特許 6047051 光学素子および光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6047051

(24)【登録日】2016年11月25日

(45)【発行日】2016年12月21日

(54)【発明の名称】光学素子および光学装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20161212BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20161212BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20161212BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/30

   G03B21/14 Z

   G03B21/00 E

【請求項の数】9

【全頁数】42

(21)【出願番号】特願2013-70266(P2013-70266)

(22)【出願日】2013年3月28日

(65)【公開番号】特開2014-194452(P2014-194452A)

(43)【公開日】2014年10月9日

【審査請求日】2015年8月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005810

【氏名又は名称】日立マクセル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080001

【弁理士】

【氏名又は名称】筒井 大和

(72)【発明者】

【氏名】峯邑 浩行

(72)【発明者】

【氏名】安齋 由美子

【審査官】 加藤 昌伸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０６０７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１８３７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１４８３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２３４７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

偏光フィルタとして機能する光学素子であって、
（ａ）入射される電磁波に対して透光性を有する基板、
（ｂ）前記基板の主面上に形成された複数の金属ワイヤであって、第１方向に第１周期間隔で配置され、かつ、前記第１方向と直交する第２方向にそれぞれ延在する前記複数の金属ワイヤ、
を備え、
前記複数の金属ワイヤのうち、少なくとも一部の金属ワイヤには、前記第２方向に第２周期間隔で複数の間隙が形成されており、
前記電磁波の波長をλとし、前記基板の屈折率をｎとした場合、
前記複数の間隙の前記第２周期間隔は、λ／ｎ以上であり、
前記複数の間隙が形成されている金属ワイヤをスプリットワイヤとし、
前記複数の間隙が形成されていない金属ワイヤをストレートワイヤとした場合、
第１スプリットワイヤと、前記第１スプリットワイヤと隣り合う第２スプリットワイヤとの間に前記ストレートワイヤが配置されている、光学素子。

【請求項2】

請求項１に記載の光学素子において、
前記第２周期間隔をΛとし、前記複数の間隙の前記第２方向の幅をＳとした場合、
１％≦Ｓ／Λ≦１０％の関係を満たす、光学素子。

【請求項3】

請求項１に記載の光学素子において、
前記第１スプリットワイヤと前記第２スプリットワイヤとの間には、１本の前記ストレートワイヤが配置されている、光学素子。

【請求項4】

請求項３に記載の光学素子において、
前記第１スプリットワイヤと前記第２スプリットワイヤとの前記第１方向における第３周期間隔は、前記第１周期間隔の２倍であり、
前記第３周期間隔は、λ／ｎよりも大きい、光学素子。

【請求項5】

請求項１に記載の光学素子において、
前記第１スプリットワイヤと前記第２スプリットワイヤとの間には、複数の前記ストレートワイヤが配置されている、光学素子。

【請求項6】

請求項５に記載の光学素子において、
前記第１スプリットワイヤと隣り合う第１ストレートワイヤと、前記第１ストレートワイヤとは反対側で前記第１スプリットワイヤと隣り合う第２ストレートワイヤとの間の第３周期間隔は、前記第１周期間隔の２倍であり、
前記第３周期間隔は、λ／ｎよりも大きい、光学素子。

【請求項7】

請求項５に記載の光学素子において、
前記第１スプリットワイヤと前記第２スプリットワイヤとの前記第１方向におけるスキップ周期間隔は、前記第１周期間隔の１０倍以下である、光学素子。

【請求項8】

請求項１に記載の光学素子において、
前記第１周期間隔は、λ／ｎよりも小さく、
前記第２周期間隔は、λ／ｎ以上であり、２×λ／ｎ以下である、光学素子。

【請求項9】

（ａ）光源、
（ｂ）前記光源から射出される光から特定の偏光光を選択透過する第１偏光素子、
（ｃ）前記第１偏光素子から射出された前記偏光光を入射し、前記偏光光の偏光方向を変化させる液晶パネル、
（ｄ）前記液晶パネルを透過することによって偏光方向が変化した前記偏光光を入射する第２偏光素子、
（ｅ）前記第２偏光素子から射出された前記偏光光を入射して画像を投影する投影レンズ、
を備え、
前記第１偏光素子および前記第２偏光素子は、
偏光フィルタとして機能する光学素子であって、
入射される電磁波に対して透光性を有する基板と、
前記基板の主面上に形成された複数の金属ワイヤであって、第１方向に第１周期間隔で配置され、かつ、前記第１方向と直交する第２方向にそれぞれ延在する前記複数の金属ワイヤと、
を有し、
前記複数の金属ワイヤのうち、少なくとも一部の金属ワイヤには、前記第２方向に第２周期間隔で複数の間隙が形成されており、
前記電磁波の波長をλとし、前記基板の屈折率をｎとした場合、
前記複数の間隙の前記第２周期間隔は、λ／ｎ以上であり、
前記複数の間隙が形成されている金属ワイヤをスプリットワイヤとし、
前記複数の間隙が形成されていない金属ワイヤをストレートワイヤとした場合、第１スプリットワイヤと、前記第１スプリットワイヤと隣り合う第２スプリットワイヤとの間に前記ストレートワイヤが配置されている、光学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学素子および光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１（H.Tamada,et al .,”Al wire-grid polarizer using the s-polarization resonance”,Opt.Lett.22,6,pp.419-421(1997)）、および、特表２００３−５０８８１３号公報（特許文献１）には、透光性を有する基板上に金属ワイヤ構造を有するワイヤグリッド素子からなる偏光素子（偏光フィルタ）に関する技術が記載されている。

【0003】

特表２０１０−５３０９９５号公報（特許文献２）には、透光性を有する基板上に金属、透明誘電体、光吸収体、透明誘電体からなるワイヤ構造を有し、偏光光の反射を選択的に抑制するワイヤグリッド素子に関する技術が記載されている。

【0004】

特開２０１１−１２３４７４号公報（特許文献３）には、透光性を有する基板上に金属ワイヤ構造を有するワイヤグリッド素子を形成し、かつ、金属ワイヤ構造の上端に周期的な凸形状を形成することにより、不要な偏光光を選択的に吸収する機能を付加した偏光素子に関する技術が記載されている。

【0005】

特開２００９−１０４０７４号公報（特許文献４）には、ガラス層内に金属を、いわゆるチェッカーフラッグ状に配置することにより、１つの偏光光を別の偏光光に変換する光学素子に関する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２００３−５０８８１３号公報

【特許文献2】特表２０１０−５３０９９５号公報

【特許文献3】特開２０１１−１２３４７４号公報

【特許文献4】特開２００９−１０４０７４号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】H.Tamada,et al.,”Al wire-grid polarizer using the s-polarization resonance”,Opt.Lett.22,6,pp.419-421(1997)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

光学装置は広く一般に普及しており、例えば、液晶プロジェクタ、ディスプレイ、光ピックアップ、光センサ等には、光を制御する光学素子が多く用いられている。そして、これらの装置の高機能化に伴い、光学素子においても高機能化、高付加価値化、低コスト化が求められている。

【0009】

こうした光学装置の代表的な一例として、液晶プロジェクタがある。この液晶プロジェクタは、光源から射出された光束から特定の偏光光を選択透過させる第１偏光素子と、第１偏光素子から偏光光を入射し、入射した偏光光の偏光方向を画像情報に応じて変化させる液晶パネルと、液晶パネルによって偏光方向が変化した偏光光を入射する第２偏光素子を備える。そして、液晶プロジェクタでは、上述した第２偏光素子から射出された偏光光を投影レンズに入射させることによって、光学像（画像光）を形成し、この画像光をスクリーンなどに投影して画像表示を行っている。このように液晶プロジェクタでは、液晶パネルを挟むように第１偏光素子と第２偏光素子が配置されていることになる。すなわち、液晶パネルの入射側と出射側にはそれぞれ特定の偏光を選択透過する機能を有する偏光素子（偏光フィルタ）が配置されていることになる。

【0010】

近年、液晶プロジェクタの小型化、および、投影画像の高輝度化のために、液晶パネル上の光密度が高まっており、これに対応した偏光素子として熱・光耐性に優れるものが望まれている。この点において、例えば、無機材料で構成されるワイヤグリッド素子が偏光素子として適していると言える。

【0011】

上述した非特許文献１には、ワイヤグリッド素子の定義が次のように記載されている。「A wire grid is a simple one-dimensional metal grating and is quite promising as a microminiaturized polarization component in the field of integrated optics」。すなわち、ワイヤグリッド素子は、簡素な１次元の金属グレーティングである。

【0012】

ここで、例えば、液晶プロジェクタに代表される光学装置（画像投影装置）の画質を向上させるという意味において、偏光素子の主要性能の１つである特定の偏光（以下、ｐ偏光という）と、これに直交する偏光（以下、ｓ偏光という）の選択性能、すなわち、透過率の比の向上が望まれている。なお、本明細書では、ｐ偏光の透過率をＴｐ、ｓ偏光の透過率をＴｓとし、偏光選択性の性能指標として、偏光コントラスト比（Ｔｐ／Ｔｓ）（消光比とも呼ばれる）を使用することにする。この場合、偏光コントラスト比が高いほど、偏光選択性に優れた偏光素子ということができる。

【0013】

上述したように、ワイヤグリッド素子は、透光性を有する基板上に直線状の金属ワイヤを等周期で配置したものである。ワイヤグリッド素子においては、金属ワイヤの周期や形状によって性能が変化するが，それらには制約条件が課されている。例えば、金属ワイヤの周期にはレイリー共鳴現象によって上限値が存在することが知られている。具体的な一例としては、上述した特許文献１の段落〔００３６〕に記載されているように、使用波長が４５０ｎｍの場合、金属ワイヤの周期は約２１０ｎｍ以下にしなければならない。そして、ワイヤグリッド素子において、性能指標であるＴｐと偏光コントラスト比は、金属ワイヤの幅や高さに対してトレードオフの関係になっている。このことから、ワイヤグリッド素子の金属ワイヤの幅は周期（ピッチ）の１／３程度に設計され、かつ、金属ワイヤの高さは１５０ｎｍ程度に設計されることが一般的である。

【0014】

上述した金属ワイヤの形状制限、および、金属ワイヤを配置する周期の制限によって、ワイヤグリッド素子の設計条件を大きく変えることは困難である。したがって、例えば、液晶プロジェクタに代表される光学装置の画質を向上するために、偏光素子の偏光コントラスト比を向上しようとしても、ワイヤグリッド素子の金属ワイヤ構造を維持した状態のままでは、現状からの性能向上を図ることが難しいという課題がある。

【0015】

本発明の目的は、例えば、偏光素子に代表される光学素子の性能向上を図ることができる技術を提供することにある。また、偏光素子に代表される光学素子の性能向上を図ることにより、光学素子を使用する光学装置の性能向上を図ることにある。

【0016】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0017】

一実施の形態における光学素子は、偏光フィルタとして機能する光学素子であって、（ａ）入射される電磁波に対して透光性を有する基板と、（ｂ）前記基板の主面上に形成された複数の金属ワイヤであって、第１方向に第１周期間隔で配置され、かつ、前記第１方向と直交する第２方向にそれぞれ延在する前記複数の金属ワイヤと、を備える。そして、この光学素子において、複数の金属ワイヤのうち、少なくとも一部の金属ワイヤには、第２方向に第２周期間隔で複数の間隙が形成されている。このとき、電磁波の波長をλとし、基板の屈折率をｎとした場合、複数の間隙の第２周期間隔は、λ／ｎ以上である。

【0018】

また、一実施の形態における光学装置は、（ａ）光源と、（ｂ）前記光源から射出される光から特定の偏光光を選択透過する第１偏光素子と、（ｃ）第１偏光素子から射出された偏光光を入射し、この偏光光の偏光方向を変化させる液晶パネルと、を備える。さらに、この光学装置は、（ｄ）液晶パネルを透過することによって偏光方向が変化した偏光光を入射する第２偏光素子と、（ｅ）第２偏光素子から射出された偏光光を入射して画像を投影する投影レンズと、を備える。ここで、第１偏光素子および第２偏光素子は、偏光フィルタとして機能する光学素子であって、入射される電磁波に対して透光性を有する基板と、基板の主面上に形成された複数の金属ワイヤであって、第１方向に第１周期間隔で配置され、かつ、第１方向と直交する第２方向にそれぞれ延在する前記複数の金属ワイヤと、を有する。そして、複数の金属ワイヤのうち、少なくとも一部の金属ワイヤには、第２方向に第２周期間隔で複数の間隙が形成されている。このとき、電磁波の波長をλとし、基板の屈折率をｎとした場合、複数の間隙の前記第２周期間隔は、λ／ｎ以上である。

