WO2012137583A1 - 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置 - Google Patents

光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2012137583A1
WO2012137583A1 PCT/JP2012/056729 JP2012056729W WO2012137583A1 WO 2012137583 A1 WO2012137583 A1 WO 2012137583A1 JP 2012056729 W JP2012056729 W JP 2012056729W WO 2012137583 A1 WO2012137583 A1 WO 2012137583A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
layer
optical element
phosphor layer
dielectric constant
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/056729
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
昌尚 棗田
雅雄 今井
鈴木　尚文
瑞穂 冨山
慎 冨永
友嗣 大野
Original Assignee
日本電気株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電気株式会社 filed Critical 日本電気株式会社
Priority to JP2013508801A priority Critical patent/JPWO2012137583A1/ja
Publication of WO2012137583A1 publication Critical patent/WO2012137583A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/007—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light
    • G02B26/008—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light in the form of devices for effecting sequential colour changes, e.g. colour wheels
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G03B21/204—LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • 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]
    • H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
    • H04N9/3111—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying the colours sequentially, e.g. by using sequentially activated light sources
    • H04N9/3114—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying the colours sequentially, e.g. by using sequentially activated light sources by using a sequential colour filter producing one colour at a time

Definitions

  • An optical element includes a metal layer, a dielectric layer laminated on the metal layer, and a phosphor layer that is laminated on the dielectric layer and emits fluorescence by incident light.
  • a diffraction grating is formed at the interface between the layer and the phosphor layer, and the dielectric constant of the dielectric layer is higher than 2.25.
  • each layer is very thin and the difference in thickness between the layers is large, so that it is difficult to illustrate each layer with an accurate scale and ratio.
  • the layers are not schematically drawn but are shown schematically.
  • a plane parallel to the substrate 11 is defined as an XY plane, and a direction orthogonal to the XY plane is defined as a Z direction.
  • Re [] represents taking a real part in [].
  • the interaction distance which is the distance from the exciton to the metal layer 12
  • the coupling efficiency between the exciton and the surface plasmon becomes smaller.
  • the distance from the surface of the phosphor layer 14 opposite to the high dielectric constant layer 13 to the metal layer 12 is an effective interaction distance that is an interaction distance at which the surface plasmon intensity is e-2 times the maximum value. You can do it.
  • the effective interaction distance deff is an effective interaction distance that is an interaction distance at which the surface plasmon intensity is e-2 times the maximum value. You can do it.
  • the effective interaction distance deff is
  • the dielectric constant of the metal layer 12 since the dielectric constant of the metal layer 12 has an imaginary part, the surface plasmon is excited even if the real part of the effective dielectric constant of the input / output part exceeds the absolute value of the real part of the dielectric constant of the metal layer 12. However, if the difference between the absolute values of the real part of the effective dielectric constant of the incident / exit part and the real part of the dielectric constant of the metal layer 12 is large, the surface plasmon is not excited.
  • 4 to 9 are diagrams showing an example of the phosphor layer 14, and shows a cross section of the optical element 1 cut along the YZ plane and an upper surface of the optical element 1 viewed from the + Z direction.
  • FIG. 10 is a diagram showing another form of the optical element. 10, in addition to the optical element 1 shown in FIG. 1, the optical element 1 ′ includes a cooling layer 15 provided on the phosphor layer 14, and a cover 17 that covers the optical element 1 and the cooling layer 15. Also have.
  • FIG. 11 is a diagram showing the lighting device 40.
  • the illumination device 40 includes the optical element 1, a light source 41, a light guide 42 on which light from the light source is incident, and a dichroic mirror 43.
  • the light sources 101A to 101C emit light having a wavelength capable of generating fluorescence in each of the optical elements 1A to 1C.
  • each of the dichroic mirrors 102A to 102C transmits the light of each of the light sources 101A to 101C and enters each of the optical elements 1A to 1C. Further, each of the dichroic mirrors 102A to 102C reflects the fluorescence emitted from the respective phosphor layers 14 of the optical elements 1A to 1C, and enters each of the display elements 103A to 103C.
  • FIG. 17 is a diagram showing another example of a projector using an optical element.
  • the color synthesis prism 203 synthesizes the fluorescence from each of the display elements 202A to 202C and emits it through the projection lens 204.
  • the dichroic mirror 305 transmits blue light and red light and reflects green light. More specifically, the dichroic mirror 305 transmits the blue light from the light source 301 ⁇ / b> A and enters the color wheel 302 via the condenser lens 304. Further, the dichroic mirror 305 transmits red light from the light source 301 ⁇ / b> B and enters the display element 307 through the condenser lens 306. The dichroic mirror 305 reflects the green light from the color wheel 302 and enters the display element 307 via the condenser lens 306.

