(57)【要約】  エテンデューが高いランダム偏光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光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を目的とする。  光を内部に導光する第１誘電体層と、第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、第１格子層の上に設けられた第２格子層と、第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、第１格子層は、第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、第１誘電体層との界面内における第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、第２格子層は、第１の方向に延伸され、第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、第１格子層の第２方向における第１の周期構造の周期が、第２格子層の第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きい光学素子、光学装置および表示装置とする。
2014010200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を内部に導光する第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、
前記第１格子層の上に設けられた第２格子層と、
前記第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
前記第１格子層は、前記第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、
前記第２格子層は、前記第１の方向に延伸され、前記第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、
前記第１格子層の前記第２方向における第１の周期構造の周期が、前記第２格子層の前記第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きいことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の周期構造の周期が２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下で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３】
前記第２の周期構造の周期が２００ｎｍ以下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】
前記第１格子層に入射する光の前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面に対する入射角θ1が、
2014010200.tif 000010
ただし、
ｎ1：第１誘電体部の屈折率
εd：第１誘電体部の誘電率
εm：第１金属部の誘電率
ｍ：整数
ｋ0：真空中の光の波数
Λ：第１周期構造の周期
なる関係式を満たすように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２格子層から出射する光の前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面に対する出射角θ2が、
2014010200.tif 000011
ただし、
ｎ0：第２の誘電体層の外部の屈折率
ｎ2：第２誘電体層の屈折率
なる式の条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に位相変調層を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に角度変換層を備える請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１誘電体層に光が入射する入射面および前記第２誘電体層の、前記第２誘電体層から前記第２誘電体層の外部へ光が出射する出射面を除いた少なくとも１つの面に反射層を備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子と、
少なくとも１つの光源と、を備え、
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ことを特徴とする光学装置。
【請求項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所定の偏光状態に変換する空間光変調器と、を有する表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エテンデューが高いランダム偏光光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光に変換する光学素子、光学装置および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（発光ダイオード：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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
特許文献１に記載の平面光学装置は、図１２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。【０００７】
上記の平面光学装置では、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。【０００８】
また、上記の平面光学装置では、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、上記の平面光学装置は、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換して出射できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２９５１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の平面光学装置では、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、出射方向を特定の方向に規定されたエテンデューの低い状態である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。【００１１】
本発明の目的は、エテンデューが高いランダム偏光光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、光を内部に導光する第１誘電体層と、第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、第１格子層の上に設けられた第２格子層と、第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、第１格子層は、第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、第１誘電体層との界面内における第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、第２格子層は、第１の方向に延伸され、第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、第１格子層の第２方向における第１の周期構造の周期が、第２格子層の第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きい光学素子に関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エテンデューが高いランダム偏光光を、出射方向を特定の方向に規定したエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光に変換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】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。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。