【発明の効果】

【0019】

一実施の形態によれば、例えば、偏光素子に代表される光学素子の性能向上を図ることができる。また、偏光素子に代表される光学素子の性能向上を図ることにより、光学素子を使用する光学装置の性能向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】ワイヤグリッド素子の断面を示すＴＥＭ像である。

【図2】金属細線構造からなるワイヤグリッド素子の模式的構成を示す斜視図である。

【図3】ｐ偏光光がワイヤグリッド素子を透過するメカニズムを説明するための図である。

【図4】ｓ偏光光がワイヤグリッド素子で反射するメカニズムを説明するための図である。

【図5】ワイヤグリッド素子の透過率の波長依存性を示す測定結果と計算結果を示す図である。

【図6】ＦＤＴＤ計算方法を使用し、垂直入射光に関して、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐとの光学性能の関係を計算した結果である。

【図7】ＦＤＴＤ計算方法を使用し、垂直入射光に関して、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐとの光学性能の関係を計算した結果である。

【図8】実施の形態１における偏光素子の外観構成を示す斜視図である。

【図9】実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子に形成されている複数のスプリットワイヤの平面構成を示す図である。

【図10】ワイヤグリッド素子の光波に対する等価回路を示す図である。

【図11】実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の光波に対する等価回路を示す図である。

【図12】実施の形態１における共鳴現象を模式的に示す図である。

【図13】（ａ）は、スプリットワイヤの高さとｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、スプリットワイヤの高さと偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図14】実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子について、ｙ方向の周期と偏光コントラスト比の関係を示すシミュレーション結果を示すグラフである。

【図15】（ａ）は、間隙とｐ偏光光の透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、間隙と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図16】間隙がｘ方向に整列した構造を有するスプリットワイヤ素子を示す摸式図である。

【図17】（ａ）は、間隙とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、間隙と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図18】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図19】実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の平面構成を示す平面図である。

【図20】実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図21】図２０に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図22】図２１に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図23】図２２に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図24】図２３に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図25】図２４に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図26】図２５に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図27】図２６に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図28】図２７に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図29】図２８に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図30】図２９に続くスプリットワイヤ素子の製造工程を示す断面図である。

【図31】ｙ方向に周期構造を有する光学素子の入射光に対する等価回路を示す図である。

【図32】（ａ）は、共鳴現象におけるＱ値が大きい場合の例を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の場合に比べて、共鳴現象におけるＱ値が小さい場合の例を示す模式図である。

【図33】実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の構成を示す平面図である。

【図34】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図35】ｘ方向に傾いた入射角を説明する図である。

【図36】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図37】ｙ方向に傾いた入射角を説明する図である。

【図38】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図39】（ａ）は、実施の形態２に対応して、共鳴現象におけるＱ値が中程度の場合の例を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の場合に比べて、さらに共鳴現象におけるＱ値が小さい場合の例を示す模式図である。

【図40】実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の構成を示す平面図である。

【図41】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図42】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図43】（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。

【図44】液晶プロジェクタへの応用を前提にして、回折光の影響を摸式的に示す図である。

【図45】スプリットワイヤを配置するスキップ周期と垂直入射光に対する回折角の関係を示すグラフである。

【図46】実施の形態３のスプリットワイヤ素子において、入射角と、１次透過回折光を含む透過光の透過率との関係を示すシミュレーション結果である。

【図47】実施の形態４における液晶プロジェクタの光学系を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。

【0022】

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

【0023】

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。

【0024】

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。

【0025】

また、実施の形態で用いる図面において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

【0026】

以下、本明細書の説明においては、透光性を有する基板の厚さ方向をｚ軸、金属ワイヤの長手方向（延在方向）をｙ軸とするｘ、ｙ、ｚ座標系を統一して用いることにする。電磁波を垂直入射させる場合、ｐ偏光光（ＴＭ（Transverse Magnetic）偏光光）の電場成分はｘ方向のみ、ｓ偏光光（ＴＥ（Transverse Electric）偏光光）の電場成分はｙ方向のみになる。また、特に断らない限り、入射光（入射電磁波）は、光学素子に対して垂直入射するものとして説明を進める。偏光の定義は入射面に依存するため、引用する文献によっては、ｐ偏光光とｓ偏光光、および、ＴＭ偏光光とＴＥ偏光光の呼称が異なる場合があるが、金属ワイヤの長手方向（延在方向）を基準とする上述した座標系に従えば、物理的な作用・効果に関する矛盾は発生しないことになる。

【0027】

電磁波を記述するマクスウェル方程式の数値的解法としては、ＦＤＴＤ（Finite Differential Time Domain）法を用いる。

【0028】

金属や半導体材料の屈折率としては、特に断わらない限り、Palikのハンドブック「Palik E.D. (ed.) (1991) Handbook of Optical Constants of Solids II. Academic Press、 New York.」を参照するものとする。また、特に記載しない場合、透光性を有する基板は標準的なガラス材として、その屈折率は１．５２５であり、金属ワイヤの材質はアルミニウムとして話を進めることにする。

【0029】

（実施の形態１）
本実施の形態１における技術的思想は、マクスウェル方程式に記述される電磁波に幅広く適用することができるが、特に、本実施の形態１では、電磁波の一種である光（可視光）を例に挙げて説明する。まず、本実施の形態１における技術的思想を説明する前に、ワイヤグリッド素子について説明し、その後、本実施の形態１における技術的思想について説明する。

【0030】

＜ワイヤグリッド素子＞
図１は、ワイヤグリッド素子の断面を示すＴＥＭ像である。図１において、ワイヤグリッド素子は、透光性を有する基板としての石英基板（ＳｉＯ_２）上に、アルミニウム（Ａｌ）膜からなる金属ワイヤが形成されていることがわかる。このとき、例えば、図１において、金属ワイヤのピッチ（ｘ方向）は１５０ｎｍ、金属ワイヤの幅は４７ｎｍ、金属ワイヤの高さは１６０ｎｍである。以下に、このようなワイヤグリッド素子の模式図を示し、ワイヤグリッド素子が偏光素子として機能することについて説明する。

【0031】

図２は、金属細線構造からなるワイヤグリッド素子の模式的構成を示す斜視図である。図２において、ワイヤグリッド素子は、例えば、ガラス基板、石英基板、あるいは、プラスチック基板からなる透光性を有する基板１Ｓ上に、周期構造を有する凹凸形状部からなるワイヤグリッド（図ではＷＧと表記）が形成されている。具体的に、ワイヤグリッドは、図２に示すように、ｙ方向に延在する金属細線をｘ方向に所定間隔で配置した金属櫛状構造のことを言い、このワイヤグリッドを別表現で言えば、複数の金属細線を所定間隔で周期的に配列した凹凸形状部から構成されているとも言える。ここで、本明細書では、ワイヤグリッド素子を構成する各金属ワイヤのことをストレートワイヤと呼ぶ場合がある。

【0032】

このようなワイヤグリッド素子では、紙面上部（ｚ軸プラス方向）から多数の偏光光を含む光を入射させると、基板１Ｓの下部から特定方向に偏光した偏光光だけを透過させることができる。つまり、ワイヤグリッド素子は、偏光素子（偏光板、偏光フィルタ）として機能する。以下に、このメカニズムについて図面を参照しながら簡単に説明する。

【0033】

まず、図３に示すように、電場の振動方向がｘ軸方向であるｐ偏光光を入射する場合、電場の振動方向に応じて、ワイヤグリッドを構成する金属細線内の自由電子が金属細線の片側に集まり、これによって、個々の金属細線に分極が生じる。このように、ｐ偏光光を入射する場合、金属細線内に分極が生じるだけであるので、ｐ偏光光は、ワイヤグリッドを通過して、透光性を有する基板１Ｓに達する。このとき、基板１Ｓも入射される光に対して透光性を有するため、ｐ偏光光は、基板１Ｓも透過する。この結果、ｐ偏光光は、ワイヤグリッドおよび基板１Ｓを透過することになる。

【0034】

一方、図４に示すように、電場の振動方向がｙ方向であるｓ偏光光を入射する場合、電場の振動方向に応じて、金属細線内の自由電子は、金属細線の側壁による制限を受けることなく振動することができる。このことは、ｓ偏光光がワイヤグリッドに入射される場合も、連続した金属膜に光を入射する場合と同様の現象が起こっていることを意味する。したがって、ｓ偏光光をワイヤグリッドに入射する場合、連続した金属膜に光を入射する場合と同様に、ｓ偏光光は、反射されることになる。このとき、光が金属内に侵入できる厚さ（Skin Depth）よりも、金属細線のｚ方向の厚さが厚い場合、ワイヤグリッドは、ｐ偏光光を透過し、ｓ偏光光を反射する分離性能（消光比）の高い偏光分離機能を有することになる。すなわち、金属細線のｚ方向の厚さが厚い場合、ワイヤグリッドは、ｐ偏光光の透過率が高く、ｓ偏光光の透過率が低くなり、高い偏光コントラスト比を有することになる。

【0035】

以上のことから、ワイヤグリッド素子は、例えば、様々な偏光光を含む光を入射すると、特定方向に偏光した偏光光だけを透過させる機能を有することになる。これは、ワイヤグリッド素子が、偏光素子として機能することを意味するものである。

【0036】

次に、図５は、ワイヤグリッド素子の透過率の波長依存性を示す測定結果と計算結果を示す図である。分光透過率の測定には、分光光度計（日立製、Ｕ４１００）を使用した。さらに、ｐ偏光光とｓ偏光光を分離して透過率を測定するために、ランバート社製Ｇｒａｎ−Ｔａｙｌａｒプリズムを２つ使用して、それぞれ、検光子と偏光子として利用した。

【0037】

図５において、縦軸は透過率（％）を示しており、横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示している。なお、Ｔｐはｐ偏光光の透過率を示しており、Ｔｓはｓ偏光光の透過率を示している。このとき、実線が測定結果を示しており、破線が計算結果を示している。

【0038】

図５からわかるように、計算結果は、測定結果に良好に一致しており、本実施の形態１で使用する計算方法が信頼できるものであることが裏付けられている。以下に、本実施の形態１で使用する計算方法では、特に断らない限り、説明の簡略化のため、光波が偏光素子に垂直入射する場合の計算結果を示すものとする。

【0039】

＜ワイヤグリッド素子の設計上の制限＞
続いて、ワイヤグリッド素子の設計上の制限について説明する。例えば、ワイヤグリッド素子は、入射される光波との間で共鳴現象あるいは回折現象による相互作用を受ける。このとき、ワイヤグリッド素子の構造周期は、光波の共鳴現象あるいは回折現象と大きな関係がある。そして、光波の共鳴現象あるいは回折現象は、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比に大きな影響を与える。したがって、偏光コントラストの高いワイヤグリッド素子を製造するためには、光波の共鳴現象や回折現象を充分に考慮する必要があり、特に、ワイヤグリッド素子の構造周期は、光波の共鳴現象や回折現象に起因して、大きな制限を受けることになる。以下に、この点について説明することにする。

【0040】

ワイヤグリッド素子において、金属ワイヤの構造周期は、ｘ方向に隣り合う金属ワイヤ間の構造周期（構造周期ｐと呼ぶ）だけである。この構造周期ｐが所定の値よりも大きくなると、レイリー共鳴現象が発生して、ワイヤグリッド素子の偏光分離性能が著しく低下することが知られている。すなわち、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐと光波の相互作用の１つであるレイリー共鳴現象は、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比に代表される特性を決定する上で重要な現象である。

【0041】

具体的に、ワイヤグリッド素子の構造周期をｐ、透光性を有する基板の屈折率をｎｓ、入射される光波の波長をλ、ｘ方向の入射角をθｘとすると、レイリー共鳴現象が発生する周期ｐｒは、
ｐｒ＝λ／（ｎｓ±ｓｉｎθｘ） ・・・（式１）
で与えられる。これは透光性を有する基板内に回折光が発生する条件に一致する。

