WO2014010200A1 - 光学素子、光学装置および表示装置 - Google Patents

光学素子、光学装置および表示装置 Download PDF

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light
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dielectric
lattice
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慎 冨永
雅雄 今井
昌尚 棗田
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日本電気株式会社
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    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, an optical device, and a display device that convert randomly polarized light having a high etendue into light having a specific polarization state having a low etendue.
  • the LED projector includes an LED, an illumination optical system into which light emitted from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system according to a video signal, and projects light from the modulation element onto a screen. And a projection optical system.
  • the etendue obtained by the product of the light emitting area and the radiation angle of the light source has an acquisition angle determined by the light receiving area of the modulation element and the F number of the illumination optical system. Must be less than product value.
  • a modulation element having polarization dependency such as a liquid crystal panel may be used.
  • the emitted light of the LED is random polarized light
  • Patent Document 1 A technique for converting random polarization into a specific polarization state is disclosed in Patent Document 1.
  • the planar optical device described in Patent Document 1 includes a light guide 10, a polarization direction changing member 13 provided on the lower surface of the light guide 10, a step-like microprism 14,
  • the light guide plate 3 includes a reflection plate 6, a polarization separation film 11 provided on the top surface of the light guide 10, and a top cover 12 provided on the top surface of the polarization separation film 11.
  • the polarization separation film 11 has a configuration in which a metal thin film is sandwiched between a first low refractive index transparent medium and a second low refractive index transparent medium.
  • the light emitted from the LED 2 enters the light guide 10 and propagates through the light guide 10 while being angle-converted by the microprism 14.
  • the first boundary which is the boundary between the light guide 10 and the first low-refractive-index transparent medium
  • surface plasmons are excited in the metal thin film by the evanescent wave generated at that time.
  • a transition process opposite to the surface plasmon excitation process occurs at the second boundary, which is the boundary between the second low-refractive-index transparent medium and the top cover 12, and the second Light is generated at the boundary.
  • the light generated at the second boundary is emitted through the top cover 12.
  • the above planar optical device among the light incident on the first boundary, the light that excites the surface plasmon is only P-polarized light whose electric field component is parallel to the first boundary.
  • the light generated at the second boundary is generated by the reverse process of the excitation process of the surface plasmon, and thus has the same P polarization as the light that excites the surface plasmon. Therefore, the above planar optical device can emit random polarized light after converting it into a specific polarization state.
  • An object of the present invention is to provide an optical element, an optical device, and a display device capable of converting randomly polarized light having a high etendue into light having a specific polarization state having a low etendue.
  • the present invention includes a first dielectric layer that guides light inward, a first lattice layer provided on the first dielectric layer, and a second lattice layer provided on the first lattice layer, A second dielectric layer provided on the second lattice layer, wherein the first lattice layer is extended in a first direction within the interface with the first dielectric layer, and the first dielectric layer
  • the first metal part and the first dielectric part periodically arranged in the second direction intersecting the first direction in the interface with the second lattice layer, the second lattice layer is stretched in the first direction
  • the second metal part and the second dielectric part periodically arranged in the second direction, and the period of the first periodic structure in the second direction of the first grating layer is the second direction of the second grating layer It is related with the optical element larger than the period of the 2nd periodic structure in.
  • the present invention it is possible to convert randomly polarized light having a high etendue into light having a specific polarization state which is a low etendue state in which the emission direction is defined as a specific direction.
  • 1 is a perspective view schematically showing an optical element according to a first embodiment of the present invention. It is a side view which shows typically the optical element of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows typically the example of the shape of the periodic structure of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows typically the example of the shape of the periodic structure of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows typically the example of the shape of the periodic structure of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows typically the example of the shape of the periodic structure of the 1st Embodiment of this invention. It is a perspective view which shows typically the optical element of the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the operation of the planar optical device of Patent Document 1.
  • First Embodiment 1A and 1B are a perspective view and a side view schematically showing the optical element 101 according to the first embodiment of the present invention, respectively.
  • the thickness of each layer is very thin and the difference in thickness between the layers is large, so it is difficult to illustrate each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not schematically drawn but are shown schematically.
  • the optical element 101 includes a light guide layer 102, metal periodic structures 103 and 104, and a cover layer 105.
  • a light source (not shown) is disposed on the outer periphery of the light guide layer 102 and emits randomly polarized light to the light guide layer 102.
  • the light source may be disposed at a position away from the light guide layer 102, may be disposed so as to be in contact with the light guide layer 102, or optically guided through a light guide member such as a light pipe.
  • the optical layer 102 may be connected.
  • a one-dimensional irregular periodic structure is provided on the upper surface of the light guide layer 102.
  • a periodic step is formed on the upper surface of the light guide layer 102 in the first direction (x direction in FIG. 1A).
  • the step surface of the one-dimensional unevenness is extended in a second direction (y direction in FIG. 1A) intersecting the periodic structure. Note that the first direction and the second direction do not necessarily need to be orthogonal to each other, and need only intersect.
  • Metal is periodically provided in each recess on the upper surface of the light guide layer 102. This periodically provided metal forms the metal periodic structure 103.
  • Each convex part 112 of the upper surface of the light guide layer 102 corresponds to a first dielectric part
  • the metal periodic structure 103 corresponds to a first metal part.
  • the first grating layer 111 formed by the convex portions 112 on the upper surface of the light guide layer 102 and the metal periodic structure 103 corresponds to the first grating layer having the first periodic structure.
  • the minimum unit for repeating the periodic structure is called a period of the periodic structure.
  • the period of the periodic structure may be simply referred to as a period or a pitch.
  • the first grating layer 111 diffracts and transmits light having a specific incident angle with respect to the periodic structure on the upper surface of the light guide layer 102 out of light in the light guide layer 102 described later, and light having other incident angles.
  • the incident angle of light incident on the periodic structure on the upper surface of the light guide layer 102 is regarded as an incident angle to the interface between the first grating layer 111 and the light guide layer 102.
  • a cover layer 105 having a one-dimensional irregular periodic structure is provided on the lower surface.
  • the concavo-convex surface is extended in a second direction (y direction in FIG. 1A) intersecting with the periodic structure, and on the lower surface of the light guide layer 105 in the first direction (in FIG. 1A).
  • Periodic steps are formed in the (x direction). Note that the first direction and the second direction do not necessarily need to be orthogonal to each other, and need only intersect.
  • Metal is periodically provided in each recess on the lower surface of the cover layer 105. This periodically provided metal forms the metal periodic structure 104.
  • Each convex part 115 on the lower surface of the cover layer 105 corresponds to a second dielectric part
  • the metal periodic structure 104 corresponds to a second metal part.
  • the second lattice layer 121 formed by the convex portions 115 on the lower surface of the cover layer 105 and the metal periodic structure 104 corresponds to a second lattice layer having the second periodic structure.
  • the second grating layer 121 has a main component in a direction parallel to the periodic direction of the first grating layer 111 out of light in the light guide layer 102 described later, and has a specific incident on the first grating layer 111. P-polarized light incident at an angle is transmitted, and a part of the other light is reflected.
  • the light guide layer 102 corresponds to the first dielectric layer.
  • the cover layer 105 corresponds to the second dielectric layer.
  • the light guide layer and cover layer of the present invention are made of a transparent material that transmits at least visible light, and serve as a medium that propagates light. Moreover, the light guide layer of the embodiment of the present invention has a specific refractive index described later with respect to visible light.
  • the metal periodic structure of the present invention is made of at least a material that does not transmit visible light, and reflects light incident on the metal periodic structure. Moreover, as will be described later, the metal periodic structure according to the embodiment of the present invention is formed of a metal that can excite surface plasmons by visible light.
  • the light guide layer 102 receives light emitted from the light source and propagates the incident light inside.
  • a one-dimensional periodic structure is formed that has a period in the x direction, extends in the y direction, and has irregularities in the z direction.
  • the material of the light guide layer 102 is formed of, for example, a dielectric having a refractive index of about 1.46 to about 1.50 with respect to visible light.
  • a dielectric having a refractive index of about 1.46 to about 1.50 with respect to visible light examples include acrylic resins such as quartz glass, PET (polyethylene terephthalate), and PMMA (polymethyl methacrylate resin).
  • the refractive index of the light guide layer 102 is not limited to about 1.46 or more and about 1.50 or less. More specifically, it is only necessary to satisfy the condition that the propagation angle of transmitted light from the second lattice layer 121 described later is smaller than the critical angle at the interface between the upper surface of the cover layer 105 and air.
  • the periodic structure (first periodic structure) on the upper surface of the light guide layer 102 has a period of about 200 nm to about 600 nm and an unevenness depth of about 120 nm.
  • the visible light region having a wavelength region of about 460 to 630 nm is assumed.
  • the period of the first periodic structure is about 600 nm or more, a plurality of outgoing lights are generated due to high-order diffraction.
  • the lower limit value of the cycle is preferably larger than 200 nm, which is about half of the lower limit value of the light used.
  • the period of the periodic structure on the upper surface of the light guide layer 102 is not limited to about 200 nm or more and about 600 nm or less. More specifically, it is only necessary to satisfy the condition that the propagation angle of transmitted light from the second lattice layer 121 described later is smaller than the critical angle at the interface between the upper surface of the cover layer 105 and air. Moreover, what is necessary is just to set the period of a 1st periodic structure according to the wavelength range depending on the wavelength range to be used.
  • the thickness of the light guide layer 102 is about 0.5 mm as a guide, it functions without any problem.
  • the thickness of the light guide layer 102 is not particularly limited.
  • the shape of the light guide layer 102 is a flat plate shape in the present embodiment, but is not limited to a flat plate shape, and may be a wedge shape or a sawtooth wave shape.
  • the metal periodic structures 103 and 104 are formed of a metal that can excite surface plasmons on the surface by visible light.
  • An example is Ag (silver).
  • the material of the metal periodic structure 103 is not limited to Ag, and may be Al (aluminum) or Au (gold). More specifically, the surface plasmon may be excited in the first lattice layer 111 by interacting with the second lattice layer 121 described later.
  • the thickness of the metal periodic structure 103 is about 10 nm or more and about 200 nm or less.
  • the thickness of the metal periodic structure 103 is not limited to about 10 nm or more and about 200 nm or less. More specifically, the first grating layer 111 may be thick enough that incident light is diffracted by the first grating layer 111 and excites surface plasmons in the first grating layer 111. However, the thickness of the metal periodic structure 103 is preferably about 200 nm or less because the influence of transmission loss due to the metal becomes large when the thickness is 200 nm or more. The thickness of the metal periodic structure 103 only needs to be thin enough that the energy of surface plasmons excited in the first lattice layer 111 described later reaches the upper surface of the metal periodic structure 103.
  • the material of the metal periodic structure 104 is not limited to Ag, and may be Al or Au. More specifically, the surface plasmon may be excited in the first lattice layer 111 by interacting with the first lattice layer 111 described later.
