(57)【要約】【課題】構造が簡素で、耐熱性に優れ、偏光化機能に優れ明るい新規なワイヤグリッド型偏光素子を実現する。【解決手段】無機材料による透明な基体１の平坦な面１Ａに、導電性材料による１次元ライン格子が形成され、形成された１次元ライン格子の基部と基体の平坦な面が同一の平面をなし、基部と反対側の端部は半円形の横断面形状を有するように形成され、格子間媒質の屈折率：ｎ、１次元ライン格子の各格子線の配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）、光の使用波長：λ０（ｎｍ）、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）が、条件（１）、（２）を満足する。【選択図】                  図１
2004309903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機材料による透明な基体の平坦な面に、導電性材料による１次元ライン格子が形成され、形成された上記１次元ライン格子の基部と上記基体の平坦な面とが同一の平面をなし、上記１次元ライン格子の上記基部と反対側は横断面形状が半円状をなし、
上記１次元ライン格子の格子間媒質の屈折率：ｎ、導電性材料による１次元ライン格子の各格子線の配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）、光の使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（１）  ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
を満足し、上記屈折率：ｎ、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）、上記使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（２）  １．０≦（０．５λ０−５０）／ｎｔ≦１．２５
を満足することを特徴とする無機偏光素子。
【請求項２】
請求項１記載の無機偏光素子において、
導電性材料による１次元ライン格子が、無機材料による透明な基体の平坦な面に埋め込まれ、埋め込まれた１次元ライン格子の基部が、上記基体の平坦な面と同一の平面をなすように露呈していることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項３】
請求項１記載の無機偏光素子において、
導電性材料による１次元ライン格子が、無機材料による透明な基体の平坦な面上に形成され、形成された１次元ライン格子の基部が、上記基体の平坦な面と同一面をなすことを特徴とする無機偏光素子。
【請求項４】
無機材料による透明な基体の平坦な面に、導電性材料による１次元ライン格子が形成され、形成された上記１次元ライン格子の基部と上記基体の平坦な面が同一の平面をなし、上記１次元ライン格子の上記基部と反対側は横断面形状が半円状をなし、
上記１次元ライン格子の格子間媒質の屈折率：ｎ、導電性材料による１次元ライン格子の各格子線の配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）、光の使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（１）  ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
を満足し、
上記導電性材料による１次元ライン格子が、無機材料による透明な基体の平坦な面に埋め込まれ、埋め込まれた１次元ライン格子の基部が、上記基体の平坦な面と同一の平面をなすように露呈しており、
１次元ライン格子の厚み：ｔ＝１１０ｎｍ、配列ピッチ：ｄ＝１００ｎｍで、格子線の幅：ａと上記配列ピッチ：ｄの比：Ｆ＝ａ／ｄが、
０．１＜Ｆ＜０．６
の範囲にあり、
０．１１＜α＜１．８、−２１．０＜β＜−８．７、０．６５＜γ＜１．５
の範囲にあるα、β、γを用いて、
垂直偏光透過率：ＴＮ、水平偏光透過率：ＴＰが、それぞれ、
ＴＮ＝α・ｅｘｐ（β・Ｆ）
ＴＰ＝１−γ・Ｆ２
により近似的に与えられることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項５】
請求項４記載の無機偏光素子において、
透明な基体の屈折率：ｎ、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）、使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（２）  １．０≦（０．５λ０−５０）／ｎｔ≦１．２５
を満足することを特徴とする無機偏光素子。
【請求項６】
請求項１〜５の任意の１に記載の無機偏光素子において、
１次元ライン格子を構成する導電性材料が金属であることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項７】
請求項６記載の無機偏光素子において、
１次元ライン格子を構成する金属が、アルミニウム、銀、金、クロムの何れかであることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項８】
請求項７記載の無機偏光素子において、
可視域の光に対し、非透過光を反射する偏光素子として用いられ、１次元ライン格子がアルミニウムもしくは銀で形成されることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項９】
請求項７記載の無機偏光素子において、
可視域の光に対し、非透過光の反射を軽減させた偏光素子として用いられ、１次元ライン格子がクロムで形成されることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項１０】
