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JP2010197764A - Polarization controlling element and image display apparatus using the same - Google Patents

Polarization controlling element and image display apparatus using the same Download PDF

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JP2010197764A
JP2010197764A JP2009043325A JP2009043325A JP2010197764A JP 2010197764 A JP2010197764 A JP 2010197764A JP 2009043325 A JP2009043325 A JP 2009043325A JP 2009043325 A JP2009043325 A JP 2009043325A JP 2010197764 A JP2010197764 A JP 2010197764A
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JP
Japan
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control element
polarization control
metal structure
metal
polarization
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Application number
JP2009043325A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Sannomiya
俊 三宮
Hiroaki Fukuda
浩章 福田
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a polarization controlling element which can control the phase shift quantity and has high polarization controllability regardless of a mechanically stable structure. <P>SOLUTION: Metallic structures 4, each of which has the size smaller than the wavelength of incident light and which have the same shape, are arrayed two-dimensionally on the surface of a supporting substrate 2 while interposing an undercoat film 3, which consists of a metallic material for forming a solid solution on the interface between the metallic material and a material of the supporting substrate 2. Since metallic structures are arrayed so that the nearest distance between the metallic structures 4 becomes smaller than the size of each of metallic structures 4, the polarization controlling element 1 has mechanical stability and the phase shift quantity is made variable by making variable the thickness of the undercoat film 3. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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 Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent. This is disclosed in Document 4. As shown in FIG. 15A, the polarization control element 30 disclosed in Patent Document 1 has a metal microstructure 31 having a size that is equal to or smaller than the diffraction limit of incident light on a support substrate 2 that is equal to or smaller than the wavelength of incident light. It is formed by periodically arranging metal composite structures 32 arranged adjacent to a region, has a structure in which an interaction by near-field light works, has high light transmittance, and gives a sufficient phase difference. Is possible. The polarization control element 30 can obtain a large polarization control characteristic with an extremely thin planar structure by utilizing collective motion (plasmon) of electrons in the metal generated when light enters the metal structure 31. .

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 polarization control element 30 disclosed in Patent Document 2 is made of a metal that has a wavelength higher than that of light incident on the flat surface of the support substrate 2 made of a dielectric material such as a transparent glass substrate. The microstructures 31 are two-dimensionally arranged at a distance smaller than the wavelength of incident light so that the light transmittance is high and a sufficient phase difference can be given.

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 polarization control element 30 disclosed in Patent Document 3 includes a first glass particle 33a and a second metal particle 33a formed on the surface of the support substrate 2 made of a transparent dielectric material such as a transparent glass substrate. A pattern of the metal particles 33b is continuously formed to form a wave plate that generates a phase difference in the polarization component of transmitted light or reflected light.

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 polarization control element 30 shown in Patent Document 4 has a periodic structure whose height is periodically modulated, and the periodic structure has a period smaller than the wavelength of incident light. Forming a metal composite structure 32 composed of two or more metal microstructures 31 arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged on the surface of the configured support substrate 2; Strong evanescent light is generated on the surface layer of the support substrate 2 and the near-field light and the evanescent light are combined to generate light emission and light absorption more strongly, thereby improving the control performance of the optical characteristics.

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 Non-Patent Document 1, an electron beam lithography technique is used to produce asymmetric nano-particles having a gold L-shaped structure at a pitch below the wavelength on a substrate, and when this metal microstructure is irradiated with linearly polarized light, phase shift And elliptically polarized light is obtained as reflected or transmitted light.

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。   Patent Document 5 discloses that as a technology to be used as a high-sensitivity sensing device, strong wavelength selectivity and polarization selectivity can be obtained by a metal microstructure in which metal nanorod arrays are arranged in a uniaxial direction at constant minute intervals. Is described. Here, in order to enhance the adhesion between the metal and the substrate and prevent the structure from peeling off, Cr is disposed as an underlayer on the interface between the metal and the substrate.

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 Patent Documents 1 to 4 exhibit polarization control characteristics depending on the shape and height of the metal structure, the effect of the base film or base structure that joins the metal structure and the support is achieved. There are disadvantages in that the polarization controllability is low and the mechanical stability in the manufacturing process is insufficient.

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, Non-Patent Document 1 describes a metal microstructure having a phase shift function, but a very large phase shift effect is not obtained, and characteristics that are practical as a polarization control element cannot be obtained.

