JPWO2011108138A1 - 光学素子、光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、発光素子からの光が入射する導光体（１２）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（１６）と、キャリア生成層（１６）を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（１７）と、プラズモン励起層（１７）によって生じる表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して出射する波数ベクトル変換層（１８）と、を備える。プラズモン励起層（１７）は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。プラズモン励起層（１７）の導光体（１２）側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層（１７）の波数ベクトル変換層（１８）側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層（１８）に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高い。

Description

本発明は、光を出射するために表面プラズモンを利用した光学素子、光源装置及び投射型表示装置に関する。

光源装置が有する発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるＬＥＤプロジェクタが提案されている。この種のＬＥＤプロジェクタでは、ＬＥＤを有する光源装置と、光源装置からの光が入射する照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。

ＬＥＤプロジェクタでは、投射映像の輝度を高めるために、光源装置からライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。

また、非特許文献１に記載されているように、光源装置の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、光源装置の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源装置からの光が投射光として利用されない。

そのため、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光が入射する光学素子とを有する光源装置では、光学素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。

そして、ＬＥＤプロジェクタが備える光源装置では、単一のＬＥＤの光量の不足を補うために複数のＬＥＤを用いることによって、数千ルーメン程度の投射光束を実現することが必要不可欠になっている。

このように複数のＬＥＤを用いた光源装置の一例として、特許文献１には、図１に示すように、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆを有する複数の単色光源装置２０３ａ〜２０３ｆと、これら単色光源装置２０３ａ〜２０３ｆからの出射光の光軸を一致させる光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄと、これら光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄから光が入射する光源セット２０１ａ，２０１ｂと、この光源セット２０１ａ，２０１ｂからの光が入射する導光装置２００と、を備える光源ユニットが開示されている。この光源ユニットでは、複数の単色光源装置２０３ａ〜２０３ｆからの光が合成されて、光源セット２０１ａ，２０１ｂによって放射角が狭められた光が、導光装置２００に入射されている。この構成では、導光装置２００に入射する光の放射角が、光源セット２０１ａ，２０１ｂによって狭められることで、光損失の低減が図られている。

また、複数のＬＥＤを用いた光源装置の他の例として、特許文献２には、図２に示すように、複数のＬＥＤ３００が平面上に配列された光源基板３０１を備える光源装置が開示されている。この光源装置は、一方の面にプリズム列が形成されプリズム列を交差させて配置された２つのプリズムシート３０４，３０５と、これらプリズムシート３０４，３０５を支持する枠体３０３とからなる光学素子を備えている。この光源装置では、複数のＬＥＤ３００からの光が、２つのプリズムシート３０４，３０５によって合成されている。

特開２００８−１４５５１０号公報 特開２００９−８７６９５号公報

ＰｈｌａｔＬｉｇｈｔＴＭ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｔｔｉｃｅ ＬＥＤｓ ｆｏｒ ＲＰＴＶ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｈｏｅｐｆｎｅｒ， ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ３７， １８０８ （２００６）

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄのダイクロイック反射面での発光面積が、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆの発光面積よりも大きくなってしまう。このため、導光装置２００に入射する光のエテンデューと、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆからの光のエテンデューとを比べた場合には、結果としてエテンデューが変化していない。

したがって、特許文献１に記載の構成では、導光装置２００からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤ２０４ａ〜２０４ｆのエテンデューに依存しており、導光装置２００からの出射光のエテンデューを低減することができなかった。

また、特許文献２に記載の構成では、複数のＬＥＤ３００が平面上に配列されることによって、光源全体の発光面積が大きくなってしまうので、光源自体のエテンデューが増加してしまう問題があった。

すなわち、上述した特許文献１，２に開示された構成では、光源ユニット及び光源装置からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤからの光のエテンデューに依存しており、光学素子からの出射光のエテンデューを低減することができなかった。

本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決し、発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減できる光学素子、これを備える光源装置及び投射型表示装置を提供することである。

上述した目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、発光素子からの光が入射する導光体と、導光体の上に設けられ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、キャリア生成層の上に積層されキャリア生成層を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、プラズモン励起層の上に積層され、プラズモン励起層によって生じる表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して出射する出射層と、を備える。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。プラズモン励起層の導光体側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層の出射層側に積層された構造全体と、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高い。

また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、導光体の外周部に配置された発光素子と、を備える。

また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の光源装置と、光源装置からの出射光を変調する表示素子と、表示素子から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。

本発明によれば、発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減することができる。

特許文献１の構成を説明するための模式図である。 特許文献２の構成を説明するための分解斜視図である。 第１の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の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である。 第１の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置における製造工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第２の実施形態の光源装置における、マイクロレンズアレイの形成工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の光源装置における、マイクロレンズアレイの形成工程を説明するための断面図である。 第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第６の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第７の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第８の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第９の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第１０の実施形態の光源ユニットを模式的に示す斜視図である。 第１０の実施形態の光源ユニットが備える軸対称偏光用１／２波長板の構造を示す縦断面図である。 第１０の実施形態の光源ユニットが備える軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 第１０の実施形態の光源ユニットが備える軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 実施形態の光源ユニットにおいて、軸対称偏光用１／２波長板を備えない構成の場合の出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 実施形態の光源ユニットにおいて、軸対称偏光用１／２波長板を備える構成の場合の出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 第１の実施形態の光源装置の出射光における角度分布を示す図である。 第５の実施形態の光源装置の出射光における角度分布を示す図である。 第５の実施形態の光源装置において、実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角とを比較して示す図である。 実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタを模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
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。

