CN103154804B - 光学装置、光源以及投影型显示装置 - Google Patents

Abstract

提供一种具有提高的更高效率和更高亮度的光学装置。该光学装置（1）具有：荧光体层（11），用于通过入射光产生荧光；等离激元激发层（12），用于通过该荧光激发第一表面等离激元；以及出射层（13），用于将第一表面等离激元转换成光并且发射该光；这些层依次层叠在光学装置（1）上，其中，载流子产生层（11）具有通过该入射光激发第二表面等离激元的金属微颗粒。

Description

光学装置、光源以及投影型显示装置

技术领域

本发明涉及一种使用表面等离激元（surfaceplasmon）的光学装置、光源以及投影型显示装置。

背景技术

近年来，表面等离激元已经在诸如光源装置以及传感装置的各领域不断普及（参考专利文献1至3以及非专利文献1和2）。表面等离激元是在金属中振动的自由电子集团。表面等离激元在金属表面上与光发生相互作用而受激。

本专利申请的发明人已经在日本专利申请No.2009-227331和日本专利申请No.2010-047944（申请时并未公开）中提出等离激元耦合和发射装置，其是使用表面等离激元的光学装置，以便提供具有高亮度和高方向性的光源装置。

在等离激元耦合和发射装置中，依次层叠荧光体层、金属层以及出射层。在荧光体层中，从发光装置发射的入射光导致产生荧光。荧光与金属层中包含的自由电子耦合。因此，表面等离激元在金属表面上激发。在出射层中，表面等离激元被转换成具有预定出射角的光。具有预定出射角的光从出射层中出射。

在以上述日本专利申请No.2009-227331和日本专利申请No.2010-047944中公开的内容作为参考的现有技术中，调整载流子产生层和出射层的介电常数以便提高荧光和表面等离激元的耦合效率。因此，大幅提升了等离激元耦合和发射装置的效率和亮度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP2004-156911A，公开文本

专利文献2：JP2005-524084A，公开文本（翻译版本）

专利文献3：JP2006-313667A，公开文本

非专利文献

非专利文献1：NANOLETT.，第5卷，第8期，第1557-1561页(2005)

非专利文献2：J.Opt.Soc.Am.B，第23卷，第8期，第1674-1678页(2006)

发明内容

本发明解决的问题

如果荧光和表面等离激元的耦合效率被进一步提高，则可以进一步大幅提升等离激元耦合和发射装置的效率和亮度。本专利申请的发明人等进行的模拟揭示由金属层的荧光体层侧上的前表面产生的10nm至几十nm范围内的荧光最有效地与表面等离激元耦合。因此，如果荧光体层的膜厚被设定为约几十nm，则可以进一步大幅提高荧光和表面等离激元的耦合效率。

但是，因为通常的荧光体材料的消光系数不是很高，因此具有约几十nm膜厚的荧光体层不能充分吸收入射光。因此，入射光转换成荧光的荧光转换效率变得较低。因此，如果荧光体层的膜厚被设定为约几十nm，则虽然荧光和表面等离激元的耦合效率提高，但是荧光体层的荧光转换效率将变得更低。因此，不能期待进一步提升等离激元耦合和发射装置的效率和亮度。

本发明的一个目的是提供一种可以进一步大幅提升效率和亮度的光学装置、光源装置以及投影型显示装置。

解决问题的手段

根据本发明的光学装置包括：荧光体层，其利用入射光产生荧光；等离激元激发层，其利用所述荧光激发第一表面等离激元，所述等离激元激发层层叠在所述荧光体层上；以及，出射部，其将在等离激元激发层的所述荧光体层相接触表面的相反面上产生的所述第一表面等离激元或光提取至外部，其中所述荧光体层包含利用所述入射光激发第二表面等离激元的金属颗粒。

根据本发明的光源装置包括所述光学装置；以及将光发射至所述光学装置的发光装置。

根据本发明的投影型显示装置包括：所述光源装置；调制装置，其调制从所述光源装置发射的光并发射所调制的光；以及投影光学系统，其投影从所述调制装置发射的光以便显示对应于所调制的光的图像。

