WO2012026211A1 - 光源および投射型表示装置 - Google Patents

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WO2012026211A1
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light
light source
layer
surface plasmon
source according
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PCT/JP2011/065091
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慎 冨永
雅雄 今井
昌尚 棗田
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日本電気株式会社
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    • H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
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    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
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    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • H04N9/3167—Modulator illumination systems for polarizing the light beam

Definitions

  • the present invention relates to a light source and a projection display device, and more particularly to a light source and a projection display device using surface plasmons.
  • Such a projector includes an LED, an illumination optical system into which light emitted from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system according to a video signal, and light from the modulation element on a screen. And a projection optical system for projecting onto the screen.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • the etendue obtained by the product of the light emitting area and the radiation angle of the light source is defined as the capture angle determined by the light receiving area of the modulation element and the F number of the illumination optical system. Must be less than or equal to the product of
  • a polarization element such as a liquid crystal panel may be used as the modulation element.
  • the emitted light of the LED is random polarized light
  • the random polarized light needs to be converted into a specific polarization state in order to efficiently use the emitted light of the light source as projection light.
  • the flat illumination device includes a light guide plate, a step-like microprism provided on the lower surface of the light guide plate, a polarization separation film provided on the upper surface of the light guide plate, and an upper surface cover provided on the upper surface of the polarization separation film.
  • the polarization separation film has a configuration in which a metal thin film is sandwiched between a first low refractive index transparent medium and a second low refractive index transparent medium.
  • the light that excites the surface plasmon among the light incident on the first boundary is only TM polarized light whose electric field component is parallel to the first boundary. For this reason, since the light generated at the second boundary is generated by the reverse process of the excitation process of the surface plasmon, it becomes the same TM polarization as the light that excites the surface plasmon. Therefore, the flat illumination device can emit random polarized light after converting it into a specific polarization state.
  • An object of the present invention is to provide a light source and a projection display device that can solve the above-described problem that etendue increases when random polarized light is converted into a specific polarization state.
  • a light source includes a light emitting layer, a first transparent dielectric layer, a metal layer, and a second transparent dielectric layer, which are sequentially stacked on the light emitting layer, and the metal layer and the first layer.
  • the surface plasmon excitation that excites the surface plasmon by a specific polarization component whose polarization direction is orthogonal to the first direction in the plane of the interface out of the light incident from the light emitting layer at the interface with the transparent dielectric layer
  • a periodic concavo-convex structure is formed along a second direction orthogonal to the first direction and the interface, which functions as a means, and the convex portions of the concavo-convex structure extend in the first direction.
  • the metal layer and the first transparent dielectric layer according to the surface plasmon excited by the surface plasmon excitation means by the specific polarization component. From the surface plasmon generated at the interface with Light generating means for generating light having the same polarization component as a constant of the polarization components is formed.
  • a projection display device includes the above light source, a modulation element that modulates and emits light from the light source according to a video signal, a projection optical system that projects light emitted from the modulation element, Have
  • random polarized light can be converted into a specific polarization state without increasing etendue.
  • FIG. 1 is a layout diagram illustrating an example of a configuration of a projector according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a layout diagram illustrating another example of the configuration of the projector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a light source according to the first embodiment of the present invention.
  • the light source 10 is laminated in the order of the submount layer 11, the diffusion mirror layer 12, the light emitting layer 13, the first cover layer 14, the metal layer 15, and the second cover layer 16.
  • each layer in an actual light source is very thin, and the difference in thickness between the layers is large, making it difficult to illustrate each layer in an accurate ratio. For this reason, in FIG. 1, each layer is not drawn as an actual ratio, but is shown typically.
  • a plane parallel to the upper surface of the light emitting layer 13 is defined as an XY plane, and a direction orthogonal to the XY plane is defined as a Z direction.
  • linearly polarized light whose polarization direction is perpendicular to the Y direction is TM polarized light
  • linearly polarized light whose polarization direction is parallel to the Y direction is TE polarized light.
  • the diffusion mirror layer 12 diffusely reflects incident light.
  • the light emitting layer 13 emits light of a predetermined wavelength. More specifically, in the light emitting layer 13, the p-type layer 13A that is a p-type semiconductor layer, the active layer 13B, and the n-type layer 13C that is an n-type semiconductor layer are stacked in this order from the bottom. When a voltage is applied between the p-type layer 13A and the n-type layer 13C from an external power source (not shown) and a current flows between them, light is generated in the active layer 13B according to the current. To do. Here, the light generated in the active layer 13B is randomly polarized light.
  • the first cover layer 14 is a first transparent dielectric layer formed of a transparent dielectric, and light from the light emitting layer 13 propagates through the inside.
  • the transparent dielectric that is a material for forming the first cover layer 14 include transparent acrylic resins such as PMMA (polymethyl methacrylate resin), and glass. In the following, it is assumed that glass is used as the transparent dielectric.
  • the metal layer 15 is made of a metal such as Ag and is provided on the first cover layer 14 so as to be in contact with the first cover layer 14.
  • the interface between the first cover layer 14 and the metal layer 15 is a first diffraction grating 21 that diffracts light.
  • the first diffraction grating 21 is formed with a concavo-convex structure periodic in a one-dimensional direction (hereinafter referred to as X direction). More specifically, the first diffraction grating 21 is formed by periodically arranging a plurality of convex portions 21A extending in the Y direction (first direction) in the X direction (second direction). .
  • the first diffraction grating 21 has a surface plasmon at the interface between the first cover layer 14 and the metal layer 15 due to TM polarized light incident on the metal layer 15 at a predetermined incident angle out of random polarized light propagating through the first cover layer 14. It functions as a surface plasmon excitation means for exciting.
  • the second cover layer 16 is formed of a material having the same dielectric constant as that of the first cover layer 14 and is provided in contact with the metal layer 15.
  • the interface between the metal layer 15 and the second cover layer 14 is a second diffraction grating 22.
  • the second diffraction grating 22 has the same structure as the first diffraction grating 21. That is, the second diffraction grating 22 has a convex portion 22A having the same shape as the convex portion 21A of the first diffraction grating 21, and a plurality of convex portions 22A are arranged in the X direction at the same cycle as the cycle of the convex portion 21A.
  • the second diffraction grating 22 functions as light generating means for generating light from the surface plasmons excited by the first diffraction grating 21.
  • the upper surface of the second cover layer 16 is a light emitting surface of the light source 10, and a diffraction portion 23 is formed.
  • the diffraction unit 23 diffracts and emits the light generated by the second diffraction grating 22 which is a light generating means in a predetermined direction.
  • the diffractive portion 23 is formed by periodically arranging a plurality of structures (for example, convex portions) extended in the Y direction, similarly to the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22. Is done.
  • Surface plasmons are dense waves of a group of electrons that propagate through the interface between metal and dielectric.
  • the dispersion relation between the wave number and the angular frequency of the surface plasmon is determined from the dielectric constant of the interface metal and dielectric.
  • the surface plasmon dispersion relationship matches the dispersion relationship of light propagating in the dielectric, that is, when the wave number of light in the dielectric becomes equal to the surface plasmon wave number, the surface plasmon is excited by the light.
  • the interface between the metal and the dielectric is flat, the dispersion relation of surface plasmons and the dispersion relation of light in the dielectric do not usually match, so surface plasmons are excited simply by entering light from the dielectric to the metal. Not.
  • a grating coupling method in which a diffraction grating (grating) is provided at the interface between a metal and a dielectric is known.
  • the grating coupling method when light is incident on the diffraction grating at a predetermined incident angle, the dispersion relation of the diffracted light diffracted by the diffraction grating and the dispersion relation of the surface plasmon coincide, and the dielectric and the metal Surface plasmons are excited at the interface.
  • the incident light that excites the surface plasmon propagating in a specific direction due to the surface plasmon being a dense wave is only linearly polarized light whose electric field component is parallel to the specific direction. Therefore, as shown in FIG. 1, the periodic uneven structure in the X direction is provided at the interface between the first cover layer 14 and the metal layer 15, so that the interface between the first cover layer 14 and the metal layer 15 is provided.
  • Light that can excite surface plasmons can be limited to linearly polarized light having an electric field component in the X direction and having a predetermined incident angle with respect to the first diffraction grating 21.
  • the surface plasmon energy is transferred on both surfaces of the metal layer 15, and the surface excited on the first diffraction grating 21 side also on the second diffraction grating 22 side.
  • the same surface plasmon as the plasmon is generated.
  • a process opposite to the process in which the surface plasmon is excited by the first diffraction grating 21 occurs in the second diffraction grating 22, and light is emitted from the second diffraction grating 22. It will be emitted.
  • first diffraction grating and the second diffraction grating have the same concavo-convex structure, and the first cover layer 14 and the second cover layer 16 have the same dielectric constant. This is because the light dispersion relationship in the inner light matches the light dispersion relationship in the second cover layer 16.
  • the outgoing light emitted from the second diffraction grating 22 has a process opposite to the process in which the surface plasmon is excited, the same light as the light that has excited the surface plasmon, that is, the electric field component in the X direction. It has TM polarization. At this time, the outgoing angle of the outgoing light emitted from the second diffraction grating 22 is also the same as the incident angle of the light that excites the surface plasmons.
  • the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 are configured to have the same optical configuration, so that the same light as the TM polarized light incident on the first diffraction grating 21 is emitted to the second diffraction grating. It is possible to emit from 22.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the operation of the light source 10 and shows a cross section of the light source 10 taken along the XZ plane.
  • TM polarized light that is incident on the metal layer 15 at an angle ⁇ 1 that satisfies the surface plasmon excitation condition excites the surface plasmon on the metal layer 15 via the first diffraction grating 21. To do. (See arrow A in the figure). Then, the same surface plasmon as the surface plasmon is generated in the second diffraction grating 22 (see arrow B in the figure), and light is generated in the second cover layer 16 by the surface plasmon.
  • the light generated here is the same TM polarization as the light that excited the surface plasmon at the interface between the first cover layer 14 and the metal layer 15, and is emitted at the same angle ⁇ 1 as the incident angle of the light (in the figure). (See arrow C).
  • the surface plasmon excitation condition for example, TE polarized light or TM polarized light incident on the metal layer 15 at an incident angle ⁇ 2 different from the incident angle ⁇ 1. It is simply reflected or diffracted by the first diffraction grating 21 and does not excite surface plasmons. This light is diffusely reflected by the diffusing mirror layer 12, changes its polarization direction and incident angle, and enters the metal layer 15 again. When light repeats such reflection and becomes TM polarized light incident on the metal layer 15 at an incident angle ⁇ 1, the surface plasmon is excited.
  • the surface plasmon excitation condition for example, TE polarized light or TM polarized light incident on the metal layer 15 at an incident angle ⁇ 2 different from the incident angle ⁇ 1.
  • TM polarized light that excites surface plasmons, it propagates in the + X direction with multiple reflections in the ZX plane and enters the metal layer 15 at an incident angle ⁇ 1, and ⁇ X with multiple reflections in the ZX plane. In some cases, it propagates in the direction and enters the metal layer 15 at an incident angle of - ⁇ 1.
  • the emission directions of the TM polarized light generated in the second cover layer 16 are also two. The light having different emission directions is diffracted by the diffraction portion 23 formed on the emission surface of the second cover layer 16 and is diffracted in a predetermined direction (in this embodiment, a direction perpendicular to the emission surface, arrows D and D ′ in the figure). Reference).
  • the diffractive portion 23 of this embodiment has the same structure as the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22, but this has two emission angles ⁇ 1 and ⁇ 1 from the second diffraction grating 22. This is because the emitted light is diffracted in a predetermined direction. Therefore, the diffraction unit 23 does not have to have the same structure as the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 as long as the structures extended in the Y direction are periodically arranged in the X direction. The structure, the shape, and the interval between the structures can be appropriately changed according to the incident angle to the diffraction unit 23 and a desired emission angle.
  • the parameter that changes the light dispersion relationship is the lattice constant (pitch).
  • the configuration of the first diffraction grating 21 is not limited to the configuration shown in FIG. That is, the cross-sectional shape of the convex portion 21A in the first diffraction grating 21 can be changed as appropriate.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a shape example of the first diffraction grating 21, and shows a cross-sectional shape obtained by cutting the first diffraction grating 21 along the XZ plane.
  • the cross-sectional shape of the first diffraction grating 21 is a rectangular wave shape (see FIG. 3A), a staircase wave shape (see FIG. 3B), or a sine wave shape (see FIG. 3C). ) And isosceles triangular waves (see FIG. 3D).
  • Such a cross-sectional shape is line symmetric with respect to a line (line parallel to the Z direction) passing through the apex of the convex portion 21A and orthogonal to the Y direction.
  • the first diffraction grating 21 having a rectangular wave cross section shown in FIG. 3A is shown.
  • the cross-sectional shape of the second diffraction grating is the same as the cross-sectional shape of the first diffraction grating 21.
  • the surface plasmon when the surface plasmon is excited by the second or higher order diffracted light, a plurality of modes are generated in the surface plasmon.
  • the second cover layer 16 light emitted in each of a plurality of directions corresponding to each mode of the surface plasmon is generated, the emission angle of the light emitted from the light source 10 is widened, and the etendue of the light source 10 is increased. To do. For this reason, the utilization efficiency of the emitted light of the light source 10 can be improved by improving the diffraction efficiency of the first-order diffracted light.
  • the diffraction efficiency of the first-order diffracted light can be improved by increasing the number of steps in the step shape. For example, when the number of steps is 4, the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is about 81%.
  • the first diffraction grating 21 having a sinusoidal cross section shown in FIG. 3C can be regarded as a stepped wave diffraction grating having an infinite number of steps, and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is theoretically 100%. Become. For this reason, from the viewpoint of the utilization efficiency of the light emitted from the light source 10, it is desirable that the first diffraction grating 21 has a sinusoidal cross section.
  • the dispersion relation of the surface plasmon is determined according to the dielectric constant of the dielectric and the metal sandwiching the interface where the surface plasmon is generated. Therefore, the excitation conditions for the diffraction grating for exciting the surface plasmon and the incident angle of the light for exciting the surface plasmon vary depending on the materials of the metal and the dielectric. In particular, it is known that the excitation condition and the incident angle vary greatly depending on the metal material.
  • glass is used as the dielectric.
  • Ag that has a plasma frequency higher than the frequency bands of red light, green light, and blue light and reflects light other than light that excites surface plasmons with high efficiency is used.
  • 4 and 5 are diagrams showing the relationship between surface plasmon and light dispersion. 4 and 5, the horizontal axis indicates the wave number, and the vertical axis indicates the frequency. Further, each of the frequencies corresponding to red light (wavelength: 630 nm), green light (wavelength: 530 nm), and blue light (wavelength: 450 nm) is shown.
  • the solid line indicates the dispersion relation of the surface plasmon excited by the first-order diffracted light by the first diffraction grating 21. Therefore, if there is a region where the solid line and the shaded portion intersect, surface plasmon can be excited from the first-order diffracted light by light having energy corresponding to the region.
  • FIG. 4 is a diagram showing the dispersion relationship between the surface plasmon and the light when the lattice constant L of the first diffraction grating 21 is 0.2 ⁇ m.
  • the solid line intersects with the shaded part in all frequency bands corresponding to red light, green light and blue light. That is, when the pitch L of the first diffraction grating 21 is 0.2 ⁇ m, surface plasmons can be excited from the first-order diffracted lights of red light, green light, and blue light.
