(57)【要約】【課題】  直線偏光に変換する際の通過光の偏光度が高くかつ通過光効率が高く、無変換状態での光通過効率が高い偏光光学素子を提供する。【解決手段】  透明電極と対向電極と、前記電極間に配置されているエレクトロクロミック（ＥＣ）層と電解質層とを有する偏光光学素子であって、前記ＥＣ層は該素子で用いる光の波長以下の周期性を有する格子状のパターンを有し、かつ前記ＥＣ層は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物金属亜酸化物または金属水素化物の状態との間で変化するＥＣ材料からなる偏光光学素子。前記ＥＣ材料は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物金属亜酸化物または金属水素化物の状態で透明状態とを呈し、可逆的に変化可能である。【選択図】  図１
2015004870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極と対向電極と、前記電極間に配置されているエレクトロクロミック層と電解質層とを有する偏光光学素子であって、
前記エレクトロクロミック層は該光学素子で用いる光の波長以下の周期性を有する格子状のパターンを有し、かつ前記エレクトロクロミック層は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物、金属亜酸化物または金属水素化物の状態との間で変化するエレクトロクロミッ材料からなることを特徴とする偏光光学素子。
【請求項２】
前記エレクトロクロミッ材料は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物、金属亜酸化物または金属水素化物の状態で透明状態を呈することを特徴とする請求項１に記載の偏光光学素子。
【請求項３】
前記エレクトロクロミック層が該素子で用いる光の波長に対し透明の状態で、格子の屈折率Ｎａ、格子の間の材料の屈折率Ｎｂ、格子の高さｄ、格子周期Ｘ、格子幅Ａ、波長λ、入射光のエレクトロクロミック層への入射角θ（素子の垂直方向からの角度）が下記の式（１）を満たし、前記入射光を無変換で通過させることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光光学素子。
ｓｉｎ２（π（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ））＜０．２      （１）
Ｎ１＝１／｛（Ａ／Ｘ）／Ｎａ２＋（１−Ａ／Ｘ）／Ｎｂ２｝１／２
Ｎ２＝｛（Ａ／Ｘ）Ｎａ２＋（１−Ａ／Ｘ）Ｎｂ２｝｝１／２
【請求項４】
前記格子の間の材料が、素子で用いる光の波長に対して透明な材料により構成されている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偏光光学素子。
【請求項５】
前記周期性を有する格子のパターンは、一次元の周期性を有するパターンである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偏光光学素子。
【請求項６】
画像を表示するための表示部を有し、前記表示部は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の偏光光学素子と、前記偏光光学素子に接続されている能動素子とを有することを特徴とする表示装置。
【請求項７】
画像情報を入力する入力部と、画像を表示するための表示部とを有し、前記表示部は請求項６に記載の表示装置であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
複数のレンズを有する光学系と、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の偏光光学素子とを有し、前記光学系を通過した光が、前記偏光光学素子を通過するように配置されていることを特徴とするレンズユニット。
【請求項９】
前記偏光光学素子に接続された能動素子をさらに有する請求項８に記載のレンズユニット。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の偏光光学素子と、前記偏光光学素子を通過した光を受光するための受光素子とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
