JPWO2014013712A1 - Optical device and display device using the same - Google Patents
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Abstract
[課題] エテンデューの高いランダム偏光を、特定方向の偏光成分のみからなるエテンデューの低い光に変換する光学装置を提供する。[解決手段] 第1の面に周期構造を有する導光層と、前記第1の面上に設けられた金属層と、を備え、前記導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも1つの入射面と、前記入射面と前記第1の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも1つの出射面と、を含む。[PROBLEMS] To provide an optical device that converts random polarized light having a high etendue into light having a low etendue consisting of only a polarized light component in a specific direction. [Solution] A light guide layer having a periodic structure on a first surface and a metal layer provided on the first surface, wherein the light guide layer transmits light into the light guide layer. And at least one incident surface for incident light, and at least one light emitting surface for emitting light inside the light guide layer to the outside of the light guide layer except for the incident surface and the first surface.
Description
本発明は、光学装置およびそれを用いた表示装置に関する。 The present invention relates to an optical device and a display device using the same.
近年、LED(Light Emitting Diode)を光源としたLEDプロジェクタが注目されている。LEDプロジェクタは、LEDと、LEDの出射光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。 In recent years, an LED projector using an LED (Light Emitting Diode) as a light source has attracted attention. The LED projector includes an LED, an illumination optical system into which light emitted from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system according to a video signal, and projects light from the modulation element onto a screen. And a projection optical system.
このようなLEDプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率よく投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のFナンバーで決まる取り込み角の積の値以下にする必要がある。 In such an LED projector, in order to increase the brightness of the projected image, it is required to efficiently use the emitted light from the light source as the projected light. In order for the light emitted from the light source to be efficiently used as the projection light, the etendue obtained by the product of the light emitting area and the radiation angle of the light source has an acquisition angle determined by the light receiving area of the modulation element and the F number of the illumination optical system. Must be less than product value.
また、LEDプロジェクタでは、液晶パネルなどの偏光依存性を有する変調素子が使用されることがある。この場合、LEDの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換する必要がある。 In addition, in an LED projector, a modulation element having polarization dependency such as a liquid crystal panel may be used. In this case, since the emitted light of the LED is random polarized light, in order to efficiently use the emitted light of the light source as projection light, it is necessary to convert the random polarized light into a specific polarization state.
ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術として、特許文献1が例示できる。例えば特許文献1に開示されている平面光学装置は、図17に示すように、導光体10と、導光体10の下面に設けられた偏光方向変更部材13と、階段状のマイクロプリズム14と、反射板6と、導光体10の上面に設けられた偏光分離膜11と、偏光分離膜11の上面に設けられた上面カバー12によって構成される導光板3を備える。また、偏光分離膜11は、第1の低屈折率透明媒質と第2の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。
Patent Document 1 can be exemplified as a technique for converting random polarization into a specific polarization state. For example, a planar optical device disclosed in Patent Document 1 includes a
上記の平面光学装置では、LED2の出射光は、導光体10に入射され、マイクロプリズム14にて角度変換されながら導光体10の内部を伝播する。導光体10と第1の低屈折率透明媒質との境界である第1の境界において、入射光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって、金属薄膜に表面プラズモンが励起される。
In the above planar optical device, the light emitted from the
金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第2の低屈折率透明媒質と上面カバー12との境界である第2の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の遷移過程が生じ、その第2の境界で光が発生する。第2の境界で発生した光は、上面カバー12を介して出射される。
When surface plasmon is excited in the metal thin film, a transition process opposite to the surface plasmon excitation process occurs at the second boundary, which is the boundary between the second low-refractive-index transparent medium and the
また、上記の平面光学装置では、第1の境界に入射される光のうち、表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第1の境界に平行なP偏光のみである。第2の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるので、表面プラズモンを励起する光と同じP偏光となる。したがって、上記の平面光学装置は、ランダム偏光を、特定の偏光状態に変換して出射できる。 In the above planar optical device, among the light incident on the first boundary, the light that excites the surface plasmon is only the P-polarized light whose electric field component is parallel to the first boundary. The light generated at the second boundary is generated by the reverse process of the excitation process of the surface plasmon, and thus has the same P polarization as the light that excites the surface plasmon. Therefore, the above planar optical device can emit random polarized light after converting it into a specific polarization state.
しかしながら、上述した関連技術に係る平面光学装置では、導光体10内を進行する光は、特定の方向だけではなく、様々な方向に伝播され、第1の境界面内に様々な方向から入射する。その結果、金属薄膜表面の面内において様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第2の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、出射方向を特定の方向に既定されたエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光を得ることが難しい問題があった。
However, in the planar optical device according to the related art described above, the light traveling in the
そこで、本発明の主目的は、エテンデューが高いランダム偏光を、エテンデューが低い特定の偏光状態の光に変換することが可能となる光学装置および表示装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide an optical device and a display device that can convert random polarized light with high etendue into light of a specific polarization state with low etendue.
上記課題を解決するため光学装置は、第1の面に周期構造を有する導光層と、第1の面上に設けられた金属層と、を備え、導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも1つの入射面と、入射面と第1の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも1つの出射面と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an optical device includes a light guide layer having a periodic structure on a first surface and a metal layer provided on the first surface, and the light guide layer guides light. At least one incident surface that is incident on the inside of the layer, and at least one emission surface that emits light inside the light guide layer to the outside of the light guide layer, excluding the incident surface and the first surface. It is characterized by including.
本発明によれば、エテンデューが高いランダム偏光を、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態である特定の偏光状態の光に変換することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to convert random polarized light having a high etendue into light having a specific polarization state which is a low etendue state in which the emission direction is set in a specific direction.
