(57)【要約】【課題】ワイヤグリッドポラライザやフォトニック偏光素子とは構造が異なり、異なる原理に立脚する偏光分離素子を実現する。【解決手段】偏光分離素子は、入射光の波長より小さい微小なドット状の金属構造体を２次元的に配列したドットパターンＤＰ１、ＤＰ２・・を、所定の間隔を隔して保持媒体ＨＭＤ中に複数層に積層配置した３次元的な金属構造体配列を支持基板ＢＳ上に有し、所望の入射角で入射する入射光における互いに直交する２つの偏光成分に対する透過光強度または反射光強度を異ならせるように３次元的な金属構造体配列を定めた構成である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波長より小さい微小なドット状の金属構造体を２次元的に配列したドットパターンを、所定の間隔を隔して保持媒体中に複数層に積層配置した３次元的な金属構造体配列を支持基板上に有し、
所望の入射角で入射する入射光における互いに直交する２つの偏光成分に対する透過光強度または反射光強度を異ならせるように、上記３次元的な金属構造体配列を定めたことを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光分離素子において、
金属構造体を２次元的に配列したドットパターンが、金属構造体をそのサイズ以下の距離を隔して直線状に等間隔に配列した線状配列パターン要素を、長手方向に直交する方向へ所定の周期で互いに平行に配列したパターンであることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項３】
請求項１記載の偏光分離素子において、
金属構造体を２次元的に配列したドットパターンが、複数個の金属構造体をそのサイズ以下の距離を隔して配列した単位配列パターンを、金属構造体の配向を揃えて、規則的もしくはランダムに２次元配列したパターンであることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の偏光分離素子において、
金属構造体が軸対称形状であることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項５】
請求項１〜４の任意の１に記載の偏光分離素子において、
ドット状の金属構造体が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）の何れか、もしくはこれらの組み合わせ、または、これらを主成分とする合金材料・混合材料で構成されていることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項６】
請求項１〜５の任意の１に記載の偏光分離素子において、
保持媒体中に複数層に積層配置される２次元的なドットパターンが、互いに合同的であることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項７】
請求項６記載の偏光分離素子において、
２次元的なドットパターンが、積層方向において互いに重なり合うように配置されていることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項８】
請求項６記載の偏光分離素子において、
２次元的なドットパターンが、パターン面に平行な方向において互いにずれるように配置されていることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項９】
請求項１〜８の任意の１に記載の偏光分離素子において、
入射角が、略４５度に設定され、入射光における互いに直交する２つの偏光成分が、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分であることを特徴とする偏光分離素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は偏光分離素子に関する。  
【背景技術】
【０００２】
偏光分離素子は液晶プロジェクタ等の種々の光学装置に用いられている。偏光分離素子としては、誘電体多層膜により偏光分離を行う偏光ビームスプリッタが従来から広く知られているが、近来、別種の偏光分離素子としてワイヤグリッドポラライザ（特許文献１、２）や、フォトニック結晶偏光子（特許文献３）が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開１９９８−１５３７０６
【特許文献２】特表２００３−５０２７０８
【特許文献３】特開２００３−２７９７４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、上述した各種の偏光分離素子とは異なる、新規な偏光分離素子の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の偏光分離素子は、以下のごとき特徴を有する（請求項１）。  
即ち、支持基板上に３次元的な金属構造体配列を有する。  
３次元的な金属構造体配列を構成する金属構造体は「偏光分離されるべき入射光の波長よりも小さい、微小なドット状」である。これら「微小なドット状の金属構造体」は、２次元的に配列されて「ドットパターン」をなし、この２次元的なドットパターンが、所定の間隔を隔して複数層に積層配置される。
【０００６】
即ち、２次元的なドットパターンがそのパターン面に直交する方向へ複数層に積層配置されて「微小なドット状の金属構造体の３次元的な配置である金属構造体配列」をなす。この３次元的な配置は「金属構造体配列が保持媒体中に保持される」ことにより構成され、保持媒体は支持基板上に設けられる。「保持媒体」は誘電体であり、この誘電体の中に導電性の金属構造体が３次元的に配列保持されて金属構造体配列をなすのである。
