JP2010197764A - Polarization controlling element and image display apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、位相シフト機能を有し、高い光利用効率を有するとともに小型化と薄型化を実現する偏光制御素子及びそれを使用して光学素子数の低減と光学系の簡略化を図る画像表示装置に関するものである。 The present invention provides a polarization control element having a phase shift function, high light utilization efficiency, and miniaturization and thinning, and an image display for reducing the number of optical elements and simplifying an optical system using the same. It relates to the device.
偏光制御素子は、液晶プロジェクタや液晶ディスプレイなどの偏光を利用してオン・オフを制御する表示装置に広く利用されている。また、ディスク装置の光ピックアップなどの光信号検出やエリプソメータなどの分析・評価装置に利用されている。この偏光制御素子には入射光のもつ直交する2つの偏光成分のうち一方のみを取り出す偏光選択素子と、2つの偏光成分の光路を分離する偏光分離素子と、2つの偏光成分のうち一方の位相を遅らせる位相シフト素子または波長板などがある。 Polarization control elements are widely used in display devices that control on / off using polarized light, such as liquid crystal projectors and liquid crystal displays. Further, it is used for optical signal detection such as an optical pickup of a disk device and analysis / evaluation equipment such as an ellipsometer. The polarization control element includes a polarization selection element that extracts only one of two orthogonal polarization components of incident light, a polarization separation element that separates the optical path of the two polarization components, and one phase of the two polarization components. There is a phase shift element or a wave plate for delaying the delay time.
偏光選択素子は、有機材料により構成されているものが多く、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を有する材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収二色性を発現させることにより偏光選択機能を実現している。このように有機材料による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、透明度の低下や焦げる、溶け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であるとともに塵埃等の付着による画質欠陥を生じるなどの問題があった。 Many polarization selective elements are composed of organic materials, and they are absorbed by dyeing and adsorbing dichroic materials such as iodine and organic dyes on a substrate film such as polyvinyl alcohol, and by highly stretching and orienting them. The polarization selection function is realized by developing dichroism. As described above, the polarization control element using the absorption by the organic material is easily affected by heat, and has problems such as a decrease in transparency, scorching, and melting, and the amount of irradiation light cannot be increased. In addition, the operating temperature conditions are strict, and when used in a liquid crystal projector or the like, there is a problem that a cold air mechanism is necessary and it is difficult to reduce the size of the apparatus, and image quality defects are caused due to adhesion of dust and the like.
また、グラントムソン偏光子のように、光学結晶材料を貼り合わせて偏光選択機能を実現する素子もあるが、膜厚すなわち光路差を調整して偏光状態を制御しているので、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であり、また、光学結晶材料が高価であるため、偏光制御素子を利用する装置自体の価格が高くなってしまう。 In addition, there is an element that realizes the polarization selection function by bonding optical crystal materials, such as Glan-Thompson polarizer, but the polarization control element itself is controlled by adjusting the film thickness, that is, the optical path difference. Since the optical crystal material is expensive, it is difficult to reduce the size and thickness of the device, and the price of the device itself using the polarization control element increases.
位相シフト素子は、方解石や水晶のような複屈折性を有する光学結晶材料を用いて、常光線と異常光線の屈折率の違いを利用し、直交する2つの偏光成分の位相差を変調することにより、常光線と異常光線の光路差が1/2波長となる1/2波長板、1/4波長となる1/4波長板といった機能を実現している。この偏光制御素子も光学結晶材料の膜厚により偏光状態を制御しているので、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であり、かつ光学結晶材料が高価であるため、偏光制御素子を利用する装置自体の価格を押さえることが困難であった。 The phase shift element uses a birefringent optical crystal material such as calcite or quartz to modulate the phase difference between two orthogonal polarization components using the difference in refractive index between ordinary and extraordinary rays. Thus, functions such as a ½ wavelength plate where the optical path difference between the ordinary ray and the extraordinary ray becomes ½ wavelength and a ¼ wavelength plate where the wavelength becomes ¼ wavelength are realized. Since this polarization control element also controls the polarization state based on the film thickness of the optical crystal material, it is difficult to reduce the size and thickness of the polarization control element itself, and the optical crystal material is expensive. It has been difficult to reduce the price of the device itself that uses the element.
