JP4949876B2 - Polarization control element - Google Patents

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Description

この発明は偏光制御素子に関する。   The present invention relates to a polarization control element.

「偏光制御素子」は、図1に符号1で示すように、入射光の偏光状態、即ち、偏光方向(偏光角)や楕円率を、所望する出射偏光状態へ変化させる機能を有する光学素子であり、液晶プロジェクタ装置等の表示装置や各種の光学装置に広く利用されている。   The “polarization control element” is an optical element having a function of changing the polarization state of incident light, that is, the polarization direction (polarization angle) and ellipticity to a desired output polarization state, as indicated by reference numeral 1 in FIG. And widely used in display devices such as liquid crystal projector devices and various optical devices.

偏光制御素子の具体的な態様としては、液晶パネルなどの空間変調素子への入射光や出射光の特定偏光成分を抽出する偏光板や、光利用効率の向上のため「自然光の直交する2つの偏光成分を1方向に揃える偏光変換素子」、1/2波長板や1/4波長板のような位相シフタ等を挙げることができる。   Specific embodiments of the polarization control element include a polarizing plate that extracts a specific polarization component of incident light and outgoing light to a spatial modulation element such as a liquid crystal panel, and two orthogonal crosses of natural light to improve light use efficiency. Examples thereof include a polarization conversion element that aligns polarization components in one direction, a phase shifter such as a half-wave plate and a quarter-wave plate.

偏光制御素子としては従来から「ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素などの2色性を有する材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収2色性を発現させて偏光選択機能を実現した偏光板」や、「方解石や水晶のような複屈折性の光学結晶における常光線と異常光線の屈折率の違いを利用し、直交する2つの偏光成分に位相差を与える各種の波長板」等が知られているが、近来、新しい光学原理に基づく偏光制御素子として「支持体に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を、金属構造体自体の大きさより小さい距離で近接させて配列して、偏光制御機能を発現させた」ものが提案されている(特許文献1〜4等)。   Conventionally, as a polarization control element, “a substrate that is made of polyvinyl alcohol or the like is dyed / adsorbed with a dichroic material such as iodine, and is highly stretched / oriented to exhibit absorption dichroism, thereby providing a polarization selection function. "Achieved polarizing plate" and "various wave plates that give a phase difference between two orthogonal polarization components using the difference in refractive index between ordinary and extraordinary rays in birefringent optical crystals such as calcite and quartz. Recently, as a polarization control element based on a new optical principle, a metal structure whose size is smaller than the wavelength of incident light is brought close to the support at a distance smaller than the size of the metal structure itself. That have been arranged to express the polarization control function have been proposed (Patent Documents 1 to 4, etc.).

これら特許文献1〜4に記載された偏光制御素子は、微細な金属構造体内の電子振動であるプラズモンの共鳴現象を用いて高効率に偏光制御を行なうものである。   These polarization control elements described in Patent Documents 1 to 4 perform polarization control with high efficiency by using a plasmon resonance phenomenon that is an electronic vibration in a fine metal structure.

特開2006−330105JP 2006-330105 A 特開2006−330106JP 2006-330106 A 特開2006−330107JP 2006-330107 A 特開2006−330108JP 2006-330108 A

この発明は、上記「微細な金属構造体内の電子振動であるプラズモンの共鳴現象を用いて高効率に偏光制御を行ない得る偏光制御素子」であって、偏光制御に対する設計の自由度が大きいものを実現することを課題としている。   This invention is the above-mentioned “polarization control element capable of performing polarization control with high efficiency using the plasmon resonance phenomenon, which is an electronic vibration in a fine metal structure”, and has a high degree of design freedom for polarization control. The challenge is to achieve this.

この発明の偏光制御素子は、以下の如き特徴を有する(請求項1)。
即ち、支持体の平面状の表面に「大きさが入射光の波長より小さい金属構造体」を、金属構造体自体の大きさより小さい距離で近接させて少なくとも3個配置し、少なくとも3個の金属構造体の配置を「1ユニット」とし、このユニットを上記表面に2次元的に配列する。
The polarization control element of the present invention has the following characteristics (claim 1).
That is, at least three “metal structures whose size is smaller than the wavelength of incident light” are arranged close to each other at a distance smaller than the size of the metal structure itself on the planar surface of the support, and at least three metals The arrangement of the structures is “1 unit”, and the units are two-dimensionally arranged on the surface.

「1ユニットを構成する金属構造体」の数は上記の如く3個以上であるが、少なくとも3個の金属構造体における2個は「同一形状且つ同一大きさ」であり、それ以外の1個の金属構造体の大きさを前記2個の金属構造体のそれぞれの大きさと異ならせる。即ち、1ユニットを構成する少なくとも3個の金属構造体には、少なくとも1個、上記2個の金属構造体と「形状および/または大きさ」が異なる金属構造体が含まれる。 The number of "metal structure constituting one unit" is 3 or more as described above, two of at least three metal structures Ri der "same shape and the same size", otherwise 1 The size of each metal structure is made different from the size of each of the two metal structures. That is, the at least three metal structures constituting one unit include at least one metal structure having a “shape and / or size” different from that of the two metal structures.

請求項1記載の偏光制御素子は「3個の金属構造体に、大きさが入射光の波長より小さい別の金属構造体を、この金属構造体の大きさより小さい距離で近接させてN(≧1)個配し、これら3+N個の金属構造体を1ユニットとし、このユニットを2次元的に配列した構成」とすることができる(請求項2)。即ち、請求項2記載の偏光制御素子においては、金構造体の配列の1ユニットに「4以上の金属構造体」が含まれる。 The polarization control element according to claim 1 is described as follows: “N (≧≧ 3 metal structures) are brought close to each other at a distance smaller than the size of the metal structure with another metal structure having a size smaller than the wavelength of the incident light. 1) A configuration in which the 3 + N metal structures are arranged as one unit and the units are arranged two-dimensionally ”can be obtained. That is, in the polarization control element according to claim 2 include "4 or more metal structure" to 1 unit of the array of metallic structures.

請求項1または2に記載の金属構造体のユニットは「支持体の平面状の表面上に、3次元的に配列」することができる(請求項3)。
即ち、請求項1、2に記載された「3個以上の金属構造体の配置による1ユニットの2次元的配列」を、支持体上に複数層に積層することにより金属構造体の配置のユニットを、3次元的に配列することができる。
The units of the metal structure according to claim 1 or 2 can be "three-dimensionally arranged on the planar surface of the support" (claim 3).
That is, a unit for arranging metal structures by stacking the “two-dimensional arrangement of one unit by arranging three or more metal structures” according to claim 1 or 2 on a support in a plurality of layers. Can be arranged three-dimensionally.

請求項1〜3の任意の1に記載の偏光制御素子において「金属構造体を構成する金属材料」は、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、銅(Cu)の何れか、もしくは、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料であることができる(請求項4)。   The polarization control element according to any one of claims 1 to 3, wherein "the metal material constituting the metal structure" is gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), nickel ( Any of Ni), chromium (Cr), copper (Cu), a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component can be used.

請求項1〜4の任意の1に記載の偏光制御素子における「金属構造体のユニットの2次元的な配列」は、ライン配列、正方格子配列、直方格子配列、六方格子配列、ランダム配列の何れかであることができる(請求項5)。請求項3のように金属構造体のユニットを3次元的に配列する場合であれば、積層される各層における2次元的な配列が、上記の各種の配列であることができる。
また、請求項1に記載の偏光制御素子における「前記1個の金属構造体が、前記2個の金属構造体の配向の中心線に対して左右対称の位置に配置されていることができる。(請求項6)。
5. The “two-dimensional array of metal structure units” in the polarization control element according to claim 1 is any of a line array, a square lattice array, a rectangular lattice array, a hexagonal lattice array, and a random array. (Claim 5). If the units of the metal structure are arranged three-dimensionally as in the third aspect, the two-dimensional arrangement in each layer to be laminated can be the above-described various arrangements.
Further, in the polarization control element according to claim 1, “the one metal structure can be arranged at a symmetrical position with respect to the center line of the orientation of the two metal structures. (Claim 6).

