(57)【要約】【課題】金属性の材料を用いつつも、反射光の発生を有効に軽減でき、耐熱性・耐光性・耐環境性に優れ、取り扱いの容易な新規な偏光素子を提供する。【解決手段】透明な平板状支持体１０と、構造体層と、透明媒体層１４と、を有し、平板状支持体１０と透明媒体層１４は共に無機材料により形成され、構造体層をなす個々の微小金属構造体１２は、長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２（＜Ｌ１）、高さ：Ｈの直方体形状であって、Ａｌを主成分とする金属材料により形成され、高さ方向を平板状支持体１０の平板面に直交する方向とし、構造体層における２次元的な配列において、長さ方向および幅方向を互いに平行にして、近接する微小金属構造体間が、基準波長：λ以下となるように配列され、微小金属構造体１２の長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２、高さ：Ｈが、０＜Ｌ２≦５０ｎｍ、Ｌ２＜Ｌ１≒λ／４、    ＞Ｈ≧５０ｎｍを満足する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な平板状支持体と、
多数の微小金属構造体を、上記平板状支持体の平板面に平行に２次元的に配列してなる１以上の構造体層と、
上記構造体層を被覆する透明媒体層と、を有し、
上記平板状支持体と透明媒体層は共に無機材料により形成され、
上記構造体層をなす個々の微小金属構造体は、長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２（＜Ｌ１）、高さ：Ｈの直方体形状であって、Ａｌを主成分とする金属材料により形成され、上記高さ方向を平板状支持体の平板面に直交する方向とし、上記構造体層における２次元的な配列において、長さ方向および幅方向を互いに平行にして、近接する微小金属構造体間が、基準波長：λ以下となるように配列され、
上記微小金属構造体の長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２、高さ：Ｈが、
０＜Ｌ２≦５０ｎｍ、Ｌ２＜Ｌ１≒λ／４、    ＞Ｈ≧５０ｎｍ
を満足することを特徴とする偏光素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光素子において、
１つの構造体層を構成する微小金属構造体が、同一形状であることを特徴とする偏光素子。
【請求項３】
請求項１記載の偏光素子において、
１つの構造体層を構成する微小金属構造体に、長さ：Ｌ１の異なる複数種の微小金属構造体が混在することを特徴とする偏光素子。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の偏光素子において、
平板状支持体の片面に接して第１の構造体層が設けられ、この第１の構造体層の上に透明媒体層を介して第２の構造体層が設けられ、この第２の構造体層がさらに透明媒体層で被覆されていることを特徴とする偏光素子。
【請求項５】
請求項４記載の偏光素子において、
第１の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第２の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、同一の向きであることを特徴とする偏光素子。
【請求項６】
請求項４記載の偏光素子において、
第１の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第２の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、相互に直交する向きであることを特徴とする偏光素子。
【請求項７】
請求項１〜６の任意の１に記載の偏光素子において、
構造体層における微小金属構造体の２次元的な配列が、規則的であることを特徴とする偏光素子。
【請求項８】
請求項１〜６の任意の１に記載の偏光素子において、
構造体層における微小金属構造体の２次元的な配列が、ランダムであることを特徴とする偏光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は偏光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光素子は、液晶プロジェクタ装置や液晶ディスプレイに代表される表示装置に広く利用され、液晶パネルなどの空間光変調素子へ入射する光から「特定角度の直線偏光成分」を選択的に抽出することにより画素のオン・オフの切り替えを行うのに利用されている。
【０００３】
また、近年は撮像装置のセンサの面上または近傍に偏光素子を設け、特定角度の直線偏光成分の画像を抽出する偏光計測技術にも利用されている。
【０００４】