このような問題を解消するため、本願の発明者らは耐熱性、耐環境性に優れ、光の透過率又は反射率の高い偏光制御素子を特許文献1や特許文献2、特許文献3及び特許文献4に開示している。特許文献1に示された偏光制御素子30は、図15(a)に示すように、支持基板2に、入射光の回折限界以下のサイズを有する金属微小構造体31を入射光の波長以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体32を周期的に配列して形成され、近接場光による相互作用が働くような構成にして光の透過率が高く、十分な位相差を与えることを可能にしている。この偏光制御素子30は、金属構造体31に光を入射した際に生じる金属内の電子の集団運動(プラズモン)を利用することにより、極めて薄い平面構造で大きな偏光制御特性が得られるものである。
In order to solve such a problem, the inventors of the present application have proposed a polarization control element having excellent heat resistance and environmental resistance, and having high light transmittance or reflectance, such as
特許文献2に示された偏光制御素子30は、図15(b)に示すように、透明なガラス基板などの誘電体からなる支持基板2の平坦な面に、入射する光の波長よりも金属微小構造体31を、入射する光の波長よりも小さい距離で2次元に配置して光の透過率が高く、十分な位相差を与えることを可能にしている。
As shown in FIG. 15 (b), the
特許文献3に示された偏光制御素子30は、図15(c)に示すように、透明なガラス基板どの透明な誘電体からなる支持基板2の表面に、第1の金属粒子33aと第2の金属粒子33bのパターンを連続的に形成して、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としている。
As shown in FIG. 15C, the
特許文献4に示された偏光制御素子30は、図15(d)に示すように、高さが周期的に変調されてなる周期構造を有し、周期構造が入射光の波長より小さい周期で構成した支持基板2の表面に、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微小構造体31で構成された金属複合構造体32を形成し、支持基板2の表層に強いエバネッセント光を発生させ、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ようにしている。
As shown in FIG. 15D, the
非特許文献1には、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、この金属微細構造に直線偏光を照射すると、位相シフトを生じて楕円偏光が反射または透過光として得られることが記載されている。
In
また、特許文献5には、高感度センシングデバイスとして利用する技術として、金属ナノロッドアレイを一定の微小な間隔で一軸方向に配列した金属微細構造体により強い波長選択性、偏光選択性が得られることが記載されている。ここで、金属と基板との密着性を高め、構造の剥がれ落ちなどが生じないようにするために、金属と基板の界面に下地層としてCrを配している。
特許文献1〜特許文献4に記載された偏光制御素子は、金属構造体の形状および高さにより偏光制御特性を発現するが、金属構造体と支持体を接合する下地膜または下地構造の効果を考慮しておらず、偏光制御性が低く、作製過程における機械的安定性も不十分であるという短所がある。
Although the polarization control elements described in
また、非特許文献1には、位相シフト機能を有する金属微細構造が記載されているが、格段に大きな位相シフト効果は得られておらず、偏光制御素子として実用可能な特性は得られない。
Further,
さらに、特許文献5には、波長選択性と偏光選択性の高い金属構造体が開示されているが、位相を制御する機能を有する偏光制御素子ではなく、また、位相シフト効果は直交する2つの偏光成分の両方を利用した特性であることから、偏光選択性と位相シフト効果を両立することはできないという短所を有する。
Further,
この発明は、このような短所を改善し、機械的に安定な構造でありながら、位相シフト量が制御可能で偏光制御性の高い偏光制御素子及びそれを使用した画像表示装置を提供することを目的とするものである。 The present invention provides a polarization control element that improves such disadvantages and has a mechanically stable structure and can control the amount of phase shift and has high polarization controllability, and an image display device using the same. It is the purpose.
この発明の偏光制御素子は、入射光に対して透明な材料で形成された支持体の表面又は支持体内の平面に、入射光の波長より小さいサイズを有する同一形状の金属構造体を、前記支持体の材料との界面で固溶体を形成する金属材料からなる下地構造体を介して前記支持体に2次元的に配列するとともに、前記金属構造体間の最近接距離が金属構造体のサイズより小さくなるように配置したことを特徴とする。 In the polarization control element of the present invention, the metal structure having the same shape and having a size smaller than the wavelength of the incident light is provided on the surface of the support made of a material transparent to incident light or on the plane in the support. Two-dimensionally arrayed on the support through a base structure made of a metal material that forms a solid solution at the interface with the body material, and the closest distance between the metal structures is smaller than the size of the metal structure It arrange | positions so that it may become.
前記下地構造体の厚さを、位相シフト量に応じて可変することを特徴とする。 The thickness of the base structure is variable according to the phase shift amount.
前記下地構造体は、前記金属構造体と同一な2次元形状を有し、それぞれの金属構造体の配置位置において孤立した構成を有することを特徴とする。 The base structure has the same two-dimensional shape as the metal structure, and has an isolated structure at the arrangement position of each metal structure.
また、前記金属構造体と同一な2次元形状を有する下地構造体は、配列する全ての金属構造体において均一な厚さを有することを特徴とする。 Further, the underlying structure having the same two-dimensional shape as the metal structure has a uniform thickness in all the metal structures arranged.
