JPWO2013046872A1 - 光学素子、光源装置及び投射型表示装置 - 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、プラズモン励起層からキャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、を備える。
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。
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、
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、
プラズモン励起層からキャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、を備える。
光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、
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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、
プラズモン励起層からキャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、を備える。
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。
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、プラズモン励起層からキャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、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。
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。
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。
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５Ａに示す第１の実施形態のように、導光体１２上に設けられ、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上に積層された異方性高誘電率層２２と、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導光体１２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。
本実施形態における異方性高誘電率層２２は、指向性制御層１３の構成要素の積層方向に垂直な面内、言い換えれば各層の界面に並行な面内での方向によって、誘電率が異なる光学異方性を有する。つまり、異方性高誘電率層２２は指向性制御層１３の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向で、誘電率の大小関係がある。ここで、この誘電率の大きな方向を面内高誘電率方向、小さな方向を面内低誘電率方向と定義する。
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。
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。
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、異方性高誘電率層２２、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。
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、異方性高誘電率層２２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。
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、
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、
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。もし、プラズモン励起層１７の表面に粗面が形成されている場合は、プラズモン励起層１７の粗面に沿ってz座標の原点を移動させれば、式（１）を用いて実効誘電率が求められる。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。
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。
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の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
で表される。
ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。
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複素実効誘電率層εeffin、及び出射側部分の複素実効誘電率εeffoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率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、複素実効誘電率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。
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、
で表わされる。
異方性誘電体層２２を設けることにより、指向性制御層１３の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれ直交する方向では、入射側部分の実効誘電率が異なる。このとき、入射側部分の実効誘電率を、ある方向でプラズモン結合が発生しないほど高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、光源装置２から特定の方向のみに、特定の偏光成分だけを持った放射光が得られるようになる。
図５Ｃに、異方性誘電体層の有無による放射光の配光分布を示す。
図５Ｃ（ａ）は、図５Ａに示した実施形態から異方性高誘電率層２２を除いた構成の放射光の配光分布を示し、図５Ｃ（ｂ）は図５Ａに示した実施形態の放射光の配光分布を示している。
図５Ｃ（ａ）に示したように、本実施形態から異方性高誘電率層２２を除いた構成では、様々な方向にプラズモン結合が行われることから、様々な方向に偏光方向を持った放射光が出射される。放射光の出射方向が様々であるため、放射光をその指向性を維持したまま効率よく、波数ベクトル変換層１８により光源装置２外部へ取り出すことが困難である。さらに、プロジェクタの照明光として利用されるのは特定の偏光成分のみなので、光源装置２外部へ取り出された放射光の内、ごく一部だけが照明光として利用される。
一方、図５Ｃ（ｂ）に示される本実施形態のものでは、光源装置２から特定の方向に特定の偏光成分のみを有する放射光が出射されるため、光源装置２外部へ取り出された放射光のすべてをプロジェクタの照明光として利用することができる。
図５Ｄに異方性高誘電率層２２を用いたときのプラズモン結合効率を示す。この計算では、プラズモン励起層１７をＡｇ、Ａｇの誘電率を−６．５７＋０．７３６６ｊ、キャリア生成層１６単独の発光波長を４６０ｎｍ、キャリア生成層の量子収率を１００％、異方性高誘電率層２２側の面内高誘電率方向の実効誘電率を６．７６、面内低誘電率方向の実効誘電率を６．２５とした。
金属と励起子との間の距離が適当な値のときには、キャリア生成層１６で生成されたキャリアが表面プラズモンへ結合する効率がほぼ１．０となり、ほとんどのエネルギーが表面プラズモンに変換される。また、キャリア生成層１６で生成されたキャリアが表面プラズモンへ結合する効率は、異方性高誘電率層２２側の実効誘電率とプラズモン励起層１７の誘電率の和が０となる条件である。この計算では、プラズモン励起層１７の誘電率と異方性高誘電率層２２側の実効誘電率の和が−０．３２あれば、表面プラズモンへ結合する効率がほぼ１．０となり、０．１９あれば、表面プラズモンへ結合する効率が０となることを示している。理論的には、プラズモン励起層１７の誘電率と異方性高誘電率層２２側の実効誘電率の和が負または０のとき、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に表面プラズモンを励起し、正のとき、表面プラズモンを励起しない。つまり、前述のプラズモン結合が発生しない程度高い実効誘電率とは、プラズモン励起層１７の誘電率と異方性高誘電率層２２側の実効誘電率の和が正となるような誘電率であり、プラズモン結合が発生する程度低い実効誘電率とは、プラズモン励起層１７の誘電率と異方性高誘電率層２２側の実効誘電率の和が負または０となるような誘電率である。したがって、プラズモン励起層１７の誘電率と異方性高誘電率層２２側の実効誘電率の最低値の和が０となる条件が、方位角に対する指向性を高める点では最も好ましい。ただし前記の条件では、方位角に対する指向性を高めすぎたことによる、プラズモン励起層１７を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１７での発熱が懸念されるため、実用上、方位角の指向性を高めすぎない方がよい。具体的にはプラズモン励起層１７の誘電率と異方性高誘電率層２２側の実効誘電率の中間値の和が０となる条件では、方位角３１５度〜４５度、１３５度〜２２５度の範囲に高指向性放射が得られるため、方位角に対する指向性の向上と発光減少の抑制が可能である。
異方性誘電体層として、本実施形態では異方性高誘電率層２２を設けるものとしたが、プラズモン励起層１７の入射側に位置する少なくとも一つ以上の層が光学異方性を有することとすればよく、異方性誘電体層側の面内高誘電率方向の実効誘電率は、表面プラズモンとの結合が発生しない程度に高く、面内低誘電率方向の実効誘電率は表面プラズモンとの結合が発生する程度に低いものであればよい。具体的な異方性高誘電率層２２の構成材料としては、異方性結晶であるＴｉＯ2、ＹＶＯ4、Ｔａ2Ｏ5や誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜が挙げられる。表面プラズモンに変換されたエネルギーは、波数ベクトル変換層１８で光として光源装置２外部へ取り出される。このとき、表面プラズモンのエネルギーは、図５Ｃ（ｂ）の配光分布通りに分配される。一方、本実施形態から異方性高誘電率層２２を除いた構成では、図５Ｃ（ａ）の配光分布通りに分配される。つまり、本実施形態では、プロジェクタの照明光として利用される光にしか表面プラズモンのエネルギーが分配されないが、本実施形態から異方性高誘電率層２２を除いた構成では、プロジェクタの照明光として利用されない光にも表面プラズモンのエネルギーが分配されてしまう。よって、本実施形態の方が、本実施形態から異方性高誘電率層２２を除いた構成よりも、光源装置２におけるエネルギー効率が高い。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、
