WO2013103037A1 - 光学装置、光学素子および画像表示装置 - Google Patents

光学装置、光学素子および画像表示装置 Download PDF

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light
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optical device
plasmon
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昌尚 棗田
雅雄 今井
慎 冨永
鈴木　尚文
瑞穂 冨山
友嗣 大野
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日本電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device, an optical element, and an image display device.
  • an image display device such as a projector
  • a light emitting element a light guide that receives light (excitation light) from the light emitting element, and light provided from the light guide.
  • An optical device has been developed that includes a plasmon excitation layer to be excited, and an emission layer that is laminated on the plasmon excitation layer and that converts light incident from the plasmon excitation layer into light having a predetermined emission angle and emits the light. (Patent Document 1).
  • Such an optical device emits light on the following principle. That is, first, carriers are generated in the carrier generation layer by absorbing the excitation light irradiated from the light emitting element into the carrier generation layer. These carriers combine with free electrons in the plasmon excitation layer to excite surface plasmons. Then, the excited surface plasmon is emitted as light.
  • An object of the present invention is to provide an optical device, an optical element, and an image display device capable of improving the absorption efficiency of excitation light.
  • the optical device of the present invention comprises: A light emitting element; A carrier generation layer in which light from the light emitting element is incident and carriers are generated; A plasmon excitation layer that is laminated on the carrier generation layer and has a plasma frequency higher than a frequency of light generated when the carrier generation layer is excited by light of the light emitting element; The light generated on the surface of the plasmon excitation layer or the surface plasmon is converted into light having a predetermined emission angle and is emitted, Furthermore, a polarization conversion layer is provided below the carrier generation layer.
  • the optical element of the present invention is A carrier generation layer in which light from the light emitting element is incident and carriers are generated; A plasmon excitation layer that is laminated on the carrier generation layer and has a plasma frequency higher than the frequency of light generated when the carrier generation layer is excited with the light, and that excites plasmons; The light generated on the surface of the plasmon excitation layer or the surface plasmon is converted into light having a predetermined emission angle and is emitted, Furthermore, a polarization conversion layer is provided below the carrier generation layer.
  • the image display device of the present invention is The optical device of the present invention, or the optical element of the present invention, An image display unit capable of displaying an image.
  • an optical device an optical element, and an image display device capable of improving the absorption efficiency of excitation light.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an example (Embodiment 1) of an optical device of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the incident angle and polarization dependence of the absorption rate of excitation light in the carrier generation layer.
  • FIG. 3 is a diagram showing the dependency of the excitation light absorption rate on the thickness of the carrier generation layer.
  • FIG. 4 is a diagram showing an emission spectrum from the optical device when the thickness of the carrier generation layer is 50 nm.
  • FIG. 5 is a diagram showing an emission spectrum from the optical device when the thickness of the carrier generation layer is 100 nm.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the excitation light incident angle dependence of the emission spectrum from the optical device.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an example (Embodiment 1) of an optical device of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the incident angle and polarization dependence of the absorption rate of excitation light in the carrier generation layer.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing the configuration of another example (Embodiment 2) of the optical apparatus of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of still another example (Embodiment 3) of the optical apparatus of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of an example (Embodiment 6) of the image display device (LED projector) of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the emission wavelength of the optical device used in the LED projector of Embodiment 6 and the excitation wavelength and emission wavelength of the phosphor.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing the configuration of still another example (Embodiment 4) of the optical apparatus of the present invention.
  • the optical device of the present embodiment is an example of an optical device in which the polarization conversion layer is a quarter wavelength plate.
  • the configuration of the optical device of the present embodiment is shown in the perspective view of FIG.
  • the optical device 1 of this embodiment includes a light source unit 2 and a light control unit 3 as main components.
  • the light source unit 2 includes a light emitting element 101 and a quarter wavelength plate 102, and the quarter wavelength plate 102 is stacked on the light emitting element 101.
  • the light control unit 3 includes a carrier generation layer 103, a dielectric layer 104 stacked on the carrier generation layer 103, a plasmon excitation layer 105 stacked on the dielectric layer 104, and a stack on the plasmon excitation layer 105.
  • the wave vector conversion layer 107 functions as the “outgoing layer” in the present invention.
  • the light control unit 3 is stacked on the light source unit 2 such that the surface of the light control unit 3 on the carrier generation layer 103 side and the surface of the light source unit 2 on the quarter wavelength plate 102 side face each other.
  • the effective dielectric constant of the excitation light incident side portion (hereinafter also referred to as “incident side portion”) has an effective light output side portion (hereinafter also referred to as “output side portion”). It is comprised so that it may become lower than a dielectric constant.
  • the incident side portion includes the entire structure laminated on the light emitting element 101 side of the plasmon excitation layer 105 and an ambient atmosphere medium (hereinafter sometimes referred to as “medium”) in contact with the light emitting element 101.
  • the entire structure includes the dielectric layer 104, the carrier generation layer 103, the quarter wavelength plate 102, and the light emitting element 101.
  • the emission side portion includes the entire structure laminated on the wave vector conversion layer 107 side of the plasmon excitation layer 105 and a medium in contact with the wave vector conversion layer 107.
  • the entire structure includes a dielectric layer 106 and a wave vector conversion layer 107.
  • the dielectric layer 104 and the dielectric layer 106 are excluded, when the effective dielectric constant of the incident side portion is lower than the effective dielectric constant of the emission side portion, the dielectric layer 104 and the dielectric Layer 106 is not necessarily an essential component.
  • the effective dielectric constant ( ⁇ eff ) is an x-axis, y-axis direction parallel to the interface of the plasmon excitation layer 105, and a direction perpendicular to the interface of the plasmon excitation layer 105 (the surface of the plasmon excitation layer 105 has irregularities).
  • the z axis is the direction perpendicular to the average plane), and when the carrier generation layer 103 alone is excited with excitation light, the angular frequency of light emitted from the carrier generation layer 103 is ⁇ , and plasmon excitation
  • the dielectric constant distribution of the dielectric in the incident side portion or the emission side portion with respect to the layer 105 is ⁇ ( ⁇ , x, y, z), the z component of the wave number of the surface plasmon is k spp, z , the imaginary unit is j, Re If [] is a symbol indicating the real part of the numerical value in [], it is represented by the following formula (1).
  • the effective dielectric constant ⁇ eff may be calculated using an expression represented by the following expression (7). However, it is particularly desirable to use the formula (1).
  • the integration range D is a range of three-dimensional coordinates of the incident side portion or the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 105.
  • the ranges in the x-axis and y-axis directions in the integration range D are ranges that do not include the medium up to the outer peripheral surface of the entire structure of the incident side portion or the outer peripheral surface of the entire structure of the output side portion, This is the range up to the outer edge in the plane parallel to the surface of the plasmon excitation layer 105 on the wave vector conversion layer 107 side.
  • the range in the z-axis direction in the integration range D is the range of the incident side portion or the emission side portion.
  • the effective dielectric can be calculated from the above equations (1) and (7).
  • a rate is required.
  • ⁇ ( ⁇ , x, y, z) is a vector, and is different for each radial direction perpendicular to the z axis.
  • Has a value That is, for each radial direction perpendicular to the z-axis, there is an effective dielectric constant of the incident side portion and the emission side portion.
  • ⁇ ( ⁇ , x, y, z) is a dielectric constant with respect to the direction parallel to the radial direction perpendicular to the z axis. Therefore, all phenomena related to effective permittivity such as k spp, z , k spp , and d eff described later have different values for each radial direction perpendicular to the z axis.
  • the z component k spp, z of the wave number of the surface plasmon and the x and y components k spp of the wave number of the surface plasmon are ⁇ metal as the real part of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 105, and the wave number of light in vacuum if a and k 0, represented by the following formula (2) and (3).
  • the distance from the surface of the plasmon excitation layer 105 on the carrier generation layer 103 side to the surface of the carrier generation layer 103 on the plasmon excitation layer 105 side is set to be shorter than the effective interaction distance d eff of the surface plasmon.
  • the effective interaction distance of the surface plasmon is a distance at which the intensity of the surface plasmon is e ⁇ 2 .
  • ⁇ ( ⁇ , x, y, z) is used as the incident side portion of the plasmon excitation layer 105.
  • the effective dielectric constant ⁇ effin of the incident side portion and the effective dielectric constant ⁇ effout of the emission side portion with respect to the plasmon excitation layer 105 are respectively obtained by calculation .
  • the z component k spp, z of the wave number of the surface plasmon represented by the above equation (2) is a real number. This corresponds to the absence of surface plasmons at the interface. Therefore, the dielectric constant of the layer in contact with the plasmon excitation layer 105 corresponds to the effective dielectric constant in this case.
  • the effective dielectric constant in the later-described embodiments is also defined in the same manner as the formula (1) or the formula (7).
  • the quarter wavelength plate 102 is disposed between the light emitting element 101 and the carrier generation layer 103.
  • the optical device 1 may be referred to as an absorption efficiency of excitation light, that is, a waveguide composed of the carrier generation layer 103, the dielectric layer 104, and the plasmon excitation layer 105 (hereinafter referred to as “waveguide”). .))
  • the coupling efficiency has been improved. The fact that the optical device 1 has such an effect will be described in detail below.
  • the present inventors In order to improve the luminous efficiency of the optical device, it is important to improve the absorption rate of excitation light from the light emitting element. As a result of intensive studies from the viewpoint of improving the absorption efficiency of the excitation light, the present inventors have found that the absorption efficiency of the excitation light in the carrier generation layer remarkably depends on the polarization characteristics of the excitation light. Furthermore, the present inventors have found that the absorption efficiency also depends on the incident angle of the excitation light. These findings have been found for the first time by the present inventors. The polarization dependency and incident angle dependency of the absorption efficiency will be further described based on the optical device 1 of the present embodiment.
  • FIG. 2 shows the incident angle and polarization dependency of the absorption rate of the excitation light in the carrier generation layer 103.
  • the optical device 1 is set under the following conditions.
  • the light reflected by the plasmon excitation layer 105 is not reused.
  • the “incident angle” is the incident surface of the light beam and the carrier generation layer 103 when the light (light beam) emitted from the light emitting element 101 enters the carrier generation layer 103 (light control unit 3).
  • the “incident angle” is represented by the same concept as described above.
  • Light emitting element 101 laser diode (emission wavelength: 460 nm)
  • Carrier generation layer 103 forming material: phosphor (refractive index: 1.7 + 0.03j), thickness: 50 nm
  • Dielectric layer 104 forming material: SiO 2 , thickness: 10 nm
  • Plasmon excitation layer 105 forming material: Ag, thickness: 50 nm
  • Dielectric layer 106 Forming material: TiO 2 , thickness: 0.5 mm
  • Wave vector conversion layer 107 hemispherical lens, diameter: 10 mm
  • the absorptance increases remarkably when the polarization of the excitation light is s-polarized light, and the polarization of the excitation light is p-polarized light.
  • the absorption rate is significantly reduced.
  • the absorption efficiency depends on the polarization and incident angle of the excitation light.
  • FIG. 3 shows the relationship between the absorption rate of the excitation light and the thickness of the carrier generation layer 103.
  • the conditions are the same as those in the example shown in FIG. 2, except that the thickness of the carrier generation layer 103 is 50 nm or 100 nm and the incident angle of the excitation light is 70 degrees.
  • the horizontal axis indicates the ratio of the s-polarized component in the excitation light, 100% indicates that the excitation light is only s-polarized light, and 0% indicates that the excitation light is only p-polarized light. Show. As shown in FIG.
  • the absorption rate of the excitation light is improved.
  • the thickness of the carrier generation layer 103 is 100 nm, the absorption rate of the excitation light is improved as the s-polarized component is reduced in the excitation light, that is, as the p-polarized component is increased.
  • the maximum absorptance is obtained for s-polarized light or p-polarized light.
  • the absorptance does not become the maximum value for polarized light between s-polarized light and p-polarized light, that is, intermediate polarized light.
  • FIG. 4 shows an emission spectrum from the optical device 1 when the thickness of the carrier generation layer 103 in the example shown in FIG. 3 is 50 nm.
  • “0%”, “33%”, “66%”, and “100%” in FIG. 4 indicate the proportion of the s-polarized component in the excitation light.
  • the vertical axis is normalized assuming that the emission spectrum when the excitation light is p-polarized light (“0%” in FIG. 4) is 1.
