JP5471467B2 - Optical element, image generation apparatus, and image display apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子、画像生成装置及び画像表示装置に係り、更に詳しくは、入射光の波長以下の線幅を持つ複数の金属細線を備える光学素子、該光学素子を有する画像生成装置、該画像生成装置を備える画像表示装置に関する。   The present invention relates to an optical element, an image generation apparatus, and an image display apparatus. More specifically, the present invention relates to an optical element including a plurality of fine metal wires having a line width equal to or smaller than the wavelength of incident light, an image generation apparatus including the optical element, The present invention relates to an image display device including an image generation device.

液晶プロジェクタ装置に代表される画像表示装置には、液晶パネルなどの空間変調素子への入射光や、該空間変調素子からの射出光に含まれる特定の偏光成分を抽出するための偏光板や、光利用効率を向上させるため、直線偏光の振動面を90度回転させたりすることができる波長板などが利用されている。   In an image display device typified by a liquid crystal projector device, incident light to a spatial modulation element such as a liquid crystal panel, a polarizing plate for extracting a specific polarization component contained in light emitted from the spatial modulation element, In order to improve the light utilization efficiency, a wave plate that can rotate the vibration plane of linearly polarized light by 90 degrees is used.

波長板には、1/2波長板や1/4波長板があり、これらは、入射光に複屈折を生じさせる光学結晶により作られ、常光線と異常光線の屈折率の違いを利用して、直交する2つの偏光成分に位相差を付与している。この常光線と異常光線の光路差が波長の1/2となるものが1/2波長板であり、1/4となるものが1/4波長板である。このような光学結晶としては、方解石や水晶が用いられる。なお、ポリイミドなどのプラスチック材料を利用した波長板も多く利用されている。   Wave plates include half-wave plates and quarter-wave plates, which are made of optical crystals that cause birefringence in incident light and use the difference in refractive index between ordinary rays and extraordinary rays. A phase difference is given to two orthogonal polarization components. A half-wave plate is a half-wave plate in which the optical path difference between the ordinary ray and the extraordinary ray is ½ of a wavelength, and a quarter-wave plate is a quarter. As such an optical crystal, calcite or quartz is used. A wave plate using a plastic material such as polyimide is also widely used.

例えば、特許文献1には、直交座標系x、y、zにおいて、xy面に平行な1つの基板の上に2種以上の透明材料をz方向に交互に積層した偏光子アレイが開示されている。この偏光子アレイは、xy面内において少なくとも3つの領域に分かれており、各層は領域毎に定まるxy面内の一方向に繰り返される1次元周期的な凹凸形状を有し、xy面に垂直もしくは斜め方向から入射される光に対して、各領域の凹凸形状に平行または垂直方向の偏波成分だけを透過させる。   For example, Patent Document 1 discloses a polarizer array in which two or more transparent materials are alternately stacked in the z direction on a single substrate parallel to the xy plane in an orthogonal coordinate system x, y, z. Yes. This polarizer array is divided into at least three regions in the xy plane, and each layer has a one-dimensional periodic uneven shape repeated in one direction in the xy plane determined for each region, and is perpendicular to the xy plane or For light incident from an oblique direction, only the polarization component parallel or perpendicular to the uneven shape of each region is transmitted.

また、特許文献2には、表面に一定の周期ピッチで格子状のパターンが形成された透光性の基板を有し、該基板を透過する互いに偏光面を直交する2つの直線偏光に位相差を生じさせる波長板が開示されている。この波長板は、基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材からなる高屈折率膜、及び該高屈折率膜の膜材よりも低い屈折率を有する膜材からなる低屈折率膜が基板の表面に順次堆積形成されている。   Further, Patent Document 2 has a translucent substrate having a lattice-like pattern formed on the surface with a constant periodic pitch, and has a phase difference between two linearly polarized light beams that are transmitted through the substrate and whose polarization planes are orthogonal to each other. A wave plate that produces the above is disclosed. This wave plate has a high refractive index film made of a film material having a refractive index higher than that of the material of the substrate, and a low refractive index made of a film material having a lower refractive index than the film material of the high refractive index film. A film is sequentially deposited on the surface of the substrate.

また、特許文献3には、平板状の支持体に、金属からなる複数の細線が互いに平行となるように埋め込まれて配列しており、該細線のピッチ(P)が100nm以上300nm以下であり、細線の幅(D)と細線のピッチ(P)の比(D/P)が 0.6より大きく、細線の長さ方向に直交する断面における当該細線の高さが50nm以上500nm以下である金属格子型偏光分離素子からなるカラーフィルタが開示されている。   Further, in Patent Document 3, a plurality of fine wires made of metal are embedded and arranged on a flat support so that the pitch (P) of the fine wires is 100 nm or more and 300 nm or less. The ratio (D / P) of the fine wire width (D) to the fine wire pitch (P) is larger than 0.6, and the height of the fine wire in the cross section perpendicular to the length direction of the fine wire is 50 nm or more and 500 nm or less A color filter composed of a metal grating type polarization separation element is disclosed.

また、特許文献4には、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成した偏光制御素子が開示されている。   In Patent Document 4, a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged is formed on a support substrate. A polarization control element is disclosed.

また、特許文献5には、二つ以上の微小な金属構造体が入射光の波長以下の領域に配置された単位配列パターンと、金属構造体を支持する一層以上の膜を有し、該膜内部の2次元平面内に複数個の単位配列パターンが同一の配向を有して配置された複合配列パターンを有する偏光制御素子が開示されている。   Further, Patent Document 5 has a unit arrangement pattern in which two or more minute metal structures are arranged in a region below the wavelength of incident light, and one or more films that support the metal structures. A polarization control element having a composite array pattern in which a plurality of unit array patterns are arranged in the same two-dimensional plane in the same orientation is disclosed.

しかしながら、特許文献1に開示されている偏光子アレイは、入射光の波長や入射角によって特性が異なるという不都合があった。また、大きな位相差を得るには膜厚を大きくする必要があった。   However, the polarizer array disclosed in Patent Document 1 has the disadvantage that the characteristics differ depending on the wavelength and incident angle of incident light. In addition, it is necessary to increase the film thickness in order to obtain a large phase difference.

また、特許文献2に開示されている波長板は、入射光の波長や入射角によって特性が異なるという不都合があった。また、高アスペクト比の構造が必要であるため、量産が難しく、高コスト化を招くという不都合があった。   Further, the wave plate disclosed in Patent Document 2 has a disadvantage that the characteristics differ depending on the wavelength and incident angle of incident light. In addition, since a structure with a high aspect ratio is required, mass production is difficult, leading to an increase in cost.

また、特許文献3に開示されているカラーフィルタは、有機フィルムを用いており、耐光性や耐熱性が十分でないという不都合があった。   Further, the color filter disclosed in Patent Document 3 uses an organic film, and thus has a disadvantage that light resistance and heat resistance are not sufficient.

また、特許文献4及び特許文献5に開示されている偏光制御素子は、いずれも透過率と位相差がトレードオフの関係にあり、位相差を大きくすると透過率を確保することが難しいという不都合があった。   In addition, the polarization control elements disclosed in Patent Document 4 and Patent Document 5 are both in a trade-off relationship between the transmittance and the phase difference, and it is difficult to ensure the transmittance when the phase difference is increased. there were.

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第1の目的は、耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する2つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に位相差を付与することができる光学素子を提供することにある。   The present invention has been made under such circumstances. The first object of the present invention is excellent in light resistance and heat resistance, and both of two polarization components orthogonal to each other without causing an increase in size and cost. An object of the present invention is to provide an optical element that can transmit light and provide a phase difference therebetween.

また、本発明の第2の目的は、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる画像生成装置を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide an image generating apparatus that can be reduced in size without increasing the cost.

また、本発明の第3の目的は、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる画像表示装置を提供することにある。   A third object of the present invention is to provide an image display device that can be reduced in size without increasing the cost.

