(57)【要約】  励起光の吸収効率を向上可能な光学素子、光学装置、画像表示装置および励起光の吸収率向上方法を提供する。  本発明の光学素子（１０Ａ）は、発光層と、反射層（１０１Ａ）とを有し、前記発光層は、発光体を含む層（１０３Ａ）を有し、前記発光層と反射層（１０１Ａ）とは、積層されており、前記発光層において、反射層（１０１Ａ）が積層されていない側の表面が第１の反射面（１０７Ａ）であり、前記発光層と反射層（１０１Ａ）との界面が第２の反射面（１０６Ａ）であり、第１の反射面（１０７Ａ）で反射される励起光と、第２の反射面（１０６Ａ）で反射される励起光とを干渉させる、光学素子である。
2013103039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、
前記第１の反射面で反射される励起光と、前記第２の反射面で反射される励起光とを干渉させる、光学素子。
【請求項２】
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、
前記第１の反射面側から入射される励起光に起因して前記第１の反射面から出射される方向に発生する、仮想反射光線同士の位相をずらすことが可能である、光学素子。
【請求項３】
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、
前記発光体を含む層の厚みは、３０μｍ未満である、光学素子。
【請求項４】
前記発光体を含む層の厚みは、１０μｍ未満である、請求項３記載の光学素子。
【請求項５】
前記発光層の厚みは、３０μｍ未満である、請求項３または４記載の光学素子。
【請求項６】
前記発光層の厚みは、１０μｍ未満である、請求項５記載の光学素子。
【請求項７】
前記発光体は、蛍光体である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記発光体は、ナノ蛍光体である、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記発光層は、誘電体層を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記誘電体層は、前記発光層の前記第２の反射面側に配置されている、請求項９記載の光学素子。
【請求項１１】
さらに、導光体層を有し、
前記導光体層は、前記発光層の前記反射層が積層されていない側に配置されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記第２の反射面は、前記励起光の波長に対して機能する、分布ブラッグ反射鏡により形成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記反射層は、金属を含む層である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記第２の反射面は、第２反射面凹凸構造体により形成され、
前記第２反射面凹凸構造体における凸部のサイズは、前記励起光の波長の１／４未満である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１５】
さらに、凹凸構造体を有し、
前記凹凸構造体は、前記反射層の前記発光層が積層されていない側に配置され、
前記凹凸構造体における凸部のサイズは、発光波長の１／４以上である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１６】
さらに、１／４波長板および反射型偏光子を有し、
前記１／４波長板および前記反射型偏光子は、前記発光層の前記反射層が積層されていない側に、前記順序で、前記発光層側から配置されている、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の光学素子と、
前記光学素子の前記第１の反射面に励起光を照射する励起光光源とを含む、光学装置。
【請求項１８】
前記光学素子における前記発光層の厚みおよび屈折率、ならびに前記励起光の可干渉距離が、下記（Ｉ）の条件を満たすように設定されている、請求項１７記載の光学装置。
（Ｉ）前記光学素子における前記第１の反射面と前記第２の反射面との光学的距離が、前記可干渉距離未満である
【請求項１９】
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面である光学素子と、
前記光学素子の前記第１の反射面に励起光を照射する励起光光源とを含み、
前記光学素子における前記発光層の厚みおよび屈折率、ならびに前記励起光の可干渉距離が、下記（Ｉ）の条件を満たすように設定されている、光学装置。
（Ｉ）前記光学素子における前記第１の反射面と前記第２の反射面との光学的距離が、前記可干渉距離未満である
【請求項２０】
前記励起光光源は、指向性および偏光性が高い光源である、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項２１】
請求項１７から２０のいずれか一項に記載の光学装置と、
画像を表示可能な画像表示部とを含む、画像表示装置。
【請求項２２】
さらに、前記画像表示部に光を照射する照射部と、
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とを含む、請求項２１記載の画像表示装置。
【請求項２３】
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面である光学素子において、
前記第１の反射面で反射される励起光と、前記第２の反射面で反射される励起光とを干渉させることで、前記第１の反射面側から入射される励起光の、前記発光層における吸収率を向上させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学装置、画像表示装置および励起光の吸収率向上方法に関する。
【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、ＬＥＤ等の励起光を発する光源と、蛍光体を含む層とを組み合わせた光学装置が開発されている（特許文献１）。このような光学装置では、蛍光体を含む層に励起光が吸収されることで、蛍光体が励起されて発光する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１０８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１等に記載の光学装置では、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、前記励起光の吸収効率の向上は重要な要因である。【０００５】
本発明の目的は、励起光の吸収効率を向上可能な光学素子、光学装置、画像表示装置および励起光の吸収率向上方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、
前記第１の反射面で反射される励起光と、前記第２の反射面で反射される励起光とを干渉させる、光学素子である。【０００７】
本発明の光学装置は、
前記本発明の光学素子と、
前記光学素子の前記第１の反射面に励起光を照射する励起光光源とを含む。【０００８】
本発明の画像表示装置は、
前記本発明の光学装置と、
画像を表示可能な画像表示部とを含む。【０００９】
本発明の励起光の吸収率向上方法は、
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面である光学素子において、
前記第１の反射面で反射される励起光と、前記第２の反射面で反射される励起光とを干渉させることで、前記第１の反射面側から入射される励起光の、前記発光層における吸収率を向上させる、方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、励起光の吸収効率を向上可能な光学素子、光学装置、画像表示装置および励起光の吸収率向上方法を提供できる。
【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）の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す光学素子のＩ−Ｉ方向に見た模式断面図である。
【図３】図３は、前記実施形態１の光学素子の動作を説明する模式断面図である。
【図４】図４は、本発明の光学素子のその他の例（実施形態２）の構成を示す概略斜視図である。
【図５】図５は、図４に示す光学素子のＩＩ−ＩＩ方向に見た模式断面図である。
【図６】図６は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態３）の構成を示す概略斜視図である。
【図７】図７は、図６に示す光学素子のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た模式断面図である。
【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４）の構成を示す概略斜視図である。
【図９】図９は、図８に示す光学素子のＩＶ−ＩＶ方向に見た模式断面図である。
【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）の構成を示す概略斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す光学素子のＶ−Ｖ方向に見た模式断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態６）の構成を示す概略斜視図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す光学素子のＶＩ−ＶＩ方向に見た模式断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の光学素子のさらにその他の例（実施形態７）の構成を示す上面図である。
【図１５】図１５は、本発明の光学装置の一例（実施形態８）の構成を示す概略斜視図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す光学装置のＶＩＩ−ＶＩＩ方向に見た模式断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の画像表示装置（投射型表示装置）の一例（実施形態９）の構成を示す概略斜視図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施例１における光学素子の励起光吸収率を示すグラフである。
【図１９】図１９は、本発明の実施例１における光学素子の励起光反射率を示すグラフである。
【図２０】図２０は、本発明の実施例２における光学素子の励起光吸収率を示すグラフである。
【図２１】図２１は、本発明の実施例３における光学素子の励起光吸収率を示すグラフである。
【図２２】図２２は、本発明の実施例４における光学素子の励起光吸収率を示すグラフである。
【図２３】図２３は、本発明の実施例４における光学素子の励起光吸収率を示すグラフである。
【図２４】図２４は、本発明の実施例５における光学素子の励起光吸収率を示すグラフである。
【図２５】図２５は、本発明の実施例６の光学素子において、励起光吸収率が１００％となる屈折率差と蛍光層の厚みとの関係を示すグラフである。
【図２６】図２６は、実施形態１３の光学装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２７】図２７は、実施形態１４の光学装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２８】図２８は、実施形態１５の光学装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２９】図２９は、実施形態１６の光学装置の構成を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の光学素子、光学装置、画像表示装置および励起光の吸収率向上方法について、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２９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。
【００１３】
（実施形態１）
本実施形態の光学素子は、前記発光層が蛍光体を含む蛍光層からなる光学素子の一例である。図１および図２に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図１は、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図２は、図１のＩ−Ｉ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【００１４】
図１および図２に示すように、本実施形態の光学素子１０Ａは、平面形状が矩形であり、反射層１０１Ａと蛍光層１０３Ａとを、主要な構成要素として含む。蛍光層１０３Ａは、反射層１０１Ａに積層されている。蛍光層１０３Ａは、励起光により励起される蛍光体を含む（図示せず）。前記蛍光体により、蛍光層１０３Ａは、例えば、励起光の波長を変換して、光を放出（発光）できる。前記発光については、後述する。
【００１５】
光学素子１０Ａは、雰囲気１０５Ａ中に配置されている。光学素子１０Ａは、雰囲気１０５Ａと蛍光層１０３Ａとの界面１０７Ａと、蛍光層１０３Ａと反射層１０１Ａとの界面１０６Ａとが、平行になるように構成されている。蛍光層１０３Ａの屈折率の実部は、雰囲気１０５Ａの屈折率の実部と異なっている。このため、界面１０７Ａは、本発明における「第１の反射面」として機能する。一方、反射層１０１Ａは、前記励起光を反射可能である。このため、界面１０６Ａは、本発明における「第２の反射面」として機能する。前記「反射面」は、例えば、位相差を与える機能を有する反射面である。
【００１６】
雰囲気１０５Ａは、その屈折率の実部が蛍光層１０３Ａの屈折率の実部と異なる気体であり、蛍光層１０３Ａに含まれる前記蛍光体の寿命の観点から、水分、酸素等を含まない気体が望ましい。雰囲気１０５Ａは、例えば、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気があげられる。光学素子１０Ａを前記雰囲気下で使用する場合、実用上、例えば、前記雰囲気で満たされた筐体内に、光学素子１０Ａを配置する。
【００１７】