  • the light emission power was maximum when the excitation light was s-polarized light (100%), and was 8 times that when the excitation light was p-polarized light (0%). From the comparison with FIG. 3, it can be seen that there is a correlation (for example, a proportional relationship) between the excitation light amount absorbed by the carrier generation layer 103 and the light emission power.
  • FIG. 5 shows an emission spectrum from the optical device 1 when the thickness of the carrier generation layer 103 in the example shown in FIG. 3 is 100 nm.
  • “0%”, “33%”, “66%”, and “100%” in FIG. 5 indicate the proportion of the s-polarized component in the excitation light.
  • the vertical axis is normalized assuming that the emission spectrum when the excitation light is s-polarized light (“100%” in FIG. 5) is 1.
  • the emission power was maximum when the excitation light was p-polarized light (0%), and was four times that when the excitation light was s-polarized light (100%). From the comparison with FIG. 3, there is a correlation (for example, a proportional relationship) between the excitation light amount absorbed by the carrier generation layer 103 and the light emission power, as in the case where the thickness of the carrier generation layer 103 is 50 nm. I understand.
  • the absorption efficiency of the excitation light in the carrier generation layer depends on the polarization of the excitation light, and becomes maximum in either s-polarized light or p-polarized light depending on the thickness of the carrier generation layer. Therefore, it has been found that if only s-polarized light or p-polarized light is incident on the carrier generation layer according to the thickness of the carrier generation layer, the absorption efficiency of the excitation light can be improved.
  • the present inventors have arranged that the polarization conversion layer is disposed at the predetermined position so that polarized light (s-polarized light or p-polarized light) is absorbed in the carrier generation layer as will be described later. And the present invention has been completed. According to the present invention, by improving the absorption efficiency of excitation light, for example, an optical device having high luminous efficiency and high light output rating can be realized.
  • FIG. 6 shows the relationship between the emission spectrum from the optical device 1 shown in the example of FIG. 2 and the incident angle of the excitation light.
  • “0 °”, “10 °”, “20 °”, “30 °”, “40 °”, “50 °”, “60 °”, “70 °”, and “80 °” indicate incident angles of the excitation light.
  • the vertical axis is normalized assuming that the emission spectrum when the incident angle of the excitation light is 0 degree is 1.
  • the emission power was improved as the incident angle of the excitation light to the carrier generation layer 103 was increased. From the comparison with FIG. 2, it can be seen that there is a correlation (for example, a proportional relationship) between the excitation light amount absorbed by the carrier generation layer 103 and the light emission power.
  • the incident angle of light incident on the carrier generation layer 103 is relatively large, the polarization dependency of the excitation light absorptance increases.
  • the excitation light absorptance in the carrier generation layer 103 can be improved as compared with the case where the incident angle is small.
  • excitation light light emitted from the light emitting element 101 enters the light control unit 3 and is transmitted from the wave vector conversion layer 107 of the light control unit 3. An operation of emitting light will be described.
  • the excitation light emitted from the light emitting element 101 passes through the quarter wavelength plate 102 and enters the light control unit 3.
  • the excitation light is coupled to the waveguide and confined therein.
  • the carrier generation layer 103 is excited by the trapped excitation light, and carriers are generated in the carrier generation layer 103.
  • This carrier couples with free electrons in the plasmon excitation layer 105 across the dielectric layer 104 and excites surface plasmons at the interface between the dielectric layer 104 and the plasmon excitation layer 105.
  • the excited surface plasmon is emitted as light from the interface between the plasmon excitation layer 105 and the dielectric layer 106 (hereinafter sometimes referred to as “emitted light”).
  • the light emission occurs when the effective permittivity of the incident side portion is lower than the effective permittivity of the exit side portion.
  • the wavelength of the emitted light is equal to the wavelength of the light generated when the carrier generation layer 103 is excited alone.
  • the emission angle ⁇ out of the emitted light is expressed by the following formula (5), where n out is the refractive index of the dielectric layer 106.
  • the wave number of the excited surface plasmon exists only in the vicinity that is uniquely set by the equation (2).
  • the emitted light is only converted from the wave number vector of the surface plasmon. Therefore, the emission angle of the emitted light is uniquely determined, and its polarization state is always p-polarized light. That is, the emitted light is p-polarized light having very high directivity.
  • the emitted light enters the wave vector conversion layer 107, is diffracted or refracted by the wave vector conversion layer 107, and is extracted outside the optical device 1.
  • the absorption efficiency of the excitation light in the carrier generation layer depends on the polarization of the excitation light. Therefore, of the excitation light incident on the carrier generation layer 103, polarized light (s-polarized light or p-polarized light) that has not been absorbed by the carrier generation layer 103 is transmitted through the carrier generation layer 103. The polarized light is reflected by the plasmon excitation layer 105. The reflected light passes through the dielectric layer 104, the carrier generation layer 103 and the quarter wavelength plate 102 and is reflected by the light emitting element 101. The reflected light passes through the quarter-wave plate 102 and enters the carrier generation layer 103 again.
  • polarized light s-polarized light or p-polarized light
  • the optical device 1 can improve the absorption efficiency of the excitation light.
  • the above-described operation is repeated until all of the excitation light is absorbed by the carrier generation layer 103 or is extracted from the light source unit 2 without passing through the light control unit 3.
  • the light emitting element 101 emits light having a wavelength that can be absorbed by the carrier generation layer 103 (excitation light).
  • excitation light a wavelength that can be absorbed by the carrier generation layer 103
  • a light emitting diode (LED), a laser diode, a super luminescent diode, etc. are mentioned, for example.
  • the absorption efficiency of the excitation light increases as the incident angle of the excitation light to the carrier generation layer 103 increases. Therefore, the incident angle is preferably 40 degrees or more, more preferably 60 degrees or more, and further preferably 70 degrees or more.
  • a conventionally known one can be used, for example, one using a birefringent material such as quartz or polymer, one using structural birefringence by a structure finer than the wavelength of the excitation light. Etc.
  • the carrier generation layer 103 is a layer that absorbs the excitation light to generate carriers.
  • the carrier generation layer 103 includes, for example, a light emitter.
  • the light emitter is, for example, a phosphor or a phosphor.
  • the phosphor include organic phosphors, inorganic phosphors, quantum dot phosphors, and semiconductor phosphors.
  • the organic phosphor include rhodamine (Rhodamine 6G) and sulforhodamine (Sulforhodamine 101).
  • the inorganic phosphor include Y 2 O 2 S: Eu, BaMgAl x O y : Eu, and BaMgAl x O y : Mn.
  • Examples of the quantum dot phosphor include quantum dots such as CdSe and CdSe / ZnS.
  • Examples of the semiconductor phosphor include an inorganic material semiconductor or an organic material semiconductor phosphor.
  • Examples of the inorganic material semiconductor include GaN and GaAs.
  • Examples of the organic material semiconductor include (thiophene / phenylene) co-oligomer, Alq3 (tris (8-quinolinolato) aluminum), and the like.
  • the carrier generation layer 103 may be composed of, for example, a plurality of materials that generate light of a plurality of wavelengths having the same or different emission wavelengths.
  • the thickness of the carrier generation layer 103 is not particularly limited, and is preferably 1 ⁇ m or less, particularly preferably 100 nm or less, for example.
  • the carrier generation layer 103 may include, for example, metal particles.
  • the metal particles excite surface plasmons on the surface of the metal particles by interaction with the excitation light, and induce an enhanced electric field in the vicinity of the surface near 100 times the electric field intensity of the excitation light. With this enhanced electric field, the number of carriers generated in the carrier generation layer 103 can be increased. For example, the use efficiency of the excitation light in the light control unit 3 can be improved.
  • the metal constituting the metal particles is, for example, gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, aluminum Or alloys thereof.
  • the metal is preferably gold, silver, copper, platinum, aluminum, or an alloy containing these as the main component, and gold, silver, aluminum, or an alloy containing these as the main component is particularly preferable.
  • the metal particles include, for example, a core-shell structure in which metal species are different in the peripheral part and the central part; a hemispherical union structure in which two metal hemispheres are combined; a cluster-in-cluster structure in which different clusters are aggregated to form particles Or the like.
  • the resonance wavelength can be controlled without changing the size, shape, etc. of the metal particles.
  • the shape of the metal particles may be a shape having a closed surface, and examples thereof include a rectangular parallelepiped, a cube, an ellipsoid, a sphere, a triangular pyramid, and a triangular prism.
  • the metal particles include those obtained by processing a metal thin film into a structure including a closed surface having a side of less than 10 ⁇ m by fine processing typified by semiconductor lithography technology.
  • the size of the metal particles is, for example, in the range of 1 to 100 nm, preferably in the range of 5 to 70 nm, and more preferably in the range of 10 to 50 nm.
  • the plasmon excitation layer 105 is formed to have a plasma frequency higher than the frequency of light generated in the carrier generation layer 103 when the carrier generation layer 103 alone is excited with excitation light (hereinafter sometimes referred to as “emission frequency”).
  • optical A part of the dielectric layer having anisotropy may be disposed.
  • This dielectric layer has optical anisotropy having a different dielectric constant depending on, for example, a direction perpendicular to the stacking direction of the components of the light control unit 3, in other words, a direction parallel to the interface of each layer. . That is, the dielectric layer has a dielectric constant relationship between a certain direction and a direction perpendicular thereto in a plane perpendicular to the stacking direction of the components of the light control unit 3. Due to this dielectric layer, the effective dielectric constant of the incident side portion differs between a certain direction and a direction perpendicular thereto in a plane perpendicular to the stacking direction of the components of the optical device 1.
  • the effective permittivity of the incident side portion is set so high that plasmon coupling does not occur in a certain direction and low enough that plasmon coupling occurs in a direction orthogonal thereto, for example, light incident on the wave vector conversion layer 107
  • the incident angle and polarization can be further limited. For this reason, for example, the light extraction efficiency by the wave vector conversion layer 107 can be further improved.
  • the above-described effective dielectric constant that is high enough not to generate plasmon coupling is a dielectric constant such that the sum of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 105 and the effective dielectric constant of the incident side portion is positive.
  • the effective dielectric constant that is low enough to cause coupling is a dielectric constant such that the sum of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 105 and the effective dielectric constant of the incident side portion is negative or zero.
  • the efficiency with which carriers generated in the carrier generation layer 103 are coupled to the surface plasmon is a condition in which the effective dielectric constant of the incident side portion and the sum of the dielectric constants of the plasmon excitation layer 105 are zero. Therefore, the condition that the sum of the dielectric constant of the plasmon excitation layer 105 and the minimum value of the effective dielectric constant of the incident side portion is 0 is most preferable from the viewpoint of increasing the directivity with respect to the azimuth.
  • Examples of the constituent material of the dielectric layer having optical anisotropy include anisotropic crystals such as TiO 2 , YVO 4 , and Ta 2 O 5 .
  • Examples of the structure of the dielectric layer include a dielectric obliquely deposited film and an obliquely sputtered film.
  • the constituent material of the plasmon excitation layer 105 is, for example, gold, silver, copper, platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, aluminum. Or alloys thereof.
  • the constituent material is preferably gold, silver, copper, platinum, aluminum, and a mixture with a dielectric containing these as a main component, and gold, silver, aluminum, and a dielectric containing these as a main component. A mixture with is particularly preferred.
  • the thickness of the plasmon excitation layer 105 is not particularly limited, is preferably 200 nm or less, and particularly preferably about 10 to 100 nm.
  • the surface of the plasmon excitation layer 105 on the carrier generation layer 103 side may be roughened, for example.
  • the rough surface causes, for example, scattering of the excitation light and excitation of localized plasmons at the sharpened portion of the rough surface, and increases carriers excited in the carrier generation layer 103. As a result, for example, the utilization efficiency of the excitation light in the light control unit 3 can be improved.
  • the dielectric layer 104 is a layer containing a dielectric, specifically, for example, an SiO 2 nanorod array film; SiO 2 , AlF 3 , MgF 2 , Na 3 AlF 6 , NaF, LiF, CaF 2 , BaF 2. And a thin film such as a low dielectric constant plastic or a porous film.
  • the thickness of the dielectric layer 104 is not particularly limited and is, for example, in the range of 1 to 100 nm, preferably in the range of 5 to 50 nm, and more preferably in the range of 5 to 20 nm.
