JP5737284B2 - 光学素子、光源装置、および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、光源装置、および投射型表示装置に関する。

近年、光源に用いる発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた投射型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）が提案されている。

ＬＥＤプロジェクタでは高輝度な画像表示が求められており、そのためには、光源の発光面積と発散角とで決まるエテンデューを増大させないことが不可欠となる。つまり、光源からの光を投射光として利用するためには、光源の発光面積と発散角との積の値を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にする必要がある。したがって、光変調素子へ光を投射する光学系においては、出射光の指向性を向上させて、光源からの光の利用効率を向上させることが求められる。

一方で、液晶パネルなどの光変調素子を用いて画像表示を行うＬＥＤプロジェクタでは、液晶パネルに偏光依存性があるため、液晶パネルに特定の偏光状態の光を入射させる必要がある。そのため、上記光学系には、ＬＥＤ光源のランダム偏光を特定の偏光状態に変換して出射することも求められる。

このような光学系として、特許文献１には、ＬＥＤ光源のランダム偏光を特定の偏光状態に変換して出射する平面照明装置が開示されている。

この平面照明装置には、導光板の出射側に、金属薄膜を低屈折率透明媒質でサンドイッチした構成の偏光分離膜が設けられている。この偏光分離膜では、高屈折率透明媒質である導光板と低屈折率薄膜との境界で光が全反射するときに生じるエバネッセント光を介して、金属薄膜の表面に表面プラズモンが励起される。このとき、表面プラズモンを励起できるのは、表面プラズモンの伝搬方向に平行な電界成分を有し、かつ表面プラズモンが伝播する界面の両側の媒質の誘電率の分散に応じた入射角度の光のみである。また、出射側を入射側と同じ構成（高屈折率透明媒質と低屈折率薄膜）とすることで、出射側では表面プラズモンの励起過程と逆の過程が発現し、それにより、表面プラズモンを励起する直線偏光を透過して、それ以外の偏光成分を反射させることが可能となる。このように、所定の入射角度で金属層に入射した、表面プラズモンの励起条件を満たす直線偏光のみを透過させることで、指向性を向上させた偏光出射が行われている。

特開２００３−２９５１８３号公報

光源からの光が導光板の一側面から入射する場合、導光板の上面または下面に平行な面をｘｙ平面とすると、その一部は、例えばｘ方向に伝搬する。しかしながら、上述の平面照明装置では、光源から投射された光の利用効率の向上のために、導光板内で角度変換を伴う光の多重反射を行っていることから、一部の光はｘ方向以外の伝搬成分を持つ。そのような光によっても表面プラズモンは励起されるため、表面プラズモンの励起条件を満たす入射角度は、ｚｘ平面内だけでなく、偏光分離膜と直交するｚ軸の回りに無数に存在することになる。これにより、上述の偏光分離膜を透過する光は２次元的な広がりを持ち、結果的に、エテンデューが増大してしまい、光の利用効率を向上させることはできなくなる。

また、導光体内を多重反射する光の伝搬方向がｚｘ平面に平行で、偏光分離膜に対して所定の入射角度で入射する場合は、それにより励起される表面プラズモンの伝搬方向はｘ方向に平行であり、したがって、上述の偏光分離膜を透過する光は、偏光方向がｙ方向に垂直な直線偏光となる。しかしながら、多重反射によって光がｚｘ平面以外、例えばｙｚ平面に平行で、偏光分離膜に対して所定の入射角度で入射する場合、表面プラズモンはｙ方向にも励起される。そのため、上述の偏光分離膜は、ｙ方向に平行な偏光成分も透過させることになり、出射光が直線偏光とならないため、好ましくない。

そこで、本発明は、エテンデューを増大させることなく、光源からのランダム偏光を特定の偏光状態の光に変換して出射することができる光学素子を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の光学素子は、光源から光が入射する導光体であって、第１の面と第１の面に対向する第２の面とを有する導光体と、導光体の第１の面に設けられ、導光体から入射した光のうち、偏光方向が第１の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段と、導光体の第１の面に、表面プラズモン励起手段を介して設けられた金属層と、金属層の、導光体に対向する面とは反対側の面に設けられたカバー層と、を含み、特定の偏光成分によって表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて金属層とカバー層との界面で発生する表面プラズモンから、特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段と、導光体内に設けられ、導光体内を伝搬する光の偏光方向を変換する位相変調層と、を有し、表面プラズモン励起手段は、導光体と金属層との界面に形成された複数の凸部であり、複数の凸部は、それぞれが第１の方向に延び、第１の方向と第１の面内で直交する第２の方向に沿って周期的に配列されている。

