JP2009223074A - Polarization converting element - Google Patents

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俊 三宮
Hiroaki Fukuda
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarization converting element having a polarization converting function converting only one polarization component of two orthogonal polarization components of incident light into the other and to provide the polarization converting element capable of reducing the number of optical elements. <P>SOLUTION: In the polarization converting element wherein a plurality of units in each of which at least a structural body (1) by a conductive material and a structural body (2) by a conductive material are disposed at an interval (v) shorter than a wavelength of light in a direction parallel to a propagation direction of incident light are disposed on the same plane on a supporting body or in the internal part of the supporting body, the structural body (1) has a shape having point symmetry and no line symmetry in the plane perpendicular to the propagation direction of incident light and the structural body (2) has a shape having different lengths to two axes orthogonal to the propagation direction of incident light. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高い光利用効率ならびに光学素子数の低減を実現する偏光変換素子に関するものであり、本発明にかかる偏光変換素子は、液晶プロジェクタ等の画像投影装置や、表示装置に利用できる。   The present invention relates to a polarization conversion element that achieves high light utilization efficiency and a reduction in the number of optical elements, and the polarization conversion element according to the present invention can be used for an image projection apparatus such as a liquid crystal projector and a display apparatus.

液晶プロジェクタなどのように偏光を利用して画素のオン・オフを制御する表示装置においては、特定の方向に傾いた直線偏光を空間変調デバイス(液晶パネル)に導入する必要がある。従来は、光源から得られるランダム偏光を、偏光板(偏光選択素子)を介して一方向の直線偏光成分のみを取り出していたため、50%以上の光を利用していなかった。これに対し、近年、偏光変換素子を利用し、不要成分としていた残りの偏光成分の偏光面を90°回転させ、再度、空間変調デバイスに導入することにより、高い光利用効率を実現している。これにより、高輝度液晶プロジェクタなどが実現されている。   In a display device that controls on / off of pixels using polarized light such as a liquid crystal projector, it is necessary to introduce linearly polarized light inclined in a specific direction into a spatial modulation device (liquid crystal panel). Conventionally, since only one direction of linearly polarized light component is extracted from random polarized light obtained from a light source via a polarizing plate (polarization selecting element), 50% or more of light is not used. On the other hand, in recent years, high light utilization efficiency has been realized by using a polarization conversion element, rotating the polarization plane of the remaining polarization component that has been an unnecessary component by 90 °, and introducing it again into the spatial modulation device. . Thereby, a high brightness liquid crystal projector or the like is realized.

上記の偏光変換素子は、通常、2つの直交する偏光成分の光路を分岐する偏光分離素子と、一方の偏光面を90°回転させる1/2波長板(位相シフト)を利用して偏光変換機能を実現するものである。一般的な偏光分離素子として広く利用されているものは、ガラス製のプリズムや平面基板面に、屈折率の異なる誘電体の多層膜を交互に積層した偏光ビームスプリッタ−などであり、膜のそれぞれの界面でブリュースター角となるように、膜の構造や、入射角を設定することにより、P偏波(入射面に平行な偏波)は直進し、S偏波(入射面に垂直な偏波)は直角方向に反射され、偏光を分離することができる。しかし、結晶の複屈折率を利用したプリズム型偏光子に比べると、分離性能が低い(十数dB)という欠点があった。また、屈折率の異方性を利用する位相シフタは、複屈折性を示す光学結晶材料を利用しており、通常、ルチルや方解石などの高価な異方性結晶をくさび形あるいはプリズム型に精密な研磨加工することで実現されている。このような素子は、極めて高価であり、また、小形化が困難、使用できる波長領域に制限があるなどの課題があった。また、光学結晶材料膜を貼り合わせることにより膜厚、すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているため、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低いという問題があった。さらに、上述の偏光制御素子を組み合わせた偏光変換素子においては、光学素子数の低減が困難であり、低価格化や小型化に問題があった。   The above-described polarization conversion element normally uses a polarization separation function that utilizes a polarization separation element that branches the optical paths of two orthogonal polarization components and a half-wave plate (phase shift) that rotates one polarization plane by 90 °. Is realized. Widely used as a general polarization separation element is a polarizing beam splitter in which dielectric multilayer films having different refractive indexes are alternately laminated on a glass prism or a flat substrate surface. By setting the film structure and the incident angle so that the Brewster angle is at the interface, the P-polarized light (polarized light parallel to the incident surface) goes straight and the S-polarized light (deviation perpendicular to the incident surface) Wave) is reflected in the right-angle direction, and the polarized light can be separated. However, compared with a prism type polarizer using the birefringence of the crystal, there is a defect that the separation performance is low (ten and several dB). In addition, phase shifters that use the anisotropy of the refractive index use optical crystal materials that exhibit birefringence. Usually, expensive anisotropic crystals such as rutile and calcite are precisely shaped into a wedge or prism type. It is realized by performing proper polishing. Such an element is extremely expensive, has difficulty in miniaturization, and has a problem that a usable wavelength region is limited. In addition, the film thickness, that is, the optical path difference is adjusted by bonding the optical crystal material film, and the polarization state is controlled. Therefore, there is a problem that the dependence on the optical crystal material is strong and the degree of freedom of polarization controllability is low. there were. Furthermore, in the polarization conversion element combined with the above-described polarization control element, it is difficult to reduce the number of optical elements, and there is a problem in cost reduction and size reduction.

上記の課題に対し、位相シフタと偏光分離素子の複合構造により単板型の偏光変換素子が実現されており、小型化、作製工程やアライメントの簡略化、機械的安定性を図った偏光変換素子の構成が、以下に示すように数多く提案されている(特許文献1〜4)。   In response to the above problems, a single-plate polarization conversion element has been realized by a composite structure of a phase shifter and a polarization separation element, and the polarization conversion element has been reduced in size, simplified in production process and alignment, and mechanically stable. Many configurations have been proposed as described below (Patent Documents 1 to 4).

特許文献1(特開平07−294906号公報)における課題は、光源効率の高い、すなわち輝度の高い、あるいは消費電力の少ない映像表示を実現することである。図15に偏光分離素子の構成を示す。光源光1は種々の偏光が混在した無偏光であり、この光は全面に渡り、レンズ板2のそれぞれのレンズ素を通してスプリッタ4の作用面に収束する。そして、スプリッタ4により、P波成分は作用面をそのまま通過する。一方、S波成分はスプリッタ4の作用面で分離し、プリズム5で反射し、その出射面で偏光変換する素子、例えば、鏡か直角プリズムの組み合わせによる90°変換素子か、あるいは1/2波長の位相板(本実施例では1/2波長板6)を通過させることにより、S波はP波となって、スプリッタ4の透過光と平行に出射される。以上、レンズ板2のレンズ素に入射した光はすべて偏光変換板3により、P波の偏光となって出射し、液晶表示板10に供給される。   The problem in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 07-294906) is to realize video display with high light source efficiency, that is, high luminance or low power consumption. FIG. 15 shows the configuration of the polarization separation element. The light source light 1 is non-polarized light in which various kinds of polarized light are mixed, and this light is converged on the working surface of the splitter 4 through each lens element of the lens plate 2 over the entire surface. Then, the splitter 4 passes the P wave component as it is through the working surface. On the other hand, the S-wave component is separated by the working surface of the splitter 4 and reflected by the prism 5, and is converted into polarized light at the exit surface, for example, a 90 ° conversion device by a combination of a mirror or a right-angle prism, or a half wavelength. By passing the phase plate (in this embodiment, the half-wave plate 6), the S wave becomes a P wave and is emitted in parallel with the transmitted light of the splitter 4. As described above, all the light incident on the lens element of the lens plate 2 is emitted as polarized light of the P wave by the polarization conversion plate 3 and supplied to the liquid crystal display plate 10.

特許文献2(特開2007−279693号公報)における課題は、ガラス平板との境界面において偏光分離膜が剥離したり、クラックが発生したりすることがない偏光変換素子を提供することであり、図16(a)に示すように、偏光分離膜10と反射膜4とを備える第1の透光性部材2と、第1の透光性部材2と交互に貼り合わされる第2の透光性部材3と、偏光分離膜10を透過した偏光光の光路上又は反射膜4により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に偏光光を変換する1/2波長板5とを有し、偏光分離膜10を、図16(b)に示すように、圧縮応力を有するSiO膜12とランタンチタネート膜11とを交互に積層した第1の偏光分離膜層膜10aと、引張応力を有するMgF膜13とランタンチタネート膜11とを交互に積層した第2の偏光分離膜層10bとにより形成した。 The problem in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-279893) is to provide a polarization conversion element in which the polarization separation film does not peel off or generate cracks at the interface with the glass flat plate, As shown in FIG. 16A, the first light transmissive member 2 including the polarization separation film 10 and the reflective film 4 and the second light transmissive member that is alternately bonded to the first light transmissive member 2. And a half-wave plate 5 that converts the polarized light into either the optical path of the polarized light transmitted through the polarization separation film 10 or the optical path of the polarized light reflected by the reflective film 4. As shown in FIG. 16B, the polarization separation film 10 has a first polarization separation film layer film 10a in which SiO 2 films 12 and lanthanum titanate films 11 having compressive stress are alternately laminated, and a tensile stress. MgF 2 having film 13 and the lanthanum titanate film 1 It was formed by the second polarization separation layer 10b laminated alternately and.

特許文献3(特開2006−317965号公報)における課題は、偏光分離膜の層数を少なくして製作に要する時間を短縮できる偏光分離素子又は偏光分離膜の層数をあまり多くせずに光利用効率を高めることを可能にした偏光分離素子を備えた偏光変換素子及び投写型表示装置を提供することであり、図17に示すように、入射された光を二種類の偏光光に分離する偏光分離素子330と、該偏光分離素子からの二種類の偏光光の一方を他方の偏光光に変換する選択位相差板381とを備え、前記偏光分離素子330は、各々の断面が平行四辺形の柱状からなり、交互に貼り合わされた第1の透明性基板と第2の透明性基板とを備え、且つ、前記第1の透明性基板と前記第2の透明性基板との間には偏光分離膜20と反射膜30とが交互に配置される。   The problem in Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-317965) is that light can be produced without increasing the number of polarization separation elements or polarization separation films that can reduce the number of layers of polarization separation films and shorten the time required for production. It is to provide a polarization conversion element and a projection display device including a polarization separation element that can improve the use efficiency, and separates incident light into two types of polarized light as shown in FIG. The polarization separation element 330, and a selective phase difference plate 381 that converts one of the two types of polarized light from the polarization separation element into the other polarization light, the polarization separation element 330 each having a parallelogram shape in cross section. A first transparent substrate and a second transparent substrate that are alternately bonded to each other, and polarized light is provided between the first transparent substrate and the second transparent substrate. Separation film 20 and reflection film 30 alternate It is placed.

特許文献4(特開2007−155835号公報)における課題は、従来の偏光変換素子において1/2波長板を全て高精度で所定の位置に貼り付ける必要から生じる作業工数が増加及び煩雑さを回避することであり、図18に示すように、入射面と第1の出射面と偏光分離面と反射面とを有する第1プリズムと、第2の出射面と第1の平面と第2の平面とを有する第2プリズムと、水晶からなる1/2波長板とから構成された複数の光学ユニットからなる偏光変換素子において、上記1/2波長板が、第1の出射面及び第2の出射面全面を覆う形態の第1の水晶板と、外形サイズが第1の水晶板と同じであり且つ第1の出射面上又は第2の出射面上の何れか一方部分に外部露出主面に向かって凸の肉厚部が形成されている第2の水晶板とにより形成されている。   The problem in Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-155835) is that the work man-hours that arise from the necessity to affix all the half-wave plates at predetermined positions with high accuracy in the conventional polarization conversion element are avoided and complicated. As shown in FIG. 18, the first prism having the entrance surface, the first exit surface, the polarization separation surface, and the reflection surface, the second exit surface, the first plane, and the second plane. A polarization conversion element comprising a plurality of optical units composed of a quartz half-wave plate and the half-wave plate comprising a first exit surface and a second exit surface. The first quartz plate covering the entire surface, the outer size is the same as the first quartz plate, and the main surface is externally exposed on either the first emission surface or the second emission surface. To the second quartz plate where the convex thick part is formed Ri is formed.

特許文献5(特開2005−077545号公報)における課題は、偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系であって、マクロレンズアレイと偏光変換素子の位置決めを容易にし、小型化、薄型化することであり、図19に示すように、マイクロレンズアレイ5を予め形成しておき、該マイクロレンズアレイに所定の入射角度で略平行光を入射させ、マイクロレンズアレイによる集束光を用いて、偏光変換素子を形成することで、マイクロレンズアレイと偏光変換素子との位置決めを自動的に行い、精度良く形成することで、小型化、薄型化が可能となる。   The problem in Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-077755) is a polarization conversion optical system that includes a polarization separation element, a microlens array, and a polarization conversion element, and the macrolens array and the polarization conversion element are positioned with a predetermined accuracy. In this system, the positioning of the macro lens array and the polarization conversion element is facilitated, and the size and thickness are reduced. As shown in FIG. 19, the micro lens array 5 is formed in advance, and the micro lens array By making substantially parallel light incident at a predetermined incident angle and forming a polarization conversion element using the focused light from the microlens array, the microlens array and the polarization conversion element are automatically positioned with high accuracy. By forming it, it becomes possible to reduce the size and thickness.