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態の光学装置100を模式的に示す斜視図である。なお、実際の光学装置では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view schematically showing an
光学装置100は、光源101と、導光層102と、金属層103とを有する。
The
光源101は、導光層102の外周部に配置され、導光層102にランダム偏光を出射する。光源101は、導光層102から離れた位置に配置されてもよいし、導光層102と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に導光層102と接続されてもよい。
The
導光層102の上面(第1の面)には1次元の周期構造が設けられており、後述する導光層102内の、周期構造に対して特定の入射角で、かつ周期構造の周期方向と平行な方向に主成分を有するP偏光の光を、表面プラズモンを介して回折し、導光層102の下面(出射面)から外部に出射させる。
The upper surface (first surface) of the
導光層102は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、後述するように、導光層102は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
The
金属層103は、少なくとも可視光を透過しない材料からなり、金属層単層では、光を反射する。また、後述するように、金属層103は、可視光によって、表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。
The
導光層102は、光源101から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。導光層102の上面には1次元の周期構造として、X方向に周期を有し、Y方向に延伸し、Z方向に凹凸を有する構造が形成されている。導光層102は、例えば、可視光に対して、屈折率が1.46程度以上1.50程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PMMA(ポリメタクリル酸メチル樹脂)などのアクリル樹脂である。また、導光層102の上面の周期構造は、周期220nm程度以上400nm程度以下、凹凸の深さ120nm程度以下である。
The
なお、導光層102の屈折率は、1.46程度以上1.50程度以下に限定されない。より詳細には、後述する金属層103からの反射回折光の回折角が、導光層102の下面と導光層102の外部との界面における臨界角より小さければよく、かつ後述するP偏光成分の強度がS偏光成分の強度よりも高ければよい。
The refractive index of the
導光層102の厚みは、目安として0.5mm程度であれば問題なく機能する。ただし、導光層102の厚みには、特に限定は加えない。
If the thickness of the
なお、導光層102の上面の周期構造の周期は、250nm程度以上400nm程度以下に限定されない。より詳細には、後述する金属層103からの反射回折光の回折角が、導光層102の下面と導光層102の外部との界面における臨界角より小さければよく、かつ後述するP偏光成分の強度がS偏光成分の強度よりも高ければよい。
Note that the period of the periodic structure on the upper surface of the
導光層102の形状は、本実施形態では平板状としているが、実際には平板状に限定されるものではなく、楔形状や鋸波形状などでもよい。
The
金属層103は、可視光によって表面に表面プラズモンを励起可能な金属で形成される。例としては、Ag(銀)である。金属層103の厚みは、500nm程度以上2μm程度以下である。
The
なお、金属層103は、Agに限定されず、Al(アルミニウム)、Au(金)でもよい。より詳細には、後述する導光層102と金属層103との界面において表面プラズモンを励起すればよい。また、金属層103の厚みは500nm程度以上2μm程度以下に限定されない。より詳細には、後述する導光層102と金属層103との界面で発生する表面プラズモンのエネルギーが、金属層103の上面に染み出さない程度に厚ければよく、また、後述するP偏光の光およびS偏光の光を反射する程度に厚ければよい。
The
光学装置100は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面に、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術を用いて1次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でAgを形成する。ただし、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法に限定されない。
The
なお、導光層102と金属層103との界面に、接合性を高めるためにTiなどの接合層を5nm程度以下の厚さで設けても良い。
Note that a bonding layer of Ti or the like may be provided at the interface between the
図2は、光学装置100の動作を詳細に説明するための図である。図2は、光学装置100のY軸に直交する断面図である。導光層102内に存在する光のうち、光AはP偏光の光、すなわち電場の振動方向がZX面に平行な光を示す。光BはS偏光の光、すなわち電場の振動方向がZX面に直交する光を示す。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。ここで、真空中における光の角周波数をω、光速をcとすると真空中における光の波数は、k0=ω/cで表される。表面プラズモンの波数kSPは、真空中における光の波数k0、金属の誘電率εmおよび誘電体の誘電率εdから
kSP=k0((εd・εm)/(εd+εm))1/2 … (1)
で決定される。Next, the principle that surface plasmons are excited and light is generated from the surface plasmons will be described. Surface plasmons are dense waves of a group of electrons that propagate through the interface between a metal and a dielectric. Here, when the angular frequency of light in vacuum is ω and the speed of light is c, the wave number of light in vacuum is represented by k 0 = ω / c. The wave number k SP of the surface plasmon is calculated from the wave number k 0 of light in vacuum, the dielectric constant ε m of the metal, and the dielectric constant ε d of the dielectric, k SP = k 0 ((ε d · ε m ) / (ε d + ε m )) 1/2 ... (1)
Determined by
表面プラズモンの角周波数と波数の関係である分散関係が、誘電体中を伝播する光の分散関係と一致する場合、すなわち、誘電体中に存在する特定の波長の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなる場合、その光によって表面プラズモンが励起される。
しかしながら、平坦な金属と平坦な誘電体との界面のみの場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は一致しない。そのため、光を誘電体から金属に入射しても表面プラズモンは励起されない。したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。When the dispersion relationship, which is the relationship between the angular frequency of the surface plasmon and the wave number, matches the dispersion relationship of the light propagating in the dielectric, that is, the wave number of the light of a specific wavelength existing in the dielectric is the wave number of the surface plasmon. The surface plasmon is excited by the light.
However, in the case of only the interface between a flat metal and a flat dielectric, the surface plasmon dispersion relationship does not match the light dispersion relationship in the dielectric. Therefore, even if light is incident on the metal from the dielectric, the surface plasmon is not excited. Therefore, in order to excite the surface plasmon, it is necessary to change the dispersion relation of the light in the dielectric so that the dispersion relation of the surface plasmon and the dispersion relation of the light in the dielectric coincide.
光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、金属と誘電体との界面に回折格子(グレーティング)を設けるグレーティング結合法が知られている。 As a method of exciting surface plasmons by changing the light dispersion relationship, a grating coupling method in which a diffraction grating (grating) is provided at the interface between a metal and a dielectric is known.
グレーティング結合法では、回折格子の周期方向に平行な面内において、回折格子に入射角θincで光が入射すると、その回折格子にて回折された光の、回折格子の周期方向に平行な波数成分kΛは、誘電体の屈折率n、整数m1、格子ピッチΛ、格子ベクトルK=2π/Λを用いて式2で表される。
kΛ=nk0sinθinc+m1K …(2)
ここで、回折格子に対して特定の入射角において、kSP=kΛとなる場合、つまり表面プラズモンの分散関係と誘電体中の回折光の分散関係とが一致する場合においては、光から誘電体と金属との界面に波数kΛを有する表面プラズモンが回折格子の周期方向に平行な方向に励起される。表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。In the grating coupling method, when light is incident on the diffraction grating at an incident angle θ inc within a plane parallel to the periodic direction of the diffraction grating, the wave number of the light diffracted by the diffraction grating is parallel to the periodic direction of the diffraction grating. The component k Λ is expressed by
k Λ = nk 0 sin θ inc + m 1 K (2)
Here, when k SP = k Λ at a specific incident angle with respect to the diffraction grating, that is, when the dispersion relation of the surface plasmon and the dispersion relation of the diffracted light in the dielectric coincide, Surface plasmons having a wave number k Λ at the interface between the body and the metal are excited in a direction parallel to the periodic direction of the diffraction grating. The incident light that excites the surface plasmon propagating in a specific direction due to the surface plasmon being a dense wave is only linearly polarized light whose electric field component is parallel to the specific direction.
