(57)【要約】【課題】薄い平板型の光学素子で、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供する。【解決手段】偏光制御素子１は、支持基板２上に、上面から見た形状が正方形の金属ドット構造を接合した第１の形状の金属構造体３と、上面から見た形状が正方形の金属ドット構造を所定間隔だけ隔てて配置した第２の形状の金属構造体４を平面内に周期配列し、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４に励振されるプラズモンの共鳴効果を利用することにより、高い偏光制御効率を有することができるとともに、薄く、平板状の構成で偏光変換機能を実現でき、光学素子数の低減や画像表示装置の小型化を図ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対して透明な材料で形成された支持体の表面又は支持体内の平面に、最大サイズが入射光の波長より小さい形状を有する複数個の金属構造体を配置した構成を有し、該金属構造体には少なくとも２種類の異なる形状が含まれることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光制御素子であって、
前記金属構造体の少なくとも１種類の形状が入射光の伝播方向に直交する平面内において回転対称性を有し、線対称性を有さない形状であることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内に入射光の波長以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を同一平面内に近接して配置した金属構造体ユニットを、入射光の伝播方向に直交する平面内に周期的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内にランダムに配置したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内に周期的に配列し、他の形状の金属構造体を周期配列状のランダムな位置に配置にしたことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内に周期的に配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内に周期的に配列し、前記第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内にランダムに配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内にランダムに配列し、前記第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項９】
請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内に周期的に配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内にランダムに配列し、前記第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
前記金属構造体は、孤立した複数個の金属ドット構造を組み合わせた金属ドット集合体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
前記金属構造体は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕのいずれか１つ若しくはこれらの組み合わせ又はこれらを主成分とする合金材料・混合材料で構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の偏光制御素子を液晶層に積層したことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高い光利用効率ならびに光学素子数の低減を実現する偏光制御素子及びそれを使用した画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクタなどのように偏光を利用して画素のオン・オフを制御する画像投影装置や画像表示装置においては、特定の方向に傾いた直線偏光を空間変調デバイス(液晶パネル)に導入する必要がある。この直線偏光を取り出す方法として、従来は、光源から得られるランダム偏光を、偏光板（偏光選択素子）を通して一方向の直線偏光成分のみを取り出していたため、５０％以上の光を利用していなかった。これに対し、近年、偏光制御素子（偏光変換素子）を利用し、不要成分としていた残りの偏光成分の偏光面を９０度回転させてから、再度、空間変調デバイスに導入することにより、高い光利用効率を実現している。これにより、高輝度液晶プロジェクタなどが実現されている。
【０００３】
この液晶プロジェクタ等で広く利用されている偏光変換素子は、通常、２つの直交する偏光成分の光路を分岐する偏光分離素子と、一方の偏光面を９０度回転させる１／２波長板（位相シフタ）を貼り合わせて、斜め方向に切り出すことにより偏光変換機能を実現している。このような偏光変換素子に利用される偏光分離素子としては、ガラス製のプリズムや平面基板面に、屈折率の異なる誘電体の多層膜を交互に積層した偏光ビームスプリッターなどがあり、膜のそれぞれの界面でブリュースター角となるように、膜の構造や入射角を設定することにより、Ｐ偏波（入射面に平行な偏波）は直進し、Ｓ偏波（入射面に垂直な偏波）は直角方向に反射され、偏光を分離することができる。しかし、結晶の複屈折率を利用したプリズム型偏光子に比べると、分離性能が低い（十数ｄＢ）という欠点がある。
【０００４】
また、屈折率の異方性を利用する位相シフタは、複屈折性を示す光学結晶材料を利用しており、通常、ルチルや方解石などの高価な異方性結晶をくさび形あるいはプリズム型に精密な研磨加工することで実現されている。このような素子は、極めて高価であり、また、小形化が困難であるとともに使用できる波長領域に制限があるなどの課題がある。
【０００５】
偏光変換素子は、偏光分離素子および位相シフタを貼り合わせ膜厚すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているため、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低い。さらに、複数の光学機能素子を積層する構成であることから、低価格化や小型化が困難となっている。また、このような偏光変換素子は、光利用効率を高めるために、レンズアレイを用いることにより、偏光分離素子に入射光を集光し、再度レンズアレイを通して光を出射するため、アライメント精度が必要となり、作製工程が煩雑になる。
【０００６】
このような問題に対して、光利用効率の向上を目的とし、かつ小型化、作製工程やアライメントの簡略化を図った偏光制御装置（照明装置）が例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００７】