  • FIG. 5 is a diagram showing the dispersion relationship between the surface plasmon and the light when the lattice constant L of the first diffraction grating 21 is 0.15 ⁇ m.
  • the solid line intersects with the shaded part only in the frequency band corresponding to blue light. That is, when the pitch L of the first diffraction grating 21 is 0.15 ⁇ m, surface plasmons can be excited from the first-order diffracted light of blue light.
  • the pitch of the first diffraction grating 21 is a range in which surface plasmon can be excited using the first-order diffracted light, that is, 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 4.2 ⁇ m when the incident light is red light, In the case of 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 3.5 ⁇ m and blue light, it is more preferable that it is in the range of 0.15 ⁇ m ⁇ L ⁇ 3.0 ⁇ m, and further, the range in which surface plasmons can be excited using only the first-order diffracted light, That is, when the incident light is red light, 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.35 ⁇ m, when green light is 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.3 ⁇ m, and when blue light is 0.15 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.25 ⁇ m Most preferably in the range.
  • the pitch of the first diffraction grating 21 when a pitch that causes surface plasmons to be excited by second-order or higher-order diffracted light is used as the pitch of the first diffraction grating 21, the cross-sectional shape of the first diffraction grating 21 is made sinusoidal or close to it. It is preferable that the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is 100% or close thereto.
  • the metal layer 15 may be formed of, for example, Al or Au instead of Ag.
  • the pitch of the first diffraction grating 21 that can excite the surface plasmon only by the first-order diffracted light is 0.25 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.4 ⁇ m, green when the incident light is red light. In the case of light, 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.3 ⁇ m, and in the case of blue light, 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.3 ⁇ m.
  • the pitch of the first diffraction grating 21 that can excite surface plasmons by only the first-order diffracted light is 0.2 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.35 ⁇ m when the incident light is red light.
  • the incident light is blue light, and 0.15 ⁇ m ⁇ L ⁇ 0.25 ⁇ m.
  • the surface plasmon and light dispersion relationship used in the above description is based on the grating coupling method in the ZX plane. That is, this dispersion relationship is such that the first cover layer 14 and the metal layer when the distance between the convex portions 21A (the pitch of the first diffraction grating 21) is changed with respect to the first diffraction grating 21 shown in FIG. This is a calculation of the dispersion relation between the surface plasmon parallel to the X direction and the light at the interface with the light. Note that the dielectric constant of the metal layer 15 conforms to the Drude-Lorentz model.
  • FIG. 6 is a layout diagram illustrating an example of the configuration of the projector according to the present embodiment.
  • a projector 100 includes light sources 101R, 101G, and 101B, optical elements 102R, 102G, and 102B, liquid crystal panels 103R, 103G, and 103B, a cross dichroic prism 104, and a projection optical system 105.
  • Each of the light sources 101R, 101G, and 101B has the same structure as the light source 10 shown in FIG.
  • the light emitting layers 13 of the light sources 101R, 101G, and 101B generate light having different wavelengths.
  • red light is emitted from the light source 101R
  • green light is emitted from the light source 101G
  • blue light is emitted from the light source 101B.
  • Each of the optical elements 102R, 102G, and 102B guides the respective color lights from the light sources 101R, 101G, and 101B to the liquid crystal panels 103R, 103G, and 103B, respectively, and enters them.
  • the liquid crystal panels 103R, 103G, and 103B are spatial light modulation elements that modulate and emit incident color light according to a video signal.
  • the cross dichroic prism 104 combines and outputs the modulated lights emitted from the liquid crystal panels 103R, 103G, and 103B.
  • the projection optical system 105 projects the combined light emitted from the cross dichroic prism 104 onto the screen 200 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 200.
  • FIG. 7 is a layout diagram showing another example of the configuration of the projector according to the present embodiment.
  • the projector 100 ′ includes light sources 101 ⁇ / b> R, 101 ⁇ / b> G, and 101 ⁇ / b> B, a light guide 106, a liquid crystal panel 107, and a projection optical system 108.
  • the light guide 106 combines the color lights from the light sources 101R, 101G, and 101B and emits them to the liquid crystal panel 107.
  • the liquid crystal panel 107 is a spatial light modulation element that modulates incident combined light according to a video signal and emits the modulated light.
  • the projection optical system 108 projects the modulated light emitted from the liquid crystal panel 107 onto the screen 200 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 200.
  • a liquid crystal panel is used as the spatial light modulation element.
  • the modulation element is not limited to the liquid crystal panel and can be changed as appropriate.
  • a DMD Digital Micromirror Device
  • the liquid crystal panel 107 may be used instead of the liquid crystal panel 107.
  • the light source 10 includes the light emitting layer 13, the first cover layer 14, the metal layer 15, and the second cover layer 16 that are sequentially stacked on the light emitting layer 13. .
  • a periodic uneven structure in the X direction is formed at the interface between the metal layer 15 and the first cover layer 14.
  • the first cover layer 15 and the second cover layer 16 have the same dielectric constant.
  • the interface between the metal layer 15 and the first cover layer 14 has a periodic uneven structure in the X direction, light that can excite surface plasmons at the interface between the first cover layer 14 and the metal layer 15 is emitted. It is possible to limit to light having an electric field component in the X direction and having a predetermined incident angle with respect to the first diffraction grating 21.
  • first cover layer 14 and the second cover layer 16 have the same dielectric constant, a process reverse to the process in which the surface plasmon is excited by the first diffraction grating 21 occurs, and the second cover layer 16
  • the same light as the light that excited the surface plasmon that is, the TM polarized light having the electric field component in the X direction and having the emission angle equal to the incident angle of the light exciting the surface plasmon is emitted. Therefore, since the emission angles can be made uniform, random polarized light can be converted into a specific polarization state without increasing etendue.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing a light source according to the second embodiment of the present invention.
  • the light source 30 shown in FIG. 8 is obtained by changing the configuration of the light generating means with respect to the light source 10 shown in FIG. More specifically, the light source 30 differs from the light source 10 in that a low refractive index layer 31 is provided instead of the second diffraction grating 22 between the metal layer 15 and the second cover layer 16.
  • the low refractive index layer 31 has a refractive index smaller than that of the second cover layer 16.
  • the metal layer 15, the second cover layer 16, and the low refractive index layer 31 constitute light generating means.
  • this light generating means a so-called Otto optical arrangement is realized, and an ATR (Attenuated Total Reflection) method is used as a method of generating light from surface plasmons by combining surface plasmons and light. ing.
  • the ATR method when light is totally reflected at the interface between the dielectric and the low-refractive index layer, evanescent light is generated at the interface, and the evanescent light generates a surface at the interface between the low-refractive index layer and the metal. Plasmon is excited. Therefore, when surface plasmon is excited by the first diffraction grating 21, the same surface plasmon as that surface plasmon is induced at the interface between the metal layer 15 and the low refractive index layer 31. Then, light is generated from the surface plasmon via evanescent light generated at the interface between the low refractive index layer 31 and the second cover layer 16, and emitted to the second cover layer 16.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a light source according to the third embodiment of the present invention.
  • the light source 40 shown in FIG. 9 is obtained by changing the configuration of the light generating means with respect to the light source 10 shown in FIG. More specifically, the light source 40 differs from the light source 10 in that it has a metal layer 41 instead of the metal layer 15. Further, the second cover layer 16 has a refractive index smaller than that of the first cover layer 14. The metal layer 41 has a film thickness that is extremely smaller than the film thickness of the second cover layer. A diffraction grating is not formed between the metal layer 41 and the second cover layer 16.
  • the second cover layer 16 and the metal layer 41 constitute light generation means.
