JP2005321562A - Polarization separation element and optical system having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の波長、あるいは帯域光で、かつ、比較的広い入射角度範囲で使用する偏光分離素子に関し、例えば、撮影光学系、投写型表示装置(プロジェクタ)、画像処理装置、半導体製造装置、等の各種光学機器に関するものである。 The present invention relates to a polarization beam splitting element that has a plurality of wavelengths or band lights and is used in a relatively wide incident angle range, for example, a photographing optical system, a projection display device (projector), an image processing device, and a semiconductor manufacturing device. It relates to various optical devices such as.
従来より、偏光分離素子は誘電体多層膜を用いた物が知られている。図16に示すように、多層膜17に入射してきたp偏光(18)に関しては、ブリュースター角での透過(19)を用い、s偏光(20)に関しては多層膜の干渉による反射(21)をさせるものである。 Conventionally, a polarization separation element using a dielectric multilayer film is known. As shown in FIG. 16, for p-polarized light (18) incident on the multilayer film 17, transmission at the Brewster angle (19) is used, and for s-polarized light (20), reflection due to interference of the multilayer film (21). It is what makes you.
多層膜は異なる屈折率の誘電体層の積層よりなる。高い屈折率nHを持つ層をH層、それより低い屈折率nLを持つ層をL層とする。一般的に屈折率n1、n2を持つ2つの媒質の間のブリュースター角θBは式(10)で与えられる。この角度で入射した光線のうちp偏光成分は全て透過する。 The multilayer film is formed by stacking dielectric layers having different refractive indexes. A layer having a high refractive index nH is an H layer, and a layer having a lower refractive index nL is an L layer. In general, the Brewster angle θ B between two media having refractive indexes n1 and n2 is given by equation (10). Of the light rays incident at this angle, all p-polarized light components are transmitted.
tanθB=n2/n1・・・(10)
偏光分離素子として構成するためには、この屈折率と角度の関係がプリズム媒質および、H層、L層の界面で同時に成り立つ必要がある。そのため、プリズム媒質の屈折率npと、薄膜を形成する2つの誘電体媒質の屈折率nHとnLとの間には、下記の関係式が成り立つ必要がある。
tan θ B = n 2 / n 1 (10)
In order to configure as a polarization separation element, it is necessary that the relationship between the refractive index and the angle be simultaneously established at the interface of the prism medium and the H layer and the L layer. Therefore, between the refractive index and n p of the prism medium, the refractive index n H and n L of the two dielectric medium to form a thin film, it is necessary to the following relational expression holds.
s偏光に関しては、高屈折率媒質と、低屈折率媒質の屈折率nHとnLの屈折率差から生じる界面での反射を用いて、多層膜干渉による反射膜を構成する。各層の膜厚を最適化させ、20〜40層の膜を積層することで可視光全域に対する反射膜を実現することが可能である。s偏光に関しては、膜の層数を増やすことで広い角度特性、波長特性を設計することが可能であるが、p偏光の透過率に関しては、媒質間の屈折率と角度だけに依存するため、膜厚の影響を受けない。また逆に層数を増やせば増やすほどブリュースター角からのズレに伴うp偏光に対する反射率が増加し、透過率の波長特性、角度特性は悪化する。 As for s-polarized light, a reflection film by multilayer film interference is formed by using reflection at the interface caused by the difference in refractive index between the refractive indexes n H and n L of the high refractive index medium and the low refractive index medium. By optimizing the thickness of each layer and laminating 20 to 40 layers, it is possible to realize a reflection film for the entire visible light region. With regard to s-polarized light, it is possible to design wide angle characteristics and wavelength characteristics by increasing the number of layers of the film. However, since the transmittance of p-polarized light depends only on the refractive index and angle between the media, Not affected by film thickness. Conversely, as the number of layers is increased, the reflectance for p-polarized light accompanying the deviation from the Brewster angle increases, and the wavelength characteristics and angular characteristics of the transmittance deteriorate.
一方、特許文献1に開示されるように誘電体多層膜のかわりに複屈折性をもつ接着材をプリズムに挟む偏光分離素子が知られている。これは、複屈折性の材料の常光線と異常光線の屈折率差を用いたもので、屈折率差は小さいものの、約60°と言う大きな入射角で使用することで、選択的に一方の偏光を全反射させることにより偏光分離を実現している。
On the other hand, as disclosed in
全反射が起こるためには、臨界角θC以上で有る必要があるが、臨界角θCは次式であたえられる。 In order for total reflection to occur, the critical angle θ C must be greater than or equal to the critical angle θ C , but the critical angle θ C is given by the following equation.
sinθC=n2/n1・・・(12)
構造複屈折を用いた偏光分離素子としは、図15のように多層膜をエッチングして、1次元格子状にした物が知られている。TiO2などのH層15と、SiO2などのL層16を交互に積層させてそれを1次元格子となるようにエッチングしたものである。1次元格子の周期は波長より短い構造として構造複屈折を形成している。
sin θ C = n 2 / n 1 (12)
As a polarization beam splitting element using structural birefringence, an element obtained by etching a multilayer film as shown in FIG. 15 to form a one-dimensional lattice is known. An
このようなSWS格子に関しては有効屈折率で取り扱うことができる、図10(a)のような格子において、格子と平行な方向の偏光をTE、格子と直交する方向の偏光をTMとするとき、一般的にn1、n2の媒質がa:bの比で繰り返す一次元格子でそれぞれの偏光の有効屈折率は式(13)(14)で表されることが知られている。 Such a SWS grating can be handled with an effective refractive index. In the grating as shown in FIG. 10A, when the polarization in the direction parallel to the grating is TE and the polarization in the direction orthogonal to the grating is TM, In general, it is known that the effective refractive index of each polarized light is expressed by the equations (13) and (14) in a one-dimensional grating in which the medium of n 1 and n 2 repeats at a ratio of a: b.
