JP2012093620A - Polarizing element - Google Patents

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俊 三宮
Izumi Ito
泉 伊藤
Tetsuji Mori
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a user-friendly and novel polarizing element capable of effectively reducing the generation of reflecting light despite using a metal material, and having superior heat resistance, light resistance, and environment resistance.SOLUTION: This polarizing element includes: a transparent tabular support body 10, a structure layer, and a transparent medium layer 14, and both of the tabular support body 10 and the transparent medium layer 14 are formed of an inorganic material. Each of micro metal structures 12 constituting the structure layer has a rectangular parallelepiped shape having the length L1, the width L2(<L1), and the height H, and is formed of a metal material comprising Al as a major component, the height direction being defined as a direction orthogonal to the flat surface of the tabular support body 10. In a two-dimensional array in the structure layer, the length direction and the width direction are formed in parallel to each other such that an interval between adjacent micro metal structures becomes the reference wavelength λ or less, and the length L1, the width L2, and the height H of the micro metal structure 12 satisfy the following expressions, 0<L2≤50 nm, L2<L1≒λ/4, and 200 nm>H≥50 nm.

Description

この発明は偏光素子に関する。   The present invention relates to a polarizing element.

偏光素子は、液晶プロジェクタ装置や液晶ディスプレイに代表される表示装置に広く利用され、液晶パネルなどの空間光変調素子へ入射する光から「特定角度の直線偏光成分」を選択的に抽出することにより画素のオン・オフの切り替えを行うのに利用されている。   Polarizing elements are widely used in display devices typified by liquid crystal projectors and liquid crystal displays, and by selectively extracting “linearly polarized light components of a specific angle” from light incident on spatial light modulation elements such as liquid crystal panels. It is used to switch pixels on and off.

また、近年は撮像装置のセンサの面上または近傍に偏光素子を設け、特定角度の直線偏光成分の画像を抽出する偏光計測技術にも利用されている。   In recent years, a polarizing element is provided on or near the surface of the sensor of the image pickup apparatus, and is also used in a polarization measurement technique for extracting an image of a linearly polarized light component having a specific angle.

近来、従来から知られた「ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させた偏光素子」に変わるものとして、ワイヤグリッド偏光素子や「アルミニウム微粒子を用いた偏光素子」が提案され、実用化されつつある(特許文献1〜6)。   Recently, the wire grid polarization has been replaced with the conventionally known “polarizing element in which dichroic materials such as iodine and organic dyes are dyed and adsorbed on a substrate film such as polyvinyl alcohol and are highly stretched and oriented”. Elements and “polarizing elements using aluminum fine particles” have been proposed and put into practical use (Patent Documents 1 to 6).

これらの特許文献に記載された偏光素子は何れも、電磁波である光と金属との相互作用を利用するものである。   All of the polarizing elements described in these patent documents utilize an interaction between light, which is an electromagnetic wave, and a metal.

この発明は、金属性の材料を用いつつも、反射光の発生を有効に軽減でき、耐熱性・耐光性・耐環境性に優れ、取り扱いの容易な新規な偏光素子の提供を課題とする。   An object of the present invention is to provide a novel polarizing element that can effectively reduce the generation of reflected light, is excellent in heat resistance, light resistance, and environment resistance and is easy to handle while using a metallic material.

請求項1記載の偏光素子は、平板状支持体と、構造体層と、透明媒体層とを有する。   The polarizing element of Claim 1 has a flat support body, a structure body layer, and a transparent medium layer.

「平板状支持体」は、透明な材質であり、平板状である。
「構造体層」は、多数の微小金属構造体を、平板状支持体の平板面(支持体の厚み方向に直交する面)に平行に2次元的に配列して構成される。構造体層は1層以上が形成される。
The “flat support” is a transparent material and has a flat plate shape.
The “structure layer” is configured by two-dimensionally arranging a large number of minute metal structures in parallel to a flat plate surface of a flat plate support (a surface perpendicular to the thickness direction of the support). One or more structure layers are formed.

「透明媒体層」は、構造体層を被覆する層である。   The “transparent medium layer” is a layer covering the structure layer.

平板状支持体および透明媒質層は、共に「無機材料」で構成される。
「微小金属構造体」は、Alを主成分とする金属材料で形成される。「Alを主成分とする金属材料」は勿論「アルミニウム単体」を含む。
Both the flat support and the transparent medium layer are made of “inorganic material”.
The “micro metal structure” is formed of a metal material containing Al as a main component. Of course, “a metal material mainly composed of Al” includes “aluminum alone”.

アルミニウムを主成分とする金属材料で形成される微小金属構造体は「直方体形状」を有する。この直方体形状は「長さ:L1、幅:L2の長方形を断面形状とする高さ:Hの直方体」の形状であるが、勿論、人為的に形成されるものであるから、幾何学的に厳密な直方体である必要は無く、後述する光学機能を発揮できるものであれば、製作精度による形状の乱れや陵部の丸みなどが許容されることは言うまでもない。   A fine metal structure formed of a metal material mainly composed of aluminum has a “cuboid shape”. This rectangular parallelepiped shape is a shape of “a rectangular parallelepiped of length: L1, width: L2: height: H rectangular parallelepiped”, but of course, since it is artificially formed, geometrically Needless to say, it is not necessary to be a strict rectangular parallelepiped, and it is needless to say that irregularities in shape and roundness of the ridges are allowed as long as the optical function described later can be exhibited.

直方体形状を有する微小金属構造体は多数のものが、2次元的に配列されて構造体層を構成するが、配列に当たっては、個々の微小金属構造体の高さ:Hの方向を「平板状支持体の平板面(平板状支持体の暑さ方向に直交する面)に直交する方向」へ向け、且つ、長さ:L1の方向を1方向へ揃える。「平板面」は、平板状支持体の厚さ方向に直交する面である。   Many fine metal structures having a rectangular parallelepiped shape are two-dimensionally arranged to form a structure layer. In arranging the fine metal structures, the height: H direction of each fine metal structure is defined as “flat plate shape”. The direction of the length: L1 is aligned in one direction, in the direction perpendicular to the flat surface of the support (the surface orthogonal to the heat direction of the flat support). The “flat surface” is a surface orthogonal to the thickness direction of the flat support.

例えば、平板状支持体の平板面上に直交座標軸:ξ、ηを設定し、平板面に直交して座標軸:ζを設定したとすると、ξη面に2次元的に配列された個々の微小金属構造体は、高さ方向がζ軸に平行で、長さ方向がξ方向に平行で、幅方向がη方向に平行になるように配列することができる。   For example, if orthogonal coordinate axes: ξ, η are set on the flat plate surface of the flat plate support, and coordinate axes: ζ are set orthogonal to the flat plate surface, the individual micrometals arranged two-dimensionally on the ξη plane The structures can be arranged such that the height direction is parallel to the ζ axis, the length direction is parallel to the ξ direction, and the width direction is parallel to the η direction.

2次元的に配置される微小金属構造体の配列は「近接する微小金属構造体間が、基準波長:λ以下となる」ように行なわれる。   The arrangement of the two-dimensionally arranged fine metal structures is performed such that “the distance between adjacent fine metal structures is a reference wavelength: λ or less”.

微小金属構造体の長さ:L1、幅:L2、高さ:Hは、
0<L2≦50nm、L2<L1≦λ/4、200nm>H≧50nm
を満足する。
The length of the fine metal structure: L1, the width: L2, the height: H
0 <L2 ≦ 50 nm, L2 <L1 ≦ λ / 4, 200 nm> H ≧ 50 nm
Satisfied.

「基準波長:λ」は、偏光素子により偏光分離を行なおうとする波長である。   “Reference wavelength: λ” is a wavelength at which polarization separation is performed by the polarizing element.

請求項1記載の偏光素子において「1つの構造体層を構成する微小金属構造体」は、同一形状であることができる(請求項2)が、1つの構造体層を構成する微小金属構造体に「長さ:L1の異なる複数種の微小金属構造体」が混在してもよい(請求項3)。   2. The polarizing element according to claim 1, wherein “the fine metal structure constituting one structure layer” can have the same shape (claim 2), but the fine metal structure constituting one structure layer. In addition, “a plurality of types of fine metal structures having different lengths: L1” may be mixed (claim 3).

