JP2017157488A - 光学装置、光源装置及び投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属製のナノ構造によるプラズモン増強効果及び配光制御効果を保ちつつ、偏光を制御することもできる光学装置を提供すること。
【解決手段】金属で形成され、２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造１２ａと、複数のナノ構造１２ａを片側から覆うように形成され、励起光源２１により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層１３と、を備え、ナノ構造１２ａにおいて、励起光が入射する入射面に平行な所定の第１方向の長さと、入射面に平行かつ第１方向に垂直な第２方向の長さとは、異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光の照射によって励起光とは異なる波長の光を発する光学装置、かかる光学装置を組み込んだ光源装置、及びかかる光源装置を照明系として有する投影装置に関する。

励起光源と波長変換媒体とを組み合わせた光学装置において、発光体近傍に金属ナノ構造を形成することで、発光強度を強くすると同時に、ナノ構造を設けない場合と比較して光が放射される方向を狭くする光源が公知となっている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。具体的には、特許文献１において、励起光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ（Laser Diode）等が用いられ、波長変換媒体として、蛍光物質、量子ドット等が用いられ、周期アンテナアレイを構成するナノサイズの金属構造として、金、銀、合金等のほか、２つの金属層が用いられている。また、非特許文献１において、ガラス基板上に周期４００ｎｍ、直径１５０ｎｍのＡｌ（アルミニウム）からなるナノメートルサイズの構造を形成し、その上に厚さ６５０ｎｍの発光層を成膜した試料を作製している。特許文献１及び非特許文献１に記載の構成により、光源を構成する後段のレンズでより多くの光を集めて効率的に光を利用できる。

上記のような構造の光学装置を用いることにより、これを組み込んだ波長変換型の光源装置を低エタンデュ（etendue）にできる。かかる光源装置を、例えばプロジェクター又は自動車用ヘッドライトの光源として利用した場合、より狭い角度範囲に光が放出されることから、より小さいレンズで光を集めることが可能となり光学系を小型化できる。また、同じレンズ径で考えた場合は、光利用効率が高いプロジェクター等を実現することができる。

しかしながら、非特許文献１のナノ構造は励起光の入射側から見た形状が対称であるため、波長変換媒体が存在する面内において横方向（すなわちＸ方向）に偏光した光と、縦方向（すなわちＸ方向に垂直なＹ方向）に偏光した光とが同じ強度で出射されることとなる。この光源をプロジェクターに用いる場合において、後段の光学系で偏光ビームスプリッターを用いる場合や、光変調素子として透過型液晶、反射型液晶等の偏光依存性がある素子を用いる場合には、２方向の偏光成分を含む発光した光のうち一方の偏光成分しか利用されず、残りの偏光は損失や迷光となってしまうという問題がある。

ここで、特定の方向に偏光した光を発する光源として、ＬＥＤの上に楕円状の誘電体構造を有する構造（例えば、特許文献２参照）を利用することが考えられる。しかしながら、特許文献２の光源は、ナノ構造の材料に金属を用いておらず、また発光層とナノ構造とが遠いため、プラズモン増強の効果を得ることができない。また、光の出射側にナノ構造を形成しており、この構造をそのまま上述の光源に適用すると、蛍光光が金属ナノ構造で遮光されてしまい、取り出される光が減少してしまうという問題がある。なお、特許文献１の光学装置は、波長変換媒体の極近傍に長方形の金属ナノ構造を有しているが、偏光制御に適した条件を明示しておらず、偏光の制御を積極的に行うことを考慮していない。

特表２０１４−５０８３７９号公報 国際公開第２０１１／０４９０１８号

G. Lozano, et. al., "Plasmonics for solid-state lighting: enhanced excitation and directional emission of highly efficient light sources," Light: Science & Applications (2013) 2, e66; doi:10.1038/lsa.2013.22

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、金属ナノ構造によるプラズモン増強効果及び配光制御効果を保ちつつ、偏光を制御することもできる光学装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記光学装置を組み込んだ光源装置及び投影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学装置は、金属で形成され、２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、複数のナノ構造を片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層と、を備え、ナノ構造において、励起光が入射する入射面に平行な所定の第１方向の長さと、入射面に平行かつ第１方向に垂直な第２方向の長さとは、異なる。なお、波長変換層とは、励起光とは異なる波長の光を発生させる部分であり、一般的には蛍光材料で形成されるが、これに限るものでなく、励起光によって異なる波長の光を発生するものであればよい。

上記光学装置によれば、金属製のナノ構造によって表面プラズモン共鳴の励起を利用して励起光の吸収効率を高め、より高効率に波長が異なる光を得ることができる。さらに、このナノ構造において、入射面に平行な面内の直交する２方向の長さ（大きさ）が異なるため、出射する光の偏光方向を制御することができ、少なくとも一方の偏光を他方の偏光よりも強くすることができる。なお、上記光学装置を備える光源装置と偏光ビームスプリッターとを組み合わせる場合、偏光ビームスプリッターで不要な偏光成分を分離しても、完全に分離されず、意図しない偏光成分が混じり迷光となるが、上記のように偏光方向を制御することで、一方の偏光と他方の偏光とで差が生じるため、その分迷光が減少する。これにより、従来の光学装置に比べて、高効率化を達成できるとともに迷光を減少させることができる。

本発明の具体的な側面によれば、上記光学装置において、ナノ構造の第１方向の長さと第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦−１．２５×Ｄｌ＋２５０ … （４）
この場合、一方の偏光を他方の偏光に比べて十分多く取り出すことができ、かつ強度も下がりすぎないため、十分な光量の所期の偏光を効率良く取り出すことができる。

本発明の別の側面によれば、ナノ構造の第１方向の長さと第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦３０ … （５）
Ｄｌ≦３３０ … （６）
この場合、十分な光量の所期の偏光を効率良く取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、以下の条件式を満足する。
Ｄｌ≦２００ … （６）'

本発明のさらに別の側面によれば、ナノ構造の第１方向の長さと第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦７０ … （５）'
Ｄｌ≦２００ … （６）'
この場合、十分な光量の所期の偏光を効率良く取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、以下の条件式を満足する。
Ｄｓ≦５０ … （５）''

本発明のさらに別の側面によれば、ナノ構造の第１方向の長さと第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦５０ … （５）''
Ｄｌ≦１５０ … （６）''
この場合、一方の偏光を他方の偏光に比べてより多く取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、ナノ構造の入射面に垂直な方向の高さは、２００ｎｍ以下である。この場合、光の吸収を抑えつつ、一方の偏光を他方の偏光に比べて多く取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、ナノ構造の入射面に平行な断面の形状が、円形状である。この場合、ナノ構造の形成を容易にすることができる。また、偏光を取り出す縦横の許容範囲（許容領域）を広くすることができる。なお、円形状とは、楕円形のものに限らず、角がＲ形状を有するのもの等も含む。

