(57)【要約】【課題】小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供すること。【解決手段】偏光制御素子１０１が、基板に、光源（ＬＥＤチップ１０２ａ）が発する光の波長よりも小さな２個以上の微小金属構造体を、最小構成単位で２次元に配置し、前記最小構成単位の方向が等しく、かつ前記最小構成単位間の間隔が、前記光源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、前記光源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１０３からユニットの外部に透過すると共に、反射型偏光子１０３に反射された他方の直線偏光が、反射手段１０４ａと反射型偏光子１０３の間で多重反射を繰り返しながら、偏光制御素子１０１により、前記他方の直線偏光の偏光状態を変化させることで、前記他方の直線偏光が、反射型偏光子１０３から外部に透過し得る前記一方の直線偏光に変換される。【選択図】        図２
2008122618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射手段と反射型偏光子との間に、光源と偏光制御素子を配置した偏光光源ユニットにおいて、
前記光源から発した光のうち、一方の直線偏光のみが前記反射型偏光子から前記偏光光源ユニットの外部に透過するとともに、
前記反射型偏光子に反射された他方の直線偏光が、前記反射手段と前記反射型偏光子の間で多重反射を繰り返しながら、前記偏光制御素子により、前記他方の直線偏光の偏光状態を変化させることにより、
前記他方の直線偏光が、前記反射型偏光子から外部に透過し得る前記一方の直線偏光に変換される偏光光源ユニットであって、
前記偏光制御素子が、前記光源が発する光の波長よりも小さな２個以上の微小金属構造体を、前記光源が発する光の波長よりも小さい間隔の最小構成単位で２次元に配置した偏光制御素子であって、
前記最小構成単位の方向が等しく、かつ、前記最小構成単位間の間隔が、前記光源が発する波長よりも大きいとともに、前記最小構成単位間の間隔が、一定周期に、または、ランダムに２次元配列状に形成されていることを特徴とする偏光光源ユニット。
【請求項２】
前記反射手段が、前記光源よりも前記反射型偏光子側に配置されているとともに、前記光源からの光が、前記偏光制御素子および前記反射型偏光子に照射されるように、前記反射手段に開口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の偏光光源ユニット。
【請求項３】
前記偏光制御素子の前記最小構成単位において、２個以上の前記微小金属構造体がＬ字形状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光光源ユニット。
【請求項４】
前記偏光制御素子の前記最小構成単位において、２個以上の前記微小金属構造体がＴ字形状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光光源ユニット。
【請求項５】
前記偏光制御素子の前記最小構成単位において、２個以上の前記微小金属構造体が卍字または逆卍字形状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光光源ユニット。
【請求項６】
前記偏光制御素子の前記最小構成単位が、正方格子、六方格子、ストライプ状のいずれか一つの２次元配列状に配列されている偏光制御素子であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の偏光光源ユニット。
【請求項７】
前記偏光制御素子の前記微小な金属構造体を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅのいずれか一種類または二種類以上を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載の偏光光源ユニット。
【請求項８】
前記偏光制御素子の前記最小構成単位内で、異なる種類の金属からなる二個以上の金属構造体が同一平面上に形成されている前記最小構成単位であることを特徴とする請求項７に記載の偏光光源ユニット。
【請求項９】
前記偏光制御素子の金属構造体が、複数種類の材料の金属層と誘電体層を交互に積層した多層構造体であることを特徴とする請求項７に記載の偏光光源ユニット。
【請求項１０】
前記偏光制御素子の金属構造体が、複数種類の材料の金属層を積層した多層構造体であることを特徴とする請求項７に記載の偏光光源ユニット。
【請求項１１】
前記偏光制御素子の基板の表面に、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、前記周期構造が、前記光源が発する波長より小さい周期であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一つに記載の偏光光源ユニット。
【請求項１２】
前記反射型偏光子が反射する直線偏光の光の偏光方向に対して、前記最小構成単位の金属構造体の配置パターンが非軸対称となるように、前記反射型偏光子と前記偏光制御素子の相対的な位置関係を定めたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか一つに記載の偏光光源ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば液晶プロジェクタに利用される偏光光源ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スクリーン上に画像を投影することで電子的な表示を行う、ディジタルプロジェクタ（以下、単にプロジェクタと呼ぶ）市場が大きく成長している。一般的なプロジェクタでは、高圧水銀ランプなどの光源をＲＧＢ三色の光に分離し、それぞれの色の光について、液晶(ＬＣＤ)パネル、あるいは、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ；たとえば米国ＴＩ社製)等の空間変調素子などにより、画像に変換する。さらに三色の画像をプリズムあるいは時分割で、合成してスクリーンなどの投射面に投影して、カラー画像を鑑賞する。今後は小型化が進み、近い将来、超小型（大きさが数ｃｍ角以下）のプロジェクタモジュールを携帯電話や携帯コンピュータゲーム機に搭載することが検討されている。携帯電話等に搭載可能なまでに、プロジェクタモジュールを小型化するには光源の小型化が欠かせない。しかも、特に液晶パネルを用いたプロジェクタの場合、光源の光を直線偏光にして液晶パネルに投射しなければいけない。一般にプロジェクタの光源としては、無偏光な光源すなわち、高圧水銀ランプが使われている。
【０００３】
最近ではＬＥＤの使用も検討されているがこれも無偏光光源である。直線偏光を発する光源としては、レーザー光源があるが、コヒーレント光であるが故に、光を空間に放出するプロジェクタの光源として使用した場合に、眼球の損傷という危険が伴うため、使用することができない。現在では、直線偏光に偏光が揃っていて、かつコヒーレント光でない光を直接発する光源は開発されていない。したがって無偏光光源の光を直線偏光にして、液晶パネルに投射する以外の方法は、現在ではない。無偏光光源が発する光の成分を、反射型偏光子により、二つの直線偏光成分である、ｐ偏光とこれに直交するｓ偏光に分離できる。反射型偏光子について後に詳しく述べるが、ワイヤグリッド、フォトニックラティス、ＰＢＳなどがある。また、過去に米国ポラロイド社が開発した二色性色素を用いた吸収型偏光板はｐ偏光またはｓ偏光のいずれかを吸収し、熱に変換してしまうので、吸収型偏光板を透過した光の光量は、これに入射した光のそれの概ね１／２になってしまう。この場合、画像の輝度が低下する。また画像輝度を高くするために光源の輝度を増加すると消費エネルギーが増加するために、プロジェクタの小型化に支障が生じる。すなわち、光源の大型化、放熱器機能の追加、電池消耗が早いなどである。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の両方が混在している無偏光な光源の光を効率よく、ｐ偏光（またはｓ偏光）に揃える方法が考案された。それらが下記特許文献１〜１１に開示されている。
【０００４】
特許文献１〜３、特許文献８〜１０は直視型ＬＣＤのバックライトとして、偏光が揃った光をＬＣＤパネルに照射するために考案されたものである。基本的構造は特許文献１〜３、特許文献８〜１０に示されている。導光板と呼ばれるものの端面に光源が設置されている。導光板はこの光源からの光を均一にＬＣＤパネルに照射するためのものである。上記特許文献ではこの周辺に反射型偏光板と位相ズレを生じさせる何らかのしくみ（一般的には、いわゆる波長板の機能）を設け、光源からのｐ偏光はそのまま、ｓ偏光はｐ偏光に変化させてＬＣＤパネルに照射している。しかし、これをプロジェクタの光学系に適用した場合に大きな問題が生じる。これらの方法では基本的に光源は導光板の端面にしか設定できない。したがって、光源の大きさ、発光面積が導光板端面に制限されるので、当然そこから発する光量も制限され、すなわち画像輝度を高くできない。また、導光板の体積が小型化を阻む。特に特許文献１〜３については、反射型偏光板から反射されたｓ偏光の光が導光板内でｐ偏光に変換されて再度反射型偏光板に向かい、これを通過してＬＣＤに入射するために光効率が向上すると記述されている。しかし、前記ｓ偏光からｐ偏光に変換される機能についての具体的な記述がない。実際はこのｓ偏光からｐ偏光に変換する効率（ｓｐ変換効率）はあまり高くなく、導光板内および導光板と反射型偏光板の間で反射を繰り返すうち、これらの素子の光吸収により光は減衰し、熱に変わってしまう。特許文献９においては、光源ランプ、反射板、反射型偏光板の間でｓ偏光が反射を繰り返す内にｐ偏光になり有効にｓ偏光の光も使われると記述があるが、これも特許文献１〜３と同様な理由により、ｓｐ変換効率が低いと考えられる。
【０００５】
また、光源からの光の偏光を効率よくひとつの直線偏光に揃える機能を持つ偏光変換素子の例が特許文献５、特許文献１１に示されているが、これらは、光源ユニットとは別個の素子となるので、小型化には不向きである。
【０００６】
これらの方式に対して、ＬＣＤパネルの直下に光源を複数配列し、光源からの光量を増やすとともに、光源を保持する基板周辺にｓｐ変換機能を付与しようという考えが特許文献６、特許文献７に示されている。ここで重要なことは、反射型偏光板により光源側に反射された光のｓｐ変換を１／４波長板あるいは１／２波長板により行うことである。これらの波長板をｓ偏光が通ることにより、確実に効率よくｓｐ変換が行われる。したがって、原理的には特許文献１〜３、特許文献８〜１０よりも高効率に光源からの光を利用することができる。また、導光板を必要としないので、小型化も可能である。特許文献６では光源としてＬＥＤを、特許文献７では、特に明記していないが、ランプあるいはＬＥＤが使われると考えられる。特許文献６、７ともこれら光源のすぐそばに波長板が設置されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４７５６６号公報
【特許文献２】特開２００６−１３９２８３号公報
【特許文献３】特開２００６−１０６６８７号公報
【特許文献４】特開２００６−１６３１６９号公報
【特許文献５】特開２００５−２１５６６９号公報
【特許文献６】特開２００５−７９１０４号公報
【特許文献７】特開２００５−０１０４０５号公報
【特許文献８】特開２００４−２２６５０３号公報
【特許文献９】特開２００４−０６３４３９号公報
【特許文献１０】特開２００３−２９５１８３号公報
【特許文献１１】特開２００２−２４４２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ランプ、ＬＥＤとも、発熱が激しいため、高温に耐えられる耐熱性が要求される。一般に波長板としては、水晶や雲母を使った無機材料のものがある。これら無機材料を使ったものは、高温には耐えるが非常に高価である。また、波長板としては、有機材料で作製された位相差フィルムがある。位相差フィルムの例としては特許文献４に記述がある。また、フィルムではないが複屈折性結晶微粒子を樹脂マトリックス中に分散して配向させて、この樹脂中を透過した光の偏光を効率よく変換させる機能を持つ導光板が特許文献８に示されている。しかしながら、上記に示されるような従来の技術にあっては、これら有機材料を使ったものは安価ではあるが、高温には耐えられない。