JP5998593B2 - Polarizing element and image display device - Google Patents
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Description
本発明は、投光型画像表示装置等に利用される偏光選択機能を有する偏光素子、該偏光素子を有する画像表示装置に関する。 The present invention relates to a polarizing element having a polarization selection function used for a projection type image display apparatus and the like, and an image display apparatus having the polarizing element.
液晶プロジェクタなどの投光型画像表示装置では、偏光を用いて投光する光のオン・オフを切り替えるため、直交する2つの偏光成分のうち一方を透過し、他方を遮断する偏光選択素子(偏光板、偏光子)が必要とされる。
近年の画像表示装置では、高輝度の光源を用い、コントラストの高い画像を投影することが求められている。このような画像表示装置に用いられる偏光選択素子は、消光比(偏光選択性能)が高く、さらに耐光性、耐熱性の高いことが要求され、ワイヤグリッド偏光子がこの要求に応えることが既に知られている。
In a projection-type image display device such as a liquid crystal projector, in order to switch on and off the light to be projected using polarized light, a polarization selection element (polarized light) that transmits one of two orthogonal polarization components and blocks the other. Plate, polarizer) is required.
In recent image display apparatuses, it is required to project a high-contrast image using a high-luminance light source. A polarization selection element used in such an image display device is required to have a high extinction ratio (polarization selection performance), high light resistance and high heat resistance, and it is already known that a wire grid polarizer meets this requirement. It has been.
しかしながら、今までのワイヤグリッド偏光子では、遮断する側の偏光を金属ラインパターンにより反射することにより高い消光比を得ているため、この反射光が再び画像表示装置の光学系に戻り、画像を劣化させるという問題があった。
また、吸収型の有機材料による偏光選択素子とワイヤグリッド偏光子との併用など、複数の偏光素子を用いたり、多層膜構成を用いることにより反射光を低減する光学系が採用されているが、光学素子数が増える、偏光素子の構成が複雑になる、許容入射角度が制限されるといった問題があった。
また、これらの問題に関連して、低価格化が困難となる、排熱・冷却機構の負荷が大きくなる、装置の小型化が困難であるという問題があった。
However, since conventional wire grid polarizers obtain a high extinction ratio by reflecting polarized light on the blocking side with a metal line pattern, this reflected light returns to the optical system of the image display device again, and an image is displayed. There was a problem of deteriorating.
In addition, an optical system that reduces reflected light by using a plurality of polarizing elements, such as a combined use of a polarizing selection element made of an absorbing organic material and a wire grid polarizer, or using a multilayer film configuration is employed. There are problems that the number of optical elements increases, the configuration of the polarizing element is complicated, and the allowable incident angle is limited.
In addition, in connection with these problems, there are problems that it is difficult to reduce the price, the load on the exhaust heat / cooling mechanism is increased, and it is difficult to reduce the size of the apparatus.
特許文献1には、偏光素子の反射率を低減する目的で、基板上に細線構造を配列した偏光素子が開示されている。この細線構造は、金属材料と、非誘電性の無機材料と、誘電性の無機材料とを積層した構成となっている。 Patent Document 1 discloses a polarizing element in which a thin line structure is arranged on a substrate for the purpose of reducing the reflectance of the polarizing element. This fine wire structure has a structure in which a metal material, a non-dielectric inorganic material, and a dielectric inorganic material are laminated.
しかしながら、引用文献1に記載の構成では、上記「素子構成が複雑になり低価格化が困難となる、許容入射角度が制限される」という問題は依然として解消できていなかった。 However, in the configuration described in the cited document 1, the above-mentioned problem that “the element configuration is complicated and it is difficult to reduce the price and the allowable incident angle is limited” has not been solved.
本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、単純な構造でありながら、耐熱性、耐光性に優れるとともに、透過率、消光比特性を保持することができ、且つ、反射率が低く、許容入射角度の拡大も図れる偏光素子の提供を、その主な目的とする。 The present invention has been made in view of such a current situation, and while having a simple structure, it has excellent heat resistance and light resistance, can maintain transmittance and extinction ratio characteristics, and has a reflectance. The main object of the present invention is to provide a polarizing element that is low and can increase the allowable incident angle.
