JP4589805B2 - Polarization control element - Google Patents
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Description
本発明は、光計測、光通信、光記録などに利用可能な偏光制御素子に関するものである。 The present invention relates to a polarization control element that can be used for optical measurement, optical communication, optical recording, and the like.
偏光とは、光の電気振動（あるいは、これと直交する磁気振動）の振動方向がランダムな状態である自然光に対し、振動の方向がある特定の方向にそろっている光のことである。従来において広く使われている液晶パネルは、上記偏光を利用することにより、画像を表示している。現在この液晶パネルには、ヨウ素や有機染料などを含ませた高分子のフィルムを特定方向に延伸し、一定方向の直線偏光の光だけを通過させ、これと直交する偏光の光を吸収するフィルム型の偏光板が広く実用化されている。高分子フィルムとしてはポリビニルアルコールやポリカーボネートの透明樹脂フィルムを、一定方向に延伸させて位相差を形成し、これを所定のリターダンス（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。このような樹脂フィルムは紫外線に対する耐光性に問題があり、長期使用時に特性が劣化する、透明度が低下する、焦げる、といった信頼性の課題がある。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合、使用環境の温度上昇を防止するため多くの風量を送る冷却機能が必要、冷却すると埃が付着し画質欠陥を生じる、照射光量をあまり大きくすることができない。 Polarized light is light in which the direction of vibration is aligned in a certain direction with respect to natural light in which the vibration direction of electrical vibration (or magnetic vibration orthogonal to this) is random. Conventionally used liquid crystal panels display images by using the above polarized light. Currently, this liquid crystal panel is a film that stretches a polymer film containing iodine, organic dyes, etc. in a specific direction, allows only linearly polarized light in a certain direction to pass, and absorbs polarized light that is orthogonal to this. Type polarizing plates are widely used. As a polymer film, a transparent resin film of polyvinyl alcohol or polycarbonate is stretched in a certain direction to form a phase difference, and this is laminated so as to obtain a predetermined retardance (refractive index anisotropy). It is common. Such a resin film has a problem in light resistance to ultraviolet rays, and has a problem of reliability such as deterioration of properties, long-term use, low transparency, and burning. In addition, when the usage temperature is severe and the projector is used in a liquid crystal projector, a cooling function that sends a large amount of air is necessary to prevent the temperature of the usage environment from rising. I can't make it bigger.
また、同様の偏光機能をもつ光学素子として、プリズム型の偏光分離素子がある。これは、２つの三角プリズムを貼り合わせて立方体形状にし、その片側のプリズムの接合面に偏光分離多層膜を、蒸着やスパッタリング工法により形成する。そうすることで、たとえば、ランダムな偏光をもつ光を無リズムに入射させると、偏光分離多層膜を通過するときに光が透過するＰ偏光と、多層膜を反射するＳ偏光に分離することができる。ここで、Ｐ偏光とは、入射光の光軸と、偏光分離多層膜の法線を含む平面を定義し、電界の振動面がこの平面と平行である偏光成分を示す。また、Ｓ偏光とは、電界の振動面がこの平面と直交する偏光成分である。しかしながら、このような誘電体多層膜を用いたプリズム型の偏光分離素子では、１個のプリズムで波長がおよそ４３０〜６５０ｎｍの可視帯域の光について、良好な偏光分離特性を実現することが困難である。すなわち、作用する波長について広帯域化が難しく、短波長側や長波長側で、偏光分離特性が低下し、良好なＳ偏光反射、良好なＰ偏光透過が得られなくなる。 As an optical element having a similar polarization function, there is a prism type polarization separation element. In this method, two triangular prisms are bonded to form a cube, and a polarization separation multilayer film is formed on the joint surface of the prism on one side by vapor deposition or sputtering. By doing so, for example, when light having random polarization is incident without rhythm, the light can be separated into P-polarized light that passes through the polarization separation multilayer film and S-polarized light that reflects the multilayer film. it can. Here, P-polarized light defines a plane including the optical axis of incident light and the normal line of the polarization separation multilayer film, and indicates a polarization component in which the vibration plane of the electric field is parallel to this plane. S-polarized light is a polarization component in which the vibration plane of the electric field is orthogonal to this plane. However, in such a prism-type polarization separation element using a dielectric multilayer film, it is difficult to realize good polarization separation characteristics for light in the visible band having a wavelength of about 430 to 650 nm with one prism. is there. That is, it is difficult to increase the bandwidth of the wavelength to be applied, and the polarization separation characteristic is lowered on the short wavelength side or the long wavelength side, and good S-polarized light reflection and good P-polarized light transmission cannot be obtained.
