(57)【要約】  励起光の吸収効率および輝度を向上可能な光学素子、照明装置および画像表示装置を提供する。  励起子を生成する発光層（１０３）と、発光層（１０３）の上側に積層され、発光層（１０３）の発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層（１０５）と、プラズモン励起層（１０５）の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層（２０７）とを備え、さらに、発光層（１０３）の下側に積層された金属層（１０２）を備える、光学素子（４０）。
2013175670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起子を生成する発光層と、
前記発光層の上側に積層され、前記発光層の発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記発光層の下側に積層された金属層を備える、光学素子。
【請求項２】
さらに、前記発光層と前記金属層との間に、誘電体からなるスペーサ層を備える、請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
さらに、前記プラズモン励起層の少なくとも一方の面に、誘電体層が積層されている、請求項１または２記載の光学素子。
【請求項４】
前記金属層の厚さが２５ｎｍ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
さらに、前記金属層の下側に導光体層を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
さらに、前記出射層から出射される軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の光学素子と、
光投射部とを含み、
前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能である、照明装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の光学素子と、
画像表示部とを含み、
前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である、画像表示装置。
【請求項９】
さらに、前記画像表示部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、請求項８記載の画像表示装置。
【請求項１０】
さらに、発光素子を含み、
前記発光素子は、請求項１から６のいずれかに記載の光学素子とともに、光源を形成し、
前記発光素子から、光が、前記光学素子の前記発光層に入射することにより、前記発光層が励起子を生成し、
前記光源から、光が、前記画像表示部に入射し、
前記光源は、前記画像表示部に対し、前記画像表示部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、請求項９記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、照明装置および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクタ等の画像表示装置の光源として、例えば、発光素子からの光（励起光）が入射する導光体と、前記導光体に設けられ、前記導光体からの光によって励起子が生成される発光層と、前記発光層の上に積層され、前記発光層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモンを励起するプラズモン励起層と、前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から入射する光を所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備える光学素子が開発されている（特許文献１）。【０００３】
このような光学素子は、つぎのような原理で発光する。すなわち、まず、前記発光層に前記発光素子から照射された励起光が吸収されることで、前記発光層中に励起子が生成される。この励起子は、前記プラズモン励起層中の自由電子と結合し、表面プラズモンを励起する。そして、前記励起された表面プラズモンが、光として放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０４０５２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１等に記載の光学素子では、発光効率の向上が望まれており、発光効率の向上において、発光素子から照射された励起光の吸収効率の向上は重要な要因である。また、輝度の観点から、前記発光層への出射角が小さい条件でより多くの励起光が吸収されることが望ましい。【０００６】
本発明の目的は、低入射角での励起光の吸収効率を向上可能な光学素子、照明装置および画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、
励起子を生成する発光層と、
前記発光層の上側に積層され、前記発光層の発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記発光層の下側に積層された金属層を備える。【０００８】
本発明の照明装置は、
前記本発明の光学素子と、
光投射部とを含み、
前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能である。【０００９】
本発明の画像表示装置は、
前記本発明の光学素子と、
画像表示部とを含み、
前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低入射角での励起光の吸収効率を向上可能な光学素子、照明装置および画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対する発光素子の配置の一例を示すための斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施形態１において、金属層の材料をＡｌ、厚さを５ｎｍとした場合の、光学素子における励起光吸収率の入射角および偏光依存性を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施形態１において、金属層の材料をＡｇ、厚さを５ｎｍとした場合の、光学素子における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、実施形態１において、金属層がない場合の、光学素子における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施形態１において、金属層の材料をＡｌとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率のプラズモン励起層および金属層厚さ依存性を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施形態１において、金属層の材料をＡｇとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率のプラズモン励起層および金属層厚さ依存性を示す図である。
【図５】図５は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態２）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施形態２において、金属層の材料をＡｌとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率のスペーサ層厚さ依存性を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施形態２において、金属層の材料をＡｌとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率が最大となる金属層厚さのスペーサ層厚さ依存性を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施形態２において、金属層の材料をＡｇとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率のスペーサ層厚さ依存性を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施形態２において、金属層の材料をＡｇとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率が最大となる金属層厚さのスペーサ層厚さ依存性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態３）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】図９は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態４）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態５）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の画像表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の一例（実施形態６）の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の光学素子および画像表示装置について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１から図１１において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。また、特に断らない限り、誘電率という言葉は比誘電率を指すものとする。
【００１３】
（実施形態１）
本実施形態の光学素子は、誘電体層を有する光学素子の一例である。図１の斜視図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の光学素子１０は、金属層１０２と、金属層１０２上に積層された発光層１０３と、発光層１０３上に積層された誘電体層１０４と、誘電体層１０４上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された誘電体層１０６と、誘電体層１０６上に積層された波数ベクトル変換層１０７とを含む。波数ベクトル変換層１０７は、本発明の光学素子における前記「出射層」である。