したがって、図2に示したように、導光層102と金属層103との界面を、X方向に周期を有する1次元周期構造とすることで、導光層102と金属層103との界面に表面プラズモンkx=kΛを励起できる光を、X方向に電界成分を有し、かつ導光層102と金属層103との界面の周期構造に対して特定の入射角度を有するP偏光に制限することが可能になる。Therefore, as shown in FIG. 2, the interface between the
導光層102と金属層103との界面の周期構造に対して、kx=kSPを満足する入射角θ1で光が入射され、導光層102と金属層103との界面において表面プラズモンがX方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属層103における熱損失となり、一部は誘電体中の光と結合して回折される。With respect to the periodic structure at the interface between the
導光層102と金属層103との界面から回折される光の波数成分kx,dは、整数m2を用いて、
kx,d=kSP+m2K … (3)
と表される。導光層102と金属層103との界面から回折される光の波数kx,dは導光層102と金属層103との界面に励起された表面プラズモンの波数成分と平行である。The wave number component k x, d of light diffracted from the interface between the
k x, d = k SP + m 2 K (3)
It is expressed. The wave number k x, d of light diffracted from the interface between the
したがって、回折光は、導光層102と金属層103との界面に入射した光と同様に、X方向に電界成分を有し、かつ、導光層102と金属層103との界面の周期構造に対して特定の回折角θ2であるP偏光となる。Therefore, the diffracted light has an electric field component in the X direction, similar to the light incident on the interface between the
導光層102と金属層103との界面において回折角θ2で回折したP偏光は、導光層102を伝播し、導光層102の下面に入射角θ3で入射する。本実施形態においては、導光層102は平板状でありθ3=θ2である。ここで、屈折率nAの媒質Aから、媒質Aと屈折率nBの媒質Bとの界面へ光が入射する際における臨界角は、
θc=sin−1(nB/nA) … (4)
で表される。導光層102の屈折率をn1、導光層102の外部の屈折率をn0とし、θ3<θcを満足して導光層102の下面に入射した光は、導光層102の外部に出射する。The P-polarized light diffracted at the diffraction angle θ 2 at the interface between the
θ c = sin −1 (n B / n A ) (4)
It is represented by When the refractive index of the
また、導光層102と金属層103との界面に表面プラズモンを励起しないP偏光と、S偏光の光は、金属層103によって回折または鏡面反射され、導光層102内において、導光層102の上面と導光層102の下面との間で全反射しながら導光し、導光層102の下面から導光層102の外部へ出射しない。導光層102内のYZ面内に存在する光は、金属層103によって回折または鏡面反射され、導光層102の上面と導光層102の下面との間で全反射しながら導光し、導光層102の下面から導光層102の外部へ出射しない。
Further, P-polarized light and S-polarized light that do not excite surface plasmons at the interface between the
以上のことから、導光層102内に存在する光のうち、導光層102と金属層103との界面に対して特定の入射角θ1の光Aだけが表面プラズモンを介して回折され導光層102から取出される。From the above, among the light that exists in the
すなわち、導光層102と金属層103との界面にX方向に周期を有する1次元の周期構造が存在することにより、X方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるZX面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
That is, since a one-dimensional periodic structure having a period in the X direction exists at the interface between the
なお、ZX方向以外に伝搬する光が導光層102と金属層103との界面に様々な角度で入射した場合でも、その光をZX平面に射影した射影光の入射角度が、表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の偏光成分を有する光を得ることができる。その場合、まず、光Aと同様に、X方向に平行な偏光成分によって、X方向に特定の波数を有する表面プラズモンが導光層102と金属層103との界面に励起される。さらに、表面プラズモンの一部が導光層102と金属層103との界面で回折され、X方向に特定の偏光成分を有する光として、導光層102から取出される。
Even when light propagating in a direction other than the ZX direction is incident on the interface between the
このように、本実施形態では、導光層102と金属層103との界面に周期構造を設けることで、高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。
As described above, in this embodiment, by providing a periodic structure at the interface between the
なお、図3は、本実施形態において、導光層102と金属層103との界面における周期構造のZX平面における断面の例を示す。導光層102と金属層103との界面における周期構造には、(a)矩形状、(b)階段状、(c)正弦波状の形状を用いることができる。また、(a)矩形状、(b)階段状、(c)正弦波状の任意の複数の形状が、前記周期構造内に混在してもよい。
[第1の実施例]
以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図4は、光学装置100の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第1の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。FIG. 3 shows an example of a cross section in the ZX plane of the periodic structure at the interface between the
[First embodiment]
The effect of the above operation was confirmed by simulation. FIG. 4 is a graph illustrating an example of a simulation result for confirming the effect of the
図4の横軸は、光学装置100のZX面内における導光層102と金属層103の界面からの回折角θ2を示し、縦軸は最大値50%で規格化した回折効率D.E.(Diffraction Efficiency)を示している。また(a)は導光層102と金属層103との界面への入射光をS偏光とした場合、(b)は導光層102と金属層103との界面への入射光をP偏光とした場合を示している。4 represents the diffraction angle θ 2 from the interface between the
また、回折角θ2は、導光層102の下面と後述する導光層102の外部との界面における臨界角θc以内の範囲を示している。なお、シミュレーションには、2次元の厳密結合波解析法(RCWA法:Rigorous Coupled Wave Analysis法)を用いた。The diffraction angle θ 2 indicates a range within the critical angle θ c at the interface between the lower surface of the
第1の実施例のシミュレーションにおいて、導光層102は、屈折率が1.46のPETとした。金属層103は、Agで厚みを2μmとした。導光層102と金属層103との界面の周期構造は、形状を図3(a)に示す矩形状とし、深さを60nmとし、ピッチを300nmとした。導光層102の外部を屈折率1の空気とした。
In the simulation of the first embodiment, the
図4(a)及び(b)から、P偏光成分の導光層102内における回折効率の半値全幅は約20.0degであり、導光層102の下面と導光層102の外部との界面を透過後の空気中の半値全幅は約33.0degである。したがって、LEDの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅(45.0deg)に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。
4A and 4B, the full width at half maximum of the diffraction efficiency in the
また、P偏光成分の回折効率のピーク値と、S偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、P偏光成分の方が4倍以上大きいため、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。なお、第1実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。In addition, when comparing the peak value of the diffraction efficiency of the P-polarized component and the peak value of the diffraction efficiency of the S-polarized component, the P-polarized component is more than four times larger, so that light having polarization selectivity can be obtained. I can confirm.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol.