【図２Ｄ】本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。
【図３Ａ】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。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】本発明の第３の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。
【図５Ａ】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。
【図５Ｂ】本発明の第４の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。
【図６Ａ】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。
【図６Ｂ】本発明の第５の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。
【図７】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。
【図８】本発明の第７の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明の第８の実施形態の表示装置を模式的に示す上面図である。
【図１０】本発明の第９の実施形態の表示装置を模式的に示す上面図である。
【図１１】本発明の実施例１の光学装置の動作の一例を示すグラフである。
【図１２】特許文献１の平面光学装置の動作を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。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。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本発明の第１の実施形態に係る光学素子１０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。なお、実際の光学装置では、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。
【００１７】
光学素子１０１は、導光層１０２と、金属周期構造１０３、１０４と、カバー層１０５とを有する。
【００１８】
図示しない光源は、導光層１０２の外周部に配置され、導光層１０２にランダム偏光を出射する。光源は、導光層１０２から離れた位置に配置されてもよいし、導光層１０２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導光層１０２と接続されてもよい。
【００１９】
導光層１０２の上面には１次元の凹凸の周期構造が設けられている。図１Ａに示したように、導光層１０２の上面には第１の方向（図１Ａ中のｘ方向）に周期的な段差が形成される。また、一次元の凹凸が有する段差面は、周期構造と交差する第２の方向（図１Ａ中のｙ方向）に延伸される。なお、第１の方向と第２の方向は必ずしも直交する必要はなく、交差しさえすればよい。
【００２０】
導光層１０２の上面の各凹部には、金属が周期的に設けられている。この周期的に設けられた金属が金属周期構造１０３をなす。
【００２１】
導光層１０２の上面の各凸部１１２が第１誘電体部に相当し、金属周期構造１０３が第１金属部に相当する。導光層１０２の上面の各凸部１１２および金属周期構造１０３で形成される第１格子層１１１が、第１の周期構造を有する第１格子層に相当する。なお、周期構造の繰返しの最小単位を周期構造の周期とよぶ。また、周期構造の周期を、単に周期またはピッチと記載することがある。
【００２２】
第１格子層１１１は、後述する導光層１０２内の光のうち、導光層１０２上面の周期構造に対して特定の入射角の光を回折させて透過させ、それ以外の入射角の光を反射する。なお、本発明において、導光層１０２上面の周期構造に入射する光の入射角は、第１格子層１１１と導光層１０２の界面への入射角としてとらえる。
【００２３】
第１格子層１１１の上面には、下面に１次元の凹凸の周期構造を有するカバー層１０５が設けられている。図１Ａに示したように、凹凸面は、周期構造と交差する第２の方向（図１Ａ中のｙ方向）に延伸され、導光層１０５の下面には第１の方向（図１Ａ中のｘ方向）に向けて周期的な段差が形成される。なお、第１の方向と第２の方向は必ずしも直交する必要はなく、交差しさえすればよい。
【００２４】
カバー層１０５の下面の各凹部には、金属が周期的に設けられている。この周期的に設けられた金属が金属周期構造１０４をなす。
【００２５】
カバー層１０５の下面の各凸部１１５が第２誘電体部に相当し、金属周期構造１０４が第２金属部に相当する。カバー層１０５の下面の各凸部１１５および金属周期構造１０４で形成される第２格子層１２１が、第２の周期構造を有する第２格子層に相当する。なお、第１の周期構造と第２の周期構造の周期方向は一致していることが好ましいが、必ずしも互いに平行でなくてもよい。
【００２６】
第２格子層１２１は、後述する導光層１０２内の光のうち、第１格子層１１１の周期方向と平行な方向に主成分を有し、かつ第１格子層１１１に対して特定の入射角で入射したＰ偏光の光を透過させ、それ以外の光の一部を反射する。
【００２７】
なお、導光層１０２が第１誘電体層に相当する。また、カバー層１０５が第２誘電体層に相当する。
【００２８】
本発明の導光層、カバー層は、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導光層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
【００２９】
本発明の金属周期構造は、少なくとも可視光を透過しない材料からなり、金属周期構造に入射した光を反射する。また、後述するように、本発明の実施形態の金属周期構造は、可視光によって、表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。
【００３０】
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の上面には１次元の周期構造として、ｘ方向に周期を有し、ｙ方向に延伸し、ｚ方向に凹凸を有する構造が形成されている。
【００３１】
導光層１０２の材料は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。
【００３２】
なお、導光層１０２の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第２格子層１２１からの透過光の伝播角が、カバー層１０５の上面と空気との界面における臨界角より小さくなる条件を満たせばよい。
【００３３】
また、導光層１０２の上面の周期構造（第１の周期構造）は、周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下、凹凸の深さ１２０ｎｍ程度以下である。
【００３４】
本発明の実施形態では、波長領域が４６０〜６３０ｎｍ程度の可視光領域の光を想定している。第１の周期構造の周期が６００ｎｍ程度以上になると、高次の回折に起因して複数の出射光が生じてしまう。一方、６００ｎｍ程度以下であれば、１次の回折のみになるため、効率や指向性の低下が起こらない。また、周期の下限値に関しては、使用する光の下限値の半分程度である２００ｎｍよりも大きいことが好ましい。
【００３５】
なお、導光層１０２の上面の周期構造の周期は、２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第２格子層１２１からの透過光の伝播角が、カバー層１０５の上面と空気との界面における臨界角より小さくなる条件を満たせばよい。また、使用する波長領域によっては、第１の周期構造の周期をその波長領域に合わせて設定すればよい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
金属周期構造１０３、１０４は、可視光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。
【００３９】
なお、金属周期構造１０３の材料は、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、後述する第２格子層１２１と相互作用して、第１格子層１１１において表面プラズモンを励起すればよい。
【００４０】
金属周期構造１０３の厚みは、１０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下である。
