偏光変換板、偏光変換方法
【課題】無偏光から所望の偏光成分を５０％以上の効率で得る。
【解決手段】基板１１中に入射側から出射側にかけて基板１１の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体１０、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体２０を順に設け、第１の散乱体１０により、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、第２の散乱体２０により、第１の散乱体１０により滲出した近接場光及び入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出する。
【解決手段】基板１１中に入射側から出射側にかけて基板１１の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体１０、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体２０を順に設け、第１の散乱体１０により、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、第２の散乱体２０により、第１の散乱体１０により滲出した近接場光及び入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無偏光の入射光から所望の偏光成分を高い変換効率を以って変換する上で好適な偏光変換板及び偏光変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光板は、通常、方向性を持つ結晶で構成され、一の方向に振動する光の偏光成分のみを透過させる。通常、この偏光板は、いわゆる液晶ディスプレイやプロジェクター等の液晶表示装置に適用される。実際に偏光板は、液晶の直前に設けられ、光源から発光される無偏光の光から所望の偏光成分を透過させて液晶へと導くことを行っている。
【０００３】
一般に従来の偏光板では、理想的なものであっても、原理上入射される光の５０％程度しか所望の偏光成分に変換することができない。所望の偏光成分として出射されなかった残りの５０％程度の光は偏光板に吸収されるか、又は反射される等により損失となる。所望の偏光成分への偏光効率を向上させるためには、偏光光分岐素子と波長板を組み合わせることでこれを実現することができる。しかし、このような偏光光分岐素子と波長板を組み合わせてユニット化する際に構成自体のサイズが大きくなってしまい、小型化、薄型化がより求められる液晶ディスプレイに適用することが困難であった。
【０００４】
また、偏光効率を向上させる点から、例えば特許文献１に示すような多重散乱を利用する方法も提案されている。この特許文献１の開示技術によれば、入射光を導光体に導光させ、導光体の下面側に配置して導光光を反射する反射板と、導光体の上面側に配置して導光光中のあるＰ偏光を透過させてＳ偏光を反射させる偏光分離板とを備えており、導光体と偏光分離板との間で多重反射を起こさせることにより偏光効率を向上させる技術である。
【０００５】
しかしながら、この特許文献１に示す開示技術では、偏光を高効率に変換させるための偏光分離版が必要になり、また導光体中で光が散乱されることから、入射方向と出射方向と一致していることが望ましいプロジェクター等には適さない。
【０００６】
更に、特許文献２〜４の開示技術によれば、偏光効率を向上させる観点から、ナノオーダーの金属細線を折り曲げてなる偏光子、金属細線を螺旋状に配置してなる偏光子、更には量子ドットを配列させることで構成された偏光子も提案されている。しかしながら、この特許文献２〜４の開示技術によれば、偏光板から出射する伝搬光の出射方向が一方向に定まる構成となっていないため、結果的に効率が低下してしまうという問題点もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−０９６８１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２０１７号公報
【特許文献３】特開２００７−２７２０１８号公報
【特許文献４】特開２００７−２７２０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、偏光の非対称な変換により、無偏光から所望の偏光成分を５０％以上の効率で得ることが可能な偏光変換板及び偏光変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上述した課題を解決するために、基板中に入射側から出射側にかけて基板の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体、基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けることにより、第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を第２の散乱体により受けることで偏光成分の変換された出射光を放出する偏光変換板及び偏光変換方法を発明した。
【００１０】
本発明を適用した偏光変換板は、基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回略対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けられ、上記第１の散乱体は、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、上記第２の散乱体は、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出することを特徴とする。
【００１１】
本発明を適用した偏光変換方法は、基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けられ、上記第１の散乱体により、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、上記第２の散乱体により、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出することを特徴とする。
【００１２】