本発明のさらに別の側面によれば、ナノ構造の第１方向の長さと第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足する。
３０≦Ｄｓ≦２５０ … （７）
３０≦Ｄｌ≦２５０ … （８）
この場合、値Ｄｓ，Ｄｌを３０ｎｍ以上とすることで、ナノ構造の形成を容易にすることができる。また、値Ｄｓ，Ｄｌを２５０ｎｍ以下とすることで、励起光の入射面内でナノ構造が占める割合が大きくならず、ナノ構造による光の吸収損失を低減することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、以下の条件式を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５０ … （９）
この場合、ナノ構造の形成を容易にすることができ、かつ十分な光量の偏光を取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、金属で形成され、２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、複数のナノ構造を片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層と、を備え、ナノ構造において、励起光が入射する入射面に平行な所定の第１方向の長さと、入射面に平行かつ第１方向に垂直な第２方向の長さとは、異なり、ナノ構造の第１方向と第２方向とにおいて、短い方向に平行な第１偏光の光強度に対する長い方向に平行な第２偏光の光強度の強度比をＲｐとし、基準の光強度に対する第２偏光の光強度の比をＲｉとしたときに、以下の条件式を満足する。
１．３≦Ｒｐ×Ｒｉ … （１０）
ただし、基準の光強度とは、第１方向の長さと第２方向の長さとが等しいナノ構造における、第１偏光又は第２偏光の光強度である。つまり、第１方向と第２方向の長さが等しいため、第１偏光の光強度と第２偏光の光強度は等しい。上記条件式を満足する場合、所望の偏光を効率良く取り出すことができる。

本発明の別の側面によれば、ナノ構造は、基板上に形成された柱状の突起であり、波長変換層は、基板とともに複数のナノ構造を覆う。このようなナノ構造は、比較的簡単かつ低コストな手法によって作製することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、波長変換層は、非散乱性の材料で構成されている。この場合、波長変換層で光が散乱される現象を抑制でき、複数のナノ構造による配光制御を実効的なものとできる。

上記目的を達成するため、本発明に係る光源装置は、上述した光学装置と、光学装置の波長変換層に励起光を照射する励起光源とを備える。

上記光源装置によれば、上述した光学装置を用いているので、金属ナノ構造によって表面プラズモン共鳴の励起を利用して励起光の吸収効率を高め、より高効率に波長が異なる光を得ることができる。また、ナノ構造において、面内の直交する２方向の大きさが異なることにより、光の偏光方向を制御しつつ、外部に効率良く取り出すことができる。これにより、高強度で偏光状態が調整された光を比較的狭い立体角の範囲内に射出させることができ、低エタンデュの光源装置を提供することができる。

本発明の具体的な側面によれば、上記光源装置において、励起光源と光学装置とは、別体として離間して配置される。この場合、励起光源の発熱によって光学装置が加熱されて特性が劣化することを防止できる。

本発明の別の側面によれば、励起光源は、レーザーダイオード及びＬＥＤのいずれかである。高強度の光を効率的に形成するレーザーダイオード又はＬＥＤを用いることにより、小型で効率的な照明が可能になる。

上記目的を達成するため、本発明に係る投影装置は、上述した光源装置と、光源装置によって照明される画像表示素子と、画像表示素子により形成される画像を投影する投影光学系とを備える。

上記投影装置によれば、低エタンデュで高効率の光源装置を用いているので、画像表示素子における光利用効率を高めることができ、小型で明るい投影装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光学装置の一例を説明する概念図である。 （Ａ）は、図１に示す光学装置であって、特に実施例１のナノ構造の一例の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す光学装置の側方断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ｂ）等に示す光学装置の製造方法の一例を説明する図である。 図１に示す光学装置を構成するナノ構造の形状と偏光方向との関係を説明する図である。 比較例１のナノ構造を説明する平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の比較例１に対する強度比を説明する図である。 実施例１の偏光の強度比と、実施例１の比較例１に対する強度比との積を説明する図である。 （Ａ）は、実施例２のナノ構造の一例を説明する平面図であり、（Ｂ）は、比較例２のナノ構造を説明する平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）は、実施例３のナノ構造の一例を説明する平面図であり、（Ｂ）は、比較例３のナノ構造を説明する平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例３の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例４の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例５の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）は、実施例１〜３の偏光の強度比と、比較例に対する強度比との積を説明する図であり、（Ｂ）は、実施例１、４、及び５の偏光の強度比と、比較例に対する強度比との積を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例６の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例７の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例８の光学装置における偏光の強度比を説明する図である。 実施例６〜８の偏光の強度比と、比較例に対する強度比との積を説明する図である。 図１等に示す光学装置を組み込んだ投影装置を説明する図である。 図２０に示す投影装置に組み込まれた発光ホイールを説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図２１等に示す発光ホイールにおけるナノ構造の配列を説明する図である。

〔光学装置の実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る光学装置の具体的な実施形態について説明する。

図１に示す光学装置１０は、入射光に対して波長変換を行う光学素子であり、可視その他の波長域において光透過性を有する平板状の基板１１と、基板１１の表面１１ａ側に２次元的に広がるように形成された金属製のナノ構造アレイ１２と、基板１１上にナノ構造アレイ１２を片側から覆うように形成された波長変換層１３とを備える。本実施形態においては、波長変換層１３を蛍光体で構成した例で説明する。

光学装置１０は、例えば青色波長域の励起光Ｂ１を射出する光源２１によって裏面１１ｂ側から照明される。基板１１は、励起光Ｂ１を透過させて波長変換層１３に導く。波長変換層１３中の蛍光体は、青色波長域の励起光Ｂ１によって励起され、波長変換層１３の表面１３ａからは、励起された蛍光体によって生成された例えば緑色波長域の蛍光光Ｇ１が放射される。その際、ナノ構造アレイ１２によって、蛍光光Ｇ１の発光強度が高められるとともに指向性も高められ、かつ偏光特性を持たせることができる。

光学装置１０において、基板１１は、ナノ構造アレイ１２の支持体であり、例えば石英を研磨等によって平板に加工したものが用いられる。ただし、基板１１は、石英に限らず、サファイア、ガラス、セラミックスその他の無機材料で形成することができ、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）その他の樹脂材料で形成することもできる。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、ナノ構造アレイ１２は、基板１１の表面１１ａに沿って２次元的に配列された複数のナノ構造１２ａからなる。図示の例では、複数のナノ構造１２ａが格子点上にドット状に配置されている。各ナノ構造１２ａは、楕円柱状の外形を有する。ナノ構造１２ａは、例えばアルミニウム等の金属で形成されている。なお、ナノ構造１２ａは、アルミニウムに限らず、金、銀、銅、プラチナ、パラジウム等の貴金属、クロム、ニッケル、インジウム、チタン等の金属、ＴｉＮ等の化合物、それらの合金で形成することもできる。さらに、ナノ構造１２ａは、密着性改善のために、アルミとクロムとを積層したような積層構造とすることもできる。

