JP4920996B2 - Light control element, display device and stress measuring device - Google Patents

Light control element, display device and stress measuring device Download PDF

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本発明は、外部制御手段により光学応答特性を制御する機能を有する光制御素子に関するものであり、さらには、前記光制御素子を利用した表示装置、及び、前記光制御素子を利用して、微小な変形、変位を光学的に測定する応力測定装置に関する。   The present invention relates to a light control element having a function of controlling an optical response characteristic by an external control means, and further, a display device using the light control element, and a minute amount using the light control element. The present invention relates to a stress measuring apparatus that optically measures various deformations and displacements.

液晶ディスプレイやプロジェクタ装置は、電気的に、または機械的に光源からの光を遮断する、または透過させる機構を有している。液晶パネルを用いた装置では、液晶分子の配向で偏光面の回転を制御し、液晶パネルを挟んだ二枚の偏光板によりＯＮ／ＯＦＦを制御する。また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いるものでは、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）と呼ばれる微小なミラーを静電気力により高速に動かすことにより、ＯＮ／ＯＦＦを切り替えている。   A liquid crystal display and a projector device have a mechanism for electrically or mechanically blocking or transmitting light from a light source. In an apparatus using a liquid crystal panel, the rotation of the polarization plane is controlled by the orientation of liquid crystal molecules, and ON / OFF is controlled by two polarizing plates sandwiching the liquid crystal panel. Also, in a device using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, ON / OFF is switched by moving a minute mirror called DMD (Digital Micro-mirror Device) at high speed by electrostatic force.

液晶を利用する表示装置では、液晶分子をはじめ、配向膜、偏光板など、偏光を制御する素子は一般的に有機材料で構成されている。例えば偏光板は、ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収二色性を発現させるものが多用されているが、表示素子の高輝度化、高コントラスト化の要求に対して、有機材料は耐光性、耐熱性が弱いという課題がある。これを回避するために、金属細線による偏光板（ナノワイヤグリッド偏光板）などが利用されている。配向膜や液晶分子自身も有機材料により構成されており、耐光性、耐熱性が十分に高いとは言えない。したがって、液晶を利用する表示装置では、使用温度条件に制限がある、冷風機構が必要となる、といった課題があり、プロジェクタ装置のような高輝度および高コントラストの表示装置を実現することは困難である。また、液晶パネルは粘性のある液体中で液晶分子を電位に沿って配向させているが、その応答速度が遅いといった課題もある。また、液晶パネルを用いた表示装置では、カラー表示の際に赤、緑、青（以下、ＲＧＢと記す）の３つの波長の光をダイクロイックミラーにより分離し、それぞれの光に対して液晶パネルで画像処理を行い、再びプリズムを介して３つの波長の光を合成している。しかし、この表示装置では、偏光板やダイクロイックミラー、フィルタなど、多数の光学素子が必要となり、生産コストが高くなる。また、ＲＧＢの各波長の光を分岐する必要から、空間的なスペースが必要となり、装置の小型化が困難である。   In a display device using liquid crystal, elements that control polarization, such as liquid crystal molecules, alignment films, and polarizing plates, are generally composed of organic materials. For example, polarizing plates are often used to develop absorption dichroism by dyeing and adsorbing dichroic materials such as iodine and organic dyes on a substrate film such as polyvinyl alcohol and highly stretching and orienting them. However, organic materials have a problem that light resistance and heat resistance are weak in response to demands for higher luminance and higher contrast of display elements. In order to avoid this, a polarizing plate (nanowire grid polarizing plate) using a thin metal wire is used. The alignment film and the liquid crystal molecules themselves are also made of an organic material and cannot be said to have sufficiently high light resistance and heat resistance. Therefore, the display device using liquid crystal has a problem that the operating temperature condition is limited and a cold air mechanism is required, and it is difficult to realize a display device with high brightness and high contrast like a projector device. is there. In addition, the liquid crystal panel aligns liquid crystal molecules along a potential in a viscous liquid, but there is a problem that the response speed is slow. In a display device using a liquid crystal panel, light of three wavelengths of red, green, and blue (hereinafter referred to as RGB) is separated by a dichroic mirror during color display, and each light is separated by a liquid crystal panel. Image processing is performed, and light of three wavelengths is again synthesized through the prism. However, this display device requires a large number of optical elements such as a polarizing plate, a dichroic mirror, and a filter, resulting in an increase in production cost. Further, since it is necessary to branch light of each wavelength of RGB, a spatial space is required, and it is difficult to reduce the size of the apparatus.

一方、ＭＥＭＳ技術を用いたプロジェクタ等の表示装置も広く利用されている。このタイプの表示装置は、カラーホイールと呼ばれるＲＧＢの三つの波長に対応する波長フィルタを有する素子を回転させ、各波長の光を時分割してＤＭＤに入射させる。ＤＭＤは反射角を入射光の色に同期して切り替えることによりＯＮ／ＯＦＦを制御し、画像情報処理を行う。このような装置では、一度に処理できる光は、単一波長に限られるために、入射光に対し利用できる光量は必然的に１／３となり、光利用効率が低いという欠点がある。また、ＭＥＭＳデバイスは可動部分が存在するために、摩擦による加熱があり、劣化の問題を避けられない。さらには、ＭＥＭＳデバイスはデバイス構造に依存した共振周波数で走査するため、その動作速度に固有の制限がある。   On the other hand, display devices such as projectors using MEMS technology are also widely used. In this type of display device, an element having a wavelength filter corresponding to three wavelengths of RGB called a color wheel is rotated, and light of each wavelength is incident on the DMD in a time-division manner. The DMD controls the ON / OFF by switching the reflection angle in synchronization with the color of incident light, and performs image information processing. In such an apparatus, since the light that can be processed at a time is limited to a single wavelength, the amount of light that can be used for incident light is inevitably 1/3, and the light use efficiency is low. Moreover, since the MEMS device has a movable part, there is heating due to friction, and the problem of deterioration cannot be avoided. Furthermore, since MEMS devices scan at a resonant frequency that depends on the device structure, there are inherent limitations on their operating speed.

表示装置とは異なる応用として、微小な位置変化による光学特性の変化を利用した光学デバイスが提案されている。例えば、ＭＥＭＳ技術を応用した変位センサーや、可変波長フィルタなどである。これらは、加工精度の問題や、信号が微弱であるといった課題があり、実用化には至っていない。   As an application different from a display device, an optical device using a change in optical characteristics due to a minute position change has been proposed. For example, a displacement sensor using a MEMS technology, a variable wavelength filter, or the like. These have problems such as processing accuracy and weak signals, and have not been put into practical use.

また、本発明と同様の非線形光学結晶や電気光学結晶などの屈折率変調材料を用いて光の状態を制御する技術が提案されている。例えば、光導波路素子や偏光分離素子などをフォトニック結晶により構成し、外部より電気的または光学的に屈折率変化を生じさせることにより、光学特性を変調している。フォトニック結晶は周期構造が大きな領域に渡って精密に作製されている必要があるが、加工精度の問題から、光学素子として利用できる十分な特性は得られていない。また、これらのデバイスは、主に光通信用途に開発されている。   Further, a technique for controlling the state of light using a refractive index modulation material such as a nonlinear optical crystal or an electro-optic crystal similar to the present invention has been proposed. For example, an optical waveguide element, a polarization separation element, or the like is constituted by a photonic crystal, and optical characteristics are modulated by causing a refractive index change from the outside electrically or optically. Although the photonic crystal needs to be precisely manufactured over a region having a large periodic structure, sufficient characteristics that can be used as an optical element have not been obtained due to the problem of processing accuracy. These devices are mainly developed for optical communication applications.

ここで、液晶分子を用いた光学特性が可変である光制御素子として、従来技術１の「光学特性可変光学素子」が提案されている（特許文献１参照）。
この従来技術１では、光学特性可変光学素子の光の利用効率を高め、光学特性が変化する時間を短くすることを課題としており、図２５（ａ）に示すように、この光学素子は、透明基板１０４，１０５間に、負の屈折率異方性を有する液晶層１０１と、配向膜１０２と、透明電極１０３とを有し、配向膜１０２にならって液晶分子１１０が配向している。このとき、透過する光に対し液晶分子１１０の屈折率は常光線の屈折率ｎｏとなり、該光学素子は凸レンズとして働く。次に図２５（ｂ）に示すように、スイッチ１０９をＯＮにすると、液晶分子１１０が光軸方向に配向し、常光線と異常光線の屈折率（ｎｏ＋ｎｅ）／２が液晶分子の屈折率となる。この結果、レンズの焦点距離が伸びる。また、可変抵抗１１３を設けることにより、焦点距離の変化を連続かつ可変にすることができる。また、電界の代わりに、磁場又は温度変化を与えても同様の光学特性の変化が得られる。
従来の液晶を用いる可変光学素子は、液晶分子の偏光選択性を利用するものが多く、素子の前面に偏光板を設ける必要があるが、図２５に示す光学素子では偏光板は不要であるため、光の利用効率が高い。また、光軸１０６に垂直な方向に電極１０３を設け、電界をかけることにより、液晶分子１１０の配向変化を高速に行うことができる。 Here, “optical characteristic variable optical element” of prior art 1 has been proposed as a light control element having variable optical characteristics using liquid crystal molecules (see Patent Document 1).
In this prior art 1, the problem is to increase the light use efficiency of the optical characteristic variable optical element and to shorten the time during which the optical characteristic changes. As shown in FIG. 25 (a), this optical element is transparent. A liquid crystal layer 101 having negative refractive index anisotropy, an alignment film 102, and a transparent electrode 103 are provided between the substrates 104 and 105, and the liquid crystal molecules 110 are aligned following the alignment film 102. At this time, the refractive index of the liquid crystal molecules 110 with respect to the transmitted light becomes the ordinary light refractive index no, and the optical element functions as a convex lens. Next, as shown in FIG. 25 (b), when the switch 109 is turned ON, the liquid crystal molecules 110 are aligned in the optical axis direction, and the refractive index (no + ne) / 2 of ordinary rays and extraordinary rays is the refractive index of the liquid crystal molecules. Become. As a result, the focal length of the lens increases. Further, by providing the variable resistor 113, the change in focal length can be made continuous and variable. Further, even if a magnetic field or temperature change is given instead of an electric field, the same change in optical characteristics can be obtained.
Many conventional variable optical elements using liquid crystals use the polarization selectivity of liquid crystal molecules, and it is necessary to provide a polarizing plate in front of the element. However, the optical element shown in FIG. 25 does not require a polarizing plate. High light utilization efficiency. In addition, by providing the electrode 103 in a direction perpendicular to the optical axis 106 and applying an electric field, the alignment of the liquid crystal molecules 110 can be changed at high speed.

次に、サブ波長構造を有し、静電気力により変位させることにより反射光または透過光強度を変調し、フィルタリング、センシングを行うデバイスとして、従来技術２の「波長程度の周期構造を設けた光フィルタ」が提案されており（特許文献２参照）、さらには従来技術３の光学素子が提案されている（非特許文献１参照）。   Next, as a device that has a sub-wavelength structure, modulates reflected light or transmitted light intensity by being displaced by electrostatic force, and performs filtering and sensing, “Optical filter provided with a periodic structure of about the wavelength” in Prior Art 2 Is proposed (see Patent Document 2), and further, an optical element of Conventional Technology 3 is proposed (see Non-Patent Document 1).

従来技術２では、低コストで生産できるＭＥＭＳ技術を使って、単純な構造の共鳴格子を形成することにより、設計の自由度が高く、高性能な特性が得られる光フィルタ、及びこれらの光フィルタを使った光情報通信装置を提供することを課題としており、表面に絶縁膜を有する基板上にギャップを介して共鳴格子を設け、前記共鳴格子に入射する光のなかから共鳴波長を選択して取り出すことを特徴としている。
図２６は、従来技術２に係る反射率可変波長選択フィルタの概念図であり、共鳴格子膜としてサブ波長構造が形成されたシリコン（Ｓｉ）自立膜２０２がエアギャップ（ｇ）を挟んでＳｉ基板２０１上に平行配置されている。サブ波長構造に入射したある特定の波長（共鳴波長）はＳｉ周期構造と強く結合し、透過波を発生しない。従って狭帯域反射フィルタとして機能する。この条件を満たすサブ波長構造をGuided Mode Resonance Grating（ＧＭＲＧ）と呼ぶ。Ｓｉ自立膜−基板間に電圧を印加することにより静電引力が発生し、Ｓｉ自立膜が基板方向へ引き付けられる。ギャップ（ｇ）が狭くなると基板との相互作用が強くなり、反射率が変化する。この光フィルタは波長分割多重（ＷＤＭ）通信の光スイッチにおける波長選択に利用できる。 In the prior art 2, by using a MEMS technology that can be produced at low cost, a resonant grating having a simple structure is formed, so that an optical filter having high design flexibility and high performance characteristics can be obtained, and these optical filters. An optical information communication device using a laser is provided, and a resonance grating is provided through a gap on a substrate having an insulating film on the surface, and a resonance wavelength is selected from light incident on the resonance grating. It is characterized by taking out.
FIG. 26 is a conceptual diagram of a reflectivity variable wavelength selection filter according to Prior Art 2, in which a silicon (Si) free-standing film 202 having a sub-wavelength structure formed as a resonant grating film is sandwiched between an Si gap and an air gap (g). 201 are arranged in parallel on 201. A specific wavelength (resonance wavelength) incident on the sub-wavelength structure is strongly coupled to the Si periodic structure and does not generate a transmitted wave. Therefore, it functions as a narrow band reflection filter. A sub-wavelength structure that satisfies this condition is called Guided Mode Resonance Grating (GMRG). By applying a voltage between the Si free-standing film and the substrate, an electrostatic attractive force is generated, and the Si free-standing film is attracted toward the substrate. When the gap (g) becomes narrower, the interaction with the substrate becomes stronger and the reflectance changes. This optical filter can be used for wavelength selection in an optical switch for wavelength division multiplexing (WDM) communication.

従来技術３の光学素子は、上下に重ねて配置した２枚の微細格子を有し、格子はＳｉ製で、２枚の格子間が３００ｎｍの隙間を持つ構成であり、２枚の格子を静電気力により駆動する。上側の格子がわずかに横方向に変位すると反射光の光強度が大きく変化し、これを反射率の最大値で規格化すると、２５％程度の変化が現れる。この反射光強度の変化を測定することにより、１０ｎｍ程度の変位が検出できる。図２７は、従来技術３に記載の光学素子を斜め上方から見た電子顕微鏡写真を複写したものであり、中央の微細格子２１０が静電気力により可動し、この格子の下側に固定された微細格子が配置されている。上下の櫛歯状の構造２１１，２１２は静電気力により微細格子を左右に振動させる機構である。   The optical element of the prior art 3 has two fine gratings arranged one above the other, the grating is made of Si, and the gap between the two gratings has a gap of 300 nm. Driven by force. When the upper grating is slightly displaced in the horizontal direction, the light intensity of the reflected light changes greatly, and when this is normalized by the maximum value of reflectance, a change of about 25% appears. By measuring the change in the reflected light intensity, a displacement of about 10 nm can be detected. FIG. 27 is a reproduction of an electron micrograph of the optical element described in the prior art 3 as viewed obliquely from above. The fine grating 210 at the center is moved by electrostatic force and is fixed to the lower side of the grating. A grid is arranged. The upper and lower comb-like structures 211 and 212 are mechanisms that vibrate the fine lattice left and right by electrostatic force.