【００４１】
また、金属周期構造１０３の厚みは、１０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、第１格子層１１１において、入射光が第１格子層１１１によって回折されて第１格子層１１１に表面プラズモンを励起する程度に厚ければよい。ただし、金属周期構造１０３の厚みは、２００ｎｍ以上になると金属による透過損失の影響が大きくなるため、２００ｎｍ程度以下であることが好ましい。また、金属周期構造１０３の厚みは、後述する第１格子層１１１において励起される表面プラズモンのエネルギーが、金属周期構造１０３の上面に到達する程度に薄ければよい。
【００４２】
なお、金属周期構造１０４の材料は、Ａｇに限定されず、Ａｌ、Ａｕでもよい。より詳細には、後述する第１格子層１１１と相互作用して、第１格子層１１１において表面プラズモンを励起すればよい。
【００４３】
また、金属周期構造１０４の厚みは１０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、第１格子層１１１において励起された表面プラズモンから、Ｐ偏光を主成分とする光を透過させ、かつＳ偏光を主成分とする光を反射する程度に厚ければよい。また、金属周期構造１０４は、後述するＰ偏光を主成分とする光を透過させる程度に薄ければよい。
【００４４】
金属周期構造１０４は、金属周期構造１０３よりも小さい周期構造の周期を有する。そのため、第１格子層１１１の凸部１１２の上には、第２格子層１２１の金属部が存在することになる。その結果、第１格子層１１１における表面プラズモンの第２方向への伝播効率が上がる。なお、第１格子層１１１と第２格子層１２１は、お互いに接触していることが好適である。
【００４５】
カバー層１０５は、後述する第２格子層１２１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。カバー層１０５の下面には１次元の周期構造として、ｘ方向に周期を有し、ｙ方向に延伸し、ｚ方向に凹凸を有する構造が形成されている。
【００４６】
カバー層１０５は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ、ＰＭＭＡなどのアクリル樹脂である。
【００４７】
なお、カバー層１０５の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第２格子層１２１からの透過光の伝播角が、カバー層１０５の上面と空気との界面における臨界角より小さくなる条件を満たせばよい。
【００４８】
また、カバー層１０５の下面の周期構造（第２の周期構造）は、周期２００ｎｍ程度以下、凹凸の深さ１２０ｎｍ程度以下である。本発明の実施形態においては、第２の周期構造の周期は、使用する波長域（４６０〜６３０ｎｍ）の下限（４６０ｎｍ）の光が回折する限界以下となる２００ｎｍ以下とすることが好ましい。下限に関しては特に限定しないが、金属の原子サイズ以上であればよい。
【００４９】
なお、カバー層１０５の下面の周期構造の周期は、２００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第１格子層１１１において励起された表面プラズモンから、Ｐ偏光を主成分とする光を透過させ、かつＳ偏光を主成分とする光を反射する条件を満たせばよい。
【００５０】
カバー層１０５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、カバー層１０５の厚みには、特に限定は加えない。
【００５１】
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。
【００５２】
第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
【００５３】
他方、第２石英ガラスの上面を、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
【００５４】
最後に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。ただし、第１の実施形態の光学素子１０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
【００５５】
なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
【００５６】
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。
【００５７】
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。ここで、真空中における光の角周波数をω、光速をｃとすると真空中における光の波数は、ｋ0＝ω／ｃで表される。表面プラズモンの波数ｋspは、真空中における光の波数ｋ0、金属の誘電率εmおよび誘電体の誘電率εdから式１で決定される。
2014010200.tif 000003
【００５８】
表面プラズモンの角周波数と波数の関係である分散関係が、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、誘電体中に存在する特定の波長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。
【００５９】
しかしながら、平坦な金属と平坦な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一致しない。そのため、光を誘電体から金属に入射しても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。
【００６０】
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、金属と誘電体との界面に回折格子（グレーティング）を設けるグレーティング結合法が知られている。
【００６１】
一般に、グレーティング結合法では、回折格子の周期方向に平行な面内において、回折格子に入射角θiで光が入射すると、その回折格子にて回折された光の、回折格子の周期方向に平行な波数成分ｋΛは、誘電体の屈折率ｎ、整数ｍ（回折次数ｍ）、ピッチ（周期構造の周期）Λ、格子ベクトルＫ＝２π／Λを用いて式２で表される。
2014010200.tif 000004
【００６２】
ここで、回折格子に対して特定の入射角において、ｋSP＝ｋΛとなる場合、つまり表面プラズモンの分散関係と誘電体中の回折光の分散関係とが一致する場合においては、光から誘電体と金属との界面に波数ｋΛを有する表面プラズモンが回折格子の周期方向に平行な方向に励起される。
【００６３】
ここで、表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。
【００６４】
したがって、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、第１格子層１１１をｘ方向に周期を有する１次元周期構造とすることで、第１格子層１１１に表面プラズモンを励起できる光を、ｘ方向に電界成分を有し、かつ第１格子層１１１の周期構造に対して特定の入射角度を有するＰ偏光に制限することが可能になる。
【００６５】
第１格子層１１１の周期構造に対して、ｋ1x＝ｋSPを満足する入射角θ1で光が入射され、第１格子層１１１において表面プラズモンがｘ方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属周期構造１０３における熱損失となり、一部は導光層１０２内の光と結合して回折され、一部は金属周期構造１０４へ到達する。すなわち、式３の条件が満たされる場合、第１格子層１１１において表面プラズモンが励起される。
2014010200.tif 000005
【００６６】
ただし、ｎ1は導光層１０２の屈折率である。
【００６７】
第２格子層１２１のピッチは回折を生じさせない程度に小さく、かつ第２格子層１２１の周期方向は第１格子層１１１と平行である。そのため、金属周期構造１０４へ到達した表面プラズモンのエネルギーは、金属周期構造１０４において大部分が吸収または反射されず、金属周期構造１０４を透過する。
【００６８】
金属周期構造１０４を透過した表面プラズモンのエネルギーは、カバー層１０５内の光と結合して出射される。第２格子層１２１から出射される光の波数ｋ2xは、第１格子層１１１に励起された表面プラズモンの波数成分と平行である。したがって、第２格子層１２１から出射した光は、第１格子層１１１に入射した光と同様に、ｘ方向に電界成分を有し、かつ第２格子層１２１の周期構造に対して特定の出射角θ2であるＰ偏光となる。