したがって、ＬＥＤなどを使った低コスト、小型で高輝度かつ偏光が揃った高効率なプロジェクタの実現には、耐熱性に優れた安価な波長板を用いた偏光光源ユニットが必要であった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、反射手段と反射型偏光子との間に、光源と偏光制御素子を配置した偏光光源ユニットにおいて、前記光源から発した光のうち、一方の直線偏光のみが前記反射型偏光子から前記偏光光源ユニットの外部に透過するとともに、前記反射型偏光子に反射された他方の直線偏光が、前記反射手段と前記反射型偏光子の間で多重反射を繰り返しながら、前記偏光制御素子により、前記他方の直線偏光の偏光状態を変化させることにより、前記他方の直線偏光が、前記反射型偏光子から外部に透過し得る前記一方の直線偏光に変換される偏光光源ユニットであって、前記偏光制御素子が、前記光源が発する光の波長よりも小さな２個以上の微小金属構造体を、前記光源が発する光の波長よりも小さい間隔の最小構成単位で２次元に配置した偏光制御素子であって、前記最小構成単位の方向が等しく、かつ、前記最小構成単位間の間隔が、前記光源が発する波長よりも大きいとともに、前記最小構成単位間の間隔が、一定周期に、または、ランダムに２次元配列状に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２にかかる発明は、前記反射手段が、前記光源よりも前記反射型偏光子側に配置されているとともに、前記光源からの光が、前記偏光制御素子および前記反射型偏光子に照射されるように、前記反射手段に開口が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３にかかる発明は、前記偏光制御素子の前記最小構成単位において、２個以上の前記微小金属構造体がＬ字形状に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４にかかる発明は、前記偏光制御素子の前記最小構成単位において、２個以上の前記微小金属構造体がＴ字形状に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５にかかる発明は、前記偏光制御素子の前記最小構成単位において、２個以上の前記微小金属構造体が卍字または逆卍字形状に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６にかかる発明は、前記偏光制御素子の前記最小構成単位が、正方格子、六方格子、ストライプ状のいずれか一つの２次元配列状に配列されている偏光制御素子であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７にかかる発明は、前記偏光制御素子の前記微小な金属構造体を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅのいずれか一種類または二種類以上を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８にかかる発明は、前記偏光制御素子の前記最小構成単位内で、異なる種類の金属からなる二個以上の金属構造体が同一平面上に形成されている前記最小構成単位であることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９にかかる発明は、前記偏光制御素子の金属構造体が、複数種類の材料の金属層と誘電体層を交互に積層した多層構造体であることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１０にかかる発明は、前記偏光制御素子の金属構造体が、複数種類の材料の金属層を積層した多層構造体であることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１１にかかる発明は、前記偏光制御素子の基板の表面に、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、前記周期構造が、前記光源が発する波長より小さい周期であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１２にかかる発明は、前記反射型偏光子が反射する直線偏光の光の偏光方向に対して、前記最小構成単位の金属構造体の配置パターンが非軸対称となるように、前記反射型偏光子と前記偏光制御素子の相対的な位置関係を定めたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明（請求項１）にかかる偏光光源ユニットは、偏光制御素子が、光源が発する光の波長よりも小さな金属構造体を、光源が発する光の波長よりも小さい間隔で、前記偏光制御素子の基板に、２次元に配置した偏光制御素子であって、２個以上の微小な金属構造体からなる最小構成単位の方向が等しく、かつ、前記最小構成単位間の間隔が、一定周期で、または、ランダムで、２次元配列状に形成されているので、２個の微小な金属構造からなる最小構成単位が、２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２３】
また、本発明（請求項２）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１において、反射手段が、光源よりも反射型偏光子側に配置されているとともに、光源からの光が、偏光制御素子および反射型偏光子に照射されるように、反射手段に開口が設けられているので、２個の微小な金属構造からなる最小構成単位が、２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２４】
また、本発明（請求項３）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１または２において、偏光制御素子の基板に、２個以上の前記微小な金属構造体がＬ字形状に配置されている最小構成単位が、２次元配列状に形成されているので、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＬ字形状に構成され、Ｌ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２５】
また、本発明（請求項４）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１または２において、偏光制御素子の基板に、２個以上の前記微小な金属構造体がＴ字形状に配置されている最小構成単位が、２次元配列状に形成されているので、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＴ字形状に構成され、Ｔ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明（請求項５）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１または２において、偏光制御素子の基板に、２個以上の前記微小な金属構造体が卍字形状に配置されている最小構成単位が、２次元配列状に形成されているので、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位が卍字形状に構成され、卍字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２７】
また、本発明（請求項６）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１〜５の何れか一つにおいて、偏光制御素子の微小な金属構造体からなる前記最小構成単位が、正方格子、六方格子、ストライプ状のいずれか一つの２次元配列状に形成されているので、金属構造体からなる最小構成単位の周期配列により構成することにより、遠方場における電界の空間パターンを制御する機能を有する偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２８】
また、本発明（請求項７）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１〜６の何れか一つにおいて、偏光制御素子の前記微小な金属構造体を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅのいずれか一種類または二種類以上を含むので、金属構造体を上記の金属材料により構成した耐熱性、耐光性の優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明（請求項８）にかかる偏光光源ユニットは、請求項７において、偏光制御素子の最小構成単位内で、異なる種類の金属からなる二個以上の金属構造体が同一平面上に形成されている最小構成単位であるので、金属構造体の金属の種類による光のプラズモン共鳴波長の違いを利用して透過光または反射光に位相差を生じさせ、かつ金属粒子で構成させることで耐熱性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００３０】
また、本発明（請求項９）にかかる偏光光源ユニットは、請求項７において、偏光制御素子の金属構造体が、複数種類の材料の金属層と誘電体層を交互に積層した多層構造体であるので、二種類の金属材料と誘電体材料を含む積層構造により金属微小構造体を形成することにより、同一面内に異種金属を形成する場合に比較して、より単純な作製工程で偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００３１】
また、本発明（請求項１０）にかかる偏光光源ユニットは、請求項７において、偏光制御素子の金属構造体が、複数種類の材料の金属層を交互に積層した多層構造体であるので、二種類の金属材料と誘電体材料を含む積層構造により金属微小構造体を形成することにより、同一面内に異種金属を形成する場合に比較して、より単純な作製工程で偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００３２】
また、本発明（請求項１１）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１〜１０の何れか一つにおいて、偏光制御素子の基板の表面に、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、前記周期構造が、入射光の波長より小さい周期で構成されているので、支持基板が、高さが周期的に変調されてなる周期構造を表面に有し、この周期構造が、入射光の波長の２倍より小さい周期で構成されていることにより、基板表層に生じるエバネッセント光と金属微小構造群の近接場光との結合による強い光放射および光吸収を発生させる偏光特性の制御性能の高い偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【００３３】
また、本発明（請求項１２）にかかる偏光光源ユニットは、請求項１〜１１の何れか一つにおいて、反射型偏光子が反射する直線偏光の光の偏光方向に対して、最小構成単位の金属構造体の配置パターンが非軸対称となるように、反射型偏光子と偏光制御素子の相対的な位置関係を定めたので、反射型偏光子と偏光制御素子との適切な位置関係を明確にし、これにより、前記偏光制御素子を使った小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる偏光光源ユニットの最良な実施の形態を詳細に説明する。
【００３５】
（第１の実施の形態）
本発明は液晶プロジェクタの光源ユニットとして用いる。液晶プロジェクタは、直線偏光を液晶パネルに照射し、液晶パネルの二次元光変調機能により、ＲＧＢのそれぞれについて二次元画像をスクリーンに投影してカラー画像を得るものである。一般に光源としてはＬＥＤ、キセノンランプなどの管球光源、冷陰極管などが使われる。これらの光源はランダム偏光の光を発するので、これから効率よく光源を直線偏光に変換した光を液晶パネルに照射することが、液晶プロジェクタのエネルギー効率の向上、画面輝度の向上には欠かせない。本発明は、光源から発せられるランダム偏光を、高効率に直線偏光に変換して液晶パネルに供給する偏光光源ユニットである。
【００３６】
まず、本発明の実施の形態に共通の偏光光源ユニットの概観を図１−１、図１−２に示す。図１−１は上面図であり、図１−２は断面図である。偏光光源ユニットは、ＲＧＢのＬＥＤ光源を持っている。ＧのＬＥＤはＲ、Ｂに比べて輝度が現時点では低いため、二つのＬＥＤを設けている。ＲＧＢそれぞれの画面を液晶パネルが時分割で順次表示する。各色の表示時間に同期して、各色のＬＥＤも時分割発光する。
【００３７】
さて、図１−２の断面図に示すように、本発明の特徴である光の偏光状態を変化させる偏光制御素子１０１と、ＬＥＤチップ１０２ａは、反射型偏光子１０３と、金属膜や誘電体多層膜ミラーなどの反射手段１０４との間に配置されている。ＬＥＤチップ１０２ａはここでは直接反射手段の上には載せられず、好ましくは透明基板で構成される台座１０５の上に設置されている。
【００３８】
反射型偏光子１０３の例としては、使用する波長よりも線幅と間隔が狭い金属膜のストライプパターンを透明基板上に設けたワイヤグリッド偏光子が挙げられる。これは、ストライプパターンの延伸方向の直線偏光を反射し、これに直行する直線偏光を透過する。また、他の反射型偏光子の例としては、株式会社フォトニックラティス社が製造販売しているフォトニック結晶偏光子が挙げられる。これは、自己クローニング法と呼ばれる製造方法で作製したフォトニック結晶の一種であり、多数の断面が山形形状のストライプパターンを持つ誘電体多層膜で構成される。このストライプパターンの延伸方向の直線偏光を反射し、これに直行する直線偏光を透過する。また、他の反射型偏光子の例としては、プリズム表面に多層膜を形成した偏光ビームスプリッタと反射膜を組み合わせた素子なども考えられる。
【００３９】
前記の台座１０５上には、ＬＥＤチップ１０２ａに電力を供給するための配線や、特に台座１０５が透明基板でないときにさらなる効率向上に有効である反射手段１０６、また、ＬＥＤチップ１０２ａで生じる熱を逃がすためのヒートシンク１０７、配線１０８などが設けられている。図１−１の上面図ではＬＥＤチップ１０２ａのユニット内での配置をわかりやすく図示するために、反射型偏光子と偏光制御素子をあえて示していないが、これらは実際には必要であることはいうまでもない。反射型偏光子以外から光がもれないように、反射型偏光子１０３と容器１０９により、ＬＥＤチップ１０２ａと反射手段１０４が密閉された状態になっている。
【００４０】