図３及び図４に示すように、本実施形態の光源装置２は、複数の発光素子１１（１１ａ〜１１ｎ）と、これら発光素子１１から出射された光が入射する光学素子１とを備えている。光学素子１は、発光素子１１から出射された光が入射する導光体１２と、この導光体１２からの光によって出射光を出射する指向性制御層１３と、を有している。

指向性制御層１３は、光源装置２からの出射光の指向性を高めるための層であり、例えば図５に示す第１の実施形態のように、導光体１２に設けられ、導光体１２から入射する光の一部によってキャリアが生成されるキャリア生成層１６と、このキャリア生成層１６上に積層され、キャリア生成層１６を発光素子１１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１７と、このプラズモン励起層１７上に積層され、プラズモン励起層１７によって生じる表面プラズモンの波数ベクトルを変換して所定の出射角の光を出射する出射層としての波数ベクトル変換層１８と、を備えている。本実施形態における波数ベクトル変換層１８は、プラズモン励起層１７の直上に配置されているが、波数ベクトル変換層１８とプラズモン励起層１７との間に、厚さが１μｍよりも薄い誘電体層を備えて構成されてもよい。

また、プラズモン励起層１７は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、キャリア生成層１６と波数ベクトル変換層１８に対応している。そして、本実施形態における光学素子１は、プラズモン励起層１７の導光体１２側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１８側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層１８に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層１７の導光体１２側に積層された構造全体には、導光体１２が含まれる。プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１８側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１８が含まれる。

つまり、第１の実施形態では、プラズモン励起層１７に対する、導光体１２及びキャリア生成層１６を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１７に対する、波数ベクトル変換層１８と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。

詳細には、プラズモン励起層１７の入射側部分（発光素子１１側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１７の出射側部分（波数ベクトル変換層１８側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。

ここで、複素実効誘電率ε_effは、プラズモン励起層１７の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１７の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層１６から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１７に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をk_spp,z、虚数単位をｊとすれば、

で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１７に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１７の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層１７と、プラズモン励起層１７に隣接する、誘電性を有する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層１７の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。

また、表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分k_sppは、プラズモン励起層１７の誘電率の実部をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすれば、

で表される。

したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１７の入射側部分の誘電率分布ε_in（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層１７の出射側部分の誘電率分布ε_out（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の複素実効誘電率層ε_effin、及び出射側部分の複素実効誘電率ε_effoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率ε_effとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率ε_effを容易に求められる。なお、プラズモン励起層１７に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合には、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層１７に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。

ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ^−２となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄ_ｅｆｆは、

で表わされる。

なお、キャリア生成層１６、プラズモン励起層１７を除き、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１８に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。

光源装置２の周囲の媒質、つまり導光体１２や波数ベクトル変換層１８に接する媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、導光体１２側と波数ベクトル変換層１８側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。

本実施形態では、複数の発光素子１１ａ〜１１ｎが、平板状の導光体１２の４つの側面に、それぞれ所定の間隔をあけて配置されている。ここで、発光素子１１ａ〜１１ｎが前記側面と接続されている面を光入射面１４とする。発光素子１１としては、例えば、キャリア生成層１６が吸収できる波長の光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等が用いられる。発光素子１１は、導光体１２の光入射面１４から離されて配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体１２と光学的に接続される構成が採られてもよい。

実施形態では、導光体１２が平板状に形成されているが、導光体１２の形状は直方体に限定されるものではない。導光体１２の内部には、マイクロプリズムのような配光特性を制御する構造体が設けられていてもよい。また、導光体１２は、光出射部１５と光入射面１４を除く外周面の全面、又は外周面の一部に反射膜が設けられていてもよい。同様に、光源装置２は、光出射部１５と光入射面１４を除く外周面の全面、又は一部に反射膜（不図示）が設けられていてもよい。反射膜としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜が用いられる。

キャリア生成層１６としては、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ ６Ｇ）やスルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ １０１）等の有機蛍光体や、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体等の蛍光体や、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、蛍光体を用いる場合、キャリア生成層１６内には、発光波長が同一、又は異なる複数の波長を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層１６の厚さは１μｍ以下が望ましい。

プラズモン励起層１７は、キャリア生成層１６単体を発光素子１１の光で励起したときに発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層１７は、キャリア生成層１６単体を発光素子１１の光で励起したときに発生する発光周波数において負の誘電率を有している。

プラズモン励起層１７の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１７の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。また、プラズモン励起層１７の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。

波数ベクトル変換層１８は、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面に励起された表面プラズモンの波数ベクトルを変換することで、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面から光を取り出し、光学素子１から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層１８は、表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して光学素子１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層１８は、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面にほぼ直交するように、光学素子１から出射光を出射させる機能を奏している。

