JPWO2013046865A1 - Optical element, light source device and projection display device - Google Patents
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Abstract
本発明は、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もので、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、プラズモン励起層の上に積層され、プラズモン励起層から出射する光または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、プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面である。The present invention reduces the etendue of light emitted from an optical element without depending on the etendue of the optical element. The carrier generation layer generates carriers by light, and is laminated on the carrier generation layer. A plasmon excitation layer having a plasma frequency higher than the frequency of the light generated when the generation layer is excited by light from the light emitting element, and the plasmon excitation layer are stacked on the plasmon excitation layer, and are stacked on the plasmon excitation layer. And a surface on the carrier generation layer side of the plasmon excitation layer is a rough surface.
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。 The present invention relates to an optical element, a light source device, and a projection display device that use surface plasmons to emit light.
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。 There has been proposed an LED projector in which a light emitting diode (LED) is used as a light emitting element of a light source device. In this type of LED projector, a light source device having an LED, an illumination optical system into which light from the light source device is incident, a light valve having a liquid crystal display panel into which light from the illumination optical system is incident, and light from the light valve And a projection optical system for projecting onto the projection surface.
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。 In the LED projector, in order to increase the brightness of the projected image, it is required to prevent light loss as much as possible in the optical path from the light source device to the light valve.
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。
In addition, as described in Non-Patent
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。 Therefore, in a light source device having an LED and an optical element on which light from the LED is incident, it is a concern to reduce the above-described light loss by reducing etendue of light emitted from the optical element. Yes.
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。 In a light source device provided in an LED projector, it is indispensable to realize a projection light beam of about several thousand lumens by using a plurality of LEDs in order to make up for a shortage of light quantity of a single LED.
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。
As an example of a light source device using a plurality of LEDs,
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。
As another example of a light source device using a plurality of LEDs,
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。
However, in the configuration described in
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。
Therefore, in the configuration described in
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。
Further, in the configuration described in
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。
That is, in the configuration disclosed in
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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the related art and to reduce the etendue of light emitted from the optical element without depending on the etendue of the light emitting element, and a light source device and a projection display device including the same Is to provide.
上述した目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、
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、プラズモン励起層から出射する光または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、
プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面である。In order to achieve the above-described object, the optical element according to the present invention includes:
A carrier generation layer in which carriers are generated by light;
A plasmon excitation layer stacked on the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element;
An emission layer that is laminated on the plasmon excitation layer, converts the light emitted from the plasmon excitation layer or the surface plasmon into light of a predetermined emission angle, and emits the light;
The surface of the plasmon excitation layer on the carrier generation layer side is a rough surface.
また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、導光体と、該導光体の外周部に配置される発光素子と、を備える。 In addition, a light source device according to the present invention includes the optical element of the present invention, a light guide, and a light emitting element disposed on the outer periphery of the light guide.
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。 A projection display device according to the present invention includes the light source device of the present invention, a display element that modulates light emitted from the light source device, and a projection optical system that projects a projected image by the light emitted from the display element. Prepare.
また、本発明に係る光学素子は、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配置され、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、を備え、プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面である。 In addition, the optical element according to the present invention includes a carrier generation layer in which carriers are generated by light and a frequency of light that is disposed on the carrier generation layer and is generated when the carrier generation layer is excited by light from the light emitting element. A surface of the plasmon excitation layer on the carrier generation layer side is a rough surface.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the etendue of the emitted light from an optical element can be reduced without depending on the etendue of a light emitting element.
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。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図3に、本発明による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。(First embodiment)
FIG. 3 is a perspective view of a schematic configuration of the light source device according to the present invention. FIG. 4 shows a cross-sectional view for explaining the behavior of light in the light source device according to the present invention. In the light source device, the actual thickness of each individual layer is very thin, and the difference in the thickness of each layer is large. Therefore, it is difficult to draw each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not drawn in actual proportions, and the layers are schematically shown.
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。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
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5A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。キャリア生成層16の上面には粗面化処理が施され、キャリア生成層16上に積層されるプラズモン励起層17のキャリア生成層16との接合面は粗面とされる。
The
本実施形態における導光体は、キャリア生成層16において発光素子11から出射した光を実用上十分に吸収できる場合、発光素子11から出射した光が指向性制御層13を損傷させない場合、発光素子11の発光面上における光強度の均一性が課題とならない場合は不要である。
The light guide in the present embodiment has a light emitting element in which the light emitted from the
本実施形態におけるキャリア生成層16は、プラズモン励起層17の直下に配置されているが、キャリア生成層16とプラズモン励起層17との間に、厚さが後述の式4で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離deffよりも薄い誘電体層を備えて構成されてもよい。The
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、厚さが後述の式4で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離deffよりも薄い誘電体層を備えて構成されてもよい。The wave
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と導光体12に接する周囲雰囲気媒質(以下、単に媒質と称する)とを含む入射側部分(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、キャリア生成層16と導光体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。
The
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、キャリア生成層16及び媒質と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。
That is, in the first embodiment, the effective dielectric constant of the incident side portion including the
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)の実効誘電率が、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)の実効誘電率よりも高く設定されている。
Specifically, the effective dielectric constant of the incident side portion (the
ここで、実効誘電率εeff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(プラズモン励起層17に凹凸がある場合は、その平均面に垂直な方向)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の実部をε(ω,x,y,z)、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、Here, the effective dielectric constant ε eff is an x-axis, y-axis direction parallel to the interface of the
入射側部分または出射側部分の誘電率分布と、プラズモン励起層17の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定され、
It is determined based on the dielectric constant distribution of the incident side portion or the emission side portion and the distribution of surface plasmons with respect to the direction perpendicular to the interface of the
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の波数ベクトル変換層18側の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。よって、粗面を有するプラズモン励起層17について実効誘電率を求める場合は、粗面の隆起部および沈降部の高低に対して、それぞれz座標の原点を変更し、それぞれの高さの発生頻度ごとに重み付けをし、その平均値として実効誘電率を求める必要がある。もし、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を持つ材料があれば、ε(ω,x,y,z)はベクトルとなり、z軸に垂直な動径方向ごとに異なった値を持つ。つまり、z軸に垂直な動径方向ごとに、入射側部分および出射側部分の実効誘電率が存在する。このとき、ε(ω,x,y,z)の値は、z軸に垂直な動径方向に平行な方向に対する誘電率とする。よって、後述のkspp,z、kspp、deffなど、実効誘電率の関係する全ての現象は、z軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を持つ。It is represented by Here, the integration range D is a range of three-dimensional coordinates of the incident side portion or the emission side portion with respect to the
実効誘電率εeffは、以下の式を用いて計算してもよい。ただし、式(1)を用いる方が特に望ましい。The effective dielectric constant ε eff may be calculated using the following equation. However, it is particularly desirable to use the formula (1).