近来、従来から知られた「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・配向させた偏光素子」に変わるものとして、ワイヤグリッド偏光素子や「アルミニウム微粒子を用いた偏光素子」が提案され、実用化されつつある（特許文献１〜６）。
【０００５】
これらの特許文献に記載された偏光素子は何れも、電磁波である光と金属との相互作用を利用するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、金属性の材料を用いつつも、反射光の発生を有効に軽減でき、耐熱性・耐光性・耐環境性に優れ、取り扱いの容易な新規な偏光素子の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の偏光素子は、平板状支持体と、構造体層と、透明媒体層とを有する。
【０００８】
「平板状支持体」は、透明な材質であり、平板状である。  
「構造体層」は、多数の微小金属構造体を、平板状支持体の平板面（支持体の厚み方向に直交する面）に平行に２次元的に配列して構成される。構造体層は１層以上が形成される。
【０００９】
「透明媒体層」は、構造体層を被覆する層である。
【００１０】
平板状支持体および透明媒質層は、共に「無機材料」で構成される。  
「微小金属構造体」は、Ａｌを主成分とする金属材料で形成される。「Ａｌを主成分とする金属材料」は勿論「アルミニウム単体」を含む。
【００１１】
アルミニウムを主成分とする金属材料で形成される微小金属構造体は「直方体形状」を有する。この直方体形状は「長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２の長方形を断面形状とする高さ：Ｈの直方体」の形状であるが、勿論、人為的に形成されるものであるから、幾何学的に厳密な直方体である必要は無く、後述する光学機能を発揮できるものであれば、製作精度による形状の乱れや陵部の丸みなどが許容されることは言うまでもない。
【００１２】
直方体形状を有する微小金属構造体は多数のものが、２次元的に配列されて構造体層を構成するが、配列に当たっては、個々の微小金属構造体の高さ：Ｈの方向を「平板状支持体の平板面（平板状支持体の暑さ方向に直交する面）に直交する方向」へ向け、且つ、長さ：Ｌ１の方向を１方向へ揃える。「平板面」は、平板状支持体の厚さ方向に直交する面である。
【００１３】
例えば、平板状支持体の平板面上に直交座標軸：ξ、ηを設定し、平板面に直交して座標軸：ζを設定したとすると、ξη面に２次元的に配列された個々の微小金属構造体は、高さ方向がζ軸に平行で、長さ方向がξ方向に平行で、幅方向がη方向に平行になるように配列することができる。
【００１４】
２次元的に配置される微小金属構造体の配列は「近接する微小金属構造体間が、基準波長：λ以下となる」ように行なわれる。
【００１５】
微小金属構造体の長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２、高さ：Ｈは、
０＜Ｌ２≦５０ｎｍ、Ｌ２＜Ｌ１≦λ／４、２００ｎｍ＞Ｈ≧５０ｎｍ
を満足する。
【００１６】
「基準波長：λ」は、偏光素子により偏光分離を行なおうとする波長である。
【００１７】
請求項１記載の偏光素子において「１つの構造体層を構成する微小金属構造体」は、同一形状であることができる（請求項２）が、１つの構造体層を構成する微小金属構造体に「長さ：Ｌ１の異なる複数種の微小金属構造体」が混在してもよい（請求項３）。
【００１８】
請求項１記載の偏光素子は、上述のように、微小金属構造体の２次元配列による構造体層を１以上有するので、構造体層は２層以上設けることが可能である。  
２層以上の構造体層を設ける場合には、各構造体層は、平板状支持体の平板面上に「複数層構造」をなすように形成される。この場合、互いに重なる構造体層間は「透明媒体」で充填され、最上層の構造体層は透明媒体で被覆される。
【００１９】
即ち、単一層の構造体層が形成されるときも、複数層の構造体層が形成されるときも、構造体層を構成する微小金属構造体は「透明媒体」に包まれた状態となる。
【００２０】
このように、平板状支持体上に形成された１以上の構造体層を包み込んで被覆するのが「透明媒体層」である。
【００２１】
請求項１〜３の任意の１に記載の偏光素子は「平板状支持体の片面に接して第１の構造体層が設けられ、この第１の構造体層の上に透明媒体層を介して第２の構造体層が設けられ、この第２の構造体層がさらに透明媒体層で被覆された構成」とすることができる（請求項４）。
【００２２】
この請求項４記載の偏光素子においては、第１の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第２の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、同一の向きであることもできるし（請求項５）、第１の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第２の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、相互に直交する向きであることもできる（請求項６）。