以上、本発明によれば、エテンデューを増大させることなく、光源からのランダム偏光を特定の方向の直線偏光の光に変換して出射することができる光学素子を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 図１Ａの光学素子を概略的に示す断面図である。 図１Ａの第１の回折格子の変形例を概略的に示す断面図である。 図１Ａの第１の回折格子の変形例を概略的に示す断面図である。 図１Ａの第１の回折格子の変形例を概略的に示す断面図である。 図１Ａの第１の回折格子の変形例を概略的に示す断面図である。 図１Ａの第１の回折格子の格子定数をＬ＝０．２μｍとしたときの、光の分散関係および表面プラズモンの分散関係の計算結果を示すグラフである。 図１Ａの第１の回折格子の格子定数をＬ＝０．１５μｍとしたときの、光の分散関係および表面プラズモンの分散関係の計算結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態における光学素子を備えた投射型表示装置の構成例を概略的に示す配置図である。 本発明の第２の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態における光学素子を備えた投射型表示装置の構成例を概略的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態における光学素子を備えた投射型表示装置の別の構成例を概略的に示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 図１０Ａの光学素子を概略的に示す側面図である。 本発明の第６の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 図１１Ａの光学素子を概略的に示す断面図である。 本発明の第７の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。 図１２Ａの光学素子を概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１Ａおよび図１Ｂに、本発明の第１の実施形態における光学素子を概略的に示す。図１Ａは、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図１Ｂは、本実施形態の光学素子の概略断面図であって、導光体内部で多重反射しながら伝播する光の伝搬する面での断面を示している。以下の説明では、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、導光体の上面、すなわち光学素子の光の出射面に平行な面をｘｙ平面とし、出射面と直交する方向をｚ方向とする。同様に、入射面をｚｘ平面とし、偏光方向がｙ方向に平行な直線偏光をＴＥ偏光とし、偏光方向がｙ方向に垂直な直線偏光をＴＭ偏光とする。また、実際の光学素子では、個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図示することは困難である。このため、図面では、各層が実際の比率通りには描かれておらず、模式的に示されていることに留意されたい。

本実施形態の光学素子１０は、ＬＥＤ光源１から光が入射する導光体１１を有しており、この導光体１１の上面（第１の面）には、導光体１１から入射した光のうち、ＴＭ偏光を所定の方向に出射する手段が設けられている。この手段は、金属層１２、カバー層１３、第１の回折格子１４、第２の回折格子１５および回折手段１６によって構成されている。導光体１１の下面（第２の面）側には、透過した光に位相差を生じさせることで、光の偏光方向を変換する位相差板（位相変調層）としてのλ／４板１７と、入射した光を拡散反射する拡散体を含む拡散反射層１８と、が設けられている。本実施形態では、λ／４板１７は、導光体１１の下面側に設けられているが、導光体１１内を伝搬する光の偏光方向を変換することができればよく、導光体１１の上面側や中央部分に設けられていてもよい。

導光体１１は、ガラスからなる平板状の部材であり、外周部に配置された固体光源であるＬＥＤ光源１から入射した光が内部を伝搬するようになっている。導光体１１の材質は、ガラスに限定されず、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）といったアクリル樹脂などでもよい。また、図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態では、光学素子１は、ＬＥＤ光源１に対して離れた位置に設置されているが、ＬＥＤ光源１と導光体１１とが接触するように設置されていてもよい。あるいは、外部に設けられたＬＥＤ光源からロッドインテグレータなどの導光手段によってＬＥＤ光が導光体１１に入射するように構成されていてもよい。さらに、図１Ａおよび図１Ｂに示す実施形態では、光源１からのＬＥＤ光が導光体１１に対して平行に入射するようになっているが、ＬＥＤ光は導光体１１に対して傾斜して入射するようになっていてもよい。

導光体１１の上面には、Ａｇからなる金属層１２と、導光体１１と同じ誘電率を有するガラスからなるカバー層１３と、が設けられている。

金属層１２と導光体１１との界面には、ｙ方向（第１の方向）に延びる凸部１４ａがｘ方向（第２の方向）に周期的に複数配列されて構成された第１の回折格子１４が形成されている。この第１の回折格子１４は、導光体１１内を伝搬するランダム偏光のうち、金属層１２へ所定の入射角度で入射する光により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する。これについては、後述する。

金属層１２とカバー層１３との界面には、第１の回折格子１４と同一構造を有する第２の回折格子１５が形成されている。すなわち、第２の回折格子１５の凸部１５ａは、第１の回折格子１４の凸部１４ａと同じ形状を有し、第１の回折格子１４における凸部１４ａの周期と同一周期で、ｘ方向に複数配列されている。この第２の回折格子１５を含む、金属層１２とカバー層１３とは、第１の回折格子１４で発生した表面プラズモンから光を生じさせる光発生手段として機能する。これについても、後述する。

光学素子１０の出射面には、回折手段１６が形成されている。回折手段１６はカバー層１３の上面に形成され、上述の光発生手段から出射する光、すなわちカバー層１３から空気の層へ出射する光を所定の方向に回折している。回折手段１６は、第１および第２の回折格子１４，１５と同様に、ｘ方向に周期的に配列された複数の構造体から構成されており、各構造体は、ｙ方向に延びるように形成されている。

次に、本実施形態の表面プラズモン励起手段である第１の回折格子１４が光から表面プラズモンを励起し、光発生手段である金属層１２、カバー層１３、第２の回折格子１５が表面プラズモンから光を生じさせる原理について説明する。