本发明的效果

根据本发明可以进一步大幅提升效率和亮度。

附图说明

图1是示意性示出根据本发明第一示例性实施例的光学装置的结构的透视图。

图2是示出在金属（Ag）表面与激发体之间的距离与耦合效率之间关系的示意图。

图3是示出在金属（Au）表面与激发体之间的距离与耦合效率之间关系的示意图。

图4是示意性示出根据本发明的第二示例性实施例的光学装置的结构的透视图。

图5是说明在根据本发明第二示例性实施例的光源装置中光怎样行动的截面图。

图6是示出根据本发明第二示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。

图7是示出根据本发明第三示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。

图8是示出根据本发明第四示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。

图9是示出根据本发明第五示例性实施例的光源装置的方向性控制层的示意图。

图10是示出根据本发明第六实施例的投影型显示装置的示意图。

图11是表示在金属颗粒的材料是Al的情况下，在光学装置的各个参数和等离激元共振波长之间关系的轮廓线图。

图12是表示在金属颗粒的材料是Al的情况下，在光学装置的各个参数和光吸收效率之间关系的轮廓线图。

图13是表示在金属颗粒的材料是Ag的情况下，在光学装置的各个参数和等离激元共振波长之间关系的轮廓线图。

图14是表示在金属颗粒的材料是Ag的情况下，在光学装置的各个参数和光吸收效率之间关系的轮廓线图。

图15是表示在金属颗粒的材料是Au的情况下，在光学装置的各个参数和等离激元共振波长之间关系的轮廓线图。

图16是表示在金属颗粒的材料是Au的情况下，在光学装置的各个参数和光吸收效率之间关系的轮廓线图。

具体实施方式

以下将参考附图说明本发明的示例性实施例。在以下说明书中，具有类似功能的类似部分由类似的附图标记表示并将省略其说明。

（第一示例性实施例）

图1是示意性示出根据本发明第一示例性实施例的光学装置的结构的透视图。因为光学装置的各个层都非常薄且它们的厚度显著不同，因此难以图示各个层的精确尺寸。因此附图并未示出各个层的精确尺寸，而是将其示意性地图示。

如图1中所示，根据第一示例性实施例的光学装置1具有光进入的载流子产生层11；层叠在载流子产生层11上的等离激元激发层12；以及层叠在等离激元激发层12上的波数矢量转换层13。

载流子产生层11是吸收部分入射光并产生致使产生荧光的载流子（激发体）的荧光体层。

载流子产生层11例如由诸如罗丹明（rhodamine）6G或硫代罗丹明（sulforhodamine）101的有机荧光体；诸如Y202S:Eu、BaMgAlxOy:Eu或BaMgAlxOy:Mn的无机荧光体；诸如CdSe或CdSe/ZnS量子点的量子点荧光体；诸如GaN或GaAs的无机材料（半导体）；或诸如（噻吩/亚苯基）共低聚物或Alq3的有机材料（半导体材料）制成。载流子产生层11中可以包含具有相同发光频率或不同发光频率的多个荧光体。载流子产生层11的厚度优选为1μm以下。

此外，载流子产生层11包含金属颗粒14，金属颗粒14致使提高入射光的表观吸收率。在本文中，表观吸收率是在假设载流子产生层11是均质层的情况下，在致使光进入其中散布了金属颗粒14的载流子产生层11的整个表面时测量的吸收率。当金属颗粒14与入射光相互作用时，在金属颗粒14的前表面上激发表面等离激元，且因此在金属颗粒14的前表面附近引发比入射光的电场强度大约100倍的增强电场。因为该增强电场致使在载流子产生层11中产生载流子，因此增加了载流子产生层11中产生的载流子数量。因此，金属颗粒14致使入射光的表观吸收率随它们的前表面上激发的表面等离激元而增大，且因此致使荧光强度提高。

金属颗粒14的材料的实例包括金、银、铜、铂、钯、铑、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、铬、钛、钽、钨、铟、铝及其合金。其中，金属颗粒14的材料优选是金、银、铜、铂、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。金属颗粒14的材料更优选为金、银、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。替代地，金属颗粒14的材料可以具有：中心的金属类型不同于其附近的金属类型的核-壳结构、组合两种类型的半球的半球组合结构、或颗粒由不同类型的簇制成的簇-簇（cluster-in-cluster）结构。如果金属颗粒14由合金制成或具有特殊结构，则可以在不需要改变颗粒的尺寸和形状的情况下控制等离激元共振波长。

金属颗粒14可以被形成为任何形状，诸如长方体、立方体、椭圆体、球体、三棱锥或三棱柱，只要金属颗粒14具有封闭形状即可。此外，金属颗粒14包括如下结构：根据由半导体光刻技术代表的微机械加工技术，金属薄膜由每个均具有小于10μm长度的封闭表面组成。

等离激元激发层12是由具有比在载流子产生层11中产生的荧光的频率（发光频率）高的等离子体频率的金属材料制成的颗粒层或薄膜层。换言之，等离激元激发层12是在载流子产生层11中产生的荧光的发光频率下具有负介电常数的颗粒层或薄膜层。

等离激元激发层12借助在载流子产生层11中产生的荧光在其前表面上激发表面等离激元。

在等离激元激发层12的前表面上激发的表面等离激元例如为第一表面等离激元，而在金属颗粒14的前表面上激发的表面等离激元例如为第二表面等离激元。

等离激元激发层12的材料实例包括金、银、铜、铂、钯、铑、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、铬、钛、钽、钨、铟、铝及其合金。其中，等离激元激发层12的材料优选是金、银、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。金属颗粒14的材料更优选为金、银、铝或包含这些金属中的一种作为主要成分的合金。等离激元激发层12优选形成为200nm以下的厚度。等离激元激发层12更优选形成为具有在10nm至100nm范围内的厚度。

