JP5463947B2 - 偏光素子及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、偏光素子及びプロジェクターに関するものである。

近年、偏光分離機能を有する光学素子として、ワイヤーグリッド偏光素子が知られている。このワイヤーグリッド偏光素子は、ガラス基板などの透明基板の上にナノスケールのワイヤー部（金属細線）を敷き詰めて形成されてなるものである。ワイヤーグリッド偏光素子は、偏光分離性能が高いことに加え、無機材料から構成されるため、有機材料から構成される偏光素子と比較して耐熱性にも優れるという特徴がある。このため、種々の光学系において、従来の高分子を素材とした偏光分離素子に替えてワイヤーグリッド偏光素子を用いることが検討されている。具体的には、高出力の光源からの光に曝される液晶プロジェクターのライトバルブ用の偏光素子として好適に用いられ、ライトバルブの前後（光入射側、光出射側の少なくとも一方）に配置される。

ところで、ライトバルブの光出射側においては、不要偏光を吸収する機能が求められる。これは、不要偏光がライトバルブの光出射側において反射されると、この反射光が再度ライトバルブに入射してトランジスタの温度上昇を引き起こし、階調を狂わせたり、迷光となって画質を低下させたりするなどの問題が懸念されることによる。

そこで、不要偏光を吸収する機能を備えた吸収型のワイヤーグリッド偏光素子が各種検討されている。例えば、特許文献１では、基板に光反射性を有する第１グレーティング層が形成された偏光素子に光吸収性を有する第２グレーティング層（吸収層）を付加することにより、不要偏光を選択的に吸収している。
一方、特許文献２では、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、光透過性基板の表面に入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ状に配列された光反射体と、を有する偏光素子が提案されている。これにより、不要な偏光成分を正反射させることなく角度をつけて反射させ、迷光の発生を抑制している。

特開２００５−３７９００号公報 特開２００６−１３３２７５号公報

しかしながら、特許文献１では、偏光素子の形成に加えて吸収層の成膜が必要であり、素子の構造も複雑となるので、製造コストが高くなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、さらに素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能な偏光素子及びプロジェクターを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の偏光素子は、基板と、前記基板に配列された複数のグリッド部とを備え、前記グリッド部は、金属細線と、該金属細線の上に設けられた複数の凸部と複数の凹部とを有してなり、前記凸部及び凹部は、該グリッド部の長手方向に入射光の波長よりも短い周期で交互に配列され、前記凸部の配列周期が隣り合う前記グリッド部どうしで異なっていることを特徴とする。

この構成によれば、金属細線に入射光の波長よりも短い周期で凸部が配列された共鳴格子構造とすることにより、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させ、偏光素子に入射する特定波長の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができる。具体的には、上述した共鳴格子構造に直線偏光ＴＥが入射すると、エバネッセント光が発生する。このエバネッセント光を用いると、この波数と表面プラズモンの波数とを一致させることができ、表面プラズモンを励起することができる。この表面プラズモンの励起のために入射光のエネルギーが消費されるので、光入射方向への反射を抑制することができる。したがって、不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することが可能な偏光素子を提供できる。また、特許文献１のように吸収層を設ける必要がないので、素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能となる。

また、本発明では凸部の配列周期が隣り合うグリッド部同士で異なっているので、グリッド部ごとに吸収可能な直線偏光ＴＥの波長が異なり、その結果、吸収可能な直線偏光の波長範囲が大幅に拡大することになる。よって、広い波長範囲で反射率を下げることができるので、プロジェクターなどに適用する場合にその設計マージンが拡がり、より利用し易い偏光素子が得られる。

また、上記偏光素子は、同一の前記グリッド部に設けられた前記凸部と前記凹部との長さが等しいことが好ましい。

この構成によれば、同一のグリッド部に設けられた凸部と凹部との長さが等しくなっているため作製しやすい。また、各グリッド部毎に表面プラズモンが励起されやすくなるので、入射光のエネルギーが消費され、光入射方向への反射を十分に抑制することができる。

また、上記偏光素子は、前記凸部が第１の周期で配列された第１の前記グリッド部と、前記凸部が第２の周期で配列された第２の前記グリッド部と、を有するグリッド群が前記基板上に複数設けられ、前記グリッド部の配列方向における前記グリッド群の幅が前記入射光の波長よりも小さいが好ましい。

