(57)【要約】  ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際にエテンデューが増大するという問題を解決できる光学素子を提供する。  導光層２１から入射した光のうち、特定の偏光成分により第１表面プラズモンを励起する第１プラズモン励起層２４は、導光層２１との界面内の第１方向に延伸され、第１方向と直交する第２方向に交互に周期的に配置された金属部３１および誘電体部３２を有する。また、第１表面プラズモンに応じた第２表面プラズモンを励起し、第２表面プラズモンから特定の偏光成分を有する光を発生させる第２プラズモン励起層２５は、第１方向に延伸され、金属部４１および誘電体部４２と同じ周期で第２方向に交互に周期的に配置された金属部４１および誘電体部４２を有する。
2013021766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝播する第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の上に設けられた第１プラズモン励起層と、
前記第１プラズモン励起層の上に設けられた第２プラズモン励起層と、
前記第２プラズモン励起層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
前記第１プラズモン励起層は、前記第１誘電体層との界面内における第１方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１方向と直交する第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部を有し、
前記第２プラズモン励起層は、前記第１方向に延伸され、前記第１金属部および前記第１誘電体部と同じ周期で、かつ半周期ずれて前記第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部を有する、光学素子。
【請求項２】
前記第２誘電体部は、前記第１誘電体層の誘電率と同じ誘電率を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１金属部および前記第２金属部が、Ａｇからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の周期および前記第２の周期が、２１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられた反射層をさらに有する、請求項１乃至４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１プラズモン励起層と前記反射層との間に挿入された、入射した光の偏光状態を変える位相変換層をさらに有することを特徴とする、請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子に光を出射する光源と、を有する照明装置。
【請求項８】
請求項７に記載の照明装置と、前記照明装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記記光学素子における前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられ、光を前記第１誘電体層に出射する発光層と、を有する光源。
【請求項１０】
請求項９に記載の光源と、
前記光源から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、照明装置および投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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の出射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。【０００３】
上記のプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源の出射光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源の出射光が効率良く投射光として利用されるためには、光源の発光面積と放射角との積で求められるエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にする必要がある。【０００４】
また、上記のプロジェクタでは、変調素子として液晶パネルなどの偏光依存性を有するものが使用されることがある。この場合、ＬＥＤの出射光はランダム偏光なので、光源の出射光を効率良く投射光として利用するためには、ランダム偏光が特定の偏光状態に変換される必要がある。【０００５】
ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する技術としては、特許文献１に記載の平面照明装置がある。平面照明装置は、導光板と、導光板の下面に設けられた階段状のマイクロプリズムと、導光板の上面に設けられた偏光分離膜と、偏光分離膜の上面に設けられた上面カバーとを備える。また、偏光分離膜は、第１の低屈折率透明媒質と第２の低屈折率透明媒質とで金属薄膜を挟んだ構成を有する。  
上記の平面照明装置では、光源からの光が導光板に入射され、マイクロプリズムにて角度変換されながら導光板の内部を伝播する。そして、導光板と第１の低屈折率透明媒質との境界である第１の境界で光が全反射すると、そのときに生じるエバネッセント波によって表面プラズモンが金属薄膜に励起される。金属薄膜に表面プラズモンが励起されると、第２の低屈折率透明媒質と上面カバーとの境界である第２の境界において、表面プラズモンの励起過程と逆の過程が生じ、その第２の境界で光が発生し、上面カバーを介して出射される。【０００６】
また、第１の境界に入射される光のうち表面プラズモンを励起する光は、電界成分が第１の境界に平行なＴＭ偏光のみである。このため、第２の境界で発生する光は、表面プラズモンの励起過程と逆の過程によって生じるものなので、表面プラズモンを励起する光と同じＴＭ偏光となる。したがって、平面照明装置はランダム偏光を特定の偏光状態に変換して出射することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許４１５４４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の平面照明装置では、マイクロプリズムにて光の角度変換が行われるので、導光板内の光は、様々な方向に伝播され、第１の境界に様々な方向から入射することになる。この場合、金属薄膜に様々な方向に伝播する表面プラズモンが生じ、第２の境界で発生する光も様々な方向に出射される。このため、エテンデューが増大し、光源の出射光を効率良く投射光として利用することができない。【０００９】
本発明の目的は、上記の課題である、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する際にエテンデューが増大するという問題を解決できる光学素子、光源、照明装置および投射型画像表示装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による光学素子は、光を伝播する第１誘電体層と、前記第１誘電体層に設けられ、前記第１誘電体層から入射した光のうち、特定の偏光成分により第１表面プラズモンを励起する第１プラズモン励起層と、前記第１プラズモン励起層に設けられ、前記第１表面プラズモンに応じた第２表面プラズモンを励起し、前記第２表面プラズモンから前記特定の偏光成分を有する光を発生させる第２プラズモン励起層と、前記第２プラズモン励起層に設けられ、前記第２プラズモン励起層で発生された光を出射する第２誘電体層と、を有し、前記第１プラズモン励起層は、前記第１誘電体層との界面内の第１方向に延伸され、前記第１方向と直交する第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部を有し、前記第２プラズモン励起層は、前記第１方向に延伸され、前記第１金属部および前記第１誘電体部と同じ周期で前記第２方向に沿って配置された第２金属部および第２誘電体部を有する。【００１１】
本発明の照明装置は、前記光学素子と、前記光学素子に光を出射する光源と、を有する。【００１２】
本発明の第１の投射型画像表示装置は、前記照明装置を有する。【００１３】
