JP5741888B2 - 光学フィルタ及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学フィルタ及び表示装置に関する。

従来、透過する光の強度、色（波長）、偏光等を制御する種々の光学フィルタが知られている。例えば、色吸収型の色素を用いたＲＧＢカラーフィルタ等の色フィルタが、液晶ディスプレイ等に用いられている。また、誘電体薄膜の多層構造により、界面で反射される光の干渉を利用した干渉フィルタが知られている。これら色フィルタ、干渉フィルタは、透過する光の波長を制御する特性（波長選択性）を備えているが、通常、偏光を制御する特性（偏光特性）は備えていない。

また、偏光を制御する光学フィルタは、偏光フィルタ、偏光板、偏光子などと称される。代表的な偏光フィルタとしては、特定の直線偏光を透過させる偏光特性を備えた吸収型偏光子がある。吸収型偏光子は、所定方位の電場を吸収し、所定方位と直交する方位の電場を透過することにより、特定の直線偏光を作り出している。この吸収型偏光子は、色素を吸収させた樹脂フィルムを一方向に延伸させることで、上記の偏光特性を得ている。

一般に、偏光フィルタは波長選択性を備えていない。例えば、液晶ディスプレイで用いられる偏光フィルタは、すべての可視領域の光に対して同様な偏光特性を有しており、色フィルタと併用されている。従来、透過光の波長と偏光を同時に制御できる光学フィルタを作製することは困難であり、偏光フィルタに色フィルタを積層した複雑な積層構造を利用することが一般的であった。

一方、近時、ナノ構造による偏光特性を備えた偏光フィルタが提案されている（非特許文献１）。ナノ構造を備えた偏光フィルタは、微細パターンが形成された凹凸基板上に誘電体多層膜を積層して得られた、自己クローニング型の２次元フォトニック結晶である。誘電体多層膜は、スパッタ積層とバイアスエッチングとを組み合わせて交互に成膜されている。この２次元フォトニック結晶は、面内の構造異方性により垂直入射光に対し偏光子として機能する。例えば、ＴＭ偏光は透過し且つＴＥ偏光を反射する、液晶プロジェクタ用の偏光子が記載されている。

また、サブ波長構造のホールアレイを形成した金属薄膜からなる透過膜が提案されている（非特許文献２、特許文献１〜３）。ホールアレイにおける各ホールは、格子状に配列されている。この金属薄膜によれば、各ホールの形状を長軸方向の長さと短軸方向の長さとが異なる形状とすることにより、透過光の偏光依存性を得ることができる。

特開２００８−２７００６１号公報 特表２００６−５０９３５８号公報 特開２０００−１１１８５１号公報

川上彰二郎等「光産業の共通ツールとしてのフォトニック結晶」、応用物理 第７４巻 第２号 （２００５） １８０〜１８５頁 C.Genet & T.W.Ebbesen "Light in tiny holes" NATURE 445, 39 (2007)

しかしながら、自己クローニング型の２次元フォトニック結晶を作製するには、まず、ナノ構造が形成された凹凸基板を作製しなければならない。また、次に、スパッタ積層とバイアスエッチングとを交互に繰り返し行って、凹凸基板上に誘電体多層膜を積層しなければならない。このように非特許文献１に記載された偏光フィルタは、製造工程が非常に複雑で高コストである、という問題がある。

また、非特許文献２、特許文献１〜３に記載された金属薄膜は、ホールアレイの格子配列が正方格子や三角格子などの等方的な格子配列であり、透過光の波長と偏光とを所望の状態に同時に制御できない、という問題がある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、金属薄膜を用いた単純な構造で透過光の波長と偏光とを所望の状態に同時に制御できる光学フィルタと、この光学フィルタを用いた表示装置と、を提供することにある。

上記目的を達成するために各請求項に係る発明は下記構成を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明は、長軸方向と短軸方向とを有する長方形の複数の開口部を備えた金属膜であって、開口部の長軸方向と長方形格子の長軸方向とが一致するように前記複数の開口部が複数の長方形格子で構成された二次元格子の全ての格子点に配列されると共に、前記開口部の短軸方向の長さが３９０ｎｍ以下であり且つ前記長方形格子の短軸方向の長さが２４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である金属膜を、備え、前記開口部の短軸方向の長さが、前記長方形格子の短軸方向の長さより短い光学フィルタである。

請求項２に記載の発明は、入射する光の偏光方向に応じて、透過する光の波長が異なる請求項１に記載の光学フィルタである。

請求項３に記載の発明は、透過する光の波長が、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲の可視領域の波長である請求項１又は請求項２に記載の光学フィルタである。

請求項４に記載の発明は、前記金属膜の抵抗率が５×１０^−５Ω・ｃｍ以下である請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光学フィルタである。

請求項５に記載の発明は、前記金属膜を構成する材料が、アルミニウム、金、銀、銅、及びこれらの１種以上を含む合金からなる群から選択される請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光学フィルタである。

