JPWO2012172858A1 - 光学素子、光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減できる光学素子を提供するもので、誘電性を有する２つの層の間に挟まれたプラズモン励起層を備え、プラズモン励起層を境に、出射層側となる出射側部分の実効誘電率が、キャリア生成層側となる入射側部分の実効誘電率よりも高く、プラズモン励起層とキャリア生成層との間の誘電率が、キャリア生成層と光入射面との間の誘電率よりも高い。

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光学素子、光源装置及び投射型表示装置に関する。

光源装置が有する発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるＬＥＤプロジェクタが提案されている。この種のＬＥＤプロジェクタでは、ＬＥＤを有する光源装置と、光源装置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。

ＬＥＤプロジェクタでは、投射映像の輝度を高めるために、光源装置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、光源装置の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、光源装置の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源装置からの光が投射光として利用されない。

そのため、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光が入射する光学素子とを有する光源装置では、光学素子からの出射光のエテンデューの低減を図ることによって、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。

そして、ＬＥＤプロジェクタが備える光源装置では、単一のＬＥＤの光量の不足を補うために複数のＬＥＤを用いることによって、数千ルーメン程度の投射光束を実現することが必要不可欠になっている。

このように複数のＬＥＤを用いた光源装置の一例として、特許文献１には、図１に示すように、ＬＥＤ８４ａ〜８４ｆを有する複数の単色光源装置８３ａ〜８３ｆと、これら単色光源装置８３ａ〜８３ｆからの出射光の光軸を一致させる光軸合わせ部材８２ａ〜８２ｄと、これら光軸合わせ部材８２ａ〜８２ｄから光が入射する光源セット８１ａ、８１ｂと、この光源セット８１ａ、８１ｂからの光が入射する導光装置８０と、を備える光源ユニットが開示されている。この光源ユニットでは、複数の単色光源装置８３ａ〜８３ｆからの光が合成されて、光源セット８１ａ、８１ｂによって放射角が狭められた光が、導光装置８０に入射されている。この構成では、導光装置８０に入射する光の放射角が、光源セット８１ａ、８１ｂによって狭められることで、光損失の低減が図られている。

また、複数のＬＥＤを用いた光源装置の他の例として、特許文献２には、図２に示すように、複数のＬＥＤ８５が平面上に配列された光源基板８６を備える光源装置が開示されている。この光源装置は、一方の面にプリズム列が形成されプリズム列を交差させて配置された２つのプリズムシート８８、８９と、これらプリズムシート８８、８９を支持する枠体８７とからなる光学素子を備えている。この光源装置では、複数のＬＥＤ８５からの光が、２つのプリズムシート８８、８９によって合成されている。

特開２００８−１４５５１０号公報 特開２００９−８７６９５号公報

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

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、光軸合わせ部材８２ａ〜８２ｄのダイクロイック反射面での発光面積が、ＬＥＤ８４ａ〜８４ｆの発光面積よりも大きくなってしまう。このため、導光装置８０に入射する光のエテンデューと、ＬＥＤ８４ａ〜８４ｆからの光のエテンデューとを比べた場合には、結果としてエテンデューが変化していない。

したがって、特許文献１に記載の構成では、導光装置８０からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤ８４ａ〜８４ｆのエテンデューに依存しており、導光装置８０からの出射光のエテンデューを低減することができなかった。

また、特許文献２に記載の構成では、複数のＬＥＤ８５が平面上に配列されることによって、光源全体の発光面積が大きくなってしまうので、光源自体のエテンデューが増加してしまう問題があった。

すなわち、上述した特許文献１、２に開示された構成では、光源ユニット及び光源装置からの出射光のエテンデューが、ＬＥＤからの光のエテンデューに依存しており、光学素子からの出射光のエテンデューを低減することができなかった。

本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決し、発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減できる光学素子、これを備える光源装置及び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、本発明に係る光学素子は、
光が入射する入射面と、
前記入射面の上に積層され、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入射面から入射した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、
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に変換して出射する出射層と、を備え、
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、
前記プラズモン励起層を境に、前記出射層側となる出射側部分の実効誘電率が、前記キャリア生成層側となる入射側部分の実効誘電率よりも高く、
前記プラズモン励起層と前記キャリア生成層との間の誘電率が、前記キャリア生成層と前記入射面との間の誘電率よりも高い。

また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、導光体の外周部に配置された発光素子と、を備える。

また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の光源装置と、光源装置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、発光素子のエテンデューに依存することなく、光学素子からの出射光のエテンデューを低減することができる。

特許文献１の構成を説明するための模式図である。 特許文献２の構成を説明するための分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態の光源装置の変形例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１の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す断面図である。 第１の実施形態の蛍光層と金属層とのプラズモン結合効率を示す図である。 第１の実施形態の低誘電率層として気体を用いた例の構成を示す図である。 図５Ｄに示したキャリア発生層６への入射角に対する反射率をシミュレーションした結果を示す図である。 空隙のない素子のキャリア発生層６への入射角に対する反射率をシミュレーションした結果を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態の光源装置において、製造工程を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、第１の実施形態の光源装置において、フォトニック結晶の形成工程の他の例を説明するための断面図である。 第１の実施形態において、指向性制御層の表面にマイクロレンズアレイが設けられた構成を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｂ）は、第１の実施形態の光源装置において、マイクロレンズアレイの形成工程を説明するための断面図である。 第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第６の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第７の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第８の実施形態の光源装置が備える指向性制御層を模式的に示す斜視図である。 第９の実施形態の光源装置を示す斜視図である。 第９の実施形態の光源装置が備える軸対称偏光用１／２波長板の構造を示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、第９の実施形態の光源装置が備える軸対称偏光用１／２波長板を説明するために示す模式図である。 実施形態の光源装置において、軸対称偏光用１／２波長板を備えない構成の場合の出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 実施形態の光源装置において、軸対称偏光用１／２波長板を備える構成の場合の出射光のファーフィールドパターンと偏光方向を示す模式図である。 本発明におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図である。 本発明における放射角特性を説明するための図である。 第１の実施形態の光源装置において、実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角とを比較して示す図である。 第１の実施形態の光源装置の出射光における角度分布を示す図である。 高誘電率層９Ｂを備えることによる高輝度化の効果を示す図である。 実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタを示す模式図である。 実施形態の光源装置が適用されるＬＥＤプロジェクタに用いられる光源の波長と蛍光体の励起波長及び発光波長を説明するための図である。