このとき、a:bの比率によらずnTE>nTMである。 At this time, n TE > n TM is satisfied regardless of the ratio of a: b.
1次元格子においてn1を誘電体、n2を空気としたとき、媒質のピッチに対する比率であるフィリングファクターfは式(15)で示される。この例ではフィリングファクターを約0.5程度になるようにエッチングしたものである。 In a one-dimensional lattice, when n1 is a dielectric and n2 is air, a filling factor f, which is a ratio to the pitch of the medium, is expressed by Expression (15). In this example, the etching is performed so that the filling factor is about 0.5.
f=a/(a+b) ・・・(15)
図10(b)はn1をTiO2、n2を空気とした格子のTiO2のフィリングファクタfに対する有効屈折率の変化を表したグラフである。同様に図10(c)はn1をSiO2としたときの有効屈折率のグラフである。このグラフより、TE方向では、H層とL層の屈折率差が大きく、TM方向ではH層とL層の屈折率差が小さくなっていることがわかる。適切なプリズム媒質をとるとTM方向でブリュースター角の条件が成り立ちp偏光を透過させることができる。各層の厚さはブリュースター角の条件とは独立であることから、H層、L層の膜厚を最適化することで、誘電体多層膜を形成することが可能である。それによりs偏光を反射させ、偏光分離素子としての機能を得られる。これは、誘電体薄膜だけで構成した偏光分離素子よりも、p偏光において、ブリュースター角の条件を満たす媒質の選択自由度が上がる。そのため、同時にs偏光における反射率を高くとることが可能である。これによって、可視光全域をカバーする偏光分離素子が20層程度で構成できるという特徴がある。
f = a / (a + b) (15)
FIG. 10B is a graph showing a change in effective refractive index with respect to the filling factor f of TiO 2 in a lattice in which n1 is TiO 2 and n2 is air. Like FIG. 10 (c) is a graph of the effective refractive index of when the n1 and SiO 2. From this graph, it can be seen that the refractive index difference between the H layer and the L layer is large in the TE direction, and the refractive index difference between the H layer and the L layer is small in the TM direction. When an appropriate prism medium is taken, the Brewster angle condition is satisfied in the TM direction, and p-polarized light can be transmitted. Since the thickness of each layer is independent of the Brewster angle condition, it is possible to form a dielectric multilayer film by optimizing the film thickness of the H layer and the L layer. Thereby, the s-polarized light is reflected, and a function as a polarization separation element can be obtained. This increases the degree of freedom in selecting a medium that satisfies the Brewster angle condition in p-polarized light, compared to a polarization separation element composed of only a dielectric thin film. Therefore, it is possible to increase the reflectance for s-polarized light at the same time. As a result, the polarization separation element covering the entire visible light region can be configured with about 20 layers.
一方、SWSの井桁構造の製法として特許文献2に開示されているように、使用波長より小さい格子ピッチの1次元格子層を、直交方向に積層した形状の製造方法が提案されている。周期的に積層された積層構造での感光材料の配置を実現している。
しかしながら、誘電体多層膜を用いた偏光分離素子では、p偏光の透過にブリュースター角の条件を用いるために、プリズム硝材や、薄膜の媒質の屈折率に(6)式の制約を受けるとともに、角度特性を広くとる事が難しい。これは層数を増やしても改善されない。 However, in the polarization separation element using the dielectric multilayer film, the Brewster angle condition is used for transmission of the p-polarized light, so that the refractive index of the prism glass material or the thin film medium is restricted by the expression (6), It is difficult to take a wide angle characteristic. This is not improved by increasing the number of layers.
複屈折性をもつ高分子材質をプリズムに挟んだ偏光分離素子では、高分子材料の常光線と異常光線の屈折率差が大きくないために全反射させるためには入射角度を約60°以上に大きく取らなければならず、使用できる光学系の用途が限られていると言う問題点がある。また、複屈折素子として高分子材料などを用いることから、耐熱性、耐光性の観点で劣る。 In a polarization separation element in which a polymer material having birefringence is sandwiched between prisms, since the difference in refractive index between the ordinary ray and the extraordinary ray of the polymer material is not large, in order to totally reflect, the incident angle is set to about 60 ° or more. There is a problem that the use of optical systems that can be used is limited. Further, since a polymer material or the like is used as the birefringent element, it is inferior in terms of heat resistance and light resistance.
SWS構造を用いた矩形格子の積層型の偏光分離素子では、構成が複雑であり製造にかかるコストが高くなることと、p偏光の透過にブリュースター角の条件を用いているために、誘電体多層膜と同様広い角度特性が得られない。特に図15に示す格子の構造から明らかなように入射角が大きくなるにつれ、TEとTMの屈折率差がなくなるために、ブリュースター角を越えた入射角での反射率の増加が誘電体薄膜を用いたときより大きく、角度特性を広げることが阻害され、十分な性能を持つ素子が得られない。 A rectangular-polarized laminated polarization separation element using an SWS structure has a complicated structure, increases manufacturing costs, and uses Brewster angle conditions for transmission of p-polarized light. As with the multilayer film, wide angular characteristics cannot be obtained. In particular, as apparent from the grating structure shown in FIG. 15, as the incident angle increases, the difference in refractive index between TE and TM disappears, so that the increase in reflectivity at an incident angle exceeding the Brewster angle increases the dielectric thin film. It is larger than the case where the angle is used, and it is obstructed to widen the angle characteristic, and an element having sufficient performance cannot be obtained.
