JPWO2013046921A1 - 偏光子、偏光光学素子、光源および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

非偏光を特定の偏光状態の光に変換する際の光の取り出し効率を高くすることが可能な偏光子を提供する。偏光子は、基板と、基板上に設けられた第１の誘電体部と、第１の誘電体部上に設けられた金属部と、を備え、第１の誘電体部は、基板から金属部に向かって小さくなるように設けられる。

Description

本発明は、光を偏光させる偏光子に関する。

近年、発光素子としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を有する光源を用いたプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタは、光源と、光源の出射光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。

上記のプロジェクタでは、変調素子として液晶パネルなどの偏光依存性を有するものが使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光は非偏光なので、ＬＥＤの出射光を効率良く投射光として利用するためには、非偏光が特定の偏光状態に変換される必要がある。

このため、光源には、ＬＥＤからの非偏光を特定の偏光状態の光に変換して出射する偏光光学素子が設けられることがある。このような偏光光学素子としては、光利用効率に優れ、薄型化が容易なワイヤグリッド偏光子を用いたものが注目されている。

図１は、ワイヤグリッド偏光子の一例を示す図である。図１に示すように、ワイヤグリッド偏光子では、基板１０１上に、線状の金属部材である金属ワイヤ１０２がグリッド（格子）状に複数配列されている。

ワイヤグリッド偏光子では、金属ワイヤ１０２が形成されている面に光が入射すると、その入射光１１１のうち、金属ワイヤ１０２の延伸方向に対して垂直な方向Ａに偏光した偏光成分であるＴＭ偏光は、ワイヤグリッド偏光子を透過して、透過光１１２として出射する。また、入射光１１１のうち、方向Ａと直交する方向Ｂに偏光した偏光成分であるＴＥ偏光は、ワイヤグリッド偏光子で反射して、反射光１１３として、光の入射側に戻される（特許文献１および２参照）。

図２および図３は、ワイヤグリッド偏光子を用いた偏光光学素子の一例を示す図である。

図２に示す偏光光学素子は、ＬＥＤである発光素子３０１の上に設けられたλ／４板３０２と、λ／４板３０２の上に設けられたワイヤグリッド偏光子３０３とを有する。

図２に示す偏光光学素子では、発光素子３０１からの光がワイヤグリッド偏光子３０３に入射すると、入射光のうちのＴＭ偏光はワイヤグリッド偏光子３０３を透過して、偏光光学素子から出射され、入射光のうちのＴＥ偏光はワイヤグリッド偏光子３０３で反射する。この反射した光は、λ／４板３０２を介して発光素子３０１に入射し、発光素子３０１でさらに反射され、λ／４板３０２を介してワイヤグリッド偏光子３０３に再入射する。

ワイヤグリッド偏光子３０３に再入射された光は、λ／４板３０２を２回通過してＴＭ偏光となっているので、ワイヤグリッド偏光子３０３を介して透過して、偏光光学素子から出射される。これにより、発光素子３０１から出射された光がＴＭ偏光に変換されて出射されることになる。

また、図３に示す偏光光学素子は、λ／４板３０２の代わりに、光を非偏光に変換して出射する偏光解消素子３０２’を有する。

図３に示す偏光光学素子では、ワイヤグリッド偏光子３０３に再入射する光は、偏光解消素子３０２’を通過しているので、非偏光となっている。このため、再入射した光のうちＴＭ偏光はワイヤグリッド偏光子３０３を透過し、ＴＥ偏光はワイヤグリッド偏光子３０３でさらに反射される。このような反射が繰り返されることで、発光素子３０１から出射された光がＴＭ偏光に変換されて出射されることになる。

特開２００６−３３０１７８号公報 特開２０１０−２３１２０３号公報

上記のようなワイヤグリッド偏光子では、金属ワイヤ１０２間の空気と基板１０１との屈折率の差が大きいため、ＴＭ偏光が金属ワイヤ１０２間から基板１０１に入射したときに、そのＴＭ偏光の一部が反射されて、光の入射側に戻されてしまう。このため、光の取り出し効率が低いという問題がある。