光学素子１０Ａでは、第１の反射面１０７Ａで反射される励起光と、第２の反射面１０６Ａで反射される励起光とを干渉させることにより、蛍光層１０３Ａ内に励起光を閉じ込めることができる。この干渉効果により、第１の反射面１０７Ａから入射される励起光の、蛍光層１０３Ａにおける吸収率を調整できる。前記干渉効果は、第１の反射面１０７Ａと第２の反射面１０６Ａとの間の光学的距離を、前記励起光の可干渉距離未満とすることにより得られる。前記光学的距離は、実空間における距離と屈折率の実部との積であり、前記可干渉距離は、光を二つに分け、それらを再度重ねるときの、光の干渉現象が現れる距離の上限である。前記可干渉距離は、例えば、発光ダイオード、縦マルチモード発振の半導体レーザ等では、３〜３０μｍである。したがって、光学素子１０Ａでは、第１の反射面１０７Ａと第２の反射面１０６Ａとの光学的距離、すなわち、蛍光層１０３Ａの光学的厚みが所定の励起光の前記可干渉距離未満となるように、蛍光層１０３Ａの厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されている。ここで、光学的厚みは、「層の厚みにその層の屈折率を掛け合わせたもの」である。このようにすることで、例えば、所定の波長・偏光・入射角θｉｎの励起光に対して、所望の吸収率を得られる。前記入射角は、例えば、２０度以上であり、好ましくは４０度以上であり、より好ましくは６０度以上である。
【００１８】
前述のように、前記励起光の吸収効率を向上させるには、例えば、蛍光体を含む層を厚くするなどして、蛍光体の濃度を高めることが想定される。一方、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、前記励起光の干渉効果を利用して、前記励起光を前記蛍光層（発光層）に閉じ込める構造により、前記励起光の吸収効率を向上できることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明によれば、前記励起光の吸収効率の向上により、例えば、高い発光効率と高い光出力定格を備える光学素子を実現できる。
【００１９】
つぎに、図３を参照して、前記干渉効果を、光学素子１０Ａの動作に基づき、詳細に説明する。図３は、図２と同様に、光学素子１０Ａの模式断面図である。なお、図３では、説明の便宜上、各構成部材における平行斜線の図示を省略している。
【００２０】
図３に示すように、励起光１０８Ａが、第１の反射面１０７Ａ側から蛍光層１０３Ａに入射すると、雰囲気１０５Ａと蛍光層１０３Ａとの界面１０７Ａにおいて、励起光１０８Ａは、２つの仮想光線に分離される。なお、前記仮想光線は、前記干渉効果の説明のために導入した仮想的な光線であり、実際には観測できないものである。
【００２１】
一方の前記仮想光線（第１の仮想光線１０９Ａ）は、界面１０７Ａで反射された励起光に対応し、第１の仮想反射光線である。他方の前記仮想光線（第２の仮想光線１１０Ａ）は、界面１０７Ａを透過し、蛍光層１０３Ａと反射層１０１Ａとの界面（第２の反射面）１０６Ａで反射され、再度、界面１０７Ａを透過する光に対応し、第２の仮想反射光線である。第２の仮想光線１１０Ａは、界面１０７Ａを透過する際に、反射光である第３の仮想光線１１１Ａを発生させる。第３の仮想光線１１１Ａは、第２の仮想光線１１０Ａと同様の経路で、再度、界面１０７Ａに入射する。この際、第３の仮想光線１１１Ａは、第２の仮想光線１１０Ａと同様に、界面１０７Ａを透過（第３の仮想反射光線）すると共に、反射光である新たな仮想光線を発生させる。この繰り返しによって、雰囲気１０５Ａ側に、前記第１の仮想反射光線、前記第２の仮想反射光線、前記第３の仮想反射光線、・・・、第Ｎ（Ｎは整数）の仮想反射光線が発生する。
【００２２】
励起光１０８Ａから分割された仮想光線は、励起光１０８Ａの可干渉距離未満の範囲内において、それぞれ干渉する。すなわち、前記仮想反射光線の光学的距離の差が可干渉距離よりも短い範囲では、干渉効果により、それぞれの仮想反射光線の振幅および位相差に応じて、前記仮想反射光線同士が強めあったり、弱めあったりする。その結果を反映して、励起光１０８Ａの蛍光層１０３Ａでの吸収量が決定される。
【００２３】
前記干渉効果により前記仮想反射光線同士が強めあう条件では、前記仮想光線が蛍光層１０３Ａを伝搬する距離から求められる励起光１０８Ａの吸収率よりも、実際得られる励起光１０８Ａの吸収率が低くなる。一方、前記干渉効果により前記仮想反射光線同士が弱めあう条件では、前記仮想反射光線同士の位相がずれることにより、前記仮想光線が干渉を伴わないで蛍光層１０３Ａを伝搬する距離から求められる励起光１０８Ａの吸収率よりも、実際得られる励起光１０８Ａの吸収率が高くなる。すなわち、前記仮想反射光線同士の光学的距離を調整することで、蛍光層１０３Ａによる吸収率を制御している。光学素子１０Ａでは、蛍光層１０３Ａの厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されることにより、励起光１０８Ａの蛍光層１０３Ａにおける吸収率が制御されており、蛍光層１０３Ａ自身が吸収率制御構造として機能する。
【００２４】
前記吸収率制御構造により蛍光層１０３Ａを伝搬する距離から求められる励起光１０８Ａの吸収率よりも、実際得られる励起光１０８Ａの吸収率が高くなる条件は、下記式（１）を満たす場合である。下記式（１）において、雰囲気１０５Ａ側から蛍光層１０３Ａに入射角θｉｎで入射した励起光に対して、界面１０７Ａにおいて、前記励起光が入射する際の反射振幅をｒ１２、反射率をＲ１２とする。蛍光層１０３Ａから雰囲気１０５Ａへ前記励起光が入射（透過）する際の反射振幅をｒ２１、反射率をＲ２１とする。雰囲気１０５Ａから蛍光層１０３Ａへ前記励起光が入射する際の透過振幅をｔ１２、透過率をＴ１２とする。蛍光層１０３Ａから雰囲気１０５Ａへ前記励起光が入射（透過）する際の透過振幅をｔ２１、透過率をＴ２１とする。また、界面１０６Ａにおいて、蛍光層１０３Ａから反射層１０１Ａへ前記励起光が入射する際の反射振幅をｒ２３、反射率をＲ２３とする。前記励起光が蛍光層１０３Ａを１往復する際の蛍光層１０３Ａでの吸収率をＡ、虚数単位をｉ、蛍光層１０３Ａの屈折率をｎ２、蛍光層１０３Ａの厚みをｄとする。雰囲気１０５Ａから蛍光層１０３Ａ内に前記励起光が入射するときの屈折角をθ２、励起光の真空中での波長をλとする。
【００２５】
【数１】
2013103039.tif 000003
【数２】
2013103039.tif 000004
【００２６】
前記式（１）において、左辺は、前記励起光が雰囲気１０５Ａ側から蛍光層１０３Ａに入射する際に、前記仮想反射光線同士が干渉効果の影響を受けた励起光の反射率に対応し、右辺は、前記仮想反射光線同士が干渉しない場合の励起光の反射率に対応している。本発明においては、反射率と吸収率には真逆の関係があるため、前記式（１）を満たす場合、干渉を伴わないで蛍光層１０３Ａを伝搬する距離から求められる励起光１０８Ａの吸収率より、実際得られる励起光１０８Ａの吸収率が高くなる。すなわち、左辺が０に近づくほど、前記励起光が蛍光層１０３Ａ内に閉じ込められる割合が増加し、蛍光層１０３Ａの前記励起光に対する吸収率が増加する。左辺が０となる条件では、蛍光層１０３Ａに入射した前記励起光の全てが蛍光層１０３Ａ内に閉じ込められる。したがって、前記式（１）の左辺が所望の反射率（吸収率と真逆の関係）を与えるよう、蛍光層１０３Ａの厚みおよび屈折率の少なくとも一方を調整することにより、前記励起光に対して所望の吸収率を有する光学素子を、例えば、非常に薄い厚みであっても実現できる。
【００２７】
本発明では、前記励起光の波長、入射角等に対して特に制限がない場合、これらも含めて、所望の吸収率が得られるかを検討できる。後述する実施形態２以降の光学素子は、本実施形態の光学素子とは、層構成が異なる。このため、前記式（１）をそのまま使用できないが、前記吸収率制御構造についての考え方は同様である。前記吸収率制御構造の設計には、例えば、多層膜反射率の数値シミュレーションを使用し、所望の吸収率が得られる条件を設計すればよい。
【００２８】
光学素子１０Ａでは、第１の反射面１０７Ａと第２の反射面１０６Ａとの光学的距離、すなわち、蛍光層１０３Ａの光学的厚みは、前述のように、所定の励起光の可干渉距離未満となるように設定される。前記光学的厚みは、例えば、光学素子１０Ａの冷却の観点から、薄いほど好ましく、具体的には、３０μｍ未満が好ましく、より好ましくは１０μｍ未満、さらに好ましくは１μｍ未満である。
【００２９】
前記光学的厚みは、例えば、光出力定格の観点から、厚いほど好ましく、具体的には、１ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以上であり、さらに好ましくは１００ｎｍ以上である。前記光学的厚みを前述のように設定するのは、光出力の理論的な最大値が、蛍光層１０３Ａの蛍光体の発光寿命に制限されるためである。このため、より高出力を得るには、より多くの蛍光体が蛍光層１０３Ａに含まれていることが望ましい。実際には、光学素子として必要な光出力に応じて、蛍光層１０３Ａの光学的厚みを決定するため、前記光学的厚みには、前述の光学素子の冷却と高出力の両立のための最適値が存在する。前記光学的厚みは、１ｎｍ以上３０μｍ未満の範囲が好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以上１０μｍ未満の範囲、さらに好ましくは１００ｎｍ以上１μｍ未満の範囲である。
【００３０】
反射層１０１Ａは、前記励起光を反射できるものであればよく、構成材料、構造等は特に制限されない。反射層１０１Ａは、例えば、金属層、金属と誘電体とを交互に積層した金属−誘電体多層膜、低屈折率誘電体と高屈折率誘電体とを交互に積層した誘電体多層膜（分布ブラッグ反射鏡）等があげられる。前記金属層の構成材料は、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｎ等、またはそれらの合金等があげられる。
【００３１】
反射層１０１Ａは、光学素子１０Ａの冷却の観点から、熱伝導率の高いものが好ましく、前記励起光の有効利用の観点から、反射率が高いものが好ましい。具体的には、反射層１０１Ａは、前記冷却の観点から、金属層が好ましく、さらに前記励起光の有効利用の観点から、前記励起光の波長に対する反射率の高い金属層がさらに好ましい。前記励起光の波長に対する反射率の高い金属層の構成材料は、前記励起光の励起波長が６００ｎｍ未満の場合は、Ａｇ、Ａｌまたは、これらの合金等があげられ、前記励起光の波長が６００ｎｍ以上の場合は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕまたは、これらの合金等があげられる。前記反射率は、６０％以上が好ましく、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、特に好ましくは１００％である。
【００３２】
反射層１０１Ａの厚みは、特に制限されず、前記金属層の場合は、前記励起光の波長に対する反射率が厚みによって変化しなくなる程度の厚みであることが好ましい。具体的には、例えば、０．０１〜１０００μｍの範囲、好ましくは０．２〜１００μｍの範囲、より好ましくは０．５〜１０μｍの範囲である。前記誘電体膜の場合は、極力薄いことが好ましい。具体的には、例えば、０．１〜１０００μｍの範囲、好ましくは０．１〜１００μｍの範囲、より好ましくは０．１〜１０μｍの範囲である。光学素子１０Ａでは、例えば、反射層１０１Ａの蛍光層１０３Ａが積層されていない側に、反射層１０１Ａより熱伝導率の高い部材を配置してもよい。これにより、例えば、光学素子１０Ａを、より冷却できる。
【００３３】
蛍光層１０３Ａは、前記蛍光体を含み、前記光学的厚みが前述の範囲となる層であり、厚みおよび屈折率の少なくとも一方を調整可能であればよく、構成材料、構造等は特に制限されない。蛍光層１０３Ａは、例えば、異なる波長の光を発する蛍光体を複数種類含んでもよい。前記励起光の吸収効率の観点から、蛍光層１０３Ａの吸収係数は、高いほど好ましい。また、蛍光層１０３Ａの厚みは、その上限が、３０μｍ未満が好ましく、より好ましくは１０μｍ未満、さらに好ましくは１μｍ未満であり、その下限が、１ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以上、さらに好ましくは１００ｎｍ以上である。蛍光層１０３Ａの厚みは、１ｎｍ以上３０μｍ未満の範囲が好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以上１０μｍ未満の範囲、さらに好ましくは１００ｎｍ以上１μｍ未満の範囲である。
【００３４】
蛍光層１０３Ａは、例えば、前記蛍光体を光透過性部材に分散させた層である。前記蛍光体の形状は、例えば、粒子状である。前記蛍光体は、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。光学素子１０Ａでは、前述のように、前記励起光の吸収率の調整に、前記干渉効果を使用するため、蛍光層１０３Ａの散乱強度は、低いことが好ましい。前記蛍光体の粒子径は、特に制限されないが、前記散乱強度は、前記蛍光体の粒子径と相関があり、前記蛍光体の粒子径が小さいほど低くなるため、前記蛍光体は、ナノ蛍光体が好ましい。前記ナノ蛍光体の粒子径は、特に制限されず、例えば、０．１〜５００ｎｍの範囲であり、好ましくは０．１〜１００ｎｍの範囲、より好ましくは０．１〜１０ｎｍの範囲である。前記励起光の吸収効率および発光効率の観点から、前記蛍光体は、半導体蛍光体が好ましい。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
前記光透過性部材は、蛍光層１０３Ａに、前記蛍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、蛍光層１０３Ａに入射された励起光１０８Ａおよび前記蛍光体から発せら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蛍光層１０３Ａ内部への水分、酸素等の進入を防止でき、前記蛍光体が水分、酸素等により影響を受けるのを緩和できる。このため、前記蛍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。
【００５３】
光学素子１０Ａを製造する方法は、特に制限されず、例えば、下記の方法により製造できる。すなわち、まず、反射層１０１Ａを形成する。反射層１０１Ａが前記金属層の場合、例えば、基板上にスパッタまたは蒸着等の成膜技術により、前記金属層である反射層１０１Ａを成膜してもよいし、前記金属の表面を鏡面加工して反射層１０１Ａを形成してもよい。反射層１０１Ａが前記誘電体多層膜の場合、例えば、基板上にスパッタまたは蒸着等の成膜技術により、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層して、反射層１０１Ａを形成する。
【００５４】
つぎに、反射層１０１Ａ上に、蛍光層１０３Ａを形成する。蛍光層１０３Ａの形成方法は、例えば、スピンコート法、スプレー法、前記蛍光体の自己組織化法、マイクロコンタクトプリント等があげられる。これらの中でも、吸収係数の高い蛍光層１０３Ａを実現できるため、前記自己組織化法およびマイクロコンタクトプリントが、特に好ましい。前記自己組織化法では、例えば、前記蛍光体が自然と密に配列されることにより、蛍光層１０３Ａ中の蛍光体の密度を高くできるため、蛍光層１０３Ａの励起光吸収率を向上できる。また、前記マイクロコンタクトプリントでは、例えば、蛍光層１０３Ａ全体に亘って圧力がかかり、前記蛍光体が密に配列されることにより、蛍光層１０３Ａ中の蛍光体の密度を高くできるため、蛍光層１０３Ａの励起光吸収率を向上できる。