特許文献１に示された偏光照明装置は、図１６に示すように、光源５１と、第１のレンズアレイ５２と第２のレンズアレイ５３からなるインテグレータ５４と、屈折率異方性を有する第１の回折光学素子５５と第２の回折光学素子５６、偏光部５７とが順に配列された偏光照明装置において、２つの回折光学素子５５，５６の回折方向が光軸を通りこれに直交する線に対して対称にし、光軸近傍の回折角を大きくし周辺を小さくし、また２つの回折光学素子５５，５６により回折角の波長依存性を補償することにより、回折角の波長依存性の悪影響を除去し、併せて光利用効率を向上させるようにしている。
【０００８】
特許文献２に示された偏光光源ユニットは、図１７に示すように、偏光制御素子６１は、基板６２に、光源（ＬＥＤチップ）６３が発する光の波長よりも大きさと間隔が小さいストライブ状金属パターン６４を、最小構成単位で２次元に配置し、最小構成単位の方向が等しく、かつ最小構成単位間の間隔が、光源６３が発する波長よりも大きく、かつ一定周期またはランダムに２次元配列状に形成され、光源６３から発した光のうち、一方の直線偏光のみが反射型偏光子６５からユニットの外部のＬＥＤパネル６７に透過すると共に、反射型偏光子６５に反射された他方の直線偏光が、反射手段６６と反射型偏光子６５の間で多重反射を繰り返しながら、偏光制御素子６１によって他方の直線偏光の偏光状態を変化させることにより、他方の直線偏光を反射型偏光子６５から外部に透過し得る一方の直線偏光に変換するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−３５６７５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示された偏光照明装置は、偏光方向に依存した回折角の違いを利用することにより、アライメントフリーで偏光方向をそろえることが可能となっている。しかしながら、レンズアレイや２枚の回折光学素子）や１／２波長板などの構成要素を多段に含んでいるため、作製工程が複雑であるとともに、装置の小型化が困難となっている。また、回折光学素子として、液晶と高分子から光学媒体、すなわち有機材料を利用しており、高輝度プロジェクタ等に用いるためには、耐光性、耐熱性に課題がある。
【００１０】
特許文献２に示された偏光光源ユニットは、微細金属構造体を用いて偏光分離機能と位相シフト機能を実現し、光源面における反射構造との多重反射を介して偏光をそろえている。したがって偏光光源としての機能しか有さず、光源と分離することはできず、任意の偏光を一方向にそろえる偏光変換素子としての機能は有さない。また、この構成では微細金属構造体および光源構造による斜方向の散乱成分を含み、これは偏光変換効率を低減させるため、十分な効率が得られないという短所がある。
【００１１】
この発明は、このような短所を改善し、薄い平板型の光学素子で、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することを目的とする。また、光学素子数の低減、光学装置の小型化、低価格化が可能となる偏光制御素子及びそれを使用した画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、この発明の偏光制御素子の機能を発現する具体的な金属構造体形状と具体的な配置方法や金属構造体の具体的な材料を特定して、偏光制御性の高い設計が可能な偏光制御素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の偏光制御素子は、入射光に対して透明な材料で形成された支持体の表面又は支持体内の平面に、最大サイズが入射光の波長より小さい形状を有する複数個の金属構造体を配置した構成を有し、該金属構造体には少なくとも２種類の異なる形状が含まれることを特徴とする。
【００１４】
この発明の第２の偏光制御素子は、前記偏光制御素子の金属構造体の少なくとも１種類の形状が入射光の伝播方向に直交する平面内において回転対称性を有し、線対称性を有さない形状であることを特徴とする。
【００１５】
この発明の第３の偏光制御素子は、前記偏光制御素子又は第２の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内に入射光の波長以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする。
【００１６】
この発明の第４の偏光制御素子は、前記偏光制御素子若しくは第２の偏光制御素子又は第３の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を同一平面内に近接して配置した金属構造体ユニットを、入射光の伝播方向に直交する平面内に周期的に配列したことを特徴とする。
【００１７】
この発明の第５の偏光制御素子は、前記偏光制御素子若しくは第２の偏光制御素子又は第３の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内にランダムに配置したことを特徴とする。
【００１８】
この発明の第６の偏光制御素子は、前記偏光制御素子若しくは第２の偏光制御素子又は第３の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内に周期的に配列し、他の形状の金属構造体を周期配列状のランダムな位置に配置にしたことを特徴とする。
【００１９】
この発明の第７の偏光制御素子は、前記偏光制御素子若しくは第２の偏光制御素子又は第３の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内に周期的に配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内に周期的に配列し、前記第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したことを特徴とする。
【００２０】
この発明の第８の偏光制御素子は、前記偏光制御素子若しくは第２の偏光制御素子又は第３の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内にランダムに配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内にランダムに配列し、前記第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したことを特徴とする。
【００２１】
この発明の第９の偏光制御素子は、前記偏光制御素子若しくは第２の偏光制御素子又は第３の偏光制御素子であって、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内に周期的に配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内にランダムに配列し、前記第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したことを特徴とする。
【００２２】
また、前記金属構造体は、孤立した複数個の金属ドット構造を組み合わせた金属ドット集合体により構成されていることを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記金属構造体は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕのいずれか１つ若しくはこれらの組み合わせ又はこれらを主成分とする合金材料・混合材料で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
