JP2009223074A

JP2009223074A - 偏光変換素子

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Publication number: JP2009223074A
Application number: JP2008068694A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sannomiya; 俊三宮; Hiroaki Fukuda; 浩章福田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】入射する光の二つの直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分のみを他方へ変換する偏光変換機能を有する偏光変換素子を提供すること。また、光学素子数の低減が可能となる偏光変換素子を提供すること。
【解決手段】支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体（１）と導電性材料による構造体（２）を光の波長以下の間隔（ｖ）で配したユニットを同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体（１）は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有し、該構造体（２）は、入射する光の伝搬方向に直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有することを特徴とする偏光変換素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い光利用効率ならびに光学素子数の低減を実現する偏光変換素子に関するものであり、本発明にかかる偏光変換素子は、液晶プロジェクタ等の画像投影装置や、表示装置に利用できる。

液晶プロジェクタなどのように偏光を利用して画素のオン・オフを制御する表示装置においては、特定の方向に傾いた直線偏光を空間変調デバイス（液晶パネル）に導入する必要がある。従来は、光源から得られるランダム偏光を、偏光板（偏光選択素子）を介して一方向の直線偏光成分のみを取り出していたため、５０％以上の光を利用していなかった。これに対し、近年、偏光変換素子を利用し、不要成分としていた残りの偏光成分の偏光面を９０°回転させ、再度、空間変調デバイスに導入することにより、高い光利用効率を実現している。これにより、高輝度液晶プロジェクタなどが実現されている。

上記の偏光変換素子は、通常、２つの直交する偏光成分の光路を分岐する偏光分離素子と、一方の偏光面を９０°回転させる１／２波長板（位相シフト）を利用して偏光変換機能を実現するものである。一般的な偏光分離素子として広く利用されているものは、ガラス製のプリズムや平面基板面に、屈折率の異なる誘電体の多層膜を交互に積層した偏光ビームスプリッタ−などであり、膜のそれぞれの界面でブリュースター角となるように、膜の構造や、入射角を設定することにより、Ｐ偏波（入射面に平行な偏波）は直進し、Ｓ偏波（入射面に垂直な偏波）は直角方向に反射され、偏光を分離することができる。しかし、結晶の複屈折率を利用したプリズム型偏光子に比べると、分離性能が低い（十数ｄＢ）という欠点があった。また、屈折率の異方性を利用する位相シフタは、複屈折性を示す光学結晶材料を利用しており、通常、ルチルや方解石などの高価な異方性結晶をくさび形あるいはプリズム型に精密な研磨加工することで実現されている。このような素子は、極めて高価であり、また、小形化が困難、使用できる波長領域に制限があるなどの課題があった。また、光学結晶材料膜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ため、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という問題があった。さらに、上述の偏光制御素子を組み合わせた偏光変換素子においては、光学素子数の低減が困難であり、低価格化や小型化に問題があった。

上記の課題に対し、位相シフタと偏光分離素子の複合構造により単板型の偏光変換素子が実現されており、小型化、作製工程やアライメントの簡略化、機械的安定性を図った偏光変換素子の構成が、以下に示すように数多く提案されている（特許文献１〜４）。

特許文献１（特開平０７−２９４９０６号公報）における課題は、光源効率の高い、すなわち輝度の高い、あるいは消費電力の少ない映像表示を実現することである。図１５に偏光分離素子の構成を示す。光源光１は種々の偏光が混在した無偏光であり、この光は全面に渡り、レンズ板２のそれぞれのレンズ素を通してスプリッタ４の作用面に収束する。そして、スプリッタ４により、Ｐ波成分は作用面をそのまま通過する。一方、Ｓ波成分はスプリッタ４の作用面で分離し、プリズム５で反射し、その出射面で偏光変換する素子、例えば、鏡か直角プリズムの組み合わせによる９０°変換素子か、あるいは１／２波長の位相板（本実施例では１／２波長板６）を通過させることにより、Ｓ波はＰ波となって、スプリッタ４の透過光と平行に出射される。以上、レンズ板２のレンズ素に入射した光はすべて偏光変換板３により、Ｐ波の偏光となって出射し、液晶表示板１０に供給される。

特許文献２（特開２００７−２７９６９３号公報）における課題は、ガラス平板との境界面において偏光分離膜が剥離したり、クラックが発生したりすることがない偏光変換素子を提供することであり、図１６（ａ）に示すように、偏光分離膜１０と反射膜４とを備える第１の透光性部材２と、第１の透光性部材２と交互に貼り合わされる第２の透光性部材３と、偏光分離膜１０を透過した偏光光の光路上又は反射膜４により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に偏光光を変換する１／２波長板５とを有し、偏光分離膜１０を、図１６（ｂ）に示すように、圧縮応力を有するＳｉＯ_２膜１２とランタンチタネート膜１１とを交互に積層した第１の偏光分離膜層膜１０ａと、引張応力を有するＭｇＦ_２膜１３とランタンチタネート膜１１とを交互に積層した第２の偏光分離膜層１０ｂとにより形成した。

特許文献３（特開２００６−３１７９６５号公報）における課題は、偏光分離膜の層数を少なくして製作に要する時間を短縮できる偏光分離素子又は偏光分離膜の層数をあまり多くせずに光利用効率を高めることを可能にした偏光分離素子を備えた偏光変換素子及び投写型表示装置を提供することであり、図１７に示すように、入射された光を二種類の偏光光に分離する偏光分離素子３３０と、該偏光分離素子からの二種類の偏光光の一方を他方の偏光光に変換する選択位相差板３８１とを備え、前記偏光分離素子３３０は、各々の断面が平行四辺形の柱状からなり、交互に貼り合わされた第１の透明性基板と第２の透明性基板とを備え、且つ、前記第１の透明性基板と前記第２の透明性基板との間には偏光分離膜２０と反射膜３０とが交互に配置される。

