WO2011040528A1 - 光学素子、光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

光学素子、光源装置及び投射型表示装置 Download PDF

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WO2011040528A1
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light
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optical element
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昌尚 棗田
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日本電気株式会社
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    • G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
    • G02B6/0068—Arrangements of plural sources, e.g. multi-colour light sources

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, a light source device, and a projection display device that use plasmon coupling to emit light.
  • LED projector using a light emitting diode (LED) as a light emitting element included in a light source device has been proposed.
  • 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 projectors are required to prevent light loss as much as possible in the optical path from the light source device to the light valve in order to increase the brightness of the projected image.
  • Non-Patent Document 1 there is a restriction due to Etendue determined by the product of the area of the light source device and the radiation angle. That is, if the product value of the light emitting area and the emission angle of the light source device is not less than or equal to the product value of the area of the incident surface of the light valve and the capture angle (solid angle) determined by the F number of the projection lens, the light source The light from the device is not used as projection light.
  • 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.
  • Patent Document 1 discloses, as shown in FIG. 1, a plurality of single color light source devices 83a to 83f having LEDs 84a to 84f, and these single color light source devices 83a to 83f.
  • a light source unit including a light guide device 80 is disclosed.
  • this light source unit light from the plurality of monochromatic light source devices 83a to 83f is combined, and light whose emission angle is narrowed by the light source sets 81a and 81b is incident on the light guide device 80.
  • the light loss is reduced by narrowing the radiation angle of light incident on the light guide device 80 by the light source sets 81a and 81b.
  • Patent Document 2 discloses a light source device including a light source substrate 86 in which a plurality of LEDs 85 are arranged on a plane as shown in FIG. Yes.
  • the light source device includes an optical element including two prism sheets 88 and 89 arranged on one surface and having a prism array formed so as to intersect the prism array, and a frame 87 that supports the prism sheets 88 and 89. I have.
  • light from a plurality of LEDs 85 is synthesized by two prism sheets 88 and 89.
  • the light emission areas on the dichroic reflecting surfaces of the optical axis alignment members 82a to 82d are larger than the light emission areas of the LEDs 84a to 84f. For this reason, when the etendue of light incident on the light guide device 80 is compared with the etendue of light from the LEDs 84a to 84f, the etendue does not change as a result.
  • the etendue of the emitted light from the light guide device 80 depends on the etendue of the LEDs 84a to 84f, and the etendue of the emitted light from the light guide device 80 can be reduced. There wasn't.
  • the etendue of the light emitted from the light source unit and the light source device depends on the etendue of the light from the LED, and the etendue of the light emitted from the optical element is reduced. It could not be reduced.
  • 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.
  • an optical element includes a light guide that receives light from a light emitting element, and a carrier generation layer that is provided on the light guide and generates carriers by light from the light guide. And a plasmon excitation layer having a plasma frequency higher than the frequency of the light generated when the carrier generation layer is excited by light from the light emitting element, and a plasmon excitation stacked on the plasmon excitation layer.
  • An emission layer that converts light incident from the layer into a predetermined emission angle and emits the light.
  • the plasmon excitation layer is sandwiched between two layers having dielectric properties.
  • the light source device includes the optical element of the present invention and a light emitting element disposed on the outer peripheral portion of the light guide.
  • a projection display device includes the light source device of the present invention and a projection optical system that projects a projected image by the light emitted from the light source device.
  • the etendue of light emitted from the optical element can be reduced without depending on the etendue of the light emitting element.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a configuration of Patent Document 1.
  • FIG. It is a disassembled perspective view for demonstrating the structure of patent document 2.
  • FIG. It is a perspective view which shows typically the light source device of 1st Embodiment. It is sectional drawing for demonstrating the behavior of the light in the light source device of 1st Embodiment. It is a perspective view which shows typically the directivity control layer with which the light source device of 1st Embodiment is provided. It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment. It is sectional drawing for demonstrating a manufacturing process in the light source device of 1st Embodiment.
  • the light source device of 1st Embodiment it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. In the light source device of 1st Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. In the light source device of 1st Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. In the light source device of 1st Embodiment, it is sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of a photonic crystal. In 1st Embodiment, it is a perspective view which shows the structure by which the micro lens array was provided in the surface of the directivity control layer.
  • the light source device of an embodiment it is a mimetic diagram showing the far field pattern and polarization direction of outgoing light in the case of the composition provided with the axially symmetric polarization half-wave plate. It is a figure for demonstrating the plasmon resonance characteristic in an Example. It is a figure for demonstrating the radiation angle characteristic in an Example.
  • the light source device of 1st Embodiment it is a figure which compares and shows the plasmon resonance angle calculated
  • FIG. 3 the perspective view of the typical structure of the light source device of this embodiment is shown.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view for explaining the behavior of light in the light source device according to the present invention.
  • 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.
  • the light source device 50 of the present embodiment includes a plurality of light emitting elements 1 (1a to 1n) and an optical element 51 on which light emitted from these light emitting elements 1 is incident. Yes.
  • the optical element 51 includes a light guide 2 on which light emitted from the light emitting element 1 enters, and a directivity control layer 3 that emits outgoing light by the light from the light guide 2.
  • the directivity control layer 3 is a layer for increasing the directivity of the emitted light from the light source device 50.
  • the directivity control layer 3 is provided on the light guide 2 as in the first embodiment shown in FIG. 2, a carrier generation layer 6 in which carriers are generated by a part of the light incident from 2, and a frequency of light that is laminated on the carrier generation layer 6 and is generated when the carrier generation layer 6 is excited by light of the light emitting element 1.
  • a plasmon excitation layer 8 having a higher plasma frequency, and a wave vector conversion layer 10 which is laminated on the plasmon excitation layer 8 and which converts the wave vector of incident light and emits it. .
  • the plasmon excitation layer 8 is sandwiched between two layers having dielectric properties.
  • the directivity control layer 3 includes a high dielectric constant layer 9 provided between the plasmon excitation layer 8 and the wave vector conversion layer 10 as shown in FIG.
  • a low dielectric constant layer 7 provided between the carrier generation layer 6 and the plasmon excitation layer 8 and having a dielectric constant lower than that of the high dielectric constant layer 9.
  • the optical element 1 in this embodiment has an effective dielectric constant of an incident side portion (hereinafter simply referred to as an incident side portion) including the entire structure laminated on the light guide 2 side of the plasmon excitation layer 8 so that the plasmon excitation It becomes lower than the effective dielectric constant of the emission side portion (hereinafter simply referred to as the emission side portion) including the entire structure laminated on the wave vector conversion layer 10 side of the layer 8 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 10. It is configured.
  • the entire structure stacked on the light guide 2 side of the plasmon excitation layer 8 includes the light guide 2.
  • the entire structure stacked on the wave vector conversion layer 10 side of the plasmon excitation layer 8 includes the wave vector conversion layer 10.
  • the effective dielectric constant of the incident side portion including the light guide 2 and the carrier generation layer 6 with respect to the plasmon excitation layer 8 is such that the wave vector conversion layer 10 and the medium with respect to the plasmon excitation layer 8 are It is lower than the effective dielectric constant of the output side portion.
  • the real part of the complex effective dielectric constant of the incident side portion (light emitting element 1 side) of the plasmon excitation layer 8 is the complex effective dielectric constant of the emission side portion (wave number vector conversion layer 10 side) of the plasmon excitation layer 8. It is set lower than the real part.
  • the complex effective dielectric constant ⁇ eff is emitted from the carrier generation layer 6 with the direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer 8 as the x axis and the y axis and the direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 8 as the z axis.
  • the angular frequency of light is ⁇
  • the dielectric constant distribution of the dielectric in the incident side portion and the outgoing side portion with respect to the plasmon excitation layer 8 is ⁇ ( ⁇ , x, y, z)
  • the z component of the wave number of the surface plasmon is k spp, z If the imaginary unit is j,
  • 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 plasmon excitation layer 8.
  • the x-axis and y-axis direction ranges in the integration range D are ranges that do not include the medium up to the outer peripheral surface of the structure included in the incident side portion or the outer peripheral surface of the structure included in the output side portion. This is the range up to the outer edge in the plane parallel to the interface of the excitation layer 8.
  • the range in the z-axis direction in the integration range D is the range of the incident side portion or the emission side portion (including the medium).
  • the z component k spp, z of the surface plasmon wave number, the x and y components k spp of the surface plasmon wave number, ⁇ metal is the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 8, and k is the wave number of light in vacuum. If 0 ,
  • the dielectric constant distribution ⁇ in ( ⁇ , x,) of the incident side portion of the plasmon excitation layer 8 is expressed as ⁇ ( ⁇ , x, y, z).
  • y, z) and the dielectric constant distribution ⁇ out ( ⁇ , x, y, z) of the emission side portion of the plasmon excitation layer 8 are respectively substituted and calculated, whereby the complex effective of the incident side portion with respect to the plasmon excitation layer 8 is calculated.
  • the dielectric constant layer ⁇ effin and the complex effective dielectric constant ⁇ effout of the emission side portion are respectively obtained.
  • Equation (3) the complex effective dielectric constant epsilon eff .
  • the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 8 is very high, the z component k spp, z of the surface plasmon wave number at the interface is a real number. This corresponds to the absence of surface plasmons at the interface. Therefore, the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 8 corresponds to the effective dielectric constant in this case.
