JP5217666B2 - Wavelength selective filter and optical instrument - Google Patents

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Description

この発明は、波長選択フィルタおよび光学機器に関する。   The present invention relates to a wavelength selection filter and an optical apparatus.

光速は3×1010cm/秒、即ち3×1014μm/秒であり、テラは1012である。従ってテラヘルツの波長オーダは「102μm」前後である。
近来、テラヘルツ帯域、特に「0.3〜3テラヘルツ」の電磁波(以下、電磁波と言わずに「光」と呼ぶ。)が、バイオ・医療・セキュリティ分野などにおける新たなイメージング光源として注目され、「テラヘルツ帯域の光」の発生・検出技術の進歩と相俟って応用分野への研究が進みつつある。
The speed of light is 3 × 10 10 cm / sec, ie 3 × 10 14 μm / sec, and the tera is 10 12 . Therefore, the wavelength order of terahertz is around “10 2 μm”.
Recently, electromagnetic waves in the terahertz band, particularly “0.3 to 3 terahertz” (hereinafter referred to as “light” instead of electromagnetic waves) have attracted attention as a new imaging light source in the fields of biotechnology, medical care, security, and the like. Combined with advances in the generation and detection technology of “terahertz-band light”, research into application fields is progressing.

テラヘルツ帯域の光に対しては、通常の可視光に対する各種光学素子をそのまま用いることが困難な場合が多く、波長選択フィルタ等は、テラヘルツ帯域に適合するものを実現する必要がある。   For light in the terahertz band, it is often difficult to use various optical elements for normal visible light as they are, and it is necessary to realize a wavelength selection filter or the like that is compatible with the terahertz band.

波長選択フィルタとして、極めて狭い波長領域の光を選択的にフィルタリングする「狭波長帯域用の波長選択フィルタ」の実現に対する要請も多い。
テラヘルツ波長帯域の光に対して波長選択性を持つ波長選択フィルタとしては、特許文献1に記載のものが知られているが、そのフィルタリング特性は「かなり広い波長帯域」である。
There are many requests for realizing a “wavelength selective filter for a narrow wavelength band” that selectively filters light in a very narrow wavelength region as a wavelength selective filter.
As a wavelength selection filter having wavelength selectivity with respect to light in the terahertz wavelength band, the filter described in Patent Document 1 is known, and its filtering characteristic is “a considerably wide wavelength band”.

一方、可視波長帯域の光に対して狭波長帯域のバンドパス特性を持つ波長選択フィルタとしては、特許文献2〜4に記載のものが知られている。特に、特許文献3、4に記載のものは、この発明の波長選択フィルタと同様に、周期構造内での共鳴反射を利用するものであり、可視光の領域では「数nm以下の極めて狭い波長域の光」だけを反射する狭帯域バンドパス特性を持っている。   On the other hand, as wavelength selection filters having a bandpass characteristic in a narrow wavelength band with respect to light in the visible wavelength band, those described in Patent Documents 2 to 4 are known. In particular, those described in Patent Documents 3 and 4 use resonance reflection in the periodic structure, similarly to the wavelength selective filter of the present invention. In the visible light region, “very narrow wavelength of several nm or less” It has a narrow-band bandpass characteristic that reflects only the “band light”.

特許第3904029号公報Japanese Patent No. 3904029 特開2005−275089号公報JP 2005-275089 A 特開2007−156254号公報JP 2007-156254 A 特開2008−008990号公報JP 2008-008990 A

上記の如く、従来知られた狭波長帯域用の波長選択フィルタは「可視波長領域」のものであり、テラヘルツ波長帯域用のものは「狭波長帯域用の波長選択フィルタ」としては必ずしも十分でない。   As described above, the conventionally known wavelength selection filter for the narrow wavelength band is in the “visible wavelength range”, and the one for the terahertz wavelength band is not necessarily sufficient as the “wavelength selection filter for the narrow wavelength band”.

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、テラヘルツ帯域の光に対して良好な「狭波長帯域の波長」を選択でき、テラヘルツ帯域の光に対し「選択される波長を変化させる」ことができる波長選択フィルタの実現を課題とする。
さらに、この発明は上記波長選択フィルタを用いる光学機器の実現を課題とする。
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can select a good “narrow wavelength band wavelength” for terahertz band light, and “change the selected wavelength for terahertz band light. An object of the present invention is to realize a wavelength selective filter that can be made to perform.
Furthermore, this invention makes it a subject to implement | achieve the optical instrument which uses the said wavelength selection filter.

この発明の波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を、共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」である。
この明細書において「テラヘルツ波長帯域は、0.3THz〜3.0THz帯域、波長にして100μm〜1000μmの範囲」を指す。
The wavelength selective filter of the present invention is a “wavelength selective filter that selectively reflects light in a desired narrow wavelength band out of incident light beams in a terahertz wavelength band in a linearly polarized state by resonant reflection”.
In this specification, “the terahertz wavelength band refers to a 0.3 THz to 3.0 THz band and a wavelength range of 100 μm to 1000 μm”.

上記の如く、この発明の波長選択フィルタは、入射光束の有するテラヘルツ波長帯域の光のうちから、所望の「狭波長帯域の光を選択して反射させる」ことができる。   As described above, the wavelength selection filter of the present invention can select desired “narrow wavelength band light for reflection” from light in the terahertz wavelength band of the incident light flux.

請求項1記載の波長選択フィルタは、第1および第2の平板素子と、間隔可変手段とを有する。
「第1の平板素子」は、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明且な平行平板状である。
The wavelength selection filter according to claim 1 includes first and second flat plate elements and a spacing variable means.
The “first flat plate element” has a parallel flat plate shape that is transparent to light in the terahertz wavelength band.

「第2の平板素子」は、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状であり、第1の平板素子と平行に対向して配置される。   The “second flat plate element” is a parallel flat plate shape that is transparent to light in the terahertz wavelength band, and is disposed in parallel with the first flat plate element.

「間隔可変手段」は、第1、第2の平板素子の微小間隔を変化させる手段である。即ち、間隔可変手段は、互いに平行に対向して配置される第1、第2の平板素子の間隔を「0(密着状態)から有限の微小間隔」まで、これらの素子の平行状態を保って変化させる。   “Distance changing means” is means for changing the minute interval between the first and second flat plate elements. That is, the distance varying means maintains the parallel state of these elements from “0 (close contact state) to a finite minute distance” between the first and second flat plate elements arranged opposite to each other in parallel. Change.

互いに平行に配置された第1および第2の平板素子は、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置される。   The first and second flat plate elements arranged in parallel to each other are arranged so as to be inclined by a predetermined angle with respect to the incident light beam.

入射光束に対する「傾け角」は、波長選択フィルタの光学素子としての使用の実際的な形態に応じて適宜に設定できる。   The “tilt angle” with respect to the incident light beam can be appropriately set according to the practical form of use of the wavelength selection filter as an optical element.

第1、第2の平板素子のうち、少なくとも第1の平板素子の片面に「多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造」を有する。
第1および第2の平板素子を「入射光束に対して所定の角だけ傾け」るのは、これら平板素子の面の法線(微細溝構造を無視して平面と考えた場合の法線)と、微細溝構造における溝配列方向とに平行な面内で行なわれる。
Of the first and second flat plate elements, at least one surface of the first flat plate element has “a fine groove structure in which a large number of grooves are formed at a predetermined pitch”.
The reason why the first and second flat plate elements are “inclined by a predetermined angle with respect to the incident light beam” is the normal line of the plane of these flat plate elements (normal line when the fine groove structure is considered to be a flat surface) And in a plane parallel to the groove arrangement direction in the fine groove structure.

入射光束は「第1の平板素子の側」から入射される。
そして「間隔可変手段により第1、第2の平板素子の微小間隔を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択」する。ここに「共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長」は、反射光のピーク波長を言う。
The incident light beam is incident from the “first flat plate element side”.
Then, “the wavelength of the reflected light in the narrow wavelength band to be resonantly reflected is selected by changing the minute interval between the first and second flat plate elements by the interval variable means”. Here, “the wavelength of reflected light in a narrow wavelength band that is resonantly reflected” refers to the peak wavelength of the reflected light.

「狭波長帯域」は、反射光のピーク波長強度の1/2の強度を持つ反射波長帯幅(以下「半値幅」とも言う。)が数μm以下であることを言う。   “Narrow wavelength band” means that the reflection wavelength band width (hereinafter also referred to as “half-value width”) having an intensity that is ½ of the peak wavelength intensity of reflected light is several μm or less.