  • the thickness of the metal periodic structure 104 is not limited to about 10 nm or more and about 200 nm or less. More specifically, the surface plasmon excited in the first lattice layer 111 may be thick enough to transmit light mainly composed of P-polarized light and reflect light mainly composed of S-polarized light. Moreover, the metal periodic structure 104 should just be thin enough to permeate
  • the metal periodic structure 104 has a period of a periodic structure smaller than that of the metal periodic structure 103. Therefore, the metal portion of the second lattice layer 121 exists on the convex portion 112 of the first lattice layer 111. As a result, the propagation efficiency of the surface plasmon in the second direction in the first lattice layer 111 is increased. Note that the first lattice layer 111 and the second lattice layer 121 are preferably in contact with each other.
  • the cover layer 105 receives light emitted from the second lattice layer 121 described later, and propagates the incident light inside.
  • a one-dimensional periodic structure is formed that has a period in the x direction, extends in the y direction, and has irregularities in the z direction.
  • the cover layer 105 is formed of, for example, a dielectric having a refractive index of about 1.46 to about 1.50 with respect to visible light.
  • a dielectric having a refractive index of about 1.46 to about 1.50 with respect to visible light.
  • acrylic resins such as quartz glass, PET, and PMMA.
  • the refractive index of the cover layer 105 is not limited to about 1.46 or more and about 1.50 or less. More specifically, it is only necessary to satisfy the condition that the propagation angle of transmitted light from the second lattice layer 121 described later is smaller than the critical angle at the interface between the upper surface of the cover layer 105 and air.
  • the periodic structure (second periodic structure) on the lower surface of the cover layer 105 has a period of about 200 nm or less and an unevenness depth of about 120 nm or less.
  • the period of the second periodic structure is preferably set to 200 nm or less, which is equal to or less than the limit at which light in the lower limit (460 nm) of the used wavelength range (460 to 630 nm) is diffracted. Although it does not specifically limit regarding a minimum, What is necessary is just more than the atomic size of a metal.
  • the period of the periodic structure on the lower surface of the cover layer 105 is not limited to about 200 nm or less. More specifically, it is only necessary to satisfy conditions for transmitting light mainly composed of P-polarized light and reflecting light mainly composed of S-polarized light from surface plasmons excited in the first lattice layer 111 described later.
  • the thickness of the cover layer 105 is about 0.5 mm as a guide, it functions without problems.
  • the thickness of the cover layer 105 is not particularly limited.
  • the optical element 101 can be manufactured, for example, by the following procedure.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm to about 600 nm is formed on the upper surface of the first quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Subsequently, polishing is performed from the side on which Ag is formed to expose the quartz glass, thereby forming a first lattice layer in which quartz glass and Ag are provided alternately and periodically.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm or less is formed on the upper surface of the second quartz glass by a microfabrication technique such as photolithography and nanoimprinting in the same manner as the first quartz glass.
  • a vapor deposition method such as sputtering
  • Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Then, it grind
  • the surfaces of the first quartz glass and the second quartz glass having the first lattice layer and the second lattice layer are put together and joined by a method such as optical carving.
  • the method for manufacturing the optical element 101 according to the first embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, or optical carving.
  • Ti is a buffer layer for improving the adhesion between quartz glass and Ag, and is not an essential component in the optical element of the present embodiment.
  • Surface plasmons are dense waves of a group of electrons that propagate through the interface between a metal and a dielectric.
  • the wave number k sp of the surface plasmon is determined by Equation 1 from the wave number k 0 of light in vacuum, the dielectric constant ⁇ m of the metal, and the dielectric constant ⁇ d of the dielectric.
  • the dispersion relationship which is the relationship between the angular frequency of the surface plasmon and the wave number
  • the dispersion relationship of the light propagating in the dielectric that is, the wave number of the light of a specific wavelength existing in the dielectric is the wave number of the surface plasmon.
  • the surface plasmon is excited by the light.
  • the surface plasmon dispersion relationship and the light dispersion relationship in the dielectric do not match. Therefore, even if light is incident on the metal from the dielectric, the surface plasmon is not excited. Therefore, in order to excite the surface plasmon, it is necessary to change the dispersion relation of the light in the dielectric so that the dispersion relation of the surface plasmon and the dispersion relation of the light in the dielectric coincide.
  • a grating coupling method in which a diffraction grating (grating) is provided at the interface between a metal and a dielectric is known.
  • the incident light that excites the surface plasmon propagating in a specific direction due to the surface plasmon being a dense wave is only the linearly polarized light whose electric field component is parallel to the specific direction.
  • the first lattice layer 111 having a one-dimensional periodic structure having a period in the x direction can emit light that can excite surface plasmons in the first lattice layer 111 in the x direction. It is possible to limit to P-polarized light having a specific incident angle with respect to the periodic structure of the first grating layer 111.
  • n 1 is the refractive index of the light guide layer 102.
  • the pitch of the second grating layer 121 is small enough not to cause diffraction, and the periodic direction of the second grating layer 121 is parallel to the first grating layer 111. Therefore, most of the surface plasmon energy reaching the metal periodic structure 104 is not absorbed or reflected by the metal periodic structure 104 and passes through the metal periodic structure 104.
  • the energy of the surface plasmon that has passed through the metal periodic structure 104 is combined with the light in the cover layer 105 and emitted.
  • the wave number k 2x of the light emitted from the second lattice layer 121 is parallel to the wave number component of the surface plasmon excited by the first lattice layer 111. Therefore, the light emitted from the second grating layer 121 has an electric field component in the x direction, and is specific to the periodic structure of the second grating layer 121, similarly to the light incident on the first grating layer 111. P-polarized light having an angle ⁇ 2 is obtained.
  • the P-polarized light emitted from the second grating layer 121 at the emission angle ⁇ 2 propagates through the cover layer 105 and enters the upper surface of the cover layer 105 at the incident angle ⁇ 3 .
  • the medium A of the refractive index n A the critical angle theta c at the time when light is incident on the interface between the medium B of refractive index n B and the medium A, the formula 4.
  • the refractive index of the cover layer 105 is n 2 and the refractive index outside the cover layer 105 is n 0 , the light incident on the upper surface of the cover layer 105 satisfying ⁇ 3 ⁇ c is To the outside. That is, when the cover layer 105 has a flat plate shape, light in a specific polarization state is emitted outside the cover layer 105 by satisfying the condition of Expression 5.
  • the P-polarized light and the S-polarized light that do not excite surface plasmons on the first grating layer 111 are diffracted or mirror-reflected by the first grating layer 111 and the metal periodic structure 104, and the light guide layer 102 has a light guide layer. The light is guided while being totally reflected between the upper surface of 102 and the lower surface of the light guide layer 102. That is, P-polarized light and S-polarized light that do not excite surface plasmons in the first lattice layer 111 are not emitted from the cover layer 105 to the outside of the cover layer 105.
  • light existing in the yz plane in the light guide layer 102 is diffracted or mirror-reflected by the metal layer 103 and guided while being totally reflected between the upper surface of the light guide layer 102 and the lower surface of the light guide layer 102.
  • the light is not emitted from the lower surface of the light guide layer 102 to the outside of the light guide layer 102.
  • the presence of a one-dimensional periodic structure having a period in the x direction makes it possible to extract light only from surface plasmons having a specific wave number in the x direction. Therefore, it is possible to obtain outgoing light whose main component is a polarization component propagating in the zx plane which is a specific direction.
  • the incident angle of the projected light obtained by projecting the light on the zx plane is an angle satisfying the excitation condition of the surface plasmon.
  • light having a specific polarization component can be obtained.
  • surface plasmons having a specific wave number in the x direction are excited in the first lattice layer 111 by the polarization component parallel to the x direction. Further, part of the surface plasmon reaches the upper surface of the first lattice layer 111 and is extracted from the cover layer 105 as light having a specific polarization component in the x direction.
  • the first grating layer 111 by providing the first grating layer 111 with a periodic structure, light having high angle selectivity and polarization selectivity and having a polarization component in a specific direction can be obtained.
  • the second grating layer 121 has a main component in a direction parallel to the periodic direction of the first grating layer 111 out of the light in the light guide layer 102 and has a specific incident on the first grating layer 111. Only P-polarized light incident at an angle is transmitted without being diffracted, and a part of other light is reflected. Furthermore, the pitch of the second grating layer 121 is small enough not to cause diffraction. Therefore, when the first grating layer 111 and the second grating layer 121 coexist, light having angle selectivity and polarization selectivity and having a polarization component in a specific direction can be obtained more efficiently.
  • FIG. 2A to 2D show modified examples of the cross-sectional shape in the zx plane of the periodic structure in the first lattice layer 111 in the present embodiment.
  • a rectangular wave shape (FIG. 2A), a staircase shape (FIG. 2B), a sine wave shape (FIG. 2C), a sawtooth shape (FIG. 2D), or the like
  • a plurality of arbitrary shapes such as a rectangular wave shape (FIG. 2A), a staircase shape (FIG. 2B), a sine wave shape (FIG. 2C), a sawtooth shape (FIG.
  • 2D may be mixed in the above-described periodic structure, Even if it is other than the above-mentioned shape, it is sufficient that the shape has the same effect as the present embodiment.
  • a similar modification can be used for the cross-sectional shape of the periodic structure in the second lattice layer 121 in the zx plane.
  • FIGSecond Embodiment 3A and 3B are a perspective view and a side view, respectively, schematically showing an optical element 201 according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical element 201 includes a light guide layer 202, metal periodic structures 203 and 204, a cover layer 205, and a spacer layer 206. Further, the convex portion 212 and the metal periodic structure 203 on the upper portion of the light guide layer 202 form the first lattice layer 211, and the convex portion 215 and the metal periodic structure 204 on the lower portion of the cover layer 205 form the second lattice layer 221. Form.
  • the optical element 201 shown in FIGS. 3A and 3B is different from the optical element 101 of the first embodiment in that a spacer layer 206 is provided between the metal periodic structure 103 and the metal periodic structure 104.
  • the spacer layer 206 corresponds to the spacer layer of the present invention.
  • the spacer layer of the present invention is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a medium that propagates light.
  • the spacer layer according to the embodiment of the present invention has a specific refractive index described later with respect to visible light.
  • the spacer layer 206 has a refractive index of 1 or more and 2 or less.
  • the spacer layer 206 is, for example, SiO 2 .
  • the thickness of the spacer layer 206 is about 50 nm or less.
  • the spacer layer 206 is not limited to a refractive index of 1 or more and 2 or less. Further, the thickness of the spacer layer 206 is not limited to about 50 nm or less. More specifically, when light enters the first lattice layer 211 described later from the light guide layer 202, the first lattice layer 211 and the second lattice layer 221 interact to cause surface plasmon in the first lattice layer 211. It is only necessary to be thin enough to be excited, and it is sufficient that the energy of the surface plasmon excited by the first lattice layer 211 described later reaches the second lattice layer 221.