このとき、伝搬光を直接的に第２の散乱体に入射可能なように第１の散乱体との間で相対的位置が調整されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、基板中に入射側から出射側にかけて基板の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体、基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けることにより、第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を第２の散乱体により受けることで偏光成分の変換された出射光を放出する。
【００１４】
これにより本発明では、無偏光から所望の偏光成分を５０％以上の効率で得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を適用した偏光変換板の全体斜視図である。
【図２】第１の散乱体並びに第２の散乱体の斜視図である。
【図３】基板内に配設された第１の散乱体並びに第２の散乱体の平面図である。
【図４】本発明を適用した偏光変換板により実現する偏光変換方法について説明するための図である。
【図５】、本発明を適用した偏光変換板における偏光効率向上のための理論的説明をするためのモデル図である。
【図６】式（３）、（５）に基づいて、時間の経過に対する電場強度の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図７】本発明を適用した偏光変換板に対して実際に各偏光成分の光を入射させた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態として、所望の偏光成分を高い変換効率を以って変換する偏光変換板について、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００１７】
本発明を適用した偏光変換板１は、例えば図１に示すように、基板１１と、この基板１１中に配列させた第１の散乱体１０、第２の散乱体２０とを備えている。
【００１８】
基板１１は、例えばガラス等のような透光性材料で構成されている。このとき基板１１は、第１層５と、第２層６とに区分されていてもよい。この第１層５は光の入射側に配置されてなり、また第２層６は、この偏光変換板１を透過した光の出射側に配置されている。これら第１層５、第２層６は、それぞれ同一の材料で構成されており、これら各層間が離間されているものではない。即ち、一のガラス板を板厚方向に２段に区分する際の一指標としてこれら第１層５〜第２層６を定義したのである。ちなみに、これら第１層５〜第２層６は、互いに別々に作製した上でこれらを貼り合わせて一枚の基盤１１として構成するようにしてもよい。特にこの第１層５に関しては、これをさらに細かく板厚方向に分離した上でこれらを互いに貼り合わせるようにしてもよい。
【００１９】
この第１層５には、第１の散乱体１０がその内部に設けられ又は入射側表面に露出するようにして設けられている。第２層６は、第２の散乱体２０がその内部に設けられている。
【００２０】
図２は、第１の散乱体１０並びに第２の散乱体２０の斜視図を、また図３は、基板１１内に配設された第１の散乱体１０並びに第２の散乱体２０について基板の平面視における形状を示している。この基板１１の平面視の方向としては、図１、２に示すように基板１１の表面に対する法線方向ｚに相当するものである。この平面視における形状を重要視する理由としては、通常、この偏光変換板１を介して偏光変換を行う場合に、伝搬光をｚ方向から入射させるようにするため、当該ｚ方向における形状が偏光変換を行う上で支配的となるためである。
【００２１】
第１の散乱体１０は、例えばＡｌ、Ａｕ等の材料からなり、図３に示すように平面視における形状が正方形となるように構成されている。但し、この第１の散乱体１０の平面視における形状は、正方形に限定されるものではなく、円形でもよいし、八角形であってもよい。即ち、この第１の散乱体１０の平面視における形状は、４回対称であればいかなる形状であってもよい。また、この第１の散乱体１０の平面視における形状は、完全な４回対称である必要は無く、多少の非対称の部分が混在した略対称の形状で構成されていればよい。この散乱体１０は、中央において開口１０ｂが設けられている。この第１の散乱体１０は、この正方形の一辺から−ｚ方向に向けて突出部１０ａが設けられているが、当該突出部１０ａは必須ではない。また、この第１の散乱体１０の板厚は、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されていることが望ましい。また、この第１の散乱体１０の幅ｗは、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されていることが望ましい。
【００２２】
第２の散乱体２０は、例えばＡｌ、Ａｕ等の材料からなり、図３に示すように平面視における形状がＬ字状となるように構成されている。但し、この第２の散乱体２０の平面視における形状は、Ｌ字状に限定されるものではなく、長方形であってもよいし、三角形状であってもよいし、楕円形であってもよい。即ち、この第２の散乱体２０の平面視における形状は、４回非対称であればいかなる形状であってもよい。また第１の散乱体１０が完全に４回対称になっていない場合には、第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０と比較してより非対称になっていればよい。また第２の散乱体２０は、複数で単位ユニットを構成した例を示しているが、これに限定されるものではなく、単数で単位ユニットを構成してもよい。また３個以上の散乱体２０で単位ユニットを構成するようにてもよいことは勿論である。
【００２３】
第２の散乱体２０は、−ｚ方向に向けて段差が設けられているが、これについても必須ではない。また、この第２の散乱体２０の段差の板厚は、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されている。また、この第２の散乱体２０の幅ｗは、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されている。
【００２４】
この第１の散乱体１０と第２の散乱体２０との間隔Ｇは、少なくとも第１の散乱体１０において滲出した近接場光を受けることが可能な程度まで近接配置されている必要がある。例えば、この間隔Ｇは、分子サイズ以下、或いは回折限界以下で構成されていてもよい。この間隔Ｇは、例えば５０〜３００ｎｍであり、望ましくは１００〜２００ｎｍで構成されている。この間隔Ｇは、伝搬光における位相遅れにも影響を及ぼす。即ち、この間隔Ｇは、伝搬光における位相遅れをどの程度に設定するかという点と、第１の散乱体１０において滲出した近接場光が接触可能かという点から最適となるように設計されることになる。
