JP2013250303A - 光学素子、光学センサ、光電変換素子、光学フィルタ、表示装置及び光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で入射光の進行方向を所望の方向へ変化させる。
【解決手段】光学素子は、表面プラズモンを励起できる金属材料から成る金属微粒子１と、金属微粒子１に磁界を印加する磁界印加部と、を備える。光学素子への入射光（ＬＴ）は、Ｚ軸方向に進行し且つＸ軸方向に偏光されている。磁界印加部は、Ｙ軸方向の磁界（ＭＦ_Y）を印加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子、並びに、それを利用した光学センサ、光電変換素子、光学フィルタ、表示装置及び光回路に関する。

新たな光学技術として、表面プラズモンの利用が盛んに検討されている。表面プラズモンには、金属薄膜に励起される伝播プラズモンと、金属微粒子に励起される局在プラズモンの２種類がある。伝播プラズモンを光で励起するには、入射角や偏光方向に制約があるのに対し、局在プラズモンは金属微粒子に光を入射するだけで励起可能である。局在プラズモンは、金属微粒子内の自由電子の振動が入射光の電場に共鳴することで励起される。この自由電子の振動は、金属微粒子の周囲に、強く且つ局在した電磁場を作る。更に、この振動を元にした双極子放射も起きるため、局在プラズモンの一部は散乱光を発生する。

局在プラズモン共鳴に関し、様々な応用用途が検討されている。

センシング用途については、伝播プラズモンを利用するタイプと、局在プラズモンを利用するタイプがあるが、いずれのタイプにおいても分子の非常に高感度な検出が可能であり、バイオ及び医療分野において活用されている。伝播プラズモンを利用するタイプは、全反射光学系を用いた構成であるため、プリズムや導波路が必要であり、センシング部分の大型化や、光路の複雑化を招く。また、通常用いられる液体のサンプルを検出するためには、プリズム上に形成された金属膜上に流路を形成する必要があり、装置の組立てが複雑化する。これに対して、特許文献１のような局在プラズモンを利用するタイプは、液体のサンプルであれば金属微粒子を混ぜればよく、また、光も単に照射すればよいだけであり、センシング部の構成が簡易である。

太陽電池への応用用途研究も盛んである。薄膜太陽電池に金属微粒子を設けて局在プラズモンを発生させた場合、強い光を集中して太陽電池に吸収させることができ、また、散乱した光が太陽電池内を斜めに伝播することによって光路長が長くなり、光の吸収率が高くなる。故に、局在プラズモン共鳴は、薄膜太陽電池でありながら、効率を上げられる技術として注目されている。特許文献２では、ｎ型半導体及びｐ型半導体を含む光電変換層に、入射光の波長よりも小さい部分を含む電場形成領域として金属を設ける構成が示されている。

光学フィルタ用途については、伝播プラズモンを利用するタイプと、局在プラズモンを利用するタイプがある。伝播プラズモンを利用する光学フィルタでは、周期構造を作成することで、周期及び入射角に対応した特定の波長のみを透過させることができる。一方、局在プラズモンを利用する光学フィルタでは、金属微粒子の形状及び周囲の屈折率に対応した特定の波長のみを吸収することができる。例えば、特許文献３には、ナノロッド状の金属微粒子を樹脂に混合したフィルム状の光学フィルタが示されている。この光学フィルタでは、ナノロッドの短軸と長軸の長さを調整することで、可視光から近赤外光の間の波長の光を選択的に吸収させている。尚、局在プラズモンによる散乱を利用すれば、特定の波長のみを透過させることもできる。

金属微粒子１つに励起される局所プラズモンを想定した従来技術を述べたが、複数の金属微粒子の近接配置によって局所プラズモンを結合させ、これをエネルギの伝送に利用する方法も提案されている。非特許文献１では、或る方向に並べられた金属微粒子に対して直交する方向に金属微粒子を並べると、縦波は横波に変化した上で、横波は横波のままで又は縦波に変化した上で、或る割合の光が直交方向に伝播することが示されている。現在の光通信を小型に置き換えるべく、非特許文献１に示されたような、波長が短い表面プラズモンを用いた導波路及びスイッチなどが検討されている。

尚、非特許文献２では、磁性体でない金属微粒子におけるカー回転角が、表面プラズモン共鳴時には非常に大きくなることが報告されている。これと同様に、特許文献４では、表面プラズモン共鳴時にカー回転角が大きくなることが示されているが、金属微粒子のコアにＢｉ置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）を用い且つシェルを銀とすることで、カー回転角が１３．５度にもなると報告されている。

特許第４４０５８８１号公報 特開２０１１−７１１４６号公報 特許第４３４８７２０号公報 特開２００４−２１９４１５号公報

Mark L. Brongersma、他２名，「Electromagnetic energy transfer and switching in nanoparticle chain arrays below the diffraction limit」，Physical Review B，The American Physical Society，平成１２年，Volume 62，Number 24，R16356 B. Sepulveda、他４名，「Plasmon-Induced Magneto-Optical Activity in Nanosized Gold Disks」，Physical Review Letters，The American Physical Society，平成２２年，１０４，１４７４０１

このような広い応用分野において、共通して必要とされる機能の１つが、入射光の進行方向を変化させる機能である。入射光を進行方向の変化は、一般的にプリズムやミラーなどの光学素子によって実現可能であるが、これを金属微粒子の表面プラズモンを利用して実現できれば、装置の小型化及び低コスト化などが図られ、有益である。

尚、特許文献１の光学センサでは、スペクトル測定が必要であるため、検出に分光器が必要となり、センシング部を小型にできたとしても、装置全体が大型化すると共にコストが高くなる。更に、検出精度を高めようとしたとき、波長分解能の高い分光器が必要になる分、更にコストがかさむ。また、特許文献２では、電場形成領域が金属のみからなるため、光電変換層に垂直に入射した光による散乱光の角度分布は、垂直方向を中心とする分布になり、散乱した光が太陽電池内を斜めに伝播することによる吸収率の向上は、限られたものとなる。また、特許文献３は、ロッド状の金属微粒子における光の吸収にのみに頼ってフィルタ作用を得ている。特許文献３の方法では、一部の光は吸収されずに散乱されるため、散乱光によるコントラスト低下が懸念される。また、非特許文献１の導波路は、直交した方向にエネルギを伝送することはできるが、自由な角度に導波路を配置してエネルギを伝送することや、複数に分岐した導波路にエネルギを振り分けることはできない。また、場合によっては、伝送方向により縦波と横波が混在し、非常に複雑な伝送となる。

そこで本発明は、簡素な構成で入射光の進行方向を所望の方向へ変化させることのできる光学素子、並びに、該光学素子を利用した光学センサ、光電変換素子、光学フィルタ、表示装置及び光回路を提供することを目的とする。

本発明に係る光学素子は、表面プラズモンを励起できる金属材料から成る金属微粒子と、前記金属微粒子に磁界を印加する磁界印加部と、を備えた光学素子であって、前記磁界は、前記光学素子への入射光の進行方向及び偏光方向の何れにも直交する成分を持つことを特徴とする。

本光学素子では、磁界印加により異方性を持った金属微粒子で入射光が散乱され、局所的又は全体的に入射光の進行方向を変化させることができる。また、印加磁界の強度で進行方向の変化量を決めることも可能となる。非常に微細な金属微粒子にて入射光の進行方向を変化させることができるため、構成を簡素にすることができると共に、液体中や薄膜中などにも導入できる。故に、プリズムやミラーなどの光学素子と異なり、本光学素子に対する設置場所の制約は小さい。更に、入射光の進行方向の変化量を印加磁界の強度で調整できるため、光学素子を設置する際の設置位置精度（設置の向きの精度を含む）は粗くても良く、微調整などを不要にすることもできる。

例えば、前記金属微粒子の表面で接触している媒質が前記金属微粒子の全表面において透光性を持っていると良い。

これにより、金属微粒子で表面プラズモンが励起されやすくなるため、進行方向の変化量をより大きくできる。

そして例えば、前記金属微粒子の全表面が前記金属材料であると良い。

これにより、金属微粒子の構成が非常に簡素で済むと共に、入射光との関係において金属微粒子がどのような姿勢をとっていても上述したような光の進行方向変化を得ることが可能であり、設置場所の制約が非常に小さくなる。

当該光学素子は、前記金属微粒子を複数個備えていても良い。

これにより、例えば、入射光のビーム径を特に絞らなくても、金属微粒子で散乱される光の割合が大きくなり、平行光でも効果を得ることが可能となる。

当該光学素子において、前記磁界印加部は磁性体から形成されていても良い。

例えば、磁性体が磁化の向きの揃った強磁性体であれば、コイルを用いる場合と違って電流を流す必要がないため、常に一定の磁界を金属微粒子に印加することができると共に、磁界印加部を金属微粒子と一緒に液体中に設置することも可能となる。また、磁性体を薄膜状にして金属微粒子に隣接して形成することができるため、光学素子の小型化が可能となる一方で光学素子を広い面積にわたって設置することも可能となる。磁界印加部を形成する磁性体において、それ単体では磁化の向きが揃っていなくとも、外部から磁界をかけてやれば、磁界印加部を金属微粒子と一緒に液体中に設置することが可能となると共に薄膜状の磁性体を金属微粒子の近傍に配置することも可能となる。

当該光学素子において、前記磁界印加部は、前記金属微粒子の内部に形成された磁性粒子を含んでいても良い。

これにより、光学素子を非常に小型にすることができると共に、金属微粒子と磁界印加部を一緒に（即ち容易に）所望部位に設置することが可能となる。また、金属微粒子への磁界の影響が大きくなるため、金属微粒子の異方性を大きく発現でき、結果、光の進行方向の変化量を大きくできる。

本発明に係る光学センサは、上記の光学素子と、前記光学素子の前記金属微粒子において表面プラズモンを励起できる波長の光を含む光を放射可能な光源と、前記光源の放射光に基づく光を検出する検出器と、を備え、前記光源の放射光は、前記光学素子への入射光として前記光学素子の前記金属微粒子に照射され、前記光源及び前記検出器間における前記放射光の通過経路内に、検出対象を含まない又は前記検出対象を含む検体と前記金属微粒子が配置され、前記検出器は、前記光源の放射光に対する前記金属微粒子の散乱光の角度を検出することを特徴とする。

本発明に係る光学素子を用いた光学センサよれば、検出対象による金属微粒子周辺の屈折率変化が進行方向の変化量に影響することを利用でき、金属微粒子を使った方式でありながら、スペクトル測定ではなく、散乱角度にて検出対象の有無等を検出することができる。従って、白色光の光源や分光器が必要ではなく、小型且つ簡便で低コストなセンサを形成可能である。また、検出対象から検出器までの距離や印加磁界の強度で分解能を調整できるため、分解能の変更が容易であって、変更時におけるコストアップ等も殆ど無い。