  • the optical element 201 can be manufactured, for example, by the following procedure.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm to about 600 nm is formed on the upper surface of the first quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Subsequently, polishing is performed from the side on which Ag is formed to expose the quartz glass, thereby forming a first lattice layer in which quartz glass and Ag are provided alternately and periodically.
  • SiO 2 is deposited on the upper surface of the first lattice layer by a deposition method such as sputtering to form a spacer layer.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm or less is formed on the upper surface of the second quartz glass by a microfabrication technique such as photolithography and nanoimprinting in the same manner as the first quartz glass.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Then, it grind
  • the surfaces of the first quartz glass and the second quartz glass having the spacer layer and the second lattice layer are put together and joined by a method such as optical carving.
  • the manufacturing method of the optical element 201 according to the second embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, and optical carboxylating.
  • Ti is a buffer layer for improving the adhesion between quartz glass and Ag, and is not an essential component in the optical element of the present embodiment.
  • the surface plasmon that has reached the second lattice layer 221 is excited by the P-polarized light as in the first embodiment. Therefore, the same light as in the first embodiment is emitted to the outside of the cover layer 205.
  • the spacer layer is provided in the first grating layer and the second grating layer, so that when the element is manufactured, the adhesion between the first grating layer and the second grating layer is weak. Even if you can get the function. Therefore, the tolerance of adhesion can be increased as compared with the first embodiment.
  • FIGS. 4A and 4B are a perspective view and a side view, respectively, schematically showing an optical element 301 according to the third embodiment of the present invention.
  • the optical element 301 includes a light guide layer 302, metal periodic structures 303 and 304, a cover layer 305, and a phase modulation layer 307. Further, the convex portion 312 at the upper part of the light guide layer 302 and the metal periodic structure 303 form the first lattice layer 311, and the convex portion 315 at the lower portion of the cover layer 305 and the metallic periodic structure 304 form the second lattice layer 321. Form.
  • the optical element 301 shown in FIGS. 4A and 4B is different from the optical element 101 of the first embodiment in that a phase modulation layer 307 is provided on the lower surface of the light guide layer 102.
  • spacer layer described in the second embodiment may be provided between the first lattice layer 311 and the second lattice layer 321.
  • the phase modulation layer 307 corresponds to the phase modulation layer of the present invention.
  • the phase modulation layer of the present invention is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a light propagation medium.
  • the phase modulation layer 307 has an optical axis in the xy plane, and gives a phase difference to a component in a direction perpendicular to a component parallel to the optical axis of the phase modulation layer of transmitted light.
  • phase modulation layer 307 is a ⁇ / 4 plate.
  • the phase modulation layer 307 is not limited to the ⁇ / 4 plate.
  • the optical element 301 can be manufactured, for example, by the following procedure.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm to about 600 nm is formed on the upper surface of the first quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Subsequently, polishing is performed from the side on which Ag is formed to expose the quartz glass, thereby forming a first lattice layer in which quartz glass and Ag are provided alternately and periodically.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm or less is formed by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprinting, like the first quartz glass.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Then, it grind
  • the surfaces of the first quartz glass and the second quartz glass having the first lattice layer and the second lattice layer are put together and joined together by a method such as optical carving.
  • a ⁇ / 4 plate is provided on the outside of the lower surface of the first quartz glass by optical carving.
  • the method for manufacturing the optical element 301 according to the third embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, or optical carving.
  • Ti is a buffer layer for improving the adhesion between quartz glass and Ag, and is not an essential component in the optical element of the present embodiment.
  • the light in the light guide layer 302 enters the phase modulation layer 307, is converted from linearly polarized light to circularly polarized light, and reaches the lower surface of the phase modulation layer 307.
  • the light reaching the lower surface of the phase modulation layer 307 is totally reflected and transmitted through the phase modulation layer 307 again, it is converted from circularly polarized light to linearly polarized light whose outgoing path and polarization direction are orthogonal.
  • Other operations are the same as those in the first embodiment.
  • the S-polarized light in the light guide layer 102 that could not be used in the optical element of the first embodiment can be converted into P-polarized light and used.
  • the phase modulation layer 307 converts the polarization state of the light in the light guide layer 302, returns it to the light guide layer 302, and reuses the optical element of the first embodiment. Compared with 101, the light utilization efficiency can be increased.
  • [Fourth Embodiment] 5A and 5B are a perspective view and a side view schematically showing an optical element 401 according to the fourth embodiment of the present invention, respectively.
  • the optical element 401 includes a light guide layer 402, metal periodic structures 403 and 404, a cover layer 405, and an angle conversion layer 408. Further, the convex part 412 on the upper part of the light guide layer 402 and the metal periodic structure 403 form the first grating layer 411, and the convex part 415 on the lower part of the cover layer 405 and the metal periodic structure 404 form the second grating layer 421. Form.
  • the optical element 401 shown in FIGS. 5A and 5B is different from the optical element 101 of the first embodiment in that an angle conversion layer 408 is provided on the lower surface of the light guide layer 102.
  • spacer layer described in the second embodiment may be provided between the first lattice layer 411 and the second lattice layer 421.
  • the angle conversion layer 408 corresponds to the angle conversion layer of the present invention.
  • the angle conversion layer of the present invention is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a medium that propagates light.
  • the angle conversion layer according to the embodiment of the present invention has a specific refractive index described later with respect to visible light.
  • the angle conversion layer 408 converts the propagation angle of incident light at least with respect to the x-direction component.
  • An example of the angle conversion layer 408 is a plurality of prisms having periodicity in the x direction and extending in the y direction. Note that another example of the angle conversion layer 408 is a single prism extending in the y direction.
  • the refractive index of the angle conversion layer 408 is equal to the refractive index of the light guide layer 402. Note that the refractive index of the angle conversion layer 408 is not particularly limited.
  • the optical element 401 can be manufactured, for example, by the following procedure.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm to about 600 nm is formed on the upper surface of the first quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Subsequently, polishing is performed from the side on which Ag is formed to expose the quartz glass, thereby forming a first lattice layer in which quartz glass and Ag are provided alternately and periodically.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm or less is formed by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprinting, like the first quartz glass.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Then, it grind
  • the surfaces of the first quartz glass and the second quartz glass having the first lattice layer and the second lattice layer are put together and joined together by a method such as optical carving.
  • an angle conversion layer 408 is provided on the outside of the lower surface of the first quartz glass by optical carving.
  • the manufacturing method of the optical element 401 according to the fourth embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, and optical carboxylating.
  • Ti is a buffer layer for improving the adhesion between quartz glass and Ag, and is not an essential component in the optical element of the present embodiment.
  • the light that undergoes multiple reflection in the light guide layer 402 and the angle conversion layer 408 is converted in angle when totally reflected by the lower surface of the angle conversion layer 408.
  • Other operations are the same as those in the first embodiment.
  • the angle conversion layer 408 converts the angle of light not emitted to the outside of the angle conversion layer 408 that does not satisfy the plasmon excitation condition in the first lattice layer 411 and returns it to the light guide layer 402. By reusing, the light utilization efficiency can be increased compared to the optical element 101 of the first embodiment.
  • FIGS. 6A and 6B are a perspective view and a side view, respectively, schematically showing an optical element 501 of the fifth embodiment of the present invention.
  • the optical element 501 includes a light guide layer 502, metal periodic structures 503 and 504, a cover layer 505, a phase conversion layer 507, and an angle conversion layer 508.
  • the convex portion 512 and the metal periodic structure 503 on the light guide layer 502 form the first lattice layer 511
  • the convex portion 515 and the metal periodic structure 504 on the bottom of the cover layer 505 form the second lattice layer 521.
  • the optical element 501 shown in FIGS. 6 and 6B differs from the optical element 301 of the third embodiment in that the angle conversion layer 408 of the fourth embodiment is provided on the lower surface of the phase modulation layer 307. Yes.
  • spacer layer described in the second embodiment may be provided between the first lattice layer 511 and the second lattice layer 521.
  • the optical element 501 can be manufactured, for example, by the following procedure.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm to about 600 nm is formed on the upper surface of the first quartz glass by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprint.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Subsequently, polishing is performed from the side on which Ag is formed to expose the quartz glass, thereby forming a first lattice layer in which quartz glass and Ag are provided alternately and periodically.
  • a one-dimensional concavo-convex structure having a period of about 200 nm or less is formed by a fine processing technique such as photolithography or nanoimprinting, like the first quartz glass.
  • Ti as a bonding layer is formed by a vapor deposition method such as sputtering, and then Ag is formed by a vapor deposition method such as sputtering. Then, it grind
  • the surfaces of the first quartz glass and the second quartz glass having the first lattice layer and the second lattice layer are put together and joined together by a method such as optical carving.
  • a phase modulation layer 507 and an angle conversion layer 508 are provided on the outside of the lower surface of the first quartz glass by optical carboxylating.
  • the manufacturing method of the optical element 501 according to the fifth embodiment is not limited to photolithography, nanoimprinting, vapor deposition, and optocarbonizing.
  • Ti is a buffer layer for improving the adhesion between quartz glass and Ag, and is not an essential component in the optical element of the present embodiment.
  • the fifth embodiment similarly to the first embodiment, light having high angle selectivity and polarization selectivity and having a polarization component in a specific direction can be obtained. Furthermore, in the fifth embodiment, the phase modulation layer 507 and the angle conversion layer 508 convert the polarization state and angle of the light not emitted to the outside of the angle conversion layer 508 and return it to the light guide layer 502 for reuse. Can do. Therefore, the light use efficiency can be increased as compared with the optical element 301 of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing an optical element 601 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the optical element 601 includes, in addition to any of the configurations of the optical elements 101, 201, 301, 401, and 501 of the first to fifth embodiments, an entrance 610 that is an incident area where light from a light source (not shown) is incident.
  • the reflection part 609 is added to the outer wall surface (that is, the side surfaces of the optical elements 101, 201, 301, 401, and 501) excluding the light emission surface.
  • a dielectric layer may be inserted between the entrance 610, the outer wall surface excluding the light exit surface, and the reflecting portion 609.
  • the reflection part 609 can suppress light from being emitted from the side surface of the optical element 601, the light use efficiency can be increased as compared with the optical elements 101, 201, 301, 401, and 501.
  • the reflection part 609 may be provided in all the side surfaces except the entrance 610, and may be provided only in the one part surface among the side surfaces.
  • the reflection part 609 may be a diffuse reflector that diffusely reflects light, or may have a saw shape, and its shape is not limited.
  • the reflection part 609 corresponds to a reflection layer.
  • the dielectric layer corresponds to the third dielectric layer.
  • the reflection unit 609 is made of a material that reflects visible light.
  • Examples of the material of the reflecting portion 609 are Ag and Al.
