JP2005275092A - Polarized light-splitting element - Google Patents
Polarized light-splitting element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005275092A JP2005275092A JP2004089595A JP2004089595A JP2005275092A JP 2005275092 A JP2005275092 A JP 2005275092A JP 2004089595 A JP2004089595 A JP 2004089595A JP 2004089595 A JP2004089595 A JP 2004089595A JP 2005275092 A JP2005275092 A JP 2005275092A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refractive index
- polarization separation
- concavo
- transparent
- separation element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光の特質である偏光現象を利用した光学機器に用いられ、特定方向の直線偏光のみを透過させ直交する方向の直線偏波を反射させる偏光分離素子に関する。 The present invention relates to a polarization beam splitting element that is used in an optical apparatus that utilizes a polarization phenomenon that is a characteristic of light and that transmits only linearly polarized light in a specific direction and reflects linearly polarized light in an orthogonal direction.
偏光分離素子とは、無偏光の電磁波からある特定方向に振動する電磁波だけを透過させて直線偏光にする素子である。用途としては光通信デバイス、光ディスクのピックアップ、液晶ディスプレイ、光応用計測など広くあげることができる。従来から知られている偏光分離素子としては（１）不要な偏波を吸収するタイプと、（２）同一の光路で入射する直交する二つの偏波成分を別々の光路に分離タイプに大別することができる。利用目的により、大きな開口面積、高性能、薄型、広帯域などの特性を実現することが望まれており、産業的には安価に供給できることが重要である。 The polarization separation element is an element that transmits only an electromagnetic wave that vibrates in a specific direction from an unpolarized electromagnetic wave to make it linearly polarized light. Applications include a wide range of applications such as optical communication devices, optical disk pickups, liquid crystal displays, and optical measurement. Conventionally known polarization separation elements are roughly classified into (1) a type that absorbs unnecessary polarization and (2) two orthogonal polarization components incident on the same optical path are separated into separate optical paths. can do. Depending on the purpose of use, it is desired to realize characteristics such as a large opening area, high performance, thinness, and broadband, and it is important that it can be supplied at low cost industrially.
前記（１）のタイプとしては高分子フィルムにヨウ素などの二色性分子を入れたものが一般的である。これは安価で大面積のものが得られるが、消光比が低く、温度安定性に劣るという欠点がある。この問題を解決するため、安定性の高い材料を用いた偏光子が開発されている。即ち、ガラスなどの透明体の中に金属や半導体などの吸収体を、細線状あるいは薄膜状に一方向に配列したものである。細線あるいは薄膜に平行な偏波成分は吸収あるいは反射され、それに直交する偏波は透過する。この種の偏光子は消光比が高く取れるのが特徴であるが、切断・研磨などの工程が必要となり、製造コストの低減が困難である。また大面積で且つ薄型にすることは困難である。 The type (1) is generally a polymer film containing dichroic molecules such as iodine. This is inexpensive and has a large area, but has the disadvantages that the extinction ratio is low and the temperature stability is poor. In order to solve this problem, a polarizer using a highly stable material has been developed. That is, an absorber such as a metal or a semiconductor is arranged in one direction in a thin line shape or a thin film shape in a transparent body such as glass. A polarized wave component parallel to the thin wire or thin film is absorbed or reflected, and a polarized wave orthogonal thereto is transmitted. This type of polarizer is characterized by a high extinction ratio, but requires processes such as cutting and polishing, and it is difficult to reduce manufacturing costs. In addition, it is difficult to reduce the thickness of the large area.
一方、（２）のタイプとしては、方解石など複屈折率の大きい材料からなる三角プリズムを２個貼り付けたものが一般的である。代表的なものにはグラントムソンプリズムがある。この種の偏光子は一般に高い消光比、高い透過率が得られるが、大面積や薄型にすることが困難であり、材料が高価であるため価格も必然的に高くなる。他には透明体のブリュースター角を利用した誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタが挙げられる。これは量産性に富むため低価格ではあるが、高い偏光度は得られない、小型化も困難である、使用波長帯域が狭い、などの問題点があり、限られた用途にしか使用されていない。 On the other hand, as the type (2), one in which two triangular prisms made of a material having a high birefringence, such as calcite, is attached. A typical example is the Glan Thompson prism. This type of polarizer generally provides a high extinction ratio and high transmittance, but it is difficult to reduce the area and thickness, and the price is inevitably high because the material is expensive. Other examples include a polarizing beam splitter using a dielectric multilayer film utilizing the Brewster angle of a transparent material. This is a low-cost product because of its high productivity, but it has problems such as high polarization cannot be obtained, miniaturization is difficult, and the wavelength band used is narrow, and it is used only for limited applications. Absent.
他にも、最近になってフォトニック結晶のバンドギャップを利用したものが幾つか提案されている。（非特許文献１、非特許文献２、特許文献１）。
しかしながら、これらの偏光分離素子は、実際に工業的に作製する方法が見つかっていないものや、周期構造の作成が困難でありコスト高になるという欠点がある。さらに、フォトニック結晶のバンドギャップによって偏光を分離するように設計するので、反射させるべき偏光の反射率を１００％に設計することはできるが、反射させるべき偏光と透過させるべき偏光の反射率差をもっとも大きく設計することは困難であるという欠点がある。
In addition, there have recently been several proposals using the band gap of photonic crystals. (Non-patent document 1, Non-patent document 2, Patent document 1).
However, these polarization beam splitters have drawbacks that no method for industrially producing them has been found, and that it is difficult to create a periodic structure and the cost is high. Furthermore, since the polarization is designed to be separated by the band gap of the photonic crystal, the reflectance of the polarized light to be reflected can be designed to 100%, but the reflectance difference between the polarized light to be reflected and the polarized light to be transmitted Is disadvantageous in that it is difficult to design the largest.