請求項1記載の偏光素子は、上述のように、微小金属構造体の2次元配列による構造体層を1以上有するので、構造体層は2層以上設けることが可能である。
2層以上の構造体層を設ける場合には、各構造体層は、平板状支持体の平板面上に「複数層構造」をなすように形成される。この場合、互いに重なる構造体層間は「透明媒体」で充填され、最上層の構造体層は透明媒体で被覆される。
Since the polarizing element according to claim 1 has one or more structure layers by a two-dimensional arrangement of fine metal structures as described above, it is possible to provide two or more structure layers.
When two or more structure layers are provided, each structure layer is formed so as to form a “multi-layer structure” on the flat plate surface of the flat plate-like support. In this case, the structure layers that overlap each other are filled with the “transparent medium”, and the uppermost structure layer is covered with the transparent medium.

即ち、単一層の構造体層が形成されるときも、複数層の構造体層が形成されるときも、構造体層を構成する微小金属構造体は「透明媒体」に包まれた状態となる。   That is, even when a single structure layer is formed or when a plurality of structure layers are formed, the fine metal structure constituting the structure layer is in a state of being surrounded by a “transparent medium”. .

このように、平板状支持体上に形成された1以上の構造体層を包み込んで被覆するのが「透明媒体層」である。   Thus, the “transparent medium layer” wraps and covers one or more structural body layers formed on a flat support.

請求項1〜3の任意の1に記載の偏光素子は「平板状支持体の片面に接して第1の構造体層が設けられ、この第1の構造体層の上に透明媒体層を介して第2の構造体層が設けられ、この第2の構造体層がさらに透明媒体層で被覆された構成」とすることができる(請求項4)。   The polarizing element according to any one of claims 1 to 3, wherein "a first structure layer is provided in contact with one surface of a flat support, and a transparent medium layer is interposed on the first structure layer. The second structure layer is provided, and the second structure layer is further covered with a transparent medium layer ”.

この請求項4記載の偏光素子においては、第1の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第2の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、同一の向きであることもできるし(請求項5)、第1の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第2の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、相互に直交する向きであることもできる(請求項6)。   In the polarizing element according to claim 4, the longitudinal direction of the fine metal structure forming the first structure layer and the longitudinal direction of the fine metal structure forming the second structure layer are in the same direction. The longitudinal direction of the minute metal structure forming the first structure layer and the longitudinal direction of the minute metal structure forming the second structure layer are orthogonal to each other. It can also be oriented (claim 6).

請求項1〜6の任意の1に記載の偏光素子における「構造体層における微小金属構造体の2次元的な配列」は、規則的であることもできるし(請求項7)、ランダムであることもできる(請求項8)。   The “two-dimensional arrangement of the fine metal structures in the structure layer” in the polarizing element according to any one of claims 1 to 6 may be regular (claim 7) or random. (Claim 8).

偏光素子を構成する材料について説明する。
上述の如く、平板状支持体、透明媒体層ともに「無機材料」で構成されるが、これらは勿論「共に透明」である。
平板状支持体の材料としては、光学素子に一般的に用いられる透明材料が好ましく、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、CaF、ZnSe、Al等の光学結晶材料などを用いることができる。
透明媒体層は「アルミニウムを主成分とする金属材料により形成される微小金属構造体を、酸化や、物理力の直接的作用から防止するプロテクト機能」と、金属微小構造体の光吸収特性を制御する機能とを付与されるものであり、その材料としては、屈折率が1.5近傍にあるガラス材料が適しており、「吸収の少ないコーティング材料」として光学素子に一般的に用いられる石英ガラス、パイレックス(登録商標)、ZnS−SiOなどの硼珪酸ガラスや、CaF、Si、ZnSe、Al、ZnOなどの材料を用いることができる。また、ガラス材料を主成分とする「スピンオングラス材料」などを用いることもできる。
The material which comprises a polarizing element is demonstrated.
As described above, both the flat support and the transparent medium layer are composed of “inorganic material”, but these are of course “both transparent”.
The material for the plate-like support is preferably a transparent material generally used for optical elements, such as quartz glass, borosilicate glass such as BK7 and Pyrex (registered trademark), CaF 2 , ZnSe, Al 2 O 3 and the like. An optical crystal material or the like can be used.
The transparent medium layer controls the light absorption characteristics of the metal microstructure and "a protection function that prevents the metal structure formed of a metal material containing aluminum as a main component from oxidation and direct action of physical force". As the material, a glass material having a refractive index in the vicinity of 1.5 is suitable, and quartz glass generally used for optical elements as a “low-absorption coating material” , Pyrex (registered trademark), and borosilicate glass, such as ZnS-SiO 2, CaF 2, Si, ZnSe, it is possible to use a material such as Al 2 O 3, ZnO. In addition, a “spin-on-glass material” containing a glass material as a main component can also be used.

微小金属構造体に用いる「Alを主成分とする金属材料」としては、Alが最も適しているが、Alを主成分とする合金・混合材料でも良い。これは、Al材料による微小金属構造体のサイズを「光の波長オーダ以下」に小さくした場合に、広帯域にわたって吸収特性を発現させることができるためである。
なお、動作する波長帯によっては、Alのほかにも、Au、Ag、Pt、Cuなどの材料おいてもこの発明の偏光素子と同様の効果が期待できる。
Al is most suitable as the “metal material mainly composed of Al” used for the fine metal structure, but an alloy / mixed material mainly composed of Al may be used. This is because when the size of the fine metal structure made of the Al material is reduced to “below the wavelength order of light”, the absorption characteristics can be expressed over a wide band.
Depending on the operating wavelength band, the same effect as that of the polarizing element of the present invention can be expected in materials other than Al, such as Au, Ag, Pt, and Cu.

この発明の偏光素子における偏光機能(入射する光を偏光方向に従って透過光と非透過光に分離する機能を言い、以下「偏光分離機能」とも言う。)について説明する。
この発明の偏光素子における偏光機能は「プラズモン共鳴吸収」を利用する。
1個の微小金属構造体である「微小な直方体」を考える。
偏光分離される光は、入射光として、直方体の高さ方向から入射する。光は横波であるから、入射光の振動方向は平板面に平行である。そこで、電場の振動方向として、直方体の「長さ方向に平行な方向」と「幅方向に平行な方向」とを考える。
A polarization function (referred to as a function of separating incident light into transmitted light and non-transmitted light according to the polarization direction, hereinafter also referred to as “polarized light separation function”) in the polarizing element of the present invention will be described.
The polarization function in the polarizing element of the present invention uses “plasmon resonance absorption”.
Consider a “small rectangular parallelepiped” that is one minute metal structure.
The light that is polarized and separated is incident as incident light from the height direction of the rectangular parallelepiped. Since light is a transverse wave, the vibration direction of the incident light is parallel to the flat plate surface. Therefore, as the vibration direction of the electric field, the “direction parallel to the length direction” and the “direction parallel to the width direction” of the rectangular parallelepiped are considered.

電場の振動は、微小金属構造体内の電子をプラズマ状態で振動させるが、直方体の幅:L2が50nm以下になると、幅方向に平行に振動する電場による偏光成分は「殆ど微小金属構造体で吸収されなく」なり、従って、直方体の幅方向に平行に電場振動する偏光成分は、透明媒体層、構造体層、平板状支持体を高い透過率で透過する。   The vibration of the electric field causes electrons in the minute metal structure to vibrate in a plasma state, but when the width of the rectangular parallelepiped: L2 is 50 nm or less, the polarization component due to the electric field oscillating parallel to the width direction is “absorbed almost by the minute metal structure. Therefore, the polarization component that vibrates in the electric field parallel to the width direction of the rectangular parallelepiped transmits through the transparent medium layer, the structure layer, and the flat plate support with high transmittance.

一方、直方体の長さ方向に平行に電場振動する偏光成分は、プラズマ状態で振動する電子の振動の振幅が長さ方向の長さ:L1に近くなると「プラズモン共鳴」と呼ばれる共鳴状態を生じ、直方体の幅方向に平行に電場振動する基準波長:λの偏光成分は、微小金属構造体に高い吸収率で吸収され光エネルギは熱に変わる。   On the other hand, the polarization component that vibrates in the electric field parallel to the length direction of the rectangular parallelepiped produces a resonance state called “plasmon resonance” when the amplitude of the vibration of electrons that vibrate in the plasma state is close to the length in the length direction: L1. The polarization component of the reference wavelength: λ that vibrates in the electric field parallel to the width direction of the rectangular parallelepiped is absorbed by the fine metal structure with a high absorption rate, and the light energy is changed to heat.