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３に、本実施形態の光源装置の模式的な構成の斜視図を示す。図４Ａに、本発明に係る光源装置における光の振る舞いを説明するための断面図を示す。なお、光源装置において、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３及び図４Ａに示すように、本実施形態の光源装置５０は、複数の発光素子１（１ａ〜１ｎ）と、これら発光素子１から出射された光が入射する光学素子５１とを備えている。光学素子５１は、発光素子１から出射された光が入射する導光体２と、この導光体２からの光によって出射光を出射する指向性制御層３と、を有している。

指向性制御層３は、光源装置５０からの出射光の指向性を高めるための層であり、例えば図５Ａ、図５Ｂに示す第１の実施形態のように、導光体２に設けられ、導光体２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６と、このキャリア生成層６上に積層され、キャリア生成層６を発光素子１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８と、このプラズモン励起層８上に積層され、入射する光の波数ベクトルを変換して出射する出射層としての波数ベクトル変換層１０と、を備えている。

また、プラズモン励起層８は、誘電性を有する２つの層の間に挟まれている。誘電性を有する２つの層として、指向性制御層３は、図５Ａ、図５Ｂに示すように、プラズモン励起層８と波数ベクトル変換層１０との間に挟まれて設けられた高誘電率層９Ａと、キャリア生成層６とプラズモン励起層８との間に挟まれて設けられ高誘電率層９Ｂと、導光体２とキャリア生成層６との間に設けられ、高誘電率層９Ａ、９Ｂよりも誘電率が低い低誘電率層７と、を備えている。本実施形態においては、低誘電率層７と導光体２との界面が入射面となる。

そして、本実施形態における光学素子１は、プラズモン励起層８の導光体２側に積層された構造全体を含む入射側部分（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８の波数ベクトル変換層１０側に積層された構造全体と、波数ベクトル変換層１０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低くなるように構成されている。なお、プラズモン励起層８の導光体２側に積層された構造全体には、導光体２が含まれる。プラズモン励起層８の波数ベクトル変換層１０側に積層された構造全体には、波数ベクトル変換層１０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８に対する、導光体２及びキャリア生成層６を含む入射側部分の実効誘電率が、プラズモン励起層８に対する、波数ベクトル変換層１０と媒質とを含む出射側部分の実効誘電率よりも低くなっている。

詳細には、プラズモン励起層８の入射側部分（発光素子１側）の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の出射側部分（波数ベクトル変換層１０側）の実効誘電率の実部よりも低く設定されている。

ここで、実効誘電率ε_effは、プラズモン励起層８の界面に平行な方向をｘ軸、ｙ軸、プラズモン励起層８の界面に垂直な方向をｚ軸とし、キャリア生成層６から出射する光の角周波数をω、プラズモン励起層８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、

入射側部分または出射側部分の誘電率分布と、プラズモン励起層８の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定され、

で表される。ここで積分範囲Ｄは、プラズモン励起層８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８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。

実効誘電率ε_effは、以下の式を用いて計算してもよい。式（１．１）を用いる方が特に望ましい。

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８の誘電率をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすれば、

で表される。

ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。

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８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８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８に対する入射側部分の実効誘電率層ε_effin、及び出射側部分の実効誘電率ε_effoutがそれぞれ求まる。実際には、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、実効誘電率ε_effを容易に求められる。なお、プラズモン励起層８に接する層の誘電率が非常に高い場合には、その界面における表面プラズモンの波数のｚ成分k_spp、_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。そのため、プラズモン励起層８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。

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。

低誘電率層７は、高誘電率層９Ａ、高誘電率層９Ｂよりも誘電率が低い層である。低誘電率層７の複素誘電率をε_l（λ₀）とし、その実部をε_lr（λ₀）、虚部をε_li（λ₀）とする。また、高誘電率層９Ａ、高誘電率層９Ｂの複素誘電率をそれぞれε_hA（λ₀）、ε_hB（λ₀）とし、その実部をそれぞれε_hrA（λ₀）、ε_hrB（λ₀）、虚部をε_hiA（λ₀）、ε_hiB（λ₀）とすると、
１≦ε_lrA（λ₀）＜ε_hrA（λ₀）、１≦ε_lrB（λ₀）＜ε_hrB（λ₀）
の関係を満たしている。なお、λ₀は、誘電率層への入射光の真空中での波長である。

ただし、低誘電率層７の誘電率の方が高誘電率層９Ａ、高誘電率層９Ｂいずれか一方または両方の誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層８の入射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の出射側部分の実効誘電率の実部よりも低ければ、光学素子５１は動作する。つまり、低誘電率層７、高誘電率層９Ａ、高誘電率層９Ｂの誘電率には、プラズモン励起層８の出射側の実効誘電率の実部が、入射側の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。

また、発光周波数における虚部ε_li（λ₀）、及び虚部ε_hi（λ₀）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。

なお、キャリア生成層６を除き、導光体２を含めたいずれの層や、波数ベクトル変換層１０に接する媒質においても、キャリア生成層６の発光波長における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。

光源装置５０の周囲の媒質、つまり導光体２や波数ベクトル変換層１０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２側と波数ベクトル変換層１０側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。

本実施形態では、複数の発光素子１ａ〜１ｎが、平板状の導光体２の４つの側面に、それぞれ所定の間隔をあけて配置されている。ここで、発光素子１ａ〜１ｎが前記側面と接続している箇所を光入射部４ａとする。発光素子１としては、例えば、キャリア生成層６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１は、導光体２の光入射部４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２と光学的に接続されてもよい。

実施形態では、導光体２が平板状に形成されているが、導光体２の形状は直方体に限定されるものではない。導光体２の内部には、マイクロプリズムのような配光特性を制御する構造が設けられていてもよい。また、導光体２は、光出射部５と光入射部４を除く外周面の全面、又は外周面の一部に反射膜が設けられていてもよい。同様に、光源装置５０は、光出射部５と光入射部４を除く外周面の全面、又は一部に反射膜（不図示）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。

導光体２は必須の構成要素ではなく、導光体２の変わりに発光素子の発光面をキャリア生成層６に近接して配置してもよい。

また、導光体２および発光素子１１の代わりに発光素子のみを用いるものとしてもよい。図４Ｂは、一実施形態の変形例として、発光素子であるＬＥＤ２００の上に、指向性制御層３’を設けた光源装置５０’を示す断面図である。このとき、指向性制御層３’はＬＥＤ２００の発光面上に配置される。指向性制御層３’とＬＥＤ２００の発光面（不図示）は支柱(不図示)を用いて所定の間隔を設けて配置してもよい。指向性制御層３’はＬＥＤ２００の発光面（不図示）に接するように配置してもよい。指向性制御層３’の構成は図４Ａに示した指向性制御層３と同じである。図４Ｂに示す例では、指向性制御層３’を構成する低誘電率層７とＬＥＤ２００との界面が入射面となる。本変形例で光出射部５’より出射される光も図４Ａに示した光出射部５より出射される光と同様のものとなる。