本発明の光源は、前記光学素子と、前記光学素子における前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられ、光を前記第１誘電体層に出射する発光層と、を有する。【００１４】
本発明の第２の投射型画像表示装置は、前記光源を有する投射型画像表示装置
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、エテンデューを増大させることなく、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の照明装置の動作を説明するための説明図である。
【図４】第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層の形状例を示す断面図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本発明の第４の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。
【図８】第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層の他の例を示す断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態の照明装置を模式的に示す上面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態のプロジェクタの構成の他の例を示す配置図である。
【図１３】本発明の第８の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。
【図１４】本発明の第９の実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態のプロジェクタの構成の他の例を示す配置図である。
【図１６】本発明の第１の実施例の照明装置の動作の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
［第１の実施形態］
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。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の照明装置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する光学素子２とを有する。
【００２０】
光源１は、光学素子２の外周部に配置され、光学素子２にランダム偏光を出射する。なお、図１では、光源１は、光学素子２から離れた位置に配置されているが、光学素子２と接触するように配置されてもよいし、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。
【００２１】
光学素子２は、導光層２１と、λ／４層２２と、拡散ミラー層２３と、第１プラズモン励起層２４と、第２プラズモン励起層２５と、カバー層２６を有する。
【００２２】
本発明の導光層、カバー層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。また、本発明の実施形態の導光層は、可視光に対して後述する特定の屈折率を有する。
【００２３】
導光層２１は、導光層２１の側面に光源１が設けられる。導光層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。導光層２１は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。なお、導光層２１の屈折率は、１．４６程度以上１．５０程度以下に限定されない。より詳細には、後述する第１プラズモン励起層において、光からプラズモンへの変換過程が生じ、第２プラズモン励起層において、プラズモンから光への変換過程が生じ、その生じた光がカバー層２６内を伝播して光学素子２の外部へ取り出されれば良い。なお、導光層２１の厚みは、光の波長程度以上あればよく、目安として０．５ｍｍ程度であれば問題なく機能する。ただし、導光層２１の厚みには、特に限定を加えない。導光層２１は、第１誘電体層に相当する。なお、導光層２１の形状は、本実施形態では平板状とされているが、実際には平板状に限定されるものではない。
【００２４】
なお、以下では、導光層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。また、偏光方向がＹ方向に垂直な直線偏光をＴＭ偏光とし、偏光方向がＹ方向に平行な直線偏光をＴＥ偏光とする。
【００２５】
本発明のλ／４層は、少なくとも可視光を透過する透明な材料からなり、光を伝播する媒質となる。
【００２６】
λ／４層２２は、導光層２１の下面に設けられ、λ／４層２２に入射した光の偏光方向を変換する。λ／４層２２は、光学軸がｘｙ面内に存在し、透過する光のλ／４層２２の光学軸に平行な方向の成分と垂直な方向の成分に位相差を与える。より具体的には、λ／４層２２は、互いに直角な方向に振動する直線偏光の間にその光の１／４波長の位相差を生じさせることで、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変換し、円偏光（楕円偏光）を直線偏光に変換する位相差板である。λ／４層２２は位相変換層に相当する。
【００２７】
本発明の拡散ミラー層は、少なくとも可視光を反射する材料からなる。
【００２８】
拡散ミラー層２３は、λ／４層２２の下面に設けられ、入射した光を反射する。より具体的には、拡散ミラー層２３は、入射した光を拡散反射する。拡散ミラー層２３は、反射層に相当する。
【００２９】
第１プラズモン励起層２４は、導光層２１のλ／４層２２が設けられた面の反対側の面である上面に設けられ、導光層２１を伝播するランダム偏光のうち、導光層２１から所定の入射角度で入射する特定の偏光成分であるＴＭ偏光によって表面プラズモンを励起する。
第１プラズモン励起層２４は、第１プラズモン励起層に相当する。
【００３０】
第２プラズモン励起層２５は、第１プラズモン励起層２４の上面に設けられ、第１プラズモン励起層２４で励起された表面プラズモンと同じ表面プラズモンを励起し、その励起した表面プラズモンから、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起させた光と同じ偏光成分を有する光を発生させる。第２プラズモン励起層２５は、第２プラズモン励起層に相当する。
なお、第２プラズモン励起層２５は、第１プラズモン励起層２４で励起された表面プラズモンと必ずしも同じ表面プラズモンを励起しなくてもよく、例えば、数１の条件で表される表面プラズモンを励起してもよい。
【００３１】
【数１】
2013021766.tif 000003
ここで、ｋ２、ｘは第２プラズモン励起層２５で励起される表面プラズモンのＸ方向の波数を示し、ｋ１、ｘは第１プラズモン励起層２４で励起される表面プラズモンのＸ方向の波数を示し、Λは第２プラズモン励起層２５の後述する金属部または誘電体部の格子状数（周期）を示し、ｍは整数を示す。
【００３２】
カバー層２６は、第２プラズモン励起層２５の上面に設けられる。カバー層２６は、例えば、可視光に対して、屈折率が１．４６程度以上１．５０程度以下の誘電体で形成される。例としては、石英ガラス、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などのアクリル樹脂である。  カバー層２６の誘電率は、導光層２１の誘電率と同じである。なお、カバー層２６の誘電率と導光層２１の誘電率は必ずしも同じでなくでもよく、異なっていてもよい。より詳細には、第１プラズモン励起層２４において励起された表面プラズモンから、第２プラズモン励起層２５において光を発生させる変換効率は、カバー層２６の誘電率と導光層２１の誘電率が同じときに、最も高くなり、両者の誘電率の差が大きくなるほど下がるが、この変換効率が０にならない程度に、カバー層２６の誘電率と導光層２１の誘電率と間に差があってもよい。カバー層２６は、第２誘電体層に相当する。
【００３３】
カバー層２６の上面には、第２プラズモン励起層２５で発生した光を所定の方向に回折して出射する回折部２７が形成されている。回折部２７は、本実施形態では、第１方向であるＹ方向に延伸された凸部が第１方向とは異なる第２方向であるＸ方向に周期的に配置された凹凸構造であるとしている。
【００３４】
次に第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５についてより詳細に説明する。
