JP5664657B2 - 光学素子、光源および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、光源および投射型表示装置に関する。

近年、表面プラズモンが光源装置やセンシング装置などの様々な分野で注目されている（特許文献１〜３、非特許文献１、２参照）。表面プラズモンは、金属中で振動する自由電子の集団であり、金属と光の相互作用によって金属表面に励起される。

本願発明者らは、特願２００９−２２７３３１や特願２０１０−０４７９４４（出願時未公開）などにおいて、高輝度かつ高指向性を有する光源装置を提供するために、表面プラズモンを利用した光学素子であるプラズモン結合放射素子を提案している。

プラズモン結合放射素子では、蛍光体層と、金属層と、出射層とが順番に積層されている。蛍光体層では、発光素子からの入射光によって蛍光が生じ、その蛍光が金属層内の自由電子とプラズモン結合して、金属層の表面に表面プラズモンを励起する。表面プラズモンは、出射層にて所定の出射角を有する光に変換されて出射される。

上記の特願２００９−２２７３３１や特願２０１０−０４７９４４などでは、キャリア生成層や出射層などの誘電率を調整することで、蛍光と表面プラズモンとの結合効率を高くして、プラズモン結合放射素子の高効率化および高輝度化を実現している。

特開２００４−１５６９１１号公報 特表２００５−５２４０８４号公報 特開２００６−３１３６６７号公報

ＮＡＮＯ ＬＥＴＴ． Ｖｏｌ．５， Ｎｏ．８ ｐｐ．１５５７−１５６１ （２００５） Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ Ｖｏｌ．２３， Ｎｏ．８ ｐｐ．１６７４−１６７８ （２００６）

蛍光と表面プラズモンとの結合効率をさらに向上させることができれば、プラズモン結合放射素子の更なる高効率化および高輝度化を実現することができる。本願発明者らのシミュレーションによれば、金属層の蛍光体層側の表面から１０ｎｍ〜数１０ｎｍ程度までの範囲の蛍光体で生じた蛍光が最も効率よく表面プラズモンと結合することが分かった。このため、蛍光体層の膜厚を数１０ｎｍ程度にすれば、蛍光と表面プラズモンの結合効率をさらに向上させることができる。

しかしながら、一般的な蛍光体材料の消衰係数はあまり高くないので、数１０ｎｍ程度の膜厚の蛍光体層では、入射光を十分に吸収することができず、入射光を蛍光に変換する蛍光変換効率が低くなる。このため、蛍光体層の膜厚を数１０ｎｍ程度にすると、蛍光と表面プラズモンとの結合効率は向上するが、蛍光体層の蛍光変換効率が低くなるので、プラズモン結合放射素子の更なる高効率化および高輝度化があまり期待できない。

本発明の目的は、更なる高効率化および高輝度化が可能な光学素子、光源装置および投射型表示装置を提供することである。

本発明による光学素子は、入射光によって蛍光を生じる蛍光体層と、前記蛍光によって第１の表面プラズモンを励起するプラズモン励起層とが順に積層され、該プラズモン励起層における前記蛍光体層と接する面の反対側の面に発生する前記第１の表面プラズモンまたは光を外部に出射光として取り出すための出射部とを有する光学素子であって、前記蛍光体層は、前記入射光によって第２の表面プラズモンを励起する金属微粒子を有する。

また、本発明による光源装置は、前記光学素子と、前記光学素子に光を入射する発光素子と、を有する。

また、本発明による投射型表示装置は、光源装置と、前記光源装置からの光を変調して出射する変調素子と、前記変調素子からの光を投射して、映像を表示する投射光学系と、を有する、を有する。

本発明によれば、更なる高効率化および高輝度化が可能となる。

本発明の第１の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。 金属（Ａｇ）表面−励起子間距離に対する結合効率の関係を示す図である。 金属（Ａｕ）表面−励起子間距離に対する結合効率の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態の光学装置の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す図である。 本発明の第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す図である。 本発明の第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の投射型画像表示装置を模式的に示す図である。 金属微粒子の材料がＡｌのときの光学素子の各パラメータとプラズモン共鳴波長との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｌのときの光学素子の各パラメータと光吸収効率との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｇのときの光学素子の各パラメータとプラズモン共鳴波長との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｇのときの光学素子の各パラメータと光吸収効率との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｕのときの光学素子の各パラメータとプラズモン共鳴波長との関係を示す等高線図である。 金属微粒子の材料がＡｕのときの光学素子の各パラメータと光吸収効率との関係を示す等高線図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。なお、光学素子において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。

