WO2016208645A1 - 光学装置、光源装置及び投影装置 - Google Patents

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WO2016208645A1
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WO
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light
light source
wavelength conversion
thin film
conversion layer
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PCT/JP2016/068582
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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
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    • 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
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • F21V7/24—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by the material
    • 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
    • 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

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.
  • an optical device combining an excitation light source and a wavelength conversion medium
  • the excitation light and the light emitter interact more strongly due to the electric field enhancement phenomenon using surface plasmons on the metal surface, Increases light absorption.
  • a light emitting device has high fluorescence intensity.
  • the light confined by total reflection inside the phosphor out of the light emitted from the phosphor cannot be extracted outside. Therefore, a method has been proposed in which fluorescent light generated in the phosphor is efficiently extracted outside by introducing a structure for scattering light inside the phosphor and a periodic diffraction grating.
  • a diffraction grating when a diffraction grating is used, light of a certain wavelength can be emitted at a specific angle, and the direction in which light is emitted is narrower than when extracted in all directions by normal scattering. be able to. As a result, it is possible to collect more light with the subsequent lens and use the light with high efficiency.
  • a diffraction grating there is an optical device including a metal layer, a dielectric layer, a phosphor layer, and a diffraction grating (or a grating structure) (see Patent Document 1).
  • a wavelength conversion type light source device incorporating the optical 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.
  • the present invention has been made in view of the above-described background art, and an object thereof is to provide an optical device that achieves both improvement of light absorption efficiency by plasmon enhancement and light extraction effect by a periodic structure.
  • an optical device includes a metal thin film layer and a nano periodic structure having a nano structure formed of a dielectric and periodically formed in a two-dimensional arrangement on the metal thin film layer. And a wavelength conversion layer that is formed on the metal thin film layer so as to cover the nanostructure and emits light having a wavelength different from that of the excitation light when illuminated by the excitation light source, and the metal thin film layer, the wavelength conversion layer, Is touching partly.
  • the wavelength conversion layer is a portion that generates light having a wavelength different from that of excitation light, and is generally formed of a fluorescent material.
  • the absorption efficiency of excitation light can be increased by utilizing excitation of surface plasmon resonance by the metal thin film, and more efficient fluorescent light can be obtained.
  • the metal thin film layer and the wavelength conversion layer are in contact with each other, it is possible to prevent a decrease in the absorption enhancement effect of excitation light by surface plasmon resonance.
  • it since it has a dielectric nano periodic structure in the interface of a metal thin film layer and a wavelength conversion layer, the light which generate
  • the nanostructure is formed with a part of the metal thin film layer exposed, the nanostructure can be easily manufactured as compared with the conventional structure, and the cost can be reduced.
  • a light source device includes the above-described optical device and an excitation light source that irradiates a wavelength conversion layer of the optical device with excitation light.
  • the absorption efficiency of excitation light can be increased by using excitation of surface plasmon resonance by a metal thin film, and more efficient fluorescent light can be obtained.
  • the light generated in the wavelength conversion layer can be efficiently extracted to the outside by the dielectric nano-periodic structure. As a result, high-intensity fluorescent light can be emitted within a relatively narrow range of solid angles, and a light source device with low etendue 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 shown in FIG. 1
  • FIG. 2B is a side sectional view of the optical device shown in FIG. 2A
  • 3A to 3D are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the optical device illustrated in FIG. 2B and the like.
  • 4A is a side cross-sectional view illustrating the nanostructure of Example 1
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4A
  • FIG. 4C is a side view illustrating the nanostructure of Comparative Example 1. It is sectional drawing.
  • FIG. 5A and 5B are diagrams illustrating the relationship between the thickness of the nano-periodic structure in Example 1 and the ratio of light absorbed by the entire optical device.
  • 6A is a side cross-sectional view illustrating the nanostructure of Example 2
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 6A
  • FIG. 6C is a side view illustrating the nanostructure of Comparative Example 2.
  • 7A and 7B are diagrams for explaining the relationship between the thickness of the nano-periodic structure in Example 2 and the proportion of light absorbed by the entire optical device. It is a figure explaining the projection apparatus incorporating the optical apparatus shown to FIG. 1A etc.
  • 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 performs wavelength conversion on incident light, and is formed on a substrate 11, a metal thin film layer 12 formed on the surface 11 a side of the substrate 11, and the metal thin film layer 12.
  • the nano-periodic structure 13 and the wavelength conversion layer 14 formed so as to cover the nano-periodic structure 13 are provided.
  • the optical device 10 is illuminated from the surface 14a side of the wavelength conversion layer 14 by, for example, a light source 21 that emits excitation light B1 in a blue wavelength region.
  • the phosphor in the wavelength conversion layer 14 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 14a of the wavelength conversion layer 14. Is done.
  • the directivity of the fluorescent light G1 is enhanced by the nano-periodic structure 13 described later.
  • the substrate 11 of the optical device 10 is a flat plate member having optical transparency in the visible and other wavelength ranges.
  • the substrate 11 is a support for the metal thin film layer 12, the nano-periodic structure 13, and the wavelength conversion layer 14, 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 PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate). Phthalate) and other resin materials.
  • the substrate 11 is preferably a member having heat resistance.
  • the substrate 11 can also be formed of an opaque material that does not have optical transparency.
  • the substrate 11 can also be formed of a metal material.
