(57)【要約】【課題】機械的に安定な構造でありながら、位相シフト量が制御可能で偏光制御性の高い偏光制御素子を得る。【解決手段】支持基板２の表面に、入射光の波長より小さいサイズを有する同一形状の金属構造体４を、支持基板２の材料との界面で固溶体を形成する金属材料からなる下地膜３を介して支持基板４に２次元的に配列するとともに、金属構造体４間の最近接距離が金属構造体４のサイズより小さくなるように配置して、偏光制御素子１の機械的な安定性を有するとともに、下地膜３の厚さを可変することにより位相シフト量を可変する。【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、入射光の波長より小さいサイズを有する同一形状の金属構造体を、前記支持体の材料との界面で固溶体を形成する金属材料からなる下地構造体を介して前記支持体に２次元的に配列するとともに、前記金属構造体間の最近接距離が金属構造体のサイズより小さくなるように配置した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、
前記下地構造体の厚さを、位相シフト量に応じて可変す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、
前記下地構造体は、前記金属構造体と同一な２次元形状を有し、それぞれの金属構造体の配置位置において孤立した構成を有することを特徴とする偏光制御素子。
【請求項４】
請求項３記載の偏光制御素子であって、
前記下地構造体は、前記配列する全ての金属構造体において均一な厚さを有することを特徴とする偏光制御素子。
【請求項５】
請求項１又は２記載の偏光制御素子であって、
前記下地構造体は、前記支持体の表面又は支持体内の平面の全面に均一な厚さで形成されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項６】
請求項１乃至５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、１次元方向に周期的に配列したパターンを有することを特徴とする偏光制御素子。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
前記金属構造体の複数個を、最接近距離が前記金属構造体のサイズより小さくなるように配置して金属構造体ユニットを構成し、該金属構造体ユニットを２次元面内に周期的又は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８】
請求項１乃至７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、位相シフト機能を有し、高い光利用効率を有するとともに小型化と薄型化を実現する偏光制御素子及びそれを使用して光学素子数の低減と光学系の簡略化を図る画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光制御素子は、液晶プロジェクタや液晶ディスプレイなどの偏光を利用してオン・オフを制御する表示装置に広く利用されている。また、ディスク装置の光ピックアップなどの光信号検出やエリプソメータなどの分析・評価装置に利用されている。この偏光制御素子には入射光のもつ直交する２つの偏光成分のうち一方のみを取り出す偏光選択素子と、２つの偏光成分の光路を分離する偏光分離素子と、２つの偏光成分のうち一方の位相を遅らせる位相シフト素子または波長板などがある。
【０００３】
偏光選択素子は、有機材料により構成されているものが多く、ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性を有する材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収二色性を発現させることにより偏光選択機能を実現している。このように有機材料による吸収を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、透明度の低下や焦げる、溶けるといった問題があり、照射光量を大きくすることができない。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合には、冷風機構が必要であり装置の小型化が困難であるとともに塵埃等の付着による画質欠陥を生じるなどの問題があった。
【０００４】
また、グラントムソン偏光子のように、光学結晶材料を貼り合わせて偏光選択機能を実現する素子もあるが、膜厚すなわち光路差を調整して偏光状態を制御しているので、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であり、また、光学結晶材料が高価であるため、偏光制御素子を利用する装置自体の価格が高くなってしまう。