特許文献４（特開２００７−１５５８３５号公報）における課題は、従来の偏光変換素子において１／２波長板を全て高精度で所定の位置に貼り付ける必要から生じる作業工数が増加及び煩雑さを回避することであり、図１８に示すように、入射面と第１の出射面と偏光分離面と反射面とを有する第１プリズムと、第２の出射面と第１の平面と第２の平面とを有する第２プリズムと、水晶からなる１／２波長板とから構成された複数の光学ユニットからなる偏光変換素子において、上記１／２波長板が、第１の出射面及び第２の出射面全面を覆う形態の第１の水晶板と、外形サイズが第１の水晶板と同じであり且つ第１の出射面上又は第２の出射面上の何れか一方部分に外部露出主面に向かって凸の肉厚部が形成されている第２の水晶板とにより形成されている。

特許文献５（特開２００５−０７７５４５号公報）における課題は、偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系であって、マクロレンズアレイと偏光変換素子の位置決めを容易にし、小型化、薄型化することであり、図１９に示すように、マイクロレンズアレイ５を予め形成しておき、該マイクロレンズアレイに所定の入射角度で略平行光を入射させ、マイクロレンズアレイによる集束光を用いて、偏光変換素子を形成することで、マイクロレンズアレイと偏光変換素子との位置決めを自動的に行い、精度良く形成することで、小型化、薄型化が可能となる。

また、上記と同様に、位相シフタと偏光分離素子を用いた偏光変換素子であり、さらに付加機能を備えたもの、アライメントの容易性を実現したものとして、以下の構成が知られている（特許文献６）。
特許文献６（特開２００７−１６３５９７号公報）における課題は、従来の偏光変換素子と波長選択性位相差板とにより得られる偏光変換機能を有し、画像投射装置における光学部品点数の減少や構造の簡略化が図れる波長選択性偏光変換素子を提供することであり、図２０に示すように、波長選択性偏光変換素子５は、第１の偏光方向の光Ｐおよび第２の偏光方向の光Ｓに対する透過率がそれぞれ、波長域に応じて、５０％より高い透過率と５０％より低い透過率との間で変化する特性を有する偏光分離膜３２と、偏光分離膜で透過又は反射した光の偏光方向を第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で変換する位相差板３３とを有する。該偏光変換素子は、２つの波長域の光を第１および第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する偏光光として射出し、他の波長域の光を第１および第２の偏光方向のうち他方の偏光方向を有する偏光光として射出する。

また、偏光分離素子として複屈折材料や微細構造を利用して構造の簡単化を図った偏光変換機能の構成として、以下のものが知られている（特許文献７、８）。
特許文献７（特開２００７−０９３９６４号公報）における課題は、製造コストの安い偏光変換素子を提供することであり、図２１に示すように、偏光変換素子５は、複屈折板６により構成し、複屈折板６の所定の位置には１／２波長板７を備えている。偏光変換素子５にランダム偏光Ｌ１が入射されると、複屈折板６において、複屈折板６の光軸に対して直交する方向の直線偏光の成分は、常光線となりそのまま入射光Ｌ１の光路を直進し、直線偏光Ｌ２となって第二の経路より出射される。一方、複屈折板６の光軸に対して平行な方向の直線偏光の成分は、異常光線となり複屈折板６において屈折し、直線偏光Ｌ３となって分離される。一方、異常光線となった直線偏光Ｌ３の出射面には、１／２波長板７が設けられており、直線偏光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させ、異常光線を常光線の直線偏光Ｌ２と同一な偏光方向の直線偏光Ｌ３’に変換し、第一の経路より出射する。

特許文献８（特開２００７−２２５７４４号公報）における課題は、無偏光の光を効率よく直線偏光に変換できる生産性に優れた偏光変換素子及びそれを用いた液晶プロジェクタ又は液晶ディスプレイを提供することであり、図２２に示すように、入射角０度の偏光の無い光を略法線方向に出射する直線偏光Ｔ１と法線に対し斜め方向に出射する直線偏光Ｔ２に分離する偏光分離層１２と、直線偏光Ｔ１の偏光状態をほぼ完全に直線偏光Ｔ２の偏光状態に変換して、且つ直線偏光Ｔ２の偏光状態を５０％以上変換せずに、透過する偏光制御層１１とを積層して偏光変換素子を得る。

上記の特許文献１〜８と同様に、位相シフタと偏光分離素子を用いた偏光変換素子として、以下に示す我々の提案技術に係る特許文献がある。
特許文献９（特開２００７−７９５４２号公報）における課題は、無偏光光束を効率よく１偏光方向の光束に切り換えると同時に、偏光分離面の張り合わせ面数を減らして、製作性の優れた偏光変換素子を提供することであり、図２３に示すように、この偏光分離素子は、複数の偏光分離部１０と複数の位相変調部２０を備える。光束は各々の偏光分離部に入射して、各々透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離する。偏光分離部で反射された光束を隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射して、透過光と同一方向に出射する。位相変調部は、透過光と反射光のうちのいずれか一方の光路中に設けて、出射光をＰ偏光あるいはＳ偏光に揃える。偏光分離部で入射光位置と隣接の偏光分離部からの反射光の出射位置とをずらすことは、偏光分離部の角度を４５°からずらすことによって達成される。

また、本発明の偏光変換素子に関連した構成を有する光学素子として、発明者らがこれまで提案してきた以下の技術が公知である（特許文献１０〜１３）。
特許文献１０（特開２００６−３３０１０５号公報）における課題は、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であり、図２４（ａ）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微小構造体で構成された金属複合構造体６を、支持基板上に形成し、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とする。

特許文献１１（特開２００６−３３０１０６号公報）における課題は、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であり、図２４（ｂ）に示すように、透明なガラス基板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（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とする。平坦な基板の他、レンズまたはマイクロレンズ上に金属構造を設ける構成もある。

特許文献１２（特開２００６−３３０１０７号公報）における課題は、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であり、図２４（ｃ）に示すように、ガラス基板などの透明な誘電体基板１上に、二種類以上の金属または合金からなる金属粒子（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を提供する。

