JP5776690B2 - 表示素子、表示器及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を出射するためにプラズモン結合を利用した表示素子、表示器及び投射型表示装置に関する。

光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）の発光素子が用いられる固体光源プロジェクタが提案されている。この種の固体光源プロジェクタでは、発光素子からの光が入射する照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板やＤＭＤ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ)等の表示素子を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。

固体光源プロジェクタでは、投射映像の輝度を高めるために、発光素子からライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。

また、非特許文献１に記載されているように、光源の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、光源の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源からの光が投射光として利用されない。

そのため、発光素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。

そして、一般的なビジネスやホームシアター用途の固体光源プロジェクタでは、数千ルーメンクラスの光束を放射することが求められている。このため、固体光源プロジェクタでは、発光素子からの出射光の光利用効率の向上を図るとともに、高輝度かつ高指向性を実現することが必要不可欠になっている。

光源の光利用効率の向上が図られた表示素子の一例としては、図１に示すように、光源１２０４から入射した光を選択的に遮断するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）シャッタ機構を有する空間光変調器、いわゆる表示素子が開示されている（特許文献１参照）。この表示素子は、光源１２０４と、光源１２０４からの光１２１４が入射する光キャビティ１２０２と、光キャビティ１２０２から入射した光１２１４を変調する光変調アレイ１２０６と、光変調アレイ１２０６を覆うカバープレート１２０７と、を備えて構成されている。

光キャビティ１２０２は、光ガイド１２０８と、光ガイド１２０８にエアギャップ１２１３をあけて配置された基板１２１０とを有している。光ガイド１２０８には、光散乱要素１２０９を含む後部反射面１２１２が形成されている。光変調アレイ１２０６は、光キャビティ１２０２からの光が入射する光透過領域１２２２と、この光透過領域１２２２を開閉可能に設けられたシャッタ１１１０を有するＭＥＭＳシャッタ機構とを有している。カバープレート１２０７は、光変調アレイ１２０６の光透過領域１２２２を通過した光１２１４が通過する光透過領域１１１４を有している。この表示素子では、シャッタ１１１０で反射された光１２１４を光キャビティ１２０２に戻して多重反射させ、この光１２１４を再利用して光透過領域１２２２を通過させることで、光源１２０４の光利用効率の向上が図られている。

特表２００８−５３２０６９号公報

ＰｈｌａｔＬｉｇｈｔＴＭ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｌａｔｔｉｃｅ ＬＥＤｓ ｆｏｒ ＲＰＴＶ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｈｏｅｐｆｎｅｒ， ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ３７， １８０８ （２００６）

上述したように固体光源プロジェクタでは、ライトバルブから一定の出射角（例えば放射角±１５°）以上で出射された光は、投射光学系に入射されずに光損失となる。特許文献１の構成では、ライトバブルからの出射光の指向性が、照明光学系からライトバブルに入射する入射光の指向性に依存している。このため、特許文献１の構成では、光源として数千ルーメンクラスの光束を放射する発光素子を利用することで、高輝度を達成できるが、表示素子からの出射光の放射角を±１５°未満に狭めることが困難である。つまり、特許文献１に記載の表示素子は、出射光の指向性が乏しい問題がある。

すなわち、上述した特許文献１に開示された構成では、一般的なプロジェクタに必要とされる、輝度と指向性を両立した表示素子を実現できなかった。

本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決できる表示素子、これを備える投射型表示装置を提供することである。

上述した目的を達成するため、本発明に係る表示素子は、発光素子からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段と、複数の光学シャッタ手段からの光を透過する基板とを有するライトバルブ部を備える。また、表示素子は、ライトバルブ部の内部に配置され発光素子から入射した光によってプラズモン結合を生じさせるプラズモン結合部を備える。プラズモン結合部は、発光素子から入射する光によってキャリアが生成されるキャリア生成層と、キャリア生成層の上に積層されキャリア生成層を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励起層と、を有する。基板の上、または基板とプラズモン励起層との間に、プラズモン励起層によって生じた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が設けられる。プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。

また、本発明に係る表示器は、本発明の表示素子と、少なくとも１つの発光素子と、を備える。

また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の表示器と、表示器からの出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える。

本発明によれば、輝度の向上と、出射光の指向性の向上を両立することができるので、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現できる。

特許文献１に記載の構成を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第１の実施形態の表示素子を模式的に示す平面図である。 第１の実施形態の表示素子が備える一対の透明電極を示す透視平面図である。 第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第１の実施形態の表示素子における光の振る舞いを説明するための断面図である。 第２の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第２の実施形態の表示素子が備える光学接続機構の一部を示す平面図である。 第３の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第４の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第５の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第６の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第６の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第６の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第６の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第６の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第６の実施形態の表示素子が備えるプラズモン結合部の製造方法を説明するための断面図である。 第７の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第７の実施形態の表示素子における光の振る舞いを説明するための断面図である。 第８の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第９の実施形態の表示素子を模式的に示す断面図である。 第４の実施形態の表示素子の出射光における角度分布を示す図である。 実施形態の表示素子が適用される実施形態の固体光源プロジェクタを模式的に示す斜視図である。 実施形態の表示素子が適用される他の実施形態の固体光源プロジェクタを模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図２に、本実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。なお、表示素子において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。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、各層を模式的に示している。

図２に示すように、本実施形態の表示素子１は、発光素子２５からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段としての複数の光学接続機構２３と、複数の光学接続機構２３からの光を透過する基板２２とを有するライトバルブ部１０を備えている。また、表示素子１は、ライトバルブ部１０の内部に配置され発光素子２５から入射した光によってプラズモン結合を生じさせる複数のプラズモン結合部１１を備えている。また、表示素子１は、ライトバルブ部１０の基板２２上に積層されプラズモン結合部１１によって生じた光の波数ベクトルを変換して所定の出射角の光に変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層１９を備えている。

ライトバルブ部１０は、発光素子２５からの光が入射する導光体１２と、この導光体１２から光が出射される位置に配置された複数の光学接続機構２３と、画素を構成するように２次元に規則的に配列された複数のプラズモン結合部１１の上に設けられた基板２２とを有している。

導光体１２には、図２に示すように、プラズモン結合部１１側と反対側の底面に、マイクロプリズムや散乱体のような配光特性を制御する複数の構造体（不図示）が配置されてもよい。また、図示しないが、導光体１２は、上述の底面に光拡散板が設けられる構成や、内部に散乱体を分散させて配置する構成であってもよい。

図２に示すように、光学接続機構２３は、基板２２と導光体１２との間に配置されている。光学接続機構２３は、基板２２と導光体１２との間に所定の空間をあけるスペーサ１４と、基板２２に固定された複数のプラズモン結合部１１を移動させるための一対の透明電極１３ａ，１３ｂと、を有している。光学接続機構２３としては、いわゆるＴＭＯＳ（Ｔｉｍｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｕｔｔｅｒ）が用いられている。

図３に、表示素子１の平面図を示す。図４に、表示素子１が備える一対の透明電極１３ａ，１３ｂの透視平面図を示す。

図２に示すように、スペーサ１４は、各画素を構成するプラズモン結合部１１の間に配置されている。また、スペーサ１４は、可視光に対して不透明な材料で形成されていることが望ましい。