  • the metal thin film layer 12 is a metal layer or a metal film that covers the surface 11 a of the substrate 11.
  • the metal thin film layer 12 is in direct contact with a part of the wavelength conversion layer 14.
  • the metal thin film layer 12 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, palladium, a metal such as chromium, nickel, indium, or an alloy thereof. it can. Further, the metal thin film layer 12 may have a laminated structure in which aluminum and chromium are laminated in order to improve adhesion.
  • the metal thin film layer 12 generates local surface plasmon resonance by irradiation with the excitation light B1. Since the surface 12 a of the metal thin film layer 12 is in direct contact with a part of the wavelength conversion layer 14, an electric field enhanced by surface plasmons generated on the metal surface directly interacts with the wavelength conversion layer 14. Thereby, absorption of the excitation light B1 by the wavelength conversion layer 14 is enhanced. As a result, the excitation light absorbed by the wavelength conversion layer 14 is increased, and the fluorescence light is also increased correspondingly, so that light emission with high efficiency and high luminance can be obtained.
  • the nano-periodic structure 13 is periodically formed two-dimensionally on the metal thin film layer 12.
  • the nano-periodic structure 13 does not cover the entire metal thin film layer 12, but is formed so as to be partially exposed.
  • the nano-periodic structure 13 is composed of a plurality of nanostructures 13a that are periodically arranged two-dimensionally.
  • a plurality of nanostructures 13a are arranged on lattice points.
  • Each nanostructure 13a is a cylindrical hole or recess 13b.
  • the nanostructure 13a is a plurality of hole-shaped recesses 13b and functions when the wavelength conversion layer 14 partially enters the recesses 13b. Therefore, the nanostructure 13a is manufactured by a relatively simple and low-cost method. can do.
  • the nano-periodic structure 13 is formed of a non-metallic dielectric material, and extends in layers surrounding the recess 13b. Specifically, the nano-periodic structure 13 is formed of silicon dioxide, alumina, or other dielectric material having optical transparency.
  • the nanostructure 13a may be a convex portion 13c having a cylindrical outer shape (see FIG. 6A).
  • the nano-periodic structure 13 has a plurality of columnar protrusions made of a nonmetallic dielectric material formed on the metal thin film layer 12 and enters the wavelength conversion layer 14.
  • the wavelength conversion layer 14 is a region other than the protrusions. And is in contact with the metal thin film layer 12.
  • the nanostructure 13a is a convex portion 13c as a plurality of columnar protrusions, and the convex portion 13c functions by partially entering the wavelength conversion layer 14, so that the nanostructure 13a is relatively simple and low-cost. Can be produced by various methods.
  • the arrangement pattern of the nanostructures 13a in the nanoperiodic structure 13 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 13a may be a combination of a plurality of types of periodic patterns as described above or a quasiperiodic structure (or quasicrystal).
  • 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 and the emission angle range of the fluorescent light G1, and the like.
  • the shape of the nanostructure 13a is not limited to the cylinder (including the cylindrical hole) illustrated in FIG. 2A and the like, and various types such as a prism, a truncated cone, and a truncated pyramid are within a range that satisfies specifications according to the application. It can be a shape. Further, the side surface of the nanostructure 13a may have an asymmetric taper.
  • Each nanostructure 13a functions when a part of the wavelength conversion layer 14 enters the recess 13b or around the protrusion 13c as described above. That is, since the nano-periodic structure 13 has a three-dimensional structure in which a part of the wavelength conversion layer 14 enters deeply, the diffraction effect of the periodic structure can be secured, and the extraction efficiency and directivity of the fluorescent light G1 (for example, (Injection within a narrow angle range of the normal direction DP) can be kept sufficiently high.
  • the shape and size of the nanostructure 13a, the lattice spacing of the nanoperiodic structure 13, and the like are set so that 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 wavelength conversion layer 14 is formed so as to cover the nano-periodic structure 13, and a part thereof is in contact with the metal thin film layer 12.
  • the wavelength conversion layer 14 only needs to be a material that absorbs excitation light and emits light at a longer wavelength than that.
  • the wavelength conversion layer 14 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 a binder made of an organic material or the like.
  • trade name: Lumogen F manufactured by BASF Corporation can be used.
  • the wavelength conversion layer 14 can be formed by dissolving this phosphor in, for example, a UV curable acrylic resin, applying it by spin coating, and curing it with ultraviolet light.
  • the wavelength conversion layer 14 can also be formed from a material containing quantum dots or a semiconductor.
  • the refractive index of the wavelength conversion layer 14 is different from the refractive index of the non-metallic dielectric material forming the nano-periodic structure 13.
  • the wavelength conversion layer 14 is preferably made to have as little scattering as possible, and is made of a non-scattering material. Thereby, it can suppress that fluorescence is scattered by the wavelength conversion layer 14, and the light distribution control by the nanostructure 13a can be made effective. In addition, if the scattering in the wavelength conversion layer 14 is strong, the fluorescence whose light distribution is controlled will become isotropic light emission due to the scattering.
  • a parallel plate substrate 11 made of quartz glass or the like is prepared in advance, a metal thin film layer 12 is formed on the substrate 11, and a transparent dielectric layer 15 such as silicon oxide is formed thereon. Is deposited.
  • the metal thin film layer 12 and the dielectric layer 15 can be formed using a technique such as EB vapor deposition, sputtering, or CVD.