図１−１、図１−２のうち、ＲＧＢの中の一つを拡大して示したものが、図２である。ここでは、容器１０９や前述の封止した状態などは省略して示してあるが、実際にはこれらが存在することはいうまでもない。反射型偏光子１０３としては耐熱ガラスや石英基板等の透明基板上に光源としてのＬＥＤチップ１０２ａが発する光の波長の寸法よりも、線幅、間隔とも小さいストライプ状金属パターンを有する前述のワイヤグリッドやこれと異なる構造を有するフォトニックラティスなどがある。この反射型偏光子１０３のＬＥＤチップ１０２ａ側には本発明の特徴である偏光制御素子１０１が配置されている。これは、後に述べるが、支持基板１１５上に、ＬＥＤチップ（光源）１０２ａが発する光の波長の寸法よりも、大きさ、間隔とも小さい金属ドットパターン１１６がある。容器１０５の上には反射手段１０４があり、偏光制御素子１０１との間にはＬＥＤチップ１０２ａと台座１０５がある。台座１０５は好ましくは透明がよい。ＬＥＤチップ１０２ａは基板１１０とｐ層１１２、ｎ層１１１があり、ｐ層１１２、ｎ層１１１のそれぞれが台座１０５上の配線に金バンプ１１４を介して接続されている。これらはＬＥＤチップ１０２ａの発熱を台座１０５、容器１０９に逃がすヒートシンクの役目もになう。前記偏光制御素子１０１が１／４波長板として機能する場合の例における動作の説明を、図２を使って[１]〜[８]の順に記述する。
【００４１】
[１]  ＬＥＤチップ１０２ａにより発せられたランダム偏光は偏光制御素子１０１に向かう。
[２]  偏光制御素子１０１によりｘ偏光、ｙ偏光とも１／４波長だけ、位相がずれるが、結果的にはランダム偏光のままである。
[３]  反射型偏光子１０３により、ｘ偏光だけが透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
[４]  ｙ偏光は反射され、偏光制御素子１０１に向かう。
[５]  偏光制御素子１０１による１／４波長の位相が生じ、円偏光になる。
[６]  反射手段１０４により円偏光が反射され、偏光制御素子１０１に向かう。
[７]  偏光制御素子１０１により再度、１／４波長の位相が生じ、ｘ偏光になり、反射型偏光子１０３に向かう。
[８]  ｘ偏光は反射型偏光子１０３を透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
【００４２】
以上のような動作により、ＬＥＤチップ１０２ａから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。ここで重要な点は、本発明の特徴となる偏光制御素子１０１を用いているところである。ＬＥＤチップ１０２ａは液晶プロジェクタの用途や目的上、高輝度に発光することが求められるので、非常に発熱が激しくなる。したがって、偏光光源ユニット１００内で、ＬＥＤチップ１０２ａの電極近傍に配置される偏光制御素子１０１には高い耐熱性が要求される。本発明における偏光制御素子１０１は、後述するように無機材料でできた支持基板上に金属で作製された構造体が配置されたものである。複数の微小な金属構造体は構成単位をもち、その構成単位の中ではその構造体の寸法、および構造体間の間隔が使用する波長よりも小さいことが特徴となっている。
【００４３】
さらに、この構成単位が、使用する波長以上の間隔で、基板上にアレイ状に複数個配置されている。本偏光制御素子１０１の支持基板１１５は無機の誘電体材料、また構造体も金属、すなわち無機材料で構成されているので、従来の有機物で構成される偏光フィルムよりも格段に耐熱性に優れている。従来の偏光板としては水晶もあるが、非常に高価であるため、低コストを要求される一般消費製品、いわゆるコンシューマーグッズには使用することは困難である。本発明の偏光制御素子１０１においては、金属薄膜を数十ｎｍ程度の寸法で加工する必要はあるが、近年ナノインプリント等の安価な装置で数十ｎｍ程度の寸法の微細な加工を可能とする技術が開発されているので、低コスト化には問題はない。また支持基板１１５についても、一般の耐熱ガラス（たとえば米国コーニング社のパイレックス（登録商標）ガラスなど）、あるいは溶融石英で充分であるので、水晶に比べれば格段に低コストになる。
【００４４】
以上のことから、本発明における偏光制御素子１０１は高耐熱性と低コストを併せ持つことにより、低コスト・高効率な偏光光源ユニット１００を構成でき、これによりＬＣＤプロジェクタの低消費電力、画像の高輝度化および高い耐久性を実現することができる。
【００４５】
なお、上記では偏光制御素子１０１を１／４波長板として説明した。好ましくは１／４波長板がよいが、特にこれに限定されるわけではない。偏光制御素子１０１に必要とされる機能は、入射する直線偏光を二つの偏光成分（ｐ偏光とｓ偏光）に分けた際、偏光制御素子１０１を透過あるいは反射した光のｐ偏光とｓ偏光に位相差が生じればよい。これが１／４波長の位相差が生じる場合が１／４波長板となる。しかし、これに限定されることはなく、ｐ偏光とｓ偏光に位相差が生じれば上記動作説明で示した、[４]〜[８]の動作を繰り返す、すなわち多重反射をすることにより、ＬＥＤチップ１０２ａから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換され、反射型偏光子１０３を通ってＬＣＤパネル１２０を照射することになる。また、偏光制御素子１０１は、上記のような位相差を生じるものではなく、ｙ偏光をｘ偏光に旋光させる旋光素子の機能を持つものでもよい。
【００４６】
なお、ＬＥＤチップ１０２ａの実装方法は、特に図２に限られるわけではなく、図３、図４の実装方法でもよい。図３の実装方法は、ＬＥＤチップ１０２ａのｐ層とｎ層の両方をワイヤボンディングにより外部回路との接続を行ったものである。図４は、片側だけをワイヤボンディングした例である。なお、図３、図４において、符号１１３は透明電極、符号１１４はボンディングワイヤである。
【００４７】
(第２の実施の形態)
図５は、本発明の第２の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは、前述と同じくＬＥＤチップ１０２ａを用いている。図２では偏光制御素子１０１が、ＬＥＤチップ１０２ａと反射型偏光子１０３との間に配置されていたが、図５では偏光制御素子１０１はＬＥＤチップ１０２ａと反射手段１０４の間に配置されている。以下、図５の動作を[１]〜[７]の順に説明をする。
【００４８】
[１]  ＬＥＤチップ１０２ａにより発せられたランダム偏光は偏光制御素子１０１に向かう。
[２]  反射型偏光子１０３により、ｘ偏光だけが透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
[３]  ｙ偏光は反射され、偏光制御素子１０１に向かう。
[４]  偏光制御素子１０１による１／４波長の位相が生じ、円偏光になる。
[５]  反射手段１０４により円偏光が反射され、偏光制御素子１０１に向かう。
[６]  偏光制御素子１０１により再度、１／４波長の位相が生じ、ｘ偏光になる。
[７]  ｘ偏光は反射型偏光子１０３を透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
【００４９】
この実施の形態においても、ＬＥＤチップ１０２ａから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／４波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。なお、ＬＥＤチップ１０２ａの実装方法は図３、図４でもよい。
【００５０】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは光源として、キセノンランプ１０２ｂを用いている。特にキセノンランプ１０４ｂに限定されるわけではなく、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどでもよい。キセノンランプ１０２ｂと偏光制御素子１０１が、反射型偏光子１０３と反射手段１０４ｂの間に配置されている。反射手段１０４ｂは概略点光源のキセノンランプ１０２ｂから発せられる光を有効利用するために、曲面となっている。以下、本構成による動作を[１]〜[８]の順に説明をする。
【００５１】
[１]  キセノンランプ１０２ｂにより発せられたランダム偏光は偏光制御素子１０１に向かう。
[２]  偏光制御素子１０１によりｘ偏光、ｙ偏光とも１／４波長だけ、位相がずれるが、結果的にはランダム偏光のままである。
[３]  反射型偏光子１０３により、ｘ偏光だけが透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
[４]  ｙ偏光は反射され、偏光制御素子１０１に向かう。
[５]  偏光制御素子１０１による１／４波長の位相が生じ、円偏光になり反射手段１０４ｂへ向かう。
[６]  反射手段１０４ｂによる多重反射により、光が折り返され、円偏光が偏光制御素子１０１に向かう。
[７]  偏光制御素子１０１により再度、１／４波長の位相が生じ、ｘ偏光になる。
[８]  ｘ偏光は反射型偏光子１０３を透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
【００５２】
この実施の形態においても、キセノンランプ１０２ｂから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／４波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは、第３の実施の形態と同じくキセノンランプ１０２ｂを用いている。ただし、図６では偏光制御素子１０１が、キセノンランプ１０２ｂと反射型偏光子１０３との間に配置されていたが、図７では偏光制御素子１０１はキセノンランプ１０２ｂと反射手段１０４ｂの間に配置されている。本構成による動作を[１]〜[７]の順に説明をする。
【００５４】
[１]  キセノンランプ１０２ｂにより発せられたランダム偏光は偏光制御素子１０１に向かう。
[２]  反射型偏光子１０３により、ｘ偏光だけが透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
[３]  ｙ偏光は反射され、偏光制御素子１０１に向かう。
[４]  偏光制御素子１０１による１／４波長の位相が生じ、円偏光になる。
[５]  反射手段１０４ｂによる多重反射により、光が折り返され、円偏光が偏光制御素子１０１に向かう。
[６]  偏光制御素子１０１により再度、１／４波長の位相が生じ、ｘ偏光になる。
[７]  ｘ偏光は反射型偏光子１０３を透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
【００５５】
この実施の形態においても、キセノンランプ１０２ｂから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／４波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００５６】
（第５の実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは、第４の実施の形態と同じくキセノンランプ１０２ｂを用いている。ただし、図７では偏光制御素子１０１が、キセノンランプ１０２ｂと反射手段１０４ｂの間に配置されていたが、図８では偏光制御素子１０１はキセノンランプ１０２ｂの直下に反射型偏光子１０３に垂直な方向に、かつ、反射手段１０４ｂとキセノンランプ１０２ｂの間に配置されている。また、本例の場合、偏光制御素子１０１は１／２波長板であることが好ましい。以下、本構成による動作を[１]〜[５]の順に説明をする。
【００５７】
[１]  キセノンランプ１０２ｂにより発せられたランダム偏光は偏光制御素子１０１に向かう。
[２]  反射型偏光子１０３により、ｘ偏光だけが透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
[３]  ｙ偏光は反射され、反射手段１０４ｂに向かう。反射手段１０４ｂに反射されたｙ偏光は、偏光制御素子１０１に向かう。
[４]  偏光制御素子１０１による１／２波長の位相が生じ、ｘ偏光になる。さらに反射手段１０４ｂにより反射され、ｘ偏光が反射型偏光子１０３に向かう。
[５]  ｘ偏光は反射型偏光子１０３を透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
【００５８】
この実施の形態においても、キセノンランプ１０２ｂから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／２波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００５９】
（第６の実施の形態）
図９は、本発明の第６の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは、第４の実施の形態と同じくキセノンランプ１０２ｂを用いている。ただし、図７では偏光制御素子１０１が、キセノンランプ１０２ｂと反射手段１０４ｂの間に配置されていたが、図９では偏光制御素子１０１はキセノンランプ１０２ｂと反射手段１０４ｂの間に、反射手段１０４ｂの曲面に沿う形状で偏光制御素子１０１が作られ、反射手段１０４ｂ上に配置されている。また、本実施の形態の場合、偏光制御素子１０１は１／８波長板であることが好ましい。以下、本構成による動作を[１]〜[８]の順に説明をする。
【００６０】
[１]  キセノンランプ１０２ｂにより発せられたランダム偏光は偏光制御素子１０１に向かう。
[２]  反射型偏光子１０３により、ｘ偏光だけが透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
[３]  ｙ偏光は反射され、反射手段１０４ｂに向かう。反射手段１０４ｂに反射されたｙ偏光は、偏光制御素子１０１に向かう。
[４]  偏光制御素子１０１による１／８波長の位相が生じ、楕円偏光になる。さらに反射手段１０４ｂにより反射され、楕円偏光が再度、偏光制御素子１０１に向かう。
[５]  偏光制御素子１０１により１／８波長の位相が生じ、円偏光になり、再度、偏光制御素子１０１に向かう。
[６]  偏光制御素子１０１による１／８波長の位相が生じ、楕円偏光になる。さらに反射手段１０４ｂにより反射され、楕円偏光が再度、偏光制御素子１０１に向かう。