請求項７記載の無機偏光素子において、
近赤外領域の光に対し、非透過光を反射する偏光素子として用いられ、１次元ライン格子が金で形成されることを特徴とする無機偏光素子。
【請求項１１】
無機材料による基体を平行平板としたことを特徴とする、請求項１〜１０の任意の１に記載の無機偏光素子。
【請求項１２】
請求項１〜１０の任意の１に記載の無機偏光素子における、無機材料による基体の、１次元ライン格子が形成されない部分に、反射面および／または屈折面が形成され、上記１次元ライン格子と協働する光学作用を持つことを特徴とする偏光光学素子。
【請求項１３】
請求項１２記載の偏光光学素子において、
無機材料による基体の、１次元ライン格子が形成された面に対向する側の面に、レンズ面が形成されたことを特徴とする偏光光学素子。
【請求項１４】
請求項１２記載の偏光光学素子において、
１次元ライン格子が、無機材料による基体の平坦な面に埋め込まれて形成され、上記１次元ライン格子が埋め込まれた平坦な面に、片面が平面であるレンズを接合一体化したことを特徴とする偏光光学素子。
【請求項１５】
請求項１２記載の偏光光学素子において、
無機材料による平行平板状の基体の、１次元ライン格子が埋め込まれた平坦な面に対向する側の面に、マイクロレンズアレイが形成されたことを特徴とする偏光光学素子。
【請求項１６】
透過光の偏光方向を電気的に制御できる液晶素子に対し、請求項１１記載の平行平板状の無機偏光素子を１対、偏光子及び検光子として組合せてなることを特徴とする液晶素子。
【請求項１７】
素子ごとに透過光の偏光方向を電気的に制御できる液晶素子アレイに対して、請求項１５記載の偏光光学素子を１対、偏光子及び検光子として組合せ、且つ、上記偏光光学素子におけるマイクロレンズのアレイ配列を上記液晶素子アレイのアレイ配列と合致させてなる液晶素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無機偏光素子および偏光光学素子および液晶素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏光素子は、特定の方向に直線偏光した光を透過させる光学素子であり、種々の光学装置に広く使用されている。偏光素子として広く知られたものに電気石があるが、高価であり、光学装置に部品として組み込むには不適当である。量産性がよく、低コストで製造できる偏光素子として、透明基板に、導電性材料による細線で１次元ライン格子を形成した「ワイヤグリッド型偏光素子」が提案されている（特許文献１〜３）。
【０００３】
ワイヤグリッド型偏光素子は「導電体内が無電界である」ことを利用するものである。即ち、このような偏光素子に自然偏光を入射させると、振動電界のうち、１次元ライン格子における格子線の長手方向の振動成分（以下、「垂直偏光」という。）は格子線内で０となるので透過し難く、「１次元ライン格子の格子配列方向に振動する振動成分（以下、「水平偏光」という。）」が透過し易い。
【０００４】
上記ワイヤグリッド型偏光素子に「同じ強度の垂直偏光と水平偏光」を入射させたとき、水平偏光の透過率（以下、「水平偏光透過率」と言う）：ＴＰと垂直偏光の透過率（以下、「垂直偏光透過率」と言う）：ＴＮの比：ＴＰ／ＴＮを「コントラスト」と呼ぶ。
【０００５】
実際に使用されるワイヤグリッド型偏光素子としては、使用波長に対してコントラストが大きく、水平偏光透過率が高いものであることが好ましい。コントラストが大きいことは偏光素子としての機能が優れていることを意味し、水平偏光透過率が高いことは「明るい偏向素子」であることを意味する。また、耐熱性や機械強度といった環境に対する強さも備えていることが好ましい。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１５３７０６号公報
【特許文献２】
米国特許６１２２１０３号明細書
【特許文献３】
米国特許６２８８８４０Ｂ１号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、ワイヤグリッド型偏光素子であって、水平偏光の透過率が高く、コントラストの高い新規な無機偏光素子の実現を課題とする。この発明はまた、上記無機偏光素子を用いる新規な偏光光学素子および液晶素子の実現を他の課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の無機偏光素子は「無機材料による透明な基体の平坦な面に、導電性材料による１次元ライン格子が形成され、形成された１次元ライン格子の基部と基体の平坦な面が同一の平面をなし、１次元ライン格子の、基部と反対側は横断面形状が半円状をなす」ことを構造上の特徴とする。
【０００９】
導電性材料により形成された１次元ライン格子において、格子を構成する各格子線の長手方向を「長さ方向」、各格子線の配列方向を「格子配列方向」と呼び、これら長さ方向と格子配列方向とに直交する方向を１次元ライン格子の「厚み方向」と呼ぶ。
【００１０】
「１次元ライン格子の基部」は、１次元ライン格子における各格子線の「厚み方向の端部」のうち、基体の平坦な面と同一の平面をなす側の部分を言う。また上記「横断面形状」は、各格子線において、長さ方向に直交する平断面内の断面形状を言う。上記「横断面形状が半円状をなす。」とは、横断面形状が正確な半円状である場合のみならず実質的な半円状である場合も含む。
【００１１】
請求項１記載の無機偏光素子は、以下の如き特徴を有する。
１次元ライン格子の格子間媒質の屈折率：ｎ、導電性材料による１次元ライン格子の各格子線の配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）、光の使用波長：λ０（ｎｍ）が条件：
（１）  ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
