(57)【要約】【課題】耐熱性、耐光性に優れ、外的損傷に強く、素子の厚さが薄く、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を実現する。【解決手段】本発明の偏光制御素子１００は、二つ以上の微小な金属構造体１０３が入射光の波長以下の領域に配置された単位配列パターン１０６と、前記金属構造体１０３を支持する一層以上の膜１０１，１０２を有し、該膜内部の２次元平面内に複数個の単位配列パターン１０６が同一の配向を有して配置された複合配列パターンを有することを特徴としており、無機材料である金属構造体１０３を用いた偏光特性の制御を実現しているので、耐熱性、耐光性に優れ、また、極めて薄い偏光制御素子を実現することができる。また、金属構造体１０３が膜１０１により被覆された構成であることから、外的損傷に対する耐性を実現することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つ以上の微小な金属構造体が入射光の波長以下の領域に配置された単位配列パターンと、前記金属構造体を支持する一層以上の膜を有し、該膜内部の２次元平面内に複数個の単位配列パターンが同一の配向を有して配置された複合配列パターンを有することを特徴とする偏光制御素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光制御素子において、
前記複合配列パターンを含む前記膜の、該複合配列パターンに近接する端面に、１種類以上の材料からなる反射率調整膜を有することを特徴とする偏光制御素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の偏光制御素子において、
前記金属構造体を構成する金属材料が、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）のいずれか１つ、または、これらの組み合わせ、あるいは、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制御素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光制御素子において、
前記単位配列パターンが、間隔および配向を調整した２個の金属構造体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光制御素子において、
前記単位配列パターンが、間隔、配向、および金属構造体を配列する二つの軸の角度を調整した３個の金属構造体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光制御素子において、
前記単位配列パターンが、間隔、配向、および空間的な対称性を調整した４個、またはそれ以上の個数の金属構造体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏光制御素子において、
前記複合配列パターンを構成する前記単位配列パターンの空間配置が、正方格子状、直方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状、ランダムのいずれかであることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏光制御素子において、
前記膜を構成する材料が、誘電体材料、金属材料、半導体材料、複屈折性材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料のいずれか、あるいは、これらの組み合わせにより構成されることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項９】
多機能な偏光制御素子であって、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の偏光制御素子を、複数段積層した構成を有することを特徴とする偏光制御素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光制御素子を用い、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調することを特徴とする偏光制御方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光制御素子と、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調する手段とを有することを特徴とする偏光制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、光計測技術、光学機器、計測機器等に応用可能な、高効率、高耐熱性、高耐光性を有する偏光制御素子に関する。また、外部信号により偏光特性を変調することが可能な偏光制御素子およびその偏光制御方法に関する。さらには、前記偏光制御素子を有する偏光制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、偏光板や波長板などの偏光制御素子は、直交する二つの方向に対し、伝搬特性および吸収特性に異方性をもたせることにより、入射光の偏光方向の１成分を透過させたり、位相を変調させて偏光状態を、直線偏光から円偏光のように、偏光させたりする素子である。このような素子は、たとえば、液晶パネルや有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイの画素のオン・オフに利用されるほか、エリプソメトリー（偏光解析）などの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器に利用されている。特に、液晶プロジェクタなどの画像投影装置への需要が伸びている。
【０００３】
偏光板は、自然偏光や偏光した光から、特定の偏光成分を取り出す素子であり、入射光の直交する偏光の二成分の一方のみを透過させ、他方を吸収（または反射・散乱）させることにより遮蔽するものである。現在、特に液晶パネルに用いられる偏光板の多くは、ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収二色性を発現させるものである。
【０００４】
一方、１／２波長板や１／４波長板のようなリターデーションプレート（または位相シフター）は、複屈折性の光学結晶により作られ、結晶の配向に依存した常光線と異常光線の屈折率の違いにより偏光状態を変調するものである。この常光線と異常光線の光路差が波長の１／２となるものが１／２波長板（half-wave plate）であり、１／４となるものが１／４波長板（quarter-wave plate）である。このような、複屈折性を示す材料としては、方解石や水晶が用いられる。
【０００５】
ところで、吸収を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、高強度の光を照射した場合、透明度の低下、焦げる、といった問題があり、照射光量を大きくすることができない。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合には、冷風機構が必要であり、装置の小型化が困難、埃の付着による画質欠陥を生じるなど従来から解決すべき課題があった。
【０００６】