この発明の画像表示装置は、前記偏光制御素子を液晶層に積層したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の偏光制御素子は、支持体表面または支持体内に、最大サイズが入射光の波長より小さい形状を有する複数個の金属構造体を配置した構成を有し、この金属構造体には少なくとも２種類の異なる形状が含めることにより、偏光制御効率の高い偏光制御素子を実現できる。また、薄い平板型の素子構成を実現しており、光学素子数の低減や光学装置の小型化、低価格化を実現できる。
【００２６】
また、偏光制御素子を構成する金属構造体の少なくとも１種類の形状を入射光の伝播方向に直交する平面内において回転対称性を有し、線対称性を有さない形状にすることにより、任意の入射直線偏光の一部を入射偏光の方向と直交する偏光成分に変換して出射する旋光性を発現することができ、偏光制御効率の高い偏光制御素子を実現することができる。
【００２７】
また、偏光制御素子を構成する少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内に入射光の波長以下の間隔で近接して配置することにより、遠方における回折の影響を避けることができ、偏光制御効率の高い偏光制御素子を実現できる。
【００２８】
さらに、偏光制御素子を構成する少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を同一平面内に近接して配置した金属構造体ユニットを、入射光の伝播方向に直交する平面内に周期的に配列することにより、偏光制御効率の高い偏光制御素子の設計を容易にすることができる。
【００２９】
また、偏光制御素子の少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内にランダムに配置したり、あるいは少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する平面内に周期的に配列し、他の形状の金属構造体を周期配列状のランダムな位置に配置することにより、偏光制御効率の高い偏光制御素子を容易に作製することができる。
【００３０】
さらに、偏光制御素子の少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内に周期的に配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内に周期的に配列し、第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したり、あるいは少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内にランダムに配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内にランダムに配列し、第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層したり、少なくとも２種類の異なる形状の金属構造体のうち、いずれかの形状の金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第１の平面内に周期的に配列し、第１の平面内の金属構造体とは異なる形状を有する金属構造体を入射光の伝播方向に直交する第２の平面内にランダムに配列し、第１の平面と第２の平面を入射光の波長より小さい間隔で積層することにより、偏光制御効率の高い偏光制御素子の設計や作製を容易にすることができる。
【００３１】
また、偏光制御素子を構成する金属構造体を、孤立した複数個の金属ドット構造を組み合わせた金属ドット集合体により構成することにより、単純な形状で偏光制御機能を発現することができ、設計ならびに作製が容易な偏光制御素子を提供することができる。
【００３２】
さらに、金属構造体をＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕのいずれか１つ、あるいは、これらの組み合わせ、又はこれらを主成分とする合金材料・混合材料で構成することにより、偏光制御効率の高い偏光制御素子を提供することができる。
【００３３】
また、この発明の偏光制御素子を画像形成ユニットに使用した画像表示装置は、簡単な構成で良質な画像を安定して表示できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１は、この発明の偏光制御素子の構成を示す平面図である。図に示すように、偏光制御素子１は、支持基板２の表面に最大サイズが入射光の波長より小さい形状を有する金属構造体３，４からなる金属構造体ユニット５を複数格子状に周期配列して構成している。各金属構造体ユニット５は、図２（ａ）の平面図と（ｂ）のＡＡ断面図に示すように、上面から見た形状が正方形または矩形の金属ドット構造を複数個接合した第１の形状の金属構造体３と、図２（ａ）の平面図と（ｃ）のＢＢ断面図に示すように、上面から見た形状が正方形または矩形の金属ドット構造を所定間隔だけ隔てて配置した第２の形状の金属構造体４を有する。ここで設計の容易性から、金属構造体３，４として上面から見た形状が矩形の金属ドット構造を複数個接合または所定間隔を空けて配置した構成の金属ドット集合体を例示しているが、必ずしも金属ドット構造である必要はない。以下では金属ドット集合体である場合も金属構造体と総称する。また、図２（ｂ）のＡＡ断面図と（ｃ）のＢＢ断面図においては、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を支持基板２に直接形成した場合について示すが、実際には金属構造体３，４と支持基板２との密着性を高め、金属構造体３，４を安定に保持するため、金属構造体３，４と支持基板２の界面に下地層を設ける。この下地層の詳細については、偏光制御素子１の作製方法とともに後述する。
【００３５】
そして図２（ｂ）のＡＡ断面図に示す部分は第１の形状の金属構造体３のみを有し、（ｃ）のＢＢ断面図に示す部分は第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を含む構成となっている。この第１の形状の金属構造体３は、回転対称性をもち、且つ特定の軸に対して折り返した形状が一致するような線対称性をもたない構造となっており、第２の形状の金属構造体４は紙面縦方向に線対称性を有する構造となっている。この第１の形状の金属構造体３に直線偏光を入射すると金属構造体３内部の電子振動（プラズモン）に共鳴した光と金属構造体３の相互作用により、任意の入射直線偏光の一部を入射偏光の方向と直交する偏光成分に変換して出射する旋光性を発現することができる。また、第２の形状の金属構造体４に直線偏光が入射すると紙面縦方向と横方向において出射光に位相差を生じさせる。このような形状が異なる第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を有する偏光制御素子１に入射した光は、各金属構造体３，４と相互作用することにより異なる偏光異方性をもち、遠方の観測位置において干渉する。この結果、紙面横方向から縦方向へ変換する偏光成分と、紙面縦方向から横方向へ変換する偏光成分との間に非対称性が生じ、すなわち偏光変換機能が発現する。
