(57)【要約】  励起光の吸収効率を向上可能な光学装置および画像表示装置を提供する。  本発明の光学装置（１）は、発光素子（１０１ａ）および（１０１ｂ）と、発光素子（１０１ａ）および（１０１ｂ）からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層（１０３）と、キャリア生成層（１０３）の上側に積層され、キャリア生成層（１０３）を発光素子（１０１ａ）および（１０１ｂ）の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層（１０５）と、プラズモン励起層（１０５）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、キャリア生成層（１０３）に入射する光の入射角を、４０度以上とする。
2013103038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の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、
前記キャリア生成層に入射する光の入射角を、４０度以上とする、光学装置。
【請求項２】
前記入射角を、６０度以上とする、請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記プラズモン励起層の少なくとも一方の面に、誘電体層が積層されている、請求項１または２記載の光学装置。
【請求項４】
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側表面と、前記キャリア生成層の前記プラズモン励起層側表面との距離は、前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側表面に励起される表面プラズモンの有効相互作用距離よりも短い、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】
前記キャリア生成層は、前記プラズモン励起層からの距離が、１〜２００ｎｍの範囲内に配置されている、請求項４記載の光学装置。
【請求項６】
前記出射層は、表面周期構造を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記キャリア生成層は、表面周期構造を有し、かつ、前記出射層を兼ねる、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８】
さらに、前記出射層から出射される軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記プラズモン励起層の前記発光素子側に積層された構造全体と前記発光素子に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率より、低い、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】
前記プラズモン励起層の前記発光素子側に積層された構造全体と前記発光素子に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率より、高いまたは等しく、
前記出射層の前記プラズモン励起層側の端部は、前記プラズモン励起層の前記出射層側の面からの距離が、表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている、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】
前記実効誘電率（εｅｆｆ）は、前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をkspp,z、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（１）または式（７）のいずれか一方で表され、
かつ、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、および前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および式（３）で表される、請求項９または１０記載の光学装置。
【数１】
2013103038.tif 000010
【数２】
2013103038.tif 000011
【数３】
2013103038.tif 000012
【数４】
2013103038.tif 000013
【請求項１２】
前記有効相互作用距離ｄeffは、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号とすれば、下記式（４）で表される、請求項４から１１のいずれか一項に記載の光学装置。
【数５】
2013103038.tif 000014
【請求項１３】
請求項１から１２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１４】
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１３記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクタ等の画像表示装置の光源として、例えば、発光素子と、発光素子からの光（励起光）が入射する導光体と、前記導光体に設けられ、前記導光体からの光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、前記キャリア生成層の上に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有するプラズモンを励起するプラズモン励起層と、前記プラズモン励起層の上に積層され、前記プラズモン励起層から入射する光を所定の出射角の光に変換して出射する出射層とを備える光学装置が開発されている（特許文献１）。【０００３】
このような光学装置は、つぎのような原理で発光する。すなわち、まず、前記キャリア生成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、前記キャリア生成層中にキャリアが生成される。このキャリアは、前記プラズモン励起層中の自由電子と結合し、表面プラズモンを励起する。そして、前記励起された表面プラズモンが、光として放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０４０５２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１等に記載の光学装置では、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、発光素子から照射された励起光の吸収効率の向上は重要な要因である。【０００６】
本発明の目的は、励起光の吸収効率を向上可能な光学装置および画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の光学装置は、
発光素子と、
前記発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の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、
前記キャリア生成層に入射する光の入射角を、４０度以上とする。【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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、励起光の吸収効率を向上可能な光学装置および画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の光学装置の一例（実施形態１）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、キャリア生成層の厚みが５０ｎｍの場合の、キャリア生成層における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、キャリア生成層の厚みが１００ｎｍの場合の、キャリア生成層における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す図である。
