WO2013021766A1 - 光学素子、照明装置および投射型画像表示装置 - Google Patents

光学素子、照明装置および投射型画像表示装置 Download PDF

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WO2013021766A1
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WO
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light
layer
plasmon excitation
optical element
dielectric
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PCT/JP2012/067530
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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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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3058—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state comprising electrically conductive elements, e.g. wire grids, conductive particles
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an optical element using a surface plasmon, an illumination device, and a projection type image display device.
  • 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 relates to an optical element, a light source, an illumination device, and a projection-type image display device that can solve the above-described problem that etendue increases when random polarized light is converted into a specific polarization state.
  • An optical element includes a first dielectric layer that propagates light, and a first surface plasmon that is provided in the first dielectric layer and has a specific polarization component in light incident from the first dielectric layer.
  • a first plasmon excitation layer that excites the first plasmon, and a light that is provided in the first plasmon excitation layer, excites a second surface plasmon corresponding to the first surface plasmon, and has the specific polarization component from the second surface plasmon
  • the layers are extended in a first direction within the interface with the first dielectric layer, and the first metal parts and the first metal parts are arranged alternately and periodically along a second direction orthogonal to the first direction. Having a dielectric part;
  • the plasmon excitation layer includes a second metal part and a second dielectric part that are extended in the first direction and arranged along the second
  • the illumination device of the present invention includes the optical element and a light source that emits light to the optical element.
  • the first projection type image display device of the present invention has the illumination device.
  • the light source of the present invention is provided on the opposite side of the optical element and the surface of the first dielectric layer of the optical element on which the first plasmon excitation layer is provided, and transmits light to the first dielectric layer. And a light emitting layer that emits light.
  • the second projection type image display device of the present invention is a projection type image display device having the light source.
  • random polarized light can be converted into a specific polarization state without increasing etendue.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a lighting device according to a first embodiment of the present invention. Note that in an actual lighting device, the thickness of 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. For this reason, in the drawings, the layers are not schematically drawn but are shown schematically.
  • the illuminating device 10 of this embodiment has the light source 1 which radiate
  • the light source 1 is disposed on the outer periphery of the optical element 2 and emits randomly polarized light to the optical element 2.
  • the light source 1 is disposed at a position away from the optical element 2, but may be disposed so as to be in contact with the optical element 2 or via a light guide member such as a light pipe.
  • the optical element 2 may be optically connected.
  • the optical element 2 includes a light guide layer 21, a ⁇ / 4 layer 22, a diffusion mirror layer 23, a first plasmon excitation layer 24, a second plasmon excitation layer 25, and a cover layer 26.
  • the light guide layer and cover layer of the present invention are made of a transparent material that transmits at least visible light, and serve as a medium that propagates light. Moreover, the light guide layer of the embodiment of the present invention has a specific refractive index described later with respect to visible light.
  • the light guide layer 21 is provided with the light source 1 on the side surface of the light guide layer 21.
  • the light guide layer 21 receives light emitted from the light source 1 and propagates the incident light inside.
  • the light guide layer 21 is formed of, for example, a dielectric having a refractive index of about 1.46 or more and about 1.50 or less with respect to visible light. Examples include acrylic resins such as quartz glass, PET (polyethylene terephthalate), and PMMA (polymethyl methacrylate resin).
  • the refractive index of the light guide layer 21 is not limited to about 1.46 or more and about 1.50 or less.
  • a light-to-plasmon conversion process occurs in a first plasmon excitation layer, which will be described later, and a plasmon-to-light conversion process occurs in the second plasmon excitation layer. And may be taken out of the optical element 2.
  • the thickness of the light guide layer 21 may be about the wavelength of light or more, and if it is about 0.5 mm as a guide, it functions without problems. However, the thickness of the light guide layer 21 is not particularly limited.
  • the light guide layer 21 corresponds to a first dielectric layer.
  • the shape of the light guide layer 21 is a flat plate shape in the present embodiment, it is not actually limited to a flat plate shape.
  • the upper surface of the light guide layer 21 is the XY plane, and the direction orthogonal to the XY plane is the Z direction. Also, linearly polarized light whose polarization direction is perpendicular to the Y direction is TM polarized light, and linearly polarized light whose polarization direction is parallel to the Y direction is TE polarized light.
  • the ⁇ / 4 layer of the present invention is made of a transparent material that transmits at least visible light, and serves as a medium for propagating light.
  • the ⁇ / 4 layer 22 is provided on the lower surface of the light guide layer 21 and converts the polarization direction of the light incident on the ⁇ / 4 layer 22.
  • the ⁇ / 4 layer 22 has an optical axis in the xy plane, and gives a phase difference to a component in a direction perpendicular to a component parallel to the optical axis of the ⁇ / 4 layer 22 of transmitted light. More specifically, the ⁇ / 4 layer 22 generates a phase difference of 1 ⁇ 4 wavelength of the light between the linearly polarized light vibrating in directions perpendicular to each other, thereby converting the linearly polarized light into circularly polarized light (elliptical polarized light). It is a phase difference plate that converts circularly polarized light (elliptical polarized light) into linearly polarized light.
  • the ⁇ / 4 layer 22 corresponds to a phase conversion layer.
  • the diffusion mirror layer of the present invention is made of a material that reflects at least visible light.
  • the diffusion mirror layer 23 is provided on the lower surface of the ⁇ / 4 layer 22 and reflects incident light. More specifically, the diffusion mirror layer 23 diffusely reflects incident light.
  • the diffusion mirror layer 23 corresponds to a reflection layer.
  • the first plasmon excitation layer 24 is provided on the upper surface that is the surface opposite to the surface on which the ⁇ / 4 layer 22 of the light guide layer 21 is provided, and among the randomly polarized light propagating through the light guide layer 21, the light guide layer The surface plasmon is excited by TM polarized light which is a specific polarization component incident at a predetermined incident angle from 21.
  • the first plasmon excitation layer 24 corresponds to the first plasmon excitation layer.
  • the second plasmon excitation layer 25 is provided on the upper surface of the first plasmon excitation layer 24, excites the same surface plasmon as the surface plasmon excited by the first plasmon excitation layer 24, and the first plasmon is derived from the excited surface plasmon. Light having the same polarization component as that generated by exciting the surface plasmon in the excitation layer 24 is generated.
  • the second plasmon excitation layer 25 corresponds to a second plasmon excitation layer.
  • the second plasmon excitation layer 25 does not necessarily excite the same surface plasmon as the surface plasmon excited by the first plasmon excitation layer 24.
  • the second plasmon excitation layer 25 excites the surface plasmon represented by the condition of Equation 1. May be.
  • k2 and x indicate the wave number in the X direction of the surface plasmon excited by the second plasmon excitation layer 25
  • k1 and x indicate the wave number in the X direction of the surface plasmon excited by the first plasmon excitation layer 24.
  • ⁇ represents the number of lattices (period) of a metal part or dielectric part described later of the second plasmon excitation layer 25
  • m represents an integer.
  • the cover layer 26 is provided on the upper surface of the second plasmon excitation layer 25.
  • the cover layer 26 is formed of, for example, a dielectric having a refractive index of about 1.46 to about 1.50 with respect to visible light. Examples include acrylic resins such as quartz glass, PET (polyethylene terephthalate), and PMMA (polymethyl methacrylate resin).
  • the dielectric constant of the cover layer 26 is the same as that of the light guide layer 21. Note that the dielectric constant of the cover layer 26 and the dielectric constant of the light guide layer 21 are not necessarily the same, and may be different.
  • the conversion efficiency for generating light in the second plasmon excitation layer 25 from the surface plasmon excited in the first plasmon excitation layer 24 is the same as that of the cover layer 26 and that of the light guide layer 21. Sometimes, it becomes the highest and decreases as the difference between the dielectric constants of both increases, but there is a difference between the dielectric constant of the cover layer 26 and the dielectric constant of the light guide layer 21 to the extent that this conversion efficiency does not become zero. Also good.
  • the cover layer 26 corresponds to a second dielectric layer.
  • the diffractive portion 27 On the upper surface of the cover layer 26, there is formed a diffractive portion 27 that diffracts and emits light generated in the second plasmon excitation layer 25 in a predetermined direction.
  • the diffractive portion 27 has a concavo-convex structure in which convex portions extended in the Y direction, which is the first direction, are periodically arranged in the X direction, which is the second direction different from the first direction. .
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer 25 in more detail, and shows a part of a cross section along the X-axis of the optical element 2.
  • the metal part 31 and the dielectric part 32 extended in the Y direction which is the first direction in the interface between the light guide layer 21 and the first plasmon excitation layer 24, are provided. They are alternately and periodically arranged in the X direction, which is a second direction different from the first direction.
  • the first plasmon excitation layer 24 functions as a diffraction grating that diffracts light.
  • the dielectric part 32 is preferably formed of a transparent dielectric having the same dielectric constant as that of the light guide layer 21. Furthermore, the dielectric part 32 and the light guide layer 21 are preferably integrally formed. By doing in this way, the Fresnel reflection in the boundary from which a dielectric constant differs can be reduced, and light can be transmitted efficiently.
  • the second plasmon excitation layer 25 has the same optical characteristics as the first plasmon excitation layer 24. That is, in the second plasmon excitation layer 25, the metal parts 41 and the dielectric parts 42 extended in the Y direction are alternately and periodically arranged in the X direction. For this reason, the second plasmon excitation layer 25 also functions as a diffraction grating, like the first plasmon excitation layer 24.
  • the metal part 31 and the dielectric part 32 of the first plasmon excitation layer 24 and the metal part 41 and the dielectric part 42 of the first plasmon excitation layer 25 have the same period in the X direction and a half period in the X direction. They are shifted. That is, the dielectric part 42 is formed on the metal part 31, and the metal part 41 is formed on the dielectric part 32.
  • the displacement of the arrangement of the metal part 31 and the dielectric part 32 of the first plasmon excitation layer 24 and the metal part 41 and the dielectric part 42 of the first plasmon excitation layer 25 may not necessarily be a half cycle. More specifically, assuming that the displacement of this arrangement is a half cycle ⁇ ⁇ , the greater the ⁇ , the higher the transmittance of TE-polarized light.
