WO2016208644A1 - 光学装置、光源装置及び投影装置 - Google Patents

光学装置、光源装置及び投影装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2016208644A1
WO2016208644A1 PCT/JP2016/068581 JP2016068581W WO2016208644A1 WO 2016208644 A1 WO2016208644 A1 WO 2016208644A1 JP 2016068581 W JP2016068581 W JP 2016068581W WO 2016208644 A1 WO2016208644 A1 WO 2016208644A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanostructure
optical device
light
excitation light
light source
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/068581
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
今田昌宏
三森満
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コニカミノルタ株式会社 filed Critical コニカミノルタ株式会社
Publication of WO2016208644A1 publication Critical patent/WO2016208644A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V13/00—Producing particular characteristics or distribution of the light emitted by means of a combination of elements specified in two or more of main groups F21V1/00 - F21V11/00
    • F21V13/02—Combinations of only two kinds of elements
    • F21V13/08—Combinations of only two kinds of elements the elements being filters or photoluminescent elements and reflectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/08—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters for producing coloured light, e.g. monochromatic; for reducing intensity of light
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical device that emits light having a wavelength different from that of excitation light when irradiated with excitation light, a light source device incorporating such an optical device, and a projection apparatus having such a light source device as an illumination system.
  • Patent Document 1 A technique for increasing the light emission intensity and narrowing the direction in which light is emitted at the same time by combining an excitation light source, a wavelength conversion medium, and a periodic antenna array is known (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). . Specifically, in Patent Document 1, LEDs (Light Emitting Diodes), LDs (Laser Diodes), and the like are used as excitation light sources, and fluorescent materials, quantum dots, and the like are used as wavelength conversion media to form a periodic antenna array. In addition to gold, silver, an alloy, etc., two metal layers are used as nano-sized metal pieces.
  • Non-Patent Document 1 a sample in which nanometer-sized particles made of Al (aluminum) having a period of 400 nm and a diameter of 150 nm are formed on a glass substrate and a light-emitting layer having a thickness of 650 nm is formed thereon is manufactured. ing.
  • a nano-antenna composed of this type of nano-sized metal antenna (hereinafter referred to as a metal nanostructure) is irradiated with excitation light, surface plasmon resonance is excited on the surface of the metal nanostructure, and the energy of the excitation light is reduced to that of the metal nanostructure.
  • the effect of concentrating on the surface is obtained, and the emission intensity can be increased.
  • the diffraction effect of the nanoantenna prevents light from being totally trapped in the light-emitting layer or wavelength conversion layer from being trapped and cannot be extracted outside, and also increases the directivity in the light emission direction. Control becomes possible.
  • the wavelength conversion type light source device can be made low in etendue.
  • a light source device is used as, for example, a light source of a projector or a headlight for an automobile, light is emitted in a narrower angle range, so that light can be collected with a smaller lens and the optical system can be downsized.
  • the same lens diameter is considered, it is possible to realize a projector having high light utilization efficiency.
  • Patent Document 1 since a metal nanostructure is used as a nanoantenna, a part of light emitted from the wavelength conversion medium is absorbed by the metal nanostructure and becomes a loss. End up. Further, light is emitted at a similar ratio in the vertical direction with respect to the substrate.
  • the light actually used is light emitted in one of the above-described up and down directions, the light emitted in the other is lost, which is not preferable.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned background art, and an object thereof is to provide an optical device capable of performing efficient light distribution control while suppressing absorption in a metal nanostructure.
  • a first optical device is formed so as to cover a plurality of nanostructures formed in a two-dimensional periodic array, and to cover the plurality of nanostructures from at least one side, And a wavelength conversion layer that emits light having a wavelength different from that of the excitation light by being illuminated by the excitation light source, and the nanostructure includes at least one of a core portion formed of a nonmetallic dielectric material and a surface of the core portion. And a covering portion formed of a metal material covering the portion.
  • the wavelength conversion layer is a portion that generates light having a wavelength different from that of the excitation light, and is generally formed of a fluorescent material, but is not limited thereto, and light having a different wavelength depending on the excitation light. It only has to be generated.
  • the nanostructure has a core portion formed of a non-metallic dielectric material and a covering portion formed of a metal material that covers at least a part of the surface of the core portion.
  • the thickness of the covering portion can be reduced by the core portion while ensuring the three-dimensional size of the structure.
  • absorption of the fluorescence by the metal which comprises a nanostructure can be suppressed, and more efficient light emission can be implement
  • the metal coating portion of the nanostructure enables enhancement of emission intensity using excitation of surface plasmon resonance
  • the core portion enables securing the three-dimensional size of the nanostructure. It is possible to control the light distribution of the fluorescence using the diffraction effect by the nanostructure.
  • a second optical device includes a plurality of nanostructures formed of metal and provided in a two-dimensional periodic arrangement on a substrate, and at least a plurality of nanostructures.
  • a top surface area of the nanostructure is smaller than a bottom area of the nanostructure.
  • the top surface area of the nanostructure is formed so as to be covered from one side and is illuminated with an excitation light source.
  • the substrate side is defined as the bottom (or lowermost portion), and the side opposite to the substrate is defined as the top (or uppermost portion).
  • the nanostructure includes a case where a part thereof is formed of other than metal.
  • the absorption efficiency of excitation light can be increased by utilizing excitation of surface plasmon resonance by a metal nanostructure, and light with different wavelengths can be obtained more efficiently.
  • the top area of the nanostructure is smaller than the bottom area of the nanostructure, the absorption of light having a wavelength different from the excitation light (specifically, fluorescent light) is reduced, and the utilization efficiency of the fluorescent light is improved at least. Either one can be realized.
  • the absorption of fluorescent light by the metal nanostructure can be reduced by reducing the surface area of the nanostructure.
  • the nanostructure is asymmetrical in the vertical direction, it causes a difference in the ratio of light emitted in the vertical direction, and the percentage of light emitted in one direction than when the top area and the bottom area of the nanostructure are the same
  • the utilization efficiency of fluorescent light is improved. Thereby, a highly efficient optical device can be realized.
  • a light source device includes the optical device described above and a light source that irradiates a wavelength conversion layer of the optical device with excitation light.
  • the optical device described above since the optical device described above is used, it is possible to suppress the absorption of fluorescence by the metal constituting the plurality of nanostructures constituting the optical device, and to realize more efficient light emission. Thereby, high-intensity fluorescence can be emitted within a relatively narrow solid angle range, and a low-endendu light source device can be provided.
  • a projection apparatus includes the above-described light source device, an image display element illuminated by the light source apparatus, and a projection optical system that projects an image formed by the image display element. .
  • the light source apparatus with low etendue and high efficiency since the light source apparatus with low etendue and high efficiency is used, the light use efficiency in the image display element can be increased, and a small and bright projection apparatus can be provided.
  • FIG. 2A is a plan view of the optical device according to the first embodiment shown in FIG. 1
  • FIG. 2B is a side sectional view of the optical device according to the first embodiment shown in FIG. 2A.
  • 3A to 3E are diagrams for explaining an example of a manufacturing method of the optical device shown in FIG. 2B and the like.
  • 4A to 4D are diagrams for explaining another example of the manufacturing method of the optical device shown in FIG. 2B and the like.
  • FIG. 5A is a plan view of a modification of the optical device shown in FIG. 2B and the like
  • FIG. 5B is a plan sectional view of the nanostructure constituting the nanostructure array
  • 5C is a side sectional view of the nanostructure.
  • 6A to 6D are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the optical device illustrated in FIG. 5B and the like.
  • 7A to 7D are diagrams for explaining another example of the manufacturing method of the optical device shown in FIG. 5B and the like.
  • 8A is a plan view of another modification of the optical device shown in FIG. 2B and the like, and
  • FIG. 8B is a side sectional view of the optical device shown in FIG. 8A.
  • 9A and 9B are cross-sectional views illustrating the nanostructure of Example 1
  • FIG. 9C is a cross-sectional view illustrating the nanostructure of the comparative example.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining the relationship between the thickness of the covering portion of the nanostructure and the absorption in Example 1 corresponding to the first embodiment.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating the relationship between the thickness of the nanostructured coating portion and absorption in Example 1 and the like.
  • 12A and 12B are diagrams for explaining the relationship between the thickness of the covering portion of the nanostructure and the absorption in Example 1 and the like.
  • 13A and 13B are diagrams illustrating the relationship between the thickness of the nanostructured coating portion and absorption in Example 1 and the like.
  • 14A and 14B are diagrams illustrating the relationship between the thickness of the covering portion of the nanostructure and the absorption in Example 1 and the like.
  • 15A and 15B are diagrams for explaining the relationship between the thickness of the nanostructured coating portion and the absorption in Example 1 and the like.
  • 16A and 16B are cross-sectional views illustrating the nanostructure of Example 2 corresponding to the first embodiment
  • FIG. 16C is a cross-sectional view illustrating the nanostructure of the comparative example. It is a figure explaining the relationship between the thickness of the coating
  • 18A and 18B are cross-sectional views illustrating a nanostructure of Example 3 corresponding to the first embodiment
  • FIG. 18C is a cross-sectional view illustrating a nanostructure of a comparative example. It is a figure explaining the relationship between the thickness of the coating part of nanostructure in Example 3, etc. and absorption.
  • FIG. 21A is a plan view for explaining an example of the nanostructure of Example 4 described later, which is the optical device of the second embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 21B is the second embodiment shown in FIG. 21A. It is side sectional drawing of the optical apparatus of. It is side sectional drawing which shows the modification of nanostructure.
  • 23A to 23D are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the optical device illustrated in FIG. 21B and the like.
  • 24A to 24D are diagrams illustrating a modification of the manufacturing method of the optical device.
  • FIG. 21A is a plan view for explaining an example of the nanostructure of Example 4 described later, which is the optical device of the second embodiment shown in FIG. 1
  • FIG. 21B is the second embodiment shown in FIG. 21A.
  • 23A to 23D are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the optical device illustrated in FIG. 21B and the like.
  • 24A to 24D are diagrams illustrating a modification of
  • FIG. 25A is a diagram for explaining the relationship between the difference between the length of the bottom and the top of the nanostructure in Example 4 corresponding to the second embodiment and the absorption
  • FIG. 25B is the nanostructure in Example 4. It is a figure explaining the relationship between the ratio of the difference of the area of the bottom part and top part, and absorption.
  • FIG. 26A is a plan view for explaining an example of the nanostructure of Example 5 corresponding to the second embodiment
  • FIG. 26B is a side sectional view of the optical device shown in FIG. 26A.
  • FIG. 27A is a diagram for explaining the relationship between the difference in length between the bottom and top of the nanostructure and the absorption in Example 5, and
  • FIG. 27B shows the difference in the area between the bottom and top of the nanostructure in Example 5.
  • FIG. 28A is a plan view for explaining an example of the nanostructure of Example 6 corresponding to the second embodiment
  • FIG. 28B is a side sectional view of the optical device shown in FIG. 28A
  • FIG. 29A is a diagram for explaining the relationship between the difference in length between the bottom and top of the nanostructure in Example 6 and the absorption
  • FIG. 29B is the difference in area between the bottom and top of the nanostructure in Example 6.
  • 30A is a plan view illustrating an example of the nanostructure of Example 7 corresponding to the second embodiment
  • FIG. 30B is a side sectional view of the optical device shown in FIG. 30A.
  • FIG. 31A is a diagram for explaining the relationship between the difference in length between the bottom and the top of the nanostructure in Example 7 and the absorption
  • FIG. 31B shows the difference in the area between the bottom and the top of the nanostructure in Example 7. It is a figure explaining the relationship between the ratio and absorption.
  • FIG. 32A is a diagram for explaining the relationship between the difference between the length of the bottom and the top of the nanostructure and the absorption in Example 8
  • FIG. 32B is the difference in the area between the bottom and the top of the nanostructure in Example 8. It is a figure explaining the relationship between the ratio and absorption.
  • 33A is a plan view illustrating an example of the nanostructure of Example 9 that embodies the second embodiment
  • FIG. 33B is a side sectional view of the optical device shown in FIG.
  • FIG. 34A is a diagram for explaining the relationship between the difference in length between the bottom and the top of the nanostructure in Example 9 and the absorption
  • FIG. 34B shows the difference in the area between the bottom and the top of the nanostructure in Example 9. It is a figure explaining the relationship between the ratio and absorption. It is a figure explaining the projection apparatus incorporating the 1st optical apparatus shown in FIG. 1 etc. or the 2nd optical apparatus shown in FIG. It is a figure explaining the light emission wheel integrated in the projection apparatus shown in FIG.
  • An optical device 10 shown in FIG. 1 is an optical element that performs wavelength conversion on incident light, and is two-dimensionally arranged on a flat substrate 11 having optical transparency in the visible and other wavelength ranges, and on the surface 11a side of the substrate 11.
  • the hybrid-type nanostructure array 12 is formed so as to spread, and the wavelength conversion layer 13 is formed on the substrate 11 so as to cover the nanostructure array 12 from one side.
  • the wavelength conversion layer 13 is made of a phosphor
  • the optical device 10 is illuminated from the back surface 11b side by an excitation light source 90 that emits excitation light B1 having a relatively short wavelength range, for example, a blue wavelength range.
  • the substrate 11 transmits the excitation light B1 and guides it to the wavelength conversion layer 13.
  • the phosphor in the wavelength conversion layer 13 is excited by the excitation light B1 in a relatively short wavelength region, and the surface 13a of the wavelength conversion layer 13 is relatively generated in the green wavelength region, for example, generated by the excited phosphor.
  • Long-wavelength fluorescent light G1 is emitted.
  • the nanostructure array 12 increases the emission intensity of the fluorescent light G1 and the directivity.
  • the excitation light source 90 can also be disposed on the front side of the optical device 10, and in this case, the excitation light B ⁇ b> 2 is incident on the surface 13 a of the wavelength conversion layer 13. Thereby, from the surface 13a of the wavelength conversion layer 13, the fluorescent light G1 similar to the above is emitted.
  • the substrate 11 is a support for the nanostructure array 12, and, for example, quartz that is processed into a flat plate by polishing or the like is used.
  • the substrate 11 is not limited to quartz but can be formed of sapphire, glass, ceramics, or other inorganic materials, or formed of PMMA (acrylic), PC (polycarbonate), PET (polyethylene terephthalate), or other resin materials. can do.
  • a fluorescent layer similar to the wavelength conversion layer 13 can be provided on the surface 11a side of the substrate 11 as a base of the nanostructure array 12 as long as the formation of the nanostructure array 12 is not hindered.
  • the substrate 11 When the excitation light B2 is incident on the optical device 10 from the wavelength conversion layer 13 side, the substrate 11 can be formed of an opaque material that does not have optical transparency. When the excitation light B2 is incident from the front surface 13a side, the excitation light and the fluorescent light that pass through the back surface 11b of the substrate 11 are lost, so that the reflective layer made of a metal or dielectric mirror is formed on the back surface 11b of the substrate 11 having optical transparency. It is preferable to suppress the emission of excitation light and fluorescent light to the back surface 11b.
  • the substrate 11 can be formed by forming a transparent dielectric layer on a reflective metal substrate.
  • the substrate 11 When the substrate 11 makes the excitation light B1 incident on the optical device 10 from the back surface 11b side, the substrate 11 forms a dichroic mirror that transmits the excitation light B1 and reflects the fluorescent light G1 on the back surface 11b side.
  • the emission of fluorescent light G1 can be suppressed, and higher efficiency can be achieved.
  • the dichroic mirror may be formed between the substrate 11 and the nanostructure array 12 other than the back surface 11 b of the substrate 11.
  • a dichroic mirror that reflects the excitation light and transmits the fluorescence light may be formed on the surface 13 a side of the wavelength conversion layer 13 opposite to the incidence of the excitation light.
  • the nanostructure array 12 is composed of a plurality of nanostructures 16 that are two-dimensionally arranged along the surface 11a of the substrate 11.
  • a plurality of nanostructures 16 are arranged in a dot shape on lattice points.
  • Each nanostructure 16 is a columnar protrusion formed on the substrate 11 and specifically has a cylindrical outer shape.
  • Such nanostructures can be fabricated by a relatively simple and low cost technique.
  • Each nanostructure 16 has a core portion 16a formed of a non-metallic dielectric material and a covering portion 16b formed of a metal material.
  • the core part 16a is formed of silicon dioxide, alumina, or other dielectric material having optical transparency.
  • the covering portion 16b is a metal layer or a metal film that covers the upper surface 16j of the core portion 16a as at least a part of the surface of the core portion 16a. That is, the covering portion 16b is formed only on the top surface of the nanostructure 16 protruding in a columnar shape. More specifically, the covering portion 16 b is formed in a layered manner at the boundary between the core portion 16 a and the wavelength conversion layer 13. This makes it possible to emit light with higher efficiency and increase the light emission intensity.
  • the covering portion 16b is formed of, for example, aluminum, but is not limited to aluminum, and may be formed of a noble metal such as gold, silver, copper, platinum, or palladium, a metal such as chromium, nickel, or indium, or an alloy thereof. . Furthermore, the covering portion 16b may have a laminated structure in which aluminum and chromium are laminated in order to improve adhesion.
  • the nanostructure 16 includes a coating portion 16b that is a metal layer, and generates local surface plasmon resonance by irradiation with the excitation light B1. Furthermore, by forming the nanostructure array 12 in which a plurality of nanostructures 16 are arranged on lattice points, surface lattice resonance can be generated by diffractive coupling of localized surface plasmon resonance generated in each nanostructure 16.
  • the wavelength conversion layer 13 can be excited efficiently. If the coupling efficiency of the excitation light B1 incident on the nanostructure array 12 with respect to such surface lattice resonance is high, the excitation efficiency of the wavelength conversion layer 13 can be further increased.
  • the nanostructure array 12 takes into account the lattice resonance or diffraction effect on the fluorescent light G1 generated in the wavelength conversion layer 13, and is within a narrow angle range of the substrate 11 in the normal direction DP, for example.
  • the fluorescent light G1 can be concentrated and emitted. That is, the nanostructure array 12 enables light distribution control that enhances the directivity of the emission direction of the fluorescent light G1.
  • the shape and size of the nanostructure 16 and the lattice spacing of the nanostructure array 12 are set so that the coupling efficiency of the excitation light B1 as described above is enhanced and the directivity of the fluorescent light G1 is as expected. At that time, the wavelengths of the excitation light B1 and the fluorescent light G1 are also important parameters.
  • the array pattern of the nanostructures 16 in the nanostructure array 12 is not limited to the square lattice illustrated in FIG. 2A or the like, and may be various periodic patterns such as a rectangular lattice, a triangular lattice, a hexagonal lattice, and an orthorhombic lattice.
  • the arrangement pattern of the nanostructures 16 may be a combination of a plurality of types of periodic patterns as described above or a quasiperiodic structure (or quasicrystal). At this time, the arrangement pattern is set so as to satisfy specifications according to applications such as the wavelengths of the excitation light B1 and the fluorescent light G1, the emission direction of the fluorescent light G1, and the angle range.
  • the period Ax in the first direction (specifically, the X direction) of the nanostructure 16 is equal to the period Ay in the second direction (specifically, the Y direction). They may differ within a range that does not affect removal (for example, about ⁇ 2%).
  • the shape of the nanostructure 16 is not limited to the cylinder illustrated in FIG. 2A or the like, and may be various shapes such as a prism, a truncated cone, and a truncated pyramid within a range that satisfies specifications according to the application. Moreover, the thickness of the coating
  • the nanostructure 16 has a three-dimensional structure that protrudes into the wavelength conversion layer 13 as a whole, and a metal covering portion 16b is formed on the nanostructure 16. For this reason, compared to a nanostructure formed simply of a non-metallic dielectric material, it is possible to increase the intensity of fluorescence due to the plasmon effect and to ensure the diffraction effect of the periodic structure, Directivity can be kept high enough. On the other hand, since only the covering portion 16b is made of metal, the volume of the metal is reduced as compared with the case where the entire nanostructure 16 is made of metal, and absorption of the fluorescent light G1 can be suppressed. As a result, it is possible to realize the optical device 10 that can emit the fluorescent light G1 with high directivity and high luminance while suppressing absorption.
  • the refractive index of the core portion 16a of the nanostructure 16 is preferably different from the refractive index of the surrounding wavelength conversion layer 13 in order to ensure the diffraction effect by the nanostructure 16.
  • the wavelength conversion layer 13 may be any material that absorbs excitation light and emits light at a longer wavelength than that.
  • the wavelength conversion layer 13 is formed of an organic phosphor, but may be formed of an inorganic phosphor.
  • the phosphor can be used as it is, but usually the phosphor is dispersed or dissolved in a base material or binder made of an organic material or an inorganic material.
  • trade name: Lumogen F manufactured by BASF Corporation can be used.
  • the wavelength conversion layer can be formed by dissolving the phosphor in, for example, a UV curable acrylic resin, applying it by spin coating, and curing it with ultraviolet light.
  • the wavelength conversion layer 13 can also be formed from a material containing quantum dots or a semiconductor. Although it is not essential for the wavelength conversion layer 13 to be disposed in contact with the nanostructure array 12 as shown in the drawing, if the wavelength conversion layer 13 is separated from the nanostructure array 12, it is less susceptible to surface plasmon resonance.
  • the wavelength conversion layer 13 is desirably disposed in the vicinity of the nanostructure array 12 (specifically, about 100 nm or less). This arrangement can be appropriately changed depending on the specifications. For example, on the surface 11 a side of the substrate 11, a fluorescent layer similar to the wavelength conversion layer 13 can be provided as a base of the nanostructure array 12 as long as the formation of the nanostructure array 12 is not prevented.
  • the refractive index of the wavelength conversion layer 13 can match or be different from the refractive index of the substrate 11.
  • the refractive index of the wavelength conversion layer 13 is larger than the refractive index of the substrate 11, the excitation light B1, the excitation light B2, and the fluorescence light G1 are held in the wavelength conversion layer 13 so as to be emitted in an unintended direction. Can be suppressed.
  • the wavelength conversion layer 13 has as little scattering as possible. This is because, if the scattering is strong, the fluorescence whose light distribution is controlled will become isotropic light emission due to the scattering. If a non-scattering material is used, a phenomenon in which fluorescent light is scattered by the wavelength conversion layer 13 can be suppressed, and light distribution control by a plurality of nanostructures 16 can be effectively performed.
  • a parallel plate-like substrate 11 made of quartz glass or the like is prepared in advance, a transparent dielectric layer 18a such as silicon dioxide is formed on the substrate 11, and an Al layer 18b is formed thereon. Form a film.
  • the dielectric layer 18a and the Al layer 18b can be formed using a technique such as EB (Electron Beam) deposition, sputtering, or CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • EB Electrode
  • sputtering sputtering
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a resist pattern layer 19a is formed on the Al layer 18b by using a patterning technique such as electron beam drawing or nanoimprint lithography.
  • the resist pattern layer 19 a has a nano pattern corresponding to the nano structure 16 constituting the nano structure array 12.
  • the Al layer 18b is etched using dry etching techniques such as RIE (Reactive Ion Etching), ICP-RIE (Inductively Coupling Plasma Reactive Ion Etching), ion etching, etc.
  • Layer 18d is formed.
  • FIG. 3D by etching the dielectric layer 18a using the resist pattern layer 19a or the Al pattern layer 18d as a mask, a large number of nanostructures 16 that are two-dimensionally arranged on the substrate 11, that is, nanostructures.
  • An array 12 can be formed.
  • a phosphor layer that becomes the wavelength conversion layer 13 is formed on the substrate 11 on which the nanostructure array 12 is formed by using spin coating, spraying, sol-gel method, sputtering, CVD, or other film forming methods. Form a film.
  • the optical apparatus 10 which performs wavelength conversion with respect to incident light can be produced.
  • the manufacturing method of the optical device 10 shown in FIGS. 3A to 3E is merely an example, and the optical device 10 can be manufactured by various methods.
  • FIG. 4A to 4D are diagrams for explaining another method for manufacturing the optical device 10.
  • a resist pattern layer 19b is formed on the substrate 11 or a dielectric layer (not shown).
  • an Al layer 18b is formed on the entire surface including the resist pattern layer 19b and the substrate 11.
  • the Al pattern layer 18d is formed by removing the resist pattern layer 19b and the Al layer 18b thereon by a lift-off method.
  • FIG. 4C shows that is formed by removing the resist pattern layer 19b and the Al layer 18b thereon by a lift-off method.
  • the surface layer or the dielectric layer (not shown) of the substrate 11 is etched using the Al pattern layer 18d as a mask, so that a large number of nanostructures 16 arranged two-dimensionally on the substrate 11 are obtained. That is, the nanostructure array 12 can be formed.
  • the manufacturing method can be simplified and inexpensive.
  • a conventional nano antenna having the entire nano structure as a metal has the same thickness as that of the nano structure 16 in FIG. 3E, the Al layer becomes thick and the aspect ratio becomes about 1, so that the lift-off method is used. It becomes difficult to form. That is, the resist pattern opening is blocked during the deposition of the Al layer, and it is difficult to form a good shape.
  • the obtained Al nanostructure has a tapered shape, a rough side surface, or an irregular shape in plan view.
  • deeper etching is required, and the degree of difficulty is high, for example, a selection ratio with a resist is required.
  • the nanostructure 16 constituting the nanostructure array 12 includes a covering portion 16b that covers not only the upper surface 16j of the core portion 16a but also the side surface 16k. That is, the covering portion 16b is formed on the top and side surfaces of the nanostructure 16 that is a columnar protrusion. In this case, it is easy to cover the core portion 16a while spreading the covering portion 16b thin, and the covering portion 16b can be easily formed.
  • the thickness t1 of the covering portion 16b on the upper surface 16j of the core portion 16a may not be equal to the thickness t2 of the covering portion 16b on the side surface 16k of the core portion 16a.
