JPWO2013132813A1 - 光学素子、光学装置および表示装置 - Google Patents

光学素子、光学装置および表示装置 Download PDF

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Abstract

本発明の光学素子は、第１の誘電体層と、第２の誘電体層と、第１の誘電体層と第２の誘電体層との間に配置された第１の金属層とを有し、第１の誘電体層は、第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向において異なる屈折率を有することを特徴とする。

Description

本発明は、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する光学素子、光学装置および表示装置に関する。
近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を光源としたＬＥＤプロジェクタが注目されている。ＬＥＤプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤの出射光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。
上記のＬＥＤプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率よく投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角の積の値以下にする必要がある。
また、上記のＬＥＤプロジェクタでは、液晶パネルなどの偏光依存性を有する変調素子が使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換する必要がある。
ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術は、特許文献１に開示されている。
特許文献１に記載の平面照明装置は、図２６に示したように、導光体１０と、導光体１０の下面に設けられた偏光方向変更部材１３と、階段状のマイクロプリズム１４と、反射板６と、導光体１０の上面に設けられた偏光分離膜１１と、偏光分離膜１１の上面に設けられた上面カバー１２によって構成される導光板３を備える。また、偏光分離膜１１は、第１の低屈折率透明媒質と第２の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。
上記の平面照明装置では、ＬＥＤ２の出射光は、導光体１０に入射され、マイクロプリズム１４にて角度変換されながら導光体１０の内部を伝播する。導光体１０と第１の低屈折率透明媒質との境界である第１の境界において、入射光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって、金属薄膜に表面プラズモンが励起される。金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第２の低屈折率透明媒質と上面カバー１２との境界である第２の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の遷移過程が生じ、その第２の境界で光が発生する。第２の境界で発生した光は、上面カバー１２を介して出射される。
また、上記の平面照明装置では、第１の境界に入射される光のうち、表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第１の境界に平行なＰ偏光のみである。第２の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるので、表面プラズモンを励起する光と同じＰ偏光となる。したがって、上記の平面照明装置は、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換して出射できる。
特開２００３−２９５１８３号公報
特許文献１の平面照明装置では、導光体１０内を進行する光は、特定の方向だけではなく、様々な方向に伝播され、第１の境界面内に様々な方向から入射する。その結果、金属薄膜表面の面内において様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第２の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、エテンデューが低い状態であって、出射方向を特定の方向に既定した特定の偏光状態の光を得ることが難しいという課題があった。
本発明の目的は、ランダム偏光を、エテンデューが低い状態であって、出射方向を特定の方向に既定した特定の偏光状態に変換することが可能となる光学素子、光学装置および表示装置を提供することにある。
本発明の光学素子は、第１の誘電体層と、第２の誘電体層と、第１の誘電体層と第２の誘電体層との間に配置された第１の金属層とを有し、第１の誘電体層は、第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向において異なる屈折率を有する。
本発明によれば、ランダム偏光を、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態である特定の偏光状態に変換することが可能になる。
本発明の第１の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第６の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第６の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第７の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第７の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第７の実施形態の光学素子の動作を説明するための説明図である。 本発明の第８の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第９の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１０の実施形態の表示装置を模式的に示す上面図である。 本発明の第１１の実施形態の表示装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る実施例１のシミュレーション結果のグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る実施例２のシミュレーション結果のグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る実施例３のシミュレーション結果のグラフである。 本発明の第４の実施形態に係る実施例４のシミュレーション結果のグラフである。 本発明の第５の実施形態に係る実施例５のシミュレーション結果のグラフである。 本発明の第６の実施形態に係る実施例６のシミュレーション結果のグラフである。 本発明の第７の実施形態に係る実施例７のシミュレーション結果のグラフである。 特許文献１の平面照明装置の動作を説明する説明図である。
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
〔第１の実施形態〕図１は、本発明の第１の実施形態の光学素子１０１を模式的に示す斜視図である。なお、実際の光学素子では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
〔構造の説明〕図示しない光源は、光学素子１０１の外周部に配置され、光学素子１０１にランダム偏光を出射する。光源は、光学素子１０１から離れた位置に配置されてもよいし、光学素子１０１と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に光学素子１０１と接続されてもよい。
光学素子１０１は、導光層１０２と、低屈折率層１０３と、金属層１０４と、複屈折層１０５と、カバー層１０６を有する。
なお、導光層１０２、低屈折率層１０３、複屈折層１０５およびカバー層１０６が誘電体層に相当する。また、金属層１０４が金属層に相当する。例えば、導光層１０２は第６の誘電体層であり、低屈折率層１０３は第２の誘電体層であり、複屈折層１０５は第１の誘電体層であり、カバー層１０６は第５の誘電体層である。また、例えば、金属層１０４は第１の金属層である。
本発明の誘電体層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、本発明の実施形態の誘電体層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
本発明の実施形態の複屈折層は、少なくとも可視光に対して光学異方性を有する。さらに、本発明の実施形態の複屈折層のもつ光学異方性が、複屈折層に含まれる複屈折材料に起因する場合、複屈折層は少なくとも異なる２つの屈折率を有する。
本発明の実施形態の複屈折層が有する２つの屈折率の方向（第１の方向と第２の方向）は、積層方向であるｚ軸方向に平行ではなく、少なくともｚ軸方向に直交する面内方向であるｘ軸方向およびｙ軸方向に成分を有することとする。また、第１の方向と第２の方向は必ずしも直交しなくてもよく、ｘｙ面内で交差すればよい。なお、本発明においては、このような第１の方向と第２の方向の関係を略直交とよぶ。
本発明の金属層は、少なくとも可視光を透過しない材料からなり、金属層単層では、光を反射する。また、後述するように、本発明の実施形態の金属層は、可視光のエバネッセントによって、表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。
導光層１０２は、光源から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。導光層１０２は、例えば、可視光に対して、屈折率が２．５程度以上３．０程度以下の誘電体で形成される。例としては、ＴｉＯ2（酸化チタン）である。
なお、導光層１０２の屈折率は、２．２以上あればよく、好ましくは２．５程度以上３．０程度以下であればよい。導光層１０２の厚みは、目安として０．５ｍｍ程度であれば問題なく機能する。ただし、導光層１０２の厚みには、特に限定は加えない。なお、導光層１０２は、複屈折性を有してもよいし、複屈折性を有さなくてもよい。なお、導光層１０２の形状は、本実施形態では平板状としているが、実際には平板状に限定されるものではなく、楔形状や鋸波形状などでもよい。
なお、本発明の実施形態の光学素子の説明において示す屈折率の数値範囲は、後述する実施例のシミュレーションで用いるＲＣＷＡ法（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ法）によって効果が確認できた範囲である。
低屈折率層１０３は、導光層１０２やカバー層１０６の屈折率よりも小さい屈折率をもつ層である。低屈折率層１０３の屈折率は１．６〜２．１の範囲にあればよい。低屈折率層１０３は、例えば、可視光に対して屈折率が１．９程度の誘電体で形成される。例としては、Ｙ2Ｏ3（酸化イットリウム）である。なお、低屈折率層１０３の屈折率は１．９程度に限定するわけではない。より詳細には、後述する低屈折率層１０３に発生するエバネッセント１１２のエネルギーが金属層１０４に到達した際に、低屈折率層１０３と金属層１０４との界面に表面プラズモン１１３を励起する程度に、低屈折率層１０３の屈折率は１．９と異なってもよい。
低屈折率層１０３の厚みは５０ｎｍ程度であれば問題なく機能する。また、低屈折率層１０３の厚みは５０ｎｍ程度以上あってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層１０３に発生するエバネッセント１１２のエネルギーが金属層１０４に到達する程度であればよい。
金属層１０４は、可視光のエバネッセントによって表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。例としては、Ａｇ（銀）である。金属層１０４の厚みは、５０ｎｍ程度である。
なお、金属層１０４は、Ａｇに限定されず、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）でもよい。より詳細には、後述する低屈折率層１０３と金属層１０４との界面において表面プラズモン１１３を励起すればよい。また、金属層１０４は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕのいずれかを含むものであっても良い。