ナノ構造１２ａは、金属層であるため、励起光Ｂ１の照射によって局在的な表面プラズモン共鳴を発生させる。さらに、複数のナノ構造１２ａを格子点上に配置したナノ構造アレイ１２とすることで、各ナノ構造１２ａで発生する局在的な表面プラズモン共鳴の回折結合によって表面格子共鳴を生じさせることができ、波長変換層１３を効率よく励起することができる。このような表面格子共鳴に対してナノ構造アレイ１２に入射する励起光Ｂ１の結合効率が高ければ、波長変換層１３の励起効率をさらに高めることができる。さらに、ナノ構造アレイ１２は、波長変換層１３で発生する蛍光光Ｇ１に対しての格子共鳴又は回折効果を配慮したものとなっており、基板１１の例えば法線方向ＤＰの狭い角度範囲内に蛍光光Ｇ１を集中して射出させることができる。つまり、ナノ構造アレイ１２により、蛍光光Ｇ１の射出方向の指向性を高める配光制御が可能になる。

ナノ構造１２ａの形状やサイズ、ナノ構造アレイ１２の格子間隔等は、上記のような励起光Ｂ１の結合効率を高め、蛍光光Ｇ１の指向性が所期のものとなるように設定される。その際、励起光Ｂ１及び蛍光光Ｇ１の波長等も重要なパラメーターとなる。

ナノ構造１２ａにおいて、蛍光光Ｇ１に偏光特性を持たせるため、励起光が光学装置１０に入射する際の入射面（具体的には、基板１１の裏面１１ｂに相当）に平行な所定の第１方向（具体的には、Ｘ方向）の長さＴｘと、当該入射面に平行かつ第１方向に垂直な第２方向（具体的には、Ｙ方向）の長さＴｙとは異なるものとなっている。なお、ＸＹ平面は、基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂに平行な面となっている。

光学装置１０は、ナノ構造１２ａの第１方向の長さと第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式の組み合わせ１〜５のいずれかを満足する。なお、長い方向は、通常、ナノ構造１２ａの寸法が最も長くなる方向にとる。

（Ａ）条件式の組み合わせ１
光学装置１０は、以下の条件式（１）〜（４）を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦−１．２５×Ｄｌ＋２５０ … （４）
これらのうち、条件式（１）は、ナノ構造１２ａの長短の比の適正範囲を規定するものであり、条件式（２）は、ナノ構造１２ａの長短の和の適正範囲を規定するものである。上記条件を満たすことにより、一方の偏光を他方の偏光に比べて十分多く取り出すことができ、かつ強度も下がりすぎないため、十分な光量の所期の偏光を効率良く取り出すことができる。

（Ｂ）条件式の組み合わせ２
光学装置１０は、以下の条件式（１）〜（３）、（５）、及び（６）を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦３０ … （５）
Ｄｌ≦３３０ … （６）
この場合、十分な光量の所期の偏光を効率良く取り出すことができる。

上記組み合わせ２において、より好ましくは以下の条件式（６）'を満足する。
Ｄｌ≦２００ … （６）'

（Ｃ）条件式の組み合わせ３
光学装置１０は、以下の条件式（１）〜（３）、（５）'、及び（６）'を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦７０ … （５）'
Ｄｌ≦２００ … （６）'
この場合、十分な光量の所期の偏光を効率良く取り出すことができる。

上記組み合わせ３において、より好ましくは以下の条件式（５）''を満足する。
Ｄｓ≦５０ … （５）''

（Ｄ）条件式の組み合わせ４
光学装置１０は、以下の条件式（１）〜（３）、（５）''、及び（６）''を満足する。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
Ｄｓ≧５ … （３）
Ｄｓ≦５０ … （５）''
Ｄｌ≦１５０ … （６）''
この場合、一方の偏光を他方の偏光に比べてより多く取り出すことができる。

上記組み合わせ４において、より好ましくは以下の条件式（１）'又は（１）''を満足する。
Ｄｓ≦０．６×Ｄｌ … （１）'
Ｄｓ≦０．５×Ｄｌ … （１）''

（Ｅ）条件式の組み合わせ５
光学装置１０は、以下の条件式（７）及び（８）を満足する。
３０≦Ｄｓ≦２５０ … （７）
３０≦Ｄｌ≦２５０ … （８）
この場合、値Ｄｓ，Ｄｌを３０ｎｍ以上とすることで、ナノ構造１２ａの形成を容易にすることができる。また、値Ｄｓ，Ｄｌを２５０ｎｍ以下とすることで、励起光の入射面内でナノ構造１２ａが占める割合が大きくならず、ナノ構造１２ａによる光の吸収損失を低減することができる。

上記組み合わせ５において、条件式（７）及び（８）に加えて、以下の条件式（１）及び（９）を満足することが好ましい。
Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５０ … （９）
この場合、ナノ構造１２ａの形成を容易にすることができ、かつ十分な光量の偏光を取り出すことができる。

ナノ構造１２ａの第１方向と第２方向とにおいて、短い方向に平行な第１偏光の光強度に対する長い方向に平行な第２偏光の光強度の強度比をＲｐとし、基準の光強度に対する第２偏光の光強度の比をＲｉとしたときに、以下の条件式を満足する。
１．３≦Ｒｐ×Ｒｉ … （１０）
ただし、基準の光強度は、第１方向の長さと第２方向の長さとが等しいナノ構造（例えば、真円）における、第１偏光又は第２偏光の光強度である。つまり、第１方向と第２方向の長さが等しいため、第１偏光の光強度と第２偏光の光強度とは等しい。この場合、所望の偏光を効率良く取り出すことができる。

ナノ構造１２ａの入射面に垂直な方向の高さは、２００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、光の吸収を抑えつつ、一方の偏光を他方の偏光に比べて多く取り出すことができる。

ナノ構造アレイ１２におけるナノ構造１２ａの配列パターンは、図２（Ａ）等に例示された正方格子に限らず、矩形格子、三角格子、六角格子、斜方格子等の各種周期パターンとすることができる。ナノ構造１２ａの配列パターンは、上記のような複数種類の周期パターンを組み合わせたものや、準周期構造（又は準結晶）のようなものとすることもできる。この際、励起光Ｂ１及び蛍光光Ｇ１の波長、蛍光光Ｇ１の射出方向及び角度範囲等の用途に応じた仕様を満たすように、配列パターンが設定される。例えば、図示において、ナノ構造１２ａの第１方向の周期Ａｘは、第２方向の周期Ａｙと等しくなっているが、偏光制御に影響のない範囲（例えば、±２％程度）で異なっていてもよい。

ナノ構造１２ａの形状は、図２（Ａ）等に例示された楕円柱に限らず、用途に応じた仕様を満たすような範囲内で、角柱、円錐台、角錐台等の各種形状とすることができる。ナノ構造１２ａの入射面に平行な断面の形状は、上述の柱の形状に応じて、円形状、矩形状、三角形状、菱形状等となる。なお、円形状とは、楕円形のものに限らず、角がＲ形状を有するのもの等も含む。これらの断面形状を有するナノ構造１２ａは、比較的容易に形成することができる。