複数のレンズを有する光学系を有し、前記偏光光学素子に入射する光は、前記光学系を通過した光となるように前記光学系が配置されていること請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１乃至５のいずれかに記載の偏光光学素子の駆動方法において、電極間の印加電圧を変化させて素子の偏光特性を変化させる工程を有し、前記印加電圧を上げる場合には一旦目的電圧よりも高い電圧に設定しその後目的電圧にもどし、あるいは印加電圧を下げる場合には一旦目的電圧よりも低い電圧に設定しその後目的電圧にもどすことを特徴とする偏光光学素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、任意の偏光状態の光を無変換のまま通過させる状態と直線偏光に変換する状態との２つの状態を切り替え可能なエレクトロクロミック層を用いた偏光光学素子、その駆動方法、表示装置、画像表示装置、レンズユニットおよび撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の偏光状態を制御する偏光光学素子のうち、特定方向の偏光状態の光のみを通過させる素子が偏光子である。偏光子は液晶ディスプレイ、液晶プロジェクタ、各種の光学計測機器、その他の種々の光学装置で用いられている。
【０００３】
偏光子としては高分子を１方向に延伸させてつくる吸収型偏光子、結晶の複屈折性を利用した結晶型偏光子、反射面での光の部分偏光を用いた反射式偏光子、透明基板上に入射光の波長以下の周期の金属線を平行に配置した格子を設けたワイヤーグリッド型等がある。
【０００４】
非特許文献１には、入射光から一方向の偏光のみとりだす偏光子状態と、入射光をそのまま通過させる無変換状態との２つの状態を切り替え可能な光学素子の提案が開示されている。これはポリアニリンの酸化状態による着色変化を利用したものである。ポリアニリンを膜化し延伸することで、膜内のポリアニリン分子が延伸方向に整列する。ポリアニリンは電気化学的に着色状態を変化させることができ、還元状態でかすかな黄色を呈し、完全酸化状態で濃い紫色に変化する。還元状態ではポリアニリンはほぼ無着色のため偏光特性はもたないが、酸化状態で着色すると延伸方向と平行な方向の偏光のみを通過させる偏光特性が発生する。印加電圧を変化させることで着色状態が変化し、透過光の偏光状態を直線偏光と無偏光とで切り替えることができる。
【０００５】
また、特許文献１には、絶縁体基板にグリッド状に半導体層を埋め込んだスイッチング可能な偏光子が提案されている。半導体層に電圧をかけると、半導体層と絶縁体基板との接合面に自由電子の移動領域が構成される。このためワイヤーグリッド偏光子と同様の効果を持つようになり、１方向の偏光のみが通過するようになる。この偏光子はグリッド型偏光子のため高分子の延伸による偏光子に比べて、透過光の偏光度が高いという特徴がある。しかし、半導体層は可視光には吸収があるため、可視光に対しては透過率が低くなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ”、８３，１３０７（２００３）、Ｐｅｔｅｒ  Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ．ａｌ．Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｓｍ  ｉｎ  ｓｔｒｅｔｃｈ−ａｌｉｇｎｅｄ  Ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ．
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２８１４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、任意の偏光状態の光を無偏光のまま通過させる状態と直線偏光に変換する状態とが切り替え可能な偏光光学素子において、非特許文献１の延伸した高分子膜の吸収を用いた偏光光学素子では、直線偏光に変換する際の通過光の偏光度および通過光効率が満足できる値が得られていない。また特許文献１の半導体を用いた偏光光学素子は、無変換状態での光通過効率が満足できる値が得られていない。
【０００９】
本発明は、任意の偏光状態の光を無変換のまま通過させる状態と直線偏光に変換する状態とが切り替え可能な偏光光学素子において、直線偏光状態での通過光の偏光度が高くかつ通過光効率が高く、無変換状態での光通過効率が高い偏光光学素子およびその駆動方法を提供するものである。また、本発明は、前記偏光光学素子を用いた表示装置、画像表示装置、レンズユニットおよび撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決する偏光光学素子は、透明電極と対向電極と、前記電極間に配置されているエレクトロクロミック層と電解質層とを有する偏光光学素子であって、前記エレクトロクロミック層は該光学素子で用いる光の波長以下の周期性を有する格子状のパターンを有し、かつ前記エレクトロクロミック層は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物、金属亜酸化物または金属水素化物の状態との間で変化するエレクトロクロミッ材料からなることを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決する表示装置は、画像を表示するための表示部を有し、前記表示部は、上記の偏光光学素子と、前記偏光光学素子に接続されている能動素子とを有することを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