(57)【要約】  高指向性かつ高直線偏光度な光を高効率に放射する光学素子を提供する。  表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層（１０４）と、プラズモン励起層（１０４）の上側に配置され、かつ、プラズモン励起層（１０４）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）とを備え、さらに、プラズモン励起層（１０４）と出射層（１０７）との間に、光学異方性層（１０５）を有し、光学異方性層１０５が、各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、
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する出射層とを備え、
さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、
前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。
【請求項２】
発光素子である請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記光学異方性層が、一軸性の光学異方性を有する請求項１または２記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学異方性層が、二軸性の光学異方性を有し、
前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜しており、かつ、
前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向である、請求項１または２記載の光学素子。
【請求項５】
さらに、前記出射層の上側に反射型偏光子を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子と、
光投射部と、
投射光学系とを含み、
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、光を投射可能であり、
前記投射光学系は、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する照明装置。
【請求項７】
請求項１から５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５のいずれか一項に記載の光学素子において、
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、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、
前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する、請求項１から５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、発光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、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、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、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、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。【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、特許文献２）。【０００７】
このような光学素子、発光素子は、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】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６４２３３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記特許文献１等に記載の光学素子および発光素子では、表面プラズモンの偏光がｐ偏光に限定されることから、１点からの出射光が軸対称偏光となる。一方、表示素子として、液晶表示素子を用いたプロジェクタ（液晶プロジェクタ）の場合は、ある直線偏光のみが透過可能である。つまり、表面プラズモンを用いた光源を液晶プロジェクタに用いる場合は、５０％の偏光損失が発生するという課題がある。【００１０】
本発明の目的は、高指向性かつ高直線偏光度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】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、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する出射層とを備え、さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子である。【００１２】
本発明の照明装置は、本発明の光学素子と、光投射部と、投射光学系とを含み、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、光を投射可能であり、前記投射光学系は、前記光投射部からの出射光により投射映像を投射する照明装置である。【００１３】
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。【００１４】
本発明の光学素子の作動方法は、本発明の光学素子において、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、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高指向性かつ高直線偏光度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】
【００１６】
【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斜視図である。
【図３】図３は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して光学異方性層中における座標の定義を示す概念図である。
【図４】図４は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して直線偏光変換効率の起き上がり角依存性を示す図である。
【図５】図５は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して最適光出射角の起き上がり角依存性を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して、光学異方性層の厚さを０〜５００μｍとした場合の直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を示す図である。図６（ｂ）は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して、光学異方性層の厚さを５００〜６５０ｎｍとした場合の直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を示す図である。
【図７】図７は、本発明の光学素子の一例（実施形態１）に対して、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の光学素子の一例（実施形態２）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】図９は、本発明の光学素子の一例（実施形態２）に対して、プラズモン励起層に波数ベクトル変換層側から光が入射する際の反射率の入射角依存性を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の光学素子の一例（実施形態３）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）は、本発明の画像表示装置（プロジェクタ）の一例（実施形態４）の構成を模式的に示す概略斜視図である。図１１（ｂ）は、本発明の画像表示装置（プロジェクタ）の一例（実施形態４）の構成を模式的に示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の光学素子、発光素子および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。
【００１８】
（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。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の光学素子１０は、発光層１０２と、発光層１０２上に積層された誘電体層１０３と、誘電体層１０３上に積層されたプラズモン励起層１０４と、プラズモン励起層１０４上に積層された光学異方性層１０５と、光学異方性層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。
【００２０】
