CN102162871A - 偏光元件及投影仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种偏光元件及投影仪。偏光元件具备基板和在上述基板上排列的多个栅格部，上述栅格部具有沿该栅格部的长度方向以小于入射光的波长的周期交替排列的凸部及凹部，在上述多个栅格部中，上述凸部的排列周期P为一定，同时上述凸部的排列周期P与上述凸部的长度L的比率(D＝L/P)为一定，上述凸部的高度在相邻的上述栅格部中彼此不同。

Description

偏光元件及投影仪
技术领域
本发明涉及偏光元件及投影仪。
背景技术
近年来，作为具有偏光分离功能的光学元件，已知一种线栅(WireGrid)偏光元件。该线栅偏光元件是在玻璃基板等透明基板上铺满纳米尺度的金属丝部(金属细线)而形成的。线栅偏光元件，其偏光分离性能高，并且由无机材料构成，所以与由有机材料构成的偏光元件相比，具有耐热性优越等特征。因此，一直进行着在各种光学系统中使用线栅偏光元件来替代将现有的高分子作为元件的偏光分离元件的研究。具体来讲，适合应用到暴露于来自高输出功率的光源的光中的液晶投影仪的光阀用偏光元件，并配置在光阀的前后(光入射侧、光出射侧的至少一方)。
然而，光阀的光出射侧要求具有吸收不需要的偏光的功能。其原因在于，若不需要的偏光在光阀的光出射侧反射，则该反射光会再次入射到光阀中而引起晶体管的温度上升，从而打乱灰度、或成为杂散光而存在画质下降等问题。
因此，研究着各种具备吸收不需要的偏光的功能的吸收式线栅偏光元件。例如，在专利文献1中，在基板上形成了具有光反射性的第一分级层的偏光元件上附加具有光吸收性的第二分级层(吸收层)，从而选择性地吸收不需要的偏光。
另一方面，在专利文献2中，提出了一种具有透光性基板和光反射体的偏光元件，其中，透光性基板在其表面上以大于入射光的波长的间距形成了台阶，光反射体则在透光性基板的表面上以小于入射光的波长的间距排列成条纹状。由此，使不需要的偏光成分不产生正反射地制作角度使其反射，从而抑制着杂散光的产生。
专利文献1：日本特开2005-37900号公报
专利文献2：日本特开2006-133275号公报
然而，在专利文献1中，偏光元件形成后需要进行吸收层的成膜，元件的构造也变得复杂，因此制造成本上升。
发明内容
本发明是鉴于这种问题而提出的，其目的在于提供一种偏光元件及投影仪，选择性地吸收不需要的偏光，灰度优越，能够实现高画质的显示，还能简化元件构造且实现低成本化。
为了解决上述的课题，本发明的偏光元件，其特征在于，具备基板和在上述基板上排列的多个栅格部，上述栅格部具有沿该栅格部的长度方向以小于入射光的波长的周期交替排列的凸部及凹部，在上述多个栅格部中，上述凸部的排列周期P为一定，并且上述凸部的排列周期P与上述凸部的长度L的比率(D＝L/P)为一定，上述凸部的高度在相邻的上述栅格部之间不同。
按照这种结构，通过制作在金属细线上以小于入射光的波长的周期排列的共振光栅构造，能够显现表面等离子共振(SPR)，选择性地吸收入射到偏光元件上的特定波长的直线偏光TE(不需要的偏光)。具体来讲，在向上述的共振光栅构造入射直线偏光TE时，产生渐逝光。使用该渐逝光，能够使该波数与表面等离子的波数一致，从而能够激发表面等离子。由于该表面等离子的激发消耗入射光的能量，因此能够抑制向光入射方向的反射。因此，通过选择性地吸收不需要的偏光而能够提供灰度优越、高画质显示的偏光元件。此外，无需像专利文献1那样设置吸收层，因此能够简化元件构造，实现低成本化。
此外，在本发明中各栅格部的凸部的排列周期及凸部的排列周期P与凸部的长度L的比率(占空比：D＝L/P)相等，凸部的高度在相邻的栅格部中彼此不同，所以每个栅格部可吸收的直线偏光TE的波长不同，其结果，大幅扩大了可吸收的直线偏光的波长范围。由此，能够在广波长范围下降低反射率，因此在应用到投影仪等的情况下其设计容限变广，得到更容易利用的偏光元件。
此外，优选为，在上述基板上设置多个栅格组，上述栅格组具有上述凸部呈第一高度的第一上述栅格部和上述凸部呈第二高度的第二上述栅格部，上述栅格部的排列方向上的上述栅格组的宽度小于上述入射光的波长。
按照这种结构，能够使可吸收的直线偏光的波长范围在相邻的栅格部中彼此不同。此外，能够根据入射光设定凸部的高度。并且，通过将凸部的高度预先设定多种类型，元件设计及制作变得容易。
此外，优选为，设置在同一上述栅格部上的上述凸部与上述凹部的长度相等。
按照这种结构，由于设在同一栅格部上的凸部和凹部的长度相等，所以容易制作。此外，每个栅格部变得容易激发表面等离子，因此消耗入射光的能量，从而能够充分抑制向光入射方向的反射。
