(57)【要約】      （修正有）【課題】入射された入射光を良好に抑制して反射することができる、偏光素子を提供する。【解決手段】所定の波長の光に対して透過性を有する基板１１上に、複数本の金属細線２１を平行に形成することで、金属細線２１の長さ方向に平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波を反射する偏光素子１０であり、当該偏光素子１０で反射された直線偏光波を吸収する複数個の島状の金属素片３１を配置した反射防止層３０を形成する。【選択図】図１
2012098703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光に対して透過性を有する基体上に、複数本の金属細線を平行に形成することで、前記金属細線の長さ方向に平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波を反射する偏光素子において、
当該偏光素子で反射された直線偏光波を吸収する複数個の島状金属素片を配置した反射防止層が形成されてなること
を特徴とする偏光素子。
【請求項２】
前記複数個の島状金属素片のプラズモン共鳴波長が、当該偏光素子で反射された直線偏光波の波長帯域に含まれていること
を特徴とする請求項１記載の偏光素子。
【請求項３】
前記複数個の島状金属素片は、所望の波長の光を透過する誘電体で覆われていること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の偏光素子。
【請求項４】
前記複数個の島状金属素片の形状を略直方体形状とし、前記略直方体形状の最も長い辺を前記複数本の金属細線の長さ方向と略平行に配置すること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項５】
前記複数個の島状金属素片の形状を略楕円柱形状とし、前記略楕円柱形状の長軸を前記複数本の金属細線の長さ方向と略平行に配置すること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項６】
前記複数個の島状金属素片をＡｌまたはＡｌを主成分とする合金により形成すること
を特徴する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の偏光素子。
【請求項７】
当該偏光素子を液晶表示装置の液晶パネルのバックライト側に配置する反射型偏光素子として用いること
を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の偏光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然光から直線偏光成分を取り出す偏光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光素子は、ある特定方向に電界振動面を有する直線偏光波を透過し、これと直交する方向に電界振動面を有する直線偏光波の透過を阻止する機能を有する光学素子である（なお、以下の説明において、偏光素子にて透過する光の電界振動方向を「透過軸」、この透過軸と直交する方向を「消光軸」と呼ぶ）。
【０００３】
偏光素子は、透過軸と平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波が偏光素子を透過する際に受ける損失（以下、当該損失を「透過損失」と呼ぶ）、及び消光軸と平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波が偏光素子を透過した際の電界強度を、透過軸と平行な方向を有する電解振動面を有する直線偏光波が偏光素子を透過したときの電界強度で除した値（以下、当該値を「消光比」と呼ぶ）とにて特性を評価する。
【０００４】
例えば、良好な特性を有する偏光素子とは、上述した透過損失が小さく且つ消光比が高い素子のことである。
【０００５】
特許文献１では、このような偏光素子として、入射する光の波長よりも十分小さい線幅の金属格子を誘電体表面上に形成することで光学異方性を有するグリッド型偏光子について開示されている。このグリッド型偏光子は、いわゆる吸収型偏光子であり、入射した光のうち金属格子に平行な偏光成分を吸収し、金属格子と直交する偏光成分を透過する。
【０００６】
また、特許文献２では、入射する光の波長よりも十分小さい線幅の金属線を誘電体表面上に形成することで、入射した光のうち金属線に垂直に振動する電場成分の直線偏光波を透過し、金属線に平行に振動する電場成分の直線偏光波を反射する反射型偏光素子であるワイヤーグリッド型偏光素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−９０１２２号公報
【特許文献２】特開２００１−７４９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、特許文献２で開示されているような反射型偏光素子は、０．１ｄＢ以下の透過損出と、３０ｄＢ以上の消光比が達成されており、実用上、ほぼ問題のない性能を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、このような反射型偏光素子を、例えば、液晶表示装置に適用した場合、以下に示すような問題を招来してしまうことになる。
【００１０】
図９は、液晶表示装置の液晶パネル１００の概略構成を示した図である。図９に示すように、液晶パネル１００は、反射型偏光素子１０１と、この反射型偏光素子１０１に対して偏光角度を直交するように配された透過型偏光素子１０２と、ガラス電極１０３と、ガラス電極１０４と、配光膜１０５と、配光膜１０６とで液晶分子を注入した液晶層１０７を挟持するように構成されている。また、図示しないが、反射型偏光素子１０１側には液
晶パネル１００を後方から照明するバックライトが設けられている。
【００１１】
反射型偏光素子１０１と、透過型偏光素子１０２とは、偏光方向を９０度となるように配されている。このため、液晶表示装置は、ガラス電極１０３、１０４への電圧をオン状態、オフ状態へと切り替えることで液晶層１０７の液晶分子の並びを変化させ、図示しないバックライトの光源から出射された光を部分的に遮ったり透過させたりすることで画像の表示を行う。
【００１２】