  • the material of the reflection part 609 is not limited to Ag and Al.
  • the dielectric layer is made of a material that transmits visible light.
  • Examples of the dielectric layer are air, optical gel, and optical adhesive.
  • the dielectric layer is not limited to air, optical gel, or optical adhesive.
  • the optical element 601 of the sixth embodiment By using the optical element 601 of the sixth embodiment, the same effects as those of the first to fifth embodiments can be obtained. Furthermore, in 6th Embodiment, since the reflection means is provided in the outer wall surface etc., it can suppress that light leaks from a side surface. Therefore, the light use efficiency can be increased as compared with the first to fifth embodiments.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing the optical device of the present embodiment.
  • the optical device 700 is obtained by adding a light source 711 to the configuration of the optical elements 101, 201, 301, 401, 501, and 601 of the first to sixth embodiments.
  • the light source 711 is disposed on the outer periphery of the light guide layer, and emits randomly polarized light to the light guide layer of the optical element through the entrance 710.
  • the light source 711 may be disposed at a position away from the light guide layer, may be disposed in contact with the light guide layer, or optically guided through a light guide member such as a light pipe. It may be connected to the layer.
  • the light from the light source 711 is preferably incident from an incident port 710 provided on the side of the light guide layer.
  • the light source 711 for example, an LED can be used.
  • the light source 711 is not limited, and any light source that emits randomly polarized light may be used.
  • the number of light sources is not limited to one, and a plurality of light sources may be arranged, and the plurality of light sources may emit light having different wavelengths. More specifically, the wavelengths of the plurality of light sources may be different to such an extent that surface plasmons are excited on the metal surface.
  • the optical device of the present embodiment when converting randomly polarized light emitted from a light source into a specific polarization state, it is possible to convert the emission direction into a low etendue state defined in a specific direction and emit the same. . Therefore, an optical device with high light utilization efficiency can be provided.
  • FIG. 9 is a layout diagram showing an example of the configuration of the display device of the present embodiment.
  • a projector that is a projection type image display device includes optical devices 800R, 800G, and 800B, liquid crystal panels 812R, 812G, and 812B, a cross dichroic prism 813, and a projection optical system 814.
  • optical devices 800R, 800G, and 800B are configured by the optical device 700.
  • each of the optical devices 800R, 800G, and 800B generates light having different wavelengths.
  • red light is emitted from the optical device 800R
  • green light is emitted from the optical device 800G
  • blue light is emitted from the optical device 800B.
  • Optical devices 800R, 800G, and 800B change each color light to a predetermined polarization state and guide it to the liquid crystal panels 812R, 812G, and 812B, respectively.
  • the liquid crystal panels 812R, 812G, and 812B correspond to spatial light modulation elements.
  • the liquid crystal panels 812R, 812G, and 812B spatially emit light of each color carrying the image by causing each color light to carry an image by two-dimensionally modulating each incident color light according to a video signal. It is a modulation element.
  • the cross dichroic prism 813 combines and outputs the modulated lights emitted from the liquid crystal panels 812R, 812G, and 812B.
  • the projection optical system 814 projects the combined light emitted from the cross dichroic prism 813 onto the screen 815 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 815.
  • the light use efficiency is reduced because the emission direction is converted into a low etendue state defined in the specific direction. Can be improved.
  • FIG. 10 is a layout diagram illustrating another example of the configuration of the display device according to the eighth embodiment.
  • the projector includes an optical device 900, a liquid crystal panel 912, and a projection optical system 914.
  • the optical device 900 has the same configuration and function as the optical devices 800R, 800G, and 800B described in the eighth embodiment. Accordingly, the optical devices 800R, 800G to 800B are optical devices having the same configuration and function as in the case where there are three light sources in the optical devices 800R, 800G to 800B described in the eighth embodiment.
  • the liquid crystal panel 912 modulates the incident combined light according to the video signal and emits it.
  • the projection optical system 914 projects the modulated light emitted from the liquid crystal panel 912 onto the screen 915 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 915.
  • the liquid crystal panel is used as the spatial light modulation element, but the spatial light modulation element is not limited to the liquid crystal panel and can be changed as appropriate.
  • the projector shown in FIGS. 9 and 10 may use DMD (Digital Micromirror Device: Digital MICROMIROR Device) instead of the liquid crystal panels 812R, 812G, 812B and the liquid crystal panel 912.
  • DMD Digital Micromirror Device: Digital MICROMIROR Device
  • the same effect as that of the eighth embodiment can be obtained. Further, as compared with the eighth embodiment, since the optical device can be made one, the configuration is further simplified. Therefore, the projector can be further downsized.
  • the surface of the display device is configured to be substantially perpendicular to the polarization component in a specific direction such as the + x direction.
  • the optical system can be omitted because the light can be efficiently condensed on the projection optical system without using an optical system such as a mirror or a lens.
  • the above modification only shows the applicability of this invention, and does not add a limitation to this invention.
  • FIG. 11 is a graph showing an example of the operation of the optical element 101 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph illustrating an example of a simulation result of Example 1 performed to confirm the effect of the optical element 101 according to the first embodiment.
  • the simulation is performed for an example of the first embodiment and does not limit the present invention.
  • the horizontal axis of FIG. 11 indicates the emission from the second grating layer 121 in the cover layer 105 when the incident angle to the first grating layer 111 is set to ⁇ c or more and 90 ° or less in the zx plane of the optical element 101.
  • the angle ⁇ 2 is indicated.
  • the vertical axis in FIG. 11 indicates diffraction efficiency normalized with a maximum value of 50%.
  • the solid line indicates the case where the incident light to the first grating layer 111 is P-polarized light
  • the dotted line indicates the case where the incident light to the first grating layer 111 is S-polarized light.
  • the emitted light in the yz plane of the optical element 101 is negligible compared with the amount of emitted light in the zx plane of the optical element 101 within a critical angle at the outer interface of the cover layer 105 and the upper surface of the cover layer 105. The description is omitted.
  • RCWA method Rigorous Coupled Wave Analysis method
  • the light guide layer 102 was made of quartz glass having a refractive index of 1.46.
  • the thickness of the metal periodic structure 103 was 60 nm.
  • the shape of the first lattice layer 111 was a rectangular wave shown in FIG. 2A, and the pitch was 360 nm.
  • the metal periodic structure 104 As the metal periodic structure 104, Ag was used. The thickness of the metal periodic structure 104 was 60 nm. The dielectric constant of Ag was set based on the Drude-Lorentz model.
  • the shape of the second lattice layer 121 was a rectangular wave shown in FIG. 2A, and the pitch was 120 nm.
  • the cover layer 105 was made of quartz glass having a refractive index of 1.46, similar to the light guide layer 102.
  • the outside of the light guide layer 102 and the outside of the cover layer 105 were air having a refractive index of 1.
  • FIG. 11 shows that ⁇ 1st order diffracted light is generated at a diffraction angle of about ⁇ 20.0 deg to about 3.0 deg.
  • zero-order diffracted light that is, transmitted light
  • This diffracted light is a critical angle (about 42 deg) at the interface between the cover layer 105 and the outside of the cover layer 105. )
  • the light is totally reflected at the interface between the cover layer 105 and the outside of the cover layer 105, and is not emitted to the outside of the optical element 101. That is, only the ⁇ 1st order diffracted light is emitted outside the optical element 101.
  • the diffraction angles that are half the peak value are about ⁇ 2.0 deg and about ⁇ 19.0 deg. Therefore, when converted into the angle in the air after passing through the upper surface of the cover layer 105, they are about ⁇ 3.0 deg and about ⁇ 28.0 deg. That is, the full width at half maximum of the P-polarized component in air is about 25.0 deg.
  • a part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
  • (Appendix 1) A first dielectric layer that guides light into the interior; A first lattice layer provided on the first dielectric layer; A second lattice layer provided on the first lattice layer; A second dielectric layer provided on the second lattice layer, The first lattice layer is extended in a first direction in the interface with the first dielectric layer, and in a second direction intersecting the first direction in the interface with the first dielectric layer.
  • the first metal part and the first dielectric part arranged periodically
  • the second lattice layer includes a second metal portion and a second dielectric portion that are extended in the first direction and are periodically arranged in the second direction.
  • An optical element wherein a period of the first periodic structure in the second direction of the first grating layer is larger than a period of the second periodic structure in the second direction of the second grating layer.
  • Appendix 2 The optical element according to appendix 1, wherein the first metal part and the second metal part are metals including any one of Ag, Al, and Au.
  • Appendix 3 The optical element according to appendix 1 or 2, wherein a period of the first periodic structure is 200 nm or more and 600 nm or less.
  • Appendix 4) The optical element according to any one of appendices 1 to 3, wherein a period of the second periodic structure is 200 nm or less.
  • Appendix 5 An incident angle ⁇ 1 of light incident on the first grating layer with respect to the interface between the first grating layer and the first dielectric layer is:
  • n 1 refractive index of the first dielectric part
  • ⁇ d dielectric constant of the first dielectric part
  • ⁇ m dielectric constant of the first metal part
  • ⁇ first periodic structure
  • n 0 Refractive index outside the second dielectric layer
  • n 2 Optical element according to any one of appendices 1 to 5 that satisfies the condition of the refractive index of the second dielectric layer .
  • Appendix 7 The thickness of the first direction of the first lattice layer and the third direction orthogonal to the second direction is 100 nm or less, according to any one of appendices 1 to 6, Optical element.
  • Appendix 8) The optical element according to appendix 7, wherein a thickness of the second lattice layer in the third direction is 100 nm or less.
  • (Appendix 21) The optical element according to any one of appendices 1 to 20, and And at least one light source, The optical device, wherein the light source is arranged so that light emitted from the light source is incident on the optical element.
  • (Appendix 22) The optical element according to any one of appendices 1 to 20, and A plurality of light sources having different wavelengths of emitted light, and The optical device, wherein the light source is arranged so that light emitted from the light source is incident on the optical element.
  • Appendix 24 The optical apparatus according to any one of appendices 21 to 23; And a spatial light modulator that converts light emitted from the optical device into a predetermined polarization state.
  • Appendix 25 25.