本発明の目的は、このような従来の問題を解消し、作製が比較的容易で低コストであり、且つ薄型、軽量で分離帯域の広帯域化、斜め入射時での偏光分離も可能な偏光分離素子を提供することである。 The purpose of the present invention is to eliminate such conventional problems, and is relatively easy to manufacture and low cost, and is thin, lightweight, widening the separation band, and polarization separation capable of polarization separation at oblique incidence. It is to provide an element.
発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、屈折率が異なる２種類以上の透明体を積層して凹凸構造をすることにより、上記目的を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to solve the above problems, the inventors have found that the above object can be achieved by laminating two or more types of transparent bodies having different refractive indexes to form a concavo-convex structure, thereby completing the present invention. It came to do.
かくして本発明よれば、
（１）３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ軸方向に周期が１μｍ以下の周期的な凹凸構造を有する偏光分離素子であって、
前記凹凸構造の凸部及び／又は１周期中の凸部を除いた部分が屈折率の異なる２種類以上の透明体の積層体からなり、ｙ軸方向には一様であるか、またはｘ軸方向より大きい長さの周期的若しくは非周期的な構造であることを特徴とする偏光分離素子、
（２）前記積層体の透明体が３種類以上であることを特徴とする（１）に記載の偏光分離素子、
（３）前記積層体が高屈折率層と低屈折率層の繰り返し構造であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の偏光分離素子、
（４）前記凹凸構造が、表面に凹凸構造を有する透明基板上に透明体を積層したものである（１）〜（３）のいずれか１項に記載の偏光分離素子、
及び、
（５）前記積層体のｚ方向の厚さが非周期的であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の偏光分離素子、
がそれぞれ提供される。
Thus, according to the present invention,
(1) A polarization separation element having a periodic concavo-convex structure with a period of 1 μm or less in the x-axis direction in three-dimensional orthogonal coordinates x, y, z,
The part excluding the convex part of the concavo-convex structure and / or the convex part in one period is composed of a laminate of two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes, and is uniform in the y-axis direction or x-axis A polarization separation element characterized by being a periodic or aperiodic structure having a length larger than the direction,
(2) The polarized light separating element according to (1), wherein the laminate has three or more types of transparent bodies,
(3) The polarization separation element according to (1) or (2), wherein the laminate has a repeating structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer,
(4) The polarization separation element according to any one of (1) to (3), wherein the concavo-convex structure is obtained by laminating a transparent body on a transparent substrate having a concavo-convex structure on a surface thereof.
as well as,
(5) The polarization separation element according to any one of (1) to (4), wherein the thickness of the laminate in the z direction is aperiodic.
Are provided respectively.
本発明によれば、薄型・軽量であり、比較的少ない層数で、偏光分離が可能な偏光分離素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a polarization separation element that is thin and lightweight and capable of polarization separation with a relatively small number of layers.
本発明の偏光分離素子は、３次元の直交座標ｘ，ｙ，ｚにおいて、ｘ軸方向に周期が１μｍ以下の周期的な凹凸構造を有する偏光分離素子であって、
前記凹凸構造の凸部及び／又は１周期中の凸部を除いた部分が屈折率の異なる２種類以上の透明体の積層体からなり、ｙ軸方向には一様であるか、またはｘ軸方向より大きい長さの周期的若しくは非周期的な構造であることを特徴とする。
The polarization separation element of the present invention is a polarization separation element having a periodic concavo-convex structure with a period of 1 μm or less in the x-axis direction in three-dimensional orthogonal coordinates x, y, z.
The part excluding the convex part of the concavo-convex structure and / or the convex part in one period is composed of a laminate of two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes, and is uniform in the y-axis direction or x-axis It is characterized by a periodic or aperiodic structure having a length larger than the direction.
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の偏光分離素子について説明する。本実施の形態の偏光分離素子は、例えば図１に示すように透明基板１上に凹凸構造を有し、各凸部が屈折率の異なる透明体２〜４の積層体であって、そのｚ軸方向の厚さが非周期であり、各凹部が大気（ｎ＝１）であって、且つｙ軸方向に一様な構造で構成されている。
このような構成は、その凹凸構造の周期が（使用する光波長）／（積層体を構成する媒質の屈折率の平均）以下では、一様な異方性媒質の積層体と同等とみなすことができ、一様な異方性媒質の積層体は偏光分離機能を有することとなる。以下にその理論的背景を説明する。
光の波長と同程度の微細な寸法間隔で異なる幅がｔ１で屈折率がｎ１である領域Ａと幅がｔ２で屈折率がｎ２である領域Ｂとが繰り返されるような媒質を光が伝搬する場合（図２参照）を考える。このとき光が感じる屈折率は、物質固有の屈折率（ｎ１およびｎ２）とは異なる有効屈折率となる。
図２において、例えば屈折率ｎ１の薄膜および屈折率ｎ２の薄膜が積層されたような一次元周期構造の場合、偏光方向が各薄膜に平行な方向の光の屈折率ｎＴＥ（ＴＥ波）と垂直な方向の光の屈折率ｎＴＭ（ＴＭ波）は、各々下記式（１）および（２）で表される（M. Born and E. Wolf, “Principles of Optics”, Pergamon Press, Oxford, 1980）。
式（１） ｎＴＥ＝√{ｆｎ１ ２＋（１−ｆ）ｎ２ ２}
式（２） ｎＴＭ＝√〔ｎ１ ２ｎ２ ２／{ｆｎ２ ２＋（１−ｆ）ｎ１ ２}〕
前記式（１）および（２）中、ｆは微細な周期構造の凸部の幅ｔ１と凹部（溝部）の幅ｔ２とのデューティ比であり、下記式（３）で表される。
式（３） ｆ＝ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）
図２のような一次元周期構造の場合、構造が異方性を持っているために有効屈折率も異方性を持つようになる。より一般的にいうと、等方性媒質に微細な異方性形状を作り込むことによって、一様な異方性媒質と同等な性質を付与することが可能となる。
前記式（１）、（２）は構造周期が光の波長に比べて非常に小さいという仮定のもとの近似式であり、より正確な有効屈折率の計算はEffective Medium Theory（ＥＭＴ）理論（A. Yariv and P. Yhe, “Optical Waves in Crystals”, John Wiley & Sons, New York, 1984）や数値計算を用いることにより可能となる。
Hereinafter, a polarization separation element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. For example, as shown in FIG. 1, the polarization separation element of the present embodiment is a laminated body of transparent bodies 2 to 4 having a concavo-convex structure on a transparent substrate 1 and each convex portion having a different refractive index. The axial thickness is non-periodic, each recess is in the atmosphere (n = 1), and has a uniform structure in the y-axis direction.