上記目的を達成するために、本発明の偏光素子は、透明な支持体と、前記支持体に設けられ、一方向に延伸した島状の金属構造体が複数それぞれ独立した固体形状として二次元的に配された金属構造体層と、前記支持体に、光の進行方向に前記金属構造体層と間隔をおいて設けられ、連続的な金属細線構造を周期的に配した金属細線構造層と、を有し、前記各島状の金属構造体は、2つの広幅部と該2つの広幅部間を繋ぐ狭幅部とを有し、前記2つの広幅部と前記狭幅部は前記一方向に連なった形状を有していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the polarizing element of the present invention is a two-dimensional two-dimensional solid support comprising a transparent support and a plurality of island-like metal structures provided in the support and extending in one direction. and metal structure layers distribution in, to the support, provided in the traveling direction of light at the metal structure layers and spacing, the metal wire structure layer arranged continuous metal wire structures periodically and Each of the island-shaped metal structures has two wide portions and a narrow portion connecting the two wide portions, and the two wide portions and the narrow portion are in the one direction. It has the shape which continued to.
本発明によれば、高い透過率、消光比を得ることができるとともに反射率が低く、且つ、単純な構造で低コスト化にも寄与でき、許容入射角度も大きくとれる偏光素子を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a polarizing element that can obtain a high transmittance and extinction ratio, have a low reflectance, contribute to a reduction in cost with a simple structure, and can have a large allowable incident angle.
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図1乃至図11に基づいて、第1の実施形態を説明する。図に示すように、偏光素子2は、支持体および/または支持体内に金属材料からなる微細構造を少なくとも二層備えている。この二層のうちの一方は、金属細線構造を周期的に配列したものであり、他方は、複数の分断された島状の金属構造体が二次元平面内に周期的に配列した構成となっている。
具体的に説明すると、透明な材料で形成された第1の支持体(基板)4の一方の側(図中上面)に金属構造体層6が支持され、金属構造体層6は透明な材料で被覆されている。金属構造体層6を被覆する透明な材料は第2の支持体8としてなり、第2の支持体8の図中上面に金属細線構造層10が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in the figure, the polarizing
More specifically, the
図2(a)は図1におけるA−A’線での断面図、すなわち金属構造体層10を表す上面図を示し、図2(b)は同B−B’線での断面図、すなわち金属構造体層6を表す上面図を示している。
換言すれば、図2(b)は透明な被膜材料中に配置する複数の島状の金属構造体12による周期配列の上面図である。ここで、「島状」とは、独立した固体形状を意味する。
金属細線構造層10は、金属構造体12の長手方向(延伸方向)に延びる複数の金属細線構造11から構成されている。
偏光素子2では、図1の下方、すなわち島状の金属構造体12を含む層の側から光を入射し、島状の金属構造体による金属構造体層6と、金属細線構造からなる金属細線構造層10を介して出射光を得る。
偏光素子2により反射される光は、金属構造体層6により反射される成分と、金属構造体層6を一度透過し、金属細線構造層10による反射の後、再び金属構造体層6を透過する成分、さらには、これらの多重反射による成分が重畳されて偏光素子外に放出される。
2 (a) is A-A definitive 1 'sectional view in a line, i.e. a top view showing a
In other words, FIG. 2B is a top view of a periodic array of a plurality of island-
The fine metal
In the polarizing
The light reflected by the polarizing
ここで、金属細線構造層10が反射型の偏光選択機能を有し、金属構造体層6が反射光量の少ない吸収型の偏光選択機能を有するならば、金属細線構造層10からの反射光を金属構造体層6により効率良く吸収でき、反射光を低減することが可能となる。
Here, if the metal thin
偏光素子2の具体的な材料および作製方法について説明する。
第1の支持体4は、島状の金属構造体12を支持する基板であり、光学素子に一般的に用いられる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、CaF2、ZnSe、Al2O3などの光学結晶材料などを利用する。
島状の金属構造体12および光進行方向において上層となる金属細線構造にはAlが適している。また、Alを主成分とする合金・混合材料や、動作する波長帯によっては、Au、Ag、Cruなどの材料も利用できる。金属材料による積層構造を作製するためには、金属構造体12を埋め込み第2の支持体とする構造が必要である。
A specific material and manufacturing method of the polarizing
The
Al is suitable for the island-
第2の支持体8には、屈折率が1.5近傍にあるガラス材料が適しており、吸収の少ない、光学素子のコーティング材料として一般的である、
具体的には、石英ガラス、パイレックス(登録商標)、ZnS−SiO2などの硼珪酸ガラスや、CaF2、Si、ZnSe、Al2O3、ZnOなどの材料が利用できる。また、ガラス材料を主成分とするスピンオングラス材料なども利用することができる。
金属材料をパターニングする方法は、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。
For the
Specifically, materials such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), borosilicate glass such as ZnS—SiO 2 , CaF 2 , Si, ZnSe, Al 2 O 3 , and ZnO can be used. In addition, a spin-on-glass material mainly composed of a glass material can be used.