図９は、ガラス電極１０３、１０４への電圧をオン状態とした場合を示している。この場合、液晶層１０７の液晶分子が一様に垂直に立つため、図示しないバックライトの光源から出射された光のうち、反射型偏光素子１０１を透過した偏光成分の光をそのまま透過する。しかしながら、反射型偏光素子１０１と透過型偏光素子１０２とは、偏光角度が直交しているため、透過型偏光素子１０２外へと光が出射することはない暗状態となる。
【００１３】
このような図９に示す暗状態において、液晶パネル１００の透過型偏光素子１０２へと周囲から周囲光１１０が入射したとする。この周囲光１１０における透過型偏光素子１０２の透過軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波１１０ａは、液晶層１０７をそのまま透過し、反射型偏光素子１０１へと到達することになる。
【００１４】
図１０に示すように、反射型偏光素子１０１へと到達した直線偏光波１１０ａは、反射型偏光素子１０１の消光軸と平行な電界振動面を有するため反射され直線偏光波１１０ａｒとなる。この直線偏光波１１０ａｒは、液晶層１０７をそのまま透過し、透過型偏光素子１０２も透過する。
【００１５】
これにより、液晶パネル１００は、暗状態であるにも関わらず、透過型偏光素子１０２から入射した周囲光１００によって明るくなってしまうため、液晶表示装置のコントラスト比が低下してしまうという問題がある。この問題を解決するためには、図９に示す反射型偏光素子１０１へ入射してしまう周囲光１００の反射を抑制する必要がある。
【００１６】
そこで、本発明は、上述した問題を解決するために案出されたものであり、入射された入射光を良好に抑制して反射することができる偏光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様は、所定の波長の光に対して透過性を有する基体上に、複数本の金属細線を平行に形成することで、前記金属細線の長さ方向に平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波を反射する偏光素子において、当該偏光素子で反射された直線偏光波を吸収する複数個の島状金属素片を配置した反射防止層が形成されてなることを特徴とする。
本発明の第２の態様は、第１の態様の前記複数個の島状金属素片のプラズモン共鳴波長が、当該偏光素子で反射された直線偏光波の波長帯域に含まれていることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の前記複数個の島状金属素片が、所望の波長の光を透過する誘電体で覆われていることを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第１の態様乃至第３のいずれかの態様の前記複数個の島状金属素片の形状を略直方体形状とし、前記略直方体形状の最も長い辺を前記複数本の金属細線の長さ方向と略平行に配置することを特徴とする。
本発明の第５の態様は、第１の態様乃至第３のいずれかの態様の前記複数個の島状金属素片の形状を略楕円柱形状とし、前記略楕円柱形状の長軸を前記複数本の金属細線の長さ方向と略平行に配置することを特徴とする。
本発明の第６の態様は、第１の態様乃至第５のいずれかの態様の前記複数個の島状金属素片をＡｌまたはＡｌを主成分とする合金により形成することを特徴する。
本発明の第７の態様は、第１の態様乃至第６のいずれかの態様の当該偏光素子を液晶表
示装置の液晶パネルのバックライト側に配置する反射型偏光素子として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、入射された入射光を良好に抑制して反射することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態として示す偏光素子の概略構成について説明するための斜視図である。
【図２】ワイヤーグリッド偏光層の光学的特性について示した図である。
【図３】図１に示す偏光素子をＡ−Ａ線で切断した様子を示した図である。
【図４】偏光素子が有する反射防止層の透過率と反射率との関係を示した図である。
【図５】略直方体形状の金属素片の一例を模式的に示した図である。
【図６】数値計算により求めた反射防止層の透過スペクトルを示した図である。
【図７】数値計算により求めた反射防止層の反射スペクトルを示した図である。
【図８】実施例において作製した偏光素子の光学評価測定を実行する光学評価測定装置の概略を示した図である。
【図９】液晶表示パネルにおいて周囲光が入射され場合の影響について説明するための図である。
【図１０】液晶表示パネルにおいて周囲光が入射された場合の影響について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明をする。
＜偏光素子１０の構成＞
図１は、本発明の実施の形態として示す偏光素子１０の概略構成について説明するための斜視図である。図１に示すように偏光素子１０は、基板（基体）１１と、後述する所定の偏光機能を有するワイヤーグリッド偏光層２０と、後述する所定の偏光機能を有する反射防止層３０とを備えている。
【００２１】
[基板１１]
基板１１は、所定の波長に対して光の透過性を有する光学的に透明な材料によって形成されている。例えば、光学的に透明な材料としては、石英ガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウ酸塩ガラスなどを用いることができる。なお、図１に示すように、この基板１１の一方主面を主面１１ａとし、他方主面を主面１１ｂとする。
【００２２】
[ワイヤーグリッド偏光層２０]
図１に示すように、ワイヤーグリッド偏光層２０は、上述した基板１１の主面１１ａ上に、複数本の金属細線２１を平行に形成し、さらにこの金属細線２１を所定の波長の光に対して透過性を有するＳｉＯ２などからなる誘電体膜２２で覆うことで形成されている。
【００２３】
図１に示すように、複数本の金属細線２１は、入射される入射光の波長の１／４程度以下、具体的には数十ｎｍ〜数百ｎｍオーダーのピッチＰにて等間隔に平行に形成されている。なお、ピッチＰは、隣り合う金属細線２１の中心間の間隔である。言い換えれば、このピッチＰは、金属細線２１の線幅Ｖと、隣り合う金属細線２１間との距離Ｓとを加算した値でもある。
【００２４】