図１に示すように、本実施形態の光学素子１では、光が入射されるキャリア生成層１１と、キャリア生成層１１に積層されたプラズモン励起層１２と、プラズモン励起層１２に積層された波数ベクトル変換層１３とを有する。

キャリア生成層１１は、入射光の一部を吸光してキャリア（励起子）を生成し、そのキャリアによって蛍光を生じさせる蛍光体層である。

キャリア生成層１１の材料としては、例えば、ローダミン（Rhodamine 6G）やスルホローダミン（Sulforhodamine 101）等の有機蛍光体や、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：ＥｕやＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎ等の無機蛍光体、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）などが挙げられる。なお、キャリア生成層１１は、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層１１の膜厚は１μｍ以下が望ましい。

また、キャリア生成層１１は、入射光の見かけの吸光度を増大させるための金属微粒子１４を含む。ここで、見かけの吸光度とは、金属微粒子１４が分散されたキャリア生成層１１を、均質な層と考え、層全面に光を入射させたときに測定される吸光度である。金属微粒子１４は、入射光と相互作用することにより、金属微粒子１４の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に入射光の電場強度に対して１００倍近くの大きさの増強電場を誘起する。この増強電場によってもキャリア生成層１１内にキャリアが生成されるので、キャリア生成層１１内のキャリアの数が増加する。このため、金属微粒子１４は、自身の表面に励起された表面プラズモンによって、入射光の見かけの吸光度を増大させて、蛍光の光強度を増大させることができる。

金属微粒子１４の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、金、銀、銅、白金、アルミニウムまたはこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウムまたはこれらを主成分とする合金が特に好ましい。金属微粒子１４はその周辺と中心で金属種の異なるコアシェル構造、２種の半球の合体した半球合体構造、異なるクラスターが集合して微粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造でもよい。金属微粒子１４を合金または、これら特殊構造とすることで、微粒子の寸法や、形状を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。

金属微粒子１４の形状としては、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐および三角柱など、閉じた表面を有する形状であればどのような形状でも良い。また、金属微粒子１４には、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工によって、金属薄膜を一辺が１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工したものも含まれる。

プラズモン励起層１２は、キャリア生成層１１で発生する蛍光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する金属材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層１２は、キャリア生成層１１で発生する蛍光の発光周波数において負の誘電率を有している微粒子層または薄膜層である。

プラズモン励起層１２は、キャリア生成層１１で発生した蛍光により、表面に表面プラズモンを励起する。

なお、プラズモン励起層１２の表面に励起される表面プラズモンは、第１の表面プラズモンの一例であり、金属微粒子１４の表面に励起された表面プラズモンは、第２の表面プラズモンの一例である。

プラズモン励起層１２の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１２の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。また、プラズモン励起層１２の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。

波数ベクトル変換層１３は、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面に励起された表面プラズモンの波数ベクトルを変換することで、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面から光を取り出し、光学素子１から光を出射すための出射部である。言い換えれば、波数ベクトル変換層１３は、表面プラズモンを所定の出射角の光に変換して光学素子１から出射する。さらに言えば、波数ベクトル変換層１３は、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面にほぼ直交するように、光学素子１から出射光を出射させる機能を奏している。

波数ベクトル変換層１３としては、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶に代表される周期構造又は準周期構造、光学素子１からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、例えば周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造又は準周期構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層１３としては、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。

次に、金属微粒子１４およびその配置についてより詳細に説明する。

図２および図３は、金属微粒子１４が存在しない場合における、金属平面‐励起子間距離とプラズモンへの結合効率との関係を、プラズモン励起層１２に接している誘電体層（本実施形態では、キャリア生成層１１）の誘電率εｄごとに示す図である。金属平面‐励起子間距離は、キャリア生成層１１で生成されたキャリアからキャリア生成層１１およびプラズモン励起層１２の界面までの距離である。また、プラズモンへの結合効率は、キャリアによって生じた蛍光とプラズモン励起層１２で励起される表面プラズモンとのプラズモン結合の結合効率である。なお、図２では、プラズモン励起層１２をＡｇとし、図３では、プラズモン励起層１２をＡｕとしている。また、図２および図３では、蛍光の波長を５３０ｎｍとしている。