Abstract

蛍光体で発光される蛍光の光強度を増強させつつ、その蛍光の指向性を向上させることが可能な光学素子を提供する。 光学素子（１）は、金属層（１２）と、金属層（１２）に積層された高誘電率層（１３）と、高誘電率層（１３）に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層（１４）とを有する。また、高誘電率層（１３）および蛍光体層（１４）の界面には、回折格子として機能するグレーティング構造（２１）を有する。そして、高誘電率層（１３）の誘電率は、２．２５より高い。

Description

光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置
　本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置に関する。
　近年、光源装置や照明装置などの分野において、表面プラズモンが注目されている。表面プラズモンは、金属中で振動する自由電子の集団であり、金属と光の相互作用によって金属表面に励起されるものである。
　非特許文献１には、表面プラズモンを利用して、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増大させることが可能な光学素子が記載されている。この光学素子では、基板に、金属薄膜、グレーティング構造を有する誘電体層の順で積層されている。また、誘電体層には、蛍光体として機能する量子ドットが塗布されている。誘電体層の誘電率は、２．２５である。
　光が量子ドットに入射すると、その入射光によって量子ドット内に励起子が励起される。励起子の一部は、蛍光を放射し、励起子の残りは、表面プラズモンの励起や電子－正孔対の生成に消費され、蛍光を放射せずに消失する。上記のように誘電体層がグレーティング構造を有していると、金属薄膜と誘電体層との界面に励起された表面プラズモンを回折して蛍光と同じ光で取り出すことができる。
　したがって、非特許文献１に記載の光学素子では、グレーティング構造がない場合に取り出される光子に加えて、表面プラズモンの回折によって取り出される光子が加わるので、蛍光の光強度を増強させることができる。このため、非特許文献１に記載の光学素子が、蛍光で照明を行う蛍光照明装置に適用されれば、蛍光照明装置の輝度を向上させることが可能になる。
Ehren　Hwang、Igor　I．Smolyaninov、Christopher　C．Davis、NANO　LETTERS、2010、10　P813-820
　照明装置では、出射光に指向性が求められることがある。
　例えば、プロジェクタでは、照明装置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ことがある。このようなプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、照明装置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。しかしながら、蛍光照明装置から光がある角度以上で出射されると、その光は変調素子に入射されず損失となる。
　非特許文献１に記載の光学素子では、蛍光の光強度は増強しているが、指向性は向上していない。このため、非特許文献１に記載の光学素子が適用された蛍光照明装置がプロジェクタ用の照明装置として使用されても、その蛍光照明装置からの蛍光を効率良く投射光として利用することは難しい。
　本発明の目的は、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増強させつつ、その蛍光の指向性を向上させることが可能な光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置を提供することである。
　本発明による光学素子は、金属層と、前記金属層に積層された誘電体層と、前記誘電体層に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層と、を有し、前記誘電体層および前記蛍光体層の界面には、回折格子が形成され、前記誘電体層の誘電率は、２．２５よりも高い。
　また、本発明のカラーホイールは、上記の光学素子を有する。
　また、本発明の照明装置は、上記の光学素子と、前記光学素子の蛍光体層に光を出射する光源と、を有する。
　また、本発明の照明装置は、上記のカラーホイールと、前記カラーホイールの蛍光体層に光を出射する光源と、を有する。
　また、本発明の投射型表示装置は、上記の照明装置を有する。
　本発明によれば、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増大させつつ、その蛍光の指向性を向上させることが可能になる。
本発明の第１の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。 励起子および表面プラズモンの結合効率と高誘電率層の誘電率との関係を示す図である。 光学素子からの出射光の光強度および放射角の関係を示す図である。 蛍光体層の一例を示す図である。 蛍光体層の他の例を示す図である。 蛍光体層の他の例を示す図である。 蛍光体層の他の例を示す図である。 蛍光体層の他の例を示す図である。 蛍光体層の他の例を示す図である。 光学素子の他の形態を示す図である。 光学素子を用いた照明装置の一例を示す図である。 光学素子を用いた照明装置の他の例を示す図である。 光学素子を用いたカラーホイールの一例を示す図である。 光学素子を用いたカラーホイールの他の例を示す図である。 光学素子を用いたプロジェクタの一例を示す図である。 光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。 光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。 光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。
　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の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、光学素子１では、基板１１、金属層１２、高誘電率層１３、蛍光体層１４の順で積層されている。
　なお、実際の光学素子では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。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、模式的に示されている。また、図１に示すように、基板１１と平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
　基板１１の材料としては、例えば、ガラスなどが挙げられる。
　金属層１２は、表面プラズモンを励起するプラズモン励起層である。金属層１２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で形成される。また、金属層１２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１３は、誘電率が２．２５より高い誘電体で形成される誘電体層である。なお、高誘電率層１３は、誘電率が高いほど望ましい。
　また、高誘電率層１３では、蛍光体層１４と接する面に、回折格子（グレーティング）として機能するグレーティング構造２１を有する。グレーティング構造２１としては、凹凸構造、フォトニック結晶およびレンズアレイなどが挙げられる。なお、凹凸構造には、凸部が円錐形状であるモスアイ構造なども含まれる。本実施形態では、グレーティング構造２１を凹凸構造とする。また、凹凸構造の凹凸は、三角格子状に配置されていることが望ましいが、１次元格子状に配置されていてもよい。