  • the covering portion 16b cover the entire periphery of the core portion 16a, the volume of the metal is reduced to suppress the absorption of excitation light and fluorescent light, and the conductivity of the nanostructure array 12 can be reduced.
  • the height of the projections and depressions is ensured, and the extraction efficiency and directivity of the fluorescent light G1 can be increased.
  • a transparent dielectric pattern layer 18h such as silicon oxide is formed on a substrate 11 or a dielectric layer (not shown) using a resist pattern layer (not shown).
  • an Al layer 18c is formed on the entire surface including the dielectric pattern layer 18h and the substrate 11 (including the side surfaces of the dielectric).
  • a method is adopted in which the substrate 11 is rotated while being tilted with respect to the evaporation source during film formation.
  • a resist pattern layer 19c is formed in a portion corresponding to the protrusion of the dielectric pattern layer 18h.
  • the Al layer 18c is etched using the resist pattern layer 19c as a mask to form an Al pattern layer 18e covering the dielectric pattern layer 18h.
  • the substrate 11 is two-dimensionally formed.
  • a number of arranged nanostructures 16 or nanostructure arrays 12 can be formed.
  • FIG. 7A to 7D are diagrams for explaining another method for manufacturing the optical device 10.
  • FIG. 7A a phosphor layer 113 corresponding to the wavelength conversion layer 13 is prepared on a substrate 19 made of silicon dioxide or other material and having light transmittance, and the phosphor layer 113 is prepared.
  • a large number of recesses 113a to be the nanostructure array 12 are formed on the surface layer of the phosphor layer 113.
  • FIG. 7B an Al layer 18p is formed on the entire surface including the resist pattern layer 19d and the phosphor layer 113.
  • the Al pattern layer 18q is formed by removing the resist pattern layer 19d and the Al layer 18p thereon as a finishing process of the lift-off method.
  • a transparent dielectric layer 211 such as silicon dioxide is formed on the entire surface including the Al pattern layer 18q and the phosphor layer 113.
  • the portion embedded in the recess of the Al pattern layer 18q functions as the core portion 16a of the nanostructure 16, and is embedded in the phosphor layer 113, which is the wavelength conversion layer 13, and arranged two-dimensionally.
  • a number of nanostructures 16 or nanostructure arrays 12 can be obtained.
  • the portion of the dielectric layer 211 that covers the wavelength conversion layer 13 (phosphor layer 113) and the nanostructure array 12 corresponds to the substrate 11 shown in FIG. 5A and the like.
  • the nanostructure 16 constituting the nanostructure array 12 includes a covering portion 16b that covers the side surface 16k instead of the upper surface 16j of the core portion 16a. That is, the covering portion 16 b is formed only on the side surface of the nanostructure 16 that is a columnar protrusion and serves as a side wall portion of the nanostructure 16.
  • the covering portion 16b covers the side surface of the core portion 16a, the volume of the metal is reduced to suppress the absorption of excitation light and fluorescent light, and the conductive unevenness of the nanostructure array 12 is reduced. The height is secured, and the extraction efficiency and directivity of the fluorescent light G1 can be increased.
  • the manufacturing method of the optical device 10 illustrated in FIG. 8B and the like is not illustrated, but in the manufacturing method of the optical device 10 illustrated in FIG. 5A and the like, for example, the upper portion of the Al pattern layer 18e is polished after the step illustrated in FIG. It is sufficient to add a process of removing by.
  • the core portion 16a in which the nanostructure 16 is formed of a nonmetallic dielectric material and the covering portion formed of a metal material that covers at least a part of the surface of the core portion 16a. 16b the thickness of the covering portion 16b can be reduced by the amount corresponding to the core portion 16a while ensuring the three-dimensional size of the nanostructure 16.
  • absorption of the fluorescence by the metal which comprises the nanostructure 16 can be suppressed, and more efficient light emission can be implement
  • the metal covering portion 16b in the nanostructure 16 can enhance the emission intensity using excitation of surface plasmon resonance, and the core portion 16a can ensure the three-dimensional size of the nanostructure.
  • the light distribution control of the fluorescence using the diffraction effect by the plurality of nanostructures 16, that is, the nanostructure array 12 becomes possible.
  • Example 1 9A and 9B are enlarged cross-sectional views illustrating the structure of the optical device 10 according to the first embodiment.
  • the illustrated structure shows a cylinder which is one of repeating units constituting the optical device 10, and the optical device 10 is repeated by repeating this structure in the horizontal direction along the paper surface and in the depth direction perpendicular to the paper surface. Composed.
  • the nanostructure 16 is a columnar protrusion (specifically, a nanocylinder), and has the same structure as that in FIG. 2B. That is, in the case of FIG.
  • the SiO 2 portion 116a corresponding to the core portion 16a is considerably thicker than the Al layer 116b corresponding to the covering portion 16b, and substantially matches the state shown in FIG. 2B.
  • the thickness of the SiO 2 portion 116a and the thickness of the Al layer 116b are substantially the same.
  • the optical device 10 of Example 1 is an intermediate device between FIGS. 9A and 9B, an Al layer 116b thinner than the state of FIG. 9A, and an Al layer 116b thicker than the state of FIG. 9B. including.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a nanocylinder having a diameter of 150 nm and a height of 150 nm, and has an Al layer 116b having a uniform thickness on the top.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm.
  • 10A and 10B show the results of calculating the ratio of light absorbed by the Al layer 116b when the thickness of the Al layer 116b, which is the covering portion 16b, is changed while the height of the nanostructure 16 is kept constant. is there.
  • the horizontal axis indicates the thickness of the Al layer 116b
  • the vertical axis indicates the relative absorption amount in which the absorption by the Al layer 116b is normalized.
  • the thickness of the Al layer 116b changes with the height of the nanostructure 16 as the upper limit.
  • the thickness of the Al layer 116b becomes 150 nm as shown in FIG. 9C the thickness of the SiO 2 portion 116a or the core portion 16a becomes zero. This case is used as a comparative example. That is, the state in which the thickness of the Al layer 116b is greater than 0 nm and less than 150 nm is Example 1.
  • RCWA rigid coupled-wave analysis
  • the wavelength of the excitation light was set to two types: 400 to 410 nm assuming a UV (ultraviolet) laser (UV excitation light) and 435 to 445 nm assuming a blue laser (blue excitation light).
  • the wavelength of the fluorescent light whose light distribution is controlled was set to 580 to 630 nm. Assuming that the optical device 10 is irradiated with excitation light from the upper side, that is, the wavelength conversion layer 13 side (B2 shown in FIG.
  • the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength is calculated.
  • 10A is normalized with the calculation result of the absorption amount in the comparative example in which the thickness of the Al layer 116b is 150 nm (that is, when the nanostructure 16 is formed of only Al) as 1 and the relative absorption amount is shown in FIG. 10A. Plotted.
  • the solid line Lb indicates blue excitation light
  • the alternate long and short dash line Lu indicates UV excitation light
  • the broken line Lf indicates fluorescence light (the same applies to FIGS. 11A to 15B).
  • the UV excitation light has a relative absorption amount of 1 by the Al layer 116b of the UV excitation light by making the thickness of the Al layer 116b thinner than 70 nm. Smaller. That is, the amount of absorption is smaller than when the height is 150 nm with only the Al layer 116b (comparative example). In the case of blue excitation, the relative absorption amount does not exceed 1, and the thickness of the Al layer 116b is made thinner than 140 nm, so that the absorption of the blue excitation light by the Al layer 116b can be further reduced.
  • the irradiated excitation light is absorbed by the Al layer 116b
  • the absorbed amount is lost and does not contribute to fluorescence emission at all.
  • the fact that the absorption in the Al layer 116b is reduced means that the loss is reduced accordingly, and the efficiency of the optical device 10 is increased.
  • the absorption of the fluorescent light by the Al layer 116b also decreases regardless of the thickness of the Al layer 116b. This means that the ratio of loss due to absorption of light emitted from the phosphor by the Al layer 116b is reduced, which also contributes to higher efficiency and higher brightness of the optical device 10.
  • the optical device 10 of Example 1 basically has the same structure as that of Non-Patent Document 1 with respect to the size and arrangement of the nanostructure array 12, FIG. Similar to 2c, the light distribution is controlled at a red wavelength of around 620 nm, and can be used as a highly efficient red light source.
  • FIG. 10B shows the Al at each wavelength when the optical device 10 of Example 1 was irradiated with excitation light or the like from the lower side, that is, the substrate 11 side (B1: shown in FIG. 1).
  • the calculation result of the absorption amount in the layer 116b is shown.
  • the relative absorption amount does not exceed 1, and the SiO 2 portion 116a is provided rather than the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b. It can be seen that the absorption of the fluorescent light is reduced, and that the optical device 10 can achieve high efficiency and high brightness.
  • FIG. 11A shows the amount of absorption when the nanostructure 16 is a nanocylinder having a diameter of 150 nm and a height of 100 nm in the optical device 10 of Example 1, and is two-dimensionally arranged on a square lattice point with a period of 400 nm. Yes. That is, the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 100 nm, and the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength in the case of the reflection type irradiated with excitation light from the wavelength conversion layer 13 side is calculated.
  • FIG. 11A is normalized with the calculation result of the absorption amount in the comparative example in which the thickness of the Al layer 116b is 100 nm (that is, when the nanostructure 16 is formed of only Al) as a relative absorption amount in FIG. 11A. It is a plot. As can be seen from FIG. 11A, when the height of the nanostructure 16 is 100 nm, the UV excitation light, the blue excitation light, and the fluorescence light exceed the case where the height is 100 nm only by the Al layer 116b (comparative example). However, it can be seen that the absorption is further reduced by increasing the thickness of the SiO 2 portion 116a.
  • FIG. 11B shows the absorption amount in the Al layer 116b at each wavelength in the case of the transmission type in which only the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 100 nm and the excitation light is irradiated from the substrate 11 side, as in FIG. 11A. It is a standardized one. As can be seen from FIG. 11B, when the height of the nanostructure 16 is 100 nm, the relative absorption amount does not exceed 1, and the SiO 2 portion 116a is provided rather than the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b. Thus, it can be seen that the absorption of UV excitation light, blue excitation light, and fluorescence light decreases.
  • FIG. 12A shows the amount of absorption when the nanostructure 16 is a nanocylinder having a diameter of 150 nm and a height of 50 nm in the optical device 10 of Example 1, and is two-dimensionally arranged on a square lattice point with a period of 400 nm. Yes. That is, the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 50 nm, and the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength in the case of the reflection type in which excitation light is irradiated from the wavelength conversion layer 13 side is normalized. It is a plot. As can be seen from FIG.
  • FIG. 12B shows the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength in the case of the transmission type in which only the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 50 nm and the excitation light is irradiated from the substrate 11 side, as in FIG. 12A. It is a standardized one. As can be seen from FIG. 12B, when the height of the nanostructure 16 is 50 nm, by providing the SiO 2 portion 116a rather than the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b, the UV excitation light and the blue excitation light can be obtained.
  • the absorption decreases, and the relative absorption amount of the fluorescent light does not exceed 1, and it is understood that the absorption of the UV excitation light, the blue excitation light, and the fluorescence light decreases by providing the SiO 2 portion 116a.
  • FIGS. 13A and 13B illustrate light absorption in a modified example in which the nanostructure 16 has a height of 150 nm, a diameter of 130 nm, and the nanostructure 16 has a period of 345 nm in the first embodiment.
  • FIG. 13A shows the calculation of the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength for the reflection type in which excitation light or the like is irradiated from the upper side, that is, the wavelength conversion layer 13 side, with respect to the modified example having the period of 345 nm. Results are shown.
  • FIG. 13A shows the calculation of the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength for the reflection type in which excitation light or the like is irradiated from the upper side, that is, the wavelength conversion layer 13 side, with respect to the modified example having the period of 345 nm. Results are shown.
  • FIG. 13A shows the calculation of the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength for the reflection type in which excitation light or the
  • 13B shows a calculation result in the case of a transmission type in which excitation light or the like is irradiated from the lower side, that is, the substrate 11 side, with respect to the modified example having the period of 345 nm.
  • the resonance wavelength changes from 600 to 630 nm in a green color at 530 nm in proportion to the period. Therefore, a high-efficiency green light source can be realized by combining this structure with a green phosphor.
  • the thickness of the Al layer 116b is preferably 110 nm or less if it is blue excitation light. In the case of UV excitation light, the thickness of the Al layer 116b is preferably 60 nm or less. It can also be seen that the relative absorption amount of fluorescent light does not exceed 1, and the thickness of the Al layer 116b is preferably 120 nm or less.
  • the thickness of the Al layer 116b should be 80 nm or less for blue excitation light.
  • the thickness of the Al layer 116b is preferably 60 nm or less.
  • the relative absorption amount of the fluorescent light does not exceed 1, and is decreased by providing the SiO 2 portion 116a as compared with the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b.
  • FIG. 14A shows the amount of absorption when the nanostructure 16 is a nano-cylinder having a diameter of 130 nm and a height of 100 nm and is arranged two-dimensionally on a square lattice point with a period of 345 nm in the optical device 10 of Example 1. Yes. That is, the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 100 nm with respect to the one shown in FIG. 13A and the like, and the Al layer 116b at each wavelength in the case of the reflective type irradiated with excitation light from the wavelength conversion layer 13 side. 14A is normalized, and these are plotted as relative absorption amounts in FIG. 14A. As can be seen from FIG.
  • the UV excitation light should have a thickness of the Al layer 116b of 70 nm or less. Further, blue excitation light and fluorescent light do not have a relative absorption amount exceeding 1, and absorption is reduced by providing the SiO 2 portion 116a as compared with the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b. I understand.
  • FIG. 14B shows the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength in the case of the transmission type in which the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 100 nm and the excitation light is irradiated from the substrate 11 side as in FIG. 14A. It has become.
  • the UV excitation light should have a thickness of the Al layer 116b of 60 nm or less.
  • blue excitation light and fluorescent light do not have a relative absorption amount exceeding 1, and absorption is reduced by providing the SiO 2 portion 116a as compared with the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b. I understand.
  • FIG. 15A shows the amount of absorption when the nanostructure 16 is a nano-cylinder having a diameter of 130 nm and a height of 50 nm and is arranged two-dimensionally on a square lattice point with a period of 345 nm in the optical device 10 of Example 1. Yes. That is, the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 50 nm, and the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength in the case of a reflective type irradiated with excitation light from the wavelength conversion layer 13 side is normalized, and these are relative to each other. 15A is plotted as a typical absorption amount. As can be seen from FIG.
  • the nanostructure 16 when the height of the nanostructure 16 is 50 nm, the blue absorption light, the UV excitation light, and the fluorescent light do not exceed 1 in relative absorption, and the nanostructure 16 is formed only by the Al layer 116b. It can be seen that the absorption is reduced by providing the SiO 2 part 116a as compared with the constructed comparative example.
  • FIG. 15B shows the amount of absorption in the Al layer 116b at each wavelength in the case of the transmission type in which the height of the nanostructure 16 is changed from 150 nm to 50 nm and the excitation light is irradiated from the substrate 11 side as in FIG. 15A. It has become.
  • the blue excitation light has a relative absorption amount of 1 by the Al layer 116b of the blue excitation light by making the thickness of the Al layer 116b thinner than 16 nm. Smaller.
  • UV excitation light and fluorescent light have a relative absorption amount that does not exceed 1, and absorption is reduced by providing the SiO 2 portion 116a as compared with the comparative example in which the nanostructure 16 is configured only by the Al layer 116b. I understand.
  • the core portion 16a of the nanostructure 16 is formed of a non-metallic dielectric material, and only the upper surface of the core portion 16a is covered with a metal material to form the covering portion 16b. Absorption of fluorescent light can be suppressed, and high efficiency and high brightness can be achieved. Further, from FIGS. 10 to 15, when red fluorescent light is generated, the transmission type nano structure has a height of 50 to 150 nm, or the reflection type nano structure has a height of 50 to 100 nm. In the case where the fluorescent light is generated, if the reflection type blue excitation light is used and the height of the nanostructure is 50 to 100 nm, the efficiency can be improved regardless of the thickness of the metal cover.
  • an Al layer (covering the entire height of the nanostructure) Part) is 40% or less, high efficiency can be achieved regardless of the overall height.
  • red or green fluorescent light is generated in a reflection type using blue light as excitation light, the efficiency is increased regardless of the overall height if the Al layer (covering portion) is 70% or less with respect to the overall height of the nanostructure. be able to.
  • an Al layer (covering portion) is applied to the overall height of the nanostructure. If the ratio is 40% or less, high efficiency can be achieved regardless of the overall height. In addition, in the case where red or green fluorescent light is generated in a transmission type by using blue light as excitation light, if the Al layer (covering portion) is 30% or less with respect to the total height of the nanostructure, high efficiency is achieved regardless of the total height. be able to.
  • Example 2 16A and 16B are enlarged cross-sectional views illustrating the structure of the optical device 10 according to the second embodiment.
  • the illustrated structure shows one of the repeating units constituting the optical device 10.
  • the nanostructure 16 is made of a nano-cylinder, and has the same structure as that in FIG. 5A.
  • the SiO 2 portion 116a corresponding to the core portion 16a is considerably thinner than the Al layer 116b corresponding to the covering portion 16b, and substantially matches the state shown in FIG. 5A.
  • the Al layer 116b is relatively thick.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a nanocylinder having a diameter of 150 nm and a height of 150 nm, and an Al layer 116b having a uniform thickness is formed on the upper and side walls.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm.
  • FIG. 17 shows that when the thickness of the Al layer 116b as the covering portion 16b is changed while keeping the height of the nanostructure 16 constant, light is irradiated from the upper side, that is, the wavelength conversion layer 13 side, and the Al layer 116b is irradiated. It is the result of calculating the ratio of light absorbed.
  • the thickness of the Al layer 116b changes with the radius of the nanostructure 16 as the upper limit.
  • the core portion 16a made of silicon dioxide does not exist. Therefore, the amount of absorption in this case is standardized to be 1. That is, the state in which the thickness of the Al layer 116b is greater than 0 nm and less than 75 nm is Example 2.
  • the solid line Le indicates excitation light
  • the broken line Lf indicates fluorescence light (the same applies to FIG. 19).
  • the absorption of the excitation light by Al is reduced by making the thickness of the Al layer 116b thinner than 40 nm.
  • the irradiated excitation light is absorbed by the Al layer 116b, the absorbed amount is lost and does not contribute to fluorescence emission at all.
  • the fact that the absorption in the Al layer 116b is reduced means that the loss is reduced accordingly, and the efficiency of the optical device 10 is increased.
  • the thickness of the Al layer 116b is in the range of 15 to 40 nm, not only the excitation light but also the absorption of the fluorescent light by the Al layer 116b is reduced.
  • the thickness of the Al layer 116b is preferably 40 nm or less, and more preferably 15 to 40 nm or less.
  • the optical device 10 of Example 2 basically has the same structure as that of Non-Patent Document 1 with respect to the size and arrangement of the nanostructure array 12, and therefore FIG. Similar to 2c, the light distribution is controlled at a red wavelength of around 620 nm, and can be used as a highly efficient red light source.
  • the top surface and the side surface of the nanostructure are Al layers having the same thickness, but the top surface and the side surface may have different thicknesses.
  • Example 3 18A and 18B are enlarged cross-sectional views illustrating the structure of the optical device 10 according to the third embodiment.
  • the illustrated structure shows one of the repeating units constituting the optical device 10.
  • the nanostructure 16 is formed of a nano-cylinder, and has the same structure as that in FIG. 8B.
  • the SiO 2 portion 116a corresponding to the core portion 16a is considerably thinner than the Al layer 116b corresponding to the covering portion 16b, and substantially matches the state shown in FIG. 8B.
  • the Al layer 116b is relatively thick.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a nanocylinder having a diameter of 150 nm and a height of 150 nm, and an Al layer 116b having a uniform thickness is provided on the side surface or the side wall.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm.
  • FIG. 19 shows that when the thickness of the Al layer 116b which is the covering portion 16b is changed while keeping the height of the nanostructure 16 constant, light is incident from the upper side, that is, the wavelength conversion layer 13 side, and the Al layer 116b. It is the result of calculating the ratio of light absorbed.
  • the thickness of the Al layer 116b changes with the radius of the nanostructure 16 as the upper limit.
  • the amount of absorption in this case is set to 1, and the amount of absorption is normalized. That is, the state in which the thickness of the Al layer 116b is greater than 0 nm and less than 75 nm is Example 3.
  • the absorption of excitation light and fluorescent light by Al is reduced by making the thickness of the Al layer 116b thinner than 40 nm.
  • the thickness of the Al layer 116b is made thinner than 40 nm, which contributes to higher efficiency and higher brightness of the optical device 10.
  • the optical device 10 of Example 3 basically has the same structure as that of Non-Patent Document 1 with respect to the size and arrangement of the nanostructure array 12, and therefore, FIG. Similar to 2c, the light distribution is controlled at a red wavelength of around 620 nm, and can be used as a highly efficient red light source.
  • An optical device 10 shown in FIG. 20 is an optical element that performs wavelength conversion on incident light, and is two-dimensionally arranged on a flat substrate 11 having optical transparency in the visible and other wavelength regions and on the surface 11a side of the substrate 11.
  • the metal nanostructure array 12 is formed so as to spread, and the wavelength conversion layer 13 is formed on the substrate 11 so as to cover the nanostructure array 12 from one side.
  • the wavelength conversion layer 13 is made of a phosphor
  • the optical device 10 is illuminated from the back surface 11b side by, for example, an excitation light source 90 that emits excitation light B1 in a blue wavelength region.
  • the substrate 11 transmits the excitation light B1 and guides it to the wavelength conversion layer 13.
  • the phosphor in the wavelength conversion layer 13 is excited by the excitation light B1 in the blue wavelength region, and, for example, fluorescent light G1 in the green wavelength region generated by the excited phosphor is emitted from the surface 13a of the wavelength conversion layer 13. Is done.
  • the nanostructure array 12 increases the emission intensity of the fluorescent light G1 and the directivity.
  • the substrate 11 is a support for the nanostructure array 12, and is processed from the same material as in the first embodiment shown in FIG. 2A and the like.
  • the substrate 11 is used in a transmissive type as shown in the figure, it is preferable that the substrate 11 has optical transparency with respect to the excitation light B1.
  • the substrate 11 can also be formed of an opaque material (for example, metal) that does not have optical transparency.
  • the nanostructure array 12 is composed of a plurality of nanostructures 16 that are two-dimensionally arranged along the surface 11a of the substrate 11.
  • a plurality of nanostructures 16 are arranged in a dot shape on lattice points.
  • Each nanostructure 16 has a frustoconical outer shape.
  • the nanostructure 16 is made of a metal such as aluminum.
  • the nanostructure 16 is not limited to aluminum, but can be formed of a noble metal such as gold, silver, copper, platinum, or palladium, a metal such as chromium, nickel, indium, or titanium, a compound such as TiN, or an alloy thereof.
  • the nanostructure 16 can also have a laminated structure in which aluminum and chromium are laminated in order to improve adhesion.
  • the nanostructure 16 is a metal layer, local surface plasmon resonance is generated by irradiation with the excitation light B1. Furthermore, by forming the nanostructure array 12 in which a plurality of nanostructures 16 are arranged on lattice points, surface lattice resonance can be generated by diffractive coupling of localized surface plasmon resonance generated in each nanostructure 16.
  • the wavelength conversion layer 13 can be excited efficiently. If the coupling efficiency of the excitation light B1 incident on the nanostructure array 12 with respect to such surface lattice resonance is high, the excitation efficiency of the wavelength conversion layer 13 can be further increased.
  • the nanostructure array 12 takes into account the lattice resonance or diffraction effect on the fluorescent light G1 generated in the wavelength conversion layer 13, and is within a narrow angle range of the substrate 11 in the normal direction DP, for example.
  • the fluorescent light G1 can be concentrated and emitted. That is, the nanostructure array 12 enables light distribution control that enhances the directivity of the emission direction of the fluorescent light G1.
  • the shape and size of the nanostructure 16 and the lattice spacing of the nanostructure array 12 increase the coupling efficiency of the excitation light B1 as described above and direct the fluorescent light G1 as in the nanostructure 16 in the first embodiment. It is set so that the gender is the intended one.
  • the substrate 11 side is the bottom 16n
  • the opposite side to the substrate 11 is the top 16m
  • the Z direction along the plane of the paper in FIG. 20 is the vertical direction.
  • the ratio of the difference between the area of the top 16m and the area of the bottom 16n of the nanostructure 16 and the area of the bottom 16n is 13% or more.
  • the nanostructure 16 has a length Tx of the bottom 16n in a predetermined first direction (specifically, the X direction) parallel to the incident surface, and a first length parallel to the incident surface and perpendicular to the first direction.
  • the length Ty of the bottom portion 16n in two directions (specifically, the Y direction) is substantially the same.
  • the length Ux of the top portion 16m in the first direction is substantially the same as the length Uy of the top portion 16m in the second direction.
  • the XY plane is a plane parallel to the front surface 11a and the back surface 11b of the substrate 11.
  • the optical device 10 can also be provided with a polarization control function.
  • the height of the nanostructure 16 in the direction perpendicular to the incident surface is preferably 200 nm or less.
  • the arrangement pattern of the nanostructures 16 in the nanostructure array 12 is not limited to the square lattice illustrated in FIG. 21A or the like, as in the nanostructure 16 in the first embodiment, and may be various periodic patterns or quasiperiodic structures. be able to.
  • the nanostructure 16 has a frustoconical shape when viewed as a superordinate concept. That is, the shape of the nanostructure 16 is not limited to the truncated cone illustrated in FIG. 21A and the like, and various shapes such as a truncated pyramid (see FIG. 26B and FIG. 28B) and the like within a range that satisfies the specifications according to the application. can do.
  • the shape of the bottom 16n when the nanostructure 16 is viewed from the direction perpendicular to the incident surface is a circular shape, a quadrangular shape, a triangular shape, or the like according to the above-described three-dimensional shape.
  • the shape of the top portion 16m when the nanostructure 16 is viewed from the direction perpendicular to the incident surface is also a circular shape, a quadrangular shape, a triangular shape, or the like depending on the above three-dimensional shape.