金属細線２１を構成する材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金、金、銀、銅、コバルト、クロミウム、鉄、ゲルマニウム、ニッケル、鉛、白金、パラジウム、ロジウム、シリコン、タンタル、チタン、タングステ
ンなどを用いることができる。金属細線２１、誘電体膜２２は、ナノインプリントリソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、反応性イオンエッチング法といった所謂、半導体素子製作技術を応用することで基板１１ａ上に形成することができる。
【００２５】
図１に示すように、このような、ワイヤーグリッド偏光層２０は、金属細線２１の線幅Ｖ方向であるｘ軸方向を透過軸とし、金属細線２１の長さ方向であるｙ軸方向を消光軸とすることから、当該ワイヤーグリッド偏光層２０へと入射した入射光のうち透過軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波を透過し、消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波を反射して入射方向へと戻す反射型偏光素子としての偏光機能を有することになる。
【００２６】
[反射防止層３０]
図１に示すように、反射防止層３０は、ワイヤーグリッド偏光層２０の一方主面である主面２０ａ上に、複数個の島状をした金属素片である金属素片３１を配置し、さらにこの金属素片３１を所定の波長の光に対して透過性を有するＳｉＯ２などからなる誘電体膜３２で覆うことで形成されている。
【００２７】
図１に示すように金属素片３１は、数十ｎｍ〜数百ｎｍオーダーの寸法を有する略直方体形状をしている。また、図１に示すように、反射防止層３０は、金属素片３１の最も短い辺である短軸ｗ方向を透過軸とし、金属素片３１の最も長い辺である長軸ｌ方向を消光軸とする。
【００２８】
したがって、金属素片３１の長軸ｌは、ワイヤーグリッド偏光層２０の金属細線２１の長さ方向であるｙ軸方向と平行となるように配置されている。これに対し、金属素片３１の短軸ｗは、ワイヤーグリッド偏光層２０の金属細線の線幅Ｖ方向であるｘ軸方向と平行となるように配置されている。
【００２９】
金属素片３１を構成する材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金、金、銀、銅、コバルト、クロミウム、鉄、ゲルマニウム、ニッケル、鉛、白金、パラジウム、ロジウム、シリコン、タンタル、チタン、タングステンなどを用いることができる。金属細線２１、誘電体膜２２は、ナノインプリントリソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、反応性イオンエッチング法といった所謂、半導体素子製作技術を応用することで主面２０ａ上に形成することができる。
【００３０】
このように、偏光素子１０のワイヤーグリッド偏光層２０と、反射防止層３０とは、互いに消光軸が一致した状態、言い換えれば透過軸が一致した状態で形成されている。また、ワイヤーグリッド偏光層２０の金属細線２１と、反射防止層３０の金属素片３１とは、入射される所定の光に対して光学的に透明なＳｉＯ２などからなる誘電体膜２２、３２でそれぞれ覆われているため直接接触することなく互いに隔てられている。つまり、誘電体膜２２、３２は、それぞれ金属細線２１、金属素片３１の保護的な機能も担っている。
【００３１】
＜偏光素子１０の偏光機能の概要＞
次に、上述したような構成の偏光素子１０の偏光機能の概要について説明をする。
まず、図１に示すように、偏光素子１０を構成する基板１１の主面１１ｂから入射光１を入射させる場合について説明をする。
【００３２】
図１に示すように、主面１１ｂに入射した入射光１は、基板１１を透過してワイヤーグリッド偏光層２０に入射する。ワイヤーグリッド偏光層２０は、消光軸の電界振動面に平行な偏光成分１ｙの直線偏光波を反射し、透過軸に平行な電界振動面の偏光成分１ｘの直線偏光波を透過させる。透過した直線偏光波は、反射防止層３０へと入射する。
【００３３】
反射防止層３０から入射した直線偏光波は、反射防止層３０の透過軸と平行な電界振動面を有することから、エネルギーを損出することなく反射防止層３０を透過して、反射防止層３０の一方主面である主面３０ａから出射する。
【００３４】
このように、偏光素子１０は、ワイヤーグリッド偏光層２０、反射防止層３０の消光軸を一致させているため、基板１１側から入射された入射光１のうち、消光軸と平行な電界振動面を有する偏光成分１ｙの直線偏光波を反射させ入射方向へと戻し、基板１１側から入射された入射光１のうち、透過軸と平行な電界振動面を有する偏光成分１ｘの直線偏光波を透過させ反射防止層３０の主面３０ａから出射する。
【００３５】
したがって、偏光素子１０は、反射防止層３０が形成されているが、基板１１の主面１１ｂから入射された入射光１に対して、基板１１上にワイヤーグリッド偏光層２０のみを形成した反射型偏光素子と同様の機能を有することになる。
【００３６】
次に、図１に示すように偏光素子１０を構成する反射防止層３０の主面３０ａから入射光２を入射させる場合について説明をする。
【００３７】
図１に示すように、反射防止層３０は、主面３０ａに入射した入射光２のうち、当該反射防止層３０の透過軸と平行な電界振動面を有する偏光成分２ｘの直線偏光波を、エネルギーを損出することなく透過して、主面２０ａからワイヤーグリッド偏光層２０へと入射させる。
【００３８】
ワイヤーグリッド偏光層２０へと入射した偏光成分２ｘの直線偏光波の電界振動面は、ワイヤーグリッド偏光層２０の透過軸と平行であるため、エネルギーを損失することなく透過する。ワイヤーグリッド偏光層２０を透過した偏光成分２ｘの直線偏光波は、基板１１を透過し主面１１ｂから出射する。
【００３９】
また、反射防止層３０は、主面３０ａに入射した入射光２のうち、当該反射防止層３０の消光軸と平行な電界振動面を有する偏光成分２ｙの直線偏光波を、上述した金属素片３１の表面において反射するとともに、同じく金属素片３１の内部に誘発されるプラズモン共鳴により吸収する。なお、このプラズモン共鳴については、後で詳細に説明をする。
【００４０】
この反射防止層３０の消光軸と平行な電界振動面を有する偏光成分２ｙの直線偏光波のうち、金属素片３１にて反射または吸収されなかった直線偏光波は、反射防止層３０を透過して主面２０ａからワイヤーグリッド偏光層２０へと入射する。