【図３】図３は、励起光の吸収率の、キャリア生成層の厚み依存性を示す図である。
【図４】図４は、光学装置からの発光スペクトルの励起光入射角依存性を示す図である。
【図５】図５は、キャリア生成層の厚みが５０ｎｍの場合の、光学装置からの発光スペクトルを示す図である。
【図６】図６は、キャリア生成層の厚みが１００ｎｍの場合の、光学装置からの発光スペクトルを示す図である。
【図７】図７は、本発明の光学装置のその他の例（実施形態２）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明の光学装置のさらにその他の例（実施形態３）の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】図９は、本発明の画像表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の一例（実施形態５）の構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、前記実施形態５のＬＥＤプロジェクタに使用される光学装置の発光波長と蛍光体の励起波長および発光波長とを説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の光学装置のさらにその他の例（実施形態４）の構成を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の光学装置および画像表示装置について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１から図１１において、同一部分には、同一符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なり、模式的に示す場合がある。
【００１２】
（実施形態１）
本実施形態の光学装置は、誘電体層を有する光学装置の一例である。図１の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の光学装置１は、発光素子１０１ａおよび１０１ｂ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１０３と、キャリア生成層１０３上に積層された誘電体層１０４と、誘電体層１０４上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された誘電体層１０６と、誘電体層１０６上に積層された波数ベクトル変換層１０７とを含む。波数ベクトル変換層１０７は、前記本発明における「出射層」としての機能を有する。発光素子１０１ａおよび１０１ｂは、光制御部３の側面周囲に配置されている。発光素子１０１ａおよび１０１ｂの配置位置と、キャリア生成層１０３に入射する光の入射角との関係は、後述する。
【００１４】
光制御部３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１０５のキャリア生成層１０３側に積層された構造全体とキャリア生成層１０３に接する周囲雰囲気媒質（以下、「媒質」ということがある。）とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０４およびキャリア生成層１０３が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層１０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層１０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、誘電体層１０６および波数ベクトル変換層１０７が含まれる。なお、例えば、誘電体層１０４および誘電体層１０６を除いたとしても、前記入射側部分の実効誘電率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１０４および誘電体層１０６は、必ずしも必須の構成要素ではない。
【００１５】
ここで、前記実効誘電率（εeff）は、プラズモン励起層１０５の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１０５の界面に垂直な方向（プラズモン励起層１０５の表面に凹凸が形成されている場合には、その平均面に垂直な方向）をｚ軸とし、キャリア生成層１０３単体を励起光で励起したとき、キャリア生成層１０３から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１０５に対する前記入射側部分または前記出射側部分における誘電体の誘電率分布の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（１）で表される。
【００１６】
【数１】
2013103038.tif 000003
【００１７】
実効誘電率εeffは、下記式（７）で表される式を用いて算出されてもよい。ただし、前記式（１）を用いるのが、特に望ましい。
【００１８】
【数２】
2013103038.tif 000004
【００１９】
前記式（１）および前記式（７）において、積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１０５に対する、前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲である。言い換えれば、この積分範囲Ｄにおけるｘ軸及びｙ軸方向の範囲は、前記入射側部分の構造全体の外周面、または前記出射側部分の構造全体の外周面までの媒質を含まない範囲であり、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層１０７側の面に平行な面内の外縁までの範囲である。積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、前記入射側部分または前記出射側部分の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、プラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５に隣接する、誘電性を有する層（誘電体層１０４または誘電体層１０６）との界面を、ｚ＝０となる位置とし、これらの界面から、プラズモン励起層１０５の、誘電体層１０４または誘電体層１０６側の無限遠までの範囲であり、これらの界面から遠ざかる方向を、前記式（１）および前記式（７）における（＋）ｚ方向とする。例えば、プラズモン励起層１０５の表面に凹凸が形成されている場合、プラズモン励起層１０５の凹凸に沿ってｚ座標の原点を移動させれば、前記式（１）および前記式（７）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。
【００２０】
また、前記表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,z、前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ksppは、プラズモン励起層１０５の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすれば、下記式（２）および（３）で表される。
【００２１】
【数３】
2013103038.tif 000005
【数４】
2013103038.tif 000006
【００２２】
