CN102549328A - 光学元件、光源装置以及投射显示装置 - Google Patents

光学元件、光源装置以及投射显示装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种光学元件，该光学元件包括：光引导体，出自发光元件的光入射到该光引导体上；载流子产生层(6)，该载流子产生层形成在光引导体中，在光引导体中载流子由出自光引导体的光产生；等离子体激元激发层(8)，该等离子体激元激发层堆叠在载流子产生层(6)上，该等离子体激元激发层具有比当载流子产生层(6)由出自发光元件的光激发时所产生的光的频率高的等离子体频率；以及波矢量转换层(10)，该波矢量转换层堆叠在等离子体激元激发层(8)上，该波矢量转换层将从等离子体激元激发层入射的光转换成具有预定出射角的光以输出该光。等离子体激元激发层(8)夹在低介电常数层(7)和高介电常数层(9)之间。

Description

光学元件、光源装置以及投射显示装置
技术领域
本发明涉及一种使用等离子体激元耦来输出光的光学元件、一种光源装置以及一种投射显示装置。
背景技术
已经提出了一种使用LED作为在光源装置中所包含的发光元件的发光二极管(LED)投影仪。这种类型的LED投影仪包括：具有LED的光源装置；照明光学系统，出自光源装置的光入射到该照明光学系统中；灯泡，该灯泡具有液晶显示器板，出自照明光学系统的光入射到该液晶显示器板中；以及投射光学系统，该投射光学系统用于将出自灯泡的光投射到投射表面上。
在LED投影仪中，为了增加投射影像的亮度，必须尽可能阻止从光源装置到灯泡的光程上的光损耗。
如非专利文献1中所描述的，存在基于集光率的限制，所述集光率由光源装置的面积与辐射角的乘积确定。换言之，出自光源装置的光不被用作投射光，除非光源装置的发光面积与辐射角的乘积的值被设定为等于或小于灯泡的入射表面面积与由投射透镜的F数所确定的俘获角(立体角)的乘积的值。
因此，在包括LED和出自LED的光所入射的光学元件的光源装置中，通过降低从光学元件所输出的光的集光率来减小光损耗是需要注意的问题。
在LED投影仪中所包含的光源装置中，通过使用多个LED来补偿由单个LED所发出的光量的不足从而实现大约几千流明的投射光通量是必要的。
作为这样的使用多个LED的光源的实例，如图1中所示，专利文献1公开了一种光源单元，该光源单元包括：多个具有LED 84a至84f的单色光源装置83a至83f；光轴配对构件82a至82d，该光轴配对构件82a至82d用于匹配出自单色光源83a至83f的光的光轴；光源组81a和81b，出自光轴配对构件82a至82d的光入射到所述光源组中；以及导光装置80，出自光源组81a和81b的光入射到该导光装置中。在这个光源单元中，出自多个单色光源装置83a至83f的光被合成，并且具有通过光源组81a和81b而变窄的辐射角的光入射到导光装置80。在这个构造中，光损耗通过使入射在导光装置80上的光的辐射角变窄而减小。
作为使用多个LED的光源装置的另一实例，如图2中所示，专利文献2公开了一种光源装置，该光源装置包括光源基板86，该光源基板具有布置在一平面上的多个LED 85。这个光源装置包括：光学元件，该光学元件具有两个棱镜片88和89，每个棱镜片具有棱镜柱，所述棱镜柱形成在一个表面上并且通过将棱镜柱设置成相互交叉而布置；以及框架87，该框架用于支撑棱镜片88和89。在该光源装置中，出自多个LED 85的光由两个棱镜片88和89合成。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP2008-145510A
专利文献2：JP2009-87695A
非专利文献
非专利文献1：PhlatLight TM Photonic Grating LEDs for RPTVLight Engines Christian Hoepfner，SID Symposium Digest 37，1808(2006)
发明内容
然而，在专利文献1中所描述的构造中，光轴配对构件82a至82d的二向色性反射表面的发光面积比LED 84a至84f的那些发光面积大。因此，当将入射在导光装置80的光的集光率与出自LED 84a至84f的光的集光率相比时，不存在集光率上的变化。
因此，在专利文献1所描述的构造中，依存于LED84a至84f的集光率的从导光装置80所输出的光的集光率不能减小。
在专利文献2中所描述的构造中，多个LED85在平面上的布置导致光源的发光面积的总体尺寸增加，因此，产生了存在光源本身的集光率增加的问题。
换言之，在专利文献1和2所公开的构造中，出自光源单元和光源装置的光的集光率依存于出自LED的光的集光率，并且出自光学元件的光的集光率因此不能减小。
本发明的目的是提供一种光学元件、包括该光学元件的光源装置以及提供一种投射显示装置，该光学元件能够解决现有技术的上述问题并且能够减小从光学元件所输出的光的集光率，而对发光元件的集光率没有任何依赖。
问题的解决办法
为了实现该目的，根据本发明的光学元件包括：光引导体，出自发光元件的光入射到该光引导体中；形成在光引导体中的载流子产生层，其中载流子由出自光引导体的光产生；等离子体激元激发层，该等离子体激元激发层堆叠在载流子产生层上，该等离子体激元激发层具有比当载流子产生层被出自发光元件的光激发时所产生的光的频率更高的等离子体频率；以及出射层，该出射层堆叠在所述等离子体激元激发层上，该出射层将从等离子体激元激发层入射的光转换成具有预定出射角的光以输出该光。等离子体激元激发层夹在具有介电性的两个层之间。
根据本发明的光源装置包括本发明的光学元件以及位于光引导体的外周上的发光元件。
根据本发明的投射显示装置包括本发明的光源装置以及通过从该光源装置所输出的光来投射投影图像的投射光学系统。
发明效果
根据本发明，能够减小出自光学元件的光的集光率，而对发光元件的集光率没有任何依赖。
附图说明
图1是示出了根据专利文献1的构造的说明性示意图。
图2是示出了根据专利文献2的构造的说明性分解透视图。
图3是示意性地示出了根据第一实施例的光源装置的透视图。
图4是示出了根据第一实施例的光源装置中光的行为的说明性截面图。
图5是示意性地示出了根据第一实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图6A是示出了根据第一实施例的光源装置中的制造过程的说明性截面图。
图6B是示出了根据第一实施例的光源装置中的制造过程的说明性截面图。
图6C是示出了根据第一实施例的光源装置中的制造过程的说明性截面图。
图6D是示出了根据第一实施例的光源装置中的制造过程的说明性截面图。
图6E是示出了根据第一实施例的光源装置中的制造过程的说明性截面图。
图7A是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的说明性截面图。
图7B是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的说明性截面图。
