JP4785790B2 - Polarization conversion element - Google Patents

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Description

本発明は、高い光利用効率ならびに光学素子数の低減を実現する偏光変換素子に関するものである。   The present invention relates to a polarization conversion element that realizes high light utilization efficiency and a reduction in the number of optical elements.

代表的な偏光制御素子として、偏光選択素子、位相シフタ、旋光素子が挙げられる。
偏光選択素子は、直交する二つの向きに対し、伝搬特性および吸収特性に異方性をもたせることにより、入射光の偏光向きの1成分のみを透過させる偏光板や、入射角度に対して二つの偏光成分の反射率、透過率の違いを利用して、各偏光成分の出射角度を分離する機能を有する素子であり、偏光ビームスプリッタ(偏光分離素子)などが挙げられる。
Typical polarization control elements include a polarization selection element, a phase shifter, and an optical rotation element.
The polarization selection element has two propagation directions and two absorption characteristics with respect to the incident angle by providing anisotropy in propagation characteristics and absorption characteristics with respect to two orthogonal directions, and transmitting only one component of the polarization direction of incident light. An element having a function of separating the output angle of each polarization component by utilizing the difference in reflectance and transmittance of the polarization component, such as a polarization beam splitter (polarization separation element).

位相シフタは、直交する二つの偏光成分の屈折率の異方性を利用して直線偏光を円偏光に変換したり、偏光面を90度回転させたりする素子であり、それぞれ、1/4波長板、1/2波長板が挙げられる。   The phase shifter is an element that converts linearly polarized light into circularly polarized light by using the anisotropy of the refractive index of two orthogonal polarization components, and rotates the plane of polarization by 90 degrees. A plate and a half-wave plate.

旋光素子は、直線偏光の偏光面を任意に回転させ、直線偏光のまま出射させる素子である。このような偏光制御素子は、たとえば、液晶パネルや有機EL(electroluminescence)ディスプレイの画素のオン・オフに利用される。このほか、エリプソメトリー(偏光解析)などの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなどが挙げられ、様々な光学機器ならびに計測機器に利用されている。特に、旋光素子は液晶プロジェクタなどの画像投影装置への需要が伸びている。   The optical rotatory element is an element that arbitrarily rotates the polarization plane of linearly polarized light and emits the linearly polarized light as it is. Such a polarization control element is used, for example, for turning on / off a pixel of a liquid crystal panel or an organic EL (electroluminescence) display. In addition, there are optical measurement techniques such as ellipsometry (polarization analysis), laser interferometers, optical shutters, etc., which are used in various optical instruments and measurement instruments. In particular, the demand for image projection devices such as liquid crystal projectors is increasing for optical rotatory elements.

液晶パネルなどに用いられる偏光選択素子の多くは、ポリビニルアルコール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・配向させることで吸収二色性を発現させるものである。   Many of the polarization selective elements used in liquid crystal panels and the like have absorption dichroism by dyeing and adsorbing dichroic materials such as iodine and organic dyes on a substrate film such as polyvinyl alcohol, and by highly stretching and orienting them. To be expressed.

ところで、有機材料を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、透明度の低下、焦げる、といった問題があり、照射光量を大きくすることができない。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には、冷風機構が必要であり装置の小型化が困難、埃の付着による画質欠陥を生じるなど従来から解決すべき課題があった。   By the way, a polarization control element using an organic material is easily affected by heat, and has problems such as a decrease in transparency and a burn, and the amount of irradiation light cannot be increased. In addition, when the operating temperature conditions are severe and the projector is used in a liquid crystal projector or the like, there has been a problem to be solved, such as a cold air mechanism being required, making it difficult to reduce the size of the apparatus, and causing image quality defects due to dust adhesion.

また、偏光分離素子としては、ガラス製のプリズムや平面基板面に、屈折率の異なる誘電体の多層膜を交互に積層した偏光ビームスプリッタ−も知られている。膜のそれぞれの界面でブリュースター角となるように、膜の構造や、入射角を設定することにより、P偏波(入射面に平行な偏波)は直進し、S偏波(入射面に垂直な偏波)は直角向きに反射され、偏光を分離することができる。
しかし、結晶の複屈折率を利用したプリズム型偏光子に比べると、分離性能が低い(十数dB)という欠点があった。また、屈折率の異方性を利用する位相シフタは、複屈折性を示す光学結晶材料を利用しており、通常、ルチルや方解石などの高価な異方性結晶をくさび形あるいはプリズム型に精密な研磨加工することで実現されている。このような素子は、極めて高価であり、また、小形化が困難であり、使用できる波長領域に制限があるなどの課題があった。
また、光学結晶材料膜を貼り合わせることにより膜厚、すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているため、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低いという問題があった。
Further, as a polarization separation element, a polarization beam splitter in which dielectric multilayer films having different refractive indexes are alternately laminated on a glass prism or a plane substrate surface is also known. By setting the film structure and incident angle so that the Brewster angles are at each interface of the film, P-polarized light (polarized light parallel to the incident surface) goes straight, and S-polarized light (incident on the incident surface). (Vertical polarization) is reflected at right angles, so that the polarization can be separated.
However, compared with a prism type polarizer using the birefringence of the crystal, there is a defect that the separation performance is low (ten and several dB). In addition, phase shifters that use the anisotropy of the refractive index use optical crystal materials that exhibit birefringence. Usually, expensive anisotropic crystals such as rutile and calcite are precisely shaped into a wedge or prism type. It is realized by performing proper polishing. Such an element is extremely expensive, difficult to miniaturize, and has a problem that a usable wavelength region is limited.
In addition, the film thickness, that is, the optical path difference is adjusted by bonding the optical crystal material film, and the polarization state is controlled. Therefore, there is a problem that the dependence on the optical crystal material is strong and the degree of freedom of polarization controllability is low. there were.

一方、上述のような偏光制御素子を組み合わせた偏光変換素子が、光利用効率の向上のために広く利用されている。偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分を分離して、一方の直線偏光成分の偏光面を90度回転させ、再び合成することにより、入射光の100%近くを利用可能にするための素子である。   On the other hand, a polarization conversion element combined with the polarization control element as described above is widely used for improving the light utilization efficiency. The polarization conversion element is an element for making available nearly 100% of incident light by separating two orthogonal polarization components, rotating the polarization plane of one linear polarization component by 90 degrees, and synthesizing again. It is.

従来、このような素子構成を実現するには、複数の偏光制御素子を必要とし、光学素子数の低減が困難であり、低価格化や小型化に問題があった。   Conventionally, in order to realize such an element configuration, a plurality of polarization control elements are required, and it is difficult to reduce the number of optical elements, and there has been a problem in price reduction and size reduction.

上記の課題に対し、量産性がよく、低コストで製造できる、耐熱性の優れた、無機材料による偏光制御素子として、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。この偏光子は2.5μmより長波長の光に対して機能する偏光素子として従来から知られていたが、近年の微細加工技術の進歩により、可視波長(400〜700nm)においても機能するワイヤグリッド構造に関する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
尚、特許文献1〜9の説明における符号と、本願の発明の最良の実施の形態の説明における符号とは無関係である。
In response to the above problems, a wire grid polarizer in which fine wires of gold or aluminum are formed on a transparent substrate has been proposed as a polarization control element made of an inorganic material that is excellent in mass production, can be manufactured at low cost, and has excellent heat resistance. ing. This polarizer has been conventionally known as a polarizing element that functions with respect to light having a wavelength longer than 2.5 μm, but a wire grid that functions even at a visible wavelength (400 to 700 nm) due to recent advances in microfabrication technology. A technique related to the structure is disclosed (for example, see Patent Document 1).
In addition, the code | symbol in description of patent documents 1-9 and the code | symbol in description of best embodiment of invention of this application are unrelated.

特許文献1における主な目的は、全可視スペクトルに渡って、高い透過と反射の効率を提供できるワイヤグリッド偏光子を提供することである。また、特許文献1における副次的な目的は広い範囲の入射角に渡って、高い効率を実現可能なワイヤグリッド偏光子を提供することである。
その解決手段は、図27(a)〜(c)に示すように、ワイヤグリッド偏光子は基板1210上で支持される複数の細長い素子1240を有し、基板の屈折率よりも低い屈折率を有する領域1250が素子と基板との間に配置され、共鳴が発生する最も長い波長を低減することである。
The main purpose in Patent Document 1 is to provide a wire grid polarizer that can provide high transmission and reflection efficiency over the entire visible spectrum. Further, a secondary object in Patent Document 1 is to provide a wire grid polarizer capable of realizing high efficiency over a wide range of incident angles.
As shown in FIGS. 27A to 27C, the solution is that the wire grid polarizer has a plurality of elongated elements 1240 supported on the substrate 1210, and has a refractive index lower than that of the substrate. A region 1250 having a gap is disposed between the element and the substrate to reduce the longest wavelength at which resonance occurs.

尚、図27(a)〜(c)はワイヤグリッド偏光子の製造工程図である(従来技術1)。
このようなワイヤグリッド偏光子は、透明基材の片面に、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、可視の波長程度の微小グリッド構造を構成することができる。このとき、微小グリッドの細線向きについて、偏光面がこれに直交する光は透過し、偏光面が平行な光は反射する。これにより、入射角依存性が比較的小さく、円錐光線群に対して比較的良好な偏光分離機能を提供している。
27A to 27C are manufacturing process diagrams of a wire grid polarizer (prior art 1).
Such a wire grid polarizer can form a fine grid structure with a visible wavelength by forming an aluminum thin film on one surface of a transparent substrate and pattern-etching it. At this time, with respect to the fine line direction of the fine grid, the light whose polarization plane is orthogonal to the light is transmitted, and the light whose polarization plane is parallel is reflected. As a result, the incident angle dependency is relatively small, and a relatively good polarization separation function is provided for the conical ray group.

また、同様の無機材料偏光制御素子として、フォトニック結晶構造を利用する技術が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特許文献2における課題は、フォトニック結晶偏光子を利用して偏光分離素子を作ることである。その解決手段は、図28に示すように、くさび状に形成したガラス基板10の斜面に、屈折率の異なる波状透明薄膜11を交互に積層して偏光子13を形成することである。
尚、図28は無機材料偏光制御素子の説明図である(従来技術2)。
同図において、くさび角をθとし、偏光子を形成していない側から光を入射すると、偏光子に対する入射角はθとなり、TM偏波は、偏光子を透過するが、そのとき屈折してφ1の向きに出て行く。空気の屈折率をn0、基板の屈折率をnとすると、φ1=sin-1(n sinθ/n0)−θとなる。
Further, as a similar inorganic material polarization control element, a technique using a photonic crystal structure is known (for example, see Patent Document 2).
The problem in Patent Document 2 is to make a polarization separation element using a photonic crystal polarizer. The solution is to form a polarizer 13 by alternately laminating wavelike transparent thin films 11 having different refractive indexes on the slope of the glass substrate 10 formed in a wedge shape, as shown in FIG.
FIG. 28 is an explanatory diagram of an inorganic material polarization control element (prior art 2).
In the figure, when the wedge angle is θ and light is incident from the side where the polarizer is not formed, the incident angle with respect to the polarizer is θ, and TM polarized light is transmitted through the polarizer, but is refracted at that time. Go in the direction of φ1. If the refractive index of air is n 0 and the refractive index of the substrate is n, then φ 1 = sin −1 (n sin θ / n 0 ) −θ.

一方、TE偏波は偏光子で反射され、基板10の裏面に到達し、屈折して外に出て行く。このとき入射角2θで裏面に入射するため、出射角φ2=sin-1(n sin2θ/n0)となる。したがって、基板の屈折率n、くさび角θの値によって2つの出射光のなす角を制御することができ、例えば、n=1.5とし、θ=20°とすると、2つのビームは直交する。 On the other hand, the TE polarized light is reflected by the polarizer, reaches the back surface of the substrate 10, refracts and goes out. At this time, since it is incident on the back surface at an incident angle 2θ, the emission angle φ 2 = sin −1 (n sin 2θ / n 0 ). Therefore, the angle formed by the two outgoing lights can be controlled by the refractive index n and the wedge angle θ of the substrate. For example, when n = 1.5 and θ = 20 °, the two beams are orthogonal to each other. .

偏光分離素子とその製造法また、位相シフタと偏光分離素子の複合構造とマイクロレンズアレイの組み合わせにより実現される偏光変換素子の構成が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
特許文献3における課題は、光源効率の高い、すなわち輝度の高い、あるいは消費電力の少ない映像表示を実現することである。図29は偏光分離素子の構成を示す図である(従来技術3)。
A polarization separation element and a manufacturing method thereof, and a configuration of a polarization conversion element realized by a combination of a composite structure of a phase shifter and a polarization separation element and a microlens array are known (see, for example, Patent Document 3).
The problem in Patent Document 3 is to realize video display with high light source efficiency, that is, high luminance or low power consumption. FIG. 29 is a diagram showing a configuration of a polarization separation element (prior art 3).

図29において光源光1は種々の偏光が混在した無偏光であり、この光は全面に渡り、レンズ板2のそれぞれのレンズ素を通してスプリッタ4の作用面に収束する。そして、スプリッタ4により、P波成分は作用面をそのまま通過する。   In FIG. 29, the light source light 1 is non-polarized light in which various polarized lights are mixed, and this light converges on the working surface of the splitter 4 through each lens element of the lens plate 2 over the entire surface. Then, the splitter 4 passes the P wave component as it is through the working surface.

一方、S波成分はスプリッタ4の作用面で分離し、プリズム5で反射し、その出射面で偏光変換する素子、例えば、鏡か直角プリズムの組み合わせによる90°変換素子か、あるいは1/2波長の位相板(特許文献3では1/2波長板6)を通過させることにより、S波はP波となって、スプリッタ4の透過光と平行に出射される。以上、レンズ板2のレンズ素に入射した光はすべて偏光変換板3により、P波の偏光となって出射し、液晶表示板10に供給される。   On the other hand, the S-wave component is separated by the working surface of the splitter 4 and reflected by the prism 5, and is converted into polarized light at the exit surface, for example, a 90 ° conversion device by a combination of a mirror or a right-angle prism, or a half wavelength. By passing the phase plate (half-wave plate 6 in Patent Document 3), the S wave becomes a P wave and is emitted in parallel with the transmitted light of the splitter 4. As described above, all the light incident on the lens element of the lens plate 2 is emitted as polarized light of the P wave by the polarization conversion plate 3 and supplied to the liquid crystal display plate 10.

偏光制御素子に関し、本願発明者らがこれまで提案してきた関連技術として以下のものがある。   Regarding the polarization control element, there are the following related techniques that the present inventors have proposed so far.

偏光制御素子および偏光制御素子の偏光制御方法(例えば、特許文献4参照。)。
特許文献4の目的は、耐熱性および耐光性に優れ、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することにある。
図30(a)〜(d)は従来の偏光制御素子の説明図である(従来技術4)。
その解決手段は、図30(a)に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体6を、支持基板上に形成し、近接場光による相互作用が働くような構成により、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子とすることができる。
A polarization control element and a polarization control method of the polarization control element (see, for example, Patent Document 4).
The purpose of Patent Document 4 is to provide a polarization control element having excellent heat resistance and light resistance, high light transmittance or high reflectance, and a polarization control element having a high degree of design freedom.
FIGS. 30A to 30D are explanatory views of a conventional polarization control element (prior art 4).
As shown in FIG. 30 (a), the solution is a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged. 6 is formed on the support substrate, and the structure in which the interaction by the near-field light works, the light transmittance is high, a sufficient phase difference can be given, and the heat resistance and It can be set as the polarization control element excellent in light resistance.