キャリア生成層６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６内には、発光波長が同一、又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６の厚さは１μｍ以下が望ましい。

低誘電率層７としては、例えば、ＳｉＯ₂ナノロッドアレイフィルムや、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や、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いるのが好ましい。

高誘電率層９Ａ、９Ｂとしては、例えば、ダイヤモンド、ＴｉＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、Ｌａ₂Ｏ₃、ＮｄＯ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅等の高誘電率材料を用いるのが好ましい。

プラズモン励起層８は、キャリア生成層６単体を発光素子１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８は、キャリア生成層６単体を発光素子１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８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、又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８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８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。高誘電率層９Ａとプラズモン励起層８との界面から、低誘電率層７とキャリア生成層６との界面までの距離は、５００ｎｍ以下に形成されるのが好ましい。なお、この距離は、キャリア生成層６とプラズモン励起層８との間でプラズモン結合が起こる距離に相当する。

波数ベクトル変換層１０は、この波数ベクトル変換層１０に入射する入射光の波数ベクトルを変換することで、高誘電率層９Ａから光を取り出し、光学素子５１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１０は、高誘電率層９Ａからの光の出射角を、所定の角度に変換して光学素子５１から出射する。つまり、波数ベクトル変換層１０は、高誘電率層９Ａとの界面にほぼ直交するように、光学素子５１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１０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（高誘電率層９Ａからの光の波長よりも大きなテクスチャー構造）又は準結晶構造、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、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、準結晶構造、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１０としては、平板状の基部の上に凸部が設けられた構造であってもよい。また、波数ベクトル変換層１０は、高誘電率層９Ａと異なる材料によって構成されていてもよい。

キャリア生成層６の直下に配置される低誘電率層７の誘電率は、導光体２の誘電率よりも低く設定されてもよい。この場合、発光素子１からの入射光は、導光体２と低誘電率層７との界面で全反射を起こすように、導光体２の光入射部４に対する入射角を所定の角度に設定する。

発光素子１から導光体２に入射した入射光は、導光体２と低誘電率層７との界面で全反射を起こし、この全反射に伴ってエヴァネッセント波が生成される。このエヴァネッセント波がキャリア生成層６に作用することで、キャリア生成層６にキャリアが生成される。

本実施形態のように、エヴァネッセント波のみでキャリアを生成することによって、光源装置５０からの出射光のうち、発光素子１の発光波長に対応する光を低減し、キャリア生成層６の発光波長に対応する光を増加することが可能になる。したがって、発光素子１からの光の利用効率を高めることができる。

キャリア生成層６の直下に配置される低誘電率層７の誘電率は導光体２の誘電率よりも高くてもよく、発光素子１からの入射光は、導光体２と低誘電率層７との界面で全反射を起こさない角度で入射するように設定されていてもよい。

また、本実施形態においては、キャリア生成層６とプラズモン励起層８の間に高誘電率層９Ｂが形成されている。これはキャリア生成層６とプラズモン励起層８との間でのプラズモン結合の効率を向上することを目的としている。

以上のように構成された光源装置５０について、発光素子１から指向性制御層３に入射した光が、指向性制御層３の光出射部５から出射される動作を説明する。

図４Ａに示すように、複数の発光素子１のうち、例えば発光素子１ｆから出射された光は、導光体２の光入射部４ａを透過し、導光体２内を全反射しながら伝播する。このとき、導光体２と指向性制御層３との界面に入射した光の一部は、指向性制御層３のプラズモン励起層８における後述する特性に応じた方向、波長で光出射部５から出射される。光出射部５から出射されなかった光は導光体２に戻され、再度、導光体２と指向性制御層３との界面に入射した光の一部が、指向性制御層３を透過し、光出射部５から出射される。これらの繰り返しによって、導光体２に入射した光の大半が光出射部５から出射される。また、複数の発光素子１のうち、導光体２を間に挟んで発光素子１ｆに対向する位置に配置された発光素子１ｍから出射し、光入射部４ｂを透過した光についても同様に、光出射部５から出射される。光出射部５から出射される光の方向、波長は、指向性制御層３の特性にのみ依存し、発光素子１の位置、導光体２と指向性制御層３との界面への入射角には無依存である。以降特にことわらない限り、波数ベクトル変換層をフォトニック結晶とした場合について説明する。導光体２の光入射部４を除く面が、反射面または散乱面であれば、導光体２内に入射する光は全反射する必要はない。

図５Ａ、５Ｂに、指向性制御層３の構成と機能を説明するための拡大図を示す。導光体２内を全反射で伝播している光において、導光体２と低誘電率層７との界面では全反射条件が崩れ、発光素子１からの光が低誘電率層７を通ってキャリア生成層６中に入射する。キャリア生成層６に入射した光は、キャリア生成層６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８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、高誘電率層９Ａ内への放射が起こり、その光が波数ベクトル変換層１０で回折されて、光源装置５０の外方に出射される。高誘電率層９Ａ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、高誘電率層９Ａ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８の出射側部分および入射側部分の実効誘電率、プラズモン励起層８の複素誘電率、キャリア生成層６の発光スペクトル幅で決定される。

図５Ｃは、キャリア生成層６として用いられる蛍光層中の発光点と、プラズモン励起層８として用いられる金属層との間隔をｄとし、これらの間に設けられる層の誘電率を１から１０としたときの蛍光層と金属層とのプラズモン結合効率を示す図である。ここで、キャリア生成層６の誘電率は、蛍光層−金属層間の誘電率を同じとした。図示されるように、蛍光層と金属層の間の誘電率が高いほどプラズモン結合の効率が高いことが分かる。

上記のように、本実施形態においてはキャリア生成層６とプラズモン励起層８の間に高誘電率層９Ｂを形成することによりキャリア生成層６とプラズモン励起層８との間でのプラズモン結合の効率を向上し、また、キャリア生成層６よりも導光体２側となる部分に低誘電率層７を形成することによりプラズモン結合が起こりやすいものとしている。

図５Ｄは、低誘電率層として気体を用いた例の構成を示す図である。

図５Ｄに示す低誘電率層７’は、支柱７ａにより密閉され、不活性ガスで満たされた空隙７ｂによるものであり、内部には複数のスパイクが周期的に配設された光取り出し構造７ｃが形成されている。