【００２５】
また、この第１の散乱体１０と第２の散乱体２０の平面視における相対的位置関係は、図３に示すように第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０によって一部遮蔽されることになる。しかし、第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０によって遮蔽されていない領域については、基板１１に入射した伝搬光が直接的に照射されることになる。即ち、この第１の散乱体１０と第２の散乱体２０の平面視における相対的位置関係は、少なくとも基板１１に入射した伝搬光が直接的に入射可能に調整されていることが望ましい。
【００２６】
次に、本発明を適用した偏光変換板１により実現する偏光変換方法について説明をする。図４に示すように、先ず無偏光の伝搬光を基板１１における−ｚ方向に向けて照射する。基板１１内に入射された伝搬光の一部は、第１の散乱体１０に入射される。第１の散乱体１０に外部からの伝搬光が入射された場合には、これに基づいて近接場光が発生することになる。
【００２７】
第１の散乱体１０に近接場光が発生した場合には、第２の散乱体２０にそれが接触するように間隔Ｇが設定されている。このため、第２の散乱体２０は、この第１の散乱体１０において滲出した近接場光が接触することになる。この近接場光は、伝搬光のように伝搬する性質を持たないものであることから、位相という概念が成り立たないものであり、位相遅れの無い状態で第２の散乱体２０に接触することになり、これが誘導分極を起こすことになる。
【００２８】
これに加えて第２の散乱体２０には伝搬光が直接照射される。その結果、第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０により滲出した近接場光による誘導分極に基づく電場と、直接的に入射された伝搬光による誘導分極に基づく電場とが加算されて、偏光成分の変換された出射光を放出する。即ち、入射された伝搬光が無偏光の光である場合に、この偏光変換板１を通過させることにより、図中ｘ方向又はｙ方向の直線偏光成分の光を放出することが可能となる。しかもこの偏光効率は以下に説明するように、５０％超のものとされている。
【実施例１】
【００２９】
以下、本発明を適用した偏光変換板１における偏光効率向上のための理論的説明をする。
【００３０】
先ず理論モデルとして、図５に示すような形状からなる第１の散乱体１０、第２の散乱体２０からなる偏光変換板１を考える。この第１の散乱体１０は、球形からなり、平面視において４回対称の形状とされている。また、第２の散乱体２０は平面視でＬ型で構成され、ｐ：ｑは２：１で構成されている。このような理論モデル上の偏光変換板１において、仮想的に伝搬光を入射させる。
【００３１】
この伝搬光が仮にｘ方向に偏光している直線偏光成分である場合、その電場を材料主軸a,bの方向に分割して表記すると下記（１）式で与えられる。
【００３２】
EX-in=cosθ・｜Ea｜*sinwt +sinθ*｜Eb｜*sin wt・・・・・・・・（１）
【００３３】
ここでθは材料主軸aとX偏光の電場方向がなす角である。ここで例えば材料主軸とX偏光が45度＝π/4の角をなすとする。また材料主軸aとbは直交しているとする。そしてかかるｘ方向の直線偏光の光が入射された場合に上述したモデルで構成される偏光変換板１から出射されるＸ,Ｙの各偏光成分は、下記（２）、（３）式で与えられる。ちなみに（２）式は、ｘ方向の直線偏光成分の電場強度であり、（３）式は、ｙ方向の直線偏光成分の電場強度である。なお、この（２）、（３）式では、近接場光と伝搬光との第２の散乱体２０への電場の寄与の割合は５０％ずつとされている。また、材料主軸bはaに対し位相遅れπ/5を生じるとする。（このように位相遅れが生じる主軸を持つことは一般的であり、複屈折率と呼ばれる。）
【００３４】
X偏光強度∝｜EX-out｜2=(cos(π/4)*｜Ea｜*sin wt + sin(π/4)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(2/√5* sin wt))2・・・・・・・・（２）
【００３５】
Y偏光強度∝｜EY-out｜2=(cos(π/4+π/2)*｜Ea｜*sin wt + sin(π/4+π/2)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2
=(-sin(π/4)*｜Ea｜*sin wt + cos(π/4)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2
=(cos(π/4)*｜Eb｜*sin wt - sin(π/4)*｜Ea｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2・・・・・・・・（３）
【００３６】
また、伝搬光が仮にｙ方向に偏光している直線偏光成分である場合、その電場は、下記（４）式で与えられる。
【００３７】
EY-in= cos（π/4＋π/2）*｜Ea｜*sinwt+ sin（π/4＋π/2）*｜Eb｜*sin wt
= cos（π/4）*｜Eb｜*sinwt - sin（π/4）*｜Ea｜*sin wt
・・・・・・・・（４）
【００３８】
また、かかるｙ方向の直線偏光の光が入射された場合に上述したモデルで構成される偏光変換板１から出射される各偏光成分は、下記（５）、（６）式で与えられる。ちなみに（５）式は、ｘ方向の直線偏光成分の電場強度であり、（６）式は、ｙ方向の直線偏光成分の電場強度である。
【００３９】
｜EX-out｜2=(cos(π/4)*｜Ea｜*sin wt + sin(π/4)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(2/√5* sin wt))2・・・・・・・・（５）
【００４０】
｜EY-out｜2=(cos(π/4)*｜Eb｜*sin wt - sin(π/4)*｜Ea｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2・・・・・・・・（６）
【００４１】
上述した式（２）、（３）、（５）、（６）において、前段の(cos(π/4)*｜Ea,b｜*sin wt±sin(π/4)*｜Eb,a｜*sin(wt+π/5)が、伝搬光の成分である。この伝搬光の成分においてπ／５は位相遅れを仮定したものであって、上述した間隔Ｇに依拠したものとなっている。
【００４２】