また、構造複屈折を用いた偏光素子である特許文献2は、井桁形状のSWS格子の製法に関して示されているが、用途としてフォトニックバンドギャップ構造を作る事を前提としており、偏光分離素子としての具体的な形状に関する記載は無い。また、媒質として、屈折率の低い有機材料を用いているので、十分な構造複屈折が得られない。特許文献2で示される実施例の中には何らかの偏光特性を示すものもあるが、45度くらいの入射角度で高い消光比を実現する事は不可能でる。また、広い入射角度範囲での偏光分離はを実現することは出来ない。
In addition,
液晶プロジェクタなどに使用する偏光分離素子は、可視光全域と言う広い波長範囲と、明るさを得るための小さいFNo、すなわち広い角度特性が必要なためにこれらの従来例では不適である。 A polarization separation element used for a liquid crystal projector or the like is not suitable for these conventional examples because it requires a wide wavelength range of the entire visible light range and a small FNo for obtaining brightness, that is, a wide angle characteristic.
本発明は、これらの問題を鑑み、液晶プロジェクタなどに最適な、可視光全域と言う広い波長範囲と、小さいFNo.で使用可能な広い角度特性をもつ偏光分離素子を得ることを目的とする。 In view of these problems, the present invention is suitable for a liquid crystal projector and the like. An object of the present invention is to obtain a polarization separation element having a wide angle characteristic that can be used in the above-mentioned.
上記課題を解決するため、本発明の偏光分離素子は、構造複屈折を有する層を複数層積層した構成よりなる偏光分離層を、2つの光学部材の間に設けた偏光分離素子において、前記構造複屈折層の高い屈折率を示す偏光方向が、隣り合う層の間で互いにほぼ直交する方向に配置し積層した事を特徴としている。 In order to solve the above problems, the polarization separation element of the present invention is the polarization separation element in which a polarization separation layer having a structure in which a plurality of layers having structural birefringence are stacked is provided between two optical members. The birefringent layers are stacked in such a manner that the polarization directions exhibiting a high refractive index are arranged in directions substantially perpendicular to each other between adjacent layers.
本発明によれば、前述のように、偏光分離素子に関して、構造的にも、設計的にも簡素な構成でありながらも、波長特性、入射角度特性ともに広い範囲で高い消光比を持った偏光分離素子を実現することができるという効果がある。 According to the present invention, as described above, with respect to the polarization separation element, the polarization having a high extinction ratio in a wide range in both the wavelength characteristic and the incident angle characteristic while having a simple structure in terms of structure and design. There is an effect that a separation element can be realized.
本発明では、構造複屈折を有する層を複数層積層した構成よりなる偏光分離層を、2つの光学部材の間に設けた偏光分離素子において、前記構造複屈折層の高い屈折率を示す偏光方向が、隣り合う層の間で互いにほぼ直交する方向に配置し積層する事で、上記問題を克服するものである。 In the present invention, in a polarization separation element in which a polarization separation layer having a structure in which a plurality of layers having structural birefringence are stacked is provided between two optical members, the polarization direction showing a high refractive index of the structural birefringence layer However, by arranging and laminating adjacent layers in directions substantially perpendicular to each other, the above problem is overcome.
また、本発明では、前記偏光分離層に入射する光線のうち、主として反射する光線の偏光成分と、主として透過する光線の偏光成分は互いに直交し、その2方向と、前記構造複屈折層の高い屈折率を示す偏光方向の直交する2方向とが、ほぼ等しい構成とするものである。 In the present invention, among the light rays incident on the polarization separation layer, the polarization component of the reflected light beam and the polarization component of the mainly transmitted light beam are orthogonal to each other, and the two directions are high in the structural birefringence layer. The two directions orthogonal to the polarization direction indicating the refractive index are configured to be substantially equal.
また、前記2つの光学部材のうち、一方の光学部材に設けた入射面から入射した光線の前記偏光分離層における透過光が射出する射出面は、もう一方の光学部材に設けられ、前記偏光分離層における反射光が射出する射出面は、前記入射面と同じ光学部材に設けられ、反射光の方向は、前記入射光とは異なる角度で構成するものである。 Of the two optical members, an exit surface from which light transmitted through the polarization separation layer of light incident from an incident surface provided on one optical member exits is provided on the other optical member, and the polarization separation The exit surface from which the reflected light in the layer exits is provided on the same optical member as the incident surface, and the direction of the reflected light is configured at an angle different from that of the incident light.
入射光の前記偏光分離層に入射する際の入射平面と平行な方向の偏光成分をp偏光、入射平面と直交する方向の偏光成分をs偏光とするとき、p偏光を透過、s偏光を反射するようにしたものであり、前記偏光分離層は第一の構造複屈折を有する層と、第二の構造複屈折を有する層が交互に積層した構造であり、第一の構造複屈折を有する層のs偏光、p偏光に対する有効屈折率をそれぞれn1s、n1pとし、第2の構造複屈折を有する層のs偏光、p偏光に対する有効屈折率をそれぞれをn2s、n2pとするとき、以下の条件式を満たす構成とするものである。 When the polarization component in the direction parallel to the incident plane when incident light is incident on the polarization separation layer is p-polarized light, and the polarization component in the direction orthogonal to the incident plane is s-polarized light, p-polarized light is transmitted and s-polarized light is reflected. The polarization separation layer has a structure in which a layer having a first structural birefringence and a layer having a second structural birefringence are alternately stacked, and has a first structural birefringence. When the effective refractive indices for the s-polarized light and p-polarized light of the layer are n1s and n1p, respectively, and the effective refractive indices for the s-polarized light and p-polarized light of the second structure birefringence are respectively n2s and n2p, the following conditions are satisfied. It is set as the structure which satisfy | fills Formula.
n1p<n1s ・・・(1)
n2p>n2s ・・・(2)
|n1s−n2s|>|n1p−n2p| ・・・(3)
さらに、前記構造構造複屈折を有する層はそれぞれ、少なくとも2つの媒質からなる一次元格子からなり、格子は使用する波長よりも短い周期構造を有する構成とする。
n1p <n1s (1)
n2p> n2s (2)
| N1s-n2s |> | n1p-n2p | (3)
Further, each of the layers having the structural structure birefringence is composed of a one-dimensional grating composed of at least two media, and the grating has a periodic structure shorter than the wavelength used.