图7C是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的说明性截面图。
图7D是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的说明性截面图。
图8A是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8B是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8C是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8D是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8E是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8F是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8G是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图8H是示出了根据第一实施例的光源装置中的光子晶体的形成过程的另一实例的说明性截面图。
图9是示出了根据第一实施例的其中微透镜阵列布置在方向性控制层的表面上的构造的透视图。
图10A是示出了根据第一实施例的光源装置中的微透镜阵列的形成过程的说明性截面图。
图10B是示出了根据第一实施例的光源装置中的微透镜阵列的形成过程的说明性截面图。
图11是示意性地示出了根据第二实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图12是示意性地示出了根据第三实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图13是示意性地示出了根据第四实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图14是示意性地示出了根据第五实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图15是示意性地示出了根据第六实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图16是示意性地示出了根据第七实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图17是示意性地示出了根据第八实施例的光源装置中所包含的方向性控制层的透视图。
图18是示出了根据第九实施例的光源装置的透视图。
图19是示出了根据第九实施例的光源装置中所包含的用于轴向对称偏振的1/2波长板的结构的纵向截面图。
图20A是示出了根据第九实施例光源装置中所包含的用于轴向对称偏振的1/2波长板的说明性透视图。
图20B是示出了根据第九实施例光源装置中所包含的用于轴向对称偏振的1/2波长板的说明性透视图。
图21是示出了根据该实施例的当用于轴向对称偏振的1/2波长板未包含在光源装置时输出光的远场分布和偏振方向的透视图。
图22是示出了根据该实施例的当用于轴向对称偏振的1/2波长板包含在光源装置时输出光的远场分布和偏振方向的透视图。
图23是示出了根据实例的等离子共振特性的说明性视图。
图24是示出了根据该实例的辐射角特性的说明性视图。
图25示出根据第一实施例的将从有效介电常数所获得的等离子共振角度与从光源装置中的多层膜反射计算所获得的等离子共振角度的比较。
图26示出根据第一实施例的光源装置的输出光中的角度分布。
图27是示出了应用该实施例的光源装置的LED投影仪的示意图。
图28是示出了光源的波长、荧光物质的激发波长以及应用该实施例的光源装置的LED投影仪中所使用的发射波长的说明性视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行描述。
(第一实施例)
图3是示出了根据第一实施例的光源装置的构造的透视示意图。图4是示出了根据本发明的光源装置中光的行为的说明性截面图。在光源装置中，各个层实际上具有非常大的厚度，并且在各层之中在厚度方面存在大的差异。因此，难以用精确的尺度和比例绘制各层。因此，在附图中，层不是以实际比例绘制的，并且从而是示意性地示出的。
如图3和4中所示，根据本实施例的光源装置50包括多个发光元件1(1a至1n)和一光学元件51，出自发光元件1的光入射到该光学元件中。光学元件51包括：光引导体2，从发光元件1所输出的光入射到该光引导体2中；以及方向性控制层3，该方向性控制层3用于通过入射出自从光引导体2的光来出射输出光。
方向性控制层3用于出自提升光源装置50的输出光的方向性。例如，如在图5中所示的第一实施例的情况下，方向性控制层3包括：形成在光引导体2中载流子产生层6，其中载流子由从光引导体2所入射的光的一部分产生；等离子体激发层8，该等离子体激发层8堆叠在载流子产生层6上，该等离子体激发层具有比当载流子产生层6被出自发光元件1的光激发时所产生的光的频率更高的等离子体频率；以及波矢量转换层10，该波矢量转换层10堆叠在等离子体激元激发层8上，该波矢量转换层是用于转换入射光的波矢量以输出光的出射层。
等离子体激元激发层8夹在具有介电性质的两个层之间。作为具有介电性质的两个层，如图5中所示，方向性控制层3包括：高介电常数层9，该高介电常数层夹在等离子体激元激发层8和波矢量转换层10之间；以及低介电常数层7，该低介电常数层具有比高介电常数层9低的介电常数，该低介电常数层夹在载流子产生层6和等离子体激元激发层8之间。
根据本实施例的光学元件1被构造成使得包括堆叠在等离子体激元激发层8的光引导体2侧上的整个结构的入射侧部分(在下文中，简单地称为入射侧部分)的有效介电常数比包括堆叠在等离子体激元激发层8的波矢量转换层10侧上的整个结构和与波矢量转换层10产生接触的介质的出射侧部分(在下文中，简单地称为出射侧部分)的有效介电常数低。堆叠在等离子体激元激发层8的光引导体2侧的整个结构包括光引导体2。堆叠在等离子体激元激发层8的波矢量转换层10的整个结构包括波矢量转换层10。
换言之，根据第一实施例，包括光引导体2和载流子产生层6的入射侧部分相对于等离子体激元激发层8的有效介电常数比包括波矢量转换层10和介质的出射侧部分相对于等离子体激元激发层8的有效介电常数低。
具体地，等离子体激元激发层8的入射侧部分(发光元件1侧)的复有效介电常数的实数部分被设置成比等离子体激元激发层8的出射侧部分(波矢量转换层10侧)的复有效介电常数的实数部分低。
该复有效介电常数由下列表达式(1)表示，其中x轴和y轴是平行于等离子体激元激发层8的界面的方向，z轴是垂直于等离子体激元激发层8的界面的方向，ω是从载流子产生层6所输出的光的角频率，ε(ω、x、y和z)是入射侧部分和出射侧部分中的电介质相对于等离子体激元激发层8的介电常数分布，Kspp，z是表面等离子体激元的波数的z分量，并且j是虚数单位：
