(57)【要約】【課題】簡便な構成であり、小型化及び低コスト化を実現可能な偏光変換素子を提供する。【解決手段】偏光変換素子１０は、光が入射する側から順に、基板１２、偏光選択集光部１４、偏光回転部１６、及び基板１８をこの順に積層した構成である。この偏光選択集光部１４は、光が入射する側から順に、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂをこの順に積層した積層体である。補正層１４Ｂは、２種類の偏光成分の内の集光層１４Ａを透過したＴＭ偏光成分における位相差を相殺するように補正する。このため、偏光選択集光部１４は、偏光変換素子１０に入射した光に含まれるＴＥ偏光成分を、選択的に偏光回転部１６の後述する回転領域１６Ａの設けられた領域に向かって集光させる。【選択図】図１
2012145833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光に含まれる電場振動方向が互いに直交する２種類の偏光成分の内の少なくとも一方の第１の偏光成分を集光させる集光層と、
前記集光層より光出射側に設けられ、前記２種類の偏光成分の内の該集光層を透過した他方の第２の偏光成分における位相差を相殺するように補正する補正層と、
前記補正層より光出射側に設けられ、前記集光層によって集光された前記第１の偏光成分の電場振動方向を前記第２の偏光成分の電場振動方向に偏光回転させる偏光回転部と、
を備えた偏光変換素子。
【請求項２】
前記集光層及び前記補正層が、入射する光の波長より小さい周期構造を有する回折格子からなり、且つ該集光層と該補正層の格子方向が互いに直交する請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
前記集光層と前記補正層との層間隔が、入射する光の光路長の１／２±１０％である請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子。
【請求項４】
前記偏光回転部の光出射側に設けられ、前記他方の偏光成分を透過する偏光選択部を更に備えた請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の偏光変換素子。
【請求項５】
前記偏光選択部が、入射する光の波長より小さい周期で配列された複数の金属線により構成された請求項４に記載の偏光変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光とは、光の電気振動（または、電気信号に直交する磁気振動）の振動方向がランダムな状態である白色光に対し、振動の方向が揃っている光を示す。
【０００３】
このような偏光を制御する偏光制御素子としては、偏光選択素子、偏光分離素子、位相シフト素子、旋光素子、及び無機ガラス材料を用いた位相変調素子等が知られている（特許文献１〜特許文献５、非特許文献１等参照）。
【０００４】
また、入射光を特定の方向の直線偏光にして出射する素子としては、偏光変換素子が知られている。この偏光変換素子は、上述した偏光制御素子を組み合わせることにより形成されるものであり、光利用効率の向上のために広く利用されている。このような偏光変換素子は、ランプ光源またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源等から出射されるランダム偏光成分を、直交する二つの偏光成分に分離する。そして、一方の直線偏光成分の偏光面を９０度回転させて、偏光成分を特定の偏光方向に揃えた直線偏光として出射する。これにより、特定方向の偏光に対し５０％以上の光利用効率を得ることができる。
【０００５】
このような偏光変換素子としては、偏光分離または光路分岐した偏光成分をレンズアレイにて集光し、特定の偏光成分のみについて偏光方向を揃えるものや、偏光ビームスプリッタアレイと偏光回転部を用いたものが知られている（特許文献６及び特許文献７参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の偏光変換素子は、高価なものとなりやすく、また複雑化及び大型化する傾向にあった。
【０００７】
即ち、特許文献６〜特許文献７等に記載されている偏光変換素子は、レンズ等による収束・拡散光学系を用いた偏光変換素子であり、光路長が長くなる。このため、素子全体の構成が大型なものとなってしまい、小型化することは困難であった。また、特許文献６〜特許文献７に開示されている偏光変換素子では、レンズ光学系のアライメントが煩雑であることから、偏光変換素子の製造コストが高くなるという問題点も有していた。また、特許文献７等に記載されている偏光変換素子は、主にキューブプリズムアレイにより構成されるが、プリズム自体が高価であることや、アレイ化のための接着工程を行う必要があることから、製造コストが高く非常に高価な素子となってしまうという問題があった。また、プリズムアレイは一定の大きさを必要とするため、小型化には限界があった。
【０００８】
このように、従来技術では、小型化可能であって低コストで製造することが可能な、簡便な構成の偏光変換素子は実現されていなかった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、簡便な構成であり、且つ小型化及び低コスト化を実現可能な偏光変換素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、入射する光に含まれる電場振動方向が互いに直交する２種類の偏光成分の内の少なくとも一方の第１の偏光成分を集光させる集光層と、前記集光層より光出射側に設けられ、前記２種類の偏光成分の内の該集光層を透過した他方の第２の偏光成分における位相差を相殺するように補正する補正層と、前記補正層より光出射側に設けられ、前記集光層によって集光された前記第１の偏光成分の電場振動方向を前記第２の偏光成分の電場振動方向に偏光回転させる偏光回転部と、を備えた偏光変換素子である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡便な構成であり、小型化及び低コスト化を実現可能な偏光変換素子を提供することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施の形態の偏光変換素子を模式的に示した断面図である。
