩やかになることが推定される。つまり、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ未満となると、反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さＨ２が５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトする。
図８は、共鳴格子の深さを２５ｎｍとした偏光素子において、波長５１０ｎｍ、５２５ｎｍ、５４５ｎｍにおける電界強度分布を示す図である。また、図８（ａ）は波長が５１０ｎｍの場合、図８（ｂ）は波長が５２５ｎｍの場合、図８（ｃ）は波長が５４５ｎｍの場合について示している。なお、図８は図１に示す偏光素子において凸形状の中心を通るＸＺ平面での分布を示している。また、図８において、符号２０１はガラス基板、符号２０２は金属細線（Ａｌ）、符号２０３は凸形状である。
図８に示すように、波長５２５ｎｍの場合には、波長５１０ｎｍ、５４５ｎｍの場合と比べて、凸形状２０３の近傍に強い電界が局在していることがわかる。この結果により、実施例の反射特性（図７（ｂ）参照）において示された波長５２５ｎｍ付近におけるＲｃの急峻な減少は、表面プラズモンが励起されたことにより生じたものであると考えられる。また、波長５１０ｎｍの場合と波長５４５の場合とを比較すると、波長５４５の場合のほうが凸形状２０３の近傍に強い電界が局在しており、この結果は実施例の反射特性の関係（図７（ｂ）、図７（ｃ）参照）とも合っている。
このように、本発明に係る偏光素子によって、波長５２５ｎｍを中心として、Ｒｃが大幅に減少することがわかる。波長５２５ｎｍにおいてＴｐは高い透過率を維持していることから、特定の波長を有する光に対して吸収型の偏光素子が実現していることがわかる。
次に、表面プラズモンが励起される共鳴波長について考える。実施例の反射特性（図７（ｂ）参照）では、波長５２５ｎｍで最も強く共鳴し、表面プラズモンが励起されていることが推定される。この共鳴波長は以下により推定できる。
表面プラズモンの波数ｋｘは以下の式から求められる。
Figure 2011123474
式（１）において、ｗは表面プラズモンの角振動数、Ｃは光速、Ｅａは誘電体の誘電率、Ｅｂは金属の誘電率である。なお、誘電率は波長依存性を有しているため、ｗとｋｘとの間に線形な関係は得られない。
図９中符号Ｌ１で示された曲線は、Ａｌ平面と空気の界面に生じる表面プラズモンの分散曲線である。
共鳴格子が持つＸ方向の波数は２πｍ／Ｐ（ここで、Ｐは格子の周期、ｍは整数）で表される。垂直入射を考えると、入射光にＸ方向の波数は存在しない。しかしながら、周期Ｐの格子に入射することで、ｍ次のエバネッセント光は２πｍ／Ｐの波数を得ることができる。直線Ｌ２は、Ｐ＝５００ｎｍとしたときの波数である。これら表面プラズモンの分散曲線Ｌ１とエバネッセント波の波数直線Ｌ２とが交差する点において、表面プラズモンの波数と入射光の波数とが一致する。これにより、共鳴条件が成り立ち、表面プラズモンを励起することが可能となる。図３において、交差する点のｗから波長を計算すると５１２ｎｍとなる。したがって、波長５１２ｎｍの光によって表面プラズモンが励起される。
式（１）は平坦な基板表面に形成される表面プラズモンの波数を示しているが、実際には格子が存在するため、実効的な誘電率にはズレが生じていると考えられる。つまり、実施例の反射特性から得られる共鳴波長（５２５ｎｍ）は、推定された波長（５１２ｎｍ）からシフトした結果であると考えられる。したがって、共鳴格子の周期を推定するに当たり、これらの推定は有効である。
図１０〜図１３は、図６及び図７に対応した、凸形状の周期Ｐ２を変更したときの評価結果を示すグラフである。
図１０は、実施例において凸形状の周期Ｐ２を４００ｎｍに設定し、共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を２５ｎｍにしたときの透過特性の結果を示している。具体的にはＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、ＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）の結果を示している。
図１１は、実施例において凸形状の周期Ｐ２を４００ｎｍに設定し、共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を２５ｎｍにしたときの反射特性の結果を示している。具体的にはＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）の比較結果を示している。
図１２は、実施例において凸形状の周期Ｐ２を６００ｎｍに設定し、共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を２５ｎｍにしたときの透過特性の結果を示している。具体的にはＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、ＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）の結果を示している。
