JP2014134564A - 吸収型ワイヤグリッド偏光素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】低反射で十分な消光比を有する吸収型ワイヤグリッド偏光素子を提供する。
【解決手段】偏光素子は、誘電体基板の基板面上に、金属と１種類以上であるｉ種類の誘電体媒質とにより構成された周期構造を備える。周期構造は、金属により形成された金属格子と誘電体媒質により形成された誘電体格子とが入射光の波長より小さい格子周期で１次元方向に配列された１次元格子構造を有する。格子の全高をｈ、金属の複素屈折率のうち実部である屈折率をｎ_ｍ、虚部である消衰係数をｋ_ｍ、誘電体格子の平均屈折率をｎ_ｂ、金属格子の平均占有率をＦＦとするとき、以下の条件を満足する。ｎ_ｍ≧1.0、ｋ_ｍ≧2.0、0.01≦FF≦0.25、n_ｂ≧1.40、h≧250[nm]。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光素子に関し、特に吸収型ワイヤグリッド偏光素子に関する。

基板上に金属１次元格子が可視光波長より小さい周期で形成された偏光素子は、ワイヤグリッド偏光素子と称され、格子の周期方向と平行な方向に振動する偏光光を透過し、それと直交する方向に振動する偏光光を反射することで、偏光素子として機能する。また、ワイヤグリッド偏光素子は、一般に無機材料で構成されるため、吸収性色素を用いたフィルム型の偏光板に比べて耐熱性や耐ＵＶ性に優れている。このような特性から、ワイヤグリッド偏光素子は、例えば液晶プロジェクタに使用された場合に、高い光密度の光が照射されても長期間にわたって偏光機能の劣化を抑えることができる等の利点がある。

ただし、ワイヤグリッド偏光素子は透過を抑制したい方向の偏光光を強く反射するため、反射光が迷光となって像（例えば液晶プロジェクタにおける投射画像）の形成に影響を及ぼすような個所には使用し難い。特許文献１，２には、反射を抑制した吸収型ワイヤグリッド偏光素子の例が開示されている。特許文献１には、ワイヤグリッド偏光素子を構成する格子の上部に吸収体の格子を形成することにより、吸収型の偏光素子として機能する例が開示されている。また、特許文献２には、誘電体格子の凸部の側面に吸収体の格子および保護材質を形成することにより、吸収型の偏光素子を構成した例が開示されている。

特開２００８−２１６９５６号公報 特開２００９−３００６５５号公報

しかしながら、特許文献１，２にて開示された吸収型偏光素子は、従来のワイヤグリッド偏光素子に比べて反射率は大きく低減されているものの、反射率が１０％程度残存しているか透過する偏光光の消光比が低いという問題がある。ここでいう消光比とは、偏光素子を透過した偏光光のうち、格子の周期方向と平行な方向に振動する偏光光の透過率と、該方向に直交する方向に振動する偏光光の透過率との比で表わされ、偏光素子の特性を示す指標である。特許文献２では十分な消光比を確保するために、基板のうち吸収型ワイヤグリッド偏光素子を形成した面とは反対側の面に反射型のワイヤグリッド偏光素子を形成する例が開示されている。しかし、その場合でも、吸収型ワイヤグリッド偏光素子側から入射した光の反射は抑制されるが、その裏面側である反射型ワイヤグリッド偏光素子側から入射した光の反射率は低減されない。また、透過率を確保するためには、基板の両面に形成する２つの偏光素子の透過軸を精密に合わせる必要があり、製造が困難である。

発明は、基板のいずれの側から入射する光に対しても低反射であり、かつ十分な消光比を有する製造が容易な吸収型ワイヤグリッド偏光素子を提供する。

本発明の一側面としての吸収型ワイヤグリッド偏光素子は、誘電体基板の基板面上に、金属と１種類以上であるｉ種類の誘電体媒質とにより構成された周期構造を備える。周期構造は、基板面の法線に対して直交する断面において、金属により形成された金属格子と誘電体媒質により形成された誘電体格子とが入射光の波長より小さい格子周期Ｐで１次元方向に配列された１次元格子構造を有する。格子の全高をｈとし、入射光の波長に対する金属の複素屈折率のうち実部である屈折率をｎ_ｍとし、該複素屈折率のうち虚部である消衰係数をｋ_ｍとし、誘電体格子の平均屈折率をｎ_ｂとし、格子周期Ｐに対する金属格子の平均占有率をＦＦとするとき、以下の条件を満足することを特徴とする。