また、上記と同様に、位相シフタと偏光分離素子を用いた偏光変換素子であり、さらに付加機能を備えたもの、アライメントの容易性を実現したものとして、以下の構成が知られている(特許文献6)。
特許文献6(特開2007−163597号公報)における課題は、従来の偏光変換素子と波長選択性位相差板とにより得られる偏光変換機能を有し、画像投射装置における光学部品点数の減少や構造の簡略化が図れる波長選択性偏光変換素子を提供することであり、図20に示すように、波長選択性偏光変換素子5は、第1の偏光方向の光Pおよび第2の偏光方向の光Sに対する透過率がそれぞれ、波長域に応じて、50%より高い透過率と50%より低い透過率との間で変化する特性を有する偏光分離膜32と、偏光分離膜で透過又は反射した光の偏光方向を第1の偏光方向と第2の偏光方向との間で変換する位相差板33とを有する。該偏光変換素子は、2つの波長域の光を第1および第2の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する偏光光として射出し、他の波長域の光を第1および第2の偏光方向のうち他方の偏光方向を有する偏光光として射出する。
Similarly to the above, the following configuration is known as a polarization conversion element using a phase shifter and a polarization separation element, which has an additional function, and realizes easy alignment (patent) Reference 6).
The problem in Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-163597) is that it has a polarization conversion function obtained by a conventional polarization conversion element and a wavelength-selective phase difference plate, and has a reduced number of optical components and a structure in an image projection apparatus. As shown in FIG. 20, the wavelength selective polarization conversion element 5 includes light P in the first polarization direction and light in the second polarization direction. The polarization separation film 32 having a characteristic in which the transmittance for S varies between a transmittance higher than 50% and a transmittance lower than 50% according to the wavelength range, and light transmitted or reflected by the polarization separation film A retardation plate 33 for converting the polarization direction of the first and second polarization directions between the first polarization direction and the second polarization direction. The polarization conversion element emits light in two wavelength regions as polarized light having one of the first and second polarization directions, and emits light in the other wavelength regions in the first and second polarization directions. Are emitted as polarized light having the other polarization direction.

また、偏光分離素子として複屈折材料や微細構造を利用して構造の簡単化を図った偏光変換機能の構成として、以下のものが知られている(特許文献7、8)。
特許文献7(特開2007−093964号公報)における課題は、製造コストの安い偏光変換素子を提供することであり、図21に示すように、偏光変換素子5は、複屈折板6により構成し、複屈折板6の所定の位置には1/2波長板7を備えている。偏光変換素子5にランダム偏光L1が入射されると、複屈折板6において、複屈折板6の光軸に対して直交する方向の直線偏光の成分は、常光線となりそのまま入射光L1の光路を直進し、直線偏光L2となって第二の経路より出射される。一方、複屈折板6の光軸に対して平行な方向の直線偏光の成分は、異常光線となり複屈折板6において屈折し、直線偏光L3となって分離される。一方、異常光線となった直線偏光L3の出射面には、1/2波長板7が設けられており、直線偏光の偏光面を90deg回転させ、異常光線を常光線の直線偏光L2と同一な偏光方向の直線偏光L3’に変換し、第一の経路より出射する。
Further, the following is known as a configuration of a polarization conversion function that simplifies the structure by using a birefringent material or a fine structure as a polarization separation element (Patent Documents 7 and 8).
The problem in Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-093964) is to provide a polarization conversion element with a low manufacturing cost. As shown in FIG. 21, the polarization conversion element 5 includes a birefringent plate 6. A half-wave plate 7 is provided at a predetermined position of the birefringent plate 6. When random polarized light L1 is incident on the polarization conversion element 5, in the birefringent plate 6, the component of linearly polarized light in the direction orthogonal to the optical axis of the birefringent plate 6 becomes an ordinary ray and passes through the optical path of the incident light L1 as it is. It goes straight and becomes linearly polarized light L2 and is emitted from the second path. On the other hand, the linearly polarized light component in the direction parallel to the optical axis of the birefringent plate 6 becomes an extraordinary ray and is refracted by the birefringent plate 6 to be separated into the linearly polarized light L3. On the other hand, a half-wave plate 7 is provided on the exit surface of the linearly polarized light L3 that becomes an extraordinary ray, and the polarization plane of the linearly polarized light is rotated by 90 deg. The light is converted into linearly polarized light L3 ′ in the polarization direction and emitted from the first path.

特許文献8(特開2007−225744号公報)における課題は、無偏光の光を効率よく直線偏光に変換できる生産性に優れた偏光変換素子及びそれを用いた液晶プロジェクタ又は液晶ディスプレイを提供することであり、図22に示すように、入射角0度の偏光の無い光を略法線方向に出射する直線偏光T1と法線に対し斜め方向に出射する直線偏光T2に分離する偏光分離層12と、直線偏光T1の偏光状態をほぼ完全に直線偏光T2の偏光状態に変換して、且つ直線偏光T2の偏光状態を50%以上変換せずに、透過する偏光制御層11とを積層して偏光変換素子を得る。   The problem in Patent Document 8 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-225744) is to provide a polarization conversion element with excellent productivity that can efficiently convert non-polarized light into linearly polarized light, and a liquid crystal projector or liquid crystal display using the same. As shown in FIG. 22, the polarization separation layer 12 separates light having no incident angle of 0 degrees into linearly polarized light T1 that emits light in a substantially normal direction and linearly polarized light T2 that emits in an oblique direction with respect to the normal. And a polarization control layer 11 that passes through without converting the polarization state of the linearly polarized light T1 almost completely into the polarization state of the linearly polarized light T2, and without converting the polarization state of the linearly polarized light T2 by 50% or more. A polarization conversion element is obtained.

上記の特許文献1〜8と同様に、位相シフタと偏光分離素子を用いた偏光変換素子として、以下に示す我々の提案技術に係る特許文献がある。
特許文献9(特開2007−79542号公報)における課題は、無偏光光束を効率よく1偏光方向の光束に切り換えると同時に、偏光分離面の張り合わせ面数を減らして、製作性の優れた偏光変換素子を提供することであり、図23に示すように、この偏光分離素子は、複数の偏光分離部10と複数の位相変調部20を備える。光束は各々の偏光分離部に入射して、各々透過光(P偏光)と反射光(S偏光)に分離する。偏光分離部で反射された光束を隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射して、透過光と同一方向に出射する。位相変調部は、透過光と反射光のうちのいずれか一方の光路中に設けて、出射光をP偏光あるいはS偏光に揃える。偏光分離部で入射光位置と隣接の偏光分離部からの反射光の出射位置とをずらすことは、偏光分離部の角度を45°からずらすことによって達成される。
Similar to Patent Documents 1 to 8 above, there is a patent document related to our proposed technology as a polarization conversion element using a phase shifter and a polarization separation element.
The problem in Patent Document 9 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-79542) is that polarization conversion with excellent manufacturability is achieved by efficiently switching an unpolarized light beam to a light beam in one polarization direction and simultaneously reducing the number of polarization separation surfaces. The polarization separation element includes a plurality of polarization separation units 10 and a plurality of phase modulation units 20 as shown in FIG. The light flux enters each polarization separation section and is separated into transmitted light (P-polarized light) and reflected light (S-polarized light). The light beam reflected by the polarization separation unit is reflected again at a position different from the incident light position of the adjacent polarization separation unit, and is emitted in the same direction as the transmitted light. The phase modulation unit is provided in one of the optical paths of the transmitted light and the reflected light, and aligns the emitted light with P-polarized light or S-polarized light. Shifting the incident light position and the emission position of the reflected light from the adjacent polarization separation section at the polarization separation section is achieved by shifting the angle of the polarization separation section from 45 °.

また、本発明の偏光変換素子に関連した構成を有する光学素子として、発明者らがこれまで提案してきた以下の技術が公知である(特許文献10〜13)。
特許文献10(特開2006−330105号公報)における課題は、耐熱性および耐光性に優れ、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することであり、図24(a)に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体6を、支持基板上に形成し、近接場光による相互作用が働くような構成により光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子とする。
In addition, as optical elements having a configuration related to the polarization conversion element of the present invention, the following techniques that the inventors have proposed so far are known (Patent Documents 10 to 13).
The problem in Patent Document 10 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-330105) is to provide a polarization control element having excellent heat resistance and light resistance, high light transmittance or high reflectance, and a high degree of design freedom. As shown in FIG. 24 (a), a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged The body 6 is formed on a support substrate and has a structure in which interaction by near-field light works, so that the light transmittance is high and a sufficient phase difference can be given. A polarization control element having excellent light resistance is obtained.

特許文献11(特開2006−330106号公報)における課題は、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することであり、図24(b)に示すように、透明なガラス基板1の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造(金属粒子2)を、入射する光の波長よりも小さい距離で2次元に配置することにより、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子10とする。平坦な基板の他、レンズまたはマイクロレンズ上に金属構造を設ける構成もある。   The problem in Patent Document 11 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-330106) is a polarization control that has high light transmittance, can provide a sufficient phase difference, has a high degree of design freedom, and has excellent heat resistance and light resistance. As shown in FIG. 24 (b), the light incident on the flat surface of the transparent glass substrate 1 with a metal structure (metal particles 2) smaller than the wavelength of the incident light is provided. A two-dimensional arrangement with a distance smaller than the wavelength of the light, the light transmittance is high, a sufficient phase difference can be given, the design freedom is high, and the polarization control element is excellent in heat resistance and light resistance. 10 is assumed. In addition to a flat substrate, there is a configuration in which a metal structure is provided on a lens or a microlens.

特許文献12(特開2006−330107号公報)における課題は、位相差を発生させる波長板を実現すると共に、耐熱性に優れた偏光制御素子を提供することであり、図24(c)に示すように、ガラス基板などの透明な誘電体基板1上に、二種類以上の金属または合金からなる金属粒子(第1の金属粒子2、第2の金属粒子3)のパターンを連続的に形成することで、透過光または反射光の偏光成分に位相差を発生させる波長板を実現すると共に耐熱性に優れかつ偏光状態の設計自由度の高い偏光制御素子10を提供する。   The problem in Patent Document 12 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-330107) is to provide a wavelength control plate that generates a phase difference and to provide a polarization control element with excellent heat resistance, as shown in FIG. As described above, a pattern of metal particles (first metal particles 2 and second metal particles 3) made of two or more kinds of metals or alloys is continuously formed on a transparent dielectric substrate 1 such as a glass substrate. Thus, a polarization plate 10 that realizes a wave plate that generates a phase difference in the polarization component of transmitted light or reflected light, has excellent heat resistance, and has a high degree of freedom in designing a polarization state is provided.

特許文献13(特開2006−330108号公報)における課題は、金属微小構造体が配列されている支持基板をサブ波長構造とし、基板表層に強いエバネッセント光を発生させる構成し、近接場光とエバネッセント光が結合することにより、光放射および光吸収をより強く生じさせ、光特性の制御性能の向上を図ることであり、図24(d)に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている金属微小構造体6で構成された金属複合構造体を、ガラス基板1上に形成した偏光制御素子10であって、ガラス基板1の表面に、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、周期構造が、前記入射光の波長より小さい周期で構成されている。   The problem in Patent Document 13 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-330108) is that the support substrate on which the metal microstructures are arranged has a sub-wavelength structure, and generates strong evanescent light on the surface layer of the substrate. By combining light, light emission and light absorption are generated more strongly, and the control performance of optical characteristics is improved. As shown in FIG. 24 (d), the light is arranged in a region below the wavelength of incident light. The polarization control element 10 is formed on the glass substrate 1 by the metal composite structure composed of the metal microstructures 6 that are arranged periodically and has a height on the surface of the glass substrate 1. It has a periodic structure that is periodically modulated, and the periodic structure has a period smaller than the wavelength of the incident light.

特許文献1〜8ならびに我々提案の技術(特許文献9)に示す偏光変換素子は、単板の偏光変換素子を実現しているが、偏光ビームスプリッタと反射膜を積層して斜め方向に切り出し、さらに一方の偏光成分が透過する領域に1/2波長板を設ける構成により偏光変換機能を実現しているため、作製工程が極めて複雑となる課題があった。また、異方性材料の膜である1/2波長板は、十分な偏光変換機能を得るためにはある程度の膜厚が必要であり、薄く小型の偏光変換素子を実現するには限界がある。さらには、2つの偏光成分を空間的に分割するために、強度ムラが生じ、これを回避するためにマイクロレンズアレイを設けるなどの必要があり、小型化や光学素子数の低減に課題があった。   Although the polarization conversion elements shown in Patent Documents 1 to 8 and the technique proposed by us (Patent Document 9) realize a single-plate polarization conversion element, a polarizing beam splitter and a reflective film are stacked and cut out in an oblique direction. Further, since the polarization conversion function is realized by the configuration in which the half-wave plate is provided in the region where one polarization component is transmitted, there is a problem that the manufacturing process becomes extremely complicated. In addition, the half-wave plate, which is a film of anisotropic material, needs a certain thickness to obtain a sufficient polarization conversion function, and there is a limit to realizing a thin and small polarization conversion element. . Furthermore, in order to spatially divide the two polarization components, intensity unevenness occurs, and in order to avoid this, it is necessary to provide a microlens array, and there are problems in miniaturization and reduction in the number of optical elements. It was.