また、屈折率の異方性を利用する偏光制御素子においては、複屈折性を示す光学結晶材料が限定されており、使用できる波長領域に制限があるなどの課題がある。また、光学結晶材料を貼り合わせることにより膜厚、すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているので、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低い。また、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であるなどの課題があった。
【０００７】
そこで、このような課題に対し、以下に示すような従来技術が知られている。
まず、量産性がよく、低コストで製造できる、耐熱性の優れた偏光制御素子として、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。この偏光素子は２．５μｍより長波長の光に対して機能する偏光素子として実用化されている。
さらに、近年の微細加工技術の進歩により、下記の従来技術１に示すような、可視波長（４００〜７００ｎｍ）で駆動できるワイヤグリッド構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
この従来技術１における課題は、全可視スペクトルに渡って、高い透過と反射の効率を提供できるワイヤグリッド偏光子を提供することである。また、広い範囲の入射角に渡って、高い効率を実現可能なワイヤグリッド偏光子を提供することである。その解決手段は、図２１に示すように、ワイヤグリッド偏光子は基板１２１０上で支持される複数の細長い素子１２４０を有し、基板の屈折率よりも低い屈折率を有する領域１２５０が素子と基板との間に配置され、共鳴が発生する最も長い波長を低減する。このようなワイヤグリッド偏光子は、透明基材の片面に、アルミニウムの薄膜を形成し、これをパターンエッチングすることで、可視の波長程度の微小グリッド構造を構成する。このとき、微小グリッドの細線方向について、偏光面がこれに直交する光は透過し、偏光面が平行な光は反射する。これにより、入射角依存性が比較的小さく、円錐光線群に対して比較的良好な偏光分離機能を提供することできる。
【０００９】
また、偏光状態を制御する波長板または位相板を二次元表面における光の相互作用により実現する方法として、下記の従来技術２、３に示すような、支持基板上に微小な金属パターンを形成することにより偏光状態を制御する技術が提案されている（非特許文献１、特許文献２参照）。
【００１０】
従来技術２（非特許文献１）では、図２２に示すように、電子ビームリソグラフィ技術を用い、波長以下のピッチで金のＬ字構造を有する非対称なナノ微粒子を基板上に作製したものである。このような構造体に光を照射すると、図２２の右図のグラフに示すように、透過光は入射光の偏光面の向きに依存して異なる吸収スペクトルを示すので、ナノ微粒子の非対称性を利用した偏光選択素子が実現されている。また、対称性の乱れにより、第二高調波発生も観測されている。
【００１１】
従来技術３（特許文献２）は、図２３に示すように、平滑なＳｉ基板２１２上に、卍型やＣ型またはその鏡像対称の金属パターン２１４を有することを特徴とする光デバイス２１０に関するものである。パターンのサイズは７００ｎｍから４μｍであり、パターンの端部の傾きが直角から傾いたカイラリティを有しており、この傾きの大きさに依存して、偏光方向の二成分に位相差が生じ、また、パターン端部の向きに依存して右回り、および左回り偏光の違いが生じる。また、圧電体層を設けることにより、偏光特性の制御が可能な光学素子などが提案されている。
【００１２】
【特許文献１】特表２００３−５０２７０８号公報
【特許文献２】国際公開第０３／０５４５９２号パンフレット
【非特許文献１】Brian K. Canfield,et.al“Linear and nonlinear optical responses influenced by broken symmetry in an array of gold nanoparticles”Optics Express,vol.12,No.22,5418-5423(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術１に示すワイヤグリッド偏光子は、金属細線部分で入射光を反射または散乱させることにより一方向の偏光成分のみを透過させる偏光分離素子であるが、高い消光比を得るためには、基板の垂直方向に対して高いアスペクト比をもつ金属パターンを形成する必要があり、高度な作製技術を要する。また、作製精度から、短い波長の光に対して、十分な透過率、消光比が得られないといった問題点があった。ここで、消光比とは、透過光における直交する二つの偏光成分の比である。また、ワイヤグリッド偏光子は単なる偏光分離素子であり、位相を含めた偏光状態を制御するには、既存のリターデーションプレートと組み合わせて使用する必要があり、リターデーションプレートの熱的な損傷や、装置が小型化できないといった問題点があった。
【００１４】
また、従来技術２は、ナノサイズの金属パターンにより偏光面を制御できる旋光子の機能を有するものであるが、これは金属の共鳴周波数に近い波長の光を使うことにより、吸収と散乱の異方性を利用して偏光状態を変化させる原理に基づいたものであり、損失が大きく高い光利用効率は得られない。また、図２２に示すように、現在の加工技術では、均一な非対称構造を精度よく作製することは困難であるため、形状のバラツキが生じ、所望する偏光制御特性が得られないといった問題点があった。
【００１５】
また、従来技術３は、ナノサイズの金属パターンのカイラリティを利用して、直線偏光を楕円偏光に変換するリターデーションプレートの機能を有しているが、十分に大きな楕円率が得られておらず、実用的な１／２波長板や１／４波長板を実現するには、多層化するなどの構成が必要となる。しかしながら、金属部分の体積が増加することとなり、吸収を大きくしてしまうため、光の利用効率が低下するといった問題点があった。また、従来技術３の光学素子のように、構造が複雑なものになると、加工精度の問題から、均一なカイラリティを有する構造を精度良く作製することは困難であり、形状のばらつきにより所望の偏光制御特性が得られないといった問題点があった。
【００１６】
さらに、これらの従来技術による偏光制御素子は、素子固有の光学応答特性を有した受動光学素子であり、実現したい機能が複雑になるほど光学素子の数が増加し、光学システムの小型化、軽量化などに制約が生じるといった問題点があった。
【００１７】
上記の従来技術の問題点に鑑みて本発明者らは先に以下のような提案をしている。
例えば先願１（特願２００５−１５００７２）では、耐熱性および耐光性に優れ、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することを課題として、図２４に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属構造体２で構成された金属複合構造体６を基板１上に形成し、近接場光による相互作用が働くような構成により光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提案している。
【００１８】