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, Patent Document 5 discloses a metal structure having high wavelength selectivity and high polarization selectivity, but it is not a polarization control element having a function of controlling the phase, and two phase shift effects are orthogonal to each other. Since it is a characteristic using both polarization components, it has a disadvantage that it is impossible to achieve both polarization selectivity and phase shift effect.

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.

この発明の第1の偏光制御素子の構成図である。It is a block diagram of the 1st polarization control element of this invention. 偏光制御素子を構成する金属構造体のサイズを定義する模式図である。It is a schematic diagram which defines the size of the metal structure which comprises a polarization control element. 偏光制御素子の作製方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the preparation methods of a polarization control element. 表層部分に保護膜を有する偏光制御素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization control element which has a protective film in a surface layer part. 偏光制御素子の動作を検証するためのモデルを示す構成図である。It is a block diagram which shows the model for verifying operation | movement of a polarization control element. 偏光制御素子の動作を検証した結果得られた波長に対する位相差と振幅比の変化特性図である。It is a change characteristic view of the phase difference and the amplitude ratio with respect to the wavelength obtained as a result of verifying the operation of the polarization control element. 下地膜の膜厚に対する動作中心波長の変化特性図である。It is a change characteristic figure of an operation center wavelength to the film thickness of a ground film. 金属構造体の高さによる位相差の変化特性図である。It is a change characteristic figure of phase contrast by the height of a metal structure. 第2の偏光制御素子の構成図である。It is a block diagram of the 2nd polarization control element. 第3の偏光制御素子の構成図である。It is a block diagram of a 3rd polarization control element. 第3の偏光制御素子の動作を検証した結果得られた波長に対する位相差の変化特性図である。It is a change characteristic figure of phase contrast to a wavelength obtained as a result of verifying operation of the 3rd polarization control element. 第4の偏光制御素子の構成図である。It is a block diagram of the 4th polarization control element. 第4の偏光制御素子の金属構造体ユニットの配列を示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement | sequence of the metal structure unit of a 4th polarization control element. 偏光制御素子を使用した液晶プロジェクタの構成図である。It is a block diagram of the liquid crystal projector which uses a polarization control element. 従来の偏光制御素子の構成図である。It is a block diagram of the conventional polarization control element.

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 polarization control element 1, a base film 3 is formed on the surface of a support substrate 2, and a plurality of cylindrical metal structures 4 having a diameter d are applied to the surface of the base film 3 in the x direction. Two-dimensionally arranged with a period of px and y direction py.

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 support substrate 2 of the first polarization control element 1 is preferably a transparent material having low absorption at a wavelength in the visible light region in order to obtain high efficiency. Boron such as quartz glass, BK7, and Pyrex (registered trademark) is preferable. Silicate glass uses optical crystal materials such as CaF2, ZnSe, Al2O3, and the like. Further, FIG. 1 is described assuming a transmission type polarization control element. However, the first polarization control element 1 may have a reflection type configuration, and in that case, Al is provided below the support substrate 2. And a reflective film made of a metal material such as Au. The thickness of the reflective film must be greater than the skin depth at which light penetrates into the metal, and is at least 30 nm. Further, a reflection structure by total reflection coating with a dielectric multilayer film may be used.

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 base film 3 constituting the first polarization control element 1 improves the mechanical stability when the support substrate 2 and the metal structure 4 are bonded, and improves the controllability of the phase shift function. Is. Therefore, a material having high adhesion between the material of the support substrate 2 and the material of the metal structure 4 is suitable, and Ti, Cr, which increases the strength and hardness by forming a solid solution at the interface with the material of the support substrate 2. Metal materials such as Ta, V, Zr, Al, Mg, Mo, Co, Cu, and Ni can be used. Further, in order to give a spatially uniform phase shift to the polarization control element 1, the base film 3 needs to have a uniform thickness in all the metal structures 4. Here, the uniform thickness means that variation is suppressed with an accuracy of several nm, preferably with an accuracy of 2 nm or less, as will be described later.

