JP2011186252A - Polarization converting element - Google Patents

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JP2011186252A JP2010052409A JP2010052409A JP2011186252A JP 2011186252 A JP2011186252 A JP 2011186252A JP 2010052409 A JP2010052409 A JP 2010052409A JP 2010052409 A JP2010052409 A JP 2010052409A JP 2011186252 A JP2011186252 A JP 2011186252A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarization converting element which can be miniaturized and manufactured at low cost. <P>SOLUTION: The polarization converting element includes: a first deflecting part 11 for deflecting incident light in two directions to emit deflected light beams where a first region 11a for deflecting the light in one of the two directions and a second region 11b for deflecting the light in the other direction are alternately formed with a prescribed width; a polarization separating part 12 which emits the light of polarized components orthogonal to each other at different angles; a second deflecting part 14 for emitting light at different incident angles as light at an emission angle in approximately the same direction; and a polarization rotating part 15 where 1/4 retardation parts are formed with the prescribed width at intervals of the same lengths as the prescribed width. The polarization separating part and the second deflecting part are spaced by a prescribed gap, and the first deflecting part, the polarization separating part, the second deflecting part, and the polarization rotating part are all formed on a transparent substrate surface or formed of a film structure formed on the transparent substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、偏光変換素子に関する。   The present invention relates to a polarization conversion element.

従来の偏光変換素子について、以下に記載する偏光変換素子の要素技術に基づき説明する。   A conventional polarization conversion element will be described based on the elemental technology of the polarization conversion element described below.

偏光とは、光の電気振動(または、電気信号に直交する磁気振動)の振動方向がランダムな状態である白色光に対し、振動の方向が揃っている光である。   Polarized light is light in which the direction of vibration is uniform with respect to white light in which the vibration direction of light's electric vibration (or magnetic vibration orthogonal to the electric signal) is random.

代表的な、偏光制御素子として偏光選択素子があり、例えば、偏光板がある。この偏光板は、自然偏光や偏光した光から特定の偏光成分を取り出す素子であり、入射光の直交する偏光の二成分の一方のみを透過させ、他方を吸収または反射、散乱させることにより遮蔽するものである。現在広く使われている液晶パネルにおいては、偏光板を用いることにより画像表示させている。このような偏光板は、ヨウ素や有機染料等を含ませた高分子のフィルムを特定方向に延伸させることにより形成されるものであり、一定方向の直線偏光の光だけを透過させ、この直線偏光の光に直交する偏光の光を吸収する構成のフィルム型の偏光板が広く実用化されている(例えば、特許文献1)。   A typical polarization control element is a polarization selection element, for example, a polarizing plate. This polarizing plate is an element that extracts a specific polarization component from naturally-polarized light or polarized light, and transmits only one of the two orthogonally polarized components of incident light and shields it by absorbing, reflecting, or scattering the other. Is. In a liquid crystal panel that is widely used at present, an image is displayed by using a polarizing plate. Such a polarizing plate is formed by stretching a polymer film containing iodine or an organic dye in a specific direction, and transmits only linearly polarized light in a certain direction. A film-type polarizing plate having a structure that absorbs polarized light orthogonal to this light has been widely put into practical use (for example, Patent Document 1).

また、別の偏光制御素子として、偏光分離素子がある。偏光分離素子は、入射角度に対して二つの偏光成分における反射率、透過率の違いを利用して、各偏光成分の出射角度を分離する機能を有する素子である。   Another polarization control element is a polarization separation element. The polarization separation element is an element having a function of separating the emission angle of each polarization component by utilizing the difference in reflectance and transmittance between the two polarization components with respect to the incident angle.

一例として、結晶の複屈折性を利用したプリズム型偏光子が知られている。複屈折を利用する偏光子は、光学結晶材料により形成されており、通常、ルチルや方解石等の高価な結晶をくさび形またはプリズム型に精密に加工をすることにより形成される。このようにして形成された素子は、極めて高価であり、また、所定の大きさを必要とするため小型化が困難であり、使用できる波長領域に制限がある等の課題があった。   As an example, a prism type polarizer utilizing the birefringence of a crystal is known. A polarizer using birefringence is formed of an optical crystal material, and is usually formed by precisely processing an expensive crystal such as rutile or calcite into a wedge shape or a prism shape. The element formed in this way is extremely expensive, and requires a predetermined size, so that it is difficult to reduce the size, and there is a problem that a usable wavelength region is limited.

このような結晶を用いた素子に対して、分離性能は劣るものの安価に入手することができるものとして、誘電体多層膜を用いた偏光ビームスプリッタがある。このような偏光ビームスプリッタとしては、ガラス製のプリズム面や基板面に、誘電体多層膜を積層したものが知られている。膜のそれぞれの界面において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偏光(入射面に平行な偏光)は多層膜を透過し、S偏光(入射面に垂直な偏光)は反射するため、偏光方向に応じて光を分離することができる。   As an element using such a crystal, a polarizing beam splitter using a dielectric multilayer film can be obtained at a low cost although the separation performance is inferior. As such a polarizing beam splitter, one in which a dielectric multilayer film is laminated on a glass prism surface or a substrate surface is known. By setting the film structure and incident angle so that the Brewster angles are at each interface of the film, P-polarized light (polarized light parallel to the incident surface) is transmitted through the multilayer film and S-polarized light (incident on the incident surface). Since the vertical polarized light is reflected, the light can be separated according to the polarization direction.

また別の偏光制御素子として、1/2波長板や1/4波長板等のようにリタデーションプレートとして用いられているものがある。リタデーションプレートは、複屈折性の材料により形成されており、結晶の配向に依存した常光線と異常光線との屈折率の違いにより、偏光状態を変調するものである。この常光線と異常光線との光路差が波長の1/2となるものが1/2波長板(half-wave plate)であり、波長の1/4となるものが1/4波長板(quarter-wave plate)である。このような複屈折性を示す材料としては、液晶プロジェクタ等の映像機器に広く用いられている高分子フィルムが挙げられる。このような高分子フィルムは、ポリビニルアルコールやポリカーボネートの透明フィルムを一定方向に延伸させて位相差を形成し、これをリターダンス(屈折率異方性)が得られるように積層させたものが一般的である。しかしながら、このような樹脂フィルムは、紫外線に対して影響を受けやすく、また、長時間使用することにより特性が劣化し、透明度が低下する等の信頼性において問題を有している。また、使用する際の温度条件が厳しく、液晶プロジェクタ等で使用する場合、使用環境における温度上昇を防ぐため、空冷のための冷却機構等を設ける必要がある。しかしながら、このような冷却機構等を用いた場合、偏光制御素子や光学系に埃等が付着し表示される画像の品質を低下させてしまう。   Another polarization control element is used as a retardation plate such as a half-wave plate or a quarter-wave plate. The retardation plate is made of a birefringent material, and modulates the polarization state by the difference in refractive index between ordinary light and extraordinary light depending on crystal orientation. A half-wave plate is a half-wave plate in which the optical path difference between the ordinary ray and the extraordinary ray is ½ of the wavelength, and a quarter-wave plate (quarter) is the quarter of the wavelength. -wave plate). Examples of such a material exhibiting birefringence include polymer films widely used in video equipment such as liquid crystal projectors. Such a polymer film is generally formed by stretching a transparent film of polyvinyl alcohol or polycarbonate in a certain direction to form a retardation, and laminating it so as to obtain a retardance (refractive index anisotropy). Is. However, such a resin film is susceptible to ultraviolet rays, and has a problem in reliability such as deterioration in characteristics and transparency due to long-term use. Further, the temperature conditions during use are severe, and when used in a liquid crystal projector or the like, it is necessary to provide a cooling mechanism or the like for air cooling in order to prevent temperature rise in the usage environment. However, when such a cooling mechanism or the like is used, dust or the like adheres to the polarization control element or the optical system, thereby degrading the quality of the displayed image.