を満足する。さらに、上記屈折率：ｎ、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）、使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（２）  １．０≦（０．５λ０−５０）／ｎｔ≦１．２５
を満足する。
【００１２】
１次元ライン格子の厚み：ｔは、１次元ライン格子の「厚み方向における各格子線の大きさ」である。
【００１３】
請求項１記載の無機偏光素子は、図１に説明図的に示すように、導電性材料による１次元ライン格子２が、無機材料による透明な基体１の平坦な面１Ａに埋め込まれ、埋め込まれた１次元ライン格子の基部が、基体１の平坦な面１Ａと同一の平面をなすように露呈している構成とすることができる（請求項２）。
【００１４】
即ち、図１に示す如く、１次元ライン格子２は、格子を構成する多数の格子線２−１、２−２、・・、２−ｉ、・・（横断面を示す）の格子配列により構成され、各格子線２−ｉの基部（図で上側の端部）と基体１の平坦な面１Ａが同一の平面をなし、基部と反対側（図で下側の端部）は横断面形状が「半円状」をなす。
【００１５】
この場合、１次元ライン格子２の格子間媒質は基体１であるから、上記屈折率：ｎは基体１の材質の（使用波長：λ０に対する）屈折率である。
【００１６】
請求項１記載の無機偏光素子はまた、図２に説明図的に示すように、導電性材料による１次元ライン格子２Ａが、無機材料による透明な基体１の平坦な面１Ａ上に形成され、形成された１次元ライン格子２Ａの基部が、基体の平坦な面１Ａと同一面をなす構成とすることができる（請求項３）。
【００１７】
図２に示すように、１次元ライン格子２Ａは格子を構成する多数の格子線２Ａ−１、２Ａ−２、・・、２Ａ−ｉ、・・（横断面を示す）の格子配列により構成され、各格子線２Ａ−ｉの基部（図で下側の端部）と基体１の平坦な面１Ａとが同一の平面をなし、基部と反対側（図で上側の端部）は横断面形状が「半円状」をなす。
【００１８】
この場合、１次元ライン格子２Ａの格子間媒質は空気であるから、上記屈折率：ｎは空気に対する屈折率（ｎ＝１）である。
【００１９】
図１、図２に上記１次元ライン格子の厚み：ｔを示した。
【００２０】
なお、図１に示す場合のように、１次元ライン格子が「無機材料による透明な基体の平坦な面に埋め込まれる」とは、無機偏光素子の構造上の特徴を謂うものであり、無機偏光素子の製造過程において、予め形成された１次元ライン格子が「基体表面に機械的に埋め込まれる」訳では必ずしも無い。
【００２１】
請求項４記載の無機偏光素子は「無機材料による透明な基体の平坦な面に、導電性材料による１次元ライン格子が形成され、形成された上記１次元ライン格子の基部と上記基体の平坦な面が同一の平面をなし、上記１次元ライン格子の上記基部と反対側は横断面形状が半円状をなし、１次元ライン格子の格子間媒質の屈折率：ｎ、導電性材料による１次元ライン格子の各格子線の配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）、光の使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（１）  ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
を満足し、導電性材料による１次元ライン格子が、無機材料による透明な基体の平坦な面に埋め込まれ、埋め込まれた１次元ライン格子の基部が、上記基体の平坦な面と同一の平面をなすように露呈しており、１次元ライン格子の厚み：ｔ＝１１０ｎｍ、配列ピッチ：ｄ＝１００ｎｍで、格子線の幅：ａと上記配列ピッチ：ｄの比：Ｆ＝ａ／ｄが、
０．１＜Ｆ＜０．６
の範囲にあり、
０．１１＜α＜１．８、−２１．０＜β＜−８．７、０．６５＜γ＜１．５
の範囲にあるα、β、γを用いて、
垂直偏光透過率：ＴＮ、水平偏光透過率：ＴＰが、それぞれ、
ＴＮ＝α・ｅｘｐ（β・Ｆ）
ＴＰ＝１−γ・Ｆ２
により近似的に与えられることを特徴とする。
【００２２】
上記「横断面形状が半円状をなす。」とは、上記請求項１の場合におけると同様、横断面形状が正確な半円状である場合のみならず実質的な半円状である場合も含む。
【００２３】
この請求項４記載の無機偏光素子も、透明な基体の屈折率：ｎ、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）、使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（２）  １．０≦（０．５λ０−５０）／ｎｔ≦１．２５
を満足することが好ましい（請求項５）。
【００２４】
上記請求項１〜５の任意の１に記載の無機偏光素子は、無機材料と導電性材料で構成されるので熱等に対して耐久性が強い。また、請求項２、４、５記載の無機偏光素子では１次元ライン格子が基板の面に埋め込まれているので、機械的な強度も強い。
【００２５】
請求項１〜５の任意の１に記載の無機偏光素子における、１次元ライン格子を構成する導電性材料は「金属」であることができる（請求項６）。導電性材料としては、金属以外に半導体材料も使用可能である。上記金属は、アルミニウム、銀、金もしくはクロムの何れかであることができる（請求項７）。
【００２６】
無機偏光素子を「可視域の光に対し、非透過光を反射する偏光素子」として用いる場合には、１次元ライン格子を、可視光に対して高い反射率を持つ「アルミニウムもしくは銀」で形成することが好ましく（請求項８）、逆に「可視域の光に対し、非透過光の反射を軽減させた偏光素子」として用いる場合には、可視光を吸収しやすい「クロム」で形成することが好ましい（請求項９）。
【００２７】
また無機偏光素子を「近赤外領域の光に対し、非透過光を反射する偏光素子」として用いる場合には、１次元ライン格子を「金」で形成することが好ましい（請求項１０）。