また、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は、プラズモン励起層17の誘電率をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、Further, the z component k spp, z of the wave number of the surface plasmon, the x and y components k spp of the wave number of the surface plasmon are set such that the dielectric constant of the
で表される。 It is represented by
ここで、Re[]は、[]内の実部を取ることを表す。 Here, Re [] represents taking a real part in [].
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の実部εin(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の実部εout(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実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、実効誘電率εeff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、実効誘電率εeff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kspp,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。他の実施形態における実効誘電率も、式(1)と同様に定義される。Therefore, the real part ε in (ω of the dielectric constant distribution of the incident side portion of the
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deffは、Here, if the effective interaction distance of the surface plasmon is a distance where the intensity of the surface plasmon is e −2 , the effective interaction distance d eff of the surface plasmon is
で表わされる。 It is represented by
図5Cは図5Aに示したキャリア生成層16とプラズモン励起層17の状態を示す断面図である。
FIG. 5C is a cross-sectional view showing a state of the
図5Cに示すように、プラズモン励起層17およびキャリア生成層16について、これらの接合面を粗面とすることにより、キャリア生成層16側から入射する励起光がプラズモン励起層17に入射する際に散乱光が発生し、キャリア生成層16で吸収される割合が高くなる。さらに、粗面の先鋭部では、局在プラズモンが発生し、粗面の先鋭部周辺では、励起光がキャリア生成層16で吸収される割合が高くなる。以上のメカニズムによって発光強度が増大する。
As shown in FIG. 5C, when the
表1にプラズモン励起層17およびキャリア生成層16の接合面が平面の場合と粗面とした場合の発光増強度を示し、図5Dに放射角度に対する規格化光子数(=検出光子数/(吸収光子数×取込率))を示す。
Table 1 shows the emission enhancement when the joining surface of the
表1には、発光強度が増大することが示され、図5Dから発光強度の増大と高い指向性での放射が行われることが確認される。 Table 1 shows that the emission intensity increases, and it is confirmed from FIG. 5D that the emission intensity increases and radiation with high directivity is performed.
粗面の凹凸深さおよび凹凸幅は、キャリア生成層16を単独で励起したときの発光波長をλとすると、5nm以上、λ以下が望ましい。その理由は、粗面の凹凸深さおよび凹凸幅が5nm未満では、表面プラズモンの励起強度や光の散乱強度が低いためであり、λ以上では、プラズモン励起層17に励起される表面プラズモンが凹凸によって散乱され、高指向性放射として取り出される割合が減少するためである。更に望ましくは5nm以上、deff以下であり、この場合はさらに表面プラズモンの散乱を抑制可能である。The unevenness depth and unevenness width of the rough surface are preferably 5 nm or more and λ or less, where λ is the emission wavelength when the
本発明での粗面は、図5Cでは先鋭形状としているが、図5Eに示すように先鋭部の先端は丸みを帯びていても良い。先端の曲率半径Rは100nm以下が望ましく,20nm〜50nm程度がさらに望ましい。曲率半径Rが100nm以下であれば、先鋭に発生する局在プラズモンによって励起光がキャリア生成層16内に閉じ込められる効果と、キャリアの生成速度が促進される効果が得られるため、発光強度の増大した高指向性放射が得られる。曲率半径Rが20nm〜50nm程度であれば、上記の効果がより強く得られるため、更に発光強度の増大した高指向性放射が得られる。
The rough surface in the present invention has a sharp shape in FIG. 5C, but the tip of the sharp portion may be rounded as shown in FIG. 5E. The curvature radius R of the tip is preferably 100 nm or less, and more preferably about 20 nm to 50 nm. If the radius of curvature R is 100 nm or less, the effect of confining the excitation light in the
粗面の形成範囲は、本発明ではプラズモン励起層17の全面に設けているが、必要に応じて設計できることは言うまでもない。つまり、プラズモン励起層17のキャリア生成層16側の一部に粗面が形成される場合であっても、粗面を持たないものに比べて発光強度の増大した高指向性放射が得られる。
The formation range of the rough surface is provided on the entire surface of the
図35に示すように、プラズモン励起層3501のキャリア生成層側3502の粗面は矩形構造であっても良い。
As shown in FIG. 35, the rough surface on the carrier
また、図36に示すように、プラズモン励起層3601のキャリア生成層側3602の粗面は、丸みを帯びた構造であっても良い。
As shown in FIG. 36, the rough surface on the carrier
また、図37、図38に示すように、プラズモン励起層3701、3801のキャリア生成層3702、3802側の粗面は台形構造であっても良い。
As shown in FIGS. 37 and 38, the rough surfaces of the
図39、図40に示すように、プラズモン励起層3901、4001とキャリア生成層3903、4003の間に誘電体層3902、4002が配置されても良い。なお、誘電体層のキャリア生成層側の面は、図39に示すように粗面であっても良いし、図40に示すように平坦な面であっても良い。ここで、誘電体層の厚さは、キャリア生成層とプラズモン励起層の最近接距離が表面プラズモンの有効相互作用距離deff以下となる厚さが好ましい。As shown in FIGS. 39 and 40,
また、粗面が図5Cのように周期性を持つ必要はなく、様々な凹凸深さ、凹凸幅および曲率半径を有していてもよい。 Further, the rough surface does not need to have periodicity as shown in FIG. 5C, and may have various uneven depth, uneven width, and radius of curvature.
他の実施形態においても、同様の粗面が適用可能なことは言うまでもない。 It goes without saying that the same rough surface can be applied to other embodiments.