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Abstract

エテンデューが高いランダム偏光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光に変換することが可能となる光学素子、光学装置および表示装置を提供することを目的とする。光を内部に導光する第１誘電体層と、第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、第１格子層の上に設けられた第２格子層と、第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、第１格子層は、第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、第１誘電体層との界面内における第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、第２格子層は、第１の方向に延伸され、第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、第１格子層の第２方向における第１の周期構造の周期が、第２格子層の第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きい光学素子、光学装置および表示装置とする。

Description

光学素子、光学装置および表示装置
　本発明は、エテンデューが高いランダム偏光光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光に変換する光学素子、光学装置および表示装置に関する。
　近年、ＬＥＤ（発光ダイオード：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）を光源としたＬＥＤプロジェクタが注目されている。ＬＥＤプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤ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ＬＥＤプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率よく投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角の積の値以下にする必要がある。
　また、上記のＬＥＤプロジェクタでは、液晶パネルなどの偏光依存性を有する変調素子が使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換する必要がある。
　ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術は、特許文献１に開示されている。
　特許文献１に記載の平面光学装置は、図１２に示したように、導光体１０と、導光体１０の下面に設けられた偏光方向変更部材１３と、階段状のマイクロプリズム１４と、反射板６と、導光体１０の上面に設けられた偏光分離膜１１と、偏光分離膜１１の上面に設けられた上面カバー１２によって構成される導光板３を備える。また、偏光分離膜１１は、第１の低屈折率透明媒質と第２の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。
　上記の平面光学装置では、ＬＥＤ２の出射光は、導光体１０に入射され、マイクロプリズム１４にて角度変換されながら導光体１０の内部を伝播する。導光体１０と第１の低屈折率透明媒質との境界である第１の境界において、入射光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって、金属薄膜に表面プラズモンが励起される。金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第２の低屈折率透明媒質と上面カバー１２との境界である第２の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の遷移過程が生じ、その第２の境界で光が発生する。第２の境界で発生した光は、上面カバー１２を介して出射される。
　また、上記の平面光学装置では、第１の境界に入射される光のうち、表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第１の境界に平行なＰ偏光のみである。第２の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるので、表面プラズモンを励起する光と同じＰ偏光となる。したがって、上記の平面光学装置は、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換して出射できる。
特開２００３－２９５１８３号公報
　特許文献１の平面光学装置では、導光体１０内を進行する光は、特定の方向だけではなく、様々な方向に伝播され、第１の境界面内に様々な方向から入射する。その結果、金属薄膜表面の面内において様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第２の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、出射方向を特定の方向に規定されたエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光を得ることが難しいという課題があった。
　本発明の目的は、エテンデューが高いランダム偏光光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光に変換することが可能となる光学素子、光学装置および表示装置を提供することにある。
　本発明は、光を内部に導光する第１誘電体層と、第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、第１格子層の上に設けられた第２格子層と、第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、第１格子層は、第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、第１誘電体層との界面内における第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、第２格子層は、第１の方向に延伸され、第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、第１格子層の第２方向における第１の周期構造の周期が、第２格子層の第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きい光学素子に関する。
　本発明によれば、エテンデューが高いランダム偏光光を、出射方向を特定の方向に規定したエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光に変換することが可能となる。
本発明の第１の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。 本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の周期構造の形状例を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子を模式的に示す側面図である。 本発明の第６の実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の第７の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第８の実施形態の表示装置を模式的に示す上面図である。 本発明の第９の実施形態の表示装置を模式的に示す上面図である。 本発明の実施例１の光学装置の動作の一例を示すグラフである。 特許文献１の平面光学装置の動作を説明する説明図である。
　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。
　［第１の実施形態］
　図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本発明の第１の実施形態に係る光学素子１０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。なお、実際の光学装置では、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。
　光学素子１０１は、導光層１０２と、金属周期構造１０３、１０４と、カバー層１０５とを有する。
　図示しない光源は、導光層１０２の外周部に配置され、導光層１０２にランダム偏光を出射する。光源は、導光層１０２から離れた位置に配置されてもよいし、導光層１０２と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に導光層１０２と接続されてもよい。
　導光層１０２の上面には１次元の凹凸の周期構造が設けられている。図１Ａに示したように、導光層１０２の上面には第１の方向（図１Ａ中のｘ方向）に周期的な段差が形成される。また、一次元の凹凸が有する段差面は、周期構造と交差する第２の方向（図１Ａ中のｙ方向）に延伸される。なお、第１の方向と第２の方向は必ずしも直交する必要はなく、交差しさえすればよい。
　導光層１０２の上面の各凹部には、金属が周期的に設けられている。この周期的に設けられた金属が金属周期構造１０３をなす。
　導光層１０２の上面の各凸部１１２が第１誘電体部に相当し、金属周期構造１０３が第１金属部に相当する。導光層１０２の上面の各凸部１１２および金属周期構造１０３で形成される第１格子層１１１が、第１の周期構造を有する第１格子層に相当する。なお、周期構造の繰返しの最小単位を周期構造の周期とよぶ。また、周期構造の周期を、単に周期またはピッチと記載することがある。
　第１格子層１１１は、後述する導光層１０２内の光のうち、導光層１０２上面の周期構造に対して特定の入射角の光を回折させて透過させ、それ以外の入射角の光を反射する。なお、本発明において、導光層１０２上面の周期構造に入射する光の入射角は、第１格子層１１１と導光層１０２の界面への入射角としてとらえる。
　第１格子層１１１の上面には、下面に１次元の凹凸の周期構造を有するカバー層１０５が設けられている。図１Ａに示したように、凹凸面は、周期構造と交差する第２の方向（図１Ａ中のｙ方向）に延伸され、導光層１０５の下面には第１の方向（図１Ａ中のｘ方向）に向けて周期的な段差が形成される。なお、第１の方向と第２の方向は必ずしも直交する必要はなく、交差しさえすればよい。
　カバー層１０５の下面の各凹部には、金属が周期的に設けられている。この周期的に設けられた金属が金属周期構造１０４をなす。
　カバー層１０５の下面の各凸部１１５が第２誘電体部に相当し、金属周期構造１０４が第２金属部に相当する。カバー層１０５の下面の各凸部１１５および金属周期構造１０４で形成される第２格子層１２１が、第２の周期構造を有する第２格子層に相当する。なお、第１の周期構造と第２の周期構造の周期方向は一致していることが好ましいが、必ずしも互いに平行でなくてもよい。
　第２格子層１２１は、後述する導光層１０２内の光のうち、第１格子層１１１の周期方向と平行な方向に主成分を有し、かつ第１格子層１１１に対して特定の入射角で入射したＰ偏光の光を透過させ、それ以外の光の一部を反射する。
　なお、導光層１０２が第１誘電体層に相当する。また、カバー層１０５が第２誘電体層に相当する。
　本発明の導光層、カバー層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、本発明の実施形態の導光層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
　本発明の金属周期構造は、少なくとも可視光を透過しない材料からなり、金属周期構造に入射した光を反射する。また、後述するように、本発明の実施形態の金属周期構造は、可視光によって、表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。
　導光層１０２は、光源から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。導光層１０２の上面には１次元の周期構造として、ｘ方向に周期を有し、ｙ方向に延伸し、ｚ方向に凹凸を有する構造が形成されている。
　導光層１０２の材料は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。
　なお、導光層１０２の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第２格子層１２１からの透過光の伝播角が、カバー層１０５の上面と空気との界面における臨界角より小さくなる条件を満たせばよい。
　また、導光層１０２の上面の周期構造（第１の周期構造）は、周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下、凹凸の深さ１２０ｎｍ程度以下である。
　本発明の実施形態では、波長領域が４６０～６３０ｎｍ程度の可視光領域の光を想定している。第１の周期構造の周期が６００ｎｍ程度以上になると、高次の回折に起因して複数の出射光が生じてしまう。一方、６００ｎｍ程度以下であれば、１次の回折のみになるため、効率や指向性の低下が起こらない。また、周期の下限値に関しては、使用する光の下限値の半分程度である２００ｎｍよりも大きいことが好ましい。
　なお、導光層１０２の上面の周期構造の周期は、２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第２格子層１２１からの透過光の伝播角が、カバー層１０５の上面と空気との界面における臨界角より小さくなる条件を満たせばよい。また、使用する波長領域によっては、第１の周期構造の周期をその波長領域に合わせて設定すればよい。
　導光層１０２の厚みは、目安として０．５ｍｍ程度であれば問題なく機能する。ただし、導光層１０２の厚みには、特に限定は加えない。
　導光層１０２の形状は、本実施形態では平板状としているが、実際には平板状に限定されるものではなく、楔形状や鋸波形状などでもよい。
　金属周期構造１０３、１０４は、可視光によって表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。例としては、Ａｇ（銀）である。
　なお、金属周期構造１０３の材料は、Ａｇに限定されず、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）でもよい。より詳細には、後述する第２格子層１２１と相互作用して、第１格子層１１１において表面プラズモンを励起すればよい。
　金属周期構造１０３の厚みは、１０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下である。
　また、金属周期構造１０３の厚みは、１０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、第１格子層１１１において、入射光が第１格子層１１１によって回折されて第１格子層１１１に表面プラズモンを励起する程度に厚ければよい。ただし、金属周期構造１０３の厚みは、２００ｎｍ以上になると金属による透過損失の影響が大きくなるため、２００ｎｍ程度以下であることが好ましい。また、金属周期構造１０３の厚みは、後述する第１格子層１１１において励起される表面プラズモンのエネルギーが、金属周期構造１０３の上面に到達する程度に薄ければよい。
　なお、金属周期構造１０４の材料は、Ａｇに限定されず、Ａｌ、Ａｕでもよい。より詳細には、後述する第１格子層１１１と相互作用して、第１格子層１１１において表面プラズモンを励起すればよい。
　また、金属周期構造１０４の厚みは１０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、第１格子層１１１において励起された表面プラズモンから、Ｐ偏光を主成分とする光を透過させ、かつＳ偏光を主成分とする光を反射する程度に厚ければよい。また、金属周期構造１０４は、後述するＰ偏光を主成分とする光を透過させる程度に薄ければよい。
　金属周期構造１０４は、金属周期構造１０３よりも小さい周期構造の周期を有する。そのため、第１格子層１１１の凸部１１２の上には、第２格子層１２１の金属部が存在することになる。その結果、第１格子層１１１における表面プラズモンの第２方向への伝播効率が上がる。なお、第１格子層１１１と第２格子層１２１は、お互いに接触していることが好適である。
　カバー層１０５は、後述する第２格子層１２１から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。カバー層１０５の下面には１次元の周期構造として、ｘ方向に周期を有し、ｙ方向に延伸し、ｚ方向に凹凸を有する構造が形成されている。