なお、金属層１０４の厚みは２００ｎｍ以下であればよく、さらに３０〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。より詳細には、後述する低屈折率層１０３と金属層１０４との界面で発生する表面プラズモン１１３のエネルギーが、金属層１０４と複屈折層１０５との界面に到達する程度に薄ければよい。また、後述する表面プラズモンを励起しないＳ偏光の光を遮断する程度に厚ければよい。
なお、本発明の実施形態の光学素子の説明において示す金属層（Ａｇ層）の厚みは、実施例のシミュレーションで用いるＲＣＷＡ法（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ法）によって効果が確認できた厚みである。
導光層１０２と、低屈折率層１０３と、金属層１０４とで、表面プラズモン励起手段をなす。第１の実施形態の表面プラズモン励起手段は、いわゆるオットー配置と呼ばれる構成である。第１の実施形態の表面プラズモン励起手段では、導光層１０２内を伝播する光が、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面で全反射する際に発生するエバネッセント１１２によって、低屈折率層１０３と金属層１０４との界面に表面プラズモン１１２を励起する。
また、複屈折層１０５は、光学異方性をもちさえすればよく、複屈折材料とそれ以外の材料が混合されていても良い。ただし、複屈折層１０５に光学異方性を持たせるために、複屈折層１０５は複屈折材料のみからなるのが望ましい。
一般に、複屈折材料などの光学異方性を含む非等方性の媒質中において、光は、その光の振動面の向きに応じて異なる速度で進行する。そのため、複屈折材料を含む媒質に入射した光は、２つの方向に屈折される。２つの方向に屈折された光は、光学軸と波面法線によってできる主断面に垂直に振動する通常光線と、平行に振動する異常光線に分かれる。通常光線は、ほぼ光軸上に出射されるのに対し、異常光線は、光軸からずれて出射される。複屈折の大きさは、通常光線と異常光線の位相差から検出でき、異常光線に対する屈折率ｎeと、通常光線に対する屈折率ｎoとの差が大きいほど大きくなる。
複屈折層１０５は、異なる２つの屈折率をもつ。複屈折層１０５は、例えば、可視光の通常光線に対しての屈折率ｎoが１．９程度であり、異常光線に対しての屈折率ｎeが２．２程度の誘電体で形成される。例としては、ＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）結晶である。複屈折層１０５の厚みは５０ｎｍ程度である。
なお、複屈折層１０５のｎoは、低屈折率層１０３の屈折率と同じである。このようにすることで、低屈折率層１０３と金属層１０４との間の誘電率関係と、複屈折層１０５の通常光線に対する誘電率と金属層１０４との間の誘電率関係とが一致する。このように誘電率関係が一致すると、低屈折率層１０３と金属層１０４との界面で発生した表面プラズモン１１３のエネルギーが、複屈折層１０５と金属層１０４との界面において、効率よく表面プラズモン１１４を発生させることができる。なお、複屈折層１０５のｎoと低屈折率層１０３の屈折率は完全に一致する必要はない。複屈折層１０５のｎoと低屈折率層１０３の屈折率は、表面プラズモン１１３のエネルギーによって、表面プラズモン１１４を発生させることができる程度に略等しければよい。
なお、複屈折層１０５のｎoは、低屈折率層１０３の屈折率と異なってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層１０３と金属層１０４との界面で発生した表面プラズモン１１３のエネルギーが、複屈折層１０５と金属層１０４との界面において、表面プラズモン１１４を発生させる程度に異なってもよい。
また、複屈折層１０５のｎeは、２．２に限定されず、異なってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層１０３と金属層１０４との界面で発生した表面プラズモン１１３のエネルギーが、複屈折層１０５と金属層１０４との界面において、表面プラズモンを発生させない程度に異なってもよい。
なお、複屈折層１０５の厚みは、５０ｎｍ程度以上あってもよい。より詳細には、後述する複屈折層１０５と金属層１０４との界面で発生した表面プラズモン１１４からエバネッセント１１５を介してカバー層１０６内に光１１６を発生させる程度に薄ければよい。
カバー層１０６は、可視光に対しての屈折率が２．２以上あればよく、好ましくは２．５以上３．０程度以下の誘電体で形成される。例としては、ＴｉＯ2（酸化チタン）である。なお、カバー層１０６は複屈折性を有してもよいし、複屈折性を有さなくてもよい。
なお、カバー層１０６の屈折率は、導光層１０２の屈折率と同じであることが望ましい。こうすることで、導光層１０２と低屈折率層１０３との間の屈折率関係と、カバー層１０６と複屈折層１０５の通常光線に対する屈折率との間の屈折率関係とが一致する。このように屈折率関係が一致すると、複屈折層１０５と金属層１０４との界面で発生した表面プラズモン１１４から効率良く光１１６を発生させることができる。ただし、カバー層１０６の屈折率は、導光層１０２の屈折率と全く一致するとは限定しない。カバー層１０６の屈折率と導光層１０２の屈折率は、表面プラズモン１１４から光１１６を発生させることができる程度に略等しければよい。
金属層１０４と複屈折層１０５とカバー層１０６とで、光発生手段をなす。光発生手段は、金属層１０４と複屈折層１０５との界面に発生する表面プラズモン１１４によって光１１６を発生させて取出す。
なお、低屈折率層、導光層、カバー層はいずれも、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3のいずれかを含むものであっても良い。
また、光学素子１０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
ＴｉＯ2の上に、スパッタ等の蒸着法やオプティカルボンディング等の接合法でＹ2Ｏ3、Ａｇ、ＹＶＯ4、ＴｉＯ2を形成する。ただし、第１の実施形態の光学素子１０１の製造方法は、蒸着法や接合法に限定されない。
図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示す光学素子１０１の動作を詳細に説明するための図である。
図２Ａは、光学素子１０１のｙ軸に直交する断面を示す。導光層１０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。なお、複屈折層１０５のｚｘ面内における屈折率はｎoである。
図２Ｂは、光学素子１０１のｘ軸に直交する断面を示す。導光層１０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示し、光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。なお、複屈折層１０５のｙｚ面内における屈折率はｎeである。
〔動作の説明〕次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。表面プラズモンの波数と角周波数の関係である分散関係は、界面の金属および誘電体の誘電率から決定される。表面プラズモンの分散関係が誘電体中を伝播する光の分散関係と一致する場合、すなわち、誘電体中の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなる場合、その光によって表面プラズモンが励起される。
しかしながら、金属と誘電体との界面のみの場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は通常一致しない。そのため、単に光を誘電体から金属に入射しただけでは表面プラズモンは励起されない。したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。
光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、ＡＴＲ法（全反射減衰法）が知られている。ここでＡＴＲ法について説明する。屈折率の高い領域を伝播する光は、屈折率の高い領域と屈折率の低い領域との界面で全反射し、屈折率の低い領域に、屈折率の高い領域と屈折率の低い領域との屈折率の大小関係に起因するエバネッセントを発生させる。また、その光は、エバネッセントと、屈折率の低い領域と金属との界面での表面プラズモンとの波数が一致すると、屈折率の低い領域と金属との界面に、屈折率の低い領域と金属との誘電率の関係に起因する表面プラズモンを励起する。
ここで、表面プラズモンは疎密波であることに起因して、表面プラズモンを励起可能な入射光は、電場の振動方向が、屈折率の高い領域と屈折率の低い領域との界面における入射面に平行なＰ偏光である。それに対し、電場の振動方向が、屈折率の高い領域と屈折率の低い領域との界面における入射面に垂直なＳ偏光の光は、屈折率の低い領域と金属との界面に表面プラズモンを励起せず、屈折率の高い領域と屈折率の低い領域との界面で全反射するか、または金属で遮断、反射される。
したがって、図２Ａの光Ａは、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント１１２を介して、低屈折率層１０３と金属層１０４との界面にｘ方向に伝播する表面プラズモン１１３を励起する。ここで、この遷移過程を順過程と呼ぶ。
低屈折率層１０３と金属層１０４との界面に生じた表面プラズモン１１３のエネルギーは、金属層１０４が充分に薄いために、金属層１０４と複屈折層１０５との界面に到達する。ここで、複屈折層１０５のｚｘ面内の屈折率はｎoで、かつ低屈折率層１０３の屈折率と同じである。そのため、導光層１０２と低屈折率層１０３と金属層１０４との間の誘電率の関係と、カバー層１０６と複屈折層１０５と金属層１０４との間の誘電率の関係が等しくなり、順過程の反対の逆過程が生じる。
すなわち、逆過程が生じることによって、表面プラズモン１１３と同じ波数をもった表面プラズモン１１４が、金属層１０４と複屈折層１０５との界面に生じ、エバネッセント１１５を介して、カバー層１０６に、光Ａと同じ偏光成分を有する光１１６を発生させる。
また、光Ｂは、Ｓ偏光であるので、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面に表面プラズモンを発生させず、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面で全反射するか、または低屈折率層１０３を透過して金属層１０４で反射される。
また、図２Ｂの光Ｃは、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント１２２を介して、低屈折率層１０３と金属層１０４との界面にｙ方向に伝播する表面プラズモン１２３を励起する。表面プラズモン１２３のエネルギーは、金属層１０４が充分に薄いために、金属層１０４と複屈折層１０５との界面に到達する。
ここで、複屈折層１０５のｙｚ面内の屈折率はｎeで、低屈折率層１０３の屈折率と異なるので、導光層１０２と低屈折率層１０３と金属層１０４との間の誘電率の関係と、カバー層１０６と複屈折層１０５と金属層１０４との間の誘電率の関係が異なる。そのため、表面プラズモン１２３の波数と、表面プラズモン１２４の波数とが一致せず、エネルギーの授受が行われない。
また、光Ｄは、Ｓ偏光であるので、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面に表面プラズモンを発生させず、導光層１０２と低屈折率層１０３との界面で全反射するか、または低屈折率層１０３を透過して金属層１０４で反射される。
〔作用・効果の説明〕以上のことから、導光層１０２内に存在する光のうち、光Ａだけが表面プラズモンを介してカバー層１０６から取出される。
すなわち、複屈折層１０５が存在することにより、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
なお、導光層１０２と、低屈折率層１０３と、金属層１０４と、複屈折層１０５と、カバー層１０６は所定の方向に向かって積層されていれば良く、導光層１０２に光が入射したときにカバー層１０６から光が出射される程度に重なって積層されていれば良い。
なお、ｚｘ方向以外に伝搬する光が導光層１０２と低屈折率層１０３との界面に様々な角度で入射した場合でも、その光をｚｘ平面に射影した射影光の入射角度が、表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の偏光成分を有する光を得ることができる。