【００２３】
請求項１〜６の任意の１に記載の偏光素子における「構造体層における微小金属構造体の２次元的な配列」は、規則的であることもできるし（請求項７）、ランダムであることもできる（請求項８）。
【００２４】
偏光素子を構成する材料について説明する。  
上述の如く、平板状支持体、透明媒体層ともに「無機材料」で構成されるが、これらは勿論「共に透明」である。  
平板状支持体の材料としては、光学素子に一般的に用いられる透明材料が好ましく、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、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３等の光学結晶材料などを用いることができる。  
透明媒体層は「アルミニウムを主成分とする金属材料により形成される微小金属構造体を、酸化や、物理力の直接的作用から防止するプロテクト機能」と、金属微小構造体の光吸収特性を制御する機能とを付与されるものであり、その材料としては、屈折率が１．５近傍にあるガラス材料が適しており、「吸収の少ないコーティング材料」として光学素子に一般的に用いられる石英ガラス、パイレックス（登録商標）、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの硼珪酸ガラスや、ＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどの材料を用いることができる。また、ガラス材料を主成分とする「スピンオングラス材料」などを用いることもできる。
【００２５】
微小金属構造体に用いる「Ａｌを主成分とする金属材料」としては、Ａｌが最も適しているが、Ａｌを主成分とする合金・混合材料でも良い。これは、Ａｌ材料による微小金属構造体のサイズを「光の波長オーダ以下」に小さくした場合に、広帯域にわたって吸収特性を発現させることができるためである。  
なお、動作する波長帯によっては、Ａｌのほかにも、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕなどの材料おいてもこの発明の偏光素子と同様の効果が期待できる。
【００２６】
この発明の偏光素子における偏光機能（入射する光を偏光方向に従って透過光と非透過光に分離する機能を言い、以下「偏光分離機能」とも言う。）について説明する。  
この発明の偏光素子における偏光機能は「プラズモン共鳴吸収」を利用する。  
１個の微小金属構造体である「微小な直方体」を考える。  
偏光分離される光は、入射光として、直方体の高さ方向から入射する。光は横波であるから、入射光の振動方向は平板面に平行である。そこで、電場の振動方向として、直方体の「長さ方向に平行な方向」と「幅方向に平行な方向」とを考える。
【００２７】
電場の振動は、微小金属構造体内の電子をプラズマ状態で振動させるが、直方体の幅：Ｌ２が５０ｎｍ以下になると、幅方向に平行に振動する電場による偏光成分は「殆ど微小金属構造体で吸収されなく」なり、従って、直方体の幅方向に平行に電場振動する偏光成分は、透明媒体層、構造体層、平板状支持体を高い透過率で透過する。
【００２８】
一方、直方体の長さ方向に平行に電場振動する偏光成分は、プラズマ状態で振動する電子の振動の振幅が長さ方向の長さ：Ｌ１に近くなると「プラズモン共鳴」と呼ばれる共鳴状態を生じ、直方体の幅方向に平行に電場振動する基準波長：λの偏光成分は、微小金属構造体に高い吸収率で吸収され光エネルギは熱に変わる。
【００２９】
従って、偏光素子として見ると、微小金属構造体の長さ方向に平行に電場振動する偏光成分は吸収されて、偏光素子を透過しない。
【００３０】
このようにして、上記「幅方向に平行に電場振動する偏向成分」と「長さ方向に平行に電場振動する偏光成分」とが偏光分離される。
【００３１】
このように、この発明の偏光素子では、偏光分離が「微小金属構造体による共鳴吸収」を利用して行なわれており、偏光素子で反射する反射成分が極めて少ない。従って、反射光が発生する従来の偏光素子（例えばワイヤグリッド偏光素子）等では問題となる「戻り光」の問題が有効に軽減される。
【００３２】
上記の如く、微小金属構造体の長さ方向に平行に電場振動する偏光成分は、微小金属構造体に吸収されて熱に変換されるので、構造体層では熱が発生するが、偏光素子はアルミニウムを主成分とする金属材料と無機材料とで構成されているので、このような発熱が生じても熱によるダメージを受けることがない。
【００３３】
偏光素子はまた、材料に有機材料を含まないので、光照射による経時的な機能劣化も生じない。さらに、微小金属構造体は透明媒質層と平板状支持体とにより挟持された状態となっており、透明媒質層・平板状支持体ともに無機材料で硬質であるから、外部からの物理的な力の作用があっても、微小金属構造体がダメージを受けることはない。