我々提案の別技術(特許文献10〜13)は、これらの課題を鑑みて、導電性材料の微細構造を利用して偏光制御機能を実現する構成を提案したものであるが、大きな偏光異方性を有する偏光制御素子を提供することを目的としており、偏光変換機能は提供されていない。   In view of these problems, another technique proposed by us (Patent Documents 10 to 13) proposes a configuration that realizes a polarization control function using the fine structure of a conductive material. The purpose of the present invention is to provide a polarization control element having a property, and no polarization conversion function is provided.

特許文献1〜8ならびに我々提案の技術(特許文献9)の課題は、従来の偏光変換素子が、直交する二つの偏光成分に対して、独立に振幅または位相を、膜厚や吸収率の違いにより変調する素子であって、一方の成分のみを他方へ変換する機構を有していないことに起因している。   The problems of Patent Documents 1 to 8 and the technique proposed by us (Patent Document 9) are that the conventional polarization conversion element independently varies the amplitude or phase of two orthogonal polarization components, and the difference in film thickness and absorption rate. This is due to the fact that it does not have a mechanism for converting only one component into the other.

特開平7−294906号公報JP 7-294906 A 特開2007−279693号公報JP 2007-279893 A 特開2006−317965号公報JP 2006-317965 A 特開2007−155835号公報JP 2007-155835 A 特開2005−77545号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-77545 特開2007−163597号公報JP 2007-163597 A 特開2007−93964号公報JP 2007-93964 A 特開2007−225744号公報JP 2007-225744 A 特開2007−79542号公報JP 2007-79542 A 特開2006−330105号公報JP 2006-330105 A 特開2006−330106号公報JP 2006-330106 A 特開2006−330107号公報JP 2006-330107 A 特開2006−330108号公報JP 2006-330108 A

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直交する二つの偏光成分に対して異なる偏光制御機能を有する構成を提供するものである。
請求項1の目的は、入射する光の二つの直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分のみを他方へ変換する偏光変換機能を有する偏光変換素子を提供することにある。また、光学素子数の低減が可能となる偏光変換素子を提供することにある。
また、請求項2の目的は、請求項1記載の偏光変換素子において用いる導電性材料による構造体の具体的な構成を提供することにある。
また、請求項3の目的は、請求項1,2記載の偏光変換素子の偏光変換効率を向上するための付加的な構成を提供することにある。
また、請求項4の目的は、入射する光の二つの直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分のみを他方へ変換する偏光変換機能を有する偏光変換素子を提供することにある。また、光学素子数の低減が可能となる偏光変換素子を提供することにある。
また、請求項5の目的は、請求項4記載の偏光変換素子において用いる導電性材料による構造体の具体的な構成を提供することにある。
さらに請求項6の目的は、請求項1〜5記載の偏光変換素子において、素子の動作波長帯域を制御するための構成を提供することにある。また、外的衝撃に強い偏光変換素子の構成を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above, and provides a configuration having different polarization control functions for two orthogonal polarization components.
An object of the present invention is to provide a polarization conversion element having a polarization conversion function for converting only one polarization component of two orthogonal polarization components of incident light into the other. Another object of the present invention is to provide a polarization conversion element that can reduce the number of optical elements.
Another object of the present invention is to provide a specific structure of a structure made of a conductive material used in the polarization conversion element according to claim 1.
A third object of the present invention is to provide an additional configuration for improving the polarization conversion efficiency of the polarization conversion element according to the first and second aspects.
Another object of the present invention is to provide a polarization conversion element having a polarization conversion function of converting only one polarization component of two orthogonal polarization components of incident light into the other. Another object of the present invention is to provide a polarization conversion element that can reduce the number of optical elements.
Another object of the present invention is to provide a specific structure of a structure made of a conductive material used in the polarization conversion element according to claim 4.
A sixth object of the present invention is to provide a configuration for controlling the operating wavelength band of the polarization conversion element according to any one of the first to fifth aspects. Another object of the present invention is to provide a configuration of a polarization conversion element that is resistant to external impact.

上記課題は、以下の本発明によって解決される。
(1)「支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体(1)と導電性材料による構造体(2)を光の波長以下の間隔(v)で配したユニットを同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体(1)は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有し、該構造体(2)は、入射する光の伝搬方向に直交する2つの軸に対して長さの異なる形状を有することを特徴とする偏光変換素子」、
(2)「前記構造体1が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、2個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光変換素子」、
(3)「前記構造体(1)を形成する面の上、または前記構造体(2)を形成する面の下に、前記構造体(2)と同じ軸方向に配向した形状を有する導電性材料による構造体(3)を配したことを特徴とする前記第(1)項又は第(2)項に記載の偏光変換素子」、
(4)「支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体(1)および導電性材料による構造体(2)を有し、該構造体(1)は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有するとともに、光の波長以下の間隔(v)で該構造体(2)に近接して、同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体(2)は、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対し、1つの軸方向に連続したストライプ構造を有することを特徴とする偏光変換素子」、
(5)「前記構造体1が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、2個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする前記第(4)項に記載の偏光変換素子」、
(6)「前記構造体(1)または構造体(2)に接する、または、被覆する誘電体膜を配したことを特徴とする前記第(1)項乃至第(5)項のいずれかに記載の偏光変換素子」。
The above problems are solved by the present invention described below.
(1) “At least the structure (1) made of a conductive material and the structure (2) made of a conductive material on the support or inside the support in a direction parallel to the propagation direction of incident light The structure (1) has a configuration in which a plurality of units arranged at intervals (v) are arranged in the same plane, and the structure (1) is point-symmetric and line-symmetric in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light. A polarization conversion element characterized in that the structure (2) has a shape different in length with respect to two axes perpendicular to the propagation direction of incident light ",
(2) “The structure 1 is composed of a plurality of microstructures made of a conductive material, and two or more of the microstructures are arranged close to each other at an interval equal to or smaller than the size of the microstructure. The polarization conversion element according to item (1), wherein:
(3) “Conductivity having a shape oriented in the same axial direction as the structure (2) above the surface forming the structure (1) or below the surface forming the structure (2) The polarization conversion element according to item (1) or (2), wherein the structure (3) is made of a material.
(4) “having at least a structure (1) made of a conductive material and a structure (2) made of a conductive material in a direction parallel to the propagation direction of incident light on or inside the support, The body (1) has a shape that is point-symmetric in the plane perpendicular to the propagation direction of incident light and has no line symmetry, and is spaced from the structure (2) by an interval (v) that is less than or equal to the wavelength of the light. The structure (2) has a configuration in which a plurality of elements are arranged in the same plane in close proximity, and the structure (2) has a stripe structure continuous in one axial direction with respect to two axes orthogonal to the propagation direction of incident light. A polarization conversion element characterized by having, "
(5) “The structure 1 is constituted by a plurality of microstructures made of a conductive material, and two or more of the microstructures are arranged close to each other at an interval equal to or smaller than the size of the microstructure. The polarization conversion element according to item (4), wherein:
(6) "Any of the above-mentioned items (1) to (5), wherein a dielectric film that contacts or covers the structure (1) or the structure (2) is disposed. Description of polarization conversion element ".

本発明の請求項1にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す導電性材料による構造体(1)と、2つの直交する軸に対して異なる長さを有する構造により偏光選択性を示す導電性材料による構造体(2)を積層様に配置したユニットを同一面内に配置したことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるという効果を奏する。また、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項2にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す導電性材料による構造体(1)と、2つの直交する軸に対して異なる長さを有する構造により偏光選択性を示す導電性材料による構造体(2)を積層様に配置したユニットを同一面内に配置し、構造体(1)として、複数の微小構造体を用いたことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるとともに、設計自由度の高い偏光変換素子を提供できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項3にかかる偏光変換素子は、請求項1ないしは請求項2記載の偏光変換素子に、2つの直交する軸に対して異なる長さを有する構造により偏光選択性を示す導電性材料による構造体(3)を積層様に配置したことにより、偏光変換効率を向上できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項4にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す構造体(1)と、2つの直交する軸の一方の方向に連続した導電性材料によるストライプ構造を有する構造体(2)を配置したことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるという効果を奏する。また、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項5にかかる偏光変換素子は、点対称性を有する構造により旋光性を示す構造体(1)と、2つの直交する軸の一方の方向に連続した導電性材料によるストライプ構造を有する構造体(2)を配置し、構造体(1)として、複数の微小構造体を用いたことにより、複数の光学素子を用いることなく偏光変換機能を実現できるとともに、設計自由度の高い偏光変換素子を提供できるという効果を奏する。
また、本発明の請求項6にかかる偏光変換素子は、請求項1〜5記載の偏光変換素子を誘電体膜で被膜することにより、本偏光変換素子の動作波長帯域の制御が可能であるとともに、外的衝撃に強い偏光変換素子を提供できるという効果を奏する。
The polarization conversion element according to claim 1 of the present invention has a structure (1) made of a conductive material exhibiting optical rotation by a structure having point symmetry and a structure having different lengths with respect to two orthogonal axes. By arranging the units in which the structures (2) made of the conductive material exhibiting polarization selectivity are arranged in the same plane, the polarization conversion function can be realized without using a plurality of optical elements. In addition, there are effects that the number of optical elements can be reduced and the optical device can be reduced in size and price.
In addition, the polarization conversion element according to claim 2 of the present invention has a structure (1) made of a conductive material exhibiting optical rotation by a structure having point symmetry, and has different lengths with respect to two orthogonal axes. By arranging a unit in which the structures (2) made of a conductive material exhibiting polarization selectivity according to the structure are stacked in the same plane and using a plurality of microstructures as the structure (1), a plurality of structures are obtained. The polarization conversion function can be realized without using the optical element, and a polarization conversion element with a high degree of design freedom can be provided.
A polarization conversion element according to claim 3 of the present invention is the same as the polarization conversion element according to claim 1 or 2, but is a conductive material having polarization selectivity by a structure having different lengths with respect to two orthogonal axes. By arranging the structures (3) made of the active material in a stacked manner, the polarization conversion efficiency can be improved.
In addition, the polarization conversion element according to claim 4 of the present invention includes a structure (1) exhibiting optical rotatory power by a structure having point symmetry and a stripe made of a conductive material continuous in one direction of two orthogonal axes. By arranging the structure (2) having a structure, there is an effect that a polarization conversion function can be realized without using a plurality of optical elements. In addition, there are effects that the number of optical elements can be reduced and the optical device can be reduced in size and price.
Further, the polarization conversion element according to claim 5 of the present invention includes a structure (1) exhibiting optical rotation by a structure having point symmetry, and a stripe made of a conductive material continuous in one direction of two orthogonal axes. By arranging the structure (2) having a structure and using a plurality of microstructures as the structure (1), a polarization conversion function can be realized without using a plurality of optical elements, and design flexibility can be improved. There is an effect that a high polarization conversion element can be provided.
The polarization conversion element according to claim 6 of the present invention can control the operating wavelength band of the polarization conversion element by coating the polarization conversion element according to claims 1 to 5 with a dielectric film. The polarization converting element that is resistant to external impact can be provided.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる偏光変換素子の最良な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a polarization conversion element according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1〜7を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる偏光変換素子の機能を示す説明図である。本偏光変換素子は、素子内部に含む導電性材料による構造体と光の相互作用により、入射するランダム偏光に対し、入射光のy軸方向の偏光成分のみをx軸方向の偏光成分に変換し、また、入射光のx軸方向の偏光成分はそのまま透過させることにより、直線偏光を高効率で取得するものである。
(First embodiment)
The polarization conversion element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the function of the polarization conversion element according to the first embodiment of the present invention. This polarization conversion element converts only the polarization component in the y-axis direction of incident light into the polarization component in the x-axis direction for incident random polarization by the interaction of the structure made of the conductive material contained in the element and the light. In addition, linearly polarized light is acquired with high efficiency by transmitting the polarization component of the incident light in the x-axis direction as it is.

