JP7400246B2 - 波長変換素子、光源装置および表示装置 - Google Patents

波長変換素子、光源装置および表示装置 Download PDF

Info

Publication number
JP7400246B2
JP7400246B2 JP2019139950A JP2019139950A JP7400246B2 JP 7400246 B2 JP7400246 B2 JP 7400246B2 JP 2019139950 A JP2019139950 A JP 2019139950A JP 2019139950 A JP2019139950 A JP 2019139950A JP 7400246 B2 JP7400246 B2 JP 7400246B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wavelength
light
dielectric
conversion element
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019139950A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2021021906A (ja
Inventor
隼人 松木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2019139950A priority Critical patent/JP7400246B2/ja
Priority to US16/942,557 priority patent/US11249227B2/en
Publication of JP2021021906A publication Critical patent/JP2021021906A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7400246B2 publication Critical patent/JP7400246B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G03B21/204—LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0549—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising spectrum splitting means, e.g. dichroic mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/508—Wavelength conversion elements having a non-uniform spatial arrangement or non-uniform concentration, e.g. patterned wavelength conversion layer, wavelength conversion layer with a concentration gradient of the wavelength conversion material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0087—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for illuminating phosphorescent or fluorescent materials, e.g. using optical arrangements specifically adapted for guiding or shaping laser beams illuminating these materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0608—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by light, e.g. optical switch
    • H01S5/0609—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by light, e.g. optical switch acting on an absorbing region, e.g. wavelength convertors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置および表示装置に関する。
波長変換素子は、入射した励起光を励起光の波長帯とは異なる波長帯の光に変換する光学素子であり、例えばプロジェクター等の表示装置の光源として用いられている。下記の特許文献１に、蛍光体プレートを含む波長変換体と、波長変換体上に形成された複数の金属アンテナからなるアンテナアレイと、を備えた波長変換装置が開示されている。
特開２０１８－１３６８８号公報
特許文献１には、各金属アンテナに光が照射されると、金属アンテナ表面での局在表面プラズモン共鳴により金属アンテナ近傍の電場強度が増大し、波長変換光が増幅されるとともに、狭角の配光分布となってアンテナアレイから射出される、と記載されている。
しかしながら、特許文献１の構成では、金属アンテナのみによってプラズモン共鳴の誘起と光の放射角の制御との双方を実現しているため、互いが制約を受け、波長選択と放射角制御との自由度が少ないという課題があった。
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の波長変換素子は、入射面と射出面とを有し、前記入射面から入射された第１波長帯の一次光を波長変換して前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の二次光を生成し、前記二次光を前記射出面から射出する波長変換体と、前記波長変換体の極近傍に設けられ、互いの距離が前記波長変換体における前記二次光の光学波長程度の距離で離間するように配置された複数の金属アンテナを含む金属アンテナ群と、前記波長変換体の前記射出面に対向して設けられ、複数の誘電体アンテナを含む誘電体アンテナ群と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記金属アンテナ群は、前記複数の金属アンテナが同一平面上に格子状に配列された構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記誘電体アンテナ群は、前記複数の誘電体アンテナが同一平面上に格子状に配列された構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記金属アンテナ群と前記誘電体アンテナ群とは、前記波長変換体の前記射出面に対向して同層上に設けられていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記金属アンテナ群を覆う誘電体層をさらに備えていてもよく、前記誘電体アンテナ群は、前記誘電体層を挟んで前記金属アンテナ群と対向して設けられていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換体の前記入射面に対向して設けられ、前記一次光を透過させ、前記二次光を反射させる第１ダイクロイックミラーをさらに備えていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換体の前記射出面に対向して設けられ、前記二次光を透過させ、前記一次光を反射させる第２ダイクロイックミラーをさらに備えていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換体の前記入射面および前記射出面とは異なる面に設けられた光反射層または光吸収層をさらに備えていてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記一次光を前記波長変換素子に射出する光源と、を備える。
本発明の一つの態様の表示装置は、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、を備える。
