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JP4920997B2 - Polarization control element, polarization control method and polarization control device - Google Patents

Polarization control element, polarization control method and polarization control device Download PDF

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JP4920997B2 JP2006059658A JP2006059658A JP4920997B2 JP 4920997 B2 JP4920997 B2 JP 4920997B2 JP 2006059658 A JP2006059658 A JP 2006059658A JP 2006059658 A JP2006059658 A JP 2006059658A JP 4920997 B2 JP4920997 B2 JP 4920997B2
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Description

本発明は、表示装置、光計測技術、光学機器、計測機器等に応用可能な、高効率、高耐熱性、高耐光性を有する偏光制御素子に関する。また、外部信号により偏光特性を変調することが可能な偏光制御素子およびその偏光制御方法に関する。さらには、前記偏光制御素子を有する偏光制御装置に関する。   The present invention relates to a polarization control element having high efficiency, high heat resistance, and high light resistance that can be applied to a display device, optical measurement technology, optical equipment, measurement equipment, and the like. The present invention also relates to a polarization control element capable of modulating polarization characteristics with an external signal and a polarization control method thereof. Furthermore, the present invention relates to a polarization control device having the polarization control element.

従来、偏光板や波長板などの偏光制御素子は、直交する二つの方向に対し、伝搬特性および吸収特性に異方性をもたせることにより、入射光の偏光方向の1成分を透過させたり、位相を変調させて偏光状態を、直線偏光から円偏光のように、偏光させたりする素子である。このような素子は、たとえば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイの画素のオン・オフに利用されるほか、エリプソメトリー(偏光解析)などの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器に利用されている。特に、液晶プロジェクタなどの画像投影装置への需要が伸びている。   Conventionally, a polarization control element such as a polarizing plate or a wave plate transmits a single component in the polarization direction of incident light by providing anisotropy in propagation characteristics and absorption characteristics with respect to two orthogonal directions. Is a device that polarizes the polarization state from linearly polarized light to circularly polarized light. Such elements are used, for example, to turn on and off pixels of liquid crystal panels and organic EL (Electro Luminescence) displays, as well as optical measurement technologies such as ellipsometry (polarization analysis), laser interferometers, optical shutters, etc. It is used in various optical instruments and measuring instruments. In particular, there is an increasing demand for image projection devices such as liquid crystal projectors.

偏光板は、自然偏光や偏光した光から、特定の偏光成分を取り出す素子であり、入射光の直交する偏光の二成分の一方のみを透過させ、他方を吸収(または反射・散乱)させることにより遮蔽するものである。現在、特に液晶パネルに用いられる偏光板の多くは、ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収二色性を発現させるものである。   A polarizing plate is an element that extracts a specific polarization component from naturally polarized light or polarized light, and transmits only one of the two orthogonally polarized components of incident light and absorbs (or reflects / scatters) the other. It is a shield. At present, many polarizing plates used in liquid crystal panels, in particular, absorb dichroism by dyeing and adsorbing dichroic materials such as iodine and organic dyes onto a substrate film such as polyvinyl alcohol, and then highly stretching and orienting them. Is expressed.

一方、1/2波長板や1/4波長板のようなリターデーションプレート(または位相シフター)は、複屈折性の光学結晶により作られ、結晶の配向に依存した常光線と異常光線の屈折率の違いにより偏光状態を変調するものである。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(half-wave plate)であり、1/4となるものが1/4波長板(quarter-wave plate)である。このような、複屈折性を示す材料としては、方解石や水晶が用いられる。   On the other hand, a retardation plate (or phase shifter) such as a half-wave plate or a quarter-wave plate is made of a birefringent optical crystal, and the refractive index of ordinary and extraordinary rays depending on the orientation of the crystal. The polarization state is modulated by the difference between the two. A half-wave plate is a half-wave plate where the optical path difference between the ordinary ray and the extraordinary ray is ½ of the wavelength, and a quarter-wave plate is one-quarter. ). As such a material showing birefringence, calcite or quartz is used.

ところで、吸収を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、高強度の光を照射した場合、透明度の低下、焦げる、といった問題があり、照射光量を大きくすることができない。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合には、冷風機構が必要であり、装置の小型化が困難、埃の付着による画質欠陥を生じるなど従来から解決すべき課題があった。   By the way, a polarization control element using absorption is easily affected by heat, and when irradiated with high-intensity light, there are problems such as a decrease in transparency and scorching, and the amount of irradiation light cannot be increased. In addition, when the operating temperature conditions are severe and the projector is used in a liquid crystal projector or the like, a cold air mechanism is required, which makes it difficult to reduce the size of the device and causes image quality defects due to dust adhesion. .

また、屈折率の異方性を利用する偏光制御素子においては、複屈折性を示す光学結晶材料が限定されており、使用できる波長領域に制限があるなどの課題がある。また、光学結晶材料を貼り合わせることにより膜厚、すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているので、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低い。また、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であるなどの課題があった。   In addition, in the polarization control element utilizing the anisotropy of the refractive index, the optical crystal material exhibiting birefringence is limited, and there is a problem that the usable wavelength range is limited. In addition, since the film thickness, that is, the optical path difference is adjusted by bonding the optical crystal material and the polarization state is controlled, the dependence on the optical crystal material is strong and the degree of freedom of polarization controllability is low. In addition, there is a problem that it is difficult to reduce the size and thickness of the polarization control element itself.

そこで、このような課題に対し、以下に示すような従来技術が知られている。
まず、量産性がよく、低コストで製造できる、耐熱性の優れた偏光制御素子として、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。この偏光素子は2.5μmより長波長の光に対して機能する偏光素子として実用化されている。
さらに、近年の微細加工技術の進歩により、下記の従来技術1に示すような、可視波長(400〜700nm)で駆動できるワイヤグリッド構造が提案されている(例えば特許文献1参照)。
Accordingly, the following conventional techniques are known for such problems.
First, a wire grid polarizer in which fine wires of gold or aluminum are formed on a transparent substrate has been proposed as a polarization control element excellent in heat resistance that can be manufactured at low cost with good mass productivity. This polarizing element has been put to practical use as a polarizing element that functions with respect to light having a wavelength longer than 2.5 μm.
Furthermore, a wire grid structure that can be driven at a visible wavelength (400 to 700 nm) as shown in the following prior art 1 has been proposed due to recent advances in microfabrication technology (see, for example, Patent Document 1).

この従来技術1における課題は、全可視スペクトルに渡って、高い透過と反射の効率を提供できるワイヤグリッド偏光子を提供することである。また、広い範囲の入射角に渡って、高い効率を実現可能なワイヤグリッド偏光子を提供することである。その解決手段は、図21に示すように、ワイヤグリッド偏光子は基板1210上で支持される複数の細長い素子1240を有し、基板の屈折率よりも低い屈折率を有する領域1250が素子と基板との間に配置され、共鳴が発生する最も長い波長を低減する。このようなワイヤグリッド偏光子は、透明基材の片面に、アルミニウムの薄膜を形成し、これをパターンエッチングすることで、可視の波長程度の微小グリッド構造を構成する。このとき、微小グリッドの細線方向について、偏光面がこれに直交する光は透過し、偏光面が平行な光は反射する。これにより、入射角依存性が比較的小さく、円錐光線群に対して比較的良好な偏光分離機能を提供することできる。   The problem in prior art 1 is to provide a wire grid polarizer that can provide high transmission and reflection efficiency over the entire visible spectrum. Another object of the present invention is to provide a wire grid polarizer capable of realizing high efficiency over a wide range of incident angles. As shown in FIG. 21, the solution is that the wire grid polarizer has a plurality of elongated elements 1240 supported on a substrate 1210, and a region 1250 having a refractive index lower than the refractive index of the substrate includes the elements and the substrate. The longest wavelength at which resonance occurs is reduced. Such a wire grid polarizer forms a microgrid structure with a visible wavelength by forming an aluminum thin film on one side of a transparent substrate and pattern-etching it. At this time, with respect to the fine line direction of the fine grid, the light whose polarization plane is orthogonal to the light is transmitted, and the light whose polarization plane is parallel is reflected. As a result, the incident angle dependency is relatively small, and a relatively good polarization separation function can be provided for the conical ray group.

また、偏光状態を制御する波長板または位相板を二次元表面における光の相互作用により実現する方法として、下記の従来技術2、3に示すような、支持基板上に微小な金属パターンを形成することにより偏光状態を制御する技術が提案されている(非特許文献1、特許文献2参照)。   Further, as a method for realizing a wave plate or phase plate for controlling the polarization state by the interaction of light on a two-dimensional surface, a minute metal pattern is formed on a support substrate as shown in the following prior arts 2 and 3. Thus, a technique for controlling the polarization state has been proposed (see Non-Patent Document 1 and Patent Document 2).

従来技術2(非特許文献1)では、図22に示すように、電子ビームリソグラフィ技術を用い、波長以下のピッチで金のL字構造を有する非対称なナノ微粒子を基板上に作製したものである。このような構造体に光を照射すると、図22の右図のグラフに示すように、透過光は入射光の偏光面の向きに依存して異なる吸収スペクトルを示すので、ナノ微粒子の非対称性を利用した偏光選択素子が実現されている。また、対称性の乱れにより、第二高調波発生も観測されている。   In Prior Art 2 (Non-Patent Document 1), as shown in FIG. 22, asymmetric nano-particles having a gold L-shaped structure with a pitch equal to or less than a wavelength are produced on a substrate using an electron beam lithography technique. . When such a structure is irradiated with light, as shown in the graph on the right side of FIG. 22, the transmitted light exhibits a different absorption spectrum depending on the direction of the polarization plane of the incident light. A polarized light selection element is realized. Second harmonic generation has also been observed due to symmetry disturbances.

従来技術3(特許文献2)は、図23に示すように、平滑なSi基板212上に、卍型やC型またはその鏡像対称の金属パターン214を有することを特徴とする光デバイス210に関するものである。パターンのサイズは700nmから4μmであり、パターンの端部の傾きが直角から傾いたカイラリティを有しており、この傾きの大きさに依存して、偏光方向の二成分に位相差が生じ、また、パターン端部の向きに依存して右回り、および左回り偏光の違いが生じる。また、圧電体層を設けることにより、偏光特性の制御が可能な光学素子などが提案されている。   Prior Art 3 (Patent Document 2) relates to an optical device 210 having a saddle-shaped or C-shaped or mirror-symmetric metal pattern 214 on a smooth Si substrate 212 as shown in FIG. It is. The pattern size is 700 nm to 4 μm, and has a chirality in which the inclination of the end of the pattern is inclined from a right angle. Depending on the magnitude of this inclination, a phase difference occurs in two components of the polarization direction. Depending on the orientation of the pattern edge, a difference between clockwise and counterclockwise polarization occurs. In addition, an optical element that can control polarization characteristics by providing a piezoelectric layer has been proposed.

特表2003−502708号公報Special table 2003-502708 gazette 国際公開第03/054592号パンフレットInternational Publication No. 03/054592 Pamphlet Brian K. Canfield,et.al“Linear and nonlinear optical responses influenced by broken symmetry in an array of gold nanoparticles”Optics Express,vol.12,No.22,5418-5423(2004)Brian K. Canfield, et.al “Linear and nonlinear optical responses influenced by broken symmetry in an array of gold nanoparticles” Optics Express, vol. 12, No. 22, 5418-5423 (2004)

従来技術1に示すワイヤグリッド偏光子は、金属細線部分で入射光を反射または散乱させることにより一方向の偏光成分のみを透過させる偏光分離素子であるが、高い消光比を得るためには、基板の垂直方向に対して高いアスペクト比をもつ金属パターンを形成する必要があり、高度な作製技術を要する。また、作製精度から、短い波長の光に対して、十分な透過率、消光比が得られないといった問題点があった。ここで、消光比とは、透過光における直交する二つの偏光成分の比である。また、ワイヤグリッド偏光子は単なる偏光分離素子であり、位相を含めた偏光状態を制御するには、既存のリターデーションプレートと組み合わせて使用する必要があり、リターデーションプレートの熱的な損傷や、装置が小型化できないといった問題点があった。   The wire grid polarizer shown in the prior art 1 is a polarization separation element that transmits only polarized light components in one direction by reflecting or scattering incident light at a thin metal wire portion. In order to obtain a high extinction ratio, a substrate is used. Therefore, it is necessary to form a metal pattern having a high aspect ratio with respect to the vertical direction. In addition, there is a problem in that sufficient transmittance and extinction ratio cannot be obtained for light having a short wavelength due to manufacturing accuracy. Here, the extinction ratio is a ratio of two orthogonal polarization components in transmitted light. In addition, the wire grid polarizer is simply a polarization separation element, and in order to control the polarization state including the phase, it is necessary to use it in combination with the existing retardation plate, thermal damage of the retardation plate, There was a problem that the device could not be miniaturized.