さらに、ＭＥＭＳ技術を用いた代表的な光制御素子として、従来技術４の「空間変調器」が提案されている（特許文献３参照）。
この従来技術４では、より効率的なリセット動作等、ＤＭＤの性能を向上することを課題としており、増加した性能パラメータを有するＤＭＤ型の空間光変調器である。図２８は上記空間変調器の概略構成図である。この空間変調器は、画素ミラー（高架ミラー）３３０がヨーク３３２によって支持され、高架ミラー３３０と高架アドレス電極３５０，３５２の間と、ヨーク３３２と下部アドレス電極３２６，３２８の間に電子静電引力３７４，３７８，３８２，３８４が生じる。その結果、画素ミラー３０は、従来の世代のデバイスに比べ、高アドレス・トルク、高ラッチ・トルク、高い復元力、及びより大きなマージンを達成する。基板アドレス電極３２６，３２８上のヨーク３３２の近接により、大きな引力が実現され、画素はアドレス・アップセットに感度が低く、より小さなリセット電圧を必要とし、スイッチスピードをより早める。 Furthermore, as a typical light control element using the MEMS technology, a “spatial modulator” of the prior art 4 has been proposed (see Patent Document 3).
The prior art 4 has a problem of improving the performance of the DMD, such as a more efficient reset operation, and is a DMD type spatial light modulator having an increased performance parameter. FIG. 28 is a schematic configuration diagram of the spatial modulator. In this spatial light modulator, a pixel mirror (elevated mirror) 330 is supported by a yoke 332, and an electronic electrostatic attractive force is provided between the elevated mirror 330 and the elevated address electrodes 350 and 352, and between the yoke 332 and the lower address electrodes 326 and 328. 374,378,382,384 are produced. As a result, the pixel mirror 30 achieves a high address torque, a high latch torque, a high restoring force, and a larger margin compared to conventional generation devices. Due to the proximity of the yoke 332 on the substrate address electrodes 326, 328, a large attractive force is achieved, the pixel is less sensitive to address upset, requires a smaller reset voltage, and increases the switch speed.

また、電気光学効果および非線形光学効果による屈折率変化を利用することにより、実質的な微細構造間の距離を変化させ反射光または透過光強度を変調し、光導波制御、スイッチング、偏光分離などを行うデバイスとして、従来技術５、従来技術６の光学素子、光学装置、光学デバイスが提案されている（特許文献４、特許文献５参照）。
従来技術５では、複数の波長（周波数）の光信号を同時に選択できることが可能な波長可変機能を有する光学素子及びそれを用いた光学装置を提供することを課題としている。
図２９は光学装置の一例である多チャンネルフィルタの概略図であり、符号４０１，４０２は光学媒体、４０３は欠陥、４０４１〜４０４ｎは欠陥導波路、５０１は固定基板、５０２は移動基板である。この多チャンネルフィルタは、屈折率の異なる領域が繰り返されて配置されている構造（フォトニック結晶）を用いた光学素子を複数個（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｎ）配置して、機械的、電気的、熱的、及び材料的機構によりフォトニック結晶の繰り返しの間隔や屈折率を変化させることにより、複数の光学素子が対象とする波長を同時に変化させる。 In addition, by utilizing the refractive index change due to the electro-optic effect and the nonlinear optical effect, the distance between the substantial microstructures is changed to modulate the intensity of reflected or transmitted light, and the optical waveguide control, switching, polarization separation, etc. As devices to be performed, the optical element, the optical apparatus, and the optical device of the prior art 5 and the prior art 6 have been proposed (see Patent Documents 4 and 5).
The prior art 5 has an object to provide an optical element having a wavelength variable function capable of simultaneously selecting optical signals having a plurality of wavelengths (frequencies) and an optical apparatus using the optical element.
FIG. 29 is a schematic diagram of a multi-channel filter which is an example of an optical device. Reference numerals 401 and 402 are optical media, 403 is a defect, 404 1 to 404 n are defect waveguides, 501 is a fixed substrate, and 502 is a moving substrate. is there. In this multi-channel filter, a plurality of optical elements (W1, W2,..., Wn) using a structure (photonic crystal) in which regions having different refractive indexes are repeatedly arranged are mechanically disposed. By changing the repetitive interval and refractive index of the photonic crystal by electrical, thermal, and material mechanisms, the wavelengths of interest of the plurality of optical elements are changed simultaneously.

従来技術６では、対象波長以下の周期を持つ凹凸形状からなる微細周期構造を有する光学素子において、特定領域に一定電界を印加でき、安定した屈折率変化が可能な光学素子を提供することを課題としている。
図３０は光学素子の断面図であり、基板６０２とこの基板６０２に形成された微細周期構造６０３とを有する光学素子６０１であって、凹凸形状の凹部６０３ａに電圧が印加される導電性部材６０４を充填することで、凸部６０３ｂ部分に大きな電界を印加することができ、凸部６０３ｂに設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができるようにしている。これにより、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現でき、さらには、微細周期構造６０３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能となる。 It is an object of the prior art 6 to provide an optical element that can apply a constant electric field to a specific region and can stably change a refractive index in an optical element having a fine periodic structure having a concave and convex shape having a period equal to or less than a target wavelength. It is said.
FIG. 30 is a cross-sectional view of an optical element, which is an optical element 601 having a substrate 602 and a fine periodic structure 603 formed on the substrate 602, and a conductive member 604 to which a voltage is applied to a concave and convex portion 603a. , A large electric field can be applied to the convex portion 603b, and a large electro-optic effect can be generated in the material having the electro-optic effect provided on the convex portion 603b. Can be changed greatly. Thereby, a small optical modulator, an optical attenuator and the like using the electro-optic effect can be realized, and furthermore, a constant electric field can be selectively applied to the whole or a part of the fine periodic structure 603. The optical router, the optical deflector, etc. can be realized.

特開２０００−１９４７２号公報JP 2000-19472 A 特開２００５−３３１５８１号公報JP-A-2005-331581 特開平８−３３４７０９号公報JP-A-8-334709 特開２００４−３２８１０２号公報JP 2004-328102 A 特開２００４−３１７５４０号公報JP 2004-317540 A 特開２００５−１５８１９１号公報JP 2005-158191 A ＯplusＥ Vol.27,No.1（Laser Focus World,Dec.2004より転載）OplusE Vol.27, No.1 (Reprinted from Laser Focus World, Dec.2004)

従来技術１に示す光学特性可変光学素子は、外部電界、磁界、温度を加えることにより液晶分子の配向を制御し、光学応答特性を変化させている。ここで、電極の配置により配向変化の高速化を図っているが、配向変化の速度は液晶層の粘性による限界があり、十分な高速化は期待できない。さらに、液晶分子の配向された状態とランダムな状態の間の相転移温度があり、高輝度のプロジェクタなど、投射型表示素子での光量に制限がある。また、液晶分子や配向膜は有機材料により構成されるため、熱的なダメージを受ける可能性があり、必要な耐光性や耐熱性が得られないといった課題がある。また、カラーの表示装置として利用する場合には、ＲＧＢの３色に分離して使う必要があり、光学素子数の増加や、小型化が困難であるといった課題がある。   The optical characteristic variable optical element shown in the prior art 1 controls the orientation of liquid crystal molecules by applying an external electric field, magnetic field, and temperature, and changes the optical response characteristics. Here, the speed of the alignment change is increased by arranging the electrodes. However, the speed of the alignment change is limited by the viscosity of the liquid crystal layer, and a sufficient speed increase cannot be expected. Furthermore, there is a phase transition temperature between the aligned state and random state of the liquid crystal molecules, and there is a limit to the amount of light in the projection display element such as a high brightness projector. In addition, since the liquid crystal molecules and the alignment film are made of an organic material, there is a possibility that they may be thermally damaged, and the necessary light resistance and heat resistance cannot be obtained. Further, when it is used as a color display device, it is necessary to separate it into three colors of RGB, and there is a problem that the number of optical elements is increased and it is difficult to reduce the size.

従来技術２は、ＭＥＭＳ技術を利用し、Ｓｉにより作製されたサブ波長構造をもつ格子と基板との距離を静電気力により変化させることにより、波長選択と反射率の可変性を有する光フィルタを実現している。しかし、この光フィルタは、通信技術への応用を目指したものであり、可視光領域の光学デバイスには利用できない。また、共鳴波長以外は損失となるため光利用効率が低いといった課題がある。   Prior Art 2 uses MEMS technology to realize an optical filter having wavelength selection and reflectivity variability by changing the distance between the substrate having a sub-wavelength structure made of Si and the substrate by electrostatic force. is doing. However, this optical filter is intended for application to communication technology and cannot be used for optical devices in the visible light region. In addition, there is a problem that the light utilization efficiency is low because of loss other than the resonance wavelength.

従来技術３に示すナノ変位センサーは、ＭＥＭＳ技術により、波長程度の微細な格子２枚を静電気力により変位させることにより、ナノサイズの変位を測定することを可能にしている。しかしながら、変位量が小さくなると反射率の差異を読み取ることが困難となり、十分な感度が得られない場合がある。また、変位部分が自立中空構造を有しており、使用環境などの影響を受け易い。   The nano-displacement sensor shown in the prior art 3 is capable of measuring a nano-size displacement by displacing two fine gratings of about the wavelength by electrostatic force by MEMS technology. However, if the amount of displacement is small, it is difficult to read the difference in reflectance, and sufficient sensitivity may not be obtained. In addition, the displacement portion has a self-supporting hollow structure, and is easily affected by the usage environment.

従来技術４に示す空間光変調器は、代表的なＤＭＤ型の空間光変調器であるが、ＲＧＢの３色の波長を時間的に分割して利用するため、高い光利用効率を実現することはできない。また、可動部分が存在するために、摩擦による劣化の問題を避けられない。また、デバイス構造に依存した共振周波数で走査するため、その動作速度に固有の制限がある。   The spatial light modulator shown in the prior art 4 is a typical DMD type spatial light modulator, but realizes high light utilization efficiency because the wavelengths of the three colors of RGB are divided in time. I can't. In addition, since there are movable parts, the problem of deterioration due to friction is inevitable. Further, since scanning is performed at a resonance frequency depending on the device structure, there is an inherent limitation on the operation speed.

従来技術５、６は、本発明に係る光制御素子に類似した素子構成を有しているが、いずれも光通信技術における波長選択性をもつ光導波制御、スイッチング、偏光分離に関連するものであり、２次元的な周期構造体内を伝搬する光波を対象としたものである。また、使用する光は１．５μｍ帯の通信波長であるため、表示装置、測定装置等へ応用することはできない。   Prior arts 5 and 6 have an element configuration similar to the light control element according to the present invention, but all relate to optical waveguide control, switching, and polarization separation having wavelength selectivity in the optical communication technology. Yes, intended for light waves propagating in a two-dimensional periodic structure. Further, since the light used has a communication wavelength of 1.5 μm band, it cannot be applied to a display device, a measuring device, or the like.

以上のような従来技術の課題に対し、本発明は以下のような目的を持ってなされたものである。
本発明の第１の目的は、耐光性、耐熱性が高く、光応答特性を高速に制御することが可能な光制御素子を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記の光制御素子において、物理的に特性を変化させることが可能な具体的な材料を提供することにある。
本発明の第３の目的は、上記の光制御素子を実現するために利用する具体的な金属材料を提供することにある。
本発明の第４の目的は、上記の光制御素子において、所望する光応答特性を実現するための金属微小構造体の具体的な配置を提供することにある。
本発明の第５の目的は、上記の光制御素子を用いた表示装置の具体的な構成を提供することにある。また、光学素子数を低減できる表示装置を提供することにある。
本発明の第６の目的は、上記の光制御素子を用いた高感度な応力測定装置の具体的な構成を提供することにある。また、作製が容易であり、且つ高感度を得られる応力測定装置の具体的な構成を提供することにある。 The present invention has been made with the following objects in response to the above-described problems of the prior art.
A first object of the present invention is to provide a light control element that has high light resistance and heat resistance and can control light response characteristics at high speed.
A second object of the present invention is to provide a specific material capable of physically changing characteristics in the light control element.
A third object of the present invention is to provide a specific metal material used for realizing the light control element.
A fourth object of the present invention is to provide a specific arrangement of a metal microstructure for realizing a desired optical response characteristic in the above light control element.
A fifth object of the present invention is to provide a specific configuration of a display device using the light control element. Another object is to provide a display device capable of reducing the number of optical elements.
A sixth object of the present invention is to provide a specific configuration of a highly sensitive stress measuring apparatus using the light control element. It is another object of the present invention to provide a specific configuration of a stress measuring device that can be easily manufactured and can obtain high sensitivity.

上記の目的を達成するため、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、光制御素子であって、物理的に特性を変化させることが可能な材料からなる基板または膜と、入射する光の波長以下のサイズをもつ金属微小構造体を有し、複数個の前記金属微小構造体の組み合わせを単位とした集合構造体を、前記基板または前記膜の上部または内部に設けた構造を有し、前記集合構造体は、前記金属微小構造体を近接させて形成し、前記金属微小構造体は、前記基板または前記膜に接触して配置し、前記金属微小構造体による金属微粒子間距離に依存した偏光異方性を有し、前記金属微小構造体に接して配置された前記基板または前記膜の変化に対して高感度な偏光異方性を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
The first means of the present invention is a light control element comprising a substrate or a film made of a material capable of physically changing characteristics, and a metal microstructure having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light. having the aggregate structure in which the combination of a plurality of said metal microstructure as a unit, have a provided structure on or within the substrate or the film, the aggregate structure, the metal microstructure The metal microstructure is disposed in contact with the substrate or the film, and has a polarization anisotropy depending on a distance between metal particles by the metal microstructure, and the metal microstructure characterized in that it have a high sensitivity polarization anisotropy with respect to the change of the substrate or the membrane is placed in contact with the structure.

本発明の第２の手段は、第１の手段の光制御素子において、前記基板または前記膜が、電圧を印加することにより屈折率の変化を生じる材料により構成されることを特徴とする。
また、本発明の第３の手段は、第１の手段の光制御素子において、前記基板または前記膜が、光を照射することにより屈折率の変化を生じる材料により構成されることを特徴とする。
さらに本発明の第４の手段は、第１の手段の光制御素子において、前記基板または前記膜が、電圧を印加することにより変形を生じる材料により構成されることを特徴とする。 The second means of the present invention is characterized in that, in the light control element of the first means, the substrate or the film is made of a material that changes a refractive index when a voltage is applied.
According to a third means of the present invention, in the light control element of the first means, the substrate or the film is made of a material that causes a change in refractive index when irradiated with light. .
Further, a fourth means of the present invention is characterized in that in the light control element of the first means, the substrate or the film is made of a material that is deformed by applying a voltage.

本発明の第５の手段は、第１乃至第４のいずれか１つの手段の光制御素子において、前記集合構造体が、２個以上の金属微小構造体を単一または複数の軸上に配列した構造を有し、該集合構造体が全て等しい配向を有して配置されていることを特徴とする。
また、本発明の第６の手段は、第１乃至第５のいずれか１つの手段の光制御素子において、前記金属微小構造体が、入射する光の波長に対してプラズモンを励振できる単一または複数の金属材料により構成されることを特徴とする。ここで、上記のプラズモンとは、金属材料中の電子の集団運動を意味している。 According to a fifth means of the present invention, in the light control element of any one of the first to fourth means, the aggregate structure has two or more metal microstructures arranged on a single or a plurality of axes. The aggregate structure is arranged with the same orientation.
According to a sixth means of the present invention, in the light control element of any one of the first to fifth means, the metal microstructure can excite a plasmon with respect to the wavelength of incident light. It is composed of a plurality of metal materials. Here, the above-mentioned plasmon means collective motion of electrons in the metal material.

本発明の第７の手段は、表示装置であって、光制御手段として第１乃至第６のいずれか１つの手段の光制御素子を用い、白色光源もしくは、赤、緑、青（以下、ＲＧＢと記す）の３色の波長を有する光源（例えば３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）等）と、前記ＲＧＢの各波長に対して前記基板または前記膜の物理的特性を変調することにより前記光制御素子の前記ＲＧＢの各波長の光に対する透過率を変調する外部変調手段とを少なくとも備えることを特徴とする。   A seventh means of the present invention is a display device, wherein the light control element of any one of the first to sixth means is used as the light control means, and a white light source or red, green, blue (hereinafter, RGB) The light control by modulating the physical characteristics of the substrate or the film with respect to each of the RGB wavelengths, and a light source having a wavelength of three colors (for example, three-color light emitting diode (LED)) And at least external modulation means for modulating the transmittance of the element with respect to light of each of the RGB wavelengths.