更に、別の例として旋光素子がある。旋光素子は、直線偏光の偏光面を任意に回転させ、直線偏光のまま出射させる素子である。このような偏光制御素子は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイにおける画素のオン・オフの制御に用いられる。この他の用途としては、エリプソメトリー(偏光解析)等の光測定技術や、レーザ干渉計、光シャッタ等が挙げられ、様々な光学機器又は計測機器に用いられている。特に、液晶プロジェクタ等の画像投影装置に用いられるものとして、旋光素子の需要が伸びている。   Furthermore, there is an optical rotation element as another example. The optical rotatory element is an element that arbitrarily rotates the polarization plane of linearly polarized light and emits the linearly polarized light as it is. Such a polarization control element is used, for example, for on / off control of pixels in a liquid crystal panel or an organic EL (Electro Luminescence) display. Other applications include optical measurement techniques such as ellipsometry (polarization analysis), laser interferometers, optical shutters, and the like, which are used in various optical instruments or measuring instruments. In particular, the demand for optical rotatory elements is increasing as used in image projection apparatuses such as liquid crystal projectors.

液晶パネル等に用いられる偏光選択素子の多くは、ポリビニルアルコール等の基板フィルムにヨウ素や有機染料等の二色性の材料を染色、吸着させ、延伸、配向させることで吸収二色性を得ることができるものである。   Many polarization selective elements used in liquid crystal panels and the like obtain absorption dichroism by dyeing, adsorbing, stretching and orienting dichroic materials such as iodine and organic dyes on a substrate film such as polyvinyl alcohol. It is something that can be done.

ところで、上述した1/2波長板における問題点を解決する方法として、高分子フィルムに代えて、無機ガラス材料を用いた位相変調素子がある。具体的には、屈折率の異なる2つの媒質(例えば、一方が空気で、他方が等方性媒質)が光の波長よりも短い周期構造を持つような構造であるサブ波長構造(SWS:Sub Wavelength Structure)を有する光学素子が広く開発されている。このような光の波長よりも短い周期構造に関する技術としては、特許文献2から4、非特許文献1に記載されている。   By the way, as a method for solving the above-described problems in the half-wave plate, there is a phase modulation element using an inorganic glass material instead of the polymer film. Specifically, a sub-wavelength structure (SWS: Sub) in which two media having different refractive indices (for example, one is air and the other isotropic medium) has a periodic structure shorter than the wavelength of light. Optical elements having a wavelength structure have been widely developed. Patent Documents 2 to 4 and Non-Patent Document 1 describe techniques relating to such a periodic structure shorter than the wavelength of light.

このサブ波長構造を有する光学素子は、波長以上の周期を有する構造体により形成される回折光学素子とは、原理的に大きく異なる特性を有しており、特に、周期が光の波長よりも短い回折格子は、サブ波長回折格子と称されている。その中でも、更に周期が短く透過、反射ともに0次回折光しか出現しない周期を有する格子は0次格子と称されている。このような0次格子は、高次の回折光が存在しないため、高次回折光により発生するエネルギー損失がない。よって、光利用効率の高い光学素子である。   An optical element having this sub-wavelength structure has characteristics that are largely different from that of a diffractive optical element formed by a structure having a period equal to or greater than the wavelength, and in particular, the period is shorter than the wavelength of light. The diffraction grating is called a subwavelength diffraction grating. Among them, a grating having a period with a shorter period in which only 0th-order diffracted light appears in both transmission and reflection is called a 0th-order grating. Such a zero-order grating has no energy loss caused by high-order diffracted light because there is no high-order diffracted light. Therefore, the optical element has high light utilization efficiency.

このようにサブ波長構造の光学素子を透過した0次回折光は、格子構造に起因する屈折率変化により位相変調が生じることが知られている。例えば、構造周期を一定とし、単位周期あたりの凹部と凸部の面積比を変調(フィルファクター変調)することにより、透過光の波面を制御し、透過光を集光する素子が実現されている。   As described above, it is known that the 0th-order diffracted light transmitted through the optical element having the sub-wavelength structure undergoes phase modulation due to the refractive index change caused by the grating structure. For example, an element that controls the wavefront of transmitted light and condenses the transmitted light by modulating the area ratio between the concave and convex portions per unit period (fill factor modulation) has been realized. .

また、特許文献2では、同様に周期構造のフィルファクター変調をし、かつ、構造体の領域を分割することで、空間的に位相を変調した構造の回折光学素子が開示されている。   Similarly, Patent Document 2 discloses a diffractive optical element having a structure in which phase is spatially modulated by performing fill factor modulation of a periodic structure and dividing a region of the structure.

また、特許文献3では、円柱状のサブ波長構造体を用い、同様に単位面積当たりの円柱構造が占める面積を変調することにより得られる位相変調光学素子が開示されている。   Patent Document 3 discloses a phase modulation optical element obtained by using a cylindrical sub-wavelength structure and similarly modulating the area occupied by the cylindrical structure per unit area.

また、偏光選択素子としては、ワイヤグリッド構造等の微細周期構造を用いたものがある。無機材料による偏光制御素子としては、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。このような偏光子は、量産性が高く、低コストでの製造することができ、耐熱性に優れている。この偏光子は数μmの波長の赤外光に対して、機能する偏光素子として知られていたが、近年の微細加工技術が進歩したため、特許文献5に示されるような可視波長(400〜700nm)においても機能するワイヤグリッド構造が開示されている。   In addition, as the polarization selection element, there is an element using a fine periodic structure such as a wire grid structure. As a polarization control element made of an inorganic material, a wire grid polarizer in which a gold or aluminum fine wire is formed on a transparent substrate has been proposed. Such a polarizer has high mass productivity, can be manufactured at low cost, and has excellent heat resistance. This polarizer has been known as a polarizing element that functions with respect to infrared light having a wavelength of several μm. However, because of recent advances in microfabrication technology, a visible wavelength (400 to 700 nm as shown in Patent Document 5) is known. ) Also discloses a wire grid structure that functions.

ところで、偏光変換素子は、上述した偏光制御素子を組み合わせることにより形成されるものであり、光利用効率の向上のために広く利用されている。このような偏光変換素子は、ランプ光源またはLED(Light Emitting Diode)光源等から出射されるランダム偏光成分を直交する二つの偏光成分に分離して、一方の直線偏光成分の偏光面を90度回転させ、偏光成分を特定の偏光方向に揃える機能を有している。これにより、特定方向の偏光に対し50%以上の光利用効率を得ることができ、よって、特定方向の直線偏光を用いる光学機器において用いることが好ましい。   By the way, the polarization conversion element is formed by combining the above-described polarization control elements, and is widely used for improving the light utilization efficiency. Such a polarization conversion element separates a random polarization component emitted from a lamp light source or an LED (Light Emitting Diode) light source into two orthogonal polarization components, and rotates the polarization plane of one linear polarization component by 90 degrees. And has a function of aligning the polarization components in a specific polarization direction. Thereby, it is possible to obtain a light use efficiency of 50% or more with respect to polarized light in a specific direction. Therefore, it is preferable to use it in an optical apparatus using linear polarized light in a specific direction.

このような素子としては、特許文献6等に示されるように偏光分離、光路分岐した偏光成分をレンズアレイにて集光し、特定の偏光成分のみ偏光回転部を透過させて偏光方向を揃える素子と、特許文献7等に示されるように偏光ビームスプリッタアレイと偏光回転部を用いる素子とがある。   As such an element, as shown in Patent Document 6 or the like, an element that condenses polarized light components that have undergone polarization separation and optical path branching by a lens array, and transmits only a specific polarized light component through the polarization rotating unit to align the polarization direction. And a device using a polarization beam splitter array and a polarization rotation unit as disclosed in Patent Document 7 and the like.

しかしながら、このような素子の場合、複数の偏光制御素子を必要とし、光学素子の数を削減することが困難なことから、高価なものとなり、更には、大型化する傾向にある。   However, such an element requires a plurality of polarization control elements, and it is difficult to reduce the number of optical elements, so that it becomes expensive and tends to increase in size.