Such a configuration is regarded as equivalent to a laminate of uniform anisotropic media when the period of the concavo-convex structure is (light wavelength used) / (average refractive index of the medium constituting the laminate) or less. Therefore, a uniform laminated body of anisotropic media has a polarization separation function. The theoretical background is explained below.
A medium in which a region A having a different width t 1 and a refractive index n 1 and a region B having a width t 2 and a refractive index n 2 are repeated with a minute dimensional interval similar to the wavelength of light. Consider the case where light propagates (see FIG. 2). At this time, the refractive index perceived by light is an effective refractive index different from the refractive index (n 1 and n 2 ) inherent to the substance.
In FIG. 2, for example, in the case of a one-dimensional periodic structure in which a thin film having a refractive index n 1 and a thin film having a refractive index n 2 are stacked, the refractive index n TE of light having a polarization direction parallel to each thin film (TE wave) ) And the refractive index n TM (TM wave) of light in the direction perpendicular to each other is expressed by the following formulas (1) and (2) (M. Born and E. Wolf, “Principles of Optics”, Pergamon Press, Oxford, 1980).
Formula (1) n TE = √ {fn 1 2 + (1−f) n 2 2 }
Formula (2) n TM = √ [n 1 2 n 2 2 / {fn 2 2 + (1-f) n 1 2 }]
In the above formulas (1) and (2), f is a duty ratio between the width t 1 of the convex portion of the fine periodic structure and the width t 2 of the concave portion (groove portion), and is expressed by the following formula (3).
Formula (3) f = t 1 / (t 1 + t 2 )
In the case of the one-dimensional periodic structure as shown in FIG. 2, since the structure has anisotropy, the effective refractive index also has anisotropy. More generally speaking, by creating a fine anisotropic shape in an isotropic medium, it is possible to impart properties equivalent to a uniform anisotropic medium.
The above equations (1) and (2) are approximate equations under the assumption that the structural period is very small compared to the wavelength of light, and a more accurate calculation of the effective refractive index is effective medium theory (EMT) theory ( A. Yariv and P. Yhe, “Optical Waves in Crystals”, John Wiley & Sons, New York, 1984) and numerical calculations.
以上の理由により、図１に示したような構造は屈折率の異なる透明体２〜４の各層に対して前記式（１）、（２）を適用することにより、異方性媒質の積層体と同等とみなすことができるようになる。 For the above reasons, the structure as shown in FIG. 1 is a laminate of anisotropic media by applying the above formulas (1) and (2) to the transparent layers 2 to 4 having different refractive indexes. Can be regarded as equivalent.
一方、誘電体薄膜の積層体の光学特性は各層の特性行列を求めることによって計算できることが知られている（例えば、中村正行、Excel VBAによる光学多層膜のシミュレーション技術と最適化設計、技術情報協会）。このことを利用して反射防止膜や波長フィルターなどが設計できることも一般に知られている技術である。そのことを応用すると、異方性誘電体薄膜の積層体は、ある偏光に対しては反射防止膜として、他方の偏光に対しては波長フィルターとして機能するように設計できる可能性を持つことが考えられる。つまりは偏光分離素子として設計できる可能性があるということである。
以上のことを踏まえると、図１に示したような構造は屈折率の異なる透明体２〜４の各層に対して前記式（１）、（２）を適用することにより、異方性媒質が３層積層された積層体と同等とみなすことができる。さらに各層の屈折率と膜厚、構造周期、デューティ比を最適化することにより、ある偏光に対しては反射防止膜として、他方の偏光に対しては波長フィルターとして機能する異方性膜の積層体と同等のものに設計できる。つまりは偏光分離素子として設計することができる。
On the other hand, it is known that the optical properties of dielectric thin film stacks can be calculated by obtaining the characteristic matrix of each layer (for example, Masayuki Nakamura, optical multilayer simulation technology and optimization design using Excel VBA, Technical Information Association) ). It is a generally known technique that an antireflection film, a wavelength filter, and the like can be designed using this fact. Applying that, a laminate of anisotropic dielectric thin films may have the potential to be designed to function as an anti-reflective film for some polarized light and as a wavelength filter for the other polarized light. Conceivable. That is, it may be designed as a polarization separation element.
In consideration of the above, the structure as shown in FIG. 1 is obtained by applying the above formulas (1) and (2) to the layers of the transparent bodies 2 to 4 having different refractive indexes. It can be regarded as equivalent to a laminate in which three layers are laminated. In addition, by optimizing the refractive index and film thickness, structure period, and duty ratio of each layer, an anisotropic film that functions as an antireflection film for one polarization and as a wavelength filter for the other polarization It can be designed to be equivalent to the body. That is, it can be designed as a polarization separation element.