波数ベクトル変換層１８としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、又は準結晶構造、光学素子１からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層１８は、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。

以上のように構成された光源装置２において、発光素子１１から指向性制御層１３に入射した光が、指向性制御層１３の光出射部１５から出射される動作を説明する。

図４に示すように、複数の発光素子１１のうち、例えば発光素子１１ｆから出射された光は、導光体１２の光入射面１４を透過し、導光体１２内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体１２と指向性制御層１３との界面に入射した光の一部は、指向性制御層１３のプラズモン励起層１７における後述する特性に応じた方向、波長で光出射部１５から出射される。光出射部１５から出射されなかった光は導光体１２に戻され、再度、導光体１２と指向性制御層１３との界面に入射した光の一部が、指向性制御層１３を透過し、光出射部１５から出射される。これらの繰り返しによって、導光体１２に入射した光の大半が光出射部１５から出射される。また、複数の発光素子１１のうち、導光体１２を間に挟んで発光素子１１ｆに対向する位置に配置された発光素子１１ｍから出射し、光入射面１４を透過した光についても同様に、光出射部１５から出射される。光出射部１５から出射される光の方向、波長は、指向性制御層１３の特性にのみ依存し、発光素子１１の位置、導光体１２と指向性制御層１３との界面への入射角には無依存である。以降特にことわらない限り、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１８を備える構成について説明する。

導光体１２内を全反射で伝播している光において、導光体１２とキャリア生成層１６との界面では全反射条件が崩れ、発光素子１１からの光がキャリア生成層１６中に入射する。キャリア生成層１６に入射した光は、キャリア生成層１６においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層１７中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層１８で回折されて、光源装置２の外方に出射される。

プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面の誘電率が空間的に均一、つまり平坦な面である場合には、この界面に生じた表面プラズモンを取り出すことはできない。このため、本発明では、波数ベクトル変換層１８を設けることで、表面プラズモンを回折し、光として取り出すことができる。波数ベクトル変換層１８の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角としたとき、波数ベクトル変換層１８から出射する光の中心出射角θ_radは、波数ベクトル変換層１８の周期構造のピッチをΛとすれば、

で表わされる。ここで、i は正または負の整数である。プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との界面には、式（３）によって求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（５）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。

図６Ａ〜図６Ｇに、光源装置２が備える光学素子１の製造工程を示す。これはあくまで一例であって、この作製方法に限定されるものではない。まず、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、導光体１２の上にキャリア生成層１６をスピンコート法で塗布する。続いて、例えば物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタ等によって、図６Ｃに示すように、キャリア生成層１６の上に、プラズモン励起層１７を形成する。

次に、図６Ｄに示すように、キャリア生成層１６の上に、フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層１８を形成する。続いて、図６Ｅに示すように、波数ベクトル変換層１８の上にレジスト膜２１をスピンコート法で塗布し、図６Ｆに示すように、ナノインプリントでレジスト膜２１にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。図６Ｇに示すように、ドライエッチングによって、所望の深さまで波数ベクトル変換層１８をエッチングし、その後、レジスト膜２１を波数ベクトル変換層１８から剥離する。最後に、導光体１２の外周部に複数の発光素子１１を配置することで、光源装置２が完成する。

上述したように本実施形態の光源装置２は、導光体１２に指向性制御層１３が設けられる比較的簡素な構成であるので、光源装置２全体の小型化を図ることができる。また、本実施形態の光源装置２では、波数ベクトル変換層１８から出射する光の出射角が、プラズモン励起層１７の複素誘電率と、プラズモン励起層１７を挟んでいる入射側部分の実効誘電率と、出射側部分の実効誘電率と、光源装置２内で発生する光の発光スペクトルとによって決定される。このため、本実施形態の光源装置２によれば、光学素子１からの出射光の指向性が、発光素子１１の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の光源装置２は、放射過程においてプラズモン結合を応用することによって、光学素子１からの出射光の放射角を狭めて出射光の指向性を高めることができる。すなわち、本実施形態によれば、発光素子１１のエテンデューに依存することなく、光源装置２からの出射光のエテンデューを低減することができる。また、光源装置２からの出射光のエテンデューが、発光素子１１のエテンデューによって制限されないので、光源装置２からの出射光のエテンデューを小さく保ったままで、複数の発光素子１１からの入射光を合成することができる。

加えて、上述した特開２００８−１４５５１０号公報に開示された構成では、光軸合わせ部材２０２ａ〜２０２ｄや光源セット２０１ａ，２０１ｂを備えることで光源ユニット全体が大型化してしまう問題があった。しかし、本実施形態における光学素子１によれば、光学素子１全体の小型化を図ることができる。

また、上述した特開２００９−８７６９５号公報に開示された構成では、複数のＬＥＤ３００からの光が、交差させて配置されたプリズムシート３０４，３０５で様々な方向に曲げられて光の損失を招く問題があった。しかし、本実施形態の光学素子１によれば、複数の発光素子１１からの光の利用効率を向上することができる。