上記の如く、請求項1記載の波長選択フィルタは、第1、第2の平板素子のうち「少なくとも第1の平板素子」の片面に微細溝構造を有するが、微細溝構造を「第1の平板素子の、入射光束が入射する側の面のみ」に形成し、第2の平板素子は「両面を平坦な面」とすることができる(請求項2)。   As described above, the wavelength selective filter according to claim 1 has a fine groove structure on one side of “at least the first flat plate element” of the first and second flat plate elements. The flat plate element may be formed only on the surface on the side where the incident light beam is incident, and the second flat plate element may be “a flat surface on both sides”.

また、請求項1記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタにおいて「第1および第2の平板素子の、互いに対向する面のみ(即ち、微小間隔を形成する各面のみ)に、微細溝構造を同一方向に形成する」こともできる(請求項3)。
「微細溝構造を同一方向に形成する」とは、これらの面に形成される微細溝構造の溝の長手方向が互いに平行であることを意味する。
Further, in the wavelength selective filter for the terahertz wavelength band according to claim 1, “a fine groove structure is formed only on the surfaces of the first and second flat plate elements facing each other (that is, only each surface forming a minute interval). It can also be formed in the same direction ”(Claim 3).
“Forming the fine groove structure in the same direction” means that the longitudinal directions of the fine groove structure formed on these surfaces are parallel to each other.

上記の如く、請求項1、2に記載の波長選択フィルタでは第1の平板素子に、請求項1、3に記載の波長選択フィルタには第1および第2の平板素子に「微細溝構造」が形成されるが、平板素子における「微細溝構造部分と、微細溝構造が形成される部分(微細溝構造を保持する部分)」とは別の材料であることも「同一の材料である」こともできる。   As described above, the wavelength selective filter according to claims 1 and 2 has a “fine groove structure” for the first flat plate element, and the wavelength selective filter according to claims 1 and 3 has a “fine groove structure” for the first and second flat plate elements. However, the “fine groove structure portion and the portion where the fine groove structure is formed (portion holding the fine groove structure)” in the flat plate element may be a different material. You can also.

平板素子の作製の面からすると、微細溝構造部分と「微細溝構造が形成される部分」とを同一材料とすることが好ましい。
微細溝構造部分と「微細溝構造が形成される部分」とが異なる材料で形成される場合も同一材料である場合も含めて、第1、第2の平板素子は同一材料であることができる。
From the viewpoint of manufacturing the flat plate element, it is preferable that the fine groove structure part and the “part where the fine groove structure is formed” are made of the same material.
The first and second flat plate elements can be made of the same material, including the case where the fine groove structure part and the “part where the fine groove structure is formed” are made of different materials and the same material. .

請求項2記載の場合で言えば、第1の平板素子の「微細溝構造を形成される部分」と第2の平板素子の材料が同一で、微細溝構造部分が異なる材料であっても良いし、第1の平板素子の微細溝構造部分と「微細溝構造部を形成される部分」と第2の平板素子とが互いに異なる材料で構成されてもよく、あるいは第1の平板素子における「微細溝構造を形成される部分」に対して、微細溝構造部分と第2の平板素子とが同一材料であってもよい。   In the case of claim 2, the material of the second flat plate element may be the same as that of the “part where the fine groove structure is formed” of the first flat plate element, but the fine groove structure portion may be different. In addition, the fine groove structure portion of the first flat plate element, “the portion where the fine groove structure portion is formed”, and the second flat plate element may be made of different materials, or “ For the portion where the fine groove structure is formed, the fine groove structure portion and the second flat plate element may be made of the same material.

請求項3記載のように、第1、第2の平板素子が何れも微細溝構造を有する場合には、各平板素子における微細溝構造部分と「微細溝構造が形成される部分」とは、最大4種の材料の組合せで実現できる。   As described in claim 3, when both the first and second flat plate elements have a fine groove structure, the fine groove structure portion in each flat plate element and the “part where the fine groove structure is formed” It can be realized with a combination of up to four materials.

しかしながら、第1、第2の平板素子の作製の容易さの面からすると、これらを同一材料で形成することが好ましい。   However, from the viewpoint of ease of manufacturing the first and second flat plate elements, it is preferable to form them with the same material.

平板素子の厚さは「平板素子が微細溝構造を有する場合には、微細溝構造を含む厚さ」即ち、微細溝構造部分の厚さと「微細溝構造を形成される部分」の厚さの和である。   The thickness of the flat plate element is “the thickness including the fine groove structure when the flat plate element has a fine groove structure”, that is, the thickness of the fine groove structure portion and the thickness of the “part where the fine groove structure is formed”. It is sum.

第1の平板素子と第2の平板素子の厚さは、互いに同一であっても良いし異なっていても良い。   The thicknesses of the first flat plate element and the second flat plate element may be the same or different from each other.

なお、上記の「第1、第2の平板素子の間隔変化により、共鳴反射光のピーク波長が変化する現象」は、発明者らが研究を通じて新たに得た知見である。   The above-mentioned “phenomenon in which the peak wavelength of the resonant reflected light changes due to the change in the distance between the first and second flat plate elements” is a new knowledge obtained by the inventors through research.

請求項4記載の「テラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ」は、平板素子と、回転傾斜駆動手段とを有する。   The “wavelength selection filter for the terahertz wavelength band” according to claim 4 includes a flat plate element and a rotation tilt driving means.

「平板素子」は、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、入射光束が入射する側の面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有する。
「回転傾斜駆動手段」は、この平板素子を、微細溝構造の溝に平行な軸の回りに回転傾斜させる手段である。即ち、回転傾斜駆動手段により、平板素子は回転して入射光束に対して傾斜する。
The “flat plate element” is a parallel flat plate shape transparent to light in the terahertz wavelength band, and has a fine groove structure in which a large number of grooves are formed at a predetermined pitch on a surface on which an incident light beam is incident.
“Rotating and tilting driving means” is means for rotating and tilting the flat plate element about an axis parallel to the grooves of the fine groove structure. In other words, the plate element is rotated and tilted with respect to the incident light beam by the rotation tilt driving means.

「回転傾斜駆動手段による平板素子の回転傾斜により、入射光束の微細溝構造への入射角を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択」する。   “Selecting the wavelength of reflected light in a narrow wavelength band to be resonantly reflected by changing the incident angle of the incident light beam into the fine groove structure by the rotational inclination of the flat plate element by the rotational inclination driving means”.

即ち、請求項1〜4の任意の1に記載の波長選択フィルタは「反射させる狭波長帯域の光(テラヘルツ領域の光)の波長を変化させる」ことができる。   In other words, the wavelength selective filter according to any one of claims 1 to 4 can “change the wavelength of light in a narrow wavelength band to be reflected (light in a terahertz region)”.

この発明の光学素子は、上記請求項1〜4の任意の1に記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタを有する光学機器である(請求項5)。   An optical element of the present invention is an optical apparatus having the wavelength selection filter for a terahertz wavelength band according to any one of the first to fourth aspects (Claim 5).

上記の如く、この発明は、微細溝構造を形勢された平板素子による共鳴反射を利用するものであるので、以下に、微細溝構造を有する平板素子による共鳴反射と、その特性について簡単に説明する。   As described above, the present invention uses the resonance reflection by the flat plate element formed with the fine groove structure, and therefore, the resonance reflection by the flat plate element having the fine groove structure and its characteristics will be briefly described below. .

図1は「微細溝構造を形成された平板素子」を説明図的に示している。
平板素子は、平行平板状であって全体が「同一材料による均質な構造」をもち、符号GDで示す部分と、符号FSで示す部分とを有している。
符号GDで示す部分は「導波層」であり、図の如く厚さ:t2を有する。
符号FSで示す部分は「微細溝構造」をなす部分で、図の如く「グレーティング層」と呼ばれる。グレーティング層FSは図に示すように厚さ:t1を有する。
導波層GDは上の説明で「微細溝構造を形成される部分」に相当する。
FIG. 1 schematically illustrates a “flat plate element having a fine groove structure”.
The flat plate element has a parallel plate shape, and has a “homogeneous structure of the same material” as a whole, and has a portion indicated by reference numeral GD and a portion indicated by reference numeral FS.
A portion indicated by reference numeral GD is a “waveguide layer” and has a thickness t2 as shown in the figure.
The portion indicated by the symbol FS is a portion forming a “fine groove structure” and is called a “grating layer” as shown in the figure. The grating layer FS has a thickness: t1, as shown in the figure.
The waveguide layer GD corresponds to “a portion where a fine groove structure is formed” in the above description.