図5は、本発明の第2の実施形態の光学装置200を模式的に示す斜視図である。図5に示す光学装置200は、第1の実施形態の光学装置100と比べると、導光層102と金属層103との間に誘電体層(第1の誘電体層)204を備えている点が相違する。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing an
誘電体層204は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、誘電体層204は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。誘電体層204の下面は、導光層102と接しており、周期構造を有する。誘電体層204の上面は平坦である。なお、誘電体層204の上面は平坦でなく、ランダムな凹凸構造や、周期構造を有しても良い。
The
なお、誘電体層204は、Z方向の厚みが0の部分があっても良い。すなわち、導光層102の上面の凸部で、導光層102と金属層103が接してもよい。
The
誘電体層204は、導光層102とは異なる屈折率を有する。誘電体層204は、例えば屈折率1の空気である。なお、誘電体層204は、屈折率1に限定されない。
The
また、光学装置200は、例えば、以下のような手順で製造することができる。石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で1次元凹凸構造を形成し、基板Aとする。他方で、Si基板等の表面にスパッタ等の蒸着法でAgを形成し、基板Bとする。
The
基板Aと基板Bを、オプティカルボンディング等の接合法で石英ガラスの1次元凹凸構造とSi基板のAg層において接合する。ただし、第1の実施形態の光学装置200の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
The substrate A and the substrate B are bonded to each other in the one-dimensional concavo-convex structure of quartz glass and the Ag layer of the Si substrate by a bonding method such as optical carving. However, the manufacturing method of the
図6は、光学装置200のY軸に直交する断面図である。導光層102内に存在する光のうち、光AはP偏光の光すなわち電場の振動方向がZX面に平行な光を示す。光BはS偏光の光すなわち電場の振動方向がZX面に直交する光を示す。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。導光層102と誘電体層204との界面の周期構造に対して、入射角θ1で光が入射されると、kx=kSPを満足する回折光が誘電体層204に生じる。Next, the principle that surface plasmons are excited and light is generated from the surface plasmons will be described. When light is incident on the periodic structure at the interface between the
誘電体層204内に発生した回折光によって、誘電体層204と金属層103との界面において表面プラズモンがX方向に励起されると、その表面プラズモンのエネルギーの一部は金属層103における熱損失となり、一部は、導光層102と誘電体層204との界面における周期構造によって、回折される。
When the surface plasmon is excited in the X direction at the interface between the
導光層102と誘電体層204との界面から回折される光の波数kx,dは誘電体層204と金属層103との界面に励起された表面プラズモンの波数成分と平行である。The wave number k x, d of light diffracted from the interface between the
したがって、回折光は、導光層102と誘電体層204との界面に入射した光と同様に、X方向に電界成分を有し、かつ導光層102と誘電体層204との界面の周期構造に対して特定の回折角θ2であるP偏光となる。Therefore, the diffracted light has an electric field component in the X direction, and the period of the interface between the
また、誘電体層204と金属層103との界面に表面プラズモンを励起しないP偏光と、S偏光の光は、金属層103によって鏡面反射され、導光層102内において、導光層102の上面と導光層102の下面との間で全反射しながら導光し、導光層102の下面から導光層102の外部へ出射しない。
Further, P-polarized light and S-polarized light that do not excite surface plasmons at the interface between the
以上のことから、導光層102内に存在する光のうち、導光層102と誘電体層204との界面に対して特定の入射角θ1の光Aだけが表面プラズモンを介して回折され導光層102から取出される。
From the above, among the light existing in the
すなわち、導光層102と誘電体層204との界面にX方向に周期を有する1次元の周期構造が存在することにより、X方向に特定の波数を有する表面プラズモンだけから光を取り出すことができるため、特定方向であるZX面内に伝播する偏光成分を主成分とする出射光を得ることができる。
That is, since a one-dimensional periodic structure having a period in the X direction exists at the interface between the
なお、ZX方向以外に伝搬する光が導光層102と誘電体層204との界面に様々な角度で入射した場合でも、その光をZX平面に射影した射影光の入射角度が、表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、特定の偏光成分を有する光を得ることができる。その場合、まず、光Aと同様に、X方向に平行な偏光成分によって、X方向に特定の波数を有する表面プラズモンが誘電体層204と金属層103との界面に励起される。さらに、表面プラズモンの一部が導光層102と誘電体層204との界面で回折され、X方向に特定の偏光成分を有する光として、導光層102から取出される。
Even when light propagating in a direction other than the ZX direction is incident on the interface between the
このように、本実施形態では、導光層102と金属層103との間に誘電体層204を設けることで、例えば第1の実施形態のように導光層102の上に金属層103を直接設けることが困難な場合においても、誘電体層204を介して、導光層102の上面と誘電体層204との界面における周期構造と、誘電体層204と金属層103との界面においてグレーティング結合法を適用することで高い角度選択性と偏光選択性を有し、特定の方向の偏光成分を有する光が得られる。
[第2の実施例]
以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図7は、光学装置200の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第2の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。Thus, in this embodiment, by providing the
[Second Embodiment]
The effect of the above operation was confirmed by simulation. FIG. 7 is a graph illustrating an example of a simulation result for confirming the effect of the
図7の横軸は、光学装置200のZX面内における導光層102と誘電体層204との界面からの回折角θ2を示し、縦軸は最大値50%で規格化した回折効率D.E.(Diffraction Efficiency)を示している。また、(a)は導光層102と誘電体層204の界面への入射光をS偏光とした場合、(b)は導光層102と誘電体層204との界面への入射光をP偏光とした場合を示している。7 represents the diffraction angle θ 2 from the interface between the
また、回折角θ2は、導光層102の下面と後述する導光層102の外部との界面における臨界角θc以内の範囲を示している。なお、シミュレーションには、2次元の厳密結合波解析法(RCWA法:Rigorous Coupled Wave Analysis法)を用いた。The diffraction angle θ 2 indicates a range within the critical angle θ c at the interface between the lower surface of the
第2の実施例のシミュレーションにおいて、導光層102は、屈折率が1.46のPETとした。金属層103は、Agで厚みを2μmとした。誘電体層204は、空気で、厚みを60nmとした。導光層102と誘電体層204との界面の周期構造の形状は、図3(a)に示す矩形状とし、深さを60nmとし、ピッチを300nmとした。すなわち、導光層102の上面において、凸部は金属層103と接しており、金属層103の下面は平坦である。導光層102の外部を屈折率1の空気とした。
In the simulation of the second embodiment, the
図7(a)及び(b)から、導光層102内に回折されたP偏光は、回折次数に応じてそれぞれ−23deg付近と、+21deg付近に得られていることが判る。P偏光成分の導光層102内における回折効率の半値全幅は、−23.0deg付近に得られる回折光D1では約3.0degであり、+21.0deg付近に得られる回折光D2では約8.0degである。また、導光層102の下面と導光層102の外部との界面を透過後の空気中の半値全幅は、回折光D1では約5.0degであり、回折光D2では約13.0degである。したがって、LEDの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅(45.0deg)に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。
7A and 7B, it can be seen that the P-polarized light diffracted in the
また、P偏光成分の回折効率のピーク値と、S偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、P偏光成分の方が、回折光D1では約1.7倍、回折光D2では約3.3倍大きいため、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。 Further, comparing the peak value of the diffraction efficiency of the P-polarized component and the peak value of the diffraction efficiency of the S-polarized component, the P-polarized component is about 1.7 times the diffracted light D1 and about 3 times the diffracted light D2. Since it is 3 times larger, it can be confirmed that light having polarization selectivity can be obtained.