【００１５】
光学素子１０は、励起光入射側部分（以下、「入射側部分」ということがある。）の実効誘電率の実部が、光出射側部分（以下、「出射側部分」ということがある。）の実効誘電率の実部よりも低くなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側に積層された構造全体と発光層１０３に接する周囲雰囲気媒質（以下、「媒質」ということがある。）とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０４および発光層１０３が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層１０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層１０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０６および波数ベクトル変換層１０７が含まれる。なお、例えば、誘電体層１０４および誘電体層１０６を除いたとしても、前記入射側部分の実効誘電率の実部が前記出射側部分の実効誘電率の実部よりも低い場合には、誘電体層１０４および誘電体層１０６は、必ずしも必須の構成要素ではない。
【００１６】
ここで、前記実効誘電率は、入射側部分または出射側部分の誘電率分布と、プラズモン励起層１０５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る。前記実効誘電率（εeff）は、プラズモン励起層１０５の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１０５の界面に垂直な方向（プラズモン励起層１０５の表面に凹凸が形成されている場合には、その平均面に垂直な方向）をｚ軸とし、発光層１０３単体を励起光で励起したとき、発光層１０３から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１０５に対する前記入射側部分または前記出射側部分における誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号、｜｜を｜｜内の数値の絶対値を示す記号とすれば、下記式（１）で表される。
【００１７】
【数１】
2013175670.tif 000003
【００１８】
前記式（１）において、積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１０５に対する、前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、前記入射側部分の構造全体の外周面、または前記出射側部分の構造全体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層１０７側の面に平行な面内の外縁までの範囲である。積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、前記入射側部分または前記出射側部分の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、プラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５に隣接する、誘電性を有する層（誘電体層１０４または誘電体層１０６）との界面を、ｚ＝０となる位置とし、これらの界面から、プラズモン励起層１０５の、誘電体層１０４または誘電体層１０６側の無限遠までの範囲であり、これらの界面から遠ざかる方向を、前記式（１）における（＋）ｚ方向とする。例えば、プラズモン励起層１０５の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層１０５の凹凸に沿ってｚ座標の原点を移動させれば、前記式（１）から実効誘電率が求められる。例えば、実効誘電率の計算範囲において、光学異方性を有する材料が含まれている場合、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）はベクトルとなり、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに異なった値を有する。すなわち、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の実効誘電率が存在する。この場合、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）の値は、ｚ軸に垂直な動径方向に平行方向に対する誘電率とする。したがって、後述のkspp,z、kspp、ｄeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。
【００１９】
また、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および（３）で表される。
【００２０】
【数２】
2013175670.tif 000004
【数３】
2013175670.tif 000005
【００２１】
実効誘電率εeffは、下記式（４）、式（５）または式（６）で表される式を用いて算出されてもよい。ただし、積分範囲に屈折率の実部が１未満の材料が含まれる場合、計算が発散するため、前記式（１）または式（４）を用いるのが、望ましく、式（１）を用いるのが特に望ましい。積分範囲に屈折率の実部が１未満の材料が含まれない場合は式（５）を用いるのが、望ましい。
【００２２】
【数４】
2013175670.tif 000006
【数５】
2013175670.tif 000007
【数６】
2013175670.tif 000008
【００２３】
ここで、ｊは虚数単位、Ｒｅ［  ］は［  ］内の数値の実部を示す記号である。前記式（４）、式（５）、式（６）において、積分範囲や式中の記号は式（１）と同様である。ただし、前記式（５）、式（６）において、前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppのみ下記式（７）に示す通りとする。
【００２４】
【数７】
2013175670.tif 000009
【００２５】
光学素子１０では、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側表面から発光層１０３のプラズモン励起層１０５側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。前記ｄeffは、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号とし、表面プラズモンの有効相互作用距離を表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、下記式（８）で表される。
【００２６】
【数８】
2013175670.tif 000010
【００２７】
したがって、前記式（１）、前記式（２）および前記式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１０５の前記入射側部分の誘電率分布εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、およびプラズモン励起層１０５の前記出射側部分の誘電率分布εout（ω，ｘ，ｙ，ｚ）をそれぞれ代入して、計算することで、プラズモン励起層１０５に対する前記入射側部分の実効誘電率層εeffin、および前記出射側部分の実効誘電率εeffoutが、それぞれ求められる。例えば、ｚ軸に垂直な面内に誘電率の異方性がある場合、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、前記入射側部分および前記出射側部分の実効誘電率が存在する。したがって、前述のように、kspp,z、kspp、後述のｄeff等の、実効誘電率の関係する全ての現象は、ｚ軸に垂直な動径方向ごとに、異なった値を有する。実際には、実効誘電率εeffとして適当な初期値を与え、前記式（１）、前記式（２）および前記式（３）を繰り返し計算することで、実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、例えば、プラズモン励起層１０５に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合、前記式（２）で表される表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。このため、プラズモン励起層１０５に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。後述の実施形態における実効誘電率も、前記式（１）と同様に定義される。上記の説明は式（４）、（５）、（６）、（７）についても同様に当てはまる。
【００２８】
図２の斜視図に、本実施形態の光学素子に対する発光素子２０１の配置の一例を示す。光学素子１０では、発光素子２０１ａおよび２０１ｂから出射される光（以下、「励起光」ということがある）が、金属層１０２側から発光層１０３に入射する。このような構成により、光学素子１０は、発光層１０３における励起光の吸収効率が向上されている。光学素子１０が、このような効果を奏することについて、以下に、詳細に説明する。
【００２９】
光学素子の発光効率の向上には、発光素子からの励起光の吸収率の向上が重要である。また、輝度の観点から、前記発光層への出射角が小さい条件でより多くの励起光が吸収されることが望ましい。本発明者らは、前記発光層への出射角が小さい条件での励起光の吸収効率向上の観点から、鋭意研究を重ねた結果、前記発光層の励起光入射側に金属層を配置することによって、前記発光層への出射角が小さい条件での励起光の吸収効率が向上することを見出した。この知見は、本発明者らが初めて見出したものである。前記金属層の有無による励起光吸収率の入射角依存性および偏光依存性について、本実施形態の光学素子１０に基づいて、さらに説明する。ここで、入射角は金属層１０２への励起光の入射角である。この入射角が小さいとき、前記発光層への励起光の出射角が小さい。
【００３０】
図３Ａおよび図３Ｂに、金属層１０２の厚さが５ｎｍである光学素子１０における励起光吸収率の入射角および偏光依存性を示す。図３Ａに示す例では、金属層１０２の材料をＡｌに、図３Ｂに示す例では、金属層１０２の材料をＡｇに設定している。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、光学素子１０を下記の条件に設定している。この例では、光学素子１０で反射した光を、再利用していない。