【００３４】
また、微小金属構造体の長さ：Ｌ１により偏光分離できる波長を設定できるので、使用波長に応じた設計・製造が容易に可能である。
【００３５】
なお、上の説明から明らかなように、微小金属構造体の直方体形状における幅：Ｌ２は５０ｎｍ以下であればよいが、Ｌ２は所望によりさらに小さくできる。実際にはＬ２の下限は直方体の形成条件により定まる。形成可能な直方体の幅：Ｌ２の下限は１０ｎｍ程度と考えられる。
【００３６】
また直方体の高さ：Ｈは、５０ｎｍよりも小さくなると、光吸収効果が不十分となる。金属材料中に電場が浸み出す表皮深さを勘案して、高さ：Ｈは上記５０ｎｍ以上が必要である。また高さ：Ｈの上限は、やはり形成条件から２００ｎｍ程度と考えられる。
【発明の効果】
【００３７】
以上に説明したように、この発明によれば新規な偏光素子を実現できる。この偏光素子は、上述したように、使用波長に応じた設計・製造が容易であり、熱耐性・光耐性に優れるとともに耐環境性に優れ、機械的外力に対して強いから取り扱い容易である。また、反射光による戻り光の問題が有効に軽減される。また、薄い平板型であり、且つ反射光の発生を回避していることから積層構成において有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】偏光素子の第１の実施の形態を説明する図である。
【図２】第１の実施の形態の偏光素子の具体的な構成を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態の偏光素子の変形例を説明する図である。
【図４】数値シミュレーションのモデルを説明する図である。
【図５】数値シミュレーションの結果を説明する図である。
【図６】第１の実施の形態の偏光素子の動作原理の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図７】偏光素子の第２の実施の形態を説明する図である。
【図８】偏光素子の第３の実施の形態を説明する断面図および平面図である。
【図９】第３の実施の形態の偏光素子に対する数値シミュレーションのモデルを説明する図である。
【図１０】第３の実施の形態に対する数値シミュレーション結果を説明する図である。
【図１１】偏光素子の第４の実施の形態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、実施の形態を説明する。  
図１は、偏光素子の「第１の実施の形態」を説明図的に示す斜視図である。  
図１において、符号１０は平板状支持体、符号１２は微小金属構造体、符号１４は透明媒質層を示している。
【００４０】
平板状支持体１０は、屈折率：１．５１の透明な無機材料（ＳｉＯ２）による平行平板である。  
微小金属構造体１２はアルミニウムによる微小な直方体であり、平板状支持体１０の平板面上に２次元的に規則的に配置するように形成されている。
【００４１】
透明媒体層１４は、屈折率：１．３８の透明な無機誘電体（ＳＯＧ）により形成されている。構造体層を構成する多数の微小金像構造体１２は「透明媒体層１４内に埋め込まれた状態」となっている。  
この構成により、微小金属構造体１２は「外気に晒される」ことがなく、また、物理的な外力による外的損傷を受けることもない。  
図２は、微小金属構造体１２による構造体層を説明するための図である。  
図２（ａ）は、構造体層をなす微小金属構造体１２の配列状態を、透明媒質層１４を透して見た状態を説明図的に示し、（ｂ）は偏光素子を「素子の厚み方向に平行な面による仮想的な断面図（図２（ａ）のＡＡ’断面図）」を説明図的に示している。
【００４２】
個々の微小金属構造体１２は「互いに同一」の直方体形状（勿論、製作精度による形状の乱れや陵部の丸みなどは許容される。）であり、図２（ａ）に示すように、長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２の長方形を底面とし、（ｂ）に示すように高さ：Ｈを有している。
【００４３】
上記Ｌ１、Ｌ２、Ｈは、基準波長：λよりも小さなサイズであり、また、微小金属構造体間の距離も「近接する直方体間の距離」が基準波長：λより小さい。これは、光の回折現象による空間的な強度分布ムラを避けることと、高い透過率を確保するためである。
【００４４】
図２は、微小金属構造体１２を「２次元格子状に規則正しく配列」した例を示しているが、微小金属構造体の２次元的な配列は、これに限らず、図３（ａ）に示すように、微小金属構造体１２の「左右方向の配列は同一間隔」とし、この配列を上下方向において、変位量：Ｓだけずらして配列しても良いし、図３（ｂ）に示すように微小金属構造体１２を「ランダムに配列」した配列形態でもよい。
【００４５】
しかしながら、これらの何れの配列の場合でも、微小金属構造体１２の長さ：Ｌ１の方向（図３の上下方向）は１方向に揃えられている。