本発明の第８の手段は、応力測定装置であって、光制御手段として第１乃至第６のいずれか１つの手段の光制御素子を用い、単色光源と、前記光制御素子を変調する外部変調手段と、変形または変位により生じる金属微小構造体間の相対的な位置関係の変化を偏光状態の変化として検出する偏光検出手段とを少なくとも備えることを特徴とする。   An eighth means of the present invention is a stress measuring apparatus, wherein the light control element of any one of the first to sixth means is used as the light control means, and a monochromatic light source and an external device for modulating the light control element are used. It is characterized by comprising at least modulation means and polarization detection means for detecting a change in relative positional relationship between metal microstructures caused by deformation or displacement as a change in polarization state.

本発明の第１、第２の手段に係る光制御素子においては、物理的に特性を変化させることが可能な材料として例えば電気光学効果を有する材料からなる基板または膜を用い、基板または膜の上部または内部に第５、第６の手段の構成を有する金属微小構造体を配置することにより、外部電圧制御手段を介して、本光制御素子の光応答特性を高速に制御することが可能となる。また、本光制御素子は無機材料により構成されており、耐光性、耐熱性の優れた素子を実現することができる。また、可動部分を持たない光制御素子を実現することができる。   In the light control element according to the first and second means of the present invention, a substrate or film made of a material having an electro-optic effect, for example, is used as a material whose characteristics can be physically changed. By arranging the metal microstructure having the configuration of the fifth and sixth means on the upper part or inside, it is possible to control the light response characteristics of the light control element at high speed via the external voltage control means. Become. Further, the light control element is made of an inorganic material, and an element having excellent light resistance and heat resistance can be realized. In addition, a light control element having no movable part can be realized.

本発明の第１、第３の手段に係る光制御素子においては、物理的に特性を変化させることが可能な材料として例えば非線形光学効果を有する材料からなる基板または膜を用い、基板または膜の上部または内部に第５、第６の手段の構成を有する金属微小構造体を配置することにより、外部電圧制御手段を介して、本光制御素子の光応答特性を高速に制御することが可能となる。また、本光制御素子は無機材料により構成されており、耐光性、耐熱性の優れた素子を実現することができる。また、可動部分をもたない光制御素子を実現することができる。   In the light control element according to the first and third means of the present invention, a substrate or a film made of a material having a nonlinear optical effect, for example, is used as a material whose characteristics can be physically changed. By arranging the metal microstructure having the configuration of the fifth and sixth means on the upper part or inside, it is possible to control the light response characteristics of the light control element at high speed via the external voltage control means. Become. Further, the light control element is made of an inorganic material, and an element having excellent light resistance and heat resistance can be realized. In addition, a light control element having no movable part can be realized.

本発明の第１、第４の手段に係る光制御素子においては、物理的に特性を変化させることが可能な材料として例えば電歪効果を有する材料からなる基板または膜を用い、基板または膜の上部または内部に第５、第６の手段の構成を有する金属微小構造体を配置することにより、外部電圧制御手段を介して、本光制御素子の光応答特性を高速に制御することが可能となる。また、本光制御素子は無機材料により構成されており、耐光性、耐熱性の優れた光制御素子を実現することができる。   In the light control element according to the first and fourth means of the present invention, for example, a substrate or a film made of a material having an electrostrictive effect is used as a material whose characteristics can be physically changed. By arranging the metal microstructure having the configuration of the fifth and sixth means on the upper part or inside, it is possible to control the light response characteristics of the light control element at high speed via the external voltage control means. Become. In addition, the light control element is made of an inorganic material, and a light control element having excellent light resistance and heat resistance can be realized.

本発明の第７の手段の表示装置においては、光制御手段として第１乃至第６のいずれか１つの手段の光制御素子を用い、該光制御素子をＲＧＢの３色の波長の光に対して設け、また、各波長の光を空間的に制御する外部光変調手段を備えることにより、各波長の光を時間的または空間的に分離することなく利用することができており、光利用効率の高い表示素子を実現することができる。また、本光制御素子は、波長フィルタと波長板の両機能を備えているので、表示装置の光学素子数を低減することができる。   In the display device of the seventh means of the present invention, the light control element of any one of the first to sixth means is used as the light control means, and the light control element is used for light of three colors of RGB wavelengths. In addition, by providing external light modulation means for spatially controlling the light of each wavelength, it is possible to use the light of each wavelength without separating it temporally or spatially. Display element with high accuracy can be realized. Moreover, since the present light control element has both functions of a wavelength filter and a wavelength plate, the number of optical elements of the display device can be reduced.

本発明の第８の手段の応力測定装置においては、光制御手段として第１乃至第６のいずれか１つの手段の光制御素子を用い、起歪体上に本発明の光制御素子を構成し、外部より電気的または光学的に変調を施すことにより、応力により微小な変形を高感度に検出することができる。また、複雑な形状を有さないことから、作製が容易であり、且つ高感度な応力測定装置を実現することができる。   In the stress measuring apparatus of the eighth means of the present invention, the light control element of any one of the first to sixth means is used as the light control means, and the light control element of the present invention is configured on the strain generating body. By applying electrical or optical modulation from the outside, minute deformation can be detected with high sensitivity due to stress. In addition, since it does not have a complicated shape, it is easy to manufacture and a highly sensitive stress measuring device can be realized.

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

［実施例１］
本実施例は、前述の第１、第２、第５、第６の手段に係る光制御素子に関するものである。
本実施例の光制御素子に関して、図１〜９に基づいて説明する。図１は、本実施例の光制御素子の一構成例を説明する光制御素子の断面図である。図１に示すように、本光制御素子は、電圧を印加することにより屈折率が変化する材料、すなわち電気光学効果を有した電気光学結晶を基板材料に用い、この電気光学結晶基板１の上に、光の波長以下のサイズをもつ金属微小構造体２を有し、複数個の金属微小構造体２の組み合わせを単位とした集合構造体３を設けた構成を有している。また、電気光学結晶の屈折率を制御するために、電気光学結晶基板１の上部と下部に薄膜電極５，６を配置し、外部に電圧制御手段７を有している。本光制御素子は透過光に対し、強度および偏光状態を制御するため、透過面側の電極は透明導電材料からなる透明薄膜電極とする必要がある。また、反射型の光制御素子として利用する場合には、下部側の薄膜電極６は金属材料を用いることができる。 [Example 1]
The present embodiment relates to the light control element according to the first, second, fifth, and sixth means described above.
The light control element of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of a light control element for explaining a structural example of the light control element of this embodiment. As shown in FIG. 1, this light control element uses a material whose refractive index changes when a voltage is applied, that is, an electro-optic crystal having an electro-optic effect, as a substrate material. Furthermore, it has a configuration in which a metal microstructure 2 having a size equal to or smaller than the wavelength of light is provided, and an aggregate structure 3 having a combination of a plurality of metal microstructures 2 as a unit is provided. In addition, in order to control the refractive index of the electro-optic crystal, the thin-film electrodes 5 and 6 are disposed on the upper and lower portions of the electro-optic crystal substrate 1, and the voltage control means 7 is provided outside. Since the light control element controls the intensity and polarization state of transmitted light, the electrode on the transmission surface side needs to be a transparent thin film electrode made of a transparent conductive material. When used as a reflection type light control element, the lower thin film electrode 6 can be made of a metal material.

本光制御素子では、金属微小構造体２の酸化や劣化を防ぐため、また、金属微小構造体２に励振されるプラズモン（金属材料中の電子の集団運動）に共鳴する光の波長を選択するため、金属微小構造体を被膜する透明な保護膜４を設けることが好ましい。また、透明導電材料により被膜することで、電極と保護膜を兼ねることもできる。なお、図１では、金属微小構造体２を配した側から光を入射しているが、電気光学結晶基板１側から光を入射する構成であっても構わない。   In the present light control element, the wavelength of light that resonates with plasmons (collective motion of electrons in the metal material) excited by the metal microstructure 2 is selected in order to prevent oxidation and deterioration of the metal microstructure 2. Therefore, it is preferable to provide a transparent protective film 4 that coats the metal microstructure. Moreover, it can also serve as an electrode and a protective film by coating with a transparent conductive material. In FIG. 1, the light is incident from the side where the metal microstructure 2 is disposed, but the light may be incident from the electro-optic crystal substrate 1 side.

次に図２および図３は、本実施例の光制御素子を実現する別の構成例を説明する図である。
図２は、金属微小構造体２の集合構造体３を電気光学結晶基板１の内部に埋め込んだ構造を有しており、電気光学結晶基板１を挟んだ両面に透明薄膜電極５，６を有している。
図３は、透明な支持基板９上に、透明導電材料による透明薄膜電極６、金属微小構造体２の集合構造体３、電気光学効果を示す薄膜（電気光学結晶被膜）８、透明導電材料による透明薄膜電極５を順に積層または加工した構成を有している。
図２と図３は透過型の光制御素子について説明しているが、反射型の光制御素子としても利用することができ、その場合は金属材料などの不透明な導電性材料を電極として利用できる。図１、図２、図３のいずれの構成の場合も、電圧制御手段７で薄膜電極５，６間に電圧を印加することにより、金属微小構造２に接触または金属微小構造体２を被覆する基板または膜の屈折率を、電気光学効果を利用して変調し、透過または反射する光の状態を制御することが可能となっている。 Next, FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams for explaining another configuration example for realizing the light control element of this embodiment.
FIG. 2 shows a structure in which the aggregate structure 3 of the metal microstructures 2 is embedded in the electro-optic crystal substrate 1, and the transparent thin-film electrodes 5 and 6 are provided on both sides of the electro-optic crystal substrate 1. is doing.
3 shows a transparent thin-film electrode 6 made of a transparent conductive material, an aggregate structure 3 of metal microstructures 2, a thin film (electro-optic crystal film) 8 showing an electrooptic effect, and a transparent conductive material on a transparent support substrate 9. The transparent thin film electrode 5 is sequentially laminated or processed.
2 and 3 describe a transmissive light control element, but it can also be used as a reflective light control element, in which case an opaque conductive material such as a metal material can be used as an electrode. . In any of the configurations of FIGS. 1, 2, and 3, the voltage control means 7 applies a voltage between the thin film electrodes 5 and 6 to contact or cover the metal microstructure 2. The refractive index of the substrate or film can be modulated using the electro-optic effect to control the state of light transmitted or reflected.

次に本実施例の光制御素子の各構成要素に使用する材料について説明する。図３に示す支持基板９は、透過型の素子を構成する場合には、高効率化のために可視領域の波長において吸収の低い材料が好ましく、石英ガラスや、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３などの光学結晶材料などを利用する。また、反射型の素子を構成する場合には、反射率の高い材料が好ましく、上記の光学ガラス、光学結晶材料に、ＡｌやＡｕなどの金属膜コーティングを施す。この際の膜厚は、金属中に光がしみ込む表皮深さよりも厚くする必要があり、３０ｎｍから１００ｎｍ程度の膜厚とする。また、誘電体多層膜による全反射コーティングを施したものであっても良い。また、透過光と反射光の両方を利用するビームスプリッタなどとして利用する場合には、部分反射膜としてＣｒコーティングなどを利用する。 Next, materials used for each component of the light control element of this embodiment will be described. The support substrate 9 shown in FIG. 3 is preferably made of a material having low absorption at a wavelength in the visible region in order to increase the efficiency when constituting a transmissive element, such as quartz glass, BK7, Pyrex (registered trademark) An optical crystal material such as borosilicate glass, CaF 2 , Si, ZnSe, or Al 2 O 3 is used. In the case of constructing a reflective element, a material having high reflectance is preferable, and a metal film coating such as Al or Au is applied to the optical glass or optical crystal material. The film thickness at this time needs to be thicker than the skin depth at which light penetrates into the metal, and is about 30 nm to 100 nm. Moreover, what gave the total reflection coating by the dielectric multilayer film may be used. Further, when used as a beam splitter using both transmitted light and reflected light, a Cr coating or the like is used as a partial reflection film.

薄膜電極５，６は、透過型の光制御素子の場合には透明である必要があり、また、吸収率の低い材料が好ましい。このような透明な導電性材料には、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＩＺＯ、ＺｎＯ、導電性ポリマーなどが利用できる。また、反射型の光学素子を構成する場合には、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、もしくはこれらの合金などの金属材料や、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体材料が利用できる。これらの導電性薄膜は、スパッタ法、蒸着法、スピンコートなどの塗布法等で製膜することができる。 The thin-film electrodes 5 and 6 need to be transparent in the case of a transmissive light control element, and a material having a low absorptance is preferable. As such a transparent conductive material, ITO, SnO 2 , IZO, ZnO, a conductive polymer, or the like can be used. When a reflective optical element is configured, a metal material such as Au, Al, Cu, Cr, Mo, or an alloy thereof, or a semiconductor material such as Si or Ge can be used. These conductive thin films can be formed by a coating method such as sputtering, vapor deposition, or spin coating.

電気光学結晶基板１または電気光学効果を示す膜（電気光学結晶被膜）８に用いる材料は、強誘電体材料であり、ＢＢＯ、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＢ、ＬｉＮｂ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＴＢ、ＫＴＰ、ＫＴＮなどの無機結晶、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどのセラミックス、アゾ系色素、スチルベンゼン系色素などの有機分子または有機結晶が利用できる。基板として用いるには、研磨により平滑化する。電気光学効果を示す材料の製膜方法としては、エピタキシャル成長を用いる方法や、エアロゾルデポジッション法と呼ばれる常温衝撃固化現象が利用できる。 The material used for the electro-optic crystal substrate 1 or the film (electro-optic crystal film) 8 showing the electro-optic effect is a ferroelectric material, such as BBO, LiTaO 3 , KTB, LiNb 3 , LiNbO 3 , KTB, KTP, KTN, etc. Inorganic crystals, ceramics such as PZT and PLZT, organic molecules such as azo dyes and still benzene dyes, or organic crystals can be used. For use as a substrate, it is smoothed by polishing. As a film forming method for a material exhibiting an electro-optic effect, a method using epitaxial growth or a normal temperature impact solidification phenomenon called an aerosol deposition method can be used.

金属微小構造体２は空気中に剥き出しになっている必要はなく、金属微小構造体２の劣化を防ぐために、むしろ図１に示すような誘電体による保護膜４等を有しているほうが好ましい。また、金属微小構造体２を被覆する材料の光学定数（屈折率、消衰係数）に依存して金属微小構造体内部に励起されるプラズモンの共鳴波長がシフトするため、特定の波長の光を選択的に制御する、波長選択フィルタとしての機能も有する。保護膜４となる誘電体材料は吸収の少ないものが適しており、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの光記録媒体の保護膜として利用される遷移金属酸化物などが利用できる。保護膜の作製は、スパッタ法やＣＶＤ法等を用いて行う。
なお、保護膜を設ける代わりに、図２に示すように、金属微小構造体２を電気光学結晶基板１の内部に埋め込んで薄膜電極５で覆う構造としてもよく、また、図３に示すように、金属微小構造体２を電気光学結晶被膜８で被覆する構造としてもよい。 The metal microstructure 2 does not need to be exposed in the air, and in order to prevent the metal microstructure 2 from being deteriorated, it is preferable to have a dielectric protective film 4 or the like as shown in FIG. . In addition, since the resonance wavelength of the plasmon excited inside the metal microstructure is shifted depending on the optical constants (refractive index, extinction coefficient) of the material covering the metal microstructure 2, light of a specific wavelength is emitted. It also has a function as a wavelength selection filter that is selectively controlled. As the dielectric material for the protective film 4, a material with low absorption is suitable, and a transition metal oxide used as a protective film for an optical recording medium such as ZnS—SiO 2 can be used. The protective film is manufactured using a sputtering method, a CVD method, or the like.
Instead of providing a protective film, the metal microstructure 2 may be embedded in the electro-optic crystal substrate 1 and covered with the thin film electrode 5 as shown in FIG. 2, or as shown in FIG. A structure in which the metal microstructure 2 is covered with the electro-optic crystal film 8 may be employed.