なお、後述する表示装置に用いる場合には、回折光D1または回折光D2のどちらを利用しても良い。 In addition, when using for the display apparatus mentioned later, you may utilize either the diffracted light D1 or the diffracted light D2.
また、図示しない角度変換層などを用いて回折光D1または回折光D2を回折させて、回折光D1と回折光D2の伝播方向を平行にすることで、回折光D1と回折光D2の両方を利用しても良い。
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図8は、本発明の第3の実施形態の光学装置300を模式的に示す斜視図である。Further, by diffracting the diffracted light D1 or the diffracted light D2 using an angle conversion layer or the like (not shown) and making the propagation directions of the diffracted light D1 and the diffracted light D2 parallel, both the diffracted light D1 and the diffracted light D2 are converted. May be used.
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. FIG. 8 is a perspective view schematically showing an
図8に示す光学装置300は、第1の実施形態の光学装置100と比べると、導光層102の下面に位相変調層305が設けられ、導光層102の下面の外部に位相変調層306が設けられている点が相違する。なお、位相変調層305を、導光層102の下面ではなく導光層102の内部に備えても良い。また、導光層102と金属層103との間に、第2の実施形態で示した誘電体層を設けても良い。
The
位相変調層305、306は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。そして、位相変調層305、306は、光学軸がXY面内に存在し、透過する光の位相変調層の光学軸に平行な方向の成分と垂直な方向の成分に位相差を与える。このような、位相変調層305、306の例としては、λ/4板が利用できる。 The phase modulation layers 305 and 306 are made of a transparent material that transmits at least visible light, and serve as a light propagation medium. The phase modulation layers 305 and 306 have an optical axis in the XY plane, and give a phase difference to a component in a direction perpendicular to a component parallel to the optical axis of the phase modulation layer of transmitted light. As an example of such phase modulation layers 305 and 306, a λ / 4 plate can be used.
光学装置300は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で1次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でAgを形成する。また、石英ガラスの下面にλ/4板層をオプティカルボンディングで設け、石英ガラス下面の外部にλ/4板を配置する。
The
ただし、光学装置300の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
However, the manufacturing method of the
図9は、光学装置100のY軸に直交する断面図である。導光層102内に存在する光のうち、光AはP偏光の光すなわち電場の振動方向がZX面に平行な光を示す。光BはS偏光の光すなわち電場の振動方向がZX面に直交する光を示す。
FIG. 9 is a cross-sectional view orthogonal to the Y axis of the
導光層102と金属層103との界面において回折角θ2で回折したP偏光は、導光層102を伝播し、位相変調層305に入射角θ3で入射する。本実施形態においては、導光層102は平板状でありθ3=θ2である。P-polarized light diffracted at the diffraction angle θ 2 at the interface between the
ここで、スネルの法則から、導光層102内に存在する光に関して、位相変調層305の下面と位相変調層305の外部との界面における臨界角は、位相変調層305を除いて、導光層102と位相変調層305の外部との界面における臨界角と同一と考えることができる。
Here, from Snell's law, the critical angle at the interface between the lower surface of the
すなわち、式4から求まるθcを用いて、θ3<θcを満足し、導光層102から位相変調層305に入射した光は位相変調層305を透過して位相変調層305の外部に出射する。位相変調層305を透過したP偏光は、位相変調層305によって位相変調され、直線偏光から円偏光へ変換される。That is, using θ c obtained from Equation 4, θ 3 <θ c is satisfied, and light incident on the
円偏光へ変換された光は、位相変調層306へ入射し、位相変調層306を透過する。位相変調層306を透過した円偏光は、位相変調層306によって、位相変調され、直線偏光へ変換される。
The light converted into circularly polarized light enters the
また、導光層102の外部へ出射せず、導光層102および位相変調層305内において多重反射する光は、位相変調層305を透過して直線偏光から円偏光へ変換される。円偏光へ変換された光は、位相変調層305と位相変調層305の外部との界面で全反射し、再度位相変調層305へ入射する。位相変調層305を再度透過する際に、往路と直交する方向の直線偏光となり、導光層102へ入射する。
Further, light that is not emitted to the outside of the
以上のことから、位相変調層305は、位相変調層305の外部へ出射しない光の偏光状態を変換して導光層102へ戻して再利用することで、第1の実施形態の光学装置100に比べて光利用効率を上げることができる。
[第4の実施形態]
次に、本発明の第4の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図10は、本発明の第4の実施形態の光学装置400を模式的に示す斜視図である。From the above, the
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. FIG. 10 is a perspective view schematically showing an
図10に示す光学装置400は、第1の実施形態の光学装置100と比べると、導光層102の下面に角度変換層407を備えている。なお、導光層102と金属層103との間に、第2の実施形態で示した誘電体層を有しても良い。
The
本発明の角度変換層407は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、角度変換層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。そして、角度変換層407は、入射した光の伝播角度を少なくともX方向成分に関して変換する。
The
角度変換層407の例としては、X方向に周期性を有し、Y方向に延伸する複数のプリズムが挙げられる。また、角度変換層407の他の例は、Y方向に延伸する一つのプリズムが挙げられる。角度変換層407の屈折率は、導光層102の屈折率と等しいが、特に制限しない。
Examples of the
また、光学装置400は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で1次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でAgを形成する。また、石英ガラスの下面にプリズムをオプティカルボンディングで設ける。