図1の平板素子においては「導波層GDの厚さ:t2と、グレーティング層FSの厚さ:t1との和:(t1+t2)」が平板素子の厚さである。   In the flat plate element of FIG. 1, “thickness of waveguide layer GD: t2 and grating layer FS thickness: t1: (t1 + t2)” is the thickness of the flat plate element.

グレーティング層FSは、図示の断面形状(矩形波状の断面形状)が、図面に直交する方向へ均一に連続し、溝を図の左右方向へ一定ピッチで形成した「微細溝構造」である。   The grating layer FS has a “fine groove structure” in which the illustrated cross-sectional shape (rectangular wave-shaped cross-sectional shape) is uniformly continuous in a direction orthogonal to the drawing, and grooves are formed at a constant pitch in the horizontal direction of the drawing.

この微細溝構造に関連して、微細溝の配列ピッチを「P」とし、凸部の幅(ランド幅という。)を「L」とする。
このとき、LとPとの比:L/Pは「フィリングファクタ(FFと略記する。)と呼ばれ、後述する「反射率の計算」にパラメータとして用いられる。
In relation to this fine groove structure, the arrangement pitch of the fine grooves is “P”, and the width of the convex portion (referred to as land width) is “L”.
At this time, the ratio of L to P: L / P is called “filling factor (abbreviated as FF)” and is used as a parameter for “calculation of reflectance” described later.

図1に示す平板素子に対して、直線偏光状態の光を入射させたときの共鳴反射の特性は偏光方向により異なる。
ここでは偏光方向の代表的な2例として、図の左右方向即ち、微細溝構造における「溝のピッチの方向」の偏光をTM偏光、図面に直交する方向の偏光をTE偏光と称する。このとき共鳴反射される反射波長は入射光の偏光方向によって異なる。
The characteristic of resonant reflection when light in a linearly polarized state is incident on the flat element shown in FIG. 1 differs depending on the polarization direction.
Here, as two typical examples of the polarization direction, polarized light in the horizontal direction of the drawing, that is, the “groove pitch direction” in the fine groove structure is referred to as TM polarized light, and polarized light in a direction orthogonal to the drawing is referred to as TE polarized light. At this time, the reflected wavelength that is resonantly reflected differs depending on the polarization direction of the incident light.

一般的に言って、TM偏光の光の方がTE偏光方向の光に比べて共鳴反射される光の半値幅が狭い。以下では、TE偏光の光を図1の如く、図の上方から入射させる場合について説明する。   Generally speaking, TM-polarized light has a narrower half-value width of light that is resonantly reflected than light in the TE-polarized direction. Hereinafter, a case where TE-polarized light is incident from above as shown in FIG. 1 will be described.

図1の平板素子に、グレーティング層FSの側から入射したTE偏光の光は、グレーティング層FSの周期性により回折される。
回折された回折波が「導波層GD内を伝搬する導波条件」を満たすとき、回折波はグレーティング層FSと再結合し、入射光に対して「鏡面反射の方向」に回折波(反射波)を生じる。
The TE-polarized light incident on the flat plate element of FIG. 1 from the grating layer FS side is diffracted by the periodicity of the grating layer FS.
When the diffracted diffracted wave satisfies the “guided condition for propagating in the waveguide layer GD”, the diffracted wave recombines with the grating layer FS, and the diffracted wave (reflected in the “specular direction”) with respect to the incident light. Wave).

一方「導波条件を満足しない回折波」は導波層GDを導波できず、平板素子を厚み方向に透過する。「導波条件を満足する回折波による反射波」は、反射効率:略100%となる。
即ち、図1の平板素子は「導波条件を満足する波長の光を選択的に高効率で反射させる波長選択フィルタ」として機能する。
このとき「高効率で反射される光の波長」は、平板素子の材質や形態により平板素子ごとに定まる。
On the other hand, “a diffracted wave that does not satisfy the waveguiding condition” cannot be guided through the waveguiding layer GD, and passes through the flat plate element in the thickness direction. The “reflected wave by the diffracted wave that satisfies the waveguide condition” has a reflection efficiency of about 100%.
That is, the flat plate element of FIG. 1 functions as a “wavelength selection filter that selectively reflects light having a wavelength satisfying the waveguide condition with high efficiency”.
At this time, the “wavelength of light reflected with high efficiency” is determined for each flat plate element depending on the material and form of the flat plate element.

図1に示した平板素子による反射光の波長や半値幅(反射光のピーク波長強度の1/2の強度を持つ反射波長帯幅)は、グレーティング層FSと導波層GDの「構造パラメータ(上記ピッチ:P、ランド幅:L、厚さ:t1、t2、屈折率)」の調節によりコントロール可能である。   The wavelength and half-value width of reflected light by the flat plate element shown in FIG. 1 (reflected wavelength band having an intensity half the peak wavelength intensity of the reflected light) are determined by the “structural parameters of grating layer FS and waveguide layer GD (structural parameter ( The pitch can be controlled by adjusting “Pitch: P, Land width: L, Thickness: t1, t2, Refractive index)”.

以下、これらパラメータのうち、ピッチ:P、ランド幅:L、厚さ:t1を個別に変化させたときの反射光の変化について、シミュレーションにより具体的に説明する。
テラヘルツ帯での屈折率1.52、厚さ:20μmの「Zeonorフィルム(商品名:日本ゼオン社製樹脂フィルム)」の片面に、図1に示す如く「断面矩形波状の微細溝構造」を形成して平板素子とした。
Hereinafter, among these parameters, changes in reflected light when pitch: P, land width: L, and thickness: t1 are individually changed will be specifically described by simulation.
As shown in FIG. 1, a “fine groove structure with a rectangular cross section in cross section” is formed on one side of a “Zeonor film (trade name: resin film manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.)” having a refractive index of 1.52 in the terahertz band and a thickness of 20 μm. Thus, a flat element was obtained.

上記パラメータは以下の通りである。   The parameters are as follows.

ピッチ:P=180μm
フィリングファクタ:FF=0.5
グレーティング層FSの厚さ:t1=10μm
導波層GD厚:t2=10μm 。
Pitch: P = 180 μm
Filling factor: FF = 0.5
Grating layer FS thickness: t1 = 10 μm
Waveguide layer GD thickness: t2 = 10 μm.

入射光束はテラヘルツ帯域の光を「平行光束」とした。この平行光束を、図1の如くグレーティング層FSの側からTE偏光状態で直交入射させる条件とした。上記パラメータは「波長:188μmで共鳴反射する」ように設計したものである。   As the incident light beam, light in the terahertz band was defined as a “parallel light beam”. As shown in FIG. 1, the parallel light beam was subjected to orthogonal incidence in the TE polarization state from the grating layer FS side. The above parameters are designed to “resonate and reflect at a wavelength of 188 μm”.

シミュレーションの計算は、周知の計算アルゴリズム「RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)」を用いて上記の条件で行なった。この計算アルゴリズムは、回折格子についての「電磁気的な厳密計算手法」であり、回折効率を正確に求めるための方法として従来から用いられている。   The simulation calculation was performed under the above conditions using a well-known calculation algorithm “RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis)”. This calculation algorithm is an “electromagnetic exact calculation method” for a diffraction grating, and has been conventionally used as a method for accurately obtaining diffraction efficiency.

図2は、計算結果として得られた「分光反射率特性」である。横軸は波長をμm単位で表し、縦軸は反射率を表している。
図2から明らかなように、反射光は波長:188μmで反射率のピーク値:略1を持ち、半値幅は約1μmである。即ち、半値幅はピーク波長(反射率のピークを与える波長):188μmに対してその0.5%程度と極めて狭く、ピーク波長近傍以外の波長に対する反射率は0.1以下と小さい。
この結果から、平板素子が「狭帯域の波長選択フィルタ」として機能し、非共鳴反射光の反射率が低いことが分かる。
FIG. 2 is a “spectral reflectance characteristic” obtained as a calculation result. The horizontal axis represents wavelength in μm, and the vertical axis represents reflectance.
As apparent from FIG. 2, the reflected light has a wavelength of 188 μm, a reflectance peak value of about 1, and a half-value width of about 1 μm. That is, the full width at half maximum is as narrow as about 0.5% of the peak wavelength (wavelength giving the peak of reflectance): 188 μm, and the reflectance for wavelengths other than the vicinity of the peak wavelength is as small as 0.1 or less.
From this result, it is understood that the flat plate element functions as a “narrow band wavelength selection filter” and the reflectance of non-resonant reflected light is low.

