WO2012120738A1 - 光源およびその光源を用いた投射型表示装置 - Google Patents

光源およびその光源を用いた投射型表示装置 Download PDF

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light source
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optical
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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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    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
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    • G02B2207/101—Nanooptics

Definitions

  • the present invention relates to a light source having directivity.
  • Such a projector includes an LED, an illumination optical system into which light from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system in accordance with a video signal, and light from the modulation element on a screen. And a projection optical system for projecting onto the screen.
  • LED Light Emitting Diode
  • Such a projector includes an LED, an illumination optical system into which light from the LED is incident, a modulation element that modulates and emits light from the illumination optical system in accordance with a video signal, and light from the modulation element on a screen.
  • a projection optical system for projecting onto the screen.
  • the above projector is required to efficiently use light from a light source as projection light in order to increase the brightness of a projected image. How much light from the light source can be used as projection light varies depending on the etendue, which is the product of the light emitting area and the radiation angle of the light source. More specifically, if the etendue of the light source is made equal to or less than the product of the light receiving area of the modulation element and the capture angle determined by the F number of the illumination optical system, the light from the light source can be efficiently used as projection light. it can. For this reason, as a light source of a projector, a light source with high directivity is desired in order to reduce etendue.
  • Patent Document 1 describes a light emitting element that emits light efficiently in a predetermined direction.
  • this light emitting element an optical part that propagates and emits light from the light emitting part is laminated on a light emitting part that generates light.
  • a light emitting surface in the optical unit is formed with a periodic structure in which the refractive index periodically changes in a two-dimensional direction parallel to the light emitting surface. Since light is diffracted and emitted in a predetermined direction by this periodic structure, light can be emitted efficiently in the predetermined direction.
  • An object of the present invention is to provide a light source capable of increasing light extraction efficiency while increasing directivity and a projection display device using the light source.
  • a light source includes a light-emitting unit that generates light, an optical unit that includes an incident surface on which light generated from the light-emitting unit is incident, and an output surface that emits the light.
  • a structure group is formed in which the refractive index changes at an interval equal to or less than the first interval shorter than the wavelength of the light, and the refractive index changes at the second interval longer than the first interval on the emission surface.
  • a periodic structure is formed.
  • the projection display device uses the light source described above.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a light source according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the light source 10 is laminated in the order of the light emitting unit 1, the bonding unit 2, and the optical unit 3.
  • 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. Further, as shown in FIG. 1, a plane parallel to the lower surface of the light emitting unit 1 is defined as an XY plane, and a direction orthogonal to the XY plane is defined as a Z direction.
  • the light emitting unit 1 generates light. More specifically, the light emitting unit 1 is stacked in the order of a p-type layer 11 formed of a p-type semiconductor, an active layer 12, and an n-type layer 13 formed of an n-type semiconductor. When a voltage is applied to the mold layer 13 by an external power source (not shown) and a current flows between them, light is generated in the active layer 12.
  • the joint portion 2 is formed of a transparent dielectric or the like, and guides the light generated from the light emitting portion 1 to the optical portion 3 by propagating inside. It is assumed that the refractive index of the joint portion 2 is smaller than the refractive index of the optical portion 3.
  • the light source 10 may be a light source provided with a gap between the light emitting part 1 and the optical part 3 instead of providing the joint part 2.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the optical unit 3
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the optical unit 3 cut along an XZ plane.
  • the optical unit 3 includes an incident surface 31 on which light generated from the light emitting unit 1 is incident, and an output surface 32 that emits light incident on the incident surface 31.
  • the incident surface 31 has a first periodic structure 31A that is a group of structures whose refractive index changes in a first period in a two-dimensional direction (XY direction) parallel to the incident surface 31, and the output surface 32 is an output surface.
  • 32 has a second periodic structure 32 ⁇ / b> A that is a periodic structure whose refractive index changes in a second period in a two-dimensional direction (XY direction) parallel to 32.
  • the first period is shorter than the wavelength of the light generated from the light emitting unit 1, and the second period is longer than the first period.
  • the second period may be shorter than the wavelength of the light generated from the light emitting unit 1, may be the same, or may be longer. More preferably, if the wavelength of light generated from the light emitting unit 1 is ⁇ , the first period ⁇ 1 is about ⁇ / 4, and the second period ⁇ 2 is about 5 ⁇ .