実施の形態の偏光分離素子において、その各層の膜厚、デューティ比は、後述の設計例を用いて説明するように、指定した光の波長に対してTE波の反射率とTM波の反射率の差が最も大きくなるような最適解を探すシミュレーションをすることにより設計することができる。シミュレーション手法としては、前記式（１）と式（２）と多層膜の行列計算を組み合わせた計算により各偏光の反射率を計算し、設定した波長帯域においてTE波の反射率とTM波の反射率の差が最も大きくなると思われる解をＧＡ（遺伝的アルゴリズム）を用いて探索する手法を用いる。より正確な反射率の計算には前記式（１）と式（２）の代わりにEMT理論による有効屈折率の計算と多層膜の行列計算を組み合わせた計算を行う必要があり、さらに正確には光を電磁波として取り扱うベクトル回折理論を用いる必要がある。これらの手法は計算コストが非常に増加するが、精度が増加するという利点の他に、変更できるパラメーターが１つ増える（構造の周期）ので、より適切な設計をすることができ、より効果的な偏光分離素子が設計できる。 In the polarization separation element of the embodiment, the film thickness and the duty ratio of each layer are the reflectivity of the TE wave and the reflectivity of the TM wave with respect to the designated wavelength of light, as will be described using a design example described later. It is possible to design by performing a simulation to find an optimal solution that maximizes the difference between the two. As a simulation method, the reflectance of each polarization is calculated by combining the above formulas (1) and (2) and the matrix calculation of the multilayer film, and the reflectance of the TE wave and the reflection of the TM wave in the set wavelength band. A method of searching for a solution that seems to have the largest difference in rate using GA (genetic algorithm) is used. In order to calculate the reflectance more accurately, it is necessary to perform a calculation combining the effective refractive index calculation based on the EMT theory and the matrix calculation of the multilayer film instead of the above formulas (1) and (2). It is necessary to use vector diffraction theory that treats light as electromagnetic waves. Although these methods greatly increase the calculation cost, in addition to the advantage of increased accuracy, one parameter that can be changed (the period of the structure) increases, so a more appropriate design can be made and more effective. Can be designed.
本発明で使用する透明体としては、透明基板、高屈折率層、及び低屈折率層が挙げられる。
透明基板に用いる材料として、透明材料であれば特に制限されず、具体的には、光学ガラスや透明プラスチックが挙げられる。
光学ガラスとしては、石英ガラス、ホウケイ酸塩系のクラウンガラス、鉛を含有するフント系ガラス、バリウムを含有するバリウム系ガラス、ランタン等の希土類元素を含有するランタン系ガラス、カルコゲンガラス等を挙げることができる。これらの中でも、石英ガラスが好適である。
透明プラスチックとしては、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系共重合体；ポリスチレン等のスチレン系重合体；ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン−１等の鎖状オレフィン系重合体；脂環式構造を有する重合体（脂環式構造含有重合体とも称される。）；ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル類；ポリカーボネート重合体；ポリエーテルサルフォン；ポリアミド；等を挙げることができる。これらの中でも、脂環式構造を有する重合体が好適である。
Examples of the transparent body used in the present invention include a transparent substrate, a high refractive index layer, and a low refractive index layer.
The material used for the transparent substrate is not particularly limited as long as it is a transparent material, and specific examples include optical glass and transparent plastic.
Examples of optical glass include quartz glass, borosilicate crown glass, lead-containing hunted glass, barium-containing barium-based glass, lanthanum-containing lanthanum-based glass, chalcogen glass, and the like. Can do. Among these, quartz glass is preferable.
Transparent plastics include acrylic copolymers such as polymethyl methacrylate; styrene polymers such as polystyrene; chain olefin polymers such as polypropylene and poly-4-methylpentene-1; heavy polymers having an alicyclic structure. Polyester (polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, etc.); Polycarbonate polymer; Polyether sulfone; Polyamide; Among these, a polymer having an alicyclic structure is preferable.
高屈折率層とは、使用する光線（波長３００〜１６００ｎｍ）を用いて測定される屈折率が低屈折率層よりも大きい層のことをいう。高屈折率層と低屈折率層との屈折率差は、通常０．０１以上、好ましくは０．０５以上、さらに好ましくは０．１以上である。
高屈折率層を構成する物質の具体例としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、酸化タンタル、酸化チタン、酸化インジウム、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化セリウム、ＡＴＯ（酸化アンチモン錫）、酸化錫、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ガドリニウム、酸化イットリウムなどから選ばれる無機化合物が挙げられる。
低屈折率層を構成する物質の具体例としては、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、酸化ケイ素などから選ばれる無機化合物が挙げられる。
高屈折率層及び低屈折率層の形成方法としては、特に制限されず、真空蒸着、スパッタリングやイオンプレーティングなどの物理気相析出（ＰＶＤ）法や化学気相析出（ＣＶＤ）法などが挙げられる。
The high refractive index layer refers to a layer having a refractive index measured by using light rays (wavelength 300 to 1600 nm) larger than that of the low refractive index layer. The refractive index difference between the high refractive index layer and the low refractive index layer is usually 0.01 or more, preferably 0.05 or more, more preferably 0.1 or more.
Specific examples of the material constituting the high refractive index layer include ITO (indium tin oxide), tantalum oxide, titanium oxide, indium oxide, zirconium oxide, niobium oxide, hafnium oxide, cerium oxide, ATO (antimony tin oxide), and oxidation. Examples thereof include inorganic compounds selected from tin, zinc oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, gadolinium oxide, yttrium oxide and the like.
Specific examples of the substance constituting the low refractive index layer include inorganic compounds selected from magnesium fluoride, calcium fluoride, silicon oxide and the like.
The formation method of the high refractive index layer and the low refractive index layer is not particularly limited, and examples thereof include physical vapor deposition (PVD) methods such as vacuum deposition, sputtering and ion plating, and chemical vapor deposition (CVD) methods. It is done.