発光素子２０１：レーザダイオード（発光波長：４６０ｎｍ）
金属層１０２：形成材料：Ａｌ（図３Ａ）またはＡｇ（図３Ｂ）、厚み：５ｎｍ
発光層１０３：形成材料：蛍光体（屈折率：１．７+０．０２ｊ）、厚み：４０ｎｍ
誘電体層１０４：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：５０ｎｍ
誘電体層１０６：形成材料：ＴｉＯ２、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ（形成材料：ＢＫ７、直径：１０ｍｍ）
【００３１】
図３Ｃに、比較例として、金属層１０２の厚さが０ｎｍである（すなわち、金属層が存在しない）光学素子１０における励起光吸収率の入射角および偏光依存性を示す。金属層１０２がない点を除いて、他の計算条件は図３Ａおよび図３Ｂの条件と同様である。
【００３２】
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃにおいて、横軸は、前記励起光の入射角（°）、縦軸は励起光の吸収率を示している。また、凡例は励起光の偏光状態を示し、「ｓ」はｓ偏光、「ｐ」はｐ偏光の場合に対応している。
【００３３】
図３Ａおよび図３Ｂと図３Ｃに示すように、金属層１０２を加えることによって励起光の入射角が小さいときの吸収率が向上する。励起光の入射角が０°における励起光吸収率は、金属層１０２がＡｌの場合、３７％、金属層１０２がＡｇの場合、３５％、金属層１０２がない場合、２２％となった。つまり、金属層１０２による励起光吸収率の向上効果は、金属層１０２がＡｌの場合、１．７倍、金属層１０２がＡｇの場合、１．６倍となった。このように、前記吸収率は、金属層１０２の挿入によって向上することが分かる。
【００３４】
図４Ａおよび図４Ｂに、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率のプラズモン励起層および金属層厚さ依存性を示す。図４Ａに示す例では、金属層１０２の材料をＡｌに、図４Ｂに示す例では、金属層１０２の材料をＡｇに設定している。図４Ａおよび図４Ｂに示す例では、光学素子１０を下記の条件に設定している。この例では、光学素子１０で反射した光を、再利用していない。
発光素子２０１：レーザダイオード（発光波長：４６０ｎｍ）
金属層１０２：形成材料：Ａｌ（図４Ａ）またはＡｇ（図４Ｂ）、厚み：１〜５０ｎｍ
発光層１０３：形成材料：蛍光体（屈折率：１．７+０．０２ｊ）、厚み：４０ｎｍ
誘電体層１０４：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：２０〜５０ｎｍ
誘電体層１０６：形成材料：ＴｉＯ２、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ（形成材料：ＢＫ７、直径：１０ｍｍ）
【００３５】
図４Ａおよび図４Ｂにおいて、横軸は、金属層１０２の厚さ（ｎｍ）、縦軸は励起光の吸収率（％）を示している。また、凡例はプラズモン励起層１０５の厚さを示している。
【００３６】
図４Ａ、図４Ｂに示すように、励起光吸収率はプラズモン励起層１０５の厚さが厚ければ厚いほど高くなった。また、金属層１０２の厚さには最適値が存在し、最適値はいずれも厚さが２５ｎｍ以下の場合であった。
【００３７】
以上のように、発光層における励起光の吸収効率は、金属層１０２の挿入によって向上する。この知見に基づき、本発明者らは、金属層１０２の挿入により、前記発光層への出射角が小さい条件での励起光の吸収効率が向上されることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明によれば、前記発光層への出射角が小さい条件での励起光の吸収効率の向上により、例えば、高輝度な光を放射する光学素子を実現できる。例えば、入射角０度で入射する励起光の吸収率の最大値は、金属層１０２の厚さが２５ｎｍ以下の場合であるため、金属層１０２の厚さは、２５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１５ｎｍ以下の範囲である。金属層１０２の厚さの下限値は、特に限定されないが、０を超える値である。
【００３８】
金属層１０２の構成材料としては、励起光の波長に対する反射率が高く、吸収率の低い材料が好ましい。前記金属層の材料としては、例えば、下記［１］〜［４］が挙げられる。
［１］Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＰｔまたはＣｕ
［２］Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＰｔおよびＣｕの少なくとも一つを主成分とする合金
［３］上記［１］の金属または上記［２］の合金を主成分とする誘電体
［４］上記［１］〜［３］の各金属、合金および誘電体のうち二つ以上を含む複合体
【００３９】
励起光の波長が５５０ｎｍ未満の場合には、金属層１０２の構成材料としては、下記［５］〜［８］が好ましいが、これらのみには限定されない。
［５］Ａｌ、ＡｇまたはＰｔ
［６］Ａｌ、ＡｇおよびＰｔの少なくとも一つを主成分とする合金
［７］上記［５］の金属または上記［６］の合金を主成分とする誘電体
［８］上記［５］〜［７］の各金属、合金および誘電体のうち二つ以上を含む複合体
【００４０】
励起光の波長が５５０ｎｍ以上の場合には、金属層１０２の構成材料としては、例えば、前記［１］〜［４］が挙げられる。
【００４１】
つぎに、光学素子１０について、発光素子２０１から出射された励起光が、光学素子１０に入射し、光学素子１０で指向性制御された光に変換されて波数ベクトル変換層１０７から出射される動作を説明する。
【００４２】
発光素子２０１から出射された励起光は、金属層１０２を通って、発光層１０３に出射する。このとき、金属層１０２、発光層１０３、誘電体層１０４、プラズモン励起層１０５が光閉じ込め構造として働くため、発光層１０３における励起光の吸収量が増加する。また、金属層１０２で反射された光と金属層１０２を透過し、プラズモン励起層１０５で反射され、金属層１０２を透過した光とが干渉することで、金属層１０２による励起光の反射が抑制される。その結果、金属層１０２、発光層１０３、誘電体層１０４、プラズモン励起層１０５によって構成される光閉じ込め構造への励起光の結合効率がさらに向上し、発光層１０３における励起光の吸収量がさらに増加する。そして、前記励起光によって、発光層１０３が励起され、発光層１０３中に励起子が生成される。この励起子は、誘電体層１０４を隔てたプラズモン励起層１０５中の自由電子と結合し、誘電体層１０４とプラズモン励起層１０５との界面に表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面から光として放出される（以下、「放出光」ということがある。）。前記光の放出は、前記入射側部分の実効誘電率の実部が、前記出射側部分の実効誘電率の実部より低いことにより起こる。前記放出光の波長は、発光層１０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の出射角度θoutは、誘電体層１０６の屈折率をｎoutとすれば、下記式（９）で表される。
【００４３】
【数９】
2013175670.tif 000011
【００４４】
前記励起された表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。前記放出光は、前記表面プラズモンの波数ベクトルが変換されただけである。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は、非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。前記放出光は、波数ベクトル変換層１０７に入射し、波数ベクトル変換層１０７によって回折または屈折されて、光学素子１０外部に取り出される。なお、発光層１０３に入射した励起光のうち、前記光閉じ込め構造に結合しなかったものは、光学素子１０（例えば、プラズモン励起層１０５）より反射される。この反射光を、例えば、金属ミラー、誘電体ミラー、プリズム等の反射体によって反射させ、再度、光学素子１０に入射させることで励起光の利用効率をさらに向上できる。
【００４５】
発光素子２０１ａおよび２０１ｂは、発光層１０３が吸収可能な波長の光（励起光）を出射する。具体的には、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等があげられる。発光素子２０１ａおよび２０１ｂは、励起光が金属層１０２を透過して発光層１０３に出射すれば、光学素子１０に対してどのように配置されていてもよい。
【００４６】
発光層１０３は、前記励起光を吸光して励起子を生成させる層である。前記発光層は、例えば、発光体を含む。発光層１０３は、例えば、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を発生する、複数の材料から構成されてもよい。発光層１０３の厚みは、特に制限されず、例えば、１μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。
【００４７】
発光層１０３は、例えば、前記発光体を光透過性部材に分散させた層である。前記発光体の形状は、例えば、粒子状である。前記発光体は、例えば、有機蛍光体、無機蛍光体、半導体蛍光体等があげられる。前記励起光の吸収効率および発光効率の観点から、前記発光体は、半導体蛍光体が好ましい。
【００４８】
前記有機蛍光体は、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  ６Ｇ）、スルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ  １０１）等があげられる。前記無機蛍光体は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎ、（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ）５（ＰＯ４）３：Ｃｌ：Ｅｕ等があげられる。
【００４９】
前記半導体蛍光体は、例えば、コア／シェル構造のもの、マルチコアシェル構造のもの、またはそれらの表面に有機化合物が結合したもの等があげられる。前記マルチコアシェル構造の半導体蛍光体は、具体的には、例えば、コア／シェル構造を有する半導体蛍光体の、前記シェル部の外側にさらに他の材料からなるシェル部が設けられたコア／シェル／シェル構造；中央部にシェル部が配置され、このシェル部を覆うようにコア部が設けられ、さらに前記コア部の外側を覆うようにシェル部が設けられたシェル／コア／シェル構造；等の半導体蛍光体があげられる。