【００３６】
図２では、金属構造体ユニット５内に第１の形状の金属構造体３を３個、第２の形状の金属構造体４を１個と２種類の金属構造体を４個有する場合について示したが、金属構造体ユニット５内の金属構造体の数は２個以上であれば何個でもよく、また、金属構造体の形状も２種類以上であればよい。ここで、金属構造体ユニット５の金属構造体３，４の間隔は、入射光の波長より小さいことが好ましい。これは、遠方における回折の影響を避けるためであるが、角度依存性や波長依存性をもたせるなど、用途によっては、意図的に波長以上の間隔で金属構造体３，４を配置しても構わない。
【００３７】
次に、偏光制御素子１の個々の構成要素について説明する。偏光制御素子１の支持基板２として用いる材料は、高い効率を得るために可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスやＢＫ７、パイレックス（登録商標）などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ２、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３などの光学結晶材料などを利用する。また、図１は透過型の偏光制御素子１を仮定して説明しているが、偏光制御素子は反射型の構成であってもよく、その場合は、支持基板２の下方にＡｌやＡｕなどの金属材料からなる反射膜を形成する。この反射膜の膜厚は、金属中に光がしみ込む表皮深さよりも厚くする必要があり、少なくとも３０ｎｍの膜厚とする。また、誘電体多層膜による全反射コーティングによる反射構造を用いても同様の効果が得られる。
【００３８】
また、図１と図２で第１の形状の金属構造体３として上面から見た形状が正方形の金属ドット構造を２個接合した場合を示したが、回転対称性をもち、且つ線対称性をもたない構造で光学的に旋光性を発現するものであれば任意に形状でも良い。例えば図３（ａ）に示すように、上面から見た形状が正方形の金属ドット構造を２個接合した以外に、図３（ｂ）に示すように、上面から見た形状が矩形の金属ドット構造を２個接合した形状や、（ｃ）に示すように、矩形の端部が反対側に折れ曲がった形状、（ｄ）に示すように、反対称に曲率した円弧状の形状、（ｅ）に示すように、矩形の端部に円形が重なった形状、（ｆ）に示すように、２個の楕円形が重なり合った形状等の任意の形状を組み合わせた構造であっても良い。
【００３９】
第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４のサイズは入射光の波長以下のであることが必要であるが、この第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４のサイズを図４の配置図を参照して説明する。図４（ａ）は上面から見た形状が正方形の金属ドット構造を２個接合した第１の形状の金属構造体３のサイズを示す。図４（ａ）に示すように、第１の形状の金属構造体３の最も長い直線距離を長軸とし、金属構造体３の全てが楕円内に収まるような楕円体を描いた際の長径ｄ１および短径ｄ２によりサイズを規定する。この長径ｄ１が入射光の波長よりも小さくなるように第１の形状の金属構造体３を形成する。また、図４（ｂ）は上面から見た形状が正方形で所定間隔を有する金属ドット構造の第２の形状の金属構造体４のサイズを示す。この場合、最も長い直線距離が２本存在するため、その中心を通る直線を楕円体の長軸の向きとして、外側の４つの頂点を通るように楕円体を描いた際の長径ｄ１および短径ｄ２によりサイズを規定する。図４（ｃ）に示すように、矩形の端部が反対側に折れ曲がった形状の金属構造体３の場合も、同様に最も長い直線距離を長軸とし、金属構造体３の全てが楕円内に収まるような楕円体を描いた際の長径ｄ１および短径ｄ２によりサイズを規定する。また、金属構造体３，４の高さに関しては、入射光の偏光方向が紙面に平行な面内にあると仮定すると、すなわち紙面に垂直に光が入射するものと仮定すると、偏光異方性には影響しないため、特に規定する必要はない。また、金属構造体の角部が先鋭である必要はなく、作製工程上得られる鈍った構造であっても構わない。
【００４０】
また、金属構造体３，４を構成する材料は、金属構造体３，４内に電子の共鳴的な集団運動であるプラズモンを励振できる材料であればよく、プラズモンを励振することにより、大きな偏光制御特性が実現できる。プラズモンは、金属と誘電体の界面領域の金属表面に励起される表面プラズモンと、金属による構造がナノスケールに微小になった場合に、金属材料全体に渡って励起される局在表面プラズモンに大別されるが、以下では表面プラズモンと局在表面プラズモンを共にプラズモンと表記する。プラズモンを励振できる金属材料として、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕのいずれか、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料が利用できる。
【００４１】
また、偏光制御素子１における金属構造体３，４は、支持基板２上に形成した場合、機械的に脆く剥がれやすいことが問題となる。これを回避するために、支持基板２と金属構造体３，４を接合する下地層または下地構造を設けても構わない。下地層（下地構造）の膜厚が厚くなると、プラズモンの共鳴効果を低減してしまうが、一方で偏光特性を制御する機能をもたすことも可能となる。支持層（下地構造）としては、支持基板材料と金属材料との密着性の高い材料が適しており、基板材料との界面で固溶体を形成するＴｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属材料が利用できる。
【００４２】
また、図１、図２では偏光制御素子１における金属構造体３，４が空気中にむき出しとなっている場合について示したが、図５の断面図に示すように、金属構造体３，４の表層部分に保護膜６や保護構造を設けても良い。このように保護膜６や保護構造を設けることにより、外的損傷や金属の酸化などに対する耐性を向上することが可能となる。この保護膜６として用いる材料は、支持基板２と同様に、吸収の少ない、光学素子のコーティング材料として一般的である石英ガラス、ＢＫ７、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの硼珪酸ガラスやＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどの材料が利用できる。
【００４３】
次に偏光制御素子１の金属構造体３，４の作製方法について、図６の工程図を参照して説明する。入射光の波長以下の大きさを有する第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の作製には、可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどが利用できる。
【００４４】