偏光制御素子が挙げられる(例えば、特許文献5参照。)。
偏光制御素子の目的は、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することにある。
その解決手段は、図30(b)に示すように、透明なガラス基板1の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造(金属粒子2)を、入射する光の波長よりも小さい距離で2次元に配置することにより、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子10とするものである。平坦な基板の他、レンズまたはマイクロレンズ上に金属構造を設ける構成もある。
Examples thereof include a polarization control element (for example, see Patent Document 5).
The purpose of the polarization control element is to provide a polarization control element that has a high light transmittance, can provide a sufficient phase difference, has a high degree of design freedom, and is excellent in heat resistance and light resistance.
As shown in FIG. 30 (b), the solution means that a metal structure (metal particles 2) smaller than the wavelength of incident light is formed on the flat surface of the transparent glass substrate 1 from the wavelength of incident light. The polarization control element 10 having a high degree of design freedom, high heat resistance and light resistance, which can provide a sufficient phase difference, has a high light transmittance by being two-dimensionally arranged at a small distance. Is. In addition to a flat substrate, there is a configuration in which a metal structure is provided on a lens or a microlens.

偏光制御素子および光学素子が挙げられる(例えば、特許文献6参照。)。
偏光制御素子および光学素子の目的は、位相差を発生させる波長板を実現すると共に、耐熱性に優れた偏光制御素子を提供することにある。
その解決手段は、図30(c)に示すように、ガラス基板などの透明な誘電体基板1上に、二種類以上の金属または合金からなる金属粒子(第1の金属粒子2、第2の金属粒子3)のパターンを連続的に形成することで、透過光または反射光の偏光成分に位相差を発生させる波長板を実現すると共に耐熱性に優れかつ偏光状態の設計自由度の高い偏光制御素子10を提供することができる。
Examples include a polarization control element and an optical element (see, for example, Patent Document 6).
An object of the polarization control element and the optical element is to provide a polarization control element having excellent heat resistance while realizing a wave plate that generates a phase difference.
As shown in FIG. 30 (c), the solution means that metal particles (first metal particles 2 and second metal particles) made of two or more kinds of metals or alloys are formed on a transparent dielectric substrate 1 such as a glass substrate. By forming a pattern of metal particles 3) continuously, a polarization plate that generates a phase difference in the polarization component of transmitted light or reflected light is realized, and also has excellent heat resistance and polarization control with a high degree of freedom in designing the polarization state. An element 10 can be provided.

偏光制御素子が挙げられる(例えば、特許文献7参照。)。
偏光制御素子の目的は、金属微小構造体が配列されている支持基板をサブ波長構造とし、基板表層に強いエバネッセント光を発生させる構成し、近接場光とエバネッセント光が結合することにより、光放射および光吸収をより強く生じさせ、光特性の制御性能の向上を図ることにある。
その目的は、図30(d)に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている金属微小構造体6で構成された金属複合構造体を、ガラス基板1上に形成した偏光制御素子10であって、ガラス基板1の表面に、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、周期構造が、前記入射光の波長より小さい周期で構成されている。
また、本願発明に関連する磁性材料を利用した構成の偏光制御素子として、以下の技術が挙げられる。
Examples thereof include a polarization control element (see, for example, Patent Document 7).
The purpose of the polarization control element is to make the support substrate on which the metal microstructures are arranged have a sub-wavelength structure, generate strong evanescent light on the substrate surface layer, and combine the near-field light and evanescent light to emit light. In addition, light absorption is generated more strongly, and the control performance of the light characteristics is improved.
As shown in FIG. 30 (d), the object is to place a metal composite structure composed of metal microstructures 6 arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged on a glass substrate. 1 is a polarization control element 10 formed on a surface of a glass substrate 1 having a periodic structure whose height is periodically modulated, the periodic structure having a period smaller than the wavelength of the incident light. Has been.
Moreover, the following technique is mentioned as a polarization control element of the structure using the magnetic material relevant to this invention.

磁気光学素子が挙げられる(例えば、特許文献8参照。)。
磁気光学素子の目的は、大旋光角を有する高速応答性に優れた空間変調素子として、画像が明るく、コントラストが高く、かつカラー画像や動画などに対応することが可能な磁気光学素子を提供することにある。
図31は磁気光学素子の断面図である(従来技術5)。
その解決手段は、図31に示すように、透明非磁性単結晶基板11と、その表面上に形成された層表面に垂直な磁気異方性を有する単結晶透明磁性体層12との積層体の上下は、単結晶透明磁性体層12と屈折率の異なる2層構造の誘電体膜を1ペアとして、この2層構造の誘電体膜が1ペア又は複数ペアに積層された第1及び第2の誘電体多層膜13a、13bによって上下対称に挟まれるようにする。この第2の誘電体多層膜13b/透明非磁性単結晶基板11/単結晶透明磁性体層12/第1の誘電体多層膜13aからなるデバイスの上下には、偏光軸を相互に回転させた1対の偏光子をなす第1及び第2の偏光子14a、14bが対向して設けられている。
A magneto-optical element is mentioned (for example, refer patent document 8).
The purpose of the magneto-optical element is to provide a magneto-optical element that has a large optical rotation angle and excellent in high-speed response, and that can display a bright image, high contrast, and can be used for color images and moving images. There is.
FIG. 31 is a sectional view of a magneto-optical element (prior art 5).
As shown in FIG. 31, the solution is a laminate of a transparent non-magnetic single crystal substrate 11 and a single crystal transparent magnetic layer 12 having magnetic anisotropy perpendicular to the layer surface formed on the surface. The upper and lower sides of the first and second layers are a pair of two-layered dielectric films having a refractive index different from that of the single crystal transparent magnetic layer 12, and the two-layered dielectric films are laminated in one or more pairs. The dielectric multilayer films 13a and 13b are sandwiched symmetrically in the vertical direction. The polarization axes are rotated relative to each other above and below the device composed of the second dielectric multilayer film 13b / transparent nonmagnetic single crystal substrate 11 / single crystal transparent magnetic layer 12 / first dielectric multilayer film 13a. First and second polarizers 14a and 14b forming a pair of polarizers are provided to face each other.

また、図32に示すような磁気光学素子が挙げられる(従来技術6:例えば、特許文献9参照。)。
図32は他の磁気光学素子の断面図である。図32に示すように、透明な基板1に溝構造を形成し、その側壁面2に強磁性体による膜を形成することにより、偏光層と磁性層を兼ね備えた磁気光学素子を実現する。本磁気光学素子は、透明性に優れ、磁気ヘッドによって記録、読み出し(記録の再生)、記録の消去が繰り返し行なうことができ、また偏光子としても使用でき、さらに磁場と光を与えることによって画像を可視化できるディスプレイなどへの応用にも適している。また、空間光変調素子や磁界センサーなどへの応用にも適している。
特表2003−502708号公報 特開2003−279746号公報 特開平07−294906号公報 特開2006−330105号公報 特開2006−330106号公報 特開2006−330107号公報 特開2006−330108号公報 特開2001−311925号公報 特許第3853512号公報
Another example is a magneto-optical element as shown in FIG. 32 (Prior Art 6: see, for example, Patent Document 9).
FIG. 32 is a sectional view of another magneto-optical element. As shown in FIG. 32, a groove structure is formed on a transparent substrate 1 and a film made of a ferromagnetic material is formed on the side wall surface 2 thereof, thereby realizing a magneto-optical element having both a polarizing layer and a magnetic layer. This magneto-optical element is excellent in transparency, and can be repeatedly recorded, read (recorded reproduction) and erased by a magnetic head, can also be used as a polarizer, and can be imaged by applying a magnetic field and light. It is also suitable for applications such as displays that can visualize It is also suitable for applications such as spatial light modulators and magnetic field sensors.
Special table 2003-502708 gazette JP 2003-279746 A JP 07-294906 A JP 2006-330105 A JP 2006-330106 A JP 2006-330107 A JP 2006-330108 A JP 2001-311925 A Japanese Patent No. 3853512

特許文献1に開示されたワイヤグリッド偏光子は、偏光選択機能のみを有し、波長板のような直交する二つの偏光成分における位相差を利用する光学素子は実現できない。また、偏光変換機能を実現するには、2つの直交する偏光成分のうち、一方の偏光成分を他方に揃える必要があり、本光学素子により分離された一方の偏光成分を、波長板を介して90°旋光させ再度合成する光学系が外部に必要となり、装置の構成が複雑になり、光学素子数の増加や、装置の小型化に課題があった。   The wire grid polarizer disclosed in Patent Document 1 has only a polarization selection function, and an optical element using a phase difference between two orthogonal polarization components such as a wave plate cannot be realized. In order to realize the polarization conversion function, it is necessary to align one polarization component of the two orthogonal polarization components with the other, and one polarization component separated by this optical element is passed through the wave plate. An optical system for 90 ° rotation and recombination is required outside, complicating the configuration of the apparatus, and there are problems in increasing the number of optical elements and reducing the size of the apparatus.

また、特許文献2に開示されたフォトニック結晶構造を利用する偏光制御素子では、光の干渉効果を利用してその特性を得ていることから、大面積にわたって、周期的な微細構造を有している必要があり、極めて高い加工精度が要求されるという課題があった。また、出射角度により二つの偏光成分を分離する素子であり、偏光変換機能を実現するためには、一方の偏光成分を旋光させて再度結合する機構が外部に必要となる。   In addition, the polarization control element using the photonic crystal structure disclosed in Patent Document 2 obtains its characteristics using the light interference effect, and thus has a periodic fine structure over a large area. There is a problem that extremely high processing accuracy is required. Further, it is an element that separates two polarization components according to the emission angle, and in order to realize the polarization conversion function, a mechanism for rotating one polarization component and recombining it is required outside.

特許文献3〜9に関しても、偏光分離機能、位相シフト機能、旋光機能を有しているが、偏光変換機能は、これらを複合した光学系を構成しなければ実現することができず、光学素子数の低減、低価格化、光学装置などの小型化に課題があった。これらの課題は、従来の偏光制御素子および偏光変換素子が、直交する二つの偏光成分に対して、独立に振幅または位相を、膜厚や吸収率の違いにより変調する素子であって、一方の成分のみを他方へ変換する機構を有していないことに起因している。   Patent Documents 3 to 9 also have a polarization separation function, a phase shift function, and an optical rotation function, but the polarization conversion function cannot be realized unless an optical system that combines these functions is configured. There were problems in reducing the number, reducing the price, and reducing the size of the optical device. These problems are elements in which the conventional polarization control element and the polarization conversion element independently modulate the amplitude or phase of two orthogonal polarization components by the difference in film thickness or absorption rate. This is because it does not have a mechanism for converting only the component to the other.

そこで本発明の目的は、上記課題を鑑みてなされたものであって、直交する二つの偏光成分に対して異なる偏光制御機能を有する偏光変換素子を提供するものである。   Accordingly, an object of the present invention has been made in view of the above problems, and provides a polarization conversion element having different polarization control functions for two orthogonal polarization components.

上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、支持体上または支持体内部に、磁性構造体の対を2次元的に配した構造を少なくとも有し、該磁性構造体の対は、入射する光の波長以下の間隔で隣接し、且つ該磁性構造体の中心点間を結ぶ直線に対して平行で互いに相反する向きに主たる磁化成分を有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 has at least a structure in which a pair of magnetic structures is arranged two-dimensionally on or inside a support, and the pair of magnetic structures is: It is characterized by having main magnetization components that are adjacent to each other at an interval equal to or less than the wavelength of incident light and that are parallel to a straight line connecting the central points of the magnetic structure and are opposite to each other.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明であって、前記磁性構造体の幅及び奥行きの長さを入射する光の波長以下としたことを特徴とする。   The invention described in claim 2 is the invention described in claim 1, characterized in that the width and depth of the magnetic structure are set to be equal to or less than the wavelength of incident light.

請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明であって、前記磁性構造体を、入射する光の波長以下の幅を有する磁性材料によるラインパターンで構成したことを特徴とする。   The invention described in claim 3 is the invention described in claim 1, characterized in that the magnetic structure is constituted by a line pattern made of a magnetic material having a width equal to or smaller than the wavelength of incident light.

請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項記載の発明であって、前記支持体上に、前記磁性構造体の対に接するように導電性部材を配したことを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein a conductive member is disposed on the support so as to contact the pair of the magnetic structures. And

請求項5記載の発明は、請求項4記載の発明であって、前記導電性部材を平坦な膜で構成したことを特徴とする。   The invention described in claim 5 is the invention described in claim 4, characterized in that the conductive member is formed of a flat film.

請求項6記載の発明は、請求項4記載の発明であって、前記導電性部材を入射する光の波長以下のサイズを有する2次元パターンで構成したことを特徴とする。   The invention described in claim 6 is the invention described in claim 4, characterized in that the conductive member is constituted by a two-dimensional pattern having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light.

請求項7記載の発明は、請求項4記載の発明であって、前記導電性部材を入射する光の波長以下の幅を有するラインパターンで構成したことを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention is the fourth aspect of the present invention, wherein the conductive member is constituted by a line pattern having a width equal to or less than a wavelength of incident light.

請求項8記載の発明は、請求項1から7のいずれか1項記載の発明であって、前記磁性構造体の対および前記導電性部材の、上方または下方の少なくとも一方に、多重反射構造を配したことを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein a multiple reflection structure is provided on at least one of an upper side or a lower side of the pair of magnetic structures and the conductive member. It is characterized by having arranged.

請求項9記載の発明は、請求項1,2,4から8のいずれか1項記載の発明であって、前記磁性構造体が単磁区構造を有することを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 1, 2, 4 to 8, wherein the magnetic structure has a single magnetic domain structure.

本発明によれば、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ナノ構造体の対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、入射光の直交する二つの偏光成分の一方のみを他方へ変換することが可能になり、また、2次元平面内における磁性材料の微細構造のみで偏光変換機能を実現したことにより、光学素子数の低減や光学装置の小型化か可能となる。   According to the present invention, the magnetic nanostructure pair in which the directions of the main components of the magnetization vector are opposite to each other is arranged on the support or inside the support, so that only one of the two orthogonal polarization components of the incident light is orthogonal. Conversion to the other is possible, and the polarization conversion function is realized only by the fine structure of the magnetic material in the two-dimensional plane, so that the number of optical elements can be reduced and the optical device can be downsized.

(第1の実施の形態:請求項1,2,9)
本発明の第1の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1〜9を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態にかかる偏光変換素子の機能を示す説明図である。
図1において、1は入射偏光状態(ランダム偏向)を示し、2は本発明に係る偏光変換素子の一例を示し、3は出射偏光状態(直線偏光)を示す。
本発明に係る偏光変換素子2は、入射するランダム偏光に対し、素子内部に含む入射光の波長以下のサイズをもつ磁性構造体と光との相互作用により、y軸向きの偏光成分をx軸向きへ変換することにより、入射光の大部分をx軸向きに偏光面をもつ直線偏光に変換するものである。
(First embodiment: claims 1, 2 and 9)
The polarization conversion element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the function of the polarization conversion element according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 1 indicates an incident polarization state (random deflection), 2 indicates an example of a polarization conversion element according to the present invention, and 3 indicates an output polarization state (linear polarization).
The polarization conversion element 2 according to the present invention converts the polarization component in the y-axis direction into the x-axis by the interaction of light with a magnetic structure having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light included in the element with respect to incident random polarized light. By converting into the direction, most of the incident light is converted into linearly polarized light having a polarization plane in the x-axis direction.