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。
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、異方性高誘電率層２２、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。
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。
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。
（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上に設けられ、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。
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上に設けられ、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。
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異方性低誘電率層２００７と、を備えている。高誘電率層２００９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は本実施形態の動作において、必須の構成要素ではない。
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。
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。
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）の複素実効誘電率の実部が、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）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。
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。
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。
第２の実施形態の場合、異方性低誘電率層２００７は第１の実施形態における異方性高誘電率層２１と同様に光学異方性を有するものであり、異方性低誘電率層２００７とすることによりプラズモン結合による放射光の出射方向を制限し、さらに偏光方向を一方向に揃えられる。
異方性誘電体層として、本実施形態では異方性低誘電率層２００７を設けるものとしたが、プラズモン励起層２００８の入射側に位置する少なくとも１以上の層が光学異方性を有することとすればよい。異方性誘電体層の高誘電率方向の実効誘電率は、表面プラズモンとの結合が発生しない程度に高く、低誘電率方向の実効誘電率は表面プラズモンとの結合が発生する程度に低いものであればよい。具体的な構成例としては、ＴｉＯ2、ＹＶＯ4、Ｔａ2Ｏ5、斜め蒸着膜が挙げられる。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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’における後述する式（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。
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。
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。
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２０１０へ入射する光の中心出射角θoutは、高誘電率層２００９の屈折率をｎoutとすれば、
で表わされる。プラズモン励起層２００８と異方性低誘電率層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）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。
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、異方性低誘電率層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。
フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層１０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。
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。
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、異方性低誘電率層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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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、異方性高誘電率層２２、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、異方性高誘電率層２２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。
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。
（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、異方性高誘電率層２２、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。
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、異方性高誘電率層２２、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。
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、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。
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。
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。
（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、異方性高誘電率層２２、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。
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、異方性高誘電率層２２、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。
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、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。
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。
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。
（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、異方性高誘電率層２２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。
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、異方性高誘電率層２２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。
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。
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よりも高誘電率層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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
（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、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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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異方性低誘電率層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。
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。
（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、異方性低誘電率層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。
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、異方性低誘電率層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。
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、異方性低誘電率層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の異方性低誘電率層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。
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。