本発明においては、凹凸構造のｘ軸方向の周期は１μｍ以下、好ましくは１μｍ〜２０ｎｍ、好ましくは７００ｎｍ〜２０ｎｍである。凹凸構造の周期が１μｍを大きく超えるようになると、凹凸構造は一様媒体とはみなされず、０次回折光以外の高次回折光が発現するようになる。逆に前記周期が２０ｎｍより小さくなると製造が困難になる。 In the present invention, the period of the concavo-convex structure in the x-axis direction is 1 μm or less, preferably 1 μm to 20 nm, preferably 700 nm to 20 nm. When the period of the concavo-convex structure greatly exceeds 1 μm, the concavo-convex structure is not regarded as a uniform medium, and high-order diffracted light other than the 0th-order diffracted light appears. On the other hand, if the period is smaller than 20 nm, manufacturing becomes difficult.
本発明においては、積層体のｙ軸方向の構造は、ほぼ一様であるか、またはｘ軸方向より大きい長さの周期的若しくは非周期的である。積層体のｙ軸方向の構造が、一様でないか又はｘ軸方向と同じか小さい長さの周期的若しくは非周期的であると偏光分離性能が劣化するもしくは消失すると考えられる。 In the present invention, the structure of the laminate in the y-axis direction is substantially uniform, or is periodic or aperiodic with a length greater than the x-axis direction. If the structure in the y-axis direction of the laminate is not uniform, or is periodic or aperiodic with a length equal to or smaller than that in the x-axis direction, the polarization separation performance is considered to deteriorate or disappear.
本発明においては、積層体のｚ方向における各層の厚さは、周期的でも非周期的でもよいが、非周期的である方が最適化できるパラメーターが増えることになるので、より適切な設計が可能になり、高性能、広帯域化、広入射角化が可能になるという点で好ましい。各層の厚さは、使用する光の波長以下の範囲である。 In the present invention, the thickness of each layer in the z direction of the laminate may be periodic or aperiodic. However, since the number of parameters that can be optimized increases when it is aperiodic, a more appropriate design can be achieved. This is preferable in that it enables high performance, wide bandwidth, and wide incident angle. The thickness of each layer is the range below the wavelength of the light to be used.
本発明においては、凹凸構造の断面（ｘｚ平面に平行な面）形状としては、特に制限されず、矩形、三角形、台形などが挙げられる。 In the present invention, the cross-sectional shape (surface parallel to the xz plane) of the concavo-convex structure is not particularly limited, and examples thereof include a rectangle, a triangle, and a trapezoid.
本発明においては、前記積層体を構成する透明体が３種類以上であることが好ましい。積層数が増えれば最適化できるパラメーターが増えることになるので、より適切な設計が可能になり、高性能、広帯域化、広入射角化が可能になる。 In this invention, it is preferable that the transparent body which comprises the said laminated body is 3 or more types. Since the number of parameters that can be optimized increases as the number of layers increases, more appropriate design becomes possible, and higher performance, wider bandwidth, and wider incident angle become possible.
本発明においては、前記積層体が高屈折率層と低屈折率層の繰り返し構造であることが好ましい。積層体がこのような構造であることにより、より高精度の偏光分離が可能となる。この場合、透明基板も高屈折率層又は低屈折率層と成りうる。 In the present invention, the laminate preferably has a repeating structure of a high refractive index layer and a low refractive index layer. When the laminate has such a structure, polarization separation with higher accuracy becomes possible. In this case, the transparent substrate can also be a high refractive index layer or a low refractive index layer.
本発明においては、前記凹凸構造が、表面に凹凸構造を有する透明基板上に透明体を積層したものであることが好ましい。凹凸構造をこのようにすることにより、積層させる透明体の層数がより少ない数で高精度の偏光分離が可能であり低コスト化が可能となる。 In this invention, it is preferable that the said uneven structure is what laminated | stacked the transparent body on the transparent substrate which has an uneven structure on the surface. By making the concavo-convex structure in this way, highly accurate polarization separation is possible with a smaller number of layers of transparent bodies to be laminated, and the cost can be reduced.
本発明における微細な凸凹構造の実際の作製については半導体プロセスなどで広く用いられている光／電子線リソグラフィ技術とドライ／ウエットエッチング技術を用いることで容易に作成できる。 The actual fabrication of the fine concavo-convex structure in the present invention can be easily created by using optical / electron beam lithography technology and dry / wet etching technology widely used in semiconductor processes and the like.
次に、本発明を設計例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
本設計例のシミュレーションにおいては、前述のシミュレーション手法を用いて、設定できる屈折率は１．４〜２．４の範囲で０．０１刻みに、各層の厚さは５〜７００ｎｍの範囲で５ｎｍ刻みに、デューティ比ｆは０．０１〜０．９９の範囲で０．０１刻みに、基板表面の凹凸形状の高さは各層の厚さの和＋０〜１０００ｎｍの範囲で５ｎｍ刻みに限定する。また、入射側の屈折率は１．０、出射側の屈折率は１．５に固定する（一般的な光学ガラスもしくは透明プラスチックを想定）。入射光は素子に対して垂直に入射する場合のみを考慮する。しかし、本発明は垂直入射に限られるものではなく、任意の入射角に対して偏光分離の効果が得られる。一般に入射角が付いた場合の光学薄膜の反射率・透過率特性は垂直入射の反射率・透過率特性が短波長側にシフトしたような形式になる（偏光によって差があるが）ことが知られている。つまり、反射帯域の広帯域化は広入射角化とほぼ同様の効果である。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to design examples, but the present invention is not limited to these examples.
