(57)【要約】【課題】  ひとつの光学素子で波長選択機能と偏光状態に応じた分離・合成機能を併せ持った素子を提供する。【解決手段】  第１の表面を備えた基板と、前記第１の表面上に２次元的に孤立して配された複数の金属構造体を備えた金属構造体群と、を有し、前記金属構造体群に、前記第１の表面の法線に対して斜めの光を前記金属構造体群側または前記基板側から入射させることで、前記金属構造体群を介して透過する光と、反射する光と、の偏光状態を波長域に応じて相違させた光学素子。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面を備えた基板と、前記第１の表面上に２次元的に孤立して配された複数の金属構造体を備えた金属構造体群と、を有し、前記金属構造体群に、前記第１の表面の法線に対して斜めの光を前記金属構造体群側または前記基板側から入射させることで、前記金属構造体群を介して透過する光と、反射する光と、の偏光状態を波長域に応じて相違させたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
第１の波長域で一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射させると共に、第２の波長域で前記一方の偏光を反射し、前記他方の偏光を透過させることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記波長域の透過光及び反射光は、一方がＰ偏光で他方がＳ偏光であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記斜めの光の入射は、前記法線とのなす角度が３０°以上６０°以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記金属構造体が周期的に配されて前記金属構造体群を構成することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記金属構造体は、可視光の波長よりも小さな大きさを有する請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記金属構造体群は、誘電体で被覆されたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
前記金属構造体が、アルミニウムを含有する金属で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項９】
前記金属構造体は、第１の方向に第１の長さを有し、且つ第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有し、第１の長さと第２の長さは、前記可視光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項１０】
第１の長さおよび第２の長さが９０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にあり、且つ前記金属構造体が１８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にあり、さらに前記金属構造体の厚さが１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記法線に対して斜めの光を入射する入射角のなす入射面に平行に配される前記金属構造体の周期と、前記入射角のなす入射面に垂直に配される前記金属構造体の周期と、を相違させたことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学素子を有することを特徴とする色分離合成光学系。
【請求項１３】
光源を含む照明光学系と、請求項１２に記載の色分離合成光学系と、投影光学系と、を有することを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は局在プラズモン共鳴を利用した波長選択型偏光分離機能を持つ光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液晶表示素子などの画像表示素子を用いた、液晶プロジェクターに代表される投影装置が提案されている。この中で、反射型液晶表示素子（Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣＯＳ）を用いた投影装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