此外，优选为，上述凸部的高度不同的多种上述栅格部不规则地排列在上述基板上。
按照这种结构，根据入射光的波长，适当进行将凸部的高度不同的多种栅格部不规则地排列在基板上这样的设计，从而能够制成具有良好的光学特性的偏光元件。
为了解决上述的课题，本发明的偏光元件，其特征在于，具备基板和在上述基板上排列的多个栅格部，上述栅格部具有沿该栅格部的长度方向以小于入射光的波长的周期交替地排列的凸部及凹部，上述多个栅格部的各个上述凸部的排列周期相等，上述凸部的排列周期P与上述凸部的长度L的比率(D＝L/P)在相邻的上述栅格部中彼此不同。
按照这种结构，通过制作在金属细线上以小于入射光的波长的周期排列的共振光栅构造，能够显现表面等离子共振(SPR)，选择性地吸收入射到偏光元件上的特定波长的直线偏光TE(不需要的偏光)。具体来讲，在向上述的共振光栅构造入射直线偏光TE时，产生渐逝光。使用该渐逝光，能够使该波数与表面等离子的波数一致，从而能够激发表面等离子。由于该表面等离子的激发消耗入射光的能量，因此能够抑制向光入射方向的反射。因此，通过选择性地吸收不需要的偏光而能够提供灰度优越、高画质显示的偏光元件。此外，无需像专利文献1那样设置吸收层，因此能够简化元件构造，实现低成本化。
此外，在本发明中，多个栅格部的各个凸部的排列周期相等，上述凸部的排列周期P与上述凸部的长度L的比率(D＝L/P)在相邻的栅格部中彼此不同，所以每个栅格部可吸收的直线偏光TE的波长不同，其结果，大幅扩大了可吸收的直线偏光的波长范围。由此，能够在广波长范围下降低反射率，因此在应用到投影仪等的情况下其设计容限变广，得到更容易利用的偏光元件。
此外，优选为，上述凸部相对上述凹部的突出高度在相邻的上述栅格部之间不同。
按照这种结构，能够使可吸收的直线偏光的波长范围在相邻的栅格部中彼此不同。此外，能够根据入射光设定凸部的高度。并且，通过将凸部的高度预先设定多种类型，元件设计及制作变得容易。
此外，优选为，在上述基板上设置多个栅格组，上述栅格组具备具有第一比率的第一上述栅格部和具有第二比率的第二上述栅格部，上述栅格部的排列方向上的上述栅格组的宽度小于上述入射光的波长。
按照这种结构，能够使可吸收的直线偏光在相邻的栅格部中彼此不同。此外，能够根据入射光设定栅格部的上述比率D。并且，通过将栅格部的上述比率D设定多种类型，元件设计及制作变得容易。
此外，优选为，上述比率不同的多种上述栅格部不规则地排列在上述基板上。
按照这种结构，根据入射光的波长，适当进行将上述比率不同的多种栅格部不规则地排列在基板上这样的设计，从而能够制作具有良好的光学特性的偏光元件。
此外，优选为，上述栅格部、上述凸部及上述凹部在侧视时为矩形形状。
按照这种结构，由于上述栅格部、上述凸部及上述凹部在侧视时呈矩形形状，所以容易制作。具体来讲，在基板上形成金属膜，以抗蚀图形为掩膜，利用反应性离子蚀刻(RIE)进行各向异性蚀刻，从而能够容易制作。因此，提高生产效率，能够实现低成本化。
本发明的投影仪其特征在于，具备：射出光的照明光学系统；对上述光进行调制的液晶光阀；用上述液晶光阀调制的光所入射的权利要求1至8中任一项上述的偏光元件；将透过上述偏光元件的偏光投射到被投射面的投射光学系统。
按照这种结构，由于具备上述的本发明所涉及的偏光元件，因此即使使用高输出功率的光源，也能抑制偏光元件的劣化。因此，能够提供灰度优越、能够实现高画质显示、能够实现低成本化的投影仪。
附图说明
图1为表示第一实施方式的偏光元件的简要结构的立体图。
图2(a)为表示偏光元件的简要结构的俯视图，图2(b)为表示偏光元件的简要结构的部分剖视图。
图3为表示基于SPR的电场增强的机构的图。
图4为表示入射到偏光元件的光的偏光分离的示意图。
图5为表示第一实施方式的偏光元件的制作流程的图。
图6为表示第一实施方式的反射特性的图表。
图7(a)为表示第二实施方式的偏光元件的简要结构的俯视图，图7(b)为表示第二实施方式的偏光元件的简要结构的部分剖视图。
图8为表示第二实施方式的反射特性的图表。
图9(a)为表示第三实施方式的偏光元件的简要结构的俯视图，图9(b)为表示第三实施方式的偏光元件的简要结构的部分剖视图。
图10为表示第三实施方式的反射特性的图表。
图11为表示投影仪的一个例子的示意图。