本実施形態の場合には、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において、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。
In the case of the present embodiment, any layer including the
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。
The medium around the
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、2006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。
In the present embodiment, the plurality of light emitting elements 11 a to 11 n are arranged on the four side surfaces of the flat
本実施形態では、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。
In the present embodiment, the
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。
Examples of the
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の誘電率は、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、誘電率の実部が負である。
The
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、粗面部を除いて50nm以下に形成されるのが好ましく、0nm〜30nm程度に形成されるのが特に好ましい。つまり、プラズモン励起層17の一部に空孔があり、プラズモン励起層17前後の層が接触していてもよい。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を、その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との界面から光として取り出し、光学素子1から光を出射させるための出射層である。
Examples of the material of the
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ためである。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や、平板状の基部の上に凹部が設けられた構造であってもよい。なお、後述する実施形態では、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のみを示すが、上述の他の構造でもよい。
Examples of the wave
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。
In the
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によって後述する式(5)に示す方向、波長に変換され光出射部15から出射される。発光素子11fから出射した光のうち指向性制御層13で利用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の特性に応じた方向、波長に変換され、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、方向および波長が変換され光出射部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。
As shown in FIG. 4, among the plurality of
次に指向性制御層13の特性について示す。導光体12内を伝播している発光素子11から光によって、キャリア生成層16中に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。
Next, characteristics of the
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させ、光として取り出している。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。後述する式(5)が0となる条件では、z軸に沿った方向に最も光強度の強いシングルピークの強度分布を有する。
When the dielectric constant at the interface between the
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θradは、波数ベクトル変換層18の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層の光取り出し側(すなわち、波数ベクトル変換層に接する媒質)の屈折率をnradとすると、When the emission angle having the highest intensity is set as the central emission angle, the central emission angle θ rad of light emitted from the wave
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表面プラズモン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。
It is represented by Here, i is a positive or negative integer. At the interface between the
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。続いてキャリア生成層16の上に粗面をエッチングにより形成する。その後、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。
The manufacturing process of the
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。
Next, as shown in FIG. 6D, a wave
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、本実施形態による光源装置2では、波数ベクトル変換層18に入射する光の入射角が、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、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、各実施形態による光源装置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。
As described above, the
加えて、上述した特許文献1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。
In addition, the configuration disclosed in
また、上述した特許文献2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、各実施形態による光学素子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。
Further, in the configuration disclosed in
本実施形態は一般的な半導体分野における構造体形成技術によって作製可能である。 This embodiment can be manufactured by a structure forming technique in a general semiconductor field.
(第2の実施形態)
図5Bは、本発明の第2の実施形態の要部構成を示す図である。本実施形態は第1の実施形態の指向性制御層13の構成のみを異ならせたものであるため、図5Bには指向性制御層13'のみを示す。指向性制御層13'は、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2006と、このキャリア生成層2006上に積層され、キャリア生成層2006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2008と、このプラズモン励起層2008上に積層され、入射する光の波数ベクトルを変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層2010と、を備えている。(Second Embodiment)
FIG. 5B is a diagram showing a main configuration of the second embodiment of the present invention. Since the present embodiment is obtained by changing only the configuration of the
また、プラズモン励起層2008は、誘電性を有する2つの層の間に挟まれている。誘電性を有する2つの層として、本構成例による指向性制御層13'は、プラズモン励起層2008と波数ベクトル変換層2010との間に挟まれて設けられた高誘電率層2009と、キャリア生成層2006とプラズモン励起層2008との間に挟まれて設けられ、高誘電率層2009よりも誘電率が低い低誘電率層2007と、を備えている。高誘電率層2009、低誘電率層2007を含まなくとも、後述する入射側部分の実効誘電率が、出射側部分の実効誘電率よりも低い場合、高誘電率層2009、低誘電率層2007は本実施形態の動作において、必須の構成要素ではない。
The
そして、本構成例における光学素子11は、プラズモン励起層2008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2008の波数ベクトル変換層2010側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層10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低くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層2008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2008の波数ベクトル変換層2010側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層2010が含まれる。
In the
つまり、本構成例では、プラズモン励起層2008に対する、導光体12及びキャリア生成層2006を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層2008に対する、波数ベクトル変換層2010と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低くなっている。
In other words, in this configuration example, the effective dielectric constant of the incident side portion including the
詳細には、プラズモン励起層2008の入射側部分(発光素子11側)の実効誘電率が、プラズモン励起層2008の出射側部分(波数ベクトル変換層2010側)の実効誘電率よりも低く設定されている。
Specifically, the effective dielectric constant of the incident side portion (light emitting
図5Bに示した低誘電率層2007の上面には粗面化処理が施され、低誘電率層2007上に積層されるプラズモン励起層2008の低誘電率層2007との接合面は粗面とされる。 本実施形態の場合には、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において、導光体12を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層2010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。
The upper surface of the low dielectric
光源装置50の周囲の媒質、つまり導光体12や波数ベクトル変換層2010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2010側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
The medium around the
第2の実施形態の場合、低誘電率層2007としては、例えば、SiO2ナノロッドアレイフィルムや、SiO2、AlF3、MgF2、Na3AlF6、NaF、LiF、CaF2、BaF2、低誘電率プラスチック等の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2007の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。In the case of the second embodiment, examples of the low dielectric
高誘電率層2009としては、例えば、ダイヤモンド、TiO2、CeO2、Ta2O5、ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、ZnO、Nb2O5等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。Examples of the high dielectric
プラズモン励起層2008は、キャリア生成層2006単体を発光素子1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2008は、キャリア生成層2006単体を発光素子1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。
The