【００５０】
前記コア部の形成材料は、例えば、ＩＶ族半導体、ＩＶ−ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、Ｉ−ＶＩＩＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料があげられる。また、前記コア部の形成材料は、例えば、混在する結晶が１種の元素からなる単体半導体、２種の元素からなる２元化合物半導体、３種以上の元素からなる混晶半導体等の半導体材料でもよい。発光効率向上の観点から、前記コア部は、直接遷移型半導体材料から構成されていることが好ましい。また、前記コア部を構成する半導体材料は、可視光を発するものが好ましい。耐久性の観点から、例えば、前記形成材料は、原子の結合力が強く化学的安定性が高い、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が好ましい。
【００５１】
前記半導体蛍光体の発光スペクトルのピーク波長の調整の容易性から、前記コア部は、前記混晶半導体材料から構成されていることが好ましい。一方、製造の容易性の観点から、前記コア部は、４元以下の混晶からなる半導体材料から構成されていることが好ましい。
【００５２】
前記コア部を構成可能な２元化合物半導体材料は、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＣｌ等があげられる。これらの中でも、環境負荷等の観点から、ＩｎＰ、ＩｎＮが好ましい。製造の容易性の観点から、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅが好ましい。
【００５３】
前記コア部を構成可能な３元混晶の半導体材料は、例えば、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＰｂＳＳｅ、ＰｂＳＴｅ、ＰｂＳｅＴｅ等があげられる。これらの中でも、環境に調和した材料であり、外界からの影響を受けにくい半導体蛍光体の製造の観点から、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮが好ましい。
【００５４】
前記シェル部の材料は、例えば、ＩＶ族半導体、ＩＶ−ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、Ｉ−ＶＩＩＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料があげられる。また、前記シェル部の形成材料は、例えば、混在する結晶が１種の元素からなる単体半導体、２種の元素からなる２元化合物半導体、３種以上の元素からなる混晶半導体等の半導体材料でもよい。発光効率向上の観点から、前記シェル部の形成材料は、前記コア部の形成材料より高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料であることが好ましい。
【００５５】
前記コア部の保護機能の観点から、前記シェル部は、原子の結合力が強く化学的安定性が高いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料から形成されていることが好ましい。一方、製造の容易性の観点から、前記シェル部は、４元以下の混晶からなる半導体材料から構成されていることが好ましい。
【００５６】
前記シェル部を構成可能な２元化合物半導体材料は、例えば、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＡｓ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣｕＣｌ、ＳｉＣ等があげられる。これらの中でも、環境負荷等の観点から、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣｕＣｌ、ＳｉＣが好ましい。
【００５７】
前記シェル部を構成可能な３元混晶の半導体材料は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＳｅ、ＺｎＯＴｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＳＴｅ、ＺｎＳｅＴｅ等があげられる。これらの中でも、環境に調和した材料であり、外界からの影響を受けにくい半導体蛍光体の製造の観点から、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＺｎＯＳ、ＺｎＯＴｅ、ＺｎＳＴｅが好ましい。
【００５８】
前記半導体蛍光体の表面に結合される有機化合物は、例えば、機能部であるアルキル基と前記コア部または前記シェル部との結合部からなる有機化合物が好ましい。具体的には、例えば、アミン化合物、ホスフィン化合物、ホスフィンオキシド化合物、チオール化合物、脂肪酸等があげられる。
【００５９】
前記ホスフィン化合物は、例えば、トリブチルホスフィン、トリヘキシルホスフィン、トリオクチルホスフィン等があげられる。
【００６０】
前記ホスフィンオキシド化合物は、例えば、１−ジクロロホスフィノルヘプタン、１−ジクロロホスフィノルノナン、ｔ−ブチルホスホン酸、テトラデシルホスホン酸、ドデシルジメチルホスフィンオキシド、ジオクチルホスフィンオキシド、ジデシルホスフィンオキシド、トリブチルホスフィンオキシド、トリペンチルホスフィンオキシド、トリヘキシルホスフィンオキシド、トリオクチルホスフィンオキシド等があげられる。
【００６１】
前記チオール化合物は、例えば、トリブチルサルファイド、トリヘキシルサルファイド、トリオクチルサルファイド、１−ヘプチルチオール、１−オクチルチオール、１−ノナンチオール、１−デカンチオール、１−ウンデカンチオール、１−ドデカンチオール、１−トリデカンチオール、１−テトラデカンチオール、１−ペンタデカンチオール、１−ヘキサデカンチオール、１−オクタデカンチオール、ジヘキシルサルファイド、ジヘプチルサルファイド、ジオクチルサルファイド、ジノニルサルファイド等があげられる。
【００６２】
前記アミン化合物は、例えば、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン、オレイルアミン、ジオクチルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、トリノニルアミン等があげられる。
【００６３】
前記脂肪酸は、例えば、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイル酸等があげられる。
【００６４】
発光の単色性が高いことが求められる用途では、前記半導体蛍光体の粒子径が揃っていることが好ましく、発光の演色性が高いことが求められる用途では、前記半導体蛍光体の粒子径が揃っていないことが好ましい。これは、前記半導体蛍光体から放出される光の波長（発光波長、以下、同様。）が、前記半導体蛍光体の粒子径に依存しているためである。
【００６５】
前記光透過性部材は、発光層１０３に、前記発光体を分散配置させた状態で封止するためのものであり、発光層１０３に入射された励起光および前記発光体から発せされる光を吸収しないものが好ましい。前記光透過性部材は、水分、酸素等を透過しない材料で構成されていることが好ましい。このように構成すれば、例えば、前記光透過性部材によって発光層１０３内部への水分、酸素等の進入を防止でき、前記発光体が水分、酸素等により影響を受けるのを緩和できる。このため、前記発光体の耐久性を向上できる。前記光透過性部材の形成材料は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、尿素樹脂等の光透過性樹脂材料；酸化アルミニウム、酸化ケイ素、イットリア等の光透過性無機材料等があげられる。
【００６６】
発光層１０３は、例えば、金属粒子を含んでもよい。前記金属粒子は、前記励起光との相互作用により、前記金属粒子の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に、前記励起光の電場強度に対して１００倍近くの増強電場を誘起する。この増強電場により、発光層１０３内に生成される励起子を増加でき、例えば、光学素子１０における前記励起光の利用効率を向上できる。
【００６７】
前記金属粒子を構成する金属は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記金属は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、またはこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム、またはこれらを主成分とする合金が特に好ましい。前記金属粒子は、例えば、その周辺部と中心部とで金属種の異なるコアシェル構造；２種の金属の半球の合体した半球合体構造；異なるクラスターが集合して粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造等の構造を有してもよい。前記金属粒子を、例えば、前記合金または、前述の特殊構造とすることにより、前記金属粒子の寸法、形状等を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。
【００６８】
前記金属粒子の形状は、閉じた表面を有する形状であればよく、例えば、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐、三角柱等があげられる。前記金属粒子は、例えば、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工により、金属薄膜が一辺１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工されたものも含まれる。前記金属粒子のサイズは、例えば、１〜１００ｎｍの範囲であり、好ましくは５〜７０ｎｍの範囲であり、より好ましくは１０〜５０ｎｍの範囲である。
【００６９】