特許文献１３（特開２００６−３３０１０８号公報）における課題は、金属微小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であり、図２４（ｄ）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微小構造体６で構成された金属複合構造体を、ガラス基板１上に形成した偏光制御素子１０であって、ガラス基板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。

特許文献１〜８ならびに我々提案の技術（特許文献９）に示す偏光変換素子は、単板の偏光変換素子を実現しているが、偏光ビームスプリッタと反射膜を積層して斜め方向に切り出し、さらに一方の偏光成分が透過する領域に１／２波長板を設ける構成により偏光変換機能を実現しているため、作製工程が極めて複雑となる課題があった。また、異方性材料の膜である１／２波長板は、十分な偏光変換機能を得るためにはある程度の膜厚が必要であり、薄く小型の偏光変換素子を実現するには限界がある。さらには、２つの偏光成分を空間的に分割するために、強度ムラが生じ、これを回避するためにマイクロレンズアレイを設けるなどの必要があり、小型化や光学素子数の低減に課題があった。

我々提案の別技術（特許文献１０〜１３）は、これらの課題を鑑みて、導電性材料の微細構造を利用して偏光制御機能を実現する構成を提案したものであるが、大きな偏光異方性を有する偏光制御素子を提供することを目的としており、偏光変換機能は提供されていない。

特許文献１〜８ならびに我々提案の技術（特許文献９）の課題は、従来の偏光変換素子が、直交する二つの偏光成分に対して、独立に振幅または位相を、膜厚や吸収率の違いにより変調する素子であって、一方の成分のみを他方へ変換する機構を有していないことに起因している。

特開平７−２９４９０６号公報特開２００７−２７９６９３号公報特開２００６−３１７９６５号公報特開２００７−１５５８３５号公報特開２００５−７７５４５号公報特開２００７−１６３５９７号公報特開２００７−９３９６４号公報特開２００７−２２５７４４号公報特開２００７−７９５４２号公報特開２００６−３３０１０５号公報特開２００６−３３０１０６号公報特開２００６−３３０１０７号公報特開２００６−３３０１０８号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直交する二つの偏光成分に対して異なる偏光制御機能を有する構成を提供するものである。
請求項１の目的は、入射する光の二つの直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分のみを他方へ変換する偏光変換機能を有する偏光変換素子を提供することにある。また、光学素子数の低減が可能となる偏光変換素子を提供することにある。
また、請求項２の目的は、請求項１記載の偏光変換素子において用いる導電性材料による構造体の具体的な構成を提供することにある。
また、請求項３の目的は、請求項１，２記載の偏光変換素子の偏光変換効率を向上するための付加的な構成を提供することにある。
また、請求項４の目的は、入射する光の二つの直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分のみを他方へ変換する偏光変換機能を有する偏光変換素子を提供することにある。また、光学素子数の低減が可能となる偏光変換素子を提供することにある。
また、請求項５の目的は、請求項４記載の偏光変換素子において用いる導電性材料による構造体の具体的な構成を提供することにある。
さらに請求項６の目的は、請求項１〜５記載の偏光変換素子において、素子の動作波長帯域を制御するための構成を提供することにある。また、外的衝撃に強い偏光変換素子の構成を提供することにある。

上記課題は、以下の本発明によって解決される。
（１）「支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体（１）と導電性材料による構造体（２）を光の波長以下の間隔（ｖ）で配したユニットを同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体（１）は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有し、該構造体（２）は、入射する光の伝搬方向に直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有することを特徴とする偏光変換素子」、
（２）「前記構造体１が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、２個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする前記第（１）項に記載の偏光変換素子」、
（３）「前記構造体（１）を形成する面の上、または前記構造体（２）を形成する面の下に、前記構造体（２）と同じ軸方向に配向した形状を有する導電性材料による構造体（３）を配したことを特徴とする前記第（１）項又は第（２）項に記載の偏光変換素子」、
（４）「支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体（１）および導電性材料による構造体（２）を有し、該構造体（１）は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有するとともに、光の波長以下の間隔（ｖ）で該構造体（２）に近接して、同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体（２）は、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対し、１つの軸方向に連続したストライプ構造を有することを特徴とする偏光変換素子」、
（５）「前記構造体１が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、２個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする前記第（４）項に記載の偏光変換素子」、
（６）「前記構造体（１）または構造体（２）に接する、または、被覆する誘電体膜を配したことを特徴とする前記第（１）項乃至第（５）項のいずれかに記載の偏光変換素子」。

本発明の請求項１にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す導電性材料による構造体（１）と、２つの直交する軸に対して異なる長さを有する構造により偏光選択性を示す導電性材料による構造体（２）を積層様に配置したユニットを同一面内に配置したことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるという効果を奏する。また、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項２にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す導電性材料による構造体（１）と、２つの直交する軸に対して異なる長さを有する構造により偏光選択性を示す導電性材料による構造体（２）を積層様に配置したユニットを同一面内に配置し、構造体（１）として、複数の微小構造体を用いたことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるとともに、設計自由度の高い偏光変換素子を提供できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項３にかかる偏光変換素子は、請求項１ないしは請求項２記載の偏光変換素子に、２つの直交する軸に対して異なる長さを有する構造により偏光選択性を示す導電性材料による構造体（３）を積層様に配置したことにより、偏光変換効率を向上できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項４にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す構造体（１）と、２つの直交する軸の一方の方向に連続した導電性材料によるストライプ構造を有する構造体（２）を配置したことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるという効果を奏する。また、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項５にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す構造体（１）と、２つの直交する軸の一方の方向に連続した導電性材料によるストライプ構造を有する構造体（２）を配置し、構造体（１）として、複数の微小構造体を用いたことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるとともに、設計自由度の高い偏光変換素子を提供できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項６にかかる偏光変換素子は、請求項１〜５記載の偏光変換素子を誘電体膜で被膜することにより、本偏光変換素子の動作波長帯域の制御が可能であるとともに、外的衝撃に強い偏光変換素子を提供できるという効果を奏する。