【００３５】
図２は、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５をより詳細に説明するための図であり、光学素子２のＸ軸に沿った断面の一部分が示されている。
【００３６】
図２に示すように、第１プラズモン励起層２４では、導光層２１および第１プラズモン励起層２４の界面内の第１方向であるＹ方向に延伸された金属部３１および誘電体部３２が第１方向と異なる第２方向であるＸ方向に、交互に周期的に配置されている。このような構成を有することにより、第１プラズモン励起層２４は、光を回折する回折格子として機能する。
【００３７】
なお、誘電体部３２は、導光層２１と同じ誘電率を有する透明誘電体で形成されることが望ましく、さらには、誘電体部３２および導光層２１は一体成形されることが望ましい。このようにすることで、誘電率の異なる境界におけるフレネル反射を低減させることができ、効率よく光を透過させることができる。
【００３８】
第２プラズモン励起層２５は、第１プラズモン励起層２４と同じ光学特性を有する。つまり、第２プラズモン励起層２５は、Ｙ方向に延伸された金属部４１および誘電体部４２がＸ方向に交互に周期的に配置されている。このため、第２プラズモン励起層２５も、第１プラズモン励起層２４と同様に、回折格子として機能する。
【００３９】
第１プラズモン励起層２４の金属部３１および誘電体部３２と、第１プラズモン励起層２５の金属部４１および誘電体部４２とは、Ｘ方向において互いに同じ周期であり、Ｘ方向において半周期分ずれて配置される。つまり、金属部３１の上に誘電体部４２が形成され、誘電体部３２の上に金属部４１が形成されている。なお、第１プラズモン励起層２４の金属部３１および誘電体部３２と、第１プラズモン励起層２５の金属部４１および誘電体部４２との配置のずれは、必ずしも半周期でなくともよい。より詳細には、この配置のずれが半周期±αとすると、αが大きいほど、特にＴＥ偏光の透過率が高くなるので、光学素子２におけるＴＭ偏光の透過率に対するＴＥ偏光の透過率の割合で決定される消光比が低くなる。しかしながら、消光比が光学素子２にとって十分な値となる程度に、配置のずれが半周期からずれてもよい。金属部３１と誘電体部３２の周期と、金属部３２と誘電体部４２の周期は、２１０ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下である。より好ましくは３００ｎｍ程度である。なお、金属部３１と誘電体部３２の周期と、金属部３２と誘電体部４２の周期は、２１０ｎｍ程度以上６００ｎｍ程度以下に限定されず、異なっても良い。より詳細には、後述する導光層２１内の光が、第１プラズモン励起層２４でプラズモンを励起し、そのエネルギーが第２プラズモン励起層へ到達して、カバー層２６で光として取り出される程度に異なっても良い。なお、金属部３１および誘電体部３２の厚みと、金属部４１および誘電体部４２の厚みは、１００ｎｍ程度以下である。より好ましくは６０ｎｍ程度である。なお、金属部３１および誘電体部３２の厚みと、金属部４１および誘電体部４２の厚みは、１００ｎｍ程度以下に限定されない。
【００４０】
誘電体部４２は、カバー層２６と同じ誘電率を有する透明誘電体で形成されることが望ましく、さらには、誘電体部４２およびカバー層２６は一体成形されることが望ましい。これは、導光層２１と誘電体部３２との関係と等しく、誘電率の異なる境界におけるフレネル反射を低減させることができ、効率よく光を透過させることができるからである。
【００４１】
また、金属部３１および４１は、可視光でプラズモンを励起可能な金属で形成される。例えば、Ａｇ、ＡｌまたはＡｕである。
【００４２】
光学素子２は、例えば、以下のような手順で製造することができる。
【００４３】
先ず、ガラスやＰＭＭＡの上面に、ＦＩＢ（Focused  Ion  Beam）加工、エッチング、ナノインプリント等の微細加工プロセスによって１次元の凹凸（ラインアンドスペース）を設けることで、ガラス基板を導光層２１として形成するとともに、ガラス上面の凸部を誘電体部３２として形成する。その後、Ａｇをスパッタ等の蒸着法でガラス上面に堆積することで、ガラスの凹凸を反映した層を金属部３１、４１として形成する。そして、ＰＭＭＡなどを金属部３１、４１に堆積することで周期構造を誘電体部４２として形成し、最上面をカバー層２６として形成する。なお、光学素子２の製造方法は、ＦＩＢ加工、エッチング、ナノインプリント等の微細加工プロセス、スパッタ等の蒸着法に限定されない。
【００４４】
次に、表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が発生される原理について説明する。
【００４５】
表面プラズモンは、金属と誘電体の界面を伝播する電子の集団の疎密波である。表面プラズモンの波数と角周波数の関係である分散関係は、界面の金属および誘電体の誘電率から決定される。表面プラズモンの分散関係が誘電体中を伝播する光の分散関係と一致するときに、すなわち、誘電体中の光の波数が表面プラズモンの波数と等しくなるときに、その光によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、金属と誘電体との界面が平坦な場合、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係は通常一致しないため、単に光を誘電体から金属に入射しただけでは表面プラズモンは励起されない。
【００４６】
したがって、表面プラズモンを励起させるためには、誘電体中の光の分散関係を変化させて、表面プラズモンの分散関係と誘電体中の光の分散関係とを一致させる必要がある。
【００４７】
光の分散関係を変化させて表面プラズモンを励起させる方法としては、金属と誘電体との界面に回折格子（グレーティング）を設けるグレーティング結合法が知られている。グレーティング結合法では、回折格子に所定の入射角度で光が入射されると、その回折格子にて回折された回折光の分散関係と表面プラズモンの分散関係とが一致し、誘電体と金属との界面に表面プラズモンが励起される。
【００４８】
また、表面プラズモンが疎密波であることに起因して、ある特定の方向に伝搬する表面プラズモンを励起する入射光は、電界成分がその特定の方向に平行な直線偏光の光のみである。したがって、図２に示したように、金属部３１および誘電体部３２を交互に周期的に配置することで、導光層２１と金属部３１の界面に表面プラズモンを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、第１プラズモン励起層２４に対して所定の入射角度を有する直線偏光に制限することが可能になる。
【００４９】
第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンが励起されると、励起された表面プラズモンのエネルギーが第２プラズモン励起層２５の金属部４１に伝わり、第２プラズモン励起層２４の金属部４１およびカバー層２６との界面に、励起された表面プラズモンと同じプラズモンが励起される。そして、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じ、第２プラズモン励起層２５から光が出射されることとなる。これは、回折格子である第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層が同じ構造を有し、かつ、導光層２１およびカバー層２６が同じ誘電率を有しているので、導光層２１内の光の分散関係と、カバー層２６内の光の分散関係とが一致するためである。
【００５０】
また、第２プラズモン励起層２５から出射される出射光は、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じたものであるため、表面プラズモンを励起した光と同じ光、つまり、Ｘ方向に電界成分を有するＴＭ偏光となる。このとき、第２プラズモン励起層２５から出射される出射光の出射角度も、表面プラズモンを励起する光の入射角度と同じになる。
【００５１】
このように、本実施形態では、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５を光学的に同じ構成とすることで、第１プラズモン励起層２４に入射したＴＭ偏光と同じ光を第２プラズモン励起層２５から出射することが可能となる。
【００５２】