また、従来技術2は、ナノサイズの金属パターンにより偏光面を制御できる旋光子の機能を有するものであるが、これは金属の共鳴周波数に近い波長の光を使うことにより、吸収と散乱の異方性を利用して偏光状態を変化させる原理に基づいたものであり、損失が大きく高い光利用効率は得られない。また、図22に示すように、現在の加工技術では、均一な非対称構造を精度よく作製することは困難であるため、形状のバラツキが生じ、所望する偏光制御特性が得られないといった問題点があった。   The prior art 2 has a function of an optical rotator capable of controlling the plane of polarization by a nano-sized metal pattern. This is because the use of light having a wavelength close to the resonance frequency of the metal makes the difference between absorption and scattering different. This is based on the principle of changing the polarization state by utilizing the directivity, and the light use efficiency with high loss cannot be obtained. Further, as shown in FIG. 22, since it is difficult to accurately produce a uniform asymmetric structure with the current processing technique, there is a problem that variations in shape occur and desired polarization control characteristics cannot be obtained. there were.

また、従来技術3は、ナノサイズの金属パターンのカイラリティを利用して、直線偏光を楕円偏光に変換するリターデーションプレートの機能を有しているが、十分に大きな楕円率が得られておらず、実用的な1/2波長板や1/4波長板を実現するには、多層化するなどの構成が必要となる。しかしながら、金属部分の体積が増加することとなり、吸収を大きくしてしまうため、光の利用効率が低下するといった問題点があった。また、従来技術3の光学素子のように、構造が複雑なものになると、加工精度の問題から、均一なカイラリティを有する構造を精度良く作製することは困難であり、形状のばらつきにより所望の偏光制御特性が得られないといった問題点があった。   Moreover, although the prior art 3 has the function of the retardation plate which converts linearly polarized light into elliptically polarized light using the chirality of the nano-sized metal pattern, a sufficiently large ellipticity is not obtained. In order to realize a practical half-wave plate or quarter-wave plate, a configuration such as multilayering is required. However, the volume of the metal portion is increased and absorption is increased, so that there is a problem that the light use efficiency is lowered. Further, when the structure becomes complicated like the optical element of the prior art 3, it is difficult to accurately produce a structure having uniform chirality due to a problem of processing accuracy. There was a problem that control characteristics could not be obtained.

さらに、これらの従来技術による偏光制御素子は、素子固有の光学応答特性を有した受動光学素子であり、実現したい機能が複雑になるほど光学素子の数が増加し、光学システムの小型化、軽量化などに制約が生じるといった問題点があった。   Furthermore, these conventional polarization control elements are passive optical elements having optical response characteristics unique to the elements. The more complex the functions to be realized, the more the number of optical elements increases, making the optical system smaller and lighter. There was a problem that restrictions would occur.

上記の従来技術の問題点に鑑みて本発明者らは先に以下のような提案をしている。
例えば先願1(特願2005−150072)では、耐熱性および耐光性に優れ、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することを課題として、図24に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属構造体2で構成された金属複合構造体6を基板1上に形成し、近接場光による相互作用が働くような構成により光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提案している。
In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present inventors have previously proposed as follows.
For example, in prior application 1 (Japanese Patent Application No. 2005-150072), a polarization control element having excellent heat resistance and light resistance, high light transmittance or high reflectance, and a polarization control element having a high degree of design freedom are provided. 24, as shown in FIG. 24, a metal composite structure 6 composed of two or more metal structures 2 arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged is formed on a substrate 1. Polarized light with high light transmittance, high phase flexibility, high heat resistance and light resistance, capable of giving a sufficient phase difference due to the structure formed above and interacting with near-field light A control element is proposed.

また、先願2(特願2005−150073)では、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子を提供することを課題として、図25に示すように、透明な基板(例えばガラス基板)1の平坦な面に、入射する光の波長よりも微小な金属構造体(金属粒子)2を、入射する光の波長よりも小さい距離で2次元に配置することにより、光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子10を提案している。   In the prior application 2 (Japanese Patent Application No. 2005-150073), a polarization control element that has high light transmittance, can provide a sufficient phase difference, has a high degree of design freedom, and is excellent in heat resistance and light resistance. As an object to provide, as shown in FIG. 25, a metal structure (metal particle) 2 that is smaller than the wavelength of incident light is incident on a flat surface of a transparent substrate (for example, a glass substrate) 1. A two-dimensional arrangement with a distance smaller than the wavelength of light, which has high light transmittance, can provide a sufficient phase difference, has a high degree of design freedom, and has excellent heat resistance and light resistance. An element 10 is proposed.

さらに先願3(特願2005−150074)では、位相差を発生させる波長板を実現すると共に、耐熱性に優れた偏光制御素子を提供することを課題として、図26に示すように、ガラス基板などの透明な基板1上に、二種類以上の金属または合金からなる金属構造体(第1の金属粒子2、第2の金属粒子3)のパターンを連続的に形成することで、透過光または反射光の偏光成分に位相差を発生させる波長板を実現すると共に耐熱性に優れかつ偏光状態の設計自由度の高い偏光制御素子10を提案している。   Furthermore, in the prior application 3 (Japanese Patent Application No. 2005-150074), as shown in FIG. 26, a glass substrate is realized with the object of providing a polarization control element having excellent heat resistance while realizing a wave plate that generates a phase difference. By continuously forming a pattern of a metal structure (first metal particle 2, second metal particle 3) made of two or more kinds of metals or alloys on a transparent substrate 1 such as A polarization control element 10 that realizes a wave plate that generates a phase difference in the polarization component of reflected light, has excellent heat resistance, and has a high degree of freedom in designing a polarization state is proposed.

さらに先願4(特願2005−150075)では、金属構造体が配列されている支持基板をサブ波長構造とし、基板表層に強いエバネッセント光を発生させる構成とし、近接場光とエバネッセント光が結合することにより、光放射および光吸収をより強く生じさせ、光特性の制御性能の向上を図ることを課題として、図27に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている金属構造体2で構成された金属複合構造体6を、ガラス基板などの透明な基板1上に形成した偏光制御素子10を提案しており、この偏光制御素子は、基板1の表面に、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、周期構造が、前記入射光の波長より小さい周期で構成されている。   Further, in the prior application 4 (Japanese Patent Application No. 2005-150075), the support substrate on which the metal structures are arranged has a sub-wavelength structure, and a structure in which strong evanescent light is generated on the substrate surface layer is combined, and the near-field light and the evanescent light are combined. Thus, as shown in FIG. 27, the light emission and the light absorption are generated more strongly, and the control performance of the optical characteristics is improved. As shown in FIG. A polarization control element 10 in which a metal composite structure 6 composed of arranged metal structures 2 is formed on a transparent substrate 1 such as a glass substrate has been proposed. The surface has a periodic structure whose height is periodically modulated, and the periodic structure has a period smaller than the wavelength of the incident light.

上記の先願1〜4は、照射する光の波長以下のサイズを有する金属構造体2を用い、複数の金属構造体2を基板1上に形成してナノサイズに近接させることにより偏光状態の制御を行うことにより、加工精度による制約や、金属による吸収の低下を実現したものである。また、金属材料や照射する光の波長の選定により、大きな偏光状態の変化を実現し、偏光制御特性の向上を実現している。
しかしながら、上記の先願1〜4は、基板表面上に金属構造体を配列する構成またはコート材料により保護する構成であり、接触等による損傷や、表面形状の揺らぎが偏光制御特性に影響するという課題がある。また、金属構造体と表面との光を介した相互作用の影響を考慮していないことにより、設計通りの偏光制御特性が得られにくいといった課題がある。
In the prior applications 1 to 4, the metal structure 2 having a size equal to or smaller than the wavelength of the light to be irradiated is used, and a plurality of metal structures 2 are formed on the substrate 1 so as to be close to the nano size. By performing the control, a limitation due to processing accuracy and a decrease in absorption due to metal are realized. In addition, by selecting the metal material and the wavelength of the light to be irradiated, a large change in the polarization state is realized, and the polarization control characteristics are improved.
However, the above-mentioned prior applications 1 to 4 are a structure in which a metal structure is arranged on the substrate surface or a structure protected by a coating material, and damage caused by contact or fluctuation of the surface shape affects the polarization control characteristics. There are challenges. In addition, since the influence of the interaction between the metal structure and the surface via light is not taken into account, there is a problem that it is difficult to obtain a polarization control characteristic as designed.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、上述の先願技術の課題に対し、耐熱性、耐光性に優れ、外的損傷に強く、素子の厚さが薄く、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供することを目的とし、さらには、作製が容易な素子構成を提供することを目的とする。
また、本発明は、設計自由度の高い偏光制御素子の構成を提供すること、偏光制御素子を構成する金属構造体の具体的な材料を提供すること、偏光制御素子を構成する単位配列パターンの具体的な空間配置を提供すること、偏光制御素子を構成する複合配列パターンの具体的な配列の仕方を提供すること、偏光制御素子を構成する膜の具体的な材料を提供することを目的とする。
さらに本発明は、多様な偏光制御機能を有する多機能な偏光制御素子を提供することを目的とする。
さらに本発明は、偏光制御素子の偏光制御方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、偏光制御素子を用いた偏光制御装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has excellent heat resistance and light resistance, is resistant to external damage, has a thin element thickness, and has a light transmittance. Alternatively, it is an object to provide a polarization control element with high reflectivity, and further to provide an element configuration that can be easily manufactured.
The present invention also provides a configuration of a polarization control element with a high degree of freedom in design, a specific material of a metal structure that constitutes the polarization control element, and a unit arrangement pattern that constitutes the polarization control element. To provide a specific spatial arrangement, to provide a specific arrangement method of the composite arrangement pattern constituting the polarization control element, and to provide a specific material of the film constituting the polarization control element To do.
A further object of the present invention is to provide a multifunctional polarization control element having various polarization control functions.
A further object of the present invention is to provide a polarization control method for a polarization control element.
A further object of the present invention is to provide a polarization control device using a polarization control element.

上述の目的を達成するために、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第1の手段は、偏光制御素子であって、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、前記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ことを特徴とする。
上記「金属構造体」は、後述する「表面プラズモンまたは局在表面プラズモンを励起できる金属材料」によるものであって、「ドット状」であり、二つ以上の金属構造体は、相互に所定間隔を隔して配置して配置される。
「ドット状」は、具体的には、後述するように「円柱形状」や「半球形状」であることができるが、同一形状である。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
The first means of the present invention is a polarization control element, a unit arrangement pattern in which two or more minute metal structures are arranged in a region below the wavelength of incident light, and a single layer supporting the metal structure. It has the above film, and has a composite array pattern in which a plurality of unit array patterns are arranged in the same orientation in a two-dimensional plane inside the film.
The “metal structure” is based on a “metal material capable of exciting surface plasmons or localized surface plasmons” described later, and is “dot-like”, and two or more metal structures are spaced apart from each other at a predetermined interval. Are arranged apart from each other.
Specifically, the “dot shape” can be a “cylindrical shape” or a “hemispherical shape” as described later, but is the same shape.