図５Ｅは、効率をさらに高いものとするために、高誘電率層９Ａの誘電率を高くしたときの図５Ｄに示したキャリア発生層６への入射角に対する反射率をシミュレーションした結果を示す図である。波数ベクトル変換層１０にはＴｉＯ₂、高誘電率層９Ａには厚さ無限大のＴｉＯ₂、プラズモン励起層８には厚さ５０ｎｍのＡｇ、高誘電率層９Ａには厚さ１０ｎｍのＴｉＯ₂、キャリア生成層６には厚さ２５ｎｍの量子ドットを用い、蛍光体の発光波長は５３０ｎｍとした。また、導光体２には厚さ無限大のＰＭＭＡとした。図５Ｆは比較例としての空隙がない場合のキャリア発生層６への入射角に対する反射率をシミュレーションした結果を示す図である。

図５Ｅ、図５Ｆのいずれにおいても、実線はＴＥ波の反射光の反射率、一点鎖線ＴＭ波の反射光の反射率を示し、点線はＴＥ波の透過光の反射率、二点鎖線はＴＭ波の透過光の反射率、を示している。

図５Ｅに示されるように、低誘電率層７’を設けた場合には入射角５７°付近でプラズモン共鳴条件が満たされ、急激な反射率の低下が発生する。

図６に、光源装置５０が備える光学素子５１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。まず、図６（ａ）に示すように、導光体２の上に低誘電率層７を形成し、続いて図６（ｂ）に示すように、低誘電率層７の上にキャリア生成層６をスピンコート法で塗布する。続いて、例えば物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタ等によって、図６（ｃ）〜図６（ｅ）に示すように、キャリア生成層６の上に、高誘電率層９Ｂ、プラズモン励起層８、高誘電率層９Ａの順にそれぞれ積層する。

フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層１０を形成する製造工程を、図７に示す。図７（ａ）に示すように高誘電率層９Ａ上に波数ベクトル変換層１０を形成し、この波数ベクトル変換層１０の上にレジスト膜１１をスピンコート法で塗布し、図７（ｂ）に示すようにナノインプリントでレジスト膜１１にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。図７（ｃ）に示すようにドライエッチングによって、所望の深さまで波数ベクトル変換層１０をエッチングし、その後、図７（ｄ）に示すようにレジスト膜１１を剥離する。最後に、導光体２の外周部に複数の発光素子１を配置することで、光源装置５０が完成する。

図８に、光源装置５０の高誘電率層９の表面上に、フォトニック結晶によって波数ベクトル変換層１０を形成する、他の製造工程を示す。これも、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。

まず、図８（ａ）に示すように、基板１２上にレジスト膜１１をスピンコート法で塗布し、図８（ｂ）に示すように、ナノインプリントでレジスト膜１１にフォトニック結晶のネガパターンを転写する。続いて、図８（ｃ）〜図８（ｅ）に示すように、物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタによって、高誘電率層９Ａ、プラズモン励起層８、高誘電率層９Ｂの順に積層する。次に、図８（ｆ）に示すように、高誘電率層９Ｂの上にキャリア生成層６をスピンコート法で塗布し、図８（ｇ）に示すように、物理蒸着、電子線ビーム蒸着やスパッタによって、低誘電率層７を形成し、さらに低誘電率層７に導光体２を圧着し、乾燥させる。最後に、図８（ｈ）に示すように、レジスト膜１１を基板１２から剥離した後、導光体２の外周部に複数の発光素子１を配置することで、光源装置５０が完成する。

導光体２と反対側の、高誘電率層９Ａの表面は、波数ベクトル変換層１０としてフォトニック結晶が用いられる代わりに、マイクロレンズアレイが配置される構成や、粗い表面が形成される構成であってもよい。

図９に、高誘電率層９の表面に、マイクロレンズアレイが設けられた指向性制御層の構成例を示す。図９に示すように、指向性制御層１４は、マイクロレンズアレイ１３を備える構成であっても、波数ベクトル変換層１０としてフォトニック結晶を用いた場合と同様の効果が得られる。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に、高誘電率層９Ａの上にマイクロレンズアレイ１３が積層された構成の製造工程について説明するための断面図を示す。マイクロレンズアレイ１３を備える構成においても、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示した製造方法と同様に、導光体２に、キャリア生成層６から高誘電率層９Ａまでの各層を積層するので、これらの製造工程の説明を省略する。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、図６（ａ）〜図６（ｅ）に示した製造方法を用いて、導光体２に、キャリア生成層６から高誘電率層９Ａまでの各層を積層した後、高誘電率層９Ａの表面にマイクロレンズアレイ１３を形成する。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。高誘電率層９Ａの表面に、ＵＶ硬化樹脂１５をスピンコート法等によって塗布した後、ナノインプリントを用いて、ＵＶ硬化樹脂１５に所望のレンズアレイパターンを成形し、ＵＶ硬化樹脂１５に光を照射して硬化させることで、マイクロレンズアレイ１３が形成される。

上述したように本実施形態の光源装置５０は、導光体２に指向性制御層３が設けられる比較的簡素な構成であるので、光源装置５０全体の小型化を図ることができる。また、本実施形態の光源装置５０によれば、波数ベクトル変換層１０へ入射する光の入射角が、プラズモン励起層８とこのプラズモン励起層８を挟む低誘電率層７と高誘電率層９Ａの誘電率のみで決定される。このため、光学素子５１からの出射光の指向性が、発光素子１の指向性に制限されることがなくなる。また、本実施形態の光源装置５０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、光学素子５１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１のエテンデューに依存することなく、光学素子５１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、光源装置５０からの出射光のエテンデューが、発光素子１のエテンデューによって制限されないので、光源装置５０からの出射光のエテンデューを小さく保ったままで、複数の発光素子１からの入射光を合成することができる。

加えて、上述した特許文献１に開示された構成では、軸合わせ部材８２ａ〜８２ｄや光源セット８１ａ、８１ｂを備えることで光源ユニット全体が大型化してしまう問題があった。しかし、本実施形態の光学素子５１によれば、光学素子５１全体の小型化を図ることができる。

また、上述した特許文献２に開示された構成では、複数のＬＥＤ８５からの光が交差プリズムシート８８、８９で様々な方向に曲げられて光の損失を招く問題があったが、本実施形態の光学素子５１によれば、複数の発光素子１からの光の利用効率を向上することができる。

以下、他の実施形態の光源装置を説明する。他の実施形態の光源装置は、第１の実施形態の光源装置５０と比べて指向性制御層３の構成のみが異なるので、指向性制御層についてのみ説明する。なお、他の実施形態の指向性制御層において、第１の実施形態における指向性制御層３と同一の層には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