[公式1]
ϵ eff = ∫ ∫ ∫ D ϵ ( ω , x , y , z ) exp ( 2 j k spp , z z ) ∫ ∫ ∫ D exp ( z ) .....................................公式(1)
积分范围D是入射侧部分或出射侧部分相对于等离子体激元激发层8的三维坐标的范围。换言之，积分范围D中的X轴方向和Y轴方向的范围是达到入射侧部分中所包括的结构的外周表面或出射表面部分中所包括的结构的不包括介质的外周表面的范围，和达到平行于等离子体激元激发层8的界面的平面中的外边缘的范围。积分范围D中的Z轴方向的范围是入射侧部分或出射侧部分(包括介质)的范围。
表面等离子体激元的波数的z分量kSPP，Z和表面等离子体激元的波数的x分量与y分量Kspp由下列表达式(2)和(3)表示，其中εmetal是等离子体激元激发层8的介电常数的实数部分，并且ko是真空中光的波数：
[公式2]
k spp , z = ϵ eff k 0 2 - k spp 2 ....................................公式(2)
[公式3]
k spp = k 0 ϵ eff ϵ metal ϵ eff + ϵ metal ....................................公式(3)
因此，通过使用表达式(1)至(3)并且用离子体激发层8的入射侧部分的介电常数分布εin(ω、x、y、和z)和离子体激发层8的出射侧部分的介电常数分布εout(ω、x、y、和z)代入ε(ω、x、y、和z)，计算出入射侧部分相对于等离子体激元激发层8的复有效介电常数εeffin以及出射侧部分相对于等离子体激元激发层8的复有效介电常数εeffout。事实上，复有效介电常数εeff通过提供适当的初始值作为复有效介电常数εeff并且重复计算表达式(1)至(3)而容易地获取。当与等离子体激元激发层8相接触的层的介电常数非常高时，界面中表面等离子体激元的波数的z分量Kspp，z变成实数。这相当于在界面中不产生任何表面等离子体激元。与等离子体激元激发层8相接触的该层的介电常数因此对应于这种情况下的有效介电常数。
当表面等离子体激元的强度是e-2时，表面等离子体激元的有效相互作用距离deff由下列表达(4)计算：
[公式4]
d eff = Im [ 1 k spp , z ] .......................................公式(4)
低介电常数层7具有比高介电常数层9的介电常数低的介电常数。满足l≤εlr(λ0)＜εhr(λ0)的关系，其中εl(λ0)是低介电常数层7的复介电常数，εlr(λ0)是其实数部分，εli(λ0)是其虚数部分，εh(λ0)是高介电常数层9的复介电常数，εhr(λ0)是其实数部分，εhi(λ0)是其虚数部分，并且λ0是入射到真空中的介电常数层上的光的波长。
然而，即使当低介电常数层7的介电常数比高介电常数层9的介电常数高时，光学元件51也工作，只要等离子体激元激发层8的低介电常数层7侧的有效介电常数的实数部分比等离子体激元激发层8的高介电常数层9侧的有效介电常数的实数部分低即可。换言之，对于低介电常数层7和高介电常数层9的介电常数，允许这样的范围：其中等离子体激元激发层8的出射侧的有效介电常数的实数部分被维持为比入射侧的有效介电常数的实数部分高。
作为指示有效介电常数的思想的实例，讨论其中低介电常数层7包括介电常数层A和介电常数层B的情况，其中高介电常数层9包括介电常数层C和介电常数层D，并且其中与等离子体激元激发层8相邻的介电常数层B和介电常数层C的膜厚度十分小(例如，10纳米或更小)。在这种情况下，介电常数层A用作低介电常数层，并且介电常数层D用作高介电常数层。这是因为介电常数层B和介电常数C的膜厚度非常小并且对有效介电常数几乎没有影响。换言之，考虑到复有效介电常数，可以设置低介电常数层7和高介电常数层9的复介电常数。
发射频率下的虚数部分εli(λ0)和虚数部分εhi(λ0)优选地设置为尽可能小。这有利于等离子体激元耦接，使光损耗减小。
优选地，在与除载流子产生层6和等离子体激元激发层8之外的任何包括光引导体2的层或波矢量转换层10相邻的介质处，复介电常数的虚数部分也设置为尽可能小。将复介电常数的虚数部分设置为尽可能小有利于等离子体激元结合，使减小光损耗。
环绕光源装置50的介质，即，与光引导体2或波矢量转换层10相接触的介质，可以是固体物质、液体、和气体中的一种。在光引导体2侧和波矢量转换层10侧之间，介质可以是不同的。
根据本实施例，多个发光元件1a至1n以预定的间隔布置在平板光引导体2的四个侧面上。发光元件1a至1n与侧面相接触的部位是光入射部分4。对于发光元件1，例如，使用用于发射能够吸收载流子产生层6的波长的光的发光二极管(LED)、激光二极管或超发光二极管。发光元件1能够定位成远离光引导体2的光入射部分4。例如，该发光元件1通过诸如灯泡的光引导构件能够在光学上连接到光引导体2。
在该实施例中，光引导体2形成平板形状。然而，光引导体2的形状并不限于长方体形状。诸如用于控制光分布特征的微棱镜的结构可以形成在光引导体2中。在光引导体2中，反射膜可以形成在外周面的除光出射部分5和光入射部分4之外的全部表面上或一部分上。同样地，在光源装置50中，反射膜(未示出)可以形成在外周面除光出射部分5和光入射部分4之外的全部表面上或一部分上。对于反射膜，使用诸如银或铝的金属材料或介质多层膜。
对于载流子产生层6，例如，使用诸如若丹明(若丹明6G)或磺酰罗丹明(磺酰罗丹明101)的有机磷、诸如CdSe或CdSe/ZnS量子点磷光体的荧光物质、诸如GaN或GaAs的无机材料(半导体)、(噻吩/亚苯基)共低聚物、或诸如Alq3的有机材料(半导体材料)。当使用荧光物质时，在载流子产生层6中，可以混合用于产生具有相同或不同的发射波长的多种波长的荧光的材料。载流子产生层6的厚度希望是1微米或更小。
对于低介电常数层7，例如，优选使用SiO2纳米棒阵列膜或诸如SiO2、AIF3、MgF2、NaAlF6、NaF、LiF、CaF2、BaF2或低介电常数塑料的薄膜或多孔膜。低介电常数层7的厚度希望是尽可能小。
对于高介电常数层9，例如，优选使用诸如钴石、TiO2、CeO2、Ta2O5、ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、或Nb2O5的高介电常数材料。
等离子体激元激发层8是颗粒层或薄膜层，该薄膜层由具有比当载流子产生层6由发光元件1的光激发时所产生的光的频率(发射频率)更高的等离子体频率的材料制成。换言之，等离子体激元激发层8在当单个载流子产生层6由发光元件1的光激发时所产生的发射频率下具有负介电常数。