  • the circular shape is not limited to a perfect circle, and includes an ellipse, a shape whose corner has an R shape or a curved shape, and the like.
  • the quadrangle includes a rectangle, a rhombus, and the like. Nanostructures 16 having these cross-sectional shapes can be formed relatively easily.
  • the nanostructure 16 is not limited to the truncated cone shape described above, and may have a cone-shaped or tapered outer shape. Moreover, the nanostructure 16 should just have an inclined surface in at least one part, and does not need to be perfect cone shape.
  • the inclined surface means a surface that is inclined with respect to the incident surface on which the excitation light B1 is incident.
  • the nanostructure 16 may have a dome shape.
  • the top portion 16m of the nanostructure 16 may have an inclination with respect to the incident surface.
  • the cross section or top surface of the top portion 16m may not be similar to the cross section of the bottom portion 16n.
  • the shape and size of each nanostructure 16 may vary somewhat.
  • the cross-section of the top portion 16m having a cone shape or a dome shape may be a line shape or a dot shape.
  • the nanostructure 16 has a three-dimensional structure that protrudes entirely into the wavelength conversion layer 13. For this reason, compared with the nanostructure formed with the nonmetallic dielectric material, the intensity of the fluorescence due to the plasmon effect can be increased and the diffraction effect of the periodic structure can be secured, and the extraction efficiency and direction of the fluorescent light G1 can be ensured. Sex can be kept high enough.
  • the wavelength conversion layer 13 may be any material that absorbs excitation light and emits light at a longer wavelength than that.
  • the wavelength conversion layer 13 is formed of an organic phosphor, but may be formed of an inorganic phosphor.
  • the specific material, arrangement, and refractive index of the wavelength conversion layer 13 are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted here.
  • a parallel plate substrate 11 made of quartz glass or the like is prepared in advance, and an Al layer 14 is formed on the substrate 11.
  • the Al layer 14 can be formed using a technique such as resistance heating vapor deposition, EB vapor deposition, sputtering, or CVD.
  • a resist pattern layer 15 is formed on the Al layer 14 by using a patterning technique such as electron beam drawing or nanoimprint lithography.
  • the resist pattern layer 15 has a nanopattern corresponding to the nanostructures 16 constituting the nanostructure array 12.
  • the resist pattern layer 15 has a shape that forms a taper in the nanostructure 16 in consideration of etching conditions (for example, a shape similar to the nanostructure 16 having a dome shape or a slope).
  • a phosphor layer that becomes the wavelength conversion layer 13 is formed on the substrate 11 on which the nanostructure array 12 is formed by using spin coating, spraying, sol-gel method, sputtering, CVD, or other film forming methods. Form a film.
  • the optical apparatus 10 which performs wavelength conversion with respect to incident light can be produced.
  • the manufacturing method of the optical device 10 shown in FIGS. 23A to 23D is merely an example, and the optical device 10 can be manufactured by various methods.
  • FIGS. 24A to 24D are diagrams for explaining another method for manufacturing the optical device 10.
  • FIG. Here, a method for manufacturing the optical device 10 having the nanostructure 16 of a three-stage cylinder (see FIG. 30B) in Example 8 to be described later will be described.
  • a resist pattern layer 15 is formed on the substrate 11 as shown in FIG. 24A.
  • an Al layer 14 is formed on the entire surface including the resist pattern layer 15 and the substrate 11.
  • FIG. 24C the resist pattern layer 15 and the Al layer 14 thereon are removed as a finishing process of the lift-off method. The same process as in FIGS.
  • the optical device 10 can be manufactured by forming a phosphor layer to be the wavelength conversion layer 13 on the substrate 11 on which the nanostructure array 12 is formed.
  • the absorption efficiency of the excitation light B1 is increased by utilizing the excitation of the surface plasmon resonance by the metal nanostructure 16, and light with different wavelengths can be more efficiently generated. Obtainable. Further, since the area of the top portion 16m of the nanostructure 16 is smaller than the area of the bottom portion 16n of the nanostructure 16, absorption of light having a wavelength different from that of the excitation light B1 (specifically, fluorescence light G1) is reduced, and fluorescence is increased. At least one of improvement in utilization efficiency of the light G1 can be realized.
  • the absorption of the fluorescent light G1 by the metal nanostructure 16 can be reduced by reducing the surface area of the nanostructure 16 (particularly, the surface area on the top 16m side).
  • the nanostructure 16 is asymmetrical in the vertical direction, a difference is caused in the ratio of light emitted in the vertical direction, so that the area of the top 16m and the area of the bottom 16n of the nanostructure 16 is the same in one direction.
  • the ratio of the emitted light can be increased, and the utilization efficiency of the fluorescent light G1 is improved. Thereby, a highly efficient optical device can be realized.
  • Example 4 21A and 21B also illustrate the structure of the optical device 10 according to the fourth embodiment, particularly the shape of the nanostructure 16.
  • the structure shown in the figure shows several repeating units of the nanostructure 16 constituting the optical device 10, and the structure shown in FIG. 21A is changed in the lateral direction (first direction or X direction) along the plane of the drawing.
  • the optical device 10 is configured by repeating in the vertical direction (second direction or Y direction). Further, the optical device 10 is configured by repeating the structure shown in FIG. 21B in the horizontal direction (X direction) along the paper surface and the depth direction (Y direction) perpendicular to the paper surface.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a truncated cone having a height of 150 nm.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the bottom 16n of the nanostructure 16 is a circle having lengths Tx and Ty in the X direction and Y direction of 150 nm (that is, a diameter of 150 nm), respectively.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the top 16m of the nanostructure 16 is a circle concentric with the bottom 16n, and the area thereof is smaller than the area of the bottom 16n of the nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm in the X direction and the Y direction.
  • the truncated cone of the nanostructure 16 is made of metal Al.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 is 650 nm.
  • the degree to which the amount of absorbed fluorescent light and the vertical ratio of emitted fluorescent light change when the shape of the nanostructure 16 is changed was evaluated by simple calculation.
  • the lengths Tx and Ty in the X direction and the Y direction of the bottom part 16n of the truncated cone are fixed at 150 nm, respectively, and the lengths Ux and Uy in the X direction and the Y direction of the top part 16m are changed from 0 to 150 nm, respectively.
  • the intensity of the absorption when the excitation light B1 is incident from the top 16m side (that is, the upper side) and the intensity of the absorption when the excitation light B1 is incident from the bottom 16n side (that is, the lower side) are calculated. did.
  • the lengths Tx and Ty and the lengths Ux and Uy in the X direction and the Y direction are the same. Thereby, the intensity
  • the calculation results are shown in FIGS. 25A and 25B.
  • the difference in area or length increases, that is, as the taper of the nanostructure 16 increases (the taper angle increases), the amount of absorption of fluorescent light decreases. In particular, the amount of absorption tends to decrease when the length difference is 20 nm or more or the area difference ratio is 25% or more.
  • 25A and 25B shows the up / down ratio of absorption (upward absorption intensity / downward absorption intensity) as a relative value with respect to the comparative example. . It can be seen that as the difference in area or length increases, i.e., the taper increases, the up / down ratio increases, i.e., the rate of upward emission increases. In particular, when the length difference is 20 nm or more or the area difference ratio is 25% or more, the up / down ratio tends to increase.
  • Example 5 26A and 26B are views for explaining the structure of the optical device 10 of the fifth embodiment, particularly the shape of the nanostructure 16.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a triangular frustum having a height of 150 nm.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the bottom 16n of the nanostructure 16 is a triangle having lengths Tx and Ty of 150 nm in the X direction and Y direction, respectively.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the top portion 16m of the nanostructure 16 is a similar triangle whose center of gravity coincides with the bottom portion 16n, and the area thereof is smaller than the area of the bottom portion 16n of the nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm in the X direction and the Y direction.
  • the triangular frustum of the nanostructure 16 is made of metal Al.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 is 650 nm.
  • the lengths Tx and Ty in the X direction and Y direction of the bottom 16n of the triangular frustum are fixed at 150 nm, respectively, and the lengths Ux and Uy in the X direction and Y direction of the top 16m are 0 to 150 nm.
  • the absorption intensity is calculated.
  • the lengths Tx and Ty and the lengths Ux and Uy in the X direction and the Y direction are the same. Since the period of 400 nm is also used in this embodiment, the light distribution control effect is produced for the red wavelength light near 630 nm.
  • the case where the difference between the lengths Tx, Ty, Ux, and Uy in the upper and lower X and Y directions is zero (complete triangular prism) was used.
  • the absorption of fluorescent light decreases and the up / down ratio increases.
  • the difference in length is 10 nm or more or the area ratio is 13% or more
  • the absorption of fluorescent light having a wavelength different from that of the excitation light tends to decrease, and the effect of improving the use efficiency of fluorescent light can be easily achieved.
  • the length difference is 10 nm or more or the area difference ratio is 10% or more
  • the up / down ratio tends to increase.
  • Example 6 28A and 28B are diagrams illustrating the structure of the optical device 10 according to the sixth embodiment, particularly the shape of the nanostructure 16.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a square pyramid with a height of 150 nm.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the bottom 16n of the nanostructure 16 is a quadrangle whose lengths Tx and Ty in the X direction and the Y direction are 150 nm, respectively.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the top 16m of the nanostructure 16 is a similar quadrangle whose center of gravity coincides with the bottom 16n, and the area thereof is smaller than the area of the bottom 12b of the nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm in the X direction and the Y direction.
  • the quadrangular frustum of the nanostructure 16 is made of metal Al.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 is 650 nm.
  • the lengths Tx and Ty in the X direction and Y direction of the bottom 16n of the truncated pyramid are fixed at 150 nm, respectively, and the lengths Ux and Uy in the X direction and Y direction of the top 16m are 0 to 150 nm.
  • the absorption intensity is calculated.
  • the lengths Tx and Ty and the lengths Ux and Uy in the X direction and the Y direction are the same. Since the period of 400 nm is also used in this embodiment, the light distribution control effect is produced for the red wavelength light near 630 nm.
  • the case where the difference between the lengths Tx, Ty, Ux, Uy in the upper and lower X directions and Y directions is zero (complete quadrangular prism) was used.
  • the absorption of fluorescent light decreases and the up / down ratio increases.
  • the absorption of fluorescent light tends to decrease.
  • the length difference is 40 nm or more or the area ratio is 50% or more, the up / down ratio tends to increase.
  • Example 7 30A and 30B are diagrams illustrating the structure of the optical device 10 according to the seventh embodiment, particularly the shape of the nanostructure 16.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a three-stage cylinder having a height of 150 nm (a structure in which cylinders of different sizes are stacked in three stages).
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the bottom 16n of the nanostructure 16 is a circle having lengths Tx and Ty of 150 nm in the X direction and Y direction, respectively.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the top 16m of the nanostructure 16 is a circle concentric with the bottom 16n, and the area thereof is smaller than the area of the bottom 16n of the nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm in the X direction and the Y direction.
  • the three-stage cylinder of the nanostructure 16 is made of metal Al.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 is 650 nm.
  • the lengths Tx and Ty in the X and Y directions of the bottom 16n of the three-stage cylinder are fixed at 150 nm, respectively, and the lengths Ux and Uy in the X and Y directions of the top 16m are 0 to 150 nm.
  • the absorption intensity is calculated.
  • the lengths Tx and Ty and the lengths Ux and Uy in the X direction and the Y direction are the same. Since the period of 400 nm is also used in this embodiment, the light distribution control effect is produced for the red wavelength light near 630 nm.
  • the case where the difference between the lengths Tx, Ty, Ux, Uy in the vertical X direction and the Y direction is zero (complete cylinder) was used.
  • the absorption of fluorescent light decreases and the up / down ratio increases.
  • the absorption of fluorescent light tends to decrease.
  • the up / down ratio tends to increase.
  • Example 8 As in FIGS. 21A and 21B, in the optical device 10 of Example 8, the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is a truncated cone having a height of 150 nm.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the bottom 16n of the nanostructure 16 is a circle having lengths Tx and Ty of 150 nm in the X direction and Y direction, respectively. Further, the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the top 16m of the nanostructure 16 is a circle concentric with the bottom 16n, and the area thereof is smaller than the area of the bottom 16n of the nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 336 nm in the X and Y directions.
  • the truncated cone of the nanostructure 16 is made of metal Al.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 is 650 nm.
  • the lengths Tx and Ty in the X direction and Y direction of the bottom 16n of the truncated cone are fixed at 150 nm, respectively, and the lengths Ux and Uy in the X direction and Y direction of the top 16m are 0 to 150 nm.
  • the intensity of absorption when the excitation light B1 was incident from the top 16m side and the intensity of absorption when the excitation light B1 was incident from the bottom 16n side were calculated.
  • the lengths Tx and Ty and the lengths Ux and Uy in the X direction and the Y direction are the same.
  • the calculation result shown in FIGS. 32A and 32B is the intensity of light absorbed in the green wavelength region (wavelength 500 to 560 nm).
  • the solid line L1 indicates the amount of light absorbed in the green wavelength range as a relative value with respect to the calculation result of the comparative example.
  • the intensity of the amount of absorption in the direction) is shown as a relative value with respect to the comparative example.
  • the absorption of fluorescent light decreases and the up / down ratio increases.
  • the absorption of fluorescent light decreases when the difference in length is 10 nm or more (preferably 50 nm or more) or the ratio of the area difference is 10% or more (preferably 60% or more).
  • the difference in length is greater than 0 nm or the ratio of the area difference is greater than 0%, the up / down ratio tends to increase.
  • Example 9 33A and 33B are diagrams illustrating the structure of the optical device 10 according to the ninth embodiment, particularly the shape of the nanostructure 16.
  • the nanostructure 16 formed on the quartz substrate 11 is an elliptic frustum having a height of 150 nm.
  • the cross section viewed from the direction perpendicular to the incident surface of the bottom 16n of the nanostructure 16 is an ellipse having a length Tx in the X direction of 50 nm and a length Ty in the Y direction of 150 nm.
  • the length Tx in the X direction is about 1/3 of the length in the Y direction.
  • vertical to the incident surface of the top part 16m of the nanostructure 16 is a similar ellipse whose gravity center corresponds with the bottom part 16n, and the area is smaller than the area of the bottom part 12b of the nanostructure 16. It has become.
  • the nanostructures 16 are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 400 nm in the X direction and the Y direction.
  • the elliptical frustum of the nanostructure 16 is made of metal Al.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 13 is 650 nm.
  • the length Tx in the X direction of the bottom portion 16n of the elliptical truncated cone is fixed to 50 nm and the length Ty in the Y direction is fixed to 150 nm, respectively, and the length Ux in the X direction of the top portion 16m is 0 to 50 nm ( Specifically, when the excitation light B1 is incident from the top 16m side when the Y-direction length Uy is changed from 0 to 150 nm, respectively, the amount of absorption when the excitation light B1 is incident from the top 16m side. The intensity and the intensity of absorption when the excitation light B1 was incident from the bottom 16n side were calculated.
  • the cross section of the bottom portion 16n and the cross section of the top portion 16m are similar in shape. Since the period of 400 nm is also used in this embodiment, the light distribution control effect is produced for the red wavelength light near 630 nm. As a comparative example, the case where the difference between the lengths Tx, Ty, Ux, Uy in the upper and lower X directions and the Y direction is zero (complete elliptical cylinder) was used.
  • the absorption of fluorescent light decreases and the up / down ratio increases.
  • the length difference is 10 nm or more or the area difference ratio is 10% or more, the absorption of fluorescent light tends to decrease.
  • the difference in length is greater than 0 nm or the ratio of the area difference is greater than 0%, the up / down ratio tends to increase.
  • This projection apparatus incorporates a light source device using an optical device shown in FIGS. 2B, 5A, 8B, 21B, 26B, 28B, 30B, 33B and the like.
  • FIG. 35 is a diagram illustrating a projector 100 that is the projection apparatus according to the embodiment.
  • the projector (projection device) 100 includes a light source device 20, a light guide device 30, an image generation device 50, a projection optical system 60, and a control device 80.
  • the light source device 20 includes an excitation light source 21 that emits a laser beam in a blue wavelength region, a collimator lens 22 that converts the emission light from the excitation light source 21 into parallel light, and a light emission disposed on the optical axis SA of the excitation light source 21.
  • the light emitting wheel 23 is a composite optical device in which a plurality of types of optical devices 10 shown in FIG. 2B and the like are incorporated.
  • the excitation light source 21 and the optical device 10 are arranged separately from each other.
  • the light source device 20 can prevent that the light source device 20 is heated by the heat_generation
  • the light source device 20 uses the light emitting wheel 23 that is a composite optical device, the light emitted from the metal constituting the plurality of nanostructures 16 constituting the optical device 10 (in the case of the first embodiment, the covering portion 16b). Absorption can be suppressed, and more efficient light emission can be realized. Thereby, the high intensity
  • the excitation light source 21 corresponds to the excitation light source 90 shown in FIG.
  • the excitation light source 21 is a laser diode that emits laser light having a blue wavelength range, specifically, a wavelength of about 450 nm.
  • the collimator lens 22 collimates the excitation light, which is the light emitted from the excitation light source 21, and makes it enter the first condenser lens 25 as a thin light beam.
  • the light emitting wheel 23 has a strip-shaped red region AR1 in which the fluorescence in the red wavelength region is emitted from the incident surface side of the light source light, and the fluorescence in the green wavelength region is emitted from the incident surface side of the light source light.
  • An annular irradiation in which a strip-shaped green region AR2 to be diffused and a strip-shaped blue region AR3 in which diffused light source light in the blue wavelength region passes through the light-emitting wheel 23 and is emitted from the opposite surface are arranged in parallel in the circumferential direction. An area is provided.
  • the first condenser lens 25 is disposed near the front side surface of the light emitting wheel 23, collects the blue light source light from the excitation light source 21 and irradiates the light emitting wheel 23, and from the light emitting wheel 23.
  • the emitted red wavelength band light and green wavelength band light are respectively collected and incident on the first dichroic mirror 27 a of the branching and combining optical system 27.
  • the second condenser lens 26 is disposed in the vicinity of the back side surface of the light emitting wheel 23, collects the blue wavelength band light transmitted through the light emitting wheel 23, and causes the light to enter the first mirror 27 c of the branching and combining optical system 27.
  • the first and second mirrors 27c and 27d bend the blue illumination light collected by the second condenser lens 26 in the orthogonal direction and guide it to the second dichroic mirror 27b.
  • the first and second lenses 27f and 27g are made incident on the second dichroic mirror 27b while adjusting the divergence state of the blue illumination light.
  • the first dichroic mirror 27a selectively reflects red and green illumination light emitted from the light emitting wheel 23 and collected by the first condenser lens 25, thereby changing the optical path in the orthogonal direction. And is incident on the second dichroic mirror 27b. At this time, the third lens 27h is caused to enter the second dichroic mirror 27b while adjusting the divergence state of the red and green illumination light.
  • the red region AR1 of the light emitting wheel 23 is a wavelength conversion element that is supported by a metal or other light-shielding substrate 23a and emits red fluorescence using excitation light emitted from the excitation light source 21 as excitation light.
  • a red light emitting element 11R is provided, and a green light emitting element that is supported by a metal or other light-shielding substrate 23a and emits green fluorescence using excitation light emitted from the excitation light source 21 as excitation light is provided in the green area AR2. 11G is provided.
  • the blue region AR3 is formed by an opening 23d formed in the substrate 23a and a light transmitting plate 23c fixed thereto.
  • the optical device 10 shown in FIG. 1 is incorporated in the red light emitting element 11R and the green light emitting element 11G.
  • the red light emitting element 11R incorporates the optical device 10 shown in FIG. 2B, FIG. 5A, FIG. 8B, etc., which is used in a reflective type, and returns fluorescence to the incident side of the light source light. Is injected.
  • red fluorescence is obtained under blue excitation light. be able to.
  • the green light emitting element 11G incorporates the optical device 10 shown in FIG. 2B, FIG. 5A, FIG. 8B and the like that is used in a reflective type, and emits fluorescence so as to return to the incident side of the light source light.
  • the nanostructure array 12 under the conditions as in the modified example of Example 1 and selecting the fluorescent material of the wavelength conversion layer 13 (see FIG. 13A and the like), the green color is generated under blue excitation light. Fluorescence can be obtained.
  • the red region AR1 or the green region AR2 When the red region AR1 or the green region AR2 is located at the irradiation position of the light source light by the first condenser lens 25, most of the light source light excites the phosphor of the red light emitting element 11R or the green light emitting element 11G.
  • the light emitting elements 11R and 11G that is, the optical device 10) of each color emit fluorescence within a solid angle range close to the optical axis SA.
  • the light source light is incident on the light transmitting plate 23c of the light emitting wheel 23 and diffused by the fine irregularities on the surface and then transmitted.
  • the light is emitted from the opening 23d toward the back surface side of the light emitting wheel 23 with a relatively small divergence angle.
  • the light guide device 30 guides the light emitted from the light source device 20 to the image generation device 50.
  • the light guide device 30 includes a condensing lens 35, a mirror 31 that bends the optical path of illumination light emitted from the light source device 20, and a light guide rod that uses the illumination light that has passed through the mirror 31 as a light beam having a uniform intensity distribution. 32 and a condensing lens 33 that suppresses the divergence of the illumination light that has passed through the light guide rod 32.
  • the image generation device 50 modulates the light emitted from the light guide device 30 to form video light.
  • the image generation device 50 includes an image display element 51 that forms video light from illumination light from the light guide device 30, a field lens 52 that makes the incident angle range of illumination light uniform on the image display element 51, and a field lens And an optical path branching prism 53 that guides the light from the image display element 51 to the projection optical system 60 and guides the light from the image display element 51 to the projection optical system 60.
  • the image display element 51 is a digital micromirror device, and directs the illumination light incident from the optical path branching prism 53 to the projection optical system 60 through the optical path branching prism 53 or deflects it from the projection optical system 60 in units of pixels. ON / OFF operation is possible.
  • the optical path branching prism 53 includes a pair of prisms 53a and 53b, and totally reflects the illumination light on the slope of one of the prisms 53a and guides it to the image display element 51 from a direction inclined with respect to the optical axis SA of the projection optical system 60.
  • the image can be transmitted from the image display element 51 in the front direction along the optical axis SA of the projection optical system 60 to be incident on the projection optical system 60.
  • the projection optical system 60 enlarges the image obtained from the image display element 51 and projects it onto a screen or other projection target (not shown).
  • the projection optical system 60 includes a plurality of lens groups and reflecting surfaces, and focusing and zooming can be performed by moving some lens groups in the direction of the optical axis SA.
  • the control device 80 receives image data input from an external device, performs image processing, and causes the image display element 51 to display an image after image processing. In parallel with this, the control device 80 outputs a drive signal to the rotation drive unit 24 so that the rotation angle of the light emitting wheel 23 corresponds to the display state of the image display element 51. That is, the irradiation position of the light source light from the light source device 20 corresponds to the corresponding color on the light-emitting wheel 23 according to whether the display state of the image display element 51 corresponds to any of red, green, and blue images. Regions AR1, AR2 and AR3.
  • the light source device 20 with low etendue and high efficiency since the light source device 20 with low etendue and high efficiency is used, the light use efficiency in the image display element 51 can be increased, and a small and bright projector 100 can be provided.
  • the projection apparatus of the present invention is not limited to the projector 100 of the above-described embodiment.
  • the image display element 51 is a reflective type that is also referred to as LCOS (liquid crystal on silicon) instead of a digital micromirror device.
  • a liquid crystal device can be used.
  • a polarization beam splitter is used instead of the optical path branching prism 53.
  • a transmissive liquid crystal device can be used in place of the digital micromirror device.
  • the light emission wheel 23 of the light source device 20 is a reflection type that returns the fluorescence to the excitation light side with respect to the extraction of the fluorescence, but the light emission wheel 23 can be a transmission type to extract the fluorescence on the same side as the excitation light. . Further, it is not necessary to use blue light as excitation light, and blue and other fluorescence can be obtained from ultraviolet light.
  • the optical device according to the embodiment has been described above, but the optical device according to the present invention is not limited to the above.
  • the covering portion 16b covers the entire upper surface 16j of the core portion 16a, but may cover a part of the upper surface.
  • the covering portion 16b covers the entire side surface 16k of the core portion 16a, but may cover a part of the side surface 16k.
  • a laser diode is used as the excitation light source 90, an LED may be used.
  • the optical device 10 when the optical device 10 is of a reflective type, excitation light is incident on the surface 13 a of the wavelength conversion layer 13. Thereby, from the surface 13a of the wavelength conversion layer 13, the fluorescent light G1 similar to the above is emitted.
  • the substrate 11 can be formed of an opaque material that does not have optical transparency.
  • the excitation light is incident from the front surface 13a side, the excitation light and the fluorescent light that pass through the back surface 11b of the substrate 11 are lost. Therefore, the nanostructure 16 of the present embodiment is appropriately arranged and the substrate 11 having optical transparency.
  • the substrate 11 can be formed by forming a transparent dielectric layer on a reflective metal substrate. Or what provided the light transmissive layer through the metal reflective layer on the flat plate which does not have a light transmittance can also be used as the board
  • the wavelength conversion layer 13 is a part which generate
  • the nanostructure 16 is made of only a metal, but the core portion made of a nonmetallic dielectric material as in the first embodiment, and the surface of the core portion. It is good also as a structure which covered the coating