【００５５】
図１および図２に示す本実施形態の光学素子は、その平面形状が矩形であるが、本発明は、これには限定されない。前記光学素子の平面形状は、例えば、円形（または楕円形）、多角形等でもよい。以下の実施形態においても同様である。また、本実施形態の光学素子において、前記発光層は、蛍光体を含む層（蛍光層）からなるが、本発明は、この例には限定されない。前記発光層は、発光体を含む層を含めばよく、前記発光体は、前記蛍光体の他にも、例えば、燐光体等があげられる。前記燐光体は、例えば、従来公知のものがあげられる。
【００５６】
また、本実施形態の光学素子において、前記雰囲気と前記蛍光層との界面、および前記蛍光層と前記反射層との界面は、平行かつ平坦であるが、本発明は、これには限定されない。前記励起光の干渉による吸収率制御が機能する範囲において、前記両界面の少なくとも一方に構造体が形成されている形態、両界面が平行でない形態等もとることができる。この場合、前記光学的距離（本実施形態の光学素子では、前記蛍光層の光学的厚み）の最小値を、前記可干渉距離未満に設定する。また、前記光学素子のハンドリングの容易性の観点から、例えば、前記反射層の前記蛍光層が積層されていない側に、基板が配置されてもよい。
【００５７】
（実施形態２）
本実施形態の光学素子は、前記発光層が誘電体層を含む光学素子の一例である。図４および図５に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図４は、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図５は、図４のＩＩ−ＩＩ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【００５８】
本実施形態の光学素子は、前記発光層が２つの誘電体層を含み、前記誘電体層が前記発光層の両面に設けられていること以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図４および図５に示すように、本実施形態の光学素子１０Ｂは、平面形状が矩形であり、反射層１０１Ｂと、誘電体層１０２Ｂと、蛍光層１０３Ｂと、誘電体層１０４Ｂとを主要な構成要素として含む。光学素子１０Ｂでは、反射層１０１Ｂ、誘電体層１０２Ｂ、蛍光層１０３Ｂおよび誘電体層１０４Ｂが前記順序で積層されている。
【００５９】
光学素子１０Ｂは、雰囲気１０５Ｂ中に配置されている。光学素子１０Ｂは、雰囲気１０５Ｂと誘電体層１０４Ｂとの界面１０７Ｂと、誘電体層１０２Ｂと反射層１０１Ｂとの界面１０６Ｂとが、平行になるように構成されている。誘電体層１０４Ｂの屈折率の実部は、雰囲気１０５Ｂの屈折率の実部と異なっている。このため、界面１０７Ｂは、本発明における「第１の反射面」として機能する。一方、反射層１０１Ｂは、前記励起光を反射可能である。このため、界面１０６Ｂは、本発明における「第２の反射面」として機能する。
【００６０】
光学素子１０Ｂでは、第１の反射面１０７Ｂで反射される励起光と、第２の反射面１０６Ｂで反射される励起光とを干渉させることにより、蛍光層１０３Ｂ内に励起光を閉じ込めることができる。この干渉効果により、第１の反射面１０７Ｂから入射される励起光の、蛍光層１０３Ｂにおける吸収率を調整できる。前記干渉効果は、第１の反射面１０７Ｂと第２の反射面１０６Ｂとの間の光学的距離、すなわち、誘電体層１０２Ｂ、蛍光層１０３Ｂおよび誘電体層１０４Ｂの合計の光学的厚みを、前記励起光の可干渉距離未満とすることにより得られる。したがって、光学素子１０Ｂでは、前記光学的距離が所定の励起光の前記可干渉距離未満となるように、誘電体層１０２Ｂ、蛍光層１０３Ｂおよび誘電体層１０４Ｂの少なくとも一つの層の、厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されている。このようにすることで、例えば、所定の波長・偏光・入射角θｉｎの励起光に対して、所望の吸収率を得られる。
【００６１】
光学素子１０Ｂにおける前記干渉効果は、前記実施形態１の光学素子における干渉効果と同様である。具体的には、前記励起光が第１の反射面１０７Ｂ側から誘電体層１０４Ｂに入射すると、雰囲気１０５Ｂと誘電体層１０４Ｂとの界面１０７Ｂにおいて、前記実施形態１と同様に、多数の仮想反射光線が発生する。この仮想反射光線同士の干渉により、前記励起光の蛍光層１０３Ｂでの吸収量が決定される。光学素子１０Ｂでは、誘電体層１０２Ｂ、蛍光層１０３Ｂおよび誘電体層１０４Ｂの少なくとも一つの層の、厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されることにより、前記励起光の蛍光層１０３Ｂにおける吸収率が制御されており、誘電体層１０２Ｂ、蛍光層１０３Ｂおよび誘電体層１０４Ｂが吸収率制御構造として機能する。
【００６２】
光学素子１０Ｂによれば、誘電体層１０２Ｂおよび誘電体層１０４Ｂを備えることにより、例えば、光学素子の耐久性を向上できる。誘電体層１０２Ｂが蛍光層１０３Ｂの第２の反射面１０６Ｂ側に配置されていることにより、例えば、光学素子の励起光吸収効率の制御性や、発光効率を向上できる。
【００６３】
誘電体層１０２Ｂおよび誘電体層１０４Ｂは、誘電体を含み、前記吸収率制御機構として機能する範囲において、厚みおよび屈折率を適宜設定できる。蛍光層１０３Ｂの寿命の観点から、誘電体層１０２Ｂおよび誘電体層１０４Ｂ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、誘電体層１０２Ｂおよび誘電体層１０４Ｂにより、蛍光層１０３Ｂ内部への水分、酸素等の進入が防止でき、蛍光層１０３Ｂ内の蛍光体が水分、酸素等により影響を受けることを緩和できる。このため、例えば、蛍光層１０３Ｂ内の蛍光体の耐久性を向上でき、光学素子１０Ｂの寿命を長くすることができる。前記水分、酸素等を透過しない材料は、例えば、前述の光透過性部材と同様のものがあげられる。励起光の吸収効率および発光効率の観点から、誘電体層１０２Ｂおよび誘電体層１０４Ｂの形成材料は、例えば、前記励起光の波長および蛍光層１０３Ｂの発光波長において、吸収を持たない材料が好ましい。前記励起光の波長および蛍光層１０３Ｂの発光波長において吸収を持たない材料は、例えば、前述の光透過性部材と同様のものがあげられる。
【００６４】
誘電体層１０２Ｂの厚みは、特に制限されず、例えば、０．１〜１０００ｎｍの範囲であり、好ましくは１〜５００ｎｍの範囲であり、より好ましくは５〜３００ｎｍの範囲である。前記厚みは、反射層１０１Ｂが前記金属層である場合、例えば、５ｎｍ以上とすることが好ましい。このような厚みとすることで、例えば、前記蛍光体から放出される光のうち、反射層１０１Ｂ中に電子−正孔対を励起し、直ちに熱として失われる光を低減でき、光学素子１０Ｂの発光効率を向上できる。さらに、反射層１０１Ｂが前記金属層である場合、誘電体層１０２Ｂの厚みは、５０ｎｍ以上とすることがより好ましい。このような厚みとすることで、例えば、前記蛍光体から放出される光のうち、前述の電子−正孔対を励起による損失の低減に加えて、反射層１０１Ｂ表面に表面プラズモンを励起する割合が低減されることにより、光学素子１０Ｂの発光効率をさらに向上できる。
【００６５】
（実施形態３）
本実施形態の光学素子は、導光体層を有する光学素子の一例である。図６および図７に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図６は、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図７は、図６のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【００６６】
本実施形態の光学素子は、導光体層を含み、前記導光体層が前記発光層の前記反射層が積層されていない側に配置されていること以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図６および図７に示すように、本実施形態の光学素子１０Ｃは、平面形状が矩形であり、反射層１０１Ｃと、蛍光層１０３Ｃと、導光体層２０５Ｃとを主要な構成要素として含む。光学素子１０Ｃでは、反射層１０１Ｃ、蛍光層１０３Ｃおよび導光体層２０５Ｃが前記順序で積層されている。
【００６７】
光学素子１０Ｃは、導光体層２０５Ｃと蛍光層１０３Ｃとの界面１０７Ｃと、蛍光層１０３Ｃと反射層１０１Ｃとの界面１０６Ｃとが、平行になるように構成されている。蛍光層１０３Ｃの屈折率の実部は、導光体層２０５Ｃの屈折率の実部と異なっている。このため、界面１０７Ｃは、本発明における「第１の反射面」として機能する。一方、反射層１０１Ｃは、前記励起光を反射可能である。このため、界面１０６Ｃは、本発明における「第２の反射面」として機能する。
【００６８】
光学素子１０Ｃでは、第１の反射面１０７Ｃで反射される励起光と、第２の反射面１０６Ｃで反射される励起光とを干渉させることにより、蛍光層１０３Ｃ内に励起光を閉じ込めることができる。この干渉効果により、第１の反射面１０７Ｃから入射される励起光の、蛍光層１０３Ｃにおける吸収率を調整できる。前記干渉効果は、第１の反射面１０７Ｃと第２の反射面１０６Ｃとの間の光学的距離、すなわち、蛍光層１０３Ｃの光学的厚みを、前記励起光の可干渉距離未満とすることにより得られる。したがって、光学素子１０Ｃでは、前記光学的距離が所定の励起光の前記可干渉距離未満となるように、蛍光層１０３Ｃの厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されている。このようにすることで、例えば、所定の波長・偏光・入射角θｉｎの励起光に対して、所望の吸収率を得られる。
【００６９】
光学素子１０Ｃにおける前記干渉効果は、前記励起光が導光体層２０５Ｃの側面から入射し、導光体層２０５Ｃ中を伝搬した後に、導光体層２０５Ｃと蛍光層１０３Ｃとの界面１０７Ｃに入射すること以外は、前記実施形態１の光学素子における干渉効果と同様である。具体的には、前記励起光が導光体層２０５Ｃの側面から入射し、導光体層２０５Ｃ中を伝搬した後に、第１の反射面１０７Ｃ側から蛍光層１０３Ｃに入射すると、導光体層２０５Ｃと蛍光層１０３Ｃとの界面１０７Ｃにおいて、前記実施形態１と同様に、多数の仮想反射光線が発生する。この仮想反射光線同士の干渉により、前記励起光の蛍光層１０３Ｃでの吸収量が決定される。光学素子１０Ｃでは、蛍光層１０３Ｃの厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されることにより、前記励起光の蛍光層１０３Ｃにおける吸収率が制御されており、蛍光層１０３Ｃが吸収率制御構造として機能する。
【００７０】
光学素子１０Ｃによれば、導光体層２０５Ｃを備えることにより、例えば、光学素子の耐久性および光学素子の配置の自由度を向上できる。
【００７１】
導光体層２０５Ｃは、その屈折率の実部が蛍光層１０３Ｃの屈折率の実部と異なる形成材料で構成されている。蛍光層１０３Ｃの寿命の観点から、導光体層２０５Ｃ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、導光体層２０５Ｃにより、蛍光層１０３Ｃ内部への水分、酸素等の進入が防止でき、蛍光層１０３Ｃ内の蛍光体が水分、酸素等により影響を受けることを緩和できる。このため、例えば、蛍光層１０３Ｃ内の蛍光体の耐久性を向上でき、光学素子１０Ｃの寿命を長くすることができる。前記水分、酸素等を透過しない材料は、例えば、前述の光透過性部材と同様のものがあげられる。励起光の吸収効率および発光効率の観点から、導光体層２０５Ｃの形成材料は、例えば、前記励起光の波長および蛍光層１０３Ｃの発光波長において、吸収を持たないことが好ましい。前記励起光の波長および蛍光層１０３Ｃの発光波長において吸収を持たない材料は、例えば、前述の光透過性部材と同様のものがあげられる。また、導光体層２０５Ｃの蛍光層１０３Ｃが積層されていない面に、蛍光層１０３Ｃの発光波長に対して、反射率を低減させる構造を有していることが好ましい。具体的には、例えば、前記発光波長よりも小さな周期的構造、すなわちモスアイ構造、誘電体多層膜からなる無反射コーティング等があげられる。
【００７２】
図６および図７に示す本実施形態の光学素子において、前記導光体層は、その平面サイズが前記蛍光層と同じサイズであるが、本発明は、これには限定されない。前記導光体層は、その平面サイズが前記蛍光層より大きくてもよい。このようにすることで、例えば、前記励起光を照射する光源（励起光光源）の配置（例えば、図６におけるｘｙ面内の配置）の自由度を向上できる。
【００７３】
（実施形態４）
本実施形態の光学素子は、１／４波長板および反射型偏光子を有する光学素子の一例である。図８および図９に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図８は、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図９は、図８のＩＶ−ＩＶ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【００７４】
本実施形態の光学素子は、１／４波長板および反射型偏光子を含み、前記１／４波長板および前記反射型偏光子が、前記蛍光層の前記反射層が積層されていない側に、前記蛍光層側から前記順序で配置されていること以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図８および図９に示すように、本実施形態の光学素子１０Ｄは、平面形状が矩形であり、反射層１０１Ｄと、蛍光層１０３Ｄと、１／４波長板１１２Ｄと、反射型偏光子１１３Ｄとを主要な構成要素として含む。蛍光層１０３Ｄは、反射層１０１Ｄに積層されている。１／４波長板１１２Ｄは、蛍光層１０３Ｄの反射層１０１Ｄが積層されていない側に、蛍光層１０３Ｄから前記励起光の可干渉距離以上の距離をあけて配置されている。反射型偏光子１１３Ｄは、１／４波長板１１２Ｄの蛍光層１０３Ｄ側とは反対側に配置されている。反射層１０１Ｄ、蛍光層１０３Ｄ、１／４波長板１１２Ｄおよび反射型偏光子１１３Ｄは、それぞれの面方向が平行となるように配置されている。１／４波長板１１２Ｄおよび反射型偏光子１１３Ｄは、蛍光層１０３Ｄから放出される光の波長に対して機能する。
【００７５】
光学素子１０Ｄは、雰囲気１０５Ｄ中に配置されている。蛍光層１０３Ｄの屈折率の実部は、雰囲気１０５Ｄの屈折率の実部と異なっている。このため、前記実施形態１と同様に、雰囲気１０５Ｄと蛍光層１０３Ｄとの界面１０７Ｄは、本発明における「第１の反射面」として機能する。一方、蛍光層１０３Ｄと反射層１０１Ｄとの界面１０６Ｄは、前記実施形態１と同様に、本発明における「第２の反射面」として機能する。なお、前記実施形態３と同様に、前記導光体層が、前記蛍光層の前記反射層が積層されていない側に配置されてもよい。