本発明は、第1の観点からすると、それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する光学素子において、前記微細周期構造体は、透明で屈折率nの支持部材に支持され、かつ屈折率nの媒体で覆われており、前記複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチp[nm]は、前記入射光の波長λを用いて、(λ×n)/(2×n)の値と等しく、前記入射光は、前記一の方向に平行な偏光成分と前記一の方向に垂直な偏光成分とを有し、前記入射光が前記複数の金属細線を通過する際に、前記2つの偏光成分の間に、大きさが180°の位相差が付与され、前記複数の金属細線は、高さh[nm]、線幅w[nm]を用いて、hw/pが1.128×10−3 [nm −1 であることを特徴とする光学素子である。
本発明は、第2の観点からすると、それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する光学素子において、前記微細周期構造体は、透明で屈折率nの支持部材に支持され、かつ屈折率nの媒体で覆われており、前記複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチp[nm]は、前記入射光の波長λを用いて、(λ×n)/(2×n)の値と等しく、前記入射光は、前記一の方向に平行な偏光成分と前記一の方向に垂直な偏光成分を有し、前記入射光が前記複数の金属細線を通過する際に、前記2つの偏光成分の間に、大きさが90°の位相差が付与され、前記複数の金属細線は、高さh[nm]、線幅w[nm]を用いて、hw/pが5.54×10−4 [nm −1 であることを特徴とする光学素子である。
According to a first aspect of the present invention, in the optical element having a fine periodic structure including a plurality of fine metal wires each having a line width equal to or less than the wavelength of incident light, the fine periodic structure is transparent and has a refractive index. supported by a support member of n 1 and covered with a medium having a refractive index of n 2 , the plurality of fine metal wires are arranged at equal intervals along one direction, and the arrangement pitch p [nm] is Using the wavelength λ of the incident light, it is equal to the value of (λ × n 1 ) / (2 × n 2 ), and the incident light has a polarization component parallel to the one direction and perpendicular to the one direction. When the incident light passes through the plurality of thin metal wires, a phase difference having a magnitude of 180 ° is given between the two polarization components, and the plurality of thin metal wires are Using height h [nm] and line width w [nm] , hw / p 3 is 1.128 × 10 −3 It is an optical element characterized by being [nm −1 ] .
According to a second aspect of the present invention, in the optical element having a fine periodic structure including a plurality of fine metal wires each having a line width equal to or smaller than the wavelength of incident light, the fine periodic structure is transparent and has a refractive index. supported by a support member of n 1 and covered with a medium having a refractive index of n 2 , the plurality of fine metal wires are arranged at equal intervals along one direction, and the arrangement pitch p [nm] is Using the wavelength λ of the incident light, it is equal to the value of (λ × n 1 ) / (2 × n 2 ), and the incident light has a polarization component parallel to the one direction and perpendicular to the one direction. When the incident light passes through the plurality of fine metal wires, a phase difference of 90 ° is given between the two polarization components, and the plurality of fine metal wires Hw / p 3 is 5.54 × 10 −4 [nm using h [nm] and line width w [nm]. −1 ] is an optical element.

本発明の光学素子によれば、耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する2つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に位相差を付与することができる。 According to the optical element of the present invention, it is excellent in light resistance and heat resistance, transmits both of two polarization components orthogonal to each other without causing an increase in size and cost, and gives a phase difference therebetween. be able to.

本発明は、第の観点からすると、画像形成素子を含み、画像情報に応じた画像を生成する画像生成装置において、前記画像形成素子に入射する光束、及び前記画像形成素子から射出される光束の少なくとも一方の光路上に配置された、少なくとも1つの本発明の光学素子を有することを特徴とする画像生成装置である。 According to a third aspect of the present invention, in an image generating apparatus that includes an image forming element and generates an image according to image information, a light beam incident on the image forming element and a light beam emitted from the image forming element An image generating apparatus comprising at least one optical element of the present invention disposed on at least one of the optical paths.

これによれば、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。   According to this, it is possible to reduce the size without increasing the cost.

本発明は、第の観点からすると、画像情報に応じた画像を生成する本発明の画像生成装置と;該画像生成装置からの光束を被投射面に投射する投射光学系と;を備える画像表示装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an image comprising: an image generating device of the present invention that generates an image according to image information; and a projection optical system that projects a light beam from the image generating device onto a projection surface. It is a display device.

これによれば、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。   According to this, it is possible to reduce the size without increasing the cost.

本発明の一実施形態に係るプロジェクタシステムの概略構成を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating schematic structure of the projector system which concerns on one Embodiment of this invention. 図1におけるプロジェクタ装置の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the projector apparatus in FIG. 図2における画像生成装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the image generation apparatus in FIG. 図3における偏光変換素子の機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function of the polarization conversion element in FIG. 図3における1/4波長板の機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function of the quarter wavelength plate in FIG. 画像生成装置で用いられている波長板の構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the wavelength plate used with the image generation apparatus. 図6のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 数値シミュレーションに用いた波長板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 the wavelength plate used for the numerical simulation. 図8のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 数値シミュレーションの演算結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation result of a numerical simulation. 演算結果から得られた配列ピッチpとλ×n/(2×n)の関係を説明するための図である。It is a diagram for explaining the relationship between the calculation result array obtained from the pitch p and λ × n 1 / (2 × n 2). 演算結果から得られた位相差φとw・h/pの関係を説明するための図である。Is a diagram for explaining the relationship between the obtained phase difference φ w · h / p 3 from the operation result. 演算結果から得られた透過率とw/pの関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the transmittance | permeability obtained from the calculation result, and w / p. 波長板の変形例1を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification 1 of a wave plate. 図14のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 波長板の変形例2を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification 2 of a wave plate. それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する波長選択フィルタの構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the wavelength selection filter which has the fine periodic structure body containing the some metal fine wire whose each line width is below the wavelength of incident light. 図17のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 図17のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG. 数値シミュレーションに用いた波長選択フィルタ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 the wavelength selection filter used for the numerical simulation. 図20のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 数値シミュレーションの演算結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation result of a numerical simulation.

以下、本発明の一実施形態を図1〜図16に基づいて説明する。図1には、一実施形態に係る画像表示システムとしてのプロジェクタシステム10が示されている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a projector system 10 as an image display system according to an embodiment.

このプロジェクタシステム10は、画像表示装置としてのプロジェクタ装置1000、及び上位装置2000を有している。   The projector system 10 includes a projector device 1000 as an image display device and a host device 2000.

上位装置2000は、プロジェクタ装置1000に画像に関する情報を送出する画像情報管理装置であり、一例としてパソコンを用いることができる。上位装置2000は、ネットワークを介して送られてきた画像に関する情報、及びネットワークを介して取得(ダウンロード)した画像に関する情報を、プロジェクタ装置1000に送出することができる。   The host device 2000 is an image information management device that sends information about an image to the projector device 1000, and a personal computer can be used as an example. The host device 2000 can send information related to the image sent via the network and information related to the image acquired (downloaded) via the network to the projector device 1000.

プロジェクタ装置1000は、上位装置2000から送られてきた画像に関する情報に基づいて、被投射面としてのスクリーン1100に拡大像を表示する前方投射型のプロジェクタ装置である。   The projector device 1000 is a front projection type projector device that displays an enlarged image on a screen 1100 as a projection surface based on information about an image sent from the host device 2000.

プロジェクタ装置1000は、一例として図2に示されるように、画像生成装置100、及び投射光学系200などを備えている。なお、本明細書では、XYZ3次元直交座標系において、プロジェクタ装置1000が載置されている平面をXZ面、画像生成装置100から投射光学系200に向けて射出される光束の方向をZ軸方向として説明する。   As shown in FIG. 2 as an example, the projector apparatus 1000 includes an image generation apparatus 100, a projection optical system 200, and the like. In this specification, in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the plane on which the projector apparatus 1000 is placed is the XZ plane, and the direction of the light beam emitted from the image generation apparatus 100 toward the projection optical system 200 is the Z-axis direction. Will be described.

投射光学系200からスクリーン1100に向かう投射光は、筐体に設けられた開口を通って射出される。   Projection light traveling from the projection optical system 200 toward the screen 1100 is emitted through an opening provided in the housing.

画像生成装置100は、一例として図3に示されるように、光源110、カットフィルタ111、1対のフライアイレンズアレイ(113A、113B)、偏光変換素子141、コンデンサレンズ115、2つのダイクロイックミラー(116A、116B)、反射ミラー117、3つの偏光分離素子(118A、118B、118C)、3つの反射型液晶パネル(120A、120B、120C)、3つの1/4波長板(142A、142B、142C)、クロスプリズム124、通信インターフェース131、及び主制御装置132などを有している。   As shown in FIG. 3 as an example, the image generation apparatus 100 includes a light source 110, a cut filter 111, a pair of fly-eye lens arrays (113A, 113B), a polarization conversion element 141, a condenser lens 115, two dichroic mirrors ( 116A, 116B), reflection mirror 117, three polarization separation elements (118A, 118B, 118C), three reflection type liquid crystal panels (120A, 120B, 120C), three quarter-wave plates (142A, 142B, 142C) , A cross prism 124, a communication interface 131, a main controller 132, and the like.

通信インターフェース131は、主制御装置132と上位装置2000との通信を制御する。   The communication interface 131 controls communication between the main control device 132 and the host device 2000.

主制御装置132は、通信インターフェース131を介して受け取った画像に関する情報に応じて、光源110及び3つの反射型液晶パネル(120A、120B、120C)を制御する。   The main control device 132 controls the light source 110 and the three reflective liquid crystal panels (120A, 120B, 120C) in accordance with the information regarding the image received via the communication interface 131.