さらに、光学装置１では、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面からキャリア生成層１０３のプラズモン励起層１０５側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。前記ｄeffは、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号とし、表面プラズモンの有効相互作用距離を表面プラズモンの強度がｅ-2となる距離とすれば、下記式（４）で表される。
【００２３】
【数５】
2013103038.tif 000007
【００２４】
したがって、前記式（１）または前記式（７）、前記式（２）および前記式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１０５の前記入射側部分の誘電率分布の実部εin（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、およびプラズモン励起層１０５の前記出射側部分の誘電率分布の実部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１０５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（１）または前記式（７）、前記式（２）および前記式（３）を繰り返し計算することで、実効誘電率εeffを容易に求められる。なお、例えば、プラズモン励起層１０５に接する層の誘電率の実部が非常に大きい場合、前記式（２）で表される表面プラズモンの波数のｚ成分kspp,zが実数となる。これは、その界面において表面プラズモンが発生しないことに相当する。このため、プラズモン励起層１０５に接する層の誘電率が、この場合の実効誘電率に相当する。後述の実施形態における実効誘電率も、前記式（１）または前記式（７）と同様に定義される。
【００２５】
光学装置１では、発光素子１０１ａおよび１０１ｂから出射される光（以下、「励起光」ということがある）が、キャリア生成層１０３に入射される際の、入射角が４０度以上に設定されている。このような構成により、光学装置１は、キャリア生成層１０３における励起光の吸収効率、すなわち、キャリア生成層１０３、誘電体層１０４、プラズモン励起層１０５から構成される導波路（以下、「導波路」ということがある。）への結合効率が向上されている。光学装置１が、このような効果を奏することについて、以下に、詳細に説明する。
【００２６】
光学装置の発光効率の向上には、発光素子からの励起光の吸収率の向上が重要である。本発明者らは、励起光の吸収効率向上の観点から、鋭意研究を重ねた結果、キャリア生成層における励起光の吸収効率が、励起光のキャリア生成層への入射角に著しく依存することを見出した。さらに、本発明者らは、前記吸収効率は、前記励起光の偏光特性にも依存することを見出した。これらの知見は、本発明者らが初めて見出したものである。前記吸収効率の入射角依存性および偏光依存性について、本実施形態の光学装置１に基づいて、さらに説明する。
【００２７】
図２Ａおよび図２Ｂに、キャリア生成層１０３における励起光の吸収率の入射角および偏光依存性を示す。図２Ａに示す例では、キャリア生成層１０３の厚みを５０ｎｍに、図２Ｂに示す例では、キャリア生成層１０３の厚みを１００ｎｍに設定している。図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、キャリア生成層１０３の厚み条件も含めて、光学装置１を下記の条件に設定している。この例では、プラズモン励起層１０５で反射した光を、再利用していない。本実施形態において、前記「入射角」は、発光素子１０１ａおよび１０１ｂから出射された光（光線）がキャリア生成層１０３（光制御部３）に入射する際の、前記光線とキャリア生成層１０３における入射面の法線とがなす角を示す。以下、本発明において、前記「入射角」は、前述と同様の概念で示される。
発光素子１０１：レーザダイオード（発光波長：４６０ｎｍ）
キャリア生成層１０３：形成材料：蛍光体（屈折率：１．７+０．０３ｊ）
厚み：５０ｎｍ（図２Ａ）または１００ｎｍ（図２Ｂ）
誘電体層１０４：形成材料：ＳｉＯ２、厚み：１０ｎｍ
プラズモン励起層１０５：形成材料：Ａｇ、厚み：５０ｎｍ
誘電体層１０６：形成材料：ＴｉＯ２、厚み：０．５ｍｍ
波数ベクトル変換層１０７：半球レンズ（直径：１０ｍｍ）
【００２８】
図２Ａに示すように、キャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合、キャリア生成層１０３への励起光の入射角が大きくなるほど、前記励起光の偏光がｓ偏光の場合、吸収率が著しく増加し、前記励起光の偏光がｐ偏光の場合、吸収率が著しく減少する。ここで、前記励起光の吸収率は、前記励起光の偏光がｓ偏光の場合、入射角が４０度以上で、３１％以上、入射角が６０度以上で、４２％以上、入射角が７０度以上で、５３％以上である。前記励起光の偏光がｓ偏光の場合、吸収率の最大値は、前記励起光の入射角が８４度で、７７％であった。このように、前記吸収効率は、前記励起光の入射角および偏光に依存することが分かる。
【００２９】
図２Ｂに示すように、キャリア生成層１０３の厚みが１００ｎｍの場合、キャリア生成層１０３への励起光の入射角が大きくなるほど、前記励起光の偏光がｐ偏光の場合、吸収率が著しく増加し、前記励起光の偏光がｓ偏光の場合、吸収率が著しく減少する。ここで、前記励起光の吸収率は、前記励起光の偏光がｐ偏光の場合、入射角が４０度以上で、１９％以上、入射角が６０度以上で、２７％以上、入射角が７０度以上で、３３％以上である。前記励起光の偏光がｐ偏光の場合、吸収率の最大値は、前記励起光の入射角が７８度で、３７％であった。このように、前記吸収効率は、前記励起光の入射角および偏光に依存することが分かる。
【００３０】
図３に、励起光の吸収率とキャリア生成層１０３の厚みとの関係を示す。図３に示す例では、前記励起光の入射角を７０度としたこと以外は、図２に示す例と同様の条件とした。図３において、横軸は、前記励起光におけるｓ偏光成分の割合を示し、１００％は前記励起光がｓ偏光のみであることを示し、０％は前記励起光がｐ偏光のみであることを示す。図３に示すように、キャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合、前記励起光にｓ偏光成分が多くなるのに伴い、前記励起光の吸収率が向上する。一方、キャリア生成層１０３の厚みが１００ｎｍの場合、前記励起光にｓ偏光成分が少なくなる、すなわち、ｐ偏光成分が多くなるのに伴い、前記励起光の吸収率が向上する。いずれの条件においても、ｓ偏光またはｐ偏光において吸収率の最大値となるということが共通して言える。また、ｓ偏光とｐ偏光との間の偏光、すなわち、中間の偏光において吸収率が最大値となることはないとも言える。
【００３１】
図４に、図２Ａおよび図３に示す例のキャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合の、光学装置１からの発光スペクトルと、励起光の入射角との関係を示す。図４における「０°」「１０°」「２０°」「３０°」「４０°」「５０°」「６０°」「７０°」「８０°」は、前記励起光の入射角を示す。図４において、縦軸を、前記励起光の入射角が０度の場合の発光スペクトルを１として規格化した。図４に示すように、キャリア生成層１０３への前記励起光の入射角が大きくなるほど、発光パワーは、向上した。図２Ａとの比較から、キャリア生成層１０３で吸収された励起光量と発光パワーとには、相関関係（例えば、比例関係）があることが分かる。
【００３２】
図５に、図２Ａおよび図３に示す例のキャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合の、光学装置１からの発光スペクトルを示す。図５における「０％」「３３％」「６６％」「１００％」は、前記励起光に占めるｓ偏光成分の割合を示す。図５において、縦軸を、前記励起光がｐ偏光（図５中の「０％」）の場合の発光スペクトルを１として規格化した。図５に示すように、発光パワーは、前記励起光がｓ偏光（１００％）の場合に、最大となり、前記励起光がｐ偏光（０％）の場合の８倍であった。図３との比較から、キャリア生成層１０３で吸収された励起光量と発光パワーとには、相関関係（例えば、比例関係）があることが分かる。