なお、Ｘ方向以外の伝搬成分を有する光が第１プラズモン励起層２４に入射した場合でも、その光をＺＸ平面に射影した射影光の入射角度が表面プラズモンの励起条件を満たす角度であれば、Ｘ方向に平行な偏光成分によって表面プラズモンが励起される。しかしながら、この場合でも、表面プラズモンの伝搬方向はＸ方向に制限されるため、第２プラズモン励起層２５から出射される光は、Ｘ方向に電界成分を有するＴＭ偏光となる。
【００５３】
次に照明装置１０の動作について説明する。
【００５４】
図３は、照明装置１０の動作を説明するための説明図であり、照明装置１０をＸＺ平面で切った断面を示す。
【００５５】
光源１からランダム偏光が出射されると、そのランダム偏光は、光学素子２の導光層２１に入射し、導光層２１の内部を伝播する。
【００５６】
導光層２１の内部を伝搬するランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たす角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光が、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起する（図中矢印Ａ参照）。このとき、第２プラズモン励起層２５では、上記の表面プラズモンと同じ表面プラズモンが励起され（図中矢印Ｂ参照）、その表面プラズモンから光が生成される。この光は、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、入射角度θ１と同じ角度で出射される（図中矢印Ｃ参照）。
【００５７】
一方、第１プラズモン励起層２４に入射したランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たさない光（例えば、ＴＥ偏光や、入射角度θ１と異なる入射角度θ２で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光）は、第１プラズモン励起層２４において単に反射または回折されるだけで、表面プラズモンを励起しない。この光は、λ／４層２２を介して拡散ミラー層２３で反射され、さらにλ／４層２２を介して第１プラズモン励起層２４に再び入射する。光がこのような反射を繰り返す間に、λ／４層２２による偏光変換や拡散ミラー層２３による角度変換が行われる。そして、光が角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光になると、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起させる。
【００５８】
表面プラズモンを励起するＴＭ偏光としては、ＺＸ平面内で多重反射しながら＋Ｘ方向に伝搬して入射角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射する場合と、ＺＸ平面内で多重反射しながら−Ｘ方向に伝搬して入射角度−θ１で第１プラズモン励起層２４に入射する場合とがある。そのため、第２プラズモン励起層２５で発生されるＴＭ偏光の出射方向も２つとなる。この出射方向の異なる光は、カバー層２６に形成された回折部２７によって回折されて、所定の方向（本実施形態では出射面に垂直な方向、図中矢印Ｄ、Ｄ’参照）に出射されることになる。
【００５９】
なお、本実施形態の回折部２７は、回折格子である第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５と同一構造を有しているが、これは、第２プラズモン励起層２５から２つの出射角度θ１および−θ１で出射する光を所定の方向に回折するためである。そのため、回折部２７は、Ｙ方向に延伸された凸部がＸ方向に周期的に配置されていれば、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５と同じ構造を有している必要はなく、その構造体の形状や構造体間の間隔は、回折部２７への入射角度や所望する出射角度に応じて適宜変更可能である。
【００６０】
また、表面プラズモンを励起させるための回折格子である第１プラズモン励起層２５において、光の分散関係を変化させるパラメータは格子定数（ピッチ）である。このため、第１プラズモン励起層２５の構成は、図２で示した構成に限定されない。つまり、第１プラズモン励起層２５における金属部３１の断面形状は適宜変更可能である。
【００６１】
図４は、第１プラズモン励起層２４の金属部３１の形状例を示す断面図であり、第１プラズモン励起層２４をＺＸ平面で切った断面形状を示している。図４で示したように、金属部３１の断面形状としては、矩形波状（図４（ａ）参照）、階段状（図４（ｂ）参照）、正弦波状（図４（ｃ）参照）および二等辺三角形状（図４（ｄ）参照）などが挙げられる。このような断面形状は、金属部３１のＸ方向と直交する（Ｚ方向に平行な）中心線に対して線対称である。
【００６２】
なお、図１および図２では、図４（ａ）に示す矩形波状の断面を有する金属部３１が示されている。また、第２プラズモン励起層の金属部４１は、金属部３１と同じ構造なので、金属部４１の断面形状も金属部３１の断面形状と同じになる。また、誘電体部３２および４２の断面形状も金属部３１の断面形状と同じであるとする。
【００６３】
また、２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されると、表面プラズモンに複数のモードが生じる。この場合、第２プラズモン励起層２５において、表面プラズモンの各モードに対応する複数の方向のそれぞれに出射される光が生じ、照明装置１０からの出射光の放射角度が広くなり、照明装置１０のエテンデューが増加する。このため、１次回折光の回折効率を向上させて、２次以上の回折効率を下げることで、照明装置１０の出射光の利用効率を向上させることができる。
【００６４】
例えば、第１および第２プラズモン励起層の格子状数（周期）を入射光の波長に対して、２次以上の回折が生じない程度に、短くすることが望ましい。さらに、第１および第２プラズモン励起層の格子状数（周期）を変化させると、出射光の出射角が変化するので、出射角が垂直方向になるようなピッチがさらに望ましい。この場合には、回折部２７が不要になる。詳細は、後述する実施例にて具体的な数値を挙げて説明する。
【００６５】
他の例としては、図４（ｂ）に示す階段波状の断面を有する第１プラズモン励起層２５では、その階段形状のステップを増やすことで一次回折光の回折効率を向上させることができる。例えば、ステップ数が４の場合、一次回折光の回折効率は８１％程度となる。また、図４（ｃ）に示す正弦波状の断面を有する第１プラズモン励起層２４は、ステップ数が無数の階段波状の回折格子とみなすこともでき、一次回折光の回折効率が理論上では１００％となる。このため、照明装置１０の出射光の利用効率の観点からは、第１プラズモン励起層２４は、正弦波状の断面を有するものであることが望ましい。
【００６６】
以上説明したように本実施形態によれば、第１プラズモン励起層２４では、Ｙ方向に延伸された金属部３１および誘電体部３２がＸ方向に交互に周期的に配置され、第２プラズモン励起層２５は、Ｙ方向に延伸された金属部４１および誘電体部４２が、金属部３１および誘電体部３２と同じ周期でＸ方向に交互に周期的に配置される。
【００６７】
このため、金属層１５がＸ方向に周期的に配置されているので、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起できる光を、Ｘ方向に電界成分を有し、第１プラズモン励起層２４に対して所定の入射角度を有する光に制限することが可能になる。また、導光層２１およびカバー層２６が互いに等しい誘電率を有しているので、第１プラズモン励起層２４により表面プラズモンが励起された過程と逆の過程が生じ、カバー層２６から、表面プラズモンを励起した光と同じ光、つまり、Ｘ方向に電界成分を有し、出射角度が表面プラズモンを励起する光の入射角度と同じＴＭ偏光が出射される。したがって、出射角度を揃えることができるので、エテンデューを増大させることなく、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換することが可能になる。
【００６８】
［第２の実施形態］
図５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。図５に示す照明装置１０Ａは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ａを備えている。光学素子２Ａは、光学素子２に対してカバー層２６の出射側の構成を変更したものである。より具体的には、光学素子２Ａは、カバー層２６に回折部２７を設ける代わりに、カバー層２６に積層されたホログラム層２７Ａを有する点で照明装置１０とは異なる。