  • the extinction ratio determined by is low. However, the displacement of the arrangement may deviate from the half cycle so that the extinction ratio becomes a value sufficient for the optical element 2.
  • the period of the metal part 31 and the dielectric part 32 and the period of the metal part 32 and the dielectric part 42 are about 210 nm or more and about 600 nm or less. More preferably, it is about 300 nm.
  • the period of the metal part 31 and the dielectric part 32 and the period of the metal part 32 and the dielectric part 42 are not limited to about 210 nm or more and about 600 nm or less, and may differ.
  • the light in the light guide layer 21 to be described later excites plasmons in the first plasmon excitation layer 24, the energy reaches the second plasmon excitation layer, and is extracted as light by the cover layer 26. It may be different.
  • the thickness of the metal part 31 and the dielectric part 32 and the thickness of the metal part 41 and the dielectric part 42 are about 100 nm or less. More preferably, it is about 60 nm. The thickness of the metal part 31 and the dielectric part 32 and the thickness of the metal part 41 and the dielectric part 42 are not limited to about 100 nm or less.
  • the dielectric part 42 is desirably formed of a transparent dielectric having the same dielectric constant as that of the cover layer 26. Furthermore, the dielectric part 42 and the cover layer 26 are desirably integrally formed. This is because the relationship between the light guide layer 21 and the dielectric portion 32 is the same, and Fresnel reflection at the boundary having different dielectric constants can be reduced, and light can be transmitted efficiently.
  • the metal portions 31 and 41 are formed of a metal that can excite plasmons with visible light.
  • a metal that can excite plasmons with visible light.
  • Ag, Al, or Au a metal that can excite plasmons with visible light.
  • the optical element 2 can be manufactured by the following procedure, for example.
  • the glass substrate is formed as the light guide layer 21 by providing one-dimensional irregularities (line and space) on the upper surface of glass or PMMA by a fine processing process such as FIB (Focused Ion Beam) processing, etching, nanoimprinting, or the like.
  • a fine processing process such as FIB (Focused Ion Beam) processing, etching, nanoimprinting, or the like.
  • a convex portion on the upper surface of the glass is formed as the dielectric portion 32.
  • Ag is deposited on the upper surface of the glass by an evaporation method such as sputtering, so that layers reflecting the irregularities of the glass are formed as the metal portions 31 and 41.
  • the periodic structure is formed as the dielectric portion 42 by depositing PMMA or the like on the metal portions 31 and 41, and the uppermost surface is formed as the cover layer 26.
  • the manufacturing method of the optical element 2 is not limited to a fine processing process such as FIB processing, etching, and nanoimprint,
  • Surface plasmons are dense waves of a group of electrons that propagate through the interface between metal and dielectric.
  • the dispersion relationship which is the relationship between the wave number of the surface plasmon and the angular frequency, 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.
  • 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. 2, by alternately and periodically arranging the metal portions 31 and the dielectric portions 32, light that can excite surface plasmons at the interface between the light guide layer 21 and the metal portions 31 is converted into the X direction. It is possible to limit to linearly polarized light having a predetermined incident angle with respect to the first plasmon excitation layer 24.
  • the energy of the excited surface plasmon is transmitted to the metal part 41 of the second plasmon excitation layer 25, and the metal part 41 and the cover layer 26 of the second plasmon excitation layer 24.
  • the same plasmon as the excited surface plasmon is excited at the interface.
  • a process reverse to the process in which the surface plasmon is excited in the first plasmon excitation layer 24 occurs, and light is emitted from the second plasmon excitation layer 25.
  • the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer which are diffraction gratings, have the same structure, and the light guide layer 21 and the cover layer 26 have the same dielectric constant. This is because the light dispersion relationship in 21 and the light dispersion relationship in the cover layer 26 match.
  • the outgoing light emitted from the second plasmon excitation layer 25 is the same as the light that excited the surface plasmon because a process opposite to the process in which the surface plasmon was excited in the first plasmon excitation layer 24 occurred.
  • Light that is, TM polarized light having an electric field component in the X direction.
  • the emission angle of the emitted light emitted from the second plasmon excitation layer 25 is also the same as the incident angle of the light that excites the surface plasmon.
  • the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer 25 are configured to have the same optical configuration, so that the same light as the TM polarized light incident on the first plasmon excitation layer 24 is supplied to the second plasmon excitation layer 24. It becomes possible to emit from the plasmon excitation layer 25.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the operation of the lighting device 10 and shows a cross section of the lighting device 10 taken along the XZ plane.
  • the random polarized light When random polarized light is emitted from the light source 1, the random polarized light enters the light guide layer 21 of the optical element 2 and propagates inside the light guide layer 21.
  • TM polarized light that is incident on the first plasmon excitation layer 24 at an angle ⁇ 1 that satisfies the surface plasmon excitation condition excites the surface plasmon in the first plasmon excitation layer 24 ( (See arrow A in the figure).
  • the same surface plasmon as the above surface plasmon is excited (see arrow B in the figure), and light is generated from the surface plasmon.
  • This light is the same TM polarized light as the light excited on the surface plasmon by the first plasmon excitation layer 24, and is emitted at the same angle as the incident angle ⁇ 1 (see arrow C in the figure).
  • TM polarized light is merely reflected or diffracted in the first plasmon excitation layer 24 and does not excite surface plasmons.
  • This light is reflected by the diffusion mirror layer 23 via the ⁇ / 4 layer 22 and is incident again on the first plasmon excitation layer 24 via the ⁇ / 4 layer 22. While the light repeats such reflection, polarization conversion by the ⁇ / 4 layer 22 and angle conversion by the diffusion mirror layer 23 are performed.
  • the light becomes TM polarized light that is incident on the first plasmon excitation layer 24 at an angle ⁇ 1 the surface plasmon is excited in the first plasmon excitation layer 24.
  • TM polarized light that excites surface plasmons propagates in the + X direction with multiple reflections in the ZX plane and enters the first plasmon excitation layer 24 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 first plasmon excitation layer 24 at an incident angle of ⁇ 1. Therefore, there are two emission directions of TM polarized light generated in the second plasmon excitation layer 25. The light having different emission directions is diffracted by the diffraction unit 27 formed on the cover layer 26 and emitted in a predetermined direction (in this embodiment, a direction perpendicular to the emission surface, see arrows D and D ′ in the figure). Will be.
  • the diffractive portion 27 of this embodiment has the same structure as the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer 25 that are diffraction gratings. This is because the light emitted at the emission angles ⁇ 1 and ⁇ 1 is diffracted in a predetermined direction. For this reason, the diffractive portion 27 needs to have the same structure as the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer 25 as long as convex portions extending in the Y direction are periodically arranged in the X direction. Rather, the shape of the structure and the interval between the structures can be appropriately changed according to the incident angle to the diffraction unit 27 and a desired emission angle.
  • the structure of the 1st plasmon excitation layer 25 is not limited to the structure shown in FIG. That is, the cross-sectional shape of the metal part 31 in the first plasmon excitation layer 25 can be changed as appropriate.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the shape of the metal portion 31 of the first plasmon excitation layer 24, showing a cross-sectional shape of the first plasmon excitation layer 24 taken along the ZX plane.
  • the cross-sectional shape of the metal part 31 includes a rectangular wave shape (see FIG. 4A), a staircase shape (see FIG. 4B), a sine wave shape (see FIG. 4C), and An isosceles triangle shape (see FIG. 4D) and the like can be mentioned.
  • Such a cross-sectional shape is axisymmetric with respect to a center line orthogonal to the X direction of the metal part 31 (parallel to the Z direction).
  • FIG. 1 and 2 show the metal part 31 having a rectangular wave cross section shown in FIG. 4 (a). Further, since the metal part 41 of the second plasmon excitation layer has the same structure as the metal part 31, the cross-sectional shape of the metal part 41 is the same as the cross-sectional shape of the metal part 31. Further, it is assumed that the cross-sectional shapes of the dielectric portions 32 and 42 are the same as the cross-sectional shape of the metal portion 31.
  • the diffraction unit 27 is not necessary. Details will be described with specific numerical values in the examples described later.
  • the diffraction efficiency of the first-order diffracted light can be improved by increasing the steps of 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 plasmon excitation layer 24 having a sinusoidal cross section shown in FIG. 4C can be regarded as a step-like diffraction grating having an infinite number of steps, and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is theoretically 100. %. For this reason, it is desirable that the first plasmon excitation layer 24 has a sinusoidal cross section from the viewpoint of the utilization efficiency of the emitted light of the illumination device 10.
  • the metal portions 31 and the dielectric portions 32 extended in the Y direction are alternately and periodically arranged in the X direction, and the second plasmon excitation is performed.
  • the metal parts 41 and the dielectric parts 42 extended in the Y direction are periodically and alternately arranged in the X direction at the same period as the metal parts 31 and the dielectric parts 32.
  • the metal layer 15 is periodically arranged in the X direction, the light that can excite the surface plasmon in the first plasmon excitation layer 24 has an electric field component in the X direction, and the first plasmon excitation layer 24 On the other hand, it is possible to limit to light having a predetermined incident angle. Further, since the light guide layer 21 and the cover layer 26 have the same dielectric constant, a process reverse to the process in which the surface plasmon is excited by the first plasmon excitation layer 24 occurs, and the surface plasmon is generated from the cover layer 26.
  • TM polarized light having the same electric field as that of the light that excited the surface plasmon, that is, having the electric field component in the X direction and having the emission angle that is the same as the incident angle of the light that excites 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. 5 is a perspective view schematically showing an illumination apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the illumination device 10A illustrated in FIG. 5 includes an optical element 2A instead of the optical element 2 as compared with the illumination device 10 illustrated in FIG.
  • the optical element 2 ⁇ / b> A is obtained by changing the configuration of the emission side of the cover layer 26 with respect to the optical element 2. More specifically, the optical element 2 ⁇ / b> A is different from the illumination device 10 in that the optical element 2 ⁇ / b> A has a hologram layer 27 ⁇ / b> A laminated on the cover layer 26 instead of providing the cover layer 26 with the diffraction portion 27.
  • the hologram layer 27A causes all light having a plurality of incident angles to the hologram layer 27A caused by a plurality of modes of surface plasmons excited by second-order or higher-order diffracted light by the first plasmon excitation layer 24 in the same direction. It is a multiplex hologram in which a plurality of holograms diffracted and emitted are laminated. Therefore, even if the surface plasmon is excited by the second or higher order diffracted light from the first plasmon excitation layer 24, the increase in etendue of the illumination device 10A can be suppressed.
  • a refractive index modulation material such as a photopolymer that records the intensity of interference fringes of two lights as a refractive index distribution can be used.
  • the hologram layer 27A has the same light as a plurality of lights incident on the hologram layer 27A at various incident angles, which are caused by a plurality of modes of surface plasmons excited by second-order or higher-order diffracted light by the first plasmon excitation layer 24.
  • the holograms can be created by multiplex recording the light by causing the plurality of lights to interfere with the light perpendicularly incident on the hologram layer 27A at the same wavelength.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing an illumination apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the illumination device 10B illustrated in FIG. 6 includes an optical element 2B instead of the optical element 2 as compared with the illumination device 10 illustrated in FIG.
  • the optical element 2 ⁇ / b> B includes an intermediate layer 28 between the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer 25.
  • the intermediate layer 28 is formed of a dielectric material such as glass or air. Even if such an intermediate layer 28 is provided, if the intermediate layer 28 is thin to about 10 nm or less, when the surface plasmon is excited by the first plasmon excitation layer 24, the energy of the excited surface plasmon is changed to the intermediate layer 28. The plasmon is transmitted to the metal part 41 of the second plasmon excitation layer 25 via the first plasmon, and the same plasmon as the excited surface plasmon is excited at the interface between the metal part 41 and the dielectric part 42 of the second plasmon excitation layer 24.
  • the displacement of the arrangement of the metal part 31 and the dielectric part 32 of the first plasmon excitation layer 24 and the metal part 41 and the dielectric part 42 of the first plasmon excitation layer 25 is as follows. It does not necessarily have to be a half cycle.
  • the intermediate layer 28 is added to the lighting device 10 of the first embodiment.
  • the intermediate layer 28 is added to the lighting device 10A of the second embodiment. Also good.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing a lighting device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the illuminating device 10C shown in FIG. 7 includes an optical element 2C instead of the optical element 2 as compared with the illuminating device 10 shown in FIG.
  • the optical element 2 ⁇ / b> C is obtained by changing the configuration of the plasmon excitation layer with respect to the optical element 2. More specifically, the optical element 2C includes a first plasmon excitation layer 24A and a second plasmon excitation layer 25A instead of the first plasmon excitation layer 24 and the second plasmon excitation layer 25.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the first plasmon excitation layer 24A and the second plasmon excitation layer 25A in more detail, and shows a part of a cross section along the X axis of the optical element 2C.
  • the first plasmon excitation layer 24A and the second plasmon excitation layer 25A function as a blazed diffraction grating. That is, in the first plasmon excitation layer 24A, the metal portions 31A and the dielectric portions 32A extended in the Y direction are alternately arranged in the X direction periodically, and the metal portions 31A are saw-toothed when viewed from the Y direction.
  • the cross-sectional shape is as follows.
  • the metal portions 41A and the dielectric portions 42A extended in the Y direction are alternately and periodically arranged in the X direction, and the metal portions 41A have a sawtooth cross section as viewed from the Y direction. It has a shape.
  • the metal part 31A and the dielectric part 32A of the first plasmon excitation layer 24A and the metal part 41A and the dielectric part 42A of the first plasmon excitation layer 25A have the same period and are opposite to each other in the X direction. It is arranged in the direction.
  • 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 plasmon excitation layer 24A of the present embodiment only light incident at an incident angle ⁇ 1 is diffracted out of light incident at an incident angle ⁇ 1 and light incident at an incident angle ⁇ 1. For this reason, since the surface plasmon is excited only by the TM polarized light incident on the first plasmon excitation layer 24A at the incident angle ⁇ 1, the emission angle of the emitted light emitted from the second plasmon excitation layer 25A is only ⁇ 1.
  • the incident angle ⁇ 1 at which the surface plasmon can be excited by the first plasmon excitation layer 24A can be changed by the dielectric constant of the dielectric portion 32, the pitch of the diffraction grating, and the like as described above. Therefore, by adjusting the dielectric constant, the pitch, and the like, the emission angle ⁇ 1 of the emitted light emitted from the cover layer 26 is set so that the light is emitted from the illumination device 10C in a predetermined direction without providing the cover layer 26 with the diffraction portion 27. The light can be emitted.
  • the metal portions 31A and 41A in the present embodiment are not limited to a sawtooth shape and may have a stepped shape as long as the metal portions 31A and 41A are asymmetric with respect to the center line parallel to the Z direction in the cross section orthogonal to the Y direction.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing an illumination apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing an illuminating device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the illumination device 10D illustrated in FIG. 9 includes an optical element 2D instead of the optical element 2 as compared with the illumination device 10 illustrated in FIG.
  • the optical element 2 ⁇ / b> D excludes an incident port 29 ⁇ / b> A that is an incident region where light is incident from the light source 1, an upper surface that is a light emission surface, and a lower surface on which a diffusion mirror layer 23 is provided
  • the reflection part 29 is added to the outer wall surface (that is, the side surface of the optical element 2D).
  • the reflection unit 29 reflects light propagating through the optical element 2D. Thereby, since it can suppress that light is radiate
  • the reflection part 29 was provided in all the side surfaces except the entrance 29A, you may be provided only in the one part surface. Even in this case, the light incident on the optical element 2D can be incident on the first plasmon excitation layer 24 without waste as compared with the illumination device 10 shown in FIG.
  • the reflection unit 29 may be a diffuse reflection unit that diffuses and reflects light.
  • the reflection unit 29 is added to the illumination device 10 of the first embodiment. However, for each of the illumination devices 10A to 10C of the second to fourth embodiments. A reflection unit 29 may be added.
  • FIG. 10 is a top view schematically showing a lighting apparatus according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the illumination device 10E includes light sources 1A to 1L that emit light and optical elements 2E on which light emitted from each of the light sources 1A to 1L is incident.
  • the light sources 1A to 1L are arranged on the outer periphery of the optical element 2E, and emit random polarized light to the optical element 2E.
  • the wavelength (color) of the light emitted from each of the light sources 1A to 1L may be different.
  • the light sources 1A to 1L may include light sources that emit red, green, and blue light, respectively.
  • 12 light sources are shown in FIG. 10, in reality, a plurality of light sources may be provided.
  • the optical element 2E has the configuration of any of the optical elements 2 to 2D described in the first to fifth embodiments.
  • the optical element 2E has a plurality of entrances through which light emitted from each of the light sources 1A to 1L is incident.
  • the incident light having different emission angles is caused by the change in the incident angle at which the surface plasmon can be excited according to the wavelength of the incident light.
  • the hologram of the hologram layer 27A is made corresponding to the wavelength and the incident angle of the incident light, it can be diffracted and emitted in a certain direction regardless of the wavelength.
  • FIG. 11 is a layout diagram illustrating an example of the configuration of the projector according to the present embodiment.
  • a projector 100 that is a projection type image display device 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 generates 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 has the configuration of any one of the optical elements 2 to 2D described in the first to fifth embodiments, and changes each color light to a predetermined polarization state so that the liquid crystal panel It leads to each of 103R, 103G and 103B. Therefore, each of the light source 101R and the optical element 102R, the light source 101G and the optical element 102G, and the light source 101B and the optical element 102B has the same configuration as any of the illumination devices 10 to 10D.
  • the liquid crystal panels 103R, 103G, and 103B two-dimensionally modulate each incident color light in accordance with a video signal so that each color light carries an image, and spatial light that emits each color light carrying the image. It is a modulation element.
  • 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. 12 is a layout diagram illustrating 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, an optical element 106, a liquid crystal panel 107, and a projection optical system 108.
  • the optical element 106 has the same configuration as the optical element 2E described in the sixth embodiment. Therefore, the light sources 101R, 101G, and 101B and the optical element 106 are lighting devices having the same configuration as that in the case where the number of light sources in the lighting device 10E described in the sixth embodiment is three.
  • the liquid crystal panel 107 is a 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 light modulation element.
  • the light modulation element is not limited to the liquid crystal panel and can be changed as appropriate.
  • a DMD Digital Micromirror Device
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a light source according to the eighth embodiment of the present invention.
  • the light source 50 shown in FIG. 13 has an optical element in which a light emitting layer 52 is provided on the submount layer 51 between the ⁇ / 4 layer 22 and the diffusion mirror layer 23 in addition to the configuration of the optical element 2 shown in FIG. Is formed.
  • the light emitting layer 52 emits light of a predetermined wavelength. More specifically, in the light emitting layer 52, a p-type layer 52A that is a p-type semiconductor layer, an active layer 52B, and an n-type layer 52C that is an n-type semiconductor layer are stacked in this order. When a voltage is applied between the p-type layer 52A and the n-type layer 52C from an external power source (not shown) and a current flows between them, light is generated in the active layer 52B according to the current. To do. Here, the light generated in the active layer 52B is randomly polarized light.
  • random polarized light generated in the light emitting layer 52 is incident on the light guide layer 21.
  • TM polarized light that is incident on the first plasmon excitation layer 24 at an angle ⁇ 1 that satisfies the surface plasmon excitation condition is similar to the optical element 2 of the first embodiment.
  • Surface plasmons are excited in the first plasmon excitation layer 24.
  • the second plasmon excitation layer 25 the same surface plasmon as the above-described surface plasmon is excited, and light is generated from the surface plasmon.
  • This light is the same TM polarized light as the light obtained by exciting the surface plasmon in the first plasmon excitation layer 24, and is emitted at the same angle as the incident angle ⁇ 1. Then, this light is diffracted by the diffraction portion 27 formed in the cover layer 26 and is emitted in a predetermined direction (in this embodiment, a direction perpendicular to the emission surface).