[７]  偏光制御素子１０１により、１／８波長の位相が生じ、ｘ偏光になり、反射型偏光子１０３に向かう。
[８]  ｘ偏光は反射型偏光子１０３を透過し、ＬＣＤパネル１２０に向かう。
【００６１】
この実施の形態においても、キセノンランプ１０２ｂから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／８波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００６２】
（第７の実施の形態）
図１０は、本発明の第７の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは冷陰極蛍光灯１０２ｃを多数用いている。それ以外は、第３の実施の形態とほぼ同じである。動作も同様であるので、ここでの動作説明は省略する。本実施の形態では、複数の冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して共通の反射型偏光子１０３を設けているが、各冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して一つの反射型偏光子１０３を設けてもよい。
【００６３】
この実施の形態においても、冷陰極蛍光灯１０２ｃから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／４波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００６４】
（第８の実施の形態）
図１１は、本発明の第８の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは冷陰極蛍光灯１０２ｃを多数用いている。それ以外は、第４の実施の形態とほぼ同じである。動作も同様であるので、ここでの動作説明は省略する。本実施の形態では、複数の冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して共通の反射型偏光子１０３を設けているが、各冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して一つの反射型偏光子１０３を設けてもよい。
【００６５】
この実施の形態においても、冷陰極蛍光灯１０２ｃから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／４波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００６６】
（第９の実施の形態）
図１２は、本発明の第９の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは冷陰極蛍光灯１０２ｃを多数用いている。それ以外は、第５の実施の形態とほぼ同じである。動作も同様であるので、ここでの動作説明は省略する。本実施の形態では、複数の冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して共通の反射型偏光子１０３を設けているが、各冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して一つの反射型偏光子１０３を設けてもよい。
【００６７】
本実施の形態においても、冷陰極蛍光灯１０２ｃから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／２波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００６８】
（第１０の実施の形態）
図１３は、本発明の第１０の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。ここでは冷陰極蛍光灯１０２ｃを多数用いている。それ以外は、第６の実施の形態とほぼ同じである。動作も同様であるので、この実施の形態の動作説明は省略する。また、本実施の形態では、複数の冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して共通の反射型偏光子１０３を設けているが、各冷陰極蛍光灯１０２ｃと反射手段１０４ｃの組に対して一つの反射型偏光子１０３を設けてもよい。
【００６９】
本実施の形態においても、冷陰極蛍光灯１０２ｃから発せられた光は、ランダム偏光からｘ偏光に変換された後に、ＬＣＤパネル１２０に向かうため、光利用効率がよく、結果として、液晶プロジェクタの低消費電力化、画像の高輝度化が図られる。また、偏光制御素子１０１の耐熱性についても同様である。また、偏光制御素子１０１は好ましくは１／８波長板の機能を有するものがよい。しかし、第１の実施の形態で述べたように一連の動作を多重反射で繰り返すことがあるので、特にこれに限定されるものではなく、入射光の偏光成分間に位相差を生じさせる機能があるものであればよい。
【００７０】
（他の実施の形態）
偏光光源ユニットに共通の他の実施の形態の構成を図１４から図１９に示す。図１４は前述の図２に、図１５は図６に、図１６は図８に、図１７は図１１に、図１８は図１０に、図１９は図１２に、それぞれ対応する。それぞれの動作については、対応する説明と同じであるので、ここでの重複説明は省略する。
【００７１】
つぎに、これまで説明してきた実施の形態の偏光光源ユニット１００に用いる偏光制御素子１０１の構成および動作などについて説明する。
【００７２】
（偏光制御素子の構成・動作例１）
以下、偏光制御素子１０１の動作について述べる。図２０は、本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子１０１の機能を示す説明図である。この図２０に示すように、偏光制御素子１０１は、光学的に平坦な支持基板１１５上に金属粒子２による微細構造が形成されている。このような金属ドットパターン１１６が形成された支持基板１１５に対して光を照射すると、入射偏光に対して金属微細構造が非対称に存在する場合、各金属微細構造に生じる局在表面プラズモンの共鳴周波数に依存して、微細構造間に生じる近接場相互作用により、各金属微細構造間で位相差が生じる。そのため、各金属微細構造からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、出射光における偏光状態が変換される。
【００７３】
すなわち、図２０に示すように透明基板１１５上に金属粒子２による金属微細構造を形成したものに対して、たとえばＹ軸方向に対して４５度傾いた直線偏光４を入射すると、この支持基板１１５を透過した光は楕円偏光５となる。なお、ここでは金属粒子２を円形状としているが、他の形状、たとえば楕円構造や多角形状構造であってもよい。また、円形状の構造を連続して配置し、擬似的に楕円形状構造を形成するような構成でもよい。また入射する光の偏光方向は形成された金属粒子２に対して非対称な偏光成分を有するように入射することで、各金属微細構造間で位相差が生じる。
【００７４】
また、これら金属粒子２の材料は、使用する光源波長でプラズモンが発生し、出射光に所望の位相差を与えるように選択すればよく、たとえばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅなどが使用可能であり、これら金属の合金でもよく、特に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌが好ましい。ここで、プラズモンとは金属中における電子の集団運動のことである。
【００７５】
ここで図２１−１に示すように金属粒子２の大きさ（直径）をＲ、ｘ方向にもっとも隣接した微細構造との間隔をｄ、この２つの隣接した微細構造の組み合わせをＡとし、Ａとｘ方向にもっとも隣接する微細構造の組み合わせをＢとしたとき、Ａ−Ｂ間の距離をｄ１、ｙ方向に隣接している微細構造をＣとしたときの、Ａ−Ｃ間の距離をｄ２とする。このときＲは入射光の波長よりも小さい必要がある。また、ｄ１、ｄ２ともに入射光の波長よりも小さいことが望ましい。また、隣接した微細構造間に生じる近接場相互作用を利用するため、少なくともｄ＜Ｒである必要があり、ｄ１とｄ２は隣接構造の組み合わせ間の、相互作用の影響を少なくするため、Ｒよりも大きい必要がある。これらの関係をまとめると、以下のようになる。
【００７６】
（１）必須な条件
ｄ＜Ｒ＜λ  かつ  Ｒ＜ｄ１  かつ  Ｒ＜ｄ２
（２）さらには以下の条件を満たすことが好ましい。
ｄ１＜λ  かつ／または  ｄ２＜λ
【００７７】
また、本偏光制御素子１０１は、前記微小な金属粒子２からなる最小構成単位内における、複数の金属粒子２間の近接場相互作用により偏光制御をなし得るものである。したがって、前記最小構成単位間の間隔（距離）ｄ１、ｄ２は、上記（１）、（２）の条件を満たせば、本偏光制御素子１０１の基本的機能には何ら影響を与えるものではない。つまり、偏光制御機能の原理には関わりのないパラメータである。したがって、前記最小構成単位間の間隔（距離）に、一定の周期性は特に必須ではなく、図２１−２に一例を示すように、最小単位がランダムに変化する間隔で配置されていても何ら問題はない。ただし、最小構成単位のパターンの方向は一定でなければならない。また、ｄ、Ｒ、λ、ｄ１、ｄ２の間の条件は上記（１）、（２）と同じである（ｄ１、ｄ２の値は一定ではないが）。
【００７８】
また、図２２に示すように３個もしくは複数個の金属粒子２による金属微細構造の組み合わせでＬ字もしくはＶ字形状に配列された構造を形成してもよい。ここでは、図２１−２に示す構成同様に、隣接した金属微細構造との間隔は微細構造の大きさよりも十分に小さく、また、図２３に示すようなＬ字形状、あるいはＶ字形状の最小構成単位間の間隔は構成する微細構造の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。このときも入射する光の偏光方向は形成された金属微小構造に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。
【００７９】
また、図２３に示すように４個、あるいは図２４に示すように複数個の金属粒子２による金属微細構造の組み合わせでＴ字形状に配列された構造を形成してもよい。また、図２１−１に示す構成と同様に、隣接した金属微細構造との間隔は微細構造の大きさよりも十分小さく、またＴ字形状の最小構成単位間の間隔は構成する微細構造の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。このときも入射する光の偏光方向は形成された金属微小構造に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。
【００８０】
図２４に示すように４個、または図２５に示すように複数個の金属微細構造の組み合わせで卍字形状に配列された構造を形成してもよい。また、図２６に示すように逆卍構造であってもよい。図２１−１に示す構成同様に、隣接した金属微細構造との間隔は微細構造の大きさよりも十分小さく、また卍字形状の最小構成単位間の間隔は構成する微細構造の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。このときも入射する光の偏光方向は形成された金属微小構造に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。
【００８１】
上記の無機偏光制御素子は以下のようにして製造することができる。まず、無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面に金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの化学蒸着法やスパッタリング、真空蒸着などの物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金などの堆積法で薄膜状に形成する。この金属膜上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、あるいはナノインプリントなどの手法により、所望の微細構造に相当するパターンを残すようにレジストパターンを形成する。また、相変化材料や遷移金属酸化物材料等の無機材料にレーザー光を照射することにより、材料特性を変化させ、エッチングレートの違いを利用して前記材料をエッチングすることにより、前記無機材料をレジストとするパターンを形成する手法が利用できる。その後、不要部分の金属膜をたとえばＲＩＥ（反応性ドライエッチング）などによりエッチングを行うことで、所望の微細構造の金属パターンを形成することができる。
【００８２】
また、無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、あるいはナノインプリントなどの手法により、所望の微細構造に相当するパターン以外を残すようにレジストパターンを形成する。また、相変化材料や遷移金属酸化物材料等の無機材料にレーザー光を照射することにより、材料特性を変化させ、エッチングレートの違いを利用して前記材料をエッチングすることにより、前記無機材料をレジストとするパターンを形成する手法が利用できる。その後、金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの化学蒸着法やスパッタリング、真空蒸着などの物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金などの堆積法でレジストパターン上に薄膜状に形成する。その後、レジスト膜を除去することで、レジスト膜上に形成された不要部分の金属膜を除去することで、所望の微細構造の金属パターンを形成することができる。
【００８３】