【００６９】
ホログラム層２７Ａは、第１プラズモン励起層２４による２次以上の回折光によって励起される表面プラズモンの複数のモードに起因する、ホログラム層２７Ａへの複数の入射角を有する各光を全て同一方向に回折して出射する複数のホログラムが積層された多重ホログラムである。したがって、第１プラズモン励起層２４による２次以上の回折光によって表面プラズモンが励起されても、照明装置１０Ａのエテンデューの増大化を抑制することができる。
【００７０】
ホログラム層２７Ａの材料は、フォトポリマなどの、２つの光の干渉縞の強弱を屈折率分布として記録する屈折率変調材料を用いることができる。ホログラム層２７Ａは、第１プラズモン励起層２４による２次以上の回折光によって励起される表面プラズモンの複数のモードに起因する、ホログラム層２７Ａに様々な入射角度で入射する複数の光と同じ光と、その複数の光と同じ波長でホログラム層２７Ａに垂直に入射する光とを、それぞれ干渉させて、ホログラムを多重記録することで、作成することができる。
【００７１】
［第３の実施形態］
図６は、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。図６に示す照明装置１０Ｂは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ｂを備えている。光学素子２Ｂは、光学素子２の構成に加えて、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５の間に中間層２８を有している。
【００７２】
中間層２８は、ガラスや空気などの誘電体で形成される。このような中間層２８が設けられても、中間層２８が１０ｎｍ程度以下に薄ければ、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンが励起されると、励起された表面プラズモンのエネルギーが中間層２８を介して第２プラズモン励起層２５の金属部４１に伝わり、第２プラズモン励起層２４の金属部４１および誘電体部４２との界面に、励起された表面プラズモンと同じプラズモンが励起される。
【００７３】
なお、第１の実施形態と同様に、第１プラズモン励起層２４の金属部３１および誘電体部３２と、第１プラズモン励起層２５の金属部４１および誘電体部４２との配置のずれは、必ずしも半周期でなくともよい。
【００７４】
また、本実施形態では、第１の実施形態の照明装置１０に対して中間層２８を追加したものを説明したが、第２の実施形態の照明装置１０Ａに対して中間層２８を追加してもよい。
【００７５】
[第４の実施形態]
図７は、本発明の第４の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図７に示す照明装置１０Ｃは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ｃを備えている。光学素子２Ｃは、光学素子２に対してプラズモン励起層の構成を変更したものである。より具体的には、光学素子２Ｃは、第１プラズモン励起層２４および第２プラズモン励起層２５の代わりに、第１プラズモン励起層２４Ａおよび第２プラズモン励起層２５Ａを備えている。
【００７６】
図８は、第１プラズモン励起層２４Ａおよび第２プラズモン励起層２５Ａをより詳細に説明するための図であり、光学素子２ＣのＸ軸に沿った断面の一部分が示されている。
【００７７】
図８に示すように、第１プラズモン励起層２４Ａおよび第２プラズモン励起層２５Ａは、ブレーズド回折格子として機能する。つまり、第１プラズモン励起層２４Ａは、Ｙ方向に延伸された金属部３１Ａおよび誘電体部３２ＡがＸ方向に、交互に周期的に配置されており、金属部３１ＡはＹ方向から見て鋸歯状の断面形状を有している。第２プラズモン励起層２５Ａは、Ｙ方向に延伸された金属部４１Ａおよび誘電体部４２ＡがＸ方向に、交互に周期的に配置されており、金属部４１ＡはＹ方向から見て鋸歯状の断面形状を有している。
【００７８】
また、第１プラズモン励起層２４Ａの金属部３１Ａおよび誘電体部３２Ａと、第１プラズモン励起層２５Ａの金属部４１Ａおよび誘電体部４２Ａとは、同じ周期を有し、Ｘ方向に対して互いに逆向きに配置されている。
【００７９】
ブレーズド回折格子では、そのブレーズ方向に応じて、入射角度θで入射する光と入射角度−θで入射する光の一方のみが回折される。本実施形態の第１プラズモン励起層２４Ａでは、入射角度θ１で入射する光と入射角度−θ１で入射する光のうち、入射角度θ１で入射する光のみを回折する。このため、入射角度θ１で第１プラズモン励起層２４Ａに入射するＴＭ偏光のみによって表面プラズモンが励起されるので、第２プラズモン励起層２５Ａから出射される出射光の出射角度はθ１のみとなる。
【００８０】
このとき、第１プラズモン励起層２４Ａで表面プラズモンを励起できる入射角度θ１は、上述したように、誘電体部３２の誘電率や回折格子のピッチなどによって変更可能である。したがって、これらの誘電率やピッチなどを調節し、カバー層２６から出射される出射光の出射角度θ１を、カバー層２６に回折部２７を設けることなく、照明装置１０Ｃから所定の方向に光を出射させることが可能になる。
【００８１】
なお、本実施形態における金属部３１Ａおよび４１Ａは、Ｙ方向と直交する断面において、Ｚ方向に平行な中心線に対して非対称あれば、鋸歯状に限らず、階段状などでもよい。
【００８２】
［第５の実施形態］
図９は、本発明の第５の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図９に示す照明装置１０Ｄは、図９は、本発明の第５の実施形態の照明装置を模式的に示す斜視図である。図９に示す照明装置１０Ｄは、図１に示した照明装置１０と比べると、光学素子２の代わりに光学素子２Ｄを備えている。光学素子２Ｄは、光学素子２の構成に加えて、光源１から光が入射される入射領域である入射口２９Ａと、光の出射面である上面および拡散ミラー層２３が設けられた下面を除いた外壁面（つまり、光学素子２Ｄの側面）とに反射部２９を追加したものである。
【００８３】
反射部２９は、光学素子２Ｄ内を伝播する光を反射する。これにより、光学素子２Ｄの側面から光が出射されることを抑制することができるので、光学素子２Ｄに入射した光を、図１に示した照明装置１０と比べて無駄なく第１プラズモン励起層２４に入射することが可能になり、ランダム偏光を効率良くＴＭ偏光に変換して出射することが可能となる。
【００８４】
なお、反射部２９は、入射口２９Ａを除いた側面の全てに設けられていたが、その側面のうち一部の面にのみ設けられていてもよい。この場合でも、光学素子２Ｄに入射した光を、図１で示した照明装置１０と比べて無駄なく第１プラズモン励起層２４に入射することは可能である。また、反射部２９は、光を拡散反射する拡散反射部でもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、第１の実施形態の照明装置１０に対して反射部２９を追加したものを説明したが、第２〜第４の実施形態の照明装置１０Ａ〜１０Ｃのそれぞれに対して反射部２９を追加してもよい。
【００８６】
［第６の実施形態］
図１０は、本発明の第６の実施形態の照明装置を模式的に示す上面図である。図１０において、照明装置１０Ｅは、光を出射する光源１Ａ〜１Ｌと、光源１Ａ〜１Ｌのそれぞれからの出射された光のそれぞれが入射する光学素子２Ｅとを有する。
【００８７】
光源１Ａ〜１Ｌは、光学素子２Ｅの外周部に配置され、光学素子２Ｅにランダム偏光を出射する。なお、光源１Ａ〜１Ｌのそれぞれから出射される光の波長（色）は、それぞれ異なっていてもよい。例えば、光源１Ａ〜１Ｌには、赤色、緑色および青色のそれぞれの光を出射する光源が含まれていてもよい。また、光源は、図１０では、１２個示されているが、実際には、複数あればよい。
【００８８】
光学素子２Ｅは、第１〜第５の実施形態で説明した光学素子２〜２Ｄのいずれかの構成を有する。なお、光学素子２Ｅが光学素子２Ｄの構成を有する場合、光学素子２Ｅには、光源１Ａ〜１Ｌのそれぞれから出射される光のそれぞれが入射される複数の入射口を有する。
【００８９】
また、光学素子２〜２Ｄの第２プラズモン励起層２５または２５Ａからは、入射光の波長に応じて、表面プラズモンを励起可能な入射角度が変化することに起因して、異なる出射角度の出射光が生じるが、例えば、ホログラム層２７Ａのホログラムを入射光の波長および入射角度に対応させて作成すれば、波長によらず一定の方向に回折させて出射させることができる。