【０００５】
位相シフト素子は、方解石や水晶のような複屈折性を有する光学結晶材料を用いて、常光線と異常光線の屈折率の違いを利用し、直交する２つの偏光成分の位相差を変調することにより、常光線と異常光線の光路差が１／２波長となる１／２波長板、１／４波長となる１／４波長板といった機能を実現している。この偏光制御素子も光学結晶材料の膜厚により偏光状態を制御しているので、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であり、かつ光学結晶材料が高価であるため、偏光制御素子を利用する装置自体の価格を押さえることが困難であった。
【０００６】
このような問題を解消するため、本願の発明者らは耐熱性、耐環境性に優れ、光の透過率又は反射率の高い偏光制御素子を特許文献１や特許文献２、特許文献３及び特許文献４に開示している。特許文献１に示された偏光制御素子３０は、図１５（ａ）に示すように、支持基板２に、入射光の回折限界以下のサイズを有する金属微小構造体３１を入射光の波長以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体３２を周期的に配列して形成され、近接場光による相互作用が働くような構成にして光の透過率が高く、十分な位相差を与えることを可能にしている。この偏光制御素子３０は、金属構造体３１に光を入射した際に生じる金属内の電子の集団運動（プラズモン）を利用することにより、極めて薄い平面構造で大きな偏光制御特性が得られるものである。
【０００７】
特許文献２に示された偏光制御素子３０は、図１５（ｂ）に示すように、透明なガラス基板などの誘電体からなる支持基板２の平坦な面に、入射する光の波長よりも金属微小構造体３１を、入射する光の波長よりも小さい距離で２次元に配置して光の透過率が高く、十分な位相差を与えることを可能にしている。
【０００８】
特許文献３に示された偏光制御素子３０は、図１５（ｃ）に示すように、透明なガラス基板どの透明な誘電体からなる支持基板２の表面に、第１の金属粒子３３ａと第２の金属粒子３３ｂのパターンを連続的に形成して、透過光または反射光の偏光成分に位相差を発生させる波長板としている。
【０００９】
特許文献４に示された偏光制御素子３０は、図１５（ｄ）に示すように、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、周期構造が入射光の波長より小さい周期で構成した支持基板２の表面に、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体３１で構成された金属複合構造体３２を形成し、支持基板２の表層に強いエバネッセント光を発生させ、近接場光とエバネッセント光が結合することにより、光放射および光吸収をより強く生じさせ、光特性の制御性能の向上を図るようにしている。
【００１０】
非特許文献１には、電子ビームリソグラフィ技術を用い、波長以下のピッチで金のＬ字構造を有する非対称なナノ微粒子を基板上に作製し、この金属微細構造に直線偏光を照射すると、位相シフトを生じて楕円偏光が反射または透過光として得られることが記載されている。
【００１１】
また、特許文献５には、高感度センシングデバイスとして利用する技術として、金属ナノロッドアレイを一定の微小な間隔で一軸方向に配列した金属微細構造体により強い波長選択性、偏光選択性が得られることが記載されている。ここで、金属と基板との密着性を高め、構造の剥がれ落ちなどが生じないようにするために、金属と基板の界面に下地層としてＣｒを配している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１〜特許文献４に記載された偏光制御素子は、金属構造体の形状および高さにより偏光制御特性を発現するが、金属構造体と支持体を接合する下地膜または下地構造の効果を考慮しておらず、偏光制御性が低く、作製過程における機械的安定性も不十分であるという短所がある。
【００１３】
また、非特許文献１には、位相シフト機能を有する金属微細構造が記載されているが、格段に大きな位相シフト効果は得られておらず、偏光制御素子として実用可能な特性は得られない。
【００１４】
さらに、特許文献５には、波長選択性と偏光選択性の高い金属構造体が開示されているが、位相を制御する機能を有する偏光制御素子ではなく、また、位相シフト効果は直交する２つの偏光成分の両方を利用した特性であることから、偏光選択性と位相シフト効果を両立することはできないという短所を有する。
【００１５】