なお、図２および図３で示したように、光の入射側に戻された光をワイヤグリッド偏光子に再入射させることで、光の損失を少なくすることはできる。しかしながら、反射時に金属ワイヤ１０２における吸収損失による光の減衰が生じるため、光の取り出し効率は十分ではない。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、非偏光を特定の偏光状態の光に変換する際の光の取り出し効率を高くすることが可能な偏光子、偏光光学素子、光源および画像表示装置を提供することを目的としている。

本発明による第１の偏光子は、基板と、基板上に設けられた第１の誘電体部と、第１の誘電体部上に設けられた金属部と、を備え、第１の誘電体部は、基板から金属部に向かって小さくなるように設けられる。

また、本発明による第２の偏光子は、基板と、基板上に設けられた第１の誘電体部と、第１の誘電体部上に設けられた金属部と、を備え、第１の誘電体部は、基板から金属部に向かって傾斜面を有し、第１の誘電体部の側面は、基板から金属部に向かって傾斜するように形成された傾斜面であり、第１の誘電体部の金属部が設けられた面は、第１の誘電部の基板が設けられた面より小さい。

また、本発明による偏光光学素子は、偏光子と、構造体上に設けられ、入射光の偏光状態を変化させて出射する偏光状態変換素子と、を有する。

また、本発明の光源は、偏光光学素子と、偏光光学素子に光を出射する発光素子と、を有する。

また、本発明の画像表示装置は、光源を有する。

本発明によれば、非偏光を特定の偏光状態の光に変換する際の光の取り出し効率を高くすることが可能になる。

本発明の関連技術であるワイヤグリッド偏光子の構成を示す図である。 本発明の関連技術である偏光光学素子の一例を示す図である。 本発明の関連技術である偏光光学素子の他の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光源の構成を模式的に示す斜視図である。 ワイヤグリッド偏光子の製造方法を説明するための工程図である。 本発明の第１の実施形態の光源を用いた画像表示装置の構成の一例を示す配置図である。 本発明の第１の実施形態の光源を用いた画像表示装置の構成の一例を示す配置図である。 本発明の第１の実施形態の光源における積算透過率の評価結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光源の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の光源における積算透過率の評価結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の側面および上面を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の他の形状の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図４は、本発明の第１の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。なお、実際の光源では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。

図４に示すように本実施形態の光源１０は、発光素子１と、発光素子１の上に設けられた偏光光学素子２とを有する。

発光素子１は、例えば、ＬＥＤであり、光を偏光光学素子２に出射する。なお、発光素子１から出射される光は、本実施形態では、非偏光であり、可視光であるとする。

偏光光学素子２は、発光素子１からの光を特定の偏光状態に変換して出射する。

より具体的には、偏光光学素子２は、発光素子１の上に設けられた波長板３と、波長板３の上に設けられたワイヤグリッド偏光子である偏光子４とを有する。なお、図４では、発光素子１と波長板３とが密着しているが、実際には、密着していなくてもよい。

波長板３は、光の偏光状態を変化させる偏光状態変換素子の一例である。より具体的には、波長板３は、互いに直角な方向に振動する直線偏光の間にその光の１／４波長の位相差を生じさせることで、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変換し、円偏光（楕円偏光）を直線偏光に変換するλ／４板である。また、波長板３は、ゼロオーダー波長板であることが望ましい。

波長板３の材料としては、サファイアや水晶のような無機の異方性結晶、ポリカーボネートのような異方性フィルム、および、ナノ構造異方性媒体などが挙げられる。

偏光子４は、基板１１と、その基板１１上に、第１誘電体層１２、金属層１３、第２誘電体層１４の順に積層されている複数の凸部１５とを有する。なお、第１誘電体層１２は、第１の誘電体部の一例であり、金属層１３は、金属部の一例であり、第２誘電体層１２は、第２の誘電体部の一例であり、各凸部１５は、構造体の一例である。また、本実施形態では、基板１１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。

基板１１は、発光素子１から出射される光の波長帯域において、実質的に透明な材料で形成される。基板１１の材料としては、例えば、石英ガラスおよびホウケイ酸クラウンのような光学ガラス、サファイアおよび水晶のような無機物結晶、ポリエーテルイミド樹脂およびポリスチレン樹脂のような透明プラスチックなどが挙げられる。