用于等离子体激元激发层8的材料是例如金、银、铜、白金、钯、铑、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、铬、钛、钽、钨、铟、以及铝或这些的合金。在等离子体激元激发层8的材料中，优选金、银、铜、白金、和铝以及主要含有这些元素的合金，特别优选金、银和铝以及主要含有这些元素的合金。
等离子体激元激发层8优选地形成为具有等于或小于200纳米，更优选约10纳米至100纳米的厚度。从高介电常数层9和等离子体激元激发层8之间的界面到低介电常数层7和载流子产生层6之间的距离优选地被设定为等于或小于500纳米。这个距离对应于在载流子产生层6和等离子体激元激发层8之间发生等离子体激元结合的距离。
波矢量转换层10是出射层，该出射层用于通过转换入射在波矢量转换层10上的光的波矢量，从高介电常数层9取出光并且从光学元件51输出光。换言之，波矢量转换单元10将从高介电常数层9收到的光通过将其出射角转换成预定的角度而从光学元件51输出。即，波矢量转换层10起到从光学元件51输出光的作用，该光几乎正交于高介电常数层9的界面。
对于波矢量转换层10，例如，使用表面起伏光栅、以光子晶体表现的周期性结构、准周期结构(比出自高介电常数层9的光的波长大的纹理结构)或准晶体结构、具有粗糙表面的表面结构、全息图或微透镜阵列。准周期结构是例如其中省略了一部分周期性结构的不完全周期性结构。在它们之中，优选使用以光子晶体表示的周期性结构、准周期结构、准晶体结构和微透镜阵列。这不仅因为能够增加光取出效率而且还因为方向能够受到控制。当使用光子晶体时，晶体结构期望利用三角形光栅结构。波矢量转换层10可以采用包括形成在平板基座上的凸起部的结构。波矢量转换层10可以由不同于高介电常数层9的材料的材料制成。
关于如此构造的光源装置50，将描述通过将出自发光层1的光入射到方向性控制层3上从方向性控制层3的光出射部分5输出光的操作。
如图4中所示，从例如在多个发光元件1之中的发光元件1f所输出的光透过光引导体2的光入射部分4，并且在处于全反射状态中的同时在光引导体2中传播。在这种情况下，入射在光引导体2和方向性控制层3之间的界面上光的一部分以与方向性控制层3的等离子体激元激发层8的下述特性相对应的方向上的波长从光出射部分5输出。没从光出射部分5输出的光返回到光引导体2，并且入射在光引导体2和方向性控制层3之间的界面上的光的一部分再一次投过方向性控制层3并且从光出射部分5输出。通过重复这些操作，入射在光引导体2上的大部分光从光出射部分5输出。在多个发光元件1之中，从与将光引导体2夹在中间的发光元件夹1f相对设置的发光元件1m所输出并且透过光入射部分4的光同样地从光出射部分5输出。从光出射部分5所输出的光的方向和波长仅取决于方向性控制层3的特性，而该光的方向和输出不取决于发光部分1的位置以及光引导体2和方向性控制层3之间的界面上的入射角。在下文中，除非另有规定，将描述波矢量转换层具有光子晶体结构的情况。
图5是示出了方向性控制层3的构造和功能的说明性放大图。在以全反射状态在光引导体2传播的光中，全反射的条件在光引导体2和载流子产生层6之间的界面上被破坏，并且出自发光层1的光入射到载流子产生层6上。入射在载流子产生层6上的光在载流子产生层6中产生载流子。所产生的载流子导致等离子体激元与子激发层8中的自由电子结合。通过等离子体激元结合，光辐射到高介电常数层9，并且通过波矢量转换层10衍射以从光源装置50出射。从高介电常数层9的一点所输出的光具有环状强度分布，在该环状强度分布中，光在传播时同中心地散布。当具有最高强度的出射角被设定为中心出射角时，从中心出射角到强度减半的出射角的角宽度被设定为出射角宽度，从高介电常数层9所输出的光的中心出射角和出射角宽度通过等离子体激元激发层8的出射侧部分和入射侧部分的有效介电常数、等离子体激元激发层8的复介电常数和载流子产生层6的发射光谱宽度确定。
图6A至6E示出包括在光源装置50内的光学元件51的制造过程。这个过程仅仅是实例，因此本发明并不限于这种制造方法。首先，如图6A和6B中所示，载流子产生层6通过旋转涂布而布置在光引导体2上。然后，如图6C至6E中所示，低介电常数层7、等离子体激元激发层8以及高介电常数层9通过例如物理汽相淀积、电子束沉积或溅射而依次堆叠在载流子产生层6上。
图7A至7D示出通过光子晶体来形成波矢量转换层10的过程。如图7A中所示，波矢量转换层10形成在高介电常数层9上，并且保护膜11通过旋转涂布而布置在波矢量转换层10上。如图7B中所示，光子晶体的底片图被通过纳米压印而转移到保护膜11。如图7C中所示，通过干蚀刻将波矢量转换层10蚀刻到预定的深度。然后，如图7D中所示，剥下保护膜11。最后，将多个发光元件1布置在光引导体2的外周表面上以完成光源装置50。
图8A至8H示出通过光子晶体在光源装置50的高介电常数层9的表面上形成波矢量转换层10的另一过程。这个过程仅仅是实例，因此本发明并不限于这种制造方法。
如图8A中所示，保护膜11通过旋转涂布而布置在基板12上。如图8B中所示，光子晶体的底片图被通过纳米压印而转移到保护膜11。然后，如图8C至8E中所示，高介电常数层9、等离子体激元激发层8和低介电常数层7通过物理汽相淀积、电子束沉积或溅射依次堆叠。如图8F中所示，载流子产生层6通过旋转涂布而布置在低介电常数层上。如图8G中所示，光引导体2压接连接到需干燥的载流子产生层6。最后，如图8H中所示，在从基板12剥下保护膜11之后，将多个发光元件1布置在光引导体2的外周表面上以完成光源装置50。
在与光引导体2相对的高介电常数层9的表面上，可以设置微透镜阵列或可以形成粗糙表面能够形成，而不是使用波矢量转换层10的光子晶体。
图9示出方向性控制层的构造实例，其中微透镜阵列布置在高介电常数层9的表面上。如图9中所示，甚至当方向性控制层14包括微透镜阵列13时，也获得与将光子晶体用于波矢量转换层10时相同的效果。
图10A和10B是示出了其中微透镜阵列13堆叠在高介电常数层9上的构造的制造过程的说明性截面图。在包括微透镜阵列13的构造中，如在图6A至6E所示的制造方法的情况下，包括载流子产生层6至高介电常数层9的层堆叠在光引导体2上，因此省略了关于这些步骤的描述。
如图10A和10B中所示，在从载流子产生层6到高介电常数层9的层已经通过使用图6A至6E中所示的制造方法堆叠在光引导体2上之后，使微透镜阵列13形成在高介电常数层9的表面上。这仅仅是实例，本发明并不限于这种制造方法。在将紫外线(UV)固化树脂15涂布在高介电常数层9的表面上之后，通过使用纳米压印而在该UV固化树脂15中形成期望的透镜陈列图案。用光照射UV固化树脂15以被固化，从而形成微透镜阵列13。