また例えば、当該光学センサにおいて、前記光学素子における前記磁界印加部は、前記磁界の強度を周期的に変化させ、前記検出器は、受光した光の信号の内、前記磁界の強度の変化周期に対応する信号を検出してもよい。

これによれば、印加磁界の周期に対応した信号のみを取り出すことができるため、信号対雑音比を高めることが可能となる。

また例えば、前記放射光は、前記検体に前記検出対象が含まれない状態における前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長より長い波長の光を含んでいると良い。

これにより、検出対象が金属微粒子の近辺にあるときに表面プラズモン共鳴が起こり易くなるため、検出対象を検出する際における検出強度が高くなり、結果、信号対雑音比の向上が図られる。

本発明に係る光電変換素子は、少なくともｐ型半導体及びｎ型半導体を備えた光電変換層と、前記光電変換層を挟んで形成される１組の電極と、を備えた光電変換素子であって、上記の光学素子を更に備え、前記光学素子の前記金属微粒子で散乱された光の少なくとも一部が、前記光電変換層で吸収されることを特徴とする。

当該光電変換装置では、散乱の結果として光の進行方向が光電変換層に対して傾くため（磁界印加部を持たない構成との比較において、斜めに散乱される光の成分が増えるため）、光電変換層中の光路長が伸びる。故に、光電変換層における光の吸収率を高くでき、エネルギ変換効率を高めることができる。

前記光学素子のうち少なくとも前記金属微粒子は、前記光電変換層よりも、当該光電変換素子への入射光の入射側に配置されてもよい。

これによれば、光電変換層に入射する光が斜めに散乱されるため、光電変換層中の光路長を相当に長くすることができ、光の吸収率、即ちエネルギ変換効率を高めることができる。

或いは、前記光電変換層は、前記光学素子の内の少なくとも前記金属微粒子よりも、当該光電変換素子への入射光の入射側に配置されてもよい。

これによれば、光電変換層に入射される光を金属微粒子で遮ることがない分、ロスを少なくすることができる。

更に或いは、前記光学素子のうち少なくとも前記金属微粒子は、前記光電変換層の内部に配置されてもよい。

これによれば、光電変換を行う部分に金属微粒子を非常に近接させることができるため、表面プラズモン共鳴による増強した電場を光電変換層で吸収させることができ、この作用によってもエネルギ変換効率の向上が見込める。

また例えば、前記１組の電極は第１電極及び第２電極から成り、前記第１電極は前記第２電極よりも当該光電変換素子への入射光の入射側に配置され、前記光電変換層は第１及び第２面を有して、前記第１面は前記第２面よりも前記第１電極に近く、前記第２面は前記第１面よりも前記第２電極に近く、前記第１電極は、前記第１面の一部領域上に形成されるとともに、前記光学素子の前記磁界印加部による印加磁界方向の直交方向に偏って形成されてもよい。

電極間に電圧を印加したとき、その印加電圧と磁界印加部の印加磁界とにより、光電変換層内に発生した電荷に対し磁界に直交する方向のローレンツ力が働く。よって、電荷が偏った領域のみに第１電極を形成しても電流を効率よく取り出すことができる。また、第１電極の形成領域を第１面の一部にすることで、第１電極での入射光の吸収を低減することができると共に、電極の形成材料の減少に伴って材料コストの低減も図られる。

更に例えば、前記第２電極は、前記第２面の一部領域上に形成され、前記第１及び第２電極は、前記印加磁界方向に直交する、互いに正反対の向きに偏って形成されてもよい。

これにより、電極の形成材料費を更に減少させることができる。第１及び第２電極の内、一方は正の電荷を取り出す電極であり、他方は負の電荷を取り出す電極である。正の電荷と負の電荷とで、作用するローレンツ力の向きは逆であるため、上記の如く第１及び第２電極を形成しても電流を効率良く取り出すことができる。

本発明に係る光学フィルタは、上記の光学素子を有し、前記光学素子の前記金属微粒子により特定の波長域の光が吸収される光学フィルタであって、前記光学素子の出射側に接合された透明なスペーサ層を備えることを特徴とする。

上記光学フィルタでは、表面プラズモン共鳴波長の光の一部が金属微粒子にて散乱されたとき、磁界の作用により、散乱光が斜めに伝搬する。スペーサ層により、この散乱光が透過光として外に出ないようにすることで、透過光のコントラストを上げることが可能となる。

本発明に係る表示装置は、上記の光学フィルタを少なくとも３つ備え、各光学フィルタの透過光を用いて表示を成す表示装置であって、３つの光学フィルタの前記光学素子における前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長は、夫々、赤色、緑色、青色の補色の波長であることを特徴とする。

これにより、三原色を高コントラストで表示可能となる。

本発明に係る光回路は、上記の光学素子と、複数の導波用金属微粒子を並べて形成された導波路を複数備え、前記複数の導波路は、前記光学素子を介して接続され、前記複数の導波路に含まれる第１及び第２導波路間において前記導波用金属微粒子の並び方向は互いに異なることを特徴とする。

これにより、磁界印加部による印加磁界の強度を予め適切な強度に設定しておけば、複数の導波路を自由な角度で接続しても、効率よく光エネルギを伝送することができる。

当該光回路において、前記複数の導波路は、前記光学素子を介して分岐路を形成してもよい。

これにより、所望の分岐路に光エネルギを伝送させるといったことが可能となる。

当該光回路において、前記光学素子の前記磁界印加部は、印加磁界の強度を変更可能であってもよい。

これにより、複数の導波路によって複数の分岐路が形成されている場合においては、磁界強度にて、光エネルギを伝送させる分岐路を自由に選択することが可能となる。分岐路が１つである場合には、その分岐路にエネルギに伝送させるか否かを切り替えるスイッチング素子として機能を光回路に持たせることができる。

本発明によれば、簡素な構成で入射光の進行方向を所望の方向へ変化させることのできる光学素子、並びに、該光学素子を利用した光学センサ、光電変換素子、光学フィルタ、表示装置及び光回路を提供することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る光学素子の構成ブロック図（ａ）と、当該光学素子の概略構成図（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）である。 本発明の第１実施形態に係り、光の進行方向変化の原理を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る光学センサの概念図及び構成ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係り、金属微粒子における散乱角度を示す図である。 本発明の第２実施形態に係り、透過率の角度依存性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係り、散乱角度に対応する距離を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る光電変換素子の概略斜視図である。 本発明の第３実施形態に係り、電極の形成領域を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る光電変換素子の概略斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る光学フィルタの概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係る光学フィルタ群の概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係る光学フィルタ群の分解図である。 本発明の第５実施形態に係る表示装置の概略ブロック図である。 本発明の第６実施形態に係る光回路の概略構成図である。 本発明の第７実施形態に係る光回路の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量、状態量又は部材等を参照する記号又は符号を記すことによって該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量、状態量又は部材等の名称を省略又は略記することがある。

＜＜第１実施形態＞＞
本発明の第１実施形態を説明する。図１（ａ）は、第１実施形態に係る光学素子１０の構成ブロック図である。光学素子１０は、表面プラズモンを励起可能な金属材料から成る金属微粒子１と、磁界印加部２と、を備える。光学素子１０への入射光ＬＴは金属微粒子１への入射光ＬＴとして金属微粒子１に入射される。本実施形態及び後述の各実施形態における表面プラズモンは、金属微粒子１にて励起されるため、局在プラズモンである。

金属微粒子１を、表面プラズモンを強く励起可能な任意の金属材料にて形成すると良く、例えば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）を用いて形成すると良い。金属微粒子１の形状は、任意であり、例えば、球、楕円球、円柱、楕円柱であってよい。金属微粒子１を、コアとコアの周囲を覆うシェルとで形成しても良い。この場合、表面プラズモンを励起可能な複数の金属材料を用いてコア及びシェルを形成しても良いし、コア及びシェルの何れか一方を誘電体、半導体を用いて形成するようにしても良い。コア及びシェルの何れか一方を表面プラズモンを励起可能な金属材料で形成する一方で、他方を他の金属材料（例えば、後述の磁性粒子）で形成しても良い。入射光ＬＴによって表面プラズモンを励起可能である限り、金属微粒子１の大きさは任意である。例えば、金属微粒子１の形状が球である場合、その球の直径を入射光ＬＴの波長以下にすればよい。光学素子１０に、金属微粒子１を１つだけ設けるようにしても良いし、金属微粒子１を複数設けるようにしても良い。

磁界印加部２は、金属微粒子１に磁界を印加するためのものであり、磁石などの磁化の向きが揃った磁性体であっても良い（磁性体は、強磁性体に分類されるものが好ましい）。ここにおける磁石は永久磁石を含む。或いは、電流を流すことで磁界を発生させるコイルを用いて磁界印加部２を形成しても良い（この場合、コイルとコイルに電流を供給する電流供給部とで磁界印加部２が形成されると考えても良い）。コイルを用いて磁界印加部２を形成する場合、コイルに流す電流の大きさを変化させることで金属微粒子１に印加される磁界の強度を変えることができるため、光の進行方向を様々に変化させることができる（その理由については後述の説明から明らかとなる）。

磁界印加部２は、図１（ｂ）に示すような磁界印加部２ａであっても良い。磁界印加部２ａを磁界印加部２として有する光学素子１０を特に光学素子１０ａと呼ぶ。磁界印加部２ａでは、磁性体による磁石又はコイルを金属微粒子１と分離して金属微粒子１を挟むように配置する。図１（ｂ）において、斜線部分が磁性体による磁石又はコイルを表している。磁石又はコイルにて金属微粒子１を両側から挟むのではなく、金属微粒子１の片側にのみ磁界印加部２ａを形成する磁石又はコイルを配置するようにしても良い。磁界印加部２ａの大きさは任意であるが、金属微粒子１の大きさに対して、磁界印加部２ａを形成する磁石又はコイルを十分に大きくした方が、金属微粒子１への印加磁界が均一となる。