波数矢量转换层13是出射部，其将在等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面上激发的表面等离激元的波数矢量转换成光并从等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面提取光，以便从光学装置1发射光、换言之，波数矢量转换层13将表面等离激元转换成具有预定出射角的光，以便光学装置1以预定出射角发射光。即，波数矢量转换层13使光学装置1在大致与等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面正交的方向上发射光。

波数数量转换层13的实例包括表面起伏格栅；由光子晶体代表的周期结构或准周期结构；具有比从光学装置1发射的光的波长大的波长的纹理结构；不均匀表面结构；全息结构以及微透镜阵列。准周期结构表示周期结构部分缺失的不完全周期结构。其中优选采用由光子晶体代表的周期结构、准周期结构或微透镜阵列。它们不仅能提高光提取效率，而且也能控制方向性。如果采用光子晶体，则优选采用三角格栅晶体结构。波数矢量转换层13可以以在平面基板上形成凸部的形式形成。

以下将详细说明金属颗粒14以及它们的布置。

图2和图3示出在没有金属颗粒14的情况下，基于接触等离激元激发层12的介电层（在本示例性实施例中为载流子产生层11）的各个介电常数ε_d，在从金属表面到激发体的距离与等离激元耦合效率之间的关系。从金属表面到激发体的距离是从在载流子产生层11中产生的载流子到载流子产生层11和等离激元激发层12的界面的距离。另一方面，等离激元耦合效率是利用载流子产生的荧光与在等离激元激发层12中激发的表面等离激元的耦合效率。图2中，等离激元激发层12是Ag。图3中，等离激元激发层12是Au。在图2和图3中，荧光的波长是530nm。

如图2和3中所示，等离激元耦合效率的峰值与介电常数ε_d成正比且与耦合效率的半最大处全宽成反比。为了提高光学装置1的效率，需要介电常数ε_d相对较大且需要载流子产生层11在耦合效率高的区域中吸收光。在这种情况下，载流子产生层11吸收光的区域的宽度（从金属表面到激发体的距离）优选为几十nm的量级。

但是具有典型消光系数的荧光体不能在几十nm量级的狭窄区域中完全吸收光。假设荧光体的消光系数是0.2且要被吸收的光的波长是405nm，则需要荧光体的膜厚为约160nm。

为了解决该问题，根据本示例性实施例，载流子产生层11包含金属颗粒14，以便使用在金属颗粒14中产生的表面等离激元的场增强效应提高在耦合效率高的区域中的吸收率。

为了在金属颗粒14的前表面上产生表面等离激元，需要金属颗粒14的半径充分小于进入载流子产生层11的光的波长。例如，如果可见光进入载流子产生层11，则金属颗粒的半径优选处于几nm至几十nm的范围内。

而且，假设载流子产生层11的厚度约为1μm，则因为耦合效率高的区域的宽度为几十nm的量级，因此金属颗粒13在离开载流子产生层11的中心的等离激元激发层12侧区域中的浓度优选大于离开载流子产生层11的中心的等离激元激发层12的相反侧区域中的浓度。此外，金属颗粒14优选地仅散布在离开载流子产生层11的中心的等离激元激发层12侧的区域中。例如，假设金属颗粒14的半径处于几nm至几十nm范围内，则存在金属颗粒14的区域优选限制在离载流子产生层11和等离激元激发层12的界面5nm加上金属颗粒14的半径的一半至100nm的范围内。

众所周知，如果金属颗粒是周期性布置的，则表面等离激元具有强场增强效应，且因此进一步强化电场。因此，优选的是调整金属颗粒的间隔以使它们被周期性布置。

如上所述，根据本示例性实施例，载流子产生层11包含利用入射光激发表面等离激元的金属颗粒14。在金属颗粒14上激发的表面等离激元提高了荧光的强度。因此，因为可以提高载流子产生层11的荧光转换效率，因此可以大幅提升效率和亮度。

此外，根据本示例性实施例，金属颗粒14散布在载流子产生层11的等离激元激发层12侧。因此，可以提高在耦合效率高的区域中的吸收率。因此，可以提高荧光和表面等离激元的耦合效率。从而可以进一步大幅提升效率和亮度。

（第二示例性实施例）

以下将示例根据本发明第二示例性实施例的具有光学装置1的光源装置。

图4是示意性示出根据本示例性实施例的光源装置的结构的透视图。图5是说明在根据本示例性实施例的光源装置中光怎样行动的截面图。

如图4和图5中所示，根据本示例性实施例的光源装置100具有多个发光装置101（101a至101n）以及光学装置102，从发光装置101发射的光进入光学装置102。光学装置102具有光导21以及方向性控制层22，从发光装置101发射的光进入光导21，方向性控制层22将光导21出射的光发射到外部。