以下、他の実施形態の光源装置を説明する。他の実施形態の光源装置は、第１の実施形態の光源装置２と比べて指向性制御層１３の構成のみが異なるので、指向性制御層についてのみ説明する。なお、他の実施形態の指向性制御層において、第１の実施形態における指向性制御層１３と同一の層には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

（第２の実施形態）
波数ベクトル変換層１８としては、フォトニック結晶が用いられる代わりに、マイクロレンズアレイが配置される構成や、粗い表面が形成された層が用いられる構成であってもよい。図７に、第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の模式的な斜視図を示す。

図７に示すように、指向性制御層２３は、プラズモン励起層１７の表面に、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８が設けられている。指向性制御層２３は、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８を備える構成であっても、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１８を備える構成と同様の効果が得られる。

プラズモン励起層１７の上にマイクロレンズアレイが積層された構成の製造工程について説明するための断面図を、図８Ａ及び図８Ｂに示す。マイクロレンズアレイを備える構成においても、図６Ａ〜図６Ｇに示した製造方法と同様に、導光体１２に、キャリア生成層１６及びプラズモン励起層１７を積層するので、これらの製造工程の説明を省略する。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、図６Ａ〜図６Ｇに示した製造方法を用いて、導光体１２に、キャリア生成層１６及びプラズモン励起層１７を積層した後、プラズモン励起層１７の表面に、マイクロレンズアレイによって波数ベクトル変換層２８を形成する。この作製方法はあくまで一例であって、これに限定されるものではない。図８Ａに示すように、プラズモン励起層１７の表面に、ＵＶ硬化樹脂３１をスピンコート法等によって塗布した後、ナノインプリントを用いて、ＵＶ硬化樹脂３１に所望のレンズアレイパターンを成形し、ＵＶ硬化樹脂３１に光を照射して硬化させることで、マイクロレンズアレイが形成される。

以上のように構成された第２の実施形態における指向性制御層２３においても、マイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８を備えることで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、後述する第３の実施形態以降では、波数ベクトル変換層１８がフォトニック結晶からなる構成を示すが、上述のように、波数ベクトル変換層１８をマイクロレンズアレイからなる波数ベクトル変換層２８に置き換えても良く、各実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
図９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９に示すように、第３の実施形態における指向性制御層３３は、導光体１２の上に、キャリア生成層１６、プラズモン励起層１７、誘電率層１９、波数ベクトル変換層１８の順に積層されて構成されている。

したがって、第３の実施形態では、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との間に、誘電率層１９を独立して備えている点が第１の実施形態と異なっている。この誘電率層１９は、後述する第４の実施形態における誘電率層２０（高誘電率層２０）よりも誘電率が低く設定されているので、以降、低誘電率層１９と称する。低誘電率層１９の誘電率としては、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲が許容される。つまり、低誘電率層１９の誘電率が、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の実効誘電率よりも小さい必要はない。

低誘電率層１９は、波数ベクトル変換層１８と異なる材料によって形成されてもよい。このため、本実施形態は、波数ベクトル変換層１８の材料選択の自由度を高めることができる。

低誘電率層１９としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、低誘電率プラスチック等からなる薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。また、低誘電率層１９の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。なお、この厚さの許容最大値は、式（４）を用いて算出される低誘電率層１９の厚さ方向に生じる表面プラズモンのしみだし長に相当する。低誘電率層１９の厚さが式（４）より算出される値を超えた場合には、表面プラズモンを光として取り出すことが困難になる。

第３の実施形態における指向性制御層３３においても、プラズモン励起層１７でプラズモン結合を生じさせるために、導光体１２及びキャリア生成層１６を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１８及び低誘電率層１９と、波数ベクトル変換層１８に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高く設定されている。

以上のように構成された第３の実施形態における指向性制御層３３によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、独立した低誘電率層１９を備えることで、プラズモン励起層１７の出射側部分の実効誘電率の調整を容易にすることが可能になる。

（第４の実施形態）
図１０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１０に示すように、第４の実施形態における指向性制御層４３は、導光体１２の上に、キャリア生成層１６、誘電率層２０、プラズモン励起層１７、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１８の順に積層されて構成されている。

したがって、第４の実施形態では、プラズモン励起層１７とキャリア生成層１６との間に、誘電率層２０を独立して備えている点が第１の実施形態と異なっている。この誘電率層２０は、上述の第３の実施形態における低誘電率層１９よりも誘電率が高く設定されているので、以降、高誘電率層２０と称する。高誘電率層２０の誘電率は、プラズモン励起層１７に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲が許容される。つまり、高誘電率層２０の誘電率が、プラズモン励起層１７に対する出射側部分の実効誘電率よりも大きい必要はない。

高誘電率層２０は、キャリア生成層１６と異なる材料によって形成されてもよい。このため、本実施形態は、キャリア生成層１６の材料選択の自由度を高めることができる。

高誘電率層２０としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＮｄＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５等の高誘電率材料からなる薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。高誘電率層２０は、導電性を有する材料で形成されるのが好ましい。高誘電率層２０の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。なお、この厚さの許容最大値は、キャリア生成層１６とプラズモン励起層１７との間でプラズモン結合が生じる距離に相当し、式（４）より算出される。