この構成によれば、吸収可能な直線偏光の波長範囲を隣り合うグリッド部どうしで異ならせることができる。また、凸部の配列周期を入射光に応じて設定することが可能となる。また、凸部の配列周期を予め数種類に決めておくことにより、素子設計が容易になるとともに作製しやすい。

また、上記偏光素子は、前記凸部の配列周期が異なる複数種類のグリッド部が前記基板上に不規則に配列されていることが好ましい。

この構成によれば、入射光の波長に応じて、凸部の配列周期が異なる複数種類のグリッド部を基板上に不規則に配列するという設計を適宜行うことにより、良好な光学特性を有する偏光素子とすることができる。

また、上記偏光素子は、前記凹部に対する前記凸部の突出高さが隣り合う前記グリッド部どうしで異なることが好ましい。

この構成によれば、隣り合うグリッド部どうしで凹部に対する凸部の突出高さが異なるので、良好な光学特性を有する偏光素子とすることができる。

また、上記偏光素子は、前記基板と平行かつ前記金属細線の長手方向と垂直な方向から見たとき、前記金属細線、前記凸部及び前記凹部が矩形形状になっていてもよい。

この構成によれば、前記基板と平行かつ前記金属細線の長手方向と垂直な方向から見たとき、前記金属細線、前記凸部及び前記凹部が矩形形状になっているため作製しやすい。具体的には、基板上に金属膜を形成し、レジストパターンをマスクにして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による異方性エッチングを行うことで容易に作製できる。したがって、生産効率を向上させて低コスト化を図ることが可能となる。

本発明のプロジェクターは、光を射出する照明光学系と、前記光を変調する液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブで変調された光が入射する前述した本発明の偏光素子と、前記偏光素子を透過した偏光光を被投射面に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上述した本発明に係る偏光素子を備えているので、高出力の光源を用いても偏光素子の劣化が抑えられる。そのため、階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、低コスト化を図ることが可能なプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態における偏光素子の概略構成を示す斜視図である。 （ａ）偏光素子の概略構成を示す平面図、（ｂ）偏光素子の概略構成を示す部分断面図である。 ＳＰＲによる電場増強の機構を示す図である。 偏光素子に入射する光の偏光分離を示す模式図である。 第１実施形態における偏光素子の作製プロセスを示す図である。 第１実施形態の反射特性を示すグラフである。 （ａ）第２実施形態における偏光素子の概略構成を示す平面図、（ｂ）第２実施形態における偏光素子の概略構成を示す部分断面図である。 第２実施形態の反射特性を示すグラフである。 プロジェクターの一例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

なお、以下の説明においてはＸＹＺ座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。この際、水平面内における所定の方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの直交する方向をＺ軸方向とする。

（第１実施形態の偏光素子）
図１は、本発明に係る偏光素子の概略構成を示す斜視図である。図２（ａ）は、偏光素子の概略構成を示す平面図、図２（ｂ）は、偏光素子の概略構成を示す部分断面図である。
図２において、符号Ｐ１は金属細線の周期、符号Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３は凸部の周期、符号Ｈ１は金属細線の高さ、符号Ｈ２は凸部の高さである。また、金属細線の延在方向をＹ軸方向とし、金属細線の配列軸をＸ軸方向としている。

図１に示すように、偏光素子１は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して不要偏光を吸収する構造となっている。この偏光素子１は、基板１０上に複数のグリッド部１４が配列された構成となっている。なお、ＳＰＲの詳細については後述する。

基板１０は、例えばガラスや石英など、透光性を有し耐熱性の高い材料が形成材料として用いられる。本実施形態では、基板１０としてガラス基板を用いる。

グリッド部１４は、基板１０の面内に平行な方向（金属細線の延在方向）に光の波長よりも短い周期Ｐ１で複数配列されていて、基板１０の面内に垂直な方向（Ｚ軸方向）から視て互いの延在方向を平行にしたストライプ状（平面視ストライプ状）になっている。
グリッド部１４は、基板１０上に形成された金属細線１１と、該金属細線１１上に形成された複数の凸部１２と複数の凹部１３とを有してなり、これら凸部１２及び凹部１３が金属細線１１の長さ方向に周期的に配列されている。

金属細線１１は長手方向（金属細線の延在方向）に光の波長よりも十分長く、基板１０の上面１０ａに所定の高さＨ１で形成されている。金属細線１１、凸部１２及び凹部１３は、少なくとも金属細線の延在方向と垂直な方向から視て矩形状になっている。