　蛍光体層１４は、入射された入射光を吸光して励起子（キャリア）を生成し、その励起子によって蛍光を発生させるキャリア生成層である。蛍光体層１４の材料としては、量子ドット蛍光体などのナノ無機蛍光体が望ましいが、Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎなどの無機蛍光体や有機蛍光体でもよい。
　以上のように構成された光学素子１において、光が蛍光体層１４に入射すると、その入射した入射光は、蛍光体層１４内に励起子を励起する。励起子の一部は緩和することによって蛍光に変換されて光学素子１から出射される。また、残りの励起子の一部は、金属層１２と高誘電率層１３との界面に表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、グレーティング構造２１によって回折されて光学素子１から出射される。
　上記の表面プラズモンが励起されるためには、表面プラズモンの波数のＸおよびＹ成分の波数ｋsppと、回折格子の周期ｋgとが一致する必要がある。つまり、ｍを正の整数とすると、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされる必要がある。
　波数ｋsppは、光学素子１の入出射部分の誘電率分布に応じて決定される。入出射部分は、金属層１２よりも高誘電率層１３側にある媒質（図１では、高誘電率層１３および蛍光体層１４）である。
　金属層１２の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすると、表面プラズモンの波数のＸ成分およびＹ成分の波数ｋsppと、表面プラズモンの波数のＺ成分ｋspp、Zとは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 で表される。εeffは、入出射部分の実効誘電率である。実効誘電率εeffは、蛍光体層１４から出射する蛍光の角周波数をω、入出射部分の誘電率分布をε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）、虚数単位をｊとすると、入出射部分の誘電率分布と、高誘電率層１３側の金属層１２の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定され、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 で表される。　ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。
　式（３）における積分範囲Ｄは、金属層１２の高誘電率層１３側の３次元範囲である。より具体的には、積分範囲ＤのＸＹ平面の範囲は、金属層１２内の範囲であり、積分範囲のＺ方向の範囲は、金属層１２および高誘電率層１３の界面から高誘電率層１３側の無限遠までの範囲である。なお、金属層１２および高誘電率層１３の界面をＺ＝０とし、この界面から高誘電率層１３側へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。
　実効誘電率εeffは、以下の式を用いて計算してもよい。ただし、式（３）を用いる方が特に望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（１）、式（２）、式（３）を用いることで、入出射部分の誘電率分布ε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）から波数ｋsppを求めることができる。より具体的には、入出射部分の誘電率分布ε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）を式（３）に代入し、実効誘電率εeffに適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、表面プラズモンの波数ｋsppおよびｋspp、Zと実効誘電率εeffとを繰り返し算出していくことで、実際の実効誘電率εeffを算出し、その実際の実効誘電率εeffから波数ｋsppを求めることができる。
　したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされるように、回折格子の周期と入出射部分の誘電率分布とを調整すれば、励起された表面プラズモンが効率的に取り出され、蛍光の増強効果を高くすることができる。
　図２は、励起子と表面プラズモンの結合効率と、励起子から金属層１２までの相互作用距離と、高誘電率層１３の誘電率との関係を示す図である。なお、励起子および表面プラズモンの結合効率は、励起された励起子のうち表面プラズモンを励起する励起子の割合を示す。
　図２で示したように、励起子から金属層１２までの距離である相互作用距離が長いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率は小さくなる。このため、励起子および表面プラズモンの結合効率が高くなるように、相互作用距離を調整して、表面プラズモンの強度を高くすることが望ましい。例えば、蛍光体層１４の高誘電率層１３とは反対の面から金属層１２までの距離を、表面プラズモンの強度が最大値のｅ-2倍となる相互作用距離である有効相互作用距離程度にすればよい。なお、有効相互作用距離ｄeffは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 で表される。
　また、実際の光学素子における有効相互作用距離ｄeffは、数百ナノメートルオーダーとなるため、蛍光および表面プラズモンの結合効率を高くするためには、蛍光体層１４の材料である蛍光材料の粒子径は、ナノメートルオーダーであることが望ましい。
　また、図２で示したように、高誘電率層１３の誘電率は高いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率の最大値は大きくなる。このため、高誘電率層１３の誘電率は高いほど望ましい。ただし、入出射部分の実効誘電率の実部が、金属層１２の誘電率の実部の絶対値を大きく超えないように設定する必要がある。入出射部分の実効誘電率の実部が金属層１２の誘電率の実部の絶対値を超えると、式（２）が示すとおり表面プラズモンが励起されない条件となる。実際は、金属層１２の誘電率は虚数部を持つため、入出射部分の実効誘電率の実部が金属層１２の誘電率の実部の絶対値を超えたとしても、表面プラズモンは励起されるが、入出射部分の実効誘電率の実部と金属層１２の誘電率の実部の絶対値の乖離が大きいと、表面プラズモンが励起されなくなる。
　図３は、光学素子からの出射光の光強度および放射角の関係を示す図である。具体的には、高誘電率層１３の誘電率が従来の値である２．２５の場合と、高誘電率層１３の誘電率が従来の値より大きい６．２５の場合における、光学素子１からの出射光の光強度および放射角の関係を示す図である。ここで、縦軸の光強度は極角ごとの光の状態密度について規格化した値である。
　図３に示すように、高誘電率層１３の誘電率が６．２５の場合、高誘電率層１３の誘電率が２．２５の場合と比べて、放射角が－４５°～４５°に含まれる出射光の光強度は、１．１倍になり、放射角が－６０°～６０°に含まれる出射光の光強度は、１．２倍になる。