また、誘電体多層膜の偏光分離特性は、入射角依存が大きい。すなわち素子に入射する光のうち傾斜角の大きい光は、良好な偏光分離特性が得られにくいという課題がある。さらに、プリズム型の偏光分離素子は、これを構成する光学硝材とその温度条件に依って、その内部歪みが複屈折作用を持ち、偏光制御された所定の偏光状態が、部分的に乱されるという課題がある。これは、投写型表示装置に用いた場合、コントラストの部分むらや、色むらとなるなどの大きな課題がある。このため、プリズム内の熱歪みが大きくならないように、使用できる光量条件に制約を生じる。また、光弾性定数の極めて小さい特殊な材料を使う必要があり、これはコストと量産性の面で問題を生じる。また、光弾性定数の小さい硝材は、多くの鉛を含む場合があり、商品に採用した後、廃棄物の環境保護の面で、有害物質となり得るので問題がある。また、従来から偏光素子として広く知られたものに電気石などがあるが、高価であり、光学装置に部品として組み込むには不適当である。 Further, the polarization separation characteristic of the dielectric multilayer film is highly dependent on the incident angle. That is, among the light incident on the element, light having a large tilt angle has a problem that it is difficult to obtain good polarization separation characteristics. Furthermore, the prism-type polarization separation element has a birefringence effect on its internal distortion depending on the optical glass material and temperature conditions of the prism-type polarization separation element, and the predetermined polarization state under polarization control is partially disturbed. There is a problem. When this is used in a projection display device, there are significant problems such as uneven contrast and uneven color. For this reason, the light quantity conditions that can be used are restricted so that thermal distortion in the prism does not increase. In addition, it is necessary to use a special material having a very small photoelastic constant, which causes problems in terms of cost and mass productivity. In addition, a glass material having a small photoelastic constant may contain a large amount of lead, and there is a problem because it can be a harmful substance in terms of environmental protection of waste after being used in a product. Conventionally, there are tourmaline and the like widely known as polarizing elements, but they are expensive and unsuitable for incorporation as components in optical devices.
また、量産性がよく、低コストで製造できる偏光素子として、透明基板に、導電性材料による細線で１次元ライン格子を形成した「ワイヤグリッド型偏光素子」が提案されている。このワイヤグリッド型偏光素子は、主に赤外分光など比較的波長の長い光について、偏光を分離する素子として実用化されている。これは、波長オーダーの微小な金属格子構造を用いたもので、電界の振動方向がグリッド細線の長手方向と直交する偏光成分を透過させ、電界の振動方向がグリッド細線の長手方向と一致する偏光成分を反射させる（たとえば特許文献１参照）。近年、微細加工技術の進歩により、可視波長（４００〜７００ｎｍ）オーダーの微小ピッチのワイヤグリッド構造が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。これは、たとえば図９に示す構造である。透明基材１１の片面１１Ａに、アルミニウムの薄膜を形成し、これをパターンエッチングすることで、可視の波長オーダーの微小グリッド構造（符号１２）を構成する。このとき、微小グリッドの細線方向について、偏波面（電界の振動方向）がこれに直交する光は透過し、偏波面が平行な光は反射する。たとえば、入射角依存が相対的に小さく、円錐光線群に対して比較的良好な偏光分離機能を提供できる。
In addition, as a polarizing element that has good mass productivity and can be manufactured at a low cost, a “wire grid type polarizing element” in which a one-dimensional line grating is formed on a transparent substrate with thin wires made of a conductive material has been proposed. This wire grid type polarizing element has been put to practical use as an element for separating polarized light mainly for light having a relatively long wavelength such as infrared spectroscopy. This uses a fine metal grating structure of the order of wavelength, and transmits polarized light whose electric field oscillation direction is orthogonal to the longitudinal direction of the grid thin wire, and whose electric field oscillation direction matches the longitudinal direction of the grid thin wire. The component is reflected (for example, see Patent Document 1). 2. Description of the Related Art In recent years, a fine pitch wire grid structure with an order of visible wavelength (400 to 700 nm) has been disclosed due to advances in microfabrication technology (see, for example, Patent Document 2). This is the structure shown in FIG. 9, for example. A thin film of aluminum is formed on one