【図２】図２は、本実施の形態の偏光変換素子における図１とは異なる形態を模式的に示した断面図である。
【図３】図３は、本実施の形態の偏光変換素子における図１とは異なる形態を模式的に示した断面図である。
【図４】図４は、集光層及び補正層における周期構造を模式的に示した断面図である。
【図５】図５は、ＴＥ偏光成分の有効屈折率ｎＴＥ及びＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭと、フィルファクタｆと、の関係を示す線図である。
【図６】図６は、ＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分の各々における、フィルファクタｆと位相差との関係を示す線図である。
【図７】図７は、偏光選択集光部を透過したＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分の各々の光が回転領域に至る状態を模式的に示したものであり、（Ａ）は、偏光変換素子を模式的に示した断面図であり、（Ｂ）は、偏光選択集光部から回転領域に至るＴＥ偏光成分の光の状態を示す模式図であり、（Ｃ）は、偏光選択集光部を透過するＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と有効屈折率との関係を示す線図である。また、（Ｄ）は、偏光選択集光部を透過したＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図であり、（Ｅ）は、偏光選択集光部から回転領域に至るＴＭ偏光成分の光の状態を示す模式図であり、（Ｆ）は、偏光選択集光部を透過するＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と有効屈折率との関係を示す線図であり、（Ｇ）は、偏光選択集光部を透過したＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図である。
【図８】図８は、偏光選択集光部における集光層及び補正層の各々を透過したＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分の各々の光が回転領域に至る状態を模式的に示したものであり、（Ａ）は、偏光選択集光部から回転領域に至るＴＥ偏光成分の光の状態を示す模式図であり、（Ｂ）は、集光層を透過するＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と有効屈折率との関係を示す線図であり、（Ｃ）は、集光層を透過したＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図である。また、（Ｄ）は、補正層を透過するＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と有効屈折率との関係を示す線図であり、（Ｅ）は、補正層を透過したＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図であり、（Ｆ）は、偏光選択集光部を透過したＴＥ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図であり、（Ｇ）は、偏光選択集光部から回転領域に至るＴＭ偏光成分の光の状態を示す模式図であり、（Ｈ）は、集光層を透過するＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と有効屈折率との関係を示す線図である。また、（Ｉ）は、補正層を透過するＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と有効屈折率との関係を示す線図であり、（Ｊ）は、集光層を透過したＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図であり、（Ｋ）は、補正層を透過したＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図であり、（Ｌ）は、偏光選択集光部を透過したＴＭ偏光成分における回転領域に直交する直線Ｐからの位置と位相差との関係を示す線図である。
【図９】図９は、集光層における、ＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分の各々のフィルファクタと位相差との関係を示す線図である。
【図１０】図１０は、補正層における、ＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分の各々のフィルファクタと位相差との関係を示す線図である。
【図１１】図１１は、偏光変換素子に入射した光の状態を示す模式図であり、（Ａ）は、偏光変換素子に入射したＴＥ偏光成分の光の状態を示す模式図であり、（Ｂ）は、偏光変換素子に入射したＴＭ偏光成分の光の状態を示す模式図である。
【図１２】図１２は、偏光変換素子を示す模式図であり、（Ａ）は、偏光変換素子を模式的に示した断面図であり、（Ｂ）は、偏光選択集光部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１３】図１３は、本実施の形態の偏光変換素子における図１とは異なる形態を模式的に示した断面図である。