【００４６】
このように、微小金属構造体１２の配列が「規則的な配列」に限らず、「長さ方向のみを揃えれば良い」のは、偏光素子の偏光選択特性が、個々の微小金属構造体１２における光の吸収に依存し、微小金属構造体の配列の仕方に依存しないためである。
【００４７】
ここで、図１〜図３に示す偏光素子の作製方法を説明する。  
基準波長：λ以下の幅を有する微小金属構造体の作製には「可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法」を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、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が利用できる。  
一般的な手法として「電子ビームリソグラフィによる方法」を説明するが、作製方法は勿論、これに限定されない。  
平板状支持体１０として平行平板状の光学材料を用い、Ａｌをスパッタ法や真空蒸着法により平板面上に厚さ：Ｈに堆積し、その上にフォトレジスト膜を形成する。  
このとき、Ａｌと平板面との界面にＡｌ膜の密着性を高めるために、ＴｉやＣｒなどの下地層を設けても良い。続いて、電子ビーム描画により「長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２の矩形形状のＡｌ膜パターン（２次元的に配列している。）」を残すように「ネガパターン」を露光する。  
その後、不要なＡｌ膜部分をＲＩＥなどによりエッチングし、残ったフォトレジストパターンを除去することにより、支持基板界面に直方体形状の微小金属構造体を多数形成できる。エッチングにより微小金属構造体のパターンを形成する代わりに、フォトレジストパターンにＡｌ材料を堆積し、その後フォトレジストを除去するリフトオフ法を用いて、微小金属構造体のパターンを形成する方法も有効である。  
このようにして微小金属構造体（Ａｌ膜）の２次元配列による「構造体層」が平板状支持体の平板面に形成される。
【００４８】
続いて、微小金属構造体の２次元配列を被膜する「透明な膜」を、透明な無機誘電体材料を用いるスパッタ法やコーティングにより堆積して透明媒体層とすることにより偏光素子を得ることができる。
【００４９】
前述の如く、微小金属構造体１２の形状は長さ：Ｌ１、幅：Ｌ２、高さ：Ｈにより規定されるが、幅：Ｌ２が５０ｎｍ以下のサイズになると、幅方向に平行に電場振動する偏光成分が、微小金属構造体により殆ど吸収されず、高い透過率で偏光素子を透過する。
【００５０】
長さ方向に平行に電場振動する偏光成分においては、長さ：Ｌ１が丁度「金属中の電子振動振幅に近くなる」と電場振動に共鳴する現象（プラズモン共鳴）が生じる。  
その結果、「長さ方向に平行に電場振動する偏光成分に対する強い共鳴吸収」が生じ、光エネルギは熱に変換され、偏光素子における透過率は大きく低下する。このようにして「強い波長依存性を有した偏光異方性」が発現する。  
吸収を生じる光の波長は、長さ：Ｌ１に依存することから、所望の波長において偏光異方性を発現させることが可能となる。
【００５１】
微小金属構造体１２の高さ：Ｈが低い場合、吸収効果が不十分となることから、微小金属構造体は適切な高さが必要であり、金属材料中に電場が浸み出す表皮深さから５０ｎｍ以上の高さが必要である。
【００５２】
上に実施の形態を説明した偏光素子の偏光分離動作を、数値シミュレーションにより検証した。この数値シミュレーションを、図４〜６に基づいて説明する。  
数値シミュレーション手法には「電磁場の時間・空間応答を記述するマクスウェル方程式を時間領域、空間領域に差分化して解く、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）」を利用した。  
図４は、数値シミュレーションに用いた「偏光素子モデル」を説明する図である。  
図４（ａ）は、アルミニウムによる微小金属構造体１２を含む領域を示す平面図であり、この面をＸＹ面と呼ぶ。Ｘ方向は微小金属構造体１２の幅方向であり、Ｙ方向は微小金属構造体１２の長さ方向である。  
図４に示されたように、上記「微小金属構造体１２を含む領域」は、Ｘ方向に長さ：Ｐｘ、幅方向に長さ：Ｐｙを有する。
【００５３】
平板状支持体１０を構成するＳｉＯ２の屈折率は１．５１であり、透明媒体層１４をなす誘電体材料ＳＯＧの屈折率は１．３８である。
【００５４】
図４に示す「計算領域境界」に対し、周期的境界条件を課すことにより、平板状支持体１０の平板面に平行な面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に２次元配列構造が無限に続く周期構造とした。  