このような投影装置においては、照明光学系と投影光学系の間に複数の偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＰＢＳ）や、ダイクロイックミラーもしくはダイクロイックプリズムを配置した色分解合成光学系を配置してＲ光、Ｇ光、Ｂ光の３色光に基づくカラー映像を投影している。
【０００４】
これらはダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムで色分離、色合成を行い、ＰＢＳで偏光状態に基づき光を分離、合成している。このため特許文献１や非特許文献１に記載のように複数のＰＢＳやダイクロイックプリズム・ミラーを用いて光学系が構成されている。このような色分離や色合成の機能は一般的に、誘電体多層膜または色素によって発現される。
【０００５】
一方、誘電体多層膜や色素ではなく金属微細構造体を用いた波長選択光学フィルタが特許文献２、非特許文献２に開示されている。これらは金属薄膜に開口を周期的に配列し、表面プラズモンを利用して波長選択を行なうホール型の光学フィルタである。非特許文献２には、このような表面プラズモンを利用したホール型の光学フィルタを用いて、ＲＧＢの透過スペクトルが得られることが記載されている。具体的には、サブ波長のアレイ開口を有した金属薄膜を用いて、４３６ｎｍ（青色）、５３８ｎｍ（緑色）、６２７ｎｍ（赤色）の波長を有する透過スペクトルが得られたことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１５４１５２号公報
【特許文献２】米国特許５９７３３１６号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄｉｓｐｌａｙｓ  Ｖｏｌ．２３  １３９  ２００２
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ  Ｖｏｌ．４２４  １４、Ａｕｇｕｓｔ、２００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１に記載された液晶プロジェクターに代表される投影装置内の色分離合成光学系においては、部品点数の多さが解決すべき課題として挙げられる。これは、ＰＢＳの動作が設計された特定の波長域において、入射光のＳ偏光とＰ偏光を分離し出射光として取り出し、特定の波長域以外の波長ではＳ偏光とＰ偏光をともに反射させるか透過させるためである。この点を説明すると、Ｐ偏光とＳ偏光がうまく分離されるのは、図１５に示したように、例えば、５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の波長域（この波長域でＰ偏光が透過され、Ｓ偏光が反射される）であり、この波長の光を用いるために波長選択フィルタ等が必要となる。
【０００９】
つまり、色分離合成光学系において、所望の波長域の光を分離・合成するためにはＰＢＳの他に波長選択透過機能を持ったダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムが必要となり、部品点数が増加する。
【００１０】
よって波長選択機能と偏光状態に応じた分離・合成機能を併せ持った光学素子の提供が望まれている。
【００１１】
また、上記特許文献２や非特許文献２では、比較的大きな面積を有する金属薄膜にホールを周期的に形成することによって、金属表面に誘起される表面プラズモンの波長に依存した透過スペクトルを持つフィルタを実現している。
【００１２】
しかしながら、このようなホール型の金属薄膜フィルタは、金属が占める割合が大きいことから、光吸収が大きい。そのため、上記特許文献２に記載されている金属薄膜フィルタでは、透過率が一番大きいピークであっても、透過率は５〜６％程度である。
【００１３】
このように透過率があまり高くないフィルタでは、透過スペクトルを利用したい場合、透過スペクトルの強度を確保するために、入射光の強度を大きくする必要がある。このため、ホール型のフィルタを用いたデバイスのエネルギー効率は低いものになってしまう可能性がある。特に、金属による光の吸収はマイクロ波領域ではさほど多くないものの、可視光領域では光の吸収が多く、可視光領域の透過フィルタとしてホール型の金属薄膜フィルタを用いると、実デバイスへの適用範囲が狭くなってしまう。
【００１４】