  • a resist pattern layer 19a is formed on the dielectric layer 15 by using a patterning technique such as electron beam drawing and nanoimprint lithography.
  • the resist pattern layer 19 a has a nano pattern corresponding to the nano structure 13 a constituting the nano periodic structure 13.
  • the dielectric layer 15 is etched using the resist pattern layer 19a as a mask by using a dry etching technique such as RIE, ICP-RIE, or ion etching.
  • a dry etching technique such as RIE, ICP-RIE, or ion etching.
  • a phosphor layer that becomes the wavelength conversion layer 14 is formed on the nano-periodic structure 13 and the metal thin film layer 12 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 3D is merely an example, and the optical device 10 can be manufactured by various methods.
  • the electric field enhanced by the surface plasmon generated on the metal surface directly interacts with the wavelength conversion layer 14, and the absorption efficiency of the excitation light by the wavelength conversion layer 14 increases.
  • the excitation light absorbed by the wavelength conversion layer 14 is increased, and the fluorescence light is also increased correspondingly, so that light emission with high efficiency and high luminance can be obtained.
  • the dielectric layer corresponding to the nano-periodic structure is entirely left between the wavelength conversion layer and the metal thin film layer so as not to penetrate the nanostructure.
  • the metal thin film layer 12 functions as an etch stop layer, dry etching can be performed for a sufficiently long time, and the nanostructure 13 a is surely penetrated. Machining can be finished at the stage where the process is performed. Thereby, the nanostructure 13a can be formed easily and cost reduction can be achieved.
  • Example 1 4A and 4B are enlarged cross-sectional views illustrating the structure of the optical device 10 according to the first embodiment.
  • the illustrated structure shows one of the repeating units of the nano-periodic structure 13 constituting the optical device 10, and the structure shown in FIG. 4A is repeated in the horizontal direction along the paper surface and in the depth direction perpendicular to the paper surface.
  • the optical device 10 is configured.
  • the nano-periodic structure 13 of the optical device 10 of Example 1 is a nanostructure 13a formed by hollowing out a nanocylinder from layered SiO 2 and has the same structure as FIG. 2B. That is, the wavelength conversion layer 14 partially enters the nano-periodic structure 13 and reaches the metal thin film layer 12. In other words, in the cross-sectional layer passing through the nano-periodic structure 13, a part of the wavelength conversion layer 14 has a nano-cylindrical structure.
  • the metal thin film layer 12 is formed on a quartz substrate 11.
  • the metal thin film layer 12 is made of aluminum and has a thickness of 100 nm.
  • the nanostructure 13a of the nanoperiodic structure 13 formed on the metal thin film layer 12 is a nanocylindrical recess 13b having a diameter of 150 nm.
  • the nanostructures 13a are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 360 nm formed in the SiO 2 dielectric layer.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 14 is 650 nm.
  • FIG. 5A shows the result of calculating the ratio of light absorbed by the entire optical device 10 when UV light and blue light are incident.
  • the horizontal axis indicates the thickness t of the nano-periodic structure 13
  • the vertical axis indicates the relative value of the light absorption amount (light absorption amount in Example 1 / light absorption amount in Comparative Example 1).
  • Comparative Example 1 includes a substrate 111, a metal thin film layer 112, a nano periodic structure 113 having a periodic nano structure 113a, and a wavelength conversion layer 114. 112 and the wavelength conversion layer 114 are not in contact with each other.
  • the depth of unevenness of the nanostructure 113a was half the thickness t of the nanoperiodic structure 113, and the amount of light absorption when the thickness t was variously calculated was calculated.
  • the RCWA (rigorous coupled-wave analysis) method was used for the calculation of the light absorbed by the optical device 10.
  • the value of Ce: YAG phosphor was used as the optical constant of the wavelength conversion layer 14.
  • the wavelength of the excitation light is 2 to 400 to 410 nm assuming a UV laser (UV excitation light, that is, ultraviolet excitation light) having a wavelength of 405 nm, and 440 to 460 nm assuming a blue laser (blue excitation light). It was assumed that it was a kind.
  • a solid line A indicates a wavelength range of 400 to 410 nm
  • a broken line B indicates a wavelength range of 440 to 460 nm.
  • Example 1 when the thickness t of the nano-periodic structure 13 is about 0.35 ⁇ m or less, the relative absorption amount exceeds 1, and the efficiency of Example 1 is higher than that of Comparative Example 1 due to plasmon enhancement. It can be seen that the excitation light can be absorbed well.
  • the effective refractive index n eff of the waveguide mode in the red wavelength region is about 1.6 to 1.8, the wavelength is around 575 to 650 nm that satisfies the Bragg condition at a period of 360 nm. Red light can be extracted in a substantially vertical direction of the substrate 11 by first-order Bragg diffraction.
  • FIG. 5B illustrates light absorption in a modified example in which the nanostructure 13a is made the same cylindrical recess 13b, the diameter of the nanostructure 13a is 125 nm, and the period is 300 nm.
  • FIG. 5B shows the calculation results of the amount of absorption in the optical device 10 at each wavelength with respect to the modified example having the period of 300 nm as described above.
  • the modified example of Example 1 can absorb the excitation light more efficiently than Comparative Example 1.