図２および図３で示されたように、誘電率εｄが大きいほど、プラズモンへの結合効率のピーク値が大きくなり、その結合効率の半値全幅が狭くなる。光学素子１を高効率なものとするためには、誘電率εｄを比較的大きくし、かつ、キャリア生成層１１に結合効率の高い領域で光を吸収させる必要がある。この場合、キャリア生成層１１に光を吸収させる領域の幅（平面‐励起子間距離）は、数１０ｎｍオーダー程度が望ましい。

しかしながら、一般的な蛍光体の消衰係数では、上記のような数１０ｎｍオーダーの狭い領域で光を全て吸収させることは困難である。例えば、蛍光体の消衰係数を０．２、吸収させる光の波長を４０５ｎｍとすると、蛍光体には１６０ｎｍ程度の膜厚が必要となる。

そこで、本実施形態では、キャリア生成層１１に金属微粒子１４を設けることで、金属微粒子１４で生じる表面プラズモンによる電場増強効果を用いて、結合効率が高い領域における光の吸収度を向上させている。

表面プラズモンを金属微粒子１４の表面に励起するためには、金属微粒子１４の半径を、キャリア生成層１１に入射する光の波長より十分小さくする必要があり、例えば、キャリア生成層１１に入射する光を可視光とした場合、金属微粒子の半径は、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度であることが望ましい。

また、キャリア生成層１１が１μｍ程度であるとすると、結合効率が高い領域の幅が数十ｎｍオーダー程度であるので、結合効率が高い領域における光の吸収度を向上させるためには、キャリア生成層１１の中心よりプラズモン励起層１２側の領域における金属微粒子１３の濃度は、キャリア生成層１１の中心よりプラズモン励起層１２の反対側の領域における金属微粒子１３の濃度よりも高いことが望ましい。さらに言えば、金属微粒子１４は、キャリア生成層１１の中心よりプラズモン励起層１２側の領域のみに散布されていることがより望ましい。例えば、金属微粒子１４の半径を数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度とすると、金属微粒子１４の存在する範囲をキャリア生成層１１およびプラズモン励起層１２の界面から５ｎｍ＋金属微粒子１４の半径の半分〜１００ｎｍの範囲に限定することが望ましい。

また、金属微粒子が周期的に配列していると、表面プラズモンによる電場増強効果が強く作用して、電場がより増強されることが知られている。このため、金属微粒子同士の間隔を調整し、金属微粒子を周期的に配列することが望ましい。

以上説明したように本実施形態によれば、キャリア生成層１１は、入射光によって表面プラズモンを励起する金属微粒子１４を有し、その金属微粒子１４に励起された表面プラズモンによって蛍光の光強度を増加させる。このため、キャリア生成層１１の蛍光変換効率を高くすることが可能になるので、高効率化および高輝度化が可能となる。

また、本実施形態では、金属微粒子１４は、キャリア生成層１１のプラズモン励起層１２側に散布される。この場合、結合効率が高い領域における光の吸収度を向上させることが可能になり、蛍光と表面プラズモンの結合効率を向上させることが可能になる。したがって、更なる高効率化および高輝度化が可能となる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、光学素子１を有する光源装置の一例を説明する。

図４は、本実施形態の光源装置の構成を模式的に示す斜視図であり、図５は、本実施形態の光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図である。

図４および図５に示すように、本実施形態の光源装置１００は、複数の発光素子１０１（１０１ａ〜１０１ｎ）と、これら発光素子１０１から出射された光が入射する光学素子１０２とを備えている。光学素子１０２は、発光素子１０１から出射された光が入射する導光体２１と、この導光体２１からの光によって出射光を出射する指向性制御層２２と、を有している。

発光素子１０１ａ〜１０１ｎは、本実施形態では、平板状の導光体２１の４つの側面に、それぞれ所定の間隔をあけて配置されている。ここで、発光素子１０１ａ〜１０１ｎが上記側面と接続されている面を光入射面２３とする。発光素子１０１としては、例えば、キャリア生成層１１が吸収できる波長の光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどが用いられる。発光素子１０１は、導光体２１の光入射面２３から離されて配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体２１と光学的に接続される構成でもよい。