【００４１】
ワイヤーグリッド偏光層２０へと入射した偏光成分２ｙの直線偏光波の電界振動面は、ワイヤーグリッド偏光層２０の消光軸と平行であるため、ほぼ１００％反射される。ワイヤーグリッド偏光層２０で反射された直線偏光波は、再び反射防止層３０へと戻されることになるが、金属素片３１によって一部吸収されることになる。
【００４２】
したがって、このように、偏光素子１０は、反射防止層３０を有するため、この反射防止層３０の主面３０ａから入射光２を入射させた場合、基板１１上にワイヤーグリッド偏光層２０のみを形成した偏光素子と比較して、反射される直線偏光波の光量が抑制されることになる。
【００４３】
＜ワイヤーグリッド偏光層２０、反射防止層３０の具体的特性＞
次に、最適な偏光特性を有する偏光素子１０とするために、当該偏光素子１０を構成するワイヤーグリッド偏光層２０、反射防止層３０それぞれについて具体的特性を説明する。
【００４４】
[ワイヤーグリッド偏光層２０の具体的構成]
図１に示すように、ワイヤーグリッド偏光層２０は、金属細線２１の線幅Ｖ方向であるｘ軸方向を透過軸とし、金属細線２１の長さ方向であるｙ軸方向を消光軸とすることから、当該ワイヤーグリッド偏光層２０へと入射した入射光のうち透過軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波を透過し、消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波を反射して入射方向へと戻す反射型偏光素子としての偏光機能を有することになる。
【００４５】
図２に、ワイヤーグリッド偏光層２０の金属細線２１をアルミニウム（Ａｌ）で形成した場合におけるワイヤーグリッド偏光層２０の光学的特性について示す。図２では、ワイヤーグリッド偏光層２０に形成されている金属細線２１のデューティ比（線幅Ｖ／ピッチＰ）に対する透過損失（ｄＢ）を点線で示し、同じく金属細線２１のデューティ比（線幅Ｖ／ピッチＰ）に対する消光比（ｄＢ）を実線で示している。このとき、ワイヤーグリッド偏光層２０へと入射させる入射光の波長に対する金属細線２１のピッチＰの比（ピッチＰ／波長）を０．１とした。
【００４６】
図２の実線で示すように、一般に、反射型偏光素子において、実用上、ほぼ問題のない性能を必要とされる消光比３０ｄＢは、デューティ比（線幅Ｖ／ピッチＰ）６８％において達成されることが分かる。また、図２の実線で示すように、デューティ比（線幅Ｖ／ピッチＰ）６８％で透過損失も−０．２ｄＢというように低損失となり、６８％以上から急激に減衰しているのも分かる。
【００４７】
以上のことから、ワイヤーグリッド偏光層２０は、金属細線２１をアルミニウム（Ａｌ）とし、図２に示すような設計値でデューティ比（線幅Ｖ／ピッチＰ）を決定することで、図１に示す金属細線２１の長さ方向であるｙ軸方向の直線偏光波をほぼ１００％反射することができる良好な特性を有することができる。
【００４８】
[反射防止層３０の具体的構成]
まず、反射防止層３０の具体的構成について説明する前に、反射防止層３０の反射率について検証し、引き続いて、この反射防止層３０の反射率から反射防止層３０に配置する複数個の金属素片３１の効果について説明していく。
【００４９】
反射防止層３０は、後述するプラズモン共鳴吸収を有する波長の１／４以下の長さを有する複数個の金属素片３１を配置して形成されることになる。
【００５０】
まず、図１に示すような反射防止層３０を有することにより、反射される直線偏光波の光量が抑制されることについて、偏光素子１０によって反射される反射光の反射率Ｒを算出することで説明をする。
【００５１】
図３は、偏光素子１０を図１に示すＡ−Ａ線によって切断した際の断面を示した図である。なお、ここで説明する入射光２は、反射防止層３０の消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波とする。
【００５２】
図３に示すように、反射防止層３０の主面３０ａから入射された入射光２のうち、反射防止層３０の消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の一部は、反射防止層３０の主面３０ａにて反射される。この反射された直線偏光波の反射率をｒとする。
【００５３】
また、上述したように反射防止層３０の主面３０ａにて反射されず入射した直線偏光波のうち、金属素片３１にて反射または吸収もされない直線偏光波は、反射防止層３０を透過することになる。この透過した直線偏光波の透過率をｔとする。
【００５４】
反射防止層３０を透過した直線偏光波は、ワイヤーグリッド偏光層２０でほぼ１００％反射され、再び反射防止層３０へと戻される。再び反射防止層３０へと戻された直線偏光波の反射防止層３０における透過率は、上述したｔと同じであるといえるので、偏光素子１０によって反射される反射光の反射率Ｒは、以下に示す（１）式のように表すことができる。
【００５５】
【数１】
2012098703.tif 000003
【００５６】
ここで、上述した（１）式に基づき、反射率Ｒの値をＲ１＝-１０ｄＢ,Ｒ２＝−７ｄＢ,Ｒ３＝−５．５ｄＢ,Ｒ４＝−４ｄＢ,Ｒ５＝−３ｄＢ,Ｒ６＝−２ｄＢに設定した際の反射防止層３０の透過率ｔと反射率ｒとの関係を図４に示す。
【００５７】
図４に示すように、反射防止層３０の透過率ｔと反射率ｒとを制御することで、反射防止層３０の反射率Ｒを−１０ｄＢ以上とすることができる。
【００５８】
これは、反射防止層３０のように複数個の金属素片３１を配置させた場合にのみ達成することができる現象である。具体的には、反射防止層３０に複数個の金属素片３１を配置させたことにより、この金属素片３１によってプラズモン共鳴吸収を引き起こされたことで光の吸収効果が出現したために可能となる現象である。
【００５９】
（プラズモン共鳴吸収について）
ここで、金属素片３１によって引き起こされるプラズモン共鳴吸収について説明をする。
【００６０】
一般に、金属微粒子においては、微粒子表面の自由電子が入射光と相互作用し、電子の集団的振動である表面プラズモンが励起される。このような表面プラズモンが励起された状態になると、この金属微粒子界隈では特異な光学特性を示すことが知られている。
【００６１】
特異な光学特性の一つに、金属ナノ粒子の形状によって共鳴波長及び強度が変化する「局在表面プラズモン共鳴」と呼ばれる現象がある。