基板１１上の各凸部１５は、基板１１の上面内の第１方向であるＹ方向に延伸された線形形状を有する。また、複数の凸部１５は、グリッド状、より具体的には、第１方向とは異なる第２方向であるＸ方向に周期的に配置されている。

各凸部１５の第１誘電体層１２は、基板１１から金属層１３に向かって、第１誘電体層１２の断面積が小さくなるテーパー構造（傾斜面）を有する。テーパー構造は、基板１１と第１誘電体層１２との接面において、第１誘電体層１２の幅が凸部１５の周期と同等になり、第１誘電体層１２の金属層１３と接する面と金属層１３の第１誘電体層１２と接する面とが同等な大きさになることが望ましい。また、テーパーは、線形、指数関数および放物線のような滑らかなものであればよい。

また、第１誘電体層１２は、例えば、１．５〜２．０の屈折率を有し、その高さが１０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度である。また、第１誘電体層１２の材料は、特に限定されないが、例えば、酸化シリコン、酸化チタンおよび酸化アルミニウムのような酸化物、窒化シリコンのような窒化物、フッ化マグネシウムおよびフッ化カルシウムのようなフッ化物などの誘電体材料が挙げられる。

第１誘電体層１２上に形成される金属層１３は、例えば、アルミニウム、銀、錫およびそれらの合金のような、発光素子１から出射される光の波長帯域において、光の反射率が高い材料で形成されることが望ましい。

また、金属層１３上に形成される第２誘電体層１４の材料は、特に限定されないが、例えば、酸化シリコン、酸化チタンおよび酸化アルミニウムのような酸化物、窒化シリコンのような窒化物、フッ化マグネシウムおよびフッ化カルシウムのようなフッ化物などの誘電体材料が挙げられる。

また、第２誘電体層１４は、例えば、１．０〜２．０の屈折率を有し、高さが５０ｎｍ〜２００ｎｍである。ＸＹ方向における、第２誘電体層１４の大きさは、金属層１３の大きさと同等であることが望ましい。

第２誘電体層１４は、波長板３と密着されている。なお、第２誘電体層１４と波長板３との間には、保護材や粘着材が挿入されていてもよい。

以上のように構成された光源１０において、発光素子１から出射された非偏光は、波長板３を介して偏光子４の凸部１５が形成された面に入射する。なお、非偏光は波長板３を通過しても非偏光であるので、偏光子４に入射する光も非偏光である。

偏光子４に入射した非偏光のうち、各凸部１５の延伸方向であるＹ方向に垂直な偏光成分であるＴＭ偏光は、各凸部１５を透過し、さらに基板１１を透過して出射される。

一方、偏光子４に入射した非偏光のうち、各凸部１５の延伸方向であるＹ方向に平行な偏光成分であるＴＥ偏光は、各凸部１５の金属層１３で反射する。この反射したＴＥ偏光は、波長板３を通過して円偏光となり、発光素子１で反射し、さらに波長板３を通過して、ＴＭ偏光となって偏光子４に再入射する。したがって、再入射した光は、偏光子４を透過して出射される。このため、偏光子４から出射される光は、特定の偏光状態を有するＴＭ偏光となる。

このとき、波長板３と偏光子４との間に間隙があると、波長板３から偏光子４に入射されず、外周部から漏れる漏れ光が多くなる。このため、波長板３と偏光子４とが密着されている。

しかしながら、金属層１３の光が入射する側の入射側媒体の屈折率が金属ワイヤの屈折率の絶対値に近いほど、金属層１３によるＴＥ偏光の吸収率が増大して、ＴＥ偏光の反射率が低減する。このため、入射側媒体は、屈折率ができるだけ小さいものが望ましい。

金属層１３に波長板３が直接密着されると、入射側媒体が波長板３となる。波長板３の屈折率に対する自由度は低いので、入射側媒体が大きくなってしまう。このため、本実施形態では、金属層１３の上に１．０〜２．０程度の屈折率を有する第２誘電体層１４を設けることで、入射側媒体の屈折率を低くして、ＴＥ偏光の反射率を向上させている。

