(57)【要約】【課題】分光可能な波長域が広く、かつ、分光された光の透過率が大きい光学フィルタと、液晶プロジェクタなどに最適な、可視光領域の広帯域にわたって優れた光学特性、特に消光比を有する偏光素子、並びに液晶ディスプレイ画面において白と黒のコントラストの高い領域を広く確保することができる液晶シャッタとして好適な光学シャッタを提供する。【解決手段】同一の幅及び同一の厚さを有する導電性誘電体層が互いに平行になるように同一の幅の空隙を介して一方向に配列された構造を基本的な構造として用いて、光学フィルタ、偏光素子及び光学シャッタを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の幅及び同一の厚さを有する導電性誘電体層が互いに平行になるように同一の幅の空隙を介して一方向に繰り返し配列された周期的な構造を備え、前記の導電性誘電体層に垂直な面からなる光の入射面を備え、
前記の導電性誘電体層に平行に入射する光のうち、前記の導電性誘電体層及び空隙からなる１周期分の長さ及び前記導電性誘電体の屈折率をパラメータとする関数として、予め実験又はシミュレーションによって導出された、透過率が略ゼロとなる波長領域の上限の波長以上の光を透過させることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記の導電性誘電体層の幅が、前記の空隙の幅と略同一であることを特徴とする、請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項３】
同一の幅及び同一の厚さを有する導電性誘電体層が互いに平行になるように同一の幅の空隙を介して一方向に繰り返し配列された周期的な構造を備え、前記の導電性誘電体層に垂直な面からなる光の入射面を備え、
前記の導電性誘電体層に平行に入射する光のうち、前記の導電性誘電体層及び空隙からなる１周期分の長さ及び前記導電性誘電体の屈折率をパラメータとする関数として、予め実験又はシミュレーションによって導出された、透過率が略ゼロとなる波長領域の上限の波長以上の光を透過させることを特徴とする偏光素子。
【請求項４】
前記の導電性誘電体層の幅が、前記の空隙の幅と略同一であることを特徴とする、請求項３に記載の偏光素子。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の偏光素子を複数個平行以外の角度で重ね合わせたことを特徴とする光学シャッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学技術、特に光学フィルタ、偏光素子及び光学シャッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学フィルタは、透明ガラス等の透明基板上に光学薄膜を形成することによって製造される。前記の光学薄膜は金属薄膜と誘電体薄膜に大別されており、金属薄膜からなる光学薄膜の場合、その反射率は膜厚によって制御される。誘電体薄膜からなる光学薄膜の場合、空気と誘電体、誘電体と基板、および異なる誘電体どうしの界面で生じる反射光の干渉を利用することを特徴とする。このように、光学フィルタの特性は、前記の光学薄膜の膜厚及び材質によって大きく影響される。
【０００３】
しかし、前記の光学薄膜の膜厚の形成は、所望の膜厚が得られるように膜を堆積するための膜形成時間等を厳密に制御する必要があるだけでなく、フィルタ特性の個品差を抑えることが困難であった。
【０００４】
また、膜界面からの反射光の干渉を利用してフィルタ特性を得ていたため、使用できる波長に制限があった。即ち、長波長を透過するフィルタにおいて、透過できる上限波長は下限波長の数倍から数十倍に制限されていた。例えば、図７は、従来の長波長透過フィルタの特性を表わす図である。
【０００５】
前記の長波長透過フィルタは、５４０ｎｍ以上の波長の光を透過するように設計されているが、２７００ｎｍ以上の波長では極端に透過率が減少する。尚、図７の例では上限波長は下限波長の約５倍に制限されている。
【０００６】
