(57)【要約】  低エテンデューで高指向性な光を高効率に放射する光学素子を提供する。  励起子を生成して発光する発光層（１０３）と、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（１０７）と、誘電体層（１０２）を備え、プラズモン励起層（１０５）の下側部分よりも上側部分の方が表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が高く、プラズモン励起層（１０５）の下側に隣接する層よりも最下層の方が発光層（１０３）の発光周波数に対する誘電率が高く、プラズモン励起層（１０５）から出射層（１０７）側への表面プラズモン由来の高指向性放射の放射角をθout,sppとし、光の導波路基本モード由来の高指向性放射の放射角をθout,lightとした場合に、それらの差の絶対値が１０°未満である光学素子。
2014020954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層、プラズモン励起層、出射層および誘電体層を備え、
前記発光層は、励起子を生成して発光し、
前記プラズモン励起層は、前記発光層の上側に配置され、かつ、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し、
前記出射層は、前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、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し、
前記誘電体層は、前記発光層の下側、および、前記発光層と前記プラズモン励起層との間の、少なくとも一方に配置され、
前記プラズモン励起層の下側部分よりも前記プラズモン励起層の上側部分の方が、表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が高く、
前記プラズモン励起層の下側に隣接する層よりも、最下層の方が、前記発光層の発光周波数に対する誘電率が高く、
前記プラズモン励起層から前記出射層側への高指向性放射において、
表面プラズモン由来の高指向性放射の放射角をθout,sppとし、
光の導波路基本モード由来の高指向性放射の放射角をθout,lightとした場合に、
θout,sppとθout,lightとの差の絶対値が１０°未満である光学素子。
【請求項２】
さらに、正孔輸送層、電子輸送層および電極を備えた発光素子であり、
前記電極を介して外部から電流を注入可能であり、
前記正孔輸送層は、前記発光層の上下いずれか一方に配置され、
前記電子輸送層は、前記発光層の上下いずれか一方で、かつ、前記正孔輸送層と反対側に配置され、
前記発光層は、前記正孔輸送層から注入された正孔および前記電子輸送層から注入された電子の合体により励起子を生成して発光する、請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記表面プラズモンに対する実効誘電率（εｅｆｆ，ｓｐｐ）が下記式（１）で表され、
前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが下記式（２）で表され、かつ、
前記表面プラズモンの波数のｘおよびｙ成分ksppが下記式（３）で表される、請求項１または２記載の光学素子。
【数１】
2014020954.tif 000019
【数２】
2014020954.tif 000020
【数３】
2014020954.tif 000021
前記式（１）〜（３）中、
εｅｆｆ，ｓｐｐは、前記表面プラズモンに対する実効誘電率であり、
ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、は、前記プラズモン励起層の下側または前記プラズモン励起層の上側の誘電体の誘電率分布であり、
ｘおよびｙは、前記プラズモン励起層の界面に平行な軸方向であり、ｚは、前記プラズモン励起層の界面に垂直な軸方向であり、
ωは、前記発光層から出射する光の角周波数であり、
積分範囲Ｄは、前記プラズモン励起層の下側または前記プラズモン励起層の上側の三次元座標の範囲であり、
kspp,zは、表面プラズモンの波数のｚ成分であり、Ｉｍ［  ］は、［  ］内の数値の虚部を示す記号であり、
ksppは、前記表面プラズモンの波数のｘおよびｙ成分であり、
k0は、真空中での光の波数であり、
εmetalは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部である。
【請求項４】
請求項１から３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５】
さらに、前記光投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、請求項４記載の照明装置。
【請求項６】
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投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、請求項４または５記載の照明装置。
【請求項７】
請求項１から３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８】
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７記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投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、請求項７または８記載の画像表示装置。
【請求項１０】
請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子の前記発光層に励起子を生成させ、生成された前記励起子のエネルギーを、前記光学素子内において表面プラズモン由来のモードと光の導波路モードに結合させた後，それぞれを光として放出させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子の作動方法。