表面プラズモンは、誘電体と金属との界面を伝搬する電子の疎密波であり、その波数と角周波数の分散関係は、誘電体および金属の誘電率から決定される。この表面プラズモンの分散関係が誘電体中の光の分散関係と一致するとき、すなわち、誘電体中の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなるとき、光によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、通常は、誘電体および金属の界面が平坦な場合においては、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とは一致しない。そのため、光を誘電体から単に金属に入射しただけでは表面プラズモンは励起されない。

金属に入射した光から表面プラズモンを励起するには、光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とが一致するようにすることが必要となる。光の分散関係を変化させる１つの方法が、本実施形態のような、誘電体と金属との界面に回折格子（グレーティング）を設けることである。グレーティング結合法と呼ばれるこの方法によれば、グレーティングに所定の入射角度で光を入射することで、グレーティングによって回折された光の波数と表面プラズモンの波数とが一致し、誘電体と金属との界面に表面プラズモンが励起されることになる。

ところで、上述のように、表面プラズモンは疎密波であるため、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、その方向に平行な電界成分を有する直線偏光である必要がある。上述のグレーティング結合法によれば、グレーティングの配列方向（グレーティングベクトル）に平行な方向において、光の分散関係はグレーティングによって変化を受ける。したがって、表面プラズモンの励起に寄与するのは、グレーティングベクトルに平行な電界成分を有する直線偏光である。その結果、本実施形態のように、導光体１１と金属層１２との界面に、それぞれがｙ方向に延び、ｘ方向に周期的に配列された複数の凸部１４ａからなるグレーティングを構成することで、上記界面に表面プラズモンを励起できる入射光を、ｘ方向に電界成分を有し、グレーティングに対して所定の入射角度である直線偏光に制限することが可能となる。

このように第１の回折格子１４で光から表面プラズモンが励起されると、第２の回折格子１５では、第１の回折格子１４で表面プラズモンが励起されたのと全く逆の過程が発生する。これは、導光体１１とカバー層１３とが同じ誘電率を有していることで、上述した表面プラズモンの分散関係が、第１の回折格子１４と第２の回折格子１５とで等しくなるためである。また、金属層１２を１００ｎｍ程度以下に充分薄くすることで、金属層１２の両端で表面プラズモンのエネルギーの授受が行われる。第２の回折格子１５では、第１の回折格子１４で励起された表面プラズモンと同じ表面プラズモンが発生し、その表面プラズモンから光が生成されて出射されることになる。こうして出射される光は、第１の回折格子１４で表面プラズモンを励起した光と同一の光、すなわちＴＭ偏光であり、出射角度も入射角度と同一である。

このように、本実施形態では、第１の回折格子１４と第２の回折格子１５とを光学的に同じ構成とすることで、第１の回折格子１４に入射したＴＭ偏光を第２の回折格子１５から出射することが可能となる。

本実施形態の第１の回折格子１４によれば、ｘ方向以外の伝搬成分を有する光が入射した場合でも、ｚｘ平面に射影した入射角度が表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、ｘ方向に平行な偏光成分によって表面プラズモンが励起可能となる。この場合にも、表面プラズモンの伝搬方向はｘ方向に制限されるため、表面プラズモンから光発生手段により生成されて出射する光は、ｘ方向に電界成分を有する直線偏光、すなわちＴＭ偏光となる。

次に、図１Ｂを参照して、本実施形態の光学素子１０がＬＥＤ光源１からのランダム偏光をＴＭ偏光に変換して出射する動作について説明する。表面プラズモンの励起に関するｚｘ平面内での以下の説明は、上述したように、ｚｘ平面に垂直な伝搬成分を有する光であっても、ｚｘ平面に射影した成分に対して適用可能であることに留意されたい。

導光体１１の一側面に設けられたＬＥＤ光源１からのランダム偏光は、導光体１１内に入射され、導光体１１内部を伝搬する。導光体１１内部を伝搬するランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たす角度θ_１で金属層１２に入射するＴＭ偏光が、第１の回折格子１４を介して表面プラズモンを励起する（図中矢印Ａ参照）。このとき、第２の回折格子１５では、同じ表面プラズモンが発生し（図中矢印Ｂ参照）、それから光が生成される。このとき生じる光は、導光体１１と金属層１２との界面で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、入射角度と同じ角度θ_１で出射される（図中矢印Ｃ参照）。

一方、上述の励起条件を満たさない光、つまりＴＥ偏光や、例えば角度θ_１よりも大きな入射角度θ_２で金属層１２に入射するＴＭ偏光は、第１の回折格子１４では単に反射あるいは回折されるだけで、表面プラズモンを励起しない。このようなＴＥ偏光やＴＭ偏光は、金属層１２と拡散反射層１８との間で反射を繰り返すことで、λ／４板１７による偏光変換や拡散反射層１８による角度変換が行われる。そして、角度θ_１で金属層に入射するＴＭ偏光になったときに、表面プラズモンを介して光学素子から出射される。