或いは、磁界印加部２は、図１（ｃ）に示すような磁界印加部２ｂであっても良い。磁界印加部２ｂを磁界印加部２として有する光学素子１０を特に光学素子１０ｂと呼ぶ。磁界印加部２ｂは磁性体にて形成され、磁界印加部２ｂを形成する磁性体の内部に金属微粒子１が埋め込まれる。図１（ｃ）において斜線部分が磁性体を表している。磁界印加部２ｂを形成する磁性体は、透光性を有していると良い。また、磁界印加部２ｂを形成する磁性体は磁化の向きの揃った強磁性体であっても良く、その場合、コイルを用いる場合と違って電流を流す必要がないため、常に一定の磁界を金属微粒子１に印加することができると共に、磁界印加部２ｂを金属微粒子１と一緒に液体中に設置することもできる。また、磁界印加部２ｂでは、磁性体を薄膜状にして金属微粒子１に隣接して形成することができるため、光学素子１０の小型化が可能となる一方で光学素子１０を広い面積にわたって設置することも可能となる。磁界印加部２ｂを形成する磁性体において、それ単体では磁化の向きが揃っていなくとも、磁性体の外部から磁性体に磁界をかけてやることで磁性体の磁化の向きを揃えることができ（この場合、磁性体に磁界をかける部位が磁界印加部２ｂの構成要素に含まれうる）、結果、磁界印加部２ｂを金属微粒子１と一緒に液体中に設置することが可能となると共に薄膜状の磁性体を金属微粒子１の近傍に配置することが可能となる。磁界印加部２ｂが磁性体と磁性体に磁界をかける部位とで形成される場合には、磁性体だけ液体中に設置することができる。

更に或いは、磁界印加部２は、図１（ｄ）に示すような磁界印加部２ｃであっても良い。磁界印加部２ｃを磁界印加部２として有する光学素子１０を特に光学素子１０ｃと呼ぶ。磁界印加部２ｃは磁性材料から成る磁性粒子であり、該磁性粒子は金属微粒子１のコアとして金属微粒子１に埋め込まれる。この場合、金属微粒子１のシェルが表面プラズモンを励起可能な金属材料にて形成される。図１（ｄ）において斜線部分が磁性粒子を表している。この構成によれば、光学素子１０を非常に小型にすることができると共に、金属微粒子１と磁界印加部２を一緒に（即ち容易に）所望部位に設置することが可能となる。また、金属微粒子１への磁界の影響が大きくなるため、金属微粒子１の異方性（磁界印加により生じる異方性）を大きく発現でき、結果、光の進行方向の変化量を大きくできる（その理由については後述の説明から明らかとなる）。磁性粒子は、透光性を有していると良いが、透光性を有していなくても良い。磁性粒子に透光性が無く、金属微粒子１での表面プラズモン励起強度が小さくなってしまう場合、金属微粒子１と磁性粒子との間に透光性のある誘電体を設ければ良い。磁性粒子は磁化の向きの揃った磁性体（特に例えば強磁性体）であると良く、この場合、磁性粒子単体で所望の磁界を金属微粒子１に印加することができる。磁性粒子単体で磁性粒子の磁化の向きが揃っていない場合には、磁性粒子の外部から磁性粒子に磁界をかければよい（この場合、磁性粒子に磁界をかける部位が磁界印加部２ｃの構成要素に含まれうる）。磁界印加部２ｃが磁性体と磁性体に磁界をかける部位とで形成される場合には、磁性体だけ液体中に設置することができる。

尚、磁界印加部２ａ、２ｂ及び２ｃの内、任意の２以上の磁界印加部を組み合わせて磁界印加部２を形成するようにしても良い。

［光の進行方向の変化の原理］
光学素子１０によれば入射光ＬＴの進行方向を変化させることができる。図２（ａ）及び（ｂ）を参照して、この進行方向変化の原理を説明する。図２（ａ）及び（ｂ）では、例として、金属微粒子１の形状が円柱とされている。互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸とする。図２（ａ）及び（ｂ）の例において、入射光ＬＴの進行方向はＺ軸と平行であって且つ入射光ＬＴの偏光方向はＸ軸と平行であるとする。矢印Ｄ_PLは入射光ＬＴの偏光方向を表している。入射光ＬＴは直線偏光であり、入射光ＬＴの偏光方向とは該直線偏光の電場の振動方向を指す。但し、入射光ＬＴは、直線偏光でなく、円偏光や楕円偏光やランダム偏光などでもよい。ここでは、入射光ＬＴを、光の進行方向作用が最も大きくなる、Ｘ軸方向の直線偏光とする。入射光ＬＴにより、金属微粒子１内の自由電子は、入射光ＬＴの電場の振動方向に沿って、即ち実線矢印９１１の方向に沿って振動（即ち運動）する。

図２（ａ）では、金属微粒子１に対しＺ軸に平行な磁界ＭＦ_Zが印加されることを想定する。そうすると、図２（ａ）の想定下では、自由電子の運動方向及び磁界ＭＦ_Zの方向の夫々に直交する方向、即ちＹ軸方向に金属微粒子１内の自由電子に対しローレンツ力が働き、結果、自由電子の振動方向が実線矢印９１１の方向から破線矢印９１２の方向へと回転する。金属微粒子１によって散乱される光は、殆どが自由電子の振動に伴う双極子放射であると考えられるため、磁界ＭＦ_Zの印加時には、入射光ＬＴの偏向方向がＸ軸及びＹ軸に平行な面上において回転することになる。このような回転はカー回転と呼ばれる。カー回転の角度をカー回転角と呼び、それを記号θ_Kにて表す。尚、金属微粒子１による光の散乱は金属微粒子１における光の透過及び反射を含むと考える。

カー回転角θ_Kは下記式（１）に従う。ここで、ε_xxは金属微粒子１の誘電率の対角成分、ε_xyは金属微粒子１の誘電率の非対角成分、α_xxは金属微粒子１の分極率の対角成分、α_xyは金属微粒子１の分極率の非対角成分、ε_dは金属微粒子１周辺の誘電率を表す。

これにより、式（１）の分母における（ε_xx＋２ε_d）がゼロに近くなるほど、カー回転角が大きくなることが分かる。カー回転角が大きくなる条件は、局在プラズモンが励起される条件と一致している。つまり、局在プラズモンの励起時には、自由電子の振動振幅が大きく、即ち振動の速度が大きくなるため、ローレンツ力が大きくなり、結果カー回転角も大きくなる。金属微粒子１の誘電率の非対角成分ε_xyは金属微粒子１の印加磁界に依存しており、印加磁界が大きくなると金属微粒子１の異方性が大きくなってカー回転角が大きくなる。上述したように、特許文献４では１３．５度ものカー回転角を得る金属微粒子構造が示されている。

上述の性質を踏まえ、図２（ｂ）では、金属微粒子１に対しＹ軸に平行な磁界ＭＦ_Yが印加されることを想定する。磁界ＭＦ_Yの印加時には、ローレンツ力の方向が入射光ＬＴの進行方向に対して平行となるため、自由電子の振動方向が入射光ＬＴの進行方向に垂直な面内から外れる方向に回転する（即ち、実線矢印９１１の方向から破線矢印９１３の方向へと回転する）。マクスウェル方程式より、等方的な媒質中での電磁波の伝播では、電磁波の進行方向と電場の振動方向が直交しなければならない。故に、磁界ＭＦ_Yの印加時において、自由電子の振動に伴う双極子放射の進行方向は、Ｘ軸の方向成分とＺ軸の方向成分を持つ。このことから、磁界ＭＦ_Yの印加時において、入射光ＬＴに対する金属微粒子１の散乱光は、入射光ＬＴの進行方向と異なる進行方向になることが理解される。

本実施形態に係る光学素子１０では、このような原理を利用する。即ち、磁界印加部２は、入射光ＬＴの進行方向及び偏光方向であるＺ軸及びＸ軸方向の双方に対して直交する磁界（即ち、磁界ＭＦ_Y）を金属微粒子１に印加する。金属微粒子１における自由電子の振動方向の回転角は、印加磁界が入射光ＬＴの進行方向及び偏光方向の双方に直交するときに最大になるが、入射光ＬＴの進行方向及び偏光方向の双方に直交する磁界の成分を、磁界印加部２の印加磁界が含んでおればよい。即ち、磁界印加部２の印加磁界は磁界ＭＦ_Yの成分を含んでいれば良く、Ｘ軸やＺ軸に平行な磁界成分が磁界印加部２の印加磁界に更に含まれていても構わない。

本光学素子１０では、磁界印加により異方性を持った金属微粒子１で入射光が散乱され、局所的又は全体的に入射光の進行方向を変化させることができ、また、印加磁界の強度で進行方向の変化量を決めることができる。入射光の進行方向を変化させるのは金属微粒子１という非常に微細な構造であり、また、金属微粒子１に磁界を印加できる限り磁界印加部２は金属微粒子１から離れた位置に設置されていてもよいため（或いは、図１（ｃ）又は（ｄ）の如く磁界印加部２を金属微粒子１と一体に形成しても良いため）、金属微粒子１を液体中や薄膜中などにも導入できる。故に、プリズムやミラーなどの光学素子と異なり、本光学素子１０に対する設置場所の制約は小さい。更に、入射光の進行方向の変化量を印加磁界の強度で調整できるため、光学素子１０を設置する際の設置位置精度（設置の向きの精度を含む）は粗くても良く、微調整などを不要にすることもできる（プリズムやミラーを用いる場合、それらの設置位置及び向きを厳密に調整しないと所望の進行方向変化を得ることができない）。

また、金属微粒子１の表面で接触している媒質が金属微粒子１の全表面において透光性（光を透過させる性質）を持つように金属微粒子１を形成するとよい。これにより、金属微粒子で表面プラズモンが励起されやすくなるため、進行方向の変化量をより大きくできる。

さらに、金属微粒子１の全表面において表面プラズモンを励起可能な金属材料を露出させ（金属微粒子１の最表面を表面プラズモンを励起可能な金属材料にて形成し）、露出している当該金属材料が表面プラズモンを励起不能な他の金属材料などで覆われないようにするとよい。つまり、金属微粒子１の全表面において、表面プラズモンを励起可能な金属材料が、光を伝搬する上記媒質と接触していると良い。これにより、金属微粒子１の構成が非常に簡素で済むと共に、入射光ＬＴとの関係において金属微粒子１がどのような姿勢をとっていても上述したような光の進行方向変化を得ることが可能であり、設置場所の制約が非常に小さくなる。

光学素子１０を形成する金属微粒子１の個数が１である場合、作用できる光のエネルギが小さい。そこで、特に例えば、伝播光を入射光ＬＴとして利用する形態では複数の金属微粒子１を利用すると良い。複数の金属微粒子１を利用することで、入射光ＬＴのビーム径を特に絞らなくても、金属微粒子１で散乱される光の割合が大きくなり、平行光でも進行方向の大きな変化作用を得ることが可能となる。後述の任意の実施形態においても、光学素子１０に１又は複数の金属微粒子１を設けることが可能である。