【００３３】
図６に、図２Ｂおよび図３に示す例のキャリア生成層１０３の厚みが１００ｎｍの場合の、光学装置１からの発光スペクトルを示す。図６における「０％」「３３％」「６６％」「１００％」は、前記励起光に占めるｓ偏光成分の割合を示す。図６において、縦軸を、前記励起光がｓ偏光（図６中の「１００％」）の場合の発光スペクトルを１として規格化した。図６に示すように、発光パワーは、前記励起光がｐ偏光（０％）の場合に、最大となり、前記励起光がｓ偏光（１００％）の場合の４倍であった。図３との比較から、キャリア生成層１０３の厚みが５０ｎｍの場合と同様に、キャリア生成層１０３で吸収された励起光量と発光パワーとには、相関関係（例えば、比例関係）があることが分かる。
【００３４】
以上のように、キャリア生成層における励起光の吸収効率は、励起光の入射角に依存する。この知見に基づき、本発明者らは、励起光のキャリア生成層への入射角を４０度以上とすることにより、励起光の吸収効率を向上できることが見出し、本発明を完成させるに至った。本発明によれば、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装置を実現できる。例えば、励起光の吸収率の最大値は、入射角が４０度以上の場合であるため、前記入射角は、５０度以上が好ましく、より好ましくは６０度以上、さらに好ましくは７０〜８８度の範囲である。
【００３５】
また、励起光の吸収効率は、キャリア生成層の厚みに応じて、ｓ偏光またはｐ偏光のいずれかにおいて、最大となる。したがって、前記キャリア生成層の厚みに応じて、ｓ偏光またはｐ偏光のみを、前記所定の入射角以上でキャリア生成層に入射させれば、例えば、励起光の吸収効率をさらに向上できる。
【００３６】
つぎに、光学装置１について、発光素子１０１ａおよび１０１ｂから出射された励起光が、光制御部３に入射し、光制御部３の波数ベクトル変換層１０７から光が出射される動作を説明する。
【００３７】
発光素子１０１ａおよび１０１ｂから出射された励起光は、前記所定の入射角（および偏光）で、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１０３が励起され、キャリア生成層１０３中にキャリアが生成される。このキャリアは、誘電体層１０４を隔てたプラズモン励起層１０５中の自由電子と結合し、誘電体層１０４とプラズモン励起層１０５との界面に表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面から光として放出される（以下、「放出光」ということがある。）。前記光の放出は、前記入射側部分の実効誘電率が、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１０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の出射角度θoutは、誘電体層１０６の屈折率をｎoutとすれば、下記式（５）で表される。
【００３８】
【数６】
2013103038.tif 000008
【００３９】
前記励起された表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。前記放出光は、前記表面プラズモンの波数ベクトルが変換されただけである。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は、非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。前記放出光は、波数ベクトル変換層１０７に入射し、波数ベクトル変換層１０７によって回折または屈折されて、光学装置１外部に取り出される。なお、キャリア生成層１０３に入射した励起光のうち、前記導波路に結合しなかったものは、光制御部３（例えば、プラズモン励起層１０５）より反射される。この反射光を、例えば、金属ミラー、誘電体ミラー、プリズム等の反射体によって反射させ、再度、光制御部３に入射させることで励起光の利用効率をさらに向上できる。
【００４０】
発光素子１０１ａおよび１０１ｂは、キャリア生成層１０３が吸収可能な波長の光（励起光）を出射する。具体的には、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等があげられる。前記ＬＥＤの場合、放射角および偏光の揃った光を放出する工夫が施されていることが好ましい。前記スーパールミネッセントダイオードの場合、偏光の揃った光を放出する工夫が施されていることが好ましい。前記励起光のキャリア生成層１０３への入射角は、前述のとおりであり、例えば、発光素子１０１ａおよび１０１ｂは、前記入射角が前記所定の範囲となるように配置される。
【００４１】
キャリア生成層１０３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１０３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１０３は、例えば、発光波長が同一または異なる複数の波長の光を発生する、複数の材料から構成されてもよい。キャリア生成層１０３の厚みは、特に制限されず、例えば、１μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。
【００４２】
キャリア生成層１０３は、例えば、金属粒子を含んでもよい。前記金属粒子は、前記励起光との相互作用により、前記金属粒子の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に、前記励起光の電場強度に対して１００倍近くの増強電場を誘起する。この増強電場により、キャリア生成層１０３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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
プラズモン励起層１０５は、キャリア生成層１０３単体を励起光で励起したときにキャリア生成層１０３で発生する光の周波数（以下、「発光周波数」ということがある。）よりも高いプラズマ周波数を有する形成材料により形成された、微粒子層または薄膜層である。すなわち、プラズモン励起層１０５は、発光周波数において負の誘電率を有する。プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側に、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側の界面から、前記式（４）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。
【００４６】
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１０５の誘電率との和が、負または０の場合、キャリア生成層１０３で生成されたキャリアは、プラズモン励起層１０５に表面プラズモンを励起する。一方、前記和が正の場合、前記キャリアは、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１０５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１０５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１０３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１０５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１０５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１０５を透過する発光の減少やそれに伴うプラズモン励起層１０５での発熱が懸念される。このため、実用上は、方位角の指向性を高めすぎないのが好ましい。具体的には、プラズモン励起層１０５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。