表面プラズモンを励起するＴＭ偏光としては、ｚｘ平面内で多重反射しながら＋ｘ方向に伝搬して入射角度θ_１で金属層１２に入射する場合と、ｚｘ平面内で多重反射しながら−ｘ方向に伝搬して入射角度−θ_１で入射する場合との２つの場合がある。そのため、金属層１２を透過してカバー層１３に到達するＴＭ偏光もそれぞれ異なる出射方向となる（図中矢印Ｃ，Ｃ’参照）。この出射方向の異なる光は、カバー層１３の出射面に形成された回折手段１６によって回折されて、所定の方向（本実施形態では出射面に垂直な方向、図中矢印Ｄ，Ｄ’参照）に出射されることになる。

本実施形態の回折手段１６は、第１および第２の回折格子１４，１５と同一構造を有しているが、これは、上述したように、第２の回折格子１５から２つの出射角度θ_１，−θ_１で出射する光を所定の方向に回折するためである。そのため、本実施形態の回折手段は、ｙ方向に延びた構造体がｘ方向に周期的に配列されていれば、第１および第２の回折格子と同一構造を有している必要はない。構造体の形状や構造体間の間隔は、回折手段への入射角度や所望する出射角度に応じて適宜変更可能である。

また、本実施形態では、位相差板として、単一のλ／４板が設けられているが、他の種類の位相差板が複数組み合わせて設けられていてもよい。

光によって表面プラズモンを励起するグレーティングにおいて、光の分散関係を変化させるパラメータは格子定数（ピッチ）である。そのため、グレーティングの構成は、図１Ａおよび図１Ｂに示す構成に限定されない。したがって、本実施形態の第１の回折格子１４を構成する凸部の断面形状は、さまざまに変更可能である。

図２Ａから図２Ｄは、本実施形態の第１の回折格子のいくつかの変形例を示す断面図であり、ｙ方向と直交する方向での断面形状を示している。

図２Ａに示す矩形の断面形状は、図１Ｂに示す光学素子１０に形成されている回折格子１４，１５の断面を示したものである。これ以外の可能な断面形状としては、階段形状（図２Ｂ参照）、正弦波形状（図２Ｃ参照）や二等辺三角形（図２Ｄ参照）などが挙げられる。図２Ｂに示す階段状の断面では、そのステップ数を増やすことで一次回折の回折効率を向上させることができる。例えば４段のステップの場合、その回折効率は８１％となる。したがって、効率の観点からは、導光体１１と金属層１２との界面に設ける回折格子としては、その断面形状が正弦波状であることが最も好ましい。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら、光学素子の光の利用効率が最大になるとともに、１次回折によってのみ表面プラズモンを励起することができる、グレーティングの最適なピッチを設定するための計算結果について説明する。

上述のように、表面プラズモンの分散関係は、誘電体と金属との誘電率によって決定される。そのため、表面プラズモンを励起するグレーティングの条件や、そのときの光の入射角度は、特に選択する金属の材料によって大きく変化する。したがって、ここでは、誘電体としてはガラスを用い、金属としてはＡｇを用いた場合の計算結果について説明する。Ａｇは、赤色光、緑色光、および青色光の周波数帯域よりもプラズマ周波数が高く、表面プラズモンの励起条件を満たす以外の光を高効率で反射することから光利用効率を高くできる金属である。

計算は、ｚｘ平面でのグレーティング結合法に基づいて行った。すなわち、図１Ｂに示す第１の回折格子１４に対して、凸部１４ａ間の間隔、すなわち第１の回折格子１４の格子定数（ピッチ）を変化させたときの、導光体１１と金属層１２との界面における、ｘ方向に平行な表面プラズモンと光の分散関係を計算した。この場合、金属層１２（Ａｇ）の誘電率は、Ｄｒｕｄｅ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルに従うとした。

図３Ａは、第１の回折格子１４の格子定数をＬ＝０．２μｍとしたときの、表面プラズモンおよび光の分散関係の計算結果である。横軸は波数で、縦軸は角周波数である。また、図には、赤色光（波長λ＝６３０ｎｍ）、緑色光（λ＝５３０ｎｍ）、青色光（λ＝４５０ｎｍ）に対応する角周波数をそれぞれ示している。

図３Ａおよび図３Ｂの陰影部分は、導光体内をｘ方向に伝搬する光が金属層に０°＜θ_１＜９０°の入射角度で入射するときの、光の分散関係の取り得る範囲を示している。これに対して、実線（太線）は、１次回折によって励起される表面プラズモンの分散関係を示している。したがって、この実線と陰影部分とが交わる領域があれば、その領域に相当するエネルギーの光によって、１次回折で表面プラズモンが励起可能ということになる。図３Ａでは、表面プラズモンの分散関係を示す実線が、赤色光（λ＝６３０ｎｍ）、緑色光（λ＝５３０ｎｍ）、および青色光（λ＝４６０ｎｍ）の領域で、陰影部分と交わっている。このことは、グレーティングのピッチがＬ＝０．２μｍの場合には、赤色光、緑色光、および青色光のすべての入射光の１次回折で表面プラズモンを励起できることを意味している。