As a method for patterning a metal material, a method 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、一般的な手法として、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。支持体として平行平板上の光学ガラスを用い、Alなどの金属材料をスパッタ法や真空蒸着法により堆積し、この金属膜上にフォトレジスト膜を形成する。
ここで、金属と支持基板との界面に膜の密着性を高めるために、TiやCrなどの下地層を設けても良い。続いて、電子ビーム描画により矩形形状の金属パターンを残すようにネガパターンを露光する。その後、不要な金属部分をRIEなどによりエッチングし、続いて残ったフォトレジストパターンを除去することにより、支持基板界面に金属微細構造を形成することができる。
エッチングにより金属構造体の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、微小金属構造体のパターンを形成する方法も有効である。積層構造を作製するためには、スピンオングラス材料をスピンコートし、第二の金属細線構造を形成する平滑な面を形成した後、上述の電子ビームリソグラフィによる方法を繰り返す。
Hereinafter, as a general method, a method by electron beam lithography will be described, but the manufacturing method is not necessarily limited. Optical glass on a parallel plate is used as a support, a metal material such as Al is deposited by sputtering or vacuum evaporation, and a photoresist film is formed on the metal film.
Here, in order to improve the adhesion of the film at the interface between the metal and the support substrate, an underlayer such as Ti or Cr may be provided. Subsequently, the negative pattern is exposed so as to leave a rectangular metal pattern by electron beam drawing. After that, unnecessary metal portions are etched by RIE or the like, and then the remaining photoresist pattern is removed, whereby a metal microstructure can be formed at the support substrate interface.
Instead of forming the metal structure pattern by etching, it is also effective to form a metal pattern by using a lift-off method in which a metal material is deposited on the photoresist pattern and then the photoresist is removed. In order to produce a laminated structure, a spin-on-glass material is spin-coated to form a smooth surface on which a second metal fine wire structure is formed, and then the above-described electron beam lithography method is repeated.
図3に基づいて、偏光素子2における島状の金属構造体12の形状を説明する。
本実施形態に係る偏光素子2では、図1及び図2に示したように、反射型と吸収型の偏光選択構造を積層したことが特徴であるとともに、吸収特性を示す島状の金属構造体が、その形状ならびに寸法により吸収特性を発現することが特徴である。
図3は、単一の島状の金属構造体12の形状を示した図であり、本構造を二次元平面内に周期的に配列したものが金属構造体層6である。この島状の金属構造体12は、図3(a)に示すように、一方向(図3の上下方向)に延伸した形状であるとともに、構造体内部に幅の広い広幅部12aと、幅の狭い狭幅部12bとを備えている。
このような構造では、延伸方向の長さLと動作波長(構造による共鳴)が強い相関をもつ。また、狭幅部12bの延伸方向と直交する方向の幅W2が30nm以下になると吸収特性が現れ、20nm以下が好適である。
Based on FIG. 3, the shape of the island-shaped
In the
FIG. 3 is a diagram showing the shape of a single island-
In such a structure, the length L in the stretching direction and the operating wavelength (resonance due to the structure) have a strong correlation. Further, when the width W2 in the direction orthogonal to the extending direction of the
図3のように島状の金属構造体に広幅部と狭幅部が備えられていれば、反射光成分の吸収による低減のために、低反射偏光素子が実現できるが、広幅部と狭幅部の位置関係および/または非対称性により、吸収の波長依存性は大きく変動する。
以下に、島状の金属構造体として利用できる形状例を説明する。図3(a)は、中心対称(180度回転対称)の形状を示している。図3(b)、(c)は延伸方向に非対称性を有する形状を示し、図3(d)は延伸方向に垂直な方向に非対称性を有する形状を示している。すなわち、広幅部が延伸方向に2種類の長さからなる形状を示している。
図3(e)は、延伸方向に平行および垂直な方向に同時に非対称性を有する形状を示している。それぞれの構造について、吸収特性の波長依存性は大きく変動する。
If the island-shaped metal structure as shown in FIG. 3 is provided with a wide portion and a narrow portion, a low reflection polarizing element can be realized due to the absorption reduction of the reflected light component, but the wide portion and the narrow portion can be realized. The wavelength dependence of absorption varies greatly depending on the positional relationship and / or asymmetry of the parts.