さらに、前記下地構造体は、前記支持体の表面又は支持体内の平面の全面に均一な厚さで形成されていることを特徴とする。 Furthermore, the base structure is formed to have a uniform thickness on the entire surface of the support or the flat surface in the support.
また、前記金属構造体は、1次元方向に周期的に配列したパターンを有することを特徴とする。 The metal structure has a pattern periodically arranged in a one-dimensional direction.
また、前記金属構造体の複数個を、最接近距離が前記金属構造体のサイズより小さくなるように配置して金属構造体ユニットを構成し、該金属構造体ユニットを2次元面内に周期的又はランダムに配置しても良い。 Further, a plurality of the metal structures are arranged such that the closest approach distance is smaller than the size of the metal structure to constitute a metal structure unit, and the metal structure unit is periodically arranged in a two-dimensional plane. Or you may arrange | position at random.
この発明の画像表示装置は、前記偏光制御素子を液晶層に積層したことを特徴とする。 The image display device according to the present invention is characterized in that the polarization control element is laminated on a liquid crystal layer.
この発明の偏光制御素子は、支持体の表面又は支持体内の平面に、入射光の波長より小さいサイズを有する同一形状の金属構造体を、支持体の材料との界面で固溶体を形成する金属材料からなる下地構造体を介して支持体に2次元的に配列するとともに、金属構造体間の最近接距離が金属構造体のサイズより小さくなるように配置することにより、偏光制御素子の機械的な安定性を有するとともに、下地構造体の厚さを可変することにより位相シフト量を可変することができる。また、平面的な素子構造を有することにより、光学素子数の低減や光学装置の小型化、低価格化を実現することができる。 The polarization control element according to the present invention is a metal material that forms a solid solution on the surface of a support or a plane in the support with the same shape of a metal structure having a size smaller than the wavelength of incident light at the interface with the support material. Are arranged two-dimensionally on the support via the base structure made of the metal structure and disposed so that the closest distance between the metal structures is smaller than the size of the metal structure. In addition to having stability, the phase shift amount can be varied by varying the thickness of the underlying structure. In addition, by having a planar element structure, it is possible to reduce the number of optical elements, reduce the size of the optical device, and reduce the price.
また、下地構造体を金属構造体と同一形状にすることにより、位相シフト量の制御性を向上することができる。 Further, the controllability of the phase shift amount can be improved by making the base structure the same shape as the metal structure.
さらに、金属構造体と同一な2次元形状を有する下地構造体の厚さを全ての金属構造体において均一にしたり、下地構造体を支持体の表面又は支持体内の平面の全面に均一な厚さで形成することにより、偏光制御素子に空間的に均一な位相シフトを与えることができる。 Furthermore, the thickness of the base structure having the same two-dimensional shape as that of the metal structure is made uniform in all metal structures, or the base structure is uniformly formed on the surface of the support or on the entire surface of the support. Thus, a spatially uniform phase shift can be given to the polarization control element.