波数ベクトル変換層2010は、この波数ベクトル変換層2010に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、高誘電率層2009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2010は、高誘電率層2009とプラズモン励起層2008との界面から出射する光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2010は、プラズモン励起層2008と波数ベクトル変換層2010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。
The wave
導光体12と反対側の、高誘電率層2009の表面は、波数ベクトル変換層2010として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る構成であってもよい。
The surface of the high dielectric
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。
In the
本実施形態の動作について図4を参照して説明する。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’によって後述する式(6)の方向、波長に変換され、波数ベクトル変換層2010から出射される。発光素子11fから出射した光のうち指向性制御層13’で利用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’の特性に応じた方向、波長に変換され、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、方向および波長が変換され光出射部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2010を備える構成について図5Bを参照して説明する。
The operation of this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, among the plurality of
次に指向性制御層13’の特性について示す。導光体12内を伝播している発光素子11から光によって、キャリア生成層2006中に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2008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2008と波数ベクトル変換層2010との界面から光が放射される。この光は、波数ベクトル変換層2010で回折されて、光源装置2の外方に出射される。
Next, characteristics of the directivity control layer 13 'will be described. Carriers are generated in the
波数ベクトル変換層2010がない場合には、この界面から出射した光は、光源装置2と空気の界面において全反射角以上の光であるため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2010を設けることで、この光を回折させ、取り出している。波数ベクトル変換層2010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。波数ベクトル変換層18へ入射する光の最も強度が高い入射角を中心入射角としたとき、波数ベクトル変換層18へ入射する光の中心入射角θoutは、高誘電率層2009の屈折率をnoutとすれば、When the wave
で表わされる。プラズモン励起層2008と低誘電率層2007との界面には、式(3)によって求まる波数近傍の表面プラズモンしか存在しないので、式(6)より求まる波数ベクトル変換層2010へ入射する光の角度分布も狭くなる。よって、波数ベクトル変換層2010で回折されて取り出される光の角度分布も狭くなる。
It is represented by At the interface between the
図7A〜図7Eに、第2の実施形態による光学素子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7A及び図7Bに示すように、導光体12の上にキャリア生成層2006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7C〜図7Eに示すように、キャリア生成層2006の上に、低誘電率層2007、プラズモン励起層2008、高誘電率層2009の順にそれぞれ積層する。低誘電率層2007の積層後、プラズモン励起層2008を積層する前に、低誘電率層2007の表面をエッチングし、低誘電率層2007の表面に粗面を形成する。
7A to 7E show manufacturing steps of the
フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層2010を形成する製造工程を、図8A〜図8Dに示す。図8Aに示すように高誘電率層2009上に波数ベクトル変換層2010を形成し、この波数ベクトル変換層2010の上にレジスト膜2011をスピンコート法で塗布し、図8Bに示すようにナノインプリントでレジスト膜2011にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。図8C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2010をエッチングし、その後、図8Dに示すようにレジスト膜2011を剥離する。最後に、導光体12の外周部に複数の発光素子1を配置することで、光源装置2が完成する。
A manufacturing process for forming the wave
図9A〜図9Hに、光源装置2の高誘電率層2009の表面上に、フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層2010を形成する、もう1つの製造工程を示す。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。
9A to 9H show another manufacturing process in which the wave
まず、図9Aに示すように、基板12上にレジスト膜2011をスピンコート法で塗布し、図9Bに示すように、ナノインプリントでレジスト膜2011にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。続いて、図9C〜図9Eに示すように、物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタによって、高誘電率層2009、プラズモン励起層2008、低誘電率層2007の順に積層する。図9Fに示すように、低誘電率層2007の上にキャリア生成層2006をスピンコート法で塗布し、図9Gに示すように、キャリア生成層2006に導光体12を圧着し、乾燥させる。最後に、図9Hに示すように、レジスト膜2011を基板2012から剥離した後、導光体12の外周部に複数の発光素子1を配置することで、光源装置2が完成する。
First, as shown in FIG. 9A, a resist
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、本実施形態による光源装置2では、波数ベクトル変換層18に入射する光の入射角が、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、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、各実施形態による光源装置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。
As described above, the
加えて、上述した特許文献1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。
In addition, the configuration disclosed in
また、上述した特許文献2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、各実施形態による光学素子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。
Further, in the configuration disclosed in
(第3の実施形態)
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、以下の各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。(Third embodiment)
Hereinafter, light source devices according to other embodiments will be described. Since the light source device of other embodiment differs only in the structure of the
本実施形態は、図5Aに示した第1の実施形態における波数ベクトル変換層18の構成を異ならせたものである。波数ベクトル変換層18としては、フォトニック結晶の代わりに、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としてもよい。図10に、第3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。
In the present embodiment, the configuration of the wave
図10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。
As shown in FIG. 10, the
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11A及び図11B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。
11A and 11B are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the configuration in which the microlens array is laminated on the
図11A及び図11B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11A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。
As shown in FIGS. 11A and 11B, the
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。
Also in the
なお、後述する実施形態では、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も示すが、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。
In the embodiment described later, a configuration in which the wave
(第4の実施形態)
図12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12に示すように、第4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。(Fourth embodiment)
In FIG. 12, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 4th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 12, the directivity control layer 33 in the fourth embodiment includes a
したがって、第4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5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。
Therefore, the fourth embodiment is different from the first embodiment in that a dielectric constant layer 19 is independently provided between the
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。
The low dielectric constant layer 19 may be formed of a material different from that of the wave
低誘電率層19としては、例えば、SiO2、AlF3、MgF2、Na3AlF6、NaF、LiF、CaF2、BaF2、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。As the low dielectric constant layer 19, for example, a thin film or a porous film made of SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2 , low dielectric constant plastic or the like is used. preferable. The thickness of the low dielectric constant layer 19 is desirably as thin as possible. Note that this allowable maximum value of the thickness corresponds to the oozing length of the surface plasmon generated in the thickness direction of the low dielectric constant layer 19 calculated using Expression (4). When the thickness of the low dielectric constant layer 19 exceeds the value calculated from the equation (4), it is difficult to extract surface plasmons as light.