  • first periodic structure 31 ⁇ / b> A may be formed so as to be in contact with the incident surface 31, or may be formed so as not to be in contact with the incident surface 31.
  • the first periodic structure 31 ⁇ / b> A may have a refractive index that changes in a first period in a one-dimensional direction parallel to the incident surface 31.
  • the second periodic structure 32 ⁇ / b> A may be formed so as to be in contact with the emission surface 32, or may be formed so as not to be in contact with the emission surface 32.
  • the first periodic structure 32 ⁇ / b> A may have a refractive index that changes in a first period in a one-dimensional direction parallel to the emission surface 32.
  • the refractive index changes in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction parallel to the incident surface 31 at an interval equal to or shorter than the first interval shorter than the wavelength of the light generated from the light emitting unit 1.
  • a structure group that does not have a periodic structure may be provided.
  • the first periodic structure 31A is a moth-eye structure in which irregularities are formed in a first period in the XY direction
  • the second periodic structure 32A is formed in irregularities in a second period in the XY direction. It is assumed that it has a periodic structure like a photonic crystal.
  • the convex portion 31B of the first periodic structure 31A and the convex portion 32B of the first periodic structure 32A have a conical shape.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view in which a part of the first periodic structure 31A is cut by the incident surface 31, and FIG. 4B is a cross-sectional view in which a part of the second periodic structure 32A is cut by the emission surface 32.
  • each of the convex portions 31B and 32B is arranged in a triangular lattice shape, and adjacent convex portions are arranged on the incident surface 31 and the outgoing surface 32 without a gap.
  • the period of the first periodic structure 31A coincides with the distance from the center of the bottom surface of the convex part 31B to the center of the bottom surface of the adjacent convex part 31B
  • the period of the first periodic structure 32A is As shown in FIG. 4B, the distance is the same as the distance from the center of the bottom surface of the convex portion 32B to the center of the bottom surface of the adjacent convex portion 32B.
  • Each of the convex portions 31B and 32B may be arranged in another arrangement structure such as a square lattice shape or in another arrangement structure having anisotropy in the XY plane. Further, on the incident surface 31 and the emission surface 32, there may be a gap between adjacent convex portions.
  • FIG. 4C is a diagram in which a part of the first periodic structure 31A is cut out along the XY plane between the apex and the bottom of the convex portion 31A.
  • the convex portion 31 ⁇ / b> B and the joint portion 2 are arranged in the first cycle in the XY plane. Therefore, since the refractive index of the convex part 31B and the junction part 2 differs from each other, the first periodic structure 31A has a refractive index changing in the first period in the XY plane. That is, by forming the moth-eye structure on the incident surface 31, the refractive index can be changed in the first period with respect to the two-dimensional direction parallel to the incident surface 31. Similarly, by forming the periodic structure on the emission surface 32, the refractive index can be changed in the second period with respect to a two-dimensional direction parallel to the emission surface 32.
  • the convex portion 31B has a conical shape
  • the volume occupied by the joint portion 2 is larger at the tip of the convex portion 31B than the convex portion 31B, and the bottom surface of the convex portion 31B is larger than the joint portion 2.
  • the volume occupied by the convex portion 31B increases.
  • the effective refractive index that is an average refractive index in the XY plane of the first periodic structure 31A continuously changes from the tip of the convex portion 31B toward the bottom.
  • Fresnel reflection that occurs at the interface between substances having different refractive indexes is less likely to occur as the difference in refractive index between the substances is smaller. Therefore, as described above, the effective refractive index is the tip of the convex portion 31B. Fresnel reflection can be prevented when it continuously changes from the bottom to the bottom.
  • the second periodic structure 32A functions as a diffraction grating that diffracts light and guides it in a predetermined direction, the directivity of the light source 10 can be increased.
  • the convex portions 31B and 32B are preferably tapered such as a conical shape, but may be other shapes such as a cylindrical shape or a prismatic shape.
  • the convex part 31A may have a conical shape and the convex part 32B may have a cylindrical shape.
  • the light generated from the light emitting unit 1 is incident on the incident surface 31 of the optical unit 3 through the bonding unit 2.