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いる。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側に積層された構造全体と発光層１０２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１０３および発光層１０２が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０４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、光学異方性層１０５、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、誘電体層１０３および誘電体層１０６は、本発明において、必須の構成要素ではない。ただし、誘電体層１０３および誘電体層１０６を除いた構造において、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以上である場合には、誘電体層１０３および誘電体層１０６があることが好ましい。
【００２１】
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１０４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１０４の界面に平行な方向をｘ軸およびｙ軸、プラズモン励起層１０４の界面に垂直な方向（プラズモン励起層１０４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１０２単体を励起光で励起したとき、発光層１０２から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１０４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。
【００２２】
【数１】
2014020955.tif 000003
【００２３】
前記式（１）において、積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１０４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軸および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１０４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１０４と、プラズモン励起層１０４に隣接する、誘電性を有する層（誘電体層１０３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１０４の、誘電体層１０３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１０４の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層１０４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。
【００２４】
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およびｙ成分ksppは、プラズモン励起層１０４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。
【００２５】
【数２】
2014020955.tif 000004
【数３】
2014020955.tif 000005
【００２６】
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。
【００２７】
【数４】
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【数５】
2014020955.tif 000007
【数６】
2014020955.tif 000008
【００２８】
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およびｙ成分ksppのみ下記式（７）に示す通りとする。
【００２９】
【数７】
2014020955.tif 000009
【００３０】
光学素子１０では、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側表面から発光層１０２のプラズモン励起層１０４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。
【００３１】
【数８】
2014020955.tif 000010
【００３２】
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１０４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１０４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１０４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１０４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１０４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。
【００３３】
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、発光層１０２側から発光層１０２に入射する。このような構成により、発光層１０２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）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。
【００３４】
表面プラズモンモードが光学異方性層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。
【００３５】
【数９】
2014020955.tif 000011
【００３６】
表面プラズモンモードに起因する発光は原理的にｐ偏光であり、式（９）で表されるとおり、非常に高い指向性を持つ。本発明者らは、この光学的な著しい特異性に着目し、鋭意研究を重ねた結果、光学異方性媒体の光学軸（光学異方性媒体が持つ直交する３方向の独立な屈折率のうち、それらの間で最も差異の大きい屈折率を有する方向）をプラズモン励起層に対して垂直な方向から傾けることで、軸対称偏光した光を放出する素子から直線偏光度の高い光が得られることを見出した。この知見は、本発明者らが初めて見出したものである。
【００３７】
軸対称偏光が光学異方性層１０５によって直線偏光化される原理を以下に説明する。光学異方性に光が入射すると、光は異常光と常光に分離される。異常光と常光では位相速度が異なるため、光学異方性層１０５を透過した光には位相差が与えられ、結果、出射光の偏光が回転させられる。一光学異方性層１０５において、光が異常光と常光に分離されるためには、偏光の光学軸への射影が光学軸と平行な成分と垂直な成分を持つ必要がある。つまり、偏光の光学軸への射影が方位角依存性を持つように光学異方性層１０５の光学軸を配置し、その厚さを直線偏光度が高くなる厚さとすることで、光学異方性層１０５が方位角依存性のある１／２波長板として機能するため、光学異方性層１０５を透過した指向性の高い軸対称偏光は直線偏光度の高い光に変換される。なお、本発明において、前記光学異方性層は、一軸性の光学異方性を有する層でも良いが、二軸性の光学異方性を有し、前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜していることが好ましい。また、前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向であることがより好ましい。なお、前記光学異方性層において、「主軸」は、誘電率テンソルを対角化するような座標系を構成する軸をいい、「主屈折率」は、前記主軸に付随した屈折率をいう。
【００３８】
発光素子２０１ａおよび２０１ｂは、発光層１０２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、励起光が発光層１０２を透過して誘電体層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。
【００３９】
発光層１０２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１０２は、例えば、発光体を含む。発光層１０２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１０２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。
【００４０】
発光層１０２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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
前記光透過性部材は、発光層１０２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１０２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１０２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。
【００５９】