また、この発明の偏光制御素子を画像形成ユニットに使用した画像表示装置は、簡単な構成で良質な画像を安定して表示することができる。 An image display apparatus using the polarization control element of the present invention for an image forming unit can stably display a high-quality image with a simple configuration.
図1は、この発明の第1の偏光制御素子の構成を示し、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のAA断面図である。図に示すように、第1の偏光制御素子1は、支持基板2の表面に下地膜3が形成され、この下地膜3の表面に直径dの複数の円柱形状の金属構造体4をx方向px、y方向pyの周期で2次元的に配列されて構成している。
1A and 1B show a configuration of a first polarization control element according to the present invention. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in the figure, in the first
第1の偏光制御素子1の支持基板2として用いる材料は、高い効率を得るために可視光領域の波長において吸収の低い透明な材料が好ましく、石英ガラスやBK7、パイレックス(登録商標)などの硼珪酸ガラスが、CaF2、ZnSe、Al2O3などの光学結晶材料などを利用する。また、図1は透過型の偏光制御素子を仮定して説明しているが、第1の偏光制御素子1は反射型の構成であってもよく、その場合は、支持基板2の下方にAlやAuなどの金属材料からなる反射膜を形成する。この反射膜の膜厚は、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、少なくとも30nmの膜厚とする。また、誘電体多層膜による全反射コーティングによる反射構造を用いても良い。
The material used as the
第1の偏光制御素子1を構成する下地膜3は、支持基板2と金属構造体4を接合する際の機械的な安定性を向上させるものであるとともに、位相シフト機能の制御性を向上させるものである。したがって、支持基板2の材料と金属構造体4の材料との密着性の高い材料が適しており、支持基板2の材料との界面で固溶体を形成して強度や硬度を増加するTi、Cr、Ta、V、Zr、Al、Mg、Mo、Co、Cu、Niなどの金属材料が利用できる。また、偏光制御素子1に空間的に均一な位相シフトを与えるため、下地膜3は全ての金属構造体4において均一な厚さである必要がある。ここで、均一な厚さとは、数値シミュレーションを実施した結果を後述するように、数nmの精度、好ましくは2nm以下の精度でばらつきが押さえられていることを意味する。
The
また、第1の偏光制御素子1を構成する金属構造体4は入射光の波長より小さいサイズdを有し、金属構造体4間の最近接距離が金属構造体4のサイズdより小さくなるように配置されている。ここで、金属構造体4のサイズdを入射光の波長以下とするのは、金属構造体4の周期配列による回折の影響を避けるためである。この金属構造体4の形状は、図1と図2(a)に示すように円柱形状の金属構造体4のほかに、図2の金属構造体4の平面図の(b)〜(e)に示すような楕円柱形状や三角柱形状、四角柱形状、非対称な柱形状、球形状、半球形状、円錐形状などであっても構わない。また、金属構造体4のサイズは形状が図1や図2(a)に示す円柱形状以外であると一意に決めることができない。そこで図2(a)に示すように、金属構造体4と同じ面積を有する円の直径dや、金属構造体4の面積と同じ面積を有する楕円5の長径d1と短径d2により金属構造体4のサイズを規定する。
The
このような金属構造体4が下地膜3に接触して配置されることにより剥がれにくく、機械的に安定な構成が実現できる。この金属構造体4の高さh1、すなわち図1(a),図2において紙面に垂直な方向の大きさに関しては、入射光の偏光方向が紙面に平行な面内にあると仮定する、すなわち紙面に垂直に光が入射するものと仮定すると、近接場光を介した相互作用の距離には金属構造体4の高さh1は影響しないため、特に高さh1を規定する必要はない。ここで近接場光とは、金属構造体4近傍に生じる電磁場を意味する。偏光制御素子1は位相シフト量が大きいことが特徴であるが、これは表面プラズモンまたは局在表面プラズモンの効果により近接場光が金属構造体4近傍に強く発生し、金属構造体4が一方向に金属構造体4のサイズより小さな間隔で配置されたことにより近接場光を介した大きな位相シフトが生じることに起因する。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と局在表面プラズモンをともにプラズモンと表記する。したがって金属構造体3はプラズモンを励起できる材料である必要があり、プラズモンを励起できる金属材料として、Au、Ag、Pt、Al、Ni、Cr、Cuのいずれか、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・混合材料が利用できる。
By arranging such a
次に第1の偏光制御素子1の作製方法について、図3の工程図を参照して説明する。入射光の波長以下の大きさを有する金属構造体4の作製には、可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどが利用できる。
Next, a method for manufacturing the first
