JPWO2012137584A1 - 光学素子、照明装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

蛍光の光強度を高くしつつ、大型化を抑制することが可能な光学素子を提供する。導光板２１は、光源１から入射された光を伝播する。蛍光体層２２は、導光板２１に設けられ、導光板２１からの光によって蛍光を発生させる。金属層２３は、蛍光体層２２に積層される。蛍光体層２２と金属層２３との界面には、回折格子が形成される。

Description

本発明は、光学素子、照明装置および投射型表示装置に関する。

近年、光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いたプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。

また、照明光学系としては、ＬＥＤの出射光を蛍光体に入射し、その蛍光体で発生した蛍光を変調素子に入射するものがある。このような照明光学系を用いたプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、蛍光の光強度を高くすることが望まれている。

蛍光の光強度を高くする技術としては、非特許文献１に記載の光学素子がある。この光学素子では、基板に、金属薄膜、グレーティング構造を有する誘電体層の順で積層されている。また、誘電体層には、蛍光体として機能する量子ドットが塗布されている。

光が量子ドットに入射すると、その入射光によって量子ドット内に励起子が励起される。励起子の一部は、蛍光を放射し、励起子の残りは、表面プラズモンの励起や電子−正孔対の生成に消費され、蛍光を放射せずに消失する。上記のように誘電体層がグレーティング構造を有していると、金属薄膜と誘電体層との界面に励起された表面プラズモンを回折して蛍光と同じ光で取り出すことができる。

したがって、非特許文献１に記載の光学素子では、グレーティング構造がない場合に取り出される光子に加えて、表面プラズモンの回折によって取り出される光子が加わるので、蛍光の光強度を増強させることができる。このため、非特許文献１に記載の光学素子が、蛍光で照明を行う蛍光照明装置に適用されれば、蛍光照明装置の輝度を向上させること
が可能になる。

Ehren Hwang，Igor I．Smolyaninov，Christopher C．Davis，NANO LETTERS, 2010, 10 P813-820

プロジェクタの照明光学系に非特許文献１に記載の光学素子を使用する場合、光学素子とは別に、ＬＥＤからの光を光学素子に入射させるためや、光学素子で発生した蛍光を変調素子に入射させるために、集光レンズのような光学系が必要となり、プロジェクタの大型化を招くという問題がある。

本発明の目的は、蛍光の光強度を高くしつつ、大型化を抑制することが可能な光学素子を提供することである。

本発明による光学素子は、光源から入射された光を伝播する導光板と、前記導光板に設けられ、前記導光板からの光によって蛍光を発生させる蛍光体層と、前記蛍光体層に積層された金属層と、を有し、前記導光板と前記蛍光体層との界面には、回折格子が形成されている。

また、本発明の照明装置は、上記の光学素子と、前記光学素子の導光板に光を入射する光源と、を有する。

また、本発明の投射型画像表示装置は、上記の照明装置を有する。

本発明によれば、蛍光の光強度を高くしつつ、大型化を抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の照明装置を模式的に示す縦断面図である。 励起子と表面プラズモンの結合効率と、励起子から金属層までの相互作用距離と、導光板の誘電率との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す縦断面図である。 本発明の第３の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。 照明装置を用いたプロジェクタの構成を示す図である。

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。

図１は、本発明の第１の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。なお、実際の照明装置では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。

図１に示す照明装置１０は、光を出射する光源１と、光源１から出射された光が入射される光学素子２とを有する。

光源１は、例えば、ＬＥＤなどであり、光学素子２の外周部に配置される。なお、図１では、光源１は光学素子２と接触するように配置されているが、光学素子２から離れた位置に配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材を介して光学的に光学素子２と接続されてもよい。

光学素子２は、導光板２１と、蛍光体層２２と、金属層２３と、ダイクロイックミラー２４とを有する。

導光板２１は、光源１から出射された光が入射され、その入射された光を内部で伝播する。本実施形態では、導光板２１は、平板状に形成され、側面に光源１が接触するように設けられている。以下、光源１と接触する側面を入射面３１とする。なお、導光板２１の形状は平板状に限定されるものではない。また、導光板２１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。

