JP2004246130A

JP2004246130A - Polarizing optical element

Info

Publication number: JP2004246130A
Application number: JP2003036525A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Mifune; 博庸三船
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarizing optical element for obtaining a stable optical characteristic even in a severe temperature environment in which an atmosphere temperature has a tendency to be increased owing to an increase in operating temperatures of a variety of electronic parts in equipment. <P>SOLUTION: A fine cyclic structure of a plurality of parallel grooves is disposed on a flat surface substrate of silica 1 and a silicon resin 2 is embedded into the grooves. The silica 1 has a change in a refractive index (Δn<SB>1</SB>) per 1°C of 1×10<SP>-5</SP>, however, the silicon resin 2 has an inverse characteristic such as a change in a refractive index (Δn<SB>2</SB>) per 1°C of -37×10<SP>-5</SP>, so that a constant polarization characteristic is obtained regardless of a change in a temperature, by performing mutual cancellation of both changes in the refractive indices. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光特性を有する偏光光学素子に係り、特に波長板，偏光ビームスプリッタ，偏光ミラー，光ディスク用ピックアップ，光通信用モジュールに利用する場合に好適な偏光光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造の周期が波長より十分に短い場合は、微細構造は光波に対して平均的な屈折率（等価屈折率）をもつ媒質として取り扱うことができる。また、微細構造に方向性があると「構造複屈折」と呼ばれる強い光学異方性があらわれることが知られている。（Ｍ．ＢｏｒｎａｎｄＥ．Ｗｏｌｆ， ”Ｆｏｒｍｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ” ｉｎＰｒｉｃｐｌｅｓｏｆＯｐｔｉｃｓ（ＰｅｒｇａｍｏｎＰｒｅｓｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，１９８０））
【０００３】
図８は、「構造複屈折」の原理を説明するための図である。
以下、図８に示す原理図を用いて構造複屈折を説明する。
【０００４】
偏光方向が溝に平行な光の屈折率ｎ／／と、垂直な光の屈折率ｎ⊥はそれぞれ、
【数２】

【数３】

となる。ここで、ｎ_１は微細周期構造が形成された物質の屈折率であり、ｎ_２は周期構造の溝を埋める物質の屈折率である。
【０００５】
また、ｔは微細周期構造のデューティー（ｄｕｔｙ）比であり、
【数４】

で示される。ここで、ｔ_１は屈折率ｎ_１の微細周期構造格子の幅（凸部の幅）、ｔ_２は屈折率ｎ_２の微細周期構造の凸部の幅（屈折率ｎ_１の微細周期構造の凹部すなわち溝の幅）である。
【０００６】
このように、水晶や方解石の複屈折特性は、その物質固有のものであってほとんど変えることができないものであるのに対して、「構造複屈折」は、材料（屈折率ｎ_１，ｎ_２）や形状（ｄｕｔｙ比ｔ）を変えることで複屈折特性を容易に制御することが可能である。
【０００７】
偏光方向が溝に平行な光と垂直な光との位相差（遅延量）Ｒｅは、構造複屈折の高さ（溝の深さ）をｄとすると、
【数５】