以下に、電子ビームリソグラフィによる方法を説明するが、作製方法を限定する必要はない。図3の工程1に示すように、支持基板2として平行平板状の光学ガラス例えばSiO2を用い、その平坦な面にTiなどの下地層6とAuなどの金属層7を順にスパッタ法や真空蒸着法により堆積し、この金属層の表面にフォトレジスト層8を形成する。次に工程2に示すように、フォトレジスト層8を電子ビーム描画により金属配列パターンを残すように露光して露光パターン9を形成する。その後、工程3に示すように、露光パターン9をマスクとして金属層7と下地層6の不要な部分を反応性イオンエッチング(RIE)などによりエッチングし、続いて工程3に示すように、残ったフォトレジスト層8の露光パターン9を除去する。このようにして支持基板2と金属構造体4の間に、金属構造体4と同じサイズの下地膜3を配した2次元配列パターンを形成することができる。この金属層7と下地層6の不要な部分をエッチングで除去する際に、工程3aと工程4aに示すように、支持基板2までエッチングされる場合(オーバーエッチング)もあるが、オーバーエッチングがされても偏光制御素子1の特性は大きく変化しないことは、数値シミュレーションにより確認している。また、エッチングにより金属構造体4の2次元配列パターンを形成する代わりに、フォトレジストパターンに金属材料を堆積し、その後フォトレジストを除去するリフトオフ法を用いて、金属構造体4の2次元配列パターンを形成する方法も有効である。
Although a method by electron beam lithography will be described below, the manufacturing method is not necessarily limited. As shown in
また、第1の偏光制御素子1の金属構造体4は、図1に示すように、空気中にむき出しとなっているが、図4の断面図に示すように、金属構造体4の表層部分に保護膜10や保護構造を設けてもよく、これにより機械的な劣化や損傷、金属の酸化などに対する耐性を向上することができる。
Further, the
次に、第1の偏光制御素子1の動作を検証するために実施した数値シミュレーションについて、図5〜図7に基づいて説明する。数値シミュレーション手法には、電磁場の時間・空間応答を記述するマクスウェル方程式を時間領域、空間領域に差分化して解く有限差分時間領域法(FDTD法)を利用した。図5(a)は、数値シミュレーションに用いた偏光制御素子1のモデルの平面図、図5(b)は図5(a)のBB断面図である。この数値シミュレーションでは、透過光のスペクトル特性を得るために、入射光として時間幅の十分に短い(スペクトル幅が可視光領域に十分に広がった)パルス光を支持基板2(SiO2)界面から1000nm離れた面から入射し、1000nm離れた透過面において透過光の偏光特性を評価した。また、金属構造体4として矩形のAu構造体を採用し、Au中の電子の光電場に対する応答を記述するために、DrudeモデルとLorentzモデルの重畳した誘電関数を使用することにより、金属材料の波長分散特性を導入した。図1では円柱形状の金属構造体4を例示したが、四角柱形状のAu構造体であっても同様の効果が得られるため、この数値シミュレーションではモデリングが容易な四角柱形状のAu構造体4の結果について説明する。下地膜3には厚さh2のTi膜を仮定し、DrudeモデルによりTiの誘電関数を与えた。入射偏光は、Au構造体4の配列方向に直交した2つの偏光成分の位相差を得るために、図5(a)に示すように、Au構造体4の各辺に対して45度傾いた方向に設定した。
Next, a numerical simulation performed for verifying the operation of the first
この数値シミュレーションに使用したシミュレーションパラメータは、Au構造体4は縦横のサイズは152nm、高さは60nmのディスク状に形成し、図5(a)の平面図において紙面の横方向をx方向、縦方向をy方向とした場合、x方向の狭いピッチ方向の間隔200nm、y方向の広いピッチ方向の間隔400nmで配置して下地膜3の厚さh2を0〜20nmに切り換えてシミュレーションを実施した。図6(a)は、シミュレーションにより得られた透過光の位相差のスペクトル特性、図6(b)はx方向とy方向の偏光の振幅比Ax/Ay成分をプロットした図である。このシミュレーションの結果、図6(a)に示すように、Tiからなる下地膜3の膜厚h2を0nm〜20nmまで切り換えることにより、位相差の大きさをおよそ107度から40度まで多段階に制御できることを確認した。この偏光制御素子1を位相シフト素子として利用する場合には、直交する2つの偏光成分の振幅がおおよそ等しい必要がある。したがって、図6(b)に示す透過光の振幅比Ax/Ayは1.0近傍に位置する必要がある。図7は、振幅比Ax/Ayが1.0となる波長(動作中心波長)を補間処理により算出した結果をプロットした図である。図6(a)の位相差の大きさをおよそ107度から40度までシフトする波長帯域が100nm程度であるので、その50%の50nm以内に収まる波長にTiの下地膜3の厚さh2を設定した場合、図7の破線で示すように、下地膜3の厚さh2は10nm以下である必要がある。Ti以外の材料を使用して下地膜3を形成しても、特性は大きく変わらないことから、偏光制御素子1は、下地膜3の厚さh2を10nm以下に調整することにより、位相シフト量を柔軟に制御することができる。
The simulation parameters used in this numerical simulation are as follows: the
また、金属構造体4の高さの位相差に対する依存性について数値シミュレーションした結果、図8の透過光の位相差のスペクトル特性に示すように、Au構造体4の縦横のサイズは152nmで高さh1を20nm〜100nmまで切り換えた場合、金属構造体4の高さh1の増加にともない位相差が変化する位置は短波長側にシフトし、動作帯域を調整する機能を有することが分かっている。
Further, as a result of a numerical simulation of the dependency of the height of the
このように第1の偏光制御素子1は支持基板2上に下地膜3を介して金属構造体4を2次元的に配置することにより、機械的な安定性を向上することができる。また、下地膜3の厚さh2を10nmより小さくし、この厚さh2を調節することにより位相シフト量を制御することができるとともに金属構造体4の高さh1を調整することにより、2次元的な素子構成でありながら位相シフト量の調整範囲を拡大することができ、薄型の偏光制御素子を実現でき、光学素子数の低減や光学装置の小型化を図ることができる。さらに、第1の偏光制御素子1は無機材料により構成されていることから、光強度に対する耐光性や耐熱性に優れ、投影型の表示デバイスなどに広く利用することが可能となる。