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 metal structure 4 constituting the first polarization control element 1 has a size d smaller than the wavelength of the incident light, and the closest distance between the metal structures 4 is smaller than the size d of the metal structure 4. Is arranged. Here, the reason why the size d of the metal structure 4 is set to be equal to or smaller than the wavelength of the incident light is to avoid the influence of diffraction due to the periodic arrangement of the metal structure 4. As shown in FIGS. 1 and 2 (a), the shape of the metal structure 4 is not limited to the cylindrical metal structure 4, and (b) to (e) of the plan view of the metal structure 4 in FIG. An elliptical column shape, a triangular column shape, a quadrangular column shape, an asymmetric column shape, a spherical shape, a hemispherical shape, a conical shape, or the like may be used. Moreover, the size of the metal structure 4 cannot be uniquely determined if the shape is other than the cylindrical shape shown in FIG. 1 or FIG. Therefore, as shown in FIG. 2 (a), the metal structure has a diameter d of a circle having the same area as that of the metal structure 4 and a major axis d1 and a minor axis d2 of an ellipse 5 having the same area as that of the metal structure 4. A size of 4 is specified.

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 metal structure 4 in contact with the base film 3, it is difficult to peel off and a mechanically stable configuration can be realized. With respect to the height h1 of this metal structure 4, that is, the size in the direction perpendicular to the paper surface in FIGS. 1A and 2, it is assumed that the polarization direction of the incident light is in a plane parallel to the paper surface. If it is assumed that light is incident perpendicular to the paper surface, the height h1 of the metal structure 4 does not affect the distance of interaction via the near-field light, and thus it is not necessary to define the height h1. Here, the near-field light means an electromagnetic field generated in the vicinity of the metal structure 4. The polarization control element 1 is characterized by a large amount of phase shift. This is because near-field light is strongly generated near the metal structure 4 due to the effect of surface plasmon or localized surface plasmon, and the metal structure 4 is unidirectional. This is because a large phase shift through near-field light occurs due to the fact that the metal structures 4 are arranged at intervals smaller than the size of the metal structure 4. 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. This is the collective motion of electrons excited. Hereinafter, both surface plasmons and localized surface plasmons are expressed as plasmons. Therefore, the metal structure 3 needs to be a material that can excite plasmons. As a metal material that can excite plasmons, any one of Au, Ag, Pt, Al, Ni, Cr, Cu, or a combination thereof, or these Alloy materials / mixed materials can be used.

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 polarization control element 1 will be described with reference to the process diagram of FIG. For producing the metal structure 4 having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light, a technique having a processing accuracy equal to or lower than the diffraction limit of visible light is applied. Specific methods that can be used include a method using electron beam lithography, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, and etching utilizing alteration of material properties.

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 step 1 of FIG. 3, parallel flat optical glass such as SiO2 is used as the support substrate 2, and an underlayer 6 such as Ti and a metal layer 7 such as Au are sequentially formed on the flat surface by sputtering or vacuum deposition. A photoresist layer 8 is formed on the surface of the metal layer by deposition. Next, as shown in step 2, the photoresist layer 8 is exposed by electron beam drawing so as to leave a metal arrangement pattern, thereby forming an exposure pattern 9. Thereafter, as shown in Step 3, unnecessary portions of the metal layer 7 and the underlayer 6 are etched by reactive ion etching (RIE) or the like using the exposure pattern 9 as a mask, and then remained as shown in Step 3. The exposure pattern 9 of the photoresist layer 8 is removed. In this way, a two-dimensional array pattern in which the base film 3 having the same size as the metal structure 4 is arranged between the support substrate 2 and the metal structure 4 can be formed. When the unnecessary portions of the metal layer 7 and the underlayer 6 are removed by etching, as shown in the steps 3a and 4a, the support substrate 2 may be etched (overetching), but overetching is performed. However, it has been confirmed by numerical simulation that the characteristics of the polarization control element 1 do not change greatly. Further, instead of forming the two-dimensional array pattern of the metal structures 4 by etching, a metal material is deposited on the photoresist pattern, and then the lift-off method of removing the photoresist is used to form the two-dimensional array pattern of the metal structures 4. The method of forming is also effective.

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 metal structure 4 of the first polarization control element 1 is exposed in the air as shown in FIG. 1, but the surface layer portion of the metal structure 4 as shown in the sectional view of FIG. A protective film 10 and a protective structure may be provided on the substrate, whereby resistance to mechanical deterioration and damage, metal oxidation, and the like can be improved.