  • the light incident on the incident surface 31 passes through the optical unit 3 with almost no reflection by the first periodic structure 31A. Since the refractive index n1 of the junction part 2 is smaller than the refractive index n2 of the optical part 3, as shown in FIG. 6, when the light passes through the incident surface 31, the exit angle becomes small according to Snell's law, and the exit surface 32 Propagate until.
  • the light propagated to the emission surface 32 is emitted after the radiation angle is converted by the second periodic structure 32A.
  • the optical unit 3 having the above-described configuration can be manufactured by processing using a glass substrate, PET (Polyethylene terephthalate), an ultraviolet curable resin, or the like as a material by interference exposure, electron beam lithography, nanoimprinting, or the like.
  • PET Polyethylene terephthalate
  • ultraviolet curable resin or the like as a material by interference exposure, electron beam lithography, nanoimprinting, or the like.
  • the fine structure is not processed on both the entrance surface and the exit surface of one optical unit 3, the fine structure is provided on each side of the two optical units 3, and the fine structure of the two optical units 3 is not provided.
  • a configuration in which the surfaces are bonded together may be used.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a simulation by the FDTD method (Finite Difference Time Domain method) for evaluating the directivity of the light source 10. Moreover, since the difference of the size of each structure is large and it is difficult to represent each structure by an exact ratio, it has shown typically. As shown in FIG. 7, the present simulation performs far field (Far field) by Fourier transforming the intensity distribution of the TE polarized light and TM polarized light emitted concentrically from the point light source 41 and reaching the calculation region end 42. The average of the TE-polarized component and the TM-polarized component in the angular distribution of the light intensity is evaluated. The point light source 41 emits light having a wavelength of 532 nm.
  • FDTD method Finite Difference Time Domain method
  • the diameter of the bottom surface of the convex portion 31B is fixed to 0.1 ⁇ m, and the height of the convex portion 31B is fixed to 0.5 ⁇ m.
  • the light intensity of light was calculated while changing the diameter v of the bottom surface of the convex portion 32B, assuming that the diameter of the bottom surface of the convex portion 32B was v [ ⁇ m], the height of the convex portion 32B was 5 v, and the diameter v of the bottom surface of the convex portion 32B was changed.
  • the horizontal axis represents the radiation angle in the far field, and the vertical axis represents the light intensity in the far field that has not been normalized.
  • the dotted line indicates the light intensity in the far field when TE polarized light is emitted from the light source, and the straight line indicates the light intensity in the far field when TM polarized light is emitted from the light source.
  • there is no optical unit 3 in the calculation area that is, the far-field light intensity of TE polarized light in the case of free space is indicated by a chain line.
  • the result of TM polarization is the same as the result of TE polarization, and is omitted.
  • the far-field light intensity corresponding to the radiation angle is modulated by diffraction due to the periodic structure of the exit surface of the optical unit 3.
  • the ratio of the average value is calculated, it is 1.16, and the directivity is improved.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the diameter v of the bottom surface of the convex portion 32B and the gain of light intensity at the calculation region end 42 (Gain of Far field intensity).
  • the gain of light intensity is the ratio of the light intensity of the far field at the calculation region end 42 when the optical unit 3 is present to the light intensity of the far field at the calculation region end 42 when the optical unit 3 is not present. It is. Further, FIG.
  • the radiation angle is within 15 degrees ( ⁇ 15 degrees to 15 degrees), within 30 degrees ( ⁇ 30 degrees to 30 degrees), within 45 degrees ( ⁇ 45 degrees to 45 degrees), within 60 degrees ( ⁇ 60 degrees to 60 degrees), within 75 degrees (-75 degrees to 75 degrees), within 90 degrees (-90 degrees to 90 degrees), and within 180 degrees (-180 degrees to 180 degrees). Show.
  • the light intensity in the radiation angle within 15 degrees to 75 degrees is greater than about 1, and the light source 10 It can be seen that the directivity of is high. Therefore, since the refractive index period in the first periodic structure 31A and the second periodic structure 32A is the distance from the center of the bottom surface of the convex portion to the center of the bottom surface of the adjacent convex portion, the refractive index in the second periodic structure 32A. It can be seen that the directivity of the light source 10 is increased if the second period, which is the period of, is longer than the period of the refractive index in the first periodic structure 31A.