【0042】

図６および図７は、上述したＦＤＴＤ計算方法を使用し、垂直入射光（θｘ＝０）に関して、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐとの光学性能の関係を計算した結果である。ここでは、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐを１５０ｎｍ、金属ワイヤの材料をアルミニウム、金属ワイヤの幅を５０ｎｍ、金属ワイヤの高さを１５０ｎｍ、透光性を有する基板として石英基板（ｎｓ＝１．４７）を使用し、入射される光波の波長を４６０ｎｍとしている。

【0043】

図６は、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐと透過率Ｔｐ、Ｔｓの関係を示すグラフであり、図７は、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐと偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図６および図７の両図において、横軸はレイリー共鳴現象が発生する周期ｐｒで規格化した構造周期（ｐ／ｐｒ）となっている。

【0044】

図６において、縦軸は、ｐ偏光光の透過率とｓ偏光光の透過率を示している。図６に見られるように，ｐ／ｐｒ＜０．５の場合には、ＴｐとＴｓに顕著な変化は見られないが、ｐ／ｐｒ＝１の近傍領域では、レイリー共鳴現象に起因する急激なＴｐの減少とＴｓの増加が発生し、レイリー共鳴現象によって偏光フィルタとしての性能が著しく低下することがわかる。この点に関し、特許文献１に記載されているように，入射される光波の波長λが４５０ｎｍの場合、ｐｒは約２１０ｎｍとなり、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐは２１０ｎｍ以下でなければならない。これは(式１)により与えられるものである。

【0045】

図６では、ｐ偏光光の透過率には、２箇所の極小点が存在することがわかる。第１の極小点（ｐ＝ｐｒ）は、レイリー共鳴現象に起因するものであり、第２の極小点（ｐ＝λ）は、基板を透過する回折光の発生に起因するものである。ただし、構造周期ｐがｐ＜ｐｒに制限されるワイヤグリッド素子では回折光の発生は考えなくてよい。

【0046】

また、図７に示すように、偏光コントラスト比は、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐの増加とともに減少し、レイリー共鳴現象が発生すると１未満となり、もはや偏光フィルタとして機能を果たさなくなることが確認される。以上のことから、ワイヤグリッド素子においては、レイリー共鳴現象を回避して偏光コントラスト比を確保する観点から、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐに関する制限が設けられることがわかる。具体的に、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐに加わる制限は、以下に示す（式２）で与えられる。

【0047】

ｐ＜ｐｒ ・・・（式２）
＜本発明者による新規な着目点＞
上述したように、ワイヤグリッド素子においては、偏光素子の機能を充分に発揮する観点から、ワイヤグリッド素子の構造周期ｐは（式２）の制限を受ける。また、加工プロセスの制限を加味すると、現状のワイヤグリッド素子（直線状の金属グレーティング）では、さらなる偏光コントラスト比の向上を図ることが困難であることがわかる。

【0048】

そこで、本発明者は、ｘ方向だけでなく、各金属ワイヤが延在するｙ方向においても、構造周期を導入することを考えた。ただし、専門的な知識を有する当業者が当然考えることとして、ｙ方向についても構造周期を導入する場合も、ｘ方向と同様の現象が生じると容易に推察することができる。つまり、ｙ方向について構造周期を導入する場合、ｙ方向の構造周期がレイリー波長（λ／ｎ）以上であると、ｘ方向の構造周期と同等に偏光コントラスト比が著しく低下することが予想される（図６参照）。したがって、ｙ方向について構造周期を導入することを考えると、ｙ方向の構造周期もレイリー波長以下にする必要があると考えることが当業者の常識と考えられる。また、当業者の常識として、ｙ方向の構造周期を導入しても、偏光素子の偏光コントラスト比を向上できるということを裏付ける理論的な根拠も考えられていない。さらには、図６の結果、および（式２）の制限は、専門的な知識を有する当業者が常識的に備えているものであるから、従来技術においては、透光性を有する基板上に形成された金属ワイヤの微細構造からなる偏光素子に関して、構造周期がレイリー波長以上となる領域での素子応答については明らかにされていないのが現状である。

【0049】

この点に関し、本発明者は、上述した当業者の予想を覆して、ｙ方向にも構造周期を導入し、かつ、ｙ方向の構造周期がレイリー波長以上である場合、偏光素子の偏光コントラスト比が向上することを見出した。つまり、本発明者は、当業者の予想を覆して、ｙ方向にレイリー波長以上の構造周期を導入することにより、直線状の金属ワイヤ構造を有するワイヤグリッド素子の限界を超えた偏光コントラスト比を有する偏光素子を実現できることを見出したのである。以下に、本発明者が見出した本実施の形態１における偏光素子について説明することにする。

【0050】

＜実施の形態１における偏光素子の構成＞
図８は、本実施の形態１における偏光素子の外観構成を示す斜視図である。図８に示すように、本実施の形態１における偏光素子は、透光性を有する基板１Ｓ上に、複数のスプリットワイヤＳＰＷがｘ方向に配置しており、複数のスプリットワイヤＳＰＷのそれぞれは、ｙ方向に周期的な間隙を有しながら延在していることがわかる。ここで、本明細書では、図８に示すように、ｙ方向に周期的な間隙を有しながら延在している金属ワイヤをスプリットワイヤ（図ではＳＰＷと表記）と呼び、このスプリットワイヤからなる偏光素子をスプリットワイヤ素子（Split Wire Element）と呼ぶことにする。

【0051】

図９は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子に形成されている複数のスプリットワイヤＳＰＷの平面構成を示す図である。図９に示すように、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子においては、ｙ方向に周期的に形成された間隙ｓを有するスプリットワイヤＳＰＷがｘ方向に等間隔で配置されている。すなわち、本実施の形態１におけるスプリットワイヤＳＰＷは、ｙ方向に周期構造を有しながら延在している構造として定義される。このように構成されているスプリットワイヤ素子において、構造周期は、隣り合うスプリットワイヤＳＰＷの周期ｐ１、ｙ方向の間隙ｓの周期Λ（ｐ２）、ｘ方向において、間隙ｓを挟む一対のスプリットワイヤＳＰＷの周期ｐ３（＝２×ｐ１）である。また、間隙ｓの長さ、ｘ方向に隣り合うスプリットワイヤＳＰＷに形成されている間隙ｓのｙ方向の距離差δが形状パラメータとして、スプリットワイヤＳＰＷの幅ｗと、図示しないスプリットワイヤＳＰＷの高さ（ｈ）に加わる。

【0052】

このように本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、図８および図９に示すように、入射される電磁波に対して透光性を有する基板１Ｓと、基板１Ｓの主面上に形成された複数のスプリットワイヤＳＰＷであって、ｘ方向に周期ｐ１（第１周期間隔）で配置され、かつ、ｘ方向と直交するｙ方向にそれぞれ延在する複数のスプリットワイヤＳＰＷと、を備える。このとき、本実施の形態１において、複数のスプリットワイヤＳＰＷのそれぞれには、ｙ方向に周期Λ（第２周期間隔）で複数の間隙ｓが形成されており、入射される電磁波の波長をλとし、基板１Ｓの屈折率をｎとした場合、複数の間隙ｓの周期Λは、λ／ｎ以上となっている。（Λ≧ｐｒ）。

【0053】

そして、図９に示すように、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子において、複数のスプリットワイヤＳＰＷのうち、第１スプリットワイヤに形成されている複数の間隙ｓのｙ方向における第１形成位置と、第１スプリットワイヤと隣り合う第２スプリットワイヤに形成されている複数の間隙ｓのｙ方向における第２形成位置は、ずれている。このすれが、図９において、ｙ方向の距離差δで示されており、特に、図９では、ｙ方向の距離差δ＝Λ／２の例が示されている。

【0054】

さらに、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子においては、複数のスプリットワイヤＳＰＷのうち、第１スプリットワイヤとは反対側で第２スプリットワイヤと隣り合うように第３スプリットワイヤが配置されており、第１スプリットワイヤに形成されている複数の間隙ｓのｙ方向における第１形成位置と、第３スプリットワイヤに形成されている複数の間隙ｓのｙ方向における第３形成位置は、一致している。このとき、第１スプリットワイヤと第３スプリットワイヤとのｘ方向における周期ｐ３（第３周期間隔）は、ｘ方向における周期ｐ１（第１周期間隔）の２倍である。そして、ｘ方向における周期ｐ１は、λ／ｎよりも小さい一方、ｘ方向における周期ｐ３は、λ／ｎよりも大きくなっている。

【0055】

以上のように構成されている本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の特徴点は、図９に示すように、複数のスプリットワイヤＳＰＷのそれぞれにおいて、ｙ方向に周期Λで間隙が形成されており、この周期Λがレイリー波長以上である点にある。これにより、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、ｙ方向に周期構造を有さないストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも光学性能の向上を図ることができる。つまり、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、ワイヤグリッド素子の限界を超えた偏光コントラスト比を有する偏光素子を実現することができるのである。以下に、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、偏光コントラスト比を向上できるメカニズムの概要について説明する。

【0056】

＜偏光コントラスト比が向上するメカニズムの概要＞
例えば、電磁波の受信に用いられるアンテナは、一般に複数の金属ワイヤから構成され、その構造は等価回路で表されることがある。一方、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子も金属ワイヤから構成されるため、アンテナと同様に、等価回路で表すことができる。すなわち、本実施の形態１において、入射される入射光は光波であるが、光波は電磁波の一種であることから、電磁波と相互作用をする本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子も等価回路で表すことができると考えられる。以下では、等価回路を使用することにより、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、偏光コントラスト比を向上できる定性的なメカニズムについて説明することにする。

【0057】

図１０は、ワイヤグリッド素子の光波に対する等価回路を示す図である。ここでは、説明を簡略化するために、１本のストレートワイヤＳＴＷについてのｙ方向の等価回路、すなわち、ｓ偏光光に対する等価回路のみを示し、周期Λを単位として表示している。図１０に示すように、ワイヤグリッド素子の等価回路は、容易に理解できるように、周期的に抵抗Ｒ_０が直列接続された回路となる。この場合、ｓ偏光光の応答は、抵抗Ｒ_０による周波数依存性のない一定のインピーダンスによって決定されるため、その周波数特性はフラットになる。つまり、ワイヤグリッド素子におけるｓ偏光光の応答は、周波数依存性を有さないことになる。

【0058】

これに対し、図１１は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の光波に対する等価回路を示す図である。ここでも、説明を簡略化するために、１本のスプリットワイヤＳＰＷについてのｙ方向の等価回路、すなわち、ｓ偏光光に対する等価回路のみを示し、周期Λを単位として表示している。図１１に示すように、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の等価回路は、間隙が容量素子（コンデンサ）を構成するため、抵抗Ｒと容量素子Ｃの直接接続を構成要素として、この構成要素が直列接続された回路となる。この場合、ｓ偏光光の応答は、ＲＣ直列回路の応答となるため、周波数依存性、すなわち、波長依存性を持つことになる。例えば、１つの構成要素におけるインピーダンスは、Ｚ＝Ｒ＋１／ｊωＣとなり、インピーダンスＺには、角振動数（ω＝２πｆ）が含まれるため、インピーダンスＺが周波数依存性を有する。このことは、スプリットワイヤ素子に入射される光波の波長によって、スプリットワイヤＳＰＷに対応するインピーダンスが変化することを意味する。したがって、波長の異なる光波に対して、インピーダンスが変化することになり、例えば、所定の波長の光波で、ｓ偏光光に対して透過ではなく、選択的に反射や吸収を発生させることが可能となる。つまり、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、所定の波長の光波で、ｓ偏光光の反射や吸収を発生させる共鳴現象を発現させることができるのである。この共鳴現象は、レイリー共鳴現象とは別の共鳴現象として取り扱うことが可能と考えられる。

【0059】

具体的に、図１２は、本実施の形態１における共鳴現象を模式的に示す図である。図１２において、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子に入射される光波の波長が半値幅ＨＷ１に存在する場合、その特定の波長に対するインピーダンスが、ｓ偏光光に対して反射や吸収が生じる値となる。この結果、共鳴現象が生じることになる。図１２では、例えば、共鳴現象が鋭くなる場合が示されており、これは、共鳴の鋭さを示すＱ値が大きい共鳴現象を示していることになる。この場合、例えば、共鳴の高さが１／２以上となる波長域を示す半値幅ＨＷ１は狭くなる。つまり、共鳴のＱ値が大きくなると、半値幅ＨＷ１は狭くなることになる。