一対の透明電極１３ａ，１３ｂは、プラズモン結合部１１を間に挟み込むように配置されている。一方の透明電極１３ａは導光体１２上に縞状に設けられており、他方の透明電極４７は、図３に示すように基板２２の直下に縞状に設けられている。図４に示すように、縞状にそれぞれ設けられた透明電極１３ａと透明電極１３ｂは互いに直交するように配置されている。

また、本実施形態におけるプラズモン結合部１１は、基板２２の下方に固定されており、基板２２とプラズモン結合部１１との間に透明電極１３ｂが設けられている。また、プラズモン結合部１１の後述するキャリア生成層１５と透明電極１３ａとの間には間隙があけられている。

以上のように構成された光学接続機構２３は、一対の透明電極１３ａ，１３ｂに電圧を印加することで、透明電極１３ａと透明電極１３ｂとの間に静電引力を発生させ、透明電極１３ｂ及び基板２２を変形させる。透明電極１３ｂ及び基板２２が変形することによって、発光素子２５からの光を基板２２に通過させる第１位置と、発光素子２５からの光を遮断する第２位置とに各プラズモン結合部１１が移動される。プラズモン結合部１１が第１位置に移動されたとき、プラズモン結合部１１のキャリア生成層１５が透明電極１３ａに当接される。これによって、基板２２の下方に配置された所望のプラズモン結合部２１と導光体１２とが光学的に接続される。

なお、本実施形態では、透明電極１３ｂが基板２２の、導光体１２に対向する底面に設けられたが、透明電極１３ｂが基板２２上、つまり基板２２の出射側の面上に設けられてもよい。しかし、光学接続機構２３の駆動電圧を考慮すると、本実施形態の構成は、一対の透明電極１３ａ，１３ｂの間の距離を短くするによって消費電力を低減できるので、透明電極１３ｂが基板２２の、上述した底面に設けられるのが好ましい。

複数のプラズモン結合部１１は、ライトバルブ部１０の内部である、基板２２と導光体１２との間に、画素を構成するようにマトリックス状に配列されている。同様に、複数のプラズモン結合部１１が構成する画素にそれぞれ対応して複数の光学接続機構２３が配列されている。つまり、図２では、３つの画素を構成するプラズモン結合部１１を示している。また、画素の内部、つまりスペーサ１４で囲まれた領域には、例えば窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスで満たされていてもよい。また、プラズモン結合部は、透過型のライトバルブの内部であれば、どのような構造のライトバルブに適用されてもよい。

図２に示すように、プラズモン結合部１１は、導光体１２から入射する光の一部によってキャリアが生成されるキャリア生成層１５と、このキャリア生成層１５上に積層され、キャリア生成層１５を発光素子２５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励起層１７と、を備えている。

また、このプラズモン結合部１１は、キャリア生成層１５とプラズモン励起層１７との間に挟まれて設けられた第１誘電体層１６と、プラズモン励起層１７と透明電極１３ｂとの間に挟まれて設けられ、第１誘電体層１６よりも誘電率が高い第２誘電体層１８と、を備えている。

本実施形態では、発光素子２５が、平板状の導光体１２の側面である光入射面１２ａに１つ配置されている。発光素子２５としては、例えば、キャリア生成層１５が吸収できる波長の光を出射する発光ダイオード（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用いられる。発光素子２５からの出射光としては、キャリア生成層１５を励起可能な周波数で発光する素子が用いられる。例えば紫外光や短波長の青色光等である。複数種類のキャリア生成層１５を備える場合は、それぞれ種類の異なるキャリア生成層１５を励起可能な周波数で発光する異なる種類の発光素子２５を複数個用いても良い。発光素子２５は、導光体１２の光入射面１２ａから離されて配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体１２と光学的に接続される構成が採られてもよい。また、発光素子２５は、導光体１２の複数の側面に沿って複数配置されてもよく、導光体１２の、プラズモン結合部１１側と反対側の底面に沿って複数配置されてもよい。

実施形態では、導光体１２が平板状に形成されているが、導光体１２の形状は直方体に限定されるものではない。導光体１２は、例えば楔形等の他の形状でもよい。また、導光体１２には、光入射面１２ａを除く外周面の全面、または外周面の一部に反射膜が設けられていてもよい。反射膜としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜が用いられる。

キャリア生成層１５としては、例えば、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ ６Ｇ）やスルホローダミン（ｓｕｌｆｏｒｈｏｄａｍｉｎｅ １０１）等の有機蛍光体や、ＣｄＳｅやＣｄＳｅ／ＺｎＳ量子ドット等の量子ドット蛍光体等の蛍光体や、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の無機材料（半導体）、（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー、Ａｌｑ３等の有機材料（半導体材料）が用いられる。また、蛍光体を用いる場合、キャリア生成層１５内には、発光波長が同一、または異なる複数の波長を蛍光する材料が混在されていてもよい。また、キャリア生成層１５の厚さは１μｍ以下が望ましい。

また、複数のプラズモン結合部１１がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の画素に対応する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素毎にキャリア生成層１５は異なる材料で形成されていてもよい。また、複数のプラズモン結合部１１が単色の画素（例えばＲ）に対応する場合、画素毎のキャリア生成層１５は同一の材料で形成されてもよい。この場合、複数のプラズモン結合部１１が画素毎に分割されている必要はなく、一体に形成されていてもよい。

プラズモン励起層１７は、キャリア生成層１５単体を発光素子２５の光で励起したときに発生する光の周波数（発光周波数）よりも高いプラズマ周波数を有する材料によって形成された微粒子層または薄膜層である。言い換えれば、プラズモン励起層１７は、キャリア生成層１５単体を発光素子２５の光で励起したときに発生する発光周波数において負の誘電率を有している。

プラズモン励起層１７の材料としては、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などが挙げられる。これらの中でも、プラズモン励起層１７の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム及びこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウム及びそれらを主成分とする合金が特に好ましい。また、プラズモン励起層１７の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。

また、複数のプラズモン結合部１１がＲ、Ｇ、Ｂの画素に対応する場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素毎にプラズモン励起層１７が異なる材料で形成されていてもよい。そのとき、プラズモン励起層１７はＲに対しては金またはそれを主成分とする合金、Ｇに対しては金、銀またはそれらを主成分とする合金、Ｂに対しては銀またはそれを主成分とする合金が好ましい。また、必要に応じて、プラズモン励起層１７、キャリア生成層１５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素において連続するように一体に形成されてもよい。また、複数のプラズモン結合部１１が単色の画素に対応する場合、画素毎のプラズモン励起層１７は同一の材料で形成されてもよい。

そして、本実施形態における表示素子１は、プラズモン励起層１７のキャリア生成層１５側に積層された第１誘電体層１６を含む構造全体と、導光体１２を含む入射側部分（以下、単に入射側部分と称する）の実効誘電率が、プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１９側に積層された第２誘電体層１８を含む構造全体と、基板２２、波数ベクトル変換層１９、波数ベクトル変換層１９に接する媒質とを含む出射側部分（以下、単に出射側部分と称する）の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層１７のキャリア生成層１５側に積層された構造全体には、第１誘電体層１６、キャリア生成層１５、透明電極１３ａが含まれる。プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層１９側に積層された構造全体には、第２誘電体層１８、透明電極１３ｂ、基板２２及び波数ベクトル変換層１９が含まれる。