  • this light generation means a so-called Kretschmann optical arrangement is realized, and light is generated from surface plasmons using the ATR method as in the second embodiment. That is, when surface plasmon is excited by the first diffraction grating 21, the same surface plasmon as that surface plasmon is induced at the interface between the metal layer 41 and the second cover layer 16. Then, light is emitted from the surface plasmon into the second cover layer 16 through evanescent light generated at the interface between the metal layer 41 and the second cover layer 16. Therefore, the same effect as the first embodiment can be obtained in this embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing a light source according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the light source 50 shown in FIG. 10 is obtained by changing the configuration of the emission side of the second cover layer 16 with respect to the light source 10 shown in FIG. More specifically, the light source 50 is different from the light source 10 in that it has a hologram layer 51 laminated on the second cover layer 16 instead of the diffractive portion 23 of the second cover layer 16.
  • the hologram layer 51 diffracts all light having a plurality of incident angles to the hologram layer 51 caused by a plurality of modes of surface plasmons excited by second-order or higher-order diffracted light by the first diffraction grating 21 in the same direction.
  • it is a multiplex hologram in which a plurality of holograms that are emitted are stacked. Therefore, even if the surface plasmon is excited by the second or higher order diffracted light by the first diffraction grating 21, the increase in etendue of the light source 50 can be suppressed.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing a light source according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the light source 60 shown in FIG. 11 is obtained by adding a reflection portion 61 to the light source 10 shown in FIG. It is.
  • the reflector 61 reflects the light generated in the light emitting layer 13. Thereby, since it can suppress that a light is radiate
  • the reflection part 61 was provided in all the side surfaces of the light source 60, you may be provided only in the one part surface among the side surfaces. Even in this case, the light generated in the light emitting layer 13 can be incident on the metal layer 15 without waste as compared with the light source 10 shown in FIG. Moreover, the reflection part 61 may diffusely reflect light.
  • the reflection unit 61 is added to the light source 10 of the first embodiment, but each of the light sources 30, 40, and 50 of the second to fourth embodiments is described. A reflection unit 61 may be added.
  • FIG. 12 is a perspective view schematically showing a light source according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a light source 70 shown in FIG. 11 is obtained by changing the configuration of the diffraction grating with respect to the light source 10 shown in FIG. More specifically, the light source 70 differs from the light source 10 shown in FIG. 1 in that it includes a first diffraction grating 71 and a second diffraction grating 72 instead of the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22.
  • the first diffraction grating 71 is a blazed diffraction grating. That is, the first diffraction grating 71 is formed with a periodic concavo-convex structure in the X direction, and the concavo-convex structure has a sawtooth-like cross-sectional shape when viewed from the Y direction.
  • the second diffraction grating 72 has the same structure as the first diffraction grating 71.
  • a blazed diffraction grating In a blazed diffraction grating, only one of light incident at an incident angle ⁇ and light incident at an incident angle ⁇ is diffracted according to the blaze direction.
  • the first diffraction grating 71 of the present embodiment diffracts only light incident at an incident angle ⁇ 1 out of light incident at an incident angle ⁇ 1 and light incident at an incident angle ⁇ 1. For this reason, the surface plasmon is excited only by the TM polarized light incident on the metal layer 15 at the incident angle ⁇ 1, so that the outgoing angle of the outgoing light emitted from the second diffraction grating 72 is only ⁇ 1.
  • the incident angle ⁇ 1 at which the surface plasmon can be excited at the interface with the metal layer 15 can be changed by the dielectric constant of the metal layer 15, the pitch of the first diffraction grating 71 and the second diffraction grating 72, etc., as described above. is there. Therefore, by adjusting the dielectric constant, the pitch, etc., and making the emission angle ⁇ 1 of the outgoing light emitted from the second diffraction grating 72 smaller than the total reflection angle of the second cover layer 16, the second cover layer It is possible to emit light from the light source 70 in a predetermined direction without providing the diffractive portion 23 in FIG.
  • the convex part of the 1st diffraction grating in this embodiment is asymmetrical with respect to the line which passes through the vertex of a convex part and is parallel to a Z direction in the cross section orthogonal to a Y direction, it will not be limited to a sawtooth wave shape but a staircase It may be wavy.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a light source according to the seventh embodiment of the present invention.