反射光のピーク波長は、グレーティング層のピッチ:Pに依存する。
図3は、グレーティング層FSのピッチ:Pを、180μm(これは上に説明した場合である。)、200μm、220μmとした場合の分光反射特性を示している。この図に示すように、ピッチ:Pが異なると「反射光のピーク波長」が異なる。
The peak wavelength of the reflected light depends on the pitch P of the grating layer.
FIG. 3 shows spectral reflection characteristics when the pitch P of the grating layer FS is 180 μm (this is the case described above), 200 μm, and 220 μm. As shown in this figure, when the pitch P is different, the “peak wavelength of reflected light” is different.

図4は図3に示した「反射光のピーク波長」の、ピッチ:Pに対する依存性を示すグラフである。この図から明らかなように、ピッチ:Pの増大により反射光のピーク波長を長波長側へシフトさせることができる。   FIG. 4 is a graph showing the dependency of the “peak wavelength of reflected light” shown in FIG. As is apparent from this figure, the peak wavelength of the reflected light can be shifted to the longer wavelength side by increasing the pitch: P.

パラメータとしてのグレーティング層FSの厚さ:t1は、共鳴反射の反射光のピーク波長と半値幅に影響する。
グレーティング層FSの厚さ:t1を、10μm(これは上に説明した場合である。)、20μm、30μmとしたときの分光反射特性を図5に示す。図5は、グレーティング層の厚さ:t1の変化により反射光のピーク波長と半値幅が変化する様子を示している。
The thickness t1 of the grating layer FS as a parameter affects the peak wavelength and the half-value width of the reflected light of resonance reflection.
FIG. 5 shows the spectral reflection characteristics when the thickness of the grating layer FS: t1 is 10 μm (this is the case described above), 20 μm, and 30 μm. FIG. 5 shows how the peak wavelength and the half-value width of the reflected light change as the thickness of the grating layer: t1 changes.

図6は図5の場合の「半値幅のグレーティング層の厚さ:t1に対する依存性」を示すグラフであり、厚さ:t1(横軸)が大きくなるに従い、半値幅(縦軸)が広がることがわかる。   FIG. 6 is a graph showing the “dependence of the half-value width on the grating layer: t1” in the case of FIG. 5, and the half-value width (vertical axis) increases as the thickness: t1 (horizontal axis) increases. I understand that.

図示されていないが、導波層GDの厚さ:t2を変化させると「導波層の厚さが大きくなるに従い、半値幅が狭くなる」ことが知られた。   Although not shown, it is known that when the thickness of the waveguide layer GD: t2 is changed, “the half width becomes narrower as the thickness of the waveguide layer increases”.

上に説明した例では、平板素子に対してテラヘルツ帯域の平行光束を直交入射させた場合であるが、共鳴反射による反射光のピーク波長は、平板素子への入射光束(平行光束)の入射角によっても変化する。   In the example described above, a parallel light beam in the terahertz band is orthogonally incident on the flat plate element, but the peak wavelength of the reflected light by resonance reflection is the incident angle of the incident light beam (parallel light beam) to the flat plate element. It also changes depending on.

前記のパラメータを持つ平板素子に対し、直交入射の場合を基準とし(入射角:0度)とし、入射角を、ピッチ:Pの方向(図1に示す面内)において5度および10度に変化させたときの分光反射特性を図7に示す。
入射角が大きくなると、入射角:0度のときのピーク波長を中心に、長波長側と短波長側それぞれに2本のピークが生じる。
図8は、反射光のピーク波長の入射角に応じた変化を示すものであり「入射角を大きくするにつれてピーク波長が線形に変化する」ことを示している。
この変化において「ピーク波長を与える反射光の半値幅」は一定である。
請求項4にかかる発明では上記の性質を利用する。請求項1〜3にかかる波長選択フィルタにおける波長選択の原理、即ち、ピーク波長を変化させる原理は、請求項4の波長選択フィルタの「波長選択のメカニズム」とは異なる。
With respect to a flat plate element having the above parameters, the case of orthogonal incidence is used as a reference (incident angle: 0 degree), and the incident angle is 5 degrees and 10 degrees in the direction of pitch: P (in the plane shown in FIG. 1). FIG. 7 shows the spectral reflection characteristics when changed.
When the incident angle is increased, two peaks are generated on each of the long wavelength side and the short wavelength side, centering on the peak wavelength when the incident angle is 0 degree.
FIG. 8 shows a change according to the incident angle of the peak wavelength of the reflected light, and shows that “the peak wavelength changes linearly as the incident angle is increased”.
In this change, the “half-value width of the reflected light giving the peak wavelength” is constant.
The invention according to claim 4 utilizes the above-mentioned property. The principle of wavelength selection in the wavelength selective filter according to claims 1 to 3, that is, the principle of changing the peak wavelength is different from the “wavelength selection mechanism” of the wavelength selective filter of claim 4.

さらに付言すると、図1には「グレーティング層FSを構成する微細溝構造」は、断面矩形波形状であるが、微細溝構造の断面形状は矩形波形状に限らず「光束入射側に向って細くなる台形形状や三角形状」でもよい。
このような台形や三角形の断面形状を持つ微細溝構造では「光束入射時の屈折率変化が緩やか」となり、フレネル反射を有効に低減させることができ「非反射波長の反射率」をより抑制可能である。
In addition, in FIG. 1, “the fine groove structure constituting the grating layer FS” has a rectangular wave shape in cross section, but the cross-sectional shape of the fine groove structure is not limited to the rectangular wave shape and is “thinning toward the light beam incident side”. It may be a trapezoidal shape or a triangular shape.
In such a groove structure with a trapezoidal or triangular cross-section, the “refractive index change when the light beam is incident” becomes gradual, and Fresnel reflection can be effectively reduced, further reducing the “reflectance of non-reflective wavelengths”. It is.

共鳴反射における入射光束の偏光方向の影響について説明しておく。
上に示したパラメータを持つ平板素子に「直線偏光した平行光束」を直交入射させる場合において、グレーティング層の溝方向(入射方向とピッチ:Pの方向とに直交する方向、図1において図面に直交する方向)と入射光束の偏光方向が同一のとき(入射光束がグレーティング層FSに対してTE偏光である状態)を偏光方向:0度とし、偏光方向を反時計回りに15度刻みで90度まで回転させたときの反射分光特性を図9に示す。
The influence of the polarization direction of the incident light beam on the resonance reflection will be described.
In the case where “linearly polarized parallel light flux” is incident on a flat plate element having the above parameters at right angles, the groove direction of the grating layer (the direction perpendicular to the direction of incidence and pitch: P, orthogonal to the drawing in FIG. 1) Direction) and the polarization direction of the incident light beam (the state where the incident light beam is TE-polarized with respect to the grating layer FS) is set to 0 °, and the polarization direction is 90 ° in 15 ° counterclockwise increments. FIG. 9 shows the reflection spectral characteristics when rotated up to.

偏向方向の回転角:β(図中に「偏光方向β度」と表示)が増大するにつれ、反射光のピーク強度は漸減する。回転角の増大によるピーク強度の漸減の様子を図10に示す。   As the rotation angle in the deflection direction: β (shown as “polarization direction β degree” in the figure) increases, the peak intensity of the reflected light gradually decreases. FIG. 10 shows how the peak intensity is gradually reduced by increasing the rotation angle.

図10の縦軸は、溝方向に対する偏光方向(横軸 回転角:βに対応する。)に対するピーク強度の変化を、反射光のピーク波長において「β=0度のときの反射率」を100%として示すものであり、回転角:β(横軸「偏光方向」)の増大とともに減少する。   The vertical axis in FIG. 10 shows the change in peak intensity with respect to the polarization direction (corresponding to the rotation angle: β on the horizontal axis) with respect to the groove direction, and “reflectance when β = 0 °” at the peak wavelength of reflected light is 100. It is shown as% and decreases with an increase in the rotation angle: β (horizontal axis “polarization direction”).

以上に説明したように、この発明によればテラヘルツ波長帯域で「狭帯域の波長選択」を行い、選択する波長を変化させることのできる新規な波長選択フィルタを実現できる。   As described above, according to the present invention, a novel wavelength selection filter capable of performing “narrowband wavelength selection” in the terahertz wavelength band and changing the wavelength to be selected can be realized.