光源110には、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどのランプ光源を用いることができる。なお、LED、LD、半導体レーザなどの固体光源を用いてもよい。   As the light source 110, a lamp light source such as a xenon lamp, a halogen lamp, a metal halide lamp, or an ultrahigh pressure mercury lamp can be used. A solid light source such as an LED, LD, or semiconductor laser may be used.

この光源110は、主制御装置132の指示によって点灯される。光源110から射出された光束は、リフレクタによって+Z方向に向かう光束とされる。   The light source 110 is turned on according to an instruction from the main controller 132. The light beam emitted from the light source 110 is changed to the + Z direction by the reflector.

カットフィルタ111は、光源110から射出された光に含まれるUV成分及びIR成分を除去する。これによって、各光学素子の劣化を抑制することができる。   The cut filter 111 removes UV components and IR components contained in the light emitted from the light source 110. Thereby, deterioration of each optical element can be suppressed.

1対のフライアイレンズアレイ(113A、113B)は、カットフィルタ111を介した光束の光路上に配置され、光量分布を均一化する。   The pair of fly-eye lens arrays (113A, 113B) are arranged on the optical path of the light flux through the cut filter 111, and uniformize the light amount distribution.

偏光変換素子141は、1対のフライアイレンズアレイ(113A、113B)の間に配置され、フライアイレンズアレイ113Aを介した光束の偏光状態を所定の直線偏光(ここでは、S偏光)に変換する。これによって、光利用効率を高めることができる。   The polarization conversion element 141 is disposed between a pair of fly-eye lens arrays (113A and 113B), and converts the polarization state of the light beam through the fly-eye lens array 113A into a predetermined linearly polarized light (here, S-polarized light). To do. Thereby, the light utilization efficiency can be increased.

ここでは、この偏光変換素子141は、一例として図4に示されるように、S偏光を透過させP偏光を反射する複数の偏光分離面を有する偏光分離素子141Aと、前記複数の偏光分離面で反射されたP偏光をS偏光に変換する複数の1/2波長板141Bとを有している。   Here, as shown in FIG. 4 as an example, the polarization conversion element 141 includes a polarization separation element 141A having a plurality of polarization separation surfaces that transmit S polarization and reflect P polarization, and the plurality of polarization separation surfaces. And a plurality of half-wave plates 141B for converting the reflected P-polarized light into S-polarized light.

図3に戻り、コンデンサレンズ115は、フライアイレンズアレイ113Bを介した光束の光路上に配置されている。このコンデンサレンズ115によって、各反射型液晶パネルを照明する際の照明光の入射角度及び照明領域を調整することができる。   Returning to FIG. 3, the condenser lens 115 is disposed on the optical path of the light beam via the fly-eye lens array 113B. The condenser lens 115 can adjust the incident angle and illumination area of the illumination light when illuminating each reflective liquid crystal panel.

ダイクロイックミラー116Aは、コンデンサレンズ115を介した光束の光路上に配置され、該光束に含まれる青色波長成分を選択的に反射し、残り(緑色波長成分+赤色波長成分)を透過させる。   The dichroic mirror 116A is disposed on the optical path of the light flux through the condenser lens 115, selectively reflects the blue wavelength component contained in the light flux, and transmits the remaining (green wavelength component + red wavelength component).

ダイクロイックミラー116Bは、ダイクロイックミラー116Aを透過した光束の光路上に配置され、該光束に含まれる緑色波長成分を選択的に反射し、残り(赤色波長成分)を透過させる。   The dichroic mirror 116B is disposed on the optical path of the light beam that has passed through the dichroic mirror 116A, selectively reflects the green wavelength component contained in the light beam, and transmits the rest (red wavelength component).

偏光分離素子118Aは、ダイクロイックミラー116Bを透過した光束の光路上に配置されている。この偏光分離素子118Aは、上記所定の直線偏光(ここでは、S偏光)を+X方向に反射する偏光分離面を有している。そこで、ダイクロイックミラー116Bを透過した光束は、偏光分離素子118Aで+X方向に反射される(図5参照)。   The polarization separation element 118A is disposed on the optical path of the light beam that has passed through the dichroic mirror 116B. The polarization separation element 118A has a polarization separation surface that reflects the predetermined linearly polarized light (here, S-polarized light) in the + X direction. Therefore, the light beam transmitted through the dichroic mirror 116B is reflected in the + X direction by the polarization separation element 118A (see FIG. 5).

1/4波長板142Aは、偏光分離素子118Aの+X側に配置されている。この1/4波長板142Aは、偏光分離素子118Aの偏光分離面で反射されたS偏光を円偏光に変換する。   The quarter-wave plate 142A is disposed on the + X side of the polarization separation element 118A. The quarter-wave plate 142A converts S-polarized light reflected by the polarization separation surface of the polarization separation element 118A into circularly polarized light.

反射型液晶パネル120Aは、1/4波長板142Aの+X側に配置されている。そこで、反射型液晶パネル120Aは、1/4波長板142Aを介した光束で照明される。この照明光は、反射型液晶パネル120Aによって変調され、赤色成分の画像情報が付与される。   The reflective liquid crystal panel 120A is disposed on the + X side of the quarter wave plate 142A. Therefore, the reflective liquid crystal panel 120A is illuminated with a light beam via the quarter-wave plate 142A. This illumination light is modulated by the reflective liquid crystal panel 120A, and image information of a red component is given.

反射型液晶パネル120Aで変調され、反射された光束は、再び1/4波長板142Aに入射し、P偏光となって偏光分離素子118Aに入射する。該光束は、偏光分離素子118Aを透過する。   The light beam modulated and reflected by the reflective liquid crystal panel 120A is incident on the quarter-wave plate 142A again, becomes P-polarized light, and enters the polarization separation element 118A. The light beam passes through the polarization separation element 118A.

偏光分離素子118Bは、ダイクロイックミラー116Bで反射された光束の光路上に配置されている。この偏光分離素子118Bは、上記所定の直線偏光(ここでは、S偏光)を−Z方向に反射する偏光分離面を有している。そこで、ダイクロイックミラー116Bで反射された光束は、偏光分離素子118Bで−Z方向に反射される。   The polarization separation element 118B is disposed on the optical path of the light beam reflected by the dichroic mirror 116B. The polarization separation element 118B has a polarization separation surface that reflects the predetermined linearly polarized light (here, S-polarized light) in the −Z direction. Therefore, the light beam reflected by the dichroic mirror 116B is reflected in the −Z direction by the polarization separation element 118B.

1/4波長板142Bは、偏光分離素子118Bの−Z側に配置されている。この1/4波長板142Bは、偏光分離素子118Bの偏光分離面で反射されたS偏光を円偏光に変換する。   The quarter wavelength plate 142B is disposed on the −Z side of the polarization separation element 118B. The quarter wavelength plate 142B converts the S-polarized light reflected by the polarization separation surface of the polarization separation element 118B into circularly polarized light.

反射型液晶パネル120Bは、1/4波長板142Bの−Z側に配置されている。そこで、反射型液晶パネル120Bは、1/4波長板142Bを介した光束で照明される。この照明光は、反射型液晶パネル120Bによって変調され、緑色成分の画像情報が付与される。   The reflective liquid crystal panel 120B is disposed on the −Z side of the quarter wave plate 142B. Therefore, the reflective liquid crystal panel 120B is illuminated with a light beam via the quarter-wave plate 142B. This illumination light is modulated by the reflective liquid crystal panel 120B, and image information of a green component is given.

反射型液晶パネル120Bで変調され、反射された光束は、再び1/4波長板142Bに入射し、P偏光となって偏光分離素子118Bに入射する。該光束は、偏光分離素子118Bを透過する。   The light beam modulated and reflected by the reflective liquid crystal panel 120B is incident on the quarter-wave plate 142B again, becomes P-polarized light, and enters the polarization separation element 118B. The light beam passes through the polarization separation element 118B.

反射ミラー117は、ダイクロイックミラー116Aで反射された光束の光路上に配置され、該光束を反射する。ここでは、反射ミラー117は、光束を+Z方向に反射する。   The reflection mirror 117 is disposed on the optical path of the light beam reflected by the dichroic mirror 116A and reflects the light beam. Here, the reflection mirror 117 reflects the light beam in the + Z direction.

偏光分離素子118Cは、反射ミラー117で反射された光束の光路上に配置されている。この偏光分離素子118Cは、上記所定の直線偏光(ここでは、S偏光)を−X方向に反射する偏光分離面を有している。そこで、反射ミラー117で反射された光束は、偏光分離素子118Cで−X方向に反射される。   The polarization separation element 118C is disposed on the optical path of the light beam reflected by the reflection mirror 117. The polarization separation element 118C has a polarization separation surface that reflects the predetermined linearly polarized light (here, S-polarized light) in the −X direction. Therefore, the light beam reflected by the reflection mirror 117 is reflected in the −X direction by the polarization separation element 118C.