  • the constituent material of the dielectric layer 106 is, for example, diamond, TiO 2 , CeO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , Sb 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , NdO 3 , Y 2 O 3 , ZnO, Examples thereof include high dielectric constant materials such as Nb 2 O 5 .
  • the thickness of the dielectric layer 106 is not particularly limited.
  • the wave vector conversion layer 107 is an emission unit that emits light emitted from the interface between the plasmon excitation layer 105 and the dielectric layer 106 from the optical device 1 by converting the wave vector thereof.
  • the wave vector conversion layer 107 has a function of emitting the emitted light from the optical device 1 in a direction substantially orthogonal to the interface between the plasmon excitation layer 105 and the dielectric layer 106.
  • the shape of the wave vector conversion layer 107 is, for example, a surface relief grating; a periodic structure represented by a photonic crystal, or a quasi-periodic structure; a texture structure whose size is larger than the wavelength of light emitted from the optical device 1 (for example, a rough structure) Surface structure constituted by surfaces); hologram; microlens array and the like.
  • the quasi-periodic structure indicates, for example, an incomplete periodic structure in which a part of the periodic structure is missing.
  • the shape is preferably a periodic structure typified by a photonic crystal or a quasi-periodic structure; a microlens array or the like.
  • the photonic crystal preferably has a triangular lattice structure.
  • the wave vector conversion layer 107 may have a structure in which a convex portion is provided on a flat base, for example.
  • the distance from the surface of the plasmon excitation layer 105 on the carrier generation layer 103 side to the surface of the carrier generation layer 103 on the plasmon excitation layer 105 side is set shorter than the effective interaction distance d eff of the surface plasmon.
  • d eff the effective interaction distance
  • the region where the coupling efficiency is high is, for example, from the position where carriers are generated in the carrier generation layer 103 (for example, the position where the phosphor is present in the carrier generation layer 103) to the surface of the plasmon excitation layer 105 side of the carrier generation layer 103 It is an area up to.
  • the region is very narrow, for example, about 200 nm, and is, for example, in the range of 1 to 200 nm or in the range of 10 to 100 nm.
  • the carrier generation layer 103 is preferably disposed in the range of 1 to 200 nm from the plasmon excitation layer 105.
  • the carrier generation layer 103 is preferably disposed within the range of 10 to 100 nm from the plasmon excitation layer 105.
  • the thickness of the dielectric layer 104 is 10 nm, and the thickness of the carrier generation layer 103 is 90 nm.
  • the carrier generation layer 103 is preferably as thin as possible.
  • the carrier generation layer 103 is preferably as thick as possible. Therefore, the thickness of the carrier generation layer 103 is determined based on, for example, required light extraction efficiency and light output rating.
  • the range of the region changes depending on the dielectric constant of the dielectric layer disposed between the carrier generation layer and the plasmon excitation layer. What is necessary is just to set the thickness of a layer, the thickness of the said carrier production
  • the quarter-wave plate is disposed between the light emitting element and the carrier generation layer, but the present invention is not limited to this example.
  • the quarter-wave plate may be disposed below the carrier generation layer (that is, on the light emitting element side of the carrier generation layer) because the excitation light is multiply reflected. As a result, the excitation light passes through the quarter-wave plate twice or more, so that the above-described effect can be obtained.
  • the arrangement position of the 1 ⁇ 4 wavelength plate may be, for example, the opposite side of the light emitting element from the carrier generation layer side, or, for example, the 1 ⁇ 4 wavelength plate may be included in the light emitting element.
  • the quarter wave plate is used as the polarization conversion layer, the present invention is not limited to this example.
  • the polarization conversion layer only needs to convert the polarization of the excitation light into s-polarized light and p-polarized light into s-polarized light. For example, by using two 1/8 wavelength plates, The same effect as the quarter wavelength plate can be obtained.
  • the plasmon excitation layer is sandwiched between the two dielectric layers.
  • the dielectric layer is not essential in the present invention.
  • the plasmon excitation layer is formed on the carrier generation layer.
  • the plasmon excitation layer may be disposed.
  • the dielectric layer may be laminated only on one surface of the plasmon excitation layer.
  • the said light source part and the said light control part are contact
  • the light source unit may include a plurality of the light emitting elements, for example.
  • the excitation light is incident on the quarter-wave plate from the light emitting element, but the present invention is not limited to this example.
  • the excitation light may be incident on the quarter-wave plate via a light guide.
  • the shape of the light guide include a rectangular parallelepiped or a wedge; those having a light output portion or a structure for extracting light inside the light guide, and the like.
  • the light extraction structure preferably has a function of converting the incident angle of the excitation light to the carrier generation layer into an angle at which the absorption rate of the excitation light is increased.
  • the surface excluding the light emitting portion of the light guide is preferably subjected to a treatment that does not emit the excitation light from the surface using, for example, a reflective material or a dielectric multilayer film.
  • the optical device of the present embodiment is an example of an optical device in which the polarization conversion layer is a quarter wavelength plate.
  • the configuration of the optical device according to the present embodiment is shown in the perspective view of FIG.
  • the optical device of the present embodiment has the same configuration as the optical device of the first embodiment except that the light control unit does not include a dielectric layer.
  • the optical device 11 of the present embodiment includes a light source unit 2 and a light control unit 13 as main components.
  • the light source unit 2 includes a light emitting element 101 and a quarter wavelength plate 102, and the quarter wavelength plate 102 is stacked on the light emitting element 101.
  • the light control unit 13 includes a carrier generation layer 103, a plasmon excitation layer 105 stacked on the carrier generation layer 103, and a wave vector conversion layer (emission layer) 207 stacked on the plasmon excitation layer 105.
  • the light control unit 13 is stacked on the light source unit 2 such that the surface of the light control unit 13 on the carrier generation layer 103 side and the surface of the light source unit 2 on the quarter wavelength plate 102 side face each other.
  • the optical device 11 is configured such that the effective dielectric constant of the incident side portion is higher than or equal to the effective dielectric constant of the output side portion.
  • the incident side portion includes the entire structure laminated on the light emitting element 101 side of the plasmon excitation layer 105 and a medium in contact with the light emitting element 101.
  • the entire structure includes the carrier generation layer 103, the quarter-wave plate 102, and the light emitting element 101.
  • the emission side portion includes the entire structure laminated on the wave vector conversion layer 207 side of the plasmon excitation layer 105 and a medium in contact with the wave vector conversion layer 207.
  • the entire structure includes a wave vector conversion layer 207.
  • the excitation light emitted from the light emitting element 101 passes through the quarter wavelength plate 102 and enters the carrier generation layer 103 of the light control unit 13.
  • the excitation light is coupled to the waveguide and confined therein. Due to the trapped excitation light, part of the excitation light incident on the carrier generation layer 103 is absorbed by the carrier generation layer 103 and carriers are generated in the carrier generation layer 103.
  • This carrier is combined with free electrons in the plasmon excitation layer 105 to excite surface plasmons at the interface between the carrier generation layer 103 and the plasmon excitation layer 105 and at the interface between the plasmon excitation layer 105 and the wave vector conversion layer 207.
  • the surface plasmon excited at the interface between the carrier generation layer 103 and the plasmon excitation layer 105 is transmitted through the plasmon excitation layer 105 and propagates to the interface between the plasmon excitation layer 105 and the wave vector conversion layer 207.
  • the optical device 11 is configured such that the effective dielectric constant of the incident side portion is higher than or equal to the effective dielectric constant of the emission side portion, and the plasmon excitation layer of the wave vector conversion layer 207 is formed.
  • the distance from the surface of the wave vector conversion layer 207 of the plasmon excitation layer 105 is disposed within the range of the effective interaction distance of the surface plasmon at the end portion on the 105 side.
  • the wave vector conversion layer 207 when the wave vector conversion layer 207 is a flat dielectric layer, it is not converted into light at the interface.
  • the surface plasmon at the interface is emitted (radiated) as light to the outside of the optical device 11 because the wave vector conversion layer 207 has a function of taking out the surface plasmon as light, for example, a diffraction action.
  • the wavelength of the emitted light is equal to the wavelength of the light generated when the carrier generation layer 103 is excited alone.
  • the emission angle ⁇ rad of the emitted light is a refractive index on the light extraction side of the wave vector conversion layer 207 (that is, a medium in contact with the wave vector conversion layer 207), where ⁇ is the pitch of the periodic structure of the wave vector conversion layer 207. Is represented by the following formula (6).
  • the wave number of the surface plasmon excited at the interface between the carrier generation layer 103 and the plasmon excitation layer 105 exists only in the vicinity that is uniquely set by the equation (2). The same applies to the wave number of the surface plasmon excited at the interface between the plasmon excitation layer 105 and the wave vector conversion layer 207. Therefore, the emission angle of the emitted light is uniquely determined, and its polarization state is always p-polarized light. That is, the emitted light is p-polarized light having very high directivity.
  • polarized light (s-polarized light or p-polarized light) that has not been absorbed by the carrier generation layer 103 is transmitted through the carrier generation layer 103.
  • the polarized light is reflected by the plasmon excitation layer 105.
  • the reflected light passes through the carrier generation layer 103 and the quarter-wave plate 102 and is reflected by the light emitting element 101.
  • the reflected light passes through the quarter-wave plate 102 and enters the carrier generation layer 103 again.
  • the quarter-wave plate 102 twice its polarization is orthogonal to that when it enters the carrier generation layer 103 before being reflected by the plasmon excitation layer 105. .
  • the optical device 11 can improve the absorption efficiency of the excitation light. In the optical device 11, for example, the above-described operation is repeated until all of the excitation light is absorbed by the carrier generation layer 103 or extracted outside from the light source unit 2 without passing through the light control unit 13.
  • the wave vector conversion layer 207 extracts surface plasmons excited at the interface between the plasmon excitation layer 105 and the wave vector conversion layer 207 as light from the interface by converting the wave vector, and radiates it from the optical device 11. It is an emission part. That is, the wave vector conversion layer 207 converts the surface plasmon into light having a predetermined radiation angle, and emits the light from the optical device 11. Furthermore, the wave vector conversion layer 207 has a function of radiating emitted light from the optical device 11 so as to be substantially orthogonal to the interface between the plasmon excitation layer 105 and the wave vector conversion layer 207, for example. As the wave vector conversion layer 207, for example, the same one as the wave vector conversion layer 107 of the first embodiment can be used.
  • the carrier generation layer is disposed in contact with the plasmon excitation layer, but the present invention is not limited to this example.
  • a dielectric layer having a thickness smaller than the effective interaction distance d eff of the surface plasmon represented by the formula (4) may be disposed between the carrier generation layer and the plasmon excitation layer.
  • the wave vector conversion layer is disposed in contact with the plasmon excitation layer.
  • the present invention is not limited to this example.
  • the wave vector conversion layer is interposed between the wave vector conversion layer and the plasmon excitation layer.
  • a dielectric layer having a thickness smaller than the effective interaction distance d eff of the surface plasmon represented by the formula (4) may be disposed.
  • the optical device of this embodiment is an example of an optical device in which the polarization conversion layer is a quarter-wave plate and includes a light guide.
  • the configuration of the optical device according to the present embodiment is shown in the perspective view of FIG. In FIG. 8, in order to show all the components, a portion that is obstructed by the quarter-wave plate 102 and the conductor light 308 is indicated by a broken line.
  • the optical device 21 of the present embodiment includes a light source unit 22 and a light control unit 23 as main components.
  • the light source unit 22 includes a light emitting element 301, a quarter wavelength plate 102, and a light guide 308.
  • the quarter wave plate 102 is stacked on the light guide 308.
  • the light emitting element 301 is disposed around the side of the light guide 308.
  • the light control unit 23 includes a carrier generation unit 303, a plasmon excitation layer 305, and a dielectric layer 306.
  • the dielectric layer 306 is stacked on the plasmon excitation layer 305.
  • the carrier generation unit 303 is periodically embedded in the dielectric layer 306, penetrates the dielectric layer 306, and one end thereof is in contact with the plasmon excitation layer 305.
  • the carrier generation unit 303 has a function as the “emission layer” in the present invention.
  • the light control unit 23 is stacked on the light source unit 22 so that the surface of the light control unit 23 on the dielectric layer 306 side and the surface of the light source unit 22 on the light guide 308 side face each other.