その場合、まず、光Ａと同様に、ｘ方向に平行な偏光成分によって、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンが低屈折率層１０３と金属層１０４との界面に励起される。さらに、金属層１０４と複屈折層１０５との界面にエネルギーが到達して、カバー層１０６内に、ｘ方向に特定の偏光成分を有する光として取出される。
このように、第１の実施形態では、複屈折層１０５を用いることで、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光１１６が得られる。
〔第２の実施形態〕図３は、本発明の第２の実施形態の光学素子２０１を模式的に示す斜視図である。図３に示す光学素子２０１は、図１に示した第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、複屈折層１０５の代わりに低屈折率層２０５を、カバー層１０６の代わりに複屈折層２０６を備えている。
なお、導光層２０２、低屈折率層２０３、２０５および複屈折層２０６が誘電体層に相当する。また、金属層２０４が金属層に相当する。例えば、導光層２０２は第２の誘電体層であり、低屈折率層２０３は第４の誘電体層であり、低屈折率層２０５は第３の誘電体層であり、複屈折層２０６は第１の誘電体層である。また、例えば、金属層２０４は第１の金属層である。
導光層２０２は、第１の実施形態と同様の構成である。導光層２０２の屈折率は１．９以上あればよい。導光層２０２は、例えば、可視光に対して屈折率が２．２程度の誘電体で形成される。例としては、ＣｅＯ2（酸化セリウム）である。なお、導光層２０２の屈折率は２．２程度に限定するわけではない。
低屈折率層２０３は、第１の実施形態と同様の構成である。低屈折率層２０３の屈折率は１．５〜２．１の範囲にあればよい。例えば、可視光に対して屈折率が１．７程度の誘電体で形成される。低屈折率層２０３は、例としては、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）である。なお、低屈折率層２０３の屈折率は１．７程度に限定するわけではない。
低屈折率層２０３の厚みは５０ｎｍ程度であれば問題なく機能する。また、低屈折率層２０３の厚みは５０ｎｍ程度以上あってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層２０３に発生するエバネッセント２１２のエネルギーが金属層２０４に到達する程度であればよい。
低屈折率層２０５は、低屈折率層２０３と同じ材料や材質からなる。低屈折率層２０５と低屈折率層２０３の屈折率が一致すると、低屈折率層２０３と金属層２０４との間の誘電率関係と、低屈折率層２０５と金属層２０４との間の誘電率関係とが一致する。このように誘電率関係が一致すると、後述する金属層２０４と低屈折率層２０５との界面において、表面プラズモン２１４を効率良く励起することができる。なお、低屈折率層２０５の屈折率は、低屈折率層２０３の屈折率と同じであることが望ましいが、全く同じであるとは限定されない。低屈折率層２０５の屈折率と低屈折率層２０３の屈折率は、表面プラズモン２１４を励起することができる程度に略等しければよい。
低屈折率層２０５の厚みは５０ｎｍ程度であれば問題なく機能する。また、低屈折率層２０３の厚みは５０ｎｍ程度以上あってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層２０５と金属層２０４との界面で発生した表面プラズモン２１４からエバネッセント２１５を介して光２１６を発生させる程度であればよい。
複屈折層２０６は、異なる２つの屈折率をもつ。複屈折層２０６は、可視光の通常光線に対しての屈折率ｎoが１．９程度であり、異常光線に対しての屈折率ｎeが２．２程度の誘電体で形成される。例としては、ＹＶＯ4結晶を用いることができる。
なお、複屈折層２０６のｎoは、１．９に限定されず、異なってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層２０３と金属層２０４との界面で発生した表面プラズモン２１３のエネルギーが、低屈折率層２０５と金属層２０４との界面において、表面プラズモンを発生させない程度に異なってもよい。
なお、複屈折層２０６のｎeは、２．２に限定されず、異なってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層２０３と金属層２０４との界面で発生した表面プラズモン２１３のエネルギーが、低屈折率層２０５と金属層２０４との界面において、表面プラズモン２１４を発生させる程度に異なってもよい。
図４Ａ及び図４Ｂは、図３に示す光学素子２０１の動作を詳細に説明するための図である。
図４Ａは、光学素子２０１のｙ軸に直交する断面を示す。導光層２０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。なお、複屈折層２０６のｚｘ面内における屈折率はｎeである。
図４Ｂは、光学素子２０１のｘ軸に直交する断面を示す。導光層２０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示す。光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。なお、複屈折層２０６のｙｚ面内における屈折率はｎoである。
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
図４Ａの光Ｂと、図４Ｂの光Ｄの動作は第１の実施形態と同じであり、説明を省略する。
図４Ａの光Ａは、導光層２０２と低屈折率層２０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント２１２を介して、低屈折率層２０３と金属層２０４との界面にｘ方向に伝播する表面プラズモン２１３を励起する。ここで、この遷移過程を順過程と呼ぶ。なお、第２の実施形態の順過程は、第１の実施形態の順過程と同様の過程である。
表面プラズモン２１３のエネルギーは、金属層２０４が充分に薄いために、金属層２０４と低屈折率層２０５との界面に到達する。
ここで、複屈折層２０６のｚｘ面内の屈折率はｎeであり、導光層２０２の屈折率と同じである。そのため、導光層２０２と低屈折率層２０３と金属層２０４との間の誘電率の関係と、複屈折層２０６と低屈折率層２０５と金属層２０４との間の誘電率の関係が等しくなり、順過程の反対の逆過程が生じる。なお、第２の実施形態の逆過程は、第１の実施形態の逆過程と同様の過程である。
すなわち、逆過程が生じることによって、表面プラズモン２１３と同じ波数をもった表面プラズモン２１４が、金属層２０４と低屈折率層２０５との界面に生じ、エバネッセント２１５を介して、複屈折層２０６に、ｚｘ面内に伝播する光２１６を発生させる。
なお、複屈折層２０６のｎeと導光層２０２の屈折率は完全に一致する必要はない。複屈折層２０６のｎeと導光層２０２の屈折率は、表面プラズモン２１４がエバネッセント２１５を介して光２１６を発生させる程度に略等しければよい。
また、Ｂの光Ｃは、導光層２０２と低屈折率層２０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント２２２を介して、低屈折率層２０３と金属層２０４との界面にｙ方向に伝播する表面プラズモン２２３を励起する。低屈折率層２０３と金属層２０４との界面に生じた表面プラズモン２２３のエネルギーは、金属層２０４が充分に薄いために、金属層２０４と低屈折率層２０５との界面に到達する。
ここで、複屈折層２０６のｙｚ面内の屈折率はｎoで、導光層２０２の屈折率と異なる。そのため、導光層２０２と低屈折率層２０３と金属層２０４との間の誘電率の関係と、複屈折層２０６と低屈折率層２０５と金属層２０４との間の誘電率の関係が異なる。従って、低屈折率層２０５と金属層２０４との界面で発生した表面プラズモン２２４から、エバネッセントを介して光を発生させることができない。
すなわち、複屈折層２０６が存在することにより、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光として得ることができる。
このように、第２の実施形態では、第１の実施形態のカバー層１０６および複屈折層１０５を、それぞれ複屈折層２０６および低屈折率層２０５と置き換えたものの、第１の実施形態の同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光２１６が得られる。
〔第３の実施形態〕図５は、本発明の第３の実施形態の光学素子３０１を模式的に示す斜視図である。図５に示す光学素子３０１は、図１に示した第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、低屈折率層１０３の代わりに複屈折層３０３を備えている。
なお、導光層３０２、複屈折層３０３、３０５およびカバー層３０６が誘電体層に相当する。また、金属層３０４が金属層に相当する。例えば、導光層３０２は第６の誘電体層であり、複屈折層３０３は第２の誘電体層であり、複屈折層３０５は第１の誘電体層であり、カバー層３０６は第５の誘電体層である。また、例えば、金属層３０４は第１の金属層である。
複屈折層３０３、３０５は、異なる２つの屈折率をもつ。また、複屈折層３０３は、複屈折層３０５と同じ材料や材質からなる。なお、複屈折層３０３は、複屈折層３０５と異なってもよい。より詳細には、後述するｚｘ面内のＰ偏光の光Ａで複屈折層３０３と金属層３０４との界面に表面プラズモン３１３を励起し、ｙｚ面内のＰ偏光の光Ｃで複屈折層３０３と金属層３０４との界面に表面プラズモンを励起しない程度に異なってもよい。
図６Ａ及び図６Ｂは、図５に示す光学素子３０１の動作を詳細に説明するための図である。
図６Ａは、光学素子３０１のｙ軸に直交する断面を示す。導光層３０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。なお、複屈折層３０３、３０５のｚｘ面内における屈折率はｎoである。
図６Ｂは、光学素子３０１のｘ軸に直交する断面を示す。導光層３０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示す。光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。なお、複屈折層３０３、３０５のｙｚ面内における屈折率はｎeである。
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
図６Ａの光Ａ、光Ｂと、図６Ｂの光Ｄの動作は、第１の実施形態と同じであり、説明を省略する。また、図６Ａ及び図６Ｂ中のエバネッセント３１２、３１５および表面プラズモン３１３、３１４という記載については、本実施形態中では使用していない。
図６Ｂの光Ｃは、導光層３０２と複屈折層３０３との界面において全反射してエバネッセント３２２を発生させる際に、エバネッセント３２２の波数と、複屈折層３０３と金属層３０４との界面における表面プラズモンの波数とが一致しない。そのため、光Ｃは、表面プラズモンを励起せず、導光層３０２に戻るか、または複屈折層３０３を透過して金属層３０４で反射される。
すなわち、複屈折層３０３、３０５が存在することにより、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
また、第３の実施形態の光学素子３０１は、第１の実施形態の光学素子１０１に比べて、光取出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制することで、損失を低下させることができる。そのため、後述する位相変調手段や反射手段と組合せて用いる際に、光利用効率を上げることができる。
このように、第３の実施形態では、第１の実施形態における低屈折率層１０３を複屈折層３０３に置き換えたものの、第１の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光３１６が得られる。
〔第４の実施形態〕図７は、本発明の第４の実施形態の光学素子４０１を模式的に示す斜視図である。図７に示す光学素子４０１は、図３に示した第２の実施形態の光学素子２０１と比べると、導光層２０２の代わりに複屈折層４０２を備えている。
なお、複屈折層４０２、４０６、低屈折率層４０３、４０５が誘電体層に相当する。また、金属層４０４が金属層に相当する。例えば、複屈折層４０２は第２の誘電体層であり、低屈折率層４０３は第４の誘電体層であり、低屈折率層４０５は第３の誘電体層であり、複屈折層４０６は第１の誘電体層である。また、例えば、金属層４０４は第１の金属層である。