【００２８】
請求項１〜１０の任意の１に記載の無機偏光素子は「無機材料による基体を平行平板とする」ことにより偏光板として実施できる（請求項１１）。
【００２９】
この発明の偏光光学素子は「偏光機能と他の光学機能を兼備」した偏光光学素子である。
請求項１２記載の偏光光学素子は、請求項１〜１０の任意の１に記載の無機偏光素子における無機材料による基体の「１次元ライン格子が形成されない部分」に反射面および／または屈折面を形成し、「１次元ライン格子と協働する光学作用」を持たせたものである。
【００３０】
例えば、無機材料による基体を「直角プリズム」として形成し、その斜面以外の２面のうち、一方の面に１次元ライン格子を埋め込んで偏光素子面とし、他方の面にレンズ面（屈折面）を形成し、斜面には反射面を形成する。このようにすると、例えば、自然偏光の光を偏光素子面から入射させ、直線偏光化された光を反射面で反射させ、この反射光をレンズ面の作用で発散させたり集束させたりすることができる。
【００３１】
なお、直角プリズムの斜面に１次元ライン格子を埋め込んで偏光素子面とし、この偏光素子面に他の直角プリズムの斜面を接合したものは「偏光ビームスプリッタ」として使用できる。
【００３２】
請求項１２記載の偏光光学素子は「無機材料による基体の、１次元ライン格子が形成された面に対向する側の面にレンズ面が形成された」構成とすることができる（請求項１３）。あるいはまた、１次元ライン格子を無機材料による基体の平坦な面に埋め込み形成し、１次元ライン格子が埋め込まれた平坦な面に「片面が平面であるレンズ」を接合一体化できる（請求項１４）。この請求項１４記載の偏光光学素子では、導電性材料による１次元ライン格子が「２つのレンズ面により挟まれた形態」となる。
【００３３】
上記請求項１２記載の偏光光学素子はまた「無機材料による平行平板状の基体の、１次元ライン格子が形成された面に対向する側の面にマイクロレンズアレイが形成された構成」とすることもできる（請求項１５）。
【００３４】
請求項１６記載の液晶素子は「透過光の偏光方向を電気的に制御できる液晶素子に対して、請求項１１記載の平行平板状の無機偏光素子を１対、偏光子および検光子として組合せて」なる液晶素子である。このようにして「液晶スイッチング素子」を実現できる。また、液晶素子がアレイ配列されたものである場合には、液晶パネルとして構成できる。
【００３５】
請求項１７記載の液晶素子は「素子ごとに透過光の偏光方向を電気的に制御できる液晶素子アレイに対して、請求項１５記載の偏光光学素子を１対、偏光子及び検光子として組合せ、且つ、偏光光学素子におけるマイクロレンズのアレイ配列を液晶素子アレイのアレイ配列と合致させた」ことを特徴とする。マイクロレンズアレイの各マイクロレンズにより、液晶素子アレイの液晶素子に光を集光させることにより液晶パネルにおける光利用効率を高めることができる。
【００３６】
導電性材料による１次元ライン格子が形成される基体を構成する無機材料は、石英ガラスや通常の各種光学ガラスを好適に用いることができるが、これに限らず、無機材料で使用波長に対して透明なものを適宜に利用できる。
【００３７】
図１に即して説明した請求項２や請求項４記載の無機偏光素子のように、導電性材料による１次元ライン格子２が、無機材料による透明な基体１の平坦な面１Ａに埋め込まれ、埋め込まれた１次元ライン格子の基部が、基体１の平坦な面１Ａと同一の平面をなすように露呈している構成のものを実現する方法としては種々のものが可能である。
【００３８】
例えば、無機材料として光学ガラスを想定すると、この光学ガラス（基体）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線描画の手法で「１次元ライン格子に相当するパターン」を書き込み、現像により「格子線となるべき部分のフォトレジスト」を除去する。
【００３９】
次いで、現像後のフォトレジスト層をマスクとしてエッチングを行い、フォトレジストに形成された「１次元ライン格子に相当するパターン」を、光学ガラスの平坦な面に転写し、光学ガラス表面に「１次元ライン格子に対応する溝パターン」を形成する。
【００４０】
この状態で金属材料、例えば、アルミニウムをＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔ）等の化学蒸着法や物理蒸着を用いた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法で、フォトレジスト層表面および「１次元ライン格子に対応する溝パターン」に層状に付着させる。
【００４１】
その後、「アルミニウムの付着したフォトレジスト層」を、光学ガラスの平坦な面から除去すると、１次元ライン格子に相当するアルミニウム細線の配列が得られるので、光学ガラスの表面側をブラスト処理して「光学ガラス面から盛り上がっているアルミニウム部分」を除去し、埋め込まれた「アルミニウムによる１次元ライン格子の露呈部」と基体の平坦な面が同一の平面をなすようにする。
【００４２】
別の方法として、光学ガラスの平坦な面に電子線描画等により直接的に「１次元ライン格子に対応する溝パターン」を加工し、物理蒸着やＣＶＤ等の化学蒸着により上記平坦な面全体にアルミニウムを付着させるとともに、溝パターンにアルミニウムを充填する。その後、電子スパッタリング等で「平坦な面上のアルミニウム」を除去し、溝部に充填されたアルミニウムのみを残せば、所望の１次元ライン格子が得られる。
【００４３】
また、図２に即して説明した請求項３記載の無機偏光素子のように、導電性材料による１次元ライン格子２Ａが、無機材料による透明な基体１の平坦な面上に形成され、形成された１次元ライン格子２Ａの基部が、基体の平坦な面１Ａと同一面をなす構成は、例えば、以下のようにして実現できる。
【００４４】