ナノ構造１２ａは、全体が波長変換層１３内に突出する立体的な構造となっている。このため、非金属誘電体材料で形成されたナノ構造に比べ、プラズモンの効果による蛍光の強度を高めることができるとともに周期構造の回折効果を確保することができ、蛍光光Ｇ１の取出し効率や指向性を十分に高く保つことができる。

波長変換層１３は、励起光を吸収してそれよりも長い波長で発光する材料であればよく、例えば有機蛍光体で形成されるが、無機蛍光体で形成されてもよい。波長変換層１３を有機蛍光体や無機蛍光体で形成する場合、蛍光体そのままで用いることもできるが、通常は有機材料又は無機材料等からなる母材又はバインダー中に蛍光体を分散又は溶解させる。蛍光体としては、例えば、ＢＡＳＦ社製の商品名：ルモゲンＦを用いることができる。この場合、この蛍光体を例えばＵＶ硬化アクリル樹脂に溶かし、スピンコートで塗布して、紫外光で硬化させることで波長変換層を形成できる。波長変換層１３は、量子ドットを含む材料や、半導体から形成することもできる。波長変換層１３については、図示のようにナノ構造アレイ１２と接して配置されることが不可欠ではないが、波長変換層１３がナノ構造アレイ１２から離れると表面プラズモン共鳴の影響を受けにくくなるので、波長変換層１３は、ナノ構造アレイ１２の近傍（具体的には約１００ｎｍ以下）に配置されることが望ましい。

波長変換層１３の屈折率は、基板１１の屈折率と一致させ、あるいは異ならせることができる。波長変換層１３の屈折率を基板１１の屈折率よりも大きくした場合、波長変換層１３内に励起光Ｂ１や蛍光光Ｇ１を閉じ込めるように保持して意図しない方向への射出を抑制することができる。

なお、波長変換層１３は、散乱が極力少ないもの又は非散乱性の材料とすることが好ましい。散乱が強いと、せっかく配光制御された蛍光光が、散乱によってまた等方的な発光になってしまうためである。非散乱性の材料を用いれば、波長変換層１３で蛍光光が散乱される現象を抑制でき、複数のナノ構造１２ａによる配光制御を実効的なものとできる。

以下、図３（Ａ）〜３（Ｄ）を参照して、図２（Ｂ）等に示す光学装置１０の製造方法の一例について説明する。

図３（Ａ）に示すように、予め石英ガラス等からなる平行平板状の基板１１を準備し、基板１１上にＡｌ層１４を成膜する。Ａｌ層１４は、抵抗加熱蒸着、ＥＢ（Electron Beam）蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の手法を用いて成膜することができる。

その後、図３（Ｂ）に示すように、電子線描画、ナノインプリントリソグラフィー等のパターニング技術を用いて、Ａｌ層１４上にレジストパターン層１５を形成する。このレジストパターン層１５は、ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１２ａに対応するナノパターンを有する。

次に、図３（Ｃ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupling Plasma Reactive Ion Etching）、イオンエッチング等のドライエッチング技術を用いて、Ａｌ層１４をエッチングすることで、基板１１上に２次元的に配列された多数のナノ構造１２ａすなわちナノ構造アレイ１２を形成する。

その後、図３（Ｄ）に示すように、スピンコート、スプレー、ゾルゲル法、スパッタリング、ＣＶＤその他の成膜方法を用いて、ナノ構造アレイ１２を形成した基板１１上に波長変換層１３となる蛍光体層を成膜する。これにより、入射光に対して波長変換を行う光学装置１０を作製することができる。

以上で説明した実施形態の光学装置１０によれば、金属製のナノ構造１２ａによって表面プラズモン共鳴の励起を利用して励起光の吸収効率を高め、より高効率に波長が異なる光を得ることができる。さらに、このナノ構造１２ａにおいて、入射面に平行な面内の直交する２方向の長さ（大きさ）が異なるため、出射する光の偏光方向を制御することができ、少なくとも一方の偏光を他方の偏光よりも強くすることができる。なお、上記光学装置１０を備える光源装置と偏光ビームスプリッターとを組み合わせる場合、偏光ビームスプリッターで不要な偏光成分を分離しても、完全に分離されず、意図しない偏光成分が混じり迷光となるが、偏光方向を制御することで、一方の偏光と他方の偏光とで差が生じるため、その分迷光が減少する。これにより、従来の光学装置１０に比べて、高効率化を達成できるとともに迷光を減少させることができる。

〔光学装置の実施例〕
以下、図１等に示す実施形態の光学装置１０をさらに具体化した実施例について説明する。

〔実施例１〕
図２（Ａ）は、実施例１の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状を説明する図ともなっている。ここで、図示の構造は、光学装置１０を構成するナノ構造１２ａの繰返し単位の１つを示しており、図２（Ａ）に示す構造を紙面に沿った横方向（第１方向又はＸ方向）及び縦方向（第２方向又はＹ方向）に繰り返すことによって光学装置１０が構成される。

実施例１の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１５０ｎｍの楕円柱であり、平面視におけるＸ方向の長さＴｘ及びＹ方向の長さＴｙは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの楕円柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

ナノ構造１２ａの形状を変えたときに、どの程度偏光方向による違いが出るかを簡易的に計算した。具体的には、楕円柱のＸ方向の長さとＹ方向の長さを変化させた場合に、外部からＸ方向に偏光した光とＹ方向に偏光した光の２種類の光を入射させときの吸収の強さを計算した。光が強く吸収されるときは、ナノ構造１２ａ及び波長変換層１３の構造と入射した偏光の光とが強く相互作用していることを意味する。図示の光学装置１０では、入射した偏光の方向に強く偏光した光が出てくることを意味する。この場合、周期４００ｎｍのナノ構造１２ａを用いていることから、これより長波長の６３０ｎｍ近傍の赤色波長の光に対して配向制御の効果が生じる。光学装置１０で吸収される光の計算にはＲＣＷＡ（厳密結合波理論、rigorous coupled-wave analysis）法を用い、波長変換層１３の屈折率をｎ＝１．７と仮定した。また、配光制御される蛍光光の波長を６００〜６６０ｎｍとし、ナノ構造１２ａにおける赤色波長域（６００〜６６０ｎｍ）で吸収される光の量のＸ偏光とＹ偏光の強度比、つまり成分比（偏光比）を計算した。Ｘ偏光とＹ偏光の強度比（成分比）は、（長い方の偏光（第１偏光）の光強度／短い方の偏光（第２偏光）の光強度）で計算した。なお、特に言及しなければ、以降の各実施例の光学装置１０の評価方法は、実施例１と同様である。