As described above, the first
前記説明では、下地膜3の入射光の伝搬方向と直交する面における形状が金属構造体4と同一の2次元形状に形成されている場合について説明したが、図9(a)は平面図と、図9(a)のAA断面図である図9(b)に示すように、支持基板2の表面全体に均一な厚さh2の下地層6を形成し、この下地層6の表面に複数の金属構造体4を横方向px、縦方向pyの周期で2次元的に配列して第2の偏光制御素子1aを構成しても良い。
In the above description, the case where the shape of the
この第2の偏光制御素子1aを構成する支持基板2と下地層6及び金属構造体4として用いる材料は第1の偏光制御素子1と同様な材料を使用すると良い。また、第2の偏光制御素子1aの作製方法もエッチング工程で下地層6を除去しないことを除いては第1の偏光制御素子1の作製方法と同様である。
The material used for the
この第2の偏光制御素子1aも金属構造体4は、入射光の伝播方向に垂直な面において入射光の波長以下のサイズを有し、金属構造体4間の最近接距離が金属構造体4のサイズより小さくなるように配置されている。このような配置することにより金属構造体4中にプラズモンが励起されるとともに、金属構造体4の配列方向に対して近接場光による相互作用が働き、配列の異方性に依存して位相シフト機能が発現でき、下地層6の厚さh2を10nmより小さくし、この厚さh2を調節することにより位相シフト量を制御することができる。
In the second
前記偏光制御素子1,1aは金属構造体4をディスク状に形成し、金属構造体4中に励振されるプラズモンの支持基板2に平行な面内に波数ベクトルをもつ振動成分を利用した場合について説明したが、次に、金属構造体4の高さと支持基板2に平行な断面のサイズ(円柱形状の場合は直径)の比、すなわちアスペクト比を例えば1以上として金属構造体4の高さh1を大きくして入射光の伝播方向に波数ベクトルをもつ振動成分のプラズモンが励振させて利用する第3の偏光制御素子1bについて説明する。
The
第3の偏光制御素子1bは、図10(a)の平面図と図10(b)のAA断面図に示すように、支持基板2の表面に下地膜3又は下地層6(以下、下地膜3と総称する)を有し、下地膜3に接して金属構造体4が形成されている。この第3の偏光制御素子1bを構成する支持基板2と下地膜3及び金属構造体4として用いる材料は第1の偏光制御素子1と同様な材料を使用すると良い。
As shown in the plan view of FIG. 10A and the AA cross-sectional view of FIG. 10B, the third
この第3の偏光制御素子1bの金属構造体4と下地膜3のサイズも入射光の波長より小さいサイズdを有し、金属構造体4間の最近接距離が金属構造体4のサイズdより小さくなるように配置されている。このように金属構造体4を配置とした場合、金属構造体4中にプラズモンが励起されるとともに、金属構造体4及び下地膜3の配列方向に対して近接場光による相互作用が働き、配列の異方性に依存して位相シフト機能が発現する。この動作原理は、図6に示した数値シミュレーション結果により確認できている。
The size of the
この第3の偏光制御素子1bの作製方法も第1の偏光制御素子1の作製方法と同様であり、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどが利用できる。また、表層部分に保護膜や保護構造を設けてもよく、これにより機械的な劣化や損傷、金属の酸化などに対する耐性向上が可能となる。
The manufacturing method of the third
次に、第3の偏光制御素子1bの構成により偏光制御特性の向上が可能となる原理について説明する。第1の偏光制御素子1と第2の偏光制御素子1aは、金属構造体4中に励振されるプラズモンの支持基板2に平行な面内に波数ベクトルをもつ振動成分を利用したが、第3の偏光制御素子1bは金蔵構造体4を高アスペクト比として金属構造体4の高さh1を大きくすることから、入射光の伝播方向に波数ベクトルをもつ振動成分のプラズモンが励振される。
Next, the principle that the polarization control characteristic can be improved by the configuration of the third
この第3の偏光制御素子1の動作を検証するために実施した数値シミュレーションについて、図11の透過光の位相差のスペクトル特性に示すように、直径が152nmの円柱構造のAu構造体4で高さh1を20nm〜200nmまで切り換えた場合、金属構造体4のアスペクト比が1を超えると、波長580nm近傍で高さ方向の共鳴効果により大きな位相差が得られ、狭帯域で極めて大きな位相シフト量が生じることが確認できた。さらに、金属構造体4の高さh1の増加に伴って、高次の振動成分が現れ、これが短波長側に大きな位相シフトを生じることも確認している。したがって、金属構造体4として高アスペクト比を有するものを用いれば、ディスク状の金属構造体4に比べ、より大きな位相シフト機能を得ることが可能となり、さらに、下地膜3の厚さ(高さ)h2を調整することにより、その位相シフト量の大きさを制御することが可能になる。
In the numerical simulation carried out to verify the operation of the third
このように第3の偏光制御素子1bは、支持基板2に下地膜3又は下地層6を介して高さh1が大きい金属構造体4を2次元的に配置し、高アスペクト比の高い金属構造体4を利用することにより偏光制御特性の向上を実現しており、高い制御性を有することができる。また、下地膜3や下地層6を有することにより、機械的な安定性を向上しており、かつ2次元的な素子構成でありながら大きな位相シフト効果が得られるため、薄型の偏光制御素子を実現でき、光学素子数の低減や、光学装置の小型化が可能となる。また、第3の偏光制御素子1bも無機材料により構成されていることから、光強度に対する耐光性、耐熱性に優れ、投影型の表示デバイスなどに広く利用することが可能となる。