となる。
【０００８】
図９は、１／４波長板の例を示す図である。１次元周期の構造は強い複屈折性を示すので、この性質を用いて位相板を作ることができる。図９に示すように、円偏光の入射光を直線偏光の出射光にすることができる。これは、例えばシリコン基板に矩形形状をエッチングで作成するなどして作成することができる。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｍ．ＢｏｒｎａｎｄＥ．Ｗｏｌｆ， ”Ｆｏｒｍｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ” ｉｎＰｒｉｃｐｌｅｓｏｆＯｐｔｉｃｓ（ＰｅｒｇａｍｏｎＰｒｅｓｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，１９８０）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
構造複屈折を利用した偏光光学素子は、上記の式に示したように、２つの材料の屈折率、格子のｄｕｔｙ比ｔ、格子の溝の深さｄによりその特性が決まる。従って、素子の置かれている周囲の温度変化により媒質の屈折率が変化すると当然偏光特性も変化する。
【００１１】
例えば、石英（ＳｉＯ_２）では１度の温度変化により屈折率が１×１０^−５程度変化する。この変化量はごくわずかではあるが、高精度な偏光特性をもつ必要がある場合はこの変化量でさえ無視できなくなる。従って、温度変化に対して偏光特性が変わらない偏光光学素子が強く要望されている。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解消し、機器内のさまざまな電子部品の動作温度上昇により雰囲気温度が上昇する傾向があるような過酷な温度環境においても、安定した光学特性を得ることができる偏光光学素子を提供することを目的とする。
【００１３】
以下、請求項毎の目的を述べる。
請求項１記載の発明の目的は、構成される複数の材料で発生する温度変化による屈折率変化をキャンセルし、偏光特性が温度によらず一定である偏光光学素子を提供することであり、さらに周期構造間にある空気層を埋め込んでなくすことにより、温度変化に対して安定にすることである。
【００１４】
請求項２記載の発明の目的は、構成される複数の材料で発生する屈折率変化をキャンセルし、温度変化に対して一定である偏光光学素子を提供することである。
【００１５】
請求項３記載の発明の目的は、偏光光学素子自身が断熱効果を有し、かつ周期構造（構造複屈折）部分が温度分布を受けにくい素子を提供することである。
【００１６】
請求項４記載の発明の目的は、構成される複数の材料で発生する温度による屈折率変化を全てキャンセルするような特性をもち、素子自身が温度変化に対して一定である偏光光学素子を提供することである。
【００１７】
請求項５記載の発明の目的は、外界に直接接しない偏光光学素子を提供することである。
【００１８】
請求項６記載の発明の目的は、外界から受ける温度変化を小さくすることが可能な偏光光学素子を提供することである。
【００１９】
請求項７記載の発明の目的は、一定温度に制御することが可能な偏光光学素子を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を有している。
ａ）請求項１記載の発明は、使用する光の波長に比べて短い周期の平行な溝からなる微細構造を有し、該微細構造に方向性がある偏光光学素子であって、溝を形成する第１の材料とは異なる屈折率の温度特性を有する第２の材料を溝に埋め込んだことを特徴としている。
【００２１】
ｂ）請求項２記載の偏光光学素子は、請求項１記載の偏光光学素子において、第１の材料と第２の材料の屈折率の温度特性を正負逆にしたことを特徴としている。
【００２２】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の偏光光学素子において、第２の材料が微細構造の上面に層として形成された構造であることを特徴としている。
【００２３】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、第１の材料の溝を形成するための凸部の幅と溝の幅の比を次の式を満たすようにしたことを特徴としている。
ｔ_１／ｔ_２≒−〔（ｎ_２Δｎ_２）／（ｎ_１Δｎ_１）〕
ここで、ｎ_１：微細周期構造が形成された物質の屈折率、Δｎ_１：屈折率ｎ_１の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、ｎ_２：微細周期構造が形成されたもう一方の物質の屈折率、Δｎ_２：屈折率ｎ_２の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、ｔ_１：屈折率ｎ_１の微細周期構造の幅、ｔ_２：屈折率ｎ_２の微細周期構造の幅。
【００２４】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、外界から遮断する構成を有することを特徴としている。
【００２５】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項５記載の偏光光学素子において、偏光光学素子自身を一定温度に保つ断熱構造を備えたことを特徴とし、請求項７記載の発明は、請求項５記載の偏光光学素子において、偏光光学素子自身を一定温度に保つための温度制御手段を備えたことを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理を説明する。
【００２７】
構造複屈折を構成する物質の屈折率がそれぞれΔｎ_１ΔＴ，Δｎ_２ΔＴだけ変化した場合（温度がΔＴだけ変化）、偏光方向が溝に平行な光の屈折率ｎ／／’と、垂直な光の屈折率ｎ⊥’は次のように書ける。
【数６】

【数７】

ここで、Δｎ_１ΔＴ，Δｎ_２ΔＴは非常に小さく、Δｎ_１ΔＴ，Δｎ_２ΔＴの２乗は無視できるとして計算し、ｎ／／＝ｎ／／’ が成り立つ条件を求めると以下のようになる。
【００２８】
式（５）に式（３）を代入すると、
【数８】