附图标记说明：1、2、3...偏光元件；10...基板；12(12A、12B、12C)、22(22A、22B、22C)、32(32A、32B、32C)...凸部；13(13A、13B、13C)、23(23A、23B、23C)、33(33A、33B、33C)...凹部；12a...凸部的上表面；14(14A、14B、14C)、24(24A、24B、24C)、34(34A、34B、34C)...栅格部；D...占空比(比率)；G1、G2、G3...栅格组；L1...凸部的长度；L2...凹部的长度；W3...栅格组的宽度；800...投影仪；810...光源(照明光学系统)；826...投射透镜(投射光学系统)；830...液晶光阀；852...第一偏光元件(偏光元件)。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。本实施方式只表示本发明的一种形态，并不限定本发明，在不脱离本发明的技术思想的范围内可进行任意变更。此外，在以下的附图中，为便于理解各结构，实际的构造与各构造的比例尺、个数等不同。
另外，在以下的说明中，设定XYZ坐标系，并参照该XYZ坐标系说明各部件的位置关系。此时，将水平面内的规定的方向设为X轴方向，将水平面内与X轴方向正交的方向设为Y轴方向，将与X轴方向和Y轴方向的各个轴正交的方向设为Z轴方向。
(第一实施方式的偏光元件)
图1为表示本发明所涉及的偏光元件的简要结构的立体图。图2(a)为表示偏光元件的简要结构的俯视图，图2(b)为表示偏光元件的简要结构的部分剖视图。
在图1中，标号P1为金属细线的周期，标号P2为凸部的周期，标号H1为金属细线的高度，在图2(b)中，标号H2、H3、H4为凸部的高度。此外，将金属细线的延伸方向设为Y轴方向，将金属细线的排列轴设为X轴方向。
如图1及图2(b)所示，偏光元件1为利用光学表面等离子共振(SPR：Surface Plasmon Resonance)而吸收不需要的偏光的构造。该偏光元件1为在基板10上排列多个栅格(Grid)部14而成的结构。另外，对于SPR在后续中详细说明。
基板10作为其形成材料使用例如玻璃、石英灯具有透光性且高耐热性的材料。在本实施方式中，使用玻璃基板来作为基板10。
栅格部14沿与基板10的面内平行的方向(X轴方向)以小于光的波长的周期P1排列多个，并且在从与基板10的面内垂直的方向(Z轴方向)看时呈彼此的延伸方向平行的条纹状(俯视时条纹状)。
金属细线11比光的波长充分长地沿长度方向(Y轴方向)形成。金属细线11、凸部12及凹部13至少在从X轴方向看时呈矩形状。
作为栅格部14(金属细线11、凸部12)的形成材料，例如可以使用铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、钼(Mo)、铬(Cr)或它们的合金。在本实施方式中，作为金属细线11、凸部12的形成材料使用Al。
如此地，作为基板10的形成材料使用玻璃，并作为金属细线11、凸部12的形成材料使用Al，从而能够提高整个偏光元件1的耐热性。
栅格部14例如其周期P1设定为140nm左右，其高度H1设定为175nm左右。栅格部14的高度H1是指从基板10的上表面10a到凸部12的上表面12a的距离。金属细线11的周期P1是指X轴方向上的金属细线11的宽度W1与相邻的金属细线11之间的空间宽度W2的相加而得到的值。
此外，X轴方向上的金属细线11的宽度W1与金属细线11之间的空间宽度W2之比设定为大致1∶1。
此外，凸部12在栅格部14的周期中所占的比例，也就是各栅格部14中的凸部12的排列周期P2与凸部12的长度L1的占空比D(比率：D＝L1/P2)为0.5，一定。
凸部12及凹部13在金属细线11的上表面11a沿着该金属细线11的长度方向(X轴方向)以小于光的波长的规定的周期排列有多个。在此，在同一金属细线11上形成的凸部12的长度L1与凹部13的长度L2彼此长度相等，在各栅格部14的金属细线11上形成的凸部12(凹部13)的、金属细线11的长度方向(Y轴方向)的排列周期P2设定为500nm。
另外，周期P2是将在各金属细线11上形成的X轴方向上的凸部12的长度L1和相邻的凸部12之间的凹部13的长度L2分别相加而得到的值。
如图2(a)、(b)所示，这些凸部12及凹部13，侧视时呈矩形形状，俯视时呈矩形形状，并以规定的高度及规定的深度形成。如图2(b)所示，在本实施方式的各栅格部14中，相邻的栅格部14彼此的凸部12的高度(凹部13的深度)分别不同，而不是一定。
具体来讲，在栅格部14A上排列的凸部12A(第一栅格部)的高度H2(13A的深度)为25nm，在栅格部14B上排列的凸部12B(第二栅格部)的高度H3为50nm，在栅格部14C上排列的凸部12C的高度H4为75nm。另外，由于将各栅格部14的高度H1设定为一定，所以根据各凸部12A、12B、12C的高度H2、H3、H4，金属细线11A、11B、11C的高度H2′、H3′、H4′也分别不同，为H2′＞H3′＞H4′。