プラズモン励起層１０５は、発光層１０３単体を励起光で励起したときに発光層１０３で発生する光の周波数（以下、「発光周波数」ということがある。）よりも高いプラズマ周波数を有する形成材料により形成された、微粒子層または薄膜層である。すなわち、プラズモン励起層１０５は、発光周波数において負の誘電率を有する。プラズモン励起層１０５の発光層１０３側に、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側の界面から、前記式（８）で表される表面プラズモンの有効相互作用距離までの範囲に、例えば、光学異方性を有する誘電体層の一部が配置されてもよい。この誘電体層は、例えば、この光学素子１０の構成要素の積層方向に垂直な面内、言い換えれば、各層の界面に並行な面内での方向によって誘電率が異なる光学異方性を有する。すなわち、この誘電体層は、光学素子１０の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向で、誘電率の大小関係がある。この誘電体層により、光学素子１０の構成要素の積層方向に垂直な面内において、ある方向とそれに直交する方向とでは、前記入射側部分の実効誘電率が異なる。そして、前記入射側部分の実効誘電率の実部を、ある方向でプラズモン結合が発生しないほど高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、例えば、波数ベクトル変換層１０７に入射する光の入射角および偏光をさらに限定できる。このため、例えば、波数ベクトル変換層１０７による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
【００７０】
理論的には、前記入射側部分の実効誘電率の実部とプラズモン励起層１０５の誘電率の実部との和が、負または０の場合、発光層１０３で生成された励起子は、プラズモン励起層１０５に表面プラズモンを励起する。一方、前記和が正の場合、前記励起子は、表面プラズモンを励起しない。すなわち、前述のプラズモン結合が発生しない程度高い実効誘電率とは、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部との和が正となるような誘電率であり、前述のプラズモン結合が発生する程度低い実効誘電率とは、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部との和が負または０となるような誘電率である。発光層１０３で生成された励起子が表面プラズモンへ結合する効率は、前記入射側部分の実効誘電率の実部とプラズモン励起層１０５の誘電率の実部の和とが０となる条件である。したがって、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部の最低値との和が０となる条件が、方位角に対する指向性を高める点で、最も好ましい。ただし、上記条件では、例えば、方位角に対する指向性の高め過ぎによる、プラズモン励起層１０５を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１０５での発熱が懸念される。このため、実用上は、方位角の指向性を高めすぎないのが好ましい。具体的には、方位角４５度方向において、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部と前記入射側部分の実効誘電率の実部の和が０となる条件で、例えば、方位角３１５度〜４５度、１３５度〜２２５度の範囲に高指向性放射が得られる。このため、例えば、方位角に対する指向性の向上と発光減少の抑制とを両立できる。前記光学異方性を有する誘電体層の構成材料は、例えば、ＴｉＯ2、ＹＶＯ4、Ｔａ2Ｏ5等の異方性結晶、配向させられた有機分子等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する前記誘電体層は、例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等があげられる。構造に起因して光学異方性を有する前記誘電体層では、如何なる構成材料であっても用いることもできる。
【００７１】
プラズモン励起層１０５の構成材料は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記構成材料は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合体が好ましく、金、銀、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合物が特に好ましい。プラズモン励起層１０５の厚みは、特に制限されず、２００ｎｍ以下が好ましく、１０〜１００ｎｍ程度が特に好ましい。
【００７２】
プラズモン励起層１０５の発光層１０３側表面は、例えば、粗面化されていてもよい。前記粗面が、例えば、前記励起光の散乱、前記粗面の先鋭部における局在プラズモンの励起をもたらし、発光層１０３中に励起される励起子を増加させる。この結果、例えば、光学素子１０における励起光の利用効率を向上できる。
【００７３】
誘電体層１０４は、誘電体を含む層であり、具体的には、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルム；ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜等があげられる。誘電体層１０４の厚みは、特に制限されず、例えば、１〜１００ｎｍの範囲であり、好ましくは５〜５０ｎｍの範囲である。
【００７４】
誘電体層１０６の構成材料は、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料があげられる。誘電体層１０６の厚みは、特に制限されない。
【００７５】
波数ベクトル変換層１０７は、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面から放射される光を、その波数ベクトルを変換することにより、光学素子１０から出射させる出射部である。波数ベクトル変換層１０７は、前記放射光を、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面にほぼ直交する向きに、光学素子１０から出射させる機能を有する。
【００７６】
波数ベクトル変換層１０７の形状は、例えば、表面レリーフ格子；フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造；そのサイズが光学素子１０からの出射光の波長より大きいテクスチャー構造（例えば、粗面によって構成される表面構造）；ホログラム；マイクロレンズアレイ等があげられる。前記準周期構造は、例えば、周期構造の一部が欠けている不完全な周期構造を示す。光の取り出し効率の向上および指向性制御の観点から、前記形状は、フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造；マイクロレンズアレイ等が好ましい。前記フォトニック結晶は、結晶構造が三角格子構造を採るものが好ましい。波数ベクトル変換層１０７は、例えば、平板状の基部上に凸部が設けられた構造でもよい。
【００７７】
前述のように、発光素子２０１では、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側表面から発光層１０３のプラズモン励起層１０５側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。このように設定されていることで、発光層１０３中に生成される励起子とプラズモン励起層１０５中の自由電子とを、効率よく結合でき、その結果、例えば、発光効率を向上できる。結合効率の高い領域は、例えば、発光層１０３中の励起子が生成される位置（例えば、発光層１０３中の蛍光体が存在する位置）から、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側表面までの領域である。前記領域は、例えば、２００ｎｍ程度と非常に狭く、例えば、１〜２００ｎｍの範囲または１０〜１００ｎｍの範囲である。光学素子１０において、前記領域が１〜２００ｎｍの範囲の場合には、例えば、発光層１０３は、プラズモン励起層から１〜２００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましい。また、前記領域が１０〜１００ｎｍの範囲の場合には、例えば、発光層１０３は、プラズモン励起層から１０〜１００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましく、具体的には、例えば、誘電体層１０４の厚みを１０ｎｍ、発光層１０３の厚みを９０ｎｍとする。光取り出し効率の観点からは、発光層１０３は薄いほど好ましい。一方、光出力定格の観点からは、発光層１０３は厚いほど好ましい。したがって、発光層１０３の厚みは、例えば、求められる光取り出し効率と光出力定格とに基づいて決定される。なお、前記領域の範囲は、発光層とプラズモン励起層との間に配置される誘電体層の誘電率等により変化するため、所定条件における前記領域の範囲に応じて、例えば、前記誘電体層の厚みおよび前記発光層の厚み等を、適宜設定すればよい。
【００７８】
図２に示す本実施形態の光学素子において、前記発光素子は、２つ配置されているが、本発明は、この例に限定されない。前記発光素子の数は、特に制限されない。図２に示す本実施形態の光学素子において、前記発光素子は、光学素子１０の周囲に配置されているが、本発明は、この例に限定されない。前期発光素子の配置は、励起光が、金属層１０２側から発光層１０３に入射すれば、特に制限されない。後述の実施形態において、発光素子を明示的に図示しないが、数、配置についての制限は本実施形態と同様である。
【００７９】
前記励起光は、例えば、導光体を介して、光学素子１０に入射されてもよい。前記導光体の形状は、例えば、直方体または楔形；それらの光出射部または前記導光体内部に光取り出し用の構造体を有する形状のもの等があげられる。前記光取り出し用の構造体は、例えば、前記励起光の前記発光層への入射角を、前記所定の入射角以上の角度に変換し、吸収率を向上させる機能を有するものが好ましい。前記導光体の光出射部を除く面は、例えば、反射材料または誘電体多層膜等を使用して、前記励起光を前記面から出射させない処理が施されているのが好ましい。
【００８０】
また、本実施形態の光学素子において、前記プラズモン励起層は、前記２つの誘電体層に挟まれているが、前述のように、前記誘電体層は、本発明において必須ではなく、例えば、前記発光層上に、前記プラズモン励起層が配置されてもよい。また、前記誘電体層は、前記プラズモン励起層の一方の面のみに積層されてよい。
【００８１】
（実施形態２）
図５の斜視図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。本実施形態の光学素子は、金属層と発光層との間にスペーサ層を含むこと以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図５に示すように、本実施形態の光学素子２０は、金属層１０２と、金属層１０２上に積層されたスペーサ層１０８と、スペーサ層１０８上に積層された発光層１０３と、発光層１０３上に積層された誘電体層１０４と、誘電体層１０４上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された誘電体層１０６と、誘電体層１０６上に積層された波数ベクトル変換層１０７とを含む。