以上に説明したように、この発明によれば、新規な偏光制御素子を実現できる。
この発明の偏光制御素子は、1ユニットをなす金属構造体の配置に「少なくとも3個の金属構造体が含まれ、かつ、2つの金属構造体が同大・同形状で、少なくとも1つは上記2つの金属構造体と「形状および/または大きさ」が異なるので、偏光制御に対する設計の自由度が大きく、所望の偏光制御特性を有するものを容易に実現できる。
As described above, according to the present invention, a novel polarization control element can be realized.
In the polarization control element of the present invention, “the arrangement of the metal structures constituting one unit includes“ at least three metal structures, and the two metal structures have the same size and shape, at least one of which Since the “shape and / or size” is different from the two metal structures, the degree of freedom in design with respect to polarization control is large, and a structure having desired polarization control characteristics can be easily realized.

図2は、この発明の偏光制御素子の実施の1形態を説明するための図である。
図2において、符号10で示す偏光制御素子は、「支持体」である平行平板状の支持基板10Aの平面状の表面に、金属構造体のユニット10B(以下、金属構造体ユニット10Bと言う。)の2次元的な配列を有する。
FIG. 2 is a diagram for explaining one embodiment of the polarization control element of the present invention.
In FIG. 2, the polarization control element denoted by reference numeral 10 is a metal structure unit 10 </ b> B (hereinafter referred to as a metal structure unit 10 </ b> B) on a planar surface of a parallel plate-like support substrate 10 </ b> A that is a “support”. ).

支持基板10Aは、材質的には「高い光利用効率を得るために、可視領域の波長において吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない材料」が好ましく、具体的には、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、CaF、Si、ZnSe、Alなどの光学結晶材料を好適に利用できる。 The support substrate 10A is preferably made of “a material that has low absorption at a wavelength in the visible region and has little anisotropy with respect to polarized light in order to obtain high light utilization efficiency”. Specifically, quartz glass or BK7 An optical crystal material such as borosilicate glass such as Pyrex (registered trademark), CaF 2 , Si, ZnSe, or Al 2 O 3 can be suitably used.

図2の実施の形態において、金属構造体ユニット10Bは「3個の金属構造体の配置」で構成されている。金属構造体ユニット10Bを図3に示す。図3において、3個の金属構造体MS1、M2S、MS3の配置が金属構造体ユニットを構成している。これら3個の金属構造体MS1、MS2、MS3のうち、金属構造体MS1とMS2とは形状・大きさが同一であり、これら金属構造体MS1、MS2とを纏めて「金属構造体対」と呼び、符合MSP12で示す。   In the embodiment of FIG. 2, the metal structure unit 10 </ b> B is configured by “arrangement of three metal structures”. The metal structure unit 10B is shown in FIG. In FIG. 3, the arrangement of three metal structures MS1, M2S, MS3 constitutes a metal structure unit. Of these three metal structures MS1, MS2, and MS3, the metal structures MS1 and MS2 have the same shape and size, and the metal structures MS1 and MS2 are collectively referred to as a “metal structure pair”. Called with the symbol MSP12.

金属構造体MS3は、金属構造体対MSP12を構成する金属構造体MS1、MS2とは大きさが異なる。これら金属構造体MS1、MS2、MS3は、入射光を照射した際に「隣接する金属構造体間で近接場光を介して相互作用する程度の距離」に配置されている必要がある。   The metal structure MS3 is different in size from the metal structures MS1 and MS2 constituting the metal structure pair MSP12. These metal structures MS1, MS2, and MS3 need to be disposed at a “distance that allows interaction between adjacent metal structures via near-field light” when irradiated with incident light.

「近接場光」とは、金属中の電子が入射光により励振されることにより生じる「局所的に分布した電磁場」を意味する。「近接場光を介して相互作用する距離」は、近接場光の起源が金属中の電子の運動に依存していることから、金属構造体が光の波長よりも十分に小さい場合には、大略「金属構造体自体の大きさ程度」となる。従って、金属構造体MS1、MS2、MS3は、相互に「金属構造体の大きさより小さい距離」で近接して配置されている。
図2、図3に示す実施の形態においては、金属構造体MS1〜MS3は何れも「円柱形状」であるが、これに限らず、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、多様な形状のものが形状として許容される。
“Near-field light” means a “locally distributed electromagnetic field” generated when electrons in a metal are excited by incident light. “Distance interacting via near-field light” is because the origin of near-field light depends on the motion of electrons in the metal, so if the metal structure is sufficiently smaller than the wavelength of the light, It is roughly “about the size of the metal structure itself”. Accordingly, the metal structures MS1, MS2, and MS3 are arranged close to each other at a “distance smaller than the size of the metal structure”.
In the embodiment shown in FIG. 2 and FIG. 3, the metal structures MS1 to MS3 are all “cylindrical shapes”, but not limited to this, spherical shapes, hemispherical shapes, triangular / square prism shapes, conical shapes, Various shapes such as an elliptic cylinder shape are allowed as shapes.

この場合、金属構造体の形状によっては、その大きさを一義的に定められない場合もあるので、この明細書中において、金属構造体の大きさを以下のように定める。
図4は、金属構造体の2次元的な形状(支持体の表面に直交する方向から見た形状)として、(a)円形状、(b)楕円形状、(c)正三角形状、(d)矩形形状、(e)一般的な不定形状を示している。
In this case, depending on the shape of the metal structure, the size may not be uniquely determined. In this specification, the size of the metal structure is determined as follows.
FIG. 4 shows (a) a circular shape, (b) an elliptical shape, (c) an equilateral triangular shape, (d) as a two-dimensional shape of the metal structure (a shape viewed from a direction orthogonal to the surface of the support). ) A rectangular shape, and (e) a general indefinite shape.

これらのうち(a)の円形状や、(c)の正三角形状、更には図示されていないが正方形等の正多角形形状のように、支持体表面に直交する方向から見た形状が「等方的」である場合には「それらの形状と同面積の円の直径:d」をもって「金属構造体の大きさ」とする。その他の非等方的な形状(図4(b)の楕円形状、(d)の矩形形状や(e)の不定形状)の場合には、上記方向から見た金属構造体の形状と同面積を有する楕円の長径:d1および短径:d2をもって「金属構造体の大きさ」とする。
なお、金属構造体の大きさは「光の波長よりも小さく」なければならない。即ち、上記「d」、「d1」、「d2」は、光の使用波長以下である。
Among these, the shape viewed from the direction orthogonal to the support surface, such as the circular shape of (a), the regular triangle shape of (c), and a regular polygonal shape such as a square (not shown) is “ In the case of “isotropic”, “the diameter of a circle having the same area as those shapes: d” is defined as “the size of the metal structure”. In the case of other anisotropic shapes (the elliptical shape in FIG. 4B, the rectangular shape in (d), and the indefinite shape in (e)), the same area as the shape of the metal structure viewed from the above direction An ellipse having a major axis: d1 and a minor axis: d2 is defined as “size of metal structure”.
The size of the metal structure must be “smaller than the wavelength of light”. In other words, the above “d”, “d1”, and “d2” are equal to or shorter than the use wavelength of light.

金属構造体の形状が上記「非等方的な形状」で、その大きさをこれと同面積の楕円と考えた場合に、金属構造体を「楕円の長径方向」に配列する場合には、金属構造体間の距離はd1よりも小さく、金属構造体を「楕円の短径方向」に配列する場合には、金属構造体間の距離はd2よりも小さく設定する。   When the shape of the metal structure is the above-mentioned “anisotropic shape” and the size is considered to be an ellipse having the same area as this, when arranging the metal structures in the “ellipse major axis direction”, The distance between the metal structures is smaller than d1, and when the metal structures are arranged in the “ellipse minor axis direction”, the distance between the metal structures is set smaller than d2.

金属構造体の「支持体表面に直交する方向の大きさ」は、入射光の偏光方向が支持体表面に平行な面内にあるものとすれば(入射光の入射方向が支持体表面に直交する)、金属構造体の「支持体表面に直交する方向」の大きさは、近接場光を介した金属構造体相互の相互作用の距離に影響しないので、支持体表面に直交する方向における「金属構造体の大きさ」は特に制限されない。   The “size in the direction perpendicular to the support surface” of the metal structure is determined so that the polarization direction of the incident light is in a plane parallel to the support surface (the incident direction of the incident light is orthogonal to the support surface). The size of the metal structure in the “direction perpendicular to the support surface” does not affect the distance of interaction between the metal structures via the near-field light. The “size of the metal structure” is not particularly limited.