In the simulation of this design example, the refractive index that can be set using the simulation method described above is in increments of 0.01 in the range of 1.4 to 2.4, and the thickness of each layer is in increments of 5 nm in the range of 5 to 700 nm. In addition, the duty ratio f is limited to 0.01 increments in the range of 0.01 to 0.99, and the height of the concavo-convex shape on the substrate surface is limited to increments of 5 nm in the range of the sum of the thicknesses of the respective layers +0 to 1000 nm. Further, the refractive index on the incident side is fixed at 1.0, and the refractive index on the outgoing side is fixed at 1.5 (assuming general optical glass or transparent plastic). Consider only the case where the incident light is incident perpendicular to the element. However, the present invention is not limited to normal incidence, and the effect of polarization separation can be obtained for any incident angle. In general, the reflectivity / transmittance characteristics of an optical thin film with an incident angle are known to be such that the reflectivity / transmittance characteristics at normal incidence are shifted to the short wavelength side (although there are differences depending on the polarization). It has been. In other words, widening the reflection band has almost the same effect as widening the incident angle.
今回の設計例に用いたシミュレーション手法については、近似や仮定が使われていることから、その結果の妥当性を検証する必要がある。そこで、参考例として、ベクトル回折理論の１つであるFDTD法（時間領域差分法）の市販コード（FullWAVE Version 3.0.3.，Rsoft Design Group, Inc.）を用いた結果と比較することで、今回のシミュレーション手法の妥当性を検証する。 Since the simulation method used in this design example uses approximations and assumptions, it is necessary to verify the validity of the results. Therefore, as a reference example, by comparing with the result using the commercial code (FullWAVE Version 3.0.3., Rsoft Design Group, Inc.) of FDTD method (time domain difference method) which is one of vector diffraction theory, The validity of this simulation method is verified.
（設計例１）
図３に示すような透明基板１−１（屈折率１．５、膜厚は波長に比べ、無限に厚いとする）、高屈折率の透明薄膜層１−２（屈折率２．４、膜厚＝３０５ｎｍ）とからなる凹凸構造（デューティ比ｆ＝０．８５、構造周期は波長に比べ、無限に小さいとする）を設計した。この凹凸構造の波長５５０ｎｍにおける反射率は、ＴＥ波が３１％、ＴＭ波が２．７％となり、偏光分離素子として利用することができることがわかる。
(Design example 1)
As shown in FIG. 3, a transparent substrate 1-1 (refractive index 1.5, film thickness is infinitely thicker than wavelength), high refractive index transparent thin film layer 1-2 (refractive index 2.4, film) An uneven structure (duty ratio f = 0.85, the structure period is infinitely smaller than the wavelength) was designed. The reflectivity of the concavo-convex structure at a wavelength of 550 nm is 31% for the TE wave and 2.7% for the TM wave, indicating that it can be used as a polarization separation element.
（設計例２）
図４に示すような透明基板２−１（屈折率１．５、膜厚は波長に比べ、無限に厚いとする）、低屈折率の透明薄膜層２−２（屈折率１．４、膜厚＝２９５ｎｍ）、高屈折率の透明薄膜層２−３（屈折率２．４、膜厚＝５２５ｎｍ）、低屈折率の透明薄膜層２−４（屈折率１．４、膜厚＝６９０ｎｍ）、高屈折率の透明薄膜層２−５（屈折率２．４、膜厚＝６４０ｎｍ）とからなる凹凸構造（デューティ比ｆ＝０．９６、構造周期は波長に比べ、無限に小さいとする）を設計した。この凹凸構造の波長５５０ｎｍにおける反射率は、ＴＥ波が７２％、ＴＭ波が０．２５％となり、偏光分離素子として利用することができることがわかる。
(Design example 2)
As shown in FIG. 4, a transparent substrate 2-1 (refractive index 1.5, film thickness is infinitely thicker than wavelength), low refractive index transparent thin film layer 2-2 (refractive index 1.4, film) Thickness = 295 nm), high refractive index transparent thin film layer 2-3 (refractive index 2.4, film thickness = 525 nm), low refractive index transparent thin film layer 2-4 (refractive index 1.4, film thickness = 690 nm) An uneven structure composed of a transparent thin film layer 2-5 having a high refractive index (refractive index 2.4, film thickness = 640 nm) (duty ratio f = 0.96, structure period is infinitely smaller than wavelength) Designed. With respect to the reflectance at a wavelength of 550 nm of this concavo-convex structure, the TE wave is 72% and the TM wave is 0.25%, which indicates that it can be used as a polarization separation element.
（設計例３）
設計例２において、低屈折率の透明薄膜層２−２の膜厚を１０５ｎｍ、高屈折率層２−３の膜厚を１９０ｎｍ、低屈折率の透明薄膜層２−４の膜厚を１００ｎｍ、高屈折率の透明薄膜層２−５の膜厚を１８５ｎｍとし、凹凸構造のデューティ比ｆを０．７９とした他は同様にして凹凸構造を設計した。この凹凸構造の波長５２５から５７５ｎｍにおける１０ｎｍ間隔の反射率を示したグラフを図５に示す。グラフにおいて実線はＴＭ波、破線はＴＥ波に対する反射率を示す。この図から、偏光分離素子として利用することができることがわかる。
(Design example 3)
In Design Example 2, the thickness of the low refractive index transparent thin film layer 2-2 is 105 nm, the thickness of the high refractive index layer 2-3 is 190 nm, the thickness of the low refractive index transparent thin film layer 2-4 is 100 nm, A concavo-convex structure was designed in the same manner except that the film thickness of the transparent thin film layer 2-5 having a high refractive index was 185 nm and the duty ratio f of the concavo-convex structure was 0.79. FIG. 5 shows a graph showing the reflectivity at intervals of 10 nm in the wavelength range of 525 to 575 nm. In the graph, the solid line indicates the reflectance with respect to the TM wave, and the broken line indicates the reflectance with respect to the TE wave. From this figure, it can be seen that it can be used as a polarization separation element.