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最良な実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図１〜７を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる偏光変換素子の機能を示す説明図である。本偏光変換素子は、素子内部に含む導電性材料による構造体と光の相互作用により、入射するランダム偏光に対し、入射光のｙ軸方向の偏光成分のみをｘ軸方向の偏光成分に変換し、また、入射光のｘ軸方向の偏光成分はそのまま透過させることにより、直線偏光を高効率で取得するものである。

本発明の偏光変換素子の構成を、図２を用いて説明する。図２は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光制御素子内に含まれる導電性材料による構造体（１）（２）の形状を例示した図である。図２左図（断面ＡＡ）は、本偏光変換素子の入射光の伝搬方向に平行な方向の断面図であり、図２右図（断面ＢＢ、断面ＣＣ）は、入射光の伝搬方向に垂直な方向に導電性部材による構造体（１）（２）を切断するように２つの面で切り出した断面図である。本偏光変換素子は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体（１）と、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体（２）を支持体上または支持体内部に積層して配置したユニットを、同一面内に複数個配置した構成を有している。構造体（１）と構造体（２）は、物質近傍に局在して存在する近接場光を介在して相互作用するため、構造体（１）と構造体（２）の光路方向の間隔（ｖ）は入射光の波長以下に近接させて配置する。

図２断面ＢＢは、構造体１を切断する面を示す平面図であり、構造体（１）のぞれぞれは、重心位置を支点にした回転操作で元の形状に一致する点対称性を有している。また、特定の軸に対して折り返した形状が一致するような線対称性がないことが特徴である。このような形状をもつ構造体は、特定の波長域において導電性物質内部の電子振動（プラズモン）に共鳴した、光と導電性材料の強い相互作用が生じるため、直線偏光を入射した際に、直線偏光の偏光面を回転させる旋光性を発現する。
図２断面ＣＣは、構造体（２）を切断する面を示す平面図であり、図２の例の場合には、紙面の上下方向に長く伸びた矩形形状を有している。このような形状をもつ構造体においては、プラズモンの共鳴条件が矩形の長手方向とその直交する方向で異なるために、透過光または反射光に偏光異方性ないしは偏光選択性が生じる。上述の旋光性および偏光選択性の競合効果により、本偏光制御素子の偏光変換機能を得ることができる。

図２では、構造体（１）として、２つの立方体が接したような形状の構造体を例示したが、点対称性をもつ導電性材料による構造で、光学的に旋光性を発するものであれば任意の形状でも構わない。ここで、単純な直方体や円柱のような直線的な形状、すなわち線対称性を有する形状の構造体は旋光性を発現しないため、このような形状の構造体は、本偏光変換素子には利用できない。以下では、本偏光変換素子に用いる点対称性を有し線対称性を有さない構造を、単純に点対称と表記する。また、点対称性とは、本偏光変換素子を設計する上の要件であり、作製誤差等により生じる対称性のずれまでを制限するものではない。

図３は、旋光性を示す構造の例を示した平面図である。図３（ａ）および（ｂ）は、正方形ならびに長方形の断面を有する構造の接した、または重なり合った構造であり、垂直方向または水平方向の軸に対してずれを有した構造のものである。また、図３（ｃ）に示すように、矩形構造の端部が反対称に折れ曲がった構造であってもよい。図３（ｄ）は、反対称に曲率した円弧による構造、図３（ｅ）は、長方形と円形の構造の重なり合った構造、図３（ｆ）は、楕円形の重なり合った構造を示している。これら以外にも、点対称性を有する構造であり、強い旋光性を有する構造であれば、任意の形状の構造体であって構わない。また、構造体の高さおよび高さ方向の形状は、積層する構造体（２）との光相互作用の強さに影響する因子であり、構造体（１）と構造体（２）との間隔（ｖ）と合わせて、最適な高さおよび形状を選択する必要があり、必ずしも矩形断面を持つ形状である必要はない。

また、図２断面ＣＣでは、構造体（２）の例として、図の上下方向を長手方向とした矩形形状の構造体を示したが、長手方向とその直交する方向の偏光成分に対し、吸収ないしは散乱特性の異方性を有するものであれば、いかなる形状であっても構わない。例えば、薄膜状の円形パターン、矩形パターンのほか、円柱、楕円柱、回転楕円体、直方体形状などが利用できる。

構造体（１）と構造体（２）により構成されるユニットの配置の仕方は多様であるが、高い偏光変換効率を得るためには、図２右図の平面図に示したように周期的に配列するほうが好ましい。また、隣接するユニットとの間隔は、出射光に回折の影響ないしは光強度のムラが現れないように、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。構造体（１）および構造体（２）は、上記のように波長程度か、それ以下に配列する必要があり、そのため構造体（１）および構造体（２）のサイズは、入射光の波長以下のサイズが好ましい。ただし、構造体の形状が縦横に長さが異なるため、厳密に波長以下にサイズを制限する必要はない。

導電性材料による構造体（１）ならびに構造体（２）に用いる材料は、構造体（１）と構造体（２）が近接場光を介して強く相互作用するような材料として、導電性材料中の電子の集団運動であるプラズモンを強く励振できる材料が好適である。可視光領域でプラズモンを強く励振できる導電性材料として、一般的な金属材料であるＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、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・混合材料が利用できる。

次に、本偏光変換素子の支持体について、図２および図３を用いて説明する。
図２左図では、作製上の容易性から、構造体（１）が支持体界面に配され、構造体（２）が支持体内部に埋め込まれた構成を示したが、図４に示すように、支持体内部に構造体（１）および構造体（２）がともに埋め込まれた構成であっても構わない。この場合、作製における工程数が増えるが、外的衝撃に強い光学素子を提供することができる。また、図２左図においては、構造体（２）を光の透過面側に配置したが、構造体（１）と構造体（２）の積層の順が逆となる構成であっても構わない。支持体として用いる材料は、高効率を得るために可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、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が、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などを利用する。