【図１４】図１４は、本実施の形態の偏光変換素子における図１とは異なる形態を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる偏光変換素子の一の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本実施の形態における偏光変換素子１０（図１参照）は、入射した光を特定の電場振動方向の直線偏光として出射する素子である。図１に示すように、本実施の形態の偏光変換素子１０は、光が入射する側（図１中、矢印Ａ方向参照）から順に、基板１２、偏光選択集光部１４、偏光回転部１６、及び基板１８を積層した構成である。偏光選択集光部１４と偏光回転部１６との間には、空隙であるギャップ領域２０が設けられている。偏光回転部１６には、偏光回転部１６の面に沿って、回転領域１６Ａ及び透過領域１６Ｂが交互に設けられている。
【００１５】
なお、図１〜図１４中に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、直交座標系を示している。この直交座標系におけるＸＹ平面は、上記偏光選択集光部１４及び偏光回転部１６の積層方向に直交する面であり、また、これらの各部の面に平行な面である。また、Ｚ軸は、このＸＹ平面に垂直な座標軸である。
【００１６】
本実施の形態の偏光変換素子１０には、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光成分と、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光成分と、の混在した光が入射する。本実施の形態では、このＴＥ偏光成分（第１の偏光成分）とは、電場振動方向が上記Ｙ軸方向である偏光成分を示す。また、ＴＭ偏光成分（第２の偏光成分）とは、電場振動方向が上記Ｘ軸方向である偏光成分を示す。すなわち、このＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分とが、偏光変換素子１０に入射する光に含まれる、電場振動方向が互いに直交する２種類の偏光成分に相当する。
【００１７】
偏光選択集光部１４は、偏光変換素子１０に入射した光に含まれるＴＥ偏光成分を、選択的に偏光回転部１６の後述する回転領域１６Ａの設けられた領域に向かって集光させる。なお、ＴＭ偏光成分については、偏光選択集光部１４によって集光されずに該偏光選択集光部１４を透過する（詳細後述）。
【００１８】
この偏光選択集光部１４は、光が入射する側から順に、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂを積層した積層体である（図１参照）。
【００１９】
集光層１４Ａは、入射する光に含まれるＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分の内の少なくともＴＥ偏光成分を、回転領域１６Ａに向かって集光させる機能（以下、集光機能と称する）を有する。この集光層１４Ａには、該集光層１４Ａに入射する光の波長より小さい周期構造が形成されており、該集光機能が発現するように該周期構造のパラメータが設計されている（詳細後述）。
【００２０】
この集光層１４Ａには、例えば、回折格子が用いられる。この集光層１４Ａに用いられる回折格子としては、入射する光に対して透明（入射する光の透過率が８０％以上）な板状部材を、格子ベクトル方向をＸ軸方向として配列した構成が挙げられる。該板状部材の構成材料としては、例えば、透明な誘電体材料が挙げられる。
【００２１】
本実施の形態では、この集光層１４Ａには、集光層１４Ａにおける周期構造の単位周期に対応して単位構造が形成されている。この単位構造は、偏光回転部１６に設けられた回転領域１６Ａ毎に対応して設けられている。集光層１４Ａには、例えば、図１に示す単位周期Ｗ１で単位構造が形成されている。このため、集光層１４Ａでは、この単位構造毎にＴＥ偏光成分に集光力（回転領域１６Ａに向かって集光する力）が付与される、いわゆるシリンドリカルレンズ構造とされている。この単位周期Ｗ１としては、偏光変換素子１０を適用する対象によって異なるが、例えば、２μｍ以上１００μｍ以下程度の値が挙げられる。
【００２２】
集光層１４Ａは、例えば、ガラス等の透明基板の表面を加工すること、または、ガラス等の透明基板にガラス等と異なる屈折率を有する膜を形成し、その膜を加工すること等により作製される。
【００２３】
なお、図１には、偏光変換素子１０の一部を拡大して模式的に示したため、集光層１４Ａの周期構造における単位構造（単位周期Ｗ１）が２個である場合を示した。しかし、偏光変換素子１０には、３個以上の多数の単位構造（単位周期Ｗ１）がＸ軸方向に連続して設けられていてもよい。
【００２４】
補正層１４Ｂは、集光層１４Ａの光出射側に設けられている。補正層１４Ｂは、２種類の偏光成分の内の該集光層１４Ａを透過したＴＭ偏光成分における位相差を相殺するように補正する機能（以下、位相補正機能と称する）。これによって、集光層１４Ａを透過することによってＴＭ偏光成分に付与された集光力は相殺される。
【００２５】
なお、本実施の形態において、上記「位相差」とは、偏光選択集光部１４の各層を透過したＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分の各々における、位置に対する位相の差を示している。なお、この「位置」とは、偏光選択集光部１４の面（ＸＹ平面）に対して直交し、且つ回転領域１６Ａの中央を通る直線（図７中、直線Ｐ参照、以下「直線Ｐ」と称する）と、該偏光選択集光部１４（集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂ）の面と、の交点を原点“０”としたときの、該原点からの位置（距離）を示している。
【００２６】