（設計例４）
図６に示すような凹凸構造を有する透明基板３−１（屈折率１．５、膜厚は波長に比べ、無限に厚いとする、凸部の高さｄ０＝１５９０ｎｍ、構造周期は波長に比べ、無限に小さいとする）、高屈折率の透明薄膜層３−２（屈折率２．４、膜厚＝５９０ｎｍ）とからなる凹凸構造（デューティ比ｆ＝０．３７）を設計した。この凹凸構造の波長５５０ｎｍにおける反射率は、ＴＥ波が４７％、ＴＭ波が０．８５％となり、偏光分離素子として利用することができることがわかる。
(Design example 4)
Transparent substrate 3-1 having a concavo-convex structure as shown in FIG. 6 (refractive index 1.5, film thickness is infinitely thicker than wavelength, height of convex part d 0 = 1590 nm, structure period is wavelength In comparison, an uneven structure (duty ratio f = 0.37) composed of a transparent thin film layer 3-2 (refractive index 2.4, film thickness = 590 nm) having a high refractive index was designed. The reflectivity of the concavo-convex structure at a wavelength of 550 nm is 47% for the TE wave and 0.85% for the TM wave, indicating that it can be used as a polarization separation element.
（設計例５）
図７に示すような凹凸構造を有する透明基板４−１（屈折率１．５、膜厚は波長に比べ、無限に厚いとする、凸部の高さｄ０は１１０５ｎｍ、構造周期は波長に比べ、無限に小さいとする）、高屈折率の透明薄膜層４−２（屈折率２．４、膜厚＝４４０ｎｍ）、低屈折率の透明薄膜層４−３（屈折率１．４、膜厚１０５ｎｍ）、高屈折率の透明薄膜層４−４（屈折率は２．４、膜厚は４３５ｎｍ）とからなる凹凸構造（デューティ比ｆは０．３３）を設計した。この凹凸構造の波長５５０ｎｍにおける反射率は、ＴＥ波が８３％、ＴＭ波が０．３８％となり、偏光分離素子として利用することができることがわかる。
(Design example 5)
Transparent substrate 4-1 having a concavo-convex structure as shown in FIG. 7 (refractive index 1.5, film thickness is infinitely thicker than wavelength, convex height d 0 is 1105 nm, structural period is wavelength Compared to infinitely small), high refractive index transparent thin film layer 4-2 (refractive index 2.4, film thickness = 440 nm), low refractive index transparent thin film layer 4-3 (refractive index 1.4, film) A concavo-convex structure (duty ratio f is 0.33) composed of a transparent thin film layer 4-4 (thickness: 105 nm) and a high refractive index (refractive index: 2.4, film thickness: 435 nm) was designed. The reflectivity of the concavo-convex structure at a wavelength of 550 nm is 83% for the TE wave and 0.38% for the TM wave, indicating that it can be used as a polarization separation element.
（設計例６）
設計例５において、凹凸構造を有する透明基板４−１の凸部の高さｄ０を４９０ｎｍ、高屈折率の透明薄膜層４−２の膜厚を２０５ｎｍ、低屈折率の透明薄膜層４−３の膜厚を１０５ｎｍ、及び高屈折率の透明薄膜層４−４の膜厚を７０ｎｍとし、凹凸構造のデューティ比ｆを０．６５とした他は同様にして凹凸構造を設計した。この凹凸構造の波長５２５から５７５ｎｍにおける１０ｎｍ間隔の反射率を示したグラフを図８に示す。グラフにおいて実線はＴＭ波、破線はＴＥ波に対する反射率を示す。この図から、偏光分離素子として利用することができることがわかる。
(Design Example 6)
In design example 5, the height d 0 of the convex portion of the transparent substrate 4-1 having a concavo-convex structure is 490 nm, the thickness of the transparent thin film layer 4-2 having a high refractive index is 205 nm, and the transparent thin film layer 4 having a low refractive index is 4- The concavo-convex structure was designed in the same manner except that the film thickness of No. 3 was 105 nm, the film thickness of the transparent thin film layer 4-4 having a high refractive index was 70 nm, and the duty ratio f of the concavo-convex structure was 0.65. A graph showing the reflectivity at intervals of 10 nm in the wavelength range of 525 to 575 nm of this uneven structure is shown in FIG. In the graph, the solid line indicates the reflectance with respect to the TM wave, and the broken line indicates the reflectance with respect to the TE wave. From this figure, it can be seen that it can be used as a polarization separation element.
（参考例）
FDTD法（時間領域差分法）の市販コード（FullWAVE Version 3.0.3.，Rsoft Design Group, Inc.）を用いて図９に示すような凹凸構造を有する透明基板５−１（屈折率１．５、膜厚は波長に比べ、無限に厚いとする、凸部の高さｄ０は４４０ｎｍ、構造周期Ａは５０ｎｍ）、高屈折率の透明薄膜層５−２（屈折率３．０、膜厚＝５０ｎｍ）、低屈折率の透明薄膜層５−３（屈折率１．０７、膜厚１２０ｎｍ）、高屈折率の透明薄膜層５−４（屈折率は３．０、膜厚は１８０ｎｍ）とからなる凹凸構造（デューティ比ｆは０．６７）を設計した。この凹凸構造の波長５００から６００ｎｍにおける２０ｎｍ間隔の反射率を示したグラフを図１０に示す。グラフにおいて実線はＴＭ波、破線はＴＥ波に対する反射率を示す。この図から、偏光分離素子として利用することができる。またこれにより、本実施例におけるシミュレーション手法が妥当であることが証明された。
(Reference example)
Using a commercially available code (FullWAVE Version 3.0.3., Rsoft Design Group, Inc.) of the FDTD method (time domain difference method), a transparent substrate 5-1 having a concavo-convex structure as shown in FIG. The film thickness is infinitely thicker than the wavelength, the height d 0 of the convex portion is 440 nm, the structure period A is 50 nm, and the transparent thin film layer 5-2 having a high refractive index (refractive index 3.0, film thickness). = 50 nm), low refractive index transparent thin film layer 5-3 (refractive index 1.07, film thickness 120 nm), high refractive index transparent thin film layer 5-4 (refractive index 3.0, film thickness 180 nm) A concavo-convex structure made of (duty ratio f is 0.67) was designed. A graph showing the reflectivity at intervals of 20 nm in the wavelength range of 500 to 600 nm of this uneven structure is shown in FIG. In the graph, the solid line indicates the reflectance with respect to the TM wave, and the broken line indicates the reflectance with respect to the TE wave. From this figure, it can be used as a polarization separation element. This also proved that the simulation method in this example is appropriate.