第１実施形態の波長変換素子の斜視図である。 波長変換素子の平面図である。 図２のIII－III線に沿う波長変換素子の断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 第１変形例の波長変換素子の断面図である。 第２変形例の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子の断面図である。 第４実施形態の波長変換素子の平面図である。 第３変形例の波長変換素子の断面図である。 第４変形例の波長変換素子の断面図である。 金属アンテナの他の例を示す平面図である。 金属アンテナのさらに他の例を示す平面図である。 金属アンテナのさらに他の例を示す平面図である。 金属アンテナのさらに他の例を示す平面図である。 金属アンテナのさらに他の例を示す平面図である。 金属アンテナのさらに他の例を示す平面図である。 金属アンテナのさらに他の例を示す平面図である。 第５実施形態の波長変換素子の平面図である。 第６実施形態の波長変換素子の断面図である。 光源装置の概略構成図である。 プロジェクターの概略構成図である。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１～図３を用いて説明する。
図１は、第１実施形態の波長変換素子２０の斜視図である。図２は、波長変換素子２０の平面図である。図３は、図２のIII－III線に沿う波長変換素子２０の断面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図１～図３に示すように、本実施形態の波長変換素子２０は、波長変換体２１と、第１誘電体層２２と、金属アンテナアレイ２３（金属アンテナ群）と、誘電体アンテナアレイ２４（誘電体アンテナ群）と、光反射層２５と、を備えている。なお、後述するように、光反射層２５は、光吸収層であってもよい。
本明細書においては、複数のアンテナの全体をまとめてアンテナ群と称する。また、アンテナ群のうち、特に複数のアンテナが同一平面上に規則的に配列されたアンテナ群をアンテナアレイと称する。
波長変換体２１は、入射面２１ａと、射出面２１ｂと、４つの側面２１ｃと、を有し、射出面２１ｂの法線方向から見て、矩形状に形成されている。波長変換体２１は、入射面２１ａから入射された第１波長帯の一次光Ｌ１を波長変換して第１波長帯とは異なる第２波長帯の二次光Ｌ２を生成し、二次光Ｌ２を射出面２１ｂから射出する。一次光Ｌ１は、例えば４４０～４５０ｎｍの青色波長帯（第１波長帯）の光である。以下、射出面２１ｂの法線方向から見た場合を平面視と称する。
波長変換体２１は、例えば賦活剤としてセリウムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）等の無機蛍光体から構成されている。ＹＡＧ：Ｃｅからなる波長変換体２１は、一次光Ｌ１の一部を例えば４９０～７５０ｎｍの黄色波長帯（第２波長帯）の二次光Ｌ２に波長変換し、二次光Ｌ２を射出面２１ｂから射出する。このとき、二次光Ｌ２に波長変換されなかった一次光Ｌ１の他の一部の光Ｌ１１は、二次光Ｌ２とともに射出面２１ｂから射出される。
波長変換体２１は、ＹＡＧ：Ｃｅ等の無機蛍光体の他、例えばルモゲン、ローダミン６Ｇなどの有機蛍光色素を母材内に溶解させて薄膜化させた有機蛍光体で構成されていてもよい。その場合、有機蛍光色素の母材には、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、アクリル樹脂などが使用できる。
金属アンテナアレイ２３は、波長変換体２１の極近傍に設けられている。なお、「波長変換体２１の極近傍」とは、波長変換体２１から１０ｎｍ以上のギャップを隔て、かつ、波長変換体２１との間のギャップが１０００ｎｍ以下であることと定義する。ギャップは、１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、ギャップを構成する材料として、後述する誘電体アンテナ２４１と同様の材料を用いることができる。ギャップを構成する材料の屈折率は、波長変換体２１を基準として±０．３以内であることが好ましい。本実施形態の場合、図３に示すように、金属アンテナアレイ２３は、波長変換体２１の射出面２１ｂ上に第１誘電体層２２を介して設けられている。第１誘電体層２２の厚さは、例えば２０ｎｍである。
また、金属アンテナアレイ２３は、波長変換体２１の極近傍に設けられており、波長変換体２１に直接接触していないことが必要である。その理由は、金属アンテナアレイ２３が波長変換体２１に直接接触すると、金属アンテナ２３１の近傍で共鳴誘起している表面プラズモンポラリトンのエネルギーが波長変換体２１に流れ、表面プラズモンポラリトンが失活するからである。
誘電体アンテナアレイ２４は、波長変換体２１の射出面２１ｂに対向して設けられている。本実施形態の場合、誘電体アンテナアレイ２４は、金属アンテナアレイ２３と同様、波長変換体２１の射出面２１ｂ上に第１誘電体層２２を介して設けられている。すなわち、金属アンテナアレイ２３と誘電体アンテナアレイ２４とは、波長変換体２１の射出面２１ｂに対向して同層上に設けられている。
金属アンテナアレイ２３は、互いの距離が波長変換体２１における二次光Ｌ２の光学波長程度の距離で離間するように配置された複数の金属アンテナ２３１を有している。すなわち、金属アンテナアレイ２３は、複数の金属アンテナ２３１が同一平面上に格子状に配列された構成を有している。金属アンテナ２３１間の距離、すなわち、金属アンテナアレイ２３の周期Ｐ１は、図２に示すように、波長変換体２１の一辺に平行な方向（図２の左右方向または上下方向）に並ぶ２つの金属アンテナ２３１間の距離と定義する。また、波長変換体２１における二次光Ｌ２の光学波長は、以下の（１）式で定義される。
光学波長＝二次光の波長／波長変換体の屈折率 …（１）
本明細書において、波長変換体２１における二次光Ｌ２の光学波長程度とは、例えば波長変換体２１における蛍光体の発光波長帯に±５０ｎｍを加えた波長帯域のことを言う。なお、金属アンテナアレイ２３の周期Ｐ２は、斜め方向に並ぶ２つの金属アンテナ２３１間の距離と定義してもよい。
一方、誘電体アンテナアレイ２４は、二次光Ｌ２を所望の回折角で回折させるピッチで配列された複数の誘電体アンテナ２４１を有している。すなわち、誘電体アンテナアレイ２４は、複数の誘電体アンテナ２４１が同一平面上に格子状に配列された構成を有している。
図２に示すように、本実施形態の場合、複数の金属アンテナ２３１と複数の誘電体アンテナ２４１とは、全体として正方格子状に配列されている。すなわち、図２の最上行のアンテナを左から右に向かってみると、左端に金属アンテナ２３１が配置され、その後、誘電体アンテナ２４１、金属アンテナ２３１、誘電体アンテナ２４１、…というように、金属アンテナ２３１と誘電体アンテナ２４１とが交互に配列されている。次に、図２の上から２行目のアンテナを左から右に向かってみると、左端に誘電体アンテナ２４１が配置され、その後、金属アンテナ２３１、誘電体アンテナ２４１、金属アンテナ２３１…というように、誘電体アンテナ２４１と金属アンテナ２３１とが交互に配列されている。
複数の金属アンテナ２３１の各々、および複数の誘電体アンテナ２４１の各々は、図１に示すように、柱状、錐状、錐台状などの波長変換体２１から突出する立体構造を有している。本実施形態の場合、金属アンテナ２３１および誘電体アンテナ２４１は、ともに円柱状である。また、各アンテナを平面視すると、金属アンテナ２３１および誘電体アンテナ２４１の平面形状は、粒形、円形、楕円形、多角形、輪形、線形、多角形などの種々の形状を採用することができる。また、金属アンテナ２３１の形状と誘電体アンテナ２４１の形状とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。複数の金属アンテナ２３１および複数の誘電体アンテナ２４１の配列は、周期性を有する。周期は、一定の比率で伸縮していてもよく、フラクタル構造を含む。
金属アンテナ２３１については、金属アンテナ２３１の最大幅をＷ１とし、金属アンテナ２３１の高さをｈとすると、最大幅ｗ１と高さｈとは、以下の（２）式の関係を満たす。
０．０５≦（ｈ／ｗ１）≦２ …（２）
ただし、金属アンテナ２３１の最大幅ｗ１は、１００ｎｍ以上である。
なお、誘電体アンテナ２４１は、所望の波長を有する二次光Ｌ２を回折するように放射角が設定されるため、（２）式の関係に拘束されることはない。
金属アンテナ２３１の構成材料には、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等が使用でき、これらの合金であってもよい。金属アンテナ２３１の構成材料は、使用する二次光Ｌ２の波長に対してプラズマ周波数(吸収)を持つ金属であれば、上記以外の材料であってもよい。
