JPWO2011040528A1 - 光学素子、光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図3に、本実施形態の光源装置の模式的な構成の斜視図を示す。図4に、本発明に係る光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図を示す。なお、光源装置において、実際の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、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
1≦εlr(λ0)<εhr(λ0)の関係を満たしている。なお、λ0は、誘電率層への入射光の真空中での波長である。
プラズモン励起層8の出射側部分および入射側部分の実効誘電率、プラズモン励起層8の複素誘電率、キャリア生成層6の発光スペクトル幅で決定される。
図11に、第2の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図11に示すように、第2の実施形態における指向性制御層18では、導光体2の上に、キャリア生成層16、プラズモン励起層8、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層17の順に積層されている。
図12に、第3の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図12に示すように、第3の実施形態における指向性制御層19では、導光体2の上に、キャリア生成層6、低誘電率層7、プラズモン励起層8、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層17の順に積層されている。
図13に、第4の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図13に示すように、第4の実施形態における指向性制御層20では、導光体2の上に、キャリア生成層16、プラズモン励起層8、高誘電率層9、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層10の順に積層されている。
図14に、第5の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図14に示すように、第5の実施形態における指向性制御層37では、第1の実施形態におけるプラズモン励起層8に加えて、別のプラズモン励起層としてのプラズモン励起層36が更に配置されている。
図15に、第6の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図15に示すように、第6の実施形態における指向性制御層40は、第1の実施形態における指向性制御層3と同様の構成であり、第1の実施形態における低誘電率層7及び高誘電率層9が、それぞれ積層された複数の誘電体層によって構成されている点が異なっている。
図16に、第7の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図16に示すように、第7の実施形態における指向性制御層42は、第1の実施形態における指向性制御層3と同様の構成であり、キャリア生成層6と導光体2との間に、別の低誘電率層41を設ける点が異なっている。
図17に、第8の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図17に示すように、第8の実施形態における指向性制御層45では、第1の実施形態における指向性制御層3と同様の構成であり、プラズモン励起層群44が、積層された複数の金属層44a,44bによって構成されている点が異なっている。
図18に、第9の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図18に示すように、第9の実施形態の光源装置では、光学素子51から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子として、光学素子51からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用1/2波長板26を備えている。光源装置50からの出射光を軸対称偏光用1/2波長板26によって直線偏光することで、出射光の偏光状態が揃えられた光源装置を実現できる。なお、偏光変換素子によって軸対称偏光を所定の偏光状態に揃えることには、直線偏光することに限定するものではなく、円偏光することも含まれる。また、指向性制御層としては、上述した第1〜第8の実施形態における指向性制御層のいずれが適用されてもよいことは勿論である。
図23に、上記実施形態におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図を示す。図23では、高誘電率層9にTiO2、プラズモン励起層8にAg、低誘電率層7に多孔質SiO2を用いた光源装置において、波長653nm、539nm、459nmの光をそれぞれプラズモン励起層8に入射させた場合について、入射角に対する反射率の関係を示している。ここで、高誘電率層9、低誘電率層7は光の波長に比べて十分に厚く形成した。
図25に、第1の実施形態の光源装置50において、式(1)を用いて算出した実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角(図中に○で示す)と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角(図中に□で示す)とを比較して示す。図25において、横軸が低誘電率層の厚さを示し、縦軸がプラズモン共鳴角を示している。図25に示すように、実効誘電率による計算値と、多層膜反射による計算値とが一致しており、式(1)で定義される実効誘電率によってプラズモン共鳴の条件を定義できることが明らかである。
Claims (21)
- 発光素子からの光が入射する導光体と、
前記導光体に設けられ、前記導光体からの光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層と、を備え、
前記プラズモン励起層は、誘電性を有する2つの層の間に挟まれている、光学素子。 - 前記プラズモン励起層の前記導光体側に積層された構造体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、請求項1に記載の光学素子。
- 前記実効誘電率は、複素実効誘電率εeffであって、該複素実効誘電率εeffが、
前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をx軸、y軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をz軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε(ω,x,y,z)、積分範囲Dを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のz成分をkspp,z、虚数単位をjとすれば、
かつ、表面プラズモンの波数のz成分kspp,z、表面プラズモンの波数のx、y成分ksppが、
前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
- 前記プラズモン励起層の前記出射層側、及び前記プラズモン励起層の前記導光体側の少なくとも一方の側に隣接して設けられた誘電率層を備える、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電率層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電率層よりも誘電率が低い、請求項4に記載の光学素子。 - 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する層よりも誘電率が低い低誘電率層である、請求項4に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する層よりも誘電率が高い高誘電率層である、請求項4に記載の光学素子。
- 前記導光体と前記キャリア生成層との間に設けられ、前記発光素子の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する別のプラズモン励起層を更に備える、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記導光体の前記キャリア生成層側に隣接して設けられ、前記導光体よりも誘電率が低い低誘電率層を備え、
前記キャリア生成層は、前記導光体からの光が前記キャリア生成層との界面で全反射したときに生じるエヴァネッセント波によってキャリアを生成する、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の光学素子。 - 前記低誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項6に記載の光学素子。
- 前記高誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項7に記載の光学素子。
- 前記低誘電率層は、誘電率が前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かって次第に低くなる分布を有している、請求項6に記載の光学素子。
- 前記高誘電率層は、誘電率が前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かって次第に低くなる分布を有する、請求項7に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層は、異なる金属材料からなる複数の金属層が積層されて構成されている、請求項1ないし7、9ないし13のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記出射層は、表面周期構造を有している、請求項1ないし14のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記出射層は、フォトニック結晶からなる、請求項1ないし14のいずれか1に記載の光学素子。
- 前記低誘電率層は、多孔質層である、請求項6、9、10、12のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層は、Ag、Au、Cu、Al、Ptのうちのいずれか1つ、又はこれらのうちの少なくとも1つを含む合金からなる、請求項1ないし7、9ないし17のいずれか1項に記載の光学素子。
- 請求項1ないし18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発光素子と、を備える光源装置。 - 前記光学素子から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、請求項19に記載の光源装置。
- 請求項19又は20に記載の光源装置と、
前記光源装置の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。
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