次に、本偏光変換素子の作製方法について、図５を用いて説明する。本偏光変換素子は、図５に示す工程により作製する。まず、基板上にレジストを塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストを露光し、反応性ドライエッチングによりガラス表面に凹凸パターンを形成する（工程１）。続いて、Ａｕなどの導電性材料をスパッタリングまたは蒸着により成膜し（工程２）、その後、レジストの除去にともなうリフトオフによって、下層の導電性材料による構造体を作製する（工程３）。続いて、ＳｉＯ_２をスパッタリングなどにより成膜し、レジストを塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストを露光してリンスすることにより凹凸形状を作製する（工程４）。続いて、導電性材料をスパッタリングまたは蒸着により成膜し（工程５）、レジストの除去にともなうリフトオフにより、構造体を残すことにより、上層の導電性材料による構造体を作製する（工程６）。以上は、作製工程の一例であるが、電子ビームリソグラフィによる描画の代わりに、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。

次に、本偏光変換素子の動作を検証するために実施した数値シミュレーションについて、図６、図７に基づいて説明する。数値シミュレーション手法として、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６は、数値シミュレーションに用いた本偏光制御素子のモデルを説明する断面図であり、構造体２側から光を入射する構成で計算を行なった。透過光のスペクトル特性を得るために、入射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）パルス光を、構造体２の下端から、８４０ｎｍ離れた面から入射し、１０００ｎｍ離れた透過面において、透過光の偏光特性を評価した。また、構造体（１）および構造体（２）を構成する導電性材料はＡｕを仮定し、Ａｕ中の電子の光電場に対する応答を記述するために、ＤｒｕｄｅモデルとＬｏｒｅｎｔｚモデルの重畳した誘電関数を使用することにより、材料の波長分散特性を導入した。Ａｕ構造体の周囲媒質は、動作原理の検証を目的とするため、真空（屈折率ｎ＝１）として計算を行なった。

図７は、以下のＡｕ構造体に対する数値シミュレーション結果の一例であり、ｘ軸方向に振動する直線偏光を入射した場合のｘ成分およびｙ成分の透過率をそれぞれＴｘｘ、Ｔｘｙ、ｙ軸方向に振動する直線偏光を入射した場合のｘ成分およびｙ成分の透過率をそれぞれＴｙｘ、Ｔｙｙとしてプロットした。構造体（１）は、矩形形状のドットの端部が接触した形状を用い、ｗ＝ｈ＝８０ｎｍ、Ｌｘ＝１２８ｎｍに設定し、構造体（２）はｗ＝ｈ＝８０ｎｍ、Ｌｙ＝３２８ｎｍの直方体に設定した。また、構造体（１）と構造体（２）の間隔（ｖ）を、ｖ＝１６ｎｍに設定した。ここで、数値シミュレーションにおける最小セルサイズは４ｎｍとした。さらに、計算空間をＰｘ＝２００ｎｍ、Ｐｙ＝４００ｎｍとし、計算領域境界に周期境界を適用することにより、実質的にｘ軸方向に２００ｎｍ、ｙ軸方向に４００ｎｍのピッチをもつ構造体（１）と構造体（２）からなるユニットの周期構造と等価な計算を行なった。

図７の結果において、Ｔｘｙ成分とＴｙｘ成分に着目すると、波長７３０ｎｍ近傍の領域でＴｙｘ成分がほぼゼロであるのに対して、Ｔｘｙ成分が約０．３５の値となり、入射光のｘ成分のみを選択的にｙ成分に変換する機能が確認できた。本シミュレーション結果においては、直交する２つの偏光成分のうち、入射偏光の直接透過成分であるＴｘｘ成分も観測されており、また、Ｔｙｙ成分もカット（反射）されていることから、ｙ成分を効率良く取り出せる素子とはなっていないが、構造体の形状や配置、背景媒質（支持体）となる透明材料の選択、あるいは付加的な偏光選択構造（例えば、請求項３に示す構造）を設けることにより、高効率な偏光変換素子を提供することができる。

本偏光制御素子は、図７の数値シミュレーション結果に見られるように、支持体上または支持体内部に配置された導電性材料による構造体と光との共鳴的な強い相互作用を利用したものであるため、使用する材料および構造体の形状に依存した固有の動作波長帯域を有する。例えば、図７では、半値幅を動作波長帯域として、およそ７００〜８００ｎｍの波長帯で動作する。液晶プロジェクタ等の投影装置などに利用するには、ＲＧＢに対応する波長で動作する偏光変換素子が必要であるが、所望する動作波長帯域に応じて、上述したような導電性材料、支持体材料を選択することにより、動作波長帯域の中心波長を大きく振ることができ、所望する波長帯域で動作する偏光変換素子が実現できる。例えば、導電性材料として金属材料であるＡｇを用いると、プラズモンの共鳴波長が短波長側にあることから、本偏光変換素子の動作波長帯域も短波長側にシフトする。

以上のように、本偏光変換素子は、２種類の対称性を有する導電性材料による構造体の積層構成を支持体上または支持体内部に形成することにより、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく、ランダム偏光を直線偏光に効率良く変換することができ、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図４、５、８〜１０を参照して説明する。図８は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光変換素子内に含まれる導電性材料による構造体の形状を例示した図である。本偏光変換素子は、請求項１の説明と同様に、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体（１）と、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体（２）を支持体上または支持体内部に積層して配置したユニットを、同一面内に複数個配置した構成を有している。

第１の実施例との違いは、図８断面ＢＢに示すように、構造体（１）として、孤立した２個以上の微小構造体を用いた点であり、隣接する微小構造体の間隔ならびに位置の対称性を制御して構造を形成することにより、偏光変換特性の制御が可能となり、また、作製上の容易性を得ることができる。構造体（１）と構造体（２）が近接場光を介して相互作用する必要から、構造体（１）と構造体（２）の間隔（ｖ）は入射光の波長以下に近接させて配置する。構造体（１）が点対称性な構造であるために旋光性を示すことに加え、図８断面ＣＣに示すように、構造体（２）が一方向に伸びた構造であるために偏光選択性を示すことから、これらの競合効果により、本偏光制御素子において偏光変換機能を得ることができる。