  • the aspect ratio (ratio of bottom surface diameter to height) of the convex portions 31B and 32B was calculated as 5. As the aspect ratio is higher, the effect of reducing the Fresnel reflection of the moth-eye structure and the diffraction effect of the photonic crystal are increased, and the light intensity in the far field of FIG. 8 and the gain of the light intensity of FIG. Since the difficulty level increases, it is necessary to determine the aspect ratio by a trade-off between the two. For example, the aspect ratio may be reduced in order to reduce the manufacturing difficulty level.
  • FIG. 10 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 units 1 of the light sources 101R, 101G, and 101B generate light having different wavelengths.
  • red (R) light is emitted from the light source 101R
  • green (G) light is emitted from the light source 101G
  • blue (B) light is emitted from the light source 101B.
  • Each of the optical elements 102R, 102G, and 102B guides the respective color lights generated 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. 11 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 generated from the light sources 101R, 101G, and 101B and outputs the combined light 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 optical unit 3 includes the incident surface 31 on which the light generated from the light emitting unit 1 is incident, and the emission surface 32 that emits the light incident on the incident surface 31.
  • the incident surface 31 is formed with a first periodic structure 31 ⁇ / b> A whose refractive index changes in a first period shorter than the wavelength of light in a two-dimensional direction parallel to the incident surface 31.
  • a second periodic structure 32 ⁇ / b> A whose refractive index changes in a second period longer than the first period is formed on the emission surface 32 in a two-dimensional direction parallel to the emission surface 32.
  • Fresnel reflection occurring on the incident surface 31 can be prevented by the first periodic structure 31A, and the radiation angle of the light emitted from the emission surface 32 can be converted by the second periodic structure 32A. It is possible to increase the light extraction efficiency while increasing.
  • the convex portions 31B and 32B are conical, the effective refractive index can be continuously changed in the Z direction perpendicular to the incident surface 31 and the outgoing surface 32, and Fresnel reflection can be performed.
  • the prevention effect can be increased.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the light source of the present embodiment
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view of the light source of the present embodiment cut along an XZ plane.
  • the 12 and 13 is different from the light source 10 shown in FIG. 1 in that the wall surfaces of the joint portion 2 and the optical portion 3 are formed of a reflecting member 51 that reflects light.
  • the junction part 2 is hollow and is filled with air.
  • the light incident on the wall surface of the optical unit 3 out of the light generated from the light emitting unit 1 is also reflected by the reflecting member 51 and is incident on the optical unit 3. Since a large amount of light can be guided to the optical unit 3, the light extraction efficiency can be further increased. Further, among the light propagating in the optical unit 3, the light incident on the wall surface of the optical unit 3 can be reflected by the reflecting member 51 and guided to the emission surface 32, so that the light extraction efficiency is further improved. It becomes possible to make it higher.
  • all of the wall surfaces of the joint portion 2 and the optical portion 3 are formed of the reflecting member 51. However, only a part of the wall surfaces of the joint portion 2 and the optical portion 3 reflects light. If it is the structure provided with, compared with 1st Embodiment, the extraction efficiency of light can be made high.
  • a reflective film that reflects light may be provided on the lower surface or the upper surface of the light emitting unit 1.