数値シミュレーションでは、透過光スペクトルの偏光特性を得るために、図４（ａ）の平面図（ＸＹ面）に示す、微小金属構造体１２の「長さ方向に垂直なＸ方向の直線偏光」と、「長さ方向に平行なＹ方向の直線偏光」として、時間幅の十分に短い（スペクトル幅が可視光領域に十分に広がった）平面波パルスを、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、平板状支持体１０内において平板面から９２０ｎｍ離れた面（図中の「平面波源」）から入射するものとし、この平面波源から１０００ｎｍ離れた観測面において、空間平均を施した電場振幅の時間変動をフーリエ変換することにより透過光の偏光特性を算出した。  
Ａｌの誘電関数の波長分散特性は、金属材料の計算でよく用いられるＤｒｕｄｅモデルにより与えた。
【００５５】
微小金属構造体１２の形状パラメータは、長さ：Ｌ１＝９６ｎｍ、幅：Ｌ２＝１６ｎｍ、高さ：Ｈ＝１０８ｎｍ、配列周期Ｐｘ＝１９２ｎｍ、Ｐｙ=１６０ｎｍに設定した。  
また、基準波長：λは４５０ｎｍとした。
【００５６】
図５に、数値シミュレーションの結果を示す。  
図５（ａ）は、微小金属構造体の長手方向に垂直な偏光成分（Ｔｘｘ）と水平な偏光成分（Ｔｙｙ）の「透過率」をプロットした図（実線５−２は「Ｔｘｘ成分」、波線５−１は「Ｔｙｙ成分」）である。  
図５（ａ）に示されたように、波長：４５０ｎｍの近傍において、Ｔｙｙ成分の急峻な透過率低下が見られる。また、Ｔｘｘ成分の透過率は略１．０であり、極めて高い透過特性を示すことが分かる。  
図５（ｂ）は、偏光素子の光学性能を表わす指標の１つである「消光比（＝Ｔｘｘ／Ｔｙｙ）」を、入射光の波長に対してプロットした図である。一般に市販される偏光板の消光比は数１００程度であるが、説明中の偏光素子の消光比は「１０３に達するほどの高い値」が得られている。  
図６は、微小金属構造体１２の長さ方向（Ｙ方向）に平行な電場振動成分について、透過率（曲線６−１）、反射率（曲線６−３）、および吸収率（曲線６−２）をプロットしたものである。「吸収率」は「透過率と反射率の和を１．０から差し引いた値」である。
【００５７】
図６に示されたように、Ｔｙｙ成分の透過率が大きく低下する波長領域において、反射率の波長による変化は比較的小さい。
【００５８】
このことから、「Ｔｙｙ成分の透過率」の急峻な低下の原因が吸収特性にあり、Ｔｙｙ成分については、大部分が微小金属構造体による吸収として光エネルギが費やされていることを認できる。
【００５９】
このような偏光素子の使用例として、液晶プロジェクタなどの投光型の画像表示装置があるが、従来の「高い消光比をもつ偏光素子」では反射光が生じ、画像形成に悪影響を及ぼすことがあった。これに対し、この発明の偏光素子では、遮断する側の偏光を微小金属構造の吸収により除去するため、戻り光（反射光）の発生が極わずかであり、画像標示装置の性能向上ばかりではなく、設計の容易性を向上することができる。  
金属の共鳴吸収を利用するため動作波長帯は制限されるが、近年は色再現性の良さからスペクトル帯域の狭いＬＥＤを用いた光源が利用されることも多く、動作帯域の幾分狭い偏光素子であっても、偏光特性の良好なものであれば、使用される機会は多い。  
また、反射光の影響が無視できるため、平板型の光学素子を近距離で積層するタイプの光学装置においても有利となる。近年、ウェハレベルカメラなど、イメージセンサー面上に光学素子を多段に配置するような光学装置の開発が進んでおり、この発明の偏光素子はこのような新規光学デバイスにも適用可能である。
【００６０】
上記第１の実施の形態を変形した「第２の実施の形態」を以下に説明する。
【００６１】
第２の実施の形態の偏光素子は「広帯域に偏光異方性」を有するものである。
【００６２】
この形態の偏光素子は、構造的には、上に説明したものと同様であるが、特徴とするところは、図７に示すように、構造体層を構成する微小金属媒体１２０は「幅と高さは同一である」が、長さが異なる複数種のものが混在することである。
【００６３】
微小金属構造体１２０の２次元配列による「構造体層」は、先に説明した実施の形態と同様、平板状支持体の平板面上に形成され、透明媒質層により被覆されている。
【００６４】
先に説明した「同一形状の微小金属構造体１２を２次元配列する形態例」で、微小金属構造体の長さ：Ｌ１が吸収波長を決定することを説明したが、長さ：Ｌ１が異なるものが複数種混在し、長さが分布をもつ場合には、その分布状態に応じて、透過光を吸収する波長帯域を広げることが可能となる。  
即ち、帯域設計を施した、または広帯域に偏光異方性を有した偏光素子が実現可能となる。具体的には、設計中心波長（前述の基準波長：λ）に対応した「微小金属構造体の長さ：Ｌ１を中心値とする正規分布」で微小金属構造体のサイズを与えるのが好ましい。  
図７においては、微小金属構造体１２０の配置例として「長さ方向において一列に並べた例」を示したが、図３（ａ）および（ｂ）のように、格子配列からずれた配列形態や、長さ方向の向きを揃えてランダムな位置に配置した配列形態でも良い。