本発明の偏光変換素子の構成を、図2を用いて説明する。図2は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光制御素子内に含まれる導電性材料による構造体(1)(2)の形状を例示した図である。図2左図(断面AA)は、本偏光変換素子の入射光の伝搬方向に平行な方向の断面図であり、図2右図(断面BB、断面CC)は、入射光の伝搬方向に垂直な方向に導電性部材による構造体(1)(2)を切断するように2つの面で切り出した断面図である。本偏光変換素子は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体(1)と、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体(2)を支持体上または支持体内部に積層して配置したユニットを、同一面内に複数個配置した構成を有している。構造体(1)と構造体(2)は、物質近傍に局在して存在する近接場光を介在して相互作用するため、構造体(1)と構造体(2)の光路方向の間隔(v)は入射光の波長以下に近接させて配置する。   The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the polarization control element and the shape of the structures (1) and (2) made of a conductive material contained in the polarization control element. The left figure in FIG. 2 (cross section AA) is a sectional view in the direction parallel to the propagation direction of the incident light of this polarization conversion element, and the right figure in FIG. 2 (cross section BB, cross section CC) is perpendicular to the propagation direction of the incident light. It is sectional drawing cut out by two surfaces so that the structures (1) and (2) by an electroconductive member may be cut | disconnected in an arbitrary direction. This polarization conversion element includes a structure (1) made of a conductive material having a shape that is point-symmetric and has no line symmetry in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light, and is orthogonal to the propagation direction of incident light. A structure in which a plurality of units in which a structure (2) made of a conductive material having different shapes with respect to two axes is stacked on a support or inside the support is arranged in the same plane. Have. Since the structure (1) and the structure (2) interact with each other through near-field light that exists in the vicinity of the substance, the distance between the structure (1) and the structure (2) in the optical path direction (V) is arranged close to the wavelength of incident light or less.

図2断面BBは、構造体1を切断する面を示す平面図であり、構造体(1)のぞれぞれは、重心位置を支点にした回転操作で元の形状に一致する点対称性を有している。また、特定の軸に対して折り返した形状が一致するような線対称性がないことが特徴である。このような形状をもつ構造体は、特定の波長域において導電性物質内部の電子振動(プラズモン)に共鳴した、光と導電性材料の強い相互作用が生じるため、直線偏光を入射した際に、直線偏光の偏光面を回転させる旋光性を発現する。
図2断面CCは、構造体(2)を切断する面を示す平面図であり、図2の例の場合には、紙面の上下方向に長く伸びた矩形形状を有している。このような形状をもつ構造体においては、プラズモンの共鳴条件が矩形の長手方向とその直交する方向で異なるために、透過光または反射光に偏光異方性ないしは偏光選択性が生じる。上述の旋光性および偏光選択性の競合効果により、本偏光制御素子の偏光変換機能を得ることができる。
Section BB in FIG. 2 is a plan view showing a plane for cutting the structure 1, and each of the structures (1) has a point symmetry that matches the original shape by a rotation operation with the center of gravity as a fulcrum. have. Further, it is characterized in that there is no line symmetry such that the folded shape matches a specific axis. A structure having such a shape causes a strong interaction between light and a conductive material that resonates with electronic vibration (plasmon) inside a conductive substance in a specific wavelength range. Therefore, when linearly polarized light is incident, It exhibits optical rotation that rotates the polarization plane of linearly polarized light.
A cross section CC in FIG. 2 is a plan view showing a surface for cutting the structure (2). In the case of the example in FIG. 2, the cross section CC has a rectangular shape extending long in the vertical direction of the paper. In a structure having such a shape, since the plasmon resonance conditions are different between the longitudinal direction of the rectangle and the direction orthogonal thereto, polarization anisotropy or polarization selectivity occurs in transmitted light or reflected light. The polarization conversion function of the present polarization control element can be obtained by the above-described competitive effect of optical rotation and polarization selectivity.

図2では、構造体(1)として、2つの立方体が接したような形状の構造体を例示したが、点対称性をもつ導電性材料による構造で、光学的に旋光性を発するものであれば任意の形状でも構わない。ここで、単純な直方体や円柱のような直線的な形状、すなわち線対称性を有する形状の構造体は旋光性を発現しないため、このような形状の構造体は、本偏光変換素子には利用できない。以下では、本偏光変換素子に用いる点対称性を有し線対称性を有さない構造を、単純に点対称と表記する。また、点対称性とは、本偏光変換素子を設計する上の要件であり、作製誤差等により生じる対称性のずれまでを制限するものではない。   In FIG. 2, a structure having a shape in which two cubes are in contact with each other is illustrated as the structure (1). However, it is a structure made of a conductive material having point symmetry and emits optical rotation. Any shape may be used. Here, since a linear structure such as a simple rectangular parallelepiped or a cylinder, that is, a structure having line symmetry, does not exhibit optical rotation, such a structure is used for this polarization conversion element. Can not. Hereinafter, a structure having point symmetry and no line symmetry used in the present polarization conversion element is simply expressed as point symmetry. Further, the point symmetry is a requirement for designing the polarization conversion element, and does not limit the symmetry shift caused by a manufacturing error or the like.

図3は、旋光性を示す構造の例を示した平面図である。図3(a)および(b)は、正方形ならびに長方形の断面を有する構造の接した、または重なり合った構造であり、垂直方向または水平方向の軸に対してずれを有した構造のものである。また、図3(c)に示すように、矩形構造の端部が反対称に折れ曲がった構造であってもよい。図3(d)は、反対称に曲率した円弧による構造、図3(e)は、長方形と円形の構造の重なり合った構造、図3(f)は、楕円形の重なり合った構造を示している。これら以外にも、点対称性を有する構造であり、強い旋光性を有する構造であれば、任意の形状の構造体であって構わない。また、構造体の高さおよび高さ方向の形状は、積層する構造体(2)との光相互作用の強さに影響する因子であり、構造体(1)と構造体(2)との間隔(v)と合わせて、最適な高さおよび形状を選択する必要があり、必ずしも矩形断面を持つ形状である必要はない。   FIG. 3 is a plan view showing an example of a structure showing optical rotation. FIGS. 3 (a) and 3 (b) are structures in which the structures having a square and rectangular cross section are in contact with each other or are overlapped with each other and have a shift with respect to a vertical or horizontal axis. Moreover, as shown in FIG.3 (c), the structure where the edge part of the rectangular structure bent antisymmetrically may be sufficient. FIG. 3 (d) shows an antisymmetric curved arc structure, FIG. 3 (e) shows an overlapping structure of rectangular and circular structures, and FIG. 3 (f) shows an elliptical overlapping structure. . In addition to these, any structure having any shape may be used as long as it has a point symmetry and has a strong optical rotation. Further, the height of the structure and the shape in the height direction are factors that affect the strength of optical interaction with the stacked structure (2), and the structure (1) and the structure (2) It is necessary to select an optimal height and shape together with the interval (v), and it is not always necessary to have a shape having a rectangular cross section.

また、図2断面CCでは、構造体(2)の例として、図の上下方向を長手方向とした矩形形状の構造体を示したが、長手方向とその直交する方向の偏光成分に対し、吸収ないしは散乱特性の異方性を有するものであれば、いかなる形状であっても構わない。例えば、薄膜状の円形パターン、矩形パターンのほか、円柱、楕円柱、回転楕円体、直方体形状などが利用できる。   Further, in FIG. 2 cross-section CC, as an example of the structure (2), a rectangular structure having a longitudinal direction in the vertical direction of the figure is shown, but it absorbs a polarization component in a direction perpendicular to the longitudinal direction. Any shape may be used as long as it has anisotropy in scattering characteristics. For example, in addition to thin-film circular patterns and rectangular patterns, cylinders, elliptical cylinders, spheroids, rectangular parallelepiped shapes, and the like can be used.

構造体(1)と構造体(2)により構成されるユニットの配置の仕方は多様であるが、高い偏光変換効率を得るためには、図2右図の平面図に示したように周期的に配列するほうが好ましい。また、隣接するユニットとの間隔は、出射光に回折の影響ないしは光強度のムラが現れないように、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。構造体(1)および構造体(2)は、上記のように波長程度か、それ以下に配列する必要があり、そのため構造体(1)および構造体(2)のサイズは、入射光の波長以下のサイズが好ましい。ただし、構造体の形状が縦横に長さが異なるため、厳密に波長以下にサイズを制限する必要はない。   There are various arrangements of the units constituted by the structure (1) and the structure (2), but in order to obtain high polarization conversion efficiency, as shown in the plan view on the right side of FIG. It is more preferable to arrange in the order. Further, the interval between adjacent units is preferably equal to or less than the wavelength of incident light so that the influence of diffraction or unevenness of light intensity does not appear in the emitted light. Alternatively, a polarization conversion element having angle dependency may be configured by actively using the diffraction effect by setting the interval to the wavelength of incident light. The structures (1) and (2) need to be arranged at or below the wavelength as described above, so the size of the structures (1) and (2) is the wavelength of the incident light. The following sizes are preferred. However, since the shape of the structure is different in length and width, it is not necessary to strictly limit the size to a wavelength or less.

導電性材料による構造体(1)ならびに構造体(2)に用いる材料は、構造体(1)と構造体(2)が近接場光を介して強く相互作用するような材料として、導電性材料中の電子の集団運動であるプラズモンを強く励振できる材料が好適である。可視光領域でプラズモンを強く励振できる導電性材料として、一般的な金属材料であるAl、Au、Cu、Ag、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料が利用できる。   The material used for the structure (1) and the structure (2) made of a conductive material is a conductive material as a material in which the structure (1) and the structure (2) interact strongly through near-field light. A material that can strongly excite plasmons, which are the collective motion of electrons inside, is suitable. As a conductive material that can strongly excite plasmons in the visible light region, general metal materials such as Al, Au, Cu, Ag, a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component can be used.

次に、本偏光変換素子の支持体について、図2および図3を用いて説明する。
図2左図では、作製上の容易性から、構造体(1)が支持体界面に配され、構造体(2)が支持体内部に埋め込まれた構成を示したが、図4に示すように、支持体内部に構造体(1)および構造体(2)がともに埋め込まれた構成であっても構わない。この場合、作製における工程数が増えるが、外的衝撃に強い光学素子を提供することができる。また、図2左図においては、構造体(2)を光の透過面側に配置したが、構造体(1)と構造体(2)の積層の順が逆となる構成であっても構わない。支持体として用いる材料は、高効率を得るために可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスや、BK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラスが、CaF、ZnSe、Alなどの光学結晶材料などを利用する。
Next, the support of the present polarization conversion element will be described with reference to FIGS.
In the left diagram of FIG. 2, the structure (1) is arranged at the support interface and the structure (2) is embedded in the support for ease of manufacturing, but as shown in FIG. 4. In addition, the structure (1) and the structure (2) may be embedded in the support. In this case, the number of steps in production increases, but an optical element that is resistant to external impact can be provided. In the left diagram of FIG. 2, the structure (2) is arranged on the light transmission surface side. However, the structure (1) and the structure (2) may be stacked in the reverse order. Absent. The material used as the support is preferably a transparent material having low absorption at a wavelength in the visible light region in order to obtain high efficiency. Quartz glass or borosilicate glass such as BK7 or Pyrex (registered trademark) is used as CaF 2 , ZnSe. An optical crystal material such as Al 2 O 3 is used.

次に、本偏光変換素子の作製方法について、図5を用いて説明する。本偏光変換素子は、図5に示す工程により作製する。まず、基板上にレジストを塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストを露光し、反応性ドライエッチングによりガラス表面に凹凸パターンを形成する(工程1)。続いて、Auなどの導電性材料をスパッタリングまたは蒸着により成膜し(工程2)、その後、レジストの除去にともなうリフトオフによって、下層の導電性材料による構造体を作製する(工程3)。続いて、SiOをスパッタリングなどにより成膜し、レジストを塗布し、電子ビームリソグラフィによりレジストを露光してリンスすることにより凹凸形状を作製する(工程4)。続いて、導電性材料をスパッタリングまたは蒸着により成膜し(工程5)、レジストの除去にともなうリフトオフにより、構造体を残すことにより、上層の導電性材料による構造体を作製する(工程6)。以上は、作製工程の一例であるが、電子ビームリソグラフィによる描画の代わりに、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。 Next, a method for manufacturing the present polarization conversion element will be described with reference to FIGS. This polarization conversion element is produced by the process shown in FIG. First, a resist is applied on a substrate, the resist is exposed by electron beam lithography, and a concavo-convex pattern is formed on the glass surface by reactive dry etching (step 1). Subsequently, a conductive material such as Au is formed by sputtering or vapor deposition (step 2), and then a structure made of a lower conductive material is produced by lift-off along with the removal of the resist (step 3). Subsequently, SiO 2 is formed into a film by sputtering or the like, a resist is applied, and the resist is exposed and rinsed by electron beam lithography to produce an uneven shape (step 4). Subsequently, a conductive material is deposited by sputtering or vapor deposition (step 5), and the structure is left by lift-off along with the removal of the resist, thereby producing a structure made of the upper conductive material (step 6). The above is an example of a manufacturing process. Instead of drawing by electron beam lithography, a method of performing batch exposure using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology or a mold called a mold is used to apply heat. There is also a method of manufacturing using a nanoimprint processing technology that is pressed over.