つまり、第１の実施形態では、プラズモン励起層１７に対する、透明電極１３ａキャリア生成層１５、第１誘電体層１６を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１７に対する、第２誘電体層１８、透明電極１３ｂ、基板２２、波数ベクトル変換層１９と、波数ベクトル変換層１９に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。

詳細には、プラズモン励起層１７の入射側部分（キャリア生成層１５側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層１７の出射側部分（波数ベクトル変換層１９側）の複素実効誘電率の実部よりも低く設定されている。

ここで、第１誘電体層１６の複素誘電率をε_ｌ（λ_０）とし、その実部をε_ｌｒ（λ_０）、虚部をε_ｌｉ（λ_０）とする。また、第２誘電体層１８の複素誘電率をε_ｈ（λ_０）とし、その実部をε_ｈｒ（λ_０）、虚部をε_ｈｉ（λ_０）とすると、
１≦ε_ｌｒ（λ_０）＜ε_ｈｒ（λ_０）の関係を満たしている。なお、λ_０は、誘電体層への入射光の真空中での波長である。

また、発光周波数における虚部ε_ｌｉ（λ_０）、及び虚部ε_ｈｉ（λ_０）は、可能な限り低い方が好ましく、プラズモン結合させ易くし、光損失を低減することができる。

また、第１誘電体層１６の実部ε_ｌｒ（λ_０）は、可能な限り低い方が好ましく、波数ベクトル変換層１９へ入射する光の角度を小さくできるので、表示素子１から効率良く出射光を取り出せる。また、第２誘電体層１８の実部ε_ｈｒ（λ_０）は、可能な限り高い方が好ましく、波数ベクトル変換層１９へ入射する光の角度を小さくできるので、表示素子１から効率良く出射光を取り出すことができる。以後、特に断らない限り誘電率とは発光周波数における複素実効誘電率の実部を指すこととする。

ここで、複素実効誘電率ε_effは、プラズモン励起層１７の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層１７の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層１５から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層１７に対する入射側部分及び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k_spp,z、虚数単位をｊとすれば、

で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層１７に対する入射側部分または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、入射側部分が含む構造体の外周面または出射側部分が含む構造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１７の界面に平行な面内の外縁までの範囲である。また、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲は、入射側部分または出射側部分（媒質を含む）の範囲である。なお、積分範囲Ｄにおけるｚ軸方向の範囲に関しては、プラズモン励起層１７と、プラズモン励起層１７に隣接する層との界面を、ｚ＝０となる位置とし、この界面から、プラズモン励起層１７の、上記隣接する層側の無限遠までの範囲であり、この界面から遠ざかる方向を、式（１）における（＋）ｚ方向とする。

また、表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp,z、表面プラズモンの波数のｘ、ｙ成分k_sppは、プラズモン励起層１７の誘電率の実部をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすれば、

で表される。

したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用い、ε（ω，ｘ，ｙ，ｚ）として、プラズモン励起層１７の入射側部分の誘電率分布ε_in（ω，ｘ，ｙ，ｚ）、プラズモン励起層１７の出射側部分の誘電率分布ε_out（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１７に対する入射側部分の複素実効誘電体層ε_effin、及び出射側部分の複素実効誘電率ε_effoutがそれぞれ求まる。実際には、複素実効誘電率ε_effとして適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を繰り返し計算することで、複素実効誘電率ε_effを容易に求められる。

ここで、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、表面プラズモンの有効相互作用距離ｄ_ｅｆｆは、

で表わされる。

なお、キャリア生成層１５、プラズモン励起層１７を除き、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１９に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、プラズモン結合を生じさせ易くし、光損失を低減することができる。

プラズモン結合部１１の周囲の媒質、つまり導光体１２や波数ベクトル変換層１９に接する媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、導光体１２側と波数ベクトル変換層１９側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。

第１誘電体層１６としては、例えば、ＳｉＯ_２ナノロッドアレイフィルムや、ＳｉＯ_２、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、低誘電率プラスチック等の薄膜または多孔質膜を用いるのが好ましい。

第２誘電体層１８としては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＮｄＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。

波数ベクトル変換層１９は、図２に示すように基板２２上に配置されており、図３に示すように縞状の透明電極１３ｂに対向する位置に設けられている。つまり、本実施形態における波数ベクトル変換層１９は、基板２２の出射側の面の一部に、すなわちプラズモン結合部１１に対応する位置に配置されている。なお、必要に応じて、波数ベクトル変換層１９は、基板２２の出射側の面の全域にわたって形成されてもよい。

波数ベクトル変換層１９は、この波数ベクトル変換層１９に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、第２誘電体層１８から基板２２に入射した光を取り出し、表示素子１から光を出射すための出射層である。言い換えれば、波数ベクトル変換層１９は、基板２２からの光の出射角を、所定の角度に変換して表示素子１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層１９は、基板２２との界面にほぼ直交するように、表示素子１から出射光を出射させる機能を奏している。

波数ベクトル変換層１９としては、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、準周期構造またはそれらに欠陥を導入した構造、表示素子１からの光の波長よりも大きなテクスチャー構造、例えば粗面が形成された表面構造、ホログラム、マイクロレンズアレイ等を用いたものが挙げられる。なお、準周期構造とは、準結晶構造を指し、結晶では許されない５回対称や１０回対称の特殊な秩序構造を指している。これらの中でも、フォトニック結晶に代表される周期構造、準周期構造及びそれらに欠陥を導入した構造、マイクロレンズアレイを用いるのが好ましい。これは、光の取り出し効率を高められるだけでなく、指向性を制御できるからである。また、フォトニック結晶を用いる場合には、結晶構造が三角格子構造を採ることが望ましい。また、波数ベクトル変換層１９としては、平板状の基部の上に、周期構造を構成する凸部や凹部が形成された構造であってもよい。

図５Ａ〜図５Ｆに、表示素子１が備えるプラズモン結合部１１の製造工程を示す。これはあくまで一例であって、この作製方法に限定されるものではない。なお、プラズモン結合部１１が形成されるライトバルブ部１０としては、公知の透過型のライトバルブを利用するので、ライトバルブ部１０の製造工程についての説明を省略する。

まず、図５Ａに示すように、ライトバルブ部１０の基板２２上に透明電極１３ｂを縞状に形成するとともに、透明電極１３ｂ上にレジスト膜２４を、スピンコート法を用いて塗布する。続いて、電子線またはフォトリソグラフィー技術、印刷技術等を用いて、画素に対応するプラズモン結合部１１を形成する部分の、レジスト膜２９の一部を除去する。

次に、図５Ｂに示すように、基板２２上に、第２誘電体層１８、プラズモン励起層１７、第１誘電体層１６、キャリア生成層１５の順に積層する。

続いて、図５Ｃに示すように、離型剤を塗布する等の離型処理を行った金型３１のキャビティ内に、波数ベクトル変換層１９を形成する紫外線硬化樹脂材料を充填する。この金型３１上に、基板２２におけるプラズモン結合部１１が形成された側と反対側の面を載置し、紫外光を照射して紫外線硬化樹脂材料を硬化させることで、波数ベクトル変換層１９を基板２２に形成する。

一方、図５Ｄに示すように、導光体１２上に、透明電極１３ａを、縞状の透明電極１３ａと直交する縞状に形成するとともに、フォトリソグラフィー技術、印刷技術等を用いてスペーサ１４を形成する。次に、図５Ｅに示すように、導光体１２に形成されたスペーサ１４に、基板２２に形成された透明電極１３ｂを接合する。最後に、図５Ｆに示すように、金型３１から波数ベクトル変換層１９を離型させて、基板２２から金型３１を取り外す。これによって、導光体１２と基板２２との間に、プラズモン結合部１１が形成される。

以上のように構成された表示素子１において、発光素子２５から導光体１２に入射した光が、プラズモン結合部１１の波数ベクトル変換層１９から出射される動作を説明する。図６に、表示素子１における光の振る舞いを説明するための断面図を示す。

図６に示すように、発光素子２５から出射された光は、導光体１２の光入射面１２ａを透過し、導光体１２内を全反射しながら伝播する。導光体１２内を伝播する光は、透明電極１３ａと導光体１２との界面に到達する。このとき、所定の画素における光学接続機構２３がＯＮ状態の場合、プラズモン結合部１１のキャリア生成層１５は透明電極１３ａに当接する第１位置に移動されており、透明電極１３ａを通過した光が、キャリア生成層１５に入射する。一方、光学接続機構２３がＯＦＦ状態の場合、導光体１２からの光は、透明電極１３ａと、透明電極１３ａとキャリア生成層１５間の空隙との界面で全反射されて導光体１２に戻され、プラズモン結合部１１に入射しない。導光体１２に戻された光は、再度、光学接続機構２３がＯＮ状態にされたプラズモン結合部１１に入射し、波数ベクトル変換層１９から出射される。これらの繰り返しによって、導光体１２に入射した光の大半が、画素を構成する所望のプラズモン結合部１１から出射される。

また、キャリア生成層１５に入射した光は、キャリア生成層１５においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層１７中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、第２誘電体層１８内への放射が起こり、その光が透明電極１３ｂ、基板２２を通過して波数ベクトル変換層１９に入射する。波数ベクトル変換層１９に入射した光は、波数ベクトル変換層１９で回折されて、表示素子１の外方に出射される。プラズモン励起層１７と第２誘電体層１８との界面の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角、中心出射角から強度が半分になる出射角までの角度幅を出射角度幅とすると、第２誘電体層１８から出射する光の中心出射角と出射角度幅は、プラズモン励起層１７の誘電率及びプラズモン励起層１７を挟む前後の実効誘電率で決定される。

ここで、波数ベクトル変換層１９から出射する光の中心出射角θ_radは、波数ベクトル変換層１９の周期構造のピッチをΛ、プラズモン励起層１７の出射側部分（波数ベクトル変換層１９側）の複素実効誘電率をε_effout、周囲媒質の誘電率をε_ｍ、波数ベクトル変換層１９から出射する光の真空中での波長をλ_０、とすれば、

で表わされる。ここで、i は正または負の整数である。

つまり、キャリア生成層１５に入射した光の一部は、プラズモン結合部１１の特性で決まる方向に、表示素子１から出射される。表示素子１から出射される光の配光分布は、プラズモン結合部１１の特性によってのみ決まる方向に出射されるので、高い指向性が得られる。つまり、表示素子１からの出射光の配光分布は、発光素子２５の配光分布に依存しない。

上述したように第１の実施形態の表示素子１では、波数ベクトル変換層１９から出射する光の出射角が、プラズモン励起層１７を挟んでいる入射側部分の実効誘電率と、出射側部分の実効誘電率とによって決定される。このため、本実施形態の表示素子１によれば、表示素子１からの出射光の指向性が、発光素子２５の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の表示素子１は、放射過程においてプラズモン結合を応用することによって、表示素子１からの出射光の放射角を狭めて出射光の指向性を高めることができる。すなわち、本実施形態によれば、発光素子２５のエテンデューに依存することなく、表示素子１からの出射光のエテンデューを低減することができる。また、表示素子１からの出射光のエテンデューが、発光素子２５のエテンデューによって制限されないので、複数個の発光素子２５を備える場合には表示素子１からの出射光のエテンデューを小さく保ったままで、発光素子２５からの入射光を合成することができる。

以下、他の実施形態の表示素子を説明する。他の実施形態の表示素子は、第１の実施形態の表示素子と比べてプラズモン結合部あるいは構造の一部が異なっている。このため、他の実施形態の表示素子において、第１の実施形態の構成要素と同一の構成要素には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

（第２の実施形態）
図７に、第２の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第２の実施形態の表示素子は、第１の実施形態と比べて光学接続機構の構成が異なっている。なお、第２の実施形態は、光学接続機構を除く構成が第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。

第１の実施形態では、マトリックス状に設けられた透明電極１３ａ，１３ｂが用いられた。これに対し、図７に示すように、第２の実施形態の表示素子２が備える光学接続機構２６は、一対の透明電極２７ａ，２７ｂを有しており、基板２２側に配置された透明電極２７ｂを選択的に駆動するためにＴＦＴ２８が用いられている。

図８に、第２の実施形態の表示素子２が備える光学接続機構２６の一部の平面図を示す。図８は、９つの画素を構成する透明電極２７ｂを示している。図８に示すように、基板２２の、導光体１２に対向する底面には、複数のＴＦＴ電極２９ａと複数のＴＦＴ電極２９ｂが互いに直交して設けられており、ＴＦＴ電極２９ａとＴＦＴ電極２９ｂが交差する部分にＴＦＴ２８が配置されている。ＴＦＴ２８は透明電極２７ｂに電気的に接続されている。したがって、光学接続機構２６が有する透明電極２７ａは、導光体１２の、基板２２に対向する面上にわたって形成されており、全ての画素で共通の電極として構成されている。

ＴＦＴ２８の製造方法としては、公知の製造技術を用いることができる。また、第２の実施形態の表示素子２の製造方法も第１の実施形態と同様である。また、光学接続機構２６の動作は、第１の実施形態における光学接続機構２３の動作と同様であるので説明を省略する。

以上のように構成された第２の実施形態の表示素子２によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。さらに、第２の実施形態によれば、光学接続機構２６がＴＦＴ２８を用いることで、消費電力の低減を図ることができる。

（第３の実施形態）
図９に、第３の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第３の実施形態の表示素子は、第１の実施形態と比べて光学接続機構の構成が異なっている。なお、第３の実施形態は、光学接続機構を除く構成が第１の実施形態と同一であるので、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。

上述した第２の実施形態では、ＴＦＴ２８及びＴＦＴ電極２９ａ，２９ｂを用いて基板２２側の透明電極２７ｂを駆動するように構成された。これに対し、図９に示すように、第３の実施形態の表示素子３が備える光学接続機構３３は、一対の透明電極３７ａ，３７ｂを有しており、導光体１２側に配置された透明電極３７ａを選択的に駆動するためにＴＦＴ３８が用いられている。