図８断面ＢＢでは、導電性材料による構造体（１）として、２つの立方体が近接した構造体を例示したが、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであれば任意の形状であっても構わない。

図９に、旋光性を示す形状の例である平面図を示す。図９（ａ），（ｄ）は、矩形形状の断面を有する構造の近接した複合構造であり、図９（ｂ）は、三角柱形状の複合構造である。プラズモンによる強い電場増強効果は、導電性材料による微小構造の先鋭部に集中することが知られており、図９（ｂ）に示す構造では、強い旋光効果が生じる。また、矩形形状の構造の対角線部分を切除した構造（図９（ｃ））、２個の楕円柱または回転楕円体が、長軸または短軸が互いに一致しないように配置した構造（図９（ｅ））も、点対称性を有し、すなわち旋光性を発現する。また、導電性材料による構造体（１）は、３個以上の複数個の微小構造体の集合であっても構わない。図９（ｆ）〜（ｈ）は、それぞれ、３個、４個、５個の微小構造体を用いて構造体（１）を形成した例である。これら以外にも、孤立した微小構造体を用いた点対称構造であり、強い旋光性を有する構造であれば、任意の形状の構造体であって構わない。また、構造体の高さ方向の形状は、積層様に配置する構造体（２）との光相互作用の強さに影響するため、構造体（１）と構造体（２）との間隔（ｖ）と合わせて、最適な高さならびに形状を選択する必要があり、必ずしも矩形断面をもつ形状である必要はない。上記で説明した点対称性とは、設計上の要件であり、作製誤差等により生じる対称性のずれまでを制限するものではない。

導電性材料による構造体２は、第一の実施例で説明したものと全く同様のものでよく、２つの直交する直線偏光に対して、偏光異方性を有する構造であれば、円柱、楕円柱、回転楕円体、直方体形状など、いかなる形状であっても構わない。

導電性材料による構造体（１）ならびに構造体（２）に用いる材料は、第１の実施例と同様でよく、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、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・混合材料が利用できる。

構造体１と構造体２により構成されるユニットの配置の仕方は、第１の実施例における説明と同様であるが、図８右図に示したように周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。ユニットの配列を波長と同程度か、それ以下とするために、構造体（１）および構造体（２）のサイズは、入射光の波長以下のサイズが好ましい。また、構造体（１）を構成する孤立した微小構造体は、同様に波長以下のサイズをとる。微小構造体の形状は、図９で説明した通り必ずしも等方的ではなく一意に決められない。そのため、構造体のサイズを図１０のように定義する。

図１０は、構造体１を入射光の伝播方向に垂直な面で切断した平面図であり、２次元的な形状に対して、微小構造体と同面積を有する円の直径ｄ、または空間的に非対称な形状を有する微小構造体の場合、微小構造体と同面積を有する楕円の長径ｄ１および短径ｄ２を、微小構造体のサイズとする。したがって、微小構造体のサイズは、円の直径ｄ、または楕円の長径および短径ｄ１、ｄ２が入射光の波長より小さくなるように設定する。

本偏光変換素子の構造体（１）および構造体（２）は、図８左図では、構造体（１）が支持体界面に配され、構造体（２）が支持体内部に埋め込まれた構成を示したが、第１の実施例で図４を用いて説明したように、支持体内部に構造体（１）および構造体（２）がともに埋め込まれた構造とし、外的衝撃に強い構成としてもよい。また、構造体（１）と構造体（２）の積層の順序は特に制限する必要がなく、光の入射方向に対していずれの順であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、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が、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などを利用する。

本偏光変換素子の作製方法は、第１の実施例において図５を用いて説明したとおりであり、電子ビームリソグラフィと反応性ドライエッチングを用いたリフトオフ法を利用して作製する。もしくは、電子ビームリソグラフィを用いる代わりに、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、ナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、２種類の対称性を有する導電性材料による構造体の積層構成を支持体上または支持体内部に形成しており、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく、ランダム偏光を直線偏光に効率良く変換することができ、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。また、構造体１を孤立した複数の微小構造体で構成したことにより、設計自由度の高い偏光制御素子が実現できる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図３〜５、９、１１、１２を参照して説明する。図１１は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光変換素子内に含まれる導電性材料による構造体の形状を例示した図であり、入射光の伝搬方向に対して平行な２つの直交する断面（ＺＸ面、ＹＺ面）を示している。本偏光変換素子は、第１および第２の実施例で説明した、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体（１）と、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体（２）に加えて、構造体（２）と同様の形状ならびに配向を有する構造体（３）を積層して構成したユニットを、同一面内に配列した構成を有している。ここで、図１１では、構造体（２）の長手方向の軸をＹ軸、入射する光の伝搬方向をＺ軸に設定した。構造体（２）と構造体（３）を入射光の伝搬方向に積層様に配置し、これらの間隔（ｖ）を支持体内部における光の１／２波長の整数倍近傍に設定することにより、散乱光に指向性をもたせることができ、透過光または反射光の割合を調整することが可能となる。また、第１および第２の実施例と同様に、構造体（１）が点対称性な構造であるために旋光性を示すことに加え、構造体（２）および構造体（３）が一方向に伸びた構造であるために偏光選択性を示すことから、これらの競合効果により偏光変換機能を得ることができるため、指向性を併せ持つことにより、本偏光変換素子は、第１および第２の実施例に説明した偏光変換素子における偏光変換特性を向上させることが可能となる。

導電性材料による構造体（１）は、第１および第２の実施例で説明したものと同様であり、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであればよく、図３に示すような構造体（１）の形状が点対称性を有する単一の構造体であるもの、図９に示すような構造体（１）を構成する複数の孤立した微小構造体が点対称性に配されたもの、複数の孤立した微小構造体であり、さらに形状が等方的でないもののいずれの形態であっても構わない。