第4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。
Also in the directivity control layer 33 in the fourth embodiment, in order to cause plasmon coupling in the
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。
According to the directivity control layer 33 in the fourth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the plasmon excitation can be achieved by including the independent low dielectric constant layer 19. It becomes possible to easily adjust the effective dielectric constant of the emission side portion of the
(第5の実施形態)
図13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13に示すように、第5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。(Fifth embodiment)
In FIG. 13, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 5th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 13, the directivity control layer 43 in the fifth embodiment is a wave vector composed of the
したがって、第5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4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。
Therefore, the fifth embodiment is different from the first embodiment in that the dielectric
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。
The high dielectric
高誘電率層20としては、例えば、ダイヤモンド、TiO2、CeO2、Ta2O5、ZrO2、Sb2O3、HfO2、La2O3、NdO3、Y2O3、ZnO、Nb2O5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。Examples of the high dielectric
第5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。
Also in the directivity control layer 43 in the fifth embodiment, in order to generate plasmon coupling in the
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。さらには、キャリア生成層16で生成されたキャリアがプラズモン励起層17中で熱損失される割合を低減させることができるため、第1の実施形態よりも高い効率で高指向性化された光を取り出すことが可能である。
According to the directivity control layer 43 in the fifth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the plasmon excitation can be achieved by including the independent high dielectric
(第6の実施形態)
図14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14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。(Sixth embodiment)
In FIG. 14, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 6th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 14, the directivity control layer 53 includes a low dielectric constant layer 19 provided between the
第6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。
Also in the directivity control layer 53 in the sixth embodiment, in order to cause plasmon coupling in the
以上のように構成された第6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6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。さらには、キャリア生成層16で生成されたキャリアがプラズモン励起層17中で熱損失される割合を低減させることができるため、第1の実施形態よりも高い効率で高指向性化された光を取り出すことが可能である。
According to the directivity control layer 53 in the sixth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and the independent low dielectric constant layer 19 and high dielectric
なお、第6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が、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なる範囲であれば、低誘電率層19及び高誘電率層20はどのような誘電率のものを用いてもよい。つまり、低誘電率層19及び高誘電率層20以外の層の誘電率によっては、低誘電率層19よりも高誘電率層20の誘電率が低い場合もありうる。
In the sixth embodiment, the low dielectric constant layer 19 is disposed on the wave
(第7の実施形態)
図15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15に示すように、第7の実施形態における指向性制御層63は、第6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6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。(Seventh embodiment)
FIG. 15 is a perspective view of the directivity control layer included in the light source device of the seventh embodiment. As shown in FIG. 15, the
つまり、第7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。
In other words, the
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。
In the low dielectric constant layer group 29, a plurality of dielectric layers 29a to 29c are arranged so that the dielectric constant decreases monotonously from the side closer to the
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。
The entire thickness of the low dielectric constant layer group 29 is formed to be equal to the thickness of the low dielectric constant layer in the embodiment in which the directivity control layer includes the low dielectric constant layer independently. Similarly, the entire thickness of the high dielectric
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。
Thus, the high dielectric constant layer and the low dielectric constant layer are composed of a plurality of dielectric layers, so that the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the interface of the
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。
According to the
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られてもよい。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。
Instead of the low dielectric constant layer group 29 and the high dielectric
(第8の実施形態)
図16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16に示すように、第8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。(Eighth embodiment)
FIG. 16 is a perspective view of the directivity control layer provided in the light source device of the eighth embodiment. As shown in FIG. 16, the directivity control layer 73 in the eighth embodiment has the same configuration as the
第8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。
In the plasmon excitation layer group 37 of the directivity control layer 73 in the eighth embodiment, the
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。
When adjusting the plasma frequency in the plasmon excitation layer group 37 to be high, for example, the
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。 Note that the plasmon excitation layer group 37 has shown a two-layer structure as an example, but it is needless to say that the plasmon excitation layer group 37 may be composed of three or more metal layers as necessary. In addition, the thickness of the plasmon excitation layer group 37 is preferably formed to 200 nm or less, and particularly preferably about 10 nm to 100 nm.
以上のように構成された第8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。
According to the directivity control layer 73 of the eighth embodiment configured as described above, the plasmon excitation layer group 37 is configured by the plurality of
(第9の実施形態)
図17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17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。(Ninth embodiment)
In FIG. 17, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 9th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 17, in the directivity control layer 83 in the eighth embodiment, in addition to the
第9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。
In the directivity control layer 83 in the ninth embodiment, the plasmon excitation layer 27 is disposed between the
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。
At this time, in order to cause plasmon resonance in the plasmon excitation layer 27, the dielectric constant of the
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。
Note that the plasmon excitation layer 27 has a plasma frequency higher than the emission frequency generated when the
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。
In such a configuration, carriers are generated by plasmons in the
以上のように構成された第9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。
According to the ninth embodiment configured as described above, carriers can be efficiently generated in the
また、プラズモン励起層27は、上述した第8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。 The plasmon excitation layer 27 may be configured by stacking a plurality of metal layers, like the plasmon excitation layer group 37 in the above-described eighth embodiment.
(第10の実施形態)
図18に、第10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18に示すように、第10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。(Tenth embodiment)
FIG. 18 is a perspective view of the directivity control layer included in the light source device of the tenth embodiment. As shown in FIG. 18, the directivity control layer 93 in the tenth embodiment has the same configuration as the
第10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。
In the directivity control layer 93 in the tenth embodiment, a low dielectric constant layer 39 is disposed immediately below the
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。
Incident light that has entered the
ところで、上述した第1、第3〜第9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。
By the way, in the light source devices of the first, third to ninth embodiments described above, part of the light emitted from the
(第11の実施形態)
以下の各実施形態の指向性制御層において、第2の実施形態における指向制御層13’と同一の層には、第2の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。(Eleventh embodiment)
In the directivity control layers of the following embodiments, the same layers as those of the
本実施形態における指向性制御層は、図5Bに示した第2の実施形態における高誘電率層2009の表面に、マイクロレンズアレイを設けたものである。図19に示すように、指向性制御層2014は、マイクロレンズアレイ2013を備える構成であっても、波数ベクトル変換層2010としてフォトニック結晶を用いた場合と同様の効果が得られる。
The directivity control layer in the present embodiment is obtained by providing a microlens array on the surface of the high dielectric
図20A及び図20Bに、高誘電率層2009の上にマイクロレンズアレイ2013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示す。マイクロレンズアレイ2013を備える構成においても、図7A〜図7Eに示した製造方法と同様に、導光体12に、キャリア生成層2006から高誘電率層2009までの各層を積層するので、これらの製造工程の説明を省略する。
20A and 20B are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the configuration in which the
図20A及び図20Bに示すように、図7A〜図7Eに示した製造方法を用いて、導光体12に、キャリア生成層2006から高誘電率層2009までの各層を積層した後、高誘電率層2009の表面にマイクロレンズアレイ2013を形成する。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。高誘電率層2009の表面に、UV硬化樹脂2015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2015に所望のレンズアレイパターンを成形し、UV硬化樹脂2015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2013が形成される。
As shown in FIGS. 20A and 20B, after the layers from the
(第12の実施形態)
図21に、第12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21に示すように、第6の実施形態における指向性制御層2018では、導光体12の上に、キャリア生成層2016、プラズモン励起層2008、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層2017の順に積層されている。(Twelfth embodiment)
In FIG. 21, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 12th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 21, in the
第12の実施形態における指向性制御層2018では、波数ベクトル変換層2017が第2の実施形態における高誘電率層2009を兼ねており、キャリア生成層2016が第2の実施形態における低誘電率層2007を兼ねている。したがって、プラズモン励起層2008でプラズモン結合を生じさせるために、プラズモン励起層2008の出射側界面に隣接して配置された層である波数ベクトル変換層2017の誘電率は、プラズモン励起層2008の入射側界面に隣接して配置された層であるキャリア生成層2016の誘電率よりも高く設定されている。
In the
以上のように構成された第12の実施形態の光源装置によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られると共に、第2の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。 According to the light source device of the twelfth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and further downsizing can be achieved as compared with the second embodiment.