また、基板１１と各凸部の間の媒体である間隙媒体との屈折率との差が大きいと、ＴＭ偏光が基板１１で反射する反射率が増大して、ＴＭ偏光の透過率が低減する。このため、本実施形態では、基板１１と金属層１３との間にテーパーを有する第１誘電体層１２を設けることで、第１誘電体層１２の金属層１３側では、第１誘電体層１２に比べて空気の占める体積を大きくし、第１誘電体層１２の基板１１側では、空気に比べて第１誘電体層１２の占める体積を大きくしている。このため、基板１１上のＸＹ平面と平行な平面における平均的な屈折率である有効屈折率は、基板１１から金属層１３に向かって連続的に変化していることになる。互いに異なる屈折率を有する媒質間の界面で発生するフレネル反射は、その媒質間の屈折率の差が小さいほど発生しづらくなるので、上記のように有効屈折率が基板１１から金属層１３に向かって連続的に変化していると、反射を軽減することが可能になり、ＴＭ偏光の透過率を向上させることが可能になる。

図５は、図４に示す光源１０に含まれる偏光子４を製造する製造方法を説明するための図である。なお、以下で説明する製造方法は、単なる一例であって、これに限定されるものではない。

先ず、図５（ａ）に示すように、例えば蒸着法を用いて、基板１１の上に第１誘電体層１２を形成し、その後、例えばスパッタリング製膜法を用いて、第１誘電体層１２の上に金属層１３を製膜し、さらに、金属層１３の上に第２誘電体層１４を製膜させる。さらに、第２誘電体層１４の上にレジスト層２１Ａを薄膜になるように積層する。

その後、図５（ｂ）に示すように、レジスト層２１Ａをグリッド状にパターニングして、グリッド状に配置された複数のレジスト層２１Ｂを形成する。パターニングの方法は、特に限定されないが、例えば、マスク露光法である光リソグラフィー技術やインプリント法などが挙げられる。

次に、図５（ｃ）に示すように、レジスト層２１Ｂをマスクとして、第２誘電体層１４、金属層１３および第１誘電体層１２を貫くようにエッチング処理を行い、グリッド状に配置された複数の凸部１５を形成する。このエッチング処理では、第１誘電体層１２がテーパー構造となるように、第１誘電体層１２を除去する。なお、エッチングの方法は、第１誘電体層１２、金属層１３および第２誘電体層１４の材料に応じて、ウェットエッチング法やドライエッチング法を用いることができる。

そして、図５（ｄ）に示すように、レジスト層２１Ｂを酸素ラジカルと結合させて、ＣＯやＣＯ２などの気体状反応生成物に置換して除去する。

図６は、図４に示した光源１０を有する画像表示装置の構成の一例を示す配置図である。図６に示す画像表示装置は、光をスクリーンに投射してスクリーン上に画像を形成するプロジェクタである。

図６において、プロジェクタ５００は、光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂと、光学素子５０２Ｒ、５０２Ｇおよび５０２Ｂと、液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５０４と、投射光学系５０５とを備える。

光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂのそれぞれは、図４に示した光源１０と同じ構造を有する。光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂのそれぞれの発光素子１は、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光源５０１Ｒから赤色（Ｒ）光が出射され、光源５０１Ｇから緑色（Ｇ）光が出射され、光源５０１Ｂから青色（Ｂ）光が出射されるものとする。

光学素子５０２Ｒ、５０２Ｇおよび５０２Ｂのそれぞれは、光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂから発生した各色光を、液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂのそれぞれに導いて入射する。

液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。

クロスダイクロイックプリズム５０４は、液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。

投射光学系５０５は、クロスダイクロイックプリズム５０４から出射された合成光をスクリーン６００に投射して、スクリーン６００上に映像信号に応じた映像を表示する。

図７は、本実施形態のプロジェクタの構成の別の例を示す配置図である。図７において、プロジェクタ５００’は、光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂと、導光体５０６と、液晶パネル５０７と、投射光学系５０８とを有する。

導光体５０６は、光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂから発生した各色光を合成して液晶パネル５０７に出射する。