【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、画像表示装置、光学素子の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタ等の画像表示装置は、例えば、光学素子を有する光源装置と、前記光源装置からの光が入射する照明光学系と、前記照明光学系からの光が入射する液晶表示板を有するライトバルブと、前記ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系とから形成される。【０００３】
前記画像表示装置では、投射映像の輝度を高めるために、前記光源装置から前記ライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。【０００４】
また、前記画像表示装置には、前記光源装置の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、前記光源装置の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、前記光源装置からの光が投射光として利用されない。【０００５】
そのため、光学素子と、光学素子からの光が入射する光学素子とを有する光源装置では、光学素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。【０００６】
低エテンデューな光を得る方法として、発光体中の励起子と表面プラズモンの相互作用によって引き起こされる高指向性放射を応用する方法がある（特許文献１、非特許文献１）。【０００７】
このような光学素子は、つぎのような原理で発光する。まず、前記発光層に前記光学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】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６４２３３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】The  journal  of  physical  chemistry  B  vol.  108,  pp.  12073-12083  (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記特許文献１等に記載の光学素子では、光学素子内部に存在するモードが表面プラズモンに起因するモードのみであることから、励起子のエネルギーのうち、高指向性放射に寄与する割合は６０％程度に制限される。一方、モードを増加させると高指向性放射が取り出される側に放射される光量が増加するが、非特許文献１に開示されているように指向性が極端に低下するという課題がある。【００１１】
本発明の目的は、低エテンデューで高指向性な光を高効率に放射する光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、
発光層、プラズモン励起層、出射層および誘電体層を備え、
前記発光層は、励起子を生成して発光し、
前記プラズモン励起層は、前記発光層の上側に配置され、かつ、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し、
前記出射層は、前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、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し、
前記誘電体層は、前記発光層の下側、および、前記発光層と前記プラズモン励起層との間の、少なくとも一方に配置され、
前記プラズモン励起層の下側部分よりも前記プラズモン励起層の上側部分の方が、表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が高く、
前記プラズモン励起層の下側に隣接する層よりも、最下層の方が、前記発光層の発光周波数に対する誘電率が高く、
前記プラズモン励起層から前記出射層側への高指向性放射において、
表面プラズモン由来の高指向性放射の放射角をθout,sppとし、
光の導波路基本モード由来の高指向性放射の放射角をθout,lightとした場合に、
θout,sppとθout,lightとの差の絶対値が１０°未満である。【００１３】
本発明の照明装置は、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。【００１４】
本発明の画像表示装置は、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。【００１５】
本発明の光学素子の作動方法は、本発明の光学素子の前記発光層に励起子を生成させ、生成された前記励起子のエネルギーを、前記光学素子内において表面プラズモン由来のモードと光の導波路モードに結合させた後，それぞれを光として放出させる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低エテンデューで高指向性な光を高効率に放射する光学素子、照明装置、画像表示装置、光学素子の作動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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３】図３は、実施形態１において、表面プラズモンモードと導波路基本モードの光強度分布を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施形態１において、表面プラズモンモードと導波路基本モードの出射角が一致する条件での励起子からの散逸エネルギーの規格化面内波数依存性を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施形態１において、表面プラズモンモードと導波路基本モードの出射角が一致する条件での励起子からの散逸エネルギーの誘電体層１０６への出射角依存性図である。
【図５】図５は、本発明の発光素子の一例（実施形態２）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の画像表示装置（プロジェクタ）の一例（実施形態３）の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の光学素子、照明装置、画像表示装置の例である実施形態について、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６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。
【００１９】
（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。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の光学素子１０は、誘電体層１０２と、誘電体層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（出射層）１０７とを含む。
【００２１】
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。）の表面プラズモンに対する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。）の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部よりも低くなるように構成されており、表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が、入射側部分における光の導波路基本モードに対する実効誘電率（等価屈折率の二乗）の実部より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、前記入射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部よりも低く、前記入射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が前記入射側部分における光の導波路基本モードに対する実効誘電率の実部より低い場合には、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。
【００２２】
ここで、前記表面プラズモンに対する実効誘電率は、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。前記表面プラズモンに対する実効誘電率（εeff,spp）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。
【００２３】
【数１】
2014020954.tif 000003
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
【数２】
2014020954.tif 000004
【数３】
2014020954.tif 000005
【００２７】
前記表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp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。
【００２８】
【数４】
2014020954.tif 000006
【数５】
2014020954.tif 000007
【数６】
2014020954.tif 000008
【００２９】
ここで、ｊは虚数単位、Ｉｍ［  ］は［  ］内の数値の虚部を示す記号である。前記式（４）、式（５）、および式（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）および式（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。
【００３０】
【数７】
2014020954.tif 000009
【００３１】
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（４）で表される。
【００３２】
【数８】
2014020954.tif 000010
【００３３】
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表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp,in、および前記出射側部分の表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp,out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表面プラズモンに対する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、表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp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、表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,spp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、この場合の表面プラズモンに対する実効誘電率に相当する。後述の実施形態における表面プラズモンに対する実効誘電率も、前記式（１）と同様に定義される。上記の説明は式（４）、（５）、（６）、および（７）についても同様に当てはまる。
【００３４】
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、誘電体層１０２側から発光層１０３に入射する。このような構成により、発光層１０３中に励起子が励起され、そのエネルギーが表面プラズモンに起因するモード（表面プラズモンモード）および導波路構造に起因する光の基本モード（導波路基本モード）へ選択的に緩和することで、励起子のエネルギーのほとんどが高指向性放射として、外部に放出される。
【００３５】
表面プラズモンモードがプラズモン励起層１０５／誘電体層１０６界面から誘電体層１０６へ放射する際の放射角θout,sppは、誘電体層１０６の屈折率をｎoutとすると、下記式（９）となる。
【００３６】
【数９】
2014020954.tif 000011
一方、導波路基本モードがプラズモン励起層１０５／誘電体層１０６界面から誘電体層１０６へ放射する際の放射角θout,lightは、光の波数のプラズモン励起層１０５／誘電体層１０６界面に平行な成分をｋlightとすると、下記式（１０）となる。
【００３７】
【数１０】
2014020954.tif 000012
ここで、光の波数のプラズモン励起層１０５／誘電体層１０６界面に平行な成分ｋlightは入射側部分における光の導波路基本モードに対する実効誘電率の実部をεeff,lightとすると、下記式（１１）となる。