また、実施形態では、導光体２１が平板状に形成されているが、導光体２１の形状は平板状に限定されるものではない。導光体２１の内部には、マイクロプリズムのような配光特性を制御する構造体が設けられていてもよい。また、導光体２１は、光出射部２４と光入射面２３を除く外周面の全面または一部に反射膜（不図示）が設けられていてもよい。同様に、光源装置１００は、光出射部２４と光入射面２３を除く外周面の全面または一部に反射膜（不図示）が設けられていてもよい。反射膜としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜を用いることができる。

指向性制御層２２は、光源装置１００からの出射光の指向性を高めるための層であり、図６で示したように、図１に示した光学素子１と同じ構成を有する。なお、図６では、キャリア生成層１１が導光体２１の直上に配置されている。また、波数ベクトル変換層１３は、プラズモン励起層１２の直上に配置されているが、波数ベクトル変換層１３とプラズモン励起層１２との間に、厚さが１μｍよりも薄い誘電体層が挿入されていてもよい。

また、プラズモン励起層１２は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、キャリア生成層１１と波数ベクトル変換層１３に対応している。そして、本実施形態における光学素子１０２は、プラズモン励起層１２の導光体２１側に積層された構造全体を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層１２の波数ベクトル変換層１３側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層１３に接する媒質（例えば、空気）とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層１２の導光体２１側に積層された構造全体には、導光体２１が含まれる。プラズモン励起層１２の波数ベクトル変換層１３側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１３が含まれる。

つまり、第１の実施形態では、プラズモン励起層１２に対する、導光体２１及びキャリア生成層１１を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１２に対する、波数ベクトル変換層１３と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。この場合、プラズモン励起層１２における蛍光体層１１と接する面の反対側の面には、表面プラズモンが発生する。

より詳細には、プラズモン励起層１２の入射側部分（発光素子１０１側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１２の出射側部分（波数ベクトル変換層１３側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。

ここで、複素実効誘電率ε_effは、プラズモン励起層１２の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１２の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層１１から出射する蛍光の角周波数をω、プラズモン励起層１２に対する入射側部分及び出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をk_spp,z、、虚数単位をｊとすれば、

で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１２に対する入射側部分または出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１２の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。入射側部分および出射側部分の実効誘電率の算出において、Ｚ座標は共に、プラズモン励起層１２とそれに接する層との界面をＺ＝０とし、その界面からプラズモン励起層１２と反対方向へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。

また、表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分k_sppは、プラズモン励起層１２の誘電率の実部をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすれば、

したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１２の入射側部分の誘電率分布ε_in（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層１２の出射側部分の誘電率分布ε_out（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１２に対する入射側部分の複素実効誘電体層ε_effin、及び出射側部分の複素実効誘電率ε_effoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率ε_effとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率ε_effを容易に求められる。プラズモン励起層１２に接する層の誘電率が非常に高い場合、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。そのため、プラズモン励起層１２に接する層の誘電率が実効誘電率に相当することになる。

ここで、表面プラズモンの有効相互作用距離を、表面プラズモンの強度がｅ^−２となる距離とすれば、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄ_ｅｆｆは、

で表わされる。

なお、キャリア生成層１１、プラズモン励起層１２を除き、導光体２１を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１３に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。

光源装置１００の周囲の媒質、つまり導光体２１や波数ベクトル変換層１３に接する媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、導光体２１側と波数ベクトル変換層１３側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。

次に、光源装置１００において、発光素子１０１から指向性制御層２２に入射した光が、指向性制御層２２の光出射部２４から出射される動作を説明する。

図５に示すように、複数の発光素子１０１のうち、例えば発光素子１０１ｆから出射された光は、導光体２１の光入射面２３を透過し、導光体２１内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体２１と指向性制御層２２との界面に入射した光の一部は、指向性制御層２２のプラズモン励起層１２における後述する特性に応じた方向および波長で光出射部２４から出射される。光出射部２４から出射されなかった光は導光体２１に戻され、再度、導光体２１と指向性制御層２２との界面に入射した光の一部が、指向性制御層２２を透過し、光出射部２４から出射される。これらの繰り返しによって、導光体２１に入射した光の大半が光出射部２４から出射される。また、複数の発光素子１０１のうち、導光体２１を間に挟んで発光素子１０１ｆに対向する位置に配置された発光素子１０１ｍから出射し、光入射面２３を透過した光についても同様に、光出射部２４から出射される。光出射部２４から出射される光の方向および波長は、指向性制御層２２の特性にのみ依存し、発光素子１０１の位置、導光体２１と指向性制御層２２との界面への入射角には無依存である。以降特にことわらない限り、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１３を備える構成について説明する。