Abstract

光学装置１０は、基板１１の表面１１ａ側に形成されたハイブリッド型のナノ構造アレイ１２と、ナノ構造アレイ１２を覆うように形成された波長変換層１３とを備える。ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１６は、非金属誘電体材料で形成されたコア部１６ａとコア部１６ａの表面の少なくとも一部を覆う金属材料で形成された被覆部１６ｂとを有する。或いは、ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１６の頂部１６ｍの面積は、ナノ構造１６の底部１６ｎの面積よりも小さい。

Description

光学装置、光源装置及び投影装置
　本発明は、励起光の照射によって励起光とは異なる波長の光を発する光学装置、かかる光学装置を組み込んだ光源装置、及びかかる光源装置を照明系として有する投影装置に関する。
　励起光源と波長変換媒体と周期アンテナアレイとを組み合わせることにより、発光強度を強くすると同時に、光が放射される方向を狭くする技術が公知となっている（特許文献１及び非特許文献１参照）。具体的には、特許文献１において、励起光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＬＤ(Laser Diode)等が用いられ、波長変換媒体として、蛍光物質、量子ドット等が用いられ、周期アンテナアレイを構成するナノサイズの金属片として、金、銀、合金等のほか、２つの金属層が用いられている。また、非特許文献１において、ガラス基板上に周期４００ｎｍ、直径１５０ｎｍのＡｌ（アルミニウム）からなるナノメートルサイズの粒子を形成し、その上に厚さ６５０ｎｍの発光層を成膜した試料を作製している。
　この種のナノサイズの金属アンテナ（以後、金属ナノ構造と呼ぶ）からなるナノアンテナに励起光を照射すると、金属ナノ構造の表面に表面プラズモン共鳴が励起され、励起光のエネルギーが金属ナノ構造の表面に集中する効果が得られ、発光強度を強くすることができる。さらに、ナノアンテナの回折効果によって、発光層又は波長変換層において全反射により発光した光の一部が閉じ込められて外に取り出せなくなることを防止するとともに、光の射出方向の指向性を高める配光制御が可能になる。
　上記のようなナノアンテナを用いることにより、波長変換型の光源装置を低エタンデュ（etendue）にできる。かかる光源装置を、例えばプロジェクター又は自動車用ヘッドライトの光源として利用した場合、より狭い角度範囲に光が放出されることから、より小さいレンズで光を集めることが可能となり光学系を小型化できる。また、同じレンズ径で考えた場合には、光利用効率が高いプロジェクター等を実現することができる。
　しかしながら、上記特許文献１及び非特許文献１の技術では、ナノアンテナとして金属ナノ構造を用いているため、波長変換媒体から発した光の一部が、金属ナノ構造で吸収されて損失となってしまう。また、光は基板に対して上下方向に同程度の比率で放出される。ここで、実際に利用する光は、上記上下方向のうち一方に放出された光であるため、他方に放出された光は損失となってしまい、好ましくない。
特表2014-508379号公報
G. Lozano, et. al., "Plasmonics for solid-state lighting: enhanced excitation and directional emission of highly efficient light sources," Light: Science & Applications (2013) 2, e66; doi:10.1038/lsa.2013.22
　本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、金属ナノ構造での吸収を抑制しつつ、効率的な配光制御を行うことができる光学装置を提供することを目的とする。
　また、本発明は、蛍光光をより有効に利用できる光学装置を提供することを目的とする。
　また、本発明は、上記光学装置を組み込んだ光源装置及び投影装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る第１の光学装置は、２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、複数のナノ構造を少なくとも片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層とを備え、ナノ構造は、非金属誘電体材料で形成されたコア部と、コア部の表面の少なくとも一部を覆う金属材料で形成された被覆部とを有する。なお、波長変換層とは、励起光とは異なる波長の光を発生させる部分であり、一般的には蛍光材料で形成されるが、これに限るものでなく、励起光によって異なる波長の光を発生するものであればよい。
　上記第１の光学装置によれば、ナノ構造が非金属誘電体材料で形成されたコア部とこのコア部の表面の少なくとも一部を覆う金属材料で形成された被覆部とを有するので、ナノ構造の立体的なサイズを確保しつつ被覆部の厚みをコア部の分だけ薄くできる。これにより、ナノ構造を構成する金属による蛍光の吸収を抑制し、より高効率な発光を実現することができる。なお、ナノ構造のうち金属製の被覆部によって、表面プラズモン共鳴の励起を利用した発光強度の増強が可能になり、コア部によってナノ構造の立体的なサイズの確保が可能になるので、複数のナノ構造による回折効果を利用した蛍光の配光制御が可能になる。
　上記目的を達成するため、本発明に係る第２の光学装置は、金属で形成され、基板上に２次元的に周期的な配列で設けられた複数のナノ構造と、複数のナノ構造を少なくとも片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層とを備え、ナノ構造の頂部面積は、ナノ構造の底部面積よりも小さい。なお、ナノ構造において、基板側を底部（又は最下部）とし、基板と反対側を頂部（又は最上部）とする。また、蛍光光を取り出す方向が上になる場合、ナノ構造の断面を横から見たときの上側が頂部であり、下側が底部となる。ここで、ナノ構造は、一部が金属以外で形成されている場合も含む。
　上記第２の光学装置によれば、金属製のナノ構造によって表面プラズモン共鳴の励起を利用して励起光の吸収効率を高め、より高効率に波長が異なる光を得ることができる。また、ナノ構造の頂部面積がナノ構造の底部面積よりも小さいことにより、励起光とは異なる波長の光（具体的には蛍光光）の吸収の低減、及び蛍光光の利用効率の向上の少なくともいずれか一方を実現できる。具体的には、ナノ構造の表面積が減少することで、金属ナノ構造による蛍光光の吸収を低減することができる。また、ナノ構造が上下非対称となることで上下方向に放出される光の割合に差を生じさせ、ナノ構造の頂部面積と底部面積とが同じ場合よりも片方の方向に放出される光の割合を高めることができ、蛍光光の利用効率が向上する。これにより、高効率な光学装置を実現できる。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光源装置は、上述した光学装置と、光学装置の波長変換層に励起光を照射する光源とを備える。
　上記光源装置によれば、上述した光学装置を用いているので、光学装置を構成する複数のナノ構造を構成する金属による蛍光の吸収を抑制でき、より高効率な発光を実現することができる。これにより、高強度の蛍光を比較的狭い立体角の範囲内に射出させることができ、低エタンデュの光源装置を提供することができる。
　上記目的を達成するため、本発明に係る投影装置は、上述した光源装置と、光源装置によって照明される画像表示素子と、画像表示素子により形成される像を投影する投影光学系と、を備える。
　上記投影装置によれば、低エタンデュで高効率の光源装置を用いているので、画像表示素子における光利用効率を高めることができ、小型で明るい投影装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る光学装置を説明する概念図である。 図２Ａは、図１に示す第１実施形態の光学装置の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す第１実施形態の光学装置の側方断面図である。 図３Ａ～図３Ｅは、図２Ｂ等に示す光学装置の製造方法の一例を説明する図である。 図４Ａ～４Ｄは、図２Ｂ等に示す光学装置の製造方法の別の例を説明する図である。 図５Ａは、図２Ｂ等に示す光学装置についての変形例の平面図であり、図５Ｂは、ナノ構造アレイを構成するナノ構造の平面断面図であり、図５Ｃは、ナノ構造の側方断面である。 図６Ａ～６Ｄは、図５Ｂ等に示す光学装置の製造方法の一例を説明する図である。 図７Ａ～７Ｄは、図５Ｂ等に示す光学装置の製造方法の別の例を説明する図である。 図８Ａは、図２Ｂ等に示す光学装置についての別の変形例の平面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示す光学装置の側方断面図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、実施例１のナノ構造を説明する断面図であり、図９Ｃは、比較例のナノ構造を説明する断面図である。 図１０Ａ及び１０Ｂは、上記第１実施形態に対応する実施例１等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１１Ａ及び１１Ｂは、実施例１等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、実施例１等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、実施例１等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１４Ａ及び１４Ｂは、実施例１等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１５Ａ及び１５Ｂは、実施例１等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１６Ａ及び１６Ｂは、上記第１実施形態に対応する実施例２のナノ構造を説明する断面図であり、図１６Ｃは、比較例のナノ構造を説明する断面図である。 実施例２等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 図１８Ａ及び１８Ｂは、上記第１実施形態に対応する実施例３のナノ構造を説明する断面図であり、図１８Ｃは、比較例のナノ構造を説明する断面図である。 実施例３等におけるナノ構造の被覆部の厚みと吸収との関係を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る光学装置を説明する概念図である。 図２１Ａは、図１に示す第２実施形態の光学装置であって、特に後述する実施例４のナノ構造の一例を説明する平面図であり、図２１Ｂは、図２１Ａに示す第２実施形態の光学装置の側方断面図である。 ナノ構造の変形例を示す側方断面図である。 図２３Ａ～２３Ｄは、図２１Ｂ等に示す光学装置の製造方法の一例を説明する図である。 図２４Ａ～２４Ｄは、光学装置の製造方法の変形例を説明する図である。 図２５Ａは、上記第２実施形態に対応する実施例４におけるナノ構造の底部と頂部の長さの差と、吸収との関係を説明する図であり、図２５Ｂは、実施例４におけるナノ構造の底部と頂部の面積の差の割合と、吸収との関係を説明する図である。 図２６Ａは、上記第２実施形態に対応する実施例５のナノ構造の一例を説明する平面図であり、図２６Ｂは、図２６Ａに示す光学装置の側方断面図である。 図２７Ａは、実施例５におけるナノ構造の底部と頂部の長さの差と、吸収との関係を説明する図であり、図２７Ｂは、実施例５におけるナノ構造の底部と頂部の面積の差の割合と、吸収との関係を説明する図である。 図２８Ａは、上記第２実施形態に対応する実施例６のナノ構造の一例を説明する平面図であり、図２８Ｂは、図２８Ａに示す光学装置の側方断面図である。 図２９Ａは、実施例６におけるナノ構造の底部と頂部の長さの差と、吸収との関係を説明する図であり、図２９Ｂは、実施例６におけるナノ構造の底部と頂部の面積の差の割合と、吸収との関係を説明する図である。 図３０Ａは、上記第２実施形態に対応する実施例７のナノ構造の一例を説明する平面図であり、図３０Ｂは、図３０Ａに示す光学装置の側方断面図である。 図３１Ａは、実施例７におけるナノ構造の底部と頂部の長さの差と、吸収との関係を説明する図であり、図３１Ｂは、実施例７におけるナノ構造の底部と頂部の面積の差の割合と、吸収との関係を説明する図である。 図３２Ａは、実施例８におけるナノ構造の底部と頂部の長さの差と、吸収との関係を説明する図であり、図３２Ｂは、実施例８におけるナノ構造の底部と頂部の面積の差の割合と、吸収との関係を説明する図である。 図３３Ａは、第２実施形態を具体化した実施例９のナノ構造の一例を説明する平面図であり、図３３Ｂは、図３３Ａに示す光学装置の側方断面図である。 図３４Ａは、実施例９におけるナノ構造の底部と頂部の長さの差と、吸収との関係を説明する図であり、図３４Ｂは、実施例９におけるナノ構造の底部と頂部の面積の差の割合と、吸収との関係を説明する図である。 図１等に示す第１の光学装置、又は図２０等に示す第２の光学装置を組み込んだ投影装置を説明する図である。 図３５に示す投影装置に組み込まれた発光ホイールを説明する図である。
〔光学装置の第１実施形態〕
　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１の光学装置に対応する第１実施形態について説明する。
　図１に示す光学装置１０は、入射光に対して波長変換を行う光学素子であり、可視その他の波長域において光透過性を有する平板状の基板１１と、基板１１の表面１１ａ側に２次元的に広がるように形成されたハイブリッド型のナノ構造アレイ１２と、基板１１上にナノ構造アレイ１２を片側から覆うように形成された波長変換層１３とを備える。本実施形態においては、波長変換層１３を蛍光体で構成した例で説明する。
　光学装置１０は、例えば青色波長域である比較的短波長域の励起光Ｂ１を射出する励起光源９０によって裏面１１ｂ側から照明される。基板１１は、励起光Ｂ１を透過させて波長変換層１３に導く。波長変換層１３中の蛍光体は、比較的短波長域の励起光Ｂ１によって励起され、波長変換層１３の表面１３ａからは、励起された蛍光体によって生成された例えば緑色波長域である比較的長波長域の蛍光光Ｇ１が放射される。その際、ナノ構造アレイ１２によって、蛍光光Ｇ１の発光強度が高められるとともに指向性も高められる。
　なお、励起光源９０は、光学装置１０の表側に配置することも可能であり、この場合、波長変換層１３の表面１３ａに励起光Ｂ２を入射させる。これにより、波長変換層１３の表面１３ａからは、上記と同様の蛍光光Ｇ１が放射される。
　光学装置１０において、基板１１は、ナノ構造アレイ１２の支持体であり、例えば石英を研磨等によって平板に加工したものが用いられる。ただし、基板１１は、石英に限らず、サファイア、ガラス、セラミックスその他の無機材料で形成することができ、あるいはＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）その他の樹脂材料で形成することができる。
　なお、基板１１の表面１１ａ側には、ナノ構造アレイ１２の形成を妨げなければ、ナノ構造アレイ１２の下地として、波長変換層１３と同様の蛍光層を設けることもできる。
　基板１１は、光学装置１０に対して波長変換層１３側から励起光Ｂ２を入射させる場合、光透過性を有しない不透明な材料で形成することができる。表面１３ａ側から励起光Ｂ２を入射させる場合、基板１１の裏面１１ｂに抜ける励起光及び蛍光光は損失になるので、光透過性を有する基板１１の裏面１１ｂに金属又は誘電体ミラーからなる反射層を設け裏面１１ｂへの励起光及び蛍光光の放射を抑制することが好ましい。同様の目的で、反射性の金属基板上に透明誘電体層を形成したものを基板１１とすることができる。あるいは、光透過性を有しない平板上に金属反射層を介して光透過層を設けたものを基板１１とすることもできる。なお、基板１１として光透過性を有するガラス基板を用いても、当該ガラス基板のいずれか一方の面であってナノ構造１６側の面にミラーを設ける場合、ナノ構造１６と波長変換層１３との間に透明誘電体層が必要である。
　基板１１は、光学装置１０に対して裏面１１ｂ側から励起光Ｂ１を入射させる場合、基板１１の裏面１１ｂに励起光Ｂ１を透過させて蛍光光Ｇ１を反射するダイクロイックミラーを形成すると、裏面１１ｂ側への蛍光光Ｇ１の放出を抑制することができ、より高効率化が可能となる。また、ダイクロイックミラーは基板１１の裏面１１ｂ以外に、基板１１とナノ構造アレイ１２の間に形成してもよい。また、透過型の光学装置１０の場合、励起光の入射と反対側の波長変換層１３の表面１３ａ側に、励起光を反射し蛍光光を透過するダイクロイックミラーを形成してもよい。
　図２Ａ及び２Ｂに示すように、ナノ構造アレイ１２は、基板１１の表面１１ａに沿って２次元的に配列された複数のナノ構造１６からなる。図示の例では、複数のナノ構造１６が格子点上にドット状に配置されている。各ナノ構造１６は、基板１１上に形成された柱状の突起であり、具体的には円柱状の外形を有する。このようなナノ構造は、比較的簡単かつ低コスト手法によって作製することができる。各ナノ構造１６は、非金属誘電体材料で形成されたコア部１６ａと、金属材料で形成された被覆部１６ｂとを有する。具体的には、コア部１６ａは、光透過性を有する二酸化シリコン、アルミナその他の誘電体材料で形成されている。被覆部１６ｂは、コア部１６ａの表面の少なくとも一部として、コア部１６ａの上面１６ｊを覆う金属層又は金属膜である。つまり、被覆部１６ｂは、柱状に突起するナノ構造１６の天面のみに形成されている。より具体的には、被覆部１６ｂは、コア部１６ａと波長変換層１３との境界に層状に形成されている。これにより、さらに高効率な発光と、発光強度の増強とが可能になる。被覆部１６ｂは、例えばアルミニウムで形成されるが、アルミニウムに限らず、金、銀、銅、プラチナ、パラジウム等の貴金属、クロム、ニッケル、インジウム等の金属、あるいはそれらの合金で形成することもできる。さらに、被覆部１６ｂは、密着性改善のために、アルミニウムとクロムとを積層したような積層構造とすることもできる。
　ナノ構造１６は、金属層である被覆部１６ｂを含んでおり、励起光Ｂ１の照射によって局在的な表面プラズモン共鳴を発生させる。さらに、複数のナノ構造１６を格子点上に配置したナノ構造アレイ１２とすることで、各ナノ構造１６で発生する局在的な表面プラズモン共鳴の回折結合によって表面格子共鳴を生じさせることができ、波長変換層１３を効率よく励起することができる。このような表面格子共鳴に対してナノ構造アレイ１２に入射する励起光Ｂ１の結合効率が高ければ、波長変換層１３の励起効率をさらに高めることができる。さらに、ナノ構造アレイ１２は、波長変換層１３で発生する蛍光光Ｇ１に対しての格子共鳴又は回折効果を配慮したものとなっており、基板１１の例えば法線方向ＤＰの狭い角度範囲内に蛍光光Ｇ１を集中して射出させることができる。つまり、ナノ構造アレイ１２により、蛍光光Ｇ１の射出方向の指向性を高める配光制御が可能になる。
　ナノ構造１６の形状やサイズ、ナノ構造アレイ１２の格子間隔等は、上記のような励起光Ｂ１の結合効率を高め、蛍光光Ｇ１の指向性が所期のものとなるように設定される。その際、励起光Ｂ１及び蛍光光Ｇ１の波長等も重要なパラメーターとなる。
　ナノ構造アレイ１２におけるナノ構造１６の配列パターンは、図２Ａ等に例示された正方格子に限らず、矩形格子、三角格子、六角格子、斜方格子等の各種周期パターンとすることができる。ナノ構造１６の配列パターンは、上記のような複数種類の周期パターンを組み合わせたものや、準周期構造（又は準結晶）のようなものとすることもできる。この際、励起光Ｂ１及び蛍光光Ｇ１の波長、蛍光光Ｇ１の射出方向及び角度範囲等の用途に応じた仕様を満たすように、配列パターンが設定される。図示の例では、ナノ構造１６の第１方向（具体的には、Ｘ方向）の周期Ａｘは、第２方向（具体的には、Ｙ方向）の周期Ａｙと等しくなっているが、光の取出しに影響のない範囲（例えば、±２％程度）で異なっていてもよい。
　ナノ構造１６の形状は、図２Ａ等に例示された円柱に限らず、用途に応じた仕様を満たすような範囲内で、角柱、円錐台、角錐台等の各種形状とすることができる。また、被覆部１６ｂの厚みも、用途に応じた仕様を満たすような範囲内で適切な値とすることができる。
　ナノ構造１６は、全体が波長変換層１３内に突出する立体的な構造となっており、ナノ構造１６の上部に金属製の被覆部１６ｂが形成された状態となっている。このため、単に非金属誘電体材料で形成されたナノ構造に比べ、プラズモンの効果による蛍光の強度を高めることができるとともに周期構造の回折効果を確保することができ、蛍光光Ｇ１の取出し効率や指向性を十分に高く保つことができる。その一方で、被覆部１６ｂのみが金属製であるので、ナノ構造１６全体が金属製の場合に比較して金属の体積が減少し蛍光光Ｇ１の吸収を抑制することができる。結果的に、吸収を抑制しつつ指向性が高く、高輝度の蛍光光Ｇ１を放射することができる光学装置１０を実現することができる。
　なお、ナノ構造１６のコア部１６ａの屈折率については、ナノ構造１６による回折効果を確保する意味で周囲の波長変換層１３の屈折率と異なることが好ましい。
　波長変換層１３は、励起光を吸収してそれよりも長い波長で発光する材料であればよく、例えば有機蛍光体で形成されるが、無機蛍光体で形成されてもよい。波長変換層１３を有機蛍光体や無機蛍光体で形成する場合、蛍光体そのままで用いることもできるが、通常は有機材料又は無機材料等からなる母材又はバインダー中に蛍光体を分散又は溶解させる。蛍光体としては、例えば、ＢＡＳＦ社製の商品名：ルモゲンＦを用いることができる。この場合、この蛍光体を例えばＵＶ硬化アクリル樹脂に溶かし、スピンコートで塗布して、紫外光で硬化させることで波長変換層を形成できる。波長変換層１３は、量子ドットを含む材料や、半導体から形成することもできる。波長変換層１３については、図示のようにナノ構造アレイ１２と接して配置されることが不可欠ではないが、波長変換層１３がナノ構造アレイ１２から離れると表面プラズモン共鳴の影響を受けにくくなるので、波長変換層１３は、ナノ構造アレイ１２の近傍（具体的には約１００ｎｍ以下）に配置されることが望ましい。この配置は、仕様に応じて構成を適宜変更することができる。例えば、基板１１の表面１１ａ側には、ナノ構造アレイ１２の形成を妨げなければ、ナノ構造アレイ１２の下地として、波長変換層１３と同様の蛍光層を設けることもできる。
　波長変換層１３の屈折率は、基板１１の屈折率と一致させ、あるいは異ならせることができる。波長変換層１３の屈折率を基板１１の屈折率よりも大きくした場合、波長変換層１３内に励起光Ｂ１あるいは励起光Ｂ２や蛍光光Ｇ１を閉じ込めるように保持して意図しない方向への射出を抑制することができる。
　なお、波長変換層１３は、散乱が極力少ないものとすることが好ましい。散乱が強いと、せっかく配光制御された蛍光が、散乱によってまた等方的な発光になってしまうためである。非散乱性の材料を用いれば、波長変換層１３で蛍光光が散乱される現象を抑制でき、複数のナノ構造１６による配光制御を実効的なものとできる。