ここで、金属構造体MS1〜MS3の具体的な材料と大きさに付いて説明する。
金属構造体に光を照射すると金属中の電子が励振されるが、この励振は「特定の波長」に対して共鳴的に強くなる。これは「金属中の電子の集団振動」に起因するものであり、このような「電子の集団運動」はプラズモンと呼ばれる。
Here, specific materials and sizes of the metal structures MS1 to MS3 will be described.
When the metal structure is irradiated with light, electrons in the metal are excited, and this excitation becomes resonantly strong with respect to the “specific wavelength”. This is due to “collective oscillation of electrons in metal”, and such “collective motion of electrons” is called plasmon.

「プラズモン」は、金属と誘電体界面で励振される表面プラズモンが一般的であるが、微小な金属構造体においては「金属構造体の大きさに依存した振動モード」が励振されることから、このような振動モードのプラズモンは「局在表面プラズモン」と呼ばれる。この明細書中においては表面プラズモン、局在表面プラズモンを区別せず単にプラズモンと呼ぶ。   “Plasmon” is generally surface plasmon excited at the interface between metal and dielectric, but in a minute metal structure, “vibration mode depending on the size of metal structure” is excited. Such vibration mode plasmons are called “localized surface plasmons”. In this specification, surface plasmons and localized surface plasmons are not distinguished and are simply called plasmons.

プラズモンが励振されることにより、金属構造体近傍の振動電界が強くなり、隣接する別の金属構造体に影響を与える。2個の金属構造体が相互に影響を与え合うことにより、金属構造体の配向方向に対する相互作用の強さの異方性が現れる。この異方性は、プラズモンの振幅と位相の両方を変調するため、2個以上の金属構造体により散乱された光は、その偏光状態が入射光のものとは変化している。   When the plasmon is excited, an oscillating electric field in the vicinity of the metal structure is strengthened and affects another adjacent metal structure. When the two metal structures influence each other, anisotropy of the strength of interaction with respect to the orientation direction of the metal structure appears. This anisotropy modulates both the amplitude and phase of plasmons, so that the light scattered by two or more metal structures has a polarization state that is different from that of incident light.

金属構造体を構成する金属材料は「入射光の波長に対してプラズモンを共鳴的に励起できる材料」であることが必要であり、請求項4に記載された、Au、Ag、Pt、Al、Ni、Cr、Cuの何れか、または「これらを主とした合金材料」、さらには、これらと非金属材料からなる混合材料を好適に利用できる。
この発明の偏光制御素子の動作波長は、金属構造体の材料に依存して変化する。
The metal material constituting the metal structure must be “a material capable of resonantly exciting plasmons with respect to the wavelength of incident light”, and Au, Ag, Pt, Al, Any of Ni, Cr, Cu, or “alloy material mainly composed of these”, and a mixed material composed of these and a non-metallic material can be suitably used.
The operating wavelength of the polarization control element of the present invention varies depending on the material of the metal structure.

「金属構造体の大きさ」は、回折による空間的な強度分布が生ずるのを防ぐとともに、設計が容易であるように「金属中の電子の複雑な振動モードが励振されない」ように、入射光の波長より十分に小さい必要があり、また「可視光領域の光に対して偏光制御機能が実現される」ように略100nm以下の大きさであることが好ましい。   “The size of the metal structure” prevents the occurrence of a spatial intensity distribution due to diffraction, and makes it easy to design “the complex vibration mode of electrons in the metal is not excited”. It is preferable that the size is approximately 100 nm or less so that “the polarization control function is realized with respect to light in the visible light region”.

「金属構造体相互の間隔」は、近接場光を介した相互作用の働く領域であって、上述の如く「金属構造体の大きさより小さい距離」であるから、金属構造体自体の大きさを100nm以下とすれば、金属構造体相互間の距離も100nm以下となる。金属構造体相互は「より近接したほうが偏光状態の変化が生じやすい」ので、この場合、好ましい間隔は50nm以下である。   The “interval between metal structures” is a region where interaction via near-field light works, and is a “distance smaller than the size of the metal structure” as described above. If the thickness is 100 nm or less, the distance between the metal structures is also 100 nm or less. Since the metal structures are more prone to change in polarization state when they are closer to each other, in this case, the preferable interval is 50 nm or less.

ここで、入射光の波長以下の大きさをもつ2つの金属構造体を金属構造体自体の大きさよりも近接させて配置した場合の偏光状態の変化を定量的に評価するために実施した「数値シミュレーション」を説明する。
この数値シミュレーションは、電磁場の時間・空間応答を表わす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)を用いたものであり、図5に計算モデルを示す。
図5(a)は、計算モデルのzx面の状態を示し、(b)はxy面の状態を示す。
金属構造体として2個のAu球Au1、Au2(屈折率:n=0.0717、消衰係数:k=1.4965)がx軸方向に配列している。
Here, the numerical value was implemented to quantitatively evaluate the change in the polarization state when two metal structures having a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light are arranged closer to the size of the metal structure itself. “Simulation” will be described.
This numerical simulation uses a finite-difference time-domain method (FDTD method), in which Maxwell's equations representing the time-space response of an electromagnetic field are differentiated and solved in the time domain and space domain, and a calculation model is shown in FIG. .
FIG. 5A shows the state of the zx plane of the calculation model, and FIG. 5B shows the state of the xy plane.
As the metal structure, two Au spheres Au1 and Au2 (refractive index: n = 0.0717, extinction coefficient: k = 1.4965) are arranged in the x-axis direction.

入射光は「z軸方向に伝搬する平面波」でxy面に平行な面内で、x軸に対し45度傾いた偏光面を持つ直線偏光(図5(b)参照)である。入射光の波長は「Au球Au1、Au2の屈折率:nおよび消衰係数:kの大きさに対するプラズモンの共鳴波長」の近傍である544nmを用いた。
Au球Au1、Au2の直径は40nmとし、Au球相互の間隔:ds(図の如く、2個のAu球の最近接する端部間の距離である。)を0〜80nmの範囲で変化させて振幅および位相の変化を調べた。
The incident light is “a plane wave propagating in the z-axis direction” and is linearly polarized light (see FIG. 5B) having a polarization plane inclined by 45 degrees with respect to the x-axis in a plane parallel to the xy plane. The wavelength of incident light used was 544 nm, which is in the vicinity of “the refractive wavelength of Au spheres Au1 and Au2: n and the extinction coefficient: the plasmon resonance wavelength for k”.
The diameter of the Au spheres Au1 and Au2 is 40 nm, and the interval between the Au spheres: ds (as shown in the figure, the distance between the closest ends of the two Au spheres) is varied in the range of 0 to 80 nm. Changes in amplitude and phase were investigated.

図6に「数値シミュレーションの結果」を示す。図5に示す座標上のx方向の電界成分とy方向の電界成分の振幅比(図6の左図)および位相差(図6の右図)を計算したものである。「横軸の金属粒子間距離」は、上述のAu球相互の間隔:dsである。2個のAu球が近づく(dsが小さくなる)ほど、電界のx成分とy成分との振幅比:Ay/Axが大きくなり、「x成分とy成分の位相差」はAu球相互の間隔:dsが0nmの場合に45°程度となった。従って、Au球相互の間隔:dsが小さくなると、入射する直線偏光は「楕円偏光」に変換され、楕円率も変化することが分る。   FIG. 6 shows “results of numerical simulation”. FIG. 6 shows the amplitude ratio (left diagram in FIG. 6) and phase difference (right diagram in FIG. 6) of the electric field component in the x direction and the electric field component in the y direction on the coordinates shown in FIG. The “distance between metal particles on the horizontal axis” is the distance between the above Au spheres: ds. The closer the two Au spheres are (the smaller the ds is), the larger the amplitude ratio between the x component and the y component of the electric field: Ay / Ax, and the “phase difference between the x component and the y component” is the distance between the Au spheres. : It was about 45 ° when ds was 0 nm. Accordingly, it can be seen that when the spacing between the Au spheres: ds becomes smaller, the incident linearly polarized light is converted to “elliptical polarized light” and the ellipticity also changes.

このように、金属構造体対としての2個のAu球の間隔:dsを制御することにより、偏光特性(振幅比、位相差)を任意に変化させた出射光を得ることができる。
また、Au球の直径(大きさ)を変化させると、振幅比および位相差の「Au球相互の距離:dsに対する依存性」も変化することが数値シミュレーションから確認され、Au球の直径も偏光制御のパラメータとなることが確認された。
As described above, by controlling the distance ds between the two Au spheres as the metal structure pair, it is possible to obtain outgoing light in which the polarization characteristics (amplitude ratio, phase difference) are arbitrarily changed.
In addition, it is confirmed from numerical simulation that when the diameter (size) of the Au sphere changes, the amplitude ratio and the phase difference also change “the distance between the Au spheres: ds”, and the diameter of the Au sphere is also polarized. It has been confirmed that this is a control parameter.