請求項６に記載の発明は、前記金属膜を構成する材料が、アルミニウムである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光学フィルタである。

請求項７に記載の発明は、前記金属膜の厚さが、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲である請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の光学フィルタである。

請求項８に記載の発明は、入射する光に対し透明な基板を更に備え、前記金属膜が前記基板上に形成された請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の光学フィルタである。

請求項９に記載の発明は、画像データに応じて画像を表示する表示装置であって、請求項８に記載された光学フィルタと、前記光学フィルタに前記基板側から前記画像データに応じた偏光分布を有する光を照射する光源と、を備え、前記光学フィルタを透過する光の波長が前記偏光分布に応じて変調されて、画像データに応じた画像が表示される透過型の表示装置である。

請求項１０に記載の発明は、画像データに応じて画像を表示する表示装置であって、請求項８に記載された光学フィルタと、前記光学フィルタの前記基板側に配置された反射部材と、前記光学フィルタに前記金属膜側から偏光分布を有する光を照射する光源と、を備え、前記光学フィルタを透過し且つ前記反射部材で反射されて前記光学フィルタを再度透過する光の波長が前記偏光分布に応じて変調されて、画像データに応じた画像が表示される反射型の表示装置である。

請求項１に記載の光学フィルタによれば、金属薄膜を用いた単純な構造で透過光の波長と偏光とを所望の状態に同時に制御できる、という効果が得られる。
上記の光学フィルタによれば、光が金属に吸収され生成するプラズモン励起に起因した透過光と、導波に起因した透過光とを得ることができる、という効果が得られる。即ち、プラズモン励起に起因した透過光と導波に起因した透過光との強度比が、入射する光の偏光方向に応じて変化する。その結果、透過光の波長が、入射する光の偏光方向に応じてアクティブに変化する、という効果が得られる。
上記の光学フィルタによれば、入射する光の偏光方向に応じて、透過光の波長が可視領域の範囲で変化すると共に、プラズモン励起に起因した透過光と導波に起因した透過光とを得ることができる、という効果が得られる。

請求項２に記載の光学フィルタによれば、透過光の波長が、入射する光の偏光方向に応じて変化する、という効果が得られる。例えば、互いに直交する偏光に対して、異なる波長の透過光を得ることができる。

請求項３に記載の光学フィルタによれば、入射する光の偏光方向に応じて、透過光の波長が可視領域の範囲で変化する、という効果が得られる。

請求項４に記載の光学フィルタによれば、光学フィルタを透過する光の伝搬損失を低減することができる、という効果が得られる。

請求項５に記載の光学フィルタによれば、プラズモン励起に起因した透過光を得ることが可能である、という効果が得られる。

請求項６に記載の光学フィルタによれば、プラズモン励起に起因した透過光を得ることが容易である、という効果が得られる。

請求項７に記載の光学フィルタによれば、金属膜の波長レベルでの加工が容易になると共に、金属膜の応力が小さい、基板等への密着力が強い、機械的な強度が高い、という効果が得られる。

請求項８に記載の光学フィルタによれば、金属膜の加工や保持が容易になる、という効果が得られる。

請求項９、請求項１０に記載の表示装置によれば、本発明の光学フィルタが透過光の波長と偏光とを所望の状態に同時に制御できるので、偏光フィルタ及び色フィルタを１つの光学フィルタで置き換えることができる、という効果が得られる。即ち、従来の液晶ディスプレイ等の表示装置では、偏光フィルタに色フィルタを積層した複雑な積層構造を利用していたが、これを１つの光学フィルタで置き換えることができ、部品点数が減少すると共に製造が容易になる、という効果が得られる。

（Ａ）は本発明の実施の形態に係る光学フィルタの構造を模式的に示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す光学フィルタのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 （Ａ）〜（Ｇ）は、本発明の実施の形態に係る光学フィルタ１０の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 作製例１に係る光学フィルタのＳＥＭ観察像を示す図である。 作製例１に係る光学フィルタの光学特性の評価結果を示すグラフである。 作製例２に係る光学フィルタのＳＥＭ観察像を示す図である。 作製例２に係る光学フィルタの光学特性の評価結果を示すグラフである。 （Ａ）は長方形格子の長軸方向に垂直な入射光の偏光方向を示す図である。（Ｂ）はプラズモンモードの透過光が発生する原理を説明するための模式図である。（Ｃ）はプラズモンモードの透過スペクトルが長方形格子の短軸方向の長さに応じて変化する様子（シミュレーション結果）を示すグラフである。 （Ａ）は長方形格子の長軸方向に平行な入射光の偏光方向を示す図である。（Ｂ）は導波モードの透過光が発生する原理を説明するための模式図である。（Ｃ）は導波モードの透過スペクトルが開口部の短軸方向の長さに応じて変化する様子（シミュレーション結果）を示すグラフである。 （Ａ）は可視領域の範囲で透過スペクトルがアクティブに変化する光学フィルタの構造を模式的に示す平面図である。（Ｂ）は（Ａ）に示す光学フィルタの透過光のモードの偏光依存性を示す模式図である。 （Ａ）は可視領域を含む広い波長範囲で透過スペクトルが変化する光学フィルタの構造を模式的に示す平面図である。（Ｂ）は（Ａ）に示す光学フィルタの透過光のモードの偏光依存性を示す模式図である。 （Ａ）は従来の透過型の液晶ディスプレイの構造を示す模式図である。（Ｂ）は本実施の形態に係る光学フィルタを適用した透過型の液晶ディスプレイの構造を示す模式図であり、（Ｃ）は（Ｂ）に示す液晶ディスプレイの動作を説明する模式的な分解図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を説明する。