1/4波長板142Cは、偏光分離素子118Cの−X側に配置されている。この1/4波長板142Cは、偏光分離素子118Cの偏光分離面で反射されたS偏光を円偏光に変換する。   The quarter-wave plate 142C is disposed on the −X side of the polarization separation element 118C. The quarter-wave plate 142C converts S-polarized light reflected by the polarization separation surface of the polarization separation element 118C into circularly polarized light.

反射型液晶パネル120Cは、1/4波長板142Cの−X側に配置されている。そこで、反射型液晶パネル120Cは、1/4波長板142Cを介した光束で照明される。この照明光は、反射型液晶パネル120Cによって変調され、青色成分の画像情報が付与される。   The reflective liquid crystal panel 120C is disposed on the −X side of the quarter wave plate 142C. Therefore, the reflective liquid crystal panel 120C is illuminated with a light beam via the quarter-wave plate 142C. This illumination light is modulated by the reflective liquid crystal panel 120C, and is provided with image information of a blue component.

反射型液晶パネル120Cで変調され、反射された光束は、再び1/4波長板142Cに入射し、P偏光となって偏光分離素子118Cに入射する。該光束は、偏光分離素子118Cを透過する。   The light beam modulated and reflected by the reflective liquid crystal panel 120C is incident on the quarter-wave plate 142C again, becomes P-polarized light, and enters the polarization separation element 118C. The light beam passes through the polarization separation element 118C.

クロスプリズム124は、偏光分離素子118Aの−X側で、偏光分離素子118Bの+Z側で、偏光分離素子118Cの+X側に配置されている。このクロスプリズム124は、偏光分離素子118Aを透過した光束を+Z方向に反射する反射面、及び偏光分離素子118Cを透過した光束を+Z方向に反射する反射面を有している。   The cross prism 124 is disposed on the −X side of the polarization separation element 118A, on the + Z side of the polarization separation element 118B, and on the + X side of the polarization separation element 118C. The cross prism 124 has a reflection surface that reflects the light beam that has passed through the polarization separation element 118A in the + Z direction, and a reflection surface that reflects the light beam that has passed through the polarization separation element 118C in the + Z direction.

そこで、赤色成分の画像情報が付与され偏光分離素子118Aを透過した光束、緑色成分の画像情報が付与され偏光分離素子118Bを透過した光束、及び青色成分の画像情報が付与され偏光分離素子118Aを透過した光束は、クロスプリズム124によって合成される。すなわち、赤色成分の画像と緑色成分の画像と青色成分の画像がクロスプリズム124で合成される。   Therefore, the luminous flux to which image information of the red component is applied and transmitted through the polarization separation element 118A, the luminous flux to which image information of the green component is transmitted and transmitted through the polarization separation element 118B, and the image information of the blue component are applied and polarized light separation element 118A The transmitted light beam is combined by the cross prism 124. That is, the red component image, the green component image, and the blue component image are combined by the cross prism 124.

クロスプリズム124で合成された光束が、画像生成装置100から射出される光束である。そして、この光束は、投射光学系200に入射される。   A light beam synthesized by the cross prism 124 is a light beam emitted from the image generation apparatus 100. This light beam is incident on the projection optical system 200.

投射光学系200は、クロスプリズム124で合成された画像の拡大像をスクリーン1100に表示する。   The projection optical system 200 displays an enlarged image of the image synthesized by the cross prism 124 on the screen 1100.

図6及び図7には、波長板としての作用を有する光学素子10Aが示されている。この光学素子10Aは、支持部材11、被覆部材12、複数の金属細線13などを有している。なお、図7は、図6のA−A断面図である。   6 and 7 show an optical element 10A that functions as a wave plate. This optical element 10A includes a support member 11, a covering member 12, a plurality of fine metal wires 13, and the like. 7 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

なお、ここでは、xyz3次元直交座標系において、金属細線13の高さ方向をz軸方向として説明する。   Here, in the xyz three-dimensional orthogonal coordinate system, the height direction of the fine metal wires 13 is described as the z-axis direction.

支持部材11としては、光学素子に一般的に用いられる透明な材料が好ましく、例えば、石英ガラス、BK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラス、CaF、ZnSe、Alなどの光学結晶材料などを用いることができる。 The support member 11 is preferably a transparent material generally used for an optical element. For example, quartz glass, BK7, borosilicate glass such as Pyrex (registered trademark), optical such as CaF 2 , ZnSe, Al 2 O 3 and the like. A crystalline material or the like can be used.

各金属細線13は、入射光の波長以下の線幅をもつ金属細線であり、支持部材11の+z側の面上に配置されている。ここでは、複数の金属細線13は、x軸方向に沿って、等間隔に配列されている。このような構造は、微細周期構造と呼ばれている。そして、複数の金属細線13は、各金属細線13の線幅w、高さh、及び複数の金属細線13の配列ピッチpで特徴付けられている。   Each thin metal wire 13 is a thin metal wire having a line width equal to or smaller than the wavelength of incident light, and is disposed on the surface of the support member 11 on the + z side. Here, the plurality of fine metal wires 13 are arranged at equal intervals along the x-axis direction. Such a structure is called a fine periodic structure. The plurality of thin metal wires 13 are characterized by the line width w and height h of each thin metal wire 13 and the arrangement pitch p of the plurality of thin metal wires 13.

金属細線13の材料としては、可視波長帯域において完全導体に近い特性を有するものが好ましく、Al(アルミニウム)が適している。また、Alを主成分とする合金材料であっても良い。また、使用する波長帯に応じて、Au(金)、Ag(銀)、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、Cr(クロム)、Cu(銅)などの材料を用いることができる。   As the material of the metal thin wire 13, a material having characteristics close to a perfect conductor in the visible wavelength band is preferable, and Al (aluminum) is suitable. Further, an alloy material mainly composed of Al may be used. Further, materials such as Au (gold), Ag (silver), Pt (platinum), Ni (nickel), Cr (chromium), and Cu (copper) can be used depending on the wavelength band to be used.

被覆部材12は、複数の金属細線13の+z側に配置され、複数の金属細線13を覆っている。そこで、x軸方向に関して、隣り合う2本の金属細線13の間には、被覆部材12が存在することとなる。   The covering member 12 is disposed on the + z side of the plurality of fine metal wires 13 and covers the plurality of fine metal wires 13. Therefore, the covering member 12 exists between the two adjacent thin metal wires 13 in the x-axis direction.

被覆部材12は、膜状部材であり、複数の金属細線13の外的損傷や酸化などに対する耐性を向上させる保護膜として機能するとともに、屈折率に関する支持部材11との相対的な関係により、動作波長を規定する役割を担っている。このような膜状部材には、支持部材11と同様に、光吸収が少なく、光学素子のコーティング材料として一般的な石英ガラス、BK7、パイレックス(登録商標)、ZnS−SiOなどの硼珪酸ガラスや、CaF、Si、ZnSe、Al、ZnOなどの材料を用いることができる。 The covering member 12 is a film-like member, functions as a protective film that improves resistance to external damage and oxidation of the plurality of fine metal wires 13, and operates according to a relative relationship with the support member 11 regarding the refractive index. It plays the role of defining the wavelength. Such membrane-like member, like the support member 11, the light absorption is small, general quartz glass as a coating material for optical elements, BK7, Pyrex (registered trademark), borosilicate glass such as ZnS-SiO 2 Alternatively, materials such as CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 , and ZnO can be used.

支持部材11上に複数の金属細線13を設ける方法としては、可視光の回折限界以下の加工精度を有する方法が適用される。具体的には、電子線リソグラフィ、DUV(遠紫外線)リソグラフィ、EUV(超紫外線)リソグラフィ、ナノインプリントなどが利用できる。   As a method of providing the plurality of fine metal wires 13 on the support member 11, a method having a processing accuracy equal to or lower than the diffraction limit of visible light is applied. Specifically, electron beam lithography, DUV (far ultraviolet) lithography, EUV (extreme ultraviolet) lithography, nanoimprint, and the like can be used.

次に、光学素子10Aの作製方法について簡単に説明する。ここでは、一例として、電子線リソグラフィを用いる方法を説明するが、これに限定されるものではない。   Next, a method for manufacturing the optical element 10A will be briefly described. Here, as an example, a method using electron beam lithography will be described, but the present invention is not limited to this.