次に、本偏光変換素子の動作を検証するために実施した数値シミュレーションについて、図6、図7に基づいて説明する。数値シミュレーション手法として、電磁場の時間・空間応答を記述するマクスウェル方程式を時間領域、空間領域に差分化して解く、有限差分時間領域法(FDTD法)を利用した。   Next, a numerical simulation performed for verifying the operation of the polarization conversion element will be described with reference to FIGS. As a numerical simulation method, a finite difference time domain method (FDTD method) was used in which Maxwell's equations describing the time-space response of an electromagnetic field are differentiated into a time domain and a spatial domain.

図6は、数値シミュレーションに用いた本偏光制御素子のモデルを説明する断面図であり、構造体2側から光を入射する構成で計算を行なった。透過光のスペクトル特性を得るために、入射光として時間幅の十分に短い(スペクトル幅が可視光領域に十分に広がった)パルス光を、構造体2の下端から、840nm離れた面から入射し、1000nm離れた透過面において、透過光の偏光特性を評価した。また、構造体(1)および構造体(2)を構成する導電性材料はAuを仮定し、Au中の電子の光電場に対する応答を記述するために、DrudeモデルとLorentzモデルの重畳した誘電関数を使用することにより、材料の波長分散特性を導入した。Au構造体の周囲媒質は、動作原理の検証を目的とするため、真空(屈折率n=1)として計算を行なった。   FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a model of the present polarization control element used in the numerical simulation, and the calculation was performed with a configuration in which light is incident from the structure 2 side. In order to obtain the spectral characteristics of the transmitted light, a pulse light having a sufficiently short time width (the spectral width is sufficiently spread in the visible light region) is incident as incident light from a surface away from the lower end of the structure 2 by 840 nm. The polarization characteristics of the transmitted light were evaluated on a transmission surface separated by 1000 nm. In addition, assuming that the conductive material constituting the structures (1) and (2) is Au, a dielectric function obtained by superimposing the Drude model and the Lorentz model to describe the response of electrons in Au to the photoelectric field. Was used to introduce the chromatic dispersion characteristics of the material. For the purpose of verifying the operating principle, the calculation was performed assuming that the surrounding medium of the Au structure was vacuum (refractive index n = 1).

図7は、以下のAu構造体に対する数値シミュレーション結果の一例であり、x軸方向に振動する直線偏光を入射した場合のx成分およびy成分の透過率をそれぞれTxx、Txy、y軸方向に振動する直線偏光を入射した場合のx成分およびy成分の透過率をそれぞれTyx、Tyyとしてプロットした。構造体(1)は、矩形形状のドットの端部が接触した形状を用い、w=h=80nm、Lx=128nmに設定し、構造体(2)はw=h=80nm、Ly=328nmの直方体に設定した。また、構造体(1)と構造体(2)の間隔(v)を、v=16nmに設定した。ここで、数値シミュレーションにおける最小セルサイズは4nmとした。さらに、計算空間をPx=200nm、Py=400nmとし、計算領域境界に周期境界を適用することにより、実質的にx軸方向に200nm、y軸方向に400nmのピッチをもつ構造体(1)と構造体(2)からなるユニットの周期構造と等価な計算を行なった。   FIG. 7 is an example of a numerical simulation result for the following Au structure, and the transmittances of the x component and the y component when the linearly polarized light oscillating in the x axis direction is incident are respectively oscillated in the Txx, Txy, and y axis directions. The transmittances of the x component and y component when linearly polarized light is incident are plotted as Tyx and Tyy, respectively. The structure (1) uses a shape in which the ends of rectangular dots are in contact, and is set to w = h = 80 nm and Lx = 128 nm, and the structure (2) has w = h = 80 nm and Ly = 328 nm. Set to a rectangular parallelepiped. Further, the interval (v) between the structures (1) and (2) was set to v = 16 nm. Here, the minimum cell size in the numerical simulation was 4 nm. Further, by setting the calculation space to Px = 200 nm and Py = 400 nm and applying a periodic boundary to the calculation region boundary, the structure (1) having a pitch of substantially 200 nm in the x-axis direction and 400 nm in the y-axis direction is obtained. Calculation equivalent to the periodic structure of the unit composed of the structure (2) was performed.

図7の結果において、Txy成分とTyx成分に着目すると、波長730nm近傍の領域でTyx成分がほぼゼロであるのに対して、Txy成分が約0.35の値となり、入射光のx成分のみを選択的にy成分に変換する機能が確認できた。本シミュレーション結果においては、直交する2つの偏光成分のうち、入射偏光の直接透過成分であるTxx成分も観測されており、また、Tyy成分もカット(反射)されていることから、y成分を効率良く取り出せる素子とはなっていないが、構造体の形状や配置、背景媒質(支持体)となる透明材料の選択、あるいは付加的な偏光選択構造(例えば、請求項3に示す構造)を設けることにより、高効率な偏光変換素子を提供することができる。   In the result of FIG. 7, when attention is paid to the Txy component and the Tyx component, the Txy component is almost zero in the region near the wavelength of 730 nm, whereas the Txy component has a value of about 0.35, and only the x component of the incident light. Has been confirmed to selectively convert to the y component. In this simulation result, the Txx component, which is a direct transmission component of incident polarized light, is observed among the two orthogonally polarized components, and the Tyy component is also cut (reflected). Although it is not an element that can be taken out well, the shape and arrangement of the structure, the selection of a transparent material as a background medium (support), or an additional polarization selection structure (for example, the structure shown in claim 3) should be provided Thus, a highly efficient polarization conversion element can be provided.

本偏光制御素子は、図7の数値シミュレーション結果に見られるように、支持体上または支持体内部に配置された導電性材料による構造体と光との共鳴的な強い相互作用を利用したものであるため、使用する材料および構造体の形状に依存した固有の動作波長帯域を有する。例えば、図7では、半値幅を動作波長帯域として、およそ700〜800nmの波長帯で動作する。液晶プロジェクタ等の投影装置などに利用するには、RGBに対応する波長で動作する偏光変換素子が必要であるが、所望する動作波長帯域に応じて、上述したような導電性材料、支持体材料を選択することにより、動作波長帯域の中心波長を大きく振ることができ、所望する波長帯域で動作する偏光変換素子が実現できる。例えば、導電性材料として金属材料であるAgを用いると、プラズモンの共鳴波長が短波長側にあることから、本偏光変換素子の動作波長帯域も短波長側にシフトする。   As shown in the numerical simulation results in FIG. 7, the present polarization control element utilizes a strong resonance interaction between a structure and a light made of a conductive material disposed on or inside the support. As such, it has a unique operating wavelength band depending on the materials used and the shape of the structure. For example, in FIG. 7, the operation is performed in a wavelength band of about 700 to 800 nm with the half-value width as an operating wavelength band. In order to use it for a projection device such as a liquid crystal projector, a polarization conversion element that operates at a wavelength corresponding to RGB is required. However, depending on a desired operating wavelength band, the above-described conductive material and support material By selecting, the center wavelength of the operating wavelength band can be greatly varied, and a polarization conversion element that operates in a desired wavelength band can be realized. For example, when Ag, which is a metal material, is used as the conductive material, since the plasmon resonance wavelength is on the short wavelength side, the operating wavelength band of the polarization conversion element is also shifted to the short wavelength side.

以上のように、本偏光変換素子は、2種類の対称性を有する導電性材料による構造体の積層構成を支持体上または支持体内部に形成することにより、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく、ランダム偏光を直線偏光に効率良く変換することができ、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。   As described above, this polarization conversion element is formed by forming a laminated structure of a structure made of a conductive material having two types of symmetry on a support or inside a support, and thereby, among two orthogonal polarization components, Because it has a mechanism to convert one component to the other, random polarization can be efficiently converted to linear polarization without combining multiple optical elements, reducing the number of optical elements and optical It becomes possible to realize downsizing and cost reduction of the apparatus.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図4、5、8〜10を参照して説明する。図8は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光変換素子内に含まれる導電性材料による構造体の形状を例示した図である。本偏光変換素子は、請求項1の説明と同様に、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体(1)と、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体(2)を支持体上または支持体内部に積層して配置したユニットを、同一面内に複数個配置した構成を有している。
(Second Embodiment)
A polarization conversion element according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the polarization control element and the shape of a structure made of a conductive material included in the polarization conversion element. As in the description of claim 1, the polarization conversion element includes a structure (1) made of a conductive material having a shape that is point-symmetric and has no line symmetry in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light. , A unit in which a structure (2) made of a conductive material having different shapes with respect to two axes perpendicular to the propagation direction of incident light is laminated on or inside the support is the same. It has a configuration in which a plurality are arranged in the plane.

第1の実施例との違いは、図8断面BBに示すように、構造体(1)として、孤立した2個以上の微小構造体を用いた点であり、隣接する微小構造体の間隔ならびに位置の対称性を制御して構造を形成することにより、偏光変換特性の制御が可能となり、また、作製上の容易性を得ることができる。構造体(1)と構造体(2)が近接場光を介して相互作用する必要から、構造体(1)と構造体(2)の間隔(v)は入射光の波長以下に近接させて配置する。構造体(1)が点対称性な構造であるために旋光性を示すことに加え、図8断面CCに示すように、構造体(2)が一方向に伸びた構造であるために偏光選択性を示すことから、これらの競合効果により、本偏光制御素子において偏光変換機能を得ることができる。   The difference from the first embodiment is that two or more isolated microstructures are used as the structure (1) as shown in the cross section BB in FIG. By controlling the symmetry of the position to form the structure, it is possible to control the polarization conversion characteristics and to obtain ease of manufacture. Since the structure (1) and the structure (2) need to interact with each other through near-field light, the distance (v) between the structure (1) and the structure (2) should be close to the wavelength of incident light or less. Deploy. In addition to exhibiting optical rotation because the structure (1) is a point-symmetric structure, as shown in the cross-section CC of FIG. 8, the structure (2) has a structure extending in one direction, so that polarization selection is possible. Thus, the polarization conversion function can be obtained in the present polarization control element due to these competitive effects.

図8断面BBでは、導電性材料による構造体(1)として、2つの立方体が近接した構造体を例示したが、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであれば任意の形状であっても構わない。   In FIG. 8 cross section BB, a structure in which two cubes are close to each other is illustrated as a structure (1) made of a conductive material. However, a strong optical rotation via a plasmon generated in a conductive material is a structure having point symmetry. Any shape may be used as long as it exhibits the property.

図9に、旋光性を示す形状の例である平面図を示す。図9(a),(d)は、矩形形状の断面を有する構造の近接した複合構造であり、図9(b)は、三角柱形状の複合構造である。プラズモンによる強い電場増強効果は、導電性材料による微小構造の先鋭部に集中することが知られており、図9(b)に示す構造では、強い旋光効果が生じる。また、矩形形状の構造の対角線部分を切除した構造(図9(c))、2個の楕円柱または回転楕円体が、長軸または短軸が互いに一致しないように配置した構造(図9(e))も、点対称性を有し、すなわち旋光性を発現する。また、導電性材料による構造体(1)は、3個以上の複数個の微小構造体の集合であっても構わない。図9(f)〜(h)は、それぞれ、3個、4個、5個の微小構造体を用いて構造体(1)を形成した例である。これら以外にも、孤立した微小構造体を用いた点対称構造であり、強い旋光性を有する構造であれば、任意の形状の構造体であって構わない。また、構造体の高さ方向の形状は、積層様に配置する構造体(2)との光相互作用の強さに影響するため、構造体(1)と構造体(2)との間隔(v)と合わせて、最適な高さならびに形状を選択する必要があり、必ずしも矩形断面をもつ形状である必要はない。上記で説明した点対称性とは、設計上の要件であり、作製誤差等により生じる対称性のずれまでを制限するものではない。   FIG. 9 is a plan view showing an example of a shape showing optical rotation. FIGS. 9A and 9D show a composite structure having a structure with a rectangular cross section close to each other, and FIG. 9B shows a composite structure with a triangular prism shape. It is known that the strong electric field enhancement effect by plasmons is concentrated on the sharp part of the microstructure made of the conductive material, and the structure shown in FIG. 9B produces a strong optical rotation effect. In addition, a structure in which a diagonal portion of a rectangular structure is cut away (FIG. 9C), two elliptic cylinders or spheroids are arranged so that the major axis or minor axis does not coincide with each other (FIG. 9 ( e)) also has point symmetry, that is, it exhibits optical rotation. Further, the structure (1) made of a conductive material may be a set of a plurality of three or more microstructures. FIGS. 9F to 9H are examples in which the structure (1) is formed using three, four, and five microstructures, respectively. In addition to these, any structure may be used as long as it is a point-symmetric structure using an isolated microstructure and has a strong optical rotation. In addition, since the shape of the structure in the height direction affects the strength of optical interaction with the structure (2) arranged in a stacked manner, the distance between the structure (1) and the structure (2) ( In combination with v), it is necessary to select an optimum height and shape, and it is not necessarily a shape having a rectangular cross section. The point symmetry described above is a design requirement, and does not limit the symmetry shift caused by a manufacturing error or the like.