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 polarization control element 1 will be described with reference to FIGS. As the numerical simulation method, a finite difference time domain method (FDTD method) is used in which the Maxwell equation describing the time-space response of an electromagnetic field is differentiated into a time domain and a spatial domain. FIG. 5A is a plan view of a model of the polarization control element 1 used in the numerical simulation, and FIG. 5B is a BB cross-sectional view of FIG. In this numerical simulation, in order to obtain the spectral characteristics of transmitted light, pulse light having a sufficiently short time width (the spectral width is sufficiently spread in the visible light region) as incident light is separated from the support substrate 2 (SiO 2) interface by 1000 nm. The polarization characteristics of the transmitted light were evaluated on a transmission surface that was incident from the surface and separated by 1000 nm. Further, by adopting a rectangular Au structure as the metal structure 4 and using a dielectric function in which the Drude model and the Lorentz model are superimposed in order to describe the response of the electrons in the Au to the photoelectric field, Introduced chromatic dispersion characteristics. Although the cylindrical metal structure 4 is illustrated in FIG. 1, the same effect can be obtained even with a quadrangular prism-shaped Au structure. Therefore, in this numerical simulation, a quadrangular prism-shaped Au structure 4 that is easy to model. The results will be described. As the underlying film 3, a Ti film having a thickness of h2 is assumed, and a dielectric function of Ti is given by the Drude model. In order to obtain a phase difference between two polarization components orthogonal to the arrangement direction of the Au structure 4, the incident polarized light is inclined by 45 degrees with respect to each side of the Au structure 4, as shown in FIG. Set to direction.

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 Au structure 4 is formed in a disk shape with a vertical and horizontal size of 152 nm and a height of 60 nm. In the plan view of FIG. In the case where the direction is the y direction, the simulation was carried out by switching the thickness h2 of the base film 3 from 0 to 20 nm by arranging the gap in the x direction with a narrow pitch direction of 200 nm and the y direction with a wide pitch direction of 400 nm. 6A is a spectral characteristic of a phase difference of transmitted light obtained by simulation, and FIG. 6B is a diagram in which the amplitude ratio Ax / Ay component of polarized light in the x direction and y direction is plotted. As a result of this simulation, as shown in FIG. 6 (a), the thickness h2 of the underlying film 3 made of Ti is switched from 0 nm to 20 nm, so that the phase difference can be varied in multiple steps from approximately 107 degrees to 40 degrees. Confirmed that it can be controlled. When this polarization control element 1 is used as a phase shift element, the amplitudes of two orthogonal polarization components need to be approximately equal. Therefore, the transmitted light amplitude ratio Ax / Ay shown in FIG. 6B needs to be in the vicinity of 1.0. FIG. 7 is a graph plotting the results of calculating the wavelength (operation center wavelength) at which the amplitude ratio Ax / Ay is 1.0 by interpolation processing. Since the wavelength band in which the magnitude of the phase difference in FIG. 6A is shifted from about 107 degrees to 40 degrees is about 100 nm, the thickness h2 of the Ti underlayer 3 is set to a wavelength that falls within 50 nm of 50% thereof. When set, the thickness h2 of the base film 3 needs to be 10 nm or less as shown by the broken line in FIG. Even if the base film 3 is formed using a material other than Ti, the characteristics do not change greatly. Therefore, the polarization control element 1 adjusts the thickness h2 of the base film 3 to 10 nm or less to thereby adjust the phase shift amount. Can be controlled flexibly.

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 metal structure 4 on the phase difference, the vertical and horizontal sizes of the Au structure 4 are 152 nm in height as shown in the spectral characteristics of the phase difference of transmitted light in FIG. It has been found that when h1 is switched from 20 nm to 100 nm, the position where the phase difference changes as the height h1 of the metal structure 4 increases shifts to the short wavelength side and has a function of adjusting the operating band.

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 polarization control element 1 can improve the mechanical stability by two-dimensionally arranging the metal structure 4 on the support substrate 2 via the base film 3. Further, the thickness h2 of the base film 3 is made smaller than 10 nm, the phase shift amount can be controlled by adjusting the thickness h2, and the height h1 of the metal structure 4 can be adjusted to adjust the thickness h2. The adjustment range of the phase shift amount can be expanded with a simple element configuration, a thin polarization control element can be realized, and the number of optical elements can be reduced and the optical device can be miniaturized. Furthermore, since the first polarization control element 1 is made of an inorganic material, it has excellent light resistance and heat resistance with respect to light intensity, and can be widely used in projection display devices and the like.