(1)支持部材11として平行平板上の光学ガラスを用い、該光学ガラスの表面にAlなどの金属材料をスパッタ法や真空蒸着法により堆積させ金属膜を形成する。この際、金属と光学ガラスとの界面に金属膜の密着性を高めるために、TiやCrなどの下地層を設けても良い。 (1) An optical glass on a parallel plate is used as the support member 11, and a metal material such as Al is deposited on the surface of the optical glass by a sputtering method or a vacuum evaporation method to form a metal film. Under the present circumstances, in order to improve the adhesiveness of a metal film at the interface of a metal and optical glass, you may provide base layers, such as Ti and Cr.

(2)この金属膜上にフォトレジスト膜を形成する。 (2) A photoresist film is formed on the metal film.

(3)電子ビーム描画により、フォトレジスト膜を露光し、エッチングマスクを形成する。 (3) The photoresist film is exposed by electron beam drawing to form an etching mask.

(4)上記エッチングマスクを介して、RIE(反応性イオンエッチング)により金属膜をエッチングする。これにより、金属膜における不要な部分が除去される。 (4) The metal film is etched by RIE (reactive ion etching) through the etching mask. Thereby, unnecessary portions in the metal film are removed.

(5)エッチングマスクを除去する。これにより、光学ガラスの表面に、線幅wの複数の金属細線を一の方向に沿ってピッチpで形成することができる。 (5) The etching mask is removed. Thereby, a plurality of fine metal wires having a line width w can be formed on the surface of the optical glass with a pitch p along one direction.

なお、エッチングに代えて、リフトオフ法を用いても良い。   Note that a lift-off method may be used instead of etching.

(6)被覆部材12として、透明な膜をスパッタ法やコーティングにより堆積する。これにより、光学素子10Aとなる。 (6) As the covering member 12, a transparent film is deposited by sputtering or coating. Thereby, the optical element 10A is obtained.

次に、光学素子10Aの特性を検証するために実施した数値シミュレーションについて説明する。ここでは、数値シミュレーションとして、電磁場の時間・空間応答を記述するマクスウェル方程式を、時間領域及び空間領域に差分化して解く、いわゆる有限差分時間領域法(FDTD法)を用いた。   Next, a numerical simulation performed for verifying the characteristics of the optical element 10A will be described. Here, as the numerical simulation, a so-called finite difference time domain method (FDTD method) is used in which the Maxwell equation describing the time-space response of an electromagnetic field is differentiated into a time domain and a spatial domain.

図8及び図9には、数値シミュレーションに用いた光学素子のモデルが示されている。なお、図9は、図8のA−A断面図である。   8 and 9 show optical element models used in the numerical simulation. 9 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

このモデルは、支持基板(屈折率n=1.5)上にAlの金属細線が設けられ、誘電体(屈折率n=1.38)で被覆されている。 In this model, an Al metal fine wire is provided on a support substrate (refractive index n 1 = 1.5) and covered with a dielectric (refractive index n 2 = 1.38).

ここでは、透過光のスペクトル特性を得るために、図9に示されるように、入射光として45度の偏光方向(電場振動面)を持ち、時間幅の十分に短い(スペクトル幅が可視光領域に十分に広がった)平面波パルスを、支持基板と金属細線の界面から+z側にL11(ここでは、920nm)離れた面から入射した。   Here, in order to obtain the spectral characteristics of the transmitted light, as shown in FIG. 9, the incident light has a polarization direction of 45 degrees (electric field vibration plane) and has a sufficiently short time width (the spectral width is in the visible light region). A plane wave pulse (spread sufficiently) was incident on a surface at a distance of L11 (in this case, 920 nm) on the + z side from the interface between the support substrate and the fine metal wire.

そして、上記界面から−z側にL12(ここでは、1000nm)離れた観測面において、空間平均を施した電場振幅の時間変動をフーリエ変換することにより透過光の偏光特性を算出した。   Then, the polarization characteristic of the transmitted light was calculated by Fourier transforming the temporal variation of the electric field amplitude subjected to spatial averaging on the observation surface L12 (here, 1000 nm) away from the interface to the −z side.

なお、Alの誘電関数の波長分散特性は、金属材料の計算でよく用いられるDrudeモデルを適用した。また、図9における符号L13は、80nmである。   Note that the Drude model often used in the calculation of metal materials was applied to the wavelength dispersion characteristics of the dielectric function of Al. Moreover, the code | symbol L13 in FIG. 9 is 80 nm.

図10には、数値シミュレーションにより得られた全偏光成分の透過率と波長との関係が示されている。ここでは、w=88nm、h=216nmに固定し、配列ピッチpを多段階に変化させている。これによると、配列ピッチpが大きくなるにつれて、透過率がピークとなるときの波長(ピーク波長あるいは共鳴波長)が、長波長側にシフトしている。   FIG. 10 shows the relationship between the transmittance and wavelength of all polarized components obtained by numerical simulation. Here, w = 88 nm and h = 216 nm are fixed, and the arrangement pitch p is changed in multiple stages. According to this, as the arrangement pitch p increases, the wavelength (peak wavelength or resonance wavelength) at which the transmittance reaches a peak shifts to the longer wavelength side.

図11には、上記ピーク波長λに、n/(2×n)という係数を乗じた値と、配列ピッチpとの関係が示されている。図11における破線は傾き1の直線である。これによると、配列ピッチpとλ×n/(2×n)には直線的な相関があり、次の(1)式が成立している。なお、ここでは、n=1.5、n=1.38である。 FIG. 11 shows the relationship between the value obtained by multiplying the peak wavelength λ by a coefficient of n 1 / (2 × n 2 ) and the arrangement pitch p. A broken line in FIG. 11 is a straight line having an inclination of 1. According to this, there is a linear correlation between the arrangement pitch p and λ × n 1 / (2 × n 2 ), and the following equation (1) is established. Here, n 1 = 1.5 and n 2 = 1.38.

p=λ×n/(2×n) ……(1) p = λ × n 1 / (2 × n 2 ) (1)

上記(1)式が満足されるように、入射光の波長(動作波長)に合わせた配列ピッチpを設定することにより、入射光に対して高い透過率を得ることができる。なお、上記(1)式は、現象論的に得られた式であり、配列ピッチpが上記(1)式から算出される値に対して数%〜10%程度ずれていても、許容誤差範囲内とみなして良い。   By setting the arrangement pitch p according to the wavelength of the incident light (operating wavelength) so that the above expression (1) is satisfied, a high transmittance can be obtained for the incident light. The above equation (1) is a phenomenologically obtained equation, and even if the arrangement pitch p is deviated by several% to 10% with respect to the value calculated from the above equation (1), an allowable error is obtained. It can be considered within the range.

図12には、線幅wと高さhの積をpで規格化した値と位相差φ(deg)との関係が示されている。線幅wと高さhの積をpで規格化した値は、微細周期構造における金属充填率に対応する値である。なお、ここでは、電場の方向がx軸方向の偏光成分と電場の方向がy軸方向の偏光成分との位相差を位相差φとしている。 Figure 12 is the relationship between the line width w and height the product of h values and the phase difference was normalized by p 3 φ (deg) is shown. Value normalized by the product of the line width w and height h p 3 is a value corresponding to the metal filling factor in the fine periodic structure. Here, the phase difference between the polarization component whose electric field direction is the x-axis direction and the polarization component whose electric field direction is the y-axis direction is the phase difference φ.

図12におけるシンボル■は、高さhを216mm、配列ピッチpを248nmに固定して線幅wを変化させた場合を示し、シンボル▲は、線幅wを88nm、配列ピッチpを248nmに固定して高さhを変化させた場合を示し、シンボル◆は、線幅wを88nm、配列ピッチpを216nmに固定して高さhを変化させた場合を示している。これによると、■、▲及び◆を個別にフィッティングさせた3本の回帰曲線がほぼ一致していることから、金属充填率に依存して位相差φを決定することが可能である。なお、図12における曲線は、■、▲及び◆の全てをフィッティングさせた回帰曲線であり、次の(2)式で示される。   The symbol ■ in FIG. 12 indicates a case where the line width w is changed by fixing the height h to 216 mm and the arrangement pitch p to 248 nm, and the symbol ▲ indicates that the line width w is fixed to 88 nm and the arrangement pitch p is fixed to 248 nm. In this case, the height h is changed, and the symbol ◆ indicates the case where the height h is changed while the line width w is fixed to 88 nm and the arrangement pitch p is set to 216 nm. According to this, since the three regression curves obtained by fitting individually ■, ▲, and ◆ are almost coincident, it is possible to determine the phase difference φ depending on the metal filling rate. The curve in FIG. 12 is a regression curve obtained by fitting all of ■, ▲, and ◆, and is represented by the following equation (2).