在本实施方式中，如图2(a)、(b)所示，由凸部12的高度互不相同的三个栅格部14A、14B、14C构成栅格组G1。栅格部14A、14B、14C的排列方向上的栅格组G1的宽度W3(相隔栅格部14B而配置在其两侧的栅格部14A和栅格部14C的宽度方向外侧的侧部之间的间隔)被设定成小于入射光的波长的宽度。
本实施方式的偏光元件1是这种栅格组G1在基板10上设置多个而构成的。多个栅格组G1之间的间隔与金属细线11之间的空间的宽度W2(图1)相等。
如此地，通过将各栅格部14的高度设定为H1，并使相邻的栅格部14的凸部12A、12B、12C的高度H2、H3、H4(凹部13A、13B、13C的深度)分别不同，能够制成用于显现SPR的元件构造。
在本实施方式中，从凸部12的高度小的栅格部14A起沿Y方向依次配置了栅格部14B、栅格部14C，但是只要相邻的栅格部14的凸部12及凹部13的高度不同，则不按照凸部12的高度顺序配置也可。
在此，使用图3对SPR进行说明。图3为基于SPR的电场增强的机构的图。如图3所示，考虑金属(介电常数Eb)与例如空气等电介体(介电常数Ea)之间的界面。
当在金属内部存在自由电子，并从电介体侧向金属表面入射光时，能够在某种条件下激发自由电子的疏密波(表面等离子)。在这种条件下，向金属表面入射的光的能量被表面等离子的激发而被消耗掉。其结果，在金属表面反射的光的能量下降。
在将空气中传播的光入射到平坦的金属表面的情况下，不能激发表面等离子。这是因为，不管取哪一种入射角，入射光所具有的界面方向的波数小于表面等离子的波数，而不与其一致。为了激发表面等离子，已知一种金属表面使用衍射光栅的方法。具体来讲，在向衍射光栅入射光的的情况下，所产生的渐逝波的波数，由于入射光的波数与衍射光栅的波数叠加在一起，所以大于表面等离子的波数以上。另外，表面等离子为界面方向上的电子的疏密波。因此，能够激发表面等离子的，只是与衍射光栅正交的偏光成分。
图4为表示入射到偏光元件1的偏光分离的示意图。图4(a)表示向偏光元件1入射沿与金属细线11的长度方向正交的方向振动的直线偏光TM(Transverse Magnetic)的情况。图4(b)表示向偏光元件1入射沿金属细线11的长度方向振动的直线偏光TE(TransverseElectric)的情况。
如图4(a)所示，向偏光元件1入射的入射光20具有成分s(TM偏光成分)，该成分s具有与各金属细线11的长度方向(Y轴方向)正交的偏光轴。于是，入射光20的偏光轴s与共振光栅平行。具体来讲，入射光20的偏光轴s与栅格部14的排列方向(X轴方向)平行。因此，通过上述的原理不产生渐逝波，不能激发表面等离子。
因此，在向偏光元件1入射直线偏光TM的情况下，无法显现表面等离子共振。也就是说，偏光元件1相对入射光20只具有偏光分离功能。因此，入射光20几乎全部透过偏光元件1。
如图4(b)所示，向偏光元件1入射的入射光30具有成分p(TE偏光成分)，该成分p具有与各金属细线11的长度方向(Y轴方向)平行的偏光轴。于是，入射光30的偏光轴p与共振光栅正交。具体来讲，入射光30的偏光轴p与栅格部14的排列方向(X轴方向)正交。因此，通过上述的原理能够激发表面等离子40。
因此，在向偏光元件1入射直线偏光TE的情况下，显现出表面等离子共振。因此，入射光30的能量被表面等离子40的激发而被耗费掉。本来，相对具有偏光轴p的入射光30发挥偏光分离功能，入射光30几乎全部产生反射，但在本发明的构造中为了表面等离子40的激发而消耗入射光30的能量。由此，反射光减少。也就是说，通过显现表面等离子共振(SPR)，能够选择性地吸收入射到偏光元件1的直线偏光TE。
在本发明中，如上所述，在基板10的上表面形成金属细线11，并在金属细线11的上表面11a沿金属细线11的长度方向以小于光的波长的周期P2形成凸部12，同时使各栅格部14的占空比D及凸部12的排列周期P2相等，且使相邻的栅格部14的高度不同，从而制成显现SPR的构造。由此，即使不像专利文献1那样设置吸收层，也能选择性地吸收直线偏光TE(不需要的偏光)。此外，由于能够使每个栅格部14的可吸收直线偏光TE的波长不同，因此大幅扩大了可吸收的直线偏光的波长范围。由此，能够在广波长范围下降低反射率。
图5为表示偏光元件的制作流程的图。首先，在玻璃基板100上通过蒸镀、喷溅等方法形成Al膜110。接着，在Al膜110上利用旋转涂胶等方法进行涂布，并利用双光束干涉曝光等方法形成抗蚀图形120(参照图5(a))。此时，抗蚀图形120的周期Pa(相当于金属细线的周期)形成为140nm左右。另外，抗蚀图形120的形成方法不限于此。例如，还可以使用纳米压印等转印方法。