また、偏光状態を制御する波長板または位相板を二次元表面における光の相互作用により実現する方法として、支持基板上に微小な金属パターンを形成することにより偏光状態を制御する提案が行われている（たとえば特許文献３参照）。ここでは、波長以下のピッチで金のＬ字構造を有する非対称なナノ微粒子を基板上に作製し、このような構造体に光を照射すると、透過光は入射光の偏光面の向きに依存して異なる吸収スペクトルを示す。ナノ微粒子の非対称性を利用した偏光選択素子が実現されている。また平滑なＳｉ基板上に、卍型またはその鏡像対称の金属パターンを有した光デバイスが示されている（たとえば特許文献４参照）。ここで金属パターンのサイズは７００ｎｍから４μｍであり、パターンの端部の傾きが直角から傾いている。この傾きの大きさに依存して、偏光方向の二成分に位相差が生じ、また、パターン端部の向きに依存して右回り、および左回り偏光の違いが生じる。 In addition, as a method of realizing a wave plate or phase plate for controlling the polarization state by the interaction of light on a two-dimensional surface, a proposal for controlling the polarization state by forming a minute metal pattern on a support substrate has been made. (For example, refer to Patent Document 3). Here, when asymmetric nano-particles having a gold L-shaped structure with a pitch less than the wavelength are produced on a substrate and light is irradiated on such a structure, the transmitted light depends on the direction of the polarization plane of the incident light. Show different absorption spectra. A polarization selective element utilizing the asymmetry of nano-particles has been realized. Further, an optical device having a saddle shape or a mirror-symmetric metal pattern on a smooth Si substrate is shown (for example, see Patent Document 4). Here, the size of the metal pattern is 700 nm to 4 μm, and the inclination of the end of the pattern is inclined from a right angle. Depending on the magnitude of this tilt, a phase difference occurs in the two components of the polarization direction, and depending on the direction of the pattern edge, a difference between clockwise and counterclockwise polarization occurs.
しかしながら、上記に示されるような従来の技術にあっては、まず、ワイヤグリッド型の偏光分離素子は、単体では偏光分離の消光比があまり大きく取れないため、そのままではコントラスト性能の高い表示装置を構成することが困難であった。また、特許文献４のような素子では入射偏光にたいして、大きな位相差を得ることができるものの、実用的偏光機能を有するデバイスを実現するのは困難といった問題点があった。このように、従来は光の透過率が高く、十分な位相差を与えることが困難であるとともに、有機多層膜を利用するため耐熱性や耐光性に劣るといった問題点があった。
However, in the conventional techniques as described above, first, the wire grid type polarization separation element cannot provide a large extinction ratio of polarization separation by itself. It was difficult to configure. In addition, although an element such as
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and has a high light transmittance, can provide a sufficient phase difference, has a high degree of design freedom, and has excellent heat resistance and light resistance. The purpose is to provide.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、透明な基板の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造を２次元配列状に形成する際に、前記金属構造の粒子直径Ｒ、前記基板上のｘ，ｙの領域で、ｘ方向に最隣接した前記金属構造との中心間隔ｄ、この２つの隣接した金属構造の組み合わせをＡ、Ａとｘ方向に最隣接する前記金属構造の組み合わせをＢ、Ａ−Ｂ間の距離ｄ１、ｙ方向に隣接している前記金属構造をＣ、Ａ−Ｃ間の距離ｄ２としたとき、Ｒ、ｄ１、ｄ２がともに入射光の波長以下で、かつｄ＜Ｒ、ｄ１とｄ２はＲよりも大きい関係で配置することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the invention according to claim 1 forms a two-dimensional array of metal structures smaller than the wavelength of incident light on a flat surface of a transparent substrate. In this case, the particle diameter R of the metal structure, the center distance d between the metal structures closest to each other in the x direction in the x and y regions on the substrate, and the combination of these two adjacent metal structures are A, A And a distance d1 between B and A-B as a combination of the metal structures closest to each other in the x direction and a distance d2 between C and A as a distance d2 between the metal structures adjacent to each other in the y direction. , D2 are both less than or equal to the wavelength of the incident light, and d <R, and d1 and d2 are arranged so as to be larger than R.
この請求項１の発明によれば、透明な基板の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造が形成され、この形成されたそれぞれの金属構造が入射する光の波長よりも小さい距離で２次元で配置することで、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることが可能になり、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 According to the first aspect of the present invention, a metal structure that is smaller than the wavelength of incident light is formed on the flat surface of the transparent substrate, and each of the formed metal structures is longer than the wavelength of incident light. By arranging in two dimensions at a small distance, light transmittance is high, it is possible to give a sufficient phase difference, design freedom is high, and a metal structure improves heat resistance and light resistance. To do.