【００２９】
（Δｎ_１ΔＴ）^２および（Δｎ_２ΔＴ）^２は無視できるので、
【数９】

【００３０】
ｎ／／＝ｎ／／’より、
【数１０】

【００３１】
ルートの中が等しいので、
【数１１】

従って、
【数１２】

この結果から、
【数１３】

【００３２】
この式（１２）からもわかるように、温度に対する屈折率変化は２つの物質で正負逆である必要がある。このような物質の組み合わせとして、石英（温度１度あたりの屈折率変化が１×１０^−５）とシリコーン樹脂（−３７×１０^−５）がある。
【００３３】
以下、本発明に係る偏光光学素子の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。（実施例１）
図１および図２は、実施例１を説明するための図である。
【００３４】
本実施例における偏光光学素子は、図１に示すように、石英１の平面基板に複数の平行した溝の微細周期構造を設け、該並行した溝にシリコーン樹脂２を埋め込んだ構成となっている。
【００３５】
先に述べたように、石英１は温度１度あたりの屈折率変化（Δｎ_１）が１×１０^−５であるのに対して、シリコーン樹脂２の温度１度あたりの屈折率変化（Δｎ_２）は−３７×１０^−５と逆の特性を示している。従って、このシリコーン樹脂２の屈折率（ｎ_２）がほぼ石英１の屈折率（ｎ_１）と等しい場合は石英１とシリコーン樹脂２の周期の比（石英１の凸部の幅と凹部（溝）の幅の比）は式（１２）より３７：１となり、また、このシリコーン樹脂２の屈折率（ｎ_２）が石英１の屈折率（ｎ_１）の０．８倍程度の場合は各物質の周期の比は同様に３０：１となる。
【００３６】
図２は図１の偏光光学素子の一部を拡大した断面図であり、石英１の平面基板に微細周期構造を設け、微細周期構造の溝を埋めるようにシリコーン樹脂２を設けた様子を示している。微細周期構造は、上述したように、式（１２）を満たすような周期となっている。なお、微細周期構造は光が透過する領域にあればよい。
【００３７】
このような微細周期構造に光が入射すると、光は偏光方向によって屈折率が異なるので、偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間に位相差が生じ、その結果、上記構成の微細周期構造は偏光光学素子として働く。
【００３８】
偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間の位相差Ｒｅは、式（４）に示した関係で溝の深さｄと関連しているので、所望の位相差Ｒｅを得るには溝の深さｄを式（４）により決まる値にすればよい。
【００３９】
次に、上述した如き実施例１に係る偏光光学素子の作成方法を説明する。
まず、石英基板にフォトリソグラフィプロセスとドライエッチングプロセスにより、複数の平行な溝を有する微細周期構造を作成する。フォトリソグラフィプロセスでは電子線描画装置あるいはステッパーなどを用いてレジストをパターニングする。
【００４０】
パターニングされたレジストの微細周期構造をドライエッチングして石英基板に微細周期構造を作成するか、または、パターニングされたレジストの微細周期構造上に金属膜を蒸着しレジストを除去し金属膜の微細周期構造を作成後、ドライエッチングするというリフトオフ法で作成する。
【００４１】
石英基板に微細周期構造を作成後、液状のシリコーン樹脂を微細周期構造が作成された石英基板上に塗布・均一化し、シリコーン樹脂を固めることにより作成する。塗布する際には気泡が入らないように脱泡などの処理を行なう。シリコーン樹脂を塗布する際にはスピンコーターを利用することができる。
【００４２】
（実施例２）
図３および図４は、実施例２を説明するための図である。
本実施例における偏光光学素子は、図３に示すように、石英１の平面基板に複数の平行した溝の微細周期構造を設け、該並行した溝およびその上にシリコーン樹脂３を設けたものである。
【００４３】
実施例１でも述べたように、石英は温度１度あたりの屈折率変化が１×１０^−５であるのに対して、シリコーン樹脂は−３７×１０^−５と逆の特性を示している。従って、このシリコーン樹脂３の屈折率（ｎ_２）がほぼ石英の屈折率（ｎ_１）と等しい場合は石英とシリコーン樹脂の周期の比は式（１２）より３７：１となり、また、このシリコーン樹脂の屈折率が石英のの屈折率の０．８倍程度の場合は各物質の周期の比は同様に３０：１となる。
【００４４】
図４は図３の偏光光学素子の一部を拡大した断面図であり、石英１の平面基板に微細周期構造を設け、微細周期構造の溝を埋め、さらにこれらを覆うようにシリコーン樹脂３が設けられている。微細周期構造は、上述したように、式（１２）を満たすような周期となっている。なお、微細周期構造は光が透過する領域にあればよい。
【００４５】
このような微細周期構造に光が入射すると、光は偏光方向によって屈折率が異なるので、偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間に位相差が生じ、その結果、上記構成の微細周期構造は偏光光学素子として働く。
【００４６】
偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間の位相差Ｒｅは、式（４）に示した関係で溝の深さｄと関連しているので、所望の位相差Ｒｅを得るには溝の深さｄを式（４）により決まる値にすればよい。
【００４７】
このとき、微細周期構造の上に覆われるシリコーン樹脂の層の厚さ自体は位相差には寄与しないので任意の厚さでよい。ただし、その表面は収差の影響を及ぼさないよう平坦にしておく必要がある。なお、偏光光学素子の両面に、使用する波長に対して反射防止コートを設ければ光の効率化を図れる。
【００４８】
次に、上述した如き実施例１に係る偏光光学素子の作成方法を説明する。
まず、石英基板にフォトリソグラフィプロセスとドライエッチングプロセスにより、複数の平行な溝を有する微細周期構造を作成する。フォトリソグラフィプロセスでは電子線描画装置あるいはステッパーなどを用いてレジストをパターニングする。
【００４９】
パターニングされたレジストの微細周期構造をドライエッチングして石英基板に微細周期構造を作成するか、または、パターニングされたレジストの微細周期構造上に金属膜を蒸着しレジストを除去し金属膜の微細周期構造を作成後、ドライエッチングするというリフトオフ法で作成する。
【００５０】
石英基板に微細周期構造を作成後、液状のシリコーン樹脂を微細周期構造が作成された石英基板上に塗布・均一化し、シリコーン樹脂を固めることにより作成する。塗布する際には気泡が入らないように脱泡などの処理を行なう。
【００５１】
シリコーン樹脂を塗布する際にはスピンコーターを利用して、微細周期構造の深さよりも十分な厚さを塗布しておき、印刷や液晶作成で利用するようなスキージの利用あるいは硬化後研磨を行い平坦な面を作成する。
【００５２】
（実施例３）
図５および図６は、実施例３を説明するための図である。
本実施例の構成は、実施例１あるいは２の偏光光学素子と、偏光光学素子の全体を断熱材で覆う構造からなっている。
【００５３】
ただし、光の通過する部分（図５中のＡ）にはガラスを用い、断熱材は光の通過しない部分だけとなっている。このガラスには使用する波長に対する反射防止コートが設けてある。偏光光学素子１０とガラス１２の間には空気層があってもよく、また偏光光学素子１０とガラス１２が直接接していても構わない。
【００５４】
なお、断熱材としては発泡スチレン、発泡ウレタン、ガラス繊維などがあり、光の入射領域と出射領域を除いて素子全体を覆うような構造中に断熱材を入れている。
【００５５】
図６は図５のＢ−Ｂの断面図であり、偏光光学素子１０の全体が断熱材１１（一部ガラス１２）で覆われていることを示している。光の通過する部分に使用するガラス１２としてはできるだけ断熱効果が得られるようなものを選択する。特に、ガラスだけでも断熱効果が十分であれば、ガラスだけで偏光光学素子を覆うような構造としても構わない。
【００５６】