  • a light source 80 shown in FIG. 13 is obtained by inserting a phase modulation layer 81 between the diffusion mirror layer 12 and the metal layer 15 with respect to the light source 10 shown in FIG.
  • the phase modulation layer 81 performs phase modulation on the transmitted light and changes the polarization state of the light.
  • the phase modulation layer 81 is a retardation plate that gives a phase difference to transmitted light such as a ⁇ / 4 plate.
  • the light generated in the light emitting layer 13 is light that excites surface plasmons more efficiently than the light source 10 shown in FIG. be able to.
  • phase modulation layer 81 is added to the light source 10 of the first embodiment.
  • the light sources 30, 40, 50, 60, and 70 of the second to sixth embodiments are described.
  • a phase modulation layer 81 may be added to each of the above.

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Abstract

　ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際にエテンデューが増大するという問題を解決できる光源を提供する。　金属層１５と第１カバー層１４との界面には、発光層１３から入射した光のうち、偏光方向がその界面の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する第２の方向に沿って周期的な凹凸構造が形成され、該凹凸構造の凸部２１Ａはそれぞれが第１の方向に延びている。また、金属層１５と第２カバー層１６との界面には、特定の偏光成分によって表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて金属層１５と第１カバー層１４との界面で発生する表面プラズモンから、特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段が形成されている。

Description

光源および投射型表示装置
　本発明は、光源および投射型表示装置に関し、特には表面プラズモンを利用した光源および投射型表示装置に関する。
　近年、光源としてＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）を用いたプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤの出射光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。
　上記のプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率良く投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にする必要がある。
　また、上記のプロジェクタでは、変調素子として液晶パネルなどの偏光依存性を有するものが使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光が特定の偏光状態に変換される必要がある。
　ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術としては、特許文献１に記載の平面照明装置がある。平面照明装置は、導光板と、導光板の下面に設けられた階段状のマイクロプリズムと、導光板の上面に設けられた偏光分離膜と、偏光分離膜の上面に設けられた上面カバーとを備える。また、偏光分離膜は、第１の低屈折率透明媒質と第２の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。
　上記の平面照明装置では、光源からの光が導光板に入射され、マイクロプリズムにて角度変換されながら導光板の内部を伝播する。そして、導光板と第１の低屈折率透明媒質との境界である第１の境界で光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって表面プラズモンが金属薄膜に励起される。金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第２の低屈折率透明媒質と上面カバーとの境界である第２の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の過程が生じ、その第２の境界で光が発生し、上面カバーを介して出射される。
　また、第１の境界に入射される光のうち表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第１の境界に平行なＴＭ偏光のみである。このため、第２の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるものなので、表面プラズモンを励起する光と同じＴＭ偏光となる。したがって、平面照明装置はランダム偏光を特定の偏光状態に変換して出射することができる。
特開２００３－２９５１８３号公報
　特許文献１に記載の平面照明装置では、マイクロプリズムにて光の角度変換が行われるので、導光板内の光は、様々な方向に伝播され、第１の境界に様々な方向から入射することになる。この場合、金属薄膜に様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第２の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、エテンデューが増大し、光源の出射光を効率良く投射光として利用することができない。
　本発明の目的は、上記の課題である、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際にエテンデューが増大するという問題を解決できる光源および投射型表示装置を提供することである。
　本発明による光源は、発光層と、前記発光層上に順に積層された、第１透明誘電体層と、金属層と、第２透明誘電体層と、を有し、前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面には、前記発光層から入射した光のうち、偏光方向が該界面の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する、前記第１の方向と該界面内で直交する第２の方向に沿って周期的な凹凸構造が形成され、該凹凸構造の凸部はそれぞれが前記第１の方向に延びており、前記金属層と前記第２透明誘電体層との界面には、前記特定の偏光成分によって前記表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面で発生する表面プラズモンから、前記特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段が形成されている。
　本発明による投射型表示装置は、上記の光源と、前記光源からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、前記変調素子から出射された光を投射する投射光学系と、を有する。
　本発明によれば、エテンデューを増大させることなく、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換することが可能になる。
本発明の第１の実施形態の光源を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光源の動作を説明するための説明図である。 第１回折格子の形状例を示す断面図である。 表面プラズモンおよび光の分散関係の一例を示す図である。 表面プラズモンおよび光の分散関係の別の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。 本発明の第１の実施形態に係るプロジェクタの構成の他の例を示す配置図である。 本発明の第２の実施形態の光源を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の光源を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の光源を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の光源を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の光源を示す斜視図である。 本発明の第７の実施形態の光源を示す斜視図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
　［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態の光源を示す斜視図である。光源１０は、サブマウント層１１、拡散ミラー層１２、発光層１３、第１カバー層１４、金属層１５、第２カバー層１６の順番で積層されている。
　なお、実際の光源における各層の厚さは非常に薄く、また、各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確な比率で図示することが困難である。このため、図１では、各層は実際の比率通りには描かれておらず、模式的に示されている。また、図１に示すように、発光層１３の上面に平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。ここで、偏光方向がＹ方向に垂直な直線偏光をＴＭ偏光とし、偏光方向がＹ方向に平行な直線偏光をＴＥ偏光とする。
　拡散ミラー層１２は、入射した光を拡散反射する。
　発光層１３は、所定の波長の光を発する。より具体的には、発光層１３では、ｐ型半導体層であるｐ型層１３Ａ、活性層１３Ｂ、ｎ型半導体層であるｎ型層１３Ｃの順番で下から積層されている。そして、外部電源（図示せず）からｐ型層１３Ａとｎ型層１３Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、その電流に応じて活性層１３Ｂにて光が発生する。ここで、活性層１３Ｂで発生された光はランダム偏光である。
　第１カバー層１４は、透明誘電体で形成された第１透明誘電体層であり、発光層１３からの光がその内部を伝播するようになっている。第１カバー層１４の形成材質である透明誘電体としては、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などの透明アクリル樹脂や、ガラスなどが挙げられる。以下では、本透明誘電体としてガラスが使用されているものとする。