また同様に、ホール型のフィルタを可視光領域の反射フィルタとして用いたとしても、透過光に対する反射光のコントラストが低いものとなる。よって、上記特許文献２や非特許文献２で挙げたホール型の金属微細構造体層を用いた光学素子では十分な透過光量、もしくは反射光のコントラストを持った光学素子の実現は困難な状況にある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明により提供される光学素子は、第１の表面を備えた基板と、前記第１の表面上に２次元的に孤立して配された複数の金属構造体を備えた金属構造体群と、を有し、前記金属構造体群に、前記第１の表面の法線に対して斜めの光を前記金属構造体群側または前記基板側から入射させることで、前記金属構造体群を介して透過する光と、反射する光と、の偏光状態を波長域に応じて相違させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ひとつの光学素子で波長選択機能と偏光状態に応じた分離・合成機能を併せ持った素子を提供できる。つまり波長選択型偏光分離機能を持つ光学素子（波長選択型ＰＢＳ）を提供できる。これにより、色分離合成光学系において部品点数を削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態を示す模式図
【図２】実施形態を示す模式図
【図３】実施形態の機能を示す模式図
【図４】実施例１の作製方法を示す模式図
【図５】実施例１の作製方法を示す模式図
【図６】実施例１に係る光学素子を示す模式図
【図７】実施例１に係る光学素子に４５°入射した際の透過・反射スペクトル
【図８】実施例１に係る光学素子の機能を示す模式図
【図９】実施例１に係る光学素子に３０°入射した際の透過・反射スペクトル
【図１０】実施例１に係る光学素子に６０°入射した際の透過・反射スペクトル
【図１１】実施例２に係る色分離合成光学系の模式図
【図１２】実施例３に係る投影装置の模式図
【図１３】本発明の光学素子の特性の一例を示すグラフ
【図１４】本発明の光学素子の特性の一例を示すグラフ
【図１５】従来の偏光ビームスプリッタの特性例を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の光学素子は、金属構造体（例えば微細な構造体）を誘電体等の基板上に周期的に配置したドット型の波長選択光学素子において、入射光を斜めにしたとき、選択された波長毎の偏光状態によって透過率と反射率が異なるという発明者らが見出した知見に基づいている。
【００１９】
本発明の光学素子の適用例は、局在プラズモン共鳴を用いた波長選択型ＰＢＳである。
【００２０】
金属微粒子、特に光の波長程度もしくはそれ以下の大きさの粒子は、局在プラズモン共鳴（Ｌｏｒｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＬＳＰＲ）を生じさせることができる。
【００２１】
ここで、プラズモンとは、光などの外部電場により励起される金属表面の自由電子の集団的な振動のことである。電子は電荷を帯びているため、電子が振動することにより、自由電子の粗密分布による分極が生じる。その分極と電磁界とが結合する現象をプラズモン共鳴という。特に、金属の微粒子表面や金属微細構造に発生する自由電子のプラズマ振動と光との共鳴現象を局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）という。
【００２２】
すなわち、金属微粒子表面の自由電子の集団的な振動が光などの外部電場により励起され、その振動により電子の密度分布とこれに伴う分極が生じ、粒子の近傍に局在するような電磁場が発生する。同一の面積の光学素子同士を比較した場合、誘電体基板上に金属微細構造体の複数を（例えば、周期的に）配置したドット型の光学素子は、ホール型の光学素子に比べて、金属部分を少なくすることができる。
【００２３】
そのため、実質的な開口部を大きく取り易い構成であり且つ金属による光の吸収を抑制することができることから、全体的な透過率および反射率をホール型よりも高くすることができる。
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明について説明する。
【００２５】
図１に、基板（例えば、誘電体）１０１の上に金属構造体（金属微細構造体ともいう）１０２の複数が（例えば、ある周期で）配置されているドット型の光学素子の模式図を示す。ここで、基板１０１は第１の表面１０６とこの裏側に位置する表面１０７を備えている。
【００２６】
図１に示した構成することにより、特定の波長で透過率の極小値を有する透過スペクトルを得ることができる。これは、局在プラズモン共鳴によって、特定の波長の光が吸収、散乱されるためである。ＬＳＰＲは数ｎｍ以上の厚みの金属構造体であれば、微小なものでも発現させることが可能である。
【００２７】
ここで、入射光を斜めから入れた際に、偏光状態によって透過率と反射率を異ならしめることができる。つまり、カラーフィルタの波長選択機能とＰＢＳの偏光分離・合成機能を併せ持った光学素子を設計できる。