従って、偏光素子として見ると、微小金属構造体の長さ方向に平行に電場振動する偏光成分は吸収されて、偏光素子を透過しない。   Therefore, when viewed as a polarizing element, the polarization component that vibrates in an electric field parallel to the length direction of the minute metal structure is absorbed and does not pass through the polarizing element.

このようにして、上記「幅方向に平行に電場振動する偏向成分」と「長さ方向に平行に電場振動する偏光成分」とが偏光分離される。   In this manner, the “deflection component that vibrates in the electric field in parallel with the width direction” and the “polarization component that vibrates in the electric field in parallel with the length direction” are separated by polarization.

このように、この発明の偏光素子では、偏光分離が「微小金属構造体による共鳴吸収」を利用して行なわれており、偏光素子で反射する反射成分が極めて少ない。従って、反射光が発生する従来の偏光素子(例えばワイヤグリッド偏光素子)等では問題となる「戻り光」の問題が有効に軽減される。   As described above, in the polarizing element of the present invention, the polarization separation is performed using “resonance absorption by the minute metal structure”, and the reflection component reflected by the polarizing element is extremely small. Therefore, the problem of “return light”, which is a problem in a conventional polarizing element (for example, a wire grid polarizing element) that generates reflected light, is effectively reduced.

上記の如く、微小金属構造体の長さ方向に平行に電場振動する偏光成分は、微小金属構造体に吸収されて熱に変換されるので、構造体層では熱が発生するが、偏光素子はアルミニウムを主成分とする金属材料と無機材料とで構成されているので、このような発熱が生じても熱によるダメージを受けることがない。   As described above, the polarization component that vibrates in the electric field parallel to the length direction of the minute metal structure is absorbed by the minute metal structure and converted into heat, so that heat is generated in the structure layer. Since it is composed of a metal material mainly composed of aluminum and an inorganic material, even if such heat generation occurs, it is not damaged by heat.

偏光素子はまた、材料に有機材料を含まないので、光照射による経時的な機能劣化も生じない。さらに、微小金属構造体は透明媒質層と平板状支持体とにより挟持された状態となっており、透明媒質層・平板状支持体ともに無機材料で硬質であるから、外部からの物理的な力の作用があっても、微小金属構造体がダメージを受けることはない。   In addition, since the polarizing element does not contain an organic material, functional deterioration with time due to light irradiation does not occur. Furthermore, the fine metal structure is sandwiched between the transparent medium layer and the flat plate support, and since both the transparent medium layer and the flat plate support are inorganic materials and hard, physical force from the outside Even if there is an effect of the above, the fine metal structure is not damaged.

また、微小金属構造体の長さ:L1により偏光分離できる波長を設定できるので、使用波長に応じた設計・製造が容易に可能である。   Moreover, since the wavelength which can carry out polarization separation can be set by the length: L1 of the minute metal structure, it is possible to easily design and manufacture according to the wavelength used.

なお、上の説明から明らかなように、微小金属構造体の直方体形状における幅:L2は50nm以下であればよいが、L2は所望によりさらに小さくできる。実際にはL2の下限は直方体の形成条件により定まる。形成可能な直方体の幅:L2の下限は10nm程度と考えられる。   As apparent from the above description, the width L2 in the rectangular parallelepiped shape of the minute metal structure may be 50 nm or less, but L2 can be further reduced as desired. Actually, the lower limit of L2 is determined by the formation conditions of the rectangular parallelepiped. Formable rectangular parallelepiped width: The lower limit of L2 is considered to be about 10 nm.

また直方体の高さ:Hは、50nmよりも小さくなると、光吸収効果が不十分となる。金属材料中に電場が浸み出す表皮深さを勘案して、高さ:Hは上記50nm以上が必要である。また高さ:Hの上限は、やはり形成条件から200nm程度と考えられる。   Further, when the height of the rectangular parallelepiped: H is smaller than 50 nm, the light absorption effect becomes insufficient. In consideration of the depth of skin through which the electric field penetrates into the metal material, the height: H needs to be 50 nm or more. Also, the upper limit of the height: H is considered to be about 200 nm from the formation conditions.

以上に説明したように、この発明によれば新規な偏光素子を実現できる。この偏光素子は、上述したように、使用波長に応じた設計・製造が容易であり、熱耐性・光耐性に優れるとともに耐環境性に優れ、機械的外力に対して強いから取り扱い容易である。また、反射光による戻り光の問題が有効に軽減される。また、薄い平板型であり、且つ反射光の発生を回避していることから積層構成において有利である。   As described above, according to the present invention, a novel polarizing element can be realized. As described above, this polarizing element can be easily designed and manufactured in accordance with the wavelength used, has excellent heat resistance and light resistance, is excellent in environmental resistance, and is strong against mechanical external force, so that it is easy to handle. Also, the problem of return light due to reflected light is effectively reduced. In addition, since it is a thin flat plate type and avoids the generation of reflected light, it is advantageous in a laminated structure.

偏光素子の第1の実施の形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st Embodiment of a polarizing element. 第1の実施の形態の偏光素子の具体的な構成を説明する図である。It is a figure explaining the specific structure of the polarizing element of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の偏光素子の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the modification of the polarizing element of 1st Embodiment. 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. 第1の実施の形態の偏光素子の動作原理の数値シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical simulation result of the operation principle of the polarizing element of 1st Embodiment. 偏光素子の第2の実施の形態を説明する図である。It is a figure explaining 2nd Embodiment of a polarizing element. 偏光素子の第3の実施の形態を説明する断面図および平面図である。It is sectional drawing and top view explaining 3rd Embodiment of a polarizing element. 第3の実施の形態の偏光素子に対する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 the numerical simulation with respect to the polarizing element of 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に対する数値シミュレーション結果を説明する図である。It is a figure explaining the numerical simulation result with respect to 3rd Embodiment. 偏光素子の第4の実施の形態を説明する図である。It is a figure explaining 4th Embodiment of a polarizing element.

以下、実施の形態を説明する。
図1は、偏光素子の「第1の実施の形態」を説明図的に示す斜視図である。
図1において、符号10は平板状支持体、符号12は微小金属構造体、符号14は透明媒質層を示している。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 1 is a perspective view illustratively showing a “first embodiment” of a polarizing element.
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a flat plate support, reference numeral 12 denotes a fine metal structure, and reference numeral 14 denotes a transparent medium layer.

平板状支持体10は、屈折率:1.51の透明な無機材料(SiO)による平行平板である。
微小金属構造体12はアルミニウムによる微小な直方体であり、平板状支持体10の平板面上に2次元的に規則的に配置するように形成されている。
The flat support 10 is a parallel flat plate made of a transparent inorganic material (SiO 2 ) having a refractive index of 1.51.
The minute metal structure 12 is a minute rectangular parallelepiped made of aluminum, and is formed so as to be regularly arranged two-dimensionally on the flat plate surface of the flat plate-like support 10.

透明媒体層14は、屈折率:1.38の透明な無機誘電体(SOG)により形成されている。構造体層を構成する多数の微小金像構造体12は「透明媒体層14内に埋め込まれた状態」となっている。
この構成により、微小金属構造体12は「外気に晒される」ことがなく、また、物理的な外力による外的損傷を受けることもない。
図2は、微小金属構造体12による構造体層を説明するための図である。
図2(a)は、構造体層をなす微小金属構造体12の配列状態を、透明媒質層14を透して見た状態を説明図的に示し、(b)は偏光素子を「素子の厚み方向に平行な面による仮想的な断面図(図2(a)のAA’断面図)」を説明図的に示している。
The transparent medium layer 14 is formed of a transparent inorganic dielectric (SOG) having a refractive index of 1.38. A large number of minute gold image structures 12 constituting the structure layer are in a state of being embedded in the transparent medium layer 14.
With this configuration, the fine metal structure 12 is not “exposed to the outside air” and is not subject to external damage due to a physical external force.
FIG. 2 is a diagram for explaining a structure layer formed by the fine metal structure 12.
FIG. 2A is an explanatory view showing an arrangement state of the minute metal structures 12 forming the structure layer as seen through the transparent medium layer 14, and FIG. An imaginary sectional view taken along a plane parallel to the thickness direction (AA ′ sectional view of FIG. 2A) ”is illustratively shown.