根据本示例性实施例，发光装置101a至101n以预定间隔布置在平面光导21的四个侧面上。发光装置101a至101n连接到上述侧面的表面被称为光入射表面23。发光装置101例如是发射具有载流子产生层11能够吸收的波长的光的发光二极管（LED）、激光二极管、超亮二极管等等。发光装置101可以位于离开光导21的光入射表面23的位置。例如，发光装置101可以使用诸如光导管的光导部件光学连接至光导21。

根据本示例性实施例，光导21形成为平面形状。但是，光导21的形状不限于平面形状。光导21可以具有控制光强分布特性的结构，诸如微棱镜。反射膜（未示出）可以整个或部分地形成在光导21的除光出射部24和光入射表面23之外的外周表面上。同样，反射膜（未示出）可以整个或部分地形成在光源装置100的除光出射部24和光入射表面23之外的外周表面上。反射膜例如可以由诸如银或铝的金属材料或者介电层叠膜制成。

方向性控制层22是用作提高从光源装置100发射的光的方向性的层。如图6中所示，方向性控制层22具有与图1中所示的光学装置1相同的结构。在图6中，载流子产生层11直接位于光导21上面。虽然波数矢量转换层13直接位于等离激元激发层12上面，但厚度小于1μm的介电层可以被插入在波数矢量转换层13和等离激元激发层12之间。

等离激元激发层12被夹在每个均具有介电性的两层之间。根据本示例性实施例，这两层对应于载流子产生层11以及波数矢量转换层13。根据本示例性实施例的光学装置102被构造为使得包括层叠在等离激元激发层12的光导21侧上的整个结构的入射侧部分（以下简称为入射侧部分）的有效介电常数大于包括层叠在等离激元激发层12的波数矢量转换层13侧上的整个结构以及接触波数矢量转换层13的介质（例如空气）的出射侧部分（以下简称为出射侧部分）的有效介电常数。层叠在等离激元激发层12的光导21侧上的整个结构包括光导21。层叠在等离激元激发层12的波数矢量转换层13侧上的整个结构包括波数矢量转换层13。

换言之，根据第一示例性实施例，等离激元激发层12的包括了光导21和载流子产生层11的入射侧部分的有效介电常数大于等离激元激发层12的包括波数矢量转换层13和介质的出射侧部分的有效介电常数。在这种情况下，在荧光体层11接触等离激元激发层12表面的相反侧表面上产生表面等离激元。

更具体而言，等离激元激发层12的入射侧部分（发光装置101侧）的复数有效介电常数的实部设定为大于等离激元激发层12的出射侧部分（波数矢量转换层13侧）的复数有效介电常数的实部。

假设平行于等离激元激发层12的界面的方向由x和y轴表示；垂直于等离激元激发层12的界面的方向由z轴表示；从载流子产生层11发射的荧光的角频率由ω表示；等离激元激发层12的入射侧部分和出射侧部分处的介电质的介电常数分布由ε(ω,x,y,z)表示；表面等离激元的波数的z分量由k_spp,z表示；并且虚数单位由j表示，则复数有效介电常数ε_eff可以被表达如下。

【数学表达式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）

积分范围D是等离激元激发层12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轴方向上的范围是不包括入射侧部分或出射侧部分包括的在该结构的外周表面上介质的范围，而是包括与等离激元激发层12的界面平行的表面的外部边缘的范围。另一方面，积分范围D中的z轴方向上的范围是入射侧部分或出射侧部分（包括介质）的范围。当计算入射侧部分和出射侧部分的有效介电常数时，相对于Z坐标，等离激元激发层12和接触等离激元激发层12的层的界面被定义为Z=0，且离开该界面的方向被定义为(+)Z方向。

另一方面，假设等离激元激发层12的介电常数的实部由ε_metal表示且真空中的波数由k₀表示，表面等离激元的波数的z分量k_spp,z以及表面等离激元的波数的x和y分量k_spp可以被表达如下。

【数学表达式2】

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

【数学表达式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，以等离激元激发层12的入射侧部分的介电常数分布ε_in(ω,x,y,z)和等离激元激发层12的出射侧部分的介电常数分布ε_out(ω,x,y,z)取代公式（1）、公式（2）以及公式（3）中的介电常数分布ε(ω,x,y,z)，获得了等离激元激发层12的入射侧部分的复数有效介电常数ε_effin和等离激元激发层12的出射侧部分的复数有效介电常数ε_effout。实际上，通过给出适当的初始值作为复数有效介电常数ε_eff并迭代计算公式（1）、公式（2）和公式（3），可以容易地获得复数有效介电常数ε_eff。如果接触等离激元激发层12的层的介电常数非常大，则在界面上的表面等离激元的波数的z分量k_spp,z变为实数。这意味着在界面上没有产生表面等离激元。因此在这种情况下，接触等离激元激发层12的层的介电常数对应于有效介电常数。

假设表面等离激元的有效相互作用距离是表面等离激元的强度变为e^-2的距离，则表面等离激元的有效相互作用距离d_eff：

【数学表达式4】

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

可以被如上表达。

包括光导21但排除载流子产生层11和等离激元激发层12的全部任一层以及接触波数矢量转换层13的介质的复数介电常数的虚部优选尽可能小。当复数介电常数的虚部被设定为尽可能小时，使得容易发生等离激元耦合以便降低光损失。