【００９０】
[第７の実施形態]
本実施形態では、第１〜第６の実施形態で説明した照明装置１０〜１０Ｅのいずれかを備えたプロジェクタについて説明する。  
図１１は、本実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。図６において、投射型画像表示装置であるプロジェクタ１００は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂと、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１０４と、投射光学系１０５とを備える。
【００９１】
光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれは、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光源１０１Ｒから赤色光が出射され、光源１０１Ｇから緑色光が出射され、光源１０１Ｂから青色光が出射されるものとする。
【００９２】
光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂのそれぞれは、第１から第５の実施形態で説明した光学素子２〜２Ｄのいずれかの構成を有し、その各色光を所定の偏光状態に変更して液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれに導く。したがって、光源１０１Ｒおよび光学素子１０２Ｒと、光源１０１Ｇおよび光学素子１０２Ｇと、光源１０１Ｂおよび光学素子１０２Ｂとのそれぞれは、照明装置１０〜１０Ｄのいずれかと同じ構成を有することになる。
【００９３】
液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を出射する空間光変調素子である。
【００９４】
クロスダイクロイックプリズム１０４は、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
【００９５】
投射光学系１０５は、クロスダイクロイックプリズム１０４から出射された合成光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた画像を表示する。
【００９６】
図１２は、本実施形態のプロジェクタの構成の別の例を示す配置図である。図１２において、プロジェクタ１００’は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、光学素子１０６と、液晶パネル１０７と、投射光学系１０８とを有する。
【００９７】
光学素子１０６は、第６の実施形態で説明した光学素子２Ｅと同じ構成を有する。したがって、光源１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂおよび光学素子１０６は、第６の実施形態で説明した照明装置１０Ｅにおける光源が３つの場合と同じ構成を有する照明装置となる。
【００９８】
液晶パネル１０７は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する光変調素子である。
【００９９】
投射光学系１０８は、液晶パネル１０７から出射された変調光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
【０１００】
なお、図１１および図１２では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図１１および図１２で示したプロジェクタでは、液晶パネル１０７の代わりに、ＤＭＤ（Digital  Micromirror  Device）を用いてもよい。
【０１０１】
[第８の実施形態]
本実施形態では、ランダム偏光を特定の偏光状態に変換する光学素子と発光素子とが一体化された光源について説明する。
【０１０２】
図１３は、本発明の第８の実施形態の光源を模式的に示す斜視図である。
【０１０３】
図１３に示す光源５０は、サブマウント層５１上に、図１に示す光学素子２の構成に加えて、λ／４層２２および拡散ミラー層２３の間に発光層５２が設けられた光学素子が形成されている。
【０１０４】
発光層５２は、所定の波長の光を発する。より具体的には、発光層５２では、ｐ型半導体層であるｐ型層５２Ａ、活性層５２Ｂ、ｎ型半導体層であるｎ型層５２Ｃの順番で積層されている。そして、外部電源（図示せず）からｐ型層５２Ａとｎ型層５２Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、その電流に応じて活性層５２Ｂにて光が発生する。ここで、活性層５２Ｂで発生された光はランダム偏光である。
【０１０５】
本実施形態では、導光層２１には、発光層５２で発生したランダム偏光が入射される。
【０１０６】
導光層２１の内部を伝搬するランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たす角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光は、第１の実施形態の光学素子２と同様に、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起する。そして、第２プラズモン励起層２５では、上記の表面プラズモンと同じ表面プラズモンが励起され、その表面プラズモンから光が生成される。この光は、第１プラズモン励起層２４で表面プラズモンを励起した光と同一のＴＭ偏光であり、入射角度θ１と同じ角度で出射される。そして、この光は、カバー層２６に形成された回折部２７によって回折されて、所定の方向（本実施形態では出射面に垂直な方向に出射される。
【０１０７】
一方、第１プラズモン励起層２４に入射したランダム偏光のうち、表面プラズモンの励起条件を満たさない光は、第１プラズモン励起層２４において単に反射または回折されるだけで、表面プラズモンを励起しない。この光は、λ／４層２２を介して拡散ミラー層２３で反射され、さらにλ／４層２２および発光層５２を介して第１プラズモン励起層２４に再び入射する。光がこのような反射を繰り返す間に、λ／４層２２による偏光変換や拡散ミラー層２３による角度変換が行われる。そして、光が角度θ１で第１プラズモン励起層２４に入射するＴＭ偏光になると、第１プラズモン励起層２４に表面プラズモンを励起させる。
【０１０８】
なお、本実施形態の光源５０は、第１の実施形態の光学素子２の構成において、λ／４層２２および拡散ミラー層２３の間に発光層５２が設けられていたが、第２〜第５の実施形態の光学素子２Ａ〜２Ｄの構成において、λ／４層２２および拡散ミラー層２３の間に発光層５２が設けられてもよい。
【０１０９】
[第９の実施形態]
本実施形態では、第８の実施形態で説明した光源５０を備えたプロジェクタについて説明する。
【０１１０】
図１４は、本実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。図１４において、プロジェクタ１１０は、光源１１１Ｒ、１１１Ｇおよび１１１Ｂと、光学素子１１２Ｒ、１１２Ｇおよび１１２Ｂと、液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１１４と、投射光学系１１５とを備える。
【０１１１】
光源１１１Ｒ、１１１Ｇおよび１１１Ｂのそれぞれは、図１３に示した光源５０と同じ構成を有し、波長がそれぞれ異なる光を発生する。以下、光源１１１Ｒから赤色光が出射され、光源１１１Ｇから緑色光が出射され、光源１１１Ｂから青色光が出射されるものとする。
【０１１２】
光学素子１１２Ｒ、１１２Ｇおよび１１２Ｂのそれぞれは、光源１１１Ｒ、１１１Ｇおよび１１１Ｂからの各色光を、液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂのそれぞれに導いて入射する。
【０１１３】
液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて２次元的に変調することで、各色光に画像を担持させ、その画像を担持させた各色光を出射する空間光変調素子である。
【０１１４】
クロスダイクロイックプリズム１１４は、液晶パネル１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