【００７６】
光学素子１０Ｄでは、前記実施形態１と同様に、第１の反射面１０７Ｄで反射される励起光と、第２の反射面１０６Ｄで反射される励起光とを干渉させることにより、蛍光層１０３Ｄ内に励起光を閉じ込めることができる。この干渉効果により、第１の反射面１０７Ｄから入射される励起光の、蛍光層１０３Ｄにおける吸収率を調整できる。前記干渉効果は、第１の反射面１０７Ｄと第２の反射面１０６Ｄとの間の光学的距離、すなわち、蛍光層１０３Ｄの光学的厚みを、前記励起光の可干渉距離未満とすることにより得られる。したがって、光学素子１０Ｄでは、前記光学的距離が所定の励起光の前記可干渉距離未満となるように、蛍光層１０３Ｄの厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されている。このようにすることで、例えば、所定の波長・偏光・入射角θｉｎの励起光に対して、所望の吸収率を得られる。
【００７７】
つぎに、光学素子１０Ｄの動作について説明する。まず、前記励起光が、１／４波長板１１２Ｄと蛍光層１０３Ｄとの間から蛍光層１０３Ｄに入射する。その後、前記実施形態１と同様に、前記励起光は、前記干渉効果により、蛍光層１０３Ｄに、所望の吸収率で吸収される。蛍光層１０３Ｄに吸収された前記励起光は、蛍光層１０３Ｄ中の蛍光体の励起に使用される。前記励起された蛍光体は、例えば、前記励起光と波長の異なる光を放出する。蛍光層１０３Ｄから界面１０７Ｄの方向へ放出された光は、雰囲気１０５Ｄ、１／４波長板１１２Ｄを通って、反射型偏光子１１３Ｄに入射する。ここで、反射型偏光子１１３Ｄは、特定の偏光を透過し、その偏光と直交する偏光を反射する。このため、反射型偏光子１１３Ｄに入射した光は、その特性に応じて、偏光分離される。前記偏光分離された光のうち、反射型偏光子１１３Ｄを透過した光は、そのまま光学素子１０Ｄ外部に取り出される。一方、前記偏光分離された光のうち、反射型偏光子１１３Ｄで反射された光は、１／４波長板１１２Ｄ、雰囲気１０５Ｄ、蛍光層１０３Ｄを通って、反射層１０１Ｄにより、反射型偏光子１１３Ｄの方向へ反射される。前記反射光は、蛍光層１０３Ｄ、雰囲気１０５Ｄ、１／４波長板１１２Ｄを通って、再度反射型偏光子１１３Ｄに入射する。この光は、反射型偏光子１１３Ｄで反射されてから、再度反射型偏光子１１３Ｄに入射するまでに、１／４波長板１１２Ｄを２回通っているため、反射型偏光子１１３Ｄで反射された偏光と直交する偏光である。このため、反射型偏光子１１３Ｄに入射した前記反射光は、反射型偏光子１１３Ｄを透過し、光学素子１０Ｄ外部に取り出される。蛍光層１０３Ｄから反射層１０１Ｄの方向へ放出された光も、前述と同様の過程を経て、光学素子１０Ｄ外部に偏光した状態で取り出される。以上のように、光学素子１０Ｄによれば、１／４波長板１１２Ｄおよび反射型偏光子１１３Ｄを有することにより、光学素子から偏光した光を取り出すことができる。
【００７８】
以上では、前記励起光が１／４波長板１１２Ｄと蛍光層１０３Ｄとの間から、蛍光層１０３Ｄへ入射するものとして説明したが、例えば、前記励起光は、反射型偏光子１１３Ｄを通って、蛍光層１０３Ｄに入射してもよい。
【００７９】
１／４波長板１１２Ｄは、従来公知のものを使用でき、例えば、水晶波長板、ポリマー波長板、フォトニック結晶波長板等があげられる。波長板の構成は、例えば、トゥルーゼロオーダ、マルチオーダ、コンパウンドゼロオーダ等があげられ、許容入射角幅の観点から、ゼロオーダ波長板が最も好ましい。
【００８０】
反射型偏光子１１３Ｄは、従来公知のものを使用でき、例えば、ワイヤーグリッド偏光子、反射型偏光性フィルム、フォトニック結晶偏光子等があげられる。効率および許容入射角幅の観点から、反射型偏光性フィルムが好ましく、耐久性の観点から、ワイヤーグリッド偏光子またはフォトニック結晶偏光子が好ましい。反射型偏光子１１３Ｄの蛍光層１０３Ｄ側の面から、界面１０６Ｄまでの距離は、短いことが好ましい。
【００８１】
図８および図９に示す本実施形態の光学素子では、前記１／４波長板と前記蛍光層との間の距離は、前記励起光の可干渉距離以上としたが、本発明は、これには限定されず、例えば、前記距離は、前記励起光の可干渉距離未満でもよい。前記１／４波長板と前記反射型偏光子とは、離れて配置されているが、本発明は、これには限定されず、前記１／４波長板と前記反射型偏光子とは、接して配置されてもよい。
【００８２】
（実施形態５）
本実施形態の光学素子は、前記反射層が凹凸構造体を備える光学素子の一例である。図１０および図１１に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図１０は、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図１１は、図１０のＶ−Ｖ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【００８３】
本実施形態の光学素子は、前記反射層の前記蛍光層側の面に凹凸構造体を備えること以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図１０および図１１に示すように、本実施形態の光学素子１０Ｅは、平面形状が矩形であり、反射層１０１Ｅと、蛍光層１０３Ｅとを主要な構成要素として含む。反射層１０１Ｅは、四角格子状に配置された円柱状の凸部を有する凹凸構造体１１４Ｅを備える。蛍光層１０３Ｅは、反射層１０１Ｅの凹凸構造体１１４Ｅを備える側に積層され、凹凸構造体１１４Ｅの凹部に、蛍光層１０３Ｅの一部が充填されている。凹凸構造体１１４Ｅの凹部の底面を繋いだ面と、反射層１０１Ｅおよび蛍光層１０３Ｅとは、それぞれの面方向が平行となるように構成されている。
【００８４】
光学素子１０Ｅは、雰囲気１０５Ｅ中に配置されている。蛍光層１０３Ｅの屈折率の実部は、雰囲気１０５Ｅの屈折率の実部と異なっている。このため、前記実施形態１と同様に、雰囲気１０５Ｅと蛍光層１０３Ｅとの界面１０７Ｅは、本発明における「第１の反射面」として機能する。一方、蛍光層１０３Ｅと凹凸構造体１１４Ｅの底面を繋いだ面との界面１０６Ｅは、本発明における「第２の反射面」として機能する。なお、前記実施形態３と同様に、前記導光体層が、前記蛍光層の前記反射層が積層されていない側に配置されてもよい。
【００８５】
反射層１０１Ｅは、金属で構成され、凹凸構造体１１４Ｅは、金属または誘電体で構成されている。凹凸構造体１１４Ｅにおける凹部および凸部は、蛍光層１０３Ｅ中の励起光の波長・偏光・入射角において、前記励起光の散乱強度が低くなるサイズで形成されており、前記励起光に対しては散乱体としての機能を有さない。このようなサイズの目安は、例えば、前記励起光の波長の１／４未満である。したがって、例えば、凹凸構造体１１４Ｅの凹凸高さおよび凸部径が、励起光の波長の１／４未満である。
【００８６】
光学素子１０Ｅでは、第１の反射面１０７Ｅで反射される励起光と、第２の反射面１０６Ｅで反射される励起光とを干渉させることにより、蛍光層１０３Ｅ内に励起光を閉じ込めることができる。この干渉効果により、第１の反射面１０７Ｅから入射される励起光の、蛍光層１０３Ｅにおける吸収率を調整できる。前記干渉効果は、第１の反射面１０７Ｅと前記第２の反射面１０６Ｅとの間の光学的距離を、前記励起光の可干渉距離未満とすることにより得られる。
【００８７】
つぎに、光学素子１０Ｅの動作について説明する。本実施形態における吸収率制御原理は、前記実施形態１と同様である。まず、前記励起光が、蛍光層１０３Ｅに入射すると、前記実施形態１と同様に、前記励起光は、前記干渉効果により、蛍光層１０３Ｅに、所望の吸収率で吸収される。蛍光層１０３Ｅに吸収された前記励起光は、蛍光層１０３Ｅ中の蛍光体の励起に使用される。前記励起された蛍光体は、例えば、前記励起光と波長の異なる光を、様々な方向に放出する。前記放出された光のうち、界面１０７Ｅに平行な波数が雰囲気１０５Ｅ中での波数より小さい光は、界面１０７Ｅを通って、光学素子１０Ｅ外部に放出される。一方、前記放出された光のうち、界面１０７Ｅに平行な波数が雰囲気１０５Ｅ中での波数より大きい光は、反射層１０１Ｅが金属で構成されているため、凹凸構造体１１４Ｅ上を表面波として伝搬する。この表面波は、例えば、電子−正孔対によるもの、表面プラズモンによるもの等があげられる。前記表面波は、凹凸構造体１１４Ｅによって回折され、光学素子１０Ｅ外部に取り出される。すなわち、反射層１０１Ｅが凹凸構造体１１４Ｅを備える構成では、光として前記表面波も光学素子１０Ｅ外部に取り出されるため、例えば、光学素子１０Ｅの発光効率を向上できる。
【００８８】
凹凸構造体１１４Ｅは、金属または誘電体により形成される。凹凸構造体１１４Ｅの形状は、例えば、表面レリーフ格子、フォトニック結晶、プラズモニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造、ランダムな構造（すなわち、粗面によって構成される表面構造）、ホログラム等があげられる。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。光取り出し効率の観点から、凹凸構造体１１４Ｅの形状は、前記ランダムな構造、または、前記発光波長においてプラズモニックバンドギャップを有するプラズモニック結晶が好ましい。光の指向性の観点から、凹凸構造体１１４Ｅの形状は、フォトニック結晶、プラズモ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。
【００８９】
図１０および図１１に示す本実施形態の光学素子において、前記凹凸構造体の凹部に前記蛍光層の一部が充填されているが、本発明は、これには限定されない。前記凹凸構造体の凹部には、例えば、前記蛍光層の形成材料とは異なる材料が充填されていてもよいし、空洞でもよい。また、前記凹凸構造体と前記蛍光層との間、前記蛍光層と前記雰囲気との間に、前記実施形態２と同様に、前記誘電体層が配置されてもよい。また、本実施形態の光学素子では、前記凹凸構造体の凸部は、円柱状であるが、本発明は、この例には限定されない。前記凸部の形状は、例えば、四角柱、六角柱等の角柱状；三角錐、四角錐、四角錐台等の錐状等があげられる。また前記凹凸構造体の凸部は、四角格子状に配置されているが、この例には限定されない。前記配置は、例えば、三角格子状等でもよい。前記凹凸構造体は、例えば、前記凹部と前記凸部とが逆転したものでもよい。
【００９０】
（実施形態６）
本実施形態の光学素子は、凹凸構造体を有する光学素子の一例である。図１２および図１３に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図１２は、本実施形態の光学素子の概略斜視図である。図１３は、図１２のＶＩ−ＶＩ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【００９１】
本実施形態の光学素子は、前記第２の反射面が分布ブラッグ反射鏡であり、さらに、前記反射層の前記蛍光層が積層されていない側に、凹凸構造体が形成された反射層が配置されていること以外は、前記実施形態１の光学素子と同様の構成を有する。図１２および図１３に示すように、本実施形態の光学素子１０Ｆは、平面形状が矩形であり、反射層１０１Ｆと、蛍光層１０３Ｆと、反射層２０１Ｆを主要な構成要素として含む。蛍光層１０３Ｆは、反射層１０１Ｆに積層されている。反射層２０１Ｆは、四角格子状に配置された円柱状の凸部を有する凹凸構造体２１４Ｆを備える。反射層２０１Ｆは、反射層１０１Ｆの蛍光層１０３Ｆが積層されていない側に、凹凸構造体２１４Ｆを備える側が反射層１０１Ｆ側となるように配置されている。凹凸構造体２１４Ｆの凹部の底面を繋いだ面と、反射層１０１Ｆおよび蛍光層１０３Ｆとは、それぞれの面方向が平行となるように構成されている。
【００９２】
光学素子１０Ｆは、雰囲気１０５Ｆ中に配置されている。蛍光層１０３Ｆの屈折率の実部は、雰囲気１０５Ｆの屈折率の実部と異なっている。このため、前記実施形態１と同様に、雰囲気１０５Ｆと蛍光層１０３Ｆとの界面１０７Ｆは、本発明における「第１の反射面」として機能する。蛍光層１０３Ｆと反射層１０１Ｆとの界面１０６Ｆは、前記実施形態１と同様に、本発明における「第２の反射面」として機能する。なお、前記実施形態３と同様に、前記導光体層が、前記蛍光層の前記反射層が積層されていない側に配置されてもよい。
【００９３】
凹凸構造体２１４Ｆにおける凹部および凸部は、蛍光層１０３Ｆの発光波長において、前記光を回折、散乱または反射可能なサイズで構成されている。このような機能を奏するサイズの目安は、例えば、前記発光波長の１／４以上である。したがって、例えば、凹凸構造体２１４Ｆの凹凸高さおよび凸部径が、励起光の波長の１／４以上である。反射層１０１Ｆは、前記励起光の波長・偏光・入射角に対して反射率が高く、蛍光層１０３Ｆの発光波長に対して、反射率が低くなるように設計された誘電体多層膜（分布ブラッグ反射鏡）からなる。
【００９４】
光学素子１０Ｆでは、前記実施形態１と同様に、第１の反射面１０７Ｆで反射される励起光と、第２の反射面１０６Ｆで反射される励起光とを干渉させることにより、蛍光層１０３Ｆ内に励起光を閉じ込めることができる。この干渉効果により、第１の反射面１０７Ｆから入射される励起光の、蛍光層１０３Ｆにおける吸収率を調整できる。前記干渉効果は、第１の反射面１０７Ｆと前記第２の反射面１０６Ｆとの間の光学的距離、すなわち、蛍光層１０３Ｆの光学的厚みを、前記励起光の可干渉距離未満とすることにより得られる。
【００９５】
つぎに、光学素子１０Ｆの動作について説明する。本実施形態における吸収率制御原理は、前記実施形態１と同様である。まず、前記励起光が、蛍光層１０３Ｆに入射すると、前記実施形態１と同様に、前記励起光は、前記干渉効果により、蛍光層１０３Ｆに、所望の吸収率で吸収される。蛍光層１０３Ｆに吸収された前記励起光は、蛍光層１０３Ｆ中の蛍光体の励起に使用される。前記励起された蛍光体は、例えば、前記励起光と波長の異なる光を、様々な方向に放出する。前記放出された光のうち、界面１０７Ｆ方向に放出された光は、界面１０７Ｆを通って、光学素子１０Ｆ外部に放出される。一方、前記放出された光のうち、界面１０６Ｆ方向に放出された光は、反射層１０１Ｆが蛍光層１０３Ｆから放出される光を透過するように設計されているため、反射層１０１Ｆを透過する。前記透過した光は、凹凸構造体２１４Ｆで指向性を変化させられた後、反射層２０１Ｆで反射され、再度、反射層１０１Ｆに入射する。そして、この光は、界面１０６Ｆおよび界面１０７Ｆを透過して光学素子１０Ｆ外部に放出される。すなわち、このように凹凸構造体２１４Ｆを備える構成では、例えば、放出光の指向性を所望に制御できる。
【００９６】
反射層１０１Ｆは、前述ように、予め設定された波長・偏光・入射角等の励起光を反射し、蛍光層１０３Ｆから放出される光を透過する。反射層１０１Ｆは、例えば、前述の機能を有する誘電体多層膜（分布ブラッグ反射鏡）であり、これ以外にも、例えば、フォトニック結晶等でもよい。反射層２０１Ｆは、前述のように、蛍光層１０３Ｆから放出される光を反射する。反射層２０１Ｆは、例えば、前記実施形態１の反射層１０１Ａと同様のものがあげられる。