液晶パネル５０７は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。

投射光学系５０８は、液晶パネル５０７から出射された変調光をスクリーン６００に投射して、スクリーン６００上に映像信号に応じた映像を表示する。

なお、図６および図７では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。

図８は、本実施形態の光源１０における積算透過率の評価結果を示す図である。ここで積算透過率とは、発光素子１から出射された光のうち、使用可能角度範囲に含まれる出射角で偏光子４から出射される光の割合を示す。使用可能角度範囲は、偏光変換素子から様々な方向に出射された光のうち、実際に使うことができる角度範囲のことであり、例えば、図６に示した画像表示装置において、光源５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂから出射された光のうち、光学素子５０２Ｒ、５０２Ｇおよび５０２Ｂに取り込むことができる光の出射角度の範囲である。

なお、基板１１を屈折率１．５のガラス、第１誘電体層１２を屈折率１．８の誘電体、金属層１３をＡｌ、第２誘電体層１４を屈折率１．５の誘電体で形成した。

金属層１３の幅を４２ｎｍ、高さを１４０ｎｍ、凸部１５の周期を１１０ｎｍとした。第１誘電体の高さを５０ｎｍ、幅を基板１１側で１１０ｎｍ、金属層１３側で４２ｎｍとした。第２誘電体の高さを１００ｎｍ、幅を４２ｎｍとした。さらに、波長板３は、水晶のゼロオーダーの一軸性１／４波長板とした。そして、発光素子１の出射光は、完全非偏光で配光分布はランバーシアンとし、発光素子１の反射率を１００％と仮定した。

図８では、Ｅは、ワイヤグリッド偏光子単独の評価結果、Ｆは光源１０の評価結果、Ｇは、図１で示した関連技術の光源の評価結果、Ｈは、発光素子１の出射光が全て偏光された出射されたときの結果である。

図８に示されたように、本実施形態の光源１０は、図１で示した関連技術の光源に比べて、積算透過率が１％程度向上している。

以上説明したように本実施形態によれば、第１誘電体層１２にテーパーが設けられているので、ＴＭ偏光の透過率を向上させることが可能になるので、非偏光を特定の偏光状態の光に変換する際の光の取り出し効率を高くすることが可能になる。

また、本実施形態では、金属層１３の上の第２誘電体層１４を設けているので、偏光子４を波長板３に密着させても、ＴＥ偏光の反射率の低下の抑制、または、ＴＥ偏光の反射率の向上が可能になる。したがって、漏れ光を抑制しつつ、ＴＥ偏光の反射率の低下の抑制、または、ＴＥ偏光の反射率の向上が可能になるので、非偏光を特定の偏光状態の光に変換する際の光の取り出し効率を高くすることが可能になる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図９に示す本実施形態の光源１０Ａは、図４に示した光源１０に対して、波長板３の代わりに偏光解消素子３Ａを有する。

偏光解消素子３Ａは、光の偏光状態を変化させる偏光状態変換素子の一例である。より具体的には、偏光解消素子３Ａは、入射された光を非偏光にして出射するものである。

偏光解消素子３Ａの材料としては、厚みが面内の位置に応じて異なる、サファイアや水晶のような無機の異方性結晶や、ポリカーボネートのような異方性フィルムが挙げられる。

なお、図９では、発光素子１と偏光解消素子３Ａとが密着しているが、実際には、密着していなくてもよい。

以上のように構成された光源１０Ａにおいて、発光素子１から出射された非偏光は、偏光解消素子３Ａを介して偏光子４の凸部１５が形成された面に入射する。なお、非偏光は偏光解消素子３Ａを通過しても非偏光であるので、偏光子４に入射する光も非偏光である。

偏光子４に入射した非偏光のうち、各凸部１５の延伸方向であるＹ方向に垂直な偏光成分であるＴＭ偏光は、各凸部１５を透過し、さらに基板１１を透過して出射される。

一方、偏光子４に入射した非偏光のうち、各凸部１５の延伸方向であるＹ方向に平行な偏光成分であるＴＥ偏光は、各凸部１５の金属層１３で反射する。この反射したＴＥ偏光は、波長板３を通過して非偏光となり、発光素子１で反射し、さらに波長板３を通過して、非偏光のまま偏光子４に再入射する。したがって、再入射した光のうちＴＭ偏光は、偏光子４を透過して出射され、再入射した光のうちＴＥ偏光は再度反射される。