また、請求項２にかかる発明は、前記基板上に、それぞれ微小な金属構造からなる最小単位が、２次元のＬ字形状に配置されていることを特徴とする。
The invention according to
この請求項２の発明によれば、請求項１において、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＬ字形状に構成され、Ｌ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。
According to the invention of
また、請求項３にかかる発明は、前記基板上に、それぞれ微小な金属構造からなる最小単位が、２次元のＴ字形状に配置されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that the minimum units each having a minute metal structure are arranged in a two-dimensional T-shape on the substrate.
この請求項３の発明によれば、請求項１において、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＴ字形状に構成され、Ｔ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 According to the invention of claim 3 , in claim 1, the minimum unit composed of each minute metal structure is formed in a T shape, and the T shape is formed on the substrate in a two-dimensional array, The degree of freedom in design is high, and heat resistance and light resistance are improved by using a metal structure.
また、請求項４にかかる発明は、前記基板上に、それぞれ微小な金属構造からなる最小単位が、２次元の卍字形状に配置されていることを特徴とする。
Further, the invention according to
この請求項４の発明によれば、請求項１において、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位が卍字形状に構成され、卍字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。
According to the invention of
また、請求項５にかかる発明は、前記微小な金属構造に入射する光は、前記微小な金属構造からなる最小構成単位に対して非対称になる方向の偏光成分を持つ角度で入射することを特徴とする。 The invention according to claim 5 is characterized in that light incident on the minute metal structure is incident at an angle having a polarization component in a direction that is asymmetric with respect to the minimum structural unit composed of the minute metal structure. And
この請求項５の発明によれば、請求項１において、微小な金属構造に入射する光は、微小な金属構造からなる最小構成単位に対して非対称になる方向の偏光成分を持つ角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 According to the invention of claim 5 , in claim 1 , the light incident on the minute metal structure is incident at an angle having a polarization component in a direction that is asymmetric with respect to the minimum structural unit composed of the minute metal structure. Accordingly, the degree of freedom in design is high, and heat resistance and light resistance are improved by using a metal structure.
また、請求項６にかかる発明は、前記微小な金属構造からなるＬ字構造に入射する光は、前記微小な金属構造に対して非対称になる方向の偏光成分を持つ角度で入射することを特徴とする。 The invention according to claim 6 is characterized in that light incident on the L-shaped structure composed of the minute metal structure is incident at an angle having a polarization component in a direction that is asymmetric with respect to the minute metal structure. And
この請求項６の発明によれば、請求項２において、入射する光の偏光方向が、微小金属構造からなるＬ字構造に対して４５度の角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。
According to the invention of claim 6 , in
また、請求項７にかかる発明は、前記微小な金属構造からなるＴ字構造に入射する光は、前記微小な金属構造に対して非対称になる方向の偏光成分を持つ角度で入射することを特徴とする。
The invention according to
この請求項７の発明によれば、請求項３において、入射する光の偏光方向が、微小金属構造からなるＴ字構造に対して±４５度の角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 According to the seventh aspect of the present invention, in the third aspect , since the polarization direction of the incident light is incident at an angle of ± 45 degrees with respect to the T-shaped structure made of a fine metal structure, the degree of freedom in design is high. Moreover, heat resistance and light resistance are improved by using a metal structure.
また、請求項８にかかる発明は、前記微小な金属構造からなる卍字構造に入射する光は、前記微小な金属構造に対して非対称になる方向の偏光成分を持つ角度で入射することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is characterized in that light incident on the character-shaped structure formed of the minute metal structure is incident at an angle having a polarization component in a direction that is asymmetric with respect to the minute metal structure. And
この請求項８の発明によれば、請求項４において、入射する光の偏光方向が、微小金属構造からなる卍字構造に対して±４５度の角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 According to the eighth aspect of the present invention, in the fourth aspect , since the polarization direction of the incident light is incident at an angle of ± 45 degrees with respect to the rectangular structure made of the fine metal structure, the degree of freedom in design is high. Moreover, heat resistance and light resistance are improved by using a metal structure.