誘電体アンテナ２４１の構成材料としては、例えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＬｉＮｂＯ３、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４などの誘電体多層膜として使用される、可視域の光に対して透明な物質のいずれかが使用できる。または、上記の材料の積層体であってもよいし、混合体であってもよい。
光反射層２５は、波長変換体２１の入射面２１ａおよび射出面２１ｂとは異なる面、具体的には、波長変換体２１の４つの側面２１ｃに設けられている。光反射層２５は、波長変換体２１の側面２１ｃに成膜された金属膜、誘電体多層膜、微細構造体などで構成することができる。なお、光反射層２５に代えて、波長変換体２１の４つの側面２１ｃに、光吸収層が設けられていてもよい。光吸収層は、波長変換体２１の側面２１ｃに成膜された金属膜、誘電体多層膜などで構成することができる。
以下、上記構成の波長変換素子２０の作用について説明する。
上述したように、波長変換素子２０に一次光Ｌ１が入射されると、波長変換体２１が一次光Ｌ１を波長変換して二次光Ｌ２を生成する。このとき、二次光Ｌ２と、二次光Ｌ２に波長変換されなかった一次光の一部の光Ｌ１１とが、波長変換体２１の射出面２１ｂから射出される。
このとき、金属アンテナアレイ２３の各金属アンテナ２３１に二次光Ｌ２が入射すると、金属アンテナ２３１の表面で局在表面プラズモン共鳴が生じ、金属アンテナ２３１の近傍の電場強度が増大する。ここで、金属アンテナアレイ２３の周期が二次光Ｌ２の光学波長程度に設定されているため、隣接する金属アンテナ２３１の局在表面プラズモン共鳴が光回折を介した共振を起こし、更なる電場強度の増大が生じる。その結果、二次光Ｌ２が増強され、二次光の光取り出し効率が向上する。
また、誘電体アンテナアレイ２４は、周期的に配列された複数の誘電体アンテナ２４１から構成されているため、回折格子として機能する。したがって、誘電体アンテナアレイ２４に二次光Ｌ２が入射すると、二次光Ｌ２は、所定の回折角で回折し、誘電体アンテナアレイ２４から所定の放射角をもって射出される。誘電体アンテナアレイ２４のピッチをｄとし、二次光Ｌ２の回折角をθｍとし、二次光Ｌ２の入射角をθ０とし、二次光Ｌ２の波長をλとすると、回折角θｍは下記の（３）式から求められる。
ｄ（sinθｍ－sinθ０）＝ｍλ …（３）
ただし、ｍは、回折光の次数（正または負の整数）である。
本実施形態の波長変換素子２０は、金属アンテナアレイ２３と誘電体アンテナアレイ２４とを備え、金属アンテナアレイ２３が二次光Ｌ２の増強を担い、誘電体アンテナアレイ２４が放射角の制御を担うというように、金属アンテナアレイ２３と誘電体アンテナアレイ２４とで機能が分担されている。また、誘電体アンテナ２４１の形状や寸法、ピッチ等を、金属アンテナ２３１が必要とする形状や寸法、ピッチ等の制約に縛られることなく、設定することができる。これにより、波長選択と放射角制御との自由度が高い波長変換素子２０を実現することができる。
また、本実施形態の場合、金属アンテナアレイ２３と誘電体アンテナアレイ２４とが同層上に設けられているため、構成が簡略で、薄型の波長変換素子２０を提供することができる。
また、本実施形態の場合、波長変換体２１の側面２１ｃに光反射層２５が設けられているため、光反射層２５がない場合には波長変換体２１の側面２１ｃから射出されてしまう二次光Ｌ２を波長変換体２１に戻すことができ、射出面２１ｂからの二次光Ｌ２の取り出し効率を高めることができる。
また、波長変換体２１の側面２１ｃに光吸収層が設けられた場合には、波長変換体２１の側面２１ｃから射出された二次光Ｌ２が光源装置の筐体内で迷光となり、ノイズを発生させるおそれを少なくすることができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
第２実施形態の波長変換素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、アンテナアレイの配置が第１実施形態と異なる。そのため、波長変換素子の全体の説明は省略する。
図４は、第２実施形態の波長変換素子３０の断面図である。
図４において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の波長変換素子３０は、波長変換体２１と、第１誘電体層２２と、金属アンテナアレイ３３と、第２誘電体層３５と、誘電体アンテナアレイ３４と、光反射層２５と、を備えている。このように、波長変換素子３０は、金属アンテナアレイ３３を覆う第２誘電体層３５をさらに備えている。本実施形態の第２誘電体層３５は、特許請求の範囲の誘電体層に対応する。
本実施形態において、金属アンテナアレイ３３は、第１実施形態と同様、波長変換体２１の射出面２１ｂ上に第１誘電体層２２を介して設けられている。
また、金属アンテナアレイ３３を覆うように第２誘電体層３５が設けられ、金属アンテナ３３１による凹凸は第２誘電体層３５に埋め込まれることによって平坦化されている。
誘電体アンテナアレイ３４は、第２誘電体層３５の上面に設けられている。言い換えると、誘電体アンテナアレイ３４は、第２誘電体層３５を挟んで金属アンテナアレイ３３と対向して設けられている。すなわち、第１実施形態では、金属アンテナアレイ２３と誘電体アンテナアレイ２４とが同層に設けられていたのに対し、第２実施形態では、金属アンテナアレイ３３と誘電体アンテナアレイ３４とが互いに異なる層に設けられ、誘電体アンテナアレイ３４が金属アンテナアレイ３３よりも上層側に設けられている。
第２誘電体層３５の構成材料には、第１誘電体層２２と同様、誘電体アンテナと同様の材料、例えばＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＬｉＮｂＯ３、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４などを用いることができる。第２誘電体層３５の厚さは、例えば１００ｎｍである。本実施形態において、各層の膜厚の一例を挙げると、波長変換体２１（ＹＡＧ：Ｃｅ）が２００μｍであり、第１誘電体層２２（ＴｉＯ２）が２０ｎｍであり、金属アンテナ３３１（Ａｇ）が２０ｎｍであり、第２誘電体層３５（ＴｉＯ２）が１００ｎｍであり、誘電体アンテナ３４１（ＴｉＯ２）が２００ｎｍである。
平面視において、複数の金属アンテナ３３１と複数の誘電体アンテナ３４１との位置関係は、第１実施形態と同様である。すなわち、複数の金属アンテナ３３１と複数の誘電体アンテナ３４１とは、全体として正方格子状に配置され、波長変換体２１の一辺に平行な方向に沿って見たとき、金属アンテナ３３１と誘電体アンテナ３４１とは交互に配置されている。
波長変換素子３０のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
本実施形態においても、波長選択と放射角制御との自由度が高い波長変換素子３０を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の場合、複数の誘電体アンテナ３４１が第２誘電体層３５を挟んで複数の金属アンテナ３３１とは異なる層に設けられているため、複数の誘電体アンテナ３４１の配置の自由度を高めることができる。例えば、以下の第１変形例の構成を採用することができる。
（第１変形例）
図５は、第１変形例の波長変換素子４０の断面図である。
図５に示すように、第１変形例の波長変換素子４０において、誘電体アンテナアレイ４４を構成する複数の誘電体アンテナ４４１のうち、一部の誘電体アンテナ４４１は、金属アンテナ３３１の直上に配置されている。言い換えると、一部の誘電体アンテナ４４１は、平面視において金属アンテナ３３１と重なる位置に配置されている。これにより、誘電体アンテナアレイ４４のピッチを、金属アンテナアレイ３３のピッチよりも狭くするなど、自由に設定することができる。
（第２変形例）
図６は、第２変形例の波長変換素子４５の断面図である。
図６に示すように、第２変形例の波長変換素子４５においては、第２誘電体層４６が、下地誘電体層４６１と平坦化誘電体層４６２の２層の誘電体層により構成されている。下地誘電体層４６１は、各金属アンテナ３３１を覆うとともに、金属アンテナ３３１の形状を反映する程度の薄膜で構成されている。平坦化誘電体層４６２は、下地誘電体層４６１をさらに覆うとともに、金属アンテナ３３１による凹凸を平坦化している。
本変形例において、各層の膜厚の一例を挙げると、例えば波長変換体２１（ＹＡＧ：Ｃｅ）が２００μｍであり、第１誘電体層２２（ＴｉＯ２）が２０ｎｍであり、金属アンテナ３３１（Ａｇ）が２０ｎｍであり、下地誘電体層４６１（ＴｉＯ２）が２０ｎｍであり、平坦化誘電体層４６２（Ｓｉ３Ｎ４）が５０ｎｍであり、誘電体アンテナ３４１（ＴｉＯ２）が２００ｎｍである。