光学素子１０における入射光ＬＴから見た散乱光の回転角、即ち光学素子１０による光の進行方向の変化量を、上記式（１）から計算することができる。また、金属微粒子１の材料及び大きさ並びに金属微粒子１の周囲の屈折率を非特許文献２又は特許文献４に示されたそれらと同じにすれば、上記の回転角を、非特許文献２又は特許文献４に示された回転角と同じにすることができる。但し、磁界印加部２の磁界印加方向は非特許文献２等における磁界印加方向と異なっていて、光学素子１０における偏光方向の回転方向は非特許文献２等とは相違し、光学素子１０では光の進行方向を回転させることができる。

尚、非特許文献２及び特許文献４において、金属微粒子の散乱光は直線偏光でなく楕円偏光になる場合があることが示唆されている。これは、光学素子１０においては、金属微粒子１の散乱光の進行方向が角度分布を持つことを意味する。この角度分布は、楕円偏光における楕円率が大きくなるほど広くなる。しかし、カー回転角が最大値を持つとき、楕円率はゼロになるため、その条件下では、金属微粒子１の散乱光を直線偏光にすることができる。

［光学素子の製造方法］
光学素子１０の製造方法を説明する。金属微粒子１として、市販されている金属微粒子、又は、公知の製造方法を用いて作成された金属微粒子を利用可能である。例えば、フォトリソグラフィープロセスなどを用い、基板上に金属微粒子１を形成しても良い。或いは例えば、化学調合により金属微粒子１を形成しても良い。磁界印加部２を形成する磁石、磁性体若しくはコイルとして、市販されている磁石、磁性体若しくはコイル、又は、公知の製造方法を用いて製造された磁石、磁性体若しくはコイルを利用可能である。例えば、基板上に磁化の向きが揃った強磁性体膜（薄膜状の強磁性体）を磁界印加部２として形成しても良い。

図１（ｂ）の光学素子１０ａを形成する場合、市販又は作成された金属微粒子１の外側に市販又は作成された磁石やコイルを設置すればよい。図１（ｃ）の光学素子１０ｂを形成する場合、市販又は作成された金属微粒子１を基板上に分散させ、その上から強磁性体膜を製膜すれば良い。図１（ｄ）の光学素子１０ｃを形成する場合、市販又は作成された磁性粒子の表面上に、水溶液中の還元反応、酸化反応、析出反応、ゾルゲル反応などを利用して、金属微粒子１のシェルを形成すれば良い。

＜＜第２実施形態＞＞
本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態及び後述の第３〜第７実施形態は、第１実施形態を基礎とする実施形態であり、矛盾無き限り、第１実施形態の記載が第２〜第７実施形態にも適用される。図３（ａ）及び（ｂ）に、第２実施形態に係る光学センサ２００の概念図及び構成ブロック図を示す。光学センサ２００は、光学素子１１、光源２１及び検出器２２を備え、基板２４も更に備えうる。第１実施形態における光学素子１０（１０ａ、１０ｂ又は１０ｃ）を光学素子１１として用いることができる。本実施形態で述べる金属微粒子１及び磁界印加部２とは、特に記述なき限り、光学素子１１を形成する金属微粒子１及び磁界印加部２を指す。図３において、複数の丸は複数の金属微粒子１を表している（後述の図４（ａ）、図４（ｂ）、図７、図９、図１０、図１１及び図１２においても同様）。

尚、以下の説明において、散乱光とは、特に記述なき限り、金属微粒子１による散乱光を指し、当該散乱光は金属微粒子１による反射光を含む（後述の他の実施形態でも同様）。また、以下の説明において、特に記述なき限り、印加磁界とは、磁界印加部２による印加磁界を指す（後述の他の実施形態でも同様）。

光源２１は、光学素子１１の金属微粒子１において表面プラズモンを励起できる波長の光を放射可能な光源であり、その波長以外の波長の光が光源２１の放射光に更に含まれうる。光源２１の放射光は入射光ＬＴ（図１（ａ）参照）として光学素子１１に入射される。光源２１の放射光は直線偏光であることが望ましいが、光源２１の放射光そのものが直線偏光ではない場合、光源２１及び光学素子１１間に偏光板（不図示）を配置するなどの処置を成すことで、光学素子１１への入射光を直線偏光にしても良い。光源２１の放射光の波長は、光学センサ２００にて検出可能な屈折率範囲（検出可能な検出対象２３の濃度範囲）において、表面プラズモンが励起されるように設定されれば良い。“検出可能な屈折率範囲（検出可能な検出対象２３の濃度範囲）”の意義については後述の説明から明らかとなる。光源２１の放射光は、単波長の光であっても、或る程度の波長幅を持った光であっても良い。但し、光源２１の放射光の波長の幅が広い場合、分光器（不図示）などを用いて後述の濃度の解析が行われる。

光学センサ２００は、検体２５内に特定の物質である検出対象２３が存在しているか否かを検出できると共に、検体２５内における検出対象２３の濃度又は量を検出することができる。光源２１及び検出器２２間における光源２１の放射光の通過経路内に、検出対象２３を含む検体２５が光学素子１１の金属微粒子１と共に配置される（但し、検体２５内に検出対象２３が存在しないこともある）。

検出対象２３は、金属微粒子１と同等程度の微細な物体である。光学素子１１は、金属微粒子１が検出対象２３と入射光ＬＴ（即ち光源２１の放射光）の波長以下の距離で隣接可能な形態である限り、上述の任意の形態の光学素子１０であって良い。図３（ａ）の例では、光学素子１１に複数の金属微粒子１が含まれ、透光性を有する基板２４上に複数の金属微粒子１を分散及び固定している。図３（ａ）では磁界印加部２が図示されていないが、図３（ａ）が示される紙面に直交する方向において当該紙面を挟み込む位置に磁界印加部２の磁石やコイルを配置しても良いし、各金属微粒子１の内部にコアとして磁界印加部２を設けても良い。或いは、基板２４上に配置された金属微粒子１の上から磁化の向きの揃った強磁性体膜を製膜することで磁界印加部２を形成しても良い。この場合、金属微粒子１が検出対象２３と入射光ＬＴの波長以下の距離で隣接可能となるように強磁性体膜の膜厚を調整するか、或いは、強磁性体膜の内、金属微粒子１の膜部分だけを除去すればよい。磁界印加部２を形成するための、上述の任意の複数の方法を組み合わせても良い。

また、金属微粒子１は基板２４上に固定されていなくても良く、少なくとも一部に透光性を有する容器内に液体を封入して当該液体中に金属微粒子１を分散させても良い。この場合において、各金属微粒子１の内部にコアとして磁界印加部２を設けておく形態を採用する場合、外部から印加された磁界によって磁化の向きが揃う磁性体にて磁界印加部２を形成しておけば、液体中で金属微粒子１が自由に回転しても、金属微粒子１に印加される磁界の向きは一定となる。尚、金属微粒子１の周囲に、特定の物質を吸着するための吸着層をコーティングしておいても良い。

検出器２２は、自身が受光した光の強度を検出する。市販又は公知のフォトディテクタにて検出器２２を形成できる。検出器２２は、少なくとも光源２１の放射光の波長を有する光の強度を検出できれば良い。

次に、光学センサ２００の動作について説明する。図３（ａ）では、基板２４上に金属微粒子１を固定し、検出対象２３を含みうる検体２５としての液体を基板２４上に流す構成を採用している。基板２４を側壁として用いた流路を形成することで当該構成を形成可能である。光源２１の放射光は光学素子１１への入射光ＬＴとして金属微粒子１に照射され、光学素子１１の磁界印加部２（不図示）により金属微粒子１に磁界が印加される。

金属微粒子１の周囲に検出対象２３が存在するか否かによって金属微粒子１の周囲の屈折率が変化する。金属微粒子１で励起される表面プラズモンの波長が、金属微粒子１の周囲の屈折率、即ち検出対象２３の量に依存することを利用し、表面プラズモンが如何なる波長で励起されるのかを検出する、といった光学センサも存在する。これに対し、本実施形態に係る光学センサ２００は、波長ではなく、金属微粒子１による散乱光（反射光でも良い）の進行方向を角度として検出する。上記の式（１）に示されるように、磁界が印加された金属微粒子１では、自由電子の振動方向が、金属微粒子１への印加磁界の強度及び金属微粒子１の周囲の屈折率（即ち誘電率ε_dの平方根）に依存するため、磁界の強度を一定にしておけば、金属微粒子１の周囲の屈折率に依存して散乱光（反射光でも良い）の進行方向が変化する。故に、金属微粒子１の周囲に検出対象２３が存在するか否かによって、或いは、金属微粒子１の周囲の検出対象２３の濃度によって、散乱光の進行方向の変化量が変化する。光学センサ２００は、この変化量を角度差として検出することで、検出対象２３が存在する量（即ち、検出対象２３の濃度）を検出することができる。

図４（ａ）等を参照して、より具体的に説明する。図２（ｂ）と同様、入射光ＬＴとしての光源２１の放射光の進行方向及び偏光方向が夫々Ｚ軸及びＸ軸と平行であるとする。まず、金属微粒子１に磁界を印加しない場合には、図４（ａ）の点線の如く、検出対象２３が金属微粒子１の周囲に存在するか否かに依存せず、光源２１の放射光は直進する。一方、磁界印加部２によりＹ軸に平行な磁界が金属微粒子１に印加されたとき、図４（ｂ）に示す如く、光源２１の放射光は、検出対象２３が周囲にない金属微粒子１によっては角度θ１だけ進行方向が変化し、検出対象２３が周囲に存在する金属微粒子１によっては角度θ２だけ進行方向が変化する（θ１≠θ２）。

光源２１の放射光が金属微粒子１及び検体２５を通過したときに生じる、当該放射光の進行方向の変化量を角度θにて表す。角度θは、光源２１の放射光に対する金属微粒子１の散乱光の角度（即ち、光源２１の放射光の進行方向と金属微粒子１の散乱光の進行方向との角度差）である。検出対象２３が周囲にない金属微粒子１にとってのθはθ１であり、検出対象２３が周囲に存在する金属微粒子１にとってのθはθ２である。検出器２２は、金属微粒子１及び検体２５を介して受光した散乱光の信号に基づき、散乱光の角度θを検出する。光源２１及び検出器２２間に複数の金属微粒子１を設けておくことで、検出器２２は、複数の金属微粒子１についての複数の角度θを検出することができ、複数の角度θの分布を検出することができる。検出器２２は、角度θで進行方向が変化せしめられた光の量（角度θにて散乱された光の、検出器２２における受光量）を、透過率として求めることができる。透過率は反射率であっても良い。図５の破線曲線９２１及び実線曲線９２２は、検出器２２による、透過率の角度θ依存性の測定結果の例である。但し、破線曲線９２１は、磁界印加部２の磁界印加がない場合における透過率の角度θ依存性を示し、実線曲線９２２は、磁界印加部２の磁界印加がある場合における透過率の角度θ依存性を示している。実線曲線９２２では、θ＝θ１にて透過率が極大値Ｐ１をとり、θ＝θ２にて透過率が極大値Ｐ２をとっている。結果、単純には例えば、光学センサ２００は、検体２５における検出対象２３の濃度又は量は“ｋ×Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）”であると算出する（ｋは所定の係数）。仮に、θ＝θ２における透過率が所定値以下である場合（例えば実質的にゼロである場合）、光学センサ２００は、検体２５に検出対象２３が含まれていないと判断する。