　以上説明したように本実施形態によれば、金属層１２、誘電率が２．２５より高い高誘電率層１３、入射光によって蛍光が発生する蛍光体層１４の順で積層されて、高誘電率層１３および蛍光体層１４の界面には、回折格子が形成される。このため、蛍光体層１４で発生する蛍光と金属層１２で発生する表面プラズモンとの結合効率を高くすることが可能になり、表面プラズモンから変換される蛍光の光強度が高くなる。そして、蛍光がグレーティング構造２１によって出射角度が変換されるので、指向性も高くすることが可能になる。
　次に本発明の他の実施形態について説明する。
　図４～図９は、蛍光体層１４の一例を示す図であり、光学素子１をＹＺ平面で切断した断面と、光学素子１を＋Ｚ方向から見た上面とが示されている。
　図４の例では、蛍光体層１４が高誘電率層１３を覆っている。また、蛍光体層１４の高誘電率層１３と接する面の逆の面が平坦となっている。
　図５の例では、蛍光体層１４は、高誘電率層１３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層１４の高さと高誘電率層１３の凸部の高さが同じになっている。
　図６の例では、蛍光体層１４は、高誘電率層１３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層１４の高さは高誘電率層１３の凸部の高さより小さくなっている。
　図７の例では、高誘電率層１３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層１４の高さと高誘電率層１３の凸部の高さが同じになっている。また、蛍光体層１４は、高誘電率層１３の凸部にも積層されている。
　図８の例では、蛍光体層１４が高誘電率層１３を覆っている。また、蛍光体層１４の高誘電率層１３と接する面の逆の面は、高誘電率層１３のグレーティング構造２１と同じ構造が形成されている。
　図９の例では、蛍光体層１４に、入射光の見かけの吸光度を増大させるための金属微粒子３１が含まれている。見かけの吸光度とは、蛍光体層１４を、均質な層とみなし、蛍光体層１４全面に光を入射させたときの吸光度である。金属微粒子３１は、入射光と相互作用することにより、金属微粒子３１の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に入射光の電場強度に対して１００倍近くの大きさの増強電場を誘起する。この増強電場によっても蛍光体層１４内に励起子が生成されるので、蛍光体層１４内の励起子の数が増加する。このため、金属微粒子３１は、自身の表面に励起された表面プラズモンによって、入射光の見かけの吸光度を増大させて、蛍光の光強度を増大させることができる。
　金属微粒子３１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、金、銀、銅、白金、アルミニウムまたはこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウムまたはこれらを主成分とする合金が特に好ましい。金属微粒子３１はその周辺と中心で金属種の異なるコアシェル構造、２種の半球の合体した半球合体構造、異なるクラスターが集合して微粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造でもよい。金属微粒子３１を合金または、これら特殊構造とすることで、微粒子の寸法や、形状を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。
　金属微粒子３１の形状としては、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐および三角柱など、閉じた表面を有する形状であればどのような形状でも良い。また、金属微粒子３１には、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工によって、金属薄膜を一辺が１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工したものも含まれる。
　図１０は、光学素子の別の形態を示す図である。図１０において、光学素子１’は、図１で示した光学素子１に加えて、蛍光体層１４の上に設けられた冷却層１５と、光学素子１および冷却層１５を覆うカバー１７とをさらに有する。
　冷却層１５は、例えば、オイルなどの透明な液体などで形成され、蛍光体層１４を冷却する。また、カバー１７には、冷却層１５の上の箇所に光透過部１６が備わっている。光透過部１６は、例えば、ガラスなどの透明誘電体のような光を透過する物質で形成され、蛍光体層１４に入射する入射光と、蛍光体層１４で発生する蛍光とを透過する。なお、光透過部１６には、入射光および蛍光の反射を抑制して、入射光および蛍光の透過率を向上させる構造体が形成されてもよい。この構造体としては、フォトニック結晶、モスアイ構造、レンズアレイなどが挙げられる。
　次に光学素子１を用いた照明装置について説明する。
　図１１は、照明装置４０を示す図である。図１１において、照明装置４０は、光学素子１と、光源４１と、光源からの光が入射する導光体４２と、ダイクロイックミラー４３とを有する。
　光源４１は、例えば、ＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）などで構成され、導光体４２の外周部に配置される。光源４１は、導光体４２を介して光学素子１の蛍光体層１４に光を入射する。
　なお、図１１では、光源４１は、導光体４２と接触するように配置されているが、導光体４２から離れた位置に配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体４２と光学的に接続されてもよい。
　導光体４２は、例えばガラスで形成された平板状の部材であり、光源４１から入射した光を内部で伝播させる。
　導光体４２の第１の面には、光学素子１が設けられている。なお、導光体４２の第１の面と光学素子１の蛍光体層１４が対向している。
　導光体４２の第１の面とは反対の面である第２の面には、ダイクロイックミラー４３が設けられている。
　ダイクロイックミラー４３は、光源４１から入射した光を反射し、光学素子１で発生した蛍光を透過する波長選択性部材である。
　以上のように構成された照明装置において、光源４１から光が出射されると、その光は導光体４２に入射され、導光体４２内部を伝播する。導光体４２内部では、光は、直接、または、ダイクロイックミラー４３で反射され、光学素子１の蛍光体層１４に入射する。その蛍光体層１４に入射した光の一部は、蛍光体層１４で反射され再び導光体４２に戻される。この戻された光は、ダイクロイックミラー４３で反射され蛍光体層１４に再入射する。
　また、蛍光体層１４に入射した光の一部は、第１の実施形態で説明したように蛍光に変換されて、蛍光体層１４から導光体４２に出射される。そして、導光体４２に出射された光はダイクロイックミラー４３を透過して出射される。
　また、照明装置４０では、図１２に示すように、ダイクロイックミラー４３の導光体４２の反対の面には、蛍光体層１４からの蛍光の反射を抑制して、蛍光の透過率を向上させる構造体４４が設けられてもよい。構造体４４としては、フォトニック結晶、モスアイ構造およびレンズアレイなどが挙げられる。
　次に光学素子１を用いたカラーホイールについて説明する。
　カラーホイールは、例えば、プロジェクタなどにおいて、カラー画像を表示するために使用されるものであり、入射された光を複数の色の光に変換し時分割して出射するためのものである。
　図１３は、光学素子を用いたカラーホイールを示す正面図である。図１３において、カラーホイール５０は、蛍光領域５１～５３を有する。蛍光領域５１～５３は、光学素子１または１’で構成される。また、各蛍光領域５１～５３における光学素子１の蛍光体層１４は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。