以下に、電子ビームリソグラフィによる方法を説明するが、作製方法を限定する必要はない。図６の工程１に示すように、支持基板２として平行平板上の光学ガラス例えばＳｉＯ２を用い、その平坦な面にＴｉなどの下地層７とＡｕなどの金属膜８を順にスパッタ法や真空蒸着法により堆積し、この金属膜８上にフォトレジスト膜９を形成する。次に工程２に示すように、フォトレジスト膜９を電子ビーム描画により金属配列パターンを残すように露光して露光パターン１０を形成する。その後、工程３に示すように、露光パターン１０をマスクとして不要な金属部分を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによりエッチングし、その後、工程４に示すように、残ったフォトレジスト膜９の露光パターン１０を除去する。このようにして下地層７を介して支持基板２と密着した金属構造体３，４による２次元配列パターンを形成することができる。また、エッチングにより金属構造体３，４の２次元配列パターンを形成する代わりに、フォトレジストパターンに金属材料を堆積し、その後フォトレジストを除去するリフトオフ法を用いて、金属構造体３，４の２次元配列パターンを形成する方法も有効である。
【００４５】
次に、偏光制御素子１の動作を検証するために実施した数値シミュレーションについて、図７と図８に基づいて説明する。数値シミュレーション手法には、電磁場の時間・空間応答を記述するマクスウェル方程式を時間領域、空間領域に差分化して解く、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を利用した。図７（ａ）は、数値シミュレーションに用いた偏光制御素子１のモデルの平面図、（ｂ）は（ａ）の平面図を破線ＢＢで切断した断面図である。この数値シミュレーションでは、透過光のスペクトル特性を得るために、入射光として時間幅の十分に短い（スペクトル幅が可視光領域に十分に広がった）パルス光を支持基板（ＳｉＯ２）の界面から1000ｎｍ離れた面から入射し、1000ｎｍ離れた透過面において透過光の偏光特性を評価した。また、金属構造体３，４として方形のＡｕドット構造体を採用し、Ａｕ中の電子の光電場に対する応答を記述するために、ＤｒｕｄｅモデルとＬｏｒｅｎｔｚモデルの重畳した誘電関数を使用することにより、金属材料の波長分散特性を導入した。
【００４６】
この数値シミュレーションに使用した金属構造体３，４は一辺が80ｎｍの方形ドットの組み合わせにより構成し、高さは200ｎｍに設定した。また、第１の形状の金属構造体３は２個の方形ドットが縦方向に40ｎｍシフトして接合している形状とし、第２の形状の金属構造体４は２個の方形ドットが間隔20ｎｍを隔てて配置された形状として金属構造体ユニット５を形成し、200ｎｍピッチの正方格子の格子点の３点に第１の形状の金属構造体３を配列し、第２の形状の金属構造体４は重心が200ｎｍピッチの正方格子の格子点の他の１点に一致するように配列した。
【００４７】
入射偏光は、図７（ａ）の平面図において紙面の横方向をｘ軸、縦方向をｙ軸として、ｘ方向とｙ方向に設定し、２回の数値シミュレーションを行って偏光特性を評価した。この数値シミュレーションでは、ｘ軸方向、ｙ軸方向の計算領域境界に周期境界条件を適用し、ｚ軸方向の計算領域境界は吸収境界条件を適用した。したがって、偏光制御素子１における金属構造体ユニット５を、400ｎｍピッチで正方格子配列したモデルに相当しており、金属構造体ユニット５内の金属構造体３，４も200ｎｍピッチであることから、全ての金属構造体３，４が200ｎｍピッチの正方格子配列されている。また、数値シミュレーション結果の比較のため、モデルの詳細な説明は省くが、金属構造体ユニット５内を全て第１の形状の金属構造体３で構成した場合の計算も実施した。この場合、他のシミュレーションパラメータは全て同一である。
【００４８】
図８は、この数値シミュレーション結果得られる透過率の非対角成分をプロットした図であり、（ａ）は金属構造体ユニット５内を第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造４で構成した場合、（ｂ）は比較のために金属構造体ユニット５内を第１の形状の金属構造体３のみで構成した場合を示す。また、透過率の非対角成分とは、入射偏光をｘ軸方向としたときのｙ成分の透過率Ｔｘｙと、入射偏光をｙ偏光としたときのｘ成分の透過率Ｔｙｘを意味している。図８（ｂ）では、透過率Ｔｘｙと透過率Ｔｙｘが等しく、偏光変換機能が得られていないが、図８（ａ）に示すように、少なくとも２種類の金属構造体３，４の形状を有する偏光制御素子１においては、透過率Ｔｘｙと透過率Ｔｙｘが共鳴波長近傍で大きくずれ、偏光変換機能が発現していること判る。この数値シミュレーションに用いたモデルは、偏光変換効率を最適化した結果ではないが、この発明の偏光変換素子１の構成により、偏光変換機能が実現できることが数値シミュレーションにより確認できた。この偏光変換効率をさらに向上するには、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の断面形状、高さ、充填率（周期）を最適化すればよい。また、動作波長帯を変化させるには、金属構造体３，４の形状を変化させるほか、金属材料を変えてもよい。例えば、Ａｇを金属構造体３，４の材料として利用した場合は、Ａｕの場合よりも短波長側に共鳴波長がシフトする。
【００４９】
このように偏光制御素子１は、支持基板２上に２種類の形状をもつ金属構造体３，４を平面内に周期配列し、さらに金属構造体３，４中に励振されるプラズモンの共鳴効果を利用することにより、高い偏光制御効率を有することが可能となる。また、薄く、平板状の構成で偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や光学装置の小型化が可能となる。
【００５０】
前記説明では支持基板２の表面に入射光の波長以下のサイズをもつ第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４からなる金属構造体ユニット５を複数格子状に周期配列して偏光制御素子１を構成した場合について示したが、図９の平面図に示すように、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を支持基板２の表面にランダムで配置して第２の偏光制御素子１ａを構成しても良い。この場合もランダムに配置した隣接する金属構造体間の平均距離は入射光の波長以下となるように構成することが好ましい。これは、遠方における回折による強度分布の空間的な揺らぎを避けるためである。
【００５１】
この第２の偏光制御素子１ａを構成する支持基板２や金属構造体３，４として用いる材料は、偏光制御素子１と同様な材料を使用すると良い。また、第２の偏光制御素子１ａの支持基板２に金属構造体３，４を作成する方法も偏光制御素子１の場合と同様である。また、金属構造体３，４の表層部分に保護膜６や保護構造を設けることにより、外的損傷や金属の酸化などに対する耐性を向上することができる。
【００５２】