【０００７】
３次元的な金属構造体配列は「所望の入射角で入射する入射光における互いに直交する２つの偏光成分に対する透過光強度または反射光強度を異ならせる」ように設定される。
【０００８】
即ち、金属構造体配列に入射する入射光の入射角として、所望の入射角が選択されると、この入射角で入射する入射光における「互いに直交する２つの偏光成分」に対する透過光強度または反射光強度が異なるように、金属構造体配列を定めるのである。
【０００９】
このように、透過光強度または反射光強度を「互いに直交する２つの偏光成分」に対して異ならせることを「入射光を偏光分離する」という。
【００１０】
３次元的な金属構造体配列を構成する「互いに積層配置される２次元的なドットパターン」のうちで最上層のものは、ドットパターンを構成する金属構造体が剥き出しになっていてもよいが、機械力に対するドットパターンの保護の観点から、最上層のドットパターンも保持媒体内に埋没し、偏光分離素子の表面が「保持媒体表面」となっていることが好ましい。
【００１１】
請求項１記載の偏光分離素子における「金属構造体を２次元的に配列したドットパターン」は、微小なドット状の金属構造体を「そのサイズ以下の距離」を隔して直線状に等間隔に配列した「線状配列パターン要素」を、その長手方向に直交する方向へ所定の周期で配列したパターンであることができる（請求項２）。あるいはまた「複数個の金属構造体をそのサイズ以下の距離を隔して配列した単位配列パターン」を、金属構造体の配向を揃えて「規則的もしくはランダムに２次元配列したパターン」であることができる（請求項３）。上記「金属構造体の配向」とは、１単位の単位配列パターンにおける複数個の金属構造体の配列パターンである。
【００１２】
金属構造体の形状は、上記の如く「偏光分離されるべき入射光の波長よりも小さい微小なドット状で、金属構造体配列を構成する全ての金属構造体が同一形状に揃ったもの」であれば良く、その具体的な形状には特に制限が無いが、半球、円柱、四角柱などが可能であるが、回転楕円体形状、ロッド形状、あるいは特定の軸方向に長く延びた形状等の「軸対称形状（回転対称軸を持つ形状）」であることができる（請求項４）。なお、金属構造体の形状も、実現すべき偏光分離特性に対する設計因子となりうる。
【００１３】
上記請求項１〜４の任意の１に記載の偏光分離素子の「ドット状の金属構造体」の材質は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）の何れか、もしくはこれらの組み合わせ、または、これらを主成分とする合金材料・混合材料であることができる（請求項５）。
【００１４】
請求項１〜５の任意の１に記載の偏光分離素子において「保持媒体中に複数層に積層配置される２次元的なドットパターン」は、互いに合同的であることができ（請求項６）、この場合において、互いに合同な２次元的なドットパターンが「積層方向において互いに重なり合う」ように配置されていてもよいし（請求項７）、互いに層をなして配置される２次元的なドットパターンが「パターン面（ドットパターンを構成する金属構造体の配列面）」に平行な方向において「互いにずれる」ように配置されていることもできる（請求項８）。
【００１５】
上記請求項１〜８の任意の１に記載の偏光分離素子は「入射角が、略４５度に設定され、入射光における互いに直交する２つの偏光成分が、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分である」ことができる（請求項９）。
【発明の効果】
【００１６】
以上に説明したように、この発明によればワイヤグリッドポラライザやフォトニック偏光素子とは構造が異なり、異なる原理に立脚する偏光分離素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、実施の形態を説明する。  
図１は、偏光分離素子の機能を説明する図である。  
偏光分離素子ＰＯは、ランダム偏光状態で入射する入射光Ｌの偏光成分のうち、例えば、図面に平行な面内で上下方向に振動する偏光成分ＬＰを透過させ、図面に直交する方向に振動する偏光成分ＬＳを反射することにより、入射光Ｌを２つの偏光成分ＬＰ、ＬＳに分離する。図１に示す角：θが入射角である。
【００１８】
図１に示す偏光分離素子ＰＯは、ランダム偏光状態の入射光の偏光成分ＬＰ、ＬＳを透過光と反射光とに完全に分離するが、この発明の偏光分離素子で謂う偏光分離は、例えば、透過光に着目したときに、透過光における「互いに直交する２つの偏光成分」の強度が異なることを指す。
【００１９】
この発明の偏光分離素子は、後述のように、素子内部に「複数の微小なドット状の金属構造体による３次元的な金属構造体配列」を有し、金属構造体配列をなす金属構造体の、形状、配列形態、材料の選択により「入射角、動作波長、動作帯域」を設計できる。
【００２０】
請求項１における「３次元的な金属構造体配列を定める」ことには、このように、金属構造体の形状や材料の選択も含むことができる。
【００２１】
第１の実施形態を図２に即して説明する。  
図２は、偏光分離素子１０の構成を説明図的に示し、（ａ）は「厚さ方向に平行な方向から見た状態」、（ｂ）は「厚み方向から見た状態」を示す。  
図２（ａ）において、符号ＢＳは「支持基板」、符号ＨＭＤは「保持媒体」を示し、符号ＭＳは金属構造体、符号ＤＰ１、ＤＰ２、ＤＰ３はドットパターンを示す。
【００２２】