接着，以抗蚀图形120为掩膜，进行使用氯系气体的反应性离子蚀刻(RIE：Reactive Ion Etching)。由此，对Al膜110进行各向异性蚀刻直至其漏出到玻璃基板100的上表面。之后，除去抗蚀图形120，形成金属细线111(参照图5(b))。
接着，在形成了金属细线11的玻璃基板100上通过旋转涂胶等方法涂布抗蚀层130(参照图5(c))。接着，通过光刻等方法，形成周期P2(相当于凸部的周期)为500nm左右的抗蚀图形131(参照图5(d))。
接着，以该抗蚀图形131为掩膜，通过RIE对金属细线11的露出的部分选择性地蚀刻。金属细线11的蚀刻量是用蚀刻时间来控制，从而使相邻的每个金属细线11的蚀刻量选择性的不同。之后，除去抗蚀图形131，从而在被抗蚀图形131覆盖的部分形成凸部12A、12B、12C，被蚀刻的部分形成凹部13A、13B、13C(参照图5(e))。通过以上工序，能够制造本发明所涉及的偏光元件1。
按照本发明的偏光元件1，在金属细线11的上表面11a以小于入射光的波长的周期P2排列凸部12及凹部13，制成金属细线11的长度方向上的凸部12的高度(凹部13的深度)在相邻的栅格部14之间不同的共振光栅构造，从而能够显现表面等离子共振(SPR)，并选择性地吸收入射到偏光元件1的特定波长的直线偏光TE(不需要的偏光)，同时能够扩大可吸收的偏光的波长范围。
具体来讲，本实施方式的偏光元件1的反射率曲线呈图6的概略所示的形状。图6表示本实施方式的偏光元件的反射特性。在该图中，横轴为入射光的波长，纵轴为相对TE光的反射率(Rc)。
图6表示凸部的排列周期P2为500nm、凸部的高度互不相同的三种共振光栅(高度H2：25nm、高度H3：50nm、高度H4：75nm)的各自的反射特性。
在凸部的高度H2～H4不同的各个共振光栅中，确认出相对TE光的反射率(Rc)在规定的波长附近呈现出大的反射率的下降。可想到这种反射率的下降是由于表面等离子的激发耗费入射光的能量而产生的。
此外，从图6可知，随着凸部高度的不同而相对TE光的反射率(Rc)低于基准值(单点划线)的带域不同。也就是说，随着凸部高度的变化，共振波长的带域也变化。
以凸部的高度H3为50nm、凸部的排列周期P2为500nm的共振光栅的反射特性的曲线O为基准，凸部的高度H2变小而成为25nm时，共振波长的带域也移动到短波长侧，而凸部的高度H4变大而成为75nm时，共振波长的带域则移动到长波长侧。
由此，这些凸部的高度互不相同的三个栅格部混合存在的偏光元件，成为图6中的实线A所表示的反射特性，与具备单一的排列周期的栅格部的偏光元件的反射带域(1)相比，能够吸收短波长到长波长为止的广范围的带域(2)的频率的反射光。
在向上述的本实施方式的共振光栅构造入射直线偏光TE时，产生渐逝光。使用该渐逝光，能使该波数与表面等离子的波数一致，从而能够激发表面等离子。由于该表面等离子的激发消耗入射光的能量，因此能够抑制向光入射方向的反射。
此外，在本实施方式中各栅格部中的凸部12的排列周期P2及凸部12的排列周期P2与凸部12的长度L1的比率(占空比：D＝L1/P2)相等，凸部12的高度在相邻的栅格部14彼此不同，所以每个栅格部14可吸收的直线偏光TE的波长不同，其结果，大幅扩大了可吸收的直线偏光的波长范围。由此，能够在广波长范围下降低反射率，因此在应用到投影仪等的情况下其设计容限变广，得到更容易利用的偏光元件1。
因此，通过选择性地吸收不需要的偏光而能够提供灰度优越、高像素显示的偏光元件1。此外，无需像专利文献1那样设置吸收层，因此能够简化元件构造，实现低成本化。
此外，按照这种结构，由于金属细线11、凸部12在侧视时呈矩形形状，所以易于制作。具体来讲，在基板上形成金属膜，以抗蚀图形为掩膜，通过RIE进行各向异性蚀刻，从而能够容易制作。因此，能够提高生产效率，实现低成本化。
此外，在本实施方式中，形成在金属细线11上的凸部12的高度在相邻的栅格部14彼此不同，因此每个栅格部14可吸收的直线偏光TE的波长不同，其结果，大幅扩大了可吸收的直线偏光的波长范围。由此，能够在广波长范围下降低反射率，因此在应用到后述的投影仪等的情况下其设计容限变广，得到更容易利用的偏光元件1。
此外，如图1及图2所示，以凸部12的高度不同的三种栅格部14为一组而作为栅格组G1排列，从而元件设计及制作变得容易。另外，也可以将凸部12的高度不同的两种栅格部14为一组，还可以将凸部12的高度不同的四种以上的栅格部14为一组。
此外，在本实施方式中，表示了在金属细线11的上表面11a排列凸部12及凹部13的例子，但不限于此。例如，也可以在金属细线11的侧面等金属细线11的至少一个面排列凸部12及凹部13。即使是这种结构，也能激发表面等离子。