例えば、無機材料の基体としての光学ガラス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線描画の手法で「１次元ライン格子に相当するパターン」を書き込み、現像により「格子線となるべき部分のフォトレジスト」を除去する。
【００４５】
次いで、アルミニウム等の金属材料をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着を用いた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法で、フォトレジスト層表面および「１次元ライン格子に対応する溝パターン」に層状に付着させる。
【００４６】
その後、溝部のアルミニウムを残して「アルミニウムの付着したフォトレジスト層」を、光学ガラスの平坦な面から除去すると、１次元ライン格子を構成するアルミニウム細線の配列が基板面上に得られる。
【００４７】
上記の如き方法で作製された１次元ライン格子は、無機材料の基体に埋め込み形成された（図１参照）場合も、基体の面上に形成された（図２参照）場合も、１次元ライン格子の「基部と反対側」は、横断面形状が半円状をなす形態となるのが一般的である。
【００４８】
上記アルミニウムに代えて、銀、金、クロム等を、無機偏光素子の使用目的に応じて用い得ることは前述した通りである（請求項８、９、１０）。勿論、別の導電性材料を使用することもできる。また、１次元ライン格子を半導体材料で形成すると、例えば無機偏光素子の環境温度により偏光機能を発現させることができ、このような無機偏光素子は、例えば「温度センサ等」に利用可能である。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図３（ａ）において、符号１０は無機偏光素子を示している。
無機偏光素子１０は「平行平板状」で、無機材料による平行平板状の基体１０Ａの片面側に、導電性材料による１次元ライン格子１０Ｂが形成されている。基板１０Ａとしては光学ガラス、１次元ライン格子１０Ｂの導電性材料としては金属を想定している。
【００５０】
図の如く、無機偏光素子１０の左側を入射側として、１次元ライン格子の格子配列方向（前述の格子線の配列している方向）を電場の振動方向とする「水平偏光」と、上記格子配列方向に直交する方向（格子線の長手方向に平行な方向）を電場の振動方向とする「垂直偏光」とを入射させたときの、透過側における垂直偏光透過率：ＴＮ、水平偏光透過率：ＴＰを調べる。
【００５１】
無機偏向素子１０として、図３（ｂ）に示す如きものを想定する。
図３（ｂ）は、無機偏光素子１０の部分横断面を示している。無機偏光素子１０は、構造としては図１に示したタイプのものである。
符号１０Ｂ−１、１０Ｂ−２、１０Ｂ−３、・・、１０Ｂ−ｉ、・・は、１次元ライン格子１０Ｂを構成する「導電性材料による格子線」を示し、各格子線１０Ｂ−ｉは、図３（ｂ）の図面に直交する方向へ直線状に伸び、図の左右方向へ互いに平行に配列して「１次元ライン格子」をなしている。
【００５２】
埋め込まれた１次元ライン格子１０Ｂの露呈部（図の上側の面）と基体１０Ａの平坦な面は同一の平面をなし、露呈部と反対側は「半円形の横断面形状」をなしている。図の如く、１次元ライン格子における格子線１０Ｂ−ｉの配列ピッチをｄ（ｎｍ）とし、幅：ａと配列ピッチ：ｄの関係をａ＝ｄ／π（πは円周率）とする。
【００５３】
基体１０Ａを構成する無機材料の屈折率を「ｎ」とし、入射する水平・垂直偏光の波長を「λ（ｎｍ）」とする。
【００５４】
上記において、ａ（格子線の幅）＝ｔ（格子線の厚み）とし、ｎ・ｄ／λを無次元のパラメータとして変化させ、無機偏光素子１０に、垂直偏光と水平偏光を入射させたときの、各々の偏光に対する透過率の変化を「電磁場解析」により調べると図４に示す如くになる。
図４の縦軸は透過率、横軸（対数目盛）はパラメータ：ｎ・ｄ／λである。
【００５５】
この図から明らかなように、パラメータ：ｎ・ｄ／λが０．１以下では、垂直偏光（破線）は略完全に遮断され、水平偏光（実線）は略完全に透過する。また、パラメータ：ｎ・ｄ／λが０．７以下では、垂直偏光の透過率：ＴＮは２０％、水平偏光の透過率：ＴＰは８０％である。
【００５６】
したがって、無機偏光素子１０が実用上「偏光素子」として使用できるパラメータ：ｎ・ｄ／λの範囲は、条件：
０＜ｎ・ｄ／λ＜０．７
の範囲であることが分かる。
【００５７】
特に、パラメータ：ｎ・ｄ／λが０．１以下では、良好な消光比を実現でき、偏向素子として極めて良好である。無機偏向素子を、使用波長：λ０で使用する場合であれば、ｎ・ｄ／λ０が条件：
（１）      ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
を満足すべきことになる。
【００５８】
上に説明した例では、１次元ライン格子が無機材料による基体の平坦な面に対して埋め込まれているが、図２に示す場合のように、１次元ライン格子１０Ｂが基体１０Ａ上に形成されている場合には、１次元ライン格子の格子間媒質は空気で屈折率が１であるので、満足すべき条件は、
（１Ａ）    ０＜ｄ／λ０＜０．７
となる。
【００５９】
図３（ｂ）の如き構成の無機偏光素子において、１次元ライン格子の厚み：ｔ＝１１０ｎｍ、配列ピッチ：ｄ＝１００ｎｍとする。格子線の幅：ａを可変とし、無次元の可変量：Ｆ＝ａ／ｄを導入し、Ｆを、
０．１＜Ｆ＜０．９
の範囲で変化させて、水平偏光透過率：ＴＰ、垂直偏光透過率：ＴＮを電磁場解析で調べた。その結果、
０．１＜Ｆ＜０．６
の範囲においては、垂直偏光透過率：ＴＮは、次式：
ＴＮ＝α・ｅｘｐ（β・Ｆ）                  （１式）
で近似でき、水平偏光透過率：ＴＰは、次式：
ＴＰ＝１−γ・Ｆ２                          （２式）
で良好に近似できることが分かった。
【００６０】