＜光学フィルタの構造＞
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る光学フィルタの構造を模式的に示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す光学フィルタのＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光学フィルタ１０は、入射光に対し透明な基板１２と、基板１２上に形成された金属薄膜１４とを備えている。後述する通り、金属薄膜１４は、入射光の波長レベルの微細構造を備えている。この光学フィルタ１０では、基板１２側から入射光が照射され、金属薄膜１４側から透過光が取り出される。

金属薄膜１４は、太い実線の矢印で図示したように、長軸方向と短軸方向とを有する複数の開口部１６を備えている。この例では、開口部１６の開口形状は「長方形」である。これら複数の開口部１６は、太い点線で図示された二次元格子１８の各格子点上に配列されている。二次元格子１８は、複数の単位格子が二次元状に周期的に配置された周期構造である。この例では、二次元格子１８は、長軸方向と短軸方向とを有する長方形格子２０から構成されている。

複数の開口部１６は、開口部１６の長軸方向と長方形格子２０の長軸方向とが一致するように、長方形格子状に配列されている。開口部１６及び長方形格子２０の両方が、長軸方向と短軸方向とを有する（即ち、縦横比が異なる）非対称な構造を備えており、それらの長軸方向が一致することにより、光学フィルタ１０は、透過光の波長と偏光とを所望の状態に同時に制御できるようになる。

ここで、金属薄膜１４の微細構造について説明する。開口部１６の長軸方向の長さを「Ａ_Ｌ」とし、開口部１６の短軸方向の長さを「Ａ_Ｓ」とする。開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」は、入射光の波長よりも短い。開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」は、入射光の波長の２分の１以下とすることが好ましい。この場合には、透過光の波長を入射光の偏光方向に応じてアクティブに制御することが可能となる。例えば、透過光の波長を可視領域の範囲でアクティブに制御する場合には、開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」を３９０ｎｍ以下とする。また、長方形格子２０の長軸方向の長さを「Ｇ_Ｌ」とし、長方形格子２０の短軸方向の長さを「Ｇ_Ｓ」とする。長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ」は、入射する光の波長よりも短い。

また、複数の開口部１６の各々は、金属薄膜１４を膜厚方向に垂直に貫通する貫通孔である。開口部１６の底面には、金属薄膜１４の下層にある基板１２が露出している。なお、図１（Ａ）に示す平面図は、光学フィルタ１０を金属薄膜１４側から見たときの平面図である。図１（Ａ）では図示を省略するが、図１（Ｂ）に示すように、開口部１６を除く金属薄膜１４の表面は、誘電体膜２２で覆われている。また、開口部１６の側面及び底面を含む光学フィルタ１０の表面は、保護膜２４で覆われている。誘電体膜２２及び保護膜２４を設けることは必須ではない。誘電体膜２２及び保護膜２４は、適宜、省略してもよい。

基板１２は、金属薄膜１４の支持基板として設けられている。基板１２上に金属薄膜１４を設けることは必須ではなく、金属薄膜１４を支持する必要が無い場合には、金属薄膜１４単体で光学フィルタを構成することもできる。従って、基板１２は入射光に対し透明な基板であればよい。基板１２としては、石英基板等のガラス基板、サファイヤ基板、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等、無機材料からなる透明基板を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレン等、耐熱性の高分子（樹脂）材料からなる透明基板を用いてもよい。基板１２の厚さは、機械的な強度を保つ等の観点から、１０μｍ〜２ｍｍの範囲が好ましい。

一般には、金属薄膜１４の抵抗率が低い方が、光学フィルタを透過する光の伝搬損失を低減することができる。本実施の形態では、金属薄膜１４は、透過光の波長と偏光とを同時に制御する光学フィルタとして機能する程度に伝搬損失を低下させる観点から、抵抗率が５×１０^−５Ω・ｃｍ以下となるように構成することが好ましい。更に伝搬損失を低下させるために、金属薄膜１４の抵抗率は１×１０^−５Ω・ｃｍ以下がより好ましい。