【０１１５】
投射光学系１１５は、クロスダイクロイックプリズム１１４から出射された合成光をスクリーン２１０に投射して、スクリーン２１０上に映像信号に応じた映像を表示する。
【０１１６】
図１５は、本実施形態のプロジェクタの構成の別の例を示す配置図である。図１５において、プロジェクタ１２０は、光源１２１Ｒ、１２１Ｇおよび１２１Ｂと、導光体１２６と、液晶パネル１２７と、投射光学系１２８とを有する。
【０１１７】
光源１２１Ｒ、１２１Ｇおよび１２１Ｂのそれぞれは、図１３に示した光源５０と同じ構成を有し、波長がそれぞれ異なる光を発生する。
【０１１８】
導光体１２６は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂからの各色光を合成して、液晶パネル１２７に導いて入射する。
【０１１９】
液晶パネル１２７は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する光変調素子である。
【０１２０】
投射光学系１２８は、液晶パネル１２７から出射された変調光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２１０上に映像信号に応じた映像を表示する。
【０１２１】
なお、図１４および図１５では、光変調素子として液晶パネルを用いたが、光変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図１４および図１５で示したプロジェクタでは、液晶パネル１２７の代わりに、ＤＭＤを用いてもよい。
【０１２２】
[第１の実施例]
以上の動作による効果を、シミュレーションによって確認した。図１６は、本発明の第１の実施例の照明装置１０の動作の一例を示すグラフである。図１６は、第１の実施形態の照明装置１０の効果を確認するためのシミュレーション結果の一例を示すグラフである。なお、本シミュレーションは、第１の実施形態の一例について行ったものであり、本発明を限定するものではない。
【０１２３】
図１６の横軸は、照明装置１０のＺＸ面内において、第１プラズモン励起層への光の入射角を、θ０以上９０°以下とした際の、カバー層２６内における第２プラズモン励起層からの出射角θｄｉｆを示す。ここで、θ０は、導光層２１と空気界面との臨界角を示し、約４２°である。図１６の縦軸は、それぞれの凡例のピーク値で規格化した回折効率（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。実線は、第１プラズモン励起層への入射光をＰ偏光とした場合を示し、点線は第１プラズモン励起層への入射光をＳ偏光とした場合を示す。また、参考のために、ランバーシアンの配光分布を有するLEDの光が、カバー層２６へ下面から入射した場合、すなわち第１プラズモン励起層および第２プラズモン励起層がない場合の、カバー層２６における配光分布の内、P偏光成分を一点鎖線で示し、S偏光成分を二点鎖線で示す。ここで、P偏光は、電場の振動成分がＺＸ面内に平行な偏光状態であり、Ｓ偏光は、電場の振動成分がＹ方向に平行な偏光状態である。なお、照明装置１０のＹＺ面内における出射光は、カバー層２６の上面とカバー層２６の外部界面における臨界角内には、照明装置１０のＺＸ面内の出射光量に比べて、無視できる程度に小さいので、説明を省略する。なお、シミュレーションには、２次元の厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ法：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ法）を用いた。
【０１２４】
第１の実施例のシミュレーションにおいて、導光層２１は、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。金属部３１および誘電体部３２の周期と、金属部４１および誘電体部４２の周期は、共に３００ｎｍとした。金属部３１および誘電体部３２の厚みと、金属部４１および誘電体部４２の厚みは、共に６０ｎｍとした。金属部３１および誘電体部３２と、金属部４１および誘電体部４２の形状は、図２に示すような矩形状とした。カバー層２６は、導光層２１と同様、屈折率が１．４６の石英ガラスとした。導光層２１の外部、およびカバー層２６の外部を屈折率１の空気とした。
【０１２５】
図１６から、Ｐ偏光成分のカバー層２６内における回折効率について、ピーク値の半分の値となる回折角は約−３１．５°と約−１２．０°である。したがって、カバー層２６の上面を透過後の空気中の角度に換算すると、約−５０．０°と約−１８．０°である。つまり、Ｐ偏光成分の空気中の半値全幅は約３２ｄｅｇである。したがって、ＬＥＤの様なランバーシアン分布を有する出射光の空気中の半値全幅（１２０ｄｅｇ）に比べて、高い角度選択性を有する光が得られることを確認できる。加えて、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が３．４倍以上大きいため、LEDの様なランダム偏光（無偏光）な光に比べて、偏光選択性を有する光が得られることを確認できる。
【０１２６】
なお、図１６では、照明装置１０のＺＸ面内において、第１プラズモン励起層への光の入射角を、θ０以上９０°以下としたが、−９０°以上−θ０以下とした場合にも、対称性から、Ｐ偏光成分のカバー層２６内における回折効率について、ピーク値の半分の値となる回折角は、カバー層２６の上面を透過後の空気中の角度に換算して約５０．０°と約１８．０°であり、高い角度選択性を有する光が得られる。また、Ｐ偏光成分の回折効率のピーク値と、Ｓ偏光成分の回折効率のピーク値とを比較すると、Ｐ偏光成分の方が３．４倍以上大きく、偏光選択性を有する光が得られる。
【０１２７】
また、第２プラズモン励起層から出射した光の出射角は、カバー層２６とカバー層２６の外部との界面における臨界角より小さい範囲であるので、回折部で回折し、垂直方向に変換することが可能である。
【０１２８】
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。
【０１２９】
（付記１）
光を伝播する第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の上に設けられた第１プラズモン励起層と、
前記第１プラズモン励起層の上に設けられた第２プラズモン励起層と、
前記第２プラズモン励起層の上に設けられた第２誘電体層と、を備え、
前記第１プラズモン励起層は、前記第１誘電体層との界面内における第１方向に延伸され、前記第１誘電体層との界面内における前記第１方向と直交する第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第１金属部および第１誘電体部を有し、
前記第２プラズモン励起層は、前記第１方向に延伸され、前記第１金属部および前記第１誘電体部と同じ周期で、かつ半周期ずれて前記第２方向に沿って、交互に周期的に配置された第２金属部および第２誘電体部を有する、光学素子。
【０１３０】
（付記２）
前記第２誘電体部は、前記第１誘電体層の誘電率と同じ誘電率を有することを特徴とする、付記１に記載の光学素子。
【０１３１】
（付記３）
前記第１金属部および前記第２金属部がＡｇからなることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
【０１３２】
（付記４）
前記第１の周期および前記第２の周期が、２１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記３に記載の光学素子。
【０１３３】
（付記５）
前記第１金属部および前記第２金属部がＡｌからなることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
【０１３４】
（付記６）
前記第１金属部および前記第２金属部がＡｕからなることを特徴とする、付記１または２に記載の光学素子。
【０１３５】
（付記７）
前記第１プラズモン励起層の前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至６に記載の光学素子。
【０１３６】
（付記８）
前記第２プラズモン励起層の前記第３方向の厚みが、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１乃至７に記載の光学素子。
【０１３７】
