JP2007322903A

JP2007322903A - 光処理素子

Info

Publication number: JP2007322903A
Application number: JP2006155023A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fukuda; 浩章福田; Takashi Sannomiya; 俊三宮; Junichi Takahashi; 淳一高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: JP4664866B2

Abstract

【課題】効率よく偏光の揃った光を出射することができ、設計自由度の高い新規な無機材料からなる光処理素子を提供する。
【解決手段】上面から入射した光は、入射波長に共鳴反射するように平行に形成された１次元周期パターンからなる回折格子層２で回折され、その伝播定数が下部に形成された高屈折率の２次元導波路（導波層３）の伝播モードに一致するとき、回折波は導波層３を伝播する。導波層３を伝播している光は回折格子層２によって再度回折波となり基板上部に放射される。分離されて透過した光は、偏光回転処理領域６によって任意の偏光方向の光に変換され、基板下部５から出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置、画像投影装置、光計測などに利用可能な光処理素子に関する。

偏光板や波長板などの偏光制御素子は、直交する二つの方向に対し、伝搬特性および吸収特性に異方性を持たせることにより、入射光の偏光方向の１成分を透過させたり、位相を変調させて偏光状態を、直線偏光から円偏光のように、偏光させたりする素子である。
このような素子は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬディスプレイの画素のオン・オフに利用されるほか、エリプソメトリーなどの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器に利用されている。
特に、液晶プロジェクタなどの画像投影装置への需要が伸びている。

偏光板は、自然偏光を直線偏光に変換する素子であり、入射光の直交する偏光成分の一方のみを透過させ、他方を吸収（または反射・散乱）により遮蔽するものである。
現在特に液晶パネルに用いられる偏光板の多くは、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・配向させることで吸収二色性を発現させるものである。
一方、１／２波長板や１／４波長板のようなリターデーションプレート（または位相シフター）は、複屈折性の光学結晶により作られ、常光線と異常光線の屈折率の違いにより偏光状態を変調するものである。
この常光線と異常光線の光路差が波長の１／２となるものが１／２波長板であり、１／４となるものが１／４波長板である。このような、複屈折性を示す材料としては、方解石や水晶が用いられる。

吸収を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、透明度の低下、焦げる、といった問題があり、照射光量を大きくすることができない。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合には、冷風機構が必要であり装置の小型化が困難、埃の付着による画質欠陥を生じるなどの課題がある。
また、屈折率の異方性を利用する偏光制御素子においては、複屈折性を示す光学結晶材料が限定されており、使用できる波長領域に制限があるなどの課題がある。
また、光学結晶材料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ので、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。また、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であるなどの課題がある。

また、非特許文献１に開示されているように、外部からの光を２次元導波路に結合させる素子としてグレーティングカプラと呼ばれる回折格子を用いる方法が知られている。この素子では回折格子の面積が大きく、入射光のビームスポット径が大きい場合、特定の波長で強い共鳴反射が生じ、このような格子は導波モード共鳴格子と呼ばれている。
この共鳴格子の構造は図１７に示すように、低屈折率の基板１００上に高屈折率の導波層１０１と格子層１０２が形成されている。この格子層１０２で回折された光の伝播定数が２次元導波路の伝播モードに一致するとき、回折波は導波層１０１を伝播するが、回折によってこの導波層１０１を伝播している光は格子によって再度回折波となり基板１００上部に放射される。
この格子層１０２が１次元周期のとき、入射光の偏波状態によって反射光の特性が変化するため、入射光の偏光を分離することができる。
回折格子層１０２の作製方法としては、導波路表面にエッチングで周期溝回折格子を作製する方法や、あらかじめ凹凸の周期構造を持つ基板に高屈折率膜を成膜する方法などがある。

また、量産性がよく、低コストで製造できる、耐熱性の優れた偏光制御素子として、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。この偏光素子は２．５μｍより長波長の光に対して機能する偏光素子として実用化されている。
これに対し近年の微細加工技術の進歩により、特許文献１に開示されているように、可視波長（４００〜７００ｎｍ）で駆動できるワイヤグリッド構造が提案されている。

また、特許文献２には、図１８に示すように、ポリマーマトリクス中に金属微粒子が分散している高分子フィルムで、前記金属微粒子が分散している部分（ｍ）と、金属微粒子が分散していないか、または前記部分（ｍ）に比べて金属微粒子の分散が少ない部分（ｎ）とが、ポリマーマトリクス中において縞状構造を形成していることを特徴とする高分子フィルムからなる偏光子が提案されている。
また、偏光状態を制御する波長板または位相板を二次元表面における光の相互作用により実現する方法として、非特許文献２、３に示すような、支持基板上に微小な金属パターンを形成することにより偏光状態を制御する提案が行われている。

特許文献２では、電子ビームリソグラフィ技術を用い、波長以下のピッチで金のＬ字構造を有する非対称なナノ微粒子を基板上に作製し、このような構造体に光を照射することにより、透過光が入射光の偏光面の向きに依存して異なる吸収スペクトルを示すことを利用し、偏光選択素子を実現している。
また、非特許文献３では、平滑なＳｉ基板上に、卍型やＣ型またはその鏡像対称の金属パターンを有し、パターンの端部の傾きが直角から傾いたカイラリティを有しており、この傾きの大きさに依存して、偏光方向の二成分に位相差が生じ、また、パターン端部の向きに依存して右回り、および左回り偏光の違いが生じる光学素子が提案されている。

特表２００３−５０２７０８号公報特開２００５−２５０２２０号公報特開平１０−１５３７０６号公報特開２００２−２６７８４５号公報特許第３７１１４４６号公報Ｓ．Ｓ．ＷａｎｇａｎｄＲ．ＭａｇｎｕｓｓｏｎＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，２４，２６０６−２６１３（１９９３）"Ｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｉｌｔｅｒｓ" ＢｒｉａｎＣａｎｆｉｅｌｄ，ｅｔ．ａｌＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，１２，５４１８−５４２３（２００４）"ＬｉｎｅａｒａｎｄＮｏｎｌｉｎｅａｒＯｐｔｉｃａｌＲｅｓｐｏｎｓｅｓＩｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙＢｒｏｋｅｎＳｙｍｍｅｔｒｙｉｎａｎＡｒｒａｙｏｆＧｏｌｄＮａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ" 国際公開第０３／０５４５９２号パンフレット「ＯＰＴＩＣＡＬＤＥＶＩＣＥ」

以上のような状況に鑑み、本発明は、効率よく偏光の揃った光を出射することができ、設計自由度の高い新規な無機材料からなる光処理素子を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、表面に回折格子層、及び前記回折格子層の下部に、低屈折率の基板上に形成された高屈折率な導波層を有し、その下部に、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体を複数個、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンとし、この単位配列パターンを２次元的に配列させた単位処理領域が基板上に複数形成されてなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光処理素子において、前記回折格子層が、平行な溝のパターンからなることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の光処理素子において、前記回折格子層が、平行な凸部のパターンからなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、表面に周期的に屈折率の異なる１次元周期パターン層を有し、その下部に、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体を複数個、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンとし、この単位配列パターンを２次元的に配列させた単位処理領域が基板上に複数形成されてなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、表面に、凹凸構造を有し基板よりも高屈折率な平行パターン層を有し、その下部に、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体を複数個、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンとし、この単位配列パターンを２次元的に配列させた単位処理領域が基板上に複数形成されてなることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の光処理素子において、前記単位配列パターンが基板上に形成された金属層上もしくは金属板上に形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の光処理素子において、前記金属層が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）のいずれか、または、これらの組み合わせ、または、これらの合金で構成されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項１〜７のいずれかに記載の光処理素子において、前記微小な金属構造体が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）、もしくは銅（Ｃｕ）の何れか、または、これらの組み合わせ、または、これらの合金で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、任意の偏光方向を有する光を高効率に選択することが可能であり、設計自由度の高い光処理素子を実現することができる。
本発明によれば、微小金属構造体間の近接場光相互作用を効率よく利用することが可能であり、任意の偏光方向を有する光を高効率に選択することができる設計自由度の高い光処理素子を実現することができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１乃至図１２に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る光処理素子１では、基板の最表面に、入射波長に共鳴反射するように平行に形成された１次元周期パターンからなる回折格子層２が形成されている。さらに、その下部に高屈折率の導波層３が形成されている。回折格子層２は、平行な溝のパターンや平行な凸部のパターンなどにより構成される。
上面から入射した光は、最表面の回折格子層２で回折され、その伝播定数が下部に形成された高屈折率の２次元導波路（導波層３）の伝播モードに一致するとき、回折波は導波層３を伝播する。
この回折によって導波層３を伝播している光は最表面に形成された回折格子層２によって再度回折波となり基板上部に放射される。
回折格子層２が１次元周期の平行パターンのとき、入射光の偏波状態によって反射光の特性が変化するため、入射光の偏光を分離することができる（Ｐ偏光が反射され、Ｓ偏光が透過する）。
したがって、回折格子層２は偏光分離処理領域として機能する。図１において、符号４は導波層３に対して低屈折率の基板部位を、符号５は基板下部を示している。

偏光が揃っている、分離されて透過した光は、さらに回折格子層２、導波層３の下部に形成された偏光回転処理領域６によって、任意の偏光方向の光に変換され、基板下部５から出射される。
ここで９０度偏光が回転するように設定すれば、この光処理素子１により偏光を揃えることが可能である。表面の回折格子層２の作製方法は、導波路３の表面にエッチングで周期溝回折格子を作製する方法や、あらかじめ凹凸の周期構造を持つ基板に高屈折率膜を成膜する方法などがある。
この１次元周期パターンを形成する凹凸の形状は、その断面形状が、正方形、長方形、三角形、半球形状、楕円形状でもよい。
導波層３には、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、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などが利用できる。

図２に偏光回転処理領域６の構成を示す。光学的に平坦な基板上に微小または微細な金属構造体（以下、「微小金属構造体」という）７によるパターンが形成されている。
このような金属微細構造パターンが形成された基板に対して光を照射すると、入射偏光に対して微小金属構造体が非対称に存在する場合、各微小金属構造体に生じる局在表面プラズモンの共鳴周波数に依存して、微小金属構造体間に生じる近接場相互作用により、各微小金属構造体間で位相差が生じる。
そのため、各微小金属構造体からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、出射光における偏光状態を変換することができる。ここでは、直線偏光８を楕円偏光９に変換する例を示している。また、ドットの共鳴効果による偏光選択性を利用して、１偏光成分を取り出すことができる。またドット間の間隔を調整することで、出射光の位相や振幅を調整することが可能である。

次に、このような方法で作製された金属複合構造体（微小金属構造体群）に入射した光の偏光状態が、構造に依存して変化する原理を、数値計算結果に基づいて説明する。数値計算には、電磁界の運動を記述するマクスウェル方程式を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を利用した。
図３は、数値計算に使用したモデルを表しており、空気中に存在するサイズ（直径）４０ｎｍの二つのＡｕ球における近接する端部の間隔ｄを０〜８０ｎｍまで変化させた場合の、反射遠方場における偏光状態の変化を調べた。Ａｕの光学定数は、屈折率ｎ＝０．０７２、ｋ＝１．４９６を用いた。この値は、金属球が５０ｎｍ以下程度に小さくなった場合に、金属球のサイズに依存した光学定数の変化を考慮した値である。

ＦＤＴＤ法により得られた金属複合構造体（Ａｕ球）近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、電界分布のフーリエ変換により角度θ＝０°の成分を抽出し、図３に示すｘ方向とｙ方向の振幅比と位相差を算出した。
４０ｎｍのＡｕ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長５４４ｎｍを用い、図３に示すｘｙ面内においてｘ軸から４５°の方向に電界の振動方向をもつ平面波を照射する計算を行った。
図４は振幅比との関係を示しており、ｄが大きな領域においては振幅比が１に近づき、偏光面（電界の振動方向）が入射光の偏光方向と一致していることがわかる。これに対し、ｄ＝０近傍に近づくにつれて、振幅比が増加し、すなわち偏光面がｙ方向へ傾く。
一方、図５は電界のｘ成分とｙ成分の位相差との関係を示している。ｄがゼロに近づくほど、位相差が大きくなり、ｄ＝０の場合に位相差が４５°程度となる。

以上のＦＤＴＤ法によるシミュレーションの結果から、Ａｕ微小球（微小金属構造体）の間隔を制御することにより、偏光面を回転させることができ、また、偏光状態を、例えば直線偏光から楕円偏光に変換することができる。
金属材料としてＡｇ微小球を使用した場合にも、同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化の生じる波長領域はＡｇ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長４００ｎｍ近傍であった。

また、図７に微小金属構造体の直径を１０ｎｍから５０ｎｍまで変化させた場合における、金属球内部の電界強度と共鳴波長関係に関して計算を行った結果を示す。
ａで示す直径１０ｎｍの場合の共鳴波長は４２０ｎｍ近傍であるが、微小金属構造体の直径をｅで示す５０ｎｍとしたときには、共鳴波長は４５０ｎｍ近傍と長波長側に共鳴波長がシフトすることがわかる。
すなわち、微小金属構造体の大きさを変化させることで、共鳴波長を選択でき、特定の入射波長のみに偏光面の回転などの作用を及ぼすことができる。

ここで、図８に示すように、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小金属構造体７を複数個（ここでは２個）、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンＰとし、この単位配列パターンＰを２次元的に配列させた単位処理領域Ｓが形成されている光学基板に、例えばＹ軸方向に対して４５度傾いた直線偏光を入射すると、図６に示すように、この基板を透過した光は楕円偏光となる。
図示しないが、実際には単位処理領域Ｓが基板上に複数形成されている。
本実施形態では金属粒子を円形状としているが、他の形状、例えば楕円構造や多角形状構造であっても良い。また、円形状の構造を連続して配置し、擬似的に楕円形状構造を形成するような構成でも良い。このような構造は、電子ビームリソグラフィ、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の微細加工技術を利用して作製することが可能であり、各微小金属構造体７の形状は上記構造に特に限定される必要はなく、半球形状、円柱形状、半回転楕円体形状、楕円柱形状、多角柱形状、錐体形状の何れかでもよく、特に円柱形状や、半球形状などのものが作製しやすい。

また、入射する光の偏光方向は形成された微小金属構造体に対して非対称な偏光成分を有するように入射することで、各微小金属構造体間で位相差が生じる。また、これら金属粒子の材料は、使用する光源波長でプラズモンが発生し、出射光に所望の位相差を与えるように選択すればよく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕなどが使用可能であり、これら金属の合金でも良く、特に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌが好ましい。

図８に示すように、微小金属構造体７の大きさ（直径）をＲ（＝Ｄ）、ｘ方向にもっとも隣接した微小金属構造体との中心間隔をｄ、２つの隣接した微小金属構造体のパターンをＰＡとし、ＰＡとｘ方向にもっとも隣接する微小金属構造体のパターンをＰＢとしたとき、ＰＡ−ＰＢ間の距離をｄ１、ｙ方向に隣接している微小金属構造体のパターンをＰＣとしたときの、ＰＡ−ＰＣ間の距離をｄ２とする。
このときＲ、ｄ１、ｄ２ともに入射光の波長よりも十分小さいことが望ましい。また隣接した微小金属構造体間に生じる近接場相互作用を利用するため、少なくともｄ＜Ｒである必要があり、ｄ１とｄ２は隣接構造のパターン間の相互作用の影響を少なくするため、Ｒよりも大きい必要がある。

図９に示すように、３個もしくは複数個（３個以上）の微小金属構造体７の組み合わせでＶ字形状に配列されたパターンを形成してもよい。
また、図１０に示すように、３個もしくは複数個（３個以上）の微小金属構造体７の組み合わせでＬ字形状に配列されたパターンを形成してもよい。
図８に示すパターン同様に、隣接した微小金属構造体との間隔は微小金属構造体の大きさよりも十分小さく、またＬ字もしくはＶ字形状のパターンの間隔は構成する微小金属構造体の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。
このときも入射する光の偏光方向は形成された微小金属構造体に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。

図１１に示すように、４個もしくは複数個（４個以上）の微小金属構造体の組み合わせでＴ字形状に配列されたパターンを形成してもよい。図８に示したパターン同様に、隣接した微小金属構造体との間隔は微小金属構造体の大きさよりも十分小さく、またＴ字形状のパターン間の間隔は構成する微小金属構造体の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。
このときも入射する光の偏光方向は形成された微小金属構造体に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。

図１２に示すように、５個もしくは複数個（５個以上）の微小金属構造体の組み合わせで十字もしくは卍字形状に配列されたパターンを分割された各領域に配置し、各領域で各微小金属構造体の最小構成構造物の大きさがぞれぞれの領域で異なる構成でもよい。
この場合は、図１２に示す構造と対称な構造（ハーケンクロイツ状）でも同様である。ここでも図８に示す構成と同様に、隣接した微小金属構造体との間隔は微小金属構造体の大きさよりも十分小さく、また十字または卍字形状のパターン間の間隔は構成する微小金属構造体の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。
このときも入射する光の偏光方向は形成された微小金属構造体に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。

上記の光処理素子は以下のようにして実現できる。まず無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面に金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着を用いた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法で薄膜状に形成する。
この金属膜上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、所望の微細構造に相当するパターンを残すようにレジストパターンを形成する。その後、不要部分の金属膜を例えばＲＩＥなどによりエッチングを行うことで、所望の微細構造金属パターン（微小金属構造体パターン）を形成することができる。

また、無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、所望の微細構造に相当するパターン以外を残すようにレジストパターンを形成する。
その後、金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着を用いた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法でレジストパターン上に薄膜状に形成する。その後、レジスト膜を除去することで、レジスト膜上に形成された不要部分の金属膜を除去することで、所望の微細構造金属パターンを形成することができる。
無機材料としての基板には、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、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などが利用できる。

図１３に基づいて第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
第１の実施形態と同様に、基板の最表面に、入射波長に共鳴反射するように平行に形成された１次元周期パターンからなる回折格子層２が形成されている。さらに、その下部に高屈折率の導波層３が形成されている。
上面から入射した光は、最表面の回折格子層２で回折され、その伝播定数が下部に形成された高屈折率の２次元導波路の伝播モードに一致するとき、回折波は導波層３を伝播する。この回折によって導波層３を伝播している光は最表面に形成された回折格子層２によって再度回折波となり基板上部に放射される。

回折格子層２が１次元周期の平行パターンのとき、入射光の偏波状態によって反射光の特性が変化するため、入射光の偏光を分離することができる（Ｐ偏光が反射され、Ｓ偏光が透過する）。
偏光が揃っている、分離されて透過した光は、さらに回折格子層２、導波層３の下部に形成された偏光回転処理領域６によって、任意の偏光方向の光に変換され、偏光回転処理領域６の下方の基板下部５の屈折率を調整することで、偏光回転処理領域６に入射した光は全反射し、偏光分離処理領域下部の高屈折率の導波層３に再結合し、導波層３を伝播する光は最表面に形成された回折格子層２によって再度回折波となり基板上部にすべて偏光の向きが揃った光として放射される（すなわち、本実施形態では基板下部５を全反射層としている）。
表面の回折格子層２の作製方法は、導波層３の表面にエッチングで周期溝回折格子を作製する方法や、あらかじめ凹凸の周期構造を持つ基板に高屈折率膜を成膜する方法などがある。
この１次元周期パターンを形成する凹凸の形状は、その断面形状が、正方形、長方形、三角形、半球形状、楕円形状でもよい。

図１４に基づいて第３の実施形態を説明する。
本実施形態では、偏光分離処理領域として、基板の最表面に入射波長に共鳴反射するように交互に屈折率の異なる１次元周期パターンからなる回折格子層２’が形成されている。
回折格子層２’は一体に平面的に形成され、上面から入射した光は、屈折率が１次元的周期に変化している回折格子層２’で回折され、基板上部に放射される。
この回折格子層２’が１次元周期の平行パターンのとき、入射光の偏波状態によって反射光の特性が変化するため、入射光の偏光を分離することができる（Ｐ偏光が反射され、Ｓ偏光が透過する）。

偏光が揃っている、分離されて透過した光は、さらに回折格子層２’の下部に形成された偏光回転処理領域６によって、任意の偏光方向の光に変換され、偏光回転処理領域６の下方の基板下部５の屈折率を調整することで、偏光回転処理領域６に入射した光は全反射し、最表面に形成された回折格子層２’によって再度回折波となり基板上部にすべて偏光の向きが揃った光として放射される。
表面の回折格子層２’の作製方法は、基板の表面にエッチングで周期溝回折格子を作製した後に異なる屈折率を有する膜を成膜し、その後表面を研磨等で平滑化する方法や、ガラス基板等にＴｉなどの金属を１次元周期パターン状に形成した後、温度を上昇し拡散させ異なる屈折率パターンを形成する方法、などにより形成することができる。

図１５に基づいて第４の実施形態を説明する。
本実施形態では偏光分離処理領域として、基板の最表面に、入射波長に共鳴反射するように基板より高い屈折率を持つ凸状の１次元周期パターンからなる回折格子層２’’が形成されている。
上面から入射した光は、屈折率が１次元的周期に変化している回折格子層２’’で回折され、基板上部に放射される。
回折格子層２’’が１次元周期の平行パターンのとき、入射光の偏波状態によって反射光の特性が変化するため、入射光の偏光を分離することができる（すなわち、Ｐ偏光が反射され、Ｓ偏光が透過する）。

偏光が揃っている、分離されて透過した光は、さらに、回折格子層２’’の下部に形成された偏光回転処理領域６によって、任意の偏光方向の光に変換され、偏光回転処理領域６の下方の基板下部５の屈折率を調整することで、偏光回転処理領域６に入射した光は全反射し、最表面に形成された回折格子層２’’によって再度回折波となり基板上部にすべて偏光の向きが揃った光として放射される。
表面の回折格子層２’’は、基板に高屈折率材料を蒸着などで成膜した後、表面をパターンニングして高屈折率材料をエッチングすることにより形成することができる。
高屈折率材料としては石英ガラスや、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などが利用できる。

図１６に基づいて第５の実施形態を説明する。
第１の実施形態と同様に、基板の最表面に、入射波長に共鳴反射するように平行に形成された１次元周期パターンからなる回折格子層２が形成されている。さらに、その下部に高屈折率の導波層３が形成されている。
上面から入射した光は、最表面の回折格子層２で回折され、その伝播定数が下部に形成された高屈折率の２次元導波路の伝播モードに一致するとき、回折波は導波層３を伝播する。この回折によって導波層３を伝播している光は最表面に形成された回折格子層２によって再度回折波となり基板上部に放射される。
回折格子層２が１次元周期の平行パターンのとき、入射光の偏波状態によって反射光の特性が変化するため、入射光の偏光を分離することができる（Ｐ偏光が反射され、Ｓ偏光が透過する）。

偏光が揃っている、分離されて透過した光は、さらに回折格子層２、導波層３の下部に形成された偏光回転処理領域６によって、任意の偏光方向の光に変換され、偏光回転処理領域６の下方の基板下部５に形成された反射領域で入射した光は反射され、偏光分離処理領域下部の高屈折率の導波層３に再結合し、導波層３を伝播する光は最表面に形成された回折格子層２によって再度回折波となり基板上部にすべて偏光の向きが揃った光として放射される。
表面の回折格子層２の作製方法は、導波層３の表面にエッチングで周期溝回折格子を作製する方法や、あらかじめ凹凸の周期構造を持つ基板に高屈折率膜を成膜する方法などがある。この１次元周期パターンを形成する凹凸の形状は、その断面形状が、正方形、長方形、三角形、半球形状、楕円形状でもよい。
反射領域（基板下部５）として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）のいずれか、または、これらの組み合わせ、または、これらの合金をＣＶＤ等の化学蒸着法や物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金等の堆積法で薄膜状に形成することができる。反射領域は金属板としてもよい。

第１の実施形態に係る光処理素子の模式断面図である。第１の実施形態に係る光処理素子の機能を示す斜視図である。数値計算に使用したモデルを表す説明図である。数値計算により得られた振幅比を示すグラフである。数値計算により得られた位相差を示すグラフである。金属球内部の電界強度と共鳴波長関係に関して計算を行った結果を示すグラフである。偏光状態を示す図である。光処理素子を構成する微小金属構造体の配列パターンを示す説明図である。光処理素子を構成する微小金属構造体の配列パターン（Ｖ字）を示す説明図である。光処理素子を構成する微小金属構造体の配列パターン（Ｌ字）を示す説明図である。光処理素子を構成する微小金属構造体の配列パターン（Ｔ字）を示す説明図である。光処理素子を構成する微小金属構造体の配列パターン（卍字）を示す説明図である。第２の実施形態に係る光処理素子の模式断面図である。第３の実施形態に係る光処理素子の模式断面図である。第４の実施形態に係る光処理素子の模式断面図である。第５の実施形態に係る光処理素子の模式断面図である。従来における共鳴格子の概要構造図である。従来における高分子フィルムからなる偏光子の概要構造図である。

符号の説明

２回折格子層
３導波層
７金属構造体
Ｐ単位配列パターン
Ｓ単位処理領域

Claims

表面に回折格子層、及び前記回折格子層の下部に、低屈折率の基板上に形成された高屈折率な導波層を有し、その下部に、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体を複数個、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンとし、この単位配列パターンを２次元的に配列させた単位処理領域が基板上に複数形成されてなることを特徴とする光処理素子。
請求項１に記載の光処理素子において、
前記回折格子層が、平行な溝のパターンからなることを特徴とする光処理素子。
請求項１に記載の光処理素子において、
前記回折格子層が、平行な凸部のパターンからなることを特徴とする光処理素子。
表面に周期的に屈折率の異なる１次元周期パターン層を有し、その下部に、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体を複数個、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンとし、この単位配列パターンを２次元的に配列させた単位処理領域が基板上に複数形成されてなることを特徴とする光処理素子。
表面に、凹凸構造を有し基板よりも高屈折率な平行パターン層を有し、その下部に、処理すべき光の波長λに対し、サイズＤ（Ｄ＜λ）を持つ微小な金属構造体を複数個、間隔ｄ（＜Ｄ）を隔して所定の配置で配列して単位配列パターンとし、この単位配列パターンを２次元的に配列させた単位処理領域が基板上に複数形成されてなることを特徴とする光処理素子。
請求項１〜４のいずれかに記載の光処理素子において、
前記単位配列パターンが基板上に形成された金属層上もしくは金属板上に形成されていることを特徴とする光処理素子。
請求項６に記載の光処理素子において、
前記金属層が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）のいずれか、または、これらの組み合わせ、または、これらの合金で構成されていることを特徴とする光処理素子。
請求項１〜７のいずれかに記載の光処理素子において、
前記微小な金属構造体が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、クローム（Ｃｒ）、もしくは銅（Ｃｕ）の何れか、または、これらの組み合わせ、または、これらの合金で構成されていることを特徴とする光処理素子。