如上所述，根据本实施例光源装置50具有相对简单的构造，该构造包括形成在光引导体2中的方向性控制层3，并且因此能够使整个光源装置50小型化。在根据本实施例的光源装置50中，入射在波矢量转换层10上的光的入射角仅通过等离子体激元激发层8的介电常数以及将等离子体激元激发层8夹入中间的低介电常数层7和高介电常数层9来确定。因此，从光学元件51所输出的光的方向性不受发光元件1的方向性的限制。在根据本实施例的光源装置50中，通过在辐射期间等离子体激元结合的应用，输出光的方向性能够通过使从光学元件51所输出的光的辐射角变窄而提升。换言之，根据本实施例，从光学元件51所输出的光的集光率能够减小，而对发光元件1的集光率没有任何依赖。从光源装置50所输出的光的集光率不受发光元件1的集光率的限制。因此，从多个发光元件1所入射的光能够被合成，同时使从光源装置50所输出的光的集光率维持很小。
此外，专利文献1中所公开的构造有这样的问题：包含轴配对构件82a至82d以及光源组81a和81b造成整个光源单元扩大。然而，根据本实施例的光学元件51，能够使整个光学元件51小型化。
专利文献2中所公开的构造有这样的问题：出自多个LED 85的光在正交棱镜片材88和89处沿各个方向的弯曲造成光损耗。然而，根据本实施例的光学元件51，能够提升出自多个发光元件51的光的使用效率。
在下文中，描述了其它实施例的光源装置。其它实施例的光源装置与第一实施例的光源装置50的不同之处仅在于方向性控制层3的构造，因此仅描述该方向性控制层。在其它实施例的方向性控制层中，与第一实施例的方向性控制层3的那些的类似层用与第一实施例的那些类似的附图标记表示。以下实施例针对波矢量转换层10由光子晶体制成的构造。然而，波矢量转换层10能够用上述微透镜阵列13替代，并且能够获得类似的效果。
(第二实施例)
图11是示出了包括在根据第二实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图11中所示，在根据第二实施例的方向性控制层18中，载流子产生层16、等离子体激元激发层8以及由光子晶体所制成的波矢量转换层17依次堆叠在光引导体2上。
在根据第二实施例的方向性控制层18中，波矢量转换层17还用作第一实施例的高介电常数层9，并且载流子产生层16还用作第一实施例的低介电常数层7。因此，为了在等离子体激元激发层8处产生等离子体激元结合，将位于与等离子体激元激发层8的出射侧界面相邻的波矢量转换层17的介电常数设置成比位于与等离子体激元激发层8的入射侧界面相邻的载流子产生层16的介电常数高。
根据如此构造的第二实施例的光源装置，获得了与第一实施例的那些效果相同的效果，并且光源装置能够比第一实施例更小型化。
(第三实施例)
图12是示出了包括在根据第三实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图12中所示，在根据第三实施例的方向性控制层19中，载流子产生层6、低介电常数层7、等离子体激元激发层8以及由光子晶体所制成的波矢量转换层17依次堆叠在光引导体2上。
在根据第三实施例的方向性控制层19中，波矢量转换层17还用作第一实施例的高介电常数层9。因此，为了在等离子体激元激发层8处产生等离子体激元结合，将波矢量转换层17的介电常数设定成比低介电常数层7的介电常数高。然而，即使当波矢量转换层17的介电常数比低介电常数层7的介电常数低时，方向性控制层19也工作，只要等离子体激元激发层8的波矢量转换层17侧的有效介电常数的实数部分比等离子体激元激发层8的低介电常数层7侧的有效介电常数的实数部分低即可。换言之，对于低介电常数层7的介电常数，允许这样的范围：其中等离子体激元激发层8的出射侧部分的有效介电常数的实数部分被维持为比等离子体激元激发层8的入射侧部分的有效介电常数的实数部分高。
根据如此构造的第三实施例的光源装置，获得了与第一实施例的那些效果相同的效果，并且光源装置能够比第一实施例更小型化。
(第四实施例)
图13是示出了包括在根据第四实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图13中所示，在根据第四实施例的方向性控制层20中，载流子产生层16、等离子体激元激发层8、高介电常数层9、以及由光子晶体所制成的波矢量转换层10依次堆叠在光引导体2上。
在根据第四实施例的方向性控制层20中，载流子产生层16还用作第一实施例的低介电常数层7。因此，为了在等离子体激元激发层8处产生等离子体激元结合，将载流子产生层16的介电常数设置成比高介电常数层9的介电常数低。然而，即使当载流子产生层16的介电常数比高介电常数层9的介电常数高时，方向性控制层20也工作，只要等离子体激元激发层8的载流子产生层16侧的有效介电常数的实数部分比等离子体激元激发层8的高介电常数层9侧的有效介电常数的实数部分低即可。换言之，对于载流子产生层16的介电常数，允许这样的范围：其中等离子体激元激发层8的出射侧部分的有效介电常数的实数部分被维持为比等离子体激元激发层8的入射侧部分的有效介电常数的实数部分高。
根据如此构造的第四实施例的光源装置，获得了与第一实施例的那些效果相同的效果，并且光源装置能够比第一实施例更小型化。
(第五实施例)
图14是示出了包括在根据第五实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图14中所示，在根据第五实施例的方向性控制层37中，除第一实施例的等离子体激元激发层8之外，布置有另一等离子体激元激发层36。
在根据第五实施例的方向性控制层37中，等离子体激元激发层36位于载流子产生层6和光引导体2之间。在方向性控制层37中，通过从光引导体2所入射的光在等离子体激元激发层36处激发等离子体激元，并且通过激发的等离子体激元在载流子产生层6中产生载流子。
在这种情况下，为了在等离子体激元激发层36处产生等离子体激元共振，将载流子产生层6的介电常数设置成比光引导体2的介电常数高。为了加宽载流子产生层6的材料选择范围，其中复介电常数的实数部分比光引导体2的实数部分低的介电常数层可以布置在等离子体激元激发层36和载流子产生层6之间。在这种情况下，等离子体激元激发层36的光引导体2侧的有效介电常数比等离子体激元激发层36的载流子产生层6侧的有效介电常数高。
等离子体激元激发层8具有比通过发光元件1的光激发单个载流子产生层6时所产生光的频率更高的等离子体频率。等离子体激元激发层36具有比发光元件1的发射频率更高的等离子体频率。当使用了具有多个不同发射频率的载流子产生层6时，等离子体激元激发层8将具有比通过发光元件1的光激发单个载流子产生层6时产生的光的不同频率中的任何一个频率更高的等离子体频率。同样地，当使用了发射频率不同的多种类型的发光元件时，等离子体激元激发层36将具有比发光元件的不同发射频率中的任何一个发射频率更高的等离子体频率。
为了将出自发光元件1的光与等离子体激元激发层36的界面上的等离子体激元相结合，关于从发光元件1入射在等离子体激元激发层36上的光入射角，存在下列要求。光必须以如下入射角入射：与等离子体激元激发层36的载流子产生层6侧上的界面平行的入射光的波矢量的分量同与等离子体激元激发层36的载流子产生层6侧上的表面等离子体激元的界面平行的分量相匹配。
采用这种构造，通过等离子体激元在载流子产生层6中产生载流子，从而能够使用由等离子体激元所产生的荧光增强效果。