導光体２１内を全反射で伝播している光は、導光体２１とキャリア生成層１１との界面では全反射条件が崩れ、キャリア生成層１１中に入射する。

キャリア生成層１１中に入射した光は、キャリア生成層１１においてキャリアを生成するとともに、金属微粒子１４の表面に表面プラズモンを励起する。金属微粒子１４の表面に励起された表面プラズモンは、電場増強効果によって、キャリア生成層１１中に入射した光の電場強度に対して１００倍近くの大きさの増強電場を誘起する。この増強電場によってもキャリア生成層１１内にキャリアが生成される。

キャリア生成層１１内に生成されたキャリアによって蛍光が生じ、その蛍光はプラズモン励起層１２中の自由電子とプラズモン結合を起し、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面に表面プラズモンを励起する。この励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層１３で回折されて、光源装置１００の外部に出射される。

プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との界面の誘電率が空間的に均一、つまり平坦な面である場合には、この界面に生じた表面プラズモンを取り出すことはできない。このため、本発明では、波数ベクトル変換層１３を周期構造などとすることで、表面プラズモンを回折し、光として取り出している。波数ベクトル変換層１３の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。

ここで、波数ベクトル変換層１３を周期構造とした場合、波数ベクトル変換層１３から出射する光の中心出射角θ_radは、波数ベクトル変換層１３の周期構造のピッチをΛ、プラズモン励起層１２の波数ベクトル変換層側における表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分をｋ_{ｓｐｐｏｕｔ}、周囲媒質の誘電率をε_ｍ、波数ベクトル変換層１３から出射する光の真空中での波長をｋ_０、とすれば、

で表わされる。ここで、iは正または負の整数である。

以上説明したように本実施形態によれば光源装置１００は、発光素子１０１からの光を光学素子１を用いて出射光に変換しているので、高効率化および高輝度化が可能となる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を示す斜視図である。図７に示すように、第３の実施形態における指向性制御層２２Ａ、導光体２１の上に、キャリア生成層１１、誘電体層３１、プラズモン励起層１２、波数ベクトル変換層１３の順に積層されている。したがって、第３の実施形態では、キャリア生成層１１とプラズモン励起層１２との間に、誘電体層３１が挿入されている点が第２の実施形態と異なっている。

誘電体層３１は、自身の誘電率がプラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲に含まれる。したがって、誘電体層３１の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも大きい必要はない。

誘電体層３１は、キャリア生成層１１と異なる材料によって形成されてもよい。このため、本実施形態は、キャリア生成層１１の材料選択の自由度を高めることができる。

誘電体層３１としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＮｄＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５等の高誘電率材料からなる薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。誘電体層３１は、導電性を有する材料で形成されるのが好ましい。誘電体層３１の厚さは、可能な限り薄い方が望ましい。なお、この厚さの許容最大値は、キャリア生成層１１とプラズモン励起層１２との間でプラズモン結合が生じる距離に相当し、式（４）より算出される。

なお、指向性制御層２２Ａにおいても、プラズモン励起層１２でプラズモン結合を生じさせるために、導光体２１、キャリア生成層１１及び誘電体層３１を含む入射側部分の実効誘電率は、波数ベクトル変換層１３と、波数ベクトル変換層１３に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高く設定されている。

プラズモン励起層１２、波数ベクトル変換層１３との間に、図示しない誘電体層が挿入されていてもよい。ただし、この誘電体層は、自身の誘電率がプラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも出射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲に含まれる。したがって、誘電体層３１の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも小さい必要はない。誘電体層としては、ＳｉＯ_２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ_２、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、低誘電率プラスチック等の薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。