図２（ｂ）は、ドットパターンＤＰ１、ＤＰ２を説明図的に示している。ドットパターンＤＰ１を例にとって説明すると、ドットパターンＤＰ１は入射光の波長よりも小さい微小なドット状の金属構造体ＭＳを「規則正しく２次元的に配列」させた配列形態である。この実施の形態において、ドットパターンＤＰ１、ＤＰ２、ＤＰ３は「金属構造体ＭＳの２次元的な配列パターン」としては同一であり、ドットパターンＤＰ１、ＤＰ２、ＤＰ３は、図２（ａ）の上下方向（厚み方向）において所定の間隔を隔して互いに重なり合うように積層配列されている。
【００２３】
このようにして、金属構造体ＭＳの３次元的な配列である「金属構造体配列」が構成されるが、この金属構造体配列を構成する個々の金属構造体ＭＳは、保持媒体ＨＭＤに保持されている。そして、このように金属構造体配列を保持する保持媒体ＨＭＤは支持基板ＢＳ上に支持されている。金属構造体配列は「所望の偏光分離機能を実現する」ように、金属構造体ＭＳの形状、配列形態、材料等が選定される。
【００２４】
第１の実施の形態においては、図２（ｂ）に示すように、ドットパターンＤＰ１等は、金属構造体ＭＳが、図の横方向へ「金属構造体のサイズ以下の距離」を隔して直線状に等間隔に配列されて「線状配列パターン要素Ｌｉ（ｉ＝１，２，・・）」を構成し、これら線状配列パターン要素Ｌｉが長手方向に直交する方向（図２（ｂ）で上下方向）に所定の周期で互いに平行に配列した２次元的なパターンとなっている。
【００２５】
以下、第１の実施の形態の偏光分離素子１０に即して、偏光分離素子１０の「各部の材料」や製造方法につき説明する。
【００２６】
まず、支持基板ＢＳは、偏光分離の高効率化のために、可視領域の波長において吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない材料で形成することが好ましく、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を材料として用いることが好ましい。
【００２７】
３次元の金属構造体配列を保持する保持媒体ＨＭＤの材料も同様に、可視領域の波長において吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない材料が良く、「光学素子のコーティング材料」として一般的に使用される石英ガラス、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどを好適に利用できる。
【００２８】
また、偏光分離素子に対して「電気、光、圧力等の外部信号」を作用させ、偏光分離特性をアクティブに変化させるようにすることも可能である。例えば「電気光学結晶効果を示す強誘電体材料」であるＢＢＯ、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＢ、ＬｉＮｂ３、ＫＴＢ、ＫＴＰ、ＫＴＮなどの無機結晶、「非線形光学効果を示す光学結晶材料」であるＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢＩＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰなどの無機結晶、「電歪効果を示す無機材料」である水晶、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＡｌＮなどを材料として保持媒体ＨＭＤを形成し、電気、光、圧力等の外部信号を保持媒体ＨＭＤに作用させ、電気光学効果や非線形光学効果、あるいは電歪効果により金属構造体配列による偏光分離特性をアクティブに変化させることができる。
【００２９】
ここで、偏光分離素子の偏光分離機能を説明すると、この発明の偏光分離素子は「金属中の電子の集団運動である表面プラズモンまたは局在表面プラズモンと入射光との相互作用」により偏光分離機能を実現する。  
「表面プラズモン」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共にプラズモンと呼ぶ。
【００３０】
従って、偏光分離素子における金属構造体の材料は「プラズモンを励振できるもの」であり、前述のＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕの何れか、あるいはこれらを主とした合金材料、これらを組み合わせて空間的に配置した構成、さらには、これらと非金属材料からなる混合材料を好適に用いることができる。
【００３１】
偏光分離素子１０を透過した光または反射した光が「空間的に均一な強度を有する」ためには金属構造体のサイズおよび「金属構造体間の間隔」は、入射光の回折限界よりも十分に微小である必要がある。また、透過光・反射光に偏光異方性を生じさせるために、請求項２記載のように、ドットパターンＤＰ１等は、金属構造体ＭＳを直線上に等間隔に配列した線状配列パターン要素Ｌｉを有している。
【００３２】
金属構造体の具体的なサイズは「可視域域の波長より小さく１００ｎｍ以下」が好ましい。また、直線配列パターン要素Ｌｉにおける「隣接する金属構造体の間隔」はサイズの半分の５０ｎｍ以下が好ましい。また、前述の如く、金属構造体ＭＳの形状は「全金属構造体が同一形状に揃ったもの」であれば良く、図２の実施の形態ではドットパターンＤＰ１等を構成する面に直交する軸を持つ円柱状であるが、他にも四角柱、多角柱形状などが可能である。
【００３３】
以下に、図２に示す偏光分離素子の製造方法を説明する。  
入射光の波長以下のサイズを有する金属構造体ＭＳの形成には、可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法を用いる。具体的には、電子ビームリソグラフィによる直接描画、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどを利用できる。
【００３４】