【００４７】
プラズモン励起層１０５の構成材料は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、またはこれらの合金等があげられる。これらの中でも、前記構成材料は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合体が好ましく、金、銀、アルミニウム、およびこれらを主成分とする誘電体との混合物が特に好ましい。プラズモン励起層１０５の厚みは、特に制限されず、２００ｎｍ以下が好ましく、１０〜１００ｎｍ程度が特に好ましい。
【００４８】
プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面は、例えば、粗面化されていてもよい。前記粗面が、例えば、前記励起光の散乱、前記粗面の先鋭部における局在プラズモンの励起をもたらし、キャリア生成層１０３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。
【００４９】
誘電体層１０４は、誘電体を含む層であり、具体的には、例えば、ＳｉＯ２ナノロッドアレイフィルム；ＳｉＯ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜等があげられる。誘電体層１０４の厚みは、特に制限されず、例えば、１〜１００ｎｍの範囲であり、好ましくは５〜５０ｎｍの範囲であり、より好ましくは５〜２０ｎｍの範囲である。
【００５０】
誘電体層１０６の構成材料は、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＮｄＯ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５等の高誘電率材料があげられる。誘電体層１０６の厚みは、特に制限されない。
【００５１】
波数ベクトル変換層１０７は、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面から放射される光を、その波数ベクトルを変換することにより、光学装置１から出射させる出射部である。波数ベクトル変換層１０７は、前記放射光を、プラズモン励起層１０５と誘電体層１０６との界面にほぼ直交する向きに、光学装置１から出射させる機能を有する。
【００５２】
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。
【００５３】
前述のように、光学装置１では、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面からキャリア生成層１０３のプラズモン励起層１０５側表面までの距離は、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより短く設定されている。このように設定されていることで、キャリア生成層１０３中に生成されるキャリアとプラズモン励起層１０５中の自由電子とを、効率よく結合でき、その結果、例えば、発光効率を向上できる。結合効率の高い領域は、例えば、キャリア生成層１０３中のキャリアが生成される位置（例えば、キャリア生成層１０３中の蛍光体が存在する位置）から、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側表面までの領域である。前記領域は、例えば、２００ｎｍ程度と非常に狭く、例えば、１〜２００ｎｍ範囲または１０〜１００ｎｍの範囲である。光学装置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１０３は、プラズモン励起層１０５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１０３は、プラズモン励起層１０５から１０〜１００ｎｍの範囲内に配置されていることが好ましく、具体的には、例えば、誘電体層１０４の厚みを１０ｎｍ、キャリア生成層１０３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１０３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１０３は厚いほど好ましい。したがって、キャリア生成層１０３の厚みは、例えば、求められる光取り出し効率と光出力定格とに基づいて決定される。なお、前記領域の範囲は、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。
【００５４】
図１に示す本実施形態の光学装置において、前記発光素子は、２つ配置されているが、本発明は、この例に限定されない。前記発光素子の数は、特に制限されない。前記励起光は、例えば、導光体を介して、光制御部３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。前記光取り出し用の構造体は、例えば、前記励起光の前記キャリア生成層への入射角を、前記所定の入射角以上の角度に変換し、吸収率を向上させる機能を有するものが好ましい。前記導光体の光出射部を除く面は、例えば、反射材料または誘電体多層膜等を使用して、前記励起光を前記面から出射させない処理が施されているのが好ましい。また、例えば、本発明の光学装置は、前記励起光の前記キャリア生成層への入射角を前記所定の入射角以上に調整可能な光学部材（例えば、ミラー等）を含んでもよい。
【００５５】
また、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。
【００５６】
（実施形態２）
図７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１の光学装置と同様の構成を有する。図７に示すように、本実施形態の光学装置１１は、発光素子１０１ａおよび１０１ｂと、光制御部１３とを、主要な構成要素として含む。光制御部１３は、キャリア生成層１０３と、キャリア生成層１０３上に積層されたプラズモン励起層１０５と、プラズモン励起層１０５上に積層された波数ベクトル変換層（出射層）２０７とを含む。発光素子１０１ａおよび１０１ｂは、光制御部１３の側面周囲に配置されている。
【００５７】
光学装置１１は、入射側部分の実効誘電率が、出射側部分の実効誘電率よりも高いか、または等しくなるように構成されている。前記入射側部分は、プラズモン励起層１０５のキャリア生成層１０３側に積層された構造全体とキャリア生成層１０３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１０３が含まれる。前記出射側部分は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層２０７側に積層された構造全体と波数ベクトル変換層２０７に接する媒質とを含む。前記構造全体には、波数ベクトル変換層２０７が含まれる。
【００５８】
つぎに、光学装置１１について、発光素子１０１からの励起光が、光制御部１３に入射し、光制御部１３の波数ベクトル変換層２０７から光が出射される動作を説明する。
【００５９】