Below, the example of a shape which can be utilized as an island-shaped metal structure is demonstrated. FIG. 3A shows a centrally symmetric shape (180-degree rotational symmetry). 3B and 3C show a shape having asymmetry in the stretching direction, and FIG. 3D shows a shape having asymmetry in the direction perpendicular to the stretching direction. That is, the wide part has a shape composed of two types of lengths in the extending direction.
FIG. 3E shows a shape having asymmetry simultaneously in the directions parallel and perpendicular to the stretching direction. For each structure, the wavelength dependence of the absorption characteristics varies greatly.
図4は、偏光素子2の動作検証のための実施した数値シミュレーションのモデルについて説明する図である。
本偏光素子の構成により反射光を低減できることを検証するために数値シミュレーションを実施した。数値シミュレーション手法は、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)を用いた。
支持基板(屈折率1.51)4上にAlの微細構造を配置し、誘電体材料(屈折率1.38)8で支持基板4の上部を被覆した構造を用いた。計算領域境界において周期境界条件を課すことにより、支持基板4に平行な面方向に無限に続く周期構造素子6を表現した。
本数値シミュレーションでは、透過光スペクトルの偏光特性を得るために、図4(c)の平面図(XY面)に示す、金属構造体12の長手方向に垂直な直線偏光と、平行な直線偏光として、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)平面波パルスを支持基板界面から入射し、波長以上離れた観測面において、空間平均を施した電場振幅の時間変動をフーリエ変換することにより透過光および反射光の偏光特性を算出した。
Alの誘電関数の波長分散特性は、金属材料の計算でよく用いられるDrudeモデルにより与えた。島状の金属構造体12および金属細線構造11の寸法は、図4中に記載したとおりである。
FIG. 4 is a diagram for explaining a model of a numerical simulation performed for verifying the operation of the
In order to verify that the reflected light can be reduced by the configuration of the polarizing element, a numerical simulation was performed. As the numerical simulation method, a finite difference time domain method (FDTD method) was 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.
A structure in which an Al microstructure was disposed on a support substrate (refractive index 1.51) 4 and the upper portion of the
In this numerical simulation, in order to obtain the polarization characteristics of the transmitted light spectrum, linearly polarized light perpendicular to the longitudinal direction of the
The wavelength dispersion characteristic of the dielectric function of Al was given by the Drude model often used in the calculation of metal materials. The dimensions of the island-shaped
図5に数値シミュレーションの結果を示す。
図5(a)は、図4に記載したパラメータを用いた数値シミュレーションにより得られた透過率を、図5(b)は反射率を、図5(c)は吸収率を示している。
吸収率は数値シミュレーションから直接的には求まらないため、数値シミュレーションにより得られた透過率と反射率を用いて算出した値である。図5の凡例に示す「TM成分」とは、金属(Al)細線構造または島状の金属(Al)構造体の延伸方向に直交する偏光成分であり、「TE成分」とは、TM成分に直交する偏光成分である。
図5(a)に示すように、TE成分の透過率は値が小さく、グラフ上では透過率0の軸に重なって認識できていない。475nmから630nmの波長帯において、TM成分に高い透過率が得られるとともに、遮断されるTE成分の反射光が10%以下に低減されることが確認された。
FIG. 5 shows the result of the numerical simulation.
5A shows the transmittance obtained by the numerical simulation using the parameters shown in FIG. 4, FIG. 5B shows the reflectance, and FIG. 5C shows the absorptance.
Since the absorptivity cannot be obtained directly from the numerical simulation, it is a value calculated using the transmittance and the reflectance obtained by the numerical simulation. The “TM component” shown in the legend of FIG. 5 is a polarization component orthogonal to the extending direction of the metal (Al) fine wire structure or the island-shaped metal (Al) structure, and the “TE component” is the TM component. It is an orthogonal polarization component.
As shown in FIG. 5A, the transmittance of the TE component has a small value and cannot be recognized on the graph by overlapping with the axis of
図5(c)に示すように、同波長帯において吸収率は90%となり、遮断される側の光エネルギーの大半が島状の金属構造体もしくは金属細線構造の吸収によって熱に変換されることが確認された。金属材料は耐熱性が高く、発熱による偏光素子の劣化は生じず、低反射率であり、耐熱性・耐光性の高い偏光素子が実現できる。 As shown in FIG. 5C, the absorptance is 90% in the same wavelength band, and most of the light energy on the blocked side is converted to heat by absorption of the island-shaped metal structure or metal thin wire structure. Was confirmed. A metal material has high heat resistance, does not cause deterioration of the polarizing element due to heat generation, has a low reflectance, and can realize a polarizing element having high heat resistance and light resistance.