本実施例の光制御素子は、金属微小構造体中の電子の集団運動、すなわちプラズモンを介在することにより、透過光または反射光を制御する。したがって、金属微小構造体２を構成する金属材料は、可視光領域でプラズモンを効率良く励振できる必要がある。また、プラズモンは特定の波長の光により共鳴的に励振されるため、金属材料の選択の仕方により、光制御素子の稼動範囲を選択することができる。可視光領域でプラズモンを効率良く励振できる金属材料としては、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどが利用できる。   The light control element of this embodiment controls transmitted light or reflected light by interposing the collective motion of electrons in the metal microstructure, that is, plasmons. Therefore, the metal material constituting the metal microstructure 2 needs to be able to excite plasmons efficiently in the visible light region. In addition, since plasmons are resonantly excited by light of a specific wavelength, the operating range of the light control element can be selected depending on how the metal material is selected. Ag, Pt, Al, Cu, or the like can be used as a metal material that can efficiently excite plasmons in the visible light region.

このような金属微小構造体および集合構造体の作製は、様々な加工方法により可能である。電子ビームリソグラフィ技術を用いた方法や、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント技術などが利用できる。また、本出願人が先に出願した参考技術「光記録媒体の製造方法および光記録媒体」（特許文献６参照）に示すような、相変化材料や遷移金属酸化物材料にレーザー光を照射することにより、材料特性を変化させ、エッチングレートの違いを利用してエッチングする手法を利用することができる。   Such metal microstructures and aggregate structures can be produced by various processing methods. A method using an electron beam lithography technique, a method of performing batch exposure using a DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technique, a nanoimprint technique in which a mold called a mold is used and heat is applied thereto can be used. In addition, as shown in the reference technique “manufacturing method and optical recording medium of optical recording medium” (see Patent Document 6) previously filed by the present applicant, the phase change material and the transition metal oxide material are irradiated with laser light. Thus, it is possible to use a technique of changing the material characteristics and performing etching using the difference in etching rate.

次に本実施例の光制御素子の動作原理と、複数の金属微小構造体の配列方法について、数値計算結果を元に説明する。数値計算は、電磁界の運動を記述するマクスウェル方程式を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて行った。図４は、数値計算に使用したモデルを表しており、金属微小構造体２として、空気中に存在するサイズ（直径）が４０ｎｍの二つのＡｕ球における近接する端部の間隔Ｄを０〜８０ｎｍまで変化させた場合の、反射遠方場における偏光状態の変化を調べた。Ａｕの光学定数は、屈折率ｎ＝０．０７２、ｋ＝１．４９６を用いた。この値は、Ａｕのプラズモン共鳴波長近傍である５００ｎｍの波長をもつ光に対する誘電率を、金属中の電子運動方程式から導出したＤｒｕｄｅモデルを適用することにより得られた値である。   Next, the operation principle of the light control element of this embodiment and the arrangement method of the plurality of metal microstructures will be described based on the numerical calculation results. The numerical calculation was performed using a finite time domain difference method (FDTD method) that solves the Maxwell equation describing the motion of the electromagnetic field by approximating it to a space-time difference equation. FIG. 4 shows a model used for numerical calculation, and the distance D between adjacent ends of two Au spheres having a size (diameter) of 40 nm existing in the air as the metal microstructure 2 is 0 to 80 nm. The change of the polarization state in the reflected far field was investigated. As the optical constant of Au, refractive index n = 0.072 and k = 1.497 were used. This value is obtained by applying a Drude model derived from an equation of electron motion in a metal for a dielectric constant for light having a wavelength of 500 nm, which is near the plasmon resonance wavelength of Au.

ＦＤＴＤ法により得られた金属微小構造体（Ａｕ）２の集合構造体（二つのＡｕ球）の近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、電界分布のフーリエ変換により角度θ＝０°の成分を抽出し、図４に示すｘ方向とｙ方向の振幅比と位相差を算出した。４０ｎｍのＡｕ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長５４４ｎｍを用い、図４に示すｘｙ面内においてｘ軸から４５°の方向に電界の振動方向をもつ平面波を照射する計算を行った。   In order to obtain the characteristics of far-field light from the electric field distribution near the aggregate structure (two Au spheres) of the metal microstructure (Au) 2 obtained by the FDTD method, the angle θ = 0 is obtained by Fourier transform of the electric field distribution. The component of ° was extracted, and the amplitude ratio and phase difference in the x and y directions shown in FIG. 4 were calculated. A calculation was performed to irradiate a plane wave having a vibration direction of an electric field in the direction of 45 ° from the x axis in the xy plane shown in FIG. 4 using a wavelength of 544 nm which is near the plasmon resonance wavelength of a 40 nm Au microsphere.

図５に示すグラフは金属微粒子間距離に対する振幅比を表しており、金属微粒子間距離Ｄが大きな領域においては振幅比が１に近づき、偏光面（電界の振動方向）が入射光の偏光方向と一致していることがわかる。これに対し、Ｄ＝０近傍に近づくにつれて、振幅比が増加し、すなわち偏光面がｙ方向へ傾く。
一方、図６は金属微粒子間距離に対する電界のｘ成分とｙ成分の位相差を表している。金属微粒子間距離Ｄがゼロに近づくほど、位相差が大きくなり、Ｄ＝０の場合に位相差が４５°程度となる。ＦＤＴＤ法によるシミュレーションの結果から、Ａｕ球の間隔を制御することにより、偏光面を回転させることができ、また、偏光状態を、例えば直線偏光から楕円偏光に変換することが可能であることが確認できた。 The graph shown in FIG. 5 represents the amplitude ratio with respect to the distance between the metal fine particles. In the region where the distance D between the metal fine particles is large, the amplitude ratio approaches 1 and the polarization plane (the vibration direction of the electric field) is the polarization direction of the incident light. You can see that they match. On the other hand, the amplitude ratio increases as it approaches D = 0, that is, the polarization plane is inclined in the y direction.
On the other hand, FIG. 6 shows the phase difference between the x component and the y component of the electric field with respect to the distance between the metal fine particles. As the distance D between the metal fine particles approaches zero, the phase difference increases. When D = 0, the phase difference is about 45 °. From the result of simulation by the FDTD method, it is confirmed that the polarization plane can be rotated by controlling the interval between Au spheres, and the polarization state can be converted from, for example, linearly polarized light to elliptically polarized light. did it.

したがって、本実施例の光制御素子は、金属微小構造体２の相対的な位置関係を選択することにより、位相板ないしは偏光板として機能させることができる。また、金属材料としてＡｇ微小球を使用した場合にも、同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化の生じる波長領域はＡｇ球のプラズモン共鳴波長近傍である波長４００ｎｍ近傍であった。   Therefore, the light control element of this embodiment can function as a phase plate or a polarizing plate by selecting the relative positional relationship of the metal microstructure 2. In addition, when Ag microspheres are used as the metal material, similar calculation results can be obtained. In this case, the wavelength region in which the polarization state changes is near the wavelength of 400 nm, which is near the plasmon resonance wavelength of the Ag sphere. It was.

上述の数値計算結果から分かるように、二つの金属微小構造体２が近接してくると、金属微小構造体２のサイズ程度に局在して分布する近接場光と呼ばれる電磁場を介在して、二つの金属微小構造体２が相互作用を生じ、この相互作用の大きさが、金属微小構造体２の配列の向きと入射する偏光の向きが平行は場合と垂直な場合とで異なるために、透過光または反射光に異方性が生じてくる。この効果は、金属微小構造体内に励振されるプラズモンの共鳴周波数近傍で最大となる。金属微小構造体２のサイズおよび形状は、プラズモンの共鳴波長を決定するものであり、これらは二つの金属微小構造体２において一致しているならば、どのようなサイズ、形状であっても構わない。   As can be seen from the above-described numerical calculation results, when two metal microstructures 2 come close to each other, an electromagnetic field called near-field light that is localized and distributed around the size of the metal microstructure 2 is interposed, Two metal microstructures 2 interact with each other, and the magnitude of this interaction differs depending on whether the orientation of the array of metal microstructures 2 and the direction of incident polarized light are parallel or perpendicular. Anisotropy occurs in transmitted light or reflected light. This effect is maximized in the vicinity of the plasmon resonance frequency excited in the metal microstructure. The size and shape of the metal microstructure 2 determine the plasmon resonance wavelength, and any size and shape may be used as long as they match in the two metal microstructures 2. Absent.

図７は、金属球のサイズに対するプラズモンの共鳴波長の変化を調べるために、ミー散乱理論により解析的に計算した空気中に配置された単一Ａｕ球の中心部における電界強度を波長に対してプロットした図である。Ａｕ球の半径が５ｎｍ程度になると、ほとんどサイズには依存しなくなるが、半径２５ｎｍの場合と比較して約２５ｎｍ程度の共鳴波長のシフトが生じ、サイズの増加に伴って電界強度が増強されることが確認された。共鳴波長のシフトと電界強度の増強は、金属材料や誘電体薄膜材料にも依存する。電界強度の増強はＡｕ微小球の体積に比例した電気双極子モーメントの増大を意味しており、その結果、近接場光による相互作用も増強される。したがって、金属微小構造体２のサイズを変えることにより、本光制御素子の偏光制御特性および動作波長を制御することが可能である。また、金属微小構造体間のサイズのばらつきは、使用する金属微小構造体のサイズに依存するが、図７から、半径１５ｎｍ以下のドットであれば、プラズモンの励振される領域の重なりは十分に大きく、特に考慮する必要はない。逆に、半径２０ｎｍを越える金属微小構造体を利用する場合は、およそ５ｎｍ以下の精度で半径が揃っている必要がある。また、ドットのサイズが１０〜１００ｎｍの範囲にあれば、偏光特性の変化が観測できることも確かめられている。   FIG. 7 shows the electric field strength at the center of a single Au sphere placed in the air analytically calculated by the Mie scattering theory with respect to the wavelength in order to investigate the change of the plasmon resonance wavelength with respect to the size of the metal sphere. FIG. When the radius of the Au sphere becomes about 5 nm, it hardly depends on the size, but a resonance wavelength shift of about 25 nm occurs compared to the case of the radius of 25 nm, and the electric field strength is enhanced as the size increases. It was confirmed. The shift of the resonance wavelength and the enhancement of the electric field strength also depend on the metal material and the dielectric thin film material. An increase in electric field strength means an increase in electric dipole moment proportional to the volume of the Au microsphere, and as a result, the interaction by near-field light is also enhanced. Therefore, it is possible to control the polarization control characteristic and the operating wavelength of the present light control element by changing the size of the metal microstructure 2. In addition, the size variation between the metal microstructures depends on the size of the metal microstructure to be used. From FIG. 7, if the dots have a radius of 15 nm or less, the overlapping of the plasmon excited regions is sufficient. It is large and does not need to be considered. Conversely, when using a metal microstructure having a radius of more than 20 nm, it is necessary that the radii be aligned with an accuracy of about 5 nm or less. It has also been confirmed that if the dot size is in the range of 10 to 100 nm, changes in polarization characteristics can be observed.

図８（ａ），（ｂ）は、金属微小構造体２の形状の例を示した図である。金属微小構造体２の形状またはサイズが揃っていれば、図８（ａ）のように円柱形状のドット（金属微小構造体）２が二つ組み合わさった集合構造体３により構成されていてもよいし、図８（ｂ）のように半球状のドット（金属微小構造体）２が二つ組み合わさった集合構造体３により構成されていてもよい。金属微小構造体２が形状に強く依存していないことは、加工精度に余裕をもたせることができ、素子を作製する上で有利な特性である。   FIGS. 8A and 8B are diagrams showing an example of the shape of the metal microstructure 2. If the metal microstructures 2 have the same shape or size, even if they are constituted by an aggregate structure 3 in which two cylindrical dots (metal microstructures) 2 are combined as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 8B, it may be constituted by an aggregate structure 3 in which two hemispherical dots (metal microstructures) 2 are combined. The fact that the metal microstructure 2 is not strongly dependent on the shape can provide an allowance in processing accuracy, which is an advantageous characteristic for manufacturing an element.

また、三つ以上の金属ドット（金属微小構造体）２を配置した構成を取ることもできる。図９（ａ），（ｂ）は三つの金属ドット（金属微小構造体）２の配置例を説明する図であり、Ｌ字またはＶ字構造に配置した例を示している。この場合、金属ドットが配列する二本の軸に対して、それぞれ異なった位相差と振幅差が生じ、三つの金属ドットの配置に依存した偏光特性が得られる。また、二本の軸の交差する角度θが小さな場合には、さらにもう一対の金属ドット同士に相互作用が生じ、三本の軸に対し、それぞれ偏光特性が定まる。金属ドットの数を増やすことにより、さらに高度な偏光特性の制御が可能となる。   Moreover, the structure which has arrange | positioned the 3 or more metal dot (metal microstructure) 2 can also be taken. 9A and 9B are diagrams for explaining an arrangement example of three metal dots (metal microstructures) 2 and show an example of arrangement in an L-shaped or V-shaped structure. In this case, different phase differences and amplitude differences occur with respect to the two axes on which the metal dots are arranged, and polarization characteristics depending on the arrangement of the three metal dots are obtained. When the angle θ between the two axes intersects is small, another pair of metal dots further interact with each other, and the polarization characteristics are determined for each of the three axes. By increasing the number of metal dots, it is possible to control the polarization characteristics at a higher level.

本実施例の光制御素子においては、上述の金属微小構造体２による集合構造体３が、光を照射される面内に均一に設けられている必要がある。本実施例の光制御素子の集合構造体の配置例について、図１０により説明する。図１０（ａ）は、電気光学結晶基板１（または電気光学結晶被膜、あるいは保護膜）の上または内部に、二つの金属ドット（金属微小構造体）２により構成される集合構造体３を、正方格子状に配列したものである。ここで、隣接する集合構造体３の間隔は、入射する光の半波長よりも小さいものとする。この条件により、本実施例の光制御素子に作用した光を遠方で観測した場合に、光の干渉による影響が現れない。また、図１０（ｂ）に示すように、間隔を半波長程度とし、ストライプ状に配列することにより、回折格子と偏光制御機構を併せもつ光制御素子を実現することもできる。また、より高密度化するには、図１０（ｃ）に示すように、六方格子状に配置する。このように高密度化することにより、入射光と金属微小構造体２との相互作用の頻度が増し、偏光状態の変化をより強めることができる。また、集合構造体３は、図１０（ｄ）に示すように、集合構造体３の配向が揃っていれば、平面上にランダムに分布していてもよい。これは、光制御素子の作製精度を緩和することができ、低コスト化を図ることができる。   In the light control element of the present embodiment, the aggregate structure 3 composed of the metal microstructures 2 described above needs to be provided uniformly in the surface irradiated with light. An arrangement example of the aggregate structure of the light control elements of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10A shows an assembly structure 3 composed of two metal dots (metal microstructures) 2 on or inside the electro-optic crystal substrate 1 (or electro-optic crystal film or protective film). They are arranged in a square lattice. Here, it is assumed that the interval between the adjacent aggregate structures 3 is smaller than the half wavelength of incident light. Under this condition, when the light acting on the light control element of this embodiment is observed at a distance, the influence of light interference does not appear. Further, as shown in FIG. 10B, a light control element having both a diffraction grating and a polarization control mechanism can be realized by arranging the intervals at about a half wavelength and arranging them in stripes. Further, in order to achieve higher density, as shown in FIG. By increasing the density in this way, the frequency of interaction between the incident light and the metal microstructure 2 increases, and the change in the polarization state can be further strengthened. Further, as shown in FIG. 10D, the aggregate structures 3 may be randomly distributed on a plane as long as the aggregate structures 3 are aligned. This can ease the manufacturing accuracy of the light control element and can reduce the cost.