平坦化誘電体層４６２は、他の種類の波長変換体に置き換えてもよい。例えば、上記のＳｉ３Ｎ４をLumogen F Red（ＢＡＳＦ社製）を添加したＰＭＭＡに置き換えることによって、ＹＡＧ：Ｃｅで蛍光発光する黄色光に、赤色のスペクトルを追加しつつ増強することができる。ここで、金属アンテナ３３１の表面プラズモンポラリトンによる増強は、極近傍に存在する波長変換体２１に寄与できるため、Lumogenの蛍光増強効果も得られる。
第１実施形態のように、誘電体アンテナアレイ２４が金属アンテナアレイ２３と同層に配置されている場合、誘電体アンテナ２４１が金属アンテナ２３１と重ならないように、金属アンテナ２３１の隙間を縫って誘電体アンテナ２４１を配置しなければならず、誘電体アンテナ２４１の配置の自由度が低い。これに対し、本実施形態の場合、例えば図５に示したように、平面視において誘電体アンテナ４４１を金属アンテナ３３１と重なる位置に配置することができるため、誘電体アンテナ４４１の配置の自由度が高くなる。その結果、本実施形態および変形例の波長変換素子３０，４０，４５によれば、所望の放射角をより高い自由度で制御しやすい。
また、金属アンテナアレイ３３については、放射角制御の点を考慮する必要がないため、複数の金属アンテナ３３１の配置の自由度を高めることができる。そのため、より効率的、かつ、より選択的な表面プラズモンポラリトンの誘起が可能となる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図７を用いて説明する。
第３実施形態の波長変換素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、２枚のダイクロイックミラーを備えた点が第１実施形態と異なる。そのため、波長変換素子の全体の説明は省略する。
図７は、第３実施形態の波長変換素子５０の断面図である。
図７において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態の波長変換素子５０は、波長変換体２１と、第１誘電体層２２と、金属アンテナアレイ３３と、第２誘電体層３５と、誘電体アンテナアレイ４４と、光反射層２５と、第１ダイクロイックミラー５１と、第２ダイクロイックミラー５２と、を備えている。
第１ダイクロイックミラー５１は、波長変換体２１の入射面２１ａに対向して設けられている。第１ダイクロイックミラー５１は、誘電体多層膜から構成されている。第１ダイクロイックミラー５１は、青色波長帯の光を透過させ、黄色波長帯の光を反射させる分光特性を有する。したがって、第１ダイクロイックミラー５１は、外部から波長変換体２１の入射面２１ａに向かって進む一次光Ｌ１を透過させ、波長変換体２１の内部で生成された二次光Ｌ２を反射させる。
本実施形態においては、図４に示す第２実施形態と同様、波長変換体２１の射出面２１ｂに対向し、金属アンテナアレイ３３を覆う第２誘電体層３５が設けられている。第２ダイクロイックミラー５２は、波長変換体２１の射出面２１ｂに対向して、第２誘電体層３５上に設けられている。誘電体アンテナアレイ４４は、第２ダイクロイックミラー５２上に設けられている。第２ダイクロイックミラー５２は、誘電体多層膜から構成されている。第２ダイクロイックミラー５２は、黄色波長帯の光を透過させ、青色波長帯の光を反射させる分光特性を有する。したがって、第２ダイクロイックミラー５２は、波長変換体２１の射出面２１ｂから射出された二次光Ｌ２を透過させ、波長変換体２１の内部を通過した一次光Ｌ１を反射させる。
波長変換素子５０のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
本実施形態においても、波長選択と放射角制御との自由度が高い波長変換素子５０を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の場合、二次光Ｌ２を反射させる第１ダイクロイックミラー５１が波長変換体２１の入射面２１ａに対向して設けられているため、波長変換体２１の内部で生成された二次光Ｌ２が入射面２１ａから外部に漏れ出すことが抑制され、二次光Ｌ２の損失を低減することができる。
さらに、一次光Ｌ１を反射させる第２ダイクロイックミラー５２が波長変換体２１の射出面２１ｂに対向して設けられているため、波長変換されずに射出面２１ｂに到達した一次光Ｌ１を波長変換体に再度戻して波長変換に寄与させることができ、一次光Ｌ１の変換効率を高めることができる。
本実施形態の場合、第２ダイクロイックミラー５２が設けられたことで一次光の一部の光Ｌ１１が波長変換素子５０から射出されないため、波長変換素子５０から射出される光は、黄色の二次光Ｌ２のみとなる。したがって、白色光を得たい用途で波長変換素子５０を用いる場合には、第２ダイクロイックミラー５２に代えて、反射防止膜を設けるようにしてもよい。
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図８を用いて説明する。
第４実施形態の波長変換素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、金属アンテナアレイの構成が第１実施形態と異なる。そのため、波長変換素子の全体の説明は省略する。
図８は、第４実施形態の波長変換素子６０の平面図である。なお、図８には、金属アンテナアレイ６１のみを図示し、誘電体アンテナアレイの図示は省略する。誘電体アンテナアレイは、金属アンテナアレイ６１と同層上に設けられていてもよいし、金属アンテナアレイ６１とは異なる層に設けられていてもよい。
図８において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図８に示すように、本実施形態の波長変換素子６０において、金属アンテナアレイ６１は、複数の金属アンテナ６１１を有している。複数の金属アンテナ６１１は、上下方向に隣り合う行の金属アンテナ６１１が左右方向に半ピッチずつずれて配置されている。このように、複数の金属アンテナ６１１は、いわゆる斜方格子状に配列されている。各金属アンテナ６１１の平面形状は、楕円形である。
波長変換素子６０のその他の構成は、上記実施形態と同様である。
本実施形態においても、波長選択と放射角制御との自由度が高い波長変換素子６０を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
複数の金属アンテナ６１１の配置は、以下の変形例であってもよい。
（第３変形例）
図９は、第３変形例の波長変換素子６３の平面図である。
図９に示すように、本変形例の波長変換素子６３において、金属アンテナアレイ６４は、複数の金属アンテナ６４１を有している。複数の金属アンテナ６４１は、上下方向および左右方向に互いに異なるピッチで矩形格子状に配置されている。各金属アンテナ６４１の平面形状は、矩形である。
（第４変形例）
図１０は、第４変形例の波長変換素子６６の平面図である。
図１０に示すように、本変形例の波長変換素子６６において、金属アンテナアレイ６７は、複数の金属アンテナ６７１を有している。複数の金属アンテナ６７１は、上下方向に隣り合う行の金属アンテナ６７１が左右方向に半ピッチずつずれて配置されている。このように、複数の金属アンテナ６７１は、いわゆる六角格子状に配列されている。各金属アンテナ６７１の形状は、円錐台形である。
また、各金属アンテナ６１１の形状は、以下の変形例であってもよい。
図１１～図１７は、金属アンテナの他の形状例を示す平面図である。
図１１に示すように、金属アンテナ６８１の形状は、Ｌ字状であってもよい。
図１２に示すように、金属アンテナ６８２の形状は、六角形状であってもよい。
図１３に示すように、金属アンテナ６８３の形状は、台形状であってもよい。
図１４に示すように、金属アンテナ６８４の形状は、十字状であってもよい。
図１５に示すように、金属アンテナ６８５の形状は、円形の一部が扇形に切り欠かれた形状であってもよい。
図１６に示すように、金属アンテナ６８６の形状は、矩形環状であってもよい。
図１７に示すように、金属アンテナ６８７の形状は、円環の一部が途切れた形状であってもよい。
以上示したように、金属アンテナの配置および形状は、高い自由度をもって選択することができる。また、上記の配置や形状のうち、異なる配置や形状の金属アンテナを組み合わせてもよい。例えば形状の異なる金属アンテナを組み合わせることにより、波長変換素子の面内で誘起される表面プラズモンポラリトンの電場強度または電場分布を制御することができる。
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１８を用いて説明する。