【００９７】
凹凸構造体２１４Ｆは、蛍光層１０３Ｆから放出される光を回折または散乱する。凹凸構造体２１４Ｆ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、ランダムな構造（すなわち、粗面によって構成される表面構造）、ホログラム等があげられる。光学素子１０Ｆから出射される光の指向性が低い方が好ましい場合、凹凸構造体２１４Ｆの形状は、前記ランダムな構造等が好ましい。指向性が高い方が好ましい場合、凹凸構造体２１４Ｆの形状は、前記フォトニック結晶に代表される周期構造、または準周期構造等が好ましい。
【００９８】
図１２および図１３に示す本実施形態の光学素子において、前記凹凸構造体は、前記反射層から離れて配置されているが、本発明は、これには限定されない。前記凹凸構造体は、例えば、前記反射層に接して配置されてもよい。前記凹凸構造体の凸部は、円柱状であるが、本発明は、この例には限定されない。前記凸部の形状は、例えば、四角柱、六角柱等の角柱状；三角錐、四角錐、四角錐台等の錐状等があげられる。また前記凹凸構造体の凸部は、四角格子状に配置されているが、この例には限定されない。前記配置は、例えば、三角格子状等でもよい。前記凹凸構造体は、例えば、前記凹部と前記凸部とが逆転したものでもよい。また、前記反射層と前記蛍光層との間、前記蛍光層と前記雰囲気との間に、前記実施形態２と同様に、前記誘電体層が配置されてもよい。
【００９９】
（実施形態７）
本実施形態の光学素子は、カラーホイールを構成する光学素子の一例である。図１４に、本実施形態の光学素子の構成を示す。図１４は、本実施形態の光学素子の上面図である。図１４に示すように、本実施形態の光学素子１０Ｇは、カラーホイールを構成しており、その動径方向に３分割されている。そして、分割されたそれぞれにおいて、発光波長の異なる光学素子１０Ｇ−１、１０Ｇ−２、１０Ｇ−３が構成されている。光学素子１０Ｇ−１、１０Ｇ−２、１０Ｇ−３は、前記実施形態１から６において例示した前記本発明の光学素子である。
【０１００】
光学素子１０Ｇにより構成されるカラーホイールと、前記励起光を出射する励起光光源とを使用して、例えば、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）プロジェクタを構成すれば、光学素子１０Ｇが効果的に冷却できるため、高効率かつ寿命の長いＤＬＰプロジェクタを構成できる。
【０１０１】
（実施形態８）
本実施形態の光学装置は、導光体層を有する光学素子と励起光光源とを備える光学装置の一例である。図１５および図１６に、本実施形態の光学装置の構成を示す。図１５は、本実施形態の光学装置の概略斜視図である。図１６は、図１５のＶＩＩ−ＶＩＩ方向に見た（ｘｚ平面に沿って切断した）場合の模式断面図である。
【０１０２】
図１５および図１６に示すように、本実施形態の光学装置２０Ａは、光学素子１０Ｈと、励起光光源１２０Ａとを主要な構成要素として含む。光学素子１０Ｈは、前記実施形態３と同様に、反射層１０１Ｈ、蛍光層１０３Ｈおよび導光体層２０５Ｈを備える。導光体層２０５Ｈの側部の全周には、励起光を反射可能な反射構造３０１Ｈを有している。励起光光源１２０Ａは、光学素子１０Ｈの側方周囲に、蛍光層１０Ｈの底部の位置（図１５におけるｚ軸方向位置）と励起光光源１２０Ａの底部の位置（図１５におけるｚ軸方向位置）とが一致するように配置されている。導光体層２０５Ｈは、励起光光源１２０Ａから出射された励起光を、反射構造３０１Ｈにより蛍光層１０３Ｈへ入射させる機能を有している。
【０１０３】
つぎに、光学装置２０Ａの動作について説明する。光学装置２０Ａの動作は、前記励起光の導光体層２０５Ｈへの入射方向が異なることを以外は、前記実施形態３と同様である。このため、前記励起光の前記蛍光層への入射のみを、図１６を参照して、励起光光源１２０Ａから出射される励起光１０８Ｈに基づいて説明する。なお、図１６では、説明の便宜上、各構成部材における平行斜線の図示を省略している。図１６に示すように、励起光光源１２０Ａから出射された励起光１０８Ｈは、導光体層２０５Ｈに入射する。そして、導光体層２０５Ｈに入射した励起光１０８Ｈは、反射構造３０１Ｈにより導光体層２０５Ｈ内を伝搬する角度に反射させられる。前記反射された励起光１０８Ｈは、導光体層２０５Ｈ内を伝搬した後、導光体層２０５Ｈと蛍光層１０３Ｈとの界面１０７Ｈに入射する。界面１０７Ｈに入射した励起光は、前記実施形態３と同様に、仮想反射光線１１０Ｈを発生させる。そして、この仮想反射光線１１０Ｈの干渉効果により、蛍光層１０３Ｈに、所望の吸収率が得られるように蛍光層１０３Ｈの厚みおよび屈折率の少なくとも一方が調整されている。これにより、界面１０７Ｈに入射した励起光１０８Ｈは、所望の吸収率で蛍光層１０３Ｈに吸収される。蛍光層１０３Ｈに吸収された励起光は、例えば、波長が変換され、導光体層２０５Ｈ上部を透過して、光学素子１０Ｈ外部へ放出される。
【０１０４】
前述のように構成された光学装置２０Ａは、高い発光効率と高い光出力定格を有し、さらに、発光層１０Ｈおよび励起光光源１２０Ａの冷却面を同一平面上に構成できるため、例えば、冷却機構を簡便化でき、冷却機構が占める体積を低減できる。
【０１０５】
導光体層２０５Ｈは、励起光光源１２０Ａからの励起光を、蛍光層１０３Ｈに入射させる機能を有する。その機能を担う反射構造３０１Ｈは、例えば、屈折率差による全反射構造、高反射率の金属蒸着面等があげられる。
【０１０６】
励起光光源１２０Ａは、蛍光層１０３Ｈ中の蛍光体を励起する励起光を照射する。励起光光源１２０Ａは、例えば、発光ダイオード、半導体レーザダイオード素子、スーパールミネッセントダイオード等があげられる。前記励起光の波長は、特に制限されず、例えば、３００〜８００ｎｍの範囲であり、好ましくは４００〜７００ｎｍの範囲であり、より好ましくは４００〜５００ｎｍの範囲である。前記励起光の可干渉距離は、例えば、１０μｍ以上である。前記励起光の光学素子１０Ｈへの入射角は、例えば、２０度以上であり、好ましくは４０度以上であり、より好ましくは６０度以上である。光学素子１０Ｈへの励起光の入射時の操作性から、励起光光源１２０Ａは、指向性および偏光性の高い発光素子が好ましい。このような発光素子は、例えば、半導体レーザダイオード素子、固体レーザ等のレーザ類やスーパールミネッセントダイオードがある。コストの観点から、励起光光源１２０Ａは、発光ダイオードが好ましい。
【０１０７】
なお、本発明では、本実施形態の光学装置には限定されず、前記実施形態１から７において例示した前記本発明の光学素子と、励起光光源とを組み合わせた光学装置を構成できる。
【０１０８】
（実施形態９）
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１７に、本実施形態のプロジェクタの構成を示す。図１７は、本実施形態のプロジェクタの概略斜視図である。図１７に示すように、本実施形態のプロジェクタ３０は、３つの前記実施形態８の光学装置２０Ｉ−ｒ、２０Ｉ−ｇ、２０Ｉ−ｂと、３つの液晶表示素子１５０ｒ、１５０ｇ、１５０ｂと、照明光学系１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂと、クロスダイクロイックプリズム１３０と、投射光学系１６０とを主要な構成要素として含む。光学装置２０Ｉ−ｒ、照明光学系１４０ｒおよび液晶表示素子１５０ｒと、光学装置２０Ｉ−ｇ、照明光学系１４０ｇおよび液晶表示素子１５０ｇと、光学装置２０Ｉ−ｂ、照明光学系１４０ｂおよび液晶表示素子１５０ｂとが、それぞれ光路を形成している。
【０１０９】
光学装置２０Ｉ−ｒ、２０Ｉ−ｇ、２０Ｉ−ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、及び青（Ｂ）光用で異なる発光波長の光を放出する。照明光学系１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂは、光学装置２０Ｉ−ｒ、２０Ｉ−ｇ、２０Ｉ−ｂから放出された光を液晶表示素子に効率よく入射させる。前記照明光学系は、本発明の画像表示装置における「照明部」に相当する。液晶表示素子１５０ｒ、１５０ｇ、１５０ｂは、表示させる画像に合わせて光の強度を変調する。クロスダイクロイックプリズム１３０は、液晶表示素子１５０ｒ、１５０ｇ、１５０ｂを透過した光を合成する。投射光学系１６０は、液晶表示素子１５０ｒ、１５０ｇ、１５０ｂにより形成された画像をスクリーン上に投影する。
【０１１０】
プロジェクタ３０は、制御回路部（図示せず）により、前記光路ごとに前記液晶表示素子上の像を変調させる。プロジェクタ３０は、前記実施形態８の光学装置を備えることにより、高い発光効率と高い光出力定格を有する。
【０１１１】
図１７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、ＤＬＰ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、例えば、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。
【０１１２】
（実施形態１０）
本実施形態の光学素子は、発光層と、反射層とを有し、前記発光層は、発光体を含む層を有し、前記発光層と前記反射層とは、積層されており、前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、前記第１の反射面側から入射される励起光に起因して前記第１の反射面から出射される方向に発生する、仮想反射光線同士の位相をずらすことが可能である。本実施形態の光学素子における、各構成および干渉効果による吸収率の向上等は、前記実施形態１等の記載を引用できる。
【０１１３】
（実施形態１１）
本実施形態の光学素子は、発光層と、反射層とを有し、前記発光層は、発光体を含む層を有し、前記発光層と前記反射層とは、積層されており、前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、前記発光体を含む層の厚みは、３０μｍ未満である。本実施形態の光学素子における、各構成および干渉効果による吸収率の向上等は、前記実施形態１等の記載を引用できる。
【０１１４】
（実施形態１２）
本実施形態の光学装置は、発光層と、反射層とを有し、前記発光層は、発光体を含む層を有し、前記発光層と前記反射層とは、積層されており、前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面である光学素子と、前記光学素子の前記第１の反射面に励起光を照射する励起光光源とを含み、前記光学素子における前記発光層の厚みおよび屈折率、ならびに前記励起光の可干渉距離が、下記（Ｉ）の条件を満たすように設定されている。本実施形態の光学装置における各構成および干渉効果による吸収率の向上等は、前述の記載を引用できる。
（Ｉ）前記光学素子における前記第１の反射面と前記第２の反射面との光学的距離が、前記可干渉距離未満である
【０１１５】
（実施形態１３）
本実施形態の光学装置は、プラズモン励起による発光を利用する光学装置の一例である。図２６の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。
【０１１６】
図２６に示すように、本実施形態の光学装置１は、励起光光源１１と、光制御部３とを、主要な構成要素として含む。光制御部３は、キャリア生成層１３と、キャリア生成層１３上に積層された誘電体層１４と、誘電体層１４上に積層されたプラズモン励起層１５と、プラズモン励起層１５上に積層された誘電体層１６と、誘電体層１６上に積層された波数ベクトル変換層１７とを含む。波数ベクトル変換層１７は、出射層としての機能を有する。光制御部３は、キャリア生成層１３側の面が対向するように、励起光光源１１に積層されている。光制御部３において、キャリア生成層１３、誘電体層１４、プラズモン励起層１５により導波路が構成されている。
【０１１７】
光学装置１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１５の励起光光源１１側に積層された構造全体と励起光光源１１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１４、キャリア生成層１３および励起光光源１１が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１５の波数ベクトル変換層１７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層１７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、誘電体層１６および波数ベクトル変換層１７が含まれる。なお、例えば、誘電体層１４および誘電体層１６を除いたとしても、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低い場合には、誘電体層１４および誘電体層１６は、必ずしも必須の構成要素ではない。
【０１１８】
ここで、前記実効誘電率（εeff）は、プラズモン励起層１５の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１５の界面に垂直な方向（プラズモン励起層１５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、キャリア生成層１３単体を励起光で励起したとき、キャリア生成層１３から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１５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、虚数単位をｊ、Ｒｅ［  ］を［  ］内の数値の実部を示す記号とすれば、下記式（３）で表される。
【０１１９】
【数３】
2013103039.tif 000005
【０１２０】
実効誘電率εeffは、下記式（９）で表される式を用いて算出されてもよい。ただし、前記式（３）を用いるのが、特に望ましい。
【０１２１】
【数４】
2013103039.tif 000006
【０１２２】
前記式（３）および前記式（９）において、積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１５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１５の波数ベクトル変換層１７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１５と、プラズモン励起層１５に隣接する、誘電性を有する層（誘電体層１４または誘電体層１６）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１５の、誘電体層１４または誘電体層１６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（３）および前記式（９）における（＋）ｚ方向とする。例えば、プラズモン励起層１５の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層１５の凹凸に沿ってｚ座標の原点を移動させれば、前記式（３）および前記式（９）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。