本実施例における偏光光学素子１０は断熱材１１で覆われているので、外の温度変化に対して内部の温度変化を非常に小さくすることができる。断熱部を十分に取ることにより、断熱の効果を大きくすることができる。光はガラス１２を通して偏光光学素子１０に入射し、偏光光学素子１０で偏光され、反対側のガラス１２を通って出射される。
【００５７】
（実施例４）
図７は、実施例４を説明するための図であり、断面図を示している。
本実施例は、図７に示したように、上述した実施例３の構成に加えて、構造複屈折を構成する偏光光学素子１０の光が透過しない部分にペルチェ素子（熱電冷却素子）１３を設けた点を特徴としている。
【００５８】
ペルチェ素子１３としては、異なった種類の金属の接触面を通して弱電流が流れた時に、熱が発生もしくは吸収される現象であるペルチェ効果を用いる。例えば、代表的なものとしてｐ型とｎ型の半導体で構成されたものがある。
【００５９】
偏光光学素子１０の光の通らない部分に、例えば金属膜を設けて熱伝導性を高める。これは金属膜でなくても樹脂材料例えばシリコングリースなど熱伝導性の高いものであればよい。この部分にペルチェ素子１３を配置し、さらに断熱材１１をその上に設けている。ペルチェ素子１３には、図７には示していないが、定電流駆動装置からの電流が流れるような配線が設けられることはいうまでもない。
【００６０】
このペルチェ素子１３に常に一定の電流を流すことにより、ペルチェ素子１３が一定の温度に保たれ、ペルチェ素子１３の温度を通して偏光光学素子１０が一定の温度になるように制御される。
【００６１】
なお、上記実施例の変形例として、偏光光学素子１０の温度を測定するために、熱電対などの温度計測手段を設けて、偏光光学素子１０の温度を計測し、この信号を定電流駆動装置にフィードバックさせることによって、設定する温度に一定に保つことができる。これによって、偏光光学素子１０の偏光特性をより正確に設定することが可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
以下、本発明の効果を請求項毎に述べる。
【００６３】
（１）請求項１に対応する効果
請求項１記載の発明によれば、温度特性の異なる材料を組み合わせることにより、温度変化によらずほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができ、急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６４】
（２）請求項２に対応する効果
請求項２記載の発明によれば、温度特性の異なる材料として、正負逆の屈折率変化をもつ材料を組み合わせることにより、温度変化による変化成分を打ち消し合いほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができ、急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。
【００６５】
また、２つの材料からなる微細周期構造を１枚の基板上に加工できるため、コストを抑えることができる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６６】
（３）請求項３に対応する効果
請求項３記載の発明によれば、基板に対して微細周期構造を埋め込んだ材料の層を微細周期構造を作成した基板上に設けることにより、微細周期構造部分と外界が材料の層を介することになり、その断熱効果により急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６７】
（４）請求項４に対応する効果
請求項４記載の発明によれば、温度に対する屈折率の変化をほとんどキャンセルすることができ、急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６８】
（５）請求項５に対応する効果
請求項５記載の発明によれば、素子を外気から隔離することにより、温度によらずほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができる。
【００６９】
（６）請求項６に対応する効果
請求項６記載の発明によれば、断熱材で素子を包み込むようにすることにより、外気の温度変化の影響が小さくなり外界温度によらずほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができる。
【００７０】
（７）請求項７に対応する効果
請求項７記載の発明によれば、素子自身の温度を制御することにより素子自身の温度を一定に保つことができ、ほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図２】図１の偏光光学素子の一部の拡大断面図である。
【図３】実施例２に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図４】図３の偏光光学素子の一部の拡大断面図である。
【図５】実施例３に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図６】図５のＢ−Ｂの断面図である。
【図７】実施例４に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図８】「構造複屈折」の原理を説明するための図である。
【図９】１／４波長板の例を示す図である。
【符号の説明】
１：石英、
２，３：シリコーン樹脂、
１０：偏光光学素子、
１１：断熱材、
１２：ガラス、
１３：ペルチェ素子。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization optical element having polarization characteristics, and particularly to a polarization optical element suitable for use in a wavelength plate, a polarization beam splitter, a polarization mirror, an optical disk pickup, and an optical communication module.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when the period of the structure is sufficiently shorter than the wavelength, the fine structure can be treated as a medium having an average refractive index (equivalent refractive index) for a light wave. It is also known that if the microstructure has directionality, strong optical anisotropy called “structural birefringence” appears. (M. Born and E. Wolf, "Form birefringence" in Priples of Optics (Pergamon Press, Oxford, 1980))
[0003]
FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of “structural birefringence”.
Hereinafter, structural birefringence will be described with reference to the principle diagram shown in FIG.
[0004]
The refractive index n // of the light whose polarization direction is parallel to the groove and the refractive index n⊥ of the perpendicular light are respectively
(Equation 2)