【００２８】
これは入射光と金属構造体群が配された第１の面に垂直な軸とで定義される入射面に対して電界が垂直に振動するＳ偏光と、この入射面に対して電界が平行に振動するＰ偏光とで金属構造体に励起する局在表面プラズモンの振動方向が異なり、金属構造体層と共鳴する波長が異なるためである。
【００２９】
ここで、誘電体層１０３（例えば、基板１０３）で覆うことにより金属構造体１０２が上面１０４と下面１０５で感じる屈折率を等しくさせることができ、プラズモン共鳴周波数の違いに起因する好ましくないスペクトルピークの分裂を抑制することができる。
【００３０】
このような金属構造体の被覆により、に金属構造体１０２の酸化や、ゴミ等が付着することによるピークのずれ等の問題も解消できる。
【００３１】
本発明の光学素子の構造およびその機能を以下に説明する。
【００３２】
図２（ａ）は本発明に係る光学素子を構成する部材の上面図であり、図２（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。第１の誘電体基板２１０の第１の表面２１１と第２の誘電体基板２２０の第１の表面２２１の間に、複数の金属微細構造体２０１が設けられている。つまり基板２１０の第１の表面上に金属構造体が配され、これを誘電基板２２０が覆っている。
【００３３】
この金属構造体２０１は第１の誘電体基板２１０の面内方向に孤立した状態で２次元的、かつ周期的に設けられており、金属微細構造体群として構成されている。
【００３４】
図２（ｂ）において、金属微細構造体２０１は、第１の方向２３０に第１の長さ２３１を有し、かつ、第１の方向２３０と直交する第２の方向２４０に第２の長さ２４１を有している。ここで、第１の長さ２３１と第２の長さ２４１は例えば可視光領域における光の波長以下の長さに設定する。
【００３５】
金属構造体に誘起されるプラズモンの波長は最低次のモード（双極子モード）の場合であっても、プラズモンの半波長が金属構造体の大きさと略同一になる。
【００３６】
そのため、例えば可視光でプラズモンを励起され得る構造の大きさは可視光の励起波長よりも短くなることから、これらの長さを可視光領域における光の波長以下としている。
【００３７】
また、第１の長さ２３１と第２の長さ２４１をプラズモン共鳴波長以下とすることも好ましい形態である。ここでは、金属微細構造体２０１は、第１の長さと第２の長さが同一である正方形状としている。他に円形状や楕円形状、その他多角形形状の金属も金属微細構造体として用いることができる。金属微細構造体の形状は、これに限定されるものではなく種々のものを取り得るが、第１の長さ、または第２の長さは、金属構造体の最大幅ととらえることもできる。
【００３８】
図２（ｂ）に示した金属微細構造体群において、金属微細構造体２０１が設けられている周期２３２および周期２４２は、可視光領域における光の波長以下、より好ましくはプラズモン共鳴波長以下にすることも好適な形態である。注目している光の波長領域よりも金属構造体の周期が大きい場合には、高次の回折光が発生し、０次回折光の強度が低下する可能性があるからである。
【００３９】
また、金属微細構造体２０１の厚さ２５０を可視光領域における光の波長以下、好ましくはプラズモン共鳴波長以下にすることも好適な形態である。フィルタを作製する際の微細加工プロセスにおいて、金属構造体の厚さを厚く設定しすぎると作製誤差が大きくなるからである。
【００４０】
金属微細構造体２０１の材料としては、アルミニウム、金、銀、白金などを用いることができる。このうちアルミニウムは、銀と比較してプラズマ周波数が高く、物性的に可視域全体を網羅する光学特性のフィルタの設計が容易である（Ａｇ：〜３．８ｅＶ（〜３２５ｎｍ）、Ａｌ：〜１５ｅＶ（〜８３ｎｍ））。
【００４１】
また、アルミニウムは、銀等と比較して酸化されにくく、化学的に安定であるため、長期間安定して所定の光学特性を発現できる。さらに、アルミニウムは、銀と比較して誘電率の虚部が大きいため銀と比較して膜厚を薄くしても十分な遮光性を発現させることができ、また微細加工が容易である。加えて、アルミニウムは、白金のように化学的に極度に不活性であるためにドライエッチングによる微細加工が困難であるなどの難点も無い。なお、金属微細構造体２０１はアルミニウム、金、銀、白金を含む混合物や、合金であってもよい（アルミニウムを含有する金属も含む）。
【００４２】
第１の誘電体基板２１０と第２の誘電体基板２２０の材料としては、例えば可視光領域の光を透過する材料である石英（二酸化ケイ素）、二酸化チタンなどの金属酸化物や、窒化シリコンなどの透過率が高い材料から適宜選択することができる。
【００４３】
また、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの高分子材料も第１の誘電体基板２１０と第２の誘電体基板２２０の材料の材料として用いることができる。
【００４４】
ここで、第１の誘電体基板２１０と第２の誘電体基板２２０の材料の誘電率の差は５％以下であることが好ましい。
【００４５】
第１の誘電体基板２１０の誘電率と第２の誘電体基板２２０の誘電率が大きく異なると、金属微細構造体２０１と第１の誘電体基板２１０の界面に生じるプラズモンの励起波長と、金属微細構造体２０１と第２の誘電体基板２２０の界面に生じるプラズモンの励起波長とが大きく異なるからである。
【００４６】
この結果、好ましくない共鳴波長のピークや、好ましくないピーク幅の拡大が生じるおそれがある。そのため、第１の誘電体基板が有する誘電率と、第２の誘電体基板が有する誘電率とが同一であることが最も好ましい。
【００４７】
この金属微細構造体群に対し、図３のように波長λ１を持った入射光３１０、波長λ２を持った入射光３２０、波長λ３を持った入射光３３０を金属微細構造体群を含む面の法線方向に対し角度θを持たせて第１の誘電体基板３４０の第１の表面３４１から斜めに入射させる。換言すると第１の表面３４１の法線に対して角度θを持たせて斜めに光を入射させる。このとき、金属微細構造体の長さや周期に応じてλ１からλ３の各波長において、Ｓ偏光（紙面垂直方向に電界が振動）とＰ偏光（紙面面内方向に電界が振動）とでプラズモン共鳴条件が異なる。ここでは基板３４０の表面３４１に設けられた金属構造体群側から光を入射させているが、基板側（３４０側）から光を入射させることも可能である。
【００４８】
その結果、一例として図３のように特定の波長λ１を持った光３１０の透過光３１１はＳ偏光となり、反射光３１２はＰ偏光となる。一方、波長λ２を持った光３２０の透過光３２１はＰ偏光となり、反射光３２２はＳ偏光となる。同様に波長λ３を持った光３３０の透過光３３１はＰ偏光となり、反射光３３２はＳ偏光となる。
【００４９】
つまり、金属構造体群を介して透過する光のスペクトルと、反射する光のスペクトルと、が相違（偏光状態が異なる）し、透過光と反射光の双方を利用することが可能となる。ここで、透過光と反射光とは、波長帯域に応じて互いにＰ偏光とＳ偏光（一方がＰ偏光、他方がＳ偏光）となっている。換言すると、第１の波長域で一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射させると共に、第２の波長域で前記一方の偏光を反射し、前記他方の偏光を透過させることが可能となる。ただし、波長域の境界はひとつに限定されるものではない。つまり、透過と反射で偏光状態が異なる第３の波長域、第４の波長域と適宜設計可能である。
【００５０】
波長λ１からλ３や、Ｓ偏光とＰ偏光の透過と反射の組み合わせは、金属微細構造体の長さや周期の設計により適宜、制御可能である。
【００５１】
また、入射角θはプラズモン共鳴条件が偏光状態によって違いが生じ、透過光もしくは反射光のコントラストが１．２以上となる３０°以上６０°以下が好ましい。
【００５２】
ここで、本発明の光学素子の設計に際しては、光の入射角θを考慮して、入射角θのなす入射面に平行な方向（図３の紙面に平行な方向）への金属微細構造体の配置と、入射角θのなす入射面に垂直な方向（図３の紙面に垂直）への構造体の配置では、長さや周期を相違させることも好適である。
【００５３】
例えば正方格子状に配列した金像微細構造体に対して入射角θをもって光が入射すると、その偏光方向により、光の入射方向から見た金属微細構造体の実効的な周期および格子形状が正方格子とは異なってくる。よって、長方形格子状に配列させることも好適な設計指針の一つである。
【００５４】
またドット形状に関しても同様に、金像微細構造体に対して入射角θをもって光が入射した場合、光の入射方向から見た金属微細構造体の実行的な形状が平面上とは異なってくるため、長方形などの偏光に対し異方性を持った形状も好適な設計指針の一つである。
【００５５】
所望の波長帯において、透過光のコントラストとはＳ偏光とＰ偏光の透過率の比、反射光のコントラストとはＳ偏光とＰ偏光の反射率の比と定義する。このうち小さい値となるコントラストが１．２以上となることが好ましい。
【００５６】
ここで、本発明にかかる光学素子を抜けてきた透過光（もしくは反射光）を考えるとき、背景光（一方の偏光）のノイズ成分は典型的に１０％程度なので、信号光（もう一方の偏光）にはそれ以上、好ましくはさらに１０％上乗せされた値が必要である。
【００５７】