また、先願２（特願２００５−１５００７３）では、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することを課題として、図２５に示すように、透明な基板（例えばガラス基板）１の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造体（金属粒子）２を、入射する光の波長よりも小さい距離で２次元に配置することにより、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子１０を提案している。
【００１９】
さらに先願３（特願２００５−１５００７４）では、位相差を発生させる波長板を実現すると共に、耐熱性に優れた偏光制御素子を提供することを課題として、図２６に示すように、ガラス基板などの透明な基板１上に、二種類以上の金属または合金からなる金属構造体（第１の金属粒子２、第２の金属粒子３）のパターンを連続的に形成することで、透過光または反射光の偏光成分に位相差を発生させる波長板を実現すると共に耐熱性に優れかつ偏光状態の設計自由度の高い偏光制御素子１０を提案している。
【００２０】
さらに先願４（特願２００５−１５００７５）では、金属構造体が配列されている支持基板をサブ波長構造とし、基板表層に強いエバネッセント光を発生させる構成とし、近接場光とエバネッセント光が結合することにより、光放射および光吸収をより強く生じさせ、光特性の制御性能の向上を図ることを課題として、図２７に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている金属構造体２で構成された金属複合構造体６を、ガラス基板などの透明な基板１上に形成した偏光制御素子１０を提案しており、この偏光制御素子は、基板１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、前記入射光の波長より小さい周期で構成されている。
【００２１】
上記の先願１〜４は、照射する光の波長以下のサイズを有する金属構造体２を用い、複数の金属構造体２を基板１上に形成してナノサイズに近接させることにより偏光状態の制御を行うことにより、加工精度による制約や、金属による吸収の低下を実現したものである。また、金属材料や照射する光の波長の選定により、大きな偏光状態の変化を実現し、偏光制御特性の向上を実現している。
しかしながら、上記の先願１〜４は、基板表面上に金属構造体を配列する構成またはコート材料により保護する構成であり、接触等による損傷や、表面形状の揺らぎが偏光制御特性に影響するという課題がある。また、金属構造体と表面との光を介した相互作用の影響を考慮していないことにより、設計通りの偏光制御特性が得られにくいといった課題がある。
【００２２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、上述の先願技術の課題に対し、耐熱性、耐光性に優れ、外的損傷に強く、素子の厚さが薄く、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供することを目的とし、さらには、作製が容易な素子構成を提供することを目的とする。
また、本発明は、設計自由度の高い偏光制御素子の構成を提供すること、偏光制御素子を構成する金属構造体の具体的な材料を提供すること、偏光制御素子を構成する単位配列パターンの具体的な空間配置を提供すること、偏光制御素子を構成する複合配列パターンの具体的な配列の仕方を提供すること、偏光制御素子を構成する膜の具体的な材料を提供することを目的とする。
さらに本発明は、多様な偏光制御機能を有する多機能な偏光制御素子を提供することを目的とする。
さらに本発明は、偏光制御素子の偏光制御方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、偏光制御素子を用いた偏光制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述の目的を達成するために、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、偏光制御素子であって、二つ以上の微小な金属構造体が入射光の波長以下の領域に配置された単位配列パターンと、前記金属構造体を支持する一層以上の膜を有し、該膜内部の２次元平面内に複数個の単位配列パターンが同一の配向を有して配置された複合配列パターンを有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第２の手段は、第１の手段の偏光制御素子において、前記複合配列パターン（）を含む前記膜の、該複合配列パターンに近接する端面に、１種類以上の材料からなる反射率調整膜を有することを特徴とする。
また、本発明の第３の手段は、第１または第２の手段の偏光制御素子において、前記金属構造体を構成する金属材料が、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）のいずれか１つ、または、これらの組み合わせ、あるいは、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。
【００２５】
本発明の第４の手段は、第１〜第３のいずれか１つの手段の偏光制御素子において、前記単位配列パターンが、間隔および配向を調整した２個の金属構造体により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の第５の手段は、第１〜第３のいずれか１つの手段の偏光制御素子において、前記単位配列パターンが、間隔、配向、および金属構造体を配列する二つの軸の角度を調整した３個の金属構造体により構成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の第６の手段は、第１〜第３のいずれか１つの手段の偏光制御素子において、前記単位配列パターンが、間隔、配向、および空間的な対称性を調整した４個、またはそれ以上の個数の金属構造体により構成されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の第７の手段は、第１〜第６のいずれか１つの手段の偏光制御素子において、前記複合配列パターンを構成する前記単位配列パターンの空間配置が、正方格子状、直方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状、ランダムのいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第８の手段は、第１〜第７のいずれか１つの手段の偏光制御素子において、前記膜を構成する材料が、誘電体材料、金属材料、半導体材料、複屈折性材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料のいずれか、あるいは、これらの組み合わせにより構成されることを特徴とする。
さらに、本発明の第９の手段は、多機能な偏光制御素子であって、第１〜第８のいずれか１つの手段の偏光制御素子を、複数段積層した構成を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明の第１０の手段は、偏光制御方法であって、第１〜第９のいずれか１つの手段の偏光制御素子を用い、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調することを特徴とする。
【００２８】
本発明の第１１の手段は、偏光制御装置であって、第１〜第９のいずれか１つの手段の偏光制御素子と、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調する手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