無機材料としての支持基板１１５には、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、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ2Ｏ3などの光学結晶材料などが利用できる。また、反射光を利用する場合には、反射率の高い材料が好ましく、上記の光学ガラス、光学結晶材料に、ＡｌやＡｕなどの金属膜を蒸着したものや、シリコン基板などを用いることが好ましい。また、部分反射膜としてＣｒコーティングなどを利用することで、透過光と反射光の両方を利用するハーフミラーとして使用することもできる。
【００８４】
また、このような構成からなる光学素子の表面で発生している局在表面プラズモンは近接場光とも呼ばれ、波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測・分析を行うことができる。
【００８５】
（偏光制御素子の構成・動作例２）
偏光制御素子１０１は、直線偏光４による偏光状態を、素子内部に含む金属複合構造体と光との相互作用により変調し、偏光制御された楕円偏光５として利用するものである。ここでは、偏光制御素子１０１により直線偏光４が楕円偏光５に変換される一例を示し、従来の１／４波長板と同等の機能を有している。
【００８６】
図２７は、偏光制御素子の構成を示す断面図である。この偏光制御素子１０１は、支持基板１１５上に、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属粒子２（図２７の例では円柱型構造体）が波長以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。光は上方の金属粒子２の存在する面から入射され、反射型の偏光制御素子１０１として利用する場合には反射光５ｂを、透過型の偏光制御素子として利用する場合には透過光５ａを、成分分離型の偏光制御素子として利用する場合には透過光５ａと反射光５ｂの両方の成分を、偏光制御された出射光として利用する。
【００８７】
図２８、図２９、図３０は、図２７における金属粒子の周期配列の例を示す説明図である。図２８は正方格子上の格子点に金属複合構造体６を配列した場合、図２９は六方格子上の格子点に金属複合構造体６を配列した場合、図３０はストライプ状に金属複合構造体６を配列した場合の構成を示す平面図である。周期構造は、偏光制御素子１０１の角度依存性や波長依存性を与えるものであり、偏光制御素子１０１の使用目的に応じて、対称性や周期、ピッチなどを調整する。
【００８８】
この偏光制御素子１０１に使用する支持基板１１５は、透過型の素子を構成する場合には、高効率化のために可視領域の波長において吸収の低い材料が好ましく、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、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ2Ｏ3などの光学結晶材料などを利用する。また、反射型の素子を構成する場合には、反射率の高い材料が好ましく、上記の光学ガラス、光学結晶材料に、ＡｌやＡｕなどの金属膜コーティングを施す。この際の膜厚は、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る。本例では、３０ｎｍから１００ｎｍ程度の膜厚とする。また、誘電体多層膜による全反射コーティングを施したものであってもよい。また、透過光と反射光の両方を利用するビームスプリッタなどとして利用する場合には、部分反射膜としてＣｒコーティングなどを利用する。
【００８９】
つぎに、この偏光制御素子１０１における偏光状態を変調する機構となる金属粒子２および金属粒子２の集団による金属複合構造体６について説明する。金属粒子２を構成する材料は表面プラズモンまたは局在表面プラズモンを励起できる材料である必要がある。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、局在表面プラズモンを、ともにプラズモンと記述する。プラズモンは、金属粒子２近傍の電磁界と結合し、伝搬光成分に変換されて遠方場へ放出される。伝搬光への変換効率は、金属粒子２により決まる共鳴周波長近傍で最大となる。プラズモンを励起できる金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅなどが利用できる。このような金属粒子２が二つないしは複数個、近接して配置された構造を金属複合構造体６と記述する。ここで、プラズモンとは金属中における電子の集団運動のことである。
【００９０】
図２７に示す偏光制御素子１０１は、二つの円筒形状の金属粒子２のドットが間隔ｄだけ離れた配置を有する金属複合構造体６により構成されている。金属粒子２の形状は円筒形状に限る必要はなく、加工の容易さから、半球形状などであっても構わない。ここで、金属複合構造体６は、入射する光の回折限界に対して十分に小さな領域内に存在している必要があるため、金属微小構造体２のサイズは制限され、１０〜１００ｎｍのサイズが好ましい。
【００９１】
遠方から照射される光、または遠方で観測される光においては、光の回折限界による制限から、金属複合構造体６の配置や形状は観測されない。しかしながら、金属複合構造体６に生じるプラズモンおよび近接場光を介したプラズモンの相互作用により、出射される光強度や振動の向きに対する位相差が金属粒子２の大きさや配置に依存して変化する。
【００９２】
このような金属粒子２ならびに金属複合構造体６の作製は、様々な加工方法により可能である。たとえば電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画による方法や、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント技術などが利用できる。また、相変化材料や遷移金属酸化物材料にレーザー光を照射することにより、材料特性を変化させ、エッチングレートの違いを利用してエッチングする手法が利用できる。
【００９３】
つぎに、このような方法で作製された金属複合構造体６に入射した光の偏光状態が、構造に依存して変化する原理を、数値計算結果に基づいて説明する。数値計算には、電磁界の運動を記述するマクスウェル方程式を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を利用した。図３１、図３２は、数値計算に使用したモデルを表しており、空気中に存在するサイズ（直径）４０ｎｍの二つのＡｕ球における近接する端部の間隔ｄを０〜８０ｎｍまで変化させた場合の、反射遠方場における偏光状態の変化を調べた。Ａｕの光学定数は、屈折率ｎ＝０．０７２、ｋ＝１．４９６を用いた。この値は、金属球が５０ｎｍ以下程度に小さくなった場合に、金属球のサイズに依存した光学定数の変化を考慮した値である。
【００９４】
ＦＤＴＤ法により得られた金属複合構造体６（本例ではＡｕ球とする）近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、電界分布のフーリエ変換により角度θ＝０°の成分を抽出し、図３１、図３２に示すｘ方向とｙ方向の振幅比と位相差を算出した。４０ｎｍのＡｕ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長５４４ｎｍを用い、図３１、図３２に示すｘｙ面内においてｘ軸から４５°の方向に電界の振動方向をもつ平面波を照射する計算を行った。
【００９５】
図３３は振幅比を示すグラフであり、ｄが大きな領域においては振幅比が１に近づき、偏光面（電界の振動方向）が入射光の偏光方向と一致していることがわかる。これに対し、ｄ＝０近傍に近づくにつれて、振幅比が増加し、すなわち偏光面がｙ方向へ傾く。一方、図３４に示すグラフは電界のｘ成分とｙ成分の位相差を表している。ｄがゼロに近づくほど、位相差が大きくなり、ｄ＝０の場合に位相差が４５°程度となる。以上のＦＤＴＤ法によるシミュレーションの結果から、Ａｕ微小球の間隔を制御することにより、偏光面を回転させることができ、また、偏光状態を、たとえば直線偏光から楕円偏光に変換することができる。金属材料としてＡｇ微小球を使用した場合にも、同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化の生じる波長領域はＡｇ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長４００ｎｍ近傍であった。
【００９６】
ところで、金属粒子２は空気中に剥き出しになっている必要はなく、金属粒子２ならびに金属複合構造体６の劣化を防ぐために、むしろ誘電体による保護膜を有しているほうが好ましい。この場合、金属粒子２を被覆する材料の光学定数（屈折率、消衰係数）に依存して金属粒子２の内部に励起されるプラズモンの共鳴波長がシフトする。したがって、保護層はプラズモンの共鳴波長を調整する機能も有する。図３５は、誘電体薄膜７により被覆された金属粒子２ならびに金属複合構造体６を有する偏光制御素子の一例を示した説明図である。誘電体材料７は吸収の少ない材料により構成される必要があり、ＺｎＳ−ＳｉＯ2などの光記録媒体の保護層として利用される遷移金属酸化物などが利用できる。
【００９７】
プラズモンの共鳴波長は、被覆する誘電体材料７に依存する他、金属粒子２自身のサイズにも依存して変化する。図３６は、ミー散乱理論により解析的に計算した空気中に配置された単一Ａｕ微小球の中心部における電界強度をプロットしたグラフである。Ａｕ微小球の半径が５ｎｍ程度になると、ほとんどサイズには依存しなくなるが、半径２５ｎｍの場合と比較して約２５ｎｍ程度の共鳴波長のシフトが生じ、サイズの増加に伴って電界強度が増強されることが確認された。共鳴波長のシフトと電界強度の増強は、金属材料や誘電体薄膜材料にも依存する。電界強度の増強はＡｕ微小球の体積に比例した電気双極子モーメントの増大を意味しており、その結果、近接場光による相互作用も増強される。したがって、金属粒子２のサイズを変えることにより、偏光制御素子の偏光制御特性および動作波長を制御することが可能である。なお、ミー散乱とは、微粒子に対して球境界条件を課してマクスウェル方程式を厳密に解いたものであり、光の波長すなわちエネルギーは変わらず、進行方向が変化する現象をいう。
【００９８】
以上の結果から、二つの金属粒子２間の距離を制御することにより、偏光制御素子１０１の偏光状態、すなわち旋光角と直交する二方向の位相差を制御できることがわかる。既存の偏光板、波長板のような偏光制御素子は、吸収の異方性による偏光の一部分を切り捨てた偏光面の選択や、結晶の鏡像対称性による複屈折を利用するために、材料選択性の自由度が狭く、また、所望の偏光状態を得るためには素子サイズが大きくなってしまう。これに対し、本発明の偏光制御素子１０１は、支持基板１１５面内の金属粒子２の配置により位相遅れを制御して偏光制御を行うことが可能であるので、高効率化が可能となっている。また、金属材料を用いているため耐熱性、耐光性に優れた偏光制御素子１０１を提供することができる。
【００９９】
また、このような構成からなる光学素子の表面で発生している局在表面プラズモンは、表面近傍に近接場光を形成し、この近接場光は波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測・分析を行うことが可能である。
【０１００】
（偏光制御素子の構成・動作例３）
図３７は、偏光制御素子の構成を示す平面図である。この偏光制御素子１０１は、前述と同様に、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属粒子２が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。本偏光制御素子１０１に使用する支持基板１１５は、前述と同様であり、透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜など、透過光と反射光の両方を使用する素子ではＣｒコーティングなどを利用する。金属粒子２および金属複合構造体６を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。この例の偏光制御素子では、金属複合構造体６を構成する複数の金属粒子２の空間配置に依存した偏光制御素子および偏光制御方法を提供するものである。
【０１０１】
この偏光制御素子１０１は、素子内部に含まれる金属複合構造体６が空間的に非対称な構造を有していることを特徴としている。図３７はこのような偏光制御素子の一例であり、Ｌ字構造の端部および屈曲部に金属粒子２を配置した構成となっている。金属粒子２は、先に説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅなどのプラズモンを励起できる金属材料を使用し、支持基板１１５上に周期的に配列されている。このような構造は、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）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の微細加工技術を利用して作製する。各金属粒子２の形状は特に限定される必要はなく、円筒形状や、半球形状などのものが作製しやすい。ここで、金属複合構造体６は、入射する光の回折限界に対して十分に小さな領域に存在している必要がある。
【０１０２】
つぎに偏光制御素子１０１における偏光制御の原理について説明する。図３３、図３４に示したように、二つの金属粒子２が隣接して配置されている場合、金属粒子２間の距離が金属粒子２のサイズ程度に近接した場合、その距離依存した近接場光相互作用が働き、ｘ方向とｙ方向の振幅比および位相差に変化が生じる。このような、金属粒子２の対を図３７に示すようにｘ軸およびｙ軸に平行に、距離を制御して配列することにより、ｘ方向およびｙ方向の振幅比および位相差を、金属粒子２が二つだけの金属複合構造体６に比較してより高い自由度で選択することができる。さらに、この偏光制御素子１０１では、Ｌ字構造の端部に位置する斜め方向の金属粒子２間の近接場光による相互作用が偏光状態に関与する。この斜め方向の金属粒子２間の結合を制御するためには、Ｌ字構造の辺の長さを調整するほか、二辺の角度を調整してやればよい。