導光体１２の、基板２２に対向する面には、複数のＴＦＴ電極３９ａと複数のＴＦＴ電極３９ｂが互いに直交して設けられており、ＴＦＴ電極３９ａとＴＦＴ電極３９ｂが交差する部分にＴＦＴ３８が配置されている。ＴＦＴ３８は透明電極３７ａに電気的に接続されている。また、光学接続機構３３が有する透明電極３７ｂは、基板２２の、導光体１２に対向する底面にわたって形成されており、全ての画素で共通の電極として構成されている。

以上のように構成された第３の実施形態の表示素子３によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。さらに、第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、光学接続機構３３がＴＦＴ３８を用いることで、消費電力の低減を図ることができる。

（第４の実施形態）
図１０に、第４の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第４の実施形態の表示素子は、第１の実施形態と比べて波数ベクトル変換層の位置が異なっている。なお、第３の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。

図１０に示すように、第４の実施形態の表示素子４は、ライトバルブ部４０と、ライトバルブ部４０の内部に配置された複数のプラズモン結合部１１及び波数ベクトル変換層４９とを備えている。上述した第１の実施形態では、波数ベクトル変換層１９が基板２２上に配置されて構成された。これに対し、第４の実施形態では、基板２２とプラズモン励起層１７との間に波数ベクトル変換層４９が配置されている。

ライトバルブ部４０は、プラズモン結合部４１を移動する光学接続機構４３を有している。光学接続機構４３は、波数ベクトル変換層４９が埋め込まれた透明電極４７を有している。透明電極４７は、基板２２の、導光体１２に対向する底面に設けられている。透明電極４７は、第１の実施形態の透明電極１３ｂと同様に縞状に設けられており、縞状の透明電極１３ａと互いに直交するように配置されている。

波数ベクトル変換層４９は、二次元的な周期構造を有しており、透明電極４７の、導光体１２に対向する面に埋め込まれている。

また、第４の実施形態の表示素子４においても、プラズモン励起層１７に対する、第２誘電体層１８、波数ベクトル変換層４９、透明電極４７及び基板２２と、媒質とを含む出射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１７に対する、第１誘電体層１６、キャリア生成層１５及び透明電極１３ａを含む入射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。

第４の実施形態の表示素子４によれば、プラズモン励起層１７と波数ベクトル変換層４９との間の距離を近づけられるので、二次光源の発光面積を減らし、表示素子４からの出射光の広がりを更に低減できる。

（第５の実施形態）
図１１に、第５の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第５の実施形態の表示素子は、第１の実施形態の表示素子１と比べてプラズモン結合部の構成が異なっている。上述した第１の実施形態の表示素子１では、プラズモン励起層１７で生じた光を波数ベクトル変換層１９から出射する構成であった。一方、第５の実施形態は、プラズモン励起層によって生じた表面プラズモンを光として波数ベクトル変換層から出射する構成の点で異なり、プラズモン励起層の入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層の出射側部分の実効誘電率よりも高くされている。

図１１に示すように、第５の実施形態の表示素子５は、ライトバルブ部４０と、ライトバルブ部４０の内部に配置された複数のプラズモン結合部５１及び波数ベクトル変換層５９とを備えている。

プラズモン結合部５１は、ライトバルブ部４０の基板２２と導光体１２との間に配置されており、キャリア生成層５５、プラズモン励起層５７の順に積層されて構成されている。そして、波数ベクトル変換層５９は、二次元的な周期構造を有しており、透明電極４７の、導光体１２に対向する面に埋め込まれている。

また、プラズモン励起層５７とキャリア生成層５５の間に第２誘電体層が挿入されてもよく、プラズモン励起層５７と波数ベクトル変換層５９の間に第１誘電体層が挿入されてもよい。第２誘電体層の誘電率は、第１誘電体層の誘電率よりも高く設定されている。また、第１誘電体層及び第２誘電体層の厚さは式（４）より求まる厚さよりも薄く設定する必要がある。

プラズモン励起層１７は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。本実施形態では、これら２つの層が、キャリア生成層５５と波数ベクトル変換層５９に対応している。そして、本実施形態の表示素子５は、プラズモン励起層５７に対する、導光体１２、透明電極１３ａ及びキャリア生成層５５を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層５７に対する、波数ベクトル変換層５９、透明電極４７及び基板２２と、媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。

詳細には、プラズモン励起層５７の入射側部分（キャリア生成層５５側）の複素実効誘電率の実部が、プラズモン励起層５７の出射側部分（波数ベクトル変換層５９側）の複素実効誘電率の実部よりも高く設定されている。

なお、キャリア生成層５５、プラズモン励起層５７を除き、導光体１２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層５９に接する媒質においても、複素誘電率の虚部は可能な限り低い方が好ましい。複素誘電率の虚部を可能な限り低くすることで、表面プラズモンを生じさせ易くし、光損失を低減することができる。

以上のように構成された表示素子５において、発光素子２５からプラズモン結合部５１に入射した光が、波数ベクトル変換層５９から出射される動作を説明する。

発光素子２５から出射された光は、第１の実施形態の表示素子１と同様に、キャリア生成層５５と透明電極１３ａが接触したときに、キャリア生成層５５と透明電極１３ａの界面を通過して、画素を構成する所望のプラズモン結合部５１に入射する。導光体１２からキャリア生成層５５に入射した光は、キャリア生成層５５においてキャリアを生成する。生成されたキャリアは、プラズモン励起層５７中の自由電子とプラズモン結合を起こす。このプラズモン結合を介して、プラズモン励起層５７と波数ベクトル変換層５９との界面に表面プラズモンが励起される。励起された表面プラズモンは、波数ベクトル変換層５９で回折されて、表示素子５の外方に出射される。

プラズモン励起層５７と波数ベクトル変換層５９との界面の誘電率が面内で均一、つまり平坦な面である場合には、この界面に生じた表面プラズモンを取り出すことはできない。本実施形態では、波数ベクトル変換層５９を備えることで、界面の誘電率が面内で変化するため、表面プラズモンが回折され、光として取り出される。波数ベクトル変換層５９の一点から出射される光は、伝播するにつれて同心円状に広がる円環状の強度分布を有している。最も強度が高い出射角を中心出射角としたとき、波数ベクトル変換層５９から出射する光の中心出射角θ_radは、波数ベクトル変換層５９の周期構造のピッチをΛとすれば、

で表わされる。ここで、i は正または負の整数である。プラズモン励起層５７と波数ベクトル変換層５９との界面には、式（３）より求まる波数近傍の波数しか存在しないので、式（６）より求まる出射光の角度分布も狭くなる。

以上のように構成された第５の実施形態の表示素子５においても、第１の実施形態と同様に、キャリア生成層５５に入射した光の一部は、プラズモン結合部５１の特性で決まる方向に、表示素子５から出射される。したがって、表示素子５から出射される光の配光分布は、プラズモン結合部５１の特性によってのみ決まる方向に出射されるので、高い指向性を得ることができる。さらに、第５の実施形態は、第１の実施形態に比べて層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。