このため、本実施の形態では、集光層１４Ａを透過したＴＥ偏光成分における位相差とは、集光層１４Ａの該原点を透過したＴＥ偏光成分と、集光層１４Ａ上の各位置を透過したＴＥ偏光成分と、の位相の差を示す。また、補正層１４Ｂを透過したＴＥ偏光成分における位相差とは、補正層１４Ｂの該原点を透過したＴＥ偏光成分と、補正層１４Ｂ上の各位置を透過したＴＥ偏光成分と、の位相の差を示す。
【００２７】
同様に、集光層１４Ａを透過したＴＭ偏光成分における位相差とは、集光層１４Ａの該原点を透過したＴＭ偏光成分と、集光層１４Ａ上の各位置を透過したＴＭ偏光成分と、の位相の差を示す。また、補正層１４Ｂを透過したＴＭ偏光成分における位相差とは、補正層１４Ｂの該原点を透過したＴＭ偏光成分と、補正層１４Ｂ上の各位置を透過したＴＭ偏光成分と、の位相の差を示す。
【００２８】
この補正層１４Ｂには、該補正層１４Ｂに入射する光の波長より小さい周期構造が形成されており、上記位相補正機能が発現するように、周期構造のパラメータや格子ベクトル方向が設計されている。なお、補正層１４Ｂについても、集光層１４Ａの単位周期Ｗ１に対応する単位周期で、周期構造が設けられている。
【００２９】
補正層１４Ｂには、例えば、回折格子が用いられる。この補正層１４Ｂに用いられる回折格子としては、入射する光に対して透明な板状部材を、格子ベクトル方向をＹ軸方向として配列した構成が挙げられる。該板状部材の構成材料としては、例えば、透明な誘電体材料が挙げられる。
【００３０】
補正層１４Ｂは、ガラス等の透明基板の表面を加工すること、または、ガラス等の透明基板にガラス等と異なる屈折率を有する膜を形成し、その膜を加工すること等により作製される。
【００３１】
ギャップ領域２０は、偏光選択集光部１４と偏光回転部１６との間の空隙の領域である。このギャップ領域２０は、偏光選択集光部１４と偏光回転部１６との間隙に空気を充填した領域であってもよいし、該間隙に透明な誘電体材料を充填した領域（図２中、ギャップ領域２０Ａ参照）であってもよい。すなわち、偏光変換素子１０のギャップ領域２０をギャップ領域２０Ａとした偏光変換素子１０Ａとしてもよい。なお、図２に示す偏光変換素子１０Ａは、ギャップ領域２０に変えてギャップ領域２０Ａを用いた以外は偏光変換素子１０と同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。
【００３２】
偏光回転部１６は、入射した光の偏光方向を変えることなくそのまま透過させる透過領域１６Ｂと、入射した光の偏光方向を変えて出射させる回転領域１６Ａと、により形成されている。これらの透過領域１６Ｂと回転領域１６Ａとは、ＸＹ平面に沿って交互に配列されている。そして、偏光回転部１６では、各回転領域１６Ａが、集光層１４Ａの各単位構造（単位周期Ｗ１）に対応する位置に設けられている。また、この回転領域１６Ａは、集光層１４Ａの各単位構造によって集光された光が集光する位置に対応して配置されている。すなわち、回転領域１６Ａには、集光層１４Ａを透過したＴＥ偏光成分が集光される。そして、各回転領域１６Ａは、上記単位周期Ｗ１毎に、該単位周期Ｗ１より小さい単位周期Ｗ２（Ｗ１＞Ｗ２）でＸＹ平面に沿って配置されている。
【００３３】
なお、単位周期Ｗ２は、集光層１４Ａによるシリンドリカルレンズ構造の集光スポット径に合わせて調整すればよい。例えば、この単位周期Ｗ２は、単位周期Ｗ１の５％以上４０％以下程度の範囲が好ましい。
【００３４】
回転領域１６Ａは、特定の偏光成分について、１／２波長分の位相をシフトさせる機能を有する。このため、回転領域１６Ａに入射したＴＥ偏光成分は、ＴＭ偏光成分として出射される。一方、回転領域１６Ａに入射したＴＭ偏光成分は、ＴＥ偏光成分として出射される。
【００３５】
この回転領域１６Ａは、該機能を有する領域であればよく、色素含有ポリマー等から構成してもよいし、サブ波長構造、位相変調構造、旋光素子等により構成してもよい。なお、小型化や透過効率の観点からは、回転領域１６Ａとしては、サブ波長構造、位相変調構造、旋光素子等により構成することが好ましい。このため、回転領域１６Ａとしては、入射する光の波長以下の周期構造を有する回折格子により構成することが好ましい。
【００３６】
この回転領域１６Ａに用いられる回折格子としては、入射する光に対して透明な板状部材を、格子ベクトル方向をＸ軸方向とＹ軸方向との中間の方向（４５°方向）として配列した構成が挙げられる。該板状部材の構成材料としては、入射する光に対して透明な誘電体材料が挙げられる。
【００３７】
透過領域１６Ｂは、入射する光の電場振動方向を変えずにそのまま透過させる領域である。
【００３８】
上記回転領域１６Ａ及び透過領域１６Ｂを有する偏光回転部１６は、例えば、透明なガラス基板上の、集光層１４Ａの各単位構造に対応する位置に、回転領域１６Ａを単位周期Ｗ２で形成することによって作製される。例えば、偏光回転部１６は、ガラス等の透明基板の表面を加工すること、または、ガラス等の透明基板にガラス等と異なる屈折率を有する膜を形成し、その膜を加工すること等により作製される。
【００３９】
基板１２及び基板１８は、入射する光に対して透明な誘電体材料から構成される。
【００４０】
なお、本実施の形態における偏光変換素子１０では、基板１２と基板１８との間に、光入射側から順に、偏光選択集光部１４、ギャップ領域２０、及び偏光回転部１６が設けられた構成である場合を説明するが、基板１２及び基板１８の少なくとも一方を設けない構成であってもよい。具体的には、図３に示すように、基板１８を有さない構成の偏光変換素子１０Ｃとしてもよい。なお、図３に示す偏光変換素子１０Ｃは、基板１８を備えない以外は偏光変換素子１０と同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。
【００４１】