図３Ｂは、第１の回折格子１４の格子定数をＬ＝０．１５μｍとしたときの、表面プラズモンおよび光の分散関係の計算結果である。この場合、１次回折によって励起される表面プラズモンの分散関係は、青色光の領域でのみ陰影部分と交わることになる。したがって、Ｌ＝０．１５μｍのグレーティングでは、青色光のみが１次回折で表面プラズモンを励起できる。したがって、上記の条件の場合、グレーティングのピッチをそれぞれ、赤色光および緑色光では０．２μｍ以上、青色光では０．１５μｍ以上にすることで、１次回折を利用して、光で表面プラズモンを励起することができる。

一方、グレーティングのピッチを大きくしていくと、２次以上の回折でも表面プラズモンが励起されるようになり、さらに大きくしていくと、２次以上の回折によってのみ表面プラズモンが励起され、１次回折では表面プラズモンを励起できなくなる。したがって、グレーティングのピッチは、１次回折で表面プラズモンが励起される範囲、すなわち、入射光が赤色光では０．２μｍ≦Ｌ≦４．２μｍ、緑色光では０．２μｍ≦Ｌ≦３．５μｍ、青色光では０．１５μｍ≦Ｌ≦３．０μｍの範囲にあることが好ましい。さらには、グレーティングのピッチは、１次回折のみで表面プラズモンが励起される範囲、すなわち、入射光が赤色光では０．２μｍ≦Ｌ≦４．２μｍ、緑色光では０．２μｍ≦Ｌ≦３．５μｍ、青色光では０．１５μｍ≦Ｌ≦３．０μｍの範囲にあることがより好ましい。これは、２次以上の回折によって表面プラズモンが励起されると、表面プラズモンが複数のモードをもち、金属層の出射面側においても表面プラズモンのモードに応じて複数の方向へ発生する光が生じてしまうためである。つまり、そのような光学素子をプロジェクタの光学系に組み込んだ場合、放射角が広くなり、光の利用効率が低下するためである。したがって、２次以上の回折による励起を含む場合には、グレーティングの形状を正弦波状に近づけることで、１次回折の回折効率を１００％とし、２次以上の回折の回折効率を０％とすることが必要となる。グレーティングのピッチＬと表面プラズモンを励起する光の入射角度θ_１との関係は、赤色光ではＬ＝０．３５μｍのときθ_１＝６°、緑色光ではＬ＝０．３μｍのときθ_１＝４°、青色光ではＬ＝０．２５μｍのときθ_１＝７°となる。

金属としては例えばＡｌやＡｕも用いることもできるが、その場合、１次回折で表面プラズモンを励起できる範囲は、以下の通りである。すなわち、Ａｌの場合、入射光が赤色光では０．２５μｍ≦Ｌ≦０．４μｍ、緑色光では０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、青色光では０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍであり、Ａｕの場合、入射光が赤色光では０．２μｍ≦Ｌ≦０．３５μｍ、緑色光では０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、青色光では０．１５μｍ≦Ｌ≦０．２５μｍである。

次に、図４を参照しながら、本実施形態の光学素子を備えた投射型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）について説明する。

図４は、本実施形態のＬＥＤプロジェクタにおける光学系の構成を概略的に示す配置図である。

本実施形態のＬＥＤプロジェクタ１００は、それぞれ赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、および青色光（Ｂ）の光源装置を有し、各光源装置は、ＬＥＤ光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂと、本実施形態の光学素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、を備えている。また、ＬＥＤプロジェクタ１００は、光学素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから出射した各色光を画像情報に応じて変調する液晶パネル（光変調素子）１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを有している。液晶パネル１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの出射側には、液晶パネル１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂによって変調された各色光を合成して射出するクロスダイクロイックプリズム１０３が設けられている。クロスダイクロイックプリズム１０３で合成された光は、投射光学系１０４によってスクリーン１０５へと投射される。

本実施形態の光学素子１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを備えたＬＥＤプロジェクタ１００によれば、ＬＥＤ光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂからのランダム偏光を、高指向性のＴＭ偏光に変換して、各液晶パネル１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂに入射することが可能となる。これにより、光学系における光利用効率を高め、高輝度化なＬＥＤプロジェクタを実現することが可能となる。

本実施形態では、導光体１１内を多重反射する光の角度を変換するために拡散反射層１８を用いているが、拡散反射層１８を用いずに、導光体１１の下面を上面に対して平行でなく傾斜させてもよい。あるいは、導光体１１の下面側の形状を、第１の回折格子のグレーティングベクトルに沿った方向に周期的な鋸歯形状としてもよい。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。