発光素子１０１ａおよび１０１ｂから出射された励起光は、前記所定の入射角（および偏光）で、光制御部１３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１０３が励起され、キャリア生成層１０３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１０５中の自由電子と結合し、キャリア生成層１０３とプラズモン励起層１０５との界面、およびプラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に表面プラズモンを励起する。キャリア生成層１０３とプラズモン励起層１０５との界面に励起された表面プラズモンは、プラズモン励起層１０５を透過し、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面まで伝搬する。前述のように、光学装置１１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２０７のプラズモン励起層１０５側の端部は、プラズモン励起層１０５の波数ベクトル変換層２０７の面からの距離が、表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている。ここで、波数ベクトル変換層２０７が平坦な誘電体層である場合、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面での表面プラズモンは、その界面では光に変換されない。前記界面での表面プラズモンは、波数ベクトル変換層２０７が表面プラズモンを光として取り出す機能、例えば、回折作用を有するため、光学装置１１外部に光として放出（放射）される。前記放出光の波長は、キャリア生成層１０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。また、前記放出光の放射角度θradは、波数ベクトル変換層２０７の周期構造のピッチをΛとし、波数ベクトル変換層２０７の光取り出し側（すなわち、波数ベクトル変換層２０７に接する媒質）の屈折率をｎｒａｄとすれば、下記式（６）で表される。
【００６０】
【数７】
2013103038.tif 000009
【００６１】
キャリア生成層１０３とプラズモン励起層１０５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に励起される表面プラズモンの波数についても同様である。したがって、前記放出光の放射角度は一義的に決定され、その偏光状態は常にｐ偏光である。すなわち、前記放出光は、非常に高い指向性を有する、ｐ偏光の光である。なお、キャリア生成層１０３に入射した励起光のうち、前記導波路に結合しなかったものは、光制御部１３（例えば、プラズモン励起層１０５）より反射される。この反射光を、例えば、金属ミラー、誘電体ミラー、プリズム等の反射体によって反射させ、再度、光制御部３に入射させることで励起光の利用効率をさらに向上できる。前記励起光のキャリア生成層１０３への入射角は、前記実施形態１と同様である。
【００６２】
波数ベクトル変換層２０７は、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に励起された表面プラズモンを、その波数ベクトルを変換することで、前記界面から光として取り出し、光学装置１１から放射させる出射部である。すなわち、波数ベクトル変換層２０７は、表面プラズモンを所定の放射角の光に変換して、前記光を光学装置１１から放射させる。さらに、波数ベクトル変換層２０７は、例えば、プラズモン励起層１０５と波数ベクトル変換層２０７との界面に対してほぼ直交するように、放射光を光学装置１１から放射させる機能を有している。波数ベクトル変換層２０７は、例えば、前記実施形態１の波数ベクトル変換層１０７と同様のものを使用できる。
【００６３】
図７に示す本実施形態の光学装置において、前記キャリア生成層は、前記プラズモン励起層に接して配置されているが、本発明は、この例には限定されない。前記キャリア生成層と前記プラズモン励起層との間には、例えば、その厚みが前記式（４）で表わされる表面プラズモンの有効相互作用距離ｄeffより小さい厚みの、誘電体層が配置されてもよい。また、前記波数ベクトル変換層は、前記プラズモン励起層に接して配置されているが、本発明は、この例には限定されず、例えば、前記波数ベクトル変換層と前記プラズモン励起層との間には、その厚みが前記式（４）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。
【００６４】
また、本実施形態の光学装置は、例えば、前記実施形態１と同様に、前記キャリア生成層と前記プラズモン励起層との間に、光学異方性を有する誘電体層が配置されてもよい。この場合、前記入射側部分の実効誘電率を、ある方向でプラズモン結合が発生しないほど高く、それと直交する方向ではプラズモン結合が発生する程度低く設定すれば、例えば、前記波数ベクトル変換層に入射する光の入射角および偏光をさらに限定できる。このため、例えば、前記波数ベクトル変換層による光の取り出し効率を、さらに向上できる。
【００６５】
（実施形態３）
図８の斜視図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。図８に示すように、本実施形態の光学装置２１は、発光素子１０１ａおよび１０１ｂと、光制御部２３とを、主要な構成要素として含む。光制御部２３は、キャリア生成部３０３と、プラズモン励起層３０５と、誘電体層３０６とを含む。誘電体層３０６は、プラズモン励起層３０５に積層されている。キャリア生成部３０３は、誘電体層３０６に周期的に埋め込まれ、誘電体層３０６を貫通し、その一端部がプラズモン励起層３０５と接している。キャリア生成部３０３は、前記本発明における「出射層」としての機能を有する。発光素子１０１ａおよび１０１ｂは、光制御部２３の側面周囲に配置されている。
【００６６】
さらに、光学装置２１では、プラズモン励起層３０５のキャリア生成部３０３側表面からキャリア生成部３０３のプラズモン励起層３０５側表面までの距離は、前記式（４）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。
【００６７】
つぎに、光学装置２１について、発光素子１０１ａおよび１０１ｂからの励起光が、光制御部２３に入射し、キャリア生成部３０３および誘電体層３０６のプラズモン励起層３０５側の面とは反対側の面（光出射面３０９）から光が出射される動作を説明する。
【００６８】
発光素子１０１ａおよび１０１ｂから出射された励起光は、前記所定の入射角（および偏光）で、キャリア生成部３０３に入射する。そして、前記励起光により、キャリア生成部３０３が励起され、キャリア生成部３０３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３０５中の自由電子と結合し、キャリア生成部３０３とプラズモン励起層３０５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３０３と誘電体層３０６とが形成する周期構造によって、回折され、光出射面３０９を通って、光学装置２１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３０３を単独で励起したときに発生する光の波長に等しい。キャリア生成部３０３中に生成されたキャリアのうち、表面プラズモンと結合しなかったものは、例えば、一般的な光、伝搬光として、光学装置２１から放出される。また、前記放出光の出射角度θradは、前記式（６）で表される。ここで、本実施形態では、プラズモン励起層３０５の誘電体層３０６側に積層された全体構造とキャリア生成部３０３（および誘電体層３０６）に接する媒質とを含む部分が、前記実施形態１で定義した励起光入射側部分および光出射側部分を兼ねている。誘電体層３０６とプラズモン励起層３０５との界面に励起される表面プラズモンの波数は、前記式（２）で一義的に設定される付近しか存在しない。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。
【００６９】
キャリア生成部３０３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１のキャリア生成層１０３と同様である。キャリア生成部３０３は、例えば、前記実施形態１のキャリア生成層１０３と同様に、前記金属粒子を含んでもよい。前記金属粒子を構成する金属および効果等は、前記実施形態１で示したものと同様である。
【００７０】