  • the light that does not satisfy the surface plasmon excitation condition is simply reflected or diffracted by the first plasmon excitation layer 24 and does not excite the surface plasmon.
  • This light is reflected by the diffusion mirror layer 23 via the ⁇ / 4 layer 22 and is incident again on the first plasmon excitation layer 24 via the ⁇ / 4 layer 22 and the light emitting layer 52. While the light repeats such reflection, polarization conversion by the ⁇ / 4 layer 22 and angle conversion by the diffusion mirror layer 23 are performed.
  • the light becomes TM polarized light that is incident on the first plasmon excitation layer 24 at an angle ⁇ 1 the surface plasmon is excited in the first plasmon excitation layer 24.
  • the light emitting layer 52 is provided between the ⁇ / 4 layer 22 and the diffusion mirror layer 23 in the configuration of the optical element 2 of the first embodiment.
  • a light emitting layer 52 may be provided between the ⁇ / 4 layer 22 and the diffusion mirror layer 23.
  • FIG. 14 is a layout diagram illustrating an example of the configuration of the projector according to the present embodiment.
  • the projector 110 includes light sources 111R, 111G, and 111B, optical elements 112R, 112G, and 112B, liquid crystal panels 113R, 113G, and 113B, a cross dichroic prism 114, and a projection optical system 115.
  • Each of the light sources 111R, 111G, and 111B has the same configuration as the light source 50 shown in FIG. 13, and generates light having different wavelengths.
  • red light is emitted from the light source 111R
  • green light is emitted from the light source 111G
  • blue light is emitted from the light source 111B.
  • Each of the optical elements 112R, 112G, and 112B guides the respective color lights from the light sources 111R, 111G, and 111B to the liquid crystal panels 113R, 113G, and 113B, respectively, and enters them.
  • the liquid crystal panels 113R, 113G, and 113B modulate each incident color light in a two-dimensional manner according to a video signal so that each color light carries an image, and spatial light that emits each color light carrying the image. It is a modulation element.
  • the cross dichroic prism 114 synthesizes and outputs the modulated lights emitted from the liquid crystal panels 113R, 113G, and 113B.
  • the projection optical system 115 projects the combined light emitted from the cross dichroic prism 114 onto the screen 210 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 210.
  • FIG. 15 is a layout diagram illustrating another example of the configuration of the projector according to the present embodiment.
  • the projector 120 includes light sources 121R, 121G, and 121B, a light guide 126, a liquid crystal panel 127, and a projection optical system 128.
  • Each of the light sources 121R, 121G, and 121B has the same configuration as the light source 50 shown in FIG. 13, and generates light having different wavelengths.
  • the light guide 126 synthesizes each color light from the light sources 101R, 101G, and 101B, guides it to the liquid crystal panel 127, and enters it.
  • the liquid crystal panel 127 is a light modulation element that modulates incident combined light according to a video signal and emits the modulated light.
  • the projection optical system 128 projects the modulated light emitted from the liquid crystal panel 127 onto the screen 200 and displays an image corresponding to the video signal on the screen 210.
  • a liquid crystal panel is used as the light modulation element, but the light modulation element is not limited to the liquid crystal panel and can be changed as appropriate.
  • a DMD may be used instead of the liquid crystal panel 127.
  • FIG. 16 is a graph showing an example of the operation of the lighting apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a graph illustrating an example of a simulation result for confirming the effect of the lighting apparatus 10 according to the first embodiment. The simulation is performed for an example of the first embodiment and does not limit the present invention.
  • the horizontal axis of FIG. 16 shows the second plasmon excitation layer in the cover layer 26 when the incident angle of light to the first plasmon excitation layer is set to ⁇ 0 or more and 90 ° or less in the ZX plane of the illumination device 10.
  • the outgoing angle ⁇ dif is shown.
  • ⁇ 0 indicates a critical angle between the light guide layer 21 and the air interface, and is approximately 42 °.
  • shaft of FIG. 16 shows the diffraction efficiency (Diffraction Efficiency) normalized by the peak value of each legend.
  • the solid line shows the case where the incident light to the first plasmon excitation layer is P-polarized light, and the dotted line shows the case where the incident light to the first plasmon excitation layer is S-polarized light.
  • the cover layer 26 in the case where the light of the LED having a Lambertian light distribution is incident on the cover layer 26 from the lower surface, that is, when there is no first plasmon excitation layer and second plasmon excitation layer.
  • the P-polarized component is indicated by a one-dot chain line
  • the S-polarized component is indicated by a two-dot chain line.
  • P-polarized light is a polarization state in which the vibration component of the electric field is parallel to the ZX plane
  • S-polarization is a polarization state in which the vibration component of the electric field is parallel to the Y direction.
  • the emitted light in the YZ plane of the illuminating device 10 is negligible compared with the amount of emitted light in the ZX plane of the illuminating device 10 within the critical angle at the outer surface of the cover layer 26 and the outer surface of the cover layer 26.
  • the description is omitted.
  • RCWA method Rigorous Coupled Wave Analysis method
  • the light guide layer 21 was made of quartz glass having a refractive index of 1.46. Both the period of the metal part 31 and the dielectric part 32 and the period of the metal part 41 and the dielectric part 42 were 300 nm. The thickness of the metal part 31 and the dielectric part 32 and the thickness of the metal part 41 and the dielectric part 42 were both 60 nm. The shapes of the metal part 31 and the dielectric part 32, and the metal part 41 and the dielectric part 42 were rectangular as shown in FIG.
  • the cover layer 26 was made of quartz glass having a refractive index of 1.46, similar to the light guide layer 21. The outside of the light guide layer 21 and the outside of the cover layer 26 were air having a refractive index of 1.
  • FIG. 16 shows that the diffraction angles that are half the peak values of the diffraction efficiency in the cover layer 26 of the P-polarized component are about ⁇ 31.5 ° and about ⁇ 12.0 °. Therefore, when converted into the angle in the air after passing through the upper surface of the cover layer 26, they are about -50.0 ° and about -18.0 °. That is, the full width at half maximum of the P-polarized component in air is about 32 degrees. Therefore, it can be confirmed that light having a high angle selectivity can be obtained as compared with the full width at half maximum (120 deg) of the emitted light having a Lambertian distribution like LED in the air.
  • the P-polarized component when comparing the peak value of the diffraction efficiency of the P-polarized component and the peak value of the diffraction efficiency of the S-polarized component, the P-polarized component is more than 3.4 times larger. It can be confirmed that light having polarization selectivity can be obtained compared to polarized light.
  • the incident angle of the light to the first plasmon excitation layer in the ZX plane of the illumination device 10 is set to ⁇ 0 or more and 90 ° or less, but also when it is set to ⁇ 90 ° or more and ⁇ 0 or less.
  • the diffraction angle that is half the peak value of the diffraction efficiency in the cover layer 26 of the P-polarized component is about 50.0 in terms of the angle in the air after passing through the upper surface of the cover layer 26. And about 18.0 °, and light having high angle selectivity can be obtained.
  • the P-polarized component is 3.4 times larger and light having polarization selectivity can be obtained.
  • the emission angle of the light emitted from the second plasmon excitation layer is in a range smaller than the critical angle at the interface between the cover layer 26 and the outside of the cover layer 26, it is diffracted by the diffraction part and converted into the vertical direction. Is possible.
  • a first dielectric layer that propagates light A first plasmon excitation layer provided on the first dielectric layer; A second plasmon excitation layer provided on the first plasmon excitation layer; A second dielectric layer provided on the second plasmon excitation layer,
  • the first plasmon excitation layer is extended in a first direction in the interface with the first dielectric layer, and along a second direction orthogonal to the first direction in the interface with the first dielectric layer. , Having first metal parts and first dielectric parts arranged alternately and periodically, The second plasmon excitation layer is extended in the first direction, and alternately and periodically along the second direction with the same period as the first metal part and the first dielectric part, and shifted by a half period.
  • An optical element having a second metal portion and a second dielectric portion disposed on the surface.
  • Appendix 2 The optical element according to appendix 1, wherein the second dielectric portion has a dielectric constant that is the same as that of the first dielectric layer.
  • Appendix 4 The optical element according to appendix 3, wherein the first period and the second period are 210 nm or more and 600 nm or less.
  • Appendix 7 The optical element according to any one of appendices 1 to 6, wherein a thickness of the first plasmon excitation layer in a first direction and a third direction orthogonal to the second direction is 100 nm or less.
  • Each of the first metal part, the first dielectric part, the second metal part, and the second dielectric part has a cross section perpendicular to the first direction with respect to a center line perpendicular to the second direction.
  • the optical element according to any one of appendices 1 to 8, wherein the optical element is symmetrical.
  • Appendix 10 Appendix 9 characterized in that each of the first metal part, the first dielectric part, the second metal part, and the second dielectric part has a rectangular wave cross section perpendicular to the first direction.
  • each of the first metal part, the first dielectric part, the second metal part, and the second dielectric part has a stepped cross section perpendicular to the first direction.
  • Each of the first metal part, the first dielectric part, the second metal part, and the second dielectric part has an isosceles triangle shape in a cross section orthogonal to the first direction.
  • Each of the first metal part, the first dielectric part, the second metal part, and the second dielectric part has a cross section perpendicular to the first direction with respect to a center line perpendicular to the second direction.
  • the optical element according to any one of appendices 1 to 8, wherein the optical element is asymmetric.
  • Appendix 15 Appendix 14 wherein each of the first metal part, the first dielectric part, the second metal part, and the second dielectric part has a sawtooth cross section perpendicular to the first direction.
  • Appendix 17 The optical element according to any one of appendices 1 to 16, further comprising a diffraction section that diffracts light emitted from the second dielectric layer in a predetermined direction.
  • the diffractive portion is a plurality of structures formed on a light exit surface of the second dielectric layer;
  • Appendix 19 The optical element according to appendix 18, wherein the diffraction part is a hologram.
  • Appendix 20 The optical element according to appendices 1 to 19, further comprising a reflective layer provided on a side opposite to a surface of the first dielectric layer on which the first plasmon excitation layer is provided.