φ=1.56807×10×(hw/p)+3.1079 ……(2) φ = 1.56807 × 10 5 × (hw / p 3 ) +3.1079 (2)

また、図13には、入射光の波長が443nmで、高さhを216nmに固定したときの、全偏光成分の透過率とデューティ比(w/p)との関係が示されている。これによると、デューティ比が0.35を超えると、透過率が急激に低下している。そこで、デューティ比は、0.35以下であることが好ましい。   FIG. 13 shows the relationship between the transmittance of all polarization components and the duty ratio (w / p) when the wavelength of incident light is 443 nm and the height h is fixed at 216 nm. According to this, when the duty ratio exceeds 0.35, the transmittance is drastically decreased. Therefore, the duty ratio is preferably 0.35 or less.

以上の数値シミュレーションの結果に基づいて、上記光学素子10Aに1/2波長板の機能をもたせるには、上記(1)式を用いて所望の動作波長に対する金属細線の配列ピッチpを決定し、デューティ比が0.35以下の条件を満たす範囲内で、上記(2)式を用いて位相差φがπ、すなわち、hw/p=5.54×10−4となるような高さhと線幅wを決定すれば良い。なお、線幅wが細いほど高い透過率を得ることができる。 Based on the result of the above numerical simulation, in order to give the optical element 10A the function of a half-wave plate, the arrangement pitch p of the thin metal wires for the desired operating wavelength is determined using the above equation (1), Within the range where the duty ratio satisfies the condition of 0.35 or less, the height h such that the phase difference φ is π, that is, hw / p 3 = 5.54 × 10 −4 using the above equation (2). And the line width w may be determined. Note that a higher transmittance can be obtained as the line width w is thinner.

この1/2波長板の機能をもつ光学素子10Aが、上記偏光変換素子141における複数の1/2波長板141Bに用いられている。   The optical element 10A having the function of the half-wave plate is used for the plurality of half-wave plates 141B in the polarization conversion element 141.

また、上記光学素子10Aに1/4波長板の機能をもたせるには、同様に、上記(1)式を用いて所望の動作波長に対する金属細線の配列ピッチpを決定し、デューティ比が0.35以下の条件を満たす範囲内で、上記(2)式を用いて位相差φがπ/2、すなわち、hw/p=1.128×10−3となるような高さhと線幅wを決定すれば良い。なお、線幅wが細いほど高い透過率を得ることができる。 In addition, in order to give the optical element 10A the function of a quarter wavelength plate, similarly, the arrangement pitch p of the thin metal wires with respect to a desired operating wavelength is determined using the above equation (1), and the duty ratio is 0. Within the range satisfying the condition of 35 or less, the height h and the line width such that the phase difference φ is π / 2, that is, hw / p 3 = 1.128 × 10 −3 using the above formula (2). What is necessary is just to determine w. Note that a higher transmittance can be obtained as the line width w is thinner.

この1/4波長板の機能をもつ光学素子10Aが、上記3つの1/4波長板(142A、142B、142C)に用いられている。   The optical element 10A having the function of the quarter wavelength plate is used for the three quarter wavelength plates (142A, 142B, 142C).

なお、光学素子10Aに、1/2波長板及び1/4波長板以外の機能をもたせることも可能である。   The optical element 10A can have functions other than the half-wave plate and the quarter-wave plate.

以上のように、上記光学素子10Aは、無機材料である金属細線を平面上に周期的に配列した微細周期構造を有しており、耐光性、耐熱性に優れている。また、高価な光学結晶を使用しておらず、上記光学素子10Aを用いることによって装置の低価格化を実現することができる。また、装置の小型化を図ることができる。   As described above, the optical element 10A has a fine periodic structure in which fine metal wires, which are inorganic materials, are periodically arranged on a plane, and is excellent in light resistance and heat resistance. Moreover, an expensive optical crystal is not used, and the cost of the apparatus can be reduced by using the optical element 10A. In addition, the apparatus can be reduced in size.

図14及び図15には、光学素子10Aの変形例としての光学素子10Bが示されている。なお、図15は、図14のA−A断面図である。   14 and 15 show an optical element 10B as a modification of the optical element 10A. FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

この光学素子10Bでは、y軸方向を長手方向とする各金属細線が、途中で切断されている。この場合であっても、金属細線の長手方向の長さを配列ピッチpより十分に大きく取り、上記(1)式及び(2)式が満足され、x軸方向のデューティ比が0.35以下になるように高さh及び線幅wが設定されていれば、散乱や回折の影響はあるものの、上記光学素子10Aと同様な特性を得ることができる。   In this optical element 10B, each thin metal wire whose longitudinal direction is the y-axis direction is cut in the middle. Even in this case, the length in the longitudinal direction of the fine metal wires is sufficiently larger than the arrangement pitch p, the above formulas (1) and (2) are satisfied, and the duty ratio in the x-axis direction is 0.35 or less. If the height h and the line width w are set so that, the same characteristics as those of the optical element 10A can be obtained although there is an influence of scattering and diffraction.

切断された金属細線を用いることにより、作製時の高アスペクト比構造の倒れや、電子線描画のつなぎ精度の影響を回避し、所望の形状の微細周期構造を精度良く得ることができる。   By using the cut fine metal wires, it is possible to avoid the collapse of the high aspect ratio structure at the time of manufacture and the influence of the connection accuracy of electron beam drawing, and to obtain a fine periodic structure with a desired shape with high accuracy.

なお、複数の金属細線13を保護する必要がない場合には、図16に示されるように、前記被覆部材12がなくても良い。この場合は、x軸方向に関して、隣り合う2本の金属細線13の間には、空気(屈折率n=1.00)が存在することとなる。この場合であっても、上記光学素子10Aと同様な特性を得ることができる。 In addition, when it is not necessary to protect the plurality of fine metal wires 13, the covering member 12 may be omitted as shown in FIG. In this case, air (refractive index n 2 = 1.00) exists between the two adjacent thin metal wires 13 in the x-axis direction. Even in this case, the same characteristics as those of the optical element 10A can be obtained.

以上説明したように、本実施形態に係る光学素子10Aによると、それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線13を含む微細周期構造体を有し、該微細周期構造体は、透明で屈折率nの支持部材11に支持され、かつ屈折率nの被覆部材12で覆われている。そして、複数の金属細線13は、x軸方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチpは、入射光の波長λを用いて、(λ×n)/(2×n)の値と等しくなるように設定されている。 As described above, according to the optical element 10A according to the present embodiment, the fine periodic structure includes the plurality of fine metal wires 13 each having a line width equal to or smaller than the wavelength of the incident light. The support member 11 is transparent and has a refractive index n 1 and is covered with a covering member 12 having a refractive index n 2 . The plurality of fine metal wires 13 are arranged at equal intervals along the x-axis direction, and the arrangement pitch p is (λ × n 1 ) / (2 × n 2 ) using the wavelength λ of incident light. It is set to be equal to the value.

また、デューティ比(w/p)が0.35以下の条件を満たす範囲内で、所望の位相差が得られるように、高さh及び線幅wが設定されている。   Also, the height h and the line width w are set so that a desired phase difference can be obtained within a range where the duty ratio (w / p) satisfies the condition of 0.35 or less.

この場合は、光学素子10Aは、耐光性や耐熱性に優れ、大型化及び高コスト化を招くことなく、互いに直交する2つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に所望の位相差を付与することができる。   In this case, the optical element 10A is excellent in light resistance and heat resistance, transmits both of two polarization components orthogonal to each other without causing an increase in size and cost, and provides a desired phase difference therebetween. Can be granted.

また、本実施形態に係る画像生成装置100によると、光学素子10Aに1/2波長板の機能をもたせた複数の1/2波長板141B、光学素子10Aに1/4波長板の機能をもたせた1/4波長板(142A、142B、142C)を有している。そこで、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。   Further, according to the image generating apparatus 100 according to the present embodiment, the optical element 10A has a plurality of half-wave plates 141B having the function of a half-wave plate, and the optical element 10A has a function of a quarter-wave plate. And quarter-wave plates (142A, 142B, 142C). Therefore, it is possible to reduce the size without increasing the cost.

また、本実施形態に係るプロジェクタ装置1000によると、画像生成装置100を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型化を図ることができる。   Further, according to the projector apparatus 1000 according to the present embodiment, since the image generating apparatus 100 is provided, as a result, it is possible to reduce the size without increasing the cost.

なお、上記実施形態では、画像形成素子として反射型液晶パネルが用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、発光機能を有する画像形成素子を用いても良い。この場合は、上記光源110は不要である。そこで、画像生成装置の更なる小型化を図ることができる。   In the above embodiment, the case where a reflective liquid crystal panel is used as the image forming element has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, an image forming element having a light emitting function may be used. In this case, the light source 110 is not necessary. Therefore, further downsizing of the image generating apparatus can be achieved.