個々の微小金属構造体12は「互いに同一」の直方体形状(勿論、製作精度による形状の乱れや陵部の丸みなどは許容される。)であり、図2(a)に示すように、長さ:L1、幅:L2の長方形を底面とし、(b)に示すように高さ:Hを有している。   Each of the minute metal structures 12 has a rectangular parallelepiped shape (which is of course identical to each other) (of course, irregular shapes due to manufacturing accuracy, roundness of the ridges, etc. are allowed), and as shown in FIG. The bottom of the rectangle of length: L1 and width: L2 has a height: H as shown in FIG.

上記L1、L2、Hは、基準波長:λよりも小さなサイズであり、また、微小金属構造体間の距離も「近接する直方体間の距離」が基準波長:λより小さい。これは、光の回折現象による空間的な強度分布ムラを避けることと、高い透過率を確保するためである。   L1, L2, and H have a size smaller than the reference wavelength: λ, and the distance between the minute metal structures is also smaller than the reference wavelength: λ. This is to avoid spatial intensity distribution unevenness due to the light diffraction phenomenon and to ensure high transmittance.

図2は、微小金属構造体12を「2次元格子状に規則正しく配列」した例を示しているが、微小金属構造体の2次元的な配列は、これに限らず、図3(a)に示すように、微小金属構造体12の「左右方向の配列は同一間隔」とし、この配列を上下方向において、変位量:Sだけずらして配列しても良いし、図3(b)に示すように微小金属構造体12を「ランダムに配列」した配列形態でもよい。   FIG. 2 shows an example in which the fine metal structures 12 are “orderedly arranged in a two-dimensional lattice”, but the two-dimensional arrangement of the fine metal structures is not limited to this, and FIG. As shown in FIG. 3, “the arrangement in the left-right direction is the same interval” of the fine metal structures 12, and this arrangement may be arranged by shifting by a displacement amount: S in the vertical direction, as shown in FIG. Alternatively, the arrangement may be such that the micro metal structures 12 are “randomly arranged”.

しかしながら、これらの何れの配列の場合でも、微小金属構造体12の長さ:L1の方向(図3の上下方向)は1方向に揃えられている。   However, in any of these arrangements, the length of the fine metal structure 12: L1 (the vertical direction in FIG. 3) is aligned in one direction.

このように、微小金属構造体12の配列が「規則的な配列」に限らず、「長さ方向のみを揃えれば良い」のは、偏光素子の偏光選択特性が、個々の微小金属構造体12における光の吸収に依存し、微小金属構造体の配列の仕方に依存しないためである。   As described above, the arrangement of the minute metal structures 12 is not limited to the “regular arrangement”, but “only the length direction needs to be aligned” is that the polarization selection characteristic of the polarizing element is the individual minute metal structures 12. This is because it depends on the absorption of light in and does not depend on the arrangement of the fine metal structures.

ここで、図1〜図3に示す偏光素子の作製方法を説明する。
基準波長:λ以下の幅を有する微小金属構造体の作製には「可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法」を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどが利用できる。
一般的な手法として「電子ビームリソグラフィによる方法」を説明するが、作製方法は勿論、これに限定されない。
平板状支持体10として平行平板状の光学材料を用い、Alをスパッタ法や真空蒸着法により平板面上に厚さ:Hに堆積し、その上にフォトレジスト膜を形成する。
このとき、Alと平板面との界面にAl膜の密着性を高めるために、TiやCrなどの下地層を設けても良い。続いて、電子ビーム描画により「長さ:L1、幅:L2の矩形形状のAl膜パターン(2次元的に配列している。)」を残すように「ネガパターン」を露光する。
その後、不要なAl膜部分をRIEなどによりエッチングし、残ったフォトレジストパターンを除去することにより、支持基板界面に直方体形状の微小金属構造体を多数形成できる。エッチングにより微小金属構造体のパターンを形成する代わりに、フォトレジストパターンにAl材料を堆積し、その後フォトレジストを除去するリフトオフ法を用いて、微小金属構造体のパターンを形成する方法も有効である。
このようにして微小金属構造体(Al膜)の2次元配列による「構造体層」が平板状支持体の平板面に形成される。
Here, a method for manufacturing the polarizing element shown in FIGS. 1 to 3 will be described.
For the production of a fine metal structure having a reference wavelength: λ or less, a “method with processing accuracy below the diffraction limit of visible light” is applied. Specific methods that can be used include a method using electron beam lithography, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, and etching utilizing alteration of material properties.
A “method by electron beam lithography” will be described as a general method, but the manufacturing method is of course not limited thereto.
A parallel plate-like optical material is used as the plate-like support 10, Al is deposited on the plate surface with a thickness: H by sputtering or vacuum evaporation, and a photoresist film is formed thereon.
At this time, in order to improve the adhesion of the Al film at the interface between Al and the flat plate surface, an underlayer such as Ti or Cr may be provided. Subsequently, the “negative pattern” is exposed so as to leave a “rectangular Al film pattern of length: L1 and width: L2 (two-dimensionally arranged)” by electron beam drawing.
Thereafter, unnecessary Al film portions are etched by RIE or the like, and the remaining photoresist pattern is removed, whereby a large number of rectangular parallelepiped minute metal structures can be formed at the support substrate interface. Instead of forming a pattern of a fine metal structure by etching, it is also effective to form a pattern of a fine metal structure by using a lift-off method in which an Al material is deposited on a photoresist pattern and then the photoresist is removed. .
In this way, a “structure layer” based on a two-dimensional arrangement of micro metal structures (Al film) is formed on the flat plate surface of the flat plate support.

続いて、微小金属構造体の2次元配列を被膜する「透明な膜」を、透明な無機誘電体材料を用いるスパッタ法やコーティングにより堆積して透明媒体層とすることにより偏光素子を得ることができる。   Subsequently, a “transparent film” that coats a two-dimensional array of fine metal structures is deposited by sputtering or coating using a transparent inorganic dielectric material to form a transparent medium layer, thereby obtaining a polarizing element. it can.

前述の如く、微小金属構造体12の形状は長さ:L1、幅:L2、高さ:Hにより規定されるが、幅:L2が50nm以下のサイズになると、幅方向に平行に電場振動する偏光成分が、微小金属構造体により殆ど吸収されず、高い透過率で偏光素子を透過する。   As described above, the shape of the fine metal structure 12 is defined by the length: L1, the width: L2, and the height: H. When the width: L2 is 50 nm or less, the electric field is oscillated parallel to the width direction. The polarized light component is hardly absorbed by the fine metal structure and passes through the polarizing element with a high transmittance.

長さ方向に平行に電場振動する偏光成分においては、長さ:L1が丁度「金属中の電子振動振幅に近くなる」と電場振動に共鳴する現象(プラズモン共鳴)が生じる。
その結果、「長さ方向に平行に電場振動する偏光成分に対する強い共鳴吸収」が生じ、光エネルギは熱に変換され、偏光素子における透過率は大きく低下する。このようにして「強い波長依存性を有した偏光異方性」が発現する。
吸収を生じる光の波長は、長さ:L1に依存することから、所望の波長において偏光異方性を発現させることが可能となる。
In the polarization component that vibrates in the electric field parallel to the length direction, a phenomenon (plasmon resonance) that resonates with the electric field vibration occurs when the length: L1 is just “close to the electronic vibration amplitude in the metal”.
As a result, “strong resonance absorption with respect to a polarized component that vibrates in an electric field parallel to the length direction” occurs, light energy is converted into heat, and the transmittance of the polarizing element is greatly reduced. In this way, “polarization anisotropy having strong wavelength dependency” is manifested.
Since the wavelength of light that causes absorption depends on the length L1, polarization anisotropy can be expressed at a desired wavelength.