そして、2つの媒質のうち少なくとも1つは誘電体、少なくとも他の1つは空気である構成とする。 At least one of the two media is a dielectric, and at least the other is air.
前記構造複屈折を構成する2つの媒質のうち少なくとも1つは誘電体、少なくとも他の1つは空気とし、また、前記誘電体の屈折率n1が以下の式を満たすものとする。 It is assumed that at least one of the two media constituting the structural birefringence is a dielectric, at least the other is air, and the refractive index n1 of the dielectric satisfies the following equation.
1.5<ni ・・・(4)
特に、前記誘電体は酸化チタン(TiO2)とする。
1.5 <ni (4)
In particular, the dielectric is titanium oxide (TiO 2 ).
前記第一の構造複屈折を有する層と、前記第二の構造複屈折を有する層のp偏光に対する有効屈折率n1p、n2pが下記条件式を満たすものとする。 The effective refractive indexes n1p and n2p for p-polarized light of the layer having the first structural birefringence and the layer having the second structural birefringence satisfy the following conditional expression.
0.95<n1p/n2p<1.2 ・・・(5)
前記第一の構造複屈折を有する層と、前記第二の構造複屈折を有する層のp偏光に対する有効屈折率で決定されるブリュースター角を含む角度範囲で前記偏光分離層に光線が入射することとする。
0.95 <n1p / n2p <1.2 (5)
Light enters the polarization separation layer in an angle range including a Brewster angle determined by an effective refractive index with respect to p-polarized light of the layer having the first structural birefringence and the layer having the second structural birefringence. I will do it.
さらに、前記第一の構造複屈折を有する層と、前記第二の構造複屈折を有する層のs偏光に対する有効屈折率で決定される臨界角より大きな角度で、光線の少なくとも一部が入射することとする。 Furthermore, at least a part of the light beam is incident at an angle larger than a critical angle determined by an effective refractive index with respect to s-polarized light of the layer having the first structural birefringence and the layer having the second structural birefringence. I will do it.
前記第一の構造複屈折を有する層の厚さd1と、前記第二の構造複屈折を有する層の厚さd2と、最も短波長側の使用波長λSとの関係が下記条件式を満たすようにする。 The relationship between the thickness d1 of the layer having the first structural birefringence, the thickness d2 of the layer having the second structural birefringence, and the use wavelength λ S on the shortest wavelength side satisfies the following conditional expression. Like that.
(n1sd1・cosθ)/λS<0.5 ・・・(6)
0.2<d2/λS<1.0 ・・・(7)
ただし、θ:前記入射光線の偏光分離層への入射角。
(N 1s d 1 · cos θ) / λ S <0.5 (6)
0.2 <d 2 / λ S <1.0 (7)
Where θ is the angle of incidence of the incident light on the polarization separation layer.
また、前記構造複屈折を有する1次元格子における誘電体の格子ピッチに占める誘電体媒質の割合(フィリングファクタ)f1、f2が以下の条件式を満たすこととする。ただし、f1、f2はそれぞれ前記第一、第二の構造複屈折を有する層のフィリングファクタ。 Further, the ratios (filling factors) f1 and f2 of the dielectric medium in the lattice pitch of the dielectric in the one-dimensional grating having the structural birefringence satisfy the following conditional expressions. However, f1 and f2 are the filling factors of the layers having the first and second structural birefringence, respectively.
0.15<f1<0.9 ・・・(8)
0.10<f2<0.8 ・・・(9)
さらに、前記光学部材の光弾性定数の絶対値が0.1×10−8cm2/Nより小さいものを使い、この偏光分離素子を用いて、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段に導光し、該変調手段により変調された光束を投写光学系によって所定面上に投写する投写型表示装置を構成することで、有効な光学装置が得られる。
0.15 <f1 <0.9 (8)
0.10 <f2 <0.8 (9)
Furthermore, using the optical member whose absolute value of the photoelastic constant is smaller than 0.1 × 10 −8 cm 2 / N, this polarization separation element is used to modulate the light flux from the light source section based on the image signal. An effective optical device can be obtained by constructing a projection display device that guides light to the modulating means for projecting and projects the light beam modulated by the modulating means onto a predetermined surface by the projection optical system.
(実施例)
図1は本発明、実施例1の偏光分離素子の構成図である。表1に実施例1の構成をあらわす設計値を示す。図1において、プリズムの入射面(25)に対して、偏光分離層(23)は45°傾いている。入射面(25)に垂直に入射する光線(18)(20)が偏光分離層(23)に入射する際の入射平面と偏光分離層の第1の一次元格子は図2のように直交し、その方向を格子方向Vとする。第2の一次元格子は図2のように入射平面と平行な配置であり、その方向は格子方向Pとする。偏光分離層で、S偏光は反射(21)させ、入射側プリズム(25)にある入射面(25)とは別の射出面(26)から射出させる。また、P偏光は透過(22)させ、射出側プリズム(24)にある射出面(27)から射出させる構成となっている。
(Example)
1 is a configuration diagram of a polarization beam splitting element according to the present invention and Example 1. Table 1 shows design values representing the configuration of the first embodiment. In FIG. 1, the polarization separation layer (23) is inclined 45 ° with respect to the incident surface (25) of the prism. The incident plane when the light rays (18) and (20) incident perpendicularly to the incident surface (25) are incident on the polarization separation layer (23) and the first one-dimensional grating of the polarization separation layer are orthogonal as shown in FIG. The direction is defined as a lattice direction V. The second one-dimensional grating is arranged parallel to the incident plane as shown in FIG. In the polarization separation layer, the S-polarized light is reflected (21) and is emitted from an exit surface (26) different from the entrance surface (25) in the incident-side prism (25). The P-polarized light is transmitted (22) and emitted from the exit surface (27) on the exit side prism (24).