【００６２】
例えば、金属ナノ粒子やナノ構造体のサイズが十分小さいとき、粒子に印加される電場は、空間的に一様である。このような準静電近似が成り立つとすると、誘電体で取り扱われる静電場に対する応答によって光吸収現象が出現することになる。このような条件下では、特定偏光方向において偏光特性が得られることが知られている。
【００６３】
具体的には、媒質中に距離ｚだけ伝搬した光の強度Ｉは、入射光Ｉ０に対して、以下に示す（２）式のように表すことができる。
【００６４】
【数２】
2012098703.tif 000004
【００６５】
ここで、吸収係数と呼ばれるγ＝４πκ／λは、粒子数をＮ、消滅断面積Ｃｅｘｔとすると、以下に示す（３）式のように表すことができる（H.C. van de Halst; ”  Light S
cattering by Small Particles” (Wiley,1957)、33頁参照）。
【００６６】
【数３】
2012098703.tif 000005
【００６７】
また、粒子１個の体積をＶとすると、単位体積あたりの粒子数は、Ｎ＝１／Ｖであるから、上述した（３）式を以下に示す（４）式のように変形することができる。
【００６８】
【数４】
2012098703.tif 000006
【００６９】
さらに、一般に消滅断面積Ｃｅｘｔは、散乱断面積Ｃｓｃａと吸収断面積Ｃａｂｓとの和によって与えられるため、散乱断面積Ｃｓｃａを無視することができる場合、吸収係数γと吸収断面積Ｃａｂｓとを、以下に示す（５）式のように表すことができる。
【００７０】
【数５】
2012098703.tif 000007
【００７１】
また、単一粒子を考えたとき、光の吸収断面積Ｃａｂｓは、外部印加電場Ｅ０に対する形式的な誘電感受率χ０、光の媒質中における波数ｋ、粒子の体積Ｖ、複素数の虚数部Ｉｍを用いて、以下に示す（６）式のように表すことができる。
【００７２】
【数６】
2012098703.tif 000008
【００７３】
通常、媒質である誘電体の誘電率εｍを実数とし、内部で吸収がある金属粒子の誘電率εを複素数（ε＝ε’＋ｊε’’）と考える。このとき、（６）式で表した吸収断面積Ｃａｂｓは、媒質の屈折率をｎｍ（ｎｍ２＝εｍ）とし、反電場係数をＬとすると、以下に示す（７）式のように表すことができる。
【００７４】
【数７】
2012098703.tif 000009
【００７５】
この（７）式において分母がゼロになるときに、吸収が共鳴的に増大し、その条件を満たす反電場係数Ｌは、以下に示す（８）式のように表すことができる。
【００７６】
【数８】
2012098703.tif 000010
【００７７】
ここで、誘電率の実部（ε’）、虚部（ε’’）は、ともに波長λの関数であるから、共鳴波長λを指定すれば、上述した（７）式から吸収断面積Ｃａｂｓの最大を与える反電場係数Ｌを求めることができる。
【００７８】
また、粒子が形状異方性を有する矩形状の素片（矩形状素片）などである場合、長さをｌ、幅をｗ、厚さをｔとすると、反電場係数Ｌを近似的に求めることができる。例えば、矩形状素片の長さ方向の反電場係数ＬＬは、以下に示す（９）式のように表すことができる。
【００７９】
【数９】
2012098703.tif 000011
【００８０】
ここで、矩形状素片とは、略直方体形状を含んでいる。図５に、略直方体形状の金属素片３１の一例を示す。図５では、光の入射方向に金属素片３１の一方主面が向くように配置した様子を示している。図５に示すように、略直方体形状の金属素片３１は、長さｌ、幅ｗとし、直方体の四辺に丸みを帯びた形状となっている。
【００８１】
図５に示すような、形状異方性を有する複数の金属素片３１を、長さ方向、幅方向を一様に揃えるように配置させて反射防止層３０を形成すると、プラズモン共鳴吸収により、それぞれの金属素片３１において長さ方向と平行な電界振動面を有する直線偏光波を多く吸収し、幅方向と平行な電界振動面を有する直線偏光波を多く透過させるといった特性を得ることができる。
【００８２】
また、このようなプラズモン共鳴吸収を引き起こす反射防止層３０を形成する場合、金属素片３１の寸法といった設計が重要となるが、上述した（９）式、（７）式を用いることで所望の波長において吸収断面積Ｃａｂｓを最大とする金属素片３１を設計することができる。
【００８３】
＜反射防止層３０における金属素片３１の形状および配置間隔の検討＞
上述したように、偏光素子１０は、形成された反射防止層３０に配置させた複数個の金属素片３１のプラズモン共鳴吸収によって、反射防止層３０の主面３０ａから入射させた入射光２の反射される直線偏光波の光量を抑制する。
【００８４】
しかしながら、上述したような反射防止層３０の直線偏光波の光量を抑制する効果を最大限発揮させるためには、反射防止層３０に配置する複数個の金属素片３１の配置間隔とその相互作用についても十分に検討しなければならないことが分かった。以下に、その理由を説明する。
【００８５】
具体的には、ＳｉＯ２ガラス中に、アルミニウム（Ａｌ）とシリコン（Ｓｉ）からなり、長さｌ＝２５０ｎｍ、幅ｗ＝５０ｎｍ、厚さｔ＝６０ｎｍとし、５５０ｎｍ近傍の光の波長に対してプラズモン共鳴吸収を有する金属素片３１を、６０ｎｍ間隔から４１０ｎｍ
間隔まで５０ｎｍ刻みで増加させていった８パターンに対して、電磁場解析の一手法であるＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain method）法を用いて、消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波に対する透過スペクトルと反射スペクトルとを数値計算した。
【００８６】
図６、図７にそれぞれＦＤＴＤ法を用いて数値計算した透過スペクトル、反射スペクトルの結果を示す。
【００８７】
図６に示すように、透過スペクトルは、入射する光の波長[μｍ]に対する透過率[ｄＢ]を、金属素片３１の配置間隔ごとにプロットしている。図６において、金属素片３１の配置間隔６０ｎｍ、１１０ｎｍ、１６０ｎｍ、２１０ｎｍ、２６０ｎｍ、３１０ｎｍ、３６０ｎｍ、４１０ｎｍの透過スペクトルをそれぞれＴ１〜Ｔ８として示した。
【００８８】
図６に示すように、金属素片３１の配置間隔を広げていくほど、透過スペクトルは、長波長側へとシフトしていく。
【００８９】