【００８２】
本実施形態において、スペーサ層１０８は、発光層１０３中に生成された励起子のエネルギーが金属層１０２に吸収されるのを抑制する役目を担っている。つまり、スペーサ層１０８の挿入によって、光学素子２０の光の取り出し効率が向上する。
【００８３】
発光層１０３中に生成された励起子のエネルギーが金属層１０２で表面プラズモンまたは表面波を励起して損失する割合は、励起子と金属層１０２の発光層１０３側表面との距離に依存し、その距離が短ければ短いほど損失が指数関数的に増加する。スペーサ層１０８の厚さを数ｎｍ以上とした場合は、前記励起子のエネルギーの金属層１０２での損失において、表面プラズモンの励起が支配的となる。よって、前記励起子のエネルギーが金属層１０２において損失する割合を減らすためには、励起子の生成される範囲、つまり、発光層１０３に渡って、励起子の発光点におけるプラズモン励起層１０５の発光層１０３側の表面プラズモンの光強度の方が、金属層１０２の発光層１０３側の表面プラズモンの光強度よりも高いことが望ましい。例えば、その関係を式で表すと、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側の前記表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z,1、その電場振幅をE1、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側表面から励起子の発光点までの距離をd1、金属層１０２の発光層１０３側の前記表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z,2、その電場振幅をE2、金属層１０２の発光層１０３側表面から励起子の発光点までの距離をd2、とすれば式（１０）となる。
【数１０】
2013175670.tif 000012
kspp,z,1、kspp,z,2は、式（１）、（２）、（３）の関係を用いて、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側の実効誘電率および金属層１０２の発光層１０３側の実効誘電率を求めることで、得られる。E1、E2は転送行列計算などの電磁場計算によって求めることが可能である。
【００８４】
図６Ａおよび図６Ｂに、金属層の材料をＡｌとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率および金属層厚さのスペーサ層厚さ依存性を示す。図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、光学素子２０を下記の条件に設定している。この例では、光学素子２０で反射した光を、再利用していない。
発光素子２０１：レーザダイオード（発光波長：４６０ｎｍ）
金属層１０２：形成材料：Ａｌ、厚み：１〜３０ｎｍ
スペーサ層１０８：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０〜２００ｎｍ
発光層１０３：形成材料：蛍光体（屈折率：１．７+０．０２ｊ）、厚み：４０ｎｍ
誘電体層１０４：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：５０ｎｍ
誘電体層１０６：形成材料：ＴｉＯ２、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ（形成材料：ＢＫ７、直径：１０ｍｍ）
【００８５】
図６Ａにおいて、横軸は、スペーサ層１０８の厚さ（ｎｍ）、縦軸は金属層１０２の厚さを変化させたときに得られる励起光の最大吸収率（％）を示している。図６Ｂにおいて、横軸は、スペーサ層１０８の厚さ（ｎｍ）、縦軸は励起光の最大吸収率が得られるときの金属層１０２の厚さ（ｎｍ）を示している。
【００８６】
図６Ａに示すように、スペーサ層１０８の厚さによって、励起光の吸収率が周期的に変化する。また、図６Ｂに示すように、励起光の最大吸収率が得られるときの金属層１０２の厚さは２５ｎｍ以下である。スペーサ層１０８の厚さが１２０ｎｍのときだけ、励起光の最大吸収率が得られるときの金属層１０２の厚さが２５ｎｍを超えたが、このとき、励起光の吸収率は極小であるため、応用上取りうる範囲から除外されても支障がない。
【００８７】
図７Ａおよび図７Ｂに、金属層の材料をＡｇとし、金属層への励起光の入射角を０度とした場合の、光学素子における励起光の吸収率および金属層厚さのスペーサ層厚さ依存性を示す。図７Ａおよび図７Ｂに示す例では、光学素子２０を下記の条件に設定している。この例では、光学素子２０で反射した光を、再利用していない。
発光素子２０１：レーザダイオード（発光波長：４６０ｎｍ）
金属層１０２：形成材料：Ａｇ、厚み：１〜３０ｎｍ
スペーサ層１０８：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０〜２００ｎｍ
発光層１０３：形成材料：蛍光体（屈折率：１．７+０．０２ｊ）、厚み：４０ｎｍ
誘電体層１０４：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：５０ｎｍ
誘電体層１０６：形成材料：ＴｉＯ２、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ（形成材料：ＢＫ７、直径：１０ｍｍ）
【００８８】
図７Ａにおいて、横軸は、スペーサ層１０８の厚さ（ｎｍ）、縦軸は金属層１０２の厚さを変化させたときに得られる励起光の最大吸収率（％）を示している。図７Ｂにおいて、横軸は、スペーサ層１０８の厚さ（ｎｍ）、縦軸は励起光の最大吸収率が得られるときの金属層１０２の厚さ（ｎｍ）を示している。
【００８９】
図７Ａに示すように、スペーサ層１０８の厚さによって、励起光の吸収率が周期的に変化する。また、図７Ｂに示すように、励起光の最大吸収率が得られるときの金属層１０２の厚さは２５ｎｍ以下である。スペーサ層１０８の厚さが１３０ｎｍのときだけ、励起光の最大吸収率が得られるときの金属層１０２の厚さが２５ｎｍを超えたが、このとき、励起光の吸収率は、ほぼ極小であるため、応用上取りうる範囲から除外されても支障がない。
【００９０】
スペーサ層１０８の屈折率、厚さは、励起子の生成される範囲、つまり、発光層１０３に渡って、励起子の発光点におけるプラズモン励起層１０５の発光層１０３側の表面プラズモンの光強度の方が、金属層１０２の発光層１０３側の表面プラズモンの光強度よりも高くなるように調整されることが望ましい。さらに、励起光の発光層１０３での吸収率が最大になるように調整されることが望ましい。スペーサ層１０８には、発光効率の観点から励起光の波長および励起子の発光波長において吸収のない材料を用いることが好ましく、光耐性の観点から無機材料であることが好ましい。
【００９１】
（実施形態３）
図８の斜視図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。本実施形態の光学素子は、金属層１０２の下側に導光体（導光体層）１０１を含むこと以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図８に示すように、本実施形態の光学素子３０は、導光体１０１と、導光体１０１の上に積層された金属層１０２と、金属層１０２上に積層された発光層１０３と、発光層１０３上に積層された誘電体層１０４と、誘電体層１０４上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された誘電体層１０６と、誘電体層１０６上に積層された波数ベクトル変換層１０７とを含む。
【００９２】
励起光は、例えば、導光体１０１を介して、金属層１０２に入射される。このような構成とすることで、金属層１０２から波数ベクトル変換層１０７までの構造体で反射され、導光体１０１に入射する光を再度金属層１０２に入射させることができ、光学素子３０の励起光利用効率を高めることができる。さらに、導光体１０１が１／４波長板の効果を備えることで、励起光の再利用過程において発生する光学素子３０の励起光の吸収率の偏光依存性の影響を緩和することが可能である。
【００９３】
導光体１０１は、励起光の波長において吸収のない材料で構成されることが、好ましい。このような材料には、前記光透過性部材の材料等があげられる。導光体１０１の形状は、例えば、直方体もしくは楔形、または、それらの光出射部もしくは前記導光体内部に光取り出し用の構造体を有する形状のもの等があげられる。前記光取り出し用の構造体は、例えば、前記励起光の前記発光層への入射角を、できるだけ小さな入射角に変換する機能を有するものが好ましい。導光体１０１の励起光入射部および金属層１０２に接する面を除いて、導光体１０１の面は例えば、反射材料または誘電体多層膜等を使用して、前記励起光を前記面から出射させない処理が施されているのが好ましい。
【００９４】
（実施形態４）
図９の斜視図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。本実施形態の光学素子は、入射側部分の実効誘電率が、出射側部分の実効誘電率よりも高いか、または等しくなるように構成されていることを除いて、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図９に示すように、本実施形態の光学素子４０は、金属層１０２と、金属層１０２上に積層された発光層１０３と、発光層１０３上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された波数ベクトル変換層２０７とを含む。波数ベクトル変換層２０７は、本発明の光学素子における前記「出射層」である。
【００９５】
光学素子４０は、入射側部分の実効誘電率が、出射側部分の実効誘電率よりも高いか、または等しくなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０５の発光層１０３側に積層された構造全体と発光層１０３に接する媒質とを含む。前記構造全体には、金属層１０２、発光層１０３が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層２０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層２０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、波数ベクトル変換層２０７が含まれる。
【００９６】
つぎに、光学素子４０について、発光素子からの励起光が、金属層１０２に入射し、波数ベクトル変換層２０７から光が出射される動作を説明する。