（付記９）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１の方向と直交する断面が前記第２方向と直交する中心線に対して対称であることを特徴とする、付記１乃至８に記載の光学素子。
【０１３８】
（付記１０）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が矩形波状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
【０１３９】
（付記１１）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が階段状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
【０１４０】
（付記１２）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が正弦波状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
【０１４１】
（付記１３）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が二等辺三角形状であることを特徴とする、付記９に記載の光学素子。
【０１４２】
（付記１４）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１の方向と直交する断面が前記第２方向と直交する中心線に対して非対称であることを特徴とする、付記１乃至８に記載の光学素子。
【０１４３】
（付記１５）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が鋸歯状であることを特徴とする、付記１４に記載の光学素子。
【０１４４】
（付記１６）
前記第１金属部、前記第１誘電体部、前記第２金属部および前記第２誘電体部のそれぞれは、前記第１方向と直交する断面が階段状であることを特徴とする、付記１４に記載の光学素子。
【０１４５】
（付記１７）
前記第２誘電体層から出射される光を所定の方向に回折する回折部をさらに有することを特徴とする、付記１乃至１６に記載の光学素子。
【０１４６】
（付記１８）
前記回折部が、前記第２誘電体層における光の出射面に形成された複数の構造体であり、
各構造体は、前記第１方向に延び、かつ、前記第２方向に周期的に配置されていることを特徴とする、付記１７に記載の光学素子。
【０１４７】
（付記１９）
前記回折部が、ホログラムである、付記１８に記載の光学素子。
【０１４８】
（付記２０）
前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられた反射層をさらに有する、付記１乃至１９に記載の光学素子。
【０１４９】
（付記２１）
前記反射層は、光を拡散反射する拡散反射層である、付記２０に記載の光学素子。
【０１５０】
（付記２２）
前記第１プラズモン励起層と前記反射層との間に挿入された、入射した光の偏光状態を変える位相変換層をさらに有することを特徴とする、付記２０または２１に記載の光学素子。
【０１５１】
（付記２３）
前記第２誘電体層から光が出射される出射面を除く外壁面の少なくとも一部に設けられた、光を反射する反射部を有する、付記１乃至２２に記載の光学素子。
【０１５２】
（付記２４）
前記反射部は、光を拡散反射する拡散反射部であることを特徴とする、付記２３に記載の光学素子。
【０１５３】
（付記２５）
前記第２プラズモン励起層は、前記第１プラズモン励起層に設けられていることを特徴とする、付記１乃至２４に記載の光学素子。
【０１５４】
（付記２６）
前記第１プラズモン励起層および前記第２プラズモン励起層の間に設けられた、誘電体で形成された中間層をさらに有することを特徴とする、付記１乃至２４に記載の光学素子。
【０１５５】
（付記２７）
付記１乃至２６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子に光を出射する光源と、を有する照明装置。
【０１５６】
（付記２８）
前記光源は、複数ある、付記２７に記載の照明装置。
【０１５７】
（付記２９）
付記２８に記載の照明装置と、前記照明装置から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
【０１５８】
（付記３０）
付記１乃至２６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記記光学素子における前記第１誘電体層の前記第１プラズモン励起層が設けられた面とは反対側に設けられ、光を前記第１誘電体層に出射する発光層と、を有する光源。
【０１５９】
（付記３１）
付記３０に記載の光源を有する光源と、前記光源から出射された光を所定の偏光状態に変換する空間光変調器とを有する投射型画像表示装置。
【０１６０】
（付記３２）
前記空間光変調器が液晶パネルであることを特徴とする付記２９または３１に記載の投射型画像表示装置。
【０１６１】
（付記３３）
前記空間光変調器がデジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする付記２９または３１に記載の投射型画像表示装置。
【０１６２】
この出願は、２０１１年８月１０日に出願された日本出願特願２０１１−１７４７６８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。
【符号の説明】
【０１６３】
１、１Ａ〜１Ｌ、５０、１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ、１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ、１２１Ｒ、１２１Ｇ、１２１Ｂ    光源
２、２Ａ〜２Ｅ、１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ、１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ    光学素子
１０、１０Ａ〜１０Ｅ      照明装置
２１      導光層
２２      λ／４層
２３      拡散ミラー層２３
２４、２４Ａ      第１プラズモン励起層
２５、２５Ａ      第２プラズモン励起層
２６      カバー層
２７      回折部
２７Ａ    ホログラム層
２８      中間層
２９      反射部
２９Ａ    入射口
３１、３１Ａ、４１、４１Ａ      金属部
３２、３２Ａ、４２、４２Ａ      誘電体部
５１      サブマウント層
５２      発光層
５２Ａ    ｐ型層
５２Ｂ    活性層
５２Ｃ    ｎ型層
１００、１００’、１１０、１２０    プロジェクタ
１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ、１０７、１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂ、１２７    液晶パネル
１０４、１１４      クロスダイクロイックプリズム
１０５、１０８、１１５、１２８      投射光学系
１０６、１２６      導光体
２００、２１０      スクリーン
【図１】
2013021766.tif 000004
【図２】
2013021766.tif 000005
【図３】
2013021766.tif 000006
【図４】
2013021766.tif 000007
【図５】
2013021766.tif 000008
【図６】
2013021766.tif 000009
【図７】
2013021766.tif 000010
【図８】
2013021766.tif 000011
【図９】
2013021766.tif 000012
【図１０】
2013021766.tif 000013
【図１１】
2013021766.tif 000014
【図１２】
2013021766.tif 000015
【図１３】
2013021766.tif 000016
【図１４】
2013021766.tif 000017
【図１５】
2013021766.tif 000018
【図１６】
2013021766.tif 000019
【国際調査報告】
2013021766.tif 000020
2013021766.tif 000021
2013021766.tif 000022
2013021766.tif 000023