導電性材料による構造体（２）ならびに構造体（３）は、第１および第２の実施例において構造体（２）について説明したものと同様で、２つの直交する直線偏光に対して、偏光異方性を有する構造であれば、円柱、楕円柱、回転楕円体、直方体形状など、いかなる形状であっても構わない。

導電性材料による構造体（１）、構造体（２）ならびに構造体（３）に用いる材料は、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、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・混合材料が利用できる。

本偏光変換素子の構造体（１）、構造体（２）ならびに構造体（３）は、図１１では、構造体（１）が支持体界面に配され、構造体（２）および構造体（３）が支持体内部に埋め込まれた構成を示したが、第１の実施例で図４を用いて説明したように、支持体内部に構造体（１）、構造体（２）および構造体（３）が全て埋め込まれた構造とし、外的衝撃に強い構成としてもよい。また、構造体（１）、構造体（２）、構造体（３）の積層の順序は特に制限する必要がない。例えば、図１２に示すように、構造体（２）と構造体（３）の間に構造体（１）を配した構成であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、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が、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などを利用する。

構造体（１）、構造体（２）および構造体（３）により構成されるユニットの配置の仕方は、第１の実施例における説明と同様であるが、周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、２種類の対称性を有する導電性材料による構造体の積層構成を支持体上または支持体内部に形成しており、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有し、さらに構造体における散乱光に指向性を持たせる第３の構造体（３）を有しているために、偏光変換効率の高い偏光変換素子を実現することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図３、５、９、１３を参照して説明する。図１３は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光変換素子内に含まれる導電性材料による構造体の形状を例示した図である。本偏光変換素子は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体（１）を同一面内に配置した構成を有するとともに、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対し１つの軸方向に連続したストライプ構造を有する導電性材料による構造体（２）を有し、構造体（１）および構造体（２）を支持体上または支持体内部に、入射する光の波長以下の間隔で積層した構成を有している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、構造体（２）を通る断面で本偏光制御素子を切断した平面図の２つの例を示しており、（ａ）は構造体（２）を構成する導電性材料部分に重なって構造体（１）を配した素子であり、（ｂ）は構造体（２）を構成する導電性材料のないギャップ部分に重なるように構造体（１）を配した素子を示している。図１３（ａ）、（ｂ）のように、構造体（１）と構造体（２）の位置関係により、偏光変換特性は変化するが、偏光変換機能が発現する原理に違いはない。構造体（２）のように、導電性材料によるストライプ構造は、ワイヤグリッド偏光子として広く利用されており、強い偏光選択性を示す。また、構造体（１）は、点対称性な構造であるために旋光性を示すため、構造体（１）および構造体（２）と入射光が相互作用することにより、本偏光制御素子において偏光変換機能を得ることができる。

導電性材料による構造体（１）は、第１および第２の実施例で説明したものと同様であり、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであればよく、図３に示すような構造体（１）の形状が点対称性を有する単一の構造体であるもの、図９に示すような構造体（１）を構成する複数の孤立した微小構造体が点対称性に配されたもの、複数の孤立した微小構造体であり、さらに形状が等方的でないもののいずれの形態であっても構わない。構造体（１）の配置の仕方は、第１の実施例における説明と同様であるが、周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔（ｖ）が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。

導電性材料による構造体（２）は、偏光選択性を有するとともに、ストライプ構造による入射光の回折を生じないように、入射光の波長以下の間隔で導電性材料のストライプ構造が形成された構造とする。

本偏光変換素子の構造体（１）および構造体（２）は、第１および第２の実施例と同様に、支持体界面に構造体（１）または構造体（２）が配置された構成であっても、構造体（１）および構造体（２）がともに支持体内部に埋め込まれた構成であってもよい。支持体内部に構造体（１）および構造体（２）が埋め込まれた構成の素子は、外的衝撃に強い利点がある。また、構造体（１）と構造体（２）の積層の順序は特に制限する必要がなく、光の入射方向に対していずれの順であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、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が、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などを利用する。

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、点対称性を有する導電性材料による構造体を、導電性材料によるストライプ構造に隣接して積層した構成を支持体上または支持体内部に形成しており、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく、ランダム偏光を直線偏光に効率良く変換することができ、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図２、３、５、８、９、１１、１３、１４を参照して説明する。図１４は、本偏光変換素子の構成を説明する、入射する光の伝搬方向と平行な面で本偏光変換素子を切断した断面図である。本偏光変換素子は、第１〜第４の実施例で説明した偏光変換素子と同様に、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体（１）を同一面内に配置した構成を有するとともに、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体（２）を少なくとも配した構成を有している。もしくは、第４の実施例に説明したように、構造体（２）として、導電性材料によるストライプ構造を用いた素子であってもよい。さらに、本偏光変換素子は、構造体（１）、構造体（２）に接するように、もしくは被覆するように、支持体とは屈折率の異なる誘電体膜を設けた構成を有している。

誘電体膜が導電性材料による構造体に接する場合、誘電体膜材料の屈折率に応じて導電性材料中に生じるプラズモンの共鳴波長がシフトする。例えば、支持体よりも屈折率の高い誘電体材料を誘電体膜として利用すると、プラズモンの共鳴波長が長波長側にシフトする。したがって、誘電体膜材料の選択により、本偏光変換素子の動作波長帯域を選択することができる。また、誘電体膜により構造体を被覆することにより、外的衝撃に強い偏光変換素子を提供することが可能となる。誘電体膜材料は、支持体と同様に吸収性、ならびに偏光に対する異方性の少ない材料が好ましく、光学素子のコーティング材料として一般的に使用される、石英ガラス、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯなどが適している。誘電体膜として、多層膜を用いる構成であっても構わず、この場合、反射率や透過率の制御が可能となる。