As described above, the third
前記第1の偏光制御素子1と第2の偏光制御素子1a及び第3の偏光制御素子1bは入射光の波長より小さいサイズdを有する金属構造体4を1個毎に最近接距離が金属構造体4のサイズdより小さくなるように配置した場合について説明したが、次に、複数の金属構造体4が対をなした金属構造体ユニットを配置した第4の偏光制御素子1cについて説明する。
The first
第4の偏光制御素子1cは、図12(a)の平面図と図12(b)のAA断面図に示すように、入射光の波長以下のサイズdを有する2個の金属構造体4が微小間隔gを隔てて対をなした金属構造体ユニット11が支持基板2の表面に下地膜3又は下地層6(以下、下地膜3と総称する)を介してx方向px1、y方向pyの周期で2次元的に配列されて構成している。金属構造体ユニット11を構成する2個の金属構造体4の間隔gは、金属構造体4のサイズdよりも小さくなるように2個の金属構造体4が配置されている。
As shown in the plan view of FIG. 12A and the AA cross-sectional view of FIG. 12B, the fourth
この第4の偏光制御素子1cを構成する支持基板2と下地膜3及び金属構造体4として用いる材料は第1の偏光制御素子1と同様な材料を使用すると良い。また、作製方法も第1の偏光制御素子1の作製方法と同様であり、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどが利用できる。また、表層部分に保護膜や保護構造を設けてもよく、これにより機械的な劣化や損傷、金属の酸化などに対する耐性向上が可能となる。
The material used for the
この第4の偏光制御素子1cは、金属構造体ユニット11を構成する2個の金属構造体4が入射光の波長以下のサイズdを有し、金属構造体4間の間隔gが金属構造体のサイズdより小さくなるように配置されているから、金属構造体4中にプラズモンが励起されるとともに、金属構造体ユニット11内において金属構造体11及び下地膜3の配列方向に対して近接場光による相互作用が働き、配列の異方性に依存して位相シフト機能が発現する。この位相シフト機能は金属構造体ユニット11を構成する金属構造体4間の間隔gに依存し、金属構造体4の充填率を変えずに動作波長帯域を制御することが可能となる。
In the fourth
このように第4の偏光制御素子1cは、支持基板3の表面に下地膜3又は下地層6を介して金属構造体ユニット11を形成し、さらに金属構造体ユニット11を構成する2つの金属構造体4を、金属構造体4のサイズd以下に近接して配置して、金属構造体ユニットを2次元的に配置することにより、偏光制御特性の向上を実現しており、高い制御性を有することができる。また、下地膜3又は下地層6を有することにより、機械的な安定性を向上しており、かつ2次元的な素子構成でありながら大きな位相シフト効果が得られるため、薄型の偏光制御素子が実現できており、光学素子数の低減や、光学装置の小型化が可能となる。また、第4の偏光制御素子1cも無機材料により構成されていることから、光強度に対する耐光性、耐熱性に優れ、投影型の表示デバイスなどに広く利用することが可能となる。
As described above, the fourth
前記説明では金属構造体ユニット11を2個の金属構造体4で構成している場合について示したが、3個以上の複数の金属構造体4で金属構造体ユニット11を構成しても良い。このように金属構造体ユニット11に含まれる金属構造体4の個数を増やすことにより、より複雑な偏光異方性を設計することが可能となる。また、金属構造体ユニット11を構成する金属構造体4を第3の偏光制御素子1cのように高アスペクト比の金属構造体4にすることにより、偏光制御特性を向上させて高い制御性を有することができる。
In the above description, the case where the
また、第4の偏光制御素子1cを構成する金属構造体ユニット11の配列は、図13(a)に示すように、金属構造体ユニット11を正方格子の格子点上に配列したり、あるいは図13(b)に示すように、金属構造体ユニット11を長方格子の格子点上に配列すると良い。このように金属構造体ユニット11を配列することにより、金属構造体ユニット11内の金属構造体4の配列方向に対して平行方向や直交する方向に異方性が生じ、偏光制御特性を配列方法により制御することが可能となる。また、金属構造体ユニット11の間隔を入射光の間隔以下に設定すれば、回折の影響が含まれなくなり、空間的に強度ムラのない偏光制御素子を実現できる。逆に、金属構造体ユニット11の間隔を入射光の波長よりも大きくなるように配置すれば、角度依存性や波長依存性の制御が可能となる。
Further, as shown in FIG. 13A, the
同様な効果は、図13(c)に示すように、金属構造体ユニット11を六方格子上に配列したり、図13(d)に示すように、金属構造体ユニット11を構成する2個の金属構造体4の配列方向と直交するライン上に金属構造体ユニット11を等間隔で配列したり、図13(e)に示すように、金属構造体ユニット11を構成する2個の金属構造体4の配列方向を結ぶライン上に金属構造体ユニット11を等間隔で配列しても得ることができる。また、図13(c)に示すように金属構造体ユニット11を六方格子上に配列すると、支持基板2に対する金属構造体ユニット11の充填率を最も高くでき、大きな位相シフト効果を実現することができる。さらに、図13(f)に示すように、金属構造体ユニット11をランダムに配列すると、偏光異方性は金属構造体ユニット11内の金属構造体4の配列方向のみで決定することができる。
Similar effects can be obtained by arranging the