The
ただし、光学装置400の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
However, the manufacturing method of the
図11は、光学装置400のY軸に直交する断面図である。導光層102と金属層103との界面において回折角θ2で回折したP偏光は、導光層102を伝播し、角度変換層407へ入射角θ3で入射する。FIG. 11 is a cross-sectional view of the
角度変換層407へ入射した光は、角度変換層407の下面へ入射角θ3で入射する。ここで、角度変換層407の下面と導光層102の下面とがなす角をαとして、θ3(=θ2+α)<θcである場合、角度変換層407へ入射した光は角度変換層407の外部に出射する。The light that has entered the
また、角度変換層407の外部へ出射せず、導光層102および角度変換層407内において多重反射する光は、角度変換層407を反射する際に角度が変換される。
In addition, the light that is not emitted to the outside of the
以上のことから、角度変換層407は、導光層102と金属層103との界面においてプラズモン励起条件を満足しない角度変換層407の外部へ出射しない光の角度を変換して導光層102へ戻して再利用することで、第1の実施形態の光学装置100に比べて光利用効率を上げることができる。
[第5の実施形態]
次に、本発明の第5の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図12は、本発明の第5の実施形態の光学装置500を模式的に示す斜視図である。From the above, the
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. FIG. 12 is a perspective view schematically showing an
光学装置500は、第3の実施形態の光学装置300と比べると、第4の実施形態で説明した角度変換層407が追設されている点が相違する。なお、導光層102と金属層103との間に、第2の実施形態で示した誘電体層を設けても良い。
The
この光学装置500は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で1次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でAgを形成する。
The
また、石英ガラスの下面にλ/4板およびプリズムをオプティカルボンディングで設け、石英ガラス下面の外部にλ/4板を配置する。 In addition, a λ / 4 plate and a prism are provided on the lower surface of the quartz glass by optical carving, and the λ / 4 plate is disposed outside the lower surface of the quartz glass.
ただし、光学装置500の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
However, the manufacturing method of the
このような構成により、位相変調層305および角度変換層407により、角度変換層407の外部へ出射しない光の偏光状態および角度を変換して導光層102へ戻して再利用することができるようになり、第3の実施形態の光学装置300に比べて光利用効率を上げることができる。
[第6の実施形態]
次に、本発明の第6の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図13は、本発明の第6の実施形態の光学装置600を模式的に示す斜視図である。With such a configuration, the
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. FIG. 13 is a perspective view schematically showing an
光学装置600は、第5の実施形態の光学装置500と比べると、偏光子層608が追設されている点が相違する。この偏光子層608は、位相変調層306の下面側に配置されて、その光学軸がXY面内に存在する。そして、X方向に主成分を有する偏光を透過させ、Y方向に主成分を有する偏光を反射あるいは吸収して遮断する。
The
偏光子層608としては、ワイヤグリッド、PVA(ポリビニルアルコール)やTAC(トリアセチルセルロース)の多層構造、フォトニック結晶等を用いることができる。ただし、偏光子層608の例は、PVA(ポリビニルアルコール)やTAC(トリアセチルセルロース)の多層構造、ワイヤグリッド、フォトニック結晶に限定されない。
As the
また、光学装置500は、例えば、以下のような手順で製造することができる。先ず、石英ガラスの上面を、フォトリソグラフィーやナノインプリント等の微細加工技術で1次元凹凸構造を形成し、その上にスパッタ等の蒸着法でAgを形成する。また、石英ガラスの下面にλ/4板およびプリズムをオプティカルボンディングで設け、石英ガラス下面の外部にλ/4板をオプティカルボンディングで張り合わせたワイヤグリッドを配置する。
The
ただし、第5の実施形態の光学装置500の製造方法は、フォトリソグラフィーやナノインプリント、蒸着法、オプティカルボンディングに限定されない。
However, the method for manufacturing the
このような構成により、偏光子層608は、導光層102の上面と金属層103との界面で回折したP偏光を透過させ、S偏光を遮断するので、第5の実施形態の光学装置500に比べて偏光選択性を上げることができる。
With such a configuration, the
また、偏光子層608がS偏光を反射する反射型の場合は、反射したS偏光を導光層102へ戻して再利用することで、第5の実施形態の光学装置600に比べて光利用効率を上げることができる。
[第7の実施形態]
次に、本発明の第7の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。図14は、本発明の第7の実施形態の光学装置700を模式的に示す斜視図である。Further, when the
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. FIG. 14 is a perspective view schematically showing an
光学装置700は、第1の実施形態〜第6の実施形態の光学装置100〜600に対して、光源101から光が入射される入射領域である入射口709と、光の出射面を除いた外壁面(つまり、光学装置100、200、300、400、500、600の側面)とに反射部(反射層)710を追設した点が相違する。なお、入射口709と、光の出射面を除いた外壁面と、反射部710との間に誘電体層(第2の誘電体層)を挿入しても良い。
The
この反射部710は、光学装置700の側面から光が出射されることを抑制することができるので、上述した各実施形態の光学装置と比べて光利用効率を上げることができる。
Since the
なお、反射部710は、入射口709を除いた側面の全てに設けられていたが、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。また、反射部710は、光を拡散反射する拡散反射体であってもよいし、鋸形状であってもよい。
In addition, although the
このような、反射部710は、可視光を反射する材料で構成され、例えばAg、Alを用いることができるが、これらに限定しない。
Such a
誘電体層は、可視光を透過する材料で構成される。例えば、空気、光学ゲル、光学接着剤を用いることができるが、これらに限定しない。 The dielectric layer is made of a material that transmits visible light. For example, air, an optical gel, and an optical adhesive can be used, but not limited thereto.
このように、反射部が外壁面などに設けられているため、外壁面を介して漏れる光を抑制することができる。従って、光利用効率が向上する。 Thus, since the reflection part is provided in the outer wall surface etc., the light which leaks through an outer wall surface can be suppressed. Therefore, the light use efficiency is improved.