光源装置100的环境介质，即接触光导21和波数矢量转换层13的介质可以是固体、液体或气体。此外，光导21侧上的环境介质可以与波数矢量转换层13侧上的环境介质不同。

以下将说明光怎样从发光装置101进入方向性控制层22以及随后从方向性控制层22的光出射部24出射到光源装置100中。

如图5中所示，从发光装置101中的一个，例如发光装置101f中发射的光透射穿过光导21的光入射表面23并传播至光出射部24，同时光在光导21中被全反射。在这点上，进入光导21和方向性控制层22的界面的光的一部分从光出射部24出射，作为具有与将在下文说明的方向性控制层22中的等离激元激发层12的特性对应的波长和方向的光。没有从光出射部24出射的光返回至光导21。此后，进入光导21和方向性控制层22的界面的光的一部分透射穿过方向性控制层22并随后从光出射部24出射。这些操作重复进行且因此进入光导21的光的大部分从光出射部24出射。同样，从位于与发光装置101f相反的发光装置101m发射的光穿过光导21且随后透射穿过光入射表面23且从光出射部24出射。从光出射部24出射的光的方向和波长仅取决于方向性控制层22的特性，而不取决于发光装置101的位置以及光在光导21和方向性控制层22的界面上的光的入射角度。除非另外说明，否则将描述具有由光子晶体制成的波数矢量转换层13的结构。

光传播至光出射部24，同时在光导21中被全反射。但是，在光导21和载流子产生层11的界面上失去光被全反射的条件。因此，光在与光导21的界面上进入载流子产生层11。

当光进入载流子产生层11时，光致使在载流子产生层11中产生载流子且在金属颗粒14的前表面上激发表面等离激元。金属颗粒14的前表面上激发的表面等离激元诱发增强电场，该增强电场由于电场增强效应而比进入载流子产生层11的光的电场大约100倍。该增强电场也致使在载流子产生层11中产生载流子。

在载流子产生层11中产生的载流子产生荧光。荧光与等离激元激发层12中的自由电子耦合。因此，在等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面上激发表面等离激元。激发的表面等离激元由波数矢量转换层13衍射并随后出射至光源装置100的外部。

如果等离激元激发层12和波数矢量转换层13的界面上的介电常数是空间均匀的，即如果界面是平面的，则不能提取界面上产生的表面等离激元。因此，根据本发明，表面等离激元由具有周期结构的波数矢量转换层13衍射，以便将它们提取作为光。从波数矢量转换层13的一点出射的光具有圆形强度分布，其中光随着传播而以同心圆形展开。

如果波数矢量转换层13具有周期结构，则假设波数矢量转换层13的周期结构的节距由Λ表示；等离激元激发层12的波数矢量转换层侧上的表面等离激元的波数的x和y分量由k_sppout表示；环境介质的介电常数由ε_m表示；且从波数矢量转换层13出射的光在真空中的波长由k₀表示，则从波数矢量转换层13出射的光的中心出射角θ_rad可由以下公式表达。

【数学表达式5】

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rad}}={\mathrm{Sin}}^{-1}\left(\frac{k_{\mathrm{sppout}}-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}}{k_0\mathrm{Re}\left[{\mathrm{\ϵ}}_m\right]}\right)$ ...公式（5）

其中i是正或负整数。

如上所述，在根据本示例性实施例的光源装置100中，因为光学装置1转换从发光装置101发射的光，因此可以大幅提升光源装置100的效率和亮度。

（第三示例性实施例）

图7是示出根据本发明第三示例性实施例的光源装置的方向性控制层的透视图。如图7中所示，根据第三示例性实施例，载流子产生层11、介电层31、等离激元激发层12以及波数矢量转换层13依次层叠在方向性控制层22A和光导21上。因此，第三示例性实施例的光源装置与第二示例性实施例的光源装置的不同之处在于介电层31被插入在载流子产生层11和等离激元激发层12之间。

介电层31的介电常数被保持在等离激元激发层12的出射侧部分的有效介电常数低于其入射侧部分的有效介电常数的范围内。因此，介电层31的介电常数无需大于等离激元激发层12的出射侧部分的有效介电常数。

介电层31可以由与载流子产生层11的材料不同的材料制成。因此，根据本示例性实施例，能够以高自由度选择载流子产生层11的材料。

介电层31优选是由诸如金刚石、TiO₂、CeO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、Sb₂O₃、HfO₂、La₂O₃、NdO₃、Y₂O₃、ZnO以及Nb₂O₅的具有高介电常数的材料制成的薄膜或多孔膜。此外，介电层31优选地由具有导电性的材料制成。而且，介电层31的厚度优选地尽可能小。厚度的可允许最大值对应于在载流子产生层11和等离激元激发层12之间产生等离激元耦合的距离。可以使用公式（4）计算厚度的可允许最大值。