本実施形態の光学素子２０は、第１の実施形態の光学素子１０に対して、光発生手段の構成を変更した変形例である。光発生手段としての機能は、第１の実施形態と同様であるが、光発生手段が、金属層２２およびカバー層２３と、これらの界面に挿入された低屈折率層２９とから構成されている点で、第１の実施形態と異なっている。すなわち、本実施形態では、金属層２２とカバー層２３との界面に、第１の実施形態の第２の回折格子１５の代わりに、カバー層２３の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率層２９が設けられている。これ以外の構成については、第１の実施形態と同様である。本実施形態を含め、以下に示す各実施形態において、第１の実施形態と同じ部材については各図面に同じ符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の、金属層２２、カバー層２３、低屈折率層２９からなる光発生手段では、いわゆるオット光学配置が実現されており、表面プラズモンと光とを結合させて、表面プラズモンから光を生じさせる方法として、全反射減衰（ＡＴＲ）法が用いられている。ＡＴＲ法によれば、誘電体と低屈折率層との界面で光が全反射するときに、その界面にはエバネッセント光が発生し、このエバネッセント光によって、低屈折率層と金属との界面に表面プラズモンが励起される。したがって、本実施形態では、第１の回折格子１４で表面プラズモンが励起されると、金属層２２と低屈折率層２９との界面に同じ表面プラズモンが誘起される。その表面プラズモンから、低屈折率層２９とカバー層２３との界面に発生するエバネッセント光を介して、光が生成され、カバー層２３へと放射されることになる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。

本実施形態は、第２の実施形態と同様に、第１の実施形態に対して、光発生手段の構成を変更した変形例であり、金属層３２およびカバー層３３の構成が上述の実施形態とは異なっている。

本実施形態の光学素子３０では、カバー層３３が、導光体１１の屈折率よりも小さい屈折率を有するとともに、金属層３２が、カバー層３３の膜厚よりも極めて小さい膜厚を有している。このようにして構成される、金属層３２、カバー層３３からなる光発生手段は、いわゆるクレッチマン光学配置を実現しており、第２の実施形態と同様に、ＡＴＲ法を利用して、表面プラズモンから光を生じさせている。すなわち、第１の回折格子１４での表面プラズモンと結合して、金属層３２とカバー層３３との界面に誘起された表面プラズモンから、その界面に発生するエバネッセント光を介して、光が生成される。

［第４の実施形態］
次に、図７から図９を参照して、本発明の第４の実施形態における光学素子について説明する。

本実施形態は、上述の実施形態に対して、カバー層の出射側の構成を変更した変形例である。ここでは、本実施形態を第１の実施形態に対する変形例として説明するが、本実施形態は、第２および第３の実施形態に対しても適用可能である。

図７は、本実施形態における光学素子を概略的に示す斜視図である。図８は、本実施形態の光学素子に対するＬＥＤ光源の設置例を概略的に示す配置図である。図９は、本実施形態の光学素子を備えたＬＥＤプロジェクタの光学系の構成例を概略的に示す斜視図である。

本実施形態の光学素子４０では、第１の実施形態の、複数の構造体からなる回折手段１６の代わりに、多重ホログラムを含む回折手段４６がカバー層４３の出射面側に設置されている。この多重ホログラムは、赤色光、青色光、および緑色光に対応する多数のホログラムが積層されて構成されている。これにより、図８に示すように、一つの光学素子４０に対して、その周囲に異なる色光のＬＥＤ光源４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂを多数配置することも可能となる。

また、本実施形態の光学素子４０を用いることで、図９に示すように、複数のＬＥＤ光源２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂに対して、それぞれ１つの光学素子４０および液晶パネル２０２を備えたＬＥＤプロジェクタ２００を構成することができる。このＬＥＤプロジェクタ２００は、図４に示す第１の実施形態のＬＥＤプロジェクタ１００と比べて、クロスダイクロイックプリズムを設ける必要がないため、さらなる小型化を実現することが可能となる。

本実施形態のＬＥＤプロジェクタ２００では、液晶パネル２０２の代わりに、反射型のデジタルミラーデバイスなどを用いることも可能である。

［第５の実施形態］
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の第５の実施形態における光学素子を概略的に示す図である。図１０Ａが、本実施形態の光学素子の概略斜視図であり、図１０Ｂが、本実施形態の光学素子を光源方向から見た概略平面図である。

本実施形態は、上述の実施形態の光学素子に対して、上面および下面を除いた側面を覆うように拡散反射手段を追加して設けた変形例である。この拡散反射手段は、上述したすべての実施形態に適用可能である。図１０Ａおよび図１０Ｂには、複数の構造体からなる回折手段を備えた第１の実施形態の光学素子１０に対して適用した構成例を示している。

本実施形態の拡散反射手段５５には、ＬＥＤ光源１に対向する位置に入射口５５ａが設けられている。そこから導光体内部に導入された光は、拡散反射手段５５によって、導光体の下面だけでなく、側面でも拡散反射することになる。それにより、導光体内部の光が無駄なく表面プラズモン励起手段に入射することで、本実施形態の光学素子５０では、光源からのランダム偏光を効率良くＴＭ偏光に変換して出射することが可能となる。