以上のように構成された本実施の形態の偏光変換素子１０では、光が基板１２側から入射すると、入射した光を特定の電場振動方向の直線偏光として出射する。
【００４２】
ここで、上述のように、本実施の形態の偏光変換素子１０では、偏光選択集光部１４は、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの積層体である。
【００４３】
偏光選択集光部１４が補正層１４Ｂを有さず、集光層１４Ａのみから構成されていると、入射する光に含まれるＴＥ偏光成分のみではなく、ＴＭ偏光成分にもまた集光力が付与される。このため、補正層１４Ｂを有さない構成である場合には、ＴＥ偏光成分のみではなくＴＭ偏光成分もまた偏光回転部１６の回転領域１６Ａに集光されることとなる。
【００４４】
これは、集光層１４Ａにおける上記原点を透過したＴＭ偏光成分と、集光層１４Ａ上の各位置におけるＴＭ偏光成分と、の位相の差が、一定とはならないためである。このため、集光層１４Ａのみから偏光選択集光部１４を構成した場合には、入射する光に含まれるＴＥ偏光成分と共に、ＴＭ偏光成分もまた集光されてしまい、ＴＥ偏光成分を選択的に回転領域１６Ａに集光させることは出来ない。
【００４５】
一方、本実施の形態では、集光層１４Ａの光出射側に補正層１４Ｂが設けられている。この補正層１４Ｂは、上述のように、集光層１４Ａを透過することによってＴＭ偏光成分に付与された集光力を相殺する、位相補正機能を有する。具体的には、補正層１４Ｂは、集光層１４Ａを透過して該補正層１４Ｂに入射したＴＭ偏光成分における位相差を相殺するように補正する。このため、補正層１４Ｂを光が透過することによって、集光層１４ＡによってＴＭ偏光成分に付与された集光力が相殺されて、ＴＥ偏光成分が選択的に回転領域１６Ａに向かって集光される。
【００４６】
このような集光層１４Ａによる集光機能及び補正層１４Ｂによる位相補正機能の発現は、これらの層における周期構造のパラメータの調整と格子ベクトル方向の調整とを組み合わせることによって実現される。
【００４７】
まず、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂにおける周期構造のパラメータの調整について説明する。
【００４８】
図４には、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂにおける周期構造を模式的に示した。
【００４９】
図４に示すように、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂは、例えば、入射する光に対して透明な板状部材１５Ａを複数配列した構成の回折格子とされている。
【００５０】
本実施の形態では、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂにおける周期構造のパラメータとは、板状部材１５Ａのピッチ（補正層１４Ｂ及び集光層１４Ａの周期構造の周期に相当、図４中、ピッチｐ参照）、板状部材１５Ａの格子幅（板状部材１５Ａの配列方向の長さに相当、図４中、格子幅ｗ参照）、板状部材１５Ａの高さ（図４中、高さｄ参照）、板状部材１５Ａの屈折率ｎ１（以下、格子屈折率ｎ１と称する）、及び背景媒質１５Ｂの屈折率ｎ２（以下、屈折率ｎ２と称する）を示している。
【００５１】
以下には、これらの周期構造のパラメータと、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの各々を透過するＴＥ偏光成分の有効屈折率ｎＴＥとの関係式を示した。また、これらの周期構造のパラメータと、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの各々を透過するＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭとの関係式についても以下に示した。
【００５２】
【数１】
2012145833.tif 000003
【００５３】
【数２】
2012145833.tif 000004
【００５４】
【数３】
2012145833.tif 000005
【００５５】
なお、式（１）中、ｎＴＥは、ＴＥ偏光成分の有効屈折率を示す。また、式（２）中、ｎＴＭは、ＴＭ偏光成分の有効屈折率を示す。また、式（１）及び式（２）中、ｎ１は、板状部材１５Ａの格子屈折率を示し、ｎ２は、背景媒質１５Ｂの屈折率を示す。また、式（１）及び式（２）中、ｐは、板状部材１５Ａのピッチを示し、ｗは、板状部材１５Ａの格子幅を示す。
【００５６】
また、図５には、一例として、集光層１４Ａについて、格子屈折率ｎ１を“３．６８”、背景媒質１５Ｂの屈折率ｎ２を“１”とした場合の、該集光層１４ＡにおけるＴＥ偏光成分の有効屈折率ｎＴＥ及びＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭと、フィルファクタｆと、の関係を示した。
【００５７】
そして、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの各々を透過したＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分における位相差は、有効屈折率ｎＴＥやＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭの変化、及び板状部材１５Ａの高さ（図４中、高さｄ参照）に比例する。また、これらの位相差は、これらの集光層１４Ａや補正層１４Ｂに入射する光の波長に対して反比例する。
【００５８】
例えば、集光層１４Ａに入射する光の波長を０．９５μｍとし、板状部材１５Ａの高さｄを０．３５μｍとしたときの、ＴＭ偏光成分及びＴＥ偏光成分の各々におけるフィルファクタｆと上記位相差との関係は、図６に示す関係となる。
【００５９】