　金属層１５は、Ａｇなどの金属で形成され、第１カバー層１４の上にその第１カバー層１４と接するように設けられる。
　第１カバー層１４と金属層１５との界面は、光を回折する第１回折格子２１となっている。ここで、第１回折格子２１は、１次元方向（以下、Ｘ方向とする）に周期的な凹凸構造で形成される。より具体的には、第１回折格子２１は、Ｙ方向（第１の方向）に延伸された凸部２１ＡがＸ方向（第２の方向）に周期的に複数配列されることで形成される。第１回折格子２１は、第１カバー層１４を伝播するランダム偏光のうち、金属層１５に所定の入射角度で入射するＴＭ偏光によって、第１カバー層１４と金属層１５との界面に表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する。
　第２カバー層１６は、第１カバー層１４と同じ誘電率の材質で形成され、金属層１５と接するように設けられる。
　金属層１５と第２カバー層１４との界面は、第２回折格子２２となっている。第２回折格子２２は、第１回折格子２１と同じ構造を有する。つまり、第２回折格子２２は、第１回折格子２１の凸部２１Ａと同じ形状の凸部２２Ａを有し、凸部２２Ａが凸部２１Ａの周期と同じ周期でＸ方向に複数配列される。第２回折格子２２は、第１回折格子２１にて励起された表面プラズモンから光を発生させる光発生手段として機能する。
　第２カバー層１６の上面は、光源１０における光の出射面となっており、回折部２３が形成されている。回折部２３は、光発生手段である第２回折格子２２で発生した光を所定の方向に回折して出射する。なお、回折部２３は、第１回折格子２１および第２回折格子２２と同様に、Ｙ方向に延伸された構造体（例えば、凸部）がＸ方向に周期的に複数配列されることで形成される。
　次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理についてより詳細に説明する。
　表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。表面プラズモンの波数と角周波数との分散関係は、界面の金属および誘電体の誘電率から決定される。表面プラズモンの分散関係が誘電体中を伝播する光の分散関係と一致するときに、すなわち、誘電体中の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなるときに、その光によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、金属と誘電体との界面が平坦な場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は通常一致しないため、単に光を誘電体から金属に入射しただけでは表面プラズモンは励起されない。
　したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。
　光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、金属と誘電体との界面に回折格子（グレーティング）を設けるグレーティング結合法が知られている。グレーティング結合法では、回折格子に所定の入射角度で光が入射されると、その回折格子にて回折された回折光の分散関係と表面プラズモンの分散関係とが一致し、誘電体と金属との界面に表面プラズモンが励起される。
　また、表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。したがって、図１に示したように、第１カバー層１４と金属層１５との界面にＸ方向に周期的な凹凸構造が設けられることで、第１カバー層１４と金属層１５との界面に表面プラズモンを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、第１回折格子２１に対して所定の入射角度を有する直線偏光に制限することが可能になる。
　ここで、金属層１５を１００ｎｍ程度以下に十分薄くとすると、金属層１５の両面で表面プラズモンのエネルギーの授受が行われ、第２回折格子２２側でも第１回折格子２１側で励起された表面プラズモンと同じ表面プラズモンが発生する。このため、上記のように表面プラズモンが励起されると、第２回折格子２２において、第１回折格子２１により表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じ、第２回折格子２２から光が出射されることとなる。これは、第１回折格子および第２回折格子が同じ凹凸構造を有し、かつ、第１カバー層１４と第２カバー層１６とが同じ誘電率を有しているので、第１カバー層１４内の光の分散関係と、第２カバー層１６内の光の分散関係とが一致するためである。
　第２回折格子２２から出射される出射光は、表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じたものであるため、表面プラズモンを励起した光と同じ光、つまり、Ｘ方向に電界成分を有するＴＭ偏光となる。このとき、第２回折格子２２から出射される出射光の出射角度も、表面プラズモンを励起する光の入射角度と同じになる。
　このように、本実施形態では、第１回折格子２１と第２回折格子２２とを光学的に同じ構成とすることで、第１回折格子２１に入射したＴＭ偏光と同じ光を第２回折格子２２から出射することが可能となる。
　なお、Ｘ方向以外の伝搬成分を有する光が第１回折格子２１に入射した場合でも、その光をＺＸ平面に射影した射影光の入射角度が表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、Ｘ方向に平行な偏光成分によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、この場合でも、表面プラズモンの伝搬方向はＸ方向に制限されるため、第２回折格子２２から出射される光は、Ｘ方向に電界成分を有するＴＭ偏光となる。
　次に光源１０の動作について説明する。
　図２は、光源１０の動作を説明するための説明図であり、光源１０をＸＺ平面で切った断面を示す。
　外部電源からｐ型層１３Ａとｎ型層１３Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、その電流に応じて活性層１３Ｂにてランダム偏光が発生する。活性層１３Ｂで発生されたランダム偏光の一部は、直接第１カバー層１４に入射され、残りは、拡散ミラー層１２で拡散反射されて第１カバー層１４に入射される。
　第１カバー層１４に入射されたランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たす角度θ１で金属層１５に入射するＴＭ偏光は、第１回折格子２１を介して金属層１５に表面プラズモンを励起する。（図中矢印Ａ参照）。そして、第２回折格子２２においてこの表面プラズモンと同じ表面プラズモンが発生し（図中矢印Ｂ参照）、その表面プラズモンにより第２カバー層１６内に光が発生する。ここで発生した光は、第１カバー層１４と金属層１５との界面で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、その光の入射角度と同じ角度θ１で出射される（図中矢印Ｃ参照）。
　一方、第１カバー層１４に入射したランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たさない光（例えば、ＴＥ偏光や、入射角度θ１と異なる入射角度θ２で金属層１５に入射するＴＭ偏光）は、第１回折格子２１において単に反射または回折されるだけで、表面プラズモンを励起しない。この光は、拡散ミラー層１２で拡散反射され、偏光方向や入射角度が変化して再び金属層１５に入射する。光がこのような反射を繰り返し、入射角度θ１で金属層１５に入射するＴＭ偏光になると、表面プラズモンを励起する。
　ここで、表面プラズモンを励起するＴＭ偏光としては、ＺＸ平面内で多重反射しながら＋Ｘ方向に伝搬して入射角度θ１で金属層１５に入射する場合と、ＺＸ平面内で多重反射しながら－Ｘ方向に伝搬して入射角度－θ１で金属層１５に入射する場合とがある。そのため、第２カバー層１６で発生されるＴＭ偏光の出射方向も２つとなる。この出射方向の異なる光は、第２カバー層１６の出射面に形成された回折部２３によって回折されて、所定の方向（本実施形態では出射面に垂直な方向、図中矢印Ｄ、Ｄ’参照）に出射されることになる。
　なお、本実施形態の回折部２３は、第１回折格子２１および第２回折格子２２と同一構造を有しているが、これは、第２回折格子２２から２つの出射角度θ１および－θ１で出射する光を所定の方向に回折するためである。そのため、回折部２３は、Ｙ方向に延伸された構造体がＸ方向に周期的に配列されていれば、第１回折格子２１および第２回折格子２２と同じ構造を有している必要はなく、その構造体や形状や構造体間の間隔は、回折部２３への入射角度や所望する出射角度に応じて適宜変更可能である。
　また、表面プラズモンを励起させるための回折格子において、光の分散関係を変化させるパラメータは格子定数（ピッチ）である。このため、第１回折格子２１の構成は、図１で示した構成に限定されない。つまり、第１回折格子２１における凸部２１Ａの断面形状は適宜変更可能である。
　図３は、第１回折格子２１の形状例を示す断面図であり、第１回折格子２１をＸＺ平面で切った断面形状を示している。図３で示したように、第１回折格子２１の断面形状としては、矩形波状（図３（ａ）参照）、階段波状（図３（ｂ）参照）、正弦波状（図３（ｃ）参照）および二等辺三角波（図３（ｄ）参照）などが挙げられる。このような断面形状は、凸部２１Ａの頂点を通り、Ｙ方向と直交する線（Ｚ方向と平行な線）に対して線対称である。
　なお、図１および図２では、図３（ａ）に示す矩形波状の断面を有する第１回折格子２１が示されている。また、第２回折格子は、第１回折格子２１と同じ構造なので、第２回折格子の断面形状も第１回折格子２１の断面形状と同じになる。
　ここで、２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されると、表面プラズモンに複数のモードが生じる。この場合、第２カバー層１６において、表面プラズモンの各モードに対応する複数の方向のそれぞれに出射される光が生じ、光源１０からの出射光の放射角度が広くなり、光源１０のエテンデューが増加する。このため、１次回折光の回折効率を向上させることで、光源１０の出射光の利用効率を向上させることができる。
　例えば、図３（ｂ）に示す階段波状の断面を有する第１回折格子２１では、その階段形状のステップを増やすことで一次回折光の回折効率を向上させることができる。例えば、ステップ数が４の場合、一次回折光の回折効率は８１％程度となる。また、図３（ｃ）に示す正弦波状の断面を有する第１回折格子２１は、ステップ数が無数の階段波状の回折格子とみなすこともでき、一次回折光の回折効率が理論上１００％となる。このため、光源１０の出射光の利用効率の観点からは、第１回折格子２１は、正弦波状の断面を有するものであることが望ましい。
　次に第１回折格子２１のピッチについて説明する。
　上述のように、表面プラズモンの分散関係は、その表面プラズモンが発生する界面を挟む誘電体および金属の誘電率に応じて決定される。そのため、表面プラズモンを励起する回折格子に対する励起条件や、表面プラズモンを励起する光の入射角度は、金属および誘電体の材質に応じて変化する。特に、この励起条件や入射角度は、金属の材質に応じて大きく変化することが知られている。
　以下では、誘電体としてはガラスを用いる。また、金属としては、赤色光、緑色光および青色光の周波数帯域よりプラズマ周波数が高く、表面プラズモンを励起させる光以外の光を高効率で反射するＡｇを用いるものとする。
　図４および図５は、表面プラズモンおよび光の分散関係を示す図である。図４および図５では、横軸は波数を示し、縦軸は周波数を示す。また、赤色光（波長：６３０ｎｍ）、緑色光（波長：５３０ｎｍ）、青色光（波長：４５０ｎｍ）に対応する周波数のそれぞれを示している。