また、金属等で構成された導電体線が光の波長レベルのピッチで格子状に配列してなるワイヤーグリッドは、導電体線に対して平行に振動する電場ベクトル成分の光を反射し、導電体線に対して垂直な電場ベクトル成分の光を透過させる機能を有する。このような機能を利用して、特許文献１は、ワイヤーグリッド型の偏光子を光ピックアップ光学系、光ファイバ通信光学系、投影型の液晶プロジェクタ等に用いることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１７２８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記のワイヤーグリッド型の偏光子は、光透過性基板上に、複数の金属ワイヤが当該金属ワイヤの長手方向に直交する方向に一定の周期を設けて整列形成されたワイヤーグリッド構造体を有し、特定の直線偏光のみを透過させる。このような機能を確保するため、すなわち、前記ワイヤーグリッドからなる格子の長手方向に対して特定の直線偏光のみを透過させるために、前記ワイヤーグリッドを構成する金属細線の径を充分に細くする必要がある。しかしながら、径が細い金属線は、当該金属線に対して平行方向の偏光にとって薄い金属板と同様、充分な反射率を得ることができない。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、分光可能な波長域が広く、かつ、分光された光の透過率が大きい光学フィルタを提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、液晶プロジェクタなどに最適な、可視光領域の広帯域にわたって優れた光学特性、特に優れた消光比を有する偏光素子を提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、液晶ディスプレイ画面において白と黒のコントラストの高い領域を広く確保することができる液晶シャッタとして好適な光学シャッタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、光学膜の特性に依存した従来技術と異なり、交互に配置された導電性誘電体層と空気層からなる周期的構造は、光の透過率が急激に低下する波長領域を有する現象を見出した。また、このような現象は、前記の周期的構造が有する電流遮断効果によって発生するものであって、前記の波長領域の上限となる波長は、主として、導電性誘電体層及び空気層のそれぞれの幅（或いは厚さ）と、前記導電性誘電体の屈折率（或いは誘電率）によって決定されることが、本発明者の鋭意研究の結果、見出された。更に、前記の波長領域の上限となる波長は、実験又はシミュレーションの結果に基づいて、導電性誘電体層及び空気層のそれぞれの幅（或いは厚さ）と、前記導電性誘電体の屈折率（或いは誘電率）をパラメータとする関数として表すことが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、本発明によれば、上記課題は下記の技術的手段により解決される。
（１）同一の幅及び同一の厚さを有する導電性誘電体層が互いに平行になるように同一の幅の空隙を介して一方向に配列された構造を備え、前記の導電性誘電体層に垂直な面からなる光の入射面を備え、前記の誘電体層に平行に入射する光のうち、前記の導電性誘電体層及び空隙からなる１周期分の長さ及び前記導電性誘電体の屈折率をパラメータとする関数として、予め実験又はシミュレーションによって導出された、透過率が略ゼロとなる波長領域の上限の波長以上の光を透過させることを特徴とする光学フィルタ。
【００１４】
本発明の光学フィルタによれば、導電性誘電体層及び空隙の幅と当該光学フィルタへの入射光の波長との関係によって、前記入射光の透過率が決まる。前記の周期的な配列構造は、半導体プロセスによって極めて正確に作製することができる。従って、本発明の光学フィルタは、生産性が高く且つ個々の製品間における光学特性の違いが極めて低減されている。
【００１５】
（２）前記の導電性誘電体層の幅が、前記の空隙の幅と略同一であることを特徴とする、前記（１）に記載の光学フィルタ。
【００１６】
本発明の光学フィルタによれば、所定の大きさの誘電率を有する導電性誘電体を利用することによって、前記の導電性誘電体と空隙からなる周期の１０倍以上の波長の光を透過するように制御することができる。
【００１７】
（３）同一の幅及び同一の厚さを有する導電性誘電体層が互いに平行になるように同一の幅の空隙を介して一方向に配列された構造を備え、前記の導電性誘電体層に垂直な面からなる光の入射面を備え、前記の誘電体層に平行に入射する光のうち、前記の導電性誘電体層及び空隙からなる１周期分の長さ及び前記導電性誘電体の屈折率をパラメータとする関数として、予め実験又はシミュレーションによって導出された、透過率が略ゼロとなる波長領域の上限の波長以上の光を透過させることを特徴とする、偏光素子。
【００１８】