　以下、図３Ａ～３Ｅを参照して、図２Ｂ等に示す光学装置１０の製造方法の一例について説明する。
　図３Ａに示すように、予め石英ガラス等からなる平行平板状の基板１１を準備し、基板１１上に二酸化シリコン等の透明な誘電体層１８ａを成膜するとともに、その上にＡｌ層１８ｂを成膜する。誘電体層１８ａ及びＡｌ層１８ｂは、ＥＢ（Electron Beam）蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の手法を用いて成膜することができる。なお、誘電体層１８ａについては、基板１１の表層をそのまま利用することができ、この場合、誘電体層１８ａの成膜は不要となる。
　その後、図３Ｂに示すように、電子線描画、ナノインプリントリソグラフィー等のパターニング技術を用いて、Ａｌ層１８ｂ上にレジストパターン層１９ａを形成する。このレジストパターン層１９ａは、ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１６に対応するナノパターンを有する。
　次に、図３Ｃに示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Inductively Coupling Plasma Reactive Ion Etching）、イオンエッチング等のドライエッチング技術を用いて、Ａｌ層１８ｂをエッチングして、Ａｌパターン層１８ｄを形成する。さらに、図３Ｄに示すように、レジストパターン層１９ａあるいはＡｌパターン層１８ｄをマスクとして誘電体層１８ａをエッチングすることで、基板１１上に２次元的に配列された多数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２を形成することができる。
　その後、図３Ｅに示すように、スピンコート、スプレー、ゾルゲル法、スパッタリング、ＣＶＤその他の成膜方法を用いて、ナノ構造アレイ１２を形成した基板１１上に波長変換層１３となる蛍光体層を成膜する。これにより、入射光に対して波長変換を行う光学装置１０を作製することができる。
　図３Ａ～３Ｅに示す光学装置１０の製造方法は単なる例示であり、様々な手法で光学装置１０を製造することができる。
　図４Ａ～４Ｄは、光学装置１０の別の製造方法を説明する図である。この場合、図４Ａに示すように、基板１１上又は誘電体層（図示省略）上にレジストパターン層１９ｂを形成する。その後、図４Ｂに示すように、レジストパターン層１９ｂ及び基板１１を含む全面にＡｌ層１８ｂを成膜する。次に、図４Ｃに示すように、リフトオフ法によってレジストパターン層１９ｂ及びその上のＡｌ層１８ｂを除去することで、Ａｌパターン層１８ｄを形成する。その後、図４Ｄに示すように、Ａｌパターン層１８ｄをマスクとして基板１１の表層又は誘電体層（図示省略）をエッチングすることで、基板１１上に２次元的に配列された多数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２を形成することができる。
　この場合、Ａｌ層１８ｂを塩素系のガスを用いたドライエッチングによってパターニングする工程がなく、特殊かつ高価なエッチング装置を用いる必要がないので、製法を簡易で安価なものとできる。なお、ナノ構造全体を金属とする従来型のナノアンテナを図３Ｅのナノ構造１６と同様の厚みを有するものとする場合、Ａｌ層が厚くなってアスペクト比が１程度となるので、リフトオフ法によって形成することが困難になる。すなわち、Ａｌ層の蒸着時にレジストパターンの開口部が塞がれて、良好な形状を形成するのが難しい。具体的には、得られたＡｌ製のナノ構造において、テーパー形状になったり、側面が荒れたり、平面視の形状がいびつになったりする。また、ドライエッチング法で形成する場合は、より深いエッチングが必要となり、レジストとの選択比が必要となる等難易度が高い。
　以下、図５Ａ～５Ｃを参照して、図２Ｂ等に示す光学装置１０の変形例について説明する。
　この変形例の場合、ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１６は、コア部１６ａの上面１６ｊだけでなく側面１６ｋを覆う被覆部１６ｂを含む。つまり、被覆部１６ｂは、柱状の突起であるナノ構造１６の天面と側面とに形成されている。この場合、被覆部１６ｂを薄く広げつつコア部１６ａを覆わせることが容易になり、被覆部１６ｂの形成も容易である。ナノ構造１６において、コア部１６ａの上面１６ｊにおける被覆部１６ｂの厚みｔ１と、コア部１６ａの側面１６ｋにおける被覆部１６ｂの厚みｔ２とは等しくなくてもよい。このように、被覆部１６ｂがコア部１６ａの周囲を全体的に覆う構造にすることにより、金属の体積を減少させて励起光・蛍光光の吸収を抑制するとともに、ナノ構造アレイ１２の導電性の凹凸の高さが確保され、蛍光光Ｇ１の取出し効率や指向性を高くすることができる。
　以下、図６Ａ～６Ｄを参照して、図５Ａ等に示す光学装置１０の製造方法の一例について説明する。
　図６Ａに示すように、不図示のレジストパターン層を利用して、基板１１上又は誘電体層（図示省略）上に酸化シリコン等の透明な誘電体パターン層１８ｈを作製する。その後、図６Ｂに示すように、誘電体パターン層１８ｈ及び基板１１を含む全面（誘電体の側面を含む）にＡｌ層１８ｃを成膜する。なお、誘電体パターン層１８ｈをその側壁を含めて覆うようにＡｌ層１８ｃを形成するため、成膜に際して蒸着源に対して基板１１を傾けつつ自転させるといった手法がとられる。次に、図６Ｃに示すように、誘電体パターン層１８ｈの凸に対応する部分にレジストパターン層１９ｃを形成する。その後、図６Ｄに示すようにレジストパターン層１９ｃをマスクとしてＡｌ層１８ｃをエッチングすることにより、誘電体パターン層１８ｈを覆うＡｌパターン層１８ｅが形成され、結果的に基板１１上に２次元的に配列された多数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２を形成することができる。
　図７Ａ～７Ｄは、光学装置１０の別の製造方法を説明する図である。この場合、図７Ａに示すように、二酸化シリコンその他の材料からなり光透過性を有する基板１９上に波長変換層１３に相当する蛍光体層１１３を成膜したものを準備し、蛍光体層１１３の表面側に形成したレジストパターン層１９ｄを利用してドライエッチングを行うことにより、蛍光体層１１３の表層にナノ構造アレイ１２となるべき多数の凹部１１３ａを形成する。その後、図７Ｂに示すように、レジストパターン層１９ｄ及び蛍光体層１１３を含む全面にＡｌ層１８ｐを成膜する。次に、図７Ｃに示すように、リフトオフ法の仕上げ工程としてレジストパターン層１９ｄ及びその上のＡｌ層１８ｐを除去することで、Ａｌパターン層１８ｑを形成する。その後、図７Ｄに示すように、Ａｌパターン層１８ｑ上及び蛍光体層１１３上を含む全面に二酸化シリコン等の透明な誘電体層２１１を成膜する。誘電体層２１１のうち、Ａｌパターン層１８ｑの凹部に埋め込まれた部分は、ナノ構造１６のコア部１６ａとして機能し、波長変換層１３である蛍光体層１１３に埋め込まれて２次元的に配列された多数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２を得ることができる。一方、誘電体層２１１のうち、波長変換層１３（蛍光体層１１３）やナノ構造アレイ１２を覆う部分は、図５Ａ等に示す基板１１に相当するものとなっている。
　以下、図８Ａ及び８Ｂを参照して、図２Ｂ等に示す光学装置１０の別の変形例について説明する。
　この変形例の場合、ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１６は、コア部１６ａの上面１６ｊではなく側面１６ｋを覆う被覆部１６ｂを含む。つまり、被覆部１６ｂは、柱状の突起であるナノ構造１６の側面のみに形成され、ナノ構造１６の側壁部となっている。このように、被覆部１６ｂがコア部１６ａの側面を覆う構造にすることによって、金属の体積を減少させて励起光・蛍光光の吸収を抑制するとともに、ナノ構造アレイ１２の導電性の凹凸の高さが確保され、蛍光光Ｇ１の取出し効率や指向性を高くすることができる。
　図８Ｂ等に示す光学装置１０の製造方法は、図示を省略するが、例えば図５Ａ等に示す光学装置１０の製造方法において、図６Ｄに示す工程の後に、Ａｌパターン層１８ｅの上部を研磨等によって除去する工程を追加すればよい。
　以上で説明した実施形態の光学装置１０によれば、ナノ構造１６が非金属誘電体材料で形成されたコア部１６ａとコア部１６ａの表面の少なくとも一部を覆う金属材料で形成された被覆部１６ｂとを有するので、ナノ構造１６の立体的なサイズを確保しつつ被覆部１６ｂの厚みをコア部１６ａの分だけ薄くできる。これにより、ナノ構造１６を構成する金属による蛍光の吸収を抑制し、より高効率な発光を実現することができる。なお、ナノ構造１６のうち金属製の被覆部１６ｂによって、表面プラズモン共鳴の励起を利用した発光強度の増強が可能になり、コア部１６ａによってナノ構造の立体的なサイズの確保が可能になるので、複数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２による回折効果を利用した蛍光の配光制御が可能になる。
〔第１実施形態の光学装置の実施例〕
　以下、図１等に示す第１実施形態の光学装置１０をさらに具体化した実施例について説明する。
　〔実施例１〕
　図９Ａ及び９Ｂは、実施例１の光学装置１０の構造を説明する拡大断面図である。ここで、図示の構造は、光学装置１０を構成する繰返し単位の１つである円柱を示しており、この構造を紙面に沿った横方向及び紙面垂直な奥行き方向に繰り返すことによって光学装置１０が構成される。実施例１の光学装置１０は、ナノ構造１６が柱状の突起（具体的にはナノ円柱）からなるものであり、図２Ｂと同様の構造を有する。すなわち、図９Ａの場合は、コア部１６ａに相当するＳｉＯ２部１１６ａが被覆部１６ｂに相当するＡｌ層１１６ｂに比較してかなり厚く、図２Ｂに示す状態と略一致している。また、図９Ｂの場合は、ＳｉＯ２部１１６ａの厚みとＡｌ層１１６ｂの厚みとが略一致している。
　なお、実施例１の光学装置１０は、図９Ａと９Ｂとの中間的なもののほか、図９Ａの状態よりもＡｌ層１１６ｂを薄くしたもの、図９Ｂの状態よりもＡｌ層１１６ｂを厚くしたものを含む。
　実施例１の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、直径１５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍのナノ円柱であり、上部に一様な厚みのＡｌ層１１６ｂを有する。このナノ構造１６は、周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。
　図１０Ａ及び１０Ｂは、ナノ構造１６の高さを一定に保って被覆部１６ｂであるＡｌ層１１６ｂの厚さを変化させた場合に、Ａｌ層１１６ｂで吸収される光の割合を計算した結果である。横軸はＡｌ層１１６ｂの厚さを示しており、縦軸はＡｌ層１１６ｂによる吸収を規格化した相対的な吸収量となっている。この場合、Ａｌ層１１６ｂの厚みは、ナノ構造１６の高さを上限として変化する。ただし、図９Ｃに示すようにＡｌ層１１６ｂの厚みが１５０ｎｍとなった場合、ＳｉＯ２部１１６ａ又はコア部１６ａの厚みがゼロとなるので、この場合を比較例とする。つまり、Ａｌ層１１６ｂの厚みが０ｎｍより大きく１５０ｎｍ未満の状態が実施例１となっている。
　Ａｌ層１１６ｂで吸収される光の計算にはＲＣＷＡ（rigorous coupled-wave analysis）法を用い、波長変換層１３の屈折率をｎ＝１．６と仮定した。また、計算に際して、励起光の波長を、ＵＶ（紫外）レーザー（ＵＶ励起光）を想定した４００～４１０ｎｍと、青色レーザー（青色励起光）を想定した４３５～４４５ｎｍとの２種類とした。また、配光制御される蛍光光の波長を、５８０～６３０ｎｍとした。光学装置１０に対して上側つまり波長変換層１３側から励起光を照射させた（図１に示すＢ２：以下反射型ともいう）として、各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を計算し、それをＡｌ層１１６ｂの厚みが１５０ｎｍ（すなわちＡｌのみでナノ構造１６を構成した場合）となった比較例での吸収量の計算結果を１として規格化し、これらを相対的な吸収量として図１０Ａにプロットした。なお、実線Ｌｂは青色励起光を示し、一点鎖線ＬｕはＵＶ励起光を示し、破線Ｌｆは蛍光光を示す（図１１Ａ～図１５Ｂも同様）。
　図１０Ａから分かるように、ナノ構造１６の高さが１５０ｎｍの場合、ＵＶ励起光は、Ａｌ層１１６ｂの厚さを７０ｎｍより薄くすることで、ＵＶ励起光のＡｌ層１１６ｂによる相対吸収量が１より小さくなる。すなわちＡｌ層１１６ｂのみで高さを１５０ｎｍとしたとき（比較例）よりも吸収量が減少する。また、青色励起の場合、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂの厚さを１４０ｎｍより薄くすることで、青色励起光のＡｌ層１１６ｂによる吸収をより少なくすることができる。照射した励起光がＡｌ層１１６ｂに吸収されると、その吸収分は損失となって全く蛍光発光に寄与しなくなる。このため、Ａｌ層１１６ｂでの吸収が低下するということはそれだけ損失が低下することを意味しており、光学装置１０の効率が高くなる。また、蛍光光のＡｌ層１１６ｂによる吸収も、Ａｌ層１１６ｂの厚みに関わらず低下している。これは蛍光体からの発光がＡｌ層１１６ｂで吸収されて損失となる割合が低下することを意味するので、これも光学装置１０の高効率化及び高輝度化に寄与する。
　実施例１の光学装置１０は、ナノ構造アレイ１２のサイズや配置に関して基本的には非特許文献１と同じ構造を有しているので、非特許文献１のＦｉｇ．２ｃと同様に波長６２０ｎｍ前後の赤色波長で配光が制御され、高効率の赤色光源として利用できる。
　図１０Ｂは、同じ実施例１の光学装置１０に対して、下側つまり基板１１側から励起光等を照射させた（図１に示すＢ１：以下透過型ともいう）場合について、各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量の計算結果を示す。図１０Ｂから分かるように、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、ＵＶ励起光、青色励起光及び蛍光光ともに吸収が低下しており、光学装置１０の高効率化及び高輝度化を達成できることが分かる。
　図１１Ａは、実施例１の光学装置１０において、ナノ構造１６を、直径１５０ｎｍ、高さ１００ｎｍのナノ円柱とし、周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列したときの吸収量を示している。すなわち、ナノ構造１６の高さを１５０ｎｍから１００ｎｍに変更したもので、波長変換層１３側から励起光を照射させた反射型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を計算し、それをＡｌ層１１６ｂの厚みが１００ｎｍ（すなわちＡｌのみでナノ構造１６を構成した場合）となった比較例での吸収量の計算結果を１として規格化し、これらを相対的な吸収量として図１１Ａにプロットしたものである。図１１Ａから分かるように、ナノ構造１６の高さが１００ｎｍの場合、ＵＶ励起光、青色励起光及び蛍光光は、Ａｌ層１１６ｂのみで高さを１００ｎｍとしたとき（比較例）を越えることはなく、ＳｉＯ２部１１６ａの厚みを増やすことで、より吸収が低下することがわかる。
　図１１Ｂは、図１１Ａと同様にナノ構造１６の高さのみを１５０ｎｍから１００ｎｍに変更し、基板１１側から励起光を照射させた透過型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化したものである。図１１Ｂから分かるように、ナノ構造１６の高さが１００ｎｍの場合、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、ＵＶ励起光、青色励起光及び蛍光光ともに吸収が低下することが分かる。
　図１２Ａは、実施例１の光学装置１０において、ナノ構造１６を、直径１５０ｎｍ、高さ５０ｎｍのナノ円柱とし、周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列したときの吸収量を示している。すなわち、ナノ構造１６の高さを１５０ｎｍから５０ｎｍに変更し、波長変換層１３側から励起光を照射させた反射型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化し、図１２Ａにプロットしたものである。図１２Ａから分かるように、ナノ構造１６の高さが５０ｎｍの場合、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、ＵＶ励起光、青色励起光及び蛍光光ともに吸収が低下することが分かる。
　図１２Ｂは、図１２Ａと同様にナノ構造１６の高さのみを１５０ｎｍから５０ｎｍに変更し、基板１１側から励起光を照射させた透過型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化したものである。図１２Ｂから分かるように、ナノ構造１６の高さが５０ｎｍの場合、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、ＵＶ励起光、青色励起光の吸収が低下することがわかり、蛍光光の相対吸収量は１を越えることはなく、ＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、ＵＶ励起光、青色励起光及び蛍光光ともに吸収が低下することが分かる。
　図１３Ａ及び１３Ｂは、上記実施例１において、ナノ構造１６の高さを１５０ｎｍ、直径を１３０ｎｍの円柱とし、ナノ構造１６の周期を３４５ｎｍとした変更例における光吸収を説明するものである。図１３Ａは、上記のような周期３４５ｎｍの変更例に対して、上側つまり波長変換層１３側から励起光等を照射させた反射型の場合について、各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量の計算結果を示している。一方、図１３Ｂは、上記のような周期３４５ｎｍの変更例に対して、下側つまり基板１１側から励起光等を照射させた透過型の場合についての計算結果を示している。周期を小さくしたことで、共鳴波長が６００～６３０ｎｍの赤色波長域から、周期に比例して５３０ｎｍの緑色に変化する。よって、この構造と緑色蛍光体を組み合わせることで、緑色の高効率な光源を実現することができる。
　図１３Ａに示すように、ナノ構造１６の高さが１５０ｎｍで、波長変換層１３側から励起光等を照射させる反射型の場合、青色励起光であればＡｌ層１１６ｂの厚みは１１０ｎｍ以下が良く、ＵＶ励起光であればＡｌ層１１６ｂの厚みは６０ｎｍ以下が好ましいことが分かる。また、蛍光光の相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂの厚みは１２０ｎｍ以下が好ましいことがわかる。
　また、図１３Ｂに示すように、ナノ構造１６の高さが１５０ｎｍで、基板１１側から励起光等を照射させる透過型の場合、青色励起光であればＡｌ層１１６ｂの厚みは８０ｎｍ以下が良く、ＵＶ励起光であればＡｌ層１１６ｂの厚みは６０ｎｍ以下が良いことが分かる。また、蛍光光の相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、低下する。
　図１４Ａは、実施例１の光学装置１０において、ナノ構造１６を、直径１３０ｎｍ、高さ１００ｎｍのナノ円柱とし、周期３４５ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列したときの吸収量を示している。すなわち図１３Ａ等に示すものに対し、ナノ構造１６の高さを１５０ｎｍから１００ｎｍに変更したもので、波長変換層１３側から励起光を照射させた反射型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化し、これらを相対的な吸収量として図１４Ａにプロットしたものである。図１４Ａから分かるように、ナノ構造１６の高さが１００ｎｍの場合、ＵＶ励起光は、Ａｌ層１１６ｂの厚さを７０ｎｍ以下とすると良いことがわかる。また、青色励起光及び蛍光光は、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、吸収が低下することがわかる。
　図１４Ｂは、図１４Ａと同様にナノ構造１６の高さを１５０ｎｍから１００ｎｍに変更し、基板１１側から励起光を照射させた透過型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化したものである。図１４Ｂから分かるように、ナノ構造１６の高さが１００ｎｍの場合、ＵＶ励起光は、Ａｌ層１１６ｂの厚さを６０ｎｍ以下とすると良いことがわかる。また、青色励起光及び蛍光光は、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、吸収が低下することが分かる。
　図１５Ａは、実施例１の光学装置１０において、ナノ構造１６を、直径１３０ｎｍ、高さ５０ｎｍのナノ円柱とし、周期３４５ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列したときの吸収量を示している。すなわち、ナノ構造１６の高さを１５０ｎｍから５０ｎｍに変更し、波長変換層１３側から励起光を照射させた反射型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化し、これらを相対的な吸収量として図１５Ａにプロットしたものである。図１５Ａから分かるように、ナノ構造１６の高さが５０ｎｍの場合、青色励起光、ＵＶ励起光及び蛍光光は、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、吸収が低下することが分かる。
　図１５Ｂは、図１５Ａと同様にナノ構造１６の高さを１５０ｎｍから５０ｎｍに変更し、基板１１側から励起光を照射させた透過型の場合の各波長におけるＡｌ層１１６ｂでの吸収量を規格化したものである。図１５Ｂから分かるように、ナノ構造１６の高さが５０ｎｍの場合、青色励起光は、Ａｌ層１１６ｂの厚さを１６ｎｍより薄くすることで、青色励起光のＡｌ層１１６ｂによる相対吸収量が１より小さくなる。また、ＵＶ励起光及び蛍光光は、相対吸収量が１を越えることがなく、Ａｌ層１１６ｂのみでナノ構造１６を構成した比較例よりもＳｉＯ２部１１６ａを設けることで、吸収が低下することが分かる。