また、請求項９にかかる発明は、前記基板に形成されている前記微小な金属構造が、金、銀、またはアルミニウムからなることを特徴とする。
The invention according to
この請求項９の発明によれば、請求項１〜８のいずれかにおいて、形成されている微小金属構造が、金、銀、もしくはアルミニウムとすることで、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。
According to the invention of
また、請求項１０にかかる発明は、前記基板は、レンズ形状をなし、このレンズ面に前記微小な金属構造を形成したことを特徴とする。
The invention according to
この請求項１０の発明によれば、請求項１〜９のいずれかにおいて、金属パターンが形成されている透明基板表面もしくはその裏面がレンズ形状であるため、従来は偏光板およびレンズの別々の光学素子で構成されていた光学機能を、レンズを形成した偏光制御素子のみで実現され、省スペース化が図れるとともに、光学調整などの簡便化も可能になり、かつ設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。
According to the invention of
また、請求項１１にかかる発明は、前記基板は、マイクロレンズアレイ形状をなし、このレンズ面に前記微小な金属構造を形成したことを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, the substrate has a microlens array shape, and the minute metal structure is formed on the lens surface.
この請求項１１の発明によれば、請求項１〜９のいずれかにおいて、金属パターンが形成されている透明基板表面もしくはその裏面がマイクロレンズアレイ形状であるため、従来は偏光板およびレンズの別々の光学素子で構成されていた光学機能を、マイクロレンズアレイを形成した偏光制御素子のみで実現され、省スペース化が図れるとともに、光学調整などの簡便化も可能になり、かつ設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 According to the eleventh aspect of the invention, in any one of the first to ninth aspects, the transparent substrate surface on which the metal pattern is formed or the back surface thereof has a microlens array shape. The optical function that is configured with these optical elements can be realized only with the polarization control element that forms the microlens array, saving space, simplifying optical adjustment, etc., and increasing the degree of freedom in design. Moreover, heat resistance and light resistance are improved by using a metal structure.
本発明（請求項１）にかかる偏光制御素子は、透明な基板の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造が形成され、この形成されたそれぞれの金属構造が入射する光の波長よりも十分小さい距離で２次元で配置することで、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることが可能になり、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 In the polarization control element according to the present invention (claim 1), a metal structure that is smaller than the wavelength of incident light is formed on a flat surface of a transparent substrate, and the light that enters each formed metal structure. By arranging two-dimensionally at a distance sufficiently smaller than the wavelength of the light, it is possible to provide a high light transmittance, provide a sufficient phase difference, have a high degree of design freedom, and have a metal structure to provide heat resistance. In addition, it is possible to provide a polarization control element having excellent light resistance.
また、本発明（請求項２）にかかる偏光制御素子は、請求項１において、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＬ字形状に構成され、Ｌ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 2 ) is the polarization control element according to Claim 1, wherein the minimum unit composed of each minute metal structure is configured in an L shape, and the L shape is formed in a two-dimensional array on the substrate. By forming the first, the polarization control element having a high degree of design freedom and having excellent heat resistance and light resistance can be provided by using a metal structure.
また、本発明（請求項３）にかかる偏光制御素子は、請求項１において、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位がＴ字形状に構成され、Ｔ字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 3 ) is the polarization control element according to Claim 1 in which the minimum unit of each minute metal structure is formed in a T shape, and the T shape is formed in a two-dimensional array on the substrate. By forming the first, the polarization control element having a high degree of design freedom and having excellent heat resistance and light resistance can be provided by using a metal structure.
また、本発明（請求項４）にかかる偏光制御素子は、請求項１において、それぞれの微小な金属構造からなる最小単位が卍字形状に構成され、卍字形状が２次元配列状に基板上に形成することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 4 ) is the polarization control element according to Claim 1 in which the minimum unit of each minute metal structure is formed in a square shape, and the square shape is formed in a two-dimensional array on the substrate. By forming the first, the polarization control element having a high degree of design freedom and having excellent heat resistance and light resistance can be provided by using a metal structure.
また、本発明（請求項５）にかかる偏光制御素子は、請求項１において、微小な金属構造に入射する光は、微小な金属構造からなる最小構成単位に対して非対称になる方向の偏光成分を持つ角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性が向上する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 5 ) is the polarization component in the direction according to Claim 1 , in which the light incident on the minute metal structure is asymmetric with respect to the minimum structural unit composed of the minute metal structure. By making the light incident at an angle having a high degree of design freedom, the metal structure improves heat resistance and light resistance.
また、本発明（請求項６）にかかる偏光制御素子は、請求項２において、入射する光の偏光方向が、微小金属構造からなるＬ字構造に対して４５度の角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
The polarization control element according to the present invention (Claim 6 ) is the polarization control element according to
また、本発明（請求項７）にかかる偏光制御素子は、請求項３において、入射する光の偏光方向が、微小金属構造からなるＴ字構造に対して±４５度の角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 7), in claim 3, by the polarization direction of the incident light is incident at an angle of ± 45 degrees with respect to the T-shaped structure consisting of fine metal structure In addition, it is possible to provide a polarization control element having a high degree of design freedom and having excellent heat resistance and light resistance by using a metal structure.