決する画像表示装置は、画像情報を入力する入力部と、画像を表示するための表示部とを有し、前記表示部は上記の表示装置であることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するレンズユニットは、複数のレンズを有する光学系と、上記の偏光光学素子とを有し、前記光学系を通過した光が、前記偏光光学素子を通過するように配置されていることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決する撮像装置は、上記の偏光光学素子と、前記偏光光学素子を通過した光を受光するための受光素子とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決する偏光光学素子の駆動方法は、上記の偏光光学素子の駆動方法において、電極間の印加電圧を変化させて素子の偏光特性を変化させる工程を有し、前記印加電圧を上げる場合には一旦目的電圧よりも高い電圧に設定しその後目的電圧にもどし、あるいは印加電圧を下げる場合には一旦目的電圧よりも低い電圧に設定しその後目的電圧にもどすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、任意の偏光状態の光を無変換のまま通過させる状態と直線偏光に変換する状態とが切り替え可能な偏光光学素子において、直線偏光状態での通過光の偏光度が高くかつ通過光効率が高く、無変換状態での光通過効率が高い偏光光学素子およびその駆動方法を提供することができる。また、本発明は、前記偏光光学素子を用いた表示装置、画像表示装置、レンズユニットおよび撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の偏光光学素子の第１の実施態様を示す模式図である。
【図２】図１の偏光光学素子のＥＣ層が透明時の偏光子のＴＭ波の透過率および（１）式の値とＥＣ層の膜厚の関係を示す図である。
【図３】本発明の偏光光学素子の第２の実施態様を示す模式図である。
【図４】図３の偏光光学素子のＥＣ層が透明時の偏光子のＴＭ波透過率および（１）式の値とＥＣ層の膜厚の関係を示す図である。
【図５】本発明の偏光光学素子の第３の実施態様を示す模式図である。
【図６】図５の偏光光学素子のＥＣ層が透明時の偏光子のＴＥ波の透過率および（１）の値とＥＣ層の膜厚の関係を示す図である。
【図７】本発明の偏光光学素子の第４の実施態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
本発明に係る偏光光学素子は、透明電極と対向電極と、前記電極間に配置されているエレクトロクロミック層と電解質層とを有する偏光光学素子であって、前記エレクトロクロミック層は該光学素子で用いる光の波長以下の周期性を有する格子状のパターンを有し、かつ前記エレクトロクロミック層は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物、金属亜酸化物または金属水素化物の状態との間で変化するエレクトロクロミッ材料からなることを特徴とする。
【００２０】
エレクトロクロミック素子は、エレクトロクロミック材料の電気化学的な酸化、還元反応による着消色を利用した素子であり、材料への電圧印加により着消色を可逆的に行うことができる。本発明では、このエレクトロクロミック素子を用いた偏光特性を発現、消滅可能な偏光光学素子を提供する。
【００２１】
図１は本発明の偏光光学素子の第１の実施態様を示す模式図である。本発明の偏光光学素子は、透明基板１の一方に透明電極３（着色電極）と更にその上にエレクトロクロミック（以降、ＥＣと略することがある）材料から構成されるエレクトロクロミック層２が形成され、もう一方の透明基板上に前記電極と対となる対向電極４が形成され、液体電解質の電解質層５を介して配置されている。前記電極間に電圧を印加することにより、エレクトロクロミック層の着消色が起る。電解質層としては液体電解質層、固体電解質層を用いることが可能である。
【００２２】
本発明では、ＥＣ層を使用する光の波長以下の周期性を有する格子のパターンに形成することで、素子を通過する光に対して偏光特性を持たせることができる。なお、使用する光の波長とは、該素子を含む光学系で主に使用する光の波長であり、通常は該素子へ入射する光の波長と一致するが、入射光の一部の波長のみを使用することもある。前記周期性を有する格子のパターンは、一次元の周期性を有するパターンであることが好ましい。
【００２３】
ＥＣ材料を格子部分に用いた偏光子としては、格子部分が使用波長光を吸収する吸収型偏光子と、格子部分が金属となるワイヤーグリッド型偏光子とが考えられる。本発明者が検討した結果、このうち吸収型偏光子は、格子部分の膜厚が薄いと十分な偏光特性が得られず、格子部分の膜厚を厚くすると素子を透過する光の透過率が減少することがわかった。このため十分な偏光特性と透過率を両立した偏光子を提供することが難しい。
【００２４】
