CN103081134A - 光源与投影型显示设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够解决当随机偏振光被转换为特定偏振时光学扩展量增加的问题的光源。用作表面等离激元激发装置的凹凸结构形成在金属层(15)和第一覆盖层(14)之间的界面处，表面等离激元激发装置用于通过从发射层(13)入射在界面上的光中在垂直于第一方向的偏振方向上的特定偏振分量来激发表面等离激元。凹凸结构在第二方向上是周期的。凹凸结构的凸起(21A)沿第一方向延伸。光产生装置形成在金属层(15)与第二覆盖层(16)之间的界面处，用来根据通过表面等离激元激发装置由特定偏振分量激发的表面等离激元，从在金属层(15)和第一覆盖层(14)之间的界面处产生的表面等离激元产生具有与特定偏振分量相同的偏振分量的光。

Description

光源与投影型显示设备

技术领域

本发明涉及光源与投影型显示设备，更具体而言，涉及使用表面等离激元（surface plasmon）的光源与投影型显示设备。

背景技术

近些年来，使用发光二极管（LED）作为光源的投影仪已引起关注。此类投影仪具有LED、从LED发射的光进入的照明光学系统、根据视频信号调制来自于照明光学系统的光并发射所调制的光的调制元件，以及将来自于调制元件的光投影到屏幕上的投影光学系统。

关于上述投影仪，需要高效使用从光源发射的光作为投影光，以便增加投影图像的亮度。为了能够高效使用从光源发射的光作为投影光，需要将作为光源的光发射面积与辐射角的乘积而获得的光学扩展量(etendue)设置为小于或等于调制元件的光接收面积与由照明光学系统的F数确定的接收角度的乘积。

在一些情况下，在上述投影仪中，使用具有偏振光依赖性的元件，例如液晶面板，作为调制元件。在这些情况中，由于从LED发射的光是随机偏振光，因此高效使用从光源发出的光作为投影光需要将随机偏振转换为特定偏振。

关于将随机偏振转换为特定偏振的技术，存在专利文献1中描述的平面照明设备。该平面照明设备具有光导板、在光导板下方提供的阶梯微棱镜、在光导板上提供的偏振分离膜，以及在偏振分离膜上提供的上盖。偏振分离膜具有金属薄膜夹在第一低折射率透明介质与第二低折射率透明介质之间的结构。

在上述平面照明设备中，来自于光源的光进入光导板并且穿过光导板传播，同时被微棱镜进行角度转换。当光由第一边界，即光导板与第一低折射率透明介质之间的边界，全反射时，在金属薄膜处由与反射同时产生的倏逝波激发表面等离激元。当表面等离激元在金属薄膜处被激发时，与表面等离激元的激发过程相反过程发生在第二边界，即第二低折射率透明介质和上盖之间的边界。光产生在第二边界处，并穿过上盖来发射。

在撞击第一边界的光中激发等离激元的光仅仅是具有平行于第一边界的电场分量的TM偏振光。因为在第二边界处产生的光是通过与表面等离激元激发过程相反的过程来产生的，因此在第二边界处产生的光是TM偏振光，如同激发表面等离激元的光一样。因此，平面照明设备可以在发射光之前将随机偏振转换为特定偏振。

专利文献

专利文献1：JP2003-295183A

发明内容

技术问题

在如专利文献1描述的平面照明设备中，光的角度转换由微棱镜完成。因此在光导板中的光向各种方向传播，并在各种方向上撞击第一边界。在这种情况下，在金属薄膜处生成在各种方向上传播的表面等离激元，并且在第二边界处产生的光也在各种方向上发射。其结果是，光学扩展量增加，并且从光源发射的光不能有效地用作投影光。

本发明的目的是提供一种能够解决上述在将随机偏振转换为特定偏振时光学扩展量增加的问题的光源和投影型显示设备。

问题的解决方案

根据本发明，提供了一种光源，该光源包括发射层，以及在发射层上顺序堆叠的第一透明电介质层、金属层和第二透明电介质层，其中用作表面等离激元激发装置的凹凸结构形成在金属层和第一透明电介质层之间的界面处，该表面等离激元激发装置用于通过从发射层入射在界面上的光中在垂直于与界面共面的第一方向的偏振方向上的特定偏振分量来激发表面等离激元，该凹凸结构在界面中垂直于第一方向的第二方向上是周期的，凹凸结构的各个凸起沿第一方向延伸，并且其中，光产生装置形成在金属层与第二透明电介质层之间的界面处，用来根据通过表面等离激元激发装置由特定偏振分量激发的表面等离激元，从在金属层和第一透明电介质层之间的界面处产生的表面等离激元产生具有与特定偏振分量相同的偏振分量的光。