導電性材料による構造体2は、第一の実施例で説明したものと全く同様のものでよく、2つの直交する直線偏光に対して、偏光異方性を有する構造であれば、円柱、楕円柱、回転楕円体、直方体形状など、いかなる形状であっても構わない。   The structure 2 made of a conductive material may be exactly the same as that described in the first embodiment, and may be a cylinder or an ellipse as long as the structure has polarization anisotropy with respect to two orthogonal linearly polarized lights. Any shape such as a column, a spheroid, or a rectangular parallelepiped shape may be used.

導電性材料による構造体(1)ならびに構造体(2)に用いる材料は、第1の実施例と同様でよく、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるAl、Au、Cu、Ag、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料が利用できる。   The materials used for the structure (1) and the structure (2) made of a conductive material may be the same as those in the first embodiment, and Al, Au, which are general metal materials that can strongly excite plasmons in the visible light region. Cu, Ag, a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component can be used.

構造体1と構造体2により構成されるユニットの配置の仕方は、第1の実施例における説明と同様であるが、図8右図に示したように周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。ユニットの配列を波長と同程度か、それ以下とするために、構造体(1)および構造体(2)のサイズは、入射光の波長以下のサイズが好ましい。また、構造体(1)を構成する孤立した微小構造体は、同様に波長以下のサイズをとる。微小構造体の形状は、図9で説明した通り必ずしも等方的ではなく一意に決められない。そのため、構造体のサイズを図10のように定義する。   The arrangement of the units constituted by the structures 1 and 2 is the same as that described in the first embodiment, but it is preferable to arrange them periodically as shown in the right diagram of FIG. It is preferable that the interval between adjacent units is equal to or less than the wavelength of incident light. Alternatively, a polarization conversion element having angle dependency may be configured by actively using the diffraction effect by setting the interval to the wavelength of incident light. In order to make the arrangement of units the same as or less than the wavelength, the size of the structure (1) and the structure (2) is preferably a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light. In addition, the isolated microstructure constituting the structure (1) similarly has a size equal to or smaller than the wavelength. The shape of the microstructure is not necessarily isotropic and cannot be uniquely determined as described with reference to FIG. Therefore, the size of the structure is defined as shown in FIG.

図10は、構造体1を入射光の伝播方向に垂直な面で切断した平面図であり、2次元的な形状に対して、微小構造体と同面積を有する円の直径d、または空間的に非対称な形状を有する微小構造体の場合、微小構造体と同面積を有する楕円の長径d1および短径d2を、微小構造体のサイズとする。したがって、微小構造体のサイズは、円の直径d、または楕円の長径および短径d1、d2が入射光の波長より小さくなるように設定する。   FIG. 10 is a plan view of the structure 1 cut along a plane perpendicular to the propagation direction of incident light. The two-dimensional shape has a diameter d of a circle having the same area as that of the microstructure, or spatial In the case of a microstructure having an asymmetric shape, the major axis d1 and the minor axis d2 of an ellipse having the same area as the microstructure are defined as the size of the microstructure. Therefore, the size of the microstructure is set so that the diameter d of the circle or the major and minor diameters d1 and d2 of the ellipse is smaller than the wavelength of the incident light.

本偏光変換素子の構造体(1)および構造体(2)は、図8左図では、構造体(1)が支持体界面に配され、構造体(2)が支持体内部に埋め込まれた構成を示したが、第1の実施例で図4を用いて説明したように、支持体内部に構造体(1)および構造体(2)がともに埋め込まれた構造とし、外的衝撃に強い構成としてもよい。また、構造体(1)と構造体(2)の積層の順序は特に制限する必要がなく、光の入射方向に対していずれの順であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスや、BK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラスが、CaF、ZnSe、Alなどの光学結晶材料などを利用する。 The structure (1) and the structure (2) of the present polarization conversion element are shown in the left diagram of FIG. 8 in which the structure (1) is arranged at the support interface and the structure (2) is embedded inside the support. Although the structure is shown, as described with reference to FIG. 4 in the first embodiment, the structure (1) and the structure (2) are both embedded in the support body, and are resistant to external impacts. It is good also as a structure. Further, the order of stacking the structure (1) and the structure (2) is not particularly limited, and may be any order with respect to the light incident direction. The material used as a support for holding these structures is preferably a transparent material having low absorption at a wavelength in the visible light region, such as quartz glass, borosilicate glass such as BK7 and Pyrex (registered trademark), CaF 2 , An optical crystal material such as ZnSe or Al 2 O 3 is used.

本偏光変換素子の作製方法は、第1の実施例において図5を用いて説明したとおりであり、電子ビームリソグラフィと反応性ドライエッチングを用いたリフトオフ法を利用して作製する。もしくは、電子ビームリソグラフィを用いる代わりに、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、ナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。   The manufacturing method of this polarization conversion element is as described with reference to FIG. 5 in the first embodiment, and is manufactured using a lift-off method using electron beam lithography and reactive dry etching. Alternatively, instead of using electron beam lithography, there are a method of performing batch exposure using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, and a method of manufacturing using nanoimprint processing technology.

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、2種類の対称性を有する導電性材料による構造体の積層構成を支持体上または支持体内部に形成しており、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく、ランダム偏光を直線偏光に効率良く変換することができ、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。また、構造体1を孤立した複数の微小構造体で構成したことにより、設計自由度の高い偏光制御素子が実現できる。   In the present polarization conversion element having the above-described configuration, a stacked structure of a structure made of a conductive material having two types of symmetry is formed on or inside the support, and of the two orthogonal polarization components Because it has the function of converting one component into the other component, it can efficiently convert random polarized light into linearly polarized light without combining multiple optical elements, reducing the number of optical elements, It becomes possible to achieve downsizing and cost reduction of the optical device. Further, since the structure 1 is composed of a plurality of isolated microstructures, a polarization control element with a high degree of design freedom can be realized.

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図3〜5、9、11、12を参照して説明する。図11は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光変換素子内に含まれる導電性材料による構造体の形状を例示した図であり、入射光の伝搬方向に対して平行な2つの直交する断面(ZX面、YZ面)を示している。本偏光変換素子は、第1および第2の実施例で説明した、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体(1)と、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体(2)に加えて、構造体(2)と同様の形状ならびに配向を有する構造体(3)を積層して構成したユニットを、同一面内に配列した構成を有している。ここで、図11では、構造体(2)の長手方向の軸をY軸、入射する光の伝搬方向をZ軸に設定した。構造体(2)と構造体(3)を入射光の伝搬方向に積層様に配置し、これらの間隔(v)を支持体内部における光の1/2波長の整数倍近傍に設定することにより、散乱光に指向性をもたせることができ、透過光または反射光の割合を調整することが可能となる。また、第1および第2の実施例と同様に、構造体(1)が点対称性な構造であるために旋光性を示すことに加え、構造体(2)および構造体(3)が一方向に伸びた構造であるために偏光選択性を示すことから、これらの競合効果により偏光変換機能を得ることができるため、指向性を併せ持つことにより、本偏光変換素子は、第1および第2の実施例に説明した偏光変換素子における偏光変換特性を向上させることが可能となる。
(Third embodiment)
A polarization conversion element according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5, 9, 11, and 12. FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the polarization control element and the shape of a structure made of a conductive material included in the polarization conversion element, and includes two orthogonal cross sections parallel to the propagation direction of incident light ( ZX plane, YZ plane). This polarization conversion element is a structure (as described in the first and second embodiments) made of a conductive material having a shape that is point-symmetric and has no line symmetry in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light. 1) and the structure (2) made of a conductive material having different shapes with respect to two axes orthogonal to the propagation direction of incident light, and the same shape and orientation as the structure (2) The units formed by stacking the structures (3) having the structure are arranged in the same plane. Here, in FIG. 11, the longitudinal axis of the structure (2) is set as the Y axis, and the propagation direction of the incident light is set as the Z axis. By arranging the structure (2) and the structure (3) in a stacked manner in the propagation direction of incident light, and setting the interval (v) in the vicinity of an integral multiple of ½ wavelength of light inside the support. The scattered light can have directivity, and the ratio of transmitted light or reflected light can be adjusted. Similarly to the first and second embodiments, since the structure (1) has a point-symmetric structure, the structure (2) and the structure (3) have one optical rotation. Since the polarization selectivity is exhibited due to the structure extending in the direction, the polarization conversion function can be obtained by these competitive effects. Therefore, the polarization conversion element has the first and second characteristics by having the directivity. It becomes possible to improve the polarization conversion characteristics of the polarization conversion element described in the embodiment.

導電性材料による構造体(1)は、第1および第2の実施例で説明したものと同様であり、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであればよく、図3に示すような構造体(1)の形状が点対称性を有する単一の構造体であるもの、図9に示すような構造体(1)を構成する複数の孤立した微小構造体が点対称性に配されたもの、複数の孤立した微小構造体であり、さらに形状が等方的でないもののいずれの形態であっても構わない。   The structure (1) made of a conductive material is the same as that described in the first and second embodiments, and has a structure with point symmetry and strong optical rotatory power through plasmons generated in the conductive material. The structure (1) as shown in FIG. 3 is a single structure having point symmetry, or a plurality of the structures (1) as shown in FIG. The isolated microstructures may be in any form of point symmetry or a plurality of isolated microstructures that are not isotropic in shape.

導電性材料による構造体(2)ならびに構造体(3)は、第1および第2の実施例において構造体(2)について説明したものと同様で、2つの直交する直線偏光に対して、偏光異方性を有する構造であれば、円柱、楕円柱、回転楕円体、直方体形状など、いかなる形状であっても構わない。   The structure (2) and the structure (3) made of a conductive material are the same as those described for the structure (2) in the first and second embodiments, and are polarized with respect to two orthogonal linearly polarized lights. As long as the structure has anisotropy, it may have any shape such as a cylinder, an elliptical column, a spheroid, and a rectangular parallelepiped.

導電性材料による構造体(1)、構造体(2)ならびに構造体(3)に用いる材料は、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるAl、Au、Cu、Ag、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料が利用できる。   Materials used for the structure (1), the structure (2), and the structure (3) made of a conductive material are Al, Au, Cu, Ag, which are general metal materials that can strongly excite plasmons in the visible light region. A combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component can be used.

本偏光変換素子の構造体(1)、構造体(2)ならびに構造体(3)は、図11では、構造体(1)が支持体界面に配され、構造体(2)および構造体(3)が支持体内部に埋め込まれた構成を示したが、第1の実施例で図4を用いて説明したように、支持体内部に構造体(1)、構造体(2)および構造体(3)が全て埋め込まれた構造とし、外的衝撃に強い構成としてもよい。また、構造体(1)、構造体(2)、構造体(3)の積層の順序は特に制限する必要がない。例えば、図12に示すように、構造体(2)と構造体(3)の間に構造体(1)を配した構成であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスや、BK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラスが、CaF、ZnSe、Alなどの光学結晶材料などを利用する。 In FIG. 11, the structure (1), the structure (2), and the structure (3) of the present polarization conversion element are arranged on the support interface in FIG. 11, and the structure (2) and the structure ( 3) shows the configuration embedded in the support, but as described in the first embodiment with reference to FIG. 4, the structure (1), the structure (2), and the structure are provided inside the support. (3) may be a structure in which all are embedded, and may be configured to withstand external impacts. Further, the order of stacking the structure (1), the structure (2), and the structure (3) is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 12, the structure (1) may be arranged between the structure (2) and the structure (3). The material used as a support for holding these structures is preferably a transparent material having low absorption at a wavelength in the visible light region, such as quartz glass, borosilicate glass such as BK7 and Pyrex (registered trademark), CaF 2 , An optical crystal material such as ZnSe or Al 2 O 3 is used.

構造体(1)、構造体(2)および構造体(3)により構成されるユニットの配置の仕方は、第1の実施例における説明と同様であるが、周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。   The arrangement of the units constituted by the structure (1), the structure (2) and the structure (3) is the same as described in the first embodiment, but it is preferable to arrange them periodically. It is preferable that the interval between adjacent units is equal to or less than the wavelength of the incident light. Alternatively, a polarization conversion element having angle dependency may be configured by actively using the diffraction effect by setting the interval to the wavelength of incident light.

本偏光変換素子の作製方法は、第1の実施例において図5を用いて説明したとおりであり、電子ビームリソグラフィと反応性ドライエッチングを用いたリフトオフ法を利用して作製する。もしくは、電子ビームリソグラフィを用いる代わりに、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、ナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。   The manufacturing method of this polarization conversion element is as described with reference to FIG. 5 in the first embodiment, and is manufactured using a lift-off method using electron beam lithography and reactive dry etching. Alternatively, instead of using electron beam lithography, there are a method of performing batch exposure using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, and a method of manufacturing using nanoimprint processing technology.

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、2種類の対称性を有する導電性材料による構造体の積層構成を支持体上または支持体内部に形成しており、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有し、さらに構造体における散乱光に指向性を持たせる第3の構造体(3)を有しているために、偏光変換効率の高い偏光変換素子を実現することができる。   In the present polarization conversion element having the above-described configuration, a stacked structure of a structure made of a conductive material having two types of symmetry is formed on or inside the support, and of the two orthogonal polarization components Because of the third structure (3) that has the function of converting one component into the other component and that also gives the directivity to the scattered light in the structure, polarized light with high polarization conversion efficiency. A conversion element can be realized.