【００３８】
【数１１】
2014020954.tif 000013
入射側部分における光の導波路基本モードに対する実効誘電率の実部εeff,lightは、等価屈折率の二乗であり、等価屈折率は、導波路解析から容易に求まる。
【００３９】
θout,sppとθout,lightが一致する条件は、式（１２）の通りである。
【００４０】
【数１２】
2014020954.tif 000014
【００４１】
しかし、モード分散と呼ばれる現象のため、式（１２）が成り立つ条件は、一般的に存在しないと考えられてきた。
【００４２】
本発明者らは、表面プラズモンモードおよび導波路基本モードの光強度分布の差異に着目し、鋭意研究を重ねた結果、入射側部分のプラズモン励起層１０５近傍の発光波長に対する誘電率を高くし、入射側部分のプラズモン励起層１０５から離れた層の発光波長に対する誘電率を低くすることで、式（１２）が成り立つ条件が存在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。
【００４３】
図３に、表面プラズモンモードおよび導波路基本モードの光強度分布を示す。ここで、座標の原点をプラズモン励起層１０５／誘電体層１０４界面にとり、ｘ’およびｙ’軸を界面に沿う方向、ｚ’軸を界面に垂直な方向とする。表面プラズモンモードの光強度分布１１１は界面から誘電体層１０４側に遠ざかる方向に減衰する分布をもつ。一方、導波路基本モードの光強度分布１１２は発光層１０３および誘電体層１０２に、強い光強度分布を持つ。実効誘電率は、光の強度分布に従って決定されることから、上述の通り、入射側部分のプラズモン励起層１０５近傍の発光波長に対する誘電率を高くし、入射側部分のプラズモン励起層１０５から離れた層の発光波長に対する誘電率を低くすることで、式（１２）が成り立つ条件を実現できる。具体的には、誘電体層１０４の屈折率を誘電体層１０２の屈折率より低くし、それぞれの厚さは式（１３）に基づいて決定する。ここで、指向性の低下幅の許容値Δθが許される範囲であれば、実用上、式（１３）が完全に満たされている必要はない。
【００４４】
【数１３】
2014020954.tif 000015
【００４５】
図４Ａに表面プラズモンモードおよび導波路基本モードの出射角が一致する条件での励起子からの散逸エネルギーの規格化面内波数依存性を、図４Ｂに同条件での励起子からの散逸エネルギーの誘電体層１０６への出射角依存性を示す。ここで、規格化面内波数は、プラズモン励起層１０５／誘電体層１０６界面に平行な波数成分をｋ0で規格化した値である。散逸エネルギーと誘電体層１０６への放射強度は比例するため、縦軸は放射強度に読み替えてもよい。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た。
誘電体層１０２：屈折率：１．２、厚み：４０ｎｍ
発光層１０３：屈折率：１．７、厚み：８５ｎｍ
誘電体層１０４：屈折率：２．３、厚み：３０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：２５ｎｍ
誘電体層１０６：屈折率：２．７、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ（屈折率：２．７、直径：１０ｍｍ）
【００４６】
規格化面内波数１．４６において、非常に鋭いピークと鈍いピークが重畳している。これは、誘電体層１０６への出射角では、３３度に対応する。この散逸エネルギー成分をｓ偏光成分とｐ偏光成分に分けると、ｓ偏光成分が５８％、ｐ偏光成分が４２％を占めている。ｓ偏光成分は導波路基本モード由来で、ｐ偏光成分は表面プラズモンモード由来である。このとき、励起子のエネルギーのうち、８２％のエネルギーが表面プラズモンモードおよび導波路基本モードを励起するために用いられる。これは表面プラズモンモードのみを用いた場合の限界値である６０％よりも高い値である。
【００４７】
励起されたモードがプラズモン励起層を透過する際に減衰をうける。この減衰を考慮すると図４の条件では、励起子のエネルギーのうち６９％のエネルギーが誘電体層１０６側に透過する。
【００４８】
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、励起光が誘電体層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。
【００４９】
誘電体層１０２は、誘電体を含む層であり、発光波長に対する屈折率が大きく、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。また、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、誘電体層１０２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、発光層１０３内の発光体が水分、酸素等により影響を受けるのを緩和できる。具体的には、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１０２の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満が好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ未満の範囲である。
【００５０】
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。発光層１０３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、２００ｎｍ以下が特に好ましい。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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を高め過ぎによる、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。
【００７５】
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、１００ｎｍ以下が好ましく、２０〜４０ｎｍ程度が特に好ましい。
【００７６】
プラズモン励起層１０５の発光層１０３側表面は、平坦であることが望ましい。これは表面プラズモンモードや導波路モードが散乱されるのを抑制するためである。