(第13の実施形態)
図22に、第13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22に示すように、第8の実施形態における指向性制御層2019では、導光体12の上に、キャリア生成層2006、低誘電率層2007、プラズモン励起層2008、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層2017の順に積層されている。(13th Embodiment)
In FIG. 22, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 13th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 22, in the
第13の実施形態における指向性制御層2019では、波数ベクトル変換層2017が第2の実施形態における高誘電率層2009を兼ねている。したがって、プラズモン励起層2008でプラズモン結合を生じさせるために、波数ベクトル変換層2017の誘電率は、低誘電率層2007の誘電率よりも高く設定されている。ただし、波数ベクトル変換層2017の誘電率の方が低誘電率層2007の誘電率よりも低い場合でも、プラズモン励起層2008の波数ベクトル変換層2017側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層2008の低誘電率層2007側の実効誘電率の実部よりも高ければ、指向性制御層2019は動作する。つまり、波数ベクトル変換層2017の誘電率には、プラズモン励起層2008の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層2008の入射側部分の実効誘電率の実部よりも高く保たれる範囲が許容される。
In the
以上のように構成された第13の実施形態の光源装置によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られると共に、第2の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。 According to the light source device of the thirteenth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and further downsizing can be achieved as compared with the second embodiment.
(第14の実施形態)
図23に、第14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23に示すように、第14の実施形態における指向性制御層2020では、導光体12の上に、キャリア生成層2016、プラズモン励起層2008、高誘電率層2009、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層2010の順に積層されている。(Fourteenth embodiment)
FIG. 23 is a perspective view of the directivity control layer provided in the light source device of the fourteenth embodiment. As shown in FIG. 23, in the
第14の実施形態における指向性制御層2020では、キャリア生成層2016が第2の実施形態における低誘電率層2007を兼ねている。したがって、プラズモン励起層2008でプラズモン結合を生じさせるために、キャリア生成層2016の誘電率は、高誘電率層2009よりも低く設定されている。ただし、キャリア生成層2016の誘電率の方が高誘電率層2009の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層2008のキャリア生成層2016側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層2008の高誘電率層2009側の実効誘電率の実部よりも低ければ、指向性制御層2020は動作する。つまり、キャリア生成層2016の誘電率には、プラズモン励起層2008の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層2008の入射側部分の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。
In the
以上のように構成された第14の実施形態の光源装置によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られると共に、第2の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。 According to the light source device of the fourteenth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and the size can be further reduced as compared with the second embodiment.
(第15の実施形態)
図24に、第15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24に示すように、第15の実施形態における指向性制御層2037では、第2の実施形態におけるプラズモン励起層2008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2036が更に配置されている。(Fifteenth embodiment)
In FIG. 24, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 15th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 24, in the
第15の実施形態における指向性制御層2037では、キャリア生成層2006と導光体12との間に、プラズモン励起層2036が配置されている。指向性制御層2037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2036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2006でキャリアの生成が行われる。
In the
このとき、プラズモン励起層2036でプラズモン共鳴を生じさせるために、キャリア生成層2006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2006の材料選択の幅を広げるために、プラズモン励起層2036とキャリア生成層2006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。ここで、プラズモン励起層2036の導光体12側の実効誘電率が、プラズモン励起層2036のキャリア生成層2006側の実効誘電率よりも高い必要がある。
At this time, in order to generate plasmon resonance in the plasmon excitation layer 2036, the dielectric constant of the
なお、プラズモン励起層2008は、キャリア生成層2006を単体で、発光素子1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している。また、プラズモン励起層2036は、発光素子1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2006が用いられる場合、プラズモン励起層2008は、キャリア生成層2006を単体で、発光素子1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2036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。
Note that the
ここで、発光素子1からの光がプラズモン励起層2036の界面においてプラズモンと結合するためには、発光素子1からプラズモン励起層2036へ入射させる光の入射角に条件がある。プラズモン励起層2036のキャリア生成層2006側における入射光の波数ベクトルのうち界面に平行な成分と、プラズモン励起層2036のキャリア生成層2006側における表面プラズモンの界面に平行な成分とが一致する入射角で光を入射させる必要がある。
Here, in order for light from the
このような構成によって、キャリア生成層2006においてプラズモンにより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。
With such a configuration, carriers are generated by plasmons in the
以上のように構成された第5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2006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1からの光の利用効率を更に高めることができる。
According to the fifth embodiment configured as described above, carriers can be efficiently generated in the
(第16の実施形態)
図25に、第16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25に示すように、第16の実施形態における指向性制御層2040は、第2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、第2の実施形態における低誘電率層2007及び高誘電率層2009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。(Sixteenth embodiment)
FIG. 25 is a perspective view of the directivity control layer included in the light source device of the sixteenth embodiment. As shown in FIG. 25, the
つまり、第16の実施形態における指向性制御層2040は、複数の誘電体層2038a〜2038cが積層されてなる低誘電率層群2038と、複数の誘電体層2039a〜2039cが積層されてなる高誘電率層群2039と、を備えている。
That is, the
低誘電率層群2038では、キャリア生成層2006に近い方からプラズモン励起層2008に向かって誘電率が単調に低くなるように、複数の誘電体層2038a〜2038cが配置されている。同様に、高誘電率層群2039では、プラズモン励起層2008に近い方からフォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層2010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2039a〜2039cが配置されている。
In the low dielectric
低誘電率層群2038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としている。同様に、高誘電率層群2039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としている。なお、低誘電率層群2038及び高誘電率層群2039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。
The total thickness of the low dielectric
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2008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2006、波数ベクトル変換層2010又は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、高誘電体層群2039は、波数ベクトル変換層2010又は空気等の媒質との界面での屈折率差を小さくし、低誘電体層群2038は、キャリア生成層2006との界面での屈折率差を小さくすることが可能になる。
In this way, the high dielectric constant layer and the low dielectric constant layer are composed of a plurality of dielectric layers, so that the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the interface of the
以上のように構成された第16の実施形態の指向性制御層2040によれば、プラズモン励起層2008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2006及び波数ベクトル変換層2010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1からの光の利用効率を更に高めることができる。
According to the
なお、低誘電率層群2038及び高誘電率層群2039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、誘電率がプラズモン励起層2007側から波数ベクトル変換層2010側に向かって次第に低くなる分布を有する。また同様に、低誘電率層は、誘電率がキャリア生成層2006側からプラズモン励起層2007側に向かって次第に低くなる分布を有する。
Instead of the low dielectric
(第17の実施形態)
図26に、第17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26に示すように、第7の実施形態における指向性制御層2042は、第2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2006と導光体12との間に、別の低誘電率層2041を設ける点が異なっている。(Seventeenth embodiment)