また、上述した式（２）、（３）、（５）、（６）において、後段の1/√5* sin wt、又は2/√5* sin wtは、近接場光の成分である。この近接場光は、伝搬しない性質であることからそもそも位相という概念が無く、位相遅れ自体が存在しない。ここで後段の近接場光の成分において、分子の“１”、“２”は、それぞれｐとｑの１：２に対応したものである。
【００４３】
このような前段の位相遅れが含まれる伝搬光成分の電磁場と、後段の位相遅れの無い近接場光の電磁場とがこの第２の散乱体２０において誘導分極され、偏光方向が変化した光が放出されることとなる。このため、第２の散乱体２０から放出される光の強度は、伝搬光による電場と近接場光による電場の和を二乗したもので現される。
【００４４】
ここで式（２）、（６）は、入射する伝搬光の偏光成分と、出射光の偏光成分が同一の方向である場合の電磁波の強度を示している。また式（３）、（５）は、入射する伝搬光の偏光成分と、出射光の偏光成分が互いに直交する合の電磁波の強度を示している。
【００４５】
ここで入射する伝搬光の偏光成分がｘ方向への直線偏光であり、出射する伝搬光の偏光成分がｙ方向への直線偏光である式（３）のケースと、入射する伝搬光の偏光成分がｙ方向への直線偏光であり、出射する伝搬光の偏光成分がｘ方向への直線偏光である式（５）のケースとを比較する。図６は、この式（３）、（５）に基づいて、時間の経過に対する電場強度の関係をシミュレーションした結果である。この図６において横軸は時間を示すものであり、式（３）、（５）の“ｔ”に該当する。また図６において、縦軸は、式（３）における｜EY-out｜2と、式（５）における｜EY-out｜2をそれぞれ示している。なお、参考のために、ｙ方向における近接場光の光強度(1/√5* sin wt)を示す。（３）、（５）は、同じく図６中の近接場光の成分が加算されたものとなっている。
【００４６】
この図６に示すように、式（３）に示すｘ方向からｙ方向へ変換された偏光成分の光強度が、式（５）に示すｙ方向からｘ方向へ変換された偏光成分の光強度よりも大きくなっているのが分かる。これは、式（３）の近接場光の成分が1/√5* sin wtであるのに対して、式（５）は、2/√5* sin wtであることに起因している。第１の散乱体１０は、平面視において４回対称の形状とされていることから、発生する近接場光も特に大きく非対称になることはない。これに対して、第２の散乱体２０は、４回非対称の形状とされていることから、これにより近接場光は分極の方向が非対称となるように散乱されることになる。そもそもこの式（３）、（５）の近接場光の成分の分子の差は、この第２の散乱体２０の４回非対称な形状に基づくものである。その結果、式（３）に示すｘ方向からｙ方向へ変換された偏光成分の光強度と、式（５）に示すｙ方向からｘ方向へ変換された偏光成分の光強度との間で特定の偏光の偏りを持たせることができる。
【００４７】
この図６に示す傾向では、（３）に示すｘ方向からｙ方向へ変換された偏光成分の光強度が、式（５）に示すｙ方向からｘ方向へ変換された偏光成分の光強度よりも偏光変換効率が高くなっている。これは無偏光の伝搬光が偏光変換板１に入射された場合においても５０％を超える偏光効率を得ることが可能になることが示されている。
【００４８】
また、各出力光の強度が、（伝搬光の成分＋近接場光の成分）2とされている。仮にｘ方向の近接場光の成分が０．１、ｙ方向の近接場光の成分が０．２とされているとする。近接場光のみでは、ｘ方向とｙ方向との間で、０．２−０．１＝０．１程度しか光強度の差異を出せないのに対し、本発明では、近接場光の成分と伝搬光の成分とを加算して二乗している。仮に伝搬光の成分がｘ方向、ｙ方向ともに２である場合には、ｘ方向の強度は、（２＋０．１）2、ｙ方向の強度は、（２＋０．２）2であり、その差分値は、４．８４−４．４１＝０．４３となる。即ち、近接場光の成分のみならず、伝搬光の成分を加算しているため、近接場光のみの場合と比較して、ｘ方向とｙ方向との間で強度の差異を明確に出すことができる。このｘ方向とｙ方向の強度の差異が、上述した偏光変換効率の上昇に寄与することになる。
【実施例２】
【００４９】
図７は、本発明を適用した偏光変換板１に対して実際に各偏光成分の光を入射させた例を示している。この実験においては、波長を３５０ｎｍ程度から１３００ｎｍまでシフトさせてそれぞれの透過率を測定している。ちなみに、この光透過率の測定は、入射させた伝搬光の偏光方向がｙ方向で出力光の偏光方向がｘ方向（ｙ→ｘ）と、入射させた伝搬光の偏光方向がｙ方向で出力光の偏光方向がｙ方向（ｙ→ｙ）と、入射させた伝搬光の偏光方向がｘ方向で出力光の偏光方向がｘ方向（ｘ→ｘ）と、入射させた伝搬光の偏光方向がｘ方向で出力光の偏光方向がｙ方向（ｘ→ｙ）との４種類について行っている。
【００５０】
例えば６５０ｎｍの波長に着目したとき、ｘ→ｘは９５％、ｘ→ｙは５％、ｙ→ｘは１３％、ｙ→ｙは６２％であった。このためｘ方向とｙ方向が仮に１：１の割合で混在した伝搬光を入射させた場合において、出力光の偏光方向がｘの場合には、（９５＋１３）／２＝５４％、出力光の偏光方向がｙの場合には、（５＋６２）／２＝３３．５％となり、無偏光の光が入射された場合であっても偏光方向がｘ方向の光を５０％以上の効率を以って出射させることができることが分かる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 偏光変換板
５，６ 層
１０ 第１の散乱体
１０ａ 突出部
１０ｂ 開口
１１ 基板
２０ 第２の散乱体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無偏光の入射光から所望の偏光成分を高い変換効率を以って変換する上で好適な偏光変換板及び偏光変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光板は、通常、方向性を持つ結晶で構成され、一の方向に振動する光の偏光成分のみを透過させる。通常、この偏光板は、いわゆる液晶ディスプレイやプロジェクター等の液晶表示装置に適用される。実際に偏光板は、液晶の直前に設けられ、光源から発光される無偏光の光から所望の偏光成分を透過させて液晶へと導くことを行っている。
【０００３】
一般に従来の偏光板では、理想的なものであっても、原理上入射される光の５０％程度しか所望の偏光成分に変換することができない。所望の偏光成分として出射されなかった残りの５０％程度の光は偏光板に吸収されるか、又は反射される等により損失となる。所望の偏光成分への偏光効率を向上させるためには、偏光光分岐素子と波長板を組み合わせることでこれを実現することができる。しかし、このような偏光光分岐素子と波長板を組み合わせてユニット化する際に構成自体のサイズが大きくなってしまい、小型化、薄型化がより求められる液晶ディスプレイに適用することが困難であった。