根据如此构造的第五实施例，通过等离子体激元的荧光增强效果在载流子产生层6中有效地产生载流子从而载流子增加。因此，能够进一步提升出自发光元件1的光的使用效率。
(第六实施例)
图15是示出了包括在根据第六实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图15中所示，根据第六实施例的方向性控制层40在构造上类似于第一实施例的方向性控制层3，但不同之处在于包括了多个介电层，第一实施例的低介电常数层7和高介电常数层9堆叠在所述多个介电层处。
具体地，根据第六实施例的方向性控制层40包括：低介电常数层组38，该低介电常数层组35通过堆叠多个介电层38a至38c而形成；以及高介电常数层组39，该高介电常数层组39通过堆叠多个介电层39a至39c而形成。
在低介电常数层组38中，多个介电层38a至38c被布置成使得介电常数从载流子产生层6附近向等离子体激元激发层8单调递减。同样地，在高介电常数层组39中，多个介电层39a至39c被布置成使得介电常数从等离子体激元激发层8附近向由光子晶体制成的波矢量转换层10侧单调递减。
低介电常数层组38的总厚度等于其中方向性控制层独立地包括低介电常数层的实施例中的低介电常数层的厚度。同样地，高介电常数层组39的总厚度等于其中方向性控制层独立地包括高介电常数层的实施例中的高介电常数层的厚度。低介电常数层组38和高介电常数层组39每一者均图示为具有三层结构。然而，例如，也可以采用具有二至五层的层结构。当必要时，可以采用低介电常数层组和高介电常数层组中所包括的介电层的数量不同的构造，或仅低介电常数层或高介电常数层包括多个介电常数层的构造。
在高介电常数层和低介电常数层中包含多个介电层使得能够良好地设定与等离子体激元激发层8的界面相邻的每个介电层的介电常数，并且能够匹配载流子产生层6、波矢量转换层10或诸如外部空气的介质以及与该介质相邻的每个介电层之间的折射率。换言之，高介电层常数组39能够减小波矢量转换层10或诸如空气的介质在界面上的折射率差，而低介电层常数组38能够减小载流子产生层6在界面上的折射率差。
根据如此构造的第六实施例的方向性控制层40，可以设定与等离子体激元激发层8的相邻的每个介电层的适当的介电常数，并且能够减小载流子产生层6和波矢量转换层10在界面上的折射率差。因此，能够进一步减小光损耗，并且能够改进出自发光元件1的光的使用效率。
代替低介电常数层组38和高介电常数层组39，可以使用具有介电常数在其中单调地改变的单层膜。在这种构造的情况下，高介电常数层具有从等离子体激元激发层7侧向波矢量转换层10侧逐渐减小的介电常数分布。同样地，低介电常数层具有从载流子产生层6侧向等离子体激元激发层7侧逐渐减小的介电常数分布。
(第七实施例)
图16是示出了包括在根据第七实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图16中所示，根据第六实施例的方向性控制层42在构造上类似于第一实施例和方向性控制层3，但不同之处在于在载流子产生层6和光引导体2之间包括另一低介电常数层41。
在根据第七实施例的方向性控制层42中，低介电常数层41位于载流子产生层6的正下方。低介电常数层41的介电常数被设定成比光引导体2的介电常数低。相对于光引导体2的光入射部分4的入射角被设定成预定的角度，使得从发光元件1入射的光能够处于在光引导体2和低介电常数层41之间的界面上全反射的状态中。
从发光元件1入射在光引导体2上的光处于在光引导体2和低介电常数层41之间的界面上全反射的状态中。全反射伴随有衰逝波的产生。衰逝波对载流子产生层6作用而在该载流子产生层6中产生载流子。
在第一至第五实施例的光源装置中，从发光元件1所输出的光的一部分透过每一层并且从每一层出射。因此，对应于发光元件1的发射波长和载流子生成层6的发射波长，促使从光源装置出射在波长上相差30纳米到300纳米的两种类型的光。然而，如在本实施例的情况下，通过仅由衰逝波产生载流子，在从光源装置50所输出的光中，对应于载流子生成层6的发射波长的光能够增加，而对应于发光元件1的发射波长的光减少。因此，根据第七实施例，能够提升出自发光元件1的光的使用效率。
(第八实施例)
图17是示出了包括在根据第八实施例的光源装置中的方向性控制层的透视图。如图17中所示，根据第八实施例的方向性控制层45在构造上类似于第一实施例的方向性控制层3，但不同之处在于等离子体激元激发层组44包括堆叠的多个金属层44a和44b。
在根据第八实施例的方向性控制层45的等离子体激元激发层组44中，金属层44a和44b由不同的金属材料制成而被堆叠。这使得等离子体激元激发层组44能够调整等离子体频率。
当将等离子体频率调整为在等离子体激元激发层44上较高时，例如，使金属层44a和44b分别由Ag和Al制成。当将等离子体频率被调整成在等离子体激元激发层44上较低时，例如，使金属层44a和44b分别由Ag和Au制成。作为实例，等离子体激元激发层44图示为具有两层结构。然而，不必说，当必要时，该等离子体激元激发层44可以包括三个或更多的金属层。
根据如此构造的第八实施例的方向性控制层45，等离子体激元激发层44包括多个金属层44a和44b。这使得对等离子体激元激发层44上的有效等离子体频率的调整接近从载流子生成层6入射在该等离子体激元激发层44上的光的频率。因此，能够进一步提升从发光元件1入射在光学元件51上的光的使用效率。
(第九实施例)
图18是示出了根据第九实施例的光源装置的透视图。如图18中所示，根据第九实施例的光源装置包括：用于直线地偏振从光学元件51入射的光的轴向对称偏振1/2波长板26，作为用于将从光学元件5入射的轴向对称偏振光布置在预定的偏振状态的偏振转换元件。通过轴向对称偏振1/2波长板26直线地偏振从光源装置50所输出的光能够实现输出光的偏振状态是一致的光源装置。通过偏振转换元件将轴向对称偏振光布置在预定状态并不限于直线偏振。还包括圆形偏振。作为方向性控制层，不必说，能够应用根据第一至第八实施例的方向性控制层中的任一者。
图19是示出了用于轴向对称偏振的1/2波长板26的结构的竖直截面图。轴向对称偏振1/2波长板26的构造仅仅是实例，因此决不是限制性的。如图19中所示，轴向对称偏振1/2波长板26包括：一对玻璃基板27和32，在该一对玻璃基板上分别形成有定向膜28和31；液晶层30，该液晶层通过将玻璃基板27和32的彼此面对的定向膜28和31夹在该玻璃基板27和32之间而定位；以及隔离件29，该隔离件定位在玻璃基板27和32之间。
对于液晶层30，折射率ne比折射率no大，其中no是普通光的折射率，并且ne是异常光的折射率。液晶层30的厚度d满足(ne-no)×d＝λ/2，其λ是真空中的入射光的波长。
图20A和20B是示出了轴向对称偏振1/2波长板26的说明性示意图。图20A是示出了轴向对称偏振1/2波长板26的液晶层30在平行于玻璃基板32的主表面的横截面上剖开的横向截面图。图20B是示出了液晶分子33的定向方向的说明性示意图。