前記の周期的な配列構造は、前記の導電性誘電体層の配列方向に対して磁場ベクトルの振動方向が平行な電磁波、すなわち、ＴＭ波（Ｔｒａｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗａｖｅ）のみを透過する。一方、前記の周期的な配列構造は、前記の導電性誘電体層の配列方向に対して電場ベクトルの振動方向が平行な電磁波、すなわち、ＴＥ波（Ｔｒａｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗａｖｅ）を透過しない。そこで、所定の大きさの誘電率を有する導電性誘電体を利用することによって、導電性誘電体と空隙の周期の略１０倍以上の波長領域の電磁波に対して、本発明の光学フィルタを偏光素子として利用することができる。
【００１９】
（４）前記の導電性誘電体層の幅が、前記の空隙の幅と略同一であることを特徴とする、前記（３）に記載の偏光素子。
【００２０】
本発明の偏光素子は、所定の大きさの誘電率を有する導電性誘電体を利用することによって、前記の空隙の幅の略１０倍以上の波長を有する入射光に対して高い消光比を有する。
【００２１】
（５）前記（３）または（４）に記載の偏光素子を複数個平行以外の角度で重ね合わせたことを特徴とする光学シャッタ。
【００２２】
本発明の偏光素子は高い消光比を有するため、本発明の偏光素子を複数個組み合わせることによって光学シャッタを構成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光学フィルタ、偏光素子及び光学シャッタは簡易な構造であり、導電性誘電体を所定の間隔で一定幅の空隙を形成すれば良いので、その生産性及び効率性は、極めて高い。
【００２４】
また、本発明において利用される前記の電流遮断効果は、原理的に無限大の波長においても得られるので、原理的に透過できる波長の上限に制限が無い。そのため、本発明によれば、可視光領域の広帯域にわたって優れた光学特性を有する光学フィルタ、優れた偏光度及び消光比を有する偏光素子を提供することができる。
【００２５】
また、本発明の光学フィルタ及び偏光素子を構成する周期的な配列構造における空隙の幅の略１／５以下の波長の電磁波は、隣接する導電性誘電体層の間の空隙のみを透過し、導電性誘電体層を透過することができない。そこで、本発明によれば、所定の大きさの誘電率を有する導電性誘電体を利用することによって、導電性誘電体と空隙の周期の略１／１０から１０倍の波長の電磁波を遮断する光学フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態１に係る光学フィルタ及び偏光素子の基本的構造である周期構造１の断面斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示す周期構造１に入射した所定の波長以上の電磁波のＴＭ波の電場ベクトルを示し、（ｂ）は図１に示す周期構造１に入射した所定の波長以上の電磁波のＴＥ波の電場ベクトルを示す。
【図３】図１に示す周期構造１が遮断する電磁波の上限の波長（波長λｃｕｔ−ｏｆｆ）、前記の周期構造１の導電性誘電体２と空隙３から成る繰り返し構造の１周期（Ｐ）及び導電性誘電体の屈折率との関係を示す図である。
【図４】図１に示す周期構造１について、帯域遮断フィルタとしての光学特性をシミュレーションした結果である。
【図５】図１に示す周期構造１について、偏光素子としての光学特性をシミュレーションした結果である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態２に係る光学シャッタの斜視図であり、（ｂ）は前記光学シャッタの構成図である。
【図７】従来の長波長透過フィルタの透過率と波長との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１の実施の形態〕
次に、本発明の光学フィルタ及び偏光素子（以下、「光学フィルタ等」という。）の基本構造を本発明の実施形態１として具体的に説明するが、以下に示す実施形態はいずれも本発明の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
本発明の光学フィルタ等は、図１に示すように、同一の幅（ＷＤ）及び同一の厚さ（Ｔ）を有する複数の導電性誘電体層２が互いに平行になるように、同一の幅（ＷＳ）の空隙３を介して一方向に配列された周期構造１を備える。
【００２９】
図１に示された周期構造１の導電性誘電体２及び空隙３がそれぞれ同一の幅になるように形成されている場合、すなわち、幅ＷＤ及び幅ＷＳが略同一である場合、前記の周期構造１は、導電性誘電体２及び空隙３が交互に繰り返す周期的な構造の１周期（Ｐ）の略１／１０以下の波長を有する電磁波を透過させる。その一方、前記の周期的な構造の１周期（Ｐ）の略１／１０よりも長い所定の波長領域の電磁波は、前記の周期構造１を有する光学フィルタ等を透過することができない。このように前記の周期構造１によって遮断される電磁波の波長領域が存在するのは、前記の導電性誘電体２と空隙３とからなる１周期（Ｐ）よりも十分に短い波長を有する電磁波は、空隙３を透過する一方、導電性誘電体層２の内部の電場が極めて小さいために導電性誘電体層２の内部へ侵入できないからである。