根据本发明，还提供了一种投影型显示设备，该设备包括上述光源、根据视频信号调制来自光源的光并发出调制的光的调制元件，以及投影从调制元件发出的光的投影光学系统。

发明的有益效果

根据本发明，随机偏振可以转换为特定偏振，而并不增加光学扩展量。

附图说明

图1是示出本发明第一示例性实施例中的光源的立体图。

图2是解释本发明第一示例性实施例中的光源操作的示意图。

图3是示出第一衍射光栅的形状的截面图。

图4是示出在表面等离激元和光中的色散关系的示例的示意图。

图5是示出在表面等离激元和光中的色散关系的另一示例的示意图。

图6是根据本发明第一示例性实施例的投影仪的构造示例的布局图。

图7是根据本发明第一示例性实施例的投影仪的构造另一示例的布局图。

图8是本发明第二示例性实施例中的光源的立体图。

图9是本发明第三示例性实施例中的光源的立体图。

图10是本发明第四示例性实施例中的光源的立体图。

图11是本发明第五示例性实施例中的光源的立体图。

图12是本发明第六示例性实施例中的光源的立体图。

图13是本发明第七示例性实施例中的光源的立体图。

具体实施方式

将参照附图描述本发明的示例性实施例。在下面的说明中，具有相同功能的组件由相同的附图标记表示，并在某些情况下会省略对它们的说明。

[第一示例性实施例]

图1是本发明第一示例性实施例中的光源的立体图。光源10具有按次序堆叠的子安装层11、漫射镜层12、发射层13、第一覆盖层14、金属层15和第二覆盖层16。

由于在实际光源中的每个层厚度非常小，并且层在厚度上变化很大，难于按精确比例示出层。因此在图1中，层被示意性地图示而并没有按实际比例示出。此外，参照图1，与发射层13的上表面平行的平面假定为XY平面，并且垂直于XY平面的方向假定为Z方向。然后具有与Y方向垂直的偏振方向的线性偏振光假定为TM偏振光，而具有与Y方向平行的偏振方向的线性偏振光假定为TE偏振光。

漫射镜层12漫射反射入射到其上的光。

发射层13发射预定波长的光。更为具体地，发射层13具有从最低的位置顺序堆叠的作为p型半导体层的p型层13A、有源层13B、作为n型半导体层的n型半导体层13C。当从外部电源（未示出）将电压施加在p型层13A与n型层13C之间以产生电流在其间流动时，根据该电流在有源层13B中产生光。在有源层13B中产生的光是随机偏振光。

第一覆盖层14是由透明电介质形成的第一透明电介质层。来自发射层13的光在第一覆盖层14中传播。作为形成第一覆盖层14的材料的透明电介质的示例可以是透明的丙烯酸树脂，诸如聚甲基丙烯酸甲酯树脂（PMMA）和玻璃。在下文中，假定玻璃被用作透明电介质。

由诸如银（Ag）的金属形成金属层15。金属层15被提供在第一覆盖层14上并与其接触。

在第一覆盖层14和金属层15之间的界面形成衍射光的第一衍射光栅21。第一衍射光栅21由在一维方向（以下简称为X方向）上周期性的凹凸结构形成。更为具体地，第一衍射光栅21通过在X方向（第二方向）上周期性地排列多个在Y方向（第一方向）上延伸的凸起21A来形成。第一衍射光栅21用作表面等离激元激发装置，其用于通过在第一覆盖层14中传播的随机偏振光中以预定的入射角入射在金属层15上的TM偏振光在第一覆盖层14与金属层15之间激发表面等离激元。

第二覆盖层16由与第一覆盖层14具有相同的介电常数的材料来形成。第二覆盖层16被提供在金属层15上并与其接触。

在金属层15与第二覆盖层14之间的界面形成第二衍射光栅22。第二衍射光栅22具有与第一衍射光栅21相同的结构。也就是说，第二衍射光栅22具有与第一衍射光栅21的凸起21A相同形状的凸起22A。多个凸起22A以与凸起21A的排列相同的周期在X方向上排列。第二衍射光栅22用作光产生装置，用于从第一衍射光栅21激发的表面等离激元产生光。

第二覆盖层16的上表面是光源10的光出口。在上表面中形成衍射部23。当在第二衍射光栅22产生的光在预定方向上被衍射部23衍射时，该光从衍射部23射出。通过在X方向上周期性地排列多个在Y方向上延伸的结构构件（例如，凸起）来形成衍射部23，如同每个第一衍射光栅21与第二衍射光栅22的每一个一样。