如图20A中所示，液晶分子33环绕轴向对称偏振1/2波长板26同中心地布置。如图20B中所示，液晶分子33的定向方向满足关系θ＝2Φ或θ＝2Φ-180，其中Φ是形成在液晶分子33的主轴线和靠近该主轴线的坐标轴之间的角度，并且θ是形成在该坐标轴和偏振方向之间的角度。图20A和20B示出同一平面内。
图21示出当光源装置不包括轴向对称偏振1/2波长板时，输出光的远场分布35。在第一至第八实施例中，只有p偏振光导致等离子体激元在等离子体激元激发层8上结合。因此，如图21中所示，出自光源装置的输出光的远场分布35变成偏振方向是放射状的轴向偏振光。
图22示出通过轴向对称偏振1/2波长板26的输出光的远场分布35。根据本实施例，如图22中所示，使用轴向对称偏振1/2波长板26使得能够获取偏振方向37是一致的输出光。
实例1
图23示出根据该实施例的等离子体激元共振特性。图23示出入射角和反射率之间关系，当在光源装置中使用TiO2用于高介电常数层9、Ag用于等离子体激元激发层8和多孔SiO2用于低介电常数层7时，具有653纳米、539纳米和459纳米的波长的光入射到等离子体激元激发层8上。与波长相比，高介电常数层9和低介电常数层7形成为充分厚。
如图23中所示，23度入射角附近的反射率的急剧减小比全反射角大，因此与等离子体激元的结合显然是缘由。因此，根据实例，在与等离子体激元结合的角度中存在各向异性。
图24示出根据实施例的辐射角特性。图24示出出自光出射部分5的输出光的角度分布，当在光源装置中使用TiO2用于高介电常数层9、Ag用于等离子体激元激发层8、多孔SiO2用于低介电常数层7时，具有653纳米、539纳米和459纳米的波长的光入射到方向性控制层中。
为简单起见，进行了二维上的计算。当在出自光源装置的输出光的强度减半的情况下角度的全宽是辐射角时，对于具有653纳米、539纳米和459纳米的波长的光，辐射角分别是0.67度、1.3度和3.0度。对于具有653纳米、539纳米、和459纳米的波长的光，波矢量转换层10的光子晶体的光栅节距分别被设定为583纳米、471纳米和386纳米。
如上所述，根据本实施例的光源装置，能够利用等离子体激元激发层8提升出自光源装置的输出光的辐射角的方向性，并且能够通过适当地调整波矢量转换层10的光栅构造以使辐射角变窄±5度而进一步提升方向性。
(实例2)
图25示出从通过使用表达式(1)所计算的有效介电常数所获得的等离子体激元共振角度(在附图中的○)与从根据第一实施例的光源装置50中的多层膜反射计算所获得的等离子体激元共振角度(在附图中的□)的比较。在图25中，横轴指示低介电常数层的厚度，并且纵轴指示等离子体激元共振角度。如图25中所示，通过有效介电常数的计算值和通过多层膜反射的计算值彼此匹配，并且等离子体激元共振的条件显然能够通过由表达式(1)所限定的有效介电常数而定义。
SiO2、使用聚乙烯醇(PVA)作为基材的荧光物质、多孔SiO2、Ag以及TiO2分别用于光引导体2、载流子生成层6、低介电常数层7、等离子体激元激发层8以及高介电常数层9，并且它们的厚度分别设置为0.5毫米、70纳米、10纳米、50纳米以及0.5毫米。采用载流子生成层6的被设置成460纳米的发射波长进行计算。用于波矢量转换层的材料是TiO2，并且周期性结构的深度、节距和占空率分别被设置为200纳米、280纳米以及0.5。在这些条件下的输出光不具有环状分布，而是具有高斯分布。然而，节距从250纳米改变至使峰点中断，从而获得环状定向分布。
图26示出通过将每个层的厚度相加而计算出的根据第一实施例的光源装置50的输出光中的角度分布。在图26中，横轴指示输出光的出射角，而纵轴指示输出光的强度。
为简单起见，进行了二维上的计算。当在光学元件50所输出的光的强度减半情况下的角度全宽是辐射角时，对于具有460纳米波长的每一道光，辐射角是+1.7(度)。
因此，根据该实施例的光源装置50，能够提升出自光源装置50的输出光的辐射角的方向性，并且能够通过适当地调整波矢量转换层10的光栅构造以使辐射角变窄±5度而改进方向性。
根据实例2，等离子体激元激发层8的出射侧部分和入射侧部分的有效介电常数通过表达式(1)分别是9.8和2.0。表面等离子体激元的出射侧和入射侧上的Z方向波数的虚数部分通过表达式(2)分别是0和1.28×107。假定表面等离子体激元的有效相互作用距离是在表面等离子体激元的强度是e-2之处的距离，由l/lm(KSPP，Z)，则表面等离子体激元的有效相互作用距离在出射侧部分和入射侧部分上分别是无穷大和78纳米。
适当地用作图像显示装置的光源装置的根据本实施例的光源装置，能够用于投射显示装置中所包括的光源装置、液晶面板(LCD)的近场光源装置、如背光灯的移动电话以及诸如人数据助理(PDA)的电子装置。
最后，简单地描述了充当应用了本实施例的光源装置投的射显示装置的LED投影仪。图27示意性地示出实施例的投射显示装置。
如图27中所示，根据本实施例的LED投影仪包括：上述实施例的光学元件51；液晶面板52，从光学元件51所输出的光入射到该液晶面板中；以及投射光学系统53，该投射光学系统包括投射透镜，该投射透镜用于将从液晶面板52所输出的光投射到诸如屏的投影表面55上。
在LED投影仪中所包括的光源装置50包括布置在具有方向性控制层的光引导体2的一侧上的红(R)光LED 57R、绿(G)光LED 57G以及蓝(B)光LED 57B。光源装置50的方向性控制层中所包括的载流子生成层包含用于红(R)光、绿(G)光以及蓝(B)光的荧光物质。
图28示出LED投影仪所使用的发光元件1的波长、荧光物质的激发波长、以及发射波长的强度之间的关系。如图28中所示，R光LED57R、G光LED 57G和B光LED 57B的发射波长Rs、Gs和Bs以及荧光物质的激发波长Ra、Ga、和Ba被设置为几乎相等。发射波长Rs、Gs和Bs，激发波长Ra、Ga和Ba，以及荧光物质的发射波长Rr、Gr和Br被设置成不相互重叠。R光LED 57R、G光LED 57G和B光LED57B的发射光谱被设置成与荧光物质的激发光谱相匹配或在激发光谱内。荧光物质的发射光谱被设置成并不与荧光物质的任何激发光谱大致重叠。
LED投影仪采用时间分割系统。控制电路单元(未示出)切换R光LED 57R、G光LED 57G以及B光LED 57B，使得这些LED中的仅一个能够发出光。
根据本实施例的LED投影仪，由于包含上述实施例的光源装置50，所以使得能够提升投影图像的亮度。
已经描述了单板式液晶投影仪的构造实例作为本实施例的LED投影仪。然而，不必说，本发明能够应用到包括用于R、G和B的液晶面板的三板式液晶投影仪。
已经参照实施例描述了本发明。然而，本发明不仅限于这些实施例。可以对本发明的构造和细节作出本领域的技术人员可理解的各种修改。
本申请要求2009年9月30日提交的日本专利申请No.2009-227331的优先权，该日本专利的全部内容以引用方式并入此处。