金属薄膜１４の材料としては、アルミニウム、金、銀、銅等の金属材料を用いることができる。アルミニウム、金、銀、銅の少なくとも１種以上を含む合金を用いてもよい。これらの金属薄膜は、上記の微細構造を備えることにより、金属薄膜を透過する透過光の波長を、金属薄膜に入射する入射光の偏光方向に応じて変化させる。また、これらの金属薄膜によれば、後述する通り、プラズモン励起に起因した透過光を得ることが可能である。可視領域の光、特に、青色光に対するプラズモン励起が容易で、加工性に優れるという点で、アルミニウムが特に好ましい。

金属薄膜１４の厚さは、１０ｎｍ〜１０，０００ｎｍ（１０μｍ）の範囲である。また、十分な透過光強度を得ると共に加工を容易にするためには、金属薄膜１４の厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲がより好ましい。一般には、金属薄膜１４の厚さが小さい方が、入射光の波長レベルの微細構造での加工が容易になる。

誘電体膜２２及び保護膜２４の材料としては、光学フィルタの透過率を向上させるために、基板１２と同程度の屈折率を有する材料が好ましい。例えば、基板１２として石英基板（屈折率１．４５）を用いる場合には、誘電体膜２２及び保護膜２４の材料として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等を用いることができる。誘電体膜２２の厚さは、１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が好ましく、２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲がより好ましい。保護膜２４の厚さは、１０ｎｍ〜１０，０００ｎｍ（１０μｍ）の範囲が好ましく、１０ｎｍ〜１，０００ｎｍ（１μｍ）の範囲がより好ましい。

＜光学フィルタの製造方法＞
次に、本実施の形態に係る光学フィルタの製造方法について説明する。図２（Ａ）〜（Ｇ）は、上記の光学フィルタ１０の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。ここでは、後述する作製例１に示すスリット形状の開口部１６を備えた光学フィルタ１０の製造方法として具体的に説明する。開口部１６の長軸方向の長さ「Ａ_Ｌ」は４７００ｎｍ、開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」は２２５ｎｍ、長方形格子２０の長軸方向の長さ「Ｇ_Ｌ」は５０００ｎｍ、長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ」は３２５ｎｍである。

まず、図２（Ａ）に示すように、厚さ０．５ｍｍの石英基板１２上に、電子ビーム蒸着法により、金属薄膜１４として厚さ２００ｎｍのアルミニウム膜を成膜した。

次に、図２（Ｂ）に示すように、金属薄膜１４上に、プラズマ気相成長（ＰＥＣＶＤ）法により、誘電体膜２２として厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成した。続いて、誘電体膜２２上に、スピンコート法により、電子線描画用のレジスト膜２６を形成した。

次に、図２（Ｃ）に示すように、電子線描画により、レジスト膜２６をスリット形状の開口部１６が長方形格子状に配列されるように、６００μｍ×６００μｍのエリアにパターニングした。開口部１６の形状、長方形格子２０の形状は、上述した通りである。

次に、図２（Ｄ）に示すように、レジストパターン２６をエッチングマスクとして、ＣＨＦ_３ガスによる反応性イオンエッチングにより、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる誘電体膜２２をエッチングし、レジストパターンを誘電体膜２２に転写した。

次に、図２（Ｅ）に示すように、レジストパターンが転写された誘電体膜（ＳｉＯ_２）２２をエッチングマスクとして、塩素プラズマによるドライエッチングにより、アルミニウムからなる金属薄膜１４をエッチングして、金属薄膜１４に複数の開口部１６を形成した。

次に、図２（Ｆ）に示すように、酸素プラズマによるドライエッチングにより、残留するレジスト膜２６を除去した。このとき、エッチングマスクとして用いた誘電体膜２２は、金属薄膜１４上に残留する。残留した誘電体膜２２は、保護膜として機能する。

最後に、図２（Ｇ）に示すように、ＰＥＣＶＤ法により、表面全体を覆う保護膜２４として厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成した。これにより、スリット形状の開口部１６を備えた光学フィルタ１０が得られた。

＜光学フィルタの作製例１＞
上述した製造方法により、スリット形状の開口部１６を備えた光学フィルタ１０を作製した（作製例１）。図３は作製例１に係る光学フィルタのＳＥＭ観察像を示す図である。開口部１６のＡ_Ｌは４７００ｎｍ、Ａ_Ｓは２２５ｎｍ、長方形格子２０のＧ_Ｌは５０００ｎｍ、Ｇ_Ｓは３２５ｎｍである。なお、スリット型であるが一次元格子ではない。スリット形状の複数の開口部１６が二次元格子１８の各格子点上に配列された二次元アレイである。

製造方法の中で言及した通り、加工エリアは６００μｍ×６００μｍ、基板１２は厚さ０．５ｍｍの石英基板、金属薄膜１４は厚さ２００ｎｍのアルミニウム膜、誘電体膜２２は厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜、保護膜２４は厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜である。図３に示すように、作製例１に係る光学フィルタをＳＥＭ観察した結果、アルミニウム膜に所望のナノ加工パターン（微細構造）が形成されていることが確認できた。