In FIG. 26, the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 17th Embodiment is provided is shown. As shown in FIG. 26, the
第17の実施形態における指向性制御層2042では、キャリア生成層2006の直下に低誘電率層2041が配置されている。低誘電率層2041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1からの入射光は、導光体12と低誘電率層2041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に対する入射角を所定の角度に設定している。
In the
発光素子1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2041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2006に作用することで、キャリア生成層2006にキャリアが生成される。
Incident light that has entered the
ところで、上述した第2、第11から第15の実施形態の光源装置では、発光素子1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1の発光波長とキャリア生成層2006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2からの出射光のうち、発光素子1の発光波長に対応する光を低減し、キャリア生成層2006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17の実施形態によれば、発光素子1からの光の利用効率を更に高めることができる。
By the way, in the light source devices of the second, eleventh to fifteenth embodiments described above, part of the light emitted from the
(第18の実施形態)
図27に、第18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27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2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2044が、積層された複数の金属層2044a,2044bによって構成されている点が異なっている。(Eighteenth embodiment)
FIG. 27 is a perspective view of the directivity control layer provided in the light source device of the eighteenth embodiment. As shown in FIG. 27, the directivity control layer 45 in the eighth embodiment has the same configuration as that of the
第18の実施形態における指向性制御層2045のプラズモン励起層群2044では、金属層2044a、2044b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2044は、プラズマ周波数を調整することが可能になっている。
In the plasmon
プラズモン励起層2044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2044a,2044b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2044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2044a,2044b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2044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。
In the case of adjusting the plasma frequency in the
以上のように構成された第8の実施形態の指向性制御層2045によれば、プラズモン励起層2044が複数の金属層2044a,2044bによって構成されることによって、プラズモン励起層2044における実効的なプラズマ周波数を、キャリア生成層2006からプラズモン励起層2044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1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。
According to the
(第19の実施形態)
図28に、第19の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図28に示すように、第19の実施形態の光源装置では、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11からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用1/2波長板226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226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18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。(Nineteenth embodiment)
FIG. 28 is a perspective view of the light source device of the nineteenth embodiment. As shown in FIG. 28, in the light source device of the nineteenth embodiment, an axis that linearly polarizes incident light from the
図29に、軸対称偏光用1/2波長板226の構造の縦断面図を示す。軸対称偏光用1/2波長板の構成は、あくまで一例であって、この構成に限定されない。図29に示すように、軸対称偏光用1/2波長板226は、配向膜228,231がそれぞれ形成された一対のガラス基板227,232と、これらガラス基板227,232の配向膜228,231を対向させてガラス基板227,232の間に挟んで配置された液晶層230と、ガラス基板227,232の間に配置されたスペーサ229と、を備えている。
FIG. 29 is a longitudinal sectional view of the structure of the half-
液晶層230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230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。
The
図30A及び図30Bに、軸対称偏光用1/2波長板226を説明するための模式図を示す。図30Aに、軸対称偏光用1/2波長板36の液晶層230を、ガラス基板232の主面に平行に切った状態の横断面図を示す。図30Bに、液晶分子233の配向方向を説明するための模式図を示す。
30A and 30B are schematic views for explaining the axially symmetric polarizing half-
図30Aに示すように、液晶分子233は、軸対称偏光用1/2波長板226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233は、図30Bに示すように、液晶分子233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233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30Aと図30Bは同一面内を示している。
As shown in FIG. 30A, the
図31に、光源装置が軸対称偏光用1/2波長板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235を示す。上述した第1〜第18の実施形態において、プラズモン励起層8、2008でプラズモン結合が起こる偏光は、P偏光のみであるので、光源装置からの出射光のファーフィールドパターン235が、図31に示すように、偏光方向が放射状になった軸対称偏光となる。
FIG. 31 shows a far-
図32に、軸対称偏光用1/2波長板226を通過した出射光のファーフィールドパターン238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226を用いることで、図32に示すように、偏光方向237が揃えられた出射光が得られる。
FIG. 32 shows a
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、液晶パネル(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。 The light source device of this embodiment is suitable for use as a light source device of an image display device, and is used as a light source device provided in a projection display device, a direct light source device of a liquid crystal panel (LCD), a so-called backlight. You may use for electronic devices, such as a portable telephone and PDA (Personal Data Assistant).
最後に、上述した実施形態の光源装置が適用される投射型表示装置としてのLEDプロジェクタについて簡単に説明する。図33に、実施形態の投射型表示装置の模式図を示す。 Finally, an LED projector as a projection display device to which the light source device of the above-described embodiment is applied will be briefly described. FIG. 33 is a schematic diagram of the projection display device of the embodiment.
図33に示すように、実施形態のLEDプロジェクタは、上述した実施形態の光学素子2と、この光学素子2からの出射光が入射する液晶パネル252と、この液晶パネル252からの出射光をスクリーン等の投射面255上に投射する投射レンズを含む投射光学系253と、を備えている。
As shown in FIG. 33, the LED projector according to the embodiment includes the
LEDプロジェクタが備える光源装置1は、指向性制御層が設けられた導光体12の一側面に、赤(R)光用LED257R、緑(G)光用LED257G、及び青(B)光用LED257Bがそれぞれ配置されている。光源装置2の指向性制御層が有するキャリア生成層は、赤(R)光用、緑(G)光用、及び青(B)光用の蛍光体を含んでいる。
The
図34に、実施形態のLEDプロジェクタに用いられる発光素子1の波長と、蛍光体の励起波長及び発光波長の強度との関係を示す。図34に示すように、R光用LED257R、G光用LED257G、B光用LED257Bの発光波長Rs、Gs、Bsと、蛍光体の励起波長Ra、Ga、Baはそれぞれほぼ等しく設定されている。また、これら発光波長Rs、Gs、Bs及び励起波長Ra、Ga、Baと、蛍光体の発光波長Rr、Gr、Grとは、それぞれ互いに重ならないように設定されている。また、それぞれのR光用LED257R、G光用LED257G、B光用LED257Bの発光スペクトルは、それぞれの蛍光体の励起スペクトルと一致するか、励起スペクトルの内側に収まるように設定されている。また、蛍光体の発光スペクトルは、蛍光体のいずれの励起スペクトルにもほとんど重ならないように設定されている。
FIG. 34 shows the relationship between the wavelength of the light-emitting
LEDプロジェクタでは、時分割方式を採っており、図示しない制御回路部によって、R光用LED257R、G光用LED257G、B光用LED257Bのいずれか1つのみが発光するように切り換えられる。
The LED projector employs a time-sharing method, and is switched so that only one of the
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2を備えることで、投射映像の輝度を向上することができる。
According to the LED projector of the present embodiment, the luminance of the projected video can be improved by including the
なお、実施形態のLEDプロジェクタとして、単板型液晶プロジェクタの構成例を挙げたが、R、G、B毎に液晶パネルを備える3板型液晶プロジェクタに適用されてもよいことは勿論である。 In addition, although the structural example of the single plate type liquid crystal projector was given as the LED projector of the embodiment, it is needless to say that the present invention may be applied to a three plate type liquid crystal projector including a liquid crystal panel for each of R, G, and B.