図6は、本発明の偏光素子における狭幅部の幅に対する依存性を確認するための数値シミュレーションのモデルを示す図であり、図7はその結果について説明する図である。
島状の金属(Al)構造体における狭幅部の効果を確認するために、狭幅部の幅(図3中のW2)を変化させた場合の透過率および反射率の変化を図4及び図5で用いたパラメータを用いてシミュレーションした。
但し、狭幅部の寸法は図6に示すように、40nm(広幅部と一致)、24nm、12nmで変化させた。
図7(a)に示すように、3つの構造において透過率の変化はほとんど観測されなかった。一方、図7(b)に示すように、反射率においては、波長500nm近傍の反射率が狭幅部の線幅の低下にともない急激に低下することがわかった。この結果、広い波長帯域にわたり低反射率を有する偏光素子が実現できていることが確認された。
FIG. 6 is a diagram showing a numerical simulation model for confirming the dependence on the width of the narrow portion in the polarizing element of the present invention, and FIG. 7 is a diagram for explaining the result.
In order to confirm the effect of the narrow portion in the island-shaped metal (Al) structure, the change in transmittance and reflectance when the width of the narrow portion (W2 in FIG. 3) is changed is shown in FIG. A simulation was performed using the parameters used in FIG.
However, as shown in FIG. 6, the dimension of the narrow width portion was changed at 40 nm (matched with the wide width portion), 24 nm, and 12 nm.
As shown in FIG. 7A, almost no change in transmittance was observed in the three structures. On the other hand, as shown in FIG. 7B, it was found that the reflectance in the vicinity of the wavelength of 500 nm rapidly decreases as the line width of the narrow portion decreases. As a result, it was confirmed that a polarizing element having a low reflectance over a wide wavelength band could be realized.
図8は、本発明の偏光素子における狭幅部の寸法に対する依存性について説明する図である。
本偏光素子の狭幅部の具体的な寸法を確認するために図6と同様のパラメータを用いた数値シミュレーションを狭幅部の線幅を変動させた場合について実施した。
変動量は、12nm〜40nm(狭幅部=広幅部)である。図8は波長496nmにおける反射率の変化をプロットしたグラフであり、狭幅部線幅が30nm以下になると反射率が急峻に変化することが確認された。本結果により、狭幅部の線幅を30nm以下、好ましくは20nm以下にすることにより、良好な低反射特性が得られることがわかった。
FIG. 8 is a diagram for explaining the dependence on the size of the narrow portion in the polarizing element of the present invention.
In order to confirm the specific dimensions of the narrow width portion of the present polarizing element, a numerical simulation using the same parameters as in FIG. 6 was carried out when the line width of the narrow width portion was varied.
The fluctuation amount is 12 nm to 40 nm (narrow portion = wide portion). FIG. 8 is a graph plotting changes in reflectivity at a wavelength of 496 nm. It was confirmed that the reflectivity changes sharply when the line width of the narrow portion is 30 nm or less. From this result, it was found that good low reflection characteristics can be obtained by setting the line width of the narrow portion to 30 nm or less, preferably 20 nm or less.
図9は、本発明の偏光素子における狭幅部の長さに対する依存性を確認するための数値シミュレーションの結果について説明する図である。
図5〜図7において用いたパラメータと同一の条件で、島状の金属構造体における狭幅部の長さ(図3中のW1)に対して、TM成分の透過率およびTE成分の反射率を算出した。
狭幅部の長さを16nmとした場合、低反射を示す波長帯域が狭まるものの平滑な反射特性が得られた。また、狭幅部の長さを長くした場合、低反射を示す波長帯域が広くなる一方で、反射率に変動が生じることがわかった。狭幅部の長さを64nmとした場合、約25%以下の反射率となり、狭幅部の長さとしては、約65nm以下を目安にすると良いことが確認できた。狭幅部の長さは、所望する低反射波長帯域に依存して最適値を取る。
FIG. 9 is a diagram for explaining the result of a numerical simulation for confirming the dependence on the length of the narrow portion in the polarizing element of the present invention.