[Equation 3]

It becomes. Here, n ₁ is the refractive index of the substance on which the fine periodic structure is formed, and n ₂ is the refractive index of the substance filling the groove of the periodic structure.
[0005]
Also, t is a duty ratio of the fine periodic structure,
(Equation 4)

Indicated by Here, t ₁ is the width of the fine periodic structure lattice having the refractive index n ₁ (width of the convex portion), and t ₂ is the width of the convex portion of the fine periodic structure having the refractive index n _{2 (} the fine periodic structure having the refractive index n ₁ ). Concave portion, ie, the width of the groove).
[0006]
As described above, the birefringence characteristics of quartz and calcite are specific to the substance and hardly changeable, whereas “structural birefringence” is the material (refractive index n ₁ , n ₂ ) And the shape (duty ratio t) can be easily controlled.
[0007]
The phase difference (delay amount) Re between the light whose polarization direction is parallel to the groove and the light perpendicular to the groove is given by the height of structural birefringence (the depth of the groove) as d.
(Equation 5)

It becomes.
[0008]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a 波長 wavelength plate. Since a one-dimensional periodic structure exhibits strong birefringence, a phase plate can be made using this property. As shown in FIG. 9, the circularly polarized incident light can be converted to linearly polarized outgoing light. This can be created, for example, by creating a rectangular shape on a silicon substrate by etching.
[0009]
[Non-patent document 1]
M. Born and E.A. Wolf, "Form birefringence" in Priples of Optics (Pergamon Press, Oxford, 1980).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in the above equation, the characteristics of the polarizing optical element utilizing structural birefringence are determined by the refractive indexes of the two materials, the duty ratio t of the grating, and the depth d of the groove of the grating. Therefore, if the refractive index of the medium changes due to a change in the temperature around the element, the polarization characteristic naturally changes.
[0011]
For example, in quartz (SiO ₂ ), the refractive index changes by about 1 × 10 ⁻⁵ by one degree of temperature change. Although the amount of this change is very small, even if it is necessary to have highly accurate polarization characteristics, this amount of change cannot be ignored. Therefore, there is a strong demand for a polarization optical element whose polarization characteristics do not change with temperature changes.
[0012]
The present invention solves the above-mentioned problems, and can provide stable optical characteristics even in a harsh temperature environment in which the ambient temperature tends to increase due to an increase in the operating temperature of various electronic components in the device. An object is to provide an optical element.
[0013]
The purpose of each claim is described below.
An object of the invention described in claim 1 is to provide a polarization optical element which cancels a change in refractive index due to a temperature change occurring in a plurality of constituent materials, and has a polarization characteristic which is constant regardless of temperature. The purpose is to stabilize against a temperature change by not embedding an air layer between the periodic structures.
[0014]
It is an object of the present invention to provide a polarizing optical element which cancels a change in refractive index caused by a plurality of constituent materials and is constant with respect to a temperature change.
[0015]
It is an object of the present invention to provide an element in which a polarizing optical element itself has a heat insulating effect and a periodic structure (structural birefringence) portion is hardly subjected to temperature distribution.
[0016]
An object of the invention described in claim 4 is to provide a polarization optical element having a characteristic of canceling all changes in refractive index due to temperature generated by a plurality of constituent materials, and the element itself being constant with respect to temperature change. It is to be.
[0017]
It is an object of the present invention to provide a polarizing optical element which does not directly contact the outside.
[0018]
An object of the invention described in claim 6 is to provide a polarizing optical element capable of reducing a temperature change received from the outside.
[0019]
An object of the invention described in claim 7 is to provide a polarizing optical element that can be controlled at a constant temperature.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following configuration to achieve the above object.
a) The invention according to claim 1 is a polarizing optical element having a microstructure composed of parallel grooves having a shorter cycle than the wavelength of light to be used, wherein the microstructure has directionality, wherein the grooves are formed. A second material having a temperature characteristic of a refractive index different from that of the first material is embedded in the groove.
[0021]
b) The polarizing optical element according to claim 2 is characterized in that, in the polarizing optical element according to claim 1, the temperature characteristics of the refractive indexes of the first material and the second material are reversed.
[0022]
c) The invention according to claim 3 is the polarizing optical element according to claim 1 or 2, wherein the second material has a structure formed as a layer on the upper surface of the microstructure.
[0023]
d) The invention according to claim 4 is the polarizing optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the ratio of the width of the convex portion to the width of the groove for forming the groove of the first material is set to be equal to the width of the groove. It is characterized by satisfying the following equation.
t ₁ / t ₂ ≒ − [(n ₂ Δn ₂ ) / (n ₁ Δn ₁ )]
Here, n ₁ : refractive index of the substance on which the fine periodic structure is formed, Δn ₁ : refractive index change per degree of temperature change of the substance with the refractive index n ₁ , n ₂ : the other on which the fine periodic structure is formed Δn ₂ : refractive index change per degree of temperature change of the substance with refractive index n ₂ , t ₁ : width of fine periodic structure with refractive index n ₁ , t ₂ : fine period with refractive index n ₂ Structure width.
[0024]
e) According to a fifth aspect of the present invention, in the polarizing optical element according to any one of the first to fourth aspects, the polarizing optical element has a configuration for shielding from the outside.
[0025]
f) The invention according to claim 6 is the polarization optical element according to claim 5, further comprising a heat insulating structure for keeping the polarization optical element itself at a constant temperature. The above-described polarizing optical element is characterized in that a temperature controlling means for keeping the polarizing optical element itself at a constant temperature is provided.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the principle of the present invention will be described.
[0027]
When the refractive indices of the substances constituting the structural birefringence change by Δn ₁ ΔT and Δn ₂ ΔT (temperature changes by ΔT), the refractive index n // ′ of the light whose polarization direction is parallel to the groove is perpendicular to the refractive index n // ′. The refractive index n⊥ 'of light can be written as follows.
(Equation 6)

(Equation 7)

Here, Δn ₁ ΔT and Δn ₂ ΔT are very small, and the calculation is performed assuming that the squares of Δn ₁ ΔT and Δn ₂ ΔT can be neglected, and a condition where n // = n // ′ is satisfied is obtained as follows. Become.
[0028]
Substituting equation (3) into equation (5) gives
(Equation 8)

[0029]
Since (Δn ₁ ΔT) ² and (Δn ₂ ΔT) ² are negligible,
(Equation 9)

[0030]
From n // = n // ',
(Equation 10)