【００６９】
第２格子層１２１から出射角θ2で出射したＰ偏光は、カバー層１０５を伝播し、カバー層１０５の上面に入射角θ3で入射する。本実施形態においては、カバー層１０５は平板状でありθ3＝θ2である。
【００７０】
一般に、屈折率ｎAの媒質Ａから、媒質Ａと屈折率ｎBの媒質Ｂとの界面へ光が入射する際における臨界角θcは、式４で表される。
2014010200.tif 000006
【００７１】
ここで、カバー層１０５の屈折率をｎ2、カバー層１０５の外部の屈折率をｎ0とすると、θ3＜θcを満足してカバー層１０５の上面に入射した光は、カバー層１０５の外部に出射する。すなわち、カバー層１０５が平板状である場合は、式５の条件を満たすことで、カバー層１０５の外部に特定の偏光状態の光が出射される。
2014010200.tif 000007
【００７２】
また、第１格子層１１１に表面プラズモンを励起しないＰ偏光と、Ｓ偏光の光は、第１格子層１１１および金属周期構造１０４によって回折または鏡面反射され、導光層１０２内において、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光することになる。すなわち、第１格子層１１１に表面プラズモンを励起しないＰ偏光と、Ｓ偏光の光は、カバー層１０５からカバー層１０５の外部へ出射されない。
【００７３】
また、導光層１０２内のｙｚ面内に存在する光は、金属層１０３によって回折または鏡面反射され、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光し、導光層１０２の下面から導光層１０２の外部へ出射しない。
【００７４】
以上のことから、導光層１０２内に存在する光のうち、第１格子層１１１に対して特定の入射角θ1で入射するＰ偏光だけが、表面プラズモンを介して回折され、カバー層１０５から取出される。
【００７５】
すなわち、第１格子層１１１において、ｘ方向に周期を有する１次元の周期構造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。そのため、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。
【００７６】
なお、ｚｘ方向以外に伝搬する光が第１格子層１１１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、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第１格子層１１１に励起される。さらに、表面プラズモンの一部が第１格子層１１１の上面に到達し、ｘ方向に特定の偏光成分を有する光として、カバー層１０５から取出される。
【００７７】
このように、本実施形態では、第１格子層１１１に周期構造を設けることで、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。
【００７８】
また、第２格子層１２１は、導光層１０２内の光のうち、第１格子層１１１の周期方向と平行な方向に主成分を有し、かつ第１格子層１１１に対して特定の入射角で入射したＰ偏光のみを回折せずに透過させ、それ以外の光の一部を反射する。さらに、第２格子層１２１のピッチは、回折を生じさせない程度に小さい。そのため、第１格子層１１１と第２格子層１２１が共存することによって、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をより効率的に得ることができる。
【００７９】
なお、図２Ａ〜Ｄは、本実施形態において、第１格子層１１１における周期構造のｚｘ平面における断面形状の変形例を示す。第１格子層１１１における周期構造には、矩形波状（図２Ａ）、階段状（図２Ｂ）、正弦波状（図２Ｃ）、鋸歯状（図２Ｄ）などの形状を用いることができる。また、矩形波状（図２Ａ）、階段状（図２Ｂ）、正弦波状（図２Ｃ）、鋸歯状（図２Ｄ）などの任意の複数の形状が、前述の周期構造内に混在してもよく、前述の形状以外であっても、本実施形態と同様の効果が得られる形状でありさえすればよい。なお、第２格子層１２１における周期構造のｚｘ平面における断面形状についても、同様の変形例を用いることができる。
【００８０】
［第２の実施形態］
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る光学素子２０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
【００８１】
光学素子２０１は、導光層２０２と、金属周期構造２０３、２０４と、カバー層２０５と、スペーサ層２０６を有する。また、導光層２０２の上部の凸部２１２と金属周期構造２０３とが第１格子層２１１を形成し、カバー層２０５の下部の凸部２１５と金属周期構造２０４とが第２格子層２２１を形成する。
【００８２】
図３Ａ及び図３Ｂに示す光学素子２０１は、第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、金属周期構造１０３と金属周期構造１０４との間にスペーサ層２０６を備えている点が異なる。
【００８３】
スペーサ層２０６は、本発明のスペーサ層に相当する。本発明のスペーサ層は、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スペーサ層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
【００８４】
スペーサ層２０６は、屈折率１以上２以下の屈折率を有する。スペーサ層２０６は、例えばＳｉＯ2である。スペーサ層２０６の厚みは、５０ｎｍ程度以下である。
【００８５】
なお、スペーサ層２０６は、屈折率１以上２以下に限定されない。また、スペーサ層２０６の厚みは、５０ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する導光層２０２から第１格子層２１１へ光が入射した際に、第１格子層２１１と第２格子層２２１が相互作用して第１格子層２１１において表面プラズモンを励起する程度に薄ければ良く、後述する第１格子層２１１で励起された表面プラズモンのエネルギーが、第２格子層２２１に到達する程度に薄ければ良い。
【００８６】
また、光学素子２０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
【００８７】
第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
【００８８】
さらに、第１格子層の上面にＳｉＯ2をスパッタ等の蒸着法によって蒸着し、スペーサ層を形成する。
【００８９】
他方、第２石英ガラスの上面を、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
【００９０】
最後に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、スペーサ層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。ただし、第２の実施形態の光学素子２０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
【００９１】
なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
【００９２】
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。なお、第１の実施形態と重複する部分は説明を省略する。
【００９３】
第１格子層２１１の周期構造に対して、ｋ1x＝ｋSPを満足する入射角θ1で光が入射され、第１格子層２１１において表面プラズモンがｘ方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属周期構造２０３における熱損失となり、一部は導光層２０２内の光と結合して回折され、一部はスペーサ層２０６へ到達する。スペーサ層２０６は、充分薄いので、表面プラズモンのエネルギーは、スペーサ層２０６を透過して第２格子層２２１へ到達する。
【００９４】
第２格子層２２１へ到達した表面プラズモンは、第１の実施形態と同様のＰ偏光によって励起される。そのため、第１の実施形態と同様の光が、カバー層２０５の外部に出射される。
【００９５】
以上のことから、第２の実施形態によれば、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が得られる。
【００９６】