次に、前記のように形成された偏光制御素子1〜1cのいずれかを使用した画像表示装置について説明する。
Next, an image display apparatus using any one of the
図14は、例えば第1の偏光制御素子1を使用した液晶プロジェクタ20の概略構成を示す。図に示すように、液晶プロジェクタ20は、R,G,Bの3色の画像形成ユニット21R,21G,21Bと光合成プリズム22と投射レンズ23及びスクリーン24を有する。画像形成ユニット21R,21G,21Bはそれぞれ光源25と偏光制御素子1と液晶パネル26及び偏光板27が積層されて形成されている。
FIG. 14 shows a schematic configuration of a
この液晶プロジェクタ20でスクリーン24に画像を投影するときは、各画像形成ユニット21R,21G,21Bの光源25から出射された光を偏光制御素子1から液晶パネル26と偏光板27を透過させた後、光合成プリズム22で合成し、合成した光を投射レンズ23によりスクリーン24に投射して画像を表示する。この画像を表示するとき、フルカラーの画像を連続的にスクリーン24に投射することができ、良質な画像を安定して表示できる。また、簡単な構成で液晶プロジェクタ20を作製することができ、液晶プロジェクタ20を低価格で提供することができる。
When the
前記説明では画像表示装置として液晶プロジェクタ20について説明したが、偏光制御素子1〜1cのいずれかをLEDアレイの前面に配置して液晶ディスプレイのバックライトとして使用すると、拡散板や色フィルタ及び偏光板が不要になり、液晶ディスプレイの構成を簡略化できる。
In the above description, the
1;偏光制御素子、2;支持基板、3;下地膜、4;金属構造体、6;下地層、
10;保護膜、11;金属構造体ユニット、20;液晶プロジェクタ。
DESCRIPTION OF
10; Protective film, 11; Metal structure unit, 20; Liquid crystal projector.
Claims (8)
前記下地構造体の厚さを、位相シフト量に応じて可変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, wherein the thickness of the base structure is variable in accordance with a phase shift amount.
前記下地構造体は、前記金属構造体と同一な2次元形状を有し、それぞれの金属構造体の配置位置において孤立した構成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 or 2,
The polarization control element according to claim 1, wherein the base structure has a two-dimensional shape that is the same as that of the metal structure, and has an isolated configuration at an arrangement position of each metal structure.
前記下地構造体は、前記配列する全ての金属構造体において均一な厚さ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 3,
The polarization control element, wherein the base structure has a uniform thickness in all the metal structures arranged.
前記下地構造体は、前記支持体の表面又は支持体内の平面の全面に均一な厚さで形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 polarization control element according to claim 1, wherein the base structure is formed with a uniform thickness on the surface of the support or the entire surface of the support.
前記金属構造体は、1次元方向に周期的に配列したパターンを有す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 5,
The said metal structure has a pattern periodically arranged in the one-dimensional direction, The polarization control element characterized by the above-mentioned.
前記金属構造体の複数個を、最接近距離が前記金属構造体のサイズより小さくなるように配置して金属構造体ユニットを構成し、該金属構造体ユニットを2次元面内に周期的又はランダムに配置した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 5,
A plurality of the metal structures are arranged such that the closest approach distance is smaller than the size of the metal structure to constitute a metal structure unit, and the metal structure units are periodically or randomly arranged in a two-dimensional plane. A polarization control element characterized by being arranged in the above.
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