図3(a)は格子の斜めから見た図であり、図3(b)は図2の29の矢印で示す方向Aから見た格子の断面構造図であり、図3(c)は図2の30の矢印で示す方向Bから見た格子の断面構造図である。第1の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向VのH層(101,103,105)である、第2の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向PのL層(102,104)より構成されている。全体で5層と言う比較的簡易な構成で偏光分離を実現することが可能である。また、誘電体としてはTiO2を用いている。
3A is a diagram viewed from an oblique direction of the lattice, FIG. 3B is a cross-sectional structure diagram of the lattice viewed from a direction A indicated by an arrow 29 in FIG. 2, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram of a lattice viewed from a direction B indicated by an
それぞれの層をH層、L層としているのは、反射させるS偏光に対してのそれぞれの有効屈折率の高低を表している。格子方向Vの一次元格子層の厚さは73〜75nmであり、条件式(6)を十分満たしている。条件式(6)は、S偏光の反射を完全に達成するためのものである。一般的に高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に入射するときに入射角度が臨界角θC以上では、一切透過せずに全反射することが知られている。しかし、この時に、境界面近傍の極めて微小な領域において、エバネセント光がしみ出ている。この光の到達領域に次の媒質があると光が透過してしまう。この現象が全反射減衰(attenuated total reflection:ATR)である。このATRの光同士の干渉を利用して広い角度範囲、波長範囲で高い反射率を得るための条件式が(6)である。条件式(6)の上限になると、すなわち、入射角度を考慮した膜厚が波長の1/2になると、ATRでの反射光同士が干渉してしまい、反射率を下げてしまう。この干渉による反射率の低下は、膜厚を変化させて行ったとき1/2波長ごとに起こる。広い使用波長範囲でこの干渉が起こらない様にするための条件式が(6)である。 The reason why the layers are the H layer and the L layer represents the level of the effective refractive index with respect to the S-polarized light to be reflected. The thickness of the one-dimensional lattice layer in the lattice direction V is 73 to 75 nm, which sufficiently satisfies the conditional expression (6). Conditional expression (6) is for completely achieving S-polarized light reflection. In general, it is known that when a light is incident on a medium having a low refractive index from a medium having a high refractive index, if the incident angle is equal to or larger than the critical angle θ C , the light is totally transmitted without being transmitted at all. However, at this time, evanescent light oozes out in a very small region near the boundary surface. If there is a next medium in the light arrival region, the light is transmitted. This phenomenon is attenuated total reflection (ATR). A conditional expression for obtaining a high reflectance in a wide angle range and wavelength range using the interference between the light beams of the ATR is (6). When the upper limit of the conditional expression (6) is reached, that is, when the film thickness considering the incident angle is ½ of the wavelength, the reflected light at the ATR interferes with each other and the reflectance is lowered. This decrease in reflectance due to interference occurs every half wavelength when the film thickness is changed. (6) is a conditional expression for preventing this interference from occurring over a wide wavelength range.
一方、格子方向Pの一次元格子のからなるL層の厚さは318nmであり、条件式(7)を満たしている。条件式(7)はATRによる反射を有効に活用するためのものである。 On the other hand, the thickness of the L layer made of a one-dimensional lattice in the lattice direction P is 318 nm, which satisfies the conditional expression (7). Conditional expression (7) is for effectively utilizing reflection by ATR.
(7)の下限を超えて膜厚が薄くなると、臨界角以上の入射角度領域ではATRによる透過が大きくなり、十分な反射が得られない。 When the film thickness is reduced beyond the lower limit of (7), transmission by ATR increases in the incident angle region above the critical angle, and sufficient reflection cannot be obtained.
一方、上限値の設定について、ATRの観点からは、膜厚が厚ければ厚いほど好ましい。しかしながら、膜厚を増しても、反射率は全反射に漸近してしまうため、膜厚を増やしただけの効果は得られない。この一次元格子の形状では、膜厚を増すほど製造の難易度は上がる。そのため、(7)の上限程度に設定することが好ましい。 On the other hand, regarding the setting of the upper limit value, the thicker the film thickness, the better from the viewpoint of ATR. However, even if the film thickness is increased, the reflectance becomes asymptotic to total reflection, so that the effect of simply increasing the film thickness cannot be obtained. With this one-dimensional lattice shape, the manufacturing difficulty increases as the film thickness increases. Therefore, it is preferable to set the upper limit of (7).
また、使用角度の範囲に臨界角以下の通常反射を含むが、そこでの干渉においては(7)の上限以下に設定することで、最適な結果が得られた。 In addition, the range of the use angle includes normal reflection below the critical angle, but in the interference there, the optimum result was obtained by setting it below the upper limit of (7).
実施例1では表1の設計値1に示すとおり、プリズムの硝材に屈折率が約1.603と比較的低い物を使用した。格子方向Vの一次元格子であるH層と、格子方向Pの一次元格子であるL層の誘電体はともにTiO2であり、屈折率2.282の高屈折率な物を使用し、フィリングファクタを条件式(8)、(9)の範囲に設定することで、効率よく複屈折を生じさせている。
In Example 1, as shown in
構造性複屈折は、前述の式(13)、(14)で与えられる。ここで、TEが格子と平行な方向の偏光成分、TMが格子と直交する方向の偏光成分に相当する。格子方向Vの一次元格子の層に関しては、P偏光がTM、S偏光がTEとなる。また、格子方向Pの一次元格子の層に関しては、P偏光がTE、S偏光がTMとなる。 Structural birefringence is given by the aforementioned equations (13) and (14). Here, TE corresponds to a polarization component in a direction parallel to the grating, and TM corresponds to a polarization component in a direction orthogonal to the grating. Regarding the layer of the one-dimensional grating in the grating direction V, the P-polarized light is TM and the S-polarized light is TE. For the one-dimensional lattice layer in the lattice direction P, P-polarized light is TE and S-polarized light is TM.