【００７７】
誘電体層１０４は、誘電体を含む層であり、発光波長に対する屈折率が小さく、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。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１０２の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満が好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ未満の範囲である。
【００７８】
誘電体層１０６は、誘電体を含む層であり、発光波長に対する屈折率が大きく、発光波長に対して吸収のない材料で構成されることが好ましい。具体的には、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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
前述のように、発光素子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。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。
【００８２】
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、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、この例に限定されない。前記発光素子の配置は、励起光が、誘電体層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。
【００８３】
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。
【００８４】
また、本実施形態の光学素子において、発光層１０３は、前記２つの誘電体層に挟まれているが、誘電体層１０２または誘電体層１０４の機能を発光層１０３が兼ね備える場合、いずれかの層は必須ではない。
【００８５】
以上のように、誘電体層１０２および誘電体層１０４の挿入によって、光学素子１０では高効率な高指向性放射が起こる。このような高効率な高指向性放射により、例えば、高輝度な光を放射する光学素子を実現できる。
【００８６】
（実施形態２）
つぎに、本発明の光学素子の別の実施形態について説明する。図５の斜視図に、本実施形態の発光素子の構成を示す。本実施形態の発光素子は、実施形態１の光学素子と比べ、電流注入で動作するように構成されている発光素子である点が異なっている。
【００８７】
図５に示すように、本実施形態の発光素子２０は、陽極２０８と、ホール（正孔）輸送層２０２と、ホール輸送層２０２上に積層された発光層２０３と、発光層２０３上に積層された電子輸送層２０４と、電子輸送層２０４上に積層されたプラズモン励起層２０５と、プラズモン励起層２０５上に積層された誘電体層２０６と、誘電体層２０６上に積層された波数ベクトル変換層（出射層）２０７とを含む。本実施形態において、プラズモン励起層２０５は陰極の役割を果たしている。
【００８８】
プラズモン励起層２０５から電子が、陽極２０８からホールが発光素子２０に注入され、発光層２０３で励起子を形成する。その後の高指向性放射の原理は前記実施形態１と同様である。
【００８９】
陽極層２０８としては、例えばＩＴＯ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌや、それらを主要成分とする合金等の金属薄膜、ＩＴＯ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌのいずれかを含む多層膜が用いられる。また、陽極層２０８として、ＬＥＤ、有機ＥＬを構成する陽極材料を同様に用いてもよい。発光素子２０の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、発光素子２０の基板側と波数ベクトル変換層２０７側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
【００９０】
ホール輸送層２０２には、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｐ型半導体や、有機ＥＬ用のホール輸送層である芳香族アミン化合物やテトラフェニルジアミン等が用いられてもよい。
【００９１】
発光層２０３には、一般的なＬＥＤ、半導体レーザ、有機ＥＬの活性層を構成する材料が用いられてもよい。また、発光層２０３が量子井戸構造からなる多層膜であってもよい。
【００９２】
電子輸送層２０４には、一般的なＬＥＤや、半導体レーザを構成するｎ型半導体や、有機ＥＬ用電子輸送層であるＡｌｑ３、オキサジアゾール（ＰＢＤ）、トリアゾール（ＴＡＺ）が用いられてもよい。
【００９３】
プラズモン励起層２０５は、プラズモン励起層１０５と同様である。
【００９４】
誘電体層２０６は、誘電体層１０６と同様である。ただし、誘電体層２０６は透明導電材料で構成されることが望ましい。これは電子注入の効率が面内で均一化され、輝度の面内ばらつきが抑制される。
【００９５】
波数ベクトル変換層２０７は、波数ベクトル変換層１０７と同様である。
【００９６】
なお、電子輸送層２０４とホール輸送層２０２の相対的な位置は、本実施形態におけるそれぞれの位置と反対に配置されてもよい。また、プラズモン励起層２０５の表面の一部を露出させ、その一部または全部に、プラズモン励起層２０５とは異なる材料によって形成された陰極が設けられてもよい。陰極、陽極としては、ＬＥＤ、有機ＥＬを構成する陰極、陽極が用いられてもよい。
【００９７】
また、図５は、本発明に係る発光素子２０の基本構成を示しており、発光素子２０を構成する各層の間に、例えばバッファ層や、更に別のホール輸送層、電子輸送層等の他の層が挿入される構成であってもよく、周知のＬＥＤ、有機ＥＬの構造を適用することができる。
【００９８】
また、発光素子２０は、陽極２０８が発光層２０３の発光波長に対して光透過性の材料で構成される場合には、陽極２０８の下面に、発光層２０３からの光を反射する反射層（不図示）が設けられてよい。この構成の場合、反射層としては、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜、誘電体多層膜などが挙げられる。