在方向性控制层22A中，包括了光导21、载流子产生层11以及介电层31的入射侧部分的有效介电常数被设定为大于包括了波数矢量转换层13和接触波数矢量转换层13的介质的出射侧部分的有效介电常数，以便在等离激元激发层12中产生等离激元耦合。

介电层（未示出）可以被插入在等离激元激发层12和波数矢量转换层13之间。但是，介电层的介电常数被保持在等离激元激发层12的出射侧部分的有效介电常数低于其入射侧部分的有效介电常数的范围内。因此，介电层31的介电常数无需低于等离激元激发层12的入射侧部分的有效介电常数。介电层优选地由例如SiO₂纳米棒阵列膜、SiO₂、AlF₃、MgF₂、Na₃AlF₆、NaF、LiF、CaF₂、BaF₂或具有低介电常数的塑料的薄膜或多孔膜制成。

根据第三示例性实施例的方向性控制层22A可以具有与第一示例性实施例相同的效果。此外，因为方向性控制层22A具有作为独立介电层的介电层31，因此可以容易地调整等离激元激发层12的入射侧部分的有效介电常数。

（第四示例性实施例）

图8是示出根据本发明第四示例性实施例的光源装置的方向性控制层的透视图。如图8中所示，根据第四示例性实施例的方向性控制层22B不仅具有图6中所示的方向性控制层22的结构，而且还具有夹在等离激元激发层12和波数矢量转换层13之间的介电层32以及夹在载流子产生层11和等离激元激发层12之间的介电层33。介电层33的介电常数优选低于介电层32的介电常数。

介电层32和介电层33的介电常数被保持在等离激元激发层12的入射侧部分的有效介电常数低于其出射侧部分的有效介电常数的范围内。因此，介电层32的介电常数无需大于等离激元激发层12的入射侧部分的有效介电常数。此外，介电层33的介电常数无需低于等离激元激发层12的出射侧部分的有效介电常数。

在这种情况下，光在等离激元激发层12的荧光体层11接触表面的相反侧表面上产生，并且表面等离激元在等离激元激发层12的荧光体层11侧表面上产生。

介电层32和介电层33中的每一个的介电常数的虚部优选地尽可能低。当复数介电常数的虚部被设定为尽可能低时，因为容易发生等离激元耦合，因此降低了光损失。

介电层33优选地由例如SiO₂纳米棒阵列膜、SiO₂、AlF₃、MgF₂、Na₃AlF₆、NaF、LiF、CaF₂、BaF₂或具有低介电常数的塑料的薄膜或多孔膜制成。此外，介电层32优选由诸如金刚石、TiO₂、CeO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、Sb₂O₃、HfO₂、La₂O₃、NdO₃、Y₂O₃、ZnO或Nb₂O₅的具有高介电常数的材料制成。

如上所述，当加入介电层32和33时，等离激元激发层12的出射侧上的有效介电常数变得大于其入射侧上的有效介电常数。在这种情况下，载流子产生层11中产生的荧光与等离激元激发层12中的电子耦合并激发表面等离激元作为等离激元耦合。等离激元激发层12将表面等离激元转换成光。光从等离激元激发层12的介电层32侧出射。波数矢量转换层衍射该光并随后将光发射至方向性控制层22B的外部。如果波数矢量转换层13具有周期结构，则与第一示例性实施例类似，假设波数矢量转换层13的周期结构的节距由Λ表示；等离激元激发层12的载流子产生层11侧上的表面等离激元的波数的x和y分量由k_sppin表示；环境介质的介电常数由ε_m表示；且从波数矢量转换层13出射的光在真空中的波长由k₀表示，则从波数矢量转换层13出射的光的中心出射角θ_rad可以由以下公式表示。

【数学表达式6】

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rad}}={\mathrm{Sin}}^{-1}\left(\frac{k_{\mathrm{sppout}}-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}}{k_0\mathrm{Re}\left[{\mathrm{\ϵ}}_m\right]}\right)$ ...公式（6）

其中i是正或负整数。

如果等离激元激发层12的入射侧部分的有效介电常数被保持为低于其出射侧部分的有效介电常数，即使省略层32或33，或即使省略层32和33两者，光源装置100也能操作。

如上所述，在根据本示例性实施例的光源装置中，因为进入波数矢量转换层13的光的入射角仅取决于等离激元激发层12以及夹着等离激元激发层8的介电层32和33的介电常数，因此从光源装置发射的光的方向性不受发光装置101的方向性的限制。

【第五示例性实施例】

图9是示出根据本发明第五示例性实施例的光源装置的方向性控制层的透视图。如图9中所示，根据第五示例性实施例的方向性控制层22C具有载流子产生层11和等离激元激发层41依次层叠在等离激元激发层12上的结构。