次に、作製例１に係る光学フィルタについて特性を評価した。フィルタ特性の光学評価には、ＣＣＤカメラとマルチチャネル分光器搭載の透過型顕微鏡（オリンパス社製「ＢＸ５１」）を用いた。光源には顕微鏡に内蔵のハロゲンランプを用いた。サンプルの下部から偏光させた光をサンプルに入射させ、透過光のスペクトルを対物レンズで集光し、マルチチャンネル分光器（浜松ホトニクス社製「ＰＭＡ−１１」）で測定した。

図４は作製例１に係る光学フィルタの光学特性の評価結果を示すグラフである。縦軸は光学フィルタの透過率を表し、横軸は透過光の波長を表している。入射光の偏光方向を、０°、３０°、６０°、９０°と変化させて、透過スペクトル（即ち、透過光の波長及び透過率）を測定した。入射光の偏光方向が、長方形格子の長軸方向と平行のときが「０°」であり、長方形格子の長軸方向と垂直になるときが「９０°」である。入射光の偏光方向に応じて、透過する波長域が異なっていることが分かる。即ち、入射光の偏光状態に依存して透過光が変化する光学フィルタが、１枚の光学素子で実現されている。

＜光学フィルタの作製例２＞
上述した製造方法と略同様の方法により、長方形の開口部１６を備えた光学フィルタ１０を作製した（作製例２）。図５は作製例２に係る光学フィルタのＳＥＭ観察像を示す図である。開口部１６のＡ_Ｌは３００ｎｍ、Ａ_Ｓは１０５ｎｍ、長方形格子２０のＧ_Ｌは４０５ｎｍ、Ｇ_Ｓは４００ｎｍである。加工エリアは６００μｍ×６００μｍ、基板１２は厚さ０．５ｍｍの石英基板、金属薄膜１４は厚さ２００ｎｍのアルミニウム膜、誘電体膜２２は厚さ５０ｎｍのＳｉＯ_２膜である。作製例２では、保護膜２４は省略した。図５に示すように、作製例２に係る光学フィルタをＳＥＭ観察した結果、アルミニウム膜に所望のナノ加工パターン（微細構造）が形成されていることが確認できた。

次に、作製例１と同様の方法によりフィルタ特性の光学評価を行った。図６は作製例２に係る光学フィルタの光学特性の評価結果を示すグラフである。縦軸は光学フィルタの透過率を表し、横軸は透過光の波長を表している。入射光の偏光方向を、０°、３０°、６０°、９０°と変化させて、透過スペクトルを測定した。作製例１と同様に、入射光の偏光方向に応じて、透過する波長域が異なっていることが分かる。

作製例２に係る光学フィルタでは、６００ｎｍ以上の波長域で偏光依存性が大きくなる。６００ｎｍ以上の波長域では、入射光の偏光方向が０°では透過率が略ゼロであるのに対し、入射光の偏光方向が３０°、６０°、９０°と大きくなるほど透過率が大きくなる。例えば、入射光を９０°偏光させた場合には、６００ｎｍ以上の波長域で光が透過して、赤色のフィルタとして機能する。一方、入射光を０°偏光させた場合には、透過する波長域が可視光域ではないので、可視光が透過しない状態となる。

即ち、作製例２に係る光学フィルタは、６００ｎｍの波長に近く狭い範囲の波長に限定すれば、透過光の波長と偏光を同時に制御できる光学フィルタとして機能する。この場合の消光比（＝透過光強度の最大値／透過光強度の最小値）は２２ｄＢ以上であった。

＜光学フィルタの動作原理＞
次に、本実施の形態に係る光学フィルタの動作原理について説明する。上記の光学フィルタ１０は、金属薄膜１４を用いた単純な構造で、透過光の波長と偏光とを所望の状態に同時に制御する。この動作原理は、プラズモンに起因した透過光（プラズモンモード）と、導波に起因した透過光（導波モード）とが発生し得るという、入射光の波長レベルの周期構造を備えた金属薄膜に特有の性質に基づくものである。

上述した通り、長方形格子の長軸方向と平行な入射光の偏光方向を「０°」とし、長方形格子の長軸方向と垂直な入射光の偏光方向を「９０°」とする。プラズモンモードは、入射光の偏光方向９０°に近付くほど大きくなるが、導波モードは、入射光の偏光方向０°に近付くほど大きくなる。従って、２つのモードが混在するように金属薄膜１４の周期構造を設計することで、入射光の偏光方向に応じて、プラズモンモードの透過光と導波モードの透過光との強度比が変化し、透過スペクトル（透過光の強度及び波長）がアクティブに変化する光学フィルタを得ることができる。

まず、図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、プラズモンモードについて説明する。図７（Ａ）は長方形格子の長軸方向に垂直な入射光の偏光方向を示す図である。図７（Ｂ）はプラズモンモードの透過光が発生する原理を説明するための模式図である。図７（Ｃ）はプラズモンモードの透過光の強度が長方形格子の短軸方向の長さに応じて変化する様子（シミュレーション結果）を示すグラフである。