また、以下の実施形態では、波数ベクトル変換層１０がフォトニック結晶からなる構成を示すが、波数ベクトル変換層１０が上述のマイクロレンズアレイ１３に置き換えられてもよく、同様の効果が得られる。

また、低誘電率層としては図５Ｂに示した低誘電率層７を用いて説明を行うが、図５Ｄに示した低誘電率層７’も同様に作用する。このため、以下の各実施形態に低誘電率層７’を用いても当然よく、本発明には、以下の各実施形態に低誘電率層７’を用いた形態も含まれる。

（第２の実施形態）
図１１に、第２の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１１に示すように、第２の実施形態における指向性制御層１８では、導光体（不図示）の上に形成されるキャリア生成層１６、高誘電率層１７Ｂ、プラズモン励起層８、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１７Ａの順に積層されている。

第２の実施形態における指向性制御層１８では、波数ベクトル変換層１７Ａが第１の実施形態における高誘電率層９Ａを兼ねており、キャリア生成層１６が第１の実施形態における低誘電率層７を兼ねていて、キャリア生成層１６と導光体との界面が入射面となる。したがって、プラズモン励起層８でプラズモン結合を生じさせるために、プラズモン励起層８の出射側界面に隣接して配置された層である波数ベクトル変換層１７Ａの誘電率は、プラズモン励起層８の入射側界面に高誘電率層１７Ｂを介して配置された層であるキャリア生成層１６の誘電率よりも高く設定されている。ただし、波数ベクトル変換層１７Ａの誘電率の方がキャリア生成層１６の誘電率よりも低い場合でも、プラズモン励起層８の波数ベクトル変換層１７Ａ側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８のキャリア生成層１６側の実効誘電率の実部よりも高ければ、指向性制御層１８は動作する。つまり、波数ベクトル変換層１７Ａの誘電率には、プラズモン励起層８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の入射側部分の実効誘電率の実部よりも高く保たれる範囲が許容される。

以上のように構成された第２の実施形態の光源装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。

（第３の実施形態）
図１２に、第３の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１２に示すように、第３の実施形態における指向性制御層１９では、導光体（不図示）の上に、低誘電率層７、キャリア生成層６、高誘電率層１７Ｂ、プラズモン励起層８、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１７Ａの順に積層されている。本実施形態では低誘電率層７と導光体との界面が入射面となる。

第３の実施形態における指向性制御層１９では、波数ベクトル変換層１７Ａが第１の実施形態における高誘電率層９を兼ねている。したがって、プラズモン励起層８でプラズモン結合を生じさせるために、波数ベクトル変換層１７Ａの誘電率は、低誘電率層７の誘電率よりも高く設定されている。ただし、波数ベクトル変換層１７Ａの誘電率の方が低誘電率層７の誘電率よりも低い場合でも、プラズモン励起層８の波数ベクトル変換層１７Ａ側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の低誘電率層７側の実効誘電率の実部よりも高ければ、指向性制御層１９は動作する。つまり、波数ベクトル変換層１７Ａの誘電率には、プラズモン励起層８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の入射側部分の実効誘電率の実部よりも高く保たれる範囲が許容される。

以上のように構成された第３の実施形態の光源装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。

（第４の実施形態）
図１３に、第４の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１３に示すように、第４の実施形態における指向性制御層２０では、導光体（不図示）の上に、キャリア生成層１６、高誘電率層９Ｂ、プラズモン励起層８、高誘電率層９Ａ、フォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１０の順に積層されている。

第４の実施形態における指向性制御層２０では、キャリア生成層１６が第１の実施形態における低誘電率層７を兼ねていて、キャリア生成層１６と導光体との界面が入射面となる。したがって、プラズモン励起層８でプラズモン結合を生じさせるために、キャリア生成層１６の誘電率は、高誘電率層９Ａよりも低く設定されている。ただし、キャリア生成層１６の誘電率の方が高誘電率層９Ａの誘電率よりも高い場合でも、プラズモン励起層８のキャリア生成層１６側の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の高誘電率層９Ａ側の実効誘電率の実部よりも低ければ、指向性制御層２０は動作する。つまり、キャリア生成層１６の誘電率には、プラズモン励起層８の出射側部分の実効誘電率の実部が、プラズモン励起層８の入射側部分の実効誘電率の実部より高く保たれる範囲が許容される。

以上のように構成された第４の実施形態の光源装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、第１の実施形態に比べて更に小型化を図ることができる。

（第５の実施形態）
図１４に、第５の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１４に示すように、第５の実施形態における指向性制御層３７では、第１の実施形態におけるプラズモン励起層８に加えて、別のプラズモン励起層としてのプラズモン励起層３６が更に配置されている。

第５の実施形態における指向性制御層３７では、低誘電率層７と導光体（不図示）との間に、プラズモン励起層３６が配置されている。本実施形態ではプラズモン励起層３６と導光体との界面が入射面となる。指向性制御層３７では、導光体から入射した光によってプラズモン励起層３６でプラズモンが励起され、その励起されたプラズモンによって、キャリア生成層６でキャリアの生成が行われる。

このとき、プラズモン励起層３６でプラズモン共鳴を生じさせるために、キャリア生成層６の誘電率を、導光体の誘電率よりも低くしている。また、低誘電率層７は、キャリア生成層６の材料選択の幅を広げるために、プラズモン励起層３６とキャリア生成層６との間に設けられ、複素誘電率の実部が導光体よりも低くされている。ここで、プラズモン励起層３６の導光体側の実効誘電率が、プラズモン励起層３６のキャリア生成層６側の実効誘電率よりも高い必要がある。

なお、プラズモン励起層８は、キャリア生成層６を単体で、発光素子１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している。また、プラズモン励起層３６は、発光素子（不図示）の発光周波数よりも高いプラズマ周波数を有している。また、異なる複数の発光周波数を有するキャリア生成層６が用いられる場合、プラズモン励起層８は、キャリア生成層６を単体で、発光素子１の光で励起したときに発生する光の異なる周波数のいずれよりも高いプラズマ周波数を有している。同様に、発光周波数が異なる複数種類の発光素子が用いられる場合、プラズモン励起層３６は、発光素子の異なる発光周波数のいずれよりもが高いプラズマ周波数を有している。