  • the effective refractive index n eff of the waveguide mode in the green wavelength region is about 1.7 to 1.8, green light having a wavelength in the vicinity of 510 to 540 nm is first-order. Can be taken out in a substantially vertical direction of the substrate 11.
  • Nano-periodic structure 13 of the optical device 10 of the first embodiment the nanostructures 13a is made of nano columnar protrusion 13c made of SiO 2.
  • the wavelength conversion layer 14 reaches the metal thin film layer 12 except for the nano-cylindrical portion of the nanostructure 13a.
  • the nano-periodic structure 13 has a nanocylindrical structure.
  • the convex portion 13 c of the nanostructure 13 a functions by entering the wavelength conversion layer 14.
  • the metal thin film layer 12 is formed on a quartz substrate 11.
  • the metal thin film layer 12 is made of aluminum and has a thickness of 100 nm.
  • the nanostructure 13a formed on the metal thin film layer 12 is a nano-columnar convex portion 13c having a diameter of 150 nm.
  • the nanostructures 13a are two-dimensionally arranged on square lattice points with a period of 360 nm.
  • the thickness of the wavelength conversion layer 14 is 650 nm.
  • FIG. 7A shows the result of calculating the ratio of light absorbed by the entire optical device 10 when UV light and blue light are incident.
  • the horizontal axis indicates the thickness t of the nano-periodic structure 13
  • the vertical axis indicates the relative value of the light absorption amount (light absorption amount in Example 2 / light absorption amount in Comparative Example 2).
  • Comparative Example 2 includes a substrate 111, a metal thin film layer 112, a nano periodic structure 113 having a periodic nano structure 113a, and a wavelength conversion layer 114. 112 and the wavelength conversion layer 114 are not in contact with each other. As can be seen from FIG.
  • the enhancement allows Example 2 to absorb the excitation light more efficiently than Comparative Example 2.
  • the effective refractive index n eff of the waveguide mode in the red wavelength region is about 1.6 to 1.8, red light near the wavelength of 575 to 650 nm is subjected to first-order Bragg diffraction.
  • the substrate 11 can be taken out in a substantially vertical direction.
  • FIG. 7B illustrates light absorption in a modification in Example 2 in which the nanostructure 13a is the same cylindrical protrusion 13c and the period of the nanostructure 13a is 300 nm.
  • FIG. 7B shows the calculation result of the amount of absorption in the optical device 10 at each wavelength with respect to the modified example having the period of 300 nm as described above.
  • the modification of Example 2 can absorb excitation light more efficiently than Comparative Example 2 due to the enhancement.
  • the effective refractive index n eff of the waveguide mode in the green wavelength region is about 1.7 to 1.8, so that the green light near the wavelength of 510 to 540 nm is first-order. Can be taken out in a substantially vertical direction of the substrate 11.
  • the thickness t of the nano-periodic structure 13 can be appropriately selected as long as the relative absorption amount of light is greater than 1, so that the nanostructure 13a is not hindered. From the viewpoint of accuracy, light extraction effect, etc., it is preferably about 0.1 to 0.2 ⁇ m.
  • This projection apparatus incorporates a light source device 20 using the optical device 10 already described.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the 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 is disposed on the optical axis SA of the light source 21, a light source 21 that is an excitation light source that emits laser light in the blue wavelength region, a collimator lens 22 that converts the emitted light from the light source 21 into parallel light.
  • 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. In the light source device 20, the light source (excitation light source) 21 and the optical device 10 are arranged separately from each other. Thereby, it can prevent that the optical apparatus 10 is heated by the heat_generation
  • the light source 21 is a laser diode that emits a laser beam having a blue wavelength range, that is, a wavelength of about 450 nm. By using a laser diode that efficiently forms high-intensity light, small and efficient illumination is possible.
  • the collimator lens 22 collimates the excitation light, which is the light emitted from the light source 21, so as to 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 AR is provided.
  • the first condenser lens 25 is disposed in the vicinity of the front side surface of the light emitting wheel 23, collects blue light source light from the light source 21, irradiates the light emitting wheel 23, and emits it from the light emitting wheel 23.
  • the red wavelength band light and the green wavelength band light thus collected 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 is provided with a red light emitting element 11R that emits red fluorescence using excitation light as light emitted from the light source 21 and is supported by a metal or other light-shielding substrate 23a.
  • AR2 is provided with a green light emitting element 11G that emits green fluorescence by using light emitted from the light source 21 as excitation light, supported by a light-shielding substrate 23a such as metal.
  • the blue region AR3 is formed by an opening 23b formed in the substrate 23a and a light transmitting plate 23c fixed to the opening 23b.
  • 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. 4A, FIG. 6A, etc., which is used in a reflection type, and returns to the incident side of the light source light. Is injected.
  • red fluorescence can be obtained under blue excitation light.
  • the green light emitting element 11G incorporates the optical device 10 shown in FIG. 2B, FIG. 4A, FIG.
  • green fluorescence can be obtained under blue excitation light by forming the nano-periodic structure 13 under conditions such as the modification of the first embodiment and selecting the material of the wavelength conversion layer 14.
  • 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 23b 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.
  • 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 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 in place of the optical path branching prism 53.
  • a transmissive liquid crystal device can be used in place of the digital micromirror device.
  • blue light As excitation light, and blue and other fluorescence can be obtained from ultraviolet light.
  • 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.