【０１０３】
図３８は、二辺を９０°から角度θだけ外側に変化させた金属複合構造体６を示す説明図である。この場合には、斜め方向の近接場光による相互作用が弱くなる。このように、三つの金属粒子２による三通りの金属微小構造の対ができ、これらの距離を制御して金属複合構造体６を構成してやることにより、高い自由度で偏光状態を制御することが可能な偏光制御素子１０１を提供することができる。
【０１０４】
また、図３９、図４０に示すように、斜め方向の結合に対しては、鏡像対称関係となる金属粒子２の二つの配置がある。ここでは、図３９に示すような右手系、図４０に示すような左手系という言葉でそれらを区分する。図中の矢印は、斜め方向に結合する金属粒子２の対におけるプラズモンの縦波による結合成分を示している。左手系と右手系の構成の違いにより、プラズモン振動のｘ方向成分の向きが反転していることがわかる。これは、左手系と右手系でｘ方向の位相が１８０°ずれる成分が存在することを意味している。このことを利用すると、直線偏光を右回り偏光または左回り偏光に変換する偏光状態の制御が可能となる。
【０１０５】
上述する偏光制御の原理は、金属粒子２中に励起されるプラズモンの近接場光による結合方向、すなわちプラズモンの縦波、横波成分の異方性を利用するものである。したがって、金属粒子２の個数は三個に限定される必要はなく、波長以下の領域に金属粒子２が複数個配置した構成であってもよい。
【０１０６】
金属中のプラズモンの共鳴を利用することから、偏光制御素子１０１は波長依存性を有する。ここで、第１の実施の形態で図３６を用いて説明したように、この偏光制御素子１０１の動作波長を、金属粒子２のサイズにより制御することが可能である。また、図３５を用いて説明したように、金属粒子２ならびに金属複合構造体６を被覆する誘電体薄膜７を構成することにより、動作波長を制御することが可能である。
【０１０７】
以上のように、複数個の金属粒子２を用い、金属粒子２の空間的に非対称な配置を利用して、高い偏光選択自由度を有する偏光制御素子１０１を実現することができる。
【０１０８】
（偏光制御素子の構成・動作例４）
図４１は、偏光制御素子の構成を示す説明図である。この偏光制御素子１０１は、前述と同様に、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属粒子２が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。ここで、金属複合構造体６は、異種の二種類以上の金属材料により構成されている。偏光制御素子１０１に使用する支持基板１１５は、前述と同様に、透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜などを利用する。また、金属粒子および金属複合構造体を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。
【０１０９】
この偏光制御素子１０１は、素子内部に含まれる金属複合構造体６が二種以上の異種金属材料により構成されることを特徴としている。図４１はこのような偏光制御素子の一例であり、金属粒子２ａによる金属微小構造体の対と、金属粒子２ａとは異なる金属粒子２ｂによる金属微細構造体の対により構成される金属複合構造体６を有している。図４１は金属粒子２ａと金属粒子２ｂが平行に配列した構造を有しているが、同種金属により構成された金属粒子の対が、複数の材料に対して、入射光の波長以下の領域に存在していればよい。
【０１１０】
このような金属複合構造体６は、先に説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅなどのプラズモンを励起できる金属材料を組み合わせて実現することができ、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）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の微細加工技術を利用して作製することができる。各金属粒子２の形状は特に限定される必要はなく、円筒形状や、半球形状などのものが作製しやすい。
【０１１１】
つぎに、この光偏光制御素子の原理について説明する。図３３、図３４に示したように、同種の二つの金属粒子２が隣接して配置された場合、近接場光による相互作用の結果、ｘ方向とｙ方向のプラズモン振動に異方性が現れる。ここで、近接場光による相互作用の強さは、金属材料のプラズモン共鳴波長に依存して大きく変化するため、金属粒子２間の間隔に対する電界のｘ方向成分とｙ方向成分の振幅比および位相差は金属材料の種類ごとに異なる特性を有する。また、異種金属間の近接場光による相互作用は、プラズモンの共鳴波長が離れた金属材料を選択した場合には弱く、プラズモン振動の異方性は大きく現れないため、無視して考えてもよい。したがって、同種金属による金属粒子２の対と、異なる金属による金属粒子２の対を、それぞれに対して金属粒子２の間隔を調整して配置することにより、入射光の偏光状態を多様に制御することが可能であり、また、偏光制御素子１０１の動作波長の範囲も設定することができる。
【０１１２】
以上のように、異種金属を含んだ金属粒子２を、同種金属材料による対にして入射光の波長以下の領域に配列した金属複合構造体６を有する構成により、この偏光制御素子１０１は高い自由度で偏光特性を制御することが可能となり、動作波長の範囲も金属材料の組み合わせにより広く選択することができる。
【０１１３】
（偏光制御素子の構成・動作例５）
図４２は、偏光制御素子の構成を示す断面図である。この偏光制御素子１０１は、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属微小構造体として、金属粒子２ａと、誘電体材料８と、金属粒子２ｂが順に積層された構成を有している。また、このような金属微小構造体が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。ここで、金属複合構造体６は、異種の二種類以上の金属粒子（材料）により構成されている。この偏光制御素子に使用する支持基板１１５は、前述と同様に透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜などを利用する。また、金属粒子および金属複合構造体を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。
【０１１４】
この偏光制御素子１０１は、二種以上の金属材料を用いた偏光制御素子を積層構造により実現することを特徴としている。同一面内に異種の金属材料を作製することは、位置合わせの問題などから、加工精度における問題がある。しかしながら、異種金属材料による構成を有する本発明の偏光制御素子の場合、同種金属材料の対が構成されてさえいればよく、必ずしも金属微小構造体が支持基板１１５上の同一面内に存在する必要はない。したがって、図４２に示すような積層構造を有する金属複合構造体６を構成するほうが、作製が容易になる点で好ましい。
【０１１５】
このような金属粒子２は、先に説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅなどのプラズモンを励起できる金属材料を組み合わせて実現することができる。金属粒子２ａ、誘電体材料８、金属粒子２ｂの順に、スパッタリング法により積層し、その後、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィなどの手法により金属粒子の周辺部をエッチングにより除去する。また、金属粒子２ａ、誘電体材料８、金属粒子２ｂの順に積層した後、さらに光を照射することにより材料物性の変質しエッチングレートが変化する相変化材料や遷移金属酸化物材料を成膜して、光によるパターニングの後にエッチングにより周辺部を除去する方法が利用できる。この場合、最上層に相変化材料や遷移金属酸化物材料層が残るが、これはプラズモンの共鳴波長を変化させる効果があるため、使用する光の波長に適合した材料を選択する必要がある。
【０１１６】
この偏光制御素子の動作原理は、前述と同様であり、金属材料の種類に依存した近接場光による相互作用の結果、ｘ方向とｙ方向のプラズモン振動の異方性を多様に得ることができ、入射光の偏光状態を制御することが可能となる。また、この偏光制御素子の動作波長の範囲も設定することができる。
【０１１７】
（偏光制御素子の構成・動作例６）
図４３は、偏光制御素子の構成を示す断面図である。この偏光制御素子１０１は、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属微小構造体として、金属粒子２ａと、金属粒子２ｂが順に積層された構成を有している。また、このような金属微小構造体が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。ここで、金属複合構造体６は、異種の二種類以上の金属粒子（材料）により構成されている。この偏光制御素子１０１に使用する支持基板１１５は、前述と同様に透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜などを利用する。また、金属粒子および金属複合構造体を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。
【０１１８】
（偏光制御素子の構成・動作例７）
ここでは、支持基板１１５上に、２種類以上の金属あるいは合金からなる金属粒子２のパターンを連続的に形成させることで、金属の種類による光のプラズモン共鳴波長の違いを利用して透過光あるいは反射光に位相差を生じさせるとともに、波長板の機能を実現可能にするものである。また、金属粒子２で構成することにより、有機多層膜のものに対して耐熱性に優れた偏光制御素子を提供するものである。
【０１１９】
図４４は、偏光制御素子の構成を示す説明図である。ここでは、図示するように、偏光制御素子１０１は、支持基板１１５上に、金属粒子２ａと金属粒子２ｂを所定の規則性を持たせて配置する。この金属粒子２ａと金属粒子２ｂは、たとえばＥＢ（電子ビームリソグラフィ）やフォトリソグラフィ、インプリントとスパッタ・エッチングなどのプロセスを複合させて形成する。
【０１２０】
つぎに上記の偏光制御素子１０１の製造プロセスを、図４５を参照し説明する。まず、ガラスなどの透明材料の支持基板１１５を用意し（工程１）、この支持基板１１５に対してレジスト９をスピンコートなどの方法によって塗布する（工程２）。続いて、ＥＢ（電子ビームリソグラフィ）などを用いて一部のみが残るようにレジスト９を露光しリンスする（工程３）。その後、基板の一部が凸形状１１５ａとなるように、たとえばＲＩＥ（反応性ドライエッチング）などによりエッチングを行う（工程４）。この凸形状１１５ａがその後のプロセスを行うための基準マークとなる。この基準マークを有する基板に再びレジスト９を塗布し（工程５）、金属粒子２ａを形成したい部分のレジスト９を除去するよう基準マークを位置基準にして露光しリンスする（工程６）。続いて、この基板に対して金属粒子２ａをスパッタリングあるいは蒸着などのプロセスで成膜し（工程７）、その後、レジスト９の除去に伴うリフトオフによって所望の金属粒子以外の金属を除去する（工程８）。続いて、凸形状１１５ａが隠れない程度の厚さになるように再度レジスト９を塗布する（工程９）。ついで、再び基準マークを位置基準として金属粒子２ｂを形成したい部分のレジスト９を除去するようにＥＢ（電子ビーム）露光しリンスする（工程１０）。その後、上記工程７と同様に金属粒子２ｂを成膜し（工程１１）、リフトオフによって余分な金属を除去することにより所望のパターンを有した偏光制御素子１０１が完成する（工程１２）。
【０１２１】
なお、上記のプロセスでは２種類の金属粒子を形成する例について説明したが、３種類以上の金属粒子でパターンを形成したい場合は、上記工程９〜工程１２のプロセスを繰り返し実行する。
【０１２２】
上記の金属粒子の材料は、使用する光源波長と所望の位相補償機能に応じて選択する。たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅなどの金属材料が考えられる。また、これら金属の合金であってもよい。
【０１２３】
以上のようにして金属粒子２ａと金属粒子２ｂが形成された支持基板１１５に対して光を照射すると、各金属微粒子の局在表面プラズモン共鳴周波数に依存し、電界に振幅比や位相差が生じる。そのため、各金属粒子からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生じ、偏光状態が変換される。ここで、プラズモンとは金属中における電子の集団運動のことである。
【０１２４】
すなわち、図４６に示すように、金属粒子２ａと金属粒子２ｂが形成された支持基板１１５の偏光制御素子１０１に対して、たとえばＹ軸方向の直線偏光４を入射すると、この偏光制御素子１０１を通過した光は楕円偏光５となる。
【０１２５】
このような構成からなる光学素子（偏光制御素子１０１）の表面で発生している局在表面プラズモンは近接場光とも呼ばれ、波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測、分析を行うことができる。なお、近接場光は物体表面にまとわりついた光であり、物体から離れるにしたがって強度が指数関数的に減少し、物体表面から１００ナノメートル程度しか広がらない特性をもつものである。また、表面プラズモン光は、物体の表面でのみ伝播する光であり、局在プラズモン光は、非常に微小な粒子や先端がとがった局所的な領域に存在する光である。
【０１２６】