微小金属構造体12の高さ:Hが低い場合、吸収効果が不十分となることから、微小金属構造体は適切な高さが必要であり、金属材料中に電場が浸み出す表皮深さから50nm以上の高さが必要である。   The height of the fine metal structure 12: When H is low, the absorption effect becomes insufficient. Therefore, the fine metal structure needs to have an appropriate height, and the skin depth at which the electric field penetrates into the metal material. To a height of 50 nm or more.

上に実施の形態を説明した偏光素子の偏光分離動作を、数値シミュレーションにより検証した。この数値シミュレーションを、図4〜6に基づいて説明する。
数値シミュレーション手法には「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。
図4は、数値シミュレーションに用いた「偏光素子モデル」を説明する図である。
図4(a)は、アルミニウムによる微小金属構造体12を含む領域を示す平面図であり、この面をXY面と呼ぶ。X方向は微小金属構造体12の幅方向であり、Y方向は微小金属構造体12の長さ方向である。
図4に示されたように、上記「微小金属構造体12を含む領域」は、X方向に長さ:Px、幅方向に長さ:Pyを有する。
The polarization separation operation of the polarizing element described above in the embodiment was verified by numerical simulation. This numerical simulation will be described with reference to FIGS.
For the numerical simulation method, the “finite difference time domain method (FDTD method) that solves the Maxwell equation describing the time-space response of the electromagnetic field by differentiating it into the time domain and the spatial domain” was used.
FIG. 4 is a diagram for explaining the “polarizing element model” used in the numerical simulation.
FIG. 4A is a plan view showing a region including the minute metal structure 12 made of aluminum, and this surface is called an XY plane. The X direction is the width direction of the minute metal structure 12, and the Y direction is the length direction of the minute metal structure 12.
As shown in FIG. 4, the “region including the minute metal structure 12” has a length Px in the X direction and a length Py in the width direction.

平板状支持体10を構成するSiOの屈折率は1.51であり、透明媒体層14をなす誘電体材料SOGの屈折率は1.38である。 The refractive index of SiO 2 constituting the flat support 10 is 1.51, and the refractive index of the dielectric material SOG forming the transparent medium layer 14 is 1.38.

図4に示す「計算領域境界」に対し、周期的境界条件を課すことにより、平板状支持体10の平板面に平行な面方向(X方向、Y方向)に2次元配列構造が無限に続く周期構造とした。
数値シミュレーションでは、透過光スペクトルの偏光特性を得るために、図4(a)の平面図(XY面)に示す、微小金属構造体12の「長さ方向に垂直なX方向の直線偏光」と、「長さ方向に平行なY方向の直線偏光」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)平面波パルスを、図4(b)、(c)に示すように、平板状支持体10内において平板面から920nm離れた面(図中の「平面波源」)から入射するものとし、この平面波源から1000nm離れた観測面において、空間平均を施した電場振幅の時間変動をフーリエ変換することにより透過光の偏光特性を算出した。
Alの誘電関数の波長分散特性は、金属材料の計算でよく用いられるDrudeモデルにより与えた。
By imposing periodic boundary conditions on the “computation region boundary” shown in FIG. 4, the two-dimensional array structure continues indefinitely in the plane direction (X direction, Y direction) parallel to the flat plate surface of the flat plate-like support 10. A periodic structure was adopted.
In the numerical simulation, in order to obtain the polarization characteristics of the transmitted light spectrum, “linear polarization in the X direction perpendicular to the length direction” of the minute metal structure 12 shown in the plan view (XY plane) of FIG. FIG. 4B and FIG. 4C show a plane wave pulse having a sufficiently short time width (spectrum width sufficiently spread in the visible light region) as “linearly polarized light in the Y direction parallel to the length direction”. In this way, it is assumed that the incident light is incident on a plane 920 nm away from the flat plate surface (“plane wave source” in the figure) in the flat plate support 10, and the electric field amplitude subjected to spatial averaging on the observation plane 1000 nm away from the plane wave source. The polarization characteristics of the transmitted light were calculated by Fourier transforming the time variation of the transmitted light.
The wavelength dispersion characteristic of the dielectric function of Al was given by the Drude model often used in the calculation of metal materials.

微小金属構造体12の形状パラメータは、長さ:L1=96nm、幅:L2=16nm、高さ:H=108nm、配列周期Px=192nm、Py=160nmに設定した。
また、基準波長:λは450nmとした。
The shape parameters of the fine metal structure 12 were set to length: L1 = 96 nm, width: L2 = 16 nm, height: H = 108 nm, arrangement period Px = 192 nm, and Py = 160 nm.
The reference wavelength: λ was 450 nm.

図5に、数値シミュレーションの結果を示す。
図5(a)は、微小金属構造体の長手方向に垂直な偏光成分(Txx)と水平な偏光成分(Tyy)の「透過率」をプロットした図(実線5−2は「Txx成分」、波線5−1は「Tyy成分」)である。
図5(a)に示されたように、波長:450nmの近傍において、Tyy成分の急峻な透過率低下が見られる。また、Txx成分の透過率は略1.0であり、極めて高い透過特性を示すことが分かる。
図5(b)は、偏光素子の光学性能を表わす指標の1つである「消光比(=Txx/Tyy)」を、入射光の波長に対してプロットした図である。一般に市販される偏光板の消光比は数100程度であるが、説明中の偏光素子の消光比は「103に達するほどの高い値」が得られている。
図6は、微小金属構造体12の長さ方向(Y方向)に平行な電場振動成分について、透過率(曲線6−1)、反射率(曲線6−3)、および吸収率(曲線6−2)をプロットしたものである。「吸収率」は「透過率と反射率の和を1.0から差し引いた値」である。
FIG. 5 shows the result of the numerical simulation.
FIG. 5A is a diagram in which the “transmittance” of the polarization component (Txx) perpendicular to the longitudinal direction of the fine metal structure and the horizontal polarization component (Tyy) are plotted (the solid line 5-2 is “Txx component”, The wavy line 5-1 is “Tyy component”).
As shown in FIG. 5A, a sharp decrease in transmittance of the Tyy component is observed in the vicinity of the wavelength: 450 nm. Moreover, it can be seen that the transmittance of the Txx component is approximately 1.0, indicating extremely high transmission characteristics.
FIG. 5B is a diagram in which “extinction ratio (= Txx / Tyy)”, which is one of the indexes representing the optical performance of the polarizing element, is plotted against the wavelength of incident light. Generally, the extinction ratio of a commercially available polarizing plate is about several hundreds, but the extinction ratio of the polarizing element in the description is “high enough to reach 103”.
FIG. 6 shows the transmittance (curve 6-1), reflectance (curve 6-3), and absorptance (curve 6) for the electric field vibration component parallel to the length direction (Y direction) of the fine metal structure 12. 2) is plotted. “Absorptance” is “a value obtained by subtracting the sum of transmittance and reflectance from 1.0”.

図6に示されたように、Tyy成分の透過率が大きく低下する波長領域において、反射率の波長による変化は比較的小さい。   As shown in FIG. 6, the change of the reflectance with the wavelength is relatively small in the wavelength region where the transmittance of the Tyy component is greatly reduced.

このことから、「Tyy成分の透過率」の急峻な低下の原因が吸収特性にあり、Tyy成分については、大部分が微小金属構造体による吸収として光エネルギが費やされていることを認できる。   From this, it can be recognized that the cause of the steep decrease in the “transmissivity of the Tyy component” is the absorption characteristic, and that most of the Tyy component is consumed as light absorption by the fine metal structure. .