以下将详细说明表面等离激元的激发原理与由表面等离激元产生光的原理。

表面等离激元是一种沿金属与电介质之间的界面传播的电子聚集的纵向电荷密度波。表面等离激元的波数和角频率之间的色散关系由金属与电介质在界面处的介电常数来决定。当表面等离激元的色散关系与在电介质中传播的光中的色散关系相一致时，即当在电介质中的光的波数等于表面等离激元的波数时，表面等离激元被光激发。然而，在通常情况下，当金属和电介质之间的界面是平坦时，表面等离激元中的色散关系与在电介质中的光中的色散关系并不彼此一致。出于这个原因，仅通过使光从电介质进入金属不能激发表面等离激元。

因此，为了能够激发表面等离激元需要改变电介质中光中的色散关系，以使得表面等离激元中的色散关系与在电介质中的光中的色散关系彼此一致。

作为通过改变光中的色散关系来激发表面等离激元的方法，已知的是一种光栅耦合方法，在该方法中衍射光栅被提供在金属与电介质的界面处。根据光栅耦合方法，当光以预定的入射角入射在衍射光栅上时，由衍射光栅衍射的光中的色散关系与表面等离激元中的色散关系彼此一致，并且在电介质与金属之间的界面处激发表面等离激元。

此外，由于这样的事实，即表面等离激元是纵向电荷密度波，激发在特定方向上传播的表面等离激元的入射光仅仅是具有平行于该特定方向的电场分量的线性偏振光。因此，如图1所示在第一覆盖层14与金属层15之间界面处提供在X方向上周期的凹凸结构能够限制下述光，通过该光能够在第一覆盖层14与金属层15之间界面处将表面等离激元激发为具有X方向的电场分量以及相对于第一衍射光栅21的预定入射角的线性偏振光。

如果金属层15的厚度被充分降低到约100nm或更小，则表面等离激元的能量交换发生在金属层15的两侧，并且与在第一衍射光栅21侧上激发的表面等离激元相同的表面等离激元也产生在第二衍射光栅22侧上。当表面等离激元如上述被激发时，因此，与通过第一衍射光栅21激发表面等离激元的过程相反的过程发生在第二衍射光栅22，以从第二衍射光栅22发射光。这是因为第一覆盖层14中的光中的色散关系与第二覆盖层16中的光中的色散关系相一致，这是由于以下状态，即第一衍射光栅和第二衍射光栅具有彼此完全相同的凹凸结构，并且第一覆盖层14和第二覆盖层16具有彼此相等的介电常数。

由于从第二衍射光栅22出射的光是由于与激发表面等离激元的过程的相反的过程，其与激发表面等离激元的光即具有在X方向上的电场分量的TM偏振光，相同。此外，从第二衍射光栅22出射的光的出射角与激发表面等离激元的光的入射角相同。

因此，在本示例性实施例中，第一衍射光栅21与第二衍射光栅22被制成在光学构造上彼此相同，以便能够使与入射到第一衍射光栅21上的TM偏振光相同的光从第二衍射光栅22射出。

此外，在除了X方向以外的方向上具有传播分量的光入射在第一衍射光栅21上的情况下，如果入射光投影在ZX平面上的投影光的入射角满足表面等离激元的激发方向，则与X方向平行的偏振分量激发表面等离激元。然而，也还在这种情况下，表面等离激元的传播方向被限定于X方向。因此，从第二衍射光栅22射出的光是具有在X方向上的电场分量的TM偏振光。

接下来将说明光源10的操作。

图2是用于解释光源10的操作的示意图，其示出了光源沿XZ面的截面。

当从外部电源将电压施加到p型层13A与n型层13C之间以导致电流在其间流动时，根据该电流在有源层13B中产生随机偏振光。在有源层13B中产生的随机偏振光的一部分直接进入第一覆盖层14，而随机偏振光的剩余部分由漫射镜层12来漫射反射以进入第一覆盖层14。

在入射在第一覆盖层14上的随机偏振光中，以满足等离激元激发条件的角度θ1入射在金属层15的TM偏振光激发等离激元沿金属层15穿过第一衍射光栅21（见图中的箭头A）。随后，在第二衍射光栅22处产生与上述生成的表面等离激元相同的表面等离激元（见图中的箭头B）。通过该表面等离激元在第二覆盖层16中产生光。由此产生的光与在第一覆盖层14与金属层15之间的界面处激发等离激元的TM偏振光相同，并以与该TM偏振光的入射角相同的角度θ1射出（见图中的箭头C）。

另一方面，在入射在第一覆盖层14上的随机偏振光中不满足表面等离激元激发条件的光（例如，以不同于入射角θ1的入射角θ2入射在金属层15上的TE偏振光和TM偏振光）仅仅在第一衍射光栅21处被反射或衍射并且不激发表面等离激元。该光被漫射镜12漫射反射以便在偏振方向和入射角改变的情况下重新入射在金属层15上。当光在反复以此种方式反射之后而变为以θ1的入射角入射在金属层15上的TM偏振光时，该光激发表面等离激元。