　以上のことから、ナノ構造１６のコア部１６ａを非金属誘電体材料で形成し、コア部１６ａの上面のみを金属材料で被覆して被覆部１６ｂとすることで、光学装置１０における励起光及び蛍光光の吸収を抑えることができ、高効率化及び高輝度化を達成することができる。また、図１０～図１５より、赤色の蛍光光を発生させる場合、透過型でナノ構造の高さを５０～１５０ｎｍとする、あるいは反射型でナノ構造の高さを５０～１００ｎｍとする、緑色の蛍光光を発生させる場合、反射型で青色励起光を用い、ナノ構造の高さを５０～１００ｎｍとすると、金属皮覆の厚みに関わらず高効率化が図れる。また、励起光にＵＶ光を用いて赤又は緑色の蛍光光を反射型で（つまり波長変換層１３側から励起光を照射させることによって）発生させる場合、ナノ構造の全高に対しＡｌ層（被覆部）を４０％以下にすると全高に関わらず高効率とすることができる。また、励起光に青色光を用いて赤又は緑色の蛍光光を反射型で発生させる場合、ナノ構造の全高に対しＡｌ層（被覆部）を７０％以下にすると全高に関わらず高効率とすることができる。また、励起光にＵＶ光を用いて赤又は緑色の蛍光光を透過型（つまり基板１１側から励起光を照射させることによって）で発生させる場合、ナノ構造の全高に対しＡｌ層（被覆部）を４０％以下にすると全高に関わらず高効率とすることができる。また、励起光に青色光を用いて赤又は緑色の蛍光光を透過型で発生させる場合、ナノ構造の全高に対しＡｌ層（被覆部）を３０％以下にすると全高に関わらず高効率とすることができる。
　〔実施例２〕
　図１６Ａ及び１６Ｂは、実施例２の光学装置１０の構造を説明する拡大断面図である。ここで、図示の構造は、光学装置１０を構成する繰返し単位の１つを示している。実施例２の光学装置１０は、ナノ構造１６がナノ円柱からなるものであり、図５Ａと同様の構造を有する。図１６Ａの場合は、コア部１６ａに相当するＳｉＯ２部１１６ａが被覆部１６ｂに相当するＡｌ層１１６ｂに比較してかなり薄く、図５Ａに示す状態と略一致している。また、図１６Ｂの場合は、Ａｌ層１１６ｂが比較的厚くなっている。
　実施例２の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、直径１５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍのナノ円柱であり、上部及び側壁部に一様な厚みのＡｌ層１１６ｂを有する。このナノ構造１６は、周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。
　図１７は、ナノ構造１６の高さを一定に保って被覆部１６ｂであるＡｌ層１１６ｂの厚さを変化させた場合に、上側つまり波長変換層１３側から光を照射させてＡｌ層１１６ｂで吸収される光の割合を計算した結果である。この場合、Ａｌ層１１６ｂの厚みは、ナノ構造１６の半径を上限として変化する。図１６Ｃに示すようにＡｌ層１１６ｂの厚みが半径に相当する７５ｎｍとなった場合、二酸化シリコン製のコア部１６ａが存在しなくなるので、この場合の吸収量を１として吸収量を規格化した。つまり、Ａｌ層１１６ｂの厚みが０ｎｍより大きく７５ｎｍ未満の状態が実施例２となっている。なお、実線Ｌｅは励起光を示し、破線Ｌｆは蛍光光を示す（図１９も同様）。
　図１７から分かるように、Ａｌ層１１６ｂの厚さを４０ｎｍより薄くすることで、励起光のＡｌによる吸収が減少する。照射した励起光がＡｌ層１１６ｂに吸収されると、その吸収分は損失となって全く蛍光発光に寄与しなくなる。このため、Ａｌ層１１６ｂでの吸収が低下するということはそれだけ損失が低下することを意味しており、光学装置１０の効率が高くなる。また、Ａｌ層１１６ｂの厚さが１５～４０ｎｍの範囲であれば、励起光だけでなく蛍光光のＡｌ層１１６ｂによる吸収も低下している。これは蛍光体からの発光がＡｌ層１１６ｂで吸収されて損失となる割合が低下することを意味するので、これも光学装置１０の高効率化及び高輝度化に寄与する。以上の計算結果より、実施例２の場合、Ａｌ層１１６ｂの厚みは４０ｎｍ以下が良く、さらに１５～４０ｎｍ以下がより好ましいことがわかる。
　なお、実施例２の光学装置１０は、ナノ構造アレイ１２のサイズや配置に関して基本的には非特許文献１と同じ構造を有しているので、非特許文献１のＦｉｇ．２ｃと同様に波長６２０ｎｍ前後の赤色波長で配光が制御され、高効率の赤色光源として利用できる。
　実施例２では、ナノ構造の上面・側面を同じ厚さのＡｌ層としたが、上面・側面で異なる厚さであってもよい。
　〔実施例３〕
　図１８Ａ及び１８Ｂは、実施例３の光学装置１０の構造を説明する拡大断面図である。ここで、図示の構造は、光学装置１０を構成する繰返し単位の１つを示している。実施例３の光学装置１０は、ナノ構造１６がナノ円柱からなるものであり、図８Ｂと同様の構造を有する。図１８Ａの場合は、コア部１６ａに相当するＳｉＯ２部１１６ａが被覆部１６ｂに相当するＡｌ層１１６ｂに比較してかなり薄く、図８Ｂに示す状態と略一致している。また、図１８Ｂの場合は、Ａｌ層１１６ｂが比較的厚くなっている。
　実施例３の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、直径１５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍのナノ円柱であり、側面又は側壁部に一様な厚みのＡｌ層１１６ｂを有する。このナノ構造１６は、周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。
　図１９は、ナノ構造１６の高さを一定に保って被覆部１６ｂであるＡｌ層１１６ｂの厚さを変化させた場合に、上側つまり波長変換層１３側から光を入射させてＡｌ層１１６ｂで吸収される光の割合を計算した結果である。この場合、Ａｌ層１１６ｂの厚みは、ナノ構造１６の半径を上限として変化する。図１８Ｃに示すようにＡｌ層１１６ｂの厚みが半径に相当する７５ｎｍとなった場合、酸化シリコン製のコア部１６ａが存在しなくなるので、この場合の吸収量を１として吸収量を規格化した。つまり、Ａｌ層１１６ｂの厚みが０ｎｍより大きく７５ｎｍ未満の状態が実施例３となっている。
　図１９から分かるように、Ａｌ層１１６ｂの厚さを４０ｎｍより薄くすることで、励起光及び蛍光光のＡｌによる吸収が減少する。このため、実施例３の場合、Ａｌ層１１６ｂの厚さを４０ｎｍより薄くすることにより、光学装置１０の高効率化及び高輝度化に寄与する。
　なお、実施例３の光学装置１０は、ナノ構造アレイ１２のサイズや配置に関して基本的には非特許文献１と同じ構造を有しているので、非特許文献１のＦｉｇ．２ｃと同様に波長６２０ｎｍ前後の赤色波長で配光が制御され、高効率の赤色光源として利用できる。
〔光学装置の第２実施形態〕
　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第２の光学装置に対応する第２実施形態について説明する。
　図２０に示す光学装置１０は、入射光に対して波長変換を行う光学素子であり、可視その他の波長域において光透過性を有する平板状の基板１１と、基板１１の表面１１ａ側に２次元的に広がるように形成された金属製のナノ構造アレイ１２と、基板１１上にナノ構造アレイ１２を片側から覆うように形成された波長変換層１３とを備える。本実施形態においては、波長変換層１３を蛍光体で構成した例で説明する。
　光学装置１０は、例えば青色波長域の励起光Ｂ１を射出する励起光源９０によって裏面１１ｂ側から照明される。基板１１は、励起光Ｂ１を透過させて波長変換層１３に導く。波長変換層１３中の蛍光体は、青色波長域の励起光Ｂ１によって励起され、波長変換層１３の表面１３ａからは、励起された蛍光体によって生成された例えば緑色波長域の蛍光光Ｇ１が放射される。その際、ナノ構造アレイ１２によって、蛍光光Ｇ１の発光強度が高められるとともに指向性も高められる。
　光学装置１０において、基板１１は、ナノ構造アレイ１２の支持体であり、図２Ａ等に示す第１実施形態と同様の材料から加工される。基板１１は、図示のように透過型で用いる場合、励起光Ｂ１に対して光透過性を有することが好ましい。なお、基板１１は、励起光源９０側に蛍光光Ｇ１を取り出す反射型の場合、光透過性を有さない不透明な材料（例えば、金属等）で形成することもできる。また、ガラス製の基板のいずれか一方の面に蛍光光を反射するミラーを設けてもよい。
　図２１Ａ及び２１Ｂに示すように、ナノ構造アレイ１２は、基板１１の表面１１ａに沿って２次元的に配列された複数のナノ構造１６からなる。図示の例では、複数のナノ構造１６が格子点上にドット状に配置されている。各ナノ構造１６は、円錐台の外形を有する。ナノ構造１６は、例えばアルミニウム等の金属で形成されている。なお、ナノ構造１６は、アルミニウムに限らず、金、銀、銅、プラチナ、パラジウム等の貴金属、クロム、ニッケル、インジウム、チタン等の金属、ＴｉＮ等の化合物、それらの合金で形成することもできる。さらに、ナノ構造１６は、密着性改善のために、アルミニウムとクロムとを積層したような積層構造とすることもできる。
　ナノ構造１６は、金属層であるため、励起光Ｂ１の照射によって局在的な表面プラズモン共鳴を発生させる。さらに、複数のナノ構造１６を格子点上に配置したナノ構造アレイ１２とすることで、各ナノ構造１６で発生する局在的な表面プラズモン共鳴の回折結合によって表面格子共鳴を生じさせることができ、波長変換層１３を効率よく励起することができる。このような表面格子共鳴に対してナノ構造アレイ１２に入射する励起光Ｂ１の結合効率が高ければ、波長変換層１３の励起効率をさらに高めることができる。さらに、ナノ構造アレイ１２は、波長変換層１３で発生する蛍光光Ｇ１に対しての格子共鳴又は回折効果を配慮したものとなっており、基板１１の例えば法線方向ＤＰの狭い角度範囲内に蛍光光Ｇ１を集中して射出させることができる。つまり、ナノ構造アレイ１２により、蛍光光Ｇ１の射出方向の指向性を高める配光制御が可能になる。
　ナノ構造１６の形状やサイズ、ナノ構造アレイ１２の格子間隔等は、第１実施形態の場合のナノ構造１６と同様に、上記のような励起光Ｂ１の結合効率を高め、蛍光光Ｇ１の指向性が所期のものとなるように設定される。
　ナノ構造１６において、励起光Ｂ１が入射する入射面（具体的には、基板１１の裏面１１ｂに相当）に平行な断面に関して、ナノ構造１６の頂部１６ｍ（又は最上部）の面積は、ナノ構造の底部１６ｎ（又は最下部）の面積よりも小さくなっている。ここで、基板１１側を底部１６ｎとし、基板１１と反対側を頂部１６ｍとし、図２０において紙面に沿ったＺ方向を上下方向としている。ナノ構造１６の頂部１６ｍの面積と底部１６ｎの面積との差と、底部１６ｎの面積との比（頂部面積と底部面積との差／底部面積）は、１３％以上となっている。上記比の値は、ナノ構造１６の形状に応じて最適な値を設定可能である。図２１Ａにおいて、ナノ構造１６は、入射面に平行な所定の第１方向（具体的には、Ｘ方向）の底部１６ｎの長さＴｘと、当該入射面に平行かつ第１方向に垂直な第２方向（具体的には、Ｙ方向）の底部１６ｎの長さＴｙとが略同じとなっている。また、第１方向の頂部１６ｍの長さＵｘと、第２方向の頂部１６ｍの長さＵｙとが略同じとなっている。なお、ＸＹ平面は、基板１１の表面１１ａ及び裏面１１ｂに平行な面となっている。
　ナノ構造１６の形状として、第１の方向の長さＴｘ，Ｕｘと、第１の方向と異なる第２の方向の長さＴｙ，Ｕｙとが異なるものを用いることもできる。この場合、光学装置１０に偏光制御機能も付与することができる。
　ナノ構造１６の入射面に垂直な方向の高さは、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
　ナノ構造アレイ１２におけるナノ構造１６の配列パターンは、第１実施形態の場合のナノ構造１６と同様に、図２１Ａ等に例示された正方格子に限らず、様々な周期パターン又は準周期構造とすることができる。
　ナノ構造１６は、上位概念で捉えた場合において、截頭錐形状を有する。すなわち、ナノ構造１６の形状は、図２１Ａ等に例示された円錐台に限らず、用途に応じた仕様を満たすような範囲内で、角錐台（図２６Ｂ及び図２８Ｂ参照）等の各種形状とすることができる。ナノ構造１６を入射面に垂直な方向から見たときの底部１６ｎの形状は、上述の立体形状に応じて、円形状、四角形状、三角形状等となる。また、ナノ構造１６を入射面に垂直な方向から見たときの頂部１６ｍの形状も、上述の立体形状に応じて、円形状、四角形状、三角形状等となる。なお、円形には、真円に限らず、楕円や、角がＲ形状又は湾曲形状を有するのもの等も含む。また、四角形には、矩形や菱形等が含まれる。これらの断面形状を有するナノ構造１６は、比較的容易に形成することができる。
　なお、ナノ構造１６は、上記の截頭錐形状に限らず、錐形状又はテーパー状の外形を有していればよい。また、ナノ構造１６は、少なくとも一部に傾斜面を有していればよく、完全な錐形状でなくてもよい。ここで、傾斜面とは、励起光Ｂ１が入射する入射面に対して傾斜している面を意味する。さらに、図２２に示すように、ナノ構造１６は、ドーム形状を有してもよい。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍは、入射面に対して傾きを有していてもよい。また、頂部１６ｍの断面又は頂面は、底部１６ｎの断面の相似形でなくてもよい。また、ナノ構造アレイ１２において、各ナノ構造１６の形状及び大きさは、多少のばらつきがあってもよい。また、錐形状又はドーム形状の頂部１６ｍの断面が線状又は点状となっていてもよい。
　ナノ構造１６は、全体が波長変換層１３内に突出する立体的な構造となっている。このため、非金属誘電体材料で形成されたナノ構造に比べ、プラズモンの効果による蛍光の強度を高めることができるとともに周期構造の回折効果を確保することができ、蛍光光Ｇ１の取出し効率や指向性を十分に高く保つことができる。
　波長変換層１３は、励起光を吸収してそれよりも長い波長で発光する材料であればよく、例えば有機蛍光体で形成されるが、無機蛍光体で形成されてもよい。波長変換層１３の具体的な材料、配置、屈折率は、第１実施形態の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。
　以下、図２３Ａ～２３Ｄを参照して、図２１Ｂ等に示す光学装置１０の製造方法の一例について説明する。
　図２３Ａに示すように、予め石英ガラス等からなる平行平板状の基板１１を準備し、基板１１上にＡｌ層１４を成膜する。Ａｌ層１４は、抵抗加熱蒸着、ＥＢ蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の手法を用いて成膜することができる。
　その後、図２３Ｂに示すように、電子線描画、ナノインプリントリソグラフィー等のパターニング技術を用いて、Ａｌ層１４上にレジストパターン層１５を形成する。このレジストパターン層１５は、ナノ構造アレイ１２を構成するナノ構造１６に対応するナノパターンを有する。なお、レジストパターン層１５は、エッチング条件を考慮してナノ構造１６にテーパーを形成するような形状（例えば、ドーム形状や斜面を有するナノ構造１６に似た形状）となっている。
　次に、図２３Ｃに示すように、ＲＩＥ、ＩＣＰ－ＲＩＥ、イオンエッチング等のドライエッチング技術を用いて、Ａｌ層１４をエッチングすることで、基板１１上に２次元的に配列された多数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２を形成する。
　その後、図２３Ｄに示すように、スピンコート、スプレー、ゾルゲル法、スパッタリング、ＣＶＤその他の成膜方法を用いて、ナノ構造アレイ１２を形成した基板１１上に波長変換層１３となる蛍光体層を成膜する。これにより、入射光に対して波長変換を行う光学装置１０を作製することができる。
　図２３Ａ～２３Ｄに示す光学装置１０の製造方法は単なる例示であり、様々な手法で光学装置１０を製造することができる。
　図２４Ａ～２４Ｄは、光学装置１０の別の製造方法を説明する図である。ここでは、後述する実施例８における三段円柱（図３０Ｂ参照）のナノ構造１６を有する光学装置１０の製造方法について説明する。この場合、図２４Ａに示すように、基板１１上にレジストパターン層１５を形成する。その後、図２４Ｂに示すように、レジストパターン層１５及び基板１１を含む全面にＡｌ層１４を成膜する。次に、図２４Ｃに示すように、リフトオフ法の仕上げ工程としてレジストパターン層１５及びその上のＡｌ層１４を除去する。図２４Ａ～２４Ｃと同様の処理を、レジストパターンのサイズを段階的に小さくしつつあと２回繰り返すことで、三段円柱のナノ構造１６が形成される（図２４Ｄ参照）。これにより、基板１１上に２次元的に配列された多数のナノ構造１６すなわちナノ構造アレイ１２を形成することができる。この場合、Ａｌ層１４を塩素系のガスを用いたドライエッチングによってパターニングする工程がなく、特殊かつ高価なエッチング装置を用いる必要がないので、製法を簡易で安価なものとできる。その後、図２４Ｄに示すように、ナノ構造アレイ１２を形成した基板１１上に波長変換層１３となる蛍光体層を成膜することで、光学装置１０を作製することができる。
　以上で説明した第２実施形態の光学装置１０によれば、金属製のナノ構造１６によって表面プラズモン共鳴の励起を利用して励起光Ｂ１の吸収効率を高め、より高効率に波長が異なる光を得ることができる。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの面積がナノ構造１６の底部１６ｎの面積よりも小さいことにより、励起光Ｂ１とは異なる波長の光（具体的には蛍光光Ｇ１）の吸収の低減、及び蛍光光Ｇ１の利用効率の向上の少なくともいずれか一方を実現できる。具体的には、ナノ構造１６の表面積（特に、頂部１６ｍ側の表面積）が減少することで、金属製のナノ構造１６による蛍光光Ｇ１の吸収を低減することができる。また、ナノ構造１６が上下非対称となることで上下方向に放出される光の割合に差を生じさせ、ナノ構造１６の頂部１６ｍの面積と底部１６ｎの面積とが同じ場合よりも片方の方向に放出される光の割合を高めることができ、蛍光光Ｇ１の利用効率が向上する。これにより、高効率な光学装置を実現できる。
〔第２実施形態の光学装置の実施例〕
　以下、図２０等に示す第２実施形態の光学装置１０をさらに具体化した実施例について説明する。
　〔実施例４〕
　図２１Ａ及び２１Ｂは、実施例４の光学装置１０の構造、特にナノ構造１６の形状を説明する図ともなっている。ここで、図示の構造は、光学装置１０を構成するナノ構造１６の繰返し単位の数個分を示しており、図２１Ａに示す構造を紙面に沿った横方向（第１方向又はＸ方向）及び縦方向（第２方向又はＹ方向）に繰り返すことによって光学装置１０が構成される。また、図２１Ｂに示す構造を紙面に沿った横方向（Ｘ方向）及び紙面に垂直な奥行方向（Ｙ方向）に繰り返すことによって光学装置１０が構成される。
　実施例４の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、高さ１５０ｎｍの円錐台である。ナノ構造１６の底部１６ｎの入射面に垂直な方向から見た断面は、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙがそれぞれ１５０ｎｍ（つまり、直径１５０ｎｍ）の円形である。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの入射面に垂直な方向から見た断面は、底部１６ｎと同芯の円形であり、その面積は、ナノ構造１６の底部１６ｎの面積よりも小さくなっている。このナノ構造１６は、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１６の円錐台は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。
　ナノ構造１６の形状を変えたときに、蛍光光の吸収量と放出される蛍光光の上下比とがどの程度変化するかを簡易的な計算で評価した。円錐台の底部１６ｎのＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙを１５０ｎｍでそれぞれ固定して、頂部１６ｍのＸ方向及びＹ方向の長さＵｘ，Ｕｙを０～１５０ｎｍでそれぞれ変化させた場合に、頂部１６ｍ側（つまり、上側）から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収量の強さと、底部１６ｎ側（つまり、下側）から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収の強さとを計算した。ただし、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ及び長さＵｘ，Ｕｙはそれぞれ同じとした。これによって、蛍光光が金属製のナノ構造１６で吸収される強度を求めることができる。また、上側から励起光Ｂ１が入射した場合と、下側から励起光Ｂ１が入射した場合との吸収の強度比は、上下に放射される蛍光光の強度比に対応する。この場合、周期４００ｎｍを用いていることから、６３０ｎｍ近傍の赤色波長の光に対して配光制御の効果が生じる。なお、比較例として、上下のＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ，Ｕｘ，Ｕｙの差がゼロ（完全な円柱）の場合を用いた。
　吸収の強さの計算にはＲＣＷＡ法を用い、波長変換層１３の屈折率をｎ＝１．８３とした。計算結果を図２５Ａ及び２５Ｂに示す。図２５Ａにおいて、横軸は上下の長さの差（＝底部１６ｎのＸ方向及びＹ方向の長さ－頂部１６ｍのＸ方向及びＹ方向の長さ、μｍ単位）を示しており、実線Ｌ１は赤色波長域（波長６００～６６０ｎｍ）で吸収される光の量を、比較例の計算結果に対する相対値で示したものである（以降の実施例５～７、９も同様）。図２５Ｂにおいて、横軸は上下の面積の差の割合（＝（底部の面積－頂部の面積）／底部の面積）を示している。つまり、図２５Ｂの横軸に関しては、上下の面積の差を底部１６ｎの面積で規格化した。これよりわかるように、面積又は長さの差が大きくなる、つまりナノ構造１６のテーパーが強くなる（テーパー角度が大きくなる）にしたがって、蛍光光の吸収量が減少している。特に、長さの差が２０ｎｍ以上又は面積の差の割合が２５％以上で吸収量が減少する傾向にある。また、一方、図２５Ａ及び２５Ｂの破線Ｌ２は、吸収量の上下比（上方向の吸収量の強さ／下方向の吸収量の強さ）を、比較例に対する相対値で示したものである。面積又は長さの差が大きくなる、つまりテーパーが強くなるにしたがって、上下比が大きくなる、つまり、上方向に放出される割合が強くなっていることがわかる。特に、長さの差が２０ｎｍ以上又は面積の差の割合が２５％以上で上下比が大きくなる傾向にある。
　〔実施例５〕
　図２６Ａ及び２６Ｂは、実施例５の光学装置１０の構造、特にナノ構造１６の形状を説明する図である。実施例５の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、高さ１５０ｎｍの三角錐台である。ナノ構造１６の底部１６ｎの入射面に垂直な方向から見た断面は、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙがそれぞれ１５０ｎｍの三角形である。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの入射面に垂直な方向から見た断面は、底部１６ｎと重心が一致する相似の三角形であり、その面積は、ナノ構造１６の底部１６ｎの面積よりも小さくなっている。このナノ構造１６は、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１６の三角錐台は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。