この発明は、このような短所を改善し、機械的に安定な構造でありながら、位相シフト量が制御可能で偏光制御性の高い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ものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、入射光の波長より小さいサイズを有する同一形状の金属構造体を、前記支持体の材料との界面で固溶体を形成する金属材料からなる下地構造体を介して前記支持体に２次元的に配列するとともに、前記金属構造体間の最近接距離が金属構造体のサイズより小さくなるように配置したことを特徴とする。
【００１７】
前記下地構造体の厚さを、位相シフト量に応じて可変することを特徴とする。
【００１８】
前記下地構造体は、前記金属構造体と同一な２次元形状を有し、それぞれの金属構造体の配置位置において孤立した構成を有することを特徴とする。
【００１９】
また、前記金属構造体と同一な２次元形状を有する下地構造体は、配列する全ての金属構造体において均一な厚さを有することを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記下地構造体は、前記支持体の表面又は支持体内の平面の全面に均一な厚さで形成されていることを特徴とする。
【００２１】
また、前記金属構造体は、１次元方向に周期的に配列したパターンを有することを特徴とする。
【００２２】
また、前記金属構造体の複数個を、最接近距離が前記金属構造体のサイズより小さくなるように配置して金属構造体ユニットを構成し、該金属構造体ユニットを２次元面内に周期的又はランダムに配置しても良い。
【００２３】
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】
【００２４】
この発明の偏光制御素子は、支持体の表面又は支持体内の平面に、入射光の波長より小さいサイズを有する同一形状の金属構造体を、支持体の材料との界面で固溶体を形成する金属材料からなる下地構造体を介して支持体に２次元的に配列するとともに、金属構造体間の最近接距離が金属構造体のサイズより小さくなるように配置することにより、偏光制御素子の機械的な安定性を有するとともに、下地構造体の厚さを可変することにより位相シフト量を可変することができる。また、平面的な素子構造を有することにより、光学素子数の低減や光学装置の小型化、低価格化を実現することができる。
【００２５】
また、下地構造体を金属構造体と同一形状にすることにより、位相シフト量の制御性を向上することができる。
【００２６】
さらに、金属構造体と同一な２次元形状を有する下地構造体の厚さを全ての金属構造体において均一にしたり、下地構造体を支持体の表面又は支持体内の平面の全面に均一な厚さで形成することにより、偏光制御素子に空間的に均一な位相シフトを与えることができる。
【００２７】
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することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の第１の偏光制御素子の構成図である。
【図２】偏光制御素子を構成する金属構造体のサイズを定義する模式図である。
【図３】偏光制御素子の作製方法を示す工程図である。
【図４】表層部分に保護膜を有する偏光制御素子の構成を示す断面図である。
【図５】偏光制御素子の動作を検証するためのモデルを示す構成図である。
【図６】偏光制御素子の動作を検証した結果得られた波長に対する位相差と振幅比の変化特性図である。
【図７】下地膜の膜厚に対する動作中心波長の変化特性図である。
【図８】金属構造体の高さによる位相差の変化特性図である。
【図９】第２の偏光制御素子の構成図である。
【図１０】第３の偏光制御素子の構成図である。
【図１１】第３の偏光制御素子の動作を検証した結果得られた波長に対する位相差の変化特性図である。
【図１２】第４の偏光制御素子の構成図である。
【図１３】第４の偏光制御素子の金属構造体ユニットの配列を示す平面図である。
【図１４】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１５】従来の偏光制御素子の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、この発明の第１の偏光制御素子の構成を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ断面図である。図に示すように、第１の偏光制御素子１は、支持基板２の表面に下地膜３が形成され、この下地膜３の表面に直径ｄの複数の円柱形状の金属構造体４をｘ方向ｐｘ、ｙ方向ｐｙの周期で２次元的に配列されて構成している。
【００３０】