例えば、支持基板ＢＳとして「平行平板状の光学ガラス」を用い、その平坦な面にＡｕ等の金属材料をスパッタ法や真空蒸着法により成膜した金属膜上にフォトレジスト層を形成し、電子線描画により「ドットパターンに対応するネガパターン」を露光する。
【００３５】
現像を行うと、金属膜上に「形成すべきドットパターンと対応するフォトレジストのパターン」が得られ、フォトレジストの無い部分は金属膜が剥き出しになっている。
【００３６】
この状態で、剥き出しになっている金属膜部分をＲＩＥなどによりエッチングして除去し、その後、エッチングマスクとして用いられたフォトレジストを除去すれば、金属構造体のドットパターンが支持基板ＢＳ上に得られる。
【００３７】
このようにして得られた金属構造体のドットパターンの上から、石英ガラス等の誘電体材料をスパッタ法などにより所定の厚みを持つ誘電体材料膜として堆積する。  
このように形成された誘電体材料膜の上に上記の「Ａｕ等の金属膜を成膜する金属膜成膜プロセス」、「フォトレジストによるマスクパターン（ドットパターンに対応するパターン）を形成するマスクパターン形成プロセス」、「ＲＩＥ等による、金属膜部分のエッチングプロセス」、「誘電体材料を所定膜厚に堆積する誘電体堆積プロセス」を行うと、先に形成された第１のドットパターン上に所定の間隔を隔して第２のドットパターンを積層して得ることができる。
【００３８】
さらに、上記金属膜成膜プロセス、マスクパターン形成プロセス、エッチングプロセス、誘電体堆積プロセスを「一連のプロセス」として繰り返すことにより、支持基板ＢＳ上に所望の層数を持った多層構造のドットパターンによる「３次元の金属構造体配列」を得ることができる。この際、繰り返される誘電体堆積プロセスにより堆積される誘電体が保持媒体ＨＭＤを構成する。各「誘電体堆積プロセス」ごとに堆積される誘電体の厚さが、隣接ドットパターン間の「所定の間隔」となる。
【００３９】
別の製造方法として、薄膜やフィルムの表面に金属構造体を２次元的に配列したドットパターンを形成して「１層構造のドットパターン」を得、このような１層構造のドットパターンを所望の数だけ、厚み方向に重ねて張り合わせることにより、３次元的な金属構造体配列を作製し、このようにして得られた３次元的な金属構造体配列を適宜の支持基板上に固定することにより上記と同様の「偏光分離素子」を得ることができる。この場合、金属構造体のドットパターンを形成された薄膜やフィルムが「保持媒体」を構成し、薄膜やフィルムの厚さが３次元的な金属構造体配列における隣接ドットパターン間の「所定の間隔」となる。
【００４０】
また、レーザーアブレーション法で溶液中の金属材料を粉砕することにより作製した金属微粒子や、化学合成の手法により作製した金属微粒子を、微細加工した基板を用いて自己組織的に配列させることにより、金属配列パターンを作製することも可能である。この場合は、上記金属微粒子が金属構造体である。
【００４１】
次に、偏光分離素子１０の偏光分離機能を「数値シミュレーションの結果」に基づいて説明する。数値シミュレーションは、伝搬関数を用いる自己無撞着法に基づいて行った。
【００４２】
参考文献：大津  元一  小林  潔  共著  
「近接場光の基礎―ナノテクノロジーのための新光学―」（２００３年  オーム社刊）
このシミュレーション手法は、電磁場を記述するマクスウェル方程式に対する伝搬行列：Ｔ(ｒ，ｒ’)、即ち「デルタ関数を光源とした場合の電場ベクトルの応答関数」と、物質の分極ベクトル：Ｐ(ｒ)を用いて、任意の座標における電場ベクトルを次式(１)により算出する手法である。
【００４３】
Ｅ(ｒ)＝Ｅ０(ｒ)＋∫Ｔ(ｒ，ｒ’)Ｐ(ｒ’)ｄｒ’                  （１）
ここに、Ｅ０(ｒ)は「微小なドット状の金属構造体による散乱が無い場合の電場ベクトル」である。分極ベクトル：Ｐ(ｒ)と電場ベクトル：：Ｐ(ｒ)の間には、
Ｐ（ｒ）＝αＥ（ｒ）                                            （２）
の関係があるので、αを「金属構造体の分極率」とし、（２）式の右辺を（１）式に代入すると、
Ｅ(ｒ)＝Ｅ０(ｒ)＋α∫Ｔ(ｒ，ｒ’)Ｅ（ｒ’）ｄｒ’                （３）
となるので、電場ベクトル：Ｅ(ｒ)を逐次近似（右辺のＥ(ｒ’)として、始動場量：Ｅ０(ｒ’)を代入して左辺のＥ(ｒ)を求め、求められたＥ(ｒ)を右辺のＥ（ｒ’）として新たに左辺のＥ(ｒ)を求める。このプロセスを繰り返して、右辺のＥ（ｒ’）と、これから求められる左辺のＥ(ｒ)が実質的に等しくなるときのＥ(ｒ)を「求める解」とする。）により求めることができる。
【００４４】
計算上は分極率：αを「金属構造体を１点に位置する電気双極子」として近似した。  
図３は、シミュレーションを行ったドットパターンのモデルを説明する図である。  
図３（ａ）に示すように、ドット状の金属構造体ＭＳを「ｘ軸方向に中心間隔：５０ｎｍで配列した線状配列パターン要素」を、ｙ方向に周期：１００ｎｍで平行に配列したものをドットパターンとして上記逐次近似の計算を行った。ｘｙ面が「ドットパターンのパターン面」である。
【００４５】
金属構造体ＭＳの材料としてはＡｕを想定し、Ａｕ球に対する分極率の理論式：
α＝４πａ３ε０（εＡｕ―ε０）／（εＡｕ＋２ε０）                （４）
に「金属中の電子の運動（分散）を記述するドルーデの式」を代入することにより、Ａｕの金属構造体による電界強度：Ｅ(ｒ)の計算を行った。（４）式において「εＡｕ」はＡｕの誘電率であり、「ａ」は金属構造体をなす球の半径である。ドルーデの式を用いるにあたり、電磁波の波長：５００ｎｍにおけるＡｕの誘電率を、
εＡｕ＝０．０７１７＋１．４９６５ｉ  （ｉは虚数単位）