　図２７Ａ及び２７Ｂにおいて、三角錐台の底部１６ｎのＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙを１５０ｎｍでそれぞれ固定して、頂部１６ｍのＸ方向及びＹ方向の長さＵｘ，Ｕｙを０～１５０ｎｍでそれぞれ変化させた場合に、頂部１６ｍ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収量の強さと、底部１６ｎ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収の強さとを計算した。ただし、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ及び長さＵｘ，Ｕｙはそれぞれ同じとした。本実施例でも周期４００ｎｍを用いていることから、６３０ｎｍ近傍の赤色波長の光に対して配光制御の効果が生じる。なお、比較例として、上下のＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ，Ｕｘ，Ｕｙの差がゼロ（完全な三角柱）の場合を用いた。
　図２７Ａ及び２７Ｂに示すように、面積又は長さの差が大きくなるほど、蛍光光の吸収が減少するとともに、上下比が大きくなる。特に、長さの差が１０ｎｍ以上又は面積の割合が１３％以上で励起光とは異なる波長の蛍光光の吸収が減少する傾向にあり、蛍光光の利用効率の向上の効果の達成が容易になる。また、長さの差が１０ｎｍ以上又は面積の差の割合が１０％以上で上下比が大きくなる傾向にある。
　〔実施例６〕
　図２８Ａ及び２８Ｂは、実施例６の光学装置１０の構造、特にナノ構造１６の形状を説明する図である。実施例６の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、高さ１５０ｎｍの四角錐台である。ナノ構造１６の底部１６ｎの入射面に垂直な方向から見た断面は、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙがそれぞれ１５０ｎｍの四角形である。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの入射面に垂直な方向から見た断面は、底部１６ｎと重心が一致する相似の四角形であり、その面積は、ナノ構造１６の底部１２ｂの面積よりも小さくなっている。このナノ構造１６は、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１６の四角錐台は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。
　図２９Ａ及び２９Ｂにおいて、四角錐台の底部１６ｎのＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙを１５０ｎｍでそれぞれ固定して、頂部１６ｍのＸ方向及びＹ方向の長さＵｘ，Ｕｙを０～１５０ｎｍでそれぞれ変化させた場合に、頂部１６ｍ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収量の強さと、底部１６ｎ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収の強さとを計算した。ただし、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ及び長さＵｘ，Ｕｙはそれぞれ同じとした。本実施例でも周期４００ｎｍを用いていることから、６３０ｎｍ近傍の赤色波長の光に対して配光制御の効果が生じる。なお、比較例として、上下のＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ，Ｕｘ，Ｕｙの差がゼロ（完全な四角柱）の場合を用いた。
　図２９Ａ及び２９Ｂに示すように、面積又は長さの差が大きくなるほど、蛍光光の吸収が減少するとともに、上下比が大きくなる。特に、長さの差が７０ｎｍ以上又は面積の差の割合が７５％以上で蛍光光の吸収が減少する傾向にある。また、長さの差が４０ｎｍ以上又は面積の割合が５０％以上で上下比が大きくなる傾向にある。
　〔実施例７〕
　図３０Ａ及び３０Ｂは、実施例７の光学装置１０の構造、特にナノ構造１６の形状を説明する図である。実施例７の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、高さ１５０ｎｍの三段円柱（大きさの異なる円柱が３段重なった構造）である。ナノ構造１６の底部１６ｎの入射面に垂直な方向から見た断面は、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙがそれぞれ１５０ｎｍの円形である。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの入射面に垂直な方向から見た断面は、底部１６ｎと同芯の円形であり、その面積は、ナノ構造１６の底部１６ｎの面積よりも小さくなっている。このナノ構造１６は、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１６の三段円柱は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。
　図３１Ａ及び３１Ｂにおいて、三段円柱の底部１６ｎのＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙを１５０ｎｍでそれぞれ固定して、頂部１６ｍのＸ方向及びＹ方向の長さＵｘ，Ｕｙを０～１５０ｎｍでそれぞれ変化させた場合に、頂部１６ｍ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収量の強さと、底部１６ｎ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収の強さとを計算した。ただし、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ及び長さＵｘ，Ｕｙはそれぞれ同じとした。本実施例でも周期４００ｎｍを用いていることから、６３０ｎｍ近傍の赤色波長の光に対して配光制御の効果が生じる。なお、比較例として、上下のＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ，Ｕｘ，Ｕｙの差がゼロ（完全な円柱）の場合を用いた。
　図３１Ａ及び３１Ｂに示すように、面積又は長さの差が大きくなるほど、蛍光光の吸収が減少するとともに、上下比が大きくなる。特に、長さの差が５０ｎｍ以上又は面積の差の割合が６０％以上で蛍光光の吸収が減少する傾向にある。また、長さの差が２０ｎｍ以上又は面積の差の割合が３０％以上で上下比が大きくなる傾向にある。
　〔実施例８〕
　図２１Ａ及び２１Ｂと同様に、実施例８の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、高さ１５０ｎｍの円錐台である。ナノ構造１６の底部１６ｎの入射面に垂直な方向から見た断面は、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙがそれぞれ１５０ｎｍの円形である。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの入射面に垂直な方向から見た断面は、底部１６ｎと同芯の円形であり、その面積は、ナノ構造１６の底部１６ｎの面積よりも小さくなっている。このナノ構造１６は、Ｘ方向及びＹ方向において周期３３６ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１６の円錐台は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。
　図３２Ａ及び３２Ｂにおいて、円錐台の底部１６ｎのＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙを１５０ｎｍでそれぞれ固定して、頂部１６ｍのＸ方向及びＹ方向の長さＵｘ，Ｕｙを０～１５０ｎｍでそれぞれ変化させた場合に、頂部１６ｍ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収量の強さと、底部１６ｎ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収の強さとを計算した。ただし、Ｘ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ及び長さＵｘ，Ｕｙはそれぞれ同じとした。共鳴して配光制御される波長は周期に依存するため、周期を周期３３６ｎｍと短くしたことで、５３０ｎｍ近傍の緑色波長の光に対して配光制御の効果が生じる。よって、図３２Ａ及び３２Ｂに示す計算結果は、緑色波長域（波長５００～５６０ｎｍ）で吸収される光の強さである。実線Ｌ１は緑色波長域で吸収される光の量を、比較例の計算結果に対する相対値で示したものであり、破線Ｌ２は、吸収量の上下比（上方向の吸収量の強さ／下方向の吸収量の強さ）を、比較例に対する相対値で示したものである。なお、比較例として、上下のＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ，Ｕｘ，Ｕｙの差がゼロ（完全な円柱）の場合を用いた。
　図３２Ａ及び３２Ｂに示すように、面積又は長さの差が大きくなるほど、蛍光光の吸収が減少するとともに、上下比が大きくなる。特に、長さの差が１０ｎｍ以上（好ましくは５０ｎｍ以上）又は面積の差の割合が１０％以上（好ましくは６０％以上）で蛍光光の吸収が減少する。また、長さの差が０ｎｍより大きく、又は面積の差の割合が０％より大きければ上下比が大きくなる傾向にある。
　〔実施例９〕
　図３３Ａ及び３３Ｂは、実施例９の光学装置１０の構造、特にナノ構造１６の形状を説明する図である。実施例９の光学装置１０において、石英製の基板１１上に形成されるナノ構造１６は、高さ１５０ｎｍの楕円錐台である。ナノ構造１６の底部１６ｎの入射面に垂直な方向から見た断面は、Ｘ方向の長さＴｘが５０ｎｍであり、Ｙ方向の長さＴｙが１５０ｎｍである楕円形である。Ｘ方向の長さＴｘは、Ｙ方向の長さの１／３程度となっている。また、ナノ構造１６の頂部１６ｍの入射面に垂直な方向から見た断面は、底部１６ｎと重心が一致する相似の楕円形であり、その面積は、ナノ構造１６の底部１２ｂの面積よりも小さくなっている。このナノ構造１６は、Ｘ方向及びＹ方向において周期４００ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。ナノ構造１６の楕円錐台は、金属Ａｌで形成されている。波長変換層１３の厚さは６５０ｎｍである。
　図３４Ａ及び３４Ｂにおいて、楕円錐台の底部１６ｎのＸ方向の長さＴｘを５０ｎｍ、Ｙ方向の長さＴｙを１５０ｎｍでそれぞれ固定して、頂部１６ｍのＸ方向の長さＵｘを０～５０ｎｍ（具体的には、Ｙ方向の長さの１／３）、Ｙ方向の長さＵｙを０～１５０ｎｍでそれぞれ変化させた場合に、頂部１６ｍ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収量の強さと、底部１６ｎ側から励起光Ｂ１を入射させた場合の吸収の強さとを計算した。ただし、底部１６ｎの断面と頂部１６ｍの断面とは相似形とした。本実施例でも周期４００ｎｍを用いていることから、６３０ｎｍ近傍の赤色波長の光に対して配光制御の効果が生じる。なお、比較例として、上下のＸ方向及びＹ方向の長さＴｘ，Ｔｙ，Ｕｘ，Ｕｙの差がゼロ（完全な楕円柱）の場合を用いた。
　図３４Ａ及び３４Ｂに示すように、面積又は長さの差が大きくなるほど、蛍光光の吸収が減少するとともに、上下比が大きくなる。特に、長さの差が１０ｎｍ以上又は面積の差の割合が１０％以上で蛍光光の吸収が減少する傾向にある。また、長さの差が０ｎｍより大きく、又は面積の差の割合が０％より大きければ上下比が大きくなる傾向にある。
〔投影装置及び光源装置の実施形態〕
　以下、投影装置の実施形態について説明する。この投影装置は、図２Ｂ、５Ａ、８Ｂ、２１Ｂ、２６Ｂ、２８Ｂ、３０Ｂ、３３Ｂ等に示す光学装置を用いた光源装置を組み込んだものである。
　図３５は、実施形態の投影装置であるプロジェクター１００を説明する図である。プロジェクター（投影装置）１００は、光源装置２０と、導光装置３０と、画像生成装置５０と、投影光学系６０と、制御装置８０とを備える。
　光源装置２０は、青色波長域のレーザ光を射出する励起光源２１と、励起光源２１からの射出光を平行光に変換するコリメータレンズ２２と、励起光源２１の光軸ＳＡ上に配置された発光ホイール２３と、発光ホイール２３を軸ＲＸを中心に回転駆動する回転駆動部２４と、励起光源２１からの光源光を集光して発光ホイール２３に照射させる第１集光レンズ２５と、発光ホイール２３を透過した光を集光する第２集光レンズ２６と、第１及び第２集光レンズ２５，２６によって取り出した各色の光路を合成する分岐合成光学系２７とを備える。なお、発光ホイール２３は、図２Ｂ等に示す光学装置１０を複数種類組み込んだ複合的光学装置である。励起光源２１と光学装置１０とは、別体として離間して配置されている。これにより、励起光源２１の発熱によって光源装置２０が加熱されて特性が劣化することを防止できる。この光源装置２０では、複合的光学装置である発光ホイール２３を用いているので、光学装置１０を構成する複数のナノ構造１６を構成する金属（第１実施形態の場合、被覆部１６ｂ）による蛍光の吸収を抑制でき、より高効率な発光を実現することができる。これにより、高強度の蛍光光Ｇ１を比較的狭い立体角の範囲内に射出させることができ、低エタンデュの光源装置２０を提供することができる。
　励起光源２１は、図１等に示す励起光源９０に対応する。この場合、励起光源２１は、青色波長域、具体的には約４５０ｎｍ波長のレーザ光を射出するレーザーダイオードである。コリメータレンズ２２は、励起光源２１からの射出光である励起光を平行化することによって細い光線のまま第１集光レンズ２５に入射させる。このように励起光源２１として高強度の光を効率的に形成するレーザーダイオードを用いることにより、小型で高輝度・効率的な照明が可能になる。
　図３６に示すように、発光ホイール２３には、赤色波長域の蛍光が光源光の入射面側から射出される帯状の赤色領域ＡＲ１と、緑色波長域の蛍光が光源光の入射面側から射出される帯状の緑色領域ＡＲ２と、拡散された青色波長域の光源光が発光ホイール２３を透過して逆の面から射出される帯状の青色領域ＡＲ３とが周方向に並設されてなる環状照射領域が設けられている。
　図３５に戻って、第１集光レンズ２５は、発光ホイール２３の表側面近傍に配置され、励起光源２１からの青色の光源光を集光して発光ホイール２３に照射させるとともに発光ホイール２３から射出された赤色波長域光及び緑色波長域光を、それぞれ集光して分岐合成光学系２７の第１ダイクロイックミラー２７ａに入射させる。第２集光レンズ２６は、発光ホイール２３の裏側面近傍に配置され、発光ホイール２３を透過した青色波長域光を集光して分岐合成光学系２７の第１ミラー２７ｃに入射させる。
　分岐合成光学系２７において、第１及び第２ミラー２７ｃ，２７ｄは、第２集光レンズ２６によって集光した青色の照明光を直交方向に折り曲げて、第２ダイクロイックミラー２７ｂに導く。この際、第１及び第２レンズ２７ｆ，２７ｇによって青色の照明光の発散状態を調整しつつ第２ダイクロイックミラー２７ｂに入射させる。
　分岐合成光学系２７において、第１ダイクロイックミラー２７ａは、発光ホイール２３から射出され第１集光レンズ２５によって集光された赤色及び緑色の照明光を選択的に反射することによって、光路を直交方向に折り曲げて第２ダイクロイックミラー２７ｂに入射させる。この際、第３レンズ２７ｈによって赤色及び緑色の照明光の発散状態を調整しつつ第２ダイクロイックミラー２７ｂに入射させる。
　図３６を参照して、発光ホイール２３の赤色領域ＡＲ１には、金属その他の遮光性の基板２３ａに支持されて励起光源２１からの射出光を励起光として赤色の蛍光を発する波長変換素子である赤色発光素子１１Ｒが設けられ、緑色領域ＡＲ２には、金属その他の遮光性の基板２３ａに支持されて励起光源２１からの射出光を励起光として緑色の蛍光を発する波長変換素子である緑色発光素子１１Ｇが設けられている。また、青色領域ＡＲ３は、基板２３ａに形成された開口２３ｄ及びこれに固定された透光板２３ｃにより形成されている。
　なお、赤色発光素子１１Ｒや緑色発光素子１１Ｇには、図１に示す光学装置１０が組み込まれている。具体的には、赤色発光素子１１Ｒには、図２Ｂ、図５Ａ、図８Ｂ等に示す光学装置１０であって反射型で使用されるものが組み込まれ、光源光の入射側に戻すように蛍光を射出させる。この際、例えば実施例１のような条件でナノ構造アレイ１２を形成するとともに波長変換層１３の蛍光材料を選定することにより（図１０Ａ等参照）、青色の励起光下で赤色の蛍光を得ることができる。
　緑色発光素子１１Ｇには、図２Ｂ、図５Ａ、図８Ｂ等に示す光学装置１０であって反射型で使用されるものが組み込まれ、光源光の入射側に戻すように蛍光を射出させる。この際、例えば実施例１の変更例のような条件でナノ構造アレイ１２を形成するとともに波長変換層１３の蛍光材料を選定することにより（図１３Ａ等参照）、青色の励起光下で緑色の蛍光を得ることができる。
　第１集光レンズ２５による光源光の照射位置に、赤色領域ＡＲ１又は緑色領域ＡＲ２が位置している場合、光源光の殆どが赤色発光素子１１Ｒ又は緑色発光素子１１Ｇの蛍光体を励起する励起光となり、各色の発光素子１１Ｒ，１１Ｇ（すなわち光学装置１０）は、光軸ＳＡに近い立体角の範囲内に蛍光を射出する。
　第１集光レンズ２５による光源光の照射位置に、青色領域ＡＲ３が位置している場合、光源光は発光ホイール２３の透光板２３ｃに入射して表面の微細凹凸で拡散された後に透過し、開口２３ｄから発光ホイール２３の裏面側へ比較的小さな発散角で射出される。
　導光装置３０は、光源装置２０から射出された光を画像生成装置５０に導光する。導光装置３０は、集光用のレンズ３５と、光源装置２０から射出された照明光の光路を折り曲げるミラー３１と、ミラー３１を経た照明光を均一な強度分布の光線束とする導光ロッド３２と、導光ロッド３２を通過した照明光の発散を抑制する集光レンズ３３とを有する。
　画像生成装置５０は、導光装置３０から射出された光を変調して映像光を形成する。画像生成装置５０は、導光装置３０からの照明光から映像光を形成する画像表示素子５１と、画像表示素子５１上において照明光の入射角範囲を一様にするフィールドレンズ５２と、フィールドレンズ５２からの光を画像表示素子５１に導くとともに画像表示素子５１からの光を投影光学系６０に導く光路分岐プリズム５３とを備える。ここで、画像表示素子５１は、デジタルマイクロミラーデバイスであり、光路分岐プリズム５３から入射した照明光を画素単位で光路分岐プリズム５３越しに投影光学系６０に向けたり投影光学系６０から逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。光路分岐プリズム５３は、一対のプリズム５３ａ，５３ｂからなり、一方のプリズム５３ａの斜面で照明光を全反射して投影光学系６０の光軸ＳＡに対して傾いた方向から画像表示素子５１に導くことができるが、画像表示素子５１から投影光学系６０の光軸ＳＡに沿った正面方向へは透過させて投影光学系６０に入射させることができるようになっている。
　投影光学系６０は、詳細な説明を省略するが、画像表示素子５１から得られる像を拡大してスクリーンその他の被投影体（不図示）に投影する。投影光学系６０は、複数のレンズ群や反射面からなり、一部のレンズ群を光軸ＳＡ方向に移動させることにより、フォーカシングや変倍を行わせることができる。
　制御装置８０は、外部装置から画像データの入力を受けて画像処理を行わせるとともに画像表示素子５１に画像処理後の画像の表示動作を行わせる。これと並行して、制御装置８０は、回転駆動部２４に駆動信号を出力することによって、発光ホイール２３の回転角を画像表示素子５１の表示状態に対応させる。つまり、画像表示素子５１の表示状態が赤色、緑色、及び青色のいずれの画像に対応するものであるかに応じて、光源装置２０からの光源光の照射位置が発光ホイール２３上の対応する色の領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３となるようにする。
　上記実施形態によれば、低エタンデュで高効率の光源装置２０を用いているので、画像表示素子５１における光利用効率を高めることができ、小型で明るいプロジェクター１００を提供することができる。
　なお、本発明の投影装置は、上記実施形態のプロジェクター１００に限定されるものではなく、例えば画像表示素子５１として、デジタルマイクロミラーデバイスに代えてＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）とも称される反射型液晶デバイスを用いることができる。この際、光路分岐プリズム５３に代えて偏光ビームスプリッターを用いる。さらに、デジタルマイクロミラーデバイスに代えて透過型液晶デバイスを用いることができる。
　上記プロジェクター１００では、光源装置２０の発光ホイール２３を蛍光の取り出しに関して蛍光を励起光側に戻す反射型としているが、発光ホイール２３を透過型として、励起光と同じ側に蛍光を取り出すことができる。また、青色光を励起光と兼用させる必要はなく、紫外光から青色その他の蛍光を得ることができる。
　以上、実施形態に係る光学装置等について説明したが、本発明に係る光学装置等は、上記のものには限られない。例えば、図２Ｂに示すナノ構造１６において、被覆部１６ｂは、コア部１６ａの上面１６ｊ全体を覆っているが、上面の一部を覆うものであってもよい。同様に、図８Ｂに示すナノ構造１６において、被覆部１６ｂは、コア部１６ａの側面１６ｋ全体を覆っているが、側面１６ｋの一部を覆うものであってもよい。
　例えば、励起光源９０としてレーザーダイオードを用いたが、ＬＥＤを用いてもよい。
　また、上記第２実施形態において、光学装置１０を反射型とする場合、波長変換層１３の表面１３ａに励起光を入射させる。これにより、波長変換層１３の表面１３ａからは、上記と同様の蛍光光Ｇ１が放射される。基板１１は、光学装置１０に対して波長変換層１３側から励起光を入射させる場合、光透過性を有しない不透明な材料で形成することができる。表面１３ａ側から励起光を入射させる場合、基板１１の裏面１１ｂに抜ける励起光及び蛍光光は損失になるので、本実施形態のナノ構造１６を適切に配列するとともに、光透過性を有する基板１１の裏面１１ｂに金属又は誘電体ミラーからなる反射層を設け裏面１１ｂへの励起光及び蛍光光の放射を抑制することが好ましい。同様の目的で、反射性の金属基板上に透明誘電体層を形成したものを基板１１とすることができる。あるいは、光透過性を有しない平板上に金属反射層を介して光透過層を設けたものを基板１１とすることもできる。
　また、上記実施形態において、波長変換層１３は、励起光とは異なる波長の光を発生させる部分であり、一般的には蛍光材料で形成されるが、これに限るものでなく、励起光によって異なる波長の光を発生するものであればよい。
　また、上記第２実施形態の光学装置１０において、ナノ構造１６は、金属のみで形成したが、第１実施形態のように非金属誘電体材料で形成されたコア部と、このコア部の表面に金属材料で形成された被覆部を覆った構成としてもよい。