さて、図2、図3に示した実施の形態では、金属構造体ユニット10Bは3個の金属構造体MS1、MS2、MS3で構成されている。この場合、金属構造体MS1、MS2は形状・大きさが同一で金属構造体対MSP12を構成し、上に説明した数値シミュレーションのように、偏光制御が可能である。
この金属構造体対MSP12に、更に第3の金属構造体MS3を付加することにより、「金属構造体ユニットを構成する金属構造体配置の空間的な対称性を利用した偏光状態の制御」が可能になる。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the metal structure unit 10B is composed of three metal structures MS1, MS2, and MS3. In this case, the metal structures MS1 and MS2 have the same shape and size to form the metal structure pair MSP12, and polarization control is possible as in the numerical simulation described above.
By adding a third metal structure MS3 to this metal structure pair MSP12, "control of polarization state using spatial symmetry of arrangement of metal structures constituting the metal structure unit" is possible. become.

図7、図8を参照すると、図7は、金属構造体ユニット10Bを「支持体表面に直交する方向から見た状態」の説明図であり、金属構造体ユニット10Bは、同一形状・同一大きさの金属構造体MS1、MS2で構成される金属構造体対MSP12と、金属構造体対MSP12の配向(図で左右の配列)に対して直交する中心線(図で縦方向の破線)上に配された金属構造体MS3により構成されている。即ち、3個の金属構造体MS1〜MS3の配置は、金属構造体MS1、MS2の配向の中心線に対して左右対称となっている。   Referring to FIGS. 7 and 8, FIG. 7 is an explanatory view of the metal structure unit 10 </ b> B “as viewed from the direction orthogonal to the support surface”, and the metal structure unit 10 </ b> B has the same shape and the same size. On the center line (vertical broken line in the figure) perpendicular to the metal structure pair MSP12 composed of the metal structures MS1 and MS2 and the orientation (the left and right arrangement in the figure) of the metal structure pair MSP12 The metal structure MS3 is arranged. That is, the arrangement of the three metal structures MS1 to MS3 is symmetrical with respect to the center line of the orientation of the metal structures MS1 and MS2.

図7は「金属構造体MS3が金属構造体ユニット10Bにおいて金属構造体MS1、MS2よりも大きい場合」を示しているが、金属構造体MS3の大きさは、金属構造体対MSP12と金属構造体MS3との間に働く「近接場光を介した相互作用の強さ」の設計条件に依存するものであり、必ずしも金属構造体MS1、MS2よりも大きい必要は無い。 FIG. 7 shows a case where the metal structure MS3 is larger than the metal structures MS1 and MS2 in the metal structure unit 10B. The size of the metal structure MS3 is the metal structure pair MSP12 and the metal structure. It depends on the design condition of “strength of interaction via near-field light” acting between MS3 and does not necessarily need to be larger than metal structures MS1 and MS2.

金属構造体MS1、MS2間の距離:g1や、金属構造体対MSP12と金属構造体MS3との距離:g2は、勿論「金属構造体自体の大きさ」よりも小さいが、設計パラメータとして用いることができ、設計条件に応じて設定できる。   The distance between the metal structures MS1 and MS2: g1 and the distance between the metal structure pair MSP12 and the metal structure MS3: g2 are of course smaller than the “size of the metal structure itself”, but should be used as design parameters. Can be set according to design conditions.

図7のように「金属構造体MS1〜MS3左右対称的に配置」した場合の、近接場を介した相互作用につき図8の「電気双極子相互作用の概念図」を用いて説明する。図8の金属構造体対MSP12に対し、平行方向(図8(a)(b))ならびに垂直方向(図8(c)(d))の偏光をもつ入射光を照射した場合、金属構造体MS1〜MS3中の電子が励振され、図中の金属構造体対MSP12の金属構造体MS1、MS2内に記した矢印のように「入射光の偏光方向に依存した4通りの電気双極子モーメントの配向状態」が形成される。   The interaction through the near field in the case of “metal structures MS1 to MS3 symmetrically arranged” as shown in FIG. 7 will be described using “conceptual diagram of electric dipole interaction” in FIG. When the incident light having polarized light in the parallel direction (FIGS. 8A and 8B) and the vertical direction (FIGS. 8C and 8D) is irradiated to the metal structure pair MSP12 in FIG. Electrons in MS1 to MS3 are excited, and as shown by arrows in the metal structures MS1 and MS2 of the metal structure pair MSP12 in the figure, “four electric dipole moments depending on the polarization direction of incident light”. An “alignment state” is formed.

電気双極子モーメントは「一方に向きを揃えた」もの(図8(a)(c))と、「互いに異なる向き」をもつもの(図8(b)(d))が、入射光の偏光方向に対して存在する。   The electric dipole moments are “aligned in one direction” (FIGS. 8A and 8C) and those having “different directions” (FIGS. 8B and 8D) are the polarizations of incident light. Exists for direction.

これらの状態を励起する光エネルギを、図8中にE1、E2、E3、E4として示す。これら光エネルギ:E1〜E4の間には「E1<E4<E3<E2の大小関係」があり、相互に異なっている。従って、金属構造体対MSP12に金属構造体MS3を近接させると、金属構造体MS3の共鳴エネルギは、金属構造体MS3の大きさに依存するため、上記4通りのエネルギ状態に対し選択的に相互作用させることができる。   The light energies that excite these states are shown as E1, E2, E3, and E4 in FIG. These light energies: “E1 <E4 <E3 <E2” are different from each other and are different from each other. Accordingly, when the metal structure MS3 is brought close to the metal structure pair MSP12, the resonance energy of the metal structure MS3 depends on the size of the metal structure MS3. Can act.

金属構造体MS3を「金属構造体対MSP12の配向の中心線に対して左右対称の位置に配置」しているため、電気双極子モーメントが互いに異なる向きをもった2つの状態(図8(b)、(d))では「金属構造体3の励起は禁制状態」で相互作用は生じない。従って、金属構造体MS3を金属構造体対MSP12の配向の中心線に対して左右対称に配置し、金属構造体MS3の「大きさと距離:g2」を調整することにより、金属構造体対MSP12の配向に対して平行方向の入射偏光(図8(a))、垂直方向の入射偏光(図8(c))に対して偏光異方性を発現させることができ偏光状態の制御が可能となる。   Since the metal structure MS3 is “arranged at positions symmetrical to the center line of the orientation of the metal structure pair MSP12”, two states with different electric dipole moments (FIG. 8 (b) In (d)), “excitation of the metal structure 3 is forbidden” and no interaction occurs. Therefore, by arranging the metal structure MS3 symmetrically with respect to the center line of the orientation of the metal structure pair MSP12 and adjusting the “size and distance: g2” of the metal structure MS3, Polarization anisotropy can be exhibited with respect to incident polarized light parallel to the orientation (FIG. 8A) and perpendicular polarized light (FIG. 8C), and the polarization state can be controlled. .

図7には、金属構造体MS3として「支持体表面に直交する方向から見た形状が円形状のもの」を示したが、偏光状態を制御するためには、金属構造体対MSP12の配向に対して「円対称でない形状」を有する金属構造体、例えば、図9に示す如き楕円形状の金属構造体MS3を用いても良い。   FIG. 7 shows the metal structure MS3 having a circular shape when viewed from the direction orthogonal to the support surface. However, in order to control the polarization state, the metal structure MSP12 is aligned. On the other hand, a metal structure having a “shape that is not circularly symmetric”, for example, an elliptical metal structure MS3 as shown in FIG. 9 may be used.

図9に示す場合、楕円形状の金属構造体MS3の長軸方向と単軸方向で「プラズモンの共鳴波長」が異なり、金属構造体対MSP12の配向(図の左右方向)に平行な電気双極子をもつ状態と、垂直な電気双極子をもつ状態とで、近接場光を介した相互作用の強さが異なる。このように、金属構造体MS3の形状によっても偏光状態の制御が可能である。   In the case shown in FIG. 9, the “plasmon resonance wavelength” differs between the major axis direction and the uniaxial direction of the elliptical metal structure MS3, and the electric dipole is parallel to the orientation of the metal structure pair MSP12 (the horizontal direction in the figure). The strength of the interaction via near-field light differs between the state having and the state having a vertical electric dipole. Thus, the polarization state can also be controlled by the shape of the metal structure MS3.