【０１２３】
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１５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（４）および（５）で表される。
【０１２４】
【数５】
2013103039.tif 000007
【数６】
2013103039.tif 000008
【０１２５】
さらに、光学装置１では、プラズモン励起層１５のキャリア生成層１３側表面からキャリア生成層１３のプラズモン励起層１５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（６）で表される。
【０１２６】
【数７】
2013103039.tif 000009
【０１２７】
したがって、前記式（３）または前記式（９）、前記式（４）および前記式（５）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１５の前記入射側部分の誘電率分布の実部εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、およびプラズモン励起層１５の前記出射側部分の誘電率分布の実部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１５に対する前記入射側部分の実効誘電率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（３）または前記式（９）、前記式（４）および前記式（５）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１５に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合、前記式（４）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１５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（３）または前記式（９）と同様に定義される。
【０１２８】
つぎに、光学装置１について、励起光光源１１から出射された光（以下、「励起光」ということがある。）が、光制御部３に入射し、光制御部３の波数ベクトル変換層１７から光が出射される動作を説明する。
【０１２９】
励起光光源１１から出射された励起光は、光制御部３に入射する。そして、前記励起光は、前記導波路に結合し、その中に閉じ込められる。この閉じ込められた励起光により、キャリア生成層１３が励起され、キャリア生成層１３中にキャリアが生成される。このキャリアは、誘電体層１４を隔てたプラズモン励起層１５中の自由電子と結合し、誘電体層１４とプラズモン励起層１５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１５と誘電体層１６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が、前記出射側部分の実効誘電率より低いことにより起こる。前記放出光の波長は、キャリア生成層１３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１６の屈折率をｎoutとすれば、下記式（７）で表される。
【０１３０】
【数８】
2013103039.tif 000010
【０１３１】
前記励起された表面プラズモンの波数は、前記式（４）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１７に入射し、波数ベクトル変換層１７によって回折または屈折されて、光学装置１外部に取り出される。
【０１３２】
励起光光源１１は、キャリア生成層１３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。
【０１３３】
キャリア生成層１３は、前記励起光を吸光してキャリアを生成させる層である。キャリア生成層１３は、例えば、発光体を含む。前記発光体は、例えば、蛍光体または燐光体等である。前記蛍光体は、例えば、有機蛍光体、無機蛍光体、量子ドット蛍光体、半導体蛍光体等があげられる。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、例えば、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎ等があげられる。前記量子ドット蛍光体は、例えば、ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ等の量子ドット等があげられる。前記半導体蛍光体は、例えば、無機材料半導体または有機材料半導体の蛍光体があげられる。前記無機材料半導体は、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ等があげられる。前記有機材料半導体は、例えば、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３（トリス(８−キノリノラト)アルミニウム）等があげられる。キャリア生成層１３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。キャリア生成層１３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。
【０１３４】
キャリア生成層１３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、キャリア生成層１３内に生成されるキャリアを増加でき、例えば、光制御部３における前記励起光の利用効率を向上できる。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
プラズモン励起層１５は、キャリア生成層１３単体を励起光で励起したときにキャリア生成層１３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１５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１５のキャリア生成層１３側に、プラズモン励起層１５のキャリア生成層１３側の界面から、前記式（６）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、この光制御部３の構成要素の積層方向に垂直な面内、言い換えれば、各層の界面に平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、光制御部３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、光学装置１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を、ある方向でプラズモン結合が発生しない程度高く、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１７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１７による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
【０１３８】
理論的には、前記入射側部分の実効誘電率とプラズモン励起層１５の誘電率との和が、負または０の場合、キャリア生成層１３で生成されたキャリアは、プラズモン励起層１５に表面プラズモンを励起する。一方、前記和が正の場合、前記キャリアは、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１５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率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１５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率との和が負または０となるような誘電率である。キャリア生成層１３で生成されたキャリア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とプラズモン励起層１５の誘電率の和とが０となる条件である。したがって、プラズモン励起層１５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率の最低値との和が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１５を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１５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、プラズモン励起層１５の誘電率と前記入射側部分の実効誘電率の中間値との和が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等の異方性結晶等があげられる。前記誘電体層の構造は、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。
【０１３９】
プラズモン励起層１５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１５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。
【０１４０】
プラズモン励起層１５のキャリア生成層１３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、キャリア生成層１３中に励起されるキャリアを増加させる。この結果、例えば、光制御部３における励起光の利用効率を向上できる。
【０１４１】
誘電体層１４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又は多孔質膜等があげられる。誘電体層１４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の範囲であり、より好ましくは５〜２０ｎｍの範囲である。
【０１４２】
誘電体層１６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１６の厚みは、特に制限されない。
【０１４３】
波数ベクトル変換層１７は、プラズモン励起層１５と誘電体層１６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、光学装置１から出射させる出射部である。波数ベクトル変換層１７は、前記出射光を、プラズモン励起層１５と誘電体層１６との界面にほぼ直交する向きに、光学装置１から出射させる機能を有する。
【０１４４】
波数ベクトル変換層１７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；そのサイズが光学装置１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１７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。
【０１４５】
前述のように、光学装置１では、プラズモン励起層１５のキャリア生成層１３側表面からキャリア生成層１３のプラズモン励起層１５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、キャリア生成層１３中に生成されるキャリアとプラズモン励起層１５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、キャリア生成層１３中のキャリアが生成される位置（例えば、キャリア生成層１３中の蛍光体が存在する位置）から、プラズモン励起層１５のキャリア生成層１３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。光学装置１において、前記領域が１〜２００ｎｍの範囲の場合には、例えば、キャリア生成層１３は、プラズモン励起層１５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、キャリア生成層１３は、プラズモン励起層１５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１４の厚みを１０ｎｍ、キャリア生成層１３の厚みを９０ｎｍとする。光取り出し効率の観点からは、キャリア生成層１３は薄いほど好ましい。一方、光出力定格の観点からは、キャリア生成層１３は厚いほど好ましい。したがって、キャリア生成層１３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に基づいて決定される。なお、前記領域の範囲は、キャリア生成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キャリア生成層の厚み等を、適宜設定すればよい。
【０１４６】
図２６に示す本実施形態の光学装置において、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、前記キャリア生成層上に、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。
【０１４７】
また、本実施形態の光学装置において、前記励起光光源と前記光制御部とは、接して積層されているが、前記励起光光源と前記光制御部とは、例えば、離れて配置されてもよい。また、前記励起光光源は、例えば、複数の前記励起光光源を備えてもよい。前記励起光は、例えば、導光体を介して、前記光制御部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；前記導光体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。
【０１４８】
また、本実施形態の光学装置において、前記光制御部は、例えば、前記実施形態１から７に示すような吸収率制御構造を有してもよい。前記光制御部が前述の吸収率制御構造を有することにより、励起光の吸収効率を向上でき、例えば、より高い発光効率とより高い出力定格を備える光学装置を実現できる。
【０１４９】
（実施形態１４）