此外，在本实施方式中，按照凸部12的高度顺序排列了栅格部14，但是只要相邻的栅格部14的凸部12彼此的高度的不同，则也可以不按照凸部12的高度顺序配置。例如，也可以将凸部12的高度不同的多种栅格部14不规则地排列到基板10上。
此外，在本实施方式中，表示了栅格部14(金属细线11)的宽度W1与栅格部14(金属细线11)之间的空间的宽度W2的比率被设定为大致1∶1的构造，但不限于此。例如，也可以将栅格部14(金属细线11)的宽度W1与栅格部14(金属细线11)的比率设定得不同。
(第二实施方式的偏光元件)
接着，对第二实施方式的偏光元件进行阐述。图7(a)为表示第二实施方式的偏光元件的简要结构的俯视图，图7(b)为表示第二实施方式的偏光元件的简要结构的部分剖视图。
在刚才的实施方式中，示出了凸部的高度在相邻的栅格部彼此不同的结构，而在本实施方式中，示出各栅格部的凸部的高度一定，相邻的栅格部的占空比不同的结构。
如图7(a)所示，本实施方式的偏光元件2具有基板10和在基板10上排列成条纹状的多个栅格部24，这些多个栅格部24以小于入射光的波长的周期P1排列。
各栅格部24在X方向的排列周期P1为140nm，并与上述实施方式一样将栅格部24(金属细线21)的宽度W1和栅格部24(金属细线21)之间的空间的宽度W2的比率设定为大致1∶1。
各栅格部24由金属细线21和在该金属细线21上排列的多个凸部22和多个凹部23构成。金属细线21的高度H5(从基板10的上表面10a到金属细线21的上表面21a的高度)为150nm，在金属细线21上排列的凸部22的高度H6为25nm，各栅格部24之间相等。
在本实施方式中，在各栅格部24上形成的占空比D在相邻的栅格部24彼此不同。具体来讲，由在各栅格部24上形成的占空比D互不相同的三个栅格部24A、24B、24C来构成栅格组G2。在三个栅格部24中，栅格部24A的占空比D为0.5，栅格部24B的占空比D为0.6，栅格部24C的占空比D为0.7。
本实施方式的偏光元件2是这种栅格组G2在基板2上设置多个而构成。多个栅格组G2之间的间隔与金属细线21之间的空间的宽度W2相等。
此外，各栅格部24中的凸部22的周期P2被设定为500nm。在本实施方式中，相邻的栅格部24的凸部22的长度互不相同。令各栅格部24A、24B、24C的凸部22A、22B、22C的长度分别为L1a、L1b、L1c时，它们之间的关系为L1a＜L1b＜L1c。另一方面，令各栅格部24A、24B、24C的凹部23A、23B、23C的长度分别为L2a、L2b、L2c时，它们之间的关系为L2a＞L2b＞L2c。
各栅格部24中的凸部22的一端侧(凸部22的长度方向的一端侧)，在从栅格部24的排列方向(X方向)看时与图7(a)中的箭头T表示的位置一致。
另外，在本实施方式的各栅格部24A、24B、24C按照凸部22A、22B、22C的长度顺序排列，但不限于此，只要相邻的栅格部24之间的占空比D不同即可。
另外，在本实施方式中，由占空比D互不相同的三个栅格部24来构成栅格组G2，但也可以由占空比D互不相同的两个栅格部24来构成栅格组，还可以由占空比D互不相同的四个以上的栅格部24来构成栅格组G2。
按照这种结构，构成占空比D在相邻的栅格部24彼此不同的结构。利用入射光的波长使相邻的栅格部24的占空比D不同，从而能够显现表面等离子共振(SPR)，选择性地吸收入射到偏光元件2的特定波长的直线偏光TE(不需要的偏光)，同时能够扩大可吸收的波长的范围。
具体来讲，本实施方式的偏光元件2的反射率曲线呈图8的简要表示的形状。图8表示本实施方式的偏光元件的反射特性。在该图中，横轴为入射光的波长，纵轴为相对TE光的反射率(Rc)。
图8表示共振光栅的各栅格部的凸部的排列周期P2为500nm且各栅格部的占空比互不相同的三种共振光栅(第一栅格部的占空比D2：0.5，第二栅格部的占空比D3：0.6，第三栅格部的占空比D4：0.7)的各自的反射特性。
从图8可知，在本实施例中，随着占空比的不同而相对TE光的反射率(Rc)最低的带域也不同。也就是说，随着占空比的变化，共振波长的带域变化。
以凸部的排列周期P2为500nm、占空比D3为0.6的共振光栅的反射特性的曲线Q为基准，当占空比D2变为0.5时，共振波长的带域也移动到短波长侧，而占空比D4为0.7时，共振波长的带域移动到长波长侧。
由此，占空比不同的三个栅格部混合存在的偏光元件成为图8中的视线B所表示的反射特性，与具备单一的占空比的栅格部的偏光元件的反射带域(1)相比，能够吸收从短波长到长波长为止的广范围的带域(2)的频率的反射光。