誘電体層３０６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。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３０３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２１から出射できる。誘電体層３０６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。
【００７１】
プラズモン励起層３０５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１のプラズモン励起層１０５と同様である。プラズモン励起層３０５の誘電体層３０６が積層されている側には、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１で示したものと同様である。
【００７２】
図８に示す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プラズモン励起層が積層されていない側表面と前記キャリア生成部の前記プラズモン励起層とは反対側の表面とは、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。
【００７３】
（実施形態４）
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１１の模式図に、本実施形態の光学装置の構成を示す。
【００７４】
図１１に示すように、本実施形態の光学装置３１は、光学装置１と、１／２波長板４１０とを、主要な構成要素として含む。光学装置１は、図１に示した前記実施形態１の光学装置である。１／２波長板４１０は、光学装置１の波数ベクトル変換層１０７側に配置されている。なお、図１１では、説明の便宜上、１／２波長板４１０を二点鎖線で示している。
【００７５】
前記実施形態１で示したように、波数ベクトル変換層１０７から光が出射される。前記光は、前述のように、ｐ偏光であるため、前記光のフィールドパターンは、偏光方向が放射状になっている。このため、前記光は、軸対称偏光となっている（例えば、国際公開第２０１１／０４０５２８号の［０１０４］参照）。そして、前記光（軸対称偏光）は、１／２波長板４１０に入射する。この時、前記軸対称偏光は、１／２波長板４１０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）。
【００７６】
１／２波長板４１０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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
図１１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１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２または３の光学装置を使用してもよい。
【００８０】
（実施形態５）
本実施形態の画像表示装置は、３板式の投射型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の一例である。図９に、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの構成を示す。図９（ａ）は、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの概略斜視図であり、図９（ｂ）は、同ＬＥＤプロジェクタの上面図である。
【００８１】
図９に示すように、本実施形態のＬＥＤプロジェクタ１０は、３つの前記実施形態１から４のいずれかの光学装置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。光学装置１ｒおよび液晶パネル５０２ｒと、光学装置１ｇおよび液晶パネル５０２ｇと、光学装置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。
【００８２】
光学装置１ｒ、１ｇ、１ｂは、それぞれ、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、及び青（Ｂ）光用で異なる材料で構成されている。液晶パネル５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂは、前記光学装置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。
【００８３】
図１０に、ＬＥＤプロジェクタ１０に使用される光学装置の発光波長（Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ）と、前記キャリア生成層の励起波長（Ｒａ、Ｇａ、Ｂａ）および発光波長（Ｒｒ、Ｇｒ、Ｂｒ）の強度との関係を示す。図１０に示すように、Ｒ光用光学装置、Ｇ光用光学装置、Ｂ光用光学装置の発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓと、前記キャリア生成層の励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａは、それぞれほぼ等しく設定されている。また、前記光学装置の発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ、および前記キャリア生成層の励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａと、前記キャリア生成層の発光波長Ｒｒ、Ｇｒ、Ｂｒとは、それぞれ互いに重ならないように設定されている。また、それぞれのＲ光用光学装置、Ｇ光用光学装置、Ｂ光用光学装置の発光スペクトルは、それぞれのキャリア生成層の励起スペクトルと一致するか、励起スペクトルの内側に収まるように設定されている。また、前記キャリア生成層の発光スペクトルは、前記キャリア生成層のいずれの励起スペクトルにもほとんど重ならないように設定されている。
【００８４】
ＬＥＤプロジェクタ１０は、制御回路部（図示せず）により、前記光路ごとに前記液晶パネル上の像を変調させる。ＬＥＤプロジェクタ１０は、前記実施形態１から４のいずれかの光学装置を備えることにより、投射映像の輝度を向上できる。また、前記光学装置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。
【００８５】
図９に示す本実施形態のＬＥＤプロジェクタは、３板型液晶プロジェクタであるが、本発明は、この例には限定されず、例えば、単板型液晶プロジェクタ等でもよい。また、本発明の画像表示装置は、前述のＬＥＤプロジェクタのみならず、例えば、ＬＥＤ以外の発光素子（例えば、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード等）を使用したプロジェクタでもよいし、液晶表示装置のバックライト、またはＭＥＭＳを使用したバックライトと組み合わせた画像表示装置でもよい。
【００８６】
前述のように、本発明の光学装置は、励起光の吸収効率が向上されている。従って、本発明の光学装置を使用した画像表示装置は、プロジェクタ等として使用できる。前記プロジェクタは、例えば、モバイルプロジェクタ、次世代リアプロジェクションＴＶ（ｒｅａｒ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ＴＶ）、デジタルシネマ、網膜走査ディスプレイ（ＲＳＤ：Ｒｅｔｉｎａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ  Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、または携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン等への組込型プロジェクタ（ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）等があげられ、幅広い市場に対する応用が可能である。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。