  • the effective interaction distance of the surface plasmon is a distance at which the intensity of the surface plasmon is e ⁇ 2
  • the effective interaction distance d eff of the surface plasmon is
  • the low dielectric constant layer 7 is a layer having a dielectric constant lower than that of the high dielectric constant layer 9.
  • the complex dielectric constant of the low dielectric constant layer 7 is ⁇ l ( ⁇ 0 ), its real part is ⁇ lr ( ⁇ 0 ), and its imaginary part is ⁇ li ( ⁇ 0 ).
  • the complex dielectric constant of the high dielectric constant layer 9 is ⁇ h ( ⁇ 0 )
  • its real part is ⁇ hr ( ⁇ 0 )
  • its imaginary part is ⁇ hi ( ⁇ 0 )
  • ⁇ 0 is the wavelength of the incident light on the dielectric layer in vacuum.
  • the real part of the effective dielectric constant on the low dielectric constant layer 7 side of the plasmon excitation layer 8 is the plasmon excitation layer.
  • the optical element 51 operates if it is lower than the real part of the effective dielectric constant of 8 on the high dielectric constant layer 9 side.
  • the dielectric constants of the low dielectric constant layer 7 and the high dielectric constant layer 9 are such that the real part of the effective dielectric constant on the emission side of the plasmon excitation layer 8 is kept higher than the real part of the effective dielectric constant on the incident side. Is acceptable.
  • the low dielectric constant layer 7 is composed of the dielectric layer A and the dielectric layer B
  • the high dielectric constant layer 9 is composed of the dielectric layer C and the dielectric layer D.
  • the dielectric layers B and C adjacent to the plasmon excitation layer 8 are sufficiently thin (thickness is less than 10 nm, for example).
  • the dielectric layer A functions as a low dielectric constant layer
  • the dielectric layer D functions as a high dielectric constant layer.
  • the complex dielectric constants of the low dielectric constant layer 7 and the high dielectric constant layer 9 may be set in consideration of the complex effective dielectric constant.
  • the imaginary part ⁇ li ( ⁇ 0 ) and the imaginary part ⁇ hi ( ⁇ 0 ) at the light emission frequency are preferably as low as possible, which facilitates plasmon coupling and reduces optical loss.
  • the imaginary part of the complex dielectric constant should be as low as possible in any layer including the light guide 2 and the medium in contact with the wave vector conversion layer 10 except for the carrier generation layer 6 and the plasmon excitation layer 8. preferable.
  • the imaginary part of the complex dielectric constant should be as low as possible, plasmon coupling can be easily generated and light loss can be reduced.
  • the medium around the light source device 50 that is, the medium in contact with the light guide 2 and the wave vector conversion layer 10 may be solid, liquid, or gas.
  • the light guide 2 side and the wave vector conversion layer 10 side May be different media.
  • the plurality of light emitting elements 1a to 1n are arranged on the four side surfaces of the flat light guide 2 with predetermined intervals, respectively.
  • a portion where the light emitting elements 1a to 1n are connected to the side surface is referred to as a light incident portion 4.
  • the light emitting element 1 for example, a light emitting diode (LED) that emits light having a wavelength that can be absorbed by the carrier generation layer 6, a laser diode, a super luminescent diode, or the like is used.
  • the light emitting element 1 may be arranged separately from the light incident portion 4 of the light guide 2 and may be optically connected to the light guide 2 by a light guide member such as a light pipe.
  • the light guide 2 is formed in a flat plate shape, but the shape of the light guide 2 is not limited to a rectangular parallelepiped.
  • a structure for controlling light distribution characteristics such as a microprism may be provided inside the light guide 2.
  • the light guide 2 may be provided with a reflective film on the entire outer peripheral surface excluding the light emitting portion 5 and the light incident portion 4 or on a part of the outer peripheral surface.
  • the light source device 50 may be provided with a reflective film (not shown) on the whole or a part of the outer peripheral surface excluding the light emitting part 5 and the light incident part 4.
  • the reflective film for example, a metal material such as silver or aluminum, or a dielectric multilayer film is used.
  • the carrier generation layer 6 examples include organic phosphors such as rhodamine (Rhodamine 6G) and sulforhodamine (sulfodamine 101), phosphors such as quantum dot phosphors such as CdSe and CdSe / ZnS quantum dots, and GaN and GaAs. Inorganic materials (semiconductors) such as (thiophene / phenylene) co-oligomer, and organic materials (semiconductor materials) such as Alq3 are used. When using a phosphor, the carrier generation layer 6 may include a mixture of materials that emit a plurality of wavelengths having the same or different emission wavelengths. The thickness of the carrier generation layer 6 is preferably 1 ⁇ m or less.
  • the low dielectric constant layer 7 examples include SiO 2 nanorod array films, thin films such as SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2 , and low dielectric constant plastic. It is preferable to use a membrane. The thickness of the low dielectric constant layer 7 is desirably as thin as possible.
  • the high dielectric constant layer 9 for example, diamond, TiO 2 , CeO 2, Ta 2 O 5, ZrO 2, Sb 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , NdO 3 , Y 2 O 3 , ZnO, Nb It is preferable to use a high dielectric constant material such as 2 O 5 .
  • the plasmon excitation layer 8 is a fine particle layer or a thin film layer formed of a material having a plasma frequency higher than the frequency (light emission frequency) of light generated when the carrier generation layer 6 alone is excited by light of the light emitting element 1. .
  • the plasmon excitation layer 8 has a negative dielectric constant at the emission frequency generated when the carrier generation layer 6 alone is excited by the light of the light emitting element 1.
  • Examples of the material for the plasmon excitation layer 8 include gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, and aluminum. Or alloys thereof.
  • gold, silver, copper, platinum, aluminum and alloys containing these as main components are preferable, and gold, silver, aluminum and alloys containing these as main components are particularly preferable.
  • the thickness of the plasmon excitation layer 8 is preferably formed to be 200 nm or less, and particularly preferably about 10 nm to 100 nm.
  • the distance from the interface between the high dielectric constant layer 9 and the plasmon excitation layer 8 to the interface between the low dielectric constant layer 7 and the carrier generation layer 6 is preferably 500 nm or less. This distance corresponds to the distance at which plasmon coupling occurs between the carrier generation layer 6 and the plasmon excitation layer 8.
  • the wave vector conversion layer 10 is an emission layer for extracting light from the high dielectric constant layer 9 and emitting light from the optical element 51 by converting the wave vector of incident light incident on the wave vector conversion layer 10. is there.
  • the wave vector conversion layer 10 converts the emission angle of the light from the high dielectric constant layer 9 into a predetermined angle and emits it from the optical element 51. That is, the wave vector conversion layer 10 has a function of emitting outgoing light from the optical element 51 so as to be substantially orthogonal to the interface with the high dielectric constant layer 9.
  • Examples of the wave vector conversion layer 10 include a surface relief grating, a periodic structure typified by a photonic crystal, a quasi-periodic structure (a texture structure larger than the wavelength of light from the high dielectric constant layer 9), a quasi-crystalline structure, Examples include a surface structure on which a surface is formed, a hologram, and a microlens array.
  • the quasi-periodic structure refers to, for example, an incomplete periodic structure in which a part of the periodic structure is missing.
  • the wave vector conversion layer 10 may have a structure in which a convex portion is provided on a flat base.
  • the wave vector conversion layer 10 may be made of a material different from that of the high dielectric constant layer 9.
  • the light emitting element 1 f passes through the light incident portion 4 of the light guide 2 and propagates while totally reflecting inside the light guide 2. To do. At this time, a part of the light incident on the interface between the light guide 2 and the directivity control layer 3 has a light emitting part 5 with a direction and a wavelength according to characteristics to be described later in the plasmon excitation layer 8 of the directivity control layer 3. It is emitted from. The light that has not been emitted from the light emitting unit 5 is returned to the light guide 2, and part of the light that has entered the interface between the light guide 2 and the directivity control layer 3 is transmitted through the directivity control layer 3 again.
  • the light is emitted from the light emitting portion 5.
  • the light emitted from the light emitting element 1 m disposed at the position facing the light emitting element 1 f with the light guide 2 interposed therebetween and similarly transmitted through the light incident portion 4.
  • the light is emitted from the light emitting unit 5.
  • the direction and wavelength of the light emitted from the light emitting unit 5 depend only on the characteristics of the directivity control layer 3, and the incident angle to the position of the light emitting element 1 and the interface between the light guide 2 and the directivity control layer 3. Is independent.
  • the wave vector conversion layer is a photonic crystal will be described unless otherwise specified.
  • FIG. 5 the enlarged view for demonstrating the structure and function of the directivity control layer 3 is shown.
  • the total reflection condition is broken at the interface between the light guide 2 and the carrier generation layer 6, and light from the light emitting element 1 enters the carrier generation layer 6. .
  • the light incident on the carrier generation layer 6 generates carriers in the carrier generation layer 6.
  • the generated carriers cause plasmon coupling with free electrons in the plasmon excitation layer 8. Radiation into the high dielectric constant layer 9 occurs through the plasmon coupling, and the light is diffracted by the wave vector conversion layer 10 and emitted to the outside of the light source device 50.
  • the light emitted from one point of the high dielectric constant layer 9 has an annular intensity distribution that spreads concentrically as it propagates.