ただし、ＦＦは、格子高さｚにおける格子周期Ｐに対して金属格子が占める格子幅をＷ（ｚ）とし、ｎ_ｂをｉ番目の誘電体媒質の屈折率ｎ_ｉとし、格子幅をＷ_ｉとして、以下の式で表わされる。

なお、上記偏光板を用いた画像投射装置等の光学機器も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、簡易な構造を有するために製造が容易であり、基板のいずれの側から入射する光に対しても低反射であり、かつ十分な消光比を有する吸収型ワイヤグリッド偏光素子を実現することができる。

本発明の代表的な実施例としての偏光板の構成を示す概略図。 上記偏光板の上面視断面図。 金属の消衰係数と格子部での消衰係数との比の相関を示す図。 金属の格子幅の占有率と格子周期方向と直交する偏光光に対する消衰係数との相関を示す図。 上記偏光板の製造プロセスの例を示す図。 上記偏光板の構成を示す概略図。 上記偏光板の異なる格子高さにおける上面視断面図。 上記偏光板の構成を示す概略図。 実施例１の偏光板の分光透過率および分光反射率を示す図。 実施例４の偏光板の分光透過率および分光反射率を示す図。 実施例５の偏光板の分光透過率および分光反射率を示す図。 本発明の実施例６としての画像投射装置の構成を示す概略図。 本発明の別の実施例としての画像投射装置の構成を示す概略図。上記画像投射装置の構成を示す概略図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、図１を用いて、本発明の代表的な実施例としての吸収型ワイヤグリッド偏光素子である偏光板１００の構成について説明する。図１には、偏光板１００の側面視の断面（後述する基板面の法線に平行な断面）を示している。偏光板１００は、誘電体基板１の上面（以下、基板面という）に、誘電体媒質３により入射光の波長よりも小さい最小繰り返し構造周期Ｐ（以下、格子周期Ｐという）を有する矩形格子（誘電体格子）が形成された構造を有する。本実施例では、入射光として、可視光を想定している。

また、各誘電体格子の側面には、格子幅がＷ／２で、格子高さ（全高）がｈの金属格子２が形成されている。さらに、金属格子２間の隙間には、誘電体媒質４が充填されている。金属格子２および誘電体格子３，４により構成される領域を合わせて１次元格子部という。１次元格子部の上部は媒質５により被覆された構造となっている。基板１と誘電体格子３，４と媒質５とは互いに異なる媒質でもよい。

また、図１の右上に示した座標系において、基板面の法線に対して平行な方向をｚ方向とし、格子周期Ｐの繰り返し方向（以下、格子周期方向という）をｘ方向とし、ｘおよびｚ方向に直交する方向をｙ方向としている。図１は、ｘｚ断面を示している。

また、図２には、図１に点線で示した位置、すなわち１次元格子部の格子高さ方向での中間位置で切断したときの偏光板１００の断面（ｘｙ断面）を示している。図１および図２から分かるように、１次元格子部は、占有幅Ｗ（１の格子幅はＷ／２）でｙ方向に延びる金属格子２と、格子幅Ｗｅ，Ｗｆを有する誘電体格子３，４とが、格子周期Ｐでｘ方向（１次元方向）に繰り返し配列された１次元格子構造を有する。この構造を有する偏光板１００は、ｚ方向と平行に入射する光（以下、垂直入射光という）において、ｘ方向（格子周期方向）と平行な方向に振動する偏光光（以下、ｘ偏光という）を透過する。また、ｘ方向に直交するｙ方向（格子が延びる方向）と平行な方向に振動する偏光光（以下、ｙ偏光という）を遮蔽する。

このとき、偏光板１００は、ｙ偏光の多くを反射するのではなく吸収するために、以下の式（１），（２），（３），（４）で表される条件を満足する。すなわち、金属格子２の屈折率をｎ_ｍとし、消衰係数をｋ_ｍとし、金属格子２間の隙間に充填された誘電体の平均屈折率をｎ_ｂとし、格子周期Ｐに対する金属格子２の平均占有率をＦＦとするとき、

を満足する。ただし、ｎ_ｍ，ｋ_ｍはそれぞれ、金属の複素屈折率をｎ＝ｎ_ｍ＋ｉｋ_ｍと表現したときの実部の成分と虚部の成分（消衰係数）を示す。また、式（３）中のＦＦは、格子高さｚの位置でのｘｙ断面において格子周期Ｐに対して該金属が占める格子幅をＷ（ｚ）としたときに以下の式（５）で表わされる。さらに、ｎ_ｂはｉ番目の誘電体媒質の屈折率をｎ_ｉとし、格子幅をＷ_ｉとしたときに以下の式（６）で表わされる。

式（５）中のＦＦは、金属格子２が格子周期Ｐに占める割合の平均値を表し、図１においてはｚ方向に一様であるため、ＦＦ＝Ｗ／Ｐとなる。式（６）中のｎ_ｂは金属格子間の誘電体媒質（誘電体格子）の平均屈折率である。金属格子間の誘電体媒質としては、１種類以上であるｉ種類の誘電体媒質が用いられる。図１のように矩形格子で２種類の誘電体媒質が用いられる場合には、ｎ_ｂは、誘電体媒質（誘電体格子）３の屈折率ｎ_ｅ（格子幅Ｗ_ｅ）と誘電体媒質（誘電体格子）４の屈折率ｎ_ｆ（格子幅Ｗ_ｆ）を用いて以下のように表現される。

上記４つの条件を満足することにより、ｙ偏光を吸収してその反射を抑えつつ、ｘ偏光の高い透過率と消光比を併せ持つ偏光板を得ることができる。以下、その詳細について説明する。

ワイヤグリッド偏光板の偏光特性は、偏光板に入射する光の波長（以下、使用波長ともいう）より小さい格子周期Ｐを有する微細周期構造による誘電率異方性に起因する。そして、該偏光特性は、１次元格子部の金属の屈折率や消衰係数、格子間の媒質の屈折率および金属格子２の格子幅Ｗや格子高さｈ等により決定される。格子周期Ｐが使用波長よりも十分小さいとすれば、有効媒質近似の考え方から、誘電率に異方性が生じる。すなわち、１次元格子部における格子周期方向と平行な偏光光（ｘ偏光）が影響を受ける誘電率は格子間媒質により近く、格子周期方向と直交する偏光光（ｙ偏光）が影響を受ける誘電率は格子金属により近くなる。このため、ｙ偏光の多くは反射または吸収され、ｘ偏光は透過する。

また、誘電率の異なる境界面での反射の振る舞いはフレネルの式により表され、入射媒質の屈折率をｎ_ｉｎとし、射出媒質の屈折率をｎ_ｏｕｔとすると、垂直入射光に対する反射率は、
Ｒ＝｛（ｎ_ｉｎ−ｎ_ｏｕｔ）／（ｎ_ｉｎ＋ｎ_ｏｕｔ）｝^２
と表せる。金属のように消衰係数を持つ場合であっても、ｎ＝ｎ＋ｉｋとして実部をとればよい。例えば、ワイヤグリッド偏光板によく用いられるアルミニウム（屈折率１．０、消衰係数ｋ＝６．８）自体の空気界面での反射率は９２％程度であり、銀では（屈折率０．１２５、消衰係数３．３）９６％以上となる。このことから、金属格子２の幅に依存するものの、アルミや銀を用いたワイヤグリッド偏光板に入射したｙ偏光の多くは反射される。

反射率が高い要因の１つは金属自体の消衰係数が大きいことに起因する。このため、消衰係数を小さくすることで、反射が低減されると考えられる。しかし、格子の金属自体の消衰係数ｋ_ｍを小さくすると、１次元格子部におけるｘ偏光とｙ偏光に対する消衰係数ｋｘ，ｋｙの比ｋｙ／ｋｘが小さくなり、この結果、偏光板としての消光比を確保することが難しくなる。

図３に、１次元格子部におけるｘ偏光とｙ偏光に対する消衰係数の比ｋｙ／ｋｘと、金属格子の消衰係数ｋ_ｍとの相関を示す。図３から分かるように、ｋ_ｍが大きい程、ｋｙ／ｋｘを大きい。このときＦＦ＝０．２５として計算しているが、この傾向はＦＦには依存しない。ｋｙ／ｋｘが小さいと、偏光板の消光比を確保するために必要な格子高さが増大するため、製造がより難しくなる。製造を考慮した現実的な厚みとするためには、ｋｙ／ｋｘが５以上となることが望ましい。このためには、式（１）に示した条件のように、格子に使用する金属の消衰係数ｋ_ｍが２．０以上の材料を選択することが望ましく、３．０以上の材料を選択することがより好ましい。

格子に用いる金属の消衰係数を高く保ったままｙ偏光に対する消衰係数を低減するためには、格子周期Ｐに占める格子幅の割合であるＦＦをなるべく小さくする必要がある。図４には、横軸にとったＦＦと、縦軸にとったｙ偏光に対する実効的な消衰係数ｋｙとの相関を示している。ここでの計算条件は、ｋ_ｍ＝２、ｎ_ｍ＝１およびｎ_ｂ＝１．４８である。

図４から分かるように、ＦＦが低下するに従ってｋｙは一様に低下する。反射率を抑制するためには、ｋｙを０．５以下にすることが望ましい。そのためには、式（２）で示した条件のように、式（５）により求められる金属格子の占有率（平均占有率）ＦＦが０．２５以下となることが望ましく、さらには０．１５以下を満たすことがより望ましい。式（５）でＦＦの定義を格子高さ全域にわたっての平均値としているのは、１次元格子を構成する領域のうち局所的な一部分のみがこの条件から外れるような構成であっても、その領域が全体に対して微小であれば影響は小さく抑えられるためである。ただし、理想的には格子高さ全域にわたって式（３）で示す条件を満足するような構成であることが望ましい。このように金属自体の消衰係数を高く保ちつつ、非常に小さなＦＦを取ることで、現実的な格子高さで消光比と低反射を両立するワイヤグリッド偏光板を実現することができる。

さらに、消衰係数ｋ_ｍだけでなく、屈折率ｎ_ｍの大きさも低反射率化には重要である。金属の屈折率が０に近づくとフレネルの式は１に収束する。このため、金属の持つ屈折率が極端に小さい場合も反射率は増大する。したがって、ワイヤグリッド偏光板の反射をより低減するためには、消衰係数ｋ_ｍだけでなく、屈折率ｎ_ｍも大きな材質を用いることが望ましい。具体的には、式（１）に示す条件のように、格子を構成する金属の屈折率ｎ_ｍが１．０以上の材料を用いることが望ましく、２．０以上の材質を選択することがより望ましい。このような金属としては、反射率を高めるＡｕ，Ａｇ，Ａｌを除く金属であって、Ｃｒ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｔｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｔｉのいずれか又はこれらを含む合金もしくは化合物が挙げられる。ただし、これらに限らず、条件を満たす材料であれば使用可能である。

また、１次元格子部６におけるｘ偏光およびｙ偏光に対する屈折率は、格子間に充填された誘電体媒質３又は４の影響を受ける。格子間に充填された誘電体媒質の屈折率を考慮し、適切に選択することで、１次元格子部と基板の間もしくは１次元格子部の上部の界面での反射を抑制することができる。具体的には、式（６）で示した金属格子間に充填された誘電体の平均屈折率ｎｂが、式（３）で示した条件のように、１．４以上であることを満足することが望ましい。ここで、（６）式が格子高さ全域にわたる平均値として表現されているのは、式（５）のＦＦと同じ理由であり、理想的にはｎ_ｂについても格子高さ全域にわたって式（３）の条件を満たすことが望ましい。

上述した構成を採用することで、ワイヤグリッド偏光子におけるｙ偏光の反射を極力抑えることができる。しかし、このような構成ではＦＦが非常に小さいため、格子高さｈが低いと十分な消光比が得られない。通常のワイヤグリッドであれば格子高さが約１００ｎｍ程度でも高い消光比が得られるが、本実施例のワイヤグリッド偏光板においては十分ではない。偏光板に必要とされる消光性能にも依存するが、本実施例の偏光板においては、少なくとも式（４）で示す条件のように、格子高さｈは２５０ｎｍ以上であることが望ましい。ただし、格子高さ２５０ｎｍ未満の消光比が十分ではない構成であっても、それを複数層積層することにより高い消光比を得ることが可能である。そのような場合には、偏光板の格子高さの総和をｈと考えたときに、ｈを２５０ｎｍ以上とすることが望ましい。

なお、本実施例の偏光板における微細周期構造を製造する方法としては様々なものがある。例えば、図５（ａ）〜（ｆ）に示すようなプロセスで製造することができる。まず、基板上に誘電体格子構造を形成する。例えば、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＥＢやフォトリソグラフィで格子状のマスクを形成した後にエッチングする方法がある。また、他にも微細格子を形成した型を用いて転写するナノインプリントでも形成可能である。

その後、図５（ｄ）に示すように、格子の周囲に金属材質を薄く付着させる。この工程は、格子部に対して金属膜を蒸着したり、めっき法によって行うことができる。必要であればエッチングにより格子の上部および下部の金属膜を除去してもよい。

次に、図５（ｅ）に示すように、スパッタ法や蒸着法等を用いて、誘電体材質を格子間に充填するように、さらには格子上部を被覆するように形成することで図１に示した形状が得られる。なお、ここで説明した製造方法は一例であり、本実施例の偏光板の製造方法がこれに限定されるわけではない。

これまで説明したように、本実施例の偏光板の特徴であるｙ偏光に対する低反射率化を実現するためには、式（１）〜（４）で示した条件を満足する必要があるが、素子形状は図１に示すものに限らず、様々な形状でもよい。例えば、図６に示すような形状であってもよい。

図６に示した偏光板２００は、基板１上（基板面）に三角形の誘電体格子である三角格子７が形成され、その上面全体を金属層８が被覆した構造を有する。さらにその上部を誘電体媒質９で覆うことで、三角格子部１０がワイヤグリッド偏光板として機能する。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図６に示した三角格子部１０の高さｈの上部、中間部および下部における構造のｘｙ断面を示している。図７から分かるように、図６の三角格子の各領域においてｘｙ断面で見ると１次元格子構造となっている。

使用波長より短い周期を有する微細周期構造であれば、図６に示すように、三角格子７の表面（斜面）全体が金属層８よりに覆われていてもワイヤグリッド偏光子として機能する。このような構造であれば、三角格子７をナノインプリントで形成した後、その斜面上に薄く金属層８を積層すればよいため、ＦＦの小さな偏光板であっても製造が容易となる。

この際、格子間媒質の誘電体の平均屈折率は三角格子７や誘電体媒質９の屈折率と格子高さにより変化するが、その場合には格子高さ全体にわって平均した誘電体媒質の平均屈折率が上記の範囲を満たせばよい。このため、式（５）のｎｂは格子高さｈに対してｎ_ｂの平均をとるような表現となっている。図６に示したように一様に比率が変化するような三角格子形状であれば、格子高さｈの半分であるｈ／２の位置での平均屈折率ｎｂを求めればよい。

また他にも、図８に示すような金属格子を積層した構造であってもよい。図８に示す偏光板３００は、基板１（基板面）上に三角格子７が形成され、その上部の斜面全体に金属層８が積層され、さらにその上部を誘電体媒質９で被覆した構造となっている。そしてこれらで構成される三角格子部１０が基板面の法線方向に複数層（図では３層）積層した構造からなる。三角格子部１０の各層の格子高さをｈ１，ｈ２，ｈ３とすると、その総和ｈ＝ｈ１＋ｈ２＋ｈ３は２５０ｎｍ以上であることが望ましいことは前述の通りである。ただし、格子高さｈ１，ｈ２，ｈ３の大きさは任意でよく、また３層以上であってもよい。

また、各層の格子と格子の間はそれぞれ高さｄ１，ｄ２の誘電体層が形成されている。このｄ１，ｄ２を制御することにより、金属格子間で生じる干渉を制御し、任意の波長で反射を抑制することができる。ｄ１，ｄ２は設計波長にも依存するが、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが望ましい。厚くしすぎると干渉によるリップルが多く生じ、使用帯域が制限されやすいため、好ましくない。この問題はｄ１，ｄ２を干渉領域以上に厚くすることで解決できるが、１次元格子積層時の格子周期方向は精密に平行に合わせる必要があり、中間層をあまり厚くしすぎることは製造難度の点からも好ましくない。また、図８に示すような構成において式（５），（６）の計算する場合には、積分領域は１次元格子部のみで行えばよく、誘電体層の部分は含まない。

ここまで幾つかの素子形状の例を示したが、本発明の実施例としての偏光板は、ほかにも様々な構造や形状で実現可能であり、図１、図６および図８に示した構造のみに限定されるものではない。例えば、基板の両面にこれまで説明したような構造を形成してもよい。その場合には積層構造と同様に格子高さを得られるため、消光比を確保することが容易になる。またこれらの構成の組み合わせであってもよく、用途や必要な特性に応じて最適な形態を選択すればよい。

本実施例によれば、簡易な構造を有するために製造が容易であり、基板のいずれの側から入射する光に対しても低反射であり、かつ十分な消光比を有する吸収型ワイヤグリッド偏光素子を実現することができる。

以下、本発明の具体的な実施例（数値例）について説明する。

実施例１の偏光板の基本構成は、図１に示した構成と同じである。格子高さｈやＦＦ等のパラメータをまとめて表１に示す。波長５５０ｎｍにおけるｘ偏光に対する透過率Ｔｘ、ｙ偏光に対する反射率Ｒｙおよび消光比Ｔｘ／Ｔｙを表２に示す。

本実施例の偏光板では、基板面上に格子周期５０ｎｍ、格子幅３ｎｍ、格子高さ（全高）１０００ｎｍの矩形の金属格子が１層形成されている。金属格子の屈折率ｎ_ｍは２．０、消衰係数ｋ_ｍは３．０、ＦＦは０．０６である。また、基板の屈折率ｎ_ｂａｓｅは１．４８、１次元格子部の上部を被覆する誘電体媒質の屈折率ｎ_ｔｏｐは１．４８、金属格子間の誘電体格子の平均屈折率ｎ_ｂは１．４８であり、式（１）〜（４）の条件を全て満足している。この結果、高いＴｘと低いＲｙを両立している。

比較例１〜４として、式（１）〜（４）の条件のうち少なくとも１つを満足しない例の構成を表３に示し、比較例１，２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４のｘ偏光に対する透過率Ｔｘ、ｙ偏光に対する反射率Ｒｙおよび消光比Ｔｘ／Ｔｙを表４に示す。また、実施例１および比較例１〜４の偏光板としての性能の優劣を表５に○（優），△（やや劣），×（劣）で示す。表３〜５から、上記４つの条件のうちいずれか１つを満たさない場合には、十分なｙ偏光に対する反射率Ｒｙと消光比の両立が難しいことが分かる。十分なｙ偏光に対する反射率Ｒｙと消光比とを両立しているのは実施例１の構成のみであり、このことから低反射率と高消光比とを両立させるためには式（１）〜（４）に示す条件を全て満足する必要があることが分かる。

図９（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、実施例１の偏光板の波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの分光透過率および分光反射率を示す。これらの図から分かるように、実施例１の偏光板は、ｘ偏光に対する透過率として可視光全域でおよそ８０％以上を確保しながら、ｙ偏光に対する反射率を１％程度に抑えている。

実施例２の偏光板の基本構成は、図１に示した構成と同じである。本実施例の偏光板は、金属格子の材料としてＭｏを用いている。本実施例の偏光板の各パラメータをまとめて表１に示す。

本実施例の偏光板では、基板面上に格子周期１００ｎｍ、格子幅１０ｎｍ、格子高さ（全高）３００ｎｍの矩形金属格子が１層形成されている。金属格子の屈折率ｎ_ｍは３．７８、消衰係数ｋ_ｍは３．５２であり、ＦＦは０．１である。また、基板の屈折率ｎ_ｂａｓｅは２．０、格子上部の誘電体媒質の屈折率ｎ_ｔｏｐは２．３０、金属格子間の誘電体格子の平均屈折率ｎ_ｂは２．１５５であり、式（１）〜（４）の条件を全て満足している。本実施例の偏光板は、実施例１に比べて高屈折率の基板を用いているとともに、高屈折率の誘電体媒質で１次元格子部を被覆している。

また、波長５５０ｎｍにおけるｘ偏光に対する透過率Ｔｘ、ｙ偏光に対する反射率Ｒｙおよび消光比Ｔｘ／Ｔｙを表２に示す。この表から分かるように、本実施例の偏光板は、高いＴｘと低いＲｙを両立している。本実施例の偏光板は、実施例１に比べて格子高さは低いが、十分な消光比を有する低反射型の偏光板として機能する。

実施例３の偏光板の基本構成は、図１に示した構成と同じである。本実施例の偏光板は、金属格子の材料としてＴｉを用いている。本実施例の偏光板の各パラメータをまとめて表１に示す。

本実施例の偏光板では、基板面上に格子周期１００ｎｍ、格子幅１５ｎｍ、格子高さ（全高）４００ｎｍの矩形金属格子が１層形成されている。金属格子の屈折率ｎ_ｍは１．８８、消衰係数ｋ_ｍは２．６１であり、ＦＦは０．１５である。また、基板の屈折率ｎ_ｂａｓｅ、金属格子間の誘電体格子の平均屈折率ｎ_ｂならびに１次元格子部の上部を被覆する誘電体媒質の屈折率ｎ_ｔｏｐはともに１．４８であり、式（１）〜（４）の条件を全て満足している。この結果、高いＴｘと低いＲｙを両立している。

また、波長５５０ｎｍにおけるｘ偏光に対する透過率Ｔｘ、ｙ偏光に対する反射率Ｒｙおよび消光比Ｔｘ／Ｔｙを表２に示す。この表から分かるように、本実施例の偏光板は、高いＴｘと低いＲｙを両立している。本実施例の偏光板は、実施例１に比べて格子高さは低いが、高い消光比を有する低反射型の偏光板として機能する。

実施例４の偏光板の基本構成は、図６に示した構成と同じである。本実施例の偏光板は、金属格子の材料としてタングステンを用いている。本実施例の偏光板の各パラメータをまとめて表１に示す。

本実施例の偏光板では、基板面上に格子周期１００ｎｍ、格子高さ（全高）１０００ｎｍの三角格子が形成され、その上にタングステンの層が３５ｎｍ幅（厚）で形成され、さらにその上に屈折率１．４８のＳｉＯ_２で被覆された構造を有する。金属格子のＦＦは０．０４であり、式（２）の条件を満足する。また、金属格子の屈折率ｎ_ｍは２．７３、消衰係数ｋ_ｍは３．５１であり、ＦＦは０．０４である。また、基板の屈折率ｎ_ｂａｓｅ、金属格子間の誘電体格子の平均屈折率ｎ_ｂならびに１次元格子部の上部を被覆する誘電体媒質の屈折率ｎｔｏｐはいずれも１．４８であり、式（１），（３），（４）の条件も満足している。

また、波長５５０ｎｍにおけるｘ偏光透過率Ｔｘ，ｙ偏光反射率Ｒｙ，消光比Ｔｘ／Ｔｙの値を表２に示す。この表から分かるように、本実施例の偏光板は、高いＴｘと低いＲｙを両立している。

図１０（ａ），（ｂ）には、本実施例の偏光板の波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの分光透過率および分光反射率を示す。これらの図から分かるように、実施例４の偏光板は、ｘ偏光に対する透過率として可視光全域でおよそ９０％以上を確保しながら、ｙ偏光の反射率を１％程度に抑えている。

実施例５の偏光板の基本構成は、図６に示した構成と同じである。本実施例の偏光板は、金属格子の材料としてＣｒを用いている。本実施例の偏光板の各パラメータをまとめて表１に示す。

本実施例の偏光板では、基板面上に格子周期１００ｎｍ、格子高さ（全高）１８０ｎｍの三角格子が形成され、その上にＣｒ膜が５ｎｍ幅（厚）で形成され、さらにその上に屈折率が１．４８のＳｉＯ_２で被覆された構造が６層積層されている。金属格子間のＳｉＯ_２膜の厚みは１５０ｎｍである。金属格子のＦＦは０．０５４であり、式（２）の条件を満足する。金属格子の屈折率ｎ_ｍは４．１２、消衰係数ｋ_ｍは５．４２である。また、基板の屈折率ｎ_ｂａｓｅ、金属格子間の誘電体格子の平均屈折率ｎ_ｂならびに１次元格子部の上部を被覆する誘電体媒質の屈折率ｎｔｏｐはともに１．４８である。さらに、１次元格子部の厚みの総和ｈは１０８０ｎｍであり、式（１），（３），（４）の条件も満足している。なお、式（５），（６）の計算は１次元格子部のみで行っており、誘電体中間層の部分は式（５），（６）の計算に含まれていない。

波長５５０ｎｍにおけるｘ偏光に対する透過率Ｔｘ，ｙ偏光に対する反射率Ｒｙおよび消光比Ｔｘ／Ｔｙを表２に示す。この表から分かるように、実施例５の偏光板は高いＴｘと低いＲｙを両立している。

図１１（ａ），（ｂ）には、本実施例の偏光板の波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの分光透過率および分光反射率を示す。これらの図から分かるように、実施例５の偏光板は、ｘ偏光に対する透過率として可視光全域でおよそ９０％以上を確保しながら、ｙ偏光の反射率を１％程度に抑えている。

次に、本発明の実施例６として、上記実施例で説明した偏光板のいずれかを用いた光学機器としての画像投射装置について説明する。図１２には、画像投射装置４００の構成を示す。

光源２１から射出した照明光束２２は、照明光学系２３および偏光変換素子２４を通過することにより所定の偏光方向を有する直線偏光に変換される。その後、照明光束２２は、ダイクロイックミラー２６により緑色照明光２７ｇおよび青色照明光２７ｂと、赤色照明光２７ｒとに分離される。緑色照明光２７ｇは、偏光分離素子３０ａおよび位相差板３１ｇを透過した後に液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等の画像表示素子３２ｇに到達し、画像光として反射される。青色および赤色照明光２７ｂ，２７ｒは、偏光板２８を透過した後に色選択性位相差板２９を透過し、ここで青色照明光２７ｂの偏光方向のみが９０度回転されて偏光分離素子３０ｂに入射する。偏光分離素子３０ｂでは、青色照明光２７ｂが反射し、赤色照明光２７ｒは透過する。その後、青色照明光２７ｂおよび赤色照明光２７ｒはそれぞれ、位相差板３１ｂ，３１ｒを透過して画像表示素子３２ｂ，３２ｒにより画像光として反射される。画像光３３ｇは、偏光分離素子３０ａで反射した後に偏光板３５ｇを透過して合成プリズム３６に入射する。画像光３３ｂ，３３ｒは偏光分離素子３０ｂにより合成された後に再度、色選択性位相差板３４を透過することで所定の偏光方向を有する直線偏光に変換され、その後に偏光板３５ｒｂを透過して合成プリズム３６に入射する。合成プリズム３６によって合成された画像光３３ｇ，３３ｂ，３３ｒは、投射レンズ３７によりスクリーン等の被投射面に投射される。

本実施例の画像投射装置４００では、偏光板２８，３５ｇ，３５等の偏光板として上記各実施例にて説明した低反射型の偏光板が使用される。特に画像表示素子により画像光に変換された後の光路に配置されている偏光板３５ｇや偏光板３５として各実施例にて説明した偏光板が用いられることが望ましい。このような位置に反射型の偏光板を配置すると、プリズム面や投射レンズ面と対向する面での多重反射によるゴーストやフレアの原因となり、投射画像に悪影響を及ぼしやすい。このため、このような位置に低反射型の偏光板を配置することで、不要な偏光光をカットしながらも反射を抑え、ゴーストの少ない高品位な画像を投射可能な画像投射装置を実現することができる。

図１２に示した画像投射装置では反射型の画像表示素子を用いたが、図１３に示すように透過型の画像表示素子を用いた画像投射装置５００にも、上記各実施例で説明した偏光板を用いることもできる。画像投射装置５００の詳しい説明は省略するが、透過型の画像表示素子４１ｇ，４１ｂ，４１ｒを用いる場合、その入出射面の両側に偏光板４０ｇ，４０ｂ，４０ｒおよび偏光板４２ｇ，４２ｂ，４２ｒを配置する必要がある。このような位置に上記各実施例の偏光板を用いることで、図１２に示した画像投射装置と同様の効果が得られる。

さらに、上記各実施例で説明した偏光板は、画像投射装置以外の光学機器であって偏光光を利用するもの（例えば、光ディスクに対して情報の書き込みおよび読み出しを行うピックアップ装置）に広く用いることもできる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

画像投射装置等の光学機器に使用される高性能の偏光板を提供することができる。

１ 基板
２ 金属格子
３，４ 誘電体格子（誘電体媒質）

Claims (8)

1. 誘電体基板の基板面上に、金属と１種類以上であるｉ種類の誘電体媒質とにより構成された周期構造を備えた偏光素子であって、
   該周期構造は、前記基板面の法線に対して直交する断面において、前記金属により形成された金属格子と前記誘電体媒質により形成された誘電体格子とが入射光の波長より小さい格子周期Ｐで１次元方向に配列された１次元格子構造を有し、
   前記格子の全高をｈとし、前記入射光の波長に対する前記金属の複素屈折率のうち実部である屈折率をｎ_ｍとし、該複素屈折率のうち虚部である消衰係数をｋ_ｍとし、前記誘電体格子の平均屈折率をｎ_ｂとし、前記格子周期Ｐに対する前記金属格子の平均占有率をＦＦとするとき、
   以下の条件を満足することを特徴とする吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
   
   ただし、ＦＦは、格子高さｚにおける前記格子周期Ｐに対して前記金属格子が占める格子幅をＷ（ｚ）とし、ｎ_ｂをｉ番目の誘電体媒質の屈折率をｎ_ｉとし、格子幅をＷ_ｉとして、以下の式で表わされる。
   
2. 前記周期構造は、前記基板面の法線に対して平行な断面において、矩形の前記誘電体格子の間に前記金属格子が形成された構造であることを特徴とする請求項１に記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
3. 前記周期構造は、前記基板面の法線に対して平行な断面において、三角形の前記誘電体格子の斜面上に前記金属格子が形成され、さらに前記金属格子の間に前記誘電体格子が形成された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
4. 前記周期構造は、前記基板面の法線が延びる方向に、前記１次元格子構造の層が複数層積層された構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
5. 積層された前記１次元格子構造の間に誘電体媒質により形成された中間層が配置されており、
   前記中間層の屈折率と厚みとの積が、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
6. 前記周期構造が、前記基板の両側の前記基板面上に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
7. 前記金属は、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌを除く金属であって、Ｃｒ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｔｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｔｉのいずれか又はこれらを含む合金もしくは化合物であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の吸収型ワイヤグリッド偏光素子を有することを特徴とする光学機器。