図５（ａ）は、電磁場解析で調べた垂直偏光透過率：ＴＮ（三角印）と、これを「式１で近似したときの曲線」を示している。ＴＮの各値は近似曲線上にきれいに乗っている。
【００６１】
図５（ｂ）は、電磁場解析で調べた水平偏光透過率：ＴＰ（四角印）と、これを「式２で近似したときの曲線」を示している。ＴＮの各値は（０．１＜Ｆ＜０．６の範囲では）近似曲線上にきれいに乗っている。
【００６２】
上記式１、式２における係数：α、β、γは、近似曲線が最も良くＴＰ、ＴＮにフィットするように決定され、以下の値を有する。
【００６３】
α＝０．９３、β＝−１５．３、γ＝０．８５
次に、波長：λ（ｎｍ）を、４００、４５０、５００、６００、７００とし、配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）を、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０とし、Ｆ（＝ａ／ｄ）の範囲を
０．１＜Ｆ＜０．６
として、上記と同様にして、式１、式２の近似曲線が最も良くＴＰ、ＴＮにフィットする係数：α、β、γを求めたところ以下の如くになった。
【００６４】
2004309903.tif 000003
即ち、波長：λが４００〜７００ｎｍの可視領域であり、配列ピッチ：ｄが５０〜１４０ｎｍの範囲では、係数：αの値は、凡そ
０．１１＜α＜１．８
の範囲の値をとり得る。
【００６５】
2004309903.tif 000004
即ち、波長：λが４００〜７００ｎｍの可視領域であり、配列ピッチ：ｄが５０〜１４０ｎｍの範囲では、係数：βの値は、凡そ
−２１．０＜β＜−８．７
の範囲の値をとり得る。
【００６６】
2004309903.tif 000005
即ち、波長：λが４００〜７００ｎｍの可視領域であり、配列ピッチ：ｄが５０〜１４０ｎｍの範囲では、係数：γの値は、凡そ
０．６５＜γ＜１．５
の範囲の値をとり得る。
【００６７】
即ち、図３（ｂ）に示すタイプの無機偏光素子を設計するにあたって、１次元ライン格子の厚み：ｔを１１０ｎｍと設定し、使用波長：λ０を可視領域：４００〜７００ｎｍから適宜に設定する場合、電磁場解析により得られる水平・垂直偏光透過率：ＴＰ、ＴＮの、幅：ａと配列ピッチ：ｄの比：Ｆ（＝ａ／ｄ）に対する変化は前述の式２、式１で近似でき、係数：α、β、γを決定すれば、Ｆの値に対応する水平・垂直偏光透過率：ＴＰ、ＴＮを知ることができる。
【００６８】
換言すれば、所望の水平・垂直偏光透過率：ＴＰ、ＴＮを与えるＦの値を特定できるので、このように特定されたＦの値に基き、格子線の幅：ａと配列ピッチ：ｄを選択することにより、所望の水平・垂直偏光透過率：ＴＰ、ＴＮをもった無機偏光素子を実現するための、幅：ａ、配列ピッチ：ｄ、厚み：ｔ＝１１０ｎｍ、屈折率：ｎ等を特定することができる。
【００６９】
逆に、上記厚み：ｔ＝１１０ｎｍのもとで、使用波長：λ０とＦの値を選択し、これから幅：ａ、配列ピッチ：ｄを決定して得られる無機偏光素子が、どのような水平・垂直偏光透過率：ＴＰ、ＴＮを持つかを推定できる。
【００７０】
例えば、１次元ライン格子の厚み：ｔ＝１１０ｎｍで、使用波長：λ０として４５０ｎｍを選択し、幅：ａ＝５０ｎｍを設定し、配列ピッチ：ｄを、例えば１００ｎｍに選定した場合を考えると、垂直偏光透過率：ＴＮを近似する式１におけるα、βの値は、上記一覧からα＝１．３７、β＝−１５．２であるから、
ＴＮ＝１．３７ｅｘｐ（−１５．２Ｆ）
となる。
【００７１】
また、水平偏光透過率：ＴＰを近似する式２における係数：γの値は、０．９８であるから、
ＴＰ＝１−０．９８Ｆ２
となる。これらの式において、Ｆ＝ａ／ｄ＝５０／１００＝０．５である。
【００７２】
従って、
ＴＮ＝１．３７ｅｘｐ（−７．６）＝０．０００７
ＴＰ＝１−０．９８×０．２５＝０．７５５
として知ることができる。
【００７３】
同様（ａ＝５０ｎｍ、ｔ＝１１０ｎｍ、λ０＝４５０ｎｍ）にして、配列ピッチ：ｄを１０ｎｍ刻みで５０〜１４０としたとき、各配列ピッチ：ｄに応じた、垂直・水平偏光透過率：ＴＮ、ＴＰとコントラスト：ＴＰ／ＴＮを以下に示す。
2004309903.tif 000006
ｄ＝５０〜８０ｎｍの範囲では、格子線の間の間隔が狭すぎて、水平・垂直偏光透過率はいずれも極く小さく、光学素子としての使用は困難である。
【００７４】
また、上にあげた係数：α、β、γの一覧に基き、使用波長：λ０＝４５０ｎｍのときの、Ｆの値と配列ピッチ：ｄとによる、水平偏光透過率：ＴＰの変化の様子を図６に、コントラスト：Ｃの変化を図７に示す。
これらの図６、図７に基き、所望の水平偏光透過率：ＴＰ（明るさ）、コントラスト：Ｃを実現するためには、配列ピッチ：ｄとＦの値（即ち、幅：ａ）をどの程度に設定すべきかを知ることができる。
【００７５】
即ち、上に説明したところは、図３（ｂ）に示すタイプの無機偏光素子の設計方法を提示するものである。この設計方法は、以下のように構成される。
【００７６】
即ち、無機偏光素子の基体の平滑な表面に埋め込み形成される１次元ライン格子の厚み：ｔを設定し、使用波長：λ０を設定する。格子線の配列ピッチ：ｄは、上記使用波長λ０と、基体の材質の屈折率：ｎに対して条件：
（１）  ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
が満足されるように制限し、格子線の幅：ａと配列ピッチ：ｄとの比：Ｆ（＝ａ／ｄ）をパラメータとし、電磁場解析により水平偏光透過率：ＴＰと垂直偏光透過率：ＴＮとをＦの各値に対して求める。
【００７７】
このようにして求められたＴＰ、ＴＮを、上記「２式」、「１式」で夫々近似し、所望の水平偏光透過率：ＴＰとコントラスト：Ｃを与えるＦを特定し、このＦに基いて、幅：ａと配列ピッチ：ｄを決定する。
【００７８】
このように設計して得られる無機偏光素子は、１次元ライン格子の厚み：ｔ＝１１０ｎｍ、配列ピッチ：ｄ＝１００ｎｍで、格子線の幅：ａと上記配列ピッチ：ｄの比：Ｆ＝ａ／ｄが、