第４の実施形態における指向性制御層４３においても、プラズモン励起層１７でプラズモン結合を生じさせるために、導光体１２、キャリア生成層１６及び高誘電率層２０を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１８と、波数ベクトル変換層１８に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高く設定されている。

以上のように構成された第４の実施形態における指向性制御層４３によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、独立した高誘電率層２０を備えることで、プラズモン励起層１７の入射側部分の実効誘電率の調整を容易にすることが可能になる。

（第５の実施形態）
図１１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１１に示すように、指向性制御層５３は、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層１８との間に挟まれて設けられた低誘電率層１９と、キャリア生成層１６とプラズモン励起層１７との間に挟まれて設けられ、低誘電率層１９よりも誘電率が高い高誘電率層２０と、を備えている。

第５の実施形態における指向性制御層５３においても、プラズモン励起層１７でプラズモン結合を生じさせるために、導光体１２、キャリア生成層１６及び高誘電率層２０を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１８及び低誘電率層１９と、波数ベクトル変換層１８に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高く設定されている。

以上のように構成された第５の実施形態における指向性制御層５３によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、独立した低誘電率層１９及び高誘電率層２０を備えることで、プラズモン励起層１７の出射側部分の実効誘電率、及びプラズモン励起層１７の入射側部分の実効誘電率のそれぞれの調整を容易にすることが可能になる。また、第５の実施形態における指向性制御層５３も、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第５の実施形態では、プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１８側に低誘電率層１９が配置され、プラズモン励起層１７のキャリア生成層１６側に高誘電率層２０が配置されたが、この構成に限定されるものではない。プラズモン励起層１７の入射側部分の実効誘電率を、プラズモン励起層１７の出射側部分の実効誘電率よりも高くする上で必要であれば、プラズモン励起層１７に対する低誘電率層１９及び高誘電率層２０の配置が第５の実施形態の配置と逆にされてもよい。

（第６の実施形態）
図１２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１２に示すように、第６の実施形態における指向性制御層６３は、第５の実施形態における指向性制御層５３と同様の構成であり、第５の実施形態における低誘電率層１９及び高誘電率層２０が、複数の誘電体層をそれぞれ積層して構成されている点が異なっている。

つまり、第６の実施形態における指向性制御層６３は、複数の誘電体層２９ａ〜２９ｃが積層されてなる低誘電率層群２９と、複数の誘電体層３０ａ〜３０ｃが積層されてなる高誘電率層群３０と、を備えている。

低誘電率層群２９では、プラズモン励起層１７に近い方から波数ベクトル変換層１８側に向って誘電率が単調に低くなるように、複数の誘電体層２９ａ〜２９ｃが配置されている。同様に、高誘電率層群３０では、キャリア生成層１６に近い方からプラズモン励起層１７に向かって誘電率が単調に高くなるように、複数の誘電体層３０ａ〜３０ｃが配置されている。

低誘電率層群２９の全体の厚さは、指向性制御層が低誘電率層を独立して備える実施形態における低誘電率層と等しい厚さに形成されている。同様に、高誘電率層群３０の全体の厚さは、指向性制御層が高誘電率層を独立して備える実施形態における高誘電率層と同じ厚さに形成されている。なお、低誘電率層群２９及び高誘電率層群３０は、それぞれ３層構造で示したが、例えば２〜５層程度の層構造で構成することができる。また、必要に応じて、低誘電率層群及び高誘電率層群をそれぞれ構成する誘電体層の数が異なる構成や、低誘電率層及び高誘電率層の一方のみが複数の誘電率層からなる構成としてもよい。

このように高誘電率層及び低誘電率層が複数の誘電体層から構成されることで、プラズモン励起層１７の界面に隣接する各誘電体層の誘電率を良好に設定すると共に、キャリア生成層１６、波数ベクトル変換層１８又は波数ベクトル変換層１８に接する外部の空気等の媒質と、これらにそれぞれ隣り合う誘電体層との屈折率のマッチングをとることが可能になる。つまり、高誘電率層群３０は、波数ベクトル変換層１８又は空気等の媒質との界面での屈折率差を小さくし、低誘電率層群２９は、キャリア生成層１６との界面での屈折率差を小さくすることが可能になる。

以上のように構成された第６の実施形態の指向性制御層６３によれば、プラズモン励起層１７に隣接する各誘電体層の誘電率を良好に設定すると共に、キャリア生成層１６及び波数ベクトル変換層１８との界面での屈折率差を小さく設定することが可能になる。このため、光損失を更に低減し、発光素子１１からの光の利用効率を更に高めることができる。

なお、低誘電率層群２９及び高誘電率層群３０の代わりに、内部で誘電率が単調に変化する単層膜が用いてもよい。この構成の場合、高誘電率層は、誘電率がキャリア生成層１６側からプラズモン励起層１７側に向かって次第に高くなる分布を有する。また同様に、低誘電率層は、誘電率がプラズモン励起層１７側から波数ベクトル変換層１８側に向かって次第に低くなる分布を有する。