（第６の実施形態）
図１２に、第６の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第６の実施形態の表示素子は、第１の実施形態の表示素子１と比べてプラズモン結合部の構成が異なっている。

図１２に示すように、第６の実施形態の表示素子６が備えるプラズモン結合部６１は、ライトバルブ部６０の基板２２と導光体１２との間に配置されている。プラズモン結合部６１は、キャリア生成層６５、プラズモン励起層６７の順に積層されて構成されており、プラズモン励起層６７の光出射側に透明電極６３が積層され、キャリア生成層６５の光入射側にハードコート層６６が積層されている。

そして、第６の実施形態におけるプラズモン励起層６７は、上述した波数ベクトル変換層１９、４９、５９の機能を奏する周期構造６７ａを有している。周期構造６７ａは、１次元または２次元の格子構造（凹凸構造）によって構成されている。また、ハードコート層６６及びキャリア生成層６５も、プラズモン励起層６７の周期構造６７ａに対応する周期構造を有している。また、透明電極６３も、プラズモン励起層６７の周期構造６７ａの形状に沿って周期構造が形成されている。したがって、プラズモン励起層６７の一部は、透明電極６３の、導光体１２に対向する面に埋め込まれている。

キャリア生成層６５に光が入射したとき、プラズモン励起層６５に接する透明電極６３とプラズモン励起層６７との界面、及びキャリア生成層６５とプラズモン励起層６７との界面で表面プラズモンが発生する。この表面プラズモンは、以下に示す式（９）を満たす方向にプラズモン励起層６７から光として取り出すことができる。

詳細には、キャリア生成層６５から出射する光の真空中での角周波数をω、真空中での光速をｃ、プラズモン励起層６７の誘電率をε_{ｍｅｔａｌ}、キャリア生成層６５の誘電率をε_ｓｕｂ、プラズモン励起層６７に接する透明電極６３の誘電率をε_ｍｅｄｉ、プラズモン励起層６７に接する透明電極６３とプラズモン励起層６７との界面における表面プラズモンの波数ｋ_{ｓｐｐ，ｍｅｄｉ}、キャリア生成層６５とプラズモン励起層６７との界面における表面プラズモンの波数ｋ_{ｓｐｐ，ｓｕｂ}、プラズモン励起層６７の周期構造６７ａのｘ方向の波数ベクトルＫ_ｘ、ｙ方向の波数ベクトルＫ_ｙ、（但し、ｘｙ平面が基板２２に平行な面）とすれば、

式（９）を満たす角度θの方向に、プラズモン励起層６７から光が出射される。ここで、ｍ、ｎは正または負の整数である。さらに、式（１０）を満たすとき、表示素子６からの出射光の強度が最も高くなる。

図１３Ａ〜図１３Ｅに、第６の実施形態の表示素子６が備えるプラズモン結合部の製造工程を示す。

まず、図示しないが、スピンコート法、蒸着、スパッタ等の成膜技術を用いて、基板２２上に、透明電極６３、レジスト膜を成膜する。続いて、電子線またはフォトリソグラフィー技術、印刷技術を用いて、レジスト膜上に所望の周期構造のパターンを描画し、ウェットまたはドライエッチングによって、図１３Ａに示すように透明電極６３にパターンを転写する。

次に、透明電極６３上からレジスト膜を除去し、透明電極６３上にレジスト膜６８を、スピンコート法を用いて塗布する。そして、電子線またはフォトリソグラフィー技術、印刷技術等を用いて、画素に対応するプラズモン結合部６１を形成する部分の、レジスト膜６８の一部を除去する。

続いて、透明電極６３上に、スピンコート法、蒸着、スパッタ等の成膜技術を用いて、図１３Ｂに示すようにプラズモン励起層６７、キャリア生成層６５、ハードコート層６６の順に積層する。次に、図１３Ｃに示すように、基板２２上から、レジスト膜６８と共にこのレジスト膜６８上に形成されたプラズモン結合部６１を構成する各層を透明電極６３から剥離する。これによって、画素に対応する、基板２２の所定の位置に、プラズモン結合部６１が形成される。

一方、図１３Ｄに示すように、導光体１２上に、透明電極１３ａを、縞状の透明電極１３ａと直交する縞状に形成するとともに、フォトリソグラフィー技術、印刷技術等を用いてスペーサ１４を形成する。次に、図１３Ｅに示すように、導光体１２に形成されたスペーサ１４に、基板２２に形成された透明電極６３を接合する。これによって、導光体１２と基板２２との間に、プラズモン結合部６１が形成される。なお、この製造方法は、一例であってこの製造工程に限定されるものではない。

以上のように構成された第６の実施形態の表示素子６によれば、上述した実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。さらに、第６の実施形態は、第１〜第４の実施形態に比べて層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。

（第７の実施形態）
図１４に、第７の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第７の実施形態の表示素子は、ライトバルブ部が、発光素子からの光の通過と遮断とを切り換える光学シャッタ手段としてのシャッタ機構を備えている点が、上述した第１〜第６の実施形態と異なっている。また、第７の実施形態におけるプラズモン結合部は、第１の実施形態におけるプラズモン結合部１１と同一であるので、第１の実施形態と同一符号を付して説明を省略する。

図１４に示すように、第７の実施形態の表示素子７は、ライトバルブ部７０と、ライトバルブ部７０の内部に配置された複数のプラズモン結合部１１及び波数ベクトル変換層７９とを備えている。

ライトバルブ部７０は、発光素子２５からの光が入射する導光体７２と、この導光体７２から光が出射される位置に配置された複数のシャッタ機構７３と、複数のプラズモン結合部１１が２次元に規則的に配列された基板７５とを有している。

導光体７２には、底面と対向する上面に、反射膜７６が設けられている。反射膜７６には、複数のプラズモン結合部１１に対向する位置に、導光体７２から光を透過させてプラズモン結合部１１に入射させる透過領域としての複数の開口７６ａが形成されている。反射膜７６としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材や、誘電体多層膜が用いられる。

シャッタ機構７３は、基板７５の、導光体７２に対向する底面に配置されている。シャッタ機構７３は、反射膜７６の開口７６ａを開閉可能に設けられたＭＥＭＳシャッタ７７と、ＭＥＭＳシャッタ７７を開閉動作させるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）７８とを有している。ＭＥＭＳシャッタ７７またはＭＥＭＳシャッタ７７の導光体７２側の面は、反射率が比較的高い反射材料で構成されている。

基板７５には、導光体７２に設けられた反射膜７６の開口７６ａに対向する位置に、複数のプラズモン結合部１１が、画素を構成するようにマトリックス状に配列されている。同様に、複数のプラズモン結合部１１が構成する画素にそれぞれ対応して複数のシャッタ機構７３が配列されている。つまり、図１４では、３つの画素を構成するプラズモン結合部１１を示している。

