CN102782394B - 光学元件、光源装置和投影显示装置 - Google Patents

Abstract

光源设备包括：载流子产生层（16），其中来自光引导体（12）的光产生载流子，来自发光元件的光进入光引导体；等离子体激发层（17），具有高于来自发光元件的光激发载流子产生层（16）时产生的光的频率的等离子体频率；波矢量转换层（18），把等离子体激发层（17）产生的表面等离子体转换为具有预定出射角的光以输出光。等离子体激发层（17）被夹在具有介电特性的两个层之间。等离子体激发层（17）入射侧部分的有效介电常数大于等离子体激发层（17）出射侧部分的有效介电常数，入射侧部分包括堆叠在光引导体（12）侧的整个结构，出射侧部分包括堆叠在波矢量转换层（18）侧的整个结构和与波矢量转换层（18）接触的介质。

Description

光学元件、光源装置和投影显示装置

技术领域

本发明涉及使用表面等离子体来输出光的光学元件、光源装置和投影显示装置。

背景技术

已经提出了一种发光二极管（LED）投影仪，使用LED作为包括在光源装置中的发光元件。这种类型的LED投影仪包括具有LED的光源装置、来自光源装置的光所进入的照明光学系统、具有液晶显示板（来自照明光学系统的光进入其中）的光阀以及用于将来自光阀的光投影到投影表面上的投影光学系统。

在LED投影仪中，为了增加投影图像的亮度，必须在从光源装置到光阀的光路上尽可能低防止光损耗。

如在非专利文献1中描述的，存在基于集光度（Etendue）的限制，集光度是由光源装置的面积和发射角的乘积确定的。换言之，来自光源装置的光将不能被用作投影光，除非光源装置的面积和发射角的乘积的值被设置为等于或小于光源装置的面积和由投影透镜的F数所确定的拍摄角（立体角）的乘积的值。

因此，在包括LED和光学元件（来自LED的光进入其中）的光源装置中，通过降低从光学元件输出的光的集光度来减小光学损失是需要注意的问题。

在包括在LED投影仪的光源装置中，通过使用多个LED来补偿由单个LED发射的光量的短缺，以实现约数千流明的投影光通量是很关键的。

作为使用多个LED的这种光源的示例，如图1所示，专利文献1公开的光源单元包括具有LED 204a到204f的多个单色光源装置203a到203f、用于对从单色光源装置203a到203f输出的光的光轴进行匹配的光轴匹配构件202a到202d、光源组201a和201b（来自光轴匹配构件202a到202d的光进入其中），以及光引导装置200（来自光源组201a和201b的光进入其中）。在该光源单元中，来自多个单色光源装置203a到203f的光被合成，并且具有由光源组201a和201b变窄的发射角的光进入光引导装置200。在该构造中，通过由光源组201a和201b将如射到光引导装置200上的光的发射角变窄来减小光损失。

作为使用多个LED的光源装置的另一个示例，如图2所示，专利文献2公开了包括光源衬底301的光源装置，该光源衬底301具有布置在平面上的多个LED 300。该光源装置包括光学元件，该光学元件具有两个棱镜片304和305以及用于支撑棱镜片304和305的棱镜体303，棱镜片304和305各自具有形成在一个表面上的棱镜列并且这些棱镜列被设置为彼此交叉。在光源装置中，来自多个LED 300的光由两个棱镜片304和305合成。

专利文献

专利文献1：JP 2008-145510A

专利文献2：JP 2009-87695A

非专利文献

非专利文献1：PhlatLight TM Photonic Grating LEDs for RPTV LightEngines,Christian Hoepfner、SID Symposium Digest 37,1808(2006)

发明内容

然而，在专利文献1中的构造中，光轴匹配构件202a到202d的二色（dichroic）反射表面上的发光面积比LED 204a到204f更大。因此，当入射到光引导装置200上的光的集光度与来自LED 204a到204f的光的集光度相比时，集光度没有改变。

因此，在专利文献1中描述的构造中，从光引导装置200输出的光的集光度（其取决于LED 204a到204f的集光度）不能减小。

在专利文献2中描述的构造中，平面上的多个LED的布置使得整个光源的发光面积增加，并且因此发生光源自身的集光度增加的问题。

换言之，在专利文献1和2中公开的构造中，来自光源单元和光源装置的光的集光度取决于来自LED的光的集光度，因此不能减小来自光学元件的光的集光度。

本发明的一个目的是提供一种光学元件、包括该光学元件的光源以及投影显示装置，该光学元件能够解决现有技术的上述问题并且减小从光学元件输出的光的集光度，而不对于发光元件的集光度具有依赖性。

为了实现上述目的，根据本发明的光学元件包括：光引导体，来自发光元件的光进入其中；形成在光引导体中的载流子产生层，其中由来自光引导体的光产生载流子；堆叠到载流子产生层上的等离子体激发层，该层具有比当载流子产生层由来自发光元件激发时产生的光的频率更高的等离子体频率；堆叠到等离子体激发层上的出射层，该层将由等离子体激发层产生的表面等离子体转换为具有预定出射角的光以输出光。等离子体激发层被夹置在具有介电特性的两个层之间。等离子体激发层的入射侧部分的有效介电常数大于等离子体激发层的出射侧部分的有效介电常数，其中，入射侧部分包括堆叠在光引导体那侧的整个结构，出射侧部分包括堆叠在出射层那侧的整个结构以及与出射层接触的介质。

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光反射元件。

根据本公开的投影显示装置包括本发明的光源装置、对从光源装置输出的光进行调制的显示元件和通过从显示元件输出的光投影出投影图像的投影光学系统。

本发明的效果

根据本发明，可以减小来自光学元件的光的集光度，而不对于发光元件的集光度具有依赖性。

附图说明

图1是根据专利文献1的构造的示例性说明图。

图2是示出了根据专利文献2的构造的示例性分解立体图。

图3是示意性地示出了根据第一实施例的光源装置的立体图。

图4是示出了在根据第一实施例的光源装置中的光的行为的示例性截面图。

图5是示例性地示出了包括在根据第一实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图6A是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图6B是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图6C是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图6D是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图6E是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图6F是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图6G是示出了在根据第一实施例的光源装置中的制造过程的示例性截面图。