１・・・透明基板、２，３，４・・・透明体、１−１，２−１，３−１，４−１，５−１・・・透明基板、１−２，２−３，２−５，３−２，４−２，４−４，５−２，５−４・・・高屈折率の透明薄膜層、２−２，２−４，４−３，５−３・・・低屈折率の透明薄膜層、Ａ・・・屈折率がｎ１である領域、Ｂ・・・屈折率がｎ２である領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transparent substrate, 2, 3, 4 ... Transparent body, 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1 ... Transparent substrate, 1-2, 2-3 , 2-5, 3-2, 4-2, 4-4, 5-2, 5-4... High refractive index transparent thin film layer, 2-2, 2-4, 4-3, 5-3 ... low-refractive-index transparent thin film layer, the area region a ... refractive index of n 1, B ... refractive index of n 2
Claims (5)
前記凹凸構造の凸部及び／又は１周期中の凸部を除いた部分が屈折率の異なる２種類以上の透明体の積層体からなり、ｙ軸方向には一様であるか、またはｘ軸方向より大きい長さの周期的若しくは非周期的な構造であることを特徴とする偏光分離素子。 A polarization separation element having a periodic concavo-convex structure with a period of 1 μm or less in the x-axis direction in three-dimensional orthogonal coordinates x, y, z,
The part excluding the convex part of the concavo-convex structure and / or the convex part in one period is composed of a laminate of two or more kinds of transparent bodies having different refractive indexes, and is uniform in the y-axis direction or x-axis A polarization separation element having a periodic or aperiodic structure having a length larger than a direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004089595A JP2005275092A (en) | 2004-03-25 | 2004-03-25 | Polarized light-splitting element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004089595A JP2005275092A (en) | 2004-03-25 | 2004-03-25 | Polarized light-splitting element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005275092A true JP2005275092A (en) | 2005-10-06 |
Family
ID=35174827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004089595A Pending JP2005275092A (en) | 2004-03-25 | 2004-03-25 | Polarized light-splitting element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005275092A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8213083B2 (en) | 2008-07-28 | 2012-07-03 | Ricoh Company, Ltd. | Wavelength selection filter, filter unit, light source device, optical apparatus, and refractive index sensor |
| WO2012105555A1 (en) * | 2011-02-01 | 2012-08-09 | 株式会社クラレ | Wavelength selective filter element, method for manufacturing same, and image display device |
| JP2012189773A (en) * | 2011-03-10 | 2012-10-04 | Sony Chemical & Information Device Corp | Polarization element |
| JP2014127576A (en) * | 2012-12-26 | 2014-07-07 | Ricoh Co Ltd | Surface light emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus |
-
2004
- 2004-03-25 JP JP2004089595A patent/JP2005275092A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8213083B2 (en) | 2008-07-28 | 2012-07-03 | Ricoh Company, Ltd. | Wavelength selection filter, filter unit, light source device, optical apparatus, and refractive index sensor |
| WO2012105555A1 (en) * | 2011-02-01 | 2012-08-09 | 株式会社クラレ | Wavelength selective filter element, method for manufacturing same, and image display device |
| JP2012189773A (en) * | 2011-03-10 | 2012-10-04 | Sony Chemical & Information Device Corp | Polarization element |
| JP2014127576A (en) * | 2012-12-26 | 2014-07-07 | Ricoh Co Ltd | Surface light emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4527986B2 (en) | Wire grid polarizer | |
| JP5224252B2 (en) | Selective absorptive wire grid polarizer | |
| JP4843617B2 (en) | Multilayer wire grid polarizer | |
| TWI467252B (en) | Wire grid type polarizer and manufacturing method thereof | |
| WO2000008496A1 (en) | Polarizer | |
| JP2007323073A (en) | Thin-film design for positive and/or negative c-plate | |
| JP2012027221A (en) | Wire grid polarizer | |
| WO2017150568A1 (en) | Optical element | |
| JP2012008363A (en) | Method for manufacturing wavelength plate | |
| JP2008107720A (en) | Polarizer and its manufacturing method | |
| JP2003315552A (en) | Integrated optical element | |
| JP2006330616A (en) | Polarizer and method for manufacturing same, and liquid crystal display apparatus | |
| JP5069037B2 (en) | Laminated wire grid polarizer | |
| JP4125114B2 (en) | Optical element, optical modulation element, and image display device | |
| JP5353666B2 (en) | Wire grid polarizer and optical head device | |
| WO2007077652A1 (en) | Polarizing element and method for fabricating same | |
| JP2007101859A (en) | Polarized beam splitter and method of manufacturing same | |
| JP3913765B1 (en) | Polarization phase difference plate | |
| JP5490891B2 (en) | Wave plate and method for manufacturing the wave plate | |
| JP2009288406A (en) | Optical element and optical apparatus | |
| JP2005275092A (en) | Polarized light-splitting element | |
| CN117452544A (en) | Linear polaroid based on super-surface optical structure | |
| JP2012159802A (en) | Optical element, optical pickup, optical information processor, optical attenuator, polarization conversion element, projector optical system, isolator and optical instrument | |
| JP3584257B2 (en) | Polarizing beam splitter | |
| JP2001083321A (en) | Polarizer and method for its production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060821 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20080722 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20090513 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20090519 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090929 |