【００９９】
（実施形態３）
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６に、本実施形態のプロジェクタの構成を示す。図６（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６（ｂ）は、同プロジェクタの上面図である。
【０１００】
図６に示すように、本実施形態のプロジェクタ１００は、前記実施形態１の光学素子または前記実施形態２の発光素子の少なくとも一方を用いた３つの光源装置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。光源装置１ｒおよび液晶パネル５０２ｒと、光源装置１ｇおよび液晶パネル５０２ｇと、光源装置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。
【０１０１】
光源装置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。
【０１０２】
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。プロジェクタ１００は、前記実施形態１の光学素子または前記実施形態２の発光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。
【０１０３】
図６に示す本実施形態のプロジェクタ１００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、前述のプロジェクタ１００のみならず、液晶表示装置のバックライト、またはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）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。
【０１０４】
前述のように、本発明の発光素子は、高効率な高指向性放射を実現する。従って、本発明の発光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）、携帯電話、デジタルカメラ、または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。例えば、照明器具や、バックライトやＰＤＡ（Personal  Digital  Assistant）などの直視型表示装置に応用してもよい。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
（付記１）
発光層、プラズモン励起層、出射層および誘電体層を備え、
前記発光層は、励起子を生成して発光し、
前記プラズモン励起層は、前記発光層の上側に配置され、かつ、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し、
前記出射層は、前記プラズモン励起層の上側に配置され、かつ、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し、
前記誘電体層は、前記発光層の下側、および、前記発光層と前記プラズモン励起層との間の、少なくとも一方に配置され、
前記プラズモン励起層の下側部分よりも前記プラズモン励起層の上側部分の方が、表面プラズモンに対する実効誘電率の実部が高く、
前記プラズモン励起層の下側に隣接する層よりも、最下層の方が、前記発光層の発光周波数に対する誘電率が高く、
前記プラズモン励起層から前記出射層側への高指向性放射において、
表面プラズモン由来の高指向性放射の放射角をθout,sppとし、
光の導波路基本モード由来の高指向性放射の放射角をθout,lightとした場合に、
θout,sppとθout,lightとの差の絶対値が１０°未満である光学素子。
【０１０８】
（付記２）
さらに、正孔輸送層、電子輸送層および電極を備えた発光素子であり、
前記電極を介して外部から電流を注入可能であり、
前記正孔輸送層は、前記発光層の上下いずれか一方に配置され、
前記電子輸送層は、前記発光層の上下いずれか一方で、かつ、前記正孔輸送層と反対側に配置され、
前記発光層は、前記正孔輸送層から注入された正孔および前記電子輸送層から注入された電子の合体により励起子を生成して発光する、付記１記載の光学素子。
【０１０９】
（付記３）
前記表面プラズモンに対する実効誘電率（εｅｆｆ，ｓｐｐ）が下記式（１）で表され、
前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが下記式（２）で表され、かつ、
前記表面プラズモンの波数のｘおよびｙ成分ksppが下記式（３）で表される、付記１または２記載の光学素子。
【数１】
2014020954.tif 000016
【数２】
2014020954.tif 000017
【数３】
2014020954.tif 000018
前記式（１）〜（３）中、
εｅｆｆ，ｓｐｐは、前記表面プラズモンに対する実効誘電率であり、
ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、は、前記プラズモン励起層の下側または前記プラズモン励起層の上側の誘電体の誘電率分布であり、
ｘおよびｙは、前記プラズモン励起層の界面に平行な軸方向であり、ｚは、前記プラズモン励起層の界面に垂直な軸方向であり、
ωは、前記発光層から出射する光の角周波数であり、
積分範囲Ｄは、前記プラズモン励起層の下側または前記プラズモン励起層の上側の三次元座標の範囲であり、
kspp,zは、表面プラズモンの波数のｚ成分であり、Ｉｍ［  ］は、［  ］内の数値の虚部を示す記号であり、
ksppは、前記表面プラズモンの波数のｘおよびｙ成分であり、
k0は、真空中での光の波数であり、
εmetalは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部である。
【０１１０】
（付記４）
付記１から３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。
【０１１１】
（付記５）
さらに、前記光投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４記載の照明装置。
【０１１２】
（付記６）