導光板２１の上面には、蛍光体層２２が設けられる。また、導光板２１には、蛍光体層２２との界面に回折格子として機能する凹凸構造３２が設けられる。凹凸構造３２の凹凸は、本実施形態では、１次元格子状に配置されているが、三角格子状のような他の配置でもよい。

蛍光体層２２は、導光板２１の上面に設けられる。蛍光体層２２は、導光板２１から入射した入射光を吸光して励起子（キャリア）を生成し、その励起子によって蛍光を発生させるキャリア生成層である。蛍光体層２２の材料としては、量子ドット蛍光体などのナノ無機蛍光体が望ましいが、Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎなどの無機蛍光体や有機蛍光体でもよい。

導光板２１は、蛍光体層２２との界面に回折格子（グレーティング）として機能する凹凸構造３２が形成される。本実施形態では、凹凸構造３２では、凹凸が１次元格子状に配置されている。なお、凹凸構造の凹凸は三角格子状のようなに配置されていてもよい。

金属層２３は、蛍光体層２２に積層される。金属層２３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で形成される。また、金属層２３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。

ダイクロイックミラー２４は、導光板２１の蛍光体層２２が設けられた面とは逆の面に設けられる波長選択性部材である。ダイクロイックミラー２４は、光源１から出射された光を反射し、蛍光体層２２で発生した蛍光を透過し、蛍光だけを光学素子２から出射する。

図２は、照明装置１０における光の振る舞いを説明するための図であり、図１で示した照明装置１０をＹＺ平面で切断した縦断面が示されている。

図２に示すように、光源１から光が出射されると、その光は導光板２１の入射面３１に入射する。入射面３１に入射した光は、ダイクロイックミラー２４で反射して蛍光体層２２に入射する。なお、入射面３１に入射した光が直接、蛍光体層２２に入射するような構成でもよい。

蛍光体層２２に入射した光の一部は、蛍光体層２２で反射して導光板２１に戻される。導光板２１に戻された光は、ダイクロイックミラー２４で反射して蛍光体層２２に再入射する。

また、蛍光体層２２に入射した光の残りは、蛍光体層２２で吸光され、蛍光体層２２内に励起子を励起する。励起子の一部は緩和することによって蛍光に変換されて光学素子２から出射される。励起子の残りの一部は、金属層２３および蛍光体層２２の界面の表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、凹凸構造３２によって回折されて光学素子２から出射される。

上記の表面プラズモンが励起されるためには、表面プラズモンの波数のＸおよびＹ成分の波数ｋ_sppと、回折格子の周期ｋ_gとが一致する必要がある。つまり、ｍを正の整数とすると、ｋ_spp＝ｍ・Ｋ_gが満たされる必要がある。

波数ｋ_sppは、光学素子２の入出射部分の誘電率分布に応じて決定される。入出射部分は、金属層２３よりも導光板２１側にある媒質（図１では、導光板２１および蛍光体層２２）の誘電率分布である。

金属層２３の誘電率の実部をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすると、表面プラズモンの波数のＸ成分およびＹ成分の波数ｋ_sppと、表面プラズモンの波数のＺ成分ｋ_spp,Zとは、

で表される。ε_effは、入出射部分の実効誘電率である。実効誘電率ε_effは、蛍光体層２２から出射する蛍光の角周波数をω、入出射部分の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、虚数単位をｊとすると、入出射部分の誘電率分布と、導光体２１側の金属層２３の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定され、

で表される。ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。

式（３）における積分範囲Ｄは、金属層２３の導光板２１側の３次元範囲である。より具体的には、積分範囲ＤのＸＹ平面の範囲は、金属層２３内の範囲であり、積分範囲のＺ方向の範囲は、金属層２３および蛍光体層２２の界面から導光板２１側の無限遠までの範囲である。なお、金属層２３および蛍光体層２２の界面をＺ＝０とし、この界面から導光板２１側へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。

実効誘電率ε_effは、以下の式を用いて計算してもよい。ただし、式（３）を用いる方が特に望ましい。

式（１）、式（２）、式（３）を用いることで、入出射部分の誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）から波数ｋ_sppを求めることができる。より具体的には、入出射部分の誘電率分布ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）を式（３）に代入し、実効誘電率ε_effに適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、表面プラズモンの波数ｋ_sppおよびｋ_spp,Zと実効誘電率ε_effとを繰り返し算出していくことで、実際の実効誘電率ε_effを算出し、その実際の実効誘電率ε_effから波数ｋ_sppを求めることができる。

したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、ｋ_spp＝ｍ・Ｋ_gが満たされるように、回折格子の周期と入出射部分の誘電率分布とを調整すれば、励起された表面プラズモンが効率的に取り出され、蛍光の増強効果を高くすることができる。

図３は、励起子と表面プラズモンの結合効率と、励起子から金属層２３までの相互作用距離と、導光板２１の誘電率との関係を示す図である。なお、励起子および表面プラズモンの結合効率は、励起された励起子のうち表面プラズモンを励起する励起子の割合を示す。

図３で示したように、励起子から金属層２３までの距離である相互作用距離が長いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率は小さくなる。このため、励起子および表面プラズモンの結合効率が高くなるように、相互作用距離を調整して、表面プラズモンの強度を高くすることが望ましい。例えば、蛍光体層２２の金属層２３とは反対の面から金属層２３までの距離を、表面プラズモンの強度が最大値のｅ^-2倍となる相互作用距離である有効相互作用距離程度にすればよい。なお、有効相互作用距離ｄ_effは、

で表される。

また、実際の光学素子における有効相互作用距離ｄ_effは、数百ナノメートルオーダーとなるため、蛍光および表面プラズモンの結合効率を高くするためには、蛍光体層２２の材料である蛍光材料の粒子径は、ナノメートルオーダーであることが望ましい。

また、図３で示したように、導光板２１の誘電率は高いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率の最大値は大きくなる。このため、導光板２１の誘電率は高いほど望ましい。ただし、入出射部分の実効誘電率の実部が、金属層２３の誘電率の実部の絶対値を大きく超えないように設定する必要がある。入出射部分の実効誘電率の実部が金属層２３の誘電率の実部の絶対値を超えると、式（２）が示すとおり表面プラズモンが励起されない条件となる。実際は、金属層１２の誘電率は虚数部を持つため、入出射部分の実効誘電率の実部が金属層２３の誘電率の実部の絶対値を超えたとしても、表面プラズモンは励起されるが、入出射部分の実効誘電率の実部と金属層２３の誘電率の実部の絶対値の乖離が大きいと、表面プラズモンが励起されなくなる。

以上説明したように本実施形態では、光学素子２は、導光板２１に設けられた蛍光体層２２と、蛍光体層２２に積層された金属層２３とを有し、導光板２１および蛍光体層２２の界面に回折格子が形成される。蛍光体層２２内の励起子によって蛍光体層２２と金属層２３との界面に表面プラズモンを励起し、その表面プラズモンも蛍光として取り出すことが可能になるので、蛍光の光強度を高くすることが可能になる。また、導光板２１から出射される蛍光を表示素子に入射することが可能になるので、光学素子２をプロジェクタの照明光学系として用いることが可能になり、光学素子２と照明光学系を一体成形することが可能になるため、光学素子の大型化を抑制することが可能になる。

また、蛍光の光強度を高くすることが可能になるので、光学素子２の出射面の大きさを比較的小さくすることが可能になる。

また、本実施形態では、導光板２１に凹凸構造３２を設けるだけで、導光板２１と蛍光体層２２との界面に回折格子を生成することが可能になるので、簡単に光学素子２を作製することが可能になる。また、蛍光体層２２をスクリーン印刷プロセスで作製することが可能になるので、より簡単に光学素子２を作製することが可能になる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。また、図５は、本発明の第２の実施形態の照明装置における光の振る舞いを説明するための図であり、図４で示した照明装置をＹＺ平面で切断した縦断面が示されている。

図４および図５に示す照明装置１０’は、図１で示した構成に加えて、構造体３３をさらに有する。

構造体３３は、ダイクロイックミラー２４の導光板２１が設けられた面の反対の面に設けられる。構造体３３は、蛍光体層２２から出射された蛍光の反射を抑制して、ダイクロイックミラー２４における蛍光の透過率を向上させる。構造体３３としては、フォトニック結晶、モスアイ構造およびレンズアレイなどが挙げられる。