（第７の実施形態）
図１３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１３に示すように、第７の実施形態における指向性制御層７３では、第１の実施形態における指向性制御層１３と同様の構成であり、プラズモン励起層群３７が、積層された複数の金属層３７ａ，３７ｂによって構成されている点が異なっている。

第７の実施形態における指向性制御層７３のプラズモン励起層群３７では、金属層３７ａ、３７ｂがそれぞれ異なる金属材料によってそれぞれ形成されて積層されている。これによって、プラズモン励起層群３７は、プラズマ周波数を調整することが可能になっている。

プラズモン励起層群３７におけるプラズマ周波数が高くなるように調整する場合には、例えば、金属層３７ａ，３７ｂをそれぞれＡｇ及びＡｌによって形成する。また、プラズモン励起層群３７におけるプラズマ周波数が低くなるように調整する場合には、例えば、異なる金属層３７ａ，３７ｂをそれぞれＡｇ及びＡｕによって形成する。

なお、プラズモン励起層群３７は、一例として２層構造を示したが、必要に応じて３層以上の金属層によって構成されてもよいことは勿論である。また、プラズモン励起層群３７の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。

以上のように構成された第７の実施形態の指向性制御層７３によれば、プラズモン励起層群３７が複数の金属層３７ａ，３７ｂによって構成されることによって、プラズモン励起層群３７における実効的なプラズマ周波数を、キャリア生成層１６からプラズモン励起層群３７に入射する光の周波数に近づけるように調整することが可能になる。このため、発光素子１１から光学素子１に入射する光の利用効率を更に高めることができる。

（第８の実施形態）
図１４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１４に示すように、第８の実施形態における指向性制御層８３では、第１の実施形態におけるプラズモン励起層１７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２７が更に配置されている。

第８の実施形態における指向性制御層８３では、キャリア生成層１６と導光体１２との間に、プラズモン励起層２７が配置されている。指向性制御層８３では、導光体１２から入射した光によってプラズモン励起層２７でプラズモンが励起され、その励起されたプラズモンによって、キャリア生成層１６でキャリアの生成が行われる。

このとき、プラズモン励起層２７でプラズモン共鳴を生じさせるために、キャリア生成層１６の誘電率を、導光体１２の誘電率よりも低くしている。また、キャリア生成層１６の材料選択の幅を広げるために、プラズモン励起層２７とキャリア生成層１６との間に、複素誘電率の実部が導光体１２よりも低い誘電率層を挟んで設けてもよい。

なお、プラズモン励起層２７は、キャリア生成層１６を単体で、発光素子１１の光で励起したときに発生する発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有している。また、プラズモン励起層２７は、発光素子１１の発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有している。また、異なる複数の発光周波数を有するキャリア生成層１６が用いられる場合、プラズモン励起層２７は、キャリア生成層１６を単体で、発光素子１１の光で励起したときに発生する光の異なる周波数のいずれよりも高いプラズマ周波数を有している。同様に、発光周波数が異なる複数種類の発光素子が用いられる場合、プラズモン励起層２７は、発光素子の異なる発光周波数のいずれよりもが高いプラズマ周波数を有している。

このような構成では、キャリア生成層１６にてプラズモンによってキャリアが生成されるので、プラズモンによる蛍光増強効果を利用できる。

以上のように構成された第８の実施形態によれば、プラズモンによる蛍光増強効果によりキャリア生成層１６でキャリアが効率的に生成され、キャリアを増やすことができるので、発光素子１１からの光の利用効率を更に高めることができる。

また、プラズモン励起層２７は、上述した第７の実施形態におけるプラズモン励起層群３７と同様に、複数の金属層が積層されて構成されてもよい。

（第９の実施形態）
図１５に、第９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９の実施形態における指向性制御層９３は、第１の実施形態における指向性制御層１３と同様の構成であり、キャリア生成層１６と導光体１２との間に、上述した実施形態における低誘電率層１９と異なる作用を奏する低誘電率層３９を設ける点が異なっている。

第９の実施形態における指向性制御層９３には、キャリア生成層１６の直下に低誘電率層３９が配置されている。低誘電率層３９の誘電率は、導光体１２の誘電率よりも低く設定している。発光素子１１からの入射光は、導光体１２と低誘電率層３９との界面で全反射を起こすように、導光体１２の光入射面１４に対する入射角が所定の角度に設定されている。

発光素子１１から導光体１２に入射した入射光は、導光体１２と低誘電率層３９との界面で全反射を起こし、この全反射に伴ってエヴァネッセント波が生成される。このエヴァネッセント波がキャリア生成層１６に作用することで、キャリア生成層１６にキャリアが生成される。