以上のことから、フィルファクタｆ等の上記周期構造のパラメータを調整することによって、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの各々における周期構造を空間分解能として、これらの層を透過する光の位相が調整されるといえる。
【００６０】
そして、この周期構造のパラメータの調整と周期構造の格子ベクトル方向の調整とを組み合わせる事によって、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂについて、各々集光機能及び位相補正機能が発現するように設計することができる。
【００６１】
ここで、本実施の形態の偏光変換素子１０における集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの各々を光が透過したときの該光の状態について説明する。
【００６２】
図７には、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分における位相差の分布を模式的に示した。
【００６３】
図７（Ａ）に示す偏光変換素子１０の基板１２側から基板１８側に向かって光が入射すると、入射する光に含まれるＴＥ偏光成分は、偏光選択集光部１４を透過することによって回転領域１６Ａに向かって集光する。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分は、図７（Ｂ）に示すような球面波２２を形成する。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分の、上記原点からの位置に対する有効屈折率ｎＴＥの分布は、図７（Ｃ）に示すような鋸波状となる。
【００６４】
そして、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分における位相差の分布は、図７（Ｄ）に示すように、該図７（Ｃ）に示す有効屈折率ｎＴＥの波形の高低を反転させたフレネル形状となる。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分は、偏光回転領域１６Ａに向かって図７（Ｂ）に示すような球面波２２を形成する。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分は、回転領域１６Ａに向かって集光する。
【００６５】
一方、図７（Ａ）に示す偏光変換素子１０の基板１２側から基板１８側に向かって光が入射すると、入射する光に含まれるＴＭ偏光成分は、集光せずに偏光選択集光部１４を透過する。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＭ偏光成分は、図７（Ｅ）に示すような平面状の波２４を形成する。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＭ偏光成分の、上記原点からの位置に対する有効屈折率ｎＴＭの分布は、図７（Ｆ）に示すような直線状の一定の分布となる。そして、偏光選択集光部１４を透過したＴＭ偏光成分における位相差の分布についても、図７（Ｇ）に示すように、一定の分布となる。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＭ偏光成分は、偏光回転領域１６Ａに向かって図７（Ｅ）に示すような平面状の波２４となる。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＭ偏光成分は、集光せずに、偏光回転部１６の全領域に向かって伝播する。
【００６６】
本実施の形態では、このような、偏光選択集光部１４を透過したＴＭ偏光成分について、図８（Ｇ）及び図７（Ｅ）に示すような直線状の一定の分布が得られるように、補正層１４Ｂの周期構造のパラメータと格子ベクトル方向を調整する。これによって、補正層１４Ｂには上記位相補正機能が発現する。また、図７（Ｂ）に示す球面波２２が得られるように、集光層１４Ａの周期構造のパラメータと格子ベクトル方向を調整する。これによって、集光層１４Ａには集光機能が発現する。
【００６７】
具体的には、まず、集光層１４Ａを透過したＴＭ偏光成分における位相差の分布（図８（Ｊ）参照）と、補正層１４Ｂを透過したＴＭ偏光成分における位相差の分布（図８（Ｋ）参照）と、の位置毎の位相差の和が一定（図８（Ｌ）参照）となるように、補正層１４Ｂにおける上記原点からの位置に対する位相差分布を設定する。
【００６８】
この位相差分布の設定のために、本実施の形態では、集光層１４Ａと補正層１４Ｂとの格子ベクトル方向を互いに直交させた状態とする（Ｘ軸方向とＹ軸方向）。そして、この格子ベクトル方向を互いに直交させた状態で更に、フィルファクタｆを調整する。このように、集光層１４Ａと補正層１４Ｂとの格子ベクトル方向を直交させることによって、フィルファクタｆ調整時の、ＴＥ偏光成分の有効屈折率ｎＴＥの値と、ＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭの値との高低関係が逆転する。
【００６９】
すなわち、格子ベクトルを直交させることによって、集光層１４ＡのＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭと、補正層１４ＢのＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭと、が概ね同程度となる（図８（Ｈ）及び図８（Ｉ）参照）。このため、これらの有効屈折率の高低関係を利用し、さらにフィルファクタｆの調整を組み合わせることによって、補正層１４ＢによるＴＭ偏光成分における位相差の相殺設計が可能となる（図８（Ｊ）、図８（Ｋ）、及び図８（Ｌ）参照）。
【００７０】