Claims (22)

  1. 　２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、
    　前記複数のナノ構造を少なくとも片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層とを備え、
    　前記ナノ構造は、非金属誘電体材料で形成されたコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆う金属材料で形成された被覆部とを有する、光学装置。
  2. 　前記ナノ構造は、基板上に形成された柱状の突起であり、前記波長変換層は、前記基板とともに前記複数のナノ構造を覆う、請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記被覆部は前記柱状の突起の天面のみに形成されている、請求項２に記載の光学装置。
  4. 　前記被覆部は前記柱状の突起の側面のみに形成されている、請求項２に記載の光学装置。
  5. 　前記被覆部は前記柱状の突起の天面と側面とに形成されている、請求項２に記載の光学装置。
  6. 　前記波長変換層は、非散乱性の材料で構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の光学装置。
  7. 　金属材料で形成され、基板上に２次元的に周期的な配列で形成された複数のナノ構造と、
    　前記複数のナノ構造を少なくとも片側から覆うように形成され、励起光源により照明されることによって、励起光とは異なる波長の光を発する波長変換層とを備え、
    　前記ナノ構造の頂部面積は、前記ナノ構造の底部面積よりも小さい、光学装置。
  8. 　前記ナノ構造は、少なくとも一部に傾斜面を有する、請求項７に記載の光学装置。
  9. 　前記ナノ構造は、錐形状を有する、請求項７及び８のいずれか一項に記載の光学装置。
  10. 　前記ナノ構造は、截頭錐形状を有する、請求項７～９のいずれか一項に記載の光学装置。
  11. 　前記ナノ構造を前記励起光が入射する入射面に垂直な方向から見たときの前記底部の形状は、円形、楕円形、三角形、及び四角形のいずれかを有する、請求項７～１０のいずれか一項に記載の光学装置。
  12. 　前記ナノ構造を前記励起光が入射する入射面に垂直な方向から見たときの前記頂部の形状は、円形、楕円形、三角形、及び四角形のいずれかを有する、請求項７～１１のいずれか一項に記載の光学装置。
  13. 　前記頂部面積と前記底部面積との差と、前記底部面積との比は、１３％以上である、請求項７～１２のいずれか一項に記載の光学装置。
  14. 　前記波長変換層は、非散乱性の材料で構成されている、請求項７～１３のいずれか一項に記載の光学装置。
  15. 　前記ナノ構造は、非金属誘電体材料で形成されたコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆う金属材料で形成された被覆部とを有する、請求項７～１４のいずれか一項に記載の光学装置。
  16. 　請求項１～１５のいずれか一項に記載の光学装置と、
    　前記光学装置の前記波長変換層に励起光を照射する励起光源と、
    を備える光源装置。
  17. 　前記励起光源と前記光学装置とは、別体として離間して配置される、請求項１６に記載の光源装置。
  18. 　前記励起光源は、レーザーダイオード及びＬＥＤのいずれかである、請求項１６及び１７のいずれか一項に記載の光源装置。
  19. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の光学装置と、
    　前記光学装置の前記波長変換層に励起光を照射する励起光源と、
    を備え、
    　前記励起光は紫外光であり、前記被覆部は前記柱状の突起の天面のみに形成され、前記ナノ構造の全高に対する前記被覆部の割合が４０％以下である、光源装置。
  20. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の光学装置と、
    　前記光学装置の前記波長変換層に励起光を照射する励起光源と、
    を備え、
    　前記励起光は前記波長変換層側から照射される青色光であり、前記被覆部は前記柱状の突起の天面のみに形成され、前記ナノ構造の全高に対する前記被覆部の割合が７０％以下である、光源装置。
  21. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の光学装置と、
    　前記光学装置の前記波長変換層に励起光を照射する励起光源と、
    を備え、
    　前記励起光は前記基板側から照射される青色光であり、前記被覆部は前記柱状の突起の天面のみに形成され、前記ナノ構造の全高に対する前記被覆部の割合が３０％以下である、光源装置。
  22. 　請求項１６～２１のいずれか一項に記載の光源装置と、
    　前記光源装置によって照明される画像表示素子と、
    　前記画像表示素子により形成される像を投影する投影光学系と、
    を備える投影装置。
PCT/JP2016/068581 2015-06-24 2016-06-22 光学装置、光源装置及び投影装置 WO2016208644A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015127084 2015-06-24
JP2015-127084 2015-06-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016208644A1 true WO2016208644A1 (ja) 2016-12-29

Family

ID=57585803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/068581 WO2016208644A1 (ja) 2015-06-24 2016-06-22 光学装置、光源装置及び投影装置

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2016208644A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018163994A1 (ja) * 2017-03-06 2018-09-13 国立大学法人京都大学 照明装置
TWI752258B (zh) * 2018-02-27 2022-01-11 日商牛尾電機股份有限公司 光源裝置、投影機
US20220311978A1 (en) * 2021-03-29 2022-09-29 Seiko Epson Corporation Light source device and projector

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080212102A1 (en) * 2006-07-25 2008-09-04 Nuzzo Ralph G Multispectral plasmonic crystal sensors
WO2012137583A1 (ja) * 2011-04-07 2012-10-11 日本電気株式会社 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置
WO2015019229A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 Koninklijke Philips N.V. Solid state illumination device having plasmonic antenna array for anisotropic emission
WO2015028037A1 (en) * 2013-09-02 2015-03-05 Danmarks Tekniske Universitet Nanostructures for structural colouring
JP2015511775A (ja) * 2012-03-30 2015-04-20 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 発光デバイス及び波長変換材料を含む光共振器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080212102A1 (en) * 2006-07-25 2008-09-04 Nuzzo Ralph G Multispectral plasmonic crystal sensors
WO2012137583A1 (ja) * 2011-04-07 2012-10-11 日本電気株式会社 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置
JP2015511775A (ja) * 2012-03-30 2015-04-20 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 発光デバイス及び波長変換材料を含む光共振器
WO2015019229A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 Koninklijke Philips N.V. Solid state illumination device having plasmonic antenna array for anisotropic emission
WO2015028037A1 (en) * 2013-09-02 2015-03-05 Danmarks Tekniske Universitet Nanostructures for structural colouring

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018163994A1 (ja) * 2017-03-06 2018-09-13 国立大学法人京都大学 照明装置
JP2018147725A (ja) * 2017-03-06 2018-09-20 国立大学法人京都大学 照明装置
CN110537052A (zh) * 2017-03-06 2019-12-03 国立大学法人京都大学 照明装置
EP3594557A4 (en) * 2017-03-06 2021-01-20 Kyoto University LIGHTING DEVICE
CN110537052B (zh) * 2017-03-06 2021-05-11 国立大学法人京都大学 照明装置
US11060699B2 (en) 2017-03-06 2021-07-13 Kyoto University Illumination device
TWI752258B (zh) * 2018-02-27 2022-01-11 日商牛尾電機股份有限公司 光源裝置、投影機
US20220311978A1 (en) * 2021-03-29 2022-09-29 Seiko Epson Corporation Light source device and projector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10770441B2 (en) Display device having a plurality of bank structures
JP6507548B2 (ja) 波長変換素子、光源装置、プロジェクター
JP6136617B2 (ja) 光源装置及びプロジェクタ
JP5583281B2 (ja) 蛍光体光学素子およびそれを用いた発光装置
WO2012049905A1 (ja) 光学素子、光源および投射型表示装置
WO2012137584A1 (ja) 光学素子、照明装置および投射型表示装置
JP7449453B2 (ja) 適応型照明用のメタレンズ付きｌｅｄアレイ
WO2015129223A1 (ja) 発光装置
JP2017157488A (ja) 光学装置、光源装置及び投影装置
JP2009111323A (ja) 発光素子及びその製造方法
JP6544677B2 (ja) 蛍光体ホイール及びそれを用いた光源装置並びに投写型表示装置
WO2012137583A1 (ja) 光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置
JP5776689B2 (ja) 表示素子、表示器及び投射型表示装置
JP2016036008A (ja) 発光素子および発光装置
WO2012172858A1 (ja) 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
WO2016208644A1 (ja) 光学装置、光源装置及び投影装置
JP2015195098A (ja) 蛍光光源装置
WO2015129219A1 (ja) 発光素子および発光装置
JP2011222421A (ja) 発光デバイス
KR20200130258A (ko) 발광 소자, 광원 장치 및 프로젝터
JPWO2013046872A1 (ja) 光学素子、光源装置及び投射型表示装置
US8643273B2 (en) Light emitting diode device having pillars disposed such that light efficiency of the device is improved
WO2015129221A1 (ja) 発光素子および発光装置
JP2007052197A (ja) 面状光源装置及びカラー液晶表示装置組立体
KR101121521B1 (ko) 형광판

Legal Events

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

Ref document number: 16814414

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16814414

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP