JP2011145360A - 光学素子、画像生成装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する２つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に位相差を付与することができる光学素子を提供する。
【解決手段】 それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有し、該微細周期構造体は、透明で屈折率ｎ_１の支持部材に支持され、かつ屈折率ｎ_２の媒体で覆われており、複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチｐは、入射光の波長λを用いて、（λ×ｎ_１）／（２×ｎ_２）の値と等しくなるように設定されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、光学素子、画像生成装置及び画像表示装置に係り、更に詳しくは、入射光の波長以下の線幅を持つ複数の金属細線を備える光学素子、該光学素子を有する画像生成装置、該画像生成装置を備える画像表示装置に関する。

液晶プロジェクタ装置に代表される画像表示装置には、液晶パネルなどの空間変調素子への入射光や、該空間変調素子からの射出光に含まれる特定の偏光成分を抽出するための偏光板や、光利用効率を向上させるため、直線偏光の振動面を９０度回転させたりすることができる波長板などが利用されている。

波長板には、１／２波長板や１／４波長板があり、これらは、入射光に複屈折を生じさせる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を利用して、直交する２つの偏光成分に位相差を付与している。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。このような光学結晶としては、方解石や水晶が用いられる。なお、ポリイミドなどのプラスチック材料を利用した波長板も多く利用されている。

例えば、特許文献１には、直交座標系ｘ、ｙ、ｚにおいて、ｘｙ面に平行な１つの基板の上に２種以上の透明材料をｚ方向に交互に積層した偏光子アレイが開示されている。この偏光子アレイは、ｘｙ面内において少なくとも３つの領域に分かれており、各層は領域毎に定まるｘｙ面内の一方向に繰り返される１次元周期的な凹凸形状を有し、ｘｙ面に垂直もしくは斜め方向から入射される光に対して、各領域の凹凸形状に平行または垂直方向の偏波成分だけを透過させる。

また、特許文献２には、表面に一定の周期ピッチで格子状のパターンが形成された透光性の基板を有し、該基板を透過する互いに偏光面を直交する２つの直線偏光に位相差を生じさせる波長板が開示されている。この波長板は、基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜、及び該高屈折率膜の膜材よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜が基板の表面に順次堆積形成されている。

また、特許文献３には、平板状の支持体に、金属からなる複数の細線が互いに平行となるように埋め込まれて配列しており、該細線のピッチ（Ｐ）が１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、細線の幅（Ｄ）と細線のピッチ（Ｐ）の比（Ｄ／Ｐ）が ０．６より大きく、細線の長さ方向に直交する断面における当該細線の高さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である金属格子型偏光分離素子からなるカラーフィルタが開示されている。

また、特許文献４には、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を、支持基板上に形成した偏光制御素子が開示されている。

また、特許文献５には、二つ以上の微小な金属構造体が入射光の波長以下の領域に配置された単位配列パターンと、金属構造体を支持する一層以上の膜を有し、該膜内部の２次元平面内に複数個の単位配列パターンが同一の配向を有して配置された複合配列パターンを有する偏光制御素子が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている偏光子アレイは、入射光の波長や入射角によって特性が異なるという不都合があった。また、大きな位相差を得るには膜厚を大きくする必要があった。

また、特許文献２に開示されている波長板は、入射光の波長や入射角によって特性が異なるという不都合があった。また、高アスペクト比の構造が必要であるため、量産が難しく、高コスト化を招くという不都合があった。

また、特許文献３に開示されているカラーフィルタは、有機フィルムを用いており、耐光性や耐熱性が十分でないという不都合があった。

また、特許文献４及び特許文献５に開示されている偏光制御素子は、いずれも透過率と位相差がトレードオフの関係にあり、位相差を大きくすると透過率を確保することが難しいという不都合があった。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する２つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に位相差を付与することができる光学素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる画像生成装置を提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる画像表示装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する光学素子において、前記微細周期構造体は、透明で屈折率ｎ_１の支持部材に支持され、かつ屈折率ｎ_２の媒体で覆われており、前記複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチｐは、前記入射光の波長λを用いて、（λ×ｎ_１）／（２×ｎ_２）の値と等しいことを特徴とする光学素子である。

これによれば、耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する２つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に位相差を付与することができる。

本発明は、第２の観点からすると、画像形成素子を含み、画像情報に応じた画像を生成する画像生成装置において、前記画像形成素子に入射する光束、及び前記画像形成素子から射出される光束の少なくとも一方の光路上に配置された、少なくとも１つの本発明の光学素子を有することを特徴とする画像生成装置である。

これによれば、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。

本発明は、第３の観点からすると、画像情報に応じた画像を生成する本発明の画像生成装置と；該画像生成装置からの光束を被投射面に投射する投射光学系と；を備える画像表示装置である。

これによれば、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るプロジェクタシステムの概略構成を説明するためのブロック図である。 図１におけるプロジェクタ装置の構成を説明するための図である。 図２における画像生成装置を説明するための図である。 図３における偏光変換素子の機能を説明するための図である。 図３における１／４波長板の機能を説明するための図である。 画像生成装置で用いられている波長板の構造を説明するための図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 数値シミュレーションに用いた波長板のモデルを説明するための図である。 図８のＡ−Ａ断面図である。 数値シミュレーションの演算結果を説明するための図である。 演算結果から得られた配列ピッチｐとλ×ｎ_１／（２×ｎ_２）の関係を説明するための図である。 演算結果から得られた位相差φとｗ・ｈ／ｐ^３の関係を説明するための図である。 演算結果から得られた透過率とｗ／ｐの関係を説明するための図である。 波長板の変形例１を説明するための図である。 図１４のＡ−Ａ断面図である。 波長板の変形例２を説明するための図である。 それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する波長選択フィルタの構造を説明するための図である。 図１７のＡ−Ａ断面図である。 図１７のＢ−Ｂ断面図である。 数値シミュレーションに用いた波長選択フィルタのモデルを説明するための図である。 図２０のＡ−Ａ断面図である。 数値シミュレーションの演算結果を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１６に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る画像表示システムとしてのプロジェクタシステム１０が示されている。

このプロジェクタシステム１０は、画像表示装置としてのプロジェクタ装置１０００、及び上位装置２０００を有している。

上位装置２０００は、プロジェクタ装置１０００に画像に関する情報を送出する画像情報管理装置であり、一例としてパソコンを用いることができる。上位装置２０００は、ネットワークを介して送られてきた画像に関する情報、及びネットワークを介して取得（ダウンロード）した画像に関する情報を、プロジェクタ装置１０００に送出することができる。

プロジェクタ装置１０００は、上位装置２０００から送られてきた画像に関する情報に基づいて、被投射面としてのスクリーン１１００に拡大像を表示する前方投射型のプロジェクタ装置である。

プロジェクタ装置１０００は、一例として図２に示されるように、画像生成装置１００、及び投射光学系２００などを備えている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、プロジェクタ装置１０００が載置されている平面をＸＺ面、画像生成装置１００から投射光学系２００に向けて射出される光束の方向をＺ軸方向として説明する。

投射光学系２００からスクリーン１１００に向かう投射光は、筐体に設けられた開口を通って射出される。

画像生成装置１００は、一例として図３に示されるように、光源１１０、カットフィルタ１１１、１対のフライアイレンズアレイ（１１３Ａ、１１３Ｂ）、偏光変換素子１４１、コンデンサレンズ１１５、２つのダイクロイックミラー（１１６Ａ、１１６Ｂ）、反射ミラー１１７、３つの偏光分離素子（１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ）、３つの反射型液晶パネル（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）、３つの１／４波長板（１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ）、クロスプリズム１２４、通信インターフェース１３１、及び主制御装置１３２などを有している。

通信インターフェース１３１は、主制御装置１３２と上位装置２０００との通信を制御する。

主制御装置１３２は、通信インターフェース１３１を介して受け取った画像に関する情報に応じて、光源１１０及び３つの反射型液晶パネル（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）を制御する。

光源１１０には、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどのランプ光源を用いることができる。なお、ＬＥＤ、ＬＤ、半導体レーザなどの固体光源を用いてもよい。

この光源１１０は、主制御装置１３２の指示によって点灯される。光源１１０から射出された光束は、リフレクタによって＋Ｚ方向に向かう光束とされる。

カットフィルタ１１１は、光源１１０から射出された光に含まれるＵＶ成分及びＩＲ成分を除去する。これによって、各光学素子の劣化を抑制することができる。

１対のフライアイレンズアレイ（１１３Ａ、１１３Ｂ）は、カットフィルタ１１１を介した光束の光路上に配置され、光量分布を均一化する。

偏光変換素子１４１は、１対のフライアイレンズアレイ（１１３Ａ、１１３Ｂ）の間に配置され、フライアイレンズアレイ１１３Ａを介した光束の偏光状態を所定の直線偏光（ここでは、Ｓ偏光）に変換する。これによって、光利用効率を高めることができる。

ここでは、この偏光変換素子１４１は、一例として図４に示されるように、Ｓ偏光を透過させＰ偏光を反射する複数の偏光分離面を有する偏光分離素子１４１Ａと、前記複数の偏光分離面で反射されたＰ偏光をＳ偏光に変換する複数の１／２波長板１４１Ｂとを有している。

図３に戻り、コンデンサレンズ１１５は、フライアイレンズアレイ１１３Ｂを介した光束の光路上に配置されている。このコンデンサレンズ１１５によって、各反射型液晶パネルを照明する際の照明光の入射角度及び照明領域を調整することができる。

ダイクロイックミラー１１６Ａは、コンデンサレンズ１１５を介した光束の光路上に配置され、該光束に含まれる青色波長成分を選択的に反射し、残り（緑色波長成分＋赤色波長成分）を透過させる。

ダイクロイックミラー１１６Ｂは、ダイクロイックミラー１１６Ａを透過した光束の光路上に配置され、該光束に含まれる緑色波長成分を選択的に反射し、残り（赤色波長成分）を透過させる。

偏光分離素子１１８Ａは、ダイクロイックミラー１１６Ｂを透過した光束の光路上に配置されている。この偏光分離素子１１８Ａは、上記所定の直線偏光（ここでは、Ｓ偏光）を＋Ｘ方向に反射する偏光分離面を有している。そこで、ダイクロイックミラー１１６Ｂを透過した光束は、偏光分離素子１１８Ａで＋Ｘ方向に反射される（図５参照）。

１／４波長板１４２Ａは、偏光分離素子１１８Ａの＋Ｘ側に配置されている。この１／４波長板１４２Ａは、偏光分離素子１１８Ａの偏光分離面で反射されたＳ偏光を円偏光に変換する。

反射型液晶パネル１２０Ａは、１／４波長板１４２Ａの＋Ｘ側に配置されている。そこで、反射型液晶パネル１２０Ａは、１／４波長板１４２Ａを介した光束で照明される。この照明光は、反射型液晶パネル１２０Ａによって変調され、赤色成分の画像情報が付与される。

反射型液晶パネル１２０Ａで変調され、反射された光束は、再び１／４波長板１４２Ａに入射し、Ｐ偏光となって偏光分離素子１１８Ａに入射する。該光束は、偏光分離素子１１８Ａを透過する。

偏光分離素子１１８Ｂは、ダイクロイックミラー１１６Ｂで反射された光束の光路上に配置されている。この偏光分離素子１１８Ｂは、上記所定の直線偏光（ここでは、Ｓ偏光）を−Ｚ方向に反射する偏光分離面を有している。そこで、ダイクロイックミラー１１６Ｂで反射された光束は、偏光分離素子１１８Ｂで−Ｚ方向に反射される。

１／４波長板１４２Ｂは、偏光分離素子１１８Ｂの−Ｚ側に配置されている。この１／４波長板１４２Ｂは、偏光分離素子１１８Ｂの偏光分離面で反射されたＳ偏光を円偏光に変換する。

反射型液晶パネル１２０Ｂは、１／４波長板１４２Ｂの−Ｚ側に配置されている。そこで、反射型液晶パネル１２０Ｂは、１／４波長板１４２Ｂを介した光束で照明される。この照明光は、反射型液晶パネル１２０Ｂによって変調され、緑色成分の画像情報が付与される。

反射型液晶パネル１２０Ｂで変調され、反射された光束は、再び１／４波長板１４２Ｂに入射し、Ｐ偏光となって偏光分離素子１１８Ｂに入射する。該光束は、偏光分離素子１１８Ｂを透過する。

反射ミラー１１７は、ダイクロイックミラー１１６Ａで反射された光束の光路上に配置され、該光束を反射する。ここでは、反射ミラー１１７は、光束を＋Ｚ方向に反射する。

偏光分離素子１１８Ｃは、反射ミラー１１７で反射された光束の光路上に配置されている。この偏光分離素子１１８Ｃは、上記所定の直線偏光（ここでは、Ｓ偏光）を−Ｘ方向に反射する偏光分離面を有している。そこで、反射ミラー１１７で反射された光束は、偏光分離素子１１８Ｃで−Ｘ方向に反射される。

１／４波長板１４２Ｃは、偏光分離素子１１８Ｃの−Ｘ側に配置されている。この１／４波長板１４２Ｃは、偏光分離素子１１８Ｃの偏光分離面で反射されたＳ偏光を円偏光に変換する。

反射型液晶パネル１２０Ｃは、１／４波長板１４２Ｃの−Ｘ側に配置されている。そこで、反射型液晶パネル１２０Ｃは、１／４波長板１４２Ｃを介した光束で照明される。この照明光は、反射型液晶パネル１２０Ｃによって変調され、青色成分の画像情報が付与される。

反射型液晶パネル１２０Ｃで変調され、反射された光束は、再び１／４波長板１４２Ｃに入射し、Ｐ偏光となって偏光分離素子１１８Ｃに入射する。該光束は、偏光分離素子１１８Ｃを透過する。

クロスプリズム１２４は、偏光分離素子１１８Ａの−Ｘ側で、偏光分離素子１１８Ｂの＋Ｚ側で、偏光分離素子１１８Ｃの＋Ｘ側に配置されている。このクロスプリズム１２４は、偏光分離素子１１８Ａを透過した光束を＋Ｚ方向に反射する反射面、及び偏光分離素子１１８Ｃを透過した光束を＋Ｚ方向に反射する反射面を有している。

そこで、赤色成分の画像情報が付与され偏光分離素子１１８Ａを透過した光束、緑色成分の画像情報が付与され偏光分離素子１１８Ｂを透過した光束、及び青色成分の画像情報が付与され偏光分離素子１１８Ａを透過した光束は、クロスプリズム１２４によって合成される。すなわち、赤色成分の画像と緑色成分の画像と青色成分の画像がクロスプリズム１２４で合成される。

クロスプリズム１２４で合成された光束が、画像生成装置１００から射出される光束である。そして、この光束は、投射光学系２００に入射される。

投射光学系２００は、クロスプリズム１２４で合成された画像の拡大像をスクリーン１１００に表示する。

図６及び図７には、波長板としての作用を有する光学素子１０Ａが示されている。この光学素子１０Ａは、支持部材１１、被覆部材１２、複数の金属細線１３などを有している。なお、図７は、図６のＡ−Ａ断面図である。

なお、ここでは、ｘｙｚ３次元直交座標系において、金属細線１３の高さ方向をｚ軸方向として説明する。

支持部材１１としては、光学素子に一般的に用いられる透明な材料が好ましく、例えば、石英ガラス、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３などの光学結晶材料などを用いることができる。

各金属細線１３は、入射光の波長以下の線幅をもつ金属細線であり、支持部材１１の＋ｚ側の面上に配置されている。ここでは、複数の金属細線１３は、ｘ軸方向に沿って、等間隔に配列されている。このような構造は、微細周期構造と呼ばれている。そして、複数の金属細線１３は、各金属細線１３の線幅ｗ、高さｈ、及び複数の金属細線１３の配列ピッチｐで特徴付けられている。

金属細線１３の材料としては、可視波長帯域において完全導体に近い特性を有するものが好ましく、Ａｌ（アルミニウム）が適している。また、Ａｌを主成分とする合金材料であっても良い。また、使用する波長帯に応じて、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）などの材料を用いることができる。

被覆部材１２は、複数の金属細線１３の＋ｚ側に配置され、複数の金属細線１３を覆っている。そこで、ｘ軸方向に関して、隣り合う２本の金属細線１３の間には、被覆部材１２が存在することとなる。

被覆部材１２は、膜状部材であり、複数の金属細線１３の外的損傷や酸化などに対する耐性を向上させる保護膜として機能するとともに、屈折率に関する支持部材１１との相対的な関係により、動作波長を規定する役割を担っている。このような膜状部材には、支持部材１１と同様に、光吸収が少なく、光学素子のコーティング材料として一般的な石英ガラス、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２などの硼珪酸ガラスや、ＣａＦ_２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯなどの材料を用いることができる。

支持部材１１上に複数の金属細線１３を設ける方法としては、可視光の回折限界以下の加工精度を有する方法が適用される。具体的には、電子線リソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）リソグラフィ、ＥＵＶ（超紫外線）リソグラフィ、ナノインプリントなどが利用できる。

次に、光学素子１０Ａの作製方法について簡単に説明する。ここでは、一例として、電子線リソグラフィを用いる方法を説明するが、これに限定されるものではない。

（１）支持部材１１として平行平板上の光学ガラスを用い、該光学ガラスの表面にＡｌなどの金属材料をスパッタ法や真空蒸着法により堆積させ金属膜を形成する。この際、金属と光学ガラスとの界面に金属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。

（２）この金属膜上にフォトレジスト膜を形成する。

（３）電子ビーム描画により、フォトレジスト膜を露光し、エッチングマスクを形成する。

（４）上記エッチングマスクを介して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により金属膜をエッチングする。これにより、金属膜における不要な部分が除去される。

（５）エッチングマスクを除去する。これにより、光学ガラスの表面に、線幅ｗの複数の金属細線を一の方向に沿ってピッチｐで形成することができる。

なお、エッチングに代えて、リフトオフ法を用いても良い。

（６）被覆部材１２として、透明な膜をスパッタ法やコーティングにより堆積する。これにより、光学素子１０Ａとなる。

次に、光学素子１０Ａの特性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説明する。ここでは、数値シミュレーションとして、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、時間領域及び空間領域に差分化して解く、いわゆる有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いた。

図８及び図９には、数値シミュレーションに用いた光学素子のモデルが示されている。なお、図９は、図８のＡ−Ａ断面図である。

このモデルは、支持基板（屈折率ｎ_１＝１．５）上にＡｌの金属細線が設けられ、誘電体（屈折率ｎ_２＝１．３８）で被覆されている。

ここでは、透過光のスペクトル特性を得るために、図９に示されるように、入射光として４５度の偏光方向（電場振動面）を持ち、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、支持基板と金属細線の界面から＋ｚ側にＬ１１（ここでは、９２０ｎｍ）離れた面から入射した。

そして、上記界面から−ｚ側にＬ１２（ここでは、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。

なお、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モデルを適用した。また、図９における符号Ｌ１３は、８０ｎｍである。

図１０には、数値シミュレーションにより得られた全偏光成分の透過率と波長との関係が示されている。ここでは、ｗ＝８８ｎｍ、ｈ＝２１６ｎｍに固定し、配列ピッチｐを多段階に変化させている。これによると、配列ピッチｐが大きくなるにつれて、透過率がピークとなるときの波長（ピーク波長あるいは共鳴波長）が、長波長側にシフトしている。

図１１には、上記ピーク波長λに、ｎ_１／（２×ｎ_２）という係数を乗じた値と、配列ピッチｐとの関係が示されている。図１１における破線は傾き１の直線である。これによると、配列ピッチｐとλ×ｎ_１／（２×ｎ_２）には直線的な相関があり、次の（１）式が成立している。なお、ここでは、ｎ_１＝１．５、ｎ_２＝１．３８である。

ｐ＝λ×ｎ_１／（２×ｎ_２） ……（１）

上記（１）式が満足されるように、入射光の波長（動作波長）に合わせた配列ピッチｐを設定することにより、入射光に対して高い透過率を得ることができる。なお、上記（１）式は、現象論的に得られた式であり、配列ピッチｐが上記（１）式から算出される値に対して数％〜１０％程度ずれていても、許容誤差範囲内とみなして良い。

図１２には、線幅ｗと高さｈの積をｐ^３で規格化した値と位相差φ（ｄｅｇ）との関係が示されている。線幅ｗと高さｈの積をｐ^３で規格化した値は、微細周期構造における金属充填率に対応する値である。なお、ここでは、電場の方向がｘ軸方向の偏光成分と電場の方向がｙ軸方向の偏光成分との位相差を位相差φとしている。

図１２におけるシンボル■は、高さｈを２１６ｍｍ、配列ピッチｐを２４８ｎｍに固定して線幅ｗを変化させた場合を示し、シンボル▲は、線幅ｗを８８ｎｍ、配列ピッチｐを２４８ｎｍに固定して高さｈを変化させた場合を示し、シンボル◆は、線幅ｗを８８ｎｍ、配列ピッチｐを２１６ｎｍに固定して高さｈを変化させた場合を示している。これによると、■、▲及び◆を個別にフィッティングさせた３本の回帰曲線がほぼ一致していることから、金属充填率に依存して位相差φを決定することが可能である。なお、図１２における曲線は、■、▲及び◆の全てをフィッティングさせた回帰曲線であり、次の（２）式で示される。

φ＝１．５６８０７×１０^５×（ｈｗ／ｐ^３）＋３．１０７９ ……（２）

また、図１３には、入射光の波長が４４３ｎｍで、高さｈを２１６ｎｍに固定したときの、全偏光成分の透過率とデューティ比（ｗ／ｐ）との関係が示されている。これによると、デューティ比が０．３５を超えると、透過率が急激に低下している。そこで、デューティ比は、０．３５以下であることが好ましい。

以上の数値シミュレーションの結果に基づいて、上記光学素子１０Ａに１／２波長板の機能をもたせるには、上記（１）式を用いて所望の動作波長に対する金属細線の配列ピッチｐを決定し、デューティ比が０．３５以下の条件を満たす範囲内で、上記（２）式を用いて位相差φがπ、すなわち、ｈｗ／ｐ^３＝５．５４×１０^−４となるような高さｈと線幅ｗを決定すれば良い。なお、線幅ｗが細いほど高い透過率を得ることができる。

この１／２波長板の機能をもつ光学素子１０Ａが、上記偏光変換素子１４１における複数の１／２波長板１４１Ｂに用いられている。

また、上記光学素子１０Ａに１／４波長板の機能をもたせるには、同様に、上記（１）式を用いて所望の動作波長に対する金属細線の配列ピッチｐを決定し、デューティ比が０．３５以下の条件を満たす範囲内で、上記（２）式を用いて位相差φがπ／２、すなわち、ｈｗ／ｐ^３＝１．１２８×１０^−３となるような高さｈと線幅ｗを決定すれば良い。なお、線幅ｗが細いほど高い透過率を得ることができる。

この１／４波長板の機能をもつ光学素子１０Ａが、上記３つの１／４波長板（１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ）に用いられている。

なお、光学素子１０Ａに、１／２波長板及び１／４波長板以外の機能をもたせることも可能である。

以上のように、上記光学素子１０Ａは、無機材料である金属細線を平面上に周期的に配列した微細周期構造を有しており、耐光性、耐熱性に優れている。また、高価な光学結晶を使用しておらず、上記光学素子１０Ａを用いることによって装置の低価格化を実現することができる。また、装置の小型化を図ることができる。

図１４及び図１５には、光学素子１０Ａの変形例としての光学素子１０Ｂが示されている。なお、図１５は、図１４のＡ−Ａ断面図である。

この光学素子１０Ｂでは、ｙ軸方向を長手方向とする各金属細線が、途中で切断されている。この場合であっても、金属細線の長手方向の長さを配列ピッチｐより十分に大きく取り、上記（１）式及び（２）式が満足され、ｘ軸方向のデューティ比が０．３５以下になるように高さｈ及び線幅ｗが設定されていれば、散乱や回折の影響はあるものの、上記光学素子１０Ａと同様な特性を得ることができる。

切断された金属細線を用いることにより、作製時の高アスペクト比構造の倒れや、電子線描画のつなぎ精度の影響を回避し、所望の形状の微細周期構造を精度良く得ることができる。

なお、複数の金属細線１３を保護する必要がない場合には、図１６に示されるように、前記被覆部材１２がなくても良い。この場合は、ｘ軸方向に関して、隣り合う２本の金属細線１３の間には、空気（屈折率ｎ_２＝１．００）が存在することとなる。この場合であっても、上記光学素子１０Ａと同様な特性を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る光学素子１０Ａによると、それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線１３を含む微細周期構造体を有し、該微細周期構造体は、透明で屈折率ｎ_１の支持部材１１に支持され、かつ屈折率ｎ_２の被覆部材１２で覆われている。そして、複数の金属細線１３は、ｘ軸方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチｐは、入射光の波長λを用いて、（λ×ｎ_１）／（２×ｎ_２）の値と等しくなるように設定されている。

また、デューティ比（ｗ／ｐ）が０．３５以下の条件を満たす範囲内で、所望の位相差が得られるように、高さｈ及び線幅ｗが設定されている。

この場合は、光学素子１０Ａは、耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する２つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に所望の位相差を付与することができる。

また、本実施形態に係る画像生成装置１００によると、光学素子１０Ａに１／２波長板の機能をもたせた複数の１／２波長板１４１Ｂ、光学素子１０Ａに１／４波長板の機能をもたせた１／４波長板（１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ）を有している。そこで、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。

また、本実施形態に係るプロジェクタ装置１０００によると、画像生成装置１００を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、画像形成素子として反射型液晶パネルが用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、発光機能を有する画像形成素子を用いても良い。この場合は、上記光源１１０は不要である。そこで、画像生成装置の更なる小型化を図ることができる。

《光学フィルタ》
ところで、上記光学素子１０Ａの特性を利用して光学フィルタを作成することができる。

図１７〜図１９には、光学フィルタとしての作用を有する光学素子１０Ｄが示されている。なお、図１８は、図１７のＡ−Ａ断面図であり、図１９は、図１７のＢ−Ｂ断面図である。ここでは、光学素子１０Ａとの相違点を中心に説明するとともに、前述した光学素子１０Ａと同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。

この光学素子１０Ｄは、２つの微細周期構造を有している。ここでは、＋ｚ側の微細周期構造を第１の微細周期構造といい、−ｚ側の微細周期構造を第２の微細周期構造という。

第１の微細周期構造は、入射光の波長以下の線幅をもつ複数の金属細線１３_１を含み、該複数の金属細線１３_１は、ｙ軸方向に沿って、等間隔に配列されている（図１８参照）。

第２の微細周期構造は、入射光の波長以下の線幅をもつ複数の金属細線１３_２を含み、該複数の金属細線１３_２は、ｘ軸方向に沿って、等間隔に配列されている（図１９参照）。

すなわち、各微細周期構造では、複数の金属細線の配列方向が互いに直交している。

第２の微細周期構造の複数の金属細線１３_２は、支持部材１１の＋ｚ側の面上に設けられている。そして、複数の金属細線１３_２は、被覆部材１２によって被覆されている。そこで、ｘ軸方向に関して、隣り合う２本の金属細線１３_２の間には、被覆部材１２が存在している。

第１の微細周期構造の複数の金属細線１３_１は、第２の微細周期構造の複数の金属細線１３_２を被覆している被覆部材１２の上に設けられている。そして、複数の金属細線１３_１は、被覆部材１２によって被覆されている。すなわち、第１の微細周期構造の複数の金属細線１３_１は、被覆部材１２の中に存在していることとなる。そこで、ｘ軸方向に関して、隣り合う２本の金属細線１３_１の間には、被覆部材１２が存在している。

第１の微細周期構造における複数の金属細線１３_１は、上記（１）式が満足され、ｙ軸方向のデューティ比が０．３５以下の条件を満たす範囲内で、上記（２）式を用いて位相差φがπとなるように高さｈと線幅ｗが設定されている。すなわち、第１の微細周期構造は、１／２波長板の機能を有している。

また、第２の微細周期構造における複数の金属細線１３_２は、第１の微細周期構造における複数の金属細線１３_１と同じ配列ピッチｐ、高さｈ、線幅ｗとなるように設定されている。

次に、光学素子１０Ｄの動作原理について説明する。ここでは、白色ランダム偏光の光が、光学素子１０Ｄの＋ｚ側から入射するものとする。また、第１の微細周期構造は、透過率がピークとなる波長（ピーク波長あるいは共鳴波長）がλ１であるものとする。

この白色ランダム偏光の光が第１の微細周期構造に入射すると、波長がλ１近傍の光は、ＴＭ偏光及びＴＥ偏光のいずれも第１の微細周期構造を透過する。一方、波長がλ１から外れている光は、ＴＭ偏光のみが第１の微細周期構造を透過する。

第１の微細周期構造を透過した光が第２の微細周期構造に入射すると、波長がλ１から外れている光は、ＴＭ偏光なので、第２の微細周期構造を透過できない。一方、波長がλ１近傍の光は、ＴＭ偏光及びＴＥ偏光のいずれも第２の微細周期構造を透過する。

すなわち、波長がλ１近傍の光のみが、光学素子１０Ｄを透過することができる。

なお、第２の微細周期構造が、単なる偏光選択性を有するワイヤグリッド偏光板に相当する構造の場合には、波長がλ１近傍の光は、ＴＭ偏光及びＴＥ偏光のいずれかが第２の微細周期構造を透過する。

次に、光学素子１０Ｄの特性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説明する。ここでも、上記有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いた。但し、入射偏光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とで独立に計算し、透過率の平均値を取ることにより入射ランダム偏光を表現した。

図２０及び図２１には、数値シミュレーションに用いた光学素子のモデルが示されている。なお、図２１は、図２０のＡ−Ａ断面図である。

このモデルは、第１の微細周期構造と第２の微細周期構造とを間隔Ｌ２３（ここでは、６４ｎｍ）空けて積層している。第１の微細周期構造は屈折率１．３８の被覆部材中に埋め込まれている。また、図２０における符号Ｌ２１は９２０ｎｍであり、符号Ｌ２２は１０００ｎｍである。

また、各微細周期構造における金属細線は、（１）動作波長に対して配列ピッチｐを決定し、（２）デューティ比ｗ／ｐが０．３５となるように線幅ｗを決定し、（３）高い透過率が得られるように高さｈを決定した。

図２２には、波長と全偏光成分の透過率との関係が示されている。長波長側の光は、ピーク波長からはずれた波長帯に位置するため、透過が遮断されている。また、金属細線の形状及び配列ピッチｐを調整することにより、任意の波長に対して波長選択機能を発現できることが確認できた。短波長側の光は、金属細線の直線偏光に対する遮断特性が低下するため、十分には透過率が低下していない。これは、射出側の微細周期構造（ここでは、第２の微細周期構造）の金属細線の形状を変えることにより改善することが可能である。

以上のように、光学素子１０Ｄは、無機材料である金属細線を平面上に周期的に配列した２つの微細周期構造を有しており、耐光性、耐熱性に優れている。また、平面構造を積層した光学素子であるため、積層化や集積化が容易である。

なお、第１の微細周期構造の複数の金属細線１３_１を被覆している被覆部材１２がなくても良い。この場合は、ｙ軸方向に関して、隣り合う２本の金属細線１３_１の間には、空気（屈折率ｎ_２＝１．００）が存在することとなる。この場合であっても、上記光学素子１０Ｄと同様な特性を得ることができる。

以上説明したように、本発明の光学素子によれば、耐光性や耐熱性に優れ、高コスト化を招くことなく、互いに直交する２つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に所望の位相差を付与するのに適している。本発明の画像生成装置及び画像表示装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型化を図るのに適している。

１０Ａ…光学素子、１０Ｂ…光学素子、１０Ｄ…光学素子、１１…支持部材、１２…被覆部材（媒体）、１３…金属細線、１３_１…金属細線、１３_２…金属細線、１００…画像生成装置、１２０Ａ…反射型液晶パネル（画像形成素子）、１２０Ｂ…反射型液晶パネル（画像形成素子）、１２０Ｃ…反射型液晶パネル（画像形成素子）、１４１Ｂ…１／２波長板、１４２Ａ…１／４波長板、１４２Ｂ…１／４波長板、１４２Ｃ…１／４波長板、２００…投射光学系、１０００…プロジェクタ装置（画像表示装置）。

特開２００９−１３９９７３号公報 特開２００５−０９９０９９号公報 特開２００６−１５４３８２号公報 特開２００６−３３０１０５号公報 特開２００７−２４０６１８号公報

Claims (10)

1. それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する光学素子において、
   前記微細周期構造体は、透明で屈折率ｎ_１の支持部材に支持され、かつ屈折率ｎ_２の媒体で覆われており、
   前記複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチｐは、前記入射光の波長λを用いて、（λ×ｎ_１）／（２×ｎ_２）の値と等しいことを特徴とする光学素子。
2. 前記複数の金属細線は、線幅ｗを用いて、ｗ／ｐが０．３５以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記入射光は、前記一の方向に平行な偏光成分と前記一の方向に垂直な偏光成分とを有し、
   前記入射光が前記複数の金属細線を通過する際に、前記２つの偏光成分の間に、大きさが１８０°の位相差が付与されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記複数の金属細線は、高さｈ、線幅ｗを用いて、ｈｗ／ｐ^３が１．１２８×１０^−３であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記入射光は、前記一の方向に平行な偏光成分と前記一の方向に垂直な偏光成分を有し、
   前記入射光が前記複数の金属細線を通過する際に、前記２つの偏光成分の間に、大きさが９０°の位相差が付与されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
6. 前記複数の金属細線は、高さｈ、線幅ｗを用いて、ｈｗ／ｐ^３が５．５４×１０^−４であることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 前記媒体は、空気であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子。
8. 前記支持部材及び前記媒体の一方における表面あるいはその内部に設けられ、
   それぞれの線幅が前記入射光の波長以下であり、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って等間隔に配置されている複数の金属細線を含む微細周期構造体を更に有することを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素子。
9. 画像形成素子を含み、画像情報に応じた画像を生成する画像生成装置において、
   前記画像形成素子に入射する光束、及び前記画像形成素子から射出される光束の少なくとも一方の光路上に配置された、少なくとも１つの請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学素子を有することを特徴とする画像生成装置。
10. 画像情報に応じた画像を生成する請求項９に記載の画像生成装置と；
    該画像生成装置からの光束を被投射面に投射する投射光学系と；を備える画像表示装置。

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