さらに、本実施形態の光学素子では、第１格子層と第２格子層にスペーサ層を設けることによって、素子を作製する際には、第１格子層と第２格子層との密着性が弱い場合でも機能を得ることができる。そのため、第１の実施形態に比べて密着性の許容度を上げることができる。
【００９７】
［第３の実施形態］
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本発明の第３の実施形態の光学素子３０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
【００９８】
光学素子３０１は、導光層３０２と、金属周期構造３０３、３０４と、カバー層３０５と、位相変調層３０７とを有する。また、導光層３０２の上部の凸部３１２と金属周期構造３０３とが第１格子層３１１を形成し、カバー層３０５の下部の凸部３１５と金属周期構造３０４とが第２格子層３２１を形成する。
【００９９】
図４Ａ及び図４Ｂに示す光学素子３０１は、第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、導光層１０２の下面に位相変調層３０７を備えている点で異なる。
【０１００】
なお、第１格子層３１１と第２格子層３２１との間に、第２の実施形態で示したスペーサ層を有しても良い。
【０１０１】
位相変調層３０７は、本発明の位相変調層に相当する。本発明の位相変調層は、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。
【０１０２】
位相変調層３０７は、光学軸がｘｙ面内に存在し、透過する光の位相変調層の光学軸に平行な方向の成分と垂直な方向の成分に位相差を与える。
【０１０３】
位相変調層３０７の例としては、λ／４板である。なお、位相変調層３０７は、λ／４板に限定するわけではない。
【０１０４】
また、光学素子３０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
【０１０５】
第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
【０１０６】
他方、第２石英ガラスの上面に、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
【０１０７】
次に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。
【０１０８】
最後に、第１石英ガラスの下面の外部にλ／４板をオプティカルボンディングで設ける。ただし、第３の実施形態の光学素子３０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
【０１０９】
なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
【０１１０】
以下に、第３の実施形態の光学素子の動作を説明する。なお、第１の実施形態と同様な動作については説明を省略する。
【０１１１】
第３の実施形態では、導光層３０２内の光は、位相変調層３０７に入射して、直線偏光から円偏光へ変換され、位相変調層３０７の下面に到達する。位相変調層３０７の下面に到達した光は、全反射され再び位相変調層３０７を透過する際に、円偏光から往路と偏光方向が直交する直線偏光へ変換される。その他の動作に関しては、第１の実施形態と同様である。
【０１１２】
したがって、第３の実施形態の光学素子では、第１の実施形態の光学素子で利用できなかった導光層１０２内のＳ偏光の光を、Ｐ偏光に変換して利用できる。
【０１１３】
以上のことから、第３の実施形態によれば、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が得られる。さらに、第３の実施形態では、位相変調層３０７によって、導光層３０２内の光の偏光状態を変換して導光層３０２へ戻して再利用することで、第１の実施形態の光学素子１０１に比べて光利用効率を上げることができる。
【０１１４】
［第４の実施形態］
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ本発明の第４の実施形態に係る光学素子４０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
【０１１５】
光学素子４０１は、導光層４０２と、金属周期構造４０３、４０４と、カバー層４０５と、角度変換層４０８とを有する。また、導光層４０２の上部の凸部４１２と金属周期構造４０３とが第１格子層４１１を形成し、カバー層４０５の下部の凸部４１５と金属周期構造４０４とが第２格子層４２１を形成する。
【０１１６】
図５Ａ及び図５Ｂに示す光学素子４０１は、第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、導光層１０２の下面に角度変換層４０８を備えている点が異なっている。
【０１１７】
なお、第１格子層４１１と第２格子層４２１との間に、第２の実施形態で示したスペーサ層を有しても良い。
【０１１８】
角度変換層４０８が、本発明の角度変換層に相当する。本発明の角度変換層は、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角度変換層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
【０１１９】
角度変換層４０８は、入射した光の伝播角度を少なくともｘ方向成分に関して変換する。
【０１２０】
角度変換層４０８の例としては、ｘ方向に周期性を有し、ｙ方向に延伸する複数のプリズムである。なお、角度変換層４０８の他の例は、ｙ方向に延伸する一つのプリズムである。角度変換層４０８の屈折率は導光層４０２の屈折率と等しい。なお、角度変換層４０８の屈折率は特に制限されない。
【０１２１】
また、光学素子４０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
【０１２２】
第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
【０１２３】
他方、第２石英ガラスの上面に、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
【０１２４】
次に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。
【０１２５】
最後に、第１石英ガラスの下面の外部に角度変換層４０８をオプティカルボンディングで設ける。ただし、第４の実施形態の光学素子４０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
【０１２６】
なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
【０１２７】
以下に、第４の実施形態の光学素子の動作を説明する。なお、第１の実施形態と同様な動作については説明を省略する。
【０１２８】
第４の実施形態では、導光層４０２および角度変換層４０８内において多重反射する光は、角度変換層４０８の下面で全反射される際に角度が変換される。その他の動作に関しては、第１の実施形態と同様である。
【０１２９】
以上のことから、第４の実施形態によれば、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が得られる。さらに、第４の実施形態では、角度変換層４０８は、第１格子層４１１においてプラズモン励起条件を満足しない角度変換層４０８の外部へ出射しない光の角度を変換して導光層４０２へ戻して再利用することで、第１の実施形態の光学素子１０１に比べて光利用効率を上げることができる。
【０１３０】
［第５の実施形態］
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ本発明の第５の実施形態の光学素子５０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
【０１３１】
光学素子５０１は、導光層５０２と、金属周期構造５０３、５０４と、カバー層５０５と、位相変換層５０７と、角度変換層５０８とを有する。また、導光層５０２の上部の凸部５１２と金属周期構造５０３とが第１格子層５１１を形成し、カバー層５０５の下部の凸部５１５と金属周期構造５０４とが第２格子層５２１を形成する。
【０１３２】
図６及び図６Ｂに示す光学素子５０１は、第３の実施形態の光学素子３０１と比べると、位相変調層３０７の下面に第４の実施形態の角度変換層４０８を備えている点が異なっている。
【０１３３】
なお、第１格子層５１１と第２格子層５２１との間に、第２の実施形態で示したスペーサ層を有しても良い。
【０１３４】