第５実施形態の波長変換素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、金属アンテナアレイの構成が第１実施形態と異なる。そのため、波長変換素子の全体の説明は省略する。
図１８は、第５実施形態の波長変換素子７０の平面図である。なお、図１８においては、金属アンテナアレイ７１のみを図示し、誘電体アンテナアレイの図示は省略する。誘電体アンテナアレイは、金属アンテナアレイ７１と同層上に設けられていてもよいし、金属アンテナアレイ７１とは異なる層に設けられていてもよい。
図１８において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１８に示すように、本実施形態の波長変換素子７０において、金属アンテナアレイ７１は、複数の金属アンテナ７１１を有している。複数の金属アンテナ７１１は、周方向に沿って所定のピッチをもって同心円状に配置されている。各円上に並ぶ金属アンテナ７１１の周方向に沿うピッチは、円毎に異なっている。本実施形態の場合、波長変換素子７０の中心部に近い円上に並ぶ金属アンテナ７１１のピッチが狭く、波長変換素子７０の周縁部に近い円上に並ぶ金属アンテナ７１１のピッチが広くなっている。
波長変換素子７０のその他の構成は、上記実施形態と同様である。
本実施形態においても、波長選択と放射角制御との自由度が高い波長変換素子７０を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
本実施形態のように、金属アンテナ７１１のピッチは、波長変換素子７０の面内で必ずしも一定でなくてもよく、同心円状、正方格子状等の種々の配置に係わらず、場所によって伸縮があってもよい。このように、金属アンテナ７１１の配置とピッチとを面内で変化させることにより、波長変換素子７０の面内で誘起される表面プラズモンポラリトンの電場強度または電場分布を制御することができる。
［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図１９を用いて説明する。
第６実施形態の波長変換素子の基本構成は第１実施形態と同様であり、金属アンテナアレイの構成が第１実施形態と異なる。そのため、波長変換素子の全体の説明は省略する。
図１９は、第６実施形態の波長変換素子８０の断面図である。
図１９において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１９に示すように、本実施形態の波長変換素子８０は、波長変換体２１と、金属アンテナ群８１と、誘電体アンテナアレイ４４と、光反射層２５と、を備えている。本実施形態の場合も、第１実施形態と同様、光反射層２５は、光吸収層であってもよい。
金属アンテナ群８１は、波長変換体２１の内部に分散された複数の金属アンテナ８１１を有している。複数の金属アンテナ８１１の各々は、金属粒子８１２と、金属粒子８１２の周囲を覆う誘電体コーティング層８１３と、から構成されている。誘電体コーティング層８１３の厚さは、第１実施形態の第１誘電体層２２と同様、１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることが好ましい。本実施形態の場合、このような構造によって、金属アンテナ群８１は、波長変換体２１とは直接接触せず、波長変換体２１の極近傍に位置することになる。本実施形態の波長変換体２１は、例えば蛍光体粒子としてのLumgen F RedをＰＭＭＡに分散させる際に、誘電体材料で周囲をコーティングした、１００ｎｍ程度の径を有する金属粒子を同時に分散させることによって作製が可能である。
本実施形態の場合、金属アンテナ群８１が波長変換体２１の内部に配置されているため、波長変換体２１の射出面２１ｂには、第１誘電体層２２が設けられておらず、誘電体アンテナアレイ４４のみが設けられている。
波長変換素子８０のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
本実施形態においても、波長選択と放射角制御との自由度が高い波長変換素子８０を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
特に本実施形態の場合、金属粒子８１２の近傍に局在プラズモンが誘起されるため、金属の種類と粒径に応じた波長の二次光Ｌ２（蛍光）の増強が見込める。局在プラズモンを用いる場合、表面プラズモンポラリトンとは異なり、表面での電場増強度は小さくなるが、波長変換体２１の体積全体として増強を促すことができる。
また、本実施形態の場合も、第２実施形態などと同様、複数の誘電体アンテナ４４１が複数の金属アンテナ８１１と同層上に配置されないため、複数の誘電体アンテナ４４１の配置の自由度を高めることができる。これにより、所望の放射角をより高い自由度で制御しやすいという効果が得られる。特に、本実施形態の場合、複数の金属アンテナ８１１が同一平面上になく、波長変換体２１の内部にランダムに分散されている。そのため、製造工程において金属粒子の濃度を適切に調整することにより、金属アンテナ８１１間の所望のピッチ範囲を実現することができる。
（光源装置）
以下、本発明の一実施形態の光源装置について説明する。
図２０は、光源装置２の概略構成図である。
図２０に示すように、光源装置２は、光源部１１と、均一化照明光学系１２と、を備えている。
光源部１１は、光源１３と、コリメーター光学系１４と、第１集光光学系１５と、ロッドインテグレーター１６と、第２集光光学系１７と、波長変換素子２０と、ピックアップ光学系１８と、を備えている。光源１３は、一次光Ｌ１を波長変換素子２０に向けて射出する。
光源１３は、第１波長帯を有する青色の一次光Ｌ１を射出する複数の半導体レーザー１３１から構成されている。一次光Ｌ１は、発光強度のピーク波長が４４５ｎｍである４４０～４５０ｎｍの青色波長帯（第１波長帯）の光である。複数の半導体レーザー１３１は、照明光軸ＡＸ１と直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。半導体レーザー１３１は、４４５ｎｍ以外のピーク波長、例えば４５５ｎｍまたは４６０ｎｍのピーク波長を有する一次光Ｌ１を射出してもよい。
コリメーター光学系１４は、光源１３と第１集光光学系１５との間に設けられている。コリメーター光学系１４は、複数のコリメーターレンズ１４１から構成されている。コリメーターレンズ１４１は、各半導体レーザー１３１に対応して設けられ、照明光軸ＡＸ１と直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。コリメーターレンズ１４１は、対応する半導体レーザー１３１から射出された一次光Ｌ１を平行化する。
第１集光光学系１５は、コリメーター光学系１４とロッドインテグレーター１６との間に設けられている。第１集光光学系１５は、コリメーター光学系１４から射出された一次光Ｌ１を集光させ、ロッドインテグレーター１６に入射させる。第１集光光学系１５は、例えば凸レンズから構成されている。第１集光光学系１５は、複数のレンズから構成されていてもよい。
ロッドインテグレーター１６は、第１集光光学系１５と第２集光光学系１７との間に設けられている。ロッドインテグレーター１６は、四角柱状の光透過性部材で構成されており、光入射端面１６ａと光射出端面１６ｂと４つの反射面１６ｃとを有する。一次光Ｌ１は、ロッドインテグレーター１６の反射面１６ｃで反射を繰り返しつつ、ロッドインテグレーター１６を透過することによって、強度分布が均一化される。
第２集光光学系１７は、ロッドインテグレーター１６と波長変換素子２０との間に設けられている。第２集光光学系１７は、ロッドインテグレーター１６から射出された一次光Ｌ１を集光させ、波長変換素子２０に入射させる。第２集光光学系１７は、例えば凸レンズからなる第１レンズ１７１と第２レンズ１７２とから構成されている。
波長変換素子２０は、光源１３から射出された一次光Ｌ１を波長変換して二次光Ｌ２を生成し、二次光Ｌ２と、波長変換されなかった一次光Ｌ１の一部の光Ｌ１１とからなる白色光ＬＷを射出する。波長変換素子２０として、上記実施形態のいずれの波長変換素子が用いられてもよい。
ピックアップ光学系１８は、波長変換素子２０と均一化照明光学系１２との間に設けられている。ピックアップ光学系１８は、波長変換素子２０から射出された白色光ＬＷを平行化し、均一化照明光学系１２に導く。ピックアップ光学系１８は、例えば凸レンズから構成されている。ピックアップ光学系１８は、複数のレンズから構成されていてもよい。
均一化照明光学系１２は、第１レンズアレイ９１と、第２レンズアレイ９２と、偏光変換素子９３と、重畳レンズ９４と、を有している。