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Abstract

　指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能な光源を提供する。　光学部（３）は、発光部から発生した光が入射する入射面（３１）と、その光を出射する出射面（３２）とを有する。入射面（３１）上には、屈折率が光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する構造物群（３１Ａ）が形成されている。出射面３２上には、屈折率が第１の間隔より長い第２の間隔で変化する周期構造物（３２Ａ）が形成されている。

Description

光源およびその光源を用いた投射型表示装置
　本発明は、指向性を有する光源に関する。
　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からの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、光源からの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。光源からの光がどれだけ投射光として利用できるかは、光源の発光面積と放射角との積であるエテンデューによって変化する。より具体的には、光源のエテンデューを、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と、光源からの光を効率良く投射光として利用することができる。このため、プロジェクタの光源としては、エテンデューを小さくするために、指向性の高い光源が望まれている。
　これに対して特許文献１には、所定の方向に効率良く光を出射する発光素子が記載されている。この発光素子では、光を発生する発光部に、発光部からの光を伝播して出射する光学部が積層されている。光学部における光の出射面には、その出射面に平行な２次元方向に対して、屈折率が周期的に変化する周期構造が形成されている。この周期構造によって光が所定の方向に回折されて出射されるので、所定の方向に効率良く光を出射することが可能になる。
特開２００６－３１０７３７号公報
　特許文献１に記載の発光素子では、光が光学部に入射する際にフレネル反射が発生し、その反射光が発光部に戻ってしまう。発光部に戻された光は、発光素子から出射されない損失となるため、光の取り出し効率が低いという問題がある。なお、発光部に反射膜を設けて、発光部に戻った光を光学部に再入射させることで、光の損失を少なくすることはできる。しかしながら、反射時に光が減衰するため、光の取り出し効率は十分ではない。
　本発明の目的は、指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能な光源およびそれを用いた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、光を発生する発光部と、前記発光部から発生した光が入射する入射面と、当該光を出射する出射面とを有する光学部とを備え、前記入射面上には、屈折率が前記光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する構造物群が形成され、前記出射面上には、屈折率が前記第１の間隔より長い第２の間隔で変化する周期構造物が形成されている。
　また、本発明による投射型表示装置は、上記の光源を用いる。
　本発明によれば、指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高く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。 光学部の一例を示す斜視図である。 光学部の一例を示す縦断面図である。 第１周期構造の横断面図である。 第２周期構造の横断面図である。 第１周期構造の屈折率について説明するための図である。 光学部の他の例を示す斜視図である。 光学部内の光の伝播を説明するための図である。 光源の指向性を評価するためのシミュレーションを説明するための図である。 特定の条件でのシミュレーション結果の一例を説明するための図である。 シミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光源を用いたプロジェクタの構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の光源を用いたプロジェクタの構成の他の例を示す図である。 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２の実施形態の光源を示す縦断面図である。
　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。
　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。図１に示すように、光源１０は、発光部１、接合部２、光学部３の順番に積層されている。
　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、模式的に示している。また、図１に示すように、発光部１の下面に平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