このコントラストが最小となるのが図９における８０５の比であり、波長６３６ｎｍにて、コントラストが１．２３となる。これらの条件を満たす入射角の条件が３０°以上６０°以下となる。
【００５８】
本発明によれば、例えば、図１３や図１４に示した特性の波長選択機能と偏光分離・合成機能を併せ持つ光学素子を構成し得る。
【００５９】
図１３に示した例では、青色光に相当する４８０ｎｍまでの波長域では、Ｓ偏光が透過され、Ｐ偏光が反射される。一方、緑色光に相当する５００ｎｍ〜５８０ｎｍの波長域では、Ｐ偏光が透過され、Ｓ偏光が反射される。更に赤色光に相当する６００ｎｍ以上（〜７８０ｎｍ）では、Ｓ偏光が透過され、Ｐ偏光が反射される。
【００６０】
また、図１４に示した例では、図１３とは６００ｎｍ以上の波長を含む領域での偏光状態を異ならせている。
【００６１】
図１３、図１４に示したのは一例であって、これに限定されるものではなく、所定の波長域において所望の偏光分離・合成機能を持たせた素子を構成できる。本発明は、金属構造体は、第１の方向に第１の長さを有し、且つ第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有し、第１の長さと第２の長さは、前記可視光の波長よりも小さいものを包含する。
【００６２】
また、第１の長さおよび第２の長さが９０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にあり、且つ金属構造体が１８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲で周期的に配され、さらに前記金属構造体の厚さが１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲にあるものを包含する。
【００６３】
尚、本発明の光学素子は、本発明の光学素子とディテクター（受光素子）を備えて構成される分光器の他、液晶プロジェクター、カラーコピー機、テレビカメラ、カラープリンタ、ファックス等の光学機器に組み込んでこれらの光学機器を構成し得る。
【００６４】
本発明は、本発明の光学素子を搭載したこれらの機器も包含する。
【実施例】
【００６５】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は、以下の実施例に限定されるものではなく、請求項に記載した技術的思想に基づき、これを適宜変更した態様をも包含する。
【００６６】
（実施例１）
実施例１では、第１の基板と第２の基板の間に誘電体層を持つ、波長選択機能と偏光分離・合成機能を併せ持った本発明に係る光学素子（以下、「ダイクロＰＢＳ」ともいう）の作製方法と光学特性について説明する。
【００６７】
図４（ａ）は厚さ５２５μｍの石英基板からなる第１の誘電体基板４０１の第１の表面４１１に、金属薄膜層４０２として厚さ３０ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上に電子線描画（ＥＢ）用レジスト４０３を塗布により形成したものである。
【００６８】
なお、金属薄膜層４０２の成膜方法は蒸着に限るものでなく、スパッタリング等であってもよい。次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト４０３をパターニングする。
【００６９】
レジストパターンの形状は、一辺が約１２０ｎｍの正方形であり、周期約２４０ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。
【００７０】
このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで金属微細構造体４０４を形成することができる。
【００７１】
なお、ドライエッチングガスは塩素と酸素に限るものではなく、アルゴンやその他のガスでも良い。また、エッチングマスクの作製方法はＥＢ描画に限るものではなく、フォトリソグラフィー等でも良い。
【００７２】
さらに、金属薄膜層４０２のパターニング方法は、第１の誘電体基板４０１の第１の表面４１１上にＥＢ描画やフォトリソグラフィ−等によりレジストパターンを形成し、金属薄膜層４０２を成膜した後にリフトオフプロセスにより形成しても良い。
【００７３】
加えて、収束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ加工装置）を用いて、金属薄膜層４０２を直接加工しても良い。次に、金属微細構造体４０４の上に、誘電体層４０５として厚さ１００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより成膜する。このようにして形成された光学素子の断面図を図４（ｂ）に、上面図を図５（ｃ）に示す。