図１３は、実施例において凸形状の周期Ｐ２を６００ｎｍに設定し、共鳴格子の深さ（凸形状の高さ）を２５ｎｍにしたときの反射特性の結果を示している。具体的にはＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）の比較結果を示している。
図１０において、横軸は入射光の波長、縦軸（左側）はＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、縦軸（右側）はＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）である。
図１１において、横軸は入射光の波長、縦軸はＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）である。
図１２において、横軸は入射光の波長、縦軸（左側）はＴＭ光に対する光透過率（Ｔｐ）、縦軸（右側）はＴＥ光に対する光透過率（Ｔｃ）である。
図１３において、横軸は入射光の波長、縦軸はＴＭ光に対する反射率（Ｒｐ）、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）である。
図１０〜図１３において、０ｔｈは入射光の０次光成分（光が偏光素子に入射する前後で光路差が０の場合）、１ｔｈは入射光の１次光成分（光が偏光素子に入射する前後で光路差が波長分ずれる場合）を示している。
実施例（周期Ｐ２＝４００ｎｍ）の透過特性において、Ｔｐ、Ｔｃともに１次光成分が発生していることが確認される。この１次光成分は光透過率が非常に小さいため、偏光素子の光学特性に影響を与えるものではないと考えられる。また、Ｔｐの０次光成分は、この帯域においてゆるやかな変化が認められる。一方、Ｔｃには大きい変化が認められる（図１０参照）。
実施例（周期Ｐ２＝４００ｎｍ）の反射特性において、Ｒｃには波長４４０ｎｍ付近で大きな反射率の低下が認められる（図１１参照）。この反射率の低下は、表面プラズモンの励起に入射光のエネルギーが費やされたことにより生じたものと考えられる。
実施例（周期Ｐ２＝６００ｎｍ）の透過特性において、Ｔｐ、Ｔｃともに１次光成分が発生していることが確認される。この１次光成分は光透過率が非常に小さいため、偏光素子の光学特性に影響を与えるものではないと考えられる。また、Ｔｐの０次光成分は、比較例の透過特性（図６（ａ）参照）と同様に、この帯域においてほとんど変化が認められない。一方、Ｔｃには大きい変化が認められる（図１２参照）。
実施例（周期Ｐ２＝６００ｎｍ）の反射特性において、Ｒｃには波長６２５ｎｍ付近で大きな反射率の低下が認められる（図１３参照）。この反射率の低下は、表面プラズモンの励起に入射光のエネルギーが費やされたことにより生じたものと考えられる。
以上の結果から、共鳴格子の深さ（凸形状の高さＨ２）を２５ｎｍ一定にし、入射光の波長（凸形状の周期Ｐ２）を変えたときの反射率の低下ピークを見ると、凸形状の周期Ｐ２を４００ｎｍにしたときの反射率の低下ピークは波長４４０ｎｍ付近（図１１参照）、凸形状の周期Ｐ２を５００ｎｍにしたときの反射率の低下ピークは波長５２５ｎｍ付近（図７（ｂ）参照）、凸形状の周期Ｐ２を６００ｎｍにしたときの反射特性において反射率の低下ピークは波長６２５ｎｍ付近（図１３参照）、となっている。すなわち、凸形状の周期Ｐ２を大きくすることにより共鳴波長が長波長側にシフトすることがわかる。これにより、共鳴波長は、凸形状の周期Ｐ２によって変化するものと考えられる。
図１４は、プロジェクター光源のスペクトルを示す図である。図１４において、横軸は光の波長（ｎｍ）、縦軸は光の強度（エネルギー）である。
図１４から、Ｇ光の波長域は５００〜５７０ｎｍ、Ｂ光の波長域は４２０〜４９０ｎｍ、Ｒ光の波長域は６００〜７００ｎｍと仮定することができる。
一方、図７から、実施例（周期Ｐ２＝５００ｎｍ）の反射特性において、凸形状の周期Ｐ２（５００ｎｍ）と反射率が低下するピーク波長（５２５ｎｍ）との関係を見ると、ピーク波長＝凸形状の周期（Ｐ２）＋２５（ｎｍ）となることがわかる。
図１１から、実施例（周期Ｐ２＝４００ｎｍ）の反射特性において、凸形状の周期Ｐ２（４００ｎｍ）と反射率が低下するピーク波長（４４０ｎｍ）との関係を見ると、ピーク波長＝凸形状の周期（Ｐ２）＋４０（ｎｍ）となることがわかる。
図１３から、実施例（周期Ｐ２＝６００ｎｍ）の反射特性において、凸形状の周期Ｐ２（６００ｎｍ）と反射率が低下するピーク波長（６２５ｎｍ）との関係を見ると、ピーク波長＝凸形状の周期（Ｐ２）＋２５（ｎｍ）となることがわかる。
以上の点から、各色光に対応する凸形状の周期Ｐ２と各色光の波長域において反射率が低下するピーク波長との間には一定の関係があることがわかる。つまり、各色光の波長域から各色光に対応する凸形状の周期Ｐ２におけるピーク波長の差分を引くことにより、各色光に対応する凸形状の周期Ｐ２が求められる。
よって、Ｇ光に対応する凸形状の周期Ｐ２は、（５００−２５）〜（５７０−２５）ｎｍ、つまり、４７５ｎｍ以上５４５ｎｍ未満となる。
Ｂ光に対応する凸形状の周期Ｐ２は、（４２０−４０）〜（４９０−４０）ｎｍ、つまり、３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満となる。
Ｒ光に対応する凸形状の周期Ｐ２は、（６００−２５）〜（７００−２５）ｎｍ、つまり、５７５ｎｍ以上６７５ｎｍ未満となる。