  • Appendix 21 The optical element according to appendix 20, wherein the reflective layer is a diffuse reflective layer that diffuses and reflects light.
  • Appendix 22 The optical element according to appendix 20 or 21, further comprising a phase conversion layer that is inserted between the first plasmon excitation layer and the reflection layer and changes a polarization state of incident light.
  • (Appendix 23) 23 The optical element according to appendixes 1 to 22, further comprising a reflection part that reflects light and is provided on at least a part of an outer wall surface excluding an emission surface from which light is emitted from the second dielectric layer.
  • Appendix 24 The optical element according to appendix 23, wherein the reflection part is a diffuse reflection part that diffuses and reflects light.
  • optical element according to any one of appendices 1 to 24, further comprising an intermediate layer made of a dielectric material provided between the first plasmon excitation layer and the second plasmon excitation layer.
  • Appendix 27 The optical element according to any one of appendices 1 to 26; And a light source that emits light to the optical element.
  • Appendix 28 The lighting device according to appendix 27, wherein there are a plurality of the light sources.
  • a projection-type image display device comprising: the illumination device according to attachment 28; and a spatial light modulator that converts light emitted from the illumination device into a predetermined polarization state.
  • Appendix 30 The optical element according to any one of appendices 1 to 26;
  • a light source comprising: a light emitting layer provided on the opposite side of the first dielectric layer of the optical element from the surface on which the first plasmon excitation layer is provided, and emitting light to the first dielectric layer.
  • a projection-type image display device comprising: a light source having the light source according to attachment 30; and a spatial light modulator that converts light emitted from the light source into a predetermined polarization state.
  • Appendix 32 32.
  • Appendix 33 32.

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学素子を提供する。　導光層２１から入射した光のうち、特定の偏光成分により第１表面プラズモンを励起する第１プラズモン励起層２４は、導光層２１との界面内の第１方向に延伸され、第１方向と直交する第２方向に交互に周期的に配置された金属部３１および誘電体部３２を有する。また、第１表面プラズモンに応じた第２表面プラズモンを励起し、第２表面プラズモンから特定の偏光成分を有する光を発生させる第２プラズモン励起層２５は、第１方向に延伸され、金属部４１および誘電体部４２と同じ周期で第２方向に交互に周期的に配置された金属部４１および誘電体部４２を有する。

Description

光学素子、照明装置および投射型画像表示装置
　本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、照明装置および投射型画像表示装置に関する。
　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。
特許４１５４４４３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学素子、光源、照明装置および投射型画像表示装置に関する。
　本発明による光学素子は、光を伝播する第１誘電体層と、前記第１誘電体層に設けられ、前記第１誘電体層から入射した光のうち、特定の偏光成分により第１表面プラズモンを励起する第１プラズモン励起層と、前記第１プラズモン励起層に設けられ、前記第１表面プラズモンに応じた第２表面プラズモンを励起し、前記第２表面プラズモンから前記特定の偏光成分を有する光を発生させる第２プラズモン励起層と、前記第２プラズモン励起層に設けられ、前記第２プラズモン励起層で発生された光を出射する第２誘電体層と、を有し、前記第１プラズモン励起層は、前記第１誘電体層との界面内の第１方向に延伸され、前記第１方向と直交する第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部を有し、前記第２プラズモン励起層は、前記第１方向に延伸され、前記第１金属部および前記第１誘電体部と同じ周期で前記第２方向に沿って配置された第２金属部および第２誘電体部を有する。
　本発明の照明装置は、前記光学素子と、前記光学素子に光を出射する光源と、を有する。
　本発明の第１の投射型画像表示装置は、前記照明装置を有する。
　本発明の光源は、前記光学素子と、前記光学素子における前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられ、光を前記第１誘電体層に出射する発光層と、を有する。
　本発明の第２の投射型画像表示装置は、前記光源を有する投射型画像表示装置
　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の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の照明装置の動作を説明するための説明図である。 第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層の形状例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層の他の例を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の照明装置を模式的に示す上面図である。 本発明の第７の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。 本発明の第７の実施形態の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８の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。 本発明の第９の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。 本発明の第９の実施形態の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１の実施例の照明装置の動作の一例を示すグラフである。
　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の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。なお、実際の照明装置では、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。
　図１に示すように、本実施形態の照明装置１０は、光を出射する光源１と、光源１から出射された光が入射する光学素子２とを有する。
　光源１は、光学素子２の外周部に配置され、光学素子２にランダム偏光を出射する。なお、図１では、光源１は、光学素子２から離れた位置に配置されているが、光学素子２と接触するように配置されてもよいし、ライトパイプのような導光部材を介して光学的に光学素子２と接続されてもよい。
　光学素子２は、導光層２１と、λ／４層２２と、拡散ミラー層２３と、第１プラズモン励起層２４と、第２プラズモン励起層２５と、カバー層２６を有する。
　本発明の導光層、カバー層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、本発明の実施形態の導光層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
　導光層２１は、導光層２１の側面に光源１が設けられる。導光層２１は、光源１から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。導光層２１は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。なお、導光層２１の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第１プラズモン励起層において、光からプラズモンへの変換過程が生じ、第２プラズモン励起層において、プラズモンから光への変換過程が生じ、その生じた光がカバー層２６内を伝播して光学素子２の外部へ取り出されれば良い。なお、導光層２１の厚みは、光の波長程度以上あればよく、目安として０．５ｍｍ程度であれば問題なく機能する。ただし、導光層２１の厚みには、特に限定を加えない。導光層２１は、第１誘電体層に相当する。なお、導光層２１の形状は、本実施形態では平板状とされているが、実際には平板状に限定されるものではない。
　なお、以下では、導光層２１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。また、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。
　本発明のλ／４層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。
　λ／４層２２は、導光層２１の下面に設けられ、λ／４層２２に入射した光の偏光方向を変換する。λ／４層２２は、光学軸がｘｙ面内に存在し、透過する光のλ／４層２２の光学軸に平行な方向の成分と垂直な方向の成分に位相差を与える。より具体的には、λ／４層２２は、互いに直角な方向に振動する直線偏光の間にその光の１／４波長の位相差を生じさせることで、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変換し、円偏光（楕円偏光）を直線偏光に変換する位相差板である。λ／４層２２は位相変換層に相当する。
　本発明の拡散ミラー層は、少なくとも可視光を反射する材料からなる。
　拡散ミラー層２３は、λ／４層２２の下面に設けられ、入射した光を反射する。より具体的には、拡散ミラー層２３は、入射した光を拡散反射する。拡散ミラー層２３は、反射層に相当する。
　第１プラズモン励起層２４は、導光層２１のλ／４層２２が設けられた面の反対側の面である上面に設けられ、導光層２１を伝播するランダム偏光のうち、導光層２１から所定の入射角度で入射する特定の偏光成分であるＴＭ偏光によって表面プラズモンを励起する。
第１プラズモン励起層２４は、第１プラズモン励起層に相当する。
　第２プラズモン励起層２５は、第１プラズモン励起層２４の上面に設けられ、第１プラズモン励起層２４で励起された表面プラズモンと同じ表面プラズモンを励起し、その励起した表面プラズモンから、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起させた光と同じ偏光成分を有する光を発生させる。第２プラズモン励起層２５は、第２プラズモン励起層に相当する。
なお、第２プラズモン励起層２５は、第１プラズモン励起層２４で励起された表面プラズモンと必ずしも同じ表面プラズモンを励起しなくてもよく、例えば、数１の条件で表される表面プラズモンを励起してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、ｋ２、ｘは第２プラズモン励起層２５で励起される表面プラズモンのＸ方向の波数を示し、ｋ１、ｘは第１プラズモン励起層２４で励起される表面プラズモンのＸ方向の波数を示し、Λは第２プラズモン励起層２５の後述する金属部または誘電体部の格子状数（周期）を示し、ｍは整数を示す。
　カバー層２６は、第２プラズモン励起層２５の上面に設けられる。カバー層２６は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。　カバー層２６の誘電率は、導光層２１の誘電率と同じである。なお、カバー層２６の誘電率と導光層２１の誘電率は必ずしも同じでなくでもよく、異なっていてもよい。より詳細には、第１プラズモン励起層２４において励起された表面プラズモンから、第２プラズモン励起層２５において光を発生させる変換効率は、カバー層２６の誘電率と導光層２１の誘電率が同じときに、最も高くなり、両者の誘電率の差が大きくなるほど下がるが、この変換効率が０にならない程度に、カバー層２６の誘電率と導光層２１の誘電率と間に差があってもよい。カバー層２６は、第２誘電体層に相当する。
　カバー層２６の上面には、第２プラズモン励起層２５で発生した光を所定の方向に回折して出射する回折部２７が形成されている。回折部２７は、本実施形態では、第１方向であるＹ方向に延伸された凸部が第１方向とは異なる第２方向であるＸ方向に周期的に配置された凹凸構造であるとしている。
　次に第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５についてより詳細に説明する。
　図２は、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５をより詳細に説明するための図であり、光学素子２のＸ軸に沿った断面の一部分が示されている。
　図２に示すように、第１プラズモン励起層２４では、導光層２１および第１プラズモン励起層２４の界面内の第１方向であるＹ方向に延伸された金属部３１および誘電体部３２が第１方向と異なる第２方向であるＸ方向に、交互に周期的に配置されている。このような構成を有することにより、第１プラズモン励起層２４は、光を回折する回折格子として機能する。