　図１３の例では、カラーホイール５０は、円形であり、外周部が３等分され、その３等分された各部分が蛍光領域５１～５３になっている。
　通常、カラーホイール５０は、そのカラーホイール５０の中心に直交する軸を回転軸として回転され、光源からの光がカラーホイール５０の外周部に照射されるように使用される。これにより、光が入射される領域が蛍光領域５１～５３に時分割されるので、入射された光を複数の色の光に変換し時分割して出射することができる。
　なお、カラーホイールは、光学素子１または１’で構成される蛍光領域が少なくとも一つあればよく、図１４に示すカラーホイール５０’のように、外周部は、蛍光領域５１と、光を透過する透過領域５４とに２等分されてもよい。なお、透過領域５４は、すりガラスのような光を拡散して透過する光拡散板で形成されてもよい。
　次に光学素子を用いたプロジェクタ（投射型表示装置）について説明する。
　図１５は、光学素子を用いたプロジェクタの一例を示す図である。図１５において、プロジェクタは、光学素子１Ａ～１Ｃと、光源１０１Ａ～１０１Ｃと、ダイクロイックミラー１０２Ａ～１０２Ｃと、表示素子１０３Ａ～１０３Ｃと、色合成プリズム１０４と、投射レンズ１０５とを有する。なお、光学素子１Ａ～１Ｃおよび光源１０１Ａ～１０１Ｃは、照明装置を構成する。
　光学素子１Ａ～１Ｃは、光学素子１または１’で構成される。なお、各光学素子１Ａ～１Ｃにおける蛍光体層１４は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。例えば、各光学素子１Ａ～１Ｃにおける蛍光体層１４は、赤色、緑色および青色のそれぞれの蛍光を発生させる。
　光源１０１Ａ～１０１Ｃは、光学素子１Ａ～１Ｃのそれぞれで蛍光を発生させることが可能な波長の光を出射する。本実施形態では、ダイクロイックミラー１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれは、光源１０１Ａ～１０１Ｃのそれぞれの光を透過して光学素子１Ａ～１Ｃのそれぞれに入射する。また、ダイクロイックミラー１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれは、光学素子１Ａ～１Ｃのそれぞれの蛍光体層１４から出射された蛍光を反射して表示素子１０３Ａ～１０３Ｃのそれぞれに入射する。
　表示素子１０３Ａ～１０３Ｃのそれぞれは、ダイクロイックミラー１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれからの蛍光を入力映像信号に応じて変調して色合成プリズム１０４に出射する。
　色合成プリズム１０４は、表示素子１０３Ａ～１０３Ｃのそれぞれからの蛍光を合成して投射レンズ１０５を介して出射する。
　なお、色合成プリズム１０４および投射レンズ１０５は投射光学系に含まれる。
　図１６は、光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。図１６で示すプロジェクタは、図１５で示した構成に加えて、集光レンズ１０６Ａ～１０６Ｃをさらに有する。
　集光レンズ１０６Ａ～１０６Ｃのそれぞれは、光学素子１Ａ～１Ｃのそれぞれとダイクロイックミラー１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれの間に設けられる。集光レンズ１０６Ａ～１０６Ｃは、ダイクロイックミラー１０２Ａ～１０２Ｃのそれぞれを透過した光と、光学素子１Ａ～１Ｃのそれぞれから出射された蛍光とを集光する。
　図１７は、光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。
　図１７で示すプロジェクタは、照明装置２０１Ａ～２０１Ｃと、表示素子２０２Ａ～２０２Ｃと、色合成プリズム２０３と、投射レンズ２０４とを有する。
　照明装置２０１Ａ～２０１Ｃは、図１１または図１２で示した照明装置４０で構成される。なお、各照明装置２０１Ａ～２０１Ｃにおける蛍光体層１４は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。例えば、各照明装置２０１Ａ～２０１Ｃにおける蛍光体層１４は、赤色、緑色および青色のそれぞれの蛍光を発生させる。
　表示素子２０２Ａ～２０２Ｃのそれぞれは、照明装置２０１Ａ～２０１Ｃのそれぞれからの蛍光を入力映像信号に応じて変調して色合成プリズム２０３に出射する。
　色合成プリズム２０３は、表示素子２０２Ａ～２０２Ｃのそれぞれからの蛍光を合成して投射レンズ２０４を介して出射する。
　図１８は、光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。図１８において、プロジェクタは、光源３０１Ａおよび３０１Ｂと、カラーホイール３０２と、反射ミラー３０３と、集光レンズ３０４および３０６と、ダイクロイックミラー３０５と、表示素子３０７と、投射レンズ３０８とを有する。なお、光源３０１Ａ、３０１Ｂおよびカラーホイール３０２は照明装置を構成する。
　光源３０１Ａおよび３０１Ｂは、互いに異なる色の光を出射する。本実施形態では、光源３０１Ａは青色光を出射し、光源３０１Ｂは赤色光を出射するものとする。
　カラーホイール３０２は、図１４に示したカラーホイール５０’と同じ構成を有する。カラーホイール３０２の蛍光体層１４は、青色光が入射されると、蛍光として緑色光を出射するものとする。この場合、カラーホイール３０２の透過領域５４が青色光を透過するので、青色光と緑色光を時分割して出射することになる。なお、カラーホイール３０２は、透過された青色光が反射ミラー３０３に入射され、蛍光として出射された緑色光が集光レンズ３０４を介してダイクロイックミラー３０５に入射されるように配置される。
　反射ミラー３０３は、入射した青色光を反射して集光レンズ３０６を介して表示素子３０７に入射する。
　ダイクロイックミラー３０５は、青色光および赤色光を透過し、緑色光を反射する。より具体的には、ダイクロイックミラー３０５は、光源３０１Ａからの青色光を透過して集光レンズ３０４を介してカラーホイール３０２に入射する。また、ダイクロイックミラー３０５は、光源３０１Ｂからの赤色光を透過して集光レンズ３０６を介して表示素子３０７に入射する。そして、ダイクロイックミラー３０５は、カラーホイール３０２からの緑色光を反射して集光レンズ３０６を介して表示素子３０７に入射する。
　表示素子３０７は、例えば、デジタルミラーデバイス（Digital　Micromirror　Device）であり、入射された赤色光、緑色光および青色光を入力映像信号に応じて変調して投射レンズ３０８を介して投射する。
　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、図１３に示したカラーホイール５０を使用したプロジェクタなども本発明には含まれる。
　この出願は、２０１１年４月７日に出願された日本出願特願２０１１－０８５３６４号公報、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２－００１３２０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。
　１、１’　　光学素子
　１１　　　基板
　１２　　　金属層
　１３　　　高誘電率層
　１４　　　蛍光体層
　１５　　　冷却層
　１６　　　カバー
　２１　　　グレーティング構造
　３１　　　微粒子
　４１　　　光源
　４２　　　導光体
　４３　　　ダイクロイックミラー
　４４　　　構造体
　５０、５０’　　カラーホイール
　５１～５３　　蛍光領域
　５４　　　透過領域