上記のように、3個の金属構造体MS1〜MS3の「大きさと配置」を設定した金属構造体ユニット10Bにより偏光異方性を発現することができるが、偏光状態を大面積で制御する偏光制御素子として機能させるためには、金属構造体ユニット10Bを2次元的に配列する必要がある。   As described above, the polarization anisotropy can be expressed by the metal structure unit 10B in which the “size and arrangement” of the three metal structures MS1 to MS3 are set, but the polarization state is controlled in a large area. In order to function as a control element, the metal structure units 10B need to be two-dimensionally arranged.

金属構造体ユニット10Bの配列には種々可能であるが、特に入射光の波長程度の間隔で周期配列した場合には、透過率または反射率に「特有の角度依存性」をもたせることができる。また、金属構造体の大きさより大きく且つ波長以下の間隔で、高密度に配置した場合には偏光制御効率を高めることができる。   Various arrangements of the metal structure units 10B are possible, but in particular, when the arrangement is periodically arranged at intervals of about the wavelength of the incident light, it is possible to have “specific angle dependency” in the transmittance or reflectance. Further, when the electrodes are arranged at a high density with an interval larger than the size of the metal structure and shorter than the wavelength, the polarization control efficiency can be increased.

金属構造体ユニットの配列の代表的なパターンを図10に示す。
図10(a)は「ライン配列パターン」であり、ライン配列に直交する方向(図の左右方向)に対しては回折格子と同等の役割を果たす。図10(b)は「正方格子配列パターン」であり、格子の周期を調整することにより「透過率または反射率の角度依存性または遠方での空間強度分布の最適化」が可能となる。図10(c)は「直方配列パターン」で、図10(a)と(b)の特性を併せもつ配列である。
A typical pattern of the arrangement of the metal structure units is shown in FIG.
FIG. 10A shows a “line arrangement pattern”, which plays the same role as the diffraction grating in the direction orthogonal to the line arrangement (the horizontal direction in the figure). FIG. 10B shows a “square lattice arrangement pattern”. By adjusting the period of the lattice, “angle dependency of transmittance or reflectance or optimization of spatial intensity distribution at a distance” can be achieved. FIG. 10C shows a “rectangular array pattern”, which is an array having the characteristics of FIGS. 10A and 10B.

図10(d)は「六方格子配列パターン」であり、金属構造体ユニット10Bをより高密度に集積することができ、偏光制御効率の向上が図れる。図10(e)は「ランダム配列パターン」であり、偏光制御機能は単位配列パターンの構造よってのみ生じているため「完全な周期配列パターン」がなくとも機能を発現することができる。   FIG. 10D shows a “hexagonal lattice arrangement pattern”, in which the metal structure units 10B can be integrated at a higher density, and the polarization control efficiency can be improved. FIG. 10E shows a “random arrangement pattern”. Since the polarization control function is generated only by the structure of the unit arrangement pattern, the function can be expressed without the “perfect periodic arrangement pattern”.

ここで、上に実施の形態を説明した偏光制御素子の作製方法を説明する。
図3に示すような「入射光の波長以下の大きさを有する金属構造体MS1〜MS3の作製には、可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチング等を利用できる。
Here, a method for manufacturing the polarization control element described above in the embodiment will be described.
As shown in FIG. 3, a method having a processing accuracy below the diffraction limit of visible light is applied to the fabrication of the metal structures MS1 to MS3 having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light. Further, a method using electron beam lithography, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, etching utilizing alteration of material properties, and the like can be used.

例えば、支持体としての支持基板10Aとして平行平板状の光学ガラスを用い、その平坦な面にAuなどの金属材料をスパッタ法や真空蒸着法により堆積し、この金属膜上にフォトレジスト膜を形成し、電子線描画により「金属構造体ユニットの配列パターン」を残すようにネガパターンを形成する。その後、不要な金属部分をRIEなどによりエッチングすることにより、金属構造体ユニットとその2次元配列パターンを形成できる。   For example, a parallel plate optical glass is used as the support substrate 10A as a support, and a metal material such as Au is deposited on the flat surface by sputtering or vacuum evaporation, and a photoresist film is formed on the metal film. Then, a negative pattern is formed so as to leave a “metal structure unit arrangement pattern” by electron beam drawing. Thereafter, unnecessary metal portions are etched by RIE or the like, whereby a metal structure unit and its two-dimensional array pattern can be formed.

上に説明した実施の形態では、金属構造体ユニットを構成する金属構造体MS1〜MS3と、その2次元的な配列が、支持体である支持基板10Aの平面状の表面上に直接形成され「金属構造体ユニットの2次元配列が空気中に露呈」している場合であるが、図11(a)に示すように、金属構造体による金属構造体ユニット10Bの2次元的な配列を覆うように保護膜10Cを形成してもよく、さらには、図11(b)に示すように、支持基板10A上に支持膜10Dを形成し、この支持膜10Dの上に金属構造体ユニット10Bを2次元的に配列し、さらにこの配列を保護膜10Cで覆うようにしても良い。図11(b)の場合には、支持基板10Aと支持膜10Dとが「支持体」を構成する。   In the embodiment described above, the metal structures MS1 to MS3 constituting the metal structure unit and the two-dimensional array thereof are directly formed on the planar surface of the support substrate 10A as the support. This is a case where the two-dimensional arrangement of the metal structure units is exposed in the air, but as shown in FIG. 11A, the two-dimensional arrangement of the metal structure units 10B by the metal structure is covered. A protective film 10C may be formed on the substrate, and as shown in FIG. 11B, a support film 10D is formed on the support substrate 10A, and two metal structure units 10B are formed on the support film 10D. It may be arranged in a dimensional manner and further covered with a protective film 10C. In the case of FIG. 11B, the support substrate 10 </ b> A and the support film 10 </ b> D constitute a “support”.

このような支持膜や保護膜の有無に応じて偏光制御特性が異なる。保護膜10Cや支持膜10Dの材料も、支持基板10Aと同様「光の吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない材料」が良く、光学素子のコーティング材料として一般的に使用される石英ガラス、BK7、パイレックス(登録商標)、ZnS−SiO2などの硼珪酸ガラス、CaF2、Si、ZnSe、Al2O3、ZnOなどの材料を好適に使用できる。   Polarization control characteristics differ depending on the presence or absence of such a support film or protective film. The material of the protective film 10C and the support film 10D is also preferably a “material with low light absorption and low anisotropy with respect to polarized light”, similar to the support substrate 10A, and is generally used as a coating material for optical elements. Materials such as BK7, Pyrex (registered trademark), borosilicate glass such as ZnS-SiO2, CaF2, Si, ZnSe, Al2O3, and ZnO can be preferably used.

図11(a)、(b)に示す実施の形態のように、支持膜や保護膜を設ける場合、これらの材料として、電気光学結晶効果を示す強誘電体材料であるBBO、LiTaO、KTB、LiNb、KTB、KTP、KTNなどの無機結晶、非線形光学効果を示す光学結晶材料であるBBO、LBO、BIBO、KTP、KDPなどの無機結晶、電歪効果を示す水晶、ZnO、LiNbO、LiTaO、Li、AlNなどの無機結晶を用い、偏光制御素子に「電気、光、圧力等の外部信号」を作用させ、電気光学結晶効果や非線形光学効果、電歪効果等により偏光制御機能を変調し、偏光制御特性をアクティブに変化させても良い。また、保護膜・支持膜および支持基板の材料の光学特性により「偏光制御素子の動作波長」を調整することも可能である。 When providing a support film or a protective film as in the embodiment shown in FIGS. 11A and 11B, these materials include BBO, LiTaO 3 , and KTB, which are ferroelectric materials showing the electro-optic crystal effect. Inorganic crystals such as LiNb 3 , KTB, KTP, and KTN, inorganic crystals such as BBO, LBO, BIBO, KTP, and KDP that are optical crystal materials that exhibit nonlinear optical effects, quartz that exhibits electrostrictive effects, ZnO, LiNbO 3 , Using an inorganic crystal such as LiTaO 3 , Li 2 B 4 O 7 , AlN, etc., and causing an “external signal such as electricity, light and pressure” to act on the polarization control element, the electro-optic crystal effect, nonlinear optical effect, electrostrictive effect, etc. The polarization control function may be modulated by actively changing the polarization control characteristic. It is also possible to adjust the “operating wavelength of the polarization control element” according to the optical characteristics of the material of the protective film / support film and the support substrate.