０．１＜Ｆ＜０．６
の範囲にあり、
０．１１＜α＜１．８、−２１．０＜β＜−８．７、０．６５＜γ＜１．５
の範囲にあるα、β、γを用いて、
垂直偏光透過率：ＴＮ、水平偏光透過率：ＴＰが、それぞれ、
ＴＮ＝α・ｅｘｐ（β・Ｆ）
ＴＰ＝１−γ・Ｆ２
により近似的に与えられるものである（請求項４）。
【００７９】
上に実例を挙げた無機偏光素子は、このような設計方法により設計されたものである。無機偏光素子は構造が簡単であるので、その光学機能は電磁場解析により精度良く解析でき、電磁場解析の結果に基いて設計して製造された無機偏光素子は、電磁場解析の解析結果と良く合致する光学特性を有する。
【００８０】
図２に示すタイプ（請求項３）の無機偏光素子を想定し、基体上に形成される１次元ライン格子として、アルミニウムによるものを格子線の配列ピッチ：ｄ＝１８０ｎｍ、幅：ａ＝７２ｎｍ、即ち、Ｆ＝ａ／ｄ＝０．４として設定し、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）として、ｔ＝１５０、１７０、１９０、２１０、２３０、２５０としたときの水平偏光透過率：ＴＰを、波長：λ＝３５０〜７５０ｎｍの範囲につき電磁場解析により求めた。このときの水平偏光透過率：ＴＰの波長に対する変化を、厚み：ｔをパラメータとして図８に示す。
【００８１】
同様に、図１、図３（ｂ）に示すタイプ（請求項２、４）の無機偏光素子に関し、基体として屈折率：ｎ＝１．４６の石英を想定し、基体上に形成される１次元ライン格子として、アルミニウムによるものを格子線の配列ピッチ：ｄ＝１４０ｎｍ、幅：ａを８０ｎｍ、即ち、Ｆ＝ａ／ｄ＝０．５７１として設定し、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）として、ｔ＝９０、１１０、１３０、１５０としたときの水平偏光透過率：ＴＰを、波長：λ＝３５０〜７５０ｎｍの範囲につき、電磁場解析により求めた。このときの水平偏光透過率：ＴＰの波長に対する変化を、厚み：ｔをパラメータとして図９に示す。
【００８２】
図８、図９から、無機偏光素子が請求項２、４のタイプのものである場合も、請求項３のタイプのものである場合も、１次元ライン格子の厚み：ｔが大きくなるに従い、水平偏光透過率：ＴＰのピーク位置が「長波長側へずれる」ことが分かる。
即ち、水平偏光透過率：ＴＰは、１次元ライン格子の厚み：ｔにも依存する。
【００８３】
この結果を解析すると、所望の使用波長：λ０において「水平偏光透過率：ＴＰが実質的にピーク値を取る」ための条件は、１次元ライン格子の格子間媒質の屈折率：ｎ、厚み：ｔが、条件：
（２）  １．０≦（０．５λ０−５０）／ｎｔ≦１．２５
を満足することであることが分かる。
【００８４】
即ち、図１、図２に示すような、無機材料による透明な基体１の平坦な面１Ａに、導電性材料による１次元ライン格子２が形成され、形成された１次元ライン格子の基部と基体の平坦な面１Ａが同一の平面をなし、１次元ライン格子の基部と反対側は横断面形状が半円状をなす無機偏光素子は、１次元ライン格子の格子間媒質の屈折率：ｎ、導電性材料による１次元ライン格子の各格子線の配列ピッチ：ｄ（ｎｍ）、光の使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（１）  ０＜ｎ・ｄ／λ０＜０．７
を満足することにより「良好な偏光素子としての機能」を発揮でき、屈折率：ｎ、１次元ライン格子の厚み：ｔ（ｎｍ）、使用波長：λ０（ｎｍ）が、条件：
（２）  １．０≦（０．５λ０−５０）／ｎｔ≦１．２５
を満足することにより、水平偏光透過率：ＴＰが使用波長において実質的にピーク値となる「明るい無機偏光素子」であることができる（請求項１〜３、５）。
【００８５】
図１、図２に即して説明した無機偏光素子は、無機材料による基体１を平行平板としたものであり（請求項１１）であり、「偏光板」として使用可能である。
【００８６】
図１０に示すものは、請求項１２、１３、１４記載の「偏光光学素子」の実施の１形態を示している。
この偏光光学素子９０では、無機材料による基体９１の、１次元ライン格子９２が形成されない部分に、屈折面９１Ａが形成され、１次元ライン格子９２と協働する光学作用を持つ（請求項１２）。
【００８７】
そして、無機材料による基体９１の、１次元ライン格子９２が形成された面に対向する面に形成された屈折面９１Ａは「凸レンズ面」であり（請求項１３）、１次元ライン格子９２の形成された面の側には、片面が平面である凸レンズ９３を接合一体化されている（請求項１４）。
【００８８】
このような偏光光学素子９０では、例えば、凸レンズ面９１Ａの側から水平・垂直偏光成分を含む入射光ＬＩを平行光束として入射させると、水平偏光成分は透過光ＬＴとなり、レンズ９３とレンズ面９１Ａの作用で集束光束となり、垂直偏光成分は反射光ＬＲとなり、レンズ面９１Ａの作用により集束光束となる。
【００８９】
レンズ面９１Ａを凹レンズ面とすることも、レンズ９３を凹レンズとすることもでき、例えば「透過光ＬＴを発散光、反射光ＬＲを集束光とする」ことも「透過光ＬＴを集束光、反射光ＬＲを発散光とする」ことも「透過光ＬＴ、反射光ＬＲともに発散光とする」ことも可能である。
【００９０】
図１１は、請求項１７記載の「液晶素子」の、実施の１形態を説明するための図である。
符号１０１、１０２は偏光光学素子、符号１０３は液晶素子アレイをそれぞれ示している。液晶素子アレイ１０３は、単位画素を構成する液晶素子ＬＣｉｊを２次元正方行列状にアレイ配列したものであって、図示されない駆動回路により各液晶素子ＬＣｉｊに独立に駆動電圧を印加できるようになっている。
【００９１】
各液晶素子ＬＣｉｊは「ツイステッドネマチック液晶」による素子であり、駆動電圧が印加されていない状態で「直線偏光状態の光」を入射させると、入射光の偏光面を９０度旋回させて透過させる。駆動電圧を印加すると、入射光の偏光面の向きを保ったまま透過させる。