　発光部１は、光を発生する。より具体的には、発光部１は、ｐ型半導体で形成されたｐ型層１１、活性層１２、ｎ型半導体で形成されたｎ型層１３の順番に積層され、ｐ型層１１とｎ型層１３との間に外部電源（不図示）によって電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、活性層１２で光が発生する。
　接合部２は、透明誘電体などで形成され、発光部１から発生した光を内部で伝播させて光学部３まで導く。接合部２の屈折率は、光学部３の屈折率より小さいものとする。なお、光源１０は、接合部２を設ける代わりに、発光部１および光学部３の間に間隙を設けたものでもよい。
　図２は、光学部３を示す斜視図であり、図３は、光学部３をＸＺ平面で切った縦断面図である。
　図２および図３に示すように、光学部３は、発光部１から発生した光が入射する入射面３１と、入射面３１に入射した光を出射する出射面３２とを有する。
　入射面３１は、入射面３１と平行な２次元方向（ＸＹ方向）において、屈折率が第１周期で変化する構造物群である第１周期構造３１Ａを有し、出射面３２は、出射面３２と平行な２次元方向（ＸＹ方向）において、屈折率が第２周期で変化する周期構造物である第２周期構造３２Ａを有する。第１周期は、発光部１から発生する光の波長より短く、第２周期は、第１周期よりも長い。第２周期は、発光部１から発生する光の波長より短くてもよいし、同じでもよいし、長くてもよい。より好ましくは、発光部１から発生する光の波長をλとすると、第１周期Γ１は、λ／４程度であり、第２周期Γ２は、５λ程度である。
　なお、第１周期構造３１Ａは、入射面３１に接するように形成されてもよいし、入射面３１に接しないように形成されてもよい。また、第一周期構造３１Ａは、屈折率が入射面３１と平行な一次元方向に第一周期で変化するものでもよい。
　また、第２周期構造３２Ａは、出射面３２に接するように形成されてもよいし、出射面３２に接しないように形成されてもよい。また、第一周期構造３２Ａは、屈折率が出射面３２と平行な一次元方向に第一周期で変化するものでもよい。
　また、第１周期構造３１Ａの代わりに、入射面３１と平行な１次元方向または２次元方向に、屈折率が発光部１から発生する光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する、周期構造を有していない構造物群が設けられてもよい。
　図２および図３では、第１周期構造３１Ａは、凹凸がＸＹ方向に第１周期で形成されたモスアイ構造であり、第２周期構造３２Ａは、凹凸がＸＹ方向に第２周期で形成されたフォトニック結晶のような周期構造であるとしている。また、第１周期構造３１Ａの凸部３１Ｂと、第１周期構造３２Ａの凸部３２Ｂは、円錐形状であるとする。
　図４Ａは、第１周期構造３１Ａの一部を入射面３１で切った横断面図であり、図４Ｂは、第２周期構造３２Ａの一部を出射面３２で切った横断面図である。
　図４Ａおよび図４Ｂに示すように、凸部３１Ｂおよび３２Ｂのそれぞれは、三角格子状に配置されており、入射面３１および出射面３２上では、隣り合う凸部が隙間なく配置されている。ここで、第１周期構造３１Ａの周期は、図４Ａに示すように、凸部３１Ｂの底面の中心から隣の凸部３１Ｂ底面の中心までの距離と一致し、第１周期構造３２Ａ周期は、図４Ｂで示すように、凸部３２Ｂの底面の中心から隣の凸部３２Ｂ底面の中心までの距離と一致している。
　なお、凸部３１Ｂおよび３２Ｂのそれぞれは、正方格子状などの他の配置構造や、ＸＹ平面内で異方性を有する他の配置構造で配置されてもよい。また、入射面３１および出射面３２上において、隣り合う凸部に隙間があってもよい。
　図４Ｃは、第１周期構造３１Ａの一部を凸部３１Ａの頂点から底面の間のＸＹ平面で切り取った図である。図４Ｃで示されたように、ＸＹ平面内において、凸部３１Ｂと接合部２とが第１周期で配置されている。したがって、凸部３１Ｂと接合部２の屈折率は互いに異なるため、第１周期構造３１Ａは、ＸＹ平面内において、屈折率が第１周期で変化していることになる。つまり、入射面３１に上記のモスアイ構造を形成することで、入射面３１と平行な２次元方向に対して、屈折率を第１周期で変化させることができる。同様に、出射面３２に上記の周期構造を形成することで、出射面３２と平行な２次元方向に対して、屈折率を第２周期で変化させることができる。
　また、凸部３１Ｂは円錐形状であるため、凸部３１Ｂの先端の方では、凸部３１Ｂに比べて接合部２が占める体積が大きく、凸部３１Ｂの底面の方では、接合部２に比べて凸部３１Ｂが占める体積が大きくなる。このため、第１周期構造３１ＡのＸＹ平面内における平均的な屈折率である有効屈折率は、凸部３１Ｂの先端から底面に向かって連続的に変化していることになる。ここで、互いに異なる屈折率を有する物質間の界面で発生するフレネル反射は、その物質間の屈折率の差が小さいほど発生しづらくなるので、上記のように有効屈折率が凸部３１Ｂの先端から底面に向かって連続的に変化していると、フレネル反射を防止することができる。
　また、第２周期構造３２Ａは光を回折して所定の方向に導く回折格子として機能するので、光源１０の指向性を高くすることができる。
　なお、凸部３１Ｂおよび３２Ｂは、円錐形状などのテーパー形状が望ましいが、円柱形状や角柱形状などの他の形状でもよい。例えば、光学部３は、図５に示すように、凸部３１Ａが円錐形状であり、凸部３２Ｂが円柱形状でもよい。