また、このように集光層１４Ａと補正層１４Ｂとの格子ベクトルを直交させると、集光層１４ＡのＴＥ偏光成分の有効屈折率ｎＴＥがＴＭ偏光成分の有効屈折率ｎＴＭに比べて非常に低くなる（図８（Ｂ）及び図８（Ｈ）参照）。このため、集光層１４Ａを透過したＴＥ偏光成分における位相差（図８（Ｃ）参照）と、補正層１４Ｂを透過したＴＥ偏光成分における位相差（図８（Ｅ）参照）と、の和は、図８（Ｆ）及び図７（Ｄ）に示すようなフレネル形状となる。このため、偏光選択集光部１４を透過したＴＥ偏光成分は、偏光回転領域１６Ａに向かって図８（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すような球面波２２を形成する。そして更に、集光層１４Ａのフィルファクタｆを調整することで、集光層１４ＡによるＴＥ偏光成分の集光設計が可能となる。
【００７１】
なお、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂのフィルファクタｆの値は、具体的には、下記のようにして定められる。
【００７２】
図９には、集光層１４Ａの周期構造におけるフィルファクタｆと、集光層１４Ａを透過したＴＥ偏光成分における位相差との関係（線図４２参照）の一例を示した。また、図９には、一例として、集光層１４Ａの周期構造におけるフィルファクタｆと、集光層１４Ａを透過したＴＭ偏光成分における位相差との関係（線図４０参照）の一例を示した。
【００７３】
また、図１０には、補正層１４Ｂの周期構造におけるフィルファクタｆと、補正層１４Ｂを透過したＴＥ偏光成分における位相差との関係（線図４４参照）の一例を示した。また、図１０には、補正層１４Ｂの格子構造におけるフィルファクタｆと、補正層１４Ｂを透過したＴＭ偏光成分における位相差との関係（線図４６参照）の一例を示した。
【００７４】
まず、図９に示す線図４２から、ＴＥ偏光成分における該位相差が、位相差０°以上３１５°以下の範囲で一定間隔となるようなフィルファクタｆの値を抽出する（図９中、位相差ａ〜ｇの各々に対応する、フィルファクタｆ：ａ’〜ｇ’参照）。
【００７５】
次に、このフィルファクタｆの値であるａ’〜ｇ’の各々に対応する、ＴＭ偏光成分における位相差を図９に示す線図４０から求める（図示省略、例えば、ａ１〜ｇ１とする）。そして、この線図４０から求めたＴＭ偏光成分における位相差（ａ１〜ｇ１）の各々に対応するフィルファクタｆの値を、図１０に示す線図４６から再度抽出する（図１０中、フィルファクタｆ：ａ１’〜ｇ１’参照）。
【００７６】
これによって、フィルファクタｆの値が定められる。そして、これらの再度抽出されたフィルファクタｆ（図１０中、ａ１’〜ｇ１’参照）の値、及び上記式（１）及び式（２）に基づいて、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂの周期構造の各パラメータの値を設定すると共に、格子ベクトル方法が互いに直交した集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂとする。
【００７７】
これによって、集光層１４ＡがＴＥ偏光成分を集光させ、補正層１４Ｂが集光層１４Ａを透過したＴＭ偏光成分における位相差を相殺するように設計することができる。
【００７８】
以上のように構成された本実施の形態の偏光変換素子１０では、入射する光が基板１２側から入射すると、図１１（Ａ）に示すように、入射する光に含まれるＴＥ偏光成分が、偏光選択集光部１４によって選択的に集光される。偏光選択集光部１４によって集光されたＴＥ偏光成分は、ギャップ領域２０を介して回転領域１６Ａに至る。そして、回転領域１６Ａによる１／２波長分の位相シフトによって、ＴＥ偏光成分はＴＭ偏光成分に変換される。そして、この変換されたＴＭ偏光成分は、基板１８を介して偏光変換素子１０の外部へと放射される。
【００７９】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、偏光変換素子１０に入射した光に含まれるＴＭ偏光成分は、偏光選択集光部１４において集光されずに偏光選択集光部１４を透過して、偏光回転部１６の全領域に至る。すなわち、ＴＭ偏光成分は、偏光回転部１６の回転領域１６Ａ及び透過領域１６Ｂの双方の領域に至る。回転領域１６Ａに至ったＴＭ偏光成分は、ＴＥ偏光成分に変換され、基板１８を介して偏光変換素子１０の外部へと放射される。一方、透過領域１６Ｂに至ったＴＭ偏光成分は、ＴＭ偏光成分のまま偏光変換素子１０の外部へと放射される。
【００８０】
このように、本実施の形態の偏光変換素子１０では、偏光変換素子１０に入射した光に含まれるＴＭ偏光成分については集光させずに透過し、ＴＥ偏光成分を選択的に集光させてＴＭ偏光成分の光に変換して出射する。このため、入射する光に含まれるＴＥ偏光成分を効率よくＴＭ偏光成分に変換して出射することができる。このため、入射する光に対して、ＴＭ偏光成分について５０％以上の光利用効率を得ることができる。
【００８１】
従って、本実施の形態の偏光変換素子１０では、偏光選択集光部１４、及び偏光回転部１６によって、ＴＭ偏光成分について高い光利用効率を得ることができ、これらの２層による簡便な構成で、偏光変換素子１０を構成することができる。
【００８２】
また、上述のように、本実施の形態の偏光変換素子１０を構成する偏光選択集光部１４及び偏光回転部１６は、ガラス等の透明基板の表面を加工すること、または、ガラス等の透明基板にガラス等と異なる屈折率を有する膜を形成し、その膜を加工すること等により得られる。即ち、本実施の形態の偏光変換素子１０を構成する各部は、プリズム等の大型の部材を含むものではなく、作製の際に接着工程を必要とすることなく、光学的なアライメント等を行う必要もないものである。よって、本実施の形態における偏光変換素子１０では、容易に小型化にすることができ、また、低コストで製造することが可能である。
【００８３】