Under the same conditions as the parameters used in FIGS. 5 to 7, the transmittance of the TM component and the reflectance of the TE component with respect to the length of the narrow portion (W1 in FIG. 3) in the island-shaped metal structure Was calculated.
When the length of the narrow portion was 16 nm, smooth reflection characteristics were obtained although the wavelength band showing low reflection narrowed. Further, it has been found that when the length of the narrow width portion is increased, the wavelength band showing low reflection becomes wide, while the reflectance varies. When the length of the narrow portion was 64 nm, the reflectance was about 25% or less, and it was confirmed that the length of the narrow portion should be about 65 nm or less. The length of the narrow portion takes an optimum value depending on the desired low reflection wavelength band.
図10及び図11は、本発明の偏光素子における狭幅部の位置に対する依存性を確認するための数値シミュレーションのモデル及び結果について説明する図である。
図5〜図7において用いたパラメータと同一の条件で、図10に示す島状の金属(Al)構造体について数値シミュレーションを実施した。
図4にて説明した金属構造体に対して、狭幅部の位置が延伸方向の軸を中心として線対称となっている。
図11(a)に示すように、透過率は、図5の数値シミュレーションとほぼ一致するが、図11(b)に示すように、反射率が波長450nmと610nm近傍にディップをもつスペクトル形状を示し、低反射特性を示す波長領域が広帯域化される。
但し、中央の反射率は約25%程度まで増加している。この結果から、島状の金属構造体の延伸方向に直交する向きの狭幅部の位置が、偏光素子の低反射波長帯域の幅に作用することを確認した。一方、島状の金属構造体の延伸方向に対し平行な向きの位置変化による効果は、中心に近づくに従い低反射波長帯域を広げるが、その効果は微小であった。
10 and 11 are diagrams for explaining a model and a result of a numerical simulation for confirming the dependency on the position of the narrow portion in the polarizing element of the present invention.
A numerical simulation was performed on the island-shaped metal (Al) structure shown in FIG. 10 under the same conditions as the parameters used in FIGS.
With respect to the metal structure described with reference to FIG. 4, the position of the narrow portion is axisymmetric about the axis in the extending direction.
As shown in FIG. 11 (a), the transmittance is almost the same as the numerical simulation of FIG. 5, but as shown in FIG. 11 (b), the reflectance has a spectral shape having a dip near wavelengths of 450 nm and 610 nm. The wavelength region exhibiting low reflection characteristics is broadened.
However, the central reflectance increases to about 25%. From this result, it was confirmed that the position of the narrow portion in the direction perpendicular to the extending direction of the island-shaped metal structure acts on the width of the low reflection wavelength band of the polarizing element. On the other hand, the effect of the position change in the direction parallel to the extending direction of the island-shaped metal structure broadens the low reflection wavelength band as it approaches the center, but the effect was very small.
上記のように、本発明の偏光素子は、反射型の偏光選択性を有する金属細線構造からなる層と、吸収型の偏光選択性を有する島状の金属構造体を二次元的に配列した層を少なくとも有し、金属構造体の形状として、島状の金属構造体に吸収特性を発現させるための広幅部と狭幅部を備えたことにより、吸収型の偏光選択構造の側から光を入射すると反射型の偏光選択構造が光進行方向における次段にあることにより、反射光が吸収型の偏光選択構造を往復することとなり、遮断する偏光成分のより多くの吸収し、反射光を低減できる。 As described above, the polarizing element of the present invention is a layer in which a layer composed of a metal thin wire structure having reflective polarization selectivity and an island-shaped metal structure having absorption polarization selectivity are two-dimensionally arranged. As a shape of the metal structure, light is incident from the side of the absorption-type polarization selective structure by providing the island-shaped metal structure with a wide portion and a narrow portion for exhibiting absorption characteristics. Then, since the reflection type polarization selection structure is in the next stage in the light traveling direction, the reflected light travels back and forth through the absorption type polarization selection structure, so that more of the blocking polarization component is absorbed and the reflected light can be reduced. .
図12及び図13に基づいて第2の実施形態を説明する。上記実施形態と同一部部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する(以下の他の実施形態において同じ)。
本実施形態に係る偏光素子16は、図1及び図2で示したのと同様に、金属材料からなる微細構造を少なくとも二層備えている。
具体的に説明すると、第1の支持体4の一方の側(上面)に金属細線構造層10が設けられ、反対側(下面)に金属構造体層6が設けられている。金属構造体層6は透明な第2の支持体8により被膜されている。
このように構成したのは、金属材料にAl材料を利用する場合、可視波長領域において低反射率を実現するためである。また、第2の支持体8により金属構造体12が保護されることにより、機械的損傷に対する耐性が向上する。
A second embodiment will be described based on FIGS. The same parts as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and unless otherwise specified, the description of the configuration and functions already described is omitted, and only the main parts will be described (the same applies to other embodiments below).