本実施例で示した光制御素子に電圧制御手段７により電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて電気光学結晶基板１または電気光学効果を示す膜（電気光学結晶被膜）８の屈折率が変化する。金属微小構造体２は電気光学結晶基板１または電気光学結晶被膜８に接して配置されており、屈折率が変化することは、光の伝達速度が変わり、実効的に金属微小構造体間の距離が変化することに相当する。したがって、外部より金属微小構造体間の距離を制御することができ、しいては、入射光の偏光状態を制御することが可能となる。これが、本実施例の光制御素子の駆動原理である。   When a voltage is applied to the light control element shown in the present embodiment by the voltage control means 7, the refractive index of the electro-optic crystal substrate 1 or the film (electro-optic crystal film) 8 showing the electro-optic effect is changed according to the magnitude of the voltage. Change. The metal microstructure 2 is disposed in contact with the electro-optic crystal substrate 1 or the electro-optic crystal film 8, and the change in the refractive index changes the light transmission speed, and effectively the distance between the metal microstructures. Is equivalent to changing. Therefore, the distance between the metal microstructures can be controlled from the outside, and the polarization state of incident light can be controlled. This is the driving principle of the light control element of this embodiment.

本実施例の光制御素子は、電気光学効果による微小な屈折率変化に対し、極めて敏感に偏光状態を変化させる。したがって、低い印加電圧で効率良く光制御が実現できる。また、金属微小構造体２にはプラズモン共鳴にともなう波長選択性があり、特定の波長に対してのみ偏光状態を制御することが可能となっている。また、電気光学効果の時間応答は極めて早く、高速の光制御が可能となっている。   The light control element of this embodiment changes the polarization state very sensitively to a minute change in refractive index due to the electro-optic effect. Therefore, light control can be realized efficiently with a low applied voltage. Further, the metal microstructure 2 has wavelength selectivity associated with plasmon resonance, and the polarization state can be controlled only for a specific wavelength. Further, the time response of the electro-optic effect is extremely fast, and high-speed light control is possible.

［実施例２］
本実施例は、前述の第１、第３、第５、第６の手段に係る光制御素子に関するものである。
本実施例の光制御素子に関して、図１１〜図１３に基づいて説明する。図１１〜図１３は、本実施例の光制御素子の構成例を説明するための光制御素子の断面図である。基本的な構成は、図１〜図３に示した第一の実施例と同様であるが、電気光学結晶基板または膜の代わりに、光を照射することにより屈折率が変化する非線形光学材料を基板または膜として利用する。 [Example 2]
The present embodiment relates to the light control element according to the first, third, fifth and sixth means described above.
The light control element of this embodiment will be described with reference to FIGS. 11 to 13 are cross-sectional views of the light control element for explaining a configuration example of the light control element of this embodiment. The basic configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, but instead of the electro-optic crystal substrate or film, a non-linear optical material whose refractive index changes by irradiating light is used. Used as a substrate or film.

図１１は透過型の光制御素子の例であり、非線形光学材料基板１０（または非線形光学材料被膜）の上部に金属微小構造体２の集合構造体３を設けた構成となっている。金属微小構造体２を構成する位置は、第一の実施例と同様に、非線形光学材料基板１０の上部に設けられた構成の他、図１２に示す構成例のように、非線形光学材料基板１０の内部に埋め込まれた構成、図１３に示す構成例のように、非線形光学材料による膜１１に覆われた構成のいずれであっても構わない。図１３の構成例では、非線形光学材料による膜１１を形成するため、ならびに金属微小構造体２を固定された位置に配置するために、支持基板１２が必要である。支持基板１２は、透過型の光制御素子では、第一の実施例で述べたように、透明なガラス材料、光学結晶材料を用いる。   FIG. 11 shows an example of a transmissive light control element, in which an aggregate structure 3 of metal microstructures 2 is provided on the nonlinear optical material substrate 10 (or nonlinear optical material film). As in the first embodiment, the position constituting the metal microstructure 2 is not limited to the configuration provided on the upper portion of the nonlinear optical material substrate 10, but also the nonlinear optical material substrate 10 as in the configuration example shown in FIG. As shown in FIG. 13, a configuration embedded in the film 11 and a configuration covered with the film 11 of a nonlinear optical material may be used. In the configuration example of FIG. 13, the support substrate 12 is necessary to form the film 11 made of a nonlinear optical material and to arrange the metal microstructure 2 at a fixed position. As the support substrate 12, as described in the first embodiment, a transparent glass material or an optical crystal material is used for the transmission type light control element.

本実施例の光制御素子では、非線形光学効果を制御するために、外部に入射する光の波長とは異なる波長を有する制御用光源を備えている。反射型の光制御素子として利用する場合には、非線形光学材料基板１０（または非線形光学材料被膜）の下部に金属薄膜や誘電体多層膜構造を設ける。さらに、図１１や図１２の構成例では、金属微小構造体２の酸化や劣化を防ぐため、また、金属微小構造体２に励振されるプラズモンに共鳴する光の波長を選択するため、金属微小構造体２を被膜する透明な保護膜４を設けることが好ましい。また、図１３の構成例のように、非線形光学材料により被膜１１することで、屈折率制御と保護膜の機能を兼ねることもできる。なお、図１１〜図１３の構成例では、金属微小構造体２を配した側から光を入射しているが、非線形光学材料基板１０（または非線形光学材料被膜）や、支持基板１２の側から光を入射する構成であってもよい。   The light control element of this embodiment includes a control light source having a wavelength different from the wavelength of light incident on the outside in order to control the nonlinear optical effect. When used as a reflection type light control element, a metal thin film or a dielectric multilayer film structure is provided below the nonlinear optical material substrate 10 (or nonlinear optical material film). Furthermore, in the configuration examples of FIGS. 11 and 12, in order to prevent oxidation and deterioration of the metal microstructure 2, and to select the wavelength of light that resonates with plasmons excited by the metal microstructure 2, It is preferable to provide a transparent protective film 4 that coats the structure 2. Further, as shown in the configuration example of FIG. 13, by coating the film 11 with a nonlinear optical material, the refractive index control and the function of the protective film can be achieved. In the configuration examples of FIGS. 11 to 13, light is incident from the side where the metal microstructure 2 is disposed, but from the nonlinear optical material substrate 10 (or nonlinear optical material coating) or the support substrate 12 side. The structure which injects light may be sufficient.

非線形光学材料には、入射する光の強度に対して二次または三次の非線形定数を有する材料が利用できる。高効率で屈折率を変化させるためには大きな非線形定数を有する材料が適しており、二次の非線形光学効果を利用する場合は、二次の非線形定数が０．０１ｐｍ／Ｖ以上、より好ましくは二次の非線形定数が１ｐｍ／Ｖ以上であるとよい。または、三次の非線形光学効果を利用する場合には、三次の非線形光学定数が０．０１×１０−２２ｍ２／Ｖ２以上であり、より好ましくは三次の非線形定数が１×１０−２２ｍ２／Ｖ２以上の材料であるとよい。このような材料には、３元素の結晶であるＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢＩＢＯ結晶、４元素の結晶であるＫＴＰ、ＫＤＰ結晶などの無機結晶がある。また、半導体量子井戸構造を用いることにより大きな非線形定数を得ることができる。このような材料としては、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ、Ｚｎ、ＳｅによるIII−Ｖ族、II−VI族半導体混晶が利用できる。非線形光学材料の加工および製膜は、研磨による方法や、スパッタ法を用いた堆積、ＣＶＤやエビタキシャル成長法といった結晶成長技術を用いた方法により行う。 As the nonlinear optical material, a material having a second-order or third-order nonlinear constant with respect to the intensity of incident light can be used. In order to change the refractive index with high efficiency, a material having a large nonlinear constant is suitable. When the second-order nonlinear optical effect is used, the second-order nonlinear constant is 0.01 pm / V or more, more preferably The second-order nonlinear constant is preferably 1 pm / V or more. Alternatively, when the third-order nonlinear optical effect is used, the third-order nonlinear optical constant is 0.01 × 10 −22 m 2 / V 2 or more, and more preferably the third-order nonlinear constant is 1 × 10 −22 m. The material may be 2 / V 2 or more. Such materials include inorganic crystals such as BBO, LBO, and BIBO crystals that are three-element crystals, and KTP and KDP crystals that are four-element crystals. Moreover, a large nonlinear constant can be obtained by using a semiconductor quantum well structure. As such materials, III-V group and II-VI group semiconductor mixed crystals of Ga, In, Al, As, P, N, Sb, Zn, and Se can be used. The processing and film formation of the nonlinear optical material are performed by a polishing method, a deposition method using a sputtering method, a method using a crystal growth technique such as CVD or an epitaxial growth method.

金属微小構造体２およびその集合構造体３は、第一の実施例に記載したものと同様であり、入射する光の波長に対して十分に小さい必要があり、好ましくは１０〜１００ｎｍのサイズであればよい。また、金属微小構造体２は、図４〜図８を参照して説明したように、二個を一定の方向に配列し、その間隔を調整することにより所望する偏光状態を得るものでも良いし、図９に示したように、三個以上をＬ字、Ｖ字構造等に間隔を調整して配列し、所望する偏光状態を得るものでもよい。集合構造体３の配置についても、第一の実施例に記載したもの（図１０）と同様であり、正方格子、六方格子、ストライプ、ランダムな配置などとする。金属微小構造体２を構成する材料は、可視光領域でプラズモンを励振する金属材料で、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどが利用できる。作製方法は、第一の実施例で示した、電子ビームリソグラフィ技術を用いた方法や、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント技術による方法、エッチングレートの違いを利用してエッチングする手法などが利用できる。   The metal microstructure 2 and the aggregate structure 3 are the same as those described in the first embodiment, and need to be sufficiently small with respect to the wavelength of incident light, and preferably have a size of 10 to 100 nm. I just need it. Further, as described with reference to FIGS. 4 to 8, the metal microstructure 2 may be one in which two are arranged in a certain direction and a desired polarization state is obtained by adjusting the distance therebetween. As shown in FIG. 9, three or more pieces may be arranged in an L-shaped or V-shaped structure with an interval adjusted to obtain a desired polarization state. The arrangement of the aggregate structure 3 is also the same as that described in the first embodiment (FIG. 10), and is a square lattice, a hexagonal lattice, a stripe, a random arrangement, or the like. The material constituting the metal microstructure 2 is a metal material that excites plasmons in the visible light region, and Au, Ag, Pt, Al, Cu, and the like can be used. The manufacturing method uses the method using the electron beam lithography technique shown in the first embodiment, the method of performing batch exposure using the DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technique, and a mold called a mold. A method based on nanoimprint technology for pressing with heat, a method of etching using a difference in etching rate, and the like can be used.

第一の実施例と同様に、金属微小構造体２は空気中に剥き出しになっている必要はなく、金属微小構造体２の劣化を防ぐために、図１１や図１２に示すように、むしろ誘電体による保護膜４を有しているほうが好ましい。また、金属微小構造体２を被覆する材料の光学定数（屈折率、消衰係数）に依存して金属微小構造体内部に励起されるプラズモンの共鳴波長がシフトするため、特定の波長の光を選択的に制御する、波長選択フィルタとしての機能も有する。保護膜４となる誘電体材料は吸収の少ないものが適しており、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの光記録媒体の保護膜として利用される遷移金属酸化物などが利用できる。保護膜の作製は、スパッタ法やＣＶＤ法を用いて行う。なお、保護膜を設ける代わりに、図１３に示すように、金属微小構造体２を非線形光学材料被膜１１で被覆する構造としてもよい。 Similar to the first embodiment, the metal microstructure 2 does not need to be exposed in the air. In order to prevent the metal microstructure 2 from being deteriorated, as shown in FIGS. It is preferable to have the protective film 4 by the body. In addition, since the resonance wavelength of the plasmon excited inside the metal microstructure is shifted depending on the optical constants (refractive index, extinction coefficient) of the material covering the metal microstructure 2, light of a specific wavelength is emitted. It also has a function as a wavelength selection filter that is selectively controlled. As the dielectric material for the protective film 4, a material with low absorption is suitable, and a transition metal oxide used as a protective film for an optical recording medium such as ZnS—SiO 2 can be used. The protective film is manufactured using a sputtering method or a CVD method. Instead of providing a protective film, the metal microstructure 2 may be covered with the nonlinear optical material film 11 as shown in FIG.

次に本実施例の光制御素子における、光制御の原理について説明する。外部に設けた非線形光学効果制御用の図示しない光源により制御光（変調光）の強度を変化させることにより、非線形光学材料の屈折率が変化する。金属微小構造体２は、非線形光学材料からなる基板または膜に接して配置されており、屈折率の変化は、実効的に金属微小構造体間の距離を変化させることになり、隣接して配置された複数の金属微小構造体間の近接場光を介在した相互作用の強さに変化が生じる。その結果、金属微小構造体間に働く近接場相互作用の大きさが、金属微小構造体２の配置と入射する光の偏光方向に依存して変化し、透過光または反射光に偏光の異方性が現れる。偏光の異方性は、非線形光学材料の屈折率変化に対して、極めて敏感であり、制御光の強度により、偏光状態をアクティブに制御することができる。   Next, the principle of light control in the light control element of this embodiment will be described. By changing the intensity of the control light (modulated light) with a light source (not shown) for controlling the nonlinear optical effect provided outside, the refractive index of the nonlinear optical material changes. The metal microstructure 2 is disposed in contact with a substrate or film made of a nonlinear optical material, and the change in refractive index effectively changes the distance between the metal microstructures, and is disposed adjacent to the metal microstructure 2. There is a change in the strength of interaction between the plurality of metal microstructures via near-field light. As a result, the magnitude of the near-field interaction acting between the metal microstructures changes depending on the arrangement of the metal microstructures 2 and the polarization direction of the incident light, and the polarization of transmitted light or reflected light is anisotropic. Sex appears. Polarization anisotropy is extremely sensitive to changes in the refractive index of the nonlinear optical material, and the polarization state can be actively controlled by the intensity of the control light.

なお、非線形光学材料の屈折率制御に利用する光源は、非線形性を強く生じる波長であり、且つ入射光（信号光）と分離される必要があることから、金属微小構造体のプラズモン共鳴周波数から十分に離れた波長の光を利用する。   In addition, since the light source used for the refractive index control of the nonlinear optical material has a wavelength that strongly causes nonlinearity and needs to be separated from incident light (signal light), from the plasmon resonance frequency of the metal microstructure. Use light with a sufficiently distant wavelength.

本実施例の光制御素子は、非線形光学効果による微小な屈折率変化に対し、極めて敏感に偏光状態を変化させる。したがって、高効率光制御が可能となっている。また、金属微小構造体２にはプラズモン共鳴にともなう波長選択性があり、特定の波長に対してのみ偏光状態を制御することが可能となっている。また、非線形光学材料を使うことにより、電気的な配線が不要であり、極めて簡単な構成で光制御が実現できる。   The light control element of this embodiment changes the polarization state very sensitively to a minute change in refractive index due to the nonlinear optical effect. Therefore, highly efficient light control is possible. Further, the metal microstructure 2 has wavelength selectivity associated with plasmon resonance, and the polarization state can be controlled only for a specific wavelength. Further, by using a nonlinear optical material, no electrical wiring is required, and light control can be realized with a very simple configuration.