プラズモン結合部１１は、基板７５の直下に配置されており、第２誘電体層１８が、基板７５の、導光体７２に対向する底面に接合されている。

波数ベクトル変換層７９は、第２誘電体層１８上に積層されており、基板７５の、導光体１２に対向する底面に埋め込まれている。

さらに、本実施形態は導光体７２を備えて構成されたが、ライトバルブ部７０から導光体７２が省かれてもよく、例えば発光素子２５などの光源がシャッタ機構７３の基板７５と反対側（シャッタ機構７３の入射側）に配置された構成であってもよい。

また、第７の実施形態の表示素子７では、プラズモン励起層１７の波数ベクトル変換層７９側に積層された構造全体及び波数ベクトル変換層７９と、基板７５、基板７５に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層１７のキャリア生成層１５側に積層された構造全体を含む入射側部分の実効誘電率よりも高くなるように構成されている。

本実施形態の表示素子７の製造工程は、第１の実施形態と同様であり、プラズモン結合部１１、ＴＦＴ７８が形成された基板７５と、ＭＥＭＳシャッタ７７と、構造体７４及び反射膜７６が形成された導光体７２とを組み付けることで、表示素子７が構成される。

以上のように構成された表示素子７において、発光素子２５から導光体７２に入射した光が、プラズモン結合部１１を通り波数ベクトル変換層７９から出射される動作を説明する。図１５に、表示素子７における光の振る舞いを説明するための断面図を示す。

図１５に示すように、発光素子２５から出射された光は、導光体７２の光入射面７２ａを透過し、導光体７２内を全反射しながら伝播する。導光体７２内を伝播する光は、構造体７４に到達したときに、伝播する向きが構造体７４によって変えられ、反射膜７６の開口７６ａに入射する。このとき、シャッタ機構７３のＴＦＴ７８がＯＮ状態の場合、ＭＥＭＳシャッタ７７が開口７６ａを開く位置に移動されており、開口７６ａを通過した光が、キャリア生成層１５に入射する。一方、ＴＦＴ７８がＯＦＦ状態の場合に、ＭＥＭＳシャッタ７７によって遮られた光は、ＭＥＭＳシャッタ７７に反射されて導光体７２に戻され、再度、反射膜７６の開口７６ａを通過した光がプラズモン結合部１１に入射し、波数ベクトル変換層７９で回折されて基板７５から出射される。これらの繰り返しによって、導光体７２に入射した光の大半が、画素を構成する所望のプラズモン結合部１１から出射される。

第７の実施形態の表示素子７によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。

（第８の実施形態）
図１６に、第８の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第８の実施形態の表示素子は、プラズモン結合部が上述の第７の実施形態と異なっており、プラズモン結合部が第５の実施形態におけるプラズモン結合部５１と同一である。第８の実施形態において、第５及び第７の実施形態と同一の構成部材には、第５及び第７の実施形態と同一符号を付して説明を省略する。

図１６に示すように、第８の実施形態の表示素子８は、ライトバルブ部８０と、ライトバルブ部８０の内部に配置された複数のプラズモン結合部５１及び波数ベクトル変換層８９とを備えている。ライトバルブ部８０は、第７の実施形態におけるライトバルブ部７０と同様に構成されているが、波数ベクトル変換層８９が埋め込まれた基板８５を有している。プラズモン結合部５１は、基板８５とプラズモン励起層５７との間に配置された波数ベクトル変換層８９を有している。そして、波数ベクトル変換層８９は、基板８５の、導光体７２に対向する底面に埋め込まれている。

本実施形態の表示素子８においても、第５の実施形態と同様に、プラズモン励起層５７によって生じた表面プラズモンを光として波数ベクトル変換層８９から出射する。したがって、表示素子８においても、プラズモン励起層１７に対する、キャリア生成層１５を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層５７に対する、波数ベクトル変換層８９及び基板８５と、基板８５に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高くなっている。

また、必要に応じて、プラズモン励起層５７の入射側及び出射側のいずれか一方または両方に隣接する位置に誘電体層が設けられてもよい。また、プラズモン励起層５７を間に挟んで隣接する位置に誘電体層をそれぞれ配置する場合、プラズモン励起層５７の波数ベクトル変換層８９側に隣接して第１誘電体層１６が設けられ、プラズモン励起層５７のキャリア生成層５５側に隣接して第１誘電体層１６よりも誘電率が高い第２誘電体層１８が設けられる。このように第１誘電体層１６及び第２誘電体層１８をプラズモン励起層５７に隣接して配置する場合、第１誘電体層１６及び第２誘電体層１８の厚さは、プラズモンとの有効相互作用距離未満に設定される。

以上のように構成された第８の実施形態の表示素子８によれば、第５の実施形態と同様に表面プラズモンを利用し、上述した実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。

（第９の実施形態）
図１７に、第９の実施形態の表示素子の模式的な断面図を示す。第９の実施形態の表示素子は、プラズモン結合部が、第６の実施形態におけるプラズモン結合部６１と同一である点が、上述の第７の実施形態と異なっている。なお、第９の実施形態において、第６及び第７の実施形態と同一の構成部材には、第６及び第７の実施形態と同一符号を付して説明を省略する。

図１７に示すように、第９の実施形態の表示素子９は、ライトバルブ部９０と、ライトバルブ部９０の内部に配置された複数のプラズモン結合部９１とを備えている。ライトバルブ部９０は、第７の実施形態におけるライトバルブ部７０と同様に構成されているが、後述するプラズモン励起層９７が埋め込まれた基板９５を有している。

本実施形態の表示素子９におけるプラズモン結合部９１は、第６の実施形態と同様に表面プラズモンを利用しており、キャリア生成層９５、プラズモン励起層９７の順に積層されて構成されている。プラズモン励起層９７の一部は、基板９５の、導光体７２に対向する底面に埋め込まれている。

そして、第９の実施形態におけるプラズモン励起層９７は、上述した波数ベクトル変換層１９の機能を奏する周期構造９７ａを有している。また、キャリア生成層９５にも、プラズモン励起層９７の周期構造９７ａの形状に沿って周期構造が形成されている。

以上のように構成された第９の実施形態の表示素子９によれば、上述した実施形態と同様の効果が得られ、高輝度かつ高指向性を有する表示素子を実現することができる。さらに、第９の実施形態は、第７及び第８の実施形態に比べて層数が少なくなるので、製造工程の削減が可能である。

なお、上述した第７〜第９の実施形態では、シャッタ機構が、プラズモン結合部に対する入射側に配置される構成であったが、プラズモン結合部に対する出射側に配置される構成であってもよく、上述の実施形態と同様に表示素子からの出射光の指向性を高める効果が得られる。ただし、この構成の場合には、導光体からの光が一旦、プラズモン結合部に入射することで、シャッタ機構が閉じている画素において、光損失を招いてしまうので、上述した実施形態の構成が好ましい。

また、上述した第１〜第９の実施形態では、プラズモン結合部が、基板と導光体との間に配置されて構成された。本発明は、この構成に限定されるものではなく、例えばプラズモン結合部のキャリア生成層の下方に、ハードコート層（不図示）が設けられてもよい。このハードコート層は、プラズモン結合部の一部または外周面の全域を被覆する膜として形成されてもよい。