　なお、誘電体部３２は、導光層２１と同じ誘電率を有する透明誘電体で形成されることが望ましく、さらには、誘電体部３２および導光層２１は一体成形されることが望ましい。このようにすることで、誘電率の異なる境界におけるフレネル反射を低減させることができ、効率よく光を透過させることができる。
　第２プラズモン励起層２５は、第１プラズモン励起層２４と同じ光学特性を有する。つまり、第２プラズモン励起層２５は、Ｙ方向に延伸された金属部４１および誘電体部４２がＸ方向に交互に周期的に配置されている。このため、第２プラズモン励起層２５も、第１プラズモン励起層２４と同様に、回折格子として機能する。
　第１プラズモン励起層２４の金属部３１および誘電体部３２と、第１プラズモン励起層２５の金属部４１および誘電体部４２とは、Ｘ方向において互いに同じ周期であり、Ｘ方向において半周期分ずれて配置される。つまり、金属部３１の上に誘電体部４２が形成され、誘電体部３２の上に金属部４１が形成されている。なお、第１プラズモン励起層２４の金属部３１および誘電体部３２と、第１プラズモン励起層２５の金属部４１および誘電体部４２との配置のずれは、必ずしも半周期でなくともよい。より詳細には、この配置のずれが半周期±αとすると、αが大きいほど、特にＴＥ偏光の透過率が高くなるので、光学素子２におけるＴＭ偏光の透過率に対するＴＥ偏光の透過率の割合で決定される消光比が低くなる。しかしながら、消光比が光学素子２にとって十分な値となる程度に、配置のずれが半周期からずれてもよい。金属部３１と誘電体部３２の周期と、金属部３２と誘電体部４２の周期は、２１０ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下である。より好ましくは３００ｎｍ程度である。なお、金属部３１と誘電体部３２の周期と、金属部３２と誘電体部４２の周期は、２１０ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下に限定されず、異なっても良い。より詳細には、後述する導光層２１内の光が、第１プラズモン励起層２４でプラズモンを励起し、そのエネルギーが第２プラズモン励起層へ到達して、カバー層２６で光として取り出される程度に異なっても良い。なお、金属部３１および誘電体部３２の厚みと、金属部４１および誘電体部４２の厚みは、１００ｎｍ程度以下である。より好ましくは６０ｎｍ程度である。なお、金属部３１および誘電体部３２の厚みと、金属部４１および誘電体部４２の厚みは、１００ｎｍ程度以下に限定されない。
　誘電体部４２は、カバー層２６と同じ誘電率を有する透明誘電体で形成されることが望ましく、さらには、誘電体部４２およびカバー層２６は一体成形されることが望ましい。これは、導光層２１と誘電体部３２との関係と等しく、誘電率の異なる境界におけるフレネル反射を低減させることができ、効率よく光を透過させることができるからである。
　また、金属部３１および４１は、可視光でプラズモンを励起可能な金属で形成される。例えば、Ａｇ、ＡｌまたはＡｕである。
　光学素子２は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
　先ず、ガラスやＰＭＭＡの上面に、ＦＩＢ（Focused　Ion　Beam）加工、エッチング、ナノインプリント等の微細加工プロセスによって１次元の凹凸（ラインアンドスペース）を設けることで、ガラス基板を導光層２１として形成するとともに、ガラス上面の凸部を誘電体部３２として形成する。その後、Ａｇをスパッタ等の蒸着法でガラス上面に堆積することで、ガラスの凹凸を反映した層を金属部３１、４１として形成する。そして、ＰＭＭＡなどを金属部３１、４１に堆積することで周期構造を誘電体部４２として形成し、最上面をカバー層２６として形成する。なお、光学素子２の製造方法は、ＦＩＢ加工、エッチング、ナノインプリント等の微細加工プロセス、スパッタ等の蒸着法に限定されない。
　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の関係である分散関係は、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２に示したように、金属部３１および誘電体部３２を交互に周期的に配置することで、導光層２１と金属部３１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プラズモン励起層２４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。
　第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンが励起されると、励起された表面プラズモンのエネルギーが第２プラズモン励起層２５の金属部４１に伝わり、第２プラズモン励起層２４の金属部４１およびカバー層２６との界面に、励起された表面プラズモンと同じプラズモンが励起される。そして、第１プラズモン励起層２４で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プラズモン励起層２５から光が出射されることとなる。これは、回折格子である第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層が同じ構造を有し、かつ、導光層２１およびカバー層２６が同じ誘電率を有しているので、導光層２１内の光の分散関係と、カバー層２６内の光の分散関係とが一致するためである。
　また、第２プラズモン励起層２５から出射される出射光は、第１プラズモン励起層２４で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プラズモン励起層２５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プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５を光学的に同じ構成とすることで、第１プラズモン励起層２４に入射したＴＭ偏光と同じ光を第２プラズモン励起層２５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プラズモン励起層２４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プラズモン励起層２５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。
　次に照明装置１０の動作について説明する。
　図３は、照明装置１０の動作を説明するための説明図であり、照明装置１０をＸＺ平面で切った断面を示す。
　光源１からランダム偏光が出射されると、そのランダム偏光は、光学素子２の導光層２１に入射し、導光層２１の内部を伝播する。
　導光層２１の内部を伝搬する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で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光が、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起する（図中矢印Ａ参照）。このとき、第２プラズモン励起層２５では、上記の表面プラズモンと同じ表面プラズモンが励起され（図中矢印Ｂ参照）、その表面プラズモンから光が生成される。この光は、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、入射角度θ１と同じ角度で出射される（図中矢印Ｃ参照）。
　一方、第１プラズモン励起層２４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で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光）は、第１プラズモン励起層２４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、λ／４層２２を介して拡散ミラー層２３で反射され、さらにλ／４層２２を介して第１プラズモン励起層２４に再び入射する。光がこのような反射を繰り返す間に、λ／４層２２による偏光変換や拡散ミラー層２３による角度変換が行われる。そして、光が角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光になると、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起させる。
　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で第１プラズモン励起層２４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で第１プラズモン励起層２４に入射する場合とがある。そのため、第２プラズモン励起層２５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、カバー層２６に形成された回折部２７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２７は、回折格子である第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５と同一構造を有しているが、これは、第２プラズモン励起層２５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２７は、Ｙ方向に延伸された凸部がＸ方向に周期的に配置されていれば、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５と同じ構造を有している必要はなく、その構造体の形状や構造体間の間隔は、回折部２７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である第１プラズモン励起層２５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プラズモン励起層２５の構成は、図２で示した構成に限定されない。つまり、第１プラズモン励起層２５における金属部３１の断面形状は適宜変更可能である。
　図４は、第１プラズモン励起層２４の金属部３１の形状例を示す断面図であり、第１プラズモン励起層２４をＺＸ平面で切った断面形状を示している。図４で示したように、金属部３１の断面形状としては、矩形波状（図４（ａ）参照）、階段状（図４（ｂ）参照）、正弦波状（図４（ｃ）参照）および二等辺三角形状（図４（ｄ）参照）などが挙げられる。このような断面形状は、金属部３１のＸ方向と直交する（Ｚ方向に平行な）中心線に対して線対称である。
　なお、図１および図２では、図４（ａ）に示す矩形波状の断面を有する金属部３１が示されている。また、第２プラズモン励起層の金属部４１は、金属部３１と同じ構造なので、金属部４１の断面形状も金属部３１の断面形状と同じになる。また、誘電体部３２および４２の断面形状も金属部３１の断面形状と同じであるとする。
　また、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プラズモン励起層２５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、照明装置１０からの出射光の放射角度が広くなり、照明装置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て、２次以上の回折効率を下げることで、照明装置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、第１および第２プラズモン励起層の格子状数（周期）を入射光の波長に対して、２次以上の回折が生じない程度に、短くすることが望ましい。さらに、第１および第２プラズモン励起層の格子状数（周期）を変化させると、出射光の出射角が変化するので、出射角が垂直方向になるようなピッチがさらに望ましい。この場合には、回折部２７が不要になる。詳細は、後述する実施例にて具体的な数値を挙げて説明する。
　他の例としては、図４（ｂ）に示す階段波状の断面を有する第１プラズモン励起層２５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４（ｃ）に示す正弦波状の断面を有する第１プラズモン励起層２４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では１００％となる。このため、照明装置１０の出射光の利用効率の観点からは、第１プラズモン励起層２４は、正弦波状の断面を有するものであることが望ましい。
　以上説明したように本実施形態によれば、第１プラズモン励起層２４では、Ｙ方向に延伸された金属部３１および誘電体部３２がＸ方向に交互に周期的に配置され、第２プラズモン励起層２５は、Ｙ方向に延伸された金属部４１および誘電体部４２が、金属部３１および誘電体部３２と同じ周期でＸ方向に交互に周期的に配置される。
　このため、金属層１５がＸ方向に周期的に配置されているので、第１プラズモン励起層２４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プラズモン励起層２４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、導光層２１およびカバー層２６が互いに等しい誘電率を有しているので、第１プラズモン励起層２４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、カバー層２６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５は、本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図５に示す照明装置１０Ａは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ａを備えている。光学素子２Ａは、光学素子２に対してカバー層２６の出射側の構成を変更したものである。より具体的には、光学素子２Ａは、カバー層２６に回折部２７を設ける代わりに、カバー層２６に積層されたホログラム層２７Ａを有する点で照明装置１０とは異なる。
　ホログラム層２７Ａは、第１プラズモン励起層２４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２７Ａ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プラズモン励起層２４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、照明装置１０Ａのエテンデューの増大化を抑制することができる。
　ホログラム層２７Ａの材料は、フォトポリマなどの、２つの光の干渉縞の強弱を屈折率分布として記録する屈折率変調材料を用いることができる。ホログラム層２７Ａは、第１プラズモン励起層２４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２７Ａに様々な入射角度で入射する複数の光と同じ光と、その複数の光と同じ波長でホログラム層２７Ａに垂直に入射する光とを、それぞれ干渉させて、ホログラムを多重記録することで、作成することができる。
　［第３の実施形態］
　図６は、本発明の第３の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図６に示す照明装置１０Ｂは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ｂを備えている。光学素子２Ｂは、光学素子２の構成に加えて、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５の間に中間層２８を有している。
　中間層２８は、ガラスや空気などの誘電体で形成される。このような中間層２８が設けられても、中間層２８が１０ｎｍ程度以下に薄ければ、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンが励起されると、励起された表面プラズモンのエネルギーが中間層２８を介して第２プラズモン励起層２５の金属部４１に伝わり、第２プラズモン励起層２４の金属部４１および誘電体部４２との界面に、励起された表面プラズモンと同じプラズモンが励起される。