したがって、凸形状の周期Ｐ２が４７５ｎｍ以上５４５ｎｍ未満に設定され、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されることにより、Ｇ光によって表面プラズモン共鳴を発現させることができる。偏光素子に入射するＧ光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、Ｇ光用の偏光素子として利用することができる。例えば、凸形状の周期Ｐ２が４７５ｎｍ未満となると、吸収波長のピークが低波長側にシフトし、Ｂ光の波長域に入る。また、凸形状の周期Ｐ２が５４５ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトし、Ｒ光の波長域に入る。他方、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトし反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さＨ２が５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側に大きくシフトし、吸収波長域が所望の波長からずれてしまう。
また、凸形状の周期Ｐ２が３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満に設定され、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されることにより、Ｂ光によって表面プラズモン共鳴を発現させることができる。偏光素子に入射するＢ光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、Ｂ光用の偏光素子として利用することができる。例えば、凸形状の周期Ｐ２が３８０ｎｍ未満となると、吸収波長のピークが低波長側にシフトし、紫外線の波長域に入る。また、凸形状の周期Ｐ２が４５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトし、Ｇ光の波長域に入る。他方、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトし反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さＨ２が５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側に大きくシフトし、吸収波長域が所望の波長からずれてしまう。
また、凸形状の周期Ｐ２が５７５ｎｍ以上６７５ｎｍ未満に設定され、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されているので、Ｒ光によって表面プラズモン共鳴を発現させることができる。偏光素子に入射するＲ光のうち特定の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるので、Ｒ光用の偏光素子として利用することができる。例えば、凸形状の周期Ｐ２が５７５ｎｍ未満となると、吸収波長のピークが低波長側にシフトし、Ｇ光の波長域に入る。また、凸形状の周期Ｐ２が６７５ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側にシフトし、赤外線の波長域に入る。他方、凸形状の高さＨ２が１０ｎｍ未満となると、反射率が増加する方向にシフトし反射率の低下ピークが緩やかになり、不要偏光を吸収しにくくなる。また、凸形状の高さＨ２が５０ｎｍを超えると、吸収波長のピークが長波長側に大きくシフトし、吸収波長域が所望の波長からずれてしまう。
さらに、凸形状の周期Ｐ２が入射光の波長λよりも短くなっているので、不要偏光を確実に吸収することができる。例えば、このような偏光素子をプロジェクターに用いた場合、コントラスト低下が生じることはない。
次に、凸形状の周期Ｐ２を入射光の波長よりも短くしたほうがよい理論付けについて考える。
凸形状が形成された金属細線に光が入射するとき、金属細線で反射された光の回折光（反射回折光）の角度は以下の式で表される。
Figure 2011123474
ここで、Ｓｉｎθは回折角度（光が入射する界面の法線からの角度）、ｍは回折次数（整数）、λは入射光の波長、Ｐ２は凸形状の周期である。例えば、入射光の波長λ＝５００ｎｍ、凸形状の周期Ｐ２＝５５０ｎｍ、回折次数ｍ＝１とすると、Ｓｉｎθ＜１となり、θ＝６５．４°の方向に反射回折光が生じることとなる。このような反射回折光は、迷光となる。例えば、このような偏光素子をプロジェクターに用いた場合、コントラスト低下が生じることが予想される。
一方、凸形状の周期Ｐ２を入射光の波長λよりも短くすると（λ＞Ｐ）、Ｓｉｎθ＞１となり、反射回折光は生じない。したがって、凸形状の周期Ｐ２を入射光の波長λよりも短くすることが、不要偏光を吸収するに当たり有効である。
１…偏光素子、１０…基板、１１…金属細線、１２…凸形状、１２ａ…凸形状の上面、８００…プロジェクター、８１０…光源（照明光学系）、８２６…投射レンズ（投射光学系）、８３０…液晶ライトバルブ、８５２…第１偏光素子（偏光素子）、Ｈ２…凸形状の高さ（金属細線から凸形状の上面までの距離）、Ｐ２…凸形状の周期