　カバー層１０５は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ、ＰＭＭＡなどのアクリル樹脂である。
　なお、カバー層１０５の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第２格子層１２１からの透過光の伝播角が、カバー層１０５の上面と空気との界面における臨界角より小さくなる条件を満たせばよい。
　また、カバー層１０５の下面の周期構造（第２の周期構造）は、周期２００ｎｍ程度以下、凹凸の深さ１２０ｎｍ程度以下である。本発明の実施形態においては、第２の周期構造の周期は、使用する波長域（４６０～６３０ｎｍ）の下限（４６０ｎｍ）の光が回折する限界以下となる２００ｎｍ以下とすることが好ましい。下限に関しては特に限定しないが、金属の原子サイズ以上であればよい。
　なお、カバー層１０５の下面の周期構造の周期は、２００ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第１格子層１１１において励起された表面プラズモンから、Ｐ偏光を主成分とする光を透過させ、かつＳ偏光を主成分とする光を反射する条件を満たせばよい。
　カバー層１０５の厚みは、目安として０．５ｍｍ程度であれば問題なく機能する。ただし、カバー層１０５の厚みには、特に限定は加えない。
　また、光学素子１０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
　第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
　他方、第２石英ガラスの上面を、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
　最後に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。ただし、第１の実施形態の光学素子１０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
　次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
　表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。ここで、真空中における光の角周波数をω、光速をｃとすると真空中における光の波数は、ｋ0＝ω／ｃで表される。表面プラズモンの波数ｋspは、真空中における光の波数ｋ0、金属の誘電率εmおよび誘電体の誘電率εdから式１で決定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　表面プラズモンの角周波数と波数の関係である分散関係が、誘電体中を伝播する光の分散関係と一致する場合、すなわち、誘電体中に存在する特定の波長の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなる場合、その光によって表面プラズモンが励起される。
　しかしながら、平坦な金属と平坦な誘電体との界面のみの場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は一致しない。そのため、光を誘電体から金属に入射しても表面プラズモンは励起されない。したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。
　光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、金属と誘電体との界面に回折格子（グレーティング）を設けるグレーティング結合法が知られている。
　一般に、グレーティング結合法では、回折格子の周期方向に平行な面内において、回折格子に入射角θiで光が入射すると、その回折格子にて回折された光の、回折格子の周期方向に平行な波数成分ｋΛは、誘電体の屈折率ｎ、整数ｍ（回折次数ｍ）、ピッチ（周期構造の周期）Λ、格子ベクトルＫ＝２π／Λを用いて式２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで、回折格子に対して特定の入射角において、ｋSP＝ｋΛとなる場合、つまり表面プラズモンの分散関係と誘電体中の回折光の分散関係とが一致する場合においては、光から誘電体と金属との界面に波数ｋΛを有する表面プラズモンが回折格子の周期方向に平行な方向に励起される。
　ここで、表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。
　したがって、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、第１格子層１１１をｘ方向に周期を有する１次元周期構造とすることで、第１格子層１１１に表面プラズモンを励起できる光を、ｘ方向に電界成分を有し、かつ第１格子層１１１の周期構造に対して特定の入射角度を有するＰ偏光に制限することが可能になる。
　第１格子層１１１の周期構造に対して、ｋ1x＝ｋSPを満足する入射角θ1で光が入射され、第１格子層１１１において表面プラズモンがｘ方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属周期構造１０３における熱損失となり、一部は導光層１０２内の光と結合して回折され、一部は金属周期構造１０４へ到達する。すなわち、式３の条件が満たされる場合、第１格子層１１１において表面プラズモンが励起される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　ただし、ｎ1は導光層１０２の屈折率である。
　第２格子層１２１のピッチは回折を生じさせない程度に小さく、かつ第２格子層１２１の周期方向は第１格子層１１１と平行である。そのため、金属周期構造１０４へ到達した表面プラズモンのエネルギーは、金属周期構造１０４において大部分が吸収または反射されず、金属周期構造１０４を透過する。
　金属周期構造１０４を透過した表面プラズモンのエネルギーは、カバー層１０５内の光と結合して出射される。第２格子層１２１から出射される光の波数ｋ2xは、第１格子層１１１に励起された表面プラズモンの波数成分と平行である。したがって、第２格子層１２１から出射した光は、第１格子層１１１に入射した光と同様に、ｘ方向に電界成分を有し、かつ第２格子層１２１の周期構造に対して特定の出射角θ2であるＰ偏光となる。
　第２格子層１２１から出射角θ2で出射したＰ偏光は、カバー層１０５を伝播し、カバー層１０５の上面に入射角θ3で入射する。本実施形態においては、カバー層１０５は平板状でありθ3＝θ2である。
　一般に、屈折率ｎAの媒質Ａから、媒質Ａと屈折率ｎBの媒質Ｂとの界面へ光が入射する際における臨界角θcは、式４で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　ここで、カバー層１０５の屈折率をｎ2、カバー層１０５の外部の屈折率をｎ0とすると、θ3＜θcを満足してカバー層１０５の上面に入射した光は、カバー層１０５の外部に出射する。すなわち、カバー層１０５が平板状である場合は、式５の条件を満たすことで、カバー層１０５の外部に特定の偏光状態の光が出射される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　また、第１格子層１１１に表面プラズモンを励起しないＰ偏光と、Ｓ偏光の光は、第１格子層１１１および金属周期構造１０４によって回折または鏡面反射され、導光層１０２内において、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光することになる。すなわち、第１格子層１１１に表面プラズモンを励起しないＰ偏光と、Ｓ偏光の光は、カバー層１０５からカバー層１０５の外部へ出射されない。
　また、導光層１０２内のｙｚ面内に存在する光は、金属層１０３によって回折または鏡面反射され、導光層１０２の上面と導光層１０２の下面との間で全反射しながら導光し、導光層１０２の下面から導光層１０２の外部へ出射しない。
　以上のことから、導光層１０２内に存在する光のうち、第１格子層１１１に対して特定の入射角θ1で入射するＰ偏光だけが、表面プラズモンを介して回折され、カバー層１０５から取出される。
　すなわち、第１格子層１１１において、ｘ方向に周期を有する１次元の周期構造が存在することにより、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができる。そのため、特定方向であるｚｘ面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
　なお、ｚｘ方向以外に伝搬する光が第１格子層１１１に様々な角度で入射した場合でも、その光をｚｘ平面に射影した射影光の入射角度が、表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の偏光成分を有する光を得ることができる。その場合、まず、ｘ方向に平行な偏光成分によって、ｘ方向に特定の波数を有する表面プラズモンが第１格子層１１１に励起される。さらに、表面プラズモンの一部が第１格子層１１１の上面に到達し、ｘ方向に特定の偏光成分を有する光として、カバー層１０５から取出される。
　このように、本実施形態では、第１格子層１１１に周期構造を設けることで、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。
　また、第２格子層１２１は、導光層１０２内の光のうち、第１格子層１１１の周期方向と平行な方向に主成分を有し、かつ第１格子層１１１に対して特定の入射角で入射したＰ偏光のみを回折せずに透過させ、それ以外の光の一部を反射する。さらに、第２格子層１２１のピッチは、回折を生じさせない程度に小さい。そのため、第１格子層１１１と第２格子層１２１が共存することによって、角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光をより効率的に得ることができる。
　なお、図２Ａ～Ｄは、本実施形態において、第１格子層１１１における周期構造のｚｘ平面における断面形状の変形例を示す。第１格子層１１１における周期構造には、矩形波状（図２Ａ）、階段状（図２Ｂ）、正弦波状（図２Ｃ）、鋸歯状（図２Ｄ）などの形状を用いることができる。また、矩形波状（図２Ａ）、階段状（図２Ｂ）、正弦波状（図２Ｃ）、鋸歯状（図２Ｄ）などの任意の複数の形状が、前述の周期構造内に混在してもよく、前述の形状以外であっても、本実施形態と同様の効果が得られる形状でありさえすればよい。なお、第２格子層１２１における周期構造のｚｘ平面における断面形状についても、同様の変形例を用いることができる。
　［第２の実施形態］
　図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る光学素子２０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
　光学素子２０１は、導光層２０２と、金属周期構造２０３、２０４と、カバー層２０５と、スペーサ層２０６を有する。また、導光層２０２の上部の凸部２１２と金属周期構造２０３とが第１格子層２１１を形成し、カバー層２０５の下部の凸部２１５と金属周期構造２０４とが第２格子層２２１を形成する。
　図３Ａ及び図３Ｂに示す光学素子２０１は、第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、金属周期構造１０３と金属周期構造１０４との間にスペーサ層２０６を備えている点が異なる。
　スペーサ層２０６は、本発明のスペーサ層に相当する。本発明のスペーサ層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、本発明の実施形態のスペーサ層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
　スペーサ層２０６は、屈折率１以上２以下の屈折率を有する。スペーサ層２０６は、例えばＳｉＯ2である。スペーサ層２０６の厚みは、５０ｎｍ程度以下である。
　なお、スペーサ層２０６は、屈折率１以上２以下に限定されない。また、スペーサ層２０６の厚みは、５０ｎｍ程度以下に限定されない。より詳細には、後述する導光層２０２から第１格子層２１１へ光が入射した際に、第１格子層２１１と第２格子層２２１が相互作用して第１格子層２１１において表面プラズモンを励起する程度に薄ければ良く、後述する第１格子層２１１で励起された表面プラズモンのエネルギーが、第２格子層２２１に到達する程度に薄ければ良い。
　また、光学素子２０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
　第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
　さらに、第１格子層の上面にＳｉＯ2をスパッタ等の蒸着法によって蒸着し、スペーサ層を形成する。
　他方、第２石英ガラスの上面を、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
　最後に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、スペーサ層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。ただし、第２の実施形態の光学素子２０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
　次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。なお、第１の実施形態と重複する部分は説明を省略する。
　第１格子層２１１の周期構造に対して、ｋ1x＝ｋSPを満足する入射角θ1で光が入射され、第１格子層２１１において表面プラズモンがｘ方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属周期構造２０３における熱損失となり、一部は導光層２０２内の光と結合して回折され、一部はスペーサ層２０６へ到達する。スペーサ層２０６は、充分薄いので、表面プラズモンのエネルギーは、スペーサ層２０６を透過して第２格子層２２１へ到達する。
　第２格子層２２１へ到達した表面プラズモンは、第１の実施形態と同様のＰ偏光によって励起される。そのため、第１の実施形態と同様の光が、カバー層２０５の外部に出射される。
　以上のことから、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。
　さらに、本実施形態の光学素子では、第１格子層と第２格子層にスペーサ層を設けることによって、素子を作製する際には、第１格子層と第２格子層との密着性が弱い場合でも機能を得ることができる。そのため、第１の実施形態に比べて密着性の許容度を上げることができる。
　［第３の実施形態］
　図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本発明の第３の実施形態の光学素子３０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
　光学素子３０１は、導光層３０２と、金属周期構造３０３、３０４と、カバー層３０５と、位相変調層３０７とを有する。また、導光層３０２の上部の凸部３１２と金属周期構造３０３とが第１格子層３１１を形成し、カバー層３０５の下部の凸部３１５と金属周期構造３０４とが第２格子層３２１を形成する。
　図４Ａ及び図４Ｂに示す光学素子３０１は、第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、導光層１０２の下面に位相変調層３０７を備えている点で異なる。
　なお、第１格子層３１１と第２格子層３２１との間に、第２の実施形態で示したスペーサ層を有しても良い。
　位相変調層３０７は、本発明の位相変調層に相当する。本発明の位相変調層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。
　位相変調層３０７は、光学軸がｘｙ面内に存在し、透過する光の位相変調層の光学軸に平行な方向の成分と垂直な方向の成分に位相差を与える。
　位相変調層３０７の例としては、λ／４板である。なお、位相変調層３０７は、λ／４板に限定するわけではない。
　また、光学素子３０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
　第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
　他方、第２石英ガラスの上面に、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