即ち、特許文献6等に記載されている素子の場合、レンズ等による収束・拡散光学系であり、光路長が長くなることから素子全体の構成が大型なものとなってしまい、小型化することは困難である。また、レンズ光学系のアライメントが煩雑であることから、素子の製造コストが高くなるという問題点を有している。また、特許文献7等に記載されているものの場合、主にキューブプリズムアレイにより構成されるが、プリズム自体が高価であること、アレイ化のための接着工程を行う必要があることから、製造コストが高く非常に高価な素子となってしまう。また、プリズムアレイは一定の大きさを必要とするため、小型化には限界があり、また、接着剤により接着しているものであるため、外部環境による影響も受けやすく、経時的な性能の劣化も生じやすい。   That is, in the case of the element described in Patent Document 6 or the like, it is a converging / diffusing optical system using a lens or the like, and since the optical path length becomes long, the structure of the entire element becomes large, and the element is downsized. It is difficult. Further, since the alignment of the lens optical system is complicated, there is a problem that the manufacturing cost of the element becomes high. In addition, in the case of what is described in Patent Document 7 and the like, it is mainly composed of a cube prism array. However, since the prism itself is expensive and it is necessary to perform an adhesion process for arraying, the manufacturing cost is low. Becomes very expensive. In addition, since the prism array needs a certain size, there is a limit to downsizing, and since it is bonded by an adhesive, it is easily affected by the external environment, and the performance over time is reduced. Degradation is also likely to occur.

よって、本発明は、上記従来技術に鑑み、小型化可能であって低コストで製造することが可能な偏光変換素子を提供することを目的とするものである。   Therefore, in view of the above-described conventional technology, an object of the present invention is to provide a polarization conversion element that can be miniaturized and can be manufactured at low cost.

本発明は、入射した光を2つの方向に偏向させ出射させるものであって、前記2つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第1の領域と、他方の方向に偏向させる第2の領域とが、各々所定の幅で交互に形成された第1の偏向部と、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部と、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第2の偏向部と、1/4位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部と、を有し、前記偏光分離部と前記第2の偏向部とは所定のギャップ間隔で配置され、前記第1の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであって、前記第1の偏向部、前記偏光分離部、前記第2の偏向部、前記偏光回転部は、すべて各々透明な基板面に形成されていること、または、透明な基板上に形成された膜構造により形成されていることを特徴とする。   The present invention deflects and emits incident light in two directions, and a first region that deflects in one of the two directions and a second region that deflects in the other direction. The first deflecting unit alternately formed with a predetermined width, the polarization separating unit that emits the light of the polarization components orthogonal to each other at different angles, and the light with different incident angles in substantially the same direction A second deflection unit that emits light having an emission angle; and a polarization rotation unit in which the ¼ phase difference unit is formed with the predetermined width and the same length as the predetermined width. The polarization separation unit and the second deflection unit are arranged at a predetermined gap interval, and the optical axis direction of the light incident on the first deflection unit, the one direction, and the other direction are all A direction in the same plane, the other direction being through the optical axis, The first deflection unit, the polarization separation unit, the second deflection unit, and the polarization rotation unit are all formed on a transparent substrate surface, respectively. Alternatively, it is characterized by being formed by a film structure formed on a transparent substrate.

また、本発明は、光を透過する第1の基板と第2の基板とを有し、前記第1の基板の一方の面には、入射した光を2つの方向に偏向させて光を出射させるものであって、前記2つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第1の領域と、他方の方向に偏向させる第2の領域とが、各々所定の幅で交互に配置された第1の偏向部が形成されており、前記第1の基板の他方の面には、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部が形成されており、前記第2の基板の一方の面には、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第2の偏向部が形成されており、前記第2の基板の他方の面には、1/4位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部が形成されており、前記第1の基板の他方の面と前記第2の基板の一方の面とは所定のギャップ間隔で対向して配置されており、前記第1の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであることを特徴とする。   Further, the present invention includes a first substrate and a second substrate that transmit light, and emits light by deflecting incident light in two directions on one surface of the first substrate. Of the two directions, a first region deflected in one direction and a second region deflected in the other direction are alternately arranged with a predetermined width, respectively. And a polarization separation unit that emits light of polarization components orthogonal to each other at different angles, and is formed on the other surface of the first substrate. A second deflecting portion that emits light having different incident angles as light having an emission angle in substantially the same direction is formed on one surface, and ¼ is formed on the other surface of the second substrate. A polarization rotator is formed in which the phase difference portion is formed with the predetermined width and the same length as the predetermined width. In other words, the other surface of the first substrate and the one surface of the second substrate are arranged to face each other with a predetermined gap interval, and the optical axis direction of the light incident on the first deflection unit The one direction and the other direction are all in the same plane, and the other direction is opposite to the one direction through the optical axis. To do.

また、本発明は、前記光軸と前記一方の方向となす角は、前記光軸と前記他方の方向のなす角と等しいことを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that an angle formed between the optical axis and the one direction is equal to an angle formed between the optical axis and the other direction.

また、本発明は、前記ギャップ間隔の間隔Cは、Wを前記所定の幅、θを前記光軸と前記一方の方向または前記他方の方向となす角とした場合に、C=W/(2×tanθ)であることを特徴とする。   Further, according to the present invention, the gap C is defined as C = W / (2 when W is the predetermined width and θ is an angle between the optical axis and the one direction or the other direction. X tan θ).

また、本発明は、前記偏光分離部は、前記相互に直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分の光を直進させ、他方の偏光成分の光を偏向させるものであることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the polarization separation unit is configured to straighten light of one polarization component among the polarization components orthogonal to each other and deflect light of the other polarization component.

また、本発明は、前記偏光分離部には、前記入射する光の波長以下、または、同程度の周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that a diffraction grating having a period shorter than or equal to the wavelength of the incident light is formed in the polarization separation unit.

また、本発明は、前記偏光分離部は、前記偏光分離部に入射した光の0次回折光、1次回折光を出射するものであることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the polarization separation unit emits 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light of the light incident on the polarization separation unit.

また、本発明は、前記第1の偏向部における前記第1の領域及び前記第2の領域には、前記基板面に対して傾斜を有する屈折面が各々形成されていることを特徴とする。   In the present invention, the first region and the second region of the first deflecting section are each formed with a refracting surface having an inclination with respect to the substrate surface.

また、本発明は、前記第1の偏向部における前記第1の領域及び前記第2の領域には、前記入射した光を各々異なる方向に偏向させるための回折格子が形成されていることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that a diffraction grating for deflecting the incident light in different directions is formed in the first region and the second region of the first deflection unit. And

また、本発明は、前記第2の偏向部には、前記入射する光の波長よりも長い周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that a diffraction grating having a period longer than the wavelength of the incident light is formed in the second deflecting unit.

また、本発明は、前記第2の偏向部より出射した相互に直交する偏光成分の光のうち、一方の偏光成分の光を前記1/4位相差部に入射させ、他方の偏光成分の光を前記1/4位相差部の形成されていない領域に入射させるように、前記偏光回転部が設置されていることを特徴とする。   Further, according to the present invention, the light of one polarization component out of the light of the polarization components orthogonal to each other emitted from the second deflection unit is incident on the ¼ phase difference unit, and the light of the other polarization component The polarization rotation part is installed so that the light enters the region where the ¼ phase difference part is not formed.

また、本発明は、前記偏光回転部より出射した光を入射させ、所定の偏光方向の光のみを出射させる偏光選択部が設けられていることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that a polarization selection unit is provided that allows light emitted from the polarization rotation unit to enter and emit only light having a predetermined polarization direction.

また、本発明は、前記偏光選択部は、前記入射する光の波長よりも短い周期の金属細線構造により形成されていることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the polarization selection unit is formed of a thin metal wire structure having a period shorter than the wavelength of the incident light.

本発明によれば、小型化可能であって低コストで製造することが可能な偏光変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polarization conversion element which can be reduced in size and can be manufactured at low cost can be provided.

第1の実施の形態における偏光変換素子の構造図Structure diagram of polarization conversion element in first embodiment 第1の実施の形態における偏光変換素子の説明図Explanatory drawing of the polarization conversion element in 1st Embodiment 第1の偏向部の説明図Explanatory drawing of the 1st deflection | deviation part プリズム領域に形成されている第1の偏向部の構造図Structure diagram of first deflecting portion formed in prism area 回折格子領域に形成されている第1の偏向部の構造図Structure diagram of first deflecting portion formed in diffraction grating region 偏光分離部の構造図Structure diagram of polarization separation unit 偏光分離部の説明図Illustration of polarization separation unit 第2の偏向部の構造図Structure diagram of second deflecting unit 第2の偏向部の説明図Explanatory drawing of the 2nd deflection | deviation part 偏光回転部の構造図Structure of polarization rotation unit 偏光回転部における1/4位相差部を回折格子で形成した場合の説明図Explanatory drawing when the quarter phase difference part in the polarization rotation part is formed with a diffraction grating 第1の偏向部と偏光回転部の位置関係の説明図Explanatory drawing of the positional relationship of a 1st deflection | deviation part and a polarization | polarized-light rotation part. 偏光回転部の説明図Explanation of polarization rotation unit 第2の実施の形態における偏光変換素子の構造図Structure diagram of polarization conversion element in second embodiment 第3の実施の形態における偏光変換素子の構造図Structure diagram of polarization conversion element in third embodiment 第3の実施の形態における他の偏光変換素子の構造図Structural diagram of another polarization conversion element in the third embodiment

本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described.