TM偏振光激发表面等离激元存在两种情况：一种是TM偏振光在沿ZX平面重复多路反射的同时，在+X方向传播之后以入射角θ1进入金属层15，而另一种情况是TM偏振光在沿ZX平面重复多路反射的同时，在沿-X方向传播之后以入射角-θ1进入金属层。因此，在第二覆盖层16处产生的TM偏振光的光线沿两种方向射出。产生的在不同方向上射出的光线由形成在第二覆盖层16的射出表面的衍射部23衍射，从而以预定的方向射出（在本示例性实施例中垂直于射出表面的方向；见图中箭头D和D'）。

在本示例性实施例中的衍射部23具有与第一衍射光栅21和第二衍射光栅22相同的结构。这是为了以预定的方向衍射从第二衍射光栅22以θ1和-θ1两个出射角射出的光。因此，衍射部23不必具有与第一衍射光栅21和第二衍射光栅22相同的结构，只要在Y方向上延伸的结构构件在X方向上周期性排列即可。结构构件的形状以及结构构件布置的间隔可以根据在衍射部23上的入射角度和期望的出射角来适当地改变。

在用于激发表面等离激元的衍射光栅中，利用其来改变光中的色散关系的参数是光栅常数（节距：pitch）。因此，第一衍射光栅21的构造并不限于图1所示的构造。也就是说，在第一衍射光栅21中的凸起21A的截面形状可以适当地改变。

图3是示出第一衍射光栅形状，即第一衍射光栅21沿XZ平面的截面形状的示例截面图。如图3所示，第一衍射光栅21的截面形状的示例是矩形波的形状（参见图3（a））、阶梯波的形状（参见图3（b））、正弦波的形状（参见图3（c））、等腰三角波的形状（参见图3（d））等。这些截面形状关于穿过凸起21A之一的顶点并垂直于Y方向的线（平行于Z方向的线）两边对称。

在图1和图2中，示出了第一衍射光栅21，第一衍射光栅21具有对应于图3（a）所示的矩形波形状的截面形状。由于第二衍射光栅的结构与第一衍射光栅21的相同，所以第二衍射光栅的截面形状也与第一衍射光栅21的相同。

当二阶或更高阶的衍射光激发表面等离激元时，在表面等离激元中出现多种模式。在这种情况下，产生对应于表面等离激元的模式在多个方向上射出的光线，而从光源10射出的光线的辐射角增加，使得光源10的光学扩展量增加。因此，通过提高主衍射光的衍射效率能够改善从光源10射出的光的使用效率。

利用具有对应于图3（b）中所示的阶梯波形状的第一衍射光栅21的主衍射光的衍射效率能够通过增加阶梯波形状中的阶梯数来提高。例如，当阶梯数是4时，主衍射光的衍射效率约为81％。具有对应于图3（c）中所示的正弦波形状的截面形状的第一衍射光栅21也可以被认为是具有无限多阶梯数的阶梯波。利用该衍射光栅的主衍射光的理论衍射效率为100％。根据从光源10射出的光的使用效率的观点来看，理想的是第一衍射光栅21具有对应于正弦波形状的截面。

下面将描述第一衍射光栅21的节距。

如上所述，表面等离激元中的色散关系是根据夹住产生表面等离激元的界面的电介质和金属的介电常数来确定的。关于用于激发表面等离激元的衍射光栅的激发条件和激发表面等离激元的光的入射角取决于金属和电介质的种类和属性而变化。已知的是，激发条件和入射角很大程度上取决于特定金属的种类和属性而变化。

在下文中，假定使用玻璃作为电介质，并且使用银（Ag）作为金属，银具有比红光、绿光和蓝光的频率范围更高的等离子体（plasma）频率并且能够以高效率反射除了激发表面等离激元的光之外的光。

图4和图5是示出表面等离激元和光中的色散关系的示意图。在图4和图5中，横坐标表示波数并且纵轴表示频率。而且，分别示出了对应于红光（波长：630nm）、绿光（波长：530nm）和蓝光（波长：450nm）的频率。

图4和图5中的阴影部分指示当光以0°<θ1<90°的入射角入射在金属层15上时，在第一覆盖层14中在X方向上传播的光中的色散关系可以存在的范围。实线（粗线-SP^-1）代表了由第一衍射光栅21导致的主衍射光所激发的表面等离激元中的色散关系。因此，如果存在该实线与阴影部分彼此相交的区域，那么能够通过对应于该区域的光的能量从主衍射光激发表面等离激元。