第１レンズアレイ９１は、ピックアップ光学系１８から射出された白色光ＬＷを複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ９１１を有している。複数の第１レンズ９１１は、照明光軸ＡＸ１と直交する面内にマトリクス状に配列されている。
第２レンズアレイ９２は、第１レンズアレイ９１の複数の第１レンズ９１１に対応する複数の第２レンズ９２１を有している。第２レンズアレイ９２は、重畳レンズ９４とともに、第１レンズアレイ９１の各第１レンズ９１１の像を光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２レンズ９２１は、照明光軸ＡＸ１に直交する面内にマトリクス状に配列されている。
偏光変換素子９３は、白色光ＬＷの偏光方向を一方向に揃える機能を有する。偏光変換素子９３は、図示を省略するが、偏光分離膜と、位相差板と、ミラーと、を有している。偏光変換素子９３は、白色光ＬＷの偏光方向を揃えるため、他方の偏光成分を一方の偏光成分に変換する。偏光変換素子９３は、例えばＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換する。
重畳レンズ９４は、偏光変換素子９３からの各部分光束を集光して光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域の近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ９１、第２レンズアレイ９２および重畳レンズ９４は、白色光ＬＷの面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。
本実施形態の光源装置２は、上記実施形態の波長変換素子２０を備え、波長変換素子２０によって増強された白色光が、波長変換素子２０から所望の放射角で射出されるため、波長変換素子２０の後段の光学系における光のけられが少ない。したがって、光強度が高く、光利用効率が高い光源装置２を実現することができる。
（プロジェクター）
以下、本発明の一実施形態のプロジェクター１（表示装置）について説明する。
図２１は、プロジェクター１の概略構成図である。
図２１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、光源装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６と、を備えている。光源装置として、図２０に示す上記実施形態の光源装置が用いられている。
色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、反射ミラー８ａと、反射ミラー８ｂと、反射ミラー８ｃと、リレーレンズ９ａと、リレーレンズ９ｂと、を備えている。色分離光学系３は、光源装置２から射出された白色光ＬＷを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに導き、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに導き、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。
フィールドレンズ１０Ｒは、色分離光学系３と光変調装置４Ｒとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｒに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｇは、色分離光学系３と光変調装置４Ｇとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｇに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｂは、色分離光学系３と光変調装置４Ｂとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｂに向けて射出する。
第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射させる。第２ダイクロイックミラー７ｂは、第１ダイクロイックミラー７ａで反射された光のうち、緑色光成分を反射させ、青色光成分を透過させる。反射ミラー８ａは、第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光成分を反射させる。反射ミラー８ｂおよび反射ミラー８ｃは、第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光成分を反射させる。
第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー８ａで反射し、フィールドレンズ１０Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４Ｒの画像形成領域に入射する。第１ダイクロイックミラー７ａで反射した緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂでさらに反射し、フィールドレンズ１０Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４Ｇの画像形成領域に入射する。第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ９ａ、入射側の反射ミラー８ｂ、リレーレンズ９ｂ、射出側の反射ミラー８ｃ、およびフィールドレンズ１０Ｂを経て青色光用の光変調装置４Ｂの画像形成領域に入射する。
光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。
合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出された各画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。合成光学系５は、４つの直角プリズムを貼り合わせた、平面視で略正方形状をなすクロスダイクロイックプリズムで構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。
合成光学系５から射出された画像光は、投射光学装置６によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。すなわち、投射光学装置６は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６は、複数の投射レンズで構成されている。
本実施形態のプロジェクター１は、上記実施形態の光源装置２を備えているため、光利用効率に優れ、明るい画像が得られる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、誘電体アンテナアレイを構成する複数の誘電体アンテナが２次元状に配列されていたが、この構成に代えて、所定の方向に延在する線状の誘電体アンテナを有し、複数の誘電体アンテナが各誘電体アンテナの延在方向と直交する方向に１次元状に配列された構成を有する波長変換素子であってもよい。すなわち、誘電体アンテナ群として、複数の線状の誘電体アンテナと、隣り合う誘電体アンテナ間に位置する複数のスリット部と、を備えた誘電体アンテナ群が用いられてもよい。
その他、波長変換素子、光源装置、およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。上記実施形態では、本発明による光源装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。
また、上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
１…プロジェクター、２…光源装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、１３…光源、２０，３０，４０，４５，５０，６０，６３，６６，７０，８０…波長変換素子、２１…波長変換体、２１ａ…入射面、２１ｂ…射出面、２３，３３，６１，６４，６７，７１…金属アンテナアレイ（金属アンテナ群）、２４，３４，４４…誘電体アンテナアレイ（誘電体アンテナ群）、２５…光反射層、３５，４６…第２誘電体層（誘電体層）、５１…第１ダイクロイックミラー、５２…第２ダイクロイックミラー、８１…金属アンテナ群、２３１，３３１，６１１，６４１，６７１，６８１、６８２，６８３，６８４，６８５，６８６，６８７，７１１，８１１…金属アンテナ、２４１，３４１，４４１…誘電体アンテナ、Ｌ１…一次光、Ｌ２…二次光。