以上のように構成された第３の実施形態における指向性制御層２２Ａによれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、独立した誘電体層３１を備えることで、プラズモン励起層１２の入射側部分の実効誘電率の調整を容易にすることが可能になる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を示す斜視図である。図８に示すように、第４の実施形態における指向性制御層２２Ｂは、図６で示した指向性制御層２２の構成に加えて、プラズモン励起層１２と波数ベクトル変換層１３との間に挟まれた誘電体層３２と、キャリア生成層１１とプラズモン励起層１２との間に挟まれて設けられた誘電体層３３とをさらに有する。ここで、誘電体層３３の誘電率は、誘電体層３２の誘電率より低い方が望ましい。

ただし、誘電体層３２、誘電体層３３は、自身の誘電率がプラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも入射側部分の実効誘電率が低く保たれる範囲に含まれる。したがって、誘電体層３２の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する入射側部分の実効誘電率よりも大きい必要はなく、誘電体層３３の誘電率は、プラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも小さい必要はない。

この場合、プラズモン励起層１２における蛍光体層１１と接する面の反対側の面には、光が発生し、プラズモン励起層１２の蛍光体層１１側の面に表面プラズモンが発生する。

また、誘電体層３２及び誘電体層３３の誘電率の虚部は、可能な限り小さい方が好ましい。これは、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができるためである。

誘電体層３３としては、例えば、ＳｉＯ_２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ_２、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、低誘電率プラスチック等の薄膜又は多孔質膜を用いるのが好ましい。また、誘電体層３２としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＮｄＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。

上記のように、誘電体層３２および３３を設けることで、プラズモン励起層１２の出射側の実効誘電率は、入射側の実効誘電率より高くなる。この場合、キャリア生成層１１で発生した蛍光はプラズモン励起層１２中の電子とプラズモン結合を起こし、プラズモン励起層１２の誘電体層３２側では光に変換されて出射する。出射した光は波数ベクトル変換層で回折されて、外部に取り出される。ここで、波数ベクトル変換層１３を周期構造とした場合、波数ベクトル変換層１３から出射する光の中心出射角θ_ｒａｄは、第１の実施形態と同様に、波数ベクトル変換層１３の周期構造のピッチをΛ、プラズモン励起層１２のキャリア生成層１１側における表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分をｋ_{ｓｐｐｉｎ}、周囲媒質の誘電率をε_ｍ、波数ベクトル変換層１３から出射する光の真空中での波長をｋ_０、とすれば、

で表わされる。ここで、iは正または負の整数である。

なお、プラズモン励起層１２に対する出射側部分の実効誘電率よりも入射側部分の実効誘電率が低く保たれれば、誘電体層３２および３３のいずれか一方または両方を除いた構成であっても動作する。

以上説明したように本実施形態の光源装置によれば、波数ベクトル変換層１３へ入射する光の入射角が、プラズモン励起層１２とこのプラズモン励起層８を挟む誘電体層３２および３３の誘電率のみで決定されるので、光源装置からの出射光の指向性が、発光素子１０１の指向性に制限されることがなくなる。
（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を示す斜視図である。図９に示すように、第５の実施形態における指向性制御層２２Ｃは、導光体１２に、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１とが順に積層されている。

プラズモン励起層４１は、第１の実施形態におけるプラズモン励起層１２と比べて、キャリア生成層１１と接する面の反対側の面に、波数ベクトル変換層１３の機能（つまり、出射部としての機能）を奏する周期構造４２を有する点が異なる。周期構造４２は、１次元または２次元の格子構造（凹凸構造）によって構成されている。

周期構造４２としては、ｓｉｎ関数や、のこぎり波、三角波および方形波形状等のいずれの周期構造でもよく、それらを階段近似したものでも良い。また、プラズモン励起層４１における周期構造４２を有する面の反対側の面に周期構造があってもよい。

キャリア生成層１１に光が入射したとき、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１との界面で表面プラズモンが発生する。この表面プラズモンは、プラズモン励起層４１から所定の方向に出射する光として取り出される。