とし、この値を中心として短波長側および長波長側の誘電率を見積もった。
【００４６】
またＡｕ球のサイズとしては「半径：ａ＝１０ｎｍ」としたが、実際には金属構造体の形状等に依存して決められる必要があり厳密な値を設定できないため、この数値シミュレーションでは、線状配列パターン要素において隣接する金属構造物ＭＳの間隔：５０ｎｍでの「光と物質または電子の相互作用」が十分に影響を及ぼすような値として、α＝１０ｎｍに設定したものである。
【００４７】
図３（ｂ）に示す入射角：θは任意に定めるものとし、Ｓ偏光（図面に直交する方向の偏光成分：θＳ）、Ｐ偏光（図面内に振動面を持つ偏光成分：θＰ）をそれぞれ入射した際の、金属構造体ＭＳによるドットパターン面から１００ｎｍ離れたｚ軸上の点（観測点）における電場強度を評価した。
【００４８】
Ｓ偏光：θＳは「金属構造体ＭＳの配列された図のｘ軸に直交するｙ方向に電場ベクトルをもつ偏光成分」であり、Ｐ偏光：θＰはｘ軸方向に電場ベクトル成分をもつ偏光成分である。
【００４９】
簡単のため、背景物質（保持媒体）は真空（ｎ＝１．０）とした。  
図４（ａ）は数値シミュレーションによる結果を示す図で、振幅：１．０の平面波を、図３のドットパターンに垂直入射（θ＝０）させたときの「透過光強度の波長依存性」を示す。図４（ｂ）は同様の条件で、平面波をｘｚ面内で入射角：θ＝４５°で入射させたときの結果である。
【００５０】
図４（ｂ）に示されているように、平面波を入射角：４５°で入射させた場合、波長：５００ｎｍの近傍で「Ｓ偏光θＳの透過光強度：≒１．０に対して、Ｐ偏光θＰの透過光強度：０．８程度となっている。
【００５１】
図４から、金属構造体の２次元的なドットパターンにより「透過光強度に、入射光の２つの偏光成分に対する異方性が生じる」ことが分る。このような「金属構造体の２次元的なドットパターン」を多層に積層配置し、積層方向において隣接するドットパターンの間隔を「積層方向において隣接する金属構造体間に光相互作用がない」大きさ、即ち「金属構造体のサイズ以上の間隔」とすることにより、各ドットパターンの有する「入射光の２つの直交する偏光成分に対する透過光強度の異方性」を、積層されるドットパターンごとに加重して増大させることにより、所望の偏光分離機能を実現できる。
【００５２】
例えば（厳密には遠方場の強度を算出する必要があるが）得られている透過光強度と透過率は同等なものと考えられるので、図４（ｂ）に示す「入射角：４５°で入射する、波長：５００ｎｍの平面波に対して、Ｓ偏光θＳの透過光強度：≒１．０、Ｐ偏光θＰの透過光強度：０．８程度の特性を持つドットパターン」を１０層に積層すると、Ｓ偏光成分の透過率は１であるが、Ｐ偏光成分の透過率は０．８１０＝０．１０７となり、Ｐ偏光成分の９０％程度は反射されることになる。従って、波長：５００ｎｍの光に対し「透過率比にして、Ｓ偏光：Ｐ偏光＝１０：１であるような偏光分離機能」を持った偏光分離素子を実現できる。
【００５３】
上記「積層方向に隣接する金属構造体間に光相互作用がないような間隔」は、請求項１の「ドットパターンを、所定の間隔を隔して保持媒体中に複数層に配置した３次元的な金属構造体配列」における「所定の間隔」の１態様である。
【００５４】
上記偏光分離素子の構成において、ドットパターンの積層方向における金属構造体間の光相互作用を利用することにより、入射光の偏光成分に対する異方性（偏光異方性）を制御することができる。  
例えば、図５に示すように、金属構造体ＭＳの「ドットパターンＤＰ１における配列パターン」と「ドットパターンＤＰ２における配列パターン」とが、パターン面に平行な方向において「相対的な位置ずれ：ΔＳ」を有する場合、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分に対する偏光異方性が「相対的な位置ずれがない場合（ドットパターンが積層方向から見て合同的に重なり合うように配列している場合）」に対して変化することが確認できている。
【００５５】
このように、偏光異方性は、金属構造体配列におけるドットパターンのパターン面および積層方向における「ドットパターン間の相対的な位置」に依存しており、従って、３次元的な金属構造体配列における「金属構造体の配列を最適に選択する」ことにより、偏光分離素子としての動作波長や入射角特性など、使用条件に適した設計が可能となる。
【００５６】
上に説明した数値シミュレーションにおいては、ドットパターンとして「ｘ軸方向に中心間隔：５０ｎｍで配列した線状配列パターン要素」を、ｙ方向に周期：１００ｎｍで平行に配列したものの場合の結果を示したが、入射光の２つの偏光成分（Ｓ偏光、Ｐ偏光）に対する偏光異方性は、金属構造体ＭＳのサイズ、間隔、形状、さらには線状配列パターン要素の周期（上の例で１００ｎｍ）に依存して変化する。従って、金属構造体ＭＳのサイズ、間隔、形状、線状配列パターン要素の周期を最適化することにより、偏光分離素子の動作波長および入射角依存性を任意に設定することが可能となる。
【００５７】
上に図２〜図５に即して説明した実施の形態では、金属構造体ＭＳを３次元的に配列することにより、偏光分離特性を高い自由度で設計できる偏光分離素子が実現できている。また、金属構造体配列が全体として保持媒体内に配列することにより、外的損傷に強い光学素子が実現できている。
【００５８】
以下に、第２の実施の形態を説明する。  