また、図７に示すように、反射スペクトルは、入射する光の波長[μｍ]に対する反射率[ｄＢ]を、金属素片３１の配置間隔ごとにプロットしている。図７において、金属素片３１の配置間隔６０ｎｍ、１１０ｎｍ、１６０ｎｍ、２１０ｎｍ、２６０ｎｍ、３１０ｎｍ、３６０ｎｍ、４１０ｎｍの反射スペクトルをそれぞれＲ１〜Ｒ８として示した。
【００９０】
図７に示すように、金属素片３１の配置間隔を広げていくほど、反射スペクトルは、長波長側へとシフトしていく。
【００９１】
図６、図７で示される傾向より、単純に金属素片３１の配置間隔を変えていっただけでは、上述したような反射防止層３０の直線偏光波の光量を抑制する効果を最大限発揮させる金属素片３１の形状、反射防止層３０に配置する複数の金属素片３１の配置間隔を決定することは困難である。
【００９２】
したがって、上述したような反射防止層３０の直線偏光波の光量を抑制する効果を最大限発揮させる金属素片３１の形状、反射防止層３０に配置する複数の金属素片３１の配置間隔は、解析的手法により決定する必要がある。
【００９３】
＜実施例＞
以下、実施例１〜３により、実際に偏光素子１０を作製し、作製した偏光素子１０に対して光学測定評価を実行することで金属素片３１の形状、反射防止層３０における複数の金属素片３１の配置間隔の効果を検証した。
【００９４】
まず、図８を用いて、実施例１〜３において作製する偏光素子１０の光学測定評価を行う光学測定装置５０について説明をする。光学測定装置５０は、所定の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ５１と、偏光子であるグラントムソンプリズム５２と、偏光素子１０を透過した直線偏光波を受光し所望の光学測定値を検出する光パワーメータ５３と、偏光素子１０で反射された直線偏光波を受光し所望の光学測定値を検出する光パワーメータ５４とを備え、測定評価対象である偏光素子１０の光学測定を実行した。
【００９５】
なお、測定評価対象である偏光素子１０は、図１に示した偏光素子１０と全く同じ構成であるため、対応する部材の符合などを一致させて説明をする。
【００９６】
図８に示すように、偏光素子１０は、グラントムソンプリズム５２から出射された光を反射防止層３０の主面３０ａから入射するように配置する。これにより、偏光素子１０を透過した光は、基板１１の主面１１ｂから出射することになる。
【００９７】
また、図８に示すように、光パワーメータ５３は、偏光素子１０の主面１１ｂからの距離が２０ｍｍの位置となるように配置した。光パワーメータ５４は、偏光素子１０の主面３０ａからの距離が６００ｍｍの位置となるように配置した。
【００９８】
このような、光学測定装置５０を用い、以下に説明をする実施例１〜３で作製した各偏光素子１０の光学測定評価を行った。
【００９９】
[実施例１]
（１）偏光素子１０の作製
実施例１では、半導体レーザ５１から出射し、偏光素子１０の主面３０ａへと入射させる入射光の波長を６３３ｎｍとして、この波長に応じた偏光素子１０を作製した。
【０１００】
まず、１インチ角の石英ガラスからなる基板１１の主面１１ａ上に、真空蒸着法にて２００ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成した。その後、このアルミニウム（Ａｌ）薄膜に対してナノインプリントリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法を用いて、線幅Ｖを４３ｎｍ、ピッチＰを６３ｎｍとした複数本の金属細線２１を約５ｍｍ×５ｍｍの領域内に形成した。
【０１０１】
その後、この複数本の金属細線２１を約２００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で覆うことでワイヤーグリッド偏光層２０を作製した。
【０１０２】
このようにして、基板１１上にワイヤーグリッド偏光層２０を形成した状態において、半導体レーザ５１から波長６３３ｎｍの入射光を主面２０ａに入射させると、透過損失、消光比、ワイヤーグリッド偏光層２０の消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射光量は、それぞれ−０．２１ｄＢ、３１ｄＢ、９９．９％となり反射型偏光素子として良好に機能することが分かった。
【０１０３】
このようにして形成されたワイヤーグリッド偏光層２０の主面２０ａ上に、真空蒸着法にておよそ２０ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成した。その後、このアルミニウム（Ａｌ）薄膜に対してナノインプリントリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法を用いて、長軸ｌを１１０ｎｍ、短軸ｗを３０ｎｍとした複数個の金属素片３１を、ワイヤーグリッド偏光層２０の金属細線２１の長さ方向に金属素片３１の長軸ｌを略一致させるようにして、約５ｍｍ×５ｍｍの領域内に形成した。
【０１０４】
その後、この複数個の金属素片３１を約４００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で覆うことで反射防止層３０を作製した。
【０１０５】
この実施例１においては、複数個の金属素片３１の配置間隔を２６０ｎｍとした反射防止層３０、複数個の金属素片３１の配置間隔を３６０ｎｍとした反射防止層３０をそれぞれ有することで、反射防止層３０の吸収ピーク波長が異なる２タイプの偏光素子１０を作製した。
【０１０６】
複数個の金属素片３１の配置間隔を２６０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、６３３ｎｍとなった。また、複数個の金属素片３１の配置間隔を３６０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、６６２ｎｍとなった。
【０１０７】
（２）光学測定評価
このようにして作製した異なる反射防止層３０を有する２タイプの偏光素子１０を、図８に示す光学測定装置５０に設置して、消光比（ｄＢ）、偏光素子１０に入射する入射光
のうち消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射率（％）を測定した結果を表１に示す。
【０１０８】
【表１】
2012098703.tif 000012
【０１０９】