本発明の第2の手段は、第1の手段の偏光制御素子において、前記複合配列パターン()を含む前記膜の、該複合配列パターンに近接する端面に、1種類以上の材料からなる反射率調整膜を有することを特徴とする。
また、本発明の第3の手段は、第1または第2の手段の偏光制御素子において、前記金属構造体を構成する金属材料が、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、銅(Cu)のいずれか1つ、または、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料で構成されていることを特徴とする。
According to a second means of the present invention, in the polarization control element of the first means, the reflectance of the film including the composite array pattern () made of one or more materials on the end face close to the composite array pattern It has an adjustment film.
According to a third means of the present invention, in the polarization control element of the first or second means, the metal material constituting the metal structure is gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), Any one of aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), copper (Cu), or a combination thereof, or an alloy material / mixed material containing these as a main component It is characterized by.

本発明の第4の手段は、第1〜第3のいずれか1つの手段の偏光制御素子において、前記単位配列パターンが、間隔および配向を調整した2個の金属構造体により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の第5の手段は、第1〜第3のいずれか1つの手段の偏光制御素子において、前記単位配列パターンが、間隔、配向、および金属構造体を配列する二つの軸の角度を調整した3個の金属構造体により構成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の第6の手段は、第1〜第3のいずれか1つの手段の偏光制御素子において、前記単位配列パターンが、間隔、配向、および空間的な対称性を調整した4個、またはそれ以上の個数の金属構造体により構成されていることを特徴とする。
According to a fourth means of the present invention, in the polarization control element of any one of the first to third means, the unit array pattern is composed of two metal structures with adjusted intervals and orientations. It is characterized by.
According to a fifth means of the present invention, in the polarization control element of any one of the first to third means, the unit arrangement pattern has an interval, an orientation, and an angle between two axes at which the metal structures are arranged. It is comprised by the three metal structures which adjusted these.
Furthermore, the sixth means of the present invention is the polarization control element according to any one of the first to third means, wherein the unit array pattern has four spacing, orientation, and spatial symmetry adjusted, Or it is comprised by the metal structure of more than that number, It is characterized by the above-mentioned.

本発明の第7の手段は、第1〜第6のいずれか1つの手段の偏光制御素子において、前記複合配列パターンを構成する前記単位配列パターンの空間配置が、正方格子状、直方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状、ランダムのいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第8の手段は、第1〜第7のいずれか1つの手段の偏光制御素子において、前記膜を構成する材料が、誘電体材料、金属材料、半導体材料、複屈折性材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料のいずれか、あるいは、これらの組み合わせにより構成されることを特徴とする。
さらに、本発明の第9の手段は、多機能な偏光制御素子であって、第1〜第8のいずれか1つの手段の偏光制御素子を、複数段積層した構成を有することを特徴とする。
In a seventh means of the present invention, in the polarization control element of any one of the first to sixth means, the spatial arrangement of the unit arrangement pattern constituting the composite arrangement pattern is a square lattice shape, a rectangular lattice shape, It is one of hexagonal lattice, stripe, concentric circle, and random.
The eighth means of the present invention is the polarization control element of any one of the first to seventh means, wherein the material constituting the film is a dielectric material, a metal material, a semiconductor material, or a birefringent material. The electro-optic crystal material, the electrostrictive material, the magnetic material, or a combination thereof.
Furthermore, a ninth means of the present invention is a multifunctional polarization control element, characterized in that it has a configuration in which a plurality of stages of polarization control elements of any one of the first to eighth means are stacked. .

本発明の第10の手段は、偏光制御方法であって、第1〜第9のいずれか1つの手段の偏光制御素子を用い、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調することを特徴とする。   A tenth means of the present invention is a polarization control method, wherein the polarization control element of any one of the first to ninth means is used, and the polarization characteristic of the polarization control element is modulated by an external signal. And

本発明の第11の手段は、偏光制御装置であって、第1〜第9のいずれか1つの手段の偏光制御素子と、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調する手段とを有することを特徴とする。   The eleventh means of the present invention is a polarization control device, comprising the polarization control element of any one of the first to ninth means, and means for modulating the polarization characteristic of the polarization control element by an external signal. It is characterized by that.

第1の手段の偏光制御素子においては、無機材料である金属構造体を用いた偏光特性の制御を実現しており、耐熱性、耐光性に優れ、また、極めて薄い偏光制御素子を実現することができる。また、金属構造体が膜により被覆された構成であることから、外的損傷に対する耐性を実現することができる。また、金属構造体の形状や、膜構成などが極めて単純であり、作製が容易な偏光制御素子を実現することができる。   The polarization control element of the first means realizes control of polarization characteristics using a metal structure that is an inorganic material, has excellent heat resistance and light resistance, and realizes an extremely thin polarization control element. Can do. In addition, since the metal structure is covered with a film, resistance to external damage can be realized. In addition, it is possible to realize a polarization control element that is very simple in shape, film configuration, and the like, and that can be easily manufactured.

第2の手段の偏光制御素子においては、金属構造体と膜界面との間の相互作用を、膜構成により制御し、偏光制御特性の変調を可能にしており、設計自由度の高い偏光制御素子を実現することができる。
また、第3の手段の偏光制御素子においては、偏光制御に用いる具体的な金属材料を提供することにより、動作波長や金属構造体間の相互作用の強さが調整可能である偏光制御素子を実現することができる。
In the polarization control element of the second means, the interaction between the metal structure and the film interface is controlled by the film configuration, and the polarization control characteristic can be modulated, so that the polarization control element has a high degree of design freedom. Can be realized.
Further, in the polarization control element of the third means, a polarization control element capable of adjusting the operating wavelength and the strength of interaction between metal structures by providing a specific metal material used for polarization control. Can be realized.

第4〜第6の手段の偏光制御素子においては、偏光状態を制御するための具体的な金属構造体の個数および単位配列パターンを提供することにより、本偏光制御素子の具体的な構成を提供することができる。   In the polarization control elements of the fourth to sixth means, the specific configuration of the polarization control element is provided by providing the number of specific metal structures and the unit arrangement pattern for controlling the polarization state. can do.

第7の手段の偏光制御素子においては、単位配列パターンの具体的な複合配列パターンを提供することにより、使用用途に応じた偏光制御素子の構成を提供することができる。
また、第8の手段の偏光制御素子においては、本偏光制御素子を構成する具体的な膜材料を提供することにより、受動型および能動型の偏光制御素子を実現することができる。
さらに、第9の手段の偏光制御素子においては、第1〜第8のいずれか1つの手段の偏光制御素子を、複数段積層した構成を有し、金属構造体を含む面を複数段設けたことにより、多様な偏光制御機能を有する多機能な偏光制御素子を実現することができる。
In the polarization control element of the seventh means, by providing a specific composite array pattern of unit array patterns, it is possible to provide a configuration of the polarization control element according to the intended use.
Further, in the polarization control element of the eighth means, a passive type and an active type polarization control element can be realized by providing a specific film material constituting the polarization control element.
Further, the polarization control element of the ninth means has a configuration in which the polarization control elements of any one of the first to eighth means are stacked in a plurality of stages, and a plurality of surfaces including the metal structure are provided. Thus, a multifunctional polarization control element having various polarization control functions can be realized.

第10の手段の偏光制御方法においては、第1〜第9のいずれか1つの手段の偏光制御素子を用い、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調することにより、入射光の偏光状態を容易に制御することができる。
また、第11の手段の偏光制御装置においては、第1〜第9のいずれか1つの手段の偏光制御素子と、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調する手段(例えば電気的手段、磁気的手段、光学的手段、機械的手段等)とを有することにより、偏光制御素子の偏光状態を容易に制御可能な偏光制御装置を提供することができる。
In the polarization control method of the tenth means, the polarization state of the incident light is obtained by using the polarization control element of any one of the first to ninth means and modulating the polarization characteristics of the polarization control element by an external signal. Can be easily controlled.
Further, in the polarization control device of the eleventh means, the polarization control element of any one of the first to ninth means and means for modulating the polarization characteristics of the polarization control element by an external signal (for example, electrical means, A polarization control device capable of easily controlling the polarization state of the polarization control element.

以下、本発明の構成、動作および作用効果を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration, operation, and effects of the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiments.

[実施例1]
本実施例は、第1,3,4,5,6,7,8の手段に係る偏光制御素子、第10の手段に係る偏光制御方法および第11の手段に係る偏光制御装置に関する。
本実施例の偏光制御素子、偏光制御方法および偏光制御装置に関して、図1〜17に基づいて説明する。図1は、本実施例の偏光制御素子の機能を説明する概念図である。この偏光制御素子100は、入射光104の偏光状態を、偏光制御素子100の内部に含む複数個の金属構造体により構成される単位配列パターンと光による相互作用を利用して変調し、所望する出射偏光状態を取り出すものである。図1は、偏光制御素子100により入射光104の直線偏光を円偏光の出射光105に変換する一例を示しており、従来の1/4波長板と同等の機能を、面内の構造により実現することができる。なお、従来の1/4波長板は、結晶の異方性を用い、伝搬距離に応じた位相変化を利用していることから、数波長の膜厚が必要であり、また、使用する材料に性能が依存していた。
[Example 1]
The present embodiment relates to a polarization control element according to the first, third, fourth, fifth, sixth, seventh and eighth means, a polarization control method according to the tenth means, and a polarization control apparatus according to the eleventh means.
The polarization control element, the polarization control method, and the polarization control apparatus of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the function of the polarization control element of this embodiment. The polarization control element 100 modulates the polarization state of the incident light 104 by utilizing a unit array pattern composed of a plurality of metal structures included in the polarization control element 100 and the light interaction, and is desired. The outgoing polarization state is taken out. FIG. 1 shows an example in which linearly polarized light of incident light 104 is converted into circularly polarized outgoing light 105 by the polarization control element 100, and functions equivalent to those of a conventional quarter-wave plate are realized by an in-plane structure. can do. In addition, since the conventional quarter wave plate uses the anisotropy of the crystal and utilizes the phase change according to the propagation distance, the film thickness of several wavelengths is necessary, and the material to be used is The performance was dependent.

本実施例の偏光制御素子は、図1の例の他にも、直線偏光を90度回転させる1/2波長板や、ランダムな偏光を有する自然偏光から直線偏光を取り出す偏光板、自然偏光から右回り円偏光または左回り円偏光を取り出す円偏光板の機能を有する素子として機能させることができる。   In addition to the example of FIG. 1, the polarization control element of this embodiment includes a half-wave plate that rotates linearly polarized light by 90 degrees, a polarizing plate that extracts linearly polarized light from random polarized light, and natural polarized light. It can be made to function as an element having a function of a circularly polarizing plate for extracting clockwise circularly polarized light or counterclockwise circularly polarized light.

本実施例の偏光制御素子の構成例を、図2により説明する。図2(a),(b)は、本実施例の偏光制御素子の一構成例を示す断面図と上方視図である。本実施例の偏光制御素子100は、二つ以上の微小な金属構造体103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106と、金属構造体103を支持する一層以上の膜101,102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106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している。すなわち、本実施例の偏光制御素子100は、2種類の透明な膜101,102の一方(例えば膜101)の内部の、膜101と膜102の界面から距離hだけ離れた2次元平面内に複数の金属構造体103を配列させ、二つ以上の微小な金属構造体103を入射光の波長以下の領域に配置して単位配列パターン106とし、この単位配列パターン106を複数個、同一の配向で配置した構成を有している。   A configuration example of the polarization control element of this embodiment will be described with reference to FIG. 2A and 2B are a cross-sectional view and a top view showing one configuration example of the polarization control element of this embodiment. The polarization control element 100 of this embodiment includes a unit arrangement pattern 106 in which two or more minute metal structures 103 are arranged in a region below the wavelength of incident light, and one or more films 101 that support the metal structures 103. , 102, and a plurality of unit array patterns 106 are arranged in the same orientation in a two-dimensional plane inside the film. That is, the polarization control element 100 according to the present embodiment is in a two-dimensional plane within one of the two types of transparent films 101 and 102 (for example, the film 101) and separated from the interface between the film 101 and the film 102 by a distance h. A plurality of metal structures 103 are arranged, and two or more minute metal structures 103 are arranged in a region below the wavelength of incident light to form a unit arrangement pattern 106. A plurality of unit arrangement patterns 106 are arranged in the same orientation. It has the structure arranged by.