この第２の偏光制御素子１ａの特徴について説明する。第２の偏光制御素子１ａでは、金属構造体３，４の配置に周期性のないことが特徴であり、偏光制御素子１ａの機能を特徴付けるパラメータとして、金属構造体３，４の数密度（または充填率）だけを考慮すれば良いこととなる。また、金属構造体３，４の数密度を調整することにより、偏光制御素子１ａの特性を調整することができ、偏光制御特性の設計が容易となっている。また、アライメント精度や電子ビーム描画における描画領域のつなぎ部分の影響などを考慮する必要がなく、偏光制御素子１ａを作製するときの作製精度を緩和することができる。
【００５３】
このように第２の偏光制御素子１ａは、支持基板２上に２種類の形状をもつ金属構造体３，４を同一平面内にランダムに配置し、さらに金属構造体３，４中に励振されるプラズモンの共鳴効果を利用することにより、高い偏光制御効率を有することが可能となる。また、薄く、平板状の構成で偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化が可能となる。また、金属構造体３，４の配置をランダムパターンとして構成しており、容易に作製することができる。
【００５４】
前記説明では、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を支持基板２の表面にランダムで配置して第２の偏光制御素子１ａを構成した場合について説明したが、図１０の平面図に示すように、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を周期的に、かつ周期配列の格子点のランダムな位置に第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を配列して第３の偏光制御素子１ｂを構成しても良い。この第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の配列の周期は、図１０の紙面縦方向、横方向で異方性を有していても構わない。また、金属構造体３，４の周期は、偏光制御素子１や第２の偏光制御素子１ａと同様に遠方における回折の影響を避けるため、入射光の波長以下とすることが好ましいが、角度依存性や波長依存性をもたせるなど、用途によっては、意図的に波長以上の間隔で金属構造体３，４を配置しても構わない。
【００５５】
この第３の偏光制御素子１ｂの金属構造体３，４に入射した光は、金属構造体３，４と相互作用することにより異なる偏光異方性をもち、遠方の観測位置において干渉し、その結果、紙面横方向から縦方向へ変換する偏光成分と、紙面縦方向から横方向へ変換する偏光成分との間に非対称性が生じ、すなわち偏光変換機能が発現する。
【００５６】
また、第３の偏光制御素子１ｂを構成する支持基板２や金属構造体３，４として用いる材料は、偏光制御素子１や第２の偏光制御素子１ａと同様な材料を使用すると良い。また、第３の偏光制御素子１ｂの支持基板２に金属構造体３，４を作成する方法も偏光制御素子１や第２の偏光制御素子１ａの場合と同様である。また、金属構造体３，４の表層部分に保護膜６や保護構造を設けることにより、外的損傷や金属の酸化などに対する耐性を向上することができる。
【００５７】
この第３の偏光制御素子１ｂでは、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の配列周期と、数密度が設計のパラメータとなり、回折効果と偏光変換機能を重畳させた、自由度の高い偏光制御特性を実現することができる。また、薄く、平板状の構成で偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化が可能となる。また、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することが可能となる。
【００５８】
前記偏光制御素子１と第２の偏光制御素子１ａ及び第３の偏光制御素子１ｂはいずれも第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を支持基板２の同一平面上に形成した場合について説明したが、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれ異なる平面上に形成して積層構造としても良い。この第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれ異なる平面上に形成して積層構造とした第４の偏光制御素子１ｃの構成を図１１に示す。図１１（ａ）は第２の形状の金属構造体４の２次元配列パターンを示す平面断面図、図１１（ｂ）は第１の形状の金属構造体３の２次元配列パターンを示す平面断面図、図１１（ｃ）は（ａ），（ｂ）の平面断面図を破線ＡＡで切断した側面断面図である。
【００５９】
この第４の偏光制御素子１ｃの第１の形状の金属構造体３は第１の平面である支持基板２の表面に周期的に配列され、第２の形状の金属構造体４は、第１の形状の金属構造体３の表層部分に設けた誘電体層１１の表面である第２の平面に周期的に配列されている。また、第２の形状の金属構造体４の表層に誘電体膜１２を形成している。この積層された第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の積層方向で多重反射による干渉効果が出現しないように、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４は入射光の波長以下の間隔で配置されている。このように第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を積層して配列することにより、２つの金属構造体３，４の数密度を高めることができる。
【００６０】
また、図１１（ａ），（ｂ）では第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４が重なり合わないように積層した例を示しているが、これらが重なり合うような構成であっても構わない。また、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４を配列する平面は２層以上の複数層からなる構成であっても構わない。さらに、第１の形状の金属構造体３及び第２の形状の金属構造体４の周期は、図１１（ａ），（ｂ）において、紙面縦方向、横方向で異方性を有していてもよく、遠方における回折の影響を避けるため、入射光の波長以下とすることが好ましいが、角度依存性や波長依存性をもたせるなど、用途によっては、意図的に波長以上の間隔で各金属構造体３，４を配置しても構わない。
【００６１】
このように第４の偏光制御素子１ｃは、回転対称性をもち、且つ線対称性をもたない構造で、任意の入射直線偏光の一部を入射偏光の方向と直交する偏光成分に変換する第１の形状の金属構造体３と、紙面縦方向に線対称性を有しており、紙面縦方向と横方向において出射光に位相差を生じさせる構成となっている第２の形状の金属構造体４で構成しているから、第４の偏光制御素子１ｃに入射した光は、金属構造体３，４と相互作用することにより異なる偏光異方性をもち、遠方の観測位置において干渉し、その結果、紙面横方向から縦方向へ変換する偏光成分と紙面縦方向から横方向へ変換する偏光成分との間に非対称性が生じ、すなわち偏光変換機能が発現することができる。
【００６２】