〔第1の実施の形態〕
第1の実施の形態は、偏光変換素子であり、光源から発せられたランダムな偏光方向の入射光を所定の方向の直線偏光の出射光として出射する素子である。
[First Embodiment]
The first embodiment is a polarization conversion element that emits incident light in a random polarization direction emitted from a light source as outgoing light of linear polarization in a predetermined direction.

図1に基づき本実施の形態における偏光変換素子について説明する。本実施の形態における偏光変換素子は、第1の偏向部11、偏光分離部12、第2の偏向部14、偏光回転部15を有しており、偏光分離部12と第2の偏向部14との間には、ギャップ領域13が設けられている。図2は、本実施の形態における偏光変換素子内における光の状態を示すものである。尚、この偏光変換素子に入射する入射光21は、S偏光とP偏光の混在した光、また、光源等により発せられた偏光方向がランダムな光である。   The polarization conversion element in this Embodiment is demonstrated based on FIG. The polarization conversion element in the present embodiment includes a first deflection unit 11, a polarization separation unit 12, a second deflection unit 14, and a polarization rotation unit 15, and the polarization separation unit 12 and the second deflection unit 14. Between the two, a gap region 13 is provided. FIG. 2 shows the state of light in the polarization conversion element in the present embodiment. The incident light 21 incident on the polarization conversion element is light in which S-polarized light and P-polarized light are mixed, or light having a random polarization direction emitted by a light source or the like.

図3に示すように、第1の偏向部11は、例えば、ガラス等の透明基板上に複数の第1の領域11aと第2の領域11bとが形成されており、第1の領域11a及び第2の領域11bにおける各々幅はWとなるように形成されている。第1の領域11aに入射した光21aは、入射光21の光軸に対し図面上、左側に角度θ傾いた方向に光22aとして出射される。また、第2の領域11bに入射した光21bは、入射光21の光軸に対し図面上、右側に角度θ傾いた方向に光22bとして出射される。よって、第1の偏向部11における入射光21は、第1の領域11aと第2の領域11bとにおいて、入射光21の光軸を挟んで相互に異なる向きに傾いた方向に光22a及び光22bとして出射される。尚、出射される光22a及び光22bにおける入射光21の光軸に対する角度θは、20°〜70°の範囲内であることが好ましく、図2に示すように、45°となるように形成してもよい。本実施の形態では、第1の領域11aから出射される光22aの傾き角度と、第2の領域11bから出射される光22bの傾き角度とが、同じ角度θとなる場合について説明しているが、出射される光22aと22bとが光軸を挟んで反対方向となるものであればよく、相互に異なる角度となってもよい。また、Wの値は10μmから100μm程度であることが好ましい。   As shown in FIG. 3, the first deflecting unit 11 includes a plurality of first regions 11a and second regions 11b formed on a transparent substrate such as glass, for example. Each width in the second region 11b is formed to be W. The light 21a incident on the first region 11a is emitted as light 22a in a direction inclined at an angle θ to the left in the drawing with respect to the optical axis of the incident light 21. The light 21b incident on the second region 11b is emitted as light 22b in a direction inclined at an angle θ on the right side of the optical axis of the incident light 21 in the drawing. Therefore, the incident light 21 in the first deflecting unit 11 includes the light 22a and the light in directions inclined in different directions across the optical axis of the incident light 21 in the first region 11a and the second region 11b. It is emitted as 22b. The angle θ of the emitted light 22a and the light 22b with respect to the optical axis of the incident light 21 is preferably in the range of 20 ° to 70 °, and is formed to be 45 ° as shown in FIG. May be. In the present embodiment, a case is described in which the inclination angle of the light 22a emitted from the first region 11a and the inclination angle of the light 22b emitted from the second region 11b are the same angle θ. However, as long as the emitted light 22a and 22b are in opposite directions across the optical axis, the angles may be different from each other. The value of W is preferably about 10 μm to 100 μm.

このような第1の偏向部11としては、例えば、図4に示すように、第1の領域11aと第2の領域11bとが、互いに異なる傾きに削られているプリズム領域31a、31bが複数形成されたものが挙げられる。また、図5に示すように、第1の領域11aと第2の領域11bとが、回折格子領域41a、41bにより形成されており、この回折格子領域41a、41bにより、入射光21の光軸を挟んで相互に異なる向きに傾いた方向に光22a及び光22bとして出射するものであってもよい。尚、回折格子領域41a、41bは、図5には三角形の形状の回折格子が記載されているが、回折格子領域41a及び41bは、三角形の形状に限定されるものではなく、矩形形状の幅等を変調するデジタルブレーズ形状であってもよい。   As such a 1st deflection | deviation part 11, as shown in FIG. 4, for example, the 1st area | region 11a and the 2nd area | region 11b have several prism area | regions 31a and 31b cut off by the mutually different inclination. What was formed is mentioned. Further, as shown in FIG. 5, the first region 11a and the second region 11b are formed by diffraction grating regions 41a and 41b, and the optical axis of the incident light 21 is formed by the diffraction grating regions 41a and 41b. The light 22a and the light 22b may be emitted in directions inclined in different directions from each other. Note that the diffraction grating regions 41a and 41b are shown in FIG. 5 as triangular diffraction gratings, but the diffraction grating regions 41a and 41b are not limited to triangular shapes, but have rectangular widths. It may be a digital blaze shape that modulates the like.

このような第1の偏向部11は、ガラス基板に直接形成されるものであるか、またはガラス基板上に形成されるものである。具体的には、第1の偏向部11は、ガラス基板を加工することにより形成されたものであってもよく、また、ガラス基板上にTiO等の膜等を形成し、このTiO等の膜を加工することにより、図5に示すような回折格子領域41a及び41bを形成したものであってもよい。 Such a 1st deflection | deviation part 11 is directly formed in a glass substrate, or is formed on a glass substrate. Specifically, the first deflection unit 11 may be formed by processing a glass substrate, or a film such as TiO 2 is formed on the glass substrate, and the TiO 2 or the like is formed. The diffraction grating regions 41a and 41b as shown in FIG. 5 may be formed by processing this film.

このようにして、第1の偏向部11に入射した光21は、第1の領域11aから出射される光22aと、第2の領域11bから出射される光22bとして出射される。このように出射される光22aと光22bは、入射光21の光軸を挟んで相互に異なる向きに傾いた方向に出射される。   In this way, the light 21 incident on the first deflecting unit 11 is emitted as light 22a emitted from the first region 11a and light 22b emitted from the second region 11b. The light 22a and the light 22b thus emitted are emitted in directions inclined in different directions with the optical axis of the incident light 21 interposed therebetween.

次に、偏光分離部12について説明する。偏光分離部12は、偏光分離部12に入射した光に対し、0次光と1次回折光を出射する機能を有している。例えば、図6に示されるように、偏光分離部12は、ガラス基板の表面に入射光21の波長λと略同程度の周期Aの回折格子が形成されているものであり、偏光分離板である。尚、この偏光分離部12においては、S偏光成分は1次光として2θ傾いた方向に出射するように、回折格子は所定の形状で形成されている。このような偏光分離部12に入射した光のうち、P偏光成分は0次光として、そのまま直進し、S偏光成分は1次光として2θ傾いた方向に出射する。   Next, the polarization separation unit 12 will be described. The polarization separation unit 12 has a function of emitting 0th-order light and first-order diffracted light with respect to light incident on the polarization separation unit 12. For example, as shown in FIG. 6, the polarization separation unit 12 has a diffraction grating having a period A substantially equal to the wavelength λ of the incident light 21 on the surface of the glass substrate. is there. In this polarization splitting section 12, the diffraction grating is formed in a predetermined shape so that the S-polarized component is emitted in the direction inclined by 2θ as the primary light. Of the light incident on the polarization separator 12, the P-polarized component travels straight as it is as the 0th-order light, and the S-polarized component exits in the direction inclined by 2θ as the primary light.