発光層１０２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１０２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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
プラズモン励起層１０４は、発光層１０２単体を励起光で励起したときに発光層１０２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１０４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１０４の発光層１０２側に、プラズモン励起層１０４の発光層１０２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。
【００６３】
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１０４の誘電率の実部との和が、負または０の場合、発光層１０２で生成された励起子は、プラズモン励起層１０４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１０４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１０４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１０２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１０４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１０４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１０４を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１０４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１０４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。
【００６４】
プラズモン励起層１０４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１０４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。
【００６５】
プラズモン励起層１０４の発光層１０２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。
【００６６】
誘電体層１０３は、誘電体を含む層であり、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や、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１０３の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満が好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以上５０ｎｍ未満の範囲である。
【００６７】
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。
【００６８】
波数ベクトル変換層１０７は、プラズモン励起層１０４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１０４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。
【００６９】
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。
【００７０】
光学素子１０では、プラズモン励起層１０４の発光層１０２側表面から発光層１０２のプラズモン励起層１０４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１０２中に生成される励起子とプラズモン励起層１０４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１０２中の励起子が生成される位置（例えば、発光層１０２中の蛍光体が存在する位置）から、プラズモン励起層１０４の発光層１０２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１０２は、プラズモン励起層１０４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１０２は、プラズモン励起層１０４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１０３の厚みを１０ｎｍ、発光層１０２の厚みを９０ｎｍとする。光取り出し効率の観点からは、発光層１０２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１０２は厚いほど好ましい。したがって、発光層１０２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１０２とプラズモン励起層１０４との間に配置される誘電体層１０３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。
【００７１】
図３に光学異方性層１０５中における座標の定義を示す。各層の界面に平行な方向をｘ軸およびｙ軸とし、垂直な方向をｚ軸とし、ｚ軸とプラズモン励起層１０４から出射する光の常光成分の放射方向とのなす角を出射角θｉ、光学異方性層の光学軸とｘｙ平面とのなす角を起き上がり角θｐとする。
【００７２】
光学異方性層１０５は、光学軸の起き上がり角が０＜θｐ＜９０の範囲に設定されており、その厚さは直線偏光の得られる量が最大となるように設定されている。光学異方性層１０５は、１軸性光学異方性媒体、２軸性光学異方性媒体のいずれで構成されていてもよい。ただし、効率の観点からは１軸性光学異方性媒体が用いられることが望ましい。２軸性光学異方性媒体が用いられる場合は、１軸性光学異方性媒体に近いほど好ましい。具体的には、直交する独立な屈折率のうち、２つが非常に近い値であり、１つがそれらの差よりも大きな差をもつ。光学異方性層１０５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光学異方性を光学異方性層１０５が備える場合には、光学異方性層１０５は例えば、誘電体の斜め蒸着膜、斜めスパッタ膜等で構成されている。光学異方性層１０５が構造に起因して光学異方性を有する場合は、如何なる構成材料であっても用いることもできる。
【００７３】
光学異方性層１０５の条件を詳細に検討するために、直線偏光変換効率の起き上がり角依存性、最適光出射角の起き上がり角依存性、直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性をジョーンズ計算法によるシミュレーションで評価した。
【００７４】
シミュレーションでは、光学異方性層１０５を１軸性光学異方性媒体とし、光学異方性層１０５の下面からｐ偏光の軸対称偏光が入射したと仮定し、光学異方性層１０５の上面に到達したときの直線偏光変換効率を計算した。ここで、直線偏光変換効率は、特定の光出射角θｉに対して全方位角に渡って計算されたｘ軸に沿う偏光の割合の平均値である。全計算において、出射光の波長を５３０ｎｍ、光学異方性層１０５の常光屈折率を２．６７とした。
【００７５】
直線偏光変換効率の起き上がり角依存性の計算では、異常光屈折率を２．９８とし、光学異方性層の厚さと光出射角θｉを変数としたときの直線偏光変換効率の最大値を起き上がり角θｐごとに計算した。最適光出射角の起き上がり角依存性の計算では、異常光屈折率を２．９８とし、光学異方性層１０５の厚さと光出射角θｉを変数としたときの直線偏光変換効率の最大値を与える光出射角θｉを起き上がり角θｐごとに計算した。直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性では、異常光屈折率を２．９８、光出射角θｉを６０°、起き上がり角θｐを４５°とし、直線偏光変換効率の厚さの依存性を計算した。直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性の計算では、光出射角θｉを３０°、起き上がり角θｐを６５°とし、直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を計算した。
【００７６】
直線偏光変換効率の起き上がり角依存性を図４に示す。起き上がり角が４０°から７０°の範囲において８０％以上の直線変換効率が得られた。
【００７７】
最適光出射角の起き上がり角依存性を図５に示す。起き上がり角と最適光出射角との間には線形性があった。起き上がり角が４０°から７０°の範囲において８０％以上の直線変換効率が得られたことから、θｉ出射角として好ましいのは２０°から６５°である。
【００７８】
直線偏光変換効率の光学異方性層厚さ依存性を図６に示す。図６（ａ）は光学異方性層１０５の厚さを０〜５００μｍとした場合の結果、図６（ｂ）は光学異方性層１０５の厚さを５００〜６５０nｍとした場合の結果である。図中の曲線は、得られた直線偏光変換効率の最大値を示している。いずれの厚さにおいても直線変換効率が５０％を上回っており、直線偏光取り出し効率が、光学異方性層１０５を挿入しない条件と比較して向上した。最大値は光学異方性層１０５の厚さが５７０ｎｍのときで、８３．４％であった。
【００７９】