　なお、第１の実施形態と同様に、第１プラズモン励起層２４の金属部３１および誘電体部３２と、第１プラズモン励起層２５の金属部４１および誘電体部４２との配置のずれは、必ずしも半周期でなくともよい。
　また、本実施形態では、第１の実施形態の照明装置１０に対して中間層２８を追加したものを説明したが、第２の実施形態の照明装置１０Ａに対して中間層２８を追加してもよい。
　[第４の実施形態]
　図７は、本発明の第４の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図７に示す照明装置１０Ｃは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ｃを備えている。光学素子２Ｃは、光学素子２に対してプラズモン励起層の構成を変更したものである。より具体的には、光学素子２Ｃは、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５の代わりに、第１プラズモン励起層２４Ａおよび第２プラズモン励起層２５Ａを備えている。
　図８は、第１プラズモン励起層２４Ａおよび第２プラズモン励起層２５Ａをより詳細に説明するための図であり、光学素子２ＣのＸ軸に沿った断面の一部分が示されている。
　図８に示すように、第１プラズモン励起層２４Ａおよび第２プラズモン励起層２５Ａは、ブレーズド回折格子として機能する。つまり、第１プラズモン励起層２４Ａは、Ｙ方向に延伸された金属部３１Ａおよび誘電体部３２ＡがＸ方向に、交互に周期的に配置されており、金属部３１ＡはＹ方向から見て鋸歯状の断面形状を有している。第２プラズモン励起層２５Ａは、Ｙ方向に延伸された金属部４１Ａおよび誘電体部４２ＡがＸ方向に、交互に周期的に配置されており、金属部４１ＡはＹ方向から見て鋸歯状の断面形状を有している。
　また、第１プラズモン励起層２４Ａの金属部３１Ａおよび誘電体部３２Ａと、第１プラズモン励起層２５Ａの金属部４１Ａおよび誘電体部４２Ａとは、同じ周期を有し、Ｘ方向に対して互いに逆向きに配置されている。
　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プラズモン励起層２４Ａ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で第１プラズモン励起層２４Ａ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プラズモン励起層２５Ａ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、第１プラズモン励起層２４Ａ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、誘電体部３２の誘電率や回折格子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、カバー層２６から出射される出射光の出射角度θ１を、カバー層２６に回折部２７を設けることなく、照明装置１０Ｃ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金属部３１Ａおよび４１Ａは、Ｙ方向と直交する断面において、Ｚ方向に平行な中心線に対して非対称あれば、鋸歯状に限らず、階段状などでもよい。
　［第５の実施形態］
　図９は、本発明の第５の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図９に示す照明装置１０Ｄは、図９は、本発明の第５の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図９に示す照明装置１０Ｄは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ｄを備えている。光学素子２Ｄは、光学素子２の構成に加えて、光源１から光が入射される入射領域である入射口２９Ａと、光の出射面である上面および拡散ミラー層２３が設けられた下面を除いた外壁面（つまり、光学素子２Ｄの側面）とに反射部２９を追加したものである。
　反射部２９は、光学素子２Ｄ内を伝播する光を反射する。これにより、光学素子２Ｄ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、光学素子２Ｄに入射した光を、図１に示した照明装置１０と比べて無駄なく第１プラズモン励起層２４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２９は、入射口２９Ａを除いた側面の全て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、光学素子２Ｄに入射した光を、図１で示した照明装置１０と比べて無駄なく第１プラズモン励起層２４に入射することは可能である。また、反射部２９は、光を拡散反射する拡散反射部でもよい。
　また、本実施形態では、第１の実施形態の照明装置１０に対して反射部２９を追加したものを説明したが、第２～第４の実施形態の照明装置１０Ａ～１０Ｃのそれぞれに対して反射部２９を追加してもよい。
　［第６の実施形態］
　図１０は、本発明の第６の実施形態の照明装置を模式的に示す上面図である。図１０において、照明装置１０Ｅは、光を出射する光源１Ａ～１Ｌと、光源１Ａ～１Ｌのそれぞれからの出射された光のそれぞれが入射する光学素子２Ｅとを有する。
　光源１Ａ～１Ｌは、光学素子２Ｅの外周部に配置され、光学素子２Ｅにランダム偏光を出射する。なお、光源１Ａ～１Ｌのそれぞれから出射される光の波長（色）は、それぞれ異なっていてもよい。例えば、光源１Ａ～１Ｌには、赤色、緑色および青色のそれぞれの光を出射する光源が含まれていてもよい。また、光源は、図１０では、１２個示されているが、実際には、複数あればよい。
　光学素子２Ｅは、第１～第５の実施形態で説明した光学素子２～２Ｄのいずれかの構成を有する。なお、光学素子２Ｅが光学素子２Ｄの構成を有する場合、光学素子２Ｅには、光源１Ａ～１Ｌのそれぞれから出射される光のそれぞれが入射される複数の入射口を有する。
　また、光学素子２～２Ｄの第２プラズモン励起層２５または２５Ａからは、入射光の波長に応じて、表面プラズモンを励起可能な入射角度が変化することに起因して、異なる出射角度の出射光が生じるが、例えば、ホログラム層２７Ａのホログラムを入射光の波長および入射角度に対応させて作成すれば、波長によらず一定の方向に回折させて出射させることができる。
　[第７の実施形態]
　本実施形態では、第１～第６の実施形態で説明した照明装置１０～１０Ｅのいずれかを備えたプロジェクタについて説明する。　
　図１１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、投射型画像表示装置であるプロジェクタ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、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、第１から第５の実施形態で説明した光学素子２～２Ｄのいずれかの構成を有し、その各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれに導く。したがって、光源１０１Ｒおよび光学素子１０２Ｒと、光源１０１Ｇおよび光学素子１０２Ｇと、光源１０１Ｂおよび光学素子１０２Ｂとのそれぞれは、照明装置１０～１０Ｄのいずれかと同じ構成を有することになる。
　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２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を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画像を表示する。
　図１２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１２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１０６と、液晶パネル１０７と、投射光学系１０８とを有する。
　光学素子１０６は、第６の実施形態で説明した光学素子２Ｅと同じ構成を有する。したがって、光源１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂおよび光学素子１０６は、第６の実施形態で説明した照明装置１０Ｅにおける光源が３つの場合と同じ構成を有する照明装置となる。
　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１１および図１２では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光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および図１２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。
　[第８の実施形態]
　本実施形態では、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する光学素子と発光素子とが一体化された光源について説明する。
　図１３は、本発明の第８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５０は、サブマウント層５１上に、図１に示す光学素子２の構成に加えて、λ／４層２２および拡散ミラー層２３の間に発光層５２が設けられた光学素子が形成されている。
　発光層５２は、所定の波長の光を発する。より具体的には、発光層５２では、ｐ型半導体層であるｐ型層５２Ａ、活性層５２Ｂ、ｎ型半導体層であるｎ型層５２Ｃの順番で積層されている。そして、外部電源（図示せず）からｐ型層５２Ａとｎ型層５２Ｃ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５２Ｂにて光が発生する。ここで、活性層５２Ｂで発生された光はランダム偏光である。
　本実施形態では、導光層２１には、発光層５２で発生したランダム偏光が入射される。
　導光層２１の内部を伝搬する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で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光は、第１の実施形態の光学素子２と同様に、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起する。そして、第２プラズモン励起層２５では、上記の表面プラズモンと同じ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生成される。この光は、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、入射角度θ１と同じ角度で出射される。そして、この光は、カバー層２６に形成された回折部２７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に出射される。
　一方、第１プラズモン励起層２４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は、第１プラズモン励起層２４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、λ／４層２２を介して拡散ミラー層２３で反射され、さらにλ／４層２２および発光層５２を介して第１プラズモン励起層２４に再び入射する。光がこのような反射を繰り返す間に、λ／４層２２による偏光変換や拡散ミラー層２３による角度変換が行われる。そして、光が角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光になると、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起させる。
　なお、本実施形態の光源５０は、第１の実施形態の光学素子２の構成において、λ／４層２２および拡散ミラー層２３の間に発光層５２が設けられていたが、第２～第５の実施形態の光学素子２Ａ～２Ｄの構成において、λ／４層２２および拡散ミラー層２３の間に発光層５２が設けられてもよい。
　[第９の実施形態]
　本実施形態では、第８の実施形態で説明した光源５０を備えたプロジェクタについて説明する。
　図１４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１４において、プロジェクタ１１０は、光源１１１Ｒ、１１１Ｇおよび１１１Ｂと、光学素子１１２Ｒ、１１２Ｇおよび１１２Ｂと、液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１１４と、投射光学系１１５とを備える。
　光源１１１Ｒ、１１１Ｇおよび１１１Ｂのそれぞれは、図１３に示した光源５０と同じ構成を有し、波長がそれぞれ異なる光を発生する。以下、光源１１１Ｒから赤色光が出射され、光源１１１Ｇから緑色光が出射され、光源１１１Ｂから青色光が出射されるものとする。
　光学素子１１２Ｒ、１１２Ｇおよび１１２Ｂのそれぞれは、光源１１１Ｒ、１１１Ｇおよび１１１Ｂからの各色光を、液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂのそれぞれに導いて入射する。
　液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を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１１４は、液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ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１１５は、クロスダイクロイックプリズム１１４から出射された合成光をスクリーン２１０に投射して、スクリーン２１０上に映像信号に応じた映像を表示する。
　図１５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１５において、プロジェクタ１２０は、光源１２１Ｒ、１２１Ｇおよび１２１Ｂと、導光体１２６と、液晶パネル１２７と、投射光学系１２８とを有する。
　光源１２１Ｒ、１２１Ｇおよび１２１Ｂのそれぞれは、図１３に示した光源５０と同じ構成を有し、波長がそれぞれ異なる光を発生する。
　導光体１２６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１２７に導いて入射する。
　液晶パネル１２７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光変調素子である。
　投射光学系１２８は、液晶パネル１２７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２１０上に映像信号に応じた映像を表示する。
　なお、図１４および図１５では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光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１４および図１５で示したプロジェクタでは、液晶パネル１２７の代わりに、ＤＭＤを用いてもよい。
　[第１の実施例]
　以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図１６は、本発明の第１の実施例の照明装置１０の動作の一例を示すグラフである。図１６は、第１の実施形態の照明装置１０の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第１の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