図１０は、本実施形態の光源１０Ａにおける積算透過率の評価結果を示す図である。なお、偏光解消素子３Ａは、入射光を完全な非偏光にするものと仮定し、他の各部材の構成は、第１の実施形態と同様としている。また、図１０において、Ｅは、ワイヤグリッド偏光子単独の評価結果、Ｆは光源１０Ａの評価結果、Ｇは、図１で示した関連技術の光源の評価結果、Ｈは、発光素子１の出射光が全て偏光された出射されたときの結果である。

図１０に示すように、本実施形態の光源１０は、図１で示した関連技術の光源に比べて、積算透過率が向上していることがわかる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第３の実施形態の光学素子の側面および上面を示す図である。図１１に示すように本実施形態の光学素子２００は、基板２０１と、基板２０１上に設けられた誘電体部２０２と、誘電体部２０２上に設けられた金属部２０３とを有する。なお、誘電体部２０２は、第１の誘電体部の一例であり、誘電体部２０２および金属部２０３は構造体２０４を構成する。また、本実施形態では、基板２０１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。

誘電体部２０２は、基板２０１から金属部２０３に向かって小さくなる構造を有する。

より具体的には、誘電体部２０２の基板２０１と接する面である底面は、矩形であり、誘電体部２０２のＹ方向に沿った側面がテーパー構造を有する。

また、金属部２０３のＹ方向（反射偏光方向）の長さをＷ１、金属部２０３のＸ方向（透過偏光方向）の長さをＷ２とする。

また、誘電体部２０２の金属部２０３と接する面である上面のＹ方向の長さをＷ１、誘電体部２０２の上面のＸ方向の長さをＷ２とする。このとき、長さＷ１が光学素子２００に入射される光の波長λより長く、長さＷ２が波長λよりも短いと、光学素子２００における機能領域２１０が偏光子として機能する。つまり、機能領域２１０に入射した入射光のうちＹ方向と直交する偏光成分であるＴＭ偏光が基板２０１を透過し、その入射光のうちＹ方向と平行な偏光成分であるＴＥ偏光は金属部２０３で反射する。

機能領域２１０は、誘電体部２０２の上面の中心からＹ方向に±Ｗ１／２以内、かつ、誘電体部２０２の上面の中心からＸ方向に±（Ｗ２／２＋Ｓ）以内の範囲である。なお、Ｓは、光学素子２００に入射される光の波長λの半分λ／２である。

本実施形態でも、第１および第２の実施形態と同様に、光学素子２００が偏光子として機能し、誘電体部２０２が基板２０１から金属部２０３に向かって小さくなる構造を有しているので、ＴＭ偏光のフレネル反射を抑制することが可能になり、非偏光を特定の偏光状態の光に変換する際の光の取り出し効率を高くすることが可能になる。

なお、光学素子２００の形状は、図１１に示したような形状に限らず、適宜変更可能である。以下では、図１２〜図１９は、光学素子２００の他の形状の一例を示す図である。

図１２の例では、誘電体部２０２は、基板２０１上のＸ方向を向いた側面に加えて、基板２０１上のＹ方向を向いた側面もテーパー構造を有する。

図１３の例では、誘電体２０２の底面および上面が楕円形状をしている。なお、誘電体２０２の底面および上面では、直軸がＹ方向に沿って設けられている。

図１４の例では、誘電体２０２の側面が底面からある位置まで基板２０１に対して直交し、その位置からテーパー構造が設けられている。

図１５の例では、誘電体２０２の側面が階段形状になっている。

図１６〜図１９の例では、構造体２０４が複数設けられている。

図１６の例では、構造体２０４が一次元方向に並設されている。この場合、光学素子２００の機能領域２１０は、各構造体２０４の機能領域を合わせたものとなるため、線光源からの光のように、構造体２０４が並設されている１次元方向に対して広がりを有する光に対しても、光学素子２００を偏光子として機能させることが可能になる。また、構造体２０４が一つの場合に比べて、ＴＭ偏光のフレネル反射の低減率を高くすることが可能になる。さらに、図１７に示すように、Ｙ方向の光の広がりに対して構造体２０４のＹ方向を十分長くすれば、面光源からの光のように、２次元方向に対して広がりを有する光に対しても、光学素子２００を偏光子として機能させることが可能になる。