第１の手段の偏光制御素子においては、無機材料である金属構造体を用いた偏光特性の制御を実現しており、耐熱性、耐光性に優れ、また、極めて薄い偏光制御素子を実現することができる。また、金属構造体が膜により被覆された構成であることから、外的損傷に対する耐性を実現することができる。また、金属構造体の形状や、膜構成などが極めて単純であり、作製が容易な偏光制御素子を実現することができる。
【００３０】
第２の手段の偏光制御素子においては、金属構造体と膜界面との間の相互作用を、膜構成により制御し、偏光制御特性の変調を可能にしており、設計自由度の高い偏光制御素子を実現することができる。
また、第３の手段の偏光制御素子においては、偏光制御に用いる具体的な金属材料を提供することにより、動作波長や金属構造体間の相互作用の強さが調整可能である偏光制御素子を実現することができる。
【００３１】
第４〜第６の手段の偏光制御素子においては、偏光状態を制御するための具体的な金属構造体の個数および単位配列パターンを提供することにより、本偏光制御素子の具体的な構成を提供することができる。
【００３２】
第７の手段の偏光制御素子においては、単位配列パターンの具体的な複合配列パターンを提供することにより、使用用途に応じた偏光制御素子の構成を提供することができる。
また、第８の手段の偏光制御素子においては、本偏光制御素子を構成する具体的な膜材料を提供することにより、受動型および能動型の偏光制御素子を実現することができる。
さらに、第９の手段の偏光制御素子においては、第１〜第８のいずれか１つの手段の偏光制御素子を、複数段積層した構成を有し、金属構造体を含む面を複数段設けたことにより、多様な偏光制御機能を有する多機能な偏光制御素子を実現することができる。
【００３３】
第１０の手段の偏光制御方法においては、第１〜第９のいずれか１つの手段の偏光制御素子を用い、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調することにより、入射光の偏光状態を容易に制御することができる。
また、第１１の手段の偏光制御装置においては、第１〜第９のいずれか１つの手段の偏光制御素子と、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調する手段（例えば電気的手段、磁気的手段、光学的手段、機械的手段等）とを有することにより、偏光制御素子の偏光状態を容易に制御可能な偏光制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の構成、動作および作用効果を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００３５】
［実施例１］
本実施例は、第１，３，４，５，６，７，８の手段に係る偏光制御素子、第１０の手段に係る偏光制御方法および第１１の手段に係る偏光制御装置に関する。
本実施例の偏光制御素子、偏光制御方法および偏光制御装置に関して、図１〜１７に基づいて説明する。図１は、本実施例の偏光制御素子の機能を説明する概念図である。この偏光制御素子１００は、入射光１０４の偏光状態を、偏光制御素子１００の内部に含む複数個の金属構造体により構成される単位配列パターンと光による相互作用を利用して変調し、所望する出射偏光状態を取り出すものである。図１は、偏光制御素子１００により入射光１０４の直線偏光を円偏光の出射光１０５に変換する一例を示しており、従来の１／４波長板と同等の機能を、面内の構造により実現することができる。なお、従来の１／４波長板は、結晶の異方性を用い、伝搬距離に応じた位相変化を利用していることから、数波長の膜厚が必要であり、また、使用する材料に性能が依存していた。
【００３６】
本実施例の偏光制御素子は、図１の例の他にも、直線偏光を９０度回転させる１／２波長板や、ランダムな偏光を有する自然偏光から直線偏光を取り出す偏光板、自然偏光から右回り円偏光または左回り円偏光を取り出す円偏光板の機能を有する素子として機能させることができる。
【００３７】
本実施例の偏光制御素子の構成例を、図２により説明する。図２（ａ），（ｂ）は、本実施例の偏光制御素子の一構成例を示す断面図と上方視図である。本実施例の偏光制御素子１００は、二つ以上の微小な金属構造体１０３が入射光の波長以下の領域に配置された単位配列パターン１０６と、金属構造体１０３を支持する一層以上の膜１０１，１０２を有し、該膜内部の２次元平面内に複数個の単位配列パターン１０６が同一の配向を有して配置された複合配列パターンを有している。すなわち、本実施例の偏光制御素子１００は、２種類の透明な膜１０１，１０２の一方（例えば膜１０１）の内部の、膜１０１と膜１０２の界面から距離ｈだけ離れた２次元平面内に複数の金属構造体１０３を配列させ、二つ以上の微小な金属構造体１０３を入射光の波長以下の領域に配置して単位配列パターン１０６とし、この単位配列パターン１０６を複数個、同一の配向で配置した構成を有している。
【００３８】
図２では２種類の材料からなる膜１０１，１０２を記しているが、膜は２種類に限定する必要はなく、偏光制御素子１００の利用方法に依存して、少なくとも１種類、すなわち空気と膜の界面を有する構成から、多層構造を有する構成まで利用することができる。例えば、図３は、本実施例の偏光制御素子１００を反射型で利用する構成の断面図であり、最下面に金属材料または誘電体材料を積層した反射膜１０７を設けたものである。この場合、単位配列パターン１０６と相互作用した光が、反射膜１０７により入射光側へ戻され、再度単位配列パターン１０６と相互作用した後に、反射光１０５ｂとして外部に放出される。
【００３９】
金属構造体１０３を包含する膜に使用する材料は、第８の手段に記したものを利用する。固有の機能を有する受動素子として利用する場合には、誘電体材料、複屈折材料、金属材料が利用できる。誘電体材料は、入射光の波長に対する屈折率を選択することにより、金属構造体１０３による配列パターンと光との相互作用の強さや、動作波長を制御することに利用する。複屈折材料は、単位配列パターン１０６と光の相互作用に異方性を与えることが可能である。金属材料は、吸収と位相を制御するために利用する。また、外部から電界印加手段や磁界印加手段により電界や磁界を印加することにより変調を施す能動素子として利用する場合には、半導体材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料が利用できる。本実施例の偏光制御素子１００は、微小な屈折率変化や、変位、磁気光学効果等により、偏光状態が大きく変化することを利用して、偏光状態の外的変調が可能であり、偏光状態の制御が容易な偏光制御装置を構成することができる。また、上記の材料は、金属構造体１０３を完全に被覆しており、金属構造体１０３を保護する役割も担っている。
【００４０】
膜１０１の内部に配列する金属構造体１０３は、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有している必要があり、また、複数個の金属構造体１０３により構成される単位配列パターン１０６のサイズも回折限界以下であることが好ましい。金属構造体１０３の形状は、図２では円柱形状を図示しているが、全ての金属構造体において形状が揃っていればよく、加工の容易さから、半球形状などの、任意のものであって構わない。金属構造体１０３および金属構造体を含む膜１０１の作製方法について、図４および図５を用いて説明する。