  • a laser diode is used as the light source, but an LED may be used.
  • the optical apparatus 10 was set as the structure which provides the metal thin film layer 12 on the board

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Abstract

金属薄膜層１２と、誘電体で形成され、金属薄膜層１２上に２次元的な配置で周期的に形成されたナノ構造１３ａを有するナノ周期構造１３と、金属薄膜層１２上にナノ構造１３ａを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１４とを備え、金属薄膜層１２と波長変換層１４とが一部で接している。

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を組み合わせた光学装置において、発光体近傍に金属層を形成すると、金属表面の表面プラズモンを使った電場増強現象によって、励起光と発光体とがより強く相互作用し、光吸収が強くなる。結果的に、このような発光装置は蛍光強度が高くなる。しかしながら、そのままの状態では、蛍光体で発光した光のうち蛍光体内部に全反射で閉じ込められた光は外部に取り出すことができない。そこで、蛍光体内部に光を散乱する構造や、周期的な回折格子を導入することで、蛍光体で発生した蛍光光を外部に効率良く取り出す方法が提案されている。特に、回折格子を用いた場合には、ある波長の光を特定の角度に出射させることが可能となり、通常の散乱で全方向に取り出した場合に比べて、光が放射される方向を狭くすることができる。これにより、後段のレンズでよりたくさんの光を集めて高効率に光を利用することができる。回折格子を用いた例としては、金属層と誘電体層と蛍光体層と回折格子（又はグレーティング構造）とで構成される光学装置がある（特許文献１参照）。
　上記のような構造の光学装置を用いることにより、これを組み込んだ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の技術では、金属層と蛍光体層との間に隙間なく誘電体層が存在しているため、金属表面で生じた表面プラズモンの電場が蛍光体層に到達する前に減衰してしまい、十分な相互作用をさせることが難しい。その結果として、励起光の吸収増強効果が低下してしまうという問題が生じる。
国際公開ＷＯ２０１２／１３７５８３号
　本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、プラズモン増強による光吸収効率向上と、周期構造による光取り出し効果とを両立させ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、本発明に係る光学装置は、金属薄膜層と、誘電体で形成され、金属薄膜層上に２次元的な配置で周期的に形成されたナノ構造を有するナノ周期構造と、金属薄膜層上にナノ構造を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、金属薄膜層と波長変換層とが一部で接している。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。
　上記光学装置によれば、金属薄膜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、より高効率な蛍光光を得ることができる。ここで、金属薄膜層と波長変換層とが一部で接しているため、表面プラズモン共鳴による励起光の吸収増強効果が減少することを防ぐことができる。また、金属薄膜層と波長変換層との界面に誘電体のナノ周期構造を有するため、波長変換層で発生した光を外部に効率良く取り出すことができる。また、金属薄膜層の一部を露出した状態にしてナノ構造を形成することになるため、従来の構造に比べて簡便に作製でき、低コスト化を図ることができる。
　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励起光源とを備える。
　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、金属薄膜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、より高効率な蛍光光を得ることができる。また、誘電体のナノ周期構造により、波長変換層で発生した光を外部に効率良く取り出すことができる。これにより、高強度の蛍光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。
本発明の一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に示す光学装置の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す光学装置の側方断面図である。 図３Ａ～３Ｄ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は、実施例１のナノ構造を説明する側方断面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＡＡ矢視断面図であり、図４Ｃは、比較例１のナノ構造を説明する側方断面図である。 図５Ａ及び５Ｂは、実施例１等におけるナノ周期構造の厚さと光学装置全体で吸収される光の割合との関係を説明する図である。 図６Ａは、実施例２のナノ構造を説明する側方断面図であり、図６Ｂは、図６ＡのＢＢ矢視断面図であり、図６Ｃは、比較例２のナノ構造を説明する側方断面図である。 図７Ａ及び７Ｂは、実施例２等におけるナノ周期構造の厚さと光学装置全体で吸収される光の割合との関係を説明する図である。 図１Ａ等に示す光学装置を組み込んだ投影装置を説明する図である。 図８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。
〔光学装置の実施形態〕
　以下、図面を参照しつつ、本発明に係る光学装置の具体的な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ものであり、基板１１と、基板１１の表面１１ａ側に形成された金属薄膜層１２と、金属薄膜層１２上に形成されたナノ周期構造１３と、ナノ周期構造１３を覆うように形成された波長変換層１４とを備える。
　光学装置１０は、例えば青色波長域の励起光Ｂ１を射出する光源２１によって波長変換層１４の表面１４ａ側から照明される。波長変換層１４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１４の表面１４ａ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、後述するナノ周期構造１３によって、蛍光光Ｇ１の指向性が高められる。