また、この波長選択フィルタを用いてテラヘルツ波長帯域に適合する各種光学機器を実現できる。   In addition, various optical devices suitable for the terahertz wavelength band can be realized using this wavelength selection filter.

以下、実施の形態を説明する。
図11は、請求項1、2にかかる波長選択フィルタの実施の形態を説明するための図である。この波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」である。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 11 is a diagram for explaining an embodiment of the wavelength selection filter according to claims 1 and 2. This wavelength selection filter is a “wavelength selection filter that selectively reflects light in a desired narrow wavelength band out of incident light beams in a terahertz wavelength band in a linearly polarized state by resonant reflection”.

波長選択フィルタは、図11(a)に示すように、第1の平板素子10Aと、第2の平板素子10Bとを有する。符号10は第1、第2の平板素子10A、10Bの複合体を示す。   As shown in FIG. 11A, the wavelength selection filter includes a first flat plate element 10A and a second flat plate element 10B. Reference numeral 10 denotes a composite of the first and second flat plate elements 10A and 10B.

これら平板素子10A、10Bは、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明であって、平行平板状であり、互いに平行に対向して設けられる。
第1および第2の平板素子10A、10Bは、入射光束(図の「入射光」)に対して所定の角(この実施の形態において45度)だけ傾けて配置され、直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により、共鳴反射光として選択的に反射させる。
These flat elements 10A and 10B are transparent to light in the terahertz wavelength band, have a parallel flat plate shape, and are provided to face each other in parallel.
The first and second flat plate elements 10A and 10B are arranged so as to be inclined by a predetermined angle (45 degrees in this embodiment) with respect to an incident light beam (“incident light” in the figure), and are terahertz wavelengths in a linearly polarized state. Of the incident light flux in the band, light in a desired narrow wavelength band is selectively reflected as resonance reflected light by resonance reflection.

第1の平板素子10Aの片面(入射光束の入射する側)に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有し、入射光束は第1の平板素子10Aの微細溝構造側から入射される。平板素子10Bの両面は平坦な面である。   The first flat plate element 10A has a fine groove structure in which a number of grooves are formed at a predetermined pitch on one surface (the incident light incident side), and the incident light flux is from the fine groove structure side of the first flat plate element 10A. Incident. Both surfaces of the flat element 10B are flat surfaces.

図11(a)に示す、第1および第2の平板素子10A、10Bの間隔:tは可変であり、間隔可変手段により間隔を「0(密着状態)から有限の微小間隔」まで、平板素子10A、10Bの平行状態を保って変化させることができる。   The interval between the first and second flat plate elements 10A and 10B shown in FIG. 11A is variable, and the flat plate element is changed from “0 (contact state) to finite minute interval” by the interval variable means. It can be changed while maintaining the parallel state of 10A and 10B.

図11(b)〜(d)は、間隔可変手段の1例を示している。
間隔可変手段は、保持フレーム12A、12Bと、圧電素子14と、駆動回路16とを有する。
保持フレーム12Aは平板状であって、図11(b)、(c)に示すように、第1の平板素子10Aに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口12A1を形成され、第1の平板素子10Aを、入射光の入射する側と逆の面に、微細溝構造の側を入射光の入射する側にして保持する。
FIGS. 11B to 11D show an example of the interval varying means.
The interval variable means includes holding frames 12 </ b> A and 12 </ b> B, a piezoelectric element 14, and a drive circuit 16.
The holding frame 12A has a flat plate shape, and as shown in FIGS. 11B and 11C, is formed with a rectangular opening 12A1 that matches the fine groove structure formed in the first flat plate element 10A. One flat element 10A is held on the surface opposite to the incident light incident side with the fine groove structure side being the incident light incident side.

保持フレーム12Bも平板状であって、図11(b)、(d)に示すように、第1の平板素子10Aに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口12B1を形成され、第2の平板素子10Aを、入射光の入射する側に保持する。   The holding frame 12B also has a flat plate shape, and as shown in FIGS. 11B and 11D, a rectangular opening 12B1 is formed in accordance with the fine groove structure formed in the first flat plate element 10A. The two flat plate elements 10A are held on the incident light incident side.

圧電素子14は、保持フレーム12A、12Bに挟持されるように設けられ、動作面をこれら保持フレームに固着され、駆動回路16により駆動されて、保持フレーム12A、12Bの間隔を変化させる。   The piezoelectric element 14 is provided so as to be held between the holding frames 12A and 12B, the operation surface is fixed to the holding frames, and is driven by the drive circuit 16 to change the interval between the holding frames 12A and 12B.

この間隔変化において、間隔が最小であるときは、第1、第2の平板素子10A、10Bの互いに平坦な面が密着状態となる。   In this change in interval, when the interval is minimum, the flat surfaces of the first and second flat plate elements 10A and 10B are in close contact with each other.

上記間隔可変手段により第1、第2の平板素子10A、10Bの微小間隔:tを変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択する。   The wavelength of the reflected light in the narrow wavelength band to be resonantly reflected is selected by changing the minute interval: t between the first and second flat plate elements 10A, 10B by the interval changing means.

第1の平板素子10Aは、構造的には図1に即して説明したものと同一であるので、上記構造パラメータとして図1におけると同じく、ピッチ:P、ランド幅:L、厚さ:t1、t2、屈折率を用いる。   Since the first flat element 10A is structurally the same as that described with reference to FIG. 1, the structural parameters are the same as those in FIG. 1, and the pitch: P, land width: L, thickness: t1. , T2, and refractive index.

前記計算アルゴリズム「RCWA」を用いて計算を行なった。
第1の平板素子10A、第2の平板素子10Bは、何れも、素材として前述の「テラヘルツ波長帯での屈折率が1.52の「Zeonorフィルム」を用いた。
このフィルムの厚さは20μmであり、第2の平板素子10Bにはこのフィルムをそのままの状態(厚さ:20μm)で用いた。
Calculation was performed using the calculation algorithm “RCWA”.
For each of the first flat plate element 10A and the second flat plate element 10B, the above-described “Zeonor film” having a refractive index of 1.52 in the terahertz wavelength band was used.
The thickness of this film was 20 μm, and this film was used as it was (thickness: 20 μm) for the second flat plate element 10B.

第1の平板素子10Aは、上記フィルムの片面(入射光の入射側)に、微細溝構造を形成した。構造パラメータは以下の通りである。   In the first flat plate element 10A, a fine groove structure was formed on one side (incident light incident side) of the film. The structural parameters are as follows:

ピッチ:P=180μm
フィリングファクタ:FF=0.5
グレーティング層の厚さ:t1=10μm
導波層の厚さ:t2=10μm 。
Pitch: P = 180 μm
Filling factor: FF = 0.5
Grating layer thickness: t1 = 10 μm
Waveguide layer thickness: t2 = 10 μm.

第1、第2の平板素子10A,10Bの間隔:tを、0μm、10μm、20μm、30μmに変化させたときの分光反射特性を計算した。
計算の結果を図12に示す。間隔:t(図12において「空気層」と表示している。)の増加とともに、共鳴反射光のピーク波長が短波長側へずれることが分る。
Spectral reflection characteristics were calculated when the interval t between the first and second flat plate elements 10A and 10B was changed to 0 μm, 10 μm, 20 μm, and 30 μm.
The result of the calculation is shown in FIG. It can be seen that the peak wavelength of the resonance reflected light shifts to the short wavelength side as the interval: t (indicated as “air layer” in FIG. 12) increases.

図13は、間隔:t(図11において「空気層厚」と表示している。)を横軸として、間隔:tの変化に伴う共鳴反射光のピーク波長をプロットした図であり、間隔:tの増加とともに「ほぼ線形」にピーク波長が短波長側にシフトすることがわかる。   FIG. 13 is a diagram in which the peak wavelength of the resonance reflected light accompanying the change of the interval: t is plotted with the interval: t (indicated as “air layer thickness” in FIG. 11) as the horizontal axis. It can be seen that the peak wavelength shifts to the short wavelength side almost linearly as t increases.

この作用により、波長選択フィルタの共鳴反射光のピーク波長を調整でき、テラヘルツ波長帯域での所望の波長を選択することができる。   With this action, the peak wavelength of the resonance reflected light of the wavelength selection filter can be adjusted, and a desired wavelength in the terahertz wavelength band can be selected.