それに対して、ＥＣ層が透明状態から金属に変化する材料を用いた場合には、ＥＣ材料が金属状態の時にはいわゆるワイヤーグリッド偏光子の状態を発現する。ワイヤーグリッド偏光子では金属格子内を自由電子が格子と水平方向にのみ運動できるため、格子に垂直な偏光方向の光（ＴＭ波）はほぼすべて透過し、格子に平行な偏光方向の光（ＴＥ波）はほとんど透過しない。このため、高い透過率と偏光特性を実現することができる。他方、エレクトロクロミック層が透明状態の場合にも、素子全面がほぼ透明となるため吸収が少ない状態が実現される。
【００２５】
ただし、一般に金属状態と透明状態の間を変化するＥＣ材料は、透明状態でも屈折率が高い。このため、格子状にパターニングした場合には、格子に水平な方向と垂直な方向で有効屈折率が異なる構造複屈折性が生じる。これによって透過光の各偏光成分の進行速度が異なり、素子出口で位相差が生じる。このため素子を通過した光は偏光度が変化してしまう。偏光度が変化しないようにするためには、素子出口での位相差が２ｎπ（ｎ＝０，１，２，…）近傍になるようにすればよい。
【００２６】
本発明の偏光光学素子は、エレクトロクロミック層が光学素子で使用する光の波長に対し透明の状態で、格子の屈折率Ｎａ、格子の間の材料の屈折率Ｎｂ、格子の高さｄ、格子周期Ｘ、格子幅Ａ、光の波長λ、入射光のＥＣ層への入射角θ（素子の垂直方向からの角度）が下記の式（１）を満たし、入射光を無変換で通過させることにより、素子を通過した光の偏光度を変化しない様にすることができる。
ｓｉｎ２（π（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ））＜０．２      （１）
Ｎ１＝１／｛（Ａ／Ｘ）／Ｎａ２＋（１−Ａ／Ｘ）／Ｎｂ２｝１／２
Ｎ２＝｛（Ａ／Ｘ）Ｎａ２＋（１−Ａ／Ｘ）Ｎｂ２｝｝１／２
【００２７】
格子周期が使用する光の波長よりも小さい場合には、ＥＣ材料からなる格子層は近似的に均一な層としてみなすことができ、ＴＭ波の有効屈折率を上式のＮ１、ＴＥ波に対する有効屈折率をＮ２で近似値とすることができる。ＥＣ材料からなる格子を通過した光のＴＭ波とＴＥ波の位相のずれはπ（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ）となり、これが２ｎπ（ｎ＝０，１，２，…）近傍になるためには、前記（１）式の条件となることが好ましい。
【００２８】
ここでθはＥＣ材料からなる格子層への入射角で、格子層への光の入射側手前の層の屈折率をＮｃとしたときに、素子への光の入射角θｉとは次のような関係がある。
ｓｉｎθ  ＝  ｓｉｎθｉ／Ｎｃ
【００２９】
本発明において、前記エレクトロクロミック層は、電圧印加によって金属状態と、金属酸化物、金属亜酸化物または金属水素化物の状態との間で変化するエレクトロクロミック材料から構成することを特徴とする。
【００３０】
また、前記エレクトロクロミック材料は、電圧印加によって金属状態で金属色の着色状態を、金属酸化物、金属亜酸化物または金属水素化物の状態で透明状態を呈することが好ましい。可視光に対して概略透明な状態と金属状態とで変化するＥＣ材料としては、遷移金属材料やその合金材料等が挙げられる。特に銅（Ｃｕ）薄膜材料、ニッケルマグネシウム合金薄膜にパラジウム薄膜を付加した材料等が透過率、反射率変化が大きく実用に適する。
【００３１】
本発明の偏光光学素子の代表的な実施態様の一つとして、ＥＣ材料として銅（Ｃｕ）薄膜を用いた場合を、図１に基づいて説明する。図１（ａ）はこの実施態様の偏光光学素子の模式的断面図である。１組の相対する透明基板１の一方の内側に透明電極３を形成し、その上に銅（Ｃｕ）膜を形成し、格子状にパターニングしてＥＣ層２を形成する。他方の透明基板の内側に対向電極４を形成する。この２枚の透明基板をスペーサ６を介して配置し、その間に電解質層５を封入して偏光光学素子を形成する。透明電極３と対向電極４間に電圧を印加することで、銅層を金属状態と酸化物、亜酸化物の状態の間で可逆的に変化させることができる。２価の酸化物（ＣｕＯ）では黒色だが、１価の亜酸化物（Ｃｕ２Ｏ）では若干黄色を呈した透明状態となる。印加電圧によって金属状態と亜酸化物の状態との間で変化させることにより、偏光子状態と無変換の状態とを切り替えかえることができる。透明状態のときのＣｕ２Ｏの屈折率は波長６３３ｎｍの光に対して約２．７で、素子を透過する光の偏光度はＥＣ層の膜厚によって変化する。
【００３２】
図１（ｂ）は、ＥＣ層の格子層を通過する光の偏光と位相ずれを説明する模式的断面図である。ＥＣ材料からなる格子１４は左側半分を格子構造を簡略化して、ＥＣ層からなる格子層１３として示した。偏光光学素子への入射光１２は素子に対して入射角θｉで入射する。入射光１２は片側の透明基板および電解質層５を通過して、入射角θ（電解質層５の屈折率Ｎｃとすると、θはｓｉｎθ＝ｓｉｎθｉ／Ｎｃを満たす）でＥＣ材料からなる格子層１３に入射する。ＥＣ層からなる格子層１３へ入射した光のうち格子１４に垂直なＴＭ成分は有効屈折率Ｎ１で格子層内を進行する。それに対し、格子１４に平行なＴＥ成分は有効屈折率Ｎ２で格子層内を進行する。有効屈折率は格子を形成するＥＣ材料の屈折率Ｎａと、格子間１５の材料の屈折率Ｎｂと、格子周期Ｘ、格子幅Ａから算出される。