Claims (9)

  1. 　金属層と、
    　前記金属層に積層された誘電体層と、
    　前記誘電体層に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層と、を有し、
    　前記誘電体層および前記蛍光体層の界面には、回折格子が形成され、
    　前記誘電体層の誘電率は、２．２５よりも高い、光学素子。
  2. 　請求項１に記載の光学素子おいて、
    　前記蛍光体層は、前記光によって表面プラズモンが励起される金属微粒子を有する、光学素子。
  3. 　請求項１または２に記載の光学素子において、
    　前記蛍光体層、前記誘電体層および前記金属層を覆い、前記蛍光体層の上に前記光および前記蛍光を透過する光透過部を備えるカバーと、
    　前記カバーおよび前記蛍光体層の間に設けられた、前記蛍光体層を冷却する冷却層と、をさらに有する光学素子。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記蛍光体層に積層され、光源からの光を伝播して前記蛍光体層に出射する導光体と、
    　前記導光体の前記蛍光体層が設けられた面とは逆の面に設けられ、前記光源からの光を反射し、前記蛍光を透過する波長選択性部材と、を有する光学素子。
  5. 　請求項４に記載の光学素子において、
    　前記波長選択性部材の前記導光体が設けられた面とは逆の面に設けられ、前記蛍光の反射を抑制する構造体と、を有する光学素子。
  6. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子を有するカラーホイール。
  7. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記光学素子の蛍光体層に光を出射する光源と、を有する照明装置。
  8. 　請求項６に記載のカラーホイールと、
    　前記カラーホイールの蛍光体層に光を出射する光源と、を有する照明装置。
  9. 　請求項７または８に記載の照明装置を有する投射型表示装置。
PCT/JP2012/056729 2011-04-07 2012-03-15 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置 WO2012137583A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013508801A JPWO2012137583A1 (ja) 2011-04-07 2012-03-15 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011085364 2011-04-07
JP2011-085364 2011-04-07
JP2012001320 2012-01-06
JP2012-001320 2012-01-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012137583A1 true WO2012137583A1 (ja) 2012-10-11