根据第五示例性实施例的等离激元激发层41与根据第一示例性实施例的等离激元激发层12的不同之处在于在载流子产生层11接触表面的相反侧表面上形成具有波数矢量转换层13的功能（即，作为出射部的功能）的周期结构42。周期结构42由一维或二维格栅（凹和凸结构）制成。

周期结构42可以是例如具有正弦波形、锯齿波形、三角波形、方波形或其阶梯波形的任意周期结构。替代地，周期机构可以形成在等离激元激发层41的周期结构42侧表面的相反侧表面上。

当光进入载流子产生层11时，在载流子产生层11和等离激元激发层41的界面上产生表面等离激元。从等离激元激发层41提取的表面等离激元作为以预定方向发射的光。

更具体而言，假设在载流子产生层11中产生的荧光在真空中的角频率由ω表示，真空中的光速由c表示，等离激元激发层41的介电常数由ε_metal表示，载流子产生层11的介电常数由ε_sub表示，接触等离激元激发层41的介质的介电常数由ε_medi表示，在等离激元激发层41和与其接触的介质之间的界面上的表面等离激元的波数由k_spp.medi表示，在载流子产生层11和等离激元激发层41之间的界面上的表面等离激元的波数由k_spp.sub表示，在等离激元激发层41的周期结构42的x方向上的波数矢量由K_x表示，且在等离激元激发层41的周期结构42的y方向上的波数矢量由K_y表示（其中xy平面是与基板21平行的平面），则在角度θ方向上由等离激元激发层41发射满足公式（7）的光。

【数学表达式7】

$k_{\mathrm{spp},\mathrm{medi}}+m{K}_x+n{K}_y=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{medi}}}\sin \mathrm{\θ}...\left(7\right)$

在这种情况下，m和n是正或负整数。

【数学表达式8】

k_spp,medi+mK_x+nK_y＝k_spp,sub...(8)

当满足公式（8）时，从光源装置100发射的光强度变得最高。

在等离激元激发层41和接触等离激元激发层41的介质之间的界面上的表面等离激元的波数k_spp,medi以及在载流子产生层11和等离激元激发层41之间的界面上的表面等离激元的波数k_spp,sub：

【数学表达式9】

$k_{\mathrm{spp},\mathrm{medi}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{medi}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{medi}}}}...\left(9\right)$

【数学表达式10】

$k_{\mathrm{spp},\mathrm{sub}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{subi}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{sub}}}}...\left(10\right)$

分别由公式（9）和（10）表示。

在本示例性实施例中，周期结构（未示出）可以形成在等离激元激发层41的载流子产生层11侧上。

如上所述，根据第五示例性实施例，可以获得与第一至第四示例性实施例相同的效果。此外，因为根据本实施例的方向性控制层的层数小于根据第一至第四示例性实施例的层数，因此可减少制造步骤数。

【第六示例性实施例】

以下将说明作为使用光源装置100的装置的实例的投影型显示装置的结构。图11是示出根据本发明第六示例性实施例的投影型显示装置的示意图。

如图11中所示，根据本示例性实施例的LED投影仪具有：红光（R）光源装置100r、绿光（G）光源装置100g、蓝光（B）光源装置100b；照明光学系统120r、120g以及120b，从光源装置100r、100g、100b发射的光进入其中；以及作为调制装置的光阀121r、121g以及121b，已经通过照明光学系统120r、120g以及120b的光进入其中。此外，投影型显示装置具有正交二向色棱镜122，其组合由光阀121r、121g以及121b调制的R、G和B光分量；以及投影光学系统123，其包括将从正交二向色棱镜122发射的光投影导诸如屏幕的投影表面上的投影透镜（未示出）。

投影型显示装置具有适用于所谓的三板型投影仪的结构。照明光学系统120r、120g和120b每个均具有例如使亮度均化的棒形透镜（未示出）。光阀121r、121g以及121b例如每个均具有液晶显示板以及DMD（数字微镜装置）。应当认识到根据上述示例性实施例的光源装置能够适用于单板型投影仪。

当光源装置100被应用于根据本示例性实施例的投影型显示装置时，可以提升投影图像的亮度。

应当认识到光源装置100可以被应用于除投影型显示装置之外的装置。例如，光源装置100可以被应用于用于液晶显示（LCD）板的直下型光源、用于便携式电话、PDA（个人数据助理）等的背光。此外，光源装置100可以被应用于用于各种类型传感装置的光源装置。

【工作实例1】

以下将评估光学装置1的入射光的吸收效率。在下文中，假设载流子产生层11的入射光的波长是405nm，在405nm波长下的荧光体的介电常数的虚部是0.2，且金属颗粒14的填充率是50%。吸收效率是在存在金属颗粒14情况下的值与不存在金属颗粒14的情况下的值的倍率。金属颗粒14的填充率是金属颗粒14与载流子产生层11的总体积之比。