【００３０】
前記したように、周期構造１の空隙３の幅の略１／５以下の波長の電磁波は、空隙３のみを透過し、導電性誘電体層を透過することができない。そのため、導電性誘電体２と空隙３とからなる１周期（Ｐ）の略１／１０以下の波長を有する電磁波の光透過率は、略ＷＳ／（ＷＳ＋ＷＤ）と表すことができる。空隙３の幅（ＷＳ）と導電性誘電体層２の幅（ＷＤ）が略同一であれば、前記の周期（Ｐ）の略１／１０以下の波長を有する電磁波の光透過率は、０．５となる。
【００３１】
但し、前記の周期構造１は、所定の波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の波長の電磁波に対して平均化された一様な物質として振る舞う。従って、前記の周期構造１は、前記の周期（Ｐ）の略１／１０以下から前記の波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以下のまでの長さの波長を有する電磁波に対してショートパスフィルタとして機能する。
【００３２】
前記の波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の電磁波は、前記の周期構造１の内部を次のように透過すると考えられる。図２（ａ）は、本発明の光学フィルタ等に入射した波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の波長のＴＭ波の電場ベクトルＥＴＭを示し、図２（ｂ）は、本発明の光学フィルタ等に入射した波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の波長のＴＥ波の電場ベクトルＥＴＥを示す。
【００３３】
前記したように、波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の電磁波に対して、前記の周期構造１は平均化された一様な物質として振る舞う。ＴＭ波の電場ベクトルＥＴＭは導電性誘電体層２に対して垂直方向に発生するが（図２（ａ））、前記の導電性誘電体層２の両側が空隙３であるために、ＥＴＭと同一方向に電流は流れない。従って、波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の波長のＴＭ波は、導電性誘電体層２において流れる電流による損失が無いので減衰しない。
【００３４】
一方、ＴＥ波の電場ベクトルＥＴＭは導電性誘電体層２内に発生し（図２（ｂ））、ＥＴＭと同一方向に電流が流れるため、導電性誘電体層２内でエネルギー損失が生じるために光が減衰する。すなわち、波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の波長のＴＭ波のみが本発明の光学フィルタ等を透過して、波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の波長のＴＥ波は本発明の光学フィルタ等を透過しない。
【００３５】
尚、前記の波長λｃｕｔ−ｏｆｆは、前記の１周期（Ｐ）の長さと、導電性誘電体の誘電率又は屈折率をパラメータとする関数として、実験またはシミュレーションによって予め算出することができる。尚、前記のシミュレーションは、実験によって得られた測定結果に基づいて論理的に構築されたモデルやコンピュータプログラムを用いることができる。或いは、前記の１周期（Ｐ）の長さと、導電性誘電体の誘電率又は屈折率等をパラメータとして、物性理論及び電磁気学の理論に基づいて、透過率が略ゼロとなる波長領域が導出されるように構築された理論式を用いても良い。
コンピュータシミュレーションによって得られた、波長λｃｕｔ−ｏｆｆと、導電性誘電体２と空隙３からなる１周期の長さ（Ｐ）及び導電性誘電体の屈折率との関係を図３及び表１に示す。
【００３６】
図３及び表１によれば、使用する導電性誘電体の屈折率が３の場合、波長λｃｕｔ−ｏｆｆと前記の１周期の長さ（Ｐ）との比は約６．３：１である。そのため、屈折率が３である導電性誘電体を用いて、図１の周期構造１が形成される場合、前記の波長λｃｕｔ−ｏｆｆは前記の周期（Ｐ）の略６．３倍になる。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