また、支持膜10Dまたは保護膜10Cとして石英ガラスなどの誘電体材料や、電気光学材料、非線形光学材料などをスパッタ法などで堆積することにより、支持基板10Aと保護膜10Cとの界面や、支持膜10Dと保護膜10Cとの内部に金属構造体ユニットの2次元的な配列を有する偏光制御素子が実現できる。   Further, by depositing a dielectric material such as quartz glass, an electro-optical material, a non-linear optical material or the like as the support film 10D or the protection film 10C by a sputtering method or the like, the interface between the support substrate 10A and the protection film 10C, or the support A polarization control element having a two-dimensional arrangement of metal structure units inside the film 10D and the protective film 10C can be realized.

金属構造体ユニットの2次元的な配列を形成するのに、金属微粒子の自己組織配列などを利用しても良い。例えば、レーザアブレーション法で溶液中の金属材料を粉砕することにより作製した金属微粒子や、化学合成の手法により作製した金属微粒子を、微細加工した基板を用いて自己組織的に配列させることにより、選択的に金属構造体ユニットを形成することも可能である。   In order to form a two-dimensional array of metal structure units, a self-organized array of metal fine particles may be used. For example, metal fine particles produced by pulverizing metal materials in a solution by laser ablation or metal fine particles produced by a chemical synthesis technique are selected by arranging them in a self-organized manner using a microfabricated substrate. It is also possible to form a metal structure unit.

以上のように、上に実施の形態を説明した偏光制御素子は、支持基板10A上に、金属構造体対MSP12と金属構造体MS3からなる金属構造体ユニット10Bを2次元的に配列し、金属構造体ユニット10Bにおける「3個の金属構造体MS1〜MS3相互の空間対称性」を利用することにより偏光制御機能を実現している。また、無機材料である金属中のプラズモン共鳴を利用することにより、極めて高い効率で偏光制御特性を実現でき、且つ、耐熱性、耐光性の高い偏光制御素子が実現できている。   As described above, in the polarization control element described in the above embodiment, the metal structure unit 10B composed of the metal structure pair MSP12 and the metal structure MS3 is two-dimensionally arranged on the support substrate 10A. The polarization control function is realized by utilizing “the spatial symmetry of the three metal structures MS1 to MS3” in the structure unit 10B. In addition, by using plasmon resonance in a metal that is an inorganic material, a polarization control element that can realize polarization control characteristics with extremely high efficiency and that has high heat resistance and light resistance can be realized.

実施の別形態を図12を参照して説明する。なお、繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては図2、図3におけると同一の符号を付する。
図12に示す実施の形態においても、支持体である支持基板10Aに、3個の金属構造体MS1〜MS3からなる金属構造体ユニット10Bを2次元的に配列したものであるが、この実施の形態においては、金属構造体MS3が「金属構造体対MSP12の配向の中心線に対して、図の左方へ距離:sだけずらされ」て金属構造体ユニット10Bを構成している。
Another embodiment will be described with reference to FIG. In addition, in order to avoid complication, the thing which does not seem to have a possibility of confusion is attached | subjected with the same code | symbol as FIG. 2, FIG.
Also in the embodiment shown in FIG. 12, a metal structure unit 10B composed of three metal structures MS1 to MS3 is two-dimensionally arranged on a support substrate 10A that is a support. In the embodiment, the metal structure MS3 is “shifted from the center line of the orientation of the metal structure pair MSP12 to the left in the drawing by a distance: s” to constitute the metal structure unit 10B.

支持基板10、金属構造体MS1〜MS3の形状・大きさ、金属構造体ユニット10Bの2次元的な配列は、先に説明した実施の形態のものと同様で作製方法も同様である。   The support substrate 10, the shapes and sizes of the metal structures MS1 to MS3, and the two-dimensional arrangement of the metal structure units 10B are the same as those of the above-described embodiment, and the manufacturing method is also the same.

図8に即して説明したように、この発明の偏光制御素子は、入射光の偏光状態に依存して金属構造体対12上に生じる電気双極子モーメントの状態を、金属構造体MS3の大きさと位置を調整することにより、金属構造体MS3との間に「選択的な相互作用」を生じさせることにより偏光異方性を発現させている。   As described with reference to FIG. 8, the polarization control element of the present invention indicates the state of the electric dipole moment generated on the metal structure pair 12 depending on the polarization state of the incident light, and the magnitude of the metal structure MS3. By adjusting the position, the polarization anisotropy is expressed by causing a “selective interaction” with the metal structure MS3.

図8に示すように「金属構造物MS1、MS2に生じる電気双極子モーメントが互いに異なる向きを向いている状態」は、金属構造体MS3を「金属構造物対MSP12の配向の中心線に対して左右対称」に対称に配置した構成では、金属構造体対MSP12と金属構造体MS3との近接場を介した相互作用が禁制状態となるが、図12に示すように、金属構造体MS3を「金属構造体対MSP12の配向の中心線に対して、図の左方へ距離:sだけずらして」上記中心線に対して金属構造体ユニット10Bにおける金属構造体MS1〜MS3の配置を非対称とすると上記相互作用が「許容状態」となり、図8に示す「対称な配置」とは異なった偏光異方性を生じる。このときの偏光異方性は、距離:sの大きさに依存して「許容状態」の変化に応じて異なる。   As shown in FIG. 8, “the state in which the electric dipole moments generated in the metal structures MS1 and MS2 are in different directions” indicates that the metal structure MS3 is “with respect to the center line of the orientation of the metal structure pair MSP12”. In the symmetrical arrangement, the interaction between the metal structure pair MSP12 and the metal structure MS3 via the near field is forbidden. However, as shown in FIG. When the arrangement of the metal structures MS1 to MS3 in the metal structure unit 10B is asymmetric with respect to the center line, the distance: s is shifted to the left in the figure with respect to the center line of the orientation of the metal structure pair MSP12. The above interaction becomes an “acceptable state”, and a polarization anisotropy different from the “symmetric arrangement” shown in FIG. 8 occurs. The polarization anisotropy at this time varies depending on the change of the “allowable state” depending on the distance: s.

特に、金属構造体MS1、MS2の「電気双極子の向きが異なる状態」は、これら金属構造体の電気双極子モーメントの和が0となるため「光を遠方へ放射できない状態」であり、特定の偏光成分に対して位相を大きく遅らせることが可能である。   In particular, the “states in which the directions of the electric dipoles of the metal structures MS1 and MS2 are different” are “states in which light cannot be emitted far away” because the sum of the electric dipole moments of these metal structures is zero. It is possible to greatly delay the phase with respect to the polarization component.

このように、図12に実施の形態では、支持基板上に、金属構造体対MSP12と金属構造体MS3からなる金属構造体ユニットを2次元的に配列し、金属構造体ユニットにおいて、2個の同一形状で同一の大きさを有する金属構造体MS1、MS2による金属構造体対MSP12に対して「空間的に非対称な位置」に金属構造体MS3を配置することにより「偏光制御素子により得られる偏光状態の自由度」を高めている。   As described above, in the embodiment shown in FIG. 12, the metal structure unit composed of the metal structure pair MSP12 and the metal structure MS3 is two-dimensionally arranged on the support substrate. By arranging the metal structure MS3 in a “spatial asymmetric position” with respect to the metal structure pair MSP12 of the metal structures MS1 and MS2 having the same shape and the same size, “polarization obtained by the polarization control element” The degree of freedom of state ”is increased.

他の実施の形態を図13、14を参照して説明する。
これらの実施の形態では、偏光制御素子は、支持体の平面状の表面に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を4個以上配して「金属構造体ユニット」とし、この金属構造体ユニットを2次元的に配列した構成により「入射光の偏光状態の制御」を行うようにしている。
支持体や金属構造体の形状、大きさ、金属構造体ユニットの2次元的な配列方法は、上に説明した実施の各形態におけるものと同様であり、作製方法も前記電子ビームリソグラフィ等の手法を利用する。
Another embodiment will be described with reference to FIGS.
In these embodiments, the polarization control element is formed as a “metal structure unit” by arranging four or more metal structures having a size smaller than the wavelength of incident light on the planar surface of the support. “Control of the polarization state of incident light” is performed by a structure in which structure units are two-dimensionally arranged.
The shape and size of the support and the metal structure, and the two-dimensional arrangement method of the metal structure units are the same as those in each of the embodiments described above, and the production method is also a method such as the electron beam lithography. Is used.