【００３３】
図１（ｂ）の偏光光学素子では格子間の材料は格子層の入射側の層、つまり電解質層と同じであり、格子間の材料の屈折率Ｎｂは電解質層の屈折率Ｎｃに等しい（Ｎｂ＝Ｎｃ）。入射光はＴＥ成分とＴＭ成分の位相が一致しているが、ＥＣ材料による格子層内ではＴＥ波とＴＭ波の波長が異なり、位相のずれが生じる。格子層１３を通過した光は、ＴＥ成分とＴＭ成分がπ（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ）だけ位相ずれを起こし、偏光面が回転してしまう。したがって、ＥＣ層が透明な場合にほぼ無変換な状態で光と透過させるためには、（１）式を満たし、位相ずれが小さくなるように偏光光学素子を構成する必要がある。
【００３４】
なお、前記格子の間の材料が、素子で用いる光の波長に対して透明な材料により構成されていることが好ましい。
【００３５】
図２は、本発明の第１の実施態様の偏光素子の例で、ＥＣ層が透明化した時の偏光子のＴＭ波の透過率と（１）式の値のＥＣ層膜厚依存性を示す。
【００３６】
図２の実線は各層での吸収等を無視した理想的な素子において透明格子部分を透過する光の垂直偏光成分（ＴＭ偏光成分）の透過率の計算結果の１例である。縦軸は入射光のＴＭ成分強度に対する透過光のＴＭ成分強度の透過率である。ＥＣ層の膜厚が増加するに従って構造複屈折の効果が表れ、素子を透過する光の位相が回転して、ＴＭ偏光成分の透過率が減少する。また、このときの（１）式の値が波線である。この例ではＥＣ層の膜厚２００ｎｍ以下では、つまり（１）式が０．２より小さい時には比較的位相変化が少ないため透過率が高く、入射光は偏光状態をほぼ維持したまま素子を透過することがわかる。
【００３７】
図３は、本発明の偏光光学素子の第２の実施態様を示す模式図である。図中、３１は透明基板、３２はＥＣ層、３３は透明電極、３４は対向電極、３５は電解質層、３６はスペーサ、３７は絶縁膜、３８は触媒層を示す。この実施態様の具体例として、ＥＣ層としてパラジウム層を触媒層として付加したニッケルマグネシウム（Ｎｉ−Ｍｇ）合金系を用いた素子を示す。
【００３８】
図１の第１の実施態様と同様に透明基板３１に透明電極膜３３を形成し、ＥＣ層３２として使用波長以下の周期で格子状にパターニングされたＮｉ−Ｍｇ合金膜とその上に５から１０ｎｍ程度の極薄いＰｄ膜を触媒層３８として形成する。更に、Ｎｉ−Ｍｇ合金膜の格子の間には絶縁層３７を形成する。この格子間の絶縁層は、電極が直接電解質層３５の電解質液と接触し電極表面の水素化や水素の発生が起ることを防ぐと同時に、格子を電解質液よりＥＣ層の屈折率に近い屈折率の物質で充てんすることによりＥＣ層が透明状態になったときの構造複屈折性を緩和することができる。このため、絶縁層は絶縁性を有し、できれば水素透過性が低い材料で、屈折率がＥＣ層が透明状態での屈折率により近いことが望ましい。例えば、格子の間の絶縁層の材料は、使用波長に対して透明な固体絶縁体材料で、酸化チタン等が挙げられる。
【００３９】
図４は、第２の実施態様の１例においてＥＣ層が概略透明になった時の、ＥＣ層の膜厚に対する（１）式の値とＴＭ波の理想的透過強度を示す。
【００４０】
図４において、実線ａがＥＣ層の格子間にＴｉＯ２の絶縁物質を成膜した場合のＴＭ波の透過率ある。また、波線ａが（１）式の値である。それに対して実線ｂがＥＣ層の格子間にＴｉＯ２膜を成膜しなかった場合のＴＭ波の透過率で、波線ｂが（１）式の値である。ＥＣ層のＮｉ−Ｍｇ合金が透明化した場合の屈折率は約２．６で、ＴｉＯ２の屈折率は２．５である。図４からわかるように、ＥＣ層の格子間をＥＣ材料に近い屈折率の物質で埋めることにより、ＥＣ層の膜厚が厚くなっても構造複屈折による位相差が少なくなる。
【００４１】
ＥＣ層の膜厚が厚くなれば、ＥＣ材料が金属化した場合の反射率が高くなることが期待される。ただし、ＥＣ層へのＨやＯの侵入深さが浅い場合、ＥＣ層の膜厚を厚くしてもＥＣ層が透明化する領域は比較的膜厚の浅い領域のみである。これを鑑み、ＥＣ層が十分に透明化し、かつ金属化した場合には十分な反射率を得られる膜厚を選択することが肝要である。
【００４２】
本発明の第３の実施態様として固体電解質を用いた素子の例を示す。図５（ａ）は、本発明の偏光光学素子の第３の実施態様を示す模式図である。図中、５１は透明基板、５２はＥＣ層、５３は透明電極、５４はイオン貯蔵層、５５は固体電解質層、５６はバッファ層、５７は触媒層を示す。透明ガラス基板５１の上に透明電極５３としてＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜を、その上にイオン貯蔵層５４としてＷＯ３（酸化タングステン）層を成膜し、更にその上に固体電解質層５５としてＴａ２Ｏ３（酸化タンタル）層を形成する。この基板を０．５Ｍの硫酸に浸漬し２Ｖの電圧を印加すると、Ｔａ２Ｏ３層を通してＷＯ３層がＨｘＷＯ３（水素化酸化タングステン）に変化する。