なお、図11の実施の形態では、間隔可変手段として、圧電素子を用いる例を示したが、これに限らず、機械的な可変手段を用いて保持フレーム相互の間隔を変化させるようにしてもよいことは言うまでも無い。   In the embodiment of FIG. 11, an example is shown in which piezoelectric elements are used as the interval variable means. However, the present invention is not limited to this, and the interval between the holding frames may be changed using mechanical variable means. Needless to say, it's good.

また、保持フレーム12A、12Bの開口12A1、12B1の形状も、矩形形状に限らず楕円形状、長孔形状や円形状等とすることができ、保持フレーム自体の形状も、これらの形状に適宜に合わせることができる。   Further, the shape of the openings 12A1 and 12B1 of the holding frames 12A and 12B is not limited to a rectangular shape, and may be an elliptical shape, a long hole shape, a circular shape, and the like. Can be matched.

例えば、保持フレームと開口部の形状を円形とし、保持フレームをリング状とすることにより、平板素子10A、10Bを保持フレームに接着する際、平板素子は「中心から外側に向けて均一に張力」が働くため、不要な歪が生じることなく平板素子を接着することが可能となる。   For example, when the shape of the holding frame and the opening is circular and the holding frame is ring-shaped, the flat plate elements are “tensioned uniformly from the center to the outside” when the flat plate elements 10A and 10B are bonded to the holding frame. Therefore, the flat element can be bonded without causing unnecessary distortion.

図14は、請求項1、3にかかる波長選択フィルタの実施の形態を説明するための図である。
この波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」である。
波長選択フィルタは、図14(a)に示すように、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状の第1の平板素子20Aと、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、第1の平板素子20Aと平行に対向して配置された第2の平板素子20Bとを有する。符号20は第1、第2の平板素子20A、20Bの複合体を示す。
FIG. 14 is a diagram for explaining an embodiment of the wavelength selective filter according to claims 1 and 3.
This wavelength selection filter is a “wavelength selection filter that selectively reflects light in a desired narrow wavelength band out of incident light beams in a terahertz wavelength band in a linearly polarized state by resonant reflection”.
As shown in FIG. 14A, the wavelength selection filter includes a parallel flat plate-like first flat plate element 20A transparent to light in the terahertz wavelength band, and a parallel flat plate shape transparent to light in the terahertz wavelength band. The second flat plate element 20B is disposed in parallel with the first flat plate element 20A. Reference numeral 20 denotes a composite of the first and second flat plate elements 20A and 20B.

第1および第2の平板素子20A,20Bは、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置され、互いに対向する面のみに微細溝構造が「同一方向に形成」されている。即ち、平板素子20Aと20Bの微細溝構造の「ピッチの方向」は互いに平行である。   The first and second flat plate elements 20A and 20B are arranged so as to be inclined at a predetermined angle with respect to the incident light beam, and the fine groove structure is “formed in the same direction” only on the surfaces facing each other. That is, the “pitch directions” of the fine groove structures of the flat plate elements 20A and 20B are parallel to each other.

入射光束(図中の「入射光」)は、第1の平板素子20Aの「微細溝構造の形成されていない平坦な面の側」から入射する。
第1、第2の平板素子20A、20Bの微小間隔は、間隔可変手段により変化させられる。
間隔可変手段は図9の実施の形態の場合と同様のものであり、図14(c)〜(e)に示すように、保持フレーム20A、20Bと、圧電素子24と駆動回路26とを有する。
The incident light beam (“incident light” in the figure) enters from the “side of the flat surface where the fine groove structure is not formed” of the first flat plate element 20A.
The minute interval between the first and second flat plate elements 20A and 20B is changed by the interval variable means.
The distance varying means is the same as that in the embodiment of FIG. 9, and has holding frames 20A and 20B, a piezoelectric element 24, and a drive circuit 26 as shown in FIGS. 14 (c) to 14 (e). .

保持フレーム22Aは平板状であって、第1の平板素子20Aに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口22A1を形成され、第1の平板素子10Aを、入射光の入射する側と逆の面に、微細溝構造の側を平板素子20Bの側にして保持する。   The holding frame 22A has a flat plate shape, and is formed with a rectangular opening 22A1 in accordance with the fine groove structure formed in the first flat plate element 20A. The first flat plate element 10A is connected to the incident light incident side. On the opposite surface, the fine groove structure side is held with the flat element 20B side.

保持フレーム22Bも平板状であって、第2の平板素子20Bに形成された微細溝構造に合わせた矩形状の開口22B1を形成され、第2の平板素子20Aを、入射光の入射する側と逆の面に、微細溝構造の側を入射光の入射する側にして保持する。   The holding frame 22B also has a flat plate shape, and is formed with a rectangular opening 22B1 in accordance with the fine groove structure formed in the second flat plate element 20B. The second flat plate element 20A is connected to the incident light incident side. On the opposite surface, the fine groove structure side is held with the incident light incident side.

従って、これらに保持された第1、第2の平板素子20A、20Bの微細溝構造が互いに近接対向する。   Accordingly, the fine groove structures of the first and second flat plate elements 20A and 20B held by these are close to each other.

圧電素子24は、保持フレーム22A、22Bに挟持されるように設けられ、動作面をこれら保持フレームに固着され、駆動回路26により駆動されて、保持フレーム22A、22Bの間隔を変化させる。   The piezoelectric element 24 is provided so as to be held between the holding frames 22A and 22B, the operation surface is fixed to the holding frames, and is driven by the drive circuit 26 to change the interval between the holding frames 22A and 22B.

この間隔変化において、間隔が最小であるときは、第1、第2の平板素子20A、20Bの微細溝構造の頂部同志が密着状態となる。   In this change in interval, when the interval is minimum, the tops of the fine groove structures of the first and second flat plate elements 20A and 20B are in close contact with each other.

上記間隔可変手段により第1、第2の平板素子20A、20Bの微小間隔を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択する。   By changing the minute interval between the first and second flat plate elements 20A and 20B by the interval changing means, the wavelength of the reflected light in the narrow wavelength band that is resonantly reflected is selected.

以下、前述の計算アルゴリズムで「図14の波長選択フィルタに対して行った計算」について説明する。
図14(b)に示すように、構造パラメータとして、平板素子20Aに対し、グレーティング層の厚さをt11、導波層の厚さをt12、微細溝構造のピッチをP1、ランド幅をL1とする。このとき、フィリングファクタ:FF1=L1/P1である。
Hereinafter, the “calculation performed on the wavelength selection filter of FIG. 14” by the above-described calculation algorithm will be described.
As shown in FIG. 14B, as the structural parameters, the thickness of the grating layer is t11, the thickness of the waveguide layer is t12, the pitch of the fine groove structure is P1, and the land width is L1. To do. At this time, the filling factor is FF1 = L1 / P1.

また、平板素子20Bに対し、グレーティング層の厚さをt21、導波層の厚さをt22、微細溝構造のピッチをP2、ランド幅をL2とする。フィリングファクタ:FF2=L2/P2である。   For the flat element 20B, the thickness of the grating layer is t21, the thickness of the waveguide layer is t22, the pitch of the fine groove structure is P2, and the land width is L2. Filling factor: FF2 = L2 / P2.

平板素子20A、20Bの間隔をt30とする。   The interval between the flat plate elements 20A and 20B is t30.

平板素子20A、20Bとして以下のように構造パラメータを特定した。   The structural parameters were specified as follows for the flat elements 20A and 20B.

「平板素子20A」
ピッチ:P1=180μm
フィリングファクタ:FF1=L1/P1=0.5
グレーティング層の厚さ:t11=10μm
導波層の厚さ:t12=10μm 。
"Flat plate element 20A"
Pitch: P1 = 180 μm
Filling factor: FF1 = L1 / P1 = 0.5
Grating layer thickness: t11 = 10 μm
Waveguide layer thickness: t12 = 10 μm.

「平板素子20B」
ピッチ:P2=180μm
フィリングファクタ:FF2=L2/P2=0.5
グレーティング層の厚さ:t21=10μm
導波層の厚さ:t22=10μm 。
"Flat plate element 20B"
Pitch: P2 = 180 μm
Filling factor: FF2 = L2 / P2 = 0.5
Grating layer thickness: t21 = 10 μm
Waveguide layer thickness: t22 = 10 μm.

平板素子20A、20Bとも、テラヘルツ帯での屈折率:1.52、厚さ:20μmのZeonorフィルムの片面に微細溝構造を形成したものを想定した。上記の如く、平板素子20A、20Bは同一組成、同一形状である。   Both the flat elements 20A and 20B were assumed to have a fine groove structure formed on one side of a Zeonor film having a refractive index of 1.52 in the terahertz band and a thickness of 20 μm. As described above, the flat elements 20A and 20B have the same composition and the same shape.