本実施形態の光学装置は、プラズモン励起による発光を利用する光学装置の一例である。図２７の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。本実施形態の光学装置は、前記光制御部が誘電体層を含まないこと以外は、前記実施形態１３の光学装置と同様の構成を有する。図２７に示すように、本実施形態の光学装置１ａは、励起光光源１１と、光制御部３ａとを、主要な構成要素として含む。光制御部３ａは、キャリア生成層１３と、キャリア生成層１３上に積層されたプラズモン励起層１５と、プラズモン励起層１５上に積層された波数ベクトル変換層（出射層）２７とを含む。光制御部３ａは、キャリア生成層１３側の面が対向するようにして、励起光光源１１に積層されている。
【０１５０】
光学装置１ａ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１５の励起光光源１１側に積層された構造全体と励起光光源１１に接する媒質とを含む。前記構造全体には、キャリア生成層１３および励起光光源１１が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１５の波数ベクトル変換層２７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層２７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２７が含まれる。
【０１５１】
キャリア生成層１３は、プラズモン励起層１５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。キャリア生成層１５とプラズモン励起層１３との間には、例えば、その厚みが前記式（６）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、波数ベクトル変換層２７は、プラズモン励起層１５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、波数ベクトル変換層２７とプラズモン励起層１５との間には、その厚みが前記式（６）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。このように誘電体層が配置されることで、前記実施形態１３と同様に、キャリア生成層１３中に生成されるキャリアとプラズモン励起層１５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。
【０１５２】
つぎに、光学装置１ａについて、励起光光源１１からの励起光が、光制御部３ａに入射し、光制御部３ａの波数ベクトル変換層２７から光が出射される動作を説明する。
【０１５３】
励起光光源１１から出射された励起光は、光制御部３ａのキャリア生成層１３に入射する。キャリア生成層１３に入射した励起光の一部は、キャリア生成層１３に吸収され、キャリア生成層１３中にキャリアが生成される。このキャリアは、プラズモン励起層１５中の自由電子と結合し、キャリア生成層１３とプラズモン励起層１５との界面、およびプラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層２７との界面に表面プラズモンを励起する。キャリア生成層１３とプラズモン励起層１５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１５を透過し、プラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層２７との界面まで伝搬する。前述のように、光学装置１ａは、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２７のプラズモン励起層１５側の端部は、プラズモン励起層１５の波数ベクトル変換層２７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２７が平坦な誘電体層である場合、プラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層２７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２７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、光学装置１ａ外部に光として放射される。前記放射光の波長は、キャリア生成層１３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２７の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層２７の光取り出し側（すなわち、波数ベクトル変換層２７に接する媒質）の屈折率をｎｒａｄとすれば、下記式（８）で表される。
【０１５４】
【数９】
2013103039.tif 000011
【０１５５】
キャリア生成層１３とプラズモン励起層１５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（４）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１５と波数ベクトル変換層２７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。
【０１５６】
波数ベクトル変換層２７は、プラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層２７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、光学装置１ａ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２７は、表面プラズモンを所定の放射角の光に変換して、前記光を光学装置１ａから放射させる。さらに、波数ベクトル変換層２７は、例えば、プラズモン励起層１５と波数ベクトル変換層２７との界面に対してほぼ直交するように、放射光を光学装置１ａから放射させる機能を有している。波数ベクトル変換層２７は、例えば、前記実施形態１３の波数ベクトル変換層１７と同様のものを使用できる。
【０１５７】
本実施形態の光学装置において、前記光制御部は、例えば、前記実施形態１から７に示すような吸収率制御構造を有してもよい。前記光制御部が前述の吸収率制御構造を有することにより、励起光の吸収効率を向上でき、例えば、より高い発光効率とより高い出力定格を備える光学装置を実現できる。
【０１５８】
（実施形態１５）
本実施形態の光学装置は、プラズモン励起による発光を利用し、導光体を備える光学装置の一例である。図２８の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。図２８において、全構成要素を示すため、導光体３８で遮られて見えない部分を破線で示す。図２８に示すように、本実施形態の光学装置１ｂは、光源部２ｂと、光制御部３ｂとを、主要な構成要素として含む。光源部２ｂは、励起光光源３１と、導光体３８とを含む。励起光光源３１は、導光体３８の側方周囲に配置されている。光制御部３ｂは、キャリア生成部３３と、プラズモン励起層３５と、誘電体層３６とを含む。誘電体層３６は、プラズモン励起層３５に積層されている。キャリア生成部３３は、誘電体層３６に周期的に埋め込まれ、誘電体層３６を貫通し、その一端部がプラズモン励起層３５と接している。キャリア生成部３３は、出射層としての機能を有する。光制御部３ｂは、光制御部３ｂの誘電体層３６側の面と光源部２ｂの導光体３８とが対向するようにして、光源部２ｂに積層されている。
【０１５９】
さらに、光学装置１ｂでは、プラズモン励起層３５のキャリア生成部３３側表面からキャリア生成部３３のプラズモン励起層３５側表面までの距離は、前記式（６）で表される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。
【０１６０】
つぎに、光学装置１ｂについて、励起光光源３１からの励起光が、光制御部３ｂに入射し、導光体３８のキャリア生成部３３側の面とは反対側の面（光出射面３９）から光が出射される動作を説明する。
【０１６１】
励起光光源３１から出射された励起光は、導光体３８に入射し、導光体３８からプラズモン励起層３５までの間を多重反射しながら導光する。導光している励起光のうち、キャリア生成部３３に入射した励起光は、その一部が、キャリア生成部３３で吸収され、キャリア生成部３３中にキャリアが生成される。前記キャリアの一部は、プラズモン励起層３５中の自由電子と結合し、誘電体層３６とプラズモン励起層３５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、キャリア生成部３３と誘電体層３６とが形成する周期構造によって、回折され、光出射面３９を通って、光学装置１ｂ外部に光として放出される。前記放出光の波長は、キャリア生成部３３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θradは、前記式（８）で表される。ここで、光学装置１ｂでは、プラズモン励起層３５の導光体３８側に積層された全体構造と導光体３８に接する媒質とを含む部分が、前記実施形態１３で定義した励起光の入射側部分および出射側部分を兼ねている。誘電体層３６とプラズモン励起層３５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（４）で一義的に設定される付近しか存在しない。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。この放射光の配光分布に、表面プラズモンと結合しなかったキャリアによる伝搬光の配光分布が重畳される。
【０１６２】
励起光光源３１は、例えば、前記実施形態１３の励起光光源１１と同様のものが使用できる。
【０１６３】
導光体３８の形状は、例えば、直方体および楔形；導光体３８の光出射面３９側の面、光出射面３９側の面と対向する面、または導光体３８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、例えば、前記両面および前記内部の全てに、前記光取り出し用の構造体を有してもよい。導光体３８の光出射面３９側、およびそれと対向する面を除く面は、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。
【０１６４】
キャリア生成部３３は、励起光を吸光してキャリアを生成させる層であり、その機能・構成材料等は、例えば、前記実施形態１３のキャリア生成層１３と同様である。
【０１６５】
誘電体層３６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３６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の範囲であり、より好ましくは５〜１０ｎｍの範囲である。前記高誘電率材料を使用することにより、例えば、キャリア生成部３３中に生成されたキャリアのうち、表面プラズモンと結合するキャリアの数を増加でき、より指向性の高く、より偏光度の高い光を光学装置１ｂから放射できる。
【０１６６】
プラズモン励起層３５において、その機能・構成材料・形状等は、例えば、前記実施形態１３のプラズモン励起層１５と同様である。導光体３８とプラズモン励起層３５との間には、例えば、光学異方性を有する誘電体層が配置されてもよい。この誘電体層の構成および効果等は、前記実施形態１３で示したものと同様である。
【０１６７】
図２８に示す本実施形態の光学装置において、前記光源部と前記光制御部とは、接して積層されているが、本発明は、この例には限定されず、前記光源部と前記光制御部とは、例えば、離れて配置されてもよい。
【０１６８】
また、本実施形態の光学装置において、前記キャリア生成部は、前記誘電体層内に埋め込まれているが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記誘電体層と前記キャリア生成部との関係を逆転させ、キャリア生成層内に誘電体部が周期的に埋め込まれていてもよい。このような構成でも、前述と同様の効果が得られる。また、前記誘電体層の前記導光体側の表面と前記キャリア生成部の前記導光体側の表面とは、同じ高さに設定されているが、本発明は、この例には限定されず、必ずしも同じ高さである必要はない。前記キャリア生成部は、例えば、前記誘電体層表面の全体に亘って繋がったものでもよいし、前記キャリア生成部の一端部が前記プラズモン励起層に接していなくてもよい。
【０１６９】
また、本実施形態の光学装置において、前記光制御部は、例えば、前記実施形態１から７に示すような吸収率制御構造を有してもよい。前記光制御部が前述の吸収率制御構造を有することにより、励起光の吸収効率を向上でき、例えば、より高い発光効率とより高い出力定格を備える光学装置を実現できる。
【０１７０】
（実施形態１６）
本実施形態の光学装置は、偏光変換素子として１／２波長板を備える光学装置の一例である。図２９の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。
【０１７１】
図２９に示すように、本実施形態の光学装置１ｃは、光学装置１と、１／２波長板４１とを、主要な構成要素として含む。光学装置１は、図２６に示した前記実施形態１３の光学装置である。１／２波長板４１は、光学装置１の波数ベクトル変換層１７側に配置されている。なお、図２９では、説明の便宜上、１／２波長板４１を二点鎖線で示している。
【０１７２】
前記実施形態１３で示したように、波数ベクトル変換層１７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４１に入射する。この時、前記軸対称偏光は、１／２波長板４１により、直線偏光に変換される。このように、本実施形態の光学装置では、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）。
【０１７３】
１／２波長板４１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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
図２９に示す本実施形態の光学装置では、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、本実施形態の光学装置では、前記実施形態１３の光学装置を使用しているが、本発明は、この例に限定されず、例えば、前記実施形態１４または１５の光学装置を使用してもよい。
【０１７７】
また、本実施形態の光学装置において、前記光制御部は、例えば、前記実施形態１から７に示すような吸収率制御構造を有してもよい。前記光制御部が前述の吸収率制御構造を有することにより、励起光の吸収効率を向上でき、例えば、より高い発光効率とより高い出力定格を備える光学装置を実現できる。
【実施例】
【０１７８】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例によって何ら限定および制限されない。【０１７９】