【００８７】
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。
【００８８】
この出願は、２０１２年１月７日に出願された日本出願特願２０１２−１６９３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】
【００８９】
１、１ｒ、１ｇ、１ｂ、１１、２１、３１  光学装置
３、１３、２３  光制御部
１０    ＬＥＤプロジェクタ（画像表示装置）
１０１ａ、１０１ｂ  発光素子
１０３  キャリア生成層
１０４  誘電体層
１０５、３０５  プラズモン励起層
１０６、３０６  誘電体層
１０７、２０７  波数ベクトル変換層（出射層）
３０３  キャリア生成部（出射層）
３０９  光出射面
４１０  １／２波長板（偏光変換素子）
５０２ｒ、５０２ｇ、５０２ｂ  液晶パネル
５０３  色合成光学素子
５０４  投射光学系
【図１】
2013103038.tif 000015
【図２Ａ】
2013103038.tif 000016
【図２Ｂ】
2013103038.tif 000017
【図３】
2013103038.tif 000018
【図４】
2013103038.tif 000019
【図５】
2013103038.tif 000020
【図６】
2013103038.tif 000021
【図７】
2013103038.tif 000022
【図８】
2013103038.tif 000023
【図９】
2013103038.tif 000024
【図１０】
2013103038.tif 000025
【図１１】
2013103038.tif 000026
【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、
前記発光素子からの光が入射し、キャリアが生成されるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層の上側に積層され、前記キャリア生成層を前記発光素子の光で励起したときに発生する光の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する、プラズモンを励起するプラズモン励起層と、
前記プラズモン励起層の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、
前記発光素子は、
前記発光素子から出射した光が
前記キャリア生成層の前記プラズモン励起層と反対側の面における入射角が４０度以上となり、
前記キャリア生成層の厚みに応じて、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くなるように、
前記発光素子からの光の出射方向と偏光状態を調整される、光学装置。
【請求項２】
前記発光素子は、前記発光素子から出射した光の偏光状態が、前記キャリア生成層の厚みに応じて、前記キャリア生成層の前記プラズモン励起層と反対側の面において、
ｓ偏光またはｐ偏光の直線偏光光となるように、調整される、請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記入射角を、６０度以上とする、請求項１または２記載の光学装置。
【請求項４】
前記プラズモン励起層の少なくとも一方の面に、誘電体層が積層されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側表面と、前記キャリア生成層の前記プラズモン励起層側表面との距離は、前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側表面に励起される表面プラズモンの有効相互作用距離よりも短い、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】
前記キャリア生成層は、前記プラズモン励起層からの距離が、１〜２００ｎｍの範囲内に配置されている、請求項５記載の光学装置。
【請求項７】
前記出射層は、表面周期構造を有する、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８】
前記キャリア生成層は、表面周期構造を有し、かつ、前記出射層を兼ねる、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】
さらに、前記出射層から出射される軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記プラズモン励起層の前記発光素子側に積層された構造全体と前記発光素子に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率より、低い、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記プラズモン励起層の前記発光素子側に積層された構造全体と前記発光素子に接する媒質とを含む入射側部分の実効誘電率は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に積層された構造全体と前記出射層に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率より、高いまたは等しく、
前記出射層の前記プラズモン励起層側の端部は、前記プラズモン励起層の前記出射層側の面からの距離が、表面プラズモンの有効相互作用距離の範囲内に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記実効誘電率（εｅｆｆ）は、前記プラズモン励起層の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向をｚ軸、前記キャリア生成層から出射する光の角周波数をω、前記入射側部分または前記出射側部分の誘電体の誘電率分布をε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、積分範囲Ｄを前記入射側部分または前記出射側部分の三次元座標の範囲、表面プラズモンの波数のｚ成分をｋｓｐｐ，ｚ、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（１）または式（７）のいずれか一方で表され、
かつ、前記表面プラズモンの波数のｚ成分ｋｓｐｐ，ｚ、および前記表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分ｋｓｐｐは、前記プラズモン励起層の誘電率の実部をεｍｅｔａｌ、真空中での光の波数をｋ０とすれば、下記式（２）および式（３）で表される、請求項１０または１１記載の光学装置。
【数１】
2013103038.tif 000027
【数２】
2013103038.tif 000028
【数３】
2013103038.tif 000029
【数４】
2013103038.tif 000030
【請求項１３】
前記有効相互作用距離ｄｅｆｆは、Ｉｍ［  ］を［  ］内の数値の虚部を示す記号とすれば、下記式（４）で表される、請求項５から１２のいずれか一項に記載の光学装置。
【数５】
2013103038.tif 000031
【請求項１４】
請求項１から１３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１５】
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１４記載の画像表示装置。
【国際調査報告】
2013103038.tif 000032
2013103038.tif 000033