このような偏光素子の使用例として、液晶プロジェクタなどの投光型の画像表示装置があるが、従来の「高い消光比をもつ偏光素子」では反射光が生じ、画像形成に悪影響を及ぼすことがあった。これに対し、この発明の偏光素子では、遮断する側の偏光を微小金属構造の吸収により除去するため、戻り光(反射光)の発生が極わずかであり、画像標示装置の性能向上ばかりではなく、設計の容易性を向上することができる。
金属の共鳴吸収を利用するため動作波長帯は制限されるが、近年は色再現性の良さからスペクトル帯域の狭いLEDを用いた光源が利用されることも多く、動作帯域の幾分狭い偏光素子であっても、偏光特性の良好なものであれば、使用される機会は多い。
また、反射光の影響が無視できるため、平板型の光学素子を近距離で積層するタイプの光学装置においても有利となる。近年、ウェハレベルカメラなど、イメージセンサー面上に光学素子を多段に配置するような光学装置の開発が進んでおり、この発明の偏光素子はこのような新規光学デバイスにも適用可能である。
As an example of the use of such a polarizing element, there is a projection type image display device such as a liquid crystal projector, but the conventional “polarizing element having a high extinction ratio” generates reflected light, which may adversely affect image formation. there were. On the other hand, in the polarizing element of the present invention, since the polarized light on the blocking side is removed by absorption of the minute metal structure, the generation of return light (reflected light) is extremely small, and not only the performance of the image display device is improved. , The ease of design can be improved.
The operating wavelength band is limited due to the use of resonance absorption of metal, but in recent years, light sources using LEDs with a narrow spectral band are often used due to good color reproducibility, and a polarizing element with a somewhat narrow operating band. Even so, if it has good polarization characteristics, it will be used frequently.
In addition, since the influence of reflected light can be ignored, it is advantageous also in an optical device of a type in which flat optical elements are stacked at a short distance. In recent years, development of an optical apparatus in which optical elements are arranged in multiple stages on an image sensor surface such as a wafer level camera has been developed, and the polarizing element of the present invention can be applied to such a new optical device.

上記第1の実施の形態を変形した「第2の実施の形態」を以下に説明する。   A “second embodiment” obtained by modifying the first embodiment will be described below.

第2の実施の形態の偏光素子は「広帯域に偏光異方性」を有するものである。   The polarizing element of the second embodiment has “polarization anisotropy in a wide band”.

この形態の偏光素子は、構造的には、上に説明したものと同様であるが、特徴とするところは、図7に示すように、構造体層を構成する微小金属媒体120は「幅と高さは同一である」が、長さが異なる複数種のものが混在することである。   The polarizing element of this embodiment is structurally similar to that described above, but is characterized in that, as shown in FIG. 7, the minute metal medium 120 constituting the structural body layer is “width and width”. “Height is the same”, but multiple types of different lengths are mixed.

微小金属構造体120の2次元配列による「構造体層」は、先に説明した実施の形態と同様、平板状支持体の平板面上に形成され、透明媒質層により被覆されている。   The “structure layer” by the two-dimensional arrangement of the fine metal structures 120 is formed on the flat plate surface of the flat plate support and covered with the transparent medium layer, as in the embodiment described above.

先に説明した「同一形状の微小金属構造体12を2次元配列する形態例」で、微小金属構造体の長さ:L1が吸収波長を決定することを説明したが、長さ:L1が異なるものが複数種混在し、長さが分布をもつ場合には、その分布状態に応じて、透過光を吸収する波長帯域を広げることが可能となる。
即ち、帯域設計を施した、または広帯域に偏光異方性を有した偏光素子が実現可能となる。具体的には、設計中心波長(前述の基準波長:λ)に対応した「微小金属構造体の長さ:L1を中心値とする正規分布」で微小金属構造体のサイズを与えるのが好ましい。
図7においては、微小金属構造体120の配置例として「長さ方向において一列に並べた例」を示したが、図3(a)および(b)のように、格子配列からずれた配列形態や、長さ方向の向きを揃えてランダムな位置に配置した配列形態でも良い。
In the above-described “example of two-dimensional arrangement of minute metal structures 12 having the same shape”, it has been explained that the length of the fine metal structure: L1 determines the absorption wavelength, but the length: L1 is different. When a plurality of things are mixed and the length has a distribution, the wavelength band for absorbing the transmitted light can be expanded according to the distribution state.
That is, it is possible to realize a polarizing element having a band design or having a polarization anisotropy in a wide band. Specifically, it is preferable to give the size of the fine metal structure by “the length of the fine metal structure: normal distribution centering on L1” corresponding to the design center wavelength (the aforementioned reference wavelength: λ).
In FIG. 7, “an example in which the fine metal structures 120 are arranged in a line in the length direction” is shown as an example of the arrangement of the minute metal structures 120. However, as shown in FIGS. Alternatively, it may be arranged in a random position with the length direction aligned.

構成材料は図1〜図3に即して説明した実施の形態と同様である。
また偏光素子の製造方法も、前記実施の形態と同様であり、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどを利用する。
The constituent materials are the same as those in the embodiment described with reference to FIGS.
Also, the manufacturing method of the polarizing element is the same as that of the above embodiment, and a method using electron beam lithography, DUV / EUV lithography, nanoimprint, etching utilizing alteration of material physical properties, or the like is used.

第2の実施の形態の偏光素子は「ランプなどのように連続的なスペクトル分布をもつ光源」を利用した液晶プロジェクタなどの投光型の画像表示装置において、広帯域にわたる偏光選択性をもつ偏光素子として利用可能である。
このような画像表示装置では、戻り光(反射光)が発生すると画像表示性能を低下させるが、上に説明した「第2の実施形態の偏光素子」を用いることにより反射光の影響を低減でき、同時に設計の容易性も向上させることができる。また、偏光を利用した光計測などの用途にも利用可能である。
The polarizing element of the second embodiment is a polarizing element having a polarization selectivity over a wide band in a projection type image display device such as a liquid crystal projector using a “light source having a continuous spectral distribution such as a lamp”. Is available as
In such an image display device, when the return light (reflected light) is generated, the image display performance is deteriorated. However, the influence of the reflected light can be reduced by using the “polarizing element of the second embodiment” described above. At the same time, the ease of design can be improved. It can also be used for applications such as optical measurement using polarized light.

次に偏光素子の「第3の実施の形態」を説明する。
この実施の形態の偏光素子は「高い消光比を実現する」ものである。
特徴部分を図8に示す。
Next, a “third embodiment” of the polarizing element will be described.
The polarizing element of this embodiment is “to achieve a high extinction ratio”.
The characteristic part is shown in FIG.

図8(a)は、該実施の形態の偏光素子の構成を示す平面図、(b)は(a)のAA’断面図、(c)はBB’断面図である。
この実施の形態の偏光素子は、平板状支持体10の平板面に微小金属構造体121を2次元配列して「第1の構造体層」とし、この第1の構造体層を透明媒体層141で被覆し、さらに透明媒体層141の上面(平板面と平行な面)の上に微小金属構造体122を2次元配列して「第2の構造体層」とし、この第2の構造体層をさらに透明媒体層142で被覆した構造となっている。
第1の透明媒体層141と第2の透明媒体層142とは、一体となって「単一の透明媒体層」をなす。
FIG. 8A is a plan view showing the configuration of the polarizing element of the embodiment, FIG. 8B is a sectional view taken along line AA ′ in FIG. 8A, and FIG. 8C is a sectional view taken along line BB ′.
In the polarizing element of this embodiment, the fine metal structures 121 are two-dimensionally arranged on the flat surface of the flat support 10 to form a “first structure layer”, and the first structure layer is used as a transparent medium layer. 141, and further, a fine metal structure 122 is two-dimensionally arranged on the upper surface (a surface parallel to the flat plate surface) of the transparent medium layer 141 to form a “second structure layer”. This second structure The layer is further covered with a transparent medium layer 142.
The first transparent medium layer 141 and the second transparent medium layer 142 are integrated to form a “single transparent medium layer”.

図8(c)に示す断面図は、第1の構造体層を成す微小金属構造体121の2次元配列を示し、図8(b)に示す断面図は、第2の構造体層を成す微小金属構造体122の2次元配列を示す。   The cross-sectional view shown in FIG. 8C shows a two-dimensional arrangement of the fine metal structures 121 forming the first structure layer, and the cross-sectional view shown in FIG. 8B forms the second structure layer. A two-dimensional arrangement of the fine metal structures 122 is shown.

図8に示す例では、微小金属構造体121、122を2次元格子状に規則正しく配列させた場合を示しているが、これら微小金属構造体121、122の2次元的配列は、図3(a)や(b)のように、格子配列からずれた配列や「長手方向の向きを揃えてランダムな位置に配置」した配列でも良い。   In the example shown in FIG. 8, the case where the minute metal structures 121 and 122 are regularly arranged in a two-dimensional lattice shape is shown, but the two-dimensional arrangement of these minute metal structures 121 and 122 is shown in FIG. ) Or (b), an arrangement shifted from the lattice arrangement or an arrangement “arranged in the longitudinal direction at random positions” may be used.