ここで、発光素子からの光がプラズモン励起層３６の界面においてプラズモンと結合するためには、発光素子からプラズモン励起層３６へ入射させる光の入射角に条件がある。プラズモン励起層３６のキャリア生成層６側における入射光の波数ベクトルのうち界面に平行な成分と、プラズモン励起層３６のキャリア生成層６側における表面プラズモンの界面に平行な成分とが一致する入射角で光を入射させる必要がある。

このような構成によって、キャリア生成層６においてプラズモンによりキャリアが生成されるので、プラズモンによる蛍光増強効果を利用できる。

以上のように構成された第５の実施形態によれば、プラズモンによる蛍光増強効果によりキャリア生成層６でキャリアが効率的に生成され、キャリアを増やすことができるので、発光素子１からの光の利用効率を更に高めることができる。

（第６の実施形態）
図１５に、第６の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１５に示すように、第６の実施形態における指向性制御層４０は、第１の実施形態における指向性制御層３と同様の構成であり、第１の実施形態における低誘電率層７及び高誘電率層９Ａ、９Ｂが、それぞれ積層された複数の誘電体層によって構成されている点が異なっている。

つまり、第６の実施形態における指向性制御層４０は、複数の誘電体層３８ａ〜３８ｃが積層されてなる低誘電率層群３８と、複数の誘電体層３９ａ〜３９ｃが積層されてなる高誘電率層群３９Ａと、複数の誘電体層４０ａ〜４０ｃが積層されてなる高誘電率層群３９Ｂと、を備えている。本実施形態では低誘電率層３８ｃと導光体（不図示）との界面が入射面となる。

低誘電率層群３８では、キャリア生成層６に向かって誘電率が単調に低くなるように、複数の誘電体層３８ａ〜３８ｃが配置されている。同様に、高誘電率層群３９Ｂでは、プラズモン励起層８に向って誘電率が単調に低くなるように複数の誘電体層４０ａ〜４０ｃが積層され、高誘電率層群３９Ｂではフォトニック結晶からなる波数ベクトル変換層１０側に向って誘電率が単調に低くなるように複数の誘電体層３９ａ〜３９ｃが積層されている。

低誘電率層群３８の全体の厚さは、指向性制御層４０が低誘電率層を独立して備える実施形態における低誘電率層と等しい厚さとしている。同様に、高誘電率層群３９Ａ、３９Ｂの全体の厚さは、指向性制御層が高誘電率層を独立して備える実施形態における高誘電率層と同じ厚さとしている。なお、低誘電率層群３８、高誘電率層群３９Ａ、３９Ｂは、それぞれ３層構造で示したが、例えば２〜５層程度の層構造で構成することができる。また、必要に応じて、低誘電率層群及び高誘電率層群をそれぞれ構成する誘電体層の数が異なる構成や、低誘電率層及び高誘電率層の一方のみが複数の誘電率層からなる構成としてもよい。

このように高誘電率層及び低誘電率層が複数の誘電体層から構成されることで、プラズモン励起層８の界面に隣接する各誘電体層の誘電率を良好に設定すると共に、キャリア生成層６、波数ベクトル変換層１０又は外部の空気等の媒質と、これらにそれぞれ隣り合う誘電体層との屈折率のマッチングをとることが可能になる。つまり、高誘電体層群３９Ａは、波数ベクトル変換層１０又は空気等の媒質との界面での屈折率差を小さくし、高誘電体層群３９Ｂはプラズモン励起層８との界面での屈折率差を小さくし、低誘電体層群３８は、キャリア生成層６との界面での屈折率差を小さくすることが可能になる。

以上のように構成された第６の実施形態の指向性制御層４０によれば、プラズモン励起層８に隣接する各誘電体層の誘電率を良好に設定すると共に、キャリア生成層６及び波数ベクトル変換層１０との界面での屈折率差を小さく設定することが可能になる。このため、光損失を更に低減し、発光素子からの光の利用効率を更に高めることができる。

なお、低誘電率層群３８及び高誘電率層群３９Ａ、３９Ｂの代わりに、内部で誘電率が単調に変化する単層膜を用いてもよい。この構成の場合、高誘電率層の一方は、誘電率がプラズモン励起層８側から波数ベクトル変換層１０側に向かって次第に低くなる分布、他方はプラズモン励起層８に向って誘電率が分布を有する。また同様に、低誘電率層は、誘電率がキャリア生成層６に向かって次第に低くなる分布を有する。

（第７の実施形態）
図１６に、第７の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１６に示すように、第７の実施形態における指向性制御層４２は、第１の実施形態における指向性制御層３と同様の構成であり、キャリア生成層６と高誘電率層９Ｂとの間に、別の低誘電率層４１を設ける点が異なっている。本実施形態では低誘電率層７と導光体（不図示）との界面が入射面となる。

（第８の実施形態）
図１７に、第８の実施形態の光源装置が備える指向性制御層の斜視図を示す。図１７に示すように、第８の実施形態における指向性制御層４５では、第１の実施形態における指向性制御層３と同様の構成であり、プラズモン励起層群４４が、積層された複数の金属層４４ａ、４４ｂによって構成されている点が異なっている。本実施形態では低誘電率層７と導光体（不図示）との界面が入射面となる。

第８の実施形態における指向性制御層４５のプラズモン励起層群４４では、金属層４４ａ、４４ｂがそれぞれ異なる金属材料によってそれぞれ形成されて積層されている。これによって、プラズモン励起層群４４は、プラズマ周波数を調整することが可能になっている。

プラズモン励起層４４におけるプラズマ周波数が高くなるように調整する場合には、例えば、金属層４４ａ、４４ｂをそれぞれＡｇ及びＡｌによって形成する。また、プラズモン励起層４４におけるプラズマ周波数が低くなるように調整する場合には、例えば、異なる金属層４４ａ、４４ｂをそれぞれＡｇ及びＡｕによって形成する。なお、プラズモン励起層４４は、一例として２層構造を示したが、必要に応じて３層以上の金属層によって構成されてもよいことは勿論である。

以上のように構成された第８の実施形態の指向性制御層４５によれば、プラズモン励起層４４が複数の金属層４４ａ、４４ｂによって構成されることによって、プラズモン励起層４４における実効的なプラズマ周波数を、キャリア生成層６からプラズモン励起層４４に入射する光の周波数に近づけるように調整することが可能になる。このため、発光素子１から光学素子５１に入射する光の利用効率を更に高めることができる。