《光学フィルタ》
ところで、上記光学素子10Aの特性を利用して光学フィルタを作成することができる。
<Optical filter>
By the way, an optical filter can be created using the characteristics of the optical element 10A.

図17〜図19には、光学フィルタとしての作用を有する光学素子10Dが示されている。なお、図18は、図17のA−A断面図であり、図19は、図17のB−B断面図である。ここでは、光学素子10Aとの相違点を中心に説明するとともに、前述した光学素子10Aと同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。   17 to 19 show an optical element 10D that functions as an optical filter. 18 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 17, and FIG. 19 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. Here, the description will focus on differences from the optical element 10A, and the same or equivalent components as those of the optical element 10A described above will be denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be simplified or omitted.

この光学素子10Dは、2つの微細周期構造を有している。ここでは、+z側の微細周期構造を第1の微細周期構造といい、−z側の微細周期構造を第2の微細周期構造という。   This optical element 10D has two fine periodic structures. Here, the fine periodic structure on the + z side is referred to as a first fine periodic structure, and the fine periodic structure on the −z side is referred to as a second fine periodic structure.

第1の微細周期構造は、入射光の波長以下の線幅をもつ複数の金属細線13を含み、該複数の金属細線13は、y軸方向に沿って、等間隔に配列されている(図18参照)。 The first fine periodic structure includes a plurality of thin metal wires 13 1 having a line width of less than the wavelength of the incident light, the metal thin wires 13 1 The plurality of along the y-axis direction, are arranged at equal intervals (See FIG. 18).

第2の微細周期構造は、入射光の波長以下の線幅をもつ複数の金属細線13を含み、該複数の金属細線13は、x軸方向に沿って、等間隔に配列されている(図19参照)。 The second fine periodic structure includes a plurality of thin metal wires 13 2 having a line width of less than the wavelength of the incident light, the metal thin wires 13 2 and the plurality of, along the x-axis direction, are arranged at equal intervals (See FIG. 19).

すなわち、各微細周期構造では、複数の金属細線の配列方向が互いに直交している。   That is, in each fine periodic structure, the arrangement directions of the plurality of fine metal wires are orthogonal to each other.

第2の微細周期構造の複数の金属細線13は、支持部材11の+z側の面上に設けられている。そして、複数の金属細線13は、被覆部材12によって被覆されている。そこで、x軸方向に関して、隣り合う2本の金属細線13の間には、被覆部材12が存在している。 A plurality of thin metal wires 13 of the second fine periodic structure is provided on a surface of the + z side of the support member 11. Then, a plurality of thin metal wires 13 2 is covered by the covering member 12. Therefore, the covering member 12 exists between the two adjacent thin metal wires 132 in the x-axis direction.

第1の微細周期構造の複数の金属細線13は、第2の微細周期構造の複数の金属細線13を被覆している被覆部材12の上に設けられている。そして、複数の金属細線13は、被覆部材12によって被覆されている。すなわち、第1の微細周期構造の複数の金属細線13は、被覆部材12の中に存在していることとなる。そこで、x軸方向に関して、隣り合う2本の金属細線13の間には、被覆部材12が存在している。 A plurality of thin metal wires 13 of the first fine periodic structure is provided on the covering member 12 covering the plurality of thin metal wires 13 of the second fine periodic structure. Then, a plurality of thin metal wires 13 1 is covered by the covering member 12. That is, a plurality of thin metal wires 13 of the first fine periodic structure can be assumed to be present in the covering member 12. Therefore, the x-axis direction, between the two thin metal wires 13 1 adjacent the coating member 12 exists.

第1の微細周期構造における複数の金属細線13は、上記(1)式が満足され、y軸方向のデューティ比が0.35以下の条件を満たす範囲内で、上記(2)式を用いて位相差φがπとなるように高さhと線幅wが設定されている。すなわち、第1の微細周期構造は、1/2波長板の機能を有している。 A plurality of thin metal wires 13 1 of the first fine periodic structure, the above equation (1) is satisfied, the duty ratio of the y-axis direction within the range satisfying 0.35 or less, using the above equation (2) Thus, the height h and the line width w are set so that the phase difference φ is π. That is, the first fine periodic structure has a function of a half-wave plate.

また、第2の微細周期構造における複数の金属細線13は、第1の微細周期構造における複数の金属細線13と同じ配列ピッチp、高さh、線幅wとなるように設定されている。 Further, a plurality of thin metal wires 13 2 in the second fine periodic structure, first the same array pitch p and a plurality of thin metal wires 13 1 in the fine periodic structure, the height h, is set to be the line width w Yes.

次に、光学素子10Dの動作原理について説明する。ここでは、白色ランダム偏光の光が、光学素子10Dの+z側から入射するものとする。また、第1の微細周期構造は、透過率がピークとなる波長(ピーク波長あるいは共鳴波長)がλ1であるものとする。   Next, the operation principle of the optical element 10D will be described. Here, it is assumed that white randomly polarized light enters from the + z side of the optical element 10D. In the first fine periodic structure, the wavelength at which the transmittance reaches a peak (peak wavelength or resonance wavelength) is λ1.

この白色ランダム偏光の光が第1の微細周期構造に入射すると、波長がλ1近傍の光は、TM偏光及びTE偏光のいずれも第1の微細周期構造を透過する。一方、波長がλ1から外れている光は、TM偏光のみが第1の微細周期構造を透過する。   When the white randomly polarized light is incident on the first fine periodic structure, both TM polarized light and TE polarized light pass through the first fine periodic structure. On the other hand, as for the light whose wavelength is out of λ1, only the TM polarized light is transmitted through the first fine periodic structure.

第1の微細周期構造を透過した光が第2の微細周期構造に入射すると、波長がλ1から外れている光は、TM偏光なので、第2の微細周期構造を透過できない。一方、波長がλ1近傍の光は、TM偏光及びTE偏光のいずれも第2の微細周期構造を透過する。   When the light transmitted through the first fine periodic structure enters the second fine periodic structure, the light whose wavelength deviates from λ1 is TM-polarized light and cannot pass through the second fine periodic structure. On the other hand, the light having a wavelength in the vicinity of λ1 passes through the second fine periodic structure in both TM polarized light and TE polarized light.

すなわち、波長がλ1近傍の光のみが、光学素子10Dを透過することができる。   That is, only light having a wavelength near λ1 can pass through the optical element 10D.

なお、第2の微細周期構造が、単なる偏光選択性を有するワイヤグリッド偏光板に相当する構造の場合には、波長がλ1近傍の光は、TM偏光及びTE偏光のいずれかが第2の微細周期構造を透過する。   In the case where the second fine periodic structure is a structure corresponding to a mere polarization selective wire grid polarizing plate, either the TM polarized light or the TE polarized light is the second fine light with a wavelength in the vicinity of λ1. Permeates the periodic structure.

次に、光学素子10Dの特性を検証するために実施した数値シミュレーションについて説明する。ここでも、上記有限差分時間領域法(FDTD法)を用いた。但し、入射偏光をTE偏光とTM偏光とで独立に計算し、透過率の平均値を取ることにより入射ランダム偏光を表現した。   Next, a numerical simulation performed for verifying the characteristics of the optical element 10D will be described. Again, the finite difference time domain method (FDTD method) was used. However, incident random polarization was expressed by calculating incident polarization independently for TE polarization and TM polarization and taking an average value of transmittance.

図20及び図21には、数値シミュレーションに用いた光学素子のモデルが示されている。なお、図21は、図20のA−A断面図である。   20 and 21 show a model of the optical element used for the numerical simulation. FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.

このモデルは、第1の微細周期構造と第2の微細周期構造とを間隔L23(ここでは、64nm)空けて積層している。第1の微細周期構造は屈折率1.38の被覆部材中に埋め込まれている。また、図20における符号L21は920nmであり、符号L22は1000nmである。   In this model, the first fine periodic structure and the second fine periodic structure are laminated with an interval L23 (here, 64 nm). The first fine periodic structure is embedded in a covering member having a refractive index of 1.38. Moreover, the code | symbol L21 in FIG. 20 is 920 nm, and the code | symbol L22 is 1000 nm.

また、各微細周期構造における金属細線は、(1)動作波長に対して配列ピッチpを決定し、(2)デューティ比w/pが0.35となるように線幅wを決定し、(3)高い透過率が得られるように高さhを決定した。   Further, for the fine metal wires in each fine periodic structure, (1) the arrangement pitch p is determined with respect to the operating wavelength, (2) the line width w is determined so that the duty ratio w / p is 0.35, 3) The height h was determined so as to obtain a high transmittance.