　上記の構成を有する光学部３では、発光部１から発生した光は、接合部２を介して光学部３の入射面３１に入射する。入射面３１に入射した光は、第１周期構造３１Ａによってほとんど反射することなく、光学部３を透過する。接合部２の屈折率ｎ１が光学部３の屈折率ｎ２より小さいので、図６に示すように、光は、入射面３１を透過した際にスネルの法則に従って出射角が小さくなり、出射面３２まで伝播する。そして、出射面３２に伝播された光は、第２周期構造３２Ａによって放射角が変換されて出射される。
　上記の構成を有する光学部３は、ガラス基板、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）および紫外線硬化樹脂などを材料に用いて、干渉露光法、電子線リソグラフィーまたはナノインプリントなどによって加工することで作製することが出来る。
　また、１つの光学部３の入射面および出射面の両面に微細構造を加工せず、２つの光学部３のそれぞれの片面に微細構造を設け、２つの光学部３の微細構造を設けていない面同士で貼り合せた構成にしても良い。
　次に光源１０の指向性を評価する。
　図７は、光源１０の指向性を評価するためのＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレーションを説明するための図である。また、各構造物のサイズの違いが大きく、各構造物を正確な比率で表すことが困難であるため、模式的に示している。図７に示すように、本シミュレーションは、点光源４１から同心円状に出射されたＴＥ偏光およびＴＭ偏光の光の計算領域端４２に到達した強度分布をフーリエ変換することで、遠方界(Ｆａｒ　ｆｉｅｌｄ)の光強度の角度分布のＴＥ偏光成分およびＴＭ偏光成分の平均を評価したものである。なお、点光源４１からは、波長５３２ｎｍの光が出射されている。
　また、凸部３１Ｂの底面の直径を０．１μｍに固定し、凸部３１Ｂの高さを０．５μｍに固定する。また、凸部３２Ｂの底面の直径をｖ[μｍ]とし、その凸部３２Ｂの高さを５ｖとし、凸部３２Ｂの底面の直径ｖを変化させながら光の光強度を計算した。
　図８は、一例として、ｖ＝４［μｍ］のときの計算結果を示す図である。横軸は遠方界における放射角を示し、縦軸は遠方界における、規格化をしていない光強度を示す。点線は光源からＴＥ偏光を出射した場合の遠方界での光強度を示し、直線は光源からＴＭ偏光を出射した場合の遠方界での光強度を示している。ここで、リファレンスのために、計算領域内に光学部３がない、つまり自由空間の場合でのＴＥ偏光の遠方界の光強度を鎖線で示している。また自由空間においてはＴＭ偏光の結果はＴＥ偏光の結果と等しいので省略する。
　図８に示すグラフから光学部３の出射面の周期構造による回折によって、放射角に応じた遠方界の光強度が変調されていることが判る。ここで、例えば、４５度内（－４５度～＋４５度）における自由空間の場合でのＴＥ偏光の遠方界の光強度の積分値に対するＴＥ偏光およびＴＭ偏光の遠方界の光強度の積分値の平均値の割合を計算すると、１．１６であり、指向性が向上している。
　図９は、凸部３２Ｂの底面の直径ｖと、計算領域端４２における光強度のゲイン（Ｇａｉｎ　ｏｆ　Ｆａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）との関係を示す図である。ここで、光強度のゲインとは、光学部３が存在しないときの計算領域端４２における遠方界の光強度に対する、光学部３が存在するときの計算領域端４２における遠方界の光強度の割合である。また、図９は、放射角が１５度内（－１５度～１５度）、３０度内（－３０度～３０度）、４５度内（－４５度～４５度）、６０度内（－６０度～６０度）、７５度内（－７５度～７５度）、９０度内（－９０度～９０度）、１８０度内（－１８０度～１８０度）のそれぞれにおける光強度のゲインを示している。
　図９に示すように、凸部３２Ｂの底面の直径が凸部３１Ｂの底面の直径より大きい場合、放射角が１５度内～７５度内における光強度は略１より大きくなっており、光源１０の指向性が高くなっていることが分かる。したがって、第１周期構造３１Ａおよび第２周期構造３２Ａにおける屈折率の周期は、凸部の底面の中心から隣の凸部の底面の中心までの距離であるので、第２周期構造３２Ａにおける屈折率の周期である第２周期が、第１周期構造３１Ａにおける屈折率の周期よりより長ければ、光源１０の指向性を高くなることが分かる。
　図８および図９においては、凸部３１Ｂおよび３２Ｂのアスペクト比（底面の直径と高さの比）は５として計算した。アスペクト比が高いほど、モスアイ構造のフレネル反射低減効果やフォトニック結晶の回折効果は高くなり、図８の遠方界での光強度および図９の光強度のゲインが上がるものの、同時に構造物の作製の難易度が上がるので、両者のトレードオフでアスペクト比を決定する必要がある。例えば、作製難易度を下げるために、アスペクト比を下げても良い。
　次に光源１０を用いた投射型表示装置（プロジェクタ）について説明する。