【００４３】
この上にバッファ層５６としてＡｌ（アルミ）層を、更に触媒層５７としてＰｄ層を成膜する。この基板上にリソグラフィ法を用いて格子状のパターンのＥＣ層５２（ニッケルマグネシウム合金層）を成膜する。
【００４４】
この偏光光学素子のＩＴＯ層５３とＥＣ層５２間に電圧を印加できるように配線する。ＩＴＯ層とＥＣ層間にＩＴＯ層を正極、ＥＣ層を負極として電圧印加すると、ＨｘＷＯ３層中の水素がＥＣ層に移動し、ニッケルマグネシウム合金層が水素化されて透明となる。また、逆の電圧を印加すればＥＣ層は金属状態にもどり、透明状態と金属状態を可逆的に変化させることができる。
【００４５】
また、図５（ｂ）は図５（ａ）の偏光素子のパターニングされたＥＣ層の格子間に絶縁層５８を形成した偏光素子の模式図である。絶縁層としては樹脂や無機絶縁膜等を用いることができる。図５（ａ）では格子間が大気となるのに対し、図５（ｂ）で格子間に樹脂絶縁層を形成した場合樹脂層の屈折率は１．６となる。
【００４６】
図６は、図５の偏光光学素子のＥＣ層が透明時の偏光子のＴＭ波の透過率とＥＣ層の膜厚の関係を示す図である。図５（ａ）の実施態様の１例の格子パターンの部分の理想的なＴＭ波の透過率のＥＣ層の膜厚依存性は図６の実線ｅのようになる。また、（１）式の値は波線ｅのようになる。それに対して、ほぼ同様の構造で格子間に樹脂絶縁膜を形成した実施態様の図５（ｂ）の例の場合には透過率は実線ｆ、（１）式の値は波線ｆとなる。これより、格子間に樹脂層を形成することで、偏光子が透明になったときにＥＣ層の膜厚を厚くしても構造複屈折性が小さくなることがわかる。
【００４７】
図７は、本発明の偏光光学素子の第４の実施態様を示す模式図である。図中、７１はガラス基板、７２はＥＣ層、７３は透明電極、７４は触媒層、７５はバッファ層、７６は絶縁層、７７は電解質樹脂、７８はイオン貯蔵層を示す。
【００４８】
第３の実施態様と同様に透明ガラス基板７１の上に透明電極７３として酸化インジウム錫層と、イオン貯蔵層７８として酸化タングステン層を形成する。
【００４９】
もう一方のガラス基板７１上に同様に透明電極７３として酸化インジウム亜鉛層を形成し、その上に波長以下の周期にパターニングされたＥＣ層７２（ニッケルマグネシウム合金層）、触媒層７４（Ｐｄ層）、バッファ層７５（Ａｌ層）を形成する。この格子の間に絶縁層７６として樹脂膜を形成する。
【００５０】
２枚の基板を接着性電解質樹脂７７で貼り合わせて、素子とする。上下の透明電極膜間に電圧印加できるように配線する。この素子は実施態様例３と同様な電圧印加サイクルで偏光子状態と無変換状態とを切り替えることができる。
【００５１】
本発明の偏光光学素子の駆動方法は、電極間の印加電圧を変化させて素子の偏光特性を変化させる工程を有する。通常、印加電圧はＥＣ材料が透明化する電圧を電極間に印加し、また逆には金属色を呈する電圧を印加し、透明状態と金属状態を変化させる。しかし、ＥＣ材料の種類や素子の特性によっては、前記印加電圧を上げる場合には一旦目的電圧よりも高い電圧に設定しその後目的電圧にもどし、あるいは印加電圧を下げる場合には一旦目的電圧よりも低い電圧に設定しその後目的電圧にもどしても良い。実施例１で後述するように実施態様１例に示した銅をＥＣ材料層とした素子では、金属状態から黒色の２価の金属酸化物（ＣｕＯ）を介してほぼ透明の亜酸化物Ｃｕ２Ｏとなるため、このような電圧印加方法が有効となる。また、ＥＣ層の変化速度を促進するために、このような電圧印加を行ってもよい。
【００５２】
次に、本発明の偏光光学素子を用いた表示装置、画像表示装置、レンズユニットおよび撮像装置について説明する。
【００５３】
本実施形態に係る偏光光学素子は、偏光光学素子に接続されている能動素子を有する。能動素子とはトランジスタやＭＩＭ素子が挙げられる。
【００５４】
本実施形態に係る偏光光学素子は、表示装置のパネル部分に配置されてもよい。この表示装置は、表示部と、ＴＦＴなどの能動素子を有する装置である。表示部は、偏光光学素子を組み込んだ形態でも、外部に取り付け可能な形態であってもよい。
【００５５】
表示装置は、画像情報を入力するための入力部を有し、画像を表示する画像表示装置であってもよい。
【００５６】
本実施形態に係る偏光光学素子は、光学系とともに用いることができる。光学系は複数のレンズを組み合わせたものである。偏光光学素子は、光学系のレンズ間や光学系の外側に設けられてもよい。光学系はレンズユニットということもできる。
【００５７】
この光学系は、デジタルカメラ等の撮像装置に用いることができる。撮像装置は、受光素子とこの受光素子に光を導く光学系を有する。この光学系は本実施形態に係る偏光光学素子を有している。すなわち、受光素子は偏光光学素子を通過した光を受光する。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【００５９】
（実施例１）