図8の実施の形態の偏光素子を構成する材料は、第1、第2の実施の形態と同様であり、製造方法も、第1、第2の実施の形態と同様で、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどを利用できる。   The material constituting the polarizing element of the embodiment of FIG. 8 is the same as that of the first and second embodiments, and the manufacturing method is the same as that of the first and second embodiments. Methods, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, etching utilizing alteration of material properties, and the like can be used.

第3の実施の形態の奏する効果を説明する。
第1の実施の形態に関連して説明したように、微小金属構造体は、長さ方向に平行な偏光成分を吸収し、幅方向に平行な偏光成分を透過させることにより、偏光異方性を発現するため、反射光の影響を受け難い。
第3の実施の形態の偏光素子においては、構造体層が2層に設けられたことにより、各構造体層における「各偏光成分の透過率」の積が、偏光素子としての透過率となる。その結果「遮断すべき偏光成分(長さ方向に平行な偏光成分)の透過率」を格段に低下させることができ、消光比の極めて高い偏光素子が実現できる。
The effect produced by the third embodiment will be described.
As described in connection with the first embodiment, the minute metal structure absorbs the polarization component parallel to the length direction and transmits the polarization component parallel to the width direction, thereby polarizing anisotropy. Therefore, it is difficult to be affected by reflected light.
In the polarizing element of the third embodiment, since the structure layer is provided in two layers, the product of “transmittance of each polarization component” in each structure layer becomes the transmittance as the polarizing element. . As a result, the “transmittance of the polarization component to be blocked (polarization component parallel to the length direction)” can be significantly reduced, and a polarizing element having an extremely high extinction ratio can be realized.

第3の実施の形態の偏光素子の特性を数値シミュレーションにより調べた。
数値シミュレーションの手法は、第1の実施の形態と同様、FDTD法を用いた。平板状支持体および透明媒体層(誘電体材料)の光学定数や、光源位置(「平面波源」)や観測面位置などの「シミュレーションに用いるパラメータ」も、第1の実施の形態および図4で説明したものと同様である。
The characteristics of the polarizing element of the third embodiment were examined by numerical simulation.
As a numerical simulation method, the FDTD method is used as in the first embodiment. The optical constants of the flat support and the transparent medium layer (dielectric material), and the “parameters used for simulation” such as the light source position (“plane wave source”) and the observation surface position are also shown in the first embodiment and FIG. The same as described.

図9はこの偏光素子に対する数値シミュレーションモデルを説明するための図であり、(a)は、微小金属構造体121による単層の構造体層のみがある場合、(b)は微小金属構造体121、122による2層の構造体層を有する場合を示す断面図である。   FIG. 9 is a diagram for explaining a numerical simulation model for this polarizing element. FIG. 9A shows a case where there is only a single-layer structure layer made of the fine metal structure 121, and FIG. , 122 is a cross-sectional view showing a case of having two structure layers.

この数値シミュレーションでは、微小金属構造体121による第1の構造体層と、微小金属構造体122による第2の構造体層において、微小金属構造体の2次元的配列のパターンを同一(微小金属構造体の高さ方向から見たときに、両構造体層の微小金属構造体の配列が互いに重なり合う。)とし、各直方体形状のパラメータを、長さ:L1=96nm、幅:L2=48nm、高さ:H=108nmとした。
幅:幅L2は、構造体層の積層による特性の向上を確認するために、第1の実施の形態の際に使用したL2=16nmの「3倍の大きさ」に設定している。
微小金属構造体の配列周期Px=192nm、Py=160nmで、第1の実施の形態の場合と同じである。
In this numerical simulation, the two-dimensional arrangement pattern of the minute metal structures is the same in the first structure layer of the minute metal structure 121 and the second structure layer of the minute metal structure 122 (the minute metal structure). When viewed from the height direction of the body, the arrangement of the minute metal structures of both structure layers overlap each other.) The parameters of each rectangular parallelepiped shape are as follows: length: L1 = 96 nm, width: L2 = 48 nm, high S: H = 108 nm.
Width: The width L2 is set to “3 times larger” than L2 = 16 nm used in the first embodiment in order to confirm the improvement in characteristics due to the lamination of the structure layers.
The arrangement period Px = 192 nm and Py = 160 nm of the minute metal structures are the same as those in the first embodiment.

シミュレーション結果を図10に示す。
図10(a)に示す如く、微小金属構造体を単層に配した場合(図中の「単層構造」)には、共鳴特性を示す波長:400nm近傍において、偏光素子の遮断特性が若干悪く、透過率も幾分低い。
微小金属構造体の2次元配列による構造体層を2層構成とした場合は、長さ方向に平行な偏光成分の透過率が、各構造体層による透過率の積として作用するために、遮断特性が格段に良くなる(約2%程度)。
図10(b)は、消光比のプロットであり、単層構成の場合の消光比:7程度から、2層構成にした場合は消光比:40程度に向上している。
The simulation result is shown in FIG.
As shown in FIG. 10 (a), when the fine metal structure is arranged in a single layer (“single layer structure” in the figure), the blocking characteristic of the polarizing element is slightly in the vicinity of the wavelength indicating the resonance characteristic: 400 nm. It is bad and the transmittance is somewhat low.
When the structure layer with a two-dimensional arrangement of fine metal structures is configured in two layers, the transmittance of the polarized light component parallel to the length direction acts as the product of the transmittance of each structure layer. The characteristics are much improved (about 2%).
FIG. 10B is a plot of the extinction ratio, which is improved from about 7 in the case of a single layer configuration to about 40 in the case of a two layer configuration.

これから明らかなように、この実施の形態と同様にして、構造体層を3層以上に重ねることにより、消光比の更なる向上が可能である。   As is clear from this, the extinction ratio can be further improved by stacking three or more structure layers in the same manner as in this embodiment.

図10(a)、(b)に「(単層)2」として示した曲線は「単層構成の場合の透過率および消光比を2乗してプロットしたもの」であり、上述したように、構造体層を2層に重ねた構成とした場合に、動作波長領域において透過率が「2層の透過率の積」で与えられることが分かる。   The curves shown as “(single layer) 2” in FIGS. 10A and 10B are “plotted by squaring the transmittance and extinction ratio in the case of a single layer configuration”, as described above. It can be seen that when the structure layer is stacked in two layers, the transmittance is given by “the product of the transmittance of the two layers” in the operating wavelength region.

最後に偏光素子の「第4の実施の形態」を説明する。
第4の偏光素子は「共鳴する波長における光の透過率をゼロに近づけるノッチフィルタとしての機能」を持つ
図11において(a)は、偏光素子を厚み方向に切断した仮想断面図、(b)は(a)におけるBB’断面図、(c)はAA’断面図である。
Finally, the “fourth embodiment” of the polarizing element will be described.
The fourth polarizing element has a “function as a notch filter that makes the light transmittance at a resonant wavelength close to zero”. In FIG. 11, (a) is a virtual sectional view in which the polarizing element is cut in the thickness direction, and (b). (BB) sectional drawing in (a), (c) is AA 'sectional drawing.

この実施の形態の偏光素子は、図11に示すように、平板状支持体10の平板面上に微小金属構造体121の2次元配列による第1の構造体層を形成し、これを透明媒体141で被覆し、その上にさらに微小金属構造体122の2次元配列による第2の構造体層を形成し、これを透明媒体142で被覆し、透明媒体141、142を一体として透明媒体層を構成した構造となっている。   In the polarizing element of this embodiment, as shown in FIG. 11, a first structure layer is formed on a flat surface of a flat support 10 by a two-dimensional arrangement of fine metal structures 121, and this is formed on a transparent medium. 141, and a second structure layer having a two-dimensional arrangement of the fine metal structures 122 is further formed thereon. The second structure layer is covered with the transparent medium 142, and the transparent medium 141 and 142 are integrated to form a transparent medium layer. It has a structured structure.