光学センサ２００において、検出可能な濃度範囲が定められており、その濃度範囲内において検出対象２３の濃度を検出可能である。金属微粒子１の周囲の屈折率（以下単に屈折率とも言う）は検出対象２３の濃度に依存するため、検出対象２３の濃度検出は屈折率の検出とも言える。光学センサ２００にて屈折率が検出されると考えた場合、上記検出可能な濃度範囲に対応して光学センサ２００にて検出可能な屈折率範囲が定まり、検出可能な最大屈折率が定まる。一般に、検出対象２３が金属微粒子１の近辺に存在すると、金属微粒子１の周囲の屈折率が高くなるため、表面プラズモン共鳴波長は長波長側にシフトする。故に、検出可能な最大屈折率において表面プラズモンが金属微粒子１に励起される波長（即ち、検体２５に検出対象２３が含まれない状態における金属微粒子１の表面プラズモン共鳴波長よりも長い波長）に、光源２１の放射光の波長を設定しておくと良い。これによれば、検出対象２３が金属微粒子１の近辺にあるときに表面プラズモン共鳴が起こり易くなるため、検出対象２３を検出する際における検出強度（角度θ２に対応する光の強度）が高くなり、結果、検出の信号対雑音比が高まる。尚、検出可能な最大屈折率において表面プラズモンが金属微粒子１に励起される波長以外の波長の光が、更に、光源２１の放射光に含まれていても構わない。

検出器２２としてＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いることができる。この場合、検出器２２は、ＣＣＤが受光した散乱光の分布から複数の金属微粒子１についての複数の距離ｄ（図６を参照）を求め、各距離ｄを角度θに換算することで透過率の角度θ依存性を求めればよい。光源２１の放射光が金属微粒子１によって角度θだけ進行方向が変化したとき、光源２１の放射光が直進した状態を基準として、検出器２２へ入射する光はＸ軸方向に距離ｄだけずれる。金属微粒子１及び検出器２２間の距離Ｌを用いれば、散乱光についての距離ｄを角度θに換算可能である。検出器２２において、ＣＣＤの代わりに、複数のフォトディテクタをＸ軸方向に沿ってアレイ状に並べても良いし、角度θ依存性を導出可能な方向に小型のフォトディテクタをスキャンしても良い。このように、距離ｄを角度θに換算する場合、距離Ｌにより、光学センサ２００の全体サイズ及び濃度検出の分解能を決定することができる。

よって、光学センサ２００では、金属微粒子を使った方式でありながら、特許文献１では必要であった白色光などの広範囲波長光の光源や分光器が不要となる。故に、小型且つ簡便で低コストなセンサを形成可能である。また、距離ｄを角度θに換算すればよいから、分解能を距離Ｌで調整可能である。或いは、印加磁界を強くすれば距離Ｌが不変であっても高分解能が実現される。このように、光学センサ２００では、容易に分解能を変更可能であると共に変更時におけるコストアップ等が殆ど無い。

図３（ａ）では、金属微粒子１が基板２４上に固定されているが、金属微粒子１を検出対象２３と共に流路に流しても良い。その場合、金属微粒子１の数が多ければ、１つの金属微粒子１で散乱した光が他の金属微粒子１でも散乱されることがある。結果、複数の散乱効果の総合結果が検出器２２にて観測されることになるため、角度の変化量が大きくはなるが、解析が複雑となりうる。

上述の説明では、印加磁界の強度が一定であることを想定しているが、磁界印加部２は、金属微粒子１に印加する磁界の強度を所定周期にて周期的に変化させても良い。この場合、検出器２２は、金属微粒子１からの散乱光を含む受光した光の信号の内、上記周期に対応する光の信号成分（即ち、上記周期にて強度が変動する光の信号成分）のみを、ロックインアンプ等を用いて検出すると良い。これにより、光学センサ２００の信号対雑音比を高めることができ、検出対象２３の濃度等を高感度で検出することが可能となる。

＜＜第３実施形態＞＞
本発明の第３実施形態を説明する。図７は、第３実施形態に係る光電変換素子３００の概略斜視図である。光電変換素子３００は、裏面電極３１、光学素子１２、ｎ型半導体層３２、ｉ型半導体層３３、ｐ型半導体層３４、表面電極３５及び基板３６から成る。図７では、電極３１及び３５をドットで満たされた領域にて示している（後述の図９でも同様）。第１実施形態における光学素子１０（１０ａ、１０ｂ又は１０ｃ）を光学素子１２として用いることができる。本実施形態で述べる金属微粒子１及び磁界印加部２とは、特に記述なき限り、光学素子１２を形成する金属微粒子１及び磁界印加部２を指す。

ｎ型半導体層３２、ｉ型半導体層３３及びｐ型半導体層３４は、アモルファスシリコン、化合物半導体又は有機半導体で作成された半導体の層であり、ドーピングにより、夫々、ｎ型、ｉ型、ｐ型とされる。層３２は層３３を介して層３４に接合されている。半導体層３２〜３４をまとめたものを光電変換層と呼ぶ。光電変換層は、光電変換層に対する入射光を電気エネルギに変換する（即ち光電変換を行う）。公知の太陽電池又は光検出器の構成を光電変換層に採用することができる。尚、光電変換層からｉ型半導体層３３を割愛することも可能である。

基板３６上に光電変換層が形成される。光を基板３６側から入射させる場合、ガラスなどの透明材料で基板３６を形成することが望ましい。また、光電変換素子３００への入射光を拡散させるためのテクスチャ構造を基板３６に形成しても良い。光電変換素子３００への入射光ＬＴ₃₀₀はＺ軸方向に進行する光を含む。以下では、入射光ＬＴ₃₀₀の内、Ｚ軸方向に進行する光の成分に注目する。光電変換素子３００への入射光ＬＴ₃₀₀は、光電素子１２への入射光ＬＴとしての機能をも持ち、光電変換層だけでなく、光学素子１２の金属微粒子１にも照射される。入射光ＬＴ₃₀₀に対する金属微粒子１の散乱光が光電変換層を通過するように金属微粒子１が光電変換素子３００に組み込まれている。故に、金属微粒子１で散乱された光の少なくとも一部が光電変換層で吸収される。基板３６及び半導体層３２〜３４は、ＸＹ面方向に広がり方向を持つ。ＸＹ面とは、Ｘ軸及びＹ軸に平行な面を指す。

裏面電極３１及び表面電極３５は、光電変換層で発生した電流を取り出すためのものであり、光電変換層を挟むように形成される。電極３１及び３５の内、少なくとも光が入射する側の電極（本実施形態では電極３５）は、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズの酸化物）などの透明導電膜で形成することが望ましい、或いは、透明導電膜上の一部にＡｌ（アルミニウム）やＡｇ（銀）などの配線を付加したものであることを望ましい。また、光電変換層の全面に電極３１及び３５を設けてもよいが、図７のように、光電変換層の一部にのみ電極３１及び３５を設けてもよい。

光電変換素子３００の外側にコイルや磁石を配置することで光学素子１２の磁界印加部２を形成し、光電変換素子３００の外側から磁界印加部２による磁界を印加しても良い。但し 特に光電変換素子３００の面積が相応に大きい場合などにおいては、金属微粒子１の周囲に磁化の向きが揃った強磁性体膜を設けることで磁界印加部２を形成しても良いし、磁化の向きの揃った強磁性体から成る磁性粒子を磁界印加部２として且つ金属微粒子１のコアとして設けても良い。これにより、金属微粒子１に常時磁界を印加することができると共に光電変換素子３００の構成を簡素化することができる。このとき、強磁性体膜又は磁性粒子はＸＹ面内において磁化されていることが好ましい。強磁性体膜で光吸収があると、金属微粒子１で発生する表面プラズモンが弱くなるため、強磁性体膜を透明材料（透明なフェライトなど）で形成しておくことが好ましい。図７の例では、磁界印加部２を強磁性体膜にて形成し、その強磁性体膜中に複数の金属微粒子１を埋め込んだ構成をとっているが、金属微粒子１を強磁性体膜の表面に設置しても良い。磁性粒子を金属微粒子１のコアとして用いる場合には、磁性粒子と金属微粒子１のシェルとの間に誘電体層を設けることが好ましい。

入射光ＬＴ₃₀₀が基板３６側から光電変換素子３００に照射されると、入射光ＬＴ₃₀₀におけるＸＹ面内の偏光成分（即ちＸＹ面内で電場が振動する偏光成分）と磁界印加部２によるＸＹ面内の磁界（即ちＸ軸方向の磁界とＹ軸方向の磁界の一次結合）により、入射光ＬＴ₃₀₀は、入射方向に対して傾いた方向に散乱される。ここにおける散乱の主体は金属微粒子１である。入射光ＬＴ₃₀₀に対する金属微粒子１の散乱光は、裏面電極３１側に向かう散乱光９３１と、基板３６側に向かう散乱光９３２を含む。図７の例では、入射光ＬＴ₃₀₀の光源（不図示）から近い順に、換言すれば、光電変換素子３００への入射光ＬＴ₃₀₀の入射側から順に、基板３６、表面電極３５、光電変換層、磁界印加部２としての強磁性体膜、裏面電極３１が配置され、磁界印加部２としての強磁性体膜中に金属微粒子１が配置されている。即ち、光電変換層は、金属微粒子１よりも光電変換素子３００への入射光ＬＴ₃₀₀の入射側に配置されている（換言すれば、金属微粒子１は、入射光ＬＴ₃₀₀の光源に対し光電変換層よりも遠い位置に配置されている）。従って、散乱光９３１は、裏面電極３１で反射して光電変換層に戻り、散乱光９３２はそのまま光電変換層に戻る。入射光ＬＴ₃₀₀の光源は、任意の発光体（例えば太陽、照明装置）であっても良いし、発光体からの光を反射する反射体（例えば、太陽からの光を反射するミラー）であっても良い。