図2では2種類の材料からなる膜101,102を記しているが、膜は2種類に限定する必要はなく、偏光制御素子100の利用方法に依存して、少なくとも1種類、すなわち空気と膜の界面を有する構成から、多層構造を有する構成まで利用することができる。例えば、図3は、本実施例の偏光制御素子100を反射型で利用する構成の断面図であり、最下面に金属材料または誘電体材料を積層した反射膜107を設けたものである。この場合、単位配列パターン106と相互作用した光が、反射膜107により入射光側へ戻され、再度単位配列パターン106と相互作用した後に、反射光105bとして外部に放出される。   In FIG. 2, the films 101 and 102 made of two kinds of materials are shown. However, the films need not be limited to two kinds, and at least one kind, that is, air and film, depends on the method of using the polarization control element 100. From a configuration having an interface of the above to a configuration having a multilayer structure can be used. For example, FIG. 3 is a cross-sectional view of a configuration in which the polarization control element 100 of the present embodiment is used in a reflective type, in which a reflective film 107 in which a metal material or a dielectric material is laminated is provided on the lowermost surface. In this case, the light interacting with the unit array pattern 106 is returned to the incident light side by the reflective film 107, and after interacting with the unit array pattern 106 again, it is emitted to the outside as reflected light 105b.

金属構造体103を包含する膜に使用する材料は、第8の手段に記したものを利用する。固有の機能を有する受動素子として利用する場合には、誘電体材料、複屈折材料、金属材料が利用できる。誘電体材料は、入射光の波長に対する屈折率を選択することにより、金属構造体103による配列パターンと光との相互作用の強さや、動作波長を制御することに利用する。複屈折材料は、単位配列パターン106と光の相互作用に異方性を与えることが可能である。金属材料は、吸収と位相を制御するために利用する。また、外部から電界印加手段や磁界印加手段により電界や磁界を印加することにより変調を施す能動素子として利用する場合には、半導体材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料が利用できる。本実施例の偏光制御素子100は、微小な屈折率変化や、変位、磁気光学効果等により、偏光状態が大きく変化することを利用して、偏光状態の外的変調が可能であり、偏光状態の制御が容易な偏光制御装置を構成することができる。また、上記の材料は、金属構造体103を完全に被覆しており、金属構造体103を保護する役割も担っている。   As the material used for the film including the metal structure 103, the material described in the eighth means is used. When used as a passive element having an inherent function, a dielectric material, a birefringent material, and a metal material can be used. The dielectric material is used to control the strength of the interaction between the arrangement pattern and the light by the metal structure 103 and the operating wavelength by selecting the refractive index with respect to the wavelength of the incident light. The birefringent material can give anisotropy to the interaction between the unit array pattern 106 and light. Metallic materials are used to control absorption and phase. In addition, when used as an active element that modulates by applying an electric field or magnetic field by an electric field applying means or a magnetic field applying means from the outside, a semiconductor material, an electro-optic crystal material, an electrostrictive material, or a magnetic material can be used. The polarization control element 100 of this embodiment can externally modulate the polarization state by utilizing the fact that the polarization state changes greatly due to minute refractive index changes, displacements, magneto-optical effects, and the like. It is possible to configure a polarization control device that can easily control the above. Further, the above material completely covers the metal structure 103 and also plays a role of protecting the metal structure 103.

膜101の内部に配列するドット状の微小な金属構造体103は、入射光の回折限界(波長程度)以下のサイズを有している必要があり、また、複数個の金属構造体103により構成される単位配列パターン106のサイズも回折限界以下であることが好ましい。金属構造体103の形状は、図2では円柱形状を図示しているが、全ての金属構造体において形状が揃っていればよく、加工の容易さから、半球形状などの、任意のものであって構わない。金属構造体103および金属構造体を含む膜101の作製方法について、図4および図5を用いて説明する。 The dot-shaped minute metal structures 103 arranged inside the film 101 must have a size equal to or smaller than the diffraction limit (about the wavelength) of incident light, and are constituted by a plurality of metal structures 103. It is preferable that the size of the unit array pattern 106 to be performed is also less than or equal to the diffraction limit. The shape of the metal structure 103 is a cylindrical shape in FIG. 2, but it is sufficient that all the metal structures have the same shape. For ease of processing, the shape of the metal structure 103 is arbitrary such as a hemispherical shape. It doesn't matter. A method for manufacturing the metal structure 103 and the film 101 including the metal structure will be described with reference to FIGS.

図4は、偏光制御素子の作製手順を段階的に示した図である。ガラス基板などの透明な支持基板(または膜)111上に、誘電体膜112を、スパッタ法などの堆積法を用いて製膜し、その上層にレジスト膜113を積層する(ステップ1)。続いて、電子ビームリソグラフィなどを用いて、所望する配列パターンを露光し、レジスト膜113にマスクパターンを形成する(ステップ2)。電子ビームリソグラフィに代わって、近接場光リソグラフィや、ナノインプリント加工技術を用いて、一括形成する手法も適用できる。その後、誘電体膜112中に金属構造体の埋め込み構造を作製するために、反応性ドライエッチングなどのエッチング手法により凹形状のパターンを作製する(ステップ3)。続いて、スパッタ法や蒸着法を用いて、金属材料を堆積し、金属パターン114を形成する(ステップ4)。続いて、レジスト膜113の除去にともなうリフトオフ法によって、金属構造体以外の不要部分を除去し、さらにスパッタ法などにより誘電体材料115で被膜することにより、表面が平坦で、誘電体膜101中の2次元平面内に配列した金属構造体103を作製する(ステップ5)。   FIG. 4 is a diagram showing step by step the manufacturing procedure of the polarization control element. A dielectric film 112 is formed on a transparent support substrate (or film) 111 such as a glass substrate by using a deposition method such as a sputtering method, and a resist film 113 is laminated thereon (step 1). Subsequently, using electron beam lithography or the like, a desired arrangement pattern is exposed to form a mask pattern on the resist film 113 (step 2). Instead of electron beam lithography, a method of forming in a batch using near-field optical lithography or nanoimprint processing technology can also be applied. Thereafter, in order to produce a buried structure of a metal structure in the dielectric film 112, a concave pattern is produced by an etching technique such as reactive dry etching (step 3). Subsequently, a metal material is deposited by sputtering or vapor deposition to form a metal pattern 114 (step 4). Subsequently, unnecessary portions other than the metal structure are removed by a lift-off method accompanying the removal of the resist film 113, and further coated with a dielectric material 115 by a sputtering method or the like, so that the surface is flat and the dielectric film 101 The metal structures 103 arranged in the two-dimensional plane are prepared (step 5).

次に異なる作製方法の例を図5に示す。ステップ1,2は図4の作製手順と同様である。ここで、レジスト膜113のパターンをマスクとして誘電体膜112上に金属材料をスパッタ法や蒸着法により堆積し、金属パターン114を作製する(ステップ3)。続いて、レジスト膜113の除去にともなうリフトオフ法によって、金属構造体以外の不要部分を除去し、凸状の金属構造体103を作製する。最後に、紫外線硬化樹脂116などの柔らかい材料を用い、紫外線UVを照射することにより硬化させ、表面の平滑性を補償した金属構造体103を有する膜101を作製する(ステップ4)。 Next, an example of a different manufacturing method is shown in FIGS. Steps 1 and 2 are the same as the manufacturing procedure of FIG. Here, using the pattern of the resist film 113 as a mask, a metal material is deposited on the dielectric film 112 by sputtering or vapor deposition to produce the metal pattern 114 (step 3). Subsequently, unnecessary portions other than the metal structure are removed by a lift-off method that accompanies the removal of the resist film 113, and the convex metal structure 103 is manufactured. Finally, using a soft material such as the ultraviolet curable resin 116, the film 101 having the metal structure 103 which is cured by irradiating the ultraviolet ray UV to compensate for the smoothness of the surface is produced (step 4).

図5の作成方法では、金属構造体103を被覆する膜に樹脂材料を利用するために、熱耐性に問題が生じるが、一方で、加工の困難な基板材料や膜材料に対し、本実施例の偏光制御素子を形成する場合には、基板や膜を堀る工程が不要であることから、有用な手法である。支持基板または膜111に使用する材料は、透過型の素子を構成する場合には、高効率化のために可視領域の波長において吸収の低い材料が好ましく、石英ガラス、BK7、パイレックス(登録商標)、ZnS−SiOなどの硼珪酸ガラス、CaF、Si、ZnSe、Al、ZnOなどの光学結晶材料などを利用する。また、反射型の素子を構成する場合には、反射率の高い材料が好ましく、上記の光学ガラス、光学結晶材料に、AlやAuなどの金属膜コーティングを施す。この際の膜厚は、金属中に光がしみ込む表皮深さよりも厚くする必要があり、30nm以上の膜厚が好ましい。また、誘電体多層膜による全反射コーティングを施したものであっても良い。また、透過光と反射光の両方を利用するビームスプリッタなどとして利用する場合には、部分反射膜としてCrコーティングなどを利用する。 In the production method of FIG. 5, since a resin material is used for the film covering the metal structure 103, there is a problem in heat resistance. On the other hand, this embodiment is applied to a substrate material and a film material that are difficult to process. In the case of forming the polarization control element, it is a useful technique because a step of digging a substrate or a film is unnecessary. The material used for the support substrate or the film 111 is preferably a material having low absorption at a wavelength in the visible region in order to increase efficiency in the case of constituting a transmissive type element. , Borosilicate glass such as ZnS—SiO 2 , optical crystal materials such as CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 , and ZnO are used. In the case of constructing a reflective element, a material having high reflectance is preferable, and a metal film coating such as Al or Au is applied to the optical glass or optical crystal material. The film thickness at this time needs to be thicker than the skin depth at which light penetrates into the metal, and a film thickness of 30 nm or more is preferable. Moreover, what gave the total reflection coating by the dielectric multilayer film may be used. Further, when used as a beam splitter using both transmitted light and reflected light, a Cr coating or the like is used as a partial reflection film.