  • the emission angle having the highest intensity is the central emission angle
  • the angle width from the central emission angle to the emission angle at which the intensity is halved is the emission angle width
  • the central emission angle and the emission angle width of the light emitted from the high dielectric constant layer 9 Is It is determined by the effective dielectric constant of the emission side portion and the incident side portion of the plasmon excitation layer 8, the complex dielectric constant of the plasmon excitation layer 8, and the emission spectrum width of the carrier generation layer 6.
  • FIGS. 6A to 6E show a manufacturing process of the optical element 51 included in the light source device 50.
  • FIG. This is merely an example, and the present invention is not limited to this manufacturing method.
  • the carrier generation layer 6 is applied on the light guide 2 by a spin coating method.
  • the low dielectric constant layer 7, the plasmon excitation layer 8, the high dielectric constant layer 9 are formed on the carrier generation layer 6.
  • the carrier generation layer 6 Are stacked in the order of.
  • FIG. 7A to 7D show a manufacturing process for forming the wave vector conversion layer 10 with a photonic crystal.
  • a wave vector conversion layer 17 is formed on the high dielectric constant layer 9 as shown in FIG. 7A, a resist film 11 is applied on the wave vector conversion layer 10 by spin coating, and nano imprint is applied as shown in FIG. 7B.
  • a negative pattern of the photonic crystal is transferred to the resist film 11.
  • the wave vector conversion layer 10 is etched to a desired depth by dry etching as shown in FIG. 7C, and then the resist film 11 is peeled off as shown in FIG. 7D.
  • the light source device 50 is completed by arranging the plurality of light emitting elements 1 on the outer periphery of the light guide 2.
  • FIG. 8A to 8H show another manufacturing process in which the wave vector conversion layer 10 is formed by a photonic crystal on the surface of the high dielectric constant layer 9 of the light source device 50.
  • FIG. This is merely an example and is not limited to this manufacturing method.
  • a resist film 11 is applied onto the substrate 12 by spin coating, and a negative pattern of a photonic crystal is transferred to the resist film 11 by nanoimprinting as shown in FIG. 8B.
  • the high dielectric constant layer 9, the plasmon excitation layer 8, and the low dielectric constant layer 7 are laminated in this order by physical vapor deposition, electron beam vapor deposition, or sputtering.
  • the carrier generation layer 6 is applied on the low dielectric constant layer 7 by a spin coating method, and as shown in FIG. 8G, the light guide 2 is pressure-bonded to the carrier generation layer 6 and dried.
  • FIG. 8H after the resist film 11 is peeled from the substrate 12, the light source device 50 is completed by disposing the plurality of light emitting elements 1 on the outer periphery of the light guide 2.
  • the surface of the high dielectric constant layer 9 on the side opposite to the light guide 2 has a configuration in which a microlens array is disposed instead of using a photonic crystal as the wave vector conversion layer 10, or a configuration in which a rough surface is formed. It may be.
  • FIG. 9 shows a configuration example of a directivity control layer in which a microlens array is provided on the surface of the high dielectric constant layer 9. As shown in FIG. 9, even if the directivity control layer 14 includes the microlens array 13, the same effects as those obtained when a photonic crystal is used as the wave vector conversion layer 10 can be obtained.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the configuration in which the microlens array 13 is laminated on the high dielectric constant layer 9. Even in the configuration including the microlens array 13, the layers from the carrier generation layer 6 to the high dielectric constant layer 9 are laminated on the light guide 2 in the same manner as the manufacturing method shown in FIGS. 6A to 6E. Description of the manufacturing process is omitted.
  • each layer from the carrier generation layer 6 to the high dielectric constant layer 9 is laminated on the light guide 2 using the manufacturing method shown in FIGS.
  • a microlens array 13 is formed on the surface of the rate layer 9. This is merely an example, and the present invention is not limited to this manufacturing method.
  • the UV curable resin 15 is applied to the surface of the high dielectric constant layer 9 by a spin coating method or the like, a desired lens array pattern is formed on the UV curable resin 15 using nanoimprint, and the UV curable resin 15 is irradiated with light. Then, the microlens array 13 is formed by curing.
  • the light source device 50 of the present embodiment has a relatively simple configuration in which the light guide 2 is provided with the directivity control layer 3, so that the light source device 50 as a whole can be downsized.
  • the incident angle of light incident on the wave vector conversion layer 10 is such that the plasmon excitation layer 8, the low dielectric constant layer 7 and the high dielectric constant layer 9 sandwiching the plasmon excitation layer 8. It is determined only by the dielectric constant. For this reason, the directivity of the emitted light from the optical element 51 is not limited to the directivity of the light emitting element 1.
  • the light source device 50 of the present embodiment can increase the directivity of the emitted light by applying plasmon coupling in the emission process to narrow the emission angle of the emitted light from the optical element 51. That is, according to the present embodiment, the etendue of the emitted light from the optical element 51 can be reduced without depending on the etendue of the light emitting element 1.
  • the etendue of the emitted light from the light source device 50 is not limited by the etendue of the light emitting element 1, the incident light from the plurality of light emitting elements 1 is synthesized while keeping the etendue of the emitted light from the light source device 50 small. be able to.
  • the light source device of other embodiment differs only in the structure of the directivity control layer 3 compared with the light source device 50 of 1st Embodiment, only a directivity control layer is demonstrated.
  • the same reference numerals as those of the first embodiment are assigned to the same layers as those of the directivity control layer 3 in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
  • the wave vector conversion layer 10 is configured of a photonic crystal. However, the wave vector conversion layer 10 may be replaced with the above-described microlens array 13, and the same effect can be obtained.
  • FIG. 11 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 2nd Embodiment is provided is shown.
  • the directivity control layer 18 in the second embodiment on the light guide 2, the carrier generation layer 16, the plasmon excitation layer 8, and the wave vector conversion layer 17 made of a photonic crystal are arranged in this order. Are stacked.
  • the wave vector conversion layer 17 also serves as the high dielectric constant layer 9 in the first embodiment, and the carrier generation layer 16 is a low dielectric constant layer in the first embodiment. Also serves as 7. Therefore, in order to generate plasmon coupling in the plasmon excitation layer 8, the dielectric constant of the wave vector conversion layer 17, which is a layer disposed adjacent to the emission side interface of the plasmon excitation layer 8, is the incident side of the plasmon excitation layer 8. It is set higher than the dielectric constant of the carrier generation layer 16 which is a layer disposed adjacent to the interface.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and further miniaturization can be achieved as compared with the first embodiment.
  • FIG. 12 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 3rd Embodiment is provided is shown.
  • the vector conversion layers 17 are stacked in this order.
  • the wave vector conversion layer 17 also serves as the high dielectric constant layer 9 in the first embodiment. Therefore, in order to cause plasmon coupling in the plasmon excitation layer 8, the dielectric constant of the wave vector conversion layer 17 is set higher than that of the low dielectric constant layer 7. However, even if the dielectric constant of the wave vector conversion layer 17 is lower than the dielectric constant of the low dielectric constant layer 7, the real part of the effective dielectric constant on the wave vector conversion layer 17 side of the plasmon excitation layer 8 is the plasmon excitation layer. If the real part of the effective dielectric constant on the low dielectric constant layer 7 side of 8 is higher than the real part, the directivity control layer 19 operates.
  • the real part of the effective dielectric constant of the emission side portion of the plasmon excitation layer 8 is kept higher than the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion of the plasmon excitation layer 8 in the dielectric constant of the wave vector conversion layer 17. Range is acceptable.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and further downsizing can be achieved as compared with the first embodiment.
  • FIG. 13 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 4th Embodiment is provided is shown.
  • the vector conversion layers 10 are stacked in this order.
  • the carrier generation layer 16 also serves as the low dielectric constant layer 7 in the first embodiment. Therefore, in order to generate plasmon coupling in the plasmon excitation layer 8, the dielectric constant of the carrier generation layer 16 is set lower than that of the high dielectric constant layer 9. However, even when the dielectric constant of the carrier generation layer 16 is higher than that of the high dielectric constant layer 9, the real part of the effective dielectric constant of the plasmon excitation layer 8 on the carrier generation layer 16 side is the same as that of the plasmon excitation layer 8.
  • the directivity control layer 20 operates if it is lower than the real part of the effective dielectric constant on the high dielectric constant layer 9 side.
  • the dielectric constant of the carrier generation layer 16 is a range in which the real part of the effective dielectric constant of the emission side portion of the plasmon excitation layer 8 is kept higher than the real part of the effective dielectric constant of the incident side portion of the plasmon excitation layer 8. Is acceptable.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and further miniaturization can be achieved as compared with the first embodiment.
  • FIG. 14 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 5th Embodiment is provided is shown.
  • a plasmon excitation layer 36 as another plasmon excitation layer is further arranged. Yes.
  • a plasmon excitation layer 36 is disposed between the carrier generation layer 6 and the light guide 2.
  • plasmons are excited in the plasmon excitation layer 36 by light incident from the light guide 2, and carriers are generated in the carrier generation layer 6 by the excited plasmons.
  • the dielectric constant of the carrier generation layer 6 is set lower than that of the light guide 2. Further, in order to widen the range of material selection for the carrier generation layer 6, a dielectric constant layer whose real part of the complex dielectric constant is lower than that of the light guide 2 is sandwiched between the plasmon excitation layer 36 and the carrier generation layer 6. It may be provided.
  • the effective dielectric constant of the plasmon excitation layer 36 on the light guide 2 side needs to be higher than the effective dielectric constant of the plasmon excitation layer 36 on the carrier generation layer 6 side.
  • the plasmon excitation layer 8 has a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer 6 is excited alone with the light of the light emitting element 1.
  • the plasmon excitation layer 36 has a plasma frequency higher than the light emission frequency of the light emitting element 1.
  • the plasmon excitation layer 8 is one of the different frequencies of light generated when the carrier generation layer 6 is excited alone with the light of the light emitting element 1. Has a higher plasma frequency.
  • the plasmon excitation layer 36 has a plasma frequency higher than any of the different emission frequencies of the light emitting elements.
  • carriers can be efficiently generated in the carrier generation layer 6 due to the fluorescence enhancement effect by plasmons, and the number of carriers can be increased. Utilization efficiency can be further increased.
  • FIG. 15 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 6th Embodiment is provided is shown.
  • the directivity control layer 40 in the sixth embodiment has the same configuration as the directivity control layer 3 in the first embodiment, and the low dielectric constant layer 7 in the first embodiment and The high dielectric constant layer 9 is different in that it is composed of a plurality of laminated dielectric layers.
  • the directivity control layer 40 includes a low dielectric constant layer group 38 in which a plurality of dielectric layers 38a to 38c are stacked and a high dielectric layer in which a plurality of dielectric layers 39a to 39c are stacked. And a dielectric constant layer group 39.
  • a plurality of dielectric layers 38a to 38c are arranged so that the dielectric constant decreases monotonously from the side closer to the carrier generation layer 6 toward the plasmon excitation layer 8.
  • a plurality of dielectric layers 39a to 39a are arranged so that the dielectric constant decreases monotonously from the side closer to the plasmon excitation layer 8 toward the wave vector conversion layer 10 made of a photonic crystal. 39c is arranged.
  • the total thickness of the low dielectric constant layer group 38 is set 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.
  • the total thickness of the high dielectric constant layer group 39 is the same as that of the high dielectric constant layer in the embodiment in which the directivity control layer includes the high dielectric constant layer independently.
  • the low dielectric constant layer group 38 and the high dielectric constant layer group 39 are each shown in a three-layer structure, but can be formed in a layer structure of about 2 to 5 layers, for example.
  • the number of dielectric layers constituting the low dielectric constant layer group and the high dielectric constant layer group may be different, or only one of the low dielectric constant layer and the high dielectric constant layer may include a plurality of dielectric constant layers. It is good also as composition which consists of.
  • 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 plasmon excitation layer 8 can be set well and carrier generation can be performed. It is possible to match the refractive indexes of the layer 6, the wave vector conversion layer 10, or a medium such as external air and the dielectric layers adjacent thereto. That is, the high dielectric layer group 39 reduces the refractive index difference at the interface with the wave vector conversion layer 10 or a medium such as air, and the low dielectric layer group 38 is refracted at the interface with the carrier generation layer 6. It becomes possible to reduce the rate difference.
  • the dielectric constant of each dielectric layer adjacent to the plasmon excitation layer 8 is set satisfactorily, and the carrier generation layer 6 and the wave vector are set.
  • the refractive index difference at the interface with the conversion layer 10 can be set small. For this reason, the optical loss can be further reduced, and the utilization efficiency of the light from the light emitting element 1 can be further increased.
  • the high dielectric constant layer has a distribution in which the dielectric constant gradually decreases from the plasmon excitation layer 7 side toward the wave vector conversion layer 10 side.
  • the low dielectric constant layer has a distribution in which the dielectric constant gradually decreases from the carrier generation layer 6 side toward the plasmon excitation layer 7 side.
  • FIG. 16 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 7th Embodiment is provided is shown.
  • the directivity control layer 42 in the seventh embodiment has the same configuration as the directivity control layer 3 in the first embodiment, and is between the carrier generation layer 6 and the light guide 2. The difference is that another low dielectric constant layer 41 is provided.
  • a low dielectric constant layer 41 is disposed immediately below the carrier generation layer 6.
  • the dielectric constant of the low dielectric constant layer 41 is set lower than the dielectric constant of the light guide 2.
  • Incident light from the light emitting element 1 is set to a predetermined angle with respect to the light incident portion 4 of the light guide 2 so that total reflection occurs at the interface between the light guide 2 and the low dielectric constant layer 41. Yes.
  • the incident light incident on the light guide 2 from the light emitting element 1 causes total reflection at the interface between the light guide 2 and the low dielectric constant layer 41, and an evanescent wave is generated along with the total reflection.
  • Carriers are generated in the carrier generation layer 6 by the evanescent wave acting on the carrier generation layer 6.
  • the light source devices of the first to fifth embodiments described above part of the light emitted from the light emitting element 1 is transmitted through each layer and emitted. For this reason, two types of light corresponding to the emission wavelength of the light emitting element 1 and the emission wavelength of the carrier generation layer 6 are emitted, each having a wavelength different by about 30 nm to 300 nm.
  • the present embodiment by generating carriers using only the evanescent wave, the light corresponding to the emission wavelength of the light emitting element 1 among the light emitted from the light source device 50 is reduced, and the carrier generation layer 6 It becomes possible to increase the light corresponding to the emission wavelength. Therefore, according to the seventh embodiment, the utilization efficiency of light from the light emitting element 1 can be further increased.
  • FIG. 17 the perspective view of the directivity control layer with which the light source device of 8th Embodiment is provided is shown.
  • the directivity control layer 45 in the eighth embodiment has the same configuration as the directivity control layer 3 in the first embodiment, and a plurality of plasmon excitation layer groups 44 are stacked. The difference is that the metal layers 44a and 44b are configured.
  • the metal layers 44a and 44b are formed of different metal materials and laminated. Thereby, the plasmon excitation layer group 44 can adjust the plasma frequency.
  • the metal layers 44a and 44b are formed of Ag and Al, respectively. Further, when adjusting the plasma frequency in the plasmon excitation layer 44 to be low, for example, different metal layers 44a and 44b are formed of Ag and Au, respectively.
  • the plasmon excitation layer 44 has a two-layer structure as an example, but it is needless to say that the plasmon excitation layer 44 may be composed of three or more metal layers as required.
  • the directivity control layer 45 of the eighth embodiment configured as described above, since the plasmon excitation layer 44 is configured by the plurality of metal layers 44a and 44b, effective plasma in the plasmon excitation layer 44 is obtained.
  • the frequency can be adjusted to be close to the frequency of light incident on the plasmon excitation layer 44 from the carrier generation layer 6. For this reason, the utilization efficiency of the light which injects into the optical element 51 from the light emitting element 1 can further be improved.
  • FIG. 18 is a perspective view of the light source device of the ninth embodiment.
  • a symmetric polarizing half-wave plate 26 is provided.
  • the light emitted from the light source device 50 is linearly polarized by the axisymmetric polarization half-wave plate 26, whereby a light source device in which the polarization state of the emitted light is uniform can be realized.
  • aligning axially symmetric polarized light in a predetermined polarization state by the polarization conversion element is not limited to linearly polarized light but also includes circularly polarized light.
  • any of the directivity control layers in the first to eighth embodiments described above may be applied as the directivity control layer.
  • FIG. 19 shows a longitudinal sectional view of the structure of the half-wave plate 26 for axially symmetric polarization.
  • the configuration of the axially symmetric polarizing half-wave plate is merely an example, and is not limited to this configuration.
  • the axially symmetric polarizing half-wave plate 26 includes a pair of glass substrates 27 and 32 on which alignment films 28 and 31 are formed, and alignment films 28 and 31 of the glass substrates 27 and 32. And a liquid crystal layer 30 disposed between the glass substrates 27 and 32, and a spacer 29 disposed between the glass substrates 27 and 32.
  • the liquid crystal layer 30 has a refractive index ne larger than the refractive index no, where no is the refractive index for ordinary light and ne is the refractive index for extraordinary light.
  • FIGS. 20A and 20B are schematic diagrams for explaining the half-wave plate 26 for axially symmetric polarization.
  • FIG. 20A shows a cross-sectional view of the state in which the liquid crystal layer 30 of the half-wave plate 26 for axially symmetric polarization is cut in parallel to the main surface of the glass substrate 32.
  • FIG. 20B is a schematic diagram for explaining the alignment direction of the liquid crystal molecules 33.
  • the liquid crystal molecules 33 are arranged concentrically with respect to the center of the half-wave plate 26 for axially symmetric polarization.
  • FIG. 20A and FIG. 20B show the same plane.
  • FIG. 21 shows a far-field pattern 35 of emitted light in a case where the light source device does not include an axisymmetric polarizing half-wave plate.
  • the far field pattern 35 of the light emitted from the light source device is as shown in FIG. Axisymmetrically polarized light whose polarization direction is radial.
  • FIG. 22 shows a far field pattern 38 of the emitted light that has passed through the half-wave plate 26 for axially symmetric polarization.
  • the half-wave plate 26 for axially symmetric polarization by using the above-described half-wave plate 26 for axially symmetric polarization, outgoing light with the polarization direction 37 aligned can be obtained as shown in FIG.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining the plasmon resonance characteristics in the embodiment.
  • a light source device using TiO 2 for the high dielectric constant layer 9, Ag for the plasmon excitation layer 8, and porous SiO 2 for the low dielectric constant layer 7 light having wavelengths of 653 nm, 539 nm, and 459 nm are respectively emitted from the plasmon excitation layer.
  • 8 shows the relationship of the reflectivity with respect to the incident angle when the light is incident on the light beam 8.
  • the high dielectric constant layer 9 and the low dielectric constant layer 7 were formed sufficiently thicker than the wavelength of light.
  • the angle at which the plasmon is coupled has anisotropy.
  • FIG. 24 the figure for demonstrating the radiation angle characteristic in the said embodiment is shown.
  • a light source device using TiO 2 for the high dielectric constant layer 9, Ag for the plasmon excitation layer 8, and porous SiO 2 for the low dielectric constant layer 7 light having wavelengths of 653 nm, 539 nm, and 459 nm is emitted from the light emitting element 1.
  • the angular distribution of the emitted light from the light emitting part 5 when entering the directivity control layer is shown.
  • the calculation was performed in two dimensions.
  • the radiation angles are 0.67 degrees, 1.3 degrees, and 3 degrees for light of wavelengths 653 nm, 539 nm, and 459 nm, respectively. 0 degree.
  • the lattice pitch of the photonic crystal forming the wave vector conversion layer 10 was set to 583 nm, 471 nm, and 386 nm for light of wavelengths 653 nm, 539 nm, and 459 nm, respectively.
  • the directivity of the emission angle of the emitted light from the light source device is enhanced, and the lattice structure of the wave vector conversion layer 10
  • the radiation angle can be narrowed to ⁇ 5 degrees or less to further enhance directivity.
  • the plasmon resonance angle (indicated by a circle in the figure) obtained from the effective dielectric constant calculated using the equation (1) and the plasmon resonance obtained by multilayer reflection calculation.
  • the corners (indicated by squares in the figure) are shown in comparison.
  • the horizontal axis indicates the thickness of the low dielectric constant layer
  • the vertical axis indicates the plasmon resonance angle.
  • the calculated value based on the effective dielectric constant matches the calculated value based on the multilayer film reflection, and it is clear that the plasmon resonance condition can be defined by the effective dielectric constant defined by the equation (1). is there.
  • the light guide 2 is SiO 2
  • the carrier generation layer 6 is a phosphor using PVA (polyvinyl alcohol) as a base material
  • the low dielectric constant layer 7 is porous SiO 2
  • the plasmon excitation layer 8 is Ag
  • the high dielectric constant layer 9 is Each of TiO 2 was used, and the thickness was set to 0.5 mm, 70 nm, 10 nm, 50 nm, and 0.5 mm.
  • the calculation was performed assuming that the emission wavelength of the carrier generation layer 6 was 460 nm.
  • the material of the wave vector conversion layer 18 was TiO 2
  • the depth, pitch, and duty ratio of the periodic structure were set to 200 nm, 280 nm, and 0.5, respectively.
  • the emitted light under this condition is not circular but has a Gaussian distribution of light distribution, but the peak is split by shifting the pitch from 280 nm, and an annular orientation distribution is obtained.
  • FIG. 26 shows an angle distribution in the emitted light of the light source device 50 of the first embodiment calculated by taking the thickness of each layer into consideration.
  • the horizontal axis indicates the emission angle of the emitted light
  • the vertical axis indicates the intensity of the emitted light.
  • the calculation was performed in two dimensions.
  • the radiation angle is ⁇ 1.7 (deg) for each light having a wavelength of 460 nm.
  • the emission angle is ⁇ 5. It becomes possible to further improve the directivity by narrowing it below the degree.
  • the effective dielectric constants of the emission side portion and the incident side portion of the plasmon excitation layer 8 are 9.8 and 2.0, respectively, from the equation (1). Furthermore, the imaginary part of the wave number in the z direction on the exit side and the entrance side of the surface plasmon is 0 and 1.28 ⁇ 10 7 from Equation (2), respectively. If the effective interaction distance of the surface plasmon is a distance at which the intensity of the surface plasmon is e ⁇ 2 , the effective interaction distance of the surface plasmon is calculated from the exit side portion and the incident side from 1 / Im (k spp, z ). The portions are infinite and 78 nm, respectively.
  • 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).
  • a portable telephone and PDA Personal Data Assistant
  • FIG. 27 the schematic diagram of the projection type display apparatus of embodiment is shown.
  • the LED projector includes the optical element 51 according to the above-described embodiment, a liquid crystal panel 52 on which light emitted from the optical element 51 is incident, and the light emitted from the liquid crystal panel 52 on a screen.
  • a projection optical system 53 including a projection lens that projects onto a projection surface 55 such as a projection surface.
  • the light source device 50 included in the LED projector includes a red (R) light LED 57R, a green (G) light LED 57G, and a blue (B) light LED 57B on one side surface of the light guide 2 provided with the directivity control layer. Are arranged respectively.
  • the carrier generation layer included in the directivity control layer of the light source device 50 includes phosphors for red (R) light, green (G) light, and blue (B) light.
  • FIG. 28 shows the relationship between the wavelength of the light-emitting element 1 used in the LED projector of the embodiment, the excitation wavelength of the phosphor, and the intensity of the emission wavelength.
  • the emission wavelengths Rs, Gs, and Bs of the R light LED 57R, the G light LED 57G, and the B light LED 57B and the phosphor excitation wavelengths Ra, Ga, and Ba are set to be approximately equal to each other.
  • the emission wavelengths Rs, Gs, Bs and excitation wavelengths Ra, Ga, Ba and the emission wavelengths Rr, Gr, Gr of the phosphor are set so as not to overlap each other.
  • the emission spectrum of each of the R light LED 57R, the G light LED 57G, and the B light LED 57B is set to match the excitation spectrum of each phosphor or to be within the excitation spectrum. Further, the emission spectrum of the phosphor is set so as not to overlap with any excitation spectrum of the phosphor.
  • the LED projector employs a time division method, and is switched so that only one of the R light LED 57R, the G light LED 57G, and the B light LED 57B emits light by a control circuit unit (not shown).
  • the luminance of the projected image can be improved by including the light source device 50 of the above-described embodiment.
  • 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.

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Abstract

　本発明は、発光素子からの光が入射する導光体と、導光体に設けられ導光体からの光によってキャリアが生成されるキャリア生成層（６）と、キャリア生成層（６）の上に積層されキャリア生成層（６）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（８）と、プラズモン励起層（８）の上に積層されプラズモン励起層（８）から入射する光を所定の出射角に変換して出射する波数ベクトル変換層（１０）と、を備える。プラズモン励起層（８）は、低誘電率層（７）及び高誘電率層（９）の間に挟まれている。

Description

光学素子、光源装置及び投射型表示装置
　本発明は、光を出射するためにプラズモン結合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、ＬＥＤ８４ａ～８４ｆを有する複数の単色光源装置８３ａ～８３ｆと、これら単色光源装置８３ａ～８３ｆからの出射光の光軸を一致させる光軸合わせ部材８２ａ～８２ｄと、これら光軸合わせ部材８２ａ～８２ｄから光が入射する光源セット８１ａ，８１ｂと、この光源セット８１ａ，８１ｂからの光が入射する導光装置８０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８３ａ～８３ｆからの光が合成されて、光源セット８１ａ，８１ｂによって放射角が狭められた光が、導光装置８０に入射されている。この構成では、導光装置８０に入射する光の放射角が、光源セット８１ａ，８１ｂ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ＬＥＤ８５が平面上に配列された光源基板８６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８８，８９と、これらプリズムシート８８，８９を支持する枠体８７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ＬＥＤ８５からの光が、２つのプリズムシート８８，８９によって合成されている。
特開２００８－１４５５１０号公報 特開２００９－８７６９５号公報
ＰｈｌａｔＬｉｇｈｔＴＭ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｌａｔｔｉｃｅ　ＬＥＤｓ　ｆｏｒ　ＲＰＴＶ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ　Ｈｏｅｐｆｎｅｒ，　ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　３７，　１８０８　（２００６）
　しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、光軸合わせ部材８２ａ～８２ｄのダイクロイック反射面での発光面積が、ＬＥＤ８４ａ～８４ｆ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８０に入射する光のエテンデューと、ＬＥＤ８４ａ～８４ｆ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８０からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤ８４ａ～８４ｆのエテンデューに依存しており、導光装置８０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ＬＥＤ８５が平面上に配列されることによって、光源全体の発光面積が大きくなってしまうので、光源自体のエテンデューが増加してしまう問題があった。
　すなわち、上述した特許文献１，２に開示された構成では、光源ユニット及び光源装置からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤからの光のエテンデューに依存しており、光学素子からの出射光のエテンデューを低減することができなかった。
　本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決し、発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減できる光学素子、これを備える光源装置及び投射型表示装置を提供することである。
　上述した目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、発光素子からの光が入射する導光体と、導光体に設けられ導光体からの光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、キャリア生成層の上に積層されキャリア生成層を発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、プラズモン励起層の上に積層されプラズモン励起層から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層と、を備える。プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。
　また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、導光体の外周部に配置された発光素子と、を備える。
　また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の光源装置と、光源装置の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える。
　本発明によれば、発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減することができる。
特許文献１の構成を説明するための模式図である。 特許文献２の構成を説明するための分解斜視図である。 第１の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の光源装置において、製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、製造工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態において、指向性制御層の表面にマイクロレンズアレイが設けられた構成を示す斜視図である。 第１の実施形態の光源装置において、マイクロレンズアレイの形成工程を説明するための断面図である。 第１の実施形態の光源装置において、マイクロレンズアレイの形成工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第６の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第７の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第８の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第９の実施形態の光源装置を示す斜視図である。 第９の実施形態の光源装置が備える軸対称偏光用１／２波長板の構造を示す縦断面図である。 第９の実施形態の光源装置が備える軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 第９の実施形態の光源装置が備える軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 実施形態の光源装置において、軸対称偏光用１／２波長板を備えない構成の場合の出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 実施形態の光源装置において、軸対称偏光用１／２波長板を備える構成の場合の出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 実施例におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図である。 実施例における放射角特性を説明するための図である。 第１の実施形態の光源装置において、実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角とを比較して示す図である。 第１の実施形態の光源装置の出射光における角度分布を示す図である。 実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタを示す模式図である。 実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタに用いられる光源の波長と蛍光体の励起波長及び発光波長を説明するための図である。
　以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
　（第１の実施形態）
　図３に、本実施形態の光源装置の模式的な構成の斜視図を示す。図４に、本発明に係る光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図を示す。なお、光源装置において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
　図３及び図４に示すように、本実施形態の光源装置５０は、複数の発光素子１（１ａ～１ｎ）と、これら発光素子１から出射された光が入射する光学素子５１とを備えている。光学素子５１は、発光素子１から出射された光が入射する導光体２と、この導光体２からの光によって出射光を出射する指向性制御層３と、を有している。
　指向性制御層３は、光源装置５０からの出射光の指向性を高めるための層であり、例えば図５に示す第１の実施形態のように、導光体２に設けられ、導光体２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６と、このキャリア生成層６上に積層され、キャリア生成層６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よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層８と、このプラズモン励起層８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１０と、を備えている。
　また、プラズモン励起層８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、指向性制御層３は、図５に示すように、プラズモン励起層８と波数ベクトル変換層１０との間に挟まれて設けられた高誘電率層９と、キャリア生成層６とプラズモン励起層８との間に挟まれて設けられ高誘電率層９よりも誘電率が低い低誘電率層７と、を備えている。
　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８の導光体２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８の波数ベクトル変換層１０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８の導光体２側に積層された構造全体には、導光体２が含まれる。プラズモン励起層８の波数ベクトル変換層１０側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１０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８に対する、導光体２及びキャリア生成層６を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層８に対する、波数ベクトル変換層１０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８の入射側部分（発光素子１側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の出射側部分（波数ベクトル変換層１０側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。
　ここで、複素実効誘電率εeffは、プラズモン励起層８の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層８の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層６から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層８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、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層８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８の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。
　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８の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 で表される。
　したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層８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８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８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８に接する層の誘電率が非常に高い場合には、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８に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。
　ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ－２となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄｅｆｆは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 で表わされる。
　低誘電率層７は、高誘電率層９よりも誘電率が低い層である。低誘電率層７の複素誘電率をεｌ（λ０）とし、その実部をεｌｒ（λ０）、虚部をεｌｉ（λ０）とする。また、高誘電率層９の複素誘電率をεｈ（λ０）とし、その実部をεｈｒ（λ０）、虚部をεｈｉ（λ０）とすると、
　１≦εｌｒ（λ０）＜εｈｒ（λ０）の関係を満たしている。なお、λ０は、誘電率層への入射光の真空中での波長である。
　ただし、低誘電率層７の誘電率の方が高誘電率層９の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層８の低誘電率層７側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の高誘電率層９側の実効誘電率の実部よりも低ければ、光学素子５１は動作する。つまり、低誘電率層７、高誘電率層９の誘電率には、プラズモン励起層８の出射側の実効誘電率の実部が、入射側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。
　ここで、実効誘電率の考え方を示す一例として、低誘電率層７が誘電体層Ａと誘電体層Ｂとからなり、高誘電率層９が誘電体層Ｃと誘電体層Ｄとからなり、プラズモン励起層８に隣接する誘電体層Ｂと誘電体層Ｃの膜厚が十分薄い（厚さが例えば１０ｎｍ未満）場合を考える。この場合には、誘電体層Ａが低誘電率層、誘電体層Ｄが高誘電率層として作用する。これは誘電体層Ｂと誘電体層Ｃの膜厚が非常に薄いため、実効誘電率への影響がほとんどないためである。すなわち、低誘電率層７と高誘電率層９の複素誘電率は、複素実効誘電率を考慮して設定すればよい。
　また、発光周波数における虚部εｌｉ（λ０）、及び虚部εｈｉ（λ０）は、可能な限り低い方が好ましく、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができる。
　なお、キャリア生成層６、プラズモン励起層８を除き、導光体２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１０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２や波数ベクトル変換層１０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２側と波数ベクトル変換層１０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１ａ～１ｎが、平板状の導光体２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１ａ～１ｎが前記側面と接続している箇所を光入射部４とする。発光素子１としては、例えば、キャリア生成層６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１は、導光体２の光入射部４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２と光学的に接続されてもよい。
　実施形態では、導光体２が平板状に形成されているが、導光体２の形状は直方体に限定されるものではない。導光体２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が設けられていてもよい。また、導光体２は、光出射部５と光入射部４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５０は、光出射部５と光入射部４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６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６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６の厚さは１μｍ以下が望ましい。
　低誘電率層７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７の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。
　高誘電率層９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８は、キャリア生成層６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８は、キャリア生成層６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。
　プラズモン励起層８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８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８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。高誘電率層９とプラズモン励起層８との界面から、低誘電率層７とキャリア生成層６との界面までの距離は、５００ｎｍ以下に形成されるのが好ましい。なお、この距離は、キャリア生成層６とプラズモン励起層８との間でプラズモン結合が起こる距離に相当する。
　波数ベクトル変換層１０は、この波数ベクトル変換層１０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９から光を取り出し、光学素子５１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１０は、高誘電率層９からの光の出射角を、所定の角度に変換して光学素子５１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層１０は、高誘電率層９との界面にほぼ直交するように、光学素子５１から出射光を出射させる機能を奏している。
　波数ベクトル変換層１０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（高誘電率層９からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造）又は準結晶構造、粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造、準結晶構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層１０としては、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。また、波数ベクトル変換層１０は、高誘電率層９と異なる材料によって構成されていてもよい。
　以上のように構成された光源装置５０について、発光素子１から指向性制御層３に入射した光が、指向性制御層３の光出射部５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１のうち、例えば発光素子１ｆから出射された光は、導光体２の光入射部４を透過し、導光体２内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体２と指向性制御層３との界面に入射した光の一部は、指向性制御層３のプラズモン励起層８における後述する特性に応じた方向、波長で光出射部５から出射される。光出射部５から出射されなかった光は導光体２に戻され、再度、導光体２と指向性制御層３との界面に入射した光の一部が、指向性制御層３を透過し、光出射部５から出射される。これらの繰り返しによって、導光体２に入射した光の大半が光出射部５から出射される。また、複数の発光素子１のうち、導光体２を間に挟んで発光素子１ｆに対向する位置に配置された発光素子１ｍから出射し、光入射部４を透過した光についても同様に、光出射部５から出射される。光出射部５から出射される光の方向、波長は、指向性制御層３の特性にのみ依存し、発光素子１の位置、導光体２と指向性制御層３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、波数ベクトル変換層をフォトニック結晶とした場合について説明する。
　図５に、指向性制御層３の構成と機能を説明するための拡大図を示す。導光体２内を全反射で伝播している光において、導光体２とキャリア生成層６との界面では全反射条件が崩れ、発光素子１からの光がキャリア生成層６中に入射する。キャリア生成層６に入射した光は、キャリア生成層６においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層８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、高誘電率層９内への放射が起こり、その光が波数ベクトル変換層１０で回折されて、光源装置５０の外方に出射される。高誘電率層９の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角、中心出射角から強度が半分になる出射角までの角度幅を出射角度幅とすると、高誘電率層９から出射する光の中心出射角と出射角度幅は、
プラズモン励起層８の出射側部分および入射側部分の実効誘電率、プラズモン励起層８の複素誘電率、キャリア生成層６の発光スペクトル幅で決定される。
　図６Ａ～図６Ｅに、光源装置５０が備える光学素子５１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２の上にキャリア生成層６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～図６Ｅに示すように、キャリア生成層６の上に、低誘電率層７、プラズモン励起層８、高誘電率層９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７Ａ～図７Ｄに示す。図７Ａに示すように高誘電率層９上に波数ベクトル変換層１７を形成し、この波数ベクトル変換層１０の上にレジスト膜１１をスピンコート法で塗布し、図７Ｂに示すようにナノインプリントでレジスト膜１１にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。図７Ｃ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１０をエッチングし、その後、図７Ｄに示すようにレジスト膜１１を剥離する。最後に、導光体２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５０が完成する。
　図８Ａ～図８Ｈに、光源装置５０の高誘電率層９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１０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８Ａに示すように、基板１２上にレジスト膜１１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１１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８Ｃ～図８Ｅ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９、プラズモン励起層８、低誘電率層７の順に積層する。図８Ｆに示すように、低誘電率層７の上にキャリア生成層６をスピンコート法で塗布し、図８Ｇに示すように、キャリア生成層６に導光体２を圧着し、乾燥させる。最後に、図８Ｈに示すように、レジスト膜１１を基板１２から剥離した後、導光体２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５０が完成する。
　導光体２と反対側の、高誘電率層９の表面は、波数ベクトル変換層１０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。
　図９に、高誘電率層９の表面に、マイクロレンズアレイが設けられた指向性制御層の構成例を示す。図９に示すように、指向性制御層１４は、マイクロレンズアレイ１３を備える構成であっても、波数ベクトル変換層１０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１０Ａ及び図１０Ｂに、高誘電率層９の上にマイクロレンズアレイ１３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１３を備える構成においても、図６Ａ～図６Ｅに示した製造方法と同様に、導光体２に、キャリア生成層６から高誘電率層９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１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、図６Ａ～図６Ｅに示した製造方法を用いて、導光体２に、キャリア生成層６から高誘電率層９までの各層を積層した後、高誘電率層９の表面にマイクロレンズアレイ１３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９の表面に、ＵＶ硬化樹脂１５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１５に所望のレンズアレイパターンを成形し、ＵＶ硬化樹脂１５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１３が形成される。
　上述したように本実施形態の光源装置５０は、導光体２に指向性制御層３が設けられる比較的簡素な構成であるので、光源装置５０全体の小型化を図ることができる。また、本実施形態の光源装置５０によれば、波数ベクトル変換層１０へ入射する光の入射角が、プラズモン励起層８とこのプラズモン励起層８を挟む低誘電率層７と高誘電率層９の誘電率のみで決定される。このため、光学素子５１からの出射光の指向性が、発光素子１の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の光源装置５０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５１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１のエテンデューに依存することなく、光学素子５１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５０からの出射光のエテンデューが、発光素子１のエテンデューによって制限されないので、光源装置５０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１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、軸合わせ部材８２ａ～８２ｄや光源セット８１ａ，８１ｂ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、本実施形態の光学素子５１によれば、光学素子５１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ＬＥＤ８５からの光が交差プリズムシート８８，８９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が、本実施形態の光学素子５１によれば、複数の発光素子１からの光の利用効率を向上することができる。
　以下、他の実施形態の光源装置を説明する。他の実施形態の光源装置は、第１の実施形態の光源装置５０と比べて指向性制御層３の構成のみが異なるので、指向性制御層についてのみ説明する。なお、他の実施形態の指向性制御層において、第１の実施形態における指向性制御層３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。また、以下の実施形態では、波数ベクトル変換層１０がフォトニック結晶からなる構成を示すが、波数ベクトル変換層１０が上述のマイクロレンズアレイ１３に置き換えられてもよく、同様の効果が得られる。
　（第２の実施形態）
　図１１に、第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１１に示すように、第２の実施形態における指向性制御層１８では、導光体２の上に、キャリア生成層１６、プラズモン励起層８、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１７の順に積層されている。
　第２の実施形態における指向性制御層１８では、波数ベクトル変換層１７が第１の実施形態における高誘電率層９を兼ねており、キャリア生成層１６が第１の実施形態における低誘電率層７を兼ねている。したがって、プラズモン励起層８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８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１７の誘電率は、プラズモン励起層８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１６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２の実施形態の光源装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。
　（第３の実施形態）
　図１２に、第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１２に示すように、第３の実施形態における指向性制御層１９では、導光体２の上に、キャリア生成層６、低誘電率層７、プラズモン励起層８、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１７の順に積層されている。
　第３の実施形態における指向性制御層１９では、波数ベクトル変換層１７が第１の実施形態における高誘電率層９を兼ねている。したがって、プラズモン励起層８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１７の誘電率は、低誘電率層７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１７の誘電率の方が低誘電率層７の誘電率よりも低い場合でも、プラズモン励起層８の波数ベクトル変換層１７側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の低誘電率層７側の実効誘電率の実部よりも高ければ、指向性制御層１９は動作する。つまり、波数ベクトル変換層１７の誘電率には、プラズモン励起層８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８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３の実施形態の光源装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。
　（第４の実施形態）
　図１３に、第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１３に示すように、第４の実施形態における指向性制御層２０では、導光体２の上に、キャリア生成層１６、プラズモン励起層８、高誘電率層９、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１０の順に積層されている。
　第４の実施形態における指向性制御層２０では、キャリア生成層１６が第１の実施形態における低誘電率層７を兼ねている。したがって、プラズモン励起層８でプラズモン結合を生じさせるために、キャリア生成層１６の誘電率は、高誘電率層９よりも低く設定されている。ただし、キャリア生成層１６の誘電率の方が高誘電率層９の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層８のキャリア生成層１６側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の高誘電率層９側の実効誘電率の実部よりも低ければ、指向性制御層２０は動作する。つまり、キャリア生成層１６の誘電率には、プラズモン励起層８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８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４の実施形態の光源装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。
　（第５の実施形態）
　図１４に、第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１４に示すように、第５の実施形態における指向性制御層３７では、第１の実施形態におけるプラズモン励起層８に加えて、別のプラズモン励起層としてのプラズモン励起層３６が更に配置されている。
　第５の実施形態における指向性制御層３７では、キャリア生成層６と導光体２との間に、プラズモン励起層３６が配置されている。指向性制御層３７では、導光体２から入射した光によってプラズモン励起層３６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６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３６でプラズモン共鳴を生じさせるために、キャリア生成層６の誘電率を、導光体２の誘電率よりも低くしている。また、キャリア生成層６の材料選択の幅を広げるために、プラズモン励起層３６とキャリア生成層６との間に、複素誘電率の実部が導光体２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３６の導光体２側の実効誘電率が、プラズモン励起層３６のキャリア生成層６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８は、キャリア生成層６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３６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６が用いられる場合、プラズモン励起層８は、キャリア生成層６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３６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３６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３６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３６のキャリア生成層６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３６のキャリア生成層６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６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６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６の実施形態）
　図１５に、第６の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１５に示すように、第６の実施形態における指向性制御層４０は、第１の実施形態における指向性制御層３と同様の構成であり、第１の実施形態における低誘電率層７及び高誘電率層９が、それぞれ積層された複数の誘電体層によって構成されている点が異なっている。
　つまり、第６の実施形態における指向性制御層４０は、複数の誘電体層３８ａ～３８ｃが積層されてなる低誘電率層群３８と、複数の誘電体層３９ａ～３９ｃが積層されてなる高誘電率層群３９と、を備えている。
　低誘電率層群３８では、キャリア生成層６に近い方からプラズモン励起層８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３８ａ～３８ｃが配置されている。同様に、高誘電率層群３９では、プラズモン励起層８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１０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３９ａ～３９ｃが配置されている。
　低誘電率層群３８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３９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３８及び高誘電率層群３９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８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６、波数ベクトル変換層１０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３９は、波数ベクトル変換層１０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３８は、キャリア生成層６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４０によれば、プラズモン励起層８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６及び波数ベクトル変換層１０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３８及び高誘電率層群３９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７側から波数ベクトル変換層１０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６側からプラズモン励起層７側に向かって次第に低くなる分布を有する。
　（第７の実施形態）
　図１６に、第７の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１６に示すように、第７の実施形態における指向性制御層４２は、第１の実施形態における指向性制御層３と同様の構成であり、キャリア生成層６と導光体２との間に、別の低誘電率層４１を設ける点が異なっている。
　第７の実施形態における指向性制御層４２では、キャリア生成層６の直下に低誘電率層４１が配置されている。低誘電率層４１の誘電率は、導光体２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２と低誘電率層４１との界面で全反射を起こすように、導光体２の光入射部４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２に入射した入射光は、導光体２と低誘電率層４１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６に作用することで、キャリア生成層６にキャリアが生成される。