【００９７】
発光素子から出射された励起光は、金属層１０２を通って、発光層１０３に出射する。このとき、金属層１０２、発光層１０３、プラズモン励起層１０５が光閉じ込め構造として働くため、発光層１０３における励起光の吸収量が増加する。また、金属層１０２で反射された光と金属層１０２を透過し、プラズモン励起層１０５で反射され、金属層１０２を透過した光とが干渉することで、金属層１０２による励起光の反射が抑制される。その結果、金属層１０２、発光層１０３、プラズモン励起層１０５によって構成される光閉じ込め構造への励起光の結合効率がさらに向上し、発光層１０３における励起光の吸収量がさらに増加する。励起光により、発光層１０３が励起され、発光層１０３中に励起子が生成される。この励起子は、プラズモン励起層１０５中の自由電子と結合し、発光層１０３とプラズモン励起層１０５との界面、およびプラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に表面プラズモンを励起する。発光層１０３とプラズモン励起層１０５との界面に励起された表面プラズモンは、プラズモン励起層１０５を透過し、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面まで伝搬する。前記入射側部分の実効誘電率が、前記出射側部分の実効誘電率よりも高いか、または等しくなるように構成され、波数ベクトル変換層２０７のプラズモン励起層１０５側の端部は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層２０７の面からの距離が、表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている。ここで、波数ベクトル変換層２０７が平坦な誘電体層である場合、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面での表面プラズモンは、その界面では光に変換されない。前記界面での表面プラズモンは、波数ベクトル変換層２０７が表面プラズモンを光として取り出す機能、例えば、回折作用を有するため、光学素子４０外部に光として放出（放射）される。前記放出光の波長は、発光層１０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の放射角度θradは、波数ベクトル変換層２０７の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層２０７の光取り出し側（すなわち、波数ベクトル変換層２０７に接する媒質）の屈折率をｎｒａｄとすれば、下記式（１１）で表される。
【００９８】
【数１１】
2013175670.tif 000013
【００９９】
発光層１０３とプラズモン励起層１０５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に励起される表面プラズモンの波数についても同様である。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は、非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。なお、発光層１０３に入射した励起光のうち、前記導波路に結合しなかったものは、光学素子４０（例えば、プラズモン励起層１０５）より反射される。この反射光を、例えば、金属ミラー、誘電体ミラー、プリズム等の反射体によって反射させ、再度、光学素子４０に入射させることで励起光の利用効率をさらに向上できる。
【０１００】
波数ベクトル変換層２０７は、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に励起された表面プラズモンを、その波数ベクトルを変換することで、前記界面から光として取り出し、光学素子４０から放射させる出射部である。すなわち、波数ベクトル変換層２０７は、表面プラズモンを所定の放射角の光に変換して、前記光を光学素子４０から放射させる。さらに、波数ベクトル変換層２０７は、例えば、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に対してほぼ直交するように、放射光を光学素子４０から放射させる機能を有している。波数ベクトル変換層２０７は、例えば、前記実施形態１の波数ベクトル変換層１０７と同様のものを使用できる。
【０１０１】
図９に示す本実施形態の光学素子において、前記発光層は、前記プラズモン励起層に接して配置されているが、本発明は、この例には限定されない。前記発光層と前記プラズモン励起層との間には、例えば、その厚みが前記式（８）で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより小さい厚みの、誘電体層が配置されてもよい。また、前記波数ベクトル変換層は、前記プラズモン励起層に接して配置されているが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記波数ベクトル変換層と前記プラズモン励起層との間には、その厚みが前記式（８）で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより小さい厚みの、誘電体層が配置されてもよい。
【０１０２】
また、本実施形態の光学素子は、例えば、前記実施形態１と同様に、前記発光層と前記プラズモン励起層との間に、光学異方性を有する誘電体層が配置されてもよい。この場合、前記入射側部分の実効誘電率を、ある方向でプラズモン結合が発生しないほど高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、例えば、前記波数ベクトル変換層に入射する光の入射角および偏光をさらに限定できる。このため、例えば、前記波数ベクトル変換層による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
【０１０３】
また、本実施形態の光学素子は、前記実施形態２、前記実施形態３と同様に、スペーサ層や導光体を用いて構成されてもよい。
【０１０４】
（実施形態５）
本実施形態の光学素子は、偏光変換素子として１／２波長板を備える光学素子の一例である。図１０の模式図に、本実施形態の光学素子の構成を示す。
【０１０５】
図１０に示すように、本実施形態の光学素子５０は、光学素子１０と、１／２波長板２１０とを、主要な構成要素として含む。光学素子１０は、図１に示した前記実施形態１の光学素子である。１／２波長板２１０は、光学素子１０の波数ベクトル変換素子１０７側に配置されている。なお、図１０では、説明の便宜上、１／２波長板２１０を一点鎖線で示している。
【０１０６】
前記実施形態１で示したように、波数ベクトル変換層１０７から光が出射される。前記光は、前述のように、Ｐ偏光であるため、前記光のフィールドパターンは、偏光方向が放射状になっている。このため、前記光は、軸対称偏光となっている（例えば、国際公開第２０１１／０４０５２８号の［０１０４］参照）。そして、前記光（軸対称偏光）は、１／２波長板２１０に入射する。この時、前記軸対称偏光は、１／２波長板２１０により、直線偏光に変換される。このように、本実施形態の光学素子では、前記光の偏光状態を揃えることができる（例えば、同国際公開の［０１０５］参照）。
【０１０７】
１／２波長板２１０は、特に制限されず、例えば、従来公知のものがあげられる。具体的には、例えば、国際公開第２０１１／０４０５２８号に開示されている、下記の１／２波長板があげられる。
【０１０８】
前記公報に開示の１／２波長板は、例えば、配向膜がそれぞれ形成された一対のガラス基板と、これらの基板の配向膜を対向させてガラス基板に挟んで配置された液晶層と、ガラス基板の間に配置されたスペーサとを備えるものがあげられる。前記液晶層は、常光に対する屈折率をｎ０、異常光に対する屈折率をｎｅとすると、屈折率ｎｅが屈折率ｎ０より大きい。また、前記液晶層の厚みｄは、（ｎｅ−ｎ０）×ｄ＝λ／２を満たしている。なお、前記λは、真空中における入射光の波長である。
【０１０９】
前記液晶層において、液晶分子は、前記１／２波長板の中心に対して同心円状に配置されている。また、前記液晶分子は、液晶分子の主軸とこの主軸近傍の座標軸とのなす角をφとし、座標軸と偏光方向とがなす角をθとすると、前記液晶分子は、θ＝２φ、または、θ＝２φ−１８０のいずれかの関係式を満たす方向に配向されている。
【０１１０】
図１０に示す本実施形態の光学素子では、前記１／２波長板により軸対称偏光を直線偏光に変換したが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記軸対称偏光を円偏光に変換してもよい。また、本実施形態の光学素子では、前記実施形態１の光学素子を使用しているが、本発明は、この例に限定されず、例えば、前記実施形態２、前記実施形態３、前記実施形態４の光学素子を使用してもよい。
【０１１１】
（実施形態６）
本実施形態の画像表示装置は、３板式の投射型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の一例である。図１１に、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの構成を示す。図１１（ａ）は、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの概略斜視図であり、図１１（ｂ）は、同ＬＥＤプロジェクタの上面図である。
【０１１２】
図１１に示すように、本実施形態のＬＥＤプロジェクタ１００は、前記実施形態１から４のいずれかの光学素子と発光素子を組み合わせた３つの光源ユニット１ｒ、１ｇ、１ｂと、３つの液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂと、色合成光学素子５０３と、投射光学系５０４とを主要な構成要素として含む。光源ユニット１ｒおよび液晶パネル５０２ｒと、光源ユニット１ｇおよび液晶パネル５０２ｇと、光源ユニット１ｂおよび液晶パネル５０２ｂとが、それぞれ光路を形成している。液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、および５０２ｂのそれぞれが、本発明の前記「画像表示部」である。
【０１１３】
光源ユニット１ｒ、１ｇ、１ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、及び青（Ｂ）光用で異なる材料で構成されている。液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂは、前記光学素子からの出射光が入射され、表示させる画像に合わせて光の強度を変調する。色合成光学素子５０３は、液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂで変調された光を合成する。投射光学系５０４は、色合成光学素子５０３からの出射光をスクリーン等の投射面上に投射する投射レンズを含む。