【００４１】
図４は、偏光制御素子の作製手順を段階的に示した図である。ガラス基板などの透明な支持基板（または膜）１１１上に、誘電体膜１１２を、スパッタ法などの堆積法を用いて製膜し、その上層にレジスト膜１１３を積層する（ステップ１）。続いて、電子ビームリソグラフィなどを用いて、所望する配列パターンを露光し、レジスト膜１１３にマスクパターンを形成する（ステップ２）。電子ビームリソグラフィに代わって、近接場光リソグラフィや、ナノインプリント加工技術を用いて、一括形成する手法も適用できる。その後、誘電体膜１１２中に金属構造体の埋め込み構造を作製するために、反応性ドライエッチングなどのエッチング手法により凹形状のパターンを作製する（ステップ３）。続いて、スパッタ法や蒸着法を用いて、金属材料を堆積し、金属パターン１１４を形成する（ステップ４）。続いて、レジスト膜１１３の除去にともなうリフトオフ法によって、金属構造体以外の不要部分を除去し、さらにスパッタ法などにより誘電体材料１１５で被膜することにより、表面が平坦で、誘電体膜１０１中の２次元平面内に配列した金属構造体１０３を作製する（ステップ５）。
【００４２】
次に異なる作製方法の例を図５に示す。ステップ１，２は図４の作製手順と同様である。ここで、レジスト膜１１３のパターンをマスクとして誘電体膜１１２上に金属材料をスパッタ法や蒸着法により堆積し、金属パターン１１４を作製する（ステップ３）。続いて、レジスト膜１１３の除去にともなうリフトオフ法によって、金属構造体以外の不要部分を除去し、凸状の金属構造体１１３を作製する。最後に、紫外線硬化樹脂１１６などの柔らかい材料を用い、紫外線ＵＶを照射することにより硬化させ、表面の平滑性を補償した金属構造体１１３を有する膜１０１を作製する（ステップ４）。
【００４３】
図５の作成方法では、金属構造体１０３を被覆する膜に樹脂材料を利用するために、熱耐性に問題が生じるが、一方で、加工の困難な基板材料や膜材料に対し、本実施例の偏光制御素子を形成する場合には、基板や膜を堀る工程が不要であることから、有用な手法である。支持基板または膜１１１に使用する材料は、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、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り、３０ｎｍ以上の膜厚が好ましい。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良い。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。
【００４４】
次に金属構造体１０３の具体的な構成について説明する。金属構造体１０３の材料は、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呼ぶ。プラズモンは、金属構造体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、金属構造体１０３により決まる共鳴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、第３の手段に記した、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕのいずれか、また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が利用できる。金属構造体１０３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、さらに本実施例の偏光制御素子１００を介した光が空間的に均一であるためには、複数個の金属構造体１０３からなる単位配列パターン１０６も光の回折限界よりも微小であることが好ましい。この金属構造体１０３と、単位配列パターンの両制約から、使用する光の波長に応じて、金属構造体１０３のサイズは制限を受ける。具体的には、１００ｎｍ以下であれば、可視光全領域に利用できる。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、単位配列パターン１０６の配置や形状は観測されない。しかしながら、単位配列パターン１０６内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、金属構造体１０３の大きさや配置に依存して変化する。ここで、近接場光とは、エネルギーを自由空間に放出せずに、プラズモンと結合して存在している、局所領域の電磁場のことである。
【００４５】
次に、この単位配列パターン１０６により偏光状態が変化する原理について、最も簡単な２個の金属ドット（例えばＡｕ球）による構成を用いた数値シミュレーション結果をもとに説明する。数値シミュレーションは、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６は、シミュレーションに使用したモデルであり、空気中に存在するサイズ（直径）４０ｎｍの２つの金属構造体（Ａｕ球）１０３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を算出した。ＦＤＴＤ法により得られたＡｕ球１０３の単位配列パターン近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、図６（ａ）に示すように、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６（ｂ）に示すような、ｘ方向とｙ方向の振幅比と位相差を算出した。４０ｎｍのＡｕ球１０３のプラズモン共鳴波長近傍である波長５４４ｎｍを用い、図６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。また、Ａｕの光学定数は、屈折率ｎ＝０．０７２、ｋ＝１．４９６を用いた。図７は振幅比の距離依存性をプロットした図であり、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確認できる。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８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（Ａｕ球が接触した場合）では、位相差が４５°程度となる。これは、直線偏光が楕円偏光に変換されていることを意味する。以上のＦＤＴＤ法によるシミュレーションの結果から、Ａｕ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、例えば直線偏光から楕円偏光に変換することができることがわかる。
【００４６】