【００６５】
構成材料は図１〜図３に即して説明した実施の形態と同様である。  
また偏光素子の製造方法も、前記実施の形態と同様であり、電子ビームリソグラフィによる方法、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する。
【００６６】
第２の実施の形態の偏光素子は「ランプなどのように連続的なスペクトル分布をもつ光源」を利用した液晶プロジェクタなどの投光型の画像表示装置において、広帯域にわたる偏光選択性をもつ偏光素子として利用可能である。  
このような画像表示装置では、戻り光（反射光）が発生すると画像表示性能を低下させるが、上に説明した「第２の実施形態の偏光素子」を用いることにより反射光の影響を低減でき、同時に設計の容易性も向上させることができる。また、偏光を利用した光計測などの用途にも利用可能である。
【００６７】
次に偏光素子の「第３の実施の形態」を説明する。  
この実施の形態の偏光素子は「高い消光比を実現する」ものである。  
特徴部分を図８に示す。
【００６８】
図８（ａ）は、該実施の形態の偏光素子の構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’断面図、（ｃ）はＢＢ’断面図である。  
この実施の形態の偏光素子は、平板状支持体１０の平板面に微小金属構造体１２１を２次元配列して「第１の構造体層」とし、この第１の構造体層を透明媒体層１４１で被覆し、さらに透明媒体層１４１の上面（平板面と平行な面）の上に微小金属構造体１２２を２次元配列して「第２の構造体層」とし、この第２の構造体層をさらに透明媒体層１４２で被覆した構造となっている。  
第１の透明媒体層１４１と第２の透明媒体層１４２とは、一体となって「単一の透明媒体層」をなす。
【００６９】
図８（ｃ）に示す断面図は、第１の構造体層を成す微小金属構造体１２１の２次元配列を示し、図８（ｂ）に示す断面図は、第２の構造体層を成す微小金属構造体１２２の２次元配列を示す。
【００７０】
図８に示す例では、微小金属構造体１２１、１２２を２次元格子状に規則正しく配列させた場合を示しているが、これら微小金属構造体１２１、１２２の２次元的配列は、図３（ａ）や（ｂ）のように、格子配列からずれた配列や「長手方向の向きを揃えてランダムな位置に配置」した配列でも良い。
【００７１】
図８の実施の形態の偏光素子を構成する材料は、第１、第２の実施の形態と同様であり、製造方法も、第１、第２の実施の形態と同様で、電子ビームリソグラフィによる方法、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。
【００７２】
第３の実施の形態の奏する効果を説明する。  
第１の実施の形態に関連して説明したように、微小金属構造体は、長さ方向に平行な偏光成分を吸収し、幅方向に平行な偏光成分を透過させることにより、偏光異方性を発現するため、反射光の影響を受け難い。  
第３の実施の形態の偏光素子においては、構造体層が２層に設けられたことにより、各構造体層における「各偏光成分の透過率」の積が、偏光素子としての透過率となる。その結果「遮断すべき偏光成分（長さ方向に平行な偏光成分）の透過率」を格段に低下させることができ、消光比の極めて高い偏光素子が実現できる。
【００７３】
第３の実施の形態の偏光素子の特性を数値シミュレーションにより調べた。  
数値シミュレーションの手法は、第１の実施の形態と同様、ＦＤＴＤ法を用いた。平板状支持体および透明媒体層（誘電体材料）の光学定数や、光源位置（「平面波源」）や観測面位置などの「シミュレーションに用いるパラメータ」も、第１の実施の形態および図４で説明したものと同様である。
【００７４】
図９はこの偏光素子に対する数値シミュレーションモデルを説明するための図であり、（ａ）は、微小金属構造体１２１による単層の構造体層のみがある場合、（ｂ）は微小金属構造体１２１、１２２による２層の構造体層を有する場合を示す断面図である。
【００７５】
この数値シミュレーションでは、微小金属構造体１２１による第１の構造体層と、微小金属構造体１２２による第２の構造体層において、微小金属構造体の２次元的配列のパターンを同一（微小金属構造体の高さ方向から見たときに、両構造体層の微小金属構造体の配列が互いに重なり合う。）とし、各直方体形状のパラメータを、長さ：Ｌ１＝９６ｎｍ、幅：Ｌ２＝４８ｎｍ、高さ：Ｈ＝１０８ｎｍとした。  
幅：幅Ｌ２は、構造体層の積層による特性の向上を確認するために、第１の実施の形態の際に使用したＬ２＝１６ｎｍの「３倍の大きさ」に設定している。  
微小金属構造体の配列周期Ｐｘ＝１９２ｎｍ、Ｐｙ=１６０ｎｍで、第１の実施の形態の場合と同じである。
【００７６】
シミュレーション結果を図１０に示す。  
図１０（ａ）に示す如く、微小金属構造体を単層に配した場合（図中の「単層構造」）には、共鳴特性を示す波長：４００ｎｍ近傍において、偏光素子の遮断特性が若干悪く、透過率も幾分低い。  