ところで、上述した第１〜第８の実施形態の光源装置では、発光素子１１から出射した光の一部が各層を透過して出射する。そのため、発光素子１１の発光波長とキャリア生成層１６の発光波長に対応し、波長が３０ｎｍ〜３００ｎｍ程度異なる２種類の光がそれぞれ出射している。しかし、本実施形態のように、エヴァネッセント波のみでキャリアを生成することによって、光源装置からの出射光のうち、発光素子１１の発光波長に対応する光を低減し、キャリア生成層１６の発光波長に対応する光を増加することが可能になる。したがって、第９の実施形態によれば、発光素子１１からの光の利用効率を更に高めることができる。

（第１０の実施形態）
図１６に、第１０の実施形態の光源ユニットの斜視図を示す。図１６に示すように、第１０の実施形態の光源ユニットでは、光学素子１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１からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用１／２波長板１００を備えている。光源装置２からの出射光を軸対称偏光用１／２波長板１００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ユニットを実現できる。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、本実施形態における光源装置が有する指向性制御層としては、上述した第１〜第９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１７は、軸対称偏光用１／２波長板１００の構造を示すための縦断面図である。軸対称偏光用１／２波長板１００の構成は、あくまで一例であって、この構成に限定されない。図１７に示すように、軸対称偏光用１／２波長板１００は、配向膜１０２，１０５がそれぞれ形成された一対のガラス基板１０１，１０６と、これらガラス基板１０１，１０６の配向膜１０２，１０５を対向させてガラス基板１０１，１０６の間に挟んで配置された液晶層１０４と、ガラス基板１０１，１０６の間に配置されたスペーサ１０３と、を備えている。

液晶層１０４は、常光に対する屈折率をｎｏ、異常光に対する屈折率をｎｅとすると、屈折率ｎｅが屈折率ｎｏよりも大きい。また、液晶層１０４の厚さｄは、（ｎｅ−ｎｏ）×ｄ＝λ／２を満たしている。なお、λは真空中における入射光の波長である。

図１８Ａ及び図１８Ｂに、軸対称偏光用１／２波長板１００を説明するための模式図を示す。図１８Ａに、軸対称偏光用１／２波長板１００の液晶層１０４を、ガラス基板１０１の主面に平行に切った状態の横断面図を示す。図１８Ｂに、液晶分子１０７の配向方向を説明するための模式図を示す。

図１８Ａに示すように、液晶分子１０７は、軸対称偏光用１／２波長板１００の中心に対して同心円状に配置されている。また、液晶分子１０７は、図１８Ｂに示すように、液晶分子１０７の主軸とこの主軸近傍の座標軸とのなす角をΦとし、座標軸と偏光方向とがなす角をθとすると、液晶分子１０７は、θ＝２Φ、又は、θ＝２Φ―１８０のいずれかの関係式を満たす方向に配向されている。ここで、図１８Ａと図１８Ｂは同一面内を示している。

図１９に、光源装置が軸対称偏光用１／２波長板１００を備えない構成の場合における、出射光のファーフィールドパターン１０９を示す。上述した第１〜第９の実施形態において、光源装置からの出射光のファーフィールドパターン１０９は、図１９に示すように、偏光方向１０８が、光源装置からの出射光の光軸を中心に放射状になった軸対称偏光となる。

図２０に、軸対称偏光用１／２波長板１００を通過した出射光のファーフィールドパターン１０９を示す。本実施形態によれば、上述した軸対称偏光用１／２波長板１００を用いることで、図２０に示すように、偏光方向１１０が一方向に揃えられた出射光が得られる。

（第１の実施例）
図２１に、第１の実施形態の光源装置２の出射光における角度分布を示す。図２１において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。

導光体１２としてＳｉＯ_２、キャリア生成層１６としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を母材とする蛍光体、プラズモン励起層１７としてＡｇ、波数ベクトル変換層１８としてＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍとした。また、キャリア生成層１６の発光波長を４６０ｎｍとして計算した。ここで、波数ベクトル変換層１８の周期構造の深さ、ピッチ、デューティ比はそれぞれ、１００ｎｍ、３２５ｎｍ、０．５に設定した。この条件下における出射光は、円環状ではなく、ガウス関数に近い配光分布を有しているが、ピッチを３２５ｎｍからずらすことでピークが分裂し、円環状の配向分布が得られる。

なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。光学素子１から出射した光の強度が半分になる角度の全幅を放射角とした場合、放射角は、波長４６０ｎｍの光それぞれに対して±３．４（ｄｅｇ）であった。

したがって、実施形態の光源装置２によれば、光源装置２からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層１８の格子構造を適宜調整することで、放射角を±５度以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。

（第２の実施例）
図２２に、第５の実施形態の光源装置の出射光における角度分布を示す。図２２において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。

導光体１２としてＳｉＯ_２、キャリア生成層１６としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を母材とする蛍光体、高誘電率層２０としてＡｌ_２Ｏ_３、プラズモン励起層１７としてＡｇ、低誘電率層１９としてポーラスＳｉＯ_２をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、１００ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍとした。ここで、ポーラスＳｉＯ_２の誘電率は１．１２とした。また、波数ベクトル変換層１８の材質をＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）、周期構造の深さ、ピッチ、デューティ比をそれぞれ、１００ｎｍ、４２１ｎｍ、０．５に設定した。この条件下における出射光は、円環状ではなく、ガウス関数に近い配光分布を有しているが、ピッチを４２１ｎｍからずらすことでピークが分裂し、円環状の配向分布が得られる。第２の実施例では、プラズモン励起層１７を挟む高誘電率層２０及び低誘電率層１９を設けることにより、第１の実施例に比べて指向性が高い配光分布が得られた。