実施例１を図１に示す偏光光学素子に基づいて説明する。ガラス基板上に透明電極３としてフッ素ドープした酸化錫（ＳｎＯ）膜を３００ｎｍ形成する。この上にリソグラフィ法により周期２５０ｎｍ、幅１２０ｎｍの格子状のレジストパターンを作成し、その上に銅（Ｃｕ）膜を１００ｎｍ成膜する。レジストをアッシングにより除去すると、周期２５０ｎｍ、格子幅１３０ｎｍの格子状のＥＣ層４が形成される。もう一方の基板には光路外の外周部にプラチナ（Ｐｔ）の対向電極４を形成する。これらの２枚の基板間にスペーサー６を挟んで接着して素子を作製し、基板間に０．１Ｍの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含む水からなる液体電解質を電解質層５として封入する。そして、透明電極３と対向電極４の間に所定の電圧が印加できるよう配線する。
【００６０】
対向電極を負極、透明電極を正極として電圧間に０．７Ｖを印加すると、ＥＣ層が酸化しＣｕＯとなり黒色を呈する。電圧を０．１Ｖに下げ更に電圧印加を続けると、ＥＣ層はＣｕ２Ｏとなり、若干黄色がかった透明色となる。このときのＣｕ２Ｏ層の屈折率は約２．７で、（１）式の値は下記のようになる。
ｓｉｎ２（π（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ））＝０．０５＜０．２
【００６１】
したがって、ＴＥ波とＴＭの位相差は小さく、素子が透明状態での透過光はほぼ無偏光のまま素子を透過する。
【００６２】
この素子の電極間の電圧を、一旦−０．８Ｖまで下げたのちに−０．６Ｖとする。これによりエレクトロクロミック材料層は金属色を呈し、波長６３３ｎｍの円偏光の光を入射させると、格子に垂直方向に偏光成分（ＴＥ波）のみが素子を透過する。このときのＴＥ成分の透過率は約８０％である。そして、印加電圧を−０．６Ｖから０．３Ｖまで上げると、エレクトロクロミック層は再び脱色しほぼ透明になる。このときに円偏光を入射すると光はほとんど影響を受けず、円偏光のまま素子を透過する。このときの全偏光成分の透過率は約７０％である。
【００６３】
（実施例２）
実施例２を図３に示す偏光光学素子に基づいて説明する。ガラス基板上に透明電極３３として酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜を膜厚３００ｎｍ形成する。その上にＥＣ層３２としてＮｉ−Ｍｇ合金膜を１００ｎｍ成膜し、更にその上に触媒層３８としてＰｄ膜を１０ｎｍ成膜する。このＥＣ層をリソグラフィ法により周期２００ｎｍ、格子幅８０ｎｍの格子状にパターニングし、格子の間には絶縁層３７としてＴｉＯ２膜を１１０ｎｍ成膜する。
【００６４】
もう一方の基板には、光路外の周辺領域に対向電極３４としてプラチナ電極を形成する。これらの２枚の基板をスペーサー３６を挟んで接着して素子を作製し、基板間に５Ｍの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含む水からなる液体電解質を電解質層３５として封入する。そして、透明電極３３と対向電極３４は両電極間に電圧が印加できるように配線する。
【００６５】
対向電極を負極、透明電極を正極として電圧間に−０．２Ｖから−１．２Ｖの電位を周期的に印加すると、ＥＣ層が金属状態と水素化した透明状態との間で可逆的な変化がおこる。電圧を下げＥＣ材料を透明化する場合には−１．０Ｖで透過率が上昇しはじめ−１．２Ｖで急激に透過率が上昇する。電圧を上げ金属化する際には−０．７Ｖ近傍で透過率が低下し始め−０．２Ｖ付近で透過率最少となる。電圧を下げる時と上げる時で透過率にヒステリシスがあるため、特に電圧を上げる場合には一旦−０．２Ｖまで上げたのち−０．３Ｖに下げて用いる。
【００６６】
ＥＣ層が概略透明な時の屈折率は約２．７で、（１）式の値は下記のようになる。
ｓｉｎ２（π（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ））＝０．００４＜０．２
【００６７】
これより、波長６３３ｎｍの無偏光の光を入射させると、ＥＣ層が概略透明になった時には素子を透過する光は偏光特性がほとんど変化せず透過する。したがって、ＥＣ層が金属状態ではＴＭ波のみが透過し、ＥＣ層が透明状態では無変換で透過する切り替え可能な偏光光学素子となる。
【００６８】
（実施例３）
実施例３を図５（ａ）に示す偏光光学素子に基づいて説明する。透明ガラス基板５１の上に透明電極５３としてＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜を３００ｎｍ、その上にイオン貯蔵層５４としてＷＯ３（酸化タングステン）層を２００ｎｍ成膜し、更にその上に固体電解質層５５としてＴａ２Ｏ３（酸化タンタル）層を４００ｎｍ形成する。この基板を０．５Ｍの硫酸に浸漬し２Ｖの電圧を印加すると、Ｔａ２Ｏ３層を通してＷＯ３層がＨｘＷＯ３（水素化酸化タングステン）に変化する。
【００６９】