このように、光電素子１２を含めた光電変換装置３００では、散乱の結果として光の進行方向が光電変換層に対して傾くため（磁界印加部２を持たない構成との比較において、斜めに散乱される光の成分が増えるため）、光電変換層中の光路長が伸びる。故に、光電変換層における光の吸収率を高くでき、エネルギ変換効率を高めることができる。尚、図７では、散乱光９３１及び９３２を破線直線で示しているが、実際の散乱は角度に幅を持つ。散乱光９３１及び９３２を示す破線直線は、この角度の幅の中心を示している。

金属微粒子１と磁界印加部２は、磁界印加部２の磁界が金属微粒子１に印加される限り、互いに離れた位置に配置されていても良い。従って、光電変換層が、金属微粒子１のみ又は光学素子１２全体よりも入射光ＬＴ₃₀₀の入射側に配置されていれば良い（換言すれば、金属微粒子１のみ又は光学素子１２全体が、入射光ＬＴ₃₀₀の光源に対し光電変換層よりも遠い位置に配置されていれば良い）。また、図７の構成とは異なるが、金属微粒子１又は光学素子１２全体が、光電変換層よりも入射光ＬＴ₃₀₀の入射側に配置されていても良い（換言すれば、金属微粒子１のみ又は光学素子１２全体が、入射光ＬＴ₃₀₀の光源に対し光電変換層よりも近い位置に配置されていても良い）。この場合、光電変換層に入射する光を斜めに散乱させるため、光電変換層中の光路長を最も長くすることができ、光の吸収率、即ちエネルギ変換効率を高めることができる。但し、表面プラズモン共鳴波長でない波長の光については、金属微粒子１により光が遮られることになる。一方、図７に示すような金属微粒子１の配置では、光電変換層に入射される光を金属微粒子１で遮ることによるロスがなくなるが、光が金属微粒子１に到達するまでは斜め散乱による効果を発揮できない。

更なる変形構成として、金属微粒子１のみ又は光学素子１２全体を、光電変換層の内部に配置するようにしても良い。これによれば、光電変換を行う部分に金属微粒子１を非常に近接させることができるため、表面プラズモン共鳴による増強した電場を光電変換層で吸収させることができ、この作用によってもエネルギ変換効率の向上が見込める。

次に、裏面電極３１及び表面電極３５の形成位置について説明する。通常、光電変換素子は電圧をかけた状態で利用され、実際、光電変換素子３００でも、電極３１及び３５間に電圧を印加可能である。電極３１及び３５間に電圧を印加したとき、その印加電圧と磁界印加部２の印加磁界とにより、光電変換層内に発生した電荷に対し磁界に直交する方向のローレンツ力が働く。図７では、例えば、磁界印加部２の印加磁界の方向はＹ軸方向であって且つ電極３１及び３５間に印加される電圧の方向はＺ軸方向であるため、光電変換層内に発生した電荷にはＸ軸方向のローレンツ力が働く。

よって、電荷が偏った領域のみに電極を形成しても電流を効率よく取り出すことができる。表面電極３５が形成される領域を光電変換層の入射面の一部とすることで、表面電極３５での入射光の吸収を低減することができる。また、電極の形成材料の減少により材料コストの低減も図られる。

この電極構成について、図８（ａ）及び（ｂ）を参照して更に説明を加えておく。電極３１及び３５は一組の電極（一対の電極）を形成しており、光電変換層は、その一組の電極に挟まれる面９３５及び９３６を有している。面９３５及び９３６はＺ軸方向に法線を持つ面である。面９３５は、面９３６よりも表面電極３５及び入射光ＬＴ₃₀₀の入射側（入射光ＬＴ₃₀₀の光源）に近く、麺９３６は、面９３５よりも裏面電極３１に近い。図７の例では、面９３５と表面電極３５が直接接合されているが、面９３５及び表面電極３５間に、光学素子１２全体又は金属微粒子１が介在しうる。また、図７の例の如く、面９３６及び裏面電極３１間に光学素子１２（又は金属微粒子１のみ）が介在している場合もあるが、面９３６と裏面電極３１が直接接合されていても良い。光電変換層を中心にして考えた場合、表面電極３５は、面９３５の一部領域９３５ａのみを覆うように面９３５の一部領域９３５ａ上に形成される（図８（ｂ）参照）。表面電極３５は、面９３５よりも入射光ＬＴ₃₀₀の入射側に（入射光ＬＴ₃₀₀の光源の近くに）配置される。表面電極３５は、面９３５におけるＹ軸方向の中心線に対し（即ち、磁界印加部２の印加磁界方向に沿った、面９３５の中心線に対し）、印加磁界方向に直交する方向（即ちＸ軸方向）にずれている。つまり、表面電極３５は、磁界印加部２の印加磁界方向の直交方向に偏って形成されると良い。尚、Ｘ軸方向において表面電極３５に隣接する領域（図９の斜線領域）には、所定の誘電体を表面電極３５と同じ膜厚で形成しても良いし、光電変換層と同質の半導体層（図７の例では、ｐ型半導体層）を形成しても良い。

また、表面電極３５と同様に、裏面電極３１の形成領域も偏らせても良い。このとき、電極３１及び３５の内、一方は正の電荷を取り出す電極であり、他方は負の電荷を取り出す電極である。正の電荷と負の電荷とで、作用するローレンツ力の向きは逆であるため、裏面電極３１と表面電極３５を、磁界に直交する互いに異なる方向に偏って形成すれば良い。これにより、電極の形成材料費を更に減少させることができると共に、電流を効率良く取り出すことができる。

裏面電極３１の形成について、以下のようなことが言える。裏面電極３１は、面９３６の一部領域９３６ａのみを覆うように面９３６の一部領域９３６ａ上に形成され（図８（ａ）参照）、面９３６におけるＹ軸方向の中心線に対し（即ち、磁界印加部２の印加磁界方向に沿った、面９３６の中心線に対し）、印加磁界方向に直交する方向（即ちＸ軸方向）にずれている。つまり、裏面電極３１は、表面電極３５と同様、磁界印加部２の印加磁界方向の直交方向に偏って形成されると良い。但し、裏面電極３１と表面電極３５は、磁界印加部２の印加磁界方向に直交する、互いに正反対の向きに偏って形成されている。つまり、Ｘ軸とＹ軸の交点が、面９３５及び９３６の中心を通る、面９３５及び９３６の法線上に位置していると考えた場合、電極３１及び３５の内、一方はＸ軸の負側に配置され、他方はＸ軸の正側に配置される。

光電変換素子３００を、太陽電池として利用することもできるし、光検出器として利用することもできる。

＜＜第４実施形態＞＞
本発明の第４実施形態を説明する。図１０は、第４実施形態に係る光学フィルタ４００の概略構成図である。光学フィルタ４００は、スペーサ層４１と光学素子１３から成る。第１実施形態における光学素子１０（１０ａ、１０ｂ又は１０ｃ）を光学素子１３として用いることができる。本実施形態で述べる金属微粒子１及び磁界印加部２とは、特に記述なき限り、光学素子１３を形成する金属微粒子１及び磁界印加部２を指す。

光学素子１３に対し、Ｚ軸方向に進行する入射光ＬＴ₄₀₀が入射光ＬＴ（図１（ａ）参照）として入射される。入射光ＬＴ₄₀₀の内、特定の波長域の光が、光学素子１３の金属微粒子１により吸収される。その特定の波長域には、金属微粒子１の表面プラズモン共鳴波長が含まれる。光学素子１３は、概ね直方体形状を有しており、光学素子１３の形状としての直方体の２つの面は入射面及び出射面である。入射面及び出射面は、ＸＹ面に平行な、互いに正対する面である。入射面及び出射面の内、入射面の方が入射光ＬＴ₄₀₀の光源（不図示）に対して近い。即ち、入射面は、入射光ＬＴ₄₀₀が入射する側の面である。

スペーサ層４１は、光学素子１３の出射面に接合される樹脂材料などから成る。スペーサ層４１は、光学素子１３において特定の角度で入射光ＬＴ₄₀₀が散乱されることで生じる表面プラズモン共鳴波長の光９４０、即ち、入射光ＬＴ₄₀₀に対する金属微粒子１からの散乱光（表面プラズモン共鳴による散乱光）を吸収し、その散乱光をスペーサ層４１の外に出さないようにする。例えば、特定の角度で散乱された上記光９４０が、スペーサ層４１におけるＹ軸及びＺ軸に平行な側壁で吸収されるように、Ｘ軸方向におけるスペーサ層４１の幅ｗを設定すると共に当該側壁に光９４０を吸収する吸収材を形成しておけばよい。

光学フィルタ４００の外側にコイルや磁石を配置することで光学素子１３の磁界印加部２を形成し、光学フィルタ４００の外側から磁界印加部２による磁界を印加しても良い。但し、金属微粒子１の周囲に磁化の向きが揃った強磁性体膜を設けることで磁界印加部２を形成しても良いし、磁性粒子を磁界印加部２として且つ金属微粒子１のコアとして設けても良い。これにより、金属微粒子１に常時磁界を印加することができると共に光学フィルタ４００の構成を簡素化することができる。このとき、強磁性体膜又は磁性粒子はＸＹ面内において磁化されていることが好ましい。強磁性体膜で光吸収があると、金属微粒子１で発生する表面プラズモンが弱くなるため、強磁性体膜を透明材料（透明なフェライトなど）で形成しておくことが好ましい。図１０の例では、磁界印加部２を磁化の向きの揃った強磁性体膜にて形成し、その強磁性体膜中に複数の金属微粒子１を埋め込んだ構成をとっているが、金属微粒子１を強磁性体膜の表面に設置しても良い。磁化の方向が揃った磁性粒子を金属微粒子１のコアとして用いる場合には、磁性粒子と金属微粒子１のシェルとの間に誘電体層を設けることが好ましい。

入射光ＬＴ₄₀₀の内、表面プラズモン共鳴波長の光以外の光９４１は、光学素子１３及びスペーサ層４１を直進し、光学フィルタ４００の透過光として光学フィルタ４００の外に出射される。入射光ＬＴ₄₀₀の内、表面プラズモンが励起される波長の光は金属微粒子１で部分的に吸収されるが、表面プラズモンが励起される波長の光の一部は散乱光９４０としてスペーサ層４１に向かう。但し、磁界印加部２の印加磁界により、表面プラズモン共鳴波長の光９４０は斜めに伝播するため光学フィルタ４００の透過光とならず、光学フィルタ４００の外には出ない（或いは出にくい）。このため例えば、光学フィルタ４００を透過させたい光の色の補色の光で表面プラズモンが励起されるように、金属微粒子１の材料及び形状並びに金属微粒子１の周囲の屈折率（図１０の例では、磁界印加部２を形成する強磁性体膜の屈折率）を決めておく。そうすると、光学フィルタ４００の透過光のコントラストを上げることが可能となる。