本発明に係る偏光変換素子の一例の構成を、図2(a)、(b)を用いて説明する。
図2(a)は本発明に係る偏光変換素子の断面図であり、図2(b)は図2(a)の平面図である。
図2(a)に示すように、本偏光変換素子は、支持体となる支持基板201上に、入射光の波長以下のサイズ(入射光に垂直な向きの大きさ)を有する磁性体材料からなる円板形状の磁性ナノ構造体202を配した構成を有し、図2(b)に示すように、ギャップ間距離gだけ離れた磁性ナノ構造体の対を一つのユニット(磁性構造体の対203)とし、本ユニット203が2次元的に配置された構成を有している。
偏光変換素子はさらに、後述するように、2個の磁性ナノ構造体が、中心点間を結ぶ直線に対して平行で相反する向きに主たる成分が磁化されている。
A configuration of an example of the polarization conversion element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
2A is a cross-sectional view of the polarization conversion element according to the present invention, and FIG. 2B is a plan view of FIG.
As shown in FIG. 2A, this polarization conversion element is formed on a support substrate 201 serving as a support from a magnetic material having a size that is equal to or smaller than the wavelength of incident light (a size perpendicular to the incident light). As shown in FIG. 2 (b), a pair of magnetic nanostructures separated by a gap distance g is combined into one unit (the magnetic structure of the magnetic structure). The unit 203 is two-dimensionally arranged.
In the polarization conversion element, as will be described later, the main components of the two magnetic nanostructures are magnetized in parallel and opposite directions with respect to the straight line connecting the center points.

ここで、偏光変換素子の主たる成分とは、磁化ベクトルの向きが、中心間を結ぶ直線に対して少なくとも45°以下の角度で配向している成分であると定義する。磁性ナノ構造体のサイズが入射光の波長より小さい必要があるのは、本偏光変換素子を透過または反射した光に空間的な強度分布が生じないようにするためである。   Here, the main component of the polarization conversion element is defined as a component in which the direction of the magnetization vector is oriented at an angle of at least 45 ° or less with respect to a straight line connecting the centers. The reason why the size of the magnetic nanostructure needs to be smaller than the wavelength of incident light is to prevent a spatial intensity distribution from occurring in the light transmitted or reflected by the polarization conversion element.

図2(a)、(b)では、磁性ナノ構造体は、直径dの円板形状の構造体の場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、球形状、半球形状、三角柱・四角柱形状、円錐形状、楕円柱形状など、多様な形状のものを利用することができる。このような様々な形状に対して、磁性ナノ構造体のサイズを厳密に規定することはできない。   2A and 2B exemplify the case where the magnetic nanostructure is a disk-shaped structure having a diameter d, the present invention is not limited to this, but a spherical shape, Various shapes such as a hemispherical shape, a triangular / square prism shape, a conical shape, and an elliptical column shape can be used. For these various shapes, the size of the magnetic nanostructure cannot be strictly defined.

そこで、磁性ナノ構造体のサイズを、図3(a)〜(e)のように定義する。
図3(a)〜(e)は、磁性ナノ構造体の様々な形状を説明するための平面図である。
上方から見た2次元的な形状に対して、磁性ナノ構造体と同面積を有する円の直径をdとし(図3(a))、空間的に非対称な形状を有する磁性ナノ構造体の場合、磁性ナノ構造体と同面積を有する楕円の長径d1および短径d2を磁性ナノ構造体のサイズと定義する(図3(b))。この際、楕円の長径d1を入射光の波長よりも小さく設定する。図3(c)に示すように磁性ナノ構造体の平面形状が三角形の場合、サイズを同面積の円の直径dとし、図3(d)に示すように磁性ナノ構造体の平面形状が長方形の場合は同面積の楕円の長径d1、短径d2とし、図3(e)に示すように構造体の平面形状が変形楕円形状の場合は同面積の楕円の長径d1、短径d2とする。
Therefore, the size of the magnetic nanostructure is defined as shown in FIGS.
3A to 3E are plan views for explaining various shapes of the magnetic nanostructure.
In the case of a magnetic nanostructure having a spatially asymmetric shape, where d is the diameter of a circle having the same area as the magnetic nanostructure with respect to the two-dimensional shape viewed from above (FIG. 3A). The major axis d1 and minor axis d2 of an ellipse having the same area as the magnetic nanostructure are defined as the size of the magnetic nanostructure (FIG. 3B). At this time, the major axis d1 of the ellipse is set smaller than the wavelength of the incident light. When the planar shape of the magnetic nanostructure is triangular as shown in FIG. 3C, the size is the diameter d of a circle having the same area, and the planar shape of the magnetic nanostructure is rectangular as shown in FIG. In this case, the major axis d1 and the minor axis d2 of the ellipse having the same area are used. When the planar shape of the structure is a deformed ellipse as shown in FIG. 3E, the major axis d1 and the minor axis d2 of the ellipse having the same area are used. .

本偏光変換素子に使用する支持基板は、透過型の素子を構成する場合には、高効率化のために可視領域の波長において吸収の低い材料が好ましく、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。
また、図2(a)、(b)では、支持基板201を用いた例を示したが、磁性構造体表面の保護や、周囲屈折率の調整による動作波長の選択、基板界面の反射による効率の低下を避けるために、表面を支持膜で被覆した構成であってもよい。支持膜を構成する材料も、支持基板201の材料と同様の透明な誘電体材料が適している。
The support substrate used in this polarization conversion element is preferably made of a material having low absorption at a wavelength in the visible region in order to increase the efficiency when constituting a transmissive element, such as quartz glass, BK7, Pyrex (registered trademark). ) And other optical crystal materials such as CaF 2 , Si, ZnSe, and Al 2 O 3 .
2A and 2B show examples using the support substrate 201. However, the protection of the magnetic structure surface, the selection of the operating wavelength by adjusting the surrounding refractive index, and the efficiency due to the reflection at the substrate interface are shown. In order to avoid a decrease in the thickness, the surface may be covered with a support film. A transparent dielectric material similar to the material of the support substrate 201 is also suitable for the material constituting the support film.

図4に、支持基板201と支持膜401により支持体402を構成した例を示す。
図4は本発明に係る偏光変換素子の第1の実施の形態の構成を説明するための断面図である。
支持膜401は、誘電体多層膜による全反射コーティングを施したものであってもよい。また、支持基板201自体をパターニングすることにより、支持基板201の内部に磁性構造体を埋め込んだ構成であってもよい。
FIG. 4 shows an example in which a support body 402 is configured by a support substrate 201 and a support film 401.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the first embodiment of the polarization conversion element according to the present invention.
The support film 401 may be provided with a total reflection coating using a dielectric multilayer film. Moreover, the structure which embedded the magnetic structure inside the support substrate 201 by patterning support substrate 201 itself may be sufficient.

次に、磁性ナノ構造体を構成する磁性材料について説明する。
本偏光変換素子は、磁性ナノ構造体202が特定の磁化ベクトルの向きをもっている必要がある。そのためには、室温で強磁性を示す材料である必要があり、Fe、Co、Niなどが利用できる。また、一般的な磁性材料である、γ‐Fe23,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等の複合材料であってもよい。
Next, the magnetic material constituting the magnetic nanostructure will be described.
In the present polarization conversion element, the magnetic nanostructure 202 needs to have a specific magnetization vector orientation. For this purpose, the material needs to be ferromagnetic at room temperature, and Fe, Co, Ni, and the like can be used. Also, it is a general magnetic material, such as ferrite such as γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeNx, Ba ferrite, Co ferrite, garnet such as rare earth iron garnet, composite material such as PtCo, FeTb, FePtCu, etc. There may be.

磁性材料のサイズが約20nm以下となると、磁性体内の磁区構造は単磁区構造をとるようになることが知られている。この場合、単位面積当たりの磁化ベクトルの大きさが増大することから、磁性ナノ構造体のサイズを20nm以下にすると、磁気光学効果が顕著となり一層有利となる。このような磁性ナノ構造体は、様々な作製手法を利用することができる。
例えば、波長以下の磁性ナノ構造体の作製手法として、ジブロックコポリマーを用いた自己組織化配列による手法が知られている(例えば、参考文献1参照)。
参考文献1:東芝レビューVol.57,No.12(2002)
It is known that when the size of the magnetic material is about 20 nm or less, the magnetic domain structure in the magnetic body takes a single domain structure. In this case, since the magnitude of the magnetization vector per unit area increases, if the size of the magnetic nanostructure is set to 20 nm or less, the magneto-optical effect becomes remarkable and further advantageous. Such a magnetic nanostructure can utilize various production methods.
For example, as a method for producing a magnetic nanostructure having a wavelength equal to or less than a wavelength, a method using a self-organized arrangement using a diblock copolymer is known (for example, see Reference 1).
Reference 1: Toshiba Review Vol. 57, no. 12 (2002)

ジブロックコポリマーは、2種類以上の異なるポリマー鎖を結合させた複合ポリマーであり、本作製手法では、ポリスチレンとポリメチルメタクリレートを利用する。支持基板上に上述の磁性材料による膜をスパッタリング法により成膜し、ジブロックコポリマーをスピンコートにより塗布する。その後、アニール処理を行なうことにより、ジブロックポリマーが内部でミクロ相分離を起こし、自己組織的に微細なパターンが形成できる。ポリマー鎖の長さを制御することにより、十数nm〜数百nmの周期構造を作製することができる。   The diblock copolymer is a composite polymer in which two or more kinds of different polymer chains are combined. In this production method, polystyrene and polymethyl methacrylate are used. A film made of the above-described magnetic material is formed on a supporting substrate by a sputtering method, and a diblock copolymer is applied by spin coating. Thereafter, by performing an annealing treatment, the diblock polymer causes microphase separation inside, and a self-organized fine pattern can be formed. By controlling the length of the polymer chain, it is possible to produce a periodic structure of tens of nanometers to several hundreds of nanometers.

ジブロックポリマーを形成するポリスチレンとポリメチルメタクリレートとは、エッチング耐性が異なるので、この自己組織化により形成されたパターンをマスクとして用い、エッチング処理を施すことによって、パターン下部に形成した磁性材料による膜にそのパターンを転写する。磁性ナノ構造体または磁性ナノ構造体によるユニットの2次元配列は、微細周期構造を形成する基板をあらかじめ、モールドと呼ばれる型を、熱をかけて押し付けるナノインプリント法などでパターニングして置くことにより、自由に行なうことができる。   Since polystyrene and polymethylmethacrylate that form the diblock polymer have different etching resistances, a film made of a magnetic material formed under the pattern by performing etching using the pattern formed by this self-assembly as a mask. The pattern is transferred to. The two-dimensional arrangement of magnetic nanostructures or units made of magnetic nanostructures can be done by patterning the substrate on which the fine periodic structure is formed in advance by patterning a mold called a mold using a nanoimprint method that applies heat to the substrate. Can be done.

図5は磁性体ナノ構造体の作製方法を説明するための説明図であり、参考文献1より引用した、FePtCu磁性ドットによる磁気記録媒体の説明図であり、グルーブ部分に磁性ドットが周期的に配列されている。
自己組織的な構造を用いる他にも、一般的な微細加工プロセスである、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより、人工的な微細パターン作製技術を利用しても、同様の磁性ナノ構造体を形成することが可能である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a method for producing a magnetic nanostructure, and is an explanatory diagram of a magnetic recording medium using FePtCu magnetic dots, cited from Reference 1, in which magnetic dots are periodically formed in the groove portion. It is arranged.
In addition to using a self-organized structure, direct drawing using electron beam lithography, which is a general microfabrication process, and batch exposure using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography It is possible to form the same magnetic nanostructure by using an artificial fine pattern manufacturing technique by a nanoimprint processing technique or the like.

次に、本偏光変換素子を構成する磁性ナノ構造体の磁化ベクトルの向きについて図6(a)、(b)を用いて説明する。
図6(a)、(b)は磁性ナノ構造体の対における磁化ベクトルの向きの説明図である。
上述のように自己組織的に作製した磁性ナノ構造体は、一般にランダムな磁化ベクトルの向きを有しているので、磁気記録ヘッドを用いて特定の向きの磁場を局所的に印加することにより、磁性ナノ構造体の対が互いに相反する向きに磁化ベクトルを有するように配向させることができる。
Next, the direction of the magnetization vector of the magnetic nanostructure constituting the polarization conversion element will be described with reference to FIGS.
FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of the direction of the magnetization vector in the pair of magnetic nanostructures.
Since the magnetic nanostructure produced in a self-organized manner as described above generally has a random magnetization vector orientation, by applying a magnetic field in a specific direction locally using a magnetic recording head, The pairs of magnetic nanostructures can be oriented to have magnetization vectors in opposite directions.

磁気記録ヘッドは、面内記録方式のハードディスクの記録に利用される、鉄心にコイルを巻いた構造の電磁石を用い、コイルに流す電流の向きにより、磁化ベクトルの向きを所定の向きに揃えることが可能である。磁化させる向きは、図6(a)、(b)に示すように、図中に点線で表した磁性ナノ構造体の中心間を結んだ直線に平行で、互いに相反する向きを有していればよく、少なくとも中心間を結ぶ直線に対して45°以下であれば、磁性ドット対の配列向きの平行・垂直成分に対する偏光の異方性を得ることができる。   The magnetic recording head uses an electromagnet having a structure in which a coil is wound around an iron core, which is used for recording on an in-plane recording type hard disk, and the direction of the magnetization vector can be aligned in a predetermined direction depending on the direction of the current flowing through the coil. Is possible. As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the magnetization directions are parallel to the straight line connecting the centers of the magnetic nanostructures represented by dotted lines in the figure and have opposite directions. If the angle is 45 ° or less with respect to a straight line connecting at least the centers, the polarization anisotropy with respect to the parallel / vertical components of the magnetic dot pair arrangement direction can be obtained.

図6(a)は、磁化の向きが磁性ナノ構造体の隣接する向きに向いた場合を示し、図6(b)は磁化の向きが外側に向いた場合を表しているが、いずれの場合であっても、同様の偏光変換機能が実現できる。磁化ベクトルの向きの制御は、上記の磁気記録ヘッドを用いた手法以外の方法であってもよい。例えば、キュリー温度の異なる磁性材料による微細パターンを作製し、両方の材料のキュリー温度より高い温度で全体を一向きに磁化させた後、一方の低いキュリー温度をもつ磁性材料を、そのキュリー温度よりわずかに高い温度において磁化させることにより、大面積の磁性構造体の磁化の向きを一括して揃えることが可能である。   FIG. 6A shows the case where the magnetization direction is directed to the adjacent direction of the magnetic nanostructure, and FIG. 6B shows the case where the magnetization direction is directed outward. Even so, the same polarization conversion function can be realized. The direction of the magnetization vector may be controlled by a method other than the method using the magnetic recording head. For example, after making a fine pattern with a magnetic material having a different Curie temperature and magnetizing the whole in one direction at a temperature higher than the Curie temperature of both materials, one magnetic material having a lower Curie temperature is By magnetizing at a slightly high temperature, it is possible to align the magnetization directions of the large-area magnetic structure at once.

図7〜図12を用いて、上述の磁性ナノ構造体の対(ユニット)の2次元的な配列方法を説明する。
個々のユニットは、ユニット内の磁性ナノ構造体の間隔よりも十分に離れている必要がある。図7〜図12は、支持基板上に配された磁性ナノ構造およびそのユニットの2次元配列の例を示す説明図である。図7は正方格子配列の格子点上に各ユニットを配列した一例を示す平面図であり、図8は直方格子配列の格子点上に各ユニットを配列した一例を示す平面図であり、図9は六方格子配列の格子点上に各ユニットを配列した一例を示す平面図である。
A two-dimensional arrangement method of the above-described pairs of magnetic nanostructures (units) will be described with reference to FIGS.
Individual units need to be well separated from the spacing of the magnetic nanostructures within the unit. 7-12 is explanatory drawing which shows the example of the two-dimensional arrangement | sequence of the magnetic nanostructure distribute | arranged on the support substrate, and its unit. FIG. 7 is a plan view showing an example in which the units are arranged on the lattice points of the square lattice arrangement, and FIG. 8 is a plan view showing an example of the arrangement of the units on the lattice points in the square lattice arrangement. FIG. 5 is a plan view showing an example in which units are arranged on lattice points of a hexagonal lattice arrangement.

また、図10はライン上にラインに直交する向きに各ユニットを配列した一例(ライン配列)を示す平面図であり、図11はライン上にラインに平行な向きに配列した磁性構造体のユニットを等間隔で配列した一例(ライン配列)を示す平面図である。また、図12は2次元面内にランダムにユニットを配列した一例(ランダム配列)を示す平面図である。2次元配列が図7〜図11に示すような周期配列構造である場合、本偏光変換素子の構成によっては、角度依存性や波長依存性が生じ、偏光変換素子の使用目的に応じて、対称性や周期、ピッチなどを調整することができる。また、ランダムに配列した場合であっても、全ての磁性ナノ構造体によるユニットの配向が揃ってさえいれば、偏光変換機能を得ることができる。   FIG. 10 is a plan view showing an example (line arrangement) in which the units are arranged on the line in a direction orthogonal to the line. FIG. 11 is a unit of the magnetic structure arranged on the line in a direction parallel to the line. It is a top view which shows an example (line arrangement | sequence) which arranged these by equal intervals. FIG. 12 is a plan view showing an example (random arrangement) in which units are randomly arranged in a two-dimensional plane. When the two-dimensional array has a periodic array structure as shown in FIGS. 7 to 11, depending on the configuration of the present polarization conversion element, an angle dependency and a wavelength dependency occur, and the symmetry depends on the purpose of use of the polarization conversion element. It is possible to adjust the characteristics, period, pitch and the like. Even in the case of random arrangement, the polarization conversion function can be obtained as long as the orientation of the units by all the magnetic nanostructures is aligned.

次に、本偏光変換素子の動作を確認するために実施した数値シミュレーションについて、図13(a)、(b)および図14を用いて説明する。数値シミュレーションは、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)を用いた。
図13(a)は、数値シミュレーションのモデルを説明する断面図であり、図13(b)は図13(a)の平面図である。図中に示すように円板形状の磁性ナノ構造体の直径を100nm、高さを70nmに設定し、2つの磁性ナノ構造体間のギャップ距離を20nmに設定した。
また、磁性材料の光学定数の値は良く知られていないため、磁性材料として、Auの光学定数(波長500nmで、屈折率n=0.976、消衰係数k=1.855)と同程度の材料と仮定し、物質中の電子の振る舞いを記述するDrudeモデルから誘電テンソルの値を算出して、以下のε1、ε2のように与えた。
Next, a numerical simulation performed for confirming the operation of the polarization conversion element will be described with reference to FIGS. 13 (a), 13 (b), and 14. FIG. The numerical simulation used a finite difference time domain method (FDTD method) in which Maxwell's equations describing the time-space response of an electromagnetic field are differentiated into a time domain and a spatial domain.
FIG. 13A is a cross-sectional view illustrating a numerical simulation model, and FIG. 13B is a plan view of FIG. As shown in the figure, the diameter of the disk-shaped magnetic nanostructure was set to 100 nm, the height was set to 70 nm, and the gap distance between the two magnetic nanostructures was set to 20 nm.
Further, since the value of the optical constant of the magnetic material is not well known, the magnetic material has the same optical constant as that of Au (at a wavelength of 500 nm, refractive index n = 0.976, extinction coefficient k = 1.855). The dielectric tensor values were calculated from the Drude model describing the behavior of electrons in the substance and given as ε 1 and ε 2 below.

Figure 0004785790
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Figure 0004785790
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誘電テンソルの添え字1,2はそれぞれ図13(b)の二つの円板を示しており、磁化の向きは非対角成分の符号の違いにより表現されている。このような磁性ナノ構造体のモデルに対して、入射平面波の偏光が、磁性ナノ構造体の配列の向きに垂直な直線偏光である向き「y偏光入射」の場合と、配列向きに平行な直線偏光である「x偏光入射」の場合について計算を行った。また、計算結果から偏光変換機能を定量的に評価するために、透過光成分に対して偏光変換度を次の式(1)、(2)のように定義した。
(偏光変換度) = Ixy/(Ixx + Ixy) (x偏光入射の場合) …(1)
(偏光変換度) = Iyx/(Iyy + Iyx) (y偏光入射の場合) …(2)
The subscripts 1 and 2 of the dielectric tensor indicate the two disks in FIG. 13B, respectively, and the direction of magnetization is expressed by the difference in the sign of the off-diagonal component. For such a magnetic nanostructure model, the polarization of the incident plane wave is linear y-polarization perpendicular to the magnetic nanostructure alignment direction, and a straight line parallel to the alignment direction. Calculation was performed for the case of “x-polarized light incidence”, which is polarized light. Further, in order to quantitatively evaluate the polarization conversion function from the calculation results, the degree of polarization conversion with respect to the transmitted light component was defined as in the following formulas (1) and (2).
(Degree of polarization conversion) = I xy / (I xx + I xy ) (when x-polarized light is incident) (1)
(Degree of polarization conversion) = I yx / (I yy + I yx ) (in the case of y-polarized light incident) (2)

ここで、Ixx、Ixy、Iyy、Iyxはそれぞれ、x偏光入射の場合のx成分の透過強度、x偏光入射の場合のy成分の透過強度、y偏光入射の場合のy成分の透過強度、y偏光入射の場合のx成分の透過強度を示している。
したがって、偏光変換度は、入射直線偏光に対して直交する偏光成分の透過光に占める割合を表している。
Here, I xx , I xy , I yy , and I yx are the transmission intensity of the x component when x polarized light is incident, the transmission intensity of the y component when x polarized light is incident, and the y component when y polarized light is incident, respectively. The transmission intensity and the transmission intensity of the x component when y-polarized light is incident are shown.
Therefore, the polarization conversion degree represents the ratio of the polarized light component orthogonal to the incident linearly polarized light in the transmitted light.

図14はx偏光入射およびy偏光入射の場合の偏光変換度の計算結果を示す図であり、入射光の波長に対する依存性を示している。図14において、横軸は波長を示し、縦軸は偏光変換度を示す。図14の結果から、波長385nm近傍において、x偏光入射の場合の透過光強度と、y偏光入射の場合の透過光強度との比は14倍程度であることが分かり、偏光変換機能が生じていることが確認できた。   FIG. 14 is a diagram showing the calculation result of the degree of polarization conversion in the case of incident x-polarized light and incident y-polarized light, and shows the dependence on the wavelength of incident light. In FIG. 14, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the degree of polarization conversion. From the result of FIG. 14, it can be seen that in the vicinity of the wavelength of 385 nm, the ratio of the transmitted light intensity when x-polarized light is incident and the transmitted light intensity when y-polarized light is incident is about 14 times. It was confirmed that

偏光変換機能が生じる定性的な原理は次のように理解できる。
磁性ナノ構造体の相反する磁化の向きにより、入射電場の偏光と磁化との間に働くローレンツ力が、2個の磁性ナノ構造体に対して逆向きの力を及ぼし、磁性体内の電荷を移動させる。この電荷の偏りが、磁性ナノ構造体の対が近接していることにより相互作用し、磁性ナノ構造体の配列する向き、すなわち入射光の偏光向きと直交する向きに2次的な電場振動を生じさせる。ローレンツ力はy偏光入射の場合に最大に働くため、磁性ナノ構造体が配列するx軸の向きに電界を生じ、直交する偏光成分の光が誘起される。
本偏光変換素子は、磁性ナノ構造体のサイズや高さ、材料を最適に選択することにより、さらに動作波長域を選択できるとともに、偏光変換効率の向上も可能である。
The qualitative principle that causes the polarization conversion function can be understood as follows.
Due to the opposite magnetization directions of the magnetic nanostructure, the Lorentz force acting between the polarization and magnetization of the incident electric field exerts a reverse force on the two magnetic nanostructures and moves the charge in the magnetic body. Let This bias of charge interacts due to the proximity of the pair of magnetic nanostructures and causes secondary electric field vibration in the direction in which the magnetic nanostructures are arranged, that is, in the direction perpendicular to the polarization direction of the incident light. Cause it to occur. Since the Lorentz force is maximized when y-polarized light is incident, an electric field is generated in the direction of the x-axis where the magnetic nanostructures are arranged, and light of orthogonal polarization components is induced.
In the present polarization conversion element, by selecting the size, height, and material of the magnetic nanostructure optimally, it is possible to further select the operating wavelength range and to improve the polarization conversion efficiency.

以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。   As described above, this polarization conversion element has a mechanism for non-uniformly converting one of two orthogonal polarization components to the other, and therefore, a plurality of optical elements are combined. Thus, the polarization conversion function is realized, and the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price.

(第2の実施の形態:請求項1,2,4,5,9)
本発明の偏光変換素子に係る第2の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1、図6(a)、(b)、図7〜図12、図15〜図17を参照して説明する。
本発明の第2の実施の形態にかかる偏光変換素子は、図1に示したように、入射するランダム偏光を直線偏光に揃えて放出する素子であり、第1の実施の形態とは異なる構成を有するものである。
本発明の偏光変換素子の構成を、図15(a)、(b)を用いて説明する。
図15(a)は本発明の偏光変換素子に係る第2の実施の形態の断面図であり、図15(b)は図15(a)の平面図である。
図15(a)に示すように、本偏光変換素子は、基本的な構成は第1の実施の形態と同様であるが、磁性ナノ構造体202の底部に接する形で平坦な導電性膜1501を配していることが特徴であり、導電性部材を介して磁性ナノ構造体202と入射光とが相互作用することにより、偏光変換効率を高めることができる。
(Second Embodiment: Claims 1, 2, 4, 5, 9)
The polarization conversion device according to the second embodiment of the polarization conversion device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 6A and 6B, FIGS. 7 to 12, and FIGS. To do.
As shown in FIG. 1, the polarization conversion element according to the second embodiment of the present invention is an element that emits incident random polarized light in alignment with linearly polarized light, and has a configuration different from that of the first embodiment. It is what has.
The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 15A is a cross-sectional view of a second embodiment of the polarization conversion element of the present invention, and FIG. 15B is a plan view of FIG.
As shown in FIG. 15A, this polarization conversion element has the same basic configuration as that of the first embodiment, but is a flat conductive film 1501 in contact with the bottom of the magnetic nanostructure 202. The magnetic nanostructure 202 interacts with the incident light through the conductive member, so that the polarization conversion efficiency can be increased.

2個の磁性ナノ構造体202の磁化ベクトルの向きは、図6(a)、(b)に示したように、磁性ナノ構造体の中心間を結ぶ直線に対して平行な向きに、相反する向きに構成される必要がある。磁性ナノ構造体202の形状は、図15(a)、(b)では、円柱形状の磁性ナノ構造体202を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、球形状、半球形状、三角柱・四角柱形状、円錐形状、楕円柱形状など、多様な形状のものを利用することができる。また、磁性ナノ構造体202の対(ユニット)の配列方法は、図7〜図12に示したように、正方格子、直方格子、六方格子、ライン配列、ランダム配列など、多様な構成が取れる。   The directions of the magnetization vectors of the two magnetic nanostructures 202 are opposite to each other in a direction parallel to a straight line connecting the centers of the magnetic nanostructures, as shown in FIGS. It needs to be configured in the direction. The shape of the magnetic nanostructure 202 exemplifies the columnar magnetic nanostructure 202 in FIGS. 15A and 15B, but the present invention is not limited to this, and a spherical shape, Various shapes such as a hemispherical shape, a triangular / square prism shape, a conical shape, and an elliptical column shape can be used. In addition, as shown in FIGS. 7 to 12, the magnetic nanostructure 202 pairs (units) can be arranged in various ways such as a square lattice, a rectangular lattice, a hexagonal lattice, a line array, and a random array.

本偏光変換素子に使用する支持基板201は、第1の実施の形態と同様であって、透過型の素子を構成する場合には、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。 The support substrate 201 used in the present polarization conversion element is the same as that of the first embodiment. When a transmissive element is formed, quartz glass, borosilicate such as BK7 and Pyrex (registered trademark) are used. An optical crystal material such as glass, CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 is used.

図15は、支持基板上へ磁性ナノ構造体を構成した例を示しているが、支持基板201の材料と同様の透明な誘電体材料による被膜構造や、基板をパターニングし、磁性材料を埋め込んだ構造であってもよい。
磁性ナノ構造体を構成する磁性材料は、室温で強磁性を示す材料が良く、Fe、Co、Ni、γ‐Fe23,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等が利用できる。また、磁性ナノ構造体のサイズが、20nm以下となれば、磁性体は単磁区構造をとるようになり、この場合、単位面積当たりの磁化ベクトルの大きさが増大することから、磁気光学効果が顕著となり一層有利である。
FIG. 15 shows an example in which a magnetic nanostructure is configured on a support substrate, but a film structure made of a transparent dielectric material similar to the material of the support substrate 201 and a substrate are patterned to embed a magnetic material. It may be a structure.
The magnetic material constituting the magnetic nanostructure is preferably a material exhibiting ferromagnetism at room temperature, such as Fe, Co, Ni, γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeNx, Ba ferrite, Co ferrite and the like, Garnet such as rare earth iron garnet, PtCo, FeTb, FePtCu and the like can be used. If the size of the magnetic nanostructure is 20 nm or less, the magnetic body has a single domain structure. In this case, since the magnitude of the magnetization vector per unit area increases, the magneto-optical effect is increased. It becomes noticeable and more advantageous.

磁性ナノ構造体の作製方法は、第1の実施の形態での説明と同様であり、パターン化基板を用いたジブロックコポリマーの自己組織化による微細周期構造の転写や、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより作製することができる。   The manufacturing method of the magnetic nanostructure is the same as that described in the first embodiment, and transfer of a fine periodic structure by self-organization of a diblock copolymer using a patterned substrate and electron beam lithography technology are used. It can be produced by a direct drawing method, a batch exposure method using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint processing technology, or the like.

次に、磁性ナノ構造体に接して配置される導電性膜を構成する材料について説明する。
本導電性膜は、膜内を電荷が移動することにより、偏光状態を変化させるために配置される。したがって、導電率の高い材料が好ましく、Al、Au、Cu,Agなどの金属材料であるか、または電極として使用されるITO、TiO2、ZnOなどの透明導電材料が適している。金属材料を用いる場合には、光を透過する必要から金属中に光がしみ込む表皮深さよりも薄い膜である必要があり、10nm以下の薄膜が適している。また、高透過率を得る必要がある場合には、透明導電材料による膜が適している。また、本素子は反射型の構成であっても良い。その場合、表皮深さよりも厚い金属膜が適している。この場合、金属膜が支持体を兼ねる構成であっても良い。偏光変換素子の動作を確認するために、第1の実施の形態と同様にFDTD法による数値シミュレーションを行った。数値シミュレーションは、導電性部材としてAuの光学定数(波長500nmで、屈折率n=0.976、消衰係数k=1.855)を用いた。また、磁性ナノ構造体は、第1の実施の形態で説明した誘電テンソルを使用した。
Next, a material constituting the conductive film disposed in contact with the magnetic nanostructure will be described.
The conductive film is arranged to change the polarization state by the movement of electric charges in the film. Accordingly, a material having high conductivity is preferable, and a metal material such as Al, Au, Cu, and Ag, or a transparent conductive material such as ITO, TiO 2 , and ZnO used as an electrode is suitable. In the case of using a metal material, it is necessary to make the film thinner than the skin depth at which light penetrates into the metal because it is necessary to transmit light, and a thin film of 10 nm or less is suitable. When it is necessary to obtain a high transmittance, a film made of a transparent conductive material is suitable. Further, the present element may have a reflection type configuration. In that case, a metal film thicker than the skin depth is suitable. In this case, the metal film may also serve as a support. In order to confirm the operation of the polarization conversion element, a numerical simulation by the FDTD method was performed in the same manner as in the first embodiment. In the numerical simulation, an optical constant of Au (wavelength 500 nm, refractive index n = 0.976, extinction coefficient k = 1.855) was used as the conductive member. The magnetic nanostructure used the dielectric tensor described in the first embodiment.

図16(a)は数値シミュレーションのモデルを説明するための断面図であり、図16(b)は図16(a)の平面図である。
第2の実施の形態と第1の実施の形態との違いは、直径100nm、高さを70nmの円板形状の磁性ナノ構造体に接して、膜厚20nmのAu層を配したことである。また、2つの磁性ナノ構造体202a間のギャップ距離を20nmに設定した。
FIG. 16A is a cross-sectional view for explaining a numerical simulation model, and FIG. 16B is a plan view of FIG.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that an Au layer having a thickness of 20 nm is disposed in contact with a disk-shaped magnetic nanostructure having a diameter of 100 nm and a height of 70 nm. . The gap distance between the two magnetic nanostructures 202a was set to 20 nm.

図17はx偏光入射およびy偏光入射の場合の偏光変換度の計算結果を説明する図であり、偏光変換度を縦軸にプロットしている。
図17の結果から、波長385nm近傍において、x偏光入射の場合の透過光強度と、y偏光入射の場合の透過光強度との比は26倍程度であることが分かり、偏光変換機能が生じていること、および、導電性部材のない場合に対して、偏光変換度が向上していることが確認できた。
本偏光変換素子は、磁性ナノ構造体のサイズや高さ、材料のほか、導電性部材の膜厚、材料を最適に選択することにより、動作波長域を選択できるとともに、さらなる偏光変換効率の向上が可能である。
FIG. 17 is a diagram for explaining the calculation result of the degree of polarization conversion in the case of incident x-polarized light and incident y-polarized light, and plots the degree of polarization conversion on the vertical axis.
From the result of FIG. 17, it can be seen that in the vicinity of the wavelength of 385 nm, the ratio of the transmitted light intensity in the case of x-polarized incident and the transmitted light intensity in the case of y-polarized incident is about 26 times. It was confirmed that the degree of polarization conversion was improved as compared to the case where there was no conductive member.
In addition to the size, height, and material of the magnetic nanostructure, this polarization conversion element can select the operating wavelength range by optimizing the film thickness and material of the conductive member, and further improve the polarization conversion efficiency. Is possible.

以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。また、偏光変換効率の向上を図ることができる。   As described above, this polarization conversion element has a mechanism for non-uniformly converting one of two orthogonal polarization components to the other, and therefore, a plurality of optical elements are combined. Thus, the polarization conversion function is realized, and the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price. Further, the polarization conversion efficiency can be improved.

(第3の実施の形態:請求項1,2,4,6,9)
本発明の第2の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1、図6(a)、(b)、図7〜図12、図18(a)、(b)を参照して説明する。
図18(a)は本発明に係る偏光変換素子の第3の実施の形態の構成を説明するための断面図であり、図18(b)は図18(a)の平面図である。
本偏光変換素子は、図1に示したように、入射するランダム偏光を直線偏光に揃えて放出する素子であり、第1の実施の形態とは異なる構成を有するものである。本発明の偏光変換素子の構成を、図18(a)、(b)を用いて説明する。
(Third embodiment: claims 1, 2, 4, 6, 9)
The polarization conversion element according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 6A and 6B, FIGS. 7 to 12 and FIGS. 18A and 18B. .
FIG. 18A is a cross-sectional view for explaining the configuration of the third embodiment of the polarization conversion element according to the present invention, and FIG. 18B is a plan view of FIG.
As shown in FIG. 1, the present polarization conversion element is an element that emits incident random polarized light in alignment with linearly polarized light, and has a configuration different from that of the first embodiment. The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS.

図18(a)に示すように、本偏光変換素子は、支持体となる支持基板上に、導電性材料による微細なパターン構造と、このパターン構造に接するように磁性体材料からなる2個の磁性ナノ構造体を配したユニットにより構成されている。
ここで、本偏光変換素子の透過光または反射光に空間的な強度分布が生じないように、導電性パターン1801を含めたユニット1802のサイズが、入射光の波長以下の大きさを有する必要がある。
As shown in FIG. 18A, this polarization conversion element has a fine pattern structure made of a conductive material on a support substrate serving as a support, and two magnetic material materials in contact with the pattern structure. It is composed of units with magnetic nanostructures.
Here, the size of the unit 1802 including the conductive pattern 1801 must be equal to or smaller than the wavelength of the incident light so that a spatial intensity distribution does not occur in the transmitted light or reflected light of the present polarization conversion element. is there.

図18(b)は、本ユニット1802の2次元的な構造および配列を説明するための平面図である。2個の磁性ナノ構造体202が導電性パターン1801により接続された構成を有している。図18(b)では、導電性パターン1801を矩形で表しているが、2個の磁性ナノ構造体202を接続する構成であれば、楕円構造などであってもよい。2個の磁性ナノ構造体202の磁化ベクトルの向きは、第1の実施の形態と同様であり、図6(a)、(b)に示すように、磁性ナノ構造体202の中心間を結ぶ直線に対して平行な向きに、互いに相反する向きに構成される必要がある。   FIG. 18B is a plan view for explaining the two-dimensional structure and arrangement of the unit 1802. Two magnetic nanostructures 202 are connected by a conductive pattern 1801. In FIG. 18B, the conductive pattern 1801 is represented by a rectangle, but an elliptical structure or the like may be used as long as the two magnetic nanostructures 202 are connected. The directions of the magnetization vectors of the two magnetic nanostructures 202 are the same as in the first embodiment, and connect the centers of the magnetic nanostructures 202 as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). It is necessary to configure the direction parallel to the straight line and the direction opposite to each other.

磁性ナノ構造体の形状は、図18(a)、(b)では、円柱形状の磁性ナノ構造体を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、球形状、半球形状、三角柱・四角柱形状、円錐形状、楕円柱形状など、多様な形状のものを利用することができる。
また、磁性ナノ構造体の対と導電性材料による微細なパターンで構成されるユニットの配列方法は、図7〜図12に示したように、正方格子、直方格子、六方格子、ライン配列、ランダム配列など、多様な構成が取れる。
The shape of the magnetic nanostructure is exemplified by a cylindrical magnetic nanostructure in FIGS. 18A and 18B, but the present invention is not limited to this, and is spherical or hemispherical. Various shapes such as a triangular prism / square prism shape, a conical shape, and an elliptical column shape can be used.
Moreover, as shown in FIGS. 7 to 12, the arrangement method of units composed of a pair of magnetic nanostructures and a fine pattern of a conductive material is a square lattice, a rectangular lattice, a hexagonal lattice, a line array, a random array, Various configurations such as arrays can be taken.

本偏光変換素子に使用する支持基板は、第1の実施の形態と同様に、透過型の素子を構成する場合には、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。また、同様の透明な誘電体材料による被膜構造、基板をパターニングした埋め込み構造であってもよい。また、導電性パターンは、磁性ナノ構造体の磁化と入射電場により誘発される電荷を流す導電性の高い材料であればよく、Al、Au、Cu,Agなどの金属材料や、ITO、TiO2、ZnOなどの透明導電材料が適している。 As in the first embodiment, the support substrate used in the present polarization conversion element is composed of quartz glass, borosilicate glass such as BK7 or Pyrex (registered trademark), CaF, when constituting a transmission type element. 2 , optical crystal materials such as Si, ZnSe, and Al 2 O 3 are used. Further, a coating structure made of the same transparent dielectric material or a buried structure obtained by patterning the substrate may be used. The conductive pattern may be any material having high conductivity that allows the electric charge induced by the magnetization of the magnetic nanostructure and the incident electric field to flow. Metal materials such as Al, Au, Cu, and Ag, ITO, TiO 2 Transparent conductive materials such as ZnO are suitable.

透過型の素子構成で金属材料を用いる場合には、金属材料の表皮深さよりも薄い膜である必要があり、10nm以下の薄膜が適している。また、磁性ナノ構造体を構成する磁性材料は、室温で強磁性を示す材料が良く、Fe、Co、Ni、γ‐Fe23,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等が利用できる。 When a metal material is used in a transmissive element configuration, the film needs to be thinner than the skin depth of the metal material, and a thin film of 10 nm or less is suitable. The magnetic material constituting the magnetic nanostructure is preferably a material exhibiting ferromagnetism at room temperature, such as Fe, Co, Ni, γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeNx, Ba ferrite, Co ferrite, etc. Garnets such as ferrite and rare earth iron garnet, PtCo, FeTb, FePtCu, and the like can be used.

また、磁性ナノ構造体のサイズが、20nm以下となれば、磁性体は単磁区構造をとるようになり、この場合、単位面積当たりの磁化ベクトルの大きさが増大することから、磁気光学効果が顕著となり一層有利である。このような偏光変換素子の構造は、第1の実施の形態の説明と同様に、パターン化基板を用いたブロックコポリマーの自己組織化による微細周期構造の転写や、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより作製することができる。   If the size of the magnetic nanostructure is 20 nm or less, the magnetic body has a single domain structure. In this case, since the magnitude of the magnetization vector per unit area increases, the magneto-optical effect is increased. It becomes noticeable and more advantageous. As in the description of the first embodiment, such a polarization conversion element has a structure in which a fine periodic structure is transferred by self-organization of a block copolymer using a patterned substrate, or directly using an electron beam lithography technique. It can be manufactured by drawing, a method of performing batch exposure by DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint processing technology, or the like.

本偏光変換素子の偏光変換の原理は、第1及び第2の実施の形態において数値シミュレーション結果を用いて説明した通りであり、互いに相反する向きの磁化ベクトルを有する磁性ナノ構造体が、導電性のパターンに接した構成であるために、2つの磁性ナノ構造体の磁化と入射電場に働くローレンツ力を介して、磁性ナノ構造体の配列向きに移動する電荷を生じさせることができ、磁性ナノ構造体の中心間を結ぶ直線に垂直な入射偏光成分の一部を、配直線に平行な偏光成分に変換して放射することができる。   The principle of polarization conversion of the present polarization conversion element is as described using the numerical simulation results in the first and second embodiments. A magnetic nanostructure having magnetization vectors in opposite directions is electrically conductive. Since the structure is in contact with the pattern of the magnetic nanostructures, a charge that moves in the direction of the arrangement of the magnetic nanostructures can be generated through the magnetization of the two magnetic nanostructures and the Lorentz force acting on the incident electric field. A part of the incident polarization component perpendicular to the straight line connecting the centers of the structures can be converted into a polarization component parallel to the alignment line and radiated.

さらに、本実施の偏光変換素子の特徴は、導電性のパターンが個々のユニットにより切断されているために、電荷の移動にともなう損失がもたらす変換効率の低下を低減することができる。さらに、光の波長以下の金属微細構造においては、電子の集団運動であるプラズモンが共鳴的に励起される。金属パターンを用いた場合、磁性ナノ構造体の磁化ベクトルの向きと直交する向きのプラズモンが励起されるように、金属パターンのサイズおよび形状を調整することにより、また、入射する光の波長を選択することにより、電場強度が増強し、さらに高い偏光変換効率が実現できる。
以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。
Furthermore, a feature of the polarization conversion element of the present embodiment is that since the conductive pattern is cut by each unit, a decrease in conversion efficiency caused by a loss accompanying the movement of charges can be reduced. Furthermore, in a metal microstructure smaller than the wavelength of light, plasmons that are collective motions of electrons are resonantly excited. When using a metal pattern, select the wavelength of the incident light by adjusting the size and shape of the metal pattern so that plasmons in the direction perpendicular to the magnetization vector direction of the magnetic nanostructure are excited. By doing so, the electric field strength is enhanced and higher polarization conversion efficiency can be realized.
As described above, this polarization conversion element has a mechanism for non-uniformly converting one of two orthogonal polarization components to the other, and therefore, a plurality of optical elements are combined. Thus, the polarization conversion function is realized, and the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price.

(第4の実施の形態:請求項1,2,4,7,9)
本発明の第4の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1、図19(a)、(b)を参照して説明する。
本発明の第4の実施の形態にかかる偏光変換素子は、図1に示したように、入射するランダム偏光を直線偏光に揃えて放出する素子であり、第1〜3の実施の形態とは異なる構成を有するものである。
(Fourth embodiment: claims 1, 2, 4, 7, 9)
A polarization conversion element according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 19A, and 19B.
As shown in FIG. 1, the polarization conversion element according to the fourth embodiment of the present invention is an element that emits incident random polarized light in alignment with linearly polarized light, and is different from the first to third embodiments. It has a different configuration.

本発明の偏光変換素子の構成を、図19(a)、(b)を用いて説明する。
図19(a)は本発明に係る偏光変換素子の第4の実施の形態を示す断面図であり、図19(b)は図19(a)の平面図である。
図19(b)に示すように、本偏光変換素子は、支持体となる支持基板上に、金属材料によるライン状のパターンを有しており、そのラインパターン上に磁性体材料からなる複数の磁性ナノ構造体を配した構成となっている。
The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 (a) and 19 (b).
FIG. 19 (a) is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the polarization conversion element according to the present invention, and FIG. 19 (b) is a plan view of FIG. 19 (a).
As shown in FIG. 19B, the present polarization conversion element has a line-shaped pattern made of a metal material on a support substrate serving as a support, and a plurality of magnetic material materials are formed on the line pattern. The magnetic nanostructure is arranged.

図19(a)、(b)に示す実施の形態では、2個の磁性ナノ構造体202が1つのユニット203を形成し、本ユニット(磁性構造体の対)203が導電性のラインパターン(金属パターン)1901上に等間隔で配置されている。各ユニット203は、磁性ナノ構造体202のサイズよりも大きな間隔で配置する。   In the embodiment shown in FIGS. 19A and 19B, two magnetic nanostructures 202 form one unit 203, and this unit (a pair of magnetic structures) 203 has a conductive line pattern ( Metal patterns) 1901 are arranged at equal intervals. The units 203 are arranged at an interval larger than the size of the magnetic nanostructure 202.

ここで、本偏光変換素子を透過または反射した光に空間的な強度分布に生じないように、本ユニット203のサイズが、入射光の波長以下の大きさを有する必要がある。本実施の形態における2個の磁性ナノ構造体の磁化ベクトルは、金属材料によるライン状パターン1901に平行で、且つ互いに相反する向きに構成される必要がある。磁性ナノ構造体202の形状は、図19(a)、(b)では、円柱形状の磁性ナノ構造体を例示しているが、本発明はこれに限定されるモノではなく、球形状、半球形状、三角柱・四角柱形状、円錐形状、楕円柱形状など、多様な形状のものを利用することができる。   Here, the size of the unit 203 needs to be equal to or smaller than the wavelength of the incident light so that light transmitted through or reflected by the polarization conversion element does not have a spatial intensity distribution. The magnetization vectors of the two magnetic nanostructures in the present embodiment need to be configured in parallel to the line pattern 1901 made of a metal material and in opposite directions. The shape of the magnetic nanostructure 202 is exemplified by a cylindrical magnetic nanostructure in FIGS. 19A and 19B. However, the present invention is not limited to this, but a spherical shape or a hemisphere. Various shapes such as a shape, a triangular / square prism shape, a conical shape, and an elliptical column shape can be used.

磁性ナノ構造体202の対によるユニット203の配列方法は、金属材料によるライン状パターン1901上に限定されるため、ライン配列に限定される。本偏光変換素子に使用する支持基板201は、第1および第2の実施の形態と同様に、透過型の素子を構成する場合には、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。また、透明な誘電体材料による被膜構造、基板をパターニングして作製する埋め込み構造を含むものであってもよい。金属材料によるラインパターン1901は、磁性ナノ構造体202の磁化と入射電場により誘発される電流を流す導電性の高い材料であるとともに、光が透過しない程度の高さが必要であり、Al、Au、Agなどの金属材料が適している。
このような金属材料のラインパターン1901は、ワイヤグリッド偏光子として知られるように、入射する偏光成分のラインパターンに垂直な成分のみを透過し、ラインパターンに平行な成分を反射する。そのため、ラインパターンに平行な偏光成分が、透過面にしみださないように、金属の表皮深さ以上のパターンの高さが必要である。
Since the arrangement method of the units 203 by the pair of magnetic nanostructures 202 is limited to the line pattern 1901 made of a metal material, it is limited to the line arrangement. As in the first and second embodiments, the support substrate 201 used in the present polarization conversion element is made of quartz glass, boron such as BK7, Pyrex (registered trademark), etc. An optical crystal material such as silicate glass, CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 is used. Further, it may include a film structure made of a transparent dielectric material and an embedded structure formed by patterning a substrate. The line pattern 1901 made of a metal material is a highly conductive material that allows a current induced by the magnetization of the magnetic nanostructure 202 and an incident electric field to pass therethrough, and needs to be high enough not to transmit light. A metal material such as Ag is suitable.
As is known as a wire grid polarizer, such a metal material line pattern 1901 transmits only the component perpendicular to the incident polarization component line pattern and reflects the component parallel to the line pattern. For this reason, the height of the pattern is required to be equal to or greater than the depth of the metal skin so that the polarization component parallel to the line pattern does not ooze out on the transmission surface.

具体的には、20nm〜50nmの高さが適している。また、ラインパターン1901の幅および間隔は、入射光の波長よりも十分に微小である必要があり、100nm以下が好ましい。磁性ナノ構造体202を構成する磁性材料は、室温で強磁性を示す材料が良く、Fe、Co、Ni、γ‐Fe23,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等が利用できる。 Specifically, a height of 20 nm to 50 nm is suitable. The width and interval of the line pattern 1901 must be sufficiently smaller than the wavelength of incident light, and preferably 100 nm or less. The magnetic material constituting the magnetic nanostructure 202 is preferably a material exhibiting ferromagnetism at room temperature, and ferrite such as Fe, Co, Ni, γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeNx, Ba ferrite, and Co ferrite. Further, garnet such as rare earth iron garnet, PtCo, FeTb, FePtCu, etc. can be used.

また、磁性ナノ構造体のサイズが、20nm以下となれば、磁性体は単磁区構造をとるようになり、この場合、単位面積当たりの磁化ベクトルの大きさが増大することから、磁気光学効果が顕著となり一層有利である。このような偏光変換素子の構造は、第1の実施の形態の説明と同様に、パターン化基板を用いたブロックコポリマーの自己組織化による微細周期構造の転写や、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより作製することができる。   If the size of the magnetic nanostructure is 20 nm or less, the magnetic body has a single domain structure. In this case, since the magnitude of the magnetization vector per unit area increases, the magneto-optical effect is increased. It becomes noticeable and more advantageous. As in the description of the first embodiment, such a polarization conversion element has a structure in which a fine periodic structure is transferred by self-organization of a block copolymer using a patterned substrate, or directly using an electron beam lithography technique. It can be manufactured by drawing, a method of performing batch exposure by DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint processing technology, or the like.

本偏光変換素子の偏光変換の原理は、第1及び第2の実施の形態において数値シミュレーション結果を用いて説明した通りであり、互いに相反する向きの磁化を有する磁性ナノ構造体が導電性の金属ラインパターンに接した構成であるために、2つの磁性ナノ構造体の磁化と入射電場に働くローレンツ力を介して、磁性ナノ構造体の配列向きに電荷の移動を生じさせることができ、磁性ナノ構造体の配列向きに垂直な入射偏光成分の一部を、配列向きに平行な偏光成分に変換して放射することができる。   The principle of polarization conversion of this polarization conversion element is as described using the numerical simulation results in the first and second embodiments, and the magnetic nanostructure having magnetizations in opposite directions is a conductive metal. Due to the configuration in contact with the line pattern, it is possible to cause the movement of electric charges in the orientation direction of the magnetic nanostructures through the magnetization of the two magnetic nanostructures and the Lorentz force acting on the incident electric field. A part of the incident polarization component perpendicular to the arrangement direction of the structures can be converted into a polarization component parallel to the arrangement direction and emitted.

さらに、本実施の偏光変換素子は、金属材料によるラインパターンで構成されており、このラインパターンがワイヤグリッド偏光子としての機能を有するために、入射偏光と同じ偏光をもつ偏光変換を受けない透過光成分の漏れを防ぐことができ、高いコントラストで偏光変換を受けた直線偏光が得られることである。
以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。
Furthermore, the polarization conversion element of this embodiment is composed of a line pattern made of a metal material. Since this line pattern functions as a wire grid polarizer, it does not undergo polarization conversion having the same polarization as the incident polarization. Leakage of light components can be prevented, and linearly polarized light that has undergone polarization conversion with high contrast can be obtained.
As described above, this polarization conversion element has a mechanism for non-uniformly converting one of two orthogonal polarization components to the other, and therefore, a plurality of optical elements are combined. Thus, the polarization conversion function is realized, and the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price.

(第5の実施の形態:請求項1,3)
本発明の第5の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1、図20(a)、(b)、図21(a)、(b)を参照して説明する。
本発明の第5の実施の形態にかかる偏光変換素子は、図1に示したように、入射するランダム偏光を直線偏光に揃えて放出する素子であり、第1〜4の実施の形態とは異なる構成を有するものである。本発明の偏光変換素子の構成を、図20(a)、(b)を用いて説明する。
(Fifth embodiment: claims 1 and 3)
A polarization conversion element according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 20A, 20B, 21A, and 21B.
As shown in FIG. 1, the polarization conversion element according to the fifth embodiment of the present invention is an element that emits incident random polarized light in alignment with linearly polarized light. What is the first to fourth embodiments? It has a different configuration. The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS. 20 (a) and 20 (b).

図20(a)、(b)は本発明に係る偏光変換素子の第5の実施の形態を示す平面図である。
本偏光変換素子は、支持体となる支持基板上に、磁性構造体202−1として磁性体材料によるラインパターンの対を配列した構成を有している。この磁性ラインパターンは、入射する光の波長以下の幅であり、波長以下の間隔で近接した対により構成されている。
20A and 20B are plan views showing a fifth embodiment of the polarization conversion element according to the present invention.
This polarization conversion element has a configuration in which a pair of line patterns made of a magnetic material is arranged as a magnetic structure 202-1 on a support substrate serving as a support. This magnetic line pattern has a width equal to or smaller than the wavelength of incident light, and is composed of pairs that are close to each other at an interval equal to or smaller than the wavelength.

ここで、2本の磁性構造体によるラインパターンにおいて、主たる磁化ベクトルの向きはラインパターンに垂直な向きに互いに相反する向きに構成される必要がある。本偏光変換素子に使用する支持基板は、第1〜4の実施の形態と同様に、透過型の素子を構成する場合には、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。 Here, in the line pattern of two magnetic structures, the direction of the main magnetization vector needs to be opposite to each other in the direction perpendicular to the line pattern. As in the first to fourth embodiments, the support substrate used in the present polarization conversion element is composed of quartz glass or borosilicate glass such as BK7 or Pyrex (registered trademark) in the case of constituting a transmission type element. An optical crystal material such as CaF 2 , Si, ZnSe, or Al 2 O 3 is used.

また、同様の透明な誘電体材料による被膜構造や、基板をパターニングして作製する埋め込み型の構造であってもよい。磁性構造体のラインパターンを構成する磁性材料は、室温で強磁性を示す材料が好ましく、Fe、Co、Ni、γ‐Fe23,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等が利用できる。
このような偏光変換素子の構造は、第1の実施の形態の説明と同様に、パターン化基板を用いたブロックコポリマーの自己組織化による微細周期構造の転写や、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより作製することができる。
Further, it may be a film structure made of a similar transparent dielectric material, or a buried structure manufactured by patterning a substrate. The magnetic material constituting the line pattern of the magnetic structure is preferably a material exhibiting ferromagnetism at room temperature, such as Fe, Co, Ni, γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeNx, Ba ferrite, Co ferrite, etc. Garnets such as ferrite and rare earth iron garnet, PtCo, FeTb, FePtCu, and the like can be used.
As in the description of the first embodiment, such a polarization conversion element has a structure in which a fine periodic structure is transferred by self-organization of a block copolymer using a patterned substrate, or directly using an electron beam lithography technique. It can be manufactured by drawing, a method of performing batch exposure by DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint processing technology, or the like.

本偏光変換素子の偏光変換の原理は、第1の実施の形態において数値シミュレーション結果を用いて説明した通りであり、互いに相反する向きの磁化ベクトルを有する磁性ラインパターンにより、磁性ナノ構造体の対と入射電場に働くローレンツ力が、磁性ラインパターンの対のそれぞれおいて逆向きに作用し、磁性ラインパターンの隣接する向きに分極振動を生じさせることができ、その結果、磁性ラインパターンに平行な入射偏光成分の一部を、磁性体ラインパターンに垂直な偏光成分に変換して放射することができる。   The principle of polarization conversion of the present polarization conversion element is as described using the numerical simulation result in the first embodiment, and the magnetic nanostructure pair is formed by the magnetic line pattern having magnetization vectors in opposite directions. And the Lorentz force acting on the incident electric field acts in opposite directions in each of the pairs of magnetic line patterns, and can cause polarization oscillation in the adjacent direction of the magnetic line patterns, resulting in parallel to the magnetic line patterns. A part of the incident polarization component can be converted into a polarization component perpendicular to the magnetic material line pattern and emitted.

図21(a)、(b)は、磁性構造体のラインパターンの磁化ベクトルの向きを示した図であり、2通りの磁化ベクトルの向きを利用することができ、ともに同じ動作をする。
以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。
FIGS. 21A and 21B are diagrams showing the direction of the magnetization vector of the line pattern of the magnetic structure. Two directions of the magnetization vector can be used, and both perform the same operation.
As described above, this polarization conversion element has a mechanism for non-uniformly converting one of two orthogonal polarization components to the other, and therefore, a plurality of optical elements are combined. Thus, the polarization conversion function is realized, and the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price.

(第6の実施の形態:請求項1,3,4,5)
本発明の第6の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1、図21(a)、(b)、図22(a)、(b)を参照して説明する。
本発明の第6の実施の形態にかかる偏光変換素子は、図1に示したように、入射するランダム偏光を直線偏光に揃えて放出する素子であり、第1〜5の実施の形態とは異なる構成を有するものである。本発明の偏光変換素子の構成を、図22(a)、(b)を用いて説明する。
(Sixth embodiment: claims 1, 3, 4 and 5)
A polarization conversion device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 21A, 21B, 22A, and 22B.
As shown in FIG. 1, the polarization conversion element according to the sixth embodiment of the present invention is an element that emits incident random polarized light in alignment with linearly polarized light, and is different from the first to fifth embodiments. It has a different configuration. The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS.

図22(a)は本発明に係る偏光制御素子の第6の実施の形態の構成を説明するための断面図であり、図22(b)は図22(a)の平面図である。
第6の実施の形態と第5の実施の形態との違いは、支持体となる支持基板201上に、導電性の膜2201を配していることであり、この膜2201に接するように配置された磁性体材料によるラインパターンの対203−1を配列した構成を有している。この磁性ラインパターンは、入射する光の波長以下の幅であり、波長以下の間隔で近接した対により構成されている。
FIG. 22A is a cross-sectional view for explaining the configuration of the sixth embodiment of the polarization control element according to the present invention, and FIG. 22B is a plan view of FIG.
The difference between the sixth embodiment and the fifth embodiment is that a conductive film 2201 is disposed on a support substrate 201 serving as a support, and is disposed so as to be in contact with the film 2201. The line pattern pairs 203-1 of the magnetic material thus arranged are arranged. This magnetic line pattern has a width equal to or smaller than the wavelength of incident light, and is composed of pairs that are close to each other at an interval equal to or smaller than the wavelength.

ここで、2本の磁性構造体によるラインパターンにおいて、主たる磁化ベクトルの向きはラインパターンに垂直な向きに互いに相反する向きに構成される必要がある。本偏光変換素子に使用する支持基板は、第1〜6の実施の形態と同様であり、透過型の素子を構成する場合には、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。また、同様の透明な誘電体材料による被膜構造や、基板をパターニングして作製する埋め込み型の構造であってもよい。 Here, in the line pattern of two magnetic structures, the direction of the main magnetization vector needs to be opposite to each other in the direction perpendicular to the line pattern. The support substrate used in the present polarization conversion element is the same as that in the first to sixth embodiments. When a transmission type element is configured, quartz glass, BK7, borosilicate such as Pyrex (registered trademark), etc. An optical crystal material such as glass, CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 is used. Further, it may be a film structure made of a similar transparent dielectric material, or a buried structure manufactured by patterning a substrate.

導電性膜を構成する材料は導電率の高い材料であれば良く、Al、Au、Cu,Agなどの金属材料や、ITO、TiO2、ZnOなどの透明導電材料が適している。透過型の偏光変換素子において金属材料を用いる場合には、光を透過する必要から金属中に光がしみ込む表皮深さよりも薄い膜である必要があり、好ましくは10nm以下の薄膜が適している。磁性構造体のラインパターンを構成する磁性材料は、室温で強磁性を示す材料が好ましく、Fe、Co、Ni、γ‐Fe2O3,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等が利用できる。 The material constituting the conductive film may be a material having high conductivity, and a metal material such as Al, Au, Cu, and Ag, and a transparent conductive material such as ITO, TiO 2 , and ZnO are suitable. In the case where a metal material is used in the transmission type polarization conversion element, it is necessary to make the film thinner than the skin depth at which light penetrates into the metal because it is necessary to transmit light, and a thin film of 10 nm or less is preferable. Magnetic material forming the line pattern of the magnetic structure is preferably a material showing the ferromagnetism at room temperature, Fe, Co, Ni, γ -Fe2O3, Fe 3 O 4, FeNx, Ba ferrite, ferrite such as Co ferrite, rare earth Garnet such as iron garnet, PtCo, FeTb, FePtCu, etc. can be used.

このような偏光変換素子の構造は、第1の実施の形態の説明と同様に、パターン化基板を用いたブロックコポリマーの自己組織化による微細周期構造の転写や、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより作製することができる。   As in the description of the first embodiment, such a polarization conversion element has a structure in which a fine periodic structure is transferred by self-organization of a block copolymer using a patterned substrate, or directly using an electron beam lithography technique. It can be manufactured by drawing, a method of performing batch exposure by DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint processing technology, or the like.