ところで、金属粒子２ａと金属粒子２ｂとを図４４のように並列のパターンで配置したが、これとは異なる配置でもよい。たとえば、図４７に示すように、金属粒子２ａと金属粒子２ｂとの異種金属をＬ字状となるようなパターンで配置する。すなわち、金属粒子２ａと金属粒子２ｂとを図示するようにＬ字状に形成する。このとき、Ｘ方向およびＹ方向の異方性によって金属粒子間に発生する電界の振幅比や位相差の変化が大きくなるため、偏光状態の設計自由度も大きくなる。すなわち、金属粒子をＬ型の異方性を持たせることで、金属粒子で発生する電界の振幅比や位相差をより大きくすることができ、透過光あるいは反射光の各偏光成分の位相差を大きくすることができ、偏光状態の設計自由度が大きい偏光制御素子を提供することができる。
【０１２７】
この図４７では、金属粒子を楕円形状としているが、球状の粒子を連続して配置することで擬似的に楕円形状を形成する構成であってもよい。このとき、擬似楕円を形成する粒子の形状は球以外の形状、たとえば半球であるとか多角柱形状などであってもよい。また、パターンに関しても異方性のある配置であればＬ字以外であってもよく、たとえばＴ字パターンやＶ字パターン、卍パターンなどがあげられる。
【０１２８】
さて、金属粒子の大きさによって局在プラズモン共鳴波長は異なる。たとえば図４８のグラフに示すように、ミー散乱理論にしたがった計算の結果、Ａｇの共鳴強度がピークになる波長は、粒子半径がｒ６（２５ｎｍ）の場合は３４０ｎｍであるのに対し、粒子半径ｒ２（５ｎｍ）では３１６ｎｍである。一方、図４９のグラフに示すようにＡｕに対してλ＝５００ｎｍの光を照射した場合の共鳴強度は、半径ｒ６（２５ｎｍ）の粒子では半径ｒ２（５ｎｍ）の粒子の３倍以上になる。したがって、使用する金属および光源波長に応じて適切な共鳴が生じるような粒子サイズを選択して設計することで、偏光を所望の状態に変換するような波長板を作製することができる。なお、ミー散乱とは、波長と同程度の大きさの粒子（散乱体）を含む媒質中を光が通過する場合、光の波長とエネルギーは変わらず、進行方向が変化する現象をいう。
【０１２９】
（偏光制御素子の構成・動作例８）
ここでは、上記例とは異なる他の偏光制御素子の構成について図５０を参照し説明する。先に述べた金属複合構造体６を、高さが、入射光の波長より小さい周期で変調されている周期(格子)構造を表面に有している支持基板１１５上に配置したものである。この構成により、光を入射した際に高次の回折光が発生せず、支持基板１１５の表層にエバネッセント光が発生する。発生したエバネッセント光（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ）は、支持基板１１５の格子ベクトルの方向に基板表面上を伝播し、各金属粒子２近傍の局在表面プラズモンと強くカップリングし、各金属粒子２にて発生する光放射および光吸収をより強く生じさせることができる。なお、エバネッセント光は、一般的には、境界面近傍で限定された領域における励起のために用いられる特殊な光として知られている。
【０１３０】
先に述べた例の場合、支持基板１１５からの反射光あるいは透過光に対して、金属粒子２からの近接場光放射の成分の光強度が比較的低いため、前者の光成分に後者の光成分が「埋もれて」しまうことが多かった。金属粒子２による偏光制御効果を抽出するためには、たとえば反射率の低い支持基板１１５に配置した金属粒子２からの反射光を取り出す場合などに限られていた。エバネッセント光にて局在表面プラズモンを増強し、より強い光放射および光吸収を発生させることにより、高いコントラストの偏光制御信号光を得ることができ、先の「埋もれて」しまう問題を回避することができる。
【０１３１】
なお、上記の例では、微細周期構造の基板はエバネッセント光を発生させることにのみ利用するものであったが、従来の微細周期構造基板のもつ光制御機能を発現させ、金属微小構造からの近接場光放射による偏光制御機能と併せて利用することも可能である。
【０１３２】
たとえば、図５１に示すようなサブ波長構造基板において、構造周期を一定とし、単位周期あたりの凹部と凸部の面積比を変調（フィルファクター変調）することで、透過光の波面を制御し、透過光を集光、偏向が可能な素子が実現できる。この機能と先に述べた金属微小構造による偏光制御機能を併せて、波面制御機能と偏光制御機能とを独立に制御できる素子が実現できる。
【０１３３】
つぎに、簡単に上記の位相変調の原理について説明する。サブ波長領域での材料の屈折率は多くの場合、以下の式に示す有効屈折率法によって近似されることが知られている。
【０１３４】
【数１】
2008122618.tif 000003
【０１３５】
ここでｎＥｘは、図５２において電場が構造に平行に振動する垂直な偏光成分に対する屈折率、ｎＥｙは電場が構造に垂直な方向に振動する成分に対する屈折率を示す。ｆは構造の幅ｗと周期ｐとの比であるフィルファクターを示す。
【０１３６】
図５３にはｎ＝１、ｎ２＝１．５とした場合のフィルファクターによる有効屈折率を示す。このようにＴＥ、ＴＭ波ともｎ１からｎ２までデューティによって制御可能であることが分かる。このとき偏光の異なる入射光での有効屈折率は偏光成分により、このＴＥ、ＴＭ波による有効屈折率の線形結合した値となる。なお、ＴＥはｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃの略であり、電界ベクトルは波の進行方向に垂直になる。また、ＭＥはｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃの略であり、磁界ベクトルは波の進行方向に垂直になることを意味する。
【０１３７】
このとき透過０次光の位相変調はこの有効屈折率ｎを用いて入射光波長をλ、透過光路長をｄとすると、位相変調量φは、
φ＝２πｎｄ／λπ
で与えられる。
【０１３８】
また、上記のような構造を、屈折光学素子、たとえばレンズ、の表面上に構成することにより、上記の波面制御機能と偏光制御機能および、レンズによる屈折力制御機能を併せ持ち、独立に制御可能な素子を実現できる。これにより、たとえば、従来は波長板およびレンズといった２つの光学部品により構成されていた光学機能が、本発明では単一素子に集約できることになり、省スペース化が図れると共に、複雑な光学調整などの簡便化も可能となる。
【０１３９】
これまでの実施の形態では、図５０、図５１に示したように、金属複合構造体６が支持基板１１５の凸部に配置されている例を示したが、凸部、凹部のどちらに配置するかを選択することで、偏光特性を制御することができる。たとえば、図５４に示すようなＬ字のパターン状に配列している金属微小構造群を基板の凹部に配置した場合と、先の図５０の場合とで、ｘ，ｙ方向それぞれの偏光成分が均一な４５°の直線偏光の金属粒子の群からの反射光の旋光特性をジョーンズベクトルで比較すると、図５５に示すように互いに逆方向の旋光効果を得ることができる。この図５５において、符号４は直線偏光（入射光）、符号１１は図５０における支持基板１１５からの反射光、符号１２は図５４における支持基板１１５からの反射光をそれぞれ示すものである。なお、ジョーンズベクトルは光波の偏光状態を１×２の行列で表すベクトルである。
【０１４０】
また、このような構成からなる光学素子の表面で発生している局在表面プラズモンは近接場光とも呼ばれ、波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測・分析を行ったり、光リソグラフィに応用したりすることで従来よりも微細なパターニングを行うことも可能である。特に後者に関しては、近接場光の非断熱過程による作用のため、レジストと反応しないような可視光源でも感光させることができ、波長光源やそれに対応した光学素子が不要になるので装置の省コスト化が可能になるなどの効果もある。
【０１４１】
また、図５６のように、凹部と凸部に異なる金属構造体パターンを配置することにより、上記例とは異なる特性を持つ偏光制御素子を構成することもできる。凹部と凸部で同じパターンであるが、左右が反転あるいは、裏表が反転しているパターンを構成したり、場合によっては同じパターンであってもよい。
【０１４２】
（偏光制御素子と反射型偏光子との関係について）
上記の如く、金属構造体の大きさを調整して、その共鳴波長が使用する光源の波長λに略等しくなるように設定することに加えて、金属構造体の間隔を適宜に調整することによって、偏光制御素子１０１からの反射光あるいは透過光の偏光状態を入射光の偏光状態から変化させることができる。
【０１４３】
すなわち、直線偏光である偏光制御素子１０１への入射光の偏光方向（ｘ軸に対して４５°傾いた方向に電場が振動する直線偏光）に対して金属構造体の配置パターンが非軸対称に配置されているので、金属構造体に生じる「局在表面プラズモンの共鳴周波数」に依存して、金属構造体間に生じる「近接場相互作用」により、金属構造体間で位相差が生じ、金属構造体からの透過光の偏光成分に位相差が生まれ、透過光の偏光状態が直線偏光から変化する。
【０１４４】
上記の如く、入射光Ｌの偏光方向をｘ方向に対して４５度傾いた直線偏光とすると、光学基板を透過した光は各単位処理領域における金属構造体の間隔に応じた「楕円偏光」となる。
【０１４５】
図５７においては、図示しない光源が、反射型偏光子１０３と偏光制御素子１０１の間に設置されている。この場合、反射手段は偏光制御素子１０１の反射型偏光子１０３とは反対側にある。あるいは、図示しない光源は、偏光制御素子１０１の反射型偏光子１０３とは反対側で、かつ、反射手段と偏光制御素子１０１との間に設置されている。これらの状態で、光源から発せられた光は、ランダム偏光のまま反射型偏光子１０３に入射する。反射型偏光子１０３はｘ軸から４５度の直線偏光Ｌを偏光制御素子１０１に反射する。また、直線偏光Ｌと直交する直線偏光Ｍは透過する。
【０１４６】
図５７の如く、金属構造体のパターンが、ｘ軸あるいはｙ軸に関して軸対象である場合、図５７の偏光制御素子１０１に対し、ｘ軸に対して４５°傾いた方向の直線偏光Ｌを入射させた場合、透過光の偏光状態を「もっとも効率よく」楕円偏光に変換できる。すなわち、偏光制御素子１０１に入射する直線偏光の偏光方向に対して、偏光制御素子１０１の、最小構成単位の金属構造体の配置パターンが軸対称とならないようにする。好ましくは金属構造体のパターンが軸対象となる方向（図５７の場合ｘ軸方向またはｙ軸方向）から４５°の方向に、偏光制御素子１０１に入射する直線偏光の偏光方向を設定する。
【０１４７】
したがって、図５７の実施の形態を示す偏光制御素子のように「偏光制御素子の金属構造体のパターンが軸対象となる方向（図５７の場合はｘ軸方向またはｙ軸方向）から±４５度傾いた直線偏光のみを偏光制御素子１０１の入射面側に、反射するように反射型偏光子１０３を配置」することにより、偏光制御素子から「金属構造体に生じる局在表面プラズモンの共鳴周波数に応じた波長で効率よく楕円偏光化された光」を射出させることができる。なお、反射型偏光子１０３は偏光制御素子１０１と一体に形成されていてもよい。たとえば、同一基板上に積層するような形態が考えられる。
【０１４８】
すなわち、図５７は、偏光制御素子１０１の光入射側に配置されて直線偏光のみを反射する反射型偏光子１０３を有し、反射型偏光子１０３を反射した直線偏光の偏光方向が金属構造体の配列パターンに対して非対称になる偏光成分（上の例でｘ方向に対して４５°傾く成分）となるように反射型偏光子１０３と偏光制御素子１０１の相対的な関係を定めた構成を示している。
【０１４９】
図５８に、反射型偏光子１０３と偏光制御素子１０１の関係を解りやすく示す。反射型偏光子１０３のストライプ状金属パターン１１７はＹ軸方向に延伸しているので、この反射型偏光子１０３はＹ軸方向の偏光、すなわち直線偏光Ｌを反射する。偏光制御素子１０１の最小構成単位の金属ドットパターン１１６が軸対象となる方向ａあるいは方向ｂは、直線偏光Ｌの偏光方向に対して、４５度あるいは−４５度の角度を成している。同時に、直線偏光Ｌの偏光方向に対して、偏光制御素子１０１の最小構成単位のパターンは非軸対称に配置されている。
【０１５０】
したがって、上述してきたような実施の形態によれば、偏光制御素子１０１が、ＬＥＤチップ１０２ａなどの光源が発する光の波長よりも小さな微小金属構造体（金属粒子２）を、光源が発する光の波長よりも小さい間隔で、偏光制御素子１０１の支持基板１１５に、２次元に配置した偏光制御素子であって、２個以上の微小金属構造体からなる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、一定周期で、または、ランダムで、２次元配列状に形成されていること、を特徴とする偏光光源ユニットであるので、２個の微小な金属構造からなる最小構成単位が、２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５１】
また、反射手段が、光源よりも反射型偏光子１０３側に配置されているとともに、光源からの光が、偏光制御素子１０１および反射型偏光子１０３に照射されるように、反射手段に開口が設けられているので、２個の微小な金属構造からなる最小構成単位が、２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５２】
また、偏光制御素子１０１の支持基板１１５に、２個以上の微小な金属構造体（金属粒子２）がＬ字形状に配置されている最小構成単位が、２次元配列状に形成されているので、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＬ字形状に構成され、Ｌ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５３】
また、偏光制御素子１０１の支持基板１１５に、２個以上の微小な金属構造体（金属粒子２）がＴ字形状に配置されている最小構成単位が、２次元配列状に形成されているので、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＴ字形状に構成され、Ｔ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５４】