また、本発明（請求項８）にかかる偏光制御素子は、請求項４において、入射する光の偏光方向が、微小金属構造からなる卍字構造に対して±４５度の角度で入射することにより、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
The polarization control element according to the present invention (invention 8 ) is characterized in that, in
また、本発明（請求項９）にかかる偏光制御素子は、請求項１〜８のいずれかにおいて、形成されている微小金属構造が、金、銀、もしくはアルミニウムとすることで、設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 In addition, the polarization control element according to the present invention (Claim 9 ) has the design flexibility in any one of Claims 1 to 8 , wherein the formed fine metal structure is gold, silver, or aluminum. By using a high metal structure, it is possible to provide a polarization control element having excellent heat resistance and light resistance.
また、本発明（請求項１０）にかかる偏光制御素子は、請求項１〜９のいずれかにおいて、金属パターンが形成されている透明基板表面もしくはその裏面がレンズ形状であるため、従来は偏光板およびレンズの別々の光学素子で構成されていた光学機能を、レンズを形成した偏光制御素子のみで実現され、省スペース化が図れるとともに、光学調整などの簡便化も可能になり、かつ設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 10 ) is the polarizing plate according to any one of Claims 1 to 9 , since the surface of the transparent substrate on which the metal pattern is formed or the back surface thereof is a lens shape. The optical functions that consisted of the separate optical elements of the lens and the lens can be realized with only the polarization control element that forms the lens, saving space, simplifying optical adjustment, etc., and design freedom In addition, it is possible to provide a polarization control element having high heat resistance and light resistance by using a metal structure.
また、本発明（請求項１１）にかかる偏光制御素子は、請求項１〜９のいずれかにおいて、金属パターンが形成されている透明基板表面もしくはその裏面がマイクロレンズアレイ形状であるため、従来は偏光板およびレンズの別々の光学素子で構成されていた光学機能を、マイクロレンズアレイを形成した偏光制御素子のみで実現され、省スペース化が図れるとともに、光学調整などの簡便化も可能になり、かつ設計自由度が高く、かつ金属構造とすることで耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。 The polarization control element according to the present invention (Claim 11), in any one of claims 1-9, for the transparent substrate surface or back surface thereof a metal pattern is formed is a microlens array shape, a conventional The optical function that is composed of separate optical elements for the polarizing plate and the lens is realized only by the polarization control element that forms the microlens array, and space saving is achieved, and simplification such as optical adjustment is also possible. In addition, there is an effect that it is possible to provide a polarization control element that has a high degree of design freedom and is excellent in heat resistance and light resistance by using a metal structure.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる偏光制御素子の最良な実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a polarization control element according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.
（実施の形態）
以下に本発明の偏光光学素子について説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子の機能を示す説明図である。この図１に示すように、偏光制御素子１０は、光学的に平坦なガラス基板１上に金属の微細構造が形成されている。このような金属微細構造パターンが形成されたガラス基板１に対して光を照射すると、入射偏光に対して金属微細構造が非対称に存在する場合、各金属微細構造に生じる局在表面プラズモンの共鳴周波数に依存して、微細構造間に生じる近接場相互作用により、各金属微細構造間で位相差が生じる。そのため、各金属微細構造からの光が重畳された反射光あるいは透過光の偏光成分にも位相差が生まれ、出射光における偏光状態が変換される。
(Embodiment)
The polarizing optical element of the present invention will be described below. FIG. 1 is an explanatory diagram showing functions of the polarization control element according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
すなわち、図１に示すようにガラス基板１上に金属粒子２による金属微細構造を形成したものに対して、たとえばＹ軸方向に対して４５度傾いた直線偏光４を入射すると、このガラス基板１を透過した光は楕円偏光５となる。なお、ここでは金属粒子２を円形状としているが、他の形状，たとえば楕円構造や多角形状構造であってもよい。また、円形状の構造を連続して配置し、擬似的に楕円形状構造を形成するような構成でもよい。また入射する光の偏光方向は形成された金属粒子２に対して非対称な偏光成分を有するように入射することで、各金属微細構造間で位相差が生じる。
That is, as shown in FIG. 1, when linearly
また、これら金属粒子２の材料は、使用する光源波長でプラズモンが発生し、出射光に所望の位相差を与えるように選択すればよく、たとえばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕなどが使用可能であり、これら金属の合金でもよく、特に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、が好ましい。ここで、プラズモンとは金属中における電子の集団運動のことである。
The material of the
ここで図２に示すように金属粒子２の大きさ（直径）をＲ、ｘ方向にもっとも隣接した微細構造との中心間隔をｄ、この２つの隣接した微細構造の組み合わせをＡとし、Ａとｘ方向にもっとも隣接する微細構造の組み合わせをＢとしたとき、Ａ−Ｂ間の距離をｄ１、ｙ方向に隣接している微細構造をＣとしたときの、Ａ−Ｃ間の距離をｄ２とする。このときＲ、ｄ１、ｄ２ともに入射光の波長よりも小さいことが望ましい。また、隣接した微細構造間に生じる近接場相互作用を利用するため、少なくともｄ＜Ｒである必要があり、ｄ１とｄ２は隣接構造の組み合わせ間の相互作用の影響を少なくするため、Ｒよりも大きい必要がある。
Here, as shown in FIG. 2, the size (diameter) of the
また、図３に示すように３個もしくは複数個の金属粒子２による金属微細構造の組み合わせでＬ字もしくはＶ字形状に配列された構造を形成してもよい。ここでは、図２に示す構成同様に、隣接した金属微細構造との間隔は微細構造の大きさよりも十分に小さく、また、図４に示すようなＬ字形状、あるいはＶ字形状の構造間の間隔は構成する微細構造の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。このときも入射する光の偏光方向は形成された金属微小構造に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。
Further, as shown in FIG. 3, a structure arranged in an L-shape or a V-shape may be formed by a combination of metal microstructures by three or a plurality of
また、図４に示すように３個、あるいは図５に示すように複数個の金属粒子２による金属微細構造の組み合わせでＴ字形状に配列された構造を形成してもよい。また、図２に示す構成と同様に、隣接した微細構造との間隔は微細構造の大きさよりも十分小さく、またＴ字形状の構造間の間隔は構成する微細構造の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。このときも入射する光の偏光方向は形成された金属微小構造に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。
Also, a structure arranged in a T shape may be formed by combining three metal fine structures as shown in FIG. 4 or a plurality of
図５に示すように３個、または図６に示すように複数個の金属微細構造の組み合わせで卍字形状に配列された構造を形成してもよい。この場合は、図５と対称な構造（ハーケンクロイツ状）でも同様である。図２に示す構成同様に、隣接した微細構造との間隔は微細構造の大きさよりも十分小さく、またＴ字形状の構造間の間隔は構成する微細構造の大きさよりも十分大きいほうが好ましい。このときも入射する光の偏光方向は形成された金属微小構造に対して非対称な偏光成分を有するような角度で入射することで、透過もしくは反射した光の位相差が生じる。 As shown in FIG. 5, three or a combination of a plurality of metal microstructures as shown in FIG. In this case, the same applies to a structure (Harken Kreuz shape) symmetrical to FIG. Similar to the configuration shown in FIG. 2, it is preferable that the interval between adjacent microstructures is sufficiently smaller than the size of the microstructure, and that the interval between T-shaped structures is sufficiently larger than the size of the configured microstructure. Also at this time, the incident light has a polarization direction that is incident at an angle that has an asymmetric polarization component with respect to the formed metal microstructure, thereby causing a phase difference of transmitted or reflected light.
上記の無機偏光光学素子は以下のようにして製造することができる。まず、無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面に金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの化学蒸着法や物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金などの堆積法で薄膜状に形成する。この金属膜上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、所望の微細構造に相当するパターンを残すようにレジストパターンを形成する。その後、不要部分の金属膜をたとえばＲＩＥ（反応性ドライエッチング）などによりエッチングを行うことで、所望の微細構造の金属パターンを形成することができる。 Said inorganic polarizing optical element can be manufactured as follows. First, optical glass is used as a substrate as an inorganic material, and a metal material such as gold, silver, or aluminum is formed on a flat surface of the substrate by using a chemical vapor deposition method such as CVD (Chemical Vapor Deposition) or a physical vapor deposition method, or a plating method. It is formed into a thin film by the deposition method. A photoresist layer is formed on the metal film, and a resist pattern is formed on the photoresist layer so as to leave a pattern corresponding to a desired fine structure by a technique such as electron beam drawing or X-ray drawing. Thereafter, an unnecessary portion of the metal film is etched by, for example, RIE (reactive dry etching) to form a metal pattern having a desired fine structure.