[0031]
Since the inside of the route is equal,
[Equation 11]

Therefore,
(Equation 12)

from this result,
(Equation 13)

[0032]
As can be seen from equation (12), the refractive index change with temperature needs to be opposite for two substances. As a combination of such substances, there are quartz (the refractive index change per 1 degree of temperature is 1 × 10 ⁻⁵ ) and silicone resin (−37 × 10 ⁻⁵ ).
[0033]
Hereinafter, embodiments of the polarizing optical element according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. (Example 1)
1 and 2 are diagrams for explaining the first embodiment.
[0034]
As shown in FIG. 1, the polarizing optical element in this embodiment has a structure in which a fine periodic structure of a plurality of parallel grooves is provided on a flat substrate of quartz 1 and a silicone resin 2 is embedded in the parallel grooves. .
[0035]
As described above, quartz 1 has a refractive index change per temperature of 1 degree (Δn ₁ ) of 1 × 10 ⁻⁵ , whereas silicone resin 2 has a change in refractive index per temperature of 1 degree (Δn _2). ) Indicates a characteristic opposite to −37 × 10 ⁻⁵ . Accordingly, when the refractive index (n ₂ ) of the silicone resin 2 is substantially equal to the refractive index (n ₁ ) of the quartz 1, the ratio of the period of the quartz 1 to the silicone resin 2 (the width of the convex portion of the quartz 1 and the concave portion (groove) ) Is 37: 1 from the formula (12), and when the refractive index (n ₂ ) of the silicone resin 2 is about 0.8 times the refractive index (n ₁ ) of the quartz 1, The ratio of the periods of the substances is likewise 30: 1.
[0036]
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of the polarization optical element of FIG. 1 and shows a state in which a fine periodic structure is provided on a flat substrate of quartz 1 and a silicone resin 2 is provided so as to fill grooves of the fine periodic structure. ing. As described above, the fine periodic structure has a period that satisfies Expression (12). Note that the fine periodic structure only needs to be in a region where light is transmitted.
[0037]
When light is incident on such a fine periodic structure, the light has a different refractive index depending on the polarization direction, so that a phase difference occurs between light parallel to the groove of the fine periodic structure and light perpendicular to the groove of the fine periodic structure. The fine periodic structure having the above structure functions as a polarizing optical element.
[0038]
Since the phase difference Re between the light whose polarization direction is parallel to and perpendicular to the groove of the fine periodic structure is related to the depth d of the groove in the relationship shown in Expression (4), the desired phase difference Re is obtained. In order to obtain Re, the depth d of the groove may be set to a value determined by the equation (4).
[0039]
Next, a method for manufacturing the polarizing optical element according to Example 1 as described above will be described.
First, a fine periodic structure having a plurality of parallel grooves is formed on a quartz substrate by a photolithography process and a dry etching process. In the photolithography process, the resist is patterned using an electron beam lithography apparatus or a stepper.
[0040]
Either dry-etch the fine periodic structure of the patterned resist to create a fine periodic structure on the quartz substrate, or deposit a metal film on the fine periodic structure of the patterned resist and remove the resist to remove the fine periodic structure of the metal film. After the structure is formed, it is formed by a lift-off method of performing dry etching.
[0041]
After the fine periodic structure is formed on the quartz substrate, the liquid silicone resin is applied and uniformized on the quartz substrate on which the fine periodic structure is formed, and the silicone resin is solidified. At the time of coating, a treatment such as defoaming is performed so that air bubbles do not enter. When applying the silicone resin, a spin coater can be used.
[0042]
(Example 2)
3 and 4 are diagrams for explaining the second embodiment.
As shown in FIG. 3, the polarizing optical element in the present embodiment has a fine periodic structure of a plurality of parallel grooves provided on a flat substrate of quartz 1 and the parallel grooves and a silicone resin 3 provided thereon. is there.
[0043]
As described in Embodiment 1, quartz has a refractive index change of 1 × 10 ⁻⁵ per 1 degree of temperature, whereas silicone resin has the opposite characteristic of −37 × 10 ⁻⁵ . Therefore, when the refractive index (n ₂ ) of the silicone resin 3 is substantially equal to the refractive index (n ₁ ) of quartz, the ratio of the period between quartz and the silicone resin is 37: 1 according to equation (12), and When the refractive index of the resin is about 0.8 times the refractive index of quartz, the ratio of the periods of the respective substances is similarly 30: 1.
[0044]
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a part of the polarizing optical element of FIG. 3, in which a fine periodic structure is provided on a flat substrate of quartz 1, a groove of the fine periodic structure is filled, and a silicone resin 3 is further covered to cover these. Is provided. As described above, the fine periodic structure has a period that satisfies Expression (12). Note that the fine periodic structure only needs to be in a region where light is transmitted.
[0045]
When light is incident on such a fine periodic structure, the light has a different refractive index depending on the polarization direction, so that a phase difference occurs between light parallel to the groove of the fine periodic structure and light perpendicular to the groove of the fine periodic structure. The fine periodic structure having the above structure functions as a polarizing optical element.
[0046]
Since the phase difference Re between the light whose polarization direction is parallel to and perpendicular to the groove of the fine periodic structure is related to the depth d of the groove in the relationship shown in Expression (4), the desired phase difference Re is obtained. In order to obtain Re, the depth d of the groove may be set to a value determined by the equation (4).
[0047]
At this time, the thickness of the silicone resin layer covered on the fine periodic structure itself does not contribute to the phase difference, and thus may be any thickness. However, its surface needs to be flat so as not to affect the aberration. In addition, if an antireflection coating is provided on both surfaces of the polarizing optical element with respect to the wavelength to be used, light efficiency can be improved.
[0048]
Next, a method for manufacturing the polarizing optical element according to Example 1 as described above will be described.
First, a fine periodic structure having a plurality of parallel grooves is formed on a quartz substrate by a photolithography process and a dry etching process. In the photolithography process, the resist is patterned using an electron beam lithography apparatus or a stepper.
[0049]
Either dry-etch the fine periodic structure of the patterned resist to create a fine periodic structure on the quartz substrate, or deposit a metal film on the fine periodic structure of the patterned resist and remove the resist to remove the fine periodic structure of the metal film. After the structure is formed, it is formed by a lift-off method of performing dry etching.
[0050]
After the fine periodic structure is formed on the quartz substrate, the liquid silicone resin is applied and uniformized on the quartz substrate on which the fine periodic structure is formed, and the silicone resin is solidified. At the time of coating, a treatment such as defoaming is performed so that air bubbles do not enter.
[0051]
When applying the silicone resin, use a spin coater to apply a sufficient thickness than the depth of the fine periodic structure, and then use a squeegee used for printing or liquid crystal creation or polish after curing. Create a flat surface.
[0052]
(Example 3)
5 and 6 are diagrams for explaining the third embodiment.
The configuration of the present embodiment includes the polarization optical element of the first or second embodiment and a structure in which the entire polarization optical element is covered with a heat insulating material.
[0053]