図22には、波長と全偏光成分の透過率との関係が示されている。長波長側の光は、ピーク波長からはずれた波長帯に位置するため、透過が遮断されている。また、金属細線の形状及び配列ピッチpを調整することにより、任意の波長に対して波長選択機能を発現できることが確認できた。短波長側の光は、金属細線の直線偏光に対する遮断特性が低下するため、十分には透過率が低下していない。これは、射出側の微細周期構造(ここでは、第2の微細周期構造)の金属細線の形状を変えることにより改善することが可能である。   FIG. 22 shows the relationship between the wavelength and the transmittance of all polarization components. Since the light on the long wavelength side is located in a wavelength band deviated from the peak wavelength, transmission is blocked. Moreover, it has confirmed that a wavelength selection function could be expressed with respect to arbitrary wavelengths by adjusting the shape and arrangement pitch p of a metal fine wire. The light on the short wavelength side is not sufficiently reduced in transmittance because the shielding property against the linearly polarized light of the metal thin wire is lowered. This can be improved by changing the shape of the fine metal wire of the fine periodic structure on the emission side (here, the second fine periodic structure).

以上のように、光学素子10Dは、無機材料である金属細線を平面上に周期的に配列した2つの微細周期構造を有しており、耐光性、耐熱性に優れている。また、平面構造を積層した光学素子であるため、積層化や集積化が容易である。   As described above, the optical element 10D has two fine periodic structures in which fine metal wires, which are inorganic materials, are periodically arranged on a plane, and is excellent in light resistance and heat resistance. In addition, since the optical element has a planar structure, it can be easily stacked and integrated.

なお、第1の微細周期構造の複数の金属細線13を被覆している被覆部材12がなくても良い。この場合は、y軸方向に関して、隣り合う2本の金属細線13の間には、空気(屈折率n=1.00)が存在することとなる。この場合であっても、上記光学素子10Dと同様な特性を得ることができる。 It is also possible without first cover member 12 covering the plurality of thin metal wires 13 1 of the fine periodic structure. In this case, the y-axis direction, between the two thin metal wires 13 1 adjacent, so that the air (refractive index n 2 = 1.00) is present. Even in this case, the same characteristics as those of the optical element 10D can be obtained.

以上説明したように、本発明の光学素子によれば、耐光性や耐熱性に優れ、高コスト化を招くことなく、互いに直交する2つの偏光成分をいずれも透過させ、それらの間に所望の位相差を付与するのに適している。本発明の画像生成装置及び画像表示装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型化を図るのに適している。   As described above, according to the optical element of the present invention, it is excellent in light resistance and heat resistance, transmits two polarized components orthogonal to each other without incurring cost increase, and a desired value therebetween. Suitable for providing a phase difference. The image generation apparatus and the image display apparatus according to the present invention are suitable for downsizing without increasing the cost.

10A…光学素子、10B…光学素子、10D…光学素子、11…支持部材、12…被覆部材(媒体)、13…金属細線、13…金属細線、13…金属細線、100…画像生成装置、120A…反射型液晶パネル(画像形成素子)、120B…反射型液晶パネル(画像形成素子)、120C…反射型液晶パネル(画像形成素子)、141B…1/2波長板、142A…1/4波長板、142B…1/4波長板、142C…1/4波長板、200…投射光学系、1000…プロジェクタ装置(画像表示装置)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10A ... Optical element, 10B ... Optical element, 10D ... Optical element, 11 ... Supporting member, 12 ... Cover member (medium), 13 ... Metal fine wire, 13 1 ... Metal fine wire, 13 2 ... Metal fine wire, 100 ... Image generating apparatus , 120A ... reflective liquid crystal panel (image forming element), 120B ... reflective liquid crystal panel (image forming element), 120C ... reflective liquid crystal panel (image forming element), 141B ... 1/2 wavelength plate, 142A ... 1/4 Wave plate, 142B ... 1/4 wavelength plate, 142C ... 1/4 wavelength plate, 200 ... projection optical system, 1000 ... projector device (image display device).

特開2009−139973号公報JP 2009-139773 A 特開2005−099099号公報JP 2005-099099 A 特開2006−154382号公報JP 2006-154382 A 特開2006−330105号公報JP 2006-330105 A 特開2007−240618号公報JP 2007-240618 A

Claims (7)

それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する光学素子において、
前記微細周期構造体は、透明で屈折率nの支持部材に支持され、かつ屈折率nの媒体で覆われており、
前記複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチp[nm]は、前記入射光の波長λを用いて、(λ×n)/(2×n)の値と等しく、
前記入射光は、前記一の方向に平行な偏光成分と前記一の方向に垂直な偏光成分とを有し、
前記入射光が前記複数の金属細線を通過する際に、前記2つの偏光成分の間に、大きさが180°の位相差が付与され、
前記複数の金属細線は、高さh[nm]、線幅w[nm]を用いて、hw/pが1.128×10−3 [nm −1 であることを特徴とする光学素子。
In an optical element having a fine periodic structure including a plurality of fine metal wires each having a line width equal to or smaller than the wavelength of incident light,
The fine periodic structure is transparent and supported by a support member having a refractive index n 1 and covered with a medium having a refractive index n 2 .
The plurality of fine metal wires are arranged at equal intervals along one direction, and the arrangement pitch p [nm] is (λ × n 1 ) / (2 × n 2 ) using the wavelength λ of the incident light. ) Value,
The incident light has a polarization component parallel to the one direction and a polarization component perpendicular to the one direction;
When the incident light passes through the plurality of thin metal wires, a phase difference having a magnitude of 180 ° is given between the two polarization components,
The plurality of fine metal wires have a height h [nm] and a line width w [nm] , and hw / p 3 is 1.128 × 10 −3 [nm −1 ]. .
それぞれの線幅が入射光の波長以下である複数の金属細線を含む微細周期構造体を有する光学素子において、
前記微細周期構造体は、透明で屈折率nの支持部材に支持され、かつ屈折率nの媒体で覆われており、
前記複数の金属細線は、一の方向に沿って等間隔で配列され、その配列ピッチp[nm]は、前記入射光の波長λを用いて、(λ×n)/(2×n)の値と等しく、
前記入射光は、前記一の方向に平行な偏光成分と前記一の方向に垂直な偏光成分を有し、
前記入射光が前記複数の金属細線を通過する際に、前記2つの偏光成分の間に、大きさが90°の位相差が付与され、
前記複数の金属細線は、高さh[nm]、線幅w[nm]を用いて、hw/pが5.54×10−4 [nm −1 であることを特徴とする光学素子。
In an optical element having a fine periodic structure including a plurality of fine metal wires each having a line width equal to or smaller than the wavelength of incident light,
The fine periodic structure is transparent and supported by a support member having a refractive index n 1 and covered with a medium having a refractive index n 2 .
The plurality of fine metal wires are arranged at equal intervals along one direction, and the arrangement pitch p [nm] is (λ × n 1 ) / (2 × n 2 ) using the wavelength λ of the incident light. ) Value,
The incident light has a polarization component parallel to the one direction and a polarization component perpendicular to the one direction;
When the incident light passes through the plurality of fine metal wires, a phase difference of 90 ° is given between the two polarization components,
The plurality of thin metal wires has a height h [nm] and a line width w [nm] , and hw / p 3 is 5.54 × 10 −4 [nm −1 ]. .
前記複数の金属細線は、線幅wを用いて、w/pが0.35以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。   3. The optical element according to claim 1, wherein the plurality of thin metal wires have a line width w and w / p is 0.35 or less. 前記媒体は、空気であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the medium is air. 前記支持部材及び前記媒体の一方における表面あるいはその内部に設けられ、
それぞれの線幅が前記入射光の波長以下であり、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って等間隔に配置されている複数の金属細線を含む微細周期構造体を更に有することを特徴とする請求項1に記載の光学素子。
Provided on the surface of one of the support member and the medium or inside thereof,
A fine periodic structure including a plurality of fine metal wires each having a line width equal to or smaller than the wavelength of the incident light and arranged at equal intervals along a second direction orthogonal to the first direction; The optical element according to claim 1.
画像形成素子を含み、画像情報に応じた画像を生成する画像生成装置において、
前記画像形成素子に入射する光束、及び前記画像形成素子から射出される光束の少なくとも一方の光路上に配置された、少なくとも1つの請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学素子を有することを特徴とする画像生成装置。
In an image generation apparatus that includes an image forming element and generates an image according to image information,
6. The optical element according to claim 1, wherein the optical element is disposed on an optical path of at least one of a light beam incident on the image forming element and a light beam emitted from the image forming element. An image generation apparatus characterized by that.
画像情報に応じた画像を生成する請求項6に記載の画像生成装置と;
該画像生成装置からの光束を被投射面に投射する投射光学系と;を備える画像表示装置。
The image generation device according to claim 6 which generates an image according to image information;
A projection optical system that projects a light beam from the image generation device onto a projection surface.
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