また、無機材料として光学ガラスを基板とし、その平坦な面にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層に電子線描画やＸ線描画などの手法により、所望の微細構造に相当するパターン以外を残すようにレジストパターンを形成する。その後、金、銀、アルミニウムなどの金属材料をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの化学蒸着法や物理蒸着をもちいた成膜法、あるいは鍍金などの堆積法でレジストパターン上に薄膜状に形成する。その後、レジスト膜を除去することで、レジスト膜上に形成された不要部分の金属膜を除去することで、所望の微細構造の金属パターンを形成することができる。 Moreover, optical glass is used as a substrate as an inorganic material, a photoresist layer is formed on the flat surface, and a pattern other than a pattern corresponding to a desired fine structure is formed on the photoresist layer by a technique such as electron beam drawing or X-ray drawing. A resist pattern is formed so as to leave. Thereafter, a metal material such as gold, silver, and aluminum is formed in a thin film shape on the resist pattern by a chemical vapor deposition method such as CVD (Chemical Vapor Deposition), a film formation method using physical vapor deposition, or a deposition method such as plating. Thereafter, by removing the resist film and removing an unnecessary portion of the metal film formed on the resist film, a metal pattern having a desired fine structure can be formed.
無機材料としてのガラス基板１には、石英ガラスや、ＢＫ7、パイレックスなどの硼珪酸ガラス、ＣａＦ2、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ2Ｏ3などの光学結晶材料などが利用できる。また、反射光を利用する場合には、反射率の高い材料が好ましく、上記の光学ガラス、光学結晶材料に、ＡｌやＡｕなどの金属膜を蒸着したものや、シリコン基板などを用いることが好ましい。また、部分反射膜としてＣｒコーティングなどを利用することで、透過光と反射光の両方を利用するハーフミラーとして使用することもできる。 For the glass substrate 1 as an inorganic material, quartz glass, borosilicate glass such as BK 7 and Pyrex, optical crystal materials such as CaF 2 , Si, ZnSe, and Al 2 O 3 can be used. Moreover, when using reflected light, a material with high reflectance is preferable, and it is preferable to use a metal substrate such as Al or Au deposited on the above optical glass or optical crystal material, or a silicon substrate. . Further, by using a Cr coating or the like as the partial reflection film, it can be used as a half mirror that uses both transmitted light and reflected light.
たとえば図７に示すように、上記の偏光制御素子１０の機能、すなわち金属微細構造をレンズ６上に形成することにより、従来、波長板およびレンズで別々に構成されていた光学機能が、一体で形成されるためレンズ６のみで実現されることなり、省スペース化が図れると共に、光学調整などの簡便化も可能となる。
For example, as shown in FIG. 7, the function of the
また、図８に示すように，マイクロレンズアレイ光学素子７上に，上記の偏光制御素子１０の機能、すなわち金属粒子パターンを形成した構成とすると、従来、波長板およびマイクロレンズアレイの別々の部品で構成されていた光学機能がマイクロレンズアレイ７のみで実現されることなり、省スペース化が図れると共に、光学調整などの簡便化も可能となる。
Further, as shown in FIG. 8, when the function of the
また、このような構成からなる光学素子の表面で発生している局在表面プラズモンは近接場光とも呼ばれ、波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測・分析を行ったり、光リソグラフィーに応用することで従来よりも微細なパターニングを行うことも可能である。特に後者に関しては、近接場光の非断熱過程による作用のため、レジストと反応しないような可視光源でも感光させることができ、波長光源やそれに対応した光学素子が不要になるので装置の低コスト化が可能になるなどの効果もある。 Further, the localized surface plasmon generated on the surface of the optical element having such a configuration is also called near-field light and is localized in a region having a wavelength size or less. Therefore, it is possible to perform measurement / analysis with a resolution below the diffraction limit by using it as a near-field optical element, or to perform finer patterning than before by applying to optical lithography. Especially for the latter, the visible light source that does not react with the resist can be exposed due to the action of the near-field light in a non-adiabatic process, and the wavelength light source and the corresponding optical element are not required, thereby reducing the cost of the apparatus. There is also an effect that becomes possible.
以上のように、本発明にかかる偏光制御素子は、光計測、光通信、光記録などに有用であり、特に、液晶やＥＬなどのディスプレイや視野角の広角化や外乱反射光を低減させる各種の光学機器などに適している。 As described above, the polarization control element according to the present invention is useful for optical measurement, optical communication, optical recording, and the like, and in particular, various displays that reduce liquid crystal and EL displays, wide viewing angles, and disturbance reflected light. Suitable for optical equipment.
１ ガラス基板
２ 金属粒子
６ レンズ
７ マイクロレンズアレイ素子
１０ 偏光制御素子
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