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投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４または５記載の照明装置。
【０１１３】
（付記７）
付記１から３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。
【０１１４】
（付記８）
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７記載の画像表示装置。
【０１１５】
（付記９）
前記光学素子が、前記光投射部に対し、前記光投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７または８記載の画像表示装置。
【０１１６】
（付記１０）
付記１から３のいずれかに記載の光学素子の前記発光層に励起子を生成させ、生成された前記励起子のエネルギーを、前記光学素子内において表面プラズモン由来のモードと光の導波路モードに結合させた後，それぞれを光として放出させる、付記１から３のいずれかに記載の光学素子の作動方法。
【０１１７】
（付記１１）
前記光学素子が、付記２記載の光学素子であり、
前記電極を介して外部から前記光学素子に電流を注入し、
前記正孔輸送層から前記発光層に正孔を注入し、
前記電子輸送層から前記発光層に電子を注入し、
前記発光層で前記正孔および電子を合体させ、励起子を生成させて発光させる、付記１０記載の作動方法。
【０１１８】
（付記１２）
付記１０または１１記載の作動方法により、付記１から３のいずれかに記載の光学素子から光を放出させ、
前記光学素子から前記光投射部に前記光を入射させ、前記光投射部から光を出射させることにより、光を投射させる、付記４から６のいずれかに記載の照明装置の作動方法。
【０１１９】
（付記１３）
前記照明装置が、付記５記載の照明装置であり、
さらに、前記光投射部からの出射光により前記投射光学系に投射映像を投射させる、付記１２記載の作動方法。
【０１２０】
（付記１４）
付記１０または１１記載の作動方法により、付記１から３のいずれかに記載の光学素子から光を放出させ、
前記光学素子から前記画像表示部に前記光を入射させ、前記画像表示部から光が出射させることにより、画像を表示させる、付記７から９のいずれかに記載の画像表示装置の作動方法。
【０１２１】
（付記１５）
前記画像表示装置が、付記８記載の画像表示装置であり、
さらに、前記画像表示部からの出射光により前記投射光学系に投射映像を投射させる、付記１４記載の作動方法。
【０１２２】
この出願は、２０１２年７月３１日に出願された日本出願特願２０１２−１７０６８３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】
【０１２３】
１、１ｒ、１ｇ、１ｂ  光源装置
１０  光学素子
２０  発光素子
１００  ＬＥＤプロジェクタ（画像表示装置）
１０２、１０４、１０６、２０６  誘電体層
１０３、２０３  発光層
１０５  プラズモン励起層
２０５  プラズモン励起層（陰極）
１０７、２０７  波数ベクトル変換層（出射層）
２０２  正孔輸送層
２０４  電子輸送層
２０８  陽極
２０１ａ、２０１ｂ  発光素子
５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂ  液晶パネル
５０３  色合成光学素子
５０４  投射光学系
【図１】
2014020954.tif 000022
【図２】
2014020954.tif 000023
【図３】
2014020954.tif 000024
【図４Ａ】
2014020954.tif 000025
【図４Ｂ】
2014020954.tif 000026
【図５】
2014020954.tif 000027
【図６】
2014020954.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月19日(2015.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
そのため、発光素子と、発光素子からの光が入射する光学素子とを有する光源装置では、光学素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
前記表面プラズモンに対する実効誘電率εeff,sppは、下記式（４）、式（５）または式（６）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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
本発明者らは、表面プラズモンモードおよび導波路基本モードの光強度分布の差異に着目し、鋭意研究を重ねた結果、入射側部分のプラズモン励起層１０５近傍の発光波長に対する誘電率を低くし、入射側部分のプラズモン励起層１０５から離れた層の発光波長に対する誘電率を高くすることで、式（１２）が成り立つ条件が存在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。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
前述のように、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。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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
陽極２０８としては、例えばＩＴＯ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌや、それらを主要成分とする合金等の金属薄膜、ＩＴＯ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌのいずれかを含む多層膜が用いられる。また、陽極２０８として、ＬＥＤ、有機ＥＬを構成する陽極材料を同様に用いてもよい。発光素子２０の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、発光素子２０の基板側と波数ベクトル変換層２０７側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。
【国際調査報告】
2014020954.tif 000029
2014020954.tif 000030