【０００４】
また、偏光効率を向上させる点から、例えば特許文献１に示すような多重散乱を利用する方法も提案されている。この特許文献１の開示技術によれば、入射光を導光体に導光させ、導光体の下面側に配置して導光光を反射する反射板と、導光体の上面側に配置して導光光中のあるＰ偏光を透過させてＳ偏光を反射させる偏光分離板とを備えており、導光体と偏光分離板との間で多重反射を起こさせることにより偏光効率を向上させる技術である。
【０００５】
しかしながら、この特許文献１に示す開示技術では、偏光を高効率に変換させるための偏光分離版が必要になり、また導光体中で光が散乱されることから、入射方向と出射方向と一致していることが望ましいプロジェクター等には適さない。
【０００６】
更に、特許文献２〜４の開示技術によれば、偏光効率を向上させる観点から、ナノオーダーの金属細線を折り曲げてなる偏光子、金属細線を螺旋状に配置してなる偏光子、更には量子ドットを配列させることで構成された偏光子も提案されている。しかしながら、この特許文献２〜４の開示技術によれば、偏光板から出射する伝搬光の出射方向が一方向に定まる構成となっていないため、結果的に効率が低下してしまうという問題点もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−０９６８１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２０１７号公報
【特許文献３】特開２００７−２７２０１８号公報
【特許文献４】特開２００７−２７２０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、偏光の非対称な変換により、無偏光から所望の偏光成分を５０％以上の効率で得ることが可能な偏光変換板及び偏光変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上述した課題を解決するために、基板中に入射側から出射側にかけて基板の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体、基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けることにより、第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を第２の散乱体により受けることで偏光成分の変換された出射光を放出する偏光変換板及び偏光変換方法を発明した。
【００１０】
本発明を適用した偏光変換板は、基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回略対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けられ、上記第１の散乱体は、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、上記第２の散乱体は、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出することを特徴とする。
【００１１】
本発明を適用した偏光変換方法は、基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けられ、上記第１の散乱体により、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、上記第２の散乱体により、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出することを特徴とする。
【００１２】
このとき、伝搬光を直接的に第２の散乱体に入射可能なように第１の散乱体との間で相対的位置が調整されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、基板中に入射側から出射側にかけて基板の平面視における形状が４回対称である第１の散乱体、基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けることにより、第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を第２の散乱体により受けることで偏光成分の変換された出射光を放出する。
【００１４】
これにより本発明では、無偏光から所望の偏光成分を５０％以上の効率で得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を適用した偏光変換板の全体斜視図である。
【図２】第１の散乱体並びに第２の散乱体の斜視図である。
【図３】基板内に配設された第１の散乱体並びに第２の散乱体の平面図である。
【図４】本発明を適用した偏光変換板により実現する偏光変換方法について説明するための図である。
【図５】、本発明を適用した偏光変換板における偏光効率向上のための理論的説明をするためのモデル図である。
【図６】式（３）、（５）に基づいて、時間の経過に対する電場強度の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図７】本発明を適用した偏光変換板に対して実際に各偏光成分の光を入射させた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態として、所望の偏光成分を高い変換効率を以って変換する偏光変換板について、図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００１７】
本発明を適用した偏光変換板１は、例えば図１に示すように、基板１１と、この基板１１中に配列させた第１の散乱体１０、第２の散乱体２０とを備えている。
【００１８】
基板１１は、例えばガラス等のような透光性材料で構成されている。このとき基板１１は、第１層５と、第２層６とに区分されていてもよい。この第１層５は光の入射側に配置されてなり、また第２層６は、この偏光変換板１を透過した光の出射側に配置されている。これら第１層５、第２層６は、それぞれ同一の材料で構成されており、これら各層間が離間されているものではない。即ち、一のガラス板を板厚方向に２段に区分する際の一指標としてこれら第１層５〜第２層６を定義したのである。ちなみに、これら第１層５〜第２層６は、互いに別々に作製した上でこれらを貼り合わせて一枚の基盤１１として構成するようにしてもよい。特にこの第１層５に関しては、これをさらに細かく板厚方向に分離した上でこれらを互いに貼り合わせるようにしてもよい。