平板状支持体10上に2層の構造体層を有する点では、第3の実施の形態の場合と同様であるが、この第4の実施の形態では、第1の構造体層を構成する微小金属構造体121の2次元配列における長さ方向(図11(c)で上下方向)と、第2の構造体層を構成する微小金属構造体122の長さ方向(図11(b)で左右方向)が、互いに直交する関係となっている点で、第3の実施の形態と異なる。   Although it is the same as in the case of the third embodiment in that it has two structural layers on the flat support 10, the first structural layer is configured in the fourth embodiment. In the length direction (vertical direction in FIG. 11C) in the two-dimensional arrangement of the fine metal structures 121 and in the length direction (FIG. 11B) of the fine metal structures 122 constituting the second structure layer. The horizontal direction is different from the third embodiment in that they are orthogonal to each other.

微小金属構造体121、122の配列は、図11に示す規則的な配置に限らず、図3の(a)や(b)に示すように、格子配列からずれた配列形態や、長さ方向の向きを揃えてランダムな位置に配置した配列形態でも良い。   The arrangement of the minute metal structures 121 and 122 is not limited to the regular arrangement shown in FIG. 11, and as shown in FIGS. 3A and 3B, the arrangement form deviated from the lattice arrangement and the length direction An arrangement form in which the orientations are aligned at random positions may be used.

第4の実施の形態の偏光素子を構成する材料は、第1、第2の実施の形態と同様であり、製造方法も、第1、第2の実施の形態と同様で、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどを利用できる。   The material constituting the polarizing element of the fourth embodiment is the same as that of the first and second embodiments, and the manufacturing method is the same as that of the first and second embodiments. Methods, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, etching utilizing alteration of material properties, and the like can be used.

第4の実施の形態の偏光素子の動作について説明する。
既に説明したように、単一の構造体層を構成する微小金属構造体は、共鳴する波長の光を吸収する。第4の実施の形態では、2層の構造体層を構成する微小金属構造体121、122は、長さ方向が互いに直交するので、第2の構造体層を透過する偏光成分(微小金属媒体122の長さ方向に平行な偏光成分)は、第1の構造体層を構成する微小金属構造体121では吸収される。
The operation of the polarizing element of the fourth embodiment will be described.
As already described, the fine metal structure constituting the single structure layer absorbs light having a resonant wavelength. In the fourth embodiment, since the length directions of the minute metal structures 121 and 122 constituting the two structure layers are orthogonal to each other, the polarization component (the minute metal medium) that passes through the second structure layer is used. The polarization component parallel to the length direction of 122) is absorbed by the minute metal structure 121 constituting the first structure layer.

即ち、微小金属構造体121および微小金属構造体122により、入射光の互いに直交する偏光成分が吸収される。従って「共鳴する波長における光の透過率」をゼロに近づけることができる。すなわち、この動作は「光学的ノッチフィルタ」であり、所定の波長帯の光のみをカットできる。   In other words, the minute metal structure 121 and the minute metal structure 122 absorb polarized components of incident light that are orthogonal to each other. Therefore, the “light transmittance at the resonating wavelength” can be brought close to zero. That is, this operation is an “optical notch filter” and can cut only light in a predetermined wavelength band.

なお、微小金属構造体121、122は、図11の例では互いに同一であるが、これらは異なる形状の直方体形状であってもよく、2層の構造体層の2次元配列が互いに異なっていても良い。   The fine metal structures 121 and 122 are the same as each other in the example of FIG. 11, but they may have a rectangular parallelepiped shape different from each other, and the two-dimensional arrangement of the two layers of the structure layers may be different from each other. Also good.

10 平板状支持体
12 微小金属構造体
14 透明媒体層
10 Flat support
12 Micro metal structure
14 Transparent media layer

特表2003−502708号公報Special table 2003-502708 gazette 特開2007−148344号公報JP 2007-148344 A 特表2002−519743号公報JP 2002-519743 A 特開2000−147253号公報JP 2000-147253 A 特開2006― 58615号公報JP 2006-58615 A 特開2008− 26807号公報JP 2008-26807 A

Claims (8)

透明な平板状支持体と、
多数の微小金属構造体を、上記平板状支持体の平板面に平行に2次元的に配列してなる1以上の構造体層と、
上記構造体層を被覆する透明媒体層と、を有し、
上記平板状支持体と透明媒体層は共に無機材料により形成され、
上記構造体層をなす個々の微小金属構造体は、長さ:L1、幅:L2(<L1)、高さ:Hの直方体形状であって、Alを主成分とする金属材料により形成され、上記高さ方向を平板状支持体の平板面に直交する方向とし、上記構造体層における2次元的な配列において、長さ方向および幅方向を互いに平行にして、近接する微小金属構造体間が、基準波長:λ以下となるように配列され、
上記微小金属構造体の長さ:L1、幅:L2、高さ:Hが、
0<L2≦50nm、L2<L1≒λ/4、 >H≧50nm
を満足することを特徴とする偏光素子。
A transparent plate-like support;
One or more structure layers formed by two-dimensionally arranging a large number of fine metal structures parallel to the flat plate surface of the flat plate support;
A transparent medium layer covering the structure layer,
The flat support and the transparent medium layer are both formed of an inorganic material,
Each of the minute metal structures forming the structure layer is a rectangular parallelepiped shape having a length: L1, a width: L2 (<L1), and a height: H, and is formed of a metal material mainly composed of Al. The height direction is a direction perpendicular to the flat plate surface of the flat plate-like support, and in the two-dimensional arrangement in the structure layer, the length direction and the width direction are parallel to each other, and adjacent micro metal structures are between , The reference wavelength is arranged to be λ or less,
The fine metal structure has a length L1, a width L2, and a height H.
0 <L2 ≦ 50 nm, L2 <L1≈λ / 4,> H ≧ 50 nm
A polarizing element characterized by satisfying
請求項1記載の偏光素子において、
1つの構造体層を構成する微小金属構造体が、同一形状であることを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to claim 1,
A polarizing element characterized in that the minute metal structures constituting one structure layer have the same shape.
請求項1記載の偏光素子において、
1つの構造体層を構成する微小金属構造体に、長さ:L1の異なる複数種の微小金属構造体が混在することを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to claim 1,
A polarizing element characterized in that a plurality of kinds of minute metal structures having different lengths: L1 are mixed in a minute metal structure constituting one structure layer.
請求項1〜3の任意の1に記載の偏光素子において、
平板状支持体の片面に接して第1の構造体層が設けられ、この第1の構造体層の上に透明媒体層を介して第2の構造体層が設けられ、この第2の構造体層がさらに透明媒体層で被覆されていることを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to any one of claims 1 to 3,
A first structure layer is provided in contact with one surface of the plate-like support, and a second structure layer is provided on the first structure layer via a transparent medium layer. A polarizing element, wherein the body layer is further coated with a transparent medium layer.
請求項4記載の偏光素子において、
第1の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第2の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、同一の向きであることを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to claim 4, wherein
A polarizing element characterized in that the longitudinal direction of the fine metal structure forming the first structure layer and the longitudinal direction of the fine metal structure forming the second structure layer are in the same direction.
請求項4記載の偏光素子において、
第1の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向と、第2の構造体層をなす微小金属構造体の長手方向とが、相互に直交する向きであることを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to claim 4, wherein
A polarizing element characterized in that the longitudinal direction of the fine metal structure forming the first structure layer and the longitudinal direction of the fine metal structure forming the second structure layer are perpendicular to each other.
請求項1〜6の任意の1に記載の偏光素子において、
構造体層における微小金属構造体の2次元的な配列が、規則的であることを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to any one of claims 1 to 6,
A polarizing element characterized in that a two-dimensional arrangement of fine metal structures in a structure layer is regular.
請求項1〜6の任意の1に記載の偏光素子において、
構造体層における微小金属構造体の2次元的な配列が、ランダムであることを特徴とする偏光素子。
The polarizing element according to any one of claims 1 to 6,
A polarizing element, wherein the two-dimensional arrangement of the fine metal structures in the structure layer is random.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010186164A (en) * 2009-01-13 2010-08-26 Canon Inc Optical element
WO2017187804A1 (en) * 2016-04-28 2017-11-02 シャープ株式会社 Imaging capturing apparatus
US11982902B2 (en) 2021-08-31 2024-05-14 Nichia Corporation Light-emitting device including polarized light control member

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