図13に示す例では、金属構造体ユニットは4個の金属構造体MS1、MS2、MS3、MS4により構成される。この配置例は、図6に示した「大きさ・形状が同一の金属構造体MS1、MS2による金属構造体対MSP12と、この金属構造体対MSP12の中心線に対して左右対称となるように配置された金属構造体MS3」の配置に対し、第4の金属構造体MS4を付加して配置した例である。   In the example illustrated in FIG. 13, the metal structure unit includes four metal structures MS1, MS2, MS3, and MS4. This arrangement example is shown in FIG. 6 as “a metal structure pair MSP12 formed of metal structures MS1 and MS2 having the same size and shape, and symmetrical with respect to the center line of the metal structure pair MSP12. In this example, the fourth metal structure MS4 is added to the arrangement of the arranged metal structure MS3 ”.

金属構造体MS3、MS4は形状と大きさが互いに同一である。
「金属構造体MS3と金属構造体MS4による金属構造体対」は「金属構造体MS1、MS2による金属構造体対」とは「異なる配向(金属構造体の配列の向き)」を有している。このような金属構造体ユニットの構成においては、配向方向の異なる上記2種の金属構造体対の「近接場光を介した相互作用」により旋光性が生じる。
The metal structures MS3 and MS4 have the same shape and size.
The “metal structure pair by the metal structure MS3 and the metal structure MS4” has “different orientation (direction of arrangement of the metal structures)” from the “metal structure pair by the metal structures MS1 and MS2”. . In such a structure of the metal structure unit, optical rotation occurs due to the “interaction via near-field light” of the two types of metal structure pairs having different orientation directions.

金属構造体ユニットを構成する「4個の金属構造体MS1〜MS4」の配置のパターンは、図13のものに限らず、種々のものが可能である。配置パターンのいくつかの例を挙げると、図14(a)に示す例では、金属構造体MS1、MS2の配向の中心線上に、金属構造体MS3、MS4が「全体として上記中心線に対して図の左右対称となる」ように配置された例であり、(b)に示す配置パターンは、図13の配置パターンにおいて、金属構造体対MS3、MS4の配向を、金属構造体MS1、MS2の配向の中心線に対して距離:sだけ図の右方へずらした配置である。   The arrangement pattern of the “four metal structures MS1 to MS4” constituting the metal structure unit is not limited to that shown in FIG. 13, and various patterns are possible. In some examples of arrangement patterns, in the example shown in FIG. 14A, the metal structures MS3 and MS4 are “on the whole as compared to the centerline” on the centerline of the orientation of the metal structures MS1 and MS2. In the arrangement pattern shown in FIG. 13B, the orientation of the metal structure pair MS3 and MS4 in the arrangement pattern of FIG. 13 is the same as that of the metal structures MS1 and MS2. The arrangement is shifted to the right in the figure by a distance: s with respect to the center line of the orientation.

図14(c)に示す配置パターンは、金属構造体対MS1、MS2の配向の中心線に対して、金属構造体MS3を図の右方へ距離:sだけずらして配置するとともに、金属構造体MS4を、金属構造体MS1、MS2の配向を介して金属構造体MS3と反対側(図の下方)において、上記中心線上に配置したパターンである。   In the arrangement pattern shown in FIG. 14 (c), the metal structure MS3 is arranged by shifting the metal structure MS3 to the right of the figure by a distance: s from the center line of the orientation of the metal structure pair MS1, MS2, and the metal structure This is a pattern in which MS4 is arranged on the center line on the opposite side (downward in the figure) from metal structure MS3 through the orientation of metal structures MS1 and MS2.

図14(d)、(e)は、図13に示した金属構造体MS1〜MS4の配置パターンに対してさらに金属構造体MS5、MS6を付加したパターンである。金属構造体MS5、MS6は、金属構造体MS3、MS4と形状・大きさが同一である。   FIGS. 14D and 14E are patterns obtained by adding metal structures MS5 and MS6 to the arrangement pattern of the metal structures MS1 to MS4 shown in FIG. The metal structures MS5 and MS6 have the same shape and size as the metal structures MS3 and MS4.

図14(d)の配置パターンは、金属構造体MS1、MS2の配向の中心に対して、金属構造体MS3〜MS6が180度の回転の回転対象となる配置パターンである。   The arrangement pattern in FIG. 14D is an arrangement pattern in which the metal structures MS3 to MS6 are rotated by 180 degrees with respect to the orientation centers of the metal structures MS1 and MS2.

図14(e)の配置パターンは、金属構造体MS1、MS2の中心を結ぶ直線に対し、金属構造体MS3、MS4が片側(図の上側)に位置し、金属構造体MS5、MS6が反対側(図の下側)にあるように配置したパターンである。   In the arrangement pattern of FIG. 14E, the metal structures MS3 and MS4 are located on one side (upper side in the figure) with respect to the straight line connecting the centers of the metal structures MS1 and MS2, and the metal structures MS5 and MS6 are on the opposite side. It is a pattern arranged as shown in (the lower side of the figure).

4個以上の金属構造体のこのような種々の配置パターンにより、電気双極子の禁制状態・許容状態、金属構造体対のなす配向の向きの調整により、より高度な偏光状態の制御が可能となる。   With such various arrangement patterns of four or more metal structures, it is possible to control the polarization state at a higher level by adjusting the forbidden / allowable state of the electric dipole and the orientation of the metal structures. Become.

勿論、図13、図14に示した配列パターンの「金属構造物のユニット」の2次元的な配列の場合も、図11に示した例のように、保護膜10Cにより被覆したり、あるいは、支持膜10Dの上に形成して保護膜10Cで被覆したりできることは言うまでも無い。   Of course, in the case of the two-dimensional arrangement of the “metal structure units” in the arrangement pattern shown in FIGS. 13 and 14, as shown in the example shown in FIG. Needless to say, it can be formed on the support film 10D and covered with the protective film 10C.

図15を参照して実施の他の形態を説明する。
図15に示す実施の形態は、金属構造体のユニットを、支持体の平面状の表面上に、3次元的に配列した形態の例である。説明の具体性のために、金属構造体のユニットとしては、図3に即して説明した3個の金属構造体MS1〜MS3の配置によるユニットの場合を示す。
Another embodiment will be described with reference to FIG.
The embodiment shown in FIG. 15 is an example of a form in which the units of the metal structure are three-dimensionally arranged on the planar surface of the support. For the sake of concreteness of description, as the unit of the metal structure, a case where the unit is an arrangement of the three metal structures MS1 to MS3 described with reference to FIG. 3 is shown.

図15(a)、(c)は、支持体である支持基板10の平面状の表面に、上記金属構造体ユニットの2次元配列を3層に積層した例である。即ち、支持基10Aの表面に、金属構造体のユニットの2次元的な配列が形成されて第1層をなす。この第1層を保護する保護膜10C1が形成され、保護膜10C1上に金属構造体のユニットの2次元的な配列が形成されて第2層をなす。第2層を保護する保護膜10C2が形成され、保護膜10C2の上に金属構造体のユニットの2次元的な配列が形成されて第3層をなし、この第3層を保護する保護膜10C3が形成されている。
る。
Figure 15 (a), (c) is a support in which the support substrate 10 A plane on the surface of an example of stacked in three layers of two-dimensional array of the metal structure unit. That is, the surface of the support base plate 10A, forming the first layer is formed two-dimensional array of units of the metal structure. A protective film 10C1 for protecting the first layer is formed, and a two-dimensional array of units of metal structures is formed on the protective film 10C1 to form a second layer. A protective film 10C2 that protects the second layer is formed, and a two-dimensional array of metal structure units is formed on the protective film 10C2 to form a third layer. The protective film 10C3 that protects the third layer Is formed.
The

図15(a)に示す例では、第1層〜第3層における「金属構造体のユニットの2次元的な配列」は全く同一であり、且つ、第3層の側から見て図15(b)に示すように、各層の「金属構造体のユニットの2次元的な配列」が互いに完全に重なり合っている。   In the example shown in FIG. 15A, the “two-dimensional arrangement of the units of the metal structure” in the first to third layers is exactly the same, and when viewed from the third layer side, FIG. As shown in b), the “two-dimensional arrangement of the units of the metal structure” of each layer completely overlap each other.