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。
【０１３５】
第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
【０１３６】
他方、第２石英ガラスの上面に、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
【０１３７】
次に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。
【０１３８】
最後に、第１石英ガラスの下面の外部に位相変調層５０７、角度変換層５０８をオプティカルボンディングで設ける。ただし、第５の実施形態の光学素子５０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
【０１３９】
なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
【０１４０】
第５の実施形態の動作は、第３の実施形態および第４の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１４１】
第５の実施形態によれば、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が得られる。さらに、第５の実施形態では、位相変調層５０７および角度変換層５０８は、角度変換層５０８の外部へ出射しない光の偏光状態および角度を変換して導光層５０２へ戻して再利用することができる。そのため、第３の実施形態の光学素子３０１に比べて光利用効率を上げることができる。
【０１４２】
［第６の実施形態］
図７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。
【０１４３】
光学素子６０１は、第１〜５の実施形態の光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１のいずれかの構成に加えて、図示しない光源から光が入射される入射領域である入射口６１０と、光の出射面を除いた外壁面（つまり、光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１の側面）とに反射部６０９を追加したものである。また、入射口６１０と、光の出射面を除いた外壁面と、反射部６０９との間に誘電体層を挿入しても良い。
【０１４４】
反射部６０９は、光学素子６０１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、光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１と比べて光利用効率を上げることができる。
【０１４５】
なお、反射部６０９は、入射口６１０を除いた側面の全てに設けられていてもよいし、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、反射部６０９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く、その形状は限定しない。
【０１４６】
反射部６０９は、反射層に相当する。誘電体層は第３誘電体層に相当する。
【０１４７】
反射部６０９は、可視光を反射する材料で構成される。反射部６０９の材料の例としては、Ａｇ、Ａｌである。但し、反射部６０９の材料はＡｇ、Ａｌに限定されない。
【０１４８】
誘電体層は、可視光を透過する材料で構成される。誘電体層の例は、空気、光学ゲル、光学接着剤である。但し、誘電体層は空気、光学ゲル、光学接着剤に限定されない。
【０１４９】
第６の実施形態の光学素子６０１を用いることによって、第１〜５の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第６の実施形態では、反射手段が外壁面などに設けられているため、側面から光が漏れることを抑制できる。そのため、第１〜５の実施形態に比べて光利用効率を上げることができる。
【０１５０】
以下の第７の実施形態においては、第１〜６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。
【０１５１】
［第７の実施形態］
本実施形態では、第１〜６の実施形態で説明した光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１のいずれかを備えた光学装置について説明する。
【０１５２】
図８は、本実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。
【０１５３】
光学装置７００は、第１〜６の実施形態の光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１の構成に加えて、光源７１１を追加したものである。
【０１５４】
光源７１１は、導光層の外周部に配置され、入射口７１０を通じて、光学素子の導光層にランダム偏光を出射する。光源７１１は、導光層から離れた位置に配置されても良いし、導光層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導光層と接続されてもよい。
【０１５５】
なお、光源７１１からの光は、導光層の側方に設けた入射口７１０から入射させることが好ましい。
【０１５６】
光源７１１としては、例えばＬＥＤを用いることができる。ただし、光源７１１については限定を加えず、ランダム偏光を放射することができるものであればかまわない。
【０１５７】
本実施形態において、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。
【０１５８】
本実施形態の光学装置によれば、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規定したエテンデューの低い状態に変換して出射することができる。そのため、光利用効率の高い光学装置を提供することができる。
【０１５９】
以下の第８および第９の実施形態においては、第７の実施形態の光学装置を用いた表示装置について説明する。
【０１６０】
［第８の実施形態］
本実施形態では、第７の実施形態で説明した光学装置７００を備えた表示装置であるプロジェクタについて説明する。
【０１６１】
図９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９において、投射型画像表示装置であるプロジェクタは、光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂと、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂと、クロスダイクロイックプリズム８１３と、投射光学系８１４とを備える。
【０１６２】
光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂが光学装置７００で構成される。
【０１６３】
光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂ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、光学装置８００Ｒから赤色光が出射され、光学装置８００Ｇから緑色光が出射され、光学装置８００Ｂから青色光が出射されるものとする。
【０１６４】
光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂは、各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂのそれぞれに導く。なお、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂは、空間光変調素子に相当する。
【０１６５】
液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂ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。
【０１６６】
クロスダイクロイックプリズム８１３は、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂ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。
【０１６７】
投射光学系８１４は、クロスダイクロイックプリズム８１３から出射された合成光をスクリーン８１５へ投射して、スクリーン８１５上に映像信号に応じた画像を表示する。
【０１６８】