以下、実施例１のナノ構造１２ａの横断面におけるＸ方向の長さとＹ方向の長さとの適正値について説明する。図４は、ナノ構造１２ａの形状と偏光方向との関係を説明する図である。図４において、横軸はＸ方向の長さであり、縦軸はＹ方向の長さである。図中の矢印は、偏光方向を示す。図示の対角線は、Ｘ方向及びＹ方向の長さが同じ、すなわち真円であり、比較例１となる（図５参照）。対角線より下側は、Ｘ方向の長さがＹ方向の長さより長く、楕円の長軸がＸ方向、短軸がＹ方向となる。また、対角線より上側は、Ｙ方向の長さがＸ方向の長さより長く、楕円の長軸がＹ方向、短軸がＸ方向となる。比較例１の真円の直径は、実施例１のＸ方向及びＹ方向のうち長い方の方向に関する長さとした。つまり、Ｘ方向が長い場合（図４のＡ）、比較例１の真円の直径はＸ方向の長さとし（図４のＢ）、Ｙ方向が長い場合（図４のＣ）、比較例１の真円の直径はＹ方向の長さとした（図４のＤ）。

図６（Ａ）は、実施例１の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしており、その範囲より大きいところが白で表示されている。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。図６（Ｂ）では、偏光の強度比（成分比）が１．３、１．５、２、５、１０、２０の線を示している。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜４００ｎｍの範囲で変化させている。図６（Ｂ）等に示すように、Ｘ方向が長い場合、Ｙ方向の長さが０．０５〜０．１μｍ以下であると成分比が略２の領域内にあり、長い方のＸ方向に偏光制御されていることがわかる。また、Ｙ方向の長さが０．０５μｍ以下であると成分比が略５の領域内にあり、Ｘ方向により偏光制御されていることがわかる。Ｙ方向が長い場合も同様に、Ｘ方向の長さが０．０５〜０．１μｍ以下であると成分比が略２の領域内にあり、長い方のＹ方向に偏光制御されていることがわかる。また、Ｘの長さが０．０５μｍ以下であると成分比が略５の領域内にあり、Ｙ方向により偏光制御されていることがわかる。

図６（Ｂ）等では、条件式の組み合わせ１（条件式（１）〜（４））のみ図示しているが（図６（Ｂ）の網掛け部分）、実施例１の光学装置１０は、条件式の組み合わせ１〜３、及び５を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、真円（比較例１）の光強度に対する実施例１の光強度の強度比を計算した結果である。図７（Ｂ）では、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いており、偏光の強度比が０．５、０．７、０．８、１．０、１．３、１．５の線を示している。

図７（Ａ）及び７（Ｂ）において、白やグレーに近い領域では比較例１に対する強度比が０．５以上であり、比較例１に対してあまり強度が下がっていない。また、比較例１に対する強度比が１以上の部分は、より好ましい領域となっている。一方、上記以外の領域では、比較例１に対する強度比が０．５より小さく、偏光制御がなされていたとしても、強度比が比較例１に対して小さく、あまり好ましい領域ではない。

以上のことから図６（Ｂ）と図７（Ｂ）とで良好な部分が重なった領域が偏光制御もでき、かつ強度比が比較例１に対してさほど低下しない、好ましい領域となる。図８は、実施例１の偏光の成分比の絶対値と、比較例１に対する強度比の絶対値との積の計算結果を示す。図８から、図７（Ｂ）等において比較例１に対する強度比が０．５より小さくても、偏光の成分比が所定以上に大きければ、積の結果としては１以上になる好ましい領域があることがわかる。実施例１の偏光の成分比の絶対値と、比較例１に対する強度比の絶対値との積が１．３以上の場合を好ましい領域とした場合、以下の領域が考えられる。例えば、短い方向の長さＤｓが５（ｎｍ）≦Ｄｓ≦３０（ｎｍ）であれば、他方の長い方向の長さＤｌは３０（ｎｍ）＜Ｄｌ≦４００（ｎｍ）である。また、長い方向の長さＤｌがＤｌ＝１５０（ｎｍ）であれば、他方の短い方向の長さＤｓはＤｓ≦１１０（ｎｍ）（換言すれば１５０（ｎｍ）×０．７５）、望ましくはＤｓ≦９０（ｎｍ）（換言すれば１５０（ｎｍ）×０．６）である。

ナノ構造１２ａでは、２次元周期構造を用いているため、素子面内をＸ方向に伝搬する光とＹ方向に伝搬する光との間に２次元的なブラッグ回折による結合が生じる。その様子を図２（Ａ）に模式的に示す。Ｘ方向に伝搬する光すなわちＹ偏光（図中の矢印Ａ）と、Ｙ方向に伝搬する光すなわちＸ偏光（図中の矢印Ｂ）とは２次元的なブラッグ回折によってお互いに結合する。矢印Ａの成分はＹ偏光であるため、ほとんど上下方向には取り出されず、その結果、伝搬時の減衰が少なく、その一部がＸ偏光の矢印Ｂに回折される。一方、矢印ＢはＸ偏光成分であるため、先に述べたように強く上下方向に取り出され、伝搬とともに強度の減衰がＹ偏光に比べて大きくなる（図中の矢印Ｃ）。Ｘ偏光成分も同様に２次元的なブラッグ回折によってＹ偏光に回折される（図中の矢印Ｄ）が、一部が上下方向に取り出された後であるため、その強度は少ない。その結果、波長変換層１３内部で等方的に発光した光のうち、より多くの光がＸ偏光成分として上下方向に取り出される。これにより、光学装置１０は、ナノ構造が真円形である場合よりもＸ偏光成分を効率的に外部に取り出すことができ、高効率な光源を実現することができる。なお、図２（Ａ）では、簡単化のために＋Ｘ方向に伝搬する成分のみを取り上げているが、−Ｘ方向に伝搬する光に対しても同様の現象が成り立つ。これにより、赤色光で偏光した光を放射する高効率な光源を実現することができる。

〔実施例２〕
図９（Ａ）は、実施例２の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状を説明する拡大平面図である。実施例２の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１５０ｎｍの矩形柱であり、平面視におけるＸ方向の長さ及びＹ方向の長さは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの矩形柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

図１０（Ａ）は、実施例２の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜４００ｎｍの範囲で変化させている。図１０（Ｂ）等に示すように、実施例２の光学装置１０は、条件式の組み合わせ１〜３、及び５を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例３〕
図１１（Ａ）は、実施例３の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状を説明する拡大平面図である。実施例３の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１５０ｎｍの三角柱であり、平面視におけるＸ方向の長さ及びＹ方向の長さは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの三角柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

図１２（Ａ）は、実施例３の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜４００ｎｍの範囲で変化させている。なお、ナノ構造１２ａの断面形状が三角形であるため、図の対角線上でもＸ偏光とＹ偏光は等しくなっていない。図１２（Ｂ）等に示すように、実施例３の光学装置１０は、条件式の組み合わせ１〜３、及び５を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例４〕
実施例４の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状は、図２（Ａ）と同様である。具体的には、実施例４の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１００ｎｍの楕円柱であり、平面視におけるＸ方向の長さ及びＹ方向の長さは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの楕円柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