直線偏光変換効率の異常光屈折率依存性を図７に示す。図示のとおり、常光屈折率と異常光屈折率の差が小さいほど、直線偏光変換効率が高くなった。
【００８０】
以上から、光学異方性層１０５の厚さや起き上がり角はプラズモン励起層１０４からの光出射角に対して、最適値を持つように設計すればよいことが明らかとなった。また、光学異方性層１０５の常光屈折率と異常光屈折率の差が小さいことが効率の観点からは望ましい。作用の観点からは、光学異方性層１０５と誘電体層１０６の上下関係は逆でもよい。
【００８１】
以上のように、光学異方性層１０５の挿入によって、光学素子１０では直線偏光度の高い光を取り出すことが可能である。本発明によれば、直線偏光度の高い高指向性放射により、例えば、直線偏光度の高く高輝度な光を放射する光学素子を実現できる。
【００８２】
（実施形態２）
図８の斜視図に、本実施形態の別の光学素子の構成を示す。本実施形態の光学素子５０は、反射型偏光子２１０が光学素子１０の外部に取り付けられている点のみが実施形態１とは異なっている。
【００８３】
図９にプラズモン励起層１０４に波数ベクトル変換層１０７側から光が入射する際の反射率の入射角依存性を示す。凡例のＲｓおよびＲｐはそれぞれｓ偏光、ｐ偏光に対する結果であることを示している。４０°付近が表面プラズモンモードに起因する発光の出射角に相当する。つまり、反射型偏光子で反射された光はこの角度で再度プラズモン励起層１０４に入射する。このときの反射率は５０％以上あることから、プラズモン励起層１０４と反射型偏光子２１０との間を何度も往復することによって、取り出される直線偏光の量を更に増加させることができる。
【００８４】
（実施形態３）
図１０の斜視図に、本実施形態の発光素子２０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点が異なっている。図１０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上に積層された光学異方性層２０６と、光学異方性層２０６上に積層された波数ベクトル変換層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。
【００８５】
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実施形態１と同様である。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
プラズモン励起層２０５は、プラズモン励起層１０４と同様である。
【００９１】
光学異方性層２０６は、光学異方性層１０５と同様である。ただし、光学異方性層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ためである。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
また、図１０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。
【００９５】
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。
【００９６】
（実施形態４）
本実施形態の画像表示装置は、３板式の投射型表示装置（プロジェクタ）の一例である。図１１に、本実施形態のプロジェクタの構成を示す。図１１（ａ）は、本実施形態のプロジェクタの概略斜視図であり、図１１（ｂ）は、同プロジェクタの上面図である。
【００９７】
図１１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ないし３のいずれかの光学素子または発光素子を組み合わせた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。
【００９８】
光源装置１ｒ、１ｇ、１ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、および青（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。
【００９９】
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から３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。
【０１００】
図１１に示す本実施形態のプロジェクタは、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、前述のプロジェクタのみならず、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。
【０１０１】
前述のように、本発明の光学素子および発光素子は、高効率な高指向性放射を実現する。従って、本発明の光学素子または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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
（付記１）
表面プラズモンを励起可能なプラズモン励起層と、
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する出射層とを備え、
さらに、前記プラズモン励起層と前記出射層との間に、光学異方性層を有し、
前記光学異方性層が、前記各層の積層方向に対し傾斜している光学軸を少なくとも一本有する、光学素子。
【０１０５】
（付記２）
発光素子である付記１記載の光学素子。
【０１０６】
（付記３）
前記光学異方性層が、一軸性の光学異方性を有する付記１または２記載の光学素子。
【０１０７】
（付記４）
前記光学異方性層が、二軸性の光学異方性を有し、
前記光学異方性層が有する二本の光学軸のうち少なくとも一本が、前記各層の積層方向に対し傾斜している付記１または２記載の光学素子。
【０１０８】
（付記５）
前記光学異方性層の主軸のうち、他の主軸に対する主屈折率の差異が最も大きい主軸の方向が、前記各層の積層方向に対し傾斜している前記光学軸の方向である、付記４記載の光学素子。
【０１０９】
（付記６）
さらに、前記出射層の上側に反射型偏光子を有する付記１から５のいずれかに記載の光学素子。
【０１１０】
（付記７）
付記１から６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８）
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７記載の照明装置。
【０１１２】
（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記載の照明装置。
【０１１３】
（付記１０）
付記１から６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１１）
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１０記載の画像表示装置。
【０１１５】
（付記１２）
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１０または１１記載の画像表示装置。
【０１１６】
（付記１３）
付記１から６のいずれかに記載の光学素子において、
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、前記光学異方性層により、前記光または表面プラズモンよりも直線偏光度の高い光または表面プラズモンに変換し、
前記直線偏光度の高い光または表面プラズモンを、前記出射層により、所定の出射角の光に変換して出射する、付記１から６のいずれかに記載の光学素子の作動方法。
【０１１７】
（付記１４）
付記１３記載の作動方法により、付記１から６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７から９のいずれかに記載の照明装置の作動方法。
【０１１８】
（付記１５）
前記照明装置が、付記８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１４記載の作動方法。
【０１１９】
（付記１６）
付記１３記載の作動方法により、付記１から６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１０から１２のいずれかに記載の画像表示装置の作動方法。
【０１２０】
（付記１７）
前記画像表示装置が、付記１１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１６記載の作動方法。
【０１２１】
この出願は、２０１２年７月３１日に出願された日本出願特願２０１２−１７０６８４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】
【０１２２】
１、１ｒ、１ｇ、１ｂ  光源装置
１０、５０  光学素子
２０  発光素子
１００  ＬＥＤプロジェクタ（画像表示装置）
１０２、２０３  発光層
１０３、１０６  誘電体層
１０４、２０５  プラズモン励起層
１０５、２０６  光学異方性層
１０７、２０７  波数ベクトル変換層
２０１ａ、２０１ｂ  発光素子
２０２  ホール輸送層
２０４  電子輸送層
２１０  反射型偏光子
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３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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