金属材料としてＡｇ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球のプラズモン共鳴波長近傍である波長４００ｎｍ近傍と紫外線領域であった。しかしながら、プラズモン共鳴波長、すなわち本実施例の偏光制御素子の動作領域は、金属構造体１０３を被覆する材料のもつ屈折率により、調整することが可能である。また、プラズモン共鳴波長は、金属構造体１０３のサイズにも依存しており、サイズを制御することにより、動作波長を調整することも可能である。金属構造体１０３の被覆媒質による効果を確認するために、ミー散乱理論を用い、プラズモン共鳴波長の変化を解析的に計算した。図９〜１１は、ミー散乱理論により計算した単一Ａｕ球の中心部における電界強度を示した図であり、図９は空気（ｎ＝１．０）、図１０はプラスティックフィルム（ｎ＝１．３）、図１１はポリカーボネート（ｎ＝１．５）の３種類の材料を被覆材料とした場合の結果である。これらの材料は特に限定する必要はなく、表示デバイスの赤・緑・青（ＲＧＢ）の３色の中心波長近傍にＡｕ球のプラズモン共鳴波長をもつような屈折率材料を選択した。また、図１２〜１４は、同様の計算をＡｇ球に対して行った計算であり、図１２はポリカーボネート（ｎ＝１．５）、図１３はＺｎＯ（ｎ＝２．１）、図１４はＺｎＳ−ＳｉＯ２（ｎ＝２．３）をそれぞれＲＧＢの３色に対応する被覆材料として適用した場合の結果である。以上の結果から、金属構造体を被覆する材料を適当な屈折率を有するものに選択することにより、本実施例の偏光制御素子の動作波長を選択することが可能である。なお、図９および図１２の図中に示すように、複数の曲線はＡｕ球またはＡｇ球の直径を１０ｎｍから５０ｎｍまで、１０ｎｍ刻みで変化させた場合の結果である（すなわち、図９〜１４において、ａ＝１０ｎｍ，ｂ＝２０ｎｍ，ｃ＝３０ｎｍ，ｄ＝４０ｎｍ，ｅ＝５０ｎｍである）。この結果からわかるように、金属構造体１０３のサイズを調整することにより、約５０ｎｍ程度の範囲で、プラズモンの共鳴波長を制御することが可能である。
【００４７】
本実施例の偏光制御素子を設計するには、２個以上の金属構造体を所望する偏光特性が出現するように配列する必要がある。
図１５に、金属構造体１０３を２〜５個用いた場合の配列方法を示す（第４〜６の手段）。図１５（ａ）は、２個の金属構造体１０３による単位配列パターン１０６を用いた場合であり、入射する光の偏光方向に対する単位配列パターン１０６の配向と、金属構造体１０３の間隔に依存して、振幅比と位相差が変化する。すなわち、旋光素子および波長板の機能が実現できる。図１５（ｂ）は、３個の金属構造体１０３による単位配列パターン１０６を用いた場合であり、金属構造体１０３の間隔に加えて、２本の配列軸の角度θを調整することで、偏光状態を制御することができる。θ＝９０°の場合（図１５（ｂ）の右図）、Ｌ字型となる。このような配列では、旋光素子、波長板のほか、水平および垂直方向のプラズモン波の干渉による効果を利用し、自然偏光から直線偏光を抽出する偏光選択素子の機能が実現できる。図１５（ｃ）は、４個の金属構造体１０３による単位配列パターン１０６を用いた構成であり、左図は中心線に対する線対称、中央図は１８０°回転対称、右図は３６０°回転で元の配置に一致する構成である。このように金属構造体１０３を４個用いると、空間的な対称性を偏光状態の制御に利用できる。これにより、旋光素子、波長板、直線偏光選択の機能に加え、円偏光に対する偏光選択性を有する機能を実現することができる。さらに、図１５（ｄ）に示すように、５個以上の金属構造体１０３による単位配列パターン１０６を用いることにより、さらに複雑な偏光状態の制御が可能である。
【００４８】
次に、単位配列パターン１０６の配列による複合配列パターンの構成について説明する。図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、単位配列パターン１０６（図では２個の金属構造体１０３であるが、２個以上の複数個の金属構造体であってもよい）を正方格子状、長方格子状、六方格子状に並べた複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例を示す上方視図である。六方格子状に配列した場合が最も高密度に単位配列パターン１０６を充填することができる。一方、長方格子状に配列した場合は、透過または反射遠方場における光強度分布に異方性が生じる。それぞれ、ビーム形状や効率などの所望する特性に応じて、対称性や周期を調整する。図１６（ｄ），（ｅ）は、ともに単位配列パターン１０６をストライプ状に配列した複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例であるが、金属構造体１０３の配向と、単位配列パターン１０６の配列の向きが直交する場合と、平行に並んだ構成を有する場合とがあり、入射偏光に対する透過率、反射率、偏光選択性が異なる。図１６（ｆ）は、単位配列パターン１０６が同心円状に並んだ複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例である。同心円の間隔を調整することにより、フレネルレンズに類似した集光効果を実現することができ、偏光制御特性とビーム集光特性を併せもつ偏光制御素子が実現できる。また、図１６（ｇ）は、単位配列パターン１０６がランダムに分布した複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例であり、偏光制御特性が単位配列パターン１０６の配向のみに依存して決定されることから、本実施例の偏光制御素子の作製精度に対する要件が緩和される。
【００４９】
次に、金属構造体１０３を含む膜の界面における効果について説明する。図１７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、膜１０１上に金属構造体１０３を有する場合と、膜１０１の内部に金属構造体１０３がある場合との観測点１２３における寄与について説明する図である。金属構造体１０３は、簡単のため１個のみ図示しているが、実際は前述の単位配列パターン１０６を形成するものである。また、反射光を利用する構成としているが、透過光の場合でも同様である。図１７（ａ）の場合、入射光１０４は金属構造体１０３により散乱されるが、観測点１２３において検出される光は、金属構造体１０３より直接観測点に到達する光の成分（散乱光１２１）と、膜１０１の界面による反射を受けた後に観測点１２３に到達する成分（散乱光１２２）との重ね合わせである。これは、図１７（ａ）中に矢印で記したように、膜１０１内部の鏡像点に仮想的な電気双極子１２０があることと等価であり、金属構造体１０３が膜１０１の界面に近接している場合、金属構造体１０３の有する真の電気双極子を相殺するように働くため、電気双極子モーメントの大きさが低下する。一方、図１７（ｂ）の場合、膜１０１と膜１０２の界面から金属構造体１０３が距離ｈだけ離れて配置されているために、界面の影響が小さく、電気双極子モーメントの大きさを効率良く利用でき、すなわち、複数の金属構造体１０３による単位配列パターン１０６のもつ旋光性や位相シフトといった偏光制御特性を向上できる。また、距離ｈを調整することにより、偏光特性を制御することができる。距離ｈが金属構造体１０３のサイズ程度の変化がある場合に、偏光状態に影響があるため、偏光特性の制御は、サイズ程度の距離の調整により行う。
【００５０】
以上のように、本実施例の偏光制御素子は、金属構造体１０３の材料、金属構造体１０３を被覆する膜１０１の材料、金属構造体間の距離および配列パターン（単位配列パターン１０６および複合配列パターン）、ならびに膜界面と金属構造体１０３との間の距離ｈを調整することにより、偏光特性を多様に設計することが可能である。また、無機金属材料を偏光制御に用いていることから、耐熱性、耐光性に優れ、金属構造体１０３が膜内部に含まれていることから、外的損傷に強い。また、複雑な構造を要さないため、作製が容易な偏光制御素子を実現することができる。
【００５１】