(13)、(14)の式において、一方の媒質をTiO2、他方を空気として、フィリングファクタf(ピッチに対するTiO2の割合)fを変化させたときのそれぞれの偏光の有効屈折率を表すグラフは図10(d)の様になる。 In the expressions (13) and (14), one medium is TiO 2 and the other is air, and the effective refractive index of each polarization when the filling factor f (ratio of TiO 2 to the pitch) f is changed is expressed. The graph is as shown in FIG.
P偏光に関して、表2に示すとおり第1の一次元格子ではf=0.7の時、TM方向の有効屈折率は1.60となり、第2の一次元格子ではf=0.3の時、TE方向の有効屈折率は1.57となる。これらの屈折率はプリズム媒質の屈折率とも近いため、反射せず高い透過率を示す。 Regarding P-polarized light, as shown in Table 2, when f = 0.7 in the first one-dimensional grating, the effective refractive index in the TM direction is 1.60, and when f = 0.3 in the second one-dimensional grating. The effective refractive index in the TE direction is 1.57. Since these refractive indexes are close to the refractive index of the prism medium, they show high transmittance without reflection.
式(11)にnH=1.60、nl=1.57、nP=1.603を代入すると、ブリュースター角はθb=約44.3°となる。よって、45°の入射角を中心とした光束に対してほぼ透過の条件を満たす構成となっている。 Substituting nH = 1.60, nl = 1.57, and nP = 1.603 into equation (11), the Brewster angle is θb = about 44.3 °. Therefore, it is the structure which satisfy | fills substantially the conditions of transmission with respect to the light beam centering on an incident angle of 45 degrees.
一方のS偏光に関して、表2に示すとおり第1の一次元格子ではTE方向の有効屈折率は2.05となり、第2の一次元格子ではTM方向の有効屈折率は1.16となる。式(12)にn1=1.603、n2=1.16を代入すると、臨界角θC=約46°となる。これより高入射角側では全反射のATRによる反射が起こっている。低入射角側でも、通常の誘電体界面での反射ではあるが、入射角が臨界角に近く、また、2.05と、1.16と屈折率差が大きいために各界面では高い反射率が得られている。 For one S-polarized light, as shown in Table 2, the effective refractive index in the TE direction is 2.05 in the first one-dimensional grating, and the effective refractive index in the TM direction is 1.16 in the second one-dimensional grating. Substituting n 1 = 1.603 and n 2 = 1.16 into equation (12) yields the critical angle θ C = about 46 °. On the higher incident angle side, total reflection ATR occurs. Even at the low incident angle side, although it is a reflection at the normal dielectric interface, the incident angle is close to the critical angle, and the refractive index difference is large between 2.05 and 1.16, so each interface has a high reflectivity. Is obtained.
このように、第1と第2の1次元格子層との有効屈折率がP偏光に関しては近い値となり、S偏光に関しては大きな屈折率差を生じさせることで、それぞれの偏光の光線の透過、反射を実現している。 Thus, the effective refractive indexes of the first and second one-dimensional grating layers are close to each other with respect to the P-polarized light, and a large refractive index difference is generated with respect to the S-polarized light. Reflection is realized.
この第1と第2の1次元格子層との有効屈折率の関係は条件式(1)(2)(3)を満たす事で効率よく実現できる。 The relationship between the effective refractive indexes of the first and second one-dimensional grating layers can be efficiently realized by satisfying conditional expressions (1), (2), and (3).
図11の(a)〜(c)図がこの設計値の厳密結合波解析計算(Rigorous coupled−wave analysis:RCWA)による性能のシミュレーション結果である。P偏光では、高入射角で、透過率が落ちているが、実使用時の角度特性のウエートを考慮するとほとんど問題ないレベルである。 FIGS. 11A to 11C show the simulation results of the performance by the rigorous coupled-wave analysis (RCWA) of this design value. In the P-polarized light, the transmittance is lowered at a high incident angle, but it is at a level that causes almost no problem in consideration of the weight of the angle characteristics in actual use.
S偏光に関しては低入射角の短波長側で性能が劣化している以外は35〜55°と言うかなり広い入射角範囲で透過する光線がほとんど無く、完全な反射率を達成している。 With respect to S-polarized light, there is almost no light beam transmitted in a fairly wide incident angle range of 35 to 55 ° except that the performance is deteriorated on the short wavelength side with a low incident angle, and a complete reflectance is achieved.
条件式(8)、(9)は前記f(フィリングファクター)の範囲を規定しているものであるが、主に、構造複屈折を効率よく発生させるための条件である。前述の図10(b)のグラフの様に、TEとTMの有効屈折率に大きな差があることで、大きな複屈折が生じている。媒質のfに対しての屈折率差はf=0、f=1では0になっており、f=0.5付近で最大である。このことから条件式(8)、(9)の範囲でfを選択することで効率よく有効屈折率を利用することが可能となる。 Conditional expressions (8) and (9) define the range of f (filling factor), and are mainly conditions for efficiently generating structural birefringence. As shown in the graph of FIG. 10B described above, a large difference in effective refractive index between TE and TM causes a large birefringence. The refractive index difference with respect to f of the medium is 0 when f = 0 and f = 1, and is maximum around f = 0.5. From this, it is possible to efficiently use the effective refractive index by selecting f in the range of conditional expressions (8) and (9).