なお、上述した各実施形態においては、1つの光源を例示して説明したが、複数の光源を用いても良い。その際に、各光源がそれぞれ異なる波長の光を出射してもよい。より詳細には、複数の光源の波長が、金属表面において表面プラズモンを励起する程度に異なってもよい。
[第8の実施形態]
次に、本発明の第8の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。本実施形態は、これまで説明した光学装置を備えるプロジェクタ(表示装置)に関する。In each of the above-described embodiments, one light source is described as an example, but a plurality of light sources may be used. At that time, each light source may emit light having a different wavelength. More specifically, the wavelengths of the plurality of light sources may be different to such an extent that surface plasmons are excited on the metal surface.
[Eighth Embodiment]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol. The present embodiment relates to a projector (display device) including the optical device described so far.
図15は、本実施形態のプロジェクタ3Aの模式図である。プロジェクタ3Aは、光学装置800R、800Gおよび800Bと、液晶パネル(空間光変調素子)811R、811Gおよび811Bと、クロスダイクロイックプリズム812と、投射光学系813とを備える。
FIG. 15 is a schematic diagram of the
光学装置800R、800Gおよび800Bは、上述した各実施形態における光学装置である。そして、光学装置800R、800Gおよび800Bは、それぞれ波長が異なる光を発生する。以下、光学装置800Rから赤色光が出射され、光学装置800Gから緑色光が出射され、光学装置800Bから青色光が出射されるものとする。
The
光学装置800R、800Gおよび800Bは、各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル811R、811Gおよび811Bに導く。
液晶パネル811R、811Gおよび811Bは、入射された各色光を映像信号に応じて2次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を出射する空間光変調素子である。
The
クロスダイクロイックプリズム812は、液晶パネル811R、811Gおよび811Bのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
The cross
投射光学系813は、クロスダイクロイックプリズム812から出射された合成光をスクリーン814へ投射して、スクリーン814上に映像信号に応じた画像を表示する。
The projection
このようなプロジェクタにおいて、光源から出射されたランダム偏光は、特定の偏光状態に変換される際に、出射方向を特定の方向に既定したエテンデューの低い状態に変換される。従って、光利用効率が向上したプロジェクタが提供できる。
[第9の実施形態]
次に、本発明の第9の実施形態を説明する。なお、上述した各実施形態における各構成要素と同一要素に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。In such a projector, when randomly polarized light emitted from a light source is converted into a specific polarization state, it is converted into a low etendue state in which the emission direction is set to a specific direction. Therefore, a projector with improved light utilization efficiency can be provided.
[Ninth Embodiment]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. In addition, about the same element as each component in each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted suitably using the same code | symbol.
第8の実施形態における表示装置は、複数の光学装置が用いられていた。これに対して、本実施形態の表示装置は1つの光学装置を備えている。 The display device in the eighth embodiment uses a plurality of optical devices. In contrast, the display device of the present embodiment includes one optical device.
図16は、本実施形態のプロジェクタ3Bの模式図である。プロジェクタ3Bは、光学装置900と、液晶パネル911と、投射光学系913とを備える。
FIG. 16 is a schematic diagram of the
なお、光学装置900は、第8の実施形態で説明した光学装置800R、800G及び800Bと同じ構成を有するが、3つの光源を備えている。
The
液晶パネル911は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する。投射光学系913は、液晶パネル911から出射された変調光をスクリーン814へ投射して、スクリーン814上に映像信号に応じた映像を表示する。
The
なお、第8の実施形態及び第9の実施形態では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図15および図16で示したプロジェクタでは、液晶パネル811R、811G、811Bないし液晶パネル911の代わりに、DMD(Digital MICROMIRROR Device)を用いてもよい。
In the eighth and ninth embodiments, the liquid crystal panel is used as the light modulation element. However, the light modulation element is not limited to the liquid crystal panel and can be changed as appropriate. For example, in the projectors shown in FIGS. 15 and 16, DMD (Digital MICROMIRROR Device) may be used instead of the
以上により、1つの光学装置で映像が表示できるため、構成が簡略化できて、安価になる。また、これらの効果により、プロジェクタをさらに小型化することが可能となる。 As described above, since an image can be displayed by one optical device, the configuration can be simplified and the cost can be reduced. In addition, these effects can further reduce the size of the projector.
また、第8の実施形態及び第9の実施形態の表示装置の変形例として、表示装置の面を、+X方向などの特定の方向の偏光成分に対してほぼ垂直になるように構成してもよい。これにより、ミラーやレンズなどの光学系を用いなくても投射光学系に効率よく集光することができるため、光学系を省略できる。以上の変形例は、本発明の適用可能性を示すのみであり、本発明に限定を加えるものではない。 Further, as a modification of the display device of the eighth embodiment and the ninth embodiment, the surface of the display device may be configured to be substantially perpendicular to the polarization component in a specific direction such as the + X direction. Good. Thereby, since it can condense efficiently to a projection optical system, without using optical systems, such as a mirror and a lens, an optical system can be omitted. The above modification only shows the applicability of the present invention, and does not limit the present invention.