第１の偏光制御素子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が、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を仮定して説明しているが、第１の偏光制御素子１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良い。
【００３１】
第１の偏光制御素子１を構成する下地膜３は、支持基板２と金属構造体４を接合する際の機械的な安定性を向上させるものであるとともに、位相シフト機能の制御性を向上させるものである。したがって、支持基板２の材料と金属構造体４の材料との密着性の高い材料が適しており、支持基板２の材料との界面で固溶体を形成して強度や硬度を増加するＴｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属材料が利用できる。また、偏光制御素子１に空間的に均一な位相シフトを与えるため、下地膜３は全ての金属構造体４において均一な厚さである必要がある。ここで、均一な厚さとは、数値シミュレーションを実施した結果を後述するように、数ｎｍの精度、好ましくは２ｎｍ以下の精度でばらつきが押さえられていることを意味する。
【００３２】
また、第１の偏光制御素子１を構成する金属構造体４は入射光の波長より小さいサイズｄを有し、金属構造体４間の最近接距離が金属構造体４のサイズｄより小さくなるように配置されている。ここで、金属構造体４のサイズｄを入射光の波長以下とするのは、金属構造体４の周期配列による回折の影響を避けるためである。この金属構造体４の形状は、図１と図２（ａ）に示すように円柱形状の金属構造体４のほかに、図２の金属構造体４の平面図の（ｂ）〜（ｅ）に示すような楕円柱形状や三角柱形状、四角柱形状、非対称な柱形状、球形状、半球形状、円錐形状などであっても構わない。また、金属構造体４のサイズは形状が図１や図２（ａ）に示す円柱形状以外であると一意に決めることができない。そこで図２（ａ）に示すように、金属構造体４と同じ面積を有する円の直径ｄや、金属構造体４の面積と同じ面積を有する楕円５の長径ｄ１と短径ｄ２により金属構造体４のサイズを規定する。
【００３３】
このような金属構造体４が下地膜３に接触して配置されることにより剥がれにくく、機械的に安定な構成が実現できる。この金属構造体４の高さｈ１、すなわち図１（ａ），図２において紙面に垂直な方向の大きさに関しては、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、すなわち紙面に垂直に光が入射するものと仮定すると、近接場光を介した相互作用の距離には金属構造体４の高さｈ１は影響しないため、特に高さｈ１を規定する必要はない。ここで近接場光とは、金属構造体４近傍に生じる電磁場を意味する。偏光制御素子１は位相シフト量が大きいことが特徴であるが、これは表面プラズモンまたは局在表面プラズモンの効果により近接場光が金属構造体４近傍に強く発生し、金属構造体４が一方向に金属構造体４のサイズより小さな間隔で配置されたことにより近接場光を介した大きな位相シフトが生じることに起因する。ここで、表面プラズモンとは金属と誘電体の界面領域の金属側に励起される電子の集団運動であり、局在表面プラズモンとは金属による構造が微小になった場合に、金属材料全体に渡って励起される電子の集団運動である。以下では表面プラズモンと局在表面プラズモンをともにプラズモンと表記する。したがって金属構造体３はプラズモンを励起できる材料である必要があり、プラズモンを励起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。
【００３４】
次に第１の偏光制御素子１の作製方法について、図３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。
【００３５】
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３の工程１に示すように、支持基板２として平行平板状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６とＡｕなどの金属層７を順にスパッタ法や真空蒸着法により堆積し、この金属層の表面にフォトレジスト層８を形成する。次に工程２に示すように、フォトレジスト層８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９を形成する。その後、工程３に示すように、露光パターン９をマスクとして金属層７と下地層６の不要な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、続いて工程３に示すように、残ったフォトレジスト層８の露光パターン９を除去する。このようにして支持基板２と金属構造体４の間に、金属構造体４と同じサイズの下地膜３を配した２次元配列パターンを形成することができる。この金属層７と下地層６の不要な部分をエッチングで除去する際に、工程３ａと工程４ａに示すように、支持基板２までエッチングされる場合（オーバーエッチング）もあるが、オーバーエッチングがされても偏光制御素子１の特性は大きく変化しないことは、数値シミュレーションにより確認している。また、エッチングにより金属構造体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４の２次元配列パターンを形成する方法も有効である。