本偏光変換素子の偏光変換の原理は、第1及び第2の実施の形態において数値シミュレーション結果を用いて説明した通りであり、互いに相反する向きの磁化ベクトルを有する磁性ラインパターンが導電性部材に接した構成であるために、2つの磁性ナノ構造体の磁化と入射電場に働くローレンツ力を介して、磁性ラインパターンに直交する向きに電荷の移動を生じさせることができ、磁性ラインパターンに平行な入射偏光成分の一部を、磁性ラインパターンに垂直な偏光成分に変換して放射することができる。   The principle of polarization conversion of this polarization conversion element is as described using the numerical simulation results in the first and second embodiments, and a magnetic line pattern having magnetization vectors in opposite directions is applied to the conductive member. Due to the configuration in contact with each other, the movement of charges can be generated in the direction perpendicular to the magnetic line pattern via the Lorentz force acting on the magnetization and incident electric field of the two magnetic nanostructures, and parallel to the magnetic line pattern. A part of the incident polarization component can be converted into a polarization component perpendicular to the magnetic line pattern and emitted.

磁性ラインパターンの磁化ベクトルの向きは、図21(a)、(b)に示すように第5の実施の形態と同様であり、2通りの磁化ベクトルの向きが利用でき、共に同じ動作をする。本実施の形態は、第2の実施の形態で説明したように、磁性ラインパターンに接して導電性の膜を有しているために、導電性部材のない場合よりも高い偏光変換効率が実現できる。
以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有しているために、複数の光学素子を組み合わせることなく偏光変換機能を実現しており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化、低価格化を実現することが可能となる。また、本偏光変換素子は偏光変換効率の向上を図ることができる。
The direction of the magnetization vector of the magnetic line pattern is the same as that of the fifth embodiment as shown in FIGS. 21A and 21B. Two magnetization vector directions can be used, and both operate in the same manner. . As described in the second embodiment, this embodiment has a conductive film in contact with the magnetic line pattern, so that higher polarization conversion efficiency is realized than when there is no conductive member. it can.
As described above, this polarization conversion element has a mechanism for non-uniformly converting one of two orthogonal polarization components to the other, and therefore, a plurality of optical elements are combined. Thus, the polarization conversion function is realized, and the number of optical elements can be reduced, and the optical device can be reduced in size and price. In addition, the polarization conversion element can improve the polarization conversion efficiency.

(第7の実施の形態:請求項1,3,4,7)
本発明の第7の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図1、図23(a)、(b)〜図25(a)、(b)を参照して説明する。
本発明の第7の実施の形態にかかる偏光変換素子は、図1に示したように、入射するランダム偏光を直線偏光に揃えて放出する素子であり、第1〜6の実施の形態とは異なる構成を有するものである。
本発明の偏光変換素子の構成を、図23(a)、(b)を用いて説明する。
図23(a)は本発明に係る偏光変換素子の第7の実施の形態を示す断面図であり、図23(b)は図23(a)の平面図である。
(Seventh embodiment: claims 1, 3, 4 and 7)
A polarization conversion element according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 23 (a), (b) to 25 (a), (b).
As shown in FIG. 1, the polarization conversion element according to the seventh embodiment of the present invention is an element that emits incident random polarized light in alignment with linearly polarized light. What are the first to sixth embodiments? It has a different configuration.
The configuration of the polarization conversion element of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 23A is a sectional view showing a seventh embodiment of the polarization conversion element according to the present invention, and FIG. 23B is a plan view of FIG.

図23(b)に示すように、本偏光変換素子は、支持体となる支持基板201上に、金属材料による等間隔のラインパターン(導電性パターン)2301と、このラインパターン2301に接して交差する、磁性体材料からなるラインパターンの対を配列した構成を有している。この磁性ラインパターンの対は、入射する光の波長以下の幅であり、波長以下の間隔で近接した対により構成されている。   As shown in FIG. 23B, this polarization conversion element intersects a line pattern (conductive pattern) 2301 made of metal material at equal intervals on a support substrate 201 serving as a support, in contact with the line pattern 2301. The line pattern pairs made of magnetic material are arranged. This pair of magnetic line patterns has a width equal to or smaller than the wavelength of incident light, and is composed of pairs that are close to each other at an interval equal to or smaller than the wavelength.

磁性ラインパターンの磁化ベクトルの主たる成分の向きは、金属ラインパターン(導電性パターン)2301に平行であり、互いに相反する向きに構成される必要がある。また、図23(a)、(b)において、磁性材料によるラインパターンと金属材料によるラインパターンとが直交する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図24に例示するような、45°以上の傾きをもった交差構造であってもよい。この場合、磁性ラインパターンの対における磁化ベクトルの主たる成分の向きは、図24の点線に示す金属材料によるラインパターンに平行な向きに、互いに相反する向きに構成される必要がある。
図24は本発明に係る第7の実施の形態の偏光制御素子の異なる構成を説明するための平面図である。
The direction of the main component of the magnetization vector of the magnetic line pattern is parallel to the metal line pattern (conductive pattern) 2301 and needs to be configured in opposite directions. 23A and 23B show the case where the line pattern made of a magnetic material and the line pattern made of a metal material are orthogonal to each other, the present invention is not limited to this, and is illustrated in FIG. Such a cross structure having an inclination of 45 ° or more may be used. In this case, the direction of the main component of the magnetization vector in the pair of magnetic line patterns needs to be configured in a direction opposite to each other in a direction parallel to the line pattern of the metal material indicated by a dotted line in FIG.
FIG. 24 is a plan view for explaining a different configuration of the polarization control element of the seventh embodiment according to the present invention.

本偏光変換素子に使用する支持基板は、第1〜6の実施の形態と同様であって、透過型の素子を構成する場合には、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、CaF2、Si、ZnSe、Al23などの光学結晶材料などを利用する。また、同様の透明な誘電体材料による被膜構造や、基板をパターニングして作製される埋め込み構造であっても構わない。金属ラインパターンを構成する材料は導電率の高い材料であれば良く、Al、Au、Cu,Agなどの金属材料や、ITO、TiO2、ZnOなどの透明導電材料が適している。 The support substrate used in the present polarization conversion element is the same as in the first to sixth embodiments. When a transmission type element is configured, quartz glass, boron such as BK7, Pyrex (registered trademark), or the like is used. silicate glass, CaF2, Si, ZnSe, utilizing such optical crystal material such as Al 2 O 3. Further, it may be a coating structure made of a similar transparent dielectric material or a buried structure manufactured by patterning a substrate. The material constituting the metal line pattern may be any material having high electrical conductivity, and metal materials such as Al, Au, Cu, and Ag, and transparent conductive materials such as ITO, TiO 2 , and ZnO are suitable.

金属ラインパターン(導電性パターン)2301は、偏光選択性を実現する必要から、パターンの高さは、金属の表皮深さ以上が必要であり、具体的には、20nm〜50nmの高さが適している。また、パターン2301の幅は入射光の波長以下である必要があり、100nm以下が適している。磁性ラインパターンを構成する磁性材料は、室温で強磁性を示す材料が好ましく、Fe、Co、Ni、γ‐Fe23,Fe34,FeNx ,Baフェライト,Coフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、PtCo,FeTb、FePtCu等が利用できる。このような偏光変換素子の構造は、第1の実施の形態の説明と同様に、パターン化基板を用いたブロックコポリマーの自己組織化による微細周期構造の転写や、電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画や、DUV(遠紫外線)・EUV(深紫外線)リソグラフィ技術による一括露光を行なう方法、ナノインプリント加工技術などにより作製することができる。 Since the metal line pattern (conductive pattern) 2301 needs to realize polarization selectivity, the height of the pattern needs to be equal to or greater than the skin depth of the metal. Specifically, a height of 20 nm to 50 nm is suitable. ing. Further, the width of the pattern 2301 needs to be equal to or less than the wavelength of incident light, and is preferably equal to or less than 100 nm. The magnetic material constituting the magnetic line pattern is preferably a material exhibiting ferromagnetism at room temperature, such as Fe, Co, Ni, γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeNx, Ba ferrite, Co ferrite, and the like, rare earth Garnet such as iron garnet, PtCo, FeTb, FePtCu, etc. can be used. As in the description of the first embodiment, such a polarization conversion element has a structure in which a fine periodic structure is transferred by self-organization of a block copolymer using a patterned substrate, or directly using an electron beam lithography technique. It can be manufactured by drawing, a method of performing batch exposure by DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint processing technology, or the like.

本偏光変換素子の偏光変換の原理は、第1及び第2の実施の形態において数値シミュレーション結果を用いて説明した通りであり、互いに相反する向きの磁化ベクトルを有する磁性ラインパターンが導電性の金属ラインパターンに接した構成であるために、2つの磁性ナノ構造体の磁化と入射電場に働くローレンツ力を介して、金属ラインパターン内に磁性ラインパターンに直交する向きに電荷の移動を生じさせることができ、磁性ラインパターンに平行な入射偏光成分の一部を、磁性ラインパターンに垂直な偏光成分に変換して放射することができる。   The principle of polarization conversion of this polarization conversion element is as described using the numerical simulation results in the first and second embodiments, and a magnetic line pattern having magnetization vectors in opposite directions is a conductive metal. Due to the configuration in contact with the line pattern, the movement of charges in the direction perpendicular to the magnetic line pattern is generated in the metal line pattern through the magnetization of the two magnetic nanostructures and the Lorentz force acting on the incident electric field. A part of the incident polarization component parallel to the magnetic line pattern can be converted into a polarization component perpendicular to the magnetic line pattern and emitted.

図25(a)、(b)は、磁性ラインパターンの向きに対する磁化ベクトルの向きを示す図であり、2通りの磁化ベクトルの向きを利用することができ、ともに同じ動作をする。さらに、本実施の偏光変換素子は、金属ラインパターンによるワイヤグリッド偏光子としての機能も有しているため、金属ラインパターンに平行な入射偏光成分を高効率で反射し、この偏光成分が偏光変換を受けることから、直交する二つの偏光成分の混合しない反射型の偏光変換素子が実現できる。   FIGS. 25A and 25B are diagrams showing the direction of the magnetization vector with respect to the direction of the magnetic line pattern. Two directions of the magnetization vector can be used, and both perform the same operation. Furthermore, since the polarization conversion element of this embodiment also has a function as a wire grid polarizer using a metal line pattern, it reflects incident polarization components parallel to the metal line pattern with high efficiency, and this polarization component converts the polarization. Therefore, a reflective polarization conversion element in which two orthogonal polarization components are not mixed can be realized.

以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を有するとともに、偏光が変換されていない成分を分離しており、高いコントラストで一方の偏光成分を反射光として取り出すことが可能となっている。   As described above, this polarization conversion element has a mechanism that non-uniformly converts one of the two orthogonal polarization components to the other component, and separates the component that has not been converted in polarization. Thus, one polarized component can be extracted as reflected light with high contrast.

(第8の実施の形態:請求項8)
本発明の第8の実施の形態にかかる偏光変換素子に関して、図26を参照して説明する。本発明の第8の実施の形態にかかる偏光変換素子は、第1〜7の実施の形態における偏光変換素子の偏光変換効率を向上させるための構成を提示するものである。
図26は本発明に係る第7の実施の形態の偏光変換素子の断面図であり、支持体となる支持基板上または支持体内部に、第1〜7の実施の形態で説明した、磁性構造体もしくは磁性構造体と導電性部材からなる偏光変換素子構造を配し、本偏光変換素子構造の上方と下方の少なくともいずれかに、反射特性を制御する多重反射構造を設けた構成を有している。
(Eighth embodiment: Claim 8)
A polarization conversion element according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The polarization conversion element according to the eighth embodiment of the present invention presents a configuration for improving the polarization conversion efficiency of the polarization conversion element in the first to seventh embodiments.
FIG. 26 is a cross-sectional view of the polarization conversion element according to the seventh embodiment of the present invention, and the magnetic structure described in the first to seventh embodiments on or inside the support substrate serving as the support. A polarization conversion element structure comprising a body or a magnetic structure and a conductive member, and having a configuration in which a multiple reflection structure for controlling reflection characteristics is provided at least above or below the polarization conversion element structure. Yes.

図26は、支持基板201の両面に多層膜構造として多重反射膜2601、2604を配した構成を示している。多重反射構造としては、多重反射膜を用いることが、加工面で容易である。本多重反射膜を構成する材料は、多層膜に一般的に使用される誘電体材料でよく、例えば、MgF2,CeF3,Al23,AiO2,ZrO2,TiO2,ZnS,ZnS−SiO2などが利用できる。 FIG. 26 shows a configuration in which multiple reflection films 2601 and 2604 are arranged on both surfaces of the support substrate 201 as a multilayer film structure. As the multiple reflection structure, it is easy to use a multiple reflection film on the processed surface. The material constituting the multiple reflection film may be a dielectric material generally used for a multilayer film. For example, MgF 2 , CeF 3 , Al 2 O 3 , AiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , ZnS, ZnS such as -SiO 2 can be used.

図26は、多重反射膜2601、2604を構成した例であるが、必ずしも膜構造である必要はなく、例えば、フォトニック結晶などの2次元および3次元構造の誘電体周期構造であってもよい。誘電体周期構造を用いる利点は、入射光を効率よく内部に閉じ込め、偏光変換効率を向上させることができる他、異方性をもつ周期構造を用いることにより、偏光選択性をもたせるなどの、付加的な機能を与えることができることである。
このような多重反射構造を第1〜7の実施の形態で説明した偏光変換素子に備えることにより、本偏光変換素子内で光の多重反射が生じ、偏光変換に寄与する磁性構造体と光との相互作用の頻度を増大させることができる。
FIG. 26 shows an example in which the multiple reflection films 2601 and 2604 are configured, but the film structure does not necessarily have to be a film structure. For example, a dielectric periodic structure having a two-dimensional structure and a three-dimensional structure such as a photonic crystal may be used. . The advantage of using a dielectric periodic structure is that incident light can be confined efficiently and polarization conversion efficiency can be improved, and polarization selectivity can be provided by using an anisotropic periodic structure. It is that it can give a special function.
By providing such a multiple reflection structure in the polarization conversion element described in the first to seventh embodiments, multiple reflection of light occurs in the polarization conversion element, and the magnetic structure and the light contributing to the polarization conversion. The frequency of the interaction can be increased.

一般的に、偏光変換機能の起源となる磁気光学効果は、可視光の周波数領域では強くはないが、多重反射過程を経ることにより、大きな偏光変換効率を得ることが可能となる。
以上のように、本偏光変換素子は、直交する二つの偏光成分のうち、一方の成分を他方の成分へ非一様に変換する機構を、多重回経由する構成を偏光変換素子内部に含むことにより、偏光変換効率を向上させることが可能となっている。また、偏光選択性を付加することが可能となっている。
In general, the magneto-optical effect that is the origin of the polarization conversion function is not strong in the frequency range of visible light, but a large polarization conversion efficiency can be obtained through a multiple reflection process.
As described above, the present polarization conversion element includes a structure in which one of the two orthogonally polarized light components is converted non-uniformly into the other component in a configuration that passes multiple times. Thus, the polarization conversion efficiency can be improved. Further, it is possible to add polarization selectivity.

なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。   The above-described embodiment shows an example of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. is there.

〔作用効果〕
(請求項1,2)
本偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ナノ構造体の対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、入射光の直交する二つの偏光成分の一方のみを他方へ変換することが可能になり、また、2次元平面内における磁性材料の微細構造のみで偏光変換機能を実現したことにより、光学素子数の低減や光学装置の小型化か可能となるという効果を奏する。
[Function and effect]
(Claims 1 and 2)
In this polarization conversion element, a pair of magnetic nanostructures in which the directions of the main components of the magnetization vector are opposite to each other are arranged on or inside the support, so that only one of two orthogonal polarization components of incident light is orthogonal. It is possible to convert to the other, and since the polarization conversion function is realized only by the fine structure of the magnetic material in the two-dimensional plane, the number of optical elements can be reduced and the optical device can be downsized. Play.