【0060】

以下では、上述した共鳴現象が発現すると、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が向上する点について説明する。例えば、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子においても、ワイヤグリッド素子と同様のメカニズムによって、基本的には、ｐ偏光光がスプリットワイヤ素子を透過し、ｓ偏光光がスプリットワイヤ素子で反射される。理想的には、ｓ偏光光のすべてが反射されることが望ましいが、実際のスプリットワイヤ素子では、一部のｓ偏光光がリーク成分として、スプリットワイヤ素子を透過することになる。このｓ偏光光のリーク成分の大小によって、スプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が主に決定される。

【0061】

例えば、ｓ偏光光のリーク成分が大きくなると、偏光コントラスト比は低下する一方、ｓ偏光光のリーク成分が小さくなると、偏光コントラスト比は向上する。この点に関し、本実施の形態１では、例えば、入射される光波の波長に対して、上述した共鳴現象が発現するように、インピーダンスが調整されているとする。この場合、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子に入射したｓ偏光光においては、上述した共鳴現象が生じることになる。このことは、共鳴現象が生じない場合に比べて、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなることを意味する。すなわち、スプリットワイヤ素子を透過するｓ偏光光のリーク成分が、共鳴現象によって、ｓ偏光光の反射や吸収に置き換わるのである。この結果、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、ｓ偏光光のリーク成分が減少するため、これによって、偏光コントラスト比が向上するのである。

【0062】

以上が本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、従来技術におけるワイヤグリッド素子に比べて、偏光コントラスト比が向上する基本的なメカニズムである。続いて、このメカニズムに基づき、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、例えば、図９に示すように、各スプリットワイヤＳＰＷのｙ方向に周期的な間隙ｓを設けることにしている。そして、以下では、この基本構成に対して、偏光コントラスト比を向上する観点から、さらに詳細な検討を重ねて、望ましい構成を実現するため、様々な条件でのシミュレーションを実施している。以下では、このシミュレーション結果について説明することにする。

【0063】

なお、例えば、放送用の電磁波の波長帯では、金属を完全導体として扱うことができるが、可視光の波長帯では、ローレンツモデルやドルーデモデルに代表されるモデルにしたがって、金属種類に応じた反射、吸収、透過の応答がある。しかしながら、これらを含めて、マクスウェル方程式では、屈折率を複素数として扱うことができるため、ＦＤＴＤ法によって特性計算が可能となる。

【0064】

＜ワイヤの高さと光学性能の関係＞
図１３は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子について、ワイヤの高さと光学性能の関係を示すシミュレーション結果である。比較のため、図１３中には間隙が存在しないストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。ここでは、入射光の波長λ＝４６０ｎｍ、隣り合うスプリットワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１５０ｎｍ、スプリットワイヤの幅ｗ＝５０ｎｍ、ｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍ、間隙ｓ＝３０ｎｍとする。また、透光性を有する基板の屈折率を１．５２５とし、スプリットワイヤはアルミニウムから構成されているとしている。

【0065】

図１３（ａ）は、スプリットワイヤの高さとｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図１３（ａ）に示すように、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、同じ幅、高さ、ピッチを有するストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子とほぼ一致することがわかる。このことは、本実施の形態１においてｙ方向に導入した周期構造がｐ偏光光に関して大きな作用をしていないことを示している。この点は、重要である。すなわち、スプリットワイヤにおいて、ｙ方向に構造周期を導入しても、ｐ偏光光の透過率が、ほとんど変化していないことになる。この結果、本実施の形態１によれば、スプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比を向上することができるのである。

【0066】

例えば、上述したメカニズムで説明したように、ｙ方向に間隙からなる周期構造を導入すると、ｓ偏光光のリーク成分は、減少することになる。ただし、この際、ｐ偏光光の透過率が、ｙ方向に間隙からなる周期構造を導入することによって減少することになると、たとえ、ｓ偏光光のリーク成分が減少しても、ｐ偏光光の透過率も低下することになり、結果として、偏光コントラスト比の向上を図ることが困難となる。

【0067】

この点に関し、図１３（ａ）に示すように、ｙ方向に間隙からなる周期構造を導入しても、ｐ偏光光の透過率がほとんど変化しない。このことから、本実施の形態１によれば、ｙ方向に間隙からなる周期構造を導入しても、ｐ偏光光の透過率が変化しないという点と、ｙ方向に間隙からなる周期構造を導入すると、ｓ偏光光のリーク成分が減少する点とが相まって偏光コントラスト比が向上するという顕著な効果を得ることができるのである。

【0068】

次に、図１３（ｂ）は、スプリットワイヤの高さと偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図１３（ｂ）に示すように、ストレートワイヤの場合は、偏光コントラスト比がストレートワイヤの高さに応じて一様に増加していることがわかる。縦軸は対数目盛であることから、この現象は吸収性のある膜の透過率と同等の応答であって、ワイヤグリッド素子がｓ偏光光に対して、通常の金属薄膜と同等の応答を示すことが理解される。

【0069】

一方、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の場合は、ｓ偏光光に対する共鳴を示す複数のピークが存在することがわかり、ピークの振幅がワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比を基準として１桁以上大きくなることがわかる。これは、スプリットワイヤ素子におけるｓ偏光光への応答は、上述したＲＣ直列回路で示される等価回路での共鳴現象が大きく影響を及ぼしていることを示すものである。図１３（ｂ）に示すように、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の共鳴現象は、スプリットワイヤの高さが２０ｎｍ以上で顕著に発現していることがわかる。

【0070】

＜ｙ方向の周期と偏光コントラスト比の関係＞
図１４は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子について、ｙ方向の周期Λと偏光コントラスト比の関係を示すシミュレーション結果を示すグラフである。ここでは、入射光の波長λ＝４６０ｎｍ、隣り合うスプリットワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１５０ｎｍ、スプリットワイヤの幅ｗ＝５０ｎｍ、スプリットワイヤの高さｈ＝１５０ｎｍ、間隙ｓ＝２５ｎｍとしている。垂直入射に対応するレイリー共鳴現象が発生する周期ｐｒは３０１ｎｍである。図１４に示すように、偏光コントラスト比は、ｙ方向の周期Λの範囲が３００〜５６０ｎｍの範囲において、同じ幅、高さ、ピッチを有するワイヤグリッド素子の値よりも大きくなることがわかる。したがって、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子による偏光コントラスト比の向上効果は、ｙ方向の周期Λがレイリー共鳴現象の生じる周期（Λ＝ｐｒ）以上で大きくなり、透光性を有する基板の裏面からの回折光が発生する条件（Λ＝λ）付近で最大となり、Λ＝２×ｐｒ程度まで継続することがわかる。

【0071】

以上のように示した本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の特性から、ｙ方向の周期Λをレイリー共鳴現象が生じるレイリー波長以上で、２×ｐｒ以下とすることによって、ｐ偏光光への影響はほとんど生じない条件で、ｓ偏光光の反射や吸収に選択的に作用して大きな偏光コントラスト比を得ることができることがわかる。これが本実施の形態１における基本思想である。

【0072】

なお、図１４に示すように、偏光コントラスト比が、ｙ方向の周期Λに依存して変化することは、定性的に以下に示すように考えることができる。例えば、ｙ方向の周期Λがレイリー波長以下の場合、波長λの入射光にとっては、ｙ方向の周期構造が分解能以下の構造として把握され、上述したＲＣ直列回路で示される等価回路で表現できないことが考えられる。このため、等価回路で説明されるｓ偏光光の反射や吸収による共鳴現象では説明できない現象が発現している可能性があり、これによって、偏光コントラスト比の向上が発現せず、偏光コントラスト比の低下が生じていると考えられる。

【0073】

一方、ｙ方向の周期Λがレイリー波長以上の場合、上述したＲＣ直列回路で示される等価回路が妥当性を有し、等価回路で説明されるｓ偏光光の反射や吸収による共鳴現象が主要因となって、偏光コントラスト比が向上しているものと考えられる。

【0074】

ただし、ｙ方向の周期Λが入射波の波長を超えると、偏光コントラスト比の向上が限定的になる理由は、以下のように考えることができる。すなわち、インピーダンスＺ＝Ｒ＋１／ｊωＣにおいて、周期Λが長くなるということは、スプリットワイヤにおいて、相対的に金属ワイヤの部分の長さの影響が間隙の部分の影響よりも大きくなることに起因すると考えられる。すなわち、金属ワイヤの部分の長さが長くなる結果、抵抗Ｒが相対的に大きくなり、（１／ｊωＣ）でのインピーダンスの調整範囲が狭くなると考えられる。このことから、ｓ偏光光の共鳴現象が起こる特定のインピーダンスになりにくくなり、これによって、ｓ偏光光の共鳴現象が起こりにくくなることが考えられる。

【0075】

一方で、ｙ方向の周期Λが入射波の波長を超えても、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子がワイヤグリッド素子に比べて、偏光コントラストが高い理由は、ｙ方向の周期Λが入射波の波長を超えると、別のメカニズムも発現すると考えられるからである。すなわち、ｙ方向の周期Λが入射波の波長を超える場合、ｐ偏光光に対しては、ほとんど回折光が発生しない一方、ｓ偏光光に対して回折光が生じる現象が確認される。この場合、ｓ偏光光のリーク成分の一部が基板を透過する回折光になると考えられる。このことは、基板を透過して直進するｓ偏光光のリーク成分が減少することを意味し、これによって、偏光コントラスト比が上昇するのである。したがって、ｙ方向の周期Λが入射波の波長（λ）を超えても、ｙ方向の周期Λが２×ｐｒ程度までの範囲では、ｓ偏光光の共鳴現象が生じにくくなったとしても、上述したｓ偏光光の回折光による影響により、高い偏光コントラスト比が維持されるものと考えられる。

【0076】

さらに、ｙ方向の周期Λが大きくなると、ｓ偏光光のリーク成分の一部が基板を透過する回折光となったとしても、回折光の回折角が小さくなる結果、直進するｓ偏光光のリーク成分と分離することができなくなる。この結果、ｓ偏光光のリーク成分の一部が基板を透過する回折光になることに基づく偏光コントラスト比の向上が望めなくなるとともに、偏光コントラスト比が低下する何らかの現象が発現すると考えられる。これにより、ｙ方向の周期Λが２×ｐｒよりも大きくなると、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比よりも低くなると考えられる。

【0077】

＜間隙と光学性能の関係＞
続いて、スプリットワイヤに形成される間隙と光学性能の関係について説明する。上述したように、スプリットワイヤに形成される間隙は、容量素子として機能することから、間隙のサイズによって容量素子の容量値が変わることになり、これによって、Ｚ＝Ｒ＋１／ｊωＣで示されるインピーダンスの値も変化する。この結果、ｓ偏光光の反射や吸収による共鳴現象も、スプリットワイヤに形成される間隙のサイズに依存すると考えられる。以下では、この点について説明することにする。

【0078】

図１５は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子について、間隙と光学性能の関係を示すシミュレーション結果である。ここでは、入射光の波長λ＝４６０ｎｍ、隣り合うスプリットワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１５０ｎｍ、スプリットワイヤの幅ｗ＝５０ｎｍ、スプリットワイヤの高さｈ＝１５０ｎｍ、ｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍとしている。図１５（ａ）は、間隙とｐ偏光光の透過率との関係を示すグラフである。図１５（ａ）に示すように、Ｔｐの変化は、間隙の増加に応じて緩やかな増加傾向を示していることがわかる。これは、間隙の増加に応じたスプリットワイヤの金属面積の減少、あるいは、スプリットワイヤ素子の開口率の増加として定性的に理解できる。

【0079】

図１５（ｂ）は、間隙と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。間隙ｓ＝０は、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子を意味している。図１５（ｂ）に示すように、偏光コントラスト比は、間隙の値に強く依存しており、例えば、間隙ｓ＝２５ｎｍで最大となり、間隙ｓ＞５０ｎｍでは、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比の値を超えることがないことがわかる。

【0080】

具体的には、図１５（ｂ）に示すように、間隙ｓの値が４ｎｍ〜４０ｎｍの範囲において、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比を上回っていることがわかる。特に、図１５（ｂ）のシミュレーション結果は、ｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍであることから、４／４００（１％）≦ｓ／Λ≦４０／４００（１０％）の範囲において、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比を上回っていることがわかる。このことから、スプリットワイヤに形成される間隙ｓのサイズは、偏光コントラスト比の向上を図る観点から、ｙ方向の周期Λとの関係において、１％≦ｓ／Λ≦１０％の範囲に設定することが望ましいことになる。

【0081】

＜δの影響＞
次に、ｘ方向に隣り合うスプリットワイヤのそれぞれに形成されている間隙のｙ方向の距離差δの影響に関して説明する。

【0082】

図１６は、図９に示すスプリットワイヤ素子において、ｙ方向の距離差δ＝０、ｘ方向の周期ｐ３＝∞として、間隙ｓがｘ方向に整列した構造を有するスプリットワイヤ素子を示す摸式図である。図１６に示すスプリットワイヤ素子について、ｙ方向の距離差δと、ｘ方向の周期ｐ３以外の条件を共通にして、図１５と同様に、間隙ｓと光学性能の関係とのシミュレーション結果を図１７に示す。

【0083】

図１７（ａ）は、間隙ｓとｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図１７（ａ）に示すように、Ｔｐの変化は間隙ｓの増加に応じて緩やかではあるが、減少する結果となっている。これは、間隙ｓの増加に応じたスプリットワイヤの金属面積の減少、あるいは、スプリットワイヤ素子の開口率の増加効果では説明できない結果である。

【0084】

図１７（ｂ）は、間隙ｓと偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。間隙ｓ＝０はストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子を意味している。図１７（ｂ）に示すように、偏光コントラスト比は、間隙ｓの増加に応じて単調に減少する特性となっていることがわかる。つまり、ｙ方向の距離差δ＝０の場合、間隙ｓのサイズを変化させても、スプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比は、ワイヤグリッド素子の偏光コントラスト比よりも高くならないことになる。

【0085】

以上のことから、本実施の形態１に関して、間隙ｓがｘ方向に整列した構造（δ＝０）のスプリットワイヤ素子の場合、ｓ偏光光に選択的に作用して、ｓ偏光光の透過率を減少させるという現象が顕在化しないことがわかる。したがって、本実施の形態１におけるスプリットワイや素子を製造する場合には、プロセス上の条件等によってδの値を適宜設定することが可能であるが、δ＝０については避けることが望ましいことがわかる。

【0086】

＜スプリットワイヤ素子における波長依存性＞
続いて、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の波長依存性について説明する。図１８は、図９に示す本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子について、可視光の青色波長帯における波長依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。ここでは、隣り合うスプリットワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１５０ｎｍ、スプリットワイヤの幅ｗ＝５０ｎｍ、スプリットワイヤの高さｈ＝１５０ｎｍ、ｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍ、間隙ｓ＝２５ｎｍとしている。なお、比較のため、図１８には、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。

【0087】

図１８（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図１８（ａ）に示すように、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、０．３％以内で、ワイヤグリッド素子のＴｐに一致している。

【0088】

図１８（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図１８（ｂ）に示すように、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の場合、偏光コントラスト比は、波長の増加に応じて緩やかに増加する。これは、主としてアルミニウム材料における複素屈折率の波長依存性に応じたものである。一方、スプリットワイヤから構成される本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の場合、ｓ偏光光に対する共鳴効果に応じて、ピークをもつ特性を示していることがわかる。特に、図１８（ｂ）に示すように、偏光コントラスト比の最大値は、波長４５０ｎｍにおいて約２００，０００である。この値は、ワイヤグリッド素子よりも約１０００倍大きいという値であり、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、ワイヤグリッド素子に比べて、優れた偏光コントラスト比を有していることがわかる。また、ピーク波長付近の±１０ｎｍの波長範囲において、偏光コントラスト比は１０，０００以上となっている。以上のことから、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、使用する光源がレーザやＬＥＤのように波長範囲の狭いものに対して、優れた偏光コントラスト性能を提供することができることがわかる。

【0089】

＜実施の形態１における主要な特徴の要旨＞
本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の特徴点は、例えば、図９に示すように、複数のスプリットワイヤＳＰＷのそれぞれにおいて、ｙ方向に周期Λで間隙が形成されている点にある。そして、図１４に示すように、この周期Λがレイリー波長以上である点に特徴がある。これにより、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、ｙ方向に周期構造を有さないストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも光学性能の向上を図ることができる。つまり、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子によれば、ワイヤグリッド素子の限界を超えた偏光コントラスト比を有する偏光素子を実現することができるのである。

【0090】

上述した特徴点によって、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、少なくとも３つ以上の構造周期を有することになる点で、構造周期が１つだけであるワイヤグリッド素子と相違することになる。

【0091】

例えば、ワイヤグリッド素子の構造周期は、ｘ方向に隣り合うストレートワイヤ間の周期ｐ１の１つだけであり、この周期ｐ１は、レイリー波長よりも小さくなっている。これに対し、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の構造周期は、少なくとも、ｘ方向に隣り合うスプリットワイヤ間の周期ｐ１と、ｙ方向に配置された間隙の周期Λと、間隙を挟む一対のスプリットワイヤの周期ｐ３と、を含む。そして、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、周期Λと周期ｐ３がレイリー波長以上となっている。

【0092】

このように本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、レイリー波長以上の構造周期を導入しながら、偏光コントラスト比に代表される光学性能の向上を図っている点で斬新な構造をしているといえる。すなわち、例えば、図６および図７に示すように、レイリー波長以上の構造周期を導入すると、偏光コントラスト比は低下するというのは、当業者にとって技術常識であり、偏光コントラスト比を確保する観点から、ワイヤグリッド素子において、構造周期はレイリー波長よりも小さくする制限が課せられることが一般的である。これに対し、本実施の形態１における技術的思想では、レイリー波長以上の構造周期を導入することは、偏光コントラスト比を向上する観点から回避すべきであるという技術常識を覆して、レイリー波長以上の構造周期を導入しながら、偏光コントラスト比に代表される光学性能を向上させている点で斬新な技術的思想である。すなわち、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の構造は、当業者の技術常識では考えられない構造、すなわち、技術常識にとらわれない斬新な技術的思想でなされた構造であり、かつ、従来のワイヤグリッド素子の限界性能を超える性能を実現できる点で、非常に価値の高い光学素子ということができる。

【0093】

＜実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の製造方法＞
本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について、図面を参照しながら説明する。

【0094】

本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の製造方法については、ｙ方向に周期構造を有するため、一般的なワイヤグリッド素子の製造方法に適用される干渉露光法を用いることはできないが、これに替えて、ナノインプリント法等によってレジストマスクを形成した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で金属膜を加工することにより実現できる。以下に、この製造方法について説明する。

【0095】

図１９は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の平面構成を示す平面図である。図１９において、ｘ方向に複数のスプリットワイヤＳＰＷが配置されていることがわかる、ここで、図１９に示すＡ−Ａ線における断面に対応して、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子の製造工程について説明することにする。

【0096】

本実施の形態１においては、ナノインプリント法を使用して、スプリットワイヤ素子を形成する。このナノインプリント法は、スタンパを基板に押し当てることにより、微細加工を行なう技術である。したがって、ナノインプリント法によるスプリットワイヤ素子の製造方法では、ナノインプリント用の型であるスタンパが使用されるため、まず、スタンパ形成工程を説明した後に、スプリットワイヤ素子の製造工程について説明することにする。

【0097】

（１）スタンパ形成工程
まず、図２０に示すように、スタンパの型となるマスタ基板Ｍを形成する。例えば、シリコン（Ｓｉ）基板などからなるマスタ基板Ｍを加工することにより、スプリットワイヤの形状に対応する凸部ＭＰを形成する。具体的には、シリコン基板上に、フォトレジスト膜（図示せず）を形成し、露光・現像処理であるフォトリソグラフィ技術を使用することにより、凸部形成領域にのみフォトレジスト膜を残存させる。次に、このフォトレジスト膜をマスクにして、シリコン基板の表面を所定の深さまでエッチングすることにより、凸部ＭＰを形成する。そして、凸部ＭＰ上に残存するフォトレジスト膜をアッシング処理などにより除去する。

【0098】

なお、上述した工程においては、フォトリソグラフィ技術を使用したが、電子線描画法を使用してもよい。例えば、シリコン基板上に電子線描画用のレジスト膜を形成し、電子線を描画することにより、レジスト膜を加工してもよい。

【0099】

続いて、図２１に示すように、マスタＭ上に、紫外線を照射することにより硬化する紫外線硬化樹脂Ｒｓを塗布する。そして、紫外線硬化樹脂Ｒｓ上にスタンパ用の支持基板Ｓｓを搭載する。この支持基板Ｓｓは、例えば、透光性を有する樹脂基板から構成される。その後、図２２に示すように、支持基板Ｓｓを介して、紫外線硬化樹脂Ｒｓに紫外線を照射する。これにより、塗布した紫外線硬化樹脂Ｒｓが硬化することになる。

【0100】

次に、図２３に示すように、マスタＭから紫外線硬化樹脂Ｒｓおよび支持基板Ｓｓを剥離する。これにより、支持基板Ｓｓと紫外線硬化樹脂ＲｓからなるスタンパＳＴが形成される。このとき、スタンパＳＴの紫外線硬化樹脂Ｒｓには、マスタＭの凸部ＭＰが転写され、この凸部ＭＰに対応する溝部（凹部）ＤＩＴが形成される。

【0101】

（２）スプリットワイヤ素子形成工程
続いて、上述したスタンパＳＴを使用したナノインプリント法により、スプリットワイヤ素子を形成する。以下に、この工程について説明する。

【0102】

まず、図２４に示すように、透光性を有する基板１Ｓとして、例えば、ガラス基板を準備する。この基板１Ｓは、例えば、略円盤形状のウェハ形状をしている。そして、この基板１Ｓ上に金属層ＭＬとして、例えば、アルミニウム層（Ａｌ層）をスパッタリング法などにより形成する。その後、金属層ＭＬ上に、レジスト樹脂ＲＲを塗布する。レジスト樹脂ＲＲとしては、例えば、紫外線硬化樹脂を使用することができる。

【0103】

次に、図２５に示すように、基板１Ｓの上部にスタンパＳＴを配置し、基板１Ｓの上面上にスタンパＳＴを押し付ける。これにより、スタンパＳＴの溝部ＤＩＴの内部にレジスト樹脂ＲＲが充填される。この際、レジスト樹脂ＲＲが精度良く溝部ＤＩＴの内部に充填されるように、レジスト樹脂ＲＲの塗布量と、スタンパＳＴの基板１Ｓに対する圧力が調整される。

【0104】

続いて、図２６に示すように、スタンパＳＴを介してレジスト樹脂ＲＲに紫外線を照射することにより、レジスト樹脂ＲＲを硬化させる。ここで、例えば、この工程で使用される紫外線は、スタンパＳＴの製造工程で使用した紫外線に比べて長波長の紫外線とする。このように、本工程で使用する紫外線として、スタンパＳＴの製造工程で使用した紫外線の波長、すなわち、スタンパＳＴの硬化波長よりも長波長とすることにより、スタンパＳＴの変質を防止することができる。

【0105】

次に、図２７に示すように、スタンパＳＴからレジスト樹脂ＲＲを剥離する。これにより、レジスト樹脂ＲＲにスタンパＳＴの溝部ＤＩＴの形状が転写される。すなわち、溝部ＤＩＴに対応する凸部を有するレジスト樹脂ＲＲが金属層ＭＬ上に形成される。

【0106】

その後、図２８に示すように、加工されたレジスト樹脂ＲＲをマスクとして、金属層ＭＬをドライエッチングする。エッチングガスとしては、例えば、Ｃｌ_２ガス（塩素ガス）、ＢＣｌ_３ガス等や、これらの混合ガスを用いることができる。なお、エッチングガスをイオン化してもよい。このようなドライエッチングにより、図２９に示すように、レジスト樹脂ＲＲの凸部に対応して、金属層ＭＬのパターンであるスプリットワイヤＳＰＷを形成することができる。

【0107】

そして、金属層ＭＬよりなるスプリットワイヤＳＰＷの上部に残存するレジスト樹脂ＲＲをアッシング処理などで除去する。例えば、アッシングガスとして、Ｏ_２ガス（酸素ガス）を主成分としたガスを使用することができる。その後、ダイシングラインに沿って、基板１Ｓをダイシングすることにより、図３０に示すような本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子を形成することができる。このように本実施の形態１では、ナノインプリント法を使用することにより、スプリットワイヤ素子を低コストで製造することができる。

【0108】

＜関連技術との対比＞
続いて、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と、関連技術との相違点を明確化するために、対比することにする。

【0109】

図３１は、ｙ方向に周期構造を有する光学素子の入射光に対する等価回路を示す図である。図３１に示すように、この光学素子では、金属ワイヤの長手方向であるｙ方向に、金属ワイヤの幅が幅ｗ１と幅ｗ２（幅ｗ１＜幅ｗ２）で変調され、その周期はΛとなっている。このように構成されている光学素子の等価回路は、対向する幅ｗ２の部分に容量素子があることを含めて示すように、抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ１と容量素子Ｃの並列接続された構成要素が周期的に直列接続されたものとなる。このような等価回路で示される光学素子においても、ｓ偏光光に対するインピーダンスを調整することは可能であるが、容量素子Ｃと並列な抵抗Ｒ１が存在するため、この光学素子においては、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と比較して、インピーダンスの調整範囲が狭くなる。このことから、この光学素子において、偏光コントラスト比に代表される光学性能等は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と比較して小さくなると考えることができる。

【0110】

ここで、特許文献３に記載される技術と本実施の形態１における技術的思想との差異について説明する。特許文献３には、透光性を有する基板上に金属ワイヤを有するワイヤグリッド素子で、金属ワイヤの上端に周期的な凸形状を形成することにより、不要な偏光光を選択的に吸収する機能を付加した光学素子に関する技術が記載されている。この光学素子の等価回路は、幅のかわりに金属ワイヤの高さが変調されているものと考えることができることから、図３１に示す等価回路と同じものになる。この結果、特許文献３に記載されている光学素子において、偏光コントラスト比に代表される光学性能等は、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と比較して小さくなると考えることができる。

【0111】

さらに、特許文献３では、凸形状の高さは１０ｎｍから５０ｎｍの範囲に制限があり、凸形状の高さは、金属ワイヤの高さ未満であることから、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子のように完全な間隙を形成するものではない。この点で、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と、特許文献３に記載されている光学素子とは、構成上に大きな相違点があることになる。

【0112】

次に、特許文献４に記載されている技術と本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子との差異について述べる。特許文献４には、ガラス層内に金属パターンを、いわゆるチェッカーフラッグ状に配置して、１つの偏光光を別の偏光光に変換する光学素子に関する技術が記載されている。

【0113】

この点に関し、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と、特許文献４に記載されている光学素子には、以下に示す相違点が存在する。すなわち、第１の相違点は、光学素子の提供する機能である。具体的に、特許文献４に記載されている光学素子は、１つの偏光光を別の偏光光に変換する機能を有する光学素子であるのに対し、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、特定の偏光光を選択透過させる偏光フィルタとしての機能を提供する光学素子であるという相違点がある。そして、第２の相違点は、金属ワイヤのパターンである。具体的に、特許文献４に記載されている金属パターン同士の間隔（Ｌ１）は、入射光の波長をλとした場合、λ／４以下で構成されることが望ましい旨が記載されている。そして、入射光の波長λ＝６８８ｎｍであることから、間隔（Ｌ１）は、１７２ｎｍ以下が望ましいことになる。この場合、特許文献４に記載された技術において、周期Λ＝３００ｎｍ＋１７２ｎｍ＝４７２ｎｍとなり、Ｌ１／Λ＝３６％となる。この結果、特許文献４に記載された技術では、本実施の形態１において、偏光コントラスト比の向上を図る観点から望ましい範囲である１％≦Ｓ／Λ≦１０％の関係を満たさない条件も含んでいる。この点において、本実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子と、特許文献４に記載されている光学素子とは、構成上に相違点が存在することになる。

【0114】

（実施の形態２）
＜実施の形態２における基本思想＞
前記実施の形態１で説明したように、使用する光源がレーザやＬＥＤのように波長範囲の狭いものに対して、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子は、優れた偏光コントラスト比を実現することができる。例えば、図１８（ｂ）に示すように、入射光の波長が４５０ｎｍの場合、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、約２００，０００という高い偏光コントラスト比を得ることができる。一方で、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、図１８（ｂ）に示すように、入射光の波長が４８０ｎｍ以上になると、偏光コントラスト比が、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも低くなる。すなわち、より広い波長範囲において、良好な偏光コントラスト比を実現する必要がある場合においては、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、充分に対応できず、さらなる改善の余地が存在するのである。

【0115】

そこで、本実施の形態２では、例えば、波長範囲が４００ｎｍ〜５００ｎｍである青色波長帯にわたる広い波長範囲で、優れた偏光コントラスト比を実現できるスプリットワイヤ素子について説明する。

【0116】

前記実施の形態１で説明したように、スプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が向上するのは、スプリットワイヤ素子に入射したｓ偏光光で共鳴現象が生じることにより、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる結果、スプリットワイヤ素子を透過するｓ偏光光のリーク成分が減少するためであると考えることができる。したがって、幅広い波長域でｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象を生じさせることができれば、より広い波長域で偏光コントラスト比を向上することができると考えられる。つまり、幅広い波長域で、ｓ偏光光の反射や吸収を増加させる共鳴現象を生じさせるように構成する点に、本実施の形態２における基本思想がある。以下に、この基本思想の概要について説明する。

【0117】

図３２（ａ）は、共鳴現象におけるＱ値が大きい場合の例を示す模式図である。図３２（ａ）に示すように、Ｑ値が大きい場合には、ピークが鋭くなり、半値幅ＨＷ１の幅が小さくなる。このことは、半値幅ＨＷ１の範囲内に含まれる波長範囲が狭くなることを意味し、これは、共鳴現象が発現する波長域が狭くなることを意味する。この場合、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象が発現する波長域が狭くなり、これによって、偏光コントラスト比が向上する波長域が限定的になることが理解できる。

【0118】

この点に関し、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）の場合に比べて、共鳴現象におけるＱ値が小さい場合の例を示す模式図である。図３２（ｂ）に示すように、Ｑ値が中程度の場合には、ピークがなだらかになり、半値幅ＨＷ２の幅は、図３２（ａ）の半値幅ＨＷ１よりも大きくなる。このことは、半値幅ＨＷ２の範囲内に含まれる波長範囲が広くなることを意味し、これは、共鳴現象が発現する波長域が広くなることを意味する。この場合、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象が発現する波長域が広くなり、これによって、偏光コントラスト比が向上する波長域が幅広くなると考えられる。

【0119】

このように、本実施の形態２における基本思想は、Ｑ値をある程度小さくして、半値幅ＨＷ２に含まれる波長範囲を大きくすることにより、より広い波長範囲において、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象を発現させるものである。以下では、この基本思想を具現化した本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の構成について説明する。

【0120】

＜実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の構成＞
図３３は、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の構成を示す平面図である。図３３に示すように、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子においては、ｙ方向に周期的に形成された間隙ｓを有するスプリットワイヤＳＰＷ１とスプリットワイヤＳＰＷ２に挟まれるように、１本のストレートワイヤＳＴＷが配置されている。このように構成されている本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子において、構造周期は、隣り合うスプリットワイヤＳＰＷ１とストレートワイヤＳＴＷの周期ｐ１、ｙ方向の間隙ｓの周期Λ、ｘ方向において、間隙ｓを挟むスプリットワイヤＳＰＷ１とスプリットワイヤＳＰＷ２の周期ｐ３である。

【0121】

このとき、入射される電磁波の波長をλとし、基板の屈折率をｎとした場合、周期Λは、λ／ｎ以上となっている。また、ｘ方向における周期ｐ１は、λ／ｎよりも小さい一方、ｘ方向における周期ｐ３は、λ／ｎよりも大きくなっている。

【0122】

ここで、本実施の形態２の特徴は、スプリットワイヤＳＰＷ１とスプリットワイヤＳＰＷ２に挟まれるように、１本のストレートワイヤＳＴＷが配置されている点にある。これにより、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子においては、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子のようにスプリットワイヤだけから構成されるのではなく、構造の相違するスプリットワイヤとストレートワイヤが混在している構成をしていることになる。

【0123】

この場合、例えば、スプリットワイヤは、ＲＣ直列回路という等価回路で表すことができるため、スプリットワイヤのｓ偏光光に対するインピーダンスが周波数依存性（言い換えれば、波長依存性）を有し、これによって、ｓ偏光光の反射や吸収を大きくする共鳴現象が発現する。一方、ストレートワイヤは、抵抗の直列回路という等価回路で表すことができるため、ストレートワイヤのｓ偏光光に対するインピーダンスは、周波数依存性がなくフラットとなり、共鳴現象は発現しない。

【0124】

以上のことから、共鳴現象に影響を及ぼすスプリットワイヤの本数が多いほど、共鳴現象のＱ値が大きくなることが定性的に理解できる。つまり、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子では、すべての金属ワイヤがスプリットワイヤから構成されているため、共鳴現象のＱ値は大きくなる。一方、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子では、一対のスプリットワイヤに挟まれるように１本のストレートワイヤが挿入されているため、結果的に、共鳴現象に影響を及ぼすスプリットワイヤの本数が減少する。この結果、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子によれば、共鳴現象のＱ値を中程度に小さくすることができる。このことは、図３２（ａ）および図３２（ｂ）で説明したように、半値幅ＨＷ２が大きくなることを意味し、これによって、共鳴現象が発現する波長域を大きくすることができることになる。すなわち、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の構成によれば、より広い波長範囲に対して、優れた偏光コントラスト比を得ることができるのである。以下では、この効果を裏付けるシミュレーション結果について説明する。

【0125】

＜スプリットワイヤ素子における青色波長帯での波長依存性＞
図３４は、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子での青色波長帯における波長依存性を示すシミュレーション結果である。ここでは、隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１３５ｎｍ、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの幅ｗ＝４５ｎｍ、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの高さｈ＝１３０ｎｍ、スプリットワイヤにおけるｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍ、間隙ｓ＝５０ｎｍとしている。比較のため、図３４には、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。

【0126】

図３４（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図３４（ａ）に示すように、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、ワイヤグリッド素子のＴｐとほぼ一致する。

【0127】

また、図３４（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図３４（ｂ）に示すように、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比は、青色波長帯の全域にわたって、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも大きくなっていることがわかる。

【0128】

このことから、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子によれば、例えば、青色波長帯という広い波長範囲にわたって、偏光コントラスト比を向上できることがシミュレーションの結果からも裏付けられていることがわかる。

【0129】

＜斜入射される入射光に対する波長依存性＞
続いて、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子において、斜入射される入射光に対する波長依存性について説明する。ここでは、例えば、入射光の入射角をｘ方向に２０度傾けている場合について説明する（θｘ＝２０度）。なお、図３５は、ｘ方向に傾いた入射角を説明する図である。本明細書において、ｘ方向に傾いた入射角は、図３５に示すように、ｘｚ平面において、ｚ軸からの傾き角をθｘと定義することにする。

【0130】

図３６は、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子について、青色波長帯での波長依存性を示すシミュレーション結果である。図３６（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図３６（ａ）に示すように、ｘ方向に２０度傾けた入射光に対しても、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、ワイヤグリッド素子のＴｐとほぼ一致することがわかる。

【0131】

また、図３６（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図３６（ｂ）に示すように、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比は、青色波長帯の全域にわたって、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも大きくなっていることがわかる。

【0132】

次に、例えば、入射光の入射角をｙ方向に２０度傾けている場合について説明する（θｙ＝２０度）。なお、図３７は、ｙ方向に傾いた入射角を説明する図である。本明細書において、ｙ方向に傾いた入射角は、図３５に示すように、ｙｚ平面において、ｚ軸からの傾き角をθｙと定義することにする。

【0133】

図３８は、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子ついて、青色波長帯での波長依存性を示すシミュレーション結果である。図３８（ａ）は入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図３８（ａ）に示すように、ｙ方向に２０度傾けた入射光に対しても、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、ワイヤグリッド素子のＴｐとほぼ一致することがわかる。

【0134】

また、図３８（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図３８（ｂ）に示すように、波長が４２０ｎｍから４５０ｎｍの範囲おいて、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比が、ワイヤグリッド素子よりも小さくなってしまうことがわかる。この現象は、以下のように考えることができる。すなわち、この現象は、例えば、ｙ方向への斜入射の場合、ｓ偏光光の波数ベクトルの大きさをｋとすると、斜入射することによって、ｚ方向の波数ベクトルがｋｃｏｓθyとなるとともに、ｙ方向の波数ベクトルがｋｓｉｎθyとなることによるものである。つまり、スプリットワイヤ素子の周期Λによって作用される波数は２π／Λによって一定であるのに対して、斜入射の場合、ｙ方向の波数ベクトルとｚ方向の波数ベクトルが垂直入射の場合と異なるため、共鳴条件のずれによって、上述した現象が発生すると考えられる。

【0135】

以上のことから、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子では、前記実施の形態１におけるスプリットワイヤ素子に比べて、より広い波長範囲（青色波長帯全域）にわたって良好な偏光コントラスト比を得ることができる。一方、図３８（ｂ）で説明したように、ｙ方向の斜入射に対しては、波長によって偏光コントラスト比が低下するため、本実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子は、入射光の入射角が垂直に近く、例えば、θｙ＜１０度程度の光学装置への応用が適しているといえる。なお、本実施の形態２に存在するｙ方向の斜入射に対する改善の余地への工夫については、以下の実施の形態３で説明することにする。

【0136】

（実施の形態３）
＜実施の形態３の基本思想＞
本実施の形態３では、液晶プロジェクタへの適用を想定し、波長範囲が４００ｎｍから５００ｎｍである青色波長帯にわたって優れた偏光コントラスト比を提供することができ、かつ、入射角が２０度の範囲まで偏光コントラスト比を維持できるスプリットワイヤ素子について説明する。

【0137】

上述したように、前記実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子においては、ｙ方向の斜入射に対して、波長によって偏光コントラスト比が低下することになる。この理由は、斜入射の場合、ｙ方向の波数ベクトルとｚ方向の波数ベクトルが垂直入射の場合と異なるため、共鳴条件のずれによって、垂直入射の場合には、共鳴現象が発現するのに対し、斜入射に対しては、共鳴現象が発現しなくなることが考えられる。

【0138】

そこで、例えば、斜入射に対しても、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象を生じさせることができれば、斜入射に対しても、偏光コントラスト比を向上することができると考えられる。つまり、共鳴条件のずれによっても、依然として共鳴現象が生じる範囲に波長域が含まれるように構成することにより、斜入射に対しての偏光コントラスト比の向上を図ることができると考えられる。このことは、前記実施の形態２よりも、さらに幅広い波長域でｓ偏光光の反射や吸収を増加させる共鳴現象を生じさせるようにすればよいことを意味している。この点に本実施の形態３における基本思想がある。この基本思想の概要について説明する。

【0139】

図３９（ａ）は、前記実施の形態２に対応して、共鳴現象におけるＱ値が中程度の場合の例を示す模式図である。図３９（ａ）に示すように、Ｑ値が中程度の場合には、主に半値幅ＨＷ２に含まれる波長範囲において共鳴現象が発現する。

【0140】

この点に関し、図３９（ｂ）は、図３９（ａ）の場合に比べて、さらに共鳴現象におけるＱ値が小さい場合の例を示す模式図である。図３９（ｂ）に示すように、Ｑ値が小さい場合には、ピークがさらになだらかになり、半値幅ＨＷ３の幅は、図３９（ａ）の半値幅ＨＷ２よりも大きくなる。このことは、半値幅ＨＷ３の範囲内に含まれる波長範囲が広くなることを意味し、これは、共鳴現象が発現する波長域が広くなることを意味する。この場合、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象が発現する波長域が広くなり、これによって、偏光コントラスト比が向上する波長域がさらに幅広くなると考えられる。

【0141】

このように、本実施の形態３における基本思想は、前記実施の形態２の場合よりも、Ｑ値をさらに小さくして、半値幅ＨＷ３に含まれる波長範囲を大きくすることにより、より広い波長範囲において、ｓ偏光光の反射や吸収が大きくなる共鳴現象を発現させるものである。以下では、この基本思想を具現化した本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の構成について説明する。

【0142】

＜実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の構成＞
図４０は、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の構成を示す平面図である。図４０に示すように、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子においては、ｙ方向に周期的に形成された間隙ｓを有するスプリットワイヤＳＰＷ１とスプリットワイヤＳＰＷ２に挟まれるように、２本のストレートワイヤＳＴＷ２およびストレートワイヤＳＴＥ３が配置されている。このように構成されている本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子において、構造周期は、隣り合うスプリットワイヤＳＰＷ１とストレートワイヤＳＴＷ１の周期ｐ１、ｙ方向の間隙ｓの周期Λ、ｘ方向において、間隙ｓを挟むストレートワイヤＳＴＷ１とストレートワイヤＳＴＷ２の周期ｐ３（＝２×ｐ１）である。さらに、本実施の形態３では、スプリットワイヤＳＰＷ１とスプリットワイヤＳＰＷ２のスキップ周期ＳＰ（＝３×ｐ１）も存在することになる。

【0143】

このとき、入射される電磁波の波長をλとし、基板の屈折率をｎとした場合、周期Λは、λ／ｎ以上となっている。また、ｘ方向における周期ｐ１は、λ／ｎよりも小さい一方、ｘ方向における周期ｐ３は、λ／ｎよりも大きくなっている。

【0144】

ここで、本実施の形態２の特徴は、スプリットワイヤＳＰＷ１とスプリットワイヤＳＰＷ２に挟まれるように、２本のストレートワイヤＳＴＷ２とストレートワイヤＳＴＷ３が配置されている点にある。これにより、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子においては、前記実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子よりも、スプリットワイヤ間に挟まれるストレートワイヤの本数が増加することになる。

【0145】

ここで、前記実施の形態２でも説明したように、共鳴現象に影響を及ぼすスプリットワイヤの本数が多いほど、共鳴現象のＱ値が大きくなると考えられる。つまり、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子では、前記実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子よりも、一対のスプリットワイヤに挟まれるストレートワイヤの本数が増加しているため、結果的に、共鳴現象に影響を及ぼすスプリットワイヤの本数が減少する。この結果、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子によれば、前記実施の形態２よりも、共鳴現象のＱ値をさらに小さくすることができるのである。このことは、図３９（ａ）および図３９（ｂ）で説明したように、半値幅ＨＷ３が大きくなることを意味し、これによって、共鳴現象が発現する波長域を大きくすることができることになる。すなわち、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の構成によれば、斜入射も考慮した広い波長範囲に対して、優れた偏光コントラスト比を得ることができるのである。以下では、この効果を裏付けるシミュレーション結果について説明する。

【0146】

＜スプリットワイヤ素子における青色波長帯での波長依存性＞
図４１は、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子について、青色波長帯での波長依存性を示すシミュレーション結果である。ここでは、垂直入射光に対する結果を示す。隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤのｘ方向の周期ｐ１＝１３５ｎｍ、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの幅ｗ＝４５ｎｍ、スプリットワイヤおよびストレートワイヤの高さｈ＝１３０ｎｍ、ｙ方向の周期Λ＝４００ｎｍ、間隙ｓ＝５０ｎｍとしている。比較のため、図４１には、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子の結果も示している。

【0147】

図４１（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図４１（ａ）に示すように、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、ワイヤグリッド素子のＴｐとほぼ一致することがわかる。

【0148】

また、図４１（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図４１（ｂ）に示すように、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比は、青色波長帯の全域にわたって、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも大きくなっていることがわかる。

【0149】

＜斜入射される入射光に対する波長依存性＞
続いて、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子において、斜入射される入射光に対する波長依存性について説明する。ここでは、例えば、入射光の入射角をｘ方向に２０度傾けている場合について説明する（θｘ＝２０度）。

【0150】

図４２は、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子について、青色波長帯での波長依存性を示すシミュレーション結果である。図４２（ａ）は、入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図４２（ａ）に示すように、ｘ方向に２０度傾けた入射光に対しても、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、ワイヤグリッド素子のＴｐとほぼ一致することがわかる。

【0151】

また、図４２（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図４２（ｂ）に示すように、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比は、青色波長帯の全域にわたって、ストレートワイヤから構成されるワイヤグリッド素子よりも大きくなっていることがわかる。

【0152】

次に、例えば、入射光の入射角をｙ方向に２０度傾けている場合について説明する（θｙ＝２０度）。

【0153】

図４３は、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子ついて、青色波長帯での波長依存性を示すシミュレーション結果である。図４３（ａ）は入射光の波長とｐ偏光光の透過率の関係を示すグラフである。図４３（ａ）に示すように、ｙ方向に２０度傾けた入射光に対しても、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子のＴｐは、ワイヤグリッド素子のＴｐとほぼ一致することがわかる。

【0154】

また、図４３（ｂ）は、入射光の波長と偏光コントラスト比の関係を示すグラフである。図４３（ｂ）に示すように、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子は、前記実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子と異なり、ｙ方向に２０度傾けた入射光に対しても、スプリットワイヤ素子の偏光コントラスト比は、青色波長帯の全域にわたって、ストレートワイヤからなるワイヤグリッド素子よりも大きくなっている。このことから、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子によれば、前記実施の形態２におけるスプリットワイヤ素子と比較して、応用目的に応じた光学特性の改善を確認することができる。

【0155】

スプリットワイヤ素子では、等価回路に示したようにｓ偏光光に対して選択的な共鳴効果を発生させることによって、ワイヤグリッド素子と比較して大きな偏光コントラスト比を得ることができる。また、ｙ方向に周期的な間隙を形成したスプリットワイヤ間にストレートワイヤを挿入することにより、スプリットワイヤ間のｘ方向の配置間隔であるスキップ周期を変えることによって、共鳴現象のＱ値を制御し、用途に応じた波長範囲、入射角度、偏光コントラスト比を設計することが可能となる。以下では、こうしたＱ値の制御方法についての適用限界について説明する。

【0156】

＜Ｑ値の制御方法についての適用限界＞
ｙ方向に周期的な間隙を形成したスプリットワイヤ間にストレートワイヤを挿入した場合のスプリットワイヤ間のｘ方向に配置間隔であるスキップ周期に着目すると、隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤ間の周期ｐ１と、挿入されるストレートワイヤの本数ｎによって、ｘ方向のスキップ周期は（ｎ＋１）×ｐ１となる。すなわち、スプリットワイヤ間に挿入されるストレートワイヤの本数が増加すると、スキップ周期が大きくなる。この場合、挿入されるストレートワイヤの本数が増加して、スキップ周期が大きくなると、スキップ周期に応じて基板を透過する回折光が発生する場合がある。

【0157】

図４４は、液晶プロジェクタへの応用を前提にして、回折光の影響を摸式的に示す図である。図４４に示すように、スプリットワイヤ素子ＳＷＥから透過回折光が生じる場合、その回折角をΦとすると、回折角Φは、スキップ周期ＳＰ、波長λ、および、ｍを整数として、ｓｉｎΦ＝ｍλ／ＳＰで表される。特に、光学装置に影響する透過回折光は、主として、ｍ＝±１の１次回折光である。

【0158】

ここでは、例えば、図４４に示すように、スプリットワイヤ素子ＳＷＥと液晶パネルＬＣＰを透過した光が投影レンズＬＥＮによって結像される例を考える。この例は、一般的な液晶プロジェクタなどに適用される簡略化した構成である。この場合、投影レンズＬＥＮの開口数がＮＡ（＝ｓｉｎθ）であるとすると、回折角ΦがΦ＞θの条件を満たす場合、投影レンズＬＥＮを通じて、回折光がスクリーン上に結像されることはない。つまり、スプリットワイヤ素子のスキップ周期ＳＰを、Φ＞θ（ＮＡ＝ｓｉｎθ）の条件を満たすように設定することにより、スクリーンに回折光が投影されることを防ぐことができる。一般にθの値はθ＝１０〜２０度程度と考えることができる。

【0159】

図４５は、スプリットワイヤを配置するスキップ周期ＳＰと垂直入射光に対する回折角の関係を示すグラフである。波長λ＝４６０ｎｍ、隣り合うスプリットワイヤとストレートワイヤの周期ｐ１＝１３５ｎｍとした場合、図４５に示すように、スキップ周期ＳＰが１０×ｐ１を超えると回折角が２０度以下となる。したがって、スキップ周期ＳＰによってＱ値を制御する場合、スキップ周期ＳＰは、１０×ｐ１以下にすることが望ましい。この関係は構造周期、使用波長、投影レンズの開口数等によって変化するが、概ね、ここで示した基準にしたがうことにより、回折光によってスクリーン上に、いわゆるゴースト像が形成されることを抑制することができる。

【0160】

以上のことから、スプリットワイヤ間に挿入されるストレートワイヤの本数を増加させると、共鳴現象のＱ値を小さくすることができ、これによって、共鳴現象が発現する波長域を大きくすることができる。一方、スプリットワイヤ間に挿入されるストレートワイヤの本数を増加させると、スプリットワイヤ間のスキップ周期が大きくなることになり、これによって、透過回折光が発生することになる。そして、スキップ周期が大きくなりすぎると、透過回折光の回折角が小さくなって、スクリーン上に透過回折光によるゴースト像が形成されてしまうことが懸念される。したがって、共鳴現象のＱ値を小さくして、共鳴現象が発現する波長域を大きくする制御方法は、透過回折光によるゴースト像が形成されない条件内で行なう必要があり、これによって、Ｑ値の制御方法についての適用限界（制約）が存在することがわかる。

【0161】

＜斜入射による回折光の影響＞
続いて、斜入射による回折光の影響について説明する。図４６は、本実施の形態３のスプリットワイヤ素子において、入射角θｘと、１次透過回折光を含む透過光の透過率との関係を示すシミュレーション結果である。図４６において、Ｔｐはｐ偏光光の透過率であり、Ｔｓはｓ偏光光の透過率である。また、Ｔｐ（回折）は、ｐ偏光光の１次透過回折光の透過率であり、Ｔｓ（回折）は、ｓ偏光光の１次透過回折光の透過率である。なお、図４６では、入射光の波長λ＝４６０ｎｍの場合の結果が示されている。

【0162】

図４６に示すように、基板を透過する透過回折光は入射角θｘが１０度以上で発生することがわかる。言い換えれば、入射角θｘが１０度よりも小さい場合には、透過回折光は発生しない。

【0163】

ここで、図４６に示すように、透過回折光の透過率（Ｔｐ（回折）、Ｔｓ（回折））は０．０１５％程度であり、ｓ偏光光の透過率の１／３程度、ｐ偏光光の透過率とのコントラスト比では約１０，０００となる。このため、本実施の形態３におけるスプリットワイヤ素子の場合、透過回折光の影響は実質的に無視することができる。

【0164】

以上、本発明のスプリットワイヤ素子について説明したが、実施の形態１〜３で示した数値は、それに限定されるものではなく、例えば、構造周期を調整して対応する波長域を変えたり、アルミニウム以外の金属材料を用いることも可能である。また、スプリットワイヤ素子を誘電体で覆って、耐環境性を向上することも可能である。さらに、スプリットワイヤ素子の上部に透明誘電体や光吸収性を有する材料からなる反射抑止構造を形成することによって、ｓ偏光光の反射を抑制し、例えば、液晶プロジェクタの液晶素子の後段に配置する偏光フィルタとして用いることもできる。

【0165】

（実施の形態４）
本実施の形態４では、前記実施の形態１〜３におけるスプリットワイヤ素子を適用した光学装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態４では、様々な光学装置のうち、特に、画像投影装置の１つである液晶プロジェクタを例に挙げて説明する。

【0166】

＜液晶プロジェクタの構成＞
図４７は、本実施の形態４における液晶プロジェクタの光学系を示す模式図である。図４７において、本実施の形態４における液晶プロジェクタは、光源ＬＳ、導波光学系ＬＧＳ、ダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）、ＤＭ（Ｇ）、反射ミラーＭＲ１（Ｒ）、ＭＲ１（Ｂ）、ＭＲ２（Ｒ）、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｂ）、ＳＷＥ１（Ｇ）、ＳＷＥ１（Ｒ）、ＳＷＥ２（Ｂ）、ＳＷＥ２（Ｇ）、ＳＷＥ２（Ｒ）、液晶パネルＬＣＰ（Ｂ）、ＬＣＰ（Ｇ）、ＬＣＰ（Ｒ）、投影レンズＬＥＮを有している。

【0167】

光源ＬＳは、ハロゲンランプなどから構成され、青色光と緑色光と赤色光とを含む白色光を射出するようになっている。そして、導波光学系は、光源ＬＳから射出された光分布の一様化やコリメートなどを実施するように構成されている。

【0168】

ダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）は、青色光に対応した波長の光を反射し、その他の緑色光や赤色光を透過するように構成されている。同様に、ダイクロイックミラーＤＭ（Ｇ）は、緑色光に対応した波長の光を反射し、その他の赤色光を透過するように構成されている。また、反射ミラーＭＲ１（Ｒ）は、赤色光を反射するように構成されている。

【0169】

スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｂ）、ＳＷＥ２（Ｂ）は、青色光を入射して特定の偏光光を選択透過するように構成されており、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｇ）、ＳＷＥ２（Ｇ）は、緑色光を入射して特定の偏光光を選択透過するように構成されている。また、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｒ）、ＳＷＥ２（Ｒ）は、赤色光を入射して特定の偏光光を選択透過するように構成されている。

【0170】

具体的に、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｂ）、ＳＷＥ１（Ｇ）、ＳＷＥ１（Ｒ）、ＳＷＥ２（Ｂ）、ＳＷＥ２（Ｇ）、ＳＷＥ２（Ｒ）は、前記実施の形態１〜３で説明したスプリットワイヤ素子である。

【0171】

反射ミラーＭＲ１（Ｂ）は、青色光を反射するように構成されており、反射ミラーＭＲ１（Ｒ）および反射ミラーＭＲ２（Ｒ）は、赤色光を反射するように構成されている。

【0172】

液晶パネルＬＣＰ（Ｂ）は、青色用のスプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｂ）から射出された偏光光を入射し、画像情報に応じて偏光方向を変化させるように構成されている。同様に、液晶パネルＬＣＰ（Ｇ）は、緑色用のスプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｇ）から射出された偏光光を入射し、画像情報に応じて偏光方向を変化させるように構成され、液晶パネルＬＣＰ（Ｒ）は、赤色用のスプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｒ）から射出された偏光光を入射し、画像情報に応じて偏光方向を変化させるように構成されている。液晶パネルＬＣＰ（Ｂ）、ＬＣＰ（Ｇ）、ＬＣＰ（Ｒ）は、液晶パネルを制御する制御回路（図示せず）と電気的に接続されており、この制御回路からの制御信号に基づいて、液晶パネルに印加される電圧が制御されるようになっている。なお、投影レンズＬＥＮは、画像を投影するためのレンズである。

【0173】

＜液晶プロジェクタの動作＞
本実施の形態４における液晶プロジェクタは、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。まず、図４７に示すように、ハロゲンランプなどより構成される光源ＬＳから青色光と緑色光と赤色光を含む白色光が射出される。そして、光源ＬＳから射出された白色光は、導波光学系ＬＧＳに入射されることにより、白色光に対して光分布の一様化やコリメートなどが実施される。その後、導波光学系ＬＧＳを射出した白色光は、最初にダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）に入射する。ダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）では、白色光に含まれる青色光だけが反射され、緑色光と赤色光は、ダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）を透過する。

【0174】

ダイクロイックミラーＤＭ（Ｂ）を透過した緑色光と赤色光は、ダイクロイックミラーＤＭ（Ｇ）に入射される。ダイクロイックミラーＤＭ（Ｇ）では、緑色光だけが反射され、赤色光は、ダイクロイックミラーＤＭ（Ｇ）を透過する。このようにして、白色光から青色光と緑色光と赤色光に分離することができる。

【0175】

続いて、分離された青色光は、反射ミラーＭＲ１（Ｂ）を介して、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｂ）に入射され、青色光に含まれる特定の偏光光が選択透過される。そして、選択透過された偏光光は、液晶パネルＬＣＰ（Ｂ）を透過した後、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ２（Ｂ）から射出される。こうした構成において、液晶パネルＬＣＰ（Ｂ）では、制御信号に基づいて、液晶の配向方向の制御が実施されることにより、偏光光の偏光方向が制御される。

【0176】

同様に、分離された緑色光は、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｇ）に入射され、緑色光に含まれる特定の偏光光が選択透過される。そして、選択透過された偏光光は、液晶パネルＬＣＰ（Ｇ）に入射され、液晶パネルＬＣＰ（Ｇ）を透過した後、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ２（Ｇ）から射出される。液晶パネルＬＣＰ（Ｇ）においても、偏光光の偏光方向が制御される。

【0177】

また、分離された赤色光は、反射ミラーＭＲ１（Ｒ）および反射ミラーＭＲ２（Ｒ）を介して、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ１（Ｒ）に入射され、赤色光に含まれる特定の偏光光が選択透過される。そして、選択透過された偏光光は、液晶パネルＬＣＰ（Ｒ）を透過した後、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ２（Ｒ）から出射される。液晶パネルＬＣＰ（Ｒ）においても、偏光光の偏光方向が制御される。

【0178】

その後、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ２（Ｂ）から射出された偏光光（青色）と、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ２（Ｇ）から射出された偏光光（緑色）と、スプリットワイヤ素子ＳＷＥ２（Ｒ）から射出された偏光光（赤色）とが合波され、投影レンズＬＥＮを介して、スクリーン（図示せず）に投影される。このようにして、本実施の形態４における液晶プロジェクタによれば、画像を投影することができる。

【0179】

本実施の形態４によれば、従来のワイヤグリッド素子に置き換えて、スプリットワイヤ素子を使用しているので、コントラスト比を改善した液晶プロジェクタを実現することができる。言い換えれば、本実施の形態４によれば、液晶プロジェクタの画質を向上することができる。

【0180】

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

【0181】

例えば、前記実施の形態では、可視光から近赤外線光に対応する光学素子や光学装置について説明したが、これに限らず、マクスウェル方程式に従う電磁波であれば、本願発明の技術的思想を同様に適用することができる。具体的には、７７ＧＨｚの無線デバイスでは、電磁波の波長は約４ｍｍであり、このような電磁波に対しても、例えば、スプリットワイヤ素子を光学部品として適用することができる。

【0182】

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0183】

１Ｓ 基板
ＤＩＴ 溝部
ＤＭ（Ｂ） ダイクロイックミラー
ＤＭ（Ｇ） ダイクロイックミラー
ＨＷ１ 半値幅
ＨＷ２ 半値幅
ＨＷ３ 半値幅
ＬＣＰ 液晶パネル
ＬＣＰ（Ｂ） 液晶パネル
ＬＣＰ（Ｇ） 液晶パネル
ＬＣＰ（Ｒ） 液晶パネル
ＬＥＮ 投影レンズ
ＬＧＳ 導波光学系
ＬＳ 光源
Ｍ マスタ基板
ＭＬ 金属層
ＭＰ 凸部
ＭＲ１（Ｒ） 反射ミラー
ＭＲ１（Ｂ） 反射ミラー
ＭＲ２（Ｒ） 反射ミラー
ｐ１ 周期
ｐ３ 周期
ＲＲ レジスト樹脂
Ｒｓ 紫外線硬化樹脂
ｓ 間隙
ＳＰ スキップ周期
ＳＰＷ スプリットワイヤ
ＳＰＷ１ スプリットワイヤ
ＳＰＷ２ スプリットワイヤ
Ｓｓ 支持基板
ＳＴ スタンパ
ＳＴＷ ストレートワイヤ
ＳＴＷ１ ストレートワイヤ
ＳＴＷ２ ストレートワイヤ
ＳＴＷ３ ストレートワイヤ
ＳＷＥ スプリットワイヤ素子
ＳＷＥ１（Ｂ） スプリットワイヤ素子
ＳＷＥ１（Ｇ） スプリットワイヤ素子
ＳＷＥ１（Ｒ） スプリットワイヤ素子
ＳＷＥ２（Ｂ） スプリットワイヤ素子
ＳＷＥ２（Ｇ） スプリットワイヤ素子
ＳＷＥ２（Ｒ） スプリットワイヤ素子
ｗ 幅
ｗ１ 幅
ｗ２ 幅
ＷＧ ワイヤグリッド
Λ 周期
δ 距離差

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】

【図45】

【図46】

【図47】

【図1】