【００３６】
また、第１の偏光制御素子１の金属構造体４は、図１に示すように、空気中にむき出しとなっているが、図４の断面図に示すように、金属構造体４の表層部分に保護膜１０や保護構造を設けてもよく、これにより機械的な劣化や損傷、金属の酸化などに対する耐性を向上することができる。
【００３７】
次に、第１の偏光制御素子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５〜図７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５（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、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢＢ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２（ＳｉＯ２）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４として矩形のＡｕ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。図１では円柱形状の金属構造体４を例示したが、四角柱形状のＡｕ構造体であっても同様の効果が得られるため、この数値シミュレーションではモデリングが容易な四角柱形状のＡｕ構造体４の結果について説明する。下地膜３には厚さｈ２のＴｉ膜を仮定し、ＤｒｕｄｅモデルによりＴｉの誘電関数を与えた。入射偏光は、Ａｕ構造体４の配列方向に直交した２つの偏光成分の位相差を得るために、図５（ａ）に示すように、Ａｕ構造体４の各辺に対して４５度傾いた方向に設定した。
【００３８】
この数値シミュレーションに使用したシミュレーションパラメータは、Ａｕ構造体４は縦横のサイズは152ｎｍ、高さは60ｎｍのディスク状に形成し、図５（ａ）の平面図において紙面の横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向とした場合、ｘ方向の狭いピッチ方向の間隔200ｎｍ、ｙ方向の広いピッチ方向の間隔400ｎｍで配置して下地膜３の厚さｈ２を０〜20ｎｍに切り換えてシミュレーションを実施した。図６（ａ）は、シミュレーションにより得られた透過光の位相差のスペクトル特性、図６（ｂ）はｘ方向とｙ方向の偏光の振幅比Ａｘ／Ａｙ成分をプロットした図である。このシミュレーションの結果、図６（ａ）に示すように、Ｔｉからなる下地膜３の膜厚ｈ２を０ｎｍ〜２０ｎｍまで切り換えることにより、位相差の大きさをおよそ１０７度から４０度まで多段階に制御できることを確認した。この偏光制御素子１を位相シフト素子として利用する場合には、直交する２つの偏光成分の振幅がおおよそ等しい必要がある。したがって、図６（ｂ）に示す透過光の振幅比Ａｘ／Ａｙは１．０近傍に位置する必要がある。図７は、振幅比Ａｘ／Ａｙが１．０となる波長（動作中心波長）を補間処理により算出した結果をプロットした図である。図６（ａ）の位相差の大きさをおよそ１０７度から４０度までシフトする波長帯域が100ｎｍ程度であるので、その５０％の50ｎｍ以内に収まる波長にＴｉの下地膜３の厚さｈ２を設定した場合、図７の破線で示すように、下地膜３の厚さｈ２は10ｎｍ以下である必要がある。Ｔｉ以外の材料を使用して下地膜３を形成しても、特性は大きく変わらないことから、偏光制御素子１は、下地膜３の厚さｈ２を10ｎｍ以下に調整することにより、位相シフト量を柔軟に制御することができる。
【００３９】
また、金属構造体４の高さの位相差に対する依存性について数値シミュレーションした結果、図８の透過光の位相差のスペクトル特性に示すように、Ａｕ構造体４の縦横のサイズは152ｎｍで高さｈ１を20ｎｍ〜100ｎｍまで切り換えた場合、金属構造体４の高さｈ１の増加にともない位相差が変化する位置は短波長側にシフトし、動作帯域を調整する機能を有することが分かっている。
【００４０】