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
第1の面に周期構造を有する導光層と、
前記第1の面上に設けられた金属層と、を備え、
前記導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも1つの入射面と、
前記入射面と前記第1の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも1つの出射面と、を含むことを特徴とする光学装置。
(付記2)
前記導光層は、前記第1の面と前記出射面との間で前記光を多重反射して導光し、前記第1の面において生成された光を前記出射面から出射することを特徴とする付記1に記載の光学装置。
(付記3)
前記第1の面と前記金属層との間の少なくとも一部に第1の誘電体層を設けたことを特徴とする付記1乃至2に記載の光学装置。
(付記4)
前記金属層の、前記第1の面および前記第1の誘電体層に接する面、または前記第1の誘電体層に接する面が平坦であることを特徴とする付記3に記載の光学装置。
(付記5)
前記周期構造は、1次元の周期構造であることを特徴とする付記1乃至4に記載の光学装置。
(付記6)
前記周期構造の周期は、250nm以上400nm以下であることを特徴とする付記1乃至5に記載の光学装置。
(付記7)
前記周期構造の周期は、400nm以上800nm以下であることを特徴とする付記1乃至5に記載の光学装置。
(付記8)
前記周期構造は、矩形状であることを特徴とする付記1乃至7に記載の光学装置。
(付記9)
前記周期構造は、階段形状であることを特徴とする付記1乃至7に記載の光学装置。
(付記10)
前記周期構造は、正弦波状であることを特徴とする付記1乃至7に記載の光学装置。
(付記11)
前記第1の面と前記出射面との間に位相変調層を設けたことを特徴とする付記1乃至10に記載の光学装置。
(付記12)
前記出射面に、角度変換層を設けたことを特徴とする付記1乃至11に記載の光学装置。
(付記13)
前記角度変換層は、鋸波形状であることを特徴とする付記12に記載の光学装置。
(付記14)
前記導光層は、前記入射面および前記出射面を除いた面に第2の誘電体層を介して反射層を備えることを特徴とする付記1乃至13に記載の光学装置。
(付記15)
前記光源を複数備え、該複数の光源の波長が互いに同じか又は異なることを特徴とする付記1乃至14に記載の光学装置。
(付記16)
前記導光層内を導光する前記光が前記周期構造体により表面プラズモンを励起し、該前記表面プラズモン波数kSPは、
真空中の光の角周波数をω、光速をc、金属の誘電率εm、誘電体の誘電率εdを用いて、
kSP=(ω/c)*(εd・εm/(εd+εm))1/2
によりあたえられことを特徴とする付記1乃至15のいずれか1つに記載の光学装置。
(付記17)
前記周期構造体が回折格子により形成され、かつ、該回折格子で回折された前記光の当該回折格子の周期方向に平行な波数成分kΛは、
前記回折格子の周期方向に平行な面内で前記光の入射角をθinc、誘電体の屈折率をn、格子ピッチをΛ、格子ベクトルをK=2π/Λ、整数をm1とすると、
kΛ=nk0sin(θinc)+m1K
で与えられることを特徴とする付記1乃至16のいずれか1つに記載の光学装置。
(付記18)
付記1乃至17のいずれか1項に記載の光学装置と、
前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調素子と、を有することを特徴とする表示装置。
(付記19)
前記空間光変調素子は、液晶パネルであることを特徴とする付記18に記載の表示装置。
(付記20)
前記空間光変調素子は、デジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする付記18に記載の表示装置。A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
(Appendix 1)
A light guide layer having a periodic structure on a first surface;
A metal layer provided on the first surface,
The light guide layer includes at least one incident surface on which light enters the light guide layer;
An optical apparatus comprising: at least one emission surface that emits light inside the light guide layer to the outside of the light guide layer except for the incident surface and the first surface.
(Appendix 2)
The light guide layer guides the light by multiple reflection between the first surface and the emission surface, and emits the light generated on the first surface from the emission surface. The optical apparatus according to Supplementary Note 1.
(Appendix 3)
The optical apparatus according to any one of
(Appendix 4)
4. The optical device according to appendix 3, wherein a surface of the metal layer that is in contact with the first surface and the first dielectric layer or a surface that is in contact with the first dielectric layer is flat.
(Appendix 5)
The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 4, wherein the periodic structure is a one-dimensional periodic structure.
(Appendix 6)
The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 5, wherein a period of the periodic structure is 250 nm or more and 400 nm or less.
(Appendix 7)
The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 5, wherein a period of the periodic structure is 400 nm or more and 800 nm or less.
(Appendix 8)
The optical device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the periodic structure is rectangular.
(Appendix 9)
The optical device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the periodic structure has a step shape.
(Appendix 10)
The optical device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the periodic structure is sinusoidal.
(Appendix 11)
The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 10, wherein a phase modulation layer is provided between the first surface and the exit surface.
(Appendix 12)
The optical device according to any one of appendices 1 to 11, wherein an angle conversion layer is provided on the exit surface.
(Appendix 13)
The optical apparatus according to
(Appendix 14)
14. The optical device according to any one of appendices 1 to 13, wherein the light guide layer includes a reflective layer on a surface excluding the incident surface and the emission surface via a second dielectric layer.
(Appendix 15)
The optical apparatus according to any one of appendices 1 to 14, wherein a plurality of the light sources are provided, and the wavelengths of the plurality of light sources are the same or different from each other.
(Appendix 16)
The light guided in the light guide layer excites surface plasmons by the periodic structure, and the surface plasmon wave number k SP is:
Using the angular frequency of light in a vacuum as ω, the speed of light as c, the dielectric constant ε m of the metal, and the dielectric constant ε d of the dielectric,
k SP = (ω / c) * (ε d · ε m / (ε d + ε m )) 1/2
The optical device according to any one of appendices 1 to 15, wherein the optical device is given by:
(Appendix 17)
The periodic structure is formed of a diffraction grating, and the wave number component k Λ parallel to the periodic direction of the diffraction grating of the light diffracted by the diffraction grating is:
In the plane parallel to the periodic direction of the diffraction grating, the incident angle of the light is θ inc , the refractive index of the dielectric is n, the grating pitch is Λ, the grating vector is K = 2π / Λ, and the integer is m 1 .
k Λ = nk 0 sin (θ inc ) + m 1 K
17. The optical device according to any one of appendices 1 to 16, wherein
(Appendix 18)
The optical device according to any one of appendices 1 to 17,
A display device comprising: a spatial light modulator that converts light emitted from the optical device into a predetermined polarization state.
(Appendix 19)
The display device according to appendix 18, wherein the spatial light modulator is a liquid crystal panel.
(Appendix 20)
Item 19. The display device according to appendix 18, wherein the spatial light modulation element is a digital micromirror device.
この出願は、2012年7月19日に出願された日本出願特願2012−160419を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2012-160419 for which it applied on July 19, 2012, and takes in those the indications of all here.
3A、3B プロジェクタ
100〜700 光学装置
101 光源
102 導光層
103 金属層
204 誘電体層
305 位相変調層
306 位相変調層
407 角度変換層
608 偏光子層
709 入射口
710 反射部
800R、800G、800B、900 光学装置
811R,811G,811B、911 液晶パネル
812 クロスダイクロイックプリズム
813、913 投射光学系
814 スクリーン3A, 3B Projector 100-700
Claims (10)
前記第1の面上に設けられた金属層と、を備え、
前記導光層は、光を該導光層の内部に入射する少なくとも1つの入射面と、
前記入射面と前記第1の面とを除き、該導光層の内部の光を該導光層の外部に出射する少なくとも1つの出射面と、を含むことを特徴とする光学装置。A light guide layer having a periodic structure on a first surface;
A metal layer provided on the first surface,
The light guide layer includes at least one incident surface on which light enters the light guide layer;
An optical apparatus comprising: at least one emission surface that emits light inside the light guide layer to the outside of the light guide layer except for the incident surface and the first surface.
前記光学装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調素子と、を有することを特徴とする表示装置。An optical device according to any one of claims 1 to 9,
A display device comprising: a spatial light modulator that converts light emitted from the optical device into a predetermined polarization state.
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