［第６の実施形態］
図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の第６の実施形態における光学素子を概略的に示す図である。図１１Ａが、本実施形態の光学素子の概略斜視図であり、図１１Ｂが、本実施形態の光学素子をｙ方向から見た概略断面図である。

本実施形態は、第５の実施形態と同様に、導光体内部での光の反射に関する変形例であり、本実施形態で行う変更は、上述のすべての実施形態に対して適用可能である。

本実施形態の光学素子６０では、導光体６１は、光の伝搬方向（ｘ方向）に向かって厚さが薄くなるように、下面が上面に対して傾斜している。それに応じて、本実施形態では、導光体６１の下面で光を反射させる手段として、上述の実施形態の拡散反射層の代わりに、鏡面反射層６８が設けられている。以下に、図１１Ｂを参照して、これらの構成による光の反射について説明する。

金属層１２との界面で、表面プラズモンを励起可能な入射角度θ_１よりも大きな反射角度θ_３で反射したＴＥ偏光は、同様の入射角度θ_３で鏡面反射層６８に入射する。このとき、導光体６１が傾斜角度φ_１で傾斜していることから、鏡面反射層６８による反射後の光は、鏡面反射層６８の法線方向に対して角度θ_３−φ_１をなして導光体６１内に戻される。すなわち、λ／４板１７を２度通過したことでＴＭ偏光に変換された光は、金属層１２に対して角度θ_３−２φ_１で入射する。この角度θ_３−２φ_１が表面プラズモンを励起可能な入射角度θ_１に一致するとき、導光体６１と金属層１２との界面で表面プラズモンが励起される。

図１１Ａおよび図１１Ｂに示す光学素子６０は、ＬＥＤ光源１を導光体６１の厚みが厚い側（図で見て左側）に設置するように構成されているが、その逆であってもよく、すなわち導光体６１の厚みの薄い側（図で見て右側）から光を導入するようになっていてもよい。

また、本実施形態の光学素子６０では、導光体下面の鏡面反射層の代わりに、上述の実施形態の拡散反射層が設けられていてよく、その場合には、導光体の側面に、第５の実施形態の拡散反射手段が設けられていてもよい。

一方で、本実施形態では、導光体内部を伝搬する光の反射角度を変化させるために、導光体の下面を傾斜させているが、この代わりに、第１の実施形態のような上面と平行な下面に、鋸歯状の反射手段を設けることもできる。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態における光学素子は、第１の実施形態における第１および第２の回折格子の構成を変更した変形例である。本実施形態の光学素子は、この変更に伴い、後述するように、第１の実施形態の光学素子に設けられていた回折手段を設ける必要がなくなるため、第１の実施形態と比べて有利となる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、本実施形態の光学素子を概略的に示す図であり、図１２Ａは概略斜視図、図１２Ｂは、ｙ方向から見た概略断面図である。

本実施形態の光学素子７０では、各回折格子７４，７５の凸部７４ａ，７５ａが、ｙ方向から見て、鋸歯状の断面形状を有している。このような第１の回折格子７４に対して、ｚｘ平面内で多重反射しながら＋ｘ方向に伝搬して入射角度θ_１で入射する光と、ｚｘ平面内で多重反射しながら−ｘ方向に伝搬して入射角度−θ_１で入射する光とでは、回折による分散関係の変化は、もはや等価ではなくなる。すなわち、本実施形態では、第１の回折格子７４での回折によって、＋ｘ方向に伝搬して入射角度θ_１で入射した光の分散関係のみが表面プラズモンの分散関係と一致することになる。したがって、表面プラズモンを介して金属層１２を透過できる光は、金属層１２へ入射角度θ_１で入射した光のみとなる。

このとき、金属層１２との界面で表面プラズモンを励起できる入射角度θ_１は、上述したように、金属層１２の誘電率や各回折格子７４，７５のピッチによって変更可能である。したがって、上記パラメータを調節し、金属層１２を透過できる光の入射角度θ_１をカバー層７３の全反射角度よりも小さくすることで、カバー層７３の出射側に回折手段を設けることなく、所定の方向に出射する光を取り出すことが可能となる。

本実施形態における回折格子の凸部は、ｙ方向と直交する断面において、凸部の頂点を通りｚ方向に平行な線に対して非対称であればよく、階段状であってもよい。

また、第１の実施形態に対して、第２から第６の実施形態において行った変更を、本実施形態にも適用可能であることに留意されたい。

以上、実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態および実施例に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１０年３月３０曰に出願された日本出願特願２０１０−０７７７９４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１，４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ，１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ，２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂ ＬＥＤ光源
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 光学素子
１１，６１，７１ 導光体
１２，２２，３２ 金属層
１３，２３，３３，４３，７３ カバー層
１４，７４ 第１の回折格子
１４ａ，７４ａ 凸部
１５，７５ 第２の回折格子
１６，４６ 回折手段
１７ λ／４板
１８ 拡散反射層
２９ 低屈折率層
５５ 拡散反射手段
５５ａ 入射口
６８ 鏡面反射層
１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂ，２０２ 液晶パネル
１００，２００ ＬＥＤプロジェクタ
１０４，２０４ 投射光学系