　次に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。
　最後に、第１石英ガラスの下面の外部にλ／４板をオプティカルボンディングで設ける。ただし、第３の実施形態の光学素子３０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
　以下に、第３の実施形態の光学素子の動作を説明する。なお、第１の実施形態と同様な動作については説明を省略する。
　第３の実施形態では、導光層３０２内の光は、位相変調層３０７に入射して、直線偏光から円偏光へ変換され、位相変調層３０７の下面に到達する。位相変調層３０７の下面に到達した光は、全反射され再び位相変調層３０７を透過する際に、円偏光から往路と偏光方向が直交する直線偏光へ変換される。その他の動作に関しては、第１の実施形態と同様である。
　したがって、第３の実施形態の光学素子では、第１の実施形態の光学素子で利用できなかった導光層１０２内のＳ偏光の光を、Ｐ偏光に変換して利用できる。
　以上のことから、第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。さらに、第３の実施形態では、位相変調層３０７によって、導光層３０２内の光の偏光状態を変換して導光層３０２へ戻して再利用することで、第１の実施形態の光学素子１０１に比べて光利用効率を上げることができる。
　［第４の実施形態］
　図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ本発明の第４の実施形態に係る光学素子４０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
　光学素子４０１は、導光層４０２と、金属周期構造４０３、４０４と、カバー層４０５と、角度変換層４０８とを有する。また、導光層４０２の上部の凸部４１２と金属周期構造４０３とが第１格子層４１１を形成し、カバー層４０５の下部の凸部４１５と金属周期構造４０４とが第２格子層４２１を形成する。
　図５Ａ及び図５Ｂに示す光学素子４０１は、第１の実施形態の光学素子１０１と比べると、導光層１０２の下面に角度変換層４０８を備えている点が異なっている。
　なお、第１格子層４１１と第２格子層４２１との間に、第２の実施形態で示したスペーサ層を有しても良い。
　角度変換層４０８が、本発明の角度変換層に相当する。本発明の角度変換層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、本発明の実施形態の角度変換層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
　角度変換層４０８は、入射した光の伝播角度を少なくともｘ方向成分に関して変換する。
　角度変換層４０８の例としては、ｘ方向に周期性を有し、ｙ方向に延伸する複数のプリズムである。なお、角度変換層４０８の他の例は、ｙ方向に延伸する一つのプリズムである。角度変換層４０８の屈折率は導光層４０２の屈折率と等しい。なお、角度変換層４０８の屈折率は特に制限されない。
　また、光学素子４０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
　第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
　他方、第２石英ガラスの上面に、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
　次に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。
　最後に、第１石英ガラスの下面の外部に角度変換層４０８をオプティカルボンディングで設ける。ただし、第４の実施形態の光学素子４０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
　以下に、第４の実施形態の光学素子の動作を説明する。なお、第１の実施形態と同様な動作については説明を省略する。
　第４の実施形態では、導光層４０２および角度変換層４０８内において多重反射する光は、角度変換層４０８の下面で全反射される際に角度が変換される。その他の動作に関しては、第１の実施形態と同様である。
　以上のことから、第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。さらに、第４の実施形態では、角度変換層４０８は、第１格子層４１１においてプラズモン励起条件を満足しない角度変換層４０８の外部へ出射しない光の角度を変換して導光層４０２へ戻して再利用することで、第１の実施形態の光学素子１０１に比べて光利用効率を上げることができる。
　［第５の実施形態］
　図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ本発明の第５の実施形態の光学素子５０１を模式的に示す斜視図及び側面図である。
　光学素子５０１は、導光層５０２と、金属周期構造５０３、５０４と、カバー層５０５と、位相変換層５０７と、角度変換層５０８とを有する。また、導光層５０２の上部の凸部５１２と金属周期構造５０３とが第１格子層５１１を形成し、カバー層５０５の下部の凸部５１５と金属周期構造５０４とが第２格子層５２１を形成する。
　図６及び図６Ｂに示す光学素子５０１は、第３の実施形態の光学素子３０１と比べると、位相変調層３０７の下面に第４の実施形態の角度変換層４０８を備えている点が異なっている。
　なお、第１格子層５１１と第２格子層５２１との間に、第２の実施形態で示したスペーサ層を有しても良い。
　また、光学素子５０１は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
　第１石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第１格子層を形成する。
　他方、第２石英ガラスの上面に、第１石英ガラスと同様、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で周期２００ｎｍ程度以下の１次元凹凸構造を形成する。その１次元凹凸構造の上に、接合層としてのＴｉをスパッタ等の蒸着法で形成した後、スパッタ等の蒸着法でＡｇを形成する。続いて、Ａｇを形成した側から研磨し、石英ガラスを露出させることで、石英ガラスとＡｇとが交互に周期的に設けられた第２格子層を形成する。
　次に、第１石英ガラスと第２石英ガラスの、第１格子層と第２格子層を有する面同士を合わせて、オプティカルボンディング等の方法で接合する。
　最後に、第１石英ガラスの下面の外部に位相変調層５０７、角度変換層５０８をオプティカルボンディングで設ける。ただし、第５の実施形態の光学素子５０１の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
　なお、Ｔｉは石英ガラスとＡｇの密着性を向上させるためのバッファー層であり、本実施形態の光学素子において必須の構成ではない。
　第５の実施形態の動作は、第３の実施形態および第４の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
　第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。さらに、第５の実施形態では、位相変調層５０７および角度変換層５０８は、角度変換層５０８の外部へ出射しない光の偏光状態および角度を変換して導光層５０２へ戻して再利用することができる。そのため、第３の実施形態の光学素子３０１に比べて光利用効率を上げることができる。
　［第６の実施形態］
　図７は、本発明の第６の実施形態の光学素子６０１を模式的に示す斜視図である。
　光学素子６０１は、第１～５の実施形態の光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１のいずれかの構成に加えて、図示しない光源から光が入射される入射領域である入射口６１０と、光の出射面を除いた外壁面（つまり、光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１の側面）とに反射部６０９を追加したものである。また、入射口６１０と、光の出射面を除いた外壁面と、反射部６０９との間に誘電体層を挿入しても良い。
　反射部６０９は、光学素子６０１の側面から光が出射されることを抑制することができるので、光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１と比べて光利用効率を上げることができる。
　なお、反射部６０９は、入射口６１０を除いた側面の全てに設けられていてもよいし、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。また、反射部６０９は、光を拡散反射する拡散反射体であってもよいし、鋸形状であってもよく、その形状は限定しない。
　反射部６０９は、反射層に相当する。誘電体層は第３誘電体層に相当する。
　反射部６０９は、可視光を反射する材料で構成される。反射部６０９の材料の例としては、Ａｇ、Ａｌである。但し、反射部６０９の材料はＡｇ、Ａｌに限定されない。
　誘電体層は、可視光を透過する材料で構成される。誘電体層の例は、空気、光学ゲル、光学接着剤である。但し、誘電体層は空気、光学ゲル、光学接着剤に限定されない。
　第６の実施形態の光学素子６０１を用いることによって、第１～５の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第６の実施形態では、反射手段が外壁面などに設けられているため、側面から光が漏れることを抑制できる。そのため、第１～５の実施形態に比べて光利用効率を上げることができる。
　以下の第７の実施形態においては、第１～６の実施形態の光学素子を用いた光学装置について説明する。
　［第７の実施形態］
　本実施形態では、第１～６の実施形態で説明した光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１のいずれかを備えた光学装置について説明する。
　図８は、本実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。
　光学装置７００は、第１～６の実施形態の光学素子１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１の構成に加えて、光源７１１を追加したものである。
　光源７１１は、導光層の外周部に配置され、入射口７１０を通じて、光学素子の導光層にランダム偏光を出射する。光源７１１は、導光層から離れた位置に配置されても良いし、導光層と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に導光層と接続されてもよい。
　なお、光源７１１からの光は、導光層の側方に設けた入射口７１０から入射させることが好ましい。
　光源７１１としては、例えばＬＥＤを用いることができる。ただし、光源７１１については限定を加えず、ランダム偏光を放射することができるものであればかまわない。
　本実施形態において、光源は、一つに限定されず、複数配置されてもよく、複数の光源がそれぞれ異なる波長の光を出射してもよい。より詳細には、複数の光源の波長が、金属表面において表面プラズモンを励起する程度に異なってもよい。
　本実施形態の光学装置によれば、光源から出射されたランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際に、出射方向を特定の方向に規定したエテンデューの低い状態に変換して出射することができる。そのため、光利用効率の高い光学装置を提供することができる。
　以下の第８および第９の実施形態においては、第７の実施形態の光学装置を用いた表示装置について説明する。
　［第８の実施形態］
　本実施形態では、第７の実施形態で説明した光学装置７００を備えた表示装置であるプロジェクタについて説明する。
　図９は、本実施形態の表示装置の構成の一例を示す配置図である。図９において、投射型画像表示装置であるプロジェクタは、光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂと、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂと、クロスダイクロイックプリズム８１３と、投射光学系８１４とを備える。
　光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂが光学装置７００で構成される。
　光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂのそれぞれは、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光学装置８００Ｒから赤色光が出射され、光学装置８００Ｇから緑色光が出射され、光学装置８００Ｂから青色光が出射されるものとする。
　光学装置８００Ｒ、８００Ｇおよび８００Ｂは、各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂのそれぞれに導く。なお、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂは、空間光変調素子に相当する。
　液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を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８１３は、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇおよび８１２Ｂ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８１４は、クロスダイクロイックプリズム８１３から出射された合成光をスクリーン８１５へ投射して、スクリーン８１５上に映像信号に応じた画像を表示する。
　第８の実施形態のプロジェクタにおいては、光源から出射されたランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際に、出射方向を特定の方向に規定したエテンデューの低い状態に変換するため、光利用効率を向上することができる。
　［第９の実施形態］
　図１０は、第８の実施形態の表示装置の構成の別の例を示す配置図である。図１０において、プロジェクタは、光学装置９００と、液晶パネル９１２と、投射光学系９１４とを備える。
　光学装置９００は、第８の実施形態で説明した光学装置８００Ｒ、８００Ｇないし８００Ｂと同じ構成・機能を有する。したがって、光学装置８００Ｒ、８００Ｇないし８００Ｂは、第８の実施形態で説明した光学装置８００Ｒ、８００Ｇないし８００Ｂにおける光源が３つの場合と同じ構成・機能を有する光学装置である。
　液晶パネル９１２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。
　投射光学系９１４は、液晶パネル９１２から出射された変調光をスクリーン９１５へ投射して、スクリーン９１５上に映像信号に応じた映像を表示する。
　なお、第８、９の実施形態では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、空間光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図９および図１０で示したプロジェクタでは、液晶パネル８１２Ｒ、８１２Ｇ、８１２Ｂおよび液晶パネル９１２の代わりに、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：Ｄｉｇｉｔａｌ　ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いてもよい。
　第９の実施形態のプロジェクタにおいては、第８の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第８の実施形態と比較すると、光学装置を一つにすることができるため、より構成が簡単となる。そのため、プロジェクタをさらに小型化することが可能となる。
　また、第８または第９の実施形態の表示装置の変形例として、以下のような構成をしてもよい。例えば、表示装置の面を、＋ｘ方向などの特定の方向の偏光成分に対してほぼ垂直になるように構成する。このようにすると、ミラーやレンズなどの光学系を用いなくても投射光学系に効率よく集光することができるため、光学系を省略できる。なお、以上の変形例は、本発明の適用可能性を示すのみであり、本発明に限定を加えるものではない。
　［実施例１］