［実施例３］
本実施例は、前述の第１、第４、第５、第６の手段に係る光制御素子に関するものである。
本実施例の光制御素子に関して、図１４に基づいて説明する。図１４は、本実施例の光制御素子の構成例を説明するための光制御素子の断面図である。基本的な構成は、図１に示した第一の実施例と同様であるが、電気光学結晶基板または膜により屈折率を電気的に変調する代わりに、電圧を印加することにより変形（伸縮）を生じる電歪材料を利用する。図１４は透過型の光制御素子の例であり、透明な支持基板１４上に電歪材料膜１３を設けたものを基板とし、基板上に金属微小構造体２の集合構造体３を設けた構成となっている。また、電歪材料膜１３の変形量を制御するために、外部に電圧制御手段７を備えている。 [Example 3]
The present embodiment relates to the light control element according to the first, fourth, fifth and sixth means described above.
The light control element of this example will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view of the light control element for explaining a configuration example of the light control element of this embodiment. The basic configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but it is deformed (stretched) by applying a voltage instead of electrically modulating the refractive index by an electro-optic crystal substrate or film. An electrostrictive material that produces FIG. 14 shows an example of a transmissive light control element, in which an electrostrictive material film 13 provided on a transparent support substrate 14 is used as a substrate, and an aggregate structure 3 of metal microstructures 2 is provided on the substrate. It has a configuration. Further, in order to control the deformation amount of the electrostrictive material film 13, a voltage control means 7 is provided outside.

反射型の光制御素子として利用する場合には、不透明な電歪材料膜１３を用いることができる。また、電歪材料膜１３を形成した支持基板１４の下部に金属薄膜や誘電体多層膜構造を設けてもよい。金属微小構造体２の酸化や劣化を防ぐため、また、金属微小構造体２に励振されるプラズモンに共鳴する光の波長を選択するため、金属微小構造体２を被膜する透明な保護膜４を設けることが好ましい。なお、図１４に示す構成例では、金属微小構造体２を配した側から光を入射しているが、電歪材料膜１３を形成した支持基板１４の側から光を入射する構成であってもよい。   When used as a reflection type light control element, an opaque electrostrictive material film 13 can be used. Further, a metal thin film or a dielectric multilayer structure may be provided below the support substrate 14 on which the electrostrictive material film 13 is formed. In order to prevent oxidation and deterioration of the metal microstructure 2, and to select a wavelength of light that resonates with the plasmon excited by the metal microstructure 2, a transparent protective film 4 for coating the metal microstructure 2 is provided. It is preferable to provide it. In the configuration example shown in FIG. 14, light is incident from the side where the metal microstructure 2 is disposed, but light is incident from the side of the support substrate 14 on which the electrostrictive material film 13 is formed. Also good.

電歪材料は、低電力で変形を生じる材料が適しており、水晶、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＡｌＮなどの無機結晶が利用できる。また、チタン酸ジルコン酸鉛などのセラミックス材料や、ロッシェル塩、トルマリン（電気石）などの有機結晶が利用できる。電歪材料の加工および製膜は、研磨による方法や、スパッタ法を用いた堆積、ＣＶＤやエビタキシャル成長法といった結晶成長技術を用いた方法により行う。 As the electrostrictive material, a material that deforms at low power is suitable, and inorganic crystals such as quartz, ZnO, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 2 B 4 O 7 , and AlN can be used. In addition, ceramic materials such as lead zirconate titanate and organic crystals such as Rochelle salt and tourmaline (tourmaline) can be used. Processing and film formation of the electrostrictive material is performed by a method using polishing, deposition using a sputtering method, or a method using a crystal growth technique such as CVD or an epitaxial growth method.

金属微小構造体２およびその集合構造体３は、第一の実施例に記載したものと同様であり、入射する光の波長に対して十分に小さい必要があり、好ましくは１０〜１００ｎｍのサイズであればよい。また、金属微小構造体２は、図４〜図８を参照して説明したように、二個を一定の方向に配列し、その間隔を調整することにより所望する偏光状態を得るものでも良いし、図９に示したように、三個以上をＬ字、Ｖ字構造等に間隔を調整して配列し、所望する偏光状態を得るものでもよい。集合構造体３の配置についても、第一の実施例に記載したもの（図１０）と同様であり、正方格子、六方格子、ストライプ、ランダムな配置などとする。金属微小構造体２を構成する材料は、可視光領域でプラズモンを励振する金属材料で、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどが利用できる。作製方法は、第一の実施例で示した、電子ビームリソグラフィ技術を用いた方法や、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント技術による方法、エッチングレートの違いを利用してエッチングする手法などが利用できる。   The metal microstructure 2 and the aggregate structure 3 are the same as those described in the first embodiment, and need to be sufficiently small with respect to the wavelength of incident light, and preferably have a size of 10 to 100 nm. I just need it. Further, as described with reference to FIGS. 4 to 8, the metal microstructure 2 may be one in which two are arranged in a certain direction and a desired polarization state is obtained by adjusting the distance therebetween. As shown in FIG. 9, three or more pieces may be arranged in an L-shaped or V-shaped structure with an interval adjusted to obtain a desired polarization state. The arrangement of the aggregate structure 3 is also the same as that described in the first embodiment (FIG. 10), and is a square lattice, a hexagonal lattice, a stripe, a random arrangement, or the like. The material constituting the metal microstructure 2 is a metal material that excites plasmons in the visible light region, and Au, Ag, Pt, Al, Cu, and the like can be used. The manufacturing method uses the method using the electron beam lithography technique shown in the first embodiment, the method of performing batch exposure using the DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technique, and a mold called a mold. A method based on nanoimprint technology for pressing with heat, a method of etching using a difference in etching rate, and the like can be used.

第一の実施例と同様に、金属微小構造体２は空気中に剥き出しになっている必要はなく、金属微小構造体２の劣化を防ぐために、図１４に示すように、むしろ誘電体による保護膜４を有しているほうが好ましい。また、金属微小構造体２を被覆する材料の光学定数（屈折率、消衰係数）に依存して金属微小構造体内部に励起されるプラズモンの共鳴波長がシフトするため、特定の波長の光を選択的に制御する、波長選択フィルタとしての機能も有する。保護膜４となる誘電体材料は吸収の少ないものが適しており、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの光記録媒体の保護膜として利用される遷移金属酸化物などが利用できる。保護膜の作製は、スパッタ法やＣＶＤ法を用いて行う。 As in the first embodiment, the metal microstructure 2 does not need to be exposed in the air. In order to prevent the metal microstructure 2 from being deteriorated, as shown in FIG. It is preferable to have the film 4. In addition, since the resonance wavelength of the plasmon excited inside the metal microstructure is shifted depending on the optical constants (refractive index, extinction coefficient) of the material covering the metal microstructure 2, light of a specific wavelength is emitted. It also has a function as a wavelength selection filter that is selectively controlled. As the dielectric material for the protective film 4, a material with low absorption is suitable, and a transition metal oxide used as a protective film for an optical recording medium such as ZnS—SiO 2 can be used. The protective film is manufactured using a sputtering method or a CVD method.

次に本実施例の光制御素子における、光制御の原理について説明する。外部に設けた電圧制御手段７により、印加電圧を変化させることにより、電歪材料膜１３は変形（伸縮）を生じる。図１４では、電歪材料膜１３に平行な方向に電圧が印加される構成であり、電歪材料膜１３は、支持基板１４に平行な方向に伸縮する。したがって、金属微小構造体間の距離を変化させることになり、金属微小構造体間に働く近接場相互作用の大きさが、金属微小構造体２の配置と入射する光の偏光方向に依存して変化し、透過光または反射光に偏光の異方性が現れる。偏光の異方性は、金属微小構造体２の変位に対して、極めて敏感であり、印加電圧を制御することにより、偏光状態をアクティブに制御することができる。   Next, the principle of light control in the light control element of this embodiment will be described. By changing the applied voltage by the voltage control means 7 provided outside, the electrostrictive material film 13 is deformed (expanded). In FIG. 14, a voltage is applied in a direction parallel to the electrostrictive material film 13, and the electrostrictive material film 13 expands and contracts in a direction parallel to the support substrate 14. Therefore, the distance between the metal microstructures is changed, and the magnitude of the near-field interaction acting between the metal microstructures depends on the arrangement of the metal microstructures 2 and the polarization direction of incident light. The polarization anisotropy appears in the transmitted light or reflected light. The anisotropy of polarization is extremely sensitive to the displacement of the metal microstructure 2, and the polarization state can be actively controlled by controlling the applied voltage.

本実施例の光制御素子は、電歪材料による微小な変形に対し、極めて敏感に偏光状態を変化させる。したがって、高効率光制御が可能となっている。また、金属微小構造体２にはプラズモン共鳴にともなう波長選択性があり、特定の波長に対してのみ偏光状態を制御することが可能となっている。また、電歪効果の時間応答は極めて早く、高速の光制御が可能となっている。   The light control element of this embodiment changes the polarization state very sensitively to a minute deformation caused by the electrostrictive material. Therefore, highly efficient light control is possible. Further, the metal microstructure 2 has wavelength selectivity associated with plasmon resonance, and the polarization state can be controlled only for a specific wavelength. Further, the time response of the electrostrictive effect is extremely fast, and high-speed light control is possible.

［実施例４］
本実施例例は、前述の第７の手段に係る表示装置に関するものである。
本実施例の光制御素子を用いた表示装置に関して、図１５および図１６〜図２１に基づいて説明する。
図１５は、本実施例の表示装置の構成例を説明するための概略構成図である。本実施例の表示装置は、光源（白色光源または、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）の３色の波長をもつＬＥＤ光源）２０と、実施例１〜３で説明した光制御素子の集合により構成される偏光制御素子２２および偏光制御素子を制御するための外部光変調手段２３と、偏光状態を透過光強度情報に変換するための二枚の偏光板（第１偏光板２１および第２偏光板２４）と、偏光制御素子２２により変調された信号をスクリーン２６に表示するための投射光学系２５により構成されている。 [Example 4]
The present embodiment relates to a display device according to the seventh means described above.
A display device using the light control element of this embodiment will be described with reference to FIGS. 15 and 16 to 21.
FIG. 15 is a schematic configuration diagram for explaining a configuration example of the display apparatus according to the present embodiment. The display device of this embodiment includes a light source (white light source or LED light source having wavelengths of three colors of red (R), green (G), and blue (B)) 20 and the light control element described in the first to third embodiments. A polarization control element 22 constituted by a set of the above, an external light modulation means 23 for controlling the polarization control element, and two polarizing plates for converting the polarization state into transmitted light intensity information (first polarizing plate 21 and A second polarizing plate 24) and a projection optical system 25 for displaying a signal modulated by the polarization control element 22 on a screen 26 are configured.

この表示装置に組み込まれる偏光制御素子２２は、ＲＧＢの各波長に対して作用することから、それぞれの光の波長に対応した三種類の偏光制御素子要素（例えば１／２波長板として機能）２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂが必要であり、図１５は、これら偏光制御素子要素２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂを直列に並べた構成を有している。各波長に対する偏光制御素子要素２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂは、それぞれ１００μｍ〜１ｍｍ平方程度のサイズをもつ画素に分割されており、各画素は、各偏光制御素子要素２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂに対応する外部光変調手段２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂにより独立に変調される。各画素が実施例１〜３で説明した光制御素子に対応している。   Since the polarization control element 22 incorporated in this display device acts on each of the RGB wavelengths, three types of polarization control element elements (for example, function as a half-wave plate) 22R corresponding to the respective wavelengths of light. , 22G, and 22B are necessary, and FIG. 15 has a configuration in which these polarization control element elements 22R, 22G, and 22B are arranged in series. The polarization control element elements 22R, 22G, and 22B for each wavelength are divided into pixels each having a size of about 100 μm to 1 mm square, and each pixel is external light corresponding to each polarization control element element 22R, 22G, and 22B. Modulation is performed independently by the modulation means 23R, 23G, and 23B. Each pixel corresponds to the light control element described in the first to third embodiments.

光制御素子は、ＲＧＢの３色それぞれの波長の光に対して、プラズモン共鳴が生じるように、金属微小構造体を構成する材料ならびに波長選択性を有する保護膜の材料を選択する必要がある。図１６〜図２１は、これを実現する構成の一例を示した計算結果である。計算は、ミー散乱理論に基づき、半径が５〜２５ｎｍのＡｕ金属球またはＡｇ金属球が、代表的な被膜材料で覆われている系について行い、金属球中心部分の電界強度を算出した。被膜材料として用いたのは、空気（屈折率：ｎ＝１．０）（図１６）、ＣａＦ２（ｎ＝１．３）（図１７）、ＳｉＯ２（ｎ＝１．５）（図１８、図１９）、ＺｎＯ（ｎ＝２．１）（図２０）、ＺｎＳ−ＳｉＯ２（ｎ＝２．３）（図２１）である。同一のグラフ中において、５本の曲線ａ〜ｅは、半径がａ＝５ｎｍ、ｂ＝１０ｎｍ、ｃ＝１５ｎｍ、ｄ＝２０ｎｍ、ｅ＝２５ｎｍの場合の計算結果を表しており、長波長側にピークがシフトするほど半径が大きな金属となっている。赤色（Ｒ）の光にプラズモンの共鳴条件を合わせるには、Ａｇ金属球をＳｉＯ２またはこれに近い屈折率を有する材料により被覆する。緑色（Ｇ）の光にプラズモンの共鳴条件を合わせるには、Ａｕ金属球をＣａＦ２など屈折率ｎが１．３程度の材料で被膜する。もしくは、Ａｇ金属球をＺｎＯなどの屈折率ｎが２．１程度の材料で被膜する。青色（Ｂ）の光にプラズモンの共鳴条件を合わせるには、Ａｕ金属球をＳｉＯ２などの屈折率ｎが１．５程度の材料で被膜する。もしくは、Ａｇ金属球をＺｎＳ−ＳｉＯ２などの屈折率ｎが２．３程度の材料で被膜する。これらは、金属微小構造体２のサイズや形状、金属微小構造体２を配置する基板の光学特性、波長選択性を有する保護膜の膜厚などに依存するため、光制御素子の構成に依存して最適化する必要がある。 The light control element needs to select a material constituting the metal microstructure and a protective film material having wavelength selectivity so that plasmon resonance occurs with respect to light of each of the three colors of RGB. 16 to 21 are calculation results showing an example of a configuration for realizing this. The calculation was performed on a system in which an Au metal sphere or an Ag metal sphere having a radius of 5 to 25 nm was covered with a typical coating material based on the Mie scattering theory, and the electric field intensity at the central portion of the metal sphere was calculated. As the coating material, air (refractive index: n = 1.0) (FIG. 16), CaF 2 (n = 1.3) (FIG. 17), SiO 2 (n = 1.5) (FIG. 18). 19), ZnO (n = 2.1) (FIG. 20), and ZnS—SiO 2 (n = 2.3) (FIG. 21). In the same graph, five curves a to e represent the calculation results when the radii are a = 5 nm, b = 10 nm, c = 15 nm, d = 20 nm, and e = 25 nm. The metal has a larger radius as the peak shifts. In order to match the plasmon resonance condition to the red (R) light, the Ag metal sphere is coated with SiO 2 or a material having a refractive index close thereto. In order to match the plasmon resonance condition with green (G) light, an Au metal sphere is coated with a material having a refractive index n of about 1.3, such as CaF 2 . Alternatively, an Ag metal sphere is coated with a material having a refractive index n of about 2.1 such as ZnO. In order to match the plasmon resonance condition to the blue (B) light, an Au metal sphere is coated with a material having a refractive index n of about 1.5 such as SiO 2 . Alternatively, an Ag metal sphere is coated with a material having a refractive index n of about 2.3, such as ZnS—SiO 2 . These depend on the size and shape of the metal microstructure 2, the optical characteristics of the substrate on which the metal microstructure 2 is disposed, the thickness of the protective film having wavelength selectivity, and the like, and therefore depend on the configuration of the light control element. Need to be optimized.