具体的には、不等式「ｗ＜ｈ×ｔａｎθ_K」が満たされるように、Ｚ軸方向における光学フィルタ４００の厚み（即ち、Ｚ軸方向における光学素子１３及びスペーサ層４１の長さの合計）ｈと、上記の幅ｗを設定しておけば良い。散乱光の進行方向は或る程度の分布を持つため、厚みｈが大きくなるほどコントラストは向上するが、その分、材料費や製造費が高くなると共に光学フィルタ４００が大型化する。

図１０の例では、入射光ＬＴ₄₀₀の偏向方向がＸ軸方向であって且つ磁界印加方向がＹ軸方向である。入射光ＬＴ₄₀₀は直線偏光であってよい。元々の入射光ＬＴ₄₀₀が直線偏光でない場合には、偏光板などを用いて入射光ＬＴ₄₀₀を直線偏光にすれば良い。また、直線偏光でない入射光ＬＴ₄₀₀が光学フィルタ４００に入射された場合でも、磁界印加方向に直交する偏光成分に対して光の進行方向を変えることができるので、透過されるべきでない光に関して直進する成分が減少し、コントラストを上げることができる。

＜＜第５実施形態＞＞
本発明の第５実施形態を説明する。図１１は、第５実施形態に係る光学フィルタ群４１０の概略構成図である。図１２は、光学フィルタ群４１０の分解図であり、光学フィルタ群４１０は、光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂから成る。光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂの夫々は、図１０の光学フィルタ４００と同じ構成を有する。光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂにおける光学素子１３を、夫々符号１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂにて表し、光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂにおけるスペーサ層４１を、夫々符号４１Ｒ、４１Ｇ及び４１Ｂにて表す。更に、光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂにとっての入射光ＬＴ₄₀₀（図１０参照）、夫々、記号ＬＴ_R、ＬＴ_G及びＬＴ_Bにて表す。入射光ＬＴ_R、ＬＴ_G及びＬＴ_Bの特性は入射光ＬＴ₄₀₀の特性と同じである。光学フィルタ４００Ｒ及び入射光ＬＴ_R間の関係、光学フィルタ４００Ｇ及び入射光ＬＴ_G間の関係、並びに、光学フィルタ４００Ｂ及び入射光ＬＴ_B間の関係は、光学フィルタ４００及び入射光ＬＴ₄₀₀間の関係と同じである。光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂにおける散乱光９４０（図１０参照）を夫々符号９４０Ｒ、９４０Ｇ及び９４０Ｂにて表し、光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂにおける透過光９４１（図１０参照）を夫々符号９４１Ｒ、９４１Ｇ及び９４１Ｂにて表す。

光学フィルタ群４１０では、表示装置用に、赤、緑及び青の光学フィルタ、即ち、光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂを並列に設けている。光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂを透過させるべき光の色は、夫々、赤、緑及び青である。従って、光学素子１３Ｒの金属微粒子１では赤色の補色の光で表面プラズモンが励起されるように、且つ、光学素子１３Ｇの金属微粒子１では緑色の補色の光で表面プラズモンが励起されるように、且つ、光学素子１３Ｂの金属微粒子１では青色の補色の光で表面プラズモンが励起されるように、光学素子１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂの夫々において、金属微粒子１の材料及び形状並びに金属微粒子１の周囲の屈折率（磁界印加部２を形成する強磁性体膜の屈折率）を決めておく。

すると、入射光ＬＴ_R、ＬＴ_G及びＬＴ_Bの内、表面プラズモン共鳴波長の光以外の光９４１Ｒ、９４１Ｇ及び９４１Ｂは、各光学素子及び各スペーサ層を直進し、光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂの透過光として各光学フィルタの外に出射される。入射光ＬＴ_R、ＬＴ_G及びＬＴ_Bの内、表面プラズモンが励起される波長の光は金属微粒子１で部分的に吸収されるが、表面プラズモンが励起される波長の光の一部は散乱光９４０Ｒ、９４０Ｇ及び９４０Ｂとして各スペーサ層に向かう。但し、磁界印加部２の印加磁界により、表面プラズモン共鳴波長の光９４０Ｒ、９４０Ｇ及び９４０Ｂは斜めに伝播するため各光学フィルタの透過光とならず、各光学フィルタの外には出ない（或いは出にくい）。結果、表面プラズモン共鳴波長の光の色の補色である、赤、緑及び青の光が高コントラストで透過することになる。尚、金属微粒子１を有していても磁界印加部２が備えられていない従来の光学フィルタでは、表面プラズモンが励起される波長の光も、一部は散乱光として光学フィルタを透過することになる（結果、色のコントラストが低くなる）。

図１３に、上記光学フィルタ群４１０を利用した表示装置４３０の概略ブロック図を示す。表示装置４３０は、光源４３１、光学シャッタブロック４３２及び光学フィルタブロック４３３を備える。光学フィルタ群４１０を複数個配列することで光学フィルタブロック４３３を形成してよい。光学シャッタブロック４３２は、ブロック４３２内の光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂに個別に対応する複数の光学シャッタを有し、各々の光学シャッタは、偏向板と液晶素子を組み合わせて形成される。光源４３１は、白色光を放射する。光源４３１の放射光は、光学シャッタブロック４３２に入射し、光学シャッタブロック４３２において各光学フィルタへの入射光ＬＴ_R、ＬＴ_G及びＬＴ_Bの光量が調整された後、光学フィルタブロック４３３内の光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂに入射される。光源４３１の放射光の内、光学フィルタブロック４３３内の光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂの透過光９４１Ｒ、９４１Ｇ及び９４１Ｂ全体で、表示装置４３０の一画素に相当する１つの光学フィルタ群４１０で表示される色が決定する。更に、光学フィルタブロック４３３を構成する複数個の光学フィルタ群４１０が、それぞれに適切な色を表示することにより、所望の映像表示が成される。光学フィルタブロック４３３において、光学素子１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂにおける金属微粒子１の表面プラズモン共鳴波長を、上述の如く、赤色、緑色及び青色の補色の波長に設定しておくことで、三原色を高コントラストで表示することができる。

尚、図１３の表示装置４３０は透過型の表示装置であるが、光学シャッタブロック４３２及び光学フィルタブロック４３３を用いて反射型の表示装置を形成しても良い。反射型の表示装置では、光源４３１は不要であり、太陽光又は照明装置からの照明光が光学フィルタ４００Ｒ、４００Ｇ及び４００Ｂに対する入射光としてスペーサ層４１Ｒ、４１Ｇ及び４１Ｂ側から入射することになる（表示装置４３０の視聴者は表示装置４３０をスペーサ層側から見る）。また、スペーサ層４１Ｒ、４１Ｇ及び４１Ｂを偏光板などの他の部材と共通化して形成しても良い。また、光学フィルタ群４１０又は光学フィルタブロック４３３に、４種類以上の光を個別に透過させる４種類以上の光学フィルタを設けるようにしても良い（４種類以上の光学フィルタの夫々は、光学フィルタ４００と同様の構成を有する）。

＜＜第６実施形態＞＞
本発明の第６実施形態を説明する。図１４は、第６実施形態に係る光回路５００の概略構成図である。光回路５００は、導波路５１〜５３及び光学素子１６から成り、それらを用いて光の伝播を行う。第１実施形態における光学素子１０（１０ａ、１０ｂ又は１０ｃ）を光学素子１６として用いることができる。本実施形態で述べる金属微粒子１及び磁界印加部２とは、特に記述なき限り、光学素子１６を形成する金属微粒子１及び磁界印加部２を指す。

導波路５１〜５３の夫々は、複数の金属微粒子を所定方向に沿って等間隔で配列することで形成される。導波路５１〜５３を形成する各金属微粒子は、金属微粒子１と同様、表面プラズモンを励起可能な金属材料から成る。例えば、非特許文献１に示される方法を用いて各導波路を形成すればよい。導波路５１〜５３及び後述の導波路５４〜５７を含む任意の導波路において、金属微粒子の大きさ（金属微粒子が球である場合、直径）及び隣接する金属微粒子間の間隔は、少なくとも伝播される光の波長以下とされ、表面プラズモン共鳴を利用して光の伝播が成される。各導波路を形成する金属微粒子の形状は球以外の形状（例えば楕円球）でも良い。光回路５００における導波路５１〜５３はあくまで例示であり、重要なことは、互いに異なる方向に金属微粒子を連ねて形成される複数の導波路が光学素子１６により接続されている点である。

図１４の例では、光学素子１６における磁界印加部２が金属微粒子１のコアとして存在しているが、金属微粒子１の周囲に磁化の向きの揃った強磁性体膜を形成するなどの手段を更に併用して磁界印加部２を形成しても良い。

光回路５００では、導波路５１、５２及び５３の各一端が光学素子１６により互いに接続されている。以下、任意の導波路において、複数の金属微粒子が配列されている方向（即ち光の伝播方向）を“導波路の方向”と表現する。導波路５１の方向はＺ軸方向であり、導波路５２の方向はＹ軸に直交し且つＸ軸及びＺ軸の夫々に対して傾いている。つまり、導波路５２において複数の金属微粒子が並ぶ方向は、導波路５１において複数の金属微粒子が並ぶ方向と異なる。導波路５３の方向はＺ軸方向である。

Ｚ軸方向に導波路５１を横波として伝播してきた光ＬＴ₅₀₀は光学素子１６の金属微粒子１に到達する。磁界印加部２はＹ軸方向の磁界を発生する。すると、光学素子１６の金属微粒子１の自由電子における振動成分の内、光ＬＴ₅₀₀のＸＺ面内の偏光成分に対応する振動成分がＸＺ面内で回転する（ＸＺ面とはＸ軸及びＺ軸に平行な面を指す）。結果、光ＬＴ₅₀₀に基づく、導波路５２へと進行する光が現れる。よって、導波路５１を横波として伝播してきた光ＬＴ₅₀₀がＸＺ面内の偏光成分（即ちＸＺ面内で電場が振動する偏光成分）のみを持つ場合、光ＬＴ₅₀₀の進行方向は光学素子１６にて導波路５２の方向に曲げられ、以後、光ＬＴ₅₀₀に基づく光が導波路５２を進行する（この場合、光回路５００から導波路５３を割愛可能である）。導波路５１を横波として伝播してきた光ＬＴ₅₀₀がＸＺ面内の偏光成分とその他の偏光成分を持つ場合、光ＬＴ₅₀₀は、光学素子１６にて導波路５２の方向に進む光と導波路５３の方向に進む光に分波されることになる。何れの場合でも、光は横波として伝播するため、導波路の設計は単純で済む。