より具体的には、キャリア生成層１１で生じた蛍光の真空中での角周波数をω、真空中の光速をｃ、プラズモン励起層４１の誘電率をε_{ｍｅｔａｌ}、キャリア生成層１１の誘電率をε_ｓｕｂ、プラズモン励起層４１に接する媒質の誘電率をε_ｍｅｄｉ、プラズモン励起層４１に接する媒質とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数をｋ_{ｓｐｐ，ｍｅｄｉ}、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数をｋ_{ｓｐｐ，ｓｕｂ}、プラズモン励起層４１の周期構造４２のｘ方向の波数ベクトルをＫ_ｘ、ｙ方向の波数ベクトルをＫ_ｙ、（但し、ｘｙ平面が基板２１に平行な面）とすれば、

を満たす角度θの方向に、プラズモン励起層４１から光が出射される。ここで、ｍ、ｎは正または負の整数である。また、光源装置１００からの出射光の光強度は、

を満たすときに最も高くなる。

なお、プズモン励起層４１に接する媒質とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数ｋ_{ｓｐｐ，ｍｅｄｉ}と、キャリア生成層１１とプラズモン励起層４１との界面における表面プラズモンの波数をｋ_{ｓｐｐ，ｓｕｂ}は、

で表される。

なお、本実施形態において、プラズモン励起層４１のキャリア生成層１１側に図示しない周期構造を有してもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、第１〜第４の実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態の指向性制御層では、第１〜第４の指向性制御層よりも、層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。

（第６の実施形態）
本実施形態では、光源装置１００を用いた機器の一例としての投射型表示装置の構成例について説明する。図１１は、本実施形態の投写型表示装置を示す模式図である。

図１１に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタは、赤（Ｒ）光用光源装置１００ｒ、緑（Ｇ）光用光源装置１００ｇおよび青（Ｂ）光用光源装置１００ｂと、光源装置１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂからの出射光がそれぞれ入射する照明光学系１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂと、照明光学系１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを通過した光が入射する変調素子としてのライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂと、を備える。また、投写型表示装置は、ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇおよび１２１ｂによってそれぞれ変調されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム１２２と、このクロスダイクロイックプリズム１２２からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系１２３と、を備えている。

この投写型表示装置は、いわゆる３板式プロジェクタに適用された構成である。照明光学系１２０ｒ、１２０ｇ、１２０ｂとしては、例えば輝度を均一化するためのロッドレンズ（不図示）を有している。また、ライトバルブ１２１ｒ、１２１ｇ、１２１ｂは、例えば液晶表示板やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を有している。なお、上述した実施形態の光源装置は、単板式プロジェクタにも適用可能であることは勿論である。

本実施形態によれば、投写型表示装置に光源装置１００が適用されることで、投射映像の輝度を向上させることができる。

なお、光源装置１００は投射型表示装置以外の機器にも適用可能であることは勿論である。例えば、光源装置１００は、液晶表示板（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）の直下型光源装置に適用されてもよいし、携帯型電話機やＰＤＡ（Personal Data Assistant）等のバックライトに適用されてもよい。さらに光源装置１００は、種々のセンシング装置の光源装置に適用されてもよい。

（実施例１）
本実施例では、光学素子１における入射光の吸収効率について評価する。以下では、キャリア生成層１１に入射される入射光の波長を４０５ｎｍ、波長４０５ｎｍにおける蛍光体の誘電率の虚部を０．２、金属微粒子１４の充填率を５０％としている。また、吸収効率は、金属微粒子１４が存在しないときの値からの倍率で示す。なお、金属微粒子１４の充填率とは、キャリア生成層１１の全体積に占める金属微粒子１４の割合である。

金属微粒子１４がアルミニウム（Ａｌ）で形成されている場合、光学素子１のパラメータ（具体的には、金属微粒子１４の半径ａとキャリア生成層１１の比誘電率ε_{ｐｈｏｓｐｈｏｒ}）と、金属微粒子１４に励起される表面プラズモンのプラズモン共鳴波長との関係は、図１２で示す等高線図のようになる。また、光学素子１のパラメータと吸収効率との関係は、図１３で示す等高線図のようになる。この場合、例えば、半径ａを１４ｎｍとし、比誘電率ε_{ｐｈｏｓｐｈｏｒ}を４とすると、吸収効率は１１倍となる。このとき、キャリア生成層１１の入射面から入射光の強度が１／ｅとなる位置までの距離である吸収長は４５ｎｍとなる。また、キャリア生成層１１の厚さは、入射光の１／ｅの光を吸収する厚さに設定すると、２２．５ｎｍとなる。