　ところで、上述した第１から第５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６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５０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６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７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８の実施形態）
　図１７に、第８の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１７に示すように、第８の実施形態における指向性制御層４５では、第１の実施形態における指向性制御層３と同様の構成であり、プラズモン励起層群４４が、積層された複数の金属層４４ａ，４４ｂによって構成されている点が異なっている。
　第８の実施形態における指向性制御層４５のプラズモン励起層群４４では、金属層４４ａ、４４ｂ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４４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４４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４４ａ，４４ｂ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４４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４４ａ，４４ｂ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４４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４５によれば、プラズモン励起層４４が複数の金属層４４ａ，４４ｂによって構成されることによって、プラズモン励起層４４における実効的なプラズマ周波数を、キャリア生成層６からプラズモン励起層４４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５１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１８に、第９の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図１８に示すように、第９の実施形態の光源装置では、光学素子５１から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子として、光学素子５１からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用１／２波長板２６を備えている。光源装置５０からの出射光を軸対称偏光用１／２波長板２６によって直線偏光することで、出射光の偏光状態が揃えられた光源装置を実現できる。なお、偏光変換素子によって軸対称偏光を所定の偏光状態に揃えることには、直線偏光することに限定するものではなく、円偏光することも含まれる。また、指向性制御層としては、上述した第１～第８の実施形態における指向性制御層のいずれが適用されてもよいことは勿論である。
　図１９に、軸対称偏光用１／２波長板２６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１９に示すように、軸対称偏光用１／２波長板２６は、配向膜２８，３１がそれぞれ形成された一対のガラス基板２７，３２と、これらガラス基板２７，３２の配向膜２８，３１を対向させてガラス基板２７，３２の間に挟んで配置された液晶層３０と、ガラス基板２７，３２の間に配置されたスペーサ２９と、を備えている。
　液晶層３０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３０の厚さｄは、（ｎｅ－ｎｏ）×ｄ＝λ／２を満たしている。なお、λは真空中における入射光の波長である。
　図２０Ａ及び図２０Ｂに、軸対称偏光用１／２波長板２６を説明するための模式図を示す。図２０Ａに、軸対称偏光用１／２波長板２６の液晶層３０を、ガラス基板３２の主面に平行に切った状態の横断面図を示す。図２０Ｂに、液晶分子３３の配向方向を説明するための模式図を示す。
　図２０Ａに示すように、液晶分子３３は、軸対称偏光用１／２波長板２６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３３は、図２０Ｂに示すように、液晶分子３３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３３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２０Ａと図２０Ｂは同一面内を示している。
　図２１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３５を示す。上述した第１～第８の実施形態において、プラズモン励起層８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３５が、図２１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。
　図２２に、軸対称偏光用１／２波長板２６を通過した出射光のファーフィールドパターン３８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２６を用いることで、図２２に示すように、偏光方向３７が揃えられた出射光が得られる。
　（第１の実施例）
　図２３に、上記実施形態におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図を示す。図２３では、高誘電率層９にＴｉＯ２、プラズモン励起層８にＡｇ、低誘電率層７に多孔質ＳｉＯ２を用いた光源装置において、波長６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光をそれぞれプラズモン励起層８に入射させた場合について、入射角に対する反射率の関係を示している。ここで、高誘電率層９、低誘電率層７は光の波長に比べて十分に厚く形成した。
　図２３に示すように、入射角が２３度付近での反射率の急峻な低下は、この角度が全反射角よりも大きいことから、プラズモンとの結合によるものと理解される。このように、本実施例によれば、プラズモンと結合する角度に異方性があることが分かる。
　図２４に、上記実施形態における放射角特性を説明するための図を示す。図２４では、高誘電率層９にＴｉＯ２、プラズモン励起層８にＡｇ、低誘電率層７に多孔質ＳｉＯ２を用いた光源装置において、発光素子１から波長６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光をそれぞれ指向性制御層に入射させた場合における、光出射部５からの出射光の角度分布を示す。
　なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。光源装置からの出射光の強度が半分になる角度の全幅を放射角とした場合、放射角は、波長６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光それぞれに対して０．６７度、１．３度、３．０度となる。ここで、波数ベクトル変換層１０をなすフォトニック結晶の格子ピッチは、波長６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光それぞれに対して５８３ｎｍ、４７１ｎｍ、３８６ｎｍとした。
　以上のように、本実施形態の光源装置によれば、プラズモン励起層８を利用することで、光源装置からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層１０の格子構造を適宜調整することで、放射角を±５度以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。
　（第２の実施例）
　図２５に、第１の実施形態の光源装置５０において、式（１）を用いて算出した実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角（図中に○で示す）と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角（図中に□で示す）とを比較して示す。図２５において、横軸が低誘電率層の厚さを示し、縦軸がプラズモン共鳴角を示している。図２５に示すように、実効誘電率による計算値と、多層膜反射による計算値とが一致しており、式（１）で定義される実効誘電率によってプラズモン共鳴の条件を定義できることが明らかである。
　導光体２としてＳｉＯ２、キャリア生成層６としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を母材とする蛍光体、低誘電率層７として多孔質ＳｉＯ２、プラズモン励起層８としてＡｇ、高誘電率層９としてＴｉＯ２をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、７０ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、０．５ｍｍとした。また、キャリア生成層６の発光波長を４６０ｎｍとして計算した。ここで、波数ベクトル変換層１８の材質をＴｉＯ２、周期構造の深さ、ピッチ、デューティ比をそれぞれ、２００ｎｍ、２８０ｎｍ、０．５に設定した。この条件下における出射光は、円環状ではなく、ガウス関数状の配光分布を有しているが、ピッチを２８０ｎｍからずらすことでピークが分裂し、円環状の配向分布が得られる。
　図２６に、上記の各層の厚さを加味して計算した第１の実施形態の光源装置５０の出射光における角度分布を示す。図２６において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。
　なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。光学素子５０から出射した光の強度が半分になる角度の全幅を放射角とした場合、放射角は、波長４６０ｎｍの光それぞれに対して±１．７（ｄｅｇ）であった。
　したがって、実施形態の光源装置５０によれば、光源装置５０からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層１０の格子構造を適宜調整することで、放射角を±５度以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。
　第２の実施例において、プラズモン励起層８の出射側部分及び入射側部分の実効誘電率は、式（１）よりそれぞれ、９．８、２．０となる。さらに、表面プラズモンの出射側及び入射側におけるｚ方向の波数の虚部は、式（２）よりそれぞれ、０、１．２８×１０７となる。表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ－２となる距離とすれば、１／Ｉｍ（ｋｓｐｐ，ｚ）より、表面プラズモンの有効相互作用距離は、出射側部分及び入射側部分でそれぞれ、無限大、７８ｎｍとなる。
　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２７に、実施形態の投射型表示装置の模式図を示す。
　図２７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５１と、この光学素子５１からの出射光が入射する液晶パネル５２と、この液晶パネル５２からの出射光をスクリーン等の投射面５５上に投射する投射レンズを含む投射光学系５３と、を備えている。
　ＬＥＤプロジェクタが備える光源装置５０は、指向性制御層が設けられた導光体２の一側面に、赤（Ｒ）光用ＬＥＤ５７Ｒ、緑（Ｇ）光用ＬＥＤ５７Ｇ、及び青（Ｂ）光用ＬＥＤ５７Ｂがそれぞれ配置されている。光源装置５０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２８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２８に示すように、Ｒ光用ＬＥＤ５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５７Ｂ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ＬＥＤ５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５７Ｂ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ＬＥＤ５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５７Ｂ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５０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。
　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、２００９年９月３０日に出願された日本出願特願２００９－２２７３３１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (21)

  1. 　発光素子からの光が入射する導光体と、
    　前記導光体に設けられ、前記導光体からの光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、
    　前記キャリア生成層の上に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
    　前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から入射する光を所定の出射角に変換して出射する出射層と、を備え、
    　前記プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている、光学素子。
  2. 　前記プラズモン励起層の前記導光体側に積層された構造体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造体と、前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　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、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満たし、
    　かつ、表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppが、
    　前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     を満たしている、請求項２に記載の光学素子。
  4. 　前記プラズモン励起層の前記出射層側、及び前記プラズモン励起層の前記導光体側の少なくとも一方の側に隣接して設けられた誘電率層を備える、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 　前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電率層の間に挟まれ、
    　前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電率層よりも誘電率が低い、請求項４に記載の光学素子。
  6. 　前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する層よりも誘電率が低い低誘電率層である、請求項４に記載の光学素子。
  7. 　前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接して設けられた前記誘電率層は、前記プラズモン励起層の前記導光体側に隣接する層よりも誘電率が高い高誘電率層である、請求項４に記載の光学素子。
  8. 　前記導光体と前記キャリア生成層との間に設けられ、前記発光素子の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する別のプラズモン励起層を更に備える、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。
  9. 　前記導光体の前記キャリア生成層側に隣接して設けられ、前記導光体よりも誘電率が低い低誘電率層を備え、
    　前記キャリア生成層は、前記導光体からの光が前記キャリア生成層との界面で全反射したときに生じるエヴァネッセント波によってキャリアを生成する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 　前記低誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項６に記載の光学素子。
  11. 　前記高誘電率層は、誘電率が異なる複数の誘電体層が積層されて構成され、前記複数の誘電体層が、前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かう順に誘電率が低くなるように配置されている、請求項７に記載の光学素子。
  12. 　前記低誘電率層は、誘電率が前記キャリア生成層側から前記プラズモン励起層側に向かって次第に低くなる分布を有している、請求項６に記載の光学素子。
  13. 　前記高誘電率層は、誘電率が前記プラズモン励起層側から前記出射層側に向かって次第に低くなる分布を有する、請求項７に記載の光学素子。
  14. 　前記プラズモン励起層は、異なる金属材料からなる複数の金属層が積層されて構成されている、請求項１ないし７、９ないし１３のいずれか１項に記載の光学素子。
  15. 　前記出射層は、表面周期構造を有している、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の光学素子。
  16. 　前記出射層は、フォトニック結晶からなる、請求項１ないし１４のいずれか１に記載の光学素子。
  17. 　前記低誘電率層は、多孔質層である、請求項６、９、１０、１２のいずれか１項に記載の光学素子。
  18. 　前記プラズモン励起層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔのうちのいずれか１つ、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む合金からなる、請求項１ないし７、９ないし１７のいずれか１項に記載の光学素子。
  19. 　請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記導光体の外周部に配置された発光素子と、を備える光源装置。
  20. 　前記光学素子から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、請求項１９に記載の光源装置。
  21. 　請求項１９又は２０に記載の光源装置と、
    　前記光源装置の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。
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