Claims (11)

  1. 入射面と射出面とを有し、前記入射面から入射された第１波長帯の一次光を波長変換して前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の二次光を生成し、前記二次光を前記射出面から射出する波長変換体と、
    前記波長変換体の極近傍に設けられ、互いの距離が前記波長変換体における前記二次光の光学波長程度の距離で離間するように配置された複数の金属アンテナを含む金属アンテナ群と、
    前記波長変換体の前記射出面に対向して設けられ、複数の誘電体アンテナを含む誘電体アンテナ群と、を備え、
    前記射出面の法線方向に平面視した場合において、前記波長変換体は矩形状を有し、前記複数の金属アンテナと前記複数の誘電体アンテナとは正方格子状に配列されており、前記波長変換体の一辺に平行な方向に沿って、前記金属アンテナと前記誘電体アンテナとは交互に配置されている、波長変換素子。
  2. 前記金属アンテナ群は、前記複数の金属アンテナが同一平面上に格子状に配列された構成を有する、請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 前記誘電体アンテナ群は、前記複数の誘電体アンテナが同一平面上に格子状に配列された構成を有する、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
  4. 前記金属アンテナ群と前記誘電体アンテナ群とは、前記波長変換体の前記射出面に対向して同層上に設けられている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  5. 前記金属アンテナ群を覆う誘電体層をさらに備え、
    前記誘電体アンテナ群は、前記誘電体層を挟んで前記金属アンテナ群と対向して設けられている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  6. 前記波長変換体の前記入射面に対向して設けられ、前記一次光を透過させ、前記二次光を反射させる第１ダイクロイックミラーをさらに備えた、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  7. 前記波長変換体の前記射出面に対向して設けられ、前記二次光を透過させ、前記一次光を反射させる第２ダイクロイックミラーをさらに備えた、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  8. 前記波長変換体の前記入射面および前記射出面とは異なる面に設けられた光反射層または光吸収層をさらに備えた、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  9. 入射面と射出面とを有し、前記入射面から入射された第１波長帯の一次光を波長変換して前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の二次光を生成し、前記二次光を前記射出面から射出する波長変換体と、
    前記波長変換体の極近傍に設けられ、互いの距離が前記波長変換体における前記二次光の光学波長程度の距離で離間するように配置された複数の金属アンテナを含む金属アンテナ群と、
    前記波長変換体の前記射出面に対向して設けられ、複数の誘電体アンテナを含む誘電体アンテナ群と、
    前記金属アンテナ群を覆う誘電体層と、を備え、
    前記誘電体アンテナ群は、前記誘電体層を挟んで前記金属アンテナ群と対向して設けられている、波長変換素子。
  10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記一次光を前記波長変換素子に射出する光源と、
    を備えた、光源装置。
  11. 請求項１０に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
    を備えた、表示装置。
JP2019139950A 2019-07-30 2019-07-30 波長変換素子、光源装置および表示装置 Active JP7400246B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019139950A JP7400246B2 (ja) 2019-07-30 2019-07-30 波長変換素子、光源装置および表示装置
US16/942,557 US11249227B2 (en) 2019-07-30 2020-07-29 Wavelength converting element, light source device, and display device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019139950A JP7400246B2 (ja) 2019-07-30 2019-07-30 波長変換素子、光源装置および表示装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021021906A JP2021021906A (ja) 2021-02-18
JP7400246B2 true JP7400246B2 (ja) 2023-12-19