Claims (30)

1. 光源から光が入射する導光体であって、第１の面と該第１の面に対向する第２の面とを有する導光体と、
   前記導光体の前記第１の面に設けられ、前記導光体から入射した光のうち、偏光方向が前記第１の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段と、
   前記導光体の前記第１の面に、前記表面プラズモン励起手段を介して設けられた金属層と、該金属層の、前記導光体に対向する面とは反対側の面に設けられたカバー層と、を含み、前記特定の偏光成分によって前記表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて前記金属層と前記カバー層との界面で発生する表面プラズモンから、前記特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段と、
   前記導光体内に設けられ、前記導光体内を伝搬する光の偏光方向を変換する位相変調層と、
   を有し、
   前記表面プラズモン励起手段は、前記導光体と前記金属層との界面に形成された複数の凸部であり、該複数の凸部は、それぞれが前記第１の方向に延び、該第１の方向と前記第１の面内で直交する第２の方向に沿って周期的に配列されている、
   光学素子。
2. 前記光発生手段が、前記カバー層と前記金属層との界面に、前記表面プラズモン励起手段と同一の構造を有し、前記カバー層が、前記導光体の誘電率と同じ誘電率を有する、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記光発生手段が、前記カバー層と前記金属層との界面に挿入され、前記カバー層の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率層を含む、請求項１に記載の光学素子。
4. 前記カバー層が、前記導光体の屈折率よりも小さい屈折率を有し、前記金属層が、前記カバー層の膜厚よりも小さい膜厚を有する、請求項１に記載の光学素子。
5. 前記金属層がＡｇを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記表面プラズモン励起手段が、赤色光の前記特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記複数の凸部の前記第２の方向の周期が、０．２μｍ〜４．２μｍの範囲にある、請求項５に記載の光学素子。
7. 前記表面プラズモン励起手段が、緑色光の前記特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記複数の凸部の前記第２の方向の周期が、０．２μｍ〜３．５μｍの範囲にある、請求項５に記載の光学素子。
8. 前記表面プラズモン励起手段が、青色光の前記特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記複数の凸部の前記第２の方向の周期が、０．１５μｍ〜３．０μｍの範囲にある、請求項５に記載の光学素子。
9. 前記金属層がＡｕまたはＡｌを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
10. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面において、前記凸部の頂点を通り前記第２の方向と直交する線に対して対称である、請求項１から９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面が矩形状である、請求項１０に記載の光学素子
12. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面が階段状である、請求項１０に記載の光学素子
13. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面が正弦波状である、請求項１０に記載の光学素子
14. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面が二等辺三角形である、請求項１０に記載の光学素子
15. 前記カバー層内を伝播する光を前記第１の方向及び前記第２の方向と交差する所定の方向に回折して出射する回折手段を有する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の光学素子。
    
16. 前記回折手段が、前記カバー層の出射面に形成された複数の構造体であって、前記各構造体が前記第１の方向に延び、前記第２の方向に沿って周期的に配列された複数の構造体である、請求項１５に記載の光学素子。
17. 前記回折手段が、ホログラムである、請求項１５に記載の光学素子。
18. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面において、前記凸部の頂点を通り前記第２の方向と直交する線に対して非対称である、請求項１から９のいずれか１項に記載の光学素子。
19. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面が鋸歯状である、請求項１８に記載の光学素子。
20. 前記表面プラズモン励起手段の前記凸部は、前記第１の方向と直交する断面が階段状である、請求項１８に記載の光学素子。
21. 前記導光体の前記第２の面が、前記第１の面に対して傾斜している、請求項１から２０のいずれか１項に記載の光学素子。
22. 前記導光体の前記第２の面は、前記第１の方向と直交する断面が、鋸歯状である、請求項１から２０のいずれか１項に記載の光学素子
23. 前記導光体の前記第２の面に設けられた反射層を有する、請求項１から２２のいずれか１項に記載の光学素子。
24. 前記反射層が、入射した光を拡散反射する拡散体を含む、請求項２３に記載の光学素子。
25. 前記位相変調層が、前記導光体と前記反射層との間に挿入されている、請求項２３から２４のいずれか１項に記載の光学素子。
26. 前記導光体の、前記第１の面と前記第２の面とを除く他の面を覆うように設けられ、前記導光体に光を入射するための入射口を有する反射手段をさらに有する、請求項２３から２５のいずれか１項に記載の光学素子。
27. 前記位相変調層が、透過した光に位相差を付与する位相差板である、請求項１から２６のいずれか１項に記載の光学素子。
28. 請求項１から２７のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記導光体の外周部に配置された前記光源と、を備えた光源装置。
29. 前記光源が固体光源である、請求項２８に記載の光源装置。
30. 請求項２８または２９に記載の光源装置と、画像信号に応じて前記光源装置から出射される光を変調する光変調素子と、該光変調素子によって変調された光を投射する投射光学系と、を備えた投射型表示装置。

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