第８の実施形態のプロジェクタにおいては、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規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。
【０１６９】
［第９の実施形態］
図１０は、第８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１０において、プロジェクタは、光学装置９００と、液晶パネル９１２と、投射光学系９１４とを備える。
【０１７０】
光学装置９００は、第８の実施形態で説明した光学装置８００Ｒ、８００Ｇないし８００Ｂと同じ構成・機能を有する。したがって、光学装置８００Ｒ、８００Ｇないし８００Ｂは、第８の実施形態で説明した光学装置８００Ｒ、８００Ｇないし８００Ｂにおける光源が３つの場合と同じ構成・機能を有する光学装置である。
【０１７１】
液晶パネル９１２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。
【０１７２】
投射光学系９１４は、液晶パネル９１２から出射された変調光をスクリーン９１５へ投射して、スクリーン９１５上に映像信号に応じた映像を表示する。
【０１７３】
なお、第８、９の実施形態では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、空間光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図９および図１０で示したプロジェクタでは、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇ、８１２Ｂおよび液晶パネル９１２の代わりに、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：Ｄｉｇｉｔａｌ  ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いてもよい。
【０１７４】
第９の実施形態のプロジェクタにおいては、第８の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第８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。
【０１７５】
また、第８または第９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。なお、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。
【０１７６】
［実施例１］
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１１は、本発明の実施例１の光学素子１０１の動作の一例を示すグラフである。図１１は、第１の実施形態の光学素子１０１の効果を確認するために行った、実施例１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。
【０１７７】
図１１の横軸は、光学素子１０１のｚｘ面内において、第１格子層１１１へ入射角を、θc以上９０°以下とした際の、カバー層１０５内における第２格子層１２１からの出射角θ2を示す。図１１の縦軸は、最大値５０％で規格化した回折効率（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。
【０１７８】
図１１において、実線は第１格子層１１１への入射光をＰ偏光とした場合、点線は第１格子層１１１への入射光をＳ偏光とした場合を示す。なお、光学素子１０１のｙｚ面内における出射光は、カバー層１０５の上面とカバー層１０５の外部界面における臨界角内には、光学素子１０１のｚｘ面内の出射光量に比べて、無視できる程度に小さいので、説明を省略する。なお、シミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ法）を用いた。
【０１７９】
実施例１のシミュレーションにおいて、導光層１０２は、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。
【０１８０】
金属周期構造１０３としては、Ａｇを用いた。金属周期構造１０３の厚みは６０ｎｍとした。
【０１８１】
第１格子層１１１の形状は、図２Ａに示す矩形波状とし、ピッチを３６０ｎｍとした。
【０１８２】
金属周期構造１０４としては、Ａｇを用いた。金属周期構造１０４の厚みは６０ｎｍとした。なお、Ａｇの誘電率はドルーデ・ローレンツモデルに基づいて設定した。
【０１８３】
第２格子層１２１の形状は、図２Ａに示す矩形波状とし、ピッチを１２０ｎｍとした。
【０１８４】
カバー層１０５は、導光層１０２と同様、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。
【０１８５】
導光層１０２の外部、およびカバー層１０５の外部を屈折率１の空気とした。
【０１８６】
図１１から、回折角約−２０．０ｄｅｇから約３．０ｄｅｇにおいて、−１次の回折光が生じていることが判る。なお、回折角約４２．０ｄｅｇ以上において、０次の回折光（つまり透過光）が生じているが、この回折光は、カバー層１０５とカバー層１０５の外部との界面における臨界角（約４２ｄｅｇ）以上であるので、カバー層１０５とカバー層１０５の外部との界面で全反射され、光学素子１０１の外部へは出射しない。つまり、光学素子１０１の外部へ出射するのは、−１次の回折光のみである。
【０１８７】
ここで、−１次の回折光のＰ偏光成分のカバー層１０５内における回折効率について、ピーク値の半分の値となる回折角は約−２．０ｄｅｇと約−１９．０ｄｅｇである。したがって、カバー層１０５の上面を透過後の空気中の角度に換算すると、約−３．０ｄｅｇと約−２８．０ｄｅｇである。つまり、Ｐ偏光成分の空気中の半値全幅は約２５．０ｄｅｇである。
【０１８８】
したがって、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅（４５ｄｅｇ）に比べて、本実施形態におい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偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が５倍以上大きいため、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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）
光を内部に導光する第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、
前記第１格子層の上に設けられた第２格子層と、
前記第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
前記第１格子層は、前記第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、
前記第２格子層は、前記第１の方向に延伸され、前記第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、
前記第１格子層の前記第２方向における第１の周期構造の周期が、前記第２格子層の前記第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きいことを特徴とする光学素子。
（付記２）
前記第１金属部および前記第２金属部は、Ａｇ、ＡｌおよびＡｕのうちいずれか１つを含む金属であることを特徴とする付記１に記載の光学素子。
（付記３）
前記第１の周期構造の周期が２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
（付記４）
前記第２の周期構造の周期が２００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記５）
前記第１格子層に入射する光の前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面に対する入射角θ1が、
2014010200.tif 000008
【０１９１】
ただし、
ｎ1：第１誘電体部の屈折率
εd：第１誘電体部の誘電率
εm：第１金属部の誘電率
ｍ：整数
ｋ0：真空中の光の波数
Λ：第１周期構造の周期
なる関係式を満たすように構成したことを特徴とする付記１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記６）