次に金属構造体103の具体的な構成について説明する。金属構造体103の材料は、表面プラズモンまたは局在表面プラズモンを励起できる材料である必要がある。ここで、表面プラズモンとは、金属と誘電体の界面領域の金属側に励起される電子の集団運動であり、局在表面プラズモンとは、金属による構造が微小になった場合に、金属材料全体に渡って励起される電子の集団運動である。以下では表面プラズモン、局在表面プラズモンを、ともにプラズモンと呼ぶ。プラズモンは、金属構造体近傍の電磁界と結合し、伝搬光成分に変換されて遠方場へ放出される。伝搬光への変換効率は、金属構造体103により決まる共鳴波長近傍で最大となる。プラズモンを励起できる金属材料としては、第3の手段に記した、Au,Ag,Pt,Al,Ni,Cr,Cuのいずれか、またはこれらを主とした合金材料、これらを組み合わせて空間的に配置した構成、さらには、これらと非金属材料からなる混合材料が利用できる。金属構造体103は、入射する光の回折限界よりも十分に微小である必要があり、さらに本実施例の偏光制御素子100を介した光が空間的に均一であるためには、複数個の金属構造体103からなる単位配列パターン106も光の回折限界よりも微小であることが好ましい。この金属構造体103と、単位配列パターンの両制約から、使用する光の波長に応じて、金属構造体103のサイズは制限を受ける。具体的には、100nm以下であれば、可視光全領域に利用できる。遠方から照射される光、または遠方で観測される光においては、光の回折限界による制限から、単位配列パターン106の配置や形状は観測されない。しかしながら、単位配列パターン106内に生じるプラズモンおよび近接場光を介したプラズモンの相互作用により、出射される光強度や振動の向きに対する位相差が、金属構造体103の大きさや配置に依存して変化する。ここで、近接場光とは、エネルギーを自由空間に放出せずに、プラズモンと結合して存在している、局所領域の電磁場のことである。   Next, a specific configuration of the metal structure 103 will be described. The material of the metal structure 103 needs to be a material that can excite surface plasmons or localized surface plasmons. Here, the surface plasmon is a collective motion of electrons excited on the metal side of the interface region between the metal and the dielectric, and the localized surface plasmon is the entire metal material when the structure of the metal becomes minute. Collective motion of electrons excited over Hereinafter, both surface plasmons and localized surface plasmons are called plasmons. Plasmon couples with the electromagnetic field in the vicinity of the metal structure, is converted into a propagating light component, and is emitted to the far field. The conversion efficiency to propagating light is maximized near the resonance wavelength determined by the metal structure 103. As a metal material that can excite plasmons, any one of Au, Ag, Pt, Al, Ni, Cr, and Cu described in the third means, or an alloy material mainly composed of these, spatially combined with these. Arranged configurations and mixed materials composed of these and non-metallic materials can be used. The metal structure 103 needs to be sufficiently smaller than the diffraction limit of incident light, and in addition, in order for the light transmitted through the polarization control element 100 of this embodiment to be spatially uniform, a plurality of The unit array pattern 106 made of the metal structure 103 is also preferably smaller than the diffraction limit of light. Due to both restrictions of the metal structure 103 and the unit arrangement pattern, the size of the metal structure 103 is limited depending on the wavelength of light used. Specifically, if it is 100 nm or less, it can be used for the entire visible light region. In the light irradiated from a distance or the light observed in a distance, the arrangement and shape of the unit array pattern 106 are not observed due to the limitation due to the diffraction limit of light. However, due to the interaction between the plasmon generated in the unit array pattern 106 and the plasmon via the near-field light, the phase difference with respect to the emitted light intensity and the vibration direction changes depending on the size and arrangement of the metal structure 103. To do. Here, the near-field light refers to an electromagnetic field in a local region that exists in combination with plasmons without releasing energy into free space.

次に、この単位配列パターン106により偏光状態が変化する原理について、最も簡単な2個の金属ドット(例えばAu球)による構成を用いた数値シミュレーション結果をもとに説明する。数値シミュレーションは、電磁界の運動を記述するマクスウェル方程式を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法(FDTD法)を利用した。図6は、シミュレーションに使用したモデルであり、空気中に存在するサイズ(直径)40nmの2つの金属構造体(Au球)103における近接する端部の間隔dを0〜80nmまで変化させた場合の、反射遠方場における偏光状態を算出した。FDTD法により得られたAu球103の単位配列パターン近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、図6(a)に示すように、電界分布のフーリエ変換により角度θ=0°の成分を抽出し、図6(b)に示すような、x方向とy方向の振幅比と位相差を算出した。40nmのAu球103のプラズモン共鳴波長近傍である波長544nmを用い、図6に示すxy面内においてx軸から45°の方向に電界の振動方向をもつ平面波を照射する計算を行った。また、Auの光学定数は、屈折率n=0.072、k=1.496を用いた。図7は振幅比の距離依存性をプロットした図であり、dが大きな領域においては振幅比が1に近づき、偏光面(電界の振動方向)が入射光の偏光方向と一致していることが確認できる。これに対し、d=0近傍に近づくにつれて、振幅比が増加し、すなわち偏光面がy方向へ傾く。一方、図8は電界のx成分とy成分の位相差を表している。dがゼロに近づくほど、位相差が大きくなり、d=0の場合(Au球が接触した場合)では、位相差が45°程度となる。これは、直線偏光が楕円偏光に変換されていることを意味する。以上のFDTD法によるシミュレーションの結果から、Au球の間隔を制御することにより、偏光面を回転させることができ、また、偏光状態を、例えば直線偏光から楕円偏光に変換することができることがわかる。   Next, the principle of changing the polarization state by the unit array pattern 106 will be described based on the result of numerical simulation using the simplest configuration of two metal dots (for example, Au spheres). The numerical simulation utilized a finite time domain difference method (FDTD method) that solves the Maxwell equation describing the motion of an electromagnetic field by approximating it to a space-time difference equation. FIG. 6 is a model used for the simulation, in which the distance d between adjacent ends of two metal structures (Au spheres) 103 having a size (diameter) of 40 nm existing in the air is changed from 0 to 80 nm. The polarization state in the reflected far field was calculated. In order to obtain the characteristics of far-field light from the electric field distribution in the vicinity of the unit array pattern of the Au sphere 103 obtained by the FDTD method, as shown in FIG. 6A, the angle θ = 0 ° is obtained by Fourier transform of the electric field distribution. The components were extracted, and the amplitude ratio and phase difference between the x and y directions as shown in FIG. 6B were calculated. A calculation was performed to irradiate a plane wave having a vibration direction of an electric field in the direction of 45 ° from the x axis in the xy plane shown in FIG. As the optical constant of Au, refractive index n = 0.072 and k = 1.497 were used. FIG. 7 is a graph plotting the distance dependence of the amplitude ratio. In a region where d is large, the amplitude ratio approaches 1 and the polarization plane (the vibration direction of the electric field) matches the polarization direction of the incident light. I can confirm. On the other hand, the amplitude ratio increases as it approaches d = 0, that is, the polarization plane tilts in the y direction. On the other hand, FIG. 8 shows the phase difference between the x component and the y component of the electric field. As d approaches zero, the phase difference increases. When d = 0 (when the Au sphere comes into contact), the phase difference is about 45 °. This means that linearly polarized light has been converted to elliptically polarized light. From the simulation results by the FDTD method described above, it can be seen that the plane of polarization can be rotated by controlling the interval between the Au spheres, and the polarization state can be converted from, for example, linearly polarized light to elliptically polarized light.

金属材料としてAg球を使用した場合にも、同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化の生じる波長領域はAg球のプラズモン共鳴波長近傍である波長400nm近傍と紫外線領域であった。しかしながら、プラズモン共鳴波長、すなわち本実施例の偏光制御素子の動作領域は、金属構造体103を被覆する材料のもつ屈折率により、調整することが可能である。また、プラズモン共鳴波長は、金属構造体103のサイズにも依存しており、サイズを制御することにより、動作波長を調整することも可能である。金属構造体103の被覆媒質による効果を確認するために、ミー散乱理論を用い、プラズモン共鳴波長の変化を解析的に計算した。図9〜11は、ミー散乱理論により計算した単一Au球の中心部における電界強度を示した図であり、図9は空気(n=1.0)、図10はプラスティックフィルム(n=1.3)、図11はポリカーボネート(n=1.5)の3種類の材料を被覆材料とした場合の結果である。これらの材料は特に限定する必要はなく、表示デバイスの赤・緑・青(RGB)の3色の中心波長近傍にAu球のプラズモン共鳴波長をもつような屈折率材料を選択した。また、図12〜14は、同様の計算をAg球に対して行った計算であり、図12はポリカーボネート(n=1.5)、図13はZnO(n=2.1)、図14はZnS−SiO2(n=2.3)をそれぞれRGBの3色に対応する被覆材料として適用した場合の結果である。以上の結果から、金属構造体を被覆する材料を適当な屈折率を有するものに選択することにより、本実施例の偏光制御素子の動作波長を選択することが可能である。なお、図9および図12の図中に示すように、複数の曲線はAu球またはAg球の直径を10nmから50nmまで、10nm刻みで変化させた場合の結果である(すなわち、図9〜14において、a=10nm,b=20nm,c=30nm,d=40nm,e=50nmである)。この結果からわかるように、金属構造体103のサイズを調整することにより、約50nm程度の範囲で、プラズモンの共鳴波長を制御することが可能である。   A similar calculation result can be obtained when an Ag sphere is used as the metal material. In this case, the wavelength region where the polarization state changes is in the vicinity of the wavelength of 400 nm, which is near the plasmon resonance wavelength of the Ag sphere, and the ultraviolet region. It was. However, the plasmon resonance wavelength, that is, the operating region of the polarization control element of this embodiment can be adjusted by the refractive index of the material covering the metal structure 103. The plasmon resonance wavelength also depends on the size of the metal structure 103, and the operating wavelength can be adjusted by controlling the size. In order to confirm the effect of the covering medium of the metal structure 103, the change in the plasmon resonance wavelength was analytically calculated using the Mie scattering theory. 9 to 11 are diagrams showing the electric field strength at the center of a single Au sphere calculated by the Mie scattering theory. FIG. 9 shows air (n = 1.0), and FIG. 10 shows a plastic film (n = 1). .3) and FIG. 11 show the results when three types of materials of polycarbonate (n = 1.5) are used as coating materials. These materials are not particularly limited, and a refractive index material having a plasmon resonance wavelength of an Au sphere in the vicinity of the center wavelengths of three colors of red, green, and blue (RGB) of the display device is selected. Moreover, FIGS. 12-14 is the calculation which performed the same calculation with respect to Ag sphere, FIG. 12 is polycarbonate (n = 1.5), FIG. 13 is ZnO (n = 2.1), FIG. It is a result at the time of applying ZnS-SiO2 (n = 2.3) as a coating material corresponding to three colors of RGB, respectively. From the above results, it is possible to select the operating wavelength of the polarization control element of this embodiment by selecting a material covering the metal structure having a suitable refractive index. 9 and 12, the plurality of curves are the results when the diameter of the Au sphere or Ag sphere is changed from 10 nm to 50 nm in increments of 10 nm (that is, FIGS. 9 to 14). A = 10 nm, b = 20 nm, c = 30 nm, d = 40 nm, e = 50 nm). As can be seen from this result, by adjusting the size of the metal structure 103, the resonance wavelength of the plasmon can be controlled within a range of about 50 nm.

本実施例の偏光制御素子を設計するには、2個以上の金属構造体を所望する偏光特性が出現するように配列する必要がある。
図15に、金属構造体103を2〜5個用いた場合の配列方法を示す(第4〜6の手段)。図15(a)は、2個の金属構造体103による単位配列パターン106を用いた場合であり、入射する光の偏光方向に対する単位配列パターン106の配向と、金属構造体103の間隔に依存して、振幅比と位相差が変化する。すなわち、旋光素子および波長板の機能が実現できる。図15(b)は、3個の金属構造体103による単位配列パターン106を用いた場合であり、金属構造体103の間隔に加えて、2本の配列軸の角度θを調整することで、偏光状態を制御することができる。θ=90°の場合(図15(b)の右図)、L字型となる。このような配列では、旋光素子、波長板のほか、水平および垂直方向のプラズモン波の干渉による効果を利用し、自然偏光から直線偏光を抽出する偏光選択素子の機能が実現できる。図15(c)は、4個の金属構造体103による単位配列パターン106を用いた構成であり、左図は中心線に対する線対称、中央図は180°回転対称、右図は360°回転で元の配置に一致する構成である。このように金属構造体103を4個用いると、空間的な対称性を偏光状態の制御に利用できる。これにより、旋光素子、波長板、直線偏光選択の機能に加え、円偏光に対する偏光選択性を有する機能を実現することができる。さらに、図15(d)に示すように、5個以上の金属構造体103による単位配列パターン106を用いることにより、さらに複雑な偏光状態の制御が可能である。
In order to design the polarization control element of this embodiment, it is necessary to arrange two or more metal structures so that desired polarization characteristics appear.
FIG. 15 shows an arrangement method when 2 to 5 metal structures 103 are used (fourth to sixth means). FIG. 15A shows a case where the unit array pattern 106 formed of two metal structures 103 is used, and depends on the orientation of the unit array pattern 106 with respect to the polarization direction of incident light and the distance between the metal structures 103. As a result, the amplitude ratio and the phase difference change. That is, the functions of the optical rotator and the wave plate can be realized. FIG. 15B shows a case where the unit array pattern 106 using three metal structures 103 is used, and by adjusting the angle θ between the two array axes in addition to the interval between the metal structures 103, FIG. The polarization state can be controlled. In the case of θ = 90 ° (the right diagram in FIG. 15B), it is L-shaped. In such an arrangement, the function of a polarization selection element that extracts linearly polarized light from natural polarized light can be realized by using the effect of interference of horizontal and vertical plasmon waves in addition to an optical rotator and a wave plate. FIG. 15C shows a configuration using the unit arrangement pattern 106 of four metal structures 103, the left figure is line-symmetric with respect to the center line, the center figure is 180 ° rotationally symmetric, and the right figure is rotated 360 °. The configuration matches the original arrangement. When four metal structures 103 are used in this way, spatial symmetry can be used to control the polarization state. Thereby, in addition to the function of an optical rotator, a wave plate, and linearly polarized light selection, a function having polarization selectivity for circularly polarized light can be realized. Furthermore, as shown in FIG. 15D, by using the unit array pattern 106 of five or more metal structures 103, it is possible to control a more complicated polarization state.