（実施例１）
図１８に、第４の実施形態の表示素子の出射光における角度分布を示す。図１８において、横軸が出射光の出射角を示し、縦軸が出射光の強度を示している。

導光体１２としてＳｉＯ_２、透明電極１３としてＩＴＯ、キャリア励起層１５としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を母材とする蛍光体、第１誘電体層１６としてポーラスＳｉＯ_２、プラズモン励起層１７としてＡｇ、第２誘電体層１８としてＴｉＯ_２、波数ベクトル変換層４９としてＴｉＯ_２、透明電極１３ａ、４７としてＩＴＯ、基板２２としてＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）プラスチックをそれぞれ用い、それぞれの厚さを、５ｍｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、５０ｎｍ、５０ｎｍ、１０μｍ、９５０ｎｍ、２００ｎｍ、０．２ｍｍとした。また、キャリア生成層１５の発光波長を４６０ｎｍ、プラズモン結合部１１の周囲雰囲気を空気として計算した。ここで、波数ベクトル変換層１８のピッチ、デューティ比はそれぞれ、２６２ｎｍ、０．５に設定し、ポーラスＳｉＯ_２の誘電率を１．１２とした。

なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。出射光の強度が半分になる角度の全幅を放射角とした場合、放射角は、波長４６０ｎｍの光に対して±４．２（ｄｅｇ）であった。

したがって、実施形態の表示素子によれば、表示素子からの出射光の放射角の指向性を高め、かつ、波数ベクトル変換層４９の格子構造を適宜調整することで、放射角を±５度以下に狭めて指向性を更に高めることが可能になる。

なお、本実施形態の表示素子は、画像表示装置の表示素子として用いられるのに好適であり、投射型表示装置の表示素子や、携帯型電話機、ＰＤＡ（Personal Data Assistant）等の電子機器の表示素子、表示器として用いられてもよい。

最後に、上述した第１〜第９の実施形態の表示素子が適用される投射型表示装置としての固体光源プロジェクタの構成例について、図面を参照して説明する。図１９に、実施形態の固体光源プロジェクタの模式的な斜視図を示す。

図１９に示すように、実施形態の固体光源プロジェクタは、複数の発光素子２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、発光素子２５ａ，２５ｂ，２５ｃから光がそれぞれ入射する赤（Ｒ）光用表示素子１ｒ、緑（Ｇ）光用表示素子１ｇ、及び青（Ｂ）光用表示素子１ｂと、を備えている。また、固体光源プロジェクタは、表示素子１ｒ、１ｇ、１ｂによってそれぞれ変調されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム１０２と、このクロスダイクロイックプリズム１０２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（不図示）を含む投射光学系１０３と、を備えている。この固体光源プロジェクタは、いわゆる３板式プロジェクタに適用された構成である。

また、上述した実施形態の発光素子は、図２０に示すような単板式プロジェクタにも適用可能である。図２０に、他の実施形態の固体光源プロジェクタの模式的な斜視図を示す。

図２０に示すように、他の実施形態の固体光源プロジェクタは、複数の発光素子２５ｕと、発光素子２５ｕから光が入射する表示素子１と、表示素子１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（不図示）を含む投射光学系１０３と、を備えている。表示素子１のプラズマ結合部（不図示）は、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する画素毎に異なる材料で形成されたキャリア生成層（不図示）を有している。

図１９及び図２０に示した本実施形態の固体光源プロジェクタによれば、上述した実施形態の表示素子が適用されることで、投射映像の輝度を向上することができる。

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対して、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２０１０年５月１４日に出願された日本出願特願２０１０−１１２０７２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。

１ 表示素子
１０ ライトバルブ部
１１ プラズモン結合部
１５ キャリア生成層
１６ 第１誘電体層
１７ プラズモン励起層
１８ 第２誘電体層
１９ 波数ベクトル変換層
２２ 基板
２３ 光学接続機構
２５ 発光素子

Claims (15)

1. 発光素子からの光の通過と遮断とを切り換える複数の光学シャッタ手段と、前記複数の光学シャッタ手段からの光を透過する基板とを有するライトバルブ部と、
   前記ライトバルブ部の内部に配置され、前記発光素子から入射した光によってプラズモン結合を生じさせるプラズモン結合部と、を備え、
   前記プラズモン結合部は、
   前記発光素子から入射する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励起層と、を有し、
   前記基板の上、または前記基板と前記プラズモン励起層との間に、前記プラズモン励起層によって生じた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が設けられ、
   前記プラズモン励起層は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている、表示素子。
2. 前記プラズモン励起層の前記出射層側、及び前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側の少なくとも一方の側に隣接して設けられた誘電体層を備える、請求項１に記載の表示素子。
3. 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電体層の間に挟まれ、
   前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に隣接する前記誘電体層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電体層よりも誘電率が低い、請求項２に記載の表示素子。
4. 前記プラズモン結合部における前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に積層された構造全体と、前記基板とを含む入射側部分の実効誘電率が、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及び前記出射層と、前記出射層または前記基板側に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低い、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表示素子。
5. 前記プラズモン励起層は、一対の前記誘電体層の間に挟まれ、
   前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に隣接する前記誘電体層は、前記プラズモン励起層の前記出射層側に隣接する前記誘電体層よりも誘電率が高い、請求項２に記載の表示素子。
6. 前記プラズモン結合部における前記プラズモン励起層の前記キャリア生成層側に積層された構造全体と、前記基板とを含む入射側部分の実効誘電率が、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及び前記出射層と、前記出射層または前記基板側に接する媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも高い、請求項１、２、５のいずれか１項に記載の表示素子。
7. 前記実効誘電率が、
   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と、
   前記入射側部分または前記出射側部分での表面プラズモンの波数の前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向の成分と、
   に基づいて決定される、請求項４または６に記載の表示素子。
   
8. 前記ライトバルブ部は、前記発光素子からの光が入射する導光体を有し、
   前記導光体は、前記発光素子からの光が前記プラズモン結合部に向けて通過する透過領域を有する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の表示素子。
9. 前記プラズモン結合部は、前記透過領域に対向して配置されている、請求項８に記載の表示素子。
10. 前記複数の光学シャッタ手段のそれぞれは、前記発光素子からの光が通過する透過領域を開閉可能に設けられたシャッタ部材と、前記シャッタ部材を駆動する駆動機構とを有している、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の表示素子。
11. 前記複数の光学シャッタ手段のそれぞれは、前記基板に固定された前記プラズモン結合部と、前記発光素子からの光を前記基板に通過させる第１位置と前記発光素子からの光を遮断する第２位置とに前記プラズモン結合部を移動させる一対の電極と、を有する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の表示素子。
12. 前記出射層は、フォトニック結晶からなる、請求項１ないし１１のいずれか１に記載の表示素子。
13. 前記プラズモン励起層は、赤に対応する画素はＡｕまたはそれを主成分とする合金、緑に対応する画素はＡｕ、Ａｇのいずれかまたはそれらのいずれかを主成分とする合金、青に対応する画素はＡｇまたはそれを主成分とする合金により構成されている請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の表示素子と、
    少なくとも１つの発光素子と、を備える表示器。
15. 請求項１４に記載の表示器と、
    前記表示器からの出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。

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