また、金属微粒子１４が銀（Ａｇ）で形成されている場合、光学素子１のパラメータとプラズモン共鳴波長との関係は、図１４で示す等高線図のようになり、光学素子１のパラメータと吸収効率との関係は、図１５で示す等高線図のようになる。この場合、例えば、半径ａを１１ｎｍとし、比誘電率ε_{ｐｈｏｓｐｈｏｒ}を４とすると、吸収効率は１４倍となる。このとき、吸収長は３５ｎｍとなる。また、キャリア生成層１１の厚さは、入射光の１／ｅの光を吸収する厚さに設定すると、１７．５ｎｍとなる。

また、金属微粒子１４が金（Ａｕ）で形成されている場合、光学素子１のパラメータとプラズモン共鳴波長との関係は、図１６で示す等高線図のようになり、光学素子１のパラメータと吸収効率との関係は、図１７で示す等高線図のようになる。この場合、例えば、半径ａを１１ｎｍとし、比誘電率ε_{ｐｈｏｓｐｈｏｒ}を４とすると、吸収効率は５倍となる。このとき、吸収長は７６ｎｍとなる。また、キャリア生成層１１の厚さは、入射光の１／ｅの光を吸収する厚さに設定すると、３８ｎｍとなる。

以上のように、半径が１０ｎｍ以上の比較的大きな金属微粒子１４であっても、吸収効率が５倍程度以上になることが分かる。また、キャリア生成層１１の厚さを数十ｎｍ程度に薄くした場合でも、入射光の１／ｅ以上の光を吸収することができるため、高効率かつ高輝度なプラズモン結合放射素子を実現できる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されたものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２０１０年１０月１５日に出願された日本出願特願２０１０−２３２８２５号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

1. 入射光によって蛍光を生じる蛍光体層と、前記蛍光によって第１の表面プラズモンを励起するプラズモン励起層とが順に積層され、該プラズモン励起層における前記蛍光体層と接する面の反対側の面に発生する前記第１の表面プラズモンまたは光を外部に出射光として取り出すための出射部とを有する光学素子であって、
   前記蛍光体層は、前記入射光によって第２の表面プラズモンを励起する金属微粒子を有し、
   前記出射部は、前記プラズモン励起層に積層された、前記プラズモン励起層における前記蛍光体層と接する面の反対側の面に発生する第２の表面プラズモンまたは光の波数ベクトルを変換する波数ベクトル変換層である、光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子において、
   前記蛍光体層の中心より前記プラズモン励起層側の領域における前記金属微粒子の濃度は、前記蛍光体層の中心より前記プラズモン励起層の反対側の領域における前記金属微粒子の濃度よりも高い、光学素子。
3. 請求項２に記載の光学素子において、
   前記金属微粒子は、前記蛍光体層の中心より前記プラズモン励起層側の領域のみに散布されている、光学素子。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子において、
   前記蛍光体層と前記プラズモン励起層との間および前記出射部と前記プラズモン励起層との間の何れか一方または両方に、誘電体層が形成されている、光学素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子において、
   前記プラズモン励起層の前記蛍光体層側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射部側に積層された構造全体と、前記出射部に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高い、光学素子。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子において、
   前記プラズモン励起層の前記蛍光体層側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率が、前記プラズモン励起層の前記出射部側に積層された構造全体と、前記出射部に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、光学素子。
7. 請求項５または６に記載の光学素子において、
   前記実効誘電率が、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布と、前記入射側部分または前記出射側部分での前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布と、に基づいて決定される、光学素子。
8. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子において、
   前記出射部は、前記プラズモン励起層に設けられた周期構造である、光学素子。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学素子において、
   発光素子からの光を伝播して前記蛍光体層に入射する導光体をさらに有し、
   前記蛍光体層は、前記導光体に積層されている、光学素子。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子において、
    前記金属微粒子は、金、銀、アルミニウム、または、これらのいずれかを含む合金で形成される、光学素子。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記光学素子に光を入射する発光素子と、を有する光源装置。
12. 請求項１１に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を変調して出射する変調素子と、
    前記変調素子からの光を投射して映像を表示する投射光学系と、を有する投射型表示装置。

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