次に、単位配列パターン106の配列による複合配列パターンの構成について説明する。図16(a)、(b)、(c)は、それぞれ、単位配列パターン106(図では2個の金属構造体103であるが、2個以上の複数個の金属構造体であってもよい)を正方格子状、長方格子状、六方格子状に並べた複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例を示す上方視図である。六方格子状に配列した場合が最も高密度に単位配列パターン106を充填することができる。一方、長方格子状に配列した場合は、透過または反射遠方場における光強度分布に異方性が生じる。それぞれ、ビーム形状や効率などの所望する特性に応じて、対称性や周期を調整する。図16(d),(e)は、ともに単位配列パターン106をストライプ状に配列した複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例であるが、金属構造体103の配向と、単位配列パターン106の配列の向きが直交する場合と、平行に並んだ構成を有する場合とがあり、入射偏光に対する透過率、反射率、偏光選択性が異なる。図16(f)は、単位配列パターン106が同心円状に並んだ複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例である。同心円の間隔を調整することにより、フレネルレンズに類似した集光効果を実現することができ、偏光制御特性とビーム集光特性を併せもつ偏光制御素子が実現できる。また、図16(g)は、単位配列パターン106がランダムに分布した複合配列パターンを有する偏光制御素子の構成例であり、偏光制御特性が単位配列パターン106の配向のみに依存して決定されることから、本実施例の偏光制御素子の作製精度に対する要件が緩和される。   Next, the configuration of the composite array pattern based on the array of unit array patterns 106 will be described. FIGS. 16A, 16B, and 16C are each a unit arrangement pattern 106 (two metal structures 103 in the figure), but may be two or more metal structures. 2) is a top view showing a configuration example of a polarization control element having a composite array pattern in which a square lattice shape, a rectangular lattice shape, and a hexagonal lattice shape are arranged. When arranged in a hexagonal lattice, the unit array pattern 106 can be filled with the highest density. On the other hand, when arranged in a rectangular lattice, anisotropy occurs in the light intensity distribution in the transmitted or reflected far field. The symmetry and period are adjusted according to desired characteristics such as beam shape and efficiency, respectively. FIGS. 16D and 16E are configuration examples of a polarization control element having a composite array pattern in which unit array patterns 106 are arranged in stripes. The orientation of the metal structure 103 and the unit array pattern 106 are shown in FIGS. There are cases where the orientations of the arrays are orthogonal and cases where the arrangements are arranged in parallel, and the transmittance, reflectance, and polarization selectivity for incident polarized light are different. FIG. 16F is a configuration example of a polarization control element having a composite array pattern in which unit array patterns 106 are arranged concentrically. By adjusting the distance between the concentric circles, a condensing effect similar to a Fresnel lens can be realized, and a polarization control element having both polarization control characteristics and beam condensing characteristics can be realized. FIG. 16G is a configuration example of a polarization control element having a composite array pattern in which unit array patterns 106 are randomly distributed, and the polarization control characteristics are determined depending only on the orientation of the unit array pattern 106. For this reason, the requirements for the fabrication accuracy of the polarization control element of this embodiment are relaxed.

次に、金属構造体103を含む膜の界面における効果について説明する。図17(a)、(b)は、それぞれ、膜101上に金属構造体103を有する場合と、膜101の内部に金属構造体103がある場合との観測点123における寄与について説明する図である。金属構造体103は、簡単のため1個のみ図示しているが、実際は前述の単位配列パターン106を形成するものである。また、反射光を利用する構成としているが、透過光の場合でも同様である。図17(a)の場合、入射光104は金属構造体103により散乱されるが、観測点123において検出される光は、金属構造体103より直接観測点に到達する光の成分(散乱光121)と、膜101の界面による反射を受けた後に観測点123に到達する成分(散乱光122)との重ね合わせである。これは、図17(a)中に矢印で記したように、膜101内部の鏡像点に仮想的な電気双極子120があることと等価であり、金属構造体103が膜101の界面に近接している場合、金属構造体103の有する真の電気双極子を相殺するように働くため、電気双極子モーメントの大きさが低下する。一方、図17(b)の場合、膜101と膜102の界面から金属構造体103が距離hだけ離れて配置されているために、界面の影響が小さく、電気双極子モーメントの大きさを効率良く利用でき、すなわち、複数の金属構造体103による単位配列パターン106のもつ旋光性や位相シフトといった偏光制御特性を向上できる。また、距離hを調整することにより、偏光特性を制御することができる。距離hが金属構造体103のサイズ程度の変化がある場合に、偏光状態に影響があるため、偏光特性の制御は、サイズ程度の距離の調整により行う。   Next, the effect at the interface of the film including the metal structure 103 will be described. FIGS. 17A and 17B are diagrams for explaining the contribution at the observation point 123 when the metal structure 103 is provided on the film 101 and when the metal structure 103 is provided inside the film 101. is there. Although only one metal structure 103 is shown for simplicity, the metal structure 103 actually forms the unit arrangement pattern 106 described above. In addition, although the configuration uses reflected light, the same applies to the case of transmitted light. In the case of FIG. 17A, the incident light 104 is scattered by the metal structure 103, but the light detected at the observation point 123 is a component of light (scattered light 121) that reaches the observation point directly from the metal structure 103. ) And a component (scattered light 122) that reaches the observation point 123 after being reflected by the interface of the film 101. This is equivalent to the presence of a virtual electric dipole 120 at the mirror image point inside the film 101 as indicated by an arrow in FIG. 17A, and the metal structure 103 is close to the interface of the film 101. In this case, the electric dipole moment of the metal structure 103 is canceled out, so that the magnitude of the electric dipole moment is reduced. On the other hand, in the case of FIG. 17B, since the metal structure 103 is arranged at a distance h from the interface between the film 101 and the film 102, the influence of the interface is small, and the magnitude of the electric dipole moment is reduced. It can be used well, that is, the polarization control characteristics such as optical rotation and phase shift of the unit array pattern 106 by the plurality of metal structures 103 can be improved. Further, the polarization characteristic can be controlled by adjusting the distance h. Since the polarization state is affected when the distance h changes by about the size of the metal structure 103, the polarization characteristics are controlled by adjusting the distance by about the size.

以上のように、本実施例の偏光制御素子は、金属構造体103の材料、金属構造体103を被覆する膜101の材料、金属構造体間の距離および配列パターン(単位配列パターン106および複合配列パターン)、ならびに膜界面と金属構造体103との間の距離hを調整することにより、偏光特性を多様に設計することが可能である。また、無機金属材料を偏光制御に用いていることから、耐熱性、耐光性に優れ、金属構造体103が膜内部に含まれていることから、外的損傷に強い。また、複雑な構造を要さないため、作製が容易な偏光制御素子を実現することができる。   As described above, the polarization control element of this example includes the material of the metal structure 103, the material of the film 101 covering the metal structure 103, the distance between the metal structures, and the array pattern (unit array pattern 106 and composite array). By adjusting the pattern h) and the distance h between the film interface and the metal structure 103, it is possible to design various polarization characteristics. In addition, since an inorganic metal material is used for polarization control, it is excellent in heat resistance and light resistance, and the metal structure 103 is included in the film, so that it is resistant to external damage. In addition, since a complicated structure is not required, a polarization control element that is easy to manufacture can be realized.

さらに、本実施例の偏光制御素子100と、外部信号により偏光制御素子の偏光特性を変調する手段(例えば電界や電圧を印加する電気的手段、磁界を印加する磁気的手段、制御光を照射する光学的手段、素子に圧力や振動等を加える機械的手段等)とを有する構成とすることにより、偏光制御素子の偏光状態を容易に制御可能な偏光制御装置を実現することができる。   Further, the polarization control element 100 of the present embodiment and means for modulating the polarization characteristics of the polarization control element by an external signal (for example, an electric means for applying an electric field or a voltage, a magnetic means for applying a magnetic field, and a control light are emitted. A polarization control device capable of easily controlling the polarization state of the polarization control element can be realized.

[実施例2]
本実施例は、第2,3,4,5,6,7,8の手段に係る偏光制御素子、第10の手段に係る偏光制御方法および第11の手段に係る偏光制御装置に関する。
本実施例の偏光制御素子に関して、図4,5,15〜18に基づいて説明する。図18は本実施例の偏光制御素子110の構成例を説明する断面図である。本実施例の偏光制御素子110は、実施例1と同様に、入射光の回折限界(波長程度)以下のサイズを有する金属構造体103が回折限界以下の領域に隣接して配置された単位配列パターン106が、規則的またはランダムに配列した構造を有している。実施例1と異なるのは、図18(a)に示すように、金属構造体106を配列した面から距離hだけ離れた位置に反射率調整膜108を有している点である。また、図18(b)のように、反射率調整膜108を表層部分に有する構成であってもよい。
[Example 2]
The present embodiment relates to a polarization control element according to the second, third, fourth, fifth, sixth, seventh and eighth means, a polarization control method according to the tenth means, and a polarization control apparatus according to the eleventh means.
The polarization control element of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the polarization control element 110 of this embodiment. As in the first embodiment, the polarization control element 110 according to the present embodiment is a unit array in which a metal structure 103 having a size smaller than or equal to the diffraction limit (approximately the wavelength) of incident light is disposed adjacent to a region less than the diffraction limit. The pattern 106 has a structure that is regularly or randomly arranged. A difference from the first embodiment is that, as shown in FIG. 18A, a reflectance adjusting film 108 is provided at a position separated by a distance h from the surface on which the metal structures 106 are arranged. Further, as shown in FIG. 18B, a configuration having the reflectance adjustment film 108 in the surface layer portion may be employed.

実施例1の説明と同様に、金属構造体103は、プラズモンを励起できる金属材料を用いる必要があり、第3の手段に記した、Au,Ag,Pt,Al,Ni,Cr,Cuのいずれか、または、これらを主とした合金材料、これらを組み合わせて空間的に配置した構成、これらと非金属材料からなる混合材料が利用できる。金属構造体103の形状は、円柱形状、半球形状など、全ての金属構造体で揃っていれば、任意形状で構わない。複数個の金属構造体103により構成される単位配列パターン106は、図15に示したように、2〜4個の金属構造体103を用い、金属構造体間の距離、配向、空間的な対称性を調整したものを適用する。また、複数個の単位配列パターン106からなる複合配列パターンは、図16に示すように、正方格子状、長方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状などの規則的な配列、もしくはランダムに配置する。このような金属構造体103の配列パターンは、図4または図5で示した、スパッタ法による製膜と、電子ビーム露光とリフトオフ法を用いたエッチング技術により作製が可能である。偏光制御の原理も、実施例1で説明したとおりであり、複数個の金属構造体中に励起されるプラズモンが、隣接する金属構造体間で近接場光を介して相互作用することにより、金属構造体の配列の軸に対し、振幅および位相に異方性が現れることによる。   Similar to the description of the first embodiment, the metal structure 103 needs to use a metal material that can excite plasmons, and any of Au, Ag, Pt, Al, Ni, Cr, and Cu described in the third means. Alternatively, an alloy material mainly composed of these materials, a configuration in which these are combined and spatially arranged, or a mixed material composed of these and a non-metallic material can be used. The shape of the metal structure 103 may be an arbitrary shape as long as all the metal structures such as a columnar shape and a hemispherical shape are aligned. As shown in FIG. 15, the unit array pattern 106 composed of a plurality of metal structures 103 uses 2 to 4 metal structures 103, and the distance, orientation, and spatial symmetry between the metal structures. Apply the adjustment of gender. Further, as shown in FIG. 16, a composite array pattern composed of a plurality of unit array patterns 106 is a regular array such as a square lattice, a rectangular lattice, a hexagonal lattice, a stripe, or a concentric circle, or a random array. To place. Such an arrangement pattern of the metal structures 103 can be manufactured by the film formation by sputtering shown in FIG. 4 or FIG. 5 and the etching technique using electron beam exposure and lift-off methods. The principle of polarization control is also as described in the first embodiment, and plasmons excited in a plurality of metal structures interact with each other between adjacent metal structures via near-field light. This is because anisotropy appears in amplitude and phase with respect to the axis of the structure array.