　光学装置１０のうち基板１１は、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部材である。基板１１は、金属薄膜層１２、ナノ周期構造１３及び波長変換層１４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（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、その他の樹脂材料で形成することができる。基板１１は、耐熱性を有する部材が好ましい。なお、基板１１は、光透過性を有しない不透明な材料で形成することもできる。また、基板１１は、金属製の材料で形成することもできる。
　金属薄膜層１２は、基板１１の表面１１ａを覆う金属層又は金属膜である。金属薄膜層１２は、波長変換層１４の一部と直接接触している。金属薄膜層１２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、金属薄膜層１２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。
　金属薄膜層１２は、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。金属薄膜層１２の表面１２ａは、波長変換層１４の一部と直接接触しているため、金属表面で発生した表面プラズモンによる増強された電場が直接波長変換層１４と相互作用する。これにより、波長変換層１４による励起光Ｂ１の吸収が増強される。その結果、波長変換層１４で吸収される励起光が増加し、その分蛍光光も増加し、高効率かつ高輝度な発光を得ることができる。
　ナノ周期構造１３は、金属薄膜層１２上に２次元的に周期的に形成されている。ナノ周期構造１３は、金属薄膜層１２の全体を覆っているわけではなく、一部が露出するように形成されている。図２Ａ及び２Ｂに示すように、ナノ周期構造１３は、２次元的に周期的に配列された複数のナノ構造１３ａからなる。図示の例では、複数のナノ構造１３ａが格子点上に配置されている。各ナノ構造１３ａは、円柱状の孔又は凹部１３ｂとなっている。つまり、ナノ周期構造１３には、複数の貫通孔が形成され、波長変換層１４が凹部１３ｂに入り込んで凹部１３ｂの底面で金属薄膜層１２と接している。このようにナノ構造１３ａは、複数の孔状の凹部１３ｂであり、凹部１３ｂに波長変換層１４が部分的に入り込むことによって機能するので、ナノ構造１３ａを比較的簡単かつ低コストな手法によって作製することができる。
　ナノ周期構造１３は、非金属誘電体材料で形成され、凹部１３ｂを囲んで層状に延びる。具体的には、ナノ周期構造１３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。
　なお、ナノ構造１３ａは、円柱状の外形を有する凸部１３ｃであってもよい（図６Ａ参照）。この場合、ナノ周期構造１３は、金属薄膜層１２上に非金属誘電体材料からなる複数の柱状の突起が形成され、波長変換層１４に入り込んでおり、波長変換層１４は、突起以外の領域で金属薄膜層１２と接している。この場合、ナノ構造１３ａは、複数の柱状の突起としての凸部１３ｃであり、凸部１３ｃが波長変換層１４に部分的に入り込むことによって機能するので、ナノ構造１３ａを比較的簡単かつ低コストな手法によって作製することができる。
　ナノ周期構造１３におけるナノ構造１３ａ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１３ａ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の射出方向及び射出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。
　ナノ構造１３ａの形状は、図２Ａ等に例示された円柱（円柱状の孔を含む）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、ナノ構造１３ａの側面は、非対称なテーパーを有するものであってもよい。
　各ナノ構造１３ａは、上記のように凹部１３ｂ内又は凸部１３ｃのまわりに波長変換層１４の一部が入り込むことで機能する。つまり、ナノ周期構造１３に波長変換層１４の一部が深く入り込む立体的な構造となっているため、周期構造の回折効果を確保することができ、蛍光光Ｇ１の取り出し効率や指向性（例えば法線方向ＤＰの狭い角度範囲内で射出）を十分に高く保つことができる。ナノ構造１３ａの形状やサイズ、ナノ周期構造１３の格子間隔等は、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。
　波長変換層１４は、既に説明したように、ナノ周期構造１３を覆うように形成され、その一部が金属薄膜層１２に接している。波長変換層１４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１４を有機蛍光体や無機蛍光体で形成する場合、蛍光体をそのままで用いることもできるが、通常は有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１４を形成できる。波長変換層１４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。
　なお、波長変換層１４の屈折率は、ナノ周期構造１３を形成する非金属誘電体材料の屈折率と異ならせる。
　また、波長変換層１４は、散乱が極力少ないものとすることが好ましく、非散乱性の材料で構成されている。これにより、波長変換層１４で蛍光が散乱されることを抑制でき、ナノ構造１３ａによる配光制御を実効的なものとできる。なお、波長変換層１４での散乱が強いと、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。
　以下、図３Ａ～３Ｄ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上に金属薄膜層１２を成膜するとともに、その上に酸化シリコン等の透明な誘電体層１５を成膜する。金属薄膜層１２及び誘電体層１５は、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、誘電体層１５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、ナノ周期構造１３を構成するナノ構造１３ａ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、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、レジストパターン層１９ａをマスクとして誘電体層１５をエッチングする。これにより、誘電体層１５に、２次元的に配列された多数のナノ構造１３ａを形成することができる。
　その後、図３Ｄ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、ナノ周期構造１３及び金属薄膜層１２上に波長変換層１４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～３Ｄ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。