図7に基づき、偏光分離部12について、より具体的に説明すると、第1の偏向部11の第1の領域11aから出射した光22aは、偏光分離部12に入射し、そのまま直進する0次光となるS偏光の光23aと、回折され1次光となるP偏光の光23bとして出射される。また、第1の偏向部11の第2の領域11bから出射した光22bは、偏光分離部12に入射し、そのまま直進する0次光となるS偏光の光23cと、回折され1次光となるP偏光の光23dとして出射される。ここで、1次光となるP偏光の光23bは、回折されるため角度2θ偏向して出射されるため、0次光となるS偏光の光23cと、同一方向の光となる。また、1次光となるP偏光の光23dは、回折されるため角度2θ偏向して出射されるため、0次光となるS偏光の光23aと、同一の方向となる。   The polarization separation unit 12 will be described in more detail with reference to FIG. 7. The light 22a emitted from the first region 11a of the first deflection unit 11 is incident on the polarization separation unit 12 and travels straight as it is. The light is emitted as S-polarized light 23a which becomes light and P-polarized light 23b which is diffracted and becomes primary light. In addition, the light 22b emitted from the second region 11b of the first deflecting unit 11 enters the polarization separating unit 12, and is directly diffracted as S-polarized light 23c, which becomes zero-order light, and diffracted primary light. The P-polarized light 23d is emitted. Here, the P-polarized light 23b, which is the primary light, is diffracted and emitted with an angle of 2θ, and thus is emitted in the same direction as the S-polarized light 23c, which is the 0th-order light. Further, the P-polarized light 23d, which is the primary light, is diffracted and emitted with an angle of 2θ, and thus is emitted in the same direction as the S-polarized light 23a, which is the zero-order light.

次に、第2の偏向部14について説明する。第2の偏向部14は、ガラス基板等により形成された第2の偏向板であり、偏光分離部12から出射した光23a、23b、23c、23dを入射させることにより、入射光21の光軸と略平行な方向に出射する機能を有している。   Next, the second deflection unit 14 will be described. The second deflecting unit 14 is a second deflecting plate formed of a glass substrate or the like, and makes the light 23a, 23b, 23c, 23d emitted from the polarization separating unit 12 incident thereon, thereby allowing the optical axis of the incident light 21 to enter. And has a function of emitting light in a direction substantially parallel to.

例えば、図8に示されるように、第2の偏向部14は、ガラス基板上に入射光21の波長より長い周期Bの回折格子が形成されており、第2の偏向部14である第2の偏向板に垂直な方向に対しθで入射した光を第2の偏向板に垂直方向の光として出射させることができるものである。このため、第2の偏向部14に形成される回折格子の周期Bは、下記の(1)に示す式を満たすよう形成されている。尚、形成される格子の高さ等は透過効率が高くなるように形成されている。

B×sinθ=λ・・・・・(1)

また、図9に示されるように、この第2の偏向部14は、偏光分離部12より所定の距離Cだけ離れた位置に、偏光分離部12と略並行に設置する。これにより、偏光分離部12と第2の偏向部14との間の領域、即ち、距離Cだけ離れている領域がギャップ領域13となる。これにより、S偏光の光23aとS偏光の光23cとは、第2の偏向部14において略同じ位置または、近接する位置に入射させることができる。このように入射したS偏光の光23aとS偏光の光23cは合波されて、第2の偏向部14よりS偏光の光24aとして、入射光21の光軸と略平行な方向となる第2の偏向部14に略垂直方向に出射させることができる。同様に、P偏光の光23bとP偏光の光23dとについても、第2の偏向部14において略同じ位置または、近接する位置に入射させることができる。このように入射したP偏光の光23bとP偏光の光23dは合波されて、第2の偏向部14よりP偏光の光24bとして、入射光21の光軸と略平行な方向となる第2の偏向部14に略垂直方向に出射させることができる。
For example, as shown in FIG. 8, the second deflecting unit 14 is a second deflecting unit 14 in which a diffraction grating having a period B longer than the wavelength of the incident light 21 is formed on a glass substrate. The light incident at θ with respect to the direction perpendicular to the deflection plate can be emitted as light in the vertical direction to the second deflection plate. For this reason, the period B of the diffraction grating formed in the 2nd deflection | deviation part 14 is formed so that the formula shown to following (1) may be satisfy | filled. It should be noted that the height of the formed grating and the like are formed so that the transmission efficiency is high.

B × sin θ = λ (1)

Further, as shown in FIG. 9, the second deflecting unit 14 is installed at a position separated by a predetermined distance C from the polarization separating unit 12 and substantially in parallel with the polarization separating unit 12. Thereby, a region between the polarization separation unit 12 and the second deflection unit 14, that is, a region separated by the distance C becomes the gap region 13. As a result, the S-polarized light 23a and the S-polarized light 23c can be incident on the second deflecting unit 14 at substantially the same position or adjacent positions. The S-polarized light 23a and the S-polarized light 23c thus incident are combined, and the second deflecting unit 14 forms S-polarized light 24a in a direction substantially parallel to the optical axis of the incident light 21. The two deflecting units 14 can emit light in a substantially vertical direction. Similarly, the P-polarized light 23b and the P-polarized light 23d can be incident on the second deflecting unit 14 at substantially the same position or close positions. The P-polarized light 23b and the P-polarized light 23d incident in this way are combined to form a P-polarized light 24b from the second deflecting unit 14 in a direction substantially parallel to the optical axis of the incident light 21. The two deflecting units 14 can emit light in a substantially vertical direction.

尚、ギャップ領域13における距離Cは、第2の偏向部14において、S偏光の光23aとS偏光の光23cとが略同一の位置に入射し、更に、P偏光の光23bとP偏光の光23dとが略同一位置に入射するように、設定されていることが好ましく、具体的には、(2)に示す式を満たしていることが好ましい。

C=W/(2×tanθ)・・・・(2)

また、第2の偏向部14において、S偏光の光23aとS偏光の光23cとの入射位置、及び、P偏光の光23bとP偏光の光23dとの入射位置は、近接していれば同様の効果を得ることができるため、Cの値の範囲は、上述した(2)に示される式により得られる値を中心とし所定の幅を有していてもよい。また、上記説明では、ギャップ領域13は空間である場合について説明したが、ギャップ領域13は、透明な材料により形成される所定の厚さの誘電体基板等により形成したものであってもよい。
The distance C in the gap region 13 is such that the S-polarized light 23a and the S-polarized light 23c are incident on substantially the same position in the second deflecting unit 14, and further, the P-polarized light 23b and the P-polarized light 23c It is preferably set so that the light 23d is incident at substantially the same position, and specifically, it is preferable to satisfy the equation (2).

C = W / (2 × tan θ) (2)

In the second deflecting unit 14, the incident positions of the S-polarized light 23a and the S-polarized light 23c and the incident positions of the P-polarized light 23b and the P-polarized light 23d are close to each other. Since the same effect can be obtained, the range of the value of C may have a predetermined width centered on the value obtained by the equation (2) described above. In the above description, the gap region 13 is a space. However, the gap region 13 may be formed of a dielectric substrate having a predetermined thickness formed of a transparent material.