複屈折層４０２、４０６は、異なる２つの屈折率をもつ。また、複屈折層４０２は、複屈折層４０６と同じ材料や材質からなる。なお、複屈折層４０２は、複屈折層４０６と異なってもよい。より詳細には、後述するｚｘ面内のＰ偏光の光Ａで低屈折率層４０３と金属層４０４との界面に表面プラズモン４１３を励起し、ｙｚ面内のＰ偏光の光Ｃで低屈折率層４０３と金属層４０４との界面に表面プラズモンを励起しない程度に異なってもよい。
図８Ａ及び図８Ｂは、図７に示す光学素子４０１の動作を詳細に説明するための図である。
図８Ａは、光学素子４０１のｙ軸に直交する断面を示す。複屈折層４０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。なお、複屈折層４０２、４０６のｚｘ面内における屈折率はｎeである。
図８Ｂは、光学素子４０１のｘ軸に直交する断面を示す。複屈折層４０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示す。光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。なお、複屈折層４０２、４０６のｙｚ面内における屈折率はｎoである。
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
図８Ａの光Ａ、光Ｂと、図８Ｂの光Ｄの動作は、第２の実施形態と同じであり、説明を省略する。また、図８Ａ及び図８Ｂ中のエバネッセント４１２、４１５および表面プラズモン４１３、４１４という記載については、本実施形態中では使用していない。
図８Ｂの光Ｃは、複屈折層４０２と低屈折率層４０３との界面において全反射してエバネッセント４２２を発生させる際に、エバネッセント４２２の波数と、低屈折率層４０３と金属層４０４との界面における表面プラズモンの波数とが一致せず、表面プラズモンを励起しない。そのため、光Ｃは、複屈折層４０２に戻るか、または低屈折率層４０３を透過して金属層４０４で反射される。
すなわち、複屈折層４０２、４０６が存在することにより、ｘ方向に伝播する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を出射光として得ることができる。
また、第４の実施形態の光学素子４０１では、第２の実施形態の光学素子２０２に比べて、光取出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制することで、損失を低下させることができる。そのため、第３の実施形態と同様に、後述する位相変調手段や反射手段と組合せて用いる際に、光利用効率を上げることができる。
このように、第４の実施形態では、第２の実施形態における導光層２０２を複屈折４０２に置き換えたものの、第２の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光４１６が得られる。
〔第５の実施形態〕図９は、本発明の第５の実施形態の光学素子５０１を模式的に示す斜視図である。図９に示す第５の実施形態の光学素子には、第１〜４の実施形態の光学素子と異なり、金属からなる層が２つ含まれている。
図示しない光源は、光学素子５０１の外周部に配置され、光学素子５０１にランダム偏光を出射する。光源は、光学素子５０１から離れた位置に配置されてもよいし、光学素子５０１と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に光学素子５０１と接続されてもよい。
光学素子５０１は、導光層５０２と、金属層５０３と、低屈折率層５０４と、金属層５０５と、複屈折層５０６を有する。
なお、導光層５０２、低屈折率層５０４および複屈折層５０６が誘電体層に相当する。さらに、上記の誘電体層は、低屈折率層５０４と複屈折層５０６との間に、金属層５０５を含む。また、金属層５０３が金属層に相当する。例えば、導光層５０２は第２の誘電体層であり、低屈折率層５０４は第８の誘電体層であり、複屈折層５０６は第１の誘電体層である。また、例えば、金属層５０３は第３の金属層であり、金属層５０５は第１の金属層である。
導光層５０２は、第１の実施形態と同様の構成であり、光源から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。導光層５０２の屈折率は、２．１以上あればよい。導光層５０２は、例えば、可視光に対して、屈折率が２．２程度の誘電体で形成される。例としては、ＣｅＯ2である。なお、導光層５０２の屈折率は、２．２程度に限定するわけではない。導光層５０２は、複屈折性を有してもよいし、複屈折性を有さなくてもよい。なお、導光層５０２の形状は、本実施形態では平板状としているが、実際には平板状に限定されるものではなく、楔形状や鋸波形状などでもよい。
金属層５０３、５０５は、第１の実施形態と同様に、可視光のエバネッセントによって表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。例としてはＡｇ（銀）である。なお、金属層５０３、５０５は、Ａｇに限定されず、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）でもよい。より詳細には、後述する金属層５０３と低屈折率層５０４との界面において表面プラズモン５１３を励起すればよい。
金属層５０３の厚みは１００ｎｍ以下であればよく、より好ましくは１２．５〜５０ｎｍの範囲であればよい。また、金属層５０５の厚みは５０ｎｍ以下であればよく、より好ましくは２５ｎｍ以下であればよい。なお、金属層５０３、５０５の厚みは、２５ｎｍ程度であれば、本発明の実施形態の効果を得ることができる。より詳細には、後述する金属層５０３と低屈折率層５０４との界面で発生する表面プラズモン５１３のエネルギーが、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面に到達し、複屈折層５０６に光５１６を発生する程度に金属層５０３、５０５の厚みが薄ければよい。または、上述の光５１６が発生する程度に、金属層５０３と金属５０５の誘電率が近ければよい。
また、金属層５０３、５０５の厚みは、１０ｎｍ程度であってもよい。詳細には、後述する表面プラズモンを励起しないＳ偏光の光を遮断する程度に金属層５０３、５０５の厚みが厚くてもよい。または、上述のＳ偏光の光を遮断する程度に金属層５０３と金属層５０５の誘電率が異なってもよい。
また、金属層５０３と金属層５０５は異なってもよい。金属層５０３の誘電率と金属層５０５の誘電率は、後述するように、表面プラズモン５１３によって表面プラズモン５１４が励起される程度に略等しければよい。
低屈折率層５０４は、導光層５０２よりも小さい屈折率をもつ層である。低屈折率層５０４の屈折率は、１．６〜１．８の範囲にあればよい。低屈折率層５０４は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．７程度の誘電体で形成される。例としては、Ａｌ2Ｏ3である。なお、低屈折率層５０４の屈折率は１．７程度に限定するわけではない。より詳細には、後述する金属層５０３と低屈折率層５０４との界面において、エバネッセント５１３を介して表面プラズモンが励起される程度であればよい。
低屈折率層５０４の厚みは、５０ｎｍ程度であれば、本発明の実施形態の効果を得ることができる。なお、低屈折率層５０４の厚みは５０ｎｍ程度以上あってもよい。より詳細には、後述する金属層５０３と低屈折率層５０４との界面に発生する表面プラズモン５１３のエネルギーが、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面に到達する程度の厚みであればよい。
導光層５０２と、金属層５０３と、低屈折率層５０４とで、表面プラズモン励起手段をなす。第５の実施形態の表面プラズモン励起手段は、いわゆるクレッチマン配置と呼ばれる構成である。導光層５０２内を伝播する光が、導光層５０２と金属層５０３との界面で全反射する際に発生するエバネッセント５１２によって、金属層５０３と低屈折率層５０４との界面に表面プラズモン５１３を励起する。
複屈折層５０６は、異なる２つの屈折率をもつ。例えば、複屈折層５０６は、可視光の通常光線に対しての屈折率ｎoが１．９程度であり、異常光線に対しての屈折率ｎeが２．２程度の誘電体で形成される。例としては、ＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）結晶である。
なお、複屈折層５０６のｎoは、１．９程度に限定されず異なってもよい。より詳細には、後述する低屈折率層５０４と金属層５０５との界面で発生した表面プラズモン５１４のエネルギーが、複屈折層５０６内に光５１６を発生させる程度に異なってもよい。
なお、複屈折層５０６のｎeは、２．２に限定されず、異なってもよい。より詳細には、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面で発生した表面プラズモン５１４のエネルギーが、複屈折層５０６内に光を発生させない程度に異なってもよい。
低屈折率層５０４と金属層５０５と複屈折層５０６とで、光発生手段をなす。光発生手段は、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面に発生する表面プラズモン５１４によって光５１６を発生させて取出す。
また、光学素子５０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
ＣｅＯ2の上に、スパッタ等の蒸着法やオプティカルボンディング等の接合法でＡｇ、Ａｌ2Ｏ3、Ａｇ、ＹＶＯ4を形成する。ただし、第５の実施形態の光学素子５０１の製造方法は、蒸着法や接合法に限定されない。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、図９に示す光学素子５０１の動作を詳細に説明するための図である。
図１０Ａは、光学素子５０１のｙ軸に直交する断面を示す。導光層５０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。複屈折層５０６のｚｘ面内における屈折率はｎoである。
図１０Ｂは、光学素子５０１のｘ軸に直交する断面を示す。導光層５０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示す。光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。複屈折層５０６のｙｚ面内における屈折率はｎeである。
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
図１０Ａの光Ａは、導光層５０２と金属層５０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント５１２を介して、金属層５０３と低屈折率層５０４との界面において、ｘ方向に伝播する表面プラズモン５１３を励起する。ここで、この遷移過程を順過程と呼ぶ。
金属層５０３と低屈折率層５０４との界面に生じた表面プラズモン５１３のエネルギーは、低屈折率層５０４が充分に薄いために、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面に到達する。ここで、金属層５０３と金属層５０５は同じ材料なので、導光層５０２と金属層５０３と低屈折率層５０４との間の誘電率の関係と、複屈折層５０６と金属層５０５と低屈折率層５０４との間の誘電率の関係が等しくなり、順過程の反対の逆過程が生じる。
すなわち、逆過程が生じることによって、表面プラズモン５１３と同じ波数をもった表面プラズモン５１４が、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面に生じ、エバネッセント５１５を介して、複屈折層５０６に、ｚｘ面内に伝播する光５１６が発生する。
なお、複屈折層５０６のｎeと導光層５０２の屈折率は、完全に一致する必要はない。複屈折層５０６のｎeと導光層５０２の屈折率は、表面プラズモン５１３によって励起された表面プラズモン５１４がエバネッセント５１５を介して光５１６を発生させることができる程度に、略等しければよい。
また、光Ｂは、Ｓ偏光であるので、金属層５０３と低屈折率層５０４との界面に表面プラズモンを発生させず、金属層５０３で反射される。
また、図１０Ｂの光Ｃは、導光層５０２と金属層５０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント５２２を介して、金属層５０３と低屈折率層５０４との界面にｙ方向に伝播する表面プラズモン５２３を励起する。
表面プラズモン５２３のエネルギーは、低屈折率層５０４が充分に薄いために、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面に到達し、表面プラズモン５２４を励起する。