次に本実施例の表示装置の動作原理について説明する。本実施例の表示装置は、二枚の偏光板２１，２４を直交させて、偏光制御素子２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）の前後に配置した構成であり、偏光制御素子２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）には第１偏光板２１を介して直線偏光が入射される。ここで、外部光変調手段２３（２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ）により、電圧、制御光、変位が入力された際に、偏光が９０°回転するように、金属微小構造体２の間隔や配置を調整しておくと、偏光の向きが変化した成分のみが第２偏光板２４を透過することができ、スクリーン２６上に結像される。ＲＧＢの３色の波長に対し、偏光制御素子２２（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）の各画素に対応する光制御素子でこのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、スクリーン２６上で３色が合成されたカラー画像が形成できる。   Next, the operation principle of the display device of this embodiment will be described. The display device of the present embodiment has a configuration in which two polarizing plates 21 and 24 are orthogonally arranged and arranged before and after the polarization control element 22 (22R, 22G, 22B), and the polarization control element 22 (22R, 22G, 22B) receives linearly polarized light via the first polarizing plate 21. Here, the interval and arrangement of the metal microstructures 2 are adjusted by the external light modulation means 23 (23R, 23G, 23B) so that the polarized light rotates 90 ° when voltage, control light, and displacement are input. In this case, only the component whose polarization direction has changed can pass through the second polarizing plate 24 and is imaged on the screen 26. Three colors are synthesized on the screen 26 by controlling this ON / OFF with the light control element corresponding to each pixel of the polarization control element 22 (22R, 22G, 22B) for the three colors of RGB. A color image can be formed.

なお、図１５には明記していないが、入射される光は、ランダムな偏光状態を有しており、第１偏光板２１により光量の１／２を損失してしまう。これを回避するため、第１偏光板２１の前部に反射される偏光成分を回転させて再び入力する偏光変換素子（図示せず）を配置することにより、光利用効率を高め、また高輝度の表示装置を実現することができる。   Although not clearly shown in FIG. 15, incident light has a random polarization state, and ½ of the light amount is lost by the first polarizing plate 21. In order to avoid this, a polarization conversion element (not shown) that rotates and re-inputs the polarization component reflected on the front part of the first polarizing plate 21 is arranged to increase the light use efficiency and increase the brightness. The display device can be realized.

以上のように、本実施例の表示装置は、光制御素子を電気的または光学的な屈折率変化により制御する場合には、可動部分をもたず、極めて高速な動作を実現することができる。光制御素子を電歪材料の変形を利用して制御する場合においても、極めて微小な物理的変化を透過光強度に反映することができ、高速且つ低消費電力動作が可能となる。また、液晶パネルを用いた表示素子のようにＲＧＢの３つの波長を分離して情報処理を行う必要がないため、光学素子数を格段に減らすことが可能となり、生産コストの削減や、表示装置の小型化が可能となる。   As described above, when the light control element is controlled by an electrical or optical refractive index change, the display device of this embodiment does not have a movable part and can realize an extremely high speed operation. . Even when the light control element is controlled using deformation of the electrostrictive material, a very small physical change can be reflected in the transmitted light intensity, and high speed and low power consumption operation is possible. Further, unlike the display element using the liquid crystal panel, it is not necessary to perform the information processing by separating the three wavelengths of RGB, so that the number of optical elements can be remarkably reduced, thereby reducing the production cost and the display device. Can be reduced in size.

［実施例５］
本実施例は、前述の第７の手段に係る表示装置に関するものであり、実施例４とは異なる構成によるものである。
本実施例の光制御素子を用いた表示装置に関して、図２２、図２３に基づいて説明する。図２２は、本実施例の表示装置の構成例を説明するための概略構成図である。本実施例の表示装置は、光源３０としてＲＧＢの各波長をもつ三つの独立したＬＥＤ光源３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと、実施例１〜３で説明した光制御素子の集合により構成される偏光制御素子（例えば１／２波長板として機能）３３および偏光制御素子を制御するための外部光変調手段３４と、偏光状態を透過光強度情報に変換するための二枚の偏光板（第１偏光板３１および第２偏光板３６）と、各画素へ光を投入するためのマイクロレンズアレイ３２と、各画素を透過した光を合成するコリメートレンズ３５と、偏光制御素子３３の光制御素子により変調された信号をスクリーン３８に表示するための投射光学系３７により構成されている。 [Example 5]
The present embodiment relates to the display device according to the seventh means described above, and has a configuration different from that of the fourth embodiment.
A display device using the light control element of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 22 is a schematic configuration diagram for explaining a configuration example of the display device of the present embodiment. The display apparatus according to the present embodiment includes a polarization control element configured by a set of three independent LED light sources 30R, 30G, and 30B having RGB wavelengths as the light source 30 and the light control elements described in the first to third embodiments. (For example, functioning as a half-wave plate) 33 and external light modulation means 34 for controlling the polarization control element, and two polarizing plates (first polarizing plate 31) for converting the polarization state into transmitted light intensity information And a second polarizing plate 36), a microlens array 32 for injecting light to each pixel, a collimating lens 35 for synthesizing light transmitted through each pixel, and a light control element of the polarization control element 33. A projection optical system 37 for displaying a signal on the screen 38 is configured.

本実施例で実施例４と異なる部分は、図２２および図２３に示すように、偏光制御素子３３が、ＲＧＢの３色に対応する三種類の光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂを単板上に配列することにより構成されているところである。ＲＧＢの３色の波長に対する光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂが１００μｍ〜１ｍｍ平方程度の領域中に全て配置されたものが、１画素を構成する。各光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂは、外部光変調手段３４により独立に変調される。各画素を構成する三つの光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂのそれぞれが実施例１〜３で説明した光制御素子に対応している。光制御素子を構成する材料は、実施例４で示したものと同様であり、Ａｕ、Ａｇなどの金属材料と、ＣａＦ２、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの一般的な被膜材料を、ＲＧＢの各波長の光が金属微小構造体中のプラズモン共鳴条件近傍に調整されるように選択する。 As shown in FIGS. 22 and 23, the present embodiment is different from the fourth embodiment in that the polarization control element 33 has three kinds of light control elements 33R, 33G, and 33B corresponding to the three colors of RGB on a single plate. It is the place which is comprised by arranging in. All the light control elements 33R, 33G, and 33B for the three colors of RGB are arranged in an area of about 100 μm to 1 mm square constitutes one pixel. Each of the light control elements 33R, 33G, and 33B is independently modulated by the external light modulation means 34. Each of the three light control elements 33R, 33G, and 33B constituting each pixel corresponds to the light control element described in the first to third embodiments. The material constituting the light control element is the same as that shown in Example 4, and a metal material such as Au and Ag and a general coating material such as CaF 2 , SiO 2 , ZnO, and ZnS—SiO 2 are used. , RGB are selected so that light of each wavelength is adjusted in the vicinity of the plasmon resonance condition in the metal microstructure.

偏光制御素子３３は、ＲＧＢの３色の波長に対応する光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂが単板上に交互に配列しているため、ＲＧＢ各波長の光をこれらの光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂに分配する必要がある。これは、マイクロレンズアレイ３２を用い、各マイクロレンズ３２ａに入射する入射光の角度をＲＧＢの各波長に対して調整することで実現できる。図２３は、図２２における１つのマイクロレンズ３２ａと光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂを含む点線部分３９を拡大したものであり、入射角に依存したＲＧＢ各波長の光の集光状態を説明するための図である。垂直に入射される光は、マイクロレンズ３２ａの中心に位置する光制御素子３３Ｇに集光される。一方、斜めに入射される光は、焦点位置がマイクロレンズ３２ａへの入射角度に依存して変化する。したがって、マイクロレンズ３２ａへの入射角度を変化させることにより、二次元的には配列した３つの光制御素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂへ、それぞれ対応した波長の光を導入することができる。   In the polarization control element 33, since the light control elements 33R, 33G, and 33B corresponding to the three colors of RGB are alternately arranged on a single plate, light of each wavelength of RGB is supplied to these light control elements 33R, 33G. , 33B. This can be realized by using the microlens array 32 and adjusting the angle of incident light incident on each microlens 32a with respect to each wavelength of RGB. FIG. 23 is an enlarged view of the dotted line portion 39 including one microlens 32a and the light control elements 33R, 33G, and 33B in FIG. 22, and the light condensing state of each wavelength of RGB depending on the incident angle will be described. FIG. The vertically incident light is collected on the light control element 33G located at the center of the micro lens 32a. On the other hand, the obliquely incident light changes its focal position depending on the incident angle to the microlens 32a. Therefore, by changing the incident angle to the microlens 32a, it is possible to introduce light having a corresponding wavelength into the three light control elements 33R, 33G, and 33B that are two-dimensionally arranged.

本実施例の表示装置の動作原理は、実施例４と同様であり、外部光変調手段３４により、電圧、または制御光が入力された際に、偏光が９０°回転するように、金属微小構造体の間隔や配置を調整しておくことにより、偏光の向きが変化した成分のみが第２偏光板３６を透過することができ、スクリーン３８上で３色が合成されたカラー画像が形成される。   The operation principle of the display device of the present embodiment is the same as that of the fourth embodiment. When a voltage or control light is input by the external light modulation means 34, the metal microstructure is rotated so that the polarization is rotated by 90 °. By adjusting the spacing and arrangement of the bodies, only the component whose polarization direction has changed can pass through the second polarizing plate 36, and a color image in which the three colors are synthesized is formed on the screen 38. .

なお、図２２には明記していないが、入射される光は、ランダムな偏光状態を有しており、第１偏光板３１により光量の１／２を損失してしまう。これを回避するため、第１偏光板３１の前部に反射される偏光成分を回転させて再び入力する偏光変換素子（図示せず）を配置することにより、光利用効率を高め、また高輝度の表示装置を実現することができる。   Although not clearly shown in FIG. 22, incident light has a random polarization state, and ½ of the light amount is lost by the first polarizing plate 31. In order to avoid this, a polarization conversion element (not shown) that rotates and re-inputs the polarization component reflected on the front part of the first polarizing plate 31 is arranged to increase the light use efficiency and increase the brightness. The display device can be realized.

以上のように、本実施例の表示装置は、光制御素子を電気的または光学的な屈折率変化により制御する場合には、可動部分をもたず、極めて高速な動作を実現することができる。光制御素子を電歪材料の変形を利用して制御する場合においても、極めて微小な物理的変化を透過光強度に反映することができ、高速且つ低消費電力動作が可能となる。また、単板でＲＧＢの３つの波長に対する光制御を行っているため、光学素子数を格段に減らすことが可能となり、生産コストの削減や、表示装置の小型化が可能となる。   As described above, when the light control element is controlled by an electrical or optical refractive index change, the display device of this embodiment does not have a movable part and can realize an extremely high speed operation. . Even when the light control element is controlled using deformation of the electrostrictive material, a very small physical change can be reflected in the transmitted light intensity, and high speed and low power consumption operation is possible. In addition, since light control is performed on the three wavelengths of RGB with a single plate, the number of optical elements can be significantly reduced, and the production cost can be reduced and the display device can be downsized.

［実施例６］
本実施例は、前述の第８の手段に係る応力測定装置に関するものである。
本実施例の光制御素子を用いた応力測定装置に関して、図２４および前述の図１６〜２１に基づいて説明する。図２４は、本実施例の応力測定装置を説明するための概略構成図である。本実施例の応力測定装置は、単色光源４０と偏光子４１と、実施例１〜３で説明した光制御素子５３を備えた変形機構（支持基板５１と起歪体５２）と、該光制御素子５３を制御するための外部変調手段４４と、光制御素子５３の変形または変位により生じる金属微小構造体間の相対的な位置関係の変化を偏光状態の変化として検出する偏光検出手段（例えば検光子４２と光検出器４３）とにより構成されている。また、光制御素子５３は、圧力や温度に起因した応力を微小な変形として感知できるよう、支持基板５１上に起歪体５２を配置し、該起歪体５２に接して配置されている。 [Example 6]
The present embodiment relates to a stress measuring apparatus according to the eighth means described above.
A stress measurement apparatus using the light control element of this embodiment will be described with reference to FIG. 24 and the above-described FIGS. FIG. 24 is a schematic configuration diagram for explaining the stress measuring apparatus according to the present embodiment. The stress measurement apparatus of this embodiment includes a monochromatic light source 40, a polarizer 41, a deformation mechanism (a support substrate 51 and a strain generating body 52) including the light control element 53 described in the first to third embodiments, and the light control. An external modulation means 44 for controlling the element 53 and a polarization detecting means for detecting a change in relative positional relationship between the metal microstructures caused by deformation or displacement of the light control element 53 as a change in polarization state (for example, detection) It consists of a photon 42 and a photodetector 43). Further, the light control element 53 is disposed on and in contact with the strain body 52 on the support substrate 51 so that the stress caused by the pressure or temperature can be detected as a minute deformation.

本実施例の応力測定装置に用いる単色光源４０は、光制御素子５３を構成する金属微小構造体中にプラズモンを共鳴的に励振する波長を有する必要がある。Ａｕを金属材料とした金属微小構造体では、５４４ｎｍ程度の波長をもつレーザーダイオード（ＬＤ）を用いる。なお、光源４０は、単色ＬＥＤや固体レーザーであっても構わないが、装置の小型化、高感度化の目的から、レーザーダイオード（ＬＤ）を利用するほうが、より好ましい。また、Ａｇを金属材料として用いる場合には、４００ｎｍ程度の短波長の光源が必要である。また、金属微小構造体を被覆する保護膜の選択により、使用する光の波長を調整することができる。
図１６〜２１は前述したように、ミー散乱理論を用いて様々な被覆材料に覆われた金属球の球中心における電界強度を計算した結果であり、金属材料と保護膜の組み合わせにより、プラズモンの共鳴波長を自由に選択できることを示している。図１６〜２１から分かるように、短波長の光を用いるほど、共鳴ピーク値は大きくなり、微小な変形に起因した偏光状態の変化が、より顕著に現れる。 The monochromatic light source 40 used in the stress measuring device of this embodiment needs to have a wavelength for resonantly exciting plasmons in the metal microstructure constituting the light control element 53. In a metal microstructure using Au as a metal material, a laser diode (LD) having a wavelength of about 544 nm is used. The light source 40 may be a monochromatic LED or a solid-state laser, but it is more preferable to use a laser diode (LD) for the purpose of downsizing and high sensitivity of the apparatus. Further, when Ag is used as a metal material, a light source with a short wavelength of about 400 nm is required. Further, the wavelength of light to be used can be adjusted by selecting a protective film that covers the metal microstructure.
16 to 21 are the results of calculating the electric field strength at the sphere center of a metal sphere covered with various coating materials using the Mie scattering theory, as described above, and the combination of the metal material and the protective film, It shows that the resonance wavelength can be freely selected. As can be seen from FIGS. 16 to 21, the resonance peak value increases as the light having a shorter wavelength is used, and the change in the polarization state due to minute deformation appears more prominently.

光制御素子５３を備えた変形機構は、Ｓｉの自立膜が微小な隙間を有して平行に配置された起歪体５２を有した構造となっている。このような構造は、Ｓｉ半導体の製造プロセスにより作製される。例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを用い、光リソグラフィ技術によりパターンを切り出し、ＳｉＯ２層をドライエッチングで除去することにより、隙間部分を作製することができる。この起歪体５２に接して本発明の光制御素子５３を配置する。 The deformation mechanism including the light control element 53 has a structure including a strain generating body 52 in which a free-standing Si film is arranged in parallel with a minute gap. Such a structure is produced by a Si semiconductor manufacturing process. For example, a gap portion can be formed by using a SOI (Silicon On Insulator) wafer, cutting out a pattern by a photolithographic technique, and removing the SiO 2 layer by dry etching. The light control element 53 of the present invention is disposed in contact with the strain generating body 52.