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 base film 3 on the surface orthogonal to the propagation direction of the incident light is formed in the same two-dimensional shape as that of the metal structure 4 is illustrated in FIG. As shown in FIG. 9B, which is an AA cross-sectional view of FIG. 9A, a base layer 6 having a uniform thickness h2 is formed on the entire surface of the support substrate 2, and a plurality of base layers 6 are formed on the surface of the base layer 6. The second polarization control element 1a may be configured by two-dimensionally arranging the metal structures 4 in a cycle of the horizontal direction px and the vertical direction py.

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 support substrate 2, the underlayer 6 and the metal structure 4 constituting the second polarization control element 1a may be the same material as that of the first polarization control element 1. The manufacturing method of the second polarization control element 1a is the same as the manufacturing method of the first polarization control element 1 except that the underlayer 6 is not removed in the etching step.

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 polarization control element 1a, the metal structure 4 also has a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light in a plane perpendicular to the propagation direction of the incident light, and the closest distance between the metal structures 4 is the metal structure 4. It is arranged to be smaller than the size of. With such an arrangement, plasmons are excited in the metal structure 4, and an interaction by near-field light acts on the arrangement direction of the metal structure 4, and the phase shift depends on the anisotropy of the arrangement. The function can be exhibited, and the thickness h2 of the underlayer 6 is made smaller than 10 nm, and the phase shift amount can be controlled by adjusting the thickness h2.

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 polarization control elements 1, 1 a are formed by forming a metal structure 4 in a disk shape and using a vibration component having a wave vector in a plane parallel to the plasmon support substrate 2 excited in the metal structure 4. As described above, next, the ratio of the height of the metal structure 4 to the size of the cross section parallel to the support substrate 2 (diameter in the case of a cylindrical shape), that is, the aspect ratio is, for example, 1 or more, the height h1 of the metal structure 4 The third polarization control element 1b used by exciting the vibration component plasmon having a wave vector in the propagation direction of the incident light and using it will be described.

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 polarization control element 1b has a base film 3 or a base layer 6 (hereinafter referred to as a base film) on the surface of the support substrate 2. The metal structure 4 is formed in contact with the base film 3. The material used for the support substrate 2, the base film 3, and the metal structure 4 constituting the third polarization control element 1 b may be the same material as that of the first polarization control element 1.

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 metal structure 4 and the base film 3 of the third polarization control element 1b also has a size d smaller than the wavelength of the incident light, and the closest distance between the metal structures 4 is larger than the size d of the metal structure 4. It is arranged to be smaller. When the metal structure 4 is arranged in this way, plasmons are excited in the metal structure 4 and an interaction by near-field light acts on the arrangement direction of the metal structure 4 and the base film 3, Depending on the anisotropy, the phase shift function appears. This operation principle can be confirmed by the numerical simulation results shown in FIG.

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 polarization control element 1b is the same as the manufacturing method of the first polarization control element 1, and includes a method using electron beam lithography, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, etching utilizing alteration of material properties, and the like. Available. In addition, a protective film or a protective structure may be provided on the surface layer portion, which makes it possible to improve resistance to mechanical deterioration and damage, metal oxidation, and the like.

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 polarization control element 1b will be described. The first polarization control element 1 and the second polarization control element 1a use a vibration component having a wave number vector in a plane parallel to the support substrate 2 of plasmon excited in the metal structure 4. The polarization control element 1b increases the height h1 of the metal structure 4 by setting the metal structure 4 to a high aspect ratio, so that plasmons of vibration components having a wave vector in the propagation direction of incident light are excited.

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 polarization control element 1, as shown in the spectral characteristic of the phase difference of transmitted light in FIG. When the thickness h1 is switched from 20 nm to 200 nm, if the aspect ratio of the metal structure 4 exceeds 1, a large phase difference is obtained due to the resonance effect in the height direction near the wavelength of 580 nm, and an extremely large phase shift amount in a narrow band. Was confirmed to occur. Furthermore, it has been confirmed that as the height h1 of the metal structure 4 increases, a higher-order vibration component appears, which causes a large phase shift on the short wavelength side. Therefore, if a metal structure 4 having a high aspect ratio is used, a larger phase shift function can be obtained as compared with the disk-shaped metal structure 4, and the thickness (height) of the base film 3 is further increased. ) By adjusting h2, the magnitude of the phase shift amount can be controlled.