なお、図１６および図１７の例では、各構造体２０４の誘電体２０２の底面の間に間隙がないように、各構造体２０４が並設されていたが、図１８に示すように、誘電体２０２の底面の間に間隙があってもよい。

また、図１６および図１７の例では、構造体２０４として、図１１や図１２に示す構造のものを用いているが、構造体２０４は図１３、図１４、図１５に示す構造のものであっても良い。

図１９の例では、図１２で示した構造体２０４が２次元方向に並設されている。この場合、偏光子として機能する機能領域２１０と、偏光子として機能しない非機能領域２１１とが交互に設けられることになるので、光源からの光の入射位置に応じて、偏光および非偏光の一方を選択的に出力することが可能になる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態における数値、材質などは例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。

例えば、図４に示した発光素子１の上面に光を非偏光にして反射する機能を持たせることで、偏光解消素子３Ａを含まない構成とすることができる。

この出願は、２０１１年９月２７日に出願された日本出願特願２０１１−２１１５０５号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 発光素子
２ 偏光光学素子
３ 波長板
３Ａ 偏光解消素子
４ ワイヤグリッド偏光子
１１、２０１ 基板
１２ 第１誘電体層
１３ 金属層
１４ 第２誘電体層
１５ 凸部
２０２ 誘電体部
２０３ 金属部
２０４ 構造体

Claims (17)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１の誘電体部と、
   前記第１の誘電体部上に設けられた金属部と、を備え、
   前記第１の誘電体部は、前記基板から前記金属部に向かって小さくなるように設けられる、偏光子。
2. 請求項１に記載の偏光子において、
   前記第１の誘電体部の側面に、前記基板から前記金属部に向かって傾斜面が形成されている、偏光子。
3. 請求項２に記載の偏光子において、
   前記傾斜面は、前記第１の誘電体部の側面のうち、少なくとも互いに対向する２つの側面に形成されている、偏光子。
4. 請求項２に記載の偏光子において、
   前記傾斜面は、前記第１の誘電体部の全ての側面に形成されている、偏光子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の偏光子において、
   前記第１の誘電体部と前記金属部とを備える構造体が前記基板上に複数形成されている、偏光子。
6. 請求項５に記載の偏光子において、
   前記複数の構造体は、前記基板上の１次元方向に並設されている、偏光子。
7. 請求項５に記載の偏光子において、
   前記複数の構造体は、前記基板上の２次元方向に並設されている、偏光子。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載の偏光子において、
   前記複数の構造体は、前記第１の誘電体の前記基板と接する面が間隙なく並設されている、偏光子。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の偏光子において、
   前記構造体は、前記金属部上に設けられた第２の誘電体部をさらに有する、偏光子。
10. 請求項１ないし９に記載の偏光子において、
    前記第１の誘電体部の前記金属部と接する面と、前記金属部の前記第１の誘電体部と接する面とが同じ大きさである、偏光子。
11. 基板と、
    前記基板上に設けられた第１の誘電体部と、
    前記第１の誘電体部上に設けられた金属部と、を備え、
    前記第１の誘電体部は、前記基板から前記金属部に向かって傾斜面を有し、
    前記第１の誘電体部の側面は、前記基板から前記金属部に向かって傾斜するように形成された傾斜面であり、
    前記第１の誘電体部の前記金属部が設けられた面は、前記第１の誘電部の前記基板が設けられた面より小さい、偏光子。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の偏光子と、
    前記構造体上に設けられ、入射光の偏光状態を変化させて出射する偏光状態変換素子と、を有する偏光光学素子。
13. 請求項１２に記載の偏光光学素子において、
    前記構造体と前記偏光状態変換素子とが密着している、偏光光学素子。
14. 請求項１２または１３に記載の偏光光学素子において、
    前記偏光状態変換素子は、前記入射光に位相差を与えて出射する波長板である、偏光光学素子。
15. 請求項１２または１３に記載の偏光光学素子において、
    前記偏光状態変換素子は、前記入射光を非偏光にして出射する偏光解消素子である、偏光光学素子。
16. 請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載の偏光光学素子と、
    前記偏光光学素子に光を出射する発光素子と、を有する光源。
17. 請求項１６に記載の光源を有する画像表示装置。

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