図１３（Ａ）は、実施例４の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜４００ｎｍの範囲で変化させている。図１３（Ｂ）等に示すように、実施例４の光学装置１０は、条件式の組み合わせ１〜３、及び５を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例５〕
実施例５の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状は、図２（Ａ）と同様である。具体的には、実施例５の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ２００ｎｍの楕円柱であり、平面視におけるＸ方向の長さ及びＹ方向の長さは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの楕円柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

図１４（Ａ）は、実施例５の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜４００ｎｍの範囲で変化させている。図１４（Ｂ）等に示すように、実施例５の光学装置１０は、条件式の組み合わせ１〜３、及び５を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例１〜５の偏光の強度比と比較例に対する強度比〕
図１５（Ａ）は、実施例１〜３の偏光の強度比（成分比）と比較例に対する強度比との積に関して、境界値１．３のみの等高線を示した図である。実線Ｅ１は実施例１を示し、破線Ｅ２は実施例２を示し、点線Ｅ３は実施例３を示す。各実施例１〜３に対する比較例としては、断面形状が、図５、図９（Ｂ）、及び図１１（Ｂ）にそれぞれ示す真円、正方形、正三角形であるナノ構造における偏光強度をそれぞれ用いている。

図１５（Ａ）では、条件式の組み合わせ１を満たす領域を略三角形に広がる網掛けで示している。このように、実施例１〜３は、境界値１．３で条件式の組み合わせ１（つまり、条件式（１）〜（４））を満たし、かつ条件式（１０）を満たすことがわかる。なお、図示を省略するが、他の条件式の組み合わせ２、３、５についても同様である。

図１５（Ｂ）は、実施例１、４、及び５の偏光の強度比（成分比）と比較例に対する強度比との積に関して、境界値１．３のみの等高線を示した図である。実線Ｅ１は実施例１を示し、一点鎖線Ｅ４は実施例４を示し、二点鎖線Ｅ５は実施例５を示す。各実施例１、４、及び５に対する比較例としては、断面形状が真円であるナノ構造における偏光強度を用いている。

図１５（Ｂ）では、条件式の組み合わせ１を満たす領域を網掛けで示している。このように、実施例１、４、及び５は、境界値１．３で条件式の組み合わせ１（つまり、条件式（１）〜（４））を満たし、かつ条件式（１０）を満たす。なお、図示を省略するが、他の条件式の組み合わせ２、３、５についても同様である。

〔実施例６〕
実施例６の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状は、図２（Ａ）と同様である。具体的には、実施例６の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１２６ｎｍの楕円柱であり、平面視におけるＸ方向の長さＴｘ及びＹ方向の長さＴｙは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期３３６ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの楕円柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。実施例６では、周期３３６ｎｍのナノ構造１２ａを用いていることから、これより長波長の５３０ｎｍ近傍の緑色波長の光に対して配向制御の効果が生じる。配光制御される蛍光光の波長を５００〜５６０ｎｍとし、ナノ構造１２ａにおける緑色波長域（５００〜５６０ｎｍ）で吸収される光の量のＸ偏光とＹ偏光の強度比を計算した（実施例７及び８も同様）。

図１６（Ａ）は、実施例６の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜３３０ｎｍの範囲で変化させている。図１６（Ｂ）等に示すように、実施例６の光学装置１０は、条件式の組み合わせ４を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例７〕
実施例７の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状は、図９（Ａ）と同様である。具体的には、実施例７の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１２６ｎｍの矩形柱であり、平面視におけるＸ方向の長さＴｘ及びＹ方向の長さＴｙは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期３３６ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの矩形柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

図１７（Ａ）は、実施例７の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜３３０ｎｍの範囲で変化させている。図１７（Ｂ）等に示すように、実施例７の光学装置１０は、条件式の組み合わせ４を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例８〕
実施例８の光学装置１０の構造、特にナノ構造１２ａの形状は、図１１（Ａ）と同様である。具体的には、実施例８の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１２ａは、高さ１２６ｎｍの三角柱であり、平面視におけるＸ方向の長さＴｘ及びＹ方向の長さＴｙは異なっている。このナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向において周期３３６ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１２ａの三角柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。

図１８（Ａ）は、実施例８の偏光の強度比（すなわちＸ偏光の光強度とＹ偏光の光強度との強度比）を０〜２０の範囲でプロットしたものである。図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に対応しており、偏光の強度比（成分比）を等高線で描いている。ナノ構造１２ａは、Ｘ方向及びＹ方向の長さをそれぞれ０〜３３０ｎｍの範囲で変化させている。図１８（Ｂ）等に示すように、実施例８の光学装置１０は、条件式の組み合わせ４を満たす範囲で強度比が大きくなっており、偏光制御されている。

〔実施例６〜８の偏光の強度比と比較例に対する強度比〕
図１９は、実施例６〜８の偏光の強度比（成分比）と比較例に対する強度比との積に関して、境界値１．３のみの等高線を示した図である。実線Ｅ６は実施例６を示し、破線Ｅ７は実施例７を示し、点線Ｅ８は実施例８を示す。各実施例６〜８に対する比較例としては、断面形状が真円、正方形、正三角形であるナノ構造における偏光強度をそれぞれ用いている。

図１９では、条件式の組み合わせ４を満たす領域を網掛けで示している。このように、実施例６〜８は、境界値１．３で条件式の組み合わせ４を満たし、かつ条件式（１０）を満たす。

〔投影装置及び光源装置の実施形態〕
以下、投影装置の実施形態について説明する。この投影装置は、図１等に示す光学装置を用いた光源装置を組み込んだものである。

図２０は、実施形態の投影装置であるプロジェクター１００を説明する図である。プロジェクター（投影装置）１００は、光源装置２０と、導光装置３０と、画像生成装置５０と、投影光学系６０と、制御装置８０とを備える。

光源装置２０は、青色波長域のレーザ光を射出する光源２１と、光源２１からの射出光を平行光に変換するコリメータレンズ２２と、光源２１の光軸ＳＡ上に配置された発光ホイール２３と、発光ホイール２３を軸ＲＸを中心に回転駆動する回転駆動部２４と、光源２１からの光源光を集光して発光ホイール２３に照射させる第１集光レンズ２５とを備える。なお、発光ホイール２３は、図１等に示す光学装置１０を複数種類組み込んだ複合的光学装置である。

光源２１は、青色波長域、つまり、約４５０ｎｍ波長のレーザ光を射出するレーザーダイオードである。コリメータレンズ２２は、光源２１からの射出光である励起光を平行化することによって細い光線のまま第１集光レンズ２５に入射させる。

第１集光レンズ２５は、発光ホイール２３の表側面近傍に配置され、光源２１からの青色の光源光を集光して発光ホイール２３に照射させる。

図２１に示すように、発光ホイール２３には、赤色波長域の蛍光光が射出される帯状の赤色領域ＡＲ１と、緑色波長域の蛍光光が射出される帯状の緑色領域ＡＲ２と、拡散された青色波長域の光源光が射出される帯状の青色領域ＡＲ３とが周方向に並設されてなる環状照射領域が設けられている。