Family

ID=46968987

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/056729 WO2012137583A1 (ja) 2011-04-07 2012-03-15 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2012137583A1 (ja)
WO (1) WO2012137583A1 (ja)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016099520A (ja) * 2014-11-21 2016-05-30 日亜化学工業株式会社 波長変換部材および該波長変換部材を備えたプロジェクタ
JP2016170382A (ja) * 2015-03-13 2016-09-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 表示装置および発光装置
JP2016218367A (ja) * 2015-05-25 2016-12-22 スタンレー電気株式会社 波長変換部材及びそれを用いた照明装置
WO2016208644A1 (ja) * 2015-06-24 2016-12-29 コニカミノルタ株式会社 光学装置、光源装置及び投影装置
WO2016208645A1 (ja) * 2015-06-25 2016-12-29 コニカミノルタ株式会社 光学装置、光源装置及び投影装置
JP2017040905A (ja) * 2015-08-20 2017-02-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 発光装置
WO2017038000A1 (ja) * 2015-08-28 2017-03-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 照明装置および照明システム
JP2018511080A (ja) * 2015-03-13 2018-04-19 ダウ グローバル テクノロジーズ エルエルシー ナノ構造材料の方法及び素子
TWI634380B (zh) * 2015-12-31 2018-09-01 深圳市光峰光電技術有限公司 色輪模組與光源模組
US10359155B2 (en) 2015-08-20 2019-07-23 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Light-emitting apparatus
WO2019171775A1 (ja) * 2018-03-06 2019-09-12 ソニー株式会社 発光素子、光源装置及びプロジェクタ
USRE49093E1 (en) 2015-03-13 2022-06-07 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Light-emitting apparatus including photoluminescent layer