图4是当第一衍射光栅21的光栅常数L被设置为0.2μm时，表面等离激元与光中的色散关系的示意图。

在图4中，在分别对应于红光、绿光和蓝光所有频率范围中，实线与阴影部分相交。也就是说，当第一衍射光栅21的节距是0.2μm时，可以从红光、绿光和蓝光的主衍射光的每一个激发表面等离激元。

图5是示出当第一衍射光栅21的光栅常数L被设置为0.15μm时，表面等离激元与光中的色散关系的示意图。

在图5中，实线与阴影部分仅在对应于蓝光的频率区域中相交。也就是说，当第一衍射光栅21的节距是0.15μm时，蓝光的主衍射光可以激发表面等离激元。

因此，第一衍射光栅21的节距对于红光和绿光被设置为大于或等于0.2μm，或对于蓝光被设置为大于或等于0.15μm，以使得能够使用主衍射光激发表面等离激元。

如果增加第一衍射光栅21的节距，也可以由二阶或更高阶的衍射光激发表面等离激元。如果节距进一步增大，表面等离激元仅能被二阶或更高阶的衍射光来激发则不能被主衍射光激发。

因此，更优选地，第一衍射光栅21的节距在能够通过使用主衍射光激发表面等离激元的范围内，即如果入射光为红光，则为0.2μm≤L≤4.2μm，如果入射光为绿光，则为0.2μm≤L≤3.5μm，如果入射光为蓝光，则为0.15μm≤L≤3.0μm。最为优选地，第一衍射光栅21的节距在能够通过仅使用主衍射光激发表面等离激元的范围内，即如果入射光为红光，则为0.2μm≤L≤0.35μm，如果入射光为绿光，则为0.2μm≤L≤0.3μm，如果入射光为蓝光，则为0.15μm≤L≤0.25μm。

在用作第一衍射光栅21的节距的节距使得表面等离激元由二阶或更高阶衍射光来激发的情况下，优选地，通过使第一个衍射光栅21的截面形状与正弦波的形状相同或接近来将主衍射光的衍射效率设置为为100%或接近100%。

而且，第一衍射光栅21的节距L与激发表面等离激元的光的入射角θ1之间的关系是：对于红光，当L=0.35μm时，θ1=6°；对于绿光，当L=0.3μm时，θ1=4°；对于蓝光，当L=0.25μm时，θ1=7°。

金属层15可以是由Al或Au形成，而不是由Ag形成。在金属层15由Al形成的情况下，能够仅通过主衍射光来激发表面等离激元的第一衍射光栅21的节距是：如果入射光是红光，则0.25μm≤L≤0.4μm；如果入射光为绿光，则0.2μm≤L≤0.3μm；如果入射光为蓝光，则0.2μm≤L≤0.3μm。在金属层15由Au形成的情况下，能够仅通过主衍射光来激发表面等离激元的第一衍射光栅21的节距是：如果入射光是红光，则0.2μm≤L≤0.35μm；如果入射光为绿光，则0.2μm≤L≤0.3μm；如果入射光为蓝光，则0.15μm≤L≤0.25μm。

在以上描述中使用的表面等离激元与光中的色散关系是基于在ZX平面上的光栅耦合方法。也就是说，所描述的色散关系是当在图2所示的第一衍射光栅21中布置凸起21A的间距（第一衍射光栅21的节距）变化时,在第一覆盖层14与金属层15之间的界面处平行于X方向的光和表面等离激元中的色散关系的计算结果。假定依据德鲁德-洛伦兹(Drude-Lorentz)模型来设置金属层15的介电常数。

下面将描述具有光源10的投影仪。

图6是示出本示例性实施例的投影仪的构造示例的布局图。参照图6，投影仪100具有光源101R、101G和101B、光学元件102R、102G和102B、液晶面板103R、103G103B，正交二向色棱镜（cross dichroicprism）104和投影光学系统105。

光源101R、101G和101B中的每一个具有与图1所示的光源10相同的结构。假设光源101R、101G和101B分别产生波长彼此不同的光。关于在下文的描述，假设光源101R发射红光、光源101G发射绿光，而光源101B发射蓝光。

光学元件102R、102G和102B将来自于光源101R、101G和101B各颜色的光分别导引到液晶面板103R、103G和103B，以使得光进入这些面板。

液晶面板103R、103G和103B是空间光学调制元件，该空间光学调制元件根据视频信号来调制进入到面板上的彩色光并发出经调制的彩色光。

正交二向色棱镜104将从液晶面板103R、103G和103B射出的调制光进行组合，并发出组合的光。

投影光学系统105将从正交二向色棱镜104射出的组合光投影到屏幕200上，以根据视频信号在屏幕200上显示图像。

图7示出本示例性实施例中的投影仪构造另一示例。参照图7，投影仪100'具有光源101R、101G和101B、光导体106、液晶面板107和投影光学系统108。

光导体106将来自于光源101R、101G和101B的颜色光组合，并将组合光发送到液晶面板107。

液晶面板107是空间光学调制元件，该空间光学调制元件根据视频信号调制进入面板的组合光，并发出经调制的组合光。

投影光学系统108将从液晶面板107射出的调制光投影到屏幕200上，从而根据视频信号在屏幕200上显示图像。

尽管如图6和图7所示液晶面板被用作空间光学调制元件，但调制元件并不限定为液晶面板，而是可以适当的改变。例如，在图7所示的投影仪中，可以使用数字微镜设备（DMD）替代液晶面板107。

在本实施例中，如上所述，光源10具有发射层13，以及顺序堆叠在发射层13上的第一覆盖层14，金属层15和第二覆盖层16。在金属层15和第一覆盖层14的界面处形成在X方向上周期性的凹凸结构。第一覆盖层15的介电常数与第二覆盖层16的介电常数彼此相等。

由于金属层15和第一覆盖层14之间的界面具有在X方向上的周期性的凹凸结构，因此能够在第一覆盖层14和金属层15之间的界面处激发表面等离激元的光被限定为具有X方向上的电场分量并且在第一衍射光栅21上具有预定入射角的光。此外，第一覆盖层14与第二覆盖层16具有彼此相等的介电常数，并且发生与第一衍射光栅21激发表面等离激元的过程相反的过程以从第二覆盖层16发射与激发表面等离激元的光相同的光，即具有在X方向上的电场分量并且具有与激发表面等离激元的光的入射角相等的出射角的TM偏振光。因此，可以实现出射角的一致性，因而可以在不增加光学扩展量的情况下将随机偏振光转换为特定偏振。

[第二示例性实施例]

图8是示意性地示出了本发明第二示例性实施例中的光源的立体图。图8中所示的光源30包括图1所示的光源10的光产生装置的结构的变形。更具体地，光源30与光源10的不同之处在于在金属层15与第二覆盖层16之间提供低折射率层31替代第二衍射光栅22。低折射率层31的折射率小于第二覆盖层16的折射率。

在本示例性实施例中，金属层15、第二覆盖层16和低折射率层31构成光产生装置。在该光学产生装置中，实现了奥托（Otto）配置，而衰减全反射（ATR：Attenuated Total Reflection）被用作将表面等离激元与光彼此耦合并从表面等离激元产生光的方法。

根据ATR方法，当光被电介质与低折射率层之间的界面全反射时，在界面处产生倏逝光，并且由倏逝光在低折射率层和金属之间的界面处激发表面等离激元。因此，当第一衍射光栅21激发表面等离激元时，在金属层15和低折射率层31之间的界面处诱发与在第一衍射光栅21处相同的表面等离激元。通过在低折射率层31和第二覆盖层16之间的界面处产生的倏逝光从表面等离激元产生光，并射出到第二覆盖层16。

如上所述，本示例性实施例也获得与第一示例性实施例相同的效果。

[第三示例性实施例]

图9是示意性地示出了本发明第三示例性实施例中的光源的立体图。图9中所示的光源40包括图1所示的光源10中的光产生装置的结构的修改。更具体地，光源40与光源10的不同之处在于提供金属层41替代金属层15。第二覆盖层16的折射率小于第一覆盖层14的折射率。第一覆盖层14具有远小于第二覆盖层的膜厚度。在金属层41和第二覆盖层16之间没有形成衍射光栅。

在本示例性实施例中，第二覆盖层16和金属层41构成光产生装置。在该光产生装置中实现了克瑞士曼（Kretschmann）配置。如在第二示例性实施例中那样，使用ATR方法从表面等离激元产生光。也就是说，当在第一衍射光栅21处激发表面等离激元时在金属层41与第二覆盖层16之间的界面处诱发与第一衍射光栅21处相同的表面等离激元。通过在金属层41与第二覆盖层16之间界面处产生的倏逝光从表面等离激元产生光。结果，本示例性实施例也获得与第一示例性实施例相同的效果。

[第四示例性实施例]

图10是示意性地示出本发明第四示例性实施例中的光源的立体图。图10所示的光源50包括图1所示的光源10中在第二覆盖层16的出口侧的构造的修改。更具体地，光源50与光源10的不同之处在于全息图层51被置于第二覆盖层16上代替第二覆盖层16的衍射部23。

全息图层51是其中堆叠了多个全息图的多全息图，这多个全息图在一个方向上均匀地衍射由于通过第一衍射光栅21衍射的二阶或更高阶的衍射光所激发的表面等离激元的多种模式而在全息图层51上具有多个入射角的光，并发送衍射的光。因此，即便通过第一衍射光栅21衍射的二阶或更高阶的衍射光来激发表面等离激元，也可以限制光源50的光学扩展量的增加。

虽然关于修改在第一实施例中的光源10的第二覆盖层16的出口侧的构造的情况描述了本示例性实施例，但是在第二和第三示例性实施例中的光源30与40中的每一个的第二覆盖层16的出口侧的构造也可按照本示例性实施例相同的方式来修改。

[第五示例性实施例]

图11是示意性示出本发明第五示例性实施例的光源的立体图。图11所示的光源60具有添加到图1所示的光源10的反射部61，从而覆盖除了作为光射出表面的上表面和下表面以外的外壁表面（即光源的侧表面）。

反射部61反射在发射层13中产生的光。反射部61能够限制光从发射层13的侧表面射出，从而使在发射层13中产生的光能够以与图1所示的光源10相当的效率进入到金属层15。结果，随机偏振光可以被有效地转换成射出的TM偏振光。

虽然已说明了在光源60的整个侧表面上提供反射部61，但反射部61也可以仅被提供在侧表面的一部分上。同样在此情况下，在发射层13中产生的光可以无损失地进入金属层15。反射部61可以是漫射反射光的构件。

虽然关于反射部61被添加到第一示例性实施例中光源10的情况描述了本示例性实施例，但是反射部61也可以被添加到在第二至第四示例性实施例中的光源30、40和50中的每一个。

[第六示例性实施例]

图12是示意性示出本发明第六示例性实施例中的光源的立体图。图11所示的光源70包括图1所示光源10中的衍射光栅的构造的修改。更具体地，光源70与图1所示的光源10的不同之处在于提供第一衍射光栅71和第二衍射光栅72来替代第一衍射光栅21和第二衍射光栅22。

第一衍射光栅71是闪耀衍射光栅。也就是说，第一衍射光栅71是由在X方向上周期性的凹凸结构形成的。当沿着Y方向看时，该凹凸结构具有锯齿状的截面形状。第二衍射光栅72具有与第一衍射光栅71相同的结构。

利用闪耀衍射光栅，以入射角θ入射的光和以入射角-θ入射的光中的仅一种光根据闪耀方向衍射。利用本示例性实施例中的第一衍射光栅71，在以入射角θ1入射的光和以入射角-θ1入射的光中，仅仅入射角θ1的光被衍射。因此，表面等离激元仅由以θ1入射到金属层上的TM偏振光来激发，使得从第二衍射光栅72出射的光的出射角也仅为θ1。

上文描述的是例如通过金属层15的介电常数以及第一衍射光栅71和第二衍射光栅72的节距可以改变在金属层15的界面处激发表面等离激元的入射角θ1。因此，例如在第二覆盖层16上不提供衍射部23的情况下通过调节介电常数和节距，从第二衍射光栅72射出的光的出射角θ1可以被设置为小于在第二覆盖层16上的全反射角，从而使从光源70射出的光在预定方向上。

在本实施例中的第一衍射光栅的凸起并不限于锯齿状凸起，它们可以有任何其他的形状，例如阶梯形状，只要它们在垂直于Y方向的截面中关于穿过凸起之一的顶点并平行于Z方向的直线是非对称的。

[第七示例性实施例]

图13是示意性示出本发明第七示例性实施例中的光源的立体图。图13中的光源80被示出为相位调制层81被插入在如图1所示的光源10的漫射镜层12与金属层15之间。

相位调制层81对通过其中的光进行相位调制，以改变该光的偏振状态。相位调制层81是对通过其中的光给予相位差的相位差板，例如，λ/4板。

在本示例性实施例中，利用相位调制板81来改变偏振，使得在发射层13中产生的光可以被改变成用于以与图1所示的光源10相当的效率激发表面等离激元的光。

虽然关于相位调制层81被添加到第一示例性实施例中的光源10的情况描述了本示例性实施例，但是相位调制层81也可以被添加到在第二至第六示例性实施例中的光源30、40、50、60和70中的每一个。

关于上述每一个实施例中示出的结构仅仅是示例。本发明并不限于所示的结构。

本申请基于于2010年8月24日提交的日本申请No.2010-187149并要求其优选权形式的权益；该申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (26)

1.一种光源，包括：

发射层；以及

在所述发射层上顺序堆叠的第一透明电介质层、金属层和第二透明电介质层，

其中，用作表面等离激元激发装置的凹凸结构形成在所述金属层和所述第一透明电介质层之间的界面处，所述表面等离激元激发装置用于通过从所述发射层入射在该界面上的光中在垂直于与该界面共面的第一方向的偏振方向上的特定偏振分量来激发表面等离激元，所述凹凸结构在该界面中垂直于所述第一方向的第二方向上是周期的，所述凹凸结构的各个凸起沿所述第一方向延伸，并且