【００１９】
この第１層５には、第１の散乱体１０がその内部に設けられ又は入射側表面に露出するようにして設けられている。第２層６は、第２の散乱体２０がその内部に設けられている。
【００２０】
図２は、第１の散乱体１０並びに第２の散乱体２０の斜視図を、また図３は、基板１１内に配設された第１の散乱体１０並びに第２の散乱体２０について基板の平面視における形状を示している。この基板１１の平面視の方向としては、図１、２に示すように基板１１の表面に対する法線方向ｚに相当するものである。この平面視における形状を重要視する理由としては、通常、この偏光変換板１を介して偏光変換を行う場合に、伝搬光をｚ方向から入射させるようにするため、当該ｚ方向における形状が偏光変換を行う上で支配的となるためである。
【００２１】
第１の散乱体１０は、例えばＡｌ、Ａｕ等の材料からなり、図３に示すように平面視における形状が正方形となるように構成されている。但し、この第１の散乱体１０の平面視における形状は、正方形に限定されるものではなく、円形でもよいし、八角形であってもよい。即ち、この第１の散乱体１０の平面視における形状は、４回対称であればいかなる形状であってもよい。また、この第１の散乱体１０の平面視における形状は、完全な４回対称である必要は無く、多少の非対称の部分が混在した略対称の形状で構成されていればよい。この散乱体１０は、中央において開口１０ｂが設けられている。この第１の散乱体１０は、この正方形の一辺から−ｚ方向に向けて突出部１０ａが設けられているが、当該突出部１０ａは必須ではない。また、この第１の散乱体１０の板厚は、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されていることが望ましい。また、この第１の散乱体１０の幅ｗは、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されていることが望ましい。
【００２２】
第２の散乱体２０は、例えばＡｌ、Ａｕ等の材料からなり、図３に示すように平面視における形状がＬ字状となるように構成されている。但し、この第２の散乱体２０の平面視における形状は、Ｌ字状に限定されるものではなく、長方形であってもよいし、三角形状であってもよいし、楕円形であってもよい。即ち、この第２の散乱体２０の平面視における形状は、４回非対称であればいかなる形状であってもよい。また第１の散乱体１０が完全に４回対称になっていない場合には、第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０と比較してより非対称になっていればよい。また第２の散乱体２０は、複数で単位ユニットを構成した例を示しているが、これに限定されるものではなく、単数で単位ユニットを構成してもよい。また３個以上の散乱体２０で単位ユニットを構成するようにてもよいことは勿論である。
【００２３】
第２の散乱体２０は、−ｚ方向に向けて段差が設けられているが、これについても必須ではない。また、この第２の散乱体２０の段差の板厚は、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されている。また、この第２の散乱体２０の幅ｗは、例えば３０〜１００ｎｍであり、望ましくは４０〜６０ｎｍで構成されている。
【００２４】
この第１の散乱体１０と第２の散乱体２０との間隔Ｇは、少なくとも第１の散乱体１０において滲出した近接場光を受けることが可能な程度まで近接配置されている必要がある。例えば、この間隔Ｇは、分子サイズ以下、或いは回折限界以下で構成されていてもよい。この間隔Ｇは、例えば５０〜３００ｎｍであり、望ましくは１００〜２００ｎｍで構成されている。この間隔Ｇは、伝搬光における位相遅れにも影響を及ぼす。即ち、この間隔Ｇは、伝搬光における位相遅れをどの程度に設定するかという点と、第１の散乱体１０において滲出した近接場光が接触可能かという点から最適となるように設計されることになる。
【００２５】
また、この第１の散乱体１０と第２の散乱体２０の平面視における相対的位置関係は、図３に示すように第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０によって一部遮蔽されることになる。しかし、第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０によって遮蔽されていない領域については、基板１１に入射した伝搬光が直接的に照射されることになる。即ち、この第１の散乱体１０と第２の散乱体２０の平面視における相対的位置関係は、少なくとも基板１１に入射した伝搬光が直接的に入射可能に調整されていることが望ましい。
【００２６】
次に、本発明を適用した偏光変換板１により実現する偏光変換方法について説明をする。図４に示すように、先ず無偏光の伝搬光を基板１１における−ｚ方向に向けて照射する。基板１１内に入射された伝搬光の一部は、第１の散乱体１０に入射される。第１の散乱体１０に外部からの伝搬光が入射された場合には、これに基づいて近接場光が発生することになる。
【００２７】
第１の散乱体１０に近接場光が発生した場合には、第２の散乱体２０にそれが接触するように間隔Ｇが設定されている。このため、第２の散乱体２０は、この第１の散乱体１０において滲出した近接場光が接触することになる。この近接場光は、伝搬光のように伝搬する性質を持たないものであることから、位相という概念が成り立たないものであり、位相遅れの無い状態で第２の散乱体２０に接触することになり、これが誘導分極を起こすことになる。
【００２８】
これに加えて第２の散乱体２０には伝搬光が直接照射される。その結果、第２の散乱体２０は、第１の散乱体１０により滲出した近接場光による誘導分極に基づく電場と、直接的に入射された伝搬光による誘導分極に基づく電場とが加算されて、偏光成分の変換された出射光を放出する。即ち、入射された伝搬光が無偏光の光である場合に、この偏光変換板１を通過させることにより、図中ｘ方向又はｙ方向の直線偏光成分の光を放出することが可能となる。しかもこの偏光効率は以下に説明するように、５０％超のものとされている。
【実施例１】
【００２９】
以下、本発明を適用した偏光変換板１における偏光効率向上のための理論的説明をする。
【００３０】
先ず理論モデルとして、図５に示すような形状からなる第１の散乱体１０、第２の散乱体２０からなる偏光変換板１を考える。この第１の散乱体１０は、球形からなり、平面視において４回対称の形状とされている。また、第２の散乱体２０は平面視でＬ型で構成され、ｐ：ｑは２：１で構成されている。このような理論モデル上の偏光変換板１において、仮想的に伝搬光を入射させる。