　以上で説明した実施形態の光学装置１０によれば、金属表面で発生した表面プラズモンによる増強された電場が直接波長変換層１４と相互作用し、波長変換層１４による励起光の吸収効率が高まる。その結果、波長変換層１４で吸収される励起光が増加し、その分蛍光光も増加し、高効率かつ高輝度な発光を得ることができる。
　また、従来の構造では、波長変換層と金属薄膜層との間にナノ周期構造に対応する誘電体層を全体的に残し、ナノ構造を貫通させないため、例えばドライエッチングでナノ周期構造に凹凸を形成するときに、途中でエッチングを止める必要があるが、上記光学装置１０では、金属薄膜層１２がエッチストップ層として働くため、十分長い時間ドライエッチングすることができ、確実にナノ構造１３ａを貫通させた段階で加工を終了することができる。これにより、ナノ構造１３ａを容易に形成でき、低コスト化を図ることができる。
〔光学装置の実施例〕
　以下、図１等に示す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４Ａ及び４Ｂ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を構成するナノ周期構造１３の繰返し単位の１つを示しており、図４Ａに示す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のナノ周期構造１３は、ナノ構造１３ａが層状のＳｉＯ２からナノ円柱をくり抜いたものからなるものであり、図２Ｂと同様の構造を有する。つまり、波長変換層１４がナノ周期構造１３に部分的に入り込み、金属薄膜層１２まで到達している。言い換えれば、ナノ周期構造１３を通る断面層において、波長変換層１４の一部がナノ円柱状の構造を有している。
　実施例１の光学装置１０において、金属薄膜層１２は、石英製の基板１１上に形成されている。金属薄膜層１２は、アルミニウムで形成されており、その厚さは１００ｎｍである。金属薄膜層１２上に形成されるナノ周期構造１３のナノ構造１３ａは、直径１５０ｎｍのナノ円柱状の凹部１３ｂである。このナノ構造１３ａは、ＳｉＯ２誘電体層に形成された周期３６０ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。波長変換層１４の厚さは６５０ｎｍである。
　図５Ａは、ＵＶ光及び青色光を入射させたときの、光学装置１０全体で吸収される光の割合を計算した結果である。横軸はナノ周期構造１３の厚さｔを示しており、縦軸は光吸収量の相対値（実施例１での光吸収量／比較例１での光吸収量）となっている。ここで、比較例１は、図４Ｃに示すように、基板１１１、金属薄膜層１１２、周期的なナノ構造１１３ａを有するナノ周期構造１１３、及び波長変換層１１４で構成されるが、金属薄膜層１１２と波長変換層１１４とが接しない構造となっているものである。比較例１において、ナノ構造１１３ａの凹凸の深さはナノ周期構造１１３の厚さｔの半分とし、厚さｔを様々に変化させたときの光吸収量を計算した。
　光学装置１０で吸収される光の計算にはＲＣＷＡ（rigorous coupled-wave analysis）法を用いた。波長変換層１４の光学定数としてはＣｅ：ＹＡＧ蛍光体の数値を用いた。また、計算に際して、励起光の波長を、波長４０５ｎｍのＵＶレーザー（ＵＶ励起光、つまり紫外励起光）を想定した４００～４１０ｎｍと、青色レーザー（青色励起光）を想定した４４０～４６０ｎｍとの２種類であるとした。実線Ａは波長域４００～４１０ｎｍを示し、破線Ｂは波長域４４０～４６０ｎｍを示す。
　図５Ａから分かるように、ナノ周期構造１３の厚さｔが約０．３５μｍ以下であれば、相対吸収量が１を上回っており、プラズモン増強によって実施例１の方が比較例１よりも効率良く励起光を吸収できていることがわかる。また、実施例１の構造では、赤色波長域での導波モードの有効屈折率ｎｅｆｆが１．６～１．８程度であるため、周期３６０ｎｍでのブラッグ条件を満足する波長５７５～６５０ｎｍ付近の赤色光を１次のブラッグ回折によって、基板１１の略垂直方向に取り出すことができる。このため、この構成にすることにより、吸収の増強とともに、プラズモンモードを回折で外部に取り出す効果に加えて、導波モードを外部に取り出す効果も期待できる。これにより、高効率な光源を実現することができる。
　図５Ｂは、上記実施例１において、ナノ構造１３ａを同じ円柱状の凹部１３ｂとしたままでナノ構造１３ａの直径を１２５ｎｍとし、周期を３００ｎｍとした変形例における光吸収を説明するものである。図５Ｂは、上記のような周期３００ｎｍの変形例に対して、各波長における光学装置１０での吸収量の計算結果を示している。
　図５Ｂから分かるように、ナノ周期構造１３の厚さｔが紫外光励起の場合約０．２μｍ以下、青色光励起の場合０．２５μｍ以下であれば、相対吸収量が１を上回っており、プラズモン増強によって実施例１の変形例の方が比較例１よりも効率良く励起光を吸収できていることがわかる。また、実施例１の変形例の構造では、緑色波長域での導波モードの有効屈折率ｎｅｆｆが１．７～１．８程度であるため、波長５１０～５４０ｎｍ付近の緑色光を１次のブラッグ回折によって、基板１１の略垂直方向に取り出すことができる。このため、この構成にすることにより、吸収の増強とともに、プラズモンモードを回折で外部に取り出す効果に加えて、導波モードを外部に取り出す効果も期待できる。これにより、高効率な光源を実現することができる。
　〔実施例２〕
　図６Ａ及び６Ｂ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を構成するナノ周期構造１３の繰返し単位の１つを示しており、図６Ａに示す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のナノ周期構造１３は、ナノ構造１３ａがＳｉＯ２からなるナノ円柱状の凸部１３ｃからなる。波長変換層１４は、ナノ構造１３ａのナノ円柱部分を除いて金属薄膜層１２まで到達している。言い換えれば、ナノ周期構造１３を通る断面層において、ナノ周期構造１３がナノ円柱状の構造を有している。ナノ構造１３ａの凸部１３ｃは、波長変換層１４に入り込むことによって機能する。
　実施例２の光学装置１０において、金属薄膜層１２は、石英製の基板１１上に形成されている。金属薄膜層１２は、アルミニウムで形成されており、その厚さは１００ｎｍである。金属薄膜層１２上に形成されるナノ構造１３ａは、直径１５０ｎｍのナノ円柱状の凸部１３ｃである。このナノ構造１３ａは、周期３６０ｎｍで正方格子点上に２次元的に配列されている。波長変換層１４の厚さは６５０ｎｍである。
　図７Ａは、ＵＶ光及び青色光を入射させたときの、光学装置１０全体で吸収される光の割合を計算した結果である。横軸はナノ周期構造１３の厚さｔを示しており、縦軸は光吸収量の相対値（実施例２での光吸収量／比較例２での光吸収量）となっている。ここで、比較例２は、図６Ｃに示すように、基板１１１、金属薄膜層１１２、周期的なナノ構造１１３ａを有するナノ周期構造１１３、及び波長変換層１１４で構成されるが、金属薄膜層１１２と波長変換層１１４とが接しない構造となっているものである。図７Ａから分かるように、ナノ周期構造１３の厚さｔが青色光励起の場合約０．１５μｍ以下、紫外光励起の場合約０．２μｍ以下であれば、相対吸収量が１を上回っており、プラズモン増強によって実施例２の方が比較例２よりも効率良く励起光を吸収できていることがわかる。また、実施例２の構造では、赤色波長域での導波モードの有効屈折率ｎｅｆｆが１．６～１．８程度であるため、波長５７５～６５０ｎｍ付近の赤色光を１次のブラッグ回折によって、基板１１の略垂直方向に取り出すことができる。このため、この構成にすることにより、吸収の増強とともに、プラズモンモードを回折で外部に取り出す効果に加えて、導波モードを外部に取り出す効果も期待できる。これにより、高効率な光源を実現することができる。