ここで、複屈折層５０６のｙｚ面内の屈折率はｎoで、導光層５０２の屈折率と異なるので、導光層５０２と金属層５０３と低屈折率層５０４との間の誘電率の関係と、複屈折層５０６と金属層５０５と低屈折率層５０４との間の誘電率の関係が異なる。そのため、表面プラズモン５２４から光を発生させることができない。
また、光Ｄは、Ｓ偏光であるので、導光層５０２と金属層５０３との界面に表面プラズモンを発生させず、金属層５０３で反射される。
以上のことから、導光層５０２内に存在する光のうち、光Ａだけが表面プラズモンを介して取出される。
すなわち、複屈折層５０６が存在することにより、ｘ方向に伝播する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
なお、ｚｘ方向以外に伝搬する光が導光層５０２と金属層５０３との界面に入射した場合でも、その光をｚｘ平面に射影した射影光の入射角度が表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の方向の偏光成分を有する光を得ることができる。その場合、まず、光Ａと同様に、ｘ方向に平行な偏光成分によって、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンが金属層５０３と低屈折率層５０４との界面に励起される。その結果、低屈折率層５０４と金属層５０５との界面にエネルギーが到達して、複屈折層５０６内に、ｘ方向に特定の偏光成分を有する光として取出される。
このように、第５の実施形態の光学素子５０１は、第１の実施形態の光学素子１０１とは異なり、２層の金属層からなるものの、第１の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光５１６が得られる。
〔第６の実施形態〕図１１は、本発明の第６の実施形態の光学素子６０１を模式的に示す斜視図である。図１１に示す光学素子６０１は、図９に示した第５の実施形態の光学素子５０１と比べると、低屈折率層５０４の代わりに複屈折層６０４を、複屈折層５０６の代わりにカバー層６０６を備えている。
なお、導光層６０２、複屈折層６０４およびカバー層６０６が誘電体層に相当する。さらに、上記の誘電体層は、複屈折層６０４とカバー層６０６の間に、金属層６０５を含む。また、金属層５０３が金属層に相当する。例えば、導光層６０２は第２の誘電体層であり、複屈折率層６０４は第１の誘電体層であり、カバー層６０６は第７の誘電体層である。また、例えば、金属層６０３は第１の金属層であり、金属層６０５は第２の金属層である。
複屈折層６０４は、異なる２つの屈折率をもつ。例えば、複屈折層６０４は、可視光の通常光線に対しての屈折率ｎoが１．９程度であり、異常光線に対しての屈折率ｎeが２．２程度の誘電体で形成される。例としては、ＹＶＯ4結晶である。
なお、複屈折層６０４のｎoは、１．９に限定されず、異なってもよい。より詳細には、後述する金属層６０３と複屈折層６０４との界面で発生した表面プラズモン６１３のエネルギーが、金属層６０５とカバー層６０４との界面において、表面プラズモン６１４を発生させる程度に異なってもよい。
また、複屈折層６０４のｎeは、２．２に限定されず、異なってもよい。より詳細には、後述する金属層６０３と複屈折層６０４との界面において、表面プラズモンを発生させない程度に異なってもよい。
なお、複屈折層６０４の厚みは５０ｎｍ程度以上あってもよい。より詳細には、後述する金属層６０３と複屈折層６０４との界面で発生した表面プラズモン６１３のエネルギーが、複屈折層６０４と金属層６０５との界面に到達する程度の厚みであればよい。
カバー層６０６は、導光層６０２と同じ材料や材質からなる。こうすることで、導光層６０２と複屈折層６０４との間の屈折率関係と、カバー層６０６と複屈折層６０４との間の屈折率関係とが一致する。そのため、複屈折層６０４と金属層６０５との界面で発生した表面プラズモン６１４から効率良く光６１６を発生させることができる。また、カバー層６０６の屈折率は、複屈折層６０４のｎoよりも大きい。なお、カバー層６０６の屈折率は、導光層６０２の屈折率と同じであると限定されないカバー層６０６の屈折率と導光層６０２の屈折率は、表面プラズモン６１４から光６１６を発生させることができる程度に略等しければよい。
導光層６０２およびカバー層６０６の屈折率は、２．６以上あればよい。
金属層６０３の厚みは、１００ｎｍ以下であればよく、より好ましくは１２．５〜５０ｎｍの範囲であればよい。また、金属層６０５の厚みは、５０ｎｍ以下であればよく、より好ましくは２５ｎｍ以下であればよい。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、図１１に示す光学素子６０１の動作を詳細に説明するための図である。
図１２Ａは、光学素子６０１のｙ軸に直交する断面を示す。導光層６０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。複屈折層６０４のｚｘ面内における屈折率はｎoである。
図１２Ｂは、光学素子６０１のｘ軸に直交する断面を示す。導光層６０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示す。光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。複屈折層６０４のｙｚ面内における屈折率はｎeである。
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
図１２Ａの光Ｂと図１２Ｂの光Ｄの動作は第５の実施形態と同じであり、説明を省略する。
図１２Ａの光Ａは、導光層６０２と金属層６０３との界面に対して特定の入射角の際に、エバネッセント６１２を介して、金属層６０３と複屈折層６０４との界面において、ｘ方向に伝播する表面プラズモン６１３を励起する。ここで、この遷移過程を順過程と呼ぶ。
表面プラズモン６１３のエネルギーは、複屈折層６０４が充分に薄いために、複屈折層６０４と金属層６０５との界面に到達する。ここで、導光層６０２の屈折率は、カバー層６０６の屈折率と同じなので、導光層６０２と金属層６０３と複屈折層６０４との間の誘電率の関係と、カバー層６０６と金属層６０５と複屈折層６０４との間の誘電率の関係が等しくなり、順過程の反対の逆過程が生じる。
すなわち、逆過程が生じることによって、表面プラズモン６１３と同じ波数をもった表面プラズモン６１４が、複屈折層６０４と金属層６０５との界面に生じ、エバネッセント６１５を介して、カバー層６０６に、光Ａと同じ偏光成分を有する光６１６を発生させる。
なお、金属層６０３の誘電率と金属層６０５の誘電率は、完全に一致する必要はない。金属層６０３の誘電率と金属層６０５の誘電率は、表面プラズモン６１３によって表面プラズモン６１４が励起される程度に略等しければよい。
また、図１２Ｂの光Ｃは、導光層６０２と金属層６０３との界面において全反射してエバネッセント６２２を発生させる際に、エバネッセント６２２の波数と、金属層６０３と複屈折層６０４との界面における表面プラズモンの波数とが一致せず、表面プラズモンを励起せず、金属層６０３で反射される。
また、第５の実施形態に比べて、光取出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制することで、損失を低下させることができ、後述する位相変調手段や反射手段と組合せて用いる際に、光利用効率を上げることができる。
すなわち、複屈折層６０４が存在することにより、ｘ方向に伝播する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
なお、導光層６０２とカバー層６０６は複屈折性を有するものであっても良い。
このように、第６の実施形態は、第５の実施形態の低屈折率層５０４および複屈折率層５０６を、それぞれカバー層６０６および複屈折層６０４と置き換えたものの、第５の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光６１６が得られる。
〔第７の実施形態〕図１３は、本発明の第７の実施形態の光学素子７０１を模式的に示す斜視図である。図１３に示す光学素子７０１は、図９に示した第５の実施形態の光学素子５０１と比べると、導光層５０２の代わりに複屈折層７０２を備えている。
なお、複屈折層７０２、７０６および低屈折層７０４が誘電体層に相当する。さらに、上記の誘電体層は、低屈折層７０４と複屈折層７０６との間に、金属層７０５を含む。また、金属層７０３が金属層に相当する。例えば、複屈折層７０２は第２の誘電体層であり、低屈折率層７０４は第８の誘電体層であり、複屈折層７０６は第１の誘電体層である。また、例えば、金属層７０３は第３の金属層であり、金属層７０５は第１の金属層である。
複屈折層７０２は、異なる２つの屈折率をもつ。また、複屈折層７０６と同じ材料や材質からなる。なお、複屈折層７０２は、複屈折層７０６と異なってもよい。より詳細には、後述するｚｘ面内のＰ偏光の光Ａで金属層７０３と低屈折率層７０４との界面に表面プラズモン７１３を励起し、ｙｚ面内のＰ偏光の光Ｃで金属層７０３と低屈折率層７０４との界面に表面プラズモンを励起しない程度に異なってもよい。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１３に示す光学素子７０１の動作を詳細に説明するための図である。
図１４Ａは、光学素子７０１のｙ軸に直交する断面を示す。複屈折層７０２内に存在する光のうち、光ＡはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に平行な光を示す。光ＢはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｚｘ面に直交する光を示す。複屈折層７０２、７０６のｚｘ面内における屈折率はｎeである。
図１４Ｂは、光学素子７０１のｘ軸に直交する断面を示す。複屈折層７０２内に存在する光のうち、光ＣはＰ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に平行な光を示す。光ＤはＳ偏光の光すなわち電場の振動方向がｙｚ面に直交する光を示す。複屈折層７０２、７０６のｙｚ面内における屈折率はｎoである。
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
図１４Ａの光Ａ、光Ｂと、図１４Ｂの光Ｄの動作は、第５の実施形態と同じであり、説明を省略する。また、図１４Ａ及び図１４Ｂ中のエバネッセント７１２、７１５および表面プラズモン７１４という記載については、本実施形態中では使用していない。
図１４Ｂの光Ｃは、複屈折層７０２と金属層７０３との界面において全反射してエバネッセント７２２を発生させる際に、エバネッセント７２２の波数と、金属層７０３と低屈折率層７０４との界面における表面プラズモンの波数とが一致せず、表面プラズモンを励起せず、金属層７０３で反射される。
また、第５の実施形態に比べて、光取出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制することで、損失を低下させることができ、後述する位相変調手段や反射手段と組合せて用いる際に、光利用効率を上げることができる。
すなわち、複屈折層７０２、７０６が存在することにより、ｘ方向に伝播する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
このように、第７の実施形態は、第５の実施形態の導光層５０２を、複屈折層７０２と置き換えたものの、第５の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光７１６が得られる。
以上、第１〜第７の実施形態の光学素子を用いることによって、ランダム偏光を、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態である特定方向の偏光成分を得ることができる。また、第３、第４、第６および第７の実施形態の光学素子においては、光取り出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制することができるため、さらに光利用効率を向上することができる。
以下の第８および第９の実施形態においては、第１〜第７の実施形態の光学素子を用いた光学装置について説明する。
〔第８の実施形態〕図１５は、本発明の第８の実施形態の光学装置８００を模式的に示す斜視図である。
光源８１０は、光学素子８０１の外周部に配置され、光学素子８０１にランダム偏光を出射する。