金属細線１１は、例えば周期Ｐ１が１４０ｎｍ程度に設定され、高さＨ１が１５０ｎｍ程度に設定されている。金属細線１１の高さＨ１とは、基板１０の上面１０ａから金属細線１１の上面１１ａまでの距離である。金属細線１１の周期Ｐ１とは、金属細線の配列軸方向における金属細線１１の幅Ｗ１と、隣り合う金属細線１１の間のスペースの幅Ｗ２とを足し合わせたものである。

また、金属細線の配列軸方向における金属細線１１の幅Ｗ１と、金属細線１１間のスペースの幅Ｗ２との比率は略１：１に設定されている。

凸部１２及び凹部１３は、金属細線１１の上面１１ａに所定の周期で配置されるとともに所定の高さＨ２及び所定の深さで形成されている。凹部１３に対する凸部１２の突出高さＨ２は、金属細線１１の高さＨ１よりも小さくなっている（Ｈ２＜Ｈ１）。凸部１２の高さＨ２とは、金属細線１１の上面１１ａから凸部１２の上面１２ａまでの距離であって、凹部１３の深さと等しい。本実施形態では、凸部１２の高さＨ２（すなわち凹部１３の深さ）が２５ｎｍ程度に設定されている。
また、この凸部１２は、側面視矩形形状、平面視矩形形状とされ、金属細線１１の長手方向（金属細線の延在方向）に光の波長よりも短い周期で配列されている。

また、同一の金属細線１１上に形成された凸部１２の長さＬ１と凹部１３の長さＬ２は互いに等しい長さとなっており、金属細線１１の長手方向（Ｙ軸方向）に所定の周期で複数ずつ配列されている。

一方、隣り合う金属細線１１上に形成された凸部１２及び凹部１３の長さとは異なっている。これに伴い、凸部１２（凹部１３）の配列周期においても隣り合う金属細線１１どうしで異なっている。

つまり、金属細線１１の長手方向における凸部１２の長さＬ１と、金属細線１１の長手方向で隣り合う２つの凸部１２の間に形成される凹部１３の長さＬ２とが、図２（ａ）に示すように、隣り合うグリッド部１４（１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ）上の凸部１２の長さ及び凹部１３の長さとそれぞれ異なっている。

具体的には、図２（ａ），（ｂ）に示すように、グリッド部１４Ａの凸部１２の長さＬ１ａ（凹部１３の長さＬ２ａ）と、グリッド部１４Ｂの凸部１２の長さＬ１ｂ（凹部１３の長さＬ２ｂ）と、グリッド部１４Ｃの凸部１２の長さＬ１ｃ（凹部１３の長さＬ２ｃ）とがそれぞれ異なっており、Ｌ１ａ＜Ｌ１ｂ＜Ｌ１ｃ、Ｌ２ａ＜Ｌ２ｂ＜Ｌ２ｃの関係となっている。

本実施形態においては、金属細線１１上での凸部１２及び凹部１３の配列周期が互いに異なる３本のグリッド部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃによってグリッド群Ｇ１が構成されている。具体的には、金属細線１１Ａ上に配置された複数の凸部１２Ａ（凹部１３Ａ）が第１の周期Ｐ１１で配置され、金属細線１１Ｂ上に配置された複数の凸部１２Ｂ（凹部１３Ｂ）が第２の周期Ｐ１２で配置され、金属細線１１Ｃ上に配置された複数の凸部１２Ｃ（凹部１３Ｃ）が第３の周期Ｐ１３で配置されている。

ここで、第１の周期Ｐ１１は４５０ｎｍ、第２の周期Ｐ１２は５００ｎｍ、第３の周期Ｐ１３は５５０ｎｍに設定されている。
なお、各周期Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３は、各金属細線１１上に形成された金属細線の延在方向における凸部１２の長さＬ１と、隣り合う凸部１２の間の凹部１３の長さＬ２とをそれぞれ足し合わせたものである。

また、グリッド部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの配列方向におけるグリッド群Ｇ１の幅Ｗ３（グリッド部１４Ｂを挟んでその両側に配置されたグリッド部１４Ａとグリッド部１４Ｃとの外側端部同士の間隔）が、入射光の波長よりも小さい幅に設定されている。
本実施形態の偏光素子１は、このようなグリッド群Ｇ１が基板１０上に複数設けられることで構成されている。複数のグリッド群Ｇ１どうしの間隔は、金属細線１１間のスペースの幅Ｗ２（図１）に等しい。