图7是示意性地示出了根据第二实施例的光源装置的立体图。

图8A是示出了在根据第二实施例的光源装置中的微透镜阵列的形成过程的示例性截面图。

图8B是示出了在根据第二实施例的光源装置中的微透镜阵列的形成过程的示例性截面图。

图9是示意性地示出了包括在根据第三实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图10是示意性地示出了包括在根据第四实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图11是示意性地示出了包括在根据第五实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图12是示意性地示出了包括在根据第六实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图13是示意性地示出了包括在根据第七实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图14是示意性地示出了包括在根据第八实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图15是示意性地示出了包括在根据第九实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。

图16是示出了根据第十实施例的光源单元的立体图。

图17是示出了包括在根据第十实施例的光源单元中的用于轴对称偏振的1/2波片的结构的垂直截面图。

图18A是示出了包括在根据第十实施例的光源装置中的用于轴对称偏振的1/2波片的示例性立体图。

图18B是示出了包括在根据第十实施例的光源装置中的用于轴对称偏振的1/2波片的示例性立体图。

图19是示出了当用于轴对称偏振的1/2波片没有被包括在根据实施例的光源装置中时输出光的远场图案和偏振方向的示意图。

图20是示出了当用于轴对称偏振的1/2波片被包括在根据实施例的光源单元中时输出光的远场图案和偏振方向的示意图。

图21示出了在根据第一实施例的光源装置的输出光中的角度分布。

图22示出了在根据第五实施例的光源装置的输出光中的角度分布。

图23示出了在根据第五实施例的光源装置中通过有效介电常数获得的等离子体谐振角与通过多层膜反射计算获得的等离子体谐振角的比较。

图24是示出了适用于根据实施例的光源装置的LED投影仪的立体图。

具体实施方式

下文中，将会参照附图描述本技术的实施例。

（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示意图。图4是示出了在根据本实施例的光源装置中的光的行为的示例性截面图。在光源装置中，各个层实际上具有非常大的厚度，并且在这些层之间存在大的厚度差异。因此难以画出这些层的精确尺寸和比例。因此，在附图中，层没有以实际比例绘制，因此是示意性地示出的。

如图3和图4所示，根据本实施例的光源装置2包括多个发光元件11（11a到11n），以及光学元件1，从发光元件11输出的光进入光学元件1。光学元件1包括光引导体12以及方向控制层13，从发光元件11输出的光进入光引导体12，方向控制层13由从光引导体12进入的光来发射输出光。

方向控制层13用于改善来自光源装置2的输出光的指向性。例如，如在图5中示出的第一实施例中那样，方向控制层3包括形成在光引导体12中的载流子产生层16、堆叠在载流子产生层16上的等离子体激发层17以及堆叠在等离子体激发层17上的波矢量转换层18，在载流子产生层16中由从光引导体12入射的光的一部分产生载流子，等离子体激发层17具有比在载流子产生层16由来自发光元件11的光激发时产生的光的频率更高的等离子体频率，波矢量转换层18是出射层，其用于转换由等离子体激发层17产生的表面等离子体的入射光的波矢量，来输出具有预定出射角的光。在该实施例中，波矢量转换层18被直接布置在等离子体激发层17上。然而，波矢量转换层18与等离子体激发层17之间可以形成电介质层，该层具有小于1微米的厚度。

等离子体激发层17被夹在具有介电特性的两个层之间。在该实施例中，这两个层对应于载流子产生层16和波矢量转换层18。根据本实施例的光学元件1被构造为使得：包括了堆叠在等离子体激发层17的光引导体12那侧的整个结构的入射侧部分（下文中简称作入射侧部分）的有效介电常数大于包括了堆叠在等离子体激发层17的波矢量转换层18那侧的整个结构和与波矢量转换层18接触的介质的出射侧部分（下文中简称作出射侧部分）的有效介电常数。堆叠在等离子体激发层17的光引导体12那侧的整个结构包括光引导体12。堆叠在等离子体激发层17的波矢量转换层18那侧的整个结构包括波矢量转换层18。

换言之，根据第一实施例，相对于等离子体激发层17的入射侧部分（包括光引导体12和载流子产生层16）的有效介电常数高于相对于等离子体激发层17的出射侧部分（包括波矢量转换层18和介质）的有效介电常数。

具体地，等离子体激发层17的入射侧部分（发光元件11那侧）的复有效介电常数的实部被设置为比等离子体激发层17的出射侧部分（波矢量转换层18那侧）的复有效介电常数的实部更高。

复有效介电常数ε_eff由以下公式（1）表示，其中x轴和y轴是与等离子体激发层17的界面平行的方向，z轴是与等离子体激发层17的界面垂直的方向，ω是从载流子产生层16输出的光的角频率，ε(ω,x,y,z)是在相对于等离子体激发层17的入射侧部分和出射侧部分中的电介质的介电常数分布，k_spp,z是表面等离子体的波数的z分量，并且j是虚数单位：

[公式1]

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{\underset{D}{\∫\∫\∫}\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\ω},x,y,z)\exp \left({2\mathrm{jk}}_{\mathrm{spp},z}z\right)}{\underset{D}{\∫\∫\∫}\exp \left(z\right)}$ ··········公式（1）

积分范围D是相对于等离子体激发层17的入射侧部分或出射侧部分的三维坐标的范围。换言之，积分范围D中的x轴和y轴方向的范围可达入射侧部分中包括的结构（不包括介质）的外周表面或者出射表面部分中包括的结构（不包括介质）的外周表面，并可达与等离子体激发层17的界面平行的表面中的外边缘。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。在积分范围D中的Z轴方向的范围是在等离子体激发层17与具有介电特性并与等离子体激发层17相邻的层之间的界面（其位置被设置为z=0）到这个相邻层那侧的无穷远的范围。从界面远离的方向是公式（1）中的（+）z方向。

表面等离子体的波数的z分量k_spp,z以及表面等离子体的波数的x和y分量k_spp由以下公式（2）和（3）表示，其中，ε_metal是等离子体激发层17的介电常数的实部，并且k₀是真空中的光的波数。

[公式2]

$k_{\mathrm{spp},z}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{k_0}^2-{k_{\mathrm{spp}}}^2}$ ··············公式（2）

[公式3]

$k_{\mathrm{spp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}}$ ···············公式（3）

因此，通过使用公式（1）到（3）并且将ε(ω,x,y,z)代入等离子体激发层17的入射侧部分的介电常数分布ε_in(ω,x,y,z)以及等离子体激发层17的出射侧部分的介电常数分布ε_out(ω,x,y,z)，计算了相对于等离子体激发层17的入射侧部分的复有效介电常数ε_effin和出射侧部分的复有效介电常数ε_effout。实际上，通过对于复有效介电常数ε_eff提供合适的初始值并且通过重复地计算公式（1）到（3），容易获得复有效介电常数ε_eff。当与等离子体激发层17接触的层的介电常数的实部非常高时，在界面中的表面等离子体的波数的z分量k_spp,z成为实数。与等离子体激发层17接触的那层的介电常数相应地对应于这种情况中的有效介电常数。

可以由以下的公式（4）计算当表面等离子体的强度是e^-2时表面等离子体的有效相互作用距离deff。

[公式4]

$d_{\mathrm{eff}}=\mathrm{Im}\left[\frac{1}{k_{\mathrm{spp},z}}\right]$ ···············公式（4）

优选地，在与任意层（包括光引导体12或波矢量转换层18，不包括载流子产生层16和等离子体激发层17）相邻的介质处，复介电常数的虚部被设置为尽可能小。将复介电常数的虚部设置得尽可能地小有助于等离子体耦合，从而使得能够减小光损耗。

在光源装置2周围的介质（即，与光引导体12或波矢量转换层18接触的介质）可以是固体、液体和气体物质中的任何一种。光引导体12那侧与波矢量转换层18那侧的介质之间可以不同。

根据本实施例，多个发光元件11a到11n在光引导体12的四个侧面上以预定间隔布置。发光元件11a到11n与侧面接触的表面是光入射表面14。激光二极管或超亮二极管被作为发光元件11（例如发光二极管LED），用于发射载流子产生层16可以吸收的波长的光。发光元件11可以定位成与光引导体12的光入射表面14分离。例如，其可以通过光引导构件（例如光阀）而在光学方面连接到光引导体12。

在该实施例中，光引导体12形成为平板形状。然而，光引导体12的形状不局限于长方体形状。诸如用于控制光分布特性的微棱镜之类的结构可以形成在光引导体12中。在光引导体12中，反射膜可以形成在除了光出射部分15和光入射表面14之外的外周的全部表面上或者部分表面上。类似地，在光源装置2中，反射膜（未示出）可以形成在除了光出射部分15和光入射表面14之外的外周的全部表面上或者部分表面上。对于反射膜，例如使用金属材料（例如银或铝）或电介质多层膜。

对于载流子产生层16，例如使用诸如若丹明（Rhodamine 6G）或磺酰若丹明（sulphorhofdamine 101）的有机荧光体、诸如CdSe或CsSe/ZnS量子点荧光体的荧光物质、诸如GaN或GaAs的无机材料（半导体）、（噻吩/亚苯基）低共聚物、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16中，可以混合用于产生具有与发射波长相等或不同的多个波长的荧光的材料。载流子产生层16的厚度优选为1微米以下。

等离子体激发层17是由下述材料制成的微粒层或薄膜层：该材料具有比在单个载流子产生层16由光学元件1的光激发时产生的光的频率（发射频率）更高的等离子体频率。换言之，在当单个载流子产生层16由光学元件1的光激发时产生的发射频率处，等离子体激发层17具有负的介电常数。

用于等离子体激发层17的材料例如是金、银、铜、铂、钯、铑、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、铬、钛、钽、钨、铟和铝，或者它们的合金。在等离子体激发层17的这些材料中，金、银、铜、铂和铝以及主要含有这些材料的合金是优选的，并且金、银和铝以及主要含有这些材料是特别优选的。等离子体激发层17优选地形成为具有200纳米以下（更优选地是10纳米到100纳米）的厚度。

波矢量转换层18是出射层，用于通过对在等离子体激发层17与波矢量转换层18之间的界面上激发的表面等离子体的波矢量进行转换，来从等离子体激发层17与波矢量转换层18之间的界面取得光并将光从光学元件1输出。换言之，波矢量转换层18将表面等离子体转换为预定角度的光，以从光学元件1输出光。即，波矢量转换层18用来与等离子体激发层17和波矢量转换层18之间的界面几乎正交地将光从光学元件1输出。

对于波矢量转换层18，例如使用表面浮雕光栅、以光子晶体为代表的周期结构、准周期结构或准晶体结构、比来自光学元件1的光的波长更大的纹理结构（例如具有粗糙表面的表面结构）、全息图或微透镜阵列。准周期结构例如是不完整周期结构，其中，周期结构的一部分被省略。在它们之中，优选地使用由光子晶体代表的周期结构、准周期结构、准晶体结构和微透镜阵列。这是因为不仅可以增加光取得效率，还可以控制方向性。当使用光子晶体时，晶体结构优选采用三角形光栅结构。波矢量转换层18可以采用这样的结构：该结构包括形成在平板基底上的凸起部分。

关于由此构造的光源装置2，将会描述通过使来自发光元件11的光进入方向控制层13来从方向控制层13的光出射部分15输出光的操作。

如图4所示，例如从多个发光元件11中的发光元件11f输出的光通过光引导体12的光入射表面14透射，并且在全反射的条件下在光引导体12中传播。在这种情况下，入射到光引导体12与方向控制层13之间的界面上的光的一部分波长沿着与方向控制层13的等离子体激发层17的下述特性相对应的方向从光出射部分15输出。没有从光出射部分15输出的光返回到光引导体12，并且入射到光引导体12与方向控制层13之间的界面上的光的一部分再次通过方向控制层13透射并从光出射部分15输出。通过重复这些操作，入射到光引导体12上的大部分光被从光出射部分15输出。在多个发光元件11之中，从发光元件11m（与发光元件11f位置相对并夹住光引导体12）输出并且通过光入射表面14透射的光类似地从光出射部分15输出。从光出射部分15输出的光的方向和波长仅取决于方向控制层13的特性。该光的方向和波长不取决于发光元件11的位置以及光引导体12与方向控制层13之间的界面上的入射角。下文中，除非另外说明，将会描述这样的构造：波矢量转换层18具有光子晶体结构。

在全反射条件下在光引导体12中传播的光中，全反射的条件在光引导体12与载流子产生层16之间的界面上被破坏，并且来自发光元件11的光进入载流子产生层16。入射到载流子产生层16上的光在载流子产生层16中产生载流子。所产生的载流子在等离子体激发层17中引起与自由电子的等离子体耦合。通过等离子体耦合，在等离子体激发层17与波矢量转换层18之间的界面上激发出表面等离子体。所激发的表面等离子体由波矢量转换层18衍射，从光源装置2离开。

当在等离子体激发层17与波矢量转换层18之间的界面上的介电常数是空间均匀的时候，换言之，当界面平坦时，在该界面上产生的表面等离子体不能被移除。因此，根据本发明，通过提供波矢量转换层18，表面等离子体可以被作为光来衍射移除。从波矢量转换层18的一个点输出的光具有环形强度分布，其中，光在传播的同时以同心方式扩散。当最高强度的出射角被设置为中央出射角时，从波矢量转换层18输出的光的中央出射角θ_rad由以下公式（5）表示，其中，Λ是波矢量转换层18的周期结构的节距，并且i是正或负的整数：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rad}}={\mathrm{Sin}}^{-1}\left(\frac{k_{\mathrm{spp}}-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}}{k_0}\right)$

···············公式（5）

等离子体激发层17与波矢量转换层18之间的界面上只存在由公式（3）获得的波数附近的波数，因此由公式（5）获得的输出光的角度分布变窄了。

图6A到图6G示出了包括在光源装置2中的光学元件1的制造过程。该过程仅为示例，因此本发明不局限于该制造方法。首先，如图6A和图6B所示，通过旋涂方式在光引导体12上沉积载流子产生层16。之后，如图6C所示，例如通过物理气相沉积、电子束沉积或溅射而在载流子产生层16上形成等离子体激发层17。

之后，如图6D所示，由光子晶体在载流子产生层16上形成波矢量转换层18。如图6E所示，通过旋涂方式在波矢量转换层18上沉积抗蚀剂膜21。如图6F所示，通过纳米压印（nano-imprinting）把光子晶体的负片图案转移到抗蚀剂膜21。如图6G所示，通过干法蚀刻把波矢量转换层18蚀刻到期望深度。之后，抗蚀剂膜21被从波矢量转换层18剥离。最后，多个发光元件11被布置在光引导体12的外周表面上，以完成光源装置2。

如上所述，根据本实施例的光源装置2具有较简单的构造，包括形成在光引导体12中的方向控制层13，并且因此可以使得整个光源装置2小型化。在根据本实施例的光源装置2中，从波矢量转换层18输出的光的出射角由以下量确定：等离子体激发层17的复介电常数、把光源装置2夹住的入射侧部分的有效介电常数和出射侧部分的有效介电常数、以及光源装置2中产生的光的发射光谱。因此，根据本实施例的光源装置2，从光学元件1输出的光的方向性不由受发光元件11的方向性限制。在根据本实施例的光源装置2中，通过在发射期间应用等离子体耦合，可以通过将从光学元件1输出的光的发射角变窄来改善输出光的方向性。换言之，根据本实施例，可以减小从光源装置2输出的光的集光度，而不依赖于发光元件11的集光度。从光源装置2输出的光的集光度不由发光元件11的集光度限制。因此，从多个发光元件11入射的光可以被合成，同时保持从光源装置2输出的光的小集光度。

此外，日本专利申请公报No.2008-145510中公开的构造具有这样的问题：即，包括了轴匹配构件202a到202d和光源组201a和201b，使得整个光源单元增大。然而，根据本实施例的光学元件1，可以使得整个光学元件1小型化。

日本专利申请公报No.2009-87695中公开的构造具有这样的问题：即，来自多个LED 300的光在交叉的棱镜片304和305处沿着各个方向弯折引起光损失。然而，根据本实施例的光学元件1，可以改善来自多个发光元件11的光的使用效率。

下文中，将会描述其他实施例的光源装置。其他实施例的光源装置的不同仅在于方向控制层13的构造与第一实施例的光源装置2不同，因此仅描述方向控制层。在其他实施例的方向控制层中，与第一实施例的方向控制层13中的层类似的层由与第一实施例类似的附图标记表示，并且将不会被描述。

（第二实施例）

对于波矢量转换层18，代替光子晶体，可以使用布置有微透镜阵列的构造或者使用具有粗糙表面的层的构造。图7是示意性地示出了根据第二实施例的光源装置中包括的方向控制层的立体图。

如图7所示，在方向控制层23中，波矢量转换层28包括微透镜阵列，被布置在等离子体激发层17的表面上。即使在包括波矢量转换层28（其包括微透镜阵列）的构造中，方向控制层23也可以提供与包括由光子晶体构成的波矢量转换层18的构造相同的效果。

图8A和图8B是示出了微透镜阵列堆叠到等离子体激发层17上的构造的制造过程的示例性截面图。在包括微透镜阵列的构造中，例如图6A到图6G中示出的制造方法的情况中，载流子产生层16和等离子体激发层17堆叠到光引导体12上，并且因此将会省略其制造过程的描述。

如图8A和图8B，通过使用图6A到图6G中示出的制造方法，在载流子产生层16和等离子体激发层17已经堆叠到光引导体12上之后，由微透镜阵列在等离子体激发层17的表面上形成波矢量转换层28。这种形成方法仅为示例，因此本发明不局限于该方法。如图8A所示，UV（紫外）硬化树脂31通过旋涂方式沉积在等离子体激发层17的表面上。之后，通过使用纳米印刷，在UV硬化树脂31中形成期望的透镜阵列图案。之后用光照射UV硬化树脂31来形成微透镜阵列。

在这样构造的第二实施例的方向控制层23中，通过包括具有微透镜阵列的波矢量转换层28，可以提供与第一实施例相同的效果。

在第三实施例以及之后描述的实施例中，将会描述波矢量转换层18由光子晶体构成的构造。然而，如上所述，波矢量转换层18可以由包括微透镜阵列的波矢量转换层28替换，并且可以提供与每个这些实施例相似的效果。

（第三实施例）

图9是示出了包括在根据第三实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图9所示，在根据第三实施例的方向控制层33中，载流子产生层16、等离子体激发层17、介电常数层19和波矢量转换层18按照顺序堆叠到光引导体12上。

因此，第三实施例与第一实施例的区别在于介电常数层19被独立地布置在等离子体激发层17与波矢量转换层18之间。介电常数层19具有被设置为比下文中描述的第四实施例中的介电常数层20（高介电常数层20）更低的介电常数，并且因此被称作为低介电常数层19。对于低介电常数层19的介电常数，允许相对于等离子体激发层17的出射侧部分的有效介电常数被保持为比入射侧部分的有效介电常数更低的范围。换言之，低介电常数层19的介电常数不需要比相对于等离子体激发层17的入射侧部分的有效介电常数更小。

低介电常数层19可以由与波矢量转换层18不同的材料制成。因此，根据本实施例，可以对于波矢量转换层18增加材料选择的自由度。

对于低介电常数层19，优选地使用薄膜或多孔膜，例如由SiO₂、AlF₃、MgF₂、Na₃AlF₆、NaF、LiF、CaF₂、BaF₂和低介电常数塑料制成。低介电常数层19理想地尽可能薄。所允许的厚度最大值对应于表面等离子体在低介电常数层19的厚度方向上的浸渍长度（steeping length），并且通过使用公式（4）来计算。当低介电常数层19的厚度超出由公式（4）计算的值时，难以以光的方式来移除表面等离子体。

在第三实施例的方向控制层33中，为了使得等离子体耦合到等离子体激发层17，入射侧部分（包括光引导体12和载流子激发层16）的有效介电常数被设置为比出射侧部分（包括波矢量转换层18和低介电常数层19，以及与波矢量转换层18接触的介质）更高。

根据这样构造的第三实施例方向控制层33，可以提供与第一实施例类似的效果，包括低介电常数层19有助于调整等离子体激发层17的出射侧部分的有效介电常数。

（第四实施例）

图10是示出了包括在根据第四实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图10所示，在根据第四实施例的方向控制层43中，载流子产生层16、介电常数层20、等离子体激发层17和波矢量转换层18按照顺序堆叠到光引导体12上。

因此，第四实施例与第一实施例的区别在于介电常数层20被独立地布置在等离子体激发层17与载流子产生层16之间。介电常数层20具有被设置为比第三实施例中的低介电常数层19更高的介电常数，并且因此被称作为高介电常数层20。对于高介电常数层20的介电常数，允许相对于等离子体激发层17的出射侧部分的有效介电常数被保持为比入射侧部分的有效介电常数更低的范围。换言之，高介电常数层20的介电常数不需要比相对于等离子体激发层17的出射侧部分的有效介电常数更大。

高介电常数层20可以由与载流子产生层16不同的材料制成。因此，根据本实施例，可以对于载流子产生层16增加材料选择的自由度。

对于高介电常数层20，优选地使用由高介电常数材料制成的薄膜或多孔膜，例如TiO₂、CeO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、Sb₂O₃、HfO₂、La₂O₃、NdO₃、Y₂O₃、ZnO、Nb₂O₅。高介电常数层20优选地由导体材料制成。高介电常数层20理想地尽可能薄。所允许的厚度最大值对应于引起载流子产生层16与等离子体激发层17之间的等离子体耦合的距离，并且由公式（4）计算。

在第四实施例的方向控制层43中，为了使得等离子体耦合到等离子体激发层17上，入射侧部分（包括光引导体12、载流子产生层16和高介电常数层20）的有效介电常数被设置为比出射侧部分（包括波矢量转换层18和与波矢量转换层18接触的介质）更高。

根据由此构造的第四实施例方向控制层43，可以提供与第一实施例类似的效果，包括高介电常数层20有助于调整等离子体激发层17的入射侧部分的有效介电常数。

（第五实施例）

图11是示出了包括在根据第五实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图11所示，方向控制层53包括夹置在等离子体激发层17与波矢量转换层18之间的低介电常数层19，以及夹置在载流子产生层16与等离子体激发层17之间并具有比低介电常数层19更高的介电常数的高介电常数层20。

在第五实施例的方向控制层53中，为了使得等离子体耦合到等离子体激发层17上，入射侧部分（包括光引导体12、载流子激发层16和高介电常数层20）的有效介电常数被设置为比出射侧部分（包括波矢量转换层18、低介电常数层19和与波矢量转换层18接触的介质）更高。

根据由此构造的第五实施例方向控制层53，可以提供与第一实施例类似的效果，并且包括低介电常数层19和高介电常数层20有助于调整等离子体激发层17的出射侧部分的有效介电常数以及等离子体激发层17的入射侧部分的有效介电常数。第五实施例的方向控制层53可以提供与第一实施例相同的效果。

在第五实施例中，低介电常数层19位于等离子体激发层17的波矢量转换层18那侧，并且高介电常数层20位于等离子体激发层17的载流子产生层16那侧。然而，本发明不局限于该构造。为了将等离子体激发层17的入射侧部分的有效介电常数设置为比等离子体激发层17的出射侧部分的有效介电常数更高，在必要的时候，低介电常数层19和高介电常数层20相对于等离子体激发层17的布置可以与第五实施例颠倒。

（第六实施例）

图12是示出了包括在根据第六实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图12所示，根据第六实施例的方向控制层63与第五实施例的方向控制层53在构造上相似，但是区别在于低介电常数层19和高介电常数层20中每一者都通过堆叠多个电介质层来构造。

具体地，根据第六实施例的方向控制层63包括通过堆叠多个电介质层29a到29c而形成的低介电常数层组29以及通过堆叠多个电介质层30a到30c而形成的高介电常数层组30。

在低介电常数层组29中，多个电介质层29a到29c被布置为使得介电常数可以从接近等离子体激发层17向波矢量转换层18那侧单调减小。类似地，在高介电常数层组30中，多个电介质层30a到30c被布置为使得介电常数可以从接近载流子产生层16向等离子体激发层17单调增加。

低介电常数层组29的整体厚度等于在方向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。类似地，高介电常数层组30的整体厚度等于在方向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29和高介电常数层组30中每一者都被示出为具有三层结构。然而，例如，可以采用具有二到五层的层结构。在需要时，可以采用低介电常数层组和高介电常数层组中包括的电介质层的数目不同的构造，或者低介电常数层组或高介电常数层组中仅有一者包括多个介电常数层的构造。

在高介电常数层组和低介电常数层组中包括多个电介质层使得能够良好地设置与等离子体激发层17的界面相邻的每个电介质层的介电常数，并且使得能够将相邻的电介质层之间的折射率匹配。换言之，高介电常数层组30可以减小与波矢量转换层18或者介质（例如空气）的折射率的界面差异，同时低介电常数层组29可以减小与载流子产生层16的折射率的界面差异。

根据由此构造的第六实施例的方向控制层63，可以适当地设置与等离子体激发层17接近的每个电介质层的介电常数，并且可以将与载流子产生层16和波矢量转换层18的折射率的界面差异设置为较小。因此，可以进一步减小光损失，并且可以改善来自发光元件11的光的使用效率。

代替低介电常数层组29和高介电常数层组30，可以使用单层膜，该膜中具有单调改变的介电常数。在这种构造的情况中，高介电常数层具有从载流子产生层16那侧向等离子体激发层17那侧逐渐增大的介电常数分布。类似地，低介电常数层具有从等离子体激发层17那侧向波矢量转换层18那侧逐渐减小的介电常数分布。

（第七实施例）

图13是示出了包括在根据第七实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图13所示，根据第七实施例的方向控制层73在构造上与第一实施例的方向控制层13类似，但是差别在于等离子体激发层组37包括多个堆叠的金属层37a和37b。

在根据第七实施例的等离子体激发层组37的等离子体激发层组37中，金属层37a和37b由堆叠的不同金属材料构成。这使得等离子体激发层组37能够调整等离子体频率。

当等离子体频率在等离子体激发层组37中被调整为较高时，例如，金属层37a和37b分别由Ag和Al制成。当等离子体频率在等离子体激发层组37中被调整为较低时，例如，金属层37a和37b分别由Ag和Au制成。

等离子体激发层组37被示出为具有双层结构作为示例。然而，等离子体激发层组37在需要的时候可以包括三个或更多个金属层。等离子体激发层组37优选地形成为等于或小于200纳米的厚度，更优选地是约10纳米到100纳米的厚度。

根据由此构造的第七实施例的方向控制层73，等离子体激发层组37包括多个金属层37a和37b。这使得能够将等离子体激发层组37上的有效等离子体频率调整到接近从载流子产生层16入射到等离子体激发层组37上的光的频率。因此，可以进一步改善从发光元件11入射到光学元件1上的光的使用效率。

（第八实施例）

图14是示出了包括在根据第八实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图14所示，除了第一实施例的等离子体激发层17之外，根据第八实施例的方向控制层83包括作为另一个等离子体激发层的等离子体激发层27。

在根据第八实施例的方向控制层83中，等离子体激发层27被布置在载流子产生层16与光引导体12之间。在方向控制层83中，在等离子体激发层27上由从光引导体12进入的光激发出等离子体，并且在载流子产生层16上由所激发的等离子体产生载流子。

在这种情况中，为了在等离子体激发层27上产生等离子体谐振，载流子产生层16的介电常数被设置为比光引导体12更低。为了加宽用于载流子产生层16的材料的选择范围，在等离子体激发层27与载流子产生层16之间可以布置低介电常数层，其复介电常数的实部小于光引导体12。

等离子体激发层27具有比在由来自发光元件11的光在单个载流子产生层16上发生激发时产生的发光频率更高的等离子体频率。等离子体激发层27具有比发光元件11的发光频率更高的等离子体频率。当使用具有多个不同发光频率的载流子产生层16时，等离子体激发层27具有比在由来自发光元件11的光在单个载流子产生层16上发生激发时产生的光的发光频率更高的等离子体频率。类似地，当使用多个具有不同发光频率的不同类型的发光元件时，等离子体激发层27具有比发光元件的不同发光频率中的任何一者更高的等离子体频率。

利用该构造，因为在载流子产生层16上由等离子体产生载流子，可以使用等离子体的荧光增强效果。

根据由此构造的第八实施例，可以通过等离子体的荧光增强效果来在载流子产生层16上有效地产生载流子，从而增加载流子的数目，可以更加增加来自发光元件11的光的使用效率。

与第七实施例的等离子体激发层组37的情况类似，等离子体激发层27可以通过堆叠多个金属层来构造。

（第九实施例）

图15是示出了包括在根据第九实施例的光源装置中的方向控制层的立体图。如图15所示，根据第九实施例的方向控制层93与第一实施例的方向控制层13在构造上相似，但是区别在于低介电常数层39被布置在载流子产生层16与光引导体12之间，以与上述实施例的低介电常数层19不同地工作。

在根据第九实施例的方向控制层93中，低介电常数层39直接位于载流子产生层16下方。低介电常数层39的介电常数被设置为比光引导体12更低。相对于光引导体12的光入射表面14的入射角被设置为预定角度，使得从发光元件11入射的光在光引导体12与低介电常数层39之间的界面上能够满足全反射条件。

从发光元件11入射到光引导体12上的光在光引导体12与低介电常数层39之间的界面上满足全反射条件。该全反射伴随着倏逝波（evanescentwave）的产生。该倏逝波作用在载流子产生层16上以在载流子产生层16中产生载流子。

在第一到第八实施例的光源装置中，从发光元件11输出的光的一部分通过每个层透射并且从每个层出射。因此，与发光元件11的发射波长和载流子产生层16的发射波长相对应地，波长相差30纳米到300纳米的两种类型的光从光源装置出射。然而，与本实施例中的情况类似，通过仅由倏逝波产生载流子，在从光源装置输出的光中，与载流子产生层16的发射波长相对应的光可以增加，而与发光元件11的发射波长相对应的光被减少。因此，根据第九实施例，可以改善来自发光元件11的光的使用效率。

（第十实施例）

图16是示出了根据第十实施例的光源单元的立体图。如图16所示，根据第十实施例的光源包括用于使得从光学元件1入射的光线性偏振的轴对称偏振1/2波片100，作为偏振转换元件，用于将从光学元件1入射的轴对称偏振光设置为预定偏振状态。从光源装置2由轴对称偏振1/2波片100输出的线偏振光可以实现这样的光源单元：其输出光的偏振状态一致。由偏振转换元件将轴对称偏振光设置为预定状态不局限于线偏振。也包括圆偏振。因为方向控制层包括在本实施例的光引导装置中，所以自不必说，可以应用根据第一到第九实施例的任何方向控制层。

图17是示出了用于轴对称偏振的1/2波片100的结构的垂直截面图。轴对称偏振1/2波片100的构造仅为示例，不是限制性的。如图17所示，轴对称偏振1/2波片100包括一对玻璃衬底101和106、液晶层104和位于玻璃衬底101与106之间的隔离物（spacer）103，在这对玻璃衬底101和106中分别形成配向膜102和105，液晶层104在玻璃衬底101与106之间由玻璃衬底101和106的彼此面对的配向膜102和105夹住。

对于液晶层104，折射率ne大于折射率no，其中no是寻常光的折射率，ne是非常光的折射率。液晶层104的厚度d满足(ne-no)×d=λ/2，其中λ是真空中的入射光波长。

图18A和图18B是示出了轴对称偏振1/2波片100的示例性立体图。图18A的横截面图示出了轴对称偏振1/2波片100的液晶层104被与玻璃衬底101的主平面平行地切割的状态。图18B是示出了液晶分子107的光方向的示例性示意图。

如图18A所示，液晶分子107被绕轴对称偏振1/2波片100同心地布置。如图18B所示，液晶分子107被配向为满足θ=2φ或θ=2φ-180的关系的方向，其中φ是形成在液晶分子107的主轴与主轴附近的坐标轴之间的角度，θ是形成在该坐标轴与偏振方向之间的角度。图18A和图18B示出了相同平面的内部。

图19示出了当光源装置不包括轴对称偏振1/2波片100时输出光的远场图案109。在第一到第九实施例中，如图19所示，来自光源装置的输出光的远场图案109变为轴对称偏振光，其中，偏振方向108放射状地绕从光源装置输出的光的光轴。

图20示出了穿过轴对称偏振1/2波片100的输出光的远场图案109。根据本实施例，如图20所示，使用轴对称偏振1/2波片100使得能够获取偏振方向110一致的输出光。

（示例1）

图21示出了在根据第一实施例的光源装置的输出光中的角度分布。在图21中，横轴表示输出光的出射角，并且纵轴表示输出光的强度。

SiO₂、基于PVA（聚乙烯醇）母材的荧光体、Ag和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）被分别用于光引导体12、载流子产生层16、等离子体激发层17和波矢量转换层18，并且它们的厚度分别被设置为0.5毫米、100纳米、50纳米和100纳米。在载流子产生层16的发射波长被设置为460纳米的状态下执行计算。在这种情况中，波矢量转换层18的周期结构的深度、节距和占空比分别被设置为100纳米、325纳米和0.5。在这些条件下的输出光具有不是环形而是接近高斯函数的光分布。然而，通过将节距移动325纳米，峰发生分裂，并且可以获得环形光分布。

为了简单，执行二维计算。把当来自光学元件1的输出光的强度减半时的角度的全宽度作为发射角，则发射角为±3.4（度）。

因此，根据本实施例的光源装置2，通过加强来自光源装置2的输出光的发射角的方向性并且通过适当地调整波矢量转换层18的光栅结构来将发射角变窄±5度，可以进一步改善方向性。

（示例2）

图22示出了在根据第五实施例的光源装置的输出光中的角度分布。在图22中，横轴表示输出光的出射角，并且纵轴表示输出光的强度。

SiO₂、基于PVA（聚乙烯醇）母材的荧光体、Al₂O₃、Ag和多孔SiO₂被分别用于光引导体12、载流子产生层16、高介电常数层20、等离子体激发层17和低介电常数层19，并且它们的厚度分别被设置为0.5毫米、100纳米、10纳米、50纳米和10纳米。多孔SiO₂的介电常数被设置为1.12。作为波矢量转换层18的材料，使用了PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），并且周期结构的深度、节距和占空比分别被设置为100纳米、421纳米和0.5。在这些条件下的输出光具有不是环形而是接近高斯函数的光分布。然而，通过将节距移动421纳米，峰发生分裂，并且可以获得环形光分布。在示例2中，通过布置高介电常数层20和低介电常数层19来夹置等离子体激发层17，获得比示例1具有更高方向性的光分布。

在示例2中，等离子体激发层17的出射侧部分和入射侧部分的有效介电常数分别由公式（1）设置为1.48和2.52。在表面等离子的出射侧和入射侧上的z方向波数的虚部分别由公式（2）设置为8.96×10⁶和1.71×10⁷。当表面等离子体的有效相互作用距离是表面等离子体的强度为e^{- 2}的距离即1/Im（k_spp,z）时，入射侧和出射侧的表面等离子体的有效相互作用距离分别是112纳米和58纳米。

图23示出了在根据第五实施例的光源装置2中通过由公式（1）计算的有效介电常数获得的等离子体谐振角（附图中的□）与通过多层膜反射计算获得的等离子体谐振角（附图中的Δ）的比较。除了低介电常数层19的厚度之外，计算条件与计算角分布时类似。在图23中，横轴表示低介电常数层19的厚度，并且纵轴表示等离子体谐振角。如图23所示，由有效介电常数计算的值以及由多层膜反射计算的值彼此匹配，并且等离子体谐振的条件可以由有效介电常数（其由公式（1）限定）清楚地限定。

根据本实施例的光源装置适于作为图像显示装置的光源装置，并且可以用于包括在投影显示装置中的光源装置、液晶面板（LCD）的近场光源装置、在移动电话中作为背光以及诸如PDA（个人数字助手）的电子装置中。

最后，将会描述作为第一到第十实施例应用到其中的投影显示装置的LED投影仪的构造示例。图24是示意性地示出了该实施例的LED投影仪的立体图。

如图24所示，根据该实施例的LED投影仪包括红色（R）光源装置2r、绿色（G）光源装置2g和蓝色（B）光源装置2b，照明光学系统120r、120g和120b（来自光源装置2r、2g和2b的光输出进入其中），以及作为显示元件的光阀121r、121g和121b（透过照明光学系统120r、120g和120的光进入其中）。LED投影仪还包括交叉二色棱镜122和投影光学系统123，交叉二色棱镜122把在由光阀121r、121g和121b调制之后进入的R、G和B光合成，投影光学系统123包括用于把从交叉二色棱镜122输出的光投影到投影表面（诸如屏幕）的投影透镜（未示出）。