【０１１４】
ＬＥＤプロジェクタ１００は、制御回路部（図示せず）により、前記光路ごとに前記液晶パネル上の像を変調させる。ＬＥＤプロジェクタ１００は、前記実施形態１から５のいずれかの光学素子を備えることにより、投射映像の輝度を向上できる。また、前記光学素子が非常に高い指向性を示すため、例えば、照明光学系を使用することなく、小型化できる。
【０１１５】
図１１に示す本実施形態のＬＥＤプロジェクタは、３板型液晶プロジェクタであるが、本発明は、この例には限定されず、例えば、単板型液晶プロジェクタ等でもよい。また、本発明の画像表示装置は、前述のＬＥＤプロジェクタのみならず、例えば、ＬＥＤ以外の発光素子（例えば、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等）を使用したプロジェクタでもよいし、液晶表示装置のバックライト、またはＭＥＭＳを使用したバックライトと組み合わせた画像表示装置でもよい。また、光を投射する照明装置であってもよい。
【０１１６】
前述のように、本発明の光学素子は、励起光の吸収効率および輝度が向上されている。従って、本発明の光学素子を使用した画像表示装置は、プロジェクタ等として使用できる。前記プロジェクタは、例えば、モバイルプロジェクタ、次世代リアプロジェクションＴＶ（ｒｅａｒ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ＴＶ）、デジタルシネマ、網膜走査ディスプレイ（ＲＳＤ：Ｒｅｔｉｎａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ  Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、または携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン等への組込型プロジェクタ（ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）等があげられ、幅広い市場に対する応用が可能である。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。また、光を投射する照明装置にも適用可能である。
【０１１７】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載しうるが、以下には限定されない。
【０１１８】
（付記１）
励起子を生成する発光層と、
前記発光層の上側に積層され、前記発光層の発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の上側の表面に発生する光または表面プラズモンを、所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備え、
さらに、前記発光層の下側に積層された金属層を備える、光学素子。
【０１１９】
（付記２）
さらに、前記発光層と前記金属層との間に、誘電体からなるスペーサ層を備える、付記１記載の光学素子。
【０１２０】
（付記３）
さらに、前記プラズモン励起層の少なくとも一方の面に、誘電体層が積層されている、付記１または２記載の光学素子。
【０１２１】
（付記４）
前記プラズモン励起層の前記発光層側表面と、前記発光層の前記プラズモン励起層側表面との距離は、前記プラズモン励起層の前記発光層側表面に励起される表面プラズモンの有効相互作用距離よりも短い、付記１から３のいずれかに記載の光学素子。
【０１２２】
（付記５）
前記発光層は、前記プラズモン励起層からの距離が、１〜２００ｎｍの範囲内に配置されている、付記４記載の光学素子。
【０１２３】
（付記６）
前記出射層は、表面周期構造を有する、付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
【０１２４】
（付記７）
前記金属層の厚さが２５ｎｍ以下である付記１から６のいずれかに記載の光学素子。
【０１２５】
（付記８）
前記金属層は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、前記各金属の少なくとも一つを主成分とする合金、前記各金属もしくは前記合金を主成分とする誘電体、または、前記各金属、前記合金および前記誘電体からなる群から選択される二つ以上を含む複合体である付記１から７のいずれかに記載の光学素子。
【０１２６】
（付記９）
さらに、前記金属層の下側に導光体層を有する、付記１から８のいずれかに記載の光学素子。
【０１２７】
（付記１０）
さらに、前記出射層から出射される軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、付記１から９のいずれかに記載の光学素子。
【０１２８】
（付記１１）
前記プラズモン励起層の前記金属層側に積層された構造全体と前記金属層に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率の実部は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率の実部より、低い、付記１から１０のいずれかに記載の光学素子。
【０１２９】
（付記１２）
前記プラズモン励起層の前記金属層側に積層された構造全体と前記金属層に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率の実部は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率の実部より、高いか、または等しく、
前記出射層の前記プラズモン励起層側の端部は、前記プラズモン励起層の前記出射層側の面からの距離が、表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている、付記１から１０のいずれかに記載の光学素子。
【０１３０】
（付記１３）
前記実効誘電率（εｅｆｆ）は、
前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記発光層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号とすれば、下記式（１）で表され、かつ、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、および前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および式（３）で表される、付記１１または１２記載の光学素子。
【数１】
2013175670.tif 000014
【数２】
2013175670.tif 000015
【数３】
2013175670.tif 000016
【０１３１】
（付記１４）
前記有効相互作用距離ｄeffは、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号とすれば、下記式（８）で表される、付記４から１３のいずれかに記載の光学素子。
【数８】
2013175670.tif 000017
【０１３２】
（付記１５）
付記１から１４のいずれかに記載の光学素子と、
光投射部とを含み、
前記光学素子から前記光投射部に光が入射され、前記光投射部から光が出射されることにより、光を投射可能である、照明装置。
【０１３３】
（付記１６）
さらに、前記光出射部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、付記１５記載の照明装置。
【０１３４】
（付記１７）
さらに、発光素子を含み、
前記発光素子は、付記１から１４のいずれかに記載の光学素子とともに、光源を形成し、
前記発光素子から、光が、前記光学素子の前記発光層に入射することにより、前記発光層が励起子を生成し、
前記光源から、光が、前記光出射部に入射する、付記１５または１６記載の照明装置。
【０１３５】
（付記１８）
付記１６に記載の投射光学系を含み、
前記光源は、前記光出射部に対し、前記光出射部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、付記１７記載の照明装置。
【０１３６】
（付記１９）
付記１から１４のいずれかに記載の光学素子と、
画像表示部とを含み、
前記光学素子から前記画像表示部に光が入射され、前記画像表示部から光が出射されることにより、画像を表示可能である、画像表示装置。
【０１３７】
（付記２０）
さらに、前記画像表示部からの出射光により投射映像を投射する投射光学系を含む、付記１９記載の画像表示装置。
【０１３８】
（付記２１）
さらに、発光素子を含み、
前記発光素子は、付記１から１４のいずれかに記載の光学素子とともに、光源を形成し、
前記発光素子から、光が、前記光学素子の前記発光層に入射することにより、前記発光層が励起子を生成し、
前記光源から、光が、前記画像表示部に入射する、付記１９または２０記載の画像表示装置。
【０１３９】
（付記２２）
付記２０に記載の投射光学系を含み、
前記光源は、前記画像表示部に対し、前記画像表示部からの出射光の方向とは異なる方向に配置されている、付記２１記載の画像表示装置。
【０１４０】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【０１４１】
この出願は、２０１２年５月２２日に出願された日本出願特願２０１２−１１７０４５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。
【符号の説明】
【０１４２】
１、１ｒ、１ｇ、１ｂ  光源ユニット
１０、２０、３０、４０、５０  光学素子
１００  ＬＥＤプロジェクタ（画像表示装置）
１０１  導光体
１０２  金属層
１０３  発光層
１０４  誘電体層
１０５  プラズモン励起層
１０６  誘電体層
１０７、２０７  波数ベクトル変換層
１０８  スペーサ層
２０１ａ、２０１ｂ  発光素子
２１０  １／２波長板（偏光変換素子）
５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂ  液晶パネル
５０３  色合成光学素子
５０４  投射光学系
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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