さらに、本実施例の偏光制御素子１００と、外部信号により偏光制御素子の偏光特性を変調する手段（例えば電界や電圧を印加する電気的手段、磁界を印加する磁気的手段、制御光を照射する光学的手段、素子に圧力や振動等を加える機械的手段等）とを有する構成とすることにより、偏光制御素子の偏光状態を容易に制御可能な偏光制御装置を実現することができる。
【００５２】
［実施例２］
本実施例は、第２，３，４，５，６，７，８の手段に係る偏光制御素子、第１０の手段に係る偏光制御方法および第１１の手段に係る偏光制御装置に関する。
本実施例の偏光制御素子に関して、図４，５，１５〜１８に基づいて説明する。図１８は本実施例の偏光制御素子１１０の構成例を説明する断面図である。本実施例の偏光制御素子１１０は、実施例１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構造体１０３が回折限界以下の領域に隣接して配置された単位配列パターン１０６が、規則的またはランダムに配列した構造を有している。実施例１と異なるのは、図１８（ａ）に示すように、金属構造体１０６を配列した面から距離ｈだけ離れた位置に反射率調整膜１０８を有している点である。また、図１８（ｂ）のように、反射率調整膜１０８を表層部分に有する構成であってもよい。
【００５３】
実施例１の説明と同様に、金属構造体１０３は、プラズモンを励起できる金属材料を用いる必要があり、第３の手段に記した、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕのいずれか、または、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、これらと非金属材料からなる混合材料が利用できる。金属構造体１０３の形状は、円柱形状、半球形状など、全ての金属構造体で揃っていれば、任意形状で構わない。複数個の金属構造体１０３により構成される単位配列パターン１０６は、図１５に示したように、２〜４個の金属構造体１０３を用い、金属構造体間の距離、配向、空間的な対称性を調整したものを適用する。また、複数個の単位配列パターン１０６からなる複合配列パターンは、図１６に示すように、正方格子状、長方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状などの規則的な配列、もしくはランダムに配置する。このような金属構造体１０３の配列パターンは、図４または図５で示した、スパッタ法による製膜と、電子ビーム露光とリフトオフ法を用いたエッチング技術により作製が可能である。偏光制御の原理も、実施例１で説明したとおりであり、複数個の金属構造体中に励起されるプラズモンが、隣接する金属構造体間で近接場光を介して相互作用することにより、金属構造体の配列の軸に対し、振幅および位相に異方性が現れることによる。
【００５４】
図１８（ａ）に示すように、反射率調整膜１０８の上下に配する膜１０１，１０２は、第８の手段に記したものであり、固有の機能を有する受動素子として利用する場合には、誘電体材料、複屈折材料、金属材料が利用できる。また、外部から電界印加手段や磁界印加手段により電界や磁界を印加して変調を施す能動素子として利用する場合には、半導体材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料を利用する。
【００５５】
本実施例の偏光制御素子１１０の特徴である、反射率調整膜１０８は、図１７（ｂ）で示した膜界面と金属構造体１０３との間の相互作用を調整する役割を果たす。図１７（ｂ）において、膜１０１と膜１０２の境界面における反射が観測点における偏光特性を変化させるが、反射率調整膜１０８を設け、境界面での反射率を調整することにより、偏光特性の制御が可能となる。また、図１８（ａ）の膜１０２または図１８（ｂ）の膜１０１の上側の界面における反射に起因した、偏光特性の変化量の低下を、反射率調整膜１０８を配することにより、抑えることが可能である。
【００５６】
反射率調整膜１０８を構成する材料は、一般的な薄膜材料であり、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇなどの金属材料や、ＭｇＦ２，ＣｅＦ３，Ａｌ２Ｏ３，ＡｉＯ２，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，ＺｎＳ，ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの誘電体材料が利用できる。これらの材料の組み合わせにより反射率調整膜１０８として、反射防止膜や全反射膜、部分反射膜が形成できる。この結果、図１７（ｂ）に示す鏡像位置での電気双極子モーメントの大きさを調整することができ、偏光状態を反射率調整膜１０８の特性によって制御することができる。
【００５７】
本実施例の偏光制御素子においては、金属構造体１０３の材料、金属構造体１０３を被覆する膜１０１の材料、金属構造体間の距離および配列パターンに加えて、膜界面と金属構造体１０３との間の光相互作用を反射率調整膜１０８の構成により調整することにより、偏光特性を多様に設計することが可能となっている。また、無機金属材料を偏光制御に用いていることから、耐熱性、耐光性に優れ、金属構造体１０３が膜内部に含まれていることから、外的損傷に強い。また、複雑な構造を要さないため、作製が容易な偏光制御素子を実現することができる。
【００５８】
さらに、本実施例の偏光制御素子１００と、外部信号により偏光制御素子の偏光特性を変調する手段（例えば電界や電圧を印加する電気的手段、磁界を印加する磁気的手段、制御光を照射する光学的手段、素子に圧力や振動等を加える機械的手段等）とを有する構成とすることにより、偏光制御素子の偏光状態を容易に制御可能な偏光制御装置を実現することができる。
【００５９】
［実施例３］
本実施例は、第９の手段に係る偏光制御素子、第１０の手段に係る偏光制御方法および第１１の手段に係る偏光制御装置に関する。
本実施例の偏光制御素子に関して、図４，５，１５，１６，１９，２０に基づいて説明する。本実施例の偏光制御素子は、実施例１または実施例２と同様の金属構造体１０３を含む膜１０１を有し、この膜１０１が複数段に積層された構成を有している。図１９は、本実施例の偏光制御素子１３０の一例を示す断面図であり、同一材料からなる膜１０１の内部の２枚の２次元平面内に、金属構造体１０３による単位配列パターン１０６−１，１０６−２が形成されている。図１９では簡単のため２段の積層構成を示したが、２段以上の複数段の構成であってもよい。また、膜（または支持基板）１０２に用いる材料は、第８の手段に記したものであり、固有の機能を有する受動素子として利用する場合には、誘電体材料、複屈折材料、金属材料が利用できる。また、外部から電界印加手段や磁界印加手段により電界や磁界を印加して変調を施す能動素子として利用する場合には、半導体材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料を利用する。
【００６０】