また、偏光制御素子１０１の支持基板１１５に、２個以上の前記微小な金属構造体が卍字形状に配置されている最小構成単位が、２次元配列状に形成されているので、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位が卍字形状に構成され、卍字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５５】
また、偏光制御素子１０１の微小な金属構造体（金属粒子２）からなる最小構成単位が、正方格子、六方格子、ストライプ状のいずれか一つの２次元配列状に形成されている偏光制御素子であるので、金属構造体からなる最小構成単位の周期配列により構成することにより、遠方場における電界の空間パターンを制御する機能を有する偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５６】
また、偏光制御素子１０１の微小な金属構造体（金属粒子２）を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅのいずれか一種類または二種類以上により構成されているので、金属構造体を上記の金属材料により構成した耐熱性、耐光性の優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５７】
また、偏光制御素子１０１の最小構成単位内で、異なる種類の金属からなる二個以上の金属構造体が同一平面上に形成されている前記最小構成単位であるので、金属構造体の金属の種類による光のプラズモン共鳴波長の違いを利用して透過光または反射光に位相差を生じさせ、かつ金属粒子で構成させることで耐熱性に優れた偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５８】
また、偏光制御素子１０１の金属構造体（金属粒子２）が、複数種類の材料の金属層と誘電体層を交互に積層した多層構造体であるので、二種類の金属材料と誘電体材料を含む積層構造により金属微小構造体を形成することにより、同一面内に異種金属を形成する場合に比較して、より単純な作製工程で偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１５９】
また、偏光制御素子１０１の金属構造体（金属粒子２）が、複数種類の材料の金属層を交互に積層した多層構造体であるので、二種類の金属材料と誘電体材料を含む積層構造により金属微小構造体を形成することにより、同一面内に異種金属を形成する場合に比較して、より単純な作製工程で偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１６０】
また、偏光制御素子１０１の支持基板１１５の表面に、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されているので、支持基板１１５が、高さが周期的に変調されてなる周期構造を表面に有し、この周期構造が、入射光の波長の２倍より小さい周期で構成されていることにより、基板表層に生じるエバネッセント光と金属微小構造群の近接場光との結合による強い光放射および光吸収を発生させる偏光特性の制御性能の高い偏光制御素子を用いることにより、小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【０１６１】
また、反射型偏光子１０３が反射する直線偏光の光の偏光方向に対して、最小構成単位の金属構造体（金属粒子２）の配置パターンが非軸対称となるように、反射型偏光子１０３と偏光制御素子１０１の相対的な位置関係を定めたので、反射型偏光子１０３と偏光制御素子１０１との適切な位置関係を明確にし、これにより、偏光制御素子を使った小型・高輝度・高効率な直線偏光光源を提供し、小型・高画質・低消費電力の液晶プロジェクタを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
以上のように、本発明にかかる偏光光源ユニットは、液晶プロジェクタの高効率小型光源、偏光顕微鏡などに有用であり、特に、耐熱性を有し、高効率で小型な直線偏光光源が必要な光学機器やユニットなどに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１６３】
【図１−１】本発明の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す上面図である。
【図１−２】本発明の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる偏光光源ユニットにおけるＬＥＤチップの実装方法（１）を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる偏光光源ユニットにおけるＬＥＤチップの実装方法（２）を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図１１】本発明の第８の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の第９の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図１３】本発明の第１０の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成を示す説明図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成例（１）を示す説明図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成例（２）を示す説明図である。
【図１６】本発明の他の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成例（３）を示す説明図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成例（４）を示す説明図である。
【図１８】本発明の他の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成例（５）を示す説明図である。
【図１９】本発明の他の実施の形態にかかる偏光光源ユニットの構成例（６）を示す説明図である。
【図２０】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の動作を示す説明図である。
【図２１−１】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の一定周期間隔での配列例を示す説明図である。
【図２１−２】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子のランダム間隔での配列例を示す説明図である。
【図２２】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（１）を示す説明図である。
【図２３】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（２）を示す説明図である。
【図２４】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（３）を示す説明図である。
【図２５】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（４）を示す説明図である。
【図２６】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（５）を示す説明図である。
【図２７】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の断面構成を示す説明図である。
【図２８】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（６）を示す説明図である。
【図２９】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（７）を示す説明図である。
【図３０】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（８）を示す説明図である。
【図３１】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における数値計算のモデル（１）を示す説明図である。
【図３２】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における数値計算のモデル（２）を示す説明図である。
【図３３】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の金属粒子距離と振幅比との関係を示すグラフである。
【図３４】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の金属粒子距離と位相差との関係を示すグラフである。
【図３５】誘電体薄膜で被覆された金属粒子、金属複合構造体を有する偏光制御素子の構成を示す断面図である。
【図３６】ミー散乱理論により解析的に計算した空気中に配置された単一Ａｕ微小球の中心部における電解強度をプロッタした例を示すグラフである。
【図３７】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（９）を示す説明図である。
【図３８】二辺を９０°から角度θだけ外側に変化させた金属複合構造体を示す説明図である。
【図３９】図３７の金属複合構造体における右手系配置でのプラズモンの縦波による結合成分を示す説明図である。
【図４０】図３７の金属複合構造体における左手系配置でのプラズモンの縦波による結合成分を示す説明図である。
【図４１】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（１０）を示す説明図である。
【図４２】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置構成（１）を示す断面図である。
【図４３】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置構成（２）を示す断面図である。
【図４４】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子における金属粒子の配置パターン（１１）を示す説明図である。
【図４５】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の製造プロセスを示す説明図である。
【図４６】２種類の金属粒子が形成された偏光制御素子にＹ軸方向に直線偏光を入射した場合における出力光の例を示す説明図である。
【図４７】２種類の金属粒子をＬ字状に配置した例を示す説明図である。
【図４８】Ａｇを用いた場合におけるミー散乱理論にしたがった波長と強度の関係を示すグラフである。
【図４９】Ａｕを用いた場合におけるミー散乱理論にしたがった波長と強度の関係を示すグラフである。
【図５０】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子のサブ波長構造例（１）を示す説明図である。
【図５１】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子のサブ波長構造例（２）を示す説明図である。
【図５２】金属粒子の部分におけるフィルファクターにかかわる符号条件を示す説明図である。
【図５３】ファイルファクターと有効屈折率との関係を示すグラフである。
【図５４】図５０に対して凹部と凸部を反対構成にした例を示す説明図である。
【図５５】基板からの反射光をジョーンズベクトルで示すグラフである。
【図５６】図５４の凹部および凸部に金属複合構造体を配置した例を示す説明図である。
【図５７】本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の偏光状態を示す説明図である。
【図５８】反射型偏光子と偏光制御素子との関係を示す上面図である。
【符号の説明】
【０１６４】
２，２ａ，２ｂ  金属粒子
４  直線偏光
５  楕円偏光
５ａ  透過光
５ｂ  反射光
６  金属複合構造体
７  誘電体薄膜
１００  偏光光源ユニット
１０１  偏光制御素子
１０２ａ  ＬＥＤチップ
１０２ｂ  キセノンランプ
１０２ｃ  冷陰極蛍光灯
１０３  反射型偏光子
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ  反射手段
１１５  支持基板
１１６  金属ドットパターン
１２０  ＬＣＤパネル
【図１−１】
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【図１−２】
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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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１−１】
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【図２１−２】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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