複数の導波路を光学素子１６を介して接続し、磁界印加部２による印加磁界の強度を予め適切な強度（複数の導波路間の接続角度に応じた強度）に設定しておけば、複数の導波路（光回路５００における導波路５１及び５２）を自由な角度で接続しても、効率よく光エネルギを伝送することができる。

光回路５００では、導波路５２及び５３が光学素子１６を介して導波路５１を基準とすた２つの分岐路を形成している。このため、光回路５００に、光の分波機能（光エネルギの分配機能）を持たせることが可能となる。光学素子１６の出射光の中に、導波路５２、５３の金属微粒子が並ぶ方向に直交する偏光成分があれば、それぞれ、導波路５２、５３にエネルギが伝送される。印加磁界の強度に依存して、光学素子１６の出射光を占める、導波路５２、５３の金属微粒子が並ぶ方向に直交する偏光成分の割合が変化し、導波路５２、５３の夫々に伝送されるエネルギの割合が変化する。

尚、磁界印加部２を金属微粒子１中のコア又は金属微粒子１の周囲の磁性体にする場合において、導波路中の金属微粒子の材料及び大きさを光学素子１６中の金属微粒子１のそれらと同じにすると、導波路中の金属微粒子と光学素子１６中の金属微粒子１との間で、表面プラズモンの共鳴条件が異なってくる。これは、磁界印加部２の存在によって、金属微粒子１の環境の屈折率が導波路中の金属微粒子のそれと異なってくるからである。故に、導波路中の金属微粒子を別の媒質中に形成するか、或いは、導波路中の金属微粒子の材料又は大きさを光学素子１６中の金属微粒子１の材料又は大きさと相違させることが望ましい。これは、後述の光学素子１７についても同様である。

＜＜第７実施形態＞＞
本発明の第７実施形態を説明する。図１５は、第７実施形態に係る光回路５１０の概略構成図である。光回路５１０は、導波路５４〜５７及び光学素子１７から成り、それらを用いて光の伝播を行う。第１実施形態における光学素子１０（１０ａ、１０ｂ又は１０ｃ）を光学素子１７として用いることができる。本実施形態で述べる金属微粒子１及び磁界印加部２とは、特に記述なき限り、光学素子１７を形成する金属微粒子１及び磁界印加部２を指す。

光回路５１０では、導波路５４〜５７の各一端が光学素子１７により互いに接続されている。導波路５４〜５７の夫々は、上述の導波路５１と同じ構成を有する。但し、導波路５４及び５５の方向はＺ軸方向であり、導波路５６及び５７の方向はＹ軸に直交し且つＸ軸及びＺ軸の夫々に対して傾いている。更に、導波路５６及び５７の方向は互いに異なる。Ｚ軸方向に導波路５４を横波として伝播してきた光ＬＴ₅₁₀は光学素子１７の金属微粒子１に到達する。磁界印加部２はＹ軸方向の磁界を発生する（図１５において、斜線部分が磁界印加部２に相当する）。このため、第６実施形態の光回路５００と同様の光の進行方向変化を光回路５１０にて実現することができる。

但し、光回路５００及び５１０間で導波路の構成が相違することに対応して、光学素子１７は、光学素子１６との比較において２つの相違点を持つ（図１４及び図１５参照）。

光学素子１６との第１の相違点は、光学素子１７の磁界印加部２が金属微粒子１の外部から金属微粒子１に磁界を印加し、印加磁界の強度を変更可能に形成されている点である。光学素子１７では入射した光（即ちＬＴ₅₁₀）の進行方向をＸＺ面内で変化させることができるが、印加磁界の強度を変えれば、その進行方向の変化角度を様々に変更することができる。例えば、磁界印加部２が印加磁界の強度を所定の第１強度にすれば、光ＬＴ₅₁₀の進行方向は部分的に光学素子１７にて導波路５６の方向に曲げられ、磁界印加部２が印加磁界の強度を第１強度よりも大きな所定の第２強度にすれば、光ＬＴ₅₁₀の進行方向は部分的に光学素子１７にて導波路５７の方向に曲げられる。磁界印加部２が印加磁界の強度をゼロにすれば、光ＬＴ₅₁₀の進行方向は曲げられず、光ＬＴ₅₁₀は導波路５５を伝播する。

このように、光学素子１７は、導波路５４を伝搬してきた光を導波路５６又は５７に伝搬させるか否かを制御するスイッチング素子として機能する。伝播方向を次々と変化させることで光のスキャンを実現することもできる。光回路５１０では、導波路５５〜５７が光学素子１７を介して導波路５４を基準とした３つの分岐路を形成していると言える。光回路５１０は、印加磁界の強度に応じた光エネルギを１以上の分岐路に伝送することができる。

光学素子１６との第２の相違点は、光学素子１７が２つの金属微粒子１を備えている点である。２つの金属微粒子１の中心間を通る直線とＺ軸との成す角度がθ_Kとなるように、２つの金属微粒子１をＸＺ面内に配置すれば、光学素子１７において（２×θ_K）までの角度変化（光ＬＴ₅₁₀の進行方向に対する角度変化）を実現可能である。同様にして、（２×θ_K）よりも大きな角度変化を得るべく、光学素子１７に３以上の金属微粒子１を設けても良い。

但し、磁界印加部２が印加磁界の強度を変更可能に形成されている場合、光学素子１７に設けられる金属微粒子１の個数は１であっても良い。金属微粒子１の個数が１であっても、印加磁界の強度変化により、光ＬＴ₅₁₀の進行方向を複数の方向（例えば導波路５６の方向又は導波路５７の方向）の何れかに選択的に変化させることができるからである。

＜＜変形等＞＞
本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本発明の実施形態の例であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。

１ 金属微粒子
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 磁界印加部
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 光学素子
１１、１２、１３、１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ、１６、１７ 光学素子
２００ 光学センサ
２１ 光源
２２ 検出器
２３ 検出対象
３００ 光電変換素子
３１ 裏面電極
３２ ｎ型半導体層
３３ ｉ型半導体層
３４ ｐ型半導体層
３５ 表面電極
４００、４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂ 光学フィルタ
４１ ４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ スペーサ層
４１０ 光学フィルタ群
４３０ 表示装置
５００、５１０ 光回路
５１〜５７ 導波路

Claims (20)

1. 表面プラズモンを励起できる金属材料から成る金属微粒子と、
   前記金属微粒子に磁界を印加する磁界印加部と、を備えた光学素子であって、
   前記磁界は、前記光学素子への入射光の進行方向及び偏光方向の何れにも直交する成分を持つ
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記金属微粒子の表面で接触している媒質が前記金属微粒子の全表面において透光性を持つ
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記金属微粒子の全表面が前記金属材料である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
4. 前記金属微粒子を複数個備える
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光学素子。
5. 前記磁界印加部は、磁性体から成る
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学素子。
6. 前記磁界印加部は、前記金属微粒子の内部に形成された磁性粒子を含む
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光学素子。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の光学素子と、
   前記光学素子の前記金属微粒子において表面プラズモンを励起できる波長の光を含む光を放射可能な光源と、
   前記光源の放射光に基づく光を検出する検出器と、を備え、
   前記光源の放射光は、前記光学素子への入射光として前記光学素子の前記金属微粒子に照射され、
   前記光源及び前記検出器間における前記放射光の通過経路内に、検出対象を含まない又は前記検出対象を含む検体と前記金属微粒子が配置され、
   前記検出器は、前記光源の放射光に対する前記金属微粒子の散乱光の角度を検出する
   ことを特徴とする光学センサ。
8. 前記光学素子における前記磁界印加部は、前記磁界の強度を周期的に変化させ、
   前記検出器は、受光した光の信号の内、前記磁界の強度の変化周期に対応する信号を検出する
   ことを特徴とする請求項７に記載の光学センサ。
9. 前記放射光は、前記検体に前記検出対象が含まれない状態における前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長より長い波長の光を含む
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の光学センサ。
10. 少なくともｐ型半導体及びｎ型半導体を備えた光電変換層と、
    前記光電変換層を挟んで形成される１組の電極と、を備えた光電変換素子であって、
    請求項１〜６の何れかに記載の光学素子を更に備え、
    前記光学素子の前記金属微粒子で散乱された光の少なくとも一部が、前記光電変換層で吸収される
    ことを特徴とする光電変換素子。
11. 前記光学素子のうち少なくとも前記金属微粒子は、前記光電変換層よりも、当該光電変換素子への入射光の入射側に配置される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換素子。
12. 前記光電変換層は、前記光学素子の内の少なくとも前記金属微粒子よりも、当該光電変換素子への入射光の入射側に配置される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換素子。
13. 前記光学素子のうち少なくとも前記金属微粒子は、前記光電変換層の内部に配置される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換素子。
14. 前記１組の電極は第１電極及び第２電極から成り、前記第１電極は前記第２電極よりも当該光電変換素子への入射光の入射側に配置され、
    前記光電変換層は第１及び第２面を有して、前記第１面は前記第２面よりも前記第１電極に近く、前記第２面は前記第１面よりも前記第２電極に近く、
    前記第１電極は、前記第１面の一部領域上に形成されるとともに、前記光学素子の前記磁界印加部による印加磁界方向の直交方向に偏って形成される
    ことを特徴とする請求項１０〜請求項１３の何れかに記載の光電変換素子。
15. 前記第２電極は、前記第２面の一部領域上に形成され、
    前記第１及び第２電極は、前記印加磁界方向に直交する、互いに正反対の向きに偏って形成される
    ことを特徴とする請求項１４に記載の光電変換素子。
16. 請求項１〜６の何れかに記載の光学素子を有し、前記光学素子の前記金属微粒子により特定の波長域の光が吸収される光学フィルタであって、
    前記光学素子の出射側に接合された透明なスペーサ層を備える
    ことを特徴とする光学フィルタ。
17. 請求項１６に記載の光学フィルタを少なくとも３つ備え、各光学フィルタの透過光を用いて表示を成す表示装置であって、
    ３つの光学フィルタの前記光学素子における前記金属微粒子の表面プラズモン共鳴波長は、夫々、赤色、緑色、青色の補色の波長である
    ことを特徴とする表示装置。
18. 請求項１〜６の何れかに記載の光学素子と、
    複数の導波用金属微粒子を並べて形成された導波路を複数備え、
    前記複数の導波路は、前記光学素子を介して接続され、
    前記複数の導波路に含まれる第１及び第２導波路間において前記導波用金属微粒子の並び方向は互いに異なる
    ことを特徴とする光回路。
19. 前記複数の導波路は、前記光学素子を介して分岐路を形成している
    ことを特徴とする請求項１８に記載の光回路。
20. 前記光学素子の前記磁界印加部は、印加磁界の強度を変更可能である
    ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光回路。

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