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 polarization control element 1b has a metal structure with a high aspect ratio in which the metal structure 4 having a large height h1 is two-dimensionally arranged on the support substrate 2 with the base film 3 or the base layer 6 interposed therebetween. By using the body 4, the polarization control characteristics are improved and high controllability can be obtained. In addition, since the base film 3 and the base layer 6 are provided, the mechanical stability is improved, and a large phase shift effect can be obtained despite the two-dimensional element configuration. This can be realized, and the number of optical elements can be reduced and the optical device can be miniaturized. Further, since the third polarization control element 1b is also made of an inorganic material, it is excellent in light resistance and heat resistance with respect to light intensity, and can be widely used for projection display devices and the like.

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 polarization control element 1, the second polarization control element 1 a, and the third polarization control element 1 b each have a metal structure 4 having a metal structure 4 having a size d smaller than the wavelength of the incident light, and the closest distance is a metal structure. Although the case where it arrange | positioned so that it may become smaller than the size d of the body 4 was demonstrated, next, the 4th polarization control element 1c which has arrange | positioned the metal structure unit which the several metal structure 4 made the pair is demonstrated.

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 polarization control element 1c includes two metal structures 4 having a size d equal to or smaller than the wavelength of incident light. The metal structure unit 11 paired with a minute gap g is formed on the surface of the support substrate 2 in the x direction px1 and the y direction py via the base film 3 or the base layer 6 (hereinafter collectively referred to as the base film 3). They are arranged in a two-dimensional manner with a period. The two metal structures 4 are arranged such that the distance g between the two metal structures 4 constituting the metal structure unit 11 is smaller than the size d of the metal structure 4.

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 support substrate 2, the base film 3, and the metal structure 4 constituting the fourth polarization control element 1 c may be the same material as that of the first polarization control element 1. Further, the manufacturing method is the same as the manufacturing method of the first polarization control element 1, and a method using electron beam lithography, DUV / EUV lithography, nanoimprinting, etching utilizing alteration of material properties, and the like can be used. In addition, a protective film or a protective structure may be provided on the surface layer portion, which makes it possible to improve resistance to mechanical deterioration and damage, metal oxidation, and the like.

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 polarization control element 1c, the two metal structures 4 constituting the metal structure unit 11 have a size d equal to or smaller than the wavelength of incident light, and the distance g between the metal structures 4 is a metal structure. Therefore, the plasmon is excited in the metal structure 4 and the near field with respect to the arrangement direction of the metal structure 11 and the base film 3 in the metal structure unit 11 is arranged. The interaction by light works, and the phase shift function appears depending on the anisotropy of the array. This phase shift function depends on the interval g between the metal structures 4 constituting the metal structure unit 11, and the operating wavelength band can be controlled without changing the filling rate of the metal structures 4.

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 polarization control element 1 c includes the metal structure unit 11 formed on the surface of the support substrate 3 via the base film 3 or the base layer 6, and two metal structures constituting the metal structure unit 11. The body 4 is arranged close to the size d or less of the metal structure 4, and the metal structure unit is two-dimensionally arranged to improve the polarization control characteristic and have high controllability. be able to. In addition, since the base film 3 or the base layer 6 is provided, the mechanical stability is improved, and a large phase shift effect can be obtained while having a two-dimensional element configuration. Thus, the number of optical elements can be reduced and the optical device can be miniaturized. Further, since the fourth polarization control element 1c is also made of an inorganic material, it is excellent in light resistance and heat resistance with respect to light intensity, and can be widely used for projection display devices and the like.

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 metal structure unit 11 is constituted by two metal structures 4 has been described, but the metal structure unit 11 may be constituted by three or more metal structures 4. Thus, by increasing the number of the metal structures 4 included in the metal structure unit 11, more complicated polarization anisotropy can be designed. Further, the metal structure 4 constituting the metal structure unit 11 is made to have a high aspect ratio metal structure 4 like the third polarization control element 1c, thereby improving the polarization control characteristic and having high controllability. be able to.

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 metal structure units 11 constituting the fourth polarization control element 1c may be arranged on the lattice points of a square lattice or as shown in FIG. As shown in FIG. 13B, the metal structure units 11 may be arranged on lattice points of a rectangular lattice. By arranging the metal structure units 11 in this way, anisotropy occurs in a direction parallel to or perpendicular to the arrangement direction of the metal structures 4 in the metal structure unit 11, and the polarization control characteristic is arranged. Can be controlled. Moreover, if the interval between the metal structure units 11 is set to be equal to or less than the interval between incident lights, the influence of diffraction is not included, and a polarization control element having no spatial intensity unevenness can be realized. On the contrary, if the interval of the metal structure units 11 is arranged so as to be larger than the wavelength of the incident light, the angle dependency and the wavelength dependency can be controlled.