Family

ID=74260282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019139950A Active JP7400246B2 (ja) 2019-07-30 2019-07-30 波長変換素子、光源装置および表示装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11249227B2 (ja)
JP (1) JP7400246B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023031430A (ja) * 2021-08-25 2023-03-09 国立大学法人京都大学 波長変換装置及び照明装置
WO2024128071A1 (ja) * 2022-12-16 2024-06-20 スタンレー電気株式会社 波長変換部材及びそれを用いた照明装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010008990A (ja) 2007-07-13 2010-01-14 Canon Inc 光学フィルタ
JP2010198805A (ja) 2009-02-23 2010-09-09 Casio Computer Co Ltd 光源装置及びプロジェクタ
JP2014508379A (ja) 2011-01-18 2014-04-03 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 照明装置
JP2016099566A (ja) 2014-11-25 2016-05-30 セイコーエプソン株式会社 波長変換素子、光源装置、およびプロジェクター
JP2018013688A (ja) 2016-07-22 2018-01-25 国立大学法人京都大学 波長変換装置及び光源装置
CN108827938A (zh) 2018-08-09 2018-11-16 兰州理工大学 基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底
US20190113727A1 (en) 2017-10-17 2019-04-18 Lumileds Llc Nanostructured meta-materials and meta-surfaces to collimate light emissions from leds

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013038115A (ja) * 2011-08-04 2013-02-21 Koito Mfg Co Ltd 光波長変換ユニット
US10444412B2 (en) * 2013-08-06 2019-10-15 Lumileds Llc Solid state illumination device having plasmonic antenna array for anisotropic emission
WO2015019220A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 Koninklijke Philips N.V. Enhanced emission from plasmonic coupled emitters for solid state lighting
KR102113257B1 (ko) * 2013-10-31 2020-05-20 삼성전자주식회사 지향성 광 추출 장치 및 이를 포함한 광 인터커넥션 시스템

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010008990A (ja) 2007-07-13 2010-01-14 Canon Inc 光学フィルタ
JP2010198805A (ja) 2009-02-23 2010-09-09 Casio Computer Co Ltd 光源装置及びプロジェクタ
JP2014508379A (ja) 2011-01-18 2014-04-03 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 照明装置
JP2016099566A (ja) 2014-11-25 2016-05-30 セイコーエプソン株式会社 波長変換素子、光源装置、およびプロジェクター
JP2018013688A (ja) 2016-07-22 2018-01-25 国立大学法人京都大学 波長変換装置及び光源装置
US20190113727A1 (en) 2017-10-17 2019-04-18 Lumileds Llc Nanostructured meta-materials and meta-surfaces to collimate light emissions from leds
CN108827938A (zh) 2018-08-09 2018-11-16 兰州理工大学 基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底

Also Published As

Publication number Publication date
US11249227B2 (en) 2022-02-15
US20210033756A1 (en) 2021-02-04
JP2021021906A (ja) 2021-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2789897B1 (en) Light source and illuminating device
JP5990666B2 (ja) ディスプレイスクリーン
KR100898515B1 (ko) 광스위칭 소자·광스위칭 디바이스·복수파장 광스위칭소자·복수파장 광스위칭 디바이스·컬러 광스위칭 소자·컬러광스위칭 디바이스·광 스위칭 소자 어레이·복수파장광스위칭 소자 어레이·컬러 광스위칭 소자어레이·화상표시장치·복수색 화상표시장치 및 컬러화상표시장치
JP5605047B2 (ja) 光源装置およびそれを用いた投写型表示装置
US20130070207A1 (en) Incoherence device and optical apparatus using same
US8810752B2 (en) Thin backlight system and liquid crystal display device using the same
JP2024023800A (ja) 光源装置、画像投射装置及び光源光学系
US20120026469A1 (en) Projector
US20110305000A1 (en) Display screen with low-index region surrounding phospors
WO2009092041A2 (en) Illumination systems utilizing wavelength conversion materials
JP7238294B2 (ja) 光源装置およびプロジェクター
JP7400246B2 (ja) 波長変換素子、光源装置および表示装置
JP4716435B2 (ja) 光源装置及び光源装置を備えた表示装置
JP7413740B2 (ja) 光源装置、画像投射装置及び光源光学系
JP6988782B2 (ja) 光源装置およびプロジェクター
WO2016121721A1 (ja) 波長変換部材及び画像形成装置
JP5651949B2 (ja) コリメーターレンズユニット、照明装置及びプロジェクター
JP4132080B2 (ja) 小型照明装置
JP6885375B2 (ja) 光源装置およびプロジェクター
JP6881423B2 (ja) 光源装置およびプロジェクター
JP6911541B2 (ja) 発光装置およびプロジェクター
JP2017147176A (ja) 波長変換素子、照明装置およびプロジェクター
JP2020101766A (ja) 光源装置およびプロジェクター
WO2012120738A1 (ja) 光源およびその光源を用いた投射型表示装置
JP2021071671A (ja) 波長変換素子、光源装置およびプロジェクター

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220728

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230630

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230704

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230816

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231107

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231120

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7400246

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150