(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図3、5、9、13を参照して説明する。図13は、本偏光制御素子の構成ならびに本偏光変換素子内に含まれる導電性材料による構造体の形状を例示した図である。本偏光変換素子は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体(1)を同一面内に配置した構成を有するとともに、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対し1つの軸方向に連続したストライプ構造を有する導電性材料による構造体(2)を有し、構造体(1)および構造体(2)を支持体上または支持体内部に、入射する光の波長以下の間隔で積層した構成を有している。図13(a)および図13(b)は、構造体(2)を通る断面で本偏光制御素子を切断した平面図の2つの例を示しており、(a)は構造体(2)を構成する導電性材料部分に重なって構造体(1)を配した素子であり、(b)は構造体(2)を構成する導電性材料のないギャップ部分に重なるように構造体(1)を配した素子を示している。図13(a)、(b)のように、構造体(1)と構造体(2)の位置関係により、偏光変換特性は変化するが、偏光変換機能が発現する原理に違いはない。構造体(2)のように、導電性材料によるストライプ構造は、ワイヤグリッド偏光子として広く利用されており、強い偏光選択性を示す。また、構造体(1)は、点対称性な構造であるために旋光性を示すため、構造体(1)および構造体(2)と入射光が相互作用することにより、本偏光制御素子において偏光変換機能を得ることができる。
(Fourth embodiment)
A polarization conversion element according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a diagram illustrating the configuration of the polarization control element and the shape of a structure made of a conductive material included in the polarization conversion element. This polarization conversion element has a configuration in which a structure (1) made of a conductive material having a shape that is point-symmetric and has no line symmetry in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light is arranged in the same plane. And a structure (2) made of a conductive material having a stripe structure continuous in one axial direction with respect to two axes perpendicular to the propagation direction of incident light. The structure (1) and the structure (2) ) Are laminated on the support or inside the support at intervals equal to or less than the wavelength of the incident light. FIGS. 13A and 13B show two examples of plan views of the polarization control element cut along a cross section passing through the structure (2). FIG. 13 (a) shows the structure (2). It is an element in which the structure (1) is arranged so as to overlap with the conductive material portion constituting the structure, and (b) shows the structure (1) so as to overlap the gap portion without the conductive material constituting the structure (2). The arranged elements are shown. As shown in FIGS. 13A and 13B, the polarization conversion characteristics vary depending on the positional relationship between the structures (1) and (2), but there is no difference in the principle that the polarization conversion function appears. Like the structure (2), the stripe structure made of a conductive material is widely used as a wire grid polarizer and exhibits strong polarization selectivity. In addition, since the structure (1) has a point-symmetric structure and exhibits optical rotation, the structure (1) and the structure (2) interact with the incident light. A polarization conversion function can be obtained.

導電性材料による構造体(1)は、第1および第2の実施例で説明したものと同様であり、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであればよく、図3に示すような構造体(1)の形状が点対称性を有する単一の構造体であるもの、図9に示すような構造体(1)を構成する複数の孤立した微小構造体が点対称性に配されたもの、複数の孤立した微小構造体であり、さらに形状が等方的でないもののいずれの形態であっても構わない。構造体(1)の配置の仕方は、第1の実施例における説明と同様であるが、周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔(v)が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。   The structure (1) made of a conductive material is the same as that described in the first and second embodiments, and has a structure with point symmetry and strong optical rotatory power through plasmons generated in the conductive material. The structure (1) as shown in FIG. 3 is a single structure having point symmetry, or a plurality of the structures (1) as shown in FIG. The isolated microstructures may be in any form of point symmetry or a plurality of isolated microstructures that are not isotropic in shape. The arrangement of the structures (1) is the same as described in the first embodiment, but it is preferable to arrange them periodically, and the interval (v) between adjacent units is equal to or less than the wavelength of the incident light. Is preferable. Alternatively, a polarization conversion element having angle dependency may be configured by actively using the diffraction effect by setting the interval to the wavelength of incident light.

導電性材料による構造体(2)は、偏光選択性を有するとともに、ストライプ構造による入射光の回折を生じないように、入射光の波長以下の間隔で導電性材料のストライプ構造が形成された構造とする。   The structure (2) made of a conductive material has a polarization selectivity and a structure in which a stripe structure of a conductive material is formed at intervals equal to or smaller than the wavelength of the incident light so as not to cause diffraction of the incident light due to the stripe structure. And

導電性材料による構造体(1)ならびに構造体(2)に用いる材料は、第1の実施例と同様でよく、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるAl、Au、Cu、Ag、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料が利用できる。   The materials used for the structure (1) and the structure (2) made of a conductive material may be the same as those in the first embodiment, and Al, Au, which are general metal materials that can strongly excite plasmons in the visible light region. Cu, Ag, a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component can be used.

本偏光変換素子の構造体(1)および構造体(2)は、第1および第2の実施例と同様に、支持体界面に構造体(1)または構造体(2)が配置された構成であっても、構造体(1)および構造体(2)がともに支持体内部に埋め込まれた構成であってもよい。支持体内部に構造体(1)および構造体(2)が埋め込まれた構成の素子は、外的衝撃に強い利点がある。また、構造体(1)と構造体(2)の積層の順序は特に制限する必要がなく、光の入射方向に対していずれの順であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスや、BK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラスが、CaF、ZnSe、Alなどの光学結晶材料などを利用する。 The structure (1) and the structure (2) of the present polarization conversion element have a structure in which the structure (1) or the structure (2) is arranged at the support interface, as in the first and second embodiments. Alternatively, the structure (1) and the structure (2) may be both embedded in the support. The element in which the structure (1) and the structure (2) are embedded in the support has an advantage of being strong against external impacts. Further, the order of stacking the structure (1) and the structure (2) is not particularly limited, and may be any order with respect to the light incident direction. The material used as a support for holding these structures is preferably a transparent material having low absorption at a wavelength in the visible light region, such as quartz glass, borosilicate glass such as BK7 and Pyrex (registered trademark), CaF 2 , An optical crystal material such as ZnSe or Al 2 O 3 is used.

本偏光変換素子の作製方法は、第1の実施例において図5を用いて説明したとおりであり、電子ビームリソグラフィと反応性ドライエッチングを用いたリフトオフ法を利用して作製する。もしくは、電子ビームリソグラフィを用いる代わりに、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、ナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。   The manufacturing method of this polarization conversion element is as described with reference to FIG. 5 in the first embodiment, and is manufactured using a lift-off method using electron beam lithography and reactive dry etching. Alternatively, instead of using electron beam lithography, there are a method of performing batch exposure using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, and a method of manufacturing using nanoimprint processing technology.

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、点対称性を有する導電性材料による構造体を、導電性材料によるストライプ構造に隣接して積層した構成を支持体上または支持体内部に形成しており、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく、ランダム偏光を直線偏光に効率良く変換することができ、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。   In this polarization conversion element having the above configuration, a structure in which a structure made of a conductive material having point symmetry is laminated adjacent to a stripe structure made of a conductive material is formed on or inside the support. Because it has the function of converting one of the two orthogonal polarization components to the other, it can efficiently convert random polarized light into linearly polarized light without combining multiple optical elements. Thus, the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price.

(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図2、3、5、8、9、11、13、14を参照して説明する。図14は、本偏光変換素子の構成を説明する、入射する光の伝搬方向と平行な面で本偏光変換素子を切断した断面図である。本偏光変換素子は、第1〜第4の実施例で説明した偏光変換素子と同様に、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有する導電性材料による構造体(1)を同一面内に配置した構成を有するとともに、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対して長さの異なる形状を有する導電性材料による構造体(2)を少なくとも配した構成を有している。もしくは、第4の実施例に説明したように、構造体(2)として、導電性材料によるストライプ構造を用いた素子であってもよい。さらに、本偏光変換素子は、構造体(1)、構造体(2)に接するように、もしくは被覆するように、支持体とは屈折率の異なる誘電体膜を設けた構成を有している。
(Fifth embodiment)
A polarization conversion element according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3, 5, 8, 9, 11, 13, and 14. FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the polarization conversion element, which is cut along a plane parallel to the propagation direction of incident light. Similar to the polarization conversion elements described in the first to fourth embodiments, this polarization conversion element is a conductive material having a shape that is point-symmetric and has no line symmetry in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light. The structure (2) having a configuration in which the structure (1) made of the conductive material is arranged in the same plane and has different shapes with respect to two axes orthogonal to the propagation direction of the incident light ) At least. Alternatively, as described in the fourth embodiment, the structure (2) may be an element using a stripe structure made of a conductive material. Furthermore, this polarization conversion element has a configuration in which a dielectric film having a refractive index different from that of the support is provided so as to be in contact with or cover the structure (1) and the structure (2). .

誘電体膜が導電性材料による構造体に接する場合、誘電体膜材料の屈折率に応じて導電性材料中に生じるプラズモンの共鳴波長がシフトする。例えば、支持体よりも屈折率の高い誘電体材料を誘電体膜として利用すると、プラズモンの共鳴波長が長波長側にシフトする。したがって、誘電体膜材料の選択により、本偏光変換素子の動作波長帯域を選択することができる。また、誘電体膜により構造体を被覆することにより、外的衝撃に強い偏光変換素子を提供することが可能となる。誘電体膜材料は、支持体と同様に吸収性、ならびに偏光に対する異方性の少ない材料が好ましく、光学素子のコーティング材料として一般的に使用される、石英ガラス、BK7、パイレックス(登録商標)、ZnS−SiOなどの硼珪酸ガラス、CaF、Si、ZnSe、Al、ZnOなどが適している。誘電体膜として、多層膜を用いる構成であっても構わず、この場合、反射率や透過率の制御が可能となる。 When the dielectric film is in contact with a structure made of a conductive material, the resonance wavelength of plasmons generated in the conductive material is shifted according to the refractive index of the dielectric film material. For example, when a dielectric material having a higher refractive index than that of the support is used as the dielectric film, the plasmon resonance wavelength shifts to the longer wavelength side. Therefore, the operating wavelength band of the present polarization conversion element can be selected by selecting the dielectric film material. In addition, by covering the structure with a dielectric film, it is possible to provide a polarization conversion element that is resistant to external impact. The dielectric film material is preferably a material having low absorptivity and low anisotropy with respect to polarized light in the same manner as the support, and is generally used as a coating material for optical elements, such as quartz glass, BK7, Pyrex (registered trademark), Borosilicate glass such as ZnS—SiO 2 , CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 , ZnO and the like are suitable. A multilayer film may be used as the dielectric film, and in this case, the reflectance and transmittance can be controlled.

本偏光変換素子における偏光変換機能は、第1〜第4の実施例における説明と同様であり、導電性材料による構造体(1)の有する旋光性と、構造体(2)ないしは構造体(2)および構造体(3)の有する偏光選択性の競合効果に起因している。そのため、導電性材料による構造体(1)は、点対称性をもつ構造で、導電性材料内に生じるプラズモンを介した強い旋光性を発するものであればよく、図3に示すような構造体(1)の形状が点対称性を有する単一の構造体であるもの、図9に示すような構造体(1)を構成する複数の孤立した微小構造体が点対称性に配されたもの、複数の孤立した微小構造体であり、さらに形状が等方的でないもののいずれの形態であっても構わない。また、導電性材料による構造体(2)は、図2または図8の断面CCに示したような、孤立した偏光選択性を有する構造であっても、図13に示したような連続的なストライプ構造であっても構わない。また、図11に示したように、第3の構造体(3)を配置することにより、散乱光の指向性を向上させ、偏光変換効率を向上させたものであってもよい。構造体(1)、または構造体(1)と構造体(2)(および構造体(3))によるユニットの配置の仕方は、第1の実施例における説明と同様に、周期的に配列するほうが好ましく、また、隣接するユニットとの間隔が、入射光の波長以下であるほうが好ましい。もしくは、入射光の波長程度の間隔(v)とすることにより、回折効果を積極的に利用し、角度依存性を有する偏光変換素子を構成してもよい。本編変換素子に使用する導電性材料による構造体(1)ならびに構造体(2)に用いる具体的な材料は、可視光領域でプラズモンを強く励振できる一般的な金属材料であるAl、Au、Cu、Ag、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料が利用できる。   The polarization conversion function of this polarization conversion element is the same as described in the first to fourth embodiments. The optical rotation of the structure (1) made of a conductive material and the structure (2) or structure (2 ) And the structure (3) are caused by the competitive effect of polarization selectivity. Therefore, the structure (1) made of a conductive material may be any structure as long as it has a point symmetry and emits strong optical rotation through plasmons generated in the conductive material. The shape of (1) is a single structure having point symmetry, or a plurality of isolated microstructures constituting the structure (1) as shown in FIG. 9 are arranged in point symmetry These may be any form of a plurality of isolated microstructures that are not isotropic in shape. Further, the structure (2) made of a conductive material is a continuous structure as shown in FIG. 13 even if it has an isolated polarization selectivity as shown in the cross section CC of FIG. 2 or FIG. A stripe structure may be used. Moreover, as shown in FIG. 11, the directivity of scattered light may be improved and the polarization conversion efficiency may be improved by arranging the third structure (3). The arrangement of the units by the structure (1) or the structure (1) and the structure (2) (and the structure (3)) is periodically arranged as described in the first embodiment. It is more preferable that the interval between adjacent units is less than or equal to the wavelength of the incident light. Alternatively, a polarization conversion element having an angle dependency may be configured by actively using the diffraction effect by setting the interval (v) to the wavelength of incident light. Specific materials used for the structure (1) and the structure (2) of the conductive material used for the main conversion element are Al, Au, and Cu, which are general metal materials that can strongly excite plasmons in the visible light region. , Ag, a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component can be used.