(請求項1,2,4,5)
本偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ナノ構造体の対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、偏光変換機能を実現するとともに、磁性ナノ構造体の対に接して導電性の膜を配置したことにより、偏光変換効率の向上が可能となるという効果を奏する。
(Claims 1, 2, 4, 5)
This polarization conversion element realizes a polarization conversion function by arranging a pair of magnetic nanostructures having opposite directions of main components of the magnetization vector on or inside the support, By arranging the conductive film in contact with the pair, there is an effect that the polarization conversion efficiency can be improved.

(請求項1,2,4,6)
本偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ナノ構造体の対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、偏光変換機能を実現するとともに、磁性ナノ構造体の対に接して導電性材料による微細パターンを配置したことにより、偏光変換効率の向上が可能となるという効果を奏する。
(Claims 1, 2, 4, 6)
This polarization conversion element realizes a polarization conversion function by arranging a pair of magnetic nanostructures having opposite directions of main components of the magnetization vector on or inside the support, By arranging the fine pattern made of the conductive material in contact with the pair, there is an effect that the polarization conversion efficiency can be improved.

(請求項1,2,4,7)
本偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ナノ構造体の対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、偏光変換機能を実現するとともに、磁性ナノ構造体の対に接して導電性材料によるラインパターンを配置したことにより、偏光変換効率の向上が可能となるという効果を奏する。また、偏光選択性を有する偏光変換素子が実現できるという効果を奏する。
(Claims 1, 2, 4, 7)
This polarization conversion element realizes a polarization conversion function by arranging a pair of magnetic nanostructures having opposite directions of main components of the magnetization vector on or inside the support, By arranging a line pattern made of a conductive material in contact with the pair, there is an effect that the polarization conversion efficiency can be improved. In addition, there is an effect that a polarization conversion element having polarization selectivity can be realized.

(請求項1,3)
本偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ラインパターンの対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、入射光の直交する二つの偏光成分の一方のみを他方へ変換することが可能になり、また、2次元平面内における磁性材料の構成のみで偏光変換機能を実現したことにより、光学素子数の低減や光学装置の小型化か可能となるという効果を奏する。
(Claims 1 and 3)
In this polarization conversion element, a pair of magnetic line patterns in which the directions of main components of the magnetization vector are opposite to each other are arranged on or inside the support, so that only one of two orthogonal polarization components of incident light is orthogonal to the other. In addition, since the polarization conversion function is realized only by the configuration of the magnetic material in the two-dimensional plane, the number of optical elements can be reduced and the optical device can be downsized. .

(請求項1,3,4,5)
本偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが互いに相反した磁性ラインパターンの対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、偏光変換機能を実現するとともに、磁性材料によるラインパターンの対に接して導電性の膜を配置したことにより、偏光変換効率の向上が可能となるという効果を奏する。また、偏光選択性を有する偏光変換素子が実現できるという効果を奏する。
(Claims 1, 3, 4, 5)
This polarization conversion element realizes a polarization conversion function by arranging a pair of magnetic line patterns in which the directions of the main components of the magnetization vector are opposite to each other on the support or inside the support. By arranging the conductive film in contact with the pair, there is an effect that the polarization conversion efficiency can be improved. In addition, there is an effect that a polarization conversion element having polarization selectivity can be realized.

(請求項1,3,4,7)
偏光変換素子は、磁化ベクトルの主たる成分の向きが相反した磁性ラインパターンの対を支持体上または支持体内部に配置したことにより、偏光変換機能を実現するとともに、磁性ラインパターンの対に接して導電性材料によるラインパターンを配置したことにより、偏光変換効率の向上が可能となり、また、偏光選択性を有する偏光変換素子が実現できるという効果を奏する。
(Claims 1, 3, 4, 7)
The polarization conversion element realizes a polarization conversion function and is in contact with the magnetic line pattern pair by arranging a pair of magnetic line patterns with opposite directions of main components of the magnetization vector on or inside the support. By arranging the line pattern made of a conductive material, it is possible to improve the polarization conversion efficiency and to realize a polarization conversion element having polarization selectivity.

(請求項8)
本偏光制御素子は、磁性構造体または磁性構造体と導電性部材からなる偏光変換素子構造の少なくとも一方の端部に、多重反射構造を設けることにより、入射光と磁性構造体および導電部材との相互作用の頻度を増大することが可能となり、偏光変換効率の向上が可能となるという効果を奏する。
(Claim 8)
This polarization control element is provided with a multiple reflection structure at least one end of a polarization conversion element structure comprising a magnetic structure or a magnetic structure and a conductive member. The frequency of interaction can be increased, and the polarization conversion efficiency can be improved.

(請求項9)
本偏光制御素子は、偏光変換素子を構成する磁性構造体として単磁区構造となるサイズの磁性構造体を用いることにより、入射光と磁性構造体との相互作用の強さを増大させることが可能となり、偏光変換効率の向上が可能となるという効果を奏する。
(Claim 9)
This polarization control element can increase the strength of the interaction between the incident light and the magnetic structure by using a magnetic structure having a single magnetic domain structure as the magnetic structure constituting the polarization conversion element. As a result, the polarization conversion efficiency can be improved.

すなわち、請求項1に係る発明により、直交する二つの偏光成分のうち、一方の偏光成分のみを他方へ変換する偏光変換機能を有する偏光変換素子を提供することができる。また、光学素子数の低減が可能となる偏光変換素子を提供することができる。   That is, the invention according to claim 1 can provide a polarization conversion element having a polarization conversion function of converting only one polarization component of two orthogonal polarization components into the other. In addition, a polarization conversion element that can reduce the number of optical elements can be provided.

請求項2,3に係る発明により、請求項1記載の偏光変換素子における磁性構造体の対の具体的な構成を提供することができる。   According to the second and third aspects of the invention, a specific configuration of the pair of magnetic structures in the polarization conversion element according to the first aspect can be provided.

請求項4に係る発明により、請求項1から3のいずれか1項記載の偏光変換素子の偏光変換効率を増大させる構成を提供することができる。   The invention according to claim 4 can provide a configuration for increasing the polarization conversion efficiency of the polarization conversion element according to any one of claims 1 to 3.

請求項5〜7に係る発明により、請求項4記載の偏光変換素子における導電性部材の具体的な構成を提供することができる。   The invention according to claims 5 to 7 can provide a specific configuration of the conductive member in the polarization conversion element according to claim 4.

請求項8に係る発明により、請求項1から7のいずれか1項記載の偏光変換素子の偏光変換効率を増大させる構成を提供することができる。   The invention according to claim 8 can provide a configuration for increasing the polarization conversion efficiency of the polarization conversion element according to any one of claims 1 to 7.

請求項9に係る発明により、請求項1,2,4から8のいずれか1項に記載の偏光変換素子の、偏光変換効率を増大させる構成を提供することができる。   According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to provide a configuration that increases the polarization conversion efficiency of the polarization conversion element according to any one of the first, second, fourth, and eighth aspects.

本発明にかかる偏光変換素子は、液晶プロジェクタ等の画像投影装置や表示装置に利用できる。   The polarization conversion element according to the present invention can be used for an image projection apparatus such as a liquid crystal projector and a display apparatus.

本発明の第1の実施の形態にかかる偏光変換素子の機能を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the function of the polarization conversion element concerning the 1st Embodiment of this invention. (a)は本発明に係る偏光変換素子の断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing of the polarization conversion element concerning this invention, (b) is a top view of (a). (a)〜(e)は、磁性ナノ構造体の様々な形状を説明するための平面図である。(A)-(e) is a top view for demonstrating the various shapes of a magnetic nanostructure. 本発明に係る偏光変換素子の第1の実施の形態の構成を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of 1st Embodiment of the polarization conversion element which concerns on this invention. 磁性体ナノ構造体の作製方法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the production method of a magnetic body nanostructure. (a)、(b)は磁性ナノ構造体の対における磁化ベクトルの向きの説明図である。(A), (b) is explanatory drawing of the direction of the magnetization vector in the pair of magnetic nanostructure. 正方格子の格子点上に各ユニットを配列した一例を示す図である。It is a figure which shows an example which arranged each unit on the lattice point of a square lattice. 長方格子の格子点上に各ユニットを配列した一例を示す図である。It is a figure which shows an example which arranged each unit on the lattice point of a rectangular lattice. 六方格子の格子点上に各ユニットを配列した例である。In this example, units are arranged on lattice points of a hexagonal lattice. ライン上にラインに直交する向きに各ユニットを配列した一例を示す図である。It is a figure which shows an example which arranged each unit on the line in the direction orthogonal to a line. ライン上にラインに平行な向きに配列した磁性構造体のユニットを等間隔で配列した一例を示す図である。It is a figure which shows an example which arranged the unit of the magnetic structure arranged in the direction parallel to a line on a line at equal intervals. 2次元面内にランダムにユニットを配列した一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example which arranged the unit at random in a two-dimensional surface. (a)は、数値シミュレーションのモデルを説明する断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing explaining the model of numerical simulation, (b) is a top view of (a). x偏光入射およびy偏光入射の場合の偏光変換度の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the polarization conversion degree in the case of x polarized light incidence and y polarized light incidence. (a)は本発明の偏光変換素子に係る第2の実施の形態の断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing of 2nd Embodiment which concerns on the polarization conversion element of this invention, (b) is a top view of (a). (a)は数値シミュレーションのモデルを説明するための断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing for demonstrating the model of numerical simulation, (b) is a top view of (a). x偏光入射およびy偏光入射の場合の偏光変換度の計算結果を説明する図である。It is a figure explaining the calculation result of the polarization conversion degree in the case of x polarization incidence and y polarization incidence. (a)は本発明に係る偏光変換素子の第3の実施の形態の構成を説明するための断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing for demonstrating the structure of 3rd Embodiment of the polarization conversion element which concerns on this invention, (b) is a top view of (a). (a)は本発明に係る偏光変換素子の第4の実施の形態を示す断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing which shows 4th Embodiment of the polarization conversion element which concerns on this invention, (b) is a top view of (a). (a)は本発明に係る偏光変換素子の第5の実施の形態を示す平面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is a top view which shows 5th Embodiment of the polarization conversion element which concerns on this invention, (b) is a top view of (a). (a)、(b)は、磁性構造体のラインパターンの磁化ベクトルの向きを示した図である。(A), (b) is the figure which showed direction of the magnetization vector of the line pattern of a magnetic structure. (a)は本発明に係る偏光制御素子の第6の実施の形態の構成を説明するための断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing for demonstrating the structure of 6th Embodiment of the polarization control element which concerns on this invention, (b) is a top view of (a). (a)は本発明に係る偏光変換素子の第7の実施の形態を示す断面図であり、(b)は(a)の平面図である。(A) is sectional drawing which shows 7th Embodiment of the polarization conversion element which concerns on this invention, (b) is a top view of (a). 本発明に係る第7の実施の形態の偏光制御素子の異なる構成を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating a different structure of the polarization control element of the 7th Embodiment which concerns on this invention. (a)、(b)は磁性ラインパターンの向きに対する磁化ベクトルの向きを示す図である。(A), (b) is a figure which shows the direction of the magnetization vector with respect to the direction of a magnetic line pattern. 本発明に係る第7の実施の形態の偏光変換素子の断面図である。It is sectional drawing of the polarization conversion element of the 7th Embodiment concerning this invention. (a)〜(c)はワイヤグリッド偏光子の製造工程図である(従来技術1)。(A)-(c) is a manufacturing-process figure of a wire grid polarizer (prior art 1). 無機材料偏光制御素子の説明図である(従来技術2)。It is explanatory drawing of an inorganic material polarization control element (prior art 2). 偏光分離素子の構成を示す図である(従来技術3)。It is a figure which shows the structure of a polarization separation element (prior art 3). (a)〜(d)は従来の偏光制御素子の説明図である(従来技術4)。(A)-(d) is explanatory drawing of the conventional polarization control element (prior art 4). 磁気光学素子の断面図である(従来技術5)。It is sectional drawing of a magneto-optical element (prior art 5). 他の磁気光学素子の断面図である(従来技術6)。It is sectional drawing of another magneto-optical element (prior art 6).

符号の説明Explanation of symbols

1 入射偏光状態(ランダム偏光)
2 偏光変換素子
3 出射偏光状態(直線偏光)
201 支持基板
202 磁性ナノ構造体
203 磁性構造体の対(ユニット)
1 Incident polarization state (random polarization)
2 Polarization conversion element 3 Output polarization state (linear polarization)
201 support substrate 202 magnetic nanostructure 203 pair of magnetic structure (unit)

Claims (9)

支持体上または支持体内部に、磁性構造体の対を2次元的に配した構造を少なくとも有し、該磁性構造体の対は、入射する光の波長以下の間隔で隣接し、且つ該磁性構造体の中心点間を結ぶ直線に対して平行で互いに相反する向きに主たる磁化成分を有することを特徴とする偏光変換素子。   It has at least a structure in which a pair of magnetic structures is arranged two-dimensionally on or inside the support, the pairs of magnetic structures are adjacent to each other at an interval equal to or smaller than the wavelength of incident light, and the magnetic structure A polarization conversion element characterized by having a main magnetization component in a direction opposite to each other parallel to a straight line connecting the center points of the structures. 請求項1記載の偏光変換素子であって、前記磁性構造体の幅及び奥行きの長さを入射する光の波長以下としたことを特徴とする偏光変換素子。   2. The polarization conversion element according to claim 1, wherein a width and a depth of the magnetic structure are equal to or less than a wavelength of incident light. 請求項1記載の偏光変換素子であって、前記磁性構造体を、入射する光の波長以下の幅を有する磁性材料によるラインパターンで構成したことを特徴とする偏光変換素子。   2. The polarization conversion element according to claim 1, wherein the magnetic structure is configured by a line pattern made of a magnetic material having a width equal to or less than a wavelength of incident light. 請求項1から3のいずれか1項記載の偏光変換素子であって、前記支持体上に、前記磁性構造体の対に接するように導電性部材を配したことを特徴とする偏光変換素子。   4. The polarization conversion element according to claim 1, wherein a conductive member is disposed on the support so as to be in contact with the pair of the magnetic structures. 5. 請求項4記載の偏光変換素子であって、前記導電性部材を平坦な膜で構成したことを特徴とする偏光変換素子。   5. The polarization conversion element according to claim 4, wherein the conductive member is formed of a flat film. 請求項4記載の偏光変換素子であって、前記導電性部材を入射する光の波長以下のサイズを有する2次元パターンで構成したことを特徴とする偏光変換素子。   5. The polarization conversion element according to claim 4, wherein the conductive member is formed of a two-dimensional pattern having a size equal to or smaller than a wavelength of incident light. 請求項4記載の偏光変換素子であって、前記導電性部材を入射する光の波長以下の幅を有するラインパターンで構成したことを特徴とする偏光変換素子。   5. The polarization conversion element according to claim 4, wherein the conductive member is formed of a line pattern having a width equal to or less than a wavelength of incident light. 請求項1から7のいずれか1項記載の偏光変換素子であって、前記磁性構造体の対および前記導電性部材の、上方または下方の少なくとも一方に、多重反射構造を配したことを特徴とする偏光変換素子。   The polarization conversion element according to any one of claims 1 to 7, wherein a multiple reflection structure is disposed on at least one of an upper side or a lower side of the pair of magnetic structures and the conductive member. Polarization conversion element. 請求項1,2,4から8のいずれか1項記載の偏光変換素子であって、前記磁性構造体が単磁区構造を有することを特徴とする偏光変換素子。   9. The polarization conversion element according to claim 1, wherein the magnetic structure has a single domain structure.
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