　以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図１１は、本発明の実施例１の光学素子１０１の動作の一例を示すグラフである。図１１は、第１の実施形態の光学素子１０１の効果を確認するために行った、実施例１のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第１の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
　図１１の横軸は、光学素子１０１のｚｘ面内において、第１格子層１１１へ入射角を、θc以上９０°以下とした際の、カバー層１０５内における第２格子層１２１からの出射角θ2を示す。図１１の縦軸は、最大値５０％で規格化した回折効率（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。
　図１１において、実線は第１格子層１１１への入射光をＰ偏光とした場合、点線は第１格子層１１１への入射光をＳ偏光とした場合を示す。なお、光学素子１０１のｙｚ面内における出射光は、カバー層１０５の上面とカバー層１０５の外部界面における臨界角内には、光学素子１０１のｚｘ面内の出射光量に比べて、無視できる程度に小さいので、説明を省略する。なお、シミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｗａｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ法）を用いた。
　実施例１のシミュレーションにおいて、導光層１０２は、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。
　金属周期構造１０３としては、Ａｇを用いた。金属周期構造１０３の厚みは６０ｎｍとした。
　第１格子層１１１の形状は、図２Ａに示す矩形波状とし、ピッチを３６０ｎｍとした。
　金属周期構造１０４としては、Ａｇを用いた。金属周期構造１０４の厚みは６０ｎｍとした。なお、Ａｇの誘電率はドルーデ・ローレンツモデルに基づいて設定した。
　第２格子層１２１の形状は、図２Ａに示す矩形波状とし、ピッチを１２０ｎｍとした。
　カバー層１０５は、導光層１０２と同様、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。
　導光層１０２の外部、およびカバー層１０５の外部を屈折率１の空気とした。
　図１１から、回折角約－２０．０ｄｅｇから約３．０ｄｅｇにおいて、－１次の回折光が生じていることが判る。なお、回折角約４２．０ｄｅｇ以上において、０次の回折光（つまり透過光）が生じているが、この回折光は、カバー層１０５とカバー層１０５の外部との界面における臨界角（約４２ｄｅｇ）以上であるので、カバー層１０５とカバー層１０５の外部との界面で全反射され、光学素子１０１の外部へは出射しない。つまり、光学素子１０１の外部へ出射するのは、－１次の回折光のみである。
　ここで、－１次の回折光のＰ偏光成分のカバー層１０５内における回折効率について、ピーク値の半分の値となる回折角は約－２．０ｄｅｇと約－１９．０ｄｅｇである。したがって、カバー層１０５の上面を透過後の空気中の角度に換算すると、約－３．０ｄｅｇと約－２８．０ｄｅｇである。つまり、Ｐ偏光成分の空気中の半値全幅は約２５．０ｄｅｇである。
　したがって、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅（４５ｄｅｇ）に比べて、本実施形態において高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。また、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が５倍以上大きいため、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
　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。
　上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
　光を内部に導光する第１誘電体層と、
　前記第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、
　前記第１格子層の上に設けられた第２格子層と、
　前記第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
　前記第１格子層は、前記第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、
　前記第２格子層は、前記第１の方向に延伸され、前記第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、
　前記第１格子層の前記第２方向における第１の周期構造の周期が、前記第２格子層の前記第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きいことを特徴とする光学素子。
（付記２）
　前記第１金属部および前記第２金属部は、Ａｇ、ＡｌおよびＡｕのうちいずれか１つを含む金属であることを特徴とする付記１に記載の光学素子。
（付記３）
　前記第１の周期構造の周期が２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
（付記４）
　前記第２の周期構造の周期が２００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記５）
　前記第１格子層に入射する光の前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面に対する入射角θ1が、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　ただし、
　ｎ1：第１誘電体部の屈折率
　εd：第１誘電体部の誘電率
　εm：第１金属部の誘電率
　ｍ：整数
　ｋ0：真空中の光の波数
　Λ：第１周期構造の周期
なる関係式を満たすように構成したことを特徴とする付記１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記６）
　前記第２格子層から出射する光の前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面に対する出射角θ2が、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　ただし、
　ｎ0：第２の誘電体層の外部の屈折率
　ｎ2：第２誘電体層の屈折率
なる式の条件を満たすことを特徴とする付記１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記７）
　前記第１格子層の前記第１の方向および前記第２の方向と直交する第３の方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記８）
　前記第２格子層の前記第３の方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記７に記載の光学素子。
（付記９）
　前記第１格子層および前記第１誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面の一部が矩形波状となることを特徴とする、付記１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１０）
　前記第１格子層および前記第１誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面の一部が階段断面状となることを特徴とする、付記１乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１１）
　前記第１格子層および前記第１誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面の一部が正弦波状となることを特徴とする、付記１乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１２）
　前記第２格子層および前記第２誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面の一部が矩形波状となることを特徴とする、付記１乃至１１のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１３）
　前記第２格子層および前記第２誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面の一部が階段断面状となることを特徴とする、付記１乃至１２のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１４）
　前記第２格子層および前記第２誘電体層を前記第１の方向に対して垂直に切断した断面において、前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面の一部が正弦波状となることを特徴とする、付記１乃至１３のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１５）
　前記第１格子層と前記第２格子層との間にスペーサ層を備える、付記１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１６）
　前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に位相変調層を備える付記１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１７）
　前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に角度変換層を備える付記１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記１８）
　前記位相変調層の前記第１誘電体層と面する側とは反対側の面上に角度変換層を備える付記１６に記載の光学素子。
（付記１９）
　前記第１誘電体層に光が入射する入射面および前記第２誘電体層の、前記第２誘電体層から前記第２誘電体層の外部へ光が出射する出射面を除いた少なくとも１つの面に反射層を備える、付記１乃至１８のいずれか一項に記載の光学素子。
（付記２０）
　前記入射面および前記第２誘電体層の前記出射面を除いた少なくとも１つの面と、
前記反射層との間に第３誘電体層を備える、付記１９に記載の光学素子。
（付記２１）
　付記１乃至２０のいずれか一項に記載の光学素子と、
　少なくとも１つの光源と、を備え、
　前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子に入射するように配置されていることを特徴とする光学装置。
（付記２２）
　付記１乃至２０のいずれか一項に記載の光学素子と、
　放射する光の波長が互いに異なる複数の光源と、を備え、
　前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子に入射するように配置されていることを特徴とする光学装置。
（付記２３）
　前記光源は、前記光源から放射される光が前記第１誘電体層の側面から入射するように配置されている付記２１または２２に記載の光学装置。
（付記２４）
　付記２１乃至２３のいずれか一項に記載の光学装置と、
　前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器と、を有する表示装置。
（付記２５）
　前記空間光変調素子が液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする付記２４に記載の表示装置。
　この出願は、２０１２年７月１０日に出願された日本出願特願２０１２－１５４８８１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。
　１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１　　光学素子
　１０２、２０２、３０２、４０２、５０２　　導光層
　１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４　　金属周期構造
　１０５、２０５、３０５、４０５、５０５　　カバー層
　１１１、２１１、３１１、４１１、５１１　　第１格子層
　１１２、２１２、３１２、４１２、５１２　　凸部
　１１５、２１５、３１５、４１５、５１５　　凸部
　１２１、２２１、３２１、４２１、５２１　　第２格子層
　２０６　　スペーサ層
　３０７、５０７　　位相変調層
　４０８、５０８　　角度変換層
　６０９　　反射部
　６１０　　入射口
　７００、８００Ｒ、８００Ｇ、８００Ｂ、９００　　光学装置
　７１０　　入射口
　７１１　　光源
　８１２Ｒ、８１２Ｇ、８１２Ｂ、９１２　　液晶パネル
　８１３　　クロスダイクロイックプリズム
　８１４、９１４　　投射光学系
　８１５、９１５　　スクリーン

Claims (10)

  1. 　光を内部に導光する第１誘電体層と、
    　前記第１誘電体層の上に設けられた第１格子層と、
    　前記第１格子層の上に設けられた第２格子層と、
    　前記第２格子層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
    　前記第１格子層は、前記第１誘電体層との界面内における第１の方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１の方向と交差する第２の方向に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部からなり、
    　前記第２格子層は、前記第１の方向に延伸され、前記第２の方向に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部からなり、
    　前記第１格子層の前記第２方向における第１の周期構造の周期が、前記第２格子層の前記第２方向における第２の周期構造の周期よりも大きいことを特徴とする光学素子。
  2. 　前記第１の周期構造の周期が２００ｎｍ以上６００ｎｍ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. 　前記第２の周期構造の周期が２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 　前記第１格子層に入射する光の前記第１格子層と前記第１誘電体層との界面に対する入射角θ1が、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
    　ただし、
    　ｎ1：第１誘電体部の屈折率
    　εd：第１誘電体部の誘電率
    　εm：第１金属部の誘電率
    　ｍ：整数
    　ｋ0：真空中の光の波数
    　Λ：第１周期構造の周期
    なる関係式を満たすように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
  5. 　前記第２格子層から出射する光の前記第２格子層と前記第２誘電体層との界面に対する出射角θ2が、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
    　ただし、
    　ｎ0：第２の誘電体層の外部の屈折率
    　ｎ2：第２誘電体層の屈折率
    なる式の条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
  6. 　前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に位相変調層を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
  7. 　前記第１誘電体層の前記第１格子層が設けられた側とは反対側の面上に角度変換層を備える請求項６に記載の光学素子。
  8. 　前記第１誘電体層に光が入射する入射面および前記第２誘電体層の、前記第２誘電体層から前記第２誘電体層の外部へ光が出射する出射面を除いた少なくとも１つの面に反射層を備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子と、
    　少なくとも１つの光源と、を備え、
    　前記光源は、前記光源から放射される光が前記光学素子に入射するように配置されていることを特徴とする光学装置。
  10. 　請求項９に記載の光学装置と、
    　前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器と、を有する表示装置。
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