本実施形態によれば、構造体３３によって蛍光の透過率が向上するので、照明装置１０’から出射される蛍光の輝度を向上させることが可能になる。

図６は、本発明の第３の実施形態の照明装置を示す斜視図である。図６で示す照明装置１０”は、蛍光体層２２が金属微粒子３４を有している点で、図１で示した照明装置１０とは異なる。

金属微粒子３４は、蛍光体層２２に入射される入射光の見かけの吸光度を増大させる。見かけの吸光度とは、蛍光体層２２を、均質な層とみなし、蛍光体層２２全面に光を入射させたときの吸光度である。金属微粒子３４は、入射光と相互作用することにより、金属微粒子３４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蛍光体層２２内に励起子が生成されるので、蛍光体層２２内の励起子の数が増加する。このため、金属微粒子３４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３４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３４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３４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３４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３４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。

本実施形態によれば、蛍光体層２２内の金属微粒子３４によって蛍光の光強度を増大させることが可能になるので、輝度を向上させることが可能になる。

次に照明装置を用いたプロジェクタ（投射型画像表示装置）について説明する。

図７は、照明装置を用いたプロジェクタの構成を示す図である。図７に示すプロジェクタは、照明装置１０１Ａ〜１０１Ｃと、表示素子１０２Ａ〜１０２Ｃと、色合成プリズム１０３と、投射レンズ１０４とを有する。

照明装置１０１Ａ〜１０１Ｃは、図１で示した照明装置１０、図２で示した照明装置１０’または図６で示した照明装置１０”で構成される。なお、各照明装置１０１Ａ〜１０１Ｃにおける蛍光体層２２は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。例えば、各照明装置１０１Ａ〜１０１Ｃにおける蛍光体層２２は、赤色、緑色および青色のそれぞれの蛍光を発生させる。

表示素子１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれは、照明装置１０１Ａ〜１０１Ｃのそれぞれからの蛍光を映像信号に応じて変調して色合成プリズム１０３に出射する。なお、図６では、表示素子１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれは、照明装置１０１Ａ〜１０１Ｃのそれぞれのダイクロイックミラー２４と接触するように配置されているが、ダイクロイックミラー２４から離れた位置に配置されてもよい。

色合成プリズム１０３は、表示素子１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれからの蛍光を合成して投射レンズ１０４を介して出射する。

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。

この出願は、２０１１年４月７日に出願された日本出願特願２０１１−０８５３７０号公報、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−００１３２１号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 光源
２ 光学素子
１０、１０’、１０”、１０１Ａ〜１０１Ｃ 照明装置
２１ 導光板
２２ 蛍光体層
２３ 金属層
２４ ダイクロイックミラー
３１ 入射面
３２ 凹凸構造
３３ 構造体
３４ 微粒子
１０２Ａ〜１０２Ｃ 表示素子
１０３ 色合成プリズム
１０４ 投射レンズ

Claims (9)

1. 光源から入射された光を伝播する導光板と、
   前記導光板に設けられ、前記導光板からの光によって蛍光を発生させる蛍光体層と、
   前記蛍光体層に積層された金属層と、を有し、
   前記導光板と前記蛍光体層との界面には、回折格子が形成されている、光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子において、
   前記導光板の前記蛍光体層が設けられた面の逆の面に設けられ、前記光源から入射された光を反射し、前記蛍光体層から発生した蛍光を透過して出射する波長選択性部材をさらに有する光学素子。
3. 請求項２に記載の光学素子において、
   前記波長選択性部材に設けられ、前記蛍光の反射を抑制する構造体をさらに有する光学素子。
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、
   前記回折格子は、前記導光板に形成された凹凸構造である、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、
   前記蛍光体層は、前記導光板からの光によって表面プラズモンが励起される金属微粒子
   を有する、光学素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子において、
   前記金属層の前記導光体側の実効誘電率は、前記金属層よりも前記導光体側にある媒質の実効誘電率の実部が前記金属層の誘電率の実部の絶対値を超えない範囲の上限である、光学素子。
7. 前記実効誘電率が
   前記金属層よりも前記導光体側にある媒質の誘電体の誘電率分布と、
   前記金属層よりも前記導光体側にある媒質中での前記金属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請求項６に記載の光学素子。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子と、
   前記光学素子の導光板に光を入射する光源と、を有する照明装置。
9. 請求項８に記載の照明装置を有する投射型画像表示装置。

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