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007240361A (ja) * 2006-03-09 2007-09-20 Sekisui Chem Co Ltd 局在プラズモン増強センサ
JP2009239217A (ja) * 2008-03-28 2009-10-15 Nikon Corp 発光ダイオード素子
JP2011013315A (ja) * 2009-06-30 2011-01-20 Casio Computer Co Ltd 蛍光体基板及び光源装置、プロジェクタ
WO2011040528A1 (ja) * 2009-09-30 2011-04-07 日本電気株式会社 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
WO2011108138A1 (ja) * 2010-03-04 2011-09-09 日本電気株式会社 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
WO2012049905A1 (ja) * 2010-10-15 2012-04-19 日本電気株式会社 光学素子、光源および投射型表示装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007240361A (ja) * 2006-03-09 2007-09-20 Sekisui Chem Co Ltd 局在プラズモン増強センサ
JP2009239217A (ja) * 2008-03-28 2009-10-15 Nikon Corp 発光ダイオード素子
JP2011013315A (ja) * 2009-06-30 2011-01-20 Casio Computer Co Ltd 蛍光体基板及び光源装置、プロジェクタ
WO2011040528A1 (ja) * 2009-09-30 2011-04-07 日本電気株式会社 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
WO2011108138A1 (ja) * 2010-03-04 2011-09-09 日本電気株式会社 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
WO2012049905A1 (ja) * 2010-10-15 2012-04-19 日本電気株式会社 光学素子、光源および投射型表示装置

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016099520A (ja) * 2014-11-21 2016-05-30 日亜化学工業株式会社 波長変換部材および該波長変換部材を備えたプロジェクタ
CN105974722B (zh) * 2015-03-13 2020-08-11 松下知识产权经营株式会社 显示装置以及发光装置
JP2016170382A (ja) * 2015-03-13 2016-09-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 表示装置および発光装置
JP2018511080A (ja) * 2015-03-13 2018-04-19 ダウ グローバル テクノロジーズ エルエルシー ナノ構造材料の方法及び素子
CN105974722A (zh) * 2015-03-13 2016-09-28 松下知识产权经营株式会社 显示装置以及发光装置
USRE49093E1 (en) 2015-03-13 2022-06-07 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Light-emitting apparatus including photoluminescent layer
JP2016218367A (ja) * 2015-05-25 2016-12-22 スタンレー電気株式会社 波長変換部材及びそれを用いた照明装置
WO2016208644A1 (ja) * 2015-06-24 2016-12-29 コニカミノルタ株式会社 光学装置、光源装置及び投影装置
WO2016208645A1 (ja) * 2015-06-25 2016-12-29 コニカミノルタ株式会社 光学装置、光源装置及び投影装置
JP2017040905A (ja) * 2015-08-20 2017-02-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 発光装置
US10359155B2 (en) 2015-08-20 2019-07-23 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Light-emitting apparatus
WO2017038000A1 (ja) * 2015-08-28 2017-03-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 照明装置および照明システム
TWI634380B (zh) * 2015-12-31 2018-09-01 深圳市光峰光電技術有限公司 色輪模組與光源模組
CN111788521A (zh) * 2018-03-06 2020-10-16 索尼公司 发光元件、光源装置以及投影仪
JPWO2019171775A1 (ja) * 2018-03-06 2021-03-18 ソニー株式会社 発光素子、光源装置及びプロジェクタ
WO2019171775A1 (ja) * 2018-03-06 2019-09-12 ソニー株式会社 発光素子、光源装置及びプロジェクタ
US11429015B2 (en) 2018-03-06 2022-08-30 Sony Corporation Light-emitting element, light source device and projector

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2012137583A1 (ja) 2014-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012137583A1 (ja) 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置
WO2012137584A1 (ja) 光学素子、照明装置および投射型表示装置
JP5664657B2 (ja) 光学素子、光源および投射型表示装置
US10304813B2 (en) Display device having a plurality of bank structures
EP3229072B1 (en) Illumination system and projection apparatus
TWI312895B (en) Backlight module structure for led chip holder
JP2016171228A (ja) 発光素子、発光装置および検知装置
JP6544677B2 (ja) 蛍光体ホイール及びそれを用いた光源装置並びに投写型表示装置
JP5776689B2 (ja) 表示素子、表示器及び投射型表示装置
WO2013103037A1 (ja) 光学装置、光学素子および画像表示装置
WO2013046866A1 (ja) 光素子および該光素子を用いた投射型表示装置
JP2012083522A (ja) 照明装置、投影型表示装置、直視型表示装置
JP2023067957A (ja) 発光装置、表示装置および照明装置
JP2017157488A (ja) 光学装置、光源装置及び投影装置
CN111788521B (zh) 发光元件、光源装置以及投影仪
JP6566313B2 (ja) 表示装置および発光装置
WO2016208644A1 (ja) 光学装置、光源装置及び投影装置
WO2013046872A1 (ja) 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
JP4785363B2 (ja) 蛍光体粒子、蛍光体粒子分散体ならびにこれらを含む照明装置および表示装置
WO2013175670A1 (ja) 光学素子、照明装置および画像表示装置
US8723208B2 (en) Light-emitting device having a fine structure interposed between a light-emitting layer and a substrate
WO2016208645A1 (ja) 光学装置、光源装置及び投影装置
TWI321684B (en) Light guide plate and backlight module using it
JP2019159032A (ja) 光源装置およびプロジェクター
JPWO2013103038A1 (ja) 光学装置および画像表示装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12767564

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013508801

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12767564

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1