本偏光変換素子における偏光変換機能は、第１〜第４の実施例における説明と同様であり、導電性材料による構造体（１）の有する旋光性と、構造体（２）ないしは構造体（２）および構造体（３）の有する偏光選択性の競合効果に起因している。そのため、導電性材料による構造体（１）は、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであればよく、図３に示すような構造体（１）の形状が点対称性を有する単一の構造体であるもの、図９に示すような構造体（１）を構成する複数の孤立した微小構造体が点対称性に配されたもの、複数の孤立した微小構造体であり、さらに形状が等方的でないもののいずれの形態であっても構わない。また、導電性材料による構造体（２）は、図２または図８の断面ＣＣに示したような、孤立した偏光選択性を有する構造であっても、図１３に示したような連続的なストライプ構造であっても構わない。また、図１１に示したように、第３の構造体（３）を配置することにより、散乱光の指向性を向上させ、偏光変換効率を向上させたものであってもよい。構造体（１）、または構造体（１）と構造体（２）（および構造体（３））によるユニットの配置の仕方は、第１の実施例における説明と同様に、周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔（ｖ）とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。本編変換素子に使用する導電性材料による構造体（１）ならびに構造体（２）に用いる具体的な材料は、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、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・混合材料が利用できる。

本偏光変換素子の構造体（１）および構造体（２）は、支持体界面に構造体（１）または構造体（２）（または構造体（３））が配置された構成をとる。また、構造体（１）と構造体（２）（および構造体（３））の積層の順序は特に制限する必要がなく、光の入射方向に対していずれの順であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、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が、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などを利用する。

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、点対称性を有する導電性材料による構造体を、偏光選択性を有する導電性材料による構造体に隣接して積層した構成を支持体上または支持体内部に形成し、さらに誘電体膜を形成することにより、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有し、動作波長帯域を制御することが可能であり、さらに外的衝撃に強い素子を提供することができる。

本発明の偏光変換素子の機能を説明する図である。本発明の第１の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。導電性材料による構造体１の形状を説明する図である。本発明の第１の実施の形態の偏光変換素子の異なる構成を説明する断面図である。本発明の偏光変換素子の作製工程を説明する図である。数値シミュレーションのモデルを説明する図である。数値シミュレーションの結果を説明する図である。本発明の第２の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。導電性材料による構造体１の形状を説明する図である。微小構造体のサイズの定義を説明する図である。本発明の第３の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。本発明の第３の実施の形態の偏光変換素子の異なる構成を説明する断面図である。本発明の第４の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。本発明の第５の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。特許文献１を説明する図である。特許文献２を説明する図である。特許文献３を説明する図である。特許文献４を説明する図である。特許文献５を説明する図である。特許文献６を説明する図である。特許文献７を説明する図である。特許文献８を説明する図である。特許文献９を説明する図である。特許文献１０〜１３を説明する図である。

符号の説明

（図１５について）
１無偏光光源光
２レンズ板
３偏光変換板
４偏光ビームスプリッタ
５プリズム
６１／２波長板
１０液晶表示板
（図１６について）
１偏光変換素子
２第１の透光性部材
２ａ光の入射面
２ｂ光の出射面
２ｃ第１の膜形成面
２ｄ第２の膜形成面
３第２の透光性部材
３ａ光の入射面
３ｂ光の出射面
４反射板
５１／２波長板
１０偏光分離膜
１０ａ第１の偏光分離膜層
１０ｂ第２の偏光分離膜層
１１高屈折率膜（ランタンチタネート膜）
１２第１の低屈折率膜（ＳｉＯ_２膜）
１３第２の低屈折率膜（ＭｇＦ_２膜）
１４ガラス平板
（図１７について）
２０偏光分離膜
３０反射膜
３２０偏光変換素子
３２１基板
３２２基板
３３０偏光分離素子
３８１ λ／２位相差板
（図１８について）
１０偏光変換素子
１１第１のプリズム
１１ａ入射面
１１ｄ第１の出射面
１２第２のプリズム
１２ａ第２の出射面
１３偏光分離膜
１４反射膜
１５１／２波長板
１５ａ第１の水晶板
１５ｂ第２の水晶板
１６肉厚部
１８レンズアレイ
（図１９について）
１楔形プリズム
２偏光分離材料
３レンズベース
４マイクロレンズアレイ
５樹脂層
７１／２波長素子
（図２０について）
５波長選択性偏光変換素子
３１反射膜
３２波長選択性偏光分離膜
３３位相差板
３４遮光板
（図２１について）
５偏光変換素子
６複屈折板
７１／２波板
（図２２について）
３異方性フィルム
４ビーム光
１１等方性材料からなる層
１２異方性（一軸性）材料からなる層
（図２３について）
１０偏光分離部
２０位相変調部
１００光束
（図２４ａについて）
１支持基板
２金属微小構造体
４入射光
５ａ透過光
５ｂ反射光
６金属複合構造体
（図２４ｂについて）
１ガラス基板
２金属粒子
４直線編光
５楕円編光
１０編光制御素子
（図２４ｃについて）
１誘電体層
２第１の金属粒子
３第２の金属粒子
１０編光制御素子
（図２４ｄについて）
１ガラス基板
２金属微小構造
４直線編光
５楕円編光
６金属微小構造体
１０編光制御素子

Claims

支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体（１）と導電性材料による構造体（２）を光の波長以下の間隔（ｖ）で配したユニットを同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体（１）は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有し、該構造体（２）は、入射する光の伝搬方向に直交する２つの軸に対して長さの異なる形状を有することを特徴とする偏光変換素子。
前記構造体１が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、２個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
前記構造体（１）を形成する面の上、または前記構造体（２）を形成する面の下に、前記構造体（２）と同じ軸方向に配向した形状を有する導電性材料による構造体（３）を配したことを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光変換素子。
支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体（１）および導電性材料による構造体（２）を有し、該構造体（１）は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有するとともに、光の波長以下の間隔（ｖ）で該構造体（２）に近接して、同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体（２）は、入射する光の伝搬方向と直交する２つの軸に対し、１つの軸方向に連続したストライプ構造を有することを特徴とする偏光変換素子。
前記構造体１が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、２個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする請求項４に記載の偏光変換素子。
前記構造体（１）または構造体（２）に接する、または、被覆する誘電体膜を配したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の偏光変換素子。