However, glass is used for the portion through which light passes (A in FIG. 5), and the heat insulating material is only the portion through which light does not pass. This glass is provided with an antireflection coating for the wavelength used. An air layer may be provided between the polarizing optical element 10 and the glass 12, or the polarizing optical element 10 and the glass 12 may be in direct contact.
[0054]
Note that the heat insulating material includes foamed styrene, urethane foam, glass fiber, and the like. The heat insulating material is placed in a structure that covers the entire element except for the light incident area and the light emitting area.
[0055]
FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 5 and shows that the entire polarizing optical element 10 is covered with a heat insulating material 11 (partially glass 12). As the glass 12 used in the portion through which light passes, a glass that can provide a heat insulating effect as much as possible is selected. In particular, if only the glass has a sufficient heat insulating effect, a structure in which the polarizing optical element is covered with the glass alone may be employed.
[0056]
Since the polarizing optical element 10 in this embodiment is covered with the heat insulating material 11, the internal temperature change can be made very small with respect to the external temperature change. By taking a sufficient heat insulation part, the effect of heat insulation can be increased. Light enters the polarizing optical element 10 through the glass 12, is polarized by the polarizing optical element 10, and exits through the opposite glass 12.
[0057]
(Example 4)
FIG. 7 is a diagram for explaining the fourth embodiment, and shows a cross-sectional view.
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, in addition to the configuration of the third embodiment described above, a Peltier element (thermoelectric cooling element) 13 is provided at a portion of the polarization optical element 10 constituting the structural birefringence where light does not transmit. The feature is that it is provided.
[0058]
The Peltier element 13 uses the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat is generated or absorbed when a weak current flows through contact surfaces of different types of metals. For example, as a typical example, there is a semiconductor device composed of p-type and n-type semiconductors.
[0059]
For example, a metal film is provided on a portion of the polarization optical element 10 through which light does not pass to increase thermal conductivity. This need not be a metal film but may be any resin material such as silicon grease having a high thermal conductivity. The Peltier element 13 is arranged in this portion, and the heat insulating material 11 is further provided thereon. Although not shown in FIG. 7, it is needless to say that the Peltier element 13 is provided with a wiring through which a current from the constant current driving device flows.
[0060]
By constantly supplying a constant current to the Peltier element 13, the Peltier element 13 is maintained at a constant temperature, and the temperature of the Peltier element 13 is controlled so that the polarization optical element 10 has a constant temperature.
[0061]
As a modification of the above embodiment, a temperature measuring means such as a thermocouple is provided to measure the temperature of the polarizing optical element 10, and the temperature of the polarizing optical element 10 is measured. , The temperature can be kept constant at the set temperature. This makes it possible to more accurately set the polarization characteristics of the polarization optical element 10.
[0062]
【The invention's effect】
Hereinafter, the effects of the present invention will be described for each claim.
[0063]
(1) Effects Corresponding to Claim 1 According to the invention described in claim 1, by combining materials having different temperature characteristics, it is possible to obtain an element having substantially constant polarization characteristics regardless of temperature changes. Almost constant polarization characteristics can be obtained irrespective of the external environment temperature such as a sudden temperature change. Further, by embedding the material in the fine periodic structure, the device is not affected by air between the fine periodic structures, so that an element having more stable polarization characteristics can be obtained.
[0064]
(2) Effects corresponding to the second aspect According to the second aspect of the present invention, as materials having different temperature characteristics, materials having positive and negative refraction index changes are combined to substantially cancel out the change component due to the temperature change. An element having a constant polarization characteristic can be obtained, and a substantially constant polarization characteristic can be obtained irrespective of an external environmental temperature such as a sudden temperature change.
[0065]
Further, the fine periodic structure made of two materials can be processed on one substrate, so that the cost can be reduced. Further, by embedding the material in the fine periodic structure, the device is not affected by air between the fine periodic structures, so that an element having more stable polarization characteristics can be obtained.
[0066]
According to the third aspect of the present invention, a layer of a material in which a fine periodic structure is embedded in a substrate is provided on the substrate on which the fine periodic structure has been formed, thereby providing a fine periodic structure. The part and the external world are interposed through the layer of the material, and a substantially constant polarization characteristic can be obtained irrespective of the external environmental temperature such as a rapid temperature change due to the heat insulating effect. Further, by embedding the material in the fine periodic structure, the device is not affected by air between the fine periodic structures, so that an element having more stable polarization characteristics can be obtained.
[0067]
(4) Effects Corresponding to Claim 4 According to the invention described in Claim 4, a change in the refractive index with respect to temperature can be almost canceled, and a substantially constant polarization characteristic regardless of an external environmental temperature such as a rapid temperature change. Is obtained. Further, by embedding the material in the fine periodic structure, the device is not affected by air between the fine periodic structures, so that an element having more stable polarization characteristics can be obtained.
[0068]
(5) Effects Corresponding to Claim 5 According to the invention described in claim 5, by isolating the element from the outside air, an element having substantially constant polarization characteristics regardless of temperature can be obtained.
[0069]
(6) Effect Corresponding to Claim 6 According to the invention described in Claim 6, by wrapping the element with a heat insulating material, the influence of a temperature change of the outside air is reduced, and the polarization is substantially constant regardless of the outside temperature. An element having characteristics can be obtained.
[0070]
(7) Effects Corresponding to Claim 7 According to the invention described in claim 7, the temperature of the element itself can be kept constant by controlling the temperature of the element itself, and the element having substantially constant polarization characteristics It can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a structure of a polarizing optical element according to a first embodiment.
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a part of the polarization optical element of FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining a structure of a polarization optical element according to Example 2.
FIG. 4 is an enlarged sectional view of a part of the polarization optical element of FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining a structure of a polarizing optical element according to a third embodiment.
FIG. 6 is a sectional view taken along line BB of FIG. 5;
FIG. 7 is a view for explaining the structure of a polarizing optical element according to Example 4.
FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of “structural birefringence”.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a 波長 wavelength plate.
[Explanation of symbols]
1: quartz,
2,3: silicone resin,
10: polarizing optical element,
11: thermal insulation,
12: glass,
13: Peltier element.