図６は、第２の実施の形態の偏光分離素子２０を説明する図であり、ドットパターン積層方向の断面を説明図的に示している。第１の実施の形態では、ドット状の金属構造体ＭＳを「ｘ軸方向に等間隔で配列して線状配列パターン要素Ｌｉ」を、ｙ方向に所定の周期で平行に配列したものをドットパターンとして偏光異方性をもたせているが、第２の実施の形態では、２個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２を、そのサイズ以下の距離を隔して配列した単位配列パターンＵＰを「金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向」を揃えて、規則的もしくはランダムに２次元配列したパターンとしてドットパターンを構成している。
【００５９】
単位配列パターンＵＰの配列は上記の如く「規則的あるいはランダム」であるが、代表的な例として「２個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２による単位配列パターンＵＰ」の配列例を図７に３例示す。繁雑を避けるため、図７（ａ）〜（ｃ）において、隣接して積層される２つのドットパターンを何れも符号ＤＰ１、ＤＰ２で示した。  
図７（ａ）に示す例は、金属構造体ＭＳ１、ＭＷ２を図の左右方向に配向して単位配列パターンＵＰとなし、これらの単位配列パターンＵＰを「図の左右方向を長手方向とする直線」に沿って等間隔に配置し、このような直線状の配列を、図の上下方向へ周期的に配置することによりドットパターンＤＰ１、ＤＰ２等を構成している。
【００６０】
金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の間隔、単位配列パターンＵＰの「左右方向の線状の配列」における単位配列パターンＵＰ間の間隔、上下方向における周期的な配列の配列周期を設計パラメータとして偏光異方性の設計が可能である。  
図７（ｂ）に示す例は、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２を図の上下方向に配向して単位配列パターンＵＰとなし、これらを図の左右方向を長手方向とする直線に沿って配置して、金属構造体が近接する２本の平行線上に配列するようにし、このような２本の平行線状の配列を、図の上下方向へ周期的に配置することにドットパターンＤＰ１、ＤＰ２等を構成している。このような構成では、図７（ａ）とは異なる偏光異方性を設計可能である。
【００６１】
図７（ｃ）に示す例は、金属構造体ＭＳ１、ＭＷ２を図の左右方向に配向して単位配列パターンＵＰとなし、このような単位配列パターンＵＰを「同一面内にランダムに配列」してドットパターンＤＰ１、ＤＰ２等としている。  
金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２を図７（ｂ）のように図の上下方向に配向した単位配列パターンを、同一面内にランダムに配列してドットパターンとしてもよい。  
図７において、単位配列パターンを構成する２個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２は互いに接触するように描いてあるが、実際には、金属構造体のサイズ以下の間隙を隔して近接して配向される。
【００６２】
また、単位配列パターンのランダムな配列に代えて「六方最密充填構造」に配列することもでき、このような配列により単位配列パターン配列の高密度化を図ることができる。これらの単位配列パターンを、積層して３次元構造の金属構造体配列とすることにより偏光分離素子を実現できる。
【００６３】
勿論、単位配列パターンＵＰを構成する金属構造体の個数は、図６、図７に示した実施の形態のように２個である必要はなく、３個あるいはそれ以上の個数の金属構造体により単位配列パターンを構成することができる。
【００６４】
単位配列パターンをなす複数個の金属構造体間の間隙は「金属構造体のサイズ以下」に設定される。
【００６５】
上に説明した第２の実施の形態の偏光分離素子は、金属構造体による単位配列パターンの配向、配列、金属構造体の形状、金属構造体材料の選択により、入射角、動作波長、動作帯域を設計できる。
【００６６】
支持基板ＢＳに用いる材料には、第１の実施の形態の場合と同様に、可視領域の波長において吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない、石英ガラス、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を好適に用いることができる。
【００６７】
保持媒体ＨＭＤの材料も、支持基板ＢＳの材料と同様に、可視領域の波長において吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない、光学素子のコーティング材料として一般的に使用される、石英ガラス、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどの材料を好適に用いることができる。
【００６８】
第１の実施の形態の場合と同様、第２の実施の形態の偏光分離素子も「電気、光、圧力等の外部信号の作用」により変調を行い、偏光分離特性をアクティブに変化させるようにすることができ、この場合も、保持媒体ＨＭＤの材料として、電気光学結晶効果を示す強誘電体材料であるＢＢＯ、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＢ、ＬｉＮｂ３、ＫＴＢ、ＫＴＰ、ＫＴＮなどの無機結晶、非線形光学効果を示す光学結晶材料であるＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢＩＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰなどの無機結晶、電歪効果を示す無機結晶、例えば、水晶、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＡｌＮなどを利用できる。