発光ホイール２３の赤色領域ＡＲ１には、透光性の基板２３ａに形成された開口２３ｂに支持されて光源２１からの射出光を励起光として赤色の蛍光光を発する波長変換素子である赤色発光素子１１Ｒが設けられている。緑色領域ＡＲ２には、透光性の基板２３ａに形成された開口２３ｂに支持されて光源２１からの射出光を励起光として緑色の蛍光光を発する波長変換素子である緑色発光素子１１Ｇが設けられている。また、青色領域ＡＲ３は、基板２３ａに形成された開口２３ｂ及びこれに固定された散乱性の透光板２３ｃにより形成されている。

なお、赤色発光素子１１Ｒや緑色発光素子１１Ｇには、図１等に示す光学装置１０が組み込まれている。具体的には、赤色発光素子１１Ｒには、図１及び図２（Ｂ）等に示す光学装置１０であって透過型で使用されるものが組み込まれ、発光ホイール２３の表面側へ蛍光光を射出する。この際、例えば実施例１のような条件でナノ構造アレイ１２を形成するとともに波長変換層１３の蛍光材料を選定することにより（図６（Ａ）等参照）、青色の励起光下で赤色の蛍光光を得ることができる。緑色発光素子１１Ｇには、図１及び図２（Ｂ）等に示す光学装置１０であって透過型で使用されるものが組み込まれ、発光ホイール２３の表面側へ蛍光光を射出する。この際、例えば実施例６のような条件でナノ構造アレイ１２を形成するとともに波長変換層１３の蛍光材料を選定することにより（図１６（Ａ）等参照）、青色の励起光下で緑色の蛍光光を得ることができる。

発光ホイール２３の赤色領域ＡＲ１及び緑色領域ＡＲ２において、ナノ構造１２ａは、図２２（Ａ）に示すように、発光ホイール２３が回転して励起光のスポット位置に移動した際に、常に所望の方向に配置されている。具体的には、ナノ構造１２ａは、発光ホイール２３の直径方向に対して一定の向きを維持するように、換言すれば、発光ホイール２３の中心（つまり、軸ＲＸ）に対して回転対称に配置されている。図２２（Ａ）の例では、ナノ構造１２ａを発光ホイール２３上に略完全に回転対称に配置しているが、図２２（Ｂ）に示すように、発光ホイール２３内を複数のセグメントに分割して、各セグメント内は完全な格子状（例えば、正方格子等）に配列してもよい。

第１集光レンズ２５による光源光の照射位置に、赤色領域ＡＲ１又は緑色領域ＡＲ２が位置している場合、光源光のほとんどが赤色発光素子１１Ｒ又は緑色発光素子１１Ｇの蛍光体を励起する励起光となり、各色の発光素子１１Ｒ，１１Ｇ（すなわち光学装置１０）は、光軸ＳＡに近い立体角の範囲内に偏光度の高い蛍光光を射出する。

第１集光レンズ２５による光源光の照射位置に、青色領域ＡＲ３が位置している場合、光源光は発光ホイール２３の透光板２３ｃに入射して表面の微細凹凸で拡散された後に透過し、開口２３ｂから発光ホイール２３の裏面側へ比較的小さな発散角で射出される。

導光装置３０は、光源装置２０から射出された光を画像生成装置５０に導光する。導光装置３０は、集光用のレンズ３５と、光源装置２０から射出された照明光の光路を折り曲げるミラー３１と、ミラー３１を経た照明光を均一な強度分布の光線束とする導光ロッド３２と、導光ロッド３２を通過した照明光の発散を抑制する集光レンズ３３とを有する。

画像生成装置５０は、導光装置３０から射出された光を変調して映像光を形成する。画像生成装置５０は、導光装置３０からの照明光から映像光を形成する画像表示素子５１と、画像表示素子５１上において照明光の入射角範囲を一様にするフィールドレンズ５２と、フィールドレンズ５２からの光を画像表示素子５１に導くととともに画像表示素子５１からの光を投影光学系６０に導く偏光ビームスプリッター５３とを備える。ここで、画像表示素子５１は、例えば反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon））であり、シリコンチップの表面に直接回路が形成され対向基板との間に液晶層を挟み込んだものである。画像表示素子５１は、液晶層に対し駆動信号に応じた電圧が画素毎に印加されると、液晶分子の配列を変化させることで照明光を変調し、所望の画像を表示する。偏光ビームスプリッター５３は、一対の直角プリズム５３ａ，５３ｂを貼り合わせたものであり、貼り合わせ面において、一方の直角プリズムの斜面には、光源装置２０側から入射した所定方向の直線偏光を透過させる偏光分離膜からなる偏光分離面５３ｃが形成されている。偏光ビームスプリッター５３は、光源装置２０側から入射した照明光を透過させ、画像表示素子５１に入射させる。また、偏光ビームスプリッター５３は、この画像表示素子５１から射出された変調光を反射させ、投影光学系６０に入射させる。

投影光学系６０は、詳細な説明を省略するが、画像表示素子５１から得られる像を拡大してスクリーンその他の被投影体（不図示）に投影する。投影光学系６０は、複数のレンズ群や反射面からなり、一部のレンズ群を光軸ＳＡ方向に移動させることにより、フォーカシングや変倍を行わせることができる。

制御装置８０は、外部装置から画像データの入力を受けて画像処理を行わせるとともに画像表示素子５１に画像処理後の画像の表示動作を行わせる。これと並行して、制御装置８０は、回転駆動部２４に駆動信号を出力することによって、発光ホイール２３の回転角を画像表示素子５１の表示状態に対応させる。つまり、画像表示素子５１の表示状態が赤色、緑色、及び青色のいずれの画像に対応するものであるかに応じて、光源装置２０からの光源光の照射位置が発光ホイール２３上の対応する色の領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３となるようにする。

なお、本発明の投影装置は、上記実施形態のプロジェクター１００に限定されるものではなく、例えば画像表示素子５１として、反射型液晶デバイスに代えてデジタルマイクロミラーデバイスを用いることができる。この際、偏光ビームスプリッター５３に代えて光路分岐プリズムを用いる。また、反射型液晶デバイスに代えて透過型液晶デバイスを用いることができる。

上記プロジェクター１００では、光源装置２０の発光ホイール２３を蛍光光の取り出しに関して励起光とは反対側に蛍光光を取り出す透過型としているが、発光ホイール２３を反射型として、蛍光光を励起光側に戻すことができる。また、青色光を励起光と兼用させる必要はなく、紫外光から青色光その他の蛍光光を得ることができる。

以上、実施形態に係る光学装置等について説明したが、本発明に係る光学装置等は、上記のものには限られない。例えば、光源にレーザーダイオードを用いたが、ＬＥＤを用いてもよい。