【００３１】
この伝搬光が仮にｘ方向に偏光している直線偏光成分である場合、その電場を材料主軸a,bの方向に分割して表記すると下記（１）式で与えられる。
【００３２】
EX-in=cosθ・｜Ea｜*sinwt +sinθ*｜Eb｜*sin wt・・・・・・・・（１）
【００３３】
ここでθは材料主軸aとX偏光の電場方向がなす角である。ここで例えば材料主軸とX偏光が45度＝π/4の角をなすとする。また材料主軸aとbは直交しているとする。そしてかかるｘ方向の直線偏光の光が入射された場合に上述したモデルで構成される偏光変換板１から出射されるＸ,Ｙの各偏光成分は、下記（２）、（３）式で与えられる。ちなみに（２）式は、ｘ方向の直線偏光成分の電場強度であり、（３）式は、ｙ方向の直線偏光成分の電場強度である。なお、この（２）、（３）式では、近接場光と伝搬光との第２の散乱体２０への電場の寄与の割合は５０％ずつとされている。また、材料主軸bはaに対し位相遅れπ/5を生じるとする。（このように位相遅れが生じる主軸を持つことは一般的であり、複屈折率と呼ばれる。）
【００３４】
X偏光強度∝｜EX-out｜2=(cos(π/4)*｜Ea｜*sin wt + sin(π/4)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(2/√5* sin wt))2・・・・・・・・（２）
【００３５】
Y偏光強度∝｜EY-out｜2=(cos(π/4+π/2)*｜Ea｜*sin wt + sin(π/4+π/2)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2
=(-sin(π/4)*｜Ea｜*sin wt + cos(π/4)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2
=(cos(π/4)*｜Eb｜*sin wt - sin(π/4)*｜Ea｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2・・・・・・・・（３）
【００３６】
また、伝搬光が仮にｙ方向に偏光している直線偏光成分である場合、その電場は、下記（４）式で与えられる。
【００３７】
EY-in= cos（π/4＋π/2）*｜Ea｜*sinwt+ sin（π/4＋π/2）*｜Eb｜*sin wt
= cos（π/4）*｜Eb｜*sinwt - sin（π/4）*｜Ea｜*sin wt
・・・・・・・・（４）
【００３８】
また、かかるｙ方向の直線偏光の光が入射された場合に上述したモデルで構成される偏光変換板１から出射される各偏光成分は、下記（５）、（６）式で与えられる。ちなみに（５）式は、ｘ方向の直線偏光成分の電場強度であり、（６）式は、ｙ方向の直線偏光成分の電場強度である。
【００３９】
｜EX-out｜2=(cos(π/4)*｜Ea｜*sin wt + sin(π/4)*｜Eb｜*sin(wt+π/5)+(2/√5* sin wt))2・・・・・・・・（５）
【００４０】
｜EY-out｜2=(cos(π/4)*｜Eb｜*sin wt - sin(π/4)*｜Ea｜*sin(wt+π/5)+(1/√5* sin wt))2・・・・・・・・（６）
【００４１】
上述した式（２）、（３）、（５）、（６）において、前段の(cos(π/4)*｜Ea,b｜*sin wt±sin(π/4)*｜Eb,a｜*sin(wt+π/5)が、伝搬光の成分である。この伝搬光の成分においてπ／５は位相遅れを仮定したものであって、上述した間隔Ｇに依拠したものとなっている。
【００４２】
また、上述した式（２）、（３）、（５）、（６）において、後段の1/√5* sin wt、又は2/√5* sin wtは、近接場光の成分である。この近接場光は、伝搬しない性質であることからそもそも位相という概念が無く、位相遅れ自体が存在しない。ここで後段の近接場光の成分において、分子の“１”、“２”は、それぞれｐとｑの１：２に対応したものである。
【００４３】
このような前段の位相遅れが含まれる伝搬光成分の電磁場と、後段の位相遅れの無い近接場光の電磁場とがこの第２の散乱体２０において誘導分極され、偏光方向が変化した光が放出されることとなる。このため、第２の散乱体２０から放出される光の強度は、伝搬光による電場と近接場光による電場の和を二乗したもので現される。
【００４４】
ここで式（２）、（６）は、入射する伝搬光の偏光成分と、出射光の偏光成分が同一の方向である場合の電磁波の強度を示している。また式（３）、（５）は、入射する伝搬光の偏光成分と、出射光の偏光成分が互いに直交する合の電磁波の強度を示している。
【００４５】
ここで入射する伝搬光の偏光成分がｘ方向への直線偏光であり、出射する伝搬光の偏光成分がｙ方向への直線偏光である式（３）のケースと、入射する伝搬光の偏光成分がｙ方向への直線偏光であり、出射する伝搬光の偏光成分がｘ方向への直線偏光である式（５）のケースとを比較する。図６は、この式（３）、（５）に基づいて、時間の経過に対する電場強度の関係をシミュレーションした結果である。この図６において横軸は時間を示すものであり、式（３）、（５）の“ｔ”に該当する。また図６において、縦軸は、式（３）における｜EY-out｜2と、式（５）における｜EY-out｜2をそれぞれ示している。なお、参考のために、ｙ方向における近接場光の光強度(1/√5* sin wt)を示す。（３）、（５）は、同じく図６中の近接場光の成分が加算されたものとなっている。
【００４６】
この図６に示すように、式（３）に示すｘ方向からｙ方向へ変換された偏光成分の光強度が、式（５）に示すｙ方向からｘ方向へ変換された偏光成分の光強度よりも大きくなっているのが分かる。これは、式（３）の近接場光の成分が1/√5* sin wtであるのに対して、式（５）は、2/√5* sin wtであることに起因している。第１の散乱体１０は、平面視において４回対称の形状とされていることから、発生する近接場光も特に大きく非対称になることはない。これに対して、第２の散乱体２０は、４回非対称の形状とされていることから、これにより近接場光は分極の方向が非対称となるように散乱されることになる。そもそもこの式（３）、（５）の近接場光の成分の分子の差は、この第２の散乱体２０の４回非対称な形状に基づくものである。その結果、式（３）に示すｘ方向からｙ方向へ変換された偏光成分の光強度と、式（５）に示すｙ方向からｘ方向へ変換された偏光成分の光強度との間で特定の偏光の偏りを持たせることができる。
【００４７】