このように、隣り合う金属細線１１上における凸部１２（凹部１３）の配列周期を異ならせるとともに、各金属細線１１を高さＨ１に設定し、凸部１２を高さＨ２に設定することにより、ＳＰＲを発現させるための素子構造とすることができる。

本実施形態では、凸部１２及び凹部１３の長さが小さいグリッド部１４Ａから順にグリッド部１４Ｂ，グリッド部１４Ｃと配置されているが、隣り合うグリッド部１４の凸部１２及び凹部１３どうしの長さが異なっていれば、凸部１２及び凹部１３の長さ順に配置されていなくてもよい。

金属細線１１、凸部１２の形成材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、もしくはこれらの合金が用いられる。本実施形態では、金属細線１１、凸部１２の形成材料としてＡｌを用いる。

このように、基板１０の形成材料としてガラスを用い、金属細線１１、凸部１２の形成材料としてＡｌを用いることにより、偏光素子１全体としての耐熱性を高めることができる。

ここで、図３を用いてＳＰＲについて説明する。図３は、ＳＰＲによる電場増強の機構を示す図である。図３に示すように、金属（誘電率Ｅｂ）と例えば空気等の誘電体（誘電率Ｅａ）と間の界面を考える。

金属内部には自由電子が存在しており、誘電体側から金属表面に光が入射すると、ある条件下で自由電子の疎密波（表面プラズモン）を励起することができる。この条件下では、金属表面に入射する光のエネルギーは表面プラズモンの励起に消費される。その結果、金属表面で反射する光のエネルギーは低下する。

空気中を伝播する光を平坦な金属表面に入射させた場合、表面プラズモンを励起することができない。これは、いずれの入射角であっても、入射光が持つ界面方向の波数が、表面プラズモンの波数以下となり、一致しないためである。表面プラズモンを励起するためには金属表面に回折格子を用いる手法が知られている。具体的には、回折格子に光を入射させた場合、発生するエバネッセント波の波数は、入射光の波数に、回折格子の波数が加わるため、表面プラズモンの波数以上にできるためである。なお、表面プラズモンは界面方向における電子の疎密波である。したがって、表面プラズモンを励起することができるのは、回折格子に対して直交する偏光成分のみである。

図４は、偏光素子１に入射する光の偏光分離を示す模式図である。図４（ａ）は、偏光素子１に金属細線１１の長手方向と直交する方向に振動する直線偏光ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）が入射する場合を示している。図４（ｂ）は、偏光素子１に金属細線１１の長手方向に振動する直線偏光ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）が入射する場合を示している。

図４（ａ）に示すように、偏光素子１への入射光２０は、各金属細線１１の長手方向（Ｙ軸方向）と直交する偏光軸を有する成分ｓ（ＴＭ偏光成分）を有している。すると、入射光２０の偏光軸ｓは共鳴格子に対して平行になる。
このため、上述した原理によりエバネッセント波が発生せず、表面プラズモンを励起することができない。

したがって、偏光素子１に直線偏光ＴＭが入射する場合は、表面プラズモン共鳴は発現しない。つまり、偏光素子１は、入射光２０に対して偏光分離機能のみがはたらく。このため、入射光２０のほとんどは偏光素子１を透過することになる。

図４（ｂ）に示すように、偏光素子１への入射光３０は、各金属細線１１の長手方向（Ｙ軸方向）と平行な偏光軸を有する成分ｐ（ＴＥ偏光成分）を有している。すると、入射光３０の偏光軸ｐは共鳴格子に対して直交する。このため、上述した原理により、表面プラズモン４０を励起することができる。

したがって、偏光素子１に直線偏光ＴＥが入射する場合は、表面プラズモン共鳴が発現する。このため、入射光３０のエネルギーは表面プラズモン４０の励起に費やされる。本来、偏光軸ｐを有する入射光３０に対して偏光分離機能がはたらき、入射光３０のほとんどは反射されるが、本発明の構造では表面プラズモン４０の励起のために入射光３０のエネルギーが消費される。これにより、反射光が減少することになる。つまり、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させることで、偏光素子１に入射する直線偏光ＴＥを選択的に吸収することができる。

本発明では、上述したように、基板１０の上面に金属細線１１を形成し、凸部１２を金属細線１１の上面１１ａに金属細線１１の長手方向に光の波長よりも短い周期Ｐ２で形成することにより、ＳＰＲを発現させる構造になっている。これにより、特許文献１のように吸収層を設けることなく、直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することが可能になっている。

図５は、偏光素子の作製プロセスを示す図である。先ず、ガラス基板１００の上にＡｌ膜１１０を蒸着やスパッタ等の方法で形成する。次に、Ａｌ膜１１０の上にレジストをスピンコート等の方法で塗布し、２光束干渉露光等の方法でレジストパターン１２０を形成する（図５（ａ）参照）。このとき、レジストパターン１２０は周期Ｐａ（金属細線の周期に相当）が１４０ｎｍ程度になるように形成する。なお、レジストパターン１２０の形成方法としてはこれに限らない。例えば、ナノインプリント等の転写を用いることもできる。

次に、レジストパターン１２０をマスクとして、塩素系のガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行う。これによりＡｌ膜１１０をガラス基板１００の上面が露出するまで異方性エッチングする。その後、レジストパターン１２０を除去することにより金属細線１１１を形成する（図５（ｂ）参照）。

次に、金属細線１１１が形成されたガラス基板１００の上にレジスト１３０をスピンコート等の方法で塗布する（図５（ｃ）参照）。次に、フォトリソグラフィ等の方法により、周期Ｐｂ（凸部の周期に相当）が５００ｎｍ程度のレジストパターン１３１を形成する（図５（ｄ）参照）。

次に、このレジストパターン１３１をマスクにして、ＲＩＥにより金属細線１１１の露出した部分を選択的にエッチングする。金属細線１１１のエッチング量はエッチング時間によって制御される。その後、レジストパターン１３１を除去することで、レジストパターン１３１によって覆われていた部分に凸部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが形成され、エッチングされた部分に凹部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが形成される（図５（ｅ）参照）。以上の工程により、本発明に係る偏光素子１が製造できる。

本発明の偏光素子１によれば、金属細線１１の上面１１ａに入射光の波長よりも短い周期Ｐ２で凸部１２及び凹部１３が配列され、金属細線１１の長手方向における凸部１２（凹部１３）の配列周期が隣り合う金属細線１１どうしで異なる共鳴格子構造とすることにより、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させ、偏光素子１に入射する特定波長の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるとともに、吸収可能な偏光の波長の範囲を広げることが可能となる。

具体的には、本実施形態の偏光素子１の反射率曲線は図６に概略を示すような形状となる。図６に本実施形態の偏光素子の反射特性を示す。同図において、横軸は入射光の波長、縦軸はＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）である。

図６には、共鳴格子の深さ（凸部の高さ）が２５ｎｍであり、凸部の配列周期が互いに異なる３種類の共鳴格子（配列周期Ｐａが４５０ｎｍ、配列周期Ｐｂが５００ｎｍ、配列周期Ｐｃが５５０ｎｍ）におけるそれぞれの反射特性が示されている。
配列周期Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃの異なる各共鳴格子それぞれにおいて、ＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）が所定の波長付近で大きな反射率の低下が認められる。これら反射率の低下は、表面プラズモンの励起に入射光のエネルギーが費やされたことにより生じたものと考えられる。

また、図６より、配列周期Ｐａ，Ｐｂ，ＰｃによってＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）が基準値（一点鎖線で示す）よりも低下する帯域が異なっていることがわかる。つまり、凸部の配列周期に応じて共鳴波長の帯域が変化している。
凸部の高さが２５ｎｍ、凸部の配列周期が５００ｎｍの共鳴格子における反射特性の曲線Ｏを基準とすると、凸部の配列周期が４５０ｎｍと小さくなると共鳴波長の帯域も短波長側にシフトし、凸部の配列周期が５００ｎｍと大きくなると共鳴波長の帯域が長波長側にシフトする。

よって、これら配列周期Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃをなす３本のグリッド部を混在させた共鳴格子は、図６中の実線Ａで示す反射特性となり、単一の配列周期のグリッド部を備えた共鳴格子の反射帯域（１）に比べると、短波長から長波長まで広い範囲の帯域（２）の周波数の反射光を吸収することが可能である。
これにより、共鳴波長は、共鳴格子の凸部の配列周期によって変化するものと考えられる。

上述した本実施形態の共鳴格子構造に直線偏光ＴＥが入射すると、エバネッセント光が発生する。このエバネッセント光を用いると、この波数と表面プラズモンの波数とを一致させることができ、表面プラズモンを励起することができる。この表面プラズモンの励起のために入射光のエネルギーが消費されるので、光入射方向への反射を抑制することができる。

したがって、不要偏光を選択的に吸収することで階調に優れ、高画質の表示を実現することが可能な偏光素子１が提供できる。また、特許文献１のように吸収層を設ける必要がないので、素子構造を簡略化し低コスト化を図ることが可能となる。

また、この構成によれば、金属細線１１、凸部１２が側面視矩形形状になっているため作製しやすい。具体的には、基板上に金属膜を形成し、レジストパターンをマスクにしてＲＩＥによる異方性エッチングを行うことで容易に作製できる。したがって、生産効率を向上させて低コスト化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、金属細線１１の幅Ｗ１と金属細線１１間のスペースの幅Ｗ２との比率が略１：１に設定されている構造を示したが、これに限らない。例えば、金属細線１１の幅Ｗ１と金属細線１１間のスペースの幅Ｗ２との比率が異なるように設定されていてもよい。

また、本実施形態では、金属細線１１上に形成された凸部１２と凹部１３との配列周期が隣り合う金属細線１１同士で異なっているので、金属細線１１ごとに吸収可能な直線偏光ＴＥの波長が異なり、その結果、吸収可能な直線偏光の波長範囲が大幅に拡大することになる。よって、広い波長範囲で反射率を下げることができるので、後述するプロジェクターに適用する場合にその設計マージンが拡がり、より利用し易い偏光素子１が得られる。

また、凸部１２と凹部１３との配列周期が異なる３種類のグリッド部１４を１グループとしグリッド群Ｇ１として配列させることにより、素子設計が容易になるとともに作製しやすい。

また、本実施形態では、金属細線１１の上面１１ａに凸部１２及び凹部１３が交互に配列されている例を示したが、これに限らない。例えば、金属細線１１の側面など金属細線１１の少なくとも一面に凸部１２及び凹部１３が配列されていてもよい。このような構成であっても、表面プラズモンを励起することができる。

また、本実施形態では、凸部１２の長さ順にグリッド部１４が配列されているが、隣り合うグリッド部１４の凸部１２どうしの長さが異なっていれば、凸部１２の長さ順に配置されていなくてもよい。例えば、凸部１２の配列周期が異なる複数種類のグリッド部１４が基板１０上に不規則に配列されていてもよい。

（第２実施形態の偏光素子）
次に、第２実施形態の偏光素子について述べる。図７（ａ）は、第２実施形態における偏光素子の概略構成を示す平面図、図７（ｂ）は、第２実施形態における偏光素子の概略構成を示す部分断面図である。
先の実施形態では、凸部の高さ（凹部の深さ）が所定の高さ（２５ｎｍ程度）に設定されている構造を示したが、本実施形態では、凸部２２の高さＨ（凹部２３の深さ）が入射光の波長に応じてグリッド部２４ごとに設定されていてもよい。

図７（ａ）に示すように、本実施形態の偏光素子２は、基板１０（図１）と、基板１０上にストライプ状に配列された複数のグリッド部２４とを有してなり、これら複数のグリッド部２４が入射する光の波長よりも短い周期で配列されている。

先の実施形態と同様に、グリッド部２４を構成する金属細線１１上には凸部２２が所定の周期で複数配列されており、凸部２２（凹部２３）の配列周期が隣り合うグリッド部２４どうしで異なっている。ここで、本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、隣り合うグリッド部２４どうしの凸部２２の高さ（凹部２３の深さ）は一定ではなくそれぞれ異なっている。

本実施形態においては、金属細線１１上に設けられた凸部２２及び凹部２３の配列周期が互いに異なる３本のグリッド部２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃによってグリッド群Ｇ２が構成されている。具体的には、金属細線１１Ａ上に配置された複数の凸部２２Ａ（凹部２３Ａ）が第１の周期Ｐ１１で配置され、金属細線１１Ｂ上に配置された複数の凸部２２Ｂ（凹部２３Ｂ）が第２の周期Ｐ１２で配置され、金属細線１１Ｃ上に配置された複数の凸部２２Ｃ（凹部２３Ｃ）が第３の周期Ｐ１３で配置されている。各周期Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３の具体的な数値については先の実施形態で述べたとおりである。

図７（ｂ）に示すように、本実施形態では隣り合うグリッド部２４における凸部２２の高さＨ３（凹部２３の深さ）が互いに異なっている。金属細線１１Ａ上に配列された凸部２２Ａの高さＨ３（２３Ａの深さ）は２０ｎｍ、金属細線１１Ｂ上に配列された凸部２２Ｂの高さＨ４は２５ｎｍ、金属細線１１Ｃ上に配列された凸部２２Ｃの高さＨ５は３０ｎｍである。

また、グリッド部２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの配列方向におけるグリッド群Ｇ２の幅Ｗ４は、入射光の波長よりも小さい幅に設定されている。さらに、隣り合うグリッド群Ｇ２との間には、金属細線１１間のスペースの幅Ｗ２（図１）と等しい幅のスペースが設けられている。

この構成によれば、金属細線１１上に形成された凸部２２の配列周期と、凹部２３に対する凸部２２の突出高さが隣り合うグリッド部２４どおしで異なる構成とされている。
入射光の波長によって凸部２２の高さ（凹部２３の深さ）を異ならせることによって、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発現させ、偏光素子２に入射する特定波長の直線偏光ＴＥ（不要偏光）を選択的に吸収することができるとともに、吸収可能な偏光の波長の範囲を広げることが可能となる。

具体的には、本実施形態の偏光素子２の反射率曲線は図８に概略を示すような形状となる。図８に本実施形態の偏光素子の反射特性を示す。同図において、横軸は入射光の波長、縦軸はＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）である。

図８には、共鳴格子の各グリッド部の凸部の配列周期が５００ｎｍであり、各グリッド部の凸部の高さが互いに異なる３種類の共鳴格子（高さＨａが２０ｎｍ、高さＨｂが２５ｎｍ、高さＨｃが３０ｎｍ）におけるそれぞれの反射特性を示している。

図８より、本実施例においても、凸部の高さＨａ，Ｈｂ，ＨｃによってＴＥ光に対する反射率（Ｒｃ）が最も低下する帯域が異なっていることがわかる。つまり、凸部の突出高さに応じて共鳴波長の帯域が変化している。

凸部の配列周期が凸部の配列周期が５００ｎｍ、高さが２５ｎｍの共鳴格子における反射特性の曲線Ｑを基準とすると、凸部の高さが２０ｎｍと低くなると共鳴波長の帯域も短波長側にシフトし、凸部の高さが３０ｎｍと高くなると共鳴波長の帯域が長波長側にシフトする。

よって、凸部の高さが異なる３本のグリッド部を備える共鳴格子においても、凸部の高さが一定とされたグリッド部のみを備えた共鳴格子に比べると、短波長から長波長まで広い範囲の帯域の周波数の反射光を吸収することが可能である。
これにより、共鳴波長は、共鳴格子の深さ（凸部の高さ）によって変化するものと考えられる。

（プロジェクター）
図９は、本発明に係る偏光素子を備えたプロジェクターの一例を示す模式図である。

図９に示すように、プロジェクター８００は、光源８１０、ダイクロイックミラー８１３、８１４、反射ミラー８１５、８１６、８１７、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９、射出レンズ８２０、光変調部８２２、８２３、８２４、クロスダイクロイックプリズム８２５、投射レンズ８２６、を有している。

光源８１０は、メタルハライド等のランプ８１１とランプの光を反射するリフレクタ８１２とからなる。なお、光源８１０としては、メタルハライド以外にも超高圧水銀ランプ、フラッシュ水銀ランプ、高圧水銀ランプ、Ｄｅｅｐ ＵＶランプ、キセノンランプ、キセノンフラッシュランプ等を用いることも可能である。

ダイクロイックミラー８１３は、光源８１０からの白色光に含まれる赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー８１７で反射されて、赤色光用の光変調部８２２に入射される。また、ダイクロイックミラー８１３で反射された青色光と緑色光のうち、緑色光は、ダイクロイックミラー８１４によって反射され、緑色光用光変調部８２３に入射される。青色光は、ダイクロイックミラー８１４を透過し、長い光路による光損失を防ぐために設けられた入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９及び射出レンズ８２０を含むリレー光学系８２１を介して、青色光が光変調部８２４に入射される。

光変調部８２２〜８２４は、液晶ライトバルブ８３０を挟んで両側に、入射側偏光素子８４０と射出側偏光素子部８５０と、が配置されている。入射側偏光素子８４０と射出側偏光素子部８５０とは、互いの透過軸が直交して（クロスニコル配置）配置されている。

入射側偏光素子８４０は反射型の偏光素子であり、透過軸と直交する振動方向の光を反射させる。

一方、射出側偏光素子部８５０は、第１偏光素子（プリ偏光板、プリポラライザー）８５２と、第２偏光素子８５４と、を有している。第１偏光素子８５２には、耐熱性が高い、上述した本発明の偏光素子を用いる。また、第２偏光素子８５４は、有機材料を形成材料とする偏光素子である。射出側偏光素子部８５０は、いずれも吸収型の偏光素子であり、偏光素子８５２，８５４が協働して光を吸収している。

一般に、有機材料で形成される吸収型の偏光素子は、熱により劣化しやすいことから、高い輝度が必要な大出力のプロジェクターの偏光手段として用いる事が困難である。しかし、本発明のプロジェクター８００では、第２偏光素子８５４と液晶ライトバルブ８３０との間に、耐熱性の高い無機材料で形成された第１偏光素子８５２を配置しており、偏光素子８５２，８５４が協働して光を吸収している。そのため、有機材料で形成される第２偏光素子８５４の劣化が抑えられる。

また、各第１偏光素子８５２は、光変調部８２２〜８２４で変調する光を効率的に透過すべく、光変調部８２２〜８２４で変調する光の波長に対応して第１偏光素子８５２が有する金属細線の上面の凸部の高さを変更している。したがって、効率的な光利用が可能となっている。

各光変調部８２２〜８２４により変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム８２５に入射する。このクロスダイクロイックプリズム８２５は４つの直角プリズムを貼り合わせたものであり、その界面には赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とがＸ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ８２６によってスクリーン８２７上に投射され、画像が拡大されて表示される。

以上のような構成のプロジェクター８００は、射出側偏光素子部８５０に、上述した本発明の偏光素子を用いることとしているため、高出力の光源を用いても偏光素子の劣化が抑えられる。そのため、階調に優れ、高画質の表示を実現することができ、低コスト化を図ることが可能なプロジェクター８００を提供することができる。

１，２…偏光素子、１０…基板、１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ），２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）…凸部、１３（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ），２３（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ）…凹部、１２ａ…凸部の上面、１４（１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ），２４（２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ）…グリッド部、Ｇ１，Ｇ２…グリッド群、８００…プロジェクター、８１０…光源（照明光学系）、８２６…投射レンズ（投射光学系）、８３０…液晶ライトバルブ、８５２…第１偏光素子（偏光素子）、Ｈ２…凸部の高さ（金属細線から凸部の上面までの距離）、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３…凸部の周期

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板に配列された複数のグリッド部とを備え、
   前記グリッド部は、金属細線と、該金属細線の上に設けられた複数の凸部と複数の凹部とを有してなり、
   前記凸部及び凹部は、該グリッド部の長手方向に入射光の波長よりも短い周期で交互に配列され、
   前記凸部の配列周期が隣り合う前記グリッド部どうしで異なっていることを特徴とする偏光素子。
2. 同一の前記グリッド部が有する前記凸部と前記凹部との長さが等しいことを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
3. 前記凸部が第１の周期で配列された第１の前記グリッド部と、前記凸部が第２の周期で配列された第２の前記グリッド部と、を有するグリッド群が前記基板上に複数設けられ、
   前記グリッド部の配列方向における前記グリッド群の幅が前記入射光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の偏光素子。
4. 前記凸部の配列周期が異なる複数種類のグリッド部が前記基板上に不規則に配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光素子。
5. 前記凹部に対する前記凸部の突出高さが隣り合う前記グリッド部どうしで異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光素子。
6. 前記基板と平行かつ前記金属細線の長手方向と垂直な方向から見たとき、
   前記金属細線、前記凸部及び前記凹部が矩形形状になっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の偏光素子。
7. 光を射出する照明光学系と、
   前記光を変調する液晶ライトバルブと、
   前記液晶ライトバルブで変調された光が入射する請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏光素子と、
   前記偏光素子を透過した偏光光を被投射面に投射する投射光学系と、
   を備えることを特徴とするプロジェクター。

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