　図１０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１０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のそれぞれの発光部１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（Ｒ）光が出射され、光源１０１Ｇから緑色（Ｇ）光が出射され、光源１０１Ｂから青色（Ｂ）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から発生した各色光を、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１１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１１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から発生した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１０および図１１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１１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、光学部３は、発光部１から発生した光が入射する入射面３１と、入射面３１に入射した光を出射する出射面３２とを備える。入射面３１には、その入射面３１と平行な２次元方向に対して、屈折率が光の波長より短い第１周期で変化する第１周期構造３１Ａが形成されている。出射面３２には、その出射面３２と平行な２次元方向に対して、屈折率が第１周期より長い第２周期で変化する第２周期構造３２Ａが形成されている。
　このため、第１周期構造３１Ａによって入射面３１で生じるフレネル反射を防止することができ、第２周期構造３２Ａによって出射面３２から出射される光の放射角を変換することができるので、指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能になる。
　また、本実施形態では、凸部３１Ｂおよび３２Ｂは円錐状であるので、入射面３１および出射面３２と垂直なＺ方向に有効屈折率を連続的に変化させることが可能になり、フレネル反射の防止効果を高くすることができる。
　次に第２の実施形態について説明する。
　図１２は、本実施形態の光源を示す斜視図であり、図１３は、本実施形態の光源をＸＺ平面で切った縦断面図である。
　図１２および図１３に示す光源１０’は、図１で示した光源１０と比べて、接合部２および光学部３の壁面が光を反射する反射部材５１で形成されている点が異なる。なお、接合部２は、中空になっており、空気で満たされている。
　本実施形態では、発光部１から発生した光のうち光学部３の壁面に入射した光も反射部材５１によって反射して光学部３に入射されるので、発光部１から出射された光をより多く光学部３に導くことが可能になるため、光の取り出し効率をより高くすることが可能になる。また、光学部３の内部を伝播する光のうち、光学部３の壁面に入射される光も反射部材５１によって反射して出射面３２に導くことが可能になるため、光の取り出し効率をより高くすることが可能になる。
　なお、本実施形態では、接合部２および光学部３の壁面の全てが反射部材５１で形成されていたが、接合部２および光学部３の壁面の一部のみでも、光を反射する反射部が備わった構成であれば、第１の実施形態と比べて、光の取り出し効率を高くすることができる。
　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。
　例えば、発光部１の下面や上面などに光を反射する反射膜を設けてもよい。
　この出願は、２０１１年３月９日に出願された日本出願特願２０１１－０５１３８６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 (9)

  1. 　光を発生する発光部と、
    　前記発光部から発生した光が入射する入射面と、当該光を出射する出射面とを有する光学部とを備え、
    　前記入射面上には、屈折率が前記光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する構造物群が形成され、
    　前記出射面上には、屈折率が前記第１の間隔より長い第２の間隔で変化する周期構造物が形成されている、光源。
  2. 　請求項１に記載の光源において、
    　前記構造物群は、凹凸が前記第１周期で形成されたモスアイ構造である、光源。
  3. 　請求項２に記載の光源において、
    　前記構造物群の凸部は、円錐形状である、光源。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源において、
    　前記周期構造物は、凹凸が前記第２周期で形成されたモスアイ構造である、光源。
  5. 　請求項４に記載の光源において、
    　前記周期構造物の凸部は、円錐形状である、光源。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源において、
    　前記発光部および前記光学部は、前記光を伝播する接合部を介して積層され、
    　前記接合部の屈折率は、前記光学部の屈折率より小さい、光源。
  7. 　請求項６に記載の光源において、
    　前記接合部は、中空である、光源。
  8. 　請求項６または７に記載の光源において、
    　前記光学部および前記接合部の壁面の少なくとも一部が前記光を反射する反射部を有する、光源。
  9. 　請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源を用いた投射型表示装置。
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