図７（Ａ）に示すように、太い実線の矢印で図示した入射光の偏光方向は、金属薄膜１４の長方形格子２０の長軸方向、即ち、スリット形状の開口部１６の長軸方向に対し垂直である。このように入射光の偏光方向が９０°の場合には、金属薄膜１４を透過する光は、プラズモンに起因した透過光（プラズモンモード）となる。

図７（Ｂ）に示すように、入射光の波長レベルの周期構造を備えた金属薄膜１４では、太い点線の矢印で図示した入射光（電磁波）と金属薄膜１４との相互作用により、金属薄膜１４の表面にプラズモン（電子の集団的な振動）２８が励起されて光吸収が生じる。これにより、太い実線の矢印で図示したように、スリット形状の開口部１６を周期構造に応じた波長の光が透過する「プラズモン共鳴」という現象が発生する。透過光の波長は、開口部１６の形状及び配列に応じて変化する。

図７（Ｃ）に示すように、プラズモンモードの透過スペクトルは、金属薄膜１４の長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ（ピッチ）」に応じて変化する。入射光の偏光方向を９０°、開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ（スリット）」を１７５ｎｍ、金属薄膜１４の厚さ（深さ）を１２０ｎｍで一定とする。この条件の下で、「Ｇ_Ｓ（ピッチ）」の値を、２２５ｎｍ、２７５ｎｍ、３２５ｎｍ、３７５ｎｍ、４２５ｎｍと変化させて、シミュレーションにより透過スペクトルを得た。

「Ｇ_Ｓ（ピッチ）」の値に応じて、透過スペクトルが変化していることが分かる。「Ｇ_Ｓ」の値が４２５ｎｍでは、透過光の波長帯域は約６３０ｎｍ以上であり、透過率も約６５％以下である。「Ｇ_Ｓ」の値が低下するに従って、透過光の波長帯域が短波長側に拡がると共に透過率も向上する。「Ｇ_Ｓ」の値が２２５ｎｍでは、４００ｎｍから９００ｎｍの範囲で、透過率は略１００％である。

次に、図８（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、導波モードについて説明する。図８（Ａ）は長方形格子の長軸方向に平行な入射光の偏光方向を示す図である。図８（Ｂ）は導波モードの透過光が発生する原理を説明するための模式図である。図８（Ｃ）は導波モードの透過光の強度が開口部の短軸方向の長さに応じて変化する様子（シミュレーション結果）を示すグラフである。

図８（Ａ）に示すように、太い実線の矢印で図示した入射光の偏光方向は、金属薄膜１４の長方形格子２０の長軸方向、即ち、スリット形状の開口部１６の長軸方向に対し平行である。このように入射光の偏光方向が０°の場合には、金属薄膜１４を透過する光は、導波に起因した透過光（導波モード）となる。

図８（Ｂ）に示すように、入射光の波長レベルの周期構造を備えた金属薄膜１４は、太い点線の矢印で図示した入射光のうち、開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」が２分の１波長（λ／２）以下となる成分だけを通過させ、「Ａ_Ｓ」が２分の１波長（λ／２）より長くなる成分を遮断（カットオフ）する。これにより、太い実線の矢印で図示したように、スリット形状の開口部１６を短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」に応じた波長の光だけが透過する。

図８（Ｃ）に示すように、導波モードの透過スペクトルは、金属薄膜１４の開口部１６を短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ（スリット）」に応じて変化する。入射光の偏光方向を０°、
金属薄膜１４の短軸方向の幅を１００ｎｍ、金属薄膜１４の厚さ（深さ）を２００ｎｍで一定とする。なお、金属薄膜１４の短軸方向の幅は、長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ（ピッチ）」に比例して増減する。この条件の下で、「Ａ_Ｓ（スリット）」の値を、２２５ｎｍ、２７５ｎｍ、３２５ｎｍ、３７５ｎｍ、４２５ｎｍと変化させて、シミュレーションにより透過スペクトルを得た。

「Ａ_Ｓ（スリット）」の値に応じて、透過スペクトルが変化していることが分かる。透過率５５％以下を基準とすると、「Ａ_Ｓ（スリット）」の値が４２５ｎｍでは、透過光の波長帯域は約８５０ｎｍ以下である。「Ａ_Ｓ」の値が低下するに従って、透過光の波長帯域が狭くなり、「Ａ_Ｓ」の値２２５ｎｍでは、透過光の波長帯域は約４５０ｎｍ以下である。

以上の説明から、プラズモンモードと導波モードとが混在するように金属薄膜１４の周期構造を設計することで、入射光の偏光方向に応じて、透過スペクトルがアクティブに変化する光学フィルタが得られることが分かる。