表3に実施例2の構成の設計値を示す。実施例1と同様に、図1において、プリズムの入射面(25)に対して、偏光分離層(23)は45°傾いている。入射面(25)に垂直に入射する光線(18)(20)が偏光分離層(23)に入射する際の入射平面と偏光分離層の第2の一次元格子は図2のように平行な格子方向Pとなっており、第1の一次元格子は入射平面と直交する格子方向Vの配置となっている。偏光分離層で、S偏光は反射(21)させ、入射側プリズム(25)にある入射面(25)とは別の射出面(26)から射出させる。また、P偏光は透過(22)させ、射出側プリズム(24)にある射出面(27)から射出させる構成となっている。 Table 3 shows design values of the configuration of Example 2. As in the first embodiment, in FIG. 1, the polarization separation layer (23) is inclined by 45 ° with respect to the incident surface (25) of the prism. The incident plane and the second one-dimensional grating of the polarization separation layer when the light rays (18) and (20) incident perpendicularly to the incidence surface (25) enter the polarization separation layer (23) are parallel as shown in FIG. The grating direction is P, and the first one-dimensional grating is arranged in a grating direction V perpendicular to the incident plane. In the polarization separation layer, the S-polarized light is reflected (21) and is emitted from an exit surface (26) different from the entrance surface (25) in the incident-side prism (25). The P-polarized light is transmitted (22) and emitted from the exit surface (27) on the exit side prism (24).
図4(a)は実施例2の構成を格子の斜めから見た図であり、図4(b)は図2の29の矢印で示す方向Aから見た格子の断面構造図であり、図4(c)は図2の30の矢印で示す方向Bから見た格子の断面構造図である。一次元格子はそれぞれ空気とTiO2が交互に繰り返す構造であり、第2の一次元格子は格子方向PのL層(201,203)である、第1の一次元格子は格子方向VのH層(202)より構成されている。格子のフィリングファクタは条件式(8)(9)を満たすものであり、構造複屈折を効率よく生じさせており、全体で3層と言う簡易な構成で偏光分離を実現することが可能である。
4A is a diagram of the configuration of Example 2 viewed from an oblique direction of the lattice, and FIG. 4B is a cross-sectional structure diagram of the lattice viewed from a direction A indicated by an arrow 29 in FIG. 4 (c) is a cross-sectional structural view of the lattice as viewed from the direction B indicated by the
表4のとおりに条件式(6)、(7)を満たす構成となっている。 As shown in Table 4, the conditional expressions (6) and (7) are satisfied.
図12の(a)〜(c)図がこの設計値のRCWA計算による性能のシミュレーション結果である。低入射角ではS偏光の反射が劣化し、全波長域で透過しているが、45°、55°では十分な反射率となっている。またP偏光の透過率に関しては、全角度範囲、全波長範囲において十分な透過率を示し、良好な性能を示している。 FIGS. 12A to 12C show performance simulation results of RCWA calculation of this design value. At a low incident angle, the reflection of S-polarized light deteriorates and transmits in the entire wavelength range, but the reflectance is sufficient at 45 ° and 55 °. Further, regarding the transmittance of P-polarized light, the transmittance is sufficient in the entire angle range and the entire wavelength range, and good performance is exhibited.
同様に、表5に実施例3の設計値、図5(a)、図5(b)、図5(c)に断面形状を示す。 Similarly, Table 5 shows design values of Example 3, and FIGS. 5A, 5B, and 5C show cross-sectional shapes.
表6のとおりに条件式(6)、(7)を満たす構成となっている。 As shown in Table 6, the conditional expressions (6) and (7) are satisfied.
図13にRCWA計算による性能のシミュレーション結果を示す。 FIG. 13 shows a simulation result of performance by RCWA calculation.
HLHLHの5層構造をとっており、S偏光の低入射角側での短波長の反射率が劣化しているが、P偏光の透過率は向上しており、全体として良好な性能を実現している。 It has a five-layer structure of HLHLH, and the reflectance of short wavelength on the low incident angle side of S-polarized light has deteriorated, but the transmittance of P-polarized light has improved, realizing good performance as a whole. ing.
表7に実施例4の設計値、図6(a)、図6(b)、図6(c)に断面形状を示す。 Table 7 shows design values of Example 4, and FIG. 6A, FIG. 6B, and FIG.
表8のとおりに条件式(6)、(7)を満たす構成となっている。 As shown in Table 8, the conditional expressions (6) and (7) are satisfied.
図14にRCWA計算による性能のシミュレーション結果を示す。 FIG. 14 shows a performance simulation result by RCWA calculation.
HLHLHの5層構造であるが、L層を示す第2の一次元格子の誘電体にZrO2を用いている。f=0.3では、ほぼ、TiO2同等の複屈折を得ている。P偏光の透過率が低入射角と、高入射角で落ちているが、S偏光の反射率は全入射角、全波長域で良好な性能を示している。 Although it has a five-layer structure of HLHLH, ZrO2 is used for the dielectric of the second one-dimensional lattice showing the L layer. When f = 0.3, birefringence equivalent to TiO 2 is obtained. Although the transmittance of P-polarized light falls at low incident angles and high incident angles, the reflectance of S-polarized light shows good performance at all incident angles and all wavelength regions.
図7は本発明、第5実施例の偏光分離素子プリズムの構成図である。ひし形に傾いたプリズムに、実施例1〜実施例4の偏光分離素子をはさみこんだものである。図左側からの入射光はプリズム面と垂直に入射し、偏光分離素子に45°よりも大きな角度で入射する。全反射させることに関しては入射角度が大きいほど有利であるが、プリズムをこのようにひし形に約10°くらい傾けることで入射角度は5°変化させることができる。 FIG. 7 is a configuration diagram of a polarization beam splitting element prism according to a fifth embodiment of the present invention. The polarization separation element of Examples 1 to 4 is sandwiched between prisms inclined in a diamond shape. Incident light from the left side of the figure enters perpendicularly to the prism surface and enters the polarization separation element at an angle larger than 45 °. As for the total reflection, the larger the incident angle, the more advantageous. However, the incident angle can be changed by 5 ° by inclining the prism into the rhombus by about 10 °.