偏光検出手段においては、変形による偏光状態の変化を検出するために、光検出器４３の直前に検光子４２を設けている。また、単色光源４０の近傍には偏光子４１が設けられている。偏光子４１は、光制御素子中の金属微小構造の配向すなわち偏光異方性を生じる軸に沿った向きの直線偏光となるように配置されている。また、偏光検出手段の検光子４２は自由に回転できる構成とすることにより、偏光状態の変化量を定量的に検出することができる。   In the polarization detection means, an analyzer 42 is provided immediately before the photodetector 43 in order to detect a change in the polarization state due to deformation. In addition, a polarizer 41 is provided in the vicinity of the monochromatic light source 40. The polarizer 41 is disposed so as to be linearly polarized light along an axis that causes orientation of the metal microstructure in the light control element, that is, polarization anisotropy. Further, the amount of change in the polarization state can be quantitatively detected by adopting a configuration in which the analyzer 42 of the polarization detecting means can freely rotate.

次に本実施例の応力測定装置による微小な変形の測定方法について説明する。圧力や温度に依存した起歪体５２の変形が比較的大きな場合は、電気的な変調を施さずとも、直接偏光状態の変化を検出可能であるが、より微小な変位を高感度に検出するために、光制御素子５３に変調をかける外部変調手段４４を設けている。ここで、外部変調手段４４とは、第２〜第４の手段で説明する、物理的に特性を変化させることが可能な材料に応じて、電気的、光学的に制御信号を与えるための手段である。この外部変調手段４４により、光制御素子５３に周期的な変調をかけ、これに同期した偏光状態の変化を光検出器４３により検出することで、ノイズ信号を除去することが可能であり、起歪体５２の変形による効果のみを高感度に検出することが可能である。金属微小構造体間の近接場光を介在した相互作用は、金属微小構造体間の距離に極めて敏感であり、サイズ５０ｎｍ程度の金属微小構造体を用いた場合、１〜５０ｎｍ程度の変形を測定することが可能である。   Next, a method for measuring minute deformation by the stress measuring apparatus of this embodiment will be described. When the deformation of the strain generating body 52 depending on pressure and temperature is relatively large, a change in the polarization state can be detected directly without performing electrical modulation, but a smaller displacement can be detected with high sensitivity. Therefore, external modulation means 44 for modulating the light control element 53 is provided. Here, the external modulation means 44 is means for giving a control signal electrically and optically according to a material whose characteristics can be physically changed, as described in the second to fourth means. It is. The external modulation means 44 applies periodic modulation to the light control element 53, and the change in the polarization state synchronized with the light control element 53 is detected by the photodetector 43, so that the noise signal can be removed. Only the effect due to the deformation of the distortion body 52 can be detected with high sensitivity. The interaction through the near-field light between the metal microstructures is extremely sensitive to the distance between the metal microstructures, and when a metal microstructure with a size of about 50 nm is used, a deformation of about 1 to 50 nm is measured. Is possible.

以上のように、本実施例の応力測定装置は、光制御素子５３に電気的または光学的な変調を加えることにより、微小な応力による変形を、入射する光の偏光状態の変化として、偏光検出手段の光検出器４３で高感度に検出することが可能である。また、光制御素子５３を構成する金属微小構造体は、厳格な形状を有する必要はないことから、作製精度に関する制限を緩和することができ、装置の低コスト化を図ることができる。   As described above, the stress measuring apparatus according to the present embodiment detects the polarization as a change in the polarization state of the incident light by applying the electrical or optical modulation to the light control element 53 to change the deformation caused by the minute stress. It is possible to detect with high sensitivity by the photodetector 43 of the means. In addition, since the metal microstructure that constitutes the light control element 53 does not need to have a strict shape, restrictions on manufacturing accuracy can be relaxed, and the cost of the apparatus can be reduced.

本発明の第１の実施例の光制御素子の一構成例を説明するための図であり、金属微小構造体を電気光学結晶基板の上面に配置した構成の光制御素子の断面図である。It is a figure for demonstrating one structural example of the light control element of the 1st Example of this invention, and is sectional drawing of the light control element of the structure which has arrange | positioned the metal microstructure on the upper surface of an electro-optic crystal substrate. 本発明の第１の実施例の光制御素子の別の構成例を説明するための図であり、金属微小構造体を電気光学結晶基板の内部に配置した構成の光制御素子の断面図である。It is a figure for demonstrating another structural example of the light control element of the 1st Example of this invention, and is sectional drawing of the light control element of the structure which has arrange | positioned the metal microstructure inside the electro-optic crystal substrate. . 本発明の第１の実施例の光制御素子のさらに別の構成例を説明するための図であり、金属微小構造体を電気光学結晶被膜で被覆した構成の光制御素子の断面図である。It is a figure for demonstrating another structural example of the light control element of the 1st Example of this invention, and is sectional drawing of the light control element of the structure which coat | covered the metal microstructure with the electro-optic crystal film. 金属微小構造体を２個配置した場合の数値シミュレーションのモデルを説明する図である。It is a figure explaining the model of the numerical simulation at the time of arrange | positioning two metal microstructures. 数値シミュレーションにより得られた振幅比の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the amplitude ratio obtained by numerical simulation. 数値シミュレーションにより得られた位相差の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the phase difference obtained by numerical simulation. ミー散乱理論に基づき算出した、金属微小構造体のサイズ依存性を示す図である。It is a figure which shows the size dependence of the metal microstructure calculated based on the Mie scattering theory. 金属微小構造体の形状の任意性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the arbitraryness of the shape of a metal microstructure. ３つの金属微小構造体による集合構造体の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the aggregate structure by three metal microstructures. 集合構造体の配列の仕方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of arrangement | sequence of an aggregate structure. 本発明の第２の実施例の光制御素子の一構成例を説明するための図であり、金属微小構造体を非線形光学材料基板の上面に配置した構成の光制御素子の断面図である。It is a figure for demonstrating one structural example of the light control element of the 2nd Example of this invention, and is sectional drawing of the light control element of the structure which has arrange | positioned the metal microstructure on the upper surface of a nonlinear optical material board | substrate. 本発明の第２の実施例の光制御素子の別の構成例を説明するための図であり、金属微小構造体を非線形光学材料基板の内部に配置した構成の光制御素子の断面図である。It is a figure for demonstrating another structural example of the light control element of the 2nd Example of this invention, and is sectional drawing of the light control element of the structure which has arrange | positioned the metal microstructure to the inside of a nonlinear optical material board | substrate. . 本発明の第２の実施例の光制御素子のさらに別の構成例を説明するための図であり、金属微小構造体を非線形光学材料被膜で被覆した構成の光制御素子の断面図である。It is a figure for demonstrating another structural example of the light control element of the 2nd Example of this invention, and is sectional drawing of the light control element of the structure which coat | covered the metal microstructure with the nonlinear optical material film. 本発明の第３の実施例の光制御素子を説明するためのであり、金属微小構造体を、電歪材料膜を形成した基板の上面に配置した構成の光制御素子の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a light control element having a configuration in which a metal microstructure is disposed on the upper surface of a substrate on which an electrostrictive material film is formed, for explaining a light control element of a third embodiment of the present invention. 本発明の第４の実施例の表示装置の構成例を説明するための概略構成図である。It is a schematic block diagram for demonstrating the structural example of the display apparatus of the 4th Example of this invention. ミー散乱理論に基づき計算した、金属材料と空気の組み合わせによるプラズモン共鳴波長の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the plasmon resonance wavelength by the combination of a metal material and air calculated based on the Mie scattering theory. ミー散乱理論に基づき計算した、金属材料と被膜材料の組み合わせによるプラズモン共鳴波長の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the plasmon resonance wavelength by the combination of a metal material and a film material calculated based on the Mie scattering theory. ミー散乱理論に基づき計算した、金属材料と被膜材料の別の組み合わせによるプラズモン共鳴波長の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the plasmon resonance wavelength by another combination of a metal material and a coating material calculated based on the Mie scattering theory. ミー散乱理論に基づき計算した、金属材料と被膜材料の別の組み合わせによるプラズモン共鳴波長の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the plasmon resonance wavelength by another combination of a metal material and a coating material calculated based on the Mie scattering theory. ミー散乱理論に基づき計算した、金属材料と被膜材料の別の組み合わせによるプラズモン共鳴波長の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the plasmon resonance wavelength by another combination of a metal material and a coating material calculated based on the Mie scattering theory. ミー散乱理論に基づき計算した、金属材料と被膜材料の別の組み合わせによるプラズモン共鳴波長の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the plasmon resonance wavelength by another combination of a metal material and a coating material calculated based on the Mie scattering theory. 本発明の第５の実施例の表示装置の構成例を説明するための概略構成図である。It is a schematic block diagram for demonstrating the structural example of the display apparatus of the 5th Example of this invention. 図２２のマイクロレンズアレイと偏光制御素子の一部を拡大して示す要部拡大図である。It is a principal part enlarged view which expands and shows a part of micro lens array and polarization | polarized-light control element of FIG. 本発明の第６の実施例の応力測定装置の構成例を説明するための概略構成図である。It is a schematic block diagram for demonstrating the structural example of the stress measuring apparatus of the 6th Example of this invention. 従来技術１に記載の光学素子の構成説明図である。FIG. 6 is a configuration explanatory diagram of an optical element described in the related art 1; 従来技術２に記載の反射率可変波長選択フィルタの概念図である。It is a conceptual diagram of the reflectance variable wavelength selection filter described in Prior Art 2. 従来技術３に記載の光学素子を斜め上方から見た電子顕微鏡写真を複写した図である。It is the figure which copied the electron micrograph which looked at the optical element of the prior art 3 from diagonally upward. 従来技術４に記載の空間変調器の概略構成図である。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a spatial modulator described in Conventional Technology 4; 従来技術５に記載の光学装置の一例である多チャンネルフィルタの概略平面図である。FIG. 10 is a schematic plan view of a multi-channel filter that is an example of an optical device described in Conventional Technology 5. 従来技術６に記載の光学素子の概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an optical element described in Prior Art 6.

符号の説明Explanation of symbols

１：電気光学結晶基板
２：金属微小構造体
３：集合構造体
４：保護膜
５：薄膜電極
６：薄膜電極
７：電圧制御手段
８：電気光学結晶被膜
９：支持基板
１０：非線形光学材料基板
１１：非線形光学材料被膜
１２：支持基板
１３：電歪材料膜
１４：透明支持基板
２０：光源
２１：第１偏光板
２２：偏光制御素子
２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ：偏光制御素子要素
２３（２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ）：外部変調手段
２４：第２偏光板
２５，３７：投射光学系
２６，３８：スクリーン
３０：光源
３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ：ＬＥＤ光源
３１：第１偏光板
３２：マイクロレンズアレイ
３２ａ：マイクロレンズ
３３：偏光制御素子
３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ：光制御素子
３４：外部変調手段
３５：コリメートレンズ
３６：第２偏光板
４０：単色ＬＤ光源
４１：偏光子
４２：検光子（偏光検出手段）
４３：光検出器（偏光検出手段）
４４：外部変調手段
５１：支持基板
５２：起歪体
５３：光制御素子 1: electro-optic crystal substrate 2: metal microstructure 3: aggregate structure 4: protective film 5: thin-film electrode 6: thin-film electrode 7: voltage control means 8: electro-optic crystal film 9: support substrate 10: nonlinear optical material substrate 11: Nonlinear optical material coating 12: Support substrate 13: Electrostrictive material film 14: Transparent support substrate 20: Light source 21: First polarizing plate 22: Polarization control element 22R, 22G, 22B: Polarization control element element 23 (23R, 23G 23B): external modulation means 24: second polarizing plate 25, 37: projection optical system 26, 38: screen 30: light source 30R, 30G, 30B: LED light source 31: first polarizing plate 32: microlens array 32a: micro Lens 33: Polarization control element 33R, 33G, 33B: Light control element 34: External modulation means 35: Collimating lens 36: Second polarizing plate 40: Monochromatic D light source 41: polarizer 42: analyzer (polarization detecting means)
43: Photodetector (polarization detection means)
44: External modulation means 51: Support substrate 52: Strain body 53: Light control element

Claims (8)

物理的に特性を変化させることが可能な材料からなる基板または膜と、入射する光の波長以下のサイズをもつ金属微小構造体を有し、複数個の前記金属微小構造体の組み合わせを単位とした集合構造体を、前記基板または前記膜の上部または内部に設けた構造を有し、
前記集合構造体は、前記金属微小構造体を近接させて形成し、前記金属微小構造体は、前記基板または前記膜に接触して配置し、
前記金属微小構造体による金属微粒子間距離に依存した偏光異方性を有し、前記金属微小構造体に接して配置された前記基板または前記膜の変化に対して高感度な偏光異方性を有することを特徴とする光制御素子。 A substrate or film made of a material whose properties can be physically changed, and a metal microstructure having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light, and a combination of a plurality of the metal microstructures as a unit. was the aggregate structure, have a structure in which the top or inside of the substrate or the membrane,
The aggregate structure is formed by bringing the metal microstructure close to the metal microstructure, and the metal microstructure is disposed in contact with the substrate or the film,
Polarization anisotropy depending on the distance between metal fine particles by the metal microstructure, and polarization anisotropy highly sensitive to changes in the substrate or the film disposed in contact with the metal microstructure Yes light control element, characterized by. 請求項１記載の光制御素子において、
前記基板または前記膜が、電圧を印加することにより屈折率の変化を生じる材料により構成されることを特徴とする光制御素子。 The light control element according to claim 1,
The light control element, wherein the substrate or the film is made of a material that changes a refractive index when a voltage is applied. 請求項１記載の光制御素子において、
前記基板または前記膜が、光を照射することにより屈折率の変化を生じる材料により構成されることを特徴とする光制御素子。 The light control element according to claim 1,
The light control element, wherein the substrate or the film is made of a material that changes a refractive index when irradiated with light. 請求項１記載の光制御素子において、
前記基板または前記膜が、電圧を印加することにより変形を生じる材料により構成されることを特徴とする光制御素子。 The light control element according to claim 1,
The light control element, wherein the substrate or the film is made of a material that deforms when a voltage is applied. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光制御素子において、
前記集合構造体が、２個以上の金属微小構造体を単一または複数の軸上に配列した構造を有し、該集合構造体が全て等しい配向を有して配置されていることを特徴とする光制御素子。 The light control element according to any one of claims 1 to 4,
The aggregate structure has a structure in which two or more metal microstructures are arranged on a single axis or a plurality of axes, and the aggregate structures are all arranged with the same orientation. The light control element. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光制御素子において、
前記金属微小構造体が、入射する光の波長に対してプラズモンを励振できる単一または複数の金属材料により構成されることを特徴とする光制御素子。 The light control element according to any one of claims 1 to 5,
The light control element, wherein the metal microstructure is made of a single or a plurality of metal materials capable of exciting plasmons with respect to a wavelength of incident light. 光制御手段として請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光制御素子を用い、白色光源もしくは、赤、緑、青（以下、ＲＧＢと記す）の３色の波長を有する光源と、前記ＲＧＢの各波長に対して前記基板または前記膜の物理的特性を変調することにより前記光制御素子の前記ＲＧＢの各波長の光に対する透過率を変調する外部変調手段とを少なくとも備えることを特徴とする表示装置。   Using the light control element according to any one of claims 1 to 6 as light control means, a white light source or a light source having a wavelength of three colors of red, green and blue (hereinafter referred to as RGB), And at least an external modulation unit that modulates the transmittance of the light control element with respect to the light of each wavelength of RGB by modulating the physical characteristics of the substrate or the film with respect to the wavelengths of RGB. Display device. 光制御手段として請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光制御素子を用い、単色光源と、前記光制御素子を変調する外部変調手段と、変形または変位により生じる金属微小構造体間の相対的な位置関係の変化を偏光状態の変化として検出する偏光検出手段とを少なくとも備えることを特徴とする応力測定装置。   The light control element according to any one of claims 1 to 6 is used as a light control means, and a monochromatic light source, an external modulation means for modulating the light control element, and a metal microstructure formed by deformation or displacement are used. A stress measurement apparatus comprising at least polarization detection means for detecting a change in relative positional relationship as a change in polarization state.
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