其中，光产生装置形成在所述金属层与所述第二透明电介质层之间的界面处，用来根据通过所述表面等离激元激发装置由所述特定偏振分量激发的所述表面等离激元，从在所述金属层和所述第一透明电介质层之间的界面处产生的所述表面等离激元产生具有与所述特定偏振分量相同的偏振分量的光。

2.根据权利要求1所述的光源，其中，在所述第二透明电介质层与所述金属层之间的界面处，所述光产生装置与所述表面等离激元激发装置具有相同的结构，并且所述第二透明电介质层与所述第一透明电介质层具有相同的介电常数。

3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光产生装置包括插入在所述金属层与所述第二透明电介质层之间的低折射率层，所述低折射率层具有小于所述第二透明电介质层的折射率。

4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述第二透明电介质层的折射率小于所述第一透明电介质层的折射率，并且

其中，所述金属层的膜厚度小于所述第二透明电介质层的膜厚度。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光源，其中，所述金属层包括Ag。

6.根据权利要求5所述的光源，其中，所述表面等离激元激发装置通过红光的特定偏振分量来激发所述表面等离激元，并且所述凹凸结构在所述第二方向上的周期是在从0.2μm至4.2μm的范围内。

7.根据权利要求5所述的光源，其中，所述表面等离激元激发装置通过绿光的特定偏振分量来激发所述表面等离激元，并且所述凹凸结构在所述第二方向上的周期是在从0.2μm至3.5μm的范围内。

8.根据权利要求5所述的光源，其中，所述表面等离激元激发装置通过蓝光的特定偏振分量来激发所述表面等离激元，并且所述凹凸结构在所述第二方向上的周期是在从0.15μm至3.0μm的范围内。

9.根据权利要求1至4中任意一项所述的光源，其中，所述金属层包括Au或Al。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的光源，其中，在垂直于所述第一方向的截面中，所述凹凸结构的凸起关于穿过所述凸起的顶点且与所述第二方向垂直的直线对称。

11.根据权利要求10所述的光源，其中，所述凹凸结构的垂直于所述第一方向的截面具有矩形波的形状。

12.根据权利要求10所述的光源，其中，所述凹凸结构的垂直于所述第一方向的截面具有阶梯波的形状。

13.根据权利要求10所述的光源，其中，所述凹凸结构的垂直于所述第一方向的截面具有正弦波的形状。

14.根据权利要求10所述的光源，其中，所述凹凸结构的垂直于所述第一方向的截面具有等腰三角波的形状。

15.根据权利要求1至14中任意一项所述的光源，进一步包括衍射装置，所述衍射装置用于在预定方向上衍射在所述第二透明电介质层中传播的光，并发出所衍射的光。

16.根据权利要求15所述的光源，其中，所述衍射装置是形成在所述第二透明电介质层的光射出表面中的多个结构构件，其中光通过所述光射出表面射出，并且

其中，所述结构构件沿所述第一方向延伸，并且沿所述第二方向周期性地排列。

17.根据权利要求15所述的光源，其中，所述衍射装置是全息图。

18.根据权利要求1至9中任意一项所述的光源，其中，在垂直于所述第一方向的截面中，所述凹凸结构是关于穿过所述凸起的顶点并垂直于所述第二方向的直线非对称的。

19.根据权利要求18所述的光源，其中，所述表面等离激元激发装置的所述凹凸结构的垂直于所述第一方向的截面具有锯齿波的形状。

20.根据权利要求18所述的光源，其中，所述表面等离激元激发装置的所述凹凸结构的垂直于所述第一方向的截面具有阶梯波的形状。

21.根据权利要求1至20中任意一项所述的光源，进一步包括反射层，所述反射层被提供在所述发射层的与所述第一透明电介质层相反的一侧。

22.根据权利要求21所述的光源，其中，所述反射层是漫射反射光的漫射反射层。

23.根据权利要求21或22所述的光源，进一步包括反射部，所述反射部被提供在除了所述第二透明电介质层中传播的光通过其而射出的光射出表面之外的外壁表面的至少一部分上。

24.根据权利要求21或22所述的光源，进一步包括在所述金属层与所述反射层之间插入的相位调制层，所述相位调制层改变通过其中的光的偏振。

25.根据权利要求24所述的光源，其中，所述相位调制层是对通过其中的光给予相位差的相位差板。

26.一种投影型显示设备，包括：

根据权利要求1至25中任意一项所述的光源；

调制元件，所述调制元件根据视频信号来调制来自所述光源的光，并发出所调制的光；以及

投影光学系统，所述投影光学系统投影从所述调制元件发出的光。

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