また、図１１（ａ），（ｂ）では、金属構造体３，４として上面から見た形状が矩形の金属ドット構造を接合または所定間隔を空けて配置した構成の金属ドット集合体を例示しているが、必ずしも金属ドット構造である必要はない。
【００６３】
また、第４の偏光制御素子１ｃを構成する支持基板２や金属構造体３，４として用いる材料は、偏光制御素子１や第２の偏光制御素子１ａ及び第３の偏光制御素子１ｂと同様な材料を使用すると良い。また、第４の偏光制御素子１ｃの支持基板２に金属構造体３，４を作成する方法も偏光制御素子１等の場合と同様である。また、第１の形状の金属構造体３の上部に積層された第２の形状の金属構造体４の表層部分に誘電体からなる保護膜６を設けることにより、外的損傷や金属の酸化などに対する耐性を向上することができる。また、反射型の構成では、支持基板２の下方に表皮深さよりも厚いＡｌやＡｕなどの金属材料からなる反射膜を形成するか、または、誘電体多層膜による全反射コーティングによる反射構造を設ける。
【００６４】
次に第４の偏光制御素子１ｃの金属構造体３，４の作製方法を説明する。この入射光の波長以下の大きさを有する第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の作製には、可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどが利用できる。以下に、電子ビームリソグラフィによる方法を説明するが、作製方法を限定する必要はない。
【００６５】
この第４の偏光制御素子１ｃの第１の形状の金属構造体３を支持基板２に作製する工程は、図６の工程１から工程４までの工程と同様である。そこで図６の工程図に示す工程１から工程４で第１の形状の金属構造体３を支持基板２に作製した後、第２の形状の金属構造体４を積層する工程を図１２の工程図を参照して説明する。
【００６６】
図６の工程４により作製した第１の形状の金属構造体３上に、図１２の工程５に示すように、第２の形状の金属構造体４の支持構造となる誘電体層１１をスパッタ法などで積層し、表面を研磨等の方法により平坦化し、さらにＴｉなどの下地膜１２とＡｕなどの金属膜１３を順に堆積し、この金属膜１３上にするフォトレジスト膜１４を形成する。続いて、工程６に示すように、電子ビーム描画により第２の形状の金属構造体４の配列パターンを残すようにフォトレジスト膜１４を露光して露光パターン１５を形成する。その後、工程７に示すように、露光パターン１５をマスクとして不要なフォトレジスト膜と金属部分をＲＩＥなどによりエッチングして除去し、工程８に示すように、残った露光パターン１５を除去する。さらに、工程９に示すように、第２の形状の金属構造体４中に励振されるプラズモンの共鳴条件を合わせるために、第２の形状の金属構造体４の表層に誘電体膜の保護膜６をスパッタ法などで被覆し、表面を研磨により平坦化して第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の２次元パターンを積層した第４の偏光制御素子１ｃを作製する。
【００６７】
この第４の偏光制御素子１ｃの特徴について説明する。第４の偏光制御素子１ｃでは、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の２次元配列パターンが、入射光の波長以下の間隔で積層されており、単位堆積あたりの金属構造体３，４の数密度を向上することができる。また、第１の形状の金属構造体３を形成する平面と第２の形状の金属構造体４を形成する平面との間で、金属構造体３，４の周期を変えることにより、数密度を変化させることができ、偏光制御特性を制御することが容易となる。
【００６８】
以上説明したように、第４の偏光制御素子１ｃは、異なる形状を有する金属構造体３，４をそれぞれ異なる平面内に周期的に配列し、さらに金属構造体３，４中に励振されるプラズモンの共鳴効果を利用することにより、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができる。また、単位堆積あたり数密度を調整することが容易となっており、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができる。
【００６９】
前記第４の偏光制御素子１ｃは、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれ周期的に配列した場合について示したが、図１３（ａ）の第２の形状の金属構造体４の２次元配列パターンを示す平面断面図と（ｂ）の第１の形状の金属構造体３の２次元配列パターンを示す平面断面図に示すように、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれランダムに配列して第５の偏光制御素子１ｄを構成しても良い。
【００７０】
この第５の偏光制御素子１ｄにおいても、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４はそれぞれランダムで配列しているが、遠方における回折の影響を避けるため、最近接する金属構造体間の平均距離は入射光の波長以下とすることが好ましい。この第５の偏光制御素子１ｄも第１の形状の金属構造体３は回転対称性をもち、且つ線対称性をもたない構造であり、任意の入射直線偏光の一部を入射偏光の方向と直交する偏光成分に変換し、第２の形状の金属構造体４は紙面縦方向に線対称性を有しており、紙面縦方向と横方向において出射光に位相差を生じさせる構成となっている。したがって第５の偏光制御素子１ｄに入射した光は、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４と相互作用することにより異なる偏光異方性をもち、遠方の観測位置において干渉し、その結果、紙面横方向から縦方向へ変換する偏光成分と、紙面縦方向から横方向へ変換する偏光成分との間に非対称性が生じ、すなわち偏光変換機能が発現することができる。また、図１３においては、金属構造体３，４として上面から見た形状が矩形の金属ドット構造を複数個接合または所定間隔を空けて配置した構成の金属ドット集合体を例示しているが、必ずしも金属ドット構造である必要はない。
【００７１】
また、第５の偏光制御素子１ｄを構成する支持基板２や金属構造体３，４として用いる材料は、偏光制御素子１や第４の偏光制御素子１ｃ等と同様な材料を使用すると良い。また、第５の偏光制御素子１ｄの作製方法も第４の偏光制御素子１ｃの場合と同様である。
【００７２】
このように第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれランダムで配列して積層した第５の偏光制御素子１ｄは、金属構造体３，４の２次元ランダムパターンが、入射光の波長以下の間隔で積層されており、単位体積あたりの金属構造体３，４の数密度を向上することができる。また、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の配置に周期性のないことから、偏光制御素子１ｄの機能を特徴付けるパラメータとして、金属構造体３，４の数密度だけを考慮すれば良いこととなり、偏光制御特性の設計が容易となっている。また、アライメント精度や電子ビーム描画における描画領域のつなぎ部分の影響などを考慮する必要がなく、偏光制御素子１ｄの作製精度を緩和することができる。さらに、第５の偏光制御素子１ｄは異なる形状を有する金属構造体３，４をそれぞれ異なる平面内にランダムに配置し、さらに金属構造体３，４中に励振されるプラズモンの共鳴効果を利用することにより、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができる。また、単位体積あたり数密度を調整することが容易となっており、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することが可能となる。また、金属構造体の配置をランダムパターンとして構成しており、作製が容易な偏光制御素子を提供することが可能となる。