【００７４】
なお、成膜方法は、スパッタリングに限るものではなく、ＣＶＤによる成膜やさらにはＳＯＧなどを塗布しても良い。このようにして作製した金属微細構造体層４０５を表面に持つ第１の誘電体基板４０１に第２の誘電体基板４０６を接着剤や陽極接合等の手法を用いて張り合わせたものを図５（ｄ）に示す。
【００７５】
なお、第１の誘電体基板や第２の誘電体基板は石英基板などの平面基板に限るものではなく、プリズム形状のものであっても良い。
【００７６】
図６にプリズムを２つ張り合わせたキューブ型のダイクロＰＢＳを示す。第１の誘電体基板５１０の第１の表面５１１と第２の誘電体基板５２０の第１の表面５２１の間に、金属微細構造体５０１を複数形成し誘電体層で覆った金属微細構造体層５０２が挟まれている。図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）はＢＢ’の断面図である。
【００７７】
このダイクロＰＢＳに対し第２の誘電体基板の第２の表面５２２から光を入射し、このような金属微細構造体層、つまり金属としてアルミニウムを用いた１辺が１２０ｎｍの正方形状であり、周期が２４０ｎｍで、膜厚が３０ｎｍの金属微細構造体層に対して垂直な軸から４５°の角度で入射した際のＳ偏光およびＰ偏光の透過スペクトルと反射スペクトルを表した計算結果を図７に示す。
【００７８】
図７において、６０１はＰ偏光の透過率、６０２はＰ偏光の反射率、６０３はＳ偏光の透過率、６０４はＳ偏光の反射率を示す。波長５３０ｎｍ付近のＧ光（緑色光）において、Ｓ偏光の透過とＰ偏光の反射が極大を持ち、Ｓ偏光の反射とＰ偏光の透過が極小を持っている。また、波長４３０ｎｍ付近のＢ光（青色光）と６３０ｎｍ付近のＲ光（赤色光）に各偏光状態おいては、Ｓ偏光の反射とＰ偏光の透過が、Ｓ偏光の透過とＰ偏光の反射に対して約１．５倍大きい。
【００７９】
この機能の概念図を図８に示す。入射光のＲ光７１０、Ｇ光７２０、Ｂ光７３０は、ダイクロＰＢＳ７０１において、Ｒ光のＰ偏光７１１、Ｇ光のＳ偏光７２１、Ｂ光のＰ偏光７３１は透過し、Ｒ光のＳ偏光７１２、Ｇ光のＰ偏光７２２、Ｂ光のＳ偏光７３２は反射する。
【００８０】
同様な光学素子に対して光の入射角が３０°のときの計算結果を図９に示す。さらに入射角が６０°のときの計算結果を図１０に示す。どちらも入射角が４５°のときの計算結果である図７と同様な傾向を示している。
【００８１】
（実施例２）
本発明の光学素子を用いた色分離合成光学系について図１１を参照して説明する。
【００８２】
本実施例において、本発明に係るダイクロＰＢＳ１００１は実施例１で説明したのと同じ構成の金属微細構造体群を備える。つまり図７のグラフに示す光学特性を持つ部材を備えた光学素子である。なお、波長と偏光状態の組み合わせは一例であり、前記金属微細構造体群の設計によって任意であり、この組み合わせに限定されるものではない。
【００８３】
図１１において、入射光１０１１は偏光子１００２を通り、Ｓ偏光のみが選択された入射光１０１２となる。入射光１０１２はダイクロＰＢＳ１００１において、透過光１０１３と反射光１０１４に分離される。図７のグラフに示した光学特性を参照すると、透過光１０１３はＧ光（緑色光）、反射光１０１４はＭｇ光（赤色光＋青色光）の波長を持つ。まず、Ｇ光の光路について説明する。Ｇ光のＳ偏光である透過光１０１３はλ／４板１０２１を通ることで円偏光に変換され、ミラー１０２１にて反射されて再びλ／４板１０２１を通ることでＰ偏光へと変換されてダイクロＰＢＳ１００１へと戻ってくる。ダイクロＰＢＳ１００１の光学特性により、Ｇ光のＰ偏光は反射されて出射光１０１８となる。
【００８４】
次にダイクロＰＢＳ１００１における反射光１０１４は、ダイクロイックプリズム１００３へ入射し、Ｒ光（赤色光）のＰ偏光である反射光１０１５と、Ｂ光（青色光）のＳ偏光である透過光１０１６に分離される。反射光１０１５および透過光１０１６は、先のダイクロＰＢＳ１００１における透過光１０１３と同様に、ミラー１０３２および１０３３での反射を介してλ／４板１０２２および１０２３を２回通過することで、Ｐ偏光としてダイクロイックプリズム１００３へと戻り、再び合成される。合成されたＲ光とＢ光のＰ偏光は、ダイクロＰＢＳ１００１へと戻り、光学特性によって透過されて、Ｒ光の出射光１０１７とＢ光の出射光１０１９となる。
【００８５】
このようにしてＲＧＢの３色に分離された入射光１０１１は、出射側ではＲ光１０１７、Ｇ光１０１８、Ｂ光１０１９として合成される。なお、色光の順序はこれに限定されるものではなく、光学素子も偏光子の代わりにＰＢＳを用いるなど、実施例はここに記載されている系に限定されるものではない。