　図１６の横軸は、照明装置１０のＺＸ面内において、第１プラズモン励起層への光の入射角を、θ０以上９０°以下とした際の、カバー層２６内における第２プラズモン励起層からの出射角θｄｉｆを示す。ここで、θ０は、導光層２１と空気界面との臨界角を示し、約４２°である。図１６の縦軸は、それぞれの凡例のピーク値で規格化した回折効率（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。実線は、第１プラズモン励起層への入射光をＰ偏光とした場合を示し、点線は第１プラズモン励起層への入射光をＳ偏光とした場合を示す。また、参考のために、ランバーシアンの配光分布を有するLEDの光が、カバー層２６へ下面から入射した場合、すなわち第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層がない場合の、カバー層２６における配光分布の内、P偏光成分を一点鎖線で示し、S偏光成分を二点鎖線で示す。ここで、P偏光は、電場の振動成分がＺＸ面内に平行な偏光状態であり、Ｓ偏光は、電場の振動成分がＹ方向に平行な偏光状態である。なお、照明装置１０のＹＺ面内における出射光は、カバー層２６の上面とカバー層２６の外部界面における臨界角内には、照明装置１０のＺＸ面内の出射光量に比べて、無視できる程度に小さいので、説明を省略する。なお、シミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｗａｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ法）を用いた。
　第１の実施例のシミュレーションにおいて、導光層２１は、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。金属部３１および誘電体部３２の周期と、金属部４１および誘電体部４２の周期は、共に３００ｎｍとした。金属部３１および誘電体部３２の厚みと、金属部４１および誘電体部４２の厚みは、共に６０ｎｍとした。金属部３１および誘電体部３２と、金属部４１および誘電体部４２の形状は、図２に示すような矩形状とした。カバー層２６は、導光層２１と同様、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。導光層２１の外部、およびカバー層２６の外部を屈折率１の空気とした。
　図１６から、Ｐ偏光成分のカバー層２６内における回折効率について、ピーク値の半分の値となる回折角は約－３１．５°と約－１２．０°である。したがって、カバー層２６の上面を透過後の空気中の角度に換算すると、約－５０．０°と約－１８．０°である。つまり、Ｐ偏光成分の空気中の半値全幅は約３２ｄｅｇである。したがって、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅（１２０ｄｅｇ）に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。加えて、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が３．４倍以上大きいため、LEDの様なランダム偏光（無偏光）な光に比べて、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
　なお、図１６では、照明装置１０のＺＸ面内において、第１プラズモン励起層への光の入射角を、θ０以上９０°以下としたが、－９０°以上－θ０以下とした場合にも、対称性から、Ｐ偏光成分のカバー層２６内における回折効率について、ピーク値の半分の値となる回折角は、カバー層２６の上面を透過後の空気中の角度に換算して約５０．０°と約１８．０°であり、高い角度選択性を有する光が得られる。また、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が３．４倍以上大きく、偏光選択性を有する光が得られる。
　また、第２プラズモン励起層から出射した光の出射角は、カバー層２６とカバー層２６の外部との界面における臨界角より小さい範囲であるので、回折部で回折し、垂直方向に変換することが可能である。
　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。
（付記１）
光を伝播する第１誘電体層と、
　前記第１誘電体層の上に設けられた第１プラズモン励起層と、
　前記第１プラズモン励起層の上に設けられた第２プラズモン励起層と、
　前記第２プラズモン励起層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
　前記第１プラズモン励起層は、前記第１誘電体層との界面内における第１方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１方向と直交する第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部を有し、
　前記第２プラズモン励起層は、前記第１方向に延伸され、前記第１金属部および前記第１誘電体部と同じ周期で、かつ半周期ずれて前記第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部を有する、光学素子。
（付記２）
前記第２誘電体部は、前記第１誘電体層の誘電率と同じ誘電率を有することを特徴とする、付記１に記載の光学素子。
（付記３）
前記第１金属部および前記第２金属部がＡｇからなることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
（付記４）
前記第１の周期および前記第２の周期が、２１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記３に記載の光学素子。
（付記５）
前記第１金属部および前記第２金属部がＡｌからなることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
（付記６）
前記第１金属部および前記第２金属部がＡｕからなることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
（付記７）
前記第１プラズモン励起層の前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至６に記載の光学素子。
（付記８）
前記第２プラズモン励起層の前記第３方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至７に記載の光学素子。
（付記９）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１の方向と直交する断面が前記第２方向と直交する中心線に対して対称であることを特徴とする、付記１乃至８に記載の光学素子。
（付記１０）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が矩形波状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
（付記１１）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が階段状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
（付記１２）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が正弦波状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
（付記１３）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が二等辺三角形状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
（付記１４）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１の方向と直交する断面が前記第２方向と直交する中心線に対して非対称であることを特徴とする、付記１乃至８に記載の光学素子。
（付記１５）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が鋸歯状であることを特徴とする、付記１４に記載の光学素子。
（付記１６）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が階段状であることを特徴とする、付記１４に記載の光学素子。
（付記１７）
前記第２誘電体層から出射される光を所定の方向に回折する回折部をさらに有することを特徴とする、付記１乃至１６に記載の光学素子。
（付記１８）
前記回折部が、前記第２誘電体層における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方向に延び、かつ、前記第２方向に周期的に配置されていることを特徴とする、付記１７に記載の光学素子。
（付記１９）
前記回折部が、ホログラムである、付記１８に記載の光学素子。
（付記２０）
前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられた反射層をさらに有する、付記１乃至１９に記載の光学素子。
（付記２１）
前記反射層は、光を拡散反射する拡散反射層である、付記２０に記載の光学素子。
（付記２２）
前記第１プラズモン励起層と前記反射層との間に挿入された、入射した光の偏光状態を変える位相変換層をさらに有することを特徴とする、付記２０または２１に記載の光学素子。
（付記２３）
前記第２誘電体層から光が出射される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、付記１乃至２２に記載の光学素子。
（付記２４）
前記反射部は、光を拡散反射する拡散反射部であることを特徴とする、付記２３に記載の光学素子。
（付記２５）
前記第２プラズモン励起層は、前記第１プラズモン励起層に設けられていることを特徴とする、付記１乃至２４に記載の光学素子。
（付記２６）
前記第１プラズモン励起層および前記第２プラズモン励起層の間に設けられた、誘電体で形成された中間層をさらに有することを特徴とする、付記１乃至２４に記載の光学素子。
（付記２７）
付記１乃至２６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子に光を出射する光源と、を有する照明装置。
（付記２８）
前記光源は、複数ある、付記２７に記載の照明装置。
（付記２９）
付記２８に記載の照明装置と、前記照明装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
（付記３０）
付記１乃至２６のいずれか１項に記載の光学素子と、
　前記記光学素子における前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられ、光を前記第１誘電体層に出射する発光層と、を有する光源。
（付記３１）
付記３０に記載の光源を有する光源と、前記光源から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
（付記３２）
前記空間光変調器が液晶パネルであることを特徴とする付記２９または３１に記載の投射型画像表示装置。
（付記３３）
前記空間光変調器がデジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする付記２９または３１に記載の投射型画像表示装置。
　この出願は、２０１１年８月１０日に出願された日本出願特願２０１１－１７４７６８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、１Ａ～１Ｌ、５０、１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ、１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ、１２１Ｒ、１２１Ｇ、１２１Ｂ　　光源
　２、２Ａ～２Ｅ、１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ、１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ　　光学素子
　１０、１０Ａ～１０Ｅ　　　照明装置
　２１　　　導光層
　２２　　　λ／４層
　２３　　　拡散ミラー層２３
　２４、２４Ａ　　　第１プラズモン励起層
　２５、２５Ａ　　　第２プラズモン励起層
　２６　　　カバー層
　２７　　　回折部
　２７Ａ　　ホログラム層
　２８　　　中間層
　２９　　　反射部
　２９Ａ　　入射口
　３１、３１Ａ、４１、４１Ａ　　　金属部
　３２、３２Ａ、４２、４２Ａ　　　誘電体部
　５１　　　サブマウント層
　５２　　　発光層
　５２Ａ　　ｐ型層
　５２Ｂ　　活性層
　５２Ｃ　　ｎ型層
　１００、１００’、１１０、１２０　　プロジェクタ
　１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ、１０７、１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂ、１２７　　液晶パネル
　１０４、１１４　　　クロスダイクロイックプリズム
　１０５、１０８、１１５、１２８　　　投射光学系
　１０６、１２６　　　導光体
　２００、２１０　　　スクリーン

Claims (10)

  1. 　光を伝播する第１誘電体層と、
    　前記第１誘電体層の上に設けられた第１プラズモン励起層と、
    　前記第１プラズモン励起層の上に設けられた第２プラズモン励起層と、
    　前記第２プラズモン励起層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
    　前記第１プラズモン励起層は、前記第１誘電体層との界面内における第１方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１方向と直交する第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部を有し、
    　前記第２プラズモン励起層は、前記第１方向に延伸され、前記第１金属部および前記第１誘電体部と同じ周期で、かつ半周期ずれて前記第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部を有する、光学素子。
  2. 前記第２誘電体部は、前記第１誘電体層の誘電率と同じ誘電率を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１金属部および前記第２金属部が、Ａｇからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 前記第１の周期および前記第２の周期が、２１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の光学素子。
  5. 前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられた反射層をさらに有する、請求項１乃至４に記載の光学素子。
  6. 前記第１プラズモン励起層と前記反射層との間に挿入された、入射した光の偏光状態を変える位相変換層をさらに有することを特徴とする、請求項５に記載の光学素子。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記光学素子に光を出射する光源と、を有する照明装置。
  8. 請求項７に記載の照明装置と、前記照明装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
  9. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記記光学素子における前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられ、光を前記第１誘電体層に出射する発光層と、を有する光源。
  10. 請求項９に記載の光源と、
    　前記光源から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
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