【００７３】
前記第４の偏光制御素子１ｃは第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれ周期的に配列して積層し、第５の偏光制御素子１ｄは第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４をそれぞれランダムに配列して積層して形成した場合について示したが、図１４（ａ）の第２の形状の金属構造体４の２次元配列パターンを示す平面断面図と（ｂ）の第１の形状の金属構造体３の２次元配列パターンを示す平面断面図に示すように、第２の形状の金属構造体４をランダムに配列し、第１の形状の金属構造体３を周期的に配列して積層して第６の偏光制御素子１ｅを構成しても良い。また、第２の形状の金属構造体４を周期的に配列し、第１の形状の金属構造体３をランダムに配列して積層して第６の偏光制御素子１ｅを構成しても良い。この場合、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４の数は異なっても良い。また、第６の偏光制御素子１ｅにおいても、遠方における回折の影響を避けるため、金属構造体３，４を周期配列する平面においては、その周期は入射光の波長以下とし、ランダムに配置する金属構造体４又は金属構造体３間の平均距離が、入射光の波長以下とすることが好ましい。
【００７４】
この第６の偏光制御素子１ｅも、第１の形状の金属構造体３は回転対称性をもち、且つ線対称性をもたない構造であり、任意の入射直線偏光の一部を入射偏光の方向と直交する偏光成分に変換し、第２の形状の金属構造体４は紙面縦方向に線対称性を有しており、紙面縦方向と横方向において出射光に位相差を生じさせる構成となっている。したがって第６の偏光制御素子１ｅに入射した光は、金属構造体と相互作用することにより異なる偏光異方性をもち、遠方の観測位置において干渉し、その結果、紙面横方向から縦方向へ変換する偏光成分と、紙面縦方向から横方向へ変換する偏光成分との間に非対称性が生じ、すなわち偏光変換機能が発現することができる。
【００７５】
この第６の偏光制御素子１ｅは第２の形状の金属構造体４をランダムに配列し、第１の形状の金属構造体３を周期的に配列し積層して構成したり、あるいは第２の形状の金属構造体４を周期的に配列し、第１の形状の金属構造体３をランダムに配列し積層して構成しているから、単位体積あたりの金属構造体の数密度を向上することができる。また、金属構造体３，４の２次元配列パターンを有していることから、角度依存性や波長依存性を制御することが可能となる。また、第１の形状の金属構造体３と第２の形状の金属構造体４中に励振されるプラズモンの共鳴効果を利用することにより、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができる。また、単位体積あたり数密度を調整することが容易となっており、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができる。
【００７６】
次に、前記のように形成された偏光制御素子１〜１ｅのいずれかを使用した画像表示装置について説明する。
【００７７】
図１５は、例えば偏光制御素子１を使用した液晶プロジェクタ３０の概略構成を示す。図に示すように、液晶プロジェクタ３０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の画像形成ユニット３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂと光合成プリズム３２と投射レンズ３３及びスクリーン３４を有する。画像形成ユニット３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂはそれぞれ光源３５と偏光制御素子１と液晶パネル３６及び偏光板３７が積層されて形成されている。
【００７８】
この液晶プロジェクタ３０でスクリーン３４に画像を投影するときは、各画像形成ユニット３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの光源３５から出射された光を偏光制御素子１から液晶パネル３６と偏光板３７を透過させた後、光合成プリズム３２で合成し、合成した光を投射レンズ３２によりスクリーン３３に投射して画像を表示する。この画像を表示するとき、フルカラーの画像を連続的にスクリーン３３に投射することができ、良質な画像を安定して表示できる。また、簡単な構成で液晶プロジェクタ３０を作製することができ、液晶プロジェクタ３０を低価格で提供することができる。
【００７９】
前記説明では画像表示装置として液晶プロジェクタ３０について説明したが、偏光制御素子１をＬＥＤアレイの前面に配置して液晶ディスプレイのバックライトとして使用すると、拡散板や色フィルタ及び偏光板が不要になり、液晶ディスプレイの構成を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】この発明の偏光制御素子の構成を示す平面図である。
【図２】偏光制御素子を構成する金属構造体ユニットの構成図である。
【図３】偏光制御素子を構成する第１の形状の金属構造体の各種形状を示す模式図である。
【図４】偏光制御素子を構成する金属構造体の形状のサイズを定義する模式図である。
【図５】偏光制御素子の構成を示す断面図である。
【図６】偏光制御素子の作製方法を示す工程図である。
【図７】偏光制御素子の動作を検証ためのモデルを示す構成図である。
【図８】偏光制御素子の動作を検証した結果得られた透過率の非対角成分の変化特性図である。
【図９】第２の偏光制御素子の構成を示す平面図である。
【図１０】第３の偏光制御素子の構成を示す平面図である。
【図１１】第４の偏光制御素子の構成図である。
【図１２】第４の偏光制御素子の作製方法を示す工程図である。
【図１３】第５の偏光制御素子の構成を示す平面断面図である。
【図１４】第６の偏光制御素子の構成を示す平面断面図である。
【図１５】偏光制御素子を使用した液晶プロジェクタの構成図である。
【図１６】従来の偏光照明装置の構成図である。
【図１７】従来の偏光光源ユニットの構成図である。
【符号の説明】
【００８１】
１；偏光制御素子、２；支持基板、３；第１の形状の金属構造体、
４；第２の形状の金属構造体、５；金属構造体ユニット、６；保護膜、７；下地層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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