　また、図４および図５の陰影部分は、第１カバー層１４内Ｘ方向に伝搬する光が金属層１５に０°＜θ１＜９０°の入射角度で入射するときの、その光の分散関係の取り得る範囲を示している。これに対して、実線（太線、－ＳＰ－１）は、第１回折格子２１による１次回折光によって励起される表面プラズモンの分散関係を示している。したがって、この実線と陰影部分とが交わる領域があれば、その領域に相当するエネルギーの光によって、１次回折光から表面プラズモンを励起することができる。
　図４は、第１回折格子２１の格子定数Ｌを０．２μｍとしたときの、表面プラズモンおよび光の分散関係を示す図である。
　図４では、実線が赤色光、緑色光および青色光のそれぞれに対応する周波数帯域の全てで陰影部分と交わっている。つまり、第１回折格子２１のピッチＬが０．２μｍの場合、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの１次回折光から表面プラズモンを励起することができる。
　図５は、第１回折格子２１の格子定数Ｌを０．１５μｍとしたときの、表面プラズモンおよび光の分散関係を示す図である。
　図５では、実線が青色光に対応する周波数帯域でのみ陰影部分と交わっている。つまり、第１回折格子２１のピッチＬが０．１５μｍの場合、青色光の１次回折光から表面プラズモンを励起することができる。
　したがって、第１回折格子２１のピッチを、赤色光および緑色光では０．２μｍ以上、青色光では０．１５μｍ以上にすることで、１次回折光を利用して表面プラズモンを励起することができる。
　また、第１回折格子２１のピッチを大きくしていくと、２次以上の回折光でも表面プラズモンが励起されるようになり、さらに大きくしていくと、２次以上の回折光によってのみ表面プラズモンが励起され、１次回折光では表面プラズモンを励起することができなくなる。
　したがって、第１回折格子２１のピッチは、１次回折光を利用して表面プラズモンを励起できる範囲、すなわち、入射光が赤色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦４．２μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦３．５μｍ、青色光の場合、０．１５μｍ≦Ｌ≦３．０μｍの範囲にあることがより好ましく、さらには１次回折光のみを利用して表面プラズモンを励起できる範囲、すなわち、入射光が赤色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３５μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、青色光の場合、０．１５μｍ≦Ｌ≦０．２５μｍの範囲にあることが最も好ましい。
　また、第１回折格子２１のピッチとして、２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されるようなピッチを用いる場合には、第１回折格子２１の断面形状を正弦波形状またはそれに近づけることで、１次回折光の回折効率を１００％またはそれに近づけることが好ましい。
　また、第１回折格子２１のピッチＬと表面プラズモンを励起する光の入射角度θ１との関係は、例えば、赤色光ではＬ＝０．３５μｍのときθ１＝６°、緑色光ではＬ＝０．３μｍのときθ１＝４°、青色光ではＬ＝０．２５μｍのときθ１＝７°となる。
　また、金属層１５には、Ａｇの代わりに、例えばＡｌやＡｕなどで形成されてもよい。金属層１５がＡｌで形成されている場合、１次回折光のみによって表面プラズモンを励起できる第１回折格子２１のピッチは、入射光が赤色光の場合、０．２５μｍ≦Ｌ≦０．４μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、青色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍである。また、金属層１５がＡｕで形成されている場合、１次回折光のみによって表面プラズモンを励起できる第１回折格子２１のピッチは、入射光が赤色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３５μｍ、緑色光の場合、０．２μｍ≦Ｌ≦０．３μｍ、入射光が青色光、０．１５μｍ≦Ｌ≦０．２５μｍである。
　なお、上記の説明に用いた表面プラズモンおよび光の分散関係はＺＸ平面でのグレーティング結合法に基づいて行ったものである。つまり、本分散関係は、図２に示す第１回折格子２１に対して、凸部２１Ａ間の間隔（第１回折格子２１のピッチ）を変化させたときの、第１カバー層１４と金属層１５との界面における、Ｘ方向に平行な表面プラズモンと光の分散関係を計算したものである。なお、金属層１５の誘電率は、Ｄｒｕｄｅ－Ｌｏｒｅｎｔｚモデルに従うものとした。
　次に光源１０を備えたプロジェクタについて説明する。
　図６は、本実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。図６において、プロジェクタ１００は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂと、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１０４と、投射光学系１０５とを備える。
　光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれは、図１に示した光源１０と同じ構造を有する。光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれの発光層１３は、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光源１０１Ｒから赤色光が出射され、光源１０１Ｇから緑色光が出射され、光源１０１Ｂから青色光が出射されるものとする。
　光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂのそれぞれは、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂからの各色光を、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれに導いて入射する。
　液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。
　クロスダイクロイックプリズム１０４は、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
　投射光学系１０５は、クロスダイクロイックプリズム１０４から出射された合成光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
　図７は、本実施形態のプロジェクタの構成の別の例を示す配置図である。図７において、プロジェクタ１００’は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、導光体１０６と、液晶パネル１０７と、投射光学系１０８とを有する。
　導光体１０６は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂからの各色光を合成して液晶パネル１０７に出射する。
　液晶パネル１０７は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。
　投射光学系１０８は、液晶パネル１０７から出射された変調光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
　なお、図６および図７では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図７で示したプロジェクタでは、液晶パネル１０７の代わりに、ＤＭＤ（Digital　Micromirror　Device）を用いてもよい。
　以上説明したように本実施形態によれば、光源１０は、発光層１３と、発光層１３に順に積層された、第１カバー層１４と、金属層１５と、第２カバー層１６とを有する。金属層１５と第１カバー層１４との界面にはＸ方向に周期的な凹凸構造が形成される。また、第１カバー層１５と第２カバー層１６の誘電率が等しい。
　このため、金属層１５と第１カバー層１４との界面がＸ方向に周期的な凹凸構造となっているので、第１カバー層１４と金属層１５との界面に表面プラズモンを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、第１回折格子２１に対して所定の入射角度を有する光に制限することが可能になる。また、第１カバー層１４と第２カバー層１６とが等しい誘電率を有しているので、第１回折格子２１により表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じ、第２カバー層１６から、表面プラズモンを励起した光と同じ光、つまり、Ｘ方向に電界成分を有し、出射角度が表面プラズモンを励起する光の入射角度と同じＴＭ偏光が出射される。したがって、出射角度を揃えることができるので、エテンデューを増大させることなく、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換することが可能になる。
　［第２の実施形態］
　図８は、本発明の第２の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図８に示す光源３０は、図１で示した光源１０に対して光発生手段の構成を変更したものである。より具体的には、光源３０は、金属層１５と第２カバー層１６との間に、第２回折格子２２の代わりに低屈折率層３１を有する点で光源１０と比べて異なる。低屈折率層３１は、第２カバー層１６の屈折率より小さい屈折率を有する。
　本実施形態では、金属層１５、第２カバー層１６および低屈折率層３１が光発生手段を構成する。この光発生手段では、いわゆるオット光学配置が実現されており、表面プラズモンと光とを結合させて、表面プラズモンから光を発生させる方法として、全反射減衰（ＡＴＲ：Attenuated　Total　Reflection）法が用いられている。
　ＡＴＲ法によれば、誘電体と低屈折率層との界面で光が全反射する際に、その界面においてエバネッセント光が発生し、そのエバネッセント光によって、低屈折率層と金属との界面に表面プラズモンが励起される。したがって、第１回折格子２１で表面プラズモンが励起されると、金属層１５と低屈折率層３１との界面には、その表面プラズモンと同じ表面プラズモンが誘起される。そして、その表面プラズモンから、低屈折率層３１と第２カバー層１６との界面に発生するエバネッセント光を介して光が生成され、第２カバー層１６へと出射される。
　以上説明したように本実施形態でも第１の実施形態と同じ効果が得られる。
　［第３の実施形態］
　図９は、本発明の第３の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図９に示す光源４０は、図１で示した光源１０に対して光発生手段の構成を変更したものである。より具体的には、光源４０は、金属層１５の代わりに金属層４１を有する点で光源１０と異なる。また、第２カバー層１６が第１カバー層１４の屈折率より小さい屈折率を有する。そして、金属層４１は、第２カバー層の膜厚よりも極めて小さい膜厚を有する。なお、金属層４１と第２カバー層１６との間に回折格子は形成されていない。
　本実施形態では、第２カバー層１６および金属層４１が光発生手段を構成する。この光発生手段では、いわゆるクレッチマン光学配置が実現されており、第２の実施形態と同様にＡＴＲ法が用いられて、表面プラズモンから光が発生されている。つまり、第１回折格子２１で表面プラズモンが励起されると、金属層４１と第２カバー層１６との界面には、その表面プラズモンと同じ表面プラズモンが誘起される。そして、その表面プラズモンから、金属層４１と第２カバー層１６との界面に発生するエバネッセント光を介して、第２カバー層１６内に光が出射される。したがって、本実施形態でも第１の実施形態と同じ効果が得られる。