（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。
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。
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異方性低誘電率層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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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異方性低誘電率層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。
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異方性低誘電率層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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図２８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。
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。
図２９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２９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。
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。
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。
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。
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。
また、光学素子、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、プラズモン励起層からキャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、を備える。
図３０に示すように、プラズモン励起層３００１と異方性誘電体層３００３との間には誘電体層３００２が配置されても良い。
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２０１１年９月２７日に出願された日本出願特願２０１１−２１１６１４号、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−１３２４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。
この出願は２０１１年９月２７日に出願された日本出願特願２０１１−２１１６１４号、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−１３２４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。
１ 光学素子
２ 光源装置
１１ 発光素子
２ 光源装置
１１ 発光素子
第２の実施形態の場合、異方性低誘電率層２００７は第１の実施形態における異方性高誘電率層２２と同様に光学異方性を有するものであり、異方性低誘電率層２００７とすることによりプラズモン結合による放射光の出射方向を制限し、さらに偏光方向を一方向に揃えられる。
Claims (30)
- 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、
前記プラズモン励起層から前記キャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、を備えた光学素子。 - 発光素子と、
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。 - 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２に記載の光学素子。
- 前記導光体と前記キャリア生成層との間に設けられ、前記発光素子の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する別のプラズモン励起層を更に備える、請求項２または３に記載の光学素子。
- 前記導光体の前記キャリア生成層側に隣接して設けられ、前記導光体よりも誘電率が低い低誘電率層を備え、
前記キャリア生成層は、前記導光体からの光が前記キャリア生成層との界面で全反射したときに生じるエヴァネッセント波によってキャリアを生成する、請求項２ないし４のいずれか１項に記載の光学素子。 - 前記出射層は、表面周期構造を有している、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記出射層は、フォトニック結晶からなる、請求項１ないし５のいずれか１に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層は、異なる金属材料からなる複数の金属層が積層されて構成されている、請求項１、２、３、５ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、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、２、３、５ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。
- 請求項２ないし９のいずれかに記載の光学素子において、
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配置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配置された構造全体と、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。 - 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１０に記載の光学素子。 - 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、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１０に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、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１０に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、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１０に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、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１０に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、多孔質層である、請求項１０ないし１２、１４のいずれか１項に記載の光学素子。
- 請求項２ないし９のいずれかに記載の光学素子において、
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。 - 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電率層の間に挟まれ、
前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電率層よりも誘電率が低い、請求項１７に記載の光学素子。 - 前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する層よりも誘電率が低い低誘電率層である、請求項１７に記載の光学素子。
- 前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する層よりも誘電率が高い高誘電率層である、請求項１７に記載の光学素子。
- 前記低誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項１９に記載の光学素子。
- 前記高誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項２０に記載の光学素子。
- 前記低誘電率層は、誘電率が前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かって次第に低くなる分布を有している、請求項１９に記載の光学素子。
- 前記高誘電率層は、誘電率が前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かって次第に低くなる分布を有する、請求項２０に記載の光学素子。
- 前記低誘電率層は、多孔質層である、請求項１９、２１、２３のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記実効誘電率が、
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。 - 請求項１０ないし２６のいずれかに記載の光学素子において、
前記実効誘電率は、複素実効誘電率εeffであって、該複素実効誘電率εeffが、前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊとすれば、
かつ、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppが、
前記プラズモン励起層の誘電率をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
- 請求項２ないし２７のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記導光体の外周部に配置された発光素子と、を備える光源装置。 - 請求項２８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。 - 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から前記キャリア生成層へ向かう入射側に１つ以上設けられた光学異方性を有する異方性誘電体層と、を備えた光学素子。
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