LED投影仪被应用到三片式投影仪。照明光学系统120r、120g和120b例如包括用于使得亮度均匀的柱透镜（未示出）。光阀121r、121g和121b例如包括液晶显示板或DMD。不必说，上述实施例的光源装置可以被应用到单板投影仪。

根据本实施例的LED投影仪，通过应用上述实施例的光源装置，可以改善投影图像的亮度。

在LED投影仪中，图17以及图18A和图18B中示出的轴对称偏振1/2波片100优选地位于从光源装置2r、2g和2b中每一者输出的光的光路上。这可以抑制在光阀121r、121g和121b处的偏振光损失。在照明光学系统包括偏振器时，轴对称偏振1/2波片100优选地位于偏振器与光源装置2之间。

已经参照这些实施例描述了本发明。然而，本发明不局限于实施例。可以对本发明的构造和细节进行本领域技术人员理解的各种改变。

本申请要求2010年3月4日递交的日本专利申请No.2010-047944的优先权，并且通过应用将其结合在这里。

Claims (17)

1.一种光学元件，包括：

光引导体，来自发光元件的光进入所述光引导体；

形成在所述光引导体中的载流子产生层，在所述载流子产生层中由来自所述光引导体的光产生载流子；

堆叠到所述载流子产生层上的等离子体激发层，所述等离子体激发层具有比当所述载流子产生层由来自所述发光元件的光激发时产生的光的频率更高的等离子体频率；以及

堆叠到所述等离子体激发层上的波矢量转换层，所述波矢量转换层把由所述等离子体激发层产生的表面等离子体转换为具有预定出射角的光用于输出，

其中，所述等离子体激发层被夹置在具有介电特性的两个层之间；并且

所述等离子体激发层的入射侧部分的有效介电常数高于所述等离子体激发层的出射侧部分的有效介电常数，所述入射侧部分包括堆叠在所述光引导体那侧上的整个结构，所述出射侧部分包括堆叠在所述波矢量转换层那侧上的整个结构以及与所述波矢量转换层接触的介质。

2.根据权利要求1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ε_eff，并且复有效介电常数ε_eff满足以下公式(1)，其中x轴和y轴是与所述等离子体激发层的界面平行的方向，z轴是与所述等离子体激发层的界面垂直的方向，ω是从所述载流子产生层输出的光的角频率，ε(ω，x，y，z)是在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，k_spp，z是表面等离子体的波数的z分量，并且j是虚数单位：

[公式1]

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{\underset{D}{\∫\∫\∫}\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\ω},x,y,z)\exp \left(2j{k}_{\mathrm{spp},z}z\right)}{\underset{D}{\∫\∫\∫}\exp \left(z\right)}$ ··········公式(1)

并且所述表面等离子体的波数的z分量k_spp，z以及所述表面等离子体的波数的x和y分量k_spp满足以下公式(2)和(3)，其中，ε_metal是所述等离子体激发层的介电常数的实部，k₀是真空中的光的波数：

[公式2]

$k_{\mathrm{spp},z}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{k_0}^2-{k_{\mathrm{spp}}}^2}$ ··············公式(2)

[公式3]

$k_{\mathrm{spp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}}$ ···············公式(3)。

3.根据权利要求1所述的光学元件，还包括介电常数层，所述介电常数层形成为与下述至少一者相邻：所述等离子体激发层的所述波矢量转换层那侧、所述等离子体激发层的光引导体那侧。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其中：

所述等离子体激发层被夹置在一对所述介电常数层之间；并且

与所述等离子体激发层的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发层的波矢量转换层侧相邻的介电常数层的介电常数更高。

5.根据权利要求3所述的光学元件，其中，位置与所述等离子体激发层的波矢量转换层侧相邻的介电常数层是通过堆叠具有不同介电常数的多个介电常数层而形成的，这些介电常数层被布置成使介电常数从所述等离子体激发层侧向所述波矢量转换层侧变低。

6.根据权利要求3所述的光学元件，其中，位置与所述等离子体激发层的光引导体侧相邻的介电常数层是通过堆叠具有不同介电常数的多个介电常数层而形成的，这些介电常数层被布置成使介电常数从所述载流子产生层侧向所述等离子体激发层侧变高。

7.根据权利要求3所述的光学元件，其中，位置与所述等离子体激发层的波矢量转换层侧相邻的介电常数层具有从等离子体激发层侧向波矢量转换层侧逐渐降低的介电常数分布。

8.根据权利要求3所述的光学元件，其中，位置与所述等离子体激发层的光引导体侧相邻的介电常数层具有从载流子产生层侧向等离子体激发层侧逐渐增大的介电常数分布。

9.根据权利要求3所述的光学元件，其中，位置与所述等离子体激发层的波矢量转换层侧相邻的介电常数层是多孔层。

10.根据权利要求1所述的光学元件，还包括另一个等离子体激发层，所述另一个等离子体激发层形成在所述光引导体与所述载流子产生层之间，具有比所述发光元件的频率更高的等离子体频率。

11.根据权利要求1所述的光学元件，还包括低介电常数层，所述低介电常数层被形成为与所述光引导体的载流子体产生层侧相邻，并具有比所述光引导体更低的介电常数，

其中，在所述载流子产生层中，由在来自所述光引导体的光在所述载流子体产生层的界面上处于全反射状况时产生的倏逝波来产生载流子。

12.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述等离子体激发层是通过堆叠由不同金属材料制成的多个金属层来形成的。

13.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述波矢量转换层具有表面周期结构。

14.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述等离子体激发层由从Ag、Au、Cu、Pt和Al中选择的一种元素或含有这些元素中至少一者的合金制成。

15.一种光源装置，其包括：

根据权利要求1所述的光学元件；以及

位于所述光引导体的外周部分上的发光元件。

16.根据权利要求15所述的光源装置，还包括偏振转换元件，所述偏振转换元件用于将从所述光学元件入射的轴对称偏振光设置为预定偏振状态。

17.一种投影显示装置，包括：

根据权利要求15所述的光源装置；

显示元件，其对从所述光源装置输出的光进行调制；以及

投影光学装置，其通过从所述光源装置输出的光来投影出投影图像。