図18(a)に示すように、反射率調整膜108の上下に配する膜101,102は、第8の手段に記したものであり、固有の機能を有する受動素子として利用する場合には、誘電体材料、複屈折材料、金属材料が利用できる。また、外部から電界印加手段や磁界印加手段により電界や磁界を印加して変調を施す能動素子として利用する場合には、半導体材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料を利用する。   As shown in FIG. 18A, the films 101 and 102 disposed above and below the reflectance adjusting film 108 are those described in the eighth means, and are used as passive elements having unique functions. Dielectric materials, birefringent materials, and metal materials can be used. In addition, when used as an active element that modulates by applying an electric field or a magnetic field by an electric field applying unit or a magnetic field applying unit from the outside, a semiconductor material, an electro-optic crystal material, an electrostrictive material, or a magnetic material is used.

本実施例の偏光制御素子110の特徴である、反射率調整膜108は、図17(b)で示した膜界面と金属構造体103との間の相互作用を調整する役割を果たす。図17(b)において、膜101と膜102の境界面における反射が観測点における偏光特性を変化させるが、反射率調整膜108を設け、境界面での反射率を調整することにより、偏光特性の制御が可能となる。また、図18(a)の膜102または図18(b)の膜101の上側の界面における反射に起因した、偏光特性の変化量の低下を、反射率調整膜108を配することにより、抑えることが可能である。   The reflectance adjustment film 108, which is a feature of the polarization control element 110 of the present embodiment, plays a role of adjusting the interaction between the film interface and the metal structure 103 shown in FIG. In FIG. 17B, the reflection at the boundary surface between the film 101 and the film 102 changes the polarization characteristic at the observation point. However, the polarization characteristic is adjusted by providing the reflectance adjustment film 108 and adjusting the reflectance at the boundary surface. Can be controlled. In addition, a decrease in the amount of change in polarization characteristics due to reflection at the upper interface of the film 102 in FIG. 18A or the film 101 in FIG. 18B is suppressed by providing the reflectance adjustment film 108. It is possible.

反射率調整膜108を構成する材料は、一般的な薄膜材料であり、Al,Au,Agなどの金属材料や、MgF,CeF,Al,AiO,ZrO,TiO,ZnS,ZnS−SiOなどの誘電体材料が利用できる。これらの材料の組み合わせにより反射率調整膜108として、反射防止膜や全反射膜、部分反射膜が形成できる。この結果、図17(b)に示す鏡像位置での電気双極子モーメントの大きさを調整することができ、偏光状態を反射率調整膜108の特性によって制御することができる。 The material constituting the reflectivity adjusting film 108 is a general thin film material, such as a metal material such as Al, Au, and Ag, MgF 2 , CeF 3 , Al 2 O 3 , AiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Dielectric materials such as ZnS and ZnS—SiO 2 can be used. By combining these materials, an antireflection film, a total reflection film, or a partial reflection film can be formed as the reflectance adjustment film 108. As a result, the magnitude of the electric dipole moment at the mirror image position shown in FIG. 17B can be adjusted, and the polarization state can be controlled by the characteristics of the reflectance adjusting film 108.

本実施例の偏光制御素子においては、金属構造体103の材料、金属構造体103を被覆する膜101の材料、金属構造体間の距離および配列パターンに加えて、膜界面と金属構造体103との間の光相互作用を反射率調整膜108の構成により調整することにより、偏光特性を多様に設計することが可能となっている。また、無機金属材料を偏光制御に用いていることから、耐熱性、耐光性に優れ、金属構造体103が膜内部に含まれていることから、外的損傷に強い。また、複雑な構造を要さないため、作製が容易な偏光制御素子を実現することができる。   In the polarization control element of this example, in addition to the material of the metal structure 103, the material of the film 101 covering the metal structure 103, the distance between the metal structures and the arrangement pattern, the film interface and the metal structure 103 By adjusting the light interaction between the two by the configuration of the reflectance adjustment film 108, various polarization characteristics can be designed. In addition, since an inorganic metal material is used for polarization control, it is excellent in heat resistance and light resistance, and the metal structure 103 is included in the film, so that it is resistant to external damage. In addition, since a complicated structure is not required, a polarization control element that is easy to manufacture can be realized.

さらに、本実施例の偏光制御素子100と、外部信号により偏光制御素子の偏光特性を変調する手段(例えば電界や電圧を印加する電気的手段、磁界を印加する磁気的手段、制御光を照射する光学的手段、素子に圧力や振動等を加える機械的手段等)とを有する構成とすることにより、偏光制御素子の偏光状態を容易に制御可能な偏光制御装置を実現することができる。   Further, the polarization control element 100 of the present embodiment and means for modulating the polarization characteristics of the polarization control element by an external signal (for example, an electric means for applying an electric field or a voltage, a magnetic means for applying a magnetic field, and a control light are emitted. A polarization control device capable of easily controlling the polarization state of the polarization control element can be realized.

[実施例3]
本実施例は、第9の手段に係る偏光制御素子、第10の手段に係る偏光制御方法および第11の手段に係る偏光制御装置に関する。
本実施例の偏光制御素子に関して、図4,5,15,16,19,20に基づいて説明する。本実施例の偏光制御素子は、実施例1または実施例2と同様の金属構造体103を含む膜101を有し、この膜101が複数段に積層された構成を有している。図19は、本実施例の偏光制御素子130の一例を示す断面図であり、同一材料からなる膜101の内部の2枚の2次元平面内に、金属構造体103による単位配列パターン106−1,106−2が形成されている。図19では簡単のため2段の積層構成を示したが、2段以上の複数段の構成であってもよい。また、膜(または支持基板)102に用いる材料は、第8の手段に記したものであり、固有の機能を有する受動素子として利用する場合には、誘電体材料、複屈折材料、金属材料が利用できる。また、外部から電界印加手段や磁界印加手段により電界や磁界を印加して変調を施す能動素子として利用する場合には、半導体材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料を利用する。
[Example 3]
The present embodiment relates to a polarization control element according to a ninth means, a polarization control method according to the tenth means, and a polarization control device according to the eleventh means.
The polarization control element of the present embodiment will be described based on FIGS. 4, 5, 15, 16, 19, and 20. The polarization control element of this example has a film 101 including a metal structure 103 similar to that of Example 1 or Example 2, and has a configuration in which the film 101 is laminated in a plurality of stages. FIG. 19 is a cross-sectional view showing an example of the polarization control element 130 of the present embodiment. The unit array pattern 106-1 of the metal structure 103 is formed in two two-dimensional planes inside the film 101 made of the same material. , 106-2 are formed. In FIG. 19, a two-layered structure is shown for simplicity, but a structure having two or more stages may be used. The material used for the film (or support substrate) 102 is the one described in the eighth means. When used as a passive element having a specific function, a dielectric material, a birefringent material, or a metal material is used. Available. In addition, when used as an active element that modulates by applying an electric field or magnetic field from the outside by an electric field applying means or a magnetic field applying means, a semiconductor material, an electro-optic crystal material, an electrostrictive material, or a magnetic material is used.

本実施例の偏光制御素子130でも実施例1の説明と同様に、金属構造体103は、プラズモンを励起できる金属材料を用いる必要があり、第3の手段に記した、Au,Ag,Pt,Al,Ni,Cr,Cuのいずれか、またはこれらを主とした合金材料、これらを組み合わせて空間的に配置した構成、これらと非金属材料からなる混合材料が利用できる。金属構造体103の形状は、円柱形状、半球形状など、全ての金属構造体で揃っていれば、任意形状で構わない。複数の金属構造体103により構成される単位配列パターン106−1および106−2は、図15に示したように、2〜4個の金属構造体103を用い、金属構造体間の距離、配向、空間的な対称性を調整したものを適用する。また、複数個の単位配列パターン106からなる複合配列パターンは、図16に示すように、正方格子状、長方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状などの規則的な配列、もしくはランダムに配置する。このような金属構造体103の配列パターンは、図4または図5で示した、スパッタ法による製膜と、電子ビーム露光とリフトオフ法を用いたエッチング技術により作製が可能である。偏光制御の原理は、実施例1で説明したとおりであり、複数個の金属構造体中に励起されるプラズモンが、近接場光を介して相互作用することにより、金属構造体の配列の軸に対し、振幅および位相に異方性が現れることによる。   Similarly to the description of the first embodiment, the polarization control element 130 of the present embodiment also needs to use a metal material that can excite plasmons. As described in the third means, Au, Ag, Pt, Any one of Al, Ni, Cr, and Cu, or an alloy material mainly composed of these materials, a structure in which these are combined and spatially arranged, and a mixed material composed of these and a non-metallic material can be used. The shape of the metal structure 103 may be an arbitrary shape as long as all the metal structures such as a columnar shape and a hemispherical shape are aligned. As shown in FIG. 15, unit array patterns 106-1 and 106-2 composed of a plurality of metal structures 103 use 2 to 4 metal structures 103, and the distance and orientation between the metal structures. Apply a spatial symmetry adjustment. Further, as shown in FIG. 16, a composite array pattern composed of a plurality of unit array patterns 106 is a regular array such as a square lattice, a rectangular lattice, a hexagonal lattice, a stripe, or a concentric circle, or a random array. To place. Such an arrangement pattern of the metal structures 103 can be manufactured by the film formation by sputtering shown in FIG. 4 or FIG. 5 and the etching technique using electron beam exposure and lift-off methods. The principle of polarization control is as described in the first embodiment, and plasmons excited in a plurality of metal structures interact with each other through near-field light, so that the axis of the metal structures is aligned. On the other hand, anisotropy appears in amplitude and phase.

次に本実施例の偏光制御素子130の機能の一例について説明する。図19において、同一金属による単位配列パターン106−1,106−2を用い、単位配列パターン106−1が1/4波長板機能(機能1)、単位配列パターン106−2が偏光板機能(機能2)を有するように、金属構造体106の間隔、配列、境界面からの距離hを設計すると、自然偏光から円偏光を取り出す偏光選択素子が実現できる。また、同様の構成で、図19の膜102を金属膜または全反射多層膜とすると、自然偏光を一方向の偏光成分のみに変換する反射型の偏光変換素子が実現できる。また、単位配列パターン106−1,106−2が同一の旋光機能を有するように設計すると、素子の厚さが薄く、旋光角の大きな旋光素子が実現できる。   Next, an example of the function of the polarization control element 130 of this embodiment will be described. In FIG. 19, unit array patterns 106-1 and 106-2 of the same metal are used, the unit array pattern 106-1 is a 1/4 wavelength plate function (function 1), and the unit array pattern 106-2 is a polarizing plate function (function). 2), the distance between the metal structures 106, the arrangement, and the distance h from the boundary surface can be designed to realize a polarization selection element that extracts circularly polarized light from natural polarized light. Further, with the same configuration, when the film 102 in FIG. 19 is a metal film or a total reflection multilayer film, a reflection-type polarization conversion element that converts natural polarized light into only a unidirectional polarization component can be realized. Further, when the unit array patterns 106-1 and 106-2 are designed to have the same optical rotation function, an optical rotation element having a thin element and a large optical rotation angle can be realized.