【００９２】
偏光光学素子１０１、１０２は無機材料を基体として構成され、その片面に導電性材料による１次元ライン格子が（埋め込みもしくは表面上に）形成され、形成された１次元ライン格子の基部と、基体の平坦な面が同一の平面をなすように形成されている。
【００９３】
偏光光学素子１０１では、形成された１次元ライン格子１０１Ａは、格子線の配列方向が図面の上下方向を向き、偏光光学素子１０２では、埋め込み形成された１次元ライン格子１０２Ａは、格子線の配列方向が図面に直交する方向になっている。従って、偏光光学素子１０１と１０２とでは、１次元ライン格子１０１Ａ、１０２Ａは格子配列方向が互いに直交している。
【００９４】
このため、偏光光学素子１０１、１０２を１対の偏光素子として、偏光子・検光子として使用できる。
【００９５】
また、偏光光学素子１０１の１次元ライン格子１０１Ａが形成されたのと逆側の面には、マイクロレンズＭＬ１ｉｊが、液晶素子ＬＣｉｊの配列に１：１で対応して形成されており、偏光光学素子１０２の１次元ライン格子１０２Ａが形成されたのと逆側の面には、マイクロレンズＭＬ２ｉｊが、液晶素子ＬＣｉｊの配列に１：１で対応して形成されている。
【００９６】
従って、例えば、図１１の左方から自然偏光の光を入射させると、偏光子としての偏光光学素子１０１の作用により、入射した光のうち「図の上下方向に振動する偏光成分」のみが透過光となり、各マイクロレンズＭＬ１ｉｊにより、各マイクロレンズに対応する液晶素子ＬＣｉｊに集光する。この光は液晶素子ＬＣｉｊを透過するが、その際、駆動電圧が印加されていない液晶素子では偏光面が９０度旋回され、マイクロレンズＭＬ２ｉｊにより集束されて１次元ライン格子１０２Ａを透過する。
【００９７】
また、駆動電圧が印加された液晶素子では偏光面の旋回が起こらず、マイクロレンズＭＬ２ｉｊにより集束された透過光は、１次元ライン格子１０２Ａにより遮断される。このように、偏光光学素子１０２から図の右方へ射出する光は、駆動電圧の印加された液晶素子ＬＣｉｊに従って空間的に強度変調される。
【００９８】
このように強度変調された光を適宜の結像光学系で結像させれば、２次元画像を表示することができる。
【００９９】
従来、液晶パネルに偏光子・検光子として「有機偏光素子」が用いられているが、有機偏光素子は、熱の影響による経年変化で性能の劣化が生じることが知られている。図１１に示すように、この発明の無機偏光素子を偏光子・検光子として用いれば、耐熱性や機械的強度が極めて高いので、耐久性のある液晶パネルを実現できる。
【０１００】
即ち、図１１に示す偏光光学素子１０１、１０２は、無機材料による平行平板状の基体の、１次元ライン格子１０１Ａ、１０２Ａが形成された面に対向する面に、マイクロレンズアレイが形成された偏光光学素子（請求項１５）であり、また、素子ごとに透過光の偏光方向を電気的に制御できる液晶素子アレイ１０３に対して偏光子及び検光子として組合せられ、且つ、偏光光学素子１０１、１０２におけるマイクロレンズのアレイ配列が液晶素子アレイ１０３のアレイ配列と合致している（請求項１７）。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、新規な無機偏光素子および偏光光学素子および液晶素子を実現できる。この発明の無機偏光素子は、上記の如く、無機材料による透明な基体の平坦な面に、導電性材料による１次元ライン格子が形成され、形成された１次元ライン格子の基部と、基体の平坦な面が同一の平面をなす構造となっており、材料が無機材料と導電性材料であるので耐熱性に優れている。
【０１０２】
また、条件（１）、（２）を満足することにより明るく良好な偏光化機能を有する。従って、この発明の無機偏光素子を用いる偏光光学素子・液晶素子は、偏光化機能に優れ、また、熱の影響を問題としないですむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】無機偏光素子の構造の１例を説明するための図である。
【図２】無機偏光素子の構造の他の例を説明するための図である。
【図３】無機偏光素子の水平偏光透過率と垂直偏光透過率を説明するための図である。
【図４】条件（１）を説明するための図である。
【図５】１次元ライン格子の厚み：１を設定した時、格子線の幅：ａと配列ピッチ：ｄの比：Ｆに対する垂直・水平偏光透過率の変化を説明するための図である。
【図６】水平偏光透過率の配列ピッチ：ｄとＦのよる変化を示す図である。
【図７】コントラスト：Ｃの配列ピッチ：ｄとＦのよる変化を示す図である。
【図８】条件（２）を説明するための図である。
【図９】条件（２）を説明するための図である。
【図１０】請求項１４記載の偏光光学素子の実施の１形態を説明するための図である。
【図１１】請求項１７記載の液晶素子の実施の１形態を説明するための図である。
【符号の説明】
１        無機材料による基体
１Ａ      基体１の平坦な面
２―ｉ    基体１の平坦な面１Ａに埋め込み形勢された導電性材料による１元ライン格子の格子線
２Ａ−ｉ  基体１の平坦な面１Ａ上に形成された導電性材料による１次元ライン格子の格子線
【図１】
2004309903.tif 000007
【図２】
2004309903.tif 000008
【図３】
2004309903.tif 000009
【図４】
2004309903.tif 000010
【図５】
2004309903.tif 000011
【図６】
2004309903.tif 000012
【図７】
2004309903.tif 000013
【図８】
2004309903.tif 000014
【図９】
2004309903.tif 000015
【図１０】
2004309903.tif 000016
【図１１】
2004309903.tif 000017