尚、本発明の光学フィルタ等を構成する導電性誘電体は、特に限定されない。例えば、シリコンに導電性元素をドーピングさせたシリコン系半導体、ＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体等を前記の導電性誘電体層２の構成材料として用いることが可能である。
【００３９】
また、図１に示される本発明の実施形態１に係る光学フィルタ等は、光の入射面が略平面状に形成されている。しかし、本発明の光学フィルタ等の光の入射面は平面に限定されることなく、曲面形状を有していても、あるいは曲面及び平面がそれぞれ部分的に形成された複合的な曲面形状であっても、入射面とすることができる。
【００４０】
〔第２の実施の形態〕
図６（ａ）は、本発明の実施形態２に係る光学シャッタ１０の斜視図であり、図６（ｂ）に示すように、２枚の偏光素子１１及び１２が張り合わされて構成されている。
【００４１】
偏光素子１１及び１２は、それぞれ図１に示される周期構造１のように、図１に示すように、同一の幅及び同一の厚さを有する複数の導電性誘電体層２が互いに平行になるように、同一の幅の空隙３を介して一方向に配列された周期構造を備える。尚、図中のθは、偏光素子１１の導電性誘電体層と偏光素子１２の導電性誘電体層との間のなす角度を示す。
【００４２】
偏光素子１１及び１２のそれぞれに用いられる導電性誘電体は、それぞれ異なる材質であっても良い。すなわち、偏光素子１１に用いられる導電性誘電体は、偏光素子１２に対して誘電率（或いは、屈折率）が異なるものを用いることができる。また、偏光素子１１は、偏光素子１２に関して、導電性誘電体層の幅及び厚さと、空隙の幅のうち少なくともいずれか異なるように構成することができる。
【００４３】
前記のように、本発明の偏光素子の帯域遮断フィルタとしての光学特性は、誘電率（或いは、屈折率）と、導電性誘電体層の幅及び厚さと、空隙の幅によって決定される。従って、異なる帯域遮断フィルタとしての光学特性を有する偏光素子を複数枚重ね合わせることによって、光学シャッタ１０が遮断可能な電磁波の波長範囲を必要に応じて適宜調整することが可能になる。
【実施例１】
【００４４】
本発明の光学フィルタ等の基本的構成である前記の周期構造１は、前記の波長λｃｕｔ−ｏｆｆ以上の長さの波長を有する電磁波に対してロングパスフィルタとして機能する一方、空隙３の幅（ＷＳ）の略１／５以下の波長を有する電磁波に対してショートパスフィルタとして機能する。そこで、複素屈折率が４．５＋１．５ｉである誘電体を用いて、空隙３の幅（ＷＳ）及び導電性誘電体層２の幅（ＷＤ）がいずれも２０ｎｍであり、導電性誘電体層２の厚さ（Ｔ）が４００ｎｍである周期構造１の光学特性をシミュレーションした。
【００４５】
図４は、帯域遮断フィルタとしての光学特性をシミュレーションした結果である。図４のシミュレーション結果から分かるように、４ｎｍ〜４００ｎｍの波長の電磁波が遮断されている。すなわち、導電性誘電体２と空隙３とからなる１周期（Ｐ）の略１／１０〜１０倍の波長の光を遮断する帯域遮断フィルタとして機能していることが分かる。
【実施例２】
【００４６】
図５は、偏光素子としての光学特性をシミュレーションした結果である。図５のシミュレーション結果から分かるように、可視光領域を含む２００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域において、ＴＥ波の透過率は０である。
【００４７】
前記したように、従来の偏光素子として、複数の金属線を同一方向に並べたワイヤーグリッド型の偏光子が用いられていた。このような従来のワイヤーグリッド型の偏光素子の消光比は、５０〜１００程度であった。
【００４８】
これに対して、図５のシミュレーション結果によると、前記の周期構造１を備えた偏光素子を透過させた２００ｎｍ以上の波長の電磁波のＴＭ波とＴＥ波の透過率の比、すなわち、消光比（ＴＴＭ／ＴＴＥ）は、３４０であった。このように、本発明の偏光素子の基本的構造は半導体プロセスによって極めて正確に作製することができるので、図１に示される周期構造１を用いて本発明を偏光素子として用いた場合、従来品よりも格段に高い消光比を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１        周期構造
２        導電性誘電体層
３        空隙
１０      光学シャッタ
１１      偏光素子
１２      偏光素子
【図１】
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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２】
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