  • the distance from the surface of the plasmon excitation layer 305 on the carrier generation unit 303 side to the surface of the carrier generation unit 303 on the plasmon excitation layer 305 side is the effective interaction of the surface plasmon represented by the above formula (4). It is set shorter than the distance d eff .
  • excitation light from the light emitting element 301 enters the light control unit 23, and from a surface opposite to the surface on the carrier generation unit 303 side of the light guide 308 (light emission surface 309). An operation of emitting light will be described.
  • the excitation light emitted from the light emitting element 301 enters the light guide 308 and is guided while being subjected to multiple reflections from the quarter wavelength plate 102 to the plasmon excitation layer 305.
  • a part of the excitation light that has entered the carrier generation unit 303 is absorbed by the carrier generation unit 303, and carriers are generated in the carrier generation unit 303.
  • the absorption rate of the excitation light in the carrier generation unit 303 has a significant dependency on the polarization state and the incident angle of the excitation light, as in the first embodiment. It selectively absorbs polarized excitation light.
  • the polarization component hardly absorbed in the carrier generation unit 303 passes through the quarter-wave plate 102 twice, and is converted into a polarization state having a high absorption rate by the carrier generation unit 303.
  • Some of the carriers are combined with free electrons in the plasmon excitation layer 305 to excite surface plasmons at the interface between the dielectric layer 306 and the plasmon excitation layer 305.
  • the excited surface plasmon is diffracted by the periodic structure formed by the carrier generation unit 303 and the dielectric layer 306, passes through the light exit surface 309, and is emitted as light to the outside of the optical device 21.
  • the wavelength of the emitted light is equal to the wavelength of the light generated when the carrier generation unit 303 is excited alone.
  • the emission angle ⁇ rad of the emitted light is expressed by the above formula (6).
  • the light guide body 308 side portion of the plasmon excitation layer 305 also serves as the excitation light incident side portion and the light emission side portion defined in the first embodiment.
  • the wave number of the surface plasmon excited at the interface between the dielectric layer 306 and the plasmon excitation layer 305 exists only in the vicinity that is uniquely set by the equation (2). Therefore, the emission angle of the emitted light is uniquely determined, and its polarization state is always p-polarized light. That is, the emitted light is p-polarized light having very high directivity.
  • the light distribution of the propagating light due to the carriers that have not been combined with the surface plasmon is superimposed on the light distribution of the emitted light.
  • the above-described operation is repeated until all of the excitation light is absorbed by the carrier generation unit 303 or extracted from the light source unit 22 without passing through the light control unit 23.
  • the light emitting element 301 can be the same as the light emitting element 101 of the first embodiment, for example.
  • the shape of the light guide 308 is, for example, a rectangular parallelepiped and a wedge; the light exit surface 309 side of the light guide 308, the surface facing the light exit surface 309 side, or the inside of the light guide 308 for extracting light
  • the light extraction structure may be provided on both of the both surfaces and the inside.
  • the surface on the light emitting surface 309 side of the light guide 308 and the surface other than the surface facing the light emitting body 308 are subjected to a treatment that does not emit the excitation light from the surface using, for example, a reflective material or a dielectric multilayer film. It is preferable.
  • the carrier generation unit 303 is a layer that absorbs excitation light to generate carriers, and its function and constituent materials are the same as, for example, the carrier generation layer 103 of the first embodiment.
  • the constituent material of the dielectric layer 306 is, for example, diamond, TiO 2 , CeO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , Sb 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , NdO 3 , Y 2 O 3 , ZnO, Examples thereof include high dielectric constant materials such as Nb 2 O 5 .
  • the thickness of the dielectric layer 306 is not particularly limited, and is, for example, in the range of 1 to 1000 nm, preferably in the range of 5 to 50 nm, and more preferably in the range of 5 to 10 nm.
  • the high dielectric constant material for example, among the carriers generated in the carrier generation unit 303, the number of carriers combined with the surface plasmon can be increased, and light with higher directivity and higher polarization degree can be obtained. Can be emitted from the optical device 21.
  • the function, constituent material, shape, and the like are the same as those of the plasmon excitation layer 105 of the first embodiment, for example.
  • a dielectric layer having optical anisotropy may be disposed between the light guide 308 and the plasmon excitation layer 305. The configuration and effects of this dielectric layer are the same as those shown in the first embodiment.
  • the light source unit and the light control unit are stacked in contact with each other.
  • the present invention is not limited to this example, and the light source unit and the light control unit are not limited to this example.
  • the section may be arranged separately.
  • the quarter wavelength plate is disposed on the light guide, but the present invention is not limited to this example.
  • the 1 ⁇ 4 wavelength plate may be disposed on the light guide side from the plasmon excitation layer because the excitation light is multiply reflected, and thus the 1 ⁇ 4 wavelength plate is disposed. Since the excitation light passes through the plate twice or more, the above-described effect can be obtained.
  • the arrangement position of the quarter-wave plate may be, for example, between the plasmon excitation layer and the dielectric layer, or between the dielectric layer and the light guide.
  • the carrier generation unit is embedded in the dielectric layer.
  • the dielectric layer and the carrier generation are performed.
  • the dielectric part may be periodically embedded in the carrier generation layer by reversing the relationship with the part. Even with such a configuration, the same effect as described above can be obtained.
  • the surface on the light guide body side of the dielectric layer and the surface on the light guide body side of the carrier generation unit are set to the same height, the present invention is not limited to this example, It does not necessarily have to be the same height.
  • the carrier generation unit may be connected over the entire surface of the dielectric layer, or one end of the carrier generation unit may not be in contact with the plasmon excitation layer.
  • the optical device of the present embodiment is an example of an optical device that includes a half-wave plate as a polarization conversion element.
  • the schematic diagram of FIG. 11 shows the configuration of the optical device of the present embodiment.
  • the optical device 31 of this embodiment includes the optical device 1 and a half-wave plate 410 as main components.
  • the optical device 1 is the optical device according to Embodiment 1 shown in FIG.
  • the half-wave plate 410 is disposed on the wave vector conversion layer 107 side of the optical device 1.
  • the half-wave plate 410 is indicated by a two-dot chain line.
  • the light is emitted from the wave vector conversion layer 107. Since the light is p-polarized light as described above, the polarization direction of the light field pattern is radial. For this reason, the light is axially symmetric polarized light (for example, refer to [0104] of International Publication No. 2011/040528).
  • the light (axisymmetric polarization) is incident on the half-wave plate 410. At this time, the axially symmetric polarized light is converted into linearly polarized light by the half-wave plate 410.
  • the polarization state of the light can be made uniform (for example, refer to [0105] of the same international publication).
  • the half-wave plate 410 is not particularly limited, and examples thereof include conventionally known ones. Specifically, for example, the following half-wave plates disclosed in International Publication No. 2011/040528 are listed.
  • the half-wave plate disclosed in the publication includes, for example, a pair of glass substrates each formed with an alignment film, a liquid crystal layer disposed between the glass substrates with the alignment films of these substrates facing each other, and glass And a spacer provided between the substrates.
  • the liquid crystal layer, n 0 the refractive index for the ordinary light, the refractive index when the n e for extraordinary light, a refractive index greater than n 0 the refractive index n e is.
  • the liquid crystal molecules are arranged concentrically with respect to the center of the half-wave plate.
  • the axially symmetric polarized light is converted into linearly polarized light by the 1 ⁇ 2 wavelength plate.
  • the present invention is not limited to this example. It may be converted into polarized light.
  • the optical device according to the present embodiment the optical device according to the first embodiment is used.
  • the present invention is not limited to this example.
  • the optical device according to the second or third embodiment is used. Also good.
  • the optical element of the present embodiment is laminated on the carrier generation layer on which light from the light emitting element is incident and carriers are generated, and the carrier generation layer is excited by the light of the light emitting element.
  • a plasmon excitation layer that excites a plasmon having a plasma frequency higher than the frequency of the light that is sometimes generated, and the light generated on the surface of the plasmon excitation layer or the surface plasmon is converted into light having a predetermined emission angle and emitted.
  • a polarization conversion layer below the carrier generation layer.
  • the polarization conversion layer is preferably a quarter wavelength plate.
  • the image display device of this embodiment is an example of a three-plate projection display device (LED projector).
  • FIG. 9 shows the configuration of the LED projector of this embodiment.
  • FIG. 9A is a schematic perspective view of the LED projector of the present embodiment
  • FIG. 9B is a top view of the LED projector.
  • the LED projector 10 includes three optical devices 1r, 1g, and 1b according to the first to fourth embodiments, three liquid crystal panels 502r, 502g, and 502b, and color synthesis.
  • the optical element 503 and the projection optical system 504 are included as main components.
  • the optical device 1r and the liquid crystal panel 502r, the optical device 1g and the liquid crystal panel 502g, and the optical device 1b and the liquid crystal panel 502b form optical paths, respectively.
  • Optical devices 1r, 1g, and 1b are made of different materials for red (R) light, green (G) light, and blue (B) light, respectively.
  • the liquid crystal panels 502r, 502g, and 502b modulate the light intensity according to the image to be displayed.
  • the color synthesis optical element 503 synthesizes light transmitted through the liquid crystal panels 502r, 502g, and 502b.
  • the projection optical system 504 includes a projection lens that projects light emitted from the color synthesis optical element 503 onto a projection surface such as a screen.
  • FIG. 10 shows the emission wavelength (Rs, Gs, Bs) of the optical device used in the LED projector 10, the excitation wavelength (Ra, Ga, Ba) and the emission wavelength (Rr, Gr, Br) of the carrier generation layer.
  • the emission wavelengths Rs, Gs, and Bs of the optical device for R light, the optical device for G light, and the optical device for B light are substantially equal to the excitation wavelengths Ra, Ga, and Ba of the carrier generation layer.
  • the emission wavelengths Rs, Gs, Bs of the optical device and the excitation wavelengths Ra, Ga, Ba of the carrier generation layer and the emission wavelengths Rr, Gr, Br of the carrier generation layer do not overlap each other. Is set.
  • the emission spectra of the R light optical device, the G light optical device, and the B light optical device are set so as to match the excitation spectrum of each carrier generation layer or to be within the excitation spectrum. Yes.
  • the emission spectrum of the carrier generation layer is set so as not to overlap with any excitation spectrum of the carrier generation layer.
  • the LED projector 10 modulates an image on the liquid crystal panel for each optical path by a control circuit unit (not shown).
  • the LED projector 10 can improve the brightness of the projected image by including any one of the optical devices according to the first to fourth embodiments.
  • the optical device since the optical device exhibits very high directivity, for example, the optical device can be miniaturized without using an illumination optical system.
  • the LED projector of this embodiment shown in FIG. 9 is a three-plate liquid crystal projector, but the present invention is not limited to this example, and may be, for example, a single-plate liquid crystal projector.
  • the image display device of the present invention is not limited to the above-described LED projector, but may be a projector using a light emitting element other than an LED (for example, a laser diode, a super luminescent diode, etc.), or a liquid crystal display device.
  • An image display device combined with a backlight or a backlight using MEMS may be used.
  • the image display apparatus of the present invention may include only the optical element of the present invention such as the fifth embodiment, and the light emitting element may be disposed outside the image display apparatus.
  • the image display device using the optical device or the optical element of the present invention can be used as a projector or the like.
  • the projector is, for example, a mobile projector, a next-generation rear projection TV (rear projection TV), a digital cinema, a retina scanning display (RSD), a head-up display (HUD: Head Up Display), or a mobile phone, digital.
  • Embedded projectors for cameras, laptop computers, etc. can be mentioned and can be applied to a wide range of markets. However, its use is not limited and can be applied to a wide range of fields.