本実施例の偏光制御素子１３０でも実施例１の説明と同様に、金属構造体１０３は、プラズモンを励起できる金属材料を用いる必要があり、第３の手段に記した、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕのいずれか、また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、これらと非金属材料からなる混合材料が利用できる。金属構造体１０３の形状は、円柱形状、半球形状など、全ての金属構造体で揃っていれば、任意形状で構わない。複数の金属構造体１０３により構成される単位配列パターン１０６−１および１０６−２は、図１５に示したように、２〜４個の金属構造体１０３を用い、金属構造体間の距離、配向、空間的な対称性を調整したものを適用する。また、複数個の単位配列パターン１０６からなる複合配列パターンは、図１６に示すように、正方格子状、長方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状などの規則的な配列、もしくはランダムに配置する。このような金属構造体１０３の配列パターンは、図４または図５で示した、スパッタ法による製膜と、電子ビーム露光とリフトオフ法を用いたエッチング技術により作製が可能である。偏光制御の原理は、実施例１で説明したとおりであり、複数個の金属構造体中に励起されるプラズモンが、近接場光を介して相互作用することにより、金属構造体の配列の軸に対し、振幅および位相に異方性が現れることによる。
【００６１】
次に本実施例の偏光制御素子１３０の機能の一例について説明する。図１９において、同一金属による単位配列パターン１０６−１，１０６−２を用い、単位配列パターン１０６−１が１／４波長板機能（機能１）、単位配列パターン１０６−２が偏光板機能（機能２）を有するように、金属構造体１０６の間隔、配列、境界面からの距離ｈを設計すると、自然偏光から円偏光を取り出す偏光選択素子が実現できる。また、同様の構成で、図１９の膜１０２を金属膜または全反射多層膜とすると、自然偏光を一方向の偏光成分のみに変換する反射型の偏光変換素子が実現できる。また、単位配列パターン１０６−１，１０６−２が同一の旋光機能を有するように設計すると、素子の厚さが薄く、旋光角の大きな旋光素子が実現できる。
【００６２】
図２０は、異なる機能を有する偏光制御素子の別の構成例を示す断面図である。本構成例の偏光制御素子１４０では、２つの段において、金属構造体１０３−１，１０３−２に異なる金属材料を用いた例を示している。この場合、金属構造体中に励起されるプラズモンの共鳴波長が異なるため、特定の波長に対して、単位配列パターン１０６−１および１０６−２が独立に偏光選択機能や位相シフト機能を発する偏光制御素子として動作する。ここで、それぞれの単位配列パターン１０６−１，１０６−２を含む膜１０１および膜１０２の材料は、動作波長を所望に選択するために、適当な屈折率を有するものとする必要がある。図１９や図２０の偏光制御素子の例は、単位配列パターン１０６−１，１０６−２を２段に構成したものであるが、単位配列パターンを３段以上の複数段用いる構成であってもよい。
【００６３】
以上のように、本実施例の偏光制御素子は、単一で特定の偏光制御機能を有する構成を多段に設けることにより、機能複合化が為されており、偏光制御機能の高効率化や、偏光変換、直線・円偏光抽出といった、多様な偏光制御機能を単一の光学素子で実現することができる。
さらに、本実施例の多機能な偏光制御素子と、外部信号により偏光制御素子の偏光特性を変調する手段（例えば電界や電圧を印加する電気的手段、磁界を印加する磁気的手段、制御光を照射する光学的手段、素子に圧力や振動等を加える機械的手段等）とを有する構成とすることにより、多様な偏光制御機能を有する偏光制御装置を容易に実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上説明したように、本発明によれば、高効率、高耐熱性、高耐光性を有し、外部信号により偏光特性を変調することが可能な偏光制御素子と、それを用いた偏光制御装置を実現することができる。そして、この偏光制御素子および偏光制御装置は、液晶プロジェクタ等の表示装置に適しており、さらには、光計測技術、光学機器、計測機器等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る偏光制御素子の機能を説明する概念図である。
【図２】本発明の第１の実施例の偏光制御素子の構成例を示す断面図と、上方視図である。
【図３】本発明の第１の実施例の偏光制御素子の別の構成例を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例の偏光制御素子の作製手順の一例を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施例の偏光制御素子の作製手順の別の例を説明する図である。
【図６】金属構造体の単位配列パターンの数値シミュレーションモデルを説明する図である。
【図７】数値シミュレーションにより得られた振幅比の計算結果を示す図である。
【図８】数値シミュレーションにより得られた位相差の計算結果を示す図である。
【図９】ミー散乱理論により導出したＡｕ球と被覆材料（空気）の組み合わせによる波長依存性を示す図である。
【図１０】ミー散乱理論により導出したＡｕ球と被覆材料（プラスチックフィルム）の組み合わせによる波長依存性を示す図である。
【図１１】ミー散乱理論により導出したＡｕ球と被覆材料（ポリカーボネート）の組み合わせによる波長依存性を示す図である。
【図１２】ミー散乱理論により導出したＡｇ球と被覆材料（ポリカーボネート）の組み合わせによる波長依存性を示す図である。
【図１３】ミー散乱理論により導出したＡｇ球と被覆材料（ＺｎＯ）の組み合わせによる波長依存性を示す図である。
【図１４】ミー散乱理論により導出したＡｇ球と被覆材料（ＺｎＳ−ＳｉＯ２）の組み合わせによる波長依存性を示す図である。
【図１５】複数個の金属構造体による単位配列パターンの例を説明する図である。
【図１６】複数個の単位配列パターンによる複合配列パターンの例を説明する図である。
【図１７】金属構造体と膜界面との距離による効果を説明する図である。
【図１８】本発明の第２の実施例の偏光制御素子の構成例を説明する断面図である。
【図１９】本発明の第３の実施例の偏光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図２０】本発明の第３の実施例の偏光制御素子の別の構成例を示す断面図である。
【図２１】従来技術１を説明する図である。
【図２２】従来技術２を説明する図である。
【図２３】従来技術３を説明する図である。
【図２４】先願１を説明する図である。
【図２５】先願２を説明する図である。
【図２６】先願３を説明する図である。
【図２７】先願４を説明する図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００，１１０：偏光制御素子
１０１：膜
１０２：膜（または支持基板）
１０３，１０３−１，１０３−２：金属構造体
１０４：入射光
１０５：出射光
１０５ａ：透過光
１０５ｂ：反射光
１０６，１０６−１，１０６−２：単位配列パターン
１０７：反射膜
１０８：反射率調整膜
１０９：膜（または支持基板）
１３０，１４０：多機能な偏光制御素子
【図１】
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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】
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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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