前記第２格子層から出射する光の前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面に対する出射角θ2が、
2014010200.tif 000009
【０１９２】
ただし、
ｎ0：第２の誘電体層の外部の屈折率
ｎ2：第２誘電体層の屈折率
なる式の条件を満たすことを特徴とする付記１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記７）
前記第１格子層の前記第１の方向および前記第２の方向と直交する第３の方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記８）
前記第２格子層の前記第３の方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記７に記載の光学素子。
（付記９）
前記第１格子層および前記第１誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面の一部が矩形波状となることを特徴とする、付記１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１０）
前記第１格子層および前記第１誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面の一部が階段断面状となることを特徴とする、付記１乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１１）
前記第１格子層および前記第１誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面の一部が正弦波状となることを特徴とする、付記１乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１２）
前記第２格子層および前記第２誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面の一部が矩形波状となることを特徴とする、付記１乃至１１のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１３）
前記第２格子層および前記第２誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面の一部が階段断面状となることを特徴とする、付記１乃至１２のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１４）
前記第２格子層および前記第２誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面の一部が正弦波状となることを特徴とする、付記１乃至１３のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１５）
前記第１格子層と前記第２格子層との間にスペーサ層を備える、付記１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１６）
前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に位相変調層を備える付記１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１７）
前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に角度変換層を備える付記１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１８）
前記位相変調層の前記第１誘電体層と面する側とは反対側の面上に角度変換層を備える付記１６に記載の光学素子。
（付記１９）
前記第１誘電体層に光が入射する入射面および前記第２誘電体層の、前記第２誘電体層から前記第２誘電体層の外部へ光が出射する出射面を除いた少なくとも１つの面に反射層を備える、付記１乃至１８のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記２０）
前記入射面および前記第２誘電体層の前記出射面を除いた少なくとも１つの面と、
前記反射層との間に第３誘電体層を備える、付記１９に記載の光学素子。
（付記２１）
付記１乃至２０のいずれか一項に記載の光学素子と、
少なくとも１つの光源と、を備え、
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ことを特徴とする光学装置。
（付記２２）
付記１乃至２０のいずれか一項に記載の光学素子と、
放射する光の波長が互いに異なる複数の光源と、を備え、
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ことを特徴とする光学装置。
（付記２３）
前記光源は、前記光源から放射される光が前記第１誘電体層の側面から入射するように配置されている付記２１または２２に記載の光学装置。
（付記２４）
付記２１乃至２３のいずれか一項に記載の光学装置と、
前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器と、を有する表示装置。
（付記２５）
前記空間光変調素子が液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする付記２４に記載の表示装置。
【０１９３】
この出願は、２０１２年７月１０日に出願された日本出願特願２０１２−１５４８８１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。
【符号の説明】
【０１９４】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１    光学素子
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２    導光層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４    金属周期構造
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５    カバー層
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１    第１格子層
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２    凸部
１１５、２１５、３１５、４１５、５１５    凸部
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１    第２格子層
２０６    スペーサ層
３０７、５０７    位相変調層
４０８、５０８    角度変換層
６０９    反射部
６１０    入射口
７００、８００Ｒ、８００Ｇ、８００Ｂ、９００    光学装置
７１０    入射口
７１１    光源
８１２Ｒ、８１２Ｇ、８１２Ｂ、９１２    液晶パネル
８１３    クロスダイクロイックプリズム
８１４、９１４    投射光学系
８１５、９１５    スクリーン
【図１Ａ】
2014010200.tif 000012
【図１Ｂ】
2014010200.tif 000013
【図２Ａ】
2014010200.tif 000014
【図２Ｂ】
2014010200.tif 000015
【図２Ｃ】
2014010200.tif 000016
【図２Ｄ】
2014010200.tif 000017
【図３Ａ】
2014010200.tif 000018
【図３Ｂ】
2014010200.tif 000019
【図４Ａ】
2014010200.tif 000020
【図４Ｂ】
2014010200.tif 000021
【図５Ａ】
2014010200.tif 000022
【図５Ｂ】
2014010200.tif 000023
【図６Ａ】
2014010200.tif 000024
【図６Ｂ】
2014010200.tif 000025
【図７】
2014010200.tif 000026
【図８】
2014010200.tif 000027
【図９】
2014010200.tif 000028
【図１０】
2014010200.tif 000029
【図１１】
2014010200.tif 000030
【図１２】
2014010200.tif 000031
【国際調査報告】
2014010200.tif 000032
2014010200.tif 000033
2014010200.tif 000034
2014010200.tif 000035