本偏光変換素子の構造体(1)および構造体(2)は、支持体界面に構造体(1)または構造体(2)(または構造体(3))が配置された構成をとる。また、構造体(1)と構造体(2)(および構造体(3))の積層の順序は特に制限する必要がなく、光の入射方向に対していずれの順であっても構わない。これらの構造体を保持する支持体として用いる材料は、可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスや、BK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラスが、CaF、ZnSe、Alなどの光学結晶材料などを利用する。 The structure (1) and the structure (2) of the present polarization conversion element have a configuration in which the structure (1) or the structure (2) (or the structure (3)) is disposed at the support interface. Further, the order of stacking the structure (1) and the structure (2) (and the structure (3)) is not particularly limited, and may be any order with respect to the incident direction of light. The material used as a support for holding these structures is preferably a transparent material having low absorption at a wavelength in the visible light region, such as quartz glass, borosilicate glass such as BK7 and Pyrex (registered trademark), CaF 2 , An optical crystal material such as ZnSe or Al 2 O 3 is used.

本偏光変換素子の作製方法は、第1の実施例において図5を用いて説明したとおりであり、電子ビームリソグラフィと反応性ドライエッチングを用いたリフトオフ法を利用して作製する。もしくは、電子ビームリソグラフィを用いる代わりに、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法や、ナノインプリント加工技術などを利用して作製する方法もある。   The manufacturing method of this polarization conversion element is as described with reference to FIG. 5 in the first embodiment, and is manufactured using a lift-off method using electron beam lithography and reactive dry etching. Alternatively, instead of using electron beam lithography, there are a method of performing batch exposure using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, and a method of manufacturing using nanoimprint processing technology.

以上の構成を有する本偏光変換素子においては、点対称性を有する導電性材料による構造体を、偏光選択性を有する導電性材料による構造体に隣接して積層した構成を支持体上または支持体内部に形成し、さらに誘電体膜を形成することにより、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ変換する機能を有し、動作波長帯域を制御することが可能であり、さらに外的衝撃に強い素子を提供することができる。   In this polarization conversion element having the above configuration, a structure in which a structure made of a conductive material having point symmetry is laminated adjacent to a structure made of a conductive material having polarization selectivity is provided on the support or the support. By forming it inside and further forming a dielectric film, it has the function of converting one of the two orthogonal polarization components into the other, and can control the operating wavelength band. Furthermore, it is possible to provide an element that is resistant to external impacts.

本発明の偏光変換素子の機能を説明する図である。It is a figure explaining the function of the polarization conversion element of the present invention. 本発明の第1の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the polarization conversion element of the 1st Embodiment of this invention. 導電性材料による構造体1の形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the structure 1 by an electroconductive material. 本発明の第1の実施の形態の偏光変換素子の異なる構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the different structure of the polarization conversion element of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の偏光変換素子の作製工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the polarization conversion element of this invention. 数値シミュレーションのモデルを説明する図である。It is a figure explaining the model of numerical simulation. 数値シミュレーションの結果を説明する図である。It is a figure explaining the result of numerical simulation. 本発明の第2の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the polarization conversion element of the 2nd Embodiment of this invention. 導電性材料による構造体1の形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the structure 1 by an electroconductive material. 微小構造体のサイズの定義を説明する図である。It is a figure explaining the definition of the size of a microstructure. 本発明の第3の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the polarization conversion element of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態の偏光変換素子の異なる構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the different structure of the polarization conversion element of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the polarization conversion element of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態の偏光変換素子の構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the polarization conversion element of the 5th Embodiment of this invention. 特許文献1を説明する図である。It is a figure explaining patent document 1. 特許文献2を説明する図である。It is a figure explaining patent document 2. FIG. 特許文献3を説明する図である。It is a figure explaining patent document 3. FIG. 特許文献4を説明する図である。It is a figure explaining patent document 4. 特許文献5を説明する図である。It is a figure explaining patent document 5. 特許文献6を説明する図である。It is a figure explaining patent document 6. FIG. 特許文献7を説明する図である。It is a figure explaining patent document 7. 特許文献8を説明する図である。It is a figure explaining patent document 8. 特許文献9を説明する図である。It is a figure explaining patent document 9. FIG. 特許文献10〜13を説明する図である。It is a figure explaining patent documents 10-13.

符号の説明Explanation of symbols

(図15について)
1 無偏光光源光
2 レンズ板
3 偏光変換板
4 偏光ビームスプリッタ
5 プリズム
6 1/2波長板
10 液晶表示板
(図16について)
1 偏光変換素子
2 第1の透光性部材
2a 光の入射面
2b 光の出射面
2c 第1の膜形成面
2d 第2の膜形成面
3 第2の透光性部材
3a 光の入射面
3b 光の出射面
4 反射板
5 1/2波長板
10 偏光分離膜
10a 第1の偏光分離膜層
10b 第2の偏光分離膜層
11 高屈折率膜(ランタンチタネート膜)
12 第1の低屈折率膜(SiO膜)
13 第2の低屈折率膜(MgF膜)
14 ガラス平板
(図17について)
20 偏光分離膜
30 反射膜
320 偏光変換素子
321 基板
322 基板
330 偏光分離素子
381 λ/2位相差板
(図18について)
10 偏光変換素子
11 第1のプリズム
11a 入射面
11d 第1の出射面
12 第2のプリズム
12a 第2の出射面
13 偏光分離膜
14 反射膜
15 1/2波長板
15a 第1の水晶板
15b 第2の水晶板
16 肉厚部
18 レンズアレイ
(図19について)
1 楔形プリズム
2 偏光分離材料
3 レンズベース
4 マイクロレンズアレイ
5 樹脂層
7 1/2波長素子
(図20について)
5 波長選択性偏光変換素子
31 反射膜
32 波長選択性偏光分離膜
33 位相差板
34 遮光板
(図21について)
5 偏光変換素子
6 複屈折板
7 1/2波板
(図22について)
3 異方性フィルム
4 ビーム光
11 等方性材料からなる層
12 異方性(一軸性)材料からなる層
(図23について)
10 偏光分離部
20 位相変調部
100 光束
(図24aについて)
1 支持基板
2 金属微小構造体
4 入射光
5a 透過光
5b 反射光
6 金属複合構造体
(図24bについて)
1 ガラス基板
2 金属粒子
4 直線編光
5 楕円編光
10 編光制御素子
(図24cについて)
1 誘電体層
2 第1の金属粒子
3 第2の金属粒子
10 編光制御素子
(図24dについて)
1 ガラス基板
2 金属微小構造
4 直線編光
5 楕円編光
6 金属微小構造体
10 編光制御素子
(About Figure 15)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Non-polarized light source light 2 Lens plate 3 Polarization conversion plate 4 Polarizing beam splitter 5 Prism 6 1/2 wavelength plate 10 Liquid crystal display plate (about FIG. 16)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polarization conversion element 2 1st light-transmissive member 2a Light incident surface 2b Light output surface 2c First film formation surface 2d Second film formation surface 3 Second light-transmissive member 3a Light incident surface 3b Light exit surface 4 Reflector 5 Half-wave plate 10 Polarization separation film 10a First polarization separation film layer 10b Second polarization separation film layer 11 High refractive index film (lanthanum titanate film)
12 First low refractive index film (SiO 2 film)
13 Second low refractive index film (MgF 2 film)
14 Glass flat plate (About Fig. 17)
20 Polarization separation film 30 Reflection film 320 Polarization conversion element 321 Substrate 322 Substrate 330 Polarization separation element 381 λ / 2 phase difference plate (about FIG. 18)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polarization conversion element 11 1st prism 11a Incident surface 11d 1st output surface 12 2nd prism 12a 2nd output surface 13 Polarization separation film 14 Reflective film 15 1/2 wavelength plate 15a 1st crystal plate 15b 1st 2 crystal plate 16 thick part 18 lens array (FIG. 19)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wedge prism 2 Polarization separation material 3 Lens base 4 Micro lens array 5 Resin layer 7 1/2 wavelength element (about FIG. 20)
5 Wavelength Selective Polarization Conversion Element 31 Reflective Film 32 Wavelength Selective Polarization Separating Film 33 Phase Difference Plate 34 Light-shielding Plate (About FIG. 21)
5 Polarization Conversion Element 6 Birefringent Plate 7 1/2 Wave Plate (About FIG. 22)
3 Anisotropic film 4 Beam light 11 Layer made of isotropic material 12 Layer made of anisotropic (uniaxial) material (about FIG. 23)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polarization separation part 20 Phase modulation part 100 Light beam (About FIG. 24a)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support substrate 2 Metal microstructure 4 Incident light 5a Transmitted light 5b Reflected light 6 Metal composite structure (about FIG. 24b)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Metal particle 4 Straight knitting light 5 Elliptical knitting light 10 Knitting light control element (about FIG. 24c)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric layer 2 1st metal particle 3 2nd metal particle 10 Braided light control element (about FIG. 24d)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Metal microstructure 4 Linear knitting light 5 Elliptical knitting light 6 Metal microstructure 10 Knitting light control element

Claims (6)

支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体(1)と導電性材料による構造体(2)を光の波長以下の間隔(v)で配したユニットを同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体(1)は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有し、該構造体(2)は、入射する光の伝搬方向に直交する2つの軸に対して長さの異なる形状を有することを特徴とする偏光変換素子。 On the support or inside the support, at least the structure (1) made of the conductive material and the structure (2) made of the conductive material in the direction parallel to the propagation direction of the incident light are separated by a distance less than the wavelength of the light (v) The structure (1) has a configuration with point symmetry and no line symmetry in a plane perpendicular to the propagation direction of incident light. And the structure (2) has a shape having different lengths with respect to two axes orthogonal to a propagation direction of incident light. 前記構造体1が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、2個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする請求項1に記載の偏光変換素子。 The structure 1 is composed of a microstructure made of a plurality of conductive materials, and two or more of the microstructures are arranged close to each other at an interval equal to or smaller than the size of the microstructure. The polarization conversion element according to claim 1. 前記構造体(1)を形成する面の上、または前記構造体(2)を形成する面の下に、前記構造体(2)と同じ軸方向に配向した形状を有する導電性材料による構造体(3)を配したことを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光変換素子。 A structure made of a conductive material having a shape oriented in the same axial direction as that of the structure (2) on the surface forming the structure (1) or below the surface forming the structure (2) The polarization conversion element according to claim 1, wherein (3) is arranged. 支持体上または支持体内部に、入射する光の伝搬方向に平行な方向に少なくとも導電性材料による構造体(1)および導電性材料による構造体(2)を有し、該構造体(1)は、入射する光の伝搬方向と垂直な面内において点対称であり且つ線対称性のない形状を有するとともに、光の波長以下の間隔(v)で該構造体(2)に近接して、同一面内に複数個配置した構成を有し、該構造体(2)は、入射する光の伝搬方向と直交する2つの軸に対し、1つの軸方向に連続したストライプ構造を有することを特徴とする偏光変換素子。 At least a structure (1) made of a conductive material and a structure (2) made of a conductive material in a direction parallel to the propagation direction of incident light on or inside the support, the structure (1) Has a shape that is point-symmetric in the plane perpendicular to the propagation direction of incident light and has no line symmetry, and is close to the structure (2) at an interval (v) equal to or less than the wavelength of the light, The structure (2) has a configuration in which a plurality of elements are arranged in the same plane, and the structure (2) has a stripe structure continuous in one axial direction with respect to two axes orthogonal to the propagation direction of incident light. A polarization conversion element. 前記構造体1が、複数個の導電性材料による微小構造体により構成され、2個以上の該微小構造体を、該微小構造体のサイズ以下の間隔で近接して配置したことを特徴とする請求項4に記載の偏光変換素子。 The structure 1 is composed of a microstructure made of a plurality of conductive materials, and two or more of the microstructures are arranged close to each other at an interval equal to or smaller than the size of the microstructure. The polarization conversion element according to claim 4. 前記構造体(1)または構造体(2)に接する、または、被覆する誘電体膜を配したことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の偏光変換素子。 The polarization conversion element according to any one of claims 1 to 5, further comprising a dielectric film in contact with or covering the structure (1) or the structure (2).
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