【００８６】
（実施例３）
実施例２で説明した色分離合成光学系にＬＣＯＳ（反射型液晶表示素子）と、光源手段を含む照明光学系と、投影光学系とを組み合わせた投影装置の模式図を図１２に示す。
【００８７】
照明光学系１１４１を通じて光源手段１１４０から出た白色光が色分離合成光学系１１４２に入射される。一般的に照明光学系はレンズアレイやコンデンサレンズ等の組み合わせから成り、複数の部分光速に分割してから照度を均一にし、集光する役目を担っていて、照度分布の均一化された光束が照射される。続いて色分離合成光学系１１４２において、ＲＧＢの各色毎に画像情報が付与される。
【００８８】
上述の実施例２と同様に色分離・色合成が行われるが、図１１のミラー１０２１、１０２２、１０２３および、λ／４板１０３１、１０３２、１０３３に代わってＬＣＯＳ１１３１、１１３２、１１３３が各色毎に置かれている。
【００８９】
ここで投影される画像における各画素の表示・非表示が、ＬＣＯＳの各画素に印加する電圧に依存した直線偏光の回転・非回転によって行われる。具体的にＧ光を例に挙げると、ＬＣＯＳ１１３１において入射したＧ光のＳ偏光は、画像情報に応じて表示画素ではＰ偏光へ回転されてから反射され、非表示画素ではＳ偏光のまま反射される。
【００９０】
再びダイクロＰＢＳへと戻ってきた画像情報を伴ったＧ光は、偏光状態に応じてＰ偏光は反射されて投影光学系１１４３へと導かれ、Ｓ偏光は透過し光源方向に戻る。他Ｒ光、Ｂ光も同様に画像情報をＬＣＯＳ１１３２、１１３３にて付加され、投影光学系１１４３へと導かれる。その後、投影光学系１１４３にて拡大や焦点合わせが行われ、出射される。なお、コントラストの低下を防ぐためＬＣＯＳの直前にλ／４板を配置するなど、実施例はここに記載されている系に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００９１】
１０１  誘電体基板
１０２  金属微細構造体
１０３  誘電体基板
１０４  金属微細構造体の上面
１０５  金属微細構造体の下面
２０１  金属微細構造体
２１０  第１の誘電体基板
２１１  第１の誘電体基板の第１の表面
２２０  第２の誘電体基板
２２１  第１の誘電体基板の第１の表面
２３０  第１の方向
２３１  第１の長さ
２３２  第１の周期
２４０  第２の方向
２４１  第２の長さ
２４２  第２の周期
２５０  金属微細構造体の厚さ
３１０  波長λ１の入射光
３１１  波長λ１の透過光
３１２  波長λ１の反射光
３２０  波長λ２の入射光
３２１  波長λ２の透過光
３２２  波長λ２の反射光
３３０  波長λ３の入射光
３３１  波長λ３の透過光
３３２  波長λ３の反射光
３４０  第１の誘電体基板
３４１  第１の誘電体基板の第２の表面
４０１  第１の誘電体基板
４０２  第１の誘電体基板の第１の表面
４０３  レジスト
４０４  金属微細構造体
４０５  誘電体層
４０６  第２の誘電体基板
４１１  第１の誘電体基板の第１の表面
５０１  金属微細構造体
５０２  金属微細構造体層
５１０  第１の誘電体基板
５１１  第１の誘電体基板の第１の表面
５２０  第２の誘電体基板
５２１  第２の誘電体基板の第１の表面
５２２  第２の誘電体基板の第２の表面
６０１  Ｐ偏光の透過率
６０２  Ｐ偏光の反射率
６０３  Ｓ偏光の透過率
６０４  Ｓ偏光の反射率
７１０  Ｒ光の入射光
７１１  Ｒ光の透過光
７１２  Ｒ光の反射光
７２０  Ｇ光の入射光
７２１  Ｇ光の透過光
７２２  Ｇ光の反射光
７３０  Ｂ光の入射光
７３１  Ｂ光の透過光
７３２  Ｂ光の反射光
８０１  Ｐ偏光の透過率
８０２  Ｐ偏光の反射率
８０３  Ｓ偏光の透過率
８０４  Ｓ偏光の反射率
９０１  Ｐ偏光の透過率
９０２  Ｐ偏光の反射率
９０３  Ｓ偏光の透過率
９０４  Ｓ偏光の反射率
１００１  ダイクロＰＢＳ
１００２  偏光子
１００３  ダイクロイックプリズム
１０１１  入射光
１０１２  偏光子からの出射光
１０１３  Ｇ光
１０１４  Ｍｇ光
１０１５  Ｒ光
１０１６  Ｂ光
１０１７  Ｒ出射光
１０１８  Ｇ出射光
１０１９  Ｂ出射光
１１３１  反射型液晶表示素子
１１３２  反射型液晶表示素子
１１３３  反射型液晶表示素子
１１４０  光源
１１４１  照明光学系
１１４２  色分離合成光学系
１１４３  投影光学系
【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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