このように第１の偏光制御素子１は支持基板２上に下地膜３を介して金属構造体４を２次元的に配置することにより、機械的な安定性を向上することができる。また、下地膜３の厚さｈ２を10ｎｍより小さくし、この厚さｈ２を調節することにより位相シフト量を制御することができるとともに金属構造体４の高さｈ１を調整することにより、２次元的な素子構成でありながら位相シフト量の調整範囲を拡大することができ、薄型の偏光制御素子を実現でき、光学素子数の低減や光学装置の小型化を図ることができる。さらに、第１の偏光制御素子１は無機材料により構成されていることから、光強度に対する耐光性や耐熱性に優れ、投影型の表示デバイスなどに広く利用することが可能となる。
【００４１】
前記説明では、下地膜３の入射光の伝搬方向と直交する面における形状が金属構造体４と同一の２次元形状に形成されている場合について説明したが、図９（ａ）は平面図と、図９（ａ）のＡＡ断面図である図９（ｂ）に示すように、支持基板２の表面全体に均一な厚さｈ２の下地層６を形成し、この下地層６の表面に複数の金属構造体４を横方向ｐｘ、縦方向ｐｙの周期で２次元的に配列して第２の偏光制御素子１ａを構成しても良い。
【００４２】
この第２の偏光制御素子１ａを構成する支持基板２と下地層６及び金属構造体４として用いる材料は第１の偏光制御素子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の作製方法もエッチング工程で下地層６を除去しないことを除いては第１の偏光制御素子１の作製方法と同様である。
【００４３】
この第２の偏光制御素子１ａも金属構造体４は、入射光の伝播方向に垂直な面において入射光の波長以下のサイズを有し、金属構造体４間の最近接距離が金属構造体４のサイズより小さくなるように配置されている。このような配置することにより金属構造体４中にプラズモンが励起されるとともに、金属構造体４の配列方向に対して近接場光による相互作用が働き、配列の異方性に依存して位相シフト機能が発現でき、下地層６の厚さｈ２を10ｎｍより小さくし、この厚さｈ２を調節することにより位相シフト量を制御することができる。
【００４４】
前記偏光制御素子１，１ａは金属構造体４をディスク状に形成し、金属構造体４中に励振されるプラズモンの支持基板２に平行な面内に波数ベクトルをもつ振動成分を利用した場合について説明したが、次に、金属構造体４の高さと支持基板２に平行な断面のサイズ（円柱形状の場合は直径）の比、すなわちアスペクト比を例えば１以上として金属構造体４の高さｈ１を大きくして入射光の伝播方向に波数ベクトルをもつ振動成分のプラズモンが励振させて利用する第３の偏光制御素子１ｂについて説明する。
【００４５】
第３の偏光制御素子１ｂは、図１０（ａ）の平面図と図１０（ｂ）のＡＡ断面図に示すように、支持基板２の表面に下地膜３又は下地層６（以下、下地膜３と総称する）を有し、下地膜３に接して金属構造体４が形成されている。この第３の偏光制御素子１ｂを構成する支持基板２と下地膜３及び金属構造体４として用いる材料は第１の偏光制御素子１と同様な材料を使用すると良い。
【００４６】
この第３の偏光制御素子１ｂの金属構造体４と下地膜３のサイズも入射光の波長より小さいサイズｄを有し、金属構造体４間の最近接距離が金属構造体４のサイズｄより小さくなるように配置されている。このように金属構造体４を配置とした場合、金属構造体４中にプラズモンが励起されるとともに、金属構造体４及び下地膜３の配列方向に対して近接場光による相互作用が働き、配列の異方性に依存して位相シフト機能が発現する。この動作原理は、図６に示した数値シミュレーション結果により確認できている。
【００４７】
この第３の偏光制御素子１ｂの作製方法も第１の偏光制御素子１の作製方法と同様であり、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。また、表層部分に保護膜や保護構造を設けてもよく、これにより機械的な劣化や損傷、金属の酸化などに対する耐性向上が可能となる。
【００４８】
次に、第３の偏光制御素子１ｂの構成により偏光制御特性の向上が可能となる原理について説明する。第１の偏光制御素子１と第２の偏光制御素子１ａは、金属構造体４中に励振されるプラズモンの支持基板２に平行な面内に波数ベクトルをもつ振動成分を利用したが、第３の偏光制御素子１ｂは金蔵構造体４を高アスペクト比として金属構造体４の高さｈ１を大きくすることから、入射光の伝播方向に波数ベクトルをもつ振動成分のプラズモンが励振される。
【００４９】
この第３の偏光制御素子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１１の透過光の位相差のスペクトル特性に示すように、直径が152ｎｍの円柱構造のＡｕ構造体４で高さｈ１を20ｎｍ〜200ｎｍまで切り換えた場合、金属構造体４のアスペクト比が１を超えると、波長580ｎｍ近傍で高さ方向の共鳴効果により大きな位相差が得られ、狭帯域で極めて大きな位相シフト量が生じることが確認できた。さらに、金属構造体４の高さｈ１の増加に伴って、高次の振動成分が現れ、これが短波長側に大きな位相シフトを生じることも確認している。したがって、金属構造体４として高アスペクト比を有するものを用いれば、ディスク状の金属構造体４に比べ、より大きな位相シフト機能を得ることが可能となり、さらに、下地膜３の厚さ（高さ）ｈ２を調整することにより、その位相シフト量の大きさを制御することが可能になる。