図15(c)に示す例では、第1層〜第3層における「金属構造体のユニットの2次元的な配列」は全く同一であるが、第3層の側から見て図15(d)に示すように、第1層と第3層の「金属構造体のユニットの2次元的な配列」が互いに完全に重なり合い、第2層の「金属構造体のユニットの2次元的な配列」は第1、第3層の配列に対してずれている。   In the example shown in FIG. 15C, the “two-dimensional arrangement of the units of the metal structure” in the first to third layers is exactly the same, but when viewed from the third layer side, FIG. ), The first layer and the third layer “two-dimensional array of metal structure units” completely overlap each other, and the second layer “two-dimensional array of metal structure units”. Is deviated from the arrangement of the first and third layers.

偏光制御の基本的な原理は、上に説明した実施の各形態における説明と同様である。   The basic principle of polarization control is the same as that described in each embodiment described above.

図15に示すように、金属構造体ユニットの3次元的な配列を作製するには、前述の電子ビームリソグラフィ等の手法を利用して2次元面内に「金属構造体のユニットの2次元的な配列」と保護層を形成するプロセスを繰り返し行えばよい。   As shown in FIG. 15, in order to produce a three-dimensional array of metal structure units, the above-described technique such as electron beam lithography is used to create a “two-dimensional metal structure unit in a two-dimensional plane. And the process of forming the protective layer may be repeated.

金属構造体のユニットの2次元的な配列の積層数は3層に限らず、所望の偏光制御機能に応じて調整することができる。また、隣接する層の間隔は、金属構造体のユニット間において近接場光を介した相互作用が働かない程度に離す必要がある。金属構造体のユニットの2次元的な配列の層の高さは、特に規定する必要はないが、作製上の制約から30nm以上であることが好ましく、従って、1層の高さは60nm以上であればよい。   The number of two-dimensional arrangements of the metal structure units is not limited to three, but can be adjusted according to a desired polarization control function. Further, the interval between adjacent layers needs to be separated to such an extent that interaction via near-field light does not work between the units of the metal structure. The height of the layer of the two-dimensional arrangement of the metal structure units need not be specified, but is preferably 30 nm or more because of manufacturing restrictions. Therefore, the height of one layer is 60 nm or more. I just need it.

図15(b)、(d)のように、金属構造体のユニットを含む層は、金属構造体ユニットの位置が重なる配置(図15(b))でもよいし、層間の金属構造体ユニットの位置がずれる配置(図15(d))でも良い。しかし、層ごとの金属構造体ユニットの位置のずれによる回折効果は無視できないので、図15(b)のように金属構造体ユニットの位置が完全に一致する積層か、図15(d)のように「半周期だけずれる積層」であることが好ましい。   As shown in FIGS. 15B and 15D, the layer including the metal structure unit may be arranged so that the positions of the metal structure units overlap (FIG. 15B), or the layers of the metal structure units between the layers. The arrangement (FIG. 15 (d)) where the position is shifted may be used. However, since the diffraction effect due to the displacement of the position of the metal structure unit for each layer cannot be ignored, it is a stack where the positions of the metal structure units are completely coincided as shown in FIG. 15B, or as shown in FIG. It is preferable that the “lamination is shifted by a half cycle”.

このように、金属構造体のユニットを3次元的に配置することにより、入射光と金属構造体との相互作用の頻度を高めることができ、偏光制御効率を高めることができる。
また、各層において「偏光制御特性の異なる金属構造体ユニットの配列」を形成することにより、偏光制御機能の複合化が可能である。例えば、1/2波長板機能を有する金属構造体ユニットの配列と、直交する2つの偏光成分の一方を分離して透過する偏光選択機能を有する金属構造体ユニットの配列とを組合せることにより、偏光変換機能を実現できる。
Thus, by arranging the units of the metal structure three-dimensionally, the frequency of interaction between the incident light and the metal structure can be increased, and the polarization control efficiency can be increased.
Further, by forming “an arrangement of metal structure units having different polarization control characteristics” in each layer, the polarization control function can be combined. For example, by combining the arrangement of metal structure units having a half-wave plate function and the arrangement of metal structure units having a polarization selection function of separating and transmitting one of two orthogonal polarization components, A polarization conversion function can be realized.

偏光制御素子の光学作用を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the optical effect | action of a polarization control element. 偏光制御素子の実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of a polarization control element. 金属構造体ユニットの1例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of a metal structure unit. 金属構造体の2次元的な形状の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the two-dimensional shape of a metal structure. 数値シミュレーションのモデルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the model of numerical simulation. 数値シミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of a numerical simulation. 偏光状態の制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating control of a polarization state. 偏光状態の制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating control of a polarization state. 金属構造体ユニットの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of a metal structure unit. 金属構造体ユニットの配列の代表的なパターンを示す図である。It is a figure which shows the typical pattern of the arrangement | sequence of a metal structure unit. 偏光制御素子の実施の別の形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another form of implementation of a polarization control element. 偏光制御素子の実施の別の形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating another form of implementation of a polarization control element. 金属構造体ユニットの別の例を説明する図である。It is a figure explaining another example of a metal structure unit. 金属構造体ユニットの他の例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of a metal structure unit. 偏光制御素子の実施の他の形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other form of implementation of a polarization control element.

符号の説明Explanation of symbols

10 偏光制御素子
10A 支持基板(支持体)
10B 金属構造体ユニット
10 Polarization Control Element 10A Support Substrate (Support)
10B Metal structure unit

Claims (6)

支持体の平面状の表面に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を、該金属構造体の大きさより小さい距離で近接させて少なくとも3個配置し、これらのうち2個の金属構造体を同一形状且つ同一大きさとし、それ以外の1個の金属構造体の大きさを前記2個の金属構造体のそれぞれの大きさと異ならせ、これら少なくとも3個の金属構造体の配置を1ユニットとし、該ユニットを上記表面に2次元的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。 At least three metal structures having a size smaller than the wavelength of incident light are arranged close to each other at a distance smaller than the size of the metal structure on the planar surface of the support, and two of these metal structures are arranged. The body has the same shape and the same size, and the size of one other metal structure is different from the size of each of the two metal structures, and the arrangement of these at least three metal structures is one unit. A polarization control element characterized in that the units are two-dimensionally arranged on the surface. 請求項1記載の偏光制御素子において、
前記3個の金属構造体に、大きさが入射光の波長より小さい別の金属構造体を、該金属構造体の大きさより小さい距離で近接させてN(≧1)個配し、これら3+N個の金属構造体を1ユニットとし、該ユニットを2次元的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to claim 1,
Wherein the three metal structure, a wavelength smaller than another of the metallic structure of the size incident light, in close proximity at a small distance than the size of the metal structure N (≧ 1) pieces placed, these 3 + N pieces A polarization control element characterized in that the metal structure is a unit and the units are two-dimensionally arranged.
請求項1または2に記載の金属構造体のユニットを、前記支持体の平面状の表面上に、3次元的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。 A polarization control element, wherein the units of the metal structure according to claim 1 or 2 are three-dimensionally arranged on a planar surface of the support. 請求項1〜3の任意の1に記載の偏光制御素子において、
前記金属構造体を構成する金属材料が、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、銅(Cu)の何れか、もしくは、これらの組み合わせ、または、これらを主成分とする合金材料・混合材料であることを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to any one of claims 1 to 3,
The metal material constituting the metal structure is any one of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), copper (Cu), or A polarization control element characterized by being a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component.
請求項1〜4の任意の1に記載の偏光制御素子において、
前記金属構造体のユニットの2次元的な配列が、ライン配列、正方格子配列、直方格子配列、六方格子配列、ランダム配列の何れかであることを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to any one of claims 1 to 4,
The polarization control element, wherein the two-dimensional arrangement of the metal structure units is any one of a line arrangement, a square lattice arrangement, a rectangular lattice arrangement, a hexagonal lattice arrangement, and a random arrangement.
前記1個の構造体が、前記2個の金属構造体の配向の中心線に対して左右対称の位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。  2. The polarization control element according to claim 1, wherein the one structure is disposed at a position symmetrical to a center line of the orientation of the two metal structures.
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