  • Light control unit 10 LED projector (image display device) 101, 301 Light-emitting element 102 1/4 wavelength plate (polarization conversion layer) 103 Carrier generation layer 104 Dielectric layer 105, 305 Plasmon excitation layer 106, 306 Dielectric layer 107, 207 Wave vector conversion layer (outgoing layer) 303 Carrier generator (outgoing layer) 308 Light guide 309 Light exit surface 410 1/2 wavelength plate (polarization conversion element) 502r, 502g, 502b Liquid crystal panel 503 Color composition optical element 504 Projection optical system

Abstract

　励起光の吸収効率を向上可能な光学装置、光学素子および画像表示装置を提供する。　本発明の光学装置（１）は、発光素子（１０１）と、発光素子（１０１）からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層（１０３）と、キャリア生成層（１０３）の上側に積層され、キャリア生成層（１０３）を発光素子（１０１）の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層（１０５）と、プラズモン励起層（１０５）の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層（１０７）とを備え、さらに、キャリア生成層（１０３）の下側に、偏光変換層（１０２）を備える。

Description

光学装置、光学素子および画像表示装置
　本発明は、光学装置、光学素子および画像表示装置に関する。
　近年、プロジェクタ等の画像表示装置の光源として、例えば、発光素子と、発光素子からの光（励起光）が入射する導光体と、前記導光体に設けられ、前記導光体からの光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、前記キャリア生成層の上に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモンを励起するプラズモン励起層と、前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から入射する光を所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備える光学装置が開発されている（特許文献１）。
　このような光学装置は、つぎのような原理で発光する。すなわち、まず、前記キャリア生成層に前記発光素子から照射された励起光が吸収されることで、前記キャリア生成層中にキャリアが生成される。このキャリアは、前記プラズモン励起層中の自由電子と結合し、表面プラズモンを励起する。そして、前記励起された表面プラズモンが、光として放出される。
国際公開第２０１１／０４０５２８号
　前記特許文献１等に記載の光学装置では、発光効率の向上が望まれており、発光効率の向上において、発光素子から照射された励起光の吸収効率の向上は重要な要因である。
　本発明の目的は、励起光の吸収効率を向上可能な光学装置、光学素子および画像表示装置を提供することにある。
　前記目的を達成するために、本発明の光学装置は、
発光素子と、
前記発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記キャリア生成層の下側に、偏光変換層を備える。
　本発明の光学素子は、
発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記キャリア生成層の下側に、偏光変換層を備える。
　本発明の画像表示装置は、
前記本発明の光学装置、または、前記本発明の光学素子と、
画像を表示可能な画像表示部とを含む。
　本発明によれば、励起光の吸収効率を向上可能な光学装置、光学素子および画像表示装置を提供できる。
図１は、本発明の光学装置の一例（実施形態１）の構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、キャリア生成層における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す図である。 図３は、励起光の吸収率の、キャリア生成層の厚み依存性を示す図である。 図４は、キャリア生成層の厚みが５０ｎｍの場合の、光学装置からの発光スペクトルを示す図である。 図５は、キャリア生成層の厚みが１００ｎｍの場合の、光学装置からの発光スペクトルを示す図である。 図６は、光学装置からの発光スペクトルの励起光入射角依存性を示す図である。 図７は、本発明の光学装置のその他の例（実施形態２）の構成を模式的に示す斜視図である。 図８は、本発明の光学装置のさらにその他の例（実施形態３）の構成を模式的に示す斜視図である。 図９は、本発明の画像表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の一例（実施形態６）の構成を示す模式図である。 図１０は、前記実施形態６のＬＥＤプロジェクタに使用される光学装置の発光波長と蛍光体の励起波長および発光波長とを説明する図である。 図１１は、本発明の光学装置のさらにその他の例（実施形態４）の構成を模式的に示す斜視図である。
　以下、本発明の光学装置、光学素子および画像表示装置について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１から図１１において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。
（実施形態１）
　本実施形態の光学装置は、前記偏光変換層が１／４波長板である光学装置の一例である。図１の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。
　図１に示すように、本実施形態の光学装置１は、光源部２と、光制御部３とを、主要な構成要素として含む。光源部２は、発光素子１０１と、１／４波長板１０２を含み、１／４波長板１０２は、発光素子１０１上に積層されている。光制御部３は、キャリア生成層１０３と、キャリア生成層１０３上に積層された誘電体層１０４と、誘電体層１０４上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された誘電体層１０６と、誘電体層１０６上に積層された波数ベクトル変換層１０７とを含む。波数ベクトル変換層１０７は、前記本発明における「出射層」としての機能を有する。光制御部３は、光制御部３のキャリア生成層１０３側の面と光源部２の１／４波長板１０２側の面とが対向するように、光源部２に積層されている。
　光学装置１は、励起光入射側部分（以下、「入射側部分」ということがある。）の実効誘電率が、光出射側部分（以下、「出射側部分」ということがある。）の実効誘電率よりも低くなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０５の発光素子１０１側に積層された構造全体と発光素子１０１に接する周囲雰囲気媒質（以下、「媒質」ということがある。）とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０４、キャリア生成層１０３、１／４波長板１０２および発光素子１０１が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層１０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層１０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０６および波数ベクトル変換層１０７が含まれる。なお、例えば、誘電体層１０４および誘電体層１０６を除いたとしても、前記入射側部分の実効誘電率が前記出射側部分の実効誘電率よりも低い場合には、誘電体層１０４および誘電体層１０６は、必ずしも必須の構成要素ではない。
　ここで、前記実効誘電率（εeff）は、プラズモン励起層１０５の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１０５の界面に垂直な方向（プラズモン励起層１０５の表面に凹凸が形成されている場合には、その平均面に垂直な方向）をｚ軸とし、キャリア生成層１０３単体を励起光で励起したとき、キャリア生成層１０３から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１０５に対する前記入射側部分または前記出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊ、Ｒｅ［　］を［　］内の数値の実部を示す記号とすれば、下記式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　実効誘電率εeffは、下記式（７）で表される式を用いて算出されてもよい。ただし、前記式（１）を用いるのが、特に望ましい。
　前記式（１）および前記式（７）において、積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１０５に対する、前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、前記入射側部分の構造全体の外周面、または前記出射側部分の構造全体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層１０７側の面に平行な面内の外縁までの範囲である。積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、前記入射側部分または前記出射側部分の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、プラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５に隣接する、誘電性を有する層（誘電体層１０４または誘電体層１０６）との界面を、ｚ＝０となる位置とし、これらの界面から、プラズモン励起層１０５の、誘電体層１０４または誘電体層１０６側の無限遠までの範囲であり、これらの界面から遠ざかる方向を、前記式（１）および前記式（７）における（＋）ｚ方向とする。例えば、プラズモン励起層１０５の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層１０５の凹凸に沿ってｚ座標の原点を移動させれば、前記式（１）および前記式（７）から実効誘電率が求められる。例えば、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を有する材料が含まれている場合、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）はベクトルとなり、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに異なった値を有する。すなわち、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の実効誘電率が存在する。この場合、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）の値は、ｚ軸に垂直な動径方向に平行方向に対する誘電率とする。したがって、後述のkspp,z、kspp、ｄeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。
　また、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　さらに、発光装置１では、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面からキャリア生成層１０３のプラズモン励起層１０５側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。前記ｄeffは、Ｉｍ［　］を［　］内の数値の虚部を示す記号とし、表面プラズモンの有効相互作用距離を表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、下記式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　したがって、前記式（１）または前記式（７）、前記式（２）および前記式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１０５の前記入射側部分の誘電率分布の実部εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、およびプラズモン励起層１０５の前記出射側部分の誘電率分布の実部εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１０５に対する前記入射側部分の実効誘電率εeffin、および前記出射側部分の実効誘電率εeffoutが、それぞれ求められる。例えば、ｚ軸に垂直な面内に誘電率の異方性がある場合、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の実効誘電率が存在する。したがって、前述のように、kspp,z、kspp、後述のｄeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。実際には、実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、前記式（１）または前記式（７）、前記式（２）および前記式（３）を繰り返し計算することで、実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、例えば、プラズモン励起層１０５に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合、前記式（２）で表される表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。このため、プラズモン励起層１０５に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。後述の実施形態における実効誘電率も、前記式（１）または前記式（７）と同様に定義される。
　光学装置１では、１／４波長板１０２が、発光素子１０１とキャリア生成層１０３との間に配置されている。このような構成により、光学装置１は、励起光の吸収効率、すなわち、キャリア生成層１０３、誘電体層１０４、プラズモン励起層１０５から構成される導波路（以下、「導波路」ということがある。）への結合効率が向上されている。光学装置１が、このような効果を奏することについて、以下に、詳細に説明する。
　光学装置の発光効率の向上には、発光素子からの励起光の吸収率の向上が重要である。本発明者らは、励起光の吸収効率向上の観点から、鋭意研究を重ねた結果、キャリア生成層における励起光の吸収効率が、励起光の偏光特性に著しく依存することを見出した。さらに、本発明者らは、前記吸収効率は、前記励起光の入射角にも依存することを見出した。これらの知見は、本発明者らが初めて見出したものである。前記吸収効率の偏光依存性および入射角依存性について、本実施形態の光学装置１に基づいて、さらに説明する。
　図２に、キャリア生成層１０３における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す。図２に示す例では、光学装置１を下記の条件に設定している。この例では、プラズモン励起層１０５で反射した光を、再利用していない。本実施形態において、前記「入射角」は、発光素子１０１から出射された光（光線）がキャリア生成層１０３（光制御部３）に入射する際の、前記光線とキャリア生成層１０３における入射面の法線とがなす角を示す。以下、本発明において、前記「入射角」は、前述と同様の概念で示される。
発光素子１０１：レーザダイオード（発光波長：４６０ｎｍ）
キャリア生成層１０３：形成材料：蛍光体（屈折率：１．７+０．０３ｊ）、厚み：５０ｎｍ
誘電体層１０４：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：５０ｎｍ
誘電体層１０６：形成材料：ＴｉＯ２、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ、直径：１０ｍｍ
　図２に示すように、キャリア生成層１０３への励起光の入射角が大きくなるほど、前記励起光の偏光がｓ偏光の場合、吸収率が著しく増加し、前記励起光の偏光がｐ偏光の場合、吸収率が著しく減少する。このように、前記吸収効率は、前記励起光の偏光および入射角に依存することが分かる。