第２の実施例において、プラズモン励起層１７の出射側部分及び入射側部分の実効誘電率は、式（１）よりそれぞれ、１．４８、２．５２となる。さらに、表面プラズモンの出射側及び入射側におけるｚ方向の波数の虚部は、式（２）よりそれぞれ、８．９６×１０^６、１．７１×１０^７となる。表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ^−２となる距離とすれば、１／Ｉｍ（ｋ_{ｓｐｐ，ｚ}）より、表面プラズモンの有効相互作用距離は、出射側及び入射側でそれぞれ、１１２ｎｍ、５８ｎｍとなる。

図２３に、第５の実施形態の光源装置２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。計算条件は、低誘電率層１９の厚さを除いて、角度分布を求めたときと同じである。図２３において、横軸が低誘電率層１９の厚さを示し、縦軸がプラズモン共鳴角を示している。図２３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。

なお、本実施形態の光源装置は、画像表示装置の光源装置として用いられるのに好適であり、投射型表示装置が備える光源装置や、液晶表示板（ＬＣＤ）の直下型光源装置、いわゆるバックライトとして携帯型電話機、ＰＤＡ（Personal Data Assistant）等の電子機器に用いられてもよい。

最後に、上述した第１〜第１０の実施形態が適用される投射型表示装置としてのＬＥＤプロジェクタの構成例について図面を参照して説明する。図２４に、実施形態のＬＥＤプロジェクタの模式的な斜視図を示す。

図２４に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタは、赤（Ｒ）光用光源装置２ｒ、緑（Ｇ）光用光源装置２ｇ、及び青（Ｂ）光用光源装置２ｂと、これらの光源装置２ｒ、２ｇ、２ｂからの出射光がそれぞれ入射する照明光学系１２０ｒ、１２０ｇ、１２０ｂと、これらの照明光学系１２０ｒ、１２０ｇ、１２０ｂを通過した光が入射する表示素子としてのライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂと、を備えている。また、ＬＥＤプロジェクタは、ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂによってそれぞれ変調されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム１２２と、このクロスダイクロイックプリズム１２２からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系１２３と、を備えている。

このＬＥＤプロジェクタは、いわゆる３板式プロジェクタに適用された構成である。照明光学系１２０ｒ、１２０ｇ、１２０ｂとしては、例えば輝度を均一化するためのロッドレンズ（不図示）を有している。ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂは、例えば液晶表示板やＤＭＤ等を有している。また、上述した実施形態の光源装置は、単板式プロジェクタにも適用可能であることは勿論である。

本実施形態のＬＥＤプロジェクタによれば、上述した実施形態の光源装置が適用されることで、投射映像の輝度を向上することができる。

また、ＬＥＤプロジェクタにおいても、図１７及び図１８Ａ、１８Ｂに示した軸対称偏光用１／２波長板１００を、各光源装置２ｒ、２ｇ、２ｂからの出射光の光路上に配置することが好ましく、ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂでの偏光損失を抑制することができる。また、照明光学系が偏光子を有する構成の場合には、軸対称偏光用１／２波長板１００を、偏光子と光源装置２との間に配置する構成が好ましい。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本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４日に出願された日本出願特願２０１０−０４７９４４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。

Claims (17)

1. 発光素子からの光が入射する導光体と、
   前記導光体の上に設けられ、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によって生じる表面プラズモンを所定の出射角の光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、
   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全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全体と、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高い、光学素子。
2. 前記実効誘電率は、複素実効誘電率ε_effであって、該複素実効誘電率ε_eff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k_spp,z、虚数単位をｊとすれば、
   

   

   
   を満たし、
   かつ、表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分k_sppが、
   前記プラズモン励起層の誘電率の実部をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすれば、
   

   

   
   

   

   
   を満たしている、請求項１に記載の光学素子。
3. 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または２に記載の光学素子。
4. 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高い、請求項３に記載の光学素子。
5. 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、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３または４に記載の光学素子。
6. 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、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高くなるように配置されている、請求項３または４に記載の光学素子。
7. 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、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している、請求項３または４に記載の光学素子。
8. 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、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高くなる分布を有する、請求項３または４に記載の光学素子。
9. 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、多孔質層である、請求項３ないし５、７のいずれか１項に記載の光学素子。
10. 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９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 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９のいずれか１項に記載の光学素子。
12. 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９、１１のいずれか１項に記載の光学素子。
13. 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１２のいずれか１項に記載の光学素子。
14. 前記プラズモン励起層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌのうちのいずれか１つ、また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１３のいずれか１項に記載の光学素子。
15. 請求項１ないし１４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。
16. 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１５に記載の光源装置。
17. 請求項１５または１６に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの出射光を変調する表示素子と、
    前記表示素子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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