Claims (21)

1.一种光学元件，包括：
光引导体，出自发光元件的光入射到该光引导体上；
载流子产生层，该载流子产生层形成在所述光引导体中，在该载流子产生层中，由出自所述光引导体的光产生载流子；
等离子体激元激发层，该等离子体激元激发层堆叠在所述载流子产生层上，该等离子体激元激发层具有比当所述载流子产生层由出自所述发光元件的光激发时所产生的光的频率更高的等离子体频率；以及
出射层，该出射层堆叠在所述等离子体激元激发层上，该出射层将从所述等离子体激元激发层入射的光转换成具有预定出射角的光以输出该光，
其中，所述等离子体激元激发层夹在具有介电性质的两个层之间。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，入射侧部分的有效介电常数比出射侧部分的有效介电常数低，该入射侧部分包括堆叠在所述等离子体激元激发层的光引导体侧上的结构，该出射侧部分包括堆叠在所述等离子体激元激发层的出射层侧上结构和处于与该出射层相接触的介质。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其中：
所述有效介电常数是复有效介电常数εeff，并且该复有效介电常数εeff满足下列表达式(1)，其中x轴和y轴是平行于所述等离子体激元激发层的界面的方向，z轴是垂直于所述等离子体激元激发层的界面的方向，ω是从所述载流子产生层所输出的光的角频率，ε(ω、x、y和z)是所述入射侧部分或所述出射侧部分中的电介质的介电常数分布，积分范围D是所述入射侧部分或所述出射侧部分的三维坐标的范围，KSPP，Z是表面等离子体激元的波数的z分量，并且j是虚数单位：
[公式1]
ϵ eff = ∫ ∫ ∫ D ϵ ( ω , x , y , z ) exp ( 2 j k spp , z z ) ∫ ∫ ∫ D exp ( z ) ..............................公式(1)
并且所述表面等离子体激元的波数的z分量KSPP，Z与所述表面等离子体激元的波数的x分量和y分量KSPP满足下列表达式(2)和(3)，其中εmetal是所述等离子体激元激发层的介电常数的实数部分，并且k0是真空中的光的波数：
[公式2]
k spp , z = ϵ eff k 0 2 - k spp 2 ..............................公式(2)
[公式3]
k spp = k 0 ϵ eff ϵ metal ϵ eff + ϵ metal ..............................公式(3)
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，进一步包括介电常数层，该介电常数层形成为与所述等离子体激元激发层的出射层侧相邻或与所述等离子体激元激发层的光引导体侧相邻，或者是与所述等离子体激元激发层的出射层侧和所述等离子体激元激发层的光引导体侧相邻。
5.根据权利要求4所述的光学元件，其中：
所述等离子体激元激发层夹在一对介电常数层之间；并且
与所述等离子体激元激发层的所述光引导体侧相邻的介电常数层的介电常数比与所述等离子体激元激发层的出射层侧相邻的介电常数层的介电常数低。
6.根据权利要求4所述的光学元件，其中，形成为与所述等离子体激元激发层的光引导体侧相邻的所述介电常数层是低介电常数层，该低介电常数层具有比与所述等离子体激元激发层的出射层侧相邻的层的介电常数低的介电常数。
7.根据权利要求4所述的光学元件，其中，形成为与所述等离子体激元激发层的出射层侧相邻的所述介电常数层是高介电常数层，该高介电常数层具有比与所述等离子体激元激发层的光引导体侧相邻的层的介电常数高的介电常数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，进一步包括另一等离子体激元激发层，该另一等离子体激元激发层具有比形成在所述光引导体和所述载流子产生层之间的所述发光元件的频率高的等离子体频率。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，进一步包括低介电常数层，该低介电常数层形成为与所述光引导体的载流子产生层侧相邻并且具有比所述光引导体低的介电常数，
其中，在所述载流子产生层中，载流子是通过当出自所述光引导体的光处于在与所述载流子产生层的界面上全反射的状态中时所产生的衰逝波而产生。
10.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述低介电常数层通过堆叠在介电常数上不同的多个介电层而形成，并且所述多个介电层被布置成使得介电常数能够从所述载流子产生层侧向所述等离子体激元激发层侧顺序地减小。
11.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述高介电常数层通过堆叠在介电常数上不同的多个介电层而形成，并且所述多个介电层被布置成使得介电常数能够从所述等离子体激元激发层侧向所述出射层侧顺序地减小。
12.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述低介电常数层具有从所述载流子产生层侧向所述等离子体激元激发层侧侧逐渐减小的介电常数分布。
13.根据权利要求7所述的光学元件，其中所述高介电常数层具有从所述等离子体激元激发层侧向所述出射层侧逐渐减小的介电常数分布。
14.根据权利要求1至7和9至13中任一项所述的光学元件，其中，所述等离子体激元激发层通过堆叠由不同金属材料制成的多个金属层而形成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光学元件，其中，所述出射层具有表面周期性结构。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的光学元件，其中，所述出射层由光子晶体制成。
17.根据权利要求6、9、10、和12中任一项所述的光学元件，其中，所述低介电常数是多孔层。
18.根据权利要求1至7和9至17中任一项所述的光学元件，其中，所述等离子体激元激发层由Ag、Au、Cu、Al和Pt中的任何一种元素或含有上述各元素中的至少一种元素的合金制成。
19.一种光源装置，包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件；以及
发光元件，该发光元件位于所述光引导体的外周部分上。
20.根据权利要求19所述光源装置，进一步包括偏振转换元件，该偏振转换元件用于将从所述光学元件入射的轴向对称偏振光布置在预定的偏振状态。
21.一种投射显示装置，包括：
根据权利要求19和20中任一项所述的光源装置；以及
投射光学系统，该投射光学系统通过从所述光源装置所输出的光来投射投影图像。
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