　図３に、励起光の吸収率とキャリア生成層１０３の厚みとの関係を示す。図３に示す例では、キャリア生成層１０３の厚みを、５０ｎｍまたは１００ｎｍとし、前記励起光の入射角を７０度としたこと以外は、図２に示す例と同様の条件とした。図３において、横軸は、前記励起光におけるｓ偏光成分の割合を示し、１００％は前記励起光がｓ偏光のみであることを示し、０％は前記励起光がｐ偏光のみであることを示す。図３に示すように、キャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合、前記励起光にｓ偏光成分が多くなるのに伴い、前記励起光の吸収率が向上する。一方、キャリア生成層１０３の厚みが１００ｎｍの場合、前記励起光にｓ偏光成分が少なくなる、すなわち、ｐ偏光成分が多くなるのに伴い、前記励起光の吸収率が向上する。いずれの条件においても、ｓ偏光またはｐ偏光において吸収率の最大値となるということが共通して言える。また、ｓ偏光とｐ偏光との間の偏光、すなわち、中間の偏光において吸収率が最大値となることはないとも言える。
　図４に、図３に示す例のキャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合の、光学装置１からの発光スペクトルを示す。図４における「０％」「３３％」「６６％」「１００％」は、前記励起光に占めるｓ偏光成分の割合を示す。図４において、縦軸を、前記励起光がｐ偏光（図４中の「０％」）の場合の発光スペクトルを１として規格化した。図４に示すように、発光パワーは、前記励起光がｓ偏光（１００％）の場合に、最大となり、前記励起光がｐ偏光（０％）の場合の８倍であった。図３との比較から、キャリア生成層１０３で吸収された励起光量と発光パワーとには、相関関係（例えば、比例関係）があることが分かる。
　図５に、図３に示す例のキャリア生成層１０３の厚みが１００ｎｍの場合の、光学装置１からの発光スペクトルを示す。図５における「０％」「３３％」「６６％」「１００％」は、前記励起光に占めるｓ偏光成分の割合を示す。図５において、縦軸を、前記励起光がｓ偏光（図５中の「１００％」）の場合の発光スペクトルを１として規格化した。図５に示すように、発光パワーは、前記励起光がｐ偏光（０％）の場合に、最大となり、前記励起光がｓ偏光（１００％）の場合の４倍であった。図３との比較から、キャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合と同様に、キャリア生成層１０３で吸収された励起光量と発光パワーとには、相関関係（例えば、比例関係）があることが分かる。
　以上のように、キャリア生成層における励起光の吸収効率は、励起光の偏光に依存し、キャリア生成層の厚みに応じて、ｓ偏光またはｐ偏光のいずれかにおいて、最大となる。したがって、前記キャリア生成層の厚みに応じて、ｓ偏光またはｐ偏光のみを、キャリア生成層に入射させれば、励起光の吸収効率を向上できることが見出された。この知見に基づき、本発明者らは、前記偏光変換層を、前記所定の位置に配置することにより、後述するように、励起光をキャリア生成層に吸収される偏光（ｓ偏光またはｐ偏光）とすることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明によれば、励起光の吸収効率の向上により、例えば、高い発光効率と高い光出力定格を備える光学装置を実現できる。
　図６に、図２の例に示す光学装置１からの発光スペクトルと、励起光の入射角との関係を示す。図６における「０°」「１０°」「２０°」「３０°」「４０°」「５０°」「６０°」「７０°」「８０°」は、前記励起光の入射角を示す。図６において、縦軸を、前記励起光の入射角が０度の場合の発光スペクトルを１として規格化した。図６に示すように、キャリア生成層１０３への前記励起光の入射角が大きくなるほど、発光パワーは、向上した。図２との比較から、キャリア生成層１０３で吸収された励起光量と発光パワーとには、相関関係（例えば、比例関係）があることが分かる。
　以上のように、例えば、キャリア生成層１０３に入射する光の入射角を比較的大きくすれば、前記励起光吸収率の偏光依存性は増大する。ここで、一方の偏光（ｓ偏光またはｐ偏光）に着目すれば、キャリア生成層１０３における前記励起光吸収率を入射角が小さい場合より、向上できる。
　つぎに、光学装置１について、発光素子１０１から出射された光（以下、「励起光」ということがある。）が、光制御部３に入射し、光制御部３の波数ベクトル変換層１０７から光が出射される動作を説明する。
　発光素子１０１から出射された励起光は、１／４波長板１０２を透過し、光制御部３に入射する。そして、前記励起光は、前記導波路に結合し、その中に閉じ込められる。この閉じ込められた励起光により、キャリア生成層１０３が励起され、キャリア生成層１０３中にキャリアが生成される。このキャリアは、誘電体層１０４を隔てたプラズモン励起層１０５中の自由電子と結合し、誘電体層１０４とプラズモン励起層１０５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、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面から光として放出される（以下、「放出光」ということがある。）。前記光の放出は、前記入射側部分の実効誘電率が、前記出射側部分の実効誘電率より低いことにより起こる。前記放出光の波長は、キャリア生成層１０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の出射角度θoutは、誘電体層１０６の屈折率をｎoutとすれば、下記式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　前記励起された表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。前記放出光は、前記表面プラズモンの波数ベクトルが変換されただけである。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は、非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。前記放出光は、波数ベクトル変換層１０７に入射し、波数ベクトル変換層１０７によって回折または屈折されて、光学装置１外部に取り出される。
　ここで、前述のように、励起光のキャリア生成層における吸収効率は、励起光の偏光に依存する。このため、キャリア生成層１０３に入射した励起光のうち、キャリア生成層１０３に吸収されなかった偏光（ｓ偏光またはｐ偏光）は、キャリア生成層１０３を透過する。そして、前記偏光は、プラズモン励起層１０５で反射される。前記反射された光は、誘電体層１０４、キャリア生成層１０３および１／４波長板１０２を透過し、発光素子１０１で反射される。前記反射された光は、１／４波長板１０２を透過し、再度キャリア生成層１０３に入射する。この間、前記光は１／４波長板１０２を２回透過しているため、プラズモン励起層１０５に反射される前にキャリア生成層１０３に入射した時と比較して、その偏光が直交している。すなわち、ｓ偏光であったものはｐ偏光に、ｐ偏光であったものはｓ偏光となっている。したがって、再度キャリア生成層１０３に入射した励起光は、その一部がキャリア生成層１０３に吸収される。この結果、光学装置１では、前記励起光の吸収効率を向上できる。なお、光学装置１では、例えば、前記励起光が全てキャリア生成層１０３に吸収されるか、光源部２から光制御部３を経ずに外部に取り出されるまで、前述の動作が繰り返される。
　発光素子１０１は、キャリア生成層１０３が吸収可能な波長の光（励起光）を出射する。具体的には、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等があげられる。前述のように、前記励起光のキャリア生成層１０３への入射角が大きくなるほど、前記励起光の吸収効率は向上する。したがって、前記入射角は、４０度以上が好ましく、より好ましくは６０度以上であり、さらに好ましくは７０度以上である。
　１／４波長板１０２は、従来公知のものを使用でき、例えば、水晶やポリマー等の複屈折材料を使用したもの、前記励起光の波長よりも微細な構造体による構造複屈折を使用したもの等があげられる。
　キャリア生成層１０３は、前記励起光を吸光してキャリアを生成させる層である。キャリア生成層１０３は、例えば、発光体を含む。前記発光体は、例えば、蛍光体または燐光体等である。前記蛍光体は、例えば、有機蛍光体、無機蛍光体、量子ドット蛍光体、半導体蛍光体等があげられる。前記有機蛍光体は、例えば、ローダミン（Rhodamine　6G）、スルホローダミン（Sulforhodamine　101）等があげられる。前記無機蛍光体は、例えば、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎ等があげられる。前記量子ドット蛍光体は、例えば、ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ等の量子ドット等があげられる。前記半導体蛍光体は、例えば、無機材料半導体または有機材料半導体の蛍光体があげられる。前記無機材料半導体は、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ等があげられる。前記有機材料半導体は、例えば、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３（トリス(８－キノリノラト)アルミニウム）等があげられる。キャリア生成層１０３は、例えば、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を発生する、複数の材料から構成されてもよい。キャリア生成層１０３の厚みは、特に制限されず、例えば、１μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。
　キャリア生成層１０３は、例えば、金属粒子を含んでもよい。前記金属粒子は、前記励起光との相互作用により、前記金属粒子の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に、前記励起光の電場強度に対して１００倍近くの増強電場を誘起する。この増強電場により、キャリア生成層１０３内に生成されるキャリアを増加でき、例えば、光制御部３における前記励起光の利用効率を向上できる。
　前記金属粒子を構成する金属は、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、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記金属は、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。前記金属粒子は、例えば、その周辺部と中心部とで金属種の異なるコアシェル構造；２種の金属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粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造等の構造を有してもよい。前記金属粒子を、例えば、前記合金または、前述の特殊構造とすることにより、前記金属粒子の寸法、形状等を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。
　前記金属粒子の形状は、閉じた表面を有する形状であればよく、例えば、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐、三角柱等があげられる。前記金属粒子は、例えば、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工により、金属薄膜が一辺１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工されたものも含まれる。前記金属粒子のサイズは、例えば、１～１００ｎｍの範囲であり、好ましくは５～７０ｎｍの範囲であり、より好ましくは１０～５０ｎｍの範囲である。
　プラズモン励起層１０５は、キャリア生成層１０３単体を励起光で励起したときにキャリア生成層１０３で発生する光の周波数（以下、「発光周波数」ということがある。）よりも高いプラズマ周波数を有する形成材料により形成された、微粒子層または薄膜層である。すなわち、プラズモン励起層１０５は、発光周波数において負の誘電率を有する。プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側に、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側の界面から、前記式（４）で表される表面プラズモンの有効相互作用距離までの範囲に、例えば、光学異方性を有する誘電体層の一部が配置されてもよい。この誘電体層は、例えば、この光制御部３の構成要素の積層方向に垂直な面内、言い換えれば、各層の界面に平行な面内での方向によって誘電率が異なる光学異方性を有する。すなわち、この誘電体層は、光制御部３の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向で、誘電率の大小関係がある。この誘電体層により、光学装置１の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向とでは、前記入射側部分の実効誘電率が異なる。そして、前記入射側部分の実効誘電率を、ある方向でプラズモン結合が発生しない程度高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、例えば、波数ベクトル変換層１０７に入射する光の入射角および偏光をさらに限定できる。このため、例えば、波数ベクトル変換層１０７による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
　理論的には、前記入射側部分の実効誘電率とプラズモン励起層１０５の誘電率との和が、負または０の場合、キャリア生成層１０３で生成されたキャリアは、プラズモン励起層１０５に表面プラズモンを励起する。一方、前記和が正の場合、前記キャリアは、表面プラズモンを励起しない。すなわち、前述のプラズモン結合が発生しない程度高い実効誘電率とは、プラズモン励起層１０５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率との和が正となるような誘電率であり、前述のプラズモン結合が発生する程度低い実効誘電率とは、プラズモン励起層１０５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率との和が負または０となるような誘電率である。キャリア生成層１０３で生成されたキャリアが表面プラズモンへ結合する効率は、前記入射側部分の実効誘電率とプラズモン励起層１０５の誘電率の和とが０となる条件である。したがって、プラズモン励起層１０５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率の最低値との和が０となる条件が、方位角に対する指向性を高める点で、最も好ましい。ただし、上記条件では、例えば、方位角に対する指向性を高め過ぎによる、プラズモン励起層１０５を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１０５での発熱が懸念される。このため、実用上は、方位角の指向性を高めすぎないのが好ましい。具体的には、プラズモン励起層１０５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率の中間値との和が０となる条件で、例えば、方位角３１５度～４５度、１３５度～２２５度の範囲に高指向性放射が得られる。このため、例えば、方位角に対する指向性の向上と発光減少の抑制とを両立できる。前記光学異方性を有する誘電体層の構成材料は、例えば、ＴｉＯ2、ＹＶＯ4、Ｔａ2Ｏ5等の異方性結晶等があげられる。前記誘電体層の構造は、例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等があげられる。
　プラズモン励起層１０５の構成材料は、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、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記構成材料は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合体が好ましく、金、銀、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合物が特に好ましい。プラズモン励起層１０５の厚みは、特に制限されず、２００ｎｍ以下が好ましく、１０～１００ｎｍ程度が特に好ましい。
　プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面は、例えば、粗面化されていてもよい。前記粗面が、例えば、前記励起光の散乱、前記粗面の先鋭部における局在プラズモンの励起をもたらし、キャリア生成層１０３中に励起されるキャリアを増加させる。この結果、例えば、光制御部３における励起光の利用効率を向上できる。
　誘電体層１０４は、誘電体を含む層であり、具体的には、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルム；ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜又は多孔質膜等があげられる。誘電体層１０４の厚みは、特に制限されず、例えば、１～１００ｎｍの範囲であり、好ましくは５～５０ｎｍの範囲であり、より好ましくは５～２０ｎｍの範囲である。
　誘電体層１０６の構成材料は、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料があげられる。誘電体層１０６の厚みは、特に制限されない。