光源８１０は、光学素子８０１から離れた位置に配置されてもよいし、光学素子８０１と接触するように配置されてもよい。また、光源８１０は、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に光学素子８０１と接続されてもよい。
光学装置８００は、反射手段８０９と、位相変調層８０８と、光学素子８０１と、角度変換手段８０７とを有する。
反射手段８０９は、後述する位相変調層８０８から入射した光を、金属層と平行な面内において、入射角と反射角とが等しくならないように、反射する。例としては、反射手段８０９は、粒子が埋め込まれた拡散反射体であってもよく、鋸波形状であってもよい。
位相変調層８０８は、入射した光の位相状態を変調する。例としては、λ／４板である。
光学素子８０１は、第１〜第７の実施形態の光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１のいずれか一つを用いることができる。
光学装置は照明として用いられても良い。
角度変換手段８０７は、出射光の伝播角度を変換させる。すなわち、光の進行方向を変更する。例としては、回折格子、ホログラム、フォトニック結晶である。
位相変調層８０８と反射手段８０９は、光Ｂ、Ｃ、Ｄを偏光状態と伝播角度を変換して光学素子８０１に戻して再利用することで、光利用効率を上げることができる。
角度変換手段８０７は、＋ｘ方向に伝播する表面プラズモンに起因する＋ｘ方向の偏光成分を有する光と、−ｘ方向に伝播する表面プラズモンに起因する−ｘ方向の偏光成分を有する光とを、伝播角度を変換して同じ方向にそろえることができる。
第８の実施形態の光学装置８００においては、光源から出射されたランダム偏光を、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態である特定の偏光状態に変換することができる。また、角度変換手段８０７によって、出射光の伝播方向をそろえることができるため、エテンデューをさらに低減することができる。さらに、位相変調層８０８や反射手段８０９が備えられているため、光利用効率を向上することができる。
〔第９の実施形態〕図１６は、本発明の第９の実施形態の光学装置９００を模式的に示す斜視図である。
図１６に示す光学装置９００は、図１５に示した光学装置８００の構成に加えて、光源９１０から光が入射される入射領域である入射口９２０と、光の出射面である上面および反射手段８０９が設けられた下面を除いた外壁面（つまり、光学素子８００の側面）とに反射手段９０９を追加したものである。
反射手段９０９は、光学素子９０１の側面から光が出射されることを抑制することができるので、図１５に示した光学装置８００と比べて光利用効率を上げることができる。
なお、反射手段９０９は、入射口９２０を除いた側面の全てに設けられていたが、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。また、反射手段部９０９は、光を拡散反射する拡散反射体であってもよいし、鋸形状であってもよい。
第９の実施形態の光学装置９００を用いることによって、第８の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第９の実施形態では、反射手段が外壁面などにも設けられているため、側面から光が漏れることが抑制できる。そのため、第８の実施形態よりも光利用効率が向上する。
以上第８および第９の実施形態において、光源は、一つに限定されず、複数配置されてもよく、複数の光源がそれぞれ異なる波長の光を出射してもよい。より詳細には、複数の光源の波長が、金属表面において表面プラズモンを励起する程度に異なってもよい。
以下の第１０および第１１の実施形態においては、第８および第９の実施形態の光学素子を用いた表示装置について説明する。
〔第１０の実施形態〕本実施形態では、第８、９の実施形態で説明した光学装置８００、９００のいずれかを備えた表示装置であるプロジェクタ１０１１について説明する。
図１７は、本実施形態の表示装置の構成の一例を示す配置図である。図１７において、投射型画像表示装置であるプロジェクタ１０１１は、光源１０１２ａ、１０１２ｂおよび１０１２ｃと、光学素子１０１３ａ、１０１３ｂおよび１０１３ｃと、液晶パネル１０１４ａ、１０１４ｂおよび１０１４ｃと、クロスダイクロイックプリズム１０１５と、投射光学系１０１６とを備える。
光源１０１２ａと光学素子１０１３ａ、光源１０１２ｂと光学素子１０１３ｂ、光源１０１２ｃと光学素子１０１３ｃが光学装置８００または９００を構成する。
光源１０１２ａ、１０１２ｂおよび１０１２ｃのそれぞれは、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光源１０１２ａから赤色光が出射され、光源１０１２ｂから緑色光が出射され、光源１０１２ｃから青色光が出射されるものとする。
光学素子１０１３ａ、１０１３ｂおよび１０１３ｃのそれぞれは、第８、９の実施形態で説明した光学装置８００、９００の光源を除いたものであり、各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル１０１４ａ、１０１４ｂおよび１０１４ｃのそれぞれに導く。
液晶パネル１０１４ａ、１０１４ｂおよび１０１４ｃは、入射された各色光を映像信号に応じて２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を出射する空間光変調素子である。なお、ここでは空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、空間光変調素子はデジタルマイクロミラーデバイスであっても良い。
クロスダイクロイックプリズム１０１５は、液晶パネル１０１４ａ、１０１４ｂおよび１０１４ｃのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
投射光学系１０１６は、クロスダイクロイックプリズム１０１５から出射された合成光をスクリーン１０１７に投射して、スクリーン１０１７上に映像信号に応じた画像を表示する。
第１０の実施形態のプロジェクタ１０１１においては、光源から出射されたランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際に、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態に変換するため、光利用効率を向上することができる。
〔第１１の実施形態〕図１８は、第１０の実施形態の表示装置の構成の別の例を示す配置図である。図１８において、プロジェクタ１１１１は、光源１１１２ａ、１１１２ｂおよび１１１２ｃと、光学素子１１１３と、液晶パネル１１１４と、投射光学系１１１６とを有する。
光学素子１１１３は、第１０の実施形態で説明した光学素子１０１３ａ、１０１３ｂないし１０１３ｃと同じ構成を有する。したがって、光源１１１２ａ、１１１２ｂ、１１１１ｃおよび光学素子１１１３は、第１０の実施形態で説明した光学装置８００または９００における光源が３つの場合と同じ構成を有する光学装置となる。
液晶パネル１１１４は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する光変調素子である。
投射光学系１１１６は、液晶パネル１１１４から出射された変調光をスクリーン１１１７に投射して、スクリーン１１１７上に映像信号に応じた映像を表示する。
なお、第１１の実施形態では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図１８で示したプロジェクタでは、液晶パネル１１１４の代わりに、デジタルマイクロミラーデバイスを用いてもよい。
第１１の実施形態のプロジェクタ１１１１においては、第１０の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１０の実施形態と比較すると、光学装置を一つにすることができるため、より構成が簡単となる。そのため、プロジェクタをさらに小型化することが可能となる。
また、第１０または第１１の実施形態の表示装置の変形例として、以下のような構成をしてもよい。例えば、表示装置の面を、＋ｘ方向などの特定の方向の偏光成分に対してほぼ垂直になるように構成する。このようにすると、ミラーやレンズなどの光学系を用いなくても投射光学系に効率よく集光することができるため、光学系を省略できる。以上の変形例は、本発明の適用可能性を示すのみであり、本発明に限定を加えるものではない。
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。以下に、本発明の実施形態に係る実施例をあげる。なお、以下の実施例は一例であり、本発明の限定するものではない。
〔実施例１〕第１の実施形態の動作による効果を、シミュレーションによって確認した（実施例１）。なお、本シミュレーションは、第１の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
実施例１の光学素子の構成要素については、図１、図２Ａおよび図２Ｂの符号を参照する。図１９は、第１の実施形態の光学素子１０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
実施例１のシミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法を用いた。なお、厳密結合波解析法は、ＲＣＷＡ法ともよばれる。また、図１９の横軸は、導光層１０１から低屈折率層１０２への入射角であり、縦軸は、カバー層１０６への光の透過率である。
実施例１のシミュレーションにおいて、導光層１０２およびカバー層１０６は、屈折率が２．５のＴｉＯ2（アナタース）とした。また、低屈折率層１０３は、屈折率が１．９のＹ2Ｏ3で厚みを５０ｎｍとした。金属層１０４は、Ａｇで厚みを５０ｎｍとした。複屈折層１０５はＹＶＯ4（ｎo＝１．９、ｎe＝２．２）で厚みを５０ｎｍとした。
図１９において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約２３．２ｄｅｇであるため、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の半値全幅（約４５ｄｅｇ）に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が２倍以上大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は５５％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
このように、実施例１では、複屈折層１０５を用いることで、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られることを確認できた。
〔実施例２〕第２の実施形態の動作による効果を、シミュレーションによって確認した（実施例２）。なお、本シミュレーションは第２の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
実施例２の光学素子の構成要素については、図３、図４Ａおよび図４Ｂの符号を参照する。図２０は、第２の実施形態の光学素子２０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
シミュレーションには、実施例１と同様に、２次元のＲＷＣＡ法を用いた。なお、図２０の横軸は、導光層２０２から低屈折率層２０３への入射角であり、縦軸は、複屈折層２０６への光の透過率である。
実施例２のシミュレーションにおいて、導光層２０２は、屈折率が２．２のＣｅＯ2とした。また、低屈折率層２０３および２０５は、屈折率が１．７のＡｌ2Ｏ3で厚みを５０ｎｍとした。また、金属層２０４は、Ａｇで厚みを５０ｎｍとした。また、複屈折層２０６はＹＶＯ4（ｎe＝２．２、ｎo＝１．９）とした。
図２０において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約２５．７ｄｅｇであるため、ＬＥＤに比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が３倍程度大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は６２％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
このように、実施例２では、複屈折層２０６を用いることで、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られることを確認できた。