【００６９】
金属構造体ＭＳの材料も、第１の実施の形態と同様「可視領域の光でプラズモンを励振できるもの」であれば良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕの何れか、あるいはこれらを主とした合金材料やこれらを組み合わせて空間的に配置した構成、さらには、これらと非金属材料からなる混合材料を利用できる。
【００７０】
偏光分離素子を透過または反射した光が空間的に均一であるように、金属構造体のサイズおよび金属構造体間の間隔は、入射する光の回折限界よりも十分に微小である必要があり、具体的なサイズとしては、可視域領域の波長より小さく１００ｎｍ以下が好ましい。
【００７１】
単位配列パターンを構成する複数個の金属構造体の間隔は「金属構造体自体のサイズの半分以下（５０ｎｍ以下）」が好ましい。金属構造体の形状は、全金属構造体が同一形状に揃ったものであれば良く、半球、円柱、四角柱など、任意の形状が可能である。
【００７２】
図６および図７に示すような偏光分離素子も、第１の実施の形態における説明と同様の方法で作製できる。また、レーザーアブレーション法や化学合成の手法により作製した金属微粒子を「特定の分子により表面修飾し、溶液中で少数個の金属微粒子を化学的に結合させ、さらに電界を印加することにより配向させる手法」なども利用できる。この場合、３次元的な金属構造物配列を一括して形成することができる。金属構造物配列の形成後、溶液を固化して保持媒体とする。
【００７３】
第２の実施の形態の偏光分離素子として、図７（ａ）に示す例について、数値シミュレーションを行った結果を説明する。
【００７４】
数値シミュレーションの手法は、第１の実施の形態に即して説明した如く、マクスウェル方程式に基づき、分極ベクトルを電気双極子の分布として表わし、伝搬行列との積分方程式を逐次近似により解くことにより、電気双極子を配した面から１００ｎｍ離れた面における電場ベクトルの平均値を算出した。平均化は１２８ｎｍ×１２８ｎｍの２次元面内における１６×１６点の透過光強度を算出して行った。
【００７５】
図８は、数値シミュレーションを行ったドットパターン構造のモデルであり、単位配列パターンＵＰを構成する２個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の中心間隔を３０ｎｍとし「単位配列パターンＵＰをｘ方向およびｙ方向に周期：１００ｎｍで正方格子状」に配列した構成である。  
金属構造体の材料としてＡｕを用い、その誘電率として、
εＡｕ＝０．０７１７＋１．４９６５ｉ  （ｉは虚数単位）
を用いた。平面波の入射角を０°、即ち「垂直入射」として計算を行った。
【００７６】
図９は、この数値シミュレーションにより算出した透過光強度の波長依存性をプロットした図である。図９中の２本の曲線は、Ｓ偏光θＳ（図８の方向に振動する偏光成分）とＰ偏光θＰ（図８のｘ方向に振動する偏光成分）を示している。
【００７７】
図９の結果から、Ｓ偏光θＳに関しては第１の実施の形態で説明した図４（ａ）の結果と大きな差異は見られないが、Ｐ偏光θＰの透過光強度には「金属構造体の共鳴波長である４８０ｎｍ」近傍に大きな差異が現れている。
【００７８】
図４（ａ）において透過光強度の凹部となっている波長領域が、図９においては「共鳴的な散乱のために増加」しており、波長：４８０ｎｍのあたりで、Ｓ偏光の透過率は０．５、Ｐ偏光の透過率は１．０以上となっている。なお、透過光強度が１．０を越えるのは、１００ｎｍ離れた観測面における透過光強度に空間的な分布があり、平均化が十分な面積において為されていないためである。
【００７９】
従って、図９に示す偏光分離機能を持つドットパターンを４層に積層し、波長：４８０ｎｍのランダム偏光状態の平面波を垂直入射させると、Ｐ偏光の透過率は０．５４＝０．０６２５となって「Ｐ偏光の９０％以上」の成分が反射され、Ｓ偏光は略１００％透過する。
【００８０】
従って「第１の実施の形態の偏光分離素子と同様の偏光分離機能」を、第１の実施の形態の場合に比してより簡単な「ドットパターン２層の積層構成」で実現できている。
【００８１】
上に説明した数値シミュレーションは、２個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２による単位配列パターンに対するものであるが、２個以上の少数個の金属構造体を（金属構造体サイズ以下の間隙を隔して）１列に等間隔配列した単位配列パターンでも同様の効果が得られることが確かめられている。単位配列パターンを構成する金属構造体の数を増やすことにより、動作波長や、入射角度に対する最適設計が可能となる。
【００８２】
また、図５に即して説明したように「ドットパターンの積層方向における金属構造体間の光相互作用を調整する」ことにより、入射光の偏光に対する異方性を制御できる。したがって、３次元的な金属構造体配列の配列形態を最適に選択することにより、偏光分離素子の動作波長や入射角特性など、使用条件に適した設計が可能となる。
【００８３】
また、第１の実施の形態の場合と同様、隣接する金属構造体の間隔、金属構造体のサイズや形状、単位配列パターンの２次元的な配置形態なども、設計パラメータとして利用できる。
【００８４】
以下に、第３の実施の形態を説明する。
【００８５】
図１０は、第３の実施の形態にかかる偏光分離素子の構成を説明するための図であり、（ａ）はドットパターン積層方向の断面図、（ｂ）はドットパターンのパターン面の状態を説明する図である。なお、混同の虞が無いと思われるものについては図２以下におけると同一の符号を付した。
【００８６】