　波数ベクトル変換層１０７は、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面から放射される光を、その波数ベクトルを変換することにより、光学装置１から出射させる出射部である。波数ベクトル変換層１０７は、前記出射光を、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面にほぼ直交する向きに、光学装置１から出射させる機能を有する。
　波数ベクトル変換層１０７の形状は、例えば、表面レリーフ格子；フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造；そのサイズが光学装置１からの出射光の波長より大きいテクスチャー構造（例えば、粗面によって構成される表面構造）；ホログラム；マイクロレンズアレイ等があげられる。前記準周期構造は、例えば、周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を示す。光の取り出し効率の向上および指向性制御の観点から、前記形状は、フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造；マイクロレンズアレイ等が好ましい。前記フォトニック結晶は、結晶構造が三角格子構造を採るものが好ましい。波数ベクトル変換層１０７は、例えば、平板状の基部上に凸部が設けられた構造でもよい。
　前述のように、光学装置１では、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面からキャリア生成層１０３のプラズモン励起層１０５側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。このように設定されていることで、キャリア生成層１０３中に生成されるキャリアとプラズモン励起層１０５中の自由電子とを、効率よく結合でき、その結果、例えば、発光効率を向上できる。結合効率の高い領域は、例えば、キャリア生成層１０３中のキャリアが生成される位置（例えば、キャリア生成層１０３中の蛍光体が存在する位置）から、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面までの領域である。前記領域は、例えば、２００ｎｍ程度と非常に狭く、例えば、１～２００ｎｍの範囲または１０～１００ｎｍの範囲である。光学装置１において、前記領域が１～２００ｎｍの範囲の場合には、例えば、キャリア生成層１０３は、プラズモン励起層１０５から１～２００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましい。また、前記領域が１０～１００ｎｍの範囲の場合には、例えば、キャリア生成層１０３は、プラズモン励起層１０５から１０～１００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましく、具体的には、例えば、誘電体層１０４の厚みを１０ｎｍ、キャリア生成層１０３の厚みを９０ｎｍとする。光取り出し効率の観点からは、キャリア生成層１０３は薄いほど好ましい。一方、光出力定格の観点からは、キャリア生成層１０３は厚いほど好ましい。したがって、キャリア生成層１０３の厚みは、例えば、求められる光取り出し効率と光出力定格に基づいて決定される。なお、前記領域の範囲は、キャリア生成層とプラズモン励起層との間に配置される誘電体層の誘電率等により変化するため、所定条件における前記領域の範囲に応じて、例えば、前記誘電体層の厚みおよび前記キャリア生成層の厚み等を、適宜設定すればよい。
　図１に示す本実施形態の光学装置において、前記１／４波長板は、前記発光素子と前記キャリア生成層との間に配置されているが、本発明は、この例には限定されない。前記１／４波長板は、前記励起光が多重反射されるため、前記キャリア生成層の下側（すなわち、前記キャリア生成層の前記発光素子側）に配置されればよく、このように配置されることで、前記１／４波長板を前記励起光が２度以上通過するため、前述の効果が得られる。前記１／４波長板の配置位置は、例えば、前記発光素子の前記キャリア生成層側とは反対側でもよいし、例えば、前記１／４波長板が前記発光素子に含まれていてもよい。また、前記偏光変換層として、前記１／４波長板を使用しているが、本発明は、この例には限定されない。前記偏光変換層により、前述のように、前記励起光の偏光について、ｓ偏光をｐ偏光に、ｐ偏光をｓ偏光に変換できればよく、例えば、１／８波長板を２枚使用することで、前記１／４波長板と同様の効果が得られる。
　また、本実施形態の光学装置において、前記プラズモン励起層は、前記２つの誘電体層に挟まれているが、前記誘電体層は、本発明において必須ではなく、例えば、前記キャリア生成層上に、前記プラズモン励起層が配置されてもよい。また、前記誘電体層は、前記プラズモン励起層の一方の面のみに積層されてよい。また、前記光源部と前記光制御部とは、接して積層されているが、前記光源部と前記光制御部とは、例えば、離れて配置されてもよい。また、前記光源部は、例えば、複数の前記発光素子を備えてもよい。
　また、本実施形態の光学装置において、前記励起光は、前記発光素子から、前記１／４波長板に入射されるが、本発明は、この例に限定されない。前記励起光は、例えば、導光体を介して、１／４波長板に入射されてもよい。前記導光体の形状は、例えば、直方体または楔形；それらの光出射部または前記導光体内部に光取り出し用の構造体を有する形状のもの等があげられる。前記光取り出し用の構造体は、例えば、前記励起光の前記キャリア生成層への入射角を、前記励起光の吸収率が高くなる角度に変換する機能を有するものが好ましい。前記導光体の光出射部を除く面は、例えば、反射材料または誘電体多層膜等を使用して、前記励起光を前記面から出射させない処理が施されているのが好ましい。
（実施形態２）
　本実施形態の光学装置は、前記偏光変換層が１／４波長板である光学装置の一例である。図７の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。本実施形態の光学装置は、前記光制御部が誘電体層を含まないこと以外は、前記実施形態１の光学装置と同様の構成を有する。図７に示すように、本実施形態の光学装置１１は、光源部２と、光制御部１３とを、主要な構成要素として含む。光源部２は、発光素子１０１と、１／４波長板１０２を含み、１／４波長板１０２は、発光素子１０１上に積層されている。光制御部１３は、キャリア生成層１０３と、キャリア生成層１０３上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された波数ベクトル変換層（出射層）２０７とを含む。光制御部１３は、光制御部１３のキャリア生成層１０３側の面と光源部２の１／４波長板１０２側の面とが対向するようにして、光源部２に積層されている。
　光学装置１１は、入射側部分の実効誘電率が、出射側部分の実効誘電率よりも高いか、または等しくなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０５の発光素子１０１側に積層された構造全体と発光素子１０１に接する媒質とを含む。前記構造全体には、キャリア生成層１０３、１／４波長板１０２および発光素子１０１が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層２０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層２０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、波数ベクトル変換層２０７が含まれる。
　つぎに、光学装置１１について、発光素子１０１からの励起光が、光制御部１３に入射し、光制御部１３の波数ベクトル変換層２０７から光が出射される動作を説明する。
　発光素子１０１から出射された励起光は、１／４波長板１０２を透過し、光制御部１３のキャリア生成層１０３に入射する。そして、前記励起光は、前記導波路に結合し、その中に閉じ込められる。この閉じ込められた励起光により、キャリア生成層１０３に入射した励起光の一部は、キャリア生成層１０３に吸収され、キャリア生成層１０３中にキャリアが生成される。このキャリアは、プラズモン励起層１０５中の自由電子と結合し、キャリア生成層１０３とプラズモン励起層１０５との界面、およびプラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に表面プラズモンを励起する。キャリア生成層１０３とプラズモン励起層１０５との界面に励起された表面プラズモンは、プラズモン励起層１０５を透過し、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面まで伝搬する。前述のように、光学装置１１は、前記入射側部分の実効誘電率が、前記出射側部分の実効誘電率よりも高いか、または等しくなるように構成され、波数ベクトル変換層２０７のプラズモン励起層１０５側の端部が、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層２０７の面からの距離が表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている。ここで、波数ベクトル変換層２０７が平坦な誘電体層である場合、その界面では光に変換されない。前記界面での表面プラズモンは、波数ベクトル変換層２０７が表面プラズモンを光として取り出す機能、例えば、回折作用を有するため、光学装置１１外部に光として放出（放射）される。前記放射光の波長は、キャリア生成層１０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の放射角度θradは、波数ベクトル変換層２０７の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層２０７の光取り出し側（すなわち、波数ベクトル変換層２０７に接する媒質）の屈折率をｎｒａｄとすれば、下記式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　キャリア生成層１０３とプラズモン励起層１０５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に励起される表面プラズモンの波数についても同様である。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は、非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。
　キャリア生成層１０３に入射した励起光のうち、キャリア生成層１０３に吸収されなかった偏光（ｓ偏光またはｐ偏光）は、キャリア生成層１０３を透過する。そして、前記偏光は、プラズモン励起層１０５で反射される。前記反射された光は、キャリア生成層１０３および１／４波長板１０２を透過し、発光素子１０１で反射される。前記反射された光は、１／４波長板１０２を透過し、再度キャリア生成層１０３に入射する。この間、前記光は１／４波長板１０２を２回透過しているため、プラズモン励起層１０５に反射される前にキャリア生成層１０３に入射した時と比較して、その偏光が直交している。すなわち、ｓ偏光であったものはｐ偏光に、ｐ偏光であったものはｓ偏光となっている。したがって、再度キャリア生成層１０３に入射した励起光は、その一部がキャリア生成層１０３に吸収される。この結果、光学装置１１では、前記励起光の吸収効率を向上できる。なお、光学装置１１では、例えば、前記励起光が全てキャリア生成層１０３に吸収されるか、光源部２から光制御部１３を経ずに外部に取り出されるまで、前述の動作が繰り返される。
　波数ベクトル変換層２０７は、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に励起された表面プラズモンを、その波数ベクトルを変換することで、前記界面から光として取り出し、光学装置１１から放射させる出射部である。すなわち、波数ベクトル変換層２０７は、表面プラズモンを所定の放射角の光に変換して、前記光を光学装置１１から放射させる。さらに、波数ベクトル変換層２０７は、例えば、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に対してほぼ直交するように、放射光を光学装置１１から放射させる機能を有している。波数ベクトル変換層２０７は、例えば、前記実施形態１の波数ベクトル変換層１０７と同様のものを使用できる。
　図７に示す本実施形態の光学装置において、前記キャリア生成層は、前記プラズモン励起層に接して配置されているが、本発明は、この例には限定されない。前記キャリア生成層と前記プラズモン励起層との間には、例えば、その厚みが前記式（４）で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより小さい厚みの、誘電体層が配置されてもよい。また、前記波数ベクトル変換層は、前記プラズモン励起層に接して配置されているが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記波数ベクトル変換層と前記プラズモン励起層との間には、その厚みが前記式（４）で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより小さい厚みの、誘電体層が配置されてもよい。
（実施形態３）
　本実施形態の光学装置は、前記偏光変換層が１／４波長板であり、導光体を備える光学装置の一例である。図８の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。図８において、全構成要素を示すため、１／４波長板１０２および導体光３０８で遮られて見えない部分を破線で示す。図８に示すように、本実施形態の光学装置２１は、光源部２２と、光制御部２３とを、主要な構成要素として含む。光源部２２は、発光素子３０１と、１／４波長板１０２と、導光体３０８とを含む。１／４波長板１０２は、導光体３０８上に積層されている。発光素子３０１は、導光体３０８の側方周囲に配置されている。光制御部２３は、キャリア生成部３０３と、プラズモン励起層３０５と、誘電体層３０６とを含む。誘電体層３０６は、プラズモン励起層３０５に積層されている。キャリア生成部３０３は、誘電体層３０６に周期的に埋め込まれ、誘電体層３０６を貫通し、その一端部がプラズモン励起層３０５と接している。キャリア生成部３０３は、前記本発明における「出射層」としての機能を有する。光制御部２３は、光制御部２３の誘電体層３０６側の面と光源部２２の導光体３０８側の面とが対向するようにして、光源部２２に積層されている。
　さらに、光学装置２１では、プラズモン励起層３０５のキャリア生成部３０３側表面からキャリア生成部３０３のプラズモン励起層３０５側表面までの距離は、前記式（４）で表される表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。
　つぎに、光学装置２１について、発光素子３０１からの励起光が、光制御部２３に入射し、導光体３０８のキャリア生成部３０３側の面とは反対側の面（光出射面３０９）から光が出射される動作を説明する。
　発光素子３０１から出射された励起光は、導光体３０８に入射し、１／４波長板１０２からプラズモン励起層３０５までの間を多重反射しながら導光する。導光している励起光のうち、キャリア生成部３０３に入射した励起光は、その一部が、キャリア生成部３０３で吸収され、キャリア生成部３０３中にキャリアが生成される。キャリア生成部３０３における励起光の吸収率は、前記実施形態１と同様に、前記励起光の偏光状態および入射角度に対して、顕著な依存性を持ち、キャリア生成部３０３は、ｓ偏光またはｐ偏光の励起光を選択的に吸収する。ここで、キャリア生成部３０３中にほとんど吸収されなかった偏光成分は、１／４波長板１０２を２回透過することにより、キャリア生成部３０３で吸収率の高い偏光状態に変換される。前記キャリアの一部は、プラズモン励起層３０５中の自由電子と結合し、誘電体層３０６とプラズモン励起層３０５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、キャリア生成部３０３と誘電体層３０６とが形成する周期構造によって、回折され、光出射面３０９を通って、光学装置２１外部に光として放出される。前記放出光の波長は、キャリア生成部３０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の出射角度θradは、前記式（６）で表される。ここで、光学装置２１では、プラズモン励起層３０５の導光体３０８側部分が、前記実施形態１で定義した励起光入射側部分および光出射側部分を兼ねている。誘電体層３０６とプラズモン励起層３０５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。この放射光の配光分布に、表面プラズモンと結合しなかったキャリアによる伝搬光の配光分布が重畳される。なお、光学装置２１では、例えば、前記励起光が全てキャリア生成部３０３に吸収されるか、光源部２２から光制御部２３を経ずに外部に取り出されるまで、前述の動作が繰り返される。
　発光素子３０１は、例えば、前記実施形態１の発光素子１０１と同様のものが使用できる。
　導光体３０８の形状は、例えば、直方体および楔形；導光体３０８の光出射面３０９側の面、光出射面３０９側の面と対向する面、または導光体３０８内部に光取り出し用の構造体を有する形状等があげられ、例えば、前記両面および前記内部の全てに、前記光取り出し用の構造体を有してもよい。導光体３０８の光出射面３０９側の面、およびそれと対向する面を除く面は、例えば、反射材料または誘電体多層膜等を使用して、前記励起光を前記面から出射させない処理が施されているのが好ましい。