また、上記実施形態において、基板１１は、不透明基板上に光透過性を有する層を介して配置してもよい。また、基板１１上にナノ構造１２ａ、その近傍（１００ｎｍ以下）に波長変換層１３が設けられていればよく、仕様に応じて構成を適宜変更することができる。例えば、基板１１の表面１１ａ側には、ナノ構造アレイ１２の形成を妨げなければ、ナノ構造アレイ１２の下地として、波長変換層１３と同様の蛍光層を設けることもできる。また、基板１１は、光学装置１０に対して裏面１１ｂ側から励起光Ｂ１を入射させる場合、基板１１の裏面１１ｂに励起光Ｂ１を透過させて蛍光光Ｇ１を反射するダイクロイックミラーを形成すると、裏面１１ｂ側への蛍光光Ｇ１の放出を抑制することができ、より高効率化が可能となる。また、ダイクロイックミラーは基板１１の裏面１１ｂ以外に、基板１１とナノ構造アレイ１２の間に形成してもよい。また、透過型の光学装置１０の場合、励起光の入射と反対側の波長変換層１３の表面１３ａ側に、励起光を反射し蛍光光を透過するダイクロイックミラーを形成してもよい。

また、上記実施形態において、光学装置１０を反射型とすれば、光源２１を光学装置１０の表側に配置することも可能である。この場合、波長変換層１３の表面１３ａに励起光を入射させる。これにより、波長変換層１３の表面１３ａからは、上記と同様の蛍光光Ｇ１が放射される。基板１１は、光学装置１０に対して波長変換層１３側から励起光を入射させる場合、光透過性を有しない不透明な材料で形成することができる。表面１３ａ側から励起光を入射させる場合、基板１１の裏面１１ｂに抜ける励起光及び蛍光光は損失になるので、光透過性を有する基板１１の裏面１１ｂに金属又は誘電体ミラーからなる反射層を設け裏面１１ｂへの励起光及び蛍光光の放射を抑制することが好ましい。同様の目的で、反射性の金属基板上に透明誘電体層を形成したものを基板１１とすることができる。あるいは、光透過性を有しない平板上に金属反射層を介して光透過層を設けたものを基板１１とすることもできる。

また、上記実施形態において、波長変換層１３は、励起光とは異なる波長の光を発生させる部分であり、一般的には蛍光材料で形成されるが、これに限るものでなく、励起光によって異なる波長の光を発生するものであればよい。

また、上記実施形態において、ナノ構造１２ａは、金属のみで形成したが、非金属誘電体材料で形成されたコア部と、このコア部の表面に金属材料で形成された被覆部を覆った構成としてもよい。

１０…光学装置、 １１…基板、 １１Ｇ…緑色発光素子、 １１Ｒ…赤色発光素子、 １１ａ…表面、 １１ｂ…裏面、 １２…ナノ構造アレイ、 １２ａ…ナノ構造、 １３…波長変換層、 １３ａ…表面、 １４…Ａｌ層、 １５…レジストパターン層、 ２０…光源装置、 ２１…光源、 ２１…励起光源、 ２２…コリメータレンズ、 ２３…発光ホイール、 ２４…回転駆動部、 ２５…集光レンズ、 ３０…導光装置、 ６０…投影光学系、 ８０…制御装置、 ９０…光源、 １００…プロジェクター、 Ｂ１…励起光、 Ｇ１…蛍光光

Claims (18)

1. 金属で形成され、２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、
   前記複数のナノ構造を片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層と、
   を備え、
   前記ナノ構造において、励起光が入射する入射面に平行な所定の第１方向の長さと、前記入射面に平行かつ前記第１方向に垂直な第２方向の長さとは、異なることを特徴とする光学装置。
2. 前記ナノ構造の前記第１方向の長さと前記第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
   Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
   Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
   Ｄｓ≧５ … （３）
   Ｄｓ≦−１．２５×Ｄｌ＋２５０ … （４）
3. 前記ナノ構造の前記第１方向の長さと前記第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
   Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
   Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
   Ｄｓ≧５ … （３）
   Ｄｓ≦３０ … （５）
   Ｄｌ≦３３０ … （６）
4. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
   Ｄｌ≦２００ … （６）'
5. 前記ナノ構造の前記第１方向の長さと前記第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
   Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
   Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
   Ｄｓ≧５ … （３）
   Ｄｓ≦７０ … （５）'
   Ｄｌ≦２００ … （６）'
6. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
   Ｄｓ≦５０ … （５）''
7. 前記ナノ構造の前記第１方向の長さと前記第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
   Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
   Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５ … （２）
   Ｄｓ≧５ … （３）
   Ｄｓ≦５０ … （５）''
   Ｄｌ≦１５０ … （６）''
8. 前記ナノ構造の前記入射面に垂直な方向の高さは、２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の光学装置。
9. 前記ナノ構造の前記入射面に平行な断面の形状が、円形状であることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載の光学装置。
10. 前記ナノ構造の前記第１方向の長さと前記第２方向の長さのうち、短い方の長さをＤｓ（ｎｍ）とし、長い方の長さをＤｌ（ｎｍ）としたきに、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
    ３０≦Ｄｓ≦２５０ … （７）
    ３０≦Ｄｌ≦２５０ … （８）
11. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
    Ｄｓ≦０．７５×Ｄｌ … （１）
    Ｄｓ≧−Ｄｌ＋２５０ … （９）
12. 金属で形成され、２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、
    前記複数のナノ構造を片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層と、
    を備え、
    前記ナノ構造において、励起光が入射する入射面に平行な所定の第１方向の長さと、前記入射面に平行かつ前記第１方向に垂直な第２方向の長さとは、異なり、
    前記ナノ構造の前記第１方向と前記第２方向とにおいて、短い方向に平行な第１偏光の光強度に対する長い方向に平行な第２偏光の光強度の強度比をＲｐとし、基準の光強度に対する前記第２偏光の光強度の比をＲｉとしたときに、以下の条件式を満足することを特徴とする光学装置。
    １．３≦Ｒｐ×Ｒｉ … （１０）
    ただし、前記基準の光強度とは、前記第１方向の長さと前記第２方向の長さとが等しいナノ構造における、前記第１偏光又は前記第２偏光の光強度である。
13. 前記ナノ構造は、基板上に形成された柱状の突起であり、前記波長変換層は、前記基板とともに前記複数のナノ構造を覆うことを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一項に記載の光学装置。
14. 前記波長変換層は、非散乱性の材料で構成されていることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光学装置。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の光学装置と、
    前記光学装置の前記波長変換層に励起光を照射する励起光源と、
    を備えることを特徴とする光源装置。
16. 前記励起光源と前記光学装置とは、別体として離間して配置されることを特徴とする請求項１５に記載の光源装置。
17. 前記励起光源は、レーザーダイオード及びＬＥＤのいずれかであることを特徴とする請求項１５及び１６のいずれか一項に記載の光源装置。
18. 請求項１５から１７までのいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置によって照明される画像表示素子と、
    前記画像表示素子により形成される画像を投影する投影光学系と、
    を備えることを特徴とする投影装置。

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