なお、偏光素子１０の透過損失は、反射防止層３０の吸収ピーク波長にかかわらず０．５ｄＢ〜０．７ｄＢの範囲内で一定となった。
【０１１０】
[実施例２]
（１）偏光素子１０の作製
実施例２では、半導体レーザ５１から出射し、偏光素子１０の主面３０ａへと入射させる入射光の波長を５５０ｎｍとして、この波長に応じた偏光素子１０を作製した。
【０１１１】
まず、１インチ角の石英ガラスからなる基板１１の主面１１ａ上に、真空蒸着法にて２００ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成した。その後、このアルミニウム（Ａｌ）薄膜に対してナノインプリントリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法を用いて、線幅Ｖを３７ｎｍ、ピッチＰを５５ｎｍとした複数本の金属細線２１を約５ｍｍ×５ｍｍの領域内に形成した。
【０１１２】
その後、この複数本の金属細線２１を約２００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で覆うことでワイヤーグリッド偏光層２０を作製した。
【０１１３】
このようにして、基板１１上にワイヤーグリッド偏光層２０を形成した状態において、半導体レーザ５１から波長５５０ｎｍの入射光を主面２０ａに入射させると、透過損失、消光比、ワイヤーグリッド偏光層２０の消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射光量は、それぞれ−０．２２ｄＢ、３１ｄＢ、９９．９％となり反射型偏光素子として良好に機能することが分かった。
【０１１４】
このようにして形成されたワイヤーグリッド偏光層２０の主面２０ａ上に、真空蒸着法にておよそ２０ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成した。その後、このアルミニウム（Ａｌ）薄膜に対してナノインプリントリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法を用いて、長軸ｌを１１０ｎｍ、短軸ｗを３０ｎｍとした複数個の金属素片３１を、ワイヤーグリッド偏光層２０の金属細線２１の長さ方向に金属素片３１の長軸ｌを略一致させるようにして、約５ｍｍ×５ｍｍの領域内に形成した。
【０１１５】
その後、この複数個の金属素片３１を約４００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で覆うことで反射防止層３０を作製した。
【０１１６】
この実施例２においては、複数個の金属素片３１の配置間隔を１００ｎｍとした反射防止層３０、複数個の金属素片３１の配置間隔を１５０ｎｍとした反射防止層３０をそれぞれ有することで、反射防止層３０の吸収ピーク波長が異なる２タイプの偏光素子１０を作
製した。
【０１１７】
複数個の金属素片３１の配置間隔を１００ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、５６５ｎｍとなった。また、複数個の金属素片３１の配置間隔を１５０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、５８０ｎｍとなった。
【０１１８】
（２）光学測定評価
このようにして作製した異なる反射防止層３０を有する２タイプの偏光素子１０を、図８に示す光学測定装置５０に設置して、消光比（ｄＢ）、偏光素子１０に入射する入射光のうち消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射率（％）を測定した結果を表２に示す。
【０１１９】
【表２】
2012098703.tif 000013
【０１２０】
なお、偏光素子１０の透過損失は、反射防止層３０の吸収ピーク波長にかかわらず０．５ｄＢ〜０．６ｄＢの範囲内で一定となった。
【０１２１】
[実施例３]
（１）偏光素子１０の作製
実施例３では、半導体レーザ５１から出射し、偏光素子１０の主面３０ａへと入射させる入射光の波長を４７０ｎｍとして、この波長に応じた偏光素子１０を作製した。
【０１２２】
まず、１インチ角の石英ガラスからなる基板１１の主面１１ａ上に、真空蒸着法にて２００ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成した。その後、このアルミニウム（Ａｌ）薄膜に対してナノインプリントリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法を用いて、線幅Ｖを３２ｎｍ、ピッチＰを４７ｎｍとした複数本の金属細線２１を約５ｍｍ×５ｍｍの領域内に形成した。
【０１２３】
その後、この複数本の金属細線２１を約２００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で覆うことでワイヤーグリッド偏光層２０を作製した。
【０１２４】
このようにして、基板１１上にワイヤーグリッド偏光層２０を形成した状態において、半導体レーザ５１から波長４７０ｎｍの入射光を主面２０ａに入射させると、透過損失、消光比、ワイヤーグリッド偏光層２０の消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射光量は、それぞれ−０．２３ｄＢ、３０ｄＢ、９９．９％となり反射型偏光素子として良好に機能することが分かった。
【０１２５】
このようにして形成されたワイヤーグリッド偏光層２０の主面２０ａ上に、真空蒸着法にておよそ２０ｎｍ厚のアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成した。その後、このアルミニウム（Ａｌ）薄膜に対してナノインプリントリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法を用いて、長軸ｌを７７ｎｍ、短軸ｗを３０ｎｍとした複数個の金属素片３１を、ワイヤ
ーグリッド偏光層２０の金属細線２１の長さ方向に金属素片３１の長軸ｌを略一致させるようにして、約５ｍｍ×５ｍｍの領域内に形成した。
【０１２６】
その後、この複数個の金属素片３１を約４００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で覆うことで反射防止層３０を作製した。
【０１２７】