第２の実施の形態では、２個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２による単位配列ユニットＵＰの「金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向」により、偏光異方性を制御していた。偏光異方性には「非対称な構造」があれば良いことから、複数の金属構造体の配列ではなく「金属構造体の形状に依存した非対称性」も偏光分離機能に利用できる。
【００８７】
第３の実施の形態の偏光分離素子は、回転楕円体形状、ロッド形状などの軸対称な金属構造体ＭＳＡによるドットパターンを３次元的に積層配列して金属構造体配列とする。金属構造体のサイズは、形状の長さが最大となる方向のサイズを謂い、このサイズは入射光の波長以下である。
【００８８】
図１０に示す偏光分離素子３０は、（ａ）に示すように、金属構造体ＭＳＡを保持する保持媒体ＨＭＤとこれら支持するための支持基板ＢＳを有し、金属構造体ＭＳＡの配列形態、金属構造体ＭＳＡの形状や材料の選択により、入射角、動作波長、動作帯域を設計できる。
【００８９】
支持基板ＢＳや保持媒体ＨＤＭ、金属構造体ＭＳＡには、第１、第２の実施の形態の場合と同様の材料を用いることができ、偏光分離素子を電気、光、圧力等の外部信号により変調し、偏光分離特性をアクティブに変化させることもできる。
【００９０】
金属構造体ＭＳＡの形状は、回転楕円体形状やロッド形状のように、直交する３方向に対して、少なくとも１方向にサイズの異なる非対称性を有しており、且つ、偏光分離素子を透過または反射した光が空間的に均一であるように「金属構造体のサイズおよび金属構造体間の間隔」は、入射する光の回折限界よりも十分に微小である。
【００９１】
金属構造体ＭＳＡの具体的なサイズは、最も長い軸方向において、可視域領域の波長より小さく１００ｎｍ以下が好ましい。また、金属構造体間の間隔はサイズの半分の５０ｎｍ以下が好ましい。
【００９２】
上述した金属構造体ＭＳＡの配列は種々の配列形態が可能である。図１０（ｂ）は、回転楕円体形状の金属構造体ＭＳＡを「等間隔で直線上に、長手方向が直線に平行となるように配置」し、この直線状配列を所定の間隔で互いに平行に配列してドットパターンＤＰ１、ＤＰ２等とした例であり、金属構造体ＭＳＡの内部に励振されるプラズモンの位相が「サイズの異なる軸方向でそれぞれ異なっている」ことにより、偏光に対する異方性が発現する。したがって、この配列のドットパターンを多層に積層することにより、Ｓ偏光とＰ偏光を透過光成分および反射光成分に切り分ける偏光分離機能を実現できる。
【００９３】
また、第２の実施の形態と同様に、２個以上の金属構造体ＭＳＡにより単位配列パターンを構成し、単位配列パターンの配向を揃えて規則的またはランダムに配置して、個々の単位配列パターンに偏光に対する異方性を付与することにより、第２の実施の形態と同様の偏光分離機能を実現できる。金属構造体ＭＳＡは、図１０では回転楕円体形状としたが、一方向にサイズの異なる非対称性を有するロッドなどの形状であってもよい。
【００９４】
第３の実施の形態のような偏光分離素子を作製するには、レーザーアブレーション法や、化学合成の手法により、溶液中で非対称な金属構造体ＭＳＡを作製し、微細加工基板を用いて自己組織的に配列させればよい。
【００９５】
なお、金属構造体が「例えば、楕円柱のように、一方向に非対称性を有する構造」のものであれば、上記と同様の効果を期待でき、このような「高さの揃った非対称構造の金属構造体」は、先に説明した「エッチングを用いる方法」により作製可能である。
【００９６】
第３の実施の形態の偏光分離素子の設計においても、図５に即して説明したように、ドットパターンの積層方向の「金属構造体間の光相互作用を調整」することにより、入射光の偏光に対する異方性を制御することができる。したがって、３次元的な金属構造体配列の配列形態を最適に選択することにより、偏光分離素子の動作波長や入射角特性など、使用条件に適した設計が可能となる。勿論、隣接する金属構造体ＭＳＡの間隔、サイズ、形状、単位金属配列パターンの２次元的は配置なども設計パラメータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】偏光分離素子の機能を説明する概念図である。
【図２】第１の実施の形態の偏光分離素子の構成を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態の数値シミュレーションモデルを説明するための図である。
【図４】数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図５】偏光分離素子における偏光特性の調整方法を説明する図である。
【図６】第２の実施の形態の偏光分離素子の構成を説明する図である。
【図７】単位配列ユニットの配列形態の例を３例示す図である。
【図８】第２の実施の形態の数値シミュレーションモデルを説明するための図である。
【図９】数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９８】
ＭＳ      金属構造体
ＤＰ１    ドットパターン
ＨＭＤ    保持媒体
ＢＳ      支持基板
【図１】
2008026807.tif 000003
【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】
2008026807.tif 000009
【図８】
2008026807.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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