次に、S偏光の光24aとP偏光の光24bは、偏光回転部15に入射する。偏光回転部15は、偏光方向を変えることなくそのまま透過させる第3の領域15aと偏光方向を変えて出射させる第4の領域15bにより形成されている。例えば、図10に示すように、ガラス基板51上の第4の領域15bに、1/4波長板等からなる1/4位相差部52を形成し第3の領域15aには1/4位相差部52が形成されていない構造のものである。この1/4位相差部52は、幅がWであって、間隔がWとなるように形成されている。即ち、第3の領域15aと第4の領域15bは、各々の幅がWとなるように形成されている。1/4位相差部52は、色素含有ポリマー等からなる通常の1/4位相差部を形成してもよく、また、サブ波長構造、位相変調構造、旋光素子等により形成することも可能である。小型化や透過効率の観点からは、サブ波長構造、位相変調構造、旋光素子等により形成することが好ましい。このため、偏光回転部15に形成される1/4位相差部52は、図11に示されるように、入射光21の波長λ以下の周期構造の回折格子により形成することが好ましい。   Next, the S-polarized light 24 a and the P-polarized light 24 b are incident on the polarization rotating unit 15. The polarization rotator 15 is formed by a third region 15a that transmits light without changing the polarization direction and a fourth region 15b that emits light while changing the polarization direction. For example, as shown in FIG. 10, in the fourth region 15b on the glass substrate 51, a ¼ phase difference portion 52 made of a ¼ wavelength plate or the like is formed, and the third region 15a is ¼th. The phase difference portion 52 is not formed. The quarter phase difference portion 52 is formed so that the width is W and the interval is W. That is, the third region 15a and the fourth region 15b are formed so that each width is W. The quarter phase difference portion 52 may form a normal quarter phase difference portion made of a dye-containing polymer or the like, or may be formed by a sub-wavelength structure, a phase modulation structure, an optical rotatory element, or the like. is there. From the viewpoint of miniaturization and transmission efficiency, it is preferable to form with a sub-wavelength structure, a phase modulation structure, an optical rotation element, or the like. For this reason, the quarter phase difference portion 52 formed in the polarization rotation portion 15 is preferably formed by a diffraction grating having a periodic structure having a wavelength λ or less of the incident light 21 as shown in FIG.

また、図12に示されるように、偏光回転部15は、1/4位相差部52が、入射光21と平行な方向において、第1の偏向部11における第1の領域11aと第2の領域11bとの境界部分のうち、一方の境界部分53が、1/4位相差部52の略中央に位置するように設置される。よって、他方の境界部分54は、1/4位相差部52の間の領域の略中央に位置するように配置されている。これにより、図13に示されるように偏光回転部15に入射するS偏光の光24aは、そのままS偏光の光25aとして出射され、偏光回転部15に入射するP偏光の光24bは、偏光回転部15における1/4位相差部52を介しS偏光の光25bとなり出射される。従って、偏光回転部15より出射される光25(25a、25b)は、すべてS偏光の光となる。   Also, as shown in FIG. 12, the polarization rotation unit 15 includes the first region 11 a and the second region of the first deflection unit 11 in the direction in which the quarter phase difference unit 52 is parallel to the incident light 21. Of the boundary portions with the region 11 b, one boundary portion 53 is installed so as to be positioned at the approximate center of the ¼ phase difference portion 52. Therefore, the other boundary portion 54 is disposed so as to be located at the approximate center of the region between the quarter phase difference portions 52. As a result, as shown in FIG. 13, the S-polarized light 24a incident on the polarization rotation unit 15 is emitted as it is as the S-polarized light 25a, and the P-polarized light 24b incident on the polarization rotation unit 15 is polarized. The s-polarized light 25 b is emitted through the ¼ phase difference portion 52 in the portion 15. Accordingly, all of the light 25 (25a, 25b) emitted from the polarization rotating unit 15 is S-polarized light.

このようにして、本実施の形態における偏光変換素子は、P偏光とS偏光が混在した光、偏光方向がランダムである光を、所定の偏光方向の光として出射することができる。   In this manner, the polarization conversion element in the present embodiment can emit light in which P-polarized light and S-polarized light are mixed and light having a random polarization direction as light having a predetermined polarization direction.

本実施の形態では、入射光21のうち、P偏光の光についても、S偏光の光に変換して出射光25として出射させることができるため、入射光に対し50%以上の光利用効率を得ることができる。   In the present embodiment, among the incident light 21, P-polarized light can be converted into S-polarized light and emitted as the emitted light 25, so that the light utilization efficiency is 50% or more with respect to the incident light. Obtainable.

また、第1の偏向部11、偏光分離部12、第2の偏向部14及び偏光回転部15の各々は、ガラス等の透明基板の表面を加工すること、または、ガラス等の透明基板にガラス等と異なる屈折率を有する膜を形成し、その膜を加工することにより得ることができるものである。即ち、本実施の形態における偏光変換素子を形成するための第1の偏向部11、偏光分離部12、第2の偏向部14及び偏光回転部15は、第1の偏向板、偏光分離板、第2の偏向板及び偏光回転板により形成されており、プリズム等の大型の部材を含むものではなく、作製の際に接着工程を必要とすることなく、光学的なアライメント等を行う必要もない。よって、本実施の形態における偏光変換素子では、容易に小型化にすることができ、また、低コストで製造することが可能である。   In addition, each of the first deflection unit 11, the polarization separation unit 12, the second deflection unit 14, and the polarization rotation unit 15 processes the surface of a transparent substrate such as glass, or glass on a transparent substrate such as glass. Can be obtained by forming a film having a different refractive index from the above and processing the film. That is, the first deflection unit 11, the polarization separation unit 12, the second deflection unit 14, and the polarization rotation unit 15 for forming the polarization conversion element in the present embodiment are the first deflection plate, the polarization separation plate, It is formed by the second deflecting plate and the polarization rotating plate, does not include a large member such as a prism, and does not require an adhesion process at the time of manufacture, and does not require optical alignment or the like. . Therefore, the polarization conversion element in this embodiment can be easily downsized and can be manufactured at low cost.

尚、上述した説明では、出射される光25がS偏光の光として出射される場合につて説明したが、偏光回転部15が設置される位置を変えることにより、P偏光の光を出射する偏光変換素子とすることができる。具体的には、偏光回転部15における1/4位相差部52が形成されている領域の位置が、S偏光の光が出射される場合と逆となるように配置することにより、P偏光の光を出射することができる。   In the above description, the case where the emitted light 25 is emitted as S-polarized light has been described. However, polarized light that emits P-polarized light by changing the position where the polarization rotating unit 15 is installed. It can be set as a conversion element. Specifically, by arranging the position of the region where the quarter phase difference portion 52 is formed in the polarization rotation unit 15 to be opposite to the case where the S-polarized light is emitted, Light can be emitted.

また、上述した本実施の形態の説明では、第1の偏向部11、偏光分離部12、第2の偏向部14及び偏光回転部15を各々第1の偏向板、偏光分離板、第2の偏向板及び偏光回転板により形成したものについて説明したが、第1の偏向部11、偏光分離部12、第2の偏向部14及び偏光回転部15は、膜構造により形成することも可能である。例えば、基板上に、第1の偏向部11及び偏光分離部12について、各々を膜構造により所定の回折格子を形成し、同様に、第2の偏向部14及び偏光回転部15についても、各々を膜構造により所定の回折格子を形成した構造のものであってもよい。   In the description of the present embodiment described above, the first deflecting unit 11, the polarization separating unit 12, the second deflecting unit 14, and the polarization rotating unit 15 are replaced with the first deflecting plate, the polarizing separating plate, and the second Although the description has been given of the one formed by the deflection plate and the polarization rotation plate, the first deflection unit 11, the polarization separation unit 12, the second deflection unit 14, and the polarization rotation unit 15 can be formed by a film structure. . For example, a predetermined diffraction grating is formed by a film structure for each of the first deflection unit 11 and the polarization separation unit 12 on the substrate, and similarly, each of the second deflection unit 14 and the polarization rotation unit 15 is also formed. A structure in which a predetermined diffraction grating is formed by a film structure may be used.

また、ギャップ領域13を透明なガラス基板により形成し、このガラス基板の一方の面に、偏光分離部12及び第1の偏向部11を膜構造により積層形成し、他方の面に、第2の偏向部14及び偏光回転部15を膜構造により形成したものであってもよい。   In addition, the gap region 13 is formed of a transparent glass substrate, the polarization separation unit 12 and the first deflection unit 11 are stacked on one surface of the glass substrate with a film structure, and the second surface is formed on the other surface. The deflection unit 14 and the polarization rotation unit 15 may be formed by a film structure.

〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態とは異なる構成の偏光変換素子である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The present embodiment is a polarization conversion element having a configuration different from that of the first embodiment.