如果金属颗粒14由铝（Al）制成，则光学装置1的参数（具体而言，金属颗粒14的半径a以及载流子产生层11的相对介电常数ε_phosphor）与在金属颗粒14中激发的表面等离激元的等离激元共振波长之间的关系表示在图12的轮廓线图中。光学装置1的参数和吸收效率之间的关系表示在图13的轮廓线图中。在这种情况下，假设半径a是14nm且相对介电常数ε_phosphor是4，则吸收效率变成11倍。在这点上，作为从载流子产生层11的入射表面至入射光强度变为1/e的距离的吸收长度为45nm。能够吸收强度为入射光的强度的1/e的载流子产生层11的厚度是22.5nm。

如果金属颗粒14由银（Ag）制成，则光学装置1的参数和等离激元共振波长之间的关系表示在图14的轮廓线图中。光学装置1的参数和吸收效率之间的关系表示在图15的轮廓线图中。在这种情况下，假设半径a是11nm且相对介电常数ε_phosphor是4，则吸收效率变成14倍。在这点上，吸收长度变成35nm。能够吸收强度为入射光的强度的1/e的载流子产生层11的厚度是17.5nm。

如果金属颗粒14由金（Au）制成，则光学装置1的参数和等离激元共振波长之间的关系表示在图16的轮廓线图中。光学装置1的参数和吸收效率之间的关系表示在图17的轮廓线图中。在这种情况下，假设半径a是11nm且相对介电常数ε_phosphor是4，则吸收效率变成5倍。在这点上，吸收长度变成76nm。能够吸收强度为入射光的强度的1/e的载流子产生层11的厚度是38nm。

如上所述，即使金属颗粒14的半径大到10nm，明显的是吸收效率也变成等于或大于5倍。即使载流子产生层11的厚度低到几十nm，其也能够吸收强度是入射光的强度的1/e的光，因此可以实现具有高效率和高亮度的等离激元耦合和发射装置。

在各个示例性实施例中，所示例的结构仅为实例。因此，本发明不限于上述结构。

已经参考示例性实施例描述了本发明。但是本领域技术人员应当理解在不脱离本发明范围的情况下，可以以各种方式改变本发明的结构和细节。

本申请要求基于2010年10月15日提交的日本专利申请JP2010-232825的优先权，通过参考将其整体内容并入本文。

Claims (12)

1.一种光学装置，包括：

荧光体层，所述荧光体层利用入射光致使产生荧光；

等离激元激发层，所述等离激元激发层利用所述荧光激发第一表面等离激元，所述等离激元激发层层叠在所述荧光体层上；以及

出射部，所述出射部将在所述等离激元激发层的所述荧光体层相接触表面的相反表面上产生的所述第一表面等离激元或光发射至外部作为出射光，

其中所述荧光体层包含利用所述入射光激发第二表面等离激元的金属颗粒。

2.根据权利要求1中所述的光学装置，

其中，在离开所述荧光体层的中心的所述等离激元激发层侧区域中的所述金属颗粒的浓度大于在离开所述荧光体层的中心的所述等离激元激发层的相反侧区域中的浓度。

3.根据权利要求2中所述的光学装置，

其中，所述金属颗粒仅散布在离开所述荧光体层的中心的所述等离激元激发层侧区域中。

4.根据权利要求1所述的光学装置，

其中，介电层形成在所述荧光体层和所述等离激元激发层之间和/或在所述出射部和所述等离激元激发层之间。

5.根据权利要求1所述的光学装置，

其中，包括了层叠在所述等离激元激发层的所述荧光体层侧上的整个结构的入射侧部分的有效介电常数大于包括了层叠在所述等离激元激发层的所述出射部侧上的整个结构以及接触所述出射部的介质的出射侧部分的有效介电常数。

6.根据权利要求1所述的光学装置，

其中，包括了层叠在所述等离激元激发层的所述荧光体层侧上的整个结构的入射侧部分的有效介电常数低于包括了层叠在所述等离激元激发层的所述出射部侧上的整个结构以及接触所述出射部的介质的出射侧部分的有效介电常数。

7.根据权利要求1所述的光学装置，

其中，所述出射部是层叠在所述等离激元激发层上并将在所述等离激元激发层的所述荧光体层相接触表面的相反侧表面上产生的第一表面等离激元或光的波数矢量转换成光的波数矢量转换层。

8.根据权利要求1所述的光学装置，

其中，所述出射部具有形成在所述等离激元激发层上的周期结构。

9.根据权利要求1所述的光学装置，进一步包括：

光导，所述光导将从发光装置发射的光传播至所述荧光体层，

其中，所述荧光体层层叠在所述光导上。

10.根据权利要求1所述的光学装置，

其中所述金属颗粒由金、银、铝或包含它们中的任何一种的合金制成。

11.一种光源装置，包括：

根据权利要求1所述的光学装置；以及

发光装置，所述发光装置将光发射至所述光学装置。

12.一种投影型显示装置，包括：

根据权利要求11所述的光源装置；

调制装置，所述调制装置调制从所述光源装置发射的光并发射所调制的光；以及

投影光学系统，所述投影光学系统投影从所述调制装置发射的光以便显示对应于所调制的光的图像。