　図７Ｂは、上記実施例２において、ナノ構造１３ａを同じ円柱状の凸部１３ｃとしたままでナノ構造１３ａの周期を３００ｎｍとした変形例における光吸収を説明するものである。図７Ｂは、上記のような周期３００ｎｍの変形例に対して、各波長における光学装置１０での吸収量の計算結果を示している。
　図７Ｂから分かるように、ナノ周期構造１３の厚さｔが青色光励起の場合約０．１５μｍ以下、紫外光励起の場合約０．２μｍ以下であれば、相対吸収量が１を上回っており、プラズモン増強によって実施例２の変形例の方が比較例２よりも効率良く励起光を吸収できていることがわかる。また、実施例２の変形例の構造では、緑色波長域での導波モードの有効屈折率ｎｅｆｆが１．７～１．８程度であるため、波長５１０～５４０ｎｍ付近の緑色光を１次のブラッグ回折によって、基板１１の略垂直方向に取り出すことができる。このため、この構成にすることにより、吸収の増強とともに、プラズモンモードを回折で外部に取り出す効果に加えて、導波モードを外部に取り出す効果も期待できる。これにより、高効率な光源を実現することができる。
　以上の実施例１及び２等において、ナノ周期構造１３の厚さｔは、光の相対吸収量が１を上回ればナノ構造１３ａの作製に支障がない程度の厚さで適宜選択できるが、加工精度、光取り出し効果等の観点から０．１～０．２μｍ程度であることが好ましい。
〔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、既に説明した光学装置１０を用いた光源装置２０を組み込んだものである。
　図８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である光源２１と、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、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、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。この光源装置２０において、光源（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、光源２１の発熱によって光学装置１０が加熱されて特性が劣化することを防止できる。
　光源２１は、青色波長域、つまり、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。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、小型で効率的な照明が可能になる。コリメータレンズ２２は、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。
　図９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ＡＲが設けられている。
　図８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、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９に示すように、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２３ｂ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４Ａ、図６Ａ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周期構造１３を形成するとともに波長変換層１４の材料を選定することにより、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４Ａ、図６Ａ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の変形例のような条件でナノ周期構造１３を形成するとともに波長変換層１４の材料を選定することにより、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２３ｂ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。
　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―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、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、光源にレーザーダイオードを用いたが、ＬＥＤを用いてもよい。
　また、上記実施形態において、光学装置１０は、基板１１上に金属薄膜層１２を設ける構成としたが、波長変換層１４及びナノ周期構造１３を先に形成した後、ナノ周期構造１３上に金属薄膜層１２を形成すれば、基板１１を省略できる。

Claims (8)

  1. 　金属薄膜層と、
    　誘電体で形成され、前記金属薄膜層上に２次元的な配置で周期的に形成されたナノ構造を有するナノ周期構造と、
    　前記金属薄膜層上に前記ナノ構造を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、
    　前記金属薄膜層と前記波長変換層とが一部で接している、光学装置。
  2. 　前記ナノ構造は、前記波長変換層が部分的に入り込む孔状の凹部であり、前記凹部の底面で前記波長変換層と前記金属薄膜層とが接している、請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記ナノ構造は、前記波長変換層に入り込む柱状の凸部であり、前記凸部以外で前記波長変換層と前記金属薄膜層とが接している、請求項１に記載の光学装置。
  4. 　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１～３のいずれか一項に記載の光学装置。
  5. 　請求項１～４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。
  6. 　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５に記載の光源装置。
  7. 　前記励起光源は、レーザーダイオードである、請求項５及び６のいずれか一項に記載の光源装置。
  8. 　請求項５～７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。
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