この図６に示す傾向では、（３）に示すｘ方向からｙ方向へ変換された偏光成分の光強度が、式（５）に示すｙ方向からｘ方向へ変換された偏光成分の光強度よりも偏光変換効率が高くなっている。これは無偏光の伝搬光が偏光変換板１に入射された場合においても５０％を超える偏光効率を得ることが可能になることが示されている。
【００４８】
また、各出力光の強度が、（伝搬光の成分＋近接場光の成分）2とされている。仮にｘ方向の近接場光の成分が０．１、ｙ方向の近接場光の成分が０．２とされているとする。近接場光のみでは、ｘ方向とｙ方向との間で、０．２−０．１＝０．１程度しか光強度の差異を出せないのに対し、本発明では、近接場光の成分と伝搬光の成分とを加算して二乗している。仮に伝搬光の成分がｘ方向、ｙ方向ともに２である場合には、ｘ方向の強度は、（２＋０．１）2、ｙ方向の強度は、（２＋０．２）2であり、その差分値は、４．８４−４．４１＝０．４３となる。即ち、近接場光の成分のみならず、伝搬光の成分を加算しているため、近接場光のみの場合と比較して、ｘ方向とｙ方向との間で強度の差異を明確に出すことができる。このｘ方向とｙ方向の強度の差異が、上述した偏光変換効率の上昇に寄与することになる。
【実施例２】
【００４９】
図７は、本発明を適用した偏光変換板１に対して実際に各偏光成分の光を入射させた例を示している。この実験においては、波長を３５０ｎｍ程度から１３００ｎｍまでシフトさせてそれぞれの透過率を測定している。ちなみに、この光透過率の測定は、入射させた伝搬光の偏光方向がｙ方向で出力光の偏光方向がｘ方向（ｙ→ｘ）と、入射させた伝搬光の偏光方向がｙ方向で出力光の偏光方向がｙ方向（ｙ→ｙ）と、入射させた伝搬光の偏光方向がｘ方向で出力光の偏光方向がｘ方向（ｘ→ｘ）と、入射させた伝搬光の偏光方向がｘ方向で出力光の偏光方向がｙ方向（ｘ→ｙ）との４種類について行っている。
【００５０】
例えば６５０ｎｍの波長に着目したとき、ｘ→ｘは９５％、ｘ→ｙは５％、ｙ→ｘは１３％、ｙ→ｙは６２％であった。このためｘ方向とｙ方向が仮に１：１の割合で混在した伝搬光を入射させた場合において、出力光の偏光方向がｘの場合には、（９５＋１３）／２＝５４％、出力光の偏光方向がｙの場合には、（５＋６２）／２＝３３．５％となり、無偏光の光が入射された場合であっても偏光方向がｘ方向の光を５０％以上の効率を以って出射させることができることが分かる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 偏光変換板
５，６ 層
１０ 第１の散乱体
１０ａ 突出部
１０ｂ 開口
１１ 基板
２０ 第２の散乱体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回略対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けられ、
上記第１の散乱体は、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、
上記第２の散乱体は、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出すること
を特徴とする偏光変換板。
【請求項２】
上記第２の散乱体は、上記伝搬光を直接的に入射可能なように上記第１の散乱体との間で相対的位置が調整されていること
を特徴とする請求項１記載の偏光変換板。
【請求項３】
基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回略対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体を順に設け、
上記第１の散乱体により、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、
上記第２の散乱体により、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出すること
を特徴とする偏光変換方法。
【請求項４】
上記伝搬光を直接的に第２の散乱体に入射可能なように第１の散乱体との間で相対的位置が調整されていること
を特徴とする請求項３記載の偏光変換方法。
【請求項１】
基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回略対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体が順に設けられ、
上記第１の散乱体は、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、
上記第２の散乱体は、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出すること
を特徴とする偏光変換板。
【請求項２】
上記第２の散乱体は、上記伝搬光を直接的に入射可能なように上記第１の散乱体との間で相対的位置が調整されていること
を特徴とする請求項１記載の偏光変換板。
【請求項３】
基板中に入射側から出射側にかけて上記基板の平面視における形状が４回略対称である第１の散乱体、上記基板の平面視における形状が４回非対称である第２の散乱体を順に設け、
上記第１の散乱体により、入射された伝搬光に基づいて近接場光を滲出させ、
上記第２の散乱体により、上記第１の散乱体により滲出した近接場光及び上記入射された伝搬光を受けて偏光成分の変換された出射光を放出すること
を特徴とする偏光変換方法。
【請求項４】
上記伝搬光を直接的に第２の散乱体に入射可能なように第１の散乱体との間で相対的位置が調整されていること
を特徴とする請求項３記載の偏光変換方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８９６５１（Ｐ２０１２−１８９６５１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０８８２（Ｐ２０１１−５０８８２）
【出願日】平成２３年３月８日（２０１１．３．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、低損失オプティカル新機能部材技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月８日（２０１１．３．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、低損失オプティカル新機能部材技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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