微小金属構造体の２次元配列による構造体層を２層構成とした場合は、長さ方向に平行な偏光成分の透過率が、各構造体層による透過率の積として作用するために、遮断特性が格段に良くなる（約２％程度）。  
図１０（ｂ）は、消光比のプロットであり、単層構成の場合の消光比：７程度から、２層構成にした場合は消光比：４０程度に向上している。
【００７７】
これから明らかなように、この実施の形態と同様にして、構造体層を３層以上に重ねることにより、消光比の更なる向上が可能である。
【００７８】
図１０（ａ）、（ｂ）に「（単層）２」として示した曲線は「単層構成の場合の透過率および消光比を２乗してプロットしたもの」であり、上述したように、構造体層を２層に重ねた構成とした場合に、動作波長領域において透過率が「２層の透過率の積」で与えられることが分かる。
【００７９】
最後に偏光素子の「第４の実施の形態」を説明する。  
第４の偏光素子は「共鳴する波長における光の透過率をゼロに近づけるノッチフィルタとしての機能」を持つ
図１１において（ａ）は、偏光素子を厚み方向に切断した仮想断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢＢ’断面図、（ｃ）はＡＡ’断面図である。
【００８０】
この実施の形態の偏光素子は、図１１に示すように、平板状支持体１０の平板面上に微小金属構造体１２１の２次元配列による第１の構造体層を形成し、これを透明媒体１４１で被覆し、その上にさらに微小金属構造体１２２の２次元配列による第２の構造体層を形成し、これを透明媒体１４２で被覆し、透明媒体１４１、１４２を一体として透明媒体層を構成した構造となっている。
【００８１】
平板状支持体１０上に２層の構造体層を有する点では、第３の実施の形態の場合と同様であるが、この第４の実施の形態では、第１の構造体層を構成する微小金属構造体１２１の２次元配列における長さ方向（図１１（ｃ）で上下方向）と、第２の構造体層を構成する微小金属構造体１２２の長さ方向（図１１（ｂ）で左右方向）が、互いに直交する関係となっている点で、第３の実施の形態と異なる。
【００８２】
微小金属構造体１２１、１２２の配列は、図１１に示す規則的な配置に限らず、図３の（ａ）や（ｂ）に示すように、格子配列からずれた配列形態や、長さ方向の向きを揃えてランダムな位置に配置した配列形態でも良い。
【００８３】
第４の実施の形態の偏光素子を構成する材料は、第１、第２の実施の形態と同様であり、製造方法も、第１、第２の実施の形態と同様で、電子ビームリソグラフィによる方法、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。
【００８４】
第４の実施の形態の偏光素子の動作について説明する。  
既に説明したように、単一の構造体層を構成する微小金属構造体は、共鳴する波長の光を吸収する。第４の実施の形態では、２層の構造体層を構成する微小金属構造体１２１、１２２は、長さ方向が互いに直交するので、第２の構造体層を透過する偏光成分（微小金属媒体１２２の長さ方向に平行な偏光成分）は、第１の構造体層を構成する微小金属構造体１２１では吸収される。
【００８５】
即ち、微小金属構造体１２１および微小金属構造体１２２により、入射光の互いに直交する偏光成分が吸収される。従って「共鳴する波長における光の透過率」をゼロに近づけることができる。すなわち、この動作は「光学的ノッチフィルタ」であり、所定の波長帯の光のみをカットできる。
【００８６】
なお、微小金属構造体１２１、１２２は、図１１の例では互いに同一であるが、これらは異なる形状の直方体形状であってもよく、２層の構造体層の２次元配列が互いに異なっていても良い。
【符号の説明】
【００８７】
１０      平板状支持体  
１２      微小金属構造体  
１４      透明媒体層
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８８】
【特許文献１】特表２００３−５０２７０８号公報
【特許文献２】特開２００７−１４８３４４号公報
【特許文献３】特表２００２−５１９７４３号公報
【特許文献４】特開２０００−１４７２５３号公報
【特許文献５】特開２００６―  ５８６１５号公報
【特許文献６】特開２００８−  ２６８０７号公報
【図１】
2012093620.tif 000003
【図２】
2012093620.tif 000004
【図３】
2012093620.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012093620.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2012093620.tif 000012
【図１１】
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