図20は、異なる機能を有する偏光制御素子の別の構成例を示す断面図である。本構成例の偏光制御素子140では、2つの段において、金属構造体103−1,103−2に異なる金属材料を用いた例を示している。この場合、金属構造体中に励起されるプラズモンの共鳴波長が異なるため、特定の波長に対して、単位配列パターン106−1および106−2が独立に偏光選択機能や位相シフト機能を発する偏光制御素子として動作する。ここで、それぞれの単位配列パターン106−1,106−2を含む膜101および膜102の材料は、動作波長を所望に選択するために、適当な屈折率を有するものとする必要がある。図19や図20の偏光制御素子の例は、単位配列パターン106−1,106−2を2段に構成したものであるが、単位配列パターンを3段以上の複数段用いる構成であってもよい。   FIG. 20 is a cross-sectional view showing another configuration example of a polarization control element having different functions. In the polarization control element 140 of this configuration example, an example is shown in which different metal materials are used for the metal structures 103-1 and 103-2 in two stages. In this case, since the resonance wavelengths of plasmons excited in the metal structure are different, the polarization control in which the unit arrangement patterns 106-1 and 106-2 independently generate a polarization selection function and a phase shift function for a specific wavelength. Operates as an element. Here, the materials of the film 101 and the film 102 including the respective unit array patterns 106-1 and 106-2 need to have an appropriate refractive index in order to select an operating wavelength as desired. The example of the polarization control element of FIG. 19 or FIG. 20 has unit arrangement patterns 106-1 and 106-2 configured in two stages. However, even if the unit array pattern is configured to use a plurality of stages of three or more stages. Good.

以上のように、本実施例の偏光制御素子は、単一で特定の偏光制御機能を有する構成を多段に設けることにより、機能複合化が為されており、偏光制御機能の高効率化や、偏光変換、直線・円偏光抽出といった、多様な偏光制御機能を単一の光学素子で実現することができる。
さらに、本実施例の多機能な偏光制御素子と、外部信号により偏光制御素子の偏光特性を変調する手段(例えば電界や電圧を印加する電気的手段、磁界を印加する磁気的手段、制御光を照射する光学的手段、素子に圧力や振動等を加える機械的手段等)とを有する構成とすることにより、多様な偏光制御機能を有する偏光制御装置を容易に実現することができる。
As described above, the polarization control element of the present embodiment has been compounded by providing a single configuration having a specific polarization control function in multiple stages, thereby improving the efficiency of the polarization control function, Various polarization control functions such as polarization conversion and linear / circular polarization extraction can be realized with a single optical element.
Further, the multifunctional polarization control element of this embodiment and means for modulating the polarization characteristics of the polarization control element by an external signal (for example, electrical means for applying an electric field or voltage, magnetic means for applying a magnetic field, control light With a configuration including an optical means for irradiating and a mechanical means for applying pressure, vibration, etc. to the element, a polarization control device having various polarization control functions can be easily realized.

以上説明したように、本発明によれば、高効率、高耐熱性、高耐光性を有し、外部信号により偏光特性を変調することが可能な偏光制御素子と、それを用いた偏光制御装置を実現することができる。そして、この偏光制御素子および偏光制御装置は、液晶プロジェクタ等の表示装置に適しており、さらには、光計測技術、光学機器、計測機器等に利用することができる。   As described above, according to the present invention, a polarization control element having high efficiency, high heat resistance, and high light resistance and capable of modulating polarization characteristics by an external signal, and a polarization control device using the polarization control element Can be realized. The polarization control element and the polarization control device are suitable for a display device such as a liquid crystal projector, and can be used for optical measurement technology, optical equipment, measurement equipment, and the like.

本発明に係る偏光制御素子の機能を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the function of the polarization control element which concerns on this invention. 本発明の第1の実施例の偏光制御素子の構成例を示す断面図と、上方視図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a polarization control element according to a first embodiment of the present invention and a top view. 本発明の第1の実施例の偏光制御素子の別の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another structural example of the polarization control element of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の偏光制御素子の作製手順の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the preparation procedures of the polarization control element of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の偏光制御素子の作製手順の別の例を説明する図である。It is a figure explaining another example of the preparation procedures of the polarization control element of the 1st Example of this invention. 金属構造体の単位配列パターンの数値シミュレーションモデルを説明する図である。It is a figure explaining the numerical simulation model of the unit arrangement pattern of a metal structure. 数値シミュレーションにより得られた振幅比の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the amplitude ratio obtained by numerical simulation. 数値シミュレーションにより得られた位相差の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the phase difference obtained by numerical simulation. ミー散乱理論により導出したAu球と被覆材料(空気)の組み合わせによる波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence by the combination of Au bulb | ball and the coating material (air) derived | led-out by the Mie scattering theory. ミー散乱理論により導出したAu球と被覆材料(プラスチックフィルム)の組み合わせによる波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence by the combination of Au bulb | ball and the coating material (plastic film) derived | led-out by the Mie scattering theory. ミー散乱理論により導出したAu球と被覆材料(ポリカーボネート)の組み合わせによる波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence by the combination of Au sphere derived | led-out by the Mie scattering theory, and coating material (polycarbonate). ミー散乱理論により導出したAg球と被覆材料(ポリカーボネート)の組み合わせによる波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence by the combination of Ag sphere derived | led-out by the Mie scattering theory, and coating material (polycarbonate). ミー散乱理論により導出したAg球と被覆材料(ZnO)の組み合わせによる波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence by the combination of Ag sphere derived | led-out by the Mie scattering theory, and coating material (ZnO). ミー散乱理論により導出したAg球と被覆材料(ZnS−SiO)の組み合わせによる波長依存性を示す図である。It is a diagram showing the wavelength dependence of the combination of derived by Mie scattering theory Ag spheres and the coating material (ZnS-SiO 2). 複数個の金属構造体による単位配列パターンの例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the unit arrangement | sequence pattern by a some metal structure. 複数個の単位配列パターンによる複合配列パターンの例を説明する図である。It is a figure explaining the example of the compound arrangement pattern by a plurality of unit arrangement patterns. 金属構造体と膜界面との距離による効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect by the distance of a metal structure and a film interface. 本発明の第2の実施例の偏光制御素子の構成例を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structural example of the polarization control element of the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例の偏光制御素子の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the polarization control element of the 3rd Example of this invention. 本発明の第3の実施例の偏光制御素子の別の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another structural example of the polarization control element of the 3rd Example of this invention. 従来技術1を説明する図である。It is a figure explaining prior art 1. FIG. 従来技術2を説明する図である。It is a figure explaining the prior art 2. FIG. 従来技術3を説明する図である。It is a figure explaining the prior art 3. FIG. 先願1を説明する図である。It is a figure explaining prior application 1. FIG. 先願2を説明する図である。It is a figure explaining prior application 2. FIG. 先願3を説明する図である。It is a figure explaining prior application 3. FIG. 先願4を説明する図である。It is a figure explaining prior application 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100,110:偏光制御素子
101:膜
102:膜(または支持基板)
103,103−1,103−2:金属構造体
104:入射光
105:出射光
105a:透過光
105b:反射光
106,106−1,106−2:単位配列パターン
107:反射膜
108:反射率調整膜
109:膜(または支持基板)
130,140:多機能な偏光制御素子
100, 110: Polarization control element 101: Film 102: Film (or supporting substrate)
103, 103-1, 103-2: Metal structure 104: Incident light 105: Emission light 105a: Transmitted light 105b: Reflected light 106, 106-1, 106-2: Unit arrangement pattern 107: Reflective film 108: Reflectance Adjustment membrane 109: membrane (or support substrate)
130, 140: Multi-functional polarization control element

Claims (11)

表面プラズモンまたは局在表面プラズモンを励起できる金属材料による、二つ以上の微小で同一形状のドット状の金属構造体を、入射光の波長以下の領域に相互に所定間隔を隔して配置した単位配列パターンと、
前記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前記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ことを特徴とする偏光制御素子。
By a metal material capable of exciting surface plasmons or localized surface plasmons, the dot-like metal structure of the same shape in two or more micro and mutually arranged with intervals a predetermined interval in the following areas wavelength of incident light units An array pattern,
Characterized in that it has the metal structure has one or more layers of film which supports a plurality of the composite array pattern unit array patterns are arranged with the same orientation in a two-dimensional plane of the inner membrane A polarization control element.
請求項1記載の偏光制御素子において、
前記複合配列パターンを含む前記膜の、該複合配列パターンに近接する端面に、1種類以上の材料からなる反射率調整膜を有することを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to claim 1,
A polarization control element comprising a reflectance adjusting film made of one or more materials on an end face of the film including the composite array pattern, which is close to the composite array pattern.
請求項1または2記載の偏光制御素子において、
前記金属構造体を構成する金属材料が、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、銅(Cu)のいずれか1つ、または、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料で構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to claim 1 or 2,
The metal material constituting the metal structure is any one of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), and copper (Cu). Or a combination thereof, or a polarization control element comprising an alloy material / mixed material containing these as a main component.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の偏光制御素子において、
前記単位配列パターンが、間隔および配向を調整した2個の金属構造体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to any one of claims 1 to 3,
The polarization control element, wherein the unit array pattern is composed of two metal structures whose spacing and orientation are adjusted.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の偏光制御素子において、
前記単位配列パターンが、間隔、配向、および金属構造体を配列する二つの軸の角度を調整した3個の金属構造体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to any one of claims 1 to 3,
The polarization control element, wherein the unit array pattern is composed of three metal structures in which an interval, an orientation, and an angle between two axes for arranging the metal structures are adjusted.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の偏光制御素子において、
前記単位配列パターンが、間隔、配向、および空間的な対称性を調整した4個、またはそれ以上の個数の金属構造体により構成されていることを特徴とする偏光制御素子。
The polarization control element according to any one of claims 1 to 3,
The polarization control element, wherein the unit array pattern is composed of four or more metal structures whose spacing, orientation, and spatial symmetry are adjusted.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の偏光制御素子において、
前記複合配列パターンを構成する前記単位配列パターンの空間配置が、正方格子状、直方格子状、六方格子状、ストライプ状、同心円状、ランダムのいずれかであることを特徴とする偏光制御素子。
In the polarization control element according to any one of claims 1 to 6,
The polarization control element characterized in that the spatial arrangement of the unit arrangement patterns constituting the composite arrangement pattern is any one of a square lattice, a rectangular lattice, a hexagonal lattice, a stripe, a concentric circle, and a random.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の偏光制御素子において、
前記膜を構成する材料が、誘電体材料、金属材料、半導体材料、複屈折性材料、電気光学結晶材料、電歪材料、磁性材料のいずれか、あるいは、これらの組み合わせにより構成されることを特徴とする偏光制御素子。
In the polarization control element according to any one of claims 1 to 7,
The material constituting the film is composed of a dielectric material, a metal material, a semiconductor material, a birefringent material, an electro-optic crystal material, an electrostrictive material, a magnetic material, or a combination thereof. A polarization control element.
多機能な偏光制御素子であって、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の偏光制御素子を、複数段積層した構成を有することを特徴とする偏光制御素子。
A multifunctional polarization control element,
A polarization control element having a configuration in which the polarization control element according to claim 1 is stacked in a plurality of stages.
請求項1〜9のいずれか1項に記載の偏光制御素子を用い、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調することを特徴とする偏光制御方法。   A polarization control method using the polarization control element according to claim 1, wherein the polarization characteristic of the polarization control element is modulated by an external signal. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の偏光制御素子と、外部信号により前記偏光制御素子の偏光特性を変調する手段とを有することを特徴とする偏光制御装置。   A polarization control device comprising: the polarization control element according to claim 1; and means for modulating polarization characteristics of the polarization control element by an external signal.
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