　キャリア生成部３０３は、励起光を吸光してキャリアを生成させる層であり、その機能・構成材料等は、例えば、前記実施形態１のキャリア生成層１０３と同様である。
　誘電体層３０６の構成材料は、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料があげられる。誘電体層３０６の厚みは、特に制限されず、例えば、１～１０００ｎｍの範囲であり、好ましくは５～５０ｎｍの範囲であり、より好ましくは５～１０ｎｍの範囲である。前記高誘電率材料を使用することにより、例えば、キャリア生成部３０３中に生成されたキャリアのうち、表面プラズモンと結合するキャリアの数を増加でき、より指向性の高く、より偏光度の高い光を光学装置２１から放射できる。
　プラズモン励起層３０５において、その機能・構成材料・形状等は、例えば、前記実施形態１のプラズモン励起層１０５と同様である。導光体３０８とプラズモン励起層３０５との間には、例えば、光学異方性を有する誘電体層が配置されてもよい。この誘電体層の構成および効果等は、前記実施形態１で示したものと同様である。
　図８に示す本実施形態の光学装置において、前記光源部と前記光制御部とは、接して積層されているが、本発明は、この例には限定されず、前記光源部と前記光制御部とは、例えば、離れて配置されてもよい。
　また、本実施形態の光学装置において、前記１／４波長板は、前記導光体上に配置されているが、本発明は、この例には限定されない。前記１／４波長板は、例えば、前記励起光が多重反射されるため、前記プラズモン励起層より前記導光体側に配置されればよく、このように配置されることで、前記１／４波長板を前記励起光が２度以上通過するため、前述の効果が得られる。前記１／４波長板の配置位置は、例えば、前記プラズモン励起層と前記誘電体層との間、前記誘電体層と前記導光体との間でもよい。
　また、本実施形態の光学装置において、前記キャリア生成部は、前記誘電体層内に埋め込まれているが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記誘電体層と前記キャリア生成部との関係を逆転させ、キャリア生成層内に誘電体部が周期的に埋め込まれていてもよい。このような構成でも、前述と同様の効果が得られる。また、前記誘電体層の前記導光体側の表面と前記キャリア生成部の前記導光体側の表面とは、同じ高さに設定されているが、本発明は、この例には限定されず、必ずしも同じ高さである必要はない。前記キャリア生成部は、例えば、前記誘電体層表面の全体に亘って繋がったものでもよいし、前記キャリア生成部の一端部が前記プラズモン励起層に接していなくてもよい。
（実施形態４）
　本実施形態の光学装置は、偏光変換素子として１／２波長板を備える光学装置の一例である。図１１の模式図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。
　図１１に示すように、本実施形態の光学装置３１は、光学装置１と、１／２波長板４１０とを、主要な構成要素として含む。光学装置１は、図１に示した前記実施形態１の光学装置である。１／２波長板４１０は、光学装置１の波数ベクトル変換層１０７側に配置されている。なお、図１１では、説明の便宜上、１／２波長板４１０を二点鎖線で示している。
　前記実施形態１で示したように、波数ベクトル変換層１０７から光が出射される。前記光は、前述のように、ｐ偏光であるため、前記光のフィールドパターンは、偏光方向が放射状になっている。このため、前記光は、軸対称偏光となっている（例えば、国際公開第２０１１／０４０５２８号の［０１０４］参照）。そして、前記光（軸対称偏光）は、１／２波長板４１０に入射する。この時、前記軸対称偏光は、１／２波長板４１０により、直線偏光に変換される。このように、本実施形態の光学装置では、前記光の偏光状態を揃えることができる（例えば、同国際公開の［０１０５］参照）。
　１／２波長板４１０は、特に制限されず、例えば、従来公知のものがあげられる。具体的には、例えば、国際公開第２０１１／０４０５２８号に開示されている、下記の１／２波長板があげられる。
　前記公報に開示の１／２波長板は、例えば、配向膜がそれぞれ形成された一対のガラス基板と、これらの基板の配向膜を対向させてガラス基板に挟んで配置された液晶層と、ガラス基板の間に配置されたスペーサとを備えるものがあげられる。前記液晶層は、常光に対する屈折率をｎ０、異常光に対する屈折率をｎｅとすると、屈折率ｎｅが屈折率ｎ０より大きい。また、前記液晶層の厚みｄは、（ｎｅ－ｎ０）×ｄ＝λ／２を満たしている。なお、前記λは、真空中における入射光の波長である。
　前記液晶層において、液晶分子は、前記１／２波長板の中心に対して同心円状に配置されている。また、前記液晶分子は、液晶分子の主軸とこの主軸近傍の座標軸とのなす角をφとし、座標軸と偏光方向とがなす角をθとすると、前記液晶分子は、θ＝２φ、または、θ＝２φ－１８０のいずれかの関係式を満たす方向に配向されている。
　図１１に示す本実施形態の光学装置では、前記１／２波長板により軸対称偏光を直線偏光に変換したが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記軸対称偏光を円偏光に変換してもよい。また、本実施形態の光学装置では、前記実施形態１の光学装置を使用しているが、本発明は、この例に限定されず、例えば、前記実施形態２または３の光学装置を使用してもよい。
（実施形態５）
　本実施形態の光学素子は、発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、前記プラズモン励起層の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、さらに、前記キャリア生成層の下側に、偏光変換層を備える。前記偏光変換層は、１／４波長板であることが好ましい。本実施形態における、各構成および励起光の吸収率向上等は、前記実施形態１等の記載を引用できる。
（実施形態６）
　本実施形態の画像表示装置は、３板式の投射型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の一例である。図９に、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの構成を示す。図９（ａ）は、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの概略斜視図であり、図９（ｂ）は、同ＬＥＤプロジェクタの上面図である。
　図９に示すように、本実施形態のＬＥＤプロジェクタ１０は、３つの前記実施形態１から４のいずれかの光学装置１ｒ、１ｇ、１ｂと、３つの液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂと、色合成光学素子５０３と、投射光学系５０４とを主要な構成要素として含む。光学装置１ｒおよび液晶パネル５０２ｒと、光学装置１ｇおよび液晶パネル５０２ｇと、光学装置１ｂおよび液晶パネル５０２ｂとが、それぞれ光路を形成している。
　光学装置１ｒ、１ｇ、１ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、及び青（Ｂ）光用で異なる材料で構成されている。液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂは、表示させる画像に合わせて光の強度を変調する。色合成光学素子５０３は、液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂを透過した光を合成する。投射光学系５０４は、色合成光学素子５０３からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズを含む。
　図１０に、ＬＥＤプロジェクタ１０に使用される光学装置の発光波長（Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ）と、前記キャリア生成層の励起波長（Ｒａ、Ｇａ、Ｂａ）および発光波長（Ｒｒ、Ｇｒ、Ｂｒ）の強度との関係を示す。図１０に示すように、Ｒ光用光学装置、Ｇ光用光学装置、Ｂ光用光学装置の発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓと、前記キャリア生成層の励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａは、それぞれほぼ等しく設定されている。また、前記光学装置の発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ、および前記キャリア生成層の励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａと、前記キャリア生成層の発光波長Ｒｒ、Ｇｒ、Ｂｒとは、それぞれ互いに重ならないように設定されている。また、それぞれのＲ光用光学装置、Ｇ光用光学装置、Ｂ光用光学装置の発光スペクトルは、それぞれのキャリア生成層の励起スペクトルと一致するか、励起スペクトルの内側に収まるように設定されている。また、前記キャリア生成層の発光スペクトルは、前記キャリア生成層のいずれの励起スペクトルにもほとんど重ならないように設定されている。
　ＬＥＤプロジェクタ１０は、制御回路部（図示せず）により、前記光路ごとに前記液晶パネル上の像を変調させる。ＬＥＤプロジェクタ１０は、前記実施形態１から４のいずれかの光学装置を備えることにより、投射映像の輝度を向上できる。また、前記光学装置が非常に高い指向性を示すため、例えば、照明光学系を使用することなく、小型化できる。
　図９に示す本実施形態のＬＥＤプロジェクタは、３板型液晶プロジェクタであるが、本発明は、この例には限定されず、例えば、単板型液晶プロジェクタ等でもよい。また、本発明の画像表示装置は、前述のＬＥＤプロジェクタのみならず、例えば、ＬＥＤ以外の発光素子（例えば、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等）を使用したプロジェクタでもよいし、液晶表示装置のバックライト、またはＭＥＭＳを使用したバックライトと組み合わせた画像表示装置でもよい。また、本発明の画像表示装置は、例えば、前記実施形態５等の前記本発明の光学素子のみを含み、発光素子は画像表示装置外に配置されてもよい。
　前述のように、本発明の光学装置および光学素子は、励起光の吸収効率が向上されている。従って、本発明の光学装置または光学素子を使用した画像表示装置は、プロジェクタ等として使用できる。前記プロジェクタは、例えば、モバイルプロジェクタ、次世代リアプロジェクションＴＶ（ｒｅａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ＴＶ）、デジタルシネマ、網膜走査ディスプレイ（ＲＳＤ：Ｒｅｔｉｎａｌ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）、または携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン等への組込型プロジェクタ（ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）等があげられ、幅広い市場に対する応用が可能である。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１２年１月７日に出願された日本出願特願２０１２－１６９２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、１ｒ、１ｇ、１ｂ、１１、２１、３１　光学装置
２、２２　光源部
３、１３、２３　光制御部
１０　　ＬＥＤプロジェクタ（画像表示装置）
１０１、３０１　発光素子
１０２　１／４波長板（偏光変換層）
１０３　キャリア生成層
１０４　誘電体層
１０５、３０５　プラズモン励起層
１０６、３０６　誘電体層
１０７、２０７　波数ベクトル変換層（出射層）
３０３　キャリア生成部（出射層）
３０８　導光体
３０９　光出射面
４１０　１／２波長板（偏光変換素子）
５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂ　液晶パネル
５０３　色合成光学素子
５０４　投射光学系

Claims (18)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
    前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
    前記プラズモン励起層の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
    さらに、前記キャリア生成層の下側に、偏光変換層を備える、光学装置。
  2. 前記偏光変換層は、１／４波長板である、請求項１記載の光学装置。
  3. 前記プラズモン励起層の少なくとも一方の面に、誘電体層が積層されている、請求項１または２記載の光学装置。
  4. 前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側表面と、前記キャリア生成層の前記プラズモン励起層側表面との距離は、前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側表面に励起される表面プラズモンの有効相互作用距離よりも短い、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
  5. 前記キャリア生成層は、前記プラズモン励起層からの距離が、１～２００ｎｍの範囲内に配置されている、請求項４記載の光学装置。
  6. 前記出射層は、表面周期構造を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学装置。
  7. 前記表面周期構造は、フォトニック結晶である、請求項６記載の光学装置。
  8. 前記キャリア生成層は、表面周期構造を有し、かつ、前記出射層を兼ねる、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
  9. さらに、前記出射層から出射される軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
  10. 前記プラズモン励起層の前記発光素子側に積層された構造全体と前記発光素子に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率より、低い、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
  11. 前記プラズモン励起層の前記発光素子側に積層された構造全体と前記発光素子に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率より、高いまたは等しく、
    前記出射層の前記プラズモン励起層側の端部は、前記プラズモン励起層の前記出射層側の面からの距離が、表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
  12. 前記実効誘電率（εｅｆｆ）は、前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、虚数単位をｊ、Ｒｅ［　］を［　］内の数値の実部を示す記号とすれば、下記式（１）または式（７）のいずれか一方で表され、
    かつ、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、および前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および式（３）で表される、請求項１０または１１記載の光学装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  13. 前記有効相互作用距離ｄeffは、Ｉｍ［　］を［　］内の数値の虚部を示す記号とすれば、下記式（４）で表される、請求項４から１２のいずれか一項に記載の光学装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  14. 前記キャリア生成層に入射する光の入射角を、４０度以上とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学装置。
  15. 発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
    前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
    前記プラズモン励起層の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
    さらに、前記キャリア生成層の下側に、偏光変換層を備える、光学素子。
  16. 前記偏光変換層は、１／４波長板である、請求項１５記載の光学素子。
  17. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学装置、または、請求項１５もしくは１６記載の光学素子と、
    画像を表示可能な画像表示部とを含む、画像表示装置。
  18. さらに、前記画像表示部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、請求項１７記載の画像表示装置。
     
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