図14に基づき、本実施の形態における偏光変換素子について説明する。本実施の形態における偏光変換素子は、ガラス等からなる透明な基板である第1の基板61と第2の基板により形成されている。   Based on FIG. 14, the polarization conversion element in this Embodiment is demonstrated. The polarization conversion element in the present embodiment is formed by a first substrate 61 and a second substrate which are transparent substrates made of glass or the like.

第1の基板61の一方の面には、入射した光を偏向するための第1の偏向領域71が形成されている。この第1の偏向領域71は、出射する光が相互に異なる方向となるように回折格子またはプリズム等の形状に加工された第1の領域71aと第2の領域71bとを有しており、第1の領域71aと第2の領域71bは、交互に幅がWとなるように形成されている。この第1の偏向領域71は、第1の実施の形態における第1の偏向部11としての機能を有するものである。また、第1の基板61の他方の面には、入射光21の波長λと程度の周期を有する回折格子が形成された偏光分離領域72が形成されている。この偏光分離領域72は、第1の実施の形態における偏光分離部12としての機能を有するものである。   On one surface of the first substrate 61, a first deflection region 71 for deflecting incident light is formed. The first deflection region 71 includes a first region 71a and a second region 71b that are processed into a shape such as a diffraction grating or a prism so that emitted light is in different directions. The first region 71a and the second region 71b are formed so that the width becomes W alternately. The first deflection region 71 has a function as the first deflection unit 11 in the first embodiment. In addition, a polarization separation region 72 in which a diffraction grating having a period of about the wavelength λ of the incident light 21 is formed on the other surface of the first substrate 61. The polarization separation region 72 has a function as the polarization separation unit 12 in the first embodiment.

また、第2の基板62の一方の面には、入射光21の波長λよりも長い周期を有する回折格子が形成された第2の偏向領域74が形成されている。この第2の偏向領域74は、第1の実施の形態における第2の偏向部14としての機能を有するものである。また、第2の基板62の他方の面には、偏光回転領域75が形成されている。偏光回転領域75は、幅がWの1/4位相差部75aが、1/4位相差部75aの間隔がWとなるように形成されている。この偏光回転領域75は、第1の実施の形態における偏光回転領域15としての機能を有するものである。   A second deflection region 74 in which a diffraction grating having a period longer than the wavelength λ of the incident light 21 is formed on one surface of the second substrate 62. The second deflection region 74 has a function as the second deflection unit 14 in the first embodiment. A polarization rotation region 75 is formed on the other surface of the second substrate 62. The polarization rotation region 75 is formed so that the quarter phase difference portion 75a having a width W is W and the interval between the quarter phase difference portions 75a is W. The polarization rotation region 75 has a function as the polarization rotation region 15 in the first embodiment.

このような第1の基板61と第2の基板62は、第1の基板61の他方の面と第2の基板の一方の面とが対向するように配置され、第1の基板61と第2の基板62との間には、ギャップ領域73が形成される。このギャップ領域73は、第1の実施の形態におけるギャップ領域13と同様のものである。   The first substrate 61 and the second substrate 62 are arranged so that the other surface of the first substrate 61 and one surface of the second substrate face each other. A gap region 73 is formed between the two substrates 62. The gap region 73 is the same as the gap region 13 in the first embodiment.

本実施の形態では、入射光21は第1の基板61の一方の面から入射して、第1の基板61の他方の面から出射し、更に、第2の基板62の一方の面に入射し、第2の基板62の他方の面から出射光25として出射する。よって、入射光21は、第1の偏向領域71、偏光分離領域72、ギャップ領域73、第2の偏向領域74及び偏光回転領域75を介し出射光25として出射される。   In the present embodiment, the incident light 21 enters from one surface of the first substrate 61, exits from the other surface of the first substrate 61, and further enters one surface of the second substrate 62. Then, the light is emitted as emitted light 25 from the other surface of the second substrate 62. Therefore, the incident light 21 is emitted as outgoing light 25 through the first deflection region 71, the polarization separation region 72, the gap region 73, the second deflection region 74, and the polarization rotation region 75.

本実施の形態では、2枚のガラス基板等により偏光変換素子を形成するため、より低コストで製造することができ、また、より小型化が可能である。   In this embodiment, since the polarization conversion element is formed using two glass substrates or the like, it can be manufactured at a lower cost and can be further downsized.

〔第3の実施の形態〕
次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態における偏光変換素子は、第1の実施の形態及び第2の実施の形態における偏光変換素子に偏光選択部80を設けた構造のものである。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described. The polarization conversion element in the present embodiment has a structure in which a polarization selection unit 80 is provided in the polarization conversion element in the first embodiment and the second embodiment.

例えば、図15に示されるように、本実施の形態における偏光変換素子は、第1の実施の形態における偏光変換素子を構成する第1の偏向部11、偏光分離部12、第2の偏向部14、偏光回転部15に、更に、偏光選択部80を設けた構造のものである。尚、偏光分離部12と第2の偏向部14との間には、所定の間隔のギャップ領域13が設けられている。このような偏光変換素子においては、入射光21は、第1の偏向部11から入射させて、偏光選択部80より出射光26として出射させることができる。   For example, as shown in FIG. 15, the polarization conversion element in the present embodiment includes a first deflection unit 11, a polarization separation unit 12, and a second deflection unit that constitute the polarization conversion element in the first embodiment. 14, the polarization rotation unit 15 is further provided with a polarization selection unit 80. A gap region 13 having a predetermined interval is provided between the polarization separation unit 12 and the second deflection unit 14. In such a polarization conversion element, the incident light 21 can be incident from the first deflection unit 11 and can be emitted from the polarization selection unit 80 as the outgoing light 26.

また、図16に示されるように、本実施の形態における偏光変換素子は、第2の実施の形態における偏光変換素子を構成する第1の基板61、第2の基板62に、更に、第2の基板62の偏光回転領域75が形成されている面側に、偏光選択部80を設けた構造のものである。尚、第1の基板61と第2の基板62との間には、所定の間隔のギャップ領域73が設けられている。このような偏光変換素子においては、入射光21は、第1の基板61から入射させて、偏光選択部80より出射光26として出射させることができる。   In addition, as shown in FIG. 16, the polarization conversion element in the present embodiment includes a second substrate 62 and a second substrate 62 constituting the polarization conversion element in the second embodiment. In this structure, the polarization selector 80 is provided on the surface of the substrate 62 where the polarization rotation region 75 is formed. A gap region 73 having a predetermined interval is provided between the first substrate 61 and the second substrate 62. In such a polarization conversion element, the incident light 21 can be made incident from the first substrate 61 and emitted as the emitted light 26 from the polarization selection unit 80.

偏光選択部80は、所定の方向の偏光を透過する偏光子であって、金属細線構造によるワイヤグリッド偏光子が好ましい。また、入射光21が可視領域の光(波長0.4μm〜0.7μm)である場合には、金属細線構造を形成する金属材料はアルミニウム(Al)が好ましい。   The polarization selector 80 is a polarizer that transmits polarized light in a predetermined direction, and is preferably a wire grid polarizer having a metal thin wire structure. Moreover, when the incident light 21 is light in the visible region (wavelength: 0.4 μm to 0.7 μm), the metal material forming the metal thin wire structure is preferably aluminum (Al).

このような偏光選択部80を最終段に配置することにより、特定の偏光成分をより高い消光比で得ることができる。   By disposing such a polarization selector 80 at the final stage, a specific polarization component can be obtained with a higher extinction ratio.

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。   As mentioned above, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.