【００５０】
このように第３の偏光制御素子１ｂは、支持基板２に下地膜３又は下地層６を介して高さｈ１が大きい金属構造体４を２次元的に配置し、高アスペクト比の高い金属構造体４を利用することにより偏光制御特性の向上を実現しており、高い制御性を有することができる。また、下地膜３や下地層６を有することにより、機械的な安定性を向上しており、かつ２次元的な素子構成でありながら大きな位相シフト効果が得られるため、薄型の偏光制御素子を実現でき、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、第３の偏光制御素子１ｂも無機材料により構成されていることから、光強度に対する耐光性、耐熱性に優れ、投影型の表示デバイスなどに広く利用することが可能となる。
【００５１】
前記第１の偏光制御素子１と第２の偏光制御素子１ａ及び第３の偏光制御素子１ｂは入射光の波長より小さいサイズｄを有する金属構造体４を１個毎に最近接距離が金属構造体４のサイズｄより小さくなるように配置した場合について説明したが、次に、複数の金属構造体４が対をなした金属構造体ユニットを配置した第４の偏光制御素子１ｃについて説明する。
【００５２】
第４の偏光制御素子１ｃは、図１２（ａ）の平面図と図１２（ｂ）のＡＡ断面図に示すように、入射光の波長以下のサイズｄを有する２個の金属構造体４が微小間隔ｇを隔てて対をなした金属構造体ユニット１１が支持基板２の表面に下地膜３又は下地層６（以下、下地膜３と総称する）を介してｘ方向ｐｘ１、ｙ方向ｐｙの周期で２次元的に配列されて構成している。金属構造体ユニット１１を構成する２個の金属構造体４の間隔ｇは、金属構造体４のサイズｄよりも小さくなるように２個の金属構造体４が配置されている。
【００５３】
この第４の偏光制御素子１ｃを構成する支持基板２と下地膜３及び金属構造体４として用いる材料は第１の偏光制御素子１と同様な材料を使用すると良い。また、作製方法も第１の偏光制御素子１の作製方法と同様であり、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。また、表層部分に保護膜や保護構造を設けてもよく、これにより機械的な劣化や損傷、金属の酸化などに対する耐性向上が可能となる。
【００５４】
この第４の偏光制御素子１ｃは、金属構造体ユニット１１を構成する２個の金属構造体４が入射光の波長以下のサイズｄを有し、金属構造体４間の間隔ｇが金属構造体のサイズｄより小さくなるように配置されているから、金属構造体４中にプラズモンが励起されるとともに、金属構造体ユニット１１内において金属構造体１１及び下地膜３の配列方向に対して近接場光による相互作用が働き、配列の異方性に依存して位相シフト機能が発現する。この位相シフト機能は金属構造体ユニット１１を構成する金属構造体４間の間隔ｇに依存し、金属構造体４の充填率を変えずに動作波長帯域を制御することが可能となる。
【００５５】
このように第４の偏光制御素子１ｃは、支持基板３の表面に下地膜３又は下地層６を介して金属構造体ユニット１１を形成し、さらに金属構造体ユニット１１を構成する２つの金属構造体４を、金属構造体４のサイズｄ以下に近接して配置して、金属構造体ユニットを２次元的に配置することにより、偏光制御特性の向上を実現しており、高い制御性を有することができる。また、下地膜３又は下地層６を有することにより、機械的な安定性を向上しており、かつ２次元的な素子構成でありながら大きな位相シフト効果が得られるため、薄型の偏光制御素子が実現できており、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、第４の偏光制御素子１ｃも無機材料により構成されていることから、光強度に対する耐光性、耐熱性に優れ、投影型の表示デバイスなどに広く利用することが可能となる。
【００５６】
前記説明では金属構造体ユニット１１を２個の金属構造体４で構成している場合について示したが、３個以上の複数の金属構造体４で金属構造体ユニット１１を構成しても良い。このように金属構造体ユニット１１に含まれる金属構造体４の個数を増やすことにより、より複雑な偏光異方性を設計することが可能となる。また、金属構造体ユニット１１を構成する金属構造体４を第３の偏光制御素子１ｃのように高アスペクト比の金属構造体４にすることにより、偏光制御特性を向上させて高い制御性を有することができる。
【００５７】