［実施例１］
前記実施形態１の光学素子１０Ａについて、下記の条件を設定し、吸収率および反射率を、シミュレーションにより測定した。本実施例の光学素子における蛍光層１０３Ａの光学的厚み（第１の反射面１０７Ａと第２の反射面１０６Ａとの間の光学的距離）は、９９．７１ｎｍであり、前記励起光の可干渉距離未満である。
反射層１０１Ａ  厚み：２００ｎｍ、材質：Ａｇ
蛍光層１０３Ａ  厚み：５９ｎｍ、蛍光体：半導体蛍光体
屈折率（実部）：１．７、屈折率（虚部）：０．０１
雰囲気１０５Ａ  空気
励起光          波長（真空中）：４６０ｎｍ
偏光：ｐ偏光またはｓ偏光
入射角：０〜９０度【０１８０】
図１８のグラフに、励起光の入射角と吸収率との関係を示し、図１９のグラフに、励起光の入射角と反射率との関係を示す。図１８および図１９の凡例は、励起光の偏光状態を示し、「ｐ」はｐ偏光を、「ｓ」はｓ偏光を示す（以下、同様。）図１８および図１９は、前記励起光の吸収率と反射率とは、真逆の関係にあることを示している。図１８に示すように、本実施例の光学素子では、前記励起光の入射角および偏光を選択すれば、前記励起光の吸収率を向上できることが確認された。前記励起光の偏光をｓ偏光、入射角を２０度以上とした場合、前記吸収率が１９％以上であり、前記入射角を４０度以上とした場合、前記吸収率が２２％以上であり、前記入射角を６０度以上とした場合、前記吸収率が３１％以上であり、前記入射角を８０度以上とした場合、前記吸収率が６５％以上である。特に、前記励起光の偏光をｓ偏光、入射角を８７．４度とした場合、１００％の励起光を蛍光層１０３Ａに、１回の入射で吸収させることができることが確認された。【０１８１】
［実施例２］
蛍光層１０３Ａの厚みを１００ｎｍとしたこと以外は、前記実施例１と同様の条件で、前記実施形態１の光学素子１０Ａについての励起光吸収率を、シミュレーションにより測定した。本実施例の光学素子における蛍光層１０３Ａの光学的厚みは、１６９ｎｍであり、前記励起光の可干渉距離未満である。【０１８２】
図２０のグラフに、励起光の入射角と吸収率との関係を示す。図２０に示すように、本実施例の光学素子では、前記励起光の入射角および偏光を選択すれば、前記実施例１と比較して、前記励起光の吸収率の最大値は低いものの、前記励起光の吸収率を向上できることが確認された。この結果から、前記励起光の干渉を利用した光閉じ込めにおいて、最大の吸収率を得るには、吸収率制御構造の一つである蛍光層１０３Ａの厚みを適切に制御するのが望ましいことが示唆された。【０１８３】
［実施例３］
蛍光層１０３Ａの屈折率（実部）を１．９としたこと以外は、前記実施例１と同様の条件で、前記実施形態１の光学素子１０Ａの励起光吸収率を、シミュレーションにより測定した。本実施例の光学素子における蛍光層１０３Ａの光学的厚みは、１１１．５１ｎｍであり、前記励起光の可干渉距離未満である。【０１８４】
図２１のグラフに、励起光の入射角と吸収率との関係を示す。図２１に示すように、本実施例の光学素子では、前記励起光の入射角および偏光を選択すれば、前記実施例１と比較して、前記励起光の吸収率の最大値は低いものの、前記励起光の吸収率を向上できることが確認された。この結果から、前記励起光の干渉を利用した光閉じ込めにおいて、最大の吸収率を得るには、吸収率制御構造の一つである蛍光層１０３Ａの屈折率を適切に制御するのが望ましいことが示唆された。【０１８５】
［実施例４］
前記励起光の波長を、４５０ｎｍまたは４７０ｎｍとしたこと以外は、前記実施例１と同様の条件で、前記実施形態１の光学素子１０Ａの励起光吸収率を、シミュレーションにより測定した。本実施例の光学素子における蛍光層１０３Ａの光学的厚みは、９９．７１ｎｍであり、前記励起光の可干渉距離未満である。【０１８６】
図２２のグラフに、励起光の波長が４５０ｎｍの場合の、励起光の入射角と吸収率との関係を示し、図２３のグラフに、励起光の波長が４７０ｎｍの場合の、励起光の入射角と吸収率との関係を示す。図２２および図２３に示すように、本実施例の光学素子によれば、前記励起光の吸収率を向上できることが確認された。前記実施例１の吸収率と比較した場合、本実施例の光学素子における吸収率は、若干低かった。この結果から、前記励起光の干渉を利用した光閉じ込めにおいて、前記励起光の波長に応じて、吸収率制御構造を適切に設計することで、最大の吸収率を得ることができることが確認された。なお、図２２および図２３は、励起光の波長変化に対する吸収率の変化が小さいこと、すなわち、波長トレランスが高いことを示しており、反射された励起光を、折り返しミラー等の光学素子を使用して、再度、光学素子１０Ａへ入射させることで、容易に吸収率を９６％以上とすることできる。このような波長トレランスは、半導体レーザダイオードに対しては十分な範囲である。【０１８７】
［実施例５］
蛍光層１０３Ａの厚みを１２９ｎｍとしたこと以外は、前記実施例１と同様の条件で、前記実施形態１の光学素子１０Ａについての励起光吸収率を、シミュレーションにより測定した。本実施例の光学素子における蛍光層１０３Ａの光学的厚みは、２１８．０１ｎｍであり、前記励起光の可干渉距離未満である。【０１８８】
図２４のグラフに、励起光の入射角と吸収率との関係を示す。図２４に示すように、本実施例の光学素子によれば、前記励起光の吸収率を向上できることが確認された。また、吸収率の最大値は、前記実施例１と同等であった。前記励起光の偏光をｐ偏光、入射角を２０度以上とした場合、前記吸収率が１１％以上であり、前記入射角を４０度以上とした場合、前記吸収率が１３％以上であり、前記入射角を６０度以上とした場合、前記吸収率が１９％以上であり、前記入射角を８０度以上とした場合、前記吸収率が４５％以上である。特に、前記励起光の偏光をｐ偏光、入射角度を８８．５度とした場合、１００％の励起光を蛍光層１０３Ａに、１回の入射で吸収させることができることが確認された。【０１８９】
以上の結果から、前記励起光の吸収率が特に高くなる条件は、第１の反射面と第２の反射面間の光学的距離（蛍光層１０３Ａの光学的厚み）が、励起光光源の可干渉距離を越えない範囲で複数存在し、この条件を適切に設定することで、吸収率を向上できることが確認された。【０１９０】
［実施例６］
前記実施形態１および３の光学素子１０Ａおよび１０Ｃについて、前記励起光の入射角および偏光を自由に設定できるとし、蛍光層１０３Ａおよび１０３Ｃの厚みをできるだけ薄くした場合において、前記励起光の吸収率が１００％となる条件を、シミュレーションにより確認した。【０１９１】
図２５のグラフに、励起光吸収率が１００％となるための屈折率差と蛍光層の厚みとの関係を示す。図２５において、横軸は、蛍光層１０３Ａから雰囲気１０５Ａの屈折率（実部）を差し引いた値（屈折率差）、または蛍光層１０３Ｃから導光体２０５Ｃの屈折率（実部）を差し引いた値（屈折率差）を示す。縦軸は、前記励起光の吸収率が１００％となる条件における蛍光層１０３Ａおよび１０３Ｃの光学的厚みを前記励起光の波長で規格化したときの、蛍光層１０３Ａおよび１０３Ｃの厚みを示している。凡例は、左から、前記励起光の波長、反射層１０１Ａまたは１０１Ｃの構成材料、蛍光層１０３Ａまたは１０３Ｃの屈折率（虚部）、雰囲気１０５Ａまたは導光体層２０５Ｃの構成材料を、前記順序で示している。図２５に示すように、いずれの条件においても、蛍光層が蛍光層中での励起光の波長より薄い条件で、前記励起光を１００％吸収できることが確認された。【０１９２】
前述のように、本発明の光学素子は、励起光の吸収効率が向上されている。従って、本発明の光学素子を使用した光学装置は、例えば、ディスプレイ（画像表示装置）全般の光源に使用できる。前記本発明の画像表示装置は、特に制限されず、例えば、プロジェクタがあげられる。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。【０１９３】
以上、実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態および実施例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。【０１９４】
この出願は、２０１２年１月７日に出願された日本出願特願２０１２−１６９４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】
【０１９５】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｇ−１、１０Ｇ−２、１０Ｇ−３、１０Ｈ  光学素子
２０Ａ、２０Ｉ−ｒ、２０Ｉ−ｇ、２０Ｉ−ｂ  光学装置
３０  プロジェクタ（画像表示装置）
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｈ、２０１Ｆ  反射層
１０２Ｂ、１０４Ｂ  誘電体層
１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ、１０３Ｄ、１０３Ｅ、１０３Ｆ、１０３Ｈ  蛍光層（発光体を含む層）
１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｄ、１０５Ｅ、１０５Ｆ    雰囲気
１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃ、１０６Ｄ、１０６Ｅ、１０６Ｆ、１０６Ｈ  界面（第２の反射面）
１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ、１０７Ｄ、１０７Ｅ、１０７Ｆ、１０７Ｈ  界面（第１の反射面）
１０８Ａ、１０８Ｈ  励起光
１０９Ａ、１１０Ａ、１１０Ｈ、１１１Ａ  仮想光線
１１２Ｄ  １／４波長板
１１３Ｄ  反射型偏光子
１１４Ｅ  凹凸構造体
１２０Ａ  励起光光源
１３０    クロスダイクロイックプリズム
１４０ｒ、１４０ｇ、１４０ｂ  照明光学系（照射部）
１５０ｒ、１５０ｇ、１５０ｂ  液晶表示素子
１６０    投射光学系
２０５Ｃ、２０５Ｈ  導光体層
２１４Ｆ  凹凸構造体
３０１Ｈ  反射構造
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  光学装置
２ｂ  光源部
３、３ａ、３ｂ  光制御部
１１、３１  励起光光源
１３  キャリア生成層
１４  誘電体層
１５、３５  プラズモン励起層
１６、３６  誘電体層
１７、２７  波数ベクトル変換層（出射層）
３３  キャリア生成部（出射層）
３８  導光体
３９  光出射面
４１  １／２波長板（偏光変換素子）
【図１】
2013103039.tif 000012
【図２】
2013103039.tif 000013
【図３】
2013103039.tif 000014
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年5月6日(2013.5.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子から出射した励起光の波長を変換して出射する光学素子からなる光学装置において、
前記光学素子は、
発光層と、反射層とを有し、
前記発光層は、発光体を含む層を有し、
前記発光層と前記反射層とは、積層されており、
前記発光層において、前記反射層が積層されていない側の表面が第１の反射面であり、
前記発光層と前記反射層との界面が第２の反射面であり、
前記励起光は、前記第１の反射面に対して、斜入射し、
前記励起光の偏光は、前記第１の反射面に対して、前記光学素子の構成に応じて、ｓ偏光成分またはｐ偏光成分のうちいずれか一方の偏光成分が多い、光学装置。
【請求項２】
前記励起光は、前記第１の反射面に対して、４０度以上の角度で斜入射する、請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記発光層の厚みは、１０μｍ未満である、請求項１または２記載の光学装置。
【請求項４】
前記励起光の偏光は、前記第１の反射面に対して、前記光学素子の構成に応じて、ｓ偏光およびｐ偏光のいずれか一方である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記発光体は、ナノ蛍光体である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記発光層は、誘電体層を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記誘電体層は、前記発光層の前記第２の反射面側に配置されている、請求項６記載の光学装置。
【請求項８】
さらに、導光体層を有し、
前記導光体層は、前記発光層の前記反射層が積層されていない側に配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第２の反射面は、前記励起光の波長に対して機能する、分布ブラッグ反射鏡により形成される、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記反射層は、金属を含む層である、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記第２の反射面は、第２反射面凹凸構造体により形成され、前記第２反射面凹凸構造体における凸部のサイズは、前記励起光の波長の１／４未満である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１２】
さらに、凹凸構造体を有し、
前記凹凸構造体は、前記反射層の前記発光層が積層されていない側に配置され、
前記凹凸構造体における凸部のサイズは、発光波長の１／４以上である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１３】
さらに、１／４波長板および反射型偏光子を有し、
前記１／４波長板および前記反射型偏光子は、前記発光層の前記反射層が積層されていない側に、前記順序で、前記発光層側から配置されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記発光素子は、指向性が高い光源である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学装置と、画像を表示可能な画像表示部とを含む、画像表示装置。
【請求項１６】
さらに、前記画像表示部に光を照射する照射部と、
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とを含む、請求項１５記載の画像表示装置。
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
（削除）
【請求項１９】
（削除）
【請求項２０】
（削除）
【請求項２１】
（削除）
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
（削除）
【国際調査報告】
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