The
More specifically, the thin metal
The reason for this is to realize a low reflectance in the visible wavelength region when an Al material is used as the metal material. Further, the
本偏光素子では、図12の下方、すなわち島状の金属構造体を含む層の側から光を入射し、島状の金属構造体による金属構造体層6と、金属細線構造からなる金属細線構造層10を介して出射光を得る。
本偏光素子により反射される光は、金属構造体層6により反射される成分と、金属構造体層6を一度透過し、金属細線構造層10による反射の後、再び金属構造体層6を透過する成分、さらには、これらの多重反射による成分が重畳されて本偏光素子外に放出される。
ここで、金属細線構造層10が反射型の偏光選択機能を有し、金属構造体層6が反射光量の少ない吸収型の偏光選択機能を有することにより、金属細線構造層10からの反射光を金属構造体層6により効率良く吸収でき、反射光を低減することができる。
本偏光素子の材料構成および作製方法については、図1及び図2に示したものと全く同様である。また、島状の金属構造体の形状は、図3により説明したものと全く同様である。
In this polarizing element, light enters from the lower side of FIG. 12, that is, the side of the layer including the island-shaped metal structure, and the
The light reflected by the polarizing element is transmitted once through the
Here, the metal fine
The material configuration and manufacturing method of this polarizing element are exactly the same as those shown in FIGS. The shape of the island-like metal structure is exactly the same as that described with reference to FIG.
図14に第3の実施形態を示す。
第2の実施形態では、金属構造体層6を透明な第2の支持体8により被膜したが、被膜部分のない構成であっても構わない。
特に、短波長側において低反射特性を実現したい場合には、島状の金属構造体が剥き出しとなった構成が良好な透過および低反射特性を示す。
上記各実施形態では、支持体を第1の支持体と第2の支持対からなる構成としたが、本実施形態の偏光素子18では、支持体が第1の支持体4のみから構成されている。
FIG. 14 shows a third embodiment.
In the second embodiment, the
In particular, when it is desired to realize low reflection characteristics on the short wavelength side, the configuration in which the island-shaped metal structure is exposed exhibits good transmission and low reflection characteristics.
In each of the above-described embodiments, the support body is configured by the first support body and the second support pair. However, in the
図15に第4の実施形態を示す。
本実施形態では、金属構造体層6が、狭幅部の位置が異なる複数の島状の金属構造体を二次元的に配した構成を有していることを特徴とする。
すなわち、島状の金属構造体として、異なる位置に狭幅部を備えた複数の金属構造体を二次元平面内に周期的に配列した構成を有している。
ここでは、3つの構造(構造1、構造2、構造3)を、その位置をずらしながら配列した例を示している。
図5および図11に基づいて説明したように、狭幅部の位置を変化させると、反射率のスペクトル特性が変化するが、図11に示すように、反射率スペクトルがディップ形状をもち不均一になる。そこで、狭幅部の位置をずらした複数の金属構造体12を配置することにより、反射スペクトルが平滑化されて、良好な反射特性を得ることができる。
FIG. 15 shows a fourth embodiment.
The present embodiment is characterized in that the
That is, the island-shaped metal structure has a configuration in which a plurality of metal structures having narrow portions at different positions are periodically arranged in a two-dimensional plane.
Here, an example is shown in which three structures (Structure 1,
As described with reference to FIGS. 5 and 11, when the position of the narrow portion is changed, the spectral characteristics of the reflectance change. However, as shown in FIG. 11, the reflectance spectrum has a dip shape and is not uniform. become. Therefore, by arranging a plurality of
図16に、上記偏光素子を用いた画像表示装置(第5の実施形態)を示す。
画像表示装置としての液晶プロジェクタ30は、R、G、Bの3色の画像形成ユニット31R、31G、31Bと、光合成プリズム32と、投射レンズ33と、スクリーン34を有している。
画像形成ユニット31R、31G、31Bはそれぞれ光源35と偏光素子2と、液晶パネル36と偏光板37とが積層されて形成されている。
この液晶プロジェクタ30でスクリーン34に画像を投影するときは、各画像形成ユニット31R、31G、31Bの光源35から出射された光を偏光素子2から液晶パネル36と偏光板37を透過させた後、光合成プリズム32で合成し、合成した光を投射レンズ32によりスクリーン33に投射して画像を表示する。
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33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30を作製することができ、液晶プロジェクタ30を低価格で提供することができる。
FIG. 16 shows an image display device (fifth embodiment) using the polarizing element.