11 第1の偏向部
11a 第1の領域
11b 第2の領域
12 偏光分離部
13 ギャップ領域
14 第2の偏向部
15 偏光回転部
15a 第3の領域
15b 第4の領域
21 入射光
25 出射光
31a プリズム領域
31b プリズム領域
41a 回折格子領域
41b 回折格子領域
51 ガラス基板
52 1/4位相差部
61 第1の基板
62 第2の基板
71 第1の偏向領域
72 偏光分離領域
73 ギャップ領域
74 第2の偏向領域
75 偏光回転領域
80 偏光選択部
11 First deflection unit 11a First region 11b Second region 12 Polarization separation unit 13 Gap region 14 Second deflection unit 15 Polarization rotation unit 15a Third region 15b Fourth region 21 Incident light 25 Emission light 31a Prism region 31b Prism region 41a Diffraction grating region 41b Diffraction grating region 51 Glass substrate 52 1/4 phase difference portion 61 First substrate 62 Second substrate 71 First deflection region 72 Polarization separation region 73 Gap region 74 Second Deflection area 75 Polarization rotation area 80 Polarization selector

特開2002−122733号公報JP 2002-122733 A 特開2001−318217号公報JP 2001-318217 A 特開2004−61905号公報JP 2004-61905 A 特開2005−10377号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-10377 特表2003−502708号公報Special table 2003-502708 gazette 特開2000−171754号公報JP 2000-171754 A 特開2005−128241号公報JP 2005-128241 A

「Rigorous concept for the design of diffractive microlenses with high numerical apertures」Journal of the Optical Society of America A, Vol14(4),pp901-906 (1997))“Rigorous concept for the design of diffractive microlenses with high numerical apertures” Journal of the Optical Society of America A, Vol 14 (4), pp901-906 (1997))

Claims (13)

入射した光を2つの方向に偏向させ出射させるものであって、前記2つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第1の領域と、他方の方向に偏向させる第2の領域とが、各々所定の幅で交互に形成された第1の偏向部と、
相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部と、
異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第2の偏向部と、
1/4位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部と、
を有し、
前記偏光分離部と前記第2の偏向部とは所定のギャップ間隔で配置され、
前記第1の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであって、
前記第1の偏向部、前記偏光分離部、前記第2の偏向部、前記偏光回転部は、すべて各々透明な基板面に形成されていること、または、透明な基板上に形成された膜構造により形成されていることを特徴とする偏光変換素子。
The incident light is deflected in two directions and emitted, and a first region deflected in one of the two directions and a second region deflected in the other direction are respectively First deflecting portions alternately formed with a predetermined width;
A polarization separation unit that emits light of polarization components orthogonal to each other at different angles;
A second deflection unit that emits light having different incident angles as light having an emission angle in substantially the same direction;
A polarization rotator in which a ¼ phase difference portion is formed at an interval of the predetermined width and the same length as the predetermined width;
Have
The polarization separation unit and the second deflection unit are arranged at a predetermined gap interval,
The optical axis direction of the light incident on the first deflecting unit, the one direction, and the other direction are all in the same plane, and the other direction passes through the optical axis, The direction is opposite to the direction,
The first deflection unit, the polarization separation unit, the second deflection unit, and the polarization rotation unit are all formed on a transparent substrate surface, or a film structure formed on a transparent substrate. The polarization conversion element characterized by being formed by.
光を透過する第1の基板と第2の基板とを有し、
前記第1の基板の一方の面には、入射した光を2つの方向に偏向させて光を出射させるものであって、前記2つの方向のうち、一方の方向に偏向させる第1の領域と、他方の方向に偏向させる第2の領域とが、各々所定の幅で交互に配置された第1の偏向部が形成されており、
前記第1の基板の他方の面には、相互に直交する偏光成分の光を異なる角度で出射させる偏光分離部が形成されており、
前記第2の基板の一方の面には、異なる入射角度の光を略同一の方向の出射角度の光として出射する第2の偏向部が形成されており、
前記第2の基板の他方の面には、1/4位相差部が、前記所定の幅で、前記所定の幅と同じ長さの間隔で形成されている偏光回転部が形成されており、
前記第1の基板の他方の面と前記第2の基板の一方の面とは所定のギャップ間隔で対向して配置されており、
前記第1の偏向部に入射する光の光軸方向、前記一方の方向及び前記他方の方向は、すべて同一面における方向であって、前記他方の方向は、前記光軸を介し、前記一方の方向とは反対方向となるものであることを特徴とする偏光変換素子。
A first substrate that transmits light and a second substrate;
One surface of the first substrate deflects incident light in two directions and emits light, and includes a first region deflected in one of the two directions The first deflection section is formed in which the second regions deflected in the other direction are alternately arranged with a predetermined width, respectively.
On the other surface of the first substrate, there is formed a polarization separation unit that emits light of polarization components orthogonal to each other at different angles,
On one surface of the second substrate, a second deflecting unit that emits light having different incident angles as light having an emission angle in substantially the same direction is formed.
On the other surface of the second substrate, there is formed a polarization rotation portion in which a quarter phase difference portion is formed with the predetermined width and the same length as the predetermined width,
The other surface of the first substrate and the one surface of the second substrate are arranged to face each other with a predetermined gap interval,
The optical axis direction of the light incident on the first deflecting unit, the one direction, and the other direction are all in the same plane, and the other direction passes through the optical axis, A polarization conversion element having a direction opposite to the direction.
前記光軸と前記一方の方向となす角は、前記光軸と前記他方の方向のなす角と等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の偏光変換素子。   3. The polarization conversion element according to claim 1, wherein an angle formed between the optical axis and the one direction is equal to an angle formed between the optical axis and the other direction. 前記ギャップ間隔の間隔Cは、Wを前記所定の幅、θを前記光軸と前記一方の方向または前記他方の方向となす角とした場合に、
C=W/(2×tanθ)
であることを特徴とする請求項3に記載の偏光変換素子。
When the gap C is the angle between W as the predetermined width and θ as the optical axis and the one direction or the other direction,
C = W / (2 × tan θ)
The polarization conversion element according to claim 3, wherein:
前記偏光分離部は、前記相互に直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分の光を直進させ、他方の偏光成分の光を偏向させるものであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の偏光変換素子。   5. The polarization separation unit according to any one of claims 1 to 4, wherein the polarization separation unit is configured to straighten light of one polarization component among the polarization components orthogonal to each other and deflect light of the other polarization component. A polarization conversion element according to any one of the above. 前記偏光分離部には、前記入射する光の波長以下、または、同程度の周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の偏光変換素子。   6. The polarization conversion element according to claim 1, wherein a diffraction grating having a period shorter than or equal to the wavelength of the incident light is formed in the polarization separation unit. 前記偏光分離部は、前記偏光分離部に入射した光の0次回折光、1次回折光を出射するものであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の偏光変換素子。   The polarization conversion element according to claim 1, wherein the polarization separation unit emits zero-order diffracted light and first-order diffracted light of light incident on the polarization separation unit. 前記第1の偏向部における前記第1の領域及び前記第2の領域には、前記基板面に対して傾斜を有する屈折面が各々形成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の偏光変換素子。   The refracting surface which inclines with respect to the said substrate surface is each formed in the said 1st area | region and the said 2nd area | region in a said 1st deflection | deviation part, The any one of Claim 1 to 7 characterized by the above-mentioned. A polarization conversion element according to any one of the above. 前記第1の偏向部における前記第1の領域及び前記第2の領域には、前記入射した光を各々異なる方向に偏向させるための回折格子が形成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の偏光変換素子。   The diffraction grating for deflecting the incident light in different directions is formed in the first region and the second region of the first deflecting unit, respectively. The polarization conversion element according to any one of 7. 前記第2の偏向部には、前記入射する光の波長よりも長い周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の偏光変換素子。   10. The polarization conversion element according to claim 1, wherein a diffraction grating having a period longer than a wavelength of the incident light is formed in the second deflecting unit. 11. 前記第2の偏向部より出射した相互に直交する偏光成分の光のうち、一方の偏光成分の光を前記1/4位相差部に入射させ、他方の偏光成分の光を前記1/4位相差部の形成されていない領域に入射させるように、前記偏光回転部が設置されていることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の偏光変換素子。   Of the polarized light components orthogonal to each other emitted from the second deflecting unit, one polarized component light is incident on the ¼ phase difference unit, and the other polarized light component is incident on the ¼ position. 11. The polarization conversion element according to claim 1, wherein the polarization rotation unit is installed so as to be incident on a region where no phase difference part is formed. 前記偏光回転部より出射した光を入射させ、所定の偏光方向の光のみを出射させる偏光選択部が設けられていることを特徴とする請求項1から11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 11, further comprising a polarization selection unit that allows light emitted from the polarization rotation unit to enter and emit only light having a predetermined polarization direction. 前記偏光選択部は、前記入射する光の波長よりも短い周期の金属細線構造により形成されていることを特徴とする請求項12に記載の偏光変換素子。   The polarization conversion element according to claim 12, wherein the polarization selection unit is formed of a thin metal wire structure having a period shorter than a wavelength of the incident light.
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