〔実施例３〕第３の実施形態の動作による効果を、シミュレーションによって確認した（実施例３）。なお、本シミュレーションは第３の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
実施例３の光学素子の構成要素については、図５、図６Ａおよび図６Ｂの符号を参照する。図２１は、第３の実施形態の光学素子３０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
シミュレーションには、実施例３と同様に、２次元のＲＷＣＡ法を用いた。なお、図２１の横軸は、導光層３０２から複屈折層３０３への入射角であり、縦軸は、カバー層３０６への光の透過率である。
実施例３のシミュレーションにおいて、導光層３０２およびカバー層３０６は、屈折率が２．５のＴｉＯ2（アナタース）とした。複屈折層３０３および３０５は、ＹＶＯ4（ｎo＝１．９、ｎe＝２．２）で厚みを５０ｎｍとした。また、金属層３０４は、Ａｇで厚みを５０ｎｍとした。
図２１において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約２３．２ｄｅｇであるため、ＬＥＤに比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が５倍以上大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は５５％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。さらに、実施例１および２と比較すると、ｙｚ面内のＰ偏光成分には明確なピークが見られないことから、光取出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制できていることが確認できる。
このように、実施例３では、実施例１における低屈折率層１０３を複屈折層３０３に置き換えたものの、実施例１と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られることを確認できた。
〔実施例４〕第４の実施形態の動作による効果を、シミュレーションによって確認した（実施例４）。なお、本シミュレーションは第４の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
実施例４の光学素子の構成要素については、図７、図８Ａおよび図８Ｂの符号を参照する。図２２は、実施例４の光学素子４０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
シミュレーションには、実施例１と同様に、２次元のＲＣＷＡ法を用いた。なお、図２２の横軸は、複屈折層４０２から低屈折率層４０３への入射角であり、縦軸は、複屈折層４０６への光の透過率である。
実施例４のシミュレーションにおいて、複屈折層４０２および４０６は、ＹＶＯ4（ｎe＝２．２、ｎo＝１．９）とした。また、低屈折率層４０３および４０５は、屈折率が１．７のＡｌ2Ｏ3で厚みを５０ｎｍとした。金属層４０４は、Ａｇで厚みを５０ｎｍとした。
図２２において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約２５．７ｄｅｇであるため、ＬＥＤに比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が３倍以上大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は６２％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。さらに、第３の実施形態と同様に、ｙｚ面内のＰ偏光成分には明確なピークが見られないことから、光取出しに寄与しない表面プラズモンの励起を抑制できていることが確認できる。
このように、実施例４では、実施例２における導光層２０２を複屈折４０２に置き換えたものの、実施例２と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られることを確認できた。
〔実施例５〕第５の実施形態の動作による効果を、シミュレーションによって確認した（実施例５）。なお、本シミュレーションは第５の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
実施例５の光学素子の構成要素については、図９、図１０Ａおよび図１０Ｂの符号を参照する。図２３は、実施例の光学素子５０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
シミュレーションには、実施例１と同様に、２次元のＲＣＷＡ法を用いた。なお、図２３の横軸は、導光層５０２から金属層５０３への入射角であり、縦軸は、複屈折層５０６への光の透過率である。
実施例５のシミュレーションにおいて、導光層５０２は、屈折率が２．２のＣｅＯ2とした。また、金属層５０３はＡｇで厚みを２５ｎｍとし、金属層５０５はＡｇで厚みを１２．５ｎｍとした。また、低屈折率層５０４は、屈折率が１．７のＡｌ2Ｏ3で厚みを５０ｎｍとした。また、複屈折層５０６は、ＹＶＯ4（ｎe＝２．２、ｎo＝１．９）とした。
図２３において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約３９．７ｄｅｇであるため、ＬＥＤに比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が２倍程度大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は６０％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
このように、実施例５の光学素子５０１は、実施例１の光学素子１０１とは異なり、２層の金属層からなるものの、実施例１と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られることを確認できた。
〔実施例６〕第３の実施形態の動作による効果を、シミュレーションによって確認した（実施例６）。なお、本シミュレーションは第６の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
実施例６の光学素子の構成要素については、図１１、図１２Ａおよび図１２Ｂの符号を参照する。図２４は、実施例６の光学素子６０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
シミュレーションには、実施例１と同様に、２次元のＲＣＷＡ法を用いた。なお、図２４の横軸は、導光層６０２から金属層６０３への入射角であり、縦軸は、カバー層６０６への光の透過率である。
実施例６のシミュレーションにおいて、導光層６０２およびカバー層６０６は、屈折率が２．７のＴｉＯ2（ルチル）とした。また、金属層６０３はＡｇで厚みを２５ｎｍとし、金属層６０５はＡｇで厚みを１２．５ｎｍとした。また、複屈折層６０４は、ＹＶＯ4（ｎo＝１．９、ｎe＝２．２）で厚みを５０ｎｍとした。
図２４において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約３５．６ｄｅｇであるため、ＬＥＤに比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が１．７倍程度大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は５９％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
このように、実施例６の光学素子６０１は、実施例５の低屈折率層５０４および複屈折率層５０６を、それぞれカバー層６０６および複屈折層６０４と置き換えたものの、実施例５と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られることを確認できた。
〔実施例７〕以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図２５は、第７の実施形態の光学素子７０１の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは第７の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
シミュレーションには、第１の実施形態と同様に、２次元のＲＣＷＡ法を用いた。なお、図２５の横軸は、複屈折層７０２から金属層７０３への入射角であり、縦軸は、複屈折層７０６への光の透過率である。
第７の実施形態のシミュレーションにおいて、複屈折層７０２、７０６は、ＹＶＯ4（ｎe＝２．２、ｎo＝１．９）とした。また、金属層７０３はＡｇで厚みを２５ｎｍとし、金属層７０５はＡｇで厚みを１２．５ｎｍとした。また、低屈折率層７０４は、屈折率が１．７のＡｌ2Ｏ3で厚みを５０ｎｍとした。
図２５において、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率の半値全幅は約３９．７ｄｅｇであるため、ＬＥＤに比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の透過率のピーク値をｚｘ面内とｙｚ面内とで比較すると、ｚｘ面内の透過率の方が２倍以上大きいため、伝播方向が特定方向に既定された光が得られることを確認できる。また、ｚｘ面内のＰ偏光成分の透過率のピーク値は６０％であるのに対し、同じ入射角におけるＳ偏光成分の透過率は無視できるほど小さいため、高い偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
このように、実施例７のシミュレーションより、第７の実施形態では、第５の実施形態の導光層５０２を、複屈折層７０２と置き換えたものの、第５の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光７１６が得られることが確認できた。
以上、実施例１〜７のシミュレーションより、第１〜第７の実施形態の光学素子を用いることによって、ランダム偏光を、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態である特定方向の偏光成分を得ることができることが確認できた。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）第１の誘電体層と、第２の誘電体層と、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に配置された第１の金属層とを有し、前記第１の誘電体層は、第１の方向と、前記第１の方向と交差する第２の方向において異なる屈折率を有する光学素子。
（付記２）前記第１の誘電体層は、複屈折材料を含む付記１に記載の光学素子。
（付記３）前記複屈折材料はＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）結晶からなる付記２に記載の光学素子。
（付記４）前記第１の方向及び前記第２の方向は、前記第１の誘電体層、前記第１の金属層及び前記第２の誘電体層が積層された積層方向とは異なる付記１から３のいずれかに記載の光学素子。
（付記５）前記第２の方向は、前記第１の方向と略直交する方向である付記１から４のいずれかに記載の光学素子。
（付記６）前記第１の誘電体層と前記第１の金属層との間に配置された第３の誘電体層を有する付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
（付記７）前記第１の誘電体層の屈折率が、前記第３の誘電体層の屈折率よりも大きい付記６に記載の光学素子。
（付記８）前記第２の誘電体層と前記第１の金属層との間に配置された第４の誘電体層を有する付記６または７に記載の光学素子。
（付記９）前記第２の誘電体層の屈折率が、前記第４の誘電体層の屈折率よりも大きい付記８に記載の光学素子。
（付記１０）前記第３の誘電体層の屈折率と前記第４の誘電体層の屈折率とが略等しい付記８または９に記載の光学素子。
（付記１１）前記第２の誘電体層は、前記第１の誘電体層が有するいずれかの屈折率と略等しい屈折率を含む付記６から１０のいずれかに記載の光学素子。
（付記１２）第５の誘電体層を有し、前記第５の誘電体層は、前記第５の誘電体層と前記第１の金属層との間に前記第１の誘電体層が位置するように配置されている付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
（付記１３）前記第５の誘電体層の屈折率が、前記第１の誘電体層の屈折率よりも大きい付記１２に記載の光学素子。