A
Each of the
When the
When displaying an image, a full-color image can be continuously projected onto the
本実施形態では、画像表示装置として液晶プロジェクタについて説明したが、偏光素子2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 present embodiment, the liquid crystal projector has been described as the image display device. However, when the
2 偏光素子
4、8 支持体
6 金属構造体層
10 金属細線構造層
11 金属細線構造
12島状の金属構造体
12a 広幅部
12b 狭幅部
2 Polarizing
Claims (9)
前記支持体に設けられ、一方向に延伸した島状の金属構造体が複数それぞれ独立した固体形状として二次元的に配された金属構造体層と、
前記支持体に、光の進行方向に前記金属構造体層と間隔をおいて設けられ、連続的な金属細線構造を周期的に配した金属細線構造層と、
を有し、前記各島状の金属構造体は、2つの広幅部と該2つの広幅部間を繋ぐ狭幅部とを有し、前記2つの広幅部と前記狭幅部は前記一方向に連なった形状を有していることを特徴とする偏光素子。 A transparent support,
Wherein provided on the support, a two-dimensionally distributing metal structure layer island-like metal structure has been stretched in one direction as a plurality independent solid shape,
A thin metal wire structure layer provided on the support at a distance from the metal structure layer in the direction of travel of light and having a continuous thin metal wire structure disposed periodically;
Each of the island-shaped metal structures has two wide portions and a narrow portion connecting the two wide portions, and the two wide portions and the narrow portion are in the one direction. A polarizing element characterized by having a continuous shape.
前記支持体が、前記金属構造体層が設けられた第1の支持体と、前記金属構造体層を被覆する第2の支持体とからなり、前記金属細線構造層は第2の支持体に設けられていることを特徴とする偏光素子。 The polarizing element according to claim 1,
The support comprises a first support provided with the metal structure layer and a second support covering the metal structure layer, and the metal fine wire structure layer is formed on the second support. A polarizing element provided.
前記金属構造体層が前記支持体の一方の側に設けられ、前記金属細線構造層は、前記支持体の光の進行方向における前記一方の側と反対側に設けられていることを特徴とする偏光素子。 The polarizing element according to claim 1,
The metal structure layer is provided on one side of the support, and the metal thin wire structure layer is provided on the opposite side to the one side in the light traveling direction of the support. Polarizing element.
前記金属構造体層が透明な支持体により被覆されていることを特徴とする偏光素子。 The polarizing element according to claim 3,
A polarizing element, wherein the metal structure layer is covered with a transparent support.
前記各島状の金属構造体は、前記光の進行方向に沿う回転軸を中心として180度回転対称の形状となるように前記狭幅部を有していることを特徴とする偏光素子。 In the polarizing element as described in any one of Claims 1-4,
Each of the island-shaped metal structures has the narrow portion so as to have a 180-degree rotational symmetry about a rotation axis along the light traveling direction .
前記各島状の金属構造体は、前記光の進行方向に沿う回転軸を中心として180度回転非対称の形状となるように前記狭幅部を有していることを特徴とする偏光素子。 In the polarizing element as described in any one of Claims 1-4,
Each of the island-shaped metal structures has the narrow portion so as to have a 180 degree rotationally asymmetric shape about a rotation axis along the light traveling direction .
前記金属構造体層は、前記狭幅部の位置が異なる複数の島状の金属構造体を二次元的に配した構成を有していることを特徴とする偏光素子。 The polarizing element according to claim 6,
The polarizing element, wherein the metal structure layer has a configuration in which a plurality of island-shaped metal structures having different positions of the narrow portions are two-dimensionally arranged.
前記狭幅部は、延伸方向及び前記光の進行方向に垂直な方向の幅が30nm以下であり、且つ、延伸方向に平行な方向の長さが65nm以下であることを特徴とする偏光素子。 In the polarizing element as described in any one of Claims 1-7,
The narrow width portion has a width in a direction perpendicular to the extending direction and the light traveling direction of 30 nm or less, and a length in a direction parallel to the extending direction is 65 nm or less.
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