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 metal structure units 11 on a hexagonal lattice as shown in FIG. 13C, or by forming two metal structure units 11 as shown in FIG. 13D. The metal structure units 11 are arranged at equal intervals on a line orthogonal to the arrangement direction of the metal structures 4, or two metal structures constituting the metal structure unit 11 as shown in FIG. It can also be obtained by arranging the metal structure units 11 at equal intervals on a line connecting the four arrangement directions. Further, when the metal structure units 11 are arranged on a hexagonal lattice as shown in FIG. 13C, the filling rate of the metal structure units 11 with respect to the support substrate 2 can be maximized, and a large phase shift effect can be realized. it can. Furthermore, as shown in FIG. 13F, when the metal structure units 11 are randomly arranged, the polarization anisotropy can be determined only in the arrangement direction of the metal structures 4 in the metal structure unit 11.

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 polarization control elements 1 to 1c formed as described above will be described.

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 liquid crystal projector 20 using, for example, the first polarization control element 1. As shown in the figure, the liquid crystal projector 20 includes three color image forming units 21R, 21G, and 21B of R, G, and B, a light combining prism 22, a projection lens 23, and a screen 24. The image forming units 21R, 21G, and 21B are formed by laminating a light source 25, a polarization control element 1, a liquid crystal panel 26, and a polarizing plate 27, respectively.

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 liquid crystal projector 20 projects an image on the screen 24, the light emitted from the light source 25 of each of the image forming units 21R, 21G, and 21B is transmitted from the polarization control element 1 through the liquid crystal panel 26 and the polarizing plate 27. The light is combined by the light combining prism 22 and the combined light is projected onto the screen 24 by the projection lens 23 to display an image. When this image is displayed, a full-color image can be continuously projected on the screen 24, and a high-quality image can be stably displayed. Further, the liquid crystal projector 20 can be manufactured with a simple configuration, and the liquid crystal projector 20 can be provided at a low price.

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 liquid crystal projector 20 has been described as an image display device. However, when any one of the polarization control elements 1 to 1c is disposed on the front surface of the LED array and used as a backlight of a liquid crystal display, a diffusion plate, a color filter, and a polarizing plate are used. Can be eliminated, and the configuration of the liquid crystal display can be simplified.

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 SYMBOLS 1; Polarization control element, 2; Support substrate, 3; Underlayer film, 4; Metal structure, 6: Underlayer,
10; Protective film, 11; Metal structure unit, 20; Liquid crystal projector.

特開2006−330105号公報JP 2006-330105 A 特開2006−330106号公報JP 2006-330106 A 特開2006−330107号公報JP 2006-330107 A 特開2006−330108号公報JP 2006-330108 A W02006/092963号公報W02006 / 092963

Optics Express,12,5418-5423(1004)「Linear and Nonlinear Optical Responses Influenced by Broken Symmetry in an Array of Gold Nanoparticles」 Brian K. Canfield,et.alOptics Express, 12, 5418-5423 (1004) `` Linear and Nonlinear Optical Responses Influenced by Broken Symmetry in an Array of Gold Nanoparticles '' Brian K. Canfield, et.al

Claims (8)

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偏光制御素子。   On the surface of the support formed of a material transparent to incident light or on a plane in the support, a metal structure having the same shape having a size smaller than the wavelength of the incident light is solid solution at the interface with the support material. Two-dimensionally arranged on the support through a base structure made of a metal material forming the metal structure, and arranged so that the closest distance between the metal structures is smaller than the size of the metal structure A polarization control element. 請求項1記載の偏光制御素子であって、
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.
請求項1又は2記載の偏光制御素子であって、
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.
請求項3記載の偏光制御素子であって、
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.
請求項1又は2記載の偏光制御素子であって、
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.
請求項1乃至5のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
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.
請求項1乃至5のいずれかに記載の偏光制御素子であって、
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.
請求項1乃至7のいずれかに記載の偏光制御素子を液晶層に積層したことを特徴とする画像表示装置。   8. An image display device comprising the polarization control element according to claim 1 laminated on a liquid crystal layer.
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