（付記１４）第６の誘電体層を有し、前記第６の誘電体層は、前記第６の誘電体層と前記第１の金属層との間に前記第２の誘電体層が位置するように配置されている付記１２または１３に記載の光学素子。
（付記１５）前記第６の誘電体層の屈折率が前記第２の誘電体層の屈折率よりも大きい付記１４に記載の光学素子。
（付記１６）前記第５の誘電体層の屈折率と前記第６の誘電体層の屈折率とが略等しい付記１４または１５に記載の光学素子。
（付記１７）前記第２の誘電体層は、前記第１の誘電体層が有するいずれかの屈折率と略等しい屈折率を含む付記１２から１６のいずれかに記載の光学素子。
（付記１８）第２の金属層を有し、前記第２の金属層は、前記第２の金属層と前記第１の金属層との間に前記第１の誘電体層が位置するように配置されている付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
（付記１９）前記第２の誘電体層の屈折率が、前記第１の誘電体層の屈折率よりも大きい付記１８に記載の光学素子。
（付記２０）第７の誘電体層を有し、前記第７の誘電体層は、前記第７の誘電体層と前記第１の誘電体層との間に前記第２の金属層が位置するように配置されている付記１８または１９に記載の光学素子。
（付記２１）前記第７の誘電体層の屈折率が、前記第１の誘電体層の屈折率よりも大きい付記２０に記載の光学素子。
（付記２２）前記第２の誘電体層は、前記第７の誘電体層の屈折率と略等しい屈折率を含む付記２０または２１に記載の光学素子。
（付記２３）前記第１の金属層の誘電率と前記第２の金属層の誘電率とが略等しい付記１８から２２のいずれかに記載の光学素子。
（付記２４）前記第１の金属層と前記第２の誘電体層との間に配置された第３の金属層と、前記第１の金属層と前記第３の金属層との間に配置された第８の誘電体層とを有する付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
（付記２５）前記第１の誘電体層の屈折率が、前記第８の誘電体層の屈折率よりも大きい付記２４に記載の光学素子。
（付記２６）前記第２の誘電体層の屈折率が、前記第８の誘電体層の屈折率よりも大きい付記２４または２５に記載の光学素子。
（付記２７）前記第２の誘電体層は、前記第１の誘電体層が有するいずれかの屈折率と略等しい屈折率を含む付記２４から２６のいずれかに記載の光学素子。
（付記２８）前記第１の金属層の誘電率と前記第３の金属層の誘電率とが略等しい付記２４から２７のいずれかに記載の光学素子。
（付記２９）前記第２の金属層の厚みが５０ｎｍ以下である付記１８から２３のいずれかに記載の光学素子。
（付記３０）前記第２の金属層の厚みが２５ｎｍ以下である付記１８から２３、２９のいずれかに記載の光学素子。
（付記３１）前記第２の金属層はＡｇ、Ａｌ、Ａｕのいずれかを含む付記１８から２３、２９、３０のいずれかに記載の光学素子。
（付記３２）前記第３の金属層の厚みが５０ｎｍ以下である付記２４から２８のいずれかに記載の光学素子。
（付記３３）前記第３の金属層の厚みが２５ｎｍ以下である付記２４から２８、３２のいずれかに記載の光学素子。
（付記３４）前記第３の金属層はＡｇ、Ａｌ、Ａｕのいずれかを含む付記２４から２８、３２、３３のいずれかに記載の光学素子。
（付記３５）前記第１の金属層の厚みが２００ｎｍ以下である付記１から３４のいずれかに記載の光学素子。
（付記３６）前記第１の金属層の厚みが３０ｎｍ〜１００ｎｍである付記１から３５のいずれかに記載の光学素子。
（付記３７）前記第１の金属層はＡｇ、Ａｌ、Ａｕのいずれかを含む付記１から３６のいずれかに記載の光学素子。
（付記３８）前記第２の誘電体層は、第１の方向と、前記第１の方向と交差する第２の方向において異なる屈折率を有する付記１から３７のいずれかに記載の光学素子。
（付記３９）前記第２の誘電体層は、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3のいずれかを含む付記１から３７のいずれかに記載の光学素子。
（付記４０）光の進行方向を変更する角度変換手段を有し、前記角度変換手段は、前記角度変換手段と前記第１の金属層との間に前記第１の誘電体層が位置するように配置されている付記６から１１、２４から２８、３２から３４のいずれかに記載の光学素子。
（付記４１）光の進行方向を変更する角度変換手段を有し、前記角度変換手段は、前記角度変換手段と前記第１の誘電体層との間に前記第５の誘電体層が位置するように配置されている付記１２から１７のいずれかに記載の光学素子。
（付記４２）光の進行方向を変更する角度変換手段を有し、前記第７の誘電体層は、前記角度変換手段と前記第２の金属層との間に配置されている付記２０から２２のいずれかに記載の光学素子。
（付記４３）前記角度変換手段は回折格子である付記４０から４２のいずれかに記載の光学素子。
（付記４４）前記角度変換手段はホログラムである付記４０から４２のいずれかに記載の光学素子。
（付記４５）光の位相を変調する位相変調手段を有し、前記位相変調手段は、前記位相変調手段と前記第１の金属層との間に前記第２の誘電体層が位置するように配置されている付記６から１１、１８から３４、４０、４２のいずれかに記載の光学素子。
（付記４６）光の位相を変調する位相変調手段を有し、前記位相変調手段は、前記位相変調手段と前記第２の誘電体層との間に前記第６の誘電体層が位置するように配置されている付記１４から１６のいずれかに記載の光学素子。
（付記４７）前記位相変調手段は１／４波長板である付記４５または４６に記載の光学素子。
（付記４８）光を反射する反射手段を有し、前記反射手段は、前記反射手段と前記第１の金属層との間に前記２の誘電体層が位置するように配置されている付記６から１１、１８から３４、４０、４２、４５のいずれかに記載の光学素子。
（付記４９）光を反射する反射手段を有し、前記反射手段は、前記反射手段と前記第２の誘電体層との間に前記第６の誘電体層が位置するように配置されている付記１４から１６、４６のいずれかに記載の光学素子。
（付記５０）前記反射手段は光を拡散反射する拡散反射層である付記４８または４９に記載の光学素子。
（付記５１）前記反射手段は鋸波形状の反射面を有する付記４８または４９に記載の光学素子。
（付記５２）付記１から５１のいずれかに記載の光学素子と、光源とを有し、前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子に入射するように配置されている光学装置。
（付記５３）前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子の最上層または最下層に入射するように配置されている付記５２に記載の光学装置。
（付記５４）前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子の最上層の側面または前記光学素子の最下層の側面から入射するように配置されている付記５２に記載の光学装置。
（付記５５）前記光源は、前記第１の誘電体層に入射した光の進行方向が、前記第１の方向及び前記第２の方向のいずれとも異なるように配置されている付記５２から５４のいずれかに記載の光学装置。
（付記５６）付記５２から５５のいずれかに記載の光学装置と、前記光学装置から出射された光を変調して出射する空間光変調素子と、前記空間光変調素子から出射された光を投射する投射光学系とを有する表示装置。
（付記５７）前記空間光変調素子は液晶パネルである付記５６に記載の表示装置。
（付記５８）前記空間光変調素子はデジタルマイクロミラーデバイスである付記５６に記載の表示装置。
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明してきたが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１２年３月７日に出願された日本出願特願２０１２−５０６４７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する光学素子、光学装置および表示装置に関する。本発明の光学素子および光学装置は、液晶プロジェクタなどの光源部に用いることができる。また、本発明の表示装置は、液晶プロジェクタを構成することができる。
２ ＬＥＤ
３ 導光板
６ 反射板
１０ 導光体
１１ 偏光分離膜
１２ 上面カバー
１３ 偏光方向変更部材
１４ マイクロプリズム
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、１０１３ａ、１０１３ｂ、１０１３ｃ、１１１３ 光学素子
１０２、２０２、３０２、５０２、６０２ 導光層
１０３、２０３、２０６、４０３、４０５、５０４、７０４ 低屈折率層
１０４、２０４、３０４、４０４、５０３、５０５、６０３、６０５、７０３、７０５ 金属層
１０５、２０５、３０３、３０５、４０２、４０６、５０６、６０４、７０２、７０６ 複屈折層
１０６、３０６、６０６ カバー層
１１２、１２２、２１２、２２２、３１２、３２２、４１２、４２２、５１２、５２２、６１２、６２２、７１２、７２２ エバネッセント
１１５、２１５、３１５、４１５、５１５、６１５、７１５ エバネッセント
１１３、１２３、２１３、２２３、３１３、４１３、５１３、５２３、６１３、７１３、７２３ 表面プラズモン
１１４、１２４、２１４、２２４、３１４、４１４、５１４、５２４、６１４、７１４ 表面プラズモン
１１６、２１６、３１６、４１６、５１６、６１６、７１６ 光
８００、９００ 光学装置
８０７ 角度変換手段
８０８ 位相変調層
８０９、９０９ 反射手段
８１０、９１０ 光源
９２０ 入射口
１０１１、１１１１ プロジェクタ
１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１２ｃ、１１１２ａ、１１１２ｂ、１１１２ｃ 光源
１０１４ａ、１０１４ｂ、１０１４ｃ、１１１４ 液晶パネル
１０１５ クロスダイクロイックプリズム
１０１６、１１１６ 投射光学系
１０１７、１１１７ スクリーン

Claims (10)

  1. 第１の誘電体層と、
    第２の誘電体層と、
    前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に配置された第１の金属層とを有し、
    前記第１の誘電体層は、第１の方向と、前記第１の方向と交差する第２の方向において異なる屈折率を有する光学素子。
  2. 前記第１の誘電体層は、複屈折材料を含む請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１の方向及び前記第２の方向は、前記第１の誘電体層、前記第１の金属層及び前記第２の誘電体層が積層された積層方向とは異なる請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 前記第１の誘電体層と前記第１の金属層との間に配置された第３の誘電体層を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
  5. 第５の誘電体層を有し、
    前記第５の誘電体層は、前記第５の誘電体層と前記第１の金属層との間に前記第１の誘電体層が位置するように配置されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
  6. 第２の金属層を有し、
    前記第２の金属層は、前記第２の金属層と前記第１の金属層との間に前記第１の誘電体層が位置するように配置されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
  7. 前記第１の金属層と前記第２の誘電体層との間に配置された第３の金属層と、
    前記第１の金属層と前記第３の金属層との間に配置された第８の誘電体層とを有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
  8. 前記第２の誘電体層は、前記第１の誘電体層が有するいずれかの屈折率と略等しい屈折率を含む請求項４、５、７のいずれか一項に記載の光学素子。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子と、
    光源とを有し、
    前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子に入射するように配置されている光学装置。
  10. 請求項９に記載の光学装置と、
    前記光学装置から出射された光を変調して出射する空間光変調素子と、
    前記空間光変調素子から出射された光を投射する投射光学系とを有する表示装置。
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