なお、本実施の形態では、偏光変換素子１０における偏光選択集光部１４は、集光層１４Ａ上に補正層１４Ｂを光入射側から順に積層した構成である場合を説明した。しかし、これらの集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂは、光入射側からこの順に設けられていればよく、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂが、間隙を介して設けられた構成であってもよい。
【００８４】
例えば、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示すように、集光層１４Ａ及び補正層１４Ｂが、ギャップ領域１４Ｃを介して積層された偏光選択集光部１４Ｄを備えた、偏光変換素子１０Ｄとしてもよい。なお、偏光変換素子１０Ｄは、偏光選択集光部１４に代えて、ギャップ領域１４Ｃの設けられた偏光選択集光部１４Ｄを用いた以外は、偏光変換素子１０と同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。
【００８５】
なお、このギャップ領域１４Ｃは、空隙として構成してもよいし、入射する光に対して透明な誘電体材料を充填することで構成してもよい。このギャップ領域１４Ｃの厚み（図１２中、厚みｄ１参照）は、‘０’であることが好ましいが、‘０’でない場合には、このギャップ領域１４Ｃの厚みｄ１は、入射する光の波長の１／２の厚みであることが好ましい。
【００８６】
ギャップ領域１４Ｃの厚みｄ１を該厚みとすることによって、集光層１４Ａと補正層１４Ｂとの層間において、該層間に至った光が多重反射し、集光層１４Ａを透過した光の位相の整合が図れる。このため、該層間に至った光の干渉による、偏光変換素子１０Ｄから出射される光の強度低下を抑制することができる。このため、偏光変換素子１０Ｄにおける高い光変換効率を実現することができる。
【００８７】
なお、偏光変換素子１０における偏光回転部１６の光出射側には、さらに、ＴＭ偏光成分を選択的に透過する機能を有する偏光選択部を設けた構成としてもよい。
【００８８】
この場合には、例えば、図３に示す偏光変換素子１０Ｃの回転領域１６Ａの光出射側に、偏光選択部５０を配置した構成の偏光変換素子１０Ｅとすればよい（図１３参照）。なお、図１３に示す偏光変換素子１０Ｅは、回転領域１６Ａの光出射側に更に偏光選択部５０を設けた以外は、図３を用いて説明した偏光変換素子１０Ｃと同じ構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００８９】
同様に、例えば、図２に示す偏光変換素子１０Ａにおける基板１８と偏光回転部１６との間に、偏光選択部５０を配置した構成の偏光変換素子１０Ｆ（図１４参照）としてもよい。なお、図１４に示す偏光変換素子１０Ｆは、偏光回転部１６より光出射側で且つ基板１８より光入射側に、偏光選択部５０を設けた以外は、図２を用いて説明した偏光変換素子１０Ａと同じ構成である。このため、詳細な説明は省略する。
【００９０】
この偏光選択部５０としては、上記機能を有する構造であればいかなる構造であってもよいが、小型化薄型化の観点から、入射する光の波長以下の周期で複数の金属線を周期的に配列させた構造の、ワイヤグリッド偏光子構造を用いることが好ましい。なお、この金属線に用いられる金属材料としては、該偏光選択部５０に入射する光の帯域が可視・近赤外帯域（０．４μｍ〜１μｍ）である場合には、Ａｌ（アルミニウム）を選択することが好ましい。
【００９１】
このような偏光選択部５０を偏光回転部１６より光出射側に配置することにより、特定の偏光成分をより高い消光比で得ることができる。
【００９２】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００９３】
１０、１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ  偏光変換素子
１４  偏光選択集光部
１４Ａ  集光層
１４Ｂ  補正層
１６  偏光回転部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９４】
【特許文献１】特開２００２−１２２７３３号公報
【特許文献２】特開２００１−３１８２１７号公報
【特許文献３】特開２００４−６１９０５号公報
【特許文献４】特開２００５−１０３７７号公報
【特許文献５】特表２００３−５０２７０８号公報
【特許文献６】特開２０００−１７１７５４号公報
【特許文献７】特開２００５−１２８２４１号公報
【非特許文献】
【００９５】
【非特許文献１】「Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  ｃｏｎｃｅｐｔ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ａ，  Ｖｏｌ１４（４），ｐｐ９０１−９０６  （１９９７）
【図１】
2012145833.tif 000006
【図２】
2012145833.tif 000007
【図３】
2012145833.tif 000008
【図４】
2012145833.tif 000009
【図５】
2012145833.tif 000010
【図６】
2012145833.tif 000011
【図７】
2012145833.tif 000012
【図８】
2012145833.tif 000013
【図９】
2012145833.tif 000014
【図１０】
2012145833.tif 000015
【図１１】
2012145833.tif 000016
【図１２】
2012145833.tif 000017
【図１３】
2012145833.tif 000018
【図１４】
2012145833.tif 000019