Claims

使用する光の波長に比べて短い周期の平行な溝からなる微細構造を有し、該微細構造に方向性がある偏光光学素子であって、
前記溝を形成する第１の材料とは異なる屈折率の温度特性を有する第２の材料を前記溝に埋め込んだことを特徴とする偏光光学素子。A polarizing optical element having a microstructure consisting of parallel grooves having a shorter cycle than the wavelength of light to be used, and the microstructure has directionality,
A polarizing optical element, wherein a second material having a temperature characteristic of a refractive index different from that of the first material forming the groove is embedded in the groove.

請求項１記載の偏光光学素子において、
前記第１の材料と第２の材料の屈折率の温度特性が正負逆であることを特徴とする偏光光学素子。The polarizing optical element according to claim 1,
A polarization optical element, wherein the temperature characteristics of the refractive index of the first material and that of the second material are opposite to each other.

請求項１または２記載の偏光光学素子において、
前記第２の材料が前記微細構造の上面に層として形成された構造であることを特徴とする偏光光学素子。The polarizing optical element according to claim 1 or 2,
A polarizing optical element, wherein the second material has a structure formed as a layer on an upper surface of the fine structure.

請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、
前記第１の材料の前記溝を形成するための凸部の幅と前記溝の幅の比が次の式を満たすようにしたことを特徴とする偏光光学素子。

ここで、
ｎ_１：微細周期構造が形成された物質の屈折率、
Δｎ_１：屈折率ｎ_１の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、
ｎ_２：微細周期構造が形成されたもう一方の物質の屈折率、
Δｎ_２：屈折率ｎ_２の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、
ｔ_１：屈折率ｎ_１の微細周期構造の幅、
ｔ_２：屈折率ｎ_２の微細周期構造の幅。The polarizing optical element according to any one of claims 1 to 3,
A polarizing optical element, wherein a ratio of a width of a convex portion for forming the groove of the first material to a width of the groove satisfies the following expression.

here,
n ₁ : refractive index of the substance on which the fine periodic structure is formed,
Δn ₁ : refractive index change per degree of temperature change of a substance having a refractive index n ₁ ,
n ₂ : refractive index of the other substance on which the fine periodic structure is formed,
Δn ₂ : change in refractive index per degree change in temperature of a substance having a refractive index n ₂ ,
t ₁ : width of the fine periodic structure having the refractive index n ₁
t ₂ : width of the fine periodic structure having the refractive index n ₂ .

請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、
前記偏光光学素子は、外界から遮断する構成を有することを特徴とする偏光光学素子。The polarizing optical element according to any one of claims 1 to 4,
The polarizing optical element is characterized in that the polarizing optical element has a configuration of shielding from the outside.

請求項５記載の偏光光学素子において、
前記偏光光学素子自身を一定温度に保つ断熱構造を備えたことを特徴とする偏光光学素子。The polarizing optical element according to claim 5,
A polarizing optical element comprising a heat insulating structure for keeping the polarizing optical element itself at a constant temperature.

請求項５記載の偏光光学素子において、
前記偏光光学素子自身を一定温度に保つための温度制御手段を備えたことを特徴とする偏光光学素子。The polarizing optical element according to claim 5,
A polarizing optical element comprising a temperature control means for keeping the polarizing optical element itself at a constant temperature.