この実施例３においては、複数個の金属素片３１の配置間隔を６０ｎｍとした反射防止層３０、複数個の金属素片３１の配置間隔を１１０ｎｍとした反射防止層３０、複数個の金属素片３１の配置間隔を１６０ｎｍとした反射防止層３０、複数個の金属素片３１の配置間隔を２１０ｎｍとした反射防止層３０をそれぞれ有することで、反射防止層３０の吸収ピーク波長が異なる４タイプの偏光素子１０を作製した。
【０１２８】
複数個の金属素片３１の配置間隔を６０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、４３７ｎｍとなった。また、複数個の金属素片３１の配置間隔を１１０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、４６０ｎｍとなった。また、複数個の金属素片３１の配置間隔を１６０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、４８０ｎｍとなった。また、複数個の金属素片３１の配置間隔を２１０ｎｍにした場合、反射防止層３０の吸収ピーク波長は、４９０ｎｍとなった。
【０１２９】
（２）光学測定評価
このようにして作製した異なる反射防止層３０を有する４タイプの偏光素子１０を、図８に示す光学測定装置５０に設置して、消光比（ｄＢ）、偏光素子１０に入射する入射光のうち消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射率（％）を測定した結果を表３に示す。
【０１３０】
【表３】
2012098703.tif 000014
【０１３１】
なお、偏光素子１０の透過損失は、反射防止層３０の吸収ピーク波長にかかわらず０．６ｄＢ〜０．７ｄＢの範囲内で一定となった。
【０１３２】
（結果と考察）
表１〜表３から分かるように、偏光素子１０に入射する入射光のうち消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射率（％）が５０％以上となり、反射防止層３０による入射光に対する高い抑制効果を示しているのは、以下の２つの場合である。それ以外の直線偏光波の反射率（％）は、３０％近傍で推移しているのが分かる。
【０１３３】
１つ目は、実施例１において、反射防止層３０に配置する複数の金属素片３１の配置間隔を３６０ｎｍとして作製した偏光素子１０である。このときの吸収ピーク波長は、６６
２ｎｍであり、偏光素子１０における反射防止層３０の主面３０ａから入射する入射光のうち消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射率（％）が５６％となり、反射防止層３０による入射光に対する高い抑制効果を示しているのが分かる。
【０１３４】
２つ目は、実施例３において、反射防止層３０に配置する複数の金属素片３１の配置間隔を６０ｎｍとして作製した偏光素子１０である。このときの吸収ピーク波長は、４３７ｎｍであり、偏光素子１０における反射防止層３０の主面３０ａから入射する入射光のうち消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波の反射率（％）が５０％となり、反射防止層３０による入射光に対する高い抑制効果を示しているのが分かる。
【０１３５】
このように、偏光素子１０は、反射防止層３０に配置させる複数の金属素片３１の形状、反射防止層３０に配置する複数の金属素片３１の配置間隔を解析的手法により検討することで、上述したような金属素片３１によるプラズモン共鳴吸収による吸収効果を最大限発揮するため、ワイヤーグリッド偏光層２０で反射され、反射防止層を往復することになる入射光に対する抑制効果を高いレベルで実現している。
【０１３６】
また、このように偏光素子１０において、反射防止層３０の抑制効果が高いレベルで実現されている場合、複数個の金属素片３１のプラズモン共鳴吸収波長が、当該偏光素子１０のワイヤーグリッド偏光層２０で反射された直線偏光波の波長帯域に含まれていることを意味している。
【０１３７】
さらに、このような偏光素子１０を、液晶表示装置の液晶パネルのバックライト側に配置される反射型偏光素子として用いた場合、液晶表示装置が暗状態にて表面から入射した周囲光によって引き起こされるコントラスト比の低下といった悪影響を大幅に低減することができる。
【０１３８】
以上、実施例を用いて、金属素片３１がアルミニウム（Ａｌ）から構成され、かつその形状が略直方体形状の場合について、金属素片のサイズを固定し、その配置間隔を変化させた場合を詳細に説明した。上述したように、本願発明の効果は、金属素片３１を配置した反射防止層３０による、ワイヤーグリッド偏光層２０で反射された反射光を抑制して出射するという要件を充足する限り、他の金属素片３１の材料および、形状、例えば楕円体柱形状、あるいは小判型形状などにおいても得られることは明白であり、改めて言及するまでもない。また、金属素片の配置間隔を一定とし、金属素片サイズを変化させた場合でも同等の効果が得られることは明らかである。
【０１３９】
なお、本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。例えば、式（１）を満たす反射率及び透過率を有した吸収型あるいは反射型偏光素子を反射防止層３０として用いても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明の偏光素子は、液晶表示装置を始めとする光学機器に広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１４１】
１１      基板
２０      ワイヤーグリッド偏光層
２１      金属細線
３０      反射防止層
３１      金属素片
【図１】
2012098703.tif 000015
【図２】
2012098703.tif 000016
【図３】
2012098703.tif 000017
【図４】
2012098703.tif 000018
【図５】
2012098703.tif 000019
【図６】
2012098703.tif 000020
【図７】
2012098703.tif 000021
【図８】
2012098703.tif 000022
【図９】
2012098703.tif 000023
【図１０】
2012098703.tif 000024