この上にバッファ層５６としてＡｌ（アルミ）層を４ｎｍ、更に触媒層５７としてＰｄ層を６ｎｍ成膜する。この基板にスピンコートによりレジストを塗布し、リソグラフィ法を用いて周期２２０ｎｍ、幅１１０ｎｍの格子パターンを形成する。そして、エレクトロクロミック材料層５２としてニッケルマグネシウム合金層を６０ｎｍ成膜する。その後アッシングによりレジスト層を除去する。これにより、周期２２０ｎｍ、格子幅９０ｎｍの格子状にパターニングされたＥＣ層が形成される。
【００７０】
この素子のＩＴＯ層とエレクトロクロミック材料層間に電圧を印加できるように配線する。上記成膜したままの状態ではエレクトロクロミック材料層は金属状態だが、ＩＴＯ層とエレクトロクロミック材料層間にＩＴＯ層を正極、エレクトロクロミック層を負極として５Ｖ印加すると、ＨｘＷＯ３層中の水素がエレクトロクロミック材料層に移動し、ニッケルマグネシウム合金層が水素化されて透明となる。また、逆の電圧を印加すればエレクトロクロミック材料層は金属状態にもどり、このように透明状態と金属状態を可逆的に変化させることができる。
【００７１】
ＥＣ層が透明の時に屈折率は約ｎ＝２．５で、（１）式は下記のようになる。
ｓｉｎ２（π（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ））＝０．０４＜０．２
【００７２】
従って、波長６３３ｎｍの無偏光の光を入射させると、透明状態の時の素子を透過する光の偏光状態はほとんど変化しない。
【００７３】
ＥＣ層が金属状態のときに、偏光素子は格子に垂直な偏光方向の光のみを透過する偏光子として機能し、透明状態のときには素子を通過する光はほぼ偏光特性が保たれたまま透過する切り替え可能な偏光光学素子が実現する。
【００７４】
また、図５（ｂ）の場合には（１）式の値は０．００６となり、ＥＣ層の膜厚が更に厚くなっても十分に偏光特性が維持される。
【００７５】
（実施例４）
実施例４を図７に示す偏光光学素子に基づいて説明する。実施例３と同様に透明ガラス基板７１の上に透明電極７３としてＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜を３００ｎｍ、その上にイオン貯蔵層７８としてＷＯ３（酸化タングステン）層を２００ｎｍ成膜する。
【００７６】
もう一方のガラス基板７１上に同様に透明電極７３としてＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜を３００ｎｍ形成する。ＥＣ層７２としてニッケルマグネシウム合金膜を６０ｎｍ、その上に触媒層７４としてＰｄ層を６ｎｍ、更にバッファ層７５としてＡｌ（アルミ）層を４ｎｍの３層を積層する。リソグラフィ法を用いて、周期２２０ｎｍ、幅９０ｎｍの格子状パターンを形成し、更にこの格子の間にスピンコート法で絶縁層７６としてポリアリルエーテル系樹脂膜を形成する。２枚の基板を接着性電解質樹脂７７で貼り合わせて、偏光光学素子とする。上下の透明電極膜間に電圧印加できるように配線する。
【００７７】
この素子は実施例３と同様な電圧印加サイクルで偏光子状態と無変換状態とを切り替えることができる。
（１）式は下記のようになる
ｓｉｎ２（π（Ｎ１−Ｎ２）ｄ／（λｃｏｓθ））＝０．００８＜０．２
【００７８】
従って、波長６３３ｎｍの無偏光の光を入射させると、ＥＣ層が透明になった時に透過光の偏光特性はほとんど変化せずに偏光光学素子を透過する。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の光学素子では機械的稼働する部分なく光を無変換のまま透過させる状態と直線偏光に変換する状態との２つの状態を切り替え可能な素子を提供することができる。したがって、直線偏光と無偏光状態を切り替える必要がある光学系で特に小型化の必要性があるものに好適に用いることができる。また、無変換の場合の素子透過光の透過率が高く、直線偏光に変換する場合には透過光の偏光性が良くかつ透過率が高いことから、偏光を用いた計測装置、表示装置、撮像素子等の光学素子として用いることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  透明基板
２  ＥＣ層
３  透明電極
４  対向電極
５  電解質層
６  スペーサ
１２  入射光
１３  ＥＣ材料からなる格子層
１４  格子
１５  格子間
３１  透明基板
３２  ＥＣ層
３３  透明電極
３４  対向電極
３５  電解質層
３６  スペーサ
３７  絶縁層
３８  触媒層
５１  透明基板
５２  ＥＣ層
５３  透明電極
５４  イオン貯蔵層
５５  電解質層
５６  バッファ層
５７  触媒層
５８  絶縁層
７１  透明電極
７２  ＥＣ層
７３  透明電極
７４  触媒層
７５  バッファ層
７６  絶縁層
７７  電解質層
７８  イオン貯蔵層
【図１】
2015004870.tif 000003
【図２】
2015004870.tif 000004
【図３】
2015004870.tif 000005
【図４】
2015004870.tif 000006
【図５】
2015004870.tif 000007
【図６】
2015004870.tif 000008
【図７】
2015004870.tif 000009