（第９の実施形態）
図１８に、第９の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図１８に示すように、第９の実施形態の光源装置では、光学素子５１から入射する軸対称偏光を所定の偏光状態に揃える偏光変換素子として、光学素子５１からの入射光を直線偏光する軸対称偏光用１／２波長板２６を備えている。光源装置５０からの出射光を軸対称偏光用１／２波長板２６によって直線偏光とすることで、出射光の偏光状態が揃えられた光源装置を実現できる。なお、偏光変換素子によって軸対称偏光を所定の偏光状態に揃えることには、直線偏光することに限定するものではなく、円偏光とすることも含まれる。また、指向性制御層としては、上述した第１〜第８の実施形態における指向性制御層のいずれが適用されてもよいことは勿論である。

図１９に、軸対称偏光用１／２波長板２６の構造の縦断面図を示す。軸対称偏光用１／２波長板の構成は、あくまで一例であって、この構成に限定されない。図１９に示すように、軸対称偏光用１／２波長板２６は、配向膜２８、３１がそれぞれ形成された一対のガラス基板２７、３２と、これらガラス基板２７、３２の配向膜２８、３１を対向させてガラス基板２７、３２の間に挟んで配置された液晶層３０と、ガラス基板２７、３２の間に配置されたスペーサ２９と、を備えている。

液晶層３０は、常光に対する屈折率をｎｏ、異常光に対する屈折率をｎｅとすると、屈折率ｎｅが屈折率ｎｏよりも大きい。また、液晶層３０の厚さｄは、（ｎｅ−ｎｏ）×ｄ＝λ／２を満たしている。なお、λは真空中における入射光の波長である。

図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に、軸対称偏光用１／２波長板２６を説明するための模式図を示す。図２０（ａ）に、軸対称偏光用１／２波長板２６の液晶層３０を、ガラス基板３２の主面に平行に切った状態の横断面図を示す。図２０（ｂ）に、液晶分子３３の配向方向を説明するための模式図を示す。

図２０（ａ）に示すように、液晶分子３３は、軸対称偏光用１／２波長板２６の中心に対して同心円状に配置されている。また、液晶分子３３は、図２０（ｂ）に示すように、液晶分子３３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、液晶分子３３は、θ＝２Φ、又は、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。ここで、図２０（ａ）と図２０（ｂ）は同一面内を示している。

図２１に、光源装置が軸対称偏光用１／２波長板を備えない構成の場合における、出射光のファーフィールドパターン３５を示す。上述した第１〜第８の実施形態において、プラズモン励起層８でプラズモン結合が起こる偏光は、Ｐ偏光のみであるので、光源装置からの出射光のファーフィールドパターン３５が、図２１に示すように、偏光方向が放射状になった軸対称偏光となる。

図２２に、軸対称偏光用１／２波長板２６を通過した出射光のファーフィールドパターン３８を示す。本実施形態によれば、上述した軸対称偏光用１／２波長板２６を用いることで、図２２に示すように、偏光方向３７が揃えられた出射光が得られる。

（第１の実施例）
図２３に、上記実施形態におけるプラズモン共鳴特性を説明するための図を示す。図２３では、高誘電率層９ＡにＴｉＯ₂、高誘電率層９Ｂに多孔質ＳｉＯ₂、プラズモン励起層８にＡｇ、低誘電率層７に空気を用いた光源装置において、波長４６０ｎｍの光をそれぞれプラズモン励起層８に入射させた場合について、入射角に対する反射率の関係を示している。ここで、高誘電率層９Ａ、低誘電率層７は光の波長に比べて十分に厚く形成した。図２３には高誘電率層９Ｂの厚さを、０ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍ、１００ｎｍ、１０００ｎｍとしたときの入射角と反射率についてそれぞれ示している。

図２３に示すように、入射角が２９−３０度付近での反射率の急峻な低下は、この角度が全反射角よりも大きいことから、プラズモンとの結合によるものと理解される。このように、本実施例によれば、高誘電率層９Ｂを厚くするにつれて実効誘電率が小さくなり、プラズモン共鳴する入射角度が低くなることが分かる。

図２４に、上記実施形態における放射角特性を説明するための図を示す。図２４では、高誘電率層９ＡにＴｉＯ₂、高誘電率層９Ｂに多孔質ＳｉＯ₂、プラズモン励起層８にＡｇ、低誘電率層７に空気を用いた光源装置において、発光素子１から波長６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光をそれぞれ指向性制御層に入射させた場合における、光出射部５からの出射光の角度分布を示す。

なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。光源装置からの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６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光それぞれに対して０．６７度、１．３度、３．０度となる。ここで、波数ベクトル変換層１０をなすフォトニック結晶の格子ピッチは、波長６５３ｎｍ、５３９ｎｍ、４５９ｎｍの光それぞれに対して５８３ｎｍ、４７１ｎｍ、３８６ｎｍとした。

以上のように、本実施形態の光源装置によれば、プラズモン励起層８を利用することで、光源装置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１０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。

（第２の実施例）
図２５に、第１の実施形態の光源装置５０において、式（１）を用いて算出した実効誘電率から求まるプラズモン共鳴角と、多層膜反射計算によって求まるプラズモン共鳴角とを比較して示す。図２５において、横軸が高誘電率層９Ｂの厚さを示し、縦軸がプラズモン共鳴角を示している。図２５に示すように、実効誘電率による計算値と、多層膜反射による計算値とが一致しており、式（１）で定義される実効誘電率によってプラズモン共鳴の条件を定義できることが明らかである。

導光体２としてＳｉＯ₂、キャリア生成層６としてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を母材とする蛍光体、低誘電率層７として空気、プラズモン励起層８としてＡｇ、高誘電率層９ＡとしてＴｉＯ₂、高誘電率層９Ｂとして多孔質ＳｉＯ₂をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、０．５ｍｍ、７０ｎｍ、０．１ｍｍ、５０ｎｍ、０．５ｍｍ、１０ｎｍとした。また、キャリア生成層６の発光波長を４６０ｎｍとして計算した。ここで、波数ベクトル変換層１８の材質をＴｉＯ₂、周期構造の深さ、ピッチ、デューティ比をそれぞれ、２００ｎｍ、２８０ｎｍ、０．５に設定した。この条件下における出射光は、円環状ではなく、ガウス関数状の配光分布を有しているが、ピッチを２８０ｎｍからずらすことでピークが***し、円環状の配向分布が得られる。

図２６に、上記の各層の厚さを加味して計算した第１の実施形態の光源装置５０の出射光における角度分布を示す。図２６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。

なお、簡単化のために、計算を２次元で行った。光学素子５０から出射した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の光それぞれに対して±１。７（ｄｅｇ）であった。

したがって、実施形態の光源装置５０によれば、光源装置５０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１０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。