また、各実施形態は導光体を備えるものを挙げて説明したが、導光体は必須の構成要素ではなく、導光体の代わりに発光素子の発光面をキャリア生成層に近接して配してもよい。さらに、発光素子が空間を隔てて配置され、発光素子からの光がキャリア生成層に照射される構成としてもよく、発光素子も必須の構成要素ではない。 Each embodiment has been described with reference to a light guide. However, the light guide is not an essential component, and instead of the light guide, the light emitting surface of the light emitting element is arranged close to the carrier generation layer. May be. Further, the light-emitting element may be arranged with a space therebetween, and the light from the light-emitting element may be applied to the carrier generation layer, and the light-emitting element is not an essential component.
また、光学素子は、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配置され、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、を備え、プラズモン励起層のキャリア生成層側の面が粗面であるものでも良い。 The optical element is disposed on the carrier generation layer where carriers are generated by light, and a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light from the light emitting element. The surface of the plasmon excitation layer on the carrier generation layer side may be a rough surface.
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2011年9月27日に出願された日本出願特願2011−211586号、および、2012年1月6日に出願された日本出願特願2012−1323号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。The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2011-212586 filed on September 27, 2011 and Japanese Patent Application No. 2012-1323 filed on January 6, 2012 The entire disclosure of which is incorporated herein.
1 光学素子
2 光源装置
11 発光素子DESCRIPTION OF
Claims (31)
前記キャリア生成層の上に配置され、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配置され、前記プラズモン励起層から出射する光または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の前記キャリア生成層側の面が粗面である光学素子。A carrier generation layer in which carriers are generated by light;
A plasmon excitation layer disposed on the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than a frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element;
An emission layer that is disposed on the plasmon excitation layer and converts the light emitted from the plasmon excitation layer or the surface plasmon into light of a predetermined emission angle and emits the light, and
An optical element having a rough surface on the carrier generation layer side of the plasmon excitation layer.
発光素子からの光が入射する導光体と、を備え、
前記キャリア生成層は、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請求項1記載の光学素子。A light emitting element;
A light guide for receiving light from the light emitting element,
The optical element according to claim 1, wherein the carrier generation layer is provided on the light guide, and carriers are generated by light from the light guide.
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2ないし4のいずれか1項に記載の光学素子。Provided adjacent to the carrier generation layer side of the light guide, comprising a low dielectric constant layer having a lower dielectric constant than the light guide,
5. The carrier generation layer according to claim 2, wherein the carrier generation layer generates carriers by an evanescent wave generated when light from the light guide is totally reflected at an interface with the carrier generation layer. 6. Optical elements.
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。The optical element according to any one of claims 2 to 9,
The plasmon excitation layer is sandwiched between two layers having dielectric properties,
The effective dielectric constant of the incident side portion including the entire structure laminated on the light guide body side of the plasmon excitation layer is the entire structure laminated on the emission layer side of the plasmon excitation layer, and a medium in contact with the emission layer An optical element that is higher than the effective dielectric constant of the exit side portion including
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10に記載の光学素子。The plasmon excitation layer is sandwiched between a pair of dielectric layers,
The optical element according to claim 10, wherein the dielectric constant layer adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer has a higher dielectric constant than the dielectric constant layer adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer.
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低い、光学素子。The optical element according to any one of claims 2 to 9,
The plasmon excitation layer is sandwiched between two layers having dielectric properties,
The effective dielectric constant of the incident side portion including the entire structure laminated on the light guide body side of the plasmon excitation layer is the entire structure laminated on the emission layer side of the plasmon excitation layer, and a medium in contact with the emission layer An optical element that is lower than the effective dielectric constant of the exit side portion including
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17に記載の光学素子。The plasmon excitation layer is sandwiched between a pair of dielectric layers,
The optical element according to claim 17, wherein the dielectric constant layer adjacent to the light guide body side of the plasmon excitation layer has a lower dielectric constant than the dielectric constant layer adjacent to the emission layer side of the plasmon excitation layer.
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と、
前記入射側部分または前記出射側部分での前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布と、
に基づいて決定される請求項10ないし25のいずれかに記載の光学素子。The effective dielectric constant is
Dielectric constant distribution of the dielectric of the incident side portion or the emission side portion;
A distribution of surface plasmons in a direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer at the incident side portion or the emission side portion;
The optical element according to claim 10, wherein the optical element is determined based on the above.
前記実効誘電率は、実効誘電率εeffであって、該実効誘電率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をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
The effective dielectric constant is an effective dielectric constant ε eff , and the effective dielectric constant ε eff is
The direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer is the x axis and the y axis, the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer is the z axis, the angular frequency of light emitted from the carrier generation layer is ω, the incident side portion or The dielectric constant distribution of the dielectric on the exit side is ε (ω, x, y, z), the integration range D is the range of the three-dimensional coordinates of the entrance side or the exit side, and the z component of the wave number of the surface plasmon Is k spp, z and the imaginary unit is j,
And the z-component k spp, z of the wave number of the surface plasmon, the x- and y-components k spp of the wave number of the surface plasmon,
If the dielectric constant of the plasmon excitation layer is ε metal and the wave number of light in vacuum is k 0 ,
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。An optical element according to any one of claims 2 to 27;
A light source device comprising: a light emitting element disposed on an outer periphery of the light guide.
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。A light source device according to claim 28 or 29;
A display element that modulates light emitted from the light source device;
A projection display system comprising: a projection optical system that projects a projected image by light emitted from the display element.
前記キャリア生成層の上に配置され、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、を備え、
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側の面が粗面である光学素子。A carrier generation layer in which carriers are generated by light;
A plasmon excitation layer disposed on the carrier generation layer and having a plasma frequency higher than a frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element, and
An optical element having a rough surface on the carrier generation layer side of the plasmon excitation layer.
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