＜可視領域で波長及び偏光を制御する条件＞
次に、可視領域の範囲で透過スペクトルがアクティブに変化する光学フィルタの設計について説明する。透過光の波長が可視領域の範囲で変化する光学特性は、液晶ディスプレイ等の表示装置において重要な特性である。

図９（Ａ）は可視領域の範囲で透過スペクトルがアクティブに変化する光学フィルタの構造を模式的に示す平面図である。図９（Ｂ）は図９（Ａ）に示す光学フィルタの透過光のモードの偏光依存性を示す模式図である。

図９（Ａ）に示すように、光学フィルタの構造は、図１（Ａ）に示す光学フィルタ１０の構造と基本的には同じである。可視領域の範囲で、入射光の偏光方向に応じて透過スペクトルをアクティブに変化させるためには、図９（Ｂ）に示すように、可視領域の範囲で、点線で図示するプラズモンモードと、実線で図示する導波モードとが混在するように、光学フィルタ１０の金属薄膜１４の周期構造を設計する。

可視領域の範囲を、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲とする。図９（Ａ）に示すように、開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」を、可視領域の長波長側の上限値である７８０ｎｍの（１／２）倍の３９０ｎｍ以下とし、可視領域の短波長側の下限値である３８０ｎｍの（１／２）倍の１９０ｎｍ以上とする。

同時に、長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ」を、可視領域の長波長側の上限値である７８０ｎｍの約（１／１．６）倍の４９０ｎｍ以下とし、可視領域の短波長側の下限値である３８０ｎｍの約（１／１．６）倍の約２４０ｎｍ以上とする。なお、導波モードの説明において言及した通り、金属薄膜１４の短軸方向の幅は、長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ」に比例して増減する。なお、（１／１．６）倍という数値は、２次元の金属ホールアレイのバンド構造に基づく周知の定数である。

図９（Ａ）に示すように、光学フィルタ１０の金属薄膜１４の周期構造を設計することで、図９（Ｂ）に示すように、可視領域の範囲で、プラズモンモード（点線）と導波モード（実線）とが混在するようになる。従って、入射光の偏光方向を０°から９０°へと変化させることで、導波モードが減少（即ち、波長によるカットオフが減少）すると同時に、プラズモンモードが増加（即ち、透過する波長が変化）して、可視領域の範囲で透過スペクトルをアクティブに変化させることが可能となる。

なお、上記の条件を満たさない場合でも、透過光の波長と偏光を同時に制御することは可能である。図１０（Ａ）は可視領域を含む広い波長範囲で透過スペクトルが変化する光学フィルタの構造を模式的に示す平面図である。図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）に示す光学フィルタの透過光のモードの偏光依存性を示す模式図である。

図１０（Ａ）に示すように、開口部１６の短軸方向の長さ「Ａ_Ｓ」を、可視領域の長波長側の下限値である３８０ｎｍの（１／２）倍の１９０ｎｍ以下とし、長方形格子２０の短軸方向の長さ「Ｇ_Ｓ」を、可視領域の長波長側の上限値である７８０ｎｍの約（１／１．６）倍の４９０ｎｍ以下とし、可視領域の短波長側の下限値である３８０ｎｍの約（１／１．６）倍の約２４０ｎｍ以上とする。

図１０（Ａ）に示すように、光学フィルタ１０の金属薄膜１４の周期構造を設計することで、図１０（Ｂ）に示すように、可視領域の範囲ではプラズモンモード（点線）のみが存在するようになる。一方、可視領域より短波長側では導波モード（実線）のみが存在するようになる。従って、入射光の偏光方向を０°から９０°へと変化させることで、導波モードが減少してプラズモンモードに切り替わり、プラズモンモードが増加するというように、広い波長範囲で透過スペクトルを変化させることができる。

＜光学フィルタの応用例＞
次に、本実施の形態に係る光学フィルタを表示装置に適用した応用例について説明する。図１１（Ａ）は従来の透過型の液晶ディスプレイの構造を示す模式図である。図１１（Ｂ）は本実施の形態に係る光学フィルタを適用した透過型の液晶ディスプレイの構造を示す模式図であり、図１１（Ｃ）は図１１（Ｂ）に示す液晶ディスプレイの動作を説明する模式的な分解図である。

図１１（Ａ）に示すように、従来の透過型の液晶ディスプレイ３０は、バックライト３２、第１の偏光フィルタ３４、第１の電極層３６、液晶層３８、第２の電極層４０、第２の偏光フィルタ４２、及びカラーフィルタ４４が、バックライト３２側からこの順に積層された構造を備えている。カラーフィルタ４４は、赤色光（Ｒ光）を透過するＲ領域４４Ｒ、緑色光（Ｇ光）を透過するＧ領域４４Ｇ、及び青色光（Ｂ光）を透過するＢ領域を備えている。