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板に設けられたストライプ状の金属細線と、
    前記金属細線に形成され該金属細線の長手方向に入射光の波長よりも短い周期で配列された金属からなる凸形状と、
    を有することを特徴とする偏光素子。
  2. 前記金属細線の長手方向における前記凸形状の幅と隣り合う２つの前記凸形状の間の距離とが、隣り合う前記金属細線どうしで一致していることを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
  3. 前記金属細線から前記凸形状の上面までの距離が、入射光の波長に応じて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光素子。
  4. 前記金属細線、前記凸形状が前記基板の面内に平行な方向から視て矩形形状になっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光素子。
  5. 光を射出する照明光学系と、
    前記光を変調する液晶ライトバルブと、
    前記液晶ライトバルブで変調された光が入射する請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光素子と、
    前記偏光素子を透過した偏光光を被投射面に投射する投射光学系と、
    を備えることを特徴とするプロジェクター。
  6. 前記照明光学系は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出し、
    前記液晶ライトバルブは、前記複数の色光の各々に対応して設けられ、
    前記偏光素子は、該偏光素子が有する金属細線の上面から凸形状の上面までの距離が、前記液晶ライトバルブで変調された色光に対応して異なっていることを特徴とする請求項５に記載のプロジェクター。
  7. ワイヤーグリッド型の偏光素子であって、
    基板と、
    前記基板に設けられた複数のストライプ状の金属細線と、
    前記金属細線に形成され該金属細線の長手方向に３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の周期で配列された金属からなる凸形状と、を有し、
    前記金属細線は、該金属細線の長手方向と直交する方向に１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の周期で配列されていることを特徴とする偏光素子。
  8. 前記凸形状は前記金属細線の長手方向に４７５ｎｍ以上５４５ｎｍ未満の周期で配列されており、前記凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の偏光素子。
  9. 前記凸形状は前記金属細線の長手方向に３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満の周期で配列されており、前記凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の偏光素子。
  10. 前記凸形状は前記金属細線の長手方向に５７５ｎｍ以上６７５ｎｍ未満の周期で配列されており、前記凸形状の高さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の偏光素子。
  11. 前記金属細線の長手方向における前記凸形状の幅と隣り合う２つの前記凸形状の間の距離とが、隣り合う前記金属細線どうしで一致していることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の偏光素子。
  12. 前記金属細線、前記凸形状が前記基板の面内に平行な方向から視て矩形形状になっていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の偏光素子。
  13. 光を射出する照明光学系と、
    前記光を変調する液晶ライトバルブと、
    前記液晶ライトバルブで変調された光が入射する請求項７〜１２のいずれか１項に記載の偏光素子と、
    前記偏光素子を透過した偏光光を被投射面に投射する投射光学系と、
    を備えることを特徴とするプロジェクター。
  14. 前記照明光学系は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出し、
    前記液晶ライトバルブは、前記複数の色光の各々に対応して設けられ、
    前記偏光素子は、該偏光素子が有する凸形状の高さが、前記液晶ライトバルブで変調された色光に対応して異なっていることを特徴とする請求項１３に記載のプロジェクター。
  15. 前記照明光学系は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出し、
    前記液晶ライトバルブは、前記複数の色光の各々に対応して設けられ、
    前記偏光素子は、該偏光素子が有する凸形状の周期が、前記液晶ライトバルブで変調された色光に対応して異なっていることを特徴とする請求項１３に記載のプロジェクター。
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