由此，可以想到共振波长随着共振光栅的占空比的变化而变化。
(第三实施方式的偏光元件)
接着，对第三实施方式的偏光元件进行阐述。图9(a)表示第三实施方式的偏光元件的简要结构的俯视图，图9(b)为表示第三实施方式的偏光元件的简要结构的部分剖视图。
在刚才的第二实施方式中，示出了占空比D在相邻的栅格部彼此不同的结构，而在本实施方式中，示出除占空比D之外凸部的高度也在相邻的栅格部彼此不同的结构。
本实施方式的偏光元件3的基本结构与第二实施方式大致相同，所以省略适当的说明，围绕不同的结构进行说明。
如图9(a)所示，本实施方式的偏光元件3，在基板10上设有以小于入射光的波长的周期配列成条纹状的多个栅格部34。
各结构条件如下。
各栅格部34在X方向的排列周期P1：140nm
栅格部34(金属细线11)的宽度W1＝栅格部24(金属细线11)之间的空间的宽度W2
栅格部34的排列周期P2：500nm
栅格部34的高度H1：175nm
在本实施方式中，如图9(a)、(b)所示，形成在各栅格部34上的占空比D及凸部32的高度在相邻的栅格部34彼此不同。
表示表示各栅格部34A、34B、34C的占空比D和凸部32A、32B、32C的高度。
[表1]
  占空比   凸部的高度(nm)
  34A   0.5   25
  34B   0.6   50
  34C   0.7   75
如表1所示，在构成栅格组G3的三个栅格部34中，栅格部34A(第一栅格部)的占空比D2(第一比率)为0.5，栅格部34B(第二栅格部)的占空比D3(第二比率)为0.6，栅格部34C的占空比D4为0.7。
此外，栅格部34A的凸部32A的高度H7为25nm，栅格部34B的凸部32B的高度H8为50nm，栅格部34C的凸部32C的高度H9为75nm。
另外，各栅格部32A、32B、32C的凸部32A、32B、32C的长度L1a、L1b、L1c的关系为L1a＜L1b＜L1c，另一方面各凹部33A、33B、33C的长度L2a、L2b、L2c的关系为L2a＞L2b＞L2c。
如此地，将占空比D和凸部的高度H制成在相邻的栅格部34彼此不同的结构，从而显现表面等离子共振(SPR)，选择性地吸收入射到偏光元件2的特定波长的直线偏光TE(不需要的偏光)，同时能够扩大可吸收的偏光的波长范围。
具体来讲，本实施方式的偏光元件3的反射率曲线呈图10的简要表示的形状。图10表示本实施方式的偏光元件的反射特性。在该图中，横轴为入射光的波长，纵轴为相对TE光的反射率(Rc)。
图10表示共振光栅的各栅格部的凸部的排列周期P2为500nm、各栅格部的凸部的高度(H7：25nm、H8：50nm、H9：75nm)及占空比(D2：0.5、D3：0.6、D4：0.7)互不相同的三种共振光栅的各自的反射特性。
从图10可知，在本实施例中，随着凸部的高度及占空比的不同而相对TE光的反射率(Rc)最低的带域也不同。也就是说，随着凸部的突出高度及占空比的变化，共振波长的带域变化。
以凸部的排列周期P2为500nm、高度H8为50nm及占空比D3为0.6的共振光栅的反射特性的曲线U为基准，当凸部的高度变低而成为25nm的同时占空比变低而成为0.5nm时，共振波长的带域也移动到短波长侧，而凸部的高度变高而成为75nm的同时占空比变高而成为0.7nm时，共振波长的带域移动到长波长侧。
由此，凸部的高度计占空比不同的三个栅格部混合存在的偏光元件成为图10的实线C所表示的反射特性，与只具备凸部的高度及占空比一定的栅格部的偏光元件的反射带域(1)相比，能够吸收从短波长到长波长为止的广范围的带域(2)的频率的反射光。
由此，可以想到共振波长随着共振光栅的凸部的高度的变化而变化。
另外，比率不同的多种栅格部也可以在基板10上不规则地排列。
(投影仪)
图11为表示具备本发明所涉及的偏光元件的投影仪的一例的示意图。
如图11所示，投影仪800具有光源810、分色镜813、814、反射镜815、816、817、入射透镜818、转像透镜819、射出透镜810、光调制部822、823、824、交叉分色棱镜825、投射透镜826。
光源810由金属卤化物等灯810和反射灯光的反射板812构成。另外，作为光源810，除金属卤化物以外，还可以使用超高压水银灯、闪光水银灯、高压水银灯、Deep UV灯、氙气灯、氙气闪光灯等。
分色镜813使来自光源810的白色光中所包含的红色光透过，同时反射蓝色光和绿色光。透过的红色光在反射镜817被反射并入射到红色光用光调制部822。此外，在分色镜813中反射的蓝色光和绿色光中，绿色光被分色镜814反射并入射到绿色光用光调制部823。蓝色光透过分色镜814经由转像光学系统821入射到蓝色光用光调制部824，其中，转像光学系统821包含入射透镜818、转像透镜819及射出透镜820，用于防止由于较长的光路引起的光损失。
光调制部822～824将入射侧偏光元件840和射出侧偏光元件部850相隔液晶光阀830配置在两侧。入射侧偏光元件840和射出侧偏光元件部850被配置成彼此的透过轴正交(交叉配置)。
入射侧偏光元件840为反射式偏光元件，反射与透过轴正交的振动方向的光。
另一方面，射出侧偏光元件部850具有第一偏光元件(前置偏光板、前置起偏光镜)852和第二偏光元件854。第一偏光元件852耐热性高，使用上述的本发明的偏光元件。此外，第二偏光元件854是以有机材料为形成材料的偏光元件。射出侧偏光元件部850均为吸收式的偏光元件，在偏光元件852、854的协作下吸收光。
一般地，由有机材料形成的吸收式的偏光元件由于容易受热而劣化，所以很难作为需要高亮度的大输出功率的投影仪的偏光机构加以使用。但是，在本发明的投影仪800中，在第二偏光元件854和液晶光阀830之间配置了由耐热性高的无机材料形成的第一偏光元件852，从而在偏光元件852、854的协作下吸收光。因此，抑制了由有机材料形成第二偏光元件854的劣化。
此外，各第一偏光元件852，为了使在光调制部822～824调制的光有效透过，对应在光调制部822～824中调制的光的波长而改变第一偏光元件852所具有的金属细线的上表面的凸部的高度。因此，能够有效地利用光。
被各光调制部822～824调制的三种颜色的光，入射到交叉分色棱镜825。该交叉分色棱镜825是将四个直角棱镜贴合而成，在其界面上以X字状形成了反射红光的电介体多层膜和反射蓝光的电介体多层膜。利用这些电介体多层膜而合成三种颜色的光，从而形成显示彩色图像的光。合成的光被投射光学系统即投射透镜826投射到屏幕827上，图像被放大显示。
如上所述地构成的投影仪800，由于在射出侧偏光元件部850上使用了上述的本发明的偏光元件，所以即使使用高输出功率的光源，也能抑制偏光元件的劣化。因此，能够提供灰度优越，能够实现高画质的显示，能够实现低成本化的投影仪800。

Claims (10)

1.一种偏光元件，其特征在于，
具备基板和在所述基板上排列的多个栅格部，
所述栅格部具有：沿该栅格部的长度方向以小于入射光的波长的周期交替地排列的凸部及凹部，
在所述多个栅格部中，所述凸部的排列周期P为一定，并且所述凸部的排列周期P与所述凸部的长度L的比率(D＝L/P)为一定，
所述凸部的高度在相邻的所述栅格部之间不同。
2.根据权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，
在所述基板上设置多个栅格组，
所述栅格组具有：所述凸部呈第一高度的第一所述栅格部和所述凸部呈第二高度的第二所述栅格部，
所述栅格部的排列方向上的所述栅格组的宽度小于所述入射光的波长。
3.根据权利要求1或2所述的偏光元件，其特征在于，
设置在同一所述栅格部上的所述凸部与所述凹部的长度相等。
4.根据权利要求1所述的偏光元件，其特征在于，
所述凸部的高度不同的多种所述栅格部不规则地排列在所述基板上。
5.一种偏光元件，其特征在于，
具备基板和在所述基板上排列的多个栅格部，
所述栅格部具有：沿该栅格部的长度方向以小于入射光的波长的周期交替地排列的凸部及凹部，
所述多个栅格部的各个所述凸部的排列周期相等，
所述凸部的排列周期P与所述凸部的长度L的比率(D＝L/P)在相邻的所述栅格部之间不同。
6.根据权利要求5所述的偏光元件，其特征在于，
所述凸部相对所述凹部的突出高度在相邻的所述栅格部之间不同。
7.根据权利要求5或6所述的偏光元件，其特征在于，
在所述基板上设有多个栅格组，
所述栅格组具备：具有第一比率的第一所述栅格部和具有第二比率的第二所述栅格部，
所述栅格部的排列方向上的所述栅格组的宽度小于所述入射光的波长。
8.根据权利要求5或6所述的偏光元件，其特征在于，
所述比率不同的多种所述栅格部不规则地排列在所述基板上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的偏光元件，其特征在于，
所述栅格部、所述凸部及所述凹部在侧视时为矩形形状。
10.一种投影仪，其特征在于，具备：
射出光的照明光学系统；
对所述光进行调制的液晶光阀；
用所述液晶光阀调制的光所入射的权利要求1至8中任一项所述的偏光元件；
将透过所述偏光元件的偏光投射到被投射面的投射光学系统。
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