平板素子20A、20Bの間隔:t30を、0μm、5μm、10μm、15μm、20μmのように変化させたときの分光反射特性に対する計算結果を図15に示す。
図15において、横軸は波長(μm)、縦軸は反射率であり、図中に「空気層」と表示したのが、上記間隔:t30である。
FIG. 15 shows the calculation results for the spectral reflection characteristics when the interval between the flat plate elements 20A and 20B: t30 is changed to 0 μm, 5 μm, 10 μm, 15 μm, and 20 μm.
In FIG. 15, the horizontal axis represents the wavelength (μm), the vertical axis represents the reflectance, and the “interval” is indicated in the drawing as the interval: t30.

図15に示すように、間隔:t30(空気層厚)が増加すると、反射光のピーク波長が短波長側にシフトするのが分る。
図16は、空気層厚(t30)に対する反射光のピーク波長をプロットした図であり、間隔:t30の増加に伴いピーク波長が略線形に短波長側にシフトすることがわかる。
As shown in FIG. 15, it can be seen that the peak wavelength of the reflected light shifts to the short wavelength side when the interval t30 (air layer thickness) increases.
FIG. 16 is a diagram in which the peak wavelength of reflected light is plotted against the air layer thickness (t30), and it can be seen that the peak wavelength shifts substantially linearly to the short wavelength side as the interval: t30 increases.

従って、間隔:t30を変化させることにより、共鳴反射光の所望のピーク波長を選択できる。図17に、図15に示した分光反射特性のうち、間隔:t30=15μmにおけるものを単独で示している。この図を図2の場合に対比させると、非反射光の反射率が有効に低下していることが分る。   Therefore, the desired peak wavelength of the resonant reflected light can be selected by changing the interval t30. FIG. 17 shows alone the spectral reflection characteristics shown in FIG. 15 at an interval of t30 = 15 μm. If this figure is compared with the case of FIG. 2, it can be seen that the reflectance of non-reflected light is effectively reduced.

図14の実施の形態でも、間隔可変手段として圧電素子を用いる例を示したが、これに限らず、機械的な可変手段を用いて保持フレーム相互の間隔を変化させるようにしてもよいことは言うまでも無い。   In the embodiment of FIG. 14, the example in which the piezoelectric element is used as the interval variable means has been described. However, the present invention is not limited to this, and the interval between the holding frames may be changed using a mechanical variable means. Needless to say.

また、保持フレーム22A、22Bの開口22A1、22B1の形状も、矩形形状に限らず楕円形状、長孔形状や円形状等とすることができ、保持フレーム保持フレーム22A、22B自体の形状も、これらの形状に適宜に合わせることができる。   Further, the shape of the openings 22A1 and 22B1 of the holding frames 22A and 22B is not limited to the rectangular shape, and may be an elliptical shape, a long hole shape, a circular shape, or the like. The shapes of the holding frame holding frames 22A and 22B themselves may be The shape can be appropriately adjusted.

例えば、保持フレーム保持フレーム22A、22Bと開口部の形状を円形とし、保持フレーム保持フレーム22A、22Bをリング状とすることにより、平板素子20A、20Bを保持フレーム保持フレーム22A、22Bに接着する際、平板素子に「中心から外側に向けて均一に張力」が働くため、不要な歪が生じることなく平板素子を接着することが可能となる。   For example, when the shape of the holding frame holding frames 22A and 22B and the opening is circular, and the holding frame holding frames 22A and 22B are ring-shaped, the flat plate elements 20A and 20B are bonded to the holding frame holding frames 22A and 22B. In addition, since “a uniform tension from the center toward the outside” acts on the flat plate element, the flat plate element can be bonded without causing unnecessary distortion.

図18は、請求項4にかかる波長選択フィルタの実施の1形態を説明するための図である。   FIG. 18 is a diagram for explaining one embodiment of the wavelength selective filter according to the fourth aspect.

図18の波長選択フィルタは「直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタ」であって、テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、入射光束(図15において「入射光」と表示)が入射する側の面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有する平板素子40と、この平板素子40を「微細溝構造の溝に平行な軸」の回りに回転傾斜させる回転傾斜駆動手段とを有する。   The wavelength selective filter of FIG. 18 is a “wavelength selective filter that selectively reflects light in a desired narrow wavelength band out of incident light beams in a terahertz wavelength band in a linearly polarized state by resonant reflection”. And a flat plate element 40 having a fine groove structure in which a large number of grooves are formed at a predetermined pitch on a surface on which incident light flux (indicated as “incident light” in FIG. 15) is incident. Rotating and tilting driving means for rotating and tilting the flat plate element 40 around “an axis parallel to the groove of the fine groove structure” is provided.

回転傾斜駆動手段は、例えば、図18(b)(c)に示すように、平板素子40を保持する保持フレーム42Aと、この保持フレーム42Aを回転させる回転駆動手段44を有する。   For example, as shown in FIGS. 18B and 18C, the rotation / inclination driving means includes a holding frame 42A for holding the flat plate element 40 and a rotation driving means 44 for rotating the holding frame 42A.

回転駆動手段44は例えば「ステッピングモータ」である。
保持フレーム42Aは、図18(b)、(c)に示すように、平板状であって、矩形状の開口42A0を有し、回転軸42A1、42A2により、図示されない支持体に回転可能に支持され、回転駆動手段44により上記回転軸の回りに回転させることができるようになっている。
The rotation driving means 44 is, for example, a “stepping motor”.
As shown in FIGS. 18B and 18C, the holding frame 42A has a flat plate shape and has a rectangular opening 42A0. The holding frame 42A is rotatably supported on a support body (not shown) by rotating shafts 42A1 and 42A2. The rotation drive means 44 can be rotated around the rotation axis.

平板素子40は、微細溝構造における溝の長手方向(素子面上で溝の配列方向に直交する方向)を、回転軸42A1、42A2に平行にして保持フレーム42Aに接着固定されて保持されている。即ち、回転軸42A1、41A2の方向は微細溝構造の「溝の長手方向」に平行である。図18(b)では「微細溝構造の形成された面を明らかにする」ために微細溝構造の凹凸が描かれているが、実際には、図18(c)に示すように、微細溝構造の溝の長手方向は、図18(b)の左右方向である。   The flat plate element 40 is held by being bonded and fixed to the holding frame 42A with the longitudinal direction of the grooves in the fine groove structure (the direction perpendicular to the arrangement direction of the grooves on the element surface) being parallel to the rotation shafts 42A1 and 42A2. . That is, the directions of the rotating shafts 42A1 and 41A2 are parallel to the “longitudinal direction of the groove” of the fine groove structure. In FIG. 18B, the concave and convex portions of the fine groove structure are drawn in order to “clarify the surface on which the fine groove structure is formed”, but actually, as shown in FIG. The longitudinal direction of the groove of the structure is the left-right direction of FIG.

平板素子40として、先に説明した平板素子10Aと同じく、構造パラメータとして、
ピッチ:P=180μm
フィリングファクタ:FF=0.5
グレーティング層の厚さ:t1=10μm
導波層の厚さ:t2=10μm
を有するものを「テラヘルツ帯での屈折率:1.52、厚さ:20μmのZeonorフィルム」を用いて形成した場合、共鳴反射光のピーク波長は、先に図8に即して説明したように、入射光の入射角の変化に従って変化する。
As the flat plate element 40, as in the flat plate element 10A described above, as structural parameters,
Pitch: P = 180 μm
Filling factor: FF = 0.5
Grating layer thickness: t1 = 10 μm
Waveguide layer thickness: t2 = 10 μm
In the case of using a “Zeonor film having a refractive index in the terahertz band: 1.52 and a thickness: 20 μm”, the peak wavelength of the resonance reflected light is as described above with reference to FIG. Furthermore, it changes according to the change of the incident angle of the incident light.

従って、回転傾斜駆動手段による平板素子40の回転傾斜により、入射光束の微細溝構造への入射角を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択することができる。   Accordingly, the wavelength of the reflected light in the narrow wavelength band to be resonantly reflected can be selected by changing the incident angle of the incident light beam into the fine groove structure by the rotational inclination of the flat element 40 by the rotational inclination driving means.

保持フレーム42Aの開口42A0の形状も、矩形形状に限らず楕円形状、長孔形状や円形状等とすることができ、保持フレーム42A自体の形状も、これらの形状に適宜に合わせることができる。   The shape of the opening 42A0 of the holding frame 42A is not limited to the rectangular shape, but may be an elliptical shape, a long hole shape, a circular shape, or the like, and the shape of the holding frame 42A itself can be appropriately matched to these shapes.

例えば、保持フレーム保持フレーム42Aと開口の形状を円形とし、保持フレーム42Aをリング状とすることにより、平板素子40を保持フレーム42Aに接着する際、平板素子に「中心から外側に向けて均一に張力」が働くため、不要な歪が生じることなく平板素子を接着することが可能となる。   For example, the shape of the opening of the holding frame holding frame 42A is circular, and the holding frame 42A is ring-shaped so that when the flat plate element 40 is bonded to the holding frame 42A, the flat plate element is “uniformly from the center toward the outside. Since the “tension” works, it is possible to bond the flat element without causing unnecessary distortion.

上に実施の形態に基づき説明した波長選択フィルタの作製方法は、例えば、原盤となるべき部品を「切削」や「フォトリソグラフィ」で加工して、その表面に微細溝構造の凹凸パターンを形成し、この凹凸パターンを前述のZeonorフィルムに転写して作製することができる。   The wavelength selective filter manufacturing method described above based on the embodiment is, for example, that a part to be a master is processed by “cutting” or “photolithography” to form an uneven pattern with a fine groove structure on the surface thereof. The concavo-convex pattern can be transferred to the aforementioned Zeonor film.

「電鋳法でメッキにより転写金型(原盤)を作製後、この金型を用いて樹脂(Zeonorフィルム)に転写を行う方法は転写方法として好適である。
また、転写ではなく「Zeonorフィルムを直接切削加工する方法」でもよい。
図19は、この発明の波長選択素子を用いる光学機器を説明するための図である。
上に説明した計算は、入射光束を「TE偏光状態」として行ったものである。
“A method in which a transfer mold (master) is produced by plating by electroforming and then transferred to a resin (Zeonor film) using this mold is suitable as a transfer method.
Further, instead of transfer, a “method of directly cutting a Zeonor film” may be used.
FIG. 19 is a diagram for explaining an optical apparatus using the wavelength selection element of the present invention.
The calculations described above were performed with the incident light flux as the “TE polarization state”.

図の如く、波長半値幅の広いビームを放射するテラヘルツ光源50の後段に、この発明の波長選択フィルタ52(具体的には、上に説明した何れかの実施の形態のもの)を配置することにより所望の波長の狭帯域の光を取り出すことができ、この光を後段の光学素子54に入射させる構成とすることができる。光学素子54を、例えば「テラヘルツ波長帯域の光を受光するセンサ」とすれば、特定波長の光のみを検出可能となる。   As shown in the figure, the wavelength selective filter 52 of the present invention (specifically, any one of the embodiments described above) is disposed after the terahertz light source 50 that emits a beam having a wide wavelength half width. Thus, it is possible to take out light in a narrow band having a desired wavelength, and to make this light incident on the optical element 54 in the subsequent stage. If the optical element 54 is, for example, a “sensor that receives light in the terahertz wavelength band”, only light of a specific wavelength can be detected.

微細溝構造を有する平板素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flat element which has a fine groove structure. 平板素子の共鳴反射特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resonance reflection characteristic of a flat element. 共鳴反射特性に対するピッチの大きさの影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the magnitude | size of the pitch with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対するピッチの大きさの影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the magnitude | size of the pitch with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対するグレーティング層の厚さの影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the thickness of a grating layer with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対するグレーティング層の厚さの影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the thickness of a grating layer with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対する入射角の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the incident angle with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対する入射角の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the incident angle with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対する偏光方向の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the polarization direction with respect to a resonance reflection characteristic. 共鳴反射特性に対する偏光方向の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the polarization direction with respect to a resonance reflection characteristic. 波長選択フィルタの実施の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 wavelength selection filter. 図11の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the wavelength selection filter of FIG. 図11の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the wavelength selection filter of FIG. 波長選択フィルタの実施の別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 wavelength selection filter. 図14の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the wavelength selection filter of FIG. 図14の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the wavelength selection filter of FIG. 図14の波長選択フィルタの特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the wavelength selection filter of FIG. 波長選択フィルタ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 wavelength selection filter. 光学機器の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of an optical instrument.

符号の説明Explanation of symbols

10A 第1の平板素子
10B 第2の平板素子
12A 保持フレーム
12B 保持フレーム
14 圧電素子
16 駆動回路
10A First flat plate element 10B Second flat plate element 12A Holding frame 12B Holding frame 14 Piezoelectric element 16 Drive circuit

Claims (5)

直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタであって、
テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状の第1の平板素子と、
テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、上記第1の平板素子と平行に対向して配置された第2の平板素子と、
これら第1、第2の平板素子の微小間隔を変化させる間隔可変手段とを有し、
上記第1および第2の平板素子は、入射光束に対して所定の角だけ傾けて配置され、
上記第1、第2の平板素子のうち、少なくとも第1の平板素子の片面に、多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有し、
上記第1の平板素子の側から入射光束を入射され、
上記間隔可変手段により第1、第2の平板素子の微小間隔を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択することを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
A wavelength selective filter that selectively reflects light in a desired narrow wavelength band by resonant reflection among incident light beams in a terahertz wavelength band in a linear polarization state,
A parallel plate-shaped first flat plate element transparent to light in the terahertz wavelength band;
A parallel flat plate that is transparent to light in the terahertz wavelength band, and a second flat plate element that is disposed in parallel with the first flat plate element;
An interval variable means for changing the minute interval between the first and second flat plate elements,
The first and second flat plate elements are disposed at a predetermined angle with respect to the incident light beam,
Of the first and second flat plate elements, at least one surface of the first flat plate element has a fine groove structure in which a large number of grooves are formed at a predetermined pitch,
Incident light flux is incident from the first flat plate element side,
A wavelength selection filter for a terahertz wavelength band, wherein a wavelength of reflected light in a narrow wavelength band that is resonantly reflected is selected by changing a minute interval between the first and second flat plate elements by the interval variable means. .
請求項1記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタにおいて、
第1の平板素子の、入射光束が入射する側の面のみに微細溝構造を有し、第2の平板素子は両面が平坦な面であることを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
The wavelength selective filter for a terahertz wavelength band according to claim 1,
A wavelength selective filter for a terahertz wavelength band, wherein the first flat plate element has a fine groove structure only on the surface on which incident light flux is incident, and the second flat plate element is a flat surface on both sides. .
請求項1記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタにおいて、
第1および第2の平板素子の、互いに対向する面のみに同一方向に形成された微細溝構造を有することを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
The wavelength selective filter for a terahertz wavelength band according to claim 1,
A wavelength selective filter for a terahertz wavelength band, having a fine groove structure formed in the same direction only on surfaces of the first and second flat plate elements facing each other.
直線偏光状態でテラヘルツ波長帯域の入射光束のうち、所望の狭波長帯域の光を共鳴反射により選択的に反射させる波長選択フィルタであって、
テラヘルツ波長帯域の光に対して透明な平行平板状で、入射光束が入射する側の面に、
多数の溝を所定ピッチで形成された微細溝構造を有する平板素子と、
この平板素子を、上記微細溝構造の溝に平行な軸の回りに回転傾斜させる回転傾斜駆動手段と、を有し、
上記回転傾斜駆動手段による上記平板素子の回転傾斜により、上記入射光束の上記微細溝構造への入射角を変化させることにより、共鳴反射される狭波長帯域の反射光の波長を選択することを特徴とするテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタ。
A wavelength selective filter that selectively reflects light in a desired narrow wavelength band by resonant reflection among incident light beams in a terahertz wavelength band in a linear polarization state,
A parallel flat plate that is transparent to light in the terahertz wavelength band.
A flat element having a fine groove structure in which a large number of grooves are formed at a predetermined pitch;
Rotation plate driving means for rotating and tilting the flat plate element about an axis parallel to the groove of the fine groove structure,
The wavelength of the reflected light in the narrow wavelength band to be resonantly reflected is selected by changing the incident angle of the incident light beam to the fine groove structure by the rotational inclination of the flat element by the rotational inclination driving means. A wavelength selective filter for the terahertz wavelength band.
請求項1〜4の任意の1に記載のテラヘルツ波長帯域用の波長選択フィルタを有する光学機器。   An optical apparatus having the wavelength selection filter for a terahertz wavelength band according to any one of claims 1 to 4.
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