第２の実施例において、プラズモン励起層８の出射側部分及び入射側部分の実効誘電率は、式（１）よりそれぞれ、９．８、２．０となる。さらに、表面プラズモンの出射側及び入射側におけるｚ方向の波数の虚部は、式（２）よりそれぞれ、０、１．２８×１０⁷となる。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、１／Ｉｍ（ｋ_spp、_z）より、表面プラズモンの有効相互作用距離は、出射側部分及び入射側部分でそれぞれ、無限大、７８ｎｍとなる。

（第３の実施例）
図２７は高誘電率層９Ｂを備えることによる高輝度化の効果を示す図である。横軸は光の波長、縦軸は光強度を示している。また、スペクトルは発光強度がピークとなる角度ごとで比較している。導光体２としてＡｉｒ、低誘電率層７としてＡｉｒ、キャリア生成層６として発光のピーク波長が６４０ｎｍの量子ドット蛍光体、高誘電率層９ＢとしてＺｒＯ₂（誘電率：４）またはＳｉＯ₂（誘電率２．２）、プラズモン励起層８としてＡｇ、高誘電率層９ＡとしてＴｉＯ₂、をそれぞれ用い、それぞれの厚さを、無限大、無限大、４０ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍ、０．５ｍｍとした。波数ベクトル変換層１０には直系１０ｍｍ、屈折率２．０の半球レンズを用い、励起光には波長４４０ｎｍのレーザダイオードを用いた。

高誘電率層９Ｂとしてより誘電率の高いＺｒＯ_２を用いた方がより誘電率の低いＳｉＯ_２を用いた方より高い光強度つまり、輝度が得られた。
また、副次的な効果として発光スペクトルが先鋭化した。これは発光の色純度が求められる用途には好ましい結果である。

なお、本実施形態の光源装置は、画像表示装置の光源装置として用いられるのに好適であり、投射型表示装置が備える光源装置や、液晶パネル（ＬＣＤ）の直下型光源装置、いわゆるバックライトとして携帯型電話機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の電子機器に用いられてもよい。

最後に、上述した実施形態の光源装置が適用される投射型表示装置としてのＬＥＤプロジェクタについて簡単に説明する。図２８に、実施形態の投射型表示装置の模式図を示す。

図２８に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタは、上述した実施形態の光学素子５１と、この光学素子５１からの出射光が入射する液晶パネル５２と、この液晶パネル５２からの出射光をスクリーン等の投射面５５上に投射する投射レンズを含む投射光学系５３と、を備えている。

ＬＥＤプロジェクタが備える光源装置５０は、指向性制御層が設けられた導光体２の一側面に、赤（Ｒ）光用ＬＥＤ５７Ｒ、緑（Ｇ）光用ＬＥＤ５７Ｇ、及び青（Ｂ）光用ＬＥＤ５７Ｂがそれぞれ配置されている。光源装置５０の指向性制御層が有するキャリア生成層は、赤（Ｒ）光用、緑（Ｇ）光用、及び青（Ｂ）光用の蛍光体を含んでいる。

図２９に、実施形態のＬＥＤプロジェクタに用いられる発光素子１の波長と、蛍光体の励起波長及び発光波長の強度との関係を示す。図２９に示すように、Ｒ光用ＬＥＤ５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５７Ｂの発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓと、蛍光体の励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａはそれぞれほぼ等しく設定されている。また、これら発光波長Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓ及び励起波長Ｒａ、Ｇａ、Ｂａと、蛍光体の発光波長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ＬＥＤ５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５７Ｂの発光スペクトルは、それぞれの蛍光体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、蛍光体の発光スペクトルは、蛍光体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。

ＬＥＤプロジェクタでは、時分割方式を採っており、図示しない制御回路部によって、Ｒ光用ＬＥＤ５７Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５７Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５７Ｂのいずれか１つのみが発光するように切り換えられる。

本実施形態のＬＥＤプロジェクタによれば、上述した実施形態の光源装置５０を備えることで、投射映像の輝度を向上することができる。

なお、実施形態のＬＥＤプロジェクタとして、単板型液晶プロジェクタの構成例を挙げたが、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に液晶パネルを備える３板型液晶プロジェクタに適用されてもよいことは勿論である。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができ、各実施形態のうち、組み合わせ可能な実施形態を組み合わせることで、各実施形態特有の効果を相乗したものとすることができる。

この出願は２０１１年６月１７日に出願された日本出願特願２０１１−１３５０３２号、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−１３２２号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。

Claims (14)

1. 光が入射する入射面と、
   前記入射面の上に積層され、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入射面から入射した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、
   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に変換して出射する出射層と、を備え、
   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、
   前記プラズモン励起層を境に、前記出射層側となる出射側部分の実効誘電率が、前記キャリア生成層側となる入射側部分の実効誘電率よりも高く、
   前記プラズモン励起層と前記キャリア生成層との間の誘電率が、前記キャリア生成層と、前記入射面との間の誘電率よりも高い光学素子。
2. 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前記プラズモン励起層の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布と、
   に基づいて決定される請求項１に記載の光学素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学素子において、
   前記実効誘電率は、実効誘電率ε_effであって、該実効誘電率ε_effが、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k_spp、_z、虚数単位をｊとすれば、
   

   

   または、
   

   

   を満たし、
   かつ、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が、
   前記プラズモン励起層の誘電率の実部をε_metal、真空中での光の波数をk₀とすれば、
   

   

   

   を満たしている光学素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学素子において、
   前記プラズモン励起層の前記出射層側、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率層を備える光学素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学素子において、
   前記プラズモン励起層は、異なる金属材料からなる複数の金属層が積層されて構成されている光学素子。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学素子において、
   前記プラズモン励起層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔのうちのいずれか１つ、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む合金からなる光学素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の光学素子において、
   前記入射面と前記キャリア生成層との間に設けられ、前記発光素子の周波数よりも高いプラズマ周波数を有する別のプラズモン励起層を更に備える光学素子。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光学素子において、
   前記出射層は、表面周期構造を有している光学素子。
9. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光学素子において、
   前記出射層は、フォトニック結晶からなる光学素子。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の光学素子において、
    前記低誘電率層は、支柱により密閉された気体である光学素子。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の光学素子を用いた光源装置であって、
    前記入射面の下に積層された導光体と、
    発生した光を前記導光体へ入射する発光素子と、を備えた光源装置。
12. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の光学素子を用いた光源装置であって、
    前記入射面を、発生した光を出射する出射面とするＬＥＤを備えた光源装置。
13. 請求項１１または請求項１２記載の光源装置において、
    前記光学素子から入射す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光源装置。
14. 請求項１１ないし１３のいずれかに記載の光源装置と、
    前記光源装置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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