また、第４の偏光制御素子１ｃを構成する金属構造体ユニット１１の配列は、図１３（ａ）に示すように、金属構造体ユニット１１を正方格子の格子点上に配列したり、あるいは図１３（ｂ）に示すように、金属構造体ユニット１１を長方格子の格子点上に配列すると良い。このように金属構造体ユニット１１を配列することにより、金属構造体ユニット１１内の金属構造体４の配列方向に対して平行方向や直交する方向に異方性が生じ、偏光制御特性を配列方法により制御することが可能となる。また、金属構造体ユニット１１の間隔を入射光の間隔以下に設定すれば、回折の影響が含まれなくなり、空間的に強度ムラのない偏光制御素子を実現できる。逆に、金属構造体ユニット１１の間隔を入射光の波長よりも大きくなるように配置すれば、角度依存性や波長依存性の制御が可能となる。
【００５８】
同様な効果は、図１３（ｃ）に示すように、金属構造体ユニット１１を六方格子上に配列したり、図１３（ｄ）に示すように、金属構造体ユニット１１を構成する２個の金属構造体４の配列方向と直交するライン上に金属構造体ユニット１１を等間隔で配列したり、図１３（ｅ）に示すように、金属構造体ユニット１１を構成する２個の金属構造体４の配列方向を結ぶライン上に金属構造体ユニット１１を等間隔で配列しても得ることができる。また、図１３（ｃ）に示すように金属構造体ユニット１１を六方格子上に配列すると、支持基板２に対する金属構造体ユニット１１の充填率を最も高くでき、大きな位相シフト効果を実現することができる。さらに、図１３（ｆ）に示すように、金属構造体ユニット１１をランダムに配列すると、偏光異方性は金属構造体ユニット１１内の金属構造体４の配列方向のみで決定することができる。
【００５９】
次に、前記のように形成された偏光制御素子１〜１ｃのいずれかを使用した画像表示装置について説明する。
【００６０】
図１４は、例えば第１の偏光制御素子１を使用した液晶プロジェクタ２０の概略構成を示す。図に示すように、液晶プロジェクタ２０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の画像形成ユニット２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂと光合成プリズム２２と投射レンズ２３及びスクリーン２４を有する。画像形成ユニット２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂはそれぞれ光源２５と偏光制御素子１と液晶パネル２６及び偏光板２７が積層されて形成されている。
【００６１】
この液晶プロジェクタ２０でスクリーン２４に画像を投影するときは、各画像形成ユニット２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂの光源２５から出射された光を偏光制御素子１から液晶パネル２６と偏光板２７を透過させた後、光合成プリズム２２で合成し、合成した光を投射レンズ２３によりスクリーン２４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２４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２０を作製することができ、液晶プロジェクタ２０を低価格で提供することができる。
【００６２】
前記説明では画像表示装置として液晶プロジェクタ２０について説明したが、偏光制御素子１〜１ｃのいずれかを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。
【符号の説明】
【００６３】
１；偏光制御素子、２；支持基板、３；下地膜、４；金属構造体、６；下地層、
１０；保護膜、１１；金属構造体ユニット、２０；液晶プロジェクタ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６４】
【特許文献１】特開２００６−３３０１０５号公報
【特許文献２】特開２００６−３３０１０６号公報
【特許文献３】特開２００６−３３０１０７号公報
【特許文献４】特開２００６−３３０１０８号公報
【特許文献５】Ｗ０２００６／０９２９６３号公報
【非特許文献】
【００６５】
【非特許文献１】Optics Express,12,5418-5423(1004)「Linear and Nonlinear Optical Responses Influenced by Broken Symmetry in an Array of Gold Nanoparticles」  Brian K. Canfield,et.al
【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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