図8は本発明、第6実施例の偏光分離素子プリズムの構成図である。実施例1〜実施例4の偏光分離素子をプリズムとほぼ同等の平板の媒質ではさみこんだものを更に三角プリズムではさみ込んだ物である。微細加工を必要とする偏光分離素子を平板ガラスではさみ込みユニットとすることで、角度、寸法、面精度等の形状的な性能を必要とするプリズムを分離することで、生産性を高めている。 FIG. 8 is a block diagram of the polarization splitting element prism according to the sixth embodiment of the present invention. In this example, the polarization separating element of the first to fourth embodiments is sandwiched by a flat medium substantially equivalent to a prism and further sandwiched by a triangular prism. Productivity is improved by separating the prisms that require shape performance such as angle, size, and surface accuracy by using a flat glass sandwiched polarization separation element that requires fine processing. .
図9には、本発明の第7実施例である本発明の偏光分離素子を用いた反射型画像変調装置を示している。図中、1は高圧水銀ランプなどからなる光源、2は光源1から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、3は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレーターであり、フライアイレンズ3a、3bから構成されており、4は無偏光な光を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子であり、5は照明光を集光するコンデンサーレンズ、6はミラー、7は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、8は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー、9a1、9b1、9c1はそれぞれ実施例1〜4の偏光分離素子であり、S偏光を反射してP偏光を透過させる特性をもつ、9a、9b、9cはそれぞれ偏光分離素子9a1、9b1、9c1を有する偏光分離プリズム、10a、10bはそれぞれ所定波長領域の光の偏光方向を90°変換(回転)する色選択性位相差板、11r、11g、11bはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型液晶表示素子、12r、12g、12bはそれぞれ1/4位相差板、14は投射レンズ系である。以上の構成のように実施例1〜4の偏光分離素子を配置すると、入射角度特性、波長特性に優れているため、光学系全体で得られるコントラストが極めて高い反射型液晶プロジェクタを実現できる。
FIG. 9 shows a reflective image modulation apparatus using the polarization splitting element of the present invention which is the seventh embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a light source composed of a high-pressure mercury lamp, 2 is a reflector for emitting light from the
1 高圧水銀ランプなどからなる光源
2 リフレクター
3 インテグレーター
3a,3b フライアイレンズ
4 偏光変換素子
5 コンデンサーレンズ
6 ミラー
7 フィールドレンズ
8 ダイクロイックミラー
9a1、9b1、9c1 偏光分離膜
9a、9b、9c 偏光分離膜
9a1、9b1、9c1 偏光ビームスプリッター
10a、10b 色選択性位相差板
11r、11g、11b 反射型液晶表示素子
12r、12g、12b 1/4位相差板
14 投射レンズ系
15 H層(第1の一次元格子)
16 L層(第2の一次元格子)
17 多層膜
18 P偏光入射光
19 P偏光透過光
20 S偏光入射光
21 S偏光反射光
22 入射側プリズム
23 偏光分離素子
24 射出側プリズム
25 入射面
26 S偏光反射光の射出面
27 P偏光透過光の射出面
28 入射平面
29 格子断面観察方向Aを示す矢印
30 格子断面観察方向Bを示す矢印
101〜105 第1実施例の入射側から1番目〜5番目の各層
201〜205 第2実施例の入射側から1番目〜3番目の各層
301〜304 第3実施例の入射側から1番目〜5番目の各層
401〜403 第4実施例の入射側から1番目〜5番目の各層
DESCRIPTION OF
16 L layer (second one-dimensional lattice)
17 Multi-layer film 18 P-polarized incident light 19 P-polarized transmitted light 20 S-polarized incident light 21 S-polarized reflected light 22 Incident-side prism 23
Claims (16)
n1p<n1s
n2p>n2s
|n1s−n2s|>|n1p−n2p| 5. The polarization separation element according to claim 4, wherein the polarization separation layer has a structure in which a layer having a first structural birefringence and a layer having a second structural birefringence are alternately stacked. When the effective refractive indexes for the s-polarized light and the p-polarized light of the layer having n are n1s and n1p, respectively, and the effective refractive indexes for the s-polarized light and the p-polarized light of the second structural birefringence are n2s and n2p, respectively, A polarization separation element satisfying the conditional expression:
n1p <n1s
n2p> n2s
| N1s-n2s |> | n1p-n2p |
1.5<ni 8. The polarization separation element according to claim 7, wherein a refractive index ni of the dielectric satisfies the following expression.
1.5 <ni
0.95<n1p/n2p<1.2 The polarization separating element according to claim 5, wherein effective refractive indexes n1p and n2p for p-polarized light of the layer having the first structural birefringence and the layer having the second structural birefringence satisfy the following conditional expression: A polarization separation element characterized by this.
0.95 <n1p / n2p <1.2
(n1sd1・cosθ)/λS<0.5
0.2<d2/λS<1.0
ただし、θ:前記入射光線の偏光分離層への入射角。 12. The polarization separating element according to claim 5, wherein the thickness d1 of the layer having the first structural birefringence, the thickness d2 of the layer having the second structural birefringence, and use on the shortest wavelength side. A polarization separation element characterized in that the relationship with the wavelength λ S satisfies the following conditional expression.
(N 1s d 1 · cos θ) / λ S <0.5
0.2 <d 2 / λ S <1.0
Where θ is the angle of incidence of the incident light on the polarization separation layer.
ただし、f1、f2はそれぞれ前記第一、第二の構造複屈折を有する層のフィリングファクタ。
0.15<f1<0.9
0.10<f2<0.8 14. The polarization separating element according to claim 5, wherein the ratios (filling factors) f1 and f2 of the dielectric medium to the grating pitch of the dielectric in the one-dimensional grating having the structural birefringence satisfy the following conditional expressions. A polarization separation element.
However, f1 and f2 are the filling factors of the layers having the first and second structural birefringence, respectively.
0.15 <f1 <0.9
0.10 <f2 <0.8
The polarization separation element according to any one of claims 1 to 15, wherein the light beam from the light source unit is guided to a modulation unit that modulates based on an image signal, and the light beam modulated by the modulation unit is projected into the projection optical system. A projection type display device that projects onto a predetermined plane.
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