従来の透過型の液晶ディスプレイ３０では、バックライト３２から出射された光は、第１の偏光フィルタ３４で直線偏光に変換されて、液晶層３８に入射する。液晶層３８は複数の液晶セルから構成されており、液晶層３８を挟持する第１の電極層３６及び第２の電極層４０により、液晶セル毎に画像データに応じた所定の電圧が印加されて、透過率分布が変化する。液晶層３８に入射された偏光は、透過率分布が形成された液晶層３８により強度変調されて、偏光フィルタ４２に入射する。偏光フィルタ４２で偏光変調された透過光は、カラーフィルタ４４に入射して、色（波長）変調されて出射される。これにより、画像データに応じたカラー画像が表示される。

これに対して、図１１（Ｂ）は本実施の形態に係る光学フィルタを適用した透過型の液晶ディスプレイ３０Ａは、従来の透過型の液晶ディスプレイ３０の第２の偏光フィルタ４２及びカラーフィルタ４４が、上記の光学フィルタ１０で置き換えられている。偏光フィルタ及び色フィルタの積層構造を１つの光学フィルタで置き換えることにより、部品点数が減少すると共に、液晶ディスプレイの製造が容易になる。それ以外の構造は、従来の透過型の液晶ディスプレイ３０と同じであるため、同じ符号を付して説明を省略する。

図１１（Ｃ）に示すように、本実施の形態に係る光学フィルタを適用した透過型の液晶ディスプレイ３０Ａでは、バックライト３２から出射された光は、第１の偏光フィルタ３４で偏光変調されて、液晶層３８に入射する。液晶層３８に入射された偏光は、画像データに応じてセル毎に透過率分布が形成された液晶層３８により強度変調され、光学フィルタ１０に入射する。光学フィルタ１０は、入射光の偏光方向（矢印で示す）に応じて、入射された偏光を色（波長）変調し、波長と偏光とが同時に制御された透過光が出射される。これにより、画像データに応じたカラー画像が表示される。

なお、上記では本実施の形態に係る光学フィルタを適用した透過型の液晶ディスプレイについて説明したが、本実施の形態に係る光学フィルタは、液晶層により強度変調された光を反射部材で反射させて光学フィルタに入射する反射型の液晶ディスプレイにも適用することができる。この場合にも、偏光フィルタ及び色フィルタの積層構造を１つの光学フィルタで置き換えることができ、部品点数が減少すると共に液晶ディスプレイの製造が容易になる。

１０ 光学フィルタ
１２ 基板
１４ 金属薄膜
１６ 開口部
１８ 二次元格子
２０ 長方形格子
２２ 誘電体膜
２４ 保護膜
２６ レジスト膜
３０ 液晶ディスプレイ
３０Ａ 液晶ディスプレイ
３２ バックライト
３４ 偏光フィルタ
３６ 電極層
３８ 液晶層
４０ 電極層
４２ 偏光フィルタ
４４ カラーフィルタ

Claims (10)

1. 長軸方向と短軸方向とを有する長方形の複数の開口部を備えた金属膜であって、開口部の長軸方向と長方形格子の長軸方向とが一致するように前記複数の開口部が複数の長方形格子で構成された二次元格子の全ての格子点に配列されると共に、前記開口部の短軸方向の長さが３９０ｎｍ以下であり且つ前記長方形格子の短軸方向の長さが２４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である金属膜を、備え、前記開口部の短軸方向の長さが、前記長方形格子の短軸方向の長さより短い光学フィルタ。
2. 入射する光の偏光方向に応じて、透過する光の波長が異なる請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 透過する光の波長が、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲の可視領域の波長である請求項１又は請求項２に記載の光学フィルタ。
4. 前記金属膜の抵抗率が５×１０^−５Ω・ｃｍ以下である請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光学フィルタ。
5. 前記金属膜を構成する材料が、アルミニウム、金、銀、銅、及びこれらの１種以上を含む合金からなる群から選択される請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光学フィルタ。
6. 前記金属膜を構成する材料が、アルミニウムである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光学フィルタ。
7. 前記金属膜の厚さが、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲である請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の光学フィルタ。
8. 入射する光に対し透明な基板を更に備え、
   前記金属膜が前記基板上に形成された請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の光学フィルタ。
9. 画像データに応じて画像を表示する表示装置であって、
   請求項８に記載された光学フィルタと、
   前記光学フィルタに前記基板側から前記画像データに応じた偏光分布を有する光を照射する光源と、
   を備え、
   前記光学フィルタを透過する光の波長が前記偏光分布に応じて変調されて、画像データに応じた画像が表示される透過型の表示装置。
10. 画像データに応じて画像を表示する表示装置であって、
    請求項８に記載された光学フィルタと、
    前記光学フィルタの前記基板側に配置された反射部材と、
    前記光学フィルタに前記金属膜側から偏光分布を有する光を照射する光源と、
    を備え、
    前記光学フィルタを透過し且つ前記反射部材で反射されて前記光学フィルタを再度透過する光の波長が前記偏光分布に応じて変調されて、画像データに応じた画像が表示される反射型の表示装置。