　［第４の実施形態］
　図１０は、本発明の第４の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１０に示す光源５０は、図１で示した光源１０に対して第２カバー層１６の出射側の構成を変更したものである。より具体的には、光源５０は、第２カバー層１６の回折部２３の代わりに、第２カバー層１６に積層されたホログラム層５１を有する点で光源１０と比べて異なる。
　ホログラム層５１は、第１回折格子２１による２次以上の回折光によって励起される表面プラズモンの複数のモードに起因する、ホログラム層５１への複数の入射角を有する各光を全て同一方向に回折して出射する複数のホログラムが積層された多重ホログラムである。したがって、第１回折格子２１による２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されても、光源５０のエテンデューの増大化を抑制することができる。
　なお、本実施形態では、第１の実施形態の光源１０に対して第２カバー層１６の出射側の構成を変更したものを説明したが、第２および第３の実施形態の光源３０および４０のそれぞれに対して第２カバー層１６の出射側の構成を本実施形態と同様に変更してもよい。
　［第５の実施形態］
　図１１は、本発明の第５の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１１に示す光源６０は、図１で示した光源１０に対して、光の出射面である上面および下面を除いた外壁面（つまり光源の側面）を覆うように反射部６１を追加したものである。
　反射部６１は、発光層１３で発生した光を反射する。これにより、発光層１３の側面から光が出射されることを抑制することができるので、発光層１３で発生した光を、図１で示した光源１０と比べて無駄なく金属層１５に入射することが可能になり、ランダム偏光を効率良くＴＭ偏光に変換して出射することが可能となる。
　なお、反射部６１は、光源６０の全ての側面に設けられていたが、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。この場合でも、発光層１３で発生した光を、図１で示した光源１０と比べて無駄なく金属層１５に入射することは可能である。また、反射部６１は、光を拡散反射するものであってもよい。
　なお、本実施形態では、第１の実施形態の光源１０に対して反射部６１を追加したものを説明したが、第２～第４の実施形態の光源３０、４０および５０のそれぞれに対して反射部６１を追加してもよい。
　［第６の実施形態］
　図１２は、本発明の第６の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１１に示す光源７０は、図１に示した光源１０に対して回折格子の構成を変更したものである。より具体的には、光源７０は、第１回折格子２１および第２回折格子２２の代わりに第１回折格子７１および第２回折格子７２を備える点で図１に示した光源１０と異なる。
　第１回折格子７１は、ブレーズド回折格子である。つまり、第１回折格子７１は、Ｘ方向に周期的な凹凸構造で形成され、その凹凸構造は、Ｙ方向から見て鋸歯波状の断面形状を有している。また、第２回折格子７２は、第１回折格子７１と同じ構造を有する。
　ブレーズド回折格子では、そのブレーズ方向に応じて、入射角度θで入射する光と入射角度－θで入射する光の一方のみが回折される。本実施形態の第１回折格子７１では、入射角度θ１で入射する光と入射角度－θ１で入射する光のうち、入射角度θ１で入射する光のみを回折する。このため、入射角度θ１で金属層１５に入射するＴＭ偏光のみによって表面プラズモンが励起されるので、第２回折格子７２から出射される出射光の出射角度はθ１のみとなる。
　このとき、金属層１５との界面で表面プラズモンを励起できる入射角度θ１は、上述したように、金属層１５の誘電率や第１回折格子７１および第２回折格子７２のピッチなどによって変更可能である。したがって、これらの誘電率やピッチなどを調節し、第２回折格子７２から出射される出射光の出射角度θ１を、第２カバー層１６の全反射角度よりも小さくすることで、第２カバー層１６に回折部２３を設けることなく、光源７０から所定の方向に光を出射させることが可能になる。
　なお、本実施形態における第１回折格子の凸部は、Ｙ方向と直交する断面において、凸部の頂点を通りＺ方向に平行な線に対して非対称であれば、鋸歯波状に限らず、階段波状などでもよい。
　［第７の実施形態］
　図１３は、本発明の第７の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。図１３に示す光源８０は、図１に示した光源１０に対して、拡散ミラー層１２と金属層１５との間に位相変調層８１が挿入されたものである。
　位相変調層８１は、透過した光に対して位相変調を行い、その光の偏光状態を変える。位相変調層８１は、例えば、λ／４板のような透過した光に位相差を付与する位相差板である。
　本実施形態によれば、位相変調層８１にて偏光状態が変換されるので、発光層１３で発生した光を、図１で示した光源１０と比べて無駄なく表面プラズモンを励起する光とすることができる。
　なお、本実施形態では、第１の実施形態の光源１０に対して位相変調層８１を追加したものを説明したが、第２～第６の実施形態の光源３０、４０、５０、６０および７０のそれぞれに対して位相変調層８１を追加してもよい。
　以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
　この出願は、２０１０年８月２４日に出願された日本出願特願２０１０－１８７１４９号公報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 (26)

  1. 　発光層と、
    　前記発光層上に順に積層された、第１透明誘電体層と、金属層と、第２透明誘電体層と、を有し、
    　前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面には、前記発光層から入射した光のうち、偏光方向が該界面の面内の第１の方向と直交する特定の偏光成分により表面プラズモンを励起する表面プラズモン励起手段として機能する、前記第１の方向と該界面内で直交する第２の方向に沿って周期的な凹凸構造が形成され、該凹凸構造の凸部はそれぞれが前記第１の方向に延びており、
    　前記金属層と前記第２透明誘電体層との界面には、前記特定の偏光成分によって前記表面プラズモン励起手段で励起された表面プラズモンに応じて前記金属層と前記第１透明誘電体層との界面で発生する表面プラズモンから、前記特定の偏光成分と同じ偏光成分を有する光を生じさせる光発生手段が形成された、光源。
  2. 　前記光発生手段が、前記第２透明誘電体層と前記金属層との界面に、前記表面プラズモン励起手段と同一の構造を有し、前記第２透明誘電体層が、前記第１透明誘電体層と同じ誘電率を有する、請求項１に記載の光源。
  3. 　前記光発生手段が、前記金属層と前記第２透明誘電体層との間に挿入され、前記第２透明誘電体のよりも小さい屈折率を有する低屈折率層を含む、請求項１に記載の光源。
  4. 　前記第２透明誘電体層の屈折率は、前記第１透明誘電体層の屈折率より小さく、
    　前記金属層の膜厚は、前記第２透明誘電体層の膜厚より薄い、請求項１に記載の光源。
  5. 　前記金属層がＡｇを含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源。
  6. 　前記表面プラズモン励起手段が、赤色光の特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記凹凸構造の前記第２の方向の周期が、０．２μｍ～４．２μｍの範囲にある、請求項５に記載の光源。
  7. 　前記表面プラズモン励起手段が、緑色光の特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記凹凸構造の前記第２の方向の周期が、０．２μｍ～３．５μｍの範囲にある、請求項５に記載の光源。
  8. 　前記表面プラズモン励起手段が、青色光の特定の偏光成分により表面プラズモンを励起し、前記凹凸構造の前記第２の方向の周期が、０．１５μｍ～３．０μｍの範囲にある、請求項５に記載の光源。
  9. 　前記金属層がＡｕまたはＡｌを含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源。
  10. 　前記凹凸構造の凸部は、前記第１の方向と直交する断面において、前記凸部の頂点を通り前記第２の方向と直交する線に対して対称である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源。
  11. 　前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が矩形波状である、請求項１０に記載の光源。
  12. 　前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が階段波状である、請求項１０に記載の光源。
  13. 　前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が正弦波状である、請求項１０に記載の光源。
  14. 　前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が二等辺三角波である、請求項１０に記載の光源。
  15. 　前記第２透明誘電体層内を伝播する光を所定の方向に回折して出射する回折手段を有する、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の光源。
  16. 　前記回折手段が、前記第２透明誘電体層における前記光の出射面に形成された複数の構造体であり、
    　各構造体は、前記第１の方向に延び、かつ、前記第２の方向に沿って周期的に配列されている、請求項１５に記載の光源。
  17. 　前記回折手段が、ホログラムである、請求項１５に記載の光源。
  18. 　前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面において、前記凹凸構造の凸部の頂点を通り前記第２の方向と直交する線に対して非対称である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源。
  19. 　前記表面プラズモン励起手段の前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が鋸歯波状である、請求項１８に記載の光源。
  20. 　前記表面プラズモン励起手段の前記凹凸構造は、前記第１の方向と直交する断面が階段波状である、請求項１８に記載の光源。
  21. 　前記発光層における前記第１透明誘電体層の反対側に設けられた反射層を有する、請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の光源。
  22. 　前記反射層は、光を拡散反射する拡散反射層である、請求項２１に記載の光源。
  23. 　前記第２透明誘電体層内を伝播する光の出射面を除く外壁面の少なくとも一部に設けられた、光を反射する反射部を有する、請求項２１または２２のいずれか１項に記載の光源。
  24. 　前記金属層と前記反射層との間に挿入された、透過した光の偏光状態を変える位相変調層を有する、請求項２１ないし２２のいずれか１項に記載の光源。
  25. 　前記位相変調層が、透過した光に位相差を付与する位相差板である、請求項２４に記載の光源。
  26. 　請求